专利名称：高分辨率大视场变焦投影镜头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高分辨率大视场变焦投影镜头，是一种适合在高分辨率DMD芯片的DLP投影仪上使用的大视场变焦投影镜头，特别适合在4k的高分辨率DMD芯片的DLP投影仪上使用的大视场变焦投影镜头。
背景技术：
近年来，数字电影是电影技术领域的一次技术革命。它是不同于胶片电影的全新模式，展现给广大观众的是目前最高质量的影像，以其在制作、发行、放映的强大优势，在业界得到了迅速的发展。因此，数字电影放映机系统及其配套的投影镜头在市场上有强大的需求。现有技术的数字电影放映机主要采用了两种技术途径DLP ( (Digital Light Processing,数字光处理)技术和LCOS (Liquid Crystal On Silicon,娃基液晶)技术。目前在数字影院中广泛使用的数字电影放映系统大部分采用基于三片DMD黑芯片的DLP技术。DLP技术基于数字微镜器件(DMD，Digital Micro-mirror Device)芯片，其基本原理是将光线直接投射到数百万个微小反射镜，微镜与像素一一对应，利用数字图像信号高速控制微镜的偏转角，而且以微镜反射光能否投向光学显示系统来起光开关作用，并按照开关状态所占比例形成灰度图像，三片DMD各自产生的红、绿、蓝光在经过合成从而产生色彩鲜艳的图像，具有高亮度、高对比度等优良特性。目前，影院中广泛应用的是2k( 2048 X 1080) 的DMD芯片，而4k (4096X2160)的DMD芯片在高端影院中正得到逐步推广。投影镜头是数字电影放映机的一个重要组成部分。投影镜头的主要功能是将数字芯片发出的三基色光合成图像投射到宽银幕上。数字电影放映系统机对投影镜头的要求是能适应高分辨率放映，要求镜头像质好；能够满足特殊银幕如巨幕的要求，要求镜头视场大；能适应不同影厅和银幕不同尺寸要求，镜头能够变焦；光能利用效率高，要求镜头透过率高；要求在投影银幕中，各个视场边缘都能够看清楚，则要求镜头各个视场都有较好的成像质量和较好的照度均匀性；要求整个投影银幕中像面不失真，不产生视觉能感受到的图像变形，要求系统具有小的畸变；投影镜头和DMD芯片之间有棱镜组，要求镜头有较长的后工作距离。因此，投影镜头的特殊要求使得其不同于普通光学系统的研制。另外，现有公开的投影镜头技术中，像质难以在721p/mm仍具有较高的成像质量， 不能较好的应用于基于4k的DMD芯片的数字电影放映系统中；一部分镜头技术应用了非球面，但是像质仍不够好，不能保证在基于4k的DMD芯片的数字电影放映系统中具有较好的投影效果；一部分镜头通过采用高折射率的高档材料来补偿系统的色差，但是同时带来了系统材料受材料供求限制、材料价格高的缺点。高分辨率投影镜头要求的像质高、光照度均匀、具有一定的变倍比、长的后工作距离等特点给投影镜头的设计带来困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种高分辨率大视场变焦投影镜头，具有高的成像质量，能够和2k 4k的DMD数字微镜器件匹配，具有大视场，能够满足高端巨幕影院的需求，特别是能用于基于4k的DMD芯片的大视场高分辨率巨幕数字电影放映系统中。本发明的技术方案是
一种高分辨率大视场变焦投影镜头，包括光学系统透镜组，该光学系统透镜组包括沿光轴从前面的银幕向后面的像平面DMD芯片依次顺序排列的前补偿透镜组、变倍透镜组、 后补偿透镜组及后固定透镜组；所述变倍透镜组为正焦距组元，用于实现变倍；前补偿透镜组和后补偿透镜组均为负焦距组元，用于移动进行变倍后的像质补偿，保持变倍过程中像面稳定；后固定透镜组为正焦距组元，用于提高系统的整体像质；前补偿透镜组含有三个透镜，从前至后依次是为正透镜的I号透镜、为负透镜的2号透镜、为负透镜的3号透镜；变倍透镜组含有两个透镜，从前至后依次是为负透镜的4号透镜、为正透镜的5号透镜；后补偿透镜组含有两个透镜，从前至后依次是为负透镜的6号透镜、为正透镜的7号透镜；后固定透镜组含有六个透镜，从前至后依次是为负透镜的8号透镜、为正透镜的9 号透镜、为正透镜的10号透镜、为负透镜的11号透镜、为正透镜的12号透镜和为正透镜的 13号透镜；后固定透镜组中有光阑。进一步的技术方案是
所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其光阑位于后固定透镜组的9号透镜与10号透镜之间。所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其光阑前及光阑后各有一个高次非球面透镜，用于降低或消除光阑前及光阑后透镜所产生的各种高次像差，提高系统的传递函数，保持系统的成像质量。所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其高次非球面透镜的高次非球面设置在利于非球面加工的F6和QK3玻璃材料制成的透镜上。所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其光阑前的高次非球面透镜是后固定透镜组中的8号透镜；光阑后的高次非球面透镜是后固定透镜组中的12号透镜。所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，前补偿透镜组其I号透镜材料为K9，2号透镜材料为QK3，3号透镜材料为CAF2 ;变倍透镜组其4号透镜材料为ZF12，5号透镜材料为 LAF8 ;后补偿透镜组其6号透镜材料为K9，7号透镜材料为ZF6 ;后固定透镜组其8号透镜材料为F6，9号透镜材料为ZF6，10号透镜材料为CAF2，11号透镜材料为F5，12号透镜材料为QK3，13号透镜材料为CAF2。所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其前补偿透镜组其I号透镜的口径为 130 150毫米，2号透镜与3号透镜之间的间隔距离为15 30毫米。所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其光学系统透镜组其系统焦距f 为28 35 毫米，镜头投射比TR为I 1.25 :1。所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其系统焦距f 为30 35毫米，镜头投射比 TR 为 I I. 17 :1。所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其系统焦距f为28毫米，镜头投射比TR为 I :1。所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其系统焦距f为35毫米，镜头投射比TR为
I.25 :1。
本发明突出的特点及显著的有益效果是
I、本发明具有传递函数高、像质好、调焦方便、视场大的特点，适用在基于2k-4k的DMD 芯片的大靶面尺寸、大视场且高分辨率的巨幕数字电影放映系统中。2、本发明光学系统透镜组有13片透镜，全部材料来源广泛，方便材料供应和组织批量化生产,系统的材料成本和加工制造成本低。3、通过高次非球面的设置，消除了球差和高次像差，提高了系统的传递函数，保持系统在721p/_仍具有较好的成像质量，能在2k-4k的高分辨率DMD芯片中得到极好的使用效果。高次非球面设置在利用非球面加工的F6和QK3材料上，可以通过数控机床进行铣磨、抛光，获得较好的零件表面。4、通过不同色散系数的正负透镜搭配降低前补偿透镜组的色差，利于整个系统像质优化；通过在前补偿透镜组和后固定透镜组中，采用普通玻璃材料和低色散的CaF2材料搭配消除色差，来消除系统色差提高系统像质。5、通过利用常用的低色散的CAF2材料来代替难以购买且不易加工的低色散的氟冕玻璃，即能满足系统消色差功能，又利于系统透镜的加工和批量化生产。
图I本发明变焦投影镜头结构示意图
图2a本发明变焦投影镜头短焦部分光学示意图2b本发明变焦投影镜头中焦部分光学示意图2c本发明变焦投影镜头长焦部分光学示意图3a本发明变焦投影镜头处于短焦位置时的畸变曲线图3b本发明变焦投影镜头处于中焦位置时的畸变曲线图3c本发明变焦投影镜头处于长焦位置时的畸变曲线图4a本发明变焦投影镜头处于短焦位置时的传递函数图4b本发明变焦投影镜头处于中焦位置时的传递函数图4c本发明变焦投影镜头处于长焦位置时的传递函数图。图中各标记的名称如下
LI一前补偿透镜组；1一 I号透镜；2— 2号透镜；3— 3号透镜；
L2—变倍透镜组；4一4号透镜；5— 5号透镜；
L3一后补偿透镜组6—6号透镜；7—7号透镜；
L4一后固定透镜组8—8号透镜；9—9号透镜；10—10号透镜；11—11号透镜；12— 12号透镜；13—13号透镜；
14—光阑。
具体实施例方式结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下
实施例I :如图所示，是本发明一种高分辨率大视场变焦投影镜头的一个基本实施例。 所述高分辨率大视场，其分辨率为2k 4k，特别适合4k，在2k中也能通用，视场范围为 65.5° 54. 4°。所述高分辨率大视场变焦投影镜头，包括光学系统透镜组，该光学系统透镜组包括沿光轴从前面的银幕向后面的像平面DMD芯片依次顺序排列的前补偿透镜组LI、 变倍透镜组L2、后补偿透镜组L3及后固定透镜组L4 ;所述变倍透镜组L2为正焦距组元，用于实现变倍；前补偿透镜组LI和后补偿透镜组L3均为负焦距组元，用于移动进行变倍后的像质补偿，保持变倍过程中像面稳定；后固定透镜组L4为正焦距组元，用于提高系统的整体像质；前补偿透镜组LI含有三个透镜，从前至后依次是为正透镜的I号透镜、为负透镜的2号透镜、为负透镜的3号透镜；变倍透镜组L2含有两个透镜，从前至后依次是为负透镜的4号透镜、为正透镜的5号透镜；后补偿透镜组L3含有两个透镜，从前至后依次是为负透镜的6号透镜、为正透镜的7号透镜；后固定透镜组L4含有六个透镜，从前至后依次是为负透镜的8号透镜、为正透镜的9号透镜、为正透镜的10号透镜、为负透镜的11号透镜、为正透镜的12号透镜和为正透镜的13号透镜；后固定透镜组L4中有光阑14。所述的光阑14位于后固定透镜组L4的9号透镜与10号透镜之间。所述的光阑14前及光阑14 后各有一个高次非球面透镜，用于降低或消除光阑14前及光阑14后透镜所产生的各种高次像差，提高系统的传递函数，保持系统在721p/_仍具有好的成像质量，在4k的高分辨率 DMD芯片中得到很好的使用效果。高次非球面透镜的高次非球面设置在利于非球面加工的 F6和QK3玻璃材料制成的透镜上。所述的光阑14前的高次非球面透镜是后固定透镜组L4 中的8号透镜；光阑14后的高次非球面透镜是后固定透镜组L4中的12号透镜。所述的前补偿透镜组LI其I号透镜材料为K9，2号透镜材料为QK3，3号透镜材料为CAF2，不同材料的正负透镜搭配能校正前补偿透镜组LI的色差和其他各种像差，优化整体系统的像质；变倍透镜组L2其4号透镜材料为ZF12，5号透镜材料为LAF8，用高色散的ZF12做负透镜，用低色散的LAF8做正透镜，有效减小变倍透镜组的色差；后补偿透镜组L3其6号透镜材料为 K9，7号透镜材料为ZF6 ;后固定透镜组L4其8号透镜材料为F6，9号透镜材料为ZF6，10号透镜材料为CAF2，11号透镜材料为F5，12号透镜材料为QK3，13号透镜材料为CAF2。本实施例高分辨率大视场变焦投影镜头还有一个只有一个凸轮的凸轮驱动机构，前补偿透镜组 LI和变倍透镜组L2及后补偿透镜组L3共三个运动透镜组与该凸轮驱动机构连接，该凸轮驱动机构为常规的机械式补偿凸轮机构，对于不同距离的投影银幕可以通过凸轮驱动三个运动透镜组整体移动来达到变焦，三个运动透镜组保持了各变焦位置具有长短焦各位置的齐焦性，经过透镜的高精度加工和系统的高精度装调，实际系统能保证各变焦位置的齐焦， 如实际使用中，存在局部不清晰状况，则通过DMD外带的伺服机构整体移动投影镜头来达到微调焦目的。所述的前补偿透镜组LI其I号透镜的口径为130 150毫米，2号透镜与3 号透镜之间的间隔距离为15 30毫米，I号透镜的口径的加大和2号透镜与3号透镜之间的间隔的加大，使各视场的光线平滑，利于降低系统的公差敏感度，提升系统最终的成像质量。所述的光学系统透镜组其系统焦距f为28 35毫米，镜头投射比TR为I I. 25: I。本发明光学系统透镜组中全部选择用玻璃，且容易得到，通过不同玻璃的色差组合搭配来消除系统色差。尤其是利用了 CAF2材料的大阿贝数、低色散的特点，来代替难购买、难加工的氟冕玻璃来和其他材料组合搭配，有利于系统批量化生产中光学透镜的材料的供应和加工。要得到高分辨率，变焦投影镜头对传递函数MTF有很高的要求。变焦投影镜头要求的传递函数和DMD的像元尺寸有一定关系。例如DMD的像元数为X X y，靶面尺寸大小为cXd (单位毫米)，则单个像素大小a为lOOOc/x (单位μ m微米)，则其要求对1000/ (aX2)(单位lp/mm，线对/毫米)时传递函数有一定的数值要求，常规要求大于50%，SP MTF>0. 5@1000/2a (单位lp/mm，线对/毫米)。DMD的像元数为4096 X 2160，靶面尺寸大小为28X14. 76 (毫米)，单个像素大小a为6. 836微米，则其要求对1000/ (6. 836X2)，即 73. 141p/毫米(取721p/mm,线对/毫米)时传递函数大于50%, BP MTF>0. 5i721p/毫米。 由图4a、4b、4c三个图中看出，本实例中轴上、轴外传递函数数值在721p/mm，都达到了 O. 6 以上，因此变焦投影镜头具有较好的成像质量，可以较好的应用在基于4k的DMD高分辨率数字电影投影设备中。本发明光学系统透镜组其镜头投射比与放映距离、银幕宽度、镜头焦距、DMD的靶面宽度尺寸之间的关系式如下
m ^ PD/SWr ^f/c
式中
PD-放映距离 Projection distance
TR-镜头投射比Throw ratio
Sff-银幕宽度 Screen width
f-系统焦距
c——DMD的靶面宽度尺寸
在保持投射距离H)值不变的情况下，TR值越小，则银幕画面尺寸越大；TR值越大，则银幕画面尺寸越小。在靶面宽度尺寸c不变情况下，系统焦距f越小，则TR值越小，在投射距离H)不变情况下的银幕尺寸越大。光学系统透镜组的f为28 35毫米，当c为28毫米，得出投射比TR为1 1. 25 :1，即在放映距离H)为25米时，可获得25米 20米的银幕宽度，可以实现巨幕影院的使用要求。图2a为本发明变焦投影镜头短焦实施例的光学部分示意图，图中，3号透镜与4号透镜的距离为120 110毫米，5号透镜与6号透镜的距离为0. 3 10毫米，7号透镜与8 号透镜的距离为35 15毫米；图2b为本发明变焦投影镜头中焦实施例的光学部分示意图，图中，3号透镜与4号透镜的距离为110 105毫米，5号透镜与6号透镜的距离为10 35毫米，7号透镜与8号透镜的距离为15 7毫米；；图2c为本发明变焦投影镜头长焦实施例的光学部分示意图，3号透镜与4号透镜的距离为105 90毫米，5号透镜与6号透镜的距离为35 60毫米，7号透镜与8号透镜的距离为7 0. 5毫米。结合附图对本发明的高分辨率大视场变焦投影镜头短焦、中焦、长焦技术效果分别说明如下
从图3a本发明变焦投影镜头处于短焦位置时的畸变曲线图可知镜头畸变小于1%， ASTZGMATIC 象散，FIELD CURVES 场曲，DISTORTION 畸变；
从图3b本发明变焦投影镜头处于中焦位置时的畸变曲线图可知镜头畸变小于1%， ASTZGMATIC 象散，FIELD CURVES 场曲，DISTORTION 畸变；
从图3c本发明变焦投影镜头处于长焦位置时的畸变曲线图可知镜头畸变小于1%， ASTZGMATIC 象散，FIELD CURVES 场曲，DISTORTION 畸变；
从图4a本发明变焦投影镜头处于短焦位置时的传递函数图可知镜头在72 lp/mm时的传递函数数值大于0. 6，MTF :传递函数，SPATIAL FREQUENCY :空间频率，CYCLES/MM :线对/毫米；
从图4b本发明变焦投影镜头处于中焦位置时的传递函数图可知镜头在72 lp/mm时的传递函数数值大于O. 6，MTF :传递函数，SPATIAL FREQUENCY :空间频率，CYCLES/MM :线对/ 毫米；
从图4c本发明变焦投影镜头处于长焦位置时的传递函数图可知镜头在72 lp/mm时的传递函数数值大于O. 6，MTF :传递函数，SPATIAL FREQUENCY :空间频率，CYCLES/MM :线对/毫米。实施例2 :与上述实施例I不同的是，系统焦距f为30 35毫米，镜头投射比TR 为 I I. 17 :1。实施例3 :在上述实施例I的基础上，选系统焦距f为28毫米，镜头投射比TR为
I:1，依据公式计算，DMD的靶面宽度尺寸C为28毫米，也即适于2k的高分辨率DMD芯片的 DLP投影仪上使用的变焦投影镜头，依据公式可知本实施例放映距离为H) 25米，银幕宽度 Sff 25 米。实施例4 :在上述实施例I的基础上，选系统焦距f为35毫米，镜头投射比TR为
I.25 :1，依据公式计算，DMD的靶面宽度尺寸c为28毫米，也即适于4k的高分辨率DMD芯片的DLP投影仪上使用的变焦投影镜头，依据公式可知本实施例放映距离为H) :25米，银幕宽度SW:20米。本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。
权利要求
1.一种高分辨率大视场变焦投影镜头，包括光学系统透镜组，其特征在于，所述光学系统透镜组包括沿光轴从前面的银幕向后面的像平面DMD芯片依次顺序排列的前补偿透镜组(LI)、变倍透镜组(L2)、后补偿透镜组(L3)及后固定透镜组(L4);所述变倍透镜组(L2) 为正焦距组元，用于实现变倍；前补偿透镜组(LI)和后补偿透镜组(L3)均为负焦距组元， 用于移动进行变倍后的像质补偿，保持变倍过程中像面稳定；后固定透镜组(L4)为正焦距组元，用于提高系统的整体像质；前补偿透镜组(LI)含有三个透镜，从前至后依次是为正透镜的I号透镜、为负透镜的2号透镜、为负透镜的3号透镜；变倍透镜组(L2)含有两个透镜，从前至后依次是为负透镜的4号透镜、为正透镜的5号透镜；后补偿透镜组(L3)含有两个透镜，从前至后依次是为负透镜的6号透镜、为正透镜的7号透镜；后固定透镜组 (L4)含有六个透镜，从前至后依次是为负透镜的8号透镜、为正透镜的9号透镜、为正透镜的10号透镜、为负透镜的11号透镜、为正透镜的12号透镜和为正透镜的13号透镜；后固定透镜组(L4)中有光阑(14)。
2.根据权利要求I所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其特征在于，光阑(14)位于后固定透镜组(L4)的9号透镜与10号透镜之间。
3.根据权利要求I或2所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其特征在于，光阑(14) 前及光阑(14)后各有一个高次非球面透镜，用于降低或消除光阑(14)前及光阑(14)后透镜所产生的各种高次像差，提高系统的传递函数，保持系统的成像质量。
4.根据权利要求3所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其特征在于，高次非球面透镜的高次非球面设置在利于非球面加工的F6和QK3玻璃材料制成的透镜上。
5.根据权利要求3所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其特征在于，光阑(14)前的高次非球面透镜是后固定透镜组(L4)中的8号透镜；光阑(14)后的高次非球面透镜是后固定透镜组(L4)中的12号透镜。
6.根据权利要求I所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其特征在于，前补偿透镜组 (LI)其I号透镜材料为K9，2号透镜材料为QK3，3号透镜材料为CAF2 ;变倍透镜组(L2)其 4号透镜材料为ZF12，5号透镜材料为LAF8 ;后补偿透镜组(L3)其6号透镜材料为K9，7号透镜材料为ZF6 ;后固定透镜组(L4)其8号透镜材料为F6，9号透镜材料为ZF6，10号透镜材料为CAF2，11号透镜材料为F5，12号透镜材料为QK3，13号透镜材料为CAF2。
7.根据权利要求I所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其特征在于，前补偿透镜组 (LI)其I号透镜的口径为130 150毫米，2号透镜与3号透镜之间的间隔距离为15 30 毫米。
8.根据权利要求I所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其特征在于，光学系统透镜组其系统焦距f为28 35毫米，镜头投射比TR为I I. 25 :1。
9.根据权利要求8所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其特征在于，系统焦距f为 30 35毫米，镜头投射比TR为I I. 17 :1。
10.根据权利要求8所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其特征在于，系统焦距f为 28毫米，镜头投射比TR为I :1。
11.根据权利要求8所述的高分辨率大视场变焦投影镜头，其特征在于，系统焦距f为 35毫米，镜头投射比TR为1.25 :1。
全文摘要
本发明涉及一种高分辨率大视场变焦投影镜头，光学系统透镜组包括沿光轴从银幕向像平面DMD芯片依次顺序排列的前补偿透镜组、变倍透镜组、后补偿透镜组及后固定透镜组；所述变倍透镜组为正焦距组元；前补偿透镜组和后补偿透镜组均为负焦距组元；后固定透镜组为正焦距组元；前补偿透镜组含有三个透镜；变倍透镜组含有两个透镜；后补偿透镜组含有两个透镜；后固定透镜组含有六个透镜；后固定透镜组中有光阑。本发明优点是各透镜组的光焦度分配合理，结构紧凑、大视场、高分辨率，成像质量好，用于基于2k-4k数字微镜阵列(DMD)芯片的大银幕的高分辨率投影镜头中有显著的效果；透镜材料均易于加工，适合批量生产。
文档编号G02B1/00GK102590992SQ201210044640
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月25日 优先权日2012年2月25日
发明者李升辉, 杨长城, 耿安兵, 邹勇华, 黄则兵 申请人:湖北久之洋红外系统有限公司