TWI402556B - 變焦投影鏡頭 - Google Patents

Description

變焦投影鏡頭

本發明涉及一種變焦投影鏡頭。

先前許多投影機具備變焦功能，以適應不同的投影場所，如空曠的商業場所或狹小的家庭娛樂場所。這種具有變焦功能的投影機鏡頭通常包括多個透鏡組，通過改變透鏡組之間的相對位置改變變焦投影鏡頭的有效焦距，從而實現變焦功能。惟，由於投影機在工作的過程中，會產生大量的熱量，而塑膠鏡片的膨脹係數比較大，在高溫條件下，塑膠鏡片的折射率會發生很大變化，從而影響投影成像品質，因此現在的投影鏡頭內一般會全部使用玻璃鏡片，然，玻璃鏡片的價格比塑膠鏡片高很多，這樣就增大了投影鏡頭的生產成本。

有鑒於此，有必要提供一種在高溫下的投影成像品質好且成本較低的變焦投影鏡頭。

一種變焦投影鏡頭，沿其光軸方向從放大端到縮小端依序包括一個具有負光焦度的第一透鏡組、一個具有正光焦度的第二透鏡組、一個具有正光焦度的第三透鏡組、一個具有負光焦度的第四透鏡組及一個具有正光焦度的第五透鏡組。所述第一、第二、第三、第四透鏡組能夠沿光軸方向移動，以實現變焦。所述第五透鏡組固定不動。所述第一透鏡組包括一個具有負光焦度的第一非球面塑膠透鏡，所述第二透鏡組包括一個具有正光焦度的 第二非球面塑膠透鏡，所述第四透鏡組包括一個具有負光焦度的第三非球面塑膠透鏡，所述變焦投影鏡頭滿足以下條件式：(1)-2.4≦Fa1/Fw≦-2.1

(2)2.9≦Fb1/Fw≦3.2

(3)-3.8≦Fa2/Fw≦-3.6

其中，Fa1、Fb1、Fa2分別為所述第一、第二、第三非球面塑膠透鏡的有效焦距，Fw為所述變焦投影鏡頭處於廣角端狀態時的有效焦距。

相較於先前技術，本發明的變焦投影鏡頭，利用上述條件式對所述三個非球面塑膠透鏡的光焦度進行合理分配，使得所述三個非球面塑膠透鏡在溫度升高時折射率變化，所導致的所述變焦投影鏡頭後焦距的變化能相互抵消，並且所述變焦投影鏡頭的後焦距保持在最佳的長度，從而有效保證所述變焦投影鏡頭的投影成像品質，同時由於塑膠鏡片的價格便宜，因此降低了所述變焦投影鏡頭的生產成本。

下面將結合附圖，對本發明作進一步的詳細說明。

請參閱圖1及圖2，為本發明實施方式所提供的變焦投影鏡頭100，沿其光軸方向從放大端到縮小端(近DMD端)依序包括：一個具有負光焦度的第一透鏡組10、一個具有正光焦度的第二透鏡組20、一個具有正光焦度的第三透鏡組30、一個具有負光焦度的第四透鏡組40、一個具有 正光焦度的第五透鏡組50及一個成像面61。

在所述變焦投影鏡頭100的變焦過程中，所述第一透鏡組10、第二透鏡組20、第三透鏡組30及第四透鏡組40都能沿所述變焦投影鏡頭100的光軸方向移動，用於改變所述變焦投影鏡頭100的有效焦距，進行變焦。所述第五透鏡組50固定不動。

本實施方式中，所述變焦投影鏡頭100應用於DMD投影儀，投影時，DMD調製的投影信號光自所述成像面61依次經所述第五透鏡組50、第四透鏡組40、第三透鏡組30、第二透鏡組20及第一透鏡組10，投射於螢幕(圖未示)上，便可得到投影畫面。

所述第一透鏡組10包括從放大端到縮小端依次排列的一個第一球面透鏡11及一個第一非球面塑膠透鏡12。所述第二透鏡組20包括從放大端到縮小端依次排列的一個第二非球面塑膠透鏡21、一個第二球面透鏡22及一個第三球面透鏡23。所述第三透鏡組30包括一個第四球面透鏡31。所述第四透鏡組40包括從放大端到縮小端依次排列的一個第三非球面塑膠透鏡41、一個第五球面透鏡42、一個第六球面透鏡43及一個第七球面透鏡44。所述第五透鏡組50包括一個第八球面透鏡51。所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八球面透鏡11、22、23、31、42、43、44、51均為玻璃鏡片。其中，所述第二球面透鏡22及第三球面透鏡23膠合固定，所述第五球面透鏡42及所述第六球面透鏡43膠合固定，這樣可有效地補正所述變焦投影鏡頭100的軸向色差，優化所述變 焦投影鏡頭100的整體性能。

所述變焦投影鏡頭100還包括一個設置於第二透鏡組20與第三透鏡組30之間的光闌(Aperture stop)70，以保證所述變焦投影鏡頭100的整體結構相對於光闌70對稱，有效地降低慧差(coma)的影響；同時限制經過所述第二透鏡組20的光線進入所述第三透鏡組30的光通量，並讓經過所述第三透鏡組30後的光錐更加對稱，使所述變焦投影鏡頭100的彗差得以修正。在本實施方式中，在所述變焦投影鏡頭100進行變焦的過程中，所述光闌70隨所述第二透鏡組20一起移動，且所述光闌70的孔徑保持不變。

所述變焦投影鏡頭100還包括位於所述第五透鏡組50與所述成像面61之間且從放大端到縮小端依次排列的一個棱鏡80、一個第一平板玻璃91、一個第二平板玻璃92、一個第三平板玻璃93、一個第四平板玻璃94、一個第五平板玻璃95及一個保護玻璃96。其中，所述第一平板玻璃91與所述第二平板玻璃92膠合固定，所述第三平板玻璃93與所述第四平板玻璃94膠合固定，所述第五平板玻璃95及所述保護玻璃96膠合固定，所述保護玻璃96與所述成像面61膠合固定。

具體的，DMD投影儀投影時，成像面61投射出的投影信號光線依次經過所述保護玻璃96、第五平板玻璃95、第四平板玻璃94、第三平板玻璃93、第二平板玻璃92及第一平板玻璃91後進入所述變焦投影鏡頭100。所述第五平板玻璃95、第四平板玻璃94、第三平板玻璃93、第二平板玻璃92及第一平板玻璃91可以根據使用需要鍍不同功能 的膜層，例如濾光膜。

所述變焦投影鏡頭100滿足以下條件式：(1)-2.4≦F_a1/F_w≦-2.1

(2)2.9≦F_b1/F_w≦3.2

(3)-3.8≦F_a2/F_w≦-3.6

其中，F_a1為所述第一非球面塑膠透鏡12的有效焦距，F_b1為所述第二非球面塑膠透鏡21的有效焦距，F_a2為所述第三非球面塑膠透鏡41的有效焦距，F_w為所述變焦投影鏡頭100處於廣角端時的有效焦距。條件式(1)~(3)對所述第一、第二、第三非球面塑膠透鏡12、21、41的光焦度進行合理分配(限定各非球面塑膠透鏡的光焦度與所述變焦投影鏡頭100光焦度的關係)，保證在溫度升高時，所述變焦投影鏡頭100仍具有較好的投影成像品質。具體的，由於所述變焦投影鏡頭100在工作過程中產生大量的熱量，使得各透鏡的溫度升高，若滿足上述三個條件式，在溫度升高時，所述第一非球面塑膠透鏡12及所述第二非球面塑膠透鏡21的折射率變化，使所述變焦投影鏡頭100的後焦距變大，而所述第三非球面塑膠透鏡41的折射率變化，使所述變焦投影鏡頭100的後焦距變小，上述兩種變化相抵消，使得所述變焦投影鏡頭100的後焦距保持在最佳的長度。

在本實施方式中，F_a1=-41.48mm，F_b1=56.88mm，F_a2=-70.37mm，F_w=18.68mm，經計算得出，F_a1/F_w=-2.22，F_b1/F_w=3.05，F_a2/F_w=-3.76。

所述變焦投影鏡頭100的各光學元件滿足表1、表2及表3的條件。下列表(一)中分別列有由放大端到縮小端依序編號的光學面號碼(Surface #)、R為各透鏡的光學表面的曲率半徑、D為為對應表面到後一個表面的軸上距離(兩個表面截得光軸的長度)、Nd為對應透鏡組對d光(波長為587nm)的折射率，Vd為對應透鏡組對d光(波長為587nm)的阿貝數(Abbe number)，F為所述變焦投影鏡頭100的有效焦距。

本實施方式的變焦投影鏡頭100處於廣角端狀態時，其像差、場曲、畸變及橫向色差分別如圖3到圖6所示。圖3中 ，分別為針對波長為460 nm的光，波長為550 nm的光，波長為610 nm的光而觀察到的球面像差曲線。總體而言，本實施方式的變焦投影鏡頭100對可見光(波長範圍在400 nm-700 nm之間)產生的像差值控制在(-0.1mm,0.1mm)範圍內。圖4中，曲線T及S分別為子午場曲(tangential field curvature)特性曲線及弧矢場曲(sagittal field curvature)特性曲線。可見，子午場曲值和弧矢場曲值被控制在(-0.2mm，0.2mm)範圍內。圖5中，曲線dis為畸變特性曲線。由圖可知，畸變量被控制在(-1.5%，0)範圍內。圖6中，分別為針對波長為460 nm的光，波長為550 nm的光，波長為610 nm而觀察到的橫向色差曲線。總體而言，本實施方式的變焦投影鏡頭100對可見光(波長範圍在400 nm-700 nm之間)產生的橫向色差值控制在(-10um,10um)範圍內。由此可見，所述變焦投影鏡頭100處於廣角端狀態時的球面像差、場曲、畸變及橫向色差都能被控制(修正)在較小的範圍內。

本實施方式的變焦投影鏡頭100處於攝遠端狀態時，其像差、場曲及畸變分別如圖7到圖10所示。圖7中，分別為針對波長為460 nm的光，波長為550 nm的光，波長為610 nm的光而觀察到的球面像差值曲線。總體而言，本實施方式的變焦投影鏡頭100對可見光(波長範圍在400 nm-700 nm之間)產生的像差值控制在(-0.1 mm,0.1 mm)範圍內。圖8中，曲線T及S分別為子午場曲(tangential field curvature)特性曲線及弧矢場曲 (sagittal field curvature)特性曲線。可見，子午場曲值和弧矢場曲值被控制在(-0.2mm,0.2mm)範圍內。圖9中，曲線dis為畸變特性曲線。由圖可知，畸變量被控制在(0,0.2%)範圍內。圖10中，分別為針對波長為460 nm的光，波長為550 nm的光，波長為610 nm而觀察到的橫向色差曲線。總體而言，本實施方式的變焦投影鏡頭100對可見光(波長範圍在400 nm-700 nm之間)產生的橫向色差值控制在(-10um,10um)範圍內。由此可見，所述變焦投影鏡頭100處於攝遠端狀態時的球面像差、場曲、畸變及橫向色差都能被控制(修正)在較小的範圍內。

相較於先前技術，本發明的變焦投影鏡頭，利用上述條件式對所述三個非球面塑膠透鏡的光焦度進行合理分配，使得所述三個非球面塑膠透鏡在溫度升高時折射率變化，所導致的所述變焦投影鏡頭後焦距的變化能相互抵消，並且所述變焦投影鏡頭的後焦距保持在最佳的長度，從而有效保證所述變焦投影鏡頭的投影成像品質，同時由於塑膠鏡片的價格便宜，因此降低了所述變焦投影鏡頭的生產成本。

另外，本領域技術人員可在本發明精神內做其他變化，然，凡依據本發明精神實質所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內。

100‧‧‧變焦投影鏡頭

10‧‧‧第一透鏡組

11‧‧‧第一球面透鏡

12‧‧‧第一非球面塑膠透鏡

20‧‧‧第二透鏡組

21‧‧‧第二非球面塑膠透鏡

22‧‧‧第二球面透鏡

23‧‧‧第三球面透鏡

30‧‧‧第三透鏡組

31‧‧‧第四球面透鏡

40‧‧‧第四透鏡組

41‧‧‧第三非球面塑膠透鏡

42‧‧‧第五球面透鏡

43‧‧‧第六球面透鏡

44‧‧‧第七球面透鏡

50‧‧‧第五透鏡組

51‧‧‧第八球面透鏡

61‧‧‧成像面

70‧‧‧光闌

80‧‧‧棱鏡

91‧‧‧第一平板玻璃

92‧‧‧第二平板玻璃

93‧‧‧第三平板玻璃

94‧‧‧第四平板玻璃

95‧‧‧第五平板玻璃

96‧‧‧保護玻璃

圖1為本發明的變焦投影鏡頭處於廣角端狀態時的結構示意圖。

圖2為本發明的變焦投影鏡頭處於攝遠端狀態時的結構示意圖。

圖3為圖1的變焦投影鏡頭的球面像差圖。

圖4為圖1的變焦投影鏡頭的場曲圖。

圖5為圖1的變焦投影鏡頭的畸變圖。

圖6為圖1的變焦投影鏡頭的橫向色差圖。

圖7為圖2的變焦投影鏡頭的球面像差圖。

圖8為圖2的變焦投影鏡頭的場曲圖。

圖9為圖2的變焦投影鏡頭的畸變圖。

圖10為圖2的變焦投影鏡頭的橫向色差圖。

100‧‧‧變焦投影鏡頭

10‧‧‧第一透鏡組

11‧‧‧第一球面透鏡

12‧‧‧第一非球面塑膠透鏡

20‧‧‧第二透鏡組

21‧‧‧第二非球面塑膠透鏡

22‧‧‧第二球面透鏡

23‧‧‧第三球面透鏡

30‧‧‧第三透鏡組

31‧‧‧第四球面透鏡

40‧‧‧第四透鏡組

41‧‧‧第三非球面塑膠透鏡

42‧‧‧第五球面透鏡

43‧‧‧第六球面透鏡

44‧‧‧第七球面透鏡

50‧‧‧第五透鏡組

51‧‧‧第八球面透鏡

61‧‧‧成像面

70‧‧‧光闌

80‧‧‧棱鏡

91‧‧‧第一平板玻璃

92‧‧‧第二平板玻璃

93‧‧‧第三平板玻璃

94‧‧‧第四平板玻璃

95‧‧‧第五平板玻璃

96‧‧‧保護玻璃

Claims (10)

1. 一種變焦投影鏡頭，沿其光軸方向從放大端到縮小端依序包括一個具有負光焦度的第一透鏡組、一個具有正光焦度的第二透鏡組、一個具有正光焦度的第三透鏡組、一個具有負光焦度的第四透鏡組及一個具有正光焦度的第五透鏡組；所述第一、第二、第三、第四透鏡組能夠沿光軸方向移動，以實現變焦；所述第五透鏡組固定不動；所述第一透鏡組包括一個具有負光焦度的第一非球面塑膠透鏡，所述第二透鏡組包括一個具有正光焦度的第二非球面塑膠透鏡，所述第四透鏡組包括一個具有負光焦度的第三非球面塑膠透鏡，所述變焦投影鏡頭滿足以下條件式：(1)-2.4≦F_a1/F_w≦-2.1 (2)2.9≦F_b1/F_w≦3.2 (3)-3.8≦F_a2/F_w≦-3.6其中，F_a1、F_b1、F_a2分別為所述第一、第二、第三非球面塑膠透鏡的有效焦距，F_w為所述變焦投影鏡頭處於廣角端狀態時的有效焦距。
2. 如申請專利範圍第1項所述的變焦投影鏡頭，其中，所述第一透鏡組還包括位於所述第一非球面塑膠透鏡的放大端一側的一個第一球面透鏡，所述第二透鏡組還包括位於所述第二非球面塑膠透鏡的縮小端一側的一個第二球面透鏡及一個第三球面透鏡，所述第三透鏡組包括一個第四球面透鏡，所述第四透鏡組還包括位於所述第三非球面塑膠透鏡的縮小端一側且沿光軸方向依序排列的一個第五球面透鏡、一個第六球面透鏡及一個第七球面透鏡，所述第三透 鏡組包括一個第八球面透鏡。
3. 如申請專利範圍第2項所述的變焦投影鏡頭，其中，所述第二球面透鏡及第三球面透鏡膠合固定，所述第五球面透鏡及所述第六球面透鏡膠合固定。
4. 如申請專利範圍第2項所述的變焦投影鏡頭，其中，所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八球面透鏡均為玻璃鏡片。
5. 如申請專利範圍第1項所述的變焦投影鏡頭，其中，所述變焦透鏡鏡頭還包括一個光闌，所述光闌位於所述第二透鏡組及所述第三透鏡組之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述的變焦投影鏡頭，其中，在所述變焦投影鏡頭進行變焦的過程中，所述光闌隨所述第二透鏡組一起移動，且所述光闌的孔徑大小保持不變。
7. 如申請專利範圍第1項所述的變焦投影鏡頭，其中，所述變焦投影鏡頭還包括一個棱鏡，所述棱鏡位於所述第五透鏡組與所述成像面之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述的變焦投影鏡頭，其中，所述變焦投影鏡頭還包括從放大端到縮小端依序排列且位於所述棱鏡與所述成像面之間的一個第一平板玻璃、一個第二平板玻璃、一個第三平板玻璃、一個第四平板玻璃、一個第五平板玻璃及一個保護玻璃，在所述變焦投影鏡頭變焦的過程中，所述第一、第二、第三、第四、第五平板玻璃及保護玻璃固定不動。
9. 如申請專利範圍第8項所述的變焦投影鏡頭，其中，所述第一平板玻璃與所述第二平板玻璃膠合固定，所述第三平板玻璃與所述第四平板玻璃膠合固定，所述第五平板玻璃 及所述保護玻璃膠合固定。
10. 如申請專利範圍第8項所述的變焦投影鏡頭，其中，所述變焦投影鏡頭還包括一個成像面，所述保護玻璃與所述成像面膠合固定。