[发明专利]变焦投影镜头

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种变焦投影镜头，尤指一种适于非远心投影显示光学系统或影像撷取光学系统中使用的小型化变焦投影镜头。

【背景技术】

投影机是利用光学投影方式将影像投射至大尺寸屏幕上的一种装置，依其内部所使用的光引擎(Light Engine)的不同，可分为LCD(Liquid CrystalDisplay)投影机、DLP(Digital Light Processor)投影机及LCOS(Liquid Crystalon Silicon)投影机，其中LCD投影机因其运作时光线会透过LCD面板，所以属于穿透式投影机，而LCOS、DLP则靠光线反射的原理显像，所以称为反射式投影机。而依光线投影方向的不同，投影机又可分为前投式(FrontProjection)与背投式(Rear Projection)两种，前投式投影机是投影机与观看者在屏幕的同一边，主机与屏幕是分离的，背投式投影机则是投影机与观看者在屏幕不同边。此外，前投式或背投式投影机依其使用光阀数目的不同，又可分为单片式、两片式与三片式三种。

在LCD、DLP及LCOS此三种投影机中，采用非远心光路系统(Non-Telecentric System)的DLP投影机近年来发展迅速，其发展趋势为在短投影距离中达成大屏幕、高清晰度、高亮度的图像显示，其更能获得体积小、重量轻等产品特性。DLP投影机的关键元件为DMD(Digital MicromirrorDevice)数字微镜器件；DMD为美国德州仪器公司独家掌握并开发的数字图像芯片，由于其面世的时间相对较短，所以与DMD技术相匹配的有关DLP投影成像光学系统的专利技术并不多，而现有的LCD、LCOS等投影镜头由于采用的是远心光路系统，因而无法完全满足DMD数字图像芯片的配套要求。这主要是由于DMD上的微型反光镜于工作时随图像信号会有10度或12度的翻转，以将来自照明光源的光束通过微反射镜的翻转反射入投影镜头的入瞳并聚焦于屏幕上。基于此特点，LCD、LCOS等投影镜头通常无法充分满足DMD数字图像芯片的配套要求。

此外，对于反射式DLP投影机或LCOS投影机而言，为提高投影品质，需使得入射于反射式成像器如DMD数字微镜器件上的入射光路与出射光路之间的间隔加大以形成隔离，这样可避免出射光路被其它光源干扰。因而，其投影显示光学系统中的投影镜头需具有一足够长的后焦(BFL，Back FocalLength)。

现有的变焦投影镜头多采用多群透镜组作动且各透镜组长度较长，所以已不符当前投影机小型化的趋势。美国专利第6,590,716号则揭示一种两群作动的变焦投影镜头，其包括具有负屈光度的第一透镜组、具有正屈光度的第二透镜组、具有负屈光度的第三透镜组及具有正屈光度的第四透镜组，其中第一、第四透镜组是固定不动，第二、第三透镜组可进行作动。但是，由于该变焦投影镜头是采用四群透镜组的架构，透镜数目多达12片，导致镜头总长较长而增加了最终的投影机产品的尺寸、成本与重量，因而不符当前投影机小型化、低成本的发展趋势。此外，该变焦投影镜头仅适用于采用远心光路系统的LCD、LCOS投影机，而并不适用于采用非远心光路系统的DLP投影机。

另外，在变焦投影镜头的透镜形态及材质选择上，由于传统的球面研磨玻璃透镜的材质选择较多，其对于矫正色差较为有利，所以已广为业界所使用。但是球面研磨玻璃透镜使用于光圈系数(F Number)较小及视角(Wide-angle)较大的情形时，球差及像散等像差的矫正仍较困难。为了有效矫正像差，如上所述，现有变焦投影镜头通常是由多个透镜组构成，从而造成镜头整体尺寸较长、重量较大、成本较高。而采用非球面透镜可解决上述问题，其可大幅提高成像品质并减小广角镜头的桶状变形，且一片非球面透镜可替代数枚球面透镜补偿像差，可以相当显著地简化镜头的光学设计，减小其体积和重量。

无论是球面透镜还是非球面透镜，其制作材质主要有玻璃与塑料，其中玻璃透镜的透光系数较大，成像效果好，但价格较高，主要应用于高阶产品；塑料透镜的透光系数较小，价格低廉，主要应用于低阶产品。但因塑料材质轻便，而玻璃材质却比较厚重，所以在镜头设计时会采用玻璃透镜与塑料透镜的组合，借此取长补短，从而设计出所需的镜头组。若采用全塑料透镜的组合则不但会影响镜头的光学性能，而且对公差要求亦会比较严格。

因此，综合上述，如何设计出一款适于非远心投影显示光学系统或影像撷取光学系统中使用的变焦投影镜头，使其具有尺寸短小、结构简单、成本较低、成像品质良好等诸多优点，且同时具有较长后焦的特点，已成为业界的共同诉求。

【发明内容】