一种投影镜头的制作方法

1.本发明属于投影成像技术领域，具体地说，是涉及一种结构紧凑的投影镜头。


背景技术：

2.微投影技术发展愈来愈快，随着消费者对于微投影机观看效果需求的提升，高亮度、高分辨率成为微投影发展的一大趋势。为匹配高亮度、高分辨率光机的需求，发光芯片原生像素数逐步增加，芯片尺寸逐步增大，相应的，镜头设计难度逐步增加。
3.例如，现有技术出现0.47英寸左右的大尺寸显示芯片，现有投影镜头结构不够紧凑，在应用至大尺寸显示芯片时，导致光机体积较大。因而，在应用至大尺寸显示芯片时，如何设计一种针对大尺寸显示芯片的小型化投影光机的投影镜头是急需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种投影镜头，解决了现有投影镜头结构不够紧凑，在应用至大尺寸显示芯片时，导致投影光机体积大的技术问题。
5.为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
6.一种投影镜头，包括正光焦度的前透镜组和后透镜组；
7.所述投影镜头的焦距为f，11.5mm《f《13.5mm；和/或，
8.所述前透镜组的焦距为fa，30mm《fa《70mm；
9.所述后透镜组的焦距为fb，10mm《fb《40mm；
10.所述后透镜组包含一个负光焦度的三胶合透镜。
11.如上所述的投影镜头，所述三胶合透镜的焦距为fα，-140mm＜fα＜-90mm。
12.如上所述的投影镜头，所述投影镜头包括光阑，所述光阑位于所述前透镜组和后透镜组之间；
13.所述前透镜组中最靠近光阑的透镜与所述光阑之间的空气间隙为air51，0.1mm≤air51＜30mm；
14.所述光阑与所述后透镜组中最靠近光阑的透镜之间的空气间隙为air52，0.1mm≤air52＜20mm。
15.如上所述的投影镜头，所述投影镜头的光学总长为t，所述像面对角线长度的一半为ih，15≤t/ih≤25。
16.如上所述的投影镜头，所述投影镜头具有一个非球面透镜。
17.如上所述的投影镜头，所述前透镜组自放大侧至缩小侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜。
18.如上所述的投影镜头，所述第二透镜为非球面透镜。
19.如上所述的投影镜头，所述第一透镜为玻璃透镜。
20.如上所述的投影镜头，所述第二透镜为塑料透镜。
21.如上所述的投影镜头，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜的
光焦度分别为负、负、负、负、正。
22.如上所述的投影镜头，所述后透镜组自放大侧至缩小侧依次包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜。
23.如上所述的投影镜头，所述第六透镜、第七透镜、第八透镜胶合为所述三胶合透镜，所述第六透镜、第七透镜、第八透镜的光焦度分别为负、正、负。
24.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明投影镜头包括正光焦度的前透镜组和后透镜组；投影镜头的焦距为f，11.5mm《f《13.5mm；和/或，前透镜组的焦距为fa，30mm《fa《70mm；后透镜组的焦距为fb，10mm《fb《40mm；后透镜组包含一个负光焦度的三胶合透镜。本发明投影镜头结构紧凑、尺寸小，有利于实现投影光机小型化。
25.结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
26.图1为本发明具体实施例一的架构示意图。
27.图2为本发明具体实施例一的光路图。
28.图3为本发明具体实施例一的畸变图。
29.图4为本发明具体实施例一的mtf图。
30.图5为本发明具体实施例一的离焦mtf图。
31.图6为本发明具体实施例一的点列图。
32.图7为本发明具体实施例一的垂轴色差图。
33.图8为本发明具体实施例二的架构示意图。
34.图9为本发明具体实施例二的光路图。
35.图10为本发明具体实施例二的畸变图。
36.图11为本发明具体实施例二的mtf图。
37.图12为本发明具体实施例二的离焦mtf图。
38.图13为本发明具体实施例二的点列图。
39.图14为本发明具体实施例二的垂轴色差图。
40.图中，
41.1、第一透镜；
42.2、第二透镜；
43.3、第三透镜；
44.4、第四透镜；
45.5、第五透镜；
46.6、第六透镜；
47.7、第七透镜；
48.8、第八透镜；
49.9、第九透镜；
50.10、第十透镜；
51.11、光阑；
52.12、振镜；
53.13、转折棱镜；
54.14、图像源。
具体实施方式
55.下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
56.如图1-2、8-9中，投影装置包括图像源14、振镜12、转折棱镜13和投影镜头。投影镜头包括正光焦度的前透镜组和后透镜组，前透镜组和后透镜组之间具有光阑11。
57.投影光线从图像源14发出，依次经过转折棱镜13、振镜12、后透镜组(第十透镜10、第九透镜9、第八透镜8、第七透镜7、第六透镜6)、光阑11和前透镜组(第五透镜5、第四透镜4、第三透镜3、第二透镜2和第一透镜1)，从而显示出投影图像。
58.图像源14可选用数字微镜元件(digital micromirror device，dmd)芯片。dmd是由很多矩阵排列的数字微反射镜组成，工作时每个微反射镜都能够朝正反两个方向进行偏转并锁定，从而使光线按既定的方向进行投射，并且以数万赫兹的频率进行摆动，将来自照明光源的光束通过微反射镜的翻转反射进入投影镜头成像在屏幕上。dmd具有分辨率高，信号无需数模转换等优点。当然，图像源14也可以选用硅上液晶(lcos)芯片或其他可用于出射光线的显示元件。
59.本实施例针对0.47英寸左右的dmd作为发光芯片进行镜头成像设计。
60.光焦度为像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，表征光学系统偏折光线的能力。负光焦度透镜是中间薄、周边厚的一种透镜，又称凹透镜，具有发散光线的作用；正光焦度透镜是中间厚、周边薄的一种透镜，又称凸透镜，具有汇聚光线的作用。
61.前透镜组为正光焦度，位于镜头前端，包含1片非球面镜片和4片球面镜片。
62.如图1、2、8、9所示，前透镜组自放大侧(图中左侧)至缩小侧(图中右侧)依次包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5。
63.第一透镜1为具有负焦距的弯月型透镜。
64.第二透镜2为具有负焦距的弯月型非球面透镜。
65.第三透镜3为具有负焦距的弯月型透镜。
66.第四透镜4为具有负焦距的弯月型透镜。
67.第五透镜5为具有正焦距的双凸型透镜。
68.其中，第三透镜3和第四透镜4可胶合为双胶合镜片。
69.后透镜组为正光焦度，位于镜头后端，包含5片球面镜片。
70.如图1、2、8、9所示，后透镜组自放大侧(图中左侧)至缩小侧(图中右侧)依次包括第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9和第十透镜10。
71.第六透镜6为具有负焦距的弯月型透镜。
72.第七透镜7为具有正焦距的双凸型镜片。
73.第八透镜8为具有负焦距的弯月型透镜。
74.第九透镜9为具有正焦距的双凸型透镜。
75.第十透镜10为具有负焦距的弯月型透镜。
76.其中，后透镜组包含一个负光焦度的三胶合透镜，具体的，第六透镜6、第七透镜7
和第八透镜8可以组合在一起作为三胶合透镜。
77.光阑11位于第五透镜5和第六透镜6之间。
78.本实施例仅使用1片非球面镜片，降低了镜头公差敏感度，有利于量产。
79.本实施例尺寸小，结构紧凑，有利于实现投影光机小型化。
80.本实施例镜片可以全采用玻璃材料，其热稳定性更高。
81.本实施例非球面设计在第二透镜2，也即，第二透镜2为非球面透镜。由于第一透镜1采用玻璃透镜，第二透镜2可以使用塑胶材料，也即，第二透镜2为塑料透镜，具有如下优点：(1)有利于降低成本；(2)前后玻璃镜片保护，可防止划伤；(3)靠近前端，温度较低，热变形小，对镜头解析影响小。
82.第一透镜1朝向后透镜组方向的一侧为凹面，背离后透镜组方向的一侧为凸面；
83.第二透镜2朝向后透镜组方向的一侧为凹面，背离后透镜组方向的一侧为凸面；
84.第三透镜3朝向后透镜组方向的一侧为平面(图1、2)或者凸面(图8、9)，背离后透镜组方向的一侧为凹面；
85.第四透镜4朝向后透镜组方向的一侧为凸面，背离后透镜组方向的一侧为凹面；
86.第五透镜5朝向后透镜组方向的一侧为凸面，背离后透镜组方向的一侧为凸面；
87.第六透镜6朝向前透镜组方向的一侧为平面(图1、2)或者凸面(图8、9)，背离前透镜组方向的一侧为凹面；
88.第七透镜7朝向前透镜组方向的一侧为凸面，背离前透镜组方向的一侧为凸面；
89.第八透镜8朝向前透镜组方向的一侧为凹面，背离前透镜组方向的一侧为凸面；
90.第九透镜9朝向前透镜组方向的一侧为凸面，背离前透镜组方向的一侧为凸面；
91.第十透镜10朝向前透镜组方向的一侧为凸面，背离前透镜组方向的一侧为凹面。
92.对于投影镜头的有效焦距：
93.投影镜头的焦距为f，11.5mm《f《13.5mm；和/或，
94.前透镜组的焦距为fa，30mm《fa《70mm；
95.后透镜组的焦距为fb，10mm《fb《40mm。
96.第一透镜1的焦距为f1，-60mm《f1《-40mm；
97.第二透镜2的焦距为f2，-50mm《f2《-30mm；
98.第三透镜3的焦距为f3，-20mm《f3《-50mm；
99.第四透镜4的焦距为f4，40mm《f4《60mm；
100.第五透镜5的焦距为f5，30mm《f5《50mm；
101.第六透镜6的焦距为f6，-120mm《f6《-80mm；
102.第七透镜7的焦距为f7，-30mm《f7《-10mm；
103.第八透镜8的焦距为f8，1100mm《f8《1200mm；
104.第九透镜9的焦距为f9，30mm《f9《50mm；
105.第十透镜10的焦距为f10，50mm《f10《70mm；和/或，
106.第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8组成三胶合镜片的焦距为fα，-140mm＜fα＜-90mm。
107.本实施例光焦度分配均匀，使得每个镜片的公差敏感度较低，提升了镜头良率，便于量产。
108.对于投影镜头的厚度：
109.投影镜头的光学总长为t，110mm＜t＜130mm；其中，光学总长为第一透镜1到成像面的距离。
110.投影镜头的镜片中厚分别为：
111.第一透镜1的镜片中厚为t1，1mm＜t1＜5mm；
112.第二透镜2的镜片中厚为t2，1mm＜t2＜10mm；
113.第三透镜3的镜片中厚为t3，1mm＜t3＜8mm；
114.第四透镜4的镜片中厚为t4，1mm＜t4＜10mm；
115.第五透镜5的镜片中厚为t5，1mm＜t5＜10mm；
116.第六透镜6的镜片中厚为t6，0.8mm＜t6＜5mm；
117.第七透镜7的镜片中厚为t7，1mm＜t7＜12mm；
118.第八透镜8的镜片中厚为t8，1mm＜t8＜8mm；
119.第九透镜9的镜片中厚为t9，1mm＜t9＜10mm；
120.第十透镜10的镜片中厚为t10，1mm＜t10＜10mm；
121.振镜12的镜片中厚为t11，1mm＜t11＜4mm；
122.转折棱镜13的镜片中厚为t12，12mm＜t12＜18mm。
123.本实施例对镜片中厚的设计具有如下优点：(1)有利于降低镜片的制作工艺难度；(2)有利于节省原材料，降低成本；(3)有利于减小镜头长度，实现小型化。
124.对于投影镜头的空气间隙：
125.第一透镜1和第二透镜2之间的空气间隙为air1，0.1mm＜air1＜10mm；
126.第二透镜2和第三透镜3之间的空气间隙为air2，0.1mm＜air2＜20mm；
127.第三透镜3和第四透镜4之间的空气间隙为air3，0mm≤air3＜20mm；
128.第四透镜4和第五透镜5之间的空气间隙为air4，0.1mm≤air4＜15mm；
129.第五透镜5和第六透镜6之间的空气间隙为air5，0.1mm≤air5＜50mm；
130.其中，第五透镜5与光阑镜片11之间的空气间隙为air51，0.1mm≤air51＜30mm；光阑镜片11与第六透镜6之间的空气间隙为air52，0.1mm≤air52＜20mm；
131.第六透镜6和第七透镜7之间的空气间隙为air6，0mm≤air6＜5mm；
132.第七透镜7和第八透镜8之间的空气间隙为air7，0mm≤air7＜5mm；
133.第八透镜8和第九透镜9之间的空气间隙为air8，0.1mm＜air8＜10mm；
134.第九透镜9和第十透镜10之间的空气间隙为air9，0.1mm＜air9＜10mm。
135.第十透镜10与振镜12之间的空气间隙为air10，0mm＜air10＜12mm；
136.振镜12与转折棱镜13之间的空气间隙为air11，0mm＜air11＜12mm。
137.本实施例对空气间隙的设计具有如下优点：(1)有利于镜片与镜筒结构配合，便于装配，降低工艺组装难度；(2)光阑前后的空气间隔(即air51、air52)按此约束，有利于降低光阑前后镜片的公差敏感度，提高镜头组装良率；(3)有利于减小镜头的轴外边缘像差，提高像质。
138.其中，转折棱镜与后透镜组的空气间隔(即air10+air11)按此约束的有益效果：
139.(1)为镜头与照明主体部分留有充足的装配间隙，便于结构设计与工艺组装，提高量产性；(2)有利于降低镜头的公差敏感度，提高镜头欧组装良率；(3)有利于减小镜头长
度，实现小型化。
140.对于镜片的曲率半径、投影镜头的焦距为f：
141.第一透镜1背离后透镜组方向的一侧的曲率半径为r11、朝向后透镜组方向的一侧的曲率半径为r12，0.3＜r11/f＜5、0.2＜r12/f＜3；
142.第二透镜2背离后透镜组方向的一侧的曲率半径为r21、朝向后透镜组方向的一侧的曲率半径为r22，0.2＜r21/f＜5、0.1＜r22/f＜5；
143.第三透镜3背离后透镜组方向的一侧的曲率半径为r31、朝向后透镜组方向的一侧的曲率半径为r32，-5＜r31/f＜-0.3、0.1＜r32/f；
144.第四透镜4背离所述后透镜组方向的一侧的曲率半径为r41、朝向后透镜组方向的一侧的曲率半径为r42，-20＜r41/f＜-1、-5＜r42/f＜-1；
145.第五透镜5背离所述后透镜组方向的一侧的曲率半径为r51、朝向后透镜组方向的一侧的曲率半径为r52，1＜r51/f＜10、-15＜r52/f＜-1；
146.第六透镜6朝向前透镜组方向的一侧的曲率半径为r61、背离前透镜组方向的一侧的曲率半径为r62，0.1＜r61/f、0.1＜r62/f＜5；
147.第七透镜7朝向前透镜组方向的一侧的曲率半径为r71、背离前透镜组方向的一侧的曲率半径为r72，0.1＜r71/f＜5、-5＜r72/f＜0.1；
148.第八透镜8朝向前透镜组方向的一侧的曲率半径为r81、背离前透镜组方向的一侧的曲率半径为r82，-5＜r81/f＜0.1、-5＜r82/f＜0.1；
149.第九透镜9朝向前透镜组方向的一侧的曲率半径为r91、背离前透镜组方向的一侧的曲率半径为r92，1＜r91/f＜10、-5＜r92/f＜-0.1；
150.第十透镜10朝向前透镜组方向的一侧的曲率半径为r101、背离前透镜组方向的一侧的曲率半径为r102，0.1＜r101/f＜5、0.1＜r102/f＜20。
151.本实施例对曲率半径的设计具有如下优点：(1)有利于降低镜片的制作工艺难度；(2)有利于减小镜头的公差敏感度，提升镜头组装的良率；(3)可以较好的矫正镜头的像差，提高成像的清晰度。
152.投影镜头的光学总长为t，像面对角线长度的一半为ih，15≤t/ih≤25；当满足此关系式时，可使得镜头具有与显示元件相匹配的工作距离，并满足小型化的需求。
153.投影镜头适用于：
154.像高≤8.5mm。
155.投射比≥0.8，其中，投射比是指投影距离与投影画面宽度的比值。
156.投影镜头的光圈数f＞1.5，能够满足投影镜头对亮度的要求，其中，光圈比是指焦距与光圈直径的比值，当光圈比越小时，投影镜头的相对口径越大，通光量越大；反之，当光圈比越大时，投影镜头的相对口径越小，通光量越小。
157.投影镜头的视场角fov＜40
°
，其中，视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角可用fov表示。
158.在图1、2所示的投影镜头中，投影镜头的光学总长为119.5mm。
159.投影镜头的具体参数如表1所示。其中包含镜片的曲率半径、厚度、玻璃材料、半口径。
160.表1：
161.[0162][0163]
本实施例投影镜头的其它主要参数：
[0164]
投影镜头的光圈数f＝1.7；视场角fov＝32
°
；投射比＝1.2。
[0165]
基于表1的参数数据，图3为投影镜头的畸变图，其中，畸变是指物体通过光学组件成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。由图3可知，本实施例的投影镜头中，畸变＜1％，满足人眼观看水平。
[0166]
基于表1的参数数据，图4为投影镜头的各视场芯片面调制传递函数图，即mtf(modulation transfer function)图，mtf图用于是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。以投影角度为视场取样间频率坐标，纵坐标为传递函数mtf值。由图4可知，本实施例的投影镜头中，每个视场的平均mtf＞0.6，成像良好。
[0167]
基于表1的参数数据，图5为投影镜头的离焦mtf图，即随着离焦的距离，mtf数值的变化。由图5可知，mtf＞0.4的离焦范围大于0.02mm，具备较大的离焦范围，热虚焦风险低，并可适应不稳定的点亮环境。
[0168]
基于表1的参数数据，图6为投影镜头的点列图，所有视场均小于1pixel，可满足人眼观看水平。
[0169]
基于表1的参数数据，图7为投影镜头的垂轴色差图，垂轴色差＜1.6μm，可实现较低的成像拖影程度。
[0170]
在图8、9所示的投影镜头中，投影镜头的光学总长为115mm。
[0171]
投影镜头的具体参数如表2所示。其中包含镜片的曲率半径、厚度、玻璃材料、半口径。
[0172]
表2：
[0173]
[0174][0175]
本实施例投影镜头的其它主要参数：
[0176]
投影镜头的光圈数f＝1.75；视场角fov＝31.7
°
；投射比＝1.2。
[0177]
基于表2的参数数据，图10为投影镜头的畸变图，其中，畸变是指物体通过光学组件成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。由图10可知，本实施例的投影镜头中，畸变＜1％，满足人眼观看水平。
[0178]
基于表2的参数数据，图11为投影镜头的各视场芯片面调制传递函数图，即mtf(modulation transfer function)图，mtf图用于是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。以投影角度为视场取样间频率坐标，纵坐标为传递函数mtf值。由图11可知，本实施例的投影镜头中，每个视场的平均mtf＞0.6，成像良好。
[0179]
基于表1的参数数据，图12为投影镜头的离焦mtf图，即随着离焦的距离，mtf数值的变化。由图12可知，mtf＞0.4的离焦范围大于0.02mm，具备较大的离焦范围，热虚焦风险低，并可适应不稳定的点亮环境。
[0180]
基于表1的参数数据，图13为投影镜头的点列图，所有视场均小于1pixel，可满足人眼观看水平。
[0181]
基于表1的参数数据，图14为投影镜头的垂轴色差图，垂轴色差＜1.6μm，可实现较低的成像拖影程度。
[0182]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实
施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。