投影镜头和投影设备的制作方法

1.本技术涉及投影技术领域，特别涉及一种投影镜头和投影设备。


背景技术：

2.随着科学技术的提高，随着家用投影设备的应用，比如激光超短焦投影设备，能够在贴墙状态下为用户呈现大尺寸，高清晰度、高色域范围和亮度的画面，其中，呈现上述高品质的画面不仅因为应用了激光作为光源，具有高解析能力的超短焦镜头也是激光投影设备的重要组成部分。投影镜头解析能力越高，用户观影体验越高。
3.在镜头设计过程中，需要兼顾多方面的需求。比如投影镜头需要配合照明系统来设计，照明系统分为远心照明系统和非远心照明系统，则投影镜头也分别对应设计成远心投影镜头和非远心投影镜头，在光束的接收和约束能力也具有不同。
4.以及，通常投影镜头解析能力的提高使得镜片的使用数量增加，镜片面型的设计难度较大。
5.即为了能实现较高的分辨率以及较短的焦距，投影镜头中透镜的组合通常较为复杂。进而导致投影镜头整体结构较为复杂，而不利于镜头体积的缩小，而投影镜头的体积约占到投影设备光学引擎的三分之一以上，这也会使得整个激光投影设备的体积难以缩小，使设备显得笨重。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供了一种投影镜头和投影设备。所述技术方案如下：
7.根据本技术的第一方面，提供了一种投影镜头，所述投影镜头包括沿光阀的出光方向排布的折射镜组和反射镜组；
8.所述折射镜组包括沿所述出光方向依次设置的第一镜组、第二镜组和第三镜组，所述第一镜组、所述第二镜组和所述第三镜组满足2＜|f2/f1|＜12，0.5＜|f3/f1|＜5以及1＜|f4/f1|＜10，所述f1为所述投影镜头的等效焦距，所述f2为所述第一镜组的等效焦距，所述f3为所述第二镜组的等效焦距，所述f4为所述第三镜组的等效焦距；
9.所述第一镜组包括沿所述出光方向排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜，所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜构成三胶合透镜，所述第七透镜和所述第八透镜构成双胶合透镜，所述第二透镜为非球面透镜，所述第一镜组中除所述第二透镜外的其它透镜为球面透镜。
10.可选地，所述折射镜组和所述反射镜组满足1.07＜l1/l2＜1.47，0.05＜b/(l1+l2)＜0.25，所述l1为所述折射镜组的长度，所述l2为所述折射镜组和所述反射镜组之间的间距，所述b为所述折射镜组与所述光阀之间的距离。
11.可选地，所述投影镜头还包括孔径光阑，所述孔径光阑位于所述第一镜组的第五透镜和第六透镜之间。
12.可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透
镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜和所述第九透镜的光焦度依次为正、正、正、负、正、正、正、负、正。
13.可选地，所述第二镜组包括第十透镜、第十一透镜和第十二透镜，所述第十透镜、所述第十一透镜和所述第十二透镜的光焦度依次为正、正、负；
14.其中，所述第二镜组中的透镜均为球面透镜。
15.可选地，所述折射镜组和所述反射镜组还满足0.25《b/l2《0.4；
16.所述反射镜组包括曲面反射镜，所述曲面反射镜满足，32毫米≤(|r|*ic)/17.65≤47毫米，-5≤c≤0，所述r为所述曲面反射镜的中心曲率半径，所述ic为所述投影镜头的像圈尺寸，所述c为所述曲面反射镜的圆锥系数。
17.可选地，所述第三镜组包括第十三透镜，所述第十三透镜的光焦度为负，且为非球面透镜。
18.可选地，所述第二镜组包括第十透镜，所述第三镜组包括沿所述出光方向排布的第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜，所述第十透镜、第十一透镜、所述第十二透镜均为球面透镜，所述第十三透镜为非球面透镜。
19.可选地，所述第二镜组的光焦度为正，所述第十一透镜、所述第十二透镜和所述第十三透镜的光焦度依次为正、负、负，所述折射镜组的光焦度和所述反射镜组的光焦度均为正。
20.根据本技术的另一方面，提供一种投影设备，包括光阀、振镜以及上述任一所述的投影镜头，所述振镜位于所述光阀和所述投影镜头之间。
21.本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
22.提供了一种投影镜头的结构，包括折射镜组和反射镜组，该折射镜组中的三个镜组的焦距满足对应的比例大小关系，其中的第一镜组包括一个非球面透镜和八个球面透镜，进而使得该镜头可以以一个较小的尺寸即可实现较高的成像要求，相较于相关技术中较多透镜构成的折射镜组，镜头的尺寸可以较小。解决了相关技术中折射镜组的透镜数量较多，进而镜头体积难以减小的问题，提供了一种体积较小的投影镜头，以及应用上述投影镜头的投影设备结构也相应能够简化，体积利于压缩。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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。
24.图1是本技术实施例所提供的一种投影镜头投影成像过程的示意图；
25.图2是本技术实施例提供的一种投影镜头的结构示意图；
26.图3是本技术实施例提供的另一种投影镜头的结构示意图；
27.图4是本技术实施例提供的一种光学引擎的结构示意图；
28.图5是本技术实施例提供的另一种光学引擎的结构示意图；
29.图6是本技术实施例提供的另一种光学引擎的结构示意图；
30.图7是本技术实施例提供的一种投影设备的结构示意图。
31.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，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技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
32.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
33.图1是本技术实施例所提供的一种投影镜头投影成像过程的示意图，该实施环境可以包括投影屏幕10和投影镜头20。
34.投影镜头20可以向投影屏幕10投射影像光束，该影像光束能够在屏幕10上形成图像。目前的发展趋势是降低投影镜头20的投射比(投射比是投影距离s和画面对角线长度h的比值，投影距离s为投影镜头20和投影屏幕10之间的横向距离)，投射比越小，激光投影设备就可以更近靠近墙体(投影屏幕所在的平面)设置，而不必像长焦镜头一样，要预留足够的距离才能成像，而投影镜头20能够在很短的投影距离内就投射出较大尺寸的画面，投影设备主机和屏幕也更倾向于是一体的设备。上述投射比较小的投影镜头可以称为短焦或超短焦的投影镜头。
35.但是，投射比较小的投影镜头会出现如畸变(英文：distortion)、像散(英文：astigmatism)、场曲(英文：field curvature)、慧差(英文：coma)等各种像差。为了克服这些像差，相关技术中的投影镜头的透镜数量多(通常在16个以上，20个左右)、种类多，且采用大量的双胶合及三胶合透镜以及大量的非球面镜片，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，成本难以控制。
36.本技术实施例提供了一种投影镜头及投影设备，能够解决上述相关技术中存在的问题。
37.图2是本技术实施例提供的一种投影镜头的结构示意图。该投影镜头20可以包括沿光阀的出光方向f排布的折射镜组21和反射镜组22。
38.折射镜组包括沿出光方向依次设置的第一镜组211、第二镜组212和第三镜组213，第一镜组211、第二镜组212和第三镜组213满足2＜|f2/f1|＜12，20＜|f3/f1|＜35以及10＜|f4/f1|＜25。
39.其中，f1为投影镜头20的等效焦距，f2为第一镜组211的等效焦距，f3为第二镜组212的等效焦距，f4为第三镜组213的等效焦距，f5为反射镜组22的等效焦距。
40.第一镜组211包括沿出光方向f排布的第一透镜j1、第二透镜j2、第三透镜j3、第四透镜j4、第五透镜j5、第六透镜j6、第七透镜j7、第八透镜j8和第九透镜j9，第三透镜j3、第四透镜j4和第五透镜j5构成三胶合透镜h1，第七透镜j7和第八透镜j8构成双胶合透镜h2。第三透镜j3、第四透镜j4和第五透镜j5构成三胶合透镜h1可以用于对投影镜头的球差、慧差、像散进行校正。第七透镜j7和第八透镜j8构成双胶合透镜h2同样可以用于对投影镜头的球差、慧差、像散进行校正。
41.其中，第二透镜j2为非球面透镜(例如可以为旋转对称非球面透镜)，第一镜组中除第二透镜j2外的其它透镜为球面透镜。也即是第一透镜j1、第三透镜j3、第四透镜j4、第五透镜j5、第六透镜j6、第七透镜j7、第八透镜j8和第九透镜j9均为球面透镜。第二透镜j2
可以对系统的彗差、球差进行校正。
42.可选地，折射镜组21和反射镜22满足1.05＜l1/l2＜1.5，0.05＜b/(l1+l2)＜0.25，l1为折射镜组的长度，l2为折射镜组21和反射镜组之间的间距，b为折射镜组与光阀之间的距离。
43.可选地，折射镜组21和反射镜组22还满足0.25《b/l2《0.4。
44.反射镜组22包括曲面反射镜，曲面反射镜满足，32毫米≤(|r|*ic)/17.65≤47毫米，-5≤c≤0，r为曲面反射镜的中心曲率半径，ic为投影镜头20的像圈(image circle，像圈又称影像圈，其为光阀平面上，镜头的最大影像清晰的范围，或者，透过投影镜头的光轴，连接其垂直线所结合成的圆形焦点面，而焦点面的有效结像圆的范围，称为影像圈)尺寸，c为曲面反射镜的圆锥系数(conic)。反射镜组的等效焦距与该中心曲率半径以及曲面反射镜的圆锥系数相关，当光阀的尺寸改变时，中心曲率半径等比放大或缩小，圆锥系数不发生变化。需要说明的是，光阀31可以不包括在本技术实施例提供的投影镜头中。
45.本技术实施例中，折射镜组与光阀之间的距离可以称为后工作距离，该距离可以较短，例如可以为20.8毫米。
46.综上所述，本技术实施例提供的投影镜头，包括折射镜组和反射镜组，该折射镜组中的三个镜组的焦距满足对应的比例大小关系，其中的第一镜组包括一个非球面透镜和八个球面透镜，进而使得该镜头可以以一个较小的尺寸即可实现较高的成像要求，相较于相关技术中较多透镜构成的折射镜组，镜头的尺寸可以较小。解决了相关技术中折射镜组的透镜数量较多，进而镜头体积难以减小的问题，提供了一种体积较小的投影镜头，以及应用上述投影镜头的投影设备结构也相应能够简化，体积利于压缩。本技术实施例提供了一种新的投影镜头的方案。
47.图3是本技术实施例提供的另一种投影镜头的结构示意图，该投影镜头在图2所示的投影镜头的基础上进行了一些调整。
48.该投影镜头中，第一镜组211、第二镜组212和第三镜组213可以的光轴可以共线。
49.可选地，投影镜头21还包括孔径光阑23，孔径光阑(aperture diaphragm)23位于第一镜组211的第五透镜j5和第六透镜j6之间。孔径光阑23可以对像差校正及入射光瞳口径起到控制作用。
50.光学系统中透镜的光焦度会直接影响到像散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差，因此不同的正负光焦度搭配也会对像差校正起到一定作用。在一种示例性的实施例中，第一镜组211包括沿出光方向f排布的第一透镜j1、第二透镜j2、第三透镜j3、第四透镜j4、第五透镜j5、第六透镜j6、第七透镜j7、第八透镜j8和第九透镜j9的光焦度依次为正、正、正、负、正、正、正、负、正。
51.可选地，第二镜组212包括第十透镜j10、第十一透镜j11和第十二透镜j12，第十透镜j10、第十一透镜j11和第十二透镜j12的光焦度依次为正、正、负。
52.其中，第二镜组212中的透镜均为球面透镜。
53.可选地，第三镜组213包括第十三透镜j13，第十三透镜j13的光焦度为负，且为非球面透镜(例如可以为旋转对称非球面透镜)。作为非球面透镜的第十三透镜t13可以对系统的像散、场曲和畸变均起到校正作用。
54.该第十三透镜t13采用330r材料(一种光学材料)，可以由模压的加工方式加工而
成。
55.可选地，反射镜组22包括的曲面反射镜为非球面凹面反射镜，用于将投影镜头的出射光反射到屏幕上进行成像。该非球面凹面反射镜可以为轴对称非球面凹面反射镜。
56.本实施方案中，投影镜头的有效焦距(effective focal length，efl)＝1.85毫米(mm)，解像力为93lp/mm，投射画面为25～40英寸投射比为0.3。
57.本技术实施例提供的投影镜头，透镜的数量较少，少于14片，非球面透镜的数量也较少，大大减小了投影镜头的复杂程度及体积，此外，非球面镜片采用330r塑胶材料，成本低且易于加工(通过模压的方式制造)，因此该投影镜头从体积、复杂程度、成本及加工方面均有很大提升。
58.本技术实施例中，第二镜组为可动镜组，即该第二镜组可以沿光轴方向移动，以进行对焦或对焦距进行调整等操作。此外，第一镜组、第三镜组和反射镜组也为可微调的镜组，以与第二镜组配合进行调整。
59.本技术实施例提供的投影镜头可以是一种超短焦的投影镜头。该投影镜头全长可以为156.35毫米，非球面反射镜的最大半口径可以为38毫米，整体体积较小。
60.综上所述，本技术实施例提供的投影镜头，通过使折射镜组和反射镜组组满足对应的距离参数范围，并使折射镜组中的三个镜组的焦距满足对应的比例大小关系，进而使得该镜头可以以一个较小的尺寸即可实现较高的成像要求，相较于相关技术中较多透镜构成的折射镜组，镜头的尺寸可以较小。解决了相关技术中折射镜组的透镜数量较多，进而镜头体积难以减小的问题，提供了一种体积较小的投影镜头，以及应用上述投影镜头的投影设备结构也相应能够简化，体积利于压缩。
61.图4是本技术实施例提供的一种光学引擎的结构示意图，该光学引擎50包括光阀51以及沿光阀51出光方向f依次排布的偏振分光棱镜52、振镜53以及图3所示的投影镜头。
62.可选地，该光阀51可以为0.33英寸的硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)光阀。硅基液晶是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示组件。这种矩阵采用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)技术在硅芯片上加工制作而成。硅基液晶采用反射式投射的方式，光利用效率可达40％以上，而且它的最大优势是可以通过已经广泛使用且成本较低的cmos制作技术来生产，毋需额外的投资，并可随半导体制程快速的微细化，逐步提高解析度。而0.33英寸的硅基液晶光阀可以提供720p的影像画面。
63.偏振分光棱镜52位于光阀51和振镜53之间，用于分离照明光束和成像光束。该偏振分光棱镜52可以为全内反射(total internal reflection，tir)棱镜或是反向全内反射(英文：reverse total internal reflection，缩写：rtir)棱镜。
64.可选地，振镜53位于偏振分光棱镜52和投影镜头20之间，用于通过振动以对影像光束进行偏移，进而提升投射到屏幕的影像画面的分辨率。
65.振镜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折射镜组，投影图像为影像光束经过投影镜头后在投影屏幕上呈现的图像。
66.示例性的，振镜包括平板玻璃以及驱动组件，该平板玻璃可以在驱动组件的驱动下振动，平板玻璃振动使得经过平板玻璃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，而且由于平板玻璃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，从而增加画面的细节，从视觉上提高了画面的清晰度，进而提高成像质量，利用人眼视觉暂留的效应，对用户而言，其观看的画面实现了分辨率的提升，具有分辨率“倍增”的效果。
67.当平板玻璃在两个位置之间频繁振动时，是将两幅子画面进行错位叠加显示，当平板玻璃在四个位置之间频繁振动时，是将四幅子画面进行错位叠加显示，以实现视觉效果上的分辨率的二倍提升或四倍提升。
68.示例性的，当入射至振镜上的光束为平行光束(即光束中的每条光线的入射角相同)时，振镜中的光学镜片从一个位置摆动至另一个位置后，影像光束对应的投影图像的每个像素的移位距离均相等，使得投影镜头中各视场到投影屏幕的偏移量一致，这样可以保证目视画面的高分辨率显示。其中，视场的偏移量指的是视场的实际移位距离。
69.相关技术中，0.33英寸的光阀可以提供720p的影像画面，且目前的投影设备显示分辨率多为720p，多采用发光二极管(light emitting diode，led)光源来达到体积小型化的设计方案，但是由于led光源的性能很难取得较高的亮度；因此具有高分辨率，高亮度且兼顾小型化的微投产品市场上鲜有可见。其中镜头作为投影显示的核心技术之一，设计及加工均有一定难度，尤其是在保证像质的前提下同时兼顾成本与小型化，是镜头设计中的一大难点。
70.本技术实施例中，提供了一种基于0.33英寸的硅基液晶的光阀，并配合超短焦的投影镜头以及振镜53，能够在屏幕上投射出分辨率为1080p的影像画面。此外，该投影镜头的透镜的数量较少，均少于14片，非球面透镜的数量也较少，大大减小了投影镜头的复杂程度及体积，此外，非球面镜片采用330r塑胶材料，成本低且易于加工(通过模压的方式制造)，因此该投影镜头从体积、复杂程度、成本及加工方面均有很大提升。此外，该投影镜头可以应用激光光源，这能够大大提升影像画面的亮度。
71.本实施方案投影成像系统中光阀51的像素面相对光轴的偏移量offset满足关系式：147％《offset《155％。
72.本实施方案投影成像系统其反射镜组距离屏幕的直线距离与投影画面的长度直线关系(即投射比)满足：投影距离/屏幕长度尺寸≤3。
73.本技术提供的投影镜头可以为一个二次成像架构，光阀的像素面为物面，光阀出射光束通过折射镜组后，在反射镜组和折射镜组之间进行第一次成像(光束形成会聚点一次即为一次成像)，第一次成像经反射镜组反射后，在屏幕上形成二次无畸变的图像，进行了二次成像，在投影屏幕上显示大尺寸的投影图像。
74.本技术实施例提供的光学引擎，在屏幕上投投射的影像画面的尺寸为28寸(619x348mm2)时，其tv畸变最大值-1.4707％。
75.图5是本技术实施例提供的另一种光学引擎的结构示意图，该光学引擎50包括光源装置54、光阀51、偏振分光棱镜52、振镜53以及图3所示的投影镜头。该偏振分光棱镜52可以为全内反射棱镜。
76.其中，光源装置54中可以包括激光光源541、光调整组件542以及匀光组件543等各种组件。
77.激光光源541用于提供激光，光调整组件542用于将激光光源541提供的激光调整
为基色光并输出。例如，激光光源541提供蓝色激光，则光调整组件542可以将蓝色激光调整为蓝色激光、红色激光以及绿色激光。
78.可选地，匀光器件543包括光导管，光导管是一种由四片平面反射片拼接而成的管状器件，也即为空心光导管，光线在光导管内部多次反射，达到匀光的效果，光导管也可以采用实心光导管，光导管的入光口和出光口为形状面积均一致的矩形，激光光束从光导管的入光口进入，再从光导管的出光口射向光阀组件，在经过光导管的过程中完成光束匀化以及光斑优化。
79.另外，匀光器件543也可以包括复眼透镜，复眼透镜通常由一系列小透镜组合形成，将两列复眼透镜阵列平行排列，以对输入的激光光束的光斑分割，在通过后续聚焦透镜将分割的光斑累加，从而得到对光束的匀化以及光斑优化。在一个照明装置中，匀光器件543可以选择光导管或复眼透镜中的至少一种，本技术实施例在此不作限定。
80.图6是本技术实施例提供的另一种光学引擎的结构示意图，该光学引擎50包括光源装置54、光阀51、偏振分光棱镜52、振镜53以及图3所示的投影镜头。该偏振分光棱镜52可以为反向全内反射棱镜。
81.其中，光源装置54中可以包括激光光源541、光调整组件542以及匀光组件542等各种组件。
82.激光光源541用于提供激光，光调整组件542用于将激光光源541提供的激光调整为基色光并输出。例如，激光光源541提供蓝色激光，则光调整组件542可以将蓝色激光调整为蓝色激光、红色激光以及绿色激光。
83.可选地，匀光器件542包括光导管，光导管是一种由四片平面反射片拼接而成的管状器件，也即为空心光导管，光线在光导管内部多次反射，达到匀光的效果，光导管也可以采用实心光导管，光导管的入光口和出光口为形状面积均一致的矩形，激光光束从光导管的入光口进入，再从光导管的出光口射向光阀组件，在经过光导管的过程中完成光束匀化以及光斑优化。
84.另外，匀光器件542也可以包括复眼透镜，复眼透镜通常由一系列小透镜组合形成，将两列复眼透镜阵列平行排列，以对输入的激光光束的光斑分割，在通过后续聚焦透镜将分割的光斑累加，从而得到对光束的匀化以及光斑优化。在一个照明装置中，匀光器件542可以选择光导管或复眼透镜中的至少一种，本技术实施例在此不作限定。
85.如图7所示，本技术实施例还提供一种投影设备，包括屏幕60以及图4所示的光学引擎、图5所示的光学引擎或图6所示的光学引擎。该光学引擎50中可以包括上述图3所示实施例中提供的镜头20。
86.在该激光投影设备运行时，光源装置54发出的光束射向光阀51，光阀51的出射光束射向偏振分光棱镜52，并经由偏振分光棱镜52射向振镜53，振镜53将光束导向镜头20，并由镜头20对光束进行调整后，射向屏幕60，在屏幕60上形成影像画面。
87.上述实施例中提供的投影设备采用远心系统，光阀以平行光束投射进入投影镜头，光阀与投影镜头还设置有全反射棱镜，或者还进一步设置有振动镜片，从而投影镜头在预留足够的背焦距离的前提下，还能够通过镜组合理搭配实现镜片数量的优化，将第一镜组中设置非球面透镜、一个三胶合透镜、一个双胶合透镜的组合，并辅助较少数量的球面透镜，实现对初级像差的校正，减轻了后端镜片的成像负担，利于后端镜片的简化。以及，将光
阑设置于第一镜组的两个胶合透镜组之间，可以较好的控制系统口径，也利于像差的校正。
88.以及，在上述多个实例中，通过将第二镜组设置为可动组，以及辅助以第一镜组、反射镜以及第三镜组之间的距离微调方式，调节机构较为简单，可以实现超短焦高清晰度投影要求下投影尺寸的调整，适用更广泛的投影要求。
89.在本技术实施例的一种实施方式中，投影镜头参数满足如下条件：有效焦距(efl)＝1.85mm，像面相对光轴偏移量为135％《offset《155％，解像力为93lp/mm，投射画面为25～40英寸，投射比为0.3。
90.以28英寸画面为基准，当向更小尺寸的画面(也即是将画面尺寸调整为小于28英寸的尺寸)调焦时，第二透镜组的三个透镜同时延光线追迹的反方向运动，移动量相同；当向更大尺寸画面(也即是将画面尺寸调整为大于28英寸的尺寸)调焦时，第二透镜组的三个透镜同时延光线追迹的方向运动，移动量相同。
91.在本技术中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”······“第十三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
92.以上所述仅为本技术的可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。