CN108572434B - 变焦镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种变焦镜头，包含具负屈光度的第一透镜群、具正屈光度的第二透镜群以及设于第二透镜群内且随第二透镜群一起移动的光圈，其中第一透镜群以及第二透镜群各自移动。变焦镜头还包含位于光圈一侧的双合透镜，其位于第一透镜群与光圈之间，光圈另一侧最多有两片透镜，其中至少包含一非球面透镜。
Description
技术领域
本发明有关于一种镜头，且特别是有关于一种变焦镜头。
背景技术
随着光电技术的进步，投影机、数字摄影机以及数字相机等影像装置已被广泛地应用于日常生活中。这些影像装置的核心元件之一为变焦镜头。通过调整变焦镜头，使影像清晰地对焦于屏幕或电荷耦合元件上而成像，因此，成像品质与变焦镜头的光学品质息息相关。在竞争激烈的市场中，各厂商莫不致力于改良变焦镜头的光学品质，并降低其重量、体积以及制作成本，以提升上述影像装置的竞争优势。因此，如何制造一小型化及高性能，且具备低像差、大光圈、便宜及高解像力等特点的变焦镜头，是目前本领域的技术人员的重要课题之一。
再者，光学设计领域技术人员惯用的光学设计软件CODE V明确定义“EXP”为“出瞳距离(Exit Pupil Distance)”，因此“EXP”代表“出瞳距离”为本申请所属领域普通技术人员的公知常识。
发明内容
本发明的其他目的和优点可以从本发明实施例所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
本发明的一实施例提出一种变焦镜头，包含具负屈光度的第一透镜群、具正屈光度的第二透镜群以及设于第二透镜群内且随第二透镜群一起移动的光圈，其中第一透镜群以及第二透镜群各自移动。变焦镜头还包含位于光圈一侧的双合透镜，其位于第一透镜群与光圈之间，光圈另一侧最多有两片透镜，其中至少包含一非球面透镜。
通过本发明实施例的设计，变焦镜头具有至少一双合透镜以平衡色差，且具有至少一非球面透镜以减少像差，再者，变焦镜头具有较少的透镜数目及大光圈。另外，变焦镜头因较小的EXP故能缩小镜头总长，使变焦镜头具有小型化特性，EXP为变焦镜头的出瞳距离。此光阀成像面在投影系统中，一般位于镜头的物侧那一端，而非投影的像侧那一端。因此，能提供一种具有良好消像差能力、易于小型化且能提供较佳成像品质的变焦镜头设计。
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，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例的变焦镜头于广角端与望远端的示意图。
图2为本发明另一实施例的变焦镜头于广角端与望远端的示意图。
图3为本发明另一实施例的变焦镜头于广角端与望远端的示意图。
图4为本发明另一实施例的变焦镜头于广角端与望远端的示意图。
图5为本发明另一实施例的变焦镜头于广角端与望远端的示意图。
图6-图10分别为图1-图5的变焦镜头在广角端的调制转换函数曲线图。
图11-图15分别为图1-图5的变焦镜头在广角端的调制转换函数曲线图，显示对应空间频率变化的光学转移函数的模数。
图16-图20分别为图1-图5的变焦镜头的表现非点像差的像场弯曲图以及表现歪曲像差的畸变图。
附图标号：
10a、10b、10c、10d、10e 变焦镜头
12 光轴
14 光圈
16 保护玻璃表面
20 第一透镜群
30 第二透镜群
d1、d2 可变间距
L1-L8 透镜
S1-S17 表面
A、B、C、D、E、F 曲线
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，在以下配合参考图式的多个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”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。另外，下列实施例中所使用的用语“第一”、“第二”是为了辨识相同或相似的元件而使用，并非用以限定该元件。另外，以下实施例只针对投影装置及显示系统做进一步的说明，本领域技术人员可依照实际需求而将此连接系统应用于任何所需要的状况。
本发明的一实施例提出一种变焦镜头，包含具负屈光度的第一透镜群、具正屈光度的第二透镜群以及设于第二透镜群内且随第二透镜群一起移动的光圈，其中第一透镜群以及第二透镜群各自移动。变焦镜头还包含位于光圈一侧的双合透镜，其位于第一透镜群与光圈之间，光圈另一侧最多有两片透镜，其中至少包含一非球面透镜，其中变焦镜头还满足下列条件之一：(1)第一透镜群包含具负屈光度的两片新月形透镜，第二透镜群包含具正屈光度的两片透镜，其位于两片新月形透镜和双合透镜之间，且非球面透镜具正屈光度，(2)第一透镜群包含具负屈光度的一新月形透镜和一非球面透镜，第二透镜群包含具负屈光度的一新月形透镜，位于第一透镜群和双合透镜之间，且第一透镜群和第二透镜群包含的非球面透镜均具正屈光度，(3)第一透镜群包含两片具负屈光度的新月形透镜，第二透镜群包含具正屈光度的一双凸透镜和另一双合透镜，均位于第一透镜群和双合透镜之间，且第二透镜群包含的非球面透镜具正屈光度。
本发明一实施例的变焦镜头包含沿一方向依序设置第一透镜群及第二透镜群，第一透镜群以及第二透镜群各自移动，设于第二透镜群内的光圈和位于光圈的一侧且位于第一透镜群与光圈之间的双合透镜，以及位于光圈另一侧的非球面透镜，变焦镜头还满足下列条件：
-28.5mm≦EXP≦-26mm，其中EXP为变焦镜头的出瞳距离。此光阀成像面在投影系统中，一般位于镜头的物侧那一端，而非投影的像侧那一端。假设变焦镜头被设计为EXP<-28.5mm，镜头总长会过大而导致整个镜头组件难以小型化。再者，假设变焦镜头被设计为EXP>-26mm，背焦会过小而导致照明光与影像光发生干涉，使整个镜头的光学效能变差。另外，于一实施例中，双合透镜包含折射率小于1.68的正屈光度透镜。
本发明一实施例的变焦镜头满足光圈≦2.2。于另一实施例中，变焦镜头的变倍比范围为1.05-1.2。于另一实施例中，变焦镜头的背焦距离介于18-24mm。于另一实施例中，变焦镜头的投射比(throw ratio)介于1.3和1.6之间，其中投射比为投影距离(ThrowDistance)/投影画面宽度(Screen Width)。于另一实施例中，变焦镜头包含的透镜总数目不超过10片。于另一实施例中，非球面透镜的材质为玻璃或塑胶。
在本发明中所谓的光阀，指一种可将照明光转为影像光的光学装置，例如DMD、LCD、LCOS等，此为本领域技术人员所知。通过本发明实施例的设计，能提供一种具有良好消像差能力、易于小型化且能提供较佳成像品质的变焦镜头设计。
图1是本发明一实施例的变焦镜头于广角端与望远端的示意图。请参照图1，在本实施例中，变焦镜头10a包含第一透镜群20、第二透镜群30以及位于第二透镜群30内且随第二透镜群30一起移动的光圈14。第一透镜群20与第二透镜群30各自移动以于广角端与望远端之间切换。详言之，当第一透镜群20与第二透镜群30朝接近彼此的方向移动时，变焦镜头10a由广角端往望远端切换，此时变焦镜头10a的可变间距d1会变小，且可变间距d2会变大。反之，当第一透镜群20与第二透镜群30朝远离彼此的方向移动时，变焦镜头10a由望远端往广角端切换，此时变焦镜头10a的可变间距d1会变大，且可变间距d2会变小。因此，于本发明实施例中，变焦镜头包含两个透镜群，且第一透镜群20与第二透镜群30是以两群之间的距离d1为可变距离来区分。于一实施例中，第一透镜群20沿光轴12方向移动以进行调焦操作(focus)，且第二透镜群30沿光轴12方向移动以进行缩放操作(zoom)。
第一透镜群20具有负屈光度，且第二透镜群30具有正屈光度。第一透镜群20包含沿光轴12从放大侧(图1的左侧)往缩小侧(图1的右侧)依序排列的透镜L1及L2，第二透镜群30包含沿光轴12从放大侧往缩小侧依序排列的透镜L3、L4、L5、L6、L7及L8。透镜L1-L8的屈光度分别为负、负、正、负、正、正、负及正。于本实施例中，第二透镜群30的最靠近缩小侧的透镜L8为非球面透镜。透镜L6及透镜L7形成具正屈光度的双合透镜(doublet)，光圈14位于透镜L7及透镜L8之间。于一实施例中，透镜L6及透镜L7的屈光度分别为负及正。于一实施例中，非球面透镜的材质为玻璃。
值得注意的是，双合透镜中的两相邻透镜的相邻两面具有相同或相近的曲率半径，且双合透镜的相邻两面利用不同的方式贴合，例如以光学胶涂布在相邻两面间胶合、以机构件将相邻两面压合等方式而不限定。
于变焦镜头10a中，透镜L1具有一放大侧凸面S1及一缩小侧凹面S2，透镜L2具有一放大侧凸面S3及一缩小侧凹面S4，透镜L3具有一放大侧凸面S5及一缩小侧凸面S6，透镜L4具有一放大侧凹面S7及一缩小侧凹面S8，透镜L5具有一放大侧凸面S9及一缩小侧凸面S10，透镜L6具有一放大侧凸面S11，透镜L7具有一放大侧凹面S12及一缩小侧凹面S13，且透镜L8在与光轴12交会处具有一放大侧凹面S15及一缩小侧凸面S16，在本实施例中，表面S17为光阀(图中未显示)的保护玻璃表面。于一实施例中，表面S17是光阀(例如是DMD、LCD或LCOS等装置)的成像面。
变焦镜头10a的透镜设计参数如表一及表二所示。然而，下文中所列举的数据并非用以限定本发明，任何所属领域中相关技术人员在参照本发明之后，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
| d1 | d2 | |
| 广角端 | 18.31 | 20.00 |
| 望远端 | 11.66 | 20.92 |
表二
| F/# | EFL(mm) | TTL(mm) | |
| 广角端 | 2.09 | 15.68 | 92 |
| 望远端 | 2.17 | 17.72 | 86.27 |
TTL为表面S1到表面S17的距离
再者，于本发明如下的各个设计实例中，非球面多项式用下列公式表示：
上述的公式中，x为光轴12方向的偏移量(sag)，c’是密切球面(osculatingsphere)的半径的倒数，也就是接近光轴12处的曲率半径的倒数，k是二次曲面系数，y是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度。A-G分别代表非球面多项式的各阶非球面系数。表三列出镜头表面的各阶非球面系数及二次曲面系数值。
表三
如图2所示，本发明的另一实施例的变焦镜头10b包含透镜L1-L7(屈光度分别为负、负、正、正、负、正及正)。透镜L5及透镜L6形成具负屈光度的双合透镜，光圈14位于透镜L6及透镜L7之间。透镜L7为非球面透镜，且在光轴12交会处具有一放大侧凹面S13及一缩小侧凸面S14。于一实施例中，透镜L5及透镜L6的屈光度分别为正及负。于一实施例中，非球面透镜的材质为玻璃。变焦镜头10b的透镜设计参数如表四及表五所示，且非球面透镜的非球面系数如表六所示。
表四
| d1 | d2 | |
| 广角端 | 33.66 | 20.45 |
| 望远端 | 27.65 | 21.53 |
表五
| F/# | EFL(mm) | TTL(mm) | |
| 广角端 | 2 | 15.7 | 89.67 |
| 望远端 | 2.08 | 17.29 | 84.74 |
TTL为表面S1到表面S15的距离
表六
| K | A | B | C | D | E | |
| S13 | 0 | -2.75E-04 | -6.40E-07 | -2.11E-07 | 6.60E-09 | -1.23E-10 |
| S14 | 0 | -5.69E-05 | -4.20E-07 | -2.40E-08 | 3.84E-10 | -5.71E-12 |
如图3所示，本发明的另一实施例的变焦镜头10c包含透镜L1-L8(屈光度分别为负、负、正、正、负、正、负及正)。透镜L5及透镜L6形成具正屈光度的双合透镜，光圈14位于透镜L7面对放大侧的表面S12上。透镜L8为非球面透镜，且在光轴12交会处具有一放大侧凹面S14及一缩小侧凸面S15。变焦镜头10c的透镜设计参数如表七及表八所示，且非球面透镜的非球面系数如表九所示。于一实施例中，透镜L5及透镜L6的屈光度分别为正及负。于一实施例中，非球面透镜的材质为玻璃。变焦镜头10c的透镜设计参数如表七及表八所示，且非球面透镜的非球面系数如表九所示。
表七
| d1 | d2 | |
| 广角端 | 23.03 | 20.30 |
| 望远端 | 16.37 | 21.18 |
表八
| F/# | EFL(mm) | TTL(mm) | |
| 广角端 | 2.07 | 15.64 | 93 |
| 望远端 | 2.14 | 17.15 | 87.23 |
TTL为表面S1到表面S16的距离
表九
| K | A | B | C | D | E | |
| S14 | 1.37E+01 | -2.73E-04 | -2.12E-06 | -1.94E-07 | 1.39E-08 | -7.53E-10 |
| S15 | 5.21E-02 | -7.22E-05 | -1.61E-06 | -1.26E-08 | 5.71E-10 | -5.32E-11 |
| F | G | |||||
| S14 | 1.93E-11 | -2.16E-13 | ||||
| S15 | 1.28E-12 | -1.35E-14 |
如图4所示，本发明的另一实施例的变焦镜头10d包含透镜L1-L8(屈光度分别为负、正、负、正、负、正、负及正)。透镜L4及透镜L5形成具正屈光度的双合透镜，光圈14位于透镜L6及透镜L7之间。透镜L2及透镜L8为非球面透镜，透镜L2在交会光轴12处具有一放大侧凸面S3及一缩小侧凸面S4，且透镜L8在交会光轴12处具有一放大侧凸面S15及一缩小侧凸面S16。于一实施例中，透镜L4及透镜L5的屈光度分别为负及正。于一实施例中，非球面透镜的材质为玻璃。变焦镜头10d的透镜设计参数如表十及表十一所示，且非球面透镜的非球面系数如表十二所示。
表十
| d1 | d2 | |
| 广角端 | 7.18 | 20.45 |
| 望远端 | 1.00 | 21.22 |
表十一
| F/# | EFL(mm) | TTL(mm) | |
| 广角端 | 2.03 | 15.75 | 88 |
| 望远端 | 2.09 | 17.34 | 82.59 |
TTL为表面S1到表面S17的距离
表十二
| K | A | B | C | D | |
| S3 | 0 | 2.00E-05 | 8.91E-08 | -4.92E-10 | 2.36E-12 |
| S4 | 0 | 7.44E-07 | 0 | -2.87E-10 | 0 |
| S15 | 0 | -1.70E-06 | 0 | 0 | 0 |
| S16 | 0 | 5.86E-05 | -3.46E-08 | 2.21E-09 | 1.93E-12 |
如图5所示，本发明的另一实施例的变焦镜头10e包含透镜L1-L8(屈光度分别为负、负、正、负、正、正、负及正)。透镜L3及透镜L4形成具负屈光度的双合透镜，透镜L6及透镜L7形成具负屈光度的双合透镜，光圈14位于透镜L7及透镜L8之间。透镜L8为非球面透镜，透镜L8在交会光轴12处具有一放大侧凹面S14及一缩小侧凸面S15。于一实施例中，透镜L3及透镜L4的屈光度分别为负及正。于一实施例中，透镜L6及透镜L7的屈光度分别为负及正。于一实施例中，非球面透镜的材质为玻璃。变焦镜头10e的透镜设计参数如表十三及表十四所示，且非球面透镜的非球面系数如表十五所示。
表十三
| d1 | d2 | |
| 广角端 | 16.73 | 20 |
| 望远端 | 10.39 | 20.97 |
表十四
| F/# | EFL(mm) | TTL(mm) | |
| 广角端 | 2.1 | 15.6 | 92 |
| 望远端 | 2.17 | 17.2 | 86.63 |
TTL为表面S1到表面S16的距离表十五
| K | A | B | C | D | E | |
| S14 | 2.23 | -1.82E-04 | -9.11E-07 | -2.07E-08 | -1.44E-10 | 2.10E-11 |
| S15 | 8.39E-02 | -4.09E-05 | -8.77E-07 | 1.50E-08 | 2.90E-10 | -2.04E-11 |
| F | ||||||
| S14 | -4.54E-13 | |||||
| S15 | 2.45E-13 |
图6-图20分别为图1-图5变焦镜头10a-10e的成像光学模拟数据图。图6-图10分别是图1-图5变焦镜头10a-10e在广角端的调制转换函数(Modulation Transfer Function,MTF)曲线图，其中横轴为焦点偏移量(focus shift)，纵轴为光学转移函数的模数(modulusof the optical transfer function,modulus of the OTF)。图11-图15分别是图1-图5变焦镜头10a-10e在广角端的调制转换函数曲线图，显示对应空间频率(spatial frequency)变化的光学转移函数的模数。图16-图20分别为图1-图5变焦镜头10a-10e的表现非点像差的像场弯曲(field curvature)图(横轴单位为毫米mm)以及表现歪曲像差的畸变(distortion)图(横轴单位为百分比％)，分别以波长为460nm(曲线A和B)、550nm(曲线C和D)、620nm(曲线E和F)的光所作出的模拟数据图，曲线S为弧矢(sagittal)方向的数据，而曲线T为子午(tangential)方向的数据。从图6至图20的图形可看出所测得的MTF曲线图、场曲图以及畸变图等图形均在标准的范围内，因此本发明实施例的变焦镜头10a-10e均具有良好的成像品质。
依上述实施例的设计，变焦镜头具有至少一双合透镜以平衡色差，且具有至少一非球面透镜以减少像差，再者，变焦镜头具有较少的透镜数目及大光圈。另外，变焦镜头因较小的EXP故能缩小镜头总长，使变焦镜头具有小型化特性，EXP为变焦镜头的出瞳距离。此光阀成像面在投影系统中，一般位于镜头的物侧那一端，而非投影的像侧那一端。因此，能提供一种具有良好消像差能力、易于小型化且能提供较佳成像品质的变焦镜头设计。
表一至表十五列出的参数仅为例示之用而非限制本发明。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。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。
Claims (10)
1.一种变焦镜头，其特征在于，包含：
具负屈光度的一第一透镜群；
具正屈光度的一第二透镜群，其中所述第一透镜群以及所述第二透镜群可各自移动；
一光圈，设于所述第二透镜群内，且随所述第二透镜群一起移动；以及
一第一双合透镜，位于所述光圈的一侧且位于所述第一透镜群与所述光圈之间，其中所述光圈的另一侧最多有两片透镜，且至少包含一非球面透镜，且所述变焦镜头符合下列条件：
-28.5mm≦EXP≦-26mm，其中EXP为所述变焦镜头的出瞳距离。
2.一种变焦镜头，其特征在于，包含：
依一方向依序设置的一第一透镜群与一第二透镜群，所述第一透镜群及所述第二透镜群可各自移动；
所述第二透镜群之中，依远离所述第一透镜群的方向，依序设置一第一双合透镜、一光圈以及一非球面透镜；所述变焦镜头符合下列条件：
-28.5mm≦EXP≦-26mm，其中EXP为所述变焦镜头的出瞳距离。
3.如权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述非球面透镜的材质为玻璃。
4.如权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述变焦镜头的光圈≦2.2。
5.如权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述变焦镜头在一广角端的投射比介于1.3和1.6之间。
6.如权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述非球面透镜面对所述光圈的一面于交会一光轴处为凹面，且另一面于交会所述光轴处为凸面。
7.如权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜群包含负屈光度的两片新月形透镜。
8.如权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一双合透镜至少包含一正屈光度的透镜，且所述透镜的折射率小于1.68。
9.如权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述变焦镜头包含的透镜总数目不超过10片。
10.如权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述变焦镜头满足下列条件之一：
(1)所述第一透镜群包含具负屈光度的两片新月形透镜，所述第二透镜群包含具正屈光度的两片透镜，位于所述两片新月形透镜和所述第一双合透镜之间，且所述非球面透镜具正屈光度，
(2)所述第一透镜群包含具负屈光度的一新月形透镜和一非球面透镜，所述第二透镜群包含具负屈光度的一新月形透镜，位于所述第一透镜群和所述第一双合透镜之间，且所述第一透镜群和所述第二透镜群包含的所述非球面透镜均具正屈光度，
(3)所述第一透镜群包含两片具负屈光度的新月形透镜，所述第二透镜群包含具正屈光度的一双凸透镜和另一第二双合透镜，位于所述第一透镜群和所述第一双合透镜之间，且所述第二透镜群包含的所述非球面透镜具正屈光度。
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