CN105974560A - 广角投影系统及镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种广角投影系统及镜头，该广角投影系统包括一折射单元及一反射单元。折射单元包括具有正屈折力的一第一透镜组及具有负屈折力的一第二透镜组，反射单元具有正屈折力，且第二透镜组设置于第一透镜组与反射单元之间。广角投影系统满足0.9<A/B<1.4的条件，其中A为折射单元与反射单元两者于广角投影系统的一光轴上的距离，且B为折射单元于该光轴上的总长度。本发明可有效缩短焦距使镜身减小并可改善像差，且投影至各尺寸屏幕时具有良好的解析度。

Description

广角投影系统及镜头

技术领域

本发明涉及一种广角投影系统及镜头。

背景技术

广角投影镜头可以有效缩短投影屏幕与投影机之间的距离，并且得到大尺寸的投影画面。然而，广角投影镜头所衍生出的像差，如畸变(Distortion)、场曲(FieldCurvature)、像散(Astigmatism)等，皆是目前广角投影镜设计上必须面对的难题。

考虑光学特性与可制造性，目前市面上的广角投影镜头通常采用混合式(折射+反射)的架构。然而，为了达到超广角及避免光径长度大于投影距离，须将直行的光径进行转折，使对应的光学元件与机构尺寸亦随之变大，造成元件制造难度增加，且若采用制作复杂的自由曲面反射镜，亦会造成相当敏感的组装公差。因此，亟需设计出一种广角的投影镜头，使其焦距缩短以缩减镜身长度，且可减少像差及元件制造难度。

发明内容

本发明提供一种广角投影系统及镜头。

本发明的一实施例提供一种广角投影系统，包括一折射单元及一反射单元，折射单元包括具有正屈折力的一第一透镜组及具有负屈折力的一第二透镜组，反射单元具有正屈折力，且第二透镜组设置于第一透镜组与反射单元之间。广角投影系统满足下式：

0.9<A/B<1.4，其中A为折射单元与反射单元两者于广角投影系统的一光轴上的距离，且B为折射单元于该光轴上的总长度。

本发明的另一实施例提供一种广角投射系统，包括折射单元及反射单元，折射单元，包括具有正屈折力的一第一透镜组及具有负屈折力的一第二透镜组；反射单元，包括复数反射器，其中该第二透镜组设置于该第一透镜组与该反射单元之间，穿过该折射单元的光线被所述反射器依序反射后由最后一个遭遇的反射器离开该反射单元，且该广角投影系统满足下式：

0.9<P/B<1.4，其中P为该折射单元与该最后一个遭遇的反射器两者于该广角投影系统的一光轴上的距离，且B为该折射单元于该光轴上的总长度。

本发明的另一实施例提供一种广角投影镜头，用以传递光线并将光线导向至少一反射器。广角投影镜头包括具有正屈折力的一第一透镜组及具有负屈折力的一第二透镜组。第一透镜组包括复数个具有屈折力的透镜件，第二透镜组包括复数个具有屈折力的透镜件，第一透镜组连同第二透镜组的透镜件的总数等于或大于10，且广角投影镜头的奈奎斯特频率(Nyquist frequency)值等于或大于70线对/毫米。

本发明的实施例可藉由球面透镜、非球面透镜与反射镜组成广角投影镜头，可有效缩短焦距使镜身减小并可改善像差，且投影至各尺寸屏幕时具有良好的解析度。

附图说明

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例并配合附图，作详细说明如下。

图1为本发明一实施例的广角投影系统的示意图。

图2A及图2B为本发明一实施例的折射单元的示意图。

图3为本发明另一实施例的广角投影系统的示意图。

图4至图6显示图1的广角投影系统的透镜组件的光学模拟结果，其中图4为横向色差曲线图，图5及图6为调制传递函数曲线图。

图7为一种投影光学系统的示意图

图8为绘示依照本发明一实施例所述的一种可携式投影装置的内部组合俯视示意图。

图9绘示本发明一实施例的第一光学系统的立体示意图。

图10绘示本发明一实施例的第一光学系统壳体的立体示意图。

图11绘示本发明一实施例的第一光学系统中的前群光学透镜组件的立体示意图。

图12绘示本发明一实施例的反射元件调整机构的立体示意图。

图13绘示本发明一实施例的反射元件的移除调整螺丝的调整机构的立体示意图。

图14绘示本发明一实施例的第二光学系统调整机构的立体示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明一实施例的广角投影系统的示意图。如图1所示，广角投影系统200包括一影像处理元件202、一全反射棱镜204、一折射单元210、以及一反射单元220。折射单元210可包括位于物侧(缩小侧、图1的左侧)与像侧(放大侧、图1的右侧)间的一第一透镜组212及一第二透镜组214，第二透镜组214设置于第一透镜组212与反射单元220之间，且反射单元220可包括至少一反射器222。第二透镜组214中的至少一透镜可沿广角投影系统200的光轴201平移以调焦，且该透镜以直进直出的方式进行调焦时不会转动。

于本实施例中，第一透镜组212可包括由物侧至像侧沿光轴201依序排列的9个透镜L1-L9。第一透镜组212可包括至少一非球面透镜。第二透镜组214可包括由物侧至像侧沿光轴201依序排列的5个透镜L10-L14，且第二透镜组214可包括至少一非球面透镜。第一透镜组212可包括由复数个透镜组合成一体的至少一胶合透镜件，因此包括第一透镜组212及第二透镜组214的折射单元210例如可具有总数目等于或大于10的透镜件。反射器222可为一具有正屈折力的曲面镜以反射穿过第一透镜组212及第二透镜组214后的光线，被反射器222反射后的光线可例如被导向一屏幕(未图示)。曲面镜构成的反射器222可具有球面、非球面曲面或自由曲面的镜面，且其外形完全不限定。

于一实施例中，广角投影系统200可满足下式：

0.9<A/B<1.4，其中A为折射单元210与反射单元220两者于广角投影系统200的光轴201上的距离，且B为折射单元于光轴201上的总长度。于一实施例中，距离A可约等于93.35mm，且长度B可约等于76.5mm。当长度B越小时代表透镜组件整体所占空间可越小，另一方面，当距离A越大时，投影系统200整体所占空间会变大但可减少干涉现象产生的机率，该干涉现象例如为离开折射单元210的光线与被反射单元220反射的光线叠合而产生不必要的干涉图案。因此，上述的A/B的比例范围为平衡各个设计因子所订出的一范围实施例。

如下参考图2A及图2B说明折射单元的一设计实例。于本实例中，第一透镜组212由物侧(缩小侧)至像侧(放大侧)依序包括：具有正屈折力的透镜L1，具有负屈折力的透镜L2，具有正屈折力且包括透镜L3及透镜L4的双胶合透镜件，具有正屈折力且包括透镜L5、透镜L6及透镜L7的三胶合透镜件，具有负屈折力且包括透镜L8及透镜L9的双胶合透镜件。第二透镜组214由物侧(缩小侧)至像侧(放大侧)依序包括具有正屈折力的透镜L10，具有正屈折力的透镜L11，具有正屈折力的透镜L12，具有负屈折力的透镜L13及具有负屈折力的透镜L14。透镜L12及透镜L13可沿广角投影系统的光轴平移以调焦，且透镜L12及透镜L13以直进直出方式进行调焦而不会转动。透镜L1具有凸面的物侧表面S1及凸面的像侧表面S2，透镜L2具有凹面的物侧表面S3及凹面的像侧表面S4，透镜L3具有凸面的物侧表面S5，透镜L4具有凸面的物侧表面S6及凸面的像侧表面S7，透镜L5具有凸面的物侧表面S8，透镜L6具有凸面的物侧表面S9，透镜L7具有凸面的物侧表面S10及凹面的像侧表面S11，透镜L8具有凹面的物侧表面S13，透镜L9具有凹面的物侧表面S14及凹面的像侧表面S15，透镜L10具有凹面的物侧表面S16及凸面的像侧表面S17，透镜L11具有凸面的物侧表面S18及凹面的像侧表面S19，透镜L12具有凸面的物侧表面S20及凹面的像侧表面S21，透镜L13具有凹面的物侧表面S22及凹面的像侧表面S23，透镜L14具有凸面的物侧表面S24及凹面的像侧表面S25。一孔径光阑218位于透镜L7与透镜L8之间。于本设计例中，第一透镜组212中的透镜L1可为非球面透镜，第二透镜组214中的透镜L12及透镜L14可为非球面透镜，且其他的透镜L2-L11、L13可为球面透镜。折射单元210的光圈值(f-number)例如可不大于2，折射单元210的奈奎斯特频率(Nyquist frequency)例如可等于或大于70线对/毫米，且一较佳范围可为70-150线对/毫米。于一实施例中，折射单元210的奈奎斯特频率(Nyquist frequency)可约为95线对/毫米，且光圈值(f-number)可约为1.4。

上述设计例的光学参数值显示于如下的表1，且上述的非球面透镜的非球面曲线方程式表示如下：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\&alpha;}}_1{r}^2+{\mathrm{\&alpha;}}_2{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_3{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^8+{\mathrm{\&alpha;}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^{12}+{\mathrm{\&alpha;}}_7{r}^{14}+{\mathrm{\&alpha;}}_8{r}^{16}.$

于上式中，z为光轴方向的偏移量(sag)，亦即非球面表面上距离光轴为r的点，其与相切于非球面光轴上顶点的切面的相对距离，c为是密切球面(osculating sphere)的半径的倒数，也就是接近光轴处的曲率半径的倒数，r为非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度，k是二次曲面常数(conicconstant)，且α₁-α₈为非球面高次项系数(aspheric coefficients)，各个透镜非球面的高次项系数及二次曲面常数值如表2所示。

表1

表2

再者，于一实施例中，反射器222可为一非球面镜，且非球面镜的曲线方程式表示如下：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{r}^i,$

上式中的非球面镜的非球面系数α_i显示如下表：

表3

标准半径

K

α1

α2

α3

α4

α5

α6

1.00E+0

-1.81E+0

-1.42E-02

7.24E-03

-1.41E-04

-5.69E-09

-8.75E-09

-3.13E-10

α7

α8

α9

α10

α11

α12

α13

α14

6.66E-12

2.69E-13

2.24E-15

-1.42E-16

-5.12E-18

2.82E-20

3.97E-21

-5.04E-23

图3显示本发明另一实施例的广角投影系统的示意图。如图3所示，广角投影系统300包括一折射单元310及一反射单元320，反射单元320可包括两个反射器322、324，且于本实施例中，反射器322为一平面镜且反射器324为一曲面镜，构成反射器324的曲面镜的外形并不限定且例如可为一非球面镜，且亦适用前述的非球面镜方程式及表3的设计参数。光线I1或光线I2于穿过折射单元310后再被反射器322(例如平面镜)及反射器324(例如曲面镜)依序反射后离开反射单元320。换言之，光线I1或光线I2于离开反射单元320前最后一个遭遇到反射器为反射器324，且光线I1或光线I2由最后一个遭遇的反射器324反射后导向一屏幕(未图示)。因此，折射单元310与最后一个反射器324两者于广角投影系统300的一光轴301上的距离P，等于折射单元310与反射器322于光轴301上的距离P1加上反射器322与反射器324于光轴301上的距离P2(P＝P1+P2)。

因此，于一实施例中，广角投影系统300可满足下式：

0.9<P/B<1.4，其中P为折射单元310与光线于反射单元320中最后一个遭遇到的反射器(反射器324)，两者于广角投影系统300的光轴301上的距离，且B为折射单元310于光轴301上的总长度。

图4至图6显示图3的广角投影系统的折射单元的光学模拟结果。图4为横向色差曲线图，图5及图6为光学传递函数曲线图，其中横轴为离焦量，纵轴为调制传递函数值，且T、S分别表示切向(tangential)及径向(sagittal)两不同方向上的光学传递函数曲线。

图4至图6所显示出的模拟结果均在标准的范围内，亦即本发明实施例的广角投影系统可具有良好的成像品质。

本发明的实施例藉由球面透镜、非球面透镜与反射镜组成广角投影镜头，可有效缩短焦距使镜身减小并可改善像差，且投影至各尺寸屏幕时具有良好的解析度。

图7为说明投影光学系统的一实施例的示意图。在图7的坐标系中，符号X表示萤幕的长轴方向，符号Z表示萤幕的短轴方向，以及符号Y表示萤幕的法线方向。参见图7，投影光学装置10包括第一光学系统11、平面反射镜12、第二光学系统13以及影像形成元件80。在投影光学装置10中，第一光学系统11为包括具有同光轴、正曲折力的至少一折射光学透镜系统。平面反射镜12为一种改变从第一光学系统11至第二光学系统13的光的路径的反射镜。第二光学系统13包括正曲折力的至少一光学反射镜系统。从影像形成元件80发出的影像光入射至第一光学系统11，其中影像形成元件80例如可为数字微型反射镜元件(DMD)，影像光在通过第一光学系统11之后，经由平面反射镜12通过第二光学系统13反射以投影在萤幕90上。

以下将参照相关图式，说明依本发明实施例的一种，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。请参照图8所示，其为本发明实施例的一种可携式超短焦(可为但不限为可携式或超短焦)投影装置100的内部组合俯视示意图。可携式超短焦投影装置100包含光源(图中未显示)、合光模块110、散热机构120、影像形成元件(位于调焦轮160下方，图中未显示)、第一光学系统130、反射元件140、第二光学系统150、调焦轮160和壳体170。其中光源例如是发光二极管(LED)、灯泡或雷射，在本发明一实施例中为使用红蓝绿三色LED的光源。在投影光学装置中，一般使用高功率的LED光源，因此必须配合散热机构120的设计，有效率地将热量带离，避免影响到投影影像光学品质。红蓝绿三色LED所发出的色光经由一些光学元件所组成的合光模块110后，混合成白光，白光通过影像形成元件而形成影像光。其中影像形成元件如数字微型反射镜元件(DMD)、液晶面板(LCD)或液晶覆硅面板(LCOS)，在本发明一实施例中为使用数字微型反射镜元件(DMD)。第一光学系统130为包括具有同光轴的多个折射光学透镜所组成的正曲折力光学系统。反射元件140如平面反射镜、球面反射镜、非球面反射镜或棱镜，用以改变从第一光学系统130至第二光学系统150的光路径，在本发明一实施例中为使用平面反射镜。第二光学系统150在本发明一实施例中为包括正曲折力的一凹面反射镜所组成的光学系统，其亦可为凸面反射镜、平面反射镜、球面反射镜、非球面反射镜或多个反射镜所组成的光学系统。调焦轮160用以将投影到萤幕的影像进行清晰度调整，壳体170可包覆所有的组件，避免灰尘进入而影响影像品质。

由于超短焦投影机因放大倍率较一般投影机大很多，所需的光学组件的精度也相对要求较高，藉此来确保光学品质而达到设计所需的放大倍率及其品质要求。尤其为了达到可携式投影装置所需的正确光线投射路径，本发明实施例的一种可携式投影装置藉由多个调整机构来调整相关的光学组件(例如第一光学系统、反射元件、第二光学系统等)，以达到投影影像光学品质的要求。

请参照图9、图10和图11所示，其分别为本发明实施例的一种可携式投影装置中显示第一光学系统130、第一光学系统壳体132和前群光学透镜组件1320的立体示意图。本发明一实施例的第一光学系统130可区分为后群光学透镜组件1310和前群光学透镜组件1320。后群光学透镜组件1310包含一调整凹槽1312，利用一调整工具如长杆(图中未显示)伸入壳体调整孔1314至调整凹槽1312，利用调整凹槽1312带动后群光学透镜组件1310前后移动到所需位置时，将螺丝(图中未显示)锁入壳体固定孔1316后，即完成制造过程中后群光学透镜组件1310的调整作业。

本发明的一实施例设定的投影萤幕尺寸规格可从40吋至100吋，因此使用者可利用调焦轮160的转动来使投影在萤幕的影像更清晰。藉由调焦轮160带动倾斜半圆形凸轮(cam)1322转动，再由半圆形凸轮1322带动位于长形调整孔(barrel)1324的插销(pin)1326前后移动，可使得前群光学透镜组件1320的部分镜片直进直出。要注意的是，为避免使用者在调整影像清晰度时，与从第二光学系统150射至萤幕的影像光线发生干涉现象，本发明的一实施例将调焦轮160设置于远离第二光学系统150的一端，有效防止干涉现象的产生。

另外，受限于可携式投影装置短小轻薄的要求与为避免与从第二光学系统150射至萤幕的影像光线发生干涉现象，本发明的一实施例藉由(1)将前群光学透镜组件1320的上部切除，与(2)第一光学系统130的光轴倾斜于壳体底部水平面来达成。由于在进行光学设计时，影像光主要经由前群光学透镜组件1320的下部传播，因此将上部切除并不会影响投影影像光学品质。但要注意的是，如果前群光学透镜组件切除部分过多，会使得其光学传播有效区域减少，影响投影影像光学品质。如果前群光学透镜组件切除部分过少，除可能造成与从第二光学系统150射至萤幕的影像光线发生干涉现象外，也可能使外壳体无法密合，无法符合客户对尺寸的要求。因此，要能精准地控制前群光学透镜组件1320的上部切除，才能避免前述问题的产生。又在本发明的一实施例中，第一光学系统130的光轴与水平面的夹角约为9度。

前群光学透镜组件1320较佳为切边圆形，在本实施例中，尤其是指上部切边圆形的光学透镜。另外本实施例包括可容纳第一光学系统的镜筒，其亦具有对应于非正圆形光学透镜的切边圆形造型构件。

请参照图12和图13所示，其分别为本发明实施例的一种可携式投影装置中显示反射元件140的调整机构与移除调整螺丝的调整机构的立体示意图。由于本发明的一实施例的第一光学系统130的光轴倾斜于壳体底部水平面，因此反射元件140必须面对第一光学系统130的光轴倾斜，使得反射元件140的法线平行于第一光学系统130的光轴。再者，反射元件140也必须使得从第一光学系统130入射的影像光水平转折至第二光学系统150。为配合前述的需求，反射元件140的调整机构藉由三个反射元件调整螺丝1402、1404、1406，进行两方向的调整。当下方的两个反射元件调整螺丝1404、1406锁入反射元件调整机构时，可使得反射元件140面对第一光学系统130的光轴倾斜。又当侧边的两个反射元件调整螺丝1402、1404锁入反射元件调整机构时，可调整反射元件140面对第二光学系统150的角度。当松开反射元件调整螺丝1402、1404、1406时，利用弹簧1403、1405、1407的弹力即可将反射元件140推离。利用此作用原理，将反射元件调整螺丝1402、1404、1406锁至适当位置并加以固定后，即完成制造过程中反射元件140的调整作业。

在本发明一实施例中，可在散热机构120的附近，加入一个或多个风扇180，如图12所示，利用风扇180的转动带动气流，将可更有效率地将LED光源所产生的热量带离，避免影响到投影影像光学品质。

请参照图14所示，其为本发明实施例的第二光学系统调整机构的立体示意图。利用增加垫片(图中未显示)于下方的两个第二光学系统调整螺丝1502、1506上，当螺丝锁入第二光学系统调整机构时，可使得第二光学系统150上下倾斜。又利用增加垫片(图中未显示)于侧边的两个第二光学系统调整螺丝1502、1504上，当螺丝锁入第二光学系统调整机构时，可使得第二光学系统150左右倾斜。再者，利用第二光学系统调整螺丝1502和长形调整孔1501的搭配(其他第二光学系统调整螺丝亦有搭配的长形调整孔)，可使得第二光学系统150上下平移。另外，藉由四个第二光学系统调整螺丝1502、1504、1506、1508上弹簧(未标号)的均匀受力，可缓冲制造公差与降低影像品质的敏感度。

本发明一实施例的第一光学系统、反射元件和第二光学系统，其材质可为模造玻璃、玻璃或塑胶。

需注意表1-3所列出的参数值仅为例示而非限制本发明。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，针对本发明实施例的设计参数或设定进行更动，均未脱离本发明的精神和范围。因此，任何与本发明实施例结构相同的透镜系统，即使具有不同的设计参数或设定仍为本发明的保护范围所涵盖。本发明的保护范围当视申请专利范围所界定的为准。

Claims (11)

1.一种广角投影系统，包括：

一折射单元，包括具有正屈折力的一第一透镜组及具有负屈折力的一第二透镜组；以及

一具有正屈折力的反射单元，其中该第二透镜组设置于该第一透镜组与该反射单元之间，且该广角投影系统满足下式：

0.9<A/B<1.4，其中A为该折射单元与该反射单元两者于该广角投影系统的一光轴上的距离，且B为该折射单元于该光轴上的总长度。

2.一种广角投影系统，包括：

一折射单元，包括具有正屈折力的一第一透镜组及具有负屈折力的一第二透镜组；以及

一反射单元，包括复数反射器，其中该第二透镜组设置于该第一透镜组与该反射单元之间，穿过该折射单元的光线被所述反射器依序反射后由最后一个遭遇的反射器离开该反射单元，且该广角投影系统满足下式：

0.9<P/B<1.4，其中P为该折射单元与该最后一个遭遇的反射器两者于该广角投影系统的一光轴上的距离，且B为该折射单元于该光轴上的总长度。

3.根据权利要求2所述的广角投影系统，其中该反射单元至少包括一平面镜及一曲面镜，且穿过该折射单元的光线依序被该平面镜及该曲面镜反射。

4.根据权利要求2所述的广角投影系统，其中该最后一个遭遇的反射器为一非球面镜。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的广角投影系统，其中该第一透镜组包括复数个球面透镜，且该第二透镜组包括复数个球面透镜及至少一非球面透镜。

6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的广角投影系统，其中该第一透镜组包括至少一胶合透镜件。

7.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的广角投影系统，其中该第二透镜组中的至少一透镜沿该光轴平移以调焦，且该透镜于平移调焦时不会转动。

8.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的广角投影系统，其中该第一透镜组由物侧至像侧依序包括：

一具有正屈折力的第一透镜；

一具有负屈折力的第二透镜；

一具有正屈折力的双合透镜件，该双合透镜件包括一第三透镜及一第四透镜；

一具有正屈折力的三合透镜件，该三合透镜件包括一第五透镜、一第六透镜及一第七透镜；以及

一具有负屈折力的双合透镜件，该双合透镜件包括一第八透镜及一第九透镜。

9.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的广角投影系统，其中该第二透镜组由物侧至像侧依序包括：

一具有正屈折力的第十透镜；

一具有正屈折力的第十一透镜；

一具有正屈折力的第十二透镜；

一具有负屈折力的第十三透镜；以及

一具有负屈折力的第十四透镜，其中该第十四透镜于面向该反射单元的一侧形成一凹面。

10.一种广角投影镜头，用以传递光线并将该光线导向至少一反射器，该广角投影镜头包括：

具有正屈折力的一第一透镜组，该第一透镜组包括复数个具有屈折力的透镜件；以及

具有负屈折力的一第二透镜组，该第二透镜组包括复数个具有屈折力的透镜件，其中该第一透镜组连同该第二透镜组的透镜件的总数等于或大于10，且该广角投影镜头的奈奎斯特频率(Nyquist frequency)值等于或大于70线对/毫米。

11.根据权利要求10所述的广角投影镜头，其中该广角投影镜头的光圈值不大于2，且该广角投影镜头的奈奎斯特频率值为70-150线对/毫米。