CN101561557B - 投影系统及其透镜组合 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影系统，其中包含两组透镜。第一组透镜具有第一焦距，并用以将入射光线聚焦形成第一图像。第二组透镜具有第二焦距，并用以将该第一图像投射为第二图像。这两组透镜之间相隔一镜片顶点距离，该距离与该第一组透镜及该第二组透镜间的光路相关。该第二焦距小于等于该镜片顶点距离，并且该镜片顶点距离与该第二焦距的差异小于等于该第一焦距的二分之一。本发明还提供了一种透镜组合。

Description

投影系统及其透镜组合

技术领域

本发明涉及投影系统，并且尤其涉及包含多组透镜的投影系统。本发明还涉及投影系统的透镜组合。

背景技术

近年来，随着各种电子产品的蓬勃发展，商用与家用的多媒体系统都日益普及。在大部分的多媒体系统中，最重要的硬件就是用以呈现图像的显示设备。如何提升显示设备的质量及外观设计都是受到高度重视的问题。以许多公共场所、企业或家庭剧院所采用的投影系统为例，使用者通常都会要求投影装置的体积要轻巧、不占空间，并且须提供明亮而清晰的图像。

大多数与投影系统相关的先前技术的目标在于将系统内部各种元件(例如光源、色轮、镜头、散热装置、控制电路...等等)最优化。然而，随着希望投影系统轻巧化的要求日益重要，如何在兼顾图像品质的情况下，有效配置投影系统中的元件也成为不可忽视的问题。

发明内容

本发明提供一种投影系统，其中的透镜配置方式可同时达到光学成像、能量成像以及机构配置等重要因素的最优化。换句话说，除了可确保图像被清晰呈现，根据本发明的投影系统还具备有效利用能量及弹性化的空间配置等优点。

根据本发明的一个具体实施例为投影系统，其中包含两组透镜。第一组透镜具有第一焦距，并用以将入射光线聚焦形成第一图像。第二组透镜具有第二焦距，并用以将该第一图像投射为第二图像。这两组透镜之间相隔一镜片顶点距离，该距离与该第一组透镜及该第二组透镜间的光路相关。该第二焦距小于等于该镜片顶点距离，并且该镜片顶点距离与该第二焦距的差异小于等于该第一焦距的二分之一。

所述投影系统中的该第一组透镜具有等效主平面，该投影系统进一步包含：光源，设置于该等效主平面的一侧的两倍该第一等效焦距之外；以及光管(light pipe)，具有入口及出口，该入口邻近于该光源，该出口设置于该等效主平面的一侧的该第一等效焦距之内。

所述投影系统中的该第一组透镜包含三个折光镜(refractivelens)。

所述投影系统中的该第一组透镜包含两个折光镜。

所述投影系统中的该第二组透镜包含一个折光镜。

所述投影系统中的该第二组透镜具有一等效主平面，该投影系统进一步包含：光阀(light valve)，设置于该等效主平面的一侧的一倍到两倍该第二等效焦距之间。

所述投影系统中的该光阀是数字微反射镜元件(digitalmicro-mirror device，DMD)。

所述投影系统中的该第二组透镜具有一等效主平面，该投影系统进一步包含：镜头，设置于该等效主平面的一侧的两倍该第二等效焦距之外。

所述投影系统进一步包含反射镜，设置于该第一组透镜及该第二组透镜之间，用以反射由该第一组透镜射出的第一光线，以形成反射至该第二组透镜的第二光线。

所述投影系统进一步包含：棱镜，用以折射该第二光线以形成第三光线；光阀，用以接收该第三光线，并引导该第三光线形成第四光线；以及镜头，用以接收该第四光线，并根据该第四光线投射目标图像。

所述投影系统中的该光阀是数字微反射镜元件(digitalmicro-mirror device，DMD)。

所述投影系统中的该棱镜为内部全反射棱镜(total internalreflectance prism)。

本发明还提供了一种透镜组合，包含：第一组透镜，具有第一等效焦距，用以将入射光线聚焦为第一图像；以及第二组透镜，具有第二等效焦距，用以将该第一图像投射为第二图像，其中该第一组透镜及该第二组透镜之间相隔一镜片顶点距离，该第二等效焦距小于等于该镜片顶点距离，并且该镜片顶点距离与该第二等效焦距的差异小于等于该第一等效焦距的二分之一，其中该镜片顶点距离与形成该第一图像及该第二图像的光路相关。

所述透镜组合中的该第一组透镜包含三个折光镜(refractivelens)。

所述透镜组合中的该第一组透镜包含两个折光镜。

所述透镜组合中的该第二组透镜包含一个折光镜。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1示出了根据本发明的第一具体实施例中的投影系统内部配置示意图。

图2示出了根据本发明的第二具体实施例中的投影系统内部配置示意图。

图3示出了根据本发明的第三具体实施例中的投影系统内部配置示意图。

具体实施方式

根据本发明的第一具体实施例为投影系统，其中包含两组透镜。请参阅图1，图1为该投影系统的示意图。如图1所示，投影系统10包含光源11、光管(light pipe)12、第一组透镜13、第二组透镜14、光阀(light valve)15以及镜头16。

此实施例中的第二组透镜14为一个折光镜(refractive lens)，并且第一组透镜13包含三个折光镜(13A～13C)。事实上，第一组透镜13也可仅包含两个折光镜；通过采用不同数量的折光镜可改变第一组透镜13的像差。

在实际应用中，光源11可以是包含水银灯泡、钨丝灯泡或其他类似发光体的椭球灯，用以提供原始光线。该原始光线将在光管12中被多次反射，每一道反射光的延伸最后会组成相当于包含多个光源11的光源阵列。换句话说，光源11及光管12的组合相当于位于光管12出口处的一个面光源。

第一组透镜13具有第一等效焦距(F1)及第一等效主平面，并用以将其入射光聚焦，形成第一图像(第一次成像)。第二组透镜14具有第二等效焦距(F2)及第二等效主平面，并用以将该第一图像投射为第二图像(第二次成像)。

事实上，光阀15可以是数字微反射镜元件(digital micro-mirrordevice，DMD)，用以接收由第二组透镜14射出的光线，并决定将被反射、引导至镜头16的光线量。接着，镜头16会将光阀15提供的光线投射至投影系统10外部，成为相对应的目标图像。

在此实施例中，上述光管12出口处的面光源位于第一等效主平面左侧的一倍F1之内。因此，该面光源的第一次成像将成为形成于第一等效主平面左侧的一个虚像。然而，此虚像位于第二等效主平面左侧的两倍F2之外。因此，该虚像对第二组透镜14而言是一个实像，且将第二次成像于第二等效主平面右侧的一倍到两倍F2之间。光阀15就设置于此第二次成像之处。由此可知，上述面光源经由第一组透镜13及第二组透镜14的传递，最后被投射在光阀15上。

另一方面，位于光管12入口处的光源11设置于第一等效主平面左侧的两倍F 1之外。因此，光源11的第一次成像将形成于第一等效主平面右侧的一倍到两倍F1之间。对第二组透镜14而言，此第一次成像则是位于第二等效主平面左侧的一倍到两倍F2之间，因此再次成像(也就是第二次成像)后将会落在第二等效主平面右侧的两倍F2之外。镜头16的入射孔(入射光瞳，entrance pupil)即设置于此第二次成像之处。换句话说，光源11本身提供的光线经由第一组透镜13及第二组透镜14的传递，最后被投射至镜头16的入射孔。

综上所述，投影系统10中包含两套成像机制，其一为使光管12出口处的面光源成像于光阀15的光学成像，其二为使光管12入口处的光源11成像于镜头16的入射孔的能量成像。

通过适当设计第一组透镜13及第二组透镜14的放大倍率，光管12出口处的面光源可均匀且不偏不倚地被投射于光阀15上；对投影系统10而言，这是光学成像的最佳化。另一方面，使光源11提供的能量能够完全被投射于镜头17的入射孔，则是能量成像的最佳化。

根据本发明，投影系统10中的第二等效焦距(F2)被设计为小于等于镜片顶点距离(D)，并且该镜片顶点距离(D)与第二等效焦距(F2)的差异小于等于第一等效焦距(F1)的二分之一。此处所述的镜片顶点距离(D)与第一组透镜13及第二组透镜14间的光路相关。更明确地说，该距离是指折光镜13C的右侧顶点沿着光路方向到折光镜14的左侧顶点的距离。经过实验证明，采用符合上述焦距大小及设置方式的镜片组合可同时达到光学成像与能量成像的最佳化。

请参阅图2，在根据本发明的第二具体实施例中，投影系统10进一步包含反射镜17。如图2所示，反射镜17设置于第一组透镜13及第二组透镜14之间，用以将第一组透镜13射出的光线反射至第二组透镜14。由此，第一组透镜13及第二组透镜14之间的整体光路距离并不会改变(该镜片顶点距离依然等于D)，但第二组透镜14的设置位置可有更大的弹性。通过适当选取反射镜17的设置位置，除了上述光学成像及能量成像的最佳化之外，投影系统10也可达到机构配置上的最佳化。

请参阅图3，在根据本发明的第三具体实施例中，投影系统10进一步包含棱镜18，用以折射第二组透镜14射出的光线，并将折射后的光线提供给光阀15。如此一来，第二组透镜14光阀15两者之间的设置关系可更有弹性，进而更有效地运用投影系统10中的空间。在实际应用中，该棱镜可以是内部全反射棱镜(total internalreflectance prism)。

根据本发明的第四具体实施例即为上述第一组透镜13及第二组透镜14所形成的透镜组合。除了投影系统之外，此透镜组合及其配置方式也可用于其他各种光学成像系统中。如上所述，采用根据本发明的投影系统或透镜组合，可同时达到光学成像、能量成像以及机构配置等重要目标的最佳化。更明确地说，根据本发明的投影系统及透镜组合不仅可提供清晰的图像，还具备了有效利用能量及机构设计弹性好等优点。

通过以上优选具体实施例的详述，希望能更加清楚地描述本发明的特征与精神，而并非以上述所披露的优选具体实施例来对本发明的范围加以限制。相反地，其目的是希望能将各种改变及等同安排涵盖于本发明的权利要求的范围内。

主要组件符号说明

10    投影系统    11    光源

12    光管        13    第一组透镜

14    第二组透镜  15    光阀

16    镜头        17    反射镜

18    棱镜。

Claims (16)

1.一种投影系统，包含：

透镜组合，包含：

第一组透镜，具有第一等效焦距，用以将入射光线聚焦形成第一图像；以及

第二组透镜，具有第二等效焦距，用以将所述第一图像投射为第二图像，所述第一组透镜及所述第二组透镜之间相隔一镜片顶点距离，所述第二等效焦距小于等于所述镜片顶点距离，并且所述镜片顶点距离与所述第二等效焦距的差异小于等于所述第一等效焦距的二分之一，其中所述镜片顶点距离与所述第一组透镜及所述第二组透镜间的光路相关，所述镜片顶点距离为所述第一组透镜的右侧顶点沿着光路方向到所述第二组透镜的左侧顶点的距离。

2.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第一组透镜具有等效主平面，所述投影系统进一步包含：

光源，设置于所述等效主平面的一侧的两倍所述第一等效焦距之外；以及

光管，具有入口及出口，所述入口邻近于所述光源，所述出口设置于所述等效主平面的一侧的所述第一等效焦距之内。

3.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第一组透镜包含三个折光镜。

4.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第一组透镜包含两个折光镜。

5.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第二组透镜包含一个折光镜。

6.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第二组透镜具有一等效主平面，所述投影系统进一步包含：

光阀，设置于所述等效主平面的一侧的一倍到两倍所述第二等效焦距之间。

7.根据权利要求6所述的投影系统，其中所述光阀是数字微反射镜元件。

8.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第二组透镜具有一等效主平面，所述投影系统进一步包含：

镜头，设置于所述等效主平面的一侧的两倍所述第二等效焦距之外。

9.根据权利要求1所述的投影系统，进一步包含：

反射镜，设置于所述第一组透镜及所述第二组透镜之间，用以反射由所述第一组透镜射出的第一光线，以形成反射至所述第二组透镜的第二光线。

10.根据权利要求9所述的投影系统，进一步包含：

棱镜，用以折射所述第二光线以形成第三光线；

光阀，用以接收所述第三光线，并引导所述第三光线形成第四光线；以及

镜头，用以接收所述第四光线，并根据所述第四光线投射目标图像。

11.根据权利要求10所述的投影系统，其中所述光阀是数字微反射镜元件。

12.根据权利要求10所述的投影系统，其中所述棱镜为内部全反射棱镜。

13.一种透镜组合，包含：

第一组透镜，具有第一等效焦距，用以将入射光线聚焦为第一图像；以及

第二组透镜，具有第二等效焦距，用以将所述第一图像投射为第二图像，其中所述第一组透镜及所述第二组透镜之间相隔一镜片顶点距离，所述第二等效焦距小于等于所述镜片顶点距离，并且所述镜片顶点距离与所述第二等效焦距的差异小于等于所述第一等效焦距的二分之一，其中所述镜片顶点距离与形成所述第一图像及所述第二图像的光路相关，所述镜片顶点距离为所述第一组透镜的右侧顶点沿着光路方向到所述第二组透镜的左侧顶点的距离。

14.根据权利要求13所述的透镜组合，其中所述第一组透镜包含三个折光镜。

15.根据权利要求13所述的透镜组合，其中所述第一组透镜包含两个折光镜。

16.根据权利要求13所述的透镜组合，其中所述第二组透镜包含一个折光镜。

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