TWI497114B - 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。

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1A圖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1A圖所示，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，請參閱第1B圖，其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。如第1B圖所示，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。

美國專利證號US7,529,032係揭露廣角投影光學系統，請參閱第1C圖，其係為先前技術之廣角投影光學系統架構示意圖。如第1C圖所示，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，此投影光學系統之反射鏡的尺寸會隨投影距離的減少而大幅增大，不利於形成薄型化之投影顯示設備，且由於其無法完整包覆於投影光學系統內，因暴露於空氣中易有入塵情況產生。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。

美國專利證號US7,048,388係揭露一廣角投影光學系統，請參閱第1D圖，其係為另一先前技術之廣角投影光學系統之架構示意圖。如第1D圖所示，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，為了獲得較佳品質且較無扭曲的影像，廣角投影光學系統需採用傾斜且偏軸(decentered)的光學元件排列，或是 使用垂直與橫向放大率不同的非軸對稱自由曲面(anamorphic polynomial free-form surface)光學元件，這些在組裝或是製備光學元件上都會增加複雜度。同時，因其需於反射路徑上額外成像兩次而易伴隨影像失真及影像像差之問題。

本案之主要目的為提供一種短焦之廣角投影光學系統，俾解決習用光學系統對使用者安全上之風險，以及影像像差與影像失真等問題。

本案之另一目的為提供一種超短焦之廣角投影光學系統，其具有較大的全場角(Full field angle)，例如，大於70度之全場角，極短的有效焦距，可薄型化並降低影像像差，影像不失真，且具有較高的影像品質。

為達上述目的，本案之一較廣實施態樣為提供一種廣角投影光學系統，於一物件側及一影像側之間，包括：一第一光學系統，包括：一第一透鏡組，具有正曲光力並包括一孔徑光欄，以提供與該物件側投射之光線相匹配之一光學特性並聚集該光線至該孔徑光欄；以及一第二透鏡組，位於該孔徑光欄之後並具有正曲光力；以及一第二光學系統，包括：一曼金鏡(Mangin mirror)，相對於該第一透鏡組、該孔徑光欄及該第二透鏡組鄰近於該影像側，且該第一透鏡組與該第二透鏡組係共同形成一畸變實像於該曼金鏡前，該曼金鏡具有一穿透面及一反射面，以使該光線經二次折射及一次反射，俾產生放大且不失真之一實像於一螢幕上。

為達上述目的，本案之另一較廣實施態樣為提供一種廣角投影光 學系統，自一物件側至一影像側，依序包括：一第一光學系統，包括：一第一透鏡組，具有正曲光力並包括一孔徑光欄，以提供與該物件側投射之光線相匹配之一光學特性並聚集該光線至該孔徑光欄；以及一第二透鏡組，位於該孔徑光欄之後並具有正曲光力，其中該第二透鏡組之至少一透鏡之兩相對側表面係為非球面；以及一第二光學系統，包括：一正曲光折反射鏡，該第一透鏡組與該第二透鏡組係共同形成一畸變實像於該正曲光折反射鏡前，該正曲光折反射鏡具有一穿透面及一反射面，以使該光線經二次折射及一次反射，俾產生放大且不失真之一實像於一螢幕上；其中，該第一透鏡組、該第二透鏡組與該正曲光折反射鏡係共用相同之一光軸。又，上述實施態樣亦可無需使用非軸對稱自由曲面的光學元件即達到高畫質低失真的投影。

根據本案之構想，該第一透鏡組、該第二透鏡組及該曼金鏡係由該物件側至該影像側依序排列。

根據本發明之創作思想，該曼金鏡具有正曲光力。

根據本案之發明思維，該第一透鏡組、該第二透鏡組與該曼金鏡係共用相同之一光軸。

根據本發明之構思，該光線係穿透該曼金鏡之該穿透面，並受該反射面反射再反向穿透該穿透面。

於一些實施例中，該第一透鏡組之每一透鏡為軸對稱之球面或非球面透鏡。

於另一些實施例中，該第二透鏡組之至少一透鏡之兩相對側表面係為非球面，且該第二透鏡組之每一透鏡為軸對稱之透鏡。

10‧‧‧投影顯示設備

11‧‧‧白板

2‧‧‧廣角投影光學系統

21‧‧‧第一光學系統

211‧‧‧第一透鏡組

212‧‧‧孔徑光欄

213‧‧‧第二透鏡組

22‧‧‧第二光學系統

221‧‧‧曼金鏡

2211‧‧‧穿透面

2212‧‧‧反射面

3‧‧‧物件表面

4‧‧‧廣角投影光學系統

41‧‧‧第一光學系統

411‧‧‧第一透鏡組

412‧‧‧孔徑光欄

413‧‧‧第二透鏡組

42‧‧‧第二光學系統

421‧‧‧正曲光折反射鏡

4211‧‧‧穿透面

4212‧‧‧反射面

θ‧‧‧全場角

I‧‧‧光線

A‧‧‧物件側

B‧‧‧影像側

第1A圖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1B圖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1C圖係為先前技術之廣角投影光學系統架構示意圖。

第1D圖係為另一先前技術之廣角投影光學系統之架構示意圖。

第2圖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3圖係為本案廣角投影光學系統之曼金鏡之細部結構示意圖。

第4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5A圖及第5B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及畸變差曲線圖。

第6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。

第7圖係為本案另一較佳實施例之廣角投影光學系統之架構示意圖。

第8圖係顯示本案之廣角投影光學系統依據表三數值實施例於影像側之多色繞射調制傳遞函數表現圖。

第9A圖及第9B圖係顯示本案之廣角投影光學系統依據表三數值實 施例於影像側之格狀畸變表現圖及畸變差曲線圖。

第10圖係顯示本案之廣角投影光學系統依據表三數值實施例於影像側之橫向色差表現圖。

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，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

請參閱第2圖，其係為本案較佳一實施例之廣角投影光學系統之架構示意圖。如第2圖所示，本案之廣角投影光學系統2係為一非遠心廣角投影光學系統，應用於一投影顯示設備，該投影顯示設備包括微型反射鏡元件(DMD)，其具有物件表面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影像形成之物件側A。於此實施例中，本案之廣角投影光學系統2，於物件側A及影像側B之間，係包括第一光學系統21及第二光學系統22。第一光學系統21包括具有正曲光力並包括孔徑光欄212之第一透鏡組211以及具有正曲光力之第二透鏡組213，且第二光學系統22包括曼金鏡(Mangin mirror)221。其中，第一透鏡組211，係設定適當工作空間以及瞳位(Pupil Position)，以配合照明光學系統。換言之，第一透鏡組211係架構於提供與物件側A投射之光線相匹配之光學特性，並聚集該光線至孔徑光欄212，以投射至第二透鏡組213。

根據本發明之構思，廣角投影光學系統2之第一透鏡組211係由複 數個折射型透鏡所組成且具正效曲光力(Positive Effective Optical Power)，以提供物件空間的遠心準確率(telecentricity)且可聚集從微型反射鏡元件發出而朝向孔徑光欄212的光束。於本實施例中，孔徑光欄係位於第一透鏡組211內，且位於主光線聚焦之處。此外，曼金鏡221相對於第一透鏡組211、孔徑光欄212及第二透鏡組213係鄰近於影像側B，且第一透鏡組211與第二透鏡組213係共同形成一畸變實像於曼金鏡221前。曼金鏡221具有穿透面2211及反射面2212，以使光線於曼金鏡221及空氣與曼金鏡221之間進行二次折射及一次反射，以修正影像失真及影像像差，俾產生放大且不失真之一實像於一螢幕上(未圖示)。藉此可增大全場角度，並使得投影透鏡，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之第一光學系統21之第一透鏡組211、孔徑光欄212、第二透鏡組213及第二光學系統22之曼金鏡221較佳係由物件側A至影像側B依序排列，但不以此為限，且第一透鏡組211及第二透鏡組213的每一個透鏡及曼金鏡221係共用同一光軸。此外，本案之廣角投影光學系統2之第一光學系統21之第一透鏡組211及第二透鏡組213之透鏡輪廓，以及第二光學系統22之曼金鏡221的輪廓，相對於該共用之光軸係為軸向對稱(axial symmetric)。

根據本案之構想，在第一透鏡組211中，每一個透鏡皆可為球面或非球面透鏡，亦即第一透鏡組211之每一透鏡之兩相對側表面，例如前與後表面，係為球面或非球面。另外，於第二透鏡組 213中，至少一個透鏡係為非球面透鏡，亦即第二透鏡組213之至少一透鏡之兩相對側表面，例如前與後表面，係為非球面，以輔助完成影像失真與影像像差之修正。於本案之各個實施例中，第一透鏡組211及/或第二透鏡組213的有效曲光力係適當地分配於各透鏡之間，以降低機械容差的敏感度，其亦屬本案之教示範圍。

請參閱第3圖並配合第2圖，其中第3圖係為本案廣角投影光學系統之曼金鏡之細部結構示意圖。如第2圖及第3圖所示，本案廣角投影光學系統2之第二光學系統22之曼金鏡221係具有正曲光力，且較佳係為一折反射鏡，例如但不限於以一新月透鏡鍍上反射膜等，而達成本案所預期之功效。於較佳實施例中，曼金鏡221係架構於使自物件側A、第一透鏡組211、孔徑光欄212及第二透鏡組213投射之光線I自空氣中穿透曼金鏡221之穿透面2211而產生第一次折射，並受反射面2212反射而產生一次反射，最後則因反射面2212之反射，再反向穿透穿透面2211進入空氣中以產生第二次折射，俾完成前述之二次折射及一次反射。易言之，就光路徑而言，光線I於二次穿透曼金鏡221及受曼金鏡221反射之過程中，係經歷二次折射，可視為於三介質之間傳播，較習知採用反射鏡之方式係可增加二次折射之設計因子或設計參數，可便於設計及調整光學系統，以有效降低影像像差及影像失真之問題。此外，透過曼金鏡221同時具有穿透面2211(即折射面)及反射面2212之設計，本案之廣角投影光學系統2於系統設計上，可無需使用自由曲面，亦即無需採用非軸對稱之光學元件，可避免設計時的難度以及多樣數學式計算上之困難及可能產生之誤差。

依據本案之發明思維，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，“R”代表曲率半徑(Radius of Curvature)，“T”代表厚度，“Nd”代表折射率(Refractive Index)，“Vd”代表阿貝係數(Abbe number)。鏡表面序號No.13、No.14、No.19、No.20、No.21及No.22之鏡表面皆為非球面，該等鏡表面之非球面相關係數(k、A4、A6、A8、A10及A12)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Z(r)代表鏡片的彎曲(sag)量；C=1/R；r代表曲面(鏡片表面)上離光軸的距離。

表一

表二

第4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4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4圖所示之表現圖可以了解，在奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)時，調制傳遞函數值仍可大於50%，調制傳遞函數值並無明顯衰退，代表可清楚的解析每個畫素，得到良好的影像品質。第5A圖及第5B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及畸變差曲線(distortion curve)圖。由第5A圖及第5B圖所示之表現圖可以了解，在本實施例的投影範圍，影像畸變可得到良好的修正。第6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6圖所示之表現圖可以了解，本實施例的橫色色差小於一個畫素，因此投影彩色畫面時不會有色彩錯位的問題，亦即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。上述實施例可無需使用非軸對稱自由曲面的光學元件即可達到高畫質低失真的投影。

請參閱第7圖，其係為本案另一較佳實施例之廣角投影光學系統之架構示意圖。如第7圖所示，本案之廣角投影光學系統4係為一遠心廣角投影光學系統，自物件側A至影像側B，係依序包括第一光學系統41及第二光學系統42。第一光學系統41包括第一透鏡組411與其孔徑光欄412以及第二透鏡組413，且第二光學系統42包括正曲光折反射鏡421。其中，第一透鏡組411、孔徑光欄412、第二透鏡組413以及正曲光折反射鏡421之結構、作用與連接關係分別與前述實施例之第一透鏡組211、孔徑光欄212、第二透鏡組213以及曼金鏡221相仿，故此不再贅述。惟旨在說明本案之廣角投影光學系統，係可為非遠心廣角投影光學系統，亦可為遠心廣角投影光學系統，以應用於數位光源處理(Digital Light Processing,DLP)投影顯示裝置或液晶投影顯示裝置等，但不以此為限。

依據本發明之技術概念，本實施例可依照表三所列數值具體實施。於表三中，“No.”代表從物件側至影像側的鏡表面序號，“R”代表曲率半徑(Radius of Curvature)，“T”代表厚度，“Nd”代表折射率(Refractive Index)，“Vd”代表阿貝係數(Abbe number)。鏡表面序號No.18、No.19、No.24、No.25、No.26、No.27及No.28之鏡表面皆為非球面，該等鏡表面之非球面相關係數(k、A4、A6、A8、A10及A12)亦列於表四。非球面的形狀則如前實施例所示之數學式表示。據此，本案之廣角投影光學系統4 可具有大於70度之全場角。

表四

第8圖係顯示本案之廣角投影光學系統依據表三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8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8圖所示之表現圖可以了解，在奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)時，調制傳遞函數值仍可大於50%，調制傳遞函數值並無明顯衰退，代表可清楚的解析每個畫素，得到良好的影像品質。第9A圖及第9B圖係顯示本案之廣角投影光學系統依據表三數值實施例於影像側之格狀畸變表現圖及畸變差曲線圖。由第9圖所示之表現圖可以了解，在本實施例的投影範圍，影像畸變可得到良好的修正。第10圖係顯示本案之廣角投影光學系統依據表三數值實施例於影像側之橫向色差表現圖。由第10圖所示之表現圖可以了解，本實施例的橫色色差小於一個畫素，因此投影彩色畫面時不會有色彩錯位的問題，亦即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4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。又，上述實施例亦可無需使用非軸對稱自由曲面的光學元件即可達到高畫質低失真的投影。

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以及具有折射面及反射面之曼金鏡之架構達成廣角及短焦化。本案之廣角或短焦投影光學系統不僅具有較大之全場角，例如，大於70度之全場角，極短的有效焦距，且可使投影顯示裝置薄型化並降低影像像差，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。

2‧‧‧廣角投影光學系統

21‧‧‧第一光學系統

211‧‧‧第一透鏡組

212‧‧‧孔徑光欄

213‧‧‧第二透鏡組

22‧‧‧第二光學系統

221‧‧‧曼金鏡

2211‧‧‧穿透面

2212‧‧‧反射面

3‧‧‧物件表面

A‧‧‧物件側

B‧‧‧影像側

Claims (10)

1. 一種廣角投影光學系統，於一物件側及一影像側之間，包括：一第一光學系統，包括：一第一透鏡組，具有正曲光力並包括一孔徑光欄，以提供與該物件側投射之光線相匹配之一光學特性並聚集該光線至該孔徑光欄；以及一第二透鏡組，位於該孔徑光欄之後並具有正曲光力；以及一第二光學系統，包括：一曼金鏡，相對於該第一透鏡組、該孔徑光欄及該第二透鏡組鄰近於該影像側，且該第一透鏡組與該第二透鏡組係共同使該光線形成一畸變實像於該曼金鏡前，該曼金鏡具有一穿透面及一反射面，以使該光線經二次折射及一次反射，俾產生放大之一實像於一螢幕上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中該曼金鏡具有正曲光力。
3. 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、該第二透鏡組與該曼金鏡係共用相同之一光軸。
4. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中該光線係穿透該曼金鏡之該穿透面，並受該反射面反射再反向穿透該穿透面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中該第一透鏡組之每一透鏡為軸對稱之球面或非球面透鏡。
6. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中該第二透鏡組之至少一透鏡之兩相對側表面係為非球面。
7. 如申請專利範圍第6項所述之廣角投影光學系統，其中該第二透鏡組之每一透鏡為軸對稱之透鏡。
8. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中該光學系統為一遠心廣角投影光學系統。
9. 如申請專利範圍第1項所述之廣角投影光學系統，其中該光學系統為一非遠心廣角投影光學系統。
10. 一種廣角投影光學系統，自一物件側至一影像側，依序包括：一第一光學系統，包括：一第一透鏡組，具有正曲光力並包括一孔徑光欄，以提供與該物件側投射之光線相匹配之一光學特性並聚集該光線至該孔徑光欄；以及一第二透鏡組，位於該孔徑光欄之後並具有正曲光力，其中該第二透鏡組之至少一透鏡之兩相對側表面係為非球面；以及一第二光學系統，包括：一正曲光折反射鏡，該第一透鏡組與該第二透鏡組係共同使該光線形成一畸變實像於該正曲光折反射鏡前，該正曲光折反射鏡具有一穿透面及一反射面，以使該光線經二次折射及一次反射，俾產生放大之一實像於一螢幕上；其中，該第一透鏡組、該第二透鏡組與該正曲光折反射鏡係共用相同之一光軸。