CN115729018A - 投影镜头及投影装置 - Google Patents

Abstract

一种投影镜头，包括由缩小侧至放大侧沿光轴依序排列的第一透镜群、光栏、第二透镜群、反射光学元件以及折射光学元件。第一透镜群包括具有屈光度的多个透镜。第二透镜群包括具有屈光度的多个透镜。光栏位于第一透镜群与第二透镜群之间。反射光学元件与折射光学元件分别位于光轴的相对两侧。影像光束从缩小侧依序穿过第一透镜群与第二透镜群后传递至反射光学元件，影像光束借由反射光学元件反射至折射光学元件，再穿过折射光学元件朝放大侧形成投影光束。本发明提供的投影镜头可缩减系统内的镜片数。一种使用上述投影镜头的投影装置亦被提出，其系统长度较小，且成本降低。

Description

投影镜头及投影装置

技术领域

本发明是有关于一种光学镜头及光学装置，且特别是有关于一种投影镜头及投影装置。

背景技术

现有的超短焦投影镜头通常包括第一光学系统、第二光学系统、第一光栏、第二光栏以及反射光学系统(可为凹面反射镜)。第一光学系统包括多个透镜，用以将来自光阀且从缩小侧入射的影像形成第一中间像。第二光学系统包括多个透镜，用以接收来自缩小侧的第一中间像并形成第二中间像。反射光学系统具有正屈光度，并且比第二中间像更靠近放大侧。第一光栏设置在光阀的出光面和第一中间像之间。第二光栏设置在第一中间像和第二中间像之间。第二中间像借由反射光学系统的反射面被放大投影在成像屏幕上。

然而，现有的超短焦投影镜头因架构太多镜片，导致生产成本变高。而且，基于前述的光学系统，在机构设计上相对复杂，且镜头整体长度变长。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中的技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种投影镜头，其可缩减系统内的镜片数。

本发明提供一种使用上述投影镜头的投影装置，其系统长度较小，且成本降低。

本发明的一实施例提供一种投影镜头，其包括由缩小侧至放大侧沿光轴依序排列的第一透镜群、光栏、第二透镜群、反射光学元件以及折射光学元件。第一透镜群包括具有屈光度的多个透镜。第二透镜群包括具有屈光度的多个透镜。光栏位于第一透镜群与第二透镜群之间。反射光学元件与折射光学元件分别位于光轴的相对两侧。影像光束从缩小侧依序穿过第一透镜群与第二透镜群后传递至反射光学元件。影像光束借由反射光学元件反射至折射光学元件，再穿过折射光学元件朝放大侧形成投影光束。

本发明的一实施例提供一种投影装置，其包括照明系统、光阀以及投影镜头。照明系统用于提供照明光束。光阀设置于照明光束的传递路径上，且用于将照明光束转换为影像光束。投影镜头设置于影像光束的传递路径上，且用于接收影像光束并投射出投影光束。投影镜头包括由缩小侧至放大侧沿光轴依序排列的第一透镜群、光栏、第二透镜群、反射光学元件以及折射光学元件。第一透镜群包括具有屈光度的多个透镜。第二透镜群包括具有屈光度的多个透镜。光栏位于第一透镜群与第二透镜群之间。反射光学元件与折射光学元件分别位于光轴的相对两侧。影像光束从缩小侧依序穿过第一透镜群与第二透镜群后传递至反射光学元件。影像光束借由反射光学元件反射至折射光学元件，再穿过折射光学元件朝放大侧形成投影光束。

基于上述，在本发明的一实施例中，投影镜头借由较少透镜数目的设计可使整体体积缩小，再借由反射光学元件与折射光学元件将来自第一透镜群及第二透镜群的影像光束投射出去，以形成投影光束。因此，投影镜头或投影装置的光学架构较简单，使机构设计也较为容易。

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，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的投影装置的方块图。

图2是图1的投影装置中的投影镜头的示意图。

图3至图7分别为图2的投影镜头在不同物高的横向光束扇形图。

图8至图12分别为不同波长的光通过图2的投影镜头后在不同像高与物高的光斑图。

图13为图2的投影镜头的调制传递函数图。

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，在以下配合参考附图之一较佳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、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1是根据本发明的一实施例的投影装置的方块图。请参考图1，本发明的一实施例提供一种投影装置10，其包括照明系统50、光阀60以及投影镜头100。照明系统50用于提供照明光束I。光阀60设置于照明光束I的传递路径上，且用于将照明光束I转换为影像光束IB。投影镜头100设置于影像光束IB的传递路径上，且用于接收来自光阀60的影像光束IB并投射出投影光束PB。

详细来说，本实施例的照明系统50例如包含多个发光元件、波长转换元件、匀光元件、滤光元件以及多个分合光元件，用以提供不同波长的光以作为影像光束的来源。其中多个发光元件例如为金属卤素灯泡(Lamp)、高压汞灯泡，或者是固态发光源(solid-stateillumination source)，例如是发光二极管(light emitting diode)、激光二极管(laserdiode)等。然而，本发明并不限定投影装置10中照明系统50的种类或形态，其详细结构及实施方式可以由所属技术领域的通常知识获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。

在本实施例中，光阀60例如是液晶覆硅板(Liquid Crystal On Silicon panel,LCoS panel)、数字微镜元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)等反射式光调变器。于一些实施例中，光阀60也可以是透光液晶面板(Transparent Liquid Crystal Panel)，电光调变器(Electro-Optical Modulator)、磁光调变器(Magneto-Optic modulator)、声光调变器(Acousto-Optic Modulator,AOM)等穿透式光调变器。本发明对光阀60的型态及其种类并不加以限制。光阀60将照明光束I转换为影像光束IB的方法，其详细步骤及实施方式可以由所属技术领域的通常知识获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。在本实施例中，光阀60的数量为一个，例如是使用单个数字微镜元件的投影装置10，但在其他实施例中则可以是多个，本发明并不限于此。

图2是图1的投影装置中的投影镜头的示意图。请参考图2，在本实施例中，投影镜头100包括由缩小侧A1至放大侧A2沿光轴OA依序排列的第一透镜群G1、光栏(aperturestop)ST、第二透镜群G2、反射光学元件110以及折射光学元件120。第一透镜群G1包括具有屈光度的多个透镜。第二透镜群G2包括具有屈光度的多个透镜。光栏ST为一等效的光栏，实际应用中可不设置该元件的实体，光栏ST位于第一透镜群G1与第二透镜群G2之间。反射光学元件110与折射光学元件120分别位于光轴OA的相对两侧。影像光束IB从缩小侧A1依序穿过第一透镜群G1与第二透镜群G2后传递至反射光学元件110。影像光束IB借由反射光学元件110反射而传递至位于光轴OA的另一侧的折射光学元件120，再穿过折射光学元件120朝放大侧A2形成投影光束PB。

在本实施例中，第一透镜群G1包括从缩小侧A1至放大侧A2沿着光轴OA排列的六片透镜L1、L2、L3、L4、L5、L6。六片透镜L1、L2、L3、L4、L5、L6的屈光度依序为正、正、负、正、正、负。第二透镜群G2包括从缩小侧A1至放大侧A2沿着光轴OA排列的五片透镜L7、L8、L9、L10、L11。五片透镜L7、L8、L9、L10、L11的屈光度依序为正、负、负、负、正。因此，投影镜头100的透镜数减少至11片，使透镜长度缩减，系统的材料体积也可缩小，进一步使成本降低。

在本实施例中，第一透镜群G1包括至少一组胶合透镜。例如透镜L2、透镜L3、透镜L4为一组胶合透镜，并且透镜L5、透镜L6为另一组胶合透镜。

在本实施例中，第一透镜群G1包括至少一片非球面透镜。第二透镜群G2包括至少一片非球面透镜。例如第一透镜群G1中的透镜L5或第二透镜群G2中的透镜L8、透镜L10为非球面透镜。

在本实施例中，第二透镜群G2包括至少一片非对称透镜，其中此处的非对称以相对于光轴OA定义。例如透镜L10、透镜L11皆为非对称透镜，即光轴OA没有通过透镜L10、透镜L11的中心点。因此，第二透镜群G2中非对称透镜的设计使投影光束PB的光路径不被透镜干扰，其有助于缩减系统体积。

在本实施例中，反射光学元件110包括入光面S26、反射面S27以及第一平面S28，其中第一平面S28即反射光学元件110的出光面，且光轴OA落在第一平面S28上。入光面S26邻近配置于第二透镜群G2。进一步说明，反射光学元件110的入光面S26与第二透镜群G2中的透镜L11相邻配置，使来自第二透镜群G2的影像光束由入光面S26进入反射光学元件110并传递至于光轴OA的一侧的反射面S27。入光面S26具有正屈光度，且为非球面。反射面S26具有正屈光度，且为非球面。其中影像光束IB借由反射面S27反射至第一平面S28，再穿透第一平面S28而传递至位在光轴OA另一侧的折射光学元件120。

在本实施例中，折射光学元件120具有负屈光度。折射光学元件120包括第二平面S30以及折射面S29。光轴OA落在第二平面S30上，即反射光学元件110的第一平面S28与折射光学元件120的第二平面S30相互对应配置且平行光轴OA。折射光学元件120的折射面S29为朝向放大侧A2的凸面。折射面S29具有负屈光度，且为非球面。然而，在另一实施例中，折射光学元件120的折射面S29也可设计为凹面。其中，来自反射光学元件110的影像光束IB依序穿透第二平面S30与折射面S29后形成投影光束PB。

在本实施例中，反射光学元件110与折射光学元件120具有相同的折射率。在一实施例中，反射光学元件110与折射光学元件120可为一体成形。

以下以表1至表2列出投影镜头100的一较佳实施例的数据资料。然而，下文所列出的数据资料并非用以限定本发明。任何熟习此领域技术的人士在参照本发明之后，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。

在本实施例中，前述的各元件的实际设计可见于下列表1。

表1

在表1中，透镜L1由缩小侧A1至放大侧A2具有表面S7与表面S8，透镜L2由缩小侧A1至放大侧A2依序具有表面S9与表面S10。其中，透镜L2、透镜L3、透镜L4为一组胶合透镜，因此透镜L2朝放大侧A2的表面S10与透镜L3朝缩小侧A1的表面S10为同一表面，且透镜L3朝放大侧A2的表面S11与透镜L4朝缩小侧A1的表面S11为同一表面。依此类推，各元件所对应的表面则不再重复赘述。此外，在表1中，“距离”是指相邻两表面之间在光轴OA上的距离。举例来说，对应表面S1的距离是指表面S1与表面S2之间在光轴OA上的距离，而对应表面S2的距离，即表面S2至表面S3之间于光轴OA上的直线距离，以此类推。

在本实施例中，透镜L5的表面S13、透镜L8的表面S18与表面S19、透镜L10的表面S22与表面S23、反射光学元件110的入光面S26与反射面S27以及折射光学元件120的折射面S29皆为非球面，而其余透镜的表面皆为球面。非球面的公式如下所示：

在上式中，x为光轴方向的偏移量(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(asphericcoefficient)。表2列出透镜L5的表面S13、透镜L8的表面S18与表面S19、透镜L10的表面S22与表面S23、反射光学元件110的入光面S26与反射面S27以及折射光学元件120的折射面S29的参数值，其中二阶非球面系数A皆为0。

表2

在本实施例中，投影镜头100的光圈落在1.7至2.0的范围内。

在本实施例中，投影镜头100的第一透镜群G1为补偿群，第二透镜群G2为调焦群，当投影镜头100进行对焦时，第一透镜群G1用于沿光轴OA移动，用以补偿近轴影像的清晰度，第二透镜群G2用于沿光轴OA移动，用以调整离轴视场之影像的解析度。由于投影镜头100的焦距可调整，因此可维持清晰的投影画面。更进一步说明，由于第二透镜群G2与反射光学元件110之间于光轴OA上的间隔较小，例如表1中所示，透镜L11的表面S25与反射光学元件110的入光面S26之间的间隔为4mm，因此，透过较小间距的设置使投影镜头100的整体长度缩小。

此外，在本实施例中，投影镜头100更包括设置在光阀60与第一透镜群G1之间的玻璃件130、150以及棱镜140，其中玻璃件130、棱镜140与玻璃件150由缩小侧A1至放大侧A2沿光轴OA依序排列，玻璃件130例如为光阀60的保护盖。

图3至图7分别为图2的投影镜头在不同物高(object height)的横向光束扇形图(Transverse ray fan plot)，其中ex、ey、Px及Py轴的最大刻度与最小刻度分别为+500微米(μm)与-500微米。请参考图3至图7，图3至图7所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的投影镜头100能够达到良好的光学成像品质。

图8至图12分别为不同波长的光通过图2的投影镜头后在不同像高(imageheight)与物高的光斑图，其中x轴与y轴的最大范围为1000微米。请参考图8至图12，各波长的光通过投影镜头100后的光斑都不会太大，因此本实施例之投影镜头100所投影出的影像具有较高的成像品质。

图13为图2的投影镜头的调制传递函数图。请参考图13。图13为投影镜头100在不同像高的调制传递函数图(modulation transfer function,MTF)，其中横轴为焦点偏移量(focus shift)，纵轴为光学转移函数的模数(modulus of the optical transferfunction)，T代表在子午方向的曲线，S代表在弧矢方向的曲线，而“TS”旁标示的数值代表像高。由此可验证，本实施例的投影镜头100所显示出的光学转移函数曲线在标准范围内，故具有良好的光学成像品质，如图13所显示。

综上所述，在本发明的一实施例中，投影镜头或投影装置同时设有反射光学元件与折射光学元件。影像光束借由投影镜头第一透镜群及第二透镜群传递至反射光学元件，再借由反射光学元件与折射光学元件将影像光束投射出去，以形成投影光束。因此，投影镜头或投影装置的光学架构较简单，使机构设计也较为容易。

惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即凡依本发明权利要求书及发明内容所作之简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要和标题(发明名称)仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明之权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

附图标记说明：

10:投影装置

50:照明系统

60:光阀

100:投影镜头

110:反射光学元件

120:折射光学元件

130、150:玻璃件

140:棱镜

A1:缩小侧

A2:放大侧

G1:第一透镜群

G2:第二透镜群

L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11:透镜

OA:光轴

PB:投影光束

S0、S1、S2、S3、S4、S6、S5、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19、S20、S21、S22、S23、S24、S25:表面

S26:入光面

S27:反射面

S28:第一平面

S29:折射面

S30:第二平面

ST:光栏。

Claims (20)

1.一种投影镜头，其特征在于，所述投影镜头包括由缩小侧至放大侧沿光轴依序排列的第一透镜群、光栏、第二透镜群、反射光学元件以及折射光学元件，其中：

所述第一透镜群包括具有屈光度的多个透镜；

所述第二透镜群包括具有屈光度的多个透镜；

所述光栏位于所述第一透镜群与所述第二透镜群之间；以及

所述反射光学元件与所述折射光学元件分别位于所述光轴的相对两侧，

其中，影像光束从所述缩小侧依序穿过所述第一透镜群与所述第二透镜群后传递至所述反射光学元件，所述影像光束借由所述反射光学元件反射至所述折射光学元件，再穿过所述折射光学元件朝所述放大侧形成投影光束。

2.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜群包括六片透镜，所述六片透镜的屈光度从所述缩小侧至所述放大侧依序为正、正、负、正、正、负。

3.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第二透镜群包括五片透镜，所述五片透镜的屈光度从所述缩小侧至所述放大侧依序为正、负、负、负、正。

4.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜群包括至少一组胶合透镜。

5.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜群包括至少一片非球面透镜，所述第二透镜群包括至少一片非球面透镜。

6.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述反射光学元件包括入光面、反射面以及第一平面，所述入光面邻近配置于所述第二透镜群。

7.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述折射光学元件具有负屈光度。

8.根据权利要求6所述的投影镜头，其特征在于，所述影像光束借由所述反射面反射至所述第一平面，再穿透所述第一平面而传递至所述折射光学元件。

9.根据权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，所述入光面具有正屈光度，且为非球面，所述反射面具有正屈光度，且为非球面。

10.根据权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，所述折射光学元件包括第二平面以及折射面，来自所述反射光学元件的所述影像光束依序穿透所述第二平面与所述折射面后形成所述投影光束。

11.根据权利要求10所述的投影镜头，其特征在于，所述折射光学元件的所述折射面为朝向所述放大侧的凸面。

12.根据权利要求10所述的投影镜头，其特征在于，所述折射面具有负屈光度，且为非球面。

13.根据权利要求10所述的投影镜头，其特征在于，所述第一平面与所述第二平面共平面。

14.根据权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，所述光轴落在所述第一平面上。

15.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述反射光学元件与所述折射光学元件具有相同的折射率。

16.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述反射光学元件与所述折射光学元件为一体成形。

17.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第二透镜群包括至少一片非对称透镜。

18.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的光圈落在1.7至2.0的范围内。

19.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜群为补偿群，所述第二透镜群为调焦群，当所述投影镜头进行对焦时，所述第一透镜群及所述第二透镜群用于沿所述光轴移动。

20.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括照明系统、光阀以及投影镜头，其中：

所述照明系统用于提供照明光束；

所述光阀设置于所述照明光束的传递路径上，用于将所述照明光束转换为影像光束；以及

所述投影镜头设置于所述影像光束的传递路径上，用于接收所述影像光束并投射出投影光束，并且所述投影镜头包括由缩小侧至放大侧沿光轴依序排列的第一透镜群、光栏、第二透镜群、反射光学元件以及折射光学元件，其中：

所述第一透镜群包括具有屈光度的多个透镜；

所述第二透镜群包括具有屈光度的多个透镜；

所述光栏位于所述第一透镜群与所述第二透镜群之间；以及

所述反射光学元件与所述折射光学元件分别位于所述光轴的相对两侧，

其中，所述影像光束从所述缩小侧依序穿过所述第一透镜群与所述第二透镜群后传递至所述反射光学元件，所述影像光束借由所述反射光学元件反射至所述折射光学元件，再穿过所述折射光学元件朝所述放大侧形成所述投影光束。

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