TWI512329B

TWI512329B - 變焦鏡頭

Info

Publication number: TWI512329B
Application number: TW104100954A
Authority: TW
Inventors: Tao Hung Kuo; Hsin Wen Tsai; Ching Chuan Wei; Chuan Te Cheng
Original assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2015-12-11
Also published as: US9733457B2; TW201626042A; US20160202456A1

Description

變焦鏡頭

本發明是有關於一種鏡頭，且特別是有關於一種變焦鏡頭。

目前鏡頭(例如投影鏡頭)有往小型化與高倍變焦的設計趨勢發展，在競爭激烈的市場中，各家廠商皆努力於設計出合適的鏡頭架構以減輕其重量及體積，同時又要能保有投影鏡頭變焦的功能。為了要達到鏡頭變焦的功能，目前最簡化的投影鏡頭架構是兩群的架構。

美國專利第7400455號採用一種兩群變焦投影鏡頭。美國專利第8000023號揭露一應用於投影機的變焦鏡頭，其由放大端至縮小端依序包括一具有負屈光度的第一透鏡群及一具有正屈光度的第二透鏡群。中華民國專利公開第201135279號揭露一投影變焦鏡頭，其由放大側至縮小側依序包括具有負屈光度的第一透鏡群及具有正屈光度的第二透鏡群，其中第一透鏡群包括負屈光度的第一透鏡、負屈光度的第二透鏡及正屈光度的第三透鏡。美國專利第2012/0050602號揭露一變焦透鏡系統，其由10片透鏡組成且包括第一透鏡單元、第二透鏡單元、第三透鏡單元、第四透鏡單元及第五透鏡單元。

本發明提供一種變焦鏡頭，可兼具低成本與良好光學品質等優點。

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，本發明的一實施例提出一種變焦鏡頭，包括一第一透鏡群及一第二透鏡群。第一透鏡群具有負屈光度且包括由一放大側往一縮小側依序排列的一第一透鏡、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依序為負、負及正。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的一第四透鏡、一第五透鏡、一第六透鏡、一第七透鏡、一第八透鏡、一第九透鏡及一第十透鏡，其中第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡及第十透鏡的屈光度依序為正、負、正、負、正、負及正。第一透鏡與第十透鏡為非球面透鏡，且第二至第九透鏡為球面透鏡。

在本發明的一實施例中，變焦鏡頭符合5.1<dw/dt<5.8，其中dw為變焦鏡頭於廣角端時第一透鏡群與第二透鏡群的間距，且dt為變焦鏡頭於望遠端時第一透鏡群與第二透鏡群的間距。

在本發明的一實施例中，變焦鏡頭符合0.8<| f2/f1 |<1，其中f1為第一透鏡群的有效焦距，且f2為第二透鏡群的有效焦距。

在本發明的一實施例中，第二透鏡群更包括一孔徑光闌，且孔徑光闌配置於第九透鏡與第十透鏡之間。

在本發明的一實施例中，第一透鏡為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡，第二透鏡為一雙凹透鏡，且第三透鏡為一凸面朝向放大側的凹凸透鏡。

在本發明的一實施例中，第四透鏡為一雙凸透鏡，第五透鏡為一凸面朝向縮小側的凸凹透鏡，第六透鏡為一凸面朝向放大側的凹凸透鏡，第七透鏡為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡，第八透鏡為一雙凸透鏡，第九透鏡為一雙凹透鏡，且第十透鏡為一凸面朝向縮小側的凹凸透鏡。

在本發明的一實施例中，第四透鏡與第五透鏡形成一雙膠合透鏡。

在本發明的一實施例中，第七透鏡、第八透鏡及第九透鏡形成一三膠合透鏡。

在本發明的一實施例中，第二透鏡群為變焦群，且第一透鏡群為對焦群。

在本發明的一實施例中，當變焦鏡頭變焦時，第一透鏡群與第二透鏡群連動，以實現真實變焦。

在本發明的一實施例中，變焦鏡頭符合0.226<D1/TT<0.256，其中D1為第一透鏡的有效外徑，且TT為變焦鏡頭的鏡頭總長。

在本發明的一實施例中，變焦鏡頭符合0.237<D10/D1<0.258，其中D1為第一透鏡的有效外徑，且D10為第十透鏡的有效外徑。

本發明的實施例可達到下列優點的至少其中之一。在本發明的實施例之變焦鏡頭中，由於第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡的屈光度依序為負、負及正，第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡及第十透鏡的屈光度依序為正、負、正、負、正、負及正，且第一透鏡與第十透鏡為非球面透鏡且其餘透鏡為球面透鏡，因此變焦鏡頭可以採用較簡單且成本較低的架構來達成良好的光學成像品質。

為讓本發明的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。

100‧‧‧變焦鏡頭

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

121‧‧‧第四透鏡

122‧‧‧第五透鏡

123‧‧‧第六透鏡

124‧‧‧第七透鏡

125‧‧‧第八透鏡

126‧‧‧第九透鏡

127‧‧‧第十透鏡

128‧‧‧孔徑光闌

132‧‧‧雙膠合透鏡

134‧‧‧三膠合透鏡

140‧‧‧影像源

150‧‧‧玻璃蓋

A‧‧‧光軸

dt、dw‧‧‧間距

S1~S21‧‧‧表面

圖1A為本發明的一實施例的變焦鏡頭於廣角端的剖面示意圖。

圖1B為圖1A的變焦鏡頭於望遠端的剖面示意圖。

圖2A與圖2B分別為圖1A與圖1B的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的繞射調制轉換函數曲線圖。

圖3A與圖3B分別為圖1A與圖1B的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的橫向色差圖。

圖4A與圖4C分別為圖1A與圖1B的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的場曲圖。

圖4B與圖4D分別為圖1A與圖1B的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的畸變圖。

圖5A與圖5B分別為圖1A與圖1B的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的橫向光線扇形圖。

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1A為本發明的一實施例的變焦鏡頭於廣角端的剖面示意圖，而圖1B為圖1A的變焦鏡頭於望遠端的剖面示意圖。請參照圖1A與圖1B，本實施例的變焦鏡頭100包括一第一透鏡群110及一第二透鏡群120，且第一透鏡群110及第二透鏡群120皆配置於變焦鏡頭100的一光軸A上。第一透鏡群110具有負屈光度且包括由一放大側往一縮小側依序排列的一第一透鏡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的屈光度依序為負、負及正。在本實施例中，變焦鏡頭100例如為用於投影機的一投影鏡頭，其中放大側為屏幕端，而縮小側可為影像源140端。在本實施例中，影像源140為光閥，其例如為數位微鏡元件(digital micro-mirror device)、矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel)、穿透式液晶面板或其他空間光調變器(spatial light modulator,SLM)。

第二透鏡群120具有正屈光度且配置於第一透鏡群110與縮小側之間。第二透鏡群120包括由放大側往縮小側依序排列的一第四透鏡121、一第五透鏡122、一第六透鏡123、一第七透鏡124、一第八透鏡125、一第九透鏡126及一第十透鏡127，其中第四透鏡121、第五透鏡122、第六透鏡123、第七透鏡124、第八透鏡125、第九透鏡126及第十透鏡127的屈光度依序為正、負、正、負、正、負及正。此外，第一透鏡112與第十透鏡127為非球面透鏡，且第二至第九透鏡114、116、121、122、123、124、125、126為球面透鏡。

在本實施例之變焦鏡頭100中，由於第一透鏡112、第二透鏡114及第三透鏡116的屈光度依序為負、負及正，第四透鏡121、第五透鏡122、第六透鏡123、第七透鏡124、第八透鏡125、第九透鏡126及第十透鏡127的屈光度依序為正、負、正、負、正、負及正，且第一透鏡112與第十透鏡127為非球面透鏡，其餘透鏡為球面透鏡，因此本實施例的變焦鏡頭100可以採用較簡單且成本較低的架構來達成良好的光學成像品質。

在本實施例中，第二透鏡群120為變焦群，且第一透鏡群110為對焦群。此外，在本實施例中，當變焦鏡頭100變焦時，第一透鏡群110與第二透鏡群120連動，以實現真實變焦(true zoom)。具體而言，當位於放大側的屏幕(未繪示)與位於縮小側的影像源140的距離改變時，為了能夠利用變焦鏡頭100將影像源140的影像清晰地投影至屏幕，可使第一透鏡群110相對於影像源140移動，以達到對焦的效果。另一方面，當屏幕與影像源140的距離固定不變時，可使第二透鏡群120相對於影像源140移動以改變投影畫面的大小(亦即達到變焦的效果)。此時，當第二透鏡群120移動時，第一透鏡群110亦隨之作補償式的移動，以確保變焦鏡頭100在變焦過程中，屏幕上的影像畫面都能夠保持清晰，也就是第二透鏡群120在移動時，第一透鏡群110的補償式移動確保了變焦的過程中的每一刻都保持對焦至屏幕上，這就是所謂的真實變焦。

在本實施例中，第二透鏡群120更包括一孔徑光闌128，配置於第九透鏡126與第十透鏡127之間。在本實施例中，第一透鏡112為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡，第二透鏡114為一雙凹透鏡，且第三透鏡116為一凸面朝向放大側的凹凸透鏡。此外，在本實施例中，第四透鏡121為一雙凸透鏡，第五透鏡122為一凸面朝向縮小側的凸凹透鏡，第六透鏡123為一凸面朝向放大側的凹凸透鏡、第七透鏡124為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡，第八透鏡125為一雙凸透鏡，第九透鏡126為一雙凹透鏡，且第十透鏡127為一凸面朝向縮小側的凹凸透鏡。在本實施例中，第四透鏡121與第五透鏡122形成一個雙膠合透鏡132，且第七透鏡124、第八透鏡125及第九透鏡126形成一個三膠合透鏡134。

在本實施例中，變焦鏡頭100可符合5.1<dw/dt<5.8，其中dw為變焦鏡頭100於廣角端時(如在圖1A的狀態下)第一透鏡群110與第二透鏡群120的間距(即圖1A中在變焦鏡頭100的光軸A上的間距dw)，且dt為變焦鏡頭100於望遠端時(如在圖1B的狀態下)第一透鏡群110與第二透鏡群120的間距(即圖1B中在變焦鏡頭100的光軸A上的間距dt)。在本實施例中，變焦鏡頭100的變焦比例如可達到1.4倍，因此，若dw/dt≦5.1，則變焦鏡頭無法達到高變焦比。另一方面，若dw/dt≧5.8，則變焦鏡頭100的鏡頭總長(total track)會過長，而第一透鏡群110中的透鏡的有效外徑也會因此而變大。所以，本實施例之變焦鏡頭100符合5.1<dw/dt<5.8可達到高變焦比、較短的鏡頭總長及較小的第一透鏡群110中的透鏡的有效外徑。

在本實施例中，變焦鏡頭100可符合0.8<| f2/f1 |<1，其中f1為第一透鏡群110的有效焦距，且f2為第二透鏡群120的有效焦距。若| f2/f1 |≧1，則第一透鏡群110的負屈光度過強，而無法有效校正球面像差與彗差。此外，若| f2/f1 |≦0.8，則第一透鏡群110的負屈光度不夠強，而無法有效校正分辨率 (resolution)。因此，在本實施例中變焦鏡頭100符合0.8<| f2/f1 |<1，因此可有效校正球面像差與彗差，且可有效校正分辨率。

在本實施例中，變焦鏡頭100符合0.226<D1/TT<0.256，其中D1為第一透鏡112的有效外徑(即通光孔徑(clear aperture)的直徑)，且TT為變焦鏡頭100的鏡頭總長(total track)(即從第一透鏡112的表面S1至第十透鏡127的表面S18的距離)。若D1/TT≦0.226時，則會砍掉過多變焦鏡頭100外圍的光，而導致畫面邊緣較暗。另一方面，若D1/TT≧0.256時，則第一透鏡112的尺寸相對較大，難以縮小變焦鏡頭100的體積。在本實施例中變焦鏡頭100符合0.226<D1/TT<0.256，因此可確保畫面亮度均勻，且使第一透鏡112維持足夠小的尺寸。

在本實施例中，變焦鏡頭100可符合0.237<D10/D1<0.258，其中D1為第一透鏡112的有效外徑，且D10為第十透鏡127的有效外徑。若D10/D1≦0.237，則會砍掉過多變焦鏡頭100外圍的光，則投影在屏幕上的影像畫面的邊緣會較暗。另一方面，若D10/D1≧0.258時，則第十透鏡127的尺寸相對較大，使得變焦鏡頭100的體積難以縮小。在本實施例中變焦鏡頭100符合0.237<D10/D1<0.258，因此可使變焦鏡頭100在體積足夠小的情況下提供亮度均勻的影像畫面。

以下內容將舉出變焦鏡頭100之一實施例。需注意的是，下述之表一、表二及表三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變焦鏡頭100的光軸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的相對兩表面，且表面S1為朝向放大側的表面，表面S2為朝向縮小側的表面。表面S3、S4為第二透鏡114的相對兩表面，且表面S3為朝向放大側的表面，表面S4為朝向縮小側的表面。表面S5、S6為第三透鏡116的相對兩表面，且表面S5為朝向放大側的表面，表面S6為朝向縮小側的表面。表面S7為第四透鏡121之朝向放大側的表面，表面S8為連接第四透鏡121與第五透鏡122的表面，而表面S9為第五透鏡122之朝向縮小側的表面。表面S10、S11為第六透鏡123的相對兩表面，且表面S10為朝向放大側的表面，表面S11為朝向縮小側的表面。表面S12為第七透鏡124之朝向放大側的表面，表面S13為連接第七透鏡124與第八透鏡125的表面，表面S14為連接第八透鏡125與第九透鏡126的表面，而表面S15為第九透鏡126之朝向縮小側的表面。表面S16為孔徑光闌128。表面S17、S18為第十透鏡127的相對兩表面，且表面S17為朝向放大側的表面，表面S18為朝向縮小側的表面。表面S19、S20為玻璃蓋150的相對兩表面，表面S21為影像源140的主動表面，其中玻璃蓋150用以保護影像源140的主動表面。此外，d3為第一透鏡群110與第二透鏡群120於變焦鏡頭100的光軸A上之直線距離，d10為第二透鏡群120的第十透鏡127與玻璃蓋150於變焦鏡頭100的光軸A上之直線距離，且d3與d10為變數，其會隨著變焦與對焦而有所改變。

上述之表面S1、S2、S17、S18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(如表一中表面S1、S2、S17、S18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，且A₁₂ 及比A₁₂ 更高階的係數均為0。下列表三所列出的是表面S1、S2、S17及S18的非球面參數值。

其中，「2.76E-15」是指2.76×10^-15 ，其餘的數值以此類推。

圖2A與圖2B分別為圖1A與圖1B的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的繞射調制轉換函數(diffraction modulation transfer function)曲線圖。圖3A與圖3B分別為圖1A與圖1B的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的橫向色差圖。圖4A與圖4C分別為圖1A與圖1B的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的場曲(field curvature)圖。圖4B與圖4D分別為圖1A與圖1B的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的畸變圖。圖5A與圖5B分別為圖1A與圖1B的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的橫向光線扇形圖(transverse ray fan plot)。其中，圖3A至圖5B的圖形是以波長為620奈米、550奈米及460奈米的光所模擬出的圖形。圖2A至圖5B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確實能夠在體積較小(例如透鏡尺寸較小)的情況下仍具有良好的光學成像品質。

綜上所述，本發明的實施例可達到下列優點的至少其中之一。在本發明的實施例之變焦鏡頭中，由於第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡的屈光度依序為負、負及正，第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡及第十透鏡的屈光度依序為正、負、正、負、正、負及正，且第一透鏡與第十透鏡為非球面透鏡且其餘透鏡為球面透鏡，因此變焦鏡頭可以採用較簡單且成本較低的架構來達成良好的光學成像品質。

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。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。