CN102221767A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影装置，包括影像产生装置以及投影镜头。影像产生装置具有光阀，用以产生投射光。投影镜头包括具有成像光轴的第一透镜群以及设置于第一透镜群与光阀之间的第二透镜群。投射光从光阀经第二透镜群于第一透镜群与第二透镜群之间产生中间影像，且中间影像经第一透镜群后产生投影影像。投影影像的中心与光阀的中心位于成像光轴的第一侧，且中间影像的中心则位于成像光轴不同于第一侧的第二侧。通过本发明，可避免现有技术中反射镜位于非光轴上所产生的不稳定性，并可避免发生前群透镜过大以及总长度快速增加的问题。

Description

投影装置

技术领域

本发明关于一种投影装置，尤指一种具有二次成像的投影镜头的投影装置。

背景技术

对于大会议室或演讲会场等大型空间，通常必须搭配大型投影影像，才能为观看者清楚看见。然而，投影装置的投影影像大小受限于投影镜头的结构设计。因此，超广角投影镜头已应用在投影装置中。然而，传统超广角投影镜头采用一次成像的投影技术，且此技术通常会导致前群透镜太大，使得制作成本增加，且增加制造的困难度。为了缩短投影距离，有发展出利用非光轴上的反射镜或是具有特殊镜面的透镜的投影镜头，但反射镜位于非光轴上的不稳定性较大，且反射镜的尺寸太大会增加制作的困难度，而不易为市场所接受。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种投影装置，以解决上述制造困难以及制作成本增加的问题。

为达上述的目的，本发明提供一种投影装置，用于将影像投射至投影幕上。投影装置包括影像产生装置以及投影镜头。影像产生装置用以产生具有影像的投射光，且影像产生装置具有光阀，使投射光从光阀射出。投影镜头包括第一透镜群以及第二透镜群。第一透镜群具有成像光轴与第一有效折射率，且第一透镜群包括复数个第一透镜，其中这些第一透镜包括至少二个第一非球面透镜。第二透镜群具有第二有效折射率，且第二透镜群设置于第一透镜群与光阀之间。投射光从光阀经第二透镜群于第一透镜群与第二透镜群之间产生中间影像，且中间影像经第一透镜群于投影幕上产生投影影像。投影影像的中心与光阀的中心是位于成像光轴的第一侧，且中间影像的中心则位于成像光轴的第二侧，第二侧不同于第一侧。

根据本发明所述的投影装置，投影镜头的有效焦距为fe，且满足关系式2mm≤fe≤7mm。进一步地，第一透镜群的有效焦距为fw，且满足关系式fw/fe≤2.5。

根据本发明所述的投影装置，自邻近该投影幕的一侧起算的第二个该第一透镜为该第一非球面透镜。

根据本发明所述的投影装置，各该第一非球面透镜具有二个非球面镜面，分别面向该第二透镜群与该投影幕。

根据本发明所述的投影装置，各该第一非球面透镜为凸凹透镜。

根据本发明所述的投影装置，该第二透镜群包括光栏，用以控制该影像的光线的通过量。

根据本发明所述的投影装置，该第二透镜群包括复数个第二透镜，且该复数个第二透镜包括第二非球面透镜。

本发明的投影装置利用二次成像的设计使呈现出的投影影像为正立的影像，且将第一透镜群与第二透镜群设置于同一成像光轴上可避免反射镜位于非光轴上所产生的不稳定性。并且，本发明更于第一透镜群中设置至少二非球面透镜来避免发生前群透镜过大以及总长度快速增加的问题。

附图说明

图1为本发明具有二次成像的投影装置的成像示意图。

图2至图6为投影镜头的有效焦距固定为3mm的情况下第一透镜群具有不同的有效焦距的配置示意图。

图7为本发明一较佳实施例的投影装置的示意图。

图8为本发明较佳实施例的第一透镜群的示意图。

图9为本发明较佳实施例的第二透镜群的示意图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

请参考图1，图1为本发明具有二次成像的投影装置的成像示意图。如图1所示，投影装置100用于将影像102投射至投影幕104上，且投影装置100包括影像产生装置106以及投影镜头108。其中，投影镜头108设置于投影幕104与影像产生装置106之间。影像产生装置106包含光源、各式光学元件等，用于产生具有影像102的投射光110。影像产生装置106具有光阀112，使投射光110从光阀112射出，并射入投影镜头108，且藉由投影镜头108将投射光110投射至投影幕104上，以于投影幕104上呈现出放大的投影影像114。本发明的光阀可为，例如液晶面板(LCD panel)、数位微镜元件(digital micro-mirror device，DMD)等，但不以此为限。此外，投影镜头108包括第一透镜群116以及第二透镜群118，其中第一透镜群116具有成像光轴120，且第二透镜群118设置于第一透镜群116与光阀112之间的成像光轴120上，使第二透镜群118以此成像光轴120为光轴。影像产生装置106所产生的投射光110会经过第二透镜群118且于第一透镜群116与第二透镜群118之间产生中间影像122，而中间影像122经过第一透镜群116于投影幕104上产生投影影像114。并且，影像产生装置106设置于成像光轴120的第一侧，使影像产生装置106所产生具有正立影像102的投射光可经过第二透镜群118，于成像光轴120的第二侧形成倒立的中间影像122，且第二侧不同于第一侧。接着，中间影像122可经过第一透镜群116于投影幕104上形成正立的投影影像114。因此，本发明成像于投影幕104上的投影影像114的中心与光阀112的中心位在成像光轴120的第一侧，且中间影像122的中心则位在相反于第一侧的第二侧。藉此，本发明的投影装置100可利用二次成像的方式将影像产生装置106所产生正立的影像102成像于投影幕104上，而形成正立的投影影像114。于此实施例中，第一透镜群作为投影镜头的广角镜组(wide angle lenses)，且第二透镜群作为投影镜头的延伸镜组(relay lenses)。

另外，于本发明中，中间影像122与第一透镜群116的间距d₁小于中间影像122与第二透镜群118的间距d₂。并且，藉由组合第一透镜群116与第二透镜群118，本发明的投影镜头100的有效焦距为fe，且满足关系式2mm≤fe≤7mm，而投影镜头100的投影视角大于120度，但不限于此。值得注意的是，第一透镜群116包括至少二非球面透镜，使第一透镜群116的有效焦距为fw，且满足关系式fw/fe≤2.5。当fe小于下限2mm时，作为广角镜组的第一透镜群116将过大，增加设计上的困难及制造成本。当fe大于上限7mm时，其超广角效果可藉由一次成像的镜头即可达成。而当fw/fe＞2.5时，投影镜头100的总长度将快速增加，提高制造成本且不利***的组装使用。故，配合本发明的关系式，藉由设置至少二非球面透镜作为广角镜组的第一透镜群116，可避免最邻近投影幕104的前群透镜过大的问题，进而避免制作成本增加。并且，第一透镜群116藉由设置至少二非球面透镜可避免因投影镜头100的总长度快速增加所造成的成本增加与投影***组装的不便性。

此外，从投影镜头100至投影幕104的距离为D，且投影幕104的宽度为W，并且满足关系式D/W≤1。举例来说，当投影镜头100与投影幕104的距离D为1m时，即可投射到100cm宽的萤幕大小。

为了清楚说明本发明的投影镜头100的功效，请参考图2至图6，且同时参考表1。图2至图6为投影镜头的有效焦距fe固定为3mm的情况下第一透镜群具有不同的有效焦距fw的配置示意图。如图2所示，当第一透镜群116的有效焦距fw为4mm，且投影镜头100的有效焦距fe为3mm时，从光阀112至第一透镜群116的总长度d₃约略为250mm。如图3所示，当第一透镜群116的有效焦距fw为5mm，且投影镜头100的有效焦距fe仍为3mm时，从光阀112至第一透镜群116的总长度d₄约略为304mm。如图4所示，当第一透镜群116的有效焦距fw为6mm，且投影镜头100的有效焦距fe为3mm时，从光阀112至第一透镜群116的总长度d₅约略为355mm。如图5所示，当第一透镜群116的有效焦距fw为7mm，且投影镜头100的有效焦距fe为3mm时，从光阀112至第一透镜群116的总长度d₆约略为406mm。如图6所示，当第一透镜群116的有效焦距fw为8mm，且投影镜头100的有效焦距fe为3mm时，从光阀112至第一透镜群116的总长度d₇约略为457mm，此时，投影镜头100过长，提高制造成本且不利***的组装使用。

表1

总长度(mm)	250	304.9	355.9	406.9	457.9
						fe(mm)	3	3	3	3	3
fw(mm)	4	5	6	7	8
						fr(mm)	25	93.731	99.980	104.978	109.068

由此可知，当第一透镜群116的有效焦距fw增大时，从光阀112至第一透镜群116的总长度(d₃～d₇)所增加的大小远大于第一透镜群116的有效焦距fw所增加的大小。虽然第一透镜群116的有效焦距fw仅增加4mm，但从光阀112至第一透镜群116的总长度(d₃～d₇)已增加将近一倍，因此本发明将投影镜头100的有效焦距fe限制于满足关系式2mm≤fe≤7mm，以及第一透镜群116的有效焦距fw与投影镜头100的有效焦距fe的关系限制于满足关系式fw/fe≤2.5，使投影装置100在固定影像产生装置106的尺寸下可具有超广角特性，并避免发生前群透镜过大以及总长度快速增加的问题。

以下将进一步说明本发明的投影装置。请参考图7，图7为本发明一较佳实施例的投影装置的示意图。如图7所示，本实施例的影像产生装置106包括数位微镜元件204，且数位微镜元件204可作为光阀112，但本发明不限于此。本实施例的数位微镜元件204的尺寸是以(其对角线长)0.65英寸为例，但不以此为限。此外，第一透镜群116包括复数个第一透镜L1，且第二透镜群118包括复数个第二透镜L2以及光栏206，而光栏206用来控制影像102的光线的通过量。其中，第一透镜群116具有第一有效折射率，且第二透镜群118具有第二有效折射率。于本实施例中，第一有效折射率为第一正有效折射率，且第二有效折射率为第二正有效折射率，但不限于此。

为了清楚说明本较佳实施例的第一透镜群与第二透镜群，请参考图8与图9，且一并参考图7。图8为本发明较佳实施例的第一透镜群的示意图，且图9为本发明较佳实施例的第二透镜群的示意图。如图7至图9所示，本实施例的第一透镜L1包括二个第一非球面透镜L11、L12以及七个球面透镜L13、L14、L15、L16、L17、L18、L19。其中，第一透镜L1从邻近投影幕104的一侧至邻近第二透镜群118的一侧的顺序依序为球面透镜L13、第一非球面透镜L11、球面透镜L14、L15、L16、L17、L18、第一非球面透镜L12以及球面透镜L19，亦即第一非球面透镜L11为第一透镜L1自邻近投影幕104的一侧起算的第二个，且第一非球面透镜L12为第一透镜L1自邻近第二透镜群118的一侧起算的第二个。第一非球面透镜L11为凸凹透镜，且具有面对投影幕104的凸镜面208a以及面对第二透镜群118的凹镜面208b。第一非球面透镜L12为凸凹透镜，且具有面对投影幕104的凸镜面210a以及面对第二透镜群118的凹镜面210b。并且，第一非球面透镜L11、L12的凸镜面208a、210a与凹镜面208b、210b为非球面镜面，且本实施例的第一非球面透镜L11、L12的其中之至少一者是由塑胶所构成，但不限于此。球面透镜L13为凸凹透镜，且具有面对投影幕104的凸镜面212a以及面对第二透镜群118的凹镜面212b。球面透镜L14为凹凸透镜，且具有面对投影幕104的凹镜面214a以及面对第二透镜群118的凸镜面214b。球面透镜L15为凸凹透镜，且具有面对投影幕104的凸镜面216a以及面对第二透镜群118的凹镜面216b。球面透镜L16为双凸透镜，且具有面对投影幕104的凸镜面218a以及面对第二透镜群118的凸镜面218b。球面透镜L17为双凹透镜，且具有面对投影幕104的凹镜面220a以及面对第二透镜群118的凹镜面220b。球面透镜L18为双凸透镜，且具有面对投影幕104的凸镜面222a以及面对第二透镜群118的凸镜面222b，其中凸镜面222a与球面透镜L17的凹镜面220b重合。球面透镜L19为双凸透镜，且具有面对投影幕104的凸镜面224a以及面对第二透镜群118的凸镜面224b。

本实施例的第二透镜L2包括第二非球面透镜L21以及七个球面透镜L22、L23、L24、L25、L26、L27、L28。其中，第二透镜L2从邻近第一透镜群116的一侧至邻近光阀112的一侧的顺序依序为球面透镜L22、第二非球面透镜L21以及球面透镜L23、L24、L25、L26、L27、L28，亦即第二非球面透镜L21为第二透镜L2自邻近第一透镜群116的一侧起算的第二个。光栏206位于球面透镜L25与球面透镜L26之间，且邻近球面透镜L25。第二非球面透镜L21为凹凸透镜，且具有面对第一透镜群116的凹镜面226a以及面对光阀112的凸镜面226b。并且，第二非球面透镜L21的凹镜面226a与凸镜面226b为非球面镜面，且本实施例的第二非球面透镜L21可由塑胶所构成，但不限于此。球面透镜L22为凹凸透镜，且具有面对第一透镜群116的凹镜面228a以及面对光阀112的凸镜面228b。球面透镜L23为双凸透镜，且具有面对第一透镜群116的凸镜面230a以及面对光阀112的凸镜面230b。球面透镜L24为双凸透镜，且具有面对第一透镜群116的凸镜面232a以及面对光阀112的凸镜面232b。球面透镜L25为双凹透镜，且具有面对第一透镜群116的凹镜面234a以及面对光阀112的凹镜面234b，其中面对第一透镜群116的凹镜面234a与球面透镜L24的凸镜面232b重合，而具有相同曲率半径。球面透镜L26为双凸透镜，且具有面对第一透镜群116的凸镜面236a以及面对光阀112的凸镜面236b。球面透镜L27为双凹透镜，且具有面对第一透镜群116的凹镜面238a以及面对光阀112的凹镜面238b，其中面对第一透镜群116的凹镜面238a与球面透镜L26的凸镜面236b重合，且具有相同曲率半径。球面透镜L28为双凸透镜，且具有面对第一透镜群116的凸镜面240a以及面对光阀112的凸镜面240b。本实施例的第一透镜群116的第一透镜L1与第二透镜群118的第二透镜L2的光学资料与配置关系系列举于表1中，但本发明并不以此为限。于表2中，「厚度」的值代表此列的镜面与下一列的镜面的间距，「折射率」的值代表前述距离内的介质的折射率，「阿贝数」的值表示前述的距离内的介质的阿贝数。

表2

此外，第一非球面透镜L11、L12的凸镜面208a、210a与凹镜面208b、210b以及第二非球面透镜L21的凹镜面226a与凸镜面226b为非球面镜面，且非球面镜面的表面多项式可表示为：

$z=\frac{{\mathrm{ar}}^2}{1+\sqrt{1-a^2(b+1)r^2}}+{\mathrm{cr}}^4+{\mathrm{dr}}^6+{\mathrm{er}}^8+{\mathrm{fr}}^{10}$

其中z为非球面镜面的凹陷度(sag)，r为非球面镜面的孔径半径，a为非球面镜面顶点处的曲率半径，b为圆锥系数，以及c、d、e、f为分别为四阶、六阶、八阶以及十阶的非球面系数。并且，本实施例的第一非球面透镜L11、L12的凸镜面208a、210a与凹镜面208b、210b以及第二非球面透镜L21的凹镜面226a与凸镜面226b的非球面系数列举于表3中，但本发明并不以此为限。

表3

由上述资料可知，本实施例的投影镜头的有效焦距fe约略为4.15mm，且满足投影镜头100的有效焦距fe介于2mm与7mm之间的关系。并且，本实施例的投影镜头100的总长度亦仅约240mm。藉此，本实施例不仅具有超广角特性，且可避免增加投影镜头100的总长度。

综上所述，本发明的投影装置利用二次成像的设计使呈现出的投影影像为正立的影像，且将第一透镜群与第二透镜群设置于同一成像光轴上可避免反射镜位于非光轴上所产生的不稳定性。并且，本发明更于第一透镜群中设置至少二非球面透镜，并将投影镜头的有效焦距限制于介于2mm与7mm之间且第一透镜群的有效焦距对投影镜头的有效焦距比值限制于小于2.5，使投影装置可具有超广角特性，并避免发生前群透镜过大以及总长度快速增加的问题。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种投影装置，用于将影像投射至投影幕上，其特征在于该投影装置包括：

影像产生装置，用以产生具有该影像的投射光，且该影像产生装置具有光阀，使该投射光从该光阀射出；以及

投影镜头，包括：

第一透镜群，具有成像光轴与第一有效折射率，且该第一透镜群包括复数个第一透镜，其中该复数个第一透镜包括至少二个第一非球面透镜；以及

第二透镜群，具有第二有效折射率，该第二透镜群设置于该第一透镜群与该光阀之间；

其中该投射光从该光阀经该第二透镜群于该第一透镜群与该第二透镜群之间产生中间影像，且该中间影像经该第一透镜群于该投影幕上产生投影影像；

其中该投影影像的中心与该光阀的中心位于该成像光轴的第一侧，且该中间影像的中心则位于该成像光轴的第二侧，该第二侧不同于该第一侧。

2.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于该投影镜头的有效焦距为fe，且满足关系式2mm≤fe≤7mm。

3.如权利要求2所述的投影装置，其特征在于该第一透镜群的有效焦距为fw，且满足关系式fw/fe≤2.5。

4.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于自邻近该投影幕的一侧起算的第二个该第一透镜为该第一非球面透镜。

5.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于各该第一非球面透镜具有二个非球面镜面，分别面向该第二透镜群与该投影幕。

6.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于各该第一非球面透镜为凸凹透镜。

7.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于该第二透镜群包括光栏，用以控制该影像的光线的通过量。

8.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于该第二透镜群包括复数个第二透镜，且该复数个第二透镜包括第二非球面透镜。

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