专利名称：一种投影镜头系统及其投影装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种四镜片投影镜头系统，可应用于大、小型投影机及幻灯片投影系统。此外，本发明还涉及一种具有四镜片投影镜头系统的投影装置。
背景技术：
传统用于投影机(projector)的投影镜头，镜片组成可分成几个群组，每群组包含数片镜片，各群组的屈光度有为正或负，例如美国专利号7，391，578。这种投影镜头能得到较佳的解析度(resolution)，但也因为镜片数量过多，造成投影机整体尺寸较大，制造成
本昂贵。为了将投影机结合于携带式电子装置(例如行动电话)上，投影机尺寸势必得缩小，因此减少投影镜头的镜片片数是必要的。但在追求较小投影机尺寸的同时，也同时希望获得较佳及具有高解析度的投影影像。影响投影镜头的解析度及整体尺寸的因素包含有镜片的数量及其相对位置、各镜片的屈光度及各镜片的形状等等；其中，镜片的数量为主要关键之一；当设计人员欲设计出良好解析度及良好的调制转换函数(MTF， ModulationTransfer Function)效应的投影镜头时，最常应用的手段为增加镜片的数量， 但此举影响镜头尺寸与成本，因此如何降低镜片的尺寸、片数且良好的解析度，则为一直存在的课题。美国专利4，690，515揭露三镜片的投影镜头，其屈光度自像侧依序为正、正、 负。四镜片的投影镜头，如美国专利4，564，269,4, 770，513，其屈光度自像侧依序为正、 正、负、负；或如美国专利4，603，950，其屈光度自像侧依序为正、正、正、负；或如美国专利 7，626，764，其屈光度自像侧依序为正、负、正、正。上述投影镜头虽片数少，但投影镜头相对于光阀(或称成像器)的比例仍太大，且投影视角不够大；尤其，当使用较小投影视角的镜头时，镜头到投影幕的距离要加大，因此投影机难以缩小体积。因此，本申请即是针对已知投影镜头的缺点，以缩小后焦距但不丧失投影视角的理则，而发明获得和光阀的比例较小的投影镜头尺寸及较广的投影视角，可与光源、分光器等元件组合成为投影装置，以应用于大、小型投影机或幻灯片投影系统上。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种投影镜头系统，可供设置于一投影幕及一投影装置的一光阀之间，该投影镜头系统从该投影幕至该光阀沿着投影镜头系统的光轴，依序包含一第一透镜，具有正屈光度(positive refraction factor)；一第二透镜， 具有负屈光度(negativerefraction factor)；一第三透镜，具有正屈光度；以及一第四透镜，具有正 屈光度，其中，该投影镜头系统满足下列条件0. 79 < BFL/TL < 0. 99。其中，BFL 为该投影镜头系统的后焦距，TL为该投影镜头系统该光轴上该第一透镜的投影幕侧面至该第四透镜的光阀侧面的全长。本发明的另一个目的是提供一种投影装置，包含一光源，用以发射一照明光束；一光阀，用以接收该照明光束，并产生一影像光束；以及上述的一投影镜头系统，设置于该影像光束的路径上，用以接收该影像光束并投射该影像光束于一投影幕。
由于采用以上技术方案，本发明的投影镜头系统可有效缩短投影镜头系统的相对长度，且使投影镜头系统具有较大的视角，且也可使本发明的投影装置尺寸缩小。
图1为本发明投影镜头系统的光学结构示意图2为本发明投影装置的一实施例的结构示意图3为本发明投影镜头系统第一-实施例的光路结构示意图
图4为本发明投影镜头系统第一-实施例的场曲图5为本发明投影镜头系统第一-实施例的畸变图6为本发明投影镜头系统第一-实施例的纵向像差图7为本发明投影镜头系统第二-实施例的光路结构示意图
图8为本发明投影镜头系统第二-实施例的场曲图9为本发明投影镜头系统第二-实施例的畸变图10为本发明投影镜头系统第—二实施例的纵向像差图11为本发明投影镜头系统第―三实施例的光路结构示意图
图12为本发明投影镜头系统第_三实施例的场曲图13为本发明投影镜头系统第_三实施例的畸变图14为本发明投影镜头系统第_Ξ实施例的纵向像差图15为本发明投影镜头系统第四实施例的光路结构示意图
图16为本发明投影镜头系统第四实施例的场曲图17为本发明投影镜头系统第四实施例的畸变图18为本发明投影镜头系统第四实施例的纵向像差图19为本发明投影镜头系统第五实施例的光路结构示意图
图20为本发明投影镜头系统第五实施例的场曲图21为本发明投影镜头系统第五实施例的畸变图；以及
图22为本发明投影镜头系统第五实施例的纵向像差图。
图中
L 照明光束；
I 影像光束；
1 投影镜头系统；
11第一透镜；
12孔径光阑；
13第二透镜；
14第三透镜；
15第四透镜；
16分光器；
17平板玻璃；
18:投影幕；19 光阀；2 投影装置；21 壳体；22:照明系统；221 光源；23 分光器；24 光阀；dl 光轴Z上投影幕至第一透镜的投影幕侧面的距离；d2 光轴Z上第一透镜之投影幕侧面至光阀侧面的距离；d3 光轴Z上第一透镜光阀侧面至孔径光阑距离；d4 光轴Z上孔径光阑至第二透镜投影幕侧面距离；d5 光轴Z上第二透镜投影幕侧面至光阀侧面距离；d6 光轴Z上第二透镜光阀侧面至第三透镜投影幕侧面距离；d7 光轴Z上第三透镜投影幕侧面至光阀侧面距离；d8 光轴Z上第三透镜光阀侧面至第四透镜投影幕侧面距离；d9 光轴Z上第四透镜投影幕侧面至光阀侧面距离；dlO 光轴Z上第四透镜光阀侧面至分光器投影幕侧面距离；dll 光轴Z上分光器投影幕侧面至光阀侧面距离；dl2 光轴Z上分光器光阀侧面至平板玻璃投影幕侧面距离；dl3 光轴Z上平板玻璃投影幕侧面至光阀侧面距离；dl4 光轴Z上平板玻璃光阀侧面至光阀距离；OH 投影幕上投射的影像的影像高度；以及OD 光轴Z上投影幕至第一透镜投影幕侧面的距离。
具体实施例方式为使本发明更加明确详实，现举较佳实施例并配合下列图示，将本发明的结构及技术特征详述如后图1为本发明投影镜头系统1的光学结构示意图。参照图1，本发明投影镜头系统 1由一投影幕18至一光阀19沿着光轴Z排列依序包含一第一透镜11、一孔径光阑12、一第二透镜13、一第三透镜14、一第四透镜15、一分光器16及一平板玻璃17。第一透镜11为具有正屈光度的平凸型透镜，可利用折射率(Ndl)大于1. 55、阿贝数 (vdl)大于61. 16的玻璃或塑胶材质制成，但不以此为限，且其凸面是面向投影幕18而其平面是面向光阀19，又其凸面及凹面可皆为球面，或至少有一面为非球面或双面均为非球面。孔径光阑(Aperture Stop) 12属于一种中置光圈，设于第一透镜11及第二透镜13 之间；该孔径光阑12亦可设于第一透镜11的平面上。第二透镜13为具有负屈光度的双凹型透镜，可利用折射率(Nd2)大于1. 70、阿贝数(Vd2)大于30. 05的玻璃或塑胶材质制成，但不以此为限，其二凹面可皆为球面，或至少有一面为非球面或二凹面均为非球面。
第三透镜14为具有正屈光度的凹凸型透镜，可利用折射率( )大于1. 59、阿贝数 (vd3)大于61. 16的玻璃或塑胶材质制成，但不以此为限，且其凹面是面向投影幕18而其凸面是面向光阀19，又其凸面及凹面可皆为球面，或至少有一面为非球面或双面均为非球面。第四透镜15为具有正屈光度的双凸型透镜，可利用折射率(Nd4)大于1. 59、阿贝数(Vd4)大于61. 16的玻璃或塑胶材质制成，但不以此为限，其二凸面可皆为球面，或至少有一面为非球面或二凸面均为非球面。在应用上，投影镜头系统1可置于分光器16、平板玻璃17及光阀19的光路上。其中，分光器(Beam Splitter) 16，可为极化分光器例如偏极化分光棱镜 (Polarization Beam Splitter ；PBS)或栅状偏振分光板(Wire GirdType)，或非极化分光器。当其为极化分光器时，其可让单极光束通过，而使另一极光束反射。当分光器16实施为PBS时，可利用折射率(Nd5)大于1. 52、阿贝数(Vd5)大于33. 85的玻璃制成。为清楚说明，以下各实施例，分光器皆以PBS为例，但不以此为限。光阀(Light Valve) 19,可产生影像光束，其可为数位微镜元件 (DigitalMicro-mirror Device,DMD)、液晶显示面板(Liquid Crystal Display,LCD)或单晶硅液晶显示面板(Liquid Crystal on Silicon, LC0S)。为清楚说明，以下各实施例，光阀19皆实施以LCOS为例，但不以此为限。平板玻璃17，为一般玻璃，可利用折射率( )大于1.52、阿贝数(Vd6)大于63. 69 的玻璃制成。其覆盖于光阀19，用以保护光阀19。分光器16、光阀19及平板玻璃17皆与已知投影装置使用的分光器、光阀及平板玻璃相同，在此不多赘述。投影时，光阀19可产生一影像光束，影像光束依序经过平板玻璃17、分光器16、第四透镜15、第三透镜14、第二透镜13、孔径光阑12及第一透镜11后，在投影幕18呈现一影像。此外，本发明投影镜头系统1的设计为远心(telecentric)型式，其主光线在光阀端与光轴夹角皆小于3°，能产生相对于非远心系统较均勻的亮度分布的好处。此外，本发明满
足下列不等式(1)-(7)的条件0. 79 < BFL/TL < 0. 99(1)1. 47 < TL/Llv < 1. 72(2)0. 52 < 0H/0D < 0. 59(3)1. 1 < f/BFL < 1. 29(4)0. 43 < f/f, < 0. 65(5)1. 58 < Ndave < 1. 65(6)53. 1 < Vdave < 56. 8(7) 其中，BFL为该投影镜头系统1的后焦距；TL为该投影镜头系统1光轴上，第一透镜11投影幕侧面至第四透镜15的光阀侧面的全长，即TL = d2+d3+d4+d5+d6+d7+d8+d9 ；Llv为光阀的有效对角线长度，TL/LW为每光阀19开孔大小对该投影镜头系统1全长的影响程度； OH为以平行光线入射于该投影镜头系统1而于投影幕18上投射的影像的影像高度；OD (或 (I1)为光轴Z上投影幕18至第一透镜11投影幕侧面的距离；f为该投影镜头系统1的有效焦距。此外，定义该投影镜头系统1的第一透镜11为第一透镜群，第二透镜13、第三透镜 14及第四透镜15为第二透镜群；f\为第一透镜11的焦距，fs为第二透镜群的总和(合成)焦距。Ndare及Vd■为该投影镜头系统1的第一透镜11、第二透镜13、第三透镜14及第四透镜15的数学平均的平均折射率及平均阿贝数。此为，当分光器16实施为PBS时，本发明的投影镜头系统1会满足下列不等式 (8)-(9)的条件1. 62 < NdPBS < 1. 67(8)33. 6 < vdPBS < 64. 3(9)其中，Ndpes及vdPBS为该PBS的折射率及阿贝数。为达到本发明的目的，第一透镜11、第二透镜13、第三透镜14或第四透镜15的光学面(指影像光束通过的面)可为球面或非球面设计，而其非球面方程式(Aspherical Surface Formula)为式(10)
cr2
Z=---+ογ,γ2 +a2r4 +a^r6 +aAr% +a5r10 +a6r12 +O7/4 + ,,r16Z1 n\其中，Z为透镜上任一点以光轴方向至透镜0点切平面的距离(SAG)，c是曲率，r 为镜片高度，K为圆锥系数(Conic Constant)、α工 α 8分别二 十六阶的非球面系数。通过上述结构，可有效使本发明的投影镜头系统1具有高解析度而又能有效缩小镜头长度且使视角变广，达成小型化且较低成本的功效。参见图2，本发明投影镜头系统1可应用于一投影装置2，投影装置2包含一照明系统22、一分光器23、一光阀M及前述的投影镜头系统1，置于一壳体21内。其中，照明系统22包含有一光源221用以发射一照明光束L，对于不同的照明系统22，可进一步包含有一聚光透镜(未于图上显示)，此聚光透镜可将光源221发出的光线聚集成为该照明光束 L，以增加照明系统22的发光效率，其中，光源221可为高压汞灯、卤素灯或LED灯等，但不以此为限。分光器23用以接收照明光束L，并将其投射至光阀M，其可为极化分光器或非极化分光器，极化分光器可为例如偏极化分光棱镜(PolarizationBeam Splitter ；PBS)或栅状偏振分光板(Wire Gird Type)。当分光器为极化分光器时，其可让单极光束通过，而使另一极光束反射。光阀M用以接收分光器23传送出的该照明光束L，并经由光阀M产生一影像光束I。该投影镜头系统1设置于该影像光束I的路径上，用以接收该影像光束I并投射该影像光束I于一投影幕(图未显示)上显影。本发明投影装置2的照明系统22、分光器23、 光阀M的类型及数量并不限制，且照明光束L的路径也不限制，可以实际情况而变化。通过本发明的投影装置2的设计及其有较大视角的投影镜头系统1，而使投影装置尺寸缩小，。兹列举较佳实施例，并分别说明如下<第一实施例>图3为本发明投影镜头系统1第一实施例的光路结构示意图、图4为本发明投影镜头系统1第一实施例的场曲(field curvature)图、图5为本发明投影镜头系统1第一实施例的畸变(distortion)图、图6为本发明投影镜头系统1第一实施例的纵向像差 (longitudinal aberration)图，其对应的垂直轴代表孔径光栏的半径高度。
下表一中分别列有由投影幕18至光阀19依序编号的光学面号码、在光轴Z上各光学面的曲率半径R(单位mm) (the radius of curvature R)、光轴Z上各物件的间距 d(the on-axis surface spacing)，各物件的折射率 Nd、各物件的阿贝数(Abbe’ s number) vd，投影镜头系统1的有效焦距(focal length)f、场视角(Field of view)F0V及焦长比(f number)Fno0表一、第一实施例的光学参数表
权利要求
1.一种投影镜头系统，可供设置于一投影幕及一投影装置的一光阀间，该投影镜头系统从所述投影幕至所述光阀沿着一光轴依序排列，其特征在于包含一第一透镜，具有正屈光度；一第二透镜，具有负屈光度；一第三透镜，具有正屈光度；以及一第四透镜，具有正屈光度，其中，所述投影镜头系统满足下列条件.0.79 < BFL/TL < 0. 99 ；其中，BFL为该投影镜头系统的后焦距，TL为该投影镜头系统光轴上所述第一透镜的投影幕侧面至所述第四透镜的光阀侧面的全长。
2.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于所述投影镜头系统的全长，进一步满足下列条件.1.47 < TL/Llv < 1. 72 ；其中，Lw为所述光阀的有效对角线长度，TL为该投影镜头系统所述光轴上所述第一透镜的投影幕侧面至所述第四透镜的所述光阀侧面的全长。
3.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于所述投影镜头系统的影像高度，进一步满足下列条件.0.52 < 0H/0D < 0. 59 ；其中，OH为平行入射光线入射于该投影镜头系统而投射于所述投影幕上的一影像的一影像高度，OD为光轴上所述投影幕至所述第一透镜的投影幕侧面的距离。
4.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于该投影镜头系统的后焦距，进一步满足下列条件.1.1 < f/BFL < 1. 29 ；其中，f为该投影镜头系统的有效焦距、BFL为该投影镜头系统的后焦距。
5.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于该投影镜头系统的第一透镜的焦距，进一步满足下列条件.0.43 < fi/f, < 0. 65 ；其中，f为所述第一透镜的焦距，fs为第二透镜群的合成焦距；其中，第二透镜群由所述第二透镜、第三透镜及第四透镜的组合。
6.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于该投影镜头系统的平均折射率 Ndave满足下列条件.1.58 < Ndave < 1. 65 ；其中，平均折射率为所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜折射率的数学平均。
7.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于该投影镜头系统的平均阿贝数 Vdave满足下列条件.53. 1 < Vdave < 56. 8 ；其中，平均阿贝数Vd■为所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜阿贝数的数学平均。
8.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于该第一透镜为平凸透镜，其凸面为面向所述投影幕。
9.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于所述第二透镜为双凹透镜。
10.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于所述第三透镜为凹凸透镜，其凹面为面向所述投影幕。
11.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于所述第四透镜为双凸透镜。
12.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于还包含一孔径光阑，设置于所述第一透镜与第二透镜间。
13.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜的投影幕侧面及光阀侧面均为球面。
14.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的投影幕侧面及光阀侧面均为球面，而所述第四透镜的投影幕侧面及光阀侧面均为非球
15.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜均为玻璃材质制成。
16.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜均为塑胶材质制成。
17.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于该投影镜头系统为远心型式。
18.一种投影装置，其用以将影像投影于一投影幕上，其特征在于包含一光源，用以发射一照明光束；一分光器，用以接收来自所述光源的照明光束；一光阀，用以接收来自所述分光器的所述照明光束，并产生一影像光束；以及一如权利要求1所述的投影镜头系统，设置于所述影像光束的路径上，用以接收所述影像光束并投射所述影像光束于所述投影幕。
19.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于所述光阀的有效对角线长度，进一步满足下列条件.1. 47 < TL/Llv < 1. 72 ；其中，Lw为光阀的有效对角线长度，TL为该投影镜头系统所述光轴上所述第一透镜的投影幕侧面至所述第四透镜的光阀侧面的全长。
20.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于所述投影幕与所述第一透镜的投影幕侧面的距离，进一步满足下列条件.0.52 < 0H/0D < 0. 59 ；其中，OH为平行入射光线入射于该投影镜头系统而投射于所述投影幕上的一影像的一影像高度，OD为光轴上所述投影幕至所述第一透镜的投影幕侧面的距离。
21.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于该投影镜头系统的后焦距，进一步满足下列条件.1.1 < f/BFL < 1. 29 ；其中，f为该投影镜头系统的有效焦距、BFL为该投影镜头系统的后焦距。
22.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于该投影镜头系统的第一透镜的焦距， 满足下列条件0.43 < fi/f, < 0. 65 ；其中，为所述第一透镜的焦距，4为所述第二透镜群的总和焦距；其中，第二透镜群由所述第二透镜、第三透镜及第四透镜的组合。
23.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于该投影镜头系统的平均折射率 · 满足下列条件1.58 < Ndave < 1. 65 ；其中，平均折射率为所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜折射率的数学平均。
24.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于该投影镜头系统的平均阿贝数Vdare 满足下列条件53. 1 < Vdave < 56. 8 ；其中，平均阿贝数Vd■为所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜阿贝数的数学平均。
25.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于该投影镜头系统为远心型式。
26.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于所述光阀为单晶硅液晶显示面板。
27.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于所述分光器为一极化分光器。
28.如权利要求27所述的投影装置，其特征在于所述极化分光器为一偏极化分光棱境。
29.如权利要求观所述的投影装置，其特征在于所述偏极化分光棱镜所构成的所述极化分光器，满足下列条件1. 62 < Ndpes < 1.67 ； 33. 6 < vdPBS < 64. 3 ；其中，NdPBS及vdPBS为所述偏极化分光棱镜的折射率及阿贝数。
30.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于所述分光器为一非极化分光器。
全文摘要
本发明公开一种投影镜头系统及其投影装置，该投影装置包含一光源、一光阀及一投影镜头系统；光源发射一照明光束后，由光阀接收并产生一影像光束；投影镜头系统设置于影像光束的路径上，用以接收影像光束并投射影像光束于一投影幕，投影镜头系统具有四个镜片，从投影幕至光阀沿着光轴依序包含一第一透镜，具有正屈光度；一第二透镜，具有负屈光度；一第三透镜，具有正屈光度；及一第四透镜，具有正屈光度，投影镜头系统满足下列条件0.79＜BFL/TL＜0.99，其中，BFL为投影镜头系统的后焦距，TL为投影镜头系统该光轴上第一透镜的投影幕侧面至第四透镜的光阀侧面的全长。本发明可有效缩短投影镜头系统的相对长度，且使投影镜头系统具有较大的视角，且也可使本发明的投影装置尺寸缩小。
文档编号G02B13/00GK102236149SQ20101016545
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者徐三伟, 蔡尚安 申请人:一品光学工业股份有限公司