TWI506353B - 投影螢幕與應用其之投影系統 - Google Patents

Description

投影螢幕與應用其之投影系統

本發明是有關於一種投影螢幕。

目前搭配於鏡頭出瞳掃描方式以產生立體影像之投影螢幕多為穿透式。請參照第7圖，其為習知之穿透式投影螢幕的示意圖。此穿透式投影螢幕一般說由聚光透鏡(Fresnel Lens)910、雙柱狀透鏡(Double Lenticular Lens)920、930與擴散片940所組成。聚光透鏡910將投影機(未繪示)所發出之擴散光導成平行光後由柱狀透鏡920將投影機出瞳成像至擴散片940，柱狀透鏡930又將擴散片940上之像成像至不同視域。此種方式所面臨之問題為聚光透鏡910本身在折光時因色相差(Chromatic Aberration)而使得不同色光(如：紅藍綠)折射到不同位置，無法呈現在正確的視角上。對於柱狀透鏡920之成像系統，為維持一定成像品質，光圈值(F number)勢必較大，後焦也因此變大，對螢幕厚度造成不利影響。另外，聚光透鏡910是由許多微小的面構成之薄透鏡，此特徵容易與柱狀透鏡920、930產生疊紋。擴散片940會降低成像品質，使得視角串擾(Crosstalk)變嚴重。而且擴散片940重複視域之結果導致在螢幕上無可避免的出現視角反轉的區域。

本發明之一態樣提供一種投影螢幕，包含反射鏡與複數個複合透鏡。複合透鏡呈陣列排列於反射鏡之同一側。每一複合透鏡皆具有第一透鏡部與第二透鏡部。第一透鏡部設置在第二透鏡部與反射鏡之間。第一透鏡部相對反射鏡之表面具有第一曲率半徑，第二透鏡部相對反射鏡之表面具有第二曲率半徑。第一曲率半徑大於第二曲率半徑。

在一或多個實施方式中，反射鏡為曲面鏡，且複合透鏡組合成複數個複合透鏡單元，呈陣列沿著反射鏡排列。

在一或多個實施方式中，投影螢幕更包含複數個位移轉動機構，分別連接複合透鏡單元，以分別控制複合透鏡單元之位置與角度。

在一或多個實施方式中，投影螢幕更包含複數個黑色材料層，分別包覆複合透鏡單元之側壁。

在一或多個實施方式中，投影螢幕更包含複數個黑色材料層，分別置於反射鏡與複合透鏡之間。每一黑色材料層皆具有一開口，使得部分之反射鏡暴露於開口。

在一或多個實施方式中，反射鏡為球面鏡。

在一或多個實施方式中，投影螢幕更包含消色散透鏡，置於複合透鏡與反射鏡之間。

本發明之另一態樣提供一種投影系統，包含投影機與上述之投影螢幕。投影機用以提供複數個投影影像。投影影像自複合透鏡之第一透鏡部進入投影螢幕，被反射鏡反射後，自複合透鏡之第二透鏡部離開。

在一或多個實施方式中，每一投影影像皆具有複數個畫素。該些畫素之光束分別入射該些複合透鏡。

在一或多個實施方式中，投影影像正向入射複合透鏡。

藉由複合透鏡，投影機所提供的投影影像能夠被投射至不同視域並放大。而反射鏡與複合透鏡的組合能夠減薄投影螢幕整體的厚度，可有效節省元件成本、整體體積與安裝空間。另一方面，因第一透鏡部與第二透鏡部兼具橫向方向與縱向方向的放大效果，可不需再設置擴散片，因此能更進一步節省元件成本且減少投影螢幕整體的重量，且亦不會有擴散片所造成的視角串擾與視角反轉的問題。

100‧‧‧投影機
110‧‧‧出瞳中心
200‧‧‧投影螢幕
210‧‧‧反射鏡
220‧‧‧複合透鏡
220u‧‧‧複合透鏡單元
222‧‧‧第一透鏡部
223、225‧‧‧表面
224‧‧‧第二透鏡部
227‧‧‧側壁
230、260‧‧‧黑色材料層
232‧‧‧開口
240‧‧‧消色散透鏡
250‧‧‧位移轉動機構
910‧‧‧聚光透鏡
920、930‧‧‧柱狀透鏡
940‧‧‧擴散片
I‧‧‧投影影像
M‧‧‧區域
O‧‧‧光軸
P‧‧‧光束
R1‧‧‧第一曲率半徑
R2‧‧‧第二曲率半徑

第1圖為本發明一實施方式之投影系統的立體圖。
第2圖為第1圖之區域M的局部放大圖。
第3圖為第1圖之投影系統的局部上視圖。
第4圖為本發明另一實施方式之投影螢幕的剖面圖。
第5圖為本發明再一實施方式之投影系統的立體圖。
第6圖為第5圖之複合透鏡單元與轉動機構的立體圖。
第7圖為習知之穿透式投影螢幕的示意圖。

以下將以圖式揭露本發明的複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

請一併參照第1圖至第3圖，其中第1圖為本發明一實施方式之投影系統的立體圖，第2圖為第1圖之區域M的局部放大圖，第3圖為第1圖之投影系統的局部上視圖。投影系統包含投影機100與投影螢幕200。投影機100用以提供複數個投影影像I，在第3圖中，不同視域的投影影像I以不同虛線樣式表示，而為了清楚起見，第3圖僅繪示二視域之投影影像I，投影影像I之數目可視實際情況而定。投影螢幕200包含反射鏡210與複數個複合透鏡220。複合透鏡220呈陣列排列於反射鏡210之同一側。每一複合透鏡220皆具有第一透鏡部222與第二透鏡部224。第一透鏡部222設置在第二透鏡部224與反射鏡210之間。第一透鏡部222相對反射鏡210之表面223具有第一曲率半徑R1，第二透鏡部224相對反射鏡210之表面225具有第二曲率半徑R2。第一曲率半徑R1大於第二曲率半徑R2。也就是說，表面223彎曲的程度較表面225輕微。

在操作上，投影機100提供的投影影像I會自複合透鏡220之第一透鏡部222進入投影螢幕200，被反射鏡210反射後，自複合透鏡220之第二透鏡部224離開。對於單一複合透鏡220而言，部分之投影影像I會自表面223入射而產生折射且聚集。投影影像I接著被反射鏡210反射，聚焦且成像在表面223附近後，通過第二透鏡部224之表面225而離開，並產生折射且發散。而因第二曲率半徑R2小於第一曲率半徑R1，亦即第二透鏡部224發散投影影像I的程度比第一透鏡部222聚集投影影像I的程度高，因此在投影影像I經過投影螢幕200後，視域之間的間距會被放大，且影像本身亦能夠被放大。

本實施方式之投影螢幕200為反射式螢幕。藉由複合透鏡220，投影機100所提供的投影影像I能夠被投射至不同視域並放大。而反射鏡210與複合透鏡220的組合能夠減薄投影螢幕200整體的厚度，其厚度約為第一透鏡部222之一半焦距。比起傳統之穿透式投影螢幕，本實施方式之投影螢幕200具有較薄的厚度與較低的重量，可有效節省元件成本、整體體積與安裝空間。另一方面，因第一透鏡部222與第二透鏡部224不但可呈現橫向方向(即視域的排列方向)的放大效果，在縱向方向亦可達成放大效果。如此一來，即可不需再設置擴散片(其亦具有放大縱向方向影像的效果)，因此能更進一步節省元件成本且減少投影螢幕200整體的重量，且亦不會有擴散片所造成的視角串擾與視角反轉的問題。

請參照第1圖與第3圖。在本實施方式中，每一投影影像I皆具有複數個畫素，畫素之光束P分別入射複合透鏡220，亦即每一畫素皆對應至一複合透鏡220。在第3圖中，不同畫素之光束P以不同線粗表示，而為了清楚起見，第3圖僅繪示二畫素之光束P，畫素之數目可視實際情況而定。因每一畫素之光束P的行經方向都有些微不同，因此每一複合透鏡220即可分別根據不同的畫素作方向的調整，以將每一畫素之光束P投影至空間中合適的位置。

在一或多個實施方式中，投影影像I可正向入射複合透鏡220，換句話說，每一複合透鏡220皆正對投影機100的出瞳中心110。此處的正向入射指的是所有視域的投影影像I共同對稱於複合透鏡220之光軸O，也就是第一個視域與最後一個視域之投影影像I會對稱於光軸O。具體而言，可設計每一複合透鏡220面對投影機100的角度，使得投影影像I之畫素之光束P分別正向入射對應之複合透鏡220，如此一來可不需加入聚光透鏡(Fresnel Lens)，因此能更進一步節省元件成本且減少投影螢幕200整體的重量，投影影像I亦不會產生疊紋。另外，在傳統之穿透式投影螢幕中，因包含聚光透鏡，折射時會使得穿透不同區域之不同色光(如紅、綠與藍光)產生色相差(橫向色散)。然而在本實施方式中，每一畫素之光束P皆為正向入射複合透鏡220，因此可不需加入聚光透鏡，也就不會產生橫向色散。

在本實施方式中，反射鏡210可為曲面鏡，例如為球面鏡。具體而言，投影機100所提供的投影影像I大多為球面影像，因此為了讓投影影像I能夠正向入射複合透鏡220，反射鏡210可做成球面，而複合透鏡220則沿著反射鏡210的反射面排列，亦即投影螢幕200整體形成一球面。另外，因複合透鏡220沿著反射鏡210的反射面排列，因此可設計將複合透鏡220之光軸O垂直於反射鏡210之反射面，如此一來每一複合透鏡220的厚度可維持一致，以便簡化並統一化每一複合透鏡220的設計與製作。

請參照第2圖。在本實施方式中，第一透鏡部222與第二透鏡部224可一體成型，第二透鏡部224係凸出於第一透鏡部222之表面223，因此可由單一模具成型，從而簡化模具、生產及組裝。其中第一透鏡部222與第二透鏡部224皆為軸對稱，第一透鏡部222可為方柱狀，第二透鏡部224可為球狀。第二透鏡部224於表面223的正投影之面積可小於25%之表面223的面積，也就是說，即使有部分投影影像I(如第3圖所繪示)自第二透鏡部224入射投影螢幕200，其影響也不致太大。另外第二透鏡部224置於表面223的中央，更進一步地，第一透鏡部222與第二透鏡部224之光軸皆為複合透鏡220之光軸O(如第3圖所繪示)，以確保自第一透鏡部222入射複合透鏡220的投影影像I會集聚至第二透鏡部224，且自第二透鏡部224離開。

接著請參照第3圖。在一或多個實施方式中，投影螢幕200可更包含複數個黑色材料層230，分別置於反射鏡210與複合透鏡220之間。每一黑色材料層230皆具有一開口232，使得部分之反射鏡210暴露於開口232。詳細而言，承上所述，進入投影螢幕200的投影影像I會被第一透鏡部222所聚集，也就是說，投影影像I到達反射鏡210後之光點會縮小，例如縮小為約25%之表面223之面積。光點之位置可對應至開口232的位置，也就是每一開口232之面積為約25%之表面223之面積，然而本發明不以此為限。而投影影像I未打到的區域則佈上黑色材料層230，如此一來即可減少環境光的影響，增加整體影像的對比。

接著請參照第4圖，其為本發明另一實施方式之投影螢幕200的剖面圖，其剖面位置與第3圖相同。本實施方式與第3圖之實施方式的不同處在於消色散透鏡240的存在。在本實施方式中，投影螢幕200更包含消色散透鏡240，置於複合透鏡220與反射鏡210之間。消色散透鏡240能夠更進一步消除投影影像I之縱向色散。至於本實施方式與第3圖之實施方式的其他細節因相同，因此便不再贅述。

接著請一併參照第5圖與第6圖，其中第5圖為本發明再一實施方式之投影系統的立體圖，第6圖為第5圖之複合透鏡單元220u與位移轉動機構250的立體圖。而為了清楚表示，第5圖之複合透鏡單元220u的尺寸係以較誇張的方式呈現。在本實施方式中，複合透鏡220組合成複數個複合透鏡單元220u，呈陣列沿著反射鏡210之反射面排列。承上所述，若反射鏡210為曲面鏡，則複合透鏡220所形成的陣列亦為曲面狀。若以單一模具完成大型化之複合透鏡220陣列的製作，在良率上與成本上皆有待克服之處。因此在本實施方式中，可以同一模具製作複合透鏡單元220u(因每一複合透鏡220之厚度皆相同)，接著再一一將複合透鏡單元220u組裝至反射鏡210，如此一來即可簡化製作工序，亦能夠節省成本。另一方面，不同尺寸之投影螢幕200可以同一種複合透鏡單元220u組合而成，可不需重新開模，因此能夠簡化投影螢幕200的製程與降低成本。

在一或多個實施方式中，投影螢幕200可更包含複數個位移轉動機構250，分別連接複合透鏡單元220u，以分別控制複合透鏡單元220u之位置與角度。具體而言，如上所述，投影影像I係正向入射複合透鏡220，因此位移轉動機構250可分別調整與之連接的複合透鏡單元220u，使得位於不同位置的複合透鏡單元220u皆能夠針對其對應的部分投影影像I而轉動或位移，使得投影影像I能夠正向入射複合透鏡220。

接著請參照第6圖。在本實施方式中，投影螢幕200可更包含複數個黑色材料層260，分別包覆複合透鏡單元220u之側壁227。其中此處的側壁227指的是在複合透鏡單元220u中，投影影像I不會通過的該些面，亦即非表面223、225與面向反射鏡210之面的該些面。具體而言，因黑色材料層260可佈滿側壁227，因此可減少環境光對投影影像I的影響，以增加投影影像I的對比。至於本實施方式的其他細節因與第3圖的實施方式相同，因此便不再贅述。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

 

100‧‧‧投影機

110‧‧‧出瞳中心

200‧‧‧投影螢幕

210‧‧‧反射鏡

220‧‧‧複合透鏡

222‧‧‧第一透鏡部

223、225‧‧‧表面

224‧‧‧第二透鏡部

230‧‧‧黑色材料層

232‧‧‧開口

I‧‧‧投影影像

O‧‧‧光軸

P‧‧‧光束

R1‧‧‧第一曲率半徑

R2‧‧‧第二曲率半徑

Claims (10)

1. 一種投影螢幕，包含：
   一反射鏡；以及
   複數個複合透鏡，呈陣列排列於該反射鏡之同一側，每一該些複合透鏡皆具有一第一透鏡部與一第二透鏡部，該第一透鏡部設置在該第二透鏡部與該反射鏡之間，該第一透鏡部相對該反射鏡之一表面具有一第一曲率半徑，該第二透鏡部相對該反射鏡之一表面具有一第二曲率半徑，該第一曲率半徑大於該第二曲率半徑。
2. 如請求項1所述之投影螢幕，其中該反射鏡為一曲面鏡，且該些複合透鏡組合成複數個複合透鏡單元，呈陣列沿著該反射鏡排列。
3. 如請求項2所述之投影螢幕，更包含：
   複數個位移轉動機構，分別連接該些複合透鏡單元，以分別控制該些複合透鏡單元之位置與角度。
4. 如請求項2所述之投影螢幕，更包含：
   複數個黑色材料層，分別包覆該些複合透鏡單元之側壁。
5. 如請求項1所述之投影螢幕，更包含：
   複數個黑色材料層，分別置於該反射鏡與該些複合透鏡之間，每一該些黑色材料層皆具有一開口，使得部分之該反射鏡暴露於該開口。
6. 如請求項1所述之投影螢幕，其中該反射鏡為一球面鏡。
7. 如請求項1所述之投影螢幕，更包含：
   一消色散透鏡，置於該些複合透鏡與該反射鏡之間。
8. 一種投影系統，包含：
   一投影機，用以提供複數個投影影像；以及
   如請求項1所述之該投影螢幕，其中該些投影影像自該些複合透鏡之該第一透鏡部進入該投影螢幕，被該反射鏡反射後，自該些複合透鏡之該第二透鏡部離開。
9. 如請求項8所述之投影系統，其中每一該些投影影像皆具有複數個畫素，該些畫素之光束分別入射該些複合透鏡。
10. 如請求項8所述之投影系統，其中該些投影影像正向入射該些複合透鏡。