一种短焦投影镜头及投影成像系统
技术领域
本实用新型涉及投影技术领域，具体涉及一种短焦投影镜头及投影成像系统。
背景技术
投影镜头作为投影设备中的核心组件，投影设备中的光经过反射式或穿透式的光调变装置后，需要经过投影镜头投射至投影屏上成像。随着投影设备在生活中扮演的角色越来越大，应用到的领域也会越来越多。更多的设备需要嵌入投影设备，这对投影镜头的要求也越来越高，例如要求尺寸更小，结构更加紧凑，成像效果更好，成本更低等。
目前的投影设备中，为了取得良好的显示图像品质，投影镜头通常结构复杂，镜片数量一般超过7片；并且投影镜头通常采用非球面透镜，由于非球面透镜价格高，加工以及装配工艺复杂，良率不易控制，因此造成现有高品质图像投影镜头价格昂贵。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供一种短焦投影镜头及投影成像系统，以解决现有技术中投影镜头中镜头数量多、高品质镜头价格昂贵的技术问题。
本实用新型提出的技术方案如下：
本实用新型实施例第一方面提供一种短焦投影镜头，该短焦投影镜头包括：透镜组件，所述透镜组件包括多个同光轴设置的球面透镜，用于对外部输入的光束进行投影成像；所述球面透镜包括依次设置的第一弯月透镜、第一双凸透镜、双凹透镜、第二双凸透镜及第二弯月透镜。
可选地，该短焦投影镜头还包括：光阑，所述光阑设置于所述双凹透镜和所述第二双凸透镜之间。
可选地，所述第一弯月透镜的焦距f1满足条件式：-250mm＜f1＜ -350mm；所述第一双凸透镜的焦距f2满足条件式：5mm＜f2＜50mm；所述双凹透镜的焦距f3满足条件式：-5mm＜f3＜-50mm；所述第二双凸透镜的焦距f4满足条件式：10mm＜f4＜100mm；所述第二弯月透镜的焦距f5满足条件式：-10mm＜f5＜-100mm。
可选地，所述第一弯月透镜的折射率n1满足条件式：1.65＜n1＜1.75；所述第一双凸透镜的折射率n2满足条件式：1.75＜n2＜1.85；所述双凹透镜的折射率n3满足条件式：1.65＜n3＜1.75；所述第二双凸透镜的折射率 n4满足条件式：1.70＜n4＜1.80；所述第二弯月透镜的折射率n5满足条件式：1.5＜n5＜1.6。
本实用新型实施例第二方面提供一种投影成像系统，该投影成像系统包括：依次设置的显示器件、分光器件及如本实用新型实施例第一方面及第一方面任一项所述的短焦投影镜头；所述显示器件输出的光束依次经过所述分光器件、所述短焦投影镜头后投影在显示屏幕上。
可选地，所述显示器件包括：数字微镜芯片，所述数字微镜芯片垂直于所述透镜组件的光轴设置。
可选地，所述数字微镜芯片尺寸为0.45英寸，分辨率为1140×912。
可选地，所述投影成像系统的半视场角10°≤FOV.≤15°。
可选地，所述投影成像系统的焦距15mm≤f≤25mm。
可选地，所述投影成像系统的物方数值孔径0.01≤NA≤0.05。
本实用新型技术方案，具有如下优点：
本实用新型实施例提供的短焦投影镜头，选择多个同轴设置透镜可以对外部输入的光束进行投影成像，该多个透镜均选择球面透镜，通过合理设置透镜组件的焦距及各透镜之间的间距等参数，可以有效减少镜片的边缘像差和球差，从而可以起到非球面镜的作用。因此，本实用新型实施例提供的短焦投影镜头可以避免非球面镜的使用，解决现有技术中镜头采用非球面透镜加工难度大，成本高的技术问题。并且，本实用新型实施例提供的短焦投影镜头通过透镜组件中各球面透镜光角度的合理配置，可以只采用五片透镜，相比现有技术中的镜头减少了透镜的数量，降低了生产和装配工艺的难度。因此该镜头具有尺寸小、结构紧凑、镜片少和成本低的优点。
本实用新型实施例提供的投影成像系统，通过设置投影成像系统中各元件的参数，可以使得该投影成像系统的光圈数为2.8，畸变小于0.1％，从而实现该投影成像系统的低敏感性和高品质成像。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例中短焦投影镜头的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中投影成像系统的光路传输结构示意图；
图3为本实用新型实施例中投影成像系统的点图；
图4为本实用新型实施例中投影成像系统的调制传递函数图；
图5(a)为本实用新型实施例中投影镜头的场曲，图5(b)为本实用新型实施例中投影镜头的畸变。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实用新型实施例提供一种短焦投影镜头，如图1所示，该短焦投影镜头包括：透镜组件，透镜组件包括多个同光轴设置的球面透镜，用于对外部输入的光束进行投影成像；球面透镜包括从物方到像方依次设置的第一弯月透镜L1、第一双凸透镜L2、双凹透镜L3、第二双凸透镜L4及第二弯月透镜L5。
如图1所示，其中，第二弯月透镜L5具有凸向像方的第一表面1以及凹向物方的第二表面2；第二双凸透镜L4具有凸向像方的第三表面3以及凸向物方的第四表面4；双凹透镜L3具有凹向像方的第六表面6以及凹向物方的第七表面7；第一双凸透镜L2具有凸向像方的第八表面8以及凸向物方的第九表面9；第一弯月透镜L1具有凸向像方的第十表面10以及凹向物方的第十一表面11。
本实用新型实施例提供的短焦投影镜头，选择多个同轴设置透镜可以对外部输入的光束进行投影成像，该多个透镜均选择球面透镜，通过合理设置透镜组件的焦距及各透镜之间的间距等参数，可以有效减少镜片的边缘像差和球差，从而可以起到非球面镜的作用。因此，本实用新型实施例提供的短焦投影镜头可以避免非球面镜的使用，解决现有技术中镜头采用非球面透镜加工难度大，成本高的技术问题。并且，本实用新型实施例提供的短焦投影镜头通过透镜组件中各球面透镜光角度的合理配置，可以只采用五片透镜，相比现有技术中的镜头减少了透镜的数量，降低了生产和装配工艺的难度。因此该镜头具有尺寸小、结构紧凑、镜片少和成本低的优点。
作为本实用新型实施例一种可选的实施方式，如图1所示，该短焦投影镜头还包括：光阑30，光阑30设置于双凹透镜L3和第二双凸透镜L4之间。光阑30可以作为该短焦投影镜头的第四表面4。通过在该短焦投影镜头中设置光阑30可以控制光线从双凹透镜L3向第二双凸透镜L4通过，调节经过该短焦投影镜头的光通量，同时减少其他透镜经过反射产生的杂散光干扰。
可选地，在该短焦投影镜头中，第一弯月透镜L1可以采用玻璃材料制成，其折射率n1满足条件式：1.65＜n1＜1.75，第一弯月透镜L1的焦距f1满足条件式：-250mm＜f1＜-350mm；第一双凸透镜L2可以采用玻璃材料制成，其折射率n2满足条件式：1.75＜n2＜1.85，第一双凸透镜L2的焦距f2满足条件式：5mm＜f2＜50mm；双凹透镜L3可以采用玻璃材料制成，其折射率n3满足条件式：1.65＜n3＜1.75，双凹透镜L3的焦距f3满足条件式：-5mm＜f3＜-50mm；第二双凸透镜L4可以采用玻璃材料制成，其折射率n4满足条件式：1.70＜n4＜1.80，第二双凸透镜L4的焦距f4满足条件式：10mm＜f4＜100mm；第二弯月透镜L5可以采用玻璃材料制成，其折射率n5满足条件式：1.5＜n5＜1.6，第二弯月透镜L5的焦距f5满足条件式：-10mm＜f5＜-100mm。
本实用新型实施例提供的短焦投影镜头，通过设置透镜组件中各透镜折射率和焦距等参数，优化透镜之间的距离，可以有效减少镜片的边缘像差，改善该投影镜头的成像质量。有效地实现了多个球面透镜校正像差的效果，有利于实现该短焦投影镜头的低成本和小型化。
本实用新型实施例还提供一种投影成像系统，如图2所示，该投影成像系统包括：依次设置的显示器件10、分光器件20及如上述实施例所述的短焦投影镜头；显示器件10输出的光束依次经过分光器件20、短焦投影镜头后投影在显示屏幕50上。
本实用新型实施例提供的投影成像系统，如图2所示，显示器件10输出的光束依次经过分光器件20、第一弯月透镜L1、第一双凸透镜L2、双凹透镜L3、第二双凸透镜L4及第二弯月透镜L5的第一表面1射出该短焦投影镜头，光线经过该短焦投影镜头后能够发生偏移，光线从投影镜头的光轴一侧进入投影镜头后，沿投影镜头的光轴的另一侧射出该投影镜头，从而能够使投影画面均投影在投影镜头光轴的一侧，避免了投影镜头无法进行投影，导致投影成像系统操作繁琐，使用不便的问题。
可选地，显示器件10包括：数字微镜芯片(Digital Micro-mirror Device，DMD)，数字微镜芯片垂直于透镜组件的光轴设置。此外，该显示器件10也可以采用其他可用于出射光线的显示元件或显示设备如硅上液晶芯片(Liquid Crystal On Silicon，LCOS)等代替数字微镜芯片。
作为本实用新型实施例一种可选的实施方式，该投影成像系统中可以选择数字微镜芯片尺寸为0.45英寸，分辨率为1140×912。在设置投影成像系统中各元件的参数后，可以使得该投影成像系统的半视场角FOV.满足10°≤FOV.≤15°；该投影成像系统的焦距f满足15mm≤f≤25mm；该投影成像系统的物方数值孔径NA满足0.01≤NA≤0.05。
本实用新型实施例提供的投影成像系统，通过设置投影成像系统中各元件的参数，可以使得该投影成像系统的光圈数为2.8，畸变小于0.1％，从而实现该投影成像系统的低敏感性和高品质成像。
为达到上述目的且有提升该短焦投影镜头的光学性能，该短焦投影镜头的具体参数可以表1所示；其中参数包含类型、半径、厚度、直径和二次曲面因子等。
表1
其中，OBJ表示物面，IMA表示像面，STO表示光阑面，如图1所示，其他数字表示透镜组件中各透镜表面和分光器件20的两个表面12和13。根据表1中的参数对该投影成像系统中的各元件进行设置，可以得到如图3、图4、图5(a)及图5(b)所示的表征该投影成像系统的成像效果的示意图。
如图3所示，为该投影成像系统的点图，其中，点图是指由一点发出的许多光线经光线系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，因此点列图可以用于评价该投影成像系统的成像质量。该图显示了不同视场下的弥散斑，由于球差，点成像不是一个点，是一个圆斑，圆斑半径越小则球差越小，从图3中可以看出，该投影成像系统的球差较小。
如图4所示，为该投影成像系统的调制传递函数图，其中，调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。调制度就是最大强度与最小强度之差与最大强度与最小强度之和的比。MTF是像的调制度与物的调制度之比，它是空间频率的函数，空间频率通常以1p/mm的形式表示。调制传递函数可用于表示光学系统的特征，MTF越大，表示系统的成像质量越好。从图中可以看出，在横坐标46lp/mm可以达到0.5以上，说明该投影成像系统的调制效果较高。
如图5(a)和图5(b)所示，图5(a)表示该投影成像系统中投影镜头的场曲，图5(b)表示投影镜头的畸变，其中，场曲是指场弯曲，主要用于表示光学系统中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度；畸变是指物体通过光学系统成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏。因此。通过对投影成像系统中各元件参数进行设置后，可以将场曲控制在0.2以内，可以将畸变控制在0.1％以内。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本实用新型保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本实用新型的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本实用新型的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本实用新型描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本实用新型可以对它们进行应用。因此，本实用新型所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
