技术领域
[0001] 本发明涉及光学镜头的技术领域，更具体地，涉及一种短焦投影镜头及其应用。
相关背景技术
[0002] 随着3D打印技术的发展和人们需求的提高，DLP(Digital Light Procession，数字光处理)快速3D打印技术应用而生。DLP快速3D打印是将整层图像通过投射镜头投影到光敏树脂上，并逐层叠加成型，可以一次完成整层打印，具有打印速度快，精度高的特点，在材料属性、细节和表面粗糙度等方面可达到注塑成型的精度。在应用过程中，通过数字处理技术将所需要的图像信息投影出来，可基于DMD（digital micro‑mirror device，数字微镜器件）芯片完成可视化数字信息显示。
[0003] 基于DLP技术发展出的3D打印系统由以下几部分组成：DLP投影系统、机械运动系统和具有控制运算能力的主控系统。DLP投影系统使用DMD芯片为该类型3D打印提供图像照明，在选择芯片型号时，要根据打印尺寸、打印精度、打印速度以及光源波长综合考虑。而且，适用于DMD芯片的光学系统所固有的像差问题使得DLP快速3D打印对投影镜头有着极高的要求。
[0004] 目前，市面上适用于大尺寸DMD芯片的3D打印投影镜头较少，且其焦距较长，如现有技术中公开了一种3D打印机用投射镜头，投射镜头沿光线方向从物面到像面依次设置有：第一弯月透镜、第二弯月透镜、双凹面负透镜、第一双凸面透镜、第二双凸面透镜、第三弯月透镜、第四弯月透镜、第五弯月透镜、第三双凸面透镜和第四双凸面透镜，通过透镜的有机组合，可用于0.47英寸DMD芯片，但有效焦距长达23.65mm，焦距较长，不利于3D打印机的小型化。
具体实施方式
[0024] 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本申请的限制；为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
[0025] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明；实施例1
如图1所示，本实施例提出了一种短焦投影镜头，包括：沿光线方向自物面至像面依次设置的前组透镜1及后组透镜2；
参见图1，前组透镜1包括沿光线方向自物面至像面依次设置的具有正光焦度的第一透镜11、具有负光焦度的第二透镜12、具有负光焦度的第三透镜13、具有负光焦度的第四透镜14、具有负光焦度的第五透镜15、具有正光焦度的第六透镜16及具有正光焦度的第七透镜17；
后组透镜2包括沿光线方向自物面至像面依次设置的具有负光焦度的第八透镜
21、具有正光焦度的第九透镜22、具有正光焦度的第十透镜23、具有正光焦度的第十一透镜
24、具有正光焦度的第十二透镜25。
[0026] 本实施例所采用的前组透镜1和后组透镜2构成反远距结构，其中，具有正光焦度的透镜与具有负光焦度的透镜之间有效组合，使得投影镜头前表面到焦面的距离小于焦距，且焦距短，缩小了结构尺寸，便于小型化集成，而且具备视场大、像面边缘照度大且具有长后工作距离的特点。
[0027] 参见图1，在本实施例中，前组透镜1与后组透镜2之间设置有光阑3，沿光线方向自物面至像面，在第十二透镜25后还依次设置有：棱镜4及DMD芯片5。
[0028] 实施例2本实施例对短焦投影中的具体透镜进行详细说明。在本实施例中，第一透镜11为非球面透镜，采用非球面透镜能够更有效地消除像差，从而保证更好的图像质量。第一透镜
11满足的非球面面型表达式为：
[0029] 其中，Z表示第一透镜1非球面上的点离非球面顶点在光线方向的距离；表示第一透镜1非球面上的点到光线方向的距离，c表示第一透镜1非球面的中心曲率，k表示圆锥率，表示非球面高阶次数。表1表示本实施例提出的非球面透镜的非球面系数详情。
[0030] 表1
[0031] 其中，表1中的表面[1]和[2]分别代表沿光线方向上第一透镜11的第一面和第二面。
[0032] 在本实施例中，第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16、第七透镜17、第八透镜21、第九透镜22、第十透镜23、第十一透镜24及第十二透镜25均为球面透镜，其中，第五透镜15和第八透镜21均为由两片子透镜胶合组成的胶合透镜，此时，采用两个胶合透镜，使得短焦投影镜头具有低灵敏性的公差。
[0033] 表2中展示了本实施例中涉及的透镜的具体参数，对于每一个透镜，用其第一面与第二面表示光线依次入射与出射的面，参数包括：曲率半径、厚度、折射率、阿贝数及半直径。
[0034] 表2
[0035] 其中，表面序号[1]和[2]分别表示的是第一透镜11的第一面和第二面；表面序号[3]和[4]分别表示的是第二透镜12的第一面和第二面；
表面序号[5]和[6]分别表示的是第三透镜13的第一面和第二面；
表面序号[7]和[8]分别表示的是第四透镜14的第一面和第二面；
表面序号[9]和[10]和[11]分别表示的是第五透镜15（胶合透镜）的前表面、胶合面和后表面；
表面序号[12]和[13]分别表示的是第六透镜16的第一面和第二面；
表面序号[14]和[15]分别表示的是第七透镜17的第一面和第二面；
表面序号[16]表示的是光阑3；
表面序号[17]和[18]和[19]分别表示的是第八透镜21（胶合透镜）的前表面、胶合面和后表面；
表面序号[20]和[21]分别表示的是第九透镜22的第一面和第二面；
表面序号[22]和[23]分别表示的是第十透镜23的第一面和第二面；
表面序号[24]和[25]分别表示的是第十一透镜24的第一面和第二面；
表面序号[26]和[27]分别表示的是第十二透镜25的第一面和第二面；
表面序号[28]和[29]表示的是棱镜4；
表面序号[30]和[31]表示的是DMD窗口5；
在本实施例中，短焦投影镜头的工作波长为405nm，光学总长为120mm，有效焦距为
13mm，镜头工作F数为3.2。
[0036] 投影镜头在投射画面下解像力为：分辨率为93lp/mm时，镜头MTF>68％，解像力高，分辨率高，成像质量好，像质高，投影尺寸大，稳定性强。适用于0.66英寸DMD芯片，投射比为0.767，与传统投影镜头相比，适用于更大尺寸的DMD芯片。
[0037] 在本实施例中，前组透镜1及后组透镜2中的所有透镜均采用玻璃材质，采用玻璃材质，可以有效降低由于塑料镜片受热变形而导致的镜头性能下降的影响，保证投影镜头具有照度均匀且成像质量高的特点。本实施例所采用的玻璃材质光学常数满足：1.43＜ ＜1.88
35＜ ＜95
其中， 、 分别为所采用的玻璃材质对d光的折射率和阿贝数。
[0038] MTF（Modulus of the OTF）曲线图可以反映投影镜头由中心区到边缘位置的画质表现，它反映了投影镜头对频域信息的传递能力，因此，可以客观全面的评价投影镜头的成像质量，MTF表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，对比度（振幅）的衰减程度。
[0039] 图2为全视场MTF随空间频率变化的图像，MTF越接近衍射极限，表示成像质量越好，在93lp/mm空间频率下各个视场的传递函数MTF＞0.68，成像质量良好。
[0040] 图3为各个视场的点列图，镜头全视场RMS半径不大于2.269 ,远小于像元尺寸5.4 ，可以清晰成像。
[0041] 图4表示本实施例所提出的短焦投影镜头的场曲随视场变化的图像，场曲在‑20到20 的范围内。
[0042] 图5表示本实施例提出的畸变随视场变化的图像，畸变控制在0.91％以内。
[0043] 通过上述图示可以看出，本实施例提出的短焦投影镜头在投射画面下解像力，分辨率为93lp/mm时，镜头MTF>68％。该镜头解像力高，分辨率高，成像质量好，像质高，投影尺寸大，稳定性强。同时，镜头在整个视场内的畸变量的绝对值小于0.91％，全视场的场曲在‑20 到20 的范围内，能够更好地满足市场需求。
[0044] 实施例3本实施例提出了一种短焦投影镜头的应用，具体的是指，将短焦投影镜头应用于DLP快速3D打印的DLP投影中。
[0045] DLP投影的核心部件是DMD芯片，它是由美国德州仪器(TI)独家掌握并开发的数字图像芯片，整合了微机电结构电路单元，利用 COMS，SRAM记忆单元所制成。当DMD芯片正常工作的时，光源点亮产生光线通过光学镜片照射到DMD芯片上，DMD表面布满的体积微小电路可控制镜片转动来反射光线，像素被别离处理，最终通过投影镜头成像，图画被投影到树脂层，树脂可用光源进行固化，当树脂固化时，其单体能交联以创立一个聚合物链，该聚合物链可发生固体材料，然后发生一系列截面，这些截面可组成3D物体，即实现DLP快速3D打印。
[0046] 显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
