CN1103457C - 自动调整焦距的投影系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种自动调整光学投射装置焦距的投影系统，包括一全反射构件、一图像读取装置、一分析系统以及一伺服装置。图像读取装置读取通过光学投射装置及全反射构件导引的投射图像，并输出一读取信号。分析系统以一计算函数分析上述读取信号并判断投影平面的最清晰图像，以此输出一调整信号。伺服装置是根据上述调整信号自动调整上述光学投射装置的焦距。

Description

自动调整焦距的 投影系统及其方法

本发明涉及一种自动调整焦距的投影系统，特别是涉及一种利用一计算函数分析投射图像，自动调整光学投射装置焦距的投影系统。

近年来，投影系统逐渐的轻型化，达到可以携带投影系统至任何环境使用的目的。在任一种大小的空间中，投影系统至投射图像的平面距离是不一样的。面对不同的投射距离，必须调整投影系统的光学投射装置的焦距。目前的光学投射装置调整方式，包括手动与半自动。手动是使用者用手调整投影系统的光学投射装置焦距，直到使用者以肉眼判断投射图像清晰为止。半自动是使用者用有线或无线的遥控器，调整投影系统的光学投射装置的焦距，直到使用者以肉眼判断投射图像清晰为止。如此，增加使用者操作上的困扰。

图1显示一种现有使用于液晶投影系统的自动调整焦距装置的简要图。在日本专利公开公报特开平第11-119185公开号中，如图1所示，三个液晶显示组件1400r、1400g、1400b产生的红、绿及蓝的图像经由十字棱镜4000合成彩色图像。接着，通过半穿透反射组件3000后经由投射镜头1000成像于屏幕s上。自屏幕s上反射的图像通过投射镜头1000经由半穿透反射组件3000反射至一光接收组件5000上。进一步，经由信号产生组件1600、控制组件9000、操作组件8000及焦点调整控制组件6000分析比较投射镜头1000的各个焦距位置的图像决定较佳的成像焦距位置。然而，在此现有技术中，必须使用半穿透反射组件，因而增加投射镜头与三片液晶显示组件之间的距离。进一步，增加投射镜头之后焦距(back focal length)同时增加投射镜头的设计难度。

本发明的目的在于提供一种自动调整光学投射装置焦距的投影系统，其可免除使用者调整光学投射装置的焦距的麻烦。

本发明的目的是这样实现的，即提出一种具有自动调整焦距的投影系统，适用于将图像装置产生的图像投影至一投影面，包括：一全反射构件，具有一全反射面、一第一平面及一第二平面，且使上述图像装置产生的图像通过上述全反射面及第一平面射出；一光学投射装置，用以于一起始焦距位置与一终端焦距位置之间移动，在焦距位置将经由上述第一平面所射出的图像投射至上述投影面，并将上述投影面所反射回来的图像经由上述第一平面、全反射面及第二平面射出；一图像读取装置，用以读取由上述第二平面射出的图像；一伺服装置，耦合至上述光学投射装置，用以驱动上述光学投射装置在上述起始焦距位置与上述终端焦距位置之间移动，并在接收到调整信号时，驱动上述光学投射装置至上述焦距位置；以及一分析系统，耦合至上述图像读取装置及伺服装置，用以分析上述图像读取装置所读取的图像，并依据分析结果所得的焦距位置而输出上述调整信号至上述伺服装置，从而驱动上述光学投射装置至上述焦距位置。

本发明还提供一种具有自动调整焦距的投影系统，其包括：一全反射构件，具有一第一全反射面、一第二全反射面、一第一平面、一第二平面、一第三平面、一第四平面及形成于上述第一与第二全反射面之间的一透光介质；一光源装置，发射光进入上述第一平面，接着上述光经由上述第一全反射面及第二平面而射出；一反射式显示器，将经由上述第二平面所射出的光反射成一图像，接着上述图像通过上述第一全反射面、透光介质、第二全反射面及第三平面而射出；一光学投射装置，用以于一起始焦距位置与一终端焦距位置之间移动，并在焦距位置将经由上述第三平面所射出的图像投射至一投影面，并将上述投影面反射回来的图像经由上述第三平面、第二全反射面及第四平面而射出；一图像读取装置，用以读取上述第四平面所射出的图像；一伺服装置，耦合至上述光学投射装置，用以驱动上述光学投射装置于上述起始焦距位置与上述终端焦距位置之间移动，并在接收到一调整信号时，驱动上述光学投射装置至上述焦距位置；以及一分析系统，耦合至上述图像读取装置及伺服装置，用以分析上述图像读取装置所读取的图像，并依据分析结果所得的焦距位置而输出上述调整信号至上述伺服装置，从而驱动上述光学投射装置至上述焦距位置。

本发明还提供一种自动调整投影系统的光学投射装置焦距的方法，包括：(a)设置上述光学投射装置于起始焦距位置投射一图像；(b)经由一图像读取装置读取上述图像，并输出一读取信号至一分析系统；(c)分析系统以一计算函数分析该读取信号；(d)设置上述光学投射装置至次一个焦距位置；(e)重复步骤(b)至步骤(e)，当上述光学投射装置设置于终端焦距位置时执行下一步骤；(f)分析系统判断最佳的计算函数值，并输出此最佳函数值对应的最佳焦距位置的一调整信号至一伺服装置；以及(g)伺服装置根据上述调整信号调整上述光学投射装置至最佳的焦距位置，并结束上述步骤。

本发明还提供一种具有自动调整焦距的投影系统，适用于将一图像装置产生的图像投影至一投影面，包括：一全反射面，该全反射面为具有一第一侧及一第二侧；一图像产生装置，该图像产生装置是置放于该全反射面的第一侧，用以产生该图像，并投射至该全反射面；一光学投射变焦装置，该装置是置放于该全反射面的第二侧，该装置并可于一起始焦距与一终端焦距之间调整焦距；一图像读取装置，置放于该全反射面的第二侧；一伺服装置，耦合至上述光学投射装置，用以驱动上述光学投射装置于上述起始焦距与上述终端焦距之间调整，并在接收到一调整信号时，驱动上述光学投射装置调整至一最佳焦距；以及一分析系统，耦合至上述图像读取装置及伺服装置，用以分析上述图像读取装置所读取的图像信号，并依据分析结果所得的焦距位置而输出上述调整信号至上述伺服装置，从而驱动上述光学投射装置至上述最佳焦距；其中由该图像产生装置所产生的该图像，经由穿透该全反射面及该光学投射装置而投影至该投影面，该图像于该投影面的反射将反向穿过该光学投射装置，并通过该全反射面的全反射，而投射到该图像读取装置。

本发明的主要特点在于，其分析系统利用调制转换函数分析及判断最佳的投影图像。

本发明投影系统及其方法的优点在于，在任一种投射距离上，投影系统可以自动调整光学投射装置的焦距，主动获得最清晰的投射图像，且使用方便。

下面结合附图，详细说明本发明的实施例，其中：

图1为现有自动调整焦距装置示意图；

图2为本发明自动调整焦距的投影系统示意图；

图3为说明经由透镜组成像的可逆性示意图；

图4为一全反射构件的上视图；

图5A为一简略图，其说明投射距离改变时投射装置的焦距也改变；

图5B为简要显示光学投射装置的N个焦距位置图；

图6为简要说明一投射图像的计算函数图；

图7为本发明自动调整焦距方法的流程图；

图8为显示投影系统投射一简单的灰级图像提供自动调整投影系统的焦距示意图；

图9A与图9B分别显示图像读取装置自动对焦前与自动对焦后输出的读取信号的状况图；

图10为本发明第一实施例的自动调整投影系统焦距的示意图；

图11为本发明第二实施例的自动调整投影系统焦距的示意图。

如图2所示，自动调整光学投射装置焦距的投影系统包括一图像装置1、一全反射构件2、一光学投射装置3、一图像读取装置4、一分析系统5以及一伺服装置6。

在本发明中可利用成像原理的可逆性。如图3所示，假若一物ob设置于一透镜组L一侧，物距为p1。通过透镜组L将物ob在透镜组L的另一侧成一像I，像距为q1。应用众所周知的光学倒置原理(optical reciprocaltheory)。图3中，设置与像I位置及大小相同的物。由此透镜组L在相对于物的一侧将物成一像，并且图3中像的大小及位置与物ob的大小及位置相同。

如图4所示，在本发明中利用一全反射构件用以改变光的行进方向。全反射构件具有一全反射面21、一第一平面22与一第二平面23的全反射棱镜20。利用光的全反射原理(total internal reflection)，全反射面具有一临界角(critical angle)θ_c，当光的入射角大于临界角时，在全反射面上产生光的全反射。光束r1的入射角θ₁小于临界角，光束r1经由平面21折射后自平面21发射。光束r2的入射角θ₂大于临界角，光束r2经由平面21全反射后自平面23发射。

如图5A所示，光学投射装置3具有多个透镜且具有一可变焦距。光学投射装置3的焦距变化为上述多个透镜产生位置变化。也就是，光学投射装置3产生长度变化(L1变化至L2)。因此，光学投射装置3的最小焦距对应一第一长度L1以及最大焦距对应一第二长度L2。进一步，第一长度L1的光学投射装置3可将图像装置1的图像成像于最短距离D1的平面SC1；以及第二长度L2的光学投射装置3可将图像装置1的图像成像在最远距离D2的平面SC2上。此外，本发明的实施例是采用后焦距为固定值的投射装置，也就是图像装置1与光学投射装置3的距离bf是保持固定的。

如图5B所示，分析系统将光学投射装置的长度变化分割成N-1个区段(section)。自上述最小焦距的第一长度至上述最大焦距的第二长度依序设定为第1焦距位置(起始焦距位置)f₁、第2焦距位置f₂、第3焦距位置f₃、第4焦距位置f₄……、第N焦距位置(终端焦距位置)f_N。

如图5B所示，当分析系统接收一自动调整焦距信号后，分析系统输出一驱动信号。根据此驱动信号，伺服系统首先设置上述光学投射装置至第1焦距位置f₁。接着，依序驱动光学投射装置至第2焦距位置f₂、第3焦距位置f₃、第4焦距位置f₄、……及第N焦距位置f_N。

此外，如图5B所示，伺服系统也可首先设置上述光学投射装置至第N焦距位置(起始焦距位置)f_N。接着，依序驱动光学投射装置至第N-1焦距位置f_N-1、第N-2焦距位置f_N-2、第N-3焦距位置f_N-3、……及第一焦距位置(终端焦距位置)f₁。

如图2所示，设置一图像读取装置于投影系统中，其中图像读取装置4至投影的平面SC距离与图像装置1至投影的平面SC光程相等(即d1+D＝d2+D)。当图像装置1利用光学投射装置3投射在平面上成第一图像时，第一图像再利用光学投射装置3及全反射构件2在图像读取装置4上形成第二图像。假若第一图像为清晰时，第二图像也为清晰的图像。假若第一图像为模糊时，第二图像也为模糊的图像。

因为光学投射装置产生N个焦距，图像读取装置接收清晰程度不同的N个第二图像。图像读取装置每读取一第二图像后，输出一读取信号。进一步，图像读取装置输出N个不同的读取信号，依序为第1读取信号、第2读取信号、第3读取信号、……及第N读取信号。第1读取信号为对应光学投射装置的第1焦距位置产生，第2读取信号为对应光学投射装置的第2焦距位置产生，依此类推至第N读取信号为对应光学投射装置的第N焦距位置产生。

进一步，分析系统5还包括一分析计算单元51及一内存52。分析计算单元以一计算函数(evaluation function)计算上述N个读取信号，并储存于内存52中。

如图6所示，分析系统以一计算函数，例如一调制转换函数(modulation transfer function简称MTF)，完成计算上述N个读取信号后，接着分析上述N个计算函数值。根据最佳的计算函数值，分析系统判断最佳的计算函数值以及焦距位置f_i。再一步，根据分析结果，分析系统输出一调整信号调整光学投射装置至最佳的焦距位置f_i，完成自动调整光学投射装置的焦距。

根据上述各组件的功能说明可完成的本发明的操作流程图示，如图7所示。当投影系统接收调整光学投射装置的焦距指令后，开始执行该流程图。

步骤1，显示装置显示一图像，其中该图像可来自计算机、影音器材或在投影系统内建一简单的灰级图像。

步骤2，设置光学投射装置至起始焦距位置，并投射上述图像。

步骤3，图像读取装置读取此灰级图像后输出读取信号至分析系统。

步骤4，分析系统以一计算函数计算该读取信号后存储在一内存中，并判断此时光学投射装置是否位于终端焦距位置。

步骤5，当光学投射装置不位于终端焦距位置时，伺服装置驱动光学投射装置至下一个焦距位置。

步骤6，重复步骤(3)至步骤(6)，当上述光学投射装置设置于终端焦距位置时执行下一步骤。

步骤7，分析系统判断最佳计算函数值，并输出此最佳计算函数值对应的最佳焦距位置的一调整信号至一伺服装置。

步骤8，伺服装置根据上述调整信号调整上述光学投射装置至最佳焦距位置，并结束以上步骤。

如图8所示，投影系统可通过图像装置1产生一种简单的黑白交错的线对(Line-pair)图像7用以自动调整投影系统的焦距。接着，如图9A所示，图像读取装置，例如线型电荷耦合显示组件(charged couple display简称CCD)、互补型金属氧化物半导体(CMOS)等，读取该灰级图像后，输出一读取信号。最后，如图9B所示，经由分析系统分析完成自动对焦后，图像读取装置输出的最佳读取信号的波形近似完美的方波。

范例1：如图10所示，一种具有自动调整光学投射装置焦距的投影机包括：一图像产生器10、一全反射构件20、一光学投射装置30、一图像读取器40、一分析系统50及一服务器60。

图像产生器10可产生图像发光，例如：一阴极射线管显示器、一液晶显示器、一激光显示器等等。图像发光通过全反射构件经由光学投射装置30在一平面上，例如一屏幕，形成一第一图像。接着第一图像经由光学投射装置30以等效光路径长度在上述图像读取器40上形成第二图像，其中通过全反射构件改变第二图像的位置。

如前面所述的方法，分析系统50、服务器60及图像读取器40自动调整光学投射装置30的焦距。进一步，在屏幕上获得一清晰的图像。

范例2：如图11所示，一种具有自动调整光学投射装置焦距的投影机包括：一光源100、一反射式显示器200、一全反射构件300、一光学投射装置400、一图像读取器500、一分析系统600及一服务器700。

如图11所示，此全反射构件300具有一第一平面310、一第二平面320、一第三平面330、一第四平面340、一第一全反射面350、一第二全反射面360及一透光介质370。透光介质370形成在上述第一全反射面350与第二全反射面360之间并且具有一光折射率小于全反射构件材料的光折射率。

光源100设置在全反射构件300的第一平面310一侧。反射式显示器设置在全反射构件300的第二平面320一侧。光学投射装置400设置在全反射构件300的第三平面330一侧。图像读取器500设置在全反射构件300的第四平面340一侧。

光源100发出光后，光以大于第一全反射面310的第一临界角全反射至上述反射式显示器200。反射式显示器200调制光后，反射产生图像发光。反射式显示器200可使用德州仪器公司的数字微反射镜组件(digitalmicromirror device简称DMD)或反射式液晶显示组件(LCOS)等等。图像发光通过全反射构件300经由光学投射装置400在一平面上，例如一屏幕，形成一第一图像。接着第一图像经由光学投射装置400以等效光路径长度形成第二图像于上述图像读取器500上，其中藉由全反射构件300的第二全反射面320改变第二图像的位置。

如前面所述的方法，分析系统600、服务器700及图像读取器500自动调整光学投射装置400的焦距。进一步，在屏幕上获得一清晰的图像。

综上所述，本发明所所提供一种自动调整光学投射装置焦距的投影系统，包括一全反射构件、一图像读取装置、一分析系统以及一伺服装置。图像读取装置读取通过光学投射装置及全反射构件导引的投射图像，并输出一读取信号。分析系统以一计算函数分析上述读取信号并判断投影平面的最清晰图像，以此输出一调整信号。伺服装置是根据上述调整信号自动调整上述光学投射装置的焦距。

虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神与范围内，可作更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为准。

Claims (16)

1.一种具有自动调整焦距的投影系统，适用于将图像装置产生的图像投影至一投影面，包括：

一全反射构件，具有一全反射面、一第一平面及一第二平面，且使上述图像装置产生的图像通过上述全反射面及第一平面射出；

一光学投射装置，用以于一起始焦距位置与一终端焦距位置之间移动，在焦距位置将经由上述第一平面所射出的图像投射至上述投影面，并将上述投影面所反射回来的图像经由上述第一平面、全反射面及第二平面射出；

一图像读取装置，用以读取由上述第二平面射出的图像；

一伺服装置，耦合至上述光学投射装置，用以驱动上述光学投射装置在上述起始焦距位置与上述终端焦距位置之间移动，并在接收到调整信号时，驱动上述光学投射装置至上述焦距位置；以及

一分析系统，耦合至上述图像读取装置及伺服装置，用以分析上述图像读取装置所读取的图像，并依据分析结果所得的焦距位置而输出上述调整信号至上述伺服装置，从而驱动上述光学投射装置至上述焦距位置。

2.如权利要求1所述的投影系统，其中上述图像读取装置为一光电耦合组件。

3.如权利要求1所述的投影系统，其中上述图像读取装置为一互补型金属氧化物半导体。

4.如权利要求1所述的投影系统，其中上述分析系统包括一内存。

5.一种具有自动调整焦距的投影系统，其包括：

一全反射构件，具有一第一全反射面、一第二全反射面、一第一平面、一第二平面、一第三平面、一第四平面及形成于上述第一与第二全反射面之间的一透光介质；

一光源装置，发射光进入上述第一平面，接着上述光经由上述第一全反射面及第二平面而射出；

一反射式显示器，将经由上述第二平面所射出的光反射成一图像，接着上述图像通过上述第一全反射面、透光介质、第二全反射面及第三平面而射出；

一光学投射装置，用以于一起始焦距位置与一终端焦距位置之间移动，并在焦距位置将经由上述第三平面所射出的图像投射至一投影面，并将上述投影面反射回来的图像经由上述第三平面、第二全反射面及第四平面而射出；

一图像读取装置，用以读取上述第四平面所射出的图像；

一伺服装置，耦合至上述光学投射装置，用以驱动上述光学投射装置于上述起始焦距位置与上述终端焦距位置之间移动，并在接收到一调整信号时，驱动上述光学投射装置至上述焦距位置；以及

一分析系统，耦合至上述图像读取装置及伺服装置，用以分析上述图像读取装置所读取的图像，并依据分析结果所得的焦距位置而输出上述调整信号至上述伺服装置，从而驱动上述光学投射装置至上述焦距位置。

6.如权利要求5所述的投影系统，其中上述图像读取装置为一光电耦合组件。

7.如权利要求5所述的投影系统，其中上述图像读取装置为一互补型金属氧化物半导体。

8.如权利要求5所述的投影系统，其中上述反射式显示器为一数字光处理器。

9.如权利要求5所述的投影系统，其中上述反射式显示器为一反射式液晶显示组件。

10.如权利要求5所述的投影系统，其中上述透光介质的折射系数小于上述全反射构件的折射系数。

11.如权利要求5所述的投影系统，其中上述分析系统包括一内存。

12.一种自动调整投影系统的光学投射装置焦距的方法，包括：

(a)设置上述光学投射装置于起始焦距位置投射一图像；

(b)经由一图像读取装置读取上述图像，并输出一读取信号至一分析系统；

(c)分析系统以一计算函数分析该读取信号；

(d)设置上述光学投射装置至次一个焦距位置；

(e)重复步骤(b)至步骤(e)，当上述光学投射装置设置于终端焦距位置时执行下一步骤；

(f)分析系统判断最佳的计算函数值，并输出此最佳函数值对应的最佳焦距位置的一调整信号至一伺服装置；以及

(g)伺服装置根据上述调整信号调整上述光学投射装置至最佳的焦距位置，并结束上述步骤。

13.如权利要求12所述的方法，其中上述计算函数为一调制转换函数。

14.如权利要求12所述的方法，还包括以图像装置显示一灰级图像。

15.如权利要求12所述的方法，还包括在一内存中存储计算函数值。

16.一种具有自动调整焦距的投影系统，适用于将一图像装置产生的图像投影至一投影面，包括：

一全反射面，该全反射面为具有一第一侧及一第二侧；

一图像产生装置，该图像产生装置是置放于该全反射面的第一侧，用以产生该图像，并投射至该全反射面；

一光学投射变焦装置，该装置是置放于该全反射面的第二侧，该装置并可于一起始焦距与一终端焦距之间调整焦距；

一图像读取装置，置放于该全反射面的第二侧；

一伺服装置，耦合至上述光学投射装置，用以驱动上述光学投射装置于上述起始焦距与上述终端焦距之间调整，并在接收到一调整信号时，驱动上述光学投射装置调整至一最佳焦距；以及

一分析系统，耦合至上述图像读取装置及伺服装置，用以分析上述图像读取装置所读取的图像信号，并依据分析结果所得的焦距位置而输出上述调整信号至上述伺服装置，从而驱动上述光学投射装置至上述最佳焦距；

其中由该图像产生装置所产生的该图像，经由穿透该全反射面及该光学投射装置而投影至该投影面，该图像于该投影面的反射将反向穿过该光学投射装置，并通过该全反射面的全反射，而投射到该图像读取装置。

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