一种超小体积4K分辨率的超短焦投影光学系统的制作方法

【技术领域】

本发明涉及一种投影光学系统，尤其是一种超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统。

背景技术：

近年来随着投影技术的发展，投影仪已经广泛应用于家用、教育、办公等领域，其中，超短焦投影以其短距离投影大画面的特点，被广泛应用于家用，办公等领域。

目前市场上的超短焦投影镜头设计主要采用折射透镜组加反射透镜组的结构，体积受限于投射比，市场上的超短焦投影镜头的总长多数大于250mm，虽然有的超短焦镜头总长可以做到250mm以下，但是却牺牲了投射比，无法同时实现较短的总长和较大的投射比；目前市场上的dmd芯片仅支持1080p的分辨率，如要支持4k的分辨率，需要在镜头和照明芯片之间加振镜，通过振镜周期性振动的方式，使1个像素变成4个像素，达到4k分辨率，所以镜头的后焦要预留振镜的空间，此时镜头的后焦会大幅度增加，如要实现总长较短，就不得不牺牲分辨率和投射比；目前市场上还没有超短焦镜头能够同时克服上述缺点。

本发明就是基于这种情况作出的。

技术实现要素：

本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种超小体积，4k分辨率，投射比小于0.21，光学总长小于202mm的超短焦投影光学系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于在投射方向上依次包括有：dmd芯片100、等效棱镜200、4k振镜300、折射透镜组件400和非球面反射镜500；所述折射透镜组件400沿投射方向依次包括有：能相对dmd芯片100前后移动的第一透镜组410、能相对dmd芯片100前后移动的第二透镜组420、相对dmd芯片100静止的第三透镜组430；所述第一透镜组410的光焦度为正，所述第二透镜组420的光焦度为正，所述第三透镜组430的光焦度为负。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜组410沿投射方向依次包括有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、光阑12和第七透镜7；所述第二透镜组420包括第八透镜8，第八透镜8的两面均弯向dmd芯片100；所述第三透镜组430沿投射方向依次包括有第九透镜9、第十透镜10、和第十一透镜11；所述第一透镜1的光焦度为正，所述第二透镜2的光焦度为负，所述第三透镜3的光焦度为正，所述第四透镜4的光焦度为负，所述第五透镜5的光焦度为正，所述第六透镜6的光焦度为负，所述第七透镜7的光焦度为正，所述第八透镜8的光焦度为正，所述第九透镜9的光焦度为正，所述第十透镜10的光焦度为负，所述第十一透镜11的光焦度为负。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于：所述dmd芯片100相对于光轴偏离放置，所述dmd芯片100大小为0.48英寸，所述dmd芯片100分辨率为1920*1080。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜组410的光焦度满足所述第二透镜组420的光焦度满足所述第三透镜组430的光焦度满足所述非球面反射镜500的光焦度满足

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第三透镜组420为玻璃非球面，所述第三透镜组420为低色散玻璃且满足70<vd420<95。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第十一透镜11的两面背向所述dmd芯片100，所述第十一透镜11的光焦度满足所述第十一透镜11与所述光阑12的距离d>62mm。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第十一透镜11为塑胶非球面镜；所述第十透镜10的第一面弯向dmd芯片，第二面背向dmd芯片，光焦度满足所述第九透镜9为双凸镜片，光焦度满足

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第六透镜6为玻璃非球面镜，光焦度满足

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第四透镜4和第五透镜5为胶合镜片，胶合面背向dmd芯片，光焦度为负，满足：所述第二透镜2和第三透镜3为胶合镜片，胶合面背向dmd芯片，光焦度为正，满足：

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜1为玻璃非球面，第一透镜1光焦度满足

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、本发明分辨率非常高，支持4k分辨率，并实现了0.21以下投射比，高温状态下不虚焦。

2、本发明通过光焦度的合理分配，将反射镜的半口径尺寸降低到50mm以下，并使装配敏感度大幅度降低，可进行批量化生产。

3、本发明可补偿不同投射距离下的共轭距离变化量，同时可校正不同投射距离下的场曲和畸变，使不同投射距离下的分辨率保持不变。

【附图说明】

图1是本发明示意图；

图2是本发明光路示意图；图中的细线为光路。

图中：100为dmd芯片；200为等效棱镜；300为4k振镜；400为折射透镜组件；410为第一透镜组；420为第二透镜组；430为第三透镜组；500为非球面反射镜；1为第一透镜；2为第二透镜；3为第三透镜；4为第四透镜；5为第五透镜；6为第六透镜；7为第七透镜；8为第八透镜；9为第九透镜；10为第十透镜；11为十一透镜；12为光阑。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明技术特征作进一步详细说明以便于所述领域技术人员理解。

一种超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，在投射方向上依次包括有：dmd芯片100、等效棱镜200、4k振镜300、折射透镜组件400和非球面反射镜500。

所述折射透镜组件400沿投射方向依次包括有：

能相对dmd芯片100前后移动的第一透镜组410，所述第一透镜组410的光焦度为正；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；

能相对dmd芯片100前后移动的第二透镜组420，所述第二透镜组420的光焦度为正；

相对dmd芯片100静止的第三透镜组430，所述第三透镜组430的光焦度为负。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，所述第一透镜组410沿投射方向依次包括有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、光阑12和第七透镜7；所述第二透镜组420包括第八透镜8，第八透镜8的两面均弯向dmd芯片100；所述第三透镜组430沿投射方向依次包括有第九透镜9、第十透镜10、和第十一透镜11。

进一步地，所述第一透镜1的光焦度为正，所述第二透镜2的光焦度为负，所述第三透镜3的光焦度为正，所述第四透镜4的光焦度为负，所述第五透镜5的光焦度为正，所述第六透镜6的光焦度为负，所述第七透镜7的光焦度为正，所述第八透镜8的光焦度为正，所述第九透镜9的光焦度为正，所述第十透镜10的光焦度为负，所述第十一透镜11的光焦度为负。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，所述的dmd芯片100相对于光轴偏离放置，使得dmd芯片100的中心相对光轴偏离量＞125％，用来满足折射透镜组的出射光线经过非球面反射镜后的光线与折射透镜组不干涉；所述的dmd芯片为0.48英寸，所述的dmd芯片分辨率为1920*1080，并支持0.5英寸ecd芯片。

影像光束从dmd芯片100发出，经过等效棱镜200以及4k振镜300，当4k振镜300进行周期性振动时，dmd芯片100发出的信号可扩展为4倍，实现4k的分辨率输出，4k振镜不振动时，输出信号为1倍，分辨率为1080p；折射透镜组件400接收4k振镜输出的光线，在折射透镜组件400和非球面反射镜500之间进行第一次成像，非球面反射镜500将第一次成像反射至投影屏幕形成高分辨率的图像。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，所述第一透镜组410的光焦度满足所述第二透镜组420的光焦度满足所述第三透镜组430的光焦度满足所述非球面反射镜500的光焦度满足当透镜组按照上述光焦度分配时，可实现0.21以下投射比，光学系统总长202mm以下，光学系统和dmd芯片之间可装配4k振镜，同时非球面反射镜500的半口径尺寸也会小于50mm，，并可大幅度降低系统装配公差的敏感度，可进行批量化生产。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，所述第二透镜组420的光焦度为正，满足：所述第三透镜组420为玻璃非球面，第三透镜组420的两面均弯向dmd芯片100，所述第三透镜组420为低色散玻璃且满足70<vd420<95。以上条件同时满足后，可补偿不同投射距离下的共轭距离变化量，同时可校正不同投射距离下的场曲和畸变，使不同投射距离下的分辨率保持不变。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，所述第十一透镜11的光焦度为负，所述第十一透镜11的两面背向dmd芯片100，所述第十一透镜11的光焦度满足所述第十一透镜11与所述光阑12的距离d>62mm，可使第十一透镜11在镜头使用中的温度保持在30℃以下，使得投影系统在4000流明以上光亮度输出时，光学焦点不发生漂移，从而实现镜头在投影机长时间开机使用时画面依然清晰，无需对焦。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，所述第二透镜2与所述第三透镜3通过光学胶水粘合，所述第四透镜4与第五透镜5通过光学胶水粘合。

如上所述超小体积4k分辨率的超短焦投影光学系统，所述的第一透镜1、第六透镜6和第八透镜8为玻璃非球面，第十一透镜11和非球面反射镜300为塑胶非球面镜片。

所述的第十一透镜11的光焦度为负，第十一透镜11为塑胶非球面，可校正大视场产生的慧差和畸变，

第十透镜10光焦度为负，第一面弯向dmd芯片，第二面背向dmd芯片，第九透镜9的光焦度为正，为双凸镜片，光焦度满足：可较正大视场的高级象散和畸变，并减小进入后组的光线高度，降低系统的公差敏感度，并实现较大投射比；

所述第六透镜6为玻璃非球面，第六透镜6的光焦度为负，光焦度满足：可校正光阑球差和光阑慧差，使得系统最大可支持光圈为2.2；

所述第四透镜4和第五透镜5为胶合镜片，胶合面背向dmd芯片，光焦度为负，满足：所述第二透镜2和第三透镜3为胶合镜片，胶合面背向dmd芯片，光焦度为正，满足：可校正大视场的垂轴色差和不同波长下的轴向色差，使光学系统有较好的色彩还原性。

所述第一透镜1为玻璃非球面，第一透镜1的光焦度为正，光焦度满足：可校正大视场的高级象散，使系统可以获得较高的分辨率。

进一步地，所述非球面反射镜500、第十一透镜11、第八透镜8、第六透镜6和第一透镜1的非球面表面形状满足以下方程：

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。

以下案例为光学总长202mm，0.21投射比、可支持4k分辨率，光圈为2.2，适用于0.48英寸dmd芯片的超短焦镜头的实际设计参数：

非球面反射镜s1的系数为：

k：-1.800739

a1：0

a2：-1.0597327e-006

a3：-8.3222807e-011

a4：2.3262252e-014

a5：-5.4686126e-018

a6：-2.5680055e-022

a7：-1.1154829e-025

a7：2.0543698e-030

第十一透镜11的第一面s2的系数为：

k：-3.723038

a1：0

a2：7.4215285e-006

a3：9.4657756e-009

a4：7.0844328e-013

a5：-5.5787244e-015

a6：5.4775315e-019

a7：2.2404819e-021

第十一透镜11的第二面s3的系数为：

k：10.12091

a1：0

a2：1.7333935e-005

a3：-5.9351042e-009

a4：5.6982012e-015

a5：-2.9748251e-018

a6：-7.0619502e-023

第八透镜8的第一面s8的系数为：

k：379.1852

a1：0

a2：-2.4030546e-005

a3：2.5671249e-008

a4：-8.0809034e-012

a5：6.2264618e-014

a6：-2.2279804e-018

a7：-1.813092e-020

第八透镜8的第二面s9的系数为：

k：800

a1：0

a2：-2.7050739e-005

a3：8.9989552e-009

a4：9.6252377e-011

a5：-1.0058039e-013

a6：3.065522e-016

a7：3.2106932e-019

第六透镜6的第一面s13的系数为：

k：-16.86757

a1：0

a2：-3.0493001e-005

a3：4.0445005e-008

a4：-5.530555e-008

a5：4.5462955e-009

a6：3.0718419e-010

a7：3.1582859e-011

a8：-3.9631704e-012

第六透镜6的第二面s14的系数为：

k：-799.9997

a1：0

a2：-0.0001689683

a3：5.4774441e-006

a4：3.0956184e-009

a5：1.5690797e-009

a6：-9.1244185e-011

a7：9.8724083e-012

a8：-2.5520602e-013

第一透镜1的第一面s21的系数为：

k：62.06816

a1：0

a2：-2.0802011e-005

a3：-2.1441118e-007

a4：6.4465877e-010

a5：-1.9932042e-012

a6：-6.0476728e-016

a7：1.5282876e-018

a8：5.03457e-021

第一透镜1的第二面s22的系数为：

k：-1.830338

a1：0

a2：-4.1501526e-005

a3：-1.6048089e-007

a4：3.9708184e-012

a5：-1.0644763e-012

a6：9.4283887e-016

a7：1.9633741e-018

a8：1.2561911e-020

超短焦投影镜头的投射范围为0.4m至0.6m，超短焦投影镜头对焦时，移动第一透镜组410调整后焦，调整范围为±0.2mm，后焦调整好后，第一透镜组410固定不动，第二透镜组420移动进行对焦，对焦时各透镜组之间的间隔变化范围如下：第一透镜组410与第二透镜组420之间的间隔为2.2～0.4mm,第二透镜组420与第三透镜组430之间的间隔为16.62～18.42mm。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。