一种超短焦投影镜头系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电显示行业中的投影技术，尤其涉及用于成像显示的超短焦投影镜 头系统。
【背景技术】
[0002] 近年来投影显示技术获得了长足的发展，得益于高亮度光源、光学加工和超高分 辨率像源等技术的日益成熟。其中短焦投影技术因为其出色的优势，短距离投影大画面，一 直是投影机市场的热点，在发展过程中迅速受到了广大用户的喜爱。
[0003] 短焦投影目前所采用的技术主要是广角式鱼眼镜头，属于折射式设计，投影镜头 全部由透镜组成，这种折射投影镜头由于结构的限制，随着视场角和F数的增大，会造成各 种色差、轴外像差、场曲和畸变等问题的出现，因此无法获得更大的视场角和更短的投影距 离。为了解决此问题，超短焦设计技术应运而生，在折射透镜组的前面增加一片特殊设计 的反射镜，可以实现超短距离投影出大画面的要求，突破了短焦投影镜头的极限，投射比达 0. 38以下。
[0004] 针对超短焦投影镜头系统，目前国内外都做出了一些研究成果，如：
[0005][0006][0007][0008] 上述代表性专利都采用远心光学系统设计，因而需要搭配笨重且占体积的棱镜系 统，还会导致投影机投射画面对比度不高，而且在折射透镜组部分都使用了双胶合透镜和2 片以上的非球面透镜，会带来加工装配工艺复杂、制造成本高、精度不易保证、良品率低等 问题。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种超短焦投影镜头系统，无需 笨重占体积的棱镜系统，不包含任何形式的胶合透镜，只含有一片非球面透镜，能在超短距 离内实现大画面投影。
[0010] 本发明提供的一个技术方案是，一种超短焦投影镜头系统，包括沿光路依次排列 的：
[0011] 显示芯片，是一种数字微镜器件DMD (Digital Micro-mirror Device)，用于调制 投影机中从照明系统来的光束，以显示微图像，充当镜头系统的物面；
[0012] 折射透镜组，用于平衡整个成像系统的像差，包含球差、慧差、象散、色差，并成一 弯曲的实像于后续反射镜前；
[0013] 非球面反射镜，用于校正所述折射透镜组的残留像差，包含场曲和畸变，并反射光 线，把图像最终成像于屏幕。
[0014] 所述超短焦投影镜头系统采用非远心光学系统设计，不含棱镜。整个折射透镜组 的所有透镜光学中心共轴，为主光轴，显示芯片相对于主光轴有偏置，非球面反射镜相对于 主光轴有偏心。
[0015] 优选的，所述折射透镜组一共包含十三片透镜，前十二片全部使用常用环保型玻 璃，最后一片透镜材质为PMMA树脂塑料。
[0016] 其中，所述折射透镜组不包含任何形式的胶合透镜，且从左到右透镜的口径依次 增大，便于后续机械结构设计和装配。
[0017] 优选的，所述折射透镜组只包含一面非球面，位于最后一片材质为PMMA树脂的透 镜的第二面，用来校正轴外像差；因为只包含一面非球面，能降低系统的公差敏感性，有效 减少生产、检验、装配成本。
[0018] 优选的，所述PMMA树脂透镜的非球面为偶次非球面，且非球面系数的阶数不超过 十阶。
[0019] 优选的，所述折射透镜组包括沿光路从左到右依次排列的第一透镜、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、第十二透镜、第十三透镜；所述第一、第四、第六、第七、第九、第十一透镜为双凸透镜， 所述第十、第十二透镜为双凹透镜，所述第三透镜为正月牙透镜，所述第二、第五、第八透镜 为负月牙透镜，所述第十三透镜为非球面透镜。这十三片透镜共同用来平衡镜头系统的球 差、慧差、象散和色差。
[0020] 其中，所述非球面反射镜为凹面偶次非球面，具有正光焦度，且非球面系数的阶数 不超过十二阶。
[0021] 优选的，所述非球面反射镜的顶点到所述第十三透镜的右顶点之间的距离不超过 125mm，有效的保证了镜头系统的总长度不至于过长，使结构紧凑，占用空间小。
[0022] 优选的，所述显示芯片包含1080P、WXGA、XGA等各种分辨率，且其中心相对于所述 主光轴偏置5. 6mm左右。
[0023] 所述显示芯片、折射透镜组和非球面反射镜构成的投影镜头系统能提供 140° -145°的全视场角，投射比为0. 27-0. 3,放大倍率125倍-135倍，F数2. 0-2. 5,后焦 23mm-27mm，满足在1080P、WXGA、XGA等各种分辨率下的高质量成像，且竖直TV distortion 小于 0· 28%，水平 TV distortion 小于 0· 9%。
[0024] 本发明的优点是：在原理上采用非远心光学系统设计，因此不需要笨重且占体积 的棱镜系统，能显著提高投影机的明暗对比度，而且该镜头不包含任何形式的胶合透镜，只 含有一片非球面透镜，全部使用常用环保玻璃，因而结构简单，零件工艺性好，公差性能优 良，性价比高，适合规模化生产。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明超短焦投影镜头系统的具体结构示意图；
[0026] 图2是本发明超短焦投影镜头系统的整体成像示意图；
[0027] 图3是竖直和水平TV distortion计算方法示意图；
[0028] 图4是本发明超短焦投影镜头系统在屏幕上各视场的MTF曲线，对应投影距离 500mm，画面尺寸80英寸，显示芯片分辨率1080P ;
[0029] 图5是本发明超短焦投影镜头系统的光学结构参数表；
[0030] 图6是非球面的面型结构参数表；
[0031] 图中：显示芯片100、折射透镜组200、非球面反射镜300、屏幕400、第一透镜201、 第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204、第五透镜205、第六透镜206、第七透镜207、 第八透镜208、第九透镜209、第十透镜210、第^^一透镜211、第十二透镜212、第十三透镜 213〇
【具体实施方式】
[0032] 为使本发明的结构、特征及优点更加清晰明了，现结合附图对本发明作进一步详 细说明，但不应理解为对本发明保护范围的任务限定。
[0033] 如图1所示的超短焦投影镜头系统，包括显示芯片100、折射透镜组200、非球面 反射镜300。其中，射透镜组200包括第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透 镜204、第五透镜205、第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209、第十透镜 210、第^^一透镜211、第十二透镜212、第十三透镜213。
[0034] 显示芯片100是一种数字微镜器件DMD (Digital Micro-mirror Device)，用于调 制投影机中从照明系统来的光束，以显示微图像，充当镜头系统的物面，其中心相对于折射 透镜组200的主光轴偏置5. 6mm左右，本发明支持1080P、WXGA、XGA等各种分辨率的DMD芯 片，均能满足高质量成像。
[0035] 折射透镜组200的十三片透镜的形状、间距和材质是通过光学成像原理设计而 来，从左到右其口径依次增大，因而便于后续机械结构设计和装配。通常投影镜头为控制成 像的色差和球差，会使用到胶合透镜，但本发明通过在设计过程中对色差和球差平衡的创 新性控制，在折射透镜组200中去除了胶合透镜的使用，前十二片透镜的材质也控制为常 用环保型玻璃，而且最终只使用一面非球面透镜213。因此，本发明的结构简单，零件工艺性 好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产。另外，因为折射透镜组200在原理上采用非 远心光学系统设计，因此不需要笨重且占体