专利名称：一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头。在一定范围内可满足不同芯片尺寸、不同芯片长宽比的1IXD、3IXD或IDMD类型常见主流数字工程投影机对于整球形幕和半球形幕的投射需求。
背景技术：
鱼眼镜头是所有光学镜头类别中非常特殊的一种，其像高和视场角的函数关系可以根据需要而设定，一般用于120°到180°视场环境的拍摄和投影，成像原理为“非相似成像”，即通过引入定量“畸变”，产生大反远比，并增加镜头视场角。不同的应用领域，鱼眼镜头的结构参数和应用环境参数不同。上世纪七十年代，鱼眼镜头在电影行业首先出现，用来拍摄和放映35_及70_胶片的球幕(也称穹幕)电影，从而引发了鱼眼镜头被广泛使用的 序眷。目前市场上的鱼眼镜头包括摄影(摄像)、监控、放映和投影镜头，其光学结构一般都是固定焦距，包含12片透镜，尤其在放映和投影应用领域由于需要更大的反远比和更大的相对孔径，一般光学结构都具有1(Γ12片透镜。在数字球幕投影领域，因为投影机光学引擎本身结构特性，要求投影镜头具有至少6倍的反远比，同时由于投影机亮度不能无限增大，这就要求投影镜头应该具有较大的相对孔径，尽量减小镜头自身的光能损失。直到进入21世纪，才出现了变焦鱼眼镜头，但也仅仅局限于摄影领域，未见公开在投影或放映领域中应用的报道，尤其通用型的变焦鱼眼投影镜头在国际上仍然是空白。众所周知，不同品牌的数字投影机采用不同技术类型的光学引擎和不同尺寸规格的芯片，芯片尺寸的不同又对应光学引擎中不同尺寸的分光/合光棱镜组结构，那么，对于数字投影领域的变焦鱼眼镜头来说，能达到通用目的，就应该具有以下三个基本功能，一是焦距连续可调节，进而导致像高变化来适应不同的芯片尺寸；二是镜头要补偿不同投影机引擎棱镜的尺寸差异而造成的像差变化，保证像质优良；三是要保证用于同一投影机时变焦后像面位置稳定。近来，随着数字图像处理技术的进步、对数字视频素材变形处理能力的提高、以及市场对多样化投影或图形显示需求的不断出现，促进了基于数字投影机的特殊形式投影应用的发展，针对整球形幕(背投)和针对半球形幕(正投)投影的应用越来越广泛，这也促进了对满足数字投影机使用的鱼眼投影镜头的研究与开发。同时，随着光学设计理论和设计软件不断取得重大突破，对鱼眼镜头结构的光学像差控制和优化能力得以大大加强，因而各种类型的鱼眼镜头接连出现，但目前市场上所应用的投影鱼眼镜头结构都是定焦结构，且结构相对复杂，一般是1(Γ12片结构。近几年，大量新品牌新规格的数字投影机不断涌现，它们所采用的芯片类型、尺寸和芯片长宽比例各异，在主流工程机范围其芯片尺寸范围为O. 63、. 98英寸(对角线)，长宽比例则有4 3和16 :9，而鱼眼镜头的像高一般等于芯片短边长，如果采用定焦距结构，就需要很大的镜头规格系列来对应，又由于球幕投影是特殊形式的投影，需求和应用远不及常规形式，就造成鱼眼镜头无法规模化生产，也就无法降低生产成本，继而影响到球幕投影技术的发展。
发明内容
鉴于现有技术的状况，本发明提供了一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头。其通用型变焦鱼眼镜头光学结构变焦设计原则采用“非物像交换原则”，结构形式为机械补偿法正组变倍、负组补偿，其光学结构在焦距变化的同时充分补偿了像面位移，兼顾补偿了不同数字投影机的引擎棱镜光程差所造成的各种像差；变倍镜组相对与前固定组的光学间隔变化量和补偿镜组相对于后固定组的光学间隔变化量在所有焦距段相对应并呈现出良好线性关系，同一只镜头在一定范围内可以满足不同技术类型、不同芯片尺寸及不同芯片长宽比的数字投影机使用，具有很强的通用性。此外，实现变倍镜组和补偿镜组光学位置连续调整的机械结构部分的两条凸轮曲线都构造为标准的螺旋线，使其运动组元光学间隔按照光学结构需要而连续变化，在精准连续变焦和像面稳定的前提下，最大限度简化了镜头机械结构，提升了镜头的生产工艺性。本发明的技术解决方案是一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，包括机 械结构和光学结构两部分；
机械结构包括具有镜头前主筒、后主筒、变倍筒和补偿筒，所述的镜头前主筒和后主筒，彼此通过安装旋转滑环和可绕轴向滑动位移的柱面滑键连接，在后主筒上分别设有像面距调节手轮和变焦调节手轮，又通过变焦调节手轮与凸轮筒连接，凸轮筒上有两条螺旋线槽，凸轮筒内壁与前主筒及导引筒外壁滑动配合，前主筒通过螺纹固定连接导引筒，导引筒上有一条直线槽，所述的变倍筒和补偿筒分别安装在导引筒内，并和导引筒滑动配合，在所述凸轮筒上设有的第一滑动销钉、第二滑动销钉分别穿过凸轮筒和导引筒上的两条螺旋线槽和导引筒上的直线槽，并分别滑动连接变倍筒和补偿筒；和
光学结构包括具有十片透镜构成四个光学功能性镜组，依次排列为总光焦度为负的前固定镜组、总光焦度为正的变倍镜组、总光焦度为负的补偿镜组和总光焦度为正的后固定镜组，位于补偿镜组和后固定镜组之间设有孔径光栏；所述的前固定镜组由负光焦度第一透镜、负光焦度第二透镜、负光焦度第三透镜、正或负光焦度第四透镜共四片透镜构成，所述的变倍镜组由正光焦度第五透镜共一片透镜构成，所述的补偿镜组由相互胶合的正光焦度第六透镜和负光焦度第七透镜共两片透镜构成，所述的后固定镜组由负光焦度第八透镜、正光焦度第九透镜、正光焦度第十透镜构成，其中第八透镜和第九透镜相互胶合，所述的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组、孔径光栏同轴置于机械结构中所对应的镜头前主筒、变倍筒、补偿筒和后主筒的位置。因此，该镜头的机械调整机构主要利用带有两条螺旋线型曲线槽的凸轮筒和一个带有直线槽的内置导引筒来实现光学运动组元的光学间隔调整功能，凸轮筒在导引筒外，滑动配合。变倍筒和补偿筒同处于导引筒内，并和导引筒滑动配合，通过凸轮筒绕光轴旋转，带动变倍筒和补偿筒在导引筒内灵活运动，以实现变倍镜组和补偿镜组的位置调节。本发明的四个光学功能性镜组中，前固定镜组主要功能是产生足够大的角放大率，实现大视场角的光学性能，变倍镜组通过相对于前固定组同轴的、连续的、单调的光学间隔变化，来实现镜头焦距连续变化，补偿镜组通过相对于后固定镜组发生同轴的、连续的、单调的光学间隔变化，来持续的补偿变倍镜组因位置变化而产生的像面位移，以保证像面稳定，后固定镜组的主要功能是保证镜头所需焦距范围，并减小因补偿镜组光学间隔按线性变化所引起的像面位移欠补偿的影响；在最短焦距处，变倍镜组和补偿镜组之间的光学间隔达到最小，在最长焦距处，变倍镜组和补偿镜组之间的光学间隔达到最大。在从最短焦距变化到最长焦距，变倍镜组光学间隔变化的距离总是小于补偿镜组光学间隔变化的距离，而且移动方向相反。在本发明中，光学结构中运动组元的变倍镜组和补偿镜组统称为变焦核，变焦核与前固定镜组和后固定镜组的位置关系用包含了光学功能性镜组物距和像距信息的轴向放大率来表示，按照高斯光学设计理论，采用规化条件，即在变倍镜组焦距等于I的条件下，变焦核的特征为，补偿镜组的焦距范围为-I. 5'1. 7 ;以最短焦距作为变焦初始位置，变倍镜组的轴向放大率范围为-I. 3^-1. 4，补偿镜组的轴向放大率范围为-I. 5'1. 7，以保证变焦过程中变倍镜组的移动距离接近并小于补偿镜组的移动距离；在整个焦距段，后固定镜组的轴向放大率范围为-O. 08^-0. 14之间，后固定镜组的焦距数值总是接近并略大于整个镜头在空气中的后工作距离。 在本发明中，所述的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组的光焦度绝对值比为I :0. 212 :0. 14 :0. 549 ;其中变倍镜组和补偿镜组的光焦度比约为3 -2 ;在所有焦距段，孔径光栏前各镜组的光焦度之和总为负，孔径光栏后各镜组的光焦度之和总为正 ’最长焦距处和最短焦距处，孔径光栏前的光焦度比最大为I :1. 5，孔径光栏前后光焦度和之比的范围为-I :1.3 -I :1. 95。本发明所指光学结构的第一透镜、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、第十透镜的玻璃材料依次采用重冕系或镧冕系、重冕系或镧冕系、重冕系或镧冕系、重火石系、轻冕系或冕系、重火石系、镧冕系或重冕系、重火石系、钡冕系或重冕系、重冕系或镧冕系光学玻璃材料。本发明所述的孔径光栏是一个和镜头筒材质相同的并和光学对称轴同轴的中空圆孑L。本发明光学结构中的其它光学参数，包括折射工作面曲率、透镜厚度和空气间隔，可根据具体生产工艺、光学原材料尺寸规格和常规的光学像差控制理论的像差匹配要求而定。根据本发明的应用特点，针对性进行实际设计时，可根据具体需要选择性能参数大小，本发明具有的极限性能参数或参数范围为各个焦距段全视场角不变，视场角最大可达185° ;等效空气中镜头反远比——光学后工作距L'和焦距fn的比值为最大达12倍；各个焦距段相对孔径不变，最大相对孔径为D' / fn=l/1.8，其中D'为镜头结构入瞳直径，fn为对应焦距值，焦距变化能力变倍比为最大fl/fs=l. 5，其中fl是最长焦距，fs是最短焦距。在本发明中，所述的变焦鱼眼镜头，按比例进行焦距缩放，可适用全视场像高直径范围3mnT30_的特定需求，适用更大范围的数字投影机。本发明的变焦鱼眼镜头，适用色光波长范围400ηπΓ 700 nm。本发明所指的十片透镜的折射工作面均可以设计为标准球面，但完全可以把光学结构中的某个或几个标准球面变更为非球面，这样，通过复杂化的设计、牺牲加工工艺性有利于光学系统的像差校正。
本发明经过针对性地统计和分析目前市场上已经出现的工程类数字投影机的芯片对角线尺寸a及其长宽尺寸b X c的分布规律，并充分研究和归纳了芯片尺寸和光学引擎棱镜光程尺寸的一般对应关系，设计时用一定厚度E的等效玻璃平板来替代光学引擎棱镜光程尺寸，将c和E作为结组变量对应考虑，芯片尺寸的短边长c确定为镜头的“像高”，根据像高的变化范围确定了本发明的长、短焦距极限fl和fs，根据引擎棱镜尺寸情况，等效为一定厚度E的平行玻璃平板，对应加入光学系统不同焦距段，再计算出不同焦距时由于所加入的不同厚度E的等效平行玻璃平板厚度差值Λ e，用公式AL (l/n_l)=Ae将玻璃厚度差转换计算为空气厚度差AL,其中η是引擎棱镜所采用的玻璃材料折射率，在每个焦距段保证E增加Ae时，相对应地镜头最后一个镜片的最后一个面的顶点到像面的距离L也要增加(-AL)，其中L是空气中的间隔数据，作为光学系统计算和优化的附加条件，因为镜头计算和优化模型的“混合”的后工作距离包括了空气间隔和玻璃平板厚度Ε，所以实际上把E折算成等效空气间隔后，镜头的实际后工作距离就是一个常量，如此得到的结果便保证了像面位置稳定不变。也就是说，该结构除了补偿了变焦而引起的像面的位移量，同时也补偿了部分的像差，因为根据光学像差理论，玻璃平行平板厚度差值Ae对于斜入射·的光线来说要产生多种像差，必须得到很好的校正。总之，本发明所具有的积极效果是本发明有效利用了光学结构及机械结构形式，实现了投影领域通用型鱼眼变焦镜头的功能，由折射工作曲面全部为球面的十片透镜和一个孔径光栏，构成了通用型数字投影变焦鱼眼镜头的全部光学结构，以最简单的形式实现了满足绝大多数工程数字投影机使用的通用性。本发明提供的镜头结构，充分考虑了光学引擎几何尺寸差异造成的光学像差影响，可以满足芯片类型为1IXD、3IXD和IDMD芯片的投影机使用；通过镜头上的变焦调节手轮可以连续变焦，来改变镜头的适应像高，进而满足具有不同芯片尺寸和长宽比例的数字投影机使用；镜头针对不同焦距段对应不同厚度等效玻璃平板的方案进行像差优化，并保持等效空气中后工作距离相等，最大程度的保持了像面的稳定，最大程度补偿了引擎棱镜光程长度变化而造成的像差，保证了所有焦距段的像质优良；而且，本发明在确保通用性强适用范围广的特性前提下，没有损失其他光学性能，仍具有最大D' /fn=l/l. 8的最大相对孔径、185°的最大视场角、最大可达12倍的反远比、最大可达I. 5倍的变倍比的特点，且像差情况优良。另外，本发明的机械结构简单，采用了导程规整的两条标准螺旋线作为变倍镜组和补偿镜组的凸轮曲线，大大降低了生产难度和装调难度，提高了镜头结构的稳定性，调节的平顺性，降低了生产成本，有利于批量生产，极大地增加了数字球幕投影形式大范围推广的可能性。
图I是本发明的通用型变焦鱼眼镜头结构总装 图2是图I的光学结构 图3中(a)、(b)是图2的最长、最短焦距光学组元位置示意 图4中(a)、(b)是图I中的凸轮筒的结构及其上的两条凸轮曲线的柱面展开 图5中(a)、(b)、(c)是图I变焦鱼眼镜头在三典型焦距的点列图和传递函数曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。仅用于解释本发明和所具有的有益效果，并非用于限制本发明的保护范围。本发明的实施例，针对目前市场上出现的主流工程数字投影机，设计了一款通用型变焦鱼眼镜头，基本性能参数为焦距范围fs fl=4. 72飞.30毫米，变倍比为I. 33倍；全视场角160° ;半视场像高范围YH=4. 8飞.48毫米，满足1IXD、3IXD、IDMD技术类型的数字投影机使用，在全视场条件下满足的芯片尺寸范围为O. 63、. 95英寸，满足芯片长宽比例包括4 3和16 9两种情况；该镜头反远比一光学后截距L'和焦距fn的比为
6.44^8. 54 ;相对孔径D' /fn为1/2. 0，其中Di为入瞳直径。本发明实施例光学功能镜组焦距配置数据为，变倍镜组焦距f变=101. 23mm，补偿镜组焦距f补=-153. 87mm，变焦初始位置为最短焦距，变倍镜组和补偿镜组的最小光学间隔为I. 53_，变焦初始位置，变倍镜组轴向放大率为-I. 35 ;前固定镜组焦距f前=-21. 49mm，后固定镜组焦距为f后=39. 144mm,镜头空气中等效光学后工作距离为L' =40. 3mm。本实施例的光学结构参数见表1，按照常规数据文件格式惯例表示，表述顺序由前至后。 表I本发明实施例的光学结构参数(长度单位mm)。
权利要求
1.一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，包括机械结构和光学结构两部分； 机械结构包括具有镜头的前主筒(201)、变倍筒(206)、补偿筒(208)和后主筒(210)，所述的镜头前主筒(201)和后主筒(210)，彼此通过安装旋转滑环(211)和可绕轴向滑动位移的柱面滑键(212)连接，在后主筒(210)上分别设有像面距调节手轮(202)和变焦调节手轮(203)，又通过变焦调节手轮(203)与凸轮筒(204)连接，凸轮筒(204)上有两条螺旋线槽，凸轮筒(204)内壁与前主筒(201)及导引筒(205)外壁滑动配合，前主筒(201)通过螺纹固定连接导弓丨筒(205)，导引筒(205)上有一条直线槽，所述的变倍筒(206 )和补偿筒(208)分别安装在导引筒(205)内，并和导引筒(205)滑动配合，在所述凸轮筒(204)上设有的第一滑动销钉(207)、第二滑动销钉(209)分别穿过凸轮筒(204)和导引筒(205)上的两条螺旋线槽和导引筒(205)上的直线槽，并分别滑动连接变倍筒(206)和补偿筒(208);和光学结构包括具有十片透镜构成四个光学功能性镜组，依次排列为总光焦度为负的前固定镜组、总光焦度为正的变倍镜组、总光焦度为负的补偿镜组和总光焦度为正的后固定镜组，位于补偿镜组和后固定镜组之间设有孔径光栏A ;所述的前固定镜组由负光焦度第一透镜(101)、负光焦度第二透镜(102)、负光焦度第三透镜(103)、正或负光焦度第四透镜(104)共四片透镜构成，所述的变倍镜组由正光焦度第五透镜(105)共一片透镜构成，所述的补偿镜组由相互胶合的正光焦度第六透镜(106)和负光焦度第七透镜(107)共两片透镜构成，所述的后固定镜组由负光焦度第八透镜(108)、正光焦度第九透镜(109)、正光焦度第十透镜(110)构成，其中第八透镜(108)和第九透镜(109)相互胶合，所述的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、后固定镜组和孔径光栏A同轴置于机械结构中所对应的镜头前主筒(201)、变倍筒(206)、补偿筒(208)和后主筒(210)的位置。
2.根据权利要求I所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，在变倍镜组焦距等于I的条件下，补偿镜组的焦距范围为-I. 5'1. 7 ;以最短焦距作为变焦初始位置，变倍镜组的轴向放大率范围为-I. 3'1. 4，补偿镜组的轴向放大率范围为-I. 5^-1. 7，使变焦过程中变倍镜组的移动距离接近并小于补偿镜组的移动距离；在整个焦距段，后固定镜组的轴向放大率范围为-O. 08^-0. 14之间，后固定镜组的焦距数值总是接近并略大于整个镜头在空气中的后工作距离。
3.根据权利要求I所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组的光焦度绝对值比为I :0. 212 :0. 14 0.549 ;其中变倍镜组和补偿镜组的光焦度比约为3 -2 ;在所有焦距段，孔径光栏A前各镜组的光焦度之和总为负，孔径光栏A后各镜组的光焦度之和总为正；最长焦距处和最短焦距处，孔径光栏A前的光焦度比最大为I :1. 5，孔径光栏A前后光焦度和之比的范围为-I 1.3 -I 1. 95。
4.根据权利要求I所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，光学结构的第一透镜(101)、第二透镜(102)、第三透镜(103)、第四透镜(104)、第五透镜(105)、第六透镜(106)、第七透镜(107)、第八透镜(108)、第九透镜(109)、第十透镜(110)的玻璃材料依次采用重冕系或镧冕系、重冕系或镧冕系、重冕系或镧冕系、重火石系、轻冕系或冕系、重火石系、镧冕系或重冕系、重火石系、钡冕系或重冕系、重冕系或镧冕系光学玻璃材料。
5.根据权利要求I所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，机械结构中采用凸轮筒(204)实现变焦和像面位置补偿，在不等直径的同一凸轮筒(204)上按照相同向心转角分别布置凸轮曲线槽，把变倍镜组所因循的凸轮曲线布置在凸轮筒(204)较大直径一端，将补偿镜组所因循的凸轮曲线布置在凸轮筒(204)较小直径一端，凸轮筒(204)可绕光轴旋转，凸轮曲线槽推动变倍镜组和补偿经组按照光学间隔变化规律运动，两条凸轮曲线都可同时构造成导程规整的标准螺旋线。
6.按权利要求I所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，对镜头光学结构按比例缩放后，结构的焦距范围发生变化，用于芯片尺寸在O. 5英寸 I. 8英寸，芯片长宽比为4 :3和16 9的1IXD、3IXD、1DMD类型的数字投影机的整球幕和半球幕的投影使用，极限光学性能参数范围为各个焦距段视场角不变，全视场角最大185° ;镜头在空气中的反远比最大可达12倍；各个焦距段相对孔径不变,具有最大相对孔径D' /fn=l/1.8 ;变倍比为最大1.5。
7.根据权利要求I所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，光学结构中，所述的透镜工作面均设计为标准球面，其光学结构中的任一个或多个标准球面还可变为非球面，其光学成像光谱范围为400nm-700nm。
8.根据权利要求I所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，光学结构中，光学结构在焦距变化时，包括像面位移补偿和像差补偿，在较大范围内可以适应不同技术类型和不同尺寸芯片的投影机使用，镜头自身可弥补光学引擎中分光/合光棱镜组的有效出射光程长度差异而产生的像差。
9.根据权利要求I或2所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，任一透镜的工作面可以变化为非球面，任一透镜分裂为两个或多个透镜，或是任一透镜的光学材料的变化，把凸轮曲线的一条或两条换成非螺旋线，向后移动孔径光栏位置，减小视场角，缩小相对孔径。
全文摘要
本发明公开了一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，包括镜头的前主筒、变倍筒、补偿筒和后主筒，还包括同轴置于所对应的镜头前主筒、变倍筒、补偿筒和后主筒位置的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、后固定镜组和孔径光栏。本发明变焦结构形式为采用“非物像交换原则”设计而成的机械补偿法正组变倍、负组补偿形式。变倍镜组和补偿镜组所因循的两条凸轮曲线都构造为标准螺旋线，本发明采用了导程规整的两条标准螺旋线作为变倍镜组和补偿镜组的凸轮曲线，降低了生产难度和装调难度，提高了镜头结构的稳定性，调节的平顺性，有利于批量生产，可以满足常见的不同尺寸芯片、不同芯片长宽比的1LCD、3LCD或1DMD类型数字投影机使用。
文档编号G02B1/00GK102778739SQ20121023513
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者于国辉, 刘宵婵, 宋涛, 张禹, 李维善, 陈琛 申请人:秦皇岛视听机械研究所