广角投影镜头的制作方法

本申请是中国专利申请号为201210412909.9、申请日为2012年10月25日的、名称为“广角投影镜头”的发明专利申请的分案申请。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：
：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。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：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。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。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。然而上述三种方式仍具有以下的缺点或问题：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(lateralcolor)或纵向色差(axialcolor)、像差(aberration)与几何失真(opticaldistortion)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。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。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。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。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。技术实现要素：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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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＜│f2/f1│＜25.2及2.5＜│f3/f1│＜20.8。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。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。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。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。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。附图说明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：图1为本发明的广角投影系统的结构示意图。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。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。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。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。图6(a)为本发明的影像处理组件上影像的示意图。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。图7(a)为本发明的第一像的示意图。图7(b)为本发明的第二像的示意图。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(rayfan)。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(lateralcolor)。主要组件符号说明100广角投影系统101影像处理组件102全反射棱镜103广角投影镜头104光轴110第一透镜群组111第一球面透镜112第二球面透镜113第三球面透镜114第四球面透镜115第五球面透镜116第六球面透镜117第一非球面透镜118第七球面透镜119孔径光栏120第二透镜群组121第二非球面透镜122第八球面透镜123第九球面透镜124第三非球面透镜130反射镜s1～s20表面401第一像402屏幕403第二像404离轴光线405近轴光线406～407焦点501投影物具体实施方式本申请所提出的发明将可由以下的实施例说明而得到充分理解，使得本领域技术人员可以完成，然而本申请之实施例并非可由下列实施例而被限制其实施型态，熟悉本技艺之人士仍可依据既揭露之实施例的精神推演出其它实施例，该等实施例皆当属于本发明之范围。请参阅图1，其为本发明的广角投影系统的结构示意图。本发明的广角投影系统100具有一光轴104，且该广角投影系统100包括一影像处理组件101、一全反射棱镜102及一广角投影镜头103，其中该广角投影镜头103包括一折射系统及一反射系统。该折射系统包括一第一透镜群组110及一第二透镜群组120，该反射系统为一反射镜130。该广角投影镜头103配置于一物点(未示出)及一像点(未示出)之间，其中该物点靠近该影像处理单元101的一侧，该像点为物点通过该广角投影镜头所形成的成像，且从该物点至该像点之间依序包括该第一透镜群组110、该第二透镜群组120及该反射镜130。其中该第一透镜群组110自该物点至该像点的方向依序为一第一球面透镜111、一第二球面透镜112、一第三球面透镜113、一第四球面透镜114、一第五球面透镜115、一第六球面透镜116、一孔径光栏119、一第一非球面透镜117及一第七球面透镜118。该第二透镜群组120自该物点至该像点的方向依序为一第二非球面透镜121、一第八球面透镜122、一第九球面透镜123及一第三非球面透镜124。该反射镜130为一轴对称的非球面凹面镜，用于反射通过第一透镜群组及第二透镜群组的一光束。本发明的广角投影镜头103具有一第一等效焦距f1，第一透镜群组110与第二透镜群组120所形成的折射系统具有一第二等效焦距f2，反射镜130具有一第三效焦距f3，本发明的广角投影镜头符合下列条件：2.5＜│f2/f1│＜25.22.5＜│f3/f1│＜20.8本发明的影像处理组件101为一反射式光阀(lightvalve)组件，其包括一数字微镜组件(digitalmicromirrordevice,dmd)、一栅状光阀成像系统(gratinglightvalve)及一反射式硅基板液晶显示(liquidcrystalonsilicon)。请参阅图2(a)，为本发明的第一透镜群组110的结构示意图。其中，该第一球面透镜111、该第二球面透镜112、该第三球面透镜113、该第四球面透镜114、该第五球面透镜115、该第六球面透镜116及该第七球面透镜118的屈光度分别为正、正、负、正、负、正及正。具体而言，第一球面透镜111为一双凸透镜，其表面s1面向物点，表面s2面向像点。第二球面透镜112为一双凸透镜，其表面s3面向物点，表面s4面向像点。第三球面透镜113为一双凹透镜，其表面s4面向物点，表面s5面向像点，第三球面透镜113并与第二球面透镜112组合成一第一双胶合透镜。第四球面透镜114为一凹凸透镜，其表面s6面向物点，表面s7面向像点。第五球面透镜115为一凹凸透镜，其表面s8面向物点，表面s9面向像点。第六球面透镜116为一凹凸透镜，其表面s9面向物点，表面s10面向像点，第六球面透镜116并与第五球面透镜115组合成一第二双胶合透镜。孔径光栏119具有表面s11。第一非球面透镜117为一轴对称非球面透镜，其表面s12面向物点，表面s13面向像点。第七球面透镜118为一凹凸透镜，其表面s13面向物点，表面s14面向像点，第七球面透镜118并与第一非球面透镜117组合成一第三双胶合透镜。请参阅图2(b)，其为本发明的第二透镜群组120的结构示意图。其中，该第八球面透镜122及该第九球面透镜123的屈光度皆为正。具体而言，第二非球面透镜121为一轴对称非球面透镜，其表面s15面向物点，表面s16面向像点。第八球面透镜122为一双凸透镜，其表面s17面向物点，表面s18面向像点。第九球面透镜123为一双凹透镜，其表面s19面向物点，表面s20面向像点。第三非球面透镜124为一轴对称非球面透镜，其表面s21面向物点，表面s22面向像点。在第一透镜群组110中，第一非球面透镜117表面s12上的孔径光栏119可以调控进光量的大小，而第一非球面透镜117的表面s12或表面s13其中之一须为轴对称的非球面，其可减小第三非球面透镜124的斜率，并趋缓光束从第三非球面透镜124射出时的角度。第一非球面透镜117系由铅玻璃(flintglass)所制成，其符合下列条件：折射率(nd)≧1.6，色散率(vd)≦55。为了改善在大光圈下因光束透过透镜所产生的色差，本发明于第一透镜群组110中采用三组双胶合透镜，即第一、第二与第三双胶合透镜，其可以消弥多色像差，如纵向色差及横向色差等。其中光束通过第一双胶合透镜的折射率变化为高至低，光束通过第二双胶合透镜的折射率变化为低至高，光束通过第三双胶合透镜的折射率变化为高至低，此三组双胶合透镜使本系统具有低阿贝数范围为25～40，而高阿贝数范围为52～82。在第二透镜群组120中，第二非球面透镜121可改善慧差，第三非球面透镜124可于大光圈(f/1.67)下改善像散的问题。此外，第二非球面透镜121与第三非球面透镜124可缩短广角投影镜头103的焦距，使第三非球面透镜124与反射镜130之间的距离缩短，而使广角投影镜头103的长度减小。本发明的折射系统总长为t1，折射系统与反射镜之间的间距为t2，则本发明广角投影镜头103符合下列条件：0.75＜t1/t2＜0.80在第二透镜群组120中，第八球面透镜122为一场透镜(fieldlens)，可以延续光线使视场范围增加，且由于第八球面透镜122的屈光度为正，因此可以将光线向内聚集(如图3所示)，使其之后靠近像点的第九球面透镜123及第三非球面透镜124的尺寸缩小。若第一透镜群组110中的第一非球面透镜117为球面透镜，则第三非球面透镜124的斜率会增加(如第3图所示)。因此为了避免内部全反射(totalinterfacereflection,tir)及菲涅尔损失(fresnelloss)，本发明将第一非球面透镜117的其中一面设计为轴对称的非球面。请参阅图4，其为光线经过本发明的广角投影系统的示意图。影像处理组件101上的影像会呈现于光轴104的上方，当光线经过第一透镜群组及第二透镜群组后(在此仅显示离光轴最近与最远的光线)，其中离光轴较近的光线为一近轴光线405，离光轴较远的光线为一离轴光线404，两组光线的焦距会落于第三非球面透镜124与凹面反射镜130之间，以形成一第一像401(如图4a所示)，再经由凹面反射镜130将光线反射至一银幕402上，以形成一第二像403(如图4b所示)。其中，近轴光线405的焦点406与折射系统之间的距离会大于离轴光线404的焦点407与折射系统之间的距离。本发明广角投影系统100的投影距离与屏幕402对角线长度的关系如下：投影距离/屏幕对角线长度＜0.3请参阅图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。在图5中，横轴与纵轴的中心点为光轴104，在纵轴上靠近光轴104为近轴，远离光轴104为离轴。一投影物501置于光轴104的上方，其中光轴104离投影物501具有一最短距离rmin及一最长距离rmax，则本发明广角投影镜头与投影物的关系如下：0.1＜rmin/rmax＜0.5一影像于影像处理组件101上呈现(如图6a所示)。首先，将影像分为9等分(a-i)，当光线经过折射系统后所形成的第一像401会呈现一桶状畸变(barreldistortion)的光斑(a-i)，称之为拱状(arch-like)光斑，其中当离光轴上方越远，其桶状畸变越严重(如图6b所示)。光斑a至光斑i皆与光轴104有一垂直距离，其中光斑a与光轴104的垂直距离为d1，光斑d与光轴104的垂直距离为d2，光斑g与光轴104的垂直距离为d3，光斑b与光轴104的垂直距离为d4，光斑e与光轴104的垂直距离为d5，光斑h与光轴104的垂直距离为d6，而拱状光斑与光轴104的垂直距离的关系如下：1＜d4/d1＜1.2；1＜d5/d2＜1.2；1＜d6/d3＜1.2光线经过折射系统所产生的拱状光斑(如图7a所示)可通过凹面反射镜130补偿，拱状光斑经过凹面反射镜130反射至屏幕402上后，会呈现无几何失真的第二像403(如图7b所示)。当广角投影系统100与屏幕401的距离改变而调整屏幕画面的尺寸时，横向色差会因距离变长而变差，屏幕画面上的慧差也会变的更严重，此时可透过调整第三非球面透镜124与凹面反射镜130之间的距离，使第三非球面透镜124与凹面反射镜130之间被扭曲的第一像401受到补偿，进而于屏幕402上呈现无几何失真的第二像403。请参阅图8至图9，其为本发明成像质量的光学仿真数据图。图8a至图8c分别为红光、蓝光及绿光投影至40吋、50吋及60吋屏幕时屏幕上的横向光线扇形图(rayfan)。其横轴为各光线通过孔径光栏119的位置，纵轴为光线打到屏幕上的位置，由图8a至8c所显示可看出，红光、蓝光及绿光偏移的位置皆不大，因此本发明的广角投影镜头所投影出的像的像差很低。图9a至图9c分别为投影至40吋、50吋及60吋屏幕时的横向色差图(lateralcolor)，其横轴为各光线打到像平面上相对绿光的偏移量，纵轴为镜头的距离。图9a至图9c所显示的图形中，左边虚线为绿光的偏移量，右边实线为红光与蓝光的偏移量，其中红光与蓝光的重迭性很好。由图9a至图9c所显示的图形中可以看出即使绿光的横向色差较红光及蓝光大，但绿光在所有尺寸的屏幕上，其横向色差也不超过0.6像素，因此本发明的广角投影镜头具有低横向色差。根据不同光点大小投影至40吋、50吋及60吋屏幕时屏幕上的点列图(spotdiagram)可知，光点投影至40吋、50吋及60吋屏幕的均方根光点大小(rmsspotsize)皆小于0.61像素(pixel)，可见投影出的光斑皆很小，拖影的现象也不明显，因此本发明的广角投影镜头所产生的像的慧差很低。根据各颜色投影至40吋、50吋及60吋屏幕时屏幕上的几何调制转换函数(geometricmodulationtransferfunction,geometricmtf)图可知，在最大光圈(f/1.67)下，各色在各尺寸屏幕上的调制转换函数(mtf)皆大于45％。而在每公厘67组交替的黑白线条(67lp/mm)的情况下，其多色调制转换函数(polychromaticmtf)在各尺寸屏幕上皆大于55％，可见所投影至各尺寸屏幕时的分辨率很高，因此本发明的广角投影镜头具有很好的分辨率。实施例1本发明的实施例1中，广角投影镜头101符合下列条件：有效焦距(effectivefocallength,effl)＝-2.89mm、焦数(f/#)＝1.67、偏移量(offset)＝122％、解析能力可达67lp/mm、可投影出的画面尺寸为40～60吋、投影距离为282～418mm以及投射比(投影距离/画面对角线)为0.274～0.278。实施例2本发明的另一实施例中，广角投影镜头101整个f/1.60的定焦系统的等效焦距长为-2.89mm、第一及第二透镜群组的等效焦距长为12.02mm以及反射镜的等效焦距长为19.39mm，故满足大光圈定焦系统。实施例3本发明的另一实施例中，假设影像处理组件的长与宽皆符合本发明的条件下，计算出的理论焦数(f/#)为1.67。本实施例的焦数设定为满足上述系统的最小焦数─1.67，经由光展量(étendue)的计算，测定出本实施例的收光效率可高达87.4％。本发明实属难能的创新发明，深具产业价值，现依法提出申请。此外，本发明可以由本领域技术人员做任何修改，但不脱离如所附权利要求所要保护的范围。当前第1页12