CN107783265B - 光学镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学镜头，光学镜头包括两个透镜群以及一设于其两者之间的光圈。第一透镜群包括一片具有屈光度的透镜，而第二透镜群则包括两片双胶合透镜，同时，第二透镜群得包括一片阿贝数大于70的透镜；再者，光学镜头的总长除以光学镜头的有效焦距的比值小于等于10。

Description

光学镜头
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，尤其涉及一种有可动群的光学镜头及系统。
背景技术
近年来随科技的进展，光学镜头的种类日渐多元，光学投影镜头即是其中之一者。一般传统的光学投影镜头的架构约使用六至八片镜片。而大光圈镜头中，因应畸变(distortion)及色差(chromatic aberration)问题，多使用多片非球面镜片以及多组胶合透镜。而前述的畸变是由像点与光轴距离不同，致使其侧向放大率而随之不同所产生的。而色差则因各光线波长经过光学界而时发散角不同所致。
然而，各种需求亦在更新，例如是像面大小(image circle)的增加、传感器的像素因应解析度需求的提高而缩小、更小的畸变、更短的镜头以及更大的最大视场角(FOV,field of view)等需求，传统的架构已无法满足新型镜头对光学品质的需求，故需要在制造成本取得平衡的前提下设计一种新架构来满足以上提到的大视场角、高投射比、高解像、大光圈以及最大视场角的需求。
发明内容
根据本发明的一个观点，关于一种光学镜头，光学镜头大致包括两个透镜群以及设于其两者之间的光圈(STOP)。第一透镜群作为可动对焦群，具有正屈光度及四片透镜，而第二透镜群则包括两片双胶合透镜，同时，第二透镜群可包括一片阿贝数大于70的透镜。再者，光学镜头的总长(TTL,total track length)除以光学镜头的有效焦距(EFL,effectivefocal length)的比值小于等于10。
另外，第一透镜群的四片透镜，由光学镜头最朝向外侧依序排列为第一透镜、第二透镜、第三透镜与第四透镜，屈光度分别为负、负、正、正，且所述第一透镜、第二透镜与第三透镜都是非球面透镜。再者，第二透镜群具有正屈光度，且包括屈光度为负的第一胶合透镜、屈光度为正的第二胶合透镜与玻璃非球面透镜，其中第一胶合透镜由屈光度为正的第五透镜与屈光度为负的第六透镜组合而成，第二胶合透镜由屈光度为正的第七透镜与屈光度为负的第八透镜组合而成，而玻璃非球面透镜为屈光度为正第九透镜。光学镜头中，其具有屈光度的透镜数量可控制为9片。另外，光学镜头的放大侧及缩小侧的第一片具有屈光度的透镜可均为非球面透镜。另外，第一透镜群于放大侧的第一片具有屈光度的透镜的半直径可小于14。再者，光学镜头的总长可小于90毫米(mm)。
另外，本发明的光学镜头亦得包括第一透镜群及第二透镜群。第一透镜群具有正屈光度及第一透镜、第二透镜、第三透镜与第四透镜，且屈光度分别为负、负、正、正，所述屈光度均为负的两片透镜包括一非球面透镜。
第二透镜群具有正屈光度，且包括屈光度为负的第一胶合透镜、屈光度为正的第二胶合透镜与一玻璃非球面透镜，所述第一胶合透镜由屈光度为正的第五透镜与屈光度为负的第六透镜组合而成，所述第二胶合透镜由屈光度为正的第七透镜与屈光度为负的第八透镜组合而成，而所述玻璃非球面透镜，为屈光度为正第九透镜，而第一胶合透镜中包括片阿贝数超过70的透镜，以及设于所述第一透镜群及所述第二透镜群之间的光圈，其中光学镜头的光圈值小于等于2，而且光学镜头的最大视场角大于100度，且光学镜头中具有屈光度的透镜数量可控制为9片。
按前述的设计，本发明得于有限的成本下，提供优异的光学性能。为让本发明更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1A是本发明的第一实施例的光学系统的示意图。
图1B是本发明的第一实施例的光学系统中光阀的示意图。
图2是本发明的第一实施例的光学镜头的示意图。
具体实施方式
本发明关于一种光学系统。光学系统可为影像投影系统、投影机、影像撷取系统或为摄影机。请参阅图1A，图1A是本发明的第一实施例的光学系统的示意图。于本具体实施例中，光学系统1为投影机。本具体实施例在最简化时得包括有光学镜头10、光源20以及光阀30。光源20向光阀30提供照明光，光阀30将照明光转化成影像光后通过光学镜头10投影至投影表面2。光阀30可为数位微型镜片装置(DMD)、液晶LCD或是其他具有把照明光转化成影像光的元件或是装置。光源20可包括可视光的发光二极管芯片、非可视光发光二极管芯片或是激光芯片等半导体芯片配合波长转换材料或是其他应用于投影领域的光源配合各式光学元件亦可。
于本具体实施例中，光学镜头10为投影镜头。光阀30是运用数位光学处理技术(DLP)的数位微型镜片装置(DMD)芯片。请参阅图1B，图1B是本发明的第一实施例的光学系统中光阀的示意图，前述的芯片具有矩型对角线大小约为0.47英吋的反射表面，所述反射表面具有多个微型反射镜，而每个微型反射镜的高及宽为5.4微米(um)，而各个微型反射镜为像素，所述芯片高度方向及水平方向分别具有1920以及1080个像素。而芯片的有效区域的高(H)及宽(V)分别约为10.37mm以及5.832mm。再者，光源20为能分别输出多种不同波段的多个发光二极管封装体。而光源20及光阀30之间包括了一个合光装置(未标示)，所述合光装置包括了一个X字状的合光滤镜组，而光源的各个发光二极管封装体设于前述合光滤镜组的各个方向。
于本具体实施例中，光学镜头10得设于放大侧OS以及缩小侧IS之间。于本具体实施例中，光学镜头10被应用为投影镜头，其放大侧指镜头10输出影像光的一端，而缩小侧则指镜头10相对于光阀30的一侧。但若光学镜头10用作取像时，缩小侧则指镜头10相对于感光元件的的一端。
请参阅图2，图2是本发明的第一实施例的光学镜头的示意图，光学镜头10可包括，依放大侧OS往缩小侧IS沿光轴排列，第一透镜群11、光圈S(STOP)、第二透镜群12以及例如是全反射棱镜(TIR prism)以及覆盖玻璃(CG，cover glass)等光学元件。再者，光圈S得视设计的需要而独立设置感是整合于透镜的表面，本发明不对其多加限制。
承前所述，于本具体实施例中，光学镜头10包括有第一透镜群11以及第二透镜群12，而两者由光圈S所分隔。第一透镜群11为可动对焦群，而第一透镜群11包括了四片光学元件L1-L4，各光学元件的屈光度依序分别为负、负、正、正，于本具体实施例中，光学元件L1-L4分别为透镜。而第二透镜群12包括了三片光学元件L5-L7，各透镜的屈光度依序分别为负、正、正。其中，光学元件L5及L6均为双胶合透镜，亦即光学元件L5及L6均分别地由两片透镜L51、L52及透镜L61及L62所胶合而成。透镜L51的屈光度为正，透镜L52的屈光度为负，透镜L61的屈光度为正，而透镜L62的屈光度为负。再者，本发明各例中提及的胶合透镜并不以利用粘胶结合为限，其也得以机构或是其他方式相互固定而成，本发明不以此为限。
而本具体实施例的光学系统中各元件的细部参数，可参阅下列表一至表二。
表一
表一记载了光学系统中各透镜的光学参数值，所述表面编号中的*号是代表所述表面为非球面；反之，则为球面。而表面编号则指镜头10由放大侧往缩小侧排列的光学元件的表面的排列顺序。另外，表一中的半径及厚度/距离的单位为毫米(mm)。TIR可指全反射棱镜。CG则可指为玻璃盖体(cover glass)。
由前述表格可得知，于本具体实施例中，光学镜头1包括有七片具有屈光度的光学元件，共九片透镜。而第一透镜群11中最接近放大侧的三片相互邻接且连续排列的光学元件L1-L3的两个表面均为非球面表面。而第二透镜群12中最接近缩小侧有屈光度的透镜的两个表面均为非球面表面。
光学元件L1、L7使用非球面设计的用意在于改善系统的畸变量。而将光学元件L2、L3使用非球面的用意在于缓解大光圈设计中，镜头系统中会产生的严重球面像差(spherical aberration)与慧差(coma aberration)。光学元件L5、L6使用胶合透镜的设计是为了使镜头系统达到小的色差。需了解的是，双胶合透镜抗开胶能力较三胶合透镜佳，且采用两片双胶合透镜时，其总长通常较短，其效益相对较佳。前述开胶一词，是指镜片之间的胶体因温差劣化而使镜片掉落的现象。
另外，于本发明的一观点中，第二透镜群12应包括一片阿贝数大于70、80或是90的透镜。当阿贝数大于70时，其效果已为明显，而大于80时，效果较佳，而当阿贝数为90以上时，效果最佳。而于第一具体实施例中，第二透镜群12中的两片胶合透镜中的透镜L51则采用阿贝数约为94的透镜以取得较佳的光学品质，惟因阿贝数较高的透镜成本较一般透镜高上许多，故设计时应参酌成本决定利用何种级距的透镜。另外，第一透镜群11最接近所述放大侧的具有屈光度的透镜L1的半直径(semi diameter)小于14mm。
而就本具体实施例中各非球面表面的设计参数，可见表二如下：
表二
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S16 S17
K -1.79E+00 -2.12E+00
4th -5.06E-04 3.92E-04 1.38E-04 7.33E-05 1.63E-05 -1.08E-05 -5.49E-05 -4.61E-05
6th 6.55E-06 -1.10E-05 5.16E-07 3.70E-08 1.81E-07 3.02E-07 -2.71E-07 -3.79E-07
8th -5.22E-08 2.65E-07 -3.54E-10 -2.36E-10 -2.72E-10 6.12E-10 2.16E-09 5.89E-09
10th 2.59E-10 -3.56E-09 2.90E-11 -3.23E-12 -3.83E-12 -1.06E-11 -3.87E-11 -7.97E-11
12th -7.22E-13 2.54E-11 7.98E-15 2.04E-14 2.29E-13 5.31E-13
14th 8.46E-16 -7.55E-14 -3.43E-16 -1.32E-15
而其相对应的运算公式为公式1，如下：
另外，光学镜头的总长(TTL)在小于100mm时，其效果较佳，光学镜头的总长(TTL)在90mm以下时更佳，而在约80mm时，其效果最佳。光学镜头的总长(TTL)的其中一种计算方法为，由镜头于放大侧起算第一片具有屈光度的透镜面向放大侧的表面与光轴上的交点，与镜头于缩小侧起算第一片具有屈光度的透镜面向缩小侧的表面与光轴上的交点之间，两个交点的距离。而需要时，光学镜头的总长(TTL)的另一计算方法为由镜头于放大侧起算第一片具有屈光度的边镜面向放大侧的表面与光轴上的交点，与光阀与光轴交点之间的总长。于第一具体实施例中，光学镜头的总长(TTL)为表面S1至表面S17之间的总距离，为81.147mm。
另外，在另一观点中，光学系统的光学镜头的总长(TTL)除以有效焦距(EFL)比值小于等于12。然而，若其TTL/EFL的值小于10时，其效果较佳，而当前述比值小于8时，效果最佳。以第一具体实施例为例，其TTL为81.147，而EFL则为12.98，故其两者的比值约为6.25。
另外，镜头的投射比视条件不同，大致小于3。而在条件较佳时，会在2以下，而于第一具体实施例中，镜头的投射比约为1至1.3之间而约为1.24。而就形变量(opticaldistortion)部份，其小于1％时，效果较佳。以第一具体实施例为例，其形变量小于0.25％，而约为0.18。再者，光圈(F/#)值依细部设计的不同而得有所差别，惟光圈值小于等于3.6时较佳，小于等于2.0时更佳，而以第一具体实施例及第二具体实施例为例，其均约为1.7。
再者，光学镜头10的最大视场角(FOV)大于80度时较佳，大于120度时更佳，而以本发明的第一具体实施例中，其最大视场角(FOV)约为140度。
依据上述说明可知，本发明实施例提供了一种平衡成本以及性能的光学系统设计，可达到上述的功效。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不脱离本发明的精神和范围内，仍可修改或变更，例如改变各群镜片的片数、调整各镜片的光学参数(如屈光度,power)或插入不影响光学性质的镜片等，本发明的保护范围仍以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种投影镜头，其特征在于，包括：
第一透镜群，具有正屈光度及四片透镜，由所述投影镜头最朝向外侧依序排列为第一透镜、第二透镜、第三透镜与第四透镜，且屈光度分别为负、负、正、正；而所述的第一透镜、第二透镜与第三透镜，都是非球面透镜；
第二透镜群，具有正屈光度，且包括屈光度为负的第一胶合透镜、屈光度为正的第二胶合透镜与一玻璃非球面透镜，所述第一胶合透镜由屈光度为正的第五透镜与屈光度为负的第六透镜组合而成，所述第二胶合透镜由屈光度为正的第七透镜与屈光度为负的第八透镜组合而成，而所述玻璃非球面透镜，为屈光度为正第九透镜；以及
光圈，设于所述第一透镜群与所述第二透镜群之间；
其中，所述投影镜头的总长除以所述投影镜头的有效焦距的比值小于等于10，所述投影镜头具有屈光度的透镜数量为9片。
2.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜群为可动对焦群。
3.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜群包括两片相互邻接的非球面透镜。
4.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜群包括三片非球面透镜。
5.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头还包含一阿贝数大于等于70的透镜，且所述阿贝数大于等于70的透镜的阿贝数大于80。
6.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜群最接近放大侧的具有屈光度的透镜为非球面透镜；以及所述第二透镜群最接近缩小侧的具有屈光度的透镜为非球面透镜。
7.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜群最接近放大侧的具有屈光度的透镜的半直径小于14。
8.一种投影镜头，其特征在于，包括：
第一透镜群，具有正屈光度及第一透镜、第二透镜、第三透镜与第四透镜，且屈光度分别为负、负、正、正，所述屈光度均为负的两片透镜包括非球面透镜；
第二透镜群，具有正屈光度，且包括屈光度为负的第一胶合透镜、屈光度为正的第二胶合透镜与一玻璃非球面透镜，所述第一胶合透镜由屈光度为正的第五透镜与屈光度为负的第六透镜组合而成，所述第二胶合透镜由屈光度为正的第七透镜与屈光度为负的第八透镜组合而成，而所述玻璃非球面透镜，为屈光度为正第九透镜，所述第一胶合透镜中包括阿贝数超过70的透镜；以及
光圈，设于所述第一透镜群及所述第二透镜群之间；
其中，所述投影镜头的光圈值小于等于2，而且所述投影镜头的最大视场角大于100度，所述投影镜头具有屈光度的透镜数量为9片。
9.如权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，所述第二胶合透镜中包括阿贝数超过70的透镜。
10.如权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，所述光学镜头的最大视场角大于120度。
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