CN109212724B - 广角投影镜头 - Google Patents

Abstract

一种广角投影镜头，包括具有正屈光度的折射透镜群和正屈光度的反射透镜群，其中折射透镜群的球面透镜数目多于等于10，且非球面透镜数目多于等于2，以及折射透镜群最靠近反射透镜群的两透镜均为非球面透镜，且折射透镜群至少包含三个双合透镜。

Description

广角投影镜头

技术领域

本发明涉及一种光学镜头，尤其涉及一种广角投影镜头。

背景技术

目前广角投影镜头可以有效缩短投影屏幕与投影机之间的距离，并且得到大尺寸的投影画面。然而，广角投影镜头所衍生出的像差，如畸变(Distortion)、场曲(FieldCurvature)、像散(Astigmatism)等，皆是目前广角投影镜设计上必须面对的难题。

一般广角投影镜头要同时达到缩短焦距的目标并克服畸变的问题，通常会以以下三种方式设计广角投影镜头：

折射式：镜头中全数以透镜进行设计，通常采用球面透镜或非球面透镜以达到广角功能。

反射式：镜头中全数以反射镜进行设计，通常采用球面、非球面或平面反射镜。

混合式(折射+反射)：镜头中靠近光阀的一侧采用多种折射透镜，而最后在投影屏幕的一侧则以反射镜达到广角的设计，其中再以反射镜种类来细分，又可分平板、凸面及凹面式三种不同的反射镜。

然而上述三种方式仍具有以下的缺点或问题：

折射式：此种架构的镜头中镜片数目繁多，导致镜身过长，且所产生的色散，如横向色差(Lateral Color)或纵向色差(Axial Color)、像差(Aberration)与几何失真(Optical Distortion)皆不易消除。此外，此种架构因镜片数目太多，使设计上复杂度高，可制造性极低。

反射式：由于镜头中没有使用折射镜片，可达到零色散，但因为全部都是反射式镜片，且需要多片非球面反射镜或自由曲面反射镜，可制造性极低。

混合式(折射+反射)：此种架构的镜头是综合上述两种方式，同时考虑光学特性与可制造性，为目前市面上最常见的架构。为了达到广角及避免光径长度大于投影距离，须将直行的光径进行转折，使对应的光学元件与机构尺寸亦随之变大，造成元件制造难度大幅增加。若采用制作复杂的自由曲面反射镜，亦会造成相当敏感的组装公差。此外，在上述三种反射镜中，平板式反射镜无曲率，因此若要达到更广角的效果，必须由镜头本身或依靠调整镜头与反射镜的距离来完成，如此一来镜头会变得较长，而牺牲了空间。凸面式反射镜虽有曲率可补偿像差等功能，但因几何形状的关系，其机构设计将不易包覆凸面镜，因此现今多为外露式设计，但这样的设计则会增加镜面受损的机率，一来无防尘效果，二来稳定性亦不佳，只适合壁挂式设计。凹面式反射镜拥有凸面式反射镜的功能，可克服镜面外露问题，是目前短焦投影机设计者设计广角投影镜头时较佳的选择。虽然凹面式反射镜搭配混合式的设计可解决上述平面及凸面反射镜所造成的问题，但为了达到广角的效果，体积比起一般前投式投影机还是大了许多。

因此，要设计出一种广角投影镜头，使其焦距缩短以达到镜身长度减小，且不会产生一般广角投影镜头所衍生的光学品质不佳，是目前极为需要克服的难题。

发明内容

依据本发明的一观点，提出一种广角投影镜头，包括具有正屈光度的折射透镜群和正屈光度的反射透镜群，其中折射透镜群的透镜数目多于10，且非球面透镜数目多于等于2，以及广角投影镜头满足下式：

0.9<A/B<1.4，C/D<0.27，B/H>15

其中A为折射透镜群最靠近反射透镜群的透镜表面与反射透镜群最远离折射透镜群的反射镜表面，两者于广角投影镜头的光轴上的距离，B为折射透镜群最远离反射透镜群的透镜表面与折射透镜群最靠近反射透镜群的透镜表面，两者于广角投影镜头的光轴上的距离，C为反射透镜群最远离折射透镜群的反射镜表面到成像面的最短距离，D为在成像面上的投影画面最大半径，H为广角投影镜头对应光阀的半高。

依据本发明的一观点，提出一种广角投影镜头，包括具有正屈光度的折射透镜群和正屈光度的反射透镜群，其中折射透镜群的透镜数目多于10，且非球面透镜数目多于等于2，以及广角投影镜头满足下式：

0.9<A/B<1.4，S/CA<0.73

其中A为折射透镜群最靠近反射透镜群的透镜表面与反射透镜群最远离折射透镜群的反射镜表面，两者于广角投影镜头的光轴上的距离，B为折射透镜群最远离反射透镜群的透镜表面与折射透镜群最靠近反射透镜群的透镜表面，两者于广角投影镜头的光轴上的距离，S为反射透镜群最远离折射透镜群的反射镜表面凹陷量，CA为反射透镜群最远离折射透镜群的反射镜表面口径半宽。

依据本发明的一观点，提出一种广角投影镜头，包括具有正屈光度的折射透镜群和正屈光度的反射透镜群，其中折射透镜群的球面透镜数目多于等于10，且非球面透镜数目多于等于2，以及折射透镜群最靠近反射透镜群的两透镜均为非球面透镜，且折射透镜群至少包含三个双合透镜。

藉由本发明实施例的广角投影镜头的设计，可提供一种能兼顾广角短焦投影及良好的光学成像品质的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的投影镜头设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1为包括本发明一实施例广角投影镜头的投影系统的结构示意图。

图2为包括本发明另一实施例广角投影镜头的投影系统的结构示意图。

图3为包括本发明又一实施例广角投影镜头的投影系统的结构示意图。

图4为本发明实施例包含平面反射镜的广角投影镜头的反射透镜群总长距离A(＝A1+A2)和折射透镜群总长距离B的示意图。

图5为本发明实施例广角投影镜头，其包含非球面凹面反射镜的反射镜表面凹陷量S和反射镜表面口径半宽CA的示意图。

图6为包括本发明实施例广角投影镜头的投影系统，其投影距离C和在成像面上的投影画面最大半径D的示意图。

图7为包括本发明实施例广角投影镜头的投影系统，其在成像面上的投影画面(Projection Screen,PS)最大半径D的另一示意图。

图8-10分别为本发明实施例的广角投影镜头的可见光的光学传递函数曲线图。

图11-13分别为本发明实施例的广角投影镜头的可见光的光线扇形图。

图14-16分别为本发明实施例的广角投影镜头的可见光的横向色差图。

具体实施方式

本案所提出的发明将可由以下的实施例说明而得到充分暸解，使得熟悉本领域的技术人员可以举以完成，然而本案的实施例并非可由下列实施例而被限制其实施型态，熟悉本领域的技术人员仍可依据既揭露的实施例的精神推演出其他实施例，该等实施例皆当属于本发明的范围。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

请参阅图1，其为包括本发明一实施例广角投影镜头110的投影系统100的结构示意图。本实施例的广角投影镜头110具有光轴112，且包括折射透镜群114及反射透镜群116。广角投影镜头110配置于光阀102、全反射棱镜104及屏幕(图中未示出)之间，从光阀102至屏幕之间依序包括具有正屈光度的折射透镜群114及具有正屈光度的反射透镜群116。其中折射透镜群114自光阀至屏幕的方向依序为第一非球面透镜A1、第一球面透镜L1、第二球面透镜L2、第三球面透镜L3、第四球面透镜L4、第五球面透镜L5、第六球面透镜L6、第七球面透镜L7、第八球面透镜L8、第九球面透镜L9、第十球面透镜L10、第十一球面透镜L11、第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3。光圈位于第六球面透镜L6面对光阀的表面上，反射透镜群116为一轴对称的非球面凹面反射镜，用于反射通过折射透镜群114的光束。

第一非球面透镜A1、第一透镜L1至第十一透镜L11、第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3的屈光度分别为正、负、正、正、负、正、正、负、负、正、正、负、正、负。于本实施例中，第一非球面透镜A1为玻璃模造非球面透镜、第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3为塑胶射出非球面透镜。在一实施例中，第一非球面透镜A1也可以使用塑胶射出的方式制成，第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3为玻璃模造非球面透镜，本发明并不以此为限制。第一球面透镜L1、第七球面透镜L7和第八球面透镜L8为平凹透镜，第二球面透镜L2和第六球面透镜L6为新月形透镜，第三球面透镜L3、第五球面透镜L5和第九球面透镜L9为双凸透镜，第十球面透镜L10为平凸透镜，且第四透镜L4及第十一透镜L11为双凹透镜。球面透镜是指透镜前面和后面的表面都分别是球形表面的一部份，而球形表面的曲率是固定的。非球面透镜则是指透镜前后表面中，至少一表面的曲率半径会随着中心轴而变化，可以用来修正像差。在一实施例中，其中两透镜相邻面有相同或相近的曲率半径且形成双合透镜(doubletlens)，或是其中三透镜的相邻面有相同或相近的曲率半径且形成三合透镜(tripletlens)，本发明并不以此为限制。值得注意的是，双合透镜或三合透镜的相邻面可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。于本实施例中，第一球面透镜L1和第二球面透镜L2形成一双合透镜，第三球面透镜L3和第四球面透镜L4和第五球面透镜L5形成一三合透镜、第六球面透镜L6和第七球面透镜L7形成一双合透镜、第八球面透镜L8和第九球面透镜L9形成一双合透镜，但本发明并不以此为限制。

广角投影镜头110透镜设计参数、外形及非球面系数分别如表一、表二及表三所示，于本发明如下的各个设计实例中，非球面多式可用下列公式表示：

第一非球面透镜A1、第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3

反射非球面凹面镜

<表一>

S1的间距为表面S1到S2在光轴112的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴112的距离，S23间距为S23表面到反射非球面透镜S24在光轴112的距离。

A(S23)＝137.01mm，B(S1到S23在光轴112的距离)＝98.92mm，C＝80mm，D＝306mm，S＝38.33mm，CA＝53.88mm，H＝5.04mm，A/B＝1.39，C/D＝0.26，S/CA＝0.71，B/H＝19.64。

<表二>公式1

<表三>公式2

请参阅图2，其为包括本发明另一实施例广角投影镜头210的投影系统200的结构示意图。本实施例的广角投影镜头210具有光轴212，且包括折射透镜群214及反射透镜群216。广角投影镜头210配置于光阀202、全反射棱镜204及屏幕(图中未示出)之间，从光阀202至屏幕之间依序包括具有正屈光度的折射透镜群214及具有正屈光度的反射透镜群216。其中折射透镜群214自光阀至屏幕的方向依序为第一非球面透镜A1、第一球面透镜L1、第二球面透镜L2、第三球面透镜L3、第四球面透镜L4、第五球面透镜L5、第六球面透镜L6、第七球面透镜L7、第八球面透镜L8、第九球面透镜L9、第十球面透镜L10、第十一球面透镜L11、第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3。光圈位于第六球面透镜L6面对光阀的表面上，反射透镜群216为一轴对称的非球面凹面反射镜，用于反射通过折射透镜群214的光束。

第一非球面透镜A1、第一透镜L1至第十一透镜L11、第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3的屈光度分别为正、负、正、正、负、正、正、负、负、正、正、负、正、正。于本实施例中，第一非球面透镜A1为玻璃模造非球面透镜、第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3为塑胶射出非球面透镜。在一实施例中，第一非球面透镜A1也可以使用塑胶射出的方式制成，第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3为玻璃模造非球面透镜，本发明并不以此为限制。第一球面透镜L1、第二球面透镜L2、第六球面透镜L6、第七球面透镜L7、第八球面透镜L8和第十球面透镜L10为新月形透镜，第三球面透镜L3、第五球面透镜L5和第九球面透镜L9为双凸透镜，且第四透镜L4及第十一透镜L11为双凹透镜。于本实施例中，第一球面透镜L1和第二球面透镜L2形成一双合透镜，第三球面透镜L3和第四球面透镜L4形成一双合透镜、第六球面透镜L6和第七球面透镜L7形成一双合透镜、第八球面透镜L8和第九球面透镜L9形成一双合透镜，但本发明并不以此为限制。

广角投影镜头210透镜设计参数、外形及非球面系数分别如表四、表五及表六所示，非球面多式可用前述公式1和2表示。

<表四>

S1的间距为表面S1到S2在光轴112的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴112的距离，S24间距为S24表面到反射非球面透镜S25在光轴112的距离。

A(S24)＝130.56mm，B(S1到S24在光轴112的距离)＝99.24mm，C＝80mm，D＝316mm，S＝35.27mm，CA＝51.25mm，H＝5.04mm，A/B＝1.32，C/D＝0.25，S/CA＝0.69，B/H＝19.70。

<表五>公式1

<表六>公式2

请参阅图3，其为包括本发明又一实施例广角投影镜头310的投影系统300的结构示意图。本实施例的广角投影镜头310具有光轴312，且包括折射透镜群314及反射透镜群316。广角投影镜头310配置于光阀302、全反射棱镜304及屏幕(图中未示出)之间，从光阀302至屏幕之间依序包括具有正屈光度的折射透镜群314及具有正屈光度的反射透镜群316。其中折射透镜群314自光阀至屏幕的方向依序为第一非球面透镜A1、第一球面透镜L1、第二球面透镜L2、第三球面透镜L3、第四球面透镜L4、第五球面透镜L5、第六球面透镜L6、第七球面透镜L7、第八球面透镜L8、第九球面透镜L9、第十球面透镜L10、第十一球面透镜L11、第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3。光圈位于第六球面透镜L6面对光阀的表面上，反射透镜群316为一轴对称的非球面凹面反射镜，用于反射通过折射透镜群314的光束。

第一非球面透镜A1、第一透镜L1至第十一透镜L11、第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3的屈光度分别为正、负、正、正、负、正、正、负、负、正、正、负、正、负。于本实施例中，第一非球面透镜A1为玻璃模造非球面透镜、第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3为塑胶射出非球面透镜。在一实施例中，第一非球面透镜A1也可以使用塑胶射出的方式制成，第二非球面透镜A2及第三非球面透镜A3为玻璃模造非球面透镜，本发明并不以此为限制。第一球面透镜L1、第七球面透镜L7和第八球面透镜L8为平凹透镜，第二球面透镜L2和第六球面透镜L6为新月形透镜，第三球面透镜L3、第五球面透镜L5和第九球面透镜L9为双凸透镜，第十球面透镜L10为平凸透镜，且第四透镜L4及第十一透镜L11为双凹透镜。于本实施例中，第一球面透镜L1和第二球面透镜L2形成一双合透镜，第三球面透镜L3和第四球面透镜L4形成一双合透镜、第六球面透镜L6和第七球面透镜L7形成一双合透镜、第八球面透镜L8和第九球面透镜L9形成一双合透镜，但本发明并不以此为限制。

广角投影镜头310透镜设计参数、外形及非球面系数分别如表七、表八及表九所示，非球面多式可用前述公式1和2表示。

<表七>

S1的间距为表面S1到S2在光轴112的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴112的距离，S24间距为S24表面到反射非球面透镜S25在光轴112的距离。

A(S24)＝128.38mm，B(S1到S24在光轴112的距离)＝101.42mm，C＝80mm，D＝306.12mm，S＝37.01mm，CA＝51.77mm，H＝5.04mm，A/B＝1.27，C/D＝0.26，S/CA＝0.71，B/H＝20.14。

<表八>公式1

<表九>公式2

本发明实施例的广角投影镜头110、210、310分别包含折射透镜群114、214、314和反射透镜群116、216、316，利用多片非球面透镜和多个双合透镜以修正像差及色差。再者，可满足下列条件：

0.9<A/B<1.4---(3)

C/D<0.27---(4)

B/H>15---(5)

S/CA<0.73---(6)

其中A(＝A1+A2)为折射透镜群最靠近反射透镜群的透镜表面与反射透镜群最远离折射透镜群的反射镜表面，两者于广角投影镜头的光轴上的距离，B为折射透镜群最远离反射透镜群的透镜表面与折射透镜群最靠近反射透镜群的透镜表面，两者于广角投影镜头的光轴上的距离，C为反射透镜群最远离折射透镜群的反射镜表面到成像面的最短距离，D为在成像面上的投影画面最大半径，H为该广角投影镜头对应光阀的半高，S为该反射透镜群最远离该折射透镜群的反射镜表面凹陷量，CA为该反射透镜群最远离该折射透镜群的反射镜表面口径半宽如图4、图5、图6和图7所示。

图8-10分别为本发明实施例的广角投影镜头110、210、310的可见光光学传递函数曲线图(modulation transfer function,MTF)，其中X轴为空间频率，Y轴为MTF数值。图11-13分别为本发明实施例的广角投影镜头110、210、310的可见光的光线扇形图(ray fanplot)，其中X轴为光线通过入瞳的位置，Y轴为主光线投射至像平面位置的相对数值。图14-16分别为本发明实施例的广角投影镜头110、210、310的可见光的横向色差图(lateralcolor plot)。图8-16光学模拟数据图所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本发明实施例的光学镜头广角投影镜头110、210、310确实能够兼具良好的光学成像品质及短焦投影的特性。

藉由本发明实施例的广角投影镜头的设计，可提供一种能兼顾广角短焦投影及良好的光学成像品质的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的投影镜头设计。

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，任何熟习本领域的技术人员，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后附权利要求书所界定者为准。另外，本发明的任一实施例或权利要求书不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部份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要求书。

Claims (10)

1.一种广角投影镜头，其特征在于，包括：

具有正屈光度的一折射透镜群，所述折射透镜群的透镜数目多于10，且非球面透镜数目多于等于2；以及

具有正屈光度的一反射透镜群，其中所述广角投影镜头满足下式：

0.9<A/B<1.4，C/D<0.27，B/H>15

其中A为所述折射透镜群最靠近所述反射透镜群的透镜表面与所述反射透镜群最远离所述折射透镜群的反射镜表面，两者于所述广角投影镜头的一光轴上的距离，B为所述折射透镜群最远离所述反射透镜群的透镜表面与所述折射透镜群最靠近所述反射透镜群的透镜表面，两者于所述广角投影镜头的所述光轴上的距离，C为所述反射透镜群最远离所述折射透镜群的反射镜表面到一成像面的最短距离，D为在所述成像面上的投影画面最大半径，H为所述广角投影镜头对应一光阀的半高。

2.一种广角投影镜头，其特征在于，包括：

具有正屈光度的一折射透镜群，所述折射透镜群的透镜数目多于10，且非球面透镜数目多于等于2；以及

具有正屈光度的一反射透镜群，其中所述广角投影镜头满足下式：

0.9<A/B<1.4，S/CA<0.73

其中A为所述折射透镜群最靠近所述反射透镜群的透镜表面与所述反射透镜群最远离所述折射透镜群的反射镜表面，两者于所述广角投影镜头的一光轴上的距离，B为所述折射透镜群最远离所述反射透镜群的透镜表面与所述折射透镜群最靠近所述反射透镜群的透镜表面，两者于所述广角投影镜头的所述光轴上的距离，S为所述反射透镜群最远离所述折射透镜群的反射镜表面凹陷量，CA为所述反射透镜群最远离所述折射透镜群的反射镜表面口径半宽。

3.如权利要求1-2任一所述的广角投影镜头，其特征在于，所述折射透镜群最靠近所述反射透镜群的两透镜均为非球面透镜。

4.如权利要求1-2任一所述的广角投影镜头，其特征在于，所述折射透镜群至少包含两个双合透镜。

5.一种广角投影镜头，其特征在于，包括：

具有正屈光度的一折射透镜群，所述折射透镜群的球面透镜数目多于等于10，且非球面透镜数目多于等于2；以及

具有正屈光度的一反射透镜群，其中所述折射透镜群最靠近所述反射透镜群的两透镜均为非球面透镜，且所述折射透镜群至少包含三个双合透镜。

6.如权利要求1,2或5任一所述的广角投影镜头，其特征在于，所述折射透镜群包含一个三合透镜。

7.如权利要求1,2或5任一所述的广角投影镜头，其特征在于，所述折射透镜群最远离所述反射透镜群的一透镜为具正屈光度的非球面透镜。

8.如权利要求7所述的广角投影镜头，其特征在于，所述折射透镜群最靠近所述非球面透镜的一透镜为双合透镜。

9.如权利要求1,2或5任一所述的广角投影镜头，其特征在于，所述折射透镜群自最远离所述反射透镜群到最靠近所述反射透镜群的透镜的屈光度满足下列条件之一：(1)依序为正、负、正、正、负、正、正、负、负、正、正、负、正、负，(2)依序为正、负、正、正、负、正、正、负、负、正、正、负、正、正。

10.如权利要求1,2或5任一所述的广角投影镜头，其特征在于，所述折射透镜群自最远离所述反射透镜群到最靠近所述反射透镜群的球面透镜的形状满足下列条件之一：(1)依序为平凹、新月、双凸、双凹、双凸、新月、平凹、平凹、双凸、平凸、双凹，(2)依序为新月、新月、双凸、双凹、双凸、新月、新月、新月、双凸、新月、双凹。

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