一種超短焦投影鏡頭及激光投影設備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超短焦投影鏡頭，屬于投影技術領域。超短焦投影鏡頭包括折射鏡組和反射鏡組，影像光束經過折射鏡組后，在折射鏡組和反射鏡組之間進行第一次成像，反射鏡組將第一次成像反射至投影屏幕形成第二次成像；折射鏡組包括第一透鏡組和第二透鏡組，第一透鏡組和第二透鏡組中均具有兩片非球面透鏡；反射鏡組包括一反射鏡，置于所述第二透鏡組后；折射鏡組和反射鏡組處于同一主光軸；第二次成像的圖像相對于主光軸的偏移量為140%~150%。本發(fā)明提供的超短焦投影鏡頭能夠實現短焦大尺寸畫面的投影，并且具有較佳的像差校正能力，能夠提高投影成像質量。
【專利說明】
一種超短焦投影鏡頭及激光投影設備
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及投影技術領域，特別涉及一種超短焦投影鏡頭和激光投影設備。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的提高，投影成像系統(tǒng)在人們工作和生活中的應用越來越廣泛，比如教育，辦公，家用或娛樂。其中，超短焦投影能夠有效縮短投影機的投影距離，并投射出大尺寸畫面，受到消費者的青睞。
[0003]投影鏡頭是實現投影的關鍵部件，在實際應用中，投影鏡頭光學系統(tǒng)會因為加工工藝、組裝等原因產生像差，如畸變、像散、場曲、彗差等表現，像差是目前投影鏡頭設計上必須面對的難題。
[0004]為了有效克服像差，目前有三種鏡頭的設計方式，分別為折射式、反射式和混合式。
[0005]折射式:投影鏡頭由球面透鏡或非球面透鏡組成，經過投影鏡頭后影像光束大角度出射以達到縮短投影距離的目的。此類投影鏡頭可以有效消除大視場帶來的像差，但是投影鏡頭的鏡片數量大、種類多，此類投影鏡頭的結構復雜，鏡頭的長度也不易縮小，可制造性低。
[0006]反射式:投影鏡頭由平面反射鏡、球面反射鏡、非球面反射鏡或自由曲面反射鏡組成，通過反復偏轉折光達到縮短投影距離的目的。但是此類投影鏡頭的設計形式存在多片非球面或自由曲面反射鏡，在加工、制造、檢測等環(huán)節(jié)中成本高，可制造性低。
[0007]混合式:將折射式和反射式進行綜合應用，一般分為折射透鏡組、反射鏡組，是目前市面上超短焦投影鏡頭的主流設計方式。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明提供了一種超短焦投影鏡頭及應用該超短焦投影鏡頭的激光投影設備，能夠實現克服像差，提高投影成像質量。
[0009]為實現上述發(fā)明目的，采用如下技術方案:
一種超短焦投影鏡頭，包括折射鏡組和反射鏡組，影像光束經過折射鏡組后，在折射鏡組和反射鏡組之間進行第一次成像，反射鏡組將第一次成像反射至投影屏幕形成第二次成像；
折射鏡組包括第一透鏡組和第二透鏡組，第一透鏡組和第二透鏡組中均具有兩片非球面透鏡;反射鏡組包括一反射鏡，置于第二透鏡組后；
折射鏡組和反射鏡組處于同一主光軸；
第二次成像的圖像相對于主光軸的偏移量為140%?150%;
優(yōu)選地，超短焦投影鏡頭的投射比在0.2?0.3之間；
優(yōu)選地，折射鏡組和反射鏡組產生正的屈光度，其中，折射鏡組的總長度為LI，折射鏡組和反射鏡組之間的間距為L2，L1、L2滿足:0.65〈L1/L2〈0.7 ； 優(yōu)選地，超短焦投影鏡頭的等效焦距為Fl，第一透鏡組的等效焦距為F2，第二透鏡組的等效焦距為?3，反射鏡組的等效焦距為?4，？11213、？4滿足:
5 < I F2/F1 I < 9 ；
7 < I F3/F1 I < 100；
5 < I F4/F1 I < 15；
優(yōu)選地，超短焦投影鏡頭的有效焦距為-3.3mm—3.5mm；
優(yōu)選地，反射鏡為凹面非球面反射鏡或自由曲面反射鏡；
優(yōu)選地，超短焦投影鏡頭還包括孔徑光闌，孔徑光闌位于第一透鏡組與第二透鏡組之間，孔徑光闌與折射鏡組和反射鏡組處于同一主光軸，孔徑光闌用于限制超短焦投影鏡頭的通光量；
優(yōu)選地，第一透鏡組包括至少一個球面透鏡和第一非球面透鏡、第二非球面透鏡，兩個非球面透鏡之間至少設置有一個球面透鏡；
第二透鏡組包括至少一個球面透鏡和第三非球面透鏡、第四非球面透鏡，兩個非球面透鏡之間至少設置有一個球面透鏡；
優(yōu)選地，第一非球面透鏡為一凸凹透鏡，第二非球面透鏡為一雙凸透鏡，和/或，
第三非球面透鏡為一凹凸透鏡，第四非球面透鏡為一雙凹透鏡；
優(yōu)選地，第一透鏡組沿著光束入射的方向依次包括第一非球面透鏡、第一球面透鏡、第二球面透鏡、第三球面透鏡、第四球面透鏡和第二非球面透鏡，上述各透鏡的屈光度依次為負、負、負、正、正、負；
或者，包括第一球面透鏡、第一非球面透鏡、第二球面透鏡、第三球面透鏡、第四球面透鏡和第二非球面透鏡，上述各透鏡的屈光度依次為負、負、負、正、正、負；
優(yōu)選地，第二透鏡組沿著光束入射的方向依次包括第三非球面透鏡、第五球面透鏡、第六球面透鏡、第七球面透鏡、第八球面透鏡、第九球面透鏡、第十球面透鏡、第十一球面透鏡和第四非球面透鏡，上述透鏡的屈光度依次為正、正、負、負、正、負、正、負、正；
優(yōu)選地，第一非球面透鏡的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第一閾值，第二非球面透鏡的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第二閾值；
以及，第三非球面透鏡的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第三閾值，第四非球面透鏡的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第四閾值；
優(yōu)選地，第一預設閾值、第二預設閾值、第三預設閾值、第四預設閾值均為大于等于10的整數。
[0010]第二方面，本發(fā)明還公開了一種激光投影設備，包括激光光源，用于提供照明光束;光機，包括光閥，用于根據圖像處理信號對照明光束進行調制后形成影像光束，其特征在于，還包括上述任一技術方案的超短焦投影鏡頭，其中，光閥將影像光束反射至超短焦投影鏡頭，超短焦投影鏡頭用于對影像光束校正放大后投射至投影屏幕成像；
優(yōu)選地，光閥偏置超短焦投影鏡頭主光軸的偏移量滿足:1.2〈A/B〈1.5，其中，A指光閥的高度，B指光軸到光閥的上端的距離；
優(yōu)選地，在光閥和超短焦投影鏡頭之間還包括移動鏡片，移動鏡片以預設頻率振動，并在前一時刻和當前時刻透射或反射影像光束時，分別處于不同的位置，使得對前一時刻和當前時刻透射或反射的影像光束錯位重疊。
[0011]本發(fā)明實施例中提供的技術方案至少具有以下有益效果:
本發(fā)明實施例提供的超短焦投影鏡頭包括折射鏡組和反射鏡組，其中，折射鏡組用于對入射的影像光束進行第一次成像，并將第一次成像入射至反射鏡組，反射鏡組將第一次成像反射至投影屏幕進行第二次成像，第二次成像的圖像相對于主光軸具有較大的偏移量，從而利于實現短焦大尺寸投影。其中，折射鏡組通過第一透鏡組和第二透鏡組均具有兩片非球面透鏡，具有較佳的像差矯正能力，以及，反射鏡組能夠縮短光程，實現短焦投影的同時，能夠對大視場像差進彳丁矯正，提尚了鏡頭的解像能力。
[0012]本發(fā)明提供的激光投影設備，能夠在實現超短焦投影的同時，像差矯正能力強，能夠投射高清晰度、高分辨率的投影圖像，投影畫面質量高。
[0013]應當理解的是，以上的一般描述和后文的細節(jié)描述僅是示例性的，并不能限制本發(fā)明。
【附圖說明】
[0014]此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本發(fā)明的實施例，并于說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0015]圖1A是本發(fā)明實施例一提供的一種超短焦投影鏡頭的架構示意圖；
圖1B是基于圖1的超短焦投影鏡頭中光路傳播示意圖；
圖2A是本發(fā)明實施例二提供的一種超短焦投影鏡頭的結構組成示意圖；
圖2B是本發(fā)明實施例提供的鏡頭成像效果示意圖；
圖3A是本發(fā)明實施例三提供的一種激光投影設備架構示意圖；
圖3B為本發(fā)明實施例三提供的一種激光投影設備光路系統(tǒng)示意圖；
圖4A是本發(fā)明實施例三提供的又一種激光投影設備光學系統(tǒng)示意圖；
圖4B是基于圖4A中的鏡片效果示意圖。
【具體實施方式】
[0016]這里將詳細地對示例性實施例進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數字表示相同或相似的要素。以下示例性實施例中所描述的實施方式并不代表與本發(fā)明相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如所附權利要求書中所詳述的、本發(fā)明的一些方面相一致的例子。
[0017]實施例一、
本發(fā)明一實施例提供了一種超短焦投影鏡頭，如圖1A所示，超短焦投影鏡頭包括折射鏡組100和反射鏡組130。折射鏡組100包括第一透鏡組110和第二透鏡組120，反射鏡組130包括一反射鏡，置于第二透鏡組120后。折射鏡組100和反射鏡組130處于同一主光軸101。其中，第一透鏡組110和第二透鏡組120均具有兩片非球面透鏡，具有較佳的像差矯正能力。
[0018]本實施例提供的超短焦投影鏡頭的光路示意圖如圖1B所示，由光機部分140輸出的影像光束經過折射鏡組100后，即依次經過第一透鏡組110和第二透鏡組120折射透射后，在折射鏡組100和反射鏡組130之間進行第一次成像，圖1B中，102為該第一次成像面，反射鏡組130接收到第一次成像后發(fā)散的光束，將第一次成像反射，并投射至投影屏幕形成第二次成像，即人眼觀察到的投影畫面。
[0019]其中，第二次成像的圖像相對于主光軸101的偏移量(offset)為140%?150%，即影像光束是斜向上投射至投影屏幕成像，投影圖像與主光軸是偏心的。
[0020]以及，在本實施例中，折射鏡組100和反射鏡組130產生正的屈光度，從而能夠聚焦成放大倍數的像。其中，折射鏡組100的總長度為LI，折射鏡組100和反射鏡組130之間的間距為L2，L1、L2滿足:0.65<L1/L2<0.7。該超短焦投影鏡頭的體積較小。
[0021]以及，本發(fā)明實施例超短焦投影鏡頭還包括孔徑光闌(圖中未示出)，孔徑光闌位于第一透鏡組110與第二透鏡組120之間，孔徑光闌與折射鏡組100和反射鏡組130處于同一主光軸，孔徑光闌用于限制該超短焦投影鏡頭的通光量。
[0022]在本發(fā)明實施例中，超短焦投影鏡頭的投射比在0.2?0.3之間，其中，投射比(throw rat1)是指投影鏡頭和投影屏幕之間的距離與投影畫面的寬度之比，投射比越小，投影鏡頭或者投影設備距離投影屏幕越近，或者投射的畫面尺寸越大。
[0023]在本發(fā)明實施例中，超短焦投影鏡頭的等效焦距為Fl，第一透鏡組110的等效焦距為F2，第二透鏡組120的等效焦距為?3，反射鏡組130的等效焦距為?4，？1、？213、？4滿足:
5 < I F2/F1 I < 9 ；
7 < I F3/F1 I < 100；
5 < I F4/F1 I < 15ο
[0024]上述焦距限制僅給出了本發(fā)明實施例超短焦投影鏡頭的設計范圍，凡落入本焦距限制范圍內的鏡頭設計均在本發(fā)明技術方案的保護范圍內。
[0025]以及，本發(fā)明實施例中，超短焦投影鏡頭的有效焦距(EffectiveFocal Length)為-3.3mm~-3.5mmο
[0026]在一具體實施中，超短焦投影鏡頭的有效焦距=-3.38mm，偏移量=142%?150%，解析能力可以達到931p/mm，指每毫米93組交替黑白的線條，可以投射出畫面尺寸為80?120英寸，投射比為0.24?0.25。
[0027]以及，在另一具體實施中，超短焦投影鏡頭的有效焦距=-3.47mm，偏移量=142%?150%，解析能力可以達到931p/mm，可以投射出畫面尺寸為80?120英寸，投射比為0.245?0.255ο
[0028]綜上，本發(fā)明實施例提供的超短焦投影鏡頭包括折射鏡組和反射鏡組，其中，折射鏡組用于對入射的影像光束進行第一次成像，并將第一次成像入射至反射鏡組，反射鏡組將第一次成像反射至投影屏幕進行第二次成像，第二次成像的圖像相對于主光軸具有較大的偏移量，從而利于實現短焦大尺寸投影。其中，折射鏡組通過第一透鏡組和第二透鏡組提高像差矯正能力，反射鏡組能夠縮短光程，實現短焦投影的同時，能夠對大視場像差進行矯正，提尚了鏡頭的解像能力。
[0029]實施例二、
本發(fā)明實施例二在實施例一基礎上提供一種超短焦投影鏡頭。
[0030]以及具體地，如圖2Α所示，沿著光束入射的方向，折射鏡組依次包括:第一透鏡組210，第二透鏡組220。
[0031]第一透鏡組210、第二透鏡組220處于同一光軸201。
[0032]第一透鏡組210包括至少一個球面透鏡和兩個非球面透鏡，第一透鏡組210的兩個非球面透鏡之間設置有至少一個球面透鏡；當影像光束射向第一透鏡組210時，第一透鏡組210矯正影像光束，并將矯正后的影像光束射向第二透鏡組220;
第二透鏡組220包括至少一個球面透鏡和兩個非球面透鏡，第二透鏡組的兩個非球面透鏡之間設置有至少一個球面透鏡；當影像光束射向第二透鏡組220時，第二透鏡組220用于矯正影像光束，并將影像光束輸出至下一光學部件進行成像。
[0033]具體的，參見圖2，沿著光束入射的方向，第一透鏡組210依次包括第一非球面透鏡211和第二非球面透鏡212，第一非球面透鏡211和第二非球面透鏡212與折射鏡組處于同一光軸201。
[0034]在一具體實施中，沿光束入射方向，第一透鏡組210包括第一球面透鏡213、第一非球面透鏡211、第二球面透鏡214、第三球面透鏡215、第四球面透鏡216以及第二非球面透鏡212，上述六個透鏡的屈光度依次為負、負、負、正、正、負。
[0035]或者，在另一具體實施中，第一非球面透鏡211和第一球面透鏡的位置可以互換，即沿光束入射方向，第一透鏡組210包括第一非球面透鏡211、第一球面透鏡213、第二球面透鏡214、第三球面透鏡215、第四球面透鏡216以及第二非球面透鏡212，上述六個透鏡的屈光度依次為負、負、負、正、正、負，且第一透鏡組210中的透鏡均處于同一光軸。
[0036]以及，沿著光束入射的方向，第二透鏡組220依次包括第三非球面透鏡221和第四非球面透鏡222，第三非球面透鏡221和第四非球面透鏡222與折射鏡組處于同一光軸201。
[0037]在一具體實施中，沿光束入射方向，第二透鏡組220依次包括第三非球面透鏡221、第五球面透鏡223、第六球面透鏡224、第七球面透鏡225、第八球面透鏡226、第九球面透鏡227、第十球面透鏡228、第十一球面透鏡229以及第四非球面透鏡222，上述九個透鏡的屈光度依次為正、正、負、負、正、負、正、負、正，第二透鏡組220中的透鏡均處于同一光軸。
[0038]從而，第一透鏡組210和第二透鏡組220組成的折射鏡組具有正的屈光度，并接受影像光束的入射，從而能夠進行光學成像。
[0039]對于非球面透鏡，影響第一非球面透鏡211、第二非球面透鏡212、第三非球面透鏡221和第四非球面透鏡222的成像因素有非球面方程的高階系數的階次，非球面透鏡的曲率、非球面透鏡的圓錐系數和非球面透鏡的屈光度。
[0040]非球面方程的高階系數的階次影響非球面透鏡對成像的邊緣解析能力，當非球面方程的高階系數的階次越高時，非球面方程的曲面包含的形狀越復雜，對影像光束的光線的矯正能力越好。
[0041]曲率指非球面透鏡的靠近主光軸部分的球面半徑的倒數。本實施例只對曲率的正負做限制，默認非球面透鏡的凸面逆向光路方向的曲率為正。
[0042]圓錐系數影響非球面透鏡的近光軸的曲面的形狀，當非球面透鏡的圓錐系數為零時，非球面透鏡的近光軸的曲面的形狀為圓形，主要用于矯正影像光束邊緣光線的彗差。如果圓錐系數選取不合適，會造成光束偏轉不合適，導致成像模糊問題。
[0043]屈光度影響非球面透鏡對光線的偏轉程度，屈光度越大非球面透鏡對影像光束的偏轉程度越大，主要用于矯正影像光束遠離主光軸部分的彗差。默認形如非球面透鏡的凸透鏡的屈光度為正，形如非球面透鏡的凹透鏡的屈光度為負。
[0044]具體的，第一非球面透鏡211、第二非球面透鏡212、第三非球面透鏡221和第四非球面透鏡222的非球面方程的高階系數的階次、曲率、圓錐系數和屈光度分別滿足如下要求: 第一非球面透鏡211的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第一閾值;第二非球面透鏡212的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第二閾值，由于當非球面方程的高階系數的階次越高時，非球面方程的曲面包含的形狀越復雜，對影像光束的光線的矯正能力越好，但是制造也越困難，成本就越高，為了不影響對影像光束的矯正，也不對制造造成大的困難，非球面方程的高階系數的階次可以根據實際情況進行確定。或者預設第一閾值和預設第二閾值可以結合折射鏡組的其它配置情況進行設置，預設第一閾值可以等于預設第二閾值，比如，在本發(fā)明實施例中折射鏡組中包括的非球面透鏡的高階系數的階次大于或等于10，例如，預設第一閾值和預設第二閾值均為10，或者，預設第一閾值為10和預設第二閾值均為12。
[0045]可選的，第一非球面透鏡211包括的兩個面的曲率為異號，以減小入射的影像光束的入射角度。對于第一非球面透鏡211，影像光束入射的面為凸面，出射面為凹面，用于矯正近軸光線的角度。第二非球面透鏡212的兩個面的曲率為同號，同時第二非球面透鏡212的兩個面均為凸面，用于矯正球差和彗差，從而提高折射鏡組對影像光束的矯正能力。
[0046]可選的，第一非球面透鏡211的圓錐系數不等于0，第二非球面透鏡212的圓錐系數等于O。
[0047]可選的，第一非球面透鏡211的屈光度為負，第二非球面透鏡212的屈光度為負。并且與其他四個球面透鏡的屈光度的正負配合，矯正影像光束遠離主光軸的光束，從而達到矯正遠離主光軸部分的像差。
[0048]可選的，第三非球面透鏡221的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第三閾值，第四非球面透鏡222的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第四閾值，由于當非球面方程的高階系數的階次越高時，非球面方程的曲面包含的形狀越復雜，對影像光束的光線的矯正能力越好，但是制造也越困難，成本就越高，為了不影響對影像光束的矯正，也不對制造造成大的困難，非球面方程的高階系數的階次可以根據實際情況進行確定?；蛘哳A設第三閾值和預設第四閾值可以結合折射鏡組的其它配置情況進行設置，預設第三閾值可以等于預設第四閾值，比如，預設第三閾值和預設第四閾值均為10，或者，預設第三閾值為13和預設第四閾值均14 ；
可選的，第三非球面透鏡221的兩個面的曲率為同號，對于第三非球面透鏡221，影像光束入射的面為凹面，另一面為凸面，主要矯正像差，第四非球面透鏡222的兩個面的曲率為異號，同時第四非球面透鏡222的兩個面均為凹面，主要矯正大視場像差，畫面畸變；
可選的，第三非球面透鏡221的圓錐系數等于0，第四非球面透鏡222的圓錐系數等于O;可選的，第三非球面透鏡221的屈光度為正，第四非球面透鏡222的屈光度為正。并且與其他四個球面透鏡的屈光度的正負配合，矯正影像光束遠離主光軸的光束，從而達到矯正遠離主光軸部分的像差。
[0049]另外，預設第一閾值、預設第二閾值、預設第三閾值和預設第四閾值可以為同一預設數值，也可以為不同數值。
[0050]由于非球面透鏡較球面透鏡相比有更好的曲率，非球而透鏡從透鏡中心到邊緣的曲率連續(xù)發(fā)生變化，使得光線匯聚到同一點，基本上消除了球面透鏡所產生的球差。所以第一非球面透鏡211、第二非球面透鏡212、第三非球面透鏡221和第四非球面透鏡222能夠大大提高折射鏡組的成像質量。具體的，第一非球面透鏡211和第四非球面透鏡222用于降低彗差和像散，第二非球面透鏡212和第三非球面透鏡221用于提高大視場分辨率。
[0051 ]另外，對于非球面透鏡，當非球面透鏡的厚度越厚時，對像差的矯正能力越強。但是在實際應用中考慮制造難度及生產成本等問題來結合選擇非球面透鏡的厚度，使得選擇的非球面透鏡即有良好的像差矯正能力，也不會造成制造難度大，生產成本大等問題。比如，第三非球面透鏡221的厚度為1'，滿足范圍6_〈1'〈12.5_。
[0052]以及，如果折射鏡組中大部分的透鏡都選用非球面透鏡，會大大增加折射鏡組的制造成本，因此，在不影響成像的前提下，也可以將部分透鏡選用為球面透鏡，以降低制造成本。
[0053]可選的，在對折射鏡組成像效果影響不大的前提下，也可以將第一非球面透鏡211設置為球面透鏡。
[0054]上述第一透鏡組210和第二透鏡組220所包括的非球面透鏡和球面透鏡的組合中，非球面透鏡的位置除了第一非球面透鏡211可以與相鄰的球面透鏡調換外，其他的非球面透鏡位置優(yōu)選地不可調換。上述球面透鏡和非球面透鏡相互配合，共同矯正影像光束，以達到提高成像效果的作用。
[0055]在一具體實施中，第三球面透鏡215和第四球面透鏡216膠合為一個整體，得到第一膠合體，第三球面透鏡215的折射率大于第四球面透鏡216的折射率，第三球面透鏡215的阿貝數小于第四球面透鏡216的阿貝數。其中，折射率用于表示透鏡對光線的折射程度，當折射率越大時，折射程度越大，因此，在折射鏡組成像的過程中對影像光束的分光作用越大。其中，阿貝數用于表示透鏡介質對光的色散程度，阿貝數越低，色散越厲害，從而折射率越大。
[0056]以及可選的，第六球面透鏡224和第七球面透鏡225膠合為一個整體，得到第二膠合體，第六球面透鏡224的折射率小于第七球面透鏡225的折射率，第六球面透鏡224的阿貝數大于第七球面透鏡225的阿貝數。
[0057]以及可選的，第八球面透鏡226和第九球面透鏡227膠合為一個整體，得到第三膠合體，第八球面透鏡226的折射率大于第九球面透鏡227的折射率，第八球面透鏡226的阿貝數小于第九球面透鏡227的阿貝數。
[0058]上述舉例中的第一膠合體，第二膠合體和第三膠合體，用于改善折射鏡組的不同光譜的球差，并對折射鏡組的軸向色差、垂軸向色差進行矯正。每個膠合體中所包括的各透鏡由不同阿貝數的材質組成，不同的阿貝數的材質對不同光譜存在不同的色散，并通過與曲率配合達到矯正色差的功能。
[0059]以及可選的，第一非球面透鏡211、第二非球面透鏡212、第三非球面透鏡221和第四非球面透鏡222均為軸對稱非球面透鏡，由于軸對稱非球面透鏡的形狀規(guī)則，便于加工制造，所以當第一非球面透鏡211、第二非球面透鏡212、第三非球面透鏡221和第四非球面透鏡222均為軸對稱非球面透鏡時，加工方便，降低生產成本。
[0060]以及，折射鏡組還包括孔徑光闌(圖中未示出)，孔徑光闌位于第一透鏡組210與第二透鏡組220之間，具體地，位于第二非球面透鏡212和第三非球面透鏡221之間?？讖焦怅@與折射鏡組處于同一光軸，用于限制折射鏡組的通光量，使得影像光束的通光量限制在最有利于成像的情況內，從而提高成像的效果。
[0061]以及，反射鏡230用于將通過第一透鏡組210和第二透鏡組220校正后的影像光束反射到投影屏幕上。
[0062]可選的，反射鏡230為非球面反射鏡(非球面反射鏡的入射面為凹面)或自由曲面反射鏡。當反射鏡230為非球面反射鏡時，反射鏡230用于校正影像光束的場曲和畸變。
[0063]應用本發(fā)明實施例的超短焦投影鏡頭，在實現超短焦投影的同時，可達到較好的校正像差的目的，從而成像質量佳，參見圖2B，圖2B是根據實施例示出的一種超短焦投影鏡頭的成像效果示意圖。如圖2B所示，圖2B中交叉線(+)為預成像位置，叉號(X)為實際成像位置，則圖2B中叉號與交叉線交點重合度越高說明成像的畸變越不明顯。由圖2B可知，成像叉號與交叉線交點重合度較高，因此，該鏡頭的成像畸變度較低，即像差得到了矯正，能夠提供高質量的成像效果。
[0064]以及，由于本鏡頭具有較佳的像差矯正能力，解析能力提升，也可以應用于高解析度的投影鏡頭中，比如可以用于解析4K分辨率的圖像，使得投影屏幕可以呈現更高清的圖像，提升用戶體驗。
[0065]本發(fā)明實施例提供超短焦投影鏡頭中，折射鏡組使用兩個透鏡組，架構簡潔，鏡片數量少，且通過設置有限數量的非球面透鏡和球面透鏡即可達到較佳的像差校正效果。其中，第一透鏡組和第二透鏡組均包括兩個非球面透鏡，非球面透鏡對影像光束的有很好的矯正能力，尤其是對大視場光束具有較好的像差矯正能力，提高了鏡頭的解像能力，因此，上述非球面透鏡的設置一方面減少了鏡頭中包括的球面透鏡的數量，簡化了鏡頭的結構，且整個鏡頭的焦距較短，可以應用于短焦投影以及高解析度投影中。
[0066]實施例三、
本發(fā)明實施例三提供了一種激光投影設備，可以應用上述實施例一或實施例二的超短焦投影鏡頭。
[0067]具體地，如圖3A所示，圖3A是一種激光投影設備的架構示意圖，該激光投影設備可以是激光影院或者激光電視，或者其他激光投影儀器，如圖3A所示，包括激光光源30，光機31，超短焦投影鏡頭32，投影屏幕33。激光光源30為光機31提供照明光束，激光光源30可以是單色或雙色激光光源和熒光光源組成的混合光源，也可以是三色激光光源。光機31用于根據圖像處理信號對照明光束進行調制后形成影像光束，具體地，光機31包括光閥及光閥照明系統(tǒng)，光閥是一種光調制器件，可以是DMD芯片或者是液晶光閥，在DLP投影中，光閥為DMD芯片。光閥將影像光束反射至超短焦投影鏡頭32，超短焦投影鏡頭32用于對影像光束校正放大后投射至投影屏幕33成像。圖3B為本發(fā)明實施例激光投影設備的光路示意圖，如圖3B所示，激光投影設備中的鏡頭將光束投射到反射鏡323后，由反射鏡323再將光束進行反射至投影屏幕33上再次成像，通過超短焦投影鏡頭的應用，實現了超短焦大尺寸畫面的投影。
[0068]在一具體實施例中，光閥偏置超短焦投影鏡頭32主光軸的偏移量滿足:1.2<A/B<
1.5，其中，所述A指所述光閥的高度，所述B指主光軸到光閥的上端的距離。需要說明的是，偏移量反應了投影畫面偏移投影鏡頭的光軸的程度。具體的，當偏移量越大時，投影畫面偏移投影鏡頭的光軸的距離越大，所以在設計投影成像系統(tǒng)時，可以根據不同的需求設計不同偏移量的投影成像系統(tǒng)。
[0069 ]在一具體實施中，如圖4A所示的光機與鏡頭光路系統(tǒng)示意圖中，包括:光閥410，超短焦投影鏡頭400，超短焦投影鏡頭400包括折射鏡組420和430，以及反射鏡組430。以及在光閥410和超短焦投影鏡頭400之間還包括移動鏡片411，移動鏡片411以預設頻率振動，并在前一時刻和當前時刻透射或反射影像光束時，分別處于不同的位置，使得對前一時刻和當前時刻透射或反射的影像光束錯位重疊。
[0070]光閥410用于調制投影機中從光源系統(tǒng)傳播來的照明光束，以使得光閥410根據圖像處理信號產生影像光束，并將影像光束射向移動鏡片411。
[0071 ] 可選的，光閥410是數字微鏡元件(英文:Digital Micromirror Device，簡稱:DMD)，DMD可以是4K分辨率或3K分辨率。
[0072]具體地，光閥410包括反射鏡陣列和控制電路，當光閥410受到光照時，控制電路控制反射鏡陣列反射光源系統(tǒng)發(fā)射出的光束，產生影像光束。有關光閥410如何具體產生影像光束為現有技術，在此不做詳細介紹。
[0073]移動鏡片411位于光閥410和第一透鏡組440之間，移動鏡片411為平板玻璃或反射鏡，可以透射或反射影像光束。移動鏡片411能夠振動，移動鏡片411振動使得經過移動鏡片411的相鄰兩幀投影圖像對應的影像光束不完全重疊，進行錯位疊加，使得射向同一像素的影像光束增加，進而提高成像的分辨率，而且由于移動鏡片411的振動使得相鄰兩幀投影圖像對應的影像光束略微錯開，進而使得像素之間的過度更加平滑，從而提高成像的細膩感，進而提高成像質量，實現高分辨率的畫質，具體實現方法如下:
移動鏡片411包括有驅動組件，驅動組件可以按照預設的頻率振動，當驅動組件振動時，驅動組件帶動移動鏡片411振動(參見圖4B，圖4B是根據實施例示出的一種移動鏡片411及其振動效果示意圖)。另外，相鄰兩幀投影圖像包括第一幀投影圖像和第二幀投影圖像(第一幀投影圖像和第二幀投影圖像由同一幀圖像分解得到)。當所述第一幀投影圖像對應的影像光束和所述第二幀投影圖像對應的影像光束分別經過所述移動鏡片411時，所述移動鏡片411處于不同位置。具體的，待顯示的圖像具有第一分辨率，圖像信號處理系統(tǒng)將待顯示的圖像分解成兩幀圖像，第一幀圖像和第二幀圖像，其中第一幀圖像和第二幀圖像具有第二分辨率，第一分辨率大于第二分辨率。當第一幀圖像和第二幀圖像在行分辨率和列分辨率與DMD行和列的分辨率不一致時，需要先將待顯示的圖像的行分辨率和列分辨率調整為DMD行分辨率、列分辨率的倍數后，再進行第一幀圖像和第二幀圖像的分解。分解后，第一幀圖像和第二幀圖像的行、列分辨率相同，且均與DMD的行、列分辨率成倍數關系，該倍數關系優(yōu)選的為I倍。在顯示時，當第一幀投影圖像對應的影像光束經過移動鏡片411時，移動鏡片411處于第一位置；當第二幀投影圖像對應的影像光束經過移動鏡片411時，移動鏡片411處于第二位置，第一位置和第二位置不同，從而使得第二幀投影圖像對應的影像光束的傳播路徑與所述第一幀圖像對應的影像光束的傳播路徑不同，進而使得第二幀投影圖像對應的影像光束與第一幀投影圖像對應的影像光束不完全重疊。比如，相鄰的兩幀投影圖像為投影圖像A和投影圖像B，第一位置由移動鏡片411朝向第一方向振動產生，第二位置由移動鏡片411朝向第二方向振動產生，具體的，當投影圖像A對應的影像光束經過移動鏡片411時，移動鏡片411朝向第一方向振動(比如，移動鏡片411向上振動)；當投影圖像B對應的影像光束經過移動鏡片411時，移動鏡片411朝向第二方向振動(比如，移動鏡片411向下振動)，從而使得投影圖像B對應的影像光束與投影圖像A對應的影像光束不完全重疊，也即彼此略微錯開，進一步的，投影圖像A對應的影像光束先進入超短焦投影鏡頭400，然后投影圖像B對應的影像光束進入超短焦投影鏡頭400，由于投影圖像A和投影圖像B前后之間的時間間隔很短，所以投影圖像A和投影圖像B對應的投影圖像幾乎是重疊顯示在投影屏幕上。由于二者略微錯開，并重疊投影在投影屏幕上，使得投影圖像A和投影圖像B在投影屏幕上對應的投影圖像之間的像素的過度更加平滑和細膩，提高投影圖像的分辨率，從而提高了投影圖像的質量。
[0074]另外，需要說明的是第一幀投影圖像和第二幀投影圖像由同一幀圖像分解得到，所以當投影到投影屏幕疊加顯示時，可以達到像素信息量增加的目的，進而才能提高成像的分辨率。
[0075]另外，雖然投影圖像A和投影圖像B對應的投影圖像會分前后顯示在投影屏幕上，但是由于投影圖像A和投影圖像B對應的投影圖像在投影屏幕上的顯示時差很小，用戶不能分辨投影圖像A和投影圖像B對應的投影圖像是前后分開顯示，因而，投影圖像A和投影圖像B對應的投影圖像可以近似為顯示為一幅投影圖像。
[0076]另外，本發(fā)明實施例通過移動鏡片411與光閥410相互配合，實現圖像疊加，進而提高了圖像的分辨率，相應的本發(fā)明實施提供的超短焦投影鏡頭400具有高解析度的能力，以解析移動鏡片411與光閥410相互配合提供的高分辨率圖像，并清晰地投影到投影屏幕上。
[0077]本發(fā)明實施例提供的投影成像系統(tǒng)包括光閥410、移動鏡片411和超短焦投影鏡頭400，光閥410用于產生影像光束，并將影像光束射向移動鏡片411，由移動鏡片411對影像光束進行振動，改變影像光束的位置，以提使得同一幀圖像分解的兩幀圖像的影像光束不處于相同位置，進而提高成像的細膩感，最后，通過超短焦投影鏡頭400校正并放大影像光束，將影像光束投影到投影屏幕。在本發(fā)明實施例中，超短焦投影鏡頭400以實施例二中描述的示例為例進行說明。
[0078]具體地，超短焦投影鏡頭400沿著影像光束入射傳播的方向依次包括:第一透鏡組440、第二透鏡組430和反射鏡440。
[0079]第一透鏡組440、第二透鏡組430和反射鏡440處于同一光軸401。光閥410中心偏置于超短焦投影鏡頭400的光軸401。光閥410偏置光軸401的偏移量滿足:1.4〈A/B〈1.5，其中，A為光閥410的面的高度，B為光軸401到光閥410的面的上端的距離。
[0080]需要說明的是，偏移量反應了投影畫面偏移超短焦投影鏡頭400的光軸401的程度。具體的，當偏移量越大時，投影畫面偏移超短焦投影鏡頭400的光軸401的距離越大。[0081 ] 具體地，第一透鏡組420和第二透鏡組430的透鏡組成、反射鏡組440可參見實施例二內容描述，在此不再贅述。
[0082]可選的，參見圖4A，投影成像系統(tǒng)還包括:全反射棱鏡組450，全反射棱鏡組450設置于光閥410與移動鏡片411之間，全反射棱鏡組450用于使得從光閥410射出的影像光束變?yōu)槠叫泄馐?，從而提高最終成像的光滑度。
[0083]可選的，全反射棱鏡組460包括兩個膠合的全反射棱鏡，分別為第一全反射棱鏡和第二全反射棱鏡4。從光源系統(tǒng)射來的光束，首先射向第一全反射棱鏡，當光束射向第一全反射棱鏡時，光束發(fā)生全反射，并將發(fā)生全反射后的光束射向光閥410，當發(fā)生全反射后的光束射向光閥410時，光閥410反射光束并產生影像光束，然后將產生的影像光束從光閥410射向全反射棱鏡組450，當影像光束從光閥410射向全反射棱鏡組450時，影像光束不發(fā)生全反射，而是直接將影像光束射向移動鏡片411。
[0084]由于第一全反射棱鏡使得射向其自身的光束發(fā)生全反射，因此使用一個全反射棱鏡就可以將光束反射到光閥410上，從而不需要通過多個普通反射鏡進行多次反射，進而減少了普通反射鏡的使用數量，大大縮小了超短焦投影鏡頭400的體積；另外，全反射棱鏡組450使得通過其中的光束變?yōu)槠叫杏诠廨S401均勻光束，因此，滿足了遠心光路的需求，由于使得射向光閥410產生的影像光束變得均勻，從而也提高投影圖像的質量。
[0085]由于全反射棱鏡對射入其內的光具有平行射出的作用，因此當光閥410的不平行影像光束射向全反射棱鏡組450時，全反射棱鏡450使得影像光束平行射出，從而使得影像光束變得均勻，從而提高成像的光滑度。
[0086]另外，由于全反射棱鏡會對射入其內的光束從另一個方向射出，所以為了使得影像光束可以通過全反射棱鏡組460射向移動鏡片411，全反射棱鏡組460可以包括4個全反射棱鏡。
[0087]另外，折射鏡組和反射鏡組產生正的屈光度，其中，第一透鏡組420和第二透鏡組430組成的折射透鏡組總長度為LI，折射鏡組和反射鏡組440之間的間距為L2，L1、L2滿足:
0.65〈L1/L2〈0.7，其中，折射透鏡組長度為第一透鏡組420和第二透鏡組430的總長度，折射透鏡組和反射鏡組之間的間距為第二透鏡組430靠近反射鏡440的一端到反射鏡440的長度。
[0088]另外，超短焦投影鏡頭400的后工作距離大于36毫米，從而為放置移動鏡片411留出足夠的空間。其中，后工作距離為光閥410的光閥面與投影鏡頭的第一個透鏡(第一個透鏡的入光面)之間的距離。
[0089]另外，需要說明的是，在具體設計投影成像系統(tǒng)時，首先為移動鏡片411留出足夠的空間，即留出足夠長的后工作距離，但是由于影像光束的張角不變，所以越長的后工作距離會導致影像光束越遠離投影鏡頭的光軸，所以會造成較大像差，因此在設計上述投影鏡頭時，也會考慮由于長的后工作距離帶來的像差，并設置投影鏡頭校正由于長的后工作距離帶來的像差。
[0090]另外，光閥面到第一透鏡組中第一片透鏡的距離即鏡頭的后工作距離BL，折射鏡組和反射鏡組440之間的間距為L2，其中BL/L2的比值的范圍為0.2-0.35，用于進一步限定后工作距離的長度以避免后工作距離過長，造成像差太大，從而導致投影鏡頭的設置成本過高的問題。
[0091]本發(fā)明實施例中的光機和鏡頭的光學系統(tǒng)中，鏡頭具有較佳的像差校正能力，圖像解析度高，并且能夠預留出后工作距離，能夠放置移動鏡片，滿足在低分辨率DMD的條件下，可以實現高分辨率或高清晰度圖像的投影顯示。
[0092]以及，本發(fā)明實施例提供的激光投影設備的投射比的范圍是0.2-0.3。投影鏡頭的投射比的范圍為0.2-0.3，以達到超短焦投影的目的。在另一示例實例中，投影成像系統(tǒng)的投射比為0.24-0.25。
[0093]另外，本發(fā)明提供的投影鏡頭的調制傳送函數大于60%，分辨率達93線對/毫秒，有效焦距為-3.38或-3.47，偏移量為142%-150%，投射畫面尺寸為80-120。
[0094]另外，現在激光投影設備無法滿足高分辨4K圖像對應的影像光束的投影需求，而本發(fā)明實施例提供的激光投影設備中包括的超短焦投影鏡頭通過各球面透鏡和非球面透鏡透鏡的配合，具有較佳的像差矯正能力，可以解析高分辨率的圖像對應的影像光束，使得投影屏幕可以呈現更高清的圖像，投影畫面質量高，提升用戶體驗。
[0095]以及，本發(fā)明實施例中提供的激光投影設備，包括光閥、移動鏡片和投影鏡頭。移動鏡片使得經過振動鏡片的相鄰兩幀投影圖像對應的影像光束不完全重疊，由于影像光束不完全重疊，使得射向同一像素的影像光束增加，進而提高成像的分辨率，而且由于移動鏡片的振動使得相鄰兩幀投影圖像對應的影像光束略微錯開，進而使得像素之間的過度更加平滑，從而提高成像的細膩感，進而提高成像質量;另外，本發(fā)明實施例提供的投影鏡頭包括至少四個非球面透鏡，由于非球面透鏡相較與球面透鏡對像差有更好的校正能力，所以投影鏡頭包括非球面透鏡后可以大大減少投影鏡頭中包括的球面透鏡的數量，不僅簡化了投影鏡頭的結構，還大大提高了投影鏡頭的分辨率，進一步利于實現高分辨率投影圖像的投射。
[0096]本領域技術人員在考慮說明書及實踐這里的發(fā)明后，將容易想到本發(fā)明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍由下面的權利要求指出。
[0097]應當理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經描述并在附圖中示出的精確結構，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權利要求來限制。
【主權項】
1.一種超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述超短焦投影鏡頭包括折射鏡組和反射鏡組， 影像光束經過所述折射鏡組后，在所述折射鏡組和反射鏡組之間進行第一次成像，所述反射鏡組將第一次成像反射至投影屏幕形成第二次成像； 所述折射鏡組包括第一透鏡組和第二透鏡組，所述第一透鏡組和第二透鏡組中均具有兩片非球面透鏡;所述反射鏡組包括一反射鏡，置于所述第二透鏡組后； 所述折射鏡組和反射鏡組處于同一主光軸； 所述第二次成像的圖像相對于主光軸的偏移量為140%?150%。2.根據權利要求1所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述超短焦投影鏡頭的投射比在0.2?0.3之間。3.根據權利要求1所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述折射鏡組和反射鏡組產生正的屈光度，其中，所述折射鏡組的總長度為LI，所述折射鏡組和反射鏡組之間的間距為L2，L1、L2 滿足:0.65〈L1/L2〈0.7。4.根據權利要求1所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述超短焦投影鏡頭的等效焦距為Fl，所述第一透鏡組的等效焦距為F2，所述第二透鏡組的等效焦距為F3，所述反射鏡組的等效焦距為?4，？1、？2小314滿足: 5 < I F2/F1 I < 9 ； 7 < I F3/F1 I < 100； 5 < I F4/F1 I < 15ο5.根據權利要求1所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述超短焦投影鏡頭的有效焦距為 _3.3mm~-3.5mm 06.根據權利要求1所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述反射鏡為凹面非球面反射鏡或自由曲面反射鏡。7.根據權利要求1所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述超短焦投影鏡頭還包括孔徑光闌，所述孔徑光闌位于所述第一透鏡組與所述第二透鏡組之間，所述孔徑光闌與所述折射鏡組和反射鏡組處于同一主光軸，所述孔徑光闌用于限制所述超短焦投影鏡頭的通光量。8.根據權利要求1所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述第一透鏡組包括至少一個球面透鏡和第一非球面透鏡、第二非球面透鏡，兩個非球面透鏡之間至少設置有一個球面透鏡； 所述第二透鏡組包括至少一個球面透鏡和第三非球面透鏡、第四非球面透鏡，兩個非球面透鏡之間至少設置有一個球面透鏡。9.根據權利要求8所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于， 所述第一非球面透鏡為一凸凹透鏡，所述第二非球面透鏡為一雙凸透鏡，和/或， 所述第三非球面透鏡為一凹凸透鏡，所述第四非球面透鏡為一雙凹透鏡。10.根據權利要求8所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述第一透鏡組沿著光束入射的方向依次包括所述第一非球面透鏡、第一球面透鏡、第二球面透鏡、第三球面透鏡、第四球面透鏡和所述第二非球面透鏡，上述各透鏡的屈光度依次為負、負、負、正、正、負； 或者，包括所述第一球面透鏡、所述第一非球面透鏡、所述第二球面透鏡、所述第三球面透鏡、所述第四球面透鏡和所述第二非球面透鏡，上述各透鏡的屈光度依次為負、負、負、正、正、負。11.根據權利要求8或10所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述第二透鏡組沿著光束入射的方向依次包括所述第三非球面透鏡、第五球面透鏡、第六球面透鏡、第七球面透鏡、第八球面透鏡、第九球面透鏡、第十球面透鏡、第十一球面透鏡和所述第四非球面透鏡，上述透鏡的屈光度依次為正、正、負、負、正、負、正、負、正。12.根據權利要求8所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述第一非球面透鏡的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第一閾值，所述第二非球面透鏡的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第二閾值； 以及，所述第三非球面透鏡的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第三閾值，所述第四非球面透鏡的非球面方程的高階系數的階次大于或等于預設第四閾值。13.根據權利要求12所述的超短焦投影鏡頭，其特征在于，所述第一預設閾值、第二預設閾值、第三預設閾值、第四預設閾值均為大于等于10的整數。14.一種激光投影設備，包括激光光源，用于提供照明光束;光機，包括光閥，用于根據圖像處理信號對所述照明光束進行調制后形成影像光束，其特征在于，還包括上述權利要求I至13任一所述的超短焦投影鏡頭，其中，所述光閥將所述影像光束反射至所述超短焦投影鏡頭，所述超短焦投影鏡頭用于對所述影像光束校正放大后投射至投影屏幕成像。15.根據權利要求14所述的激光投影設備，其特征在于，所述光閥偏置所述超短焦投影鏡頭主光軸的偏移量滿足:1.2〈A/B〈1.5，其中，所述A指所述光閥的高度，所述B指所述光軸到所述光閥的上端的距離。16.根據權利要求14或15所述的激光投影設備，其特征在于，在所述光閥和所述超短焦投影鏡頭之間還包括移動鏡片，所述移動鏡片以預設頻率振動，并在前一時刻和當前時刻透射或反射所述影像光束時，分別處于不同的位置，使得對前一時刻和當前時刻透射或反射的所述影像光束錯位重疊。
【文檔編號】G02B13/24GK106054359SQ201610675937
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月17日
【發(fā)明人】陰亮, 李曉平
【申請人】海信集團有限公司