TWI636292B - Projector and its projection lens - Google Patents

Abstract

一種投影機，其包括有一影像光源產生裝置以及一投影鏡頭，該影像光源產生裝置用以產生影像光束，該投影鏡頭包括有一中繼光學系統以及一投影光學系統，該中繼光學系統用以接收該影像光束，該投影光學系統包括有一第一透鏡以及一第二透鏡，該第一透鏡的表面設有一反射膜。藉此，該影像光源產生裝置所產生的影像光束，係穿透該第二透鏡後射入該第一透鏡，並由該反射膜反射後離開該第一透鏡，並再度穿透該第二透鏡後，自該投影鏡頭射出而投射至一成像面。

Description

投影機及其投影鏡頭

本發明係與光學投影裝置有關；特別是指一種降低鬼影形成的投影機及其投影鏡頭。

隨著視訊技術的進步、光電科技的快速發展，如投影機之投影顯示裝置越來越普及，其除了可應用於工作場合中的會議之外，還可應用於如家庭娛樂之家庭劇院的放映，而其用以將影像清晰地呈現在成像面上之投影鏡頭更是核心元件之一。

為能在小空間也能達到清晰投影之效果，投影機的投影鏡頭逐漸往短焦投影鏡頭之方向進行設計，但為使短距離也能具有良好投射效果，短焦鏡頭通常會使用數量較多且體積較大的透鏡來達到短焦同時又高光學功率之效果。

惟習用的投影機與投影鏡頭，不但體積龐大且重量重，無法符合小型化與輕量化之要求，為改善上述缺點，遂有業者研發一種背投式投影機，即是在內部利用反射鏡將投影機之影像光束反射以投射至成像面上，以求達到小型化與輕量化之目的。然而，習用的背投式投影機於投影時，其鏡片組之間時常會出現多次的反射而產生光環、光斑等，例如在反射鏡與透鏡之間，透鏡與透鏡之間容易產生多次的反射，以至於在其投影畫面上常會出現有位置、形狀不定之重疊影、鬼影等缺 陷，不僅有礙其投影畫面的美觀，更破壞了其投影畫面之構圖，造成使用者的困擾。

是以，如何降低或消除所出現的鬼影(ghost image)等瑕疵的產生，以提供高品質的投影畫面，是發明人所努力的方向之一。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種可有效改善鬼影問題的投影機及其投影鏡頭。

緣以達成上述目的，本發明提供的一種投影機，其包括有：一影像光源產生裝置，用以產生一影像光束；一投影鏡頭，用以接收該影像光束並投射至一成像面，該投影鏡頭包括一中繼光學系統以及一投影光學系統；該中繼光學系統位於該影像光源產生裝置以及該投影光學系統之間，用以接收該影像光束；該投影光學系統包括有一第一透鏡以及一第二透鏡，該第一透鏡具有相背對的一第一光學面以及一第二光學面，該第一光學面上設有一反射膜；該第二透鏡位於該第一透鏡以及該中繼光學系統之間，且該第二透鏡具有相背對的一第三光學面以及一第四光學面，該第四光學面面對該中繼光學系統；其中，當該中繼光學系統接收該影像光束後，該影像光束係自該第四光學面射入該第二透鏡，並由該第三光學面離開該第二透鏡，再由第二光學面射入該第一透鏡，並經由該反射膜反射後，自該第二光學面離開該第一透鏡，再由第三光學面射入該第二透鏡，再由該第四光學面離開該第二透鏡後，投射至該成像面。

緣以達成上述目的，本發明另提供一種投影鏡頭，用以接收一影像光束並投射至一成像面，其包括有：一中繼光學系統，用以接 收該影像光束；一投影光學系統，包括有一第一透鏡以及一第二透鏡，該第一透鏡具有相背對的一第一光學面以及一第二光學面，該第一光學面上設有一反射膜；該第二透鏡位於該第一透鏡以及該中繼光學系統之間，且該第二透鏡具有相背對的一第三光學面以及一第四光學面，該第四光學面面對該中繼光學系統；其中，當該中繼光學系統接收該影像光束後，該影像光束係自該第四光學面射入該第二透鏡，並由該第三光學面離開該第二透鏡，再由第二光學面射入該第一透鏡，並經由該反射膜反射後，自該第二光學面離開該第一透鏡，再由第三光學面射入該第二透鏡，再由該第四光學面離開該第二透鏡後，投射至該成像面。

本發明之效果在於，該影像光束穿透該第二透鏡後，係自第一透鏡的第二光學面射入，並經由該反射膜反射再次由第一透鏡的第二光學面射出，並再次穿透該第二透鏡後，投射至成像面上。藉此，可使得影像光束重複通過投影光學系統，達到二次光學效果之光學設計，從而可有效縮小投影機、投影鏡頭的體積，並兼具有高光學校能。此外，該影像光束並不穿透該第一透鏡的第一光學面，而是經由該第一光學面上的反射膜反射後，自該第一透鏡的第二光學面離開並再度穿透該第二透鏡，透過上述設計，可降低影像光束在鏡片間產生不必要之多次反射的機會，從而可降低鬼影的產生，提升投影畫面的品質。

〔本發明〕

100‧‧‧投影機

10‧‧‧影像光源產生裝置

20‧‧‧投影鏡頭

22‧‧‧中繼光學系統

24‧‧‧投影光學系統

26‧‧‧反射膜

A‧‧‧光圈

VA‧‧‧虛擬光圈

D‧‧‧主光線角度

F‧‧‧稜鏡

L1‧‧‧第一透鏡

L2‧‧‧第二透鏡

L3‧‧‧第三透鏡

L4~L12‧‧‧透鏡

S1‧‧‧第一光學面

S2‧‧‧第二光學面

S3‧‧‧第三光學面

S4‧‧‧第四光學面

P‧‧‧影像光束

圖1為本發明一實施例之投影機的架構圖。

圖2為上述實施例之投影鏡頭的架構圖。

圖3為圖2的局部放大圖，揭露虛擬光圈的位置。

圖4為圖2的局部放大圖，揭露投影鏡頭的主光線角度。

為能更清楚地說明本發明，茲舉一實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖1及圖2所示，為本發明一實施例之投影機100，其包括有一影像光源產生裝置10以及一投影鏡頭20。

該影像光源產生裝置10用以讀取一影像來源之影像資訊，且具有1片稜鏡F，並依據讀取的影像資訊產生對應之一通過該稜鏡F的影像光束P。該投影鏡頭20用以接收該影像光束P且經過預定效果之光學處理後投射至一成像面，例如可將影像光束P投射至一投影幕(projection screen)上，以在投影幕(相當於成像面)上形成一投影畫面。另外，於其他實際實施上，依據不同光學系統的應用，並不以設置有該稜鏡F為限，舉例而言，於一實施例中，所述的影像光源產生裝置10亦可不設置有稜鏡，而依據所讀取的影像資訊產生一影像光束P後直接射向投影鏡頭，而不以上述說明為限。

該投影鏡頭20包括有自接近該影像光源產生裝置10一側至遠離影像光源產生裝置10一側依序排列的一中繼光學系統22以及一投影光學系統24。

該中繼光學系統22主要由多個透鏡所組成，例如在本實施例中，該中繼光學系統22包括有10片透鏡，包括第三透鏡L3以及其他透鏡L4~L12，其中，第三透鏡L3以及透鏡L5~L6、L8、L11~L12為單層透鏡，透鏡L4、L7、L9、L10為複合透鏡，所述的複合透鏡可由兩片或兩片以上之透鏡膠合而成，但不以此為限，且在透鏡L7與透鏡L8之間設置 有一光圈A。該中繼光學系統22用以接收該影像光束P，並依據所設計之光學效果傳導該影像光束P，例如可設計有如校正或補償其本身或所引入之色差或是如球差、彗差、像散、場曲、畸變等像差，或是進行光線路徑調整，如進行調焦、變焦等的光學設計等，但不以此為限。此外，於其他應用上，亦可根據不同的光學設計或特性的要求，對中繼光學系統22的透鏡數、鏡片形狀等進行調整或改變。

該投影光學系統24主要包括有一第一透鏡L1以及一第二透鏡L2。該第一透鏡L1具有一第一光學面S1以及一第二光學面S2，且該第一光學面S1上設置有一反射膜26，例如，於一實施例中，可於該第一光學面S1上鍍上如銀或鋁等金屬膜，以構成該反射膜26，但不此為限，於其他應用上，亦可採用其他材質的反射膜，舉例而言，亦可使用介電質膜以構成該反射膜，例如使用陶瓷介電質鍍膜(Ceramic Dielectric Coating)，而不以上述的金屬膜為限。該第二透鏡L2位於該第一透鏡L1以及該中繼光學系統22之間，且該第二透鏡L2具有相背對的一第三光學面S3以及一第四光學面S4，該第四光學面S4面對該中繼光學系統22。

於本實施例中，該第一透鏡L1與該第二透鏡L2皆為彎月形透鏡，該第一透鏡L1的該第一光學面S1為凸面，該第二光學面S2為凹面，該第二透鏡L2的該第三光學面S3為凹面，該第四光學面S4為凸面，該第三光學面S3與該第二光學面S2相面對。此外，請一併配合圖3所示，於第一透鏡L1與第二透鏡L2之間係形成有一虛擬光圈VA，用以對光束進行收斂，此外，該虛擬光圈VA的位置並不以與光軸相垂直為限，亦可與光軸之間形成一預定的傾斜角。

此外，所述第一透鏡L1的材質係可選用但不限於塑膠或玻璃，較佳者，於本實施例中，該第一透鏡L1係由玻璃材質製成，藉以可採取較高溫的光學鍍膜製程，而可構成層數多且反射效率好的反射膜。

此外，該第二透鏡L2的鏡徑(diameter)係大於等於該中繼光學系統22中最大透鏡之鏡徑，亦即，該中繼光學系統22中最大鏡徑之透鏡的鏡徑不大於該第二透鏡L2的鏡徑。例如，於本實施例當中，該中繼光學系統22中最大鏡徑之透鏡為第三透鏡L3，且該第三透鏡L3為該中繼光學系統22中最靠近該第二透鏡L2的透鏡，該第三透鏡L3的鏡徑為D3，該第二透鏡L2的鏡徑為D2，其滿足以下條件：0.3≦D3/D2≦1.0。較佳者，該第三透鏡L3的鏡徑與第二透鏡L2之鏡徑的比值(D3/D2)約為0.8。

此外，請一併配合圖4所示，該投影鏡頭20的主光線角度(chief ray angle,CRA)不大於40度，較佳者，於本實施例當中，該投影鏡頭20的主光線角度D係不大於26度。藉此，透過本發明之投影鏡頭的設計，可有效降低主光線角度，提升通過有效光學區域的光線量，除此之外，還可使用較小的投影光學系統24之鏡片大小即可將該中繼光學系統22所傳遞的影像光束接入，從而有利於鏡頭的小型化與輕量化之設計。

藉此，請配合圖1及圖2所示，當該影像光源產生裝置10產生影像光束P時，該影像光束P進入該投影鏡頭20時，係先通過該中繼光學系統22，並自第四光學面S4射入該第二透鏡L2，並由該第三光學面S3離開該第二透鏡L2，再由第二光學面S2射入該第一透鏡L1，並且經由該反射膜26反射後，自該第一透鏡L1的第二光學面S2離開該第一透鏡L1，再由該第三光學面S3射入該第二透鏡L2，再由該第四光學面S4離 開該第二透鏡L2後，投射至成像面(圖未示)，例如投射至一投影幕，以形成投影畫面。

是以，透過上述設計，影像光束P係重複通過該第二透鏡L2以及該第一透鏡L1而可達到二次光學效果，因此，即使縮小鏡片的大小與體積仍可有有效地達到高光學效能的設計，並可達到短焦以及小型化的效果。

除此之外，透過該影像光束P不穿出該第一透鏡L1之第一光學面S1，而是由設置於該第一光學面S1上的反射膜26對該影像光束P進行反射，以使得該影像光束P再度由第二光學面S2離開該第一透鏡L1的設計，可減少影像光束P品質的損失，以及降低影像光束P產生多餘、不必要之反射的機會，從而可降低或消除如鬼影、炫光等瑕疵，提升成像品質。

此外，在所述第一透鏡L1的鏡面設計上，係可在其第二光學面S2設置有至少一反曲點，用以更進一步降低如鬼影等瑕疵產生在投影幕上問題。其中，所述的反曲點的設置位置，係可設置於該第一透鏡L1之第二光學面S2靠近第一透鏡L1的邊緣處，例如，於本實施例中，於第一透鏡L1之第二光學面S2由透鏡邊緣起算往透鏡中心約1/3位置處係設置有一反曲點，藉以進行對影像光束之光路調節，如調整影像光束射向投影幕的角度，特別是對通過第二光學面S2中該反曲點至透鏡邊緣之間的區域的影像光束進行調節，以降低在投影幕上產生如鬼影等瑕疵的機會。

值得一提的是，於其他應用上，上述投影光學系統24中不排除另外設置有一個或多個其他透鏡於第一透鏡L1、第二透鏡L2之間，而不以上述說明為限。但較佳者，於本實施例當中，該投影光學系統24 係只設置有該第一透鏡L1與該第二透鏡L2，如此一來，除了可降低該投影光學系統24的透鏡數量，以降低其成本之外，基於透鏡數量的減少，更可減少透鏡之間產生不必要之光線反射的機會，尤其省去了反射鏡的設置，還可免除反射鏡與透鏡之間產生光線反射的可能性，從而可降低鬼影發生的機會，提高成像品質。

再一提的是，藉由本實施例之投影鏡頭的設計，該影像光束P是由第二透鏡L2的下半部入射至該投影光學系統24中，於後，再由第二透鏡L2的上半部離開該投影光學系統24而投射至成像面，如此一來，經反射膜26反射前的光學路徑與經反射膜26反射後的光學路徑部互相交錯，而可有效避免光學干涉，以提升投影成像品質。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，於本實施例當中，投影機100以及投影鏡頭20的光學架構係採取遠心系統(telecentric system)的設計，但於其他應用上，並不以此為限，於一實施例中，亦可採用非遠心系統(non-telecentric system)的設計。舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

Claims (12)

1. 一種投影機，其包括有：一影像光源產生裝置，用以產生一影像光束；一投影鏡頭，用以接收該影像光束並投射至一成像面，該投影鏡頭包括一中繼光學系統以及一投影光學系統；該中繼光學系統位於該影像光源產生裝置以及該投影光學系統之間，用以接收該影像光束；該投影光學系統包括有一第一透鏡以及一第二透鏡，該第一透鏡具有相背對的一第一光學面以及一第二光學面，該第一光學面上設有一反射膜；該第二透鏡位於該第一透鏡以及該中繼光學系統之間，且該第二透鏡具有相背對的一第三光學面以及一第四光學面，該第四光學面面對該中繼光學系統；其中，當該中繼光學系統接收該影像光束後，該影像光束係自該第四光學面射入該第二透鏡，並由該第三光學面離開該第二透鏡，再由第二光學面射入該第一透鏡，並經由該反射膜反射後，自該第二光學面離開該第一透鏡，再由該第三光學面射入該第二透鏡，再由該第四光學面離開該第二透鏡後，投射至該成像面；其中該中繼光學系統中最大鏡徑之透鏡的鏡徑不大於該第二透鏡的鏡徑。
2. 如請求項1所述之投影機，其中該投影鏡頭的主光線角度不大於40度。
3. 如請求項1所述之投影機，其中該中繼光學系統中最大鏡徑之透鏡的鏡徑為D3，該第二透鏡之鏡徑為D2，其滿足以下條件：0.3≦D3/D2≦1.0。
4. 如請求項1所述之投影機，其中該第一透鏡與該第二透鏡皆為彎月形透鏡，該第一透鏡的該第二光學面為凹面，該第二透鏡的該第三光學面為凹面，該第二光學面與該第三光學面相面對。
5. 如請求項1所述之投影機，其中該第一透鏡的該第二光學面具有至少一反曲點。
6. 一種投影機，其包括有：一影像光源產生裝置，用以產生一影像光束；一投影鏡頭，用以接收該影像光束並投射至一成像面，該投影鏡頭包括一中繼光學系統以及一投影光學系統；該中繼光學系統位於該影像光源產生裝置以及該投影光學系統之間，用以接收該影像光束；該投影光學系統包括有一第一透鏡以及一第二透鏡，該第一透鏡具有相背對的一第一光學面以及一第二光學面，該第一光學面上設有一反射膜；該第二透鏡位於該第一透鏡以及該中繼光學系統之間，且該第二透鏡具有相背對的一第三光學面以及一第四光學面，該第四光學面面對該中繼光學系統；其中，當該中繼光學系統接收該影像光束後，該影像光束係自該第四光學面射入該第二透鏡，並由該第三光學面離開該第二透鏡，再由第二光學面射入該第一透鏡，並經由該反射膜反射後，自該第二光學面離開該第一透鏡，再由該第三光學面射入該第二透鏡，再由該第四光學面離開該第二透鏡後，投射至該成像面；其中該中繼光學系統具有最靠近該第二透鏡的一第三透鏡，該第三透鏡之鏡徑為D3，該第二透鏡之鏡徑為D2，其滿足以下條件：0.3≦D3/D2≦1.0。
7. 一種投影鏡頭，用以接收一影像光束並投射至一成像面，其包括有：一中繼光學系統，用以接收該影像光束；一投影光學系統，包括有一第一透鏡以及一第二透鏡，該第一透鏡具有相背對的一第一光學面以及一第二光學面，該第一光學面上設有一反射膜；該第二透鏡位於該第一透鏡以及該中繼光學系統之間，且該第二透鏡具有相背對的一第三光學面以及一第四光學面，該第四光學面面對該中繼光學系統；其中，當該中繼光學系統接收該影像光束後，該影像光束係自該第四光學面射入該第二透鏡，並由該第三光學面離開該第二透鏡，再由第二光學面射入該第一透鏡，並經由該反射膜反射後，自該第二光學面離開該第一透鏡，再由第三光學面射入該第二透鏡，再由該第四光學面離開該第二透鏡後，投射至該成像面；其中該中繼光學系統中最大鏡徑之透鏡的鏡徑不大於該第二透鏡的鏡徑。
8. 如請求項7所述之投影鏡頭，其中該投影鏡頭的主光線角度不大於40度。
9. 如請求項7所述之投影鏡頭，其中該中繼光學系統中最大鏡徑之透鏡的鏡徑為D3，該第二透鏡之鏡徑為D2，其滿足以下條件：0.3≦D3/D2≦1.0。
10. 如請求項7所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡與該第二透鏡皆為彎月形透鏡，該第一透鏡的該第二光學面為凹面，該第二透鏡的該第三光學面為凹面，該第二光學面與該第三光學面相面對。
11. 如請求項7所述之投影鏡頭，其中該第一透鏡的該第二光學面具有至少一反曲點。
12. 一種投影鏡頭，用以接收一影像光束並投射至一成像面，其包括有：一中繼光學系統，用以接收該影像光束；一投影光學系統，包括有一第一透鏡以及一第二透鏡，該第一透鏡具有相背對的一第一光學面以及一第二光學面，該第一光學面上設有一反射膜；該第二透鏡位於該第一透鏡以及該中繼光學系統之間，且該第二透鏡具有相背對的一第三光學面以及一第四光學面，該第四光學面面對該中繼光學系統；其中，當該中繼光學系統接收該影像光束後，該影像光束係自該第四光學面射入該第二透鏡，並由該第三光學面離開該第二透鏡，再由第二光學面射入該第一透鏡，並經由該反射膜反射後，自該第二光學面離開該第一透鏡，再由第三光學面射入該第二透鏡，再由該第四光學面離開該第二透鏡後，投射至該成像面；其中該中繼光學系統具有最靠近該第二透鏡的一第三透鏡，該第三透鏡之鏡徑為D3，該第二透鏡之鏡徑為D2，其滿足以下條件：0.3≦D3/D2≦1.0。