CN105911678B - 投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种投影装置，用来投射影像到屏幕，该投影装置包含有：光源，提供光线；成像单元，接收该光线；以及投影镜头，设置于该成像单元与该屏幕之间，用以投射该光线到该屏幕，该投影镜头包含：第一透镜组，邻近该屏幕，该第一透镜组包含具有负屈光度的第一透镜、第二透镜与第三透镜，该第一透镜为邻近该屏幕的非球面透镜，该第二透镜位于该第一透镜与该第三透镜之间；以及第二透镜组，具有正屈光度且邻近该成像单元；其中，该投影镜头的有效焦距为f，该第一透镜组的焦距为fG1，该第一透镜的焦距为fL1，该第二透镜的焦距为fL2，该第三透镜的焦距为fL3，且0.75≤|fG1|/f≤1.28，

Description

投影装置
本申请是申请日为2014年5月13日、申请号为201410198649.9、发明名称为《投影装置》的原申请的分案申请。
技术领域
本发明提供一种投影装置，尤指一种具有短焦投影镜头的投影装置。
背景技术
随着科技的进步，投影机常用来在会议简报中展示影像资料。为了配合会议室的场地大小，超短焦的投影镜头以其便于携带及调焦便利的优点逐渐成为市场主流。传统投影镜头是利用二次成像技术来达到短焦效果，然而其成本昂贵，故如何设计出一种成本便宜且具量产优势的短焦投影镜头，便为相关光学镜头产业的发展目标之一。
发明内容
本发明提供一种具有短焦投影镜头的投影装置，以解决上述问题。
一方面，本发明提供一种投影装置，用来投射影像到屏幕，该投影装置包含有：
光源，提供光线；
成像单元，接收该光线；以及
投影镜头，设置于该成像单元与该屏幕之间，用以投射该光线到该屏幕，该投影镜头包含：
第一透镜组，邻近该屏幕，该第一透镜组包含具有负屈光度的第一透镜、第二透镜与第三透镜，该第一透镜为邻近该屏幕的非球面透镜，该第二透镜位于该第一透镜与该第三透镜之间；
第二透镜组，具有正屈光度且邻近该成像单元；以及
第三透镜组，设置于该第一透镜组与该第二透镜组之间，该第三透镜组为该投影镜头的调焦透镜组；
其中，该投影镜头的有效焦距为f，该第一透镜组的焦距为fG1，该第一透镜的焦距为fL1，该第二透镜的焦距为fL2，该第三透镜的焦距为fL3，且0.75≤|fG1|/f≤1.28，
较佳的，该投影镜头的后焦为fbfl，且18mm≤fbfl≤32mm。
较佳的，该投影镜头为非远心系统。
较佳的，该第三透镜为双凹透镜。
较佳的，该第二透镜组包含第四透镜以及第五透镜，该第四透镜为玻璃材质的非球面透镜，该第五透镜为位于该第四透镜与该成像单元之间的胶合透镜。
较佳的，该第五透镜为双胶合透镜或具有消色差功能的单片透镜。
较佳的，该投影镜头还包含第三透镜组，该第三透镜组设置于该第一透镜组与该第二透镜组之间，该第三透镜组为该投影镜头的调焦透镜组。
较佳的，该投影镜头的透镜数量大于等于8片且小于等于12片。
较佳的，该第一透镜、该第二透镜为弯月型透镜。
较佳的，该投影装置还包含：滤光单元与反射元件，该滤光单元用于接收该光源提供的该光线并将该光线滤光成多个色光，经过该滤光单元处理后的光线被该反射元件反射而由该成像单元所接收。
较佳的，该成像单元为数字微型反射镜或液晶面板。
本发明设计一款非远心系统的投影镜头，以非球面透镜作为投影镜头的第一透镜。本发明利用非球面透镜修正成像畸变、色差等光学像差，不但可以有效提高投影装置的成像品质，更能大幅降低投影镜头的透镜数量，以满足产品的价格及量产优势。
附图说明
图1为本发明实施例的投影装置的示意图；
图2为本发明实施例的投影装置的部分结构示意图；
图3至图7为本发明实施例的投影镜头在不同第一透镜组的配置示意图；
图8为本发明实施例的投影镜头的各透镜像差模拟图；
图9为本发明实施例的投影镜头的像场弯曲及成像畸变模拟图；
图10为本发明实施例的投影镜头的横向色差模拟图；
图11为本发明实施例的投影镜头的调制转换函数模拟图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
请参阅图1，图1为本发明实施例的投影装置10的示意图。投影装置10用来投射影像到屏幕12。投影装置10包含光源14、成像单元16、投影镜头18、滤光单元20以及反射元件22。光源14输出光线，滤光单元20接收光线并将光线滤光成多个色光，经过滤光单元20处理后的光线被反射元件22反射而由成像单元16所接收。成像单元16接收来自反射元件22的多个色光并传递到投影镜头18。投影镜头18设置在成像单元16与屏幕12之间，将来自成像单元16的光线投射到屏幕12上。在数字光学处理(DLPTM)投影机中，滤光单元20为色轮，成像单元16为数字微型反射镜(Digital Micromirror Device，DMD)，反射元件22为凹面镜。液晶投影机中，滤光单元20是滤光片，反射元件22是反射镜面，且成像单元16是液晶面板。
请参阅图2，图2为本发明实施例的投影装置10的部分结构示意图。投影镜头18包含第一透镜组24以及第二透镜组26。第一透镜组24邻近屏幕12(即物侧)，第二透镜组26邻近成像单元16(即像侧)。第一透镜组24具有负屈光度且用以发散光线。第二透镜组26具有正屈光度且用以聚合光线。第一透镜组24包含具有负屈光度的第一透镜28、第二透镜30与第三透镜32。第一透镜28是邻近屏幕12(物侧)的非球面透镜，第二透镜30位于第一透镜28和第三透镜32之间，且第一透镜28与第二透镜30可为弯月型透镜。
为了兼顾投影镜头18的制作成本与结构设计，本发明将投影镜头18与第一透镜组24的焦距比例限定在特定数值范围内。举例来说，投影镜头18的有效焦距为f，第一透镜组24的焦距为fG1，有效焦距f的数值通常符合5.0mm≤f≤7.0mm的限制，而有效焦距f与焦距fG1的比例较佳为0.75≤|fG1|／f≤1.28。
请参阅图3至图7，图3至图7为固定有效焦距f、第二透镜组26的焦距fG2、第三透镜组38的焦距fG3的情况下，投影镜头18的第一透镜组26具有不同的焦距fG1的配置示意图。表1列举数种实施态样，投影镜头18的有效焦距f为6mm，第二透镜组26和第三透镜组38的焦距fG2、fG3分别为23.027mm及22.42mm，第一透镜组24的焦距fG1变化范围符合-8mm≤fG1≤-4mm的限制；根据有效焦距f与焦距fG1的不同比例，可分析得知投影镜头18的总长度与后焦fbfl。
表1
如图3所示，若比例小于下限(例：fG1＝-4mm，f＝6时，|fG1|/f＝0.67,0.67小于下限0.75)，投影镜头18的总长度较长，且后焦fbfl相应过短、易与投影装置10其他元件干涉，会造成投影镜头18的设计与制作成本提高。如图7所示，若比例大于上限(例：fG1＝-8mm，f＝6时，|fG1|/f＝1.33，1.33大于上限1.28)，投影镜头18的总长度较短，后焦fbfl则相应过长、需较多元件控制像差，不但会提高投影镜头18的设计与制作成本，且两透镜组24,26配置过近易于调焦过程产生结构干涉而损坏。如图4至图6所示，比例符合0.75≤|fG1|/f≤1.28的限制，投影镜头18的总长度与后焦fbfl可被控制在适当范围内。其中，投影镜头18的后焦fbfl的范围较佳为18mm≤fbfl≤32mm。
此外，本发明进一步设计第三透镜32具有较大的屈光力(refractive power)，例如：第一透镜28的焦距为fL1，第二透镜30的焦距为fL2，第三透镜32的焦距为fL3，且这样一来，第一透镜28与第二透镜30不需形成较高的表面曲度，使得第一透镜28和第二透镜30容易生产，进而降低投影镜头18的整体成本。其中，第三透镜32较佳可为双凹透镜。
第二透镜组26可包含第四透镜34以及第五透镜36。第二透镜组26可包含第四透镜34、第五透镜36、第六透镜40及第七透镜42。第四透镜34较佳为玻璃材质的非球面透镜，以符合耐高温的实际需求。第五透镜36为设置在第四透镜34与成像单元16之间的胶合透镜。第五透镜36较佳可为双胶合透镜(doublet lens)，如图2所示；或者也可替换为具有消色差功能的单片透镜，其应用态样端视设计需求而定，于此不再详加叙明。投影镜头18还包含第三透镜组38，第三透镜组38设置在第一透镜组24与第二透镜组26之间。第三透镜组38为投影镜头18的调焦透镜组。第三透镜组38通常包含第八透镜44及第九透镜46，然其镜片数量可不限于图2实施例所示。
在本发明实施例中，投影镜头18具有十片透镜，其中包含两片非球面透镜(第一透镜28及第四透镜34)和八片球面透镜(第二透镜30、第三透镜32、第五透镜36、第六透镜40、第七透镜42、第八透镜44及第九透镜46，其中第五透镜36为两镜片胶合而成的双胶合透镜)。表2列举了投影镜头18的各透镜的较佳参数值。于表2中，「距离」的值代表对应此列的表面至下一列的表面的间距，即此列镜面与下一列镜面的间距。
表2
在本发明的其它实施例中，投影镜头18也可设计由八片透镜组成。其中第三透镜组38可以仅包含第八透镜44(即第九透镜46略去不用)，第二透镜组26的第五透镜36另由一个非球面透镜(未示于图中)取代。因此，本发明的投影镜头18的透镜数量不少于八片，并因为投影镜头18的内部空间有限而至多不可超过十二片；换句话说，投影镜头18的透镜数量较佳的大于等于8片且小于等于12片。
请参阅图8至图11。图8为本发明实施例的投影镜头18的各透镜像差(rayaberration)模拟图。图9为本发明实施例的投影镜头18的像场弯曲(field curvature)及成像畸变(distortion)模拟图。图10为本发明实施例的投影镜头18的横向色差(lateralcolor)模拟图。图11为本发明实施例的投影镜头18的调制转换函数(modulation transferfunction,MTF)模拟图。图8中图(a)到图(i)分别表示投影镜头18的第一透镜～第九透镜的光学像差模拟图像。从上述图式分析可知，本发明的投影镜头18有效调整了各镜头的色差、离焦，并在成像畸变、像场弯曲与横向色差等方面取得良好的控制，根据调制转换函数模拟图可得知本发明的投影镜头18在反差对比度及锐利度都有极佳的表现。
传统的短焦投影镜头在靠近画面边缘易有严重像差。本发明设计一款非远心系统的投影镜头，以非球面透镜作为投影镜头的第一透镜。本发明利用非球面透镜修正成像畸变、色差等光学像差，不但可以有效提高投影装置的成像品质，更能大幅降低投影镜头的透镜数量，以满足产品的价格及量产优势。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种投影装置，用来投射影像到屏幕，其特征在于，该投影装置包含有：
光源，提供光线；
成像单元，接收该光线；以及
投影镜头，设置于该成像单元与该屏幕之间，用以投射该光线到该屏幕，该投影镜头包含：
第一透镜组，邻近该屏幕，该第一透镜组包含具有负屈光度的第一透镜、第二透镜与第三透镜，该第一透镜为邻近该屏幕的非球面透镜，该第二透镜位于该第一透镜与该第三透镜之间；
第二透镜组，具有正屈光度且邻近该成像单元；以及
第三透镜组，设置于该第一透镜组与该第二透镜组之间，该第三透镜组为该投影镜头的调焦透镜组，该第三透镜组在该第一透镜组和该第二透镜组之间移动以进行调焦；
其中，该投影镜头的有效焦距为f，该第一透镜组的焦距为fG1，该第一透镜的焦距为fL1，该第二透镜的焦距为fL2，该第三透镜的焦距为fL3，且0.75≤|fG1|/f≤1.28，
2.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该投影镜头的后焦为fbfl，且18mm≤fbfl≤32mm。
3.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该投影镜头为非远心系统。
4.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该第三透镜为双凹透镜。
5.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该第二透镜组包含第四透镜以及第五透镜，该第四透镜为玻璃材质的非球面透镜，该第五透镜为位于该第四透镜与该成像单元之间的胶合透镜。
6.如权利要求5所述的投影装置，其特征在于，该第五透镜为双胶合透镜或具有消色差功能的单片透镜。
7.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该投影镜头的透镜数量大于等于8片且小于等于12片。
8.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该第一透镜、该第二透镜为弯月型透镜。
9.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该投影装置还包含：滤光单元与反射元件，该滤光单元用于接收该光源提供的该光线并将该光线滤光成多个色光，经过该滤光单元处理后的光线被该反射元件反射而由该成像单元所接收。
10.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该成像单元为数字微型反射镜或液晶面板。
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