專利名稱：投影儀用連續(xù)變焦投影鏡頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種投影儀使用的光學系統(tǒng)，尤其涉及一種與像素化面板聯(lián)用的連續(xù)變焦投影鏡頭。
背景技術：
投影儀的應用遍及商業(yè)、教育、政府機關、家庭等幾乎所有領域，投影鏡頭是投影儀的重要組成部分，通常采用與像素化面板一般為數(shù)字光閥，如DMD、LCD、LCOS、GLV聯(lián)用的連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，其主要作用是將數(shù)字光閥上的光信號予以放大，并把圖像投射到屏幕上。投影儀一般具有較高的分辨率，常用1024×768(XGA)或1280×1024(SXGA)和較細的灰度等級。為了滿足投影儀的使用要求，其所采用的光學投影鏡頭應能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能焦距在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化；在整個變焦范圍內(nèi)提供一定的放大倍率；在整個變焦范圍內(nèi)通過其投影到大屏幕上的像照度是均勻的；在整個變焦范圍內(nèi)有很高的傳遞函數(shù)、分辨率；在整個變焦范圍內(nèi)具有較高的像差校正水平，尤其是畸變和色差。
投影儀的投影鏡頭設計者一般采取以下技術途徑使投影儀獲得高分辨率和好的成像質(zhì)量(1)投影鏡頭采用復雜的結構形式和特殊的材料；(2)采用非球面光學元件校正像差。然而，上述途徑都會大幅度提高光學投影鏡頭的成本，這對競爭非常激烈的投影儀市場來說，是非常不利的。另外，可見光波段非球面光學元件的加工比較復雜。
像面照度均勻性是投影儀的一個重要指標。當觀察者觀察投影屏幕時，即使在透鏡視場邊緣各處，也要求有足夠的亮度才能看清數(shù)據(jù)；因此，需要將投影儀的投影鏡頭設計成像方遠心光路來保證像面照度均勻。另外，投影鏡頭和數(shù)字光閥之間都設有棱鏡組，為防止產(chǎn)生雜光，也要求將投影鏡頭設計成遠心光路。這就大大提高了系統(tǒng)設計的難度。
中國專利97117606.X公開了一種與像素化面板聯(lián)用的變焦投影透鏡，該投影鏡頭由變倍組、補償組和校正單元組成，投影鏡頭所用的約10片透鏡中，至少有3片透鏡是由丙烯酸材料制成的，至少含有4面非球面，最大鏡口徑達到215.77mm，畸變校正到約2.5％。中國專利98807972.0中給出了具有透鏡校正單元的變焦投影鏡頭，此鏡頭由3組約9塊透鏡組成，靠近屏幕的一塊采用丙烯酸材料制作，并且兩個面都是非球面，鏡頭最大口徑為185mm。然而，上述兩個投影鏡頭存在以下不足(1)光學元件采用肖特玻璃和丙烯酸材料制作，因此價格較貴，而且用丙烯酸材料制成的透鏡其形狀隨溫度變化非常明顯，對環(huán)境的適應性差；(2)口徑過大，結構不緊湊，不能用于便攜式投影儀；(3)投影鏡頭中的光闌是固定不動的，而光闌后面光學組件的焦距是變化的，投影鏡頭在整個變焦過程中，最多只能保證一個位置是處于遠心光路，其它位置均處于非遠心光路，因此像面照度均勻性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是，為投影儀提供一種連續(xù)變焦的投影鏡頭，該投影鏡頭在變焦范圍內(nèi)的任何位置上都能保證像面照度有較高的均勻性。
本發(fā)明要解決的第二個技術問題是，所提供的投影鏡頭結構緊湊，并可用于便攜式投影儀。
本發(fā)明要解決的第三個技術問題是，所提供的投影鏡頭不僅在其變焦過程中都具有較高的成像質(zhì)量，而且便于制造，價格便宜。
為解決上述技術問題，本發(fā)明包括兩個固定透鏡組和三個運動組件，所述的第一運動組件為第一補償透鏡組，所述的第二運動組件含有第二補償透鏡組和光闌且兩者可作同步運動，所述的第三運動組為變倍透鏡組；所述的第一、第二固定透鏡組之間依次排列著第一補償透鏡組、第二補償透鏡組、光闌、變倍透鏡組，第一固定透鏡組位于投影屏幕一方，第二固定透鏡組位于投影儀的數(shù)字光閥一方；所述第一、第二補償透鏡組均與變倍透鏡組的光焦度符號相反，當變倍透鏡組沿光軸作線性移動時，第一、第二補償透鏡組及所述光闌均沿光軸作反方向移動且在移動過程中光闌始終處于變倍透鏡組與第二固定透鏡組的組合前焦面上，所述第一、第二補償透鏡組的反向移動共同抵消由變倍透鏡組移動所引起的像面移動。
根據(jù)本發(fā)明，所述第一固定透鏡組的焦距、所述變倍透鏡組與第二固定組透鏡組的組合焦距分別滿足-2＜f1′/f′＜-0.9 (1)1＜f45′/f′＜2 (2)式中，f1′為第一固定透鏡組的焦距，f45′為本發(fā)明在大視場時第三運動透鏡組和第二固定透鏡組的組合焦距，f′為本發(fā)明在大視場時的焦距。
根據(jù)本發(fā)明，所述的各透鏡組均由球面透鏡構成，且全部透鏡均選用中國玻璃制作。
在本發(fā)明中，最大透鏡的口徑為60mm。
本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾個方面(一)本發(fā)明通過使第三運動透鏡組即變倍組相對第二固定透鏡組的運動實現(xiàn)本發(fā)明的焦距變化，在變焦過程中，光闌是與第二運動透鏡組一起同步運動，并在運動過程中始終位于第三運動透鏡組與第二固定透鏡組的組合前焦面，這就保證了本發(fā)明在整個變焦過程中都是遠心光路，所以在任何變焦位置，本發(fā)明的像面照度都非常均勻。
(二)本發(fā)明通過合理的分配各透鏡組的光焦度，尤其是將第一固定透鏡組的焦距、第三運動透鏡組與第二固定透鏡組的組合焦距限定在一定的取值范圍內(nèi)，這既限定了本發(fā)明的最大口徑和總長度，使本發(fā)明具有結構緊湊、體積小的特點，為應用到便攜式投影儀提供了技術支持；同時也保證了本發(fā)明的像差易于校正，可獲得較高的成像質(zhì)量。
(三)本發(fā)明共采用了五組透鏡而且各透鏡組中的透鏡面型均為球面，與未采用非球面的變焦系統(tǒng)相比，結構形式較為簡單，與采用非球面的投影鏡頭相比，其加工、檢驗都很容易。此外，所有的透鏡均采用最便宜最通用的中國玻璃制造，因而，本發(fā)明的成本低廉，具有較強的市場競爭力。


圖1a是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例的短焦位置狀態(tài)示意圖。
圖1b是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例的中焦位置狀態(tài)示意圖。
圖1c是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例的長焦位置狀態(tài)示意圖。
2a是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例處于短焦位置時的畸變曲線圖。
圖2b是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例處于中焦位置時的畸變曲線圖。
圖2c是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例處于長焦位置時的畸變曲線圖。
圖3a是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例處于短焦位置時的MTF曲線圖。
圖3b是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例處于中焦位置時的MTF曲線圖。
圖3c是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例處于長焦位置時的MTF曲線圖。
圖4a是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例處于短焦位置時的像差曲線圖。
圖4b是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例處于中焦位置時的像差曲線圖。
圖4c是本發(fā)明光學投影鏡頭優(yōu)選實施例處于長焦位置時的像差曲線圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步的詳述。
正如圖1a～圖1c所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例包括兩個固定透鏡組L1、L5和三個運動組件L2、L3、L4。第一、第二固定透鏡組L1、L5之間依次排列著第一運動組件L2、第二運動組件L3、第三運動組件L4，第一固定透鏡組L1位于投影屏幕一方，第二固定透鏡組L5位于投影儀的數(shù)字光閥一方。第一固定透鏡組L1的光焦度符號為負，它含有兩個單透鏡1、2以及透鏡3和4構成的雙膠合透鏡。第一運動組件L2是本優(yōu)選實施例的第一補償透鏡組，它是一個由透鏡5和6構成的雙膠合透鏡，其光焦度符號為正。第二運動組件L3含有第二補償透鏡組和光闌14，第二補償透鏡組是一個單透鏡7，其光焦度的符號為正。第三運動組件L4是本優(yōu)選實施例的變倍組，它是一個由透鏡8和9構成的雙膠合透鏡，其光焦度符號為負。第二固定透鏡組L5的光焦度符號為正，它含有透鏡10和11構成的雙膠合透鏡以及兩個單透鏡12、13。系統(tǒng)所有透鏡采用廉價的國產(chǎn)材料制成，并不含有非球面。上述各光學元件的詳細參數(shù)見表1。本優(yōu)選實施例放置在距投影屏幕2.25m的位置時，當變倍透鏡組L4向第二固定透鏡組的方向移動時，圖像的大小可由1.0208m×0.7656m變到0.820m×0.615m，本優(yōu)選實施例的有效焦距在22.93mm-27.91mm范圍內(nèi)變化，各變焦位置時的透鏡組間距值見表2。
表1 光學元件參數(shù)表 (單位mm)


表2 變焦位置與透鏡組間距的關系 (單位mm)

本發(fā)明在進行投影鏡頭的光路追跡時，利用光路可逆的原理，將由投影屏幕到第一固定透鏡L1之間的距離作為物距，第二固定透鏡L5到數(shù)字光閥之間的距離作為像距。通常在投影儀中，投影鏡頭與數(shù)字光閥之間往往都會設置全反射棱鏡，這就大大加長了投影鏡頭與像面之間的距離，即后截距；并且棱鏡組各面之間所成的角度對投影鏡頭的像方出射光線的角度要求比較嚴格。為使棱鏡系統(tǒng)不阻礙正常光線并避免雜散光通過，主光線應在像方與光軸應近似平行；此外，為了保證投影儀投射到大屏幕上的圖像照度具有良好的均勻性，也就是說投影屏幕的中間與邊緣點的光照度應該是近似相等的，本發(fā)明的出瞳必須置于無限遠。上述兩點均可以通過像方遠心光路來實現(xiàn)。因此，有必要將本發(fā)明設計成像方遠心光路，而且是在變焦范圍內(nèi)的任何位置上都是像方遠心光路。為了實現(xiàn)這個目的，本發(fā)明將已有技術中的固定光闌設置成移動式光闌14，并使其與第二補償透鏡組同步運動，并通過相應的曲線套筒，使光闌14在任何變焦位置上都處于變倍透鏡組L4與第二固定透鏡組L5的組合前焦面上。光闌14的運動特性曲線可用它與第二固定透鏡組L5主面之間的距離pS5描述pS5=-p45f4+f5f4′p45-f4′+f4+p45...(1)]]>式中，p45為變倍透鏡組L4與第二固定透鏡組L5主面之間的距離，f4、f4′分別為變倍透鏡組L4的物方、像方焦距，f5、f5′分別為第二固定透鏡組L5的物方、像方焦距。根據(jù)(1)式可推導出第二運動組件L3(第二補償組和光闌14)與變倍透鏡組L4的運動微分方程式dq3=(p45+f5)2-2f4′(p45+f5)(p45-f4′+f5)2dq4...(2)]]>式中，q3、q4分別是第二運動組件L3和變倍透鏡組L4的移動量。在變焦過程中即變倍透鏡組L4在運動過程中，必須保持像面位置固定不變，因此，本優(yōu)選實施例將第一補償透鏡組L2、第二補償透鏡組設計成正光焦度，變倍透鏡組L4設計成負光焦度。為了補償變倍透鏡組L4產(chǎn)生的像面偏移，第一補償透鏡組L2、第二補償透鏡組在變焦過程中，應作與變倍透鏡組L4的運動方向相反的運動，同時在運動過程中還應滿足以下微分式(1-m22)m32m42dq2+(1-m32)m42ddq3+(1-m42)dq4=0...(3)]]>式中，m2、m3、m4分別是第一補償透鏡組L2、第二補償透鏡組、變倍透鏡組L4的倍率，q2、q3、q4分別是第一補償透鏡組L2、第二補償透鏡組、變倍透鏡組L4的移動量。根據(jù)(3)式可以推導出第一補償透鏡組L2與第二運動組件L3、變倍透鏡組件L4之間的運動微分方程式(本文略)。由于本優(yōu)選實施例在變焦的任何位置上都處于像方遠心光路，因此在變焦的不同位置上所獲得的像面均勻度均大于＞70％(見表3)，遠大于投影儀設計要求的65％。
表3 像面均勻度

為使本發(fā)明的口徑比較均勻，除將光闌14置于變倍透鏡組L4和第一、第二補償透鏡組之間外，各組分配的焦距也要滿足一定的關系，即第一固定透鏡組的焦距L1、變倍透鏡組L4和第二固定組透鏡組L5的組合焦距應分別滿足-2＜f1′/f′＜-0.9 (4)1＜f45′/f′＜2 (5)式中，f1′為第一固定透鏡組L1的焦距，f45′為本發(fā)明在大視場時變倍透鏡組L4和第二固定透鏡組L5的組合焦距，f′為本發(fā)明在大視場時的焦距。當-2＞f1′/f′時，第一固定透鏡組L1對本發(fā)明的光焦度貢獻量過小，會使第一固定組L1的口徑變大；同樣，當f45′/f′＞2時，變倍透鏡組L4和第二固定組透鏡組L5的光焦度對本發(fā)明的貢獻量增大，使本發(fā)明的總長度會變得很大；當f1′/f′＞-0.9或1＞f45′/f時，會使本發(fā)明的像差難以校正。在本優(yōu)選實施例中，f1′/f′＝-1.9，f45′/f′＝1.1，由此得到第一固定透鏡組L1的第一塊透鏡口徑為60mm(見表1)，也是本優(yōu)選實施例中的最大口徑，本實施例的總長為117mm。因而本優(yōu)選實施例可以用于便攜式投影儀。
在本優(yōu)選實施例中，所有的透鏡均采用中國玻璃制作，其中，第二固定透鏡組L5采用了ZF14重火石玻璃，變倍透鏡組L4采用了ZLAF4重鑭火石玻璃。因此，本發(fā)明的價格相對便宜。此外，由于重鑭火石玻璃和重火石玻璃折射率比較大，因而對減小本優(yōu)選實施例的外形尺寸起到積極作用。表4給出優(yōu)選實施例所用重鑭火石玻璃和重火石玻璃的C、d、F光的折射率。
表4 部分光學材料

當在屏幕上顯示windows界面時，即使在視場邊緣也要求有較好的成像質(zhì)量。如果投影鏡頭的畸變比較大，觀察者很容易看到邊界條紋和對話框上的直線產(chǎn)生的變形，所以對投影鏡頭的畸變要求比較嚴格，大約1％以下。另外，幾乎所有的投影鏡頭的放置都有一定的偏置，本優(yōu)選實施例DMD放置有84％的偏置，這也為畸變的校正加大了難度。出于校正畸變的考慮，本發(fā)明在結構上相對于光闌14是基本對稱的，第一組固定透鏡組L1包含一個雙膠合透鏡和兩個單透鏡，第二固定透鏡組L5也包含一個雙膠合透鏡和兩個單透鏡，變倍透鏡組L4是雙膠合透鏡，相應的第一補償組L2也是雙膠合透鏡。圖2a～2c示出了本優(yōu)選實施例的畸變曲線，從圖中可看出，所有位置的畸變都控制在1％以下。
要得到高的分辨率，鏡頭對傳遞函數(shù)MTF也有很高的要求，設數(shù)字光閥的大小為a×b(單位mm)，分辨率為x×y，并一般有a/x＝b/y，那么，在整個變焦過程中，傳遞函數(shù)在x/4a時大于70％，在x/2a時大于50％，即MTF＞70％@x/4a(單位lp/mm)MTF＞50％@x/2a(單位lp/mm)，才能在屏幕上得到清晰的像。本優(yōu)選實施例采用0.7英寸DMD，實際顯示區(qū)域尺寸為14.0083mm×10.5065mm，分辨率為XGA即1024×768。表5給出了本優(yōu)選實施例在25lp/mm和50lp/mm時各變焦位置的MTF值，其傳遞函數(shù)曲線參見圖3a～3c。從圖中可以看出，本優(yōu)選實施例的傳遞函數(shù)達到了很高的水平。
表5 光學調(diào)制傳遞函數(shù)MTF

由于投影鏡頭的波長范圍在486.13nm-656.28nm，因此投射到屏幕上的像都是彩色的，這就要求本發(fā)明的色差特別是垂軸色差必須得到很好的校正。如果色差過大會在屏幕上呈現(xiàn)出彩虹一樣的暈圈，所以垂軸色差要小于像素的0.6倍，軸向色差小于兩個像素。本優(yōu)選實施例利用變倍透鏡組L4即雙膠合透鏡校正垂軸色差，為了達到校正色差的目的，一是將該透鏡的膠合面彎向光闌14，二是使兩塊透鏡的折射率差小于第二固定透鏡組L5中雙膠合透鏡的折射率差，同時利用重鑭火石玻璃和重火石玻璃阿倍數(shù)(參見表4)比較小的性質(zhì)，綜合考慮平衡各種像差。圖4a～4c示出了本優(yōu)選實施例的像差曲線，從圖中可看出垂軸色差要小于0.01，軸向色差小于0.2，滿足使用要求。
權利要求
1.一種投影儀用連續(xù)變焦投影鏡頭，包括兩個固定透鏡組[L1、L5]和三個運動組件[L2、L3、L4]，所述的第一運動組件[L2]為第一補償透鏡組，所述的第三運動組[L3]為變倍透鏡組；其特征在于所述的第二運動組件[L2]含有第二補償透鏡組和光闌[14]且兩者可作同步運動，所述的第一、第二固定透鏡組[L1、L5]之間依次排列著第一補償透鏡組[L2]、第二補償透鏡組、光闌[14]、變倍透鏡組[L4]，第一固定透鏡組[L1]位于投影屏幕一方，第二固定透鏡組[L5]位于投影儀的數(shù)字光閥一方；所述第一補償透鏡組[L2]、第二補償透鏡組均與變倍透鏡組[L4]的光焦度符號相反，當變倍透鏡組[L4]沿光軸作線性移動時，第一補償透鏡組[L2]、第二補償透鏡組及所述光闌[14]均沿光軸作反方向移動且在移動過程中光闌[14]始終處于變倍透鏡組[L4]與第二固定透鏡組[L5]的組合前焦面上，所述第一補償透鏡組[L2]、第二補償透鏡組的反向移動共同抵消由變倍透鏡組[L4]移動所引起的像面移動。
2.根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)變焦投影鏡頭，其特征在于所述第一固定透鏡組[L1]的焦距、所述第變倍透鏡組[L4]與第二固定組透鏡組[L5]的組合焦距分別滿足-2＜f1′/f′＜-0.9(1)1＜f45′/f′＜2 (2)式中，f1′為第一固定透鏡組[L1]的焦距，f45′為本發(fā)明在大視場時變倍透鏡組[L4]和第二固定透鏡組[L5]的組合焦距，f′為本發(fā)明在大視場時的焦距。
3.根據(jù)權利要求1、2所述的連續(xù)變焦投影鏡頭，其特征在于所述的各透鏡組均由球面透鏡構成，且全部透鏡均選用中國玻璃材料制作。
4.根據(jù)權利要求3所述的連續(xù)變焦投影鏡頭，其特征在于最大透鏡的口徑為60mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種投影儀用連續(xù)變焦投影鏡頭，包括兩個固定透鏡組、一個變倍透鏡組、兩個補償透鏡組。其主要特點是，光闌與第二補償透鏡組同步運動并使本發(fā)明在整個變焦過程中都處于像方遠心光路，由此提高了像面照度的均勻性；各透鏡組的光焦度分配較為合理，并通過選擇相對光闌對稱的結構形式，使本發(fā)明獲得了結構緊湊、體積小、成像質(zhì)量較好、可用于便攜式投影儀的效果；所有透鏡均采用中國玻璃制作，且面形均為球面，從而使本發(fā)明具有成本低、易于加工等優(yōu)點。
文檔編號G02B1/00GK1818736SQ200610041710
公開日2006年8月16日 申請日期2006年1月20日 優(yōu)先權日2006年1月20日
發(fā)明者梅丹陽, 焦明印 申請人:中國兵器工業(yè)第二零五研究所