广角投影镜头的制作方法

广角投影镜头的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种广角投影镜头，其使用凹面混合式架构所设计的大光圈(f/1.67)广角投影镜头。广角镜头包括折射系统及反射系统，而其中折射系统包括多个球面透镜及至少一个非球面透镜的第一透镜群及包括至少二个非球面透镜及至少一个球面透镜的第二透镜群，该至少二个非球面透镜中任两者之间设置有该至少一个球面透镜。本发明可缩小广角投影镜头的尺寸，且能有效解决低几何效率的问题，使超短焦投影机具有小型而方便携带的优点。
【专利说明】广角投影I竞头
【技术领域】
[0001]本申请关于一种超广角镜头，尤其，关于一种用于投影的超广角镜头。
【背景技术】
[0002]目前广角投影镜头可以有效缩短投影屏幕与投影机之间的距离，并且得到大尺寸的投影画面。然而，广角投影镜头所衍生出的像差，如畸变(Distortion)、场曲(FieldCurvature)、像散(Astigmatism)等，皆是目前广角投影镜设计上必须面对的难题。为确保达到一定的光学质量，通常会缩小光圈，而大多数广角镜头的焦数(f/#)通常介于
2.4-2.7，甚至更大。
[0003]一般广角投影镜头要同时达到缩短焦距的目标并克服像差的问题，通常会以以下三种方式设计广角投影镜头:
[0004]1.折射式:镜头中全数以透镜进行设计，通常采用球面透镜或非球面透镜以达到广角功能。
[0005]2.反射式:镜头中全数以反射镜进行设计，通常采用球面、非球面或平面反射镜。
[0006]3.混合式(折射+反射):镜头中靠近物点的一侧采用多种折射透镜，而最后在像点的一侧则以反射镜达到 广角的设计，其中再以反射镜种类来细分，又可分平板、凸面及凹面式三种不同的反射镜。
[0007]然而上述三种方式仍具有以下的缺点或问题:
[0008]1.折射式:此种架构的镜头中镜片数目繁多，导致镜身过长，且所产生的色散，如横向色差(Lateral Color)或纵向色差(Axial Color)、像差(Aberration)与几何失真(Optical Distortion)皆不易消除。此外，此种架构因镜片数目太多，使设计上复杂度高，可制造性极低。
[0009]2.反射式:由于镜头中没有使用折射镜片，可达到零色散，但因为全部都是反射式镜片，且需要多片非球面反射镜或自由曲面反射镜，可制造性极低。
[0010]3.混合式(折射+反射):此种架构的镜头是综合上述两种方式，同时考虑光学特性与可制造性，为目前市面上最常见的架构。为了达到超广角及避免光径长度大于投影距离，须将直行的光径进行转折，使对应的光学组件与机构尺寸也随之变大，造成组件制造难度大幅增加。若采用制作复杂的自由曲面反射镜，也会造成相当敏感的组装公差。此外，在上述三种反射镜中，平板式反射镜无曲率，因此若要达到更广角的效果，必须由镜头本身或依靠调整镜头与反射镜的距离来完成，如此镜头会变得较长，而牺牲了空间。凸面式反射镜虽有曲率可补偿像差等功能，但因几何形状的关系，其机构设计将不易包覆凸面镜，因此现今多为外露式设计，但这样的设计则会增加镜面受损的机率，一来无防尘效果，二来稳定性也不佳，只适合壁挂式设计。凹面式反射镜拥有凸面式反射镜的功能，可克服镜面外露问题，是目前短焦投影机设计者设计广角投影镜头时较佳的选择。虽然凹面式反射镜搭配混合式的设计可解决上述平面及凸面反射镜所造成的问题，但为了达到广角的效果，体积比起一般前投式投影机还是大了许多，从许多设计中可以看到为了缩短镜身长度，镜头中会加入反射镜作转折，但这样一来镜头的宽度或高度则会增加，如此截长补短的设计方式无法有效缩短镜身。
[0011]因此，要设计出一种广角的投影镜头，使其焦距缩短以达到镜身长度减小，且在大光圈的条件下不会产生一般广角投影镜头所衍生的像差，是目前极为需要克服的难题。
[0012]本申请申请人:鉴于公知技术中的不足，经过悉心试验与研究，并本着锲而不舍的精神，终于构思出本申请，能够克服现有技术的不足，以下为本申请的简要说明。

【发明内容】

[0013]为了构思出可于大光圈下不产生像差且体积小的广角投影镜头，本发明利用球面透镜、非球面透镜与凹面反射镜组成本发明的广角投影镜头。该广角镜头可以有效缩短焦距，使镜身减小，也可改善镜头在大光圈所产生的像差。
[0014]因此，本发明提供一种用于改善大光圈成像像差的广角镜头，包括:一折射系统；以及一反射系统，该折射系统包括:一第一透镜群，包括多个球面透镜及至少一个非球面透镜；以及一第二透镜群，包括至少二个非球面透镜及至少一个球面透镜，该至少二个非球面透镜中任两者之间设置有该至少一个球面透镜。
[0015]较佳地，该广角镜头的特征在于，一物点通过该广角镜头而成像为一像点，其中:该第一透镜群包括七个球面透镜及一非球面透镜，其中该七个球面透镜及该非球面透镜自该物点的一侧至该像点的一侧依序排列为一第一球面透镜、一第二球面透镜、一第三球面透镜、一第四球面透镜、一第五球面透镜、一第六球面透镜、一第一非球面透镜及一第七球面透镜；该第二透镜群包括二个非球面透镜及二个球面透镜，其中该二个非球面透镜及该二个球面透镜自该物点的一侧至该像点的一侧依序排列为一第二非球面透镜、一第八球面透镜、一第九球面透镜及一第三非球面透镜；一孔径光栏，位于该第六球面透镜及该第一非球面透镜之间；以及该反射系统为一轴对称非球面凹面的反射镜，用于反射通过该第一透镜群及该第二透镜群所射出的一光束。
[0016]较佳地，该广角镜头的特征在于，该第一非球面透镜、该第二非球面透镜及该第三非球面透镜各自为一轴对称非球面透镜，其中该第一非球面透镜用于改善该广角镜头于大光圈时的一远场分辨率，该第二非球面透镜及该第三非球面透镜用于改善一慧差，且该第二非球面透镜还用于缩短该第三非球面透镜与该反射镜之间的一距离，使该广角镜头的一镜身的长度减小。
[0017]较佳地，该广角镜头的特征在于，该第一非球面透镜的至少一个面为一轴对称的非球面，用以降低该第三非球面透镜的斜率。
[0018]较佳地，该广角镜头的特征在于，该第二非球面透镜及该第三非球面透镜之至少一个表面的曲率，由一光轴至该第二及该第三非球面透镜边缘的斜率有正负号之差异。
[0019]较佳地，该广角镜头的特征在于，该第三非球面透镜与该反射镜之间的该距离经调整以修正该反射镜所反射出的一成像品质。
[0020]较佳地，该广角镜头的特征在于，该第二球面透镜与该第三球面透镜、该第五球面透镜与该第六球面透镜以及该第一非球面透镜与该第七球面透镜分别组合成一第一双胶合透镜、一第二双胶合透镜及一第三双胶合透镜，用以消弥该广角镜头的一多色球差并改善该广角镜头的一纵向色差及一横向色差，且该光束分别通过该第一双胶合透镜、该第二双胶合透镜及该第三双胶合透镜时的折射率的变化分别为由高至低、由低至高以及由高至低。
[0021]较佳地，该广角镜头的特征在于，该第八球面透镜为一场透镜，用于延续该光束使该广角镜头的一视场范围增加，并维持该第三非球面透镜与该反射镜的尺寸，该反射镜用于改善该光束经过该第一透镜群及该第二透镜群时所产生的一几何失真及一场曲的一光斑及缩小该广角镜头的一焦距。
[0022]较佳地，该广角镜头的特征在于，该折射系统及该反射系统产生一正屈光度，且该折射系统与该反射系统之间的成像路径无转折，并符合条件式:0.75 <一折射系统总长/一折射系统与反射系统间距< 0.80。
[0023]较佳地，该广角镜头的特征在于，该广角镜头具有小于1.70的一焦数。
[0024]较佳地，该广角镜头的特征在于，该广角镜头具有一第一等效焦距长F1，其中该折射系统具有一第二等效焦距长F2，该反射系统具有一第三等效焦距长F3，且该广角镜头符合 2.5 < I F2/F1 I < 25.2 及 2.5 < | F3/F1 | < 20.8。
[0025]较佳地，该广角镜头的特征在于，该广角镜头为一二次成像系统，当一光束通过该折射系统后，于该折射系统与该反射系统之间产生一变形的第一次成像，该第一次成像经由该反射系统后，于一屏幕上产生一无变形的第二次成像。
[0026]本发明另提出一种用于改善大光圈成像像差的广角镜头，包括:一折射系统，其包括:一透镜群组，包括至少二个非球面透镜及至少一个球面透镜，该至少二个非球面透镜中任两者之间设置有该至少一个球面透镜。
[0027]较佳地，该广角镜头的特征在于，一物点通过该广角镜头而成像为一像点，其中该透镜群组包括:一第一透镜群组，包括多个球面透镜及至少一个非球面透镜，该至少一个非球面透镜设置于该多个球面透镜之间，其中，该至少一个非球面透镜面向该物点的一侧设置至少六球面透镜，面向该像点的一侧设置至少一个球面透镜。
[0028]较佳地，该广角镜头的特征在于，该广角镜头还包括:一反射系统，其为一轴对称非球面凹面的反射镜，用于反射通过该第一透镜群及该第二透镜群所射出的一光束。
[0029]本发明还提出一种减小一广角镜头的一焦距的方法，其中该广角透镜括一场透镜及一非球面透镜，且该场透镜包括一入射侧，该方法包括:将该非球面透镜置于该场透镜的该入射侧之前。
【专利附图】

【附图说明】
[0030]因此本发明已经以通常用语描述，现在将参照所附附图，其不须要按比例描绘，以及其中:
[0031]图1为本发明的广角投影系统的结构示意图。
[0032]图2(a)及图2(b)分别为本发明的第一透镜群组及第二透镜群组的结构示意图。
[0033]图3为本发明的第一非球面透镜若为球面透镜时的光线路径示意图。
[0034]图4为光线经过本发明的广角投影系统的示意图，其中图4a示出形成的第一像，而图4b示出投影在屏幕上的第二像。
[0035]图5为本发明的广角投影镜头与投影物的位置及比例的示意图。
[0036]图6(a)为本发明的影像处理组件上影像的示意图。[0037]图6(b)为本发明的影像经过第一及第二透镜群组所呈现第一像的示意图。
[0038]图7(a)为本发明的第一像的示意图。
[0039]图7(b)为本发明的第二像的示意图。
[0040]图8为本发明成像质量的光学仿真数据图，其中图8(a)至图8(c)分别为本发明
的广角投影镜头投影至40吋、50吋及60吋屏幕的横向光线扇形图(Ray Fan)。
[0041]图9为本发明成像质量的光学仿真数据图，其中图9(a)至图9(c)分别为本发明
的广角投影镜头投影至40吋、50吋及60吋屏幕的横向色差图(Lateral Color)。
[0042]主要组件符号说明
【权利要求】
1.一种用于改善大光圈成像像差的广角镜头，包括:折射系统；以及反射系统，该折射系统包括:第一透镜群组，包括多个球面透镜及至少一个非球面透镜；以及第二透镜群组，包括至少二个非球面透镜及至少一个球面透镜，该至少二个非球面透镜中任两者之间设置有该至少一个球面透镜。
2.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，物点通过该广角镜头而成像为像点，其中:该第一透镜群组包括七个球面透镜及非球面透镜，其中该七个球面透镜及该非球面透镜自该物点的一侧至该像点的一侧依序排列为第一球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜、第五球面透镜、第六球面透镜、第一非球面透镜及第七球面透镜；该第二透镜群组包括二个非球面透镜及二个球面透镜，其中该二个非球面透镜及该二个球面透镜自该物点的一侧至该像点的一侧依序排列为第二非球面透镜、第八球面透镜、第九球面透镜及第三非球面透镜；孔径光栏，位于该第六球面透镜及该第一非球面透镜之间；以及该反射系统为轴对称非球面凹面的反射镜，用于反射通过该第一透镜群组及该第二透镜群组所射出的光束。
3.如权利要求2所述的广角镜头，其特征在于，该第一非球面透镜、该第二非球面透镜及该第三非球面透镜各自为轴对称非球面透镜，其中该第一非球面透镜用于改善该广角镜头于大光圈时的远场分辨率，该第二非球面透镜及该第三非球面透镜用于改善慧差，且该第二非球面透镜还用于缩短该第三非球面透镜与该反射镜之间的距离，使该广角镜头的镜身的长度减小。
4.如权利要求3所述的广角镜头，其特征在于，该第一非球面透镜的至少一个面为一轴对称的非球面，用以降低该第三非球面透镜的斜率。
5.如权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，该第二非球面透镜及该第三非球面透镜之至少一个表面的曲率，由光轴至该第二及该第三非球面透镜边缘的斜率有正负号的差巳
6.如权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，该第三非球面透镜与该反射镜之间的该距离经调整以修正该反射镜所反射出的成像品质。
7.如权利要求2所述的广角镜头，其特征在于，该第二球面透镜与该第三球面透镜、该第五球面透镜与该第六球面透镜以及该第一非球面透镜与该第七球面透镜分别组合成第一双胶合透镜、第二双胶合透镜及第三双胶合透镜，用以消弥该广角镜头的多色球差并改善该广角镜头的纵向色差及横向色差，且该光束分别通过该第一双胶合透镜、该第二双胶合透镜及该第三双胶合透镜时的折射率的变化分别为由高至低、由低至高以及由高至低。
8.如权利要求2所述的广角镜头，其特征在于，该第八球面透镜为场透镜，用于延续该光束使该广角镜头的视场范围增加，并维持该第三非球面透镜与该反射镜的尺寸，该反射镜用于改善该 光束经过该第一透镜群及该第二透镜群时所产生的几何失真及场曲的光斑及缩小该广角镜头的焦距。
9.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，该折射系统及该反射系统产生正屈光度，且该折射系统与该反射系统之间的成像路径无转折，并符合条件式:0.75 <折射系统总长/折射系统与反射系统间距< 0.80。
10.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，该广角镜头具有小于1.70的焦数。
11.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，该广角镜头具有第一等效焦距长F1，其中该折射系统具有第二等效焦距长F2，该反射系统具有第三等效焦距长F3，且该广角镜头符合 2.5 < I F2/F1 I < 25.2 及 2.5 < | F3/F1 | < 20.8。
12.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，该广角镜头为二次成像系统，当光束通过该折射系统后，于该折射系统与该反射系统之间产生变形的第一次成像，该第一次成像经由该反射系统后，于屏幕上产生无变形的第二次成像。
13.一种用于改善大光圈成像像差的广角镜头，包括:折射系统，其包括:透镜群组，包括至少二个非球面透镜及至少一个球面透镜，该至少二个非球面透镜中任两者之间设置有该至少一个球面透镜。
14.如权利要求13所述的广角镜头，其特征在于，物点通过该广角镜头而成像为像点，其中该折射系统还包括:第一透镜群组，包括多个球面透镜及至少一个非球面透镜，该至少一个非球面透镜设置于该多个球面透镜之间，其中，该至少一个非球面透镜面向该物点的一侧设置至少六球面透镜，面向该像点的一侧设置至少一个球面透镜。
15.如权利要求14所述的广角镜头，还包括:`反射系统，其为轴对称非球面凹面的反射镜，用于反射通过该第一透镜群组及该透镜群组所射出的光束。
16.一种减小广角镜头的焦距的方法，其中该广角透镜括一场透镜及非球面透镜，且该场透镜包括入射侧，该方法包括:将该非球面透镜置于该场透镜的该入射侧之前。
【文档编号】G02B13/18GK103777314SQ201210412909
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月25日 优先权日:2012年10月25日
【发明者】许雅伶, 刘展瑜 申请人:扬明光学股份有限公司