一种大视场小体积的超短焦投影镜头的制作方法

1.本发明涉及投影镜头技术领域，具体为一种大视场小体积的超短焦投影镜头。


背景技术：

2.近年来随着商务、娱乐以及家庭影院的兴起，超短焦投影镜头由于投影距离短，不占空间，投影幅面大，有着良好的观赏效果，故而受到市场的青睐。
3.目前实现短距离大幅面的投影效果的常见方式有两种：一种是使用传统的折射镜头，一般为反远距型的广角镜头，镜头镜片数量多，成本高，畸变大，幅面大小仍然比较有限。另一种是采用折射镜头加反射镜组合而成的折反式镜头，这种折反式镜头容易实现大的幅面，缺点是含有较多的非球面镜片，一般4～5片，开模成本高，生产良率低，为节约成本，使用塑料非球面透镜，往往存在虚焦现象。
4.例如在专利cn103777314a一种广角投影镜头，其使用凹面混合式架构所设计的大光圈(f/1.67)广角投影镜头。广角镜头包括折射系统及反射系统，而其中折射系统包括多个球面透镜及至少一个非球面透镜的第一透镜群及包括至少二个非球面透镜及至少一个球面透镜的第二透镜群，该至少二个非球面透镜中任两者之间设置有该至少一个球面透镜，其有效焦距(effective focal length,effl)＝
‑
2.89mm、焦数(f/#)＝1.67、偏移量(offset)＝122％、解析能力可达67lp/mm、可投影出的画面尺寸为40～60吋、投影距离为282～418mm以及投射比为0.274～0.278，投影比大，无法实现在较短的投影距离实现较大的投影幅面。
5.为了达到投影幅面大、工艺性好、成本低、高温下不虚焦的投影效果，设计一种大视场小体积的超短焦投影镜头是很有必要的。


技术实现要素：

6.针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种大视场小体积的超短焦投影镜头，为了达到投影幅面大、工艺性好、成本低、高温下不虚焦的投影效果，本发明专利使用多个三胶合透镜，将较大的组装公差转换为较小的胶合公差，提升组装的工艺性，量产良率高，且绝大多数镜片使用台阶定位，尽可能避免镜片组装时容易出现的倾斜现象，工艺性好。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大视场小体积的超短焦投影镜头，包括折射镜组以及反射镜组，其中折射镜组包括：
8.至少包含一个非球面透镜和至少一个胶合透镜的第一透镜组；
9.包含一个弱光焦度非球面透镜及其他球面透镜的第二透镜组；
10.最靠近反射镜组的折射透镜为非球面透镜的第三透镜组；
11.反射镜组包括一片非球面反射镜。
12.优选的，第一透镜组中非球面透镜靠近芯片，为折射系统的第一非球面透镜；
13.第一透镜组中的胶合透镜为三胶合透镜，三胶合透镜中单透镜的光焦度分布为：
正
‑
负
‑
正；
14.第二透镜组由一个正透镜、一个负透镜和一个弱光焦度非球面透镜组成，其中弱光焦度非球面透镜靠近第三透镜组；
15.第二透镜组可沿轴向前后移动；
16.第三透镜组的非球面透镜靠近反射镜组。
17.优选的，第一透镜组的胶合透镜中，负透镜为高折射率(nd≥1.83)低阿贝数(vd≤32)材质，正透镜为低折射率(nd≤1.50)高阿贝数(vd≥70)材质；
18.第二透镜组的弱光焦度非球面透镜的光焦度接近于零，且为负，光焦度在
‑
0.003～0的范围内；
19.第三透镜组的胶合透镜为三胶合透镜，并靠近第二透镜组，胶合透镜的单透镜的阿贝数vd都在40以内，负透镜的折射率nd大于正透镜。
20.优选的，第一透镜组中非球面透镜至少有一个表面是凸面；
21.第一透镜组中三胶合透镜的轮廓形状为两侧凸起的鼓型透镜或者是均弯向光阑的厚弯月透镜；
22.第二透镜组中正负单透镜之间形成弯月空气透镜；
23.第三透镜组中三胶合透镜的外侧轮廓为两侧凸起的鼓型透镜。
24.优选的，由物侧至像侧顺序，所述第一透镜组包括：第一非球面透镜和第一胶合透镜，其中第一胶合透镜依次由第一球面正透镜、第二球面负透镜以及第三球面正透镜胶合而成。
25.优选的，由物侧至像侧顺序，所述第二透镜组包括：第四球面正透镜、第五球面负透镜以及第二非球面透镜。
26.优选的，由物侧至像侧顺序，所述第三透镜组包括：第二胶合透镜和第二非球面透镜，其中第二胶合透镜依次由第六球面正透镜，第七球面负透镜以及第八球面正透镜胶合而成。
27.本发明的有益效果为：
28.1、具有投影幅面大，工艺性好，成本低，高温下不虚焦的优点；
29.2、使用多个三胶合透镜，将较大的组装公差转换为较小的胶合公差，提升组装的工艺性，量产良率高，且绝大多数镜片使用台阶定位，尽可能避免镜片组装时容易出现的倾斜现象，工艺性好；
30.3、第二非球面透镜和第三非球面透镜使用塑料镜片，相对于玻璃非球面透镜，其降低了镜片的单价以及模具费用，使其具有成本优势，而且两个塑料镜片，通过两个非球面面型的匹配，实现不同温度下的像质互补，使得镜头在20℃～60℃之间不发生虚焦现象。
附图说明
31.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
32.图1为本发明的超短焦投影镜头的结构示意图；
33.图2(a)、图2(b)以及图2(c)分别为本发明的第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组的结构示意图；
34.图3为本发明投影镜头的光线路径示意图；
35.图4为光线经过本发明投影镜头的实际场景示意图；
36.图5为本发明成像质量的模拟图，其中图5(a)和图5(b)分别为本发明的超短焦投影镜头在20℃下，36英寸和63英寸投影画面时，屏幕处的垂轴色差图，36英寸投影画面尺寸时，像素大小为833um，63英寸投影画面尺寸时，像素大小为1458um；
37.图6为本发明成像质量的模拟图，其中图6(a)和图6(b)分别为本发明的超短焦投影镜头在20℃下，36英寸和63英寸投影画面时，屏幕处的横向光扇图，图6(a)的比例尺为
±
1000um，图6(b)的比例尺为
±
2000um；
38.图7为本发明成像质量的模拟图，其中图7(a)和图7(b)分别为本发明的超短焦投影镜头在36英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的mtf图，36英寸投影画面下，mtf观察线对为0.61lp/mm；
39.图8为本发明成像质量的模拟图，其中图8(a)和图8(b)分别为本发明的超短焦投影镜头在63英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的mtf图，63英寸投影画面下，mtf观察线对为0.34lp/mm；
40.主要组件符号说明：
[0041][0042]
具体实施方式
[0043]
本申请所提出的发明将可由以下的具体实施例说明而得到充分的理解，使得本领域的技术人员可以完成，然而申请之实施例并非可由下列实施例而被限制其实施形态，熟悉本技艺之人士可依据既揭露之实施例的精神推演其他实施例，该等实施例皆当属于本发明之范围。譬如，将胶合透镜的胶合面拆开，代以薄的空气间隙，并且单透镜轮廓形状保持类似，应视为本发明专利的适当延伸，在本专利的保护范围之内。
[0044]
参考图1
‑
4，其为本发明的超短焦投影镜头的结构示意图，依光线传播之先后顺序，本发明的超短焦投影镜头100具有一光轴105，且该投影镜头100包括芯片101，芯片保护玻璃102、等效棱镜103、振镜104、第一透镜组110、第二透镜组120，第三透镜组130，反射镜
组140。其中第一透镜组110依光线传播之先后顺序，依次包含第一非球面透镜111，第一球面透镜112、第二球面透镜113以及第三球面透镜114,其中第一非球面透镜111有效地校正球差和保证芯片侧光束远心,第一球面透镜112、第二球面透镜113以及第三球面透镜114主要负责色差和二级光谱的校正，通过优化透镜材质和胶合半径，可以对像散和彗差具有校正作用。第二透镜组120依光线传播之先后顺序，依次包含光阑孔121、第四球面透镜122、第五球面透镜123以及第二非球面透镜124，第二非球面透镜124的主要作用是校正不同投影距离引起的像差，而且第四球面透镜122和第五球面透镜123可以根据像差的情况，可以交换两者的位置；第三透镜组130依光线传播之先后顺序，依次包含第六球面透镜131、第七球面透镜132、第八球面透镜133以及第三非球面透镜134，第三非球面透镜134的光焦度为负，其主要作用一个是将各个视场的接近平行的光束会聚成一个像点，为反射镜组140提供一个实像点，另一个是与反射镜组140一起校正不同视场的像散和畸变，第六球面透镜131、第七球面透镜132和八球面透镜133主要是利用胶合面产生的高级像差，对彗差、像散进行有效校正，当第一透镜组110色差校正不足时，第六球面透镜131、第七球面透镜132和八球面透镜133还可以调整透镜的阿贝数来起到补偿色差的作用；反射镜组140仅包含一个非球面反射镜,第二非球面透镜124和第三非球面透镜134使用塑料镜片，相对于玻璃非球面透镜，其降低了镜片的单价以及模具费用，使其具有成本优势，而且两个塑料镜片，通过两个非球面面型的匹配，实现不同温度下的像质互补，使得镜头在20℃～60℃之间不发生虚焦现象。
[0045]
本发明的芯片101，其一般包括数字微镜阵列(dmd)以及反射式硅基板液晶显示(lcos)。
[0046]
参考图2(a)，为本发明的第一透镜组结构示意图，其中，第一非球面透镜111位于第一透镜组的最左侧，靠近芯片101，为折射系统的第一非球面透镜，至少有一个表面是凸面；第一球面透镜112、第二球面透镜113以及第三球面透镜114胶合成一个轮廓形状为两侧凸起类似于鼓型透镜的三胶合透镜，其中，第一球面透镜112以及第三球面透镜114均为双凸正透镜，且具有低折射率(nd≤1.50)高阿贝数(vd≥70)，第二球面透镜113为双凹负透镜，且具有高折射率(nd≥1.83)低阿贝数(vd≤32)。
[0047]
在第一透镜组中，第一非球面透镜111表面上各个视场的光束相对分散，重叠区域相对该组中其他透镜较少，在使用非球面面型时，可以较为有利地校正不同视场的光线角度和像差，使系统保持物方远心状态，提高亮度；第一球面透镜112、第二球面透镜113以及第三球面透镜114胶合而成的三胶合透镜，其材质选择起到校正垂轴色差以及二级光谱的重要作用，胶合面则主要承担对像散和彗差的校正。
[0048]
参考图2(b)，为本发明的第二透镜组结构示意图，其中，光阑孔121最靠近第一透镜组；第四球面透镜122为正透镜，第五球面透镜123为负透镜，这两个透镜之间形成弯月空气间隔，该空气间隔有利于像散的校正；第二非球面透镜124的光焦度接近于零，且为负，光焦度在
‑
0.003～0的范围内，并且靠近第三透镜组；第二透镜组120可在不同的投影距离下，通过沿光轴105移动，实现投影画面的清晰聚焦；第二非球面透镜124的弱光焦度使得其在移动的过程中对系统的总光焦度几乎不产生影响，通过其表面的高阶非球面系数，对中等视场和边缘视场的光线进行微调，使之得以兼容不同投影距离带来的微妙的像差变化。
[0049]
参考图2(c)，为本发明的第三透镜组结构示意图，其中，第六球面透镜131、第七球面透镜132以及第八球面透镜133胶合而成一个三胶合透镜，三胶合透镜的外侧轮廓为两侧
凸起的鼓型透镜；第六球面透镜131以及第八球面透镜133为正透镜，第七球面透镜132为负透镜，这三个透镜的阿贝数vd都在40以内，负透镜的折射率nd大于正透镜；第三非球面透镜134靠近反射镜组；第三非球面透镜134的主要作用是将各个视场的光束会聚成不同位置的实像点，与反射镜组140配合，对镜头的场曲和畸变进行校正。
[0050]
上述设计例的光学参数值显示如下表1，且上述非球面曲线的方程如下：
[0051][0052]
公式中，c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位与透镜长度单位相同，k为圆锥系数，r2～r
16
分别表示各径向坐标所对应的系数。
[0053]
图5(a)和图5(b)分别为在20℃下，36英寸和63英寸投影画面时，屏幕处的垂轴色差图。垂轴色差描述的是各个视场位置的不同光波的主光线在像面处高度方向上的差值，这个差异越小说明该系统的色差越小，成像质量越好。36英寸投影画面尺寸时，像素大小为833um，63英寸投影画面尺寸时，像素大小为1458um。在各个物面高度上，可以看到每一处位置的横向色差不超过0.6像素，具有低横向色差的特征。
[0054]
图6(a)和图6(b)分别为在20℃下，36英寸和63英寸投影画面时，屏幕处的横向光扇图。横坐标表示归一化入瞳，纵坐标是光线在像面偏离主光线的值。其横轴为图6(a)的比例尺为
±
1000um，图6(b)的比例尺为
±
2000um。由横向光扇图可以看出，小孔径和中等孔径的曲线比较靠近横轴，成像质量良好，边缘孔径光线较为发散，这在一定程度上可以柔和芯片像素与像素之间的拼接缝隙，降低观影时的颗粒感。
[0055]
图7(a)和图7(b)分别为，在36英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的mtf图。36英寸投影画面下，mtf观察线对为0.61lp/mm。mtf图，代表光学系统的综合解析能力，图中横轴表示空间频率，单位：圈数每毫米(cycles/mm)。纵轴表示调制传递函数(mtf)的数值，所述mtf的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0～1，mtf曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强，各个视场的曲线重合程度越好，像质的一致性就越好。从图7(a)和图7(b)可以看出，环境温度20℃时，可见光波段在空间频率为0.61lp/mm时，全视场的mtf>0.45，即使环境温度上升到60℃时，mtf也仅是边缘视场下降到0.38，其他视场区域像质良好。
[0056]
图8(a)和图8(b)分别为，在63英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的mtf图。63英寸投影画面下，mtf观察线对为0.34lp/mm。从图8(a)和图8(b)可以看出，环境温度20℃时，可见光波段在空间频率为0.34lp/mm时，全视场的mtf>0.5，即使环境温度上升到60℃时，mtf也仅是边缘视场下降到0.4其他视场区域像质良好。
[0057]
以下案例为适用于0.23英寸dmd，投射比tr＝0.25，偏移量offset＝140％，f#＝1.8的超短焦投影镜头。其实际设计参数参考表1～表3。
[0058]
表1：
[0059]
表面类型曲率半径厚度玻璃圆锥系数obj球面无限0.303 0
s1球面无限1.1h
‑
k50s2球面无限0.6 0s3球面无限10.6h
‑
lak7a0s4球面无限2 0s5球面无限2h
‑
k510s6球面无限2 0s7偶次非球面12.229516.995034d
‑
k9
‑
1.173881s8偶次非球面
‑
20.906790.1
ꢀ‑
14.18268s9球面9.8441014.884464h
‑
fk610s10球面
‑
12.765861.2h
‑
zlaf75a0s11球面6.8831755.547932h
‑
fk610s12球面
‑
23.889361.2 0sto球面无限0.1 0s14球面47.04142.8h
‑
zf52tt0s15球面
‑
13.120761.331021 0s16球面
‑
25.298311h
‑
k50s17球面12.0447811.72236 0s18偶次非球面98.964842zeonex_e48r_2017
‑
4.376018s19偶次非球面70.922681.37227 18.39652s20球面35.066228.151171h
‑
f130s21球面
‑
38.267122h
‑
zf520s22球面30.0543910h
‑
zf10s23球面
‑
22.965050.5 0s24偶次非球面
‑
20.340622.5zeonex_e48r_20170.409944s25偶次非球面36.4542560.9064 0.1802212s26偶次非球面
‑
21.80409
‑
200mirror
‑
0.963869ima球面无限
ꢀꢀ0[0060]
表2：
[0061]
非球面系数s7s8s18s19r44.5276439e
‑
05
‑
5.0653998e
‑
05
‑
3.9380086e
‑
04
‑
2.7768702e
‑
04r63.9904713e
‑
075.2588282e
‑
062.9701573e
‑
064.0310948e
‑
06r86.9676861e
‑
09
‑
1.5001246e
‑
08
‑
2.7797740e
‑
08
‑
3.4448570e
‑
08r10
‑
1.5904927e
‑
112.1064032e
‑
11
‑
2.8798843e
‑
111.0676089e
‑
10
[0062]
表3：
[0063]
非球面系数s24s25s26r43.0150050e
‑
04
‑
3.2306589e
‑
056.1061167e
‑
06r6
‑
7.3705723e
‑
07
‑
7.4792351e
‑
08
‑
5.1400698e
‑
09r82.2381753e
‑
095.4567888e
‑
114.5834096e
‑
12r10
‑
5.6382295e
‑
12
‑
5.8739659e
‑
13
‑
1.7232386e
‑
15
[0064]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大视场小体积的超短焦投影镜头，其特征在于：包括折射镜组以及反射镜组，其中折射镜组包括：至少包含一个非球面透镜和至少一个胶合透镜的第一透镜组；包含一个弱光焦度非球面透镜及其他球面透镜的第二透镜组；最靠近反射镜组的折射透镜为非球面透镜的第三透镜组；反射镜组包括一片非球面反射镜。2.根据权利要求1所述的一种大视场小体积的超短焦投影镜头，其特征在于：第一透镜组中非球面透镜靠近芯片，为折射系统的第一非球面透镜；第一透镜组中的胶合透镜为三胶合透镜，三胶合透镜中单透镜的光焦度分布为：正
‑
负
‑
正；第二透镜组由一个正透镜、一个负透镜和一个弱光焦度非球面透镜组成，其中弱光焦度非球面透镜靠近第三透镜组；第二透镜组可沿轴向前后移动；第三透镜组的非球面透镜靠近反射镜组。3.根据权利要求1所述的一种大视场小体积的超短焦投影镜头，其特征在于：第一透镜组的胶合透镜中，负透镜为高折射率(nd≥1.83)低阿贝数(vd≤32)材质，正透镜为低折射率(nd≤1.50)高阿贝数(vd≥70)材质；第二透镜组的弱光焦度非球面透镜的光焦度接近于零，且为负，光焦度在
‑
0.003～0的范围内；第三透镜组的胶合透镜为三胶合透镜，并靠近第二透镜组，胶合透镜的单透镜的阿贝数vd都在40以内，负透镜的折射率nd大于正透镜。4.根据权利要求3所述的一种大视场小体积的超短焦投影镜头，其特征在于：第一透镜组中非球面透镜至少有一个表面是凸面；第一透镜组中三胶合透镜的轮廓形状为两侧凸起的鼓型透镜或者是均弯向光阑的厚弯月透镜；第二透镜组中正负单透镜之间形成弯月空气透镜；第三透镜组中三胶合透镜的外侧轮廓为两侧凸起的鼓型透镜。5.根据权利要求1～4所述的一种大视场小体积的超短焦投影镜头，其特征在于：由物侧至像侧顺序，所述第一透镜组包括：第一非球面透镜和第一胶合透镜，其中第一胶合透镜依次由第一球面正透镜、第二球面负透镜以及第三球面正透镜胶合而成。6.根据权利要求1～4所述的一种大视场小体积的超短焦投影镜头，其特征在于：由物侧至像侧顺序，所述第二透镜组包括：第四球面正透镜、第五球面负透镜以及第二非球面透镜。7.根据权利要求1～4所述的一种大视场小体积的超短焦投影镜头，其特征在于：由物侧至像侧顺序，所述第三透镜组包括：第二胶合透镜和第二非球面透镜，其中第二胶合透镜依次由第六球面正透镜，第七球面负透镜以及第八球面正透镜胶合而成。
技术总结
本发明公开了一种大视场小体积的超短焦投影镜头，包括折射镜组和反射镜组，其中折射镜组包括：至少包含一个非球面透镜和至少一个胶合透镜的第一透镜组，包含一个弱光焦度非球面透镜及其他球面透镜的第二透镜组，最靠近反射镜组的折射透镜为非球面透镜的第三透镜组；反射镜组包括一片非球面反射镜。本发明具有投影幅面大，工艺性好，成本低，高温下不虚焦的优点。点。点。


技术研发人员：黄国豹
受保护的技术使用者：黄国豹
技术研发日：2021.04.26
技术公布日：2021/6/29