一种变焦投影镜头及投影系统的制作方法

1.本发明涉及光学镜头技术领域，尤其涉及一种变焦投影镜头及投影系统。


背景技术：

2.随着投影市场的发展，用户对产品呈现多元化的需求方向，投影的使用得到大范围的推广，在不同的场所和环境下使用投影的需求也越来越多，如家庭影院、教室教学、会议室、户外休闲等等，这使得体积小、便携度高、性能更优的投影仪深受市场和广大消费者的青睐。
3.目前市场常规投影镜头受限于芯片100％偏置设置和投影画面高亮的需求，fno一般在f1.7，这就使得镜头有较大的口径，并且系统轴外像差和畸变极大影响镜头性能，导致投影仪体积、重量大，成本高，不方便移动，mtf性能不足，投影清晰度低。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种变焦投影镜头，解决目前技术中的投影镜头体积、重量大，成本高，投影清晰度低的问题。
5.为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：
6.一种变焦投影镜头，包括由放大侧至缩小侧方向依次设置的第一镜片组、第二镜片组以及第三镜片组，各透镜组的光焦度依次为负、正和正，第一镜片组用于调焦，第二镜片组用于变焦，第三镜片组为固定组，第二镜片组包括由放大侧至缩小侧依次设置的光焦度都为正的第一变焦组、第二变焦组和第三变焦组，第三变焦组与第二变焦组之间设置有光阑，第一变焦组、第二变焦组和第三变焦组分别沿着光轴移动以进行变焦，所述光阑随第三变焦组同步移动。本发明所述的变焦投影镜头中的第一镜片组有效发散光束以保证投影出大尺寸影像画面，第二镜片组调整光束口径并有效汇聚光线，能与第一镜片组的产生的畸变、球差相补偿，实现高成像质量，减小光阑开口口径，有效减小投影镜头的整体占用体积，提高结构紧凑性，重量轻，实现高性能的连续变焦，能在同一投影距离下支持画面尺寸的连续变化。
7.进一步的，第一镜片组包括由放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜和第二透镜都为凸向放大侧的弯月负透镜，所述第三透镜为双凹负透镜，所述第四透镜为双凸正透镜。第一透镜和第二透镜能共同收束更多光线进入光学系统，并使大角度光线入射角平缓，有效校正场曲。
8.进一步的，所述第一透镜为非球面负透镜，第一透镜的两侧表面分别为偶次非球面，有效的轴外像差及畸变机械能校正。
9.进一步的，第一变焦组包括第五透镜，所述第五透镜为弯月正透镜。
10.进一步的，第二变焦组包括第六透镜，所述第六透镜为双凸正透镜，镜片数量少，减小镜头体积。
11.进一步的，所述第六透镜的靠缩小侧的表面的曲率半径绝对值大于500mm，所述第
一镜片组中包含的第四透镜的靠放大侧的表面的曲率半径绝对值大于500mm。所述第六透镜的靠缩小侧的表面以及第四透镜的靠放大侧的表面近似为平面，第六透镜和第四透镜能产生负向畸变，可以对正向畸变进行校正，并且第六透镜位于光阑的放大侧，可以有效汇聚光线，减小光阑开口口径，进而减小镜头的整体体积。
12.进一步的，第三变焦组包括相邻于光阑设置的合成焦距为正的三胶合透镜，所述三胶合透镜包括由放大侧至缩小侧方向依次胶合连接的屈光度为正、负、正的三个透镜。既能有效的消除色差，又能矫正系统球差。
13.进一步的，三胶合透镜中屈光度为正的透镜的折射率低于屈光度为负的透镜的折射率，屈光度为正的透镜的阿贝数高于屈光度为负的透镜的阿贝数。
14.进一步的，三胶合透镜中屈光度为正的两个透镜分别采用不同的低色散材料制成，所述低色散材料为阿贝数大于65的材料。
15.进一步的，第三变焦组还包括在三胶合透镜的缩小侧依次设置的第十透镜和第十一透镜，第十透镜为双凹负透镜，所述第十一透镜为双凸非球面透镜，第十一透镜的两侧表面分别为偶次非球面，能够有效矫正系统像差，改善边缘场曲，提升成像性能。
16.进一步的，第三镜片组包括第十二透镜，所述第十二透镜为双凸正透镜，镜片数量少，减小镜头体积，在光学系统中汇聚光学进入dmd，实现小远心角。
17.进一步的，从广角端向望远端的变焦过程中，第一变焦组、第二变焦组和第三变焦组均向放大侧移动。
18.进一步的，在变焦过程中所述第一镜片组以及第三镜片组位置不变，成像面的位置不变，在变焦过程中可始终维持成像面位置不变，能够在成像面位置不变的情况的调节投影画面大小，保障投影画面始终清晰，无需调焦动作。
19.进一步的，所述变焦投影镜头的变焦比为eflt/eflw≥1.5，bfl/eflw》2.37，广角端时的相对孔径光圈数fno≤2.2，望远端时的相对孔径光圈数fno≤2.6，镜头总长焦距比ttlw/eflw≤12.38，广角端时的远心角taw≤1
°
，望远端时的远心角tat≤1.78
°
；其中，eflt为望远端时的有效焦距，eflw为广角端时的有效焦距，ttlw为广角端时镜头总长。通过优化光学系统包含的各透镜的曲率、材料、间隔以及非球面系数之间的配合，得到一种小口径高性能低畸变变焦投影镜头，fno为镜头有效焦距与光圈直径的比值，在镜头有效焦距保持不变的情况下，光圈直径越小，系统整体尺寸越小，体积越小、重量越轻、成本越低，投影镜头在空间极限频率93lp/mm处，各个焦段mtf值均处于良好状态，畸变较小，结构简单，成像质量好。
20.一种投影系统，其特征在于，包括上述的变焦投影镜头以及dmd，所述dmd偏置放置以使出射画面向上偏置，实现出射光束高于投影镜头位置，投影画面不会被投影镜头遮挡。
21.与现有技术相比，本发明优点在于：
22.本发明所述的变焦投影镜头能够减小光阑开口口径，镜片数量少，有效减小投影镜头的整体占用体积，提高结构紧凑性，重量轻，成本低，有效改善色差、抑制畸变发生，实现高成像质量，实现高性能的连续变焦，能在同一投影距离下支持画面尺寸的连续变化，在成像面位置不变的情况的调节投影画面尺寸大小并保障投影画面始终清晰。
附图说明
23.图1为本发明的变焦投影镜头处于广角端的示意图；
24.图2为本发明的变焦投影镜头处于望远端的示意图。
25.图中：
26.第一镜片组g1、第三镜片组g3、第一变焦组g21、第二变焦组g22、第三变焦组g23、第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4、第五透镜l5、第六透镜l6、第七透镜l7、第八透镜l8、第九透镜l9、第十透镜l10、第十一透镜l11、第十二透镜l12、光阑10、dmd11、振镜12。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明实施例公开的一种变焦投影镜头，体积小、重量轻、成本低，能在同一投影距离下支持画面尺寸连续变化，投影清晰度高、画面质量好。
29.如图1和图2所示，一种变焦投影镜头，包括由放大侧至缩小侧方向依次设置的第一镜片组g1、第二镜片组以及第三镜片组g3，各透镜组的光焦度依次为负、正和正，第一镜片组g1用于调焦，第二镜片组用于变焦，第三镜片组g3为固定组，第二镜片组包括由放大侧至缩小侧依次设置的光焦度都为正的第一变焦组g21、第二变焦组g22和第三变焦组g23，第三变焦组g23与第二变焦组g22之间设置有光阑10，第一变焦组g21、第二变焦组g22和第三变焦组g23分别沿着光轴移动以进行变焦，所述光阑10随第三变焦组g23同步移动。
30.在本实施例中，第一镜片组g1包括由放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4，所述第一透镜l1和第二透镜l2都为凸向放大侧的弯月负透镜，第一透镜l1与第二透镜l2有效矫正场曲，并使大角度光线入射角平缓，收束更多光线进入，所述第三透镜l3为双凹负透镜，所述第四透镜l4为双凸正透镜，所述第一透镜l1为塑胶非球面负透镜，并且第一透镜l1的放大侧表面以及缩小侧表面分别为偶次非球面，利用非球面镜片来修正畸变与像散。
31.第一变焦组g21仅包括第五透镜l5，所述第五透镜l5为弯月正透镜，镜片数量少，有利于减小镜头体积，提高结构紧凑性。
32.第二变焦组g22仅包括第六透镜l6，所述第六透镜l6为双凸正透镜，镜片数量少，有利于减小镜头体积；所述第六透镜l6的靠缩小侧的表面的曲率半径绝对值大于500mm，所述第一镜片组中包含的第四透镜l4的靠放大侧的表面的曲率半径绝对值大于500mm，上述两个表面近似为平面，换言之，第四透镜l4和第六透镜l6两者都近似为平凸透镜，以产生负向畸变来矫正正向畸变，第六透镜l6位于光阑10的出光侧，有效汇聚光线，减小光阑10口径，减小镜头体积。
33.第三变焦组g23包括由放大侧至缩小侧方向依次设置的三胶合透镜、第十透镜l10和第十一透镜l11，所述三胶合透镜相邻于光阑10设置，并且所述三胶合透镜的合成屈光度为正，所述三胶合透镜由屈光度为正、负、正的三个透镜胶合而成，具体的，三胶合透镜由放
大侧至缩小侧方向依次设置的第七透镜l7、第八透镜l8和第九透镜l9，所述第七透镜l7为双凸正透镜，第八透镜l8为双凹负透镜，第九透镜l9为双凸正透镜，其中的第七透镜l7和第九透镜l9的折射率低于第八透镜l8的折射率，七透镜l7和第九透镜l9的阿贝数高于第八透镜l8的阿贝数，并且，第七透镜l7与第九透镜l9分别采用不同的低色散材料制成，所述低色散材料具体指阿贝数大于65的材料，针对应用波段进行折射率、阿贝数的搭配和透镜形状的优化，使色差和球差得到很好的矫正，第十透镜l10为双凹负透镜，所述第十一透镜l11为玻璃双凸非球面透镜，第十一透镜l11的放大侧侧表面和缩小侧表面分别为偶次非球面。
34.第三镜片组g3仅包括第十二透镜l12，所述第十二透镜l12为双凸正透镜，镜片数量少，有利于减小镜头体积，第十一透镜l11和第十二透镜l12都为正焦距透镜，实现小远心角，由于第三镜片组g3为固定设置的透镜，在整个变焦过程中，后截距均保持不变。
35.从广角端向望远端的变焦过程中，第一变焦组g21、第二变焦组g22和第三变焦组g23均向放大侧移动，并且在变焦过程中所述第一镜片组g1以及第三镜片组g3位置不变，成像面的位置不变，换言之，用户进行变焦调节时始终维持成像面固定不动并且调节投影画面尺寸大小，无需调节调焦前群即可维持投影画面始终清晰。
36.一种投影系统，包括上述的变焦投影镜头以及dmd11，所述dmd11偏置放置以使出射画面向上偏置，实现出射光束高于投影镜头位置，投影画面不会被投影镜头遮挡，dmd11与变焦投影镜头之间还设置有振镜12，振镜12由驱动电机带动进行抖动工作，使得投影镜头能够同时获得振镜12静止时dmd11自身尺寸固有的分辨率和振镜12工作抖动时的4k高分辨率，配合0.47寸的dmd11在工作距离2215mm处可以投射出254cm(100英寸)画面，镜头在空间极限频率93lp/mm处，各个焦段mtf值均处于良好状态，畸变较小，结构简单，成像质量好。
37.所述变焦投影镜头还满足如下条件，变焦比为eflt/eflw≥1.5，广角端时的相对孔径光圈数fno≤2.2，望远端时的相对孔径光圈数fno≤2.6，镜头总长焦距比ttlw/eflw≤12.38，bfl/eflw》2.37，广角端时的远心角taw≤1
°
，望远端时的远心角tat≤1.78
°
；其中，eflt为望远端时的有效焦距，eflw为广角端时的有效焦距，bfl为光学后焦距，是投影镜头中镜片的最后一面到像面的距离，ttlw为广角端时镜头总长，镜头总长可定义为第一透镜l1的放大侧表面顶点至dmd11像平面的距离。
38.具体的，投影系统的设计参数如表1所示，
39.表1
[0040][0041][0042]
其中，第一透镜l1l1及第十一透镜l11l11为非球面镜片，其余镜片均为球面镜片，非球面多项式公式为：
[0043][0044]
在公式中，z标识非球面沿光轴方向在高度r的位置时距离非球面定点的距离矢高，参数c为半径所对应的曲率，r为透镜径向高度，k为圆锥二次曲线系数(conic constant)、α1～α8分别为二～十六阶对应的非球面系数，如表2所示。
[0045]
表2：
[0046] kα2α3α4α5α6α7α8s10.05.4e-05-2.4e-079.8e-10-2.8e-125.5e-15-6.4e-183.3e-21s20.05.0e-05-1.9e-073.6e-101.3e-12-7.8e-151.8e-171.6e-21s220.0-1.6e-054.0e-07-1.6e-084.5e-10-6.5e-122.4e-145.2e-16s230.0-5.6e-08-2.0e-072.0e-08-8.6e-102.3e-11-3.6e-133.5e-15
[0047]
表3中列出了本实施例的变焦投影镜头分别处于广角端时和望远端时的对应的表1中的间隔d1～d4：
[0048]
表3
[0049]
间隔(mm)d1d2d3d4广角端15.915.76.34.0望远端5.05.915.715.3
[0050]
本实施例提供一款光圈数f2.2，畸变小于0.3％，焦距10.5～15.8mm连续变焦的投影镜头，镜头结构紧凑，实施成本低，在2390mm的投影位置处，当处于广角端时形成对角线100英寸的画面，当处于望远端时形成对角线66英寸的画面，对投影镜头各镜片曲率半径，材料，厚度，空气间隔以及两个非球面镜片进行优化设计，实现了光圈口径小、体积小、重量轻、成本低、色差小、畸变小以及高成像性能，可量产性高，便于批量生产。
[0051]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种变焦投影镜头，其特征在于，包括由放大侧至缩小侧方向依次设置的第一镜片组、第二镜片组以及第三镜片组，各透镜组的光焦度依次为负、正和正，第一镜片组用于调焦，第二镜片组用于变焦，第三镜片组为固定组，第二镜片组包括由放大侧至缩小侧依次设置的光焦度都为正的第一变焦组、第二变焦组和第三变焦组，第三变焦组与第二变焦组之间设置有光阑，第一变焦组、第二变焦组和第三变焦组分别沿着光轴移动以进行变焦，所述光阑随第三变焦组同步移动。2.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，第一镜片组包括由放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜和第二透镜分别为凸向放大侧的弯月负透镜，所述第三透镜为双凹负透镜，所述第四透镜为双凸正透镜。3.根据权利要求2所述的变焦投影镜头，其特征在于，所述第一透镜为非球面负透镜，第一透镜的两侧表面分别为偶次非球面。4.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，第一变焦组包括第五透镜，所述第五透镜为弯月正透镜。5.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，第二变焦组包括第六透镜，所述第六透镜为双凸正透镜。6.根据权利要求5所述的变焦投影镜头，其特征在于，所述第六透镜的靠缩小侧的表面的曲率半径绝对值大于500mm，所述第一镜片组中包含的第四透镜的靠放大侧的表面的曲率半径绝对值大于500mm。7.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，第三变焦组包括相邻于光阑设置的合成屈光度为正的三胶合透镜，所述三胶合透镜包括由放大侧至缩小侧方向依次胶合连接的屈光度为正、负、正的三个透镜。8.根据权利要求7所述的变焦投影镜头，其特征在于，三胶合透镜中屈光度为正的透镜的折射率低于屈光度为负的透镜的折射率，屈光度为正的透镜的阿贝数高于屈光度为负的透镜的阿贝数。9.根据权利要求7所述的变焦投影镜头，其特征在于，三胶合透镜中屈光度为正的两个透镜分别采用不同的低色散材料制成，所述低色散材料为阿贝数大于65的材料。10.根据权利要求7所述的变焦投影镜头，其特征在于，第三变焦组还包括在三胶合透镜的缩小侧依次设置的第十透镜和第十一透镜，第十透镜为双凹负透镜，所述第十一透镜为双凸非球面透镜，第十一透镜的两侧表面分别为偶次非球面。11.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，第三镜片组包括第十二透镜，所述第十二透镜为双凸正透镜。12.根据权利要求1至11任一项所述的变焦投影镜头，其特征在于，从广角端向望远端的变焦过程中，第一变焦组、第二变焦组和第三变焦组均向放大侧移动。13.根据权利要求1至11任一项所述的变焦投影镜头，其特征在于，在变焦过程中所述第一镜片组以及第三镜片组位置不变，成像面的位置不变。14.根据权利要求1至11任一项所述的变焦投影镜头，其特征在于，所述变焦投影镜头的变焦比为eflt/eflw≥1.5，bfl/eflw>2.37，广角端时的相对孔径光圈数fno≤2.2，望远端时的相对孔径光圈数fno≤2.6，镜头总长焦距比ttlw/eflw≤12.38，广角端时的远心角taw≤1
°
，望远端时的远心角tat≤1.78
°
；其中，eflt为望远端时的有效焦距，eflw为广角端
时的有效焦距，ttlw为广角端时镜头总长。15.一种投影系统，其特征在于，包括权利要求1至14任一项所述的变焦投影镜头以及dmd，所述dmd偏置放置以使出射画面向上偏置。

技术总结
本发明公开一种变焦投影镜头，包括由放大侧至缩小侧方向依次设置的第一镜片组、第二镜片组以及第三镜片组，各透镜组的光焦度依次为负、正和正，第一镜片组用于调焦，第二镜片组用于变焦，第三镜片组为固定组，第二镜片组包括由放大侧至缩小侧依次设置的光焦度都为正的第一变焦组、第二变焦组和第三变焦组，第三变焦组与第二变焦组之间设置有光阑，第一变焦组、第二变焦组和第三变焦组分别沿着光轴移动以进行变焦，光阑随第三变焦组同步移动。本发明实现高成像质量，减小光阑开口口径，减小整体占用体积，提高结构紧凑性，重量轻，实现高性能的连续变焦，能在同一投影距离下支持画面尺寸的连续变化。寸的连续变化。寸的连续变化。


技术研发人员：陈怡学 杨峰 秦志鹏
受保护的技术使用者：宜宾市极米光电有限公司
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2023/8/24