TWI695993B - 定焦鏡頭 - Google Patents
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Abstract
一種定焦鏡頭,包括被光圈分隔的兩個透鏡群,靠近放大側的透鏡群包括三枚透鏡,靠近縮小側的透鏡群具有四枚透鏡,在對焦時,第一透鏡群、光圈及第二透鏡群之間的距離為固定且一併相對於光閥沿光軸移動。第一透鏡群及第二透鏡群分別具有一非球面透鏡。定焦鏡頭的背焦長度與有效焦距的比值係大於等於1.3。
Description
本發明係有關於一種光學鏡頭,且特別是有關於一種定焦鏡頭。
隨著光電技術的進步,投影機、數位攝影機以及數位相機等影像裝置已被廣泛地應用於日常生活中。這些影像裝置的核心元件之一為光學鏡頭。藉由調整光學鏡頭,使影像清晰地對焦於螢幕或電荷耦合元件上而成像,因此,成像品質與光學鏡頭的光學品質息息相關。在競爭激烈的市場中,各廠商莫不致力於改良定焦鏡頭的光學品質,並降低其重量、體積以及製作成本,以提升上述影像裝置的競爭優勢。因此,如何製造一小型化及高性能,且具備低像差、大光圈、便宜及高解像力等特點的定焦鏡頭,是目前本領域的技術人員的重要課題之一。
本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
依據本發明之一觀點,提出一種定焦鏡頭,從放大側至縮小側,依序包括一第一透鏡群、一光圈及 一第二透鏡群。第一透鏡群依序包括一第一 透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡,且第一透鏡群包括至少一非球面透鏡;第二透鏡群,包括一第四透 鏡、一第五透鏡、一第六透鏡及一第七透鏡,且第二透鏡群包括一膠合透鏡以及一非球面透鏡; 而且,BFL為定焦鏡頭的背焦長度,EFL為定焦鏡頭的有效焦距,定焦鏡頭符合 BFL/EFL≧1.3 的條件。
若在實施例的定焦鏡頭的首片使用玻璃透鏡,其解決了使用非球面鏡片,易被刮傷、可製造性與高成本問題。另外,若在前後群設置兩枚屈光度相反的透鏡,也解決了在高溫的使用環境下鏡頭易產生的熱飄移移焦的問題。再者,若使用膠合鏡片可以減小系統中殘餘的橫向色差。因此,能提供一種具有良好消像差能力、易於小型化且能提供較佳成像品質的定焦鏡頭設計。
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。
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多個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」、「前」、「後」、「左」、「右」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,而非用來限制本發明。另外,下列實施例中所使用的用語「第一」、「第二」是為了辨識相同或相似的元件而使用,並非用以限定該元件。另外,以下實施例只針對投影裝置及顯示系統做進一步的說明,本領域技術人員可依照實際需求而將此連接系統應用於任何所需要的狀況。本發明中所謂的透鏡,是指至少能允許部份光線穿透,且其入、出光表面之至少一者的曲率半徑非為無限大;換句話說,透鏡的入、出光面的至少其中一者需非為平面。而例如是平板玻璃,則非為本發明所指的透鏡。另外,本發明所謂的放大側是指定焦鏡頭應用在投影系統中時,較靠近投影面(例如是投影幕)的一側;縮小側是指定焦鏡頭應用在投影系統中時,較靠近光閥的一側。而當定焦鏡頭應用在取像系統中時,放大側係指靠近被拍攝物所處的一側,縮小側則係指較靠近感光元件的一側。
本發明之一實施例提出一種定焦鏡頭。藉由本發明實施例的設計,能提供一種具有良好消像差能力、易於小型化且能提供較佳成像品質的定焦鏡頭設計。
圖1是本發明一實施例的定焦鏡頭的示意圖。請參照圖1,在本實施例中,定焦鏡頭1有一鏡筒(未繪示),鏡筒裡容置有第一透鏡群10、光圈20、第二透鏡群30等元件。光圈20係設於第一透鏡群10及第二透鏡群30之間。亦即,以光圈20為分界線,定焦鏡頭1可包含第一、第二兩個透鏡群10、30,而在第二透鏡群30相對於縮小側的一側可進一步配合穿透式平順圖像裝置TSP(Transmissive Smooth Picture)、稜鏡PR、玻璃保護蓋CG及光閥LV。於本例中,可藉由對第一透鏡群10、光圈20及第二透鏡群30之整體,沿光軸A相對於成像平面進行前後移動而為對焦。亦即,在對焦時,定焦鏡頭1的第一透鏡群10、光圈20及第二透鏡群30之間的間距(Interval)為固定。而於本例中,成像平面與光閥LV的表面為共平面。在本發明中所謂的光閥LV,係指一種可將照明光轉為影像光的光學裝置,例如 DMD、LCD、LCOS 等,此為熟悉此項技藝人士所知。而於本例中,光閥為一DMD。另外,於本例中,定焦鏡頭1除了是遠心(Telecentric)鏡頭之外,同時,其亦為一反望遠鏡頭(Inverted telenes)。舉例來說,當鏡頭有兩個部份,當較靠近放大側的部份(如透鏡L1、L2)的屈光度總和為負,而相對應的另一部份(如透鏡L3~L8)的屈光度總和為正時,該鏡頭為一反望遠鏡頭。
於本例中,第一透鏡群10具有正屈光度,且第二透鏡群30具有正屈光度。第一透鏡群10包含沿光軸A從放大側(圖1的左側)往縮小側(圖1的右側)依序排列的透鏡L1、透鏡L2及透鏡L3。第二透鏡群30包含沿光軸從放大側往縮小側依序排列的透鏡L4、透鏡L5、透鏡L6、透鏡L7、透鏡L8。透鏡L1-L8的屈光度分別為負、負、正;正、負、正、負及正。另外透鏡L1及L2之屈光度的總和為負,而透鏡L1、透鏡L2及透鏡L3的屈光度的總和為正;而透鏡L4至L8之屈光度的總和為正。透鏡L1-L8的材質分別為玻璃、塑膠、玻璃;塑膠、玻璃、玻璃、玻璃及玻璃。另外,設S為球面透鏡,ASP為非球面透鏡,則透鏡L1-L8分別為S、ASP、S、ASP、S、S、S、S。另外,透鏡L1-L8的光學表面形狀,分別為凸凹、凸凹、凸凸;凹凸、凹凹、凸凸、凹凸、凸平。
定焦鏡頭1的透鏡及其週邊元件的設計參數如表一所示。然而,下文中所列舉的資料並非用以限定本發明,任何所屬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的範疇內。
上述的公式中,x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處的曲率半徑的倒數,k是圓錐係數(conic constant),y是非球面高度,即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度。A-G分別代表非球面多項式的各階非球面係數。表二列出本發明的第一具體實施例中,鏡頭中各透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。
依上述實施例之設計,為解決使用非球面鏡片,易被刮傷、可製造性與高成本問題,於本例中,前群(放大側)的第一片與後群(縮小側)最後一片鏡片使用玻璃球面鏡片,並將透鏡L2及透鏡L4設計為非球面透鏡,而透鏡L2及透鏡L4係分別設於光圈的兩側,而非同一側。
另外,為解決在高溫的使用環境下,鏡頭易產生的移焦,前例的透鏡L2及透鏡L4的屈光度互為正、負設計時,系統中的移焦量得被抵消、減緩。另外,前例的第一片與最後一片鏡片使用球面鏡片,系統中會殘留有較多的橫向色差(lateral color),因此安排透鏡L5、L6、L7為三膠合透鏡,以減小系統中殘餘的橫向色差。亦即,透鏡L5、L6、L7包括了二枚相互膠合的透鏡。而需注意的是,於本例中,三膠合透鏡係設於光圈與縮小側之間。而本發明中的所謂的透鏡相互膠合或膠合透鏡是指複數透鏡所相互固定及經固定而成的透鏡組,惟其固定手段不以黏膠為限。舉例來說,於本例中,三枚透鏡之間係以光學膠體固定,惟其不以此為限,在需要時,三枚透鏡亦可以利用例如是機械式手段(例如是定位槽等)來夾持、固定之。
另外,本發明中所稱EFL是指系統有效焦距(Effective focal length)。而TTL係指光程總長(Total Track Length),亦即定焦鏡頭中,自放大側的第一枚透鏡L1的第一個表面起算,沿鏡頭光軸,往縮小側方向,量測至成像平面的距離。於本實施例中,表面S22與定焦鏡頭1的成像平面為共平面。本發明中所謂的背焦長度或是BFL,係指定焦鏡頭的空氣背焦長度(back focal length equivalent in air),舉例來說,該背焦長度BFL是在透鏡L1~L8外的所有元件均置換成空氣時,透鏡L1~L8所量得的等效背焦長。由於本例中,第二透鏡群30往縮小側方向係設有一TSP,故其BFL會較一般的鏡頭大。舉例來說,BFL可以介於9~20mm之間,較佳時約在10~16之間。另一方面,通常BFL/EFL會介於1至5之間,例如大於1.3,或者,會介於1.3至2之間。
本例中,定焦鏡頭1的光圈值約為1.6; EFL約為8.842mm; TTL約為87.977mm;BFL約為13.11mm。而BFL/EFL約為1.4826。而定焦鏡頭的小EFL及小TTL的特性讓前述的定焦鏡頭可以被用於內含電池且無需外部供電的可攜式投影機中。
另外,值得一提的是,在另一實施例中,鏡頭1內除了前述的各透鏡外,亦可選擇性的將例如是表面S16及S17所標示的穿透式平順圖像裝置TSP;表面S18及S19所標示的稜鏡PR;表面S20及S21所標示的玻璃保護蓋以及處於表面S22的光閥LV之任一者置放於鏡筒內部。
以下將說明本發明的定焦鏡頭的第二具體實施例的設計。考量其設計與第一具體實施例類似,故將僅就差異之處另作說明,而其餘部份因與第一具體實施例對應而將不予贅述。
於本例中,定焦鏡頭1中的透鏡及其週邊元件的設計參數如表三所示。
表四列出本發明的第二實施例中,鏡頭的各透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。
由表三及表四可見,第二實施例與第一實施例的一個主要差別在於定焦鏡頭1靠近縮小側的最後一枚透鏡的兩個表面S14、S15均為非球面。另外,本例中, BFL/EFL約為1.4828。
以下將說明本發明的定焦鏡頭的第三具體實施例的設計。考量其設計與第一具體實施例類似,故將僅就差異之處另作說明,而其餘部份因與第一具體實施例對應而將不予贅述。
於本例中,定焦鏡頭1中各透鏡及其週邊元件的設計參數如表五所示。
表六列出本發明的第三實施例中,鏡頭的各透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。
由上開二表可見,第三實施例與第一實施例的主要差別在於定焦鏡頭1靠近縮小側的最後一枚透鏡的兩個表面均為非球面。另外,本例中,後群包括了兩組雙膠合透鏡。本例中, BFL/EFL約為1.451。
再者,於本發明的另一實施例中,係揭露了一種投影機,除了應用上開各實施例中的定焦鏡頭1外,更包括有前述的光閥及照明光源等元件,可用於將一影像成像於例如是投影幕的投影表面。
再者,於本發明的另一實施例中,係揭露了一種例如是攝影機的取像裝置,除了應用上開各實施例中的定焦鏡頭1外,更包括有感光元件,可用於擷取一物件的影像光。
由以上實施例可知,在定焦鏡頭的首片使用玻璃透鏡,其解決了使用非球面鏡片,易被刮傷、可製造性與高成本問題。另外,藉由在前後群設置兩枚屈光度相反的透鏡,也解決了在高溫的使用環境下鏡頭易產生的移焦的問題。再者,藉由膠合鏡片的使用可以減小系統中殘餘的橫向色差。因此,能提供一種具有良好消像差能力、易於小型化且能提供較佳成像品質的定焦鏡頭設計。
表一至表六列出的參數僅為例示之用而非限制本發明。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。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。
1‧‧‧定焦鏡頭10‧‧‧第一透鏡群20‧‧‧光圈30‧‧‧第二透鏡群TSP‧‧‧穿透式平順圖像裝置PR‧‧‧稜鏡CG‧‧‧玻璃保護蓋LV‧‧‧光閥L1~L8‧‧‧透鏡A‧‧‧光軸
圖1是本發明的第一實施例的定焦鏡頭的示意圖。
圖2是本發明的第二實施例的定焦鏡頭的示意圖。
圖3是本發明的第三實施例的定焦鏡頭的示意圖。
無
1‧‧‧定焦鏡頭
10‧‧‧第一透鏡群
20‧‧‧光圈
30‧‧‧第二透鏡群
TSP‧‧‧穿透式平順圖像裝置
PR‧‧‧稜鏡
CG‧‧‧玻璃保護蓋
LV‧‧‧光閥
L1~L8‧‧‧透鏡
A‧‧‧光軸
Claims (11)
- 一種定焦鏡頭,從放大側至縮小側,依序包括: 一第一透鏡群、一光圈及 一第二透鏡群; 其中, 該第一透鏡群,依序包括一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡,且該第一透鏡群包括至少一非球面透鏡; 該第二透鏡群,包括一第四透 鏡、一第五透鏡、一第六透鏡及一第七透鏡,且該第二透鏡群包括一膠合透鏡以及一非球面透鏡; 而且,BFL為該定焦鏡頭的背焦長度,EFL為該定焦鏡頭的有效焦距,該定焦鏡頭符合 BFL/EFL≧1.3 的條件。
- 一種定焦鏡頭,從放大側至縮小側,依序包括: 一第一透鏡; 一第二透鏡; 一第三透鏡; 一第四透鏡; 一第五透鏡; 一第六透鏡;以及 一第七透鏡; 其中,該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡的其中一透鏡,為非球面透鏡; 該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡及該第七透鏡的其中一透鏡,為非球面透鏡; 該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡及該第七透鏡的其中二透鏡相互膠合; BFL為該定焦鏡頭的背焦長度,該定焦鏡頭的BFL≧11,TTL為該定焦鏡頭的光程總長, TTL≦150mm。
- 如請求項第1項或第2項之任一者所述的定焦鏡頭,其中,該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡中至少包括有一玻璃球面透鏡;該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡及該第七透鏡中至少包括有一玻璃球面透鏡。
- 如請求項第1項或第2項之任一者所述的定焦鏡頭,其中,該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡中的該非球面透鏡的屈光度,與該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡及該第七透鏡中的該非球面透鏡的屈光度相反。
- 如請求項第1項或第2項之任一者所述的定焦鏡頭,其中,EFL為該定焦鏡頭的有效焦距,BFL/EFL≧1.45。
- 如請求項第1項或第2項之任一者所述的定焦鏡頭,其中,該第一透鏡及該第二透鏡之屈光度總和為負,該第三透鏡之屈光度為正。
- 如請求項第1項或第2項之任一者所述的定焦鏡頭,其中,該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡的屈光度總和為正。
- 如請求項第1項或第2項之任一者所述的定焦鏡頭,其中,進一步包括有一第八透鏡,設於該第三透鏡及該縮小側之間。
- 如請求項第8項所述的定焦鏡頭,其中,該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡、該第七透鏡及該第八透鏡的其中三枚透鏡膠合為一枚三膠合透鏡。
- 如請求項第2項所述的定焦鏡頭,其進一步包括有一光圈,設置於該第三透鏡及該第四透鏡之間。
- 如請求項第1項或第2項所述的定焦鏡頭,其中,由該放大側至該縮小側依序排列,包括: 該第一透鏡為屈光度為負; 該第二透鏡為屈光度為負; 該第三透鏡為屈光度為正; 該第四透鏡為屈光度為正; 該第五透鏡為屈光度為負; 該第六透鏡為屈光度為正; 一第八透鏡為屈光度為負;以及 該第七透鏡為屈光度為正; 其中,該第五透鏡、該第六透鏡及該第八透鏡形成一枚屈光度為負的三膠合透鏡,該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡的屈光度的總和為正,TTL為該定焦鏡頭的光程總長, TTL≦150mm, BFL為該定焦鏡頭的背焦長度,該定焦鏡頭的BFL≧11,該EFL為該定焦鏡頭的有效焦距,該定焦鏡頭符合 BFL/EFL≧1.3 的條件,該定焦鏡頭的透鏡數量小於10枚,該定焦鏡頭的光圈值小於2,該定焦鏡頭的視場角(FOV)小於100度。
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