TWI431313B - 光學系統與投影機 - Google Patents

Description

光學系統與投影機

本發明係關於光學系統，尤指一種光學系統與運用該光學系統之一投影機。

通常，投影機會產生一影像來源，並運用一投影鏡頭將對應之圖像投射至一投影屏幕。在某些情形中，投影機的擺設可能會偏離投影屏幕之中心軸。請參考第1圖所示的範例，投影機100係擺置於一平面110。此時，由於不適當的擺置方式，投影機100所輸出之部份投射光線將會被平面110所遮蔽。因此，投影機100需被擺置至一傾斜角度，才能避免投射光線被遮蔽，但卻會因此使得投影機100的擺置位置偏離投影屏幕120之中心軸。這種情形係為傾斜投影，將可能會導致投射至投影屏幕120的影像有著梯形狀的幾何失真。一般來說，這種失真稱作梯形失真(keystone distortion)。

為了消除這種失真，傳統上會運用數位或光學的方式來進行失真校正。數位的失真校正方法係於影像被投射至投影屏幕之前，先對影像進行縮放/壓縮的演算。壓縮演算將會對整張圖像中幾何形狀中不勻稱的部份進行壓縮，以使得梯形狀的失真部分得以恢復至勻稱的矩形狀。然而，這種失真會帶來不理想的側邊效應(side effects)，使影像的解析度降低，進而造成投影屏幕上之投射影像的影像品質低落。

光學的失真校正較常使用於液晶類型的投影機，這種失真校正方式係利用額外的移動機構來對投影鏡頭進行水平或垂直的移動，以避免光線遮蔽的情形。光學的失真校正可於不降低影像解析度的情形下，提供較好的梯形失真校正效果；然而，由於投影鏡頭需要額外的移動機構元件，會使得投影鏡頭與投影機整體的體積增加。

顯然，傳統的梯形失真校正方式中仍有許多存有問題亟待解決。

有鑑於此，本發明提供一種以光學方式來校正因傾斜投影所導致之梯形失真的概念。本發明所提供的概念，不須增添額外的元件，故不會增加投影機或投影鏡頭的體積。

本發明系將傳統旋轉對稱之投影鏡片水平地對半切割以製成本發明光學系統之透鏡元件。之後，再將一鏡面置於本發明之透鏡元件的底部，進而形成一光學系統。本發明所提供的這種光學系統有著偏移投射(offset projection)的效果，故可維持其輸出光線被投射至高於特定水平位準之區域。

本發明亦將對半切割所製成之半鏡片所組成之光學系統，運用於投影機中。由於這種光學系統僅有傳統投影機中之投影鏡頭的一半大小，所以運用本發明之光學系統的投影機可擁有比傳統投影機更輕薄的重量與機身。

依據本發明之一實施例，其係提供一種光學系統。該光學系統包含：一反射層與一透鏡組。該透鏡組包含有複數個透鏡元件，係設置於該反射層上。每一透鏡元件係具有一截面、面向一物方之一光入射面、以及面向一像方之一光發射面，其中每一透鏡元件之該截面係位於該光入射面與該光發射面之間。此外，每一透鏡元件之形狀實質上相同於一旋轉對稱之透鏡的一半，以及每一透鏡元件之該截面係接觸於該反射層。

依據本發明之一實施例，其係提供一種投影機。該投影機包含：一投影模組與一光學系統。該投影模組係用以產生對應於一欲投影圖像之一輸出光線。該光學系統係用以引導該輸出光線，使其成像於實質上高於一基準線的一區域。該光學系統包含：一反射層與一透鏡組。該反射層係沿著該基準線而設置。該透鏡組包含有複數個透鏡元件，並係設置於該反射層上。每一透鏡元件係具有一截面、面向一物方之一光入射面、以及面向一像方之一光發射面。再者，每一透鏡元件之該截面係位於該光入射面與該光發射面之間。每一透鏡元件之形狀係實質上相同於一旋轉對稱之透鏡的一半，以及每一透鏡元件之該截面係接觸於該反射層。

因此，在大多數的情形下，由於本發明之投影機可避免其所輸出之投影光線被遮蔽，所以不會發生傾斜投影的情形，故本發明之投影機的擺置位置也不需偏離投影屏幕的中心軸。

請參考第2圖，其係依據本發明之實施例所繪示之光學系統。如圖所示，光學系統200包含有一透鏡組210以及一反射層220。透鏡組210具有複數個透鏡元件211~215，並且用以引導進入透鏡組210之一輸入光線。此外，透鏡組210係設置於反射層220上。較佳者，透鏡元件211~215中每一透鏡元件211~215的形狀實質上相同於一旋轉對稱之透鏡(如透鏡211’~215’)的一半；換言之，每一透鏡元件211~215皆非為旋轉對稱。透鏡元件211~215中每一透鏡元件具有一截面(亦即，截面211c~215c)、面向一物方OBS的一光入射面(亦即，截面211a~215a)以及面向一像方IMG的一光發射面(亦即，截面211b~215b)，其中，每一透鏡元件211~215之截面211c~215c係分別位於光入射面211a~215a與光發射面211b~215b之間。再者，每一透鏡元件211~215之截面211c~215c係接觸於反射層220。

透鏡元件211~215可能藉由將傳統旋轉對稱之透鏡進行水平地對半切割而製成。然而，透鏡元件211~215亦可能以其他製程來製造。較佳者，透鏡元件211~215包含有(依序由物方OBS至像方IMG)：一第一透鏡元件211、一第二透鏡元件212、一第三透鏡元件213、一第四透鏡元件214以及一第五透鏡元件215。第一透鏡元件211具有實質上相同於一平凸透鏡211’之一半的形狀，其中第一透鏡元件211之光入射面211a係為一平面，以及第一透鏡元件211之光發射面211b係為一凸面。第二透鏡元件212具有實質上相同於一平凸透鏡212’之一半的形狀，其中第二透鏡元件212之光入射面212a係為一凸面，以及第二透鏡元件212之光發射面212b係為一平面。第三透鏡元件213具有實質上相同於一凸凹透鏡213’之一半的形狀，其中第三透鏡元件213之光入射面213a係為凸面，以及第三透鏡元件213之光發射面213b係為一凹面。第四透鏡元件214具有實質上相同於一凸凹透鏡214’之一半的形狀，其中第四透鏡元件214之光入射面214a係為凹面，以及第四透鏡元件214之光發射面214b係為一凸面。第五透鏡元件215具有實質上相同於一平凸透鏡215’之一半的形狀，其中第五透鏡元件215之光入射面215a係為平面，以及第五透鏡元件215之光發射面215b係為一凸面。請注意，以上所提及之透鏡組210中的透鏡元件種類與數目僅代表本發明眾多可能實施態樣中之一，而非本發明之限制。

反射層220係設置於透鏡組210之下，並且用來反射一入射光線(其可能源自於輸入光線)。於較佳的實施例中，透鏡組210中之每一透鏡元件211~215係直接接觸於反射層220，並且黏合於反射層220。再者，反射層220可能為平面，並且透鏡元件211~215之截面211c~215c係鍍有一反射材質。反射層220與透鏡元件211~215之截面211c~215c可反射傳輸路徑正向於反射層220與透鏡元件211~215之截面211c~215c之該入射光線。

本發明之光學系統200可使源自於該輸入光線之一輸出光線，投射至一實質上高於一基準線L之一區域(如：區域230)，其中，反射層220係沿著基準線L而設置。因此，若是一投影機配備有本發明之光學系統200，則該投影機可以避免傾斜投影的情形。這是因為，不論該投影機一開始擺置在什麼位置，都不會被其所擺置的平面所遮蔽(因投射影像的成像位置必然高於擺置平面)，故投影機的擺置位置不需再改變以致於偏離投影屏幕之中心軸。因此，本發明亦提供一種運用前述之光學系統的投影機。

請參考第3圖，其係依據本發明之實施例所繪示之投影機。如圖所示，本發明之投影機300包含有一投影模組310以及前述之光學系統200。投影模組310用來產生對應於欲投射之一影像來源的一輸出光線。第2圖與第3圖中以相同數字標示之元件係具有相同的結構與功能，故在此將不再重複關於這些元件的詳細說明。於本發明之投影機300之中，光學系統200中之透鏡組210係用於引導對應於該影像來源之該輸出光線，並且致使影像來源成像於實質上高於基準線L之一區域。反射層220可反射一入射光線(其可能源自於投影模組310之該輸出光線)。

投影模組310可能包含(但不限定於)一光源(未示出)、一顯示面板320、一聚光鏡(未示出)以及一偏光板(未示出)。顯示面板320係用來顯示所欲投射之一影像來源，該影像來源則係依據供應至投影機300之一影像訊號而產生。顯示面板320之一底部被設置在高於基準線L與反射層220的位置。並且，顯示面板320之該底部與反射層220之間的距離係為可調整。於較佳實施方式中，顯示面板320係以一液晶覆矽(liquid crystal on silicon,LCOS)面板來實施；然而，此非本發明之限制。於操作時，顯示面板320會先依據該影像訊號來產生並於其上顯示該影像來源，而由該光源所輻射出之光線則會透過該聚光鏡，而被提供至該偏光板。接著，該偏光板會提供被偏光後之光線至顯示面板320。接著，顯示面板320將產生對應於該影像來源之該輸出光線。最後，該輸出光線將會通過本發明光學系統200。藉由本發明光學系統200，源自於該輸出光線的一投射光線可因此被產生，並且，該投射光線會被投射至一投影屏幕。光學系統200會引導該輸出光線，致使該輸出光線被投射至實質上高於基準線L的一區域。於較佳的實施方式中，投影模組310又包含有一反射層317。請參考第4圖，由此圖可知，反射層317係設置於投影模組310的底部，並且沿著基準線L而被設置。這樣的設置可反射原本傳導路徑並非正向光學系統200的該輸出光線，以致使該輸出光線必定會通過光學系統200。

總結來說，本發明光學系統可用以引導投影機所產生之輸出光線，使輸出光線被投射於實質上高於一基準線或一反射層的一區域，以避免傾斜投影的情況。本發明之另一個優點則在於本發明光學系統中之透鏡組的特殊形狀，其僅有傳統投影鏡頭組的一半，故投影機的體積可因而縮小。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、300．．．投影機

110．．．平面

120．．．投影屏幕

200．．．光學系統

210．．．透鏡組

211~215．．．透鏡元件

211’~215’．．．透鏡

211a~215a．．．光入射面

211b~215b．．．光發射面

211c~215c．．．截面

220、317．．．反射層

230．．．區域

OBS．．．物方

IMG．．．像方

310．．．投影模組

320．．．顯示面板

第1圖係為一概念圖用以解釋發生於傳統投影機之傾斜投影的情形。

第2圖係為依據本發明之一實施例所繪示之光學系統。

第3圖係為依據本發明之一實施例所繪示之投影機。

第4圖係為依據本發明之另一實施例所繪示之投影機。

200．．．光學系統

210．．．透鏡組

211~215．．．透鏡元件

211’~215’．．．透鏡

211a~215a．．．光入射面

211b~215b．．．光發射面

211c~215c．．．截面

220．．．反射層

230．．．區域

OBS．．．物方

IMG．．．像方

Claims (13)

1. 一種光學系統，包含：一反射層；以及一透鏡組，包含有複數個透鏡元件，係設置於該反射層上，每一透鏡元件係具有一截面、面向一物方之一光入射面、以及面向一像方之一光發射面，其中每一透鏡元件之該截面係位於該光入射面與該光發射面之間；其中每一透鏡元件之形狀係實質上相同於一旋轉對稱之透鏡的一半，以及每一透鏡元件之該截面係接觸於該反射層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該反射層係為平面，以及每一透鏡元件之該截面亦為平面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中每一透鏡元件之該截面係鍍有一反射材質。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中每一透鏡元件並非旋轉對稱。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光學系統，其中該複數個透鏡元件從該物方依序包含有：一第一透鏡元件，具有實質上相同於一平凸透鏡之一半的形狀，其中該第一透鏡元件之該光入射面係為一平面，以及該第一透鏡元件之該光發射面係為一凸面；一第二透鏡元件，具有實質上相同於一平凸透鏡之一半的形狀，其中該第二透鏡元件之該光入射面係為一凸面，以及該第二透鏡元件之該光發射面係為一平面；一第三透鏡元件，具有實質上相同於一凸凹透鏡之一半的形狀，其中該第三透鏡元件之該光入射面係為一凸面，以及該第三透鏡元件之該光發射面係為一凹面；一第四透鏡元件，具有實質上相同於一凸凹透鏡之一半的形狀，其中該第四透鏡元件之該光入射面係為一凹面，以及該第四透鏡元件之該光發射面係為一凸面；以及一第五透鏡元件，具有實質上相同於一平凸透鏡之一半的形狀，其中該第五透鏡元件之該光入射面係為一平面，以及該第五透鏡元件之該光發射面係為一凸面。
6. 一種投影機，包含：一投影模組，用以產生對應於一欲投影圖像之一輸出光線；以及一光學系統，用以引導該輸出光線，使其成像於實質上高於一基準線的一區域，該光學系統包含：一反射層，係沿著該基準線而設置；以及一透鏡組，包含有複數個透鏡元件，係設置於該反射層上，每一透鏡元件係具有一截面、面向一物方之一光入射面、以及面向一像方之一光發射面，其中每一透鏡元件之該截面係位於該光入射面與該光發射面之間；其中每一透鏡元件之形狀係實質上相同於一旋轉對稱之透鏡的一半，以及每一透鏡元件之該截面係接觸於該反射層。
7. 如申請專利範圍第6項所述之投影機，其中該投影模組包含有一顯示面板，該顯示面板之一底部係設置於該基準線的上方。
8. 如申請專利範圍第7項所述之投影機，其中該顯示面板係為一液晶覆矽(liquid crystal on silicon,LCOS)面板。
9. 如申請專利範圍第6項所述之投影機，其中該投影模組另包含有沿著該基準線而設置之一反射層。
10. 如申請專利範圍第6項所述之投影機，其中該反射層係為平面，以及每一透鏡元件之該截面亦為平面。
11. 如申請專利範圍第6項所述之投影機，其中每一透鏡元件之該截面係鍍有一反射材質。
12. 如申請專利範圍第6項所述之投影機，其中每一透鏡元件並非旋轉對稱。
13. 如申請專利範圍第12項所述之投影機，其中該複數個透鏡元件從該物方依序包含有：一第一透鏡元件，具有實質上相同於一平凸透鏡之一半的形狀，其中該第一透鏡元件之該光入射面係為一平面，以及該第一透鏡元件之該光發射面係為一凸面；一第二透鏡元件，具有實質上相同於一平凸透鏡之一半的形狀，其中該第二透鏡元件之該光入射面係為一凸面，以及該第二透鏡元件之該光發射面係為一平面；一第三透鏡元件，具有實質上相同於一凸凹透鏡之一半的形狀，其中該第三透鏡元件之該光入射面係為一凸面，以及該第三透鏡元件之該光發射面係為一凹面；一第四透鏡元件，具有實質上相同於一凸凹透鏡之一半的形狀，其中該第四透鏡元件之該光入射面係為一凹面，以及該第四透鏡元件之該光發射面係為一凸面；以及一第五透鏡元件，具有實質上相同於一平凸透鏡之一半的形狀，其中該第五透鏡元件之該光入射面係為一平面，以及該第五透鏡元件之該光發射面係為一凸面。