投影镜头及激光投影装置的制作方法

本发明涉及光学设备领域，特别涉及一种投影镜头及激光投影装置。

背景技术：

随着科学技术的提高，投影成像系统在人们工作和生活中的应用越来越广泛，比如教育，办公，家用或娱乐，比如，对于家庭影院中使用的投影成像系统，投影成像系统分辨率越高，用户观影体验越高。因此，人们对投影成像系统的要求也越来越高。

相关技术中，家用投影设备中趋向于使用超短焦投影设备，超短焦投影成像系统包括：光阀、折射镜组和反射镜；其中，光阀用于产生影像光束，影像光束首先进入折射镜组，折射镜组将影像光束成像，然后经过反射镜二次成像并将成像反射到屏幕上，通过屏幕呈现成像，完成投影，在不同平面上投影时，可以通过调节折射镜组和反射镜之间的距离来调节该投影设备的焦平面。

在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术至少存在以下问题：相关技术中，调节折射镜组和反射镜之间的距离所导致的画面的畸变可能较大，使得投影成像系统的成像质量较低。

技术实现要素：

本发明提供了一种投影镜头及激光投影装置，可以解决相关技术中调节折射镜组和反射镜之间的距离所导致的画面的畸变可能较大，使得投影成像系统的成像质量较低的问题。所述技术方案如下：

根据本发明的第一方面，提供了一种投影镜头，该投影镜头包括沿着光阀出光方向设置的折射镜组；

上述折射镜组中沿光阀出光方向依次排布有屈光度为正的后群镜组、屈光度为正的中群镜组和屈光度为负的前群镜组；

上述后群镜组和中群镜组能够沿光阀出光方向或光阀出光方向的反方向移动，以调节投影成像系统的焦平面；

上述前群镜组与设置在该前群镜组出光方向上的曲面反射镜之间的距离l2固定不变，且69mm≤l2≤91mm。

可选地，上述折射镜组和曲面反射镜满足第一公式，第一公式为：0.9<l1/l2<1.2；l1为折射镜组的长度；l2为前群镜组与曲面反射镜之间的距离，也即，l2为折射镜组和曲面反射镜之间的距离。

可选地，上述后群镜组、中群镜组和前群镜组满足第二公式，第二公式为：

其中，f为投影镜头的等效焦距，fb为后群镜组的等效焦距，fm为中群镜组的等效焦距，ff为前群镜组的等效焦距，fc为曲面反射镜的等效焦距。

可选地，上述后群镜组中沿光阀出光方向依次设置有第1透镜、第3透镜、第4透镜、第5透镜、第6透镜、第7透镜、第8透镜、第9透镜、第11透镜；其中，第4、8、11透镜的屈光度为负，第1、3、5、6、7、9透镜的屈光度为正；上述第6透镜、第7透镜为轴对称非球面透镜；上述第3透镜、第4透镜与第5透镜依次胶合在一起。

可选地，上述后群镜组还包括屈光度为正且设置在第9透镜与第11透镜之间的第10透镜，该第10透镜为球面透镜且与上述第11透镜胶合在一起。

可选地，上述第1透镜与第3透镜之间还设置有屈光度为正的第2透镜，第2透镜为轴对称的非球面透镜；

上述投影镜头的后焦距bfl满足：20mm≤bfl≤34mm。

可选地，上述中群镜组包括：

沿后群镜组出光方向依次设置的第12透镜、第13透镜、第14透镜；该第12透镜与第13透镜屈光度为正，该第14透镜屈光度为负；

上述前群镜组还包括屈光度为负的第15透镜，该第15透镜为轴对称球面透镜。

可选地，上述后群镜组、中群镜组、前群镜组和曲面反射镜位于同一主光轴上。

可选地，上述第1透镜、第5透镜、第6透镜和第10透镜为凹凸透镜，上述第5透镜和第6透镜的突出部分朝向上述影像光束出射方向的反方向，上述第10透镜的突出部分朝向上述影像光束出射方向；

上述第2透镜、第3透镜、第7透镜和第9透镜为双凸透镜；

上述第4透镜、第8透镜和第11透镜为双凹透镜。

可选地，上述第13透镜和第14透镜互相贴合。

根据本发明的第二方面，还提供了一种激光投影装置，包括激光光源、光阀、上述任一方案中的投影镜头以及曲面反射镜；

上述光阀将激光光源入射的激光光束调制后出射至上述投影镜头；

上述曲面反射镜对投影镜头出射的光束反射至成像界面。

可选地，在上述后群镜组与光阀之间还设置有振动镜片；该振动镜片振动使得经过所述振动镜片的相邻两帧投影图像对应的影像光束不完全重叠，并将相邻两帧投影图像对应的影像光束依次射向上述投影镜头。

本发明可以在不改变折射镜组和反射镜之间的距离的情况下调节投影成像系统的焦平面。解决了相关技术中调节折射镜组和反射镜之间的距离所导致的画面的畸变可能较大，使得投影成像系统的成像质量较低的问题。达到了投影成像系统的成像质量较高的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一些实施例的实施环境的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种投影成像系统的结构示意图；

图3a是本发明实施例提供的一种投影成像系统的结构示意图；

图3b是本发明实施例提供的一种投影成像系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种投影成像系统的调整结构示意图；

图5是图4所示投影成像系统的调整结构中调节环处的俯视图。

通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明一些实施例的实施环境的示意图，该实施环境可以包括屏幕10和投影成像系统20。

投影成像系统20可以向屏幕10透射影像光束，该影像光束能够在屏幕12上形成图像。目前的发展趋势是降低投影成像系统20的投射比（投射比是投影距离s和画面宽度h的比值，投影距离s为投影成像系统20和屏幕10之间的距离），投射比越小，投影成像系统就能够在越短的投影距离投射出越大的画面。投射比小的投影成像系统会出现如畸变（英文：distortion）、像散（英文：astigmatism）、场曲（英文：fieldcurvature）、慧差（英文：coma）等各种像差。为了克服这些像差，相关技术中的投影成像系统的镜片数量大、种类多，进而使得系统结构复杂，系统的长度也不易缩小，可制造性低。

图2是本发明实施例提供的一种投影成像系统的结构示意图，该投影成像系统可以是图1所示实施环境中的该投影成像系统20，该投影成像系统20包括沿着光阀21（该光阀可以不包括在本发明实施例提供的投影成像系统中，本发明实施例提供的投影成像系统可以接收该光阀射出的光束）出光方向依次设置的投影镜头和曲面反射镜23。其中，该投影镜头由折射镜组22构成，可以对光阀21出射的光束进行成像。

折射镜组22包括沿光阀21出光方向d依次排布的后群镜组221、中群镜组222和前群镜组223，前群镜组223与曲面反射镜23之间的距离l2固定。

后群镜组221和中群镜组222能够沿出光方向d或出光方向d的反方向移动，以调节投影成像系统20的焦平面，后群镜组221与中群镜组222的屈光度为正，前群镜组223的屈光度为负。

其中，前群镜组223与曲面反射镜23之间的距离l2即为折射镜组22与曲面反射镜23之间的距离，由于可以移动后群镜组221和中群镜组222以调节投影成像系统20的焦平面，因而可以不改变前群镜组223与曲面反射镜23之间的距离l2，避免产生较大的畸变。l2为预设范围内中的一个值，该预设范围可以为：69mm（毫米）至91mm之间。

综上所述，本发明实施例提供的投影成像系统中的投影镜头，通过将折射镜组拆分为沿光阀的出光方向依次设置的后群镜组、中群镜组和前群镜组，并使其中的后群镜组和中群镜组能够沿光阀的出光方向或该出光方向的反方向移动，以调节投影成像系统的焦平面，即可以在不改变折射镜组和曲面反射镜之间的距离的情况下调节投影成像系统的焦平面。解决了相关技术中调节折射镜组和曲面反射镜之间的距离所导致的画面的畸变可能较大，使得投影成像系统的成像质量较低的问题。达到了投影成像系统的成像质量较高的效果。

可选的，折射镜组22和曲面反射镜23满足第一公式，第一公式为：0.9<l1/l2<1.2，l1为折射镜组22的长度，l2为折射镜组22和曲面反射镜23之间的间距，l2为预设范围内中的一个值。该预设范围可以为：69mm（毫米）至91mm之间，或者l2可以为73mm或87mm。l2在投影成像系统出厂后可以为一个不可变的数值，如此能够在各种投影尺寸下稳定的控制畸变。

后群镜组21、中群镜组22和前群镜组23满足第二公式，第二公式为：

其中，f为折射镜组22的等效焦距，fb为后群镜组221的等效焦距，fm为中群镜组222的等效焦距，ff为前群镜组223的等效焦距，fc为曲面反射镜23的等效焦距。

可选的，光阀21是数字微镜元件(英文：digitalmicromirrordevice；简称：dmd)，dmd可以是2k分辨率或4k分辨率。另外，光阀21包括反射镜阵列和控制电路，当光阀21受到光照时，控制电路控制反射镜阵列反射光源系统发射出的光束，产生影像光束。有关光阀21如何具体产生影像光束为相关技术，在此不再赘述。

本发明实施例提供的投影成像系统可以包括两种结构，下面分别进行说明。

第一种结构可以如图3a所示，该结构为能够实现高分辨率（如4k）的投影成像系统，该投影成像系统20还包括振动镜片24。振动镜片24设置在光阀21和折射镜组22之间。

振动镜片24振动使得经过振动镜片的相邻两帧投影图像对应的影像光束不完全重叠，并将相邻两帧投影图像对应的影像光束依次射向投影镜头，投影图像为影像光束经过投影成像系统后在投影屏幕上呈现的图像。

可选的，振动镜片24为平板玻璃。振动镜片24能够振动，振动镜片24振动使得经过振动镜片24的相邻两帧投影图像对应的影像光束不完全重叠，使得射向同一像素的影像光束增加，进而提高成像的分辨率，而且由于振动镜片24的振动使得相邻两帧投影图像对应的影像光束略微错开，进而使得像素之间的过度更加平滑，从而提高成像的细腻感，进而提高成像质量，实现高分辨率的画质。

可选的，光阀21和振动镜片24之间还可以设置有全反射棱镜25，该全反射棱镜25包括两个胶合的全反射棱镜，分别为第一全反射棱镜（图3a中未示出）和第二全反射棱镜（图3a中未示出）。从光阀21射来的光束，首先射向第一全反射棱镜，当光束射向第一全反射棱镜时，光束发生全反射，并将发生全反射后的光束射向光阀，当发生全反射后的光束射向光阀21时，光阀21反射光束并产生影像光束，然后将产生的影像光束从光阀21射向全反射棱镜25，当影像光束从光阀21射向全反射棱镜25时，影像光束不发生全反射，而是直接将影像光束射向振动镜片24。由于第一全反射棱镜使得射向其自身的光束发生全反射，因此使用一个全反射棱镜就可以将光束反射到光阀21上，从而不需要通过多个普通反射镜进行多次反射，进而减少了普通反射镜的使用数量，大大缩小了投影成像系统的体积；另外，全反射棱镜25使得通过其中的光束变为平行于光轴z均匀光束，因此，满足了远心光路的需求，由于使得光阀21产生的影像光束变得均匀，从而也提高投影图像的质量。

可选的，后群镜组221包括11个透镜，中群镜组222包括3个透镜，前群镜组223包括1个透镜。后群镜组221可以用于校正除畸变外的像差，中群镜组222可以用于校正色差，并配合前群镜组223校正畸变，前群镜组223和曲面反射镜23可以用于校正畸变。

可选的，曲面反射镜23可以为凹面非球面反射镜或自由曲面反射镜。

在本发明的一个实施方式中，后群镜组221包括沿出光方向d依次设置的第1透镜a1、第3透镜a3、第4透镜a4、第5透镜a5、第6透镜a6、第7透镜a7、第8透镜a8、第9透镜a9、第11透镜a11，第6透镜a6和第7透镜a7为非球面透镜，优选为轴对称的非球面透镜。后群镜组221中除第6透镜a6和第7透镜a7外的透镜为球面透镜。其中，第4、8、11透镜的屈光度为负，第1、3、5、6、7、9透镜的屈光度为正。

第6透镜a6、第7透镜a7用于提升大视场的分辨率，第15透镜用于改善像散和畸变。

可选的，后群镜组还包括设置在第9透镜a9和第11透镜a11之间的第10透镜a10，第10透镜a10用于消温飘。

在本发明的一个实施方式中，第1透镜a1与第3透镜a3之间还设置有屈光度为正的第2透镜a2。第2透镜a2为非球面透镜，优选为轴对称的非球面透镜。第2透镜a2用于改善慧差，第2透镜a2与第9透镜a9一起配合可增大镜头的后工作距离。在本实施例中，该投影成像系统的后焦距bfl（backfocallength）能达到的取值为20mm至34mm之间。

可选的，中群镜组222包括沿出光方向d依次设置的第12透镜a12、第13透镜a13和第14透镜a14，中群镜组222中的透镜均为球面透镜。

可选的，前群镜组223包括第15透镜a15，第15透镜a15为球面透镜。

可选的，后群镜组221、中群镜组222、前群镜组223和曲面反射镜23位于同一主光轴z上。

可选的，第2透镜a2、第6透镜a6、第7透镜a7、第15透镜a15为轴对称的透镜。

可选的，第1透镜a1、第5透镜a5、第6透镜a6和第10透镜a10为凹凸透镜，第5透镜a5和第6透镜a6的突出部分朝向出光方向d的反方向，第10透镜a10的突出部分朝向出光方向d。

第2透镜a2、第3透镜a3、第7透镜a7和第9透镜a9为双凸透镜。

第4透镜a4、第8透镜a8和第11透镜a11为双凹透镜。

可选的，第4透镜a4的一侧与第3透镜a3贴合，第4透镜a4的另一侧与第5透镜a5贴合，以减小色差。第3透镜a3、第4透镜a4和第5透镜a5可以通过胶合的方式贴合在一起。第4透镜a4的阿贝数在22和17之间、折射率大于1.8；第3透镜a3、第5透镜a5的折射率小于第4透镜a4的折射率，第3透镜a4、第5透镜的阿贝数大于第4透镜a4的阿贝数。其中，阿贝数（英文：abbe）是用来衡量介质的光线色散程度的物理量。材料的折射率越大，色散越强，阿贝数越低。

可选的，第10透镜a10和第11透镜a11互相贴合，以减小轴向色差，第10透镜的折射率大于第11透镜，第10透镜的阿贝数小于第11透镜的阿贝数。第10透镜a10和第11透镜a11可以通过胶合的方式互相贴合。

可选的，第13透镜a13和第14透镜a14互相贴合，以减小色差。第13透镜的折射率小于第14透镜的折射率，第13透镜的阿贝数大于第14透镜的阿贝数。第13透镜a13和第14透镜a14可以通过胶合的方式互相贴合。

在图3a所示的投影成像系统中，第3透镜a3、第4透镜a4和第5透镜a5构成一组互相贴合的透镜，第10透镜a10和第11透镜a11构成一组互相贴合的透镜，第13透镜a13和第14透镜a14又构成一组互相贴合的透镜，这三组互相贴合的透镜可以用于改善投影成像系统的不同光谱的球差，并对投影成像系统的轴向色差、垂轴色差进行矫正。

图3a所示的投影成像系统中，第1透镜、第2透镜、第3透镜、第5透镜、第6透镜、第7透镜、第9透镜和第10透镜的屈光度为正，第4透镜、第8透镜和第11透镜的屈光度为负。后群镜组221的整体屈光度为正。

中群镜组22中的第12透镜的屈光度为正、第13透镜的屈光度为正、第14镜组的屈光度为负。中群镜组222的整体屈光度为正。前群镜组中的第15透镜的屈光度为负。

光阀21到第一透镜a1的距离为后焦距（英文：backfocuslength；简称：bfl），bfl满足0.29<bfl/l2<0.37。

图3a所示结构为二次成像架构，光阀21的影像光束通过折射镜组22后，在曲面反射镜23和折射镜组22之间进行第一次成像，第一次成像经曲面反射镜反射后，在屏幕上形成二次无畸变的图像；本发明实施例提供的投影成像系统整体紧凑，通过光阑设置、非球面透镜、曲面反射镜对大视场像差的矫正，提高了投影成像系统的解像能力，从而实现了高分辨率的成像质量。

图3a所示的投影成像系统的有效焦距(英文：effectivefocallength)为-2.09毫米（mm），偏移量(英文：offset)为140%至148%，解析能力可以达到93线对/毫米（lp/mm），可以投射出画面尺寸为80至120英寸，投射比0.20至0.22。

可选的，在图3a所示的投影成像系统制造完成后，前群镜组223和曲面反射镜23之间的距离是固定的，后群镜组221与中群镜组222之间的距离可以进行调整，中群镜组222和前群镜组223之间的距离也可以进行调整。

第二种结构可以如图3b所示，该结构为能够实现超短焦距的投影成像系统，后群镜组221包括10个透镜，中群镜组包括3个透镜，前群镜组包括1个透镜。

可选的，后群镜组221包括沿出光方向d依次设置的第21透镜a21、第22透镜a22、第23透镜a23、第24透镜a24、第25透镜a25、第26透镜a26、第27透镜a27、第28透镜a28、第29透镜a29、第30透镜a30，第26透镜a26和第27透镜a27为非球面透镜，后群镜组221中除第26透镜a26和第27透镜a27外的透镜为球面透镜。相较于图3a所示的投影成像系统，图3b所示的投影成像系统中的非球面镜的数量较少，且镜片的数量也较少，因而降低了投影成像系统的成本以及长度。

其中，第24透镜、第28透镜和第29透镜的屈光度为负，第21透镜、第22透镜、第23透镜、第25透镜、第26透镜、第27透镜、第28透镜和第30透镜的屈光度为正；

第23透镜、第24透镜和第25透镜依次胶合在一起，第29透镜与第30透镜胶合在一起。

可选的，第22透镜a22、第25透镜a25、第26透镜a26为突出部分朝向出光方向d的反方向的凹凸透镜。

第21透镜a21、第23透镜a23、第27透镜a27和第30透镜a30为双凸透镜。

第24透镜a24、第28透镜a28和第29透镜a29为双凹透镜。

中群镜组222包括：沿出光方向依次设置的第12透镜a12、第13透镜a13、第14透镜a14；第12透镜a12与第13透镜a13屈光度为正，第14透镜a14屈光度为负。

前群镜组a13包括屈光度为负的第15透镜a15，第15透镜a15为轴对称球面透镜。

图3b所示的投影成像系统的有效焦距可以为-2.1mm，偏移量可以为140%至148%，解析能力可以达到93lp/mm，可以投射出画面尺寸为65至80英寸，投射比为0.20至0.22。

需要说明的是，本发明一些实施例中所涉及不同透镜、镜组之间距离为在光轴z上的距离。

综上所述，本发明实施例提供的投影成像系统，通过将折射镜组拆分为沿光阀的出光方向依次设置的后群镜组、中群镜组和前群镜组，并使其中的后群镜组和中群镜组能够沿光阀的出光方向或该出光方向的反方向移动，以调节投影成像系统的焦平面，即可以在不改变折射镜组和反射镜之间的距离的情况下调节投影成像系统的焦平面。解决了相关技术中调节折射镜组和反射镜之间的距离所导致的画面的畸变可能较大，使得投影成像系统的成像质量较低的问题。达到了投影成像系统的成像质量较高的效果。

本发明实施例提供的投影成像系统中，后群镜组、中群镜组能够通过各种移动结构沿出光方向或出光方向的反方向移动，示例性的，如图4所示，其为本发明实施例提供的一种投影成像系统的结构示意图。

其中，投影成像系统还包括第一镜筒a1、主镜筒a2、第二镜筒a3和反射镜筒a4，后群镜组设置在第一镜筒a1中、前群镜组设置在主镜筒a2中、中群镜组设置在第三镜筒a3中（为了便于说明，图5中仅示出了各个镜组中的部分透镜，但并不对各个镜组中的透镜进行限制，各个镜组中透镜的结构可以参考上述实施例），反射镜设置在反射镜筒a4中，主镜筒a2相对反射镜筒a4的位置不变，以保证前群镜组与反射镜之间的位置相对固定。第一镜筒a1和主镜筒a2通过调节环c1转动连接，调节环c1包括第一滚轴c11和第二滚轴c12，第一滚轴c11与第一镜筒a1转动连接，第二滚轴c12与主镜筒a2转动连接，调节环c1上设置有与第一滚轴c11配合的沿第一镜筒a1周向的直槽（图5中未标出），调节环c1上还设置有与第二滚轴c12配合的沿第一镜筒a1周向的斜槽（图5中未标出）。

由于第二滚轴c12与主镜筒a2连接，并且第二滚轴c12的运动轨迹槽为直槽。所以调节环c1转动时相对于主镜筒a2在出光方向d上相对静止，第一滚轴c11与第一镜筒a1连接，并且第一滚轴c11的运动轨迹槽为斜槽，所以调节环c1转动时，会带动第一滚轴c11相对于主镜筒a2沿出光方向d（或出光方向d的反方向）运动，进而使得第一镜筒a1相对于主镜筒a2沿出光方向d（或出光方向d的反方向）运动。

如图5所示，其为图4所示投影成像系统中调节环c1处的俯视图，可以看出，调节环c1上设置有直槽g1和斜槽g2。

此外，主镜筒a2和第二镜筒a3之间的连接方式与主镜筒a2和第一镜筒a1之间的连接方式类似，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种激光投影装置，包括光源（图中未示出）、光阀21、上述实施例提供的投影镜头以及曲面反射镜23；其中，光阀21将光源入射的激光光束调制后出射至投影镜头；曲面反射镜23对投影镜头出射的光束反射至成像界面。

本发明的一个实施方式中，激光投影装置还包括振动镜片24。振动镜片24设置在光阀21和投影镜头中的折射镜组22之间。

振动镜片24振动使得经过振动镜片的相邻两帧投影图像对应的影像光束不完全重叠，并将相邻两帧投影图像对应的影像光束依次射向投影镜头，投影图像为影像光束经过投影成像系统后在投影屏幕上呈现的图像。振动镜片24可选为平板玻璃。振动镜片24能够振动，振动镜片24振动使得经过振动镜片24的相邻两帧投影图像对应的影像光束不完全重叠，使得射向同一像素的影像光束增加，进而提高成像的分辨率，而且由于振动镜片24的振动使得相邻两帧投影图像对应的影像光束略微错开，进而使得像素之间的过度更加平滑，从而提高成像的细腻感，进而提高成像质量，实现高分辨率的画质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。