TWI544274B - 投影裝置 - Google Patents

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TWI544274B TW103114235A TW103114235A TWI544274B TW I544274 B TWI544274 B TW I544274B TW 103114235 A TW103114235 A TW 103114235A TW 103114235 A TW103114235 A TW 103114235A TW I544274 B TWI544274 B TW I544274B
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Description

投影裝置
本發明係提供一種投影裝置，尤指一種具有短焦投影鏡頭的投影裝置。
隨著科技的進步，投影機常用來在會議簡報中展示影像資料。為了配合會議室的場地大小，超短焦的投影鏡頭以其便於攜帶及調焦便利之優點逐漸成為市場主流。傳統投影鏡頭是利用二次成像技術來達到短焦效果，然而其成本昂貴，故如何設計出一種成本便宜且具量產優勢的短焦投影鏡頭，便為相關光學鏡頭產業的發展目標之一。
本發明係提供一種具有短焦投影鏡頭的投影裝置，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裝置，用來投射影像到一螢幕，該投影裝置包含有一光源、一成像單元以及一投影鏡頭。該光源與該成像單元分別提供與接收光線。該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以及一第二透鏡組。該第一透鏡組鄰近該螢幕。該第一透鏡組包含具有負屈光度的一第一透鏡、一第二透鏡與一第三透鏡。該第一透鏡為鄰近該螢幕的一非球面透鏡，且該第二透鏡位於該第一透鏡與該第三透鏡之間。該第二透鏡組具有正屈光度且鄰近該成像單元。該投影鏡頭的有效焦距為f，該第一透鏡組的焦距為 fG1，該第一透鏡的焦距為fL1，該第二透鏡的焦距為fL2，該第三透鏡的焦距為fL3，且，>。
本發明設計一款非遠心系統的投影鏡頭，以非球面透鏡作為投影鏡頭的第一透鏡。本發明利用非球面透鏡修正成像畸變、色差等光學像差，不但可以有效提高投影裝置的成像品質，更能大幅降低投影鏡頭的透鏡數量，以滿足產品的價格及量產優勢。
10‧‧‧投影裝置
12‧‧‧螢幕
14‧‧‧光源
16‧‧‧成像單元
18‧‧‧投影鏡頭
20‧‧‧濾光單元
22‧‧‧反射元件
24‧‧‧第一透鏡組
26‧‧‧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‧‧‧第三透鏡組
40‧‧‧第六透鏡
42‧‧‧第七透鏡
44‧‧‧第八透鏡
46‧‧‧第九透鏡
S1‧‧‧第一表面
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
S8‧‧‧第八表面
S9‧‧‧第九表面
S10‧‧‧第十表面
S11‧‧‧第十一表面
S12‧‧‧第十二表面
S13‧‧‧第十三表面
S14‧‧‧第十四表面
S15‧‧‧第十五表面
S16‧‧‧第十六表面
S17‧‧‧第十七表面
S18‧‧‧第十八表面
S19‧‧‧第十九表面
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圖至第7圖為本發明實施例之投影鏡頭在不同第一透鏡組之配置示意圖。
第8圖為本發明實施例之投影鏡頭的各透鏡像差模擬圖。
第9圖為本發明實施例之投影鏡頭的像場彎曲及成像畸變模擬圖。
第10圖為本發明實施例之投影鏡頭的橫向色差模擬圖。
第11圖為本發明實施例之投影鏡頭的調製轉換函數模擬圖。
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，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 (DLPTM)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、第二透鏡30與第三透鏡32。第一透鏡28是鄰近螢幕12(物側)的非球面透鏡，第二透鏡30位於第一透鏡28和第三透鏡32之間，且第一透鏡28與第二透鏡30可為彎月型透鏡。
為了兼顧投影鏡頭18的製作成本與結構設計，本發明將投影鏡頭18與第一透鏡組24的焦距比例限定在一特定數值範圍內。舉例來說，投影鏡頭18的有效焦距為f，第一透鏡組24的焦距為fG1，有效焦距f的數值通常為5.0mmf7.0mm，而有效焦距f與焦距fG1的比例較佳為。
請參閱第3圖至第7圖，第3圖至第7圖為固定有效焦距f、第二透鏡組26的焦距fG2、第三透鏡組38的焦距fG3之情況下，投影鏡頭18之第一透鏡組24具有不同的焦距fG1之配置示意圖。表1列舉數種實施態樣，投影鏡頭18的有效焦距f為6mm，第二透鏡組26和第三透鏡組38的焦距fG2、fG3分別為23.027mm及22.42mm，第一透鏡組24的焦距fG1變化範圍介於-4mm~-8mm；根據有效焦距f與焦距fG1的不同比例，可分析得知投影鏡頭18的總長度與後焦fbfl。
表1
如第3圖所示，若比例小於下限(例：fG1=-4mm)，投影鏡頭18的總長度較長，且後焦fbfl相應過短、易與投影裝置10其他元件干涉，會造成投影鏡頭18的設計與製作成本提高。如第7圖所示，若比例大於上限(例：fG1=-8mm)，投影鏡頭18的總長度較短，後焦fbfl則相應過長、需較多元件控制像差，不但會提高投影鏡頭18的設計與製作成本，且第一透鏡組24與第二透鏡組26配置過近易於調焦過程產生結構干涉而損壞。如第4圖至第6圖所示，比例符合的限制，投影鏡頭18的總長度與後焦fbfl可被控制在適當範圍內。其中，投影鏡頭18的後焦fbfl的範圍較佳為18mmfbfl 32mm。
此外，本發明進一步設計第三透鏡32具有較大的屈光力(refractive power)，例如：第一透鏡28的焦距為fL1，第二透鏡30的焦距為fL2，第三透鏡32的焦距為fL3，且。這樣一來，第一透鏡28與第二透鏡30不需形成較高的表面曲度，使得第一透鏡28和第二透鏡30容易生產，進而降低投影鏡頭18的整體成本。其中，第三透鏡32較佳可為雙凹透鏡。
第二透鏡組26還可包含第四透鏡34、第五透鏡36、第六透鏡40及第七透鏡42。第四透鏡34較佳為玻璃材質的非球面透鏡，以符合耐高溫 的實際需求。第五透鏡36設置在第四透鏡34與成像單元16之間。第五透鏡36較佳可為雙膠合透鏡(doublet lens)，如第2圖所示；或者也可替換為具有消色差功能的單片透鏡，其應用態樣端視設計需求而定，於此不再詳加敘明。投影鏡頭18另包含第三透鏡組38，設置在第一透鏡組24與第二透鏡組26之間。第三透鏡組38係為投影鏡頭18的調焦透鏡組。第三透鏡組38通常包含第八透鏡44及第九透鏡46，然其鏡片數量可不限於第2圖實施例所示。
在本發明實施例中，投影鏡頭18具有十片透鏡，其中包含兩片非球面透鏡(第一透鏡28及第四透鏡34)和八片球面透鏡(第二透鏡30、第三透鏡32、第五透鏡36、第六透鏡40、第七透鏡42、第八透鏡44及第九透鏡46，其中第五透鏡36為兩鏡片膠合而成的雙膠合透鏡)。表2列舉了投影鏡頭18之各透鏡的較佳參數值。於表2中，「距離」之值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。
在本發明的其它實施例中，投影鏡頭18也可設計由八片透鏡組成。其中第三透鏡組38可以僅包含第八透鏡44(意即第九透鏡46略去不用)，第二透鏡組26的第五透鏡36另由一個非球面透鏡(未示於圖中)取代。因此，本發明之投影鏡頭18的透鏡數量不少於八片，並因為投影鏡頭18的內部空間有限而至多不可超過十二片；換句話說，投影鏡頭18之透鏡數量較佳係介於8~12片之間。
請參閱第8圖至第11圖。第8圖為本發明實施例之投影鏡頭18的各透鏡像差(ray aberration)模擬圖。第9圖為本發明實施例之投影鏡頭18的像場彎曲(field curvature)及成像畸變(distortion)模擬圖。第10圖為本發明實施例之投影鏡頭18的橫向色差(lateral color)模擬圖。第11圖為本發明實施例之投影鏡頭18的調製轉換函數(modulation transfer function,MTF)模擬圖。第8(a)圖到第8(i)圖分別表示投影鏡頭18的第一透鏡~第九透鏡的光學像差模擬圖像。從上述圖式分析可知，本發明之投影鏡頭18有效調整了各鏡頭的色差、離焦，並在成像畸變、像場彎曲與橫向色差等方面取得良好的控制，根據調製轉換函數模擬圖可得知本發明的投影鏡頭18在反差對比度及銳利度都有極佳的表現。
傳統的短焦投影鏡頭在靠近畫面邊緣易有嚴重像差。本發明設計一款非遠心系統的投影鏡頭，以非球面透鏡作為投影鏡頭的第一透鏡。本發明利用非球面透鏡修正成像畸變、色差等光學像差，不但可以有效提高投影裝置的成像品質，更能大幅降低投影鏡頭的透鏡數量，以滿足產品的價格及量產優勢。
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。
18‧‧‧投影鏡頭
24‧‧‧第一透鏡組
26‧‧‧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‧‧‧第三透鏡組
40‧‧‧第六透鏡
42‧‧‧第七透鏡
44‧‧‧第八透鏡
46‧‧‧第九透鏡
S1‧‧‧第一表面
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
S8‧‧‧第八表面
S9‧‧‧第九表面
S10‧‧‧第十表面
S11‧‧‧第十一表面
S12‧‧‧第十二表面
S13‧‧‧第十三表面
S14‧‧‧第十四表面
S15‧‧‧第十五表面
S16‧‧‧第十六表面
S17‧‧‧第十七表面
S18‧‧‧第十八表面
S19‧‧‧第十九表面

Claims (8)

  1. 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，鄰近該螢幕，該第一通鏡組包含具有負屈光度的一第一透鏡、一第二透鏡與一第三透鏡，該第一透鏡為鄰近該螢幕的一非球面透鏡，該第二透鏡位於該第一透鏡與該第三透鏡之間；以及一第二透鏡組，具有正屈光度且鄰近該成像單元；其中，該投影鏡頭的有效焦距為f，該第一透鏡組的焦距為fG1，該第一透鏡的焦距為fL1，該第二透鏡的焦距為fL2，該第三透鏡的焦距為fL3，且，>。
  2. 如請求項1所述之投影裝置，其中該投影鏡頭另符合5.0mmf7.0mm之限制。
  3. 如請求項1所述之投影裝置，其中該投影鏡頭的後焦為fbfl，且18mmfbfl 32mm。
  4. 如請求項1所述之投影裝置，其中該投影鏡頭為一非遠心系統。
  5. 如請求項1所述之投影裝置，其中該第三透鏡為一雙凹透鏡。
  6. 如請求項1所述之投影裝置，其中該第二透鏡組包含一第四透鏡以及一第五透鏡，該第四透鏡為玻璃材質的非球面透鏡，該第五透鏡為位於該第四透鏡與該成像單元之間的膠合透鏡。
  7. 如請求項1所述之投影裝置，其中該投影鏡頭另包含一第三透鏡組，設置於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間，該第三透鏡組係為該投影鏡頭之調焦透鏡組。
  8. 如請求項7所述之投影裝置，其中該投影鏡頭之透鏡數量介於8~12片之間。
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