專利名稱：兩組移動式變焦投影鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)器具技術(shù)領(lǐng)域，是一種適合在DLP投影儀上配套使用的兩組移動式變焦投影鏡頭。
背景技術(shù)：
DLP投影顯示技術(shù)在近幾年來發(fā)展迅速，其發(fā)展趨勢為大屏幕、高清晰度、高亮度的圖像顯示，而且更能實現(xiàn)體積小、重量輕等現(xiàn)代產(chǎn)品特點。DLP技術(shù)中的核心部件較多采用的是DMD數(shù)字圖像芯片，DMD是美國德州儀器公司獨家開發(fā)并掌握的數(shù)字圖像芯片，由于其面世的時間相對較短，因此與DMD技術(shù)相匹配的DLP投影成像光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)不多，而現(xiàn)有的LCD、LCOS等投影鏡頭采用的是遠心光路系統(tǒng)，不能滿足DMD數(shù)字圖像芯片的配套要求，主要是由于DMD上的微型反光鏡在工作時隨圖像數(shù)字信號會有10或12度的翻轉(zhuǎn)，將來自照明光源的光束通過微反光鏡的翻轉(zhuǎn)后反射進入投影鏡頭的入瞳，并聚焦在屏幕上。
在現(xiàn)有的技術(shù)中，公開的變焦投影鏡頭，一部分應(yīng)用了非球面技術(shù)，即在變焦投影鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)中通過加入非球面透鏡來改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量。但應(yīng)用的非球面透鏡對其加工和裝配要求嚴格，不利于生產(chǎn)效率的提高和成本的降低。另一些沒有采用非球面透鏡的技術(shù)中，為了達到較好的光學(xué)性能，其技術(shù)措施一是增加透鏡組合的數(shù)量，普遍在12片以上，二是采用國外進口的高折射率的高擋光學(xué)材料，例如對像差有顯著改善的FCD1之類的材料，其價格昂貴、工藝性差、加工效率和成品率很低，不能滿足大批量生產(chǎn)的工藝性要求。日本專利02120574技術(shù)公開的一種變焦投影鏡頭中，所采用的材料就包括FCD1、LAF等高檔材料，且透鏡數(shù)量均在12片以上，因而也同樣存在造價高、工效低等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠與DMD數(shù)字圖像芯片相匹配，且結(jié)構(gòu)緊湊、透鏡數(shù)量少、造價低、生產(chǎn)效率高、適合大批量生產(chǎn)要求的兩組移動式變焦投影鏡頭。
為達到這樣的目的，本發(fā)明所提供的變焦投影鏡頭，其光學(xué)系統(tǒng)是由具有負光焦度的前移動透鏡組U1和具有正光焦度的后移動透鏡組U2組成，其中，前移動透鏡組U1、后移動透鏡組U2沿光軸從屏幕側(cè)向像面?zhèn)鹊捻樞蚺帕校膹V角端到遠攝端沿光軸相對移動實現(xiàn)變焦，即該變焦投影鏡頭為兩組移動式變焦，前移動透鏡組的組合焦距為f1，后移動透鏡組的焦距f2，兩者的符號相反，并且滿足不等式0.86＜|f1/f2|＜1.17。
前移動透鏡組U1從屏幕側(cè)向像面方向由正透鏡L1、負透鏡L2、負透鏡L3、正透鏡L4組成，其組合焦距為負。
后移動透鏡組中的U2從屏幕側(cè)向像面方向由正透鏡L5、負透鏡L6、正透鏡L7、負透鏡L8、膠合透鏡L9、L10組成，其組合焦距為正。
前移動透鏡組U1中的正透鏡L1為雙凸透鏡，負透鏡L2為彎月透鏡和負透鏡L3為雙凹透鏡組成，正透鏡L4為雙凸透鏡。
后移動透鏡組U2中的膠合透鏡L9、L10分別由冕玻璃和火石玻璃材料制成，其中，冕玻璃透鏡位于像面一側(cè)。
系統(tǒng)光欄位置在后移動透鏡組U2的正透鏡L7上，并在變焦過程中隨透鏡組U2一起移動，并且系統(tǒng)欄口徑保持不變，從像平面出射的主光線與光軸在光欄處相交。
后移動透鏡組U2中的正透鏡L7與膠合透鏡L9、L10直接相靠。
前移動透鏡組U1和后移動透鏡組U2中所有透鏡均為球面透鏡，透鏡總數(shù)為10片。
為充分提高像面均勻性，該投影鏡頭的出瞳距離控制在和DMD微反射鏡的反射光角度相匹配的范圍內(nèi)，另外，為了結(jié)構(gòu)的簡單及可行，投影鏡頭的尾端的口徑設(shè)置最小，以保證有足夠的空間使得照明光路能得到有效合理的布置。投影鏡頭的后部口徑不能設(shè)置太小，以保證整個系統(tǒng)的F數(shù)和成像面的照度均勻性。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、系統(tǒng)中未采用工藝復(fù)雜的非球面透鏡，因而提高了透鏡及變焦鏡頭加工和裝配的簡易性，提高了產(chǎn)品成品率和生產(chǎn)效率，能夠滿足大批量生產(chǎn)的工藝性需要。
2、在保證成像質(zhì)量的同時，以較少數(shù)量的球面透鏡組合構(gòu)成整個系統(tǒng)，并采用常規(guī)的光學(xué)材料，可大幅度降低產(chǎn)品成本。
3、通過兩個透鏡組的移動保證整個焦距范圍內(nèi)成像質(zhì)量的一致性，并能保持較高水平的像差矯正，結(jié)構(gòu)中省去了前后固定透鏡組，因此結(jié)構(gòu)更為緊湊。
4、本發(fā)明設(shè)置了與DMD數(shù)字圖像芯片相匹配的短出瞳距離保證系統(tǒng)，其光能輸出和對比度的得到顯著提高。
5、本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)焦精確方便、投影圖象清晰等優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明變焦鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明變焦鏡頭短焦的光學(xué)系統(tǒng)圖；圖3是本發(fā)明變焦鏡頭長焦的光學(xué)系統(tǒng)圖；圖4是是本發(fā)明的變焦鏡頭在短焦的光線軌跡圖；圖5是本發(fā)明的變焦鏡頭在長焦的光線軌跡圖；圖6是本發(fā)明變焦鏡頭在短焦的場曲線和畸變曲線圖；圖7是本發(fā)明變焦鏡頭在中焦的場曲線和畸變曲線圖；圖8是本發(fā)明變焦鏡頭在長焦的場曲線和畸變曲線圖；圖9是本發(fā)明變焦鏡頭在短焦的傳遞函數(shù)曲線圖；圖10是本發(fā)明變焦鏡頭在中焦的傳遞函數(shù)曲線圖；圖11是本發(fā)明變焦鏡頭在長焦的傳遞函數(shù)曲線圖；圖12是本發(fā)明變焦鏡頭在短焦的垂軸像差曲線圖；圖13是本發(fā)明變焦鏡頭在中焦的垂軸像差曲線圖；
圖14是本發(fā)明變焦鏡頭在長焦的垂軸像差曲線圖。
具體實施例方式
結(jié)合圖1，參看圖2、圖3，本發(fā)明的兩組移動式變焦投影鏡頭，包括前鏡筒1、滾輪2、5、7、變焦支架3、大隔圈4、變焦鏡筒6、導(dǎo)向鏡筒8、小隔圈9、后鏡筒10、像面鏡筒11和光學(xué)系統(tǒng)，各部構(gòu)件均按常規(guī)方式組裝。在本案中，除光學(xué)系統(tǒng)外，其余構(gòu)件均為公知技術(shù)，其結(jié)構(gòu)不再贅述。所述光學(xué)系統(tǒng)采用前移動透鏡組U1和后移動透鏡組U2的兩組10片透鏡結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)對于不同距離的投影圖像可通過前移動透鏡組U1的前后移動進行調(diào)焦。在圖2、3中，U1為前移動透鏡組，U2為后移動透鏡組，dw是短焦時兩移動組即U1與U2之間的間隔，dt是長焦時U1與U2之間的間隔。本發(fā)明為兩組相對移動的變焦系統(tǒng)，也就是光束在經(jīng)過后移動透鏡組U2后不再經(jīng)過常規(guī)的后固定透鏡組而直接在芯片上形成實像，因此，后移動透鏡組U2的焦距必須為正，即整個系統(tǒng)為負—正型結(jié)構(gòu)，這樣可以使得結(jié)構(gòu)進一步緊湊。
變焦鏡頭前移動透鏡組U1包括4個透鏡，即2個正透鏡和2個負透鏡，后移動透鏡組U2包括6個透鏡，即3個正透鏡和3個負透鏡，這樣，由正負透鏡的對應(yīng)搭配可以保證前后移動透鏡組的像差能充分獨自矯正，也才可能構(gòu)成一個僅由兩組移動透鏡構(gòu)成并達到滿意成像質(zhì)量的變焦系統(tǒng)，而且這樣的結(jié)構(gòu)更有利于在變焦過程中的像質(zhì)穩(wěn)定。為了不讓后端的透鏡口徑太大，系統(tǒng)光欄設(shè)置在鏡頭的后部，否則，在滿足后部透鏡口徑小的前提下，像差的矯正變得十分困難。還可以通過適當加大前端透鏡的口徑，使得光束的軌跡更加平滑。
對光線具有發(fā)散作用的前移動透鏡組U1將遠距離的物體成像在后移動透鏡組U2的物方2倍焦距附近的位置，使后移動透鏡組U2處于放大率為一1的位置附近，這樣有利于為實現(xiàn)一定的變焦比不至于透鏡組的移動距離過長。
為了能使變焦投影鏡頭在不同的投影距離成像清晰，分配在前固定U1的光焦度要合理，應(yīng)該滿足不等式0.86＜|f1/f2|＜1.17。
其中，f1為前固定組U1的組合焦距，f2為后移動透鏡組U2的焦距，超出這個范圍，其它位置的像差就較難控制。
為了方便，在鏡頭的第一面前設(shè)一虛面，該虛面的厚度也作為變焦配置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，由于這個厚度相對投影距離來說很小，因此它對實際使用效果并不影響。本發(fā)明變焦投影鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，變焦配置參數(shù)見表2，系統(tǒng)的倍率色差見表3。
表1


表2

表3

表3中，F(xiàn)ield為相對全視場的視場坐標，R為長波與參考光的倍率色差，單位微米，B為短波與參考光的倍率色差，單位微米。
圖4、圖5分別是本發(fā)明的變焦鏡頭在短焦、長焦的光線軌跡圖。
圖6、圖7、圖8分別是本發(fā)明的變焦鏡頭在短焦、中焦、長焦的場曲線和畸變曲線圖。
圖9、圖10、圖11分別是本發(fā)明的變焦鏡頭在短焦、中焦、長焦在46lp/mm的傳遞函數(shù)曲線圖。
圖12、圖13、圖14分別是本發(fā)明的變焦鏡頭在短焦、中焦、長焦的垂軸像差曲線圖。
權(quán)利要求
1.一種兩組移動式變焦投影鏡頭，其特征在于該鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)是由具有負光焦度的前移動透鏡組[U1]和具有正光焦度的后移動透鏡組[U2]組成，其中，前移動透鏡組[U1]、后移動透鏡組[U2]沿光軸從屏幕側(cè)向像平面?zhèn)鹊捻樞蚺帕?，并從廣角端到遠攝端沿光軸相對移動實現(xiàn)變焦，即該變焦投影鏡頭為兩組移動式變焦，前移動透鏡組的組合焦距為f1，后移動透鏡組的組合焦距為f2，兩者的符號相反，并且滿足不等式0.86＜|f1/f2|＜1.17。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩組移動式變焦投影鏡頭，其特征在于所述前移動透鏡組[U1]從屏幕側(cè)向像平面方向由正透鏡[L1]、負透鏡[L2]、負透鏡[L3]、正透鏡[L4]組成，其組合焦距為負。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩組移動式變焦投影鏡頭，其特征在于所述后移動透鏡組[U2]從屏幕側(cè)向像平面方向由正透鏡[L5]、負透鏡[L6]、正透鏡[L7]、負透鏡[L8]、膠合透鏡[L9、L10]組成，其組合焦距為正，其中，正透鏡[L7]部位設(shè)置有系統(tǒng)光欄。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的兩組移動式變焦投影鏡頭，其特征在于所述正透鏡[L1]為雙凸透鏡，負透鏡[L2]為彎月透鏡，負透鏡[L3]為雙凹透鏡，正透鏡[L4]為雙凸透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的兩組移動式變焦投影鏡頭，其特征在于所述膠合透鏡[L9、L10]分別由冕玻璃和火石玻璃材料制成，其中，冕玻璃透鏡位于像面一側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的兩組移動式變焦投影鏡頭，其特征在于所述系統(tǒng)光欄在變焦過程中隨后移動透鏡組[U2]一起移動，系統(tǒng)光欄口徑保持不變，從像平面出射的主光線與光軸在光欄處相交。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的兩組移動式變焦投影鏡頭，其特征在于所述后移動透鏡組[U2]中的正透鏡[L7]與膠合透鏡[L9、L10]直接相靠。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩組移動式變焦投影鏡頭，其特征在于所述前移動透鏡組[U1]和后移動透鏡組[U2]中的各透鏡均為球面透鏡，其透鏡的總數(shù)是10片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兩組移動式變焦投影鏡頭，其主要特點是該鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)是由具有負光焦度的前移動透鏡組U1和正光焦度的后移動透鏡組U2組成，其中，前移動透鏡組U1、后移動透鏡組U2沿光軸從屏幕側(cè)向像平面?zhèn)鹊捻樞蚺帕?，并從廣角端到遠攝端沿光軸相對移動實現(xiàn)變焦。該鏡頭省去了常規(guī)的前固定透鏡組和后固定透鏡組，鏡頭中的透鏡全部采用球面透鏡，并在保證成像質(zhì)量的同時，以較少數(shù)量透鏡的組合、常規(guī)的光學(xué)材料構(gòu)成整個系統(tǒng)，可大幅度降低產(chǎn)品成本，并能夠滿足大批量生產(chǎn)的工藝性需要。
文檔編號G02B1/00GK1920609SQ200610106938
公開日2007年2月28日 申請日期2006年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月28日
發(fā)明者曹紅曲, 馬永珍 申請人:利達光電股份有限公司