广角投影光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种投影光学系统，特别涉及一种广角或超短焦投影光学系统。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 目前，投影显示设备与互动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、展示或娱乐等互动式功能。图ia为显示传统投影显 示设备与互动式白板的整合系统的架构示意图。如图ia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。
[0004] 为避免前述情况发生，请参阅图1b，其为传统广角投影显示设备与互动式白板的 整合系统的架构示意图。如图ib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。
[0005] 美国专利证号us7, 529, 032为广角投影光学系统，请参阅图1c，其为现有技术的 广角投影光学系统架构示意图。如图ic所示，该技术使用两个非球面塑胶透镜、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，此投影光学系统的反射镜的尺寸会随 投影距离的减少而大幅增大，不利于形成薄型化的投影显示设备，且由于其无法完整包含 于投影光学系统内，因暴露于空气中易有入尘情况产生。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。
[0006] 美国专利证号us7, 048, 388揭露一广角投影光学系统，请参阅图1d，其为另一现 有技术的广角投影光学系统的架构示意图。如图id所示，其为合并一平面镜与一具有正光 焦度的非球面反射镜。然而，为了获得较佳品质且较无扭曲的影像，广角投影光学系统需采 用倾斜且偏轴（decentered)的光学元件排列，或是使用垂直与横向放大率不同的非轴对 称自由曲面（anamorphic polynomial free-form surface)光学兀件，这些在组装或是制 备光学元件上都会增加复杂度。同时，因其需于反射路径上额外成像两次而易伴随影像失 真及影像像差的问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的主要目的为提供一种短焦的广角投影光学系统，以解决现有光学系统对 使用者安全上的风险，以及影像像差与影像失真等问题。
[0008] 本发明的另一目的为提供一种超短焦的广角投影光学系统，其具有较大的全场角 (full field angle)，例如，大于70度的全场角，极短的有效焦距，可薄型化并降低影像像 差，影像不失真，且具有较1?的影像品质。
[0009] 为达上述目的，本发明的一较广实施态样为提供一种广角投影光学系统，于一物 件侧及一影像侧之间，包括：一第一光学系统，包括：一第一透镜组，具有正曲光力并包括 一孔径光栏，以提供与该物件侧投射的光线相匹配的一光学特性并聚集该光线至该孔径光 栏；以及一第二透镜组，位于该孔径光栏后并具有正曲光力；以及一第二光学系统，包括： 一曼金镜（mangin mirror)，相对于该第一透镜组、该孔径光栏及该第二透镜组邻近于该影 像侧，且该第一透镜组与该第二透镜组共同形成一畸变实像于该曼金镜前，该曼金镜具有 一穿透面及一反射面，以使该光线经二次折射及一次反射，以产生放大且不失真的一实像 于一屏幕上。
[0010] 为达上述目的，本发明的另一较广实施态样为提供一种广角投影光学系统，自一 物件侧至一影像侧，依序包括：一第一光学系统，包括：一第一透镜组，具有正曲光力并包 括一孔径光栏，以提供与该物件侧投射的光线相匹配的一光学特性并聚集该光线至该孔径 光栏；以及一第二透镜组，位于该孔径光栏之后并具有正曲光力，其中该第二透镜组的至少 一透镜的两相对侧表面为非球面；以及一第二光学系统，包括：一正曲光折反射镜，该第一 透镜组与该第二透镜组共同形成一畸变实像于该正曲光折反射镜前，该正曲光折反射镜具 有一穿透面及一反射面，以使该光线经二次折射及一次反射，以产生放大且不失真的一实 像于一屏幕上；其中，该第一透镜组、该第二透镜组与该正曲光折反射镜共用相同的一光 轴。又，上述实施态样亦可无需使用非轴对称自由曲面的光学元件即达到高画质低失真的 投影。
[0011] 根据本发明的构想，该第一透镜组、该第二透镜组及该曼金镜系由该物件侧至该 影像侧依序排列。
[0012] 根据本发明的创作思想，该曼金镜具有正曲光力。
[0013] 根据本发明的发明思维，该第一透镜组、该第二透镜组与该曼金镜为共用相同的 一光轴。
[0014] 根据本发明的构思，该光线系穿透该曼金镜的该穿透面，并受该反射面反射再反 向穿透该穿透面。
[0015] 于一些实施例中，该第一透镜组的每一透镜为轴对称的球面或非球面透镜。
[0016] 于另一些实施例中，该第二透镜组的至少一透镜的两相对侧表面为非球面，且该 第二透镜组的每一透镜为轴对称的透镜。
【附图说明】
[0017] 图ia显示传统投影显示设备与互动式白板的整合系统的架构示意图。
[0018] 图ib显示传统广角投影显示设备与互动式白板的整合系统的架构示意图。
[0019] 图ic为现有技术的广角投影光学系统架构示意图。
[0020] 图id为另一现有技术的广角投影光学系统的架构示意图。
[0021] 图2为本发明较佳实施例的广角投影光学系统的架构示意图。
[0022] 图3为本发明广角投影光学系统的曼金镜的细部结构示意图。
[0023] 图4显示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绕射 调制传递函数（modulation transfer function，mtf)表现图。
[0024] 图5a及图5b显示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 状畸变表现图及畸变差曲线图。
[0025] 图6显示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。
[0026] 图7为本发明另一较佳实施例的广角投影光学系统的架构示意图。
[0027] 图8显示本发明的广角投影光学系统依据表三数值实施例于影像侧的多色绕射 调制传递函数表现图。
[0028] 图9a及图9b显示本发明的广角投影光学系统依据表三数值实施例于影像侧的格 状畸变表现图及畸变差曲线图。
[0029] 图10显示本发明的广角投影光学系统依据表三数值实施例于影像侧的横向色差 表现图。
[0030] 其中，附图标记说明如下：
[0031] 10:投影显示设备
[0032] 11:白板
[0033] 2 :广角投影光学系统
[0034] 21 :第一光学系统
[0035] 211 :第一透镜组
[0036] 212 :孔径光栏
[0037] 213 :第二透镜组
[0038] 22 :第二光学系统
[0039] 221 :曼金镜
[0040] 2211 :穿透面
[0041] 2212:反射面
[0042] 3 :物件表面
[0043] 4 :广角投影光学系统
[0044] 41 :第一光学系统
[0045] 411 :第一透镜组
[0046] 412 :孔径光栏
[0047] 413 :第二透镜组
[0048] 42 :第二光学系统
[0049] 421:正曲光折反射镜
[0050] 4211 :穿透面
[0051] 4212:反射面
[0052] θ :全场角
[0053] i :光线
[0054] a :物件侧
[0055] b :影像侧
【具体实施方式】
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