专利名称：数字投影机整球形球幕投影用超大视场角鱼眼镜头结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于数字投影机整球形球幕投影用超大视场角鱼眼镜头 结构，实现了数字鱼眼投影镜头可以用一只镜头结合一台数字投影机对近乎 整球的球幕进行完整画面的投影，并保证一定的亮度和画面的不失真。
背景技术：
鱼眼镜头是所有光学镜头类别中非常特殊的一种， 一般用于120°到180° 视场环境的拍摄和投影。不同的应用领域，鱼眼镜头的结构参数和应用环境 参数不同。鱼眼镜头在电影行业首先出现，用来放映35mm及70mm胶片的 球幕(也称穹幕)电影，从而引发了球幕电影的浪潮。
目前市场上的数字投影包括早期的传统电影所采用的鱼眼镜头的视场角 都是小于180度的，极个别情况出现视场角210度的，原因是在传统电影行 业，球幕一般为半球形，为正投方式(观众和镜头在幕的同侧)，所需鱼眼 镜头的视场角也就不会太大，没有用到超过210度视场角的鱼眼镜头。而在 基于数字投影机的球幕投影方式中，由于数字图像处理技术的进步、对素材 变形处理能力的提高、以及市场对多样化新颖投影方式需求的不断出现，促 进了数字球幕投影技术不断提高和发展，对超半球幕乃至近乎完整球幕投影 方式的出现也就成为了必然。在对球幕更大区域进行投影的新投影方式中， 鱼眼镜头的视场角问题便成为了决定这种投影方式成败的关键因素。
数字投影机主要基于三种核心技术，即DLP (Digital Light Prosesing， 以DMD为耙面，反射式照明)、LCD (Liquid Crystal Display,透射式照 明)、D画ILA (Direct-Drive Image Light Amplifier,以LCOS为耙面，反射 式照明)，采用的靶面数量为一个或三个，这些差异性直接导致数字投影机 构造上的不同，也直接造成了这些数字投影机的光学结构(合光/分光棱镜 组厚度尺寸)的不同。在光学系统中，在投影镜头后面、像面(靶面)前的 合光/分光棱镜组(TIR)光学厚度的差异，会给投影系统的整体像差带来严 重影响，尤其是和色差相关的像差。所以，传统球幕电影用鱼眼镜头和数字 投影机用鱼眼镜头在设计上有很大不同，表现在后工作距离的不同、工作波长不同、对像差处理方法的不同。
常规情况下，鱼眼镜头的工作参数包括以下四个基本指标视场角、相 对孔径、适应像高、光学后工作距离。这四个指标相互制约、相互关联，对 像差起主导作用，加大任一指标都会直接影响其它三个指标。因此，在光学 设计过程中，鱼眼镜头的视场角很难做到大于或超过210度。
现行使用中，用小视场角的镜头通过非等距离投射也可以充满"超半 球"球幕，即当镜头的视场角小于180度时，要充满更大面积的球面幕时， 必须使镜头偏离球心更大的距离，而此时，镜头出射的边缘光线和球幕之间 形成的入射夹角就很小，造成的后果就是光照度的严重不均匀，此外，画面 的变形量也将发生异常，严格说上述的方法并不科学。
发明内容
鉴于上述现有技术的状况，本发明提供了基于数字投影机整球形球幕超 投影用超大视场角鱼眼镜头结构，其依据鱼眼镜头光学设计理论，从鱼眼经 典光学结构出发，通过大量的数据优化和结构筛选，找到了可通用于绝大多 数数字投影机超大视场角鱼眼投影镜头的一种结构形式，在此基础上完成了 本发明。
为实现上述目的，本发明的技术方案，包括透镜，其具有13个镜片依 次排列的透镜组成的9镜组；其中，有两个为双胶合透镜组；和一个三胶合 透镜组。运用本结构形式设计出的镜头，由于有超大的视场角，可以实现单 台数字投影机投射近似全球的球幕，并保证投影画面的质量，尤其解决了全 球幕下半部分球幕画面的亮度和画面变形问题。
在本发明中，根据应用特点，所述前部依次排列的透镜为负弯月型，其 凸面朝前；位于中前部依次排列的三胶合镜组中的透镜有两个为双凹型、其 中一个透镜为双凸型；中部的透镜为负弯月型，其凸面朝前；和相邻的透镜 为正弯月型，其凸面朝前；和双胶合镜组中的一个透镜为正弯月型，另一个 透镜为副弯月型，其凹面均朝前；中后部的双胶合镜组中的一个透镜为正弯 月型，另一个透镜为负弯月型，其凹面均朝前；后部的一个透镜为双凸型。
在本发明中，根据应用的特点，所述的鱼镜头具有250度~280度视场 角；靶面的像高为14.5mm~27mm/l_2英寸耙面；反远比最大为12.6;相 对孔径值在f/2.4~f/2.8;后工作距离在48mm 80mm。
在本发明中，根据应用的特点，所述的鱼眼镜头，可安装于DLP、 LCD、 D-ILA三种核心技术的单耙面和三耙面结构的数字投影机。
本发明所具有的积极效果是运用本结构形式设计出的镜头，由于有超 大的视场角，可以实现单台数字投影机投射近似全球的球幕，并保证投影画 面的质量，尤其解决了全球幕下半部分球幕画面的亮度和画面变形问题。具 有完全满足基于不同核心技术的单耙面和三靶面结构的数字投影机在等距离 和非等距条件投影(球幕方式)使用，球幕直径在1~8米，在严格等距离投 影情况下(镜头在球幕的球心点)可以覆盖70%~78%的完整球面；在非等 距离投影情况下(镜头偏离球心R/6以内，R是球幕直径)可以覆盖近乎 90%的球面幕(剩余部分为安装平台预留)。可用于城市靓化工程、广场广 告宣传、公司形象与产品展示、军事训练与指挥模拟、空间方位与全景分析 等领域。
图l是本发明的结构示意图。
具体实施例方式
下面將结合附图实施例，对本发明作进一步的详细说明，仅用于解释本 发明的实施例和所具有的有益效果，并非用于限制本发明的保护范围。
由图1所示，数字投影机整球形球幕超投影用超大视场角鱼眼镜头结 构，具有9镜组共13个镜片。其设计结构是依次排列的透镜1、 2、 3、 一 个三胶合镜组的透镜4》4-2、 4-3、透镜5、 6、双胶合镜组的透镜7n、 7-2、 双胶合镜组的透镜8"、 8-2、 一个三胶合镜组4。其中，透镜1、 2、 3是负 弯月型透镜，凸面章月前，起加大视场角的作用，镜组4"、 4-2、 4-3是由三片 透镜胶合而成的；其中透镜4-,和4-3为双凹透镜、4-2双凸透镜；透镜5是 负弯月透镜，凸面朝前，透镜6是正弯月透镜，凸面朝前；双胶合镜组7由 正弯月透镜7-,和副弯月透镜7-2构成，其凹面均朝前；由正弯月透镜8-,和 负弯月透镜8-2组成双胶合镜组，其凹面均朝前；最后是镜片9，为双凸透 镜，在整个镜头光学结构中，光栏位于镜片6和镜片7"之间。
在本发明中，根据应用的特点，所述的鱼镜头具有250度 280度视场 角；靶面的像高为14.5mm 27mm/1—2英寸靶面；反远比最大为12.6;相 对孔径值在f/2.4~f/2.8;后工作距离在48mm 80mm。
在本发明中，根据应用的特点，所述的鱼眼镜头，适用安装于DLP、 LCD、 D-ILA三种核心技术的单耙面和三耙面结构的数字投影机。
为了说明本发明的实施例，根据本发明的结构基础上设计而成的一款视 场角260度的鱼眼镜头。该镜头基本参数如下焦距f' =4.7mm;相对孔
径D/f' =1/2.4;全视场角2" =260° ;其反远比L' /f' =12.6，其中
L'是光学后工作距离；光学长度L=249mm;镜头最大镜片口径O 280mm。所有口径较大镜片的材料为最常用光学材料，该结构容差性能良 好。
根据上述的具体实施例，因此可以看出完全满足基于不同核心技术的单 靶面和三耙面结构的数字投影机在等距离和非等距条件投影(球幕方式)使 用，其球幕直径在1 8米的范围，在严格等距离投影情况下，镜头在球幕的 球心点可以覆盖70%~78%的完整球面；在非等距离投影情况下(镜头偏离 球心R/6以内，R是球幕直径)可以覆盖近乎90%的球面幕，剩余部分为安 装平台预留。因此，鱼眼镜头对透射型近乎完整球的球面幕进行背透使用， 观众位于球幕的外部观看。
依据光学设计理论，本发明的鱼眼镜头设计方法，是根据选择一组鱼眼 镜头结构，计算该结构的各种光学指标，挑选反远比较大的结构作为设计基 础结构，在此结构基础上，重点处理光线在前组镜片上各表面的入射及出射 角度，以及各表面的畸变贡献值，尽量平衡出射及入射角度，留有可增加的 余地，独立计算光栏前所有镜片构成的前组光焦度和光栏后组的光焦度，并 计算光焦度比值3。此后，在镜头的最前面加入负弯月透镜，同时考虑所加 入的镜片的各视场光线高度，保证该片镜片出射的光线高度和原选择基础结 构的入射高度及角度的匹配，同时要保证新加入镜片畸变贡献值在原第一镜 片畸变贡献值的0.8到1.2倍(绝对值)，再整体计算像差和参数，关注焦 距、后工作距、孔径、及适应像高的变化情况，把这些值调整到设计目标 值。值得说明的是，加入的镜片会改变镜头前组的光焦度，再按照之前计算 的前后组光焦度的比值e调整后组的光焦度，使光焦度的比值控制在原焦度比的p倍，照次方法可以在原光学系统中重复加入镜片，直到视场角达到要 求为止，整个镜头的像差参数优化过程都是在专用光学设计软件的支持下进 行。在优化过程中注意随时更新和调整优化目标值。
权利要求
1、一种数字投影机整球形球幕超投影用超大视场角鱼眼头结构，包括透镜，其特征是它具有依次排列的透镜(1)、(2)、(3)、透镜(4-1、4-2、4-3)、透镜(5)、(6)、透镜(7)、透镜(8)和透镜(9)组成的9镜组；其中，透镜(7)(包括7-1、7-2)和透镜(8) (包括8-1、8-2)为两个双胶合组；透镜(4)(包括4-1、4-2、4-3)为一个三胶合组。
2、 按权利要求1所述的鱼眼镜头结构，其特征是所述的透镜(1)、 (2) 、 (3)为负弯月型，其凸面朝前；三胶合组中的透镜(4-。 、 (4-3)为双凹型、透镜(4-2)为双凸型；透镜(5)为负弯月型，其凸面朝前；透镜 (6)为正弯月型，其凸面朝前；双胶合组中的透镜(7-。为正弯月型和透镜 (7-2)为副弯月型，其凹面均朝前；双胶合组中的透镜(8-。为正弯月型和透镜(8-2)为负弯月型，其凹面均朝前；透镜(9)为双凸型。
3、 按权利要求1所述的鱼眼镜头结构，其特征是所述镜头具有250度 280度视场角；靶面的像高为14.5mm 27mm /1—2英寸靶面；反远比最大 为12.6;相对孔径值在f/2.4 f/2.8;后工作距离在48mm 80mm。
4、 按权利要求1所述的鱼眼镜头结构，其特征是所述镜头安装于 DLP、 LCD、 D-ILA三种核心的单靶面和三靶面结构的数字投影机。
全文摘要
数字投影机整球形球幕投影用超大视场角鱼眼镜头结构，包括透镜，具有13个镜片依次排列的透镜组成的9镜组；其中有两个为双胶合透镜组；和一个三胶合透镜组。因有超大的视场角，可实现单台数字投影机投射近似全球的球幕，保证投影画面的质量，解决了全球幕下半部分球幕画面的亮度和画面变形问题。满足不同核心技术的单靶面和三靶面结构的数字投影机，在等或非等距条件投影球幕的使用，球幕直径在1～8米，严格等距离投影情况下镜头在球幕的球心点可以覆盖70％～78％的完整球面；在非等距离投影情况下镜头偏离球心R/6以内，球幕直径可以覆盖近乎90％的球面幕。用于城市靓化工程、广告宣传、公司形象与产品展示、军事训练与指挥模拟、空间方位与全景分析等领域。
文档编号G02B13/00GK101196608SQ200710185280
公开日2008年6月11日 申请日期2007年11月23日 优先权日2007年11月23日
发明者琛 陈 申请人:秦皇岛视听机械研究所