专利名称：减少投影相对扭曲率的投影镜头、光学投影装置及方法
技术领域：
本发明是关于一种光学投影装置，特别是关于一种减少投影相对扭曲率(distortion)的光学投影装置。
背景技术：
光学投影(optical projection)装置的投影成像，其中一重要决定因素即为投影距离比值。投影距离比值指投影成像组件的对角线长度与投影镜头(projection lens)至投影成像组件间距离的比值。举例而言，请参照图1a及图1b，在光学投影装置中具有投影成像组件即屏幕10及投影镜头14，投影距离比值即为屏幕10对角线距离12对于投影镜头14和屏幕10间距离16的比值。一般光学投影装置的投影距离16较大，如图1a中12对于图1b中16的比值可为3∶1，因此投影镜头14也据此比值加以设置。然而在某些特定光学投影装置中，如背投影电视(rear-projection TV，RPTV)或背投影式投影机(rear-projection projector)中，投影距离会变的比较小，如图1b中18所示，投影距离比值变成图1a中12对于图1b中20的比值，如6∶1或10∶1等。因此若仍采用根据原投影距离比值所设置的投影镜头，投影成像便会产生严重的扭曲(distortion)。
投影成像的扭曲会影响画面质量，并且降低光线的利用效率。投影成像的扭曲又可分为正向扭曲(positive distortion)及负向扭曲(negative distortion)，请参照图2a及图2b。图2a即说明正向扭曲的情形，即产生扭曲的实际投影成像大于无扭曲的理想投影成像，其中100代表理想的投影成像，虚线104表示产生扭曲的实际投影成像，因此最大可视投影成像即如102所示。图2b即说明负向扭曲的情形，即产生扭曲的实际投影成像小于无扭曲的理想投影成像，其中200代表理想的投影成像，虚线204表示产生扭曲的实际投影成像，因此最大可视投影成像即如202所示。由图2a及图2b可知，斜线所标示的部份均无法使用，造成浪费。
为改善前述投影成像产生扭曲的情形，现行作法是采取减少投影镜头的最大绝对扭曲率的方式。请参照图6a及图6b的扭曲率曲线。扭曲率曲线为投影镜头的投影成像的扭曲率及投影光场高度(field)的对应关系。光场高度是指规一化(normalize)后的物像高度，即以无扭曲的理想投影成像的中心点为准，且中心点的光场高度为0，理想投影成像中距该中心点最远的点的光场高度为1，理想投影中其余的点的光场高度则介于0与1之间。扭曲率则指在某光场高度下，投影镜头的实际成像对理想成像的距离比值。现行作法是设法减少相对应于最大光场高度以及其它光场高度的各该扭曲率，也就是将扭曲率曲线由D调整至D’。在光学镜头的设计上，镜头的扭曲率与聚焦、色差等其它光学表现通常具有互偿(trade-off)的现象，即若改善光学镜头的绝对扭曲率以使其降低，则该光学镜头的聚焦、色差等其它光学表现往往会变差。故此种减少投影镜头的各绝对扭曲率的做法，虽可改善投影成像产生扭曲的情形，却对光学镜头的其它光学表现造成负面的影响。
因此，如何改善投影镜头的设计，使其符合具特殊投影距离比值的光学投影装置，获得更佳的成像效果，且避免对其他光学表现造成过大的负面影响，实为光学投影系统的重要技术研发方向。
发明内容
有鉴于此，本发明利用扭曲率曲线以设计投影镜头，减少投影相对扭曲率，以获得更佳的成像效果。
为达成上述目的，本发明提出一种减少投影相对扭曲率的光学投影装置，包括光源、光控模块以及投影镜头，其中光源产生的光线经由光控模块的控制，再透过投影镜头以产生投影成像。光源是一产生光线的组件，例如一激光组件。光控模块为控制光源所产生光线的行进方向的装置，例如一数字微镜装置(digital micro-mirror device，简称DMD)。而此投影镜头包括至少一片镜片，该至少一片镜片可为非球面镜片，此投影镜头并符合特定扭曲率曲线。此特定扭曲率曲线的一光场高度区间内的扭曲率差异值，小于此区间的扭曲率曲线成一直线时的扭曲率差异值。在本发明中，投影镜头是根据扭曲率曲线，调整其镜片曲率、镜片材质、镜片厚度及镜片间距(当镜头包括二个或更多镜片时)至少其一所得。传统的电子补正模块(ElectronicCompensation Module)则可进一步用以校正本发明的投影镜头的投影成像，即设定电子补正模块，以将投影镜头的投影成像调整为无扭曲或扭曲现象被改善的投影成像。
再者，本发明提出一种减少投影相对扭曲率的光学投影方法，包括决定一特定扭曲率曲线；调整一投影镜头的设计参数，以使该投影镜头符合该特定扭曲率曲线；提供该投影镜头于光学投影装置中，以产生一实际投影成像；选取实际投影成像内部的一最大矩形，以作为一可视投影成像。投影镜头包括至少一片镜片，该至少一片镜片可为非球面镜片，并且此投影镜头符合特定扭曲率曲线。此投影镜头是根据特定扭曲率曲线，调整其镜片曲率、镜片材质、镜片厚度及镜片间距(当镜头包括二个或更多的镜片时)至少其一所得。本发明的投影镜头的扭曲率曲线的一光场高度区间内的扭曲率差异值，小于此区间内的扭曲率曲线成一直线时的扭曲率差异值。若可视投影成像仍有扭曲的情形，而欲再改善时，可进一步利用传统的电子补正模块校正投影镜头的投影成像，即设定电子补正模块，以将投影镜头的投影成像根据特定校正设定调整为无扭曲或扭曲现象被改善的投影成像。
图1a、图1b是显示投影距离比值的示意图。
图2a是显示正向扭曲的示意图。
图2b是显示负向扭曲的示意图。
图3是显示本发明所公开的装置的示意图。
图4a、图4b、图4c是显示本发明减少投影镜头扭曲率曲线的相对扭曲率的示意图。
图5是显示本发明所公开的方法的流程图。
图6a、图6b是显示现行减少投影镜头最大扭曲率的方法。
图7是显示本发明所公开的方法应用于投影镜头之前与之后的差异示意图。
图8a～图10c是显示本发明所公开的方法中利用光学设计软件以调整投影镜片的示意图。
符号说明10-屏幕；12-屏幕对角线距离；14-投影镜头；16-投影镜头和屏幕的距离；18-改变设置的投影镜头；20-改变设置的投影镜头和屏幕的距离；100、200、70-理想的投影成像；102、202-最大可视投影成像；104、204-产生扭曲的实际投影成像；30-投影镜头；32-电子补正模块；34-可视投影成像；36-较佳成像；38-校正设定；40、42、44-扭曲率曲线；72-原最大可视投影成像；74-原实际投影成像；76-原投影成像的浪费区域；78-本发明的最大可视投影成像；80-本发明所产生的实际投影成像；82-本发明的投影成像的浪费区域。
具体实施例方式
请参照图3，图3是显示本发明所公开的装置的示意图。本发明提出一种减少投影相对扭曲率的光学投影装置，包括投影镜头30以及电子补正模块32。投影镜头30包括至少一片镜片，该至少一片镜片可为非球面镜片，投影镜头30并符合特定扭曲率曲线。此特定扭曲率曲线的一光场高度区间内的扭曲率差异值，小于此区间内的扭曲率曲线成一直线时的扭曲率差异值。在本发明中，投影镜头30是根据特定扭曲率曲线，调整其镜片曲率、镜片材质、镜片厚度及镜片间距(当镜头包括二个或更多的镜片时)至少其一所得。然后，可选取投影镜头30的实际投影成像内部的一多边形，例如一内部的最大矩形，以作为投影镜头30的可视投影成像34。若可视投影成像34仍有扭曲的情形，而欲再改善，传统的电子补正模块32可进一步用以校正投影镜头30的可视投影成像34，即设定电子补正模块，以将投影镜头30的可视投影成像34调整为无扭曲或扭曲现象被改善的投影成像36。
请参照图4a至图4c，此三图是显示投影镜头的扭曲率曲线。如图所示，图4a是显示现行投影镜头的扭曲率曲线，扭曲率曲线40以一简化的直线作代表，假设于扭曲率曲线40上取一光场高度区间1～0.5，则此区间内的扭曲率差异值为(D2-D1)。根据本发明所设计的投影镜头的扭曲率曲线，如图4b及图4c所示，其中图4b用以表示正向扭曲的情形，图4c用以表示负向扭曲的情形。本发明所公开的减少投影镜头的相对扭曲率的作法，是在不变动对应于最大光场高度(即为1)的扭曲率的情形下，减少对应于其它光场高度的扭曲率与对应于最大光场高度的扭曲率中间的差距。故在同一区间内，如在曲线42上取同样光场高度区间1～0.5，本发明投影镜头的相对扭曲率(即扭曲率差异值)比现行投影镜头的相对扭曲率减少，即(D22-D21)＜(D2-D1)。同理，如图4c所示，在曲线44上取同样区间1～0.5，由于本发明投影镜头的相对扭曲率比前述现行投影镜头的相对扭曲率减少，即(D32-D31)＜(D2-D1)。
根据本发明所公开的减少投影镜头的相对扭曲率的作法，可减少因实际投影成像扭曲而无法纳入可视投影成像的面积。请参照图7，该图是以投影成像产生正向扭曲的情形为例，比较未应用本发明与应用本发明所产生的实际投影成像、最大可视投影成像以及投影成像的浪费区域的差异。其中，理想投影成像为70，原实际投影成像为74，原最大可视投影成像为72，故原投影成像的浪费区域为76，即图中直线区域(原实际投影成像74的面积减去原最大可视投影成像72的面积)；而本发明所产生的实际投影成像为80，即图中虚线所示，本发明的最大可视投影成像为78，故本发明的投影成像的浪费区域为82，即本发明实际投影成像80(虚线)的面积减去本发明最大可视投影成像78的面积。由该图的比较可知，在同样采最大可视投影成像的情形下，应用本发明的投影成像浪费区域乃小于未应用本发明的投影成像浪费区域。此外，本发明亦可减缓传统作法为了降低最大光场高度下的绝对扭曲率，而对光学镜头的聚焦或色差等其它光学表现造成过大负面影响的现象。
请再参照图3，根据本发明所设计的投影镜头30，得到实际投影成像后，可选取实际投影成像内部的一多边形，例如一内部的最大矩形，以作为投影镜头30的可视投影成像34。可视投影成像34的内部成像虽仍可能会产生某种程度的扭曲，如图3所示，但于本发明中，可进一步利用传统的电子补正模块32，将电子补正模块32设定为如校正设定38所示。如此一来，投影镜头30的可视投影成像34，透过电子补正模块32的校正，便可得到如较佳成像36所示，成像外框为矩形，而内部成像也无扭曲或扭曲现象被改善的较佳成像。因电子补正模块32系为业内人士所知悉，故不再赘述其细节。
再者，本发明提出一种减少投影相对扭曲率的光学投影方法。请参照图5，如图所示，包括决定一特定扭曲率曲线(步骤S50)；调整投影镜片的镜片曲率、镜片材质、镜片厚度及镜片间距至少其一，使投影镜头符合特定扭曲率曲线(步骤S52)；提供一符合该特定扭曲率曲线的投影镜头于光学投影装置中，以产生一实际投影成像(步骤S54)；选取实际投影成像内的一多边形，例如一内部的最大矩形，以作为投影镜头的一可视投影成像(S56)；以及当可视投影成像仍有扭曲的情形，而欲再改善时，利用传统的电子补正模块校正投影镜头的投影成像(步骤S58)，以进一步产生无扭曲或扭曲现象被改善的较佳成像。于步骤S50中，决定一特定扭曲率曲线。本发明的特定扭曲率曲线的一光场高度区间内的扭曲率差异值，小于此区间内的扭曲率曲线成一直线时的扭曲率差异值。接着，于步骤S52中，借由调整投影镜头中至少一镜片的镜片曲率、镜片材质、镜片厚度及镜片间距(当投影镜头包括二个或更多的镜片时)至少其一，以获得符合该特定扭曲率曲线的投影镜头。该至少一片镜片可为非球面镜片。然后，于步骤S54中提供符合该特定扭曲率曲线的该投影镜头于光学投影装置中，以产生一实际投影成像。此时，于步骤S56中，可选取投影镜头的实际投影成像内部的一多边形范围，例如一内部的最大矩形，以作为投影镜头的可视投影成像。接者，若可视投影成像仍有扭曲的情形，而欲再改善时，可进一步再利用传统的电子补正模块校正投影镜头的可视投影成像，如步骤S58所示，即设定电子补正模块，以将投影镜头的可视投影成像调整为无扭曲或扭曲现象被改善的较佳成像。
在本发明所提出的一实施例中，可利用光学设计软件，如ZEMAX等，以调整投影镜片。举例而言，首先可于初始参数设定下，取光场0.7～1区间(靠近最大光场的区间中，成像扭曲较易为肉眼所察觉)，如图8a及图8b所示。相对扭曲率约为5％(即前述光场区间内的扭曲率差异值)，成像扭曲明显，如图8c所示。
调整参数后(镜片曲率、镜片材质、镜片厚度及镜片间距至少其一)，如图9a及图9b所示。同光场区间的相对扭曲率减少为1％左右，成像扭曲现象改善，如图9c所示。而后，再次调整参数后，如图10a及图10b所示。同光场区间的相对扭曲率减少为0.5％左右，成像扭曲现象更改善，如第10c图所示。
如前所述的装置及方法是针对光学投影成像问题，提供一动态且健全的解决方案。倘若前述装置及方法在某些条件下有所变更，则本发明所公开的装置及方法当可随之调整，以因应实际应用时的不同需求。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何业内人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种投影镜头，包括至少一投影镜片，上述投影镜头符合一特定扭曲率曲线，上述扭曲率曲线为上述投影镜头的扭曲率及投影光场高度的对应关系，上述特定扭曲率曲线的一光场高度区间内的扭曲率差异值，小于上述区间内的上述扭曲率曲线成一直线时的扭曲率差异值。
2.根据权利要求1所述的投影镜头，其中上述至少一投影镜片为一非球面镜片。
3.根据权利要求1所述的投影镜头，其中借由调整上述至少一投影镜片的镜片曲率、镜片材质、镜片厚度及镜片间距至少其一，以使上述投影镜头符合上述特定扭曲率曲线。
4.一种光学投影装置，包括一光源；一光控模块；以及一投影镜头，包括至少一投影镜片，上述投影镜头符合一特定扭曲率曲线，上述扭曲率曲线为上述投影镜头的扭曲率及投影光场高度的对应关系，上述特定扭曲率曲线的一光场高度区间内的扭曲率差异值，小于上述区间内的上述扭曲率曲线成一直线时的扭曲率差异值；其中上述光源产生的光线经由上述光控模块的控制，再透过上述投影镜头以产生一投影成像。
5.根据权利要求4所述的光学投影装置，其中上述至少一投影镜片为一非球面镜片。
6.根据权利要求4所述的光学投影装置，其中上述投影镜头的上述投影成像指一可视投影成像，上述可视投影成像由上述投影镜头的一实际投影成像中所选取的一多边形范围。
7.根据权利要求6所述的光学投影装置，其中上述多边形范围指该实际投影成像内部的一最大矩形。
8.根据权利要求4所述的光学投影装置，还包括一电子补正模块，上述电子补正模块用以校正上述投影镜头的上述投影成像。
9.根据权利要求8所述的光学投影装置，其中上述校正根据上述投影镜头的上述投影成像，设定上述电子补正模块，以调整上述投影成像。
10.根据权利要求4所述的光学投影装置，其中符合上述特定扭曲率曲线的上述投影镜头，是借由调整上述至少一投影镜片的镜片曲率、镜片材质、镜片厚度及镜片间距至少其一所得。
11.一种光学投影方法，用以减少一光学投影装置的扭曲率曲线中的投影相对扭曲率，上述光学投影装置包括一投影镜头，上述投影镜头包括至少一投影镜片，上述扭曲率曲线为上述投影镜头的扭曲率及投影光场高度的对应关系，上述方法包括(a)决定一特定扭曲率曲线，上述特定扭曲率曲线的一光场高度区间内的扭曲率差异值，小于上述区间内的上述扭曲率曲线成一直线时的扭曲率差异值；(b)调整上述至少一投影镜片的镜片曲率、镜片材质、镜片厚度及镜片间距至少其一，使上述投影镜头符合上述特定扭曲率曲线；(C)提供符合上述特定扭曲率曲线的上述投影镜头于上述光学投影装置中，以产生一实际投影成像；以及(d)选取上述实际投影成像内部的一多边形范围，以作为上述投影镜头的一可视投影成像。
12.根据权利要求11所述的光学投影方法，其中上述至少一投影镜片为一非球面镜片。
13.根据权利要求11所述的光学投影方法，其中于步骤(d)中所选取的上述多边形范围，是由上述实际投影成像内部所选取的一最大矩形。
14.根据权利要求11所述的光学投影方法，其中于步骤(d)之后，还包括(e)利用一电子补正模块校正上述投影镜头的上述可视投影成像。
15.根据权利要求14所述的光学投影方法，其中步骤(e)中的上述校正是根据上述投影镜头的上述可视投影成像，设定上述电子补正模块，以调整上述投影成像。
全文摘要
一种减少投影相对扭曲率的光学投影装置，包括一投影镜头，此投影镜头符合特定的扭曲率曲线。扭曲率曲线为一投影镜头的扭曲率及投影光场高度的对应关系。本发明所提出的投影镜头符合一特定扭曲率曲线，此特定扭曲率曲线设计为相对扭曲率较小，即一光场高度区间内的扭曲率差异值，小于此区间成一直线时的扭曲率差异值。
文档编号H04N5/74GK1877385SQ20051007635
公开日2006年12月13日 申请日期2005年6月10日 优先权日2005年6月10日
发明者李政光, 陈荣耀, 王志远 申请人:明基电通股份有限公司