CN103713376B

CN103713376B - 投影镜头与光学引擎

Info

Publication number: CN103713376B
Application number: CN201210370135.8A
Authority: CN
Inventors: 郭道宏
Original assignee: Coretronic Corp
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: US9013798B2; US20140092483A1; CN103713376A

Abstract

一种投影镜头，配置于一放大侧与一缩小侧之间。此投影镜头包括由放大侧往缩小侧依序排列的一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜、一第五透镜及一第六透镜。第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜及第六透镜的屈光度分别为负、正、正、负、正及正。第三透镜的焦距大于等于20毫米且小于等于200毫米。一种光学引擎亦被提出。

Description

投影镜头与光学引擎

技术领域

本发明涉及一种镜头与光学装置，且特别是有关于一种投影镜头与光学引擎。

背景技术

一般而言，在大光圈投影镜头设计中，由于光圈较大，为了要保持光学成像品质，常常需要多片透镜的设计才能达成需求。比较良好的架构可以仅用到6片透镜就达到设计需求，但是使用非球面透镜来消除像差。

此外，对于为了消除像差所使用的非球面透镜而言，当孔径光阑（aperture stop）附近的非球面透镜的结构设计不良时，会大幅增加此非球面透镜对成像品质的敏感度，使得投影镜头不易量产。

另外，时下投影机讲究轻薄短小，造成光机内部温度不易降低，而非球面透镜受到较高温度的影响会造成热漂移（thermal drift）现象的发生，这样会导致投影机开机后，投影画面逐渐模糊。

美国专利第6715889号揭露了投影镜头、支撑单元、分光棱镜及光调变装置。美国专利第7612951号揭露了一可热变形镜筒，具有一可移动镜筒及双金属元件。当温度提升时，双金属元件会受热影响而达到变形，进而带动可移动镜筒使透镜移动，而造成光学系统的背焦位置移动。

发明内容

本发明提供一种投影镜头，具有良好的光学成像品质。

本发明提供一种光学引擎，可有效改善热漂移现象。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种投影镜头，配置于一放大侧与一缩小侧之间。此投影镜头包括一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜、一第五透镜及一第六透镜。第一透镜配置于放大侧与缩小侧之间，且具有负屈光度。第二透镜配置于第一透镜与缩小侧之间，且具有正屈光度。第三透镜配置于第二透镜与缩小侧之间，且具有正屈光度，其中第三透镜的焦距大于等于20毫米且小于等于200毫米。第四透镜配置于第三透镜与缩小侧之间，且具有负屈光度。第五透镜配置于第四透镜与缩小侧之间，且具有正屈光度。第六透镜配置于第五透镜与缩小侧之间，且具有正屈光度。

本发明的一实施例提出一种光学引擎，包括一机壳、一影像源及一投影镜头。机壳具有一开口，且影像源配置于机壳内。投影镜头配置于开口上，且配置于一放大侧与一缩小侧之间。影像源配置于缩小侧。投影镜头包括一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜、一第五透镜及一第六透镜。第一透镜配置于放大侧与缩小侧之间，且具有负屈光度。第二透镜配置于第一透镜与缩小侧之间，且具有正屈光度。第三透镜配置于第二透镜与缩小侧之间，且具有正屈光度。第四透镜配置于第三透镜与缩小侧之间，且具有负屈光度。第五透镜配置于第四透镜与缩小侧之间，且具有正屈光度。第六透镜配置于第五透镜与缩小侧之间，且具有正屈光度。当机壳与投影镜头受热时，第三透镜的光学参数随着第三透镜受热而发生变化，并抵偿机壳因受热膨胀而产生的光学效应。

在本发明的实施例的投影镜头中，由于第三透镜的焦距大于等于20毫米且小于等于200毫米，且第一至第六透镜的屈光度依序为负、正、正、负、正及正，因此第三透镜对于成像品质的组装敏感度较小。如此一来，投影镜头便可投影出清晰的成像品质，且投影镜头的量产优良率亦可增加。此外，在本发明的实施例的光学引擎中，由于当机壳与投影镜头受热时，第三透镜的光学参数随着第三透镜受热而发生变化，并抵偿机壳因受热膨胀而产生的光学效应，因此可有效改善光学引擎的热漂移现象。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一实施例的光学引擎的结构示意图。

图2A至图2C为图1的投影镜头的成像光学模拟数据图。

图3A至图3C为图1的投影镜头在表五的温度梯度下的成像光学模拟数据图。

【主要元件符号说明】

100：投影镜头

110：第一透镜

120：第二透镜

130：第三透镜

140：第四透镜

150：第五透镜

160：第六透镜

170：孔径光阑

200：光学引擎

210：影像源

220：玻璃盖

230：内部全反射棱镜

240：机壳

242：开口

S1～S17：表面

A：光轴

L：间距

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明的一实施例的光学引擎的结构示意图。请参照图1，本实施例的光学引擎200包括一机壳240、一影像源210及一投影镜头100。机壳240具有一开口242，且影像源210配置于机壳240内。在本实施例中，影像源210为光阀（light valve），例如为数码微镜元件（digital micro-mirror device,DMD）、硅基液晶面板（liquid-crystal-on-siliconpanel,LCOS panel）或穿透式液晶面板。然而，在其他实施例中，影像源210亦可以是自行发光显示器。

投影镜头100配置于开口242上，且配置于一放大侧与一缩小侧之间，其中影像源210配置于缩小侧。投影镜头100包括一第一透镜110、一第二透镜120、一第三透镜130、一第四透镜140、一第五透镜150及一第六透镜160。第一透镜110配置于放大侧与缩小侧之间，且具有负屈光度。第二透镜120配置于第一透镜110与缩小侧之间，且具有正屈光度。第三透镜130配置于第二透镜120与缩小侧之间，且具有正屈光度。第四透镜140配置于第三透镜130与缩小侧之间，且具有负屈光度。第五透镜150配置于第四透镜140与缩小侧之间，且具有正屈光度。第六透镜160配置于第五透镜150与缩小侧之间，且具有正屈光度。

在本实施例中，投影镜头100还包括一孔径光阑170，配置于第二透镜120与第三透镜130之间。此外，第一透镜110例如为凸面朝向放大侧的凸凹透镜，第二透镜120例如为双凸透镜，第三透镜130例如为凸面朝向缩小侧的凹凸透镜，第四透镜140例如为双凹透镜，第五透镜150例如为双凸透镜，且第六透镜160例如为双凸透镜。

在本实施例中，第一透镜110及第三透镜130例如为非球面透镜（aspheric lens），且第二透镜120、第四透镜140、第五透镜150及第六透镜160例如为球面透镜（sphericallens）。此外，在本实施例中，第一透镜110及第三透镜130可为塑胶透镜，且第二透镜120、第四透镜140、第五透镜150及第六透镜160可为玻璃透镜。

在本实施例的投影镜头100中，由于第三透镜130（即在孔径光阑170附近的透镜）的焦距大于等于20毫米且小于等于200毫米，且第一至第六透镜110～160的屈光度依序为负、正、正、负、正及正，因此第三透镜130对于成像品质的组装敏感度较小。如此一来，投影镜头100便可投影出清晰的成像品质，且投影镜头100的量产优良率亦可增加。

以下内容将举出投影镜头100的一实施例。需注意的是，下述表一至表八中所列的数据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明的范畴内。

（表一）

在表一中，间距是指两相邻表面之间在投影镜头100的光轴A上的直线距离，举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2之间在光轴A上的直线距离。备注栏中各透镜所对应的厚度、折射率与阿贝数请参照同列中各间距、折射率与阿贝数对应的数值。此外，在表一中，表面S1、S2为第一透镜110的两表面，表面S3、S4为第二透镜120的两表面，且表面S5为孔径光阑170。表面S6、S7为第三透镜130的两表面，表面S8、S9为第四透镜140的两表面。表面S10、S11为第五透镜150的两表面，且表面S12、S13为第六透镜160的两表面。表面S14、S15为内部全反射棱镜（total internal reflection prism,TIR prism）230的两表面，且表面S16、S17为用于保护影像源210的玻璃盖（cover glass）220的两表面。在表一，表面S17该列（row）中所填的间距为表面S17到影像源210的间距。

有关于各表面的曲率半径、间距等参数值，请参照表一，在此不再重述。

上述表面S1、S2、S6及S7为偶次项非球面，而其可用下列公式表示：

式中，Z为光轴A方向的偏移量（sag），c是密切球面（osculating sphere）的半径的倒数，也就是接近光轴A处的曲率半径（如表一内S1、S2的曲率半径）的倒数。k是二次曲面系数（conic），r是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度，而A₂、A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄...为非球面系数(aspheric coefficient)，在本实施例中系数A₂为0。下列表二所列出的是表面S1、S2、S6及S7的非球面参数值。

（表二）

图2A至图2C为图1的投影镜头的成像光学模拟数据图。请参照图2A至图2C，其中图2A为离焦调制转换函数曲线图（through focus modulation transfer function,throughfocus MTF），其横轴为离焦移位（focus shift），即离焦的位置，而纵轴为光学转移函数的模数（modulus of the optical transfer function）。在图2A中是以波长为460纳米至625纳米的光所作的模拟数据图。此外，图2B为影像的横向光线扇形图（transverse ray fanplot），其中EY、PY、EX及PX座标的最大座标为20微米，而最小座标为-20微米。再者，图2C中由左至右依序为场曲（field curvature）与畸变（distortion）的图形，其中场曲的图形是以波长为625纳米、623纳米、525纳米、462纳米及460纳米的光所作的模拟，而畸变的图形是以波长为625纳米、623纳米、525纳米、462纳米及460纳米的光所作的模拟。在图2A与图2C中，标示T的曲线代表子午（tangential）方向的模拟数据，而标示S的曲线代表弧矢（sagittal）方向的模拟数据。图2A至图2C所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的投影镜头100确实能够具有良好的光学成像品质。

以下表三与表四用以说明投影镜头100的设计使得第三透镜130对于成像品质的敏感度下降。

（表三）

MTF下降程度	在x方向偏心+0.02毫米	在x方向偏心-0.02毫米
			原始设计	26.79%	26.79%
本实施例	1.70%	1.70%

（表四）

MTF下降程度	在y方向偏心+0.02毫米	在y方向偏心-0.02毫米
			原始设计	34.82%	38.21%
本实施例	3.40%	3.40%

在表三与表四中，在“在x方向偏心+0.02毫米”的那一行与在“本实施例”那一列的数值“1.70%”代表，当第三透镜130相对于光轴A在x方向偏移+0.02毫米时，本实施例的投影镜头100所形成的影像的调制转换函数（Modulation Transfer Function,MTF）下降了1.70%，其余的数值所代表的物理意义则可以此类推。此外，x方向与y方向均垂直于光轴A，x方向垂直于y方向，且x方向例如是平行于影像画面的水平方向，而y方向例如是平行于影像画面的垂直方向。

由表三与表四中的数据可知，相对于原始设计，在本实施例的投影镜头100中，无论第三透镜130的偏心方向是往哪个方向，投影镜头100的调制转换函数的下降程度都较低，亦即第三透镜130对于组装误差的敏感度较低。

在本实施例中，机壳240例如为镁铝合金。当机壳240受到来自于影像源210的热量时，机壳240会因为受热而膨胀，进而导致表面S 13与影像源210在光轴A上的间距L增长。当机壳240与投影镜头100受热时，第三透镜130的光学参数随着第三透镜130受热而发生变化，并抵偿机壳240因受热膨胀而产生的光学效应。在本实施例中，上述第三透镜130的受热而发生变化的光学参数包括折射率、厚度、表面的曲率半径及非球面系数的至少其中之一。举例而言，当第三透镜130受热膨胀时，第三透镜130的折射率会变小，而使得投影镜头100的背焦长度变长，进而抵偿了间距L的受热增长效应。换言之，虽然间距L受热变长，但投影镜头100的背焦也变长，因此能使投影镜头100尽量对焦于影像源210上，进而提升投影镜头100的成像品质。

以下表五与表六用以说明投影镜头100的设计使得热漂移现象较不明显。

（表五）

（表六）

表五表示投影镜头的第一透镜110至第六透镜160所承受的温度梯度的例子。假设光学引擎200开机后是在30℃调焦完成，且假设此时表面S 13至影像源210的距离为40毫米，若镁铝合金的壳体240的线膨胀系数为23×10^-6(1/℃)，则当光学引擎200承受如表五的温度梯度时，即壳体240的温度上升至66℃时，则表面S 13至影像源210的膨胀量=40×23×10^-6×(66-30)=0.033毫米。这是因为投影镜头100是设置于壳体240的开口242上，且影像源210是设置于壳体240的内表面上，因此当壳体240受热膨胀时，就会使表面S13至影像源210的距离增加。

此时，第三透镜130的温度上升至41度，因此第三透镜130的折射率也跟着下降，而使得投影镜头100的背焦增长0.017毫米，亦即产生了-0.017毫米的热漂移效应（如表六所示）。如此一来，光学引擎200的整体热漂移便会减少，即成为0.016毫米。由于第三透镜130是采用正屈光度，因此第三透镜130受热膨胀时对投影镜头100的背焦是产生增长的影像。此外，由于第三透镜130是采用塑胶透镜，相较于玻璃透镜，塑胶透镜的折射率随着温度的变化程度较大，因此适合用来抵偿壳体240所造成的热漂移效应。

此外，原始设计因没有采用本实施例的特殊设计的第三透镜130，因此镜头的热漂移是正值，即0.025毫米，因此光学引擎的整体热漂移为0.058毫米。相较之下，本实施例的光学引擎200的热漂移较小。

以上的表一与表二所举出的投影镜头100的光学参数是在光学引擎200刚开机时的光学参数，而以下表七与表八所举出的投影镜头100的光学参数则是光学引擎200开机一段时间，而当温度梯度处在如表五的环境下时，投影镜头100的光学参数。

（表七）

（表八）

表七与表八中的各数值的物理意义可参照表一与表二中各数值的物理意义。将表七及表八与表一及表二比较，可看出温度梯度对投影镜头100的影响。

图3A至图3C为图1的投影镜头在表五的温度梯度下的成像光学模拟数据图，而图2A至图2C则是图1的投影镜头在光学引擎刚开机时的成像光学模拟数据图。请参照图3A至图3C，其中图3A为离焦调制转换函数曲线图，其横轴为离焦移位，即离焦的位置，而纵轴为光学转移函数的模数。在图3A中是以波长为460纳米至625纳米的光所作的模拟数据图。此外，图3B为影像的横向光线扇形图（transverse ray fan plot），其中EY、PY、EX及PX座标的最大座标为20微米，而最小座标为-20微米。再者，图3C中由左至右依序为场曲（fieldcurvature）与畸变（distortion）的图形，其中场曲的图形是以波长为625纳米、623纳米、525纳米、462纳米及460纳米的光所作的模拟，而畸变的图形是以波长为625纳米、623纳米、525纳米、462纳米及460纳米的光所作的模拟。在图3A与图3C中，标示T的曲线代表子午（tangential）方向的模拟数据，而标示S的曲线代表弧矢（sagittal）方向的模拟数据。图3A至图3C所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的投影镜头100能有效改善热漂移现象，亦即成像品质较不受环境温度上升的影像。

综上所述，在本发明的实施例的投影镜头中，由于第三透镜的焦距大于等于20毫米且小于等于200毫米，且第一至第六透镜的屈光度依序为负、正、正、负、正及正，因此第三透镜对于成像品质的组装敏感度较小。如此一来，投影镜头便可投影出清晰的成像品质，且投影镜头的量产优良率亦可增加。此外，在本发明的实施例的光学引擎中，由于当机壳与投影镜头受热时，第三透镜的光学参数随着第三透镜受热而发生变化，并抵偿机壳因受热膨胀而产生的光学效应，因此可有效改善光学引擎的热漂移现象。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。

此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。另外，说明书中提及的第一透镜、第二透镜.....等用语，仅用以表示元件的名称，并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims

1.一种投影镜头，用于容置于具有一开口的一机壳内，并配置于一放大侧与一缩小侧之间，其中一影像源位于该缩小侧，该开口位于该投影镜头与该影像源之间，该投影镜头包括：

一第一透镜，配置于该放大侧与该缩小侧之间，并远离该开口，且具有负屈光度；

一第二透镜，配置于该第一透镜与该缩小侧之间，且具有正屈光度；

一第三透镜，配置于该第二透镜与该缩小侧之间，且具有正屈光度，其中该第三透镜的焦距大于等于20毫米且小于等于200毫米；

一第四透镜，配置于该第三透镜与该缩小侧之间，且具有负屈光度；

一第五透镜，配置于该第四透镜与该缩小侧之间，且具有正屈光度；以及

一第六透镜，配置于该第五透镜与该缩小侧之间，并靠近该开口，且具有正屈光度，

其中该第一透镜及该第三透镜为非球面透镜，且该第二透镜、该第四透镜、该第五透镜及该第六透镜为球面透镜，以及该第一透镜及该第三透镜为塑胶透镜，且该第二透镜、该第四透镜、该第五透镜及该第六透镜为玻璃透镜，其中该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜、该第四透镜、该第五透镜及该第六透镜之间的位置是固定的。

2.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第一透镜为凸面朝向该放大侧的凸凹透镜，该第二透镜为双凸透镜，该第三透镜为凸面朝向该缩小侧的凹凸透镜，该第四透镜为双凹透镜，该第五透镜为双凸透镜，且该第六透镜为双凸透镜。

3.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该投影镜头还包括一孔径光阑，其配置于该第二透镜与该第三透镜之间。

4.一种光学引擎，包括：

一机壳，具有一开口；

一影像源，配置于该机壳内；以及

一投影镜头，配置于一放大侧与一缩小侧之间，该影像源配置于该缩小侧，其中该开口位于该投影镜头与该影像源之间，该投影镜头包括：

一第三透镜，配置于该第二透镜与该缩小侧之间，且具有正屈光度；

其中，当该机壳与该投影镜头受热时，该第三透镜的光学参数随着该第三透镜受热而发生变化，并抵偿该机壳因受热膨胀而产生的光学效应，

5.如权利要求4所述的光学引擎，特征在于，该第一透镜为凸面朝向该放大侧的凸凹透镜，该第二透镜为双凸透镜，该第三透镜为凸面朝向该缩小侧的凹凸透镜，该第四透镜为双凹透镜，该第五透镜为双凸透镜，且该第六透镜为双凸透镜。

6.如权利要求4所述的光学引擎，特征在于，该第三透镜的该光学参数包括折射率、厚度、表面的曲率半径及非球面系数的至少其中之一。

7.如权利要求4所述的光学引擎，特征在于，该第三透镜的焦距大于等于20毫米且小于等于200毫米。

8.如权利要求4所述的光学引擎，特征在于，该投影镜头还包括一孔径光阑，配置于该第二透镜与该第三透镜之间。