CN108333721A - 反射式广角镜头 - Google Patents

Abstract

本案提供一种具有大光圈(例如，FNO 1.7)及小投射比(例如，TR≦0.2)的反射式广角镜头。该反射式广角镜头可缩短镜头尺寸并减少需要的透镜数量，并同时达到对大范围的屏幕尺寸清晰聚焦的效果。该反射式广角镜头包含一镜头前组、及一镜头后组。该镜头前组包含一第一透镜群及一第二透镜群。该镜头后组包含一曲面反射镜。该第一透镜群至少包含一三胶合透镜、一非球面透镜、及二球面透镜。该第二透镜群至少包含二非球面透镜、及二球面透镜。该曲面反射镜为一内凹式光轴对称非球面反射镜。

Description

反射式广角镜头

技术领域

本案涉及使用曲面反射镜的广角镜头，具体为投影用的超短焦反射式投影镜头。

背景技术

随着投影机的关键元件的进步，显示元件的分辨率已达4K/2K，所搭配的光源不论是LED或雷射，其光源亮度也日益增高，使得投影产品进入家用市场更加成熟化。

短焦投影能使投影机与荧幕间的距离大幅缩短，往往只需几十公分的投影距离便可投出上百吋的画面。短焦投影机可放置于电视柜上，与一般电视机所放置的位置相同，故相较于一般长焦投影机更节省空间且具安装等优势，所以短焦投影在使用上比一般投影机更具实用性。

近年来短焦投影技术已慢慢成为市场的焦点，而当前的短焦投影的投射比约介于0.24～0.65之间，但要达到投射比0.2以下的超短焦镜头在技术上仍有困难。此外，在使用大光圈投影镜头以增加亮度的情况下，为了达到更小的投射比，镜头出光对荧幕必须具更大的入射角度，从而产生了更多的球差、慧差、像散、及投影影像的畸变。习知上，往往需使用较多的镜片数量以消除这些不良现象。另外，一般组装生产超短焦镜头时，仍需对镜头内某些镜片进行位置上的微调才能够得到较清晰的影像，造成制造工艺较为复杂，不利大量生产的需求。

在此背景下本创作产生。

发明内容

有鉴于此，依照本创作的一实施例，提供具有大光圈及小投射比的一种反射式广角镜头，该反射式广角镜头系用以投射来自显示元件的光线。该反射式广角镜头包含一镜头前组，该镜头前组系设置于一光轴上。该镜头前组包含一第一透镜群、及一第二透镜群，该第一透镜群系用以接收来自显示元件的光线且具有一第一焦距，该第二透镜群系用以接收来自该第一透镜群的光线。该反射式广角镜头更包含一镜头后组，该镜头后组包含一曲面反射镜，该曲面反射镜具有一第二焦距，其中该第二焦距对该第一焦距的比值的绝对值系大于0.7且小于1.3。从该第一透镜群最靠近显示元件的镜片顶点沿着该光轴至该第二透镜群最远离光源的镜片顶点的距离系定义为一镜头前组总长度，从该第一透镜群最靠近光源的镜片顶点至该曲面反射镜中心点而在该光轴方向上的距离系定义为一总镜头长度，且该总镜头长度对该镜头前组总长度的比值系大于1.8且小于 2.2。

在一实施例中，该镜头前组与该镜头后组具有相同的光轴。在一实施例中，该第一透镜群至少包含一三胶合透镜、一非球面透镜、及二球面透镜。在一实施例中，该三胶合透镜包含二外侧镜片及一中心镜片，其中该二外侧镜片为负屈光，且该中心镜片为正屈光。在一实施例中，该第二透镜群至少包含二非球面透镜、及二球面透镜。在一实施例中，该第二透镜群至少包含二非球面透镜、及一双胶合透镜。在一实施例中，该曲面反射镜为一内凹式光轴对称非球面反射镜。在一实施例中，该第二透镜群系用进行前后移动以调整该反射式广角镜头的焦距。

附图说明

从以下配合随图式所做出的详细描述，将更清楚本创作的其他态样。

参考以下配合随附图式所做的详细描述将可最好地了解描述的实施例及其优点。该等图式丝毫不限制熟悉本技艺者在不超出实施例的精神及范围下对描述的实施例做出形式及细节上的改变。

图1为根据本创作的一实施例的反射式广角镜头的结构示意图。

图2为反射式广角镜头的镜头前组及镜头后组的细部示意图。

图3A及图3B绘示了广角镜头于不同投影位置时所投出的荧幕尺寸大小。

图3C为投射比的示意图。

图4A绘示了投影屏幕上的不同取样点。

图4B～4D分别绘示了反射式广角镜头用于不同投影尺寸时的广角镜头调变

传递函数。

图5为反射式广角镜头用于不同投影尺寸时的畸变相像差图。

符号说明：

100 反射式广角镜头

101 镜头前组

103 镜头后组

105 反射镜

107 光轴

110 第一透镜群

111 非球面透镜

113 球面透镜

115 三胶合透镜

117 球面透镜

120 第二透镜群

121 非球面镜片

123 双胶合透镜

125 非球面透镜

S1～S18 镜面

C 显示元件

C1 稜镜

F1～F8 取样位置

具体实施方式

为了提供对本创作周密的了解，接下来的叙述中将提出许多特定的细节。所揭露的实施例可被实行而无须部分或全部的特定细节。为了不对所揭露的实施例造成不必要地混淆，众所周知的操作及原理则没有被详述。当配合特定的案例来描述所揭露的实施例时，应了解我们并非意图限制所揭露的实施例。当以相对性的描述词(例如，「左」与「右」、或「上」与「下」等)来描述特定实施例时，这些术语系为了容易理解而使用，且其意图并非为限制性的。

本创作提供了超短焦的反射式广角镜头，其具有适合大光圈使用(FNO1.7)、较少的镜片数目、缩短的镜头长度、无需于制造镜头时进行细部镜片调整、装配简单且符合大量生产的需求、可达0.2以下的投射比、及投影尺寸范围具较大缩放比率等优点。以下将藉由随附图式来说明本创作的各种实施例。

根据本创作的一实施例，图1显示了范例性反射式广角镜头100的示意图。反射式广角镜头100可为应用于投影显示设备的远心广角镜头(tele-centric wide anglelens)，其具有高分辨率、大光圈(例如，FNO1.7)、及低投射比(例如，0.19 的投射比)。现在参照图1，显示了反射式广角镜头100的配置方式。反射式广角镜头100可包含镜头前组101、及镜头后组103。该镜头前组101系设置于光轴107 上且包含第一透镜群110及第二透镜群120。反射式广角镜头100系用投射来自显示元件C的光线。来自显示元件C的光线经过稜镜C1、第一透镜群110、第二透镜群120之后，经由凹面非球面反射镜105而将光线投射至屏幕(未显示)上以供观众观看。该显示元件C可为投影显示设备的光学系统中所使用的显示元件，例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、数位微反射镜装置(DMD，DigitalMicromirror Device)、硅基液晶(LCoS，Liquid Crystal on Silicon)等光源调变元件。在图1的实施例中，显示元件C搭配稜镜C1，但我们应理解，在其他实施例中显示元件C可依据投影显示设备的需求而搭配有或不搭配有稜镜。

该第一透镜群110系用以接收来自显示元件C的光线且具有一第一焦距。第一透镜群110包含非球面透镜111、球面透镜113、三胶合透镜115、及球面透镜117。此外，该三胶合透镜115包含二外侧镜片及一中心镜片，其中该二外侧镜片为负屈光，且该中心镜片为正屈光。该第一透镜群110的主要功能为提升镜头分辨率、及降低光学轴向及侧向色差，其中三胶合透镜的使用可减少镜片的使用片数，并缩短镜头尺寸。

第二透镜群120系用以接收来自该第一透镜群的光线。该第二透镜群120包含非球面镜片121、双胶合透镜123、及非球面透镜125。在一些实施例中，该双胶合透镜123亦可为二球面镜片。该第二透镜群120的主要功能为消除光线在传递过程中产生的慧差及像散、降低畸变、增加视场角度、及配合不同投影尺寸进行前后移动以调整该反射式广角镜头的焦距而使得影像聚焦清晰。其中从该第一透镜群110最靠近显示元件的镜片顶点沿着该光轴107至该第二透镜群120 最远离显示元件的镜片顶点的距离系定义为镜头前组总长度。

镜头后组103包含曲面反射镜105(例如，内凹式光轴对称非球面反射镜)，用以反射从显示元件通过该第一透镜群及该第二透镜群的光线并修正第一透镜群 110及第二透镜群120所导致的歪曲像差。该曲面反射镜105具有一第二焦距。从该第一透镜群110最靠近显示元件的镜片顶点至该曲面反射镜105中心点而在该光轴107方向上的距离系定义为总镜头长度。根据本创作的反射式广角镜头可同时满足下列的条件式：

(I) 0.7<|第二焦距/第一焦距|<1.3

(II) 1.8<总镜头长度/镜头前组总长度<2.2

我们须注意，虽然图1显示镜头后组103系设置于与镜头前组101相同的光轴上，但在其他实施例中，镜头后组103亦可相对于光轴107而向上或向下偏移、及/或偏转一角度，在此情况下，只要满足该第一透镜群110最靠近显示元件的镜片顶点至该曲面反射镜105中心点而在该光轴107方向上的距离保持不变(换言之，总镜头长度不改变)即可。

本创作的镜头镜片排列方式可缩短广角镜头的外型尺寸及镜头内使用透镜的镜片数，可达到从小投影屏幕尺寸到大投影屏幕尺寸都可清晰聚焦的效果，并具有大光圈(例如，FNO 1.7)及非常小的投射比(例如，例如，投射比≦0.2)。

现在参照图2，我们应理解图2的目的仅为示例性的，且并非用以显示该等镜片之间的相对位置或比例。图2中针对各镜片所包含的镜面加以标示以利说明。如图2中所示，曲面反射镜105包含镜面S1。在第二透镜群120中，非球面透镜125包含镜面S2及镜面S3，双胶合透镜123包含镜面S4、镜面S5、及镜面S6，且非球面镜片121包含镜面S7及镜面S8。在第一透镜群110中，球面透镜117包含镜面S9及镜面S10，三胶合透镜115包含镜面S11、镜面S12、镜面S13、及镜面S14，球面透镜113包含镜面S15及镜面S16，且非球面透镜111包含镜面S17及镜面S18。以下将以表格来说明反射式广角镜头100的较佳实施例的范例性参数。我们应注意，其中厚度系指从该镜面/屏幕与光轴的交点位置至下一镜面的距离(换言之，所标注厚度为镜片的厚度或该镜面与下一镜面之间的间隔距离)。举例而言，屏幕栏位所标注的厚度为屏幕至镜面S1的间距，镜面S1栏位所标注的厚度为镜面 S1至镜面S2的间距，而镜面S2栏位所标注的厚度为镜面S2至镜面S3的间距(换言之，透镜125的厚度)。我们应理解，因本文中所述的尺寸系可按比率而加以放大缩小，因此其单位系未加以标注。另外，其中以星号加以标注者代表其在调整对焦时是可移动的。

(表1)

下列的表2～表4详述了非球面的镜面S1、S2、S3、S7～S8、及S17～S18的参数，其中K为锥形常数，AR为非球面系数。此外，表5为调整对焦时相互间的空气间隔厚度。

(表2)

(表3)

(表4)

(表5)

将上述表格的参数带入下述算式，即可得到该等镜面的坐标参数(原点位置系定义于镜片的顶点)。须注意，在下述算式中，CURV为上述曲率半径的倒数(换言之，1/RDY)，RADIUS系指镜片的曲率半径，且A、B、C、及D为非球面系数。对于镜面S1～S3而言，而其非球面表面的算式为：

X＝(Y/NRADIUS)

对于镜面S7～S8及S17～18而言，其非球面常数的算式为：

根据上述较佳实施例的反射式广角镜头其第二焦距对第一焦距的比值的绝对值约为0.98，其总镜头长度对镜头前组总长度的比值约为2.09，皆符合上述的二个条件式。虽然上面详述了一较佳实施例的参数，但我们应理解，上述参数仅为例示性而非限制性，且熟悉本技艺者可在不脱离本创作的架构及范围的情况下对该等参数进行修改，同时仍满足本揭露内容所述的二个条件式。

图3A及图3B说明了本创作的广角镜头100于不同投影位置时所投出的荧幕尺寸大小。图3C绘示了投射比的示意图，其为投影镜头前端至投影屏幕的距离D 对投射影像宽边L的比值(换言之，D/L)，根据本创作的反射式广角镜头可达到 0.19的投射比。

图4A绘示了投影屏幕上的不同取样点F1～F9。图4B～4D分别绘示了根据此实施例的反射式广角镜头用于110吋、98吋、及83吋投影尺寸时的广角镜头调变传递函数，该等图式中不同的曲线系分别对应于荧幕上F1～F9的位置的广角镜头调变传递函数曲线，其中每一位置又细分为x方向(sagittal)、及y方向(tangential)。

图5为根据此实施例的反射式广角镜头用于投影尺寸110吋、98吋、及83吋时的畸变相像差图(Distortion)。如图所示，本创作的反射式广角镜头的畸变量于整个视场中均小于1％。我们应注意，图5所示的畸变相像差图的目的仅为示例性的，其详系数据系载于下述的表6中。

(表6)

从以上实施例可看出本创作的大光圈(例如，FNO1.7)广角镜头可达成0.19的投射比，投影尺寸可达成大尺寸(例如，110～83吋)的大范围使用。另外，本创作的镜头调变传递函数于各种投影尺寸的各个位置均可达到约在0.5以上，其中以 98吋较佳，其镜头传递函数可达到约0.6。因此，根据本揭露内容的广角镜头在生产装配镜头时有足够的裕度可补偿组装时的公差，因此于生产时无需对内部的镜片进行单独调整，工艺简单，从而达成了广角镜头量产上的需要。

虽然已对前述的发明进行详细地描述以利于清楚理解的目的，显而易见的，仍可在随附申请专利范围的范围内实行某些改变及修改。因此，本文中的实施例应被认为是说明性的而非限制性的，且本创作不受限于本文中所提供的细节，而系可在随附申请专利范围的范围及同等物内修改。

Claims (8)

1.一种反射式广角镜头，具有大光圈及小投射比，该反射式广角镜头系用以投射来自显示元件的光线，该反射式广角镜头包含：

一镜头前组，设置于一光轴上，该镜头前组包含：

一第一透镜群，用以接收来自显示元件的光线，该第一透镜群具有一第一焦距；及

一第二透镜群，用以接收来自该第一透镜群的光线；及

一镜头后组，包含一曲面反射镜用以反射从显示元件通过该第一透镜群及该第二透镜群的光线，该曲面反射镜具有一第二焦距，该第二焦距对该第一焦距的比值的绝对值系大于0.7且小于1.3，

其中从该第一透镜群最靠近显示元件的镜片顶点沿着该光轴至该第二透镜群最远离显示元件的镜片顶点的距离系定义为一镜头前组总长度，从该第一透镜群最靠近显示元件的镜片顶点至该曲面反射镜中心点而在该光轴方向上的距离系定义为一总镜头长度，该总镜头长度对该镜头前组总长度的比值系大于1.8且小于2.2。

2.根据权利要求1所述的反射式广角镜头，其中该镜头前组与该镜头后组具有相同的光轴。

3.根据权利要求1所述的反射式广角镜头，其中该第一透镜群至少包含一三胶合透镜、一非球面透镜、及二球面透镜。

4.根据权利要求3所述的反射式广角镜头，其中该三胶合透镜包含二外侧镜片及一中心镜片，其中该二外侧镜片为负屈光，且该中心镜片为正屈光。

5.根据权利要求1所述的反射式广角镜头，其中该第二透镜群至少包含二非球面透镜、及二球面透镜。

6.根据权利要求1所述的反射式广角镜头，其中该第二透镜群至少包含二非球面透镜、及一双胶合透镜。

7.根据权利要求1所述的反射式广角镜头，其中该曲面反射镜为一内凹式光轴对称非球面反射镜。

8.根据权利要求1所述的反射式广角镜头，其中该第二透镜群系用进行前后移动以调整该反射式广角镜头的聚焦。