CN109471239B - 镜头及包含其之投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种镜头，包含五片非球面透镜和光圈，五片非球面透镜由第一侧至第二侧，分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜，光圈设于第一透镜与第二透镜之间。第一透镜面对第一侧的一表面，沿着镜头光轴至第二侧成像面的距离小于5mm。H为镜头在成像面的影像高度，在成像面上，以影像高度等分10份，分别设有0.1H、0.2H、0.3H….0.9H、1H等10个位置，透过镜头到成像面上0.1H、0.2H、0.3H….0.9H、1H等10个位置的主光线，与成像面法向量的夹角都小于10度。

Description

镜头及包含其之投影装置
技术领域
本发明涉及一种镜头，尤其是涉及一种包含此镜头的投影装置。
背景技术
三维结构光量测是基于光学三角原理，光投射器将光线投射于物体表面，在表面上形成由被测物表面所调制的光调三维图像，图像另
Figure GDA0003918455070000011
端由摄影机探测，近而得到光条二维畸变图像。光条的畸变取决于投射器和摄影机的相对位置和待测物表面的高度。当物体表面有了高度变化，光扭曲代表了平面的变化，光不连 续显示了物理上的间隙。因此由畸变的二维光条图，即可重现物体变面的变化轮 廓。然而结构光应用早在20世纪的70年代开始被使用。以其大视场、高精度、易存取、即时性强和主动受控等特点，近年来在工业上广泛的应用。
依据投射光源的光束模式不同，结构光可分为几类 ：点结构光、线结构光、多线结构光等。根据待测物所需要来决定用哪一种模式。点的最容易量测且快速，但仅能得到待测物一点的资讯，多配合扫描 器来完成范围量测。单线结构光资讯范围要来的比点的多，复杂性并没有变高，因此广泛被应用。多线的结构光类 似光栅模式，但可获得大范围面积的资讯，但复杂且难度较高。图1为多线结构光模式示意图。光投射器100将光线110投射于物体表面120，在表面上形成由被测物表面所调制的光调三维图像，图像另
Figure GDA0003918455070000012
端由摄影机130探测，近而得到光条二维畸变图像。
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。
依据本发明之一观点，提出一种镜头，包含五片非球面透镜和光圈，五片非球面透镜由第一侧至第二侧，分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜，光圈设于第一透镜与第二透镜之间。第一透镜面对第一侧的一表面，沿着镜头光轴至第二侧成像面的距离小于5mm。H为镜头在成像面的影像高度，在成像面上，以影像高度等分10份，分别设有0.1H、 0.2H、0.3H....0.9H、1H等10个位置，透过镜头到成像面上0.1H、0.2H、0.3H....0.9H、1H等10个位置的主光线，与成像面法向量的夹角都小于10 度。
据本发明之另一观点，提出一种镜头，包含五片非球面透镜和光圈，五片非球面透镜由第一侧至第二侧，分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜，光圈设于五片非球面透镜之间。第一透镜面对第一侧之第一表面，沿着镜头光轴至第五透镜面对第二侧之第二表面的距离小于 5mm。H为镜头在第二侧成像面的影像高度，在成像面上，以影像高度等分 10份，分别设有0.1H、0.2H、0.3H....0.9H、1H等10个位置，透过成像面上0.4H位置，经过镜头到第一表面上的主光线，与光轴的夹角为B，透过成像面上0.5H位置，经过镜头到第一表面上的主光线，与光轴的夹角为C， B与C的差值大于4.5度，且透过成像面上0.3H位置，经过镜头到第一表面上的主光线，与光轴的夹角为A，A与B的差值大于4.7度。
据本发明之再一观点，提出一种投影装置，包含光源、光阀以及包含五片非球面透镜的镜头。镜头由第一侧至第二侧，分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜，且光阀设在光源与第五透镜之间。第一透镜接近第一侧之表面，沿着镜头光轴至第五透镜接近第二侧之表面的距离小于5mm。第一透镜在光轴部份设有凸面，朝向第一侧，第二透镜在光轴部份设有凹面，朝向第一侧，第三透镜的形状，设为近弯月形，在光轴部份设有凹面，朝向第一侧，第四透镜的光学有效外径大于第三透镜的光学有效外径，且第五透镜朝向第一侧的表面，设有反曲点。
据此，本发明上述各实施例，可在有限的空间中提供一种具有收光效率良好、易于小型化、能提供较佳光学品质的镜头设计。
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是多线结构光模式示意图。
图2是本发明第一实施例的镜头结构示意图。
图3是本发明第二实施例的镜头结构示意图。
图4是本发明第三实施例的镜头结构示意图。
图5、图6及图7分别是图2、图3及图4的光线扇形模拟数据图。
图8、图9及图10分别是图2、图3及图4的像场弯曲以及畸变模拟数据图。
图11、图12及图13分别是图2、图3及图4的主光线夹角与成像面模拟数据图。
具体实施方式
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式之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「前」、「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，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组件而使用，并非用以限定该组件。
本发明所谓的光学组件，是指组件具有部份或全部可反射或穿透的材质所构成，通常包括玻璃或塑料所组成。例如是透镜、棱镜或是光圈。
镜头应用在投影系统时，放大侧是指沿光路上较靠近投影方向(例如是投影待测物体)的一侧；缩小侧是指镜头沿光路上较靠近光阀的一侧。而当镜头应用在取像系统中时，放大侧是指在光路上靠近被拍摄物所处的一侧，缩小侧则是指在光路上较靠近感光组件的一侧。
一透镜的物侧面(或像侧面)具有位于某区域的凸面部(或凹面部)，是指该区域相较于径向上紧邻该区域的外侧区域，朝平行于光轴的方向更为「向外凸起」(或「向内凹陷」)而言。一透镜的光学有效外径(effective diameter)，亦或是“通光孔径直径(clearaperture diameter)”或“通光孔径(clear aperture)”是指透镜表面形成以助产生光学性能的部分区域的直径。例如，一些或所有透镜于外周区域形成有一凸缘(flange)或其他结构用以供透镜定位组装等用途，且需被理解的是，如上述凸缘等定位组装结构是位于透镜的光学有效直径外。此外，在某些情况下，一个单一透镜的物侧面及像侧面可以具有不同的光学有效外径。在一些实施例中，透镜表面的部分区域可以被指定为凸面部或凹面部。这些部分区域可以是对称于光轴，其中，光轴附近区域(或是光轴部分)是指由光轴向外延伸的部分区域，而外周附近区域则是指由光学有效外径向内延伸的部分区域，而中央附近区域则是指介于光轴附近区域和外周附近区域之间的部分区域。本技术领域人员可以理解的是，上述光轴附近区域(或中央附近区域、外周附近区域)可向外延伸(或向内延伸)至足够提供所需产生的光学特性的范围大小。
本发明之一实施例提出一种镜头。图2是本发明第一实施例的镜头架构示意图。请参照图2，在本实施例中，镜头10有一镜筒(未绘示)，镜筒里由第一侧(放大侧)往第二侧(缩小侧)排列包括了第一透镜L1、光圈S、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、及第五透镜L5。而在镜筒之缩小端处设置有一光阀LV，且光阀LV位于第五透镜L5和一光源(未绘示)之间。光圈S是设置于镜头10中第一透镜L1与第二透镜L2之间。于本实施例中，镜头的放大侧OS对应投影待测物体方向，而镜头的缩小侧IS则对应光阀 LV方向。本发明各具体实施例之放大侧OS均分别设于各图之左侧，而缩小侧IS均设于各图之右侧，将不予重复说明之。
本发明所指光圈S是指一孔径光栏(Aperture Stop)，光圈S为一独立组件或是整合于其他光学组件上。于本实施例中，光圈是利用机构件挡去周边光线并保留中间部份透光的方式来达到类似的效果，而前述所谓的机构件可以是可调整的。所谓可调整，是指机构件的位置、形状或是透明度的调整。或是，光圈S也可以在透镜表面涂布不透明的吸光材料，并使其保留中央部份透光以达限制光路的效果。
于本实施例中。镜头10包括了沿光轴排列的五片非球面透镜，其屈亮度(Refractive power)由放大侧(图式左侧)往缩小侧(图式右侧)依序分别为正、正、正、负及负。于本实施例中，各透镜L1～L5均由塑料所制成，于其他实施例中，亦可以玻璃模造制成。同时，镜头的总屈亮度为正。
各透镜L1～L5定义有一通光孔径(Clear Aperture，CA)，通光孔径一词已为广泛应用于业界。本发明中所指通光孔径，是指透镜上光线可穿透的最大区域。
在本发明中所谓的光阀LV，为一种已被广泛应用的组件，为空间光调变器的一种。光阀LV可将照明光转为影像光，例如DMD、LCD、LCOS、投影片、全像片、具有图案(pattern)的载体(mask)等，即光阀LV的例子。而于本实施例中，光阀LV为一具有图案的载体。
镜头10的透镜及其周边组件的设计参数如表一所示。然而，下文中所列举的资料并非用以限定本发明，任何所属领域中具有通常知识者在参照本发明之后，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
Figure GDA0003918455070000051
表中表面所示的＊是指该表面为非球面表面，而若未标示即为球面之意。
曲率半径是指曲率的倒数。曲率为正时，透镜表面的圆心在透镜的缩小侧方向。曲率为负时，透镜表面的圆心在透镜的放大侧方向。而各透镜之凸凹可见上表及其对应之示图。
而本发明的光圈值是以F/#来代表，如上表所标示者。
而本发明镜头应用在投影系统时，成像面是光阀表面。而当镜头应用在取像系统中时，成像面则是指感光组件表面。
而本发明中，镜头整体的有效焦距(Effective focal length，EFL)是以EFL 来表示，如上表所标示者。
而本发明镜头应用在投影系统时，影像高度(Image Height)是指从光阀发出之影像光的最大有效区域。而当镜头应用在取像系统中时，影像高度则是指在成像面的影像对角线长度，如上表所标示者。
本发明中，镜头的光程总长(Total Track Length，TTL)是以TTL来表示，如上表所标示者。更明确的说，本发明的光程总长是指镜头10最接近放大端的光学表面S1，与成像面S12之间，沿光轴12量测的距离，如上表所标示者。
于本实施例中，FOV在应用在投影系统时，是指最接近放大端的光学表面与镜头光轴的夹角，亦即以对角线量测所得之视野(field of view)，如上表所标示者。
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
Figure GDA0003918455070000061
上述的公式(1)已被广泛应用。举例来说，Z为光轴方向之偏移量(sag)， c是密切球面(osculating sphere)的半径的倒数，也就是接近光轴A处的曲率的倒数，k是圆锥系数(conic constant)，r是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度。αi分别代表非球面多项式的各阶非球面系数。表二列出本发明的第一具体实施例中，镜头中各透镜表面的各阶非球面系数及圆锥系数值。
表二
Figure GDA0003918455070000071
Figure GDA0003918455070000081
另外，于本实施例中，镜头10的光程总长(TTL)除以成像面影像高度(ImageHeight)之值(简称为TTL/Image Height)为0.90，而本发明的TTL/Image Height在小于1.2时，其己有基本节省空间的效果。而当TTL/Image Height的值小于1.1之间时，其效果较佳。而当TTL/ Image Height的值小于1.0之间时，其效果最佳。而镜头10的TTL和 ImageHeight比例小于前述各值时，其特性让前述的镜头10在被应用于携带式电子装置时得以在有限空间中取得较佳的光学效果。
于本实施例中，镜头10的第一透镜L1接近第一侧的表面S1，沿着镜头光轴12至第五透镜L5接近第二侧的表面S11的距离L小于3mm，而本发明的L 在小于5mm时，其己有基本节省空间的效果。而当L的值小于4mm之间时，其效果较佳。而当L的值小于3mm之间时，其效果最佳。而镜头10的L 小于前述各值时，其特性让前述的镜头10在被应用于携带式电子装置时得以在有限空间中取得较佳的光学效果。
另外，于本实施例中，H为镜头10在成像面的一影像高度(Image Height)，在成像面上，以影像高度等分10份，分别设有0.1H、0.2H、0.3H....0.9H、1H 等10个位置，透过镜头到成像面上0.1H、0.2H、0.3H....0.9H、1H等10个位置的主光线，与成像面法向量的夹角都小于7度。而成像面主光线，与成像面法向量的夹角都小于10度时，其己有基本收光效率的效果。而当成像面主光线，与成像面法向量的夹角都小于8度时，其效果较佳。而当成像面主光线，与成像面法向量的夹角都小于7度时之间时，其效果最佳。而本发明镜头10的成像面主光线，与成像面法向量的夹角都小于前述各值时，其特性让前述的镜头10在被应用于携带式电子装置时得以在有限空间中取得较佳的收光效率效果。
以下将说明本发明的镜头的第二实施例的设计。图3是本发明第二实施例的镜头架构示意图。于本实施例中，镜头中的透镜及其周边组件的设计参数如表三所示。
表三
Figure GDA0003918455070000091
表四列出本发明的第二实施例中，镜头的各透镜表面的各阶非球面系数及二次曲面系数值。
表四
Figure GDA0003918455070000092
Figure GDA0003918455070000101
由表三及表四可见，于本实施例中与第一实施例的一个主要差别在于各透镜L1～L5的屈亮度依序为正、正、正、正及负。同时，镜头的总屈亮度为正。以下将说明本发明的光学镜头10的第三实施例的设计。图4是本发明第三实施例的镜头架构示意图。于本实施例中，光学镜头10中各透镜及其周边组件的设计参数如表五所示。
表五
Figure GDA0003918455070000111
表六列出本发明的第三实施例中，镜头的各透镜表面的各阶非球面系数及二次曲面系数值。
表六
Figure GDA0003918455070000112
Figure GDA0003918455070000121
Figure GDA0003918455070000131
由表五及表六可见，于本实施例中与第一实施例的一个差别在于各透镜 L1～L5的屈亮度依序为正、负、正、负及正。同时，镜头的总屈亮度为正。另外，本实施例与第一实施例的另一个差别在于最接近成像面(S12)的第五透镜表面(S11)，为一绕射面。
于本发明实施例中，绕射面多项式可用下列公式表示：
φ(r)＝(2π/λo)∑Cnr2n (2)
上述的公式(2)中，φ(r)为绕射组件(diffractice optical element)的相位函数 (phase)，r是与光学镜头光轴的径向距离(radial distance)，λ0是参考波长(reference wavelength，940奈米)，也就是说绕射面(diffractice optical surface) 为透镜表面加上相位函数(phase)。表七的C1-C4分别代表绕射面多项式的2 阶项、4阶项、6阶项与8阶项系数值。
表七
S11
C1 -1.01E-01
C2 3.04E-02
C3 7.66E-03
C4 -3.99E-03
表八显示本发明第一、第二、第三实施例，应用在投影系统时，是指在最接近放大端的光学表面(S1)上，光阀的光线投射面有效区域的不同高度所对应的主光线与镜头光轴的夹角(half-FOV)值。
表八
half-FOV half-FOV half-FOV
FIELD 第一实施例 第二实施例 第三实施例
0 0.00 0.00 0.00
0.1 4.86 5.25 5.10
0.2 9.81 10.47 10.26
0.3(A) 14.79 15.54 15.40
0.4(B) 19.71 20.41 20.37
0.5(C) 24.56 25.07 25.11
0.6 29.14 29.25 29.41
0.7 33.30 33.07 33.31
0.8 37.12 36.87 37.21
0.9 40.69 40.72 40.98
1 44.10 44.29 44.29
H设为镜头10在第二侧成像面形成的影像高度，在成像面上，以影像高度等分10份，分别设有0.1H、0.2H、0.3H....0.9H、1H等10个位置，其中透过成像面上0.4H位置，经过镜头10到第一透镜的表面S1上的主光线，与光轴 12的夹角为B，透过成像面上0.5H位置，经过镜头10到第一透镜的表面S1上的主光线，与光轴12的夹角为C，B与C的差值大于4.5度，且透过成像面上0.3H 位置，经过镜头10到第一透镜的表面S1上的主光线，与光轴12的夹角为A， A与B的差值大于4.7度。
表九显示本发明第一、第二、第三实施例中，非球面透镜L1～L5分别在光轴附近区域、中央附近区域和外周附近区域所对应的形状。
表九
Figure GDA0003918455070000141
Figure GDA0003918455070000151
从表九中可知本发明第一、第二、第三实施例中第五透镜朝向缩小侧(第二侧)的表面S11，从光轴附近区域(光轴部分)径向上至外周附近区域设有一反曲点。本发明第二、第三实施例中第五透镜朝向放大侧(第一侧)的表面S10，从光轴附近区域(光轴部分)径向上至外周附近区域设有两反曲点。本发明第三实施例中第四透镜朝向缩小侧(第二侧)的表面S9，从光轴附近区域(光轴部分)径向上至外周附近区域设有一反曲点。
图5-7分别为图2-4之镜头10的930、940、950奈米红外光之光线扇形图(ray fanplot)，其中光线扇形图的X轴为光线通过入瞳的位置，Y轴为主光线投射至成像面(例如成像面S12)的位置的相对数值，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。要注意的是，也可以使用其他波长光线取代930、940、950奈米红外光来画出光线扇形图。此光线只是作为一种测量的参考基准，并非一定的波长限制。图8-10分别为图2-4之镜头 10像场弯曲(field curvature)图以及表现歪曲像差的畸变(distortion)图。图11-13分别为图2-4之镜头10主光线夹角(chiefray angle)图。图5-13仿真数据图所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本发明第一、第二、第三实施例之镜头10确实能够具有良好的光学质量。
再者，于本发明的一实施例中，揭露了一种投影装置，除了应用上开各实施例中的光学镜头10外，更包括有前述的光阀LV及照明光源等光学组件。运作时，光阀LV接受照明光源的照明光，并将照明光转换为影像光后经由光学镜头10输出一结构光。前述的投影装置可应用于手机等便携设备，而投影镜头的出光方向是面对待测物体。
由以上实施例可知，本发明，可在有限的空间中提供一种具有收光效率良好、易于小型化、能提供较佳光学质量的镜头设计。
以上各具体实施例中所列出的表格中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，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。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之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之权利范围。

Claims (9)

1.一种镜头，包含：
五片非球面透镜，由一第一侧至一第二侧，分别为一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜以及一第五透镜；以及
一光圈，设于所述第一透镜与所述第二透镜之间；
其中所述第一透镜面对所述第一侧之一表面，沿着一光轴至所述第二侧之一成像面的一距离小于5mm，
其中，H为所述镜头在所述成像面的一影像高度，在所述成像面上，以所述影像高度等分10份，分别设有0.1H、0.2H、0.3H…0.9H、1H等10个位置，其中透过所述镜头到所述成像面上0.1H、0.2H、0.3H…0.9H、1H等10个位置的主光线，与所述成像面法向量的夹角都小于10度；
其中，所述第一透镜朝向所述第一侧的表面到所述成像面在光轴的距离为TTL，所述影像高度为H，所述镜头满足TTL/H<1.2。
2.如权利要求1所述的镜头，其特征在于：
所述第一透镜面对所述第一侧之第一表面，沿着所述光轴至所述第五透镜面对所述第二侧之第二表面的距离小于5mm；
所述H为所述镜头在第二侧所述成像面形成的影像高度；以及
透过所述成像面上所述0.4H位置，经过所述镜头到所述第一表面上的主光线，与所述光轴的夹角为B，透过所述成像面上0.5H位置，经过所述镜头到所述第一表面上的主光线，与所述光轴的夹角为C，B与C的差值大于4.5度，且透过所述成像面上0.3H位置，经过所述镜头到所述第一表面上的主光线，与所述光轴的夹角为A，A与B的差值大于4.7度。
3.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述镜头是应用于一投影装置。
4.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述距离小于3mm。
5.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述主光线与所述成像面法向量的夹角都小于7度。
6.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第五透镜还包含一绕射面。
7.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第一至第五透镜的屈光度满足下列条件之一：(1)依序为正、正、正、正及负，(2)依序为正、负、正、负及正。
8.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述镜头满足下列条件之一：(1)所述第一、第二、第三、第四、第五透镜彼此分离，(2)所述第一、第二、第三、第四、第五透镜的折射率均大于1.6，(3)所述第五透镜具有至少一反曲点。
9.一种投影装置，包含：
一光源；以及
一光阀以及一包含五片非球面透镜的镜头，其中所述镜头由一第一侧至一第二侧，分别为一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜以及一第五透镜，且所述光阀设在所述光源与所述第五透镜之间，其中所述第一透镜面对所述第一侧之一表面，沿着所述镜头之一光轴至所述第五透镜面对所述第二侧之一表面的一距离小于5mm，其中所述第一透镜在所述光轴部份设有一第一凸面，朝向所述第一侧，所述第二透镜在所述光轴部份设有一第一凹面，朝向所述第一侧，所述第三透镜之形状，设为近弯月形，在所述光轴部份设有一凹面，朝向所述第一侧，所述第四透镜之一光学有效外径大于所述第三透镜之一光学有效外径，且所述第五透镜朝向所述第一侧的一表面，设有一反曲点；
其中，所述第一透镜朝向所述第一侧的表面到一成像面在光轴的距离为TTL，一影像高度为H，所述镜头满足TTL/H<1.2。
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