TWI403758B - 廣角投影光學系統 - Google Patents

Description

廣角投影光學系統

本案係關於一種投影光學系統，尤指一種廣角或超短焦投影光學系統。

投影顯示設備係透過投影光學系統(或稱投影鏡頭)將微型顯示裝置，例如高溫液晶顯示裝置(High Temperature Liquid Crystal Display，HTLCD)、數位微鏡顯示裝置(Digital Micro-mirror Display，DMD)、或矽液晶顯示裝置(Liquid Crystal On Silicon，LCoS)，產生之放大影像。廣角投影鏡頭具有較大的視場或較短的有效焦距(Effective Focal Length，EFL)，因此相較於具有傳統投影鏡頭之投影顯示設備，具有廣角投影鏡頭之投影顯示設備可在較短之距離內投射出特定尺寸之影像畫面。

目前，投影顯示設備與互動式白板的整合系統已逐漸地成為教室、講堂或會議室等室內場所的有用工具，以提供教育、展示或娛樂等互動式功能。第一圖A係顯示傳統投影顯示設備與互動式白板的整合系統之架構示意圖。如第一圖A所示，當配置前述之整合系統時，投影顯示設備10通常設置於白板11的斜前上方。若使用傳統短焦之投影顯示設備10時，其通常必須設置在距離白板11約1公尺的地方。然而，對於具有一般平均高度的使用者而言，該使用者將無可避免地會在投影顯示設備10的光投射路徑上成為阻礙物，且該使用者的眼睛將有被投影顯示裝置10所投射的光線傷害的潛在危險。

為避免前述情況發生，如第一圖B所示，投影顯示設備10必須設置在較靠近白板11的位置，但為達成如此短的投影距離，投影顯示設備10之投影鏡頭必須具有較大的全場角θ或極短的有效焦距。此外，若以具有廣角投影鏡頭之投影顯示設備10設置於白板11的上方，其光通量(light flux)必須以非常陡峭的角度照射於白板11，如此將可能導致較大的影像失真(distortion)。此外，投影鏡頭亦需有較大的偏軸(offset)，以避免光直接打在投影顯示設備的本體上，以及避免反射鏡體阻擋白板的上部區域。因此，投影顯示設備的廣角或短焦投影鏡頭的設計便成為研發的重要課題。

美國專利証號US6,631,994與US6,994,437係揭露一種透鏡設計，其可合併具有負曲光力之透鏡(negative lens)與具有負光焦度之非球面鏡(negative aspheric mirror)以達到較廣的視場。於該技術中，具有適度負曲光力之透鏡係與具有負光焦度之非球面反射鏡相配合，然而依此光學曲光力的架構，不易同時完成極廣的全場角以及較高的影像品質。

美國專利証號US7,529,032係揭露廣角投影光學系統，該技術使用兩個非球面塑膠透鏡、一個雙凹透鏡以及一個具有負光焦度之非球面反射鏡。然而，此投影光學系統之總長度相當長，不利於形成薄型化之投影顯示設備。此外，該投影光學系統之最大場角僅能達到55度而已，因此在實際應用時，仍需要相當長的距離才能投射影像。

美國專利証號US7,239,452係揭露一廣角投影光學系統，其係使用非球面透鏡以及反射鏡。然而，一平面鏡係設置於具負曲光力之透鏡組與具負光焦度之非球面鏡之間。此類之光學路徑佈局較適用於背投影顯示設備，但不適用於前投影顯示設備。

美國專利証號US6,771,427係揭露一廣角投影光學系統，其係合併一般具負曲光力之球面透鏡組以及一非球面反射鏡於透鏡佈局的影像側。然而，該廣角投影光學系統由於使用一般的球面透鏡，因此全場角較小，且需使用多個平面反射鏡方能完成薄型化。

美國專利証號US7,048,388係揭露一廣角投影光學系統，其係合併一平面鏡與一具有正光焦度之非球面反射鏡。然而，該廣角投影光學系統將使投影顯示設備變的很龐大，且不易應用於與白板的整合系統中。

美國專利證號US7,448,756係揭露一種廣角投影光學系統，其係由串列排列的具負曲光力的透鏡與具負光焦度的反射鏡所組成。於該廣角投影光學系統中，在光路徑中將會形成一特定程度失真的中間即時影像，且該中間即時影像接著被其他的光學系統再成像於螢幕上。由於中間即時影像的形成，該技術的光學路徑會較長且複雜，如此將不易形成緊密且薄型的投影顯示設備。

本案之目的為提供一種廣角或短焦投影光學系統，其具有大於±70度之全場角(Full Field Angle)。

本案之另一目的為提供一種超廣角或超短焦投影光學系統，其具有較大的全場角、極短的有效焦距，可薄型化，影像不失真，且具有較高的影像品質。

為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種廣角投影光學系統，從一物件側至一影像側，包括：第一透鏡組，具有正曲光力，且架構於提供與物件側投射之光線相匹配之光學特性；孔徑光欄；第二透鏡組，具有正曲光力，位於孔徑光欄之後，且架構於聚集光線；第三透鏡組，具有負曲光力，且架構於分散光線以廣化全場角；以及反射鏡，具有負光焦度，且相對於第一透鏡組、第二透鏡組及第三透鏡組鄰近於影像側，以架構於廣化全場角以及修正影像失真。其中，每一透鏡組與反射鏡係共用相同之光軸，且該光軸相對於微型顯示裝置之中心軸偏移。

為達上述目的，本案之另一較佳實施態樣為提供一種廣角投影光學系統，從一物件側至一影像側，包括：第一透鏡組，其係架構於提供與物件側投射之光線相匹配之光學特性；孔徑光欄；第二透鏡組，位於孔徑光欄之後，且架構於聚集光線；第三透鏡組，具有負曲光力，且架構於分散光線以廣化一全場角，其中第三透鏡組包括至少三個凹凸透鏡，且至少二個凹凸透鏡之兩相對側表面皆為非球面；以及非球面反射鏡，具有負光焦度，鄰近於影像側，以架構於廣化全場角以及修正影像失真。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，然其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

本案之廣角投影光學系統係應用於投影顯示設備，且架構於投射一微型顯示裝置(亦即物件側)，例如數位微鏡顯示裝置(DMD)、高溫液晶顯示裝置(HTLCD)、或矽液晶顯示裝置(LCoS)，之放大影像於螢幕(亦即影像側)上。本案之廣角投影光學系統之透鏡以反望遠型(reversed telephoto or retro-focus)架構為較佳，此類型的光學架構提供較有效焦距(Effective Local Length，EFL)更長之背焦距(Back Focal Length，BFL)，且較長的背焦距係提供照明裝置、微型顯示裝置與投影光學系統之整合空間。

第二圖係顯示一示範性反望遠型架構之示意圖。如第二圖所示，該架構，從影像側B至物件側A，包括一具負曲光力之前透鏡群21以及一具正曲光力之後透鏡群22。後透鏡群22提供適當的工作距離或背焦距(BFL)，同時，亦設定光學特性以符合照明光學。具正曲光力之後透鏡群22與具負曲光力之前透鏡群21亦共同實現像差(aberrations)修正，進而於螢幕上形成一較佳聚焦且未失真的影像。具負曲光力之前透鏡群21係架構於對主光束L屈光進而提供所需的放大影像。反望遠型透鏡架構之有效焦距可依據下列方程式(1)取得：

EFL=(Fa×BFL)/(Fa-D) (1)其中，Fa為前透鏡群之焦距；D為前透鏡群與後透鏡群之間的距離。

藉由使用第一階光束軌跡公式，可以發現主光束L全場角θ或全視場可依據下列方程式(2)取得：

Full Field Angleθ=(h/BFL)×(1-D/Fa) (2)其中，h為微型顯示裝置之高度。

對投影顯示設備而言，為了可以完全避免投射光照射於白板旁的寫字者，則其全場角必需大於±70度。對具有0.65”16：10高寬比的微型顯示單元且透鏡相對於微型顯示裝置偏軸120%的投影顯示設備，投影光學系統的有效焦距係為數毫米(millimeters)之級數。很明顯地，由方程式(1)與(2)可知，為完成如此大的全場角，Fa需非常短，或前透鏡群21需有極大的負曲光力。由於前透鏡群21所需之負曲光力較大，後透鏡群22的設計以及前透鏡群21之透鏡間的曲光力分配變的非常敏銳，才能完成高品質與低失真的影像。

請參閱第三圖，其係為本案較佳實施例之廣角投影光學系統之架構示意圖。如第二圖與第三圖所示，本案之廣角投影光學系統2，從物件側A至影像側B，包括具有正曲光力之後透鏡群22、具有負曲光力之前透鏡群21以及具有負光焦度之反射鏡23，其中具有正曲光力之後透鏡群22包括至少二個透鏡組。後透鏡群22之第一透鏡組221係設定適當工作空間以及瞳位(Pupil Position)，以配合照明光學系統。後透鏡群22之第二透鏡組222係為低曲光力之凸透鏡，其係輔助非球型與散光像差(astigmatic aberration)之修正。於一些實施例中，廣角投影光學系統2之第一透鏡組221的有效焦距(EFL)係為32mm，約為系統有效焦距的7至12倍。第二透鏡組222的有效焦距係為65mm的範圍，且約為系統有效焦距的15至25倍。

於本實施例中，具有較大負曲光力之前透鏡群21係由例如三個凹凸透鏡(或稱新月透鏡)所組成之群組所構成，以下稱為第三透鏡組211。第三透鏡組211的每一個凹凸透鏡的曲光力係周密地被分配，使得主光束之折射逐漸地被完成，亦即將穿透第二透鏡組222的主光束導向反射鏡23。第三透鏡組211之每一個凹凸透鏡於相對於影像側B之為一新月型凸表面。第三透鏡組211之第一凹凸透鏡211a可為一般具球面之凹凸透鏡或是具非球面的凹凸透鏡。第二凹凸透鏡211b與第三凹凸透鏡211c係為具非球面之凹凸透鏡，亦即每一凹凸透鏡的兩個表面可為非球面。

具有負光焦度之反射鏡23亦具有一非球面的輪廓，其主要功能為修正像差與失真，其亦具有改變光學路徑的功能，如此可使得投影透鏡，甚或投影顯示設備的本體，可位於反射鏡與螢幕間的空間中，以完成薄型整合之投影顯示系統。

於一些實施例中，本案之廣角投影光學系統2的每一個透鏡組221、222、211的透鏡以及具有負光焦度之反射鏡23係共用同一光軸。此外，本案之廣角投影光學系統2的每一個透鏡組221、222、211的透鏡輪廓與具有負光焦度之反射鏡23的輪廓，相對於該共用之光軸係為環對稱(circular symmetric)。此外，該對稱軸(亦即該光軸)係相對於微型顯示裝置之中心軸偏移，藉此當影像投射至螢幕時可完成適當的偏軸。

請再參閱第三圖，本案之廣角投影光學系統2係應用於一投影顯示設備，該投影顯示設備更包括微型顯示裝置。其中，微型顯示裝置具有複數個光閥，且每一光閥具有一物件表面3，亦即光閥之影像顯示表面。該物件表面3係架構為本案之廣角投影光學系統2影像形成之一物件側。投影顯示設備更可包括一偏極化分光鏡4(Polarization Beam Splitter)，其係架構於將光源提供的光束導引至物件側，並使物件側反射之光束通過且導向廣角投影光學系統2。

廣角投影光學系統2之第一透鏡組221係由複數個折射型透鏡所組成且具正效曲光力(Positive Effective Optical Power)，以提供物件空間的倍率誤差(telecentricity)且可聚集從微型顯示裝置發出而朝向孔徑光欄223的光束。此外，孔徑光欄223係設置於第一透鏡組221與第二透鏡組222之間。

第二透鏡組222可由至少一個具正曲光力之透鏡222a，例如凸透鏡，組成，其係位於孔徑光欄223之後。第二透鏡組222可進一步聚集光束。第三透鏡組211係由至少三個具負曲光力之凹凸透鏡211a、211b、211c所構成，且架構於分散光束以達到放大的效應。在第三透鏡組211中，至少兩個凹凸透鏡211b、211c之前與後兩相對表面可為非球面，以有效地完成像差與失真的修正。於一些實施例中，該兩個凹凸透鏡211b、211c係由塑膠射出成型製程所製成。透鏡組的有效曲光力係適當地分配於各透鏡元件之間，以降低機械容差的敏感度。

具有負光焦度之反射鏡23進一步地分散光束，且反射該光束至螢幕。反射鏡23的輪廓亦可為非球面型態，以有效地修正影像像差與失真。

依據本案之構想，本案技術可依照表一所列數值具體實施。於表一中，“No.”代表從物件側至影像側的鏡表面序號，主要包括所有透鏡的兩側鏡表面，以及其中“No.0.”為物件表面1；“No.1”、“No.2”、“No.3”、“No.4”為偏極化分光鏡4之所有鏡表面；“No.15”為孔徑光欄223之表面；以及“No.24”為反射鏡23之鏡表面。此外，“R”代表曲率半徑(Radius of Curvature)，“D”代表軸向距離，“Nd”代表折射率(Refractive Index)，“vd”代表阿貝係數(Abbe number)。第三透鏡組211之第二凹凸透鏡211b及第三凹凸透鏡211c之前與後鏡表面(請參考No.20、No.21、No.22及No.23)皆為非球面，及反射鏡23之鏡表面(請參考No.24)亦為非球面，該等鏡表面之非球面相關係數(C、A2、A4、A6、A8、A10)亦列於表二。非球面的形狀則由下列式表示。據此，本案之廣角投影光學系統2可具有大於±70度之全場角。

其中C=1/R。

第四圖係顯示本案之廣角投影光學系統依據表一數值實施例於影像側之多色繞射調制傳遞函數(Modulation Transfer Function，MTF)表現圖。第四圖所示之橫座標代表空間頻率(spatial frequency(cycle/mm))，縱座標代表調制傳遞函數比值，其中空間頻率係代表在1mm的寬度中正弦濃度變化反覆的次數，縱座標最大值1代表調制傳遞函數為100%。由第四圖所示之表現圖可以了解，調制傳遞函數比值並無明顯衰退，因此影像之銳利度、對比與辨識率良好，可得到良好的影像品質。第五圖係顯示本案之廣角投影光學系統依據表一數值實施例於影像側之格狀畸變表現圖。由第五圖所示之表現圖可以了解，影像失真或畸變可得到良好的修正。第六圖係顯示本案之廣角投影光學系統依據表一數值實施例於影像側之橫向色差表現圖。由第六圖所示之表現圖可以了解，影像色差亦可得到良好的修正。由前揭圖式可知，本案之廣角投影光學系統2不只可以具有較大的全場角，且不會導致嚴重的影像像差或失真，並且具有良好的光學特性以及良好的影像品質。

綜上所述，本案提供一種廣角或短焦投影光學系統，其係藉由具有正曲光力之第一透鏡組、具有正曲光力之第二透鏡組、具有負曲光力之第三透鏡組以及具有負光焦度之反射鏡之架構達成廣角化。本案之廣角或短焦投影光學系統不只具有較大之全場角，例如大於±70度、極短的有效焦距，且可使投影顯示裝置薄型化，影像不失真，且具有較高的影像品質。再則，本案之廣角投影光學系統可使其投影顯示設備直接設置於白板或螢幕之正上方。

縱使本發明已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

10．．．投影顯示設備

11．．．白板

2．．．廣角投影光學系統

21．．．前透鏡群

22．．．後透鏡群

23．．．反射鏡

221．．．第一透鏡組

222．．．第二透鏡組

222a．．．透鏡

223．．．孔徑光欄

211．．．第三透鏡組

211a．．．第一凹凸透鏡

211b．．．第二凹凸透鏡

211c．．．第三凹凸透鏡

3．．．物件表面

4．．．偏極化分光鏡

θ．．．全場角

L．．．主光束

A．．．物件側

B．．．影像側

第一圖A：係顯示傳統投影顯示設備與互動式白板的整合系統之架構示意圖。

第一圖B：係顯示傳統廣角投影顯示設備與互動式白板的整合系統之架構示意圖。

第二圖：係顯示一示範性反望遠型架構之示意圖。

第三圖：其係為本案較佳實施例之廣角投影光學系統之架構示意圖。

第四圖：係顯示本案之廣角投影光學系統依據表一數值實施例於影像側之多色繞射調制傳遞函數(Modulation Transfer Function，MTF)表現圖。

第五圖：係顯示本案之廣角投影光學系統依據表一數值實施例於影像側之格狀畸變表現圖。

第六圖：係顯示本案之廣角投影光學系統依據表一數值實施例於影像側之橫向色差表現圖。

2．．．廣角投影光學系統

21．．．前透鏡群

22．．．後透鏡群

23．．．反射鏡

221．．．第一透鏡組

222．．．第二透鏡組

222a．．．透鏡

223．．．孔徑光欄

211．．．第三透鏡組

211a．．．第一凹凸透鏡

211b．．．第二凹凸透鏡

211c．．．第三凹凸透鏡

3．．．物件表面

4．．．偏極化分光鏡

A．．．物件側

B．．．影像側

Claims (11)

1. 一種廣角投影光學系統，從一物件側至一影像側，包括：一第一透鏡組，具有正曲光力，且架構於提供與該物件側投射之光線相匹配之一光學特性；一孔徑光欄；一第二透鏡組，具有正曲光力，位於該孔徑光欄之後，且架構於聚集該光線；一第三透鏡組，具有負曲光力，且架構於分散該光線以廣化一全場角，其中該第三透鏡組包括至少三個凹凸透鏡，且至少二個該凹凸透鏡之兩相對側表面皆為非球面；以及一反射鏡，具有負光焦度，且相對於該第一透鏡組、該第二透鏡組及該第三透鏡組鄰近於該影像側，以架構於廣化該全場角以及修正影像失真；其中，每一該透鏡組與該反射鏡係共用相同之一光軸，且該光軸相對於一微型顯示裝置之一中心軸偏移。
2. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中該第一透鏡組、該第二透鏡組、該第三透鏡組係由該物件側至該影像側依序排列。
3. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中每一該凹凸透鏡於相對於該影像側為一新月型凸表面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之廣角投影光學系統，其中該第三透鏡組之至少二個該凹凸透鏡係由一塑膠射出成型製程所製成。
5. 如申請專利範圍第3項所述之廣角投影光學系統，其中 該第三透鏡組，從該物件側至該影像側，包括一第一凹凸透鏡、一第二凹凸透鏡及一第三凹凸透鏡，且該第一凹凸透鏡為具一球面之凹凸透鏡或具一非球面之凹凸透鏡，該第二凹凸透鏡與該第三凹凸透鏡係為兩側表面皆為一非球面之凹凸透鏡。
6. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中該第二透鏡組係為凸透鏡。
7. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中該反射鏡為具一非球面之反射鏡。
8. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中該全場角係大於±70度。
9. 一種廣角投影光學系統，從一物件側至一影像側，包括：一第一透鏡組，其係架構於提供與該物件側投射之光線相匹配之一光學特性；一孔徑光欄；一第二透鏡組，位於該孔徑光欄之後，且架構於聚集該光線；一第三透鏡組，具有負曲光力，且架構於分散該光線以廣化一全場角，其中該第三透鏡組包括至少三個凹凸透鏡，且至少二個該凹凸透鏡之兩相對側表面皆為非球面；以及一非球面反射鏡，具有負光焦度，鄰近於該影像側，以架構於廣化該全場角以及修正影像失真。
10. 如申請專利範圍第9項所述之廣角投影光學系統，其中該第一透鏡組具有正曲光力，以及該第二透鏡組具有正 曲光力。
11. 如申請專利範圍第9項所述之廣角投影光學系統，其中每一該透鏡組與該非球面反射鏡係共用相同之一光軸，且該光軸相對於一微型顯示裝置之一中心軸偏移。