一种离轴超短焦投影镜头的制作方法

本实用新型实施例涉及光学成像
技术领域：
，尤其涉及一种离轴超短焦投影镜头。
背景技术：
：随着投影技术的快速发展，超短焦投影技术凭借其在短距离内能够投影大画面的优势，而得到广泛的关注。最初实现超短焦投影镜头的设计方式为折射式设计，镜头由球面透镜或非球面透镜组成。随着光线入射角的增大，这种折射结构的镜头很难避免像面的畸变，色差，慧差，因此很难在保证像质的情况下继续降低投射比。解决方法是在最后一个面采用非球面反射镜。目前已有很多基于先折射后反射的混合式设计原理的结构被提出，但在降低投射比的同时，这些结构无法很好地控制成像的色差，球差，慧差和畸变等光学参数，无法保证像面的亮度和景深。技术实现要素：本实用新型实施例提供一种离轴超短焦投影镜头，以实现短距离投影大图像，并且提高成像质量。本实用新型实施例提出一种离轴超短焦投影镜头，该离轴超短焦投影镜头包括：沿光路依次设置的显示芯片、透镜组、振镜以及至少四个反射镜；所述显示芯片用于调制从投影机照明系统出射的光束，以显示微图像，且用于充当投影镜头的物面；所述透镜组用于保护镜头与照明系统；所述振镜用于调整光路；所述反射镜用于反射成像光束，并使图像成像于屏幕上；其中，所述反射镜为非球面反射镜或自由曲面反射镜，至少部分所述反射镜采用离轴设计。进一步地，沿所述光路，所述至少四个反射镜中，仅第一个所述反射镜与所述显示芯片同轴设计。进一步地，所述非球面反射镜为奇次多项式反射镜，所述自由曲面反射镜为泽尼克多项式反射镜。进一步地，沿所述光路，仅最后一个反射镜为所述奇次多项式反射镜。进一步地，所述反射镜的数量为4个，沿所述光路依次设置泽尼克多项式反射面1，用于反射成像光束；泽尼克多项式反射面2，用于反射成像光束；泽尼克多项式反射面3，用于反射成像光束；奇次多项式反射面，用于反射成像光束，并使图像呈现于屏幕上；其中，泽尼克多项式反射面2、泽尼克多项式反射面3和奇次多项式反射面均采用离轴设计。进一步地，该离轴超短焦投影镜头还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述泽尼克多项式反射面1与所述泽尼克多项式反射面2之间的光路中；所述孔径光阑用于限制成像光束。进一步地，所述泽尼克多项式反射面1为凹面反射镜，非球面阶数为20阶；所述泽尼克多项式反射面2为凸面反射镜，非球面阶数为19阶；所述泽尼克多项式反射面3为凸面反射镜，非球面阶数为19阶；所述奇次多项式反射面为凸面反射镜，非球面阶数为20阶。进一步地，所述透镜组为棱镜组，所述棱镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为平行平板保护玻璃，所述第二透镜为棱镜；所述第一透镜的厚度小于所述第二透镜的厚度；所述第一透镜的折射率小于所述第二透镜的折射率；所述第一透镜的阿贝数大于所述第二透镜的阿贝数。进一步地，所述第二透镜的折射率为1.5168，阿贝数为64.17。进一步地，所述显示芯片的尺寸为0.65英寸。本实用新型实施例提供的离轴超短焦投影镜头，通过设置该离轴超短焦投影镜头包括：沿光路依次设置的显示芯片、透镜组、振镜以及至少四个反射镜；所述显示芯片用于调制从投影机照明系统出射的光束，以显示微图像，且用于充当投影镜头的物面；所述透镜组用于保护镜头与照明系统；所述振镜用于调整光路；所述反射镜用于反射成像光束，并使图像成像于屏幕上；其中，所述反射镜为非球面反射镜或自由曲面反射镜，至少部分所述反射镜采用离轴设计，可实现短距离投影大图像，并且提高成像质量。附图说明为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。图1是本实用新型实施例提供的一种离轴超短焦投影镜头的结构示意图；图2是本实用新型实施例提供的另一种离轴超短焦投影镜头的结构示意图；图3是本实用新型实施例提供的又一种离轴超短焦投影镜头的结构示意图；图4是本实用新型实施例提供的离轴超短焦投影镜头的一种成像原理图；图5是本实用新型实施例提供的离轴超短焦投影镜头的另一种成像原理图；图6是本实用新型实施例提供的一种画面宽度为4000mm时超短焦投影镜头在屏幕上各视场的调制传递函数mtf曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。参照图1，该离轴超短焦投影镜头10(下文中也可简称为投影镜头10)包括：沿光路依次设置的显示芯片(图1中未示出)、透镜组110、振镜120以及至少四个反射镜130；显示芯片用于调制从投影机照明系统出射的光束，以显示微图像，且用于充当投影镜头的物面；透镜组110用于保护镜头与照明系统；振镜120用于调整光路；反射镜130用于反射成像光束，并使图像成像于屏幕20上；其中，反射镜130为非球面反射镜或自由曲面反射镜，至少部分反射镜130采用离轴设计。其中，显示芯片可以是一种数字微镜器件(digitalmicro-mirrordevice，dmd)，用于调制投影机中从照明系统出射的光束，以显示微图像，充当投影镜头的物面。示例性的，超短焦投影镜头(也可称为超短焦投影仪)的dmd的偏置可以是5.4mm，尺寸大小可以是0.47英寸。可以理解，dmd还可设置为本领域技术人员可知的其他参数，本实用新型实施例对此不作限定。其中，通过设置至少四个反射镜130，且至少部分反射镜130离轴设计，可以使由显示芯片射出的光束经过至少四次反射，从而有利于实现投影镜头的超短焦设置，即有利于在短距离内投影大图像。同时，本实施例提供的投影镜头10中包含了非球面反射镜和自由曲面反射镜两种面型的反射镜，反射部分使用的是经过特殊设计的自由曲面反射镜，由于引入了自由曲面设计，这款镜头在畸变、场曲和慧差等像差校正方面超过同类其他面型，可减小像差，提高成像质量，即画面质量高，色彩均匀且明亮。需要说明的是，反射镜130的数量可为四个或更多个，反射镜130的数量越多，成像效果越好，投影镜头10的制作成本也越高；以及，反射镜130中，自由曲面反射镜的数量越多，成像效果越好，投影镜头10的制作成本越高，装配难度越大。基于此，可根据投影镜头10的成像效果、制作成本以及装配难度设置反射镜130的数量，以及设置反射镜130的类型为自由曲面反射镜的数量，本实用新型实施例对此不作限定。可选的，继续参照图1，沿光路，至少四个反射镜130中，仅第一个反射镜131与显示芯片同轴设计。其中，利用第一个反射镜131将显示芯片调制后的光束反射至第二个反射镜132，且第二个反射镜132及其后的个反射镜130(包括第三个反射镜133和第四个反射镜134，还可包括更多反射镜)均离轴设置。如此，有利于增加光线反射的次数，实现投影镜头10的超短焦设置。可选的，非球面反射镜为奇次多项式反射镜，自由曲面反射镜为泽尼克多项式反射镜。其中，奇次多项式使用下述公式表征非球面面型：其中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，k为圆锥系数，r为径向距离，arn为多项式系数。其中，泽尼克(zernike)多项式使用下述公式表征自由曲面面型：其中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，k为圆锥系数，r为径向距离，zpj是第j个zernike多项式，cj+1是zj的系数。示例性的，非球面反射镜使用的材料为铝，可以方便加工和生成。可选的，继续参照图2，泽尼克多项式反射面1(即131)为凹面反射镜，非球面阶数为20阶；泽尼克多项式反射面2(即132)为凸面反射镜，非球面阶数为19阶；泽尼克多项式反射面3(即133)为凸面反射镜，非球面阶数为19阶；奇次多项式反射面(即134)为凸面反射镜，非球面阶数为20阶。示例性的，表1为多项式的各项系数表格。表1多项式的各项系数表格可选的，沿光路，仅最后一个反射镜为奇次多项式反射镜。如此设置，使得设计过程中使用了一片易加工和非球面反射镜，最大地减少了机械结构的装配带来的误差，大幅度降低了加工难度，适合大规模生产。可选的，反射镜的数量为4个，沿光路依次设置泽尼克多项式反射面1，用于反射成像光束；泽尼克多项式反射面2，用于反射成像光束；泽尼克多项式反射面3，用于反射成像光束；奇次多项式反射面，用于反射成像光束，并使图像呈现于屏幕上；其中，泽尼克多项式反射面2、泽尼克多项式反射面3和奇次多项式反射面均采用离轴设计。示例性的，各参数见表2和表3。表2各光学透镜及反射面的空间位置x(mm)y(mm)z(mm)alpha保护玻璃000180°棱镜001.05180°振镜0034.05180°zernike多项式反射面10-11.9279-85.0316.5658°光阑023.1705-20.2437-10.5186°zernike多项式反射面2037.053910.7526-15.5544°zernike多项式反射面3046.2355-39.5606-8.6220°奇次多项式反射面07999-1.4547°表3各光学透镜及反射面的参数本实施例中的离轴式超短焦投影镜头系统可以达到的性能参数为：投射比为0.25，放大倍率为150～230倍，f数为1.7～2.5，后焦为33.8mm，满足在4k分辨率下的高质量成像，且竖直tv失真(或变形，distortion)小于0.1％，水平tvdistortion小于0.2％。对应于投影距离1m-4m，画面宽度为4m-16m，其中1米为主要投影距离。采用的是ti显示芯片，分辨率为4k，像素大小为5.4微米，对应的屏幕上空间频率为93lp/mm。根据人眼视觉分辨原理，在该空间频率下调制传递函数mtf的数值大于0.3，即可在屏幕上看到清晰的图像。其中，投射比是投影距离与画面宽度之比，在相同的工作距离内，投射比越小，投射的画面越大。f数决定了像面照度和设计的难度，f数越小，表示能量利用率越高。可选的，参照图2，该离轴超短焦投影镜头10还包括孔径光阑140，孔径光阑140设置于泽尼克多项式反射面1(即131)与泽尼克多项式反射面2(即132)之间的光路中；孔径光阑140用于限制成像光束。其中，像差可以包括球差、慧差、象散、场曲和色差等。孔径光阑140可以提高成像的清晰度，控制景深，改善成像质量，并且还能控制成像物空间的范围以及控制像面的亮度。可选的，参照图3，透镜组110为棱镜组110，棱镜组110包括第一透镜111和第二透镜112，第一透镜111为平行平板保护玻璃，第二透镜112为棱镜；第一透镜111的厚度小于第二透镜112的厚度；第一透镜111的折射率小于第二透镜112的折射率；第一透镜111的阿贝数大于第二透镜112的阿贝数。示例性的，第一透镜111和第二透镜112胶合为一个整体，可以进一步的改善投影镜头的场曲和畸变像差。可选的，第二透镜112的折射率为1.5168，阿贝数为64.17。示例性的，第二透镜112的材质为bk7_schott。可选的，显示芯片的尺寸为0.65英寸。示例性的，显示芯片为0.65ti芯片。示例性的，可参照图4，成像光束从显示芯片出射，经过棱镜组110平衡像差后进入zernike多项式反射面131，然后到达孔径光阑140，经孔径光阑140限制后的成像光束进入zernike多项式反射面132，然后到达zernike多项式反射面133，然后到达奇次多项式反射面134，经奇次多项式反射面134反射后，成像光束成像于屏幕20上。其中，光束被调制后由物面(或空间光调制器、或显示芯片)发出，依次经由四片反射镜反射后成像于像面(即屏幕20)上。反射镜131为凹面镜，用于校正反射离轴产生的像差(该像差主要指球差和慧差)和减小反射镜132的口径；反射镜131和反射镜132之间设置孔径光阑140以实现高的对比度；反射镜132为凸面镜，主要用于减小投影距离和校正像差(该像差主要指场曲和慧差等轴外像差)；反射镜133和134为凸面镜，主要用于放大投影图像和校正离轴产生的畸变。示例性的，可参照图5，成像光束经奇次多项式反射面134后，在屏幕20上呈放大后的像。表4是本实用新型实施例中的投影镜头下，屏幕尺寸与非球面反射镜到屏幕距离的关系。表4屏幕尺寸与非球面反射镜到屏幕距离的关系投射屏幕宽度/mm非球面反射镜到屏幕距离/mm4000100080002000160004000示例性的，图6为本实用新型实施例一中屏幕宽度为4米时超短焦投影镜头在屏幕上各视场的调制传递函数mtf曲线。图6中mtf曲线的横坐标0.4p/mm(线对/毫米)对应的纵坐标数值均大于0.6，因而可实现高清质量画面成像。本实用新型提供的超短焦投影镜头能在很短的距离内，动态调节投影画面大小的同时，能保证高质量画面投影显示。设计过程中使用了一片易加工和非球面反射镜，最大地减少了机械结构的装配带来的误差，大幅度降低了加工难度，适合大规模生产。透镜群组包含了非球面和自由曲面两种面型，反射部分使用的是经过特殊设计的自由曲面反射镜，由于引入了自由曲面设计，这款镜头在畸变、场曲和慧差等像差校正方面超过同类其他机型，画面质量高，色彩均匀且明亮。注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。当前第1页1 2 3