TWI716562B

TWI716562B - 變焦鏡頭

Info

Publication number: TWI716562B
Application number: TW106108611A
Authority: TW
Inventors: 鄭泓祐; 王國權; 周昱宏
Original assignee: 揚明光學股份有限公司
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2021-01-21
Also published as: CN108572434A; CN108572434B; TW201835632A

Abstract

一種變焦鏡頭包含具負屈光度的第一透鏡群、具正屈光度的第二透鏡群以及設於第二透鏡群內且隨第二透鏡群一起移動的光圈，其中第一透鏡群以及第二透鏡群各自移動。變焦鏡頭還包含位於光圈一側的雙合透鏡，其位於第一透鏡群與光圈之間，光圈另一側最多有兩片透鏡，其中至少包含一非球面透鏡。

Description

變焦鏡頭

本發明係有關於一種鏡頭，且特別是有關於一種變焦鏡頭。

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變焦鏡頭。藉由調整變焦鏡頭，使影像清晰地對焦於螢幕或電荷耦合元件上而成像，因此，成像品質與變焦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變焦鏡頭的光學品質，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變焦鏡頭，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。

本發明之一實施例提出一種變焦鏡頭，包含具負屈光度的第一透鏡群、具正屈光度的第二透鏡群以及設於第二透鏡群內且隨第二透鏡群一起移動的光圈，其中第一透鏡群以及第二透鏡群各自移動。變焦鏡頭還包含位於光圈一側的雙合透鏡，其位於第一透鏡群與光圈之間，光圈另一側最多有兩片透鏡，其中至少包含一非球面透鏡。

藉由本發明實施例的設計，變焦鏡頭具有至少一雙合透鏡以平衡色差，且具有至少一非球面透鏡以減少像差，再者，變焦鏡頭具有較少的透鏡數目及大光圈。另外，變焦鏡頭因較小的EXP故能縮小鏡頭總長，使變焦鏡頭具有小型化特性，EXP為變焦鏡頭的出瞳位置(exit pupil position)到光閥成像面於平行光軸方向上的距離。此光閥成像面在投影系統中，一般係位於鏡頭的物側那一端，而非投影的像側那一端。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變焦鏡頭設計。

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。

10a、10b、10c、10d、10e:變焦鏡頭

12:光軸

14:光圈

16:保護玻璃表面

20:第一透鏡群

30:第二透鏡群

d1、d2:可變間距

L1-L8:透鏡

S1-S17:表面

A、B、C、D、E、F:曲線

圖1是本發明一實施例的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的示意圖。

圖2為本發明另一實施例之變焦鏡頭於廣角端與望遠端的示意圖。

圖3為本發明另一實施例之變焦鏡頭於廣角端與望遠端的示意圖。

圖4為本發明另一實施例之變焦鏡頭於廣角端與望遠端的示意圖。

圖5為本發明另一實施例之變焦鏡頭於廣角端與望遠端的示意圖。

圖6-10分別為圖1-5的變焦鏡頭在廣角端的調制轉換函數曲線圖。

圖11-15分別為圖1-5的變焦鏡頭在廣角端的調制轉換函數曲線圖，顯示對應空間頻率變化的光學轉移函數的模數。

圖16-20分別為圖1-5的變焦鏡頭的表現非點像差的像場彎曲圖以及表現歪曲像差的畸變圖

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。

本發明之一實施例提出一種變焦鏡頭，包含具負屈光度的第一透鏡群、具正屈光度的第二透鏡群以及設於第二透鏡群內且隨第二透鏡群一起移動的光圈，其中第一透鏡群以及第二透鏡群各自移動。變焦鏡頭還包含位於光圈一側的雙合透鏡，其位於第一透鏡群與光圈之間，光圈另一側最多有兩片透鏡，其中至少包含一非球面透鏡，其中變焦鏡頭還滿足下列條件之一：(1)第一透鏡群包含具負屈光度的兩片新月形透鏡，第二透鏡群包含具正屈光度的兩片透鏡，其位於兩片新月形透鏡和雙合透鏡之間，且非球面透鏡具正屈光度，(2)第一透鏡群包含具負屈光度的一新月形透鏡和一非球面透鏡，第二透鏡群包含具負屈光度的一新月形透鏡，位於第一透鏡群和雙合透鏡之間，且第一透鏡群和第二透鏡群包含的非球面透鏡均具正屈光度，(3)第一透鏡群包含兩片具負屈光度的新月形透鏡，第二透鏡群包含具正屈光度的一雙凸透鏡和另一雙合透鏡，均位於第一透鏡群和雙合透鏡之間，且第二透鏡群包含的非球面透鏡具正屈光度。

本發明一實施例的變焦鏡頭包含沿一方向依序設置第一透鏡群及第二透鏡群，第一透鏡群以及第二透鏡群各自移動，設於第二透鏡群內的光圈和位於光圈之一側且位於第一透鏡群與光圈之間的雙合透鏡，以及位於光圈另一側的非球面透鏡，變焦鏡頭還滿足下列條件：-26mm≦EXP≦-28.5mm，其中EXP為變焦鏡頭的出瞳位置(exit pupil position)到光閥成像面於平行光軸方向上的距離。此光閥成像面在投影系統中，一般係位於鏡頭的物側那一端，而非投影的像側那一端。假設變焦鏡頭被設計為EXP<-28.5mm，鏡頭總長會過大而導致整個鏡頭組件難以小型化。再者，假設變焦鏡頭被設計為EXP>-26mm，背焦會過小而導致照明光與影像光發生干涉，使整個鏡頭的光學效能變差。另外，於一實施例中，雙合透鏡包含折射率小於1.68的正屈光度透鏡。

本發明一實施例的變焦鏡頭滿足光圈≦2.2。於另一實施例中，變焦鏡頭的變倍比範圍為1.05-1.2。於另一實施例中，變焦鏡頭的背焦距離介於18-24mm。於另一實施例中，變焦鏡頭的投射比(throw ratio)介於1.3和1.6之間，其中投射比為投影距離(Throw Distance)/投影畫面寬度(Screen Width)。於另一實施例中，變焦鏡頭包含的透鏡總數目不超過10片。於另一實施例中，非球面透鏡的材質為玻璃或塑膠。

在本發明中所謂的光閥，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。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變焦鏡頭設計。

圖1是本發明一實施例的變焦鏡頭於廣角端與望遠端的示意圖。請參照圖1，在本實施例中，變焦鏡頭10a包含第一透鏡群20、第二透鏡群30以及位於第二透鏡群30內且隨第二透鏡群30一起移動的光圈14。第一透鏡群20與第二透鏡群30各自移動以於廣角端與望遠端之間切換。詳言之，當第一透鏡群20與第二透鏡群30朝接近彼此的方向移動時，變焦鏡頭10a由廣角端往望遠端切換，此時變焦鏡頭10a的可變間距d1會變小，且可變間距d2會變大。反之，當第一透鏡群20與第二透鏡群30朝遠離彼此的方向移動時，變焦鏡頭10a由望遠端往廣角端切換，此時變焦鏡頭10a的可變間距d1會變大，且可變間距d2會變小。因此，於本發明實施例中，變焦鏡頭包含兩個透鏡群，且第一透鏡群20與第二透鏡群30是以兩群之間的距離d1為可變距離來區分。於一實施例中，第一透鏡群20沿光軸12方向移動以進行調焦操作(focus)，且第二透鏡群30沿光軸12方向移動以進行縮放操作(zoom)。

第一透鏡群20具有負屈光度，且第二透鏡群30具有正屈光度。第一透鏡群20包含沿光軸12從放大側(圖1A的左側)往縮小側(圖1A的右側)依序排列的透鏡L1及L2，第二透鏡群30包含沿光軸12從放大側往縮小側依序排列的透鏡L3、L4、L5、L6、L7及L8。透鏡L1-L8的屈光度分別為負、負、正、負、正、正、負及正。於本實施例中，第二透鏡群30的最靠近縮小側的透鏡L8為非球面透鏡。透鏡L6及透鏡L7形成具正屈光度的雙合透鏡(doublet)，光圈14位於透鏡L7及透鏡L8之間。於一實施例中，透鏡L6及透鏡L7的屈光度分別為負及正。於一實施例中，非球面透鏡的材質為玻璃。

值得注意的是，雙合透鏡中的兩相鄰透鏡的相鄰兩面具有相同或相近的曲率半徑，且雙合透鏡的相鄰兩面利用不同的方式貼合，例如以光學膠塗佈在相鄰兩面間膠合、以機構件將相鄰兩面壓合等方式而不限定。

於變焦鏡頭10a中，透鏡L1具有一放大側凸面S1及一縮小側凹面S2，透鏡L2具有一放大側凸面S3及一縮小側凹面S4，透鏡L3具有一放大側凸面S5及一縮小側凸面S6，透鏡L4具有一放大側凹面S7及一縮小側凹面S8，透鏡L5具有一放大側凸面S9及一縮小側凸面S10，透鏡L6具有一放大側凸面S11，透鏡L7具有一放大側凹面S12及一縮小側凹面S13，且透鏡L8在與光軸12交會處具有一放大側凹面S15及一縮小側凸面S16，在本實施例中，表面S17為光閥(圖中未顯示)的保護玻璃表面。於一實施例中，表面S17是光閥(例如是DMD、LCD或LCOS等裝置)的成像面。

變焦鏡頭10a的透鏡設計參數如表一及表二所示。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。

TTL為表面S1到表面S17的距離

再者，於本發明如下的各個設計實例中，非球面多項式用下列公式表示：

上述的公式中，x為光軸12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12處的曲率半徑的倒數，k是二次曲面係數，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。表三列出鏡頭表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。

如圖2所示，本發明的另一實施例的變焦鏡頭10b包含透鏡L1-L7(屈光度分別為負、負、正、正、負、正及正)。透鏡L5及透鏡L6形成具負屈光度的雙合透鏡，光圈14位於透鏡L6及透鏡L7之間。透鏡L7為非球面透鏡，且在光軸12交會處具有一放大側凹面S13及一縮小側凸面S14。於一實施例中，透鏡L5及透鏡L6的屈光度分別為正及負。於一實施例中，非球面透鏡的材質為玻璃。變焦鏡頭10b的透鏡設計參數如表四及表五所示，且非球面透鏡的非球面係數如表六所示。

TTL為表面S1到表面S15的距離

如圖3所示，本發明的另一實施例的變焦鏡頭10c包含透鏡L1-L8(屈光度分別為負、負、正、正、負、正、負及正)。透鏡L5及透鏡L6形成具正屈光度的雙合透鏡，光圈14位於透鏡L7面對放大側的表面S12上。透鏡L8為非球面透鏡，且在光軸12交會處具有一放大側凹面S14及一縮小側凸面S15。變焦鏡頭10c的透鏡設計參數如表七及表八所示，且非球面透鏡的非球面係數如表九所示。於一實施例中，透鏡L5及透鏡L6的屈光度分別為正及負。於一實施例中，非球面透鏡的材質為玻璃。變焦鏡頭10c的透鏡設計參數如表七及表八所示，且非球面透鏡的非球面係數如表九所示。

TTL為表面S1到表面S16的距離

如圖4所示，本發明的另一實施例的變焦鏡頭10d包含透鏡L1-L8(屈光度分別為負、正、負、正、負、正、負及正)。透鏡L4及透鏡L5形成具正屈光度的雙合透鏡，光圈14位於透鏡L6及透鏡L7之間。透鏡L2及透鏡L8為非球面透鏡，透鏡L2在交會光軸12處具有一放大側凸面S3及一縮小側凸面S4，且透鏡L8在交會光軸12處具有一放大側凸面S15及一縮小側凸面S16。於一實施例中，透鏡L4及透鏡L5的屈光度分別為負及正。於一實施例中，非球面透鏡的材質為玻璃。變焦鏡頭10d的透鏡設計參數如表十及表十一所示，且非球面透鏡的非球面係數如表十二所示。

TTL為表面S1到表面S17的距離

如圖5所示，本發明的另一實施例的變焦鏡頭10e包含透鏡L1-L8(屈光度分別為負、負、正、負、正、正、負及正)。透鏡L3及透鏡L4形成具負屈光度的雙合透鏡，透鏡L6及透鏡L7形成具負屈光度的雙合透鏡，光圈14位於透鏡L7及透鏡L8之間。透鏡L8為非球面透鏡，透鏡L8在交會光軸12處具有一放大側凹面S14及一縮小側凸面S15。於一實施例中，透鏡L3及透鏡L4的屈光度分別為負及正。於一實施例中，透鏡L6及透鏡L7的屈光度分別為負及正。於一實施例中，非球面透鏡的材質為玻璃。變焦鏡頭10e的透鏡設計參數如表十三及表十四所示，且非球面透鏡的非球面係數如表十五所示。

TTL為表面S1到表面S16的距離

圖6-20分別為圖1-5變焦鏡頭10a-10e的成像光學模擬數據圖。圖6-10分別是圖1-5變焦鏡頭10a-10e在廣角端的調制轉換函數(Modulation Transfer Function,MTF)曲線圖，其中橫軸為焦點偏移量(focus shift)，縱軸為光學轉移函數的模數(modulus of the optical transfer function,modulus of the OTF)。圖11-15分別是圖1-5變焦鏡頭10a-10e在廣角端的調制轉換函數曲線圖，顯示對應空間頻率(spatial frequency)變化的光學轉移函數的模數。圖16-20分別為圖1-5變焦鏡頭10a-10e的表現非點像差的像場彎曲(field curvature)圖(橫軸單位為毫米mm)以及表現歪曲像差的畸變(distortion)圖(橫軸單位為百分比%)，分別以波長為460nm(曲線A和B)、550nm(曲線C和D)、620nm(曲線E和F)的光所作出的模擬數據圖，曲線S為弧矢(sagittal)方向的數據，而曲線T為子午(tangential)方向的數據。從圖6至圖20的圖形可看出所測得的MTF曲線圖、場曲圖以及畸變圖等圖形均在標準的範圍內，因此本發明實施例的變焦鏡頭10a-10e均具有良好的成像品質。

依上述實施例之設計，變焦鏡頭具有至少一雙合透鏡以平衡色差，且具有至少一非球面透鏡以減少像差，再者，變焦鏡頭具有較少的透鏡數目及大光圈。另外，變焦鏡頭因較小的EXP故能縮小鏡頭總長，使變焦鏡頭具有小型化特性，EXP為變焦鏡頭的出瞳位置(exit pupil position)到光閥成像面於平行光軸方向上的距離。此光閥成像面在投影系統中，一般係位於鏡頭的物側那一端，而非投影的像側那一端。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變焦鏡頭設計。

表一至表十五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。

10a‧‧‧變焦鏡頭

12‧‧‧光軸

14‧‧‧光圈

16‧‧‧保護玻璃表面

20‧‧‧第一透鏡群

30‧‧‧第二透鏡群

d1、d2‧‧‧可變間距

L1-L8‧‧‧透鏡

S1-S17‧‧‧表面

Claims

一種變焦鏡頭，包含：具負屈光度的一第一透鏡群；具正屈光度的一第二透鏡群，其中該第一透鏡群以及該第二透鏡群可各自移動；一光圈，設於該第二透鏡群內，且隨該第二透鏡群一起移動；以及一雙合透鏡，位於該光圈之一側且位於該第一透鏡群與該光圈之間，其中該光圈之另一側最多有兩片透鏡，且至少包含一非球面透鏡，且其中該變焦鏡頭包含的透鏡總數目為7片或8片。
一種變焦鏡頭，包含：依一方向依序設置的一第一透鏡群與一第二透鏡群，該第一透鏡群及該第二透鏡群可各自移動；該第二透鏡群之中，依遠離該第一透鏡群之方向，依序設置一雙合透鏡、一光圈以及一非球面透鏡；該變焦鏡頭符合下列條件：-26mm≦EXP≦-28.5mm，其中EXP為變焦鏡頭的出瞳位置(exit pupil position)到光閥成像面於平行光軸方向上的距離。
如申請專利範圍第1或2項中所述之變焦鏡頭，其中該非球面透鏡的材質為玻璃。
如申請專利範圍第1或2項中所述之變焦鏡頭，其中該光學變焦鏡頭的光圈≦2.2。
如申請專利範圍第1或2項中所述之變焦鏡頭，其中該光學變焦鏡頭在該廣角端的投射比介於1.3和1.6之間。
如申請專利範圍第1或2項中所述之變焦鏡頭，其中該非球面透鏡面對該光圈的一面於交會一光軸處為凹面，且另一面於交會該光軸處為凸面。
如申請專利範圍第1或2項中所述之變焦鏡頭，其中該第一透鏡群包含負屈光度的兩片新月形透鏡。
如申請專利範圍第1或2項中所述之變焦鏡頭，其中該雙合透鏡至少包含一正屈光度的透鏡，且該透鏡的折射率小於1.68。
如申請專利範圍第2項中所述之變焦鏡頭，其中該變焦鏡頭包含的透鏡總數目為7片或8片。
如申請專利範圍第1或2項中所述之變焦鏡頭，其中該變焦鏡頭滿足下列條件之一：(1)該第一透鏡群包含具負屈光度的兩片新月形透鏡，該第二透鏡群包含具正屈光度的兩片透鏡，位於該兩片新月形透鏡和該雙合透鏡之間，且該非球面透鏡具正屈光度，(2)該第一透鏡群包含具負屈光度的一新月形透鏡和一非球面透鏡，該第二透鏡群包含具負屈光度的一新月形透鏡，位於該第一透鏡群和該雙合透鏡之間，且該第一透鏡群和該第二透鏡群包含的該非球面透鏡均具正屈光度，(3)該第一透鏡群包含兩片具負屈光度的新月形透鏡，該第二透鏡群包含具正屈光度的一雙凸透鏡和另一雙合透鏡，位於該第一透鏡群和該雙合透鏡之間，且該第二透鏡群包含的該非球面透鏡具正屈光度。