TWI454741B - 投影裝置 - Google Patents

Description

投影裝置

本發明係關於一種投影裝置，尤指一種具有二次成像之投影鏡頭之投影裝置。

對於大會議室或演講會場等大型空間，通常必須搭配大型投影影像，才能為觀看者清楚看見。然而，投影裝置之投影影像大小受限於投影鏡頭之結構設計。因此，超廣角投影鏡頭係已應用在投影裝置中。然而，傳統超廣角投影鏡頭係採用一次成像之投影技術^， 且此技術通常會導致前群透鏡太大，使得製作成本增加，且增加製造的困難度。為了縮短投影距離，有發展出利用非光軸上之反射鏡或是具有特殊鏡面之透鏡之投影鏡頭，但反射鏡位於非光軸上之不穩定性較大，且反射鏡的尺寸太大會增加製作的困難度，而不易為市場所接受。

本發明之主要目的在於提供一種投影裝置，以解決上述製造困難以及製作成本增加之問題。

為達上述之目的，本發明提供一種投影裝置，用於將一影像投射至一投影幕上。投影裝置包括一影像產生裝置以及一投影鏡頭。影像產生裝置用以產生具有影像之一投射光，且影像產生裝置具有一光閥，使投射光從光閥射出。投影鏡頭包括一第一透鏡群以及一第二透鏡群。第一透鏡群具有一成像光軸與一第一有效屈折力，且第一透鏡群包括複數個第一透鏡，其中第一透鏡包括二第一非球面透鏡。第二透鏡群具有一第二有效屈折力，且第二透鏡群設置於第一透鏡群與光閥之間。投射光從光閥經第二透鏡群於第一透鏡群與第二透鏡群之間產生一中間影像，且中間影像經第一透鏡群於投影幕上產生一投影影像。投影影像之中心與光閥之中心係位在成像光軸之一第一側，且中間影像之中心則位在成像光軸的一第二側，第二側不同於第一側。

本發明之投影裝置利用二次成像之設計使呈現出之投影影像為正立之影像，且將第一透鏡群與第二透鏡群設置於同一成像光軸上可避免反射鏡位於非光軸上所產生之不穩定性。並且，本發明更於第一透鏡群中設置至少二非球面透鏡來避免發生前群透鏡過大以及總長度快速增加之問題。

為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。

請參考第1圖，第1圖為本發明具有二次成像之投影裝置之成像 示意圖。如第1圖所示，投影裝置100係用於將一影像102投射至一投影幕104上，且投影裝置100包括一影像產生裝置106以及一投影鏡頭108。其中，投影鏡頭108設置於投影幕104與影像產生裝置106之間。影像產生裝置106包含光源、各式光學元件等，係用於產生具有影像102之一投射光110。影像產生裝置106具有一光閥112，使投射光110從光閥112射出，並射入投影鏡頭108，且僅藉由投影鏡頭108將投射光110投射至投影幕104上，以於投影幕104上呈現出放大之一投影影像114。本發明之光閥可為例如一液晶面板(LCD panel)、一數位微鏡元件(digital micro-mirror device，DMD)等，但不以此為限。此外，投影鏡頭108包括一第一透鏡群116以及一第二透鏡群118，其中第一透鏡群116具有一成像光軸120，且第二透鏡群118設置於第一透鏡群116與光閥112之間的成像光軸120上，使第二透鏡群118以此成像光軸120為光軸。影像產生裝置106所產生之投射光110會經過第二透鏡群118且於第一透鏡群116與第二透鏡群118之間產生一中間影像122，而中間影像122經過第一透鏡群116於投影幕104上產生投影影像114。並且，影像產生裝置106係設置於成像光軸120之一第一側，使影像產生裝置106所產生具有正立影像102之投射光可經過第二透鏡群118，於成像光軸120之一第二側形成倒立之中間影像122，且第二側係不同於第一側。接著，中間影像122可經過第一透鏡群116於投影幕104上形成正立之投影影像114。因此，本發明成像於投影幕104上之投影影像114的中心係與光閥112之中心位在成像光軸120之第一側，且中間影像122之中心則位在相反於第一側之第二 側。藉此，本發明之投影裝置100可利用二次成像之方式將影像產生裝置106所產生正立之影像102成像於投影幕104上，而形成正立之投影影像114。於此實施例中，第一透鏡群係作為投影鏡頭之一廣角鏡組(wide angle lenses)，且第二透鏡群係作為投影鏡頭之一延伸鏡組(relay lenses)。投影鏡頭108不具有反射鏡。

另外，於本發明中，中間影像122與第一透鏡群116之間距d₁ 係小於中間影像122與第二透鏡群118之間距d₂ 。並且，藉由組合第一透鏡群116與第二透鏡群118，本發明之投影鏡頭100之有效焦距為fe，且滿足關係式2mm≦fe≦7mm，而投影鏡頭100之一投影視角係大於120度，但不限於此。值得注意的是，第一透鏡群116包括至少二非球面透鏡，使第一透鏡群116之有效焦距為fw，且滿足關係式fw/fe≦2.5。當fe小於下限2mm時，作為廣角鏡組之第一透鏡群116將過大，增加設計上的困難及製造成本。當fe大於上限7mm時，其超廣角效果可藉由一次成像之鏡頭即可達成。而當fw/fe>2.5時，投影鏡頭100之總長度將快速增加，提高製造成本且不利系統的組裝使用。故，配合本發明之關係式，藉由設置至少二非球面透鏡作為廣角鏡組之第一透鏡群116，可避免最鄰近投影幕104之前群透鏡過大之問題，進而避免製作成本增加。並且，第一透鏡群116藉由設置至少二非球面透鏡可避免因投影鏡頭100之總長度快速增加所造成之成本增加與投影系統組裝之不便性。

此外，從投影鏡頭100至投影幕104之距離為D，且投影幕104 之寬度為W，並且滿足關係式D/W≦1。舉例來說，當投影鏡頭100與投影幕104之距離D為1m時，即可投射到100cm寬的螢幕大小。

為了清楚說明本發明之投影鏡頭100之功效，請參考第2圖至第6圖，且同時參考表1。第2圖至第6圖為投影鏡頭之有效焦距fe固定為3mm之情況下第一透鏡群具有不同之有效焦距fw之配置示意圖。如第2圖所示，當第一透鏡群116之有效焦距fw為4mm，且投影鏡頭100之有效焦距fe為3mm時，從光閥112至第一透鏡群116之總長度d₃ 約略為250mm。如第3圖所示，當第一透鏡群116之有效焦距fw為5mm，且投影鏡頭100之有效焦距fe仍為3mm時，從光閥112至第一透鏡群116之總長度d₄ 約略為304mm。如第4圖所示，當第一透鏡群116之有效焦距fw為6mm，且投影鏡頭100之有效焦距fe為3mm時，從光閥112至第一透鏡群116之總長度d₅ 約略為355mm。如第5圖所示，當第一透鏡群116之有效焦距fw為7mm，且投影鏡頭100之有效焦距fe為3mm時，從光閥112至第一透鏡群116之總長度d₆ 約略為406mm。如第6圖所示，當第一透鏡群116之有效焦距fw為8mm，且投影鏡頭100之有效焦距fe為3mm時，從光閥112至第一透鏡群116之總長度d₇ 約略為457mm，此時，投影鏡頭100過長，提高製造成本且不利系統的組裝使用。

表1

由此可知，當第一透鏡群116之有效焦距fw增大時，從光閥112至第一透鏡群116之總長度(d₃ ~d₇ )所增加之大小係遠大於第一透鏡群116之有效焦距fw所增加之大小。雖然第一透鏡群116之有效焦距fw僅增加4mm，但從光閥112至第一透鏡群116之總長度(d₃ ~d₇ )已增加將近一倍，因此本發明將投影鏡頭100之有效焦距fe限制於滿足關係式2mm≦fe≦7mm，以及第一透鏡群116之有效焦距為fw與投影鏡頭100之有效焦距fe之關係限制於滿足關係式fw/fe≦2.5，使投影裝置100在固定影像產生裝置106之尺寸下可具有超廣角特性，並避免發生前群透鏡過大以及總長度快速增加之問題。

以下將進一步說明本發明之投影裝置。請參考第7圖，第7圖為本發明一較佳實施例之投影裝置之示意圖。如第7圖所示，本實施例之影像產生裝置106係包括一數位微鏡元件204，且數位微鏡元件204可作為光閥112，但本發明不限於此。本實施例之數位微鏡元件204之尺寸係以(其對角線長)0.65吋為例，但不以此為限。此外，第一透鏡群116包括複數個第一透鏡L1，且第二透鏡群118包括複數個第二透鏡L2以及一光欄206，而光欄206係用來控制影像 102之光線的通過量。其中，第一透鏡群116具有一第一有效屈折力，且第二透鏡群118具有一第二有效屈折力。於本實施例中，第一有效折射率係為一第一正有效屈折力，且第二有效屈折力係為一第二正有效屈折力，但不限於此。

為了清楚說明本較佳實施例之第一透鏡群與第二透鏡群，請參考第8圖與第9圖，且一併參考第7圖。第8圖為本發明較佳實施例之第一透鏡群之示意圖，且第9圖為本發明較佳實施例之第二透鏡群之示意圖。如第7圖至第9圖所示，本實施例之第一透鏡L1包括二第一非球面透鏡L11、L12以及七個球面透鏡L13、L14、L15、L16、L17、L18、L19。其中，第一透鏡L1從鄰近投影幕104之一側至鄰近第二透鏡群118之一側之順序依序為球面透鏡L13、第一非球面透鏡L11、球面透鏡L14、L15、L16、L17、L18、第一非球面透鏡L12以及球面透鏡L19，亦即第一非球面透鏡L11係為第一透鏡L1自鄰近投影幕104之一側起算之第二個，且第一非球面透鏡L12係為第一透鏡L1自鄰近第二透鏡群118之一側起算之第二個。第一非球面透鏡L11係為一凸凹透鏡，且具有面對投影幕104之一凸鏡面208a以及面對第二透鏡群118之一凹鏡面208b。第一非球面透鏡L12係為一凸凹透鏡，且具有面對投影幕104之一凸鏡面210a以及面對第二透鏡群118之一凹鏡面210b。並且，第一非球面透鏡L11、L12之凸鏡面208a、210a與凹鏡面208b、210b係為非球面鏡面，且本實施例之第一非球面透鏡L11、L12之其中之至少一者係由塑膠所構成，但不限於此。球面透鏡L13係為一凸凹 透鏡，且具有面對投影幕104之一凸鏡面212a以及面對第二透鏡群118之一凹鏡面212b。球面透鏡L14係為一凹凸透鏡，且具有面對投影幕104之一凹鏡面214a以及面對第二透鏡群118之一凸鏡面214b。球面透鏡L15係為一凸凹透鏡，且具有面對投影幕104之一凸鏡面216a以及面對第二透鏡群118之一凹鏡面216b。球面透鏡L16係為一雙凸透鏡，且具有面對投影幕104之一凸鏡面218a以及面對第二透鏡群118之一凸鏡面218b。球面透鏡L17係為一雙凹透鏡，且具有面對投影幕104之一凹鏡面220a以及面對第二透鏡群118之一凹鏡面220b。球面透鏡L18係為一雙凸透鏡，且具有面對投影幕104之一凸鏡面222a以及面對第二透鏡群118之一凸鏡面222b，其中凸鏡面222a係與球面透鏡L17之凹鏡面220b重合。球面透鏡L19係為一雙凸透鏡，且具有面對投影幕104之一凸鏡面224a以及面對第二透鏡群118之一凸鏡面224b。

本實施例之第二透鏡L2包括一第二非球面透鏡L21以及七個球面透鏡L22、L23、L24、L25、L26、L27、L28。其中，第二透鏡L2從鄰近第一透鏡群116之一側至鄰近光閥112之一側之順序依序為球面透鏡L22、第二非球面透鏡L21以及球面透鏡L23、L24、L25、L26、L27、L28，亦即第二非球面透鏡L21係為第二透鏡L2自鄰近第一透鏡群116之一側起算之第二個。光欄206係位於球面透鏡L25與球面透鏡L26之間，且鄰近球面透鏡L25。第二非球面透鏡L21係為一凹凸透鏡，且具有面對第一透鏡群116之一凹鏡面226a以及面對光閥112之一凸鏡面226b。並且，第二非球面透鏡L21之凹鏡 面226a與凸鏡面226b係為非球面鏡面，且本實施例之第二非球面透鏡L21可由塑膠所構成，但不限於此。球面透鏡L22係為一凹凸透鏡，且具有面對第一透鏡群116之一凹鏡面228a以及面對光閥112之一凸鏡面228b。球面透鏡L23係為一雙凸透鏡，且具有面對第一透鏡群116之一凸鏡面230a以及面對光閥112之一凸鏡面230b。球面透鏡L24係為一雙凸透鏡，且具有面對第一透鏡群116之一凸鏡面232a以及面對光閥112之一凸鏡面232b。球面透鏡L25係為一雙凹透鏡，且具有面對第一透鏡群116之一凹鏡面234a以及面對光閥112之一凹鏡面234b，其中面對第一透鏡群116之凹鏡面234a係與球面透鏡L24之凸鏡面232b重合，而具有相同曲率半徑。球面透鏡L26係為一雙凸透鏡，且具有面對第一透鏡群116之一凸鏡面236a以及面對光閥112之一凸鏡面236b。球面透鏡L27係為一雙凹透鏡，且具有面對第一透鏡群116之一凹鏡面238a以及面對光閥112之一凹鏡面238b，其中面對第一透鏡群116之凹鏡面238a係與球面透鏡L26之凸鏡面236b重合，且具有相同曲率半徑。球面透鏡L28係為一雙凸透鏡，且具有面對第一透鏡群116之一凸鏡面240a以及面對光閥112之一凸鏡面240b。本實施例之第一透鏡群116之第一透鏡L1與第二透鏡群118之第二透鏡L2的光學資料與配置關係列舉於表2中，但本發明並不以此為限。於表2中，「厚度」之值係代表此列之鏡面與下一列之鏡面的間距，「折射率」之值係代表前述距離內之介質之折射率，「阿貝數」之值係表示前述之距離內之介質的阿貝數。

此外，第一非球面透鏡L11、L12之凸鏡面208a、210a與凹鏡面208b、210b以及第二非球面透鏡L21之凹鏡面226a與凸鏡面226b係為非球面鏡面，且非球面鏡面之表面多項式可表示為： 其中z為非球面鏡面之凹陷度(sag)，r為非球面鏡面之孔徑半徑，a為非球面鏡面頂點處之曲率半徑的倒數，b為圓錐係數，以及c、d、e、f為分別為四階、六階、八階以及十階之非球面係數。並且，本實施例之第一非球面透鏡L11、L12之凸鏡面208a、210a與凹鏡面208b、210b以及第二非球面透鏡L21之凹鏡面226a與凸鏡面226b之非球面係數係列舉於表3中，但本發明並不以此為限。

由上述資料可知，本實施例之投影鏡頭之有效焦距fe約略為4.15mm，且滿足投影鏡頭100之有效焦距fe介於2mm與7mm之間的關係。並且，本實施例之投影鏡頭100之總長度亦僅約240mm。藉此，本實施例不僅具有超廣角特性，且可避免增加投影鏡頭100之總長度。

綜上所述，本發明之投影裝置利用二次成像之設計使呈現出之投影影像為正立之影像，且將第一透鏡群與第二透鏡群設置於同一成像光軸上可避免反射鏡位於非光軸上所產生之不穩定性。並且，本發明更於第一透鏡群中設置至少二非球面透鏡，並將投影鏡頭之有效焦距限制於介於2mm與7mm之間且第一透鏡群之有效焦距對投影鏡頭之有效焦距比值限制於小於2.5，使投影裝置可具有超廣角特性，並避免發生前群透鏡過大以及總長度快速增加之問題。

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．．．投影裝置

102．．．影像

104．．．投影幕

106．．．影像產生裝置

108．．．投影鏡頭

110．．．投射光

112．．．光閥

114．．．投影影像

116．．．第一透鏡群

118．．．第二透鏡群

120．．．成像光軸

122．．．中間影像

204．．．數位微鏡元件

206．．．光欄

L1．．．第一透鏡

L2．．．第二透鏡

L11、L12．．．第一非球面透鏡

L21．．．第二非球面透鏡

L13、L14、L15、L16、L17、L18、L19、L22、L23、L24、L25、L26、L27、L28．．．球面透鏡

208a、210a、212a、214b、216a、218a、218b、222a、222b、224a、224b、226b、228b、230a、230b、232a、232b、236a、236b、240a、240b．．．凸鏡面

208b、210b、212b、214a、216b、220a、220b、226a、228a、234a、234b、238a、238b．．．凹鏡面

第1圖為本發明具有二次成像之投影裝置之成像示意圖。

第2圖至第6圖為投影鏡頭之有效焦距固定為3mm之情況下第一透鏡群具有不同之有效焦距之配置示意圖。

第7圖為本發明一較佳實施例之投影裝置之示意圖。

第8圖為本發明較佳實施例之第一透鏡群之示意圖。

第9圖為本發明較佳實施例之第二透鏡群之示意圖。

100．．．投影裝置

106．．．影像產生裝置

108．．．投影鏡頭

116．．．第一透鏡群

118．．．第二透鏡群

120．．．成像光軸

204．．．數位微鏡元件

206．．．光欄

L1．．．第一透鏡

L2．．．第二透鏡

Claims (8)

1. 一種投影裝置，用於將一影像投射至一投影幕上，該投影裝置包括：一影像產生裝置，用以產生具有該影像之一投射光，且該影像產生裝置具有一光閥，使該投射光從該光閥射出；以及一投影鏡頭，不具有反射鏡，且該投影鏡頭包括：一第一透鏡群，具有一成像光軸與一第一有效屈折力，且該第一透鏡群包括複數個第一透鏡，其中該等第一透鏡包括二第一非球面透鏡；以及一第二透鏡群，具有一第二有效屈折力，該第二透鏡群設置於該第一透鏡群與該光閥之間，且該第二透鏡群的光軸為該成像光軸；其中該投射光從該光閥經該第二透鏡群於該第一透鏡群與該第二透鏡群之間產生一中間影像，該中間影像經該第一透鏡群於該投影幕上產生一投影影像，且該投射光僅藉由該投影鏡頭投射至該投影幕上；其中該投影影像之中心與該光閥之中心係位在該成像光軸之一第一側，且該中間影像之中心則位在該成像光軸的一第二側，該第二側不同於該第一側。
2. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該投影鏡頭之有效焦距為fe，且滿足關係式2mm≦fe≦7mm。
3. 如申請專利範圍第2項所述之投影裝置，其中該第一透鏡群之有效焦距為fw，且滿足關係式fw/fe≦2.5。
4. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中自鄰近該投影幕之一側起算之第二個該第一透鏡係為該第一非球面透鏡。
5. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中各該第一非球面透鏡具有二非球面鏡面，分別面向該第二透鏡群與該投影幕。
6. 如申請專利範圍第1項所述之投影鏡頭，其中各該第一非球面透鏡係為一凸凹透鏡。
7. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該第二透鏡群包括一光欄，用以控制該影像之光線的通過量。
8. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該第二透鏡群包括複數個第二透鏡，且該等第二透鏡包括一第二非球面透鏡。