TW202229980A - 成像系統及投影裝置 - Google Patents

Abstract

一種成像系統包括光閥、投影面及投影鏡頭。投影鏡頭具有縮小側及放大側。光閥配置於投影鏡頭的縮小側。投影面配置於投影鏡頭的放大側。投影面與光閥的受光面之間具有夾角。投影鏡頭包括透鏡群及凸面反射鏡。透鏡群配置於放大側與縮小側之間的光路徑上。透鏡群包括由放大側往縮小側依序排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡及第七透鏡。上述第一至第七透鏡的屈光度分別為負、負、正、正、負、正及正。第三透鏡及第四透鏡的其中至少一者為自由曲面透鏡。凸面反射鏡配置於透鏡群與放大側之間的光路徑上。

Description

成像系統及投影裝置

本發明是有關於一種光學系統及光學裝置，且特別是有關於一種成像系統及投影裝置。

投影機已廣泛運用於家電產品、辦公室設備、遊戲機檯等。投影機的需求逐漸朝向輕薄短小發展。舉例而言，相較於使用傳統燈源的投影機，使用發光二極體的口袋型投影機，體積小且重量輕，可降低空間需求且攜帶方便。

實際應用上，為縮小投影機的使用空間，須修改投影機的機構，以將傳統垂直式投影改為斜向投影，使得投影畫面透過反射鏡進行轉折，轉折後的投影頭畫面可根據需求投射至投影面（例如:桌面、地面、牆面、屏幕等）。在斜向投影架構中，投影機的出射光的參考光線無法垂直於投影面，即斜向入射(oblique incidence)，會導致投影畫面產生梯形失真。傳統上，為改善梯形失真，可使用軟體裁切投影畫面的失真區域，進而達到無失真的情形；然而，這種軟體校正方式會導致解析度降低，亮度損失。此外，另一種改善梯形失真的一種方式為硬體校正，即令投影鏡頭移向；然而，此種方式會導致投影機的體積變大。

「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

本發明提供一種成像系統，能改善梯形失真的現象。

本發明提供一種投影裝置，能改善梯形失真的現象。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種成像系統。本發明的成像系統包括光閥、投影面及投影鏡頭。光閥適於提供影像光束。投影面與光閥的受光面之間具有一夾角。投影鏡頭配置於影像光束的傳遞路徑上且具有縮小側及放大側。光閥配置於投影鏡頭的縮小側。投影面配置於投影鏡頭的放大側。投影鏡頭包括透鏡群及凸面反射鏡。透鏡群配置於放大側與縮小側之間的光路徑上，且包括由放大側往縮小側依序排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡及第七透鏡。第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡及第七透鏡的屈光度分別為負、負、正、正、負、正及正。第三透鏡及第四透鏡的其中至少一者為自由曲面透鏡。凸面反射鏡配置於透鏡群與放大側之間的光路徑上。第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡及第七透鏡的每一者具有朝向凸面反射鏡的第一表面及朝向光閥的第二表面。

為達上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本發明的另一實施例提出一種投影裝置。本發明的投影裝置包括上述的成像系統及照明系統。照明系統適於提供照明光束。成像系統配置於照明光束的傳遞路徑上。成像系統的光閥的受光面適於接收照明光束，且成像系統的光閥適於將照明光束轉換為上述的影像光束。

在本發明的一實施例中，上述的第三透鏡的第一表面為自由曲面。

在本發明的一實施例中，上述的第四透鏡的第一表面為自由曲面。

在本發明的一實施例中，上述的第一透鏡的第一表面及第二表面的其中一者與透鏡群的光軸相交於第一交點，第一切平面通過第一交點且與第一透鏡的第一表面及第二表面的所述其中一者相切，且第一切平面的第一法向量相對於透鏡群的光軸傾斜。

在本發明的一實施例中，上述的第二透鏡的第一表面及第二表面的其中一者與透鏡群的光軸相交於第二交點，第二切平面通過第二交點且與第二透鏡的第一表面及第二表面的所述其中一者相切，且第二切平面的第二法向量相對於透鏡群的光軸傾斜。

在本發明的一實施例中，上述的第四透鏡的第一表面及第二表面的其中一者與透鏡群的光軸相交於第三交點，第三切平面通過第三交點且與第四透鏡的第一表面及第二表面的所述其中一者相切，且第三切平面的第三法向量相對於透鏡群的光軸傾斜。

在本發明的一實施例中，上述的光閥的受光面適於接收照明光束，照明光束於光閥的受光面上形成一照明範圍；光閥的受光面與透鏡群的光軸具有第四交點，且照明範圍的中心與第四交點之間具有一偏移量。

在本發明的一實施例中，上述的第一透鏡的第一表面與凸面反射鏡的反射面在透鏡群的光軸上具有距離D，且1.5mm＜D＜5mm。

在本發明的一實施例中，上述的凸面反射鏡的反射面具有一曲率半徑R，且50mm＜R＜110mm。

在本發明的一實施例中，上述的投影鏡頭在垂直於透鏡群之光軸的方向上具有最大高度H，且H＜13.5mm。

在本發明的一實施例中，上述的夾角的角度為θ，且25 ^o＜θ＜90 ^o。

在本發明的一實施例中，上述的光閥的受光面適於接收照明光束，以將照明光束轉換為影像光束；影像光束依序穿過透鏡群且被凸面反射鏡反射至投影面；影像光束於投影面上形成影像；影像的相對兩邊實質上彼此平行且在一方向上分別具有長度A及長度B；影像在所述方向上具有最大寬度W；[(B-A)/W]‧100%=T，且|T|＜0.5%。

在本發明的一實施例中，上述的投影鏡頭更包括一孔徑光闌，設置於第一透鏡與第二透鏡之間。

基於上述，在本發明一實施例的投影裝置及其成像系統中，投影鏡頭的第三透鏡及第四透鏡的其中至少一者為自由曲面透鏡。藉此，投影鏡頭的本身便能改善梯形失真現象，不需利用軟體校正梯形失真而損失投影畫面的亮度及解析度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

有關本發明的前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式的一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

現將詳細地參考本發明的示範性實施例，示範性實施例的實例說明於附圖中。只要有可能，相同元件符號在圖式和描述中用來表示相同或相似部分。

圖1為本發明一實施例的投影裝置的側視示意圖。圖2為圖1的投影裝置的成像系統的放大暨側視示意圖。為清楚繪示投影鏡頭PL，圖2省略圖1的成像系統IMS的投影面PS。

請參照圖1及圖2，圖中方向z例如是垂直於投影面PS的一方向，方向y例如是平行於投影面PS的一方向，且方向x例如是平行於投影面PS且垂直於方向y的一方向。

請參照圖1，投影裝置100包括照明系統ILS及成像系統IMS。照明系統ILS適於提供照明光束ILB。成像系統IMS配置於照明光束ILB的傳遞路徑上。成像系統IMS包括光閥LV、投影鏡頭PL及投影面PS。投影鏡頭PL具有縮小側及放大側。光閥LV配置於投影鏡頭PL的縮小側。投影面PS配置於投影鏡頭PL的放大側。光閥LV的受光面LVa適於接收照明系統ILS提供的照明光束ILB，且光閥LV適於將照明光束ILB轉換為影像光束IMB。投影鏡頭PL配置於影像光束IMB的傳遞路徑上，且適於將來自於光閥LV的影像光束IMB成像於位於放大側的投影面PS。特別是，投影面PS與光閥LV的受光面LVa之間具有夾角θ。換言之，投影裝置100是斜向投影裝置。

投影面PS與光閥LV的受光面LVa之間的夾角θ滿足：0 ^o＜θ＜90 ^o。舉例而言，在本實施例中，夾角θ可滿足：25 ^o＜θ＜90 ^o，但本發明不以此為限。

投影面PS泛指可於其上形成投影畫面的物體表面。舉例而言，在本實施例中，投影面PS可以是桌面。然而，本發明不限於此，在其它實施例中，投影面PS也可以是地面、牆面、屏幕等。

在本實施例中，光閥LV可為反射式光調變器，例如數位微鏡元件（digital micro-mirror device）、矽基液晶面板（liquid-crystal-on-silicon panel，LCOS panel）等。然而，本發明不限於此，在其它實施例中，光閥LV也可為穿透式光調變器，例如透光液晶面板（Transparent Liquid Crystal Panel）、電光調變器（Electro-Optical Modulator）、磁光調變器（Magneto-Optic modulator）、聲光調變器（Acousto-Optic Modulator，AOM）等。

在本實施例中，成像系統IMS還可選擇性地包括合光元件PR。照明系統ILS發出照明光束ILB至合光元件PR，照明光束ILB經由合光元件PR傳遞至光閥LV，光閥LV將照明光束ILB反射為影像光束IMB，而影像光束IMB經由合光元件元PR傳遞至投影鏡頭PL。舉例而言，在本實施例中，合光元件PR可以是內全反射稜鏡（Total Internal Reflection Prism，TIR Prism）。然而，本發明不限於此，在其它實施例中，合光元件PR也可以是分光鏡（beam splitter）、偏振分光鏡（polarizer beam splitter）、場鏡或其它光學元件，端視投影裝置100所需的分光或導光設計而定，本發明並不加以限制。

在本實施例中，成像系統IMS還可選擇性地包括保護蓋CG，設置於光閥LV的受光面LVa上，且位於光閥LV與合光元件PR之間。保護蓋CG適於保護光閥LV。在本實施例中，保護蓋CG的材質例如是玻璃，但本發明不以此為限。

在本實施例中，成像系統IMS還可選擇性地包括致動器AC。致動器AC可具有平板玻璃，並採用擺動技術，使得平板玻璃快速來回偏擺，適於提升投影裝置100的投影畫面的品質。

在本實施例中，光閥LV與投影鏡頭PL可為一遠心系統，以降低配置於光閥LV與投影鏡頭PL之間的光學元件（例如：合光元件PR、致動器AC等）對影像光束IMB的光路徑的影響，但本發明不以此為限。

投影鏡頭PL包括透鏡群LG及凸面反射鏡M。透鏡群LG配置於放大側與縮小側之間的光路徑上。凸面反射鏡M配置於透鏡群LG與放大側之間的光路徑上。凸面反射鏡M具有反射面Ma。反射面Ma為凸面。凸面反射鏡M的屈光度為負。舉例而言，在本實施例中，反射鏡M的反射面Ma可為非球面，但本發明不以此為限。

請參照圖1及圖2，透鏡群LG包括由放大側往縮小側依序排列的第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5、第六透鏡L6及第七透鏡L7。透鏡群LG整體的屈光度為負。第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5、第六透鏡L6及第七透鏡L7的屈光度分別為負、負、正、正、負、正及正。第一透鏡L1具有朝向凸面反射鏡M的第一表面L11（標示於圖2）及朝向光閥LV的第二表面L12（標示於圖2）。第二透鏡L2具有朝向凸面反射鏡M的第一表面L21（標示於圖2）及朝向光閥LV的第二表面L22（標示於圖2）。第三透鏡L3具有朝向凸面反射鏡M的第一表面L31（標示於圖2）及朝向光閥LV的第二表面L32（標示於圖2）。第四透鏡L4具有朝向凸面反射鏡M的第一表面L41（標示於圖2）及朝向光閥LV的第二表面L42（標示於圖2）。第五透鏡L5具有朝向凸面反射鏡M的第一表面L51（標示於圖2）及朝向光閥LV的第二表面L52（標示於圖2）。第六透鏡L6具有朝向凸面反射鏡M的第一表面L61（標示於圖2）及朝向光閥LV的第二表面L62（標示於圖2）。第七透鏡L7具有朝向凸面反射鏡M的第一表面L71（標示於圖2）及朝向光閥LV的第二表面L72（標示於圖2）。在本實施例中，投影鏡頭PL還包括孔徑光闌AS，配置於第一透鏡L1與第二透鏡L2之間。

值得注意的是，第三透鏡L3及第四透鏡L4的其中至少一者為自由曲面透鏡。藉此，投影鏡頭PL能改善梯形失真的現象。

在本實施例中，第三透鏡L3可為自由曲面透鏡。舉例而言，在本實施例中，第三透鏡L3的朝向凸面反射鏡M的第一表面L31可為自由曲面。然而，本發明不限於此，在其它實施例中，也可將自由曲面設計在第三透鏡L3的第二表面L32。

在本實施例中，第四透鏡L4也可為自由曲面透鏡。舉例而言，在本實施例中，第四透鏡L4的朝向凸面反射鏡M的第一表面L41可為自由曲面。然而，本發明不限於此，在其它實施例中，也可將自由曲面設計在第四透鏡L4的第二表面L42。

在本實施例中，第三透鏡L3與第四透鏡L4皆為自由曲面透鏡。然而，本發明不限於此，在另一實施例中，第三透鏡L3可為自由曲面透鏡，而第四透鏡L4可不為自由曲面透鏡；在又一實施例中，第四透鏡L4可為自由曲面透鏡，而第三透鏡L3可不為自由曲面透鏡。

圖3為圖2的第一透鏡的放大暨側視示意圖。請參照圖2及圖3，在本實施例中，第一透鏡L1的第一表面L11及第二表面L12的其中一者與透鏡群LG的光軸O相交於第一交點C11，第一切平面P11通過第一交點C11且與第一透鏡L1的第一表面L11及第二表面L12的所述其中一者相切，且第一切平面P11的第一法向量N11與透鏡群LG的光軸O之間具有一夾角α。

圖4為圖2的第二透鏡的放大暨側視示意圖。請參照圖2及圖4，第二透鏡L2的第一表面L21及第二表面L22的其中一者與透鏡群LG的光軸O相交於第二交點C21，第二切平面P21通過第二交點C21且與第二透鏡L2的第一表面L21及第二表面L22的所述其中一者相切，且第二切平面P21的第二法向量N21與透鏡群LG的光軸O之間具有一夾角β。

圖5為圖2的第四透鏡的放大暨側視示意圖。請參照圖2及圖5，第四透鏡L4的第一表面L41及第二表面L42的其中一者與透鏡群LG的光軸O相交於第三交點C41，第三切平面P41通過第三交點C41且與第四透鏡L4的第一表面L41及第二表面L42的所述其中一者相切，且第三切平面P41的第三法向量N41與透鏡群LG的光軸O具有一夾角γ。

請參照圖2、圖3、圖4及圖5，在本實施例中，夾角α、夾角β、夾角γ的其中至少兩者不為0 ^o，所述至少兩者的一者為正角度，所述至少兩者的另一者為負角度，且所述正角度及所述負角度的絕對值分別大於0 ^o且小於或等於20 ^o。換言之，第一透鏡L1的一表面、第二透鏡L2的一表面及第四透鏡L4的一表面的其中至少兩者相對於透鏡群LG的光軸O傾斜，所述至少兩者的傾斜方向相反，所述至少兩者的傾斜角度的絕對值大於0 ^o且小於或等於20 ^o。藉此，投影鏡頭PL能更進一步地改善梯形失真的現象。

請參照圖2、圖3及圖4，舉例而言，在本實施例中，第一透鏡L1的一表面及第二透鏡L2的一表面相對於光軸O傾斜，第一透鏡L1的所述表面及第二透鏡L2的所述表面的傾斜方向相反，且第一透鏡L1的所述表面及第二透鏡L2的所述表面的傾斜角度的絕對值大於0 ^o且小於或等於20 ^o。

請參照圖2及圖3，具體而言，在本實施例中，第一切平面P11的第一法向量N11相對於透鏡群LG的光軸O傾斜，即第一透鏡L1的第一表面L11相對於光軸O傾斜。在本實施例中，第一透鏡L1的第一表面L11朝遠離凸面反射鏡M的方向傾斜，使得第一法向量N11指向光軸O的上方而第一透鏡L1的第一表面L11的傾斜角度（即，夾角α）為正角度，其中|α|≤20 ^o。請參照圖2及圖4，第二切平面P21的第二法向量N21相對於透鏡群LG的光軸O傾斜，即第二透鏡L2的第一表面L21相對於光軸O傾斜。在本實施例中，第二透鏡L2的第一表面L21朝靠近凸面反射鏡M的方向傾斜，使得第二法向量N21指向光軸O的下方而第二透鏡L2的第一表面L21的傾斜角度（即，夾角β）為負角度，其中|β|≤20 ^o。

請參照圖2、圖4及圖5，舉例而言，在本實施例中，第四透鏡L4的一表面及第二透鏡L2的一表面相對於光軸O傾斜，第四透鏡L4的所述表面及第二透鏡L2的所述表面的傾斜方向相反，且第四透鏡L4的所述表面及第二透鏡L2的所述表面的傾斜角度的絕對值大於0 ^o且小於或等於20 ^o。

請參照圖2及圖5，具體而言，在本實施例中，第三切平面P41的第三法向量N41相對於透鏡群LG的光軸O傾斜，即第四透鏡L4的第一表面L41相對於光軸O傾斜。在本實施例中，第四透鏡L4的第一表面L41朝遠離凸面反射鏡M的方向傾斜，使得第三法向量N41指向光軸O的上方而第四透鏡L4的第一表面L41的傾斜角度（即，夾角γ）為正角度，其中|γ|≤20 ^o。請參照圖2及圖4，第二透鏡L2的第一表面L21相對於光軸O傾斜，第二透鏡L2的第一表面L21朝靠近凸面反射鏡M的方向傾斜，使得第二法向量N21指向光軸O的下方且第二透鏡L2的第一表面L21的傾斜角度（即，夾角β）為負角度，其中|β|≤20 ^o。

請參照圖1及圖2，光閥LV的受光面LVa適於接收照明光束ILB，且照明光束ILB於光閥LV的受光面LVa上形成一照明範圍ILR（標示於圖2）。特別是，在本實施例中，光閥LV的受光面LVa與透鏡群LG的光軸O具有一第四交點CLV（標示於圖2），且照明範圍ILR的一中心ILRc（標示於圖2）與第四交點CLV之間具有一偏移量δ（標示於圖2）。換言之，本實施例的投影裝置10採偏移（offset）設計，進而使第一透鏡L1的第一表面L11與凸面反射鏡M的反射面Ma在光軸O上的距離D可縮短。此外，將孔徑光闌AS儘量往第一透鏡L1靠近（例如：將孔徑光闌AS配置於第一透鏡L1與第二透鏡L2之間）也有助於距離D的縮短。

請參照圖1及圖2，若使用平面反射鏡取代凸面反射鏡M來轉折影像光束IMB，影像光束IMB容易被平面反射鏡反射回投影鏡頭PL，造成干涉；為避免干涉，所述平面反射鏡與第一透鏡L1的第一表面L11在光軸O上的距離須加大，使得投影鏡頭PL的長度L無法縮減。本實施例的投影裝置100使用凸面反射鏡M 將影像光束IMB轉折至投影面PS，凸面反射鏡M具有負屈光度，影像光束IMB被凸面反射鏡M反射後不易反射回透鏡群LG而造成干涉。藉此，凸面反射鏡M與第一透鏡L1的第一表面L11在光軸O上的距離D能縮減，進而減少投影鏡頭PL的長度L。投影鏡頭PL的長度L是指凸面反射鏡M的反射面Ma與第七透鏡L7的第二表面L72在光軸O上的距離。舉例而言，在本實施例中，投影鏡頭PL的長度L可小於42mm。

在本實施例中，凸面反射鏡M的反射面Ma具有曲率半徑R，曲率半徑R可滿足：50mm＜R＜110mm。藉此，可降低凸面反射鏡M的尺寸，縮小投影鏡頭PL所占的空間。此外，在本實施例中，凸面反射鏡M的光學有效徑M1及照明範圍ILR在垂直於光軸O的方向上的高度（亦指影像源高度）可滿足：2＜（M1/ILR在垂直於光軸O的方向上的高度）＜3。

若凸面反射鏡M 與第一透鏡L1的第一表面L11於光軸O上的距離D過大，會導致落在凸面反射鏡M的反射面Ma上的光斑過大，不利於縮減投影鏡頭PL所占空間；反之，若凸面反射鏡M 與第一透鏡L1的第一表面L11於光軸O上的距離D過小，會使得影像光束IMB易被凸面反射鏡M反射回投影鏡頭PL而造成干涉。在影像光束IMB不被凸面反射鏡M反射回透鏡群LG的前提下，在本實施例中，第一透鏡L1的第一表面L11與凸面反射鏡M的反射面Ma在光軸O上的距離D可滿足1.5mm＜D＜5mm。

在本實施例中，在凸面反射鏡M的反射面Ma的曲率半徑R滿足：50mm＜R＜110mm，且第一透鏡L1的第一表面L11與凸面反射鏡M的反射面Ma在光軸O上的距離D滿足：1.5mm＜D＜5mm的情況下，可使投影鏡頭PL的最大高度H可小於13.5mm。透鏡群LG中直徑最大的一個透鏡的邊緣（例如：第七透鏡L7的邊緣L7e）與凸面反射鏡M的一端點Mt分別位於光軸O的兩側。投影鏡頭PL的最大高度H可指透鏡群LG中直徑最大的一個透鏡的邊緣（例如：第七透鏡L7的邊緣L7e）與凸面反射鏡M的端點Mt在垂直於光軸O的方向上的距離。

圖6示意性地繪出本發明一實施例的影像光束於投影面上形成的影像。請參照圖1及圖6，在本實施例中，光閥LV的受光面LVa適於接收照明光束ILB，以將照明光束ILB轉換為影像光束IMB；影像光束IMB依序穿過透鏡群LG且被凸面反射鏡M反射至投影面PS；影像光束IMB於投影面PS（即圖6的紙面）上形成影像IM；影像IM相對兩邊的第一邊緣光線IMB1及第二邊緣光線IMB2實質上彼此平行且在方向x上分別具有長度A及長度B；影像IM在方向x上具有最大寬度W；[(B-A)/W]‧100%=T，且|T|＜0.5%。簡言之，在本實施例中，影像IM的梯形失真小於0.5%。

以下內容將舉出成像系統IMS的一實施例。需注意的是，下述的表一至表四中所列的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明的範疇內。 [ 表一]

表面	元件	類型	曲率半徑（mm）	間距 （mm）	折射率 （Nd）	阿貝數 （Vd）
Ma	凸面反射鏡M	非球面	73.3	-2.3
L11	第一透鏡L1	非球面.	-12.4	-1.1	1.53	56.3
L12	非球面	-3.1	-5.0
ASa	孔徑光闌AS		無窮大	-0.9
L21	第二透鏡L2	球面	7.0	-0.8	1.53	74.9
L22	球面	13.3	-0.3
L31	第三透鏡L3	自由曲面	-9.8	-3.8	1.85	23.8
L32	非球面	-29.4	-1.0
L41	第四透鏡L4	自由曲面	30.1	-2.3	1.64	59.9
L42	非球面	5.1	-0.3
L51	第五透鏡L5	球面	31.3	-0.8	1.84	25.3
L61	第六透鏡L6	球面	-9.6	-4.5	1.50	81.5
L62	球面	7.1	-0.4
L71	第七透鏡L7	非球面	7.1	-2.4	1.53	74.7
L72	非球面	5.4	-0.8
AC1	致動器 AC		無窮大	-2.0	1.52	58.6
AC2		無窮大	-1.0
PR1	內全反射稜鏡 PR		無窮大	-8.4	1.84	43.0
PR2		無窮大	-0.5
CG1	玻璃蓋CG		無窮大	-1.1	1.50	61.0
CG2		無窮大	-0.303
LVa	光閥LV		無窮大	0

表一列出本發明一實施例的成像系統IMS的各種參數。請參照圖2及表一，表一的間距是指相鄰兩表面之間於光軸O上的直線距離；舉例來說，表面Ma的間距，即表面Ma與表面L11之間於光軸O上的直線距離。表一的各表面/元件所對應的曲率半徑、間距、折射率及阿貝數，請參照同列中各曲率半徑、間距、折射率及阿貝數所對應的數值。此外，在表一中，Ma為反射鏡M的反射面，L11為第一透鏡L1的朝向凸面反射鏡M的第一表面，L12為第一透鏡L1的朝向光閥LV的第二表面，ASa為孔徑光闌AS的通光截面，L21為第二透鏡L2的朝向凸面反射鏡M的第一表面，L22為第二透鏡L2的朝向光閥LV的第二表面，L31為第三透鏡L3的朝向凸面反射鏡M的第一表面，L32為第三透鏡L3的朝向光閥LV的第二表面，L41為第四透鏡L4的朝向凸面反射鏡M的第一表面，L42為第四透鏡L4的朝向光閥LV的第二表面，L51為第五透鏡L5的朝向凸面反射鏡M的第一表面，L61為第六透鏡L6的朝向凸面反射鏡M的第一表面，L62為第六透鏡L6的朝向光閥LV的第二表面，L71為第七透鏡L7的朝向凸面反射鏡M的第一表面，L72為第七透鏡L7的朝向光閥LV的第二表面，AC1為致動器AC的朝向凸面反射鏡M的第一表面，AC2為致動器AC的朝向光閥LV的第二表面，PR1為合光元件PR的朝向凸面反射鏡M的第一表面，PR2為合光元件PR的朝向光閥LV的第二表面，CG1為保護蓋CG的朝向凸面反射鏡M的第一表面，CG2為保護蓋CG的朝向光閥LV的第二表面，且LVa光閥LV的受光面。

請照圖2及表一，在本實施例中，凸面反射鏡M的反射面Ma可為一非球面。在本實施例中，第一透鏡L1可為非球面透鏡。詳言之，第一透鏡L1的面向凸面反射鏡M的第一表面L11及面向光閥LV的第二表面L12可皆為非球面。在本實施例中，第二透鏡L2可為球面透鏡。詳言之，第二透鏡L2的面向凸面反射鏡M的第一表面L21及面向光閥LV的第二表面L22可皆為球面。

在本實施例中，第三透鏡L3可為自由曲面透鏡。詳言之，第三透鏡L3的朝向凸面反射鏡M的第一表面L31可為自由曲面，且第三透鏡L3的朝向光閥LV的第二表面L32可為非球面。在本實施例中，第四透鏡L4可為自由曲面透鏡。詳言之，第四透鏡L4的朝向凸面反射鏡M的第一表面L41可為自由曲面，且第四透鏡L4的朝向光閥LV的第二表面L42可為非球面。

在本實施例中，第五透鏡L5可為球面透鏡。詳言之，第五透鏡L5的面向凸面反射鏡M的第一表面L51及面向光閥LV的第二表面L52可皆為球面。在本實施例中，第六透鏡L6可為球面透鏡。詳言之，第六透鏡L6的面向凸面反射鏡M的第一表面L61及面向光閥LV的第二表面L62可皆為球面。此外，在本實施例中，第五透鏡L5的第二表面L52與第六透鏡L6的第一表面L61可相黏合，以使第五透鏡L5與第六透鏡L6形成一雙膠合鏡片。第五透鏡L5與第六透鏡L6所形成的雙膠合鏡片的屈光度可為負。在本實施例中，第七透鏡L7可為非球面透鏡。詳言之，第七透鏡L7的面向凸面反射鏡M的第一表面L71及面向光閥LV的第二表面L72可皆為非球面。

上述的反射鏡M的反射面Ma、第一透鏡L1的朝向凸面反射鏡M的第一表面L11、第一透鏡L1的朝向光閥LV的第二表面L12、第三透鏡L3的朝向光閥LV的第二表面L32及第四透鏡L4的朝向光閥LV的第二表面L42為偶次項非球面，偶次項非球面可用下列公式表示：

式中，Z為光軸O方向的偏移量（sag），c是密切球面（osculating sphere）的半徑的倒數，也就是接近光軸O處的曲率半徑（如表一內的曲率半徑）的倒數。k是圓錐常數（conic constant），r是非球面高度，即為從凸面反射鏡中心/透鏡中心往凸面反射鏡/透鏡邊緣的高度，而A ₂、A ₄、A ₆、A ₈、A ₁₀、A ₁₂、A ₁₄…為非球面係數（aspheric coefficient）。表二列出反射鏡M的反射面Ma、第一透鏡L1的朝向凸面反射鏡M的第一表面L11、第一透鏡L1的朝向光閥LV的第二表面L12、第三透鏡L3的朝向光閥LV的第二表面L32及第四透鏡L4的朝向光閥LV的第二表面L42的圓錐常數及各非球面係數。 [表二]

表面	Ma	L11	L12	L32	L42
圓錐常數k	0	0	-1.056	0	0
係數A 4	-8.41E-06	-4.36E-03	-2.87E-03	9.81E-04	-1.32E-03
係數A 6	-3.17E-07	3.50E-04	-2.78E-03	-1.48E-04	-9.89E-05
係數A 8	4.30E-09	-8.91E-06	1.08E-03	-2.40E-05	1.65E-05
係數A 10	-1.85E-11	-6.98E-07	-1.94E-04	2.04E-06	-4.62E-07
係數A 12	0	5.51E-08	1.71E-05	0	0
係數 A14	0	-1.2E-09	-6.1E-07	0	0

請參照圖2，在本實施例中，第三透鏡L3的第一表面L31及第四透鏡L4的第一表面L41為自由曲面，自由曲面可用下列公式表示：

式中，Z為光軸O方向的偏移量（sag），c是頂點曲率（vertex curvature；CUY），k是圓錐常數（conic constant），r是自由曲面高度，即為從自由曲面中心往自由曲面邊緣的高度，而C _j為單項式x ^my ⁿ的係數（the coefficient of the monomial x ^my ⁿ）。表三列出第三透鏡L3的第一表面L31及第四透鏡L4的第一表面L41的各單項式x ^my ⁿ的係數。 [表三]

單項式x my n的係數	L31	L41
y的係數(C 3)	-7.52E-03	0
x 2的係數(C 4)	-2.70E-03	0
y 2的係數(C 6)	-2.47E-03	0
x 2y的係數(C 8)	1.98E-04	0
y 3的係數(C 10)	2.26E-04	0
x 4的係數(C 11)	8.77E-05	3.50E-03
x 2y 2的係數(C 13)	3.80E-05	6.93E-03
y 4的係數(C 15)	4.20E-05	3.47E-03
x 4y的係數(C 17)	9.35E-06	8.09E-07
x 2y 3的係數(C 19)	1.40E-05	-6.12E-06
y 5的係數(C 21)	1.33E-05	-9.4E-07
x 6的係數(C 22)	-1.57E-04	-1.80E-04
x 4y 2的係數(C 24)	-4.34E-04	-5.46E-04
x 2y 4的係數(C 26)	-4.14E-04	-5.11E-04
y 6的係數(C 28)	-1.32E-04	-1.94E-04
x 6y的係數(C 30)	-1.28E-07	0
x 4y 3的係數(C 32)	6.93E-06	0
x 2y 5的係數(C 34)	2.42E-07	0
xy 6的係數(C 35)	-1.19E-09	0
x 8的係數(C 37)	1.08E-05	9.75E-06
x 6y 2的係數(C 39)	4.48E-05	4.69E-05
x 4y 4的係數(C 41)	6.30E-05	6.39E-05
x 2y 6的係數(C 43)	3.78E-05	3.53E-05
y 8的係數(C 45)	9.15E-06	1.31E-05
x 8y的係數(C 47)	-2.18E-07	0
x 6y 3的係數(C 49)	-1.08E-06	0
x 4y 5的係數(C 51)	-1.56E-06	0
x 2y 7的係數(C 53)	-2.00E-07	0
y 9的係數(C 55)	-6.3E-08	0
x 10的係數(C 56)	1.09E-07	-3.5E-08
x 8y 2的係數(C 58)	5.46E-07	-1.19E-06
x 6y 4的係數(C 60)	1.09E-06	-2.37E-06
x 4y 6的係數(C 62)	1.09E-06	-1.19E-06
x 2y 8的係數(C 64)	5.39E-07	-1.55E-07
y 10的係數(C 66)	1.72E-07	-3E-07

請參照圖2，在本實施例中，第一透鏡L1的第一表面L11、第二透鏡L2的第一表面L21及第四透鏡L4的第一表面L41表面相對於透鏡群LG的光軸O傾斜。表四列出第一透鏡L1的第一表面L11、第二透鏡L2的第一表面L21及第四透鏡L4的第一表面L41的傾斜角度（即夾角α、夾角β及夾角γ）。 [表四]

表面	L11	L21	L41
傾斜角度( o)	α＝4.7 o	β＝-10.5 o	γ＝5.7 o

此外，請參照圖2及表一，在本實施例中，第一透鏡L1可為凹面朝向縮小側的一凸凹透鏡，第二透鏡L2可為凸面朝向縮小側的凸凹透鏡，第三透鏡L3可為凹面朝向縮小側的凹凸透鏡，第四透鏡L4可為凸面朝向縮小側的凹凸透鏡，第五透鏡L5可為雙凹透鏡，第六透鏡L6為可雙凸透鏡，且第七透鏡L7可為凸面朝向縮小側的凹凸透鏡。

另外，在本實施例中，第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5、第六透鏡L6及第七透鏡L7的材質可分別為塑膠、玻璃、玻璃、玻璃、玻璃、玻璃及玻璃，但本發明不以此為限。

在本實施例中，投影鏡頭PL可為定焦鏡頭，相較於變焦鏡頭，其架構簡單，易組裝、且製造的工時短。在本實施例中，投影鏡頭PL具有大的半視場角；也就是說，投影鏡頭PL具有小投射比，能在短投影距離內投射出寬投影畫面。舉例而言，在本實施例中，投影鏡頭PL的半視場角可大於45 ^o，但本發明不以此為限。

圖7為圖2的投影鏡頭的調製傳遞函數圖。請參照圖7，圖7為投影鏡頭PL在不同像高的調製傳遞函數圖（modulation transfer function，MTF），其中橫軸為焦點偏移量（focus shift），縱軸為光學轉移函數的模數（modulus of the optical transfer function），T代表在子午方向的曲線，S代表在弧矢方向的曲線，而「TS」旁標示的數值代表像高。

圖8是圖2的投影鏡頭的橫向色差圖，其是以波長462奈米（nm）、525奈米、615奈米的光所作出的模擬數據圖，其中縱座標為歸一化的像高。

圖9A至圖9I為圖2的投影鏡頭的光束扇形圖。請參考圖9A至圖9I，圖9A至圖9I為投影鏡頭PL在不同像高的光束扇形圖（ray fan plot），其中Ex軸及Ey軸的最大刻度與最小刻度分別為+10微米（μm）與-10微米， 而Px軸及Py軸由於已經歸一化，因此Px及Py軸的最大刻度與最小刻度分別為1與-1。

圖7、圖8及圖9A至圖9I所顯示出的圖形均在標準的範圍內。由此可驗證，本實施例的投影鏡頭PL能夠達到良好的成像效果。

圖10示意性地繪出圖1的投影裝置的投影面上的影像。圖11示意性地繪出比較例的投影裝置的投影面上的影像。對應圖11的比較例的投影裝置（未繪示）與對應圖10的本發明一實施例的投影裝置100類似，兩者的差異在於：在對應圖11的比較例的投影裝置中，第三透鏡（指由投影鏡頭的放大側至縮小側依序排列的第三個透鏡）的第一表面（指第三透鏡的朝向凸面反射鏡的表面）及第四透鏡（指由投影鏡頭的放大側至縮小側依序排列的第四個透鏡）的第一表面（指第四透鏡的朝向凸面反射鏡的表面）並非自由曲面，且第一透鏡（指由投影鏡頭的放大側至縮小側依序排列的第一個透鏡）的第一表面（指第一透鏡的朝向凸面反射鏡的表面）、第二透鏡（指由投影鏡頭的放大側至縮小側依序排列的第二個透鏡）的第一表面（指第二透鏡的朝向凸面反射鏡的表面）及第四透鏡（指由投影鏡頭的放大側至縮小側依序排列的第四個透鏡）的第一表面（指第四透鏡的朝向凸面反射鏡的表面）沒有相對於透鏡群的光軸傾斜。比較圖10及圖11可驗證，令投影鏡頭PL的第三透鏡L3及第四透鏡L4的其中至少一者為自由曲面透鏡，及/或令第一透鏡L1的一表面、第二透鏡L2的一表面及第四透鏡L4的一表面的其中至少兩者相對於光軸O傾斜，且所述至少兩者的傾斜方向相反，確實能有效改善梯形失真的現象。

綜上所述，本發明一實施例的投影裝置及其成像系統包括具有放大側及縮小側的投影鏡頭。投影鏡頭包括配置於放大側與縮小側之間的光路徑上的透鏡群及配置於透鏡群與放大側之間的光路徑上的凸面反射鏡。透鏡群包括由放大側往縮小側依序排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡及第七透鏡，其中第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡及第七透鏡的屈光度分別為負、負、正、正、負、正及正。特別是，第三透鏡及第四透鏡的其中至少一者為自由曲面透鏡。藉此，投影鏡頭的本身便能改善梯形失真現象，不需利用軟體修正梯形失真而損失投影畫面的亮度及解析度。

此外，在本發明一實施例中，第一透鏡的一表面、第二透鏡的一表面及第四透鏡的一表面的其中至少兩者相對於透鏡群的光軸傾斜，所述至少兩者的傾斜方向相反，所述至少兩者的傾斜角度的絕對值大於0 ^o且小於或等於20 ^o。藉此，梯形失真現象能獲得更進一步地改善。

惟以上所述者，僅為本發明的佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露的全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明的權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件（element）的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

100:投影裝置 A、B:長度 AC1、CG1、L11、L21、L31、L41、L51、L61、L71、PR1:第一表面 AC2、CG2、L12、L22、L32、L42、L52、L62、L72、PR2:第二表面 AC:致動器 AS:孔徑光闌 Asa:通光截面 CG:保護蓋 C11:第一交點 C21:第二交點 C41:第三交點 CLV:第四交點 D:距離 H:最大高度 H1、H2:最大距離 IM:影像 IMB:影像光束 IMB1:第一邊緣光線 IMB2:第二邊緣光線 IMS:成像系統 ILB:照明光束 ILS:照明系統 ILR:照明範圍 ILRc:中心 LG:透鏡群 LV:光閥 LVa:受光面 L1:第一透鏡 L2:第二透鏡 L3:第三透鏡 L4:第四透鏡 L5:第五透鏡 L6:第六透鏡 L7:第七透鏡 L7e:邊緣 L:長度 M:反射鏡 Ma:反射面 Mt:端點 M1:光學有效徑 N11:第一法向量 N21:第二法向量 N41:第三法向量 O:光軸 PL:投影鏡頭 PR:合光元件 PS:投影面 P11:第一切平面 P21:第二切平面 P41:第三切平面 W:最大寬度 x、y、z:方向 θ:夾角 α、β、γ:夾角 δ:偏移量。

圖1為本發明一實施例的投影裝置的側視示意圖。 圖2為圖1的投影裝置的成像系統的放大暨側視示意圖。 圖3為圖2的第一透鏡的放大暨側視示意圖。 圖4為圖2的第二透鏡的放大暨側視示意圖。 圖5為圖2的第四透鏡的放大暨側視示意圖。 圖6示意性地繪出本發明一實施例的影像光束於投影面上形成的影像。 圖7為圖2的投影鏡頭的調製傳遞函數圖。 圖8是圖2的投影鏡頭的橫向色差圖。 圖9A至圖9I為圖2的投影鏡頭的光束扇形圖。 圖10示意性地繪出圖1的投影裝置的投影面上的影像。 圖11示意性地繪出比較例的投影裝置的投影面上的影像。

100:投影裝置

AC:致動器

AS:孔徑光闌

CG:保護蓋

IMB:影像光束

IMS:成像系統

ILB:照明光束

ILS:照明系統

LG:透鏡群

LV:光閥

LVa:受光面

L1:第一透鏡

L2:第二透鏡

L3:第三透鏡

L4:第四透鏡

L5:第五透鏡

L6:第六透鏡

L7:第七透鏡

M:反射鏡

Ma:反射面

O:光軸

PL:投影鏡頭

PR:合光元件

PS:投影面

x、y、z:方向

θ:夾角

Claims (20)

1. 一種成像系統，包括： 一光閥，適於提供一影像光束； 一投影面，與該光閥的一受光面之間具有一夾角；以及 一投影鏡頭，配置於該影像光束的傳遞路徑上，且具有一縮小側及一放大側，其中該光閥配置於該投影鏡頭的該縮小側，該投影面配置於該投影鏡頭的該放大側，且該投影鏡頭包括： 一透鏡群，配置於該放大側與該縮小側之間的光路徑上，且包括由該放大側往該縮小側依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡、一第五透鏡、一第六透鏡及一第七透鏡，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡及該第七透鏡的屈光度分別為負、負、正、正、負、正及正，且該第三透鏡及該第四透鏡的其中至少一者為自由曲面透鏡；以及 一凸面反射鏡，配置於該透鏡群與該放大側之間的光路徑上，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡及該第七透鏡的每一者具有朝向該凸面反射鏡的一第一表面及朝向該光閥的一第二表面。
2. 如請求項1所述的成像系統，其中該第三透鏡的該第一表面為一自由曲面。
3. 如請求項1所述的成像系統，其中該第四透鏡的該第一表面為一自由曲面。
4. 如請求項1所述的成像系統，其中該第一透鏡的該第一表面及該第二表面的其中一者與該透鏡群的一光軸相交於一第一交點，一第一切平面通過該第一交點且與該第一透鏡的該第一表面及該第二表面的該者相切，且該第一切平面的一第一法向量相對於該透鏡群的該光軸傾斜。
5. 如請求項1所述的成像系統，其中該第二透鏡的該第一表面及該第二表面的其中一者與該透鏡群的一光軸相交於一第二交點，一第二切平面通過該第二交點且與該第二透鏡的該第一表面及該第二表面的該者相切，且該第二切平面的一第二法向量相對於該透鏡群的該光軸傾斜。
6. 如請求項1所述的成像系統，其中該第四透鏡的該第一表面及該第二表面的其中一者與該透鏡群的一光軸相交於一第三交點，一第三切平面通過該第三交點且與該第四透鏡的該第一表面及該第二表面的該者相切，且該第三切平面的一第三法向量相對於該透鏡群的該光軸傾斜。
7. 如請求項1所述的成像系統，其中該光閥的該受光面適於接收一照明光束，該照明光束於該光閥的該受光面上形成一照明範圍；該光閥的該受光面與該透鏡群的一光軸具有一第四交點，且該照明範圍的一中心與該第四交點之間具有一偏移量。
8. 如請求項1所述的成像系統，其中該第一透鏡的該第一表面與該凸面反射鏡的一反射面在該透鏡群的一光軸上具有一距離D，且1.5mm＜D＜5mm。
9. 如請求項1所述的成像系統，其中該凸面反射鏡的一反射面具有一曲率半徑R，且50mm＜R＜110mm。
10. 如請求項1所述的成像系統，其中該投影鏡頭在垂直於該透鏡群之一光軸的方向上具有一最大高度H，且H＜13.5mm。
11. 如請求項1所述的成像系統，其中該夾角的角度為θ，且25 ^o＜θ＜90 ^o。
12. 如請求項1所述的成像系統，其中該光閥的該受光面適於接收一照明光束，以將該照明光束轉換為該影像光束；該影像光束依序穿過該透鏡群且被該凸面反射鏡反射至該投影面；該影像光束於該投影面上形成一影像；該影像的相對兩邊實質上彼此平行且在一方向上分別具有一長度A及一長度B；該影像在該方向上具有一最大寬度W；[(B-A)/W]‧100%=T，且|T|＜0.5%。
13. 如請求項1所述的成像系統，其中該投影鏡頭更包括： 一孔徑光闌，設置於該第一透鏡與該第二透鏡之間。
14. 一種投影裝置，包括： 一照明系統，適於提供一照明光束；以及 一成像系統，配置於該照明光束的傳遞路徑上，且該成像系統包括： 一光閥，其中該光閥的一受光面適於接收該照明光束，且該光閥適於將該照明光束轉換為一影像光束； 一投影面，其中該投影面與該光閥的該受光面之間具有一夾角；以及 一投影鏡頭，配置於該影像光束的傳遞路徑上，且具有一縮小側及一放大側，其中該光閥配置於該投影鏡頭的該縮小側，該投影面配置於該投影鏡頭的該放大側，且該投影鏡頭包括： 一透鏡群，配置於該放大側與該縮小側之間的光路徑上，且包括由該放大側往該縮小側依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡、一第五透鏡、一第六透鏡及一第七透鏡，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡及該第七透鏡的屈光度分別為負、負、正、正、負、正及正，且該第三透鏡及該第四透鏡的其中至少一者為自由曲面透鏡；以及 一凸面反射鏡，配置於該透鏡群與該放大側之間的光路徑上，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡及該第七透鏡的每一者具有朝向該凸面反射鏡的一第一表面及朝向該光閥的一第二表面。
15. 如請求項14所述的投影裝置，其中該第三透鏡的該第一表面為一自由曲面。
16. 如請求項14所述的投影裝置，其中該第四透鏡的該第一表面為一自由曲面。
17. 如請求項14所述的投影裝置，其中該第一透鏡的該第一表面及該第二表面的其中一者與該透鏡群的一光軸相交於一第一交點，一第一切平面通過該第一交點且與該第一透鏡的該第一表面及該第二表面的該者相切，且該第一切平面的一第一法向量相對於該透鏡群的該光軸傾斜。
18. 如請求項14所述的投影裝置，其中該第二透鏡的該第一表面及該第二表面的其中一者與該透鏡群的一光軸相交於一第二交點，一第二切平面通過該第二交點且與該第二透鏡的該第一表面及該第二表面的該者相切，且該第二切平面的一第二法向量相對於該透鏡群的該光軸傾斜。
19. 如請求項14所述的投影裝置，其中該第四透鏡的該第一表面及該第二表面的其中一者與該透鏡群的一光軸相交於一第三交點，一第三切平面通過該第三交點且與該第四透鏡的該第一表面及該第二表面的該者相切，且該第三切平面的一第三法向量相對於該透鏡群的該光軸傾斜。
20. 如請求項14所述的投影裝置，其中該照明光束於該光閥的該受光面上形成一照明範圍，該光閥的該受光面與該透鏡群的一光軸具有一第四交點，且該照明範圍的一中心與該第四交點之間具有一偏移量。

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