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CN116224532A - 定焦投影镜头模块 - Google Patents

定焦投影镜头模块 Download PDF

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CN116224532A
CN116224532A CN202111457913.2A CN202111457913A CN116224532A CN 116224532 A CN116224532 A CN 116224532A CN 202111457913 A CN202111457913 A CN 202111457913A CN 116224532 A CN116224532 A CN 116224532A
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CN
China
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lens
fixed
focus projection
projection lens
lens module
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CN202111457913.2A
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吴威霆
吕承桓
魏庆全
庄福明
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Coretronic Corp
Original Assignee
Coretronic Corp
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Publication date
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Priority to US17/978,953 priority patent/US12493173B2/en
Priority to KR1020220165953A priority patent/KR20230083244A/ko
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Abstract

本发明提供了一种用以将光阀所提供的影像光束投影至屏幕上的定焦投影镜头模块。定焦投影镜头模块由屏幕侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及透光元件。第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第七透镜分别具有负、正、负、正、正屈光度。定焦投影镜头模块符合：1<|OAL/BFL∣<2.1，其中，OAL为第一透镜的屏幕侧面到第七透镜的显示侧面在光轴上的距离，BFL为透光元件的屏幕侧面到光阀的显示面在光轴上的距离，且透光元件为由屏幕侧至显示侧沿光轴位于第七透镜之后的第一个不具有屈光度的光学元件。本发明实施例提供的定焦投影镜头模块重量较轻，且能同时符合高投影解析度的需求。

Description

定焦投影镜头模块
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，且特别涉及一种定焦投影镜头模块。
背景技术
投影装置(投影机)随现代科技发展，越来越多需求走向于轻薄短小，如可携式口袋型投影机。在投影装置的镜头设计方面，为达到投影装置轻薄短小的需求，镜头必须轻薄短小又兼具高解析度。然而，目前市场上的变焦镜头，大多数为两个透镜群以上的架构，当要进行对焦时，需调整多个透镜群之间的距离，故使得变焦镜头的机构件变得大而复杂，制造成本相对提高、组装上也有一定的难度。而且，目前市场上的镜头采用玻璃透镜的设计也导致镜头的重量较重。
发明内容
本发明提供一种定焦投影镜头模块，其能符合轻薄短小的需求，且能同时符合高投影解析度的需求。
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。
为实现上述目的之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提供一种用以将光阀所提供的影像光束投影至屏幕上的定焦投影镜头模块。定焦投影镜头模块由屏幕侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及透光元件。第一透镜至透光元件各自具有朝向屏幕侧且使影像光束通过的屏幕侧面及朝向显示侧且使影像光束通过的显示侧面。第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第七透镜分别具有负、正、负、正、正屈光度。定焦投影镜头模块符合：1<|OAL/BFL∣<2.1，其中OAL为第一透镜的屏幕侧面到第七透镜的显示侧面在光轴上的距离，BFL为透光元件的屏幕侧面到光阀的显示面在光轴上的距离，且透光元件为由屏幕侧至显示侧沿光轴位于第七透镜之后的第一个不具有屈光度的光学元件。
基于上述，在本发明的一实施例中，定焦投影镜头模块设计为包括第一透镜至第七透镜的单群架构，且符合1<|OAL/BFL∣<2.1。相较于传统正常投射比的定焦镜头，本发明实施例的定焦投影镜头模块架构较简单，组装容易，制作时程上也比变焦镜头的短。而且，可在达到高解析度(931p/mm)的需求下兼具薄、短、小的要求。
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，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例，光阀所提供的影像光束投影至屏幕上的定焦投影镜头模块的方块图。
图2是根据本发明的第一实施例的定焦投影镜头模块的示意图。
图3为图2的定焦投影镜头模块的调制传递函数(modulation transferfunction,MTF)图。
图4为图2的定焦投影镜头模块的横向色差(lateral color)图。
图5A至图5C为图2的定焦投影镜头模块的场曲(field curvature)与畸变(distortion)像差图。
图6A至图6F分别为图2的定焦投影镜头模块在不同像高的横向光束扇形(transverse ray fan plot)图。
图7是根据本发明的第二实施例的定焦投影镜头模块的示意图。
图8为图7的定焦投影镜头模块的调制传递函数(modulation transferfunction,MTF)图。
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，在以下配合参考附图的一优选实施例作出的详细说明中，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)仅是参考附加附图的方向。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是根据本发明的一实施例，光阀所提供的影像光束投影至屏幕上的定焦投影镜头模块的方块图。图2是根据本发明的第一实施例的定焦投影镜头模块的示意图。本发明实施例的定焦投影镜头模块例如应用于投影装置中，但也可应用于影像获取装置中，本发明并不限于此。请同时参考图1与图2，本实施例的定焦投影镜头模块100具体化应用于投影装置，且定焦投影镜头模块100用以将位于显示侧A2的光阀10所提供的影像光束IB投影至位于屏幕侧A1的屏幕1000上。定焦投影镜头模块100由屏幕侧A1至显示侧A2沿光轴I依序包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7以及透光元件20。
详细来说，本实施例的光阀10例如是液晶覆硅板(Liquid Crystal On Siliconpanel,LCoS panel)、数字微镜元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)等反射式光调变器。于一些实施例中，光阀10也可以是透光液晶面板(Transparent Liquid CrystalPanel)，电光调变器(Electro-Optical Modulator)、磁光调变器(Magneto-Opticmodulator)、声光调变器(Acousto-Optic Modulator,AOM)等穿透式光调变器。本发明对光阀10的型态及其种类并不加以限制。
在本实施例中，第一透镜L1至透光元件20各自具有朝向屏幕侧A1且使影像光束IB通过的屏幕侧面(分别为表面S1、S3、S5、S7、S9、S10、S12、S14)以及朝向显示侧A2且使影像光束通过的显示侧面(分别为表面S2、S4、S6、S8、S10、S11、S13、S15)。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、第六透镜L6及第七透镜L7为一透镜群组，整体屈光度为正，其中第一透镜L1到第七透镜L7分别具有负、正、负、正、负、正、正屈光度。
在本实施例中，第一透镜L1为凸面朝向屏幕侧A1的凹凸透镜，且第一透镜L1为塑胶非球面透镜并具有负屈光度。第二透镜L2为双凸透镜，且第二透镜L2为玻璃球面透镜并具有正屈光度。第三透镜L3为双凹透镜，且第三透镜L3为玻璃球面透镜并具有负屈光度。第四透镜L4为双凸透镜，且第四透镜L4为玻璃球面透镜并具有正屈光度。第五透镜L5与第六透镜L6形成第一双胶合透镜C1。第一双胶合透镜C1具有正屈光度，其中第五透镜L5为双凹透镜，第六透镜L6为双凸透镜，第五透镜L5与第六透镜L6皆为玻璃球面透镜，且第五透镜L5具有负屈光度以及第六透镜L6具有正屈光度。第七透镜L7为双凸透镜，且第七透镜L7为玻璃非球面透镜并具有正屈光度。
以下以表1至表2列出定焦投影镜头模块100的一优选实施例的数据资料。然而，下文所列出的数据资料并非用以限定本发明。本领域技术人员在参照本发明之后，可对其参数或设定作适当的更动，但其仍应处于本发明的范围内。
在本实施例中，前述的各元件的实际设计可见于下列表1。
表1
Figure BDA0003388487660000041
Figure BDA0003388487660000051
在表1中，第一透镜L1由屏幕侧A1至显示侧A2具有表面S1与表面S2，第二透镜L2由屏幕侧A1至显示侧A2依序具有表面S3与表面S4。依此类推，各元件所对应的表面则不再重复赘述。其中，第五透镜L5与第六透镜L6为一组胶合透镜，因此第五透镜L5朝向显示侧A2的表面S10与第六透镜L6朝向屏幕侧A1的表面S10为同一表面。此外，在表1中，“距离”是指相邻两表面之间在光轴I上的距离。举例来说，对应表面S1的距离是指表面S1与表面S2之间在光轴I上的距离，而对应表面S2的距离，即表面S2至表面S3之间于光轴I上的直线距离，以此类推。
在本实施例中，第一透镜L1的表面S1与S2以及第七透镜L7的表面S12与S13皆为非球面，而其余透镜(第二透镜L2～第六透镜L6)的表面皆为球面。非球面的公式(1)如下所示：
公式(1):
Figure BDA0003388487660000052
在上面公式(1)中，x为光轴方向的偏移量(sag)，c’是密切球面(OsculatingSphere)的半径的倒数，也就是接近光轴I处的曲率半径的倒数，K是二次曲面系数，y是非球面高度，即为从透镜中心到透镜边缘的高度。A-G分别代表非球面多项式的各阶非球面系数(aspheric coefficient)。表2列出第一透镜L1的表面S1与S2以及第七透镜L7的表面S12与S13的参数值，其中二阶非球面系数A’皆为0。
表2
Figure BDA0003388487660000053
Figure BDA0003388487660000061
在本实施例中，定焦投影镜头模块100还包括实体光栏(stop)ST。如图2所示，光栏ST在光轴I上位于第三透镜L3与第四透镜L4之间。
在本实施例中，如图2所示，透光元件20为由屏幕侧A1至显示侧A2沿光轴I位于第七透镜L7之后的第一个不具有屈光度的光学元件。定焦投影镜头模块100的透光元件20可为平板玻璃致动器(actuator)110。其中，平板玻璃致动器110在固定位置处沿着与光轴I垂直的方向来回震荡，以改变影像光束IB的传递路径。由于影像光束IB的传递路径被平板玻璃致动器110所改变，因此，使用者可以在一时间内看到影像光束IB在屏幕1000上的不同位置的影像的叠合，如此，可达到投影在屏幕1000上的投影画面的解析度提升的效果。
在本实施例中，定焦投影镜头模块100由屏幕侧A1至显示侧A2沿光轴I还依序包括棱镜120以及保护玻璃(cover glass)130。棱镜120与保护玻璃130在光轴I上位于第七透镜L7与光阀10之间，且位于透光元件20与光阀10之间。
在本实施例中，定焦投影镜头模块100为远心(telecentric)投影镜头模块，且定焦投影镜头模块100的光圈小于等于1.6。
在本实施例中，定焦投影镜头模块100符合：1<|OAL/BFL∣<2.1。其中OAL为第一透镜L1的屏幕侧面到第七透镜L7的显示侧面在光轴I上的距离，亦即第一透镜L1朝向屏幕侧A1的表面S1到第七透镜L7朝向显示侧A2的表面S13在光轴I上的距离。且BFL为透光元件20的屏幕侧面到光阀10的显示面S20在光轴I上的距离，亦即透光元件20朝向屏幕侧A1的表面S14到光阀10的显示面S20在光轴I上的距离。此外，定焦投影镜头模块100可借由改变距离D以进行对焦，其中距离D为第七透镜L7朝向显示侧A2的表面S13至透光元件20朝向屏幕侧A1的表面S14在光轴I上的距离。也就是说，在表面S13至S14之间的距离D是可变的。而且，借由上述设计，当屏幕侧A1与显示侧A2之间的距离改变时，本实施例的定焦投影镜头模块100可借由改变距离D，有效控制投影画面的尺寸以及清晰度。
图3为图2的定焦投影镜头模块的调制传递函数图。请参考图3，在图3中，空间频率(spatial frequency)为93.0000cycles/mm，且为定焦投影镜头模块100在不同像高的调制传递函数图(modulation transfer function,MTF)，其中横轴为焦点偏移量(focusshift)，纵轴为光学转移函数的模数(modulus of the optical transfer function)，T代表在子午(tangential)方向的曲线，S代表在弧矢(sagittal)方向的曲线，而“TS”旁标示的数值代表像高。由图3可验证，本实施例的定焦投影镜头模块100所显示出的光学转移函数曲线在标准范围内，故具有良好的光学成像品质。
图4为图2的定焦投影镜头模块的横向色差图。图5A至图5C为图2的定焦投影镜头模块的场曲与畸变像差图。图6A至图6F分别为图2的定焦投影镜头模块在不同像高的横向光束扇形图。在图4至图6F中，皆是以波长为460纳米、525纳米及615纳米进行模拟。在图5A中，多条曲线S分别表示不同波长的光在弧矢方向上的像散场曲，而在图5B中，多条曲线T分别表示不同波长的光在子午方向上的像散场曲。在图6A至图6F中，横轴(Py轴及Px)代表参考光线通过光瞳(pupil)且归一化(normalization)后在子午(tangential)及弧矢(sagittal)方向上的位置，纵轴(ey轴及ex轴)代表参考光线在像面上与视场主光线在像面上的高度差。其中，ey轴及ex轴的最大刻度与最小刻度皆为±20微米，Py轴及Px轴的最大刻度与最小刻度皆为±1微米。图4至图6F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投影镜头模块100可表现出良好的成像品质。
图7是根据本发明的第二实施例的定焦投影镜头模块的示意图。请参考图7，图7的定焦投影镜头模块100’与图2的定焦投影镜头模块100大致相似，其主要差异如下。在本实施例中，第五透镜L5及第六透镜L6分别具有正、负屈光度。除此之外，第一透镜L1与第五透镜L5皆为塑胶非球面透镜。第二透镜L2与第三透镜L3形成第一双胶合透镜C1’。第一双胶合透镜C1’具有正屈光度，其中第二透镜L2与第三透镜L3皆为凸面朝向显示侧A2的凹凸透镜。第五透镜L5为凸面朝向显示侧A2的凹凸透镜。第六透镜L6与第七透镜L7形成第二双胶合透镜C2’。第二双胶合透镜C2’具有正屈光度，其中第六透镜L6为凸面朝向屏幕侧A1的凹凸透镜，且第七透镜L7为双凸透镜。
以下以表3至表4列出定焦投影镜头模块100’的一优选实施例的数据资料。然而，下文所列出的数据资料并非用以限定本发明。任何本领域技术人员在参照本发明之后，可对其参数或设定作适当的更改，其仍应处于本发明的范围内。
在本实施例中，前述的各元件的实际设计可见于下列表3。
表3
Figure BDA0003388487660000081
Figure BDA0003388487660000091
在表3中，第二透镜L2与第三透镜L3为一组胶合透镜，因此第二透镜L2朝向显示侧A2的表面S4与第三透镜L3朝向屏幕侧A1的表面S4为同一表面。第六透镜L6与第七透镜L7为一组胶合透镜，因此第六透镜L6朝向显示侧A2的表面S11与第七透镜L7朝向屏幕侧A1的表面S11为同一表面。其中，光阀10的显示面为表面S19’。
表4列出第一透镜L1的表面S1与S2以及第五透镜L5的表面S8与S9的参数值，其中二阶非球面系数A’皆为0。
表4
Figure BDA0003388487660000092
Figure BDA0003388487660000101
除此之外，在本实施例中，定焦投影镜头模块100’的透光元件20’为棱镜120。而且，如图7所示，平板玻璃致动器110与保护玻璃130在光轴I上位于第七透镜L7与光阀10之间，且位于透光元件20’与光阀10之间。
图8为图7的定焦投影镜头模块的调制传递函数图。请参考图8，由图8可验证，本实施例的定焦投影镜头模块100’所显示出的光学转移函数曲线在标准范围内，故具有良好的光学成像品质。
综上所述，在本发明的一实施例中，定焦投影镜头模块设计为包括第一透镜至第七透镜的单群架构，且符合1<|OAL/BFL∣<2.1。相较于传统正常投射比的定焦镜头，本发明实施例的定焦投影镜头模块架构较简单，组装容易。而相较于变焦镜头，本发明实施例的定焦投影镜头模块制作时程较短，复杂度低，且在进行对焦时，由于本案的透镜群为单群架构且透镜与透镜之间的距离不变，具有固定的有效焦距距离，且透镜与透镜之间不需预留额外的空间来改变距离。因此，本发明的实施例的定焦投影镜头模块可符合1<|OAL/BFL∣<2.1的特征，可在达到高解析度(93lp/mm)的需求下兼具薄、短、小的要求。
除此之外，本发明的实施例的定焦投影镜头模块还可获得下述的功效及优点：
一、本发明实施例的定焦投影镜头模块的光圈小于等于1.6，在相同光源强度下具有较高的光能使用效率。
二、将离投影装置的光源较远处的透镜中的至少一个(例如第一透镜或第五透镜)设计为塑胶透镜，除了可减轻本发明实施例的定焦投影镜头模块的重量之外，也可使定焦投影镜头模块的可承受温度提高。
三、将透镜与透光元件之间的距离D设计为是可变的，使定焦投影镜头模块的调焦结构简单，使本发明实施例的定焦投影镜头模块的成本较低。
四、将第一透镜与第七透镜或第五透镜设计为非球面透镜，其可有效降低像差并提高成像解析度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依照本发明权利要求书及本发明说明书所作的简单的等效变化与修改皆仍处于本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求书不须实现本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，说明书摘要和发明名称仅用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
附图标记列表
10:光阀
20、20’:透光元件
100、100’:定焦投影镜头模块
110:平板玻璃致动器
120:棱镜
130:保护玻璃
1000:屏幕
A1:屏幕侧
A2:显示侧
BFL、D、OAL:距离
C1、C1’:第一双胶合透镜
C2’:第二双胶合透镜
IB:影像光束
L1:第一透镜
L2:第二透镜
L3:第三透镜
L4:第四透镜
L5:第五透镜
L6:第六透镜
L7:第七透镜
I:光轴
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19:表面
S19’、S20:显示面
ST:光栏。

Claims (17)

1.一种定焦投影镜头模块，用以将光阀所提供的影像光束投影至屏幕上，其特征在于，所述定焦投影镜头模块由屏幕侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及透光元件，所述第一透镜至所述透光元件各自具有朝向所述屏幕侧且使所述影像光束通过的屏幕侧面及朝向所述显示侧且使所述影像光束通过的显示侧面，其中：
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜及所述第七透镜分别具有负、正、负、正、正屈光度；以及
所述定焦投影镜头模块符合：
1<|OAL/BFL∣<2.1，
其中，OAL为所述第一透镜的所述屏幕侧面到所述第七透镜的所述显示侧面在所述光轴上的距离，BFL为所述透光元件的所述屏幕侧面到所述光阀的显示面在所述光轴上的距离，且所述透光元件为由所述屏幕侧至所述显示侧沿所述光轴位于所述第七透镜之后的第一个不具有屈光度的光学元件。
2.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述透光元件为平板玻璃致动器或棱镜。
3.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述第五透镜及所述第六透镜分别具有负、正屈光度。
4.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述第五透镜与所述第六透镜形成第一双胶合透镜，所述第一双胶合透镜具有正屈光度，其中，所述第五透镜为双凹透镜，且所述第六透镜为双凸透镜。
5.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述第一透镜为凸面朝向所述屏幕侧的凹凸透镜，所述第三透镜为双凹透镜，所述第四透镜为双凸透镜。
6.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述第一透镜为塑胶非球面透镜。
7.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述第七透镜为玻璃非球面透镜。
8.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述第五透镜及所述第六透镜分别具有正、负屈光度。
9.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述第二透镜与所述第三透镜形成第一双胶合透镜，所述第一双胶合透镜具有正屈光度，其中，所述第二透镜与所述第三透镜皆为凸面朝向所述显示侧的凹凸透镜。
10.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述第六透镜与所述第七透镜形成第二双胶合透镜，所述第二双胶合透镜具有正屈光度，其中，所述第六透镜为凸面朝向所述屏幕侧的凹凸透镜，且所述第七透镜为双凸透镜。
11.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述第一透镜与所述第五透镜为塑胶非球面透镜。
12.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，当所述定焦投影镜头模块进行对焦时，所述定焦投影镜头模块用于改变距离D，其中，所述距离D为所述第七透镜的所述显示侧面至所述透光元件的所述屏幕侧面在所述光轴上的距离。
13.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述定焦投影镜头模块的光圈小于等于1.6。
14.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述定焦投影镜头模块还包括在所述光轴上位于所述第三透镜与所述第四透镜之间的光栏。
15.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述定焦投影镜头模块为远心投影镜头模块。
16.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述定焦投影镜头模块还包括在所述光轴上位于所述第七透镜与所述光阀之间的棱镜。
17.根据权利要求1所述的定焦投影镜头模块，其特征在于，所述定焦投影镜头模块还包括在所述光轴上位于所述第七透镜与所述光阀之间的保护玻璃。
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