TWI477813B

TWI477813B - 投影鏡頭及相關投影裝置

Info

Publication number: TWI477813B
Application number: TW103105930A
Authority: TW
Inventors: Ming Kuen Lin
Original assignee: Qisda Corp
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-03-21
Also published as: TW201533476A; US20150241692A1

Description

投影鏡頭及相關投影裝置

本發明係提供一種投影鏡頭及相關投影裝置，尤指一種可有效防止產生漏光及鬼影的投影鏡頭及相關投影裝置。

市面上常見的投影機為了提高影像鮮豔度，其顯示對比度越做越高，隨之而來的缺點是投影鏡頭容易在螢幕上產生漏光與鬼影。請參閱第4圖，第4圖為先前技術之投影裝置50之部分結構示意圖。投影裝置50包含成像單元42及投影鏡頭40。前者提供具影像之光線由後者投射至螢幕。投影鏡頭40包含具有負屈光度的第一透鏡組44與具有正屈光度的第二透鏡組46。第一透鏡組44靠近物側，第二透鏡組46靠近像側。第一透鏡組44至少包含一個具有負屈光度的彎月型透鏡48。彎月型透鏡48具有相對的第一表面s1與第二表面s2，且第一表面s1及第二表面s2的曲率半徑約為100~200mm。彎月型透鏡48的兩個表面s1,s2都是弧面，光線進入彎月型透鏡48的入射角實質接近第一表面s1的法向量，光線容易沿著入射路徑被第一表面s1反射回第二透鏡組46與成像單元42(例如數位微鏡或液晶面板)。當光線從第二透鏡組46進入第一透鏡組44時，光線會在第一透鏡組44和第二透鏡組46之間多次反射產生光環與光斑，意即通稱為鬼影的缺陷。請參閱第5圖，第5圖為先前技術之投影鏡頭40投射在螢幕之效果示意圖。螢幕上會形成帶有成像單元輪廓的鬼影(在數位光學投影機中)、或是於某些區域出現非預期性亮度(在液晶投影機中)。鬼影的位置、形狀不定，破壞影像構圖及美觀，故如何設計出一種可防止產生鬼影的投影鏡頭，便為相關光學產業的重點發展目標。

本發明係提供一種可有效避免產生漏光及鬼影的投影鏡頭及相關投影裝置，以解決上述之問題。

本發明之申請專利範圍係揭露一種投影鏡頭，其包含有第一透鏡組與第二透鏡組。第一透鏡組具有負屈光度且鄰近物側。第一透鏡組包含具有負屈光度的第一透鏡。第一透鏡包含相對的第一表面與第二表面。第一表面面向物側，且第一表面之曲率半徑大於或等於500毫米。第二透鏡組具有正屈光度且鄰近像側。第二透鏡組包含面向物側的第三表面。投影鏡頭的有效焦距為f，第二表面與第三表面的距離為d，投影鏡頭的透鏡總數量為n，且，7n4。

本發明之申請專利範圍另揭露一種投影裝置，用來投射影像到螢幕。投影裝置包含有光源、成像單元以及投影鏡頭。光源與成像單元分別用以提供及接收光線。投影鏡頭設置於成像單元與螢幕之間，用以投射光線到螢幕。投影鏡頭包含第一透鏡組與第二透鏡組。第一透鏡組具有負屈光度且鄰近物側。第一透鏡組包含具有負屈光度的第一透鏡。第一透鏡包含相對的第一表面與第二表面。第一表面面向物側，且第一表面之曲率半徑大於或等於500毫米。第二透鏡組具有正屈光度且鄰近像側。第二透鏡組包含面向物側的第三表面。投影鏡頭的有效焦距為f，第二表面與第三表面的距離為d，投影鏡頭的透鏡總數量為n，且，7n4。

本發明在第一透鏡組最靠近螢幕的物側位置設置平凹透鏡。平凹透鏡的第一表面面向物側。第一表面可為平整表面、或微帶弧形的近似平面，只要第一表面的曲率半徑不小於500毫米，平凹形狀的第一透鏡就能將來自第二透鏡組的光線沿著不同於原入射光路的方向散逸，避免光線反射回到成像單元，防止螢幕上出現非預期影像(如鬼影)或亮度。相較先前技術，本發明的投影鏡頭及相關投影裝置可應用在透鏡數量少且透鏡組間距大的光學系統，達到螢幕無鬼影之目的。

10、50‧‧‧投影裝置

12‧‧‧螢幕

14‧‧‧光源

16、42‧‧‧成像單元

18、40‧‧‧投影鏡頭

20‧‧‧濾光單元

22‧‧‧反射元件

24、44‧‧‧第一透鏡組

26、46‧‧‧第二透鏡組

28‧‧‧第一透鏡

30‧‧‧第二透鏡

32‧‧‧第三透鏡

34‧‧‧第四透鏡

36‧‧‧第五透鏡

38‧‧‧第六透鏡

48‧‧‧彎月型透鏡

S1、s1‧‧‧第一表面

S2、s2‧‧‧第二表面

S3‧‧‧第三表面

S4‧‧‧第四表面

S5‧‧‧第五表面

S6‧‧‧第六表面

S7‧‧‧第七表面(光欄)

S8‧‧‧第八表面

S9‧‧‧第九表面

S10‧‧‧第十表面

S11‧‧‧第十一表面

f‧‧‧投影鏡頭的有效焦距

f1‧‧‧第一透鏡組的焦距

d‧‧‧第二表面與第三表面的距離

n‧‧‧投影鏡頭的透鏡總數量

第1圖為本發明實施例之投影裝置之示意圖。

第2圖為本發明實施例之投影裝置之部分結構示意圖。

第3圖為本發明另一實施例之投影鏡頭之光路示意圖。

第4圖為先前技術之投影裝置之部分結構示意圖。

第5圖為先前技術之投影鏡頭投射在螢幕之效果示意圖。

請參閱第1圖，第1圖為本發明實施例之投影裝置10之示意圖。投影裝置10用來投射影像到螢幕12。投影裝置10包含光源14、成像單元16、投影鏡頭18、濾光單元20以及反射元件22。光源14輸出光線，濾光單元20接收光線並將光線濾光成複數個色光，經過濾光單元20處理後的光線被反射元件22反射而由成像單元16所接收。成像單元16接收來自反射元件22的複數個色光並傳遞到投影鏡頭18。投影鏡頭18設置在成像單元16與螢幕12之間，用以將來自成像單元16的光線投射到螢幕12上。在數位光學處理(DLP^TM )投影機中，濾光單元20為色輪，成像單元16為數位微型反射鏡(Digital Micromirror Device，DMD)，反射元件22為凹面鏡。液晶投影機中，濾光單元20是濾光片，反射元件22是反射鏡面，且成像單元16是液晶面板。

請參閱第2圖，第2圖為本發明實施例之投影裝置10之部分結構示意圖。投影鏡頭18包含第一透鏡組24以及第二透鏡組26。第一透鏡組24鄰近螢幕12(意即物側)，第二透鏡組26鄰近成像單元16(意即像側)。第一透鏡組24具有負屈光度且用以發散光線。第二透鏡組26具有正屈光度且用以聚合光線。第一透鏡組24包含具有負屈光度的第一透鏡28。第一透鏡28包含相對的第一表面S1與第二表面S2，分別面向螢幕12與第二透鏡組26。第一表面S1較佳為一平面，其曲率半徑為無限大，意即第一透鏡28為平凹透鏡；或者第一表面S1可為弧度不明顯的平面，其曲率半徑大於或等於500毫米，此時第一透鏡28為近似平凹的透鏡。

第一透鏡組24另可選擇性包含至少一個第二透鏡30，設置在第一透鏡28與第二透鏡組26之間，意即第一透鏡28設置在第一透鏡組24的左側，如第2圖所示。第二透鏡30可具有正屈光度或負屈光度，端視設計需求而定。無論第一透鏡組24另包含一個或多個第二透鏡30，第一透鏡28都設置在最靠近螢幕12的位置。本發明的第一透鏡28(平凹透鏡)位於第一透鏡組24的最外側，用以散逸第二透鏡組26傳遞到第一表面S1的入射光，有效避免第一透鏡28將來自第二透鏡組26的入射光循著原光路反射回第二透鏡組26而造成鬼影。

請參閱第3圖，第3圖為本發明另一實施例之投影鏡頭18之光路示意圖。本實施例的投影鏡頭18略去第二透鏡30，其它和前述實施例具有相同編號的元件具有同樣的結構與功能，故此不再重複說明。光源14之光線經由濾光單元20與反射元件22傳遞到成像單元16後，光線會通過第二透鏡組26進入第一透鏡組24的第一透鏡28。由於第一透鏡28的第一表面S1是平面或近似平面，可加大光線入射第一表面S1的入射角，使反射光線不會沿入射路徑的反射回第二透鏡組26及成像單元16，意即使反射光線遠離投影鏡頭18。相較於先前技術之投影鏡頭40，本發明之第一透鏡28(平凹透鏡) 可避免光線反射回投影鏡頭18。值得注意的是，在數位光學處理(DLP^TM )投影機中，光線不會沿著入射光路反射而照到關閉狀態(Off mode)的成像單元16(例如DMD)，避免產生如光斑或光環的鬼影；在液晶投影機中，光線不會沿入射光路反射而照到成像單元16(例如液晶面板)，避免區域出現非預期亮度。

傳統鏡頭的透鏡數量越少、或者兩透鏡組間距越大，越容易產生鬼影。值得一提的是，本發明的投影鏡頭18在少量透鏡的情況下，利用第一透鏡28的第一表面S1為實質平面(或近似平面)的特性減少從第一透鏡組24反射回第二透鏡組26的光線數量，可取得較佳消除鬼影/漏光的效果。舉例來說，投影鏡頭18的透鏡總數量為n，且7n4。另外，本發明的第二透鏡組26包含面向螢幕12的第三表面S3，投影鏡頭18的有效焦距為f，第二表面S2與第三表面S3的距離為d，且。本發明的投影鏡頭18在第一透鏡組24與第二透鏡組26相隔較遠的情況也能取得較佳消除鬼影/漏光的效果。

表1列舉了投影鏡頭18之各球面透鏡的較佳參數值。於表1中，「距離」之值係代表對應此列之表面至下一列之表面之間距，即此列鏡面與下一列鏡面之間距。在本發明實施例中，第二表面S2與第三表面S3的距離d為37.17013mm，投影鏡頭18的有效焦距f為21.9mm，符合前述的條件。其中，本發明之透鏡參數可不限於表1所示，端視設計需求而定，故此不再對其它實施態樣加以說明。

再者，本發明較佳使用非遠心系統的投影鏡頭18，其中第一透鏡組24的焦距為f1，並滿足的條件。非遠心系統的光源14的出瞳位置和投影鏡頭18的入瞳位置距離成像單元16有一小段距離，故不需使用場鏡或全反射鏡來轉折光路，可有效減少投影裝置10的光學元件數量來降低產品成本。表2指出本發明之較佳焦距值，例如投影鏡頭18的有效焦距f為21.9mm，第一透鏡組24的焦距f1為-51.29mm。若的比值低於下限，|f1|越小，第一透鏡組24的屈光能力越強，易產生像差。此外，的比值較小時，投影鏡頭18的透鏡數量較多，光線經過多片透鏡的折射難以循入射光路回到成像單元16，不適用於本發明利用平凹的第一透鏡28解決漏光/鬼影的實施態樣。若的比值高於上限，|f1|越大，第一透鏡組24的屈光能力越弱，則投影鏡頭18的放大倍率低，不符合消費者需求。

傳統鏡頭在透鏡組合中最鄰近物側的一端設置兩面凸凹的彎月型透鏡，其會在螢幕12上形成帶有成像單元16外型輪廓的鬼影(在數位光學投影機中)。本發明將兩面平凹或近似平凹的第一透鏡設置在第一透鏡組24最外側，可有效達到消除鬼影之目的。投影鏡頭18在螢幕12的影像完全看不出具成像單元16的外型輪廓的鬼影、或是出現非預期亮度。

第二透鏡組26可選擇性包含複數個透鏡，例如第三透鏡32、第四透鏡34、第五透鏡36及第六透鏡38，如第3圖所示。第三透鏡32、第四透鏡34及第六透鏡38具有正屈光度；第五透鏡36具有負屈光度。然第二透鏡組26之透鏡數量及其屈光特性可不限於此實施例所述，端視設計需求而定，凡可提供聚合光線功能的透鏡組合皆屬於第二透鏡組26的發明範疇，於此不再對具有相同或相近光路特性的其它實施例詳加說明。

綜合來說，本發明係在第一透鏡組最靠近螢幕的物側位置設置平凹透鏡。平凹透鏡的第一表面面向物側。第一表面可為平整表面、或微帶弧形的近似平面，只要第一表面的曲率半徑不小於500毫米，平凹形狀的第一透鏡就能將來自第二透鏡組的光線沿著不同於原入射光路的方向散逸，避免光線反射回到關閉狀態的成像單元，防止螢幕上出現非預期影像(如鬼影)。相較先前技術，本發明的投影鏡頭及相關投影裝置可應用在透鏡數量少且透鏡組間距大的光學系統，達到螢幕無鬼影之目的。

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。

10‧‧‧投影裝置

16‧‧‧成像單元

18‧‧‧投影鏡頭

24‧‧‧第一透鏡組

26‧‧‧第二透鏡組

28‧‧‧第一透鏡

32‧‧‧第三透鏡

34‧‧‧第四透鏡

36‧‧‧第五透鏡

38‧‧‧第六透鏡

Claims

一種投影鏡頭，包含有：一第一透鏡組，具有負屈光度且鄰近一物側，該第一透鏡組包含具有負屈光度的一第一透鏡，該第一透鏡包含相對的一第一表面與一第二表面，該第一表面面向該物側，且該第一表面之曲率半徑大於或等於500毫米；以及一第二透鏡組，具有正屈光度且鄰近一像側，該第二透鏡組包含面向該物側的一第三表面；其中，該投影鏡頭的有效焦距為f，該第二表面與該第三表面的距離為d，該投影鏡頭的透鏡總數量為n，且，7n4。
如請求項1所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡組的焦距為f1，且。
如請求項1所述之投影鏡頭，其中該第一表面之曲率半徑為無限大，且該第一透鏡為一平凹透鏡。
如請求項1所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡組另包含至少一第二透鏡，置於該第一透鏡與該第二透鏡組之間。
如請求項1所述之投影鏡頭，其中該投影鏡頭為一非遠心系統。
一種投影裝置，用來投射影像到一螢幕，該投影裝置包含有：一光源，提供一光線；一成像單元，接收該光線；以及一投影鏡頭，設置於該成像單元與該螢幕之間，用以投射該光線到該螢幕，該投影鏡頭包含：一第一透鏡組，具有負屈光度且鄰近該螢幕，該第一透鏡組包含具有負屈光度的一第一透鏡，該第一透鏡包含相對的一第一表面與一第二表面，該第一表面面向該螢幕，且該第一表面之曲率半徑大於或等於500毫米；以及一第二透鏡組，具有正屈光度且鄰近該成像單元，該第二透鏡組包含面向該螢幕的一第三表面；其中，該投影鏡頭的有效焦距為f，該第二表面與該第三表面的距離為d，該投影鏡頭的透鏡總數量為n，且，7n4。
如請求項6所述之投影裝置，其中該第一透鏡組的焦距為f1，且。
如請求項6所述之投影裝置，其中該第一表面之曲率半徑為無限大，且該第一透鏡為一平凹透鏡。
如請求項6所述之投影裝置，其中該第一透鏡組另包含至少一第二透鏡，置於該第一透鏡與該第二透鏡組之間。
如請求項6所述之投影裝置，其另包含：一濾光單元，接收該光源之該光線並將該光線濾光為複數色光；以及一反射元件，用以反射該複數色光；其中，該成像單元接收經該反射元件之該複數色光並傳遞至該投影鏡頭以投射到該螢幕。