廣角投影光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種投影光學(xué)系統(tǒng)，特別涉及一種廣角或超短焦投影光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 廣角投影鏡頭具有較大的視場(chǎng)或較短的有效焦距（Effective Focal Length， EFL)，因此相較于具有傳統(tǒng)投影鏡頭的投影顯示設(shè)備，具有廣角投影鏡頭的投影顯示設(shè)備 可在較短的距離內(nèi)投射出特定尺寸的影像畫面。
[0003] 目前，投影顯示設(shè)備與互動(dòng)式白板的整合系統(tǒng)已逐漸地成為教室、講堂或會(huì)議室 等室內(nèi)場(chǎng)所的有用工具，以提供教育、展示或娛樂等互動(dòng)式功能。圖IA為顯示傳統(tǒng)投影顯 示設(shè)備與互動(dòng)式白板的整合系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。如圖IA所示，當(dāng)配置前述的整合系統(tǒng)時(shí)， 投影顯示設(shè)備10通常設(shè)置于白板11的斜前上方。若使用傳統(tǒng)短焦的投影顯示設(shè)備10時(shí)， 其通常必須設(shè)置在距離白板11約1公尺的地方。然而，對(duì)于具有一般平均高度的使用者而 言，該使用者將無(wú)可避免地會(huì)在投影顯示設(shè)備10的光投射路徑上成為阻礙物，且該使用者 的眼睛將有被投影顯示裝置10所投射的光線傷害的潛在危險(xiǎn)。
[0004] 為避免前述情況發(fā)生，請(qǐng)參閱圖1B，其為傳統(tǒng)廣角投影顯示設(shè)備與互動(dòng)式白板的 整合系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。如圖IB所示，投影顯示設(shè)備10必須設(shè)置在較靠近白板11的位置， 但為達(dá)成如此短的投影距離，投影顯示設(shè)備10的投影鏡頭必須具有較大的全場(chǎng)角Θ或極 短的有效焦距。此外，若以具有廣角投影鏡頭的投影顯示設(shè)備10設(shè)置于白板11的上方，其 光通量（light flux)必須以非常陡峭的角度照射于白板11，如此將可能導(dǎo)致較大的影像 失真（distortion)。此外，投影鏡頭亦需有較大的偏軸（offset),以避免光直接打在投影 顯示設(shè)備的本體上，以及避免反射鏡體阻擋白板的上部區(qū)域。因此，投影顯示設(shè)備的廣角或 短焦投影鏡頭的設(shè)計(jì)便成為研發(fā)的重要課題。
[0005] 美國(guó)專利證號(hào)US7, 529, 032為廣角投影光學(xué)系統(tǒng)，請(qǐng)參閱圖1C，其為現(xiàn)有技術(shù)的 廣角投影光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。如圖IC所示，該技術(shù)使用兩個(gè)非球面塑膠透鏡、一個(gè)雙凹 透鏡以及一個(gè)具有負(fù)光焦度的非球面反射鏡。然而，此投影光學(xué)系統(tǒng)的反射鏡的尺寸會(huì)隨 投影距離的減少而大幅增大，不利于形成薄型化的投影顯示設(shè)備，且由于其無(wú)法完整包含 于投影光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)，因暴露于空氣中易有入塵情況產(chǎn)生。此外，該投影光學(xué)系統(tǒng)的最大場(chǎng)角 僅能達(dá)到55度而已，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，仍需要相當(dāng)長(zhǎng)的距離才能投射影像。
[0006] 美國(guó)專利證號(hào)US7, 048, 388揭露一廣角投影光學(xué)系統(tǒng)，請(qǐng)參閱圖1D，其為另一現(xiàn) 有技術(shù)的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。如圖ID所示，其為合并一平面鏡與一具有正光 焦度的非球面反射鏡。然而，為了獲得較佳品質(zhì)且較無(wú)扭曲的影像，廣角投影光學(xué)系統(tǒng)需采 用傾斜且偏軸（decentered)的光學(xué)元件排列，或是使用垂直與橫向放大率不同的非軸對(duì) 稱自由曲面（anamorphic polynomial free-form surface)光學(xué)兀件，這些在組裝或是制 備光學(xué)元件上都會(huì)增加復(fù)雜度。同時(shí)，因其需于反射路徑上額外成像兩次而易伴隨影像失 真及影像像差的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的主要目的為提供一種短焦的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)對(duì) 使用者安全上的風(fēng)險(xiǎn)，以及影像像差與影像失真等問題。
[0008] 本發(fā)明的另一目的為提供一種超短焦的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)，其具有較大的全場(chǎng)角 (Full field angle)，例如，大于70度的全場(chǎng)角，極短的有效焦距，可薄型化并降低影像像 差，影像不失真，且具有較1?的影像品質(zhì)。
[0009] 為達(dá)上述目的，本發(fā)明的一較廣實(shí)施態(tài)樣為提供一種廣角投影光學(xué)系統(tǒng)，于一物 件側(cè)及一影像側(cè)之間，包括：一第一光學(xué)系統(tǒng)，包括：一第一透鏡組，具有正曲光力并包括 一孔徑光欄，以提供與該物件側(cè)投射的光線相匹配的一光學(xué)特性并聚集該光線至該孔徑光 欄；以及一第二透鏡組，位于該孔徑光欄后并具有正曲光力；以及一第二光學(xué)系統(tǒng)，包括： 一曼金鏡（Mangin mirror)，相對(duì)于該第一透鏡組、該孔徑光欄及該第二透鏡組鄰近于該影 像側(cè)，且該第一透鏡組與該第二透鏡組共同形成一畸變實(shí)像于該曼金鏡前，該曼金鏡具有 一穿透面及一反射面，以使該光線經(jīng)二次折射及一次反射，以產(chǎn)生放大且不失真的一實(shí)像 于一屏幕上。
[0010] 為達(dá)上述目的，本發(fā)明的另一較廣實(shí)施態(tài)樣為提供一種廣角投影光學(xué)系統(tǒng)，自一 物件側(cè)至一影像側(cè)，依序包括：一第一光學(xué)系統(tǒng)，包括：一第一透鏡組，具有正曲光力并包 括一孔徑光欄，以提供與該物件側(cè)投射的光線相匹配的一光學(xué)特性并聚集該光線至該孔徑 光欄；以及一第二透鏡組，位于該孔徑光欄之后并具有正曲光力，其中該第二透鏡組的至少 一透鏡的兩相對(duì)側(cè)表面為非球面；以及一第二光學(xué)系統(tǒng)，包括：一正曲光折反射鏡，該第一 透鏡組與該第二透鏡組共同形成一畸變實(shí)像于該正曲光折反射鏡前，該正曲光折反射鏡具 有一穿透面及一反射面，以使該光線經(jīng)二次折射及一次反射，以產(chǎn)生放大且不失真的一實(shí) 像于一屏幕上；其中，該第一透鏡組、該第二透鏡組與該正曲光折反射鏡共用相同的一光 軸。又，上述實(shí)施態(tài)樣亦可無(wú)需使用非軸對(duì)稱自由曲面的光學(xué)元件即達(dá)到高畫質(zhì)低失真的 投影。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想，該第一透鏡組、該第二透鏡組及該曼金鏡系由該物件側(cè)至該 影像側(cè)依序排列。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的創(chuàng)作思想，該曼金鏡具有正曲光力。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明思維，該第一透鏡組、該第二透鏡組與該曼金鏡為共用相同的 一光軸。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，該光線系穿透該曼金鏡的該穿透面，并受該反射面反射再反 向穿透該穿透面。
[0015] 于一些實(shí)施例中，該第一透鏡組的每一透鏡為軸對(duì)稱的球面或非球面透鏡。
[0016] 于另一些實(shí)施例中，該第二透鏡組的至少一透鏡的兩相對(duì)側(cè)表面為非球面，且該 第二透鏡組的每一透鏡為軸對(duì)稱的透鏡。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖IA顯示傳統(tǒng)投影顯示設(shè)備與互動(dòng)式白板的整合系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。
[0018] 圖IB顯示傳統(tǒng)廣角投影顯示設(shè)備與互動(dòng)式白板的整合系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。
[0019] 圖IC為現(xiàn)有技術(shù)的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。
[0020] 圖ID為另一現(xiàn)有技術(shù)的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。
[0022] 圖3為本發(fā)明廣角投影光學(xué)系統(tǒng)的曼金鏡的細(xì)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖4顯示本發(fā)明的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)依據(jù)表一數(shù)值實(shí)施例于影像側(cè)的多色繞射 調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF)表現(xiàn)圖。
[0024] 圖5A及圖5B顯示本發(fā)明的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)依據(jù)表一數(shù)值實(shí)施例于影像側(cè)的格 狀畸變表現(xiàn)圖及畸變差曲線圖。
[0025] 圖6顯示本發(fā)明的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)依據(jù)表一數(shù)值實(shí)施例于影像側(cè)的橫向色差 表現(xiàn)圖。
[0026] 圖7為本發(fā)明另一較佳實(shí)施例的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。
[0027] 圖8顯示本發(fā)明的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)依據(jù)表三數(shù)值實(shí)施例于影像側(cè)的多色繞射 調(diào)制傳遞函數(shù)表現(xiàn)圖。
[0028] 圖9A及圖9B顯示本發(fā)明的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)依據(jù)表三數(shù)值實(shí)施例于影像側(cè)的格 狀畸變表現(xiàn)圖及畸變差曲線圖。
[0029] 圖10顯示本發(fā)明的廣角投影光學(xué)系統(tǒng)依據(jù)表三數(shù)值實(shí)施例于影像側(cè)的橫向色差 表現(xiàn)圖。
[0030] 其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下：
[0031] 10:投影顯示設(shè)備
[0032] 11:白板
[0033] 2 :廣角投影光學(xué)系統(tǒng)
[0034] 21 :第一光學(xué)系統(tǒng)
[0035] 211 :第一透鏡組
[0036] 212 :孔徑光欄
[0037] 213 :第二透鏡組
[0038] 22 :第二光學(xué)系統(tǒng)
[0039] 221 :曼金鏡
[0040] 2211 :穿透面
[0041] 2212:反射面
[0042] 3 :物件表面
[0043] 4 :廣角投影光學(xué)系統(tǒng)
[0044] 41 :第一光學(xué)系統(tǒng)
[0045] 411 :第一透鏡組
[0046] 412 :孔徑光欄
[0047] 413 :第二透鏡組
[0048] 42 :第二光學(xué)系統(tǒng)
[0049] 421:正曲光折反射鏡
[0050] 4211 :穿透面
[0051] 4212:反射面
[0052] Θ :全場(chǎng)角
[0053] I :光線
[0054] A :物件側(cè)
[0055] B :影像側(cè)
【具體實(shí)施方式】
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