本發(fā)明屬于圖像投影技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的數(shù)字投影顯示技術(shù)主要采用DMD或者LCOS作為顯示器件，采用偏振分光元件(PBS)或者全反射分光元件(TIR)作為照明或成像分光器件，通過設(shè)計(jì)合理的投影鏡頭光路，將從顯示器件上反射的圖像聚焦到顯示投影屏幕上面，形成放大的投影畫面。為取得良好的顯示圖像品質(zhì)以及較大的投影畫面尺寸(投射比<1.5的情況下)，投影鏡頭通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圖像的畸變較大，而且產(chǎn)生的放大率色差不易控制，在變焦過程中像面的齊焦性不好。由于玻璃材料價(jià)格高，加工以及裝配工藝復(fù)雜，良率不易控制，現(xiàn)有投影鏡頭通常價(jià)格昂貴。

而由于近來各式光源發(fā)展成熟，因此，如何提供一種適合用于不同光源且可避免光效率不足的變焦投影鏡頭，為目前相關(guān)業(yè)者的研發(fā)重點(diǎn)之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種通過使用塑料非球面透鏡，可以有效控制變焦過程中投影畫面的齊焦性，降低小投射比畫面時(shí)候的圖像畸變，有助于降低孔徑光闌加寬而衍生的像差，提升該變焦投影鏡頭的解像能力的投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭，由物端至像端依次包括：

第一透鏡組，從物端至像端依次包括第一玻璃球面彎月透鏡、第二玻璃球面彎月透鏡、塑料非球面透鏡、雙凹玻璃球面透鏡、第一雙凸玻璃球面透鏡、第二雙凸玻璃球面透鏡和凸凹玻璃球面透鏡；

第二透鏡組，從物端至像端依次包括彼此膠合的玻璃球面正透鏡和玻璃球面負(fù)透鏡；

第三透鏡組，從物端至像端依次包括第一玻璃球面正透鏡和第二玻璃球面正透鏡。

進(jìn)一步地，所述第一透鏡組為正光焦度透鏡組，第一透鏡組的焦距f₁與該遠(yuǎn)心變焦鏡頭在廣角端的焦距f_w滿足：1.2＜|f₁/f_w|＜1.9。第二透鏡組為負(fù)光焦度透鏡組，第二透鏡組的焦距f₂與該遠(yuǎn)心變焦鏡頭在廣角端的焦距f_w滿足：2＜|f₂/f_w|＜2.9。第三透鏡組為正光焦度透鏡組，第三透鏡組的焦距f₃與該遠(yuǎn)心變焦鏡頭在廣角端的焦距f_w滿足：1.3＜|f₃/f_w|＜1.56。

進(jìn)一步地，所述塑料非球面透鏡為朝物端凸出的月凹透鏡，塑料非球面透鏡的焦距f_a與該遠(yuǎn)心變焦鏡頭在廣角端的焦距f_w滿足：4.8＜|f_a/f_w|＜6。

進(jìn)一步地，所述第二透鏡組中玻璃球面正透鏡的色散系數(shù)v₁和玻璃球面負(fù)透鏡的色散系數(shù)v₂滿足：1.5＜|v₁/v₂|＜2。

進(jìn)一步地，投影圖像的半視場(chǎng)角ω滿足：38°<ω<48°。

進(jìn)一步地，所述投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭的投影鏡頭的像方相對(duì)孔徑FN滿足：2.2≤FN≤2.5。

其中最接近圖像顯示單元的透鏡，即第二玻璃球面正透鏡在變焦時(shí)從廣角側(cè)向遠(yuǎn)距側(cè)移動(dòng)；投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭的入瞳位置在無窮遠(yuǎn)處，各視場(chǎng)的主光線與鏡頭的光軸平行。

本發(fā)明的有益效果是：

1、通過使用塑料非球面透鏡，可以有效縮減變焦投影鏡頭總長(zhǎng)，控制變焦過程中投影畫面的齊焦性，降低小投射比畫面時(shí)候的圖像畸變，有助于降低孔徑光闌加寬而衍生的像差，提升該變焦投影鏡頭的解像能力，減小分辨率色差，提高投影圖像的品質(zhì)；而且鏡頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)，能夠減少透鏡使用數(shù)量；

2、能夠降低變焦鏡頭的相對(duì)孔徑，也就是放大孔徑光闌的徑寬，提升投影機(jī)的光效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1廣角端的球差圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1廣角端的倍率色差圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1廣角端的場(chǎng)曲圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1廣角端的畸變圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例1廣角端的光學(xué)傳遞函數(shù)圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例1遠(yuǎn)距端的球差圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例1遠(yuǎn)距端的倍率色差圖；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例1遠(yuǎn)距端的場(chǎng)曲圖；

圖10是本發(fā)明實(shí)施例1遠(yuǎn)距端的畸變圖；

圖11是本發(fā)明實(shí)施例1遠(yuǎn)距端的光學(xué)傳遞函數(shù)圖；

附圖標(biāo)記說明：

1-第一透鏡組，11-第一玻璃球面彎月透鏡，12-第二玻璃球面彎月透鏡，13-塑料非球面透鏡，14-雙凹玻璃球面透鏡，15-第一雙凸玻璃球面透鏡，16-第二雙凸玻璃球面透鏡，17-凸凹玻璃球面透鏡；

2-第二透鏡組，21-玻璃球面正透鏡，22-玻璃球面負(fù)透鏡；

3-第三透鏡組，31-第一玻璃球面正透鏡，32-第二玻璃球面正透鏡。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種遠(yuǎn)心變焦距投影鏡頭，可以與DMD或LCOS顯示器件以及相對(duì)應(yīng)照明光路進(jìn)行配合使用。顯示器件上可以顯示數(shù)字式圖案，此遠(yuǎn)心變焦投影儀可以將顯示器件反射的光束進(jìn)行收集并投射到屏幕上，其位置布局從顯示器件到顯示屏幕依次為：DMD或LCOS顯示器件、分光器件、透鏡組1-3和投影屏幕。投影鏡頭焦距f′滿足：17.6mm≤f′≤21.2mm。

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的遠(yuǎn)心投影變焦鏡頭的技術(shù)方案。

如圖1所示，一種投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭，由物端至像端依次包括：

第一透鏡組1，從物端至像端依次包括第一玻璃球面彎月透鏡11、第二玻璃球面彎月透鏡12、塑料非球面透鏡13、雙凹玻璃球面透鏡14、第一雙凸玻璃球面透鏡15、第二雙凸玻璃球面透鏡16和凸凹玻璃球面透鏡17；通過使用塑料非球面透鏡13，可以有效縮減變焦投影鏡頭總長(zhǎng)，控制變焦過程中投影畫面的齊焦性，降低小投射比畫面時(shí)候的圖像畸變，修正投影影像的像差，分辨率色差小，而且鏡頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)，能夠減少透鏡使用數(shù)量；

第二透鏡組2，從物端至像端依次包括彼此膠合的玻璃球面正透鏡21和玻璃球面負(fù)透鏡22；通過移動(dòng)玻璃球面正透鏡21和玻璃球面負(fù)透鏡22，可以有效改變鏡頭的焦距；

第三透鏡組3，從物端至像端依次包括第一玻璃球面正透鏡31和第二玻璃球面正透鏡32；第三透鏡組3可以有效縮減變焦投影鏡頭總長(zhǎng)、修正投影影像的像差、減少透鏡使用數(shù)量。

進(jìn)一步地，所述第一透鏡組1為正光焦度透鏡組，第一透鏡組1的焦距f₁與該遠(yuǎn)心變焦鏡頭在廣角端的焦距f_w滿足：1.2＜|f₁/f_w|＜1.9。第二透鏡組2為負(fù)光焦度透鏡組，第二透鏡組的焦距f₂與該遠(yuǎn)心變焦鏡頭在廣角端的焦距f_w滿足：2＜|f₂/f_w|＜2.9。第三透鏡組3為正光焦度透鏡組，第三透鏡組的焦距f₃與該遠(yuǎn)心變焦鏡頭在廣角端的焦距f_w滿足：1.3＜|f₃/f_w|＜1.56。

進(jìn)一步地，所述塑料非球面透鏡13為朝物端凸出的月凹透鏡，塑料非球面透鏡13的焦距f_a與該遠(yuǎn)心變焦鏡頭在廣角端的焦距f_w滿足：4.8＜|f_a/f_w|＜6。

進(jìn)一步地，所述第二透鏡組2中玻璃球面正透鏡21的色散系數(shù)v₁和玻璃球面負(fù)透鏡22的色散系數(shù)v₂滿足：1.5＜|v₁/v₂|＜2。

進(jìn)一步地，投影圖像的半視場(chǎng)角ω滿足：38°<ω<48°。

進(jìn)一步地，所述投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭的投影鏡頭的像方相對(duì)孔徑FN滿足：2.2≤FN≤2.5。

其中最接近圖像顯示單元的透鏡，即第二玻璃球面正透鏡32在變焦時(shí)從廣角側(cè)向遠(yuǎn)距側(cè)移動(dòng)；投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭的入瞳位置在無窮遠(yuǎn)處，各視場(chǎng)的主光線與鏡頭的光軸平行。

下面通過具體實(shí)施例來驗(yàn)證本發(fā)明的投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭的投影效果。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中，該遠(yuǎn)心變焦鏡頭在廣角端的焦距f_w為17.8273毫米；第一透鏡組1焦距f₁為33.871561毫米，塑料非球面透鏡13的焦距f_a為-105.5792毫米；第二透鏡組2焦距f₂為-51.290198毫米，玻璃球面正透鏡21的色散系數(shù)v₁為53.2，玻璃球面負(fù)透鏡22的色散系數(shù)v₂為27.55；第三透鏡組3焦距f₃為27.586686毫米，滿足前述條件。

此外，相對(duì)孔徑由廣角端、中間狀態(tài)、遠(yuǎn)距端依序?yàn)?.2、2.4、2.5，該變焦投影鏡頭焦距由廣角端、中間狀態(tài)、遠(yuǎn)距端依序?yàn)?7.8273毫米、19.3257毫米、21.2037毫米。表1-1為該投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭實(shí)施例1的各式參數(shù)，表中，S1～S21為圖1中的各個(gè)面。

表1-1

本實(shí)施例的塑料非球面透鏡13至少具有一個(gè)非球面，非球面的形狀按如下多項(xiàng)式得出：

以表面頂點(diǎn)作為參考點(diǎn)，Z為沿光軸方向在高度r位置距光軸的位移值，k為錐度系數(shù)(conic coefficient)，c為曲率半徑的倒數(shù)，α₁至α₈為高階非球面系數(shù)。塑料非球面透鏡13的系數(shù)如下表1-2所示：

表1-2

根據(jù)上述成像系統(tǒng)和各個(gè)透鏡參數(shù)得出的遠(yuǎn)心變焦鏡頭，其廣角端的球差如圖2所示，廣角端的倍率色差如圖3所示，廣角端的場(chǎng)曲如圖4所示，廣角端的畸變?nèi)鐖D5所示，廣角端在66lp/mm的空間頻率下的全視場(chǎng)光學(xué)傳遞函數(shù)MTF>40％，如圖6所示。其遠(yuǎn)距端的球差如圖7所示，遠(yuǎn)距端的倍率色差如圖8所示，遠(yuǎn)距端的場(chǎng)曲如圖9所示，遠(yuǎn)距端的畸變?nèi)鐖D10所示，遠(yuǎn)距端在66lp/mm的空間頻率下的全視場(chǎng)光學(xué)傳遞函數(shù)MTF>40％，如圖11所示。

根據(jù)圖2至圖11可以看出，本實(shí)施例遠(yuǎn)心變焦鏡頭的球面像差、倍率色像差、場(chǎng)曲、畸變像差并不嚴(yán)重，可得知本實(shí)施例具有良好的光學(xué)成像本領(lǐng)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，該遠(yuǎn)心變焦鏡頭在廣角端的焦距f_w為21.3092毫米；第一透鏡組1焦距f₁為27.6589毫米，塑料非球面透鏡13的焦距f_a為-105.7586毫米；第二透鏡組2焦距f₂為-43.76毫米，玻璃球面正透鏡21的色散系數(shù)v₁為53.93，玻璃球面負(fù)透鏡22的色散系數(shù)v₂為27.54；第三透鏡組3焦距f₃為28.33542毫米，滿足前述條件。

此外，相對(duì)孔徑由廣角端、中間狀態(tài)、遠(yuǎn)距端依序?yàn)?.2、2.4、2.5，該變焦投影鏡頭焦距由廣角端、中間狀態(tài)、遠(yuǎn)距端依序?yàn)?7.6815毫米、19.1997毫米、21.3092毫米。表2-1為該投影機(jī)遠(yuǎn)心變焦鏡頭實(shí)施例2的各式參數(shù)。

表2-1

本實(shí)施例的塑料非球面透鏡13至少具有一個(gè)非球面，非球面的形狀按如下多項(xiàng)式得出：

以表面頂點(diǎn)作為參考點(diǎn)，Z為沿光軸方向在高度r位置距光軸的位移值，k為錐度系數(shù)(conic coefficient)，c為曲率半徑的倒數(shù)，α₁至α₈為高階非球面系數(shù)。塑料非球面透鏡13的系數(shù)如下表2-2所示：

表2-2

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。