投影镜头的制作方法

[0001]
本实用新型是有关于一种光学镜头，且特别是有关于一种投影镜头。


背景技术：

[0002]
目前车用显示设备使用投影装置作为辅助显示，且以耐候性佳与轻量化为发展目标。因此，各家厂商皆专注于设计出合适的镜头架构，同时也需考虑其重量及体积并且又要能有效的降低制作成本。在这些多方的考量下，轻量化的镜头设计多半以定焦镜头为主。目前定焦镜头的架构，一般会使用塑胶非球面镜片來达到小型化且轻量化的要求。
[0003]
然而，使用塑胶非球面镜头存在以下问题。在耐冲击与盐雾的环境需求中，塑胶镜片是相对较为脆弱的。再者，塑胶镜片虽可透过负/正光焦度的搭配降低热飘移现象，但当温度改变时此平衡关系会受影响，反而热偏移现象会变大，因此影响画面的解析。
[0004]
除此之外，当有不同的投影距离需求时，投影镜头需设计调焦结构，因此增加机构的复杂性。再者，投影镜头内透镜的设计没有保留使光路弯折的空间，使得投影镜头的长度难以进一步缩减。
[0005]“背景技术”段落只是用来帮助了解本

技术实现要素：
，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本实用新型一个或多个实施例所要解决的问题，在本实用新型申请前已被所属技术领域中的技术人员所知晓或认知。
实用新型内容
[0006]
本实用新型提供一种投影镜头，其可涵盖大范围的操作温度，且能同时保持投影镜头的轻量化。
[0007]
本实用新型的一实施例提供一种用于将光阀所提供的影像光束投影至屏幕上的投影镜头。投影镜头由屏幕侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜。第一透镜至第四透镜各自具有朝向屏幕侧且使影像光束通过的屏幕侧面及朝向显示侧且使影像光束通过的显示侧面。第一透镜具有负屈光度，第二透镜具有正屈光度，第三透镜具有负屈光度，且第四透镜具有正屈光度。投影镜头符合2<ttl/f<5，其中ttl为第一透镜的屏幕侧面到第四透镜的显示侧面在光轴上的距离，且f为投影镜头的有效焦距。
[0008]
基于上述，在本实用新型的一实施例的投影镜头中，由于投影镜头符合2<ttl/f<5，因此，投影镜头可在维持较高良率的情况下，同时满足轻量化的市场要求。
附图说明
[0009]
图1是根据本实用新型的一实施例的投影镜头的示意图。
[0010]
图2是根据本实用新型的另一实施例的投影镜头的示意图。
[0011]
图3是根据本实用新型的一实施例的投影镜头的横向光束扇形图。
[0012]
图4是根据本实用新型的一实施例的投影镜头以光线方向逆追迹在光阀的显示面
处的调制传递函数图。
[0013]
图5是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧30公分处以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。
[0014]
图6是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧50公分处以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。
[0015]
图7是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在系统温度60度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面处的调制传递函数图。
[0016]
图8是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在系统温度-20度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面处的调制传递函数图。
[0017]
图9是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧30公分处且系统温度60度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。
[0018]
图10是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧30公分处且系统温度-20度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。
[0019]
图11是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧50公分处且系统温度60度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。
[0020]
图12是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧50公分处且系统温度-20度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。
具体实施方式
[0021]
有关本实用新型之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之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、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实用新型。
[0022]
图1是根据本实用新型的一实施例的投影镜头的示意图。请参考图1，本实用新型的一实施例提供一种用于将光阀150所提供的影像光束ib投影至屏幕上的投影镜头100，且投影镜头100为一定焦镜头。投影镜头100由屏幕侧ss至显示侧ds沿光轴oa依序包括第一透镜112、第二透镜114、第三透镜122以及第四透镜124。第一透镜112至第四透镜124各自具有(在光轴oa上)朝向屏幕侧ss且使影像光束ib通过的屏幕侧面s1、s3、s5、s7及(在光轴oa上)朝向显示侧ds且使影像光束ib通过的显示侧面s2、s4、s6、s8。
[0023]
在本实施例中，光阀150例如是数字微镜元件(digital micro-mirror device,dmd)、硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,lcos panel)或是液晶面板(liquid crystal panel,lcd)等空间光调变器，但本实用新型并不局限于此。
[0024]
为了使投影镜头100的耐候性更佳，本实施例的第一透镜112、第二透镜114、第三透镜122与第四透镜124较佳为具有屈光度的玻璃透镜，但第一透镜112、第二透镜114、第三透镜122与第四透镜124的材质不局限于此。在本实施例中，投影镜头100中具有屈光度的透镜只有第一透镜112、第二透镜114、第三透镜122与第四透镜124。
[0025]
在本实施例中，第一透镜112具有负屈光度。第一透镜122的屏幕侧面s1在近轴区域(paraxial region)(即光轴oa附近的区域)为凹面，且第一透镜122的显示侧面s2在近轴区域为凹面。第二透镜114具有正屈光度。第二透镜114的屏幕侧面s3在近轴区域为凸面，且
第二透镜114的显示侧面s4在近轴区域为凸面。第三透镜122具有负屈光度。第三透镜122的屏幕侧面s5在近轴区域为凹面，且第三透镜122的显示侧面s6在近轴区域为凹面。第四透镜124具有正屈光度。第四透镜124的屏幕侧面s7在近轴区域为凸面，且第四透镜124的显示侧面s8在近轴区域为凸面。
[0026]
本实施例的其他详细光学数据如下面表1所示。
[0027]
表1
[0028][0029][0030]
在本实施例中，第一透镜112与第二透镜114的其中之一为非球面透镜。第三透镜122与第四透镜124的其中之一为非球面透镜。以下以第二透镜114及第四透镜124为非球面透镜进行说明。
[0031]
在本实施例中，屏幕侧面s3及s7是非球面，显示侧面s4及s8是非球面，且这些非球面是依下列公式定义：
[0032][0033]
其中：
[0034]
y：非球面曲线上的点与光轴oa的垂直距离；
[0035]
z：非球面之深度(非球面上距离光轴oa为y的点，与相切于非球面光轴oa上顶点之切面，两者间的垂直距离)；
[0036]
r：透镜表面近光轴oa处的曲率半径；
[0037]
k：锥面系数(conic constant)；
[0038]
a
2i
：第2i阶非球面系数。
[0039]
屏幕侧面s3、s7与显示侧面s4、s8在公式(1)中的各项非球面系数如下面表2所示。其中，表2中栏位编号s3表示其为第二透镜114的屏幕侧面s3的非球面系数，其它栏位依此类推。在本实施例中，a2为0。
[0040]
表2
[0041][0042][0043]
在本实施例中，投影镜头100还包括光栏st。光栏st在光轴oa上设置于第二透镜114与第三透镜122之间。
[0044]
在本实施例中，投影镜头100还包括反射元件160。反射元件160可为反射镜或分光器。反射元件160在光轴oa上设置于光栏st与第三透镜122之间。光轴oa包括第一光轴oa1及不与第一光轴oa重合的第二光轴oa2，其中第一透镜112与第二透镜114设置在第一光轴oa1上，且第三透镜122与第四透镜124设置在第二光轴oa2上。也就是说，光轴oa被反射元件160的反射面s10弯折。第二光轴oa2为光轴oa被反射元件160弯折前的部分，且第一光轴oa1为光轴oa被反射元件160弯折后的另一部分。沿着第二光轴oa2传递的影像光束ib被反射元件160的反射面s10反射后，再沿着第一光轴oa1传递。因此，第一光轴oa1与第二光轴oa2交会于反射元件160的反射面s10上的交会点ip上。在本实用新型的一实施例的投影镜头100中，由于投影镜头100设置了反射元件160，因此，投影镜头100的长度可被缩减。
[0045]
在本实施例中，投影镜头100还包括第一透镜群110以及第二透镜群120，其中第一透镜群110的光轴为第一光轴oa1，且第二透镜群120的光轴为第二光轴oa2。第一透镜群110具有正屈光度且包括第一透镜112及第二透镜114。第二透镜群120具有正屈光度且包括第三透镜122以及第四透镜124。
[0046]
在本实施例中，投影镜头100还包括设置在第四透镜124与光阀150之间的照明棱镜130及玻璃盖(cover glass)140。光阀150所提供的影像光束ib通过照明棱镜130而进入第四透镜124。在本实施例中，在光阀150与照明棱镜130之间设置玻璃盖(cover glass)140，以保护光阀150避免灰尘的影响。
[0047]
在一实施例中，投影镜头也可不设置照明棱镜。
[0048]
在本实施例中，投影镜头100符合2<ttl/f<5，其中ttl为第一透镜112的屏幕侧面s1到第四透镜124的显示侧面s8在光轴oa1上的距离，且f为投影镜头100的有效焦距。
[0049]
在本实施例中，投影镜头100还符合：bfl/f>1.45，其中bfl为第四透镜124的显示
侧面s8到光阀150的显示面s9在光轴oa上的距离。当投影镜头100的光学特性为bfl/f<1.45时，投影镜头100在第四透镜124与光阀150之间的空间不足，因而容易在机构上有元件互相干涉的问题。在本实用新型的一实施例中，由于投影镜头100符合了bfl/f>1.45的条件，投影镜头100在第四透镜124与光阀150之间有足够空间可放置其他元件，例如照明棱镜130及玻璃盖140，因此减少了各元件在机构上的干涉问题。
[0050]
基于上述，当投影镜头100的光学特性为ttl/f<2时，投影镜头的敏感程度会提高，使得良率降低，进而导致生产成本提高。再者，当投影镜头100的光学特性为ttl/f>5时，投影镜头的体积变大而无法达到轻量化的市场要求。在本实用新型的一实施例的投影镜头100中，由于投影镜头100符合2<ttl/f<5的条件，且2<ttl/f<5的条件限制了投影镜头100的长度，因此，投影镜头100可在维持较高良率的情况下，同时满足轻量化的市场要求。
[0051]
图2是根据本实用新型的另一实施例的投影镜头的示意图。请参考图2，在此实施例中，投影镜头100’省略设置了图1的反射元件160，因此，投影镜头100’的制作上较为简单，使得良率可提高。
[0052]
图3是根据本实用新型的一实施例的投影镜头的横向光束扇形图。请参考图3，图3示意了光线的波长在0.525微米时，图1的投影镜头100或图2的投影镜头100’的横向光束扇形图(transverse ray fan plot)。由于图3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镜头100及100’能够达到良好的成像效果。
[0053]
图4是根据本实用新型的一实施例的投影镜头以光线方向逆追迹在光阀的显示面处的调制传递函数图。图5是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧30公分处以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。图6是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧50公分处以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。图7是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在系统温度60度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面处的调制传递函数图。图8是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在系统温度-20度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面处的调制传递函数图。图9是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧30公分处且系统温度60度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。图10是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧30公分处且系统温度-20度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。图11是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧50公分处且系统温度60度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。图12是根据本实用新型的一实施例的投影镜头在屏幕侧50公分处且系统温度-20度下以光线方向逆追迹在光阀的显示面的调制传递函数图。其中，光线方向逆追迹(reversely tracking)为一平行成像光线由屏幕侧ss经过投影镜头100、100’到光阀150的显示面s9的一侧聚焦成像，以形成图4至图12的成像品质曲线图。
[0054]
请参考图4至图12，图4至图12示意了光线的波长在0.525微米时，图1的投影镜头100或图2的投影镜头100’分别于光阀150的显示面s9处、于距离第一透镜112的屏幕侧面s1的30公分处、于距离第一透镜112的屏幕侧面s1的50公分处以及分别在系统温度为常温、-20度、60度时的调制传递函数图(modulation transfer function,mtf)，其中横轴为焦点偏移量(focus shift)，单位为毫米(millimeter)，纵轴为光学转移函数的模数(modulus of the optical transfer function)，t代表在子午方向的曲线，s代表在弧矢方向的曲线，而「ts」旁标示的数值代表像高。
[0055]
由此可验证，本实施例的投影镜头100、100’所显示出的光学转移函数曲线在标准范围内，故具有良好的光学成像品质，如图4至图12所显示。因此，本实用新型的一实施例的投影镜头100、100’在不同的高/低温度下可维持良好的影像品质。而且，在不调整焦距的情况下，投影镜头100、100’可在投影距离30至50公分的范围内维持良好的影像品质。
[0056]
除此之外，在一实施例中，第一透镜群110以及第二透镜群120中的至少其一为固定透镜群，而另一透镜群为可移动透镜群。也就是说，当投影距离超出30至50公分的范围外时，可透过移动第一透镜群110以及第二透镜群120中的可移动透镜群来进行焦距的调整，使投影至屏幕的影像更为清晰。
[0057]
综上所述，在本实用新型的一实施例的投影镜头中，由于第一透镜具有负屈光度，第二透镜具有正屈光度，第三透镜具有负屈光度，第四透镜具有正屈光度，因此，投影镜头在不同的高/低温度下可维持良好的影像品质，且可在不调整焦距的情况下在投影距离30至50公分的范围内维持良好的影像品质。再者，投影镜头符合2<ttl/f<5，因此，投影镜头可在维持较高良率的情况下，同时满足轻量化的市场要求。
[0058]
惟以上所述者，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施之范围，即凡依本实用新型权利要求书及实用新型内容所作之简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。另外本实用新型的任一实施例或权利要求不须达成本实用新型所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要和实用新型名称仅是用来辅助专利文献检索之用，并非用来限制本实用新型之权利范围。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。
[0059]
附图标记说明：
[0060]
100:投影镜头
[0061]
110:第一透镜群
[0062]
112:第一透镜
[0063]
114:第二透镜
[0064]
120:第二透镜群
[0065]
122:第三透镜
[0066]
124:第四透镜
[0067]
130:照明棱镜
[0068]
140:玻璃盖
[0069]
150:光阀
[0070]
160:反射元件
[0071]
ds:显示侧
[0072]
ib:影像光束
[0073]
ip:交会点
[0074]
oa:光轴
[0075]
oa1:第一光轴
[0076]
oa2:第二光轴
[0077]
s1、s3、s5、s7:屏幕侧面
[0078]
s2、s4、s6、s8:显示侧面
[0079]
s9:显示面
[0080]
s10:反射面
[0081]
ss:屏幕侧
[0082]
st:光栏。