TWI407143B - 定焦鏡頭 - Google Patents

Description

定焦鏡頭

本發明是有關於一種鏡頭，且特別是有關於一種定焦鏡頭。

近年來，數位顯示裝置，例如液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)、數位微顯示器(Digital Light Processing_，DLP)與電漿顯示器(Plasma Display Panel，PDP)等已逐漸取代傳統的陰極射線管顯示器(Cathode Ray Tube，CRT)而為新一代顯示裝置。由於數位影像訊號傳輸及處理有不失真和清晰等特性，因此將數位顯示裝置應用在投影顯示裝置(例如數位背投影顯示裝置)為時勢所趨。然而，應用於投影顯示裝置的定焦鏡頭對光學設計者而言，存在諸多的挑戰。

在視場角大於90度的廣角鏡頭之設計過程中，像差是設計者所面對的一項難題。改善像差的方法例如為採用非球面透鏡，如美國專利第6,621,645號使用至少1片模造玻璃非球面透鏡，而使得成本增加，且畸變(distortion)的絕對值大於1%。此外，美國專利第6,560,041號使用至少3片非球面透鏡，而使得製造成本與組裝困難度增加。

另一方面，若要使用較少的非球面透鏡且能有效改善像差，則通常會使鏡頭的總長增加，且使投影系統的體積變大，例如美國專利第6,999,247號便是如此，而美國專 利第6,542,316號之鏡頭總長大於150毫米。或者，亦可使用較多的透鏡數目來修正像差，如美國專利號第6,621,645號、美國專利第7,184,219號及中華民國專利第I247915號。

此外，中華民國專利第I299811號、中華民國專利公開第200916822號、中華民國專利公開第200925646號、中華民國專利公開第200905236號、美國專利第7,173,777號、美國專利第7,126,767號、美國專利第7,123,426號亦提出相關的鏡頭。

本發明提供一種定焦鏡頭，具有較簡單的架構、較佳的光學品質及較低的製造困難度。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提出一種定焦鏡頭，適於配置於一放大側與一縮小側之間。定焦鏡頭包括一第一透鏡群、一第二透鏡群及一第三透鏡群。第一透鏡群配置於放大側與縮小側之間，且具有負屈光度。第一透鏡群包括由放大側往縮小側依序排列之一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡，其中第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡的屈光度皆為負。第二透鏡群配置於第一透鏡群與縮小側之間，且具有正屈光度。第二透鏡群包括一第四透鏡，其中第四透鏡具有正屈光 度。第三透鏡群配置於第二透鏡群與縮小側之間，且具有正屈光度。第三透鏡群包括由放大側往縮小側依序排列之一第五透鏡、一第六透鏡、一第七透鏡、一第八透鏡、一第九透鏡、一第十透鏡、一第十一透鏡及一第十二透鏡，其中第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡、第十透鏡、第十一透鏡及第十二透鏡的屈光度依序為正、負、正、正、負、正、負及正。

本發明的實施例至少具有以下其中一個優點，由於本發明之實施例的定焦鏡頭包括三個透鏡群及十二個透鏡，因此鏡頭的結構較為簡單。此外，藉由將十二個透鏡的屈光度由放大側往縮小側依序設計為負、負、負、正、正、負、正、正、負、正、負及正，本發明之實施例之定焦鏡頭具有較佳的成像品質。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1為本發明之一實施例之定焦鏡頭的結構示意圖。請參照圖1，本實施例之定焦鏡頭100適於配置於一放大 側與一縮小側之間。在本實施例中，定焦鏡頭100適用於一投影裝置中，以將配置於縮小側的一光閥50的影像投影至放大側的一屏幕上。光閥50例如為一數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)、一矽基液晶面板(liqiud-crystal-on-silicon panel,LCOS)、一穿透式液晶面板或其他適當的空間光調變器(spatial light modulator,SLM)。定焦鏡頭100包括一第一透鏡群110、一第二透鏡群120及一第三透鏡群130。第一透鏡群110配置於放大側與縮小側之間，且具有負屈光度。第一透鏡群110包括由放大側往縮小側依序排列之一第一透鏡112、一第二透鏡114及一第三透鏡116，其中第一透鏡112、第二透鏡114及第三透鏡116的屈光度皆為負。

第二透鏡群120配置於第一透鏡群110與縮小側之間，且具有正屈光度。第二透鏡群120包括一第四透鏡122，其中第四透鏡122具有正屈光度。第三透鏡群130配置於第二透鏡群120與縮小側之間，且具有正屈光度。第三透鏡群130包括由放大側往縮小側依序排列之一第五透鏡131、一第六透鏡132、一第七透鏡133、一第八透鏡134、一第九透鏡135、一第十透鏡136、一第十一透鏡138及一第十二透鏡139，其中第五透鏡131、第六透鏡132、第七透鏡133、第八透鏡134、第九透鏡135、第十透鏡136、第十一透鏡138及第十二透鏡139的屈光度依序為正、負、正、正、負、正、負及正。

在本實施例中，第一透鏡112例如為一非球面透鏡。 此外，第二透鏡114例如為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡。再者，在本實施例中，第五透鏡131、第六透鏡132、第七透鏡133、第八透鏡134、第九透鏡135、第十透鏡136、第十一透鏡138及第十二透鏡139之至少其一為一彎月形透鏡，其中彎月形透鏡可降低球差(aspherical aberration)與場曲(field curvature)。具體而言，第一透鏡112例如為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡，第二透鏡114例如為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡，且第三透鏡116例如為一雙凹透鏡。此外，第四透鏡122例如為一雙凸透鏡。再者，第五透鏡131例如為一凸面朝向放大側的平凸透鏡，第六透鏡132例如為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡，第七透鏡133例如為一凸面朝向放大側的凹凸透鏡，第八透鏡134例如為一雙凸透鏡，第九透鏡135例如為一雙凹透鏡，第十透鏡136例如為一雙凸透鏡，第十一透鏡138例如為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡，且第十二透鏡139例如為一雙凸透鏡。

在本實施例中，第五透鏡131、第六透鏡132、第七透鏡133、第八透鏡134、第九透鏡135、第十透鏡136、第十一透鏡138及第十二透鏡139之中相鄰二者構成至少一雙膠合透鏡。舉例而言，第五透鏡131至第十二透鏡139之中任一相鄰二者構成一雙膠合透鏡，或者第五透鏡131至第十二透鏡139之中兩相鄰二者構成二個雙膠合透鏡。

在本實施例中，第五透鏡131、第六透鏡132、第七透鏡133、第八透鏡134、第九透鏡135、第十透鏡136、 第十一透鏡138及第十二透鏡139之中相鄰三者構成至少一三膠合透鏡。舉例而言，第五透鏡131至第十二透鏡139之中任一相鄰三者構成一三膠合透鏡，如第五透鏡131與第六透鏡132、第七透鏡133構成一三膠合透鏡，或者第五透鏡131至第十二透鏡139之中相鄰三者構成二個三膠合透鏡，如第五透鏡131與第六透鏡132、第七透鏡133構成一三膠合透鏡，第九透鏡135與第十透鏡136、第十一透鏡138構成另一三膠合透鏡，但本發明不以此為限。

具體而言，在本實施例中，第八透鏡134、第九透鏡135與第十透鏡136構成一三膠合透鏡142，且第十一透鏡138與第十二透鏡139構成一雙膠合透鏡144。雙膠合透鏡144與三膠合透鏡142的設計可降低球差與色差(color aberration)。此外，在本實施例中，第三透鏡群130包括一孔徑光闌(aperture stop)137，配置於第十透鏡136與第十一透鏡138之間。

在本實施例之定焦鏡頭100中，第一透鏡群110與第二透鏡群120之設計能使定焦鏡頭100兼具廣視角與較低的畸變，而第三透鏡群130能有效地改善球差、場曲和色差。此外，第十二透鏡139採用雙凸透鏡的設計，能有效搜集縮小側的光強度，並使光閥50所形成的影像經由定焦鏡頭100投影放大至放大側的屏幕上。另外，當配置於放大側的成像面(例如螢幕)之位置改變時，藉由第一透鏡群110、第二透鏡群120及第三透鏡群130彼此間的相對位置之改善，可達到對焦(focus)的效果。

為了使定焦鏡頭100具有更佳的光學成像品質，在本實施例中，可使定焦鏡頭100符合下列條件之至少其一：(1)7.5<|F_1A/F|；(2)|F₁/F|<1.35；(3)6<|F₂/F|<8.5；(4)3<|F₃/F|<5.5；其中，F_1A為第一透鏡的有效焦距，F₁為第一透鏡群的有效焦距，F₂為第二透鏡群的有效焦距，F₃為第三透鏡群的有效焦距，且F為定焦鏡頭100的有效焦距。此外，若|F₁/F|>1.35，會使得定焦鏡頭100的視場角(field of view,FOV)較小，因此本實施例之條件(2)為|F₁/F|<1.35，以使本實施例之定焦鏡頭100具有較廣的視場角。再者，若7.5>|F_1A/F|，會使非球面透鏡(即第一透鏡112)的屈光度過大，造成鏡片製作較不易及敏感度增加。因此，本實施例條件(1)為7.5<|F_1A/F|，以使第一透鏡112較易製造，且敏感度較低。由於本實施例的定焦鏡頭100包括三個透鏡群及十二個透鏡，因此鏡頭的結構較為簡單。如此一來，用以承載透鏡的機構可較為簡化。再者，定焦鏡頭100的架構能夠有效改善像差、縮小投影系統的體積、降低鏡片的製作困難度及組裝困難度，進而大幅減少整個透鏡的成本與機構的成本。

以下內容將舉出定焦鏡頭100之一實施例。需注意的是，下述之表一中所列的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者在參照本發明之後， 當可應用本發明的原則對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。

在表一中，間距是指兩相鄰表面間於定焦鏡頭100之光軸A上之直線距離，舉例來說，表面S1之間距，即表面S1至表面S2間於光軸A上之直線距離。備註欄中各透鏡所對應之厚度、折射率與阿貝數請參照同列中各間距、折射率與阿貝數對應之數值。此外，在表一中，表面S1、S2為第一透鏡112的兩表面，表面S3、S4為第二透鏡114之兩表面，表面S5、S6為第三透鏡116之兩表面，表面S7、S8為第四透鏡122的兩表面，表面S9、S10為第五透鏡131的兩表面，表面S11、S12為第六透鏡132的兩表面，且表面S13、S14為第七透鏡133的兩表面。表面S15為第八透鏡134之朝向放大側的表面，表面S16為第八透鏡134與第九透鏡135相連的表面，表面S17為第九透鏡135與第十透鏡136相連的表面，且表面S18為第十透鏡136之朝向縮小側的表面。表面S19為第十一透鏡138之 朝向放大側的表面，表面S20為第十一透鏡138與第十二透鏡139相連的表面，且表面S21為第十二透鏡139之朝向縮小側的表面。表面S22、S23為一玻璃蓋(cover glass)60的二表面，其中玻璃蓋60是用以保護光閥50。表面S23的間距是指表面S23至光閥50的距離。

有關於各表面之曲率半徑、間距等參數值，請參照表一，在此不再重述。此外，在本實施例中，藉由變化表面S6的間距(表面S6至表面S7的距離)與表面S8的間距(表面S8至表面S9的距離)，可使定焦鏡頭100完成對焦。此外，在本實施例中，表面S6所對應的間距最大值例如為16.4毫米，而最小值例如為15.7毫米。再者，表面S8所對應的間距最大值例如為6毫米，而最小值例如為2.9毫米。

上述之表面S1、S2為偶次項非球面，而其可用下列公式表示：

式中，Z為光軸A方向之偏移量(sag)，c是密切球面(osculating sphere)的半徑之倒數，也就是接近光軸A處的曲率半徑(如表一中S1、S2的曲率半徑)的倒數。k是二次曲面係數(conic)，r是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度，而A₂、A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄...為非球面係數(aspheric coefficient)，在本實施例中係數A₂為0。下列表二所列出的是表面S1、S2的非球面參數值。

圖2A至圖2D為圖1之定焦鏡頭的成像光學模擬數據圖。請參照圖2A至圖2D，圖2A為影像之橫向光線扇形圖(transverse ray fan plot)，其是以波長為486nm、588nm及656nm的光所作出的模擬數據圖，其中縱軸與橫軸的刻度皆是由-50微米至+50微米。圖2B中由左至右依序為場曲(field curvature)與畸變(distortion)的圖形，其是以波長為486nm、588nm及656nm的光所作出的模擬數據圖，其中場曲的橫軸為成像面與焦面相差的距離，畸變的橫軸為多少百分比的畸變，且場曲與畸變的縱軸皆為場(field)，其由0至最大場。圖2C為縱向色差(axial color)，其是以波長為486nm、588nm及656nm的光所作出的模擬數據圖，其中橫軸為成像面與無色差焦面相差 的距離，而縱軸為場，其從0至最大場。圖2D為橫向色差(lateral color)，其是以波長為486nm、588nm及656nm的光所作出的模擬數據圖，其中橫軸為與波長587.5nm相差的距離，而縱軸為場，其由0至最大場。圖2A至圖2D所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例之定焦鏡頭100確實能夠具有良好的光學成像品質。

綜上所述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點，由於本發明之實施例的定焦鏡頭包括三個透鏡群及十二個透鏡，因此鏡頭的結構較為簡單。如此一來，用以承載透鏡的機構可較為簡化。再者，本發明之實施例之定焦鏡頭的架構能夠有效提升光學成像品質、縮小投影系統的體積、降低鏡片的製作困難度及組裝困難度，進而減少整個透鏡的成本與機構的成本。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

50‧‧‧光閥

60‧‧‧玻璃蓋

100‧‧‧定焦鏡頭

110‧‧‧第一透鏡群

112‧‧‧第一透鏡

114‧‧‧第二透鏡

116‧‧‧第三透鏡

120‧‧‧第二透鏡群

122‧‧‧第四透鏡

130‧‧‧第三透鏡群

131‧‧‧第五透鏡

132‧‧‧第六透鏡

133‧‧‧第七透鏡

134‧‧‧第八透鏡

135‧‧‧第九透鏡

136‧‧‧第十透鏡

137‧‧‧孔徑光闌

138‧‧‧第十一透鏡

139‧‧‧第十二透鏡

142‧‧‧三膠合透鏡

144‧‧‧雙膠合透鏡

A‧‧‧光軸

S1~S23‧‧‧表面

圖1為本發明之一實施例之定焦鏡頭的結構示意圖。

圖2A至圖2D為圖1之定焦鏡頭的成像光學模擬數據圖。

50‧‧‧光閥

60‧‧‧玻璃蓋

100‧‧‧定焦鏡頭

110‧‧‧第一透鏡群

112‧‧‧第一透鏡

114‧‧‧第二透鏡

116‧‧‧第三透鏡

120‧‧‧第二透鏡群

122‧‧‧第四透鏡

130‧‧‧第三透鏡群

131‧‧‧第五透鏡

132‧‧‧第六透鏡

133‧‧‧第七透鏡

134‧‧‧第八透鏡

135‧‧‧第九透鏡

136‧‧‧第十透鏡

137‧‧‧孔徑光闌

138‧‧‧第十一透鏡

139‧‧‧第十二透鏡

142‧‧‧三膠合透鏡

144‧‧‧雙膠合透鏡

A‧‧‧光軸

S1~S23‧‧‧表面

Claims (13)

1. 一種定焦鏡頭，適於配置於一放大側與一縮小側之間，該定焦鏡頭包括：一第一透鏡群，配置於該放大側與該縮小側之間，且具有負屈光度，該第一透鏡群包括由該放大側往該縮小側依序排列之一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡，其中該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡的屈光度皆為負；一第二透鏡群，配置於該第一透鏡群與該縮小側之間，且具有正屈光度，該第二透鏡群包括一第四透鏡，其中該第四透鏡具有正屈光度；以及一第三透鏡群，配置於該第二透鏡群與該縮小側之間，且具有正屈光度，該第三透鏡群包括由該放大側往該縮小側依序排列之一第五透鏡、一第六透鏡、一第七透鏡、一第八透鏡、一第九透鏡、一第十透鏡、一第十一透鏡及一第十二透鏡，其中該第五透鏡、該第六透鏡、該第七透鏡、該第八透鏡、該第九透鏡、該第十透鏡、該第十一透鏡及該第十二透鏡的屈光度依序為正、負、正、正、負、正、負及正。
2. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第一透鏡為一非球面透鏡。
3. 如申請專利範圍第2項所述之定焦鏡頭，其中該第二透鏡為一凸面朝向該放大側的凸凹透鏡。
4. 如申請專利範圍第2項所述之定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭符合7.5<|F_1A/F|，其中F_1A為該第一透鏡的有效焦 距，且F為該定焦鏡頭的有效焦距。
5. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭符合|F₁/F|<1.35、6<|F₂/F|<8.5及3<|F₃/F|<5.5，其中F₁為該第一透鏡群的有效焦距，F₂為該第二透鏡群的有效焦距，F₃為該第三透鏡群的有效焦距，且F為該定焦鏡頭的有效焦距。
6. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第五透鏡、該第六透鏡、該第七透鏡、該第八透鏡、該第九透鏡、該第十透鏡、該第十一透鏡及該第十二透鏡之至少其一為一彎月形透鏡。
7. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第五透鏡、該第六透鏡、該第七透鏡、該第八透鏡、該第九透鏡、該第十透鏡、該第十一透鏡及該第十二透鏡之中相鄰二者構成至少一雙膠合透鏡。
8. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第五透鏡、該第六透鏡、該第七透鏡、該第八透鏡、該第九透鏡、該第十透鏡、該第十一透鏡及該第十二透鏡之中相鄰三者構成至少一三膠合透鏡。
9. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第八透鏡、該第九透鏡與該第十透鏡構成一三膠合透鏡，且該第十一透鏡與該第十二透鏡構成一雙膠合透鏡。
10. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第三透鏡群包括一孔徑光闌，配置於該第十透鏡與該第十一透鏡之間。
11. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第一透鏡為一凸面朝向該放大側的凸凹透鏡，該第二透鏡為一凸面朝向該放大側的凸凹透鏡，且該第三透鏡為一雙凹透鏡。
12. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第四透鏡為一雙凸透鏡。
13. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第五透鏡為一凸面朝向該放大側的平凸透鏡，該第六透鏡為一凸面朝向該放大側的凸凹透鏡，該第七透鏡為一凸面朝向該放大側的凹凸透鏡，該第八透鏡為一雙凸透鏡，該第九透鏡為一雙凹透鏡，該第十透鏡為一雙凸透鏡，該第十一透鏡為一凸面朝向該放大側的凸凹透鏡，且該第十二透鏡為一雙凸透鏡。