一种大光圈大像面高分辨率投影光学系统的制作方法

本实用新型涉及一种短焦投影光学系统，尤其是一种大光圈大像面高分辨率投影光学系统。

背景技术：

所谓短焦投影机，即投影机到屏幕之间的距离与屏幕尺寸的比值很小的一种投影仪，能在较短的距离里投射出更大的画面。

目前主要通过两种技术形式来实现此功能，一种是采用反射式投影技术，即投影系统将影像投射在反射镜上，在由反射镜投射到投影屏幕上。这种投影方式对工艺技术要求很高，容易因为反射镜的微小误差，造成投射出来的影像发生变形和亮度不均，难以满足批量生产的要求。另一种为采用直接投射式来实现。目前市场上的投影机普遍存在这样的缺点：1、镜头的光圈较小，导致投射出来的影像在明亮的环境下画面亮度低，影响使用效果；2、少部分光圈较大的投影镜头，由于使用了较多的球面或玻璃非球面镜片，导致价格昂贵；3、也有少部分镜头为了降低成本，牺牲部分解像力，或使用塑胶非球面，但由于投影机的发热量大，这类镜头往往容易因高温出现虚焦现象，影响使用效果。

因此，本实用新型正是基于以上的不足而产生的。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供了一种结构简单，光圈大，体积小，低成本，分辨率高、且高温共焦的投影光学系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用了下述技术方案：

一种大光圈大像面高分辨率投影光学系统，其特征在于从投射面到发光芯片依次设置有：

第一透镜，所述第一透镜为非球面透镜，且光焦度为负；

第二透镜，所述第二透镜为球面透镜，光焦度为负；

第三透镜，所述第三透镜为球面透镜，光焦度为负；

第四透镜，所述第四透镜为球面透镜，且光焦度为正；

第五透镜，所述第五透镜为球面透镜，且光焦度为正；

第六透镜，所述第六透镜为球面透镜，且光焦度为正；

光阑；

第七透镜，所述第七透镜为球面透镜；且光焦度为正；

第八透镜，所述第八透镜为球面透镜；且光焦度为负；

第九透镜，所述第九透镜为球面透镜；且光焦度为正；

且第八透镜和第九透镜为粘合镜片；

第十透镜，所述第十透镜为球面透镜；且光焦度为负；

第十一透镜，所述第十一透镜为非球面透镜；且光焦度为正；

第十二透镜，所述第十二透镜为球面透镜；且光焦度为正；

棱镜。

如上所述的一种大光圈大像面高分辨率投影光学系统，其特征在于，所述的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜采用玻璃材质，所述的第一透镜采用塑料材质。

如上所述的一种大光圈大像面高分辨率投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜的光焦度为φ1，所述第二透镜的光焦度为φ2，所述第三透镜的光焦度为φ3，所述第四透镜的光焦度为φ4，第五透镜的光焦度为φ5，第六透镜的光焦度为φ6，第七透镜的光焦度为φ7，第八透镜的光焦度为φ8，第九透镜的光焦度为φ9，第十透镜的光焦度为φ10，第十一透镜的光焦度为φ11，第十二透镜的光焦度为φ12，满足：-0.02<φ1<-0.01，-0.03<φ2<-0.02，-0.04<φ3<-0.03，0<φ4<0.01，0.02<φ5<0.03，0.01<φ6<0.02，0.015<φ7<0.025，-0.01<φ8<0，0.0<φ9<0.01，-0.03<φ10<-0.02，0.03<φ11<0.04，0.025<φ12<0.035。

如上所述的一种大光圈大像面高分辨率投影光学系统，其特征在于，所述的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十二透镜为光学球面玻璃，所述第一透镜为塑胶非球面镜片，所述第十一透镜为玻璃非球面镜片。

如上所述的一种大光圈大像面高分辨率投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜和第十一透镜的非球面的表面形状满足以下方程：第七透镜的光焦度为φ7，

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，本实用新型的一种大光圈大像面高分辨率投影光学系统，达到了如下效果：

1、本实用新型光圈大，可支持F1.6的光圈。

2、本实用新型结构简单，通过合理分配镜片光焦度，使该投影系统在使用了较少非球面的情况下，同时具有高分辨率的投影效果，极大的降低了镜头的成本。

3、本实用新型通过合理采用塑胶非球面，同时混合使用玻璃镜片和塑胶镜片，在降低成本的同时，并实现了高温状态下不虚焦。

【附图说明】

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本实用新型示意图；

附图说明：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、第十透镜；11、第十一透镜；12、第十二透镜；13、棱镜；14、发光芯片；15、光阑。

【具体实施方式】

下面结合附图对本实用新型的实施方式作详细说明。

如图1所示，一种大光圈投影光学系统，从投射面到发光芯片14依次设置有：

第一透镜1，所述第一透镜1为非球面透镜，且光焦度为负；

第二透镜2，所述第二透镜2为球面透镜，光焦度为负；

第三透镜3，所述第三透镜3为球面透镜，光焦度为负；

第四透镜4，所述第四透镜4为球面透镜，且光焦度为正；

第五透镜5，所述第五透镜5为球面透镜，且光焦度为正；

第六透镜6，所述第六透镜6为球面透镜，且光焦度为正；

光阑15

第七透镜7，所述第七透镜7为球面透镜；且光焦度为正；

第八透镜8，所述第八透镜8为球面透镜；且光焦度为负；

第九透镜9，所述第九透镜9为球面透镜；且光焦度为正；

且第八透镜和第九透镜为粘合镜片；

第十透镜10，所述第十透镜10为球面透镜；且光焦度为负；

第十一透镜11，所述第十一透镜11为非球面透镜；且光焦度为正；

第十二透镜12，所述第十二透镜12为球面透镜；且光焦度为正；

棱镜13。

如图1所示，在本实施例中，所述的第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11和第十二透镜12采用玻璃材质，所述的第一透镜1采用塑料材质。本实用新型采用玻璃镜片和塑胶镜片的混合使用，实现了高温状态下不虚焦。

如图1所示，在本实施例中所述第一透镜1的光焦度为φ1，所述第二透镜2的光焦度为φ2，所述第三透镜3的光焦度为φ3，所述第四透镜4的光焦度为φ4，第五透镜5的光焦度为φ5，第六透镜6的光焦度为φ6，第七透镜7的光焦度为φ7，第八透镜8的光焦度为φ8，第九透镜9的光焦度为φ9，第十透镜10的光焦度为φ10，第十一透镜11的光焦度为φ11，第十二透镜12的光焦度为φ12，满足：-0.02<φ1<-0.01，-0.03<φ2<-0.02，-0.04<φ3<-0.03，0<φ4<0.01，0.02<φ5<0.03，0.01<φ6<0.02，0.015<φ7<0.025，-0.01<φ8<0，0.0<φ9<0.01，-0.03<φ10<-0.02，0.03<φ11<0.04，0.025<φ12<0.035。

本实施例中，通过光学设计软件对投影系统进行优化组合设计各项参数尺寸，合理分配各透镜的光焦度，使光线在各透镜上的偏转角度分布合理，在使用较少非球面的情况下，具有最佳成像效果下，同时保证拥有良好的工艺性，满足产品大量生产的要求。

在本实施例中，第一弯月形透镜1为非球面透镜，第一弯月形透镜1为塑胶材质透镜，光焦度为负，在实现光线大角度偏转时，可同时校正大角度光线的畸变和象散，使进入后组的光线具有较小的角度和剩余像差。第十一透镜11为玻璃非球面透镜，可对较高光线的球差、慧差等像差进行校正，配合第一透镜1的使用，来实现大光圈下和更优良的成像效果。

所述第一弯月形透镜1为塑料非球面，光焦度φ4为负，首片使用塑胶非球面极大的降低了系统的成本，首片塑胶非球面镜片弯曲方向朝向芯片；第十一透镜为玻璃非球面，透镜弯曲方向背离芯片，与第一透镜相反；保证在因投影机长时间使用，造成镜头内部温度升高的情况下，第一透镜塑胶非球面膨胀系数P1，镜片温度T1，第十一透镜玻璃非球面膨胀系数P11，镜片温度T11，满足P1*T1+P11*T11≈0的关系式。通过塑胶非球面和玻璃非球面的结合使用，解决了系统虚焦现象，确保高温状态下，光学系统不离焦。

如图1所示，在本实施例中，所述的第二透镜1、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10和第十二透镜12为光学球面玻璃，所述第一透镜1为塑胶非球面镜片，所述第十一透镜11为玻璃非球面镜片。

如图1所示，在本实施例中，所述第一透镜1和第十一透镜11的非球面的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F1.6，使用距离0.5-5m，投射比的投影镜头的实际设计参数：

第一透镜1第一面S1系数为：

k：-768

a1：0

a2：0.00011485935

a3：-5.3053334e-007

a4：2.126744e-009

a5：-5.4787393e-012

a6：8.0470803e-015

a7：-4.9662071e-018

第一透镜1第二面S2系数为：

k：22.275

a1：0

a2：0.00014239041

a3：-4.6197932e-007

a4：5.2022001e-010

a5：1.2998783e-011

a6：-7.5810064e-014

a7：1.4883303e-016

第十一透镜11一面S21数为：

k：-565.9319

a1：0

a2：-4.6842153e-006

a3：1.3583932e-008

a4：2.96366079486753e-012

a5：2.35668648024052e-015

a6：-1.7709563837241e-019

a7：-6.05918030192083e-022

第十一透镜11二面S22数为：

k：-0.4040741

a1：0

a2：4.90490480030574e-007

a3：-2.05760498407608e-010

a4：2.99679825125034e-014

a5：5.55711304020551e-018

a6：-2.86845642405709e-021

a7：2.91053534222281e-025