TWI418845B - 定焦鏡頭 - Google Patents

Description

定焦鏡頭

本發明是有關於一種投影鏡頭(projection lens)，且特別是有關於一種定焦鏡頭(fixed-focus lens)。

一般投影機若要投影到較大的螢幕，則必須要有較長的投影距離。相對地，若要在較短的投影距離投影大尺寸的畫面，則必須使用特殊廣角鏡頭以縮短投影幕至投影機的距離。

在廣角鏡頭的設計過程中，像差是設計者所面對的一項難題。因此，設計者常會在鏡頭中加入反射鏡縮短焦距並使用較多鏡片以克服像差，例如美國專利第7,009,765號與第7,175,287號。在第7,009,765號專利中，設計者使用十六片鏡片與一片反射鏡，而在第7,175,287號專利中，設計者使用十八片鏡片、兩片反射鏡以及一光路可轉折元件。

或者，設計者亦會採用複數個反射鏡使投影距離縮短，例如美國專利第5,477,394號、第6,994,442號、第6,989,936號、第6,690,517號、第6,984,044號。然而，此舉不但造成製造成本增加，更會造成組裝上的困難。

詳細而言，第5,477,394號專利揭露一種小型化的鏡頭結構，其從光閥到成像面的距離較短。上述結構能將被光閥反射的光線匯聚在橢圓反射鏡的主焦點上，並傳遞至拋物線反射鏡的第二焦點上以及一投影鏡頭。另外，美國 專利第5,495,306號亦揭露類似的鏡頭結構。而在美國專利第6,994,442號則揭露包括複數個非球面曲面的反射鏡。

另外，第6,690,517號專利則揭露一種光學系統，包括一反射群組、一與光軸垂直的反射鏡以及一透鏡組。反射群組包括一光圈，且透鏡組包括至少一具有負屈光度的折射面。在第6,989,936號專利中，設計者揭露一種可變光學系統，包括一第一光學元件以及一第二光學元件。第一光學元件具有一反射面，且第二光學元件的設置相較於第一光學元件的設置更能改善賽德像差(Seidel aberration)。

除此之外，一種定焦鏡頭，包括一曲面反射鏡、一第一透鏡群以及一第二透鏡群，其中第一透鏡群包括一非球面透鏡亦被揭露。中華民國公開專利第200914873號揭露一種光學投影系統，包括一非球面透鏡，其中上述非球面透鏡的二表面之賽德相差係數的畸變係數總和為正，且大於0.5。

美國專利第4,427,274號揭露一種光學系統，包括一凹反射鏡以及一廣角鏡頭。凹反射鏡適用於一光圈，且廣角鏡頭沿著反射鏡光軸設置。美國專利第6,631,994號則是揭露一種可矯正枕形畸變的光學系統。另外，美國專利第6,984,044號與第7,075,727號各揭露一種用以改善畸變的投影系統。

除此之外，美國專利第7,370,977號、第7,586,687號、第6,513,935以及美國公開專利第20070184368號與20090231555亦揭露幾種相關於投影鏡頭的技術。

由上述可知，如何設計一種鏡頭，使其能夠兼顧較低的製造成本以及較佳的成像品質便成為相關從業人員所亟欲研究的重點。

本發明提供一種定焦鏡頭，其兼具較低成本與較佳的光學特性。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提供一種定焦鏡頭，適於配置於一放大側至一縮小側之間，且具有一光軸。定焦鏡頭包括一反射系統以及一折射系統。反射系統配置於放大側與縮小側之間。反射系統包括一反射鏡，且反射鏡具有負屈光度。折射系統配置於反射系統與縮小側之間。折射系統包括一第一透鏡群以及一第二透鏡群。第一透鏡群具有正屈光度。第二透鏡群配置於第一透鏡群與縮小側之間，並具有正屈光度。定焦鏡頭符合F/H>0.23，其中F為定焦鏡頭的一有效焦距、H為一像高。

本發明之實施例可達到下列優點或功效之至少其一。本發明之實施例之定焦鏡頭包括一片反射鏡並符合F/H>0.23之條件，此架構能使定焦鏡頭具有較廣的視場角、良好的成像品質、較低的組裝難度及較低的成本。

為讓本發明之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。

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一較佳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、左、右、前或後等，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並非用來限制本發明。

圖1A為本發明之一實施例之定焦鏡頭的結構示意圖。請參考圖1A，定焦鏡頭100適於配置於一放大側至一縮小側之間，此定焦鏡頭100具有一光軸E，且包括一反射系統110以及一折射系統120。

反射系統110配置於放大側與縮小側之間，且反射系統110包括一反射鏡M1，其中反射鏡M1具有負屈光度，且例如為曲面反射鏡。折射系統120配置於反射系統110與縮小側之間，且折射系統包括120包括一第一透鏡群122以及一第二透鏡群124。

第一透鏡群122具有正屈光度，且第一透鏡群122包括由放大側往縮小側依序排列之一第一透鏡A1、一第二透鏡A2、一第三透鏡G1、一第四透鏡G2、一第五透鏡G3、一第六透鏡G4以及一第七透鏡G5。其中第一透鏡A1、第二透鏡A2、第三透鏡G1、第四透鏡G2、第五透鏡G3、第六透鏡G4以及第七透鏡G5的屈光度依序為負、負、負、負、負、正、正。

第二透鏡群124配置於第一透鏡群122與縮小側之 間，並具有正屈光度。第二透鏡群124包括由放大側往縮小側排列之一第八透鏡G6、一第九透鏡G7、一第十透鏡G8、一第十一透鏡G9、一第十二透鏡G10、一第十三透鏡G11、一第十四透鏡G12。其中第八透鏡G6、第九透鏡G7、第十透鏡G8、第十一透鏡G9、第十二透鏡G10、第十三透鏡G11、第十四透鏡G12的屈光度依序為負、正、正、負、正、正、負。

在本實施例中，第二透鏡群124在定焦鏡頭100中的位置維持固定，第一透鏡群122可相對於第二透鏡群124移動，用於對焦。換句話說，第二透鏡群124與光閥130的位置維持固定，以保持影像與被投影物間的相對位置，而第一透鏡群122為對焦群，適於在不同的投影距離下進行調焦補償。除此之外，在產品出廠時，設計者可適當調整背焦距離d1或反射鏡M1的傾斜程度，以有效補償製造公差，進而達到聚焦的效果並減少畫面的像差，而使用者可透過調整第一透鏡群122達到對焦的功效。亦即，當想改變成像位置時，使用者可藉由透鏡群之間的相對移動而完成對焦動作。在本實施例中，定焦鏡頭100可適用於一電子白板的短焦廣角鏡頭。另外，投影距離例如為46.8公分至65.5公分，而投影螢幕的尺寸如為77吋至100吋。

圖1B為圖1A之定焦鏡頭100的成像示意圖。在本實施例中，被投影物O與光軸E存在一偏移距離(offset)d2，且定焦鏡頭100符合(C+D)/C≧1，其中C為放大側之一成像I的長度，而D為成像I和與光軸E的距離。如此 一來，當應用本實施例之定焦鏡頭100的投影機被放置在桌上時，定焦鏡頭100所投影的成像I依舊能完整地被呈現到投影螢幕上。

除此之外，如圖1A所示，本實施例之定焦鏡頭100還包括一孔徑光欄140，其配置於第十二透鏡G10與第十三透鏡G11之間。另外，在光閥130和第十四透鏡G12之間還配置一玻璃蓋150以保護光閥130。

以下內容將舉出定焦鏡頭100之一實施例。需注意的是，下述之表一中所列的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術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之範疇內。

在表一中，間距是指兩相鄰表面間於光軸E上之直線距離。舉例來說，表面S1之間距，即表面S1至表面S2間於光軸E上之直線距離。備註欄中各透鏡所對應之厚度、折射率與阿貝數(abbe number)請參照同列中各間距、折射率與阿貝數對應之數值。

此外，在表一中，表面S1為反射鏡M1面向縮小側的表面，且表面S1為反射鏡M1的反射面。表面S2、S3 為第一透鏡A1的兩表面，表面S4、S5為第二透鏡A2的兩表面，表面S6、S7為第三透鏡G1的兩表面，表面S8、S9為第四透鏡G2的兩表面，表面S10、S11為第五透鏡G3的兩表面，表面S12、S13為第六透鏡G4的兩表面，表面S14、S15為第七透鏡G5的兩表面。

表面S16、S17為第八透鏡G6的兩表面，表面S18、S19為第九透鏡G7的兩表面。表面S20為第十透鏡G8面向放大側的表面，表面S21為第十透鏡G8與第十一透鏡G9相連的表面，表面S22為第十一透鏡G9與第十二透鏡G10相連的表面，表面S23為第十二透鏡G10面向縮小側的表面。

表面S24為第十三透鏡G11面向放大側的表面，表面S25為第十三透鏡G11與第十四透鏡G12相連的表面，表面S26為第十四透鏡G12面向縮小側的表面。有關於各表面之曲率半徑、間距等參數值，請參照表一，在此不再重述。

再者，上述之表面S1為奇次項非球面，而其可用下列公式表示：

式中，Z為光軸方向之偏移量(sag)，c是密切球面(osculating sphere)的半徑之倒數，也就是接近光軸處之曲率半徑(如表格內S1的曲率半徑)的倒數。K是二次曲面係數(conic)，y是非球面高度，即為從透鏡中心往 透鏡邊緣的高度，而A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、…、A₁₂為非球面係數(aspheric coefficient)。表二所列出的是表面S1參數值。

另外，上述之第一透鏡A1的表面S2、S3以及第二透鏡A2的表面S4、S5為偶次項非球面，而其可用下列公式表示：

同樣地，Z為光軸方向之偏移量，c是密切球面的半徑之倒數，也就是接近光軸E處之曲率半徑(如表格內S2、S3、S4、S5的曲率半徑)的倒數。K是二次曲面係數，y是非球面高度，而A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆為非球面係 數。表三所列出的是表面S2、S3、S4、S5的參數值。

由此可知，在本實施例中，反射鏡M1、第一透鏡A1與第二透鏡A2皆為非球面透鏡，因此能有效改善此定焦鏡頭100的彗形像差(coma)、像散(astigmatism)或畸變(distortion)。另外，在本實施例中，定焦鏡頭100之有效焦距的範圍最佳範圍為4.3毫米至4.5毫米，但不限此範圍，數值孔徑(F/#)為2.7，且視角(2 ω)為140度至140.4度。除此之外，反射鏡M1之有效焦距，例如為-60.49毫米。

另一方面，本實施例之定焦鏡頭100符合F/H>0.23， 其中F為定焦鏡頭100的有效焦距、H為像高(此處像高H為前述的C+D的高度)。當F/H>0.839時，定焦鏡頭100的視角(2 ω)小於100度。由於此時投影角度較不廣角，故即使不採用非球面反射鏡作為本實施例之反射鏡M1也不會影響成像品質。然而，當F/H<0.23時，由於此時定焦鏡頭100的投影視角(2 ω)大於154.1度，故必須藉由增加非球面透鏡與鏡片才能補償像差。

請繼續參照圖1A，在本實施例的第一透鏡群122中，第一透鏡A1、第二透鏡A2與第三透鏡G1各為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡，且第四透鏡G2為一雙凹透鏡。另外，第五透鏡G3為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡。第六透鏡G4與第七透鏡G5各為一雙凸透鏡。除此之外，第三透鏡G1、第四透鏡G2、第五透鏡G3、第六透鏡G4以及第七透鏡G5例如各為一球面透鏡。在本實施例中，第一透鏡群122之有效焦距，例如為110.26毫米。另一方面，在本實施例的第二透鏡群124中，第八透鏡G6為一凸面朝向放大側的凸凹透鏡，且第九透鏡G7為一雙凸透鏡。第十透鏡G8為一雙凸透鏡，第十一透鏡G9為一雙凹透鏡，且第十二透鏡G10為一雙凸透鏡。另外，第十三透鏡G11為一凹面朝向放大側的凹凸透鏡，且第十四透鏡G12為一凹面朝向放大側的凸凹透鏡。在第二透鏡群124中，第十透鏡G8、第十一透鏡G9與第十二透鏡G10可組成一三膠合透鏡，且第十三透鏡G11與第十四透鏡G12可組成一雙膠合透鏡，此舉能有效改善此定焦鏡頭100 的球面像差以及色差(color aberration)。另外，第二透鏡群124之透鏡例如皆為球面透鏡。第二透鏡群124之有效焦距，例如為40.54毫米。

圖2A至圖2C為圖1A之定焦鏡頭100的成像光學模擬數據圖。在此分別以波長為656nm的紅光、波長588nm的綠光以及波長486nm的藍光作為參考波段進行模擬。請參考圖2A至圖2C，其中圖2A是橫向光線扇形圖(transverse ray fan plot)，而圖2A中的x軸為光線通過孔徑光欄140的位置，y軸為光線打到像平面(例如光閥130)的位置。另外，左上圖為視場(field)為0時的橫向光線扇形圖，右上圖為視場為0.7時的橫向光線扇形圖，且下圖為視場為1時的橫向光線扇形圖。

圖2B是橫向色差圖(lateral color)，其中橫軸為像平面上三波長主光線的交點到中心波長主光線交點的距離，而縱軸為視場半徑。圖2C點列圖(spot diagram)，此點列圖為不同的點投射於投影螢幕(未繪示)上之不同場的光斑大小。圖2A至圖2C所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可知本實施例之定焦鏡頭100具有較佳的成像品質。

綜上所述，本發明之實施例包括以下優點或功效之至少其中之一。在本發明之實施例中，由於定焦鏡頭的透鏡群中包括十四片透鏡，因此相較於習知的鏡頭，本發明之定焦鏡頭具有減少透鏡數量以簡化機構設計的優點。再者，由於本發明之實施例的反射鏡、第一透鏡與第二透鏡 分別為非球面反射鏡與非球面透鏡，因此能夠有效改善此定焦鏡頭的畸變，且除此之外的其他透鏡可皆為球面透鏡，以使製造成本能有效地降低。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。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。

100‧‧‧定焦鏡頭

110‧‧‧反射系統

120‧‧‧折射系統

122‧‧‧第一透鏡群

124‧‧‧第二透鏡群

130‧‧‧光閥

140‧‧‧孔徑光欄

150‧‧‧玻璃蓋

M1‧‧‧反射鏡

A1‧‧‧第一透鏡

A2‧‧‧第二透鏡

G1‧‧‧第三透鏡

G2‧‧‧第四透鏡

G3‧‧‧第五透鏡

G4‧‧‧第六透鏡

G5‧‧‧第七透鏡

G6‧‧‧第八透鏡

G7‧‧‧第九透鏡

G8‧‧‧第十透鏡

G9‧‧‧第十一透鏡

G10‧‧‧第十二透鏡

G11‧‧‧第十三透鏡

G12‧‧‧第十四透鏡

S1~S26‧‧‧表面

E‧‧‧光軸

O‧‧‧被投影物

C‧‧‧長度

D‧‧‧距離

d1‧‧‧背焦距離

d2‧‧‧偏移距離

I‧‧‧成像

圖1A為本發明之一實施例之定焦鏡頭的結構示意圖。

圖1B為圖1A之定焦鏡頭的成像示意圖。

圖2A至圖2C為圖1A之定焦鏡頭的成像光學模擬數據圖。

100‧‧‧定焦鏡頭

110‧‧‧反射系統

120‧‧‧折射系統

122‧‧‧第一透鏡群

124‧‧‧第二透鏡群

130‧‧‧光閥

140‧‧‧孔徑光欄

150‧‧‧玻璃蓋

M1‧‧‧反射鏡

A1‧‧‧第一透鏡

A2‧‧‧第二透鏡

G1‧‧‧第三透鏡

G2‧‧‧第四透鏡

G3‧‧‧第五透鏡

G4‧‧‧第六透鏡

G5‧‧‧第七透鏡

G6‧‧‧第八透鏡

G7‧‧‧第九透鏡

G8‧‧‧第十透鏡

G9‧‧‧第十一透鏡

G10‧‧‧第十二透鏡

G11‧‧‧第十三透鏡

G12‧‧‧第十四透鏡

S1~S26‧‧‧表面

E‧‧‧光軸

d1‧‧‧背焦距離

Claims (18)

1. 一種定焦鏡頭，配置於一放大側與一縮小側之間，且具有一光軸，該定焦鏡頭包括：一反射系統，配置於該放大側與該縮小側之間，該反射系統包括一反射鏡，且該反射鏡具有負屈光度；以及一折射系統，配置於該反射系統與該縮小側之間，該折射系統包括：一第一透鏡群，具有正屈光度；以及一第二透鏡群，配置於該第一透鏡群與該縮小側之間，並具有正屈光度，其中，該定焦鏡頭符合F/H>0.23，F為該定焦鏡頭的一有效焦距、H為一像高。
2. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭符合(C+D)/C≧1，其中C為該放大側之一成像長度，而D為該成像和與該光軸的距離。
3. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第一透鏡群包括由一放大側往一縮小側依序排列之一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡、一第五透鏡、一第六透鏡以及一第七透鏡，該第一透鏡群之該些透鏡的屈光度由該放大側往該縮小側依序為負、負、負、負、負、正、正。
4. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第二透鏡群包括由該放大側往該縮小側依序排列之一第八透鏡、一第九透鏡、一第十透鏡、一第十一透鏡、一第十二 透鏡、一第十三透鏡、一第十四透鏡，該第二透鏡群之該些透鏡的屈光度由該放大側往該縮小側依序為負、正、正、負、正、正、負。
5. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第二透鏡群在該定焦鏡頭中的位置維持固定，該第一透鏡群可相對於該第二透鏡群移動，用以對焦。
6. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該反射鏡為一非球面反射鏡。
7. 如申請專利範圍第3項所述之定焦鏡頭，其中該第一透鏡以及該第二透鏡各為一非球面透鏡。
8. 如申請專利範圍第3項所述之定焦鏡頭，其中該第三透鏡、該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡以及該第七透鏡各為一球面透鏡。
9. 如申請專利範圍第4項所述之定焦鏡頭，其中該第二透鏡群之該些透鏡皆為球面透鏡。
10. 如申請專利範圍第4項所述之定焦鏡頭，其中該第十透鏡、該第十一透鏡與該第十二透鏡組成一三膠合透鏡。
11. 如申請專利範圍第4項所述之定焦鏡頭，其中該第十三透鏡與該第十四透鏡組成一雙膠合透鏡。
12. 如申請專利範圍第3項所述之定焦鏡頭，其中該第一透鏡、該第二透鏡與該第三透鏡各為一凸面朝向該放大側的凸凹透鏡，且該第四透鏡為一雙凹透鏡。
13. 如申請專利範圍第3項所述之定焦鏡頭，其中該 第五透鏡為一凸面朝向該放大側的凸凹透鏡，該第六透鏡與該第七透鏡各為一雙凸透鏡。
14. 如申請專利範圍第4項所述之定焦鏡頭，其中該第八透鏡為一凸面朝向該放大側的凸凹透鏡，且該第九透鏡為一雙凸透鏡。
15. 如申請專利範圍第4項所述之定焦鏡頭，其中該第十透鏡為一雙凸透鏡，該第十一透鏡為一雙凹透鏡，且該第十二透鏡為一雙凸透鏡。
16. 如申請專利範圍第4項所述之定焦鏡頭，其中該第十三透鏡為一凹面朝向該放大側的一凹凸透鏡，且該第十四透鏡為一凹面朝向該放大側的凸凹透鏡。
17. 如申請專利範圍第4項所述之定焦鏡頭，更包括一孔徑光欄，位於該第十二透鏡與該第十三透鏡之間。
18. 如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭之有效焦距的範圍為4.3毫米至4.5毫米。