TWI498589B - 投影鏡頭及其投影裝置 - Google Patents

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Description

投影鏡頭及其投影裝置
本發明係提供一種投影鏡頭及其投影裝置，尤指一種可自動補償因熱變異(Thermal Shift)而離焦(Focus shift/Defocus)的投影鏡頭及其投影裝置。
市面上常見的投影機為了節省成本，往往在投影鏡頭內使用非球面透鏡。非球面透鏡通常由塑膠材質製作。使用大量的非球面透鏡易導致投影鏡頭的生產良率不佳。此外，隨著投影機的亮度提高，塑膠材質的非球面透鏡會產生熱變異及脫膜等缺陷。其中熱變異(Thermal Shift)係指投影機完成對焦後，溫度隨著使用時間上升，光機(Optical Engine)金屬機殼產生熱膨脹及架設其上的投影鏡頭之光學元件產生折射率變化而造成投影鏡頭離焦(Focus shift/Defocus)、影響投影鏡頭的成像品質。故如何設計一種可避免因熱變異而離焦的投影鏡頭，便為光學鏡頭產業的重點發展目標。
本發明係提供一種可自動補償因熱變異而離焦的投影鏡頭及其投影裝置，以解決上述之問題。
本發明之申請專利範圍係揭露一種投影鏡頭，包含有一第一透鏡組以及一第二透鏡組。該第一透鏡組具有負屈光度且鄰近一物側。該第一透鏡組包含具有負屈光度的一第一透鏡。該第二透鏡組具有正屈光度且鄰近一像側。該第二透鏡組包含具有正屈光度的一第二透鏡與具有負屈光度的一第 三透鏡。該第二透鏡位於該第一透鏡與該第三透鏡之間，且該第三透鏡由重火石玻璃材質製作。該第二透鏡的熱變異參數為D0 ，且-3.0×e-5 D0 -6.0×e-7 。
本發明之申請專利範圍另揭露一種投影裝置，用來投射影像到一螢幕。該投影裝置包含有一光源、一成像單元以及一投影鏡頭。該光源與該成像單元分別提供及接收光線。該投影鏡頭設置於該成像單元與該螢幕之間，用以投射該光線到該螢幕。該投影鏡頭包含一第一透鏡組以及一第二透鏡組。該第一透鏡組具有負屈光度且鄰近一物側。該第一透鏡組包含具有負屈光度的一第一透鏡。該第二透鏡組具有正屈光度且鄰近一像側。該第二透鏡組包含具有正屈光度的一第二透鏡與具有負屈光度的一第三透鏡。該第二透鏡位於該第一透鏡與該第三透鏡之間，且該第三透鏡由重火石玻璃材質製作。該第二透鏡的熱變異參數為D0 ，且-3.0×e-5 D0 -6.0×e-7 。
本發明的投影鏡頭及相關投影裝置具有低成本與易製造的優勢，且對於高亮度的投影需求提供效果良好的熱變異補償方法。
10‧‧‧投影裝置
12‧‧‧螢幕
14‧‧‧光源
16‧‧‧成像單元
18‧‧‧投影鏡頭
20‧‧‧濾光單元
22‧‧‧反射元件
24‧‧‧第一透鏡組
26‧‧‧第二透鏡組
28‧‧‧第一透鏡
30‧‧‧第二透鏡
32‧‧‧第三透鏡
34‧‧‧第四透鏡
36‧‧‧第五透鏡
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
S3‧‧‧第三表面
S4‧‧‧第四表面
S5‧‧‧第五表面
S6‧‧‧第六表面
S7‧‧‧第七表面
S8‧‧‧第八表面
S9‧‧‧第九表面
S10‧‧‧第十表面
第1圖為本發明實施例之投影裝置之示意圖。
第2圖為本發明實施例之投影裝置之部分結構示意圖。
第3圖為本發明實施例之投影裝置在熱變異前之模擬圖。
第4圖為本發明實施例之第三透鏡熱變異後之模擬圖。
第5圖為本發明實施例之光機殼體熱變異後之模擬圖。
第6圖為本發明實施例之第二透鏡熱變異後之模擬圖。
第7圖為本發明實施例之第四透鏡熱變異後之模擬圖。
第8圖為本發明實施例之投影裝置在熱變異補償後之模擬圖。
請參閱第1圖，第1圖為本發明實施例之投影裝置10之示意圖。投影裝置10用來投射影像到螢幕12。投影裝置10包含光源14、成像單元16、投影鏡頭18、濾光單元20以及反射元件22。光源14輸出光線，濾光單元20接收光線並將光線濾光成複數個色光，經過濾光單元20處理後的光線被反射元件22反射而由成像單元16所接收。成像單元16接收來自反射元件22的複數個色光並傳遞到投影鏡頭18。投影鏡頭18設置在成像單元16與螢幕12之間，將來自成像單元16的光線投射到螢幕12上。在數位光學處理(DLPTM )投影機中，濾光單元20為色輪，成像單元16為數位微型反射鏡(Digital Micromirror Device，DMD)，反射元件22為凹面鏡。液晶投影機中，濾光單元20是濾光片，反射元件22是反射鏡面，且成像單元16是液晶面板。
請參閱第2圖，第2圖為本發明實施例之投影裝置10之部分結構示意圖。投影鏡頭18包含第一透鏡組24以及第二透鏡組26。第一透鏡組24鄰近螢幕12(意即物側)，第二透鏡組26鄰近成像單元16(意即像側)。第一透鏡組24具有負屈光度且用以發散光線。第二透鏡組26具有正屈光度且用以聚合光線。第一透鏡組24包含具有負屈光度的第一透鏡28。第二透鏡組26包含具有正屈光度的第二透鏡30、與具有負屈光度的第三透鏡32。第二透鏡30與第三透鏡32不需設置間隔環，意即第二透鏡30可抵接於第三透鏡32。
第三透鏡32較佳為為雙凹透鏡，由重火石玻璃製作而成。重火石玻璃具有高折射率與高色散係數的特性，主要用來消除投影鏡頭18的色像差。第三透鏡32的折射係數較佳介於1.64到1.87之間，且第三透鏡32的阿貝數較佳介於20到35之間，以符合重火石玻璃的材料特徵，本發明的第三 透鏡32通常使用如S-TIH與S-TIM等透鏡型號，然不限於此。
當投影裝置10完成對焦後，隨著使用時間而金屬機殼體受熱膨脹、第三透鏡32產生較大的熱變異，致使最佳解像處(best focus)移至成像單元16前(等效解讀為後焦變長)，造成投影鏡頭18離焦。為了補償上述熱變異，本發明將第二透鏡30設置在第一透鏡28與第三透鏡32之間。其中第二透鏡30的熱變異參數為D0 ，折射率為n，且-3.0×e-5 D0 -6.0×e-7 ，n1.57。熱變異參數D0 係代表折射率受溫差影響的變化率，意即△n/△T或dn/dT，n表示折射率，T表示溫度。熱變異參數D0 高於上限，對焦點的位置變化量越小；熱變異參數D0 越小則補償效果越好，但囿於材料特性限制，本發明的熱變異參數D0 預設為不小於-3.0×e-5 。表1列舉本發明適用的第二透鏡30的數種型號。
本實施例較佳係由第二透鏡30進行熱變異補償，但在某些環境下，若單獨一片第二透鏡30的熱補償效果不如預期，還可選擇性在第二透鏡組26另包含具有正屈光度的第四透鏡34以及第五透鏡36，分別設置在第三 透鏡32的兩端面。第四透鏡34可以輔助性克服投影裝置10的熱變異。第二透鏡組26之透鏡數量及各透鏡屈光特性可不限於此實施例所述，端視設計需求而定。凡可提供聚合光線功能的透鏡組合皆屬於第二透鏡組26的發明範疇，於此不再對具有相同或相近光路特性的其它實施例詳加說明。表2列舉了投影鏡頭18之各球面透鏡的較佳參數值。於表2中，「距離」之值代表對應此列之表面至下一列之表面之間距，即此列鏡面與下一列鏡面之間距。
請參閱第3圖至第8圖。各圖中，弧形曲線對應於成像單元16各特定點投射到螢幕12的解像結果；縱軸代表解像力(Resolving Power)，數值越高表解像力越好，0.4表「尚可sufficient」、0.5表「良好good」、1為理想值；橫軸代表離焦(Focus shift/Defocus)距離，0為像平面(成像單元 16)所在處。第3圖為本發明實施例之投影裝置10在熱變異前之模擬圖，第4圖為本發明實施例之第三透鏡32熱變異後之模擬圖，第5圖為本發明實施例之光機殼體熱變異後之模擬圖，第6圖為本發明實施例之第二透鏡30熱變異後之模擬圖，第7圖為本發明實施例之第四透鏡34熱變異後之模擬圖，第8圖為本發明實施例之投影裝置10在熱變異補償後之模擬圖。
如第3圖所示，熱變異前的投影裝置10對應各特定點的解像力全為良好(0.5上下)，最佳解像處(best focus、各弧形曲線的波峰)實質接近橫軸原點(成像單元16)，此時投影裝置10已完成正確對焦，可投射清楚影像到螢幕12上。然而，在長時間使用的情況下，投影裝置10內各元件會因熱變異影響投影鏡頭18的成像品質。如第4圖所示，雙凹的第三透鏡32因重火石玻璃材質的特性產生較大的熱變異，其最佳解像處(各弧形曲線的波峰)相對於橫軸原點往左方移動至成像單元16前。再者，如第5圖所示，光機金屬殼體熱膨脹也會降低成像品質，造成最佳解像處(各弧形曲線的波峰)相對於橫軸原點也會往左方移動至成像單元16前。
為了克服投影裝置10的熱變異，本發明利用具有正屈光度的第二透鏡30或再以第四透鏡34修正上述熱變異，意即主要由第二透鏡30修正投影裝置10的熱變異，並視實際需求選擇是否加入第四透鏡34提供輔助修正。如第6圖所示，第二透鏡30最佳解像處(各弧形曲線的波峰)相對於橫軸原點可往右方移動；如第7圖所示，第四透鏡34最佳解像處(各弧形曲線的波峰)相對於橫軸原點也會往右方移動。如此一來，具有正屈光度、熱變異參數D0 符合-3.0×e-5 D0 -6.0×e-7 、且折射率n符合n1.57的第二透鏡30(或再搭配具相似特性的第四透鏡34)可以有效補償第三透鏡32與光機膨脹所產生的熱變異，如第8圖所示，使最佳解像處(best focus、各弧形曲線的波峰)實質接近橫軸原點(成像單元16)。因此，使用者不需時時手動調焦投影裝置10， 藉此簡化操作步驟並提高投影品質。
再者，本發明較佳使用非遠心(non-telecentric)系統的投影鏡頭18。表3指出本發明各光學元件的較佳焦距值，例如投影鏡頭18的有效焦距f為21.9mm，第一透鏡28的焦距f1為-49.61mm，第三透鏡32的焦距f3為-13.343801mm，並滿足1.53.6與0.30.9的條件。若、比值低於下限，|f1|、|f3|越小，表示透鏡的屈光能力越強，易產生像差。此外，比值低於下限代表投影鏡頭18的透鏡數量較多，熱變異較大、不適用於本發明的實施態樣。若、的比值高於上限，|f1|、|f3|越大，表示透鏡的屈光能力越弱，則投影鏡頭18的放大倍率低，不符合消費者需求。
本發明第一透鏡組和第二透鏡組的所有透鏡較佳使用球面鏡，第三透鏡使用重火石玻璃製作，用來消除投影鏡頭的色像差，第二透鏡的折射率隨溫差改變的比率(熱變異參數)需符合-3.0×e-5 D0 -6.0×e-7 的限制，使第二透鏡可用以補償第三透鏡與光機膨脹產生的熱變異量。相較先前技術，本發明的投影鏡頭及相關投影裝置具有低成本與易製造的優勢，且對於高亮度的投影需求提供效果良好的熱變異補償方法。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
16‧‧‧成像單元
18‧‧‧投影鏡頭
24‧‧‧第一透鏡組
26‧‧‧第二透鏡組
28‧‧‧第一透鏡
30‧‧‧第二透鏡
32‧‧‧第三透鏡
34‧‧‧第四透鏡
36‧‧‧第五透鏡
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
S3‧‧‧第三表面
S4‧‧‧第四表面
S5‧‧‧第五表面
S6‧‧‧第六表面
S7‧‧‧第七表面
S8‧‧‧第八表面
S9‧‧‧第九表面
S10‧‧‧第十表面

Claims (10)

  1. 一種投影鏡頭，包含有：一第一透鏡組，具有負屈光度且鄰近一物側，該第一透鏡組包含具有負屈光度的一第一透鏡；以及一第二透鏡組，具有正屈光度且鄰近一像側，該第二透鏡組包含具有正屈光度的一第二透鏡與具有負屈光度的一第三透鏡，該第二透鏡位於該第一透鏡與該第三透鏡之間，且該第三透鏡由重火石玻璃材質製作；其中，該第二透鏡的熱變異參數為D0 ，且-3.0×e-5 D0 -6.0×e-7 ，該投影鏡頭的焦距為f，該第一透鏡的焦距為f1，該第三透鏡的焦距為f3，且1.53.6，0.30.9。
  2. 如請求項1所述之投影鏡頭，其中該第三透鏡的折射係數介於1.64到1.87之間，該第三透鏡的阿貝數介於20到35之間。
  3. 如請求項1所述之投影鏡頭，其中該第三透鏡為一雙凹透鏡。
  4. 如請求項1所述之投影鏡頭，其中該第二透鏡抵接於該第三透鏡。
  5. 如請求項1所述之投影鏡頭，其中該第二透鏡的折射率為n，且n1.57。
  6. 如請求項1所述之投影鏡頭，其中該第二透鏡組另包含具有正屈光度的一第四透鏡與一第五透鏡，分設於該第三透鏡的兩面。
  7. 一種投影裝置，用來投射影像到一螢幕，該投影裝置包含有： 一光源，提供一光線；一成像單元，接收該光線；以及一投影鏡頭，設置於該成像單元與該螢幕之間，用以投射該光線到該螢幕，該投影鏡頭包含：一第一透鏡組，具有負屈光度且鄰近該螢幕，該第一透鏡組包含具有負屈光度的一第一透鏡；以及一第二透鏡組，具有正屈光度且鄰近該成像單元，該第二透鏡組包含具有正屈光度的一第二透鏡與具有負屈光度的一第三透鏡，該第二透鏡位於該第一透鏡與該第三透鏡之間，且該第三透鏡由重火石玻璃製作而成；其中，該第二透鏡的熱變異參數為D0 ，且-3.0×e-5 D0 -6.0×e-7 ，該投影鏡頭的焦距為f，該第一透鏡的焦距為f1，該第三透鏡的焦距為f3，且1.53.6，0.30.9。
  8. 如請求項7所述之投影裝置，其中該第三透鏡的折射係數介於1.64到1.87之間，該第三透鏡的阿貝數介於20到35之間。
  9. 如請求項7所述之投影裝置，其中該第二透鏡抵接於該第三透鏡。
  10. 如請求項7所述之投影裝置，其中該第二透鏡的折射率為n，且n1.57。
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