CN102043229B

CN102043229B - 定焦镜头

Info

Publication number: CN102043229B
Application number: CN2009102063339A
Authority: CN
Inventors: 王国权; 赖庆隆
Original assignee: Young Optics Inc
Current assignee: Young Optics Inc
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-10-15
Also published as: CN102043229A

Abstract

一种定焦镜头，包括由放大侧往缩小侧依序排列之一第一透镜群、一第二透镜群及一第三透镜群。第一透镜群具有正屈光度，且包括由放大侧往缩小侧依序排列之一第一透镜及一第二透镜。第一透镜与第二透镜的屈光度分别为负与正。第二透镜群具有正屈光度，且包括由放大侧往缩小侧依序排列之一第三透镜、一第四透镜及一第五透镜。第三透镜、第四透镜与第五透镜的屈光度依序为正、负、正。第三透镜群具有正屈光度，且包括一第六透镜。第六透镜的屈光度为正。借由如此的设计可使定焦镜头实现较佳的成像品质、较大的视场角及较小的远心角。

Description

定焦镜头

【技术领域】

本发明是关于一种镜头，且特别是关于一种定焦镜头。

【背景技术】

投影镜头对光学设计者而言，存在着诸多的挑战。一个良好的投影镜头可能具有高品质的成像、低畸变像差、高解析度、高对比度及均匀的画面照度。此外，为了达成短距离投影大画面的功效，投影镜头可能具有大视场角(field of view，FOV)，及较小的畸变像差。为了增加光效率及投影画面的照度均匀性，投影镜头的缩小侧的主光线相对于光轴的最大角度(即远心角，英译telecentric angle)被设计得较小，使主光线与光轴接***行。

以上的设计要求会互相牵制，因而增加投影镜头的设计困难度。举例而言，当将畸变像差尽可能地缩小时，就可能会牵制到镜头的视场角和镜头所采用的透镜数目。若将镜头设计为具有大视场角，且缩小侧的主光线和光轴接***行时，镜头的长度和镜片尺寸就容易变大。另外，若欲达到较好的成像品质、低畸变像差、高解析度、高对比度及均匀的投影画面照度，通常就会使用到非球面透镜，但使用玻璃非球面透镜会增加成本，而无法使投影镜头的成本降低。若完全采用球面透镜，则一般会使投影镜头所采用的透镜数目多达9片以上，如此镜头的尺寸会变大，且亦无法有效降低成本。

美国专利第5,042,929号提出一种具有7片透镜的镜头，此镜头具有前透镜群与后透镜群。前透镜群含有6片透镜，其屈光度(refractivepower)由放大侧往缩小侧依序为正、负、正、负、正及正。前透镜群的背焦长度较长，这会造成整个镜头的长度较长，而无法达到小型化的目的。后透镜群则仅具有一片正透镜，且为塑胶非球面透镜。然而，由于此塑胶非球面透镜靠近缩小侧，因此会造成组装困难度的增加。此镜头在对焦时，后透镜群是固定的，而前透镜群则可移动，亦即此对焦方式不属于内对焦型，这会导致出射光线容易与其他机构件干涉，而使得影像画面出现遮角问题。若欲解决此问题，则使机构件尽量远离镜头，但这会造成整个镜头的体积变大。另外，由于此镜头所采用的玻璃镜片多达6片，将无法达到轻量化与降低成本的目的。

美国专利第7,173,777号揭露一种具有8片透镜的镜头，其可分为第一透镜群、第二透镜群及第三透镜群。第一透镜群具有负屈光度，且具有二片透镜，其中至少一个透镜为塑胶非球面透镜。第二透镜群具有负屈光度，且具有一片透镜。第三透镜群具有正屈光度，且具有五片透镜。此镜头的玻璃镜片数目较多，而无法达到轻量化与降低成本的目的。

中国台湾专利第M309675号揭露一种变焦镜头，包括由物侧至像侧依序排列之一具有负屈光度的第一透镜组、一具有正屈光度的第二透镜组及一具有正屈光度的第三透镜组。美国专利第6,124,984号揭露了一种变焦镜头，其由具有负屈光度的第一透镜组、具有正屈光度的第二透镜组及具有正屈光度的第三透镜组所组成。当镜头从广角端至望远端作变焦动作时，需要移动第一透镜组与第二透镜组，以使第一透镜组与第二透镜组间的距离缩小，不使第二透镜组与第三透镜组之间的距离增加，以实现2.5倍的变焦性能。

美国专利第6,124,987号揭露了一种变焦镜头，包含具有负屈光度的前透镜组及具有正屈光度的后透镜组。前透镜组中的第一片镜片的第一表面采用了非球面，且在后透镜组的第二片镜片上亦采用了非球面的设计。当变焦镜头变焦时，前、后透镜组在光轴上相对移动。而当对焦时，则仅需移动后透镜组中的最后一片屈光度为正的镜片即可。美国专利第7,453,651号揭露了一种变焦镜头，包含屈光度为负的第一透镜群、屈光度为正的第二透镜群及屈光度为正的第三透镜群。美国专利第6,844,984号揭露了一种镜头，包含第一三透镜群、第二三透镜群及第三透镜群。第一透镜群用来完成对焦，第二透镜群用来控制变焦，而第三透镜群则保持固定。美国专利第5,550,679号揭露了一种投影镜头，具有屈光度为负的第一透镜组、屈光度为正的第二透镜组及屈光度为正的第三透镜组。

【发明内容】

本发明提供一种定焦镜头，具有较佳的光学成像品质。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本发明之一实施例提出一种定焦镜头，适于配置于一放大侧与一缩小侧之间。定焦镜头包括一第一透镜群、一第二透镜群及一第三透镜群。第一透镜群配置于放大侧与缩小侧之间，且具有正屈光度。第一透镜群包括由放大侧往缩小侧依序排列之一第一透镜及一第二透镜，且第一透镜与第二透镜的屈光度分别为负与正。第二透镜群配置于第一透镜群与缩小侧之间，且具有正屈光度。第二透镜群包括由放大侧往缩小侧依序排列之一第三透镜、一第四透镜及一第五透镜，且第三透镜、第四透镜与第五透镜的屈光度依序为正、负、正。第三透镜群配置于第二透镜群与缩小侧之间，且具有正屈光度。第三透镜群包括一第六透镜，且第六透镜的屈光度为正。

在本发明的实施例的定焦镜头中，第一、第二及第三透镜群的屈光度皆为正，且第一至第六透镜的屈光度依序为负、正、正、负、正、正，借由如此的设计可使定焦镜头实现较佳的成像品质、较大的视场角及较小的远心角。此外，由于本实施例的定焦镜头所采用的透镜数目较少，因此可以降低成本。

【附图说明】

图1为本发明的一实施例的定焦镜头的结构示意图。

图2A至图2C为图1的定焦镜头的成像光学模拟数据图。

图3为本发明的另一实施例的定焦镜头的结构示意图。

50：影像处理元件

60：玻璃盖

100、100’：定焦镜头

110：第一透镜群

112：第一透镜

114：第二透镜

120：第二透镜群

122：第三透镜

124：第四透镜

126：第五透镜

130：第三透镜群

132：第六透镜

140：内部全反射棱镜

142：第一棱镜

144：第二棱镜

150：孔径光阑

A：光轴

G：空气间隙

S1～S18：表面

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

【具体实施方式】

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明之一实施例的定焦镜头的结构示意图。请参照图1，本实施例之定焦镜头100适于配置于一放大侧与一缩小侧之间。在本实施例中，定焦镜头100适于配置于投影装置(未绘示)中，以作为投影装置的投影镜头。此外，定焦镜头100适于将配置于缩小侧的影像处理元件50所产生的影像投射至配置于放大侧的屏幕(未绘示)上。在本实施例中，影像处理元件50例如为数位微镜元件(digital micro-mirror device，DMD)。然而，在其他实施例中，影像处理元件50亦可以是硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel，LCOS panel)、穿透式液晶面板、其他适当的光阀(light valve)或其他适当的空间光调变器(spatial lightmodulator)。定焦镜头100包括一第一透镜群110、一第二透镜群120及一第三透镜群130。第一透镜群110配置于放大侧与缩小侧之间，且具有正屈光度。第一透镜群110包括由放大侧往缩小侧依序排列之一第一透镜112及一第二透镜114，且第一透镜112与第二透镜114的屈光度分别为负与正。第二透镜群120配置于第一透镜群110与缩小侧之间，且具有正屈光度。第二透镜群120包括由放大侧往缩小侧依序排列之一第三透镜122、一第四透镜124及一第五透镜126，且第三透镜122、第四透镜124与第五透镜126的屈光度依序为正、负、正。第三透镜群130配置于第二透镜群120与缩小侧之间，且具有正屈光度。第三透镜群130包括一第六透镜132，且第六透镜132的屈光度为正。

第一透镜112与第二透镜114例如各为一非球面透镜，且第三透镜122、第四透镜124及第五透镜126的至少其中二者为非球面透镜。在本实施例中，第四透镜124与第五透镜126各为一非球面透镜，且第六透镜132为一球面透镜。此外，在本实施例中，第三透镜122为一球面透镜。

具体而言，在本实施例中，第一透镜112例如为一双凹透镜，且第二透镜114例如为一双凸透镜。第三透镜122例如为一凸面朝向放大侧的平凸透镜，第四透镜124例如为一双凹透镜，且第五透镜126例如为一双凸透镜。此外，第六透镜312例如为一平面朝向放大侧的平凸透镜。

在本实施例中，定焦镜头100更包括一孔径光阑150，配置于第一透镜群110与第二透镜群120之间。此外，在本实施例中，第一透镜群110与第三透镜群130的位置相对定焦镜头100固定不变，且第二透镜群120适于相对第一透镜群110与第三透镜群130移动，以完成对焦。换言之，本实施例的定焦镜头100采用内对焦模式，因此不易使成像画面产生遮角问题。

为了使定焦镜头100具有较佳的光学成像品质，可使定焦镜头100符合下列四个条件的至少其一：

(1)2.9＜f_G1/f＜3.1，其中f为该定焦镜头的有效焦距(effective focallength)，且f_G1为该第一透镜群的有效焦距；

(2)1＜f_G1/f_G2＜2及1.5＜f_G1/f_G3＜2.5，其中f_G1为该第一透镜群的有效焦距，f_G2为该第二透镜群的有效焦距，且f_G3为该第三透镜群的有效焦距；

(3)v_L3＞v_L4及v_L5＞v_L4，其中v_L3为该第三透镜的阿贝数，v_L4为该第四透镜的阿贝数，且v_L5为该第五透镜的阿贝数；以及

(4)v_L3＞50、v_L4＜30及v_L5＞50。

在本实施例的定焦镜头100中，第一、第二及第三透镜群110、120、130的屈光度皆为正，且第一至第六透镜112、114、122、124、126、132的屈光度依序为负、正、正、负、正、正，借由如此的设计及可选择性地让定焦镜头100符合上述四个条件的至少其一，可使定焦镜头100具有较小的横向色差(lateral color)、较低的畸变像差(distortion)、较大的视场角，较小的远心角(例如在3度以内)及较小的整体体积。此外，由于本实施例的定焦镜头所采用的透镜数目较少，因此可以降低成本与整体体积。再者，在本实施例中，第一透镜112、第二透镜114、第四透镜124及第五透镜126例如各为一塑胶非球面透镜，如此可进一步降低定焦镜头100的成本与重量。此外，在本实施例中，第三透镜122及第六透镜132的材质例如为玻璃，但本发明并不以此为限。

以下内容将举出定焦镜头100的一实施例。需注意的是，下述的表一及表二中所列的数据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，而其仍应属于本发明的范畴内。

(表一)

在表一中，间距是指两相邻表面间于定焦镜头100的光轴A上的直线距离，举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间于光轴A上的直线距离。备注栏中各透镜所对应的厚度、折射率与阿贝数请参照同列中各间距、折射率与阿贝数对应的数值。此外，在表一中，表面S1、S2为第一透镜112的两表面，且表面S3、S4为第二透镜114的两表面。表面S5为孔径光阑150。表面S6、S7为第三透镜122的两表面，表面S8、S9为第四透镜124的两表面，表面S10、S11为第五透镜126的两表面，且表面S12、S13为第六透镜132的两表面。表面S14、S15为一玻璃盖(cover glass)60的两表面，其用以保护影像处理元件50。此外，表面S16为影像处理元件50的主动表面，即物面。有关于各表面的曲率半径、间距等参数值，请参照表一，在此不再重述。在本实施例中，定焦镜头100的有效焦距为14.7531毫米，视场角为37.35度，且远心角为1.64度。

上述的表面S1、S2、S3、S4、S8、S9、S10及S11为非球面，而其可用下列公式表示：

Z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + A_{2} r^{2} + A_{4} r^{4} + A_{6} r^{6} + A_{8} r^{8} + . . .

式中，Z为光轴A方向的偏移量(sag)，c是密切球面(osculatingsphere)的半径的倒数，也就是接近光轴A处的曲率半径(如表一内S1、S2的曲率半径)的倒数。k是二次曲面系数(conic)，r是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度，而A₂、A₄、A₆、A₈...为非球面系数(aspheric coefficient)，在本实施例中系数A₂为0。下列表二所列出的是表面S1、S2、S3、S4、S8、S9、S10及S11的非球面参数值。

(表二)

非球面参数

二次曲面系数k

系数A₄

系数A₆

系数A₈

S1	0	0.0040530913	-0.00015920095	4.7280986e-6
					S2	0	0.002061639	-4.5013781e-5	-1.2663751e-6
S3	0	-0.00099806925	6.2560531e-5	-1.6276408e-6
					S4	0	-6.0172442e-5	2.4011426e-6	1.0402148e-6
S8	0	0.0041672569	-0.0001460624	4.8944417e-6
					S9	0	0.00013244566	8.0055984e-5	-5.3911115e-6
S10	0	-0.0020141598	8.4342348e-5	-1.3507511e-6
					S11	0	0.00039434018	-1.8953493e-5	1.531376e-6

图2A至图2C为图1的定焦镜头的成像光学模拟数据图。请参照图2A至图2C，图2A为影像的横向光线扇形图(transverse ray fan plot)，其是以波长为460nm、527nm及615nm的光所作出的模拟数据图，其中横座标与纵座标各自从-50微米至+50微米。图2B是以波长为460nm、527nm及615nm的光所做的模拟数据图，其中图2B中由左至右依序为场曲(field curvature)与畸变(distortion)的图形，且纵座标像高Y在此转换为场角(field angle)，而最大场角为18.868度。图2C为横向色差图(lateral color)，其是以波长为460nm、527nm及615nm的光所作出的模拟数据图，且纵座标最大场(max field)为4.95毫米。图2A至图2C所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的定焦镜头100确实能够具有良好的光学成像品质。

图3为本发明的另一实施例的定焦镜头的结构示意图。请参照图3，本实施例的定焦镜头100’与图1的定焦镜头100类似，而两者的差异主要在于本实施例的定焦镜头100’更包括一内部全反射棱镜140，配置于第二透镜群120与第三透镜群130之间。在本实施例中，第六透镜132与内部全反射棱镜140胶合。此外，在本实施例中，内部全反射棱镜140包括彼此承靠的一第一棱镜142及一第二棱镜144。在本实施例中，第一棱镜142与第二棱镜144之间存在有空气间隙G，以形成全反射面。由于定焦镜头100’将第六透镜132与内部全反射棱镜140整合在一起，使第六透镜132作为场镜(field lens)而同时配置于投影装置中的照明***所发出的照明光束与影像处理元件50所提供的影像光束的传递路径上，因此可缩小采用定焦镜头100’的投影装置的体积。

本实施例的定焦镜头100’与上述定焦镜头100具有类似的优点与功效，在此不再重述。以下内容将举出定焦镜头100’的一实施例，但本发明并不以此为限。请参照表三。

(表三)

表三中，表面S1～S11及S13～S16与表一之表面S1～S11及S13～S16相同，在此不再重述。此外，表面S17为内部全反射棱140的朝向放大侧的表面，且表面S18为内部全反射棱镜140与第六透镜132相连的表面。在本实施例中，定焦镜头100’的有效焦距为14.6528毫米，视场角为37.74度，且远心角为1.84度。

本实施例的表面S1、S2、S3、S4、S8、S9、S10及S11的非球面参数与图1及表二的表面S1、S2、S3、S4、S8、S9、S10及S11的非球面参数相同，本实施例的表面S1、S2、S3、S4、S8、S9、S10及S11的详细参数值请参表二，在此不再重述。

综上所述，在本发明的实施例的定焦镜头中，第一、第二及第三透镜群的屈光度皆为正，且第一至第六透镜的屈光度依序为负、正、正、负、正、正，借由如此的设计可使定焦镜头实现较佳的成像品质、较大的视场角及较小的远心角。此外，由于本实施例的定焦镜头所采用的透镜数目较少，因此可以降低成本。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。

Claims

1.一种定焦镜头，适于配置于一放大侧与一缩小侧之间，该定焦镜头包括：

一第一透镜群，配置于该放大侧与该缩小侧之间，且具有正屈光度，其中该第一透镜群包括由该放大侧往该缩小侧依序排列之一第一透镜及一第二透镜，且该第一透镜与该第二透镜的屈光度分别为负与正；

一第二透镜群，配置于该第一透镜群与该缩小侧之间，且具有正屈光度，其中该第二透镜群包括由该放大侧往该缩小侧依序排列之一第三透镜、一第四透镜及一第五透镜，且该第三透镜、该第四透镜与该第五透镜的屈光度依序为正、负、正；以及

一第三透镜群，配置于该第二透镜群与该缩小侧之间，且具有正屈光度，其中该第三透镜群包括一第六透镜，且该第六透镜的屈光度为正，其中所述定焦镜头采用内对焦模式。

2.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于：该第一透镜与该第二透镜各为一非球面透镜，且该第三透镜、该第四透镜及该第五透镜的至少其中二者为非球面透镜。

3.如权利要求2所述的定焦镜头，其特征在于：该第四透镜与该第五透镜各为一非球面透镜，且该第六透镜为一球面透镜。

4.如权利要求3所述的定焦镜头，其特征在于：该第三透镜为一球面透镜。

5.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于：更包括一孔径光阑，配置于该第一透镜群与该第二透镜群之间。

6.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于：更包括一内部全反射棱镜，配置于该第二透镜群与该第三透镜群之间。

7.如权利要求6所述的定焦镜头，其特征在于：该第六透镜与该内部全反射棱镜胶合。

8.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于：该第一透镜群与该第三透镜群的位置相对该定焦镜头固定不变，且该第二透镜群适于相对该第一透镜群与该第三透镜群移动，以完成对焦。

9.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于：该定焦镜头符合2.9＜f_G1/f＜3.1，其中f为该定焦镜头的有效焦距，且f_G1为该第一透镜群的有效焦距。

10.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于：该定焦镜头符合1＜f_G1/f_G2＜2及1.5＜f_G1/f_G3＜2.5，其中f_G1为该第一透镜群的有效焦距，f_G2为该第二透镜群的有效焦距，且f_G3为该第三透镜群的有效焦距。

11.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于：该定焦镜头符合v_L3＞v_L4及v_L5＞v_L4，其中v_L3为该第三透镜的阿贝数，v_L4为该第四透镜的阿贝数，且v_L5为该第五透镜的阿贝数。

12.如权利要求11所述的定焦镜头，其特征在于：该定焦镜头符合v_L3＞50、v_L4＜30及v_L5＞50。

13.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于：该第一透镜为一双凹透镜，且该第二透镜为一双凸透镜。

14.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于：该第三透镜为一凸面朝向该放大侧的平凸透镜，该第四透镜为一双凹透镜，且该第五透镜为一双凸透镜。

15.如权利要求1所述的定焦透镜，其特征在于：该第六透镜为一平面朝向该放大侧的平凸透镜。