TWI711837B

TWI711837B - 成像透鏡裝置

Info

Publication number: TWI711837B
Application number: TW105127938A
Authority: TW
Inventors: 林堯忠; 邱延誠
Original assignee: 香港商香港彩億科技有限公司
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2020-12-01
Also published as: TW201807453A

Abstract

本案為一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率，該第一透鏡組包含有一負焦距之非球面透鏡，該負焦距之非球面透鏡之剖面為一圓形的上下部切除所形成；以及第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定，且該物面係位於該第二透鏡組中軸線下方一預設偏移距離，而成像於該第一透鏡組中軸線上方的該像面上。

Description

成像透鏡裝置

本案係為成像透鏡裝置，尤指可應用於投影裝置的成像透鏡裝置。

由筆記型電腦、平板電腦發展到智慧型手機，可攜式資訊裝置的體積日益縮小，連帶著顯示器的尺寸也隨之縮小，因此不適合進行簡報，而投影機便是這類場合常用的的顯示裝置。但習用的投影機體積過大、重量過重而不易攜帶。於是有業者將投影機縮小化、輕量化，甚至整合到智慧型手機或是其它可攜式裝置上。

而此類尺寸小型化投影機的使用環境，通常會離投影牆面很近，所以短焦投影機的概念被發展出來，用以突破這些限制，它能夠在較近的距離投射出較大的畫面，而且這類型投影機的光線照射距離不會過長，因此亮度不需要太亮，有利於節能環保，降低後期維護成本。但是，這類小型化投影機仍有其體積不易縮小且投影高度不足的障礙難以突破，因此發展出可以改善習用技術障礙的技術手段。

本案主要是一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：一第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率，該第一透鏡組中包含有一負焦距之非球面透鏡；一第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組中包含有一正焦距之非球面透鏡且該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定，而該第一透鏡組之焦距f1與該第二透鏡組之焦距f2滿足1.03＜│f2/f1│＜1.43。

根據上述構想，本案所述之成像透鏡裝置，其應用於上之該物面可以是一投影機中之一矽基液晶模組，該像面可以是一投影表面。

根據上述構想，本案所述之成像透鏡裝置，其中該第二透鏡組中更包含有四個球面透鏡，且該正焦距之非球面透鏡最接近該物面。

根據上述構想，本案所述之成像透鏡裝置，其中該負焦距之非球面透鏡與該正焦距之非球面透鏡的材料係為塑料E48R。

根據上述構想，本案所述之成像透鏡裝置，其中該物面係設置於該第二透鏡組中軸線下方一預設偏移距離，而成像於該第一透鏡組中軸線上方的該像面上。

根據上述構想，本案所述之成像透鏡裝置，其中該負焦距之非球面透鏡之剖面為一圓形的上下部切除所形成，上半部切除後的頂部寬度為該圓形直徑的20/29，下半部切除後的底部寬度為該圓形直徑的16.28/29。

本案之另一方面為一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率；第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定，且該物面係位於該第二透鏡組中軸線下方一預設偏移距離，而成像於該第一透鏡組中軸線上方的該像面上。

本案之再一方面則為一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率，該第一透鏡組包含有一負焦距之非球面透鏡，該負焦距之非球面透鏡之剖面為一圓形的上下部切除所形成，上半部切除後的頂部寬度為該圓形直徑的20/29，下半部切除後的底部寬度為該圓形直徑的16.28/29；以及第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定。

本案之又一方面為一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率，該第一透鏡組包含有一負焦距之非球面透鏡，該負焦距之非球面透鏡之剖面為一圓形的上下部切除所形成，上半部切除後的頂部寬度為該圓形直徑的20/29，下半部切除後的底部寬度為該圓形直徑的16.28/29；以及第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定，而該第一透鏡組之焦距f1與該第二透鏡組之焦距f2滿足1.03＜│f2/f1│＜1.43，且該物面係位於該第二透鏡組中軸線下方一預設偏移距離，而成像於該第一透鏡組中軸線上方的該像面上。

本案之最後一方面為一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率，該第一透鏡組包含有一負焦距之非球面透鏡，該負焦距之非球面透鏡之剖面為一圓形的上下部切除所形成；以及第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定，且該物面係位於該第二透鏡組中軸線下方一預設偏移距離，而成像於該第一透鏡組中軸線上方的該像面上。

可以實現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敍述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的申請專利範圍，且其中的說明及圖式在本質上是當作說明之用，而非用以限制本案。

請參見圖1，其為本發明所提出來的微投影機光路結構示意圖，其中光源模組10係為可發出混合有紅綠藍三原色(本例由三色發光二極體(LED)光源所產生)之非單一偏振光，意即為常見可發出混合有”P偏振光”和”S偏振光”兩種偏振類型光的光源。”P偏振光”和”S偏振光”透過陣列透鏡11的處理，使光線及能量得以均勻化後，便送到偏振光轉換器( Polarization Conversion System，簡稱PCS)12來進行轉換，用以將原本混合有P偏振光和S偏振光的光線，盡量轉換成單一偏振光(本案皆以轉換成S偏振光為例進行說明)後於一傳遞路徑上傳送出去。而偏振光轉換器12輸出之光線經過聚光透鏡(Condenser len)13聚光後，再送入偏光分離稜鏡(Polarization Beam. Splitting Prism， PBS)14進行處理。

但為求光線偏振的單一化，本案係於該偏光分離稜鏡14之入射面140之前設有偏振片149，此偏振片149係以反射式偏振片來完成，用以讓該第一偏振類型光沿一第一路徑前進，而讓該第二偏振類型光朝向反射的第二路徑前進。而在本例中，第一偏振類型光與該第二偏振類型光便是上述之S偏振光和P偏振光。至於偏光分離稜鏡14用以接收沿該第一路徑(透射過偏振片149)上的該第一偏振類型光(本例為S偏振光)並導向一第三路徑(圖中是被反射至右邊)，包含有相位延遲片(retarder)150的矽基液晶模組15則是接收沿該第三路徑上的該第一偏振類型光(本例是S偏振光)並進行調變且經反射轉成載有影像的該第二偏振類型光(本例是P偏振光)後穿透該偏光分離稜鏡14後送至成像透鏡裝置16，成像透鏡裝置16接收穿透該偏光分離稜鏡的該第二偏振類型光(本例是P偏振光)而聚焦成像。

而本案的成像透鏡裝置16之較佳實施例示意圖請參見圖2，其主要由六個透鏡161~166所組成，其中透鏡161與透鏡166為非球面透鏡，透鏡162、透鏡163、透鏡164與透鏡165則是球面透鏡。為能讓非球面透鏡容易製作，透鏡161與透鏡166的材料可以選用塑料E48R。而非球面公式為：

係數列表如下：其中S1與S2是透鏡161兩個表面的曲線參數，S1是靠近投影表面S0的表面，而S2是遠離投影表面S0的表面。至於S7是孔徑光柵欄結構。投影表面S0可簡稱像面，而矽基液晶模組15則可簡稱物面S14。

而透鏡162、透鏡163、透鏡164與透鏡165的材料則可以是玻璃。而在透鏡類型的安排上，透鏡161、透鏡162、透鏡164與透鏡165為負焦距的發散型透鏡，透鏡163與透鏡166則正焦距的聚焦型透鏡，而透鏡161本身組成一個具有負折射率的第一透鏡組，至於透鏡162、透鏡163、透鏡164、透鏡165與透鏡166組成一個具有正折射率的第二透鏡組。其中第一透鏡組是靠近投影表面端，而第二透鏡組則是靠近矽基液晶模組15端。本鏡頭組為定焦投影鏡頭組，兩組鏡片的距離固定。當成像透鏡裝置16與投影表面間的距離改變時，透過調整第二透鏡組與矽基液晶模組15端間的距離，便可以使成像清晰。而當本案之成像透鏡裝置16滿足下列條件時，1.03＜│f2/f1│＜1.43，其中f1、f2分別為第一透鏡組、第二透鏡組的焦距，可以讓影像品質達到較佳的狀態。而成像透鏡裝置16中每個透鏡的規格分別如下表所示。其中阿貝數是德國物理學家恩斯特·阿貝發明的物理學參數,也稱"V-數"，用來衡量介質的光線色散程度。光線色散程度越大阿貝數越小，反之光線色散程度越小阿貝數越大。再者，若是讓第一透鏡組、第二透鏡組的焦距比絕對值│f2/f1│的範圍落在1.21＜│f2/f1│＜1.25，將會讓畫面品質更佳。

再參見圖2，為能讓本案的投影畫面達到如圖中所示之畫面位移的效果，也就是將投影畫面往水平線上方位移一高度，方便使用者在桌面上向高處投影，本案以非球面透鏡所完成的透鏡161與透鏡166便扮演重要的角色。其光路示意圖可以參見圖2之所示，物面S14位於中軸線40下方，其光源偏移量為2.3mm。由圖中可以清楚看出，光線通過本案的該等透鏡後回成像於中軸線40上方的投影表面S0，這主要是透過非球面透鏡所完成的透鏡161與透鏡166所達到的效果。如此一來，本案將可以達到將投影畫面往水平線上方位移一個高度的效果，進而達到投影畫面位置產生位移的目的。

再請參見圖3，其係將上述六個透鏡的組立立體分解示意圖，其中表示出六個透鏡161~166及其相關的組裝支撐結構總成169的分解狀態。其中非球面透鏡所完成的透鏡161採用異形設計，是將無效部分縮減而將原本圓形(直徑是29 mm)的鏡片的上下部切除，上半部切除後的頂部寬度TW較大為20mm，下半部切除後的底部寬度BW較小為16.28mm。主要目的是削除6.5 mm的鏡片高度來為降低透鏡總高度到22.5 mm，連帶降低完成的光機模組的厚度。如此完成的透鏡組，其整個透鏡組的投射比小於或等於0.8，光圈F=46.4/29=1.6 (其中46.4是指鏡頭焦距)，可以有效地加大光通量。因此，本案進行透鏡高度縮減的較佳切除比例就是：上半部切除後的頂部寬度為該圓形直徑的20/29，下半部切除後的底部寬度為該圓形直徑的16.28/29。

至於圖4則表示出六個透鏡161~166實際裝配的剖面圖，其中表示出其尺寸大小及彼此之間的間距，可以很清楚看出，其鏡頭組的高度最大僅有22.5 mm，鏡頭組的深度也僅為51.52mm ，因此可以有效地達到尺寸縮減的目的。

本案可運用到微型投影機或其它類似的手持式電子裝置，例如為行動電話(mobile phone)、個人數位助理(personal digital assistant,PDA)、平板電腦(tablet computer)、數位相機(digital camera)、數位攝影機(digital video camera)、可攜式多媒體裝置或其他適當的手持裝置上。而上述的裝置將可以改善投影機厚度問題以及投射角度問題。而且本案所提出的裝置，非常適用於小型化的可攜式電子裝置中，進而達到改善習用技術的效果。

綜上所述，在本發明中，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧光源模組 11‧‧‧陣列透鏡 12‧‧‧偏振光轉換器 13‧‧‧聚光透鏡 14‧‧‧偏光分離稜鏡 15‧‧‧矽基液晶模組 16‧‧‧成像透鏡裝置 40‧‧‧中軸線 140‧‧‧入射面 149‧‧‧偏振片 150‧‧‧相位延遲片 161~166‧‧‧透鏡 169‧‧‧組裝支撐結構總成 S0‧‧‧投影表面 S1~S6、S8~S13‧‧‧透鏡表面 S7‧‧‧孔徑光柵欄結構 S14‧‧‧物面 BW‧‧‧底部寬度 TW‧‧‧頂部寬度

圖1，其為本發明所提出來的微投影機光路結構示意圖。圖2，其係本案所發展出來的成像透鏡裝置的透鏡組合示意圖。圖3，其係成像透鏡裝置中六個透鏡的組立立體分解示意圖。圖4，其係表示出六個透鏡的實際裝配的剖面尺寸示意圖。

無

40‧‧‧中軸線

161~166‧‧‧透鏡

S0‧‧‧投影表面

S1~S6、S8~S13‧‧‧透鏡表面

S7‧‧‧孔徑光柵欄結構

S14‧‧‧物面

Claims

一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：一第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率，該第一透鏡組中包含有一負焦距之非球面透鏡；一第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組中包含有一正焦距之非球面透鏡且該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定，而該第一透鏡組之焦距f1與該第二透鏡組之焦距f2滿足1.03<｜f2/f1｜<1.43。
如申請專利範圍第1項所述之成像透鏡裝置，其應用於上之該物面為一投影機中之一矽基液晶模組，該像面為一投影表面。
如申請專利範圍第1項所述之成像透鏡裝置，其中該第二透鏡組中更包含有四個球面透鏡，且該正焦距之非球面透鏡最接近該物面。
如申請專利範圍第1項所述之成像透鏡裝置，其中該負焦距之非球面透鏡與該正焦距之非球面透鏡的材料係為塑料E48R。
如申請專利範圍第1項所述之成像透鏡裝置，其中該物面係設置於該第二透鏡組中軸線下方一預設偏移距離，而成像於該第一透鏡組中軸線上方的該像面上。
如申請專利範圍第1項所述之成像透鏡裝置，其中該負焦距之非球面透鏡之剖面為一圓形的上下部切除所形成，上半部切除後的頂部寬度為該圓形直徑的20/29，下半部切除後的底部寬度為該圓形直徑的16.28/29。
一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：一第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率，該第一透鏡組包含有一負焦距之非球面透鏡；一第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定，且該物面係位於該第二透鏡組中軸線下方一預設偏移距離，而成像於該第一透鏡組中軸線上方的該像面上。
一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：一第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率，該第一透鏡組包含有一負焦距之非球面透鏡，該負焦距之非球面透鏡之剖面為一圓形的上下部切除所形成，上半部切除後的頂部寬度為該圓形直徑的20/29，下半部切除後的底部寬度為該圓形直徑的16.28/29；以及一第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定。
一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：一第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率，該第一透鏡組包含有一負焦距之非球面透鏡，該負焦距之非球面透鏡之剖面為一圓形的上下部切除所形成，上半部切除後的頂部寬度為該圓形直徑的20/29，下半部切除後的底部寬度為該圓形直徑的16.28/29；以及一第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定，而該第一透鏡組之焦距f1與該第二透鏡組之焦距f2滿足1.03<｜f2/f1｜<1.43，且該物面係位於該第二透鏡組中軸線下方一預設偏移距離，而成像於該第一透鏡組中軸線上方的該像面上。
一種成像透鏡裝置，應用於一物面與一像面之間，其包含：一第一透鏡組，接近該像面，其具有負折射率，該第一透鏡組包含有一負焦距之非球面透鏡，該負焦距之非球面透鏡之剖面為一圓形的上下部切除所形成；以及一第二透鏡組，接近該物面並具有正折射率，該第二透鏡組與該第一透鏡組間之相對距離固定，且該物面係位於該第二透鏡組中軸線下方一預設偏移距離，而成像於該第一透鏡組中軸線上方的該像面上。