TWI890546B - 超短焦投影鏡頭 - Google Patents

Abstract

本發明有關一種超短焦投影鏡頭，包括一第一透鏡組與一第二透鏡組，影像源先藉該第二透鏡組投影成一中間像，該中間像再由該第一透鏡組在螢幕端投影成一最終像，而符合0.23≦TR≦0.45及1.6≦|IMH2|/|IMH1|≦3，TR為該超短焦投影鏡頭的投射比，IMH1為該影像源的最大像高，IMH2為該中間像的最大像高，該第二透鏡組內包括一光圈，該光圈的F/#介於1.6~3.2；藉此，提供一種超短焦投影鏡頭，而具有縮短投影距離且兼顧投影成像品質之功效。

Description

超短焦投影鏡頭

本發明有關一種超短焦投影鏡頭，尤指一種滿足縮短投影距離且兼顧投影成像品質之投影鏡頭設計者。

按，投影機隨著科技的進步不斷創新，從一般焦距投影機至短焦距投影機，亦顯示出投影機在市場上之價值，其應用廣泛，包含多媒體資訊簡報系統、投影電視、家庭電影院、視訊會議等領域的產品，然而近幾年，短焦投影機市場則以應用於教育市場及推廣現代小坪數家庭使用。

次按，投影鏡頭之焦距越長，視場角較小，反之，投影鏡頭之焦距越短，視場角較大，以致光學原理產生之畸變也就越強烈，故短焦投影機在縮短的投影距離時，並不能保證投影成像品質。因此，如何在縮短的投影距離時，也能兼顧投影成像品質，使投影配置調整到最佳化，乃為本發明所欲解決的課題。

本發明之主要目的，欲提供一種超短焦投影鏡頭，而具有縮短投影距離且兼顧投影成像品質之功效。

為達上述功效，本發明之技術特徵，包括一第一透鏡組與一第二透鏡組，影像源先藉該第二透鏡組投影成一中間像，該中間像再由該第一透鏡組在螢幕端投影成一最終像，而符合0.23≦TR≦0.45及1.6≦|IMH2|/|IMH1|≦3， TR為該超短焦投影鏡頭的投射比，IMH1為該影像源的最大像高，IMH2為該中間像的最大像高，該第二透鏡組內包括一光圈，該光圈的F/#介於1.6~3.2。

此外，該第一透鏡組的焦距為F1，符合2.3≦F1/TR/|IMH1|≦3.5；該第二透鏡組的焦距為F2，符合70mm≦|F2|≦300mm，該第二透鏡組靠近像源側的最後透鏡Vd介於16~25。

再者，該第一透鏡組包括一枚凹面朝向像源側的第一非球面透鏡，及一枚凹面朝向成像側的第二非球面透鏡；其中，該第一非球面透鏡為凸凹透鏡或雙凹透鏡，符合1≦CA*TR/|IMH1|≦2.1，CA為該第一非球面透鏡成像側的有效徑；該第二非球面透鏡為凹凸透鏡或凸凹透鏡。

另者，該超短焦投影鏡頭符合6≦ASP*F/#≦10，ASP為該超短焦投影鏡頭的非球面透鏡總數；該超短焦投影鏡頭符合110度≦FOV≦155度，FOV為該超短焦投影鏡頭的最大視場角；該超短焦投影鏡頭更包括一反射元件，該反射元件介於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間，用以改變光軸方向。

10A、10B、20A、20B、30A、30B:超短焦投影鏡頭

11、21、31:第一透鏡組

12、22、32:第二透鏡組

1L1、2L1、3L1:第一透鏡

1L2、2L2、3L2:第二透鏡

1L3、2L3、3L3:第三透鏡

1L4、2L4、3L4:第四透鏡

1L5、2L5、3L5:第五透鏡

1L6、2L6、3L6:第六透鏡

1L7、2L7、3L7:第七透鏡

1L8、2L8、3L8:第八透鏡

1L9、2L9、3L9:第九透鏡

1L10、2L10、3L10:第十透鏡

1L11、2L11、3L11:第十一透鏡

1L12、2L12、3L12:第十二透鏡

1L13、2L13、3L13:第十三透鏡

1L14、2L14、3L14:第十四透鏡

1L15、2L15、3L15:第十五透鏡

1L16、2L16、3L16:第十六透鏡

1L17、2L17、3L17:第十七透鏡

1L18、2L18:第十八透鏡

A:光圈

T:穿透式平順圖像裝置

P:稜鏡

C:蓋板玻璃

IMA:影像源

R:反射元件

圖1A係本發明實施例一A之透鏡配置示意圖。

圖1B係本發明實施例一B之透鏡配置示意圖。

圖1C係本發明實施例一A、一B之橫向光線扇形圖。

圖1D係本發明實施例一A、一B之場曲圖。

圖1E係本發明實施例一A、一B之畸變圖。

圖1F係本發明實施例一A、一B之橫向色差圖。

圖2A係本發明實施例二A之透鏡配置示意圖。

圖2B係本發明實施例二B之透鏡配置示意圖。

圖2C係本發明實施例二A、二B之橫向光線扇形圖。

圖2D係本發明實施例二A、二B之場曲圖。

圖2E係本發明實施例二A、二B之畸變圖。

圖2F係本發明實施例二A、二B之橫向色差圖。

圖3A係本發明實施例三A之透鏡配置示意圖。

圖3B係本發明實施例三B之透鏡配置示意圖。

圖3C係本發明實施例三A、三B之橫向光線扇形圖。

圖3D係本發明實施例三A、三B之場曲圖。

圖3E係本發明實施例三A、三B之畸變圖。

圖3F係本發明實施例三A、三B之橫向色差圖。

首先，請參閱圖1A所示，本發明實施例一A的超短焦投影鏡頭10A包括一第一透鏡組11、一第二透鏡組12以及一穿透式平順圖像裝置(Transmissive Smooth Picture Actuator)T，並在該穿透式平順圖像裝置T之後依序設置一稜鏡P、一蓋板玻璃(Cover Glass)C及一影像源IMA；該第一透鏡組11由成像側至像源側依序具有一第一透鏡1L1、一第二透鏡1L2、一第三透鏡1L3、一第四透鏡1L4、一第五透鏡1L5、一第六透鏡1L6與一第七透鏡1L7，該第二透鏡組12由成像側至像源側依序具有一第八透鏡1L8、一第九透鏡1L9、一第十透鏡1L10、一第十一透鏡1L11、一第十二透鏡1L12、一光圈A、一第十三透鏡1L13、一第十四透鏡1L14、一第十五透鏡1L15、一第十六透鏡1L16、一第十七透鏡1L17與一第十八 透鏡1L18，該光圈A的F/#=2，影像源IMA先藉該第二透鏡組12投影成一中間像，該中間像再由該第一透鏡組11在螢幕端投影成一最終像。

該超短焦投影鏡頭10A的投射比(TR)=0.37，影像源的最大像高(|IMH1|)=14.5，中間像的最大像高(|IMH2|)=35.74，|IMH2|/|IMH1|=2.5；該超短焦投影鏡頭10A的非球面透鏡總數(ASP)=4(第三透鏡1L3、第五透鏡1L5、第七透鏡1L7與第十二透鏡1L12)，ASP*F/#=8；該超短焦投影鏡頭10A的最大視場角(FOV)=130.68。

該第一透鏡組11的焦距(F1)=16.9，F1/TR/|IMH1|=3.1，該第一透鏡組11包括一枚凹面朝向像源側的第一非球面透鏡(第三透鏡1L3)，及一枚凹面朝向成像側的第二非球面透鏡(第五透鏡1L5)，該第一非球面透鏡為凸凹透鏡，該第二非球面透鏡為凸凹透鏡，該第一非球面透鏡成像側的有效徑(CA)=66，CA*TR/|IMH1|=1.7；該第二透鏡組12的焦距(F2)=-130.7，該第二透鏡組12靠近像源側的最後透鏡(第十八透鏡1L18)的Vd=17.94。

此外，請再參閱圖1B所示，本發明實施例一B的超短焦投影鏡頭10B與實施例一A的超短焦投影鏡頭10A的差異，係該超短焦投影鏡頭10B更包括一反射元件R，該反射元件R介於該第一透鏡組11與該第二透鏡組12之間，用以改變光軸方向。

該超短焦投影鏡頭10A、10B的透鏡設計參數如表一A、表一B、表一C所示；其中，1L1R1為第一透鏡(1L1)之成像側表面(R1)，1L1R2為第一透鏡(1L1)之像源側表面(R2)，1L2R1為第二透鏡(1L2)之成像側表面(R1)，1L2R2為第二透鏡(1L2)之像源側表面(R2)，...1L18R1為第十八透鏡(1L18)之成像側表面(R1)，1L18R2為第十八透鏡(1L18)之像源側表面(R2)，其餘類推。

該超短焦投影鏡頭10A、10B以620nm的第一波長(λ1)、546nm的第二波長(λ2)及455nm的第三波長(λ3)，分別可模擬出圖1C之不同橫向光線扇形圖(Transverse Ray Fan Plot)，而在影像源IMA分別呈現0.00mm、2.90mm、5.80mm、8.70mm、11.60mm及14.50mm之不同像高，符號ey、py、ex、px分別表示y軸橫向像差、y軸瞳高、x軸橫向像差、x軸瞳高，其最大刻度±20.000um，產生的像差值控制在(-8um，12um)範圍內；圖1D之場曲(Field Curvature)圖，其最大視場(Maximum Field)為65.333度，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，子午場曲值和弧矢場曲值被控制在(-0.08mm，0.08mm)範圍內；圖1E之畸變(Distortion)圖，其 最大視場為65.333度，畸變量被控制在(-0.4%，0.4%)範圍內；圖1F之橫向色差(Lateral Color)圖，其最大視場(Maximum Field)為14.5000mm，而以波長約0.546微米為參考資料，橫向色差值控制在(-2.0um，2.0um)範圍內。

接著，請參閱圖2A所示，本發明實施例二A的超短焦投影鏡頭20A包括一第一透鏡組21、一第二透鏡組22以及一穿透式平順圖像裝置T，並在該穿透式平順圖像裝置T之後依序設置一稜鏡P、一蓋板玻璃(Cover Glass)C及一影像源IMA；該第一透鏡組21由成像側至像源側依序具有一第一透鏡2L1、一第二透鏡2L2、一第三透鏡2L3、一第四透鏡2L4、一第五透鏡2L5與一第六透鏡2L6，該第二透鏡組22由成像側至像源側依序具有一第七透鏡2L7、一第八透鏡2L8、一第九透鏡2L9、一第十透鏡2L10、一第十一透鏡2L11、一第十二透鏡2L12、一光圈A、一第十三透鏡2L13、一第十四透鏡2L14、一第十五透鏡2L15、一第十六透鏡2L16、一第十七透鏡2L17與一第十八透鏡2L18，該光圈A的F/#=2.8，影像源IMA先藉該第二透鏡組22投影成一中間像，該中間像再由該第一透鏡組21在螢幕端投影成一最終像。

該超短焦投影鏡頭20A的投射比(TR)=0.37，影像源的最大像高(|IMH1|)=15.4，中間像的最大像高(|IMH2|)=34.34，|IMH2|/|IMH1|=2.2；該超短焦投影鏡頭20A的非球面透鏡總數(ASP)=3(第三透鏡2L3、第四透鏡2L4與第六透鏡2L6)，ASP*F/#=8.4；該超短焦投影鏡頭20A的最大視場角(FOV)=122.22。

該第一透鏡組21的焦距(F1)=18.4，F1/TR/|IMH1|=3.2，該第一透鏡組21包括一枚凹面朝向像源側的第一非球面透鏡(第三透鏡2L3)，及一枚凹面朝向成像側的第二非球面透鏡(第四透鏡2L4)，該第一非球面透鏡為凸凹透鏡，該第二非球面透鏡為凹凸透鏡，該第一非球面透鏡成像側的有效徑(CA)=51.6， CA*TR/|IMH1|=1.2；該第二透鏡組22的焦距(F2)=-203.5，該第二透鏡組22靠近像源側的最後透鏡(第十八透鏡2L18)的Vd=17.94。

此外，請再參閱圖2B所示，本發明實施例二B的超短焦投影鏡頭20B與實施例二A的超短焦投影鏡頭20A的差異，係該超短焦投影鏡頭20B更包括一反射元件R，該反射元件R介於該第一透鏡組21與該第二透鏡組22之間，用以改變光軸方向。

該超短焦投影鏡頭20A、20B的透鏡設計參數如表二A、表二B、表二C所示；其中，2L1R1為第一透鏡(2L1)之成像側表面(R1)，2L1R2為第一透鏡(2L1)之像源側表面(R2)，2L2R1為第二透鏡(2L2)之成像側表面(R1)，2L2R2為第二透鏡(2L2)之像源側表面(R2)，…2L18R1為第十八透鏡(2L18)之成像側表面(R1)，2L18R2為第十八透鏡(2L18)之像源側表面(R2)，其餘類推。

表二C

該超短焦投影鏡頭20A、20B以650nm的第一波長(λ1)、620nm的第二波長(λ2)、550nm的第三波長(λ3)、460nm的第四波長(λ4)及440nm的第五波長(λ5)，分別可模擬出圖2C之不同橫向光線扇形圖，而在影像源IMA分別呈現0.00mm、3.06mm、6.12mm、9.18mm、12.24mm及15.30mm之不同像高，符號ey、py、ex、px分別表示y軸橫向像差、y軸瞳高、x軸橫向像差、x軸瞳高，其最大刻度±20.000um，產生的像差值控制在(-8um，8um)範圍內；圖2D之場曲圖，其最大視場為60.958度，曲線T及S分別為子午場曲特性曲線及弧矢場曲特性曲線，子午場曲值和弧矢場曲值被控制在(-0.04mm，0.04mm)範圍內；圖2E之畸變圖，其最大視場為60.958度，畸變量被控制在(-0.4%，0.4%)範圍內；圖2F之橫向色差圖，其最大視場為15.3000mm，而以波長約0.55微米為參考資料，橫向色差值控制在(-2.0um，2.0um)範圍內。

再者，請參閱圖3A所示，本發明實施例三A的超短焦投影鏡頭30A包括一第一透鏡組31、一第二透鏡組32以及一穿透式平順圖像裝置T，並在該穿透式平順圖像裝置T之後依序設置一稜鏡P、一蓋板玻璃(Cover Glass)C及一影像源IMA；該第一透鏡組31由成像側至像源側依序具有一第一透鏡3L1、一第二透鏡3L2、一第三透鏡3L3、一第四透鏡3L4、一第五透鏡3L5與一第六透鏡3L6，該第二透鏡組32由成像側至像源側依序具有一第七透鏡3L7、一第八透鏡3L8、一光圈A、一第九透鏡3L9、一第十透鏡3L10、一第十一透鏡3L11、一第十二透鏡3L12、一第十三透鏡3L13、一第十四透鏡3L14、一第十五透鏡3L15、一第十六透鏡3L16與一第十七透鏡3L17，該光圈A的F/#=1.9，影像源IMA先藉該第二 透鏡組32投影成一中間像，該中間像再由該第一透鏡組31在螢幕端投影成一最終像。

該超短焦投影鏡頭30A的投射比(TR)=0.25，影像源的最大像高(|IMH1|)=8.25，中間像的最大像高(|IMH2|)=16.92，|IMH2|/|IMH1|=2.1；該超短焦投影鏡頭30A的非球面透鏡總數(ASP)=4(第一透鏡3L1、第三透鏡3L3、第六透鏡3L6與第十透鏡3L10)，ASP*F/#=7.6；該超短焦投影鏡頭30A的最大視場角(FOV)=143.8。

該第一透鏡組31的焦距(F1)=5.4，F1/TR/|IMH1|=2.6，該第一透鏡組31包括一枚凹面朝向像源側的第一非球面透鏡(第一透鏡3L1)，及一枚凹面朝向成像側的第二非球面透鏡(第三透鏡3L3)，該第一非球面透鏡為雙凹透鏡，該第二非球面透鏡為凹凸透鏡，該第一非球面透鏡成像側的有效徑(CA)=62.3，CA*TR/|IMH1|=1.9；該第二透鏡組32的焦距(F2)=102.0，該第二透鏡組32靠近像源側的最後透鏡(第十七透鏡3L17)的Vd=18.90。

此外，請再參閱圖3B所示，本發明實施例三B的超短焦投影鏡頭30B與實施例三A的超短焦投影鏡頭30A的差異，係該超短焦投影鏡頭30B更包括一反射元件R，該反射元件R介於該第一透鏡組31與該第二透鏡組32之間，用以改變光軸方向。

該超短焦投影鏡頭30A、30B的透鏡設計參數如表三A、表三B、表三C、表三D所示；其中，3L1R1為第一透鏡(3L1)之成像側表面(R1)，3L1R2為第一透鏡(3L1)之像源側表面(R2)，3L2R1為第二透鏡(3L2)之成像側表面(R1)，3L2R2為第二透鏡(3L2)之像源側表面(R2)，…3L17R1為第十七透鏡(3L17)之成像側表面(R1)，3L17R2為第十七透鏡(3L17)之像源側表面(R2)，其餘類推。

該超短焦投影鏡頭30A以630nm的第一波長(λ1)、540nm的第二波長(λ2)及450nm的第三波長(λ3)，分別可模擬出圖3C之不同橫向光線扇形圖，而在影像源IMA分別呈現0.5840mm、1.6500mm、3.2990mm、4.9490mm、6.5990mm及8.2490mm之不同像高，符號ey、py、ex、px分別表示y軸橫向像差、y軸瞳高、x軸橫向像差、x軸瞳高，其最大刻度±20.000um，產生的像差值控制在(-20um，12um)範圍內；圖3D之場曲圖，其最大視場為71.899度，曲線T及S分別為子午場曲特性曲線及弧矢場曲特性曲線，子午場曲值和弧矢場曲值被控制在(-0.04mm，0.04mm)範圍內；圖3E之畸變圖，其最大視場為71.899度，畸變量被控制在(0，6%)範圍內；圖3F之橫向色差圖，其最大視場為8.2490mm，而以波長約0.54微米為參考資料，橫向色差值控制在(-2um，3um)範圍內。

基於如是之構成，本發明藉由上述模擬曲線及數據，可證明得以滿足縮短投影距離之需求，同時令超短焦投影鏡頭10A、10B、20A、20B、30A、30B的像差、場曲、畸變及橫向色差都能被控制在較小的範圍內；是以，本發明具有縮短投影距離且兼顧投影成像品質之功效。

綜上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請 鈞局惠賜專利，以勵發明，無任德感。

惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技術人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。

10A:超短焦投影鏡頭

11:第一透鏡組

12:第二透鏡組

1L1:第一透鏡

1L2:第二透鏡

1L3:第三透鏡

1L4:第四透鏡

1L5:第五透鏡

1L6:第六透鏡

1L7:第七透鏡

1L8:第八透鏡

1L9:第九透鏡

1L10:第十透鏡

1L11:第十一透鏡

1L12:第十二透鏡

1L13:第十三透鏡

1L14:第十四透鏡

1L15:第十五透鏡

1L16:第十六透鏡

1L17:第十七透鏡

1L18:第十八透鏡

A:光圈

T:穿透式平順圖像裝置

P:稜鏡

C:蓋板玻璃

IMA:影像源

Claims (9)

1. 一種超短焦投影鏡頭，包括一第一透鏡組與一第二透鏡組，影像源先藉該第二透鏡組投影成一中間像，該中間像再由該第一透鏡組在螢幕端投影成一最終像，而符合0.23≦TR≦0.45及1.6≦|IMH2|/|IMH1|≦3，TR為該超短焦投影鏡頭的投射比，IMH1為該影像源的最大像高，IMH2為該中間像的最大像高，該第二透鏡組內包括一光圈，該光圈的F/#介於1.6~3.2。
2. 如請求項1所述之超短焦投影鏡頭，其中，該第一透鏡組的焦距為F1，符合2.3≦F1/TR/|IMH1|≦3.5。
3. 如請求項1所述之超短焦投影鏡頭，其中，該第一透鏡組包括一枚凹面朝向像源側的第一非球面透鏡，及一枚凹面朝向成像側的第二非球面透鏡。
4. 如請求項3所述之超短焦投影鏡頭，其中，該第一非球面透鏡為凸凹透鏡或雙凹透鏡，符合1≦CA*TR/|IMH1|≦2.1，CA為該第一非球面透鏡成像側的有效徑；該第二非球面透鏡為凹凸透鏡或凸凹透鏡。
5. 如請求項1所述之超短焦投影鏡頭，其中，該第二透鏡組的焦距為F2，符合70mm≦|F2|≦300mm。
6. 如請求項1所述之超短焦投影鏡頭，其中，該第二透鏡組靠近像源側的最後透鏡Vd介於16~25。
7. 如請求項1所述之超短焦投影鏡頭，其中，該超短焦投影鏡頭符合6≦ASP*F/#≦10，ASP為該超短焦投影鏡頭的非球面透鏡總數。
8. 如請求項1所述之超短焦投影鏡頭，其中，該超短焦投影鏡頭符合110度≦FOV≦155度，FOV為該超短焦投影鏡頭的最大視場角。
9. 如請求項1至8任一項所述之超短焦投影鏡頭，其中，該超短焦投影鏡頭更包括一反射元件，該反射元件介於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間，用以改變光軸方向。