CN107422464B - 一种变焦投影光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变焦投影光学系统，在投射方向上依次设置有：第一透镜组，第二透镜组，第三透镜组，第四透镜组，等效棱镜，DMD发光芯片；所述第一透镜组，能相对DMD芯片前后移动，所述第一透镜组的光焦度为负；所述第二透镜组，能相对DMD芯片前后移动，所述第二透镜组的光焦度为正；所述第三透镜组，能相对DMD芯片前后移动，所述第三透镜组的光焦度为正；所述第四透镜组，能相对DMD芯片前后移动，所述第四透镜组的光焦度为正。本发明小体积，分辨率高，变焦时无需对焦画面依然清晰、适用于微投照明，可批量生产。

Description

一种变焦投影光学系统
【技术领域】
本发明涉及一种变焦投影光学系统，尤其涉及一种小体积、高分辨率的变焦投影光学系统。
【背景技术】
近年来随着投影技术的发展，投影机被广泛应用于家用，办公等领域，变焦投影镜头可在固定空间投射出不同大小画面，因其灵活性和方便性深受广大用户喜爱。
目前市场上的变焦投影镜头多数采用两群的设计结构,从Wide端到Tele端，或者从Tele端到Wide端，投射画面大小发生变化，但需要重新调节镜头内部的对焦群画面才能清晰，这种镜头使用起来很不方便；也有少部分镜头能够实现在固定距离下放大或缩小画面后无需对焦，画面依然清晰，但是只适用于3LCD照明系统的结构，使用局限性大，并且为了实现这种功能，系统往往采用较多的镜片，镜头体积大，制造感度高，量产困难，目前市场上还没有变焦投影镜头能够同时克服上述缺点。
因此，本发明正是基于以上的不足而产生的。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供了一种小体积，高分辨率，变焦时无需对焦画面依然清晰、适用于微投照明，可批量生产的变焦投影光学系统。
为解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：一种变焦投影光学系统，其特征在于，在投射方向上依次设置有：第一透镜组，第二透镜组，第三透镜组，第四透镜组，等效棱镜，DMD发光芯片；
所述第一透镜组，能相对DMD芯片前后移动，所述第一透镜组的光焦度为负；
所述第二透镜组，能相对DMD芯片前后移动，所述第二透镜组的光焦度为正；
所述第三透镜组，能相对DMD芯片前后移动，所述第三透镜组的光焦度为正；
所述第四透镜组，能相对DMD芯片前后移动，所述第四透镜组的光焦度为正。
如上所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述的第一透镜组包括沿投射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第二透镜组包括第四透镜，第四透镜为双凸透镜；所述第三透镜组包括光阑和第五透镜，第五透镜为双凸非球面透镜；所述第四透镜组包括沿投射方向依次设置的第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜。
如上所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述的第一透镜光焦度为负，第二透镜光焦度为负，第三透镜光焦度为负，第四透镜光焦度为正，第五透镜光焦度为正，第六透镜光焦度为负，第七透镜光焦度为正，第八透镜光焦度为正，第九透镜光焦度为正。
如上所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述的DMD芯片相对于光轴偏离放置，偏离100％-110％。
如上所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜组的光焦度为负，光焦度满足：0.09<|φ310|<0.11，所述第二透镜组的光焦度为正，光焦度满足：0.042<|φ320|<0.044，所述第三透镜组的光焦度为正，光焦度满足：0.044<|φ330|<0.046，所述第四透镜组的光焦度为正，光焦度满足：0.039<|φ340|<0.041。
如上所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜为玻璃非球面透镜，两面均弯向DMD芯片，光焦度为负，满足：0.032<|φ2|<0.034，所述第三透镜的两面均背向DMD芯片，阿贝数满足：80<VD3<95。
如上所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述光阑位于所述第四透镜和所述第五透镜之间，变倍过程中，光阑跟随第五透镜移动，且与所述第五透镜的距离保持不变；所述第五透镜采用玻璃非球面，阿贝数满足：80<VD5<95。
如上所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述第六透镜和第七透镜为胶合透镜，光焦度满足：-0.049<φ67<-0.048，所述第八透镜光焦度为正，光焦度满足：0.053<|φ8|<0.054，所述第九透镜为玻璃非球面，光焦度为正，光焦度满足：0.015<|φ9|<0.017。
如上所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述的第二透镜、第五透镜、第九透镜为玻璃非球面透镜。
如上所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述的第二透镜、第五透镜和第九透镜的非球面的表面形状满足以下方程：
Figure BDA0001393455360000041
在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数。
与现有技术相比，本发明的一种变焦投影光学系统，达到了如下效果：
1、本发明分辨率非常高，可支持像素点为5.47微米的DMD芯片，并实现了1.1的投射比。
2、本发明实现了在白光照明的状态下，可实现变倍过程中无需对焦，画面依然清晰，并可适用于LED照明的微投领域。
3、本发明通过对系统光焦度的合理分配，使移动群较少，实现了较小的总长，使装配敏感度大幅度降低，可进行批量化生产。
【附图说明】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1为本发明示意图；
附图说明：100、DMD芯片；200、等效棱镜；310、第一透镜组；320、第二透镜组；330、第三透镜组；340、第四透镜组；1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、第八透镜；9、第九透镜；10、光阑。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。
如图1所示，一种变焦投影光学系统，在投射方向上依次设置有：第一透镜组310，第二透镜组320，第三透镜组330，第四透镜组340，等效棱镜200，DMD发光芯片100；
所述第一透镜组310，能相对DMD芯片100前后移动，所述第一透镜组310的光焦度为负；所述第一透镜组相对DMD芯片可前后移动，补偿镜头装配时后焦的变化量；
所述第二透镜组320，能相对DMD芯片100前后移动，所述第二透镜组320的光焦度为正；
所述第三透镜组330，能相对DMD芯片100前后移动，所述第三透镜组330的光焦度为正；
所述第四透镜组340，能相对DMD芯片100前后移动，所述第四透镜组340的光焦度为正。第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组为联动组，相对DMD芯片一起移动。
如图1所示，在本实施例中，所述的第一透镜组310包括沿投射方向依次设置的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3；所述第二透镜组320包括第四透镜4，第四透镜4为双凸透镜；所述第三透镜组330包括光阑10和第五透镜5，第五透镜5为双凸非球面透镜；所述第四透镜组340包括沿投射方向依次设置的第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8和第九透镜9。
如图1所示，在本实施例中，所述的第一透镜1光焦度为负，第二透镜2光焦度为负，第三透镜3光焦度为负，第四透镜4光焦度为正，第五透镜5光焦度为正，第六透镜6光焦度为负，第七透镜7光焦度为正，第八透镜8光焦度为正，第九透镜9光焦度为正。
如图1所示，在本实施例中，所述的DMD芯片100相对于光轴偏离放置，偏离100％-110％。所述的DMD芯片为0.3英寸，其像素点大小为5.37微米，其奈奎斯特频率为93lp/mm。
如图1所示，在本实施例中，所述第一透镜组310的光焦度为负，光焦度满足：0.09<|φ310|<0.11，所述第二透镜组320的光焦度为正，光焦度满足：0.042<|φ320|<0.044，所述第三透镜组330的光焦度为正，光焦度满足：0.044<|φ330|<0.046，所述第四透镜组340的光焦度为正，光焦度满足：0.039<|φ340|<0.041；透镜组按此光焦度参数排列时，可形成反远距结构，实现较小的总长以及较大的投射比，此光学系统的投射比可达到1.1；第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组采用联动的方式，可使变倍过程中的像面位置不移动，从而实现变倍过程中无需对焦，画面依然清晰。
如图1所示，在本实施例中，所述第二透镜2为玻璃非球面透镜，两面均弯向DMD芯片，光焦度为负，满足：0.032<|φ2|<0.034，所述第三透镜3的两面均背向DMD芯片100，阿贝数满足：80<VD3<95；可校正大视场的倍率色差，所述第三透镜3的两面均背向DMD芯片，可减小进入后组镜片的光线入射角度，降低镜头的装配敏感度。
如图1所示，在本实施例中，所述光阑10位于所述第四透镜4和所述第五透镜5之间，变倍过程中，光阑10跟随第五透镜5移动，且与所述第五透镜5的距离保持不变；所述第五透镜5采用玻璃非球面，阿贝数满足：80<VD5<95；可校正不同倍率、不同波长的位置色差、光阑球差和光阑慧差，从而在白光状态下也可实现在变倍过程中画面清晰，无需对焦，使得此光学系统可适用在LED照明的微投领域。
如图1所示，在本实施例中，所述第六透镜6和第七透镜7为胶合透镜，光焦度满足：-0.049<φ67<-0.048，所述第八透镜8光焦度为正，光焦度满足：0.053<|φ8|<0.054，所述第九透镜9为玻璃非球面，光焦度为正，光焦度满足：0.015<|φ9|<0.017；第四透镜组的透镜按此光焦度分配时，可校正前组剩余的高级像散和畸变等像差，实现高分辨率，高照度，并可降低后组透镜的装配感度，实现批量化生产。在本实施例中，所述第六透镜6第七透镜7过光学胶水粘合。
如图1所示，在本实施例中，所述的第二透镜2、第五透镜5、第九透镜9为玻璃非球面透镜。
如图1所示，在本实施例中，所述的第二透镜2、第五透镜5和第九透镜9的非球面的表面形状满足以下方程：
Figure BDA0001393455360000081
在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数。
以下案例1.1投射比、变倍比为1.17倍，分辨率为720P，适用于0.3英寸DMD芯片的变焦投影镜头的实际设计参数：
Figure BDA0001393455360000082
Figure BDA0001393455360000091
第二透镜2的第一面S3的系数为：
k：-41.0072
a1：0
a2：0.0016728418
a3：-6.3322811e-005
a4：1.8922002e-006
a5：-3.591768e-008
a6：3.8013839e-010
a7：-1.6938385e-012
第二透镜2的第二面S4的系数为：
k：-12.63998
a1：0
a2：0.0032340299
a3：-0.0001524481
a4：5.8146112e-006
a5：-1.4324976e-007
a6：1.9730567e-009
a7：-1.2516632e-011
第五透镜5的第一面S9的系数为：
k：-164.9035
a1：0
a2：0.00013399816
a3：-7.4207806e-006
a4：1.6627463e-007
a5：-2.6788372e-009
a6：1.5980767e-011
第五透镜5的第二面S10的系数为：
k：-1.333241
a1：0
a2：-7.1006819e-005
a3：-9.5561899e-008
a4：-2.1913686e-008
a5：3.1279102e-010
a6：-2.6701552e-012
第九透镜9的第一面S16的系数为：
k：132.0208
a1：0
a2：1.4879231e-005
a3：1.4891465e-006
a4：-7.9007827e-008
a5：2.3598575e-009
a6：-3.2883325e-011
a7：1.7940477e-013
第九透镜9的第二面S17的系数为：
k：-10.37094
a1：0
a2：6.0725258e-005
a3：9.6770165e-007
a4：-5.5417837e-008
a5：1.8058628e-009
a6：-2.6250756e-011
a7：1.5033884e-013
1.17倍变焦投影镜头的投射范围为0.5m至无穷远处，1.17倍变焦投影镜头对焦时，第二透镜组320、第三透镜组330和第四透镜组340保持固定不动。当1.17倍变焦投影镜头的投射距离设置为1m时，各个透镜组之间的变焦移动间隔范围如下：第一透镜组310与第二透镜组320之间的间隔为2.72～0.66mm,第二透镜组320与第三透镜组330之间的间隔为12.0～11.39mm，第三透镜组330与第四透镜组340之间的间隔为3.46～5.67mm。

Claims (7)

1.一种变焦投影光学系统，其特征在于，该变焦投影光学系统由四个透镜组九个透镜组成，在投射方向上依次设置有：第一透镜组(310)，第二透镜组(320)，第三透镜组(330)，第四透镜组(340)，等效棱镜(200)，DMD发光芯片(100)；
所述第一透镜组(310)，能相对DMD芯片(100)前后移动，所述第一透镜组(310)的光焦度为负；
所述第二透镜组(320)，能相对DMD芯片(100)前后移动，所述第二透镜组(320)的光焦度为正；
所述第三透镜组(330)，能相对DMD芯片(100)前后移动，所述第三透镜组(330)的光焦度为正；
所述第四透镜组(340)，能相对DMD芯片(100)前后移动，所述第四透镜组(340)的光焦度为正；
所述第一透镜组(310)的光焦度为负，光焦度满足：0.09<|φ310|<0.11，所述第二透镜组(320)的光焦度为正，光焦度满足：0.042<|φ320|<0.044，所述第三透镜组(330)的光焦度为正，光焦度满足：0.044<|φ330|<0.046，所述第四透镜组(340)的光焦度为正，光焦度满足：0.039<|φ340|<0.041；
所述的第一透镜组(310)包括沿投射方向依次设置的第一透镜(1)、第二透镜(2)和第三透镜(3)；所述第二透镜组(320)包括第四透镜(4)，第四透镜(4)为双凸透镜；所述第三透镜组(330)包括光阑(10)和第五透镜(5)，第五透镜(5)为双凸非球面透镜；所述第四透镜组(340)包括沿投射方向依次设置的第六透镜(6)、第七透镜(7)、第八透镜(8)和第九透镜(9)；
所述的第一透镜(1)光焦度为负，第二透镜(2)光焦度为负，第三透镜(3)光焦度为负，第四透镜(4)光焦度为正，第五透镜(5)光焦度为正，第六透镜(6)光焦度为负，第七透镜(7)光焦度为正，第八透镜(8)光焦度为正，第九透镜(9)光焦度为正。
2.根据权利要求1所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述的DMD芯片(100)相对于光轴偏离放置，偏离100％-110％。
3.根据权利要求1所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜(2)为玻璃非球面透镜，两面均弯向DMD芯片，光焦度为负，满足：0.032<|φ2|<0.034，所述第三透镜(3)的两面均背向DMD芯片(100)，阿贝数满足：80<VD3<95。
4.根据权利要求1所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述光阑(10)位于所述第四透镜(4)和所述第五透镜(5)之间，变倍过程中，光阑(10)跟随第五透镜(5)移动，且与所述第五透镜(5)的距离保持不变；所述第五透镜(5)采用玻璃非球面，阿贝数满足：80<VD5<95。
5.根据权利要求1所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述第六透镜(6)和第七透镜(7)为胶合透镜，光焦度满足：-0.049<φ67<-0.048，所述第八透镜(8)光焦度为正，光焦度满足：0.053<|φ8|<0.054，所述第九透镜(9)为玻璃非球面，光焦度为正，光焦度满足：0.015<|φ9|<0.017。
6.根据权利要求1所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述的第二透镜(2)、第五透镜(5)、第九透镜(9)为玻璃非球面透镜。
7.根据权利要求6所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于，所述的第二透镜(2)、第五透镜(5)和第九透镜(9)的非球面的表面形状满足以下方程：
Figure FDA0004125778500000031
在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数。
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