TWI699550B - 光學鏡頭 - Google Patents

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Abstract

本發明係關係於一種光學鏡頭，光學鏡頭包括兩個透鏡 群以及一設於其兩者之間的光圈(STOP)。第一透鏡群包括一片具有屈光度的透鏡，而第二透鏡群則包括二片雙膠合透鏡，同時，第二透鏡群得包括一片阿貝數大於70的透鏡；再者，光學鏡頭的總長除以光學鏡頭的有效焦距之比值小於等於10。

Description

光學鏡頭
本發明是有關於一種光學鏡頭，且特別是有關於一種有可動群之光學鏡頭及系統。
近年來隨科技的進展，光學鏡頭的種類日漸多元，光學投影鏡頭即是其中之一者。一般傳統的光學投影鏡頭的架構約使用六至八片鏡片。而大光圈鏡頭中，因應畸變(distortion)及色差(chromatic aberration)問題，多使用複數片非球面鏡片以及多組膠合透鏡。而前述的畸變係由像點與光軸距離不同，致使其側向放大率而隨之不同所產生的；而色差則係因各光線波長經過光學界而時發散角不同所致。
然而，各種需求亦在更新，例如是像面大小(Image circle)的增加、感測器的像素因應解析度需求的提高而縮小、更小的畸變、更短的鏡頭以及更大的最大視場角等需求，傳統的架構已無法滿足新型鏡頭對光學品質的需求，故需要在製造成本取得平衡的前提下設計一新架構來滿足以上提到的大視場角、高投射比、高解像、大光圈以及最大視場角的需求。
根據本發明的一個觀點，其係關係於一種光學鏡頭，光 學鏡頭大致包括兩個透鏡群以及一設於其兩者之間的光圈(STOP)。第一透鏡作為可動對焦群，包括一片具有屈光度的透鏡，而第二透鏡群則包括二片雙膠合透鏡，同時，第二透鏡群可包括一片阿貝數大於70的透鏡；再者，光學鏡頭的總長除以光學鏡頭的有效焦距之比值小於等於10。
另外，第一透鏡群可包括兩片相互鄰接的非球面透鏡；再者，第二透鏡群可包括三片非球面透鏡。第二透鏡群可包括一片阿貝數大於等於八十的透鏡；光學鏡頭中，其具有屈光度的透鏡數量可控制在9片以下。另外，光學鏡頭之放大側及縮小側之第一片具有屈光度的透鏡可均為非球面透鏡。另外，第一透鏡群於放大側的第一片具有屈光度的透鏡的半直徑可小於14。再者，光學鏡頭之總長可小於90mm。
另外，本發明的光學鏡頭亦得包括第一及第二透鏡群。第一透鏡群，包含兩片透鏡，該兩片透鏡中包括一非球面透鏡；
第二透鏡群，包含一片膠合透鏡，而膠合透鏡中包括一片阿貝數超過七十的透鏡；以及一設於該第一透鏡群及該第二透鏡群之間的光圈；其中，光學鏡頭之光圈值小於等於2，而且光學鏡頭之最大視場角大於100度。
按前述的設計，本發明得於有限的成本下，提供優異的光學性能。為讓本發明更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
1:光學系統
10:光學鏡頭
11:第一透鏡群
12:第二透鏡群
20:光源
30:光閥
L1~L7:光學元件
L51、L52:透鏡
L61、L62:透鏡
S:光圈
OS:放大側
IS:縮小側
圖一A繪示本發明的第一實施例的光學系統之示意圖。
圖一B繪示本發明的第一實施例的光學系統中光閥之示意圖。
圖二繪示本發明的第一實施例的光學鏡頭之示意圖。
本發明關於一種光學系統。光學系統可為一影像投影系統、一投影機、一影像擷取系統或為一攝影機。請參閱圖一，圖一繪示了本發明的第一實施例的光學系統的示意圖。於本具體實施例中，光學系統1為一投影機。本具體實施例在最簡化時得包括有一光學鏡頭10、一光源20以及一光閥30。光源20向光閥30提供照明光，光閥30將照明光轉化成影像光後藉由光學鏡頭10投影至一投影表面2。光閥30可為數位微型鏡片裝置(DMD)、液晶LCD或是其他具有把照明光轉化成影像光的元件或是裝置。光源20可包括一可視光的發光二極體晶片、非可視光發光二極體晶片或是雷射晶片等半導體晶片配合波長轉換材料或是其他應用於投影領域的光源配合各式光學元件亦可。
於本具體實施例中，光學鏡頭10為一投影鏡頭；光閥30是一運用數位光學處理技術(DLP)的數位微型鏡片裝置(DMD)晶片。前述的晶片具有一矩型對角線大小約為0.47英吋的反射表面，該反射表面具有多個微型反射鏡，而每個微型反射鏡之高寬為5.4um，而各個微型反射鏡為一像素，該晶片高度方向及水平方向分別具有1920以及1080個像素。而晶片之有效區域之高(H)及 寬(V)分別約為10.37mm以及5.832mm。再者，光源20為能分別輸出多種不同波段的複數個發光二極體封裝體。而光源20及光閥30之間包括了一合光裝置(未標示)，該合光裝置包括了一個X字狀的合光濾鏡組，而光源的各個發光二極體封裝體係設於前述合光濾鏡組之各個方向。
於本具體實施例中，光學鏡頭10得設於放大側OS以及縮小側IS之間。於本具體實施例中，光學鏡頭10被應用為投影鏡頭，其放大側係指鏡頭10輸出影像光的一端，而縮小側則係指鏡頭10相對於光閥30之一側。但若光學鏡頭10用作取像時，縮小側則係指鏡頭10相對於感光元件的之一端。
如圖所繪述，光學鏡頭10可包括，依放大側OS往縮小側IS沿光軸排列之，第一透鏡群11、一光圈S(STOP)、第二透鏡群12以及例如是全反射棱鏡(TIR PRISM)以及覆蓋玻璃(CG，Cover glass)等光學元件。再者，光圈S得視設計之需要而獨立設置感是整合於透鏡之表面，本發明不對其多加限制。
承前所述，於本具體實施例中，光學鏡頭10包括有第一透鏡群11以及第二透鏡群12，而二者由一光圈S所分隔。第一透鏡群11為可動對焦群，而第一透鏡群11包括了四片光學元件L1~L4，各光學元件之屈光度依序分別為負、負、正、正，於本具體實施例中，光學元件L1~L4分別為一透鏡。而第二透鏡群12包括了三片光學元件L5~L7，各透鏡之屈光度依序分別為負、正、正。其中，光學元件L5及L6均為雙膠合透鏡，亦即光學元件L5 及L6均分別地由兩片透鏡L51、L52及透鏡L61及L62所膠合而成。透鏡L51之屈光度為正，透鏡L52之屈光度為負，透鏡L61之屈光度為正，而透鏡L62之屈光度為負。再者，本發明各例中提及的膠合透鏡並不以利用黏膠結合為限，其也得以機構或是其他方式相互固定而成，本發明不以此為限。
而本具體實施例之光學系統中各元件之細部參數，可參閱下列表一至表二。
Figure 105127747-A0305-02-0007-1
表一係記載了光學系統中各透鏡之光學參數之值，所述 之表面編號中之*號是代表該表面為一非球面；反之，則為球面。而表面編號則係指鏡頭10由放大側往縮小側排列之光學元件之表面的排列順序。另外，表一中之半徑及厚度/距離的單位為毫米(mm)。TIR可指全反射棱鏡；CG則可指為玻璃蓋體(Cover glass)。
由前述表格可得悉，於本具體實施例中，光學鏡頭1係包括有七片具有屈光度的光學元件，共九片透鏡。而第一透鏡群11中最接近放大側的三片相互鄰接且連續排列的光學元件L1~L3之兩個表面均為非球面表面。而第二透鏡群12中最接近縮小側有屈光度的透鏡之兩個表面均為非球面表面。
光學元件L1、L7使用非球面設計之用意在於改善系統的畸變量；而將光學元件L2、L3使用非球面之用意在於緩解大光圈設計中，鏡頭系統中會產生的嚴重球面像差(Spherical aberration)與慧差(Coma)。光學元件L5、L6使用膠合透鏡的設計是為了使鏡頭系統達到小的色差。需知悉的是，雙膠合透鏡抗開膠能力較三膠合透鏡佳，且採用兩片雙膠合透鏡時，其總長通常較短，其效益相對較佳。前述之開膠一詞，是指鏡片之間的膠體因溫差劣化而使鏡片掉落之現象。
另外，於本發明的一觀點中，第二透鏡群12應包括一片阿貝數大於70、80或是90的透鏡。當阿貝數大於70時，其效果已為明顯，而大於80時，效果較佳，而當阿貝數為90以上時，效果最佳。而於第一具體實施例中，第二透鏡群12中的兩片膠合透鏡中的透鏡L51則採用一阿貝數約為94之透鏡以取得較佳的光 學品質，惟因阿貝數較高的透鏡成本較一般透鏡高上許多，故設計時應參酌成本決定利用何種級距之透鏡。另外，第一透鏡群最接近該放大側的具有屈光度的透鏡L1之半直徑(Semi Diameter)小於14mm。
而就本具體實施例中各非球面表面之設計參數，可見表二如下：
Figure 105127747-A0305-02-0009-2
而其相對應的運算公式為公式1，如下：
Figure 105127747-A0305-02-0009-3
另外，鏡頭總長在小於100mm時，其效果較佳，總長在90mm以下時更佳，而在約80mm時，其效果最佳。鏡頭總長(TTL)的其中一種計算方法為，由鏡頭於放大側起算第一片具有屈光度的透鏡面向放大側的表面與光軸上的交點，與鏡頭於縮小側起算第一片具有屈光度的透鏡面向縮小側的表面與光軸上的交點之間，兩個交點的距離。而需要時，總長(TTL)的另一計算方法為由 鏡頭於放大側起算第一片具有屈光度的邊鏡面向放大側的表面與光軸上的交點，與光閥與光軸交點之間的總長。於第一具體實施例中，鏡頭總長為表面S1至表面S17之間的總距離，為81.147mm。
另外，在另一觀點中，光學系統之鏡頭總長(TTL)除以有效焦距(EFL)比值小於等於12。然而，若其TTL/EFL之值小於10時，其效果較佳，而當前述比值小於8時，效果最佳。以第一具體實施例為例，其TTL為81.147，而EFL則為12.98，故其二者之比值約為6.25。
另外，鏡頭的投射比視條件不同，大致為小於3；而在條件較佳時，會在2以下，而於第一具體實施例中，鏡頭的投射比約為1至1.3之間而約為1.24。而就形變量(Optical Distortion)部份，其小於1%時，效果較佳。以第一具體實施例為例，其形變量小於0.25%，而約為0.18。再者，光圈(F/#)值依細部設計的不同而得有所差別，惟光圈值小於等於3.6時較佳，小於等於2.0時更佳，而以第一及第二具體實施例為例，其均約為1.7。
再者，光學鏡頭10的最大視場角(FOV)大於80度時較佳，大於120度時更佳，而以本發明的第一具體實施例中，其最大視場角(FOV)約為140度。
依據上述說明可知，本發明實施例提供了一種平衡成本以及性能的光學系統設計，可達到上述的功效。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在不脫離本發明的精神和範圍內，仍可修改或變更，例如改變各群鏡片的片數、調整各鏡片的光學參數(如屈光度，POWER) 或插入不影響光學性質的鏡片等，本發明的保護範圍仍以申請專利範圍為準。
10:光學鏡頭
11:第一透鏡群
12:第二透鏡群
20:光源
30:光閥
L1~L7:光學元件
L51、L52:透鏡
L61、L62:透鏡
S:光圈
OS:放大側
IS:縮小側

Claims (10)

  1. 一種光學鏡頭，包括：一第一透鏡群，包括兩片透鏡；一第二透鏡群，包括一第一膠合透鏡及一第二膠合透鏡，該第一膠合透鏡及該第二膠合透鏡分別地由兩片透鏡組合而成，該第二透鏡群包括一片阿貝數大於等於七十的透鏡；以及一光圈，設於該第一透鏡群與該第二透鏡群之間；其中，該光學鏡頭的總長(TTL)除以該光學鏡頭的有效焦距(EFL)之比值小於等於十；其中，該有效焦距為固定值。
  2. 如請求項1所述之光學鏡頭，其中，該第一透鏡群為可動對焦群。
  3. 如請求項1所述之光學鏡頭，其中，該第一透鏡群包括二相互鄰接的非球面透鏡。
  4. 如請求項1所述之光學鏡頭，其中，該第一透鏡群包括三片非球面透鏡。
  5. 如請求項1所述之光學鏡頭，其中，該阿貝數大於等於七十的透鏡之阿貝數大於八十。
  6. 如請求項1所述之光學鏡頭，其中，該第一透鏡群最接近該放大側的具有屈光度的透鏡為一非球面透鏡；以及該第二透鏡群最接近該縮小側的具有屈光度的透鏡為一非球面透鏡。
  7. 如請求項1所述之光學鏡頭，其中，該第一透鏡群最接近該放大側的具有屈光度的透鏡的半直徑(Semi Diameter)小於14。
  8. 一種光學鏡頭，包括：一第一透鏡群，包含兩片透鏡，該兩片透鏡中包括一非球面透鏡；一第二透鏡群，包含一第一膠合透鏡，該第一膠合透鏡中包括一阿貝數超過七十的透鏡；一光圈，設於該第一透鏡群及該第二透鏡群之間；以及一稜鏡，配置於該第二透鏡群遠離該光圈之一側；其中，該光學鏡頭之光圈值小於等於2，而且該光學鏡頭之最大視場角大於100度。
  9. 如請求項8所述之光學鏡頭，其中，該第二透鏡群進一步包括有一第二膠合透鏡，該第二膠合透鏡中包括一阿貝數超過七十的透鏡。
  10. 如請求項8所述之光學鏡頭，其中，該最大視場角大於120度。
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