TWI408435B - 投影鏡頭 - Google Patents

Description

投影鏡頭

本發明是有關於一種鏡頭，且特別是有關於一種投影鏡頭(projection lens)。

投影鏡頭對光學設計者而言，存在諸多的挑戰。舉例而言，一般投影裝置為了達成良好的成像品質，其投影鏡頭通常具有低畸變像差、高解析度、高對比度以及均勻的畫面照度等特性。此外，這些高品質的投影裝置除了具有良好的成像品質之外，最好還能具有較大的視場角(field of view,FOV)，以滿足小空間可投影大畫面的需求。然而，大視場角往往又會造成大的畸變像差。另外，為了提升光源的利用率以及投影畫面照度的均勻性，於鏡頭系統之縮小側的主光線與其光軸要越接近平行越好，也就是說其縮小側的主光線相對於光軸的遠心角(telecentric angle)要越小越好。

然而，上述對投影裝置的規格要求皆會互相牽制。舉例來說，為了降低鏡頭的畸變像差，就會牽制透鏡的使用數目並限制成像的視場角，以至於投影裝置無法滿足小空間可投影大畫面的需求。若要滿足投影裝置之大視場角以及縮小側之主光線與光軸接近平行的條件，又會增加鏡頭的長度以及鏡片的大小，而無法達到縮短鏡頭長度的目的。此外，傳統上會使用到九片以上的玻璃鏡片來製作投影鏡頭，以達到低畸變像差、高解析度、高對比度以及均勻的畫面照度等特性，但這樣的設計無法達到節省成本與小型化的目的。

中華民國公開專利第200925646號以及第200839411號與日本特開平第8-313810號以及第2003-131129分別揭露一種包括三透鏡群的投影裝置。除此之外，美國專利第7009777號與第5042929號也分別揭露與透鏡群相關的設計。

本發明提供一種投影鏡頭，其兼具較低成本與較佳的光學特性。

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投影鏡頭。投影鏡頭配置於一放大側與一縮小側之間，且包括一第一透鏡群、一第二透鏡群、一第三透鏡群及一光學元件。第一透鏡群具有負屈光度，且包括由放大側往縮小側依序排列之一第一透鏡及一第二透鏡。第一透鏡與第二透鏡的屈光度分別為正及負。第二透鏡群具有正屈光度，且配置於第一透鏡群與縮小側之間。第二透鏡群包括由放大側往縮小側依序排列之一第三透鏡、一第四透鏡、一第五透鏡及一第六透鏡，其中第五透鏡及第六透鏡的屈光度皆為正。第三透鏡群具有正屈光度，且配置於第二透鏡群與縮小側之間。第三透鏡群包括一第七透鏡。光學元件配置於第二透鏡群與第三透鏡群之間

基於上述，本發明之實施例包括以下優點或功效之至少其中之一。本發明之實施例之投影鏡頭包括屈光度分別為負、正與正的第一透鏡群、第二透鏡群以及第三透鏡群，其中第一透鏡群之第一透鏡與第二透鏡的屈光度分別為正及負，而第二透鏡群之第五透鏡及第六透鏡的屈光度皆為正，此架構能修正像差，達到良好的成像品質，因此具有較低的成本與較佳的光學特性。

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投影鏡頭的結構示意圖。請參照圖1，本實施例之投影鏡頭100配置於一放大側與一縮小側之間，且包括從放大側往縮小側依序排列之一第一透鏡群110、一第二透鏡群120及一第三透鏡群130。第一透鏡群110、第二透鏡群120與第三透鏡群130分別具有負屈光度、正屈光度與正屈光度。在本實施例中，第三透鏡群130的位置相對於投影鏡頭100而固定。第一透鏡群110與第二透鏡群120適於相對於第三透鏡群130而移動以進行對焦。

詳細來說，本實施例之第一透鏡群110包括由放大側往縮小側依序排列之一第一透鏡112及一第二透鏡114，其中第一透鏡112與第二透鏡114的屈光度分別為正與負。第二透鏡群120配置於第一透鏡群110與縮小側之間，且包括由放大側往縮小側依序排列之一第三透鏡122、一第四透鏡124、一第五透鏡126及一第六透鏡128，其中第三透鏡122與第四透鏡124構成一雙膠合透鏡，第五透鏡126及第六透鏡128的屈光度皆為正。第三透鏡群130配置於第二透鏡群120與縮小側之間，且包括一第七透鏡132。

具體而言，在本實施例中，第一透鏡112為一凸面朝向放大側的凹凸透鏡，第二透鏡114為一雙凹透鏡，第五透鏡126為一雙凸透鏡。另外，第三透鏡122為一雙凹透鏡，且第四透鏡124為一雙凸透鏡，其中第三透鏡122與第四透鏡124的屈光度例如分別為負及正。然而，第三透鏡122與第四透鏡124的屈光度並不限於此，在其他實施例中，第三透鏡122與第四透鏡124的屈光度也可以分別為正及負。除此之外，在本實施例中，組成投影鏡頭100的第六透鏡128與第七透鏡132為非球面透鏡，且其餘五片透鏡皆為球面透鏡。實務上，製作第六透鏡128與第七透鏡132的材質可以是玻璃材質，亦可是成本較低的塑膠材質或者是其他適於製作透鏡的材質。

一般而言，於縮小側可設置有一影像處理元件140(image processing device)。在本實施例中，影像處理元件140例如是光閥(light valve)，而光閥例如為一數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)、一矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)或一穿透式液晶面板(transmissive liquid crystal panel,transmissive LCD)。此外，本實施例中之投影鏡頭100適於將影像處理元件140所提供的影像成像於放大側。另外，影像處理元件140前方還可配置一玻璃蓋170以保護影像處理元件140。

另一方面，本實施例之投影鏡頭100中進一步設置一光學元件150。光學元件150配置於第二透鏡群120與第三透鏡群130之間，其中光學元件150例如為一稜鏡。更具體地說，為了使投影鏡頭100具有大的視場角(field of view,FOV)以應用於投影裝置中，可透過第二透鏡群120與第三透鏡群130之間具有足夠的距離L_2,3 來放置光學元件150而達成，本實施例之投影鏡頭100則可符合下列條件：

4.5<∣f_G1 /f∣<8　(1)

式(1)中，f_G1 為第一透鏡群110的有效焦距(effective focal length,EFL)，而f為投影鏡頭100的有效焦距。若∣f_G1 /f∣>8，則距離L_2,3 將會不夠大，以至於無法放置光學元件150。反之，若∣f_G1 /f∣<4.5，則會使像差變大，造成光學成像品質的下降。

然而，在設計大視場角之投影鏡頭的同時，通常會伴隨較大的離軸像差(off-axis aberration)，尤其是像散(astigmatism)和桶形畸變(barrel distortion)。為了確保光學成像品質，本實施例利用第一透鏡112所具有的正屈光度來修正因第一透鏡群110之負屈光度所產生的像散和桶形畸變。因此，本實施例之投影鏡頭100可符合下列條件：

0.15<∣f_G1S1 /f_G1 ∣<0.6　(2)

式(2)中，f_G1S1 為第一透鏡112的有效焦距，而f_G1 為第一透鏡群110的有效焦距。若∣f_G1S1 /f_G1 ∣<0.15，則第一透鏡群110的屈光度會過大，如此雖然可矯正像散與桶形畸變，但也會使彗差(coma)變得過大。反之，∣f_G1S1 /f_G1 ∣>0.6，則將不足以補正投影鏡頭100內的像散和桶形畸變。

為了減少縮小側的主光線(未繪示)相對於光軸O的遠心角(telecentric angle)，本實施例透過設置具有較大正屈光度的第二透鏡群120來達成，以使離軸的主光線盡量與光軸O平行。然而，為了避免第二透鏡群120的像差變大，並避免第二透鏡群120的正屈光度使得離軸光線在第二鏡群120中產生較大的離軸像差(如彗差、像散或桶形畸變等現象)，本實施例將第二透鏡群120中的第六透鏡128安排為非球面透鏡，以修正第二透鏡群120所產生的像差，尤其是彗差。由上述可知，本實施例不同於傳統上透過增加鏡片數目的方法來達到降低像差的效果，如此可達到鏡頭小型化之目的。此外，為了達到更佳的光學成像效果，本實施例進一步將第三透鏡群130中的第七透鏡132亦安排為非球面透鏡，以進一步修正第二透鏡群120所產生的桶形畸變或投影鏡頭100殘餘的像散。

除此之外，本實施例之投影鏡頭100還可滿足以下條件：

20<∣ν3-ν4∣<36　(3)

式(3)中，ν3為第三透鏡122的阿貝數(Abbe number)，ν4為第四透鏡124的阿貝數。若∣ν3-ν4∣<20，則表示第三透鏡122與第四透鏡124兩者的阿貝數太接近，將難以修正橫向色差(lateral color)。反之，若∣ν3-ν4∣>36，則難以修正縱向色差(longitudinal color)。

請繼續參照圖1，在本實施例中，投影鏡頭100還可包括一孔徑光欄160。孔徑光欄160配置於第一透鏡群110與第二透鏡群120之間，且第一透鏡群110、孔徑光欄160與第二透鏡群120適於相對第三透鏡130群移動來對焦。本實施例之投影鏡頭100還可滿足以下條件：

0.24<L₁ /f<0.3　(4)

式(4)中，L₁ 為第一透鏡群110至孔徑光欄160的距離，而f為投影鏡頭100的有效焦距。若L₁ /f<0.24，則距離L_2,3 會太小，以致無法放置光學元件150。反之，若L₁ /f>0.3，則又會使像差變大，降低成像品質。

以下內容將舉出投影鏡頭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，曲率半徑是指每一表面之曲率半徑，間距是指兩相鄰表面間於光軸O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O上之直線距離。備註欄中各透鏡與各光學元件所對應之厚度、折射率與阿貝數請參照同列中各間距、厚度與阿貝數對應之數值。

承上述，表面S1為第一透鏡112面向放大側的表面，表面S2為第一透鏡112面向縮小側的表面。表面S3為第二透鏡114面向放大側的表面，表面S4為第二透鏡114面向縮小側的表面。表面S5為孔徑光欄160的表面。表面S6為第三透鏡122面向放大側的表面，表面S7為第三透鏡122與第四透鏡124之相連表面，表面S8為第四透鏡124面向縮小側的表面。表面S9為第五透鏡126面向放大側的表面，表面S10為第五透鏡126面向縮小側的表面。表面S11為第六透鏡128朝向放大側的表面，表面S12為第六透鏡128朝向縮小側的表面。表面S13、S14為光學元件150的兩表面。表面S15為第七透鏡132面向放大側的表面，表面S16為第七透鏡132面向縮小側的表面。表面S17、S18為玻璃蓋170的兩表面。

再者，上述之表面S11、S12、S15、S16為非球面，而其可用下列公式表示：

式中，Z為光軸方向之偏移量(sag)，r是密切球面(osculating sphere)的半徑，也就是接近光軸O處的曲率半徑(如表格內S1、S2的曲率半徑)。k是二次曲面係數(conic constant)，h是非球面上距光軸O的垂直高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度，而A₁ ~A₈ 為非球面係數(aspheric coefficient)。

表二所列出的是表面S11、S12、S15、S16的參數值。需注意的是，下述之表二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。

在本實施例中，第六透鏡128與第七透鏡132為非球面透鏡，因此能有效改善此投影鏡頭100的畸變(distortion)。舉例而言，在本實施例中，投影鏡頭100之有效焦距例如為19.5039毫米(mm)，視場角可達40.83度，而遠心角可達4.6度，由此可知，因此本實施例之投影鏡頭100具有大視場角與小遠心角。

圖2A至圖2C為圖1之投影鏡頭100的成像光學模擬數據圖。請參照圖2A至圖2C，其中圖2A為調制轉換函數曲線圖(modulation transfer function,MTF)，其橫軸為每週期/毫米之空間頻率(spatial frequency in cycles per millimeter)，縱軸為光學轉移函數的模數(modulus of the OTF)。於圖2A，不同的線條代表不同的視場角。圖2B中為場曲(field curvature)圖，圖2C為畸變圖，圖2D為橫向色差圖。圖2B至圖2D中不同線條代表以不同波長的光所作的模擬數據圖。由於圖2A至圖2D所顯示出的圖形均在標準的範圍內，因此本實施例之投影鏡頭100具有良好的成像品質，也就是說，本實施例之投影鏡頭100具有低橫向色差、低畸變像差、大視場角等優點。

綜上所述，本發明之實施例包括以下優點或功效之至少其中之一。在本發明之實施例中，由於投影鏡頭的透鏡群中使用五片透鏡加上一雙膠合透鏡，因此相較於習知的鏡頭，本發明之投影鏡頭具有減少透鏡數量以簡化機構設計的優點。再者，由於本發明之實施例的第六透鏡與第七透鏡皆為非球面透鏡，因此能夠有效修正投影鏡頭的像差。整體而言，本發明之實施例所提供的投影鏡頭兼具較低成本與較佳的光學特性。

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。

100．．．投影鏡頭

110．．．第一透鏡群

112．．．第一透鏡

114．．．第二透鏡

120．．．第二透鏡群

122．．．第三透鏡

124．．．第四透鏡

126．．．第五透鏡

128．．．第六透鏡

130．．．第三透鏡群

132．．．第七透鏡

140．．．影像處理元件

150．．．光學元件

160．．．孔徑光欄

170．．．玻璃蓋

O．．．光軸

S1~S18．．．表面

L₁ 、L_2,3 ．．．間距

圖1為本發明之一實施例之投影鏡頭的結構示意圖。

圖2A至圖2D為圖1之投影鏡頭的成像光學模擬數據圖。

100．．．投影鏡頭

110．．．第一透鏡群

112．．．第一透鏡

114．．．第二透鏡

120．．．第二透鏡群

122．．．第三透鏡

124．．．第四透鏡

126．．．第五透鏡

128．．．第六透鏡

130．．．第三透鏡群

132．．．第七透鏡

140．．．影像處理元件

150．．．光學元件

160．．．孔徑光欄

170．．．玻璃蓋

O．．．光軸

S1~S18．．．透鏡表面

L₁ 、L_2,3 ．．．間距

Claims (19)

1. 一種投影鏡頭，配置於一放大側與一縮小側之間，該投影鏡頭包括：一第一透鏡群，具有負屈光度，且包括由該放大側往該縮小側依序排列之一第一透鏡及一第二透鏡，其中該第一透鏡與該第二透鏡的屈光度分別為正及負；一第二透鏡群，具有正屈光度，配置於該第一透鏡群與該縮小側之間，且包括由該放大側往該縮小側依序排列之一第三透鏡、一第四透鏡、一第五透鏡及一第六透鏡，其中該第五透鏡及該第六透鏡的屈光度皆為正；一第三透鏡群，具有正屈光度，配置於該第二透鏡群與該縮小側之間，該第三透鏡群包括一第七透鏡；以及一光學元件，配置於該第二透鏡群與該第三透鏡群之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡群的有效焦距為f_G1 ，該投影鏡頭的有效焦距為f，該投影鏡頭符合4.5<∣f_G1 /f∣<8。
3. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡群的有效焦距為f_G1 ，該第一透鏡的有效焦距為f_G1S1 ，該投影鏡頭符合0.15<∣f_G1S1 /f_G1 ∣<0.6。
4. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第三透鏡與該第四透鏡的屈光度分別為負及正，該第三透鏡的阿貝數為ν3，且第四透鏡的阿貝數度為ν4，且20<∣ν3-ν4∣<36。
5. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡群與該第二透鏡群適於相對該第三透鏡群移動來對焦。
6. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，更包括：一孔徑光欄，配置於該第一透鏡群與該第二透鏡群之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡群至該孔徑光欄的距離為L₁ ，該投影鏡頭的有效焦距為f，且該投影鏡頭符合0.24<L₁ /f<0.3。
8. 如申請專利範圍第6項所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡群、該孔徑光欄與該第二透鏡群適於相對該第三透鏡群移動來對焦。
9. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第三透鏡群的位置相對該投影鏡頭固定。
10. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第六透鏡為一非球面透鏡。
11. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第七透鏡為一非球面透鏡。
12. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡與該第二透鏡為球面透鏡。
13. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第三透鏡與該第四透鏡為球面透鏡。
14. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第五透鏡為一球面透鏡。
15. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡為一凸面朝向該放大側的凹凸透鏡，且該第二透鏡為一雙凹透鏡。
16. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第三透鏡為一雙凹透鏡，且該第四透鏡為一雙凸透鏡。
17. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該該第三透鏡與該第四透鏡構成一雙膠合透鏡。
18. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該第五透鏡為一雙凸透鏡。
19. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中該光學元件為一稜鏡。