CN101923205B - 广角投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种广角投影光学系统，从一对象侧至一影像侧，包括：第一透镜组，具有正屈光力，且构造为提供与对象侧投射的光线相匹配的光学特性；孔径光栏；第二透镜组，具有正屈光力，位于孔径光栏之后，且构造为聚集光线；第三透镜组，具有负屈光力，且构造为分散光线以广化全场角；以及反射镜，具有负光焦度，且相对于第一透镜组、第二透镜组及第三透镜组邻近于影像侧，以构造为广化全场角以及修正影像失真。其中，每一透镜组与反射镜共享相同的光轴，且该光轴相对于微型显示装置的中心轴偏移。因此，本发明的广角或短焦投影光学系统不只具有较大的全场角、极短的有效焦距，且可使投影显示装置薄型化，影像不失真，且具有较高的影像质量。

Description

广角投影光学系统

技术领域

本发明涉及一种投影光学系统，尤指一种广角或超短焦投影光学系统。

背景技术

投影显示设备是通过投影光学系统(或称投影镜头)将微型显示装置，例如高温液晶显示装置(High Temperature Liquid Crystal Display，HTLCD)、数字微镜显示装置(Digital Micro-mirror Display，DMD)、或硅液晶显示装置(Liquid Crystal On Silicon，LCoS)，产生的放大影像。广角投影镜头具有较大的视场或较短的有效焦距(Effective Focal Length，EFL)，因此相较于具有传统投影镜头的投影显示设备，具有广角投影镜头的投影显示设备可在较短的距离内投射出特定尺寸的影像画面。

目前，投影显示设备与交互式白板的整合系统已逐渐地成为教室、讲堂或会议室等室内场所的有用工具，以提供教育、展示或娱乐等交互式功能。图1A为传统投影显示设备与交互式白板的整合系统的构造示意图。如图1A所示，当配置前述的整合系统时，投影显示设备10通常设置于白板11的斜前上方。若使用传统短焦的投影显示设备10时，其通常必须设置在距离白板11约1公尺的地方。然而，对于具有一般平均高度的使用者而言，该使用者将无可避免地会在投影显示设备10的光投射路径上成为阻碍物，且该使用者的眼睛将有被投影显示装置10所投射的光线伤害的潜在危险。

为避免前述情况发生，如图1B所示，投影显示设备10必须设置在较靠近白板11的位置，但为达成如此短的投影距离，投影显示设备10的投影镜头必须具有较大的全场角θ或极短的有效焦距。此外，若以具有广角投影镜头的投影显示设备10设置于白板11的上方，其光通量(light flux)必须以非常陡峭的角度照射于白板11，如此将可能导致较大的影像失真(distortion)。此外，投影镜头亦需有较大的偏轴(offset)，以避免光直接打在投影显示设备的本体上，以及避免反射镜体阻挡白板的上部区域。因此，投影显示设备的广角或短焦投影镜头的设计便成为研发的重要课题。

美国专利证号US6,631,994与US6,994,437揭露一种透镜设计，其可合并具有负屈光力的透镜(negative lens)与具有负光焦度的非球面镜(negativeaspheric mirror)以达到较广的视场。于该技术中，具有适度负屈光力的透镜与具有负光焦度的非球面反射镜相配合，然而依此光学屈光力的构造，不易同时完成极广的全场角以及较高的影像质量。

美国专利证号US7,529,032揭露广角投影光学系统，该技术使用两个非球面塑料透镜、一个双凹透镜以及一个具有负光焦度的非球面反射镜。然而，此投影光学系统的总长度相当长，不利于形成薄型化的投影显示设备。此外，该投影光学系统的最大场角仅能达到55度而已，因此在实际应用时，仍需要相当长的距离才能投射影像。

美国专利证号US7,239,452揭露一广角投影光学系统，其使用非球面透镜以及反射镜。然而，一平面镜设置于具有负屈光力的透镜组与具有负光焦度的非球面镜之间。此类的光学路径布局较适用于背投影显示设备，但不适用于前投影显示设备。

美国专利证号US6,771,427揭露一广角投影光学系统，其合并一般具有负屈光力的球面透镜组以及一非球面反射镜于透镜布局的影像侧。然而，该广角投影光学系统由于使用一般的球面透镜，因此全场角较小，且需使用多个平面反射镜方能完成薄型化。

美国专利证号US7,048,388揭露一广角投影光学系统，其合并一平面镜与一具有正光焦度的非球面反射镜。然而，该广角投影光学系统将使投影显示设备变的很庞大，且不易应用于与白板的整合系统中。

美国专利证号US7,448,756揭露一种广角投影光学系统，其由串行排列的具有负屈光力的透镜与具有负光焦度的反射镜所组成。于该广角投影光学系统中，在光路径中将会形成一特定程度失真的中间实时影像，且该中间实时影像接着被其它的光学系统再成像于屏幕上。由于中间实时影像的形成，该技术的光学路径会较长且复杂，如此将不易形成紧密且薄型的投影显示设备。

发明内容

本发明的目的为提供一种广角或短焦投影光学系统，其具有大于±70度的全场角(Full Field Angle)。

本发明的另一目的为提供一种超广角或超短焦投影光学系统，其具有较大的全场角、极短的有效焦距，可薄型化，影像不失真，且具有较高的影像质量。

为达上述目的，本发明的一较佳实施形式为提供一种广角投影光学系统，从一对象侧至一影像侧，依序包括：第一透镜组，具有正屈光力，且构造为提供与对象侧投射的光线相匹配的光学特性；孔径光栏；第二透镜组，具有正屈光力，位于孔径光栏之后，且构造为聚集光线；第三透镜组，具有负屈光力，且构造为分散光线以广化全场角；以及反射镜，具有负光焦度，且相对于第一透镜组、第二透镜组及第二透镜组邻近于影像侧，以构造为广化全场角以及修正影像失真。其中，每一透镜组与反射镜共享相同的光轴，且该光轴相对于微型显示装置的中心轴偏移。

为达上述目的，本发明的另一较佳实施形式为提供一种广角投影光学系统，从一对象侧至一影像侧，依序包括：第一透镜组，具有正屈光力，其构造为提供与对象侧投射的光线相匹配的光学特性；孔径光栏；第二透镜组，具有正屈光力，位于孔径光栏之后，且构造为聚集光线；第三透镜组，具有负屈光力，且构造为分散光线以广化一全场角，其中第三透镜组包括至少三个凹凸透镜，且至少两个凹凸透镜的两相对侧表面皆为非球面；以及非球面反射镜，具有负光焦度，邻近于影像侧，以构造为广化全场角以及修正影像失真。

附图说明

图1A：为传统投影显示设备与交互式白板的整合系统的构造示意图。

图1B：为传统广角投影显示设备与交互式白板的整合系统的构造示意图。

图2：为一示范性反望远型构造的示意图。

图3：为本发明较佳实施例的广角投影光学系统的构造示意图。

图4：为本发明的广角投影光学系统依据表一数值实施例于影像侧的多色衍射调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)表现图。

图5：为本发明的广角投影光学系统依据表一数值实施例于影像侧的格状畸变表现图。

图6：为本发明的广角投影光学系统依据表一数值实施例于影像侧的横向色差表现图。

其中，附图标记说明如下：

10：投影显示设备

11：白板

2：广角投影光学系统

21：前透镜群

22：后透镜群

23：反射镜

221：第一透镜组

222：第二透镜组

222a：透镜

223：孔径光栏

211：第三透镜组

211a：第一凹凸透镜

211b：第二凹凸透镜

211c：第三凹凸透镜

3：对象表面

4：偏极化分光镜

θ：全场角

L：主光束

A：物件侧

B：影像侧

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的形式上具有各种的变化，然而其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图式在本质上用于说明，而并非用以限制本发明。

本发明的广角投影光学系统应用于投影显示设备，且构造为投射一微型显示装置(亦即对象侧)，例如数字微镜显示装置(DMD)、高温液晶显示装置(HTLCD)、硅液晶显示装置(LCoS)，的放大影像于屏幕(亦即影像侧)上。本发明的广角投影光学系统的透镜以反望远型(reversed telephoto or retro-focus)构造为较佳，此类型的光学构造提供较有效焦距(Effective Local Length，EFL)更长的背焦距(Back Focal Length，BFL)，且较长的背焦距提供照明装置、微型显示装置与投影光学系统的整合空间。

图2为一示范性反望远型构造的示意图。如图2所示，该构造从影像侧B至对象侧A，包括一具有负屈光力的前透镜群21以及一具有正屈光力的后透镜群22。后透镜群22提供适当的工作距离或背焦距(BFL)，同时，亦设定光学特性以符合照明光学。具有正屈光力的后透镜群22与具有负屈光力的前透镜群21亦共同实现像差(aberrations)修正，进而于屏幕上形成一较佳聚焦且未失真的影像。具有负屈光力的前透镜群21构造为对主光束L屈光进而提供所需的放大影像。反望远型透镜构造的有效焦距可依据下列方程式(1)取得：

EFL＝(Fa×BFL)/(Fa-D)                        (1)

其中，Fa为前透镜群的焦距；D为前透镜群与后透镜群之间的距离。

通过使用第一阶光束轨迹公式，可以发现主光束L全场角θ或全视场可依据下列方程式(2)取得：

Full Field Angle θ＝(h/BFL)×(1-D/Fa)       (2)

其中，h为微型显示装置的高度。

对投影显示设备而言，为了可以完全避免投射光照射于白板旁的写字者，则其全场角必需大于±70度。对具有0.65”16∶10高宽比的微型显示单元且透镜相对于微型显示装置偏轴120％的投影显示设备，投影光学系统的有效焦距为数毫米(millimeters)的级数。很明显地，由方程式(1)与(2)可知，为完成如此大的全场角，Fa需非常短，或前透镜群21需有极大的负屈光力。由于前透镜群21所需的负屈光力较大，后透镜群22的设计以及前透镜群21的透镜间的屈光力分配变的非常敏锐，才能完成高质量与低失真的影像。

请参阅图3，其为本发明较佳实施例的广角投影光学系统的构造示意图。如图2与图3所示，本发明的广角投影光学系统2，从对象侧A至影像侧B，包括具有正屈光力的后透镜群22、具有负屈光力的前透镜群21以及具有负光焦度的反射镜23，其中具有正屈光力的后透镜群22包括至少两个透镜组。后透镜群22的第一透镜组221设定适当工作空间以及瞳位(Pupil Position)，以配合照明光学系统。后透镜群22的第二透镜组222为低屈光力的凸透镜，其辅助非球型与散光像差(astigmatic aberration)的修正。于一些实施例中，广角投影光学系统2的第一透镜组221的有效焦距(EFL)为32mm，约为系统有效焦距的7至12倍。第二透镜组222的有效焦距为65mm的范围，且约为系统有效焦距的15至25倍。

于本实施例中，具有较大负屈光力的前透镜群21由例如三个凹凸透镜(或称新月透镜)所组成的群组所构成，以下称为第三透镜组211。第三透镜组211的每一个凹凸透镜的屈光力被周密地分配，使得主光束的折射逐渐地被完成，亦即将穿透第二透镜组222的主光束导向反射镜23。第三透镜组211的每一个凹凸透镜于相对于影像侧B的为一新月型凸表面。第三透镜组211的第一凹凸透镜211a可为一般具有球面的凹凸透镜或是具有非球面的凹凸透镜。第二凹凸透镜211b与第三凹凸透镜211c为具有非球面的凹凸透镜，亦即每一凹凸透镜的两个表面可为非球面。

具有负光焦度的反射镜23亦具有一非球面的轮廓，其主要功能为修正像差与失真，其亦具有改变光学路径的功能，如此可使得投影透镜，甚或投影显示设备的本体，可位于反射镜与屏幕间的空间中，以完成薄型整合的投影显示系统。

于一些实施例中，本发明的广角投影光学系统2的每一个透镜组221、222、211的透镜以及具有负光焦度的反射镜23共享同一光轴。此外，本发明的广角投影光学系统2的每一个透镜组221、222、211的透镜轮廓与具有负光焦度的反射镜23的轮廓，相对于该共享的光轴为环对称(circularsymmetric)。此外，该对称轴(亦即该光轴)相对于微型显示装置的中心轴偏移，藉此当影像投射至屏幕时可完成适当的偏轴。

请再参阅第三图，本发明的广角投影光学系统2应用于一投影显示设备，该投影显示设备更包括微型显示装置。其中，微型显示装置具有多个光阀，且每一光阀具有一对象表面3，亦即光阀的影像显示表面。该对象表面3构造为本发明的广角投影光学系统2影像形成的一对象侧。投影显示设备更可包括一偏极化分光镜4(Polarization Beam Splitter)，其构造为将光源提供的光束导引至对象侧，并使对象侧反射的光束通过且导向广角投影光学系统2。

广角投影光学系统2的第一透镜组221由多个折射型透镜所组成且具有正效屈光力(Positive Effective Optical Power)，以提供对象空间的倍率误差(telecentricity)且可聚集从微型显示装置发出而朝向孔径光栏223的光束。此外，孔径光栏223设置于第一透镜组221与第二透镜组222的间。

第二透镜组222可由至少一个具有正屈光力的透镜222a，例如凸透镜，组成，其位于孔径光栏223之后。第二透镜组222可进一步聚集光束。第三透镜组211由至少三个具有负屈光力的凹凸透镜211a、211b、211c所构成，且构造为分散光束以达到放大的效应。在第三透镜组211中，至少两个凹凸透镜211b、211c的前与后两相对表面可为非球面，以有效地完成像差与失真的修正。于一些实施例中，所述两个凹凸透镜211b、211c由塑料射出成型工艺所制成。透镜组的有效屈光力适当地分配于各透镜组件之间，以降低机械容差的敏感度。

具有负光焦度的反射镜23进一步地分散光束，且反射该光束至屏幕。反射镜23的轮廓亦可为非球面型态，以有效地修正影像像差与失真。

依据本发明的构想，本发明技术可依照表一所列数值具体实施。于表一中，“No.”代表从对象侧至影像侧的镜表面序号，主要包括所有透镜的两侧镜表面，以及其中“No.0”为对象表面1；“No.1”、“No.2”、“No.3”、“No.4”为偏极化分光镜4的所有镜表面；“No.15”为孔径光栏223的表面；以及“24”为反射镜23的镜表面。此外，“R”代表曲率半径(Radius of Curvature)，“D”代表轴向距离，“Nd”代表折射率(Refractive Index)，“vd”代表阿贝系数(Abbenumber)。第三透镜组211的第二凹凸透镜211b及第三凹凸透镜211c的前与后镜表面(请参考No.20、No.21、No.22及No.23)皆为非球面，以及反光镜23的镜表面(请参考No.24)亦为非球面，所述多个镜表面的非球面相关系数(C、A2、A4、A6、A8、A10)亦列于表二。非球面的形状则由下列式表示。据此，本发明的广角投影光学系统2可具有大于±70度的全场角。

$Z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{Cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2{r}^2}}+A^4{r}^4+A^6{r}^6+A^8{r}^8+A^{10}{r}^{10}+A^{12}{r}^{12}$

其中C＝1/R。

表一

No.	R	D	Nd	vd
					0	无限大	0.5
1	无限大	3	1.51	61.2
					2	无限大	2.5
3	无限大	20	1.52	64.1
					4	无限大	5
5	48.38458	8.22	1.5	81.5
					6	-46.68644	4.73
7	44.96219	2.43	1.79	26.3
					8	20.03234	7.57	1.5	81.5
9	-106.3374	0.2
					10	32.06727	4.4	1.5	81.5
11	276.2004	2
					12	41.61152	8.03	1.72	56.4
13	155.7021	7.11	1.5	81.5
					14	-96.46147	6.4
15	无限大	14.75
					16	91.89713	9	1.83	42.7
17	-120.2314	33.77
					18	-24.02027	2.24	1.5	81.5
19	-36.99214	34.3
					20	-28.54044	8	1.53	56
21	-31.05977	31.9
					22	-16.82069	7.2	1.53	56
23	-53.66645	51.3
					24	67.36121	-350	-1	0

表二

No.

C

A2

A4

A6

A8

A10

20

-0.2044134

-2.9998E-11

9.3004E-11

-2.4185E-12

1.3928E-14

21

-0.5563817

6.9421E-06

-5.7989E-10

-1.8292E-13

5.7473E-16

22

-2.077229

-3.4475E-06

3.7702E-09

-1.9928E-12

3.5095E-16

23

-0.4884189

2.1848E-07

-3.8273E-11

-8.5621E-15

6.0477E-18

24

-5.095365

-1.9417E-08

3.3877-13

3.1988E-18

-1.4407E22

图4为本发明的广角投影光学系统依据表一数值实施例于影像侧的多色衍射调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)表现图。图4所示的横坐标代表空间频率(spatial frequency(cycle/mm))，纵坐标代表调制传递函数比值，其中空间频率代表在1mm的宽度中正弦浓度变化反复的次数，纵坐标最大值1代表调制传递函数为100％。由图4所示的表现图可以了解，调制传递函数比值并无明显衰退，因此影像的锐利度、对比与辨识率良好，可得到良好的影像质量。图5为本发明的广角投影光学系统依据表一数值实施例于影像侧的格状畸变表现图。由图5所示的表现图可以了解，影像失真或畸变可得到良好的修正。图6为本发明的广角投影光学系统依据表一数值实施例于影像侧的横向色差表现图。由图6所示的表现图可以了解，影像色差亦可得到良好的修正。由先前附图可知，本发明的广角投影光学系统2不只可以具有较大的全场角，且不会导致严重的影像像差或失真，并且具有良好的光学特性以及良好的影像质量。

综上所述，本发明提供一种广角或短焦投影光学系统，其通过具有正屈光力的第一透镜组、具有正屈光力的第二透镜组、具有负屈光力的第三透镜组以及具有负光焦度的反射镜的构造达成广角化。本发明的广角或短焦投影光学系统不只具有较大的全场角，例如大于±70度、极短的有效焦距，且可使投影显示装置薄型化，影像不失真，且具有较高的影像质量。再则，本发明的广角投影光学系统可使其投影显示设备直接设置于白板或屏幕的正上方。

纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由熟悉本领域技术人员进行任意修饰，然而皆不脱离所附权利要求书所欲保护的范围。

Claims (11)

1.一种广角投影光学系统，从一对象侧至一影像侧，依序包括：

一第一透镜组，具有正屈光力，且构造为提供与该对象侧投射的光线相匹配的一光学特性；

一孔径光栏；

一第二透镜组，具有正屈光力，位于该孔径光栏之后，且构造为聚集该光线；

一第三透镜组，具有负屈光力，且构造为分散该光线以广化一全场角；以及

一反射镜，具有负光焦度，且相对于该第一透镜组、该第二透镜组及该第三透镜组邻近于该影像侧，以构造为广化该全场角以及修正影像失真；

其中，上述每一透镜组与该反射镜共享相同的一光轴，且该光轴相对于一微型显示装置的一中心轴偏移。

2.如权利要求1所述的广角投影光学系统，其中该第一透镜组、该第二透镜组、该第三透镜组由该对象侧至该影像侧依序排列。

3.如权利要求1所述的广角投影光学系统，其中该第三透镜组由至少三个凹凸透镜所组成，且每一凹凸透镜于相对于该影像侧为一新月型凸表面。

4.如权利要求3所述的广角投影光学系统，其中该第三透镜组的至少两个所述凹凸透镜的两相对侧表面皆为非球面。

5.如权利要求3所述的广角投影光学系统，其中该第三透镜组的至少两个所述凹凸透镜由一塑料射出成型工艺所制成。

6.如权利要求3所述的广角投影光学系统，其中该第三透镜组，从该对象侧至该影像侧，包括一第一凹凸透镜、一第二凹凸透镜及一第三凹凸透镜，且该第一凹凸透镜为具有一球面的凹凸透镜或具有一非球面的凹凸透镜，该第二凹凸透镜与该第三凹凸透镜为两侧表面皆为一非球面的凹凸透镜。

7.如权利要求1所述的广角投影光学系统，其中该第二透镜组为凸透镜。

8.如权利要求1所述的广角投影光学系统，其中该反射镜为具有一非球面的反射镜。

9.如权利要求1所述的广角投影光学系统，其中该全场角大于±70度。

10.一种广角投影光学系统，从一对象侧至一影像侧，依序包括：

一第一透镜组，具有正屈光力，其构造为提供与该对象侧投射的光线相匹配的一光学特性；

一孔径光栏；

一第二透镜组，具有正屈光力，位于该孔径光栏之后，且构造为聚集该光线；

一第三透镜组，具有负屈光力，且构造为分散该光线以广化一全场角，其中该第三透镜组包括至少三个凹凸透镜，且至少两个所述凹凸透镜的两相对侧表面皆为非球面；以及

一非球面反射镜，具有负光焦度，邻近于该影像侧，以构造为广化该全场角以及修正影像失真。

11.如权利要求10所述的广角投影光学系统，其中上述每一透镜组与该非球面反射镜共享相同的一光轴，且该光轴相对于一微型显示装置的一中心轴偏移。

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