CN110068910B - 镜头组 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种镜头组,其从物侧至像侧在光轴上包含:第一透镜,其为具负屈光力的弯月型透镜;第二透镜,其为具正屈光力的透镜;第三透镜,其为具正屈光力的透镜,该第三透镜的像侧表面为凸面;第四透镜,其为具正屈光力的透镜:以及第五透镜,其为具负屈光力的透镜,该第五透镜的像侧表面为凹面。该镜头组具有微型化、广视角和远心光学设计的特点。
Description
技术领域
本发明是关于一种光学组件,特别是关于一种小型化且具有广视角和远心 光学设计的镜头组。
背景技术
将市面上应用于DLP(Digital Light Processing)以及LCoS(Liquid Crystal OnSilicon)的数字投影机的镜头组,配合对应的组合接口即可达到 进一步的应用,例如应用于扩增实境(Augment Reality,缩写AR)、虚拟现 实(Virtual Reality,缩写VR)、混合实境(Mixed Reality,缩写MR)、或 抬头显示器(head up display,缩写HUD)等。在此类型的应用中,先将瞳 孔光圈处设置组合接口,并利用光学反射原理将信息投射在组合接口上,并经 过平衡反射将信息投射入用户的眼睛,进而完成一种大视场角度且为无穷远像 距的光学***。
然而,目前应用于前置光圈并具备远心式光学***架构的镜头组,其通常 采用多群变焦设计并搭载球面透镜,这样的结构使得镜头组体积过于庞大而不 利于微型化。有鉴于此,有必要提出一种镜头组,以解决已知技术中存在的问 题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种具有 广视角和远心光学设计的特性的镜头组。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是,提供一种镜头组,其从物 侧至像侧在光轴上依序包含:第一透镜,其为具负屈光力的弯月型透镜;第二 透镜,其为具正屈光力的透镜;第三透镜,其为具正屈光力的透镜,该第三透 镜的靠近该像侧的表面为凸面;第四透镜,其为具正屈光力的透镜:以及第五 透镜,其为具负屈光力的透镜,该第五透镜的靠近该像侧的表面为凹面,其中 该第四透镜与该第五透镜构成一具负屈光力的胶合透镜。
于本发明其中的一实施例中,镜头组还包含:光圈,设置在该物侧与该第 一透镜之间。
于本发明其中的一实施例中,该第一透镜靠近该物侧的表面为凹面,以及 该第一透镜靠近该像侧的表面为凸面。
于本发明其中的一实施例中,该第二透镜靠近该物侧和该像侧的表面皆为 凸面。
于本揭示其中的一实施例中,该第三透镜靠近该物侧的表面为凸面。
于本揭示其中的一实施例中,该第四透镜靠近该物侧和该像侧的表面皆为 凸面,以及该第五透镜靠近该物侧的表面为凹面。
于本揭示其中的一实施例中,该镜头组满足以下条件式: 其中f1为该第一透镜的焦距,EFL为该镜头组的焦距;以及其中该镜头 组满足以下条件式:其中f45为该第四透镜和该第五透镜 的组合的焦距,EFL为该镜头组的焦距。
于本揭示其中的一实施例中,该镜头组满足以下条件式: 其中IMG(H)为该镜头组的像高,且f#为该镜头组的光圈值;以及其 中该镜头组满足以下条件式:其中f1为该第一透镜的焦距, 以及f45为该第四透镜和该第五透镜的组合的焦距。
于本揭示其中的一实施例中,该镜头组的主光线入射成像平面的最大角度 小于等于1.4度。
于本揭示其中的一实施例中,镜头组还包含:第一无屈光力介质,设置在 该物侧与该第一透镜之间。
相较于先前技术,本发明采用前置光圈镜头并搭配具有负屈光力的第一透 镜,而非采用先前技术的正屈光力的透镜,进而可获得较佳地解像效果。再者, 本发明提供由第四透镜与第五透镜构成的复合透镜以作为远心光程***的整 型,进而能有效地缩短镜头组的整体长度,以达到短焦的效果,如此可实现镜 头组小型化的目的。
附图说明
图1显示依据本发明第一较佳实施例的镜头组的示意图;
图2A和2B分别为本发明第一较佳实施例的调变转换函数图和横向色差 图;
图3显示依据本发明第二较佳实施例的镜头组的示意图;
图4A和4B分别为图3的第二较佳实施例的镜头组的调变转换函数图和 横向色差图;
图5显示依据本发明第三较佳实施例的镜头组的示意图;
图6A和6B分别为图5的第三较佳实施例的镜头组的调变转换函数图和 横向色差图。
具体实施方式
为了让本发明的上述及其他目的、特征、优点能更明显易懂,下文将特举 本发明较佳实施例,并配合附图,作详细说明如下。
本发明提供的镜头组具有广视角和远心光学设计的特性,可应用于各种配 备镜头的成像装置,诸如DLP、LCoS、AR、VR、MR、HUD设备等。
本发明的镜头组的基本结构显示于图1(对应于第一较佳实施例)、图3 (对应于第二较佳实施例)及图5(对应于第三较佳实施例)。如图1、3及5 所示,该镜头组沿着光轴OA从物侧至像侧依序包含第一透镜L1、第二透镜 L2、第三透镜L3、第四透镜L4及第五透镜L5,透镜总数为五片,此外还包 含位于物侧与第一透镜L1之间的光圈ST和第一无屈光力介质I1,以及还包 含位于第五透镜L5和成像平面IMA之间的滤光片OF和第二无屈光力介质I2。
光圈ST是用于限制相对孔径的位置和大小,并且作为入瞳位置使用。此 外,藉由光圈ST可有效地遮蔽和限制非有效光线,例如杂散光线、大角度入 射光线等。
第一无屈光力介质I1可有效地增加光圈ST与第一透镜L1的距离,以达 到弹性地调整光程空间的目的。第一无屈光力介质I1的材料选自于玻璃。
第一透镜L1为具有负屈光力的弯月型透镜,其物侧表面为凹面,其像侧 表面为凸面。第一透镜L1可将光束有效地扩散进而增加光程,并且使第一无 屈光力介质I1可容纳在镜头组内部。在本发明中,藉由采用前置光圈镜头并 搭配具有负屈光力的第一透镜L1,而非采用先前技术的正屈光力的透镜,如 此可获得较佳地解像效果。
第二透镜L2的物侧表面大致为平面,或者是接***面,以及像侧表面为 凸面。第三透镜L3为双凸透镜,即物侧表面和像侧表面皆为凸面,并且像侧 表面为非球面。第二透镜L2和第三透镜L3皆为具有正屈光力的透镜,可有 效地缩短镜头组的焦距,并且提供镜头组整体的屈光能力。
第四透镜L4为双凸透镜,即物侧表面和像侧表面皆为凸面。第五透镜L5 为双凹透镜,即物侧表面和像侧表面皆为凹面,并且像侧表面为非球面,其面 型从近光轴OA处往边缘处有一次反曲。应当注意的是,第四透镜L4与第五 透镜L5构成复合透镜,且第四透镜的像侧表面与第五透镜的物侧表面接合。 应当注意的是,第四透镜L4与第五透镜L5之该复合透镜是以黏胶接合的胶 合透镜。在本发明中,通过提供由第四透镜与第五透镜构成的复合透镜不但可 有效地消除色散,还可为光学***做适当地远心光程调整,以作为远心光程***的整型,进而能有效地缩短镜头组的整体长度,以达到短焦的效果,如此可 实现镜头组小型化的目的。
第二无屈光力介质I2可有效地增加第五透镜L5与成像平面IMA的距离, 以达到弹性地调整光程空间的目的。较佳地,第二无屈光力介质I2的材料选 自于玻璃。
本文中,除非特别叙明,否则透镜的物侧表面和像侧表面指的是近光轴处 的物侧表面和像侧表面。并且,透镜的物侧表面指的是该透镜靠近镜头组的物 侧的表面,以及透镜的像侧表面指的是该透镜靠近镜头组的像侧的表面。此外, 具有负屈光力的透镜指的是当平行光线穿过该透镜时,光线会朝远离轴心的方 向发散,以及具有正屈光力的透镜指的是当平行光线穿过该透镜时,光线会朝 靠近轴心的方向汇聚,以及无屈光力介质指的是当平行光线穿过该介质时,光 线不会转折且保持直线地前进。
本发明的镜头组的第一透镜L1满足下列数学式(1):
其中f1为第一透镜L1的焦距,EFL为镜头组的焦距。藉此条件,使得第 一透镜L1可有效地将光束扩散进而增加光程,如此可获得较佳地解像效果。
又,本发明的镜头组的由第四透镜L4与第五透镜L5构成的复合透镜也 满足下列数学式(2):
其中f45为第四透镜L4与第五透镜L5的组合的焦距,EFL为镜头组的焦 距。藉此条件,不但可有效地消除色散,还可为光学***做适当地远心光程调 整,以作为远心光程***的整型,进而能有效地缩短镜头组的整体长度,以达 到短焦的效果,如此可实现镜头组小型化的目的。
又,本发明的镜头组满足以下条件(3)。
又,为使镜头组具有较佳的光学特性,镜头组的第一透镜L1、第四透镜 L4、和第五透镜L5进一步满足如下条件(4),以进一步维持光学性能。
其中f1为第一透镜L1的焦距,以及f45为第四透镜L4与第五透镜L5的 组合的焦距。
又,镜头组还满足如下条件(5)。
CRA≤1.4degree (5)
其中CRA为镜头组的主光线入射成像平面的最大角度,即镜头组的主光 线入射成像平面的最大角度小于等于1.4度。可以理解的是,当CRA数值越 趋近0表示镜头组越接近远心光学设计,即镜头组显示的图像的亮度与色彩均 匀性皆会较佳,反之则较差。因此,藉由将镜头组设计为满足此条件(5),能 有效地确保镜头组具有远心光学设计的特性。
当该镜头组至少满足上述条件式(1)~(5)其中一条件时,能有效的使镜头 组具有微型化、广视角和远心光学设计的特性。
以下将举三个具体实施例,对本发明的镜头组作进一步详细说明,请参阅 图1、图3及第5图,其分别对应本发明第一实施例、第二实施例和第三实施 例的镜头组。
此外,非球面透镜的形状可以下式表示:
其中D代表非球面透镜在离透镜中心轴的相对高度时的矢(Sag)量,C 表示近轴曲率半径倒数,H表示非球面透镜在离透镜中心轴的相对高度,K表 示非球面透镜的圆锥常数(Conic Constant),而E4~E16表示四阶以上的偶数阶 的非球面修正系数。
第一实施例:
请参阅图1及图2A至2B,图1显示依据本发明第一较佳实施例的镜头 组的示意图,以及图2A和2B分别为本发明第一较佳实施例的调变转换函数 图和横向色差图。于第一较佳实施例中,镜头组由物侧至像侧于光轴OA上依 序包含光圈ST、第一无屈光力介质I1、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透 镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第二无屈光力介质I2、滤光片OF、和成 像平面IMA,其中上述这些组件的结构和特征大致记载于上,在此不加以赘 述。应当注意的是,在此实施例中,光圈ST设置在与第一无屈光力介质I1 的物侧表面相隔一距离的位置,以及成像平面IMA设置在与滤光片OF的像 侧表面。较佳地,第一透镜L1至第五透镜L5和第一、第二无屈光力介质I1、 I2的材料选自于玻璃。
表一为图1中镜头组的各组件的相关参数表,该镜头组的焦距(EFL)为 12.2mm,光圈值(F-number,简称f#)为4.88。
表一
表二为表一中第三透镜L3的像侧表面S09和第五透镜L5的像侧表面S12 的非球面表面的相关参数表。
表面序号 | K | E4 | E6 | E8 | E10 | E12 |
S09 | 0 | 0.000319 | -2.58E-06 | 2.59E-08 | -2.19E-10 | 1.26E-12 |
S12 | 0 | -0.0006 | 4.43E-06 | -2.63E-08 | 0 | 0 |
表二
本实施例的镜头组的镜头总长(TTL)为40.41mm、焦距(EFL)为12.2 mm、后焦距长(BFL,即第五透镜L5的像侧表面至成像平面IMA于光轴上 的距离)为1.5mm、视场(FOV)为62mm、镜头组的像高(IMG(H),半径) 为6mm、f1(第一透镜L1的焦距)为-41.43mm、f2(第二透镜L2的焦距) 为22.08mm、f3(第三透镜L3的焦距)为19.54mm、f45(第四透镜L4和第 五透镜L5的组合的焦距)为-23.45mm。可以理解的是,在此实施例中以及CRA<1.34degree, 且成像平面IMA在0.9个像高内,因此本实施例的镜头组的特性满足上述条 件式(1)至(5),藉此设计,使得本发明能达到镜头组小型化的目的,并且使镜 头组具有广视角和远心光学设计的特性。
请参照图2A和2B,其分别为本发明第一实施例的镜头组的调变转换函 数图和横向色差图。在图2A中,此为零对称***,且在图中仅显示调变转换 函数的数值为正的部分,而未显示数值为负的部分。应当注意的是,调变转换 函数的数值(纵轴)越高表示解像效果越好。由图2A可见,本实施例的镜头 组对波长范围介于0.4861μm至0.6563μm的光线,分别于子午(Tangential, 图中缩写为)方向与弧矢(Sagittal,图中缩写为)方向,视场高度分 别为0.0000mm、1.0000mm、2.0000mm、3.0000mm、4.0000mm、5.1800mm、6.0000mm,空间频率介于0 1p/mm至92.6 1p/mm的调变转换函数值介于0.5 至1.0之间。又,在图2B中,左右两侧的线图为***仿真计算出的范围(-3.5 μm至3.5μm),以及横轴表示平面颜色分离的状况。由图2B可见,本实施例 的镜头组以波长0.587562μm为参考波长,对波长为0.5876μm、0.4861μm、 0.6563μm的光线于视场高度介于0mm至6mm之间所产生的横向色差值介 于-3.5μm至3.5μm之间。显然地,本实施例的镜头组的横向色差能被有效地 修正,且影像分辨率与能满足要求从而得到较佳地光学性能。
第二实施例:
请参阅图3,其显示依据本发明第二较佳实施例的镜头组的示意图。于第 二较佳实施例中,镜头组由物侧至像侧于光轴OA上依序包含光圈ST、第一 无屈光力介质I1、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、 第五透镜L5、第二无屈光力介质I2、滤光片OF、和成像平面IMA,其中上 述这些组件之结构和特征大致记载于上,在此不加以赘述。应当注意的是,在 此实施例中,光圈ST设置在第一无屈光力介质I1的物侧表面,以及成像平面 IMA设置在与滤光片OF的像侧表面相隔一距离的位置。较佳地,第一透镜 L1至第五透镜L5和第一、第二无屈光力介质I1、I2的材料选自于玻璃。
表三为图3中镜头组的各组件的相关参数表,该镜头组的焦距(EFL)为 11mm,光圈值(F-number)为3.66。
表三
表四为表三中第三透镜L3的像侧表面S10和第五透镜L5的像侧表面S13 的非球面表面的相关参数表。
表四
本实施例的镜头组的镜头总长(TTL)为35.38mm、焦距(EFL)为11mm、 后焦距长(BFL,即第五透镜L5的像侧表面至成像平面IMA于光轴上的距离) 为1.905mm、视场(FOV)为58mm、镜头组的像高(IMG(H),半径)为5.2 mm、f1(第一透镜L1的焦距)为-49.872mm、f2(第二透镜L2的焦距)为 19.33mm、f3(第三透镜L3的焦距)为16.5mm、f45(第四透镜L4和第五透 镜L5的组合的焦距)为-17.35mm。可以理解的是,在此实施例中 以及CRA<1.33degree,且成像平 面IMA在0.9个像高内,因此本实施例的镜头组的特性满足上述条件式(1)至 (5),藉此设计,使得本发明能达到镜头组小型化的目的,并且使镜头组具有 广视角和远心光学设计的特性。
此外,在本实施例中,由可知,第二实施例的第四透镜L4和 第五透镜L5组成的胶合透镜发挥良好的短焦效果。又,在本揭示中,由 可知,该数值相较于其他实施例为最大,也就是说,第二实施 例的镜头组具有优于其他实施例的广视角特性。
请参照图4A和4B,其分别为本发明第二实施例的镜头组的调变转换函 数图和横向色差图。在图4A中,此为零对称***,且在图中仅显示调变转换 函数之数值为正的部分,而未显示数值为负的部分。应当注意的是,调变转换 函数之数值(纵轴)越高表示解像效果越好。由图4A可见,本实施例的镜头 组对波长范围介于0.4861μm至0.6563μm的光线,分别于子午方向与弧矢方 向,视场高度分别为0.0000mm、1.0000mm、2.0000mm、3.0000mm、4.0000 mm、5.1800mm,空间频率介于0 1p/mm至92.6 1p/mm的调变转换函数值介 于0.6至1.0之间。又,在图4B中,左右两侧的线图为***仿真计算出的范 围(-2.5μm至2.5μm),以及横轴表示平面颜色分离的状况。由图4B可见, 本实施例的镜头组以波长0.587562μm为参考波长,对波长为0.5000μm、 0.4850μm等光线于视场高度介于0mm至6mm之间所产生的横向色差值介 于-2.5μm至2.5μm之间。显然地,本实施例的镜头组的横向色差能被有效地 修正,且影像分辨率与能满足要求从而得到较佳地光学性能。
第三实施例:
请参阅图5,其显示依据本发明第三较佳实施例的镜头组的示意图。于第 三较佳实施例中,镜头组由物侧至像侧于光轴OA上依序包含光圈ST、第一 无屈光力介质I1、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、 第五透镜L5、第二无屈光力介质I2、滤光片OF、和成像平面IMA,其中上 述这些组件之结构和特征大致记载于上,在此不加以赘述。应当注意的是,在 此实施例中,光圈ST设置在与第一无屈光力介质I1的物侧表面相隔一距离的 位置,以及成像平面IMA设置在与滤光片OF的像侧表面,其中滤光片OF是 由两片滤光片组成,且两片滤光片是由黏胶黏接,也就是说滤光片OF中间包 含一黏胶层31。较佳地,第一透镜L1至第五透镜L5和第一、第二无屈光力 介质I1、I2的材料选自于玻璃。
表五为图5中镜头组的各组件的相关参数表,该镜头组的焦距(EFL)为 10mm,光圈值(F-number)为3.329。
表五
表六为表五中第三透镜L3的像侧表面S10和第五透镜L5的像侧表面S13 的非球面表面的相关参数表。
表六
本实施例的镜头组的镜头总长(TTL)为33.61mm、焦距(EFL)为10mm、 后焦距长(BFL,即第五透镜L5的像侧表面至成像平面IMA于光轴上的距离) 为1.289mm、视场(FOV)为58mm、镜头组的像高(IMG(H),半径)为4.7 mm、f1(第一透镜L1的焦距)为-46.594mm、f2(第二透镜L2的焦距)为 20.08mm、f3(第三透镜L3的焦距)为13.43mm、f45(第四透镜L4和第五 透镜L5的组合的焦距)为-14.583mm。可以理解的是,在此实施例中以及CRA<1.07degree, 且成像平面IMA在0.9个像高内,因此本实施例的镜头组的特性满足上述条 件式(1)至(5),藉此设计,使得本发明能达到镜头组小型化的目的,并且使镜 头组具有广视角和远心光学设计的特性。
此外,在本实施例中,由可知,第四透镜L4和第五透镜L5 组成的胶合透镜发挥良好的短焦效果。又,在本揭示中,由可 知,本实施例的镜头组具有优异的广视角特性。又由CRA<1.07degree可知, CRA的数值相较于其他实施例为最小,也就是说,第三实施例的镜头组相较 于其他实施例最接近远心光学设计,即镜头组可显示出亮度与色彩均匀性较佳 的图像。
请参照图6A和6B,其分别为本发明第三实施例的镜头组的调变转换函 数图和横向色差图。在图6A中,此为零对称***,且在图式中仅显示调变转 换函数之数值为正的部分,而未显示数值为负的部分。应当注意的是,调变转 换函数之数值(纵轴)越高表示解像效果越好。由图6A可见,本实施例的镜 头组30对波长范围介于0.4861μm至0.6563μm的光线,分别于子午方向与 弧矢方向,视场高度分别为0.0000mm、1.0000mm、2.0000mm、3.0000mm、 4.0000mm、5.1800mm,空间频率介于0 1p/mm至92.6 1p/mm的调变转换函 数值介于0.6至1.0之间。又,在图6B中,左右两侧的线图为***仿真计算 出的范围(-2.5μm至2.5μm),以及横轴表示平面颜色分离的状况。由图6B 可见,本实施例的镜头组30以波长0.587562μm为参考波长,对波长为0.5000 μm、0.4850μm等光线于视场高度介于0mm至6mm之间所产生的横向色差 值介于-2.5μm至2.5μm之间。显然地,本实施例的镜头组的横向色差能被有 效地修正,且影像分辨率与能满足要求从而得到较佳地光学性能。
综上所述,本发明采用前置光圈镜头并搭配具有负屈光力的第一透镜,而 非采用先前技术的正屈光力的透镜,进而可获得较佳地解像效果。再者,本发 明提供由第四透镜与第五透镜构成的复合透镜以作为远心光程***的整型,进 而能有效地缩短镜头组的整体长度,以达到短焦的效果,如此可实现镜头组小 型化的目的。此外,本发明的镜头组符合公式:藉 此设计能实现镜头组具有广视角的特性。以及,本发明的镜头组符合公式: CRA≤1.4degree,藉此设计能实现镜头组具有远心光学设计的特性,即镜 头组可显示出亮度与色彩均匀性较佳的图像。
以上仅是本发明的较佳实施方式,应当指出,对于所属领域技术人员,在 不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种镜头组,其特征在于,从物侧至像侧在光轴上依序由以下透镜组成:
第一透镜,其为具负屈光力的弯月型透镜;
第二透镜,其为具正屈光力的透镜;
第三透镜,其为具正屈光力的透镜,该第三透镜的靠近该像侧的表面为凸面;
第四透镜,其为具正屈光力的透镜:以及
第五透镜,其为具负屈光力的透镜,该第五透镜的靠近该像侧的表面为凹面,其中该第四透镜与该第五透镜构成具负屈光力的胶合透镜;
光圈,设置在该物侧与该第一透镜之间。
2.如权利要求1所述的镜头组,其特征在于,该第一透镜的靠近该物侧的表面为凹面,以及该第一透镜的靠近该像侧的表面为凸面。
3.如权利要求1所述的镜头组,其特征在于,该第二透镜的靠近该物侧和该像侧的表面皆为凸面。
4.如权利要求1所述的镜头组,其特征在于,该第三透镜的靠近该物侧的表面为凸面。
5.如权利要求1所述的镜头组,其特征在于,该第四透镜的靠近该物侧和该像侧的表面皆为凸面,以及该第五透镜的靠近该物侧的表面为凹面。
8.如权利要求1至5项任一所述的镜头组,其特征在于,该镜头组的主光线入射成像平面的最大角度小于或等于1.4度。
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