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CN112578543B - 变焦投影镜头及投影机 - Google Patents

变焦投影镜头及投影机 Download PDF

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CN112578543B
CN112578543B CN201910930792.5A CN201910930792A CN112578543B CN 112578543 B CN112578543 B CN 112578543B CN 201910930792 A CN201910930792 A CN 201910930792A CN 112578543 B CN112578543 B CN 112578543B
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Abstract

本发明提供一种变焦投影镜头及投影机。变焦投影镜头包括从屏幕端至影像源端沿着光轴依序排列的第一透镜群以及第二透镜群。第一透镜群具有负屈光度且包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第二透镜群具有正屈光度且包括第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜以及第十二透镜。第一透镜至第十二透镜从屏幕端至影像源端沿着光轴依序排列，且第一透镜至第十二透镜的屈光度依序为负、负、正、正、正、负、负、正、正、负、正及正。本发明的变焦投影镜头以及投影机可兼顾光学成像品质、成本与组装难易度。

Description

变焦投影镜头及投影机
技术领域
本发明涉及一种投影镜头及使用其的投影机，且特别是有关于一种变焦投影镜头及使用其的投影机。
背景技术
目前的变焦投影镜头有朝低成本、高分辨率、高倍变焦的设计趋势发展。在竞争激烈的市场中，各家厂商皆努力于设计出合适的镜头架构以减轻其成本、体积与重量，同时又要能保有变焦与高分辨率的功能。为达到上述需求，减少非球面镜片的使用、减少透镜群数与镜片数量，皆是可行。
在高分辨率变焦投影镜头的设计上，通常会借由增加透镜群或非球面镜片的数量来降低像差，但此种设计导致成本增加以及组装困难。因此，如何兼顾光学成像品质、成本与组装难易度，便成为研发重点之一。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所公开的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所记载的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种变焦投影镜头以及投影机，其可兼顾光学成像品质、成本与组装难易度。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所记载的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述的一个或部分或全部目的或是其他目的，本发明的实施例提供一种变焦投影镜头，其包括从屏幕端至影像源端沿着光轴依序排列的第一透镜群以及第二透镜群。第一透镜群具有负屈光度且包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第二透镜群具有正屈光度且包括第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜以及第十二透镜。第一透镜至第十二透镜从屏幕端至影像源端沿着光轴依序排列，且第一透镜至第十二透镜的屈光度依序为负、负、正、正、正、负、负、正、正、负、正及正。
为达上述的一个或部分或全部目的或是其他目的，本发明的实施例提供一种投影机，其包括影像源以及变焦投影镜头。影像源提供影像光束。变焦投影镜头位于影像光束的传递路径上，用以将影像光束投射至屏幕并形成投影画面。变焦投影镜头包括从屏幕端至影像源端沿着光轴依序排列的第一透镜群以及第二透镜群。屏幕位于屏幕端。影像源位于影像源端。第一透镜群具有负屈光度且包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第二透镜群具有正屈光度且包括第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜以及第十二透镜。第一透镜至第十二透镜以及影像源从屏幕端至影像源端沿着光轴依序排列，且第一透镜至第十二透镜的屈光度依序为负、负、正、正、正、负、负、正、正、负、正及正。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的变焦投影镜头以及投影机的实施例中，变焦投影镜头利用十二个透镜组成两个透镜群，并透过调整两个透镜群的相对位置来实现变焦功能。因此，本发明的变焦投影镜头以及投影机可兼顾光学成像品质、成本与组装难易度。
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，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1及图2分别是本发明的一实施例的投影机在广角端(wide-end)及望远端(tele-end)的示意图。
图3A及图3B分别是本发明的一实施例的投影机在广角端及望远端的调制转换函数(Modulation Transfer Function,MTF)曲线图。
图4至图6分别是本发明的一实施例的投影机的横向色差(lateral coloraberration)图、像散场曲(astigmatic field curvature)图及畸变(distortion)图。
图7A至图7H分别是本发明的一实施例的投影机的光束扇形图(ray fan plot)。
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较佳实施例的详细说明中，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及图2分别是本发明的一实施例的投影机1在广角端及望远端的示意图。广角端与望远端是指同一变焦投影镜头中，将焦距调整到最长与最短的状况。
请参照图1，投影机1包括影像源10以及变焦投影镜头11。影像源10提供影像光束(未绘示)。举例来说，影像源10可以是数字微镜元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)、硅基液晶面板(Liquid-Crystal-On-Silicon panel,LCOS panel)或其他适当的空间光调变器(Spatial Light Modulator,SLM)，但不局限于此。变焦投影镜头11位于影像光束的传递路径上，用以将影像光束投射至屏幕(未绘示)并形成投影画面。屏幕可以是布幕、墙壁或是其他可成像的物件。
变焦投影镜头11包括从屏幕端E1至影像源端E2沿着光轴I依序排列的第一透镜群G1以及第二透镜群G2。屏幕位于屏幕端E1。影像源10位于影像源端E2。换句话说，来自影像源10的影像光束依序经由第二透镜群G2及第一透镜群G1而投射至可成像的物件(例如屏幕)上。
第一透镜群G1具有负屈光度且第二透镜群G2具有正屈光度。第一透镜群G1的屈光度为负有助于提升收光效果且较易于光路设计与透镜制作。第二透镜群G2的屈光度为正可具有较佳的聚光能力，而有助于提升投影画面的解析度。
第一透镜群G1包括第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3。第二透镜群G2包括第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11以及第十二透镜L12。第一透镜L1至第十二透镜L12以及影像源10从屏幕端E1至影像源端E2沿着光轴I依序排列，且第一透镜L1至第十二透镜L12的屈光度依序为负、负、正、正、正、负、负、正、正、负、正及正。
举例来说，第二透镜L2可为双凹透镜。第三透镜L3可为凸面(如表面S5)朝向屏幕端E1的凹凸透镜。第四透镜L4可为双凸透镜。第五透镜L5可为双凸透镜。第六透镜L6可为双凹透镜。第七透镜L7可为双凹透镜。第八透镜L8可为双凸透镜。第九透镜L9可为双凸透镜。第十透镜L10可为双凹透镜。第十一透镜L11可为双凸透镜。第十二透镜L12可为凸面(如表面S23)朝向屏幕端E1的平凸透镜。然而，各透镜的面型可依需求改变而不局限于此。
在本实施例中，变焦投影镜头11具有十二片透镜，且变焦投影镜头11中的透镜的总数例如为十二，其中第一透镜L1为十二片透镜中最靠近屏幕端E1的透镜，且第十二透镜L12为十二片透镜中最靠近影像源端E2的透镜。第一透镜L1可为塑胶非球面透镜，如此，除了有助于修正像差(如球面像差、彗形像差、像散场曲或畸变等)之外，还有助于缩减第一透镜L1的直径，从而可缩减变焦投影镜头11的重量、体积及制作成本。此外，第二透镜L2至第十二透镜L12可皆为球面透镜，如玻璃或塑胶制的球面透镜，以降低变焦投影镜头11的制作成本。在本实施例中，第二透镜L2至第十二透镜L12可皆为玻璃制的球面透镜。
第二透镜群G2可包括三组双胶合透镜，且三组双胶合透镜的屈光度从屏幕端E1至影像源端E2例如依序为正、正及负。举例来说，第五透镜L5及第六透镜L6可形成第一组双胶合透镜。第七透镜L7及第八透镜L8可形成第二组双胶合透镜。第九透镜L9及第十透镜L10可形成第三组双胶合透镜。借由三组双胶合透镜的设计，除了有助于修正像差之外，还有助于缩减第二透镜群G2的总长度，从而可进一步缩减变焦投影镜头11的体积。
在变焦投影镜头11中，第一透镜群G1与第二透镜群G2任一者中的任两相邻的透镜之间的距离为定值，亦即第一透镜群G1与第二透镜群G2任一者中的任两相邻的透镜之间的距离不随变焦投影镜头11之焦距的改变而变化。具体地，在第一透镜群G1中，第一透镜L1与第二透镜L2之间的距离是固定的，且第二透镜L2与第三透镜L3之间的距离是固定的。此外，在第二透镜群G2中，第四透镜L4与第五透镜L5之间的距离是固定的，第五透镜L5与第六透镜L6之间的距离是固定的，第六透镜L6与第七透镜L7之间的距离是固定的，第七透镜L7与第八透镜L8之间的距离是固定的，第八透镜L8与第九透镜L9之间的距离是固定的，第九透镜L9与第十透镜L10之间的距离是固定的，第十透镜L10与第十一透镜L11之间的距离是固定的，且第十一透镜L11与第十二透镜L12之间的距离是固定的。上述距离是指两相邻透镜中心在光轴I上的直线距离。
另一方面，第一透镜群G1与可成像的物件(例如屏幕)之间的距离、第一透镜群G1与第二透镜群G2之间的距离以及第二透镜群G2与影像源10之间的距离是可变的。具体地，第一透镜群G1用于在屏幕端E1与影像源端E2之间沿着光轴I移动，以使变焦投影镜头11进行调焦。此外，第二透镜群G2用于在屏幕端E1与影像源端E2之间沿着光轴I移动，以调整投影画面的尺寸。
另外，变焦投影镜头11可满足：1.2<|dt/dw|<2.5，其中dt为变焦投影镜头11在望远端时第二透镜群G2与影像源10之间的距离，且dw为变焦投影镜头11在广角端时第二透镜群G2与影像源10之间的距离。借由上述设计，可有效控制投影画面的尺寸以及清晰度。
依据不同的需求，变焦投影镜头11可进一步包括其他元件。举例来说，变焦投影镜头11可包括光阑ST。光阑ST例如设置在第十透镜L10与第十一透镜L11之间，以利于出瞳(exit pupil)的设计并达到所需的变焦能力。
变焦投影镜头11也可包括平板玻璃致动器12。平板玻璃致动器12可设置在第二透镜群G2与影像源10之间。利用平板玻璃致动器12在固定位置处以转轴(未绘示)为中心轴来回震荡，且转轴例如与光轴I相互垂直，有助于提升投影画面的解析度。
变焦投影镜头11还可包括玻璃盖13。玻璃盖13可设置在平板玻璃致动器12与影像源10之间且覆盖于影像源10，以保护影像源10并防止灰尘沾附在影像源10上。
表一至表三列出变焦投影镜头11的一较佳实施例的数据资料。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，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明的范畴内。
在表一中，“距离”是指相邻两表面之间在光轴I上的距离。举例来说，对应第一透镜L1的表面S1的距离是指表面S1与第一透镜L1的表面S2之间在光轴I上的距离。另外，由于第五透镜L5与第六透镜L6为一组(第一组)双胶合透镜，因此第五透镜L5的表面S10与第六透镜L6的表面S11具有相同的曲率半径，且表面S10与表面S11之间在光轴I上的距离为零，故表一省略示出第五透镜L5的表面S10。同理，第七透镜L7与第八透镜L8为一组(第二组)双胶合透镜，且第九透镜L9与第十透镜L10为一组(第三组)双胶合透镜，故表一省略示出第七透镜L7的表面S14及第九透镜L9的表面S18。
表一
Figure BDA0002220248400000061
Figure BDA0002220248400000071
在表一中，第一透镜L1的表面S1与表面S2为非球面，而其余透镜的表面(表面S3至表面S24)皆为球面。非球面的公式如下所示：
Figure BDA0002220248400000072
在上式中，X为光轴方向的偏移量(sag)。R是密切球面(osculating sphere)的半径，也就是接近光轴处的曲率半径(如表一所列的曲率半径)。k是二次曲面系数(conic)。Y是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度，而系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16为非球面系数(aspheric coefficient)。表二列出第一透镜L1的表面S1与表面S2的参数值。
表二
S1 S2
k 2.074 3.044
A<sub>4</sub> 3.87E-05 4.55E-05
A<sub>6</sub> -1.09E-07 -7.92E-08
A<sub>8</sub> 3.25E-10 -9.32E-11
A<sub>10</sub> -7.51E-13 3.86E-12
A<sub>12</sub> 1.18E-15 -2.60E-14
A<sub>14</sub> -1.09E-18 8.23E-17
A<sub>16</sub> 4.42E-22 -1.08E-19
表三列出表一中各可变的距离在广角端及望远端的实例。在表三中，各数值的单位为毫米(millimeter,mm)。
表三
广角端 望远端
距离D1 32 5.8
距离D2 17 24.6
在本实施例中，变焦投影镜头11为非远心系统，且变焦投影镜头11的F数(f-number)可小于1.9。相较于现有的变焦投影镜头，本实施例的变焦投影镜头11可具有较大的光圈(高出光效率)。
图3A及图3B分别是本发明的一实施例的投影机在广角端及望远端的调制转换函数曲线图。图4至图6分别是本发明的一实施例的投影机的横向色差图、像散场曲图及畸变图。图7A至图7H分别是本发明的一实施例的投影机的光束扇形图。在图3A至图7H中，皆是以波长为400nm、460nm、550nm、600nm及680nm所作的模拟。在图3A及图3B中，空间频率(spatial frequency)为93.0000cycles/mm，其中TS0.0000mm是影像源的物高在光轴上的光学传递函数曲线，TS 3.0000mm是影像源的物高的0.375倍的光学传递函数曲线，TS4.0000mm是影像源的物高的0.5倍的光学传递函数曲线，且TS 6.756mm是影像源的物高的0.8倍的光学传递函数曲线。在图5中，多条曲线T分别表示不同波长的光在子午(tangential)方向上的像散场曲，而多条曲线S分别表示不同波长的光在弧矢(sagittal)方向上的像散场曲。在图7A至图7H中，ey轴及ex轴的最大刻度与最小刻度为±70μm，而Py轴及Px轴的最大刻度与最小刻度为±1μm。图3A至图7H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投影机1可表现出良好的成像品质。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的变焦投影镜头以及投影机的实施例中，变焦投影镜头利用十二个透镜组成两个透镜群，并透过调整两个透镜群的相对位置来实现变焦功能。因此，本发明的变焦投影镜头以及投影机可兼顾光学成像品质、成本与组装难易度。
此外，第一透镜可为塑胶非球面透镜，以降低制作成本，并维持光学成像品质。另外，借由将光阑设置在第十透镜与第十一透镜之间，有助于出瞳的设计并利于达到所需的变焦能力。第一透镜群的屈光度为负有助于提升收光效果且较易于设计与制作。第二透镜群的屈光度为正可具有较佳的聚光能力，而有助于提升投影画面的解析度。借由使第二透镜至第十二透镜皆为球面透镜，有助于降低变焦投影镜头整体的制作成本。借由形成三组双胶合透镜，除了有助于修正像差之外，还有助于缩减第二透镜群的总长度，从而可进一步缩减变焦投影镜头的体积。在一实施例中，还可借由调整变焦投影镜头在望远端时第二透镜群与影像源之间的距离(dt)与变焦投影镜头在广角端时第二透镜群与影像源之间的距离(dw)的比值，来有效控制投影画面的尺寸以及清晰度。在一实施例中，还可借由平板玻璃致动器的设置，来提升投影画面的解析度。在一实施例中，还可借由玻璃盖的设置，来保护影像源并防止灰尘沾附在影像源上。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依本发明权利要求书及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一个实施例或权利要求不须达成本发明所记载的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是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。

Claims (18)

1.一种变焦投影镜头，其特征在于，所述变焦投影镜头由从屏幕端至影像源端沿着光轴依序排列的第一透镜群以及第二透镜群所组成，其中所述第一透镜群由三个透镜所组成，所述第一透镜群具有负屈光度且包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第二透镜群具有正屈光度且包括第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜以及第十二透镜，所述第一透镜至所述第十二透镜从所述屏幕端至所述影像源端沿着所述光轴依序排列，且所述第一透镜至所述第十二透镜的屈光度依序为负、负、正、正、正、负、负、正、正、负、正及正，其中透过调整所述第一透镜群以及所述第二透镜群于所述光轴上的相对位置，以使所述变焦投影镜头进行变焦，
其中，所述第一透镜群用于在所述屏幕端以及所述影像源端之间沿着所述光轴移动，以使所述变焦投影镜头进行调焦，且所述第二透镜群用于在所述屏幕端以及所述影像源端之间沿着所述光轴移动，以调整投影画面的尺寸，
其中，所述第五透镜和所述第六透镜形成第一组双胶合透镜，所述第七透镜和所述第八透镜形成第二组双胶合透镜，并且所述第九透镜和所述第十透镜形成第三组双胶合透镜。
2.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，所述变焦投影镜头满足：
1.2<|dt/dw|<2.5，
其中dt为所述变焦投影镜头在望远端时所述第二透镜群与影像源之间的距离，且dw为所述变焦投影镜头在广角端时所述第二透镜群与所述影像源之间的距离。
3.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，还包括：
光阑，其设置在所述第十透镜与所述第十一透镜之间。
4.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，所述三组双胶合透镜的屈光度从所述屏幕端至所述影像源端依序为正、正及负。
5.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，所述第一透镜为塑胶非球面透镜。
6.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，所述第二透镜为双凹透镜，所述第三透镜为凸面朝向所述屏幕端的凹凸透镜，所述第四透镜为双凸透镜，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜为双凹透镜，所述第七透镜为双凹透镜，所述第八透镜为双凸透镜，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为双凹透镜，所述第十一透镜为双凸透镜，且所述第十二透镜为凸面朝向所述屏幕端的双凸透镜。
7.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，所述变焦投影镜头为非远心系统。
8.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，还包括：
平板玻璃致动器，其中所述第二透镜群设置在所述第一透镜群与所述平板玻璃致动器之间。
9.根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，所述变焦投影镜头的F数小于1.9。
10.一种投影机，其特征在于，所述投影机包括影像源以及变焦投影镜头，其中：
所述影像源提供影像光束；以及
所述变焦投影镜头位于所述影像光束的传递路径上，用以将所述影像光束投射至屏幕并形成投影画面，所述变焦投影镜头由从屏幕端至影像源端沿着光轴依序排列的第一透镜群以及第二透镜群所组成，所述屏幕位于所述屏幕端，所述影像源位于所述影像源端，其中所述第一透镜群由三个透镜所组成，所述第一透镜群具有负屈光度且包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第二透镜群具有正屈光度且包括第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜以及第十二透镜，所述第一透镜至所述第十二透镜以及所述影像源从所述屏幕端至所述影像源端沿着所述光轴依序排列，且所述第一透镜至所述第十二透镜的屈光度依序为负、负、正、正、正、负、负、正、正、负、正及正，其中透过调整所述第一透镜群以及所述第二透镜群于所述光轴上的相对位置，以使所述变焦投影镜头进行变焦，其中，所述第一透镜群用于在所述屏幕端以及所述影像源端之间沿着所述光轴移动，以使所述变焦投影镜头进行调焦，且所述第二透镜群用于在所述屏幕端以及所述影像源端之间沿着所述光轴移动，以调整所述投影画面的尺寸，
其中，所述第五透镜和所述第六透镜形成第一组双胶合透镜，所述第七透镜和所述第八透镜形成第二组双胶合透镜，并且所述第九透镜和所述第十透镜形成第三组双胶合透镜。
11.根据权利要求10所述的投影机，其特征在于，所述变焦投影镜头满足：
1.2<|dt/dw|<2.5，
其中dt为所述变焦投影镜头在望远端时所述第二透镜群与所述影像源之间的距离，且dw为所述变焦投影镜头在广角端时所述第二透镜群与所述影像源之间的距离。
12.根据权利要求10所述的投影机，其特征在于，所述变焦投影镜头还包括：
光阑，其设置在所述第十透镜与所述第十一透镜之间。
13.根据权利要求10所述的投影机，其特征在于，所述三组双胶合透镜的屈光度从所述屏幕端至所述影像源端依序为正、正及负。
14.根据权利要求10所述的投影机，其特征在于，所述第一透镜为塑胶非球面透镜。
15.根据权利要求10所述的投影机，其特征在于，所述第二透镜为双凹透镜，所述第三透镜为凸面朝向所述屏幕端的凹凸透镜，所述第四透镜为双凸透镜，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜为双凹透镜，所述第七透镜为双凹透镜，所述第八透镜为双凸透镜，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为双凹透镜，所述第十一透镜为双凸透镜，且所述第十二透镜为凸面朝向所述屏幕端的双凸透镜。
16.根据权利要求10所述的投影机，其特征在于，所述变焦投影镜头为非远心系统。
17.根据权利要求10所述的投影机，其特征在于，所述变焦投影镜头还包括：
平板玻璃致动器，其设置在所述第二透镜群与所述影像源之间。
18.根据权利要求10所述的投影机，其特征在于，所述变焦投影镜头的F数小于1.9。
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