专利名称：一种投影镜头及使用其的微型投影光学引擎的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影镜头和投影显示技术，尤其涉及一种远心光路的投影镜头及使用
该投影镜头的微型投影光学引擎。
背景技术：
近年来，投影技术已经广泛应用在电化教学、办公、商务以及广告娱乐等方面。在 目前的投影系统中，无论是采用液晶显示器(Liquid CrystalDisplay， LCD)、硅基液晶 (Xiguid Crystal on Silicon, 1X0S)或者是数字光处理(Digital Light Procession, DLP)等投影原理，投影镜头均是其中不可缺少的重要光学部件光经过反射式或者穿透式 的光调变装置后，需经过投影镜头投射至屏幕上成像。 中国发明专利申请公开说明书中公开号"CN1256429 "名称为"象方远心双高斯光 学系统"公开了一种作为镜头物镜的象方远心双高斯光学系统，是以双高斯结构为基础，由 八片透镜构成前组透镜以及后组透镜。其中，前组透镜包括凸面弯向物方的两个正弯月透 镜以及由正透镜和负透镜组成的弯月形负胶合镜；后组透镜包括凸面弯向象方的由负透镜 和正透镜组成的弯月形负胶合镜、正弯月形透镜以及双凸透镜。光阑设置在后组透镜的焦 点处，位于前组透镜与后组透镜之间。然而，这种结构的光学系统，结构复杂，光学元件较 多，成本较高，且，整个光学系统尺寸较大，无法满足微型投影的微型化需求。
发明内容
有鉴于此，须提供一种结构简单，尺寸小，成本低，适用于微型投影的投影镜头。
另外，还需提供一种结构简单，成像质量较高，尺寸小，成本低的微投影光学引擎。
—种投影镜头，包括前组透镜，后组透镜，以及设置于前组透镜以及后组透镜之间 的光阑。所述前组透镜包括顺序排列、大部分折射面均弯向所述光阑的第一透镜，第二透镜 以及第三透镜。其中，所述第二透镜与第三透镜组成前胶合镜。所述后组透镜包括顺序排 列的第四透镜以及第五透镜。其中，第四透镜的凸面弯向所述光阑。所述光阑位于所述后 组透镜的前方焦点处。所述前组透镜中第三透镜临近光阑的曲面顶点与光阑之间的间隔小 于所述后组透镜中第四透镜临近光阑的曲面顶点与光阑之间的间隔。 —种微型投影光学引擎，包括照明装置，成像装置以及上述的投影镜头。成像装置 借由所述照明装置的照射，形成影像。投影镜头用于接收并投射所述成像装置所形成的影 像。 本发明由较少的透镜数量组成投影镜头，结构简单，尺寸较小，成本较低，具有较 小的杂光及像差，较短的投射距离，较长的后焦距，满足微型化的需求，可以嵌入到微型设 备上。而配置有该投影镜头的微型投影光学引擎，照明装置发出的光束直接照射成像装置， 把成像装置中的图像通过投影镜头放大成实像，投射到投影屏幕，结构简单，光能利用率 高，成像质量较高，且，尺寸小，生产成本较低。
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。 图1为本发明第一实施方式的投影镜头的结构示意图； 图2为本发明第二实施方式的投影镜头的结构示意图； 图3a为本发明第三实施方式的投影镜头的主视结构示意图； 图3b为图3a的俯视结构示意图； 图4为本发明第一实施方式的微型投影光学引擎的结构示意图； 图5为本发明第二实施方式的微型投影光学引擎的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。 图1所示为本发明第一实施方式的投影镜头的结构示意图。该投影镜头以双高斯 结构为基础，包括前组透镜ll，后组透镜21，以及设置在前组透镜11以及后组透镜21之间 的光阑31。其中，前组透镜11包括顺序排列、大部分折射面均弯向光阑31的第一透镜111， 第二透镜112以及第三透镜113。后组透镜21包括顺序排列的第四透镜211以及第五透 镜212。 S卩，投影镜头主要由五个透镜组成从屏幕侧(图中未示出)朝偏振分光器41以 及微液晶显示单元51侧顺序设置第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜211 以及第五透镜212。 在前组透镜11中，第一透镜111为正透镜，其凸面弯向光阑31。第二透镜112与 第三透镜113组成前胶合镜，其凸面弯向光阑31，该前胶合镜为负胶合镜。本发明实施方 式中，第一透镜111为弯月形透镜或者平凸透镜，第二透镜112为双凸透镜，第三透镜113 为双凹透镜。其次，第二透镜112与第三透镜113采用不同材料组成胶合镜，用于校正像差 (消色差)。此外，前组透镜的组合焦距范围为70mm 80mm，如70mm， 75mm或者80mm等。 而本发明的投影镜头视场角为±15° ，焦距范围为7mm 13mm，如7mm， 10mm或者13mm等。 因此，投影镜头具有长的后焦距，使偏振分光器41能置于投影镜头与微液晶显示单元51之 间。 本发明其它实施方式中，第二透镜112与第三透镜113也可以采用其它类型的透 镜组成胶合镜，只要满足组合成的胶合镜为负胶合镜即可。 在后组透镜21中，第四透镜211为正透镜，其凸面弯向光阑31。第五透镜212为 正透镜。本发明实施方式中，第四透镜211为弯月形透镜，第五透镜212为双凸透镜。由于 前组透镜11中透镜的大部分折射面均弯向光阑31，因此，投影镜头形成以光阑31为起点， 第一透镜lll的凸面，前胶合镜的凸面，第四透镜211的凸面，第五透镜212临近偏振分光 器41侧的的凸面分别弯向光阑31的非对称的、类似水波纹的结构，这种结构的镜头可以减 弱镜面间光线的反射，从而减少杂光的干扰，有效提高像对比度。 本发明其它实施方式中，第四透镜211以及第五透镜212也可以采用其它类型的 透镜，只要满足第四透镜211以及第五透镜212均为正透镜即可。 光阑31位于后组透镜21的前方焦点处，且，前组透镜11中第三透镜113临近光阑 31的曲面顶点与光阑31之间的间隔小于后组透镜21中第四透镜211临近光阑31的曲面 顶点与光阑31之间的间隔，而后组透镜21的平均高度大于前组透镜11的平均高度；采用间隔非对称的结构，使投影镜头在偏振分光器41以及微液晶显示单元51侧形成远心光路。 本发明实施方式中，后组透镜21中第四透镜211临近光阑31的曲面顶点与光阑31之间的 间隔dl范围为4mm 5mm。即，可以依据微液晶显示单元51的尺寸大小，适当调整第四透 镜211以及第五透镜212与光阑31之间的间隔，以形成远心光路，提高光能利用率。通常 来说，微液晶显示单元51的尺寸越大，间隔dl越大对于小尺寸的微液晶显示单元51，以 临近光阑31方向移动第四透镜211以及第五透镜212，使第四透镜211与光阑31的间隔dl 减小，例如减小到4mm ;对于稍大尺寸的微液晶显示单元51，以远离光阑31方向移动第四 透镜211以及第五透镜212，使第四透镜211与光阑31的间隔dl增大，例如增大到4. 5mm ; 对于大尺寸的微液晶显示单元51，继续增大间隔dl，例如增大到5mm，当然，为了形成远心 光路，充分利用光能量，还需根据光路的设计调整透镜之间的间隔，例如，调整第四透镜211 与第五透镜212之间的间隔，这里不再赘述。 本发明实施方式中，第一透镜111 、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜211以及 第五透镜212均为球面透镜，其材质为高折射率的冕玻璃或者火石玻璃；采用球面透镜的
结构，使镜头的加工工艺简单，制作成本较低。本发明实施方式中，所采用的冕玻璃的折射 率约为1.65，而火石玻璃的折射率约为1.78 ;采用高折射率材质的透镜，减小镜头的高级 像差。此外，采用五片透镜形成的投影镜头的外形尺寸较小，其范围为。8. 4mmX12. 5mm 23mmX36mm，其中，①为投影镜头的孔径。即，孔径范围为8. 4mm 23mm，长度范围为 12. 5mm 36mm。换句话说，本实施方式的投影镜头外形尺寸最小可以达到。8. 4mmX23mm， 最大尺寸也仅为。12. 5mmX36mm，满足投影镜头微型化的需求。 因此，本发明实施方式仅采用五片透镜，在双高斯结构的基础上，组成投影镜头， 形成远心光路，具有较小的杂光及像差，较长的后焦距，较短的投射距离，且，使用的光学元 件较少，加工工艺简单，制作成本较低，外形尺寸小，满足投影的需求。 图2所示为本发明第二实施方式的投影镜头的结构示意图。该投影镜头与图l所 示的投影镜头的结构相似，都是以双高斯结构为基础，主要区别在于后组透镜22还包括顺 序排列在光阑32与第四透镜221之间的第六透镜223以及第七透镜224。同时，第四透镜 221与第五透镜222形成中心对称；采用中心对称结构，有利于补偿相消轴外像差、像散，避 免产生像场弯曲。详细说，该投影镜头包括前组透镜12，后组透镜22，以及设置在前组透镜 12以及后组透镜22之间的光阑32。其中，前组透镜12包括顺序排列、大部分折射面均弯向 光阑32的第一透镜121，第二透镜122以及第三透镜123。后组透镜22包括顺序排列、大 部分折射面均弯向光阑32的第六透镜223，第七透镜224，第四透镜221以及第五透镜222。 即，投影镜头主要由七个透镜组成从屏幕侧(图中未示出)朝偏振分光器42以及微液晶 显示单元52侧顺序设置的第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第六透镜223，第七 透镜224，第四透镜221以及第五透镜222。 本发明实施方式中，第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜221、第 五透镜222、第六透镜223以及第七透镜224均为球面透镜，其材质为高折射率的冕玻璃或 者火石玻璃；采用球面透镜的结构，使镜头的加工工艺简单，制作成本较低。本发明实施方 式中，所采用的冕玻璃的折射率约为1.65，而火石玻璃的折射率约为1.78;采用高折射率 材质的透镜，减小镜头的高级像差。又，第一透镜121为弯月形透镜或者平凸透镜。第二 透镜122以及第三透镜123均为弯月形透镜，且，胶合在一起组成前胶合镜，用于校正像差(消色差)。第六透镜223为双凹透镜，第七透镜224为双凸透镜，且，第六透镜223与第七 透镜224胶合在一起，组成大部分折射面均弯向光阑32的的后胶合镜，用于校正像差(消 色差)。第四透镜221为平凸透镜，第五透镜222为与第四透镜221中心对称的平凸透镜。
本发明实施方式中，光阑32两侧均为胶合镜，且，前组透镜12中第三透镜123临 近光阑32的曲面顶点与光阑32之间的间隔同样小于后组透镜22中第六透镜223临近光 阑32的曲面顶点与光阑之间的间隔，而后组透镜22的平均高度大于前组透镜12的平均高 度，以使投影镜头在偏振分光器42以及微液晶显示单元52侧形成远心光路。其中，第六 透镜223临近光阑32的曲面顶点与光阑32之间的间隔范围d2为3mm 5mm。通常来说， 微液晶显示单元52的尺寸越大，间隔d2越大对于小尺寸的微液晶显示单元52，第六透镜 223与光阑32之间的间隔d2可以为3mm ;对于稍大尺寸的微液晶显示单元52，可以增大第 六透镜223与光阑32之间的间隔d2，例如间隔d2为4mm ;对于更大尺寸的微液晶显示单元 52，可以继续增大间隔d2，例如达到5mm。当然，为了形成远心光路，充分利用光能量，还需 根据光路的设计调整透镜之间的间隔，例如，调整后胶合镜、第四透镜221、第五透镜222之 间的间隔，适应不同尺寸的微液晶显示单元52。 本发明其它实施方式中，第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜 221、第五透镜222、第六透镜223以及第七透镜224的透镜类型并不限于本具体实施方式
中 的类型，例如，第四透镜221以及第五透镜222还可以采用双凸透镜等，这里不再赘述。
本发明实施方式中，投影镜头的视场角为±15° ，光圈系数(F数)为1.8 2， 焦距范围为10mm 20mm，如10mm， 15mm或者20mm等。而前组透镜的组合焦距范围为 30mm 50mm，如30mm， 40mm或者50mm等。因此，投影镜头具有长的后焦距，使偏振分光器 能置于投影镜头与微液晶显示单元52之间。此外，投影镜头的孔径范围为6. 8mm 30mm， 长度范围为12. 5mm 36mm， S卩，采用七片透镜组成的投影镜头外形尺寸最小可以达到 。6. 8mmX12. 5mm，最大尺寸也仅为①30mmX 36mm，满足投影镜头微型化的需求。
因此，本发明实施方式采用7片透镜组成双高斯结构的投影镜头，形成远心光路， 具有较小的杂光及像差，较长的后焦距，较短的投射距离，较好校正了各种像差，尺寸小， 成本低，其次，投影镜头成像质量高，其光场照度均匀性好屏幕边缘与中间亮度在90 %以 上；镜头分辨率达到所有最小像元要求的镜头分辨率振幅传递函数MTF > 0. 55 ;镜头的 光谱效应好，能真实重现物体的颜色。此外，投影镜头适应性较好仅需调整各个透镜之间 的间隔，就能适应不同尺寸的微液晶显示单元。 图3a所示为本发明第三实施方式的投影镜头的主视结构示意图；图3b为图3a的 俯视结构示意图。该投影镜头与图2所示的投影镜头的结构相似，区别在于，第四透镜231、 第五透镜232的底部以及顶部分别打磨为平面2300，用于进一步减小尺寸，以满足其微型 化以便更加方便地嵌入更小的移动设备中。 图4所示为本发明第一实施方式的微型投影光学引擎的结构示意图。该微型投影 光学引擎包括照明装置l，借由照明装置1的照射、形成影像的成像装置2，以及用于接收并 投射成像装置2所形成的影像的投影镜头3。其中，投影镜头3为上述任一实施方式的投影 镜头。 本发明实施方式中，照明装置1可为各种类型的光源，较好的选择为发光二极管 (light-emitting diode，LED)或激光光源，且，照明装置1本身含聚光整形器件，在附图中没有作详细示意。 成像装置2包括偏振分光器44以及微液晶显示单元54。偏振分光器44设置于照 明装置l的输出光路上。本发明实施方式中，偏振分光器44为棱镜式偏振分光器，由二个 三角棱镜胶合成立方体形状，在其中间接触面上镀有偏振分光膜层，由该偏振分光膜层形 成一个偏振分光面，该偏振分光面可以将非偏振光转换为偏振光并分离出S偏振光和P偏 振光。当然，偏振分光器44也可以由其它棱镜胶合成其它形状，只要满足入射的非偏振光 被转化为偏振光出射即可。 本发明其它实施方式中，该偏振分光器44也可以由平板式偏振分光器来代替。
微液晶显示单元54设置于偏振分光器44与照明装置1的非相邻的一侧，用于对 所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携 有图像信息，即形成影像。本发明实施方式中，微液晶显示单元54为硅基液晶(LC0S)面板。 当微液晶显示单元54接收到的偏振光为S偏振光时，经过微液晶显示单元54的调制后，将 转换为携有图像信息的P偏振光，且将其反射回偏振分光器44上，由偏振分光器44将该P 偏振光透射至投影镜头3上。换句话说，投影镜头3与微液晶显示单元54相对平行设置于 偏振分光器44的一侧，用于接收并投射携有图像信息的另一偏振光，即P偏振光。
本发明其它实施方式中，该微液晶显示单元54所接收到的偏振光也可以为P偏振 光，经过微液晶显示单元54的调制后，转换为携有图像信息的S偏振光，且将其反射回偏振 分光器44上，由偏振分光器44将该S偏振光反射至投影镜头3上。换句话说，投影镜头3 与微液晶显示单元54相邻设置于偏振分光器44的一侧，即，投影镜头3与微液晶显示单元 54分别设置于偏振分光器44的相邻两侧面上。此时，投影镜头3是用于接收并投射携有图 像信息的S偏振光。 图5所示为本发明第二实施方式的微型投影光学引擎的结构示意图。该微型投影 光学引擎与图4所示的微型投影光学引擎的结构基本相同，区别在于，图5所示的微液晶显 示单元为两片式液晶面板，分别设置于偏振分光器45的相邻两侧面上。照明装置1'发射 出均匀的光经偏振分光器45后分成为两束偏振光S偏振光、P偏振光，分别提供给液晶面 板55、55'。两液晶面板输出图像光经偏振分光器45后再合成为一束光，从投影镜头3'输 出到外部屏幕。 因此，本发明由较少的透镜数量组成的投影镜头，结构简单，尺寸较小，具有较小 的杂光及像差，较短的投射距离，较长的后焦距，满足微型化的需求，可以嵌入到微型设备 上。而配置有该投影镜头的微型投影光学引擎，照明装置发出的光束直接照射成像装置，把 成像装置中微液晶显示单元的影像通过投影镜头放大成实像，投射到投影屏幕，结构简单， 光能利用率高，成像质量较高，且，尺寸小，生产成本较低。 以上所述之具体实施方式
为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体 实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式
。例如微液晶显示单元也可以为透 射式液晶面板。凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均包含本发明的保护范围内。
权利要求
一种投影镜头，包括前组透镜，后组透镜，以及设置于前组透镜以及后组透镜之间的光阑，其特征在于，所述前组透镜包括顺序排列、大部分折射面均弯向所述光阑的第一透镜，第二透镜以及第三透镜，其中，所述第二透镜与第三透镜组成前胶合镜；所述后组透镜包括顺序排列的第四透镜以及第五透镜，其中，第四透镜的凸面弯向所述光阑；所述光阑位于所述后组透镜的前方焦点处，所述前组透镜中第三透镜临近光阑的曲面顶点与光阑之间的间隔小于所述后组透镜中第四透镜临近光阑的曲面顶点与光阑之间的间隔。
2. 根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜、第四透镜以及第五透镜为正透镜，所述前胶合镜为负胶合镜。
3. 根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述后组透镜中第四透镜临近光阑的曲面顶点与光阑之间的间隔范围为4mm 5mm。
4.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述后组透镜的平均高度大于所述前组透镜的平均高度。
5. 根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述前组透镜的组合焦距范围为70mm 80mm。
6. 根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的焦距范围为7mm 13mm ;所述投影镜头的孔径范围为8. 4mm 23mm，长度范围为12. 5mm 36mm。
7. 根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜均为球面透镜，其材质为高折射率的冕玻璃或者火石玻璃。
8. 根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述后组透镜还包括顺序排列在所述光阑与第四透镜之间的第六透镜以及第七透镜，所述第六透镜以及第七透镜组成大部分折射面均弯向所述光阑的后胶合镜；所述第四透镜与第五透镜形成中心对称；所述前组透镜中第三透镜临近光阑的曲面顶点与光阑之间的间隔小于所述后组透镜中第六透镜临近光阑的曲面顶点与光阑之间的间隔。
9. 根据权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，所述后组透镜中第六透镜临近光阑的曲面顶点与光阑之间的间隔范围为3mm 5mm。
10. 根据权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，所述前组透镜的组合焦距范围为30mm 50mm。
11. 根据权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的焦距范围为10mm 20mm ;所述投影镜头的孔径范围为6. 8mm 30mm，长度范围为12. 5mm 36mm。
12. 根据权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜均为球面透镜，其材质为高折射率的冕玻璃或者火石玻璃。
13. 根据权利要求8至12任意一项所述的投影镜头，其特征在于，所述第四透镜、第五透镜的底部以及顶部分别打磨为平面。
14. 一种微型投影光学引擎，包括照明装置；成像装置，借由所述照明装置的照射，形成影像；其特征在于，还包括根据权利要求1至13中任意一项所述的投影镜头，用于接收并投射所述成像装置所形成的影像。
15. 根据权利要求14所述的一种微型投影光学引擎，其特征在于，所述成像装置包括 偏振分光器，设置于所述照明装置的输出光路上；微液晶显示单元，用于对所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一 偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息。
16. 根据权利要求15所述的一种微型投影光学引擎，其特征在于，所述微液晶显示单 元为单片液晶面板，设置于所述偏振分光器与照明装置的非相邻的一侧。
17. 根据权利要求15所述的一种微型投影光学引擎，其特征在于，所述微液晶显示单元为两片液晶面板，分别设置于所述偏振分光器的相邻两侧面上。
全文摘要
一种投影镜头，包括前组透镜，后组透镜，及设置于前组透镜以及后组透镜之间的光阑。前组透镜包括顺序排列、大部分折射面均弯向光阑的第一透镜，第二透镜及第三透镜。其中，第二透镜与第三透镜组成前胶合镜。后组透镜包括顺序排列的第四透镜及第五透镜。其中，第四透镜的凸面弯向光阑。光阑位于后组透镜的前方焦点处。前组透镜中第三透镜临近光阑的曲面顶点与光阑之间的间隔小于后组透镜中第四透镜临近光阑的曲面顶点与光阑之间的间隔。本发明由较少的透镜数量组成投影镜头，结构简单，尺寸较小，成本较低，具有较小的杂光及像差，较短的投射距离，较长的后焦距，满足微型化的需求。另外，还提供一种使用该投影镜头的微型投影光学引擎。
文档编号G02B1/02GK101770066SQ20081024168
公开日2010年7月7日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者曲鲁杰, 高国欣 申请人:红蝶科技(深圳)有限公司