TWI431397B - 光學系統及具有該光學系統的電子裝置 - Google Patents

Description

光學系統及具有該光學系統的電子裝置

本發明涉及一種光學系統，尤指一種具備投影功能及照相功能的光學系統及具有該光學系統的電子裝置。

隨著科技發展日新月異，消費電子產品的尺寸快速地縮減，但功能卻有增無減，許多嶄新的商品應運而生。這些多功能小型化的電子產品已越來越多應用於娛樂、辦公等場所，並且備受年輕人的青睞。例如：取代錄音帶隨身聽的iPod、可觀看電影的MP4、集PDA和相機功能於一身的手機，都在朝向多工整合與體積縮小的方向發展。

近來，尼康公司推出全球第一款內置微型投影儀的數位相機，在該投影儀相機的其中一表面設有顯示幕，另一表面設置有相機鏡頭及投影儀鏡頭，以整合相機與投影儀的功能。但是，由於這款投影儀相機採用雙鏡頭設計，並不適合於電子產品小型化和便攜化的發展需求。

因此，現有的投影儀相機仍需要進一步整合其光學設計以滿足更高要求的市場發展需要。

本發明之主要目的在於提供一種光學系統及具有該光學系統的電子裝置，具備投影功能及照相功能，並能夠減少光學零件、縮小體積及提升組裝效能。

本發明之主要目的在於提供一種光學系統及具有該光學系統的電子裝置，能夠藉一切換模組調整顯示元件及成像器之位置，以實現投影、拍照功能之切換，並且該光學系統及電子裝置還能夠在其中一操作模式下具備自動變焦的功能，從而提高投影品質。

依據本發明之上述目的，本發明提供一種光學系統及具有該光學系統的電子裝置，能夠投射及/或擷取影像。該光學系統包括有：一光束產生模組，係用來提供投射所需的照射光束；一影像形成模組，接受來自於該光束產生模組的該照射光束，該影像形成模組包括一顯示元件及一變焦鏡頭，藉由該顯示元件能夠形成影像圖案、且經由該變焦鏡頭將該影像圖案投射出去；以及一影像擷取模組，係與該影像形成模組共用上述變焦鏡頭，經由該變焦鏡頭擷取光學系統之外的光線，並藉一成像器形成一影像。

依據本發明之上述目的，本發明還提供一種光學系統及具有該光學系統的電子裝置，能夠投射及/或擷取影像。該光學系統包括有：一光束產生模組，用來提供照射光束；一反射式顯示元件，用來形成一影像；一成像器，用來記錄一影像，該成像器與該顯示元件係呈垂直排列；一變焦鏡頭，既能夠將由該反射式顯示元件形成的該影像投射至該光學系統外、又能夠擷取該光學系統外之光線以供該成像器記錄該影像；以及一偏極化分光鏡，位於該變焦鏡頭與該反射式顯示元件之間，且該成像器與該顯示元件分別設置於該偏極化分光鏡之相鄰之兩個垂直邊的附近；該偏極化分光鏡用來接受來自於該光束產生模組的該照射光束、並將該照射光束提供給該反射式顯示元件，同時該偏極化分光鏡還能夠接受由該變焦鏡頭所擷取的該光學系統外之光線，並將該光線提供給該成像器。該光學系統具有三種操作模式：第一種操作模式係同時啟用該顯示元件及該成像器以執行投影及拍照的命令；第二種操作模式係僅啟用該顯示元件以執行投影命令；以及，第三種操作模式係僅啟用該成像器以執行拍照命令。

依據本發明之上述目的，本發明還提供一種光學系統及具有該光學系統的電子裝置，能夠投射及/或擷取影像，該光學系統包括有：一光束產生模組，用來提供照射光束；一顯示元件，用來形成一影像；一成像器，用來記錄一影像，該成像器與該顯示元件係呈並排直線排列；一變焦鏡頭，既能夠將由該顯示元件形成的該影像投射至該光學系統外、又能夠擷取該光學系統外之光線以供該成像器記錄該影像；一反光鏡，用來接受來自於該光束產生模組的該照射光束、並將該照射光束提供給該顯示元件；以及一切換模組，係與該顯示元件及該成像器連接，並能夠將該成像器與該顯示元件選擇性地調整至該變焦鏡頭的下方，以選擇進行投影、拍照的操作。該光學系統具有三種操作模式：第一種操作模式係同時啟用該顯示元件及該成像器以執行投影及拍照的命令；第二種操作模式係僅啟用該顯示元件以執行投影命令；以及，第三種操作模式係僅啟用該成像器以執行拍照命令。

與本發明之先前技術相比較，本發明光學系統及具有該光學系統的電子裝置只採用一個變焦鏡頭，就能夠將電子裝置內的影像圖案投射至電子裝置外，還能夠將電子裝置外的影像成像於電子裝置內，從而使得電子裝置具備投影及/或拍照的功能。藉此光學系統整合能夠達成減少光學零件、縮小體積與提升組裝效能的目的。此外，本發明光學系統及具有該光學系統的電子裝置還採用了切換模組，其能夠調整顯示元件及成像器之位置，以實現電子裝置之投影、拍照功能之切換，更能夠在其中一操作模式下使得本發明光學系統及電子裝置具備自動變焦的功能，從而優化投影圖像，使得本發明之電子裝置能夠適用于更多的應用場合。

本發明光學系統係整合數位相機的光學系統與投影儀的光學系統於一體，從而使得整合後的光學系統具備照相功能及投影功能。詳細的整合方式可參照以下三個具體的實施方式。

本發明光學系統之第一實施例請參照第一A圖、第一B圖及第一C圖所示，本發明第一實施例之光學系統1包括一光束產生模組10、一影像形成模組20及一影像擷取模組30，其中光束產生模組10係用來提供投影所需的照射光束；影像形成模組20係接受來自於光束產生模組10的照射光束、並藉一顯示元件22形成影像圖案、再藉一變焦鏡頭24將該影像圖案投射出去；影像擷取模組30係能夠與影像形成模組20共用上述變焦鏡頭24，經由該變焦鏡頭24擷取光學系統1之外的光線，並藉一成像器32形成一影像。

在第一實施例中，光束產生模組10包括有光源(未圖示，但例如可以是雷射光源)、透鏡12、雙色鏡14、透鏡陣列16、偏極轉換器(未圖示)、反光鏡18、重放透鏡19等光學構件，藉此可以將來自光源的未被極化的光轉換為所希望的線性極化光(例如S偏光)，並均勻的射出照射光束使其到達影像形成模組20。

在第一實施例中，影像形成模組20中的顯示元件22為一矽基液晶(LCOS，Liquid Crystal on Silicon)面板，因此影像形成模組20還需要有一偏極化分光鏡26，以提供線性極化光給LCOS面板，該偏極化分光鏡26位於該顯示元件22與該變焦鏡頭24之間，用來接受來自於光束產生模組10的線性極化光。在本實施例之影像形成模組20中的具體光傳輸路徑是：來自於光束產生模組10的線性極化光(S偏光)經由偏極化分光鏡26全部反射至顯示元件22，而顯示元件22會接受入射光並將所需的影像加到入射光上，並且當顯示元件22的液晶顯示為亮態時，S偏光將改變成P偏光，這樣P偏光就會穿過偏極化分光鏡26，最後藉由變焦鏡頭24將形成的影像圖案放大並投射至光學系統1外之一螢幕上。

在第一實施例中，影像擷取模組30的成像器32為電荷耦合元件(CCD，Charge-Coupled Device)，該成像器32與顯示元件22呈垂直排列，且分別設置在偏極化分光鏡26之相鄰之兩個垂直邊的附近，偏極化分光鏡26能夠接受由變焦鏡頭24所擷取的光學系統1外之光線，並將光線反射給成像器32，有關該影像擷取模組30的具體光傳輸路徑是：由變焦鏡頭24擷取光線(即S偏光與P偏光之混合光線)進入本發明的光學系統1中，光線(S偏光)經過偏極化分光鏡26的反射後進入成像器32，從而在成像器32上形成影像。

請參照第一A圖所示的本發明第一實施例之光學系統1的第一種操作模式，在該操作模式中，光學系統1具有自動對焦的功能，能夠同時啟用影像形成模組20和影像擷取模組30，以同時執行投射指令及照相指令，從而獲得最佳的投射效果。例如，當投射影像經由影像形成模組20投射至光學系統1外之螢幕上，能夠藉由影像擷取模組30抓取該投射影像，然後透過一影像訊號處理器(未圖示)判斷該投射影像是否清晰，從而藉由一驅動電路(未圖示)調整變焦鏡頭24之投影焦距，最後選擇最佳的投影焦距使得影像形成模組20能夠投射出最優質的影像畫面。亦即，在該操作模式下，該光學系統1可以被精確度很高的投影機採用。

請參照第一B圖所示的本發明第一實施例之光學系統1的第二種操作模式，在該操作模式中，僅啟用該光學系統1中的影像形成模組20而未啟用影像擷取模組30，所以只執行投射指令。在該操作模式下，採用該光學系統1的電子裝置可以作為普通投影機使用。

請參照第一C圖所示的本發明第一實施例之光學系統1的第三種操作模式，在該操作模式中，僅啟用該光學系統1中的影像擷取模組30而未啟用影像形成模組20，所以只執行拍照指令。在該操作模式下，採用該光學系統1的電子裝置可作為照相機使用。

本發明光學系統1’之第二實施例請參照第二A圖、第二B圖及第二C圖所示，本發明第二實施例之光學系統1’亦包括一光束產生模組10’、一影像形成模組20’及一影像擷取模組30’，其中光束產生模組10’係用來提供投影所需的照射光束；影像形成模組20’係接受來自於光束產生模組10’的照射光束、並藉一顯示元件22’形成影像圖案、再藉一變焦鏡頭24’將該影像圖案投射出去；影像擷取模組30’係能夠與影像形成模組20’共用上述變焦鏡頭24’，經由該變焦鏡頭24’擷取光學系統1’之外的光線，並藉一成像器32’記錄影像。第二實施例之光學系統1’還包括一切換模組40’，其與顯示元件22’及成像器32’機械連接，以根據需求利用驅動電路切換及調整顯示元件22’及成像器32’的位置，從而實現投影及/或拍照的功能。

在第二實施例中，光束產生模組10’包括有光源(未圖示，但例如可以是雷射光源)、透鏡12’、雙色鏡14’、透鏡陣列16’、反光鏡18’、重放透鏡19’等光學構件，藉此可以提供均勻的射出照射光束並使其到達影像形成模組20’。可見，第二實施例與第一實施例之光束產生模組10’之不同點在於：由於第二實施例中的顯示元件22’不需要線性極化光，因此第二實施例中的光束產生模組10’不需要提供偏極轉換器。

第二實施例的顯示元件22’為一數位光學處理(DLP，Digital Light Processing)面板，因此第二實施例的影像形成模組20’不再需要偏極化分光鏡26’，而需要一反光鏡28’改變來自於光束產生模組10’的照射光束之光路徑，反光鏡28’位於DLP面板與變焦鏡頭24’之間，來自於光束產生模組10’的照射光束能夠將照射光束偏轉一定角度，以到達影像形成模組20’之DLP面板，再藉由DLP面板之微鏡的轉動控制調製光的反射方向，最後將光束反射至變焦鏡頭24’，利用變焦鏡頭24’將由DLP面板形成的影像圖案投射至光學系統1’外。

第二實施例的成像器32’亦為電荷耦合元件(CCD，Charge-Coupled Device)，該成像器32’與顯示元件22’係呈並排直線排列，並能夠藉由切換模組40’將成像器32’與顯示元件22’選擇性地調整至變焦鏡頭24’的下方。該影像擷取模組30’的具體光傳輸路徑是：由變焦鏡頭24’所擷取的光線直接進入成像器32’，從而在成像器32’上形成影像。

請參照第二A圖所示的本發明第二實施例之光學系統1’的第一種操作模式，在該操作模式中，光學系統1’具有自動對焦的功能，僅啟用該光學系統1’的電子裝置能夠同時啟用影像形成模組20’和影像擷取模組30’，以同時執行投射指令及照相指令，從而獲得最佳的投射效果。詳細的工作原理是：首先，藉由切換模組40’將顯示元件22’調整至變焦鏡頭24’之正下方位置、由光束產生模組10’提供照射光束、照射光束經由影像形成模組20’的反光鏡反射至顯示元件22’(DLP面板)上、再藉由變焦鏡頭24’將形成的影像圖案投射至電子裝置外；然後，藉由切換模組40’移開顯示元件22’並調整成像器32’至變焦鏡頭24’之正下方位置、再藉由變焦鏡頭24’擷取光線而進入成像器32’、成像器32’上形成影像、並透過電子裝置內之影像訊號處理器判斷該投射影像是否清晰，從而藉由電子裝置內之驅動電路調整變焦鏡頭24’之投影焦距，最後選擇最佳的投影焦距使得影像形成模組20’能夠投射出最優質的影像畫面。同樣地，在該操作模式下，該電子裝置可以作為精確度很高的投影機使用。

請參照第二B圖所示的本發明第二實施例之光學系統1’的第二種操作模式，在該操作模式中，需要藉由切換模組40’將影像形成模組20’之顯示元件22’調節至變焦鏡頭24’之正下方，使得影像形成模組20’被啟用而影像擷取模組30’則不被啟用，所以只執行投射指令。在該操作模式下，採用該光學系統1’之電子裝置可以作為普通投影機使用。

請參照第二C圖所示的本發明第二實施例之光學系統1’的第三種操作模式，在該操作模式中，需要藉由切換模組40’將影像擷取模組30’之成像器32’調節至變焦鏡頭24’之正下方，使得影像擷取模組30’能夠被啟用而影像形成模組20’則不被啟用，所以只執行拍照指令。在該操作模式下，採用該光學系統1’之電子裝置可作為照相機使用。

本發明光學系統1”之第三實施例請參照第三A圖、第三B圖及第三C圖所示，本發明第三實施例之光學系統1”亦包括一光束產生模組10”、一影像形成模組20”及一影像擷取模組30”。如同第二實施例之光學系統1’，第三實施例之光學系統1”亦包括一切換模組40”，其與顯示元件22”及成像器32”機械連接，以根據需求利用驅動電路切換並調整顯示元件22”及成像器32”的位置，從而選擇執行投影、拍照的命令。

在第三實施例中，光束產生模組10”包括有光源(未圖示，但例如可以是雷射光源)、透鏡12”、雙色鏡14”、透鏡陣列16”、重放透鏡19”等光學構件，藉此可以提供均勻的射出照射光束並使其到達影像形成模組20”。第三實施例與第二實施例之光束產生模組10”之不同點在於：光學構件之擺放位置及順序略有不同，藉此可省略部分元件、並有利於縮短光路徑。

第三實施例的顯示元件22”為一穿透式高溫多晶矽(HTPS，High Temperature Poly-Silicon)面板，因此第三實施例的顯示元件22”需要安裝至一反光鏡28”與變焦鏡頭24”之間，藉由該反光鏡28”以改變來自於光束產生模組10”的照射光束之光路徑，使得照射光束能夠偏轉90度，以到達影像形成模組20”之顯示元件22”(HTPS面板)上、光線穿透顯示元件22”到達變焦鏡頭24”，從而藉由變焦鏡頭24”將面板上的影像圖案投射至光學系統1”外。

第三實施例的成像器32”亦為電荷耦合元件(CCD，Charge-Coupled Device)，其具體的光傳輸路徑是：由變焦鏡頭24”所擷取的光線直接進入成像器32”，從而在成像器32”上形成影像。

請參照第三A圖所示的本發明第三實施例之光學系統1”的第一種操作 模式，在該操作模式中，光學系統1”具有自動對焦的功能，其能夠同時啟用影像形成模組20”和影像擷取模組30”，同時執行投射指令及照相指令，從而獲得最佳的投射效果。詳細的工作原理是：首先，藉由切換模組40”將顯示元件22”調整至變焦鏡頭24”之正下方、由光束產生模組10”提供照射光束、照射光束經由影像形成模組20的反光鏡反射至顯示元件22”(HTPS面板)上、光線穿透該HTPS面板到達變焦鏡頭24”、最後藉由變焦鏡頭24”將形成的影像圖案投射至電子裝置外；然後，藉由變焦鏡頭24”擷取位於光學系統1”外之該影像、並直接進入成像器32”、並由成像器32”記錄該影像、透過電子裝置內之影像訊號處理器判斷該投射影像是否清晰，從而藉由電子裝置內之驅動電路調整變焦鏡頭24”之投影焦距，最後選擇最佳的投影焦距使得影像形成模組20”能夠投射出最優質的影像畫面。同樣地，在該操作模式下，採用該光學系統1”的電子裝置可以作為精確度很高的投影機使用。

請參照第三B圖所示的本發明第三實施例之光學系統1”的第二種操作模式，在該操作模式中，需要藉由切換模組40”將影像形成模組20”之顯示元件22”調節至變焦鏡頭24”之正下方，藉此可以啟用影像形成模組20而不啟用影像擷取模組30，所以光學系統1”只執行投射指令。在該操作模式下，採用該光學系統1”的電子裝置可以作為普通投影機使用。

請參照第三C圖所示的本發明第三實施例之光學系統1”的第三種操作模式，在該操作模式中，需要藉由切換模組40”將影像擷取模組30”之成像器32”切換至變焦鏡頭24”之正下方，藉此可以啟用影像擷取模組30”而不啟用影像形成模組20，所以光學系統1”只執行拍照指令。在該操作模式下，採用該光學系統1”的電子裝置可作為照相機使用。

整體觀之，本發明光學系統1、1’、1”及具有該光學系統1、1’、1”的電子裝置僅採用一個變焦鏡頭24、24’、24”，就能夠將電子裝置內由影像形成模組20、20’、20”形成的影像圖案投射至電子裝置外，還能夠根據需要將電子裝置之外的影像成像至電子裝置內的成像器32、32’、32”上，從而使得電子裝置具備投影及/或拍照的功能。換言之，由於本發明的投影及拍照光學系統1、1’、1”共用同一變焦鏡頭24、24’、24”，從而使得整合後的光學系統1、1’、1”能夠達成減少光學零件、縮小體積與提升組裝效能的目的。此外，本發明光學系統1’、1”及具有該光學系統1’、1”的電子裝置還採用了切換模組40’、40”，其能夠調整顯示元件22’、22”及成像器32’、32”之位置，以實現電子裝置之投影、拍照功能之切換，更能夠在其中一操作模式下使得本發明的電子裝置具備自動變焦的功能，從而讓投影圖像更加清晰，藉此使得本發明之電子裝置能夠適用於更多的應用場合。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，舉凡熟習本案技術之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆涵蓋於後附之申請專利範圍內。

1、1’、1”．．．光學系統

10、10’、10”．．．光束產生模組

12、12’、12”．．．透鏡

14、14’、14”．．．雙色鏡

16、16’、16”．．．透鏡陣列

18、18’．．．反光鏡

19、19’、19”．．．重放透鏡

20、20’、20”．．．影像形成模組

22、22’、22”．．．顯示元件

24、24’、24”．．．變焦鏡頭

26．．．偏極化分光鏡

28’、28”．．．反光鏡

30、30’、30”．．．影像擷取模組

32、32’、32”．．．成像器

40’、40”．．．切換模組

第一A至一C圖係本發明第一實施例之光學系統的三種應用模式。

第二A至二C圖係本發明第二實施例之光學系統的三種應用模式。

第三A至三C圖係本發明第三實施例之光學系統的三種應用模式。

1．．．光學系統

10．．．光束產生模組

12．．．透鏡

14．．．雙色鏡

16．．．透鏡陣列

18．．．反光鏡

19．．．重放透鏡

20．．．影像形成模組

22．．．顯示元件

24．．．變焦鏡頭

26．．．偏極化分光鏡

30．．．影像擷取模組

32．．．成像器

Claims (6)

1. 一種光學系統，能夠投射及/或擷取影像，該光學系統包括有：一光束產生模組，用來提供照射光束；一反射式顯示元件，用來形成一影像；一成像器，用來記錄一影像，該成像器與該顯示元件係呈垂直排列；一變焦鏡頭，既能夠將由該反射式顯示元件形成的該影像投射至該光學系統外、又能夠擷取該光學系統外之光線以供該成像器記錄該影像；以及一偏極化分光鏡，位於該變焦鏡頭與該反射式顯示元件之間，且該成像器與該顯示元件分別設置於該偏極化分光鏡之相鄰之兩個垂直邊的附近；該偏極化分光鏡用來接受來自於該光束產生模組的該照射光束、並將該照射光束提供給該反射式顯示元件，同時該偏極化分光鏡還能夠接受由該變焦鏡頭所擷取的該光學系統外之光線，並將該光線提供給該成像器；其中該光學系統具有三種操作模式：第一種操作模式係同時啟用該顯示元件及該成像器以執行投影及拍照的命令；第二種操作模式係僅啟用該顯示元件以執行投影命令；以及，第三種操作模式係僅啟用該成像器以執行拍照命令。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該反射式顯示元件係矽基液晶面板。
3. 一種光學系統，能夠投射及/或擷取影像，該光學系統包括有： 一光束產生模組，用來提供照射光束；一顯示元件，用來形成一影像；一成像器，用來記錄一影像，該成像器與該顯示元件係呈並排直線排列；一變焦鏡頭，既能夠將由該顯示元件形成的該影像投射至該光學系統外、又能夠擷取該光學系統外之光線以供該成像器記錄該影像；一反光鏡，用來接受來自於該光束產生模組的該照射光束、並將該照射光束提供給該顯示元件；以及一切換模組，係與該顯示元件及該成像器連接，並能夠將該成像器與該顯示元件選擇性地調整至該變焦鏡頭的下方，以選擇進行投影、拍照的操作；其中該光學系統具有三種操作模式：第一種操作模式係同時啟用該顯示元件及該成像器以執行投影及拍照的命令；第二種操作模式係僅啟用該顯示元件以執行投影命令；以及，第三種操作模式係僅啟用該成像器以執行拍照命令。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光學系統，其中該顯示元件係一數位光學處理面板，而該反光鏡係位於該變焦鏡頭與該數位光學處理面板之間。
5. 如申請專利範圍第3項所述之光學系統，其中該顯示元件係一穿透式顯示元件，而該穿透式顯示元件係位於該變焦鏡頭與該反光鏡之間。
6. 一種電子裝置，具有如申請專利範圍第1及3項所述之光學系統，能夠投射及/或擷取影像。