TWI721211B

TWI721211B - 鏡頭及包含其之投影裝置

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Publication number: TWI721211B
Application number: TW106130886A
Authority: TW
Inventors: 賴聖棠; 王國權; 蘇元宏
Original assignee: 揚明光學股份有限公司
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2021-03-11
Also published as: CN109471239B; US10684453B2; CN109471239A; US20190079275A1; TW201913158A

Abstract

一種鏡頭，包含五片非球面透鏡和光圈，五片非球面透鏡由第一側至第二側，分別為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡，光圈設於第一透鏡與第二透鏡之間。第一透鏡面對第一側的一表面，沿著鏡頭光軸至第二側成像面的距離小於5mm。H為鏡頭在成像面的影像高度，在成像面上，以影像高度等分10份，分別設有0.1H、0.2H、0.3H….0.9H、1H等10個位置，透過鏡頭到成像面上0.1H、0.2H、0.3H….0.9H、1H等10個位置的主光線，與成像面法向量的夾角都小於10度。

Description

鏡頭及包含其之投影裝置

本發明係有關於一種鏡頭，且特別是有關於一種包含此鏡頭的投影裝置。

三維結構光量測是基於光學三角原理，光投射器將光線投射於物體表面，在表面上形成由被測物表面所調製的光調三維圖像，圖像另ㄧ端由攝影機探測，近而得到光條二維畸變圖像。光條的畸變取決於投射器和攝影機的相對位置和待測物表面的高度。當物體表面有了高度變化，光扭曲代表了平面的變化，光不連續顯示了物理上的間隙。因此由畸變的二維光條圖，即可重現物體變面的變化輪廓。然而結構光應用早在 20 世紀的 70 年代開始被使用。以其大視場、高精度、易存取、即時性強和主動受控等特點，近年來在工業上廣泛的應用。

依據投射光源的光束模式不同，結構光可分為幾類 : 點結構光、線結構光、多線結構光等。根據待測物所需要來決定用哪一種模式。點的最容易量測且快速，但僅能得到待測物一點的資訊，多配合掃瞄器來完成範圍量測。單線結構光資訊範圍要來的比點的多，複雜性並沒有變高，因此廣泛被應用。多線的結構光類似光柵模式，但可獲得大範圍面積的資訊，但複雜且難度較高。圖1為多線結構光模式示意圖。光投射器100將光線110投射於物體表面120，在表面上形成由被測物表面所調製的光調三維圖像，圖像另ㄧ端由攝影機130探測，近而得到光條二維畸變圖像。

本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

依據本發明之一觀點，提出一種鏡頭，包含五片非球面透鏡和光圈，五片非球面透鏡由第一側至第二側，分別為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡，光圈設於第一透鏡與第二透鏡之間。第一透鏡面對第一側的一表面，沿著鏡頭光軸至第二側成像面的距離小於5mm。H為鏡頭在成像面的影像高度，在成像面上，以影像高度等分10份，分別設有0.1H、0.2H、0.3H….0.9H、1H等10個位置，透過鏡頭到成像面上0.1H、0.2H、0.3H….0.9H、1H等10個位置的主光線，與成像面法向量的夾角都小於10度。

據本發明之另一觀點，提出一種鏡頭，包含五片非球面透鏡和光圈，五片非球面透鏡由第一側至第二側，分別為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡，光圈設於五片非球面透鏡之間。第一透鏡面對第一側之第一表面，沿著鏡頭光軸至第五透鏡面對第二側之第二表面的距離小於5mm。H為鏡頭在第二側成像面的影像高度，在成像面上，以影像高度等分10份，分別設有0.1H、0.2H、0.3H….0.9H、1H等10個位置，透過成像面上0.4H位置，經過鏡頭到第一表面上的主光線，與光軸的夾角為B，透過成像面上0.5H位置，經過鏡頭到第一表面上的主光線，與光軸的夾角為C，B與C的差值大於4.5度，且透過成像面上0.3H位置，經過鏡頭到第一表面上的主光線，與光軸的夾角為A，A與B的差值大於4.7度。

據本發明之再一觀點，提出一種投影裝置，包含光源、光閥以及包含五片非球面透鏡的鏡頭。鏡頭由第一側至第二側，分別為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡，且光閥設在光源與第五透鏡之間。第一透鏡接近第一側之表面，沿著鏡頭光軸至第五透鏡接近第二側之表面的距離小於5mm。第一透鏡在光軸部份設有凸面，朝向第一側，第二透鏡在光軸部份設有凹面，朝向第一側，第三透鏡的形狀，設為近彎月形，在光軸部份設有凹面，朝向第一側，第四透鏡的光學有效外徑大於第三透鏡的光學有效外徑，且第五透鏡朝向第一側的表面，設有反曲點。

據此，本發明上述各實施例，可在有限的空間中提供一種具有收光效率良好、易於小型化、能提供較佳光學品質的鏡頭設計。

下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之多個實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如「前」、「後」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而非用來限制本發明。

另外，下列實施例中所使用的用語“第一”、“第二”是爲了辨識相同或相似的元件而使用，幷非用以限定該元件。

本發明所謂的光學元件，係指元件具有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包括玻璃或塑膠所組成。例如是透鏡、稜鏡或是光圈。

鏡頭應用在投影系統時，放大側是指沿光路上較靠近投影方向(例如是投影待測物體)的一側；縮小側是指鏡頭沿光路上較靠近光閥的一側。而當鏡頭應用在取像系統中時，放大側係指在光路上靠近被拍攝物所處的一側，縮小側則係指在光路上較靠近感光元件的一側。

一透鏡的物側面(或像側面)具有位於某區域的凸面部(或凹面部)，是指該區域相較於徑向上緊鄰該區域的外側區域，朝平行於光軸的方向更為「向外凸起」(或「向內凹陷」)而言。一透鏡的光學有效外徑(effective diameter)，亦或是“通光孔徑直徑(clear aperture diameter)”或“通光孔徑(clear aperture)”是指透鏡表面形成以助產生光學性能的部分區域的直徑。例如，一些或所有透鏡於外周區域形成有一凸緣(flange)或其他結構用以供透鏡定位組裝等用途，且需被理解的是，如上述凸緣等定位組裝結構是位於透鏡的光學有效直徑外。此外，在某些情況下，一個單一透鏡的物側面及像側面可以具有不同的光學有效外徑。在一些實施例中，透鏡表面的部分區域可以被指定為凸面部或凹面部。這些部分區域可以是對稱於光軸，其中，光軸附近區域(或是光軸部分)是指由光軸向外延伸的部分區域，而外周附近區域則是指由光學有效外徑向內延伸的部分區域，而中央附近區域則是指介於光軸附近區域和外周附近區域之間的部分區域。本技術領域人員可以理解的是，上述光軸附近區域(或中央附近區域、外周附近區域)可向外延伸(或向內延伸)至足夠提供所需產生的光學特性的範圍大小。

本發明之一實施例提出一種鏡頭。圖2是本發明第一實施例的鏡頭架構示意圖。請參照圖2，在本實施例中，鏡頭10有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡由第一側(放大側)往第二側(縮小側)排列包括了第一透鏡L1、光圈S、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、及第五透鏡L5。而在鏡筒之縮小端處係設置有一光閥LV，且光閥LV位於第五透鏡L5和一光源(未繪示)之間。光圈S是設置於鏡頭10中第一透鏡L1與第二透鏡L2之間。於本實施例中，鏡頭的放大側OS係對應投影待測物體方向，而鏡頭的縮小側IS則對應光閥LV方向。本發明各具體實施例之放大側OS均分別設於各圖之左側，而縮小側IS均設於各圖之右側，將不予重覆說明之。

本發明所指光圈S是指一孔徑光欄(Aperture Stop)，光圈S為一獨立元件或是整合於其他光學元件上。於本實施例中，光圈是利用機構件擋去周邊光線並保留中間部份透光的方式來達到類似的效果，而前述所謂的機構件可以是可調整的。所謂可調整，是指機構件的位置、形狀或是透明度的調整。或是，光圈S也可以在透鏡表面塗佈不透明的吸光材料，並使其保留中央部份透光以達限制光路的效果。

於本實施例中。鏡頭10包括了沿光軸排列的五片非球面透鏡，其屈光度(Refractive power)由放大側(圖式左側)往縮小側(圖式右側)依序分別為正、正、正、負及負。於本實施例中，各透鏡L1~L5均由塑膠所製成，於其他實施例中，亦可以玻璃模造製成。同時，鏡頭的總屈光度為正。

各透鏡L1~L5係定義有一通光孔徑(Clear Aperture, CA)，通光孔徑一詞已為廣泛應用於業界。本發明中所指通光孔徑，是指透鏡上光線可穿透的最大區域。

在本發明中所謂的光閥LV，為一種已被廣泛應用的元件，為空間光調變器的一種。光閥LV可將照明光轉為影像光，例如 DMD、LCD、LCOS、投影片、全像片、具有圖案(pattern)的載體(mask) 等，即光閥LV的例子。而於本實施例中，光閥LV為一具有圖案的載體。

鏡頭10的透鏡及其周邊元件的設計參數如表一所示。然而，下文中所列舉的資料並非用以限定本發明，任何所屬領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明的範疇內。

表一

表中表面所示的＊係指該表面為非球面表面，而若未標示即為球面之意。

曲率半徑是指曲率的倒數。曲率為正時，透鏡表面的圓心在透鏡的縮小側方向。曲率為負時，透鏡表面的圓心在透鏡的放大側方向。而各透鏡之凸凹可見上表及其對應之示圖。

而本發明的光圈值係以F/#來代表，如上表所標示者。

而本發明鏡頭應用在投影系統時，成像面是光閥表面。而當鏡頭應用在取像系統中時，成像面則係指感光元件表面。

而本發明中，鏡頭整體的有效焦距（Effective focal length, EFL）係以EFL來表示，如上表所標示者。

而本發明鏡頭應用在投影系統時，影像高度(Image Height)是指從光閥發出之影像光的最大有效區域。而當鏡頭應用在取像系統中時，影像高度則係指在成像面的影像對角線長度，如上表所標示者。

本發明中，鏡頭的光程總長(Total Track Length, TTL）係以TTL來表示，如上表所標示者。更明確的說，本發明的光程總長是指鏡頭10最接近放大端的光學表面S1，與成像面S12之間，沿光軸12量測的距離，如上表所標示者。

於本實施例中，FOV在應用在投影系統時，是指最接近放大端的光學表面與鏡頭光軸的夾角，亦即以對角線量測所得之視野 (field of view)，如上表所標示者。

於本發明如下的各個設計實例中，非球面多項式用下列公式表示：

(1)

上述的公式(1)已被廣泛應用。舉例來說，Z為光軸方向之偏移量（sag），c是密切球面（osculating sphere）的半徑之倒數，也就是接近光軸A處的曲率的倒數，k是圓錐係數(conic constant)，r是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度。

分別代表非球面多項式的各階非球面係數。表二列出本發明的第一具體實施例中，鏡頭中各透鏡表面的各階非球面係數及圓錐係數值。

表二

另外，於本實施例中，鏡頭10的光程總長(TTL)除以成像面影像高度(Image Height)之值(簡稱為TTL/Image Height)為0.90，而本發明的TTL/ Image Height在小於1.2時，其己有基本節省空間的效果。而當TTL/ Image Height的值小於1.1之間時，其效果較佳。而當TTL/ Image Height的值小於1.0之間時，其效果最佳。而鏡頭10的TTL和Image Height比例小於前述各值時，其特性讓前述的鏡頭10在被應用於攜帶式電子裝置時得以在有限空間中取得較佳的光學效果。

於本實施例中，鏡頭10的第一透鏡L1接近第一側的表面S1，沿著鏡頭光軸12至第五透鏡L5接近第二側的表面S11的距離L小於3mm，而本發明的L在小於5mm時，其己有基本節省空間的效果。而當L的值小於4mm之間時，其效果較佳。而當L的值小於3mm之間時，其效果最佳。而鏡頭10的L小於前述各值時，其特性讓前述的鏡頭10在被應用於攜帶式電子裝置時得以在有限空間中取得較佳的光學效果。

另外，於本實施例中，H為鏡頭10在成像面的一影像高度(Image Height)，在成像面上，以影像高度等分10份，分別設有0.1H、0.2H、0.3H….0.9H、1H等10個位置，透過鏡頭到成像面上0.1H、0.2H、0.3H….0.9H、1H等10個位置的主光線，與成像面法向量的夾角都小於7度。而成像面主光線，與成像面法向量的夾角都小於10度時，其己有基本收光效率的效果。而當成像面主光線，與成像面法向量的夾角都小於8度時，其效果較佳。而當成像面主光線，與成像面法向量的夾角都小於7度時之間時，其效果最佳。而本發明鏡頭10的成像面主光線，與成像面法向量的夾角都小於前述各值時，其特性讓前述的鏡頭10在被應用於攜帶式電子裝置時得以在有限空間中取得較佳的收光效率效果。

以下將說明本發明的鏡頭的第二實施例的設計。圖3是本發明第二實施例的鏡頭架構示意圖。於本實施例中，鏡頭中的透鏡及其周邊元件的設計參數如表三所示。

表三

表四列出本發明的第二實施例中，鏡頭的各透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。

表四

由表三及表四可見，於本實施例中與第一實施例的一個主要差別在於各透鏡L1~L5的屈光度依序為正、正、正、正及負。同時，鏡頭的總屈光度為正。

以下將說明本發明的光學鏡頭10的第三實施例的設計。圖4是本發明第三實施例的鏡頭架構示意圖。於本實施例中，光學鏡頭10中各透鏡及其周邊元件的設計參數如表五所示。

表五

表六列出本發明的第三實施例中，鏡頭的各透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。

表六

由表五及表六可見，於本實施例中與第一實施例的一個差別在於各透鏡L1~L5的屈光度依序為正、負、正、負及正。同時，鏡頭的總屈光度為正。另外，本實施例與第一實施例的另一個差別在於最接近成像面(S12)的第五透鏡表面(S11)，為一繞射面。

於本發明實施例中，繞射面多項式可用下列公式表示：

(2) 上述的公式(2)中，

(r)為繞射元件(diffractice optical element)的相位函數（phase），r是與光學鏡頭光軸的徑向距離(radial distance)，

是參考波長（reference wavelength，940奈米），也就是說繞射面(diffractice optical surface)為透鏡表面加上相位函數(phase)。表七的C1-C4分別代表繞射面多項式的2階項、4階項、6階項與8階項係數值。

表七

表八顯示本發明第一、第二、第三實施例，應用在投影系統時，係指在最接近放大端的光學表面(S1)上，光閥的光線投射面有效區域的不同高度所對應的主光線與鏡頭光軸的夾角(half-FOV)值。

表八

H設為鏡頭10在第二側成像面形成的影像高度，在成像面上，以影像高度等分10份，分別設有0.1H、0.2H、0.3H….0.9H、1H等10個位置，其中透過成像面上0.4H位置，經過鏡頭10到第一透鏡的表面S1上的主光線，與光軸12的夾角為B，透過成像面上0.5H位置，經過鏡頭10到第一透鏡的表面S1上的主光線，與光軸12的夾角為C，B與C的差值大於4.5度，且透過成像面上0.3H位置，經過鏡頭10到第一透鏡的表面S1上的主光線，與光軸12的夾角為A，A與B的差值大於4.7度。

表九顯示本發明第一、第二、第三實施例中，非球面透鏡L1~L5分別在光軸附近區域、中央附近區域和外周附近區域所對應的形狀。

表九

從表九中可知本發明第一、第二、第三實施例中第五透鏡朝向縮小側(第二側)的表面S11，從光軸附近區域(光軸部分)徑向上至外周附近區域設有一反曲點。本發明第二、第三實施例中第五透鏡朝向放大側(第一側)的表面S10，從光軸附近區域(光軸部分)徑向上至外周附近區域設有兩反曲點。本發明第三實施例中第四透鏡朝向縮小側(第二側)的表面S9，從光軸附近區域(光軸部分)徑向上至外周附近區域設有一反曲點。

圖5-7分別為圖2-4之鏡頭10的930、940、950奈米紅外光之光線扇形圖(ray fan plot)，其中光線扇形圖的X軸為光線通過入瞳的位置，Y軸為主光線投射至成像面（例如成像面S12）的位置的相對數值，曲線S為弧矢(sagittal)方向的數據，而曲線T為子午(tangential)方向的數據。要注意的是，也可以使用其他波長光線取代930、940、950奈米紅外光來畫出光線扇形圖。此光線只是作為一種測量的參考基準，並非一定的波長限制。圖8-10分別為圖2-4之鏡頭10像場彎曲(field curvature)圖以及表現歪曲像差的畸變(distortion)圖。圖11-13分別為圖2-4之鏡頭10主光線夾角(chief ray angle)圖。圖5-13模擬數據圖所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本發明第一、第二、第三實施例之鏡頭10確實能夠具有良好的光學品質。

再者，於本發明的一實施例中，係揭露了一種投影裝置，除了應用上開各實施例中的光學鏡頭10外，更包括有前述的光閥LV及照明光源等光學元件。運作時，光閥LV接受照明光源的照明光，並將照明光轉換為影像光後經由光學鏡頭10輸出一結構光。前述的投影裝置可應用於手機等可攜式裝置，而投影鏡頭的出光方向是面對待測物體。

由以上實施例可知，本發明，可在有限的空間中提供一種具有收光效率良好、易於小型化、能提供較佳光學品質的鏡頭設計。

以上各具體實施例中所列出的表格中的參數僅為例示之用，而非限制本發明。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10‧‧‧鏡頭12‧‧‧光軸100‧‧‧光投射器110‧‧‧光線120‧‧‧物體表面130‧‧‧攝影機L1~L5‧‧‧透鏡S1~S12‧‧‧表面S‧‧‧光圈LV‧‧‧光閥OS‧‧‧放大側IS‧‧‧縮小側

圖1是多線結構光模式示意圖。

圖2是本發明第一實施例的鏡頭結構示意圖。

圖3是本發明第二實施例的鏡頭結構示意圖。

圖4是本發明第三實施例的鏡頭結構示意圖。

圖5、圖6及圖7分別是圖2、圖3及圖4的光線扇形模擬數據圖。

圖8、圖9及圖10分別是圖2、圖3及圖4的像場彎曲以及畸變模擬數據圖。

圖11、圖12及圖13分別是圖2、圖3及圖4的主光線夾角與成像面模擬數據圖。

無

10‧‧‧鏡頭

12‧‧‧光軸

L1~L5‧‧‧透鏡

S1~S12‧‧‧表面

S‧‧‧光圈

LV‧‧‧光閥

OS‧‧‧放大側

IS‧‧‧縮小側

Claims

一種鏡頭，包含：五片非球面透鏡，由一第一側至一第二側，分別為一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡以及一第五透鏡；以及一光圈，設於該第一透鏡與該第二透鏡之間；其中該第一透鏡面對該第一側之一表面，沿著一光軸至該第二側之一成像面的一距離小於5mm，其中H為該鏡頭在該成像面的一影像高度，在該成像面上，以該影像高度等分10份，分別設有0.1H、0.2H、0.3H…0.9H、1H等10個位置，其中透過該鏡頭到該成像面上0.1H、0.2H、0.3H…0.9H、1H等10個位置的主光線，與該成像面法向量的夾角都小於10度。
一種鏡頭，包含：五片非球面透鏡，由一第一側至一第二側，分別為一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡以及一第五透鏡；以及一光圈，設於該等透鏡之間；其中該第一透鏡面對該第一側之第一表面，沿著一光軸至該第五透鏡面對該第二側之第二表面的一距離小於5mm，其中H為該鏡頭在第二側一成像面形成的一影像高度，在該成像面上，以該影像高度等分10份，分別設有0.1H、0.2H、0.3H…0.9H、1H等10個位置，其中透過該成像面上0.4H位置，經過該鏡頭到該第一表面上的主光線，與該光軸的夾角為B，透過該成像面上0.5H位置，經過該鏡頭到該第一表面上的主光線，與該光軸的夾角為C，B與C的差值大於4.5度，且透過該成像面上0.3H位置，經過該鏡頭到該第一表面上的主光線，與該光軸的夾角為A，A與B的差值大於4.7度。
如請求項第1、2項任一者所述的鏡頭，其中該鏡頭係應用於一投影裝置。
如請求項第1、2項任一者所述的鏡頭，其中該距離小於3mm。
如請求項第1項所述的鏡頭，其中該主光線與該成像面法向量的夾角都小於7度。
如請求項第1、2項任一者所述的鏡頭，其中該第五透鏡還包含一繞射面。
如請求項第1、2項任一者所述的鏡頭，其中該第一至第五透鏡的屈光度滿足下列條件之一：(1)依序為正、正、正、負及負，(2)依序為正、正、正、正及負，(3)依序為正、負、正、負及正。
如請求項第1、2項任一者所述的鏡頭，其中該鏡頭滿足下列條件之一：(1)該第一、第二、第三、第四、第五透鏡彼此分離，(2)該第一、第二、第三、第四、第五透鏡的折射率均大於1.6，(3)該第五透鏡具有至少一反曲點。
如請求項第1、2項任一者所述的鏡頭，其中該第一透鏡朝向該第一側的表面與該成像面之間，沿光軸的一距離為TTL，該鏡頭滿足TTL/該影像高度小於1.2。
一種投影裝置，包含：一光源；以及一光閥以及一包含五片非球面透鏡的鏡頭，其中該鏡頭由一第一側至一第二側，分別為一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡以及一第五透鏡，且該光閥設在該光源與該第五透鏡之間，其中該第一透鏡面對該第一側之一表面，沿著該鏡頭之一光軸至該第五透鏡面對該第二側之一表面的一距離小於5mm，其中該第一透鏡在該光軸部份設有一第一凸面，朝向該第一側，該第二透鏡在該光軸部份設有一第一凹面，朝向該第一側，該第三透鏡之形狀，設為近彎月形，在該光軸部份設有一凹面，朝向該第一側，該第四透鏡之一光學有效外徑大於該第三透鏡之一光學有效外徑，且該第五透鏡朝向該第一側的一表面，設有一反曲點。