專利名稱：Dlp長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)器具技術(shù)領(lǐng)域，是一種適合在DLP投影儀上與非遠(yuǎn) 心照明光路配套使用的長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭。
技術(shù)背景DLP投影顯示技術(shù)在近幾年來(lái)發(fā)展迅速，其發(fā)展趨勢(shì)為在短投影距離上 實(shí)現(xiàn)大屏幕、髙清晰度、髙亮度的圖像顯示，它更能實(shí)現(xiàn)體積小，重量輕等 產(chǎn)品特性。DLP技術(shù)中的核心部件主要采用的是DMD數(shù)字圖像芯片；DMD 是美國(guó)德州儀器公司獨(dú)家掌握并開(kāi)發(fā)的數(shù)字圖像芯片，由于其面世的時(shí)間相 對(duì)較短，因此與DMD技術(shù)相匹配的DLP投影成像光學(xué)系統(tǒng)的專利技術(shù)不多， 而現(xiàn)有的LCD、LCOS等投影鏡頭采用的是遠(yuǎn)心光路系統(tǒng),不能完全滿足DMD 數(shù)字圖像芯片的配套要求，這主要是由于DMD上的微型反光鏡在工作時(shí)隨圖 像數(shù)字信號(hào)會(huì)有10或12度的翻轉(zhuǎn)，將來(lái)自照明光源的光束通過(guò)微反射鏡的 翻轉(zhuǎn)反射進(jìn)入投影鏡頭的入瞳并聚焦在屏幕上，基于這一特點(diǎn)，LCD、 LCOS 等投影鏡頭往往不能充分滿足DMD數(shù)字圖像芯片的配套要求。另外，在現(xiàn)有公開(kāi)的變焦投影鏡頭技術(shù)中， 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(guò)加入非球面透鏡來(lái)改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量 或簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但非球面透鏡的應(yīng)用對(duì)其加工和裝配要求嚴(yán)格，不利于生 產(chǎn)效率的提髙和成本的降低，而在沒(méi)有釆用非球面透鏡的技術(shù)中，為了達(dá)到較好的光學(xué)性能，其技術(shù)措施一般是增加透鏡的數(shù)量，普遍在12片以上，或 是采用國(guó)外進(jìn)口的高折射率的高檔光學(xué)材料，例如對(duì)像差有顯著改善的FCD1 之類的材料，其價(jià)格昂貴、工藝性差、加工效率和成品率很低。日本專利 02120574技術(shù)公開(kāi)的一種變焦投影鏡頭中，所采用的材料就包括FCDK 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(jià)高、工效低等 問(wèn)題。另外，光學(xué)系統(tǒng)在具有長(zhǎng)的后工作距離時(shí)其像差矯正變得也十分困難， 而DLP投影系統(tǒng)有時(shí)也需要有較長(zhǎng)的后工作距離來(lái)滿足系統(tǒng)的照明要求。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型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、實(shí)現(xiàn)在較長(zhǎng)后工作距離達(dá)到滿意成像質(zhì)量、適合批量生產(chǎn)要求的DLP 長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭。為達(dá)到這樣的目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案是該變焦投影鏡頭 的光學(xué)系統(tǒng)是由具有負(fù)光焦度的調(diào)焦組U1和正光焦度的變焦組U2以及正光 焦度的補(bǔ)償組U3組成，Ul、 U2、 U3沿光軸從屏幕側(cè)向像平面?zhèn)鹊捻樞蚺帕校?其中，U2和U3從廣角端到遠(yuǎn)攝端沿光軸相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦，在變焦過(guò)程中， 從鏡頭第一面到像面總的距離保持不變，即該變焦投影鏡頭為兩組移動(dòng)式變 焦，調(diào)焦組的組合焦距為fl，補(bǔ)償組的焦距f2，兩者的符號(hào)相反，并且需滿足 下列不等式其中調(diào)焦組U1從屏冪側(cè)向像面方向由正透鏡L1、負(fù)透鏡L2、負(fù)透鏡L3組 成，其組合焦距為負(fù)。變焦組U2從屏幕側(cè)向像面方向由負(fù)透鏡L4、正透鏡L5、負(fù)透鏡L6組 成，其中負(fù)透鏡L4、正透鏡[L5]組成一個(gè)雙膠合透鏡組，雙膠合透鏡組中的正、負(fù)透鏡均由火石玻璃構(gòu)成，變焦組總的焦距為正。補(bǔ)償組U3從屏幕側(cè)向像面方向由正透鏡L7、正透鏡L8、負(fù)透鏡L9、 正透鏡U0、負(fù)透鏡Lll以及正透鏡L12組成，其中，負(fù)透鏡L9、正透鏡LIO、 負(fù)透鏡Lll組成一個(gè)三膠合透鏡組，三膠合透鏡組中的負(fù)透鏡L9、 Lll由火 石玻璃構(gòu)成，正透鏡U0由具有低色散的冕玻璃構(gòu)成， 一方面可以更有效的 矯正系統(tǒng)的色差，另一方面利用光學(xué)級(jí)的誤差來(lái)減小機(jī)械裝配誤差，使得系 統(tǒng)的裝配簡(jiǎn)易、公差更加寬容，該補(bǔ)償組U3總的焦距為正。 系統(tǒng)中各透鏡均為球面透鏡，透鏡總數(shù)為12片。為充分提高像面均勻性，DLP投影鏡頭的出瞳距離要控制在和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(jiǎn)單及可行，DLP投 影鏡頭的尾端的口徑要盡量的小，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。當(dāng)然，投影鏡頭的后部口徑也不能太小，太小的口徑一方 面不能保證整個(gè)系統(tǒng)的F數(shù)，還可能影響到成像面的照度均勻性。 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)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 的加工和裝配的簡(jiǎn)易性，提髙了產(chǎn)品成品率和生產(chǎn)效率，更適應(yīng)批量生產(chǎn)。2、 在保證長(zhǎng)后工作距離成像質(zhì)量的同時(shí)，以較少數(shù)量的球面透鏡組合構(gòu) 成整個(gè)系統(tǒng)，并采用常規(guī)的光學(xué)材料，降低產(chǎn)品成本。3、 通過(guò)兩個(gè)透鏡組的移動(dòng)保證整個(gè)焦距范圍內(nèi)成像質(zhì)量的一致性，并能 保持較髙水準(zhǔn)的像差矯正，結(jié)構(gòu)中又省去了后固定透鏡組，因此結(jié)構(gòu)更為緊湊。4、 本實(shí)用新型設(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(duì)比度的得到顯著提高。5、 本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)焦方便、投影圖象清晰等特點(diǎn)。
圖1是本實(shí)用新型變焦鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型變焦鏡頭短焦的光學(xué)系統(tǒng)圖；圖3是本實(shí)用新型變焦鏡頭長(zhǎng)焦的光學(xué)系統(tǒng)圖；圖4是本實(shí)用新型變焦鏡頭在短焦的光線軌跡圖；圖5是本實(shí)用新型變焦鏡頭在長(zhǎng)焦的光線軌跡圖；圖6是本實(shí)用新型變焦鏡頭在短焦的場(chǎng)曲和畸變曲線圖；圖7是本實(shí)用新型變焦鏡頭在長(zhǎng)焦的場(chǎng)曲和畸變曲線圖； 圖8是本實(shí)用新型變焦鏡頭在短焦的傳遞函數(shù)曲線圖； 圖9是本實(shí)用新型變焦鏡頭在長(zhǎng)焦的傳遞函數(shù)曲線圖； 圖IO是本實(shí)用新型變焦鏡頭在短焦的垂軸像差曲線圖；
圖11是本實(shí)用新型變焦鏡頭在長(zhǎng)焦的垂軸像差曲線圖；
圖12是本實(shí)用新型變焦鏡頭在短焦的點(diǎn)列圖；
圖13是本實(shí)用新型變焦鏡頭在長(zhǎng)焦的點(diǎn)列圖。 具體實(shí)旌方式參看圖l、圖2、圖3,本實(shí)用新型的DLP長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭，主 要部件包括調(diào)焦環(huán)l、調(diào)焦限位環(huán)2、調(diào)焦鏡筒3、導(dǎo)向筒4、滾輪導(dǎo)釘5、變 焦手柄6、變焦鏡筒7、曲線筒8、滾輪導(dǎo)釘9、補(bǔ)償鏡筒IO、后鏡筒ll、滾 輪導(dǎo)釘12以及光學(xué)系統(tǒng)透鏡組。其中調(diào)焦鏡筒3通過(guò)螺紋連接在導(dǎo)向筒4 的前端，其前部套裝有調(diào)焦環(huán)1，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)焦環(huán)1，可帶動(dòng)調(diào)焦鏡筒3隨之轉(zhuǎn)動(dòng)， 并相對(duì)于導(dǎo)向筒4軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦組U1的調(diào)焦功能，同時(shí)由安裝在調(diào)焦 鏡筒3上的調(diào)焦限位環(huán)2限止其移動(dòng)的最大位移。導(dǎo)向筒4的外部套裝有曲 線筒8，曲線筒8上設(shè)有用于變焦鏡筒7、補(bǔ)償鏡筒10移動(dòng)的兩個(gè)曲線滑槽 和一個(gè)限止曲線筒8軸向移動(dòng)的等位滑槽，并通過(guò)裝在導(dǎo)向筒4上的滾輪導(dǎo) 釘5與等位滑槽的滑動(dòng)配合實(shí)現(xiàn)曲線筒8的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)限止曲線筒8的軸向 移動(dòng)，變焦手柄6聯(lián)接在曲線筒8上，用于操縱曲線筒8的轉(zhuǎn)動(dòng)。變焦鏡筒7 套裝在導(dǎo)向筒4內(nèi)部，其周側(cè)裝有與曲線筒8上的曲線滑槽滑動(dòng)配合的滾輪 導(dǎo)釘12,當(dāng)曲線筒8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾輪導(dǎo)釘12可沿曲線滑槽滑動(dòng)，并沿導(dǎo)向筒4 上開(kāi)設(shè)的限位滑槽軸向移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)變焦鏡筒7移動(dòng)，達(dá)到變焦組U2變焦 的目的。為了方便補(bǔ)償組U3的組裝，補(bǔ)償鏡筒10的后端連接有后鏡筒11， 補(bǔ)償鏡筒10與導(dǎo)向筒4套裝連接，并通過(guò)聯(lián)接在補(bǔ)償鏡筒10上的滾輪導(dǎo)釘9與曲線筒8上的曲線滑槽及導(dǎo)向筒4上的限位滑槽實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償透鏡組U3的補(bǔ)償 功能。正透鏡L1、負(fù)透鏡L2及負(fù)透鏡L3通過(guò)壓圈和隔圈組裝在調(diào)焦鏡筒3 內(nèi)，構(gòu)成調(diào)焦組Ul;負(fù)透鏡L4、正透鏡L5、負(fù)透鏡L6組裝在變焦鏡筒7 內(nèi)，構(gòu)成變焦組U2;正透鏡L7、正透鏡L8組裝在補(bǔ)償鏡筒10內(nèi)，連同組 裝在后鏡筒內(nèi)U的負(fù)透鏡L9、正透鏡LIO、負(fù)透鏡Lll以及正透鏡L12構(gòu)成 補(bǔ)償組U3。本實(shí)用新型的DLP變焦投影鏡頭中的光學(xué)系統(tǒng)采用12片透鏡結(jié)構(gòu)，系統(tǒng) 中只包括一個(gè)雙膠合透鏡L4、 L5和一個(gè)三膠合透鏡L9、 LIO、 LU。該鏡頭 采用常規(guī)的機(jī)械式補(bǔ)償凸輪機(jī)構(gòu)，對(duì)于不同距離的投影圖像可通過(guò)調(diào)焦組Ul 的前后移動(dòng)進(jìn)行調(diào)焦，通過(guò)補(bǔ)償組U3沿光軸的前后移動(dòng)來(lái)保證像面穩(wěn)定，整 個(gè)系統(tǒng)為負(fù)一正一正型結(jié)構(gòu)。圖2是短焦系統(tǒng)圖，圖3是長(zhǎng)焦系統(tǒng)圖，dw是 短焦時(shí)兩移動(dòng)組即U2與U3之間的間隔，dt是長(zhǎng)焦時(shí)U2與U3之間的間隔。 本實(shí)用新型為兩組相對(duì)移動(dòng)的變焦系統(tǒng)，光束在經(jīng)過(guò)補(bǔ)償組U3后不再經(jīng)過(guò)常 規(guī)的后固定透鏡組而直接在芯片上形成實(shí)像，因此，補(bǔ)償組U3的焦距必須為 正，即變焦單元為正一正型結(jié)構(gòu)，這樣可以使得結(jié)構(gòu)進(jìn)一步緊湊。變焦鏡頭調(diào)焦組Ul包括3個(gè)透鏡，即1個(gè)正透鏡Ll和2個(gè)負(fù)透鏡L2、 L3，變焦組包括3個(gè)透鏡，即1個(gè)正透鏡L5和2個(gè)負(fù)透鏡L4、 L6，補(bǔ)償組 包括6個(gè)透鏡，即4個(gè)正透鏡L7、 L8、 LIO、 L12和2個(gè)負(fù)透鏡L9、 Lll,這 樣，由正負(fù)透鏡的對(duì)應(yīng)搭配可以保證前后移動(dòng)透鏡組的像差能充分獨(dú)自矯正， 也才可能構(gòu)成一個(gè)僅由兩組移動(dòng)透鏡構(gòu)成并在長(zhǎng)后工作距離達(dá)到滿意成像質(zhì)量的變焦系統(tǒng)，而且這種結(jié)構(gòu)更有利于在變焦過(guò)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。當(dāng)然，還可以通過(guò)適當(dāng)加大前 端透鏡的口徑，使得光束的軌跡更加平滑。對(duì)光線具有發(fā)散作用的調(diào)焦組U1將遠(yuǎn)距離的物成像在變焦組U2的物方 2倍焦距附近的位置，使變焦組U2處于放大率為一1的位置附近，這樣有利 于為實(shí)現(xiàn)一定的變焦比不至于透鏡組的移動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)而增加系統(tǒng)的總長(zhǎng)。為了能使變焦投影鏡頭在不同的投影距離成像清晰，分配在調(diào)焦組U1的 光焦度要合理，應(yīng)該滿足如下不等式0.85<|fl/f2|<1.15其中，fl為調(diào)焦組U1的組合焦距，f2為補(bǔ)償組的組合焦距，超出這個(gè)范圍，其它位置的像差就較難控制。 本實(shí)用新型變焦投影鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下SO 0.0 2000.0S 70.327 6.15 QK3—CHINAS 掘.l 0.2S 76.0130899252 3.5 BAK4—CHINA CCY0S 23.77 5.49303868373 THC0S -374.583 1.5 FEL6一HOYA S 29鄰612.9535210365 THC0S -528.6 1.5 FD8一HOYA S 21.78 7.8 NBFD15一HOYA S -58,5 6.02S -37.0302747048 1,5 BAK4一CHINA CCY0S 247.492 16.7450887846 THC0S 218.8 3.06 LAK12—CHINA S -88.3 0.2S 28.777 4,0 BAF10—HOYA S 268.32 8.48 S 0.0 5.1 STOS 82.04 1.4 FD8一HOYA S 26.623 6.34 QK3一C畫(huà)A S -26.623 1.4 NBFD12一HOYA S -45.7 U3S 108.459221752 3.0 FDS90—HOYA CCY0S -73.79 32.0083514952 THC0S 0.0 3.0FK5一SCHOTT S 0,0 0.52 SI 0,0 0.0 ZOO 3ZOO 加S6 12.9535210365 18.9991047587 21.4436014431 ZOOTHCS6000ZOOTHIS22 32.0083514952 34.5216037 37.126838843 ZOOTHCS22 000ZOO Tffl Sll 16.7450887846 8.18625285752 3.1365210302 ZOOTHCS11 000下表是系統(tǒng)在長(zhǎng)短焦距時(shí)的垂軸色差FieldWT 1RBRB0.00. 000. 000. 0000. 000.10.67"0. 540.44-0.110.21.40-0.980.93-0. 130.32. 04-l. 321.37-O. 140.42.65-1.681.78-0. 070.53. 20-1.832. 160. 110.63. 60-1. 782.440. 360. 73. 78-1.652. 570.710.83. 73-1.352. 551.210.93.46-0.672.411.971.03.181.232. 383.15表中Field為相對(duì)全視場(chǎng)的視場(chǎng)坐標(biāo)，R為長(zhǎng)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。參看圖4、圖5，是本實(shí)用新型的變焦鏡頭在短焦、長(zhǎng)焦的光線軌跡圖； 圖4是短焦的光線軌跡圖，圖5是長(zhǎng)焦的光線軌跡圖。參看圖6、圖7，是本實(shí)用新型的變焦鏡頭在短焦、長(zhǎng)焦的場(chǎng)曲和畸變曲 線圖，圖6是短焦的場(chǎng)曲和畸變曲線圖，圖7是長(zhǎng)焦的場(chǎng)曲和畸變曲線圖。參看圖8、圖9，是本實(shí)用新型的變焦鏡頭在短焦、長(zhǎng)焦在461p/mm的傳 遞函數(shù)曲線圖，圖8是短焦的傳遞函數(shù)曲線圖，圖9是長(zhǎng)焦的傳遞函數(shù)曲線參看圖IO、圖ll,是本實(shí)用新型的變焦鏡頭在短焦、長(zhǎng)焦的垂軸像差曲 線圖，
圖10是短焦的垂軸像差曲線圖，
圖11是長(zhǎng)焦的垂軸像差曲線圖。參看
圖12、
圖13，是本實(shí)用新型的變焦鏡頭在短焦、長(zhǎng)焦的點(diǎn)列圖，圖 12是短焦的點(diǎn)列圖，
圖13是長(zhǎng)焦的點(diǎn)列圖。
權(quán)利要求1、一種DLP長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭，其特征在于鏡頭中的光學(xué)系統(tǒng)是由具有負(fù)光焦度的調(diào)焦組[U1]和正光焦度的變焦組[U2]以及正光焦度的補(bǔ)償組[U3]組成，調(diào)焦組[U1]、變焦組[U2]以及補(bǔ)償組U3]沿光軸從屏幕側(cè)向像平面?zhèn)鹊捻樞蚺帕?，其中，變焦組[U2]和補(bǔ)償組[U3]從廣角端到遠(yuǎn)攝端沿光軸相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦，在變焦過(guò)程中，從鏡頭第一面到像面總的距離保持不變，該變焦投影鏡頭為兩組移動(dòng)式變焦，調(diào)焦組的組合焦距為f1，補(bǔ)償組的焦距為f2，兩者的符號(hào)相反，并且滿足下列不等式0.85＜|f1/f2|＜1.15。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的DLP長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭，其特征在于所 述調(diào)焦組[Ul]從屏幕側(cè)向像面方向由正透鏡[Ll]、負(fù)透鏡[L2]、負(fù)透鏡[L3]組成， 其組合焦距為負(fù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的DLP長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭，其特征在于 所述變焦組[U2]從屏幕側(cè)向像面方向由負(fù)透鏡[L4]、正透鏡[L5]、負(fù)透鏡[L6]組 成，其中負(fù)透鏡[L4]和正透鏡[L5]為雙膠合透鏡，變焦組[U2]總的焦距為正。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的DLP長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭，其特征在于所 述雙膠合透鏡中的負(fù)透鏡[L4]、正透鏡[L5]均為火石玻璃透鏡。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的DLP長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭，其特征在于所 述補(bǔ)償組[U3]從屏幕側(cè)向像面方向由正透鏡[L7]、正透鏡[L8]、負(fù)透鏡[L9]、正 透鏡[LIO]、負(fù)透鏡[L11]以及正透鏡[L12]組成，其中，負(fù)透鏡[L9]、正透鏡[LIO]、負(fù)透鏡[Lll]為三膠合透鏡，補(bǔ)償組[U3]的總焦距為正。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的DLP長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭，其特征在于所 述三膠合透鏡中的負(fù)透鏡[L9、 Lll]均為火石玻璃透鏡，正透鏡[L10]為低色散的冕玻璃透鏡。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的DLP長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭，其特征在于所 述調(diào)焦組[Ul]、變焦組[U2]和補(bǔ)償組[U3]中各透鏡均為球面透鏡，其透鏡的總數(shù) 是12片。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種DLP長(zhǎng)后工作距變焦投影鏡頭，其主要特點(diǎn)是鏡頭中的光學(xué)系統(tǒng)是由具有負(fù)光焦度的調(diào)焦組U1和正光焦度的變焦組U2以及正光焦度的補(bǔ)償組U3組成，U1、U2、U3沿光軸從屏幕側(cè)向像平面?zhèn)鹊捻樞蚺帕?，其中，調(diào)焦是通過(guò)U1組的前后移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，變焦是通過(guò)U2和U3從廣角端到遠(yuǎn)攝端沿光軸相對(duì)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在變焦過(guò)程中，從鏡頭第一面到像面總的距離保持不變，該系統(tǒng)具有在較長(zhǎng)后工作距離的像面上達(dá)到滿意成像質(zhì)量等特點(diǎn)，鏡頭中的透鏡全部采用球面透鏡，工藝性好，適應(yīng)批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G02B1/00GK201141936SQ20072009068
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月12日
發(fā)明者曹紅曲, 王天州, 馬永珍 申請(qǐng)人:利達(dá)光電股份有限公司