TWI628462B - Telecentric lens system - Google Patents

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吳昇澈
黃威豪
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Abstract

一種遠心鏡頭系統，其最大像高係設定為Max IMH，並由投影側至影像源側依序包含：一第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、光圈、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡及第九透鏡所構成，該第一透鏡與第二透鏡係皆為負透鏡，又第一透鏡或第二透鏡係為玻璃非球面透鏡，該玻璃非球面透鏡之有效半徑係設定為SD，並符合下列條件：1.3<SD/Max IMH<2.4。本發明藉由玻璃非球面透鏡之有效半徑與最大像高的匹配，在一定匹配範圍內，亦可衡平投影成像品質與製造成本、體積之間，配合以玻璃非球面透鏡取代原本鏡頭常用的塑膠非球面透鏡，亦提升投影成像品質之可靠度，因此，適用於高亮度投影機。

Description

遠心鏡頭系統
本發明係有關一種遠心鏡頭系統，尤指一種藉由有效半徑與最大像高的匹配，在一定匹配範圍內，亦可衡平投影成像品質與製造成本、體積之間，配合以玻璃非球面透鏡取代塑膠非球面透鏡，亦提升投影成像品質之可靠度。
按，由於光學科技進步，使投影機不僅可用在辦公室進行簡報，也逐漸廣泛應用於家庭進行觀賞視訊、節目，因此，業者為了讓投影機便於使用及攜帶，亦朝向縮小投影機之鏡頭的體積進行研發，同時，該鏡頭的體積在縮小時，也能降低製造成本過高的缺點，進而該投影機之鏡頭的體積縮小，使投影機之重量輕，亦滿足消費者所期望投影機小型化，同時，也滿足業者降低製造成本，但卻影響投影成像品質。
次按，投影機往高亮度方向發展，相對地，在運轉中所產生的溫度較高，加上原本鏡頭常用的塑膠非球面透鏡，亦造成投影成像品質之可靠度風險。惟查，該投影機之鏡頭的投影成像品質與製造成本、體積係取決於複數透鏡結構之光學設計，而如何以複數透鏡結構之光學設計衡平出該投影機之鏡頭的投影成像品質與製造成本、體積之間，及提升投影成像品質之可靠度，亦為本發明所欲解決的課題。
本發明之主要目的，提供一種遠心鏡頭系統，其以有效半徑及最大像高的匹配之技術特徵，在一定匹配範圍內，亦可衡平投影成像品質與製造成本、體積之間的功效增進。
本發明之又一目的，提供一種遠心鏡頭系統，其以玻璃非球面透鏡取代塑膠非球面透鏡，亦提升投影成像品質之可靠度。
為達上述目的，本發明所採用之技術手段，其最大像高係設定為Max IMH，並由投影側至影像源側依序包含：一第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、光圈、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡及第九透鏡所構成，該第一透鏡與該第二透鏡係皆為負透鏡，又該第一透鏡或該第二透鏡係為玻璃非球面透鏡，該玻璃非球面透鏡之有效半徑係設定為SD，並符合下列條件：1.3<SD/Max IMH<2.4。
依據前揭特徵，該光圈之焦比係設定為1.7~2.1。
依據前揭特徵，該第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡及第九透鏡係以該第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡形成一膠合透鏡，且該第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡及第九透鏡內至少包括一個玻璃非球面透鏡、二個高色散透鏡，該高色散透鏡之阿貝數係設定為Vd，其中該Vd<30。
依據前揭特徵，該第一透鏡、第二透鏡係設定成一對焦群；該第三透鏡係設定成一固定群；該第四透鏡係設定成一第一變焦群； 該光圈、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡係設定成一第二變焦群，使該第一變焦群、第二變焦群係連動進行變焦與該對焦群係移動進行對焦。
依據前揭特徵，該第三透鏡係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第四透鏡係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第五透鏡係為凹凸透鏡且其凹面朝向投影側；該第六透鏡係為雙凹透鏡；該第七透鏡係為雙凸透鏡；該第八透鏡係為雙凸透鏡；該第九透鏡係為平凸透鏡且其平坦面朝向投影側。
依據前揭特徵，該第三透鏡係為凹凸透鏡且其凹面朝向投影側；該第四透鏡係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第五透鏡係為雙凸透鏡；該第六透鏡係為雙凹透鏡；該第七透鏡係為雙凸透鏡；該第八透鏡係為雙凸透鏡；該第九透鏡係為雙凸透鏡。
依據前揭特徵，該第二透鏡之負透鏡係為雙凹透鏡；該第三透鏡係為雙凸透鏡，並與該第二透鏡形成一複合透鏡；該第四透鏡係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第五透鏡係為凹凸透鏡且其凹面朝向投影側；該第六透鏡係為雙凹透鏡；該第七透鏡係為雙凸透鏡；該第八透鏡係為雙凸透鏡；該第九透鏡係為雙凸透鏡。
依據前揭特徵，更可包括一光學元件，係設在該第九透鏡之後方。
依據前揭特徵，更可包括一穿透式平順圖像裝置，係設在該光學元件與該第九透鏡之間。
藉助上揭技術手段，本發明以有效半徑及最大像高的匹配之技術特徵，在一定匹配範圍內，亦可衡平投影成像品質與製造成本、體積之間，配合以該玻璃非球面透鏡取代塑膠非球面透鏡，亦提升投影成像品質之可靠度，因此，適用於高亮度投影機。
10A、10B、10C‧‧‧遠心鏡頭系統
11‧‧‧第一透鏡
12‧‧‧第二透鏡
13‧‧‧第三透鏡
14‧‧‧第四透鏡
15‧‧‧第五透鏡
16‧‧‧第六透鏡
17‧‧‧第七透鏡
18‧‧‧第八透鏡
19‧‧‧第九透鏡
20‧‧‧光圈
30‧‧‧光學元件
SD‧‧‧有效半徑
Max IMH‧‧‧最大像高
TSP‧‧‧穿透式平順圖像裝置
CG‧‧‧玻璃蓋板
IMA‧‧‧成像面
FS‧‧‧對焦群
FX‧‧‧固定群
Z1‧‧‧第一變焦群
Z2‧‧‧第二變焦群
D1‧‧‧第一移動距離
D2‧‧‧第二移動距離
D3‧‧‧第三移動距離
D4‧‧‧第四移動距離
圖1A係本發明第一實施例之透鏡配置示意圖。
圖1B係本發明第一實施例之有像半徑與最大像高示意圖。
圖1C係本發明第一實施例之光路徑示意圖。
圖1D係本發明第一實施例之對焦及變焦示意圖。
圖1E係本發明第一實施例之橫向光線扇形圖。
圖1F係本發明第一實施例之場曲和畸變圖。
圖1G係本發明第一實施例之橫向色差圖。
圖1H係本發明第一實施例之縱向像差圖。
圖2A係本發明第二實施例之透鏡配置示意圖。
圖2B係本發明第二實施例之有像半徑與最大像高示意圖。
圖2C係本發明第二實施例之光路徑示意圖。
圖2D係本發明第二實施例之橫向光線扇形圖。
圖2E係本發明第二實施例之場曲和畸變圖。
圖2F係本發明第二實施例之橫向色差圖。
圖2G係本發明第二實施例之縱向像差圖。
圖3A係本發明第三實施例之透鏡配置示意圖。
圖3B係本發明第三實施例之有像半徑與最大像高示意圖。
圖3C係本發明第三實施例之光路徑示意圖。
圖3D係本發明第三實施例之橫向光線扇形圖。
圖3E係本發明第三實施例之場曲和畸變圖。
圖3F係本發明第三實施例之橫向色差圖。
圖3G係本發明第三實施例之縱向像差圖。
首先，請參閱圖1A~圖3G所示，本發明之一種遠心鏡頭系統，其最大像高係設定為Max IMH，其單位為mm，並由投影側至影像源側依序包含：一第一透鏡11、第二透鏡12、第三透鏡13、第四透鏡14、光圈20、第五透鏡15、第六透鏡16、第七透鏡17、第八透鏡18及第九透鏡19所構成，該第一透鏡11與該第二透鏡12係皆為負透鏡，又該第一透鏡11或該第二透鏡12係為玻璃非球面透鏡，該玻璃非球面透鏡之有效半徑係設定為SD，其單位為mm，並符合下列條件：1.3<SD/Max IMH<2.4，亦維持良好投影成像品質。
承上，本實施例中，該光圈20之焦比(F/#)係設定為1.7~2.1；該第五透鏡15、第六透鏡16、第七透鏡17、第八透鏡18及第九透鏡19係以該第五透鏡15、第六透鏡16、第七透鏡17形成一膠合透鏡，且該第五透鏡15、第六透鏡16、第七透鏡17、第八透鏡18及第九透鏡19內至少包括一個玻璃非球面透鏡、二個高色散透鏡，該高色散透鏡之阿 貝數係設定為Vd，其中該Vd<30，但不限定於此。此外，一光學元件30，係設在該第九透鏡19之後方，本實施例中，該光學元件30可為稜鏡，該稜鏡之後方依序排列一玻璃蓋板(Cover Glass,CG)、及數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)之成像面(IMA)。
又，在表一、表四及表六，其透鏡(Lens)中列出L1R1、L1R2係分別為該第一透鏡11之投影側表面、影像源側表面；L2R1、L2R2係分別為該第二透鏡12之投影側表面、影像源側表面；L3R1、L3R2係分別為該第三透鏡13之投影側表面、影像源側表面；L4R1、L4R2係分別為該第四透鏡14之投影側表面、影像源側表面；APRETURE係為光圈20；L5R1係為該第五透鏡15之投影側表面；L6R1係為該第六透鏡16之投影側表面；L7R1、L7R2係分別為該第七透鏡17之投影側表面、影像源側表面；L8R1、L8R2係分別為該第八透鏡18之投影側表面、影像源側表面；L9R1、L9R2係分別為該第九透鏡19之投影側表面、影像源側表面，並列出各該透鏡之投影側表面、影像源側表面之半徑(Radius)、厚度(Thickness)、阿貝數(Vd)及折射率(Nd)之參數，配合表二、表五及表七，其玻璃非球面透鏡(ASPH)中列出L2R1、L2R2係分別為該第二透鏡12之投影側表面、影像源側表面；L5R1、L5R2係分別為該第五透鏡15之投影側表面、影像源側表面，並列出各該玻璃非球面透鏡之Conic、4TH、6TH、8TH、10th、12th、14th及16th，如此一來，即可導出有效半徑(SD)與最大像高(Max IMH)之最佳匹配範圍為1.3<SD/Max IMH<2.4。
如圖1A、圖1B及圖1C所示，其為遠心鏡頭系統10A之第一實施例態樣，其該Max IMH為8.3；該第一透鏡11之負透鏡係為凸凹透鏡；該第二透鏡12之負透鏡係為凸凹透鏡，又為玻璃非球面透鏡且其該SD為16.5；該第三透鏡13係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第四透鏡14係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第五透鏡15係為凹凸透鏡且其凹面朝向投影側，又為玻璃非球面透鏡；該第六透鏡16係為雙凹透鏡，又為高色散透鏡；該第七透鏡17係為雙凸透鏡；該第八透鏡18係為雙凸透鏡；該第九透鏡19係為平凸透鏡且其平坦面朝向投影側，又為高色散透鏡，並配合該光學元件30與該第九透鏡19之間係設有一穿透式平順圖像裝置(Transmissive Smooth Picture Actuator,TSP)，此為一可快速微量旋轉的玻璃平板裝置，藉由影像偏移來合成提高解析度，如此一來，1080P解析度可提升至4K2K解析度，但不限定於此。
承上，如圖1D所示，其該第一透鏡11、第二透鏡12係設定成一對焦群(FS)；該第三透鏡13係設定成一固定群(FX)，以該對焦群(FS)與該固定群(FX)之間具有一第一移動距離(D1)；該第四透鏡14係設定成一第一變焦群(Z1)，以該固定群(FX)與該第一變焦群(Z1)之間具有一第二移動距離(D2)；該光圈20、第五透鏡15、第六透鏡16、第七透鏡17、第八透鏡18、第九透鏡19係設定成一第二變焦群(Z2)，以該第一變焦群(Z1)與該第二變焦群(Z2)之間具有一第三移動距離(D3)，及該第二變焦群(Z2)與該穿透式平順圖像裝置(TSP)之間具有一第四移動距離(D4)，使該第一變焦群(Z1)、第二變焦群(Z2)係連動進行變焦與該對焦群(FS)係移動進行對焦，亦形成一變焦遠心鏡頭系統，配合表三，其變焦(Zoom)中列出該第一移動距離(D1)、第二移動距離(D2)、第三 移動距離(D3)、第四移動距離(D4)之廣角端(Wide)、望角端(Tele)之參數，但不限定於此。
是以，該遠心鏡頭系統10A之第一實施例態樣，其以不同波長(0.450、0.480、0.550、0.600、0.630微米)係分別模擬出圖1E之橫向光線扇形圖，其在同一成像面(IMA)呈現不同像高(IMH)(IMA：0.0000mm、1.6600mm、3.3200mm、4.9800mm、6.6400mm、8.3000mm)，且符號ey、py、ex、px係表示座標軸(最大刻度±20微米)；圖1F之場曲和畸變圖，其最大視場(Maximum Field)為35.009度；圖1G之橫向色差圖，其最大視場(Maximum Field)為8.3000微米；圖1H之縱向像差圖，其光瞳半徑(Pupil Radius)為3.3807毫米，由此可見，有效半徑(SD)與最大像高(Max IMH)符合下列條件：1.3<SD/Max IMH<2.4，亦維持良好投影成像品質，乃為最佳之匹配範圍。
如圖2A、圖2B及圖2C所示，其為遠心鏡頭系統10B之第二實施例態樣，其該Max IMH為7.803；該第一透鏡11之負透鏡係為凸凹透鏡；該第二透鏡12之負透鏡係為凸凹透鏡，又為玻璃非球面透鏡且其該SD為15；該第三透鏡13係為凹凸透鏡且其凹面朝向投影側；該第四透鏡14係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第五透鏡15係為雙凸透鏡；該第六透鏡16係為雙凹透鏡，又為高色散透鏡；該第七透鏡17係 為雙凸透鏡，又為玻璃非球面透鏡；該第八透鏡18係為雙凸透鏡；該第九透鏡19係為雙凸透鏡，又為高色散透鏡，並以該第三透鏡13、第四透鏡14係設定成一對焦群，亦形成一定焦遠心鏡頭系統，但不限定於此。
是以，該遠心鏡頭系統10B之第二實施例態樣，其以不同波長(0.452、0.550、0.624微米)係分別模擬出圖2D之橫向光線扇形圖，其在同一成像面(IMA)呈現不同像高(IMH)(IMA：0.0000mm、1.5610mm、3.1210mm、4.6820mm、6.2420mm、7.8030mm)，且符號ey、py、ex、px係表示座標軸(最大刻度±20微米)；圖2E之場曲和畸變圖，其最大視場(Maximum Field)為42.539度；圖2F之橫向色差圖，其最大視場(Maximum Field)為7.8030微米；圖2G之縱向像差圖，其光瞳半徑(Pupil Radius)為2.3997毫米，由此可見，有效半徑(SD)與最大像高(Max IMH)符合下列條件：1.3<SD/Max IMH<2.4，亦維持良好投影成像品質，乃為最佳之匹配範圍。
如圖3A、圖3B及圖3C所示，其為遠心鏡頭系統10C之第三實施例態樣，其該Max IMH為7.803；該第一透鏡11之負透鏡係為凸凹透鏡，又為玻璃非球面透鏡且其該SD為12；該第二透鏡12之負透鏡係為雙凹透鏡；該第三透鏡13係為雙凸透鏡，並與該第二透鏡12形成一複合透鏡；該第四透鏡14係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第五透鏡15係為凹凸透鏡且其凹面朝向投影側，又為玻璃非球面透鏡；該第六透鏡16係為雙凹透鏡，又為高色散透鏡；該第七透鏡17係為雙凸透鏡；該第八透鏡18係為雙凸透鏡；該第九透鏡19係為雙凸透鏡，又為高色散透鏡，並以該第一透鏡11、第二透鏡12、第三透鏡13、第四透鏡14、光圈20、第五透鏡15、第六透鏡16、第七透鏡17、第八透鏡18 及第九透鏡19係設定成一對焦群，亦形成另一定焦遠心鏡頭系統，但不限定於此。
是以，該遠心鏡頭系統10C之第三實施例態樣，其以不同波長(0.452、0.550、0.624微米)係分別模擬出圖3D之橫向光線扇形圖，其在同一成像面(IMA)呈現不同像高(IMH)(IMA：0.0000mm、 1.5610mm、3.1210mm、4.6820mm、6.2420mm、7.8030mm)，且符號ey、py、ex、px係表示座標軸(最大刻度±20微米)；圖3E之場曲和畸變圖，其最大視場(Maximum Field)為36.688度；圖3F之橫向色差圖，其最大視場(Maximum Field)為7.8030微米；圖3G之縱向像差圖，其光瞳半徑(Pupil Radius)為2.5088毫米，由此可見，有效半徑(SD)與最大像高(Max IMH)符合下列條件：1.3<SD/Max IMH<2.4，亦維持良好投影成像品質，乃為最佳之匹配範圍。
基於如此之構成，本發明以有效半徑(SD)及最大像高(Max IMH)的匹配之技術特徵，乃在一定匹配範圍，亦可衡平投影成像品質與製造成本、體積之間，且該匹配範圍具有一定程度之穩定度，並可應用於第一~三實施例，乃為最佳之匹配範圍，配合以該玻璃非球面透鏡取代塑膠非球面透鏡，亦提升投影成像品質之可靠度，乃具有相輔相乘之功效，因此，本發明應用於高亮度投影機，即使運轉所產生溫度較高，也不影響投影成像品質。
綜上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請 鈞局惠賜專利，以勵創新，無任德感。
惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。

Claims (8)

  1. 一種遠心鏡頭系統，其最大像高係設定為Max IMH，並由投影側至影像源側依序包含：一第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、光圈、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡及第九透鏡所構成，該第一透鏡與該第二透鏡係皆為負透鏡，又該第一透鏡或該第二透鏡係為玻璃非球面透鏡，該玻璃非球面透鏡之有效半徑係設定為SD，並符合下列條件：1.3<SD/Max IMH<2.4，再者，該第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡及第九透鏡係以該第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡形成一膠合透鏡，且該第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡內至少包括一個玻璃非球面透鏡、二個高色散透鏡，該高色散透鏡之阿貝數係設定為Vd，其中該Vd<30。
  2. 如請求項1所述之遠心鏡頭系統，其中，該光圈之焦比係設定為1.7~2.1。
  3. 如請求項1所述之遠心鏡頭系統，其中，該第一透鏡、第二透鏡係設定成一對焦群；該第三透鏡係設定成一固定群；該第四透鏡係設定成一第一變焦群；該光圈、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡係設定成一第二變焦群，使該第一變焦群、第二變焦群係連動進行變焦與該對焦群係移動進行對焦。
  4. 如請求項1所述之遠心鏡頭系統，其中，該第三透鏡係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第四透鏡係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影 側；該第五透鏡係為凹凸透鏡且其凹面朝向投影側；該第六透鏡係為雙凹透鏡；該第七透鏡係為雙凸透鏡；該第八透鏡係為雙凸透鏡；該第九透鏡係為平凸透鏡且其平坦面朝向投影側。
  5. 如請求項1所述之遠心鏡頭系統，其中，該第三透鏡係為凹凸透鏡且其凹面朝向投影側；該第四透鏡係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第五透鏡係為雙凸透鏡；該第六透鏡係為雙凹透鏡；該第七透鏡係為雙凸透鏡；該第八透鏡係為雙凸透鏡；該第九透鏡係為雙凸透鏡。
  6. 如請求項1所述之遠心鏡頭系統，其中，該第二透鏡之負透鏡係為雙凹透鏡；該第三透鏡係為雙凸透鏡，並與該第二透鏡形成一複合透鏡；該第四透鏡係為凹凸透鏡且其凸面朝向投影側；該第五透鏡係為凹凸透鏡且其凹面朝向投影側；該第六透鏡係為雙凹透鏡；該第七透鏡係為雙凸透鏡；該第八透鏡係為雙凸透鏡；該第九透鏡係為雙凸透鏡。
  7. 如請求項1所述之遠心鏡頭系統，更包括一光學元件，係設在該第九透鏡之後方。
  8. 如請求項7所述之遠心鏡頭系統，更包括一穿透式平順圖像裝置，係設在該光學元件與該第九透鏡之間。
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