专利名称：定焦镜头的制作方法
定焦镜头
技术领域：
本发明是关于一种镜头，特别是关于一种定焦镜头(fixed-focuslens)。背景技术：
近年来，数位显示装置，例如液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、数位微 显示器(Digital Light Processing,DLP)与电菜显示器(Plasma Display Panel，PDP)等 已逐渐取代传统的阴极射线管(Cathode RayTube, CRT)而为新一代显示装置所广泛应用。 由于数位影像讯号传输及处理有不失真和清晰等特性，因此将数位显示装置应用在投影显 示装置(例如数位背投影显示装置)更是时势所趋。然而，应用于投影显示装置的定焦镜 头对光学设计者而言，存在诸多的挑战。举例而言，一般投影显示装置为了达成良好的成像品质，其定焦镜头通常具有低 畸变像差、高解析度、高对比度以及均勻的画面照度等特性。此外，这些高品质的投影显示 装置除了具有良好的成像品质之外，最好还能具有较大的视场角，以满足小空间可投影大 画面的需求。另外，为了提升光源的利用率以及投影画面照度的均勻性，于定焦镜头的缩小 侧的主光线与其光轴要愈接近平行愈好，也就是说其缩小侧的主光线相对于光轴的远心角 (telecentric angle)要愈小愈好。然而，一般习知的定焦镜头为了满足其缩小侧的主光线与光轴接近平行的条件， 反而会增加定焦镜头的长度以及其镜片的大小，而无法达到缩短镜头长度的目的。再者，为 了降低定焦镜头的畸变像差，会牵制其使用透镜的数目，且会限制其成像的视场角，以至于 投影显示装置无法满足小空间可投影大画面的需求。此外，习知的定焦镜头一般都会采用 非球面透镜(aspheric lens)以修正像差，来达到低畸变像差、高解析度、高对比度以及均 勻的画面照度等特性。然而，非球面透镜较难制造且成本较高，这些都会使定焦镜头的成本 难以降低。
发明内容本发明提供一种定焦镜头，其兼具较低成本与较佳的光学特性。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。为达上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本发明提出一种定焦镜头，其包 括一第一透镜群、一第二透镜群及一第三透镜群。第一透镜群配置于一放大侧与一缩小侧 之间，且具有正屈光度。第一透镜群包括从放大侧往缩小侧依序排列的一第一透镜、一第二 透镜及一第三透镜。其中，第一透镜为定焦镜头中最靠近放大侧的透镜，且第一透镜的朝向 放大侧的一第一表面为一凹面。第二透镜群配置于第一透镜群与缩小侧之间，且具有正屈 光度。第二透镜群包括从放大侧往缩小侧依序排列的一第四透镜、一第五透镜及一第六透 镜。第三透镜群配置于第二透镜群与缩小侧之间，且具有正屈光度。第三透镜群包括一第 七透镜。其中，第二透镜群中最靠近缩小侧的透镜表面为一第二表面，第三透镜群中最靠近 放大侧的透镜表面为一第三表面。定焦镜头的总长为L，第二表面至第三表面的距离为L1,且定焦镜头符合0. 1 < L1A < 0. 5。所述本发明的定焦镜头，定焦镜头的有效焦距为f，第一透镜群的有效焦距为
而定焦镜头符合0. 3 < f/f < 0. 9。定焦镜头的有效焦距为f，第三透镜群的有效焦距为 f3，而定焦镜头可符合0. 8 < f3/f < 2。第四透镜的朝向缩小侧的表面的曲率半径为R，定 焦镜头的有效焦距为f，而定焦镜头可符合0. 2 < R/f < 1。第三透镜的朝向放大侧及缩小 侧的表面分别为一第四表面及一第五表面，第四透镜的朝向放大侧的表面为一第六表面， 第五透镜的朝向缩小侧的表面为一第七表面，第五表面至第六表面的距离为L2，第四表面 至第七表面的距离为L3，而定焦镜头可符合0. 2 < L2A3 < 0. 5。所述本发明的定焦镜头，第一透镜群为一负畸变型透镜群，而第二透镜群为一正 畸变型透镜群。所述本发明的定焦镜头，第一透镜、第二透镜及第三透镜的屈光度依序例如为负、 正、正。第四透镜、第五透镜及第六透镜的屈光度依序例如为负、正、正。第七透镜的正屈光 度例如为正。所述本发明的定焦镜头，定焦镜头更包括一内部全反射棱镜，其中内部全反射棱 镜承靠第七透镜，并位于第二透镜群与第三透镜群之间。基于上述，本发明的定焦镜头采用七片球面透镜即可修正像差，达到良好的成像 品质，因此具有较低的成本与较佳的光学特性。另外，在定焦镜头中最靠近放大侧的透镜， 其朝向放大侧的表面为一凹面，可增加镜头的视场角。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，并配合所附图式 作详细说明如下。
图1为本发明的一实施例的定焦镜头的结构示意图。
图2A至图2C为图1的定焦镜头100的成像光学模拟数据图。
图3为本发明的另一实施例的定焦镜头的结构示意图。
60 影像处理元件、光阀
70 玻璃.ΓΤΠ
100,300 /S ^lj
110,310第一透镜群
120,320第二透镜群
130,330第三透镜群、第七透镜
112,312第一透镜
114,314第二透镜
116,316第三透镜
122,322第四透镜
124,324第五透镜
126,326第六透镜
340:内部全反射棱镜
350 孔径光阑
4
A:光轴Sl S19 表面LL1-L3 间距
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，在以下配合参考图式的一较佳 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」、 「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明， 而非用来限制本发明。图1为本发明的一实施例的定焦镜头的结构示意图。请参照图1，本实施例的定焦 镜头100配置于一放大侧与一缩小侧之间，且包括从放大侧往缩小侧依序排列的一第一透 镜群110、一第二透镜群120及一第三透镜群130。在本实施例中，第一透镜群110、第二透 镜群120及第三透镜群130的屈光度皆为正。详细来说，第一透镜群110包括从放大侧往缩小侧依序排列的一第一透镜112、一 第二透镜114及一第三透镜116，其屈光度依序例如为负、正、正。第二透镜群120包括从 放大侧往缩小侧依序排列的一第四透镜122、一第五透镜124及一第六透镜126，其屈光度 依序例如为负、正、正。在此，第三透镜群130由一第七透镜130所组成，且其屈光度例如为 正。具体而言，在本实施例中，第一透镜112为一双凹透镜，第二透镜114及第三透镜116 各为一双凸透镜，第四透镜122为一双凹透镜，第五透镜124为一凸面朝向缩小侧的凹凸透 镜，第六透镜126为一凸面朝向放大侧的凹凸透镜，且第七透镜130为一凸面朝向缩小侧的 平凸透镜。另外，在本实施例中，组成定焦镜头100的七片透镜皆为球面透镜。一般而言，缩小侧可设置有一影像处理元件60 (image processingdevice)。在 本实施例中，影像处理元件60例如是光阀(light valve)，而光阀例如为一数位微镜元件 (digital micro-mirror device, DMD) > 一 基液晶面板(liquid-crystal-on-siIicon panel, LCOS panel) gJc 一 ^ ζ ^ Ih M IS- (transmissive liquid crystal panel, transmissive IXD)。此外，在本实施例中，定焦镜头100适于将影像处理元件60所提供的 影像成像于放大侧。在本实施例中，第一透镜112为定焦镜头100中最靠近放大侧的透镜，且第一透镜 112的朝向放大侧的表面Sl为一凹面，以达到增加视场角的目的。如此一来，可避免为了维 持广视角以及修正像差，而造成第二透镜114的表面S4及第三透镜116的表面S5的曲率 半径太小，增加镜片制作的困难度。此外，为了确保光学成像品质，在本实施例中可使定焦 镜头100满足下列条件一0. 3 < fjf < 0. 9 (条件一)其中f为定焦镜头100的有效焦距，为第一透镜群110的有效焦距。另外，表面 Sl为凹面会造成影像负畸变，且表面Sl的曲率半径越小，造成影像负畸变的程度越大。因 此，为了降低影像负畸变的程度，在本实施例中，第二透镜群120设计为正畸变型透镜群， 以补偿第一透镜群110对影像所产生的负畸变。据此，在本实施例中，定焦镜头100可满足 下列条件二0. 2 < R/f < 0. 1 (条件二)
其中R为第四透镜122的表面S8的曲率半径。由条件二可知，若R/f > 0. 1，则 代表第四透镜122对影像所产生的正畸变不足以补偿第一透镜群110对影像所产生的负畸 变。相反地，若R/f < 0. 2，则代表第四透镜122对于第一透镜群110所产生的影像负畸变 过度补偿。如此，将会造成第四透镜122的表面S7必须产生较大的负畸变来弥补过度补偿 的效应，而导致复杂的「离轴像差」(off-axis aberration)产生。由此可知，为维持良好的 成像品质，定焦镜头100可满足条件二。另外，在本实施例中，定焦镜头100尚可满足下列 条件三0. 2 < L2/L3 < 0. 5 (条件三)其中L2为由第三透镜116的表面S6至第四透镜122的表面S7的轴向距离(即 在定焦镜头100的光轴A上的距离)，而L3为由第三透镜116的表面S5至第五透镜124的 表面SlO的轴向距离。由条件三可知，若L2/L3 < 0. 2，则代表第四透镜122较靠近第三透 镜116，而距离第五透镜122较远。由于第四透镜122较靠近第三透镜116，因此当光束通 过曲率半径较大的表面S6后，即进入第四透镜122。故此，光束在通过第四透镜122后，其 所受的屈折程度较小，以致于需要较大尺寸的第五透镜124接收来自第四透镜122的光束， 进而使得第六透镜126也必须增大尺寸。如此一来，较大尺寸的透镜会增加镜头的制作成 本，也违背了设计小型化的原则。另外，光束在通过第四透镜122后所受的屈折程度较小， 也会使得第二透镜群120与第三透镜群130之间的距离，无法满足定焦镜头100对焦所需 的距离。相反地，若L2/L3 > 0. 5，则代表第四透镜122较靠近第五透镜124，而距离第三透 镜116较远。如此，第四透镜122需要较大的折射力，以屈折通过的光束，而较大的折射力 会造成较大的像差。由此可知，为维持良好的成像品质，定焦镜头100可满足条件三。在本实施例中，第一透镜群110与第二透镜群120彼此间的相对位置维持不变，而 第三透镜群130的位置相对定焦镜头100固定。第一透镜群110与第二透镜群120可藉由 相对第三透镜群移动来对焦。因此，第二透镜群120与第三透镜群130的之间的距离以不 要太小为较佳，所以定焦镜头100尚可满足下列条件四0. 1 < L1/! < 0. 5 (条件四)其中，L1为由第六透镜126的表面S 12至第七透镜130的表面S13的轴向距离， 而L为定焦镜头100的总长，亦即是由第一透镜112的表面Sl至光阀60的表面S17的轴向 距离。由条件四可知，若L1/! > 0. 5，则会造成定焦镜头100的总长太长，无法达到小型化 的目的。相反地，若L/L < 0. 1，则会使得第二透镜群120与第三透镜群130的间距太小， 以致于无法满足定焦镜头100对焦所需的距离。由此可知，为达到系统小型化的目的，定焦 镜头100可满足条件四。另外，在本实施例中，为了使定焦镜头100于缩小侧附近的主光线 与光轴A接近平行，即近似于远心镜头(telecentric lens)，可将定焦镜头100的第三透镜 群130设计为正屈光度，且定焦镜头100可满足下列条件五0. 8 < f3/f < 2 (条件五)其中f3为第三透镜群130的有效焦距。若f3/f <0.8,则表示第三透镜群130的 折射力不足，以致于定焦镜头100于缩小侧附近的主光线无法与光轴A接近平行。故此，若 要达到上述目的，则会增加第六透镜126的尺寸，增加镜头的制作成本。若f3/f > 2，则代 表第七透镜的表面S14的曲率半径太小，会增加镜头制作的困难度。因此，为了降低镜头的 制作成本与困难度，定焦镜头100可满足条件五。值得一提的是，在本实施例中，第一透镜群110与第二透镜群120之间包括一孔径光阑(未绘示)，其位于第三透镜116的表面S6上。以下内容将举出定焦镜头100的一实施例。需注意的是，下述的表一中所列的数 据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者在参照本发明之后，当 可应用本发明的原则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。(表一) 在表一中，间距是指两相邻表面间于光轴A上的直线距离，举例来说，表面S3的间 距，即表面S3至表面S4间于光轴A上的直线距离。备注栏中各透镜所对应的厚度、折射率 与阿贝数请参照同列中各间距、折射率与阿贝数对应的数值。此外，在表一中，表面Si、S2 为第一透镜112的两表面，表面S3、S4为第二透镜114的两表面，表面S5、S6为第三透镜 116的两表面，表面S7、S8为第四透镜122的两表面，表面S9、SlO为第五透镜124的两表 面，表面S11、S12为第六透镜126的两表面，且表面S13、S14为第七透镜130的两表面。表 面S15、S16为一用于光阀60的玻璃盖(coverglass) 70的两表面。有关于各表面的曲率半径、间距等参数值，请参照表一，在此不再重述。
图2A至图2C为图1的定焦镜头100的成像光学模拟数据图。请参照2A至 图2C，其中图2A为调制转换函数曲线图(modulation transferfunction，MTF)，其横轴为 ^MSJ / (mm)白勺2(spatialfrequency in cycles per millimeter)，^车由力 光学转移函数的模数(modulus of the 0TF)。在图2A中是以三种不同波长的光(分别 为460nm、527nm、615nm)所做的模拟数据图。此外，图2B中由左至右依序为场曲(field curvature)与畸变(distortion)的图形，且是以波长为527nm的光所模拟出来的。图2C 为横向色差图(lateral color)，且是以三种不同波长的光(分别为460nm、527nm、615nm) 所作的模拟数据图。由于图2A至图2C所显示出的图形均在标准的范围内，因此本实施例 的定焦镜头100具有良好的成像品质。在表二中分别列出定焦镜头100的一些模拟参数值，包括有效焦距(EFL)jfg 角、远心角，以及定焦镜头100满足条件一至条件五的模拟数值。(表二 )项目数值有效焦距17. 2722视场角34. 78度远心角2度fjf0. 543R/f0. 444L2/L30. 390L1/!0. 326f3/f1. 375在本实施例中，第一透镜群110为负畸变型透镜群，而第二透镜群120为正畸变型 透镜群。当光束在通过第一透镜群Iio后，会产生负畸变的影像，但在经过第二透镜群120 的补偿之后，负畸变的影像便能够被修正为没有失真或失真程度较小的影像。如此一来，在 定焦镜头100中，第一透镜群110与第二透镜群120的搭配组成，可消除光学成像的像差。 此外，第三透镜群130为正屈光度，可使于定焦镜头100缩小侧附近的主光线与光轴A接近 平行。因此，定焦镜头100兼具成像的像差较小以及畸变程度较低等优点。再者，定焦镜头 100完全使用球面透镜，可降低产品的成本，且具有良好光学品质。此外，第三透镜群130的 位置相对定焦镜头100固定，其可藉由第一透镜群110与第二透镜群120相对第三透镜群 130移动来对焦图3为本发明的另一实施例的定焦镜头的结构示意图。请参照图3，本实施例的定 焦镜头300类似于定焦镜头100，惟两者之间最主要的差异在于定焦镜头300更包括一内部 全反射棱镜340，其承靠于第七透镜330。在本实施例中，内部全反射棱镜340是利用胶合 的方式粘合于第七透镜330的表面S15。在本实施例中，定焦镜头300适于应用在投影装置 中，而第七透镜可同时视为照明系统与成像系统的一部分，如此便能缩小投影装置的体积。 值得一提的是，在本实施例中，第六透镜326为一双凸透镜，且第一透镜群310与第二透镜 群320之间包括一孔径光阑350。以下内容将举出定焦镜头300的一实施例。需注意的是，下述的表三中所列的数 据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者在参照本发明之后，当
8可应用本发明的原则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。(表三) 在表三中，表面S1、S2为第一透镜312的两表面，表面S3、S4为第二透镜314的两 表面，表面S5、S6为第三透镜316的两表面，表面S7为孔径光阑350，表面S8、S9为第四透 镜322的两表面，表面S10、S11为第五透镜324的两表面，表面S12、S13为第六透镜326的 两表面，表面S14、S15为内部全反射棱镜340的两表面，而表面S15为内部全反射棱镜340 与第七透镜330相连的表面。表面S17、S18为用于光阀60的玻璃盖(coverglass) 70的两 表面。有关于各表面的曲率半径、间距等参数值，请参照表一，在此不再重述。
在表四中分别列出定焦镜头300的一些模拟参数值，包括有效焦距(EFL)jfg 角、远心角，以及定焦镜头300满足条件一至条件五的模拟数值。(表四)项目数值有效焦距14. 7934视场角37. 78度远心角 3度fi/f0. 576
R/xf0.5969
L2/L30.3889
L1/L0.3201
/f1.6052综上所述，本发明的实施例的定焦镜头完全使用球面透镜，而无采用非球面镜，具 有低制作成本的优点。其次，定焦镜头的架构可有效消除像差、色差以及畸变，具有良好的 成像品质。再者，在定焦镜头中最靠近放大侧的透镜，其朝向放大侧的表面为一凹面，可增 加镜头的视场角。此外，定焦镜头可藉由第一透镜群与第二透镜群相对第三透镜群移动来 对焦，并利用第三透镜群使定焦镜头缩小侧附近的主光线与光轴接近平行。最后，定焦镜头 应用于投影装置时，可包括一内部全反射棱镜，而使得第七透镜同时为照明系统与成像系 统的一部分，以缩小投影装置的体积。因此，本发明的实施例提供的定焦镜头，其兼具较低 成本与较佳的光学特性。以上所述，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 大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明 专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露的全 部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限 制本发明的权利范围。
权利要求
一种定焦镜头，包括一第一透镜群，配置于一放大侧与一缩小侧之间，具有正屈光度，且包括从该放大侧往该缩小侧依序排列的一第一透镜、一第二透镜及一第三透镜，其中该第一透镜为该定焦镜头中最靠近该放大侧的透镜，且该第一透镜的朝向该放大侧的一第一表面为一凹面；一第二透镜群，配置于该第一透镜群与该缩小侧之间，具有正屈光度，且包括从该放大侧往该缩小侧依序排列的一第四透镜、一第五透镜及一第六透镜，其中该第二透镜群中最靠近该缩小侧的透镜表面为一第二表面；以及一第三透镜群，配置于该第二透镜群与该缩小侧之间，具有正屈光度，且包括一第七透镜，其中该第三透镜群中最靠近该放大侧的透镜表面为一第三表面，其中，该定焦镜头的总长为L，且该第二表面至该第三表面的距离为L1，该定焦镜头符合0.1＜L1/L＜0.5。
2.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于该定焦镜头的有效焦距为f，该第一透 镜群的有效焦距为，该定焦镜头符合0. 3 < f/f < 0. 9。
3.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于该定焦镜头的有效焦距为f，该第三透 镜群的有效焦距为f3，该定焦镜头符合0. 8 < f3/f < 2。
4.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于该第一透镜群为一负畸变型透镜群，而 该第二透镜群为一正畸变型透镜群。
5.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于该第四透镜的朝向该缩小侧的表面的 曲率半径为R，该定焦镜头的有效焦距为f，该定焦镜头符合0. 2 < R/f < 1。
6.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于该第三透镜的朝向该放大侧及该缩小 侧的表面分别为一第四表面及一第五表面，该第四透镜的朝向该放大侧的表面为一第六表 面，该第五透镜的朝向该缩小侧的表面为一第七表面，该第五表面至该第六表面的距离为 L2，该第四表面至该第七表面的距离为L3，该定焦镜头符合0. 2 < L2/L3 < 0. 5。
7.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于该第一透镜、该第二透镜及该第三透镜 的屈光度依序为负、正、正。
8.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于该第四透镜、该第五透镜及该第六透镜 的屈光度依序为负、正、正。
9.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于该第七透镜具有正屈光度。
10.如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于还包括一内部全反射棱镜，其中该内 部全反射棱镜承靠该第七透镜，并位于该第二透镜群与该第三透镜群之间。
全文摘要
一种定焦镜头，包括从一放大侧往一缩小侧依序排列的一第一透镜群、一第二透镜群及一第三透镜群，且其屈光度皆为正。第一透镜群包括由放大侧往缩小侧依序排列的一第一透镜、一第二透镜及一第三透镜。第二透镜群包括由放大侧往缩小侧依序排列的一第四透镜、一第五透镜及一第六透镜。第三透镜群包括一第七透镜。第一透镜群于定焦镜头中最靠近放大侧的透镜表面为一凹面。另外，第二透镜群中最靠近缩小侧的透镜表面与第三透镜群中最靠近放大侧的透镜表面的距离为L1，定焦镜头的总长为L，且定焦镜头符合0.1＜L1/L＜0.5。本发明的定焦镜头兼具较低成本与较佳的光学特性。
文档编号G02B9/12GK101893750SQ20091014117
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月20日 优先权日2009年5月20日
发明者吕怡瑱, 曾建雄 申请人:扬明光学股份有限公司