CN103955046A - 投影镜头及投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种投影镜头，包括：第一透镜组，具有负屈光度且邻近物侧，该第一透镜组包含具有负屈光度的第一透镜；以及第二透镜组，具有正屈光度且邻近像侧，该第二透镜组包含具有正屈光度的第二透镜与具有负屈光度的第三透镜，该第二透镜位于该第一透镜与该第三透镜之间，且该第三透镜由重火石玻璃材质制作；其中，该第二透镜的热变异参数为D0，且-3.0×e-5≤D0≤-6.0×e-7。

Description

投影镜头及投影装置
技术领域
本发明提供一种投影镜头及投影装置，尤指一种可自动补偿因热变异（Thermal Shift）而离焦（Focus shift/Defocus）的投影镜头及投影装置。
背景技术
市面上常见的投影机为了节省成本，往往在投影镜头内使用非球面透镜。非球面透镜通常由塑胶材质制作。使用大量的非球面透镜易导致投影镜头的生产良率不佳。此外，随着投影机的亮度提高，塑胶材质的非球面透镜会产生热变异及脱膜等缺陷。其中，热变异（Thermal Shift）指投影机完成对焦后，温度随着使用时间上升，光机（Optical Engine）金属机壳产生热膨胀及架设其上的投影镜头的光学元件产生折射率变化而造成投影镜头离焦（Focus shift/Defocus）、影响投影镜头的成像品质。故如何设计一种可避免因热变异而离焦的投影镜头，便为光学镜头产业的重点发展目标。
发明内容
本发明提供了一种可自动补偿因热变异而离焦的投影镜头及投影装置。
一方面，本发明提供了一种投影镜头，包含有：
第一透镜组，具有负屈光度且邻近物侧，该第一透镜组包含具有负屈光度的第一透镜；以及
第二透镜组，具有正屈光度且邻近像侧，该第二透镜组包含具有正屈光度的第二透镜与具有负屈光度的第三透镜，该第二透镜位于该第一透镜与该第三透镜之间，且该第三透镜由重火石玻璃材质制作；
其中，该第二透镜的热变异参数为D0，且-3.0×e-5≤D0≤-6.0×e-7。
较佳的，该投影镜头的焦距为f，该第一透镜的焦距为f1，该第三透镜的焦距为f3，且1.5≤|f1|/f≤3.6，0.3≤|f3|/f≤0.9。
较佳的，该第三透镜的折射系数介于1.64到1.87之间，该第三透镜的阿贝数介于20到35之间。
较佳的，该第三透镜为双凹透镜。
较佳的，该第二透镜抵接于该第三透镜。
较佳的，该第二透镜的折射率为n，且n≥1.57。
较佳的，该第二透镜组还包含具有正屈光度的第四透镜与第五透镜，分设于该第三透镜的两面。
另一方面，本发明还提供一种投影装置，用来投射影像到屏幕，该投影装置包含有：
光源，提供光线；
成像单元，接收该光线；以及
投影镜头，设置于该成像单元与该屏幕之间，用以投射该光线到该屏幕，该投影镜头包含：
第一透镜组，具有负屈光度且邻近该屏幕，该第一透镜组包含具有负屈光度的第一透镜；以及
第二透镜组，具有正屈光度且邻近该成像单元，该第二透镜组包含具有正屈光度的第二透镜与具有负屈光度的第三透镜，该第二透镜位于该第一透镜与该第三透镜之间，且该第三透镜由重火石玻璃制作而成；
其中，该第二透镜的热变异参数为D0，且-3.0×e-5≤D0≤-6.0×e-7。
较佳的，该投影镜头的焦距为f，该第一透镜的焦距为f1，该第三透镜的焦距为f3，且1.5≤|f1|/f≤3.6，0.3≤|f3|/f≤0.9。
较佳的，该第三透镜的折射系数介于1.64到1.87之间，该第三透镜的阿贝数介于20到35之间。
较佳的，该第二透镜抵接于该第三透镜。
较佳的，该第二透镜的折射率为n，且n≥1.57。
与现有技术相对比，本发明的投影镜头的第三透镜使用重火石玻璃制作，用来消除投影镜头的色像差，第二透镜的折射率随温差改变的比率(热变异参数)符合-3.0×e-5≤D0≤-6.0×e-7的限制，使第二透镜可用以补偿第三透镜与光机膨胀产生的热变异量，进而对于高亮度的投影需求提供了的热变异补偿方法。
附图说明
图1为本发明实施例的投影装置的示意图；
图2为本发明实施例的投影装置的部分结构示意图；
图3为本发明实施例的投影装置在热变异前的模拟图；
图4为本发明实施例的第三透镜热变异后的模拟图；
图5为本发明实施例的光机壳体热变异后的模拟图；
图6为本发明实施例的第二透镜热变异后的模拟图；
图7为本发明实施例的第四透镜热变异后的模拟图；
图8为本发明实施例的投影装置在热变异补偿后的模拟图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
请参阅图1，图1为本发明实施例的投影装置10的示意图。投影装置10用来投射影像到屏幕12。投影装置10包含光源14、成像单元16、投影镜头18、滤光单元20以及反射元件22。光源14输出光线，滤光单元20接收光线并将光线滤光成多个色光，经过滤光单元20处理后的光线被反射元件22反射而由成像单元16所接收。成像单元16接收来自反射元件22的多个色光并传递到投影镜头18。投影镜头18设置在成像单元16与屏幕12之间，将来自成像单元16的光线投射到屏幕12上。在数字光学处理（DLPTM）投影机中，滤光单元20为色轮，成像单元16为数字微型反射镜(Digital Micromirror Device，DMD)，反射元件22为凹面镜。液晶投影机中，滤光单元20是滤光片，反射元件22是反射镜面，且成像单元16是液晶面板。
请参阅图2，图2为本发明实施例的投影装置10的部分结构示意图。投影镜头18包含第一透镜组24以及第二透镜组26。第一透镜组24邻近屏幕12(即物侧)，第二透镜组26邻近成像单元16(即像侧)。第一透镜组24具有负屈光度且用以发散光线。第二透镜组26具有正屈光度且用以聚合光线。第一透镜组24包含具有负屈光度的第一透镜28。第二透镜组26包含具有正屈光度的第二透镜30与具有负屈光度的第三透镜32。第二透镜30与第三透镜32不需设置间隔环，意即第二透镜30可抵接于第三透镜32。
第三透镜32较佳为双凹透镜，由重火石玻璃制作而成。重火石玻璃具有高折射率与高色散系数的特性，主要用来消除投影镜头18的色像差。第三透镜32的折射系数较佳介于1.64到1.87之间，且第三透镜32的阿贝数较佳介于20到35之间，以符合重火石玻璃的材料特征，本发明的第三透镜32通常使用如S-TIH与S-TIM等透镜型号，然不限于此。
当投影装置10完成对焦后，随着使用时间而金属机壳体受热膨胀、第三透镜32产生较大的热变异，致使最佳解像处（best focus）移至成像单元16前（等效解读为后焦变长），造成投影镜头18离焦。为了补偿上述热变异，本发明将第二透镜30设置在第一透镜28与第三透镜32之间。其中第二透镜30的热变异参数为D0，折射率为n，且-3.0×e-5≤D0≤-6.0×e-7，n≥1.57。热变异参数D0代表折射率受温差影响的变化率。热变异参数D0高于上限，对焦点的位置变化量越小；热变异参数D0越小则补偿效果越好，但囿于材料特性限制，本发明的热变异参数D0预设为不小于-3.0×e-5。表1列举本发明适用的第二透镜30的数种型号。
透镜型号 折射率(n) 热变异参数(D0)
S-PHM52 1.618 -1.02E-05
S-PHM53 1.603 -8.17E-06
S-BAL3 1.57135 -4.21E-06
S-LAM3 1.717004 -3.1827E-06
S-NPH1 1.808095 -3.17E-06
S-BAL2 1.570989 -3.14E-06
S-FTM16 1.5927 -2.67E-06
S-LAL12 1.678 -1.05E-06
S-LAL54 1.651 -6.57E-07
表1
本实施例较佳是由第二透镜30进行热变异补偿，但在某些环境下，若单独一片第二透镜30的热补偿效果不如预期，还可选择性在第二透镜组26另包含具有正屈光度的第四透镜34以及第五透镜36，分别设置在第三透镜32的两端面。第四透镜34可以辅助性克服投影装置10的热变异。第二透镜组26的透镜数量及各透镜屈光特性可不限于此实施例所述，端视设计需求而定。凡可提供聚合光线功能的透镜组合皆属于第二透镜组26的发明范畴，于此不再对具有相同或相近光路特性的其它实施例详加说明。表2列举了投影镜头18的各球面透镜的较佳参数值。于表2中，「距离」的值代表对应此列的表面至下一列的表面之间距，即此列镜面与下一列镜面的间距。
表2
请参阅图3至图8。各图中，弧形曲线对应于成像单元16各特定点投射到屏幕12的解像结果；纵轴代表解像力（Resolving Power），数值越高表解像力越好，0.4表「尚可sufficient」、0.5表「良好good」、1为理想值；横轴代表离焦（Focus shift/Defocus）距离，0为像平面（成像单元16）所在处；TS代表热变异。图3为本发明实施例的投影装置10在热变异前的模拟图，图4为本发明实施例的第三透镜32热变异后的模拟图，图5为本发明实施例的光机壳体热变异后的模拟图，图6为本发明实施例的第二透镜30热变异后的模拟图，图7为本发明实施例的第四透镜34热变异后的模拟图，图8为本发明实施例的投影装置10在热变异补偿后的模拟图。
如图3所示，热变异前的投影装置10对应各特定点的解像力全为良好（0.5上下），最佳解像处（best focus、各弧形曲线的波峰)实质接近横轴原点（成像单元16），此时投影装置10已完成正确对焦，可投射清楚影像到屏幕12上。然而，在长时间使用的情况下，投影装置10内各元件会因热变异影响投影镜头18的成像品质。如图4所示，双凹的第三透镜32因重火石玻璃材质的特性产生较大的热变异，其最佳解像处(各弧形曲线的波峰)相对于横轴原点往左方移动至成像单元16前。再者，如图5所示，光机金属壳体热膨胀也会降低成像品质，造成最佳解像处(各弧形曲线的波峰)相对于横轴原点也会往左方移动至成像单元16前。
为了克服投影装置10的热变异，本发明利用具有正屈光度的第二透镜30或再以第四透镜34修正上述热变异，意即主要由第二透镜30修正投影装置10的热变异，并视实际需求选择是否加入第四透镜34提供辅助修正。如图6所示，第二透镜30最佳解像处(各弧形曲线的波峰)相对于横轴原点可往右方移动；如图7所示，第四透镜34最佳解像处(各弧形曲线的波峰)相对于横轴原点也会往右方移动。如此一来，具有正屈光度、热变异参数D0符合-3.0×e-5≤D0≤-6.0×e-7、且折射率n符合n≥1.57的第二透镜30(或再搭配具相似特性的第四透镜34)可以有效补偿第三透镜32与光机膨胀所产生的热变异，如图8所示，使最佳解像处（best focus、各弧形曲线的波峰)实质接近横轴原点（成像单元16）。因此，使用者不需时时手动调焦投影装置10，藉此简化操作步骤并提高投影品质。
再者，本发明较佳使用非远心(non-telecentric)***的投影镜头18。表3指出本发明各光学元件的较佳焦距值，例如投影镜头18的有效焦距f为21.9mm，第一透镜28的焦距f1为-49.61mm，第三透镜32的焦距f3为-13.343801mm，并满足1.5≤|f1|/f≤3.6与0.3≤|f3|/f≤0.9的条件。若|f1|/f、|f3|/f比值低于下限，|f1|、|f3|越小，表示透镜的屈光能力越强，易产生像差。此外，比值低于下限代表投影镜头18的透镜数量较多，热变异较大、不适用于本发明的实施态样。若|f1|/f、|f3|/f的比值高于上限，|f1|、|f3|越大，表示透镜的屈光能力越弱，则投影镜头18的放大倍率低，不符合消费者需求。
f(mm) f1(mm) f3(mm)
21.9 -49.609652 -13.343801
表3
本发明第一透镜组和第二透镜组的所有透镜较佳使用球面镜，第三透镜使用重火石玻璃制作，用来消除投影镜头的色像差，第二透镜的折射率随温差改变的比率(热变异参数)需符合-3.0×e-5≤D0≤-6.0×e-7的限制，使第二透镜可用以补偿第三透镜与光机膨胀产生的热变异量。相较现有技术，本发明的投影镜头及相关投影装置具有低成本与易制造的优势，且对于高亮度的投影需求提供效果良好的热变异补偿方法。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (12)

1.一种投影镜头，其特征在于，包含有：
第一透镜组，具有负屈光度且邻近物侧，该第一透镜组包含具有负屈光度的第一透镜；以及
第二透镜组，具有正屈光度且邻近像侧，该第二透镜组包含具有正屈光度的第二透镜与具有负屈光度的第三透镜，该第二透镜位于该第一透镜与该第三透镜之间，且该第三透镜由重火石玻璃材质制作；
其中，该第二透镜的热变异参数为D0，且-3.0×e-5≤D0≤-6.0×e-7。
2.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该投影镜头的焦距为f，该第一透镜的焦距为f1，该第三透镜的焦距为f3，且1.5≤|f1|/f≤3.6，0.3≤|f3|/f≤0.9。
3.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第三透镜的折射系数介于1.64到1.87之间，该第三透镜的阿贝数介于20到35之间。
4.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第三透镜为双凹透镜。
5.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第二透镜抵接于该第三透镜。
6.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第二透镜的折射率为n，且n≥1.57。
7.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第二透镜组还包含具有正屈光度的第四透镜与第五透镜，分设于该第三透镜的两面。
8.一种投影装置，用来投射影像到屏幕，其特征在于，该投影装置包含有：
光源，提供光线；
成像单元，接收该光线；以及
投影镜头，设置于该成像单元与该屏幕之间，用以投射该光线到该屏幕，该投影镜头包含：
第一透镜组，具有负屈光度且邻近该屏幕，该第一透镜组包含具有负屈光度的第一透镜；以及
第二透镜组，具有正屈光度且邻近该成像单元，该第二透镜组包含具有正屈光度的第二透镜与具有负屈光度的第三透镜，该第二透镜位于该第一透镜与该第三透镜之间，且该第三透镜由重火石玻璃制作而成；
其中，该第二透镜的热变异参数为D0，且-3.0×e-5≤D0≤-6.0×e-7。
9.如权利要求8所述的投影装置，其特征在于，该投影镜头的焦距为f，该第一透镜的焦距为f1，该第三透镜的焦距为f3，且1.5≤|f1|/f≤3.6，0.3≤|f3|/f≤0.9。
10.如权利要求8所述的投影装置，其特征在于，该第三透镜的折射系数介于1.64到1.87之间，该第三透镜的阿贝数介于20到35之间。
11.如权利要求8所述的投影装置，其特征在于，该第二透镜抵接于该第三透镜。
12.如权利要求8所述的投影装置，其特征在于，该第二透镜的折射率为n，且n≥1.57。
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