CN100458488C - 定焦投影镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定焦投影镜头，自投射屏幕端至显示组件端依序包含具有负屈光率的第一透镜组及具有正屈光率的第二透镜组。当投射屏幕端与定焦投影镜头之间的距离改变时，第二透镜组与显示组件端之间的距离固定，通过改变第一透镜组与第二透镜组之间的距离，使投影镜头的系统焦距固定且获得清晰影像。该定焦投影镜头满足条件：1.413＜|(f2/f1)|＜1.508 ；其中，f1为第一透镜组的焦距长度，f2为第二透镜组的焦距长度。采用这样的设计方案，可使得本发明的定焦投影镜头的镜筒结构设计简单，无需设计复杂的凸轮沟槽及凸轮筒，从而有利于简化工程设计，降低生产制造的复杂程度并节省成本。

Description

定焦投影镜头

【技术领域】

本发明涉及一种定焦投影镜头，特别是指投射屏幕端与投影镜头之间的距离改变时，系统焦距仍保持固定而获得清晰影像的一种定焦投影镜头。

【背景技术】

美国专利第6,404,564号揭露一种二群定焦投影镜头，其具有广视角的投影画面。然而，当投射屏幕端与投影镜头之间的距离改变时，第一透镜组与第二透镜组必须同时产生运动。亦即，邻近显示组件端的第二透镜组会相对于显示组件产生运动，且第一透镜组也会相对于第二透镜组产生运动。由上述可知，二群均产生运动时，投影镜头的镜筒必须设计相当复杂的凸轮沟槽及凸轮筒，而这样的设计无疑会增加工程设计上的复杂程度及制造上的困难及成本

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种定焦投影镜头，当投射屏幕端与投影镜头之间的距离改变时，系统焦距仍保持固定而获得清晰影像。

本发明的另一目的即在于提供一种只需移动邻近投射屏幕端的透镜组而达到定焦的投影镜头。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种定焦投影镜头，自投射屏幕端至显示组件端依序包括负屈光率的第一透镜组及正屈光率的第二透镜组，其中第二透镜组与显示组件端之间的距离保持固定，当投射屏幕端与投影镜头之间的距离改变时，变化第一透镜组与第二透镜组之间的距离而获得清晰的影像。

上述本发明的技术方案中，定焦投影镜头满足以下条件：

$1.413<\left|\frac{f2}{f1}\right|<1.508$

其中，f1为第一透镜组的焦距长度，f2为第二透镜组的焦距长度。

上述本发明的技术方案中，定焦投影镜头的第一透镜组包括一第一负透镜与一第二负透镜，且第二负透镜为非球面透镜。较佳的情况是，第二负透镜为非球面塑料透镜，且设置于邻近第二透镜组的位置上。

上述本发明的技术方案中，定焦投影镜头的第二透镜组自第一透镜组侧至显示组件端依序包括一第三正透镜、一第四负透镜、一第五正透镜及一第六正透镜，且第五正透镜为非球面透镜。其中，定焦投影镜头的孔径光阑位于第五正透镜与第六正透镜之间。

与现有技术相比，本发明的一个优点在于，第二透镜组与显示组件端之间的距离保持固定而简化镜头的镜筒结构，另一优点在于，提供了一种总长度短的定焦投影镜头。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例的定焦投影镜头的光学结构图；

图2A显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度为-10℃时的纵向像差；

图2B显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度为25℃时的纵向像差；

图2C显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度为60℃时的纵向像差；

图3A显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度为-10℃时的横向色像差；

图3B显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度为25℃时的横向色像差；

图3C显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度为60℃时的横向色像差；

图4A显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度为-10℃时的场曲及畸变像差；

图4B显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度为25℃时的场曲及畸变像差；

图4C显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度为60℃时的场曲及畸变像差；

图5是本发明第二实施例的定焦投影镜头的光学结构图；

图6A显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度为-10℃时的纵向像差；

图6B显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度为25℃时的纵向像差；

图6C显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度为60℃时的纵向像差；

图7A显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度为-10℃时的横向色像差；

图7B显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度为25℃时的横向色像差；

图7C显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度为60℃时的横向色像差；

图8A显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度为-10℃时的场曲及畸变像差；

图8B显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度为25℃时的场曲及畸变像差；

图8C显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度为60℃时的场曲及畸变像差。

【具体实施方式】

本发明的定焦投影镜头可以安装于投影机上，用来将显示组件，如数字微反射镜组件(Digital Micromirror Device简称DMD)上的影像投射至屏幕上，该定焦投影镜头自投射屏幕端至显示组件端依序包括具有负屈光度的第一透镜组及具有正屈光度的第二透镜组。其中，第二透镜组与显示组件端之间的距离保持固定。当投射屏幕端与投影镜头之间的距离改变时，通过调整第一透镜组与第二透镜组之间的距离，从而在投射屏幕上获得清晰的影像。此外，当改变第一透镜组与第二透镜组之间的距离时，定焦投影镜头的系统焦距长度fa保持固定。

本发明的定焦投影镜头中，第一透镜组包括一第一负透镜与一第二负透镜，且第一透镜组具有第一焦距长度f1。较佳的情况是，第二负透镜为一非球面负透镜，并且是采用塑料材料制造。

本发明的定焦投影镜头中，第二透镜组包括一第三正透镜、一第四负透镜、一第五正透镜与一第六正透镜，且第二透镜组具有第二焦距长度f2。较佳的情况是，第五正透镜为一非球面正透镜，并且是采用塑料材料制造。再者，定焦投影镜头的孔径光阑位于第五正透镜与第六正透镜之间。

当投射屏幕端与投影镜头之间的距离改变时，通过调整第一透镜组与第二透镜组之间的距离以便在投射屏幕端获得清晰的影像。其中，定焦投影镜头必须满足以下条件：

$1.413<\left|\frac{f2}{f1}\right|<1.508---\left(1\right)$

其中，f1为第一透镜组的第一焦距长度，f2为第二透镜组的第二焦距长度。当|f2/f1|大于条件(1)的上限值时，会造成投影镜头的总长度过长，并且第一透镜组相对于第二透镜组的移动量过长。当|f2/f1|小于条件(1)的下限值时，第二透镜组产生的像差，例如场曲像差(field curvature)将无法通过第一透镜组来补偿修正。

当定焦投影镜头同时满足以下条件：

$1.303<\left|\frac{f1}{\mathrm{fa}}\right|<1.322---\left(2\right)$

时，说明该定焦投影镜头可短距离内获得大尺寸的投射影像。而当|f1/fa|大于条件(2)的上限时，影像的畸变像差越趋恶化；当|f1/fa|小于条件(2)的下限时，投射屏幕端的影像放大倍率过小且影像偏离光轴的偏移量(offset)亦过小。

另外，当定焦投影镜头满足以下条件：

$1.841<\left|\frac{f2}{\mathrm{fa}}\right|<1.876---\left(3\right)$

时，可限制该投影镜头自第一负透镜的邻近投射屏幕端的表面至显示组件的总光程(total track)长度小于10公分。而当|f2/fa|小于条件(3)的下限时，该投影镜头的总光程长度将会大于10公分；当|f2/fa|大于条件(3)的上限时，第二透镜组产生的横向色像差(lateral chromatic aberration)会被过度修正。

本发明的定焦投影镜头的第一、第二透镜组中均具有非球面塑料镜片，但仍可在-10℃至60℃的温度范围之间保持良好的投射影像质量。

请参阅图1本发明的定焦投影镜头的第一实施例，该定焦投影镜头自投射屏幕端至显示组件端依序包含负屈光率的第一透镜组及负屈光率的第二透镜组，且该定焦投影镜头的系统焦距长度为固定值fa＝17.13mm，Fno.＝2.44。

第一透镜组自投射屏幕端至第二透镜组一侧又分别包含新月形状的第一负透镜及第二负透镜，该第一透镜组具有第一焦距长度f1＝-22.641mm。第二负透镜为非球面负透镜，较佳的情况是，第二负透镜采用塑料材料制造。

第二透镜组自第一透镜组一侧至显示组件端又分别包含第三正透镜、第四负透镜、第五正透镜及第六正透镜，且该第二透镜组具有第二焦距长度f2＝32.142mm。第五正透镜为非球面正透镜，较佳的情况是，第五正透镜采用塑料材料制造。

本发明的第一实施例中，定焦投影镜头的第一透镜组及第二透镜组的各项参数依序列于如下表1中：

                        表1

此外，第一实施例中，第一透镜组的第二负透镜的表面序号R3、R4及第二透镜组的第五正透镜的透镜表面序号R9、R10为非球面，其非球面的相关数值依序列于如下表2中：

                                   表2

表面序号	K	A	B	C	D
						R3	-1.47015	-1.1826477E-005	-3.0323964E-008	1.3923727E-010	-3.9732146E-013
R4	-0.925019	-7.0685445E-006	-9.8459449E-008	1.0369281E-010	-5.5416708E-013
						R9	-17.48491	6.1277388E-005	3.9577322E-007	2.8037022E-009	5.5986388E-011
R10	-5.513173	3.1279808E-005	1.0076525E-006	-3.8977397E-010	1.1725076E-010

本发明的第一实施例中，定焦投影镜头的各项数值皆符合条件(1)、(2)及(3)，且该定焦投影镜头与投射屏幕端之间的距离为2m时，投射影像的对角线长度为51.1寸。同时，该定焦投影镜头产生的投射影像与光轴的偏移(offset)率为133％。

图2A显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度在条件为-10℃时的纵向像差(longitudinal aberration)；图2B显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度条件为25℃时的纵向像差；图2C显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度条件为60℃时的纵向像差。根据图2A至2C所示，该定焦投影镜头在入瞳半径3.8619mm范围内的纵向像差均小于0.1mm范围。

图3A显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度条件为-10℃时的横向色像差(lateral color aberration)；图3B显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度条件为25℃时的横向色像差；图3C显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度条件为60℃时的横向色像差。根据图3A至3C所示，该定焦投影镜头在最大像场高度8.82mm范围内的横向色像差均小于5μm范围。

图4A显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度条件为-10℃的场曲(field curvature)及畸变(distortion)像差；图4B显示本发明第一实施例的定焦投影镜头，在温度条件为25℃时的场曲及畸变像差；图4C显示本发明第1实施例的定焦投影镜头，在温度条件为60℃时的场曲及畸变像差。根据图4A至4C所示，该定焦投影镜头在投射屏幕上的影像的场曲均小于0.1mm范围，并且该定焦投影镜头在投射屏幕上的影像的畸变小于1％。

由以上可知，第一实施例的定焦投影镜头具有优良的成像品质。虽然第一透镜组与第二透镜组均使用塑料射出成型的非球面透镜，但并未因温度的变化而造成成像品质恶化。

请参阅图5所示本发明的定焦投影镜头的第二实施例，该定焦投影镜头自投射屏幕端至显示组件端依序包含负屈光率的第一透镜组及负屈光率的第二透镜组，其中该定焦投影镜头的系统焦距长度为固定值fa＝17.13mm，且Fno.＝2.44。

第一透镜组自投射屏幕端至第二透镜组一侧又分别包含新月形状的第一负透镜及第二负透镜，且该第一透镜组具有第一焦距长度f1＝-22.311mm。第二负透镜为非球面负透镜，较佳的情况是，第二负透镜采用塑料材料制造。

第二透镜组自第一透镜组一侧至显示组件端又分别包含第三正透镜、第四负透镜、第五正透镜及第六正透镜，且该第二透镜组具有第二焦距长度f2＝31.535mm。其中第五正透镜为非球面正透镜，较佳的情况是，该第五正透镜采用塑料材料制造。

本发明的第二实施例中，定焦投影镜头的第一透镜组及第二透镜组的各项参数依序列于以下表3中：

                           表3

R12	-15.16	33.00	1.00000
					R13	∞	3.00	1.49000	70.2
R14	∞	0.50	1.00000

此外，第二实施例中，第一透镜组的第二负透镜的表面序号R3、R4及第二透镜组的第五正透镜的透镜表面序号R9、R10为非球面，其非球面的相关数值依序列于以下表4中：

                           表4

表面序号	K	A	B	C	D
						R3	-2.30240	-1.3585475E-005	-1.3481666E-008	1.4918803E-010	-4.8155582E-013
R4	-0.943858	-7.7457667E-006	-9.2690643E-008	3.5357579E-010	-1.373864E-012
						R9	-20.89576	4.4077477E-005	3.3493166E-007	2.9742845E-009	4.9200117E-011
R10	-5.044545	2.3575771E-005	8.2064957E-007	3.5936269E-010	1.0023184E-010

本发明的第二实施例中，定焦投影镜头的各项数值均符合条件(1)、(2)及(3)，且该定焦投影镜头与投射屏幕端之间的距离为2m时，投射影像的对角线长度为51.5寸。同时，该定焦投影镜头产生的投射影像与光轴的偏移(offset)率为133％。

图6A显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度条件为-10℃时的纵向像差；图6B显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度条件为25℃时的纵向像差；图6C显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度条件为60℃时的纵向像差。根据图6A至6C所示，该定焦投影镜头在入瞳半径3.8619mm范围内的纵向像差均小于0.1mm范围。

图7A显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度条件为-10℃时的横向色像差；图7B显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度条件为25℃时的横向色像差；图7C显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度条件为60℃时的横向色像差。根据图7A至7C所示，该定焦投影镜头在最大像场高度8.82mm范围内的横向色像差均小于5μm范围。

图8A显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度条件为-10℃时的场曲及畸变像差；图8B显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度条件为25℃时的场曲及畸变像差；图8C显示本发明第二实施例的定焦投影镜头，在温度条件为60℃时的场曲及畸变像差。根据图8A图至8C所示，该定焦投影镜头在投射屏幕上的影像的场曲均小于0.1mm范围；并且该定焦投影镜头在投射屏幕上的影像的畸变小于1％。

由以上数据可知，本发明第二实施例的定焦投影镜头也具有优良的成像品质。虽然第一透镜组与第二透镜组中均使用塑料射出成型的非球面透镜，但并未因温度的变化而造成成像品质恶化。

综合上述，本发明提供一种定焦投影镜头，自第一透镜组最邻近投射屏幕端的镜片表面至显示组件之间的总光程(total track)长度小于10cm。此外，邻近显示组件端的第二透镜组相对于显示组件保持固定不移动，因此只需第一透镜组相对于第二透镜组产生运动，即可在投射屏幕端上获得清晰影像。采用这样的设计方案，可使得本发明的定焦投影镜头的镜筒结构设计简单，无需设计复杂的凸轮沟槽及凸轮筒，从而有利于简化工程设计，降低生产制造的复杂程度并节省成本。

Claims (9)

1.一种定焦投影镜头，自投射屏幕端至显示组件端依序包含第一透镜组及第二透镜组，其中第一透镜组为负屈光率且其具有第一焦距长度f1，第二透镜组为正屈光率且其具有第二焦距长度f2，第二透镜组与显示组件端之间的距离固定，其特征是：该定焦投影镜头满足以下条件：

$1.413<\left|\frac{f2}{f1}\right|<1.508$

当投射屏幕端与定焦投影镜头之间的距离改变时，调整第一透镜组相对于第二透镜组之间的距离而在投射屏幕端上获得清晰的影像。

2.依据权利要求1所述的定焦投影镜头，其特征是：该定焦投影镜头进一步满足以下条件：

$1.303<\left|\frac{f1}{\mathrm{fa}}\right|<1.322$

其中，fa为该定焦投影镜头的系统焦距长度。

3.依据权利要求1所述的定焦投影镜头，其特征是：该定焦投影镜头进一步满足此条件

$1.841<\left|\frac{f2}{\mathrm{fa}}\right|<1.876$

其中，fa为该定焦投影镜头的系统焦距长度。

4.依据权利要求2所述的定焦投影镜头，其特征是：该定焦投影镜头进一步满足此条件：

$1.841<\left|\frac{f2}{\mathrm{fa}}\right|<1.876$

其中，fa为该定焦投影镜头的系统焦距长度。

5.依据权利要求1所述的定焦投影镜头，其特征是：第一透镜组自投射屏幕端至第二透镜组侧更包括第一负透镜及第二负透镜，且第二负透镜具有至少一表面为非球面。

6.依据权利要求5所述的定焦投影镜头，其特征是：第二透镜组自第一透镜组侧至显示组件端更包括第三正透镜、第四负透镜、第五正透镜及第六正透镜，且该定焦投影镜头的孔径光阑位于第五正透镜与第六正透镜之间。

7.依据权利要求6所述的定焦投影镜头，其特征是：第五正透镜具有至少一表面为非球面。

8.依据权利要求5所述的定焦投影镜头，其特征是：第二负透镜是以塑料材料制作。

9.依据权利要求7所述的定焦投影镜头，其特征是：第五正透镜是以塑料材料制作。

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