光学系统技术领域
本发明涉及一种光学系统。
背景技术
一般而言，光学系统(例如投影机或相机)的景深较窄，因此投影机投影至
平面的影像仅能在狭小的工作距离范围内呈现清楚影像。同样的，相机也仅
只能在有限的工作距离范围内侦测到清楚的影像。因此，若影像斜向投影或
投影至非平面时，部分的该影像便会落于投影机的工作距离范围外。在此情
况下较难得到完整的清楚影像，且相机也只能从非平面上侦测到非聚焦的影
像。因此，业界无不努力提供能够解决上述问题的光学系统。
发明内容
本发明提供一种光学系统，从而克服现有技术的上述缺陷。
本发明的一方面提供一种光学系统，包含至少一个光学装置，用于投影
第一投影影像至平面或从平面侦测第一侦测影像。光学装置包含第一影像装
置与透镜组。第一影像装置具有影像面。影像面具有影像中心。透镜组置于
第一影像装置与平面之间，且具有透镜轴面与光学中心。光学中心与影像中
心形成连线。连线与平面相交于一个交点。平面具有通过交点的切面。透镜
轴面、切面与影像面的延伸面实质相交于直线。
在一个或多个实施方式中，光学装置还包含调节装置，连接第一影像装
置以调节第一影像装置的位置与倾斜角度。
在一个或多个实施方式中，光学系统还包含影像撷取装置，连接调节装
置，以撷取在平面上的第一投影影像。
在一个或多个实施方式中，第一影像装置用于形成被透镜组投影至平面
的第一投影影像。
在一个或多个实施方式中，第一影像装置为数字微型反射镜装置(Digital
Micromirror Device)。
在一个或多个实施方式中，光学装置还包含光源，用于提供光束。第一
影像装置调制光束以形成第一投影影像。
在一个或多个实施方式中，光学装置还包含第二影像装置与分光元件。
第二影像装置用于形成第二投影影像。透镜组还用于投影第二投影影像至平
面。分光元件置于第一影像装置与透镜组之间，以将第二影像装置形成的第
二投影影像反射至透镜组，且让第一投影影像通过。
在一个或多个实施方式中，光学装置还包含调节装置，连接第二影像装
置，以调节第二影像装置的位置与倾斜角度。
在一个或多个实施方式中，第一影像装置用于通过透镜组而侦测平面的
第一侦测影像。
在一个或多个实施方式中，第一影像装置为光电二极管阵列。
在一个或多个实施方式中，光学装置还包含第二影像装置与分光元件。
第二影像装置用于通过透镜组而侦测平面的第二侦测影像。分光元件置于第
一影像装置与透镜组之间，以将来自透镜组的第二侦测影像反射至第二影像
装置，且让第一侦测影像通过。
在一个或多个实施方式中，光学装置还包含调节装置，连接第二影像装
置，以调节第二影像装置的位置与倾斜角度。
在一个或多个实施方式中，光学装置的数量为多个，且光学装置的第一
投影影像或第一侦测影像互相分离。
在一个或多个实施方式中，光学装置的数量为多个，且光学装置的第一
投影影像或第一侦测影像在平面互相重叠。
本发明的另一方面提供一种光学装置的影像补偿方法。光学装置包含影
像装置与透镜组。影像装置具有影像面，影像面具有影像中心。透镜组具有
透镜轴面与光学中心。光学中心与影像中心形成连线。方法包含使用影像装
置以形成影像。将影像透过透镜组投影至平面，其中连线与平面相交于一个
交点。平面具有通过交点的切面。侦测投影至平面的影像。根据侦测影像，
调节影像装置的位置与倾斜角度，使得透镜轴面、切面与影像面的延伸面实
质相交于直线。
在一个或多个实施方式中，形成影像包含提供光束至影像装置。通过影
像装置调制光束以形成影像。
在一个或多个实施方式中，调节影像装置包含电性调节影像装置的位置
与倾斜角度。
在一个或多个实施方式中，调节影像装置包含机械性调节影像装置的位
置与倾斜角度。
本发明的再一方面提供一种光学装置的影像补偿方法。光学装置包含影
像装置与透镜组。影像装置具有影像面，影像面具有影像中心。透镜组具有
透镜轴面与光学中心，光学中心与影像中心形成连线。方法包含使用影像装
置并通过透镜组而侦测平面的影像，其中连线与平面相交于一个交点。平面
具有通过交点的切面。根据侦测的影像，调节影像装置的位置与倾斜角度，
使得透镜轴面、切面与影像面的延伸面实质相交于直线。
在一个或多个实施方式中，调节影像装置包含电性调节影像装置的位置
与倾斜角度。
在一个或多个实施方式中，调节影像装置包含机械性调节影像装置的位
置与倾斜角度。
根据本发明的光学系统，上述实施方式的光学装置能够提供清楚的投影
影像至平面，或在平面上侦测清楚的影像。
附图说明
图1为本发明第一个实施方式的光学系统与平面的示意图。
图2为图1的第一影像装置、透镜组与平面的光路示意图。
图3为本发明一个实施方式的影像补偿方法的流程图。
图4为本发明第二个实施方式的光学系统与平面的示意图。
图5为本发明第三个实施方式的光学系统与平面的示意图。
图6至图8为本发明第四至第六个实施方式的光学系统与平面的示意图。
图9为本发明第七个实施方式的光学系统与平面的示意图。
图10为本发明另一个实施方式的影像补偿方法的流程图。
图11为本发明第八个实施方式的光学系统与平面的示意图。
图12为本发明第九个实施方式的光学系统与平面的示意图。
图13至图15为本发明第十至第十二个实施方式的光学系统与平面的示
意图。
具体实施方式
以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多具体
的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些具体的细节不应用
于限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些具体的细节是非
必要的。此外，为简化附图起见，一些公知惯用的结构与元件在附图中将以
简单示意的方式描述。
图1为本发明第一个实施方式的光学系统与平面900的示意图，图2为
图1的第一影像装置110、透镜组120与平面900的光路示意图。光学系统包
含至少一个光学装置100，举例而言，图1的光学系统包含光学装置100。光
学装置100用于投影第一投影影像112至平面900。光学装置100包含第一影
像装置110与透镜组120。第一影像装置110具有影像面115。影像面115具
有影像中心C。透镜组120置于第一影像装置110与平面900之间，且具有透
镜轴面122与光学中心O。光学中心O与影像中心C形成连线102。连线102
与平面900相交于一个交点P。平面900具有通过交点P的切面902。透镜轴
面122、切面902与影像面115的延伸面116实质相交于直线L。
在本实施方式中，影像中心C为影像面115的形心。透镜组120可包含
一个或多个透镜。以包含一个透镜的透镜组120而言，透镜组120的透镜轴
面122为该透镜的两曲面之间的虚拟中心面，而光学中心O则为透镜组120
的透镜轴面122与光轴124的交点。以包含多个透镜的透镜组120而言，该
些透镜可等效于等效透镜。透镜轴面122则为等效透镜的两曲面之间的虚拟
中心面，而光学中心O则为透镜组120的透镜轴面122与光轴124的交点。
本实施方式的平面900可为斜面、具有弯曲表面或粗糙表面的面等等。因本
实施方式的平面900具有斜平上表面，因此切面902即为平面900的上表面。
在本实施方式中，光学装置100为投影机。第一影像装置110可为光调
制器，以形成第一投影影像112，而透镜组120则将第一投影影像112投影至
平面900。也就是说，第一影像装置110置于透镜组120的物侧，而平面900
则位于透镜组120的影像侧。影像面115的影像中心C则成像于平面900的
交点P。
简单而言，本实施方式的光学装置100提供清楚的投影影像至平面900。
如图2所示，透镜轴面122、切面902与延伸面116实质相交于直线L。如此
的设置使得第一投影影像112上的所有像素皆能够聚焦至切面902，其中标号
f为透镜组120的焦点。举例而言，第一投影影像112的像素A会聚焦至切面
902的点A’，第一投影影像112的像素B会聚焦至切面902的点B’，而影像
中心C会聚焦至切面902的交点P。因此，第一投影影像112的所有像素(不
论为位于影像中心C的像素或位置边缘的像素A、B)皆会聚焦至切面902，在
本实施方式中为平面900的上表面，以在平面900上形成清楚的影像。
请回到图1。在本实施方式中，光学装置100可还包含光源140，以提供
光束142。第一影像装置110，其可为数字微型反射镜装置(Digital Micromirror
Device,DMD)，可调制光束142以形成第一投影影像112。光源140可为发光
二极管、灯泡、或发光装置，本发明不以此为限。
在本实施方式中，光学装置100可还包含调节装置130，连接第一影像装
置110，以调节第一影像装置110的位置与倾斜角度。然而，若透镜轴面122、
切面902与延伸面116的原始设置已实质相交于直线L，则可省略调节装置
130。调节装置130可以手动或自动操作。在一些实施方式中，调节装置130
可为调节机构，例如调节轮，因此可以机械性调节第一影像装置110的位置
与倾斜角度。在其他的实施方式中，调节装置130可为电子装置，例如为压
电机构。因此，可以电性调节第一影像装置110的位置与倾斜角度。
光学系统可还包含影像撷取装置200。影像撷取装置200连接调节装置
130，以撷取于平面900上的第一投影影像112。经过分析撷取的影像后，影
像撷取装置200可传送指令至调节装置130，据此调节第一影像装置110的位
置与倾斜角度。影像撷取装置200可为相机，其视野范围FOV涵盖于平面900
上的第一投影影像112。
为了在平面900上取得清楚的投影影像，可应用光学装置100的影像补
偿方法。图3为本发明一个实施方式的影像补偿方法的流程图。为了清楚叙
明影像补偿方法，影像补偿方法可应用于，但不限于，图1的光学装置100。
如步骤S12所示，使用第一影像装置110以形成第一投影影像112。举例而言，
光源140提供光束142至第一影像装置110，而第一影像装置110再将光束
142调制为第一投影影像112。
接着，如步骤S14所示，将第一投影影像112透过透镜组120投影至平
面900。在本步骤中，透镜轴面122、切面902与影像面115的延伸面116可
能不相交于直线L，因此第一投影影像112无法聚焦至平面900。
为了在平面900得到清楚的影像，侦测投影至平面900的第一投影影像
112，如步骤S16所示。举例而言，可以人眼或上述的影像撷取装置200侦测
第一投影影像112。以影像撷取装置200为例，影像撷取装置200可侦测(或
捕捉)并分析在平面900上的第一投影影像112，以确认第一投影影像112是
否聚焦至平面900上。
之后，如步骤S18所示，根据被侦测的第一投影影像112而调节第一影
像装置110的位置与倾斜角度，使得透镜轴面122、切面902与影像面115的
延伸面116能够实质相交于直线L。在一些实施方式中，若调节装置130为调
节轮，则可机械性调节第一影像装置110。举例而言，使用者可手动转动调节
轮以调节第一影像装置110。在一些实施方式中，若调节装置130为电子装置，
则可电性调节第一影像装置110。举例而言，影像撷取装置200可传送指令至
调节装置130以调节第一影像装置110。
综合上述，通过调节第一影像装置110的位置与倾斜角度，则透镜轴面
122、切面902与影像面115的延伸面116能够实质相交于直线L。因此，第
一投影影像112上的所有像素即可聚焦于平面900的切面902，以于平面900
上得到清楚的影像。
图4为本发明第二个实施方式的光学系统与平面900的示意图。在本实
施方式中，光学系统包含两个光学装置100a与100b，其结构与图1的光学装
置100相同。为了附图清楚起见，图4的光学装置100a与100b的光源皆被
省略。光学装置100a与100b在平面900上的第一影像112a与112b互相分离。
此光学系统可应用于投影影像至非平坦表面的投影系统。举例而言，在图4
中，平面900可具有两个部分910与920，其上表面非平行。光学装置100a
的第一投影影像112a投影至部分910，而光学装置100b的第一投影影像112b
则投影至部分920。对于光学装置100a而言，透镜轴面122a、切面922与延
伸面116a实质相交于直线La。对于光学装置100b而言，透镜轴面122b、切
面912与延伸面116b实质相交于直线Lb。如此一来，光学装置100a与100b
皆能够在平面900上提供清楚的影像。
在一些实施方式中，光学系统可还包含影像撷取装置200，置于光学装置
100a与100b之间并连接至调节装置130a与130b。影像撷取装置200的视野
范围FOV可涵盖于平面900上的第一投影影像112a与112b，以一并撷取第
一投影影像112a与112b。在分析与侦测第一投影影像112a与112b后，影像
撷取装置200可传送指令至调节装置130a与130b以调节其位置与倾斜角度。
至于第二个实施方式的其他细节因与第一实施方式相同，因此便不再描述。
图5为本发明第三个实施方式的光学系统与平面900的示意图。在本实
施方式中，光学系统包含两个光学装置100a与100b，其结构与图1的光学装
置100相同。为了附图清楚起见，图5的光学装置100a与100b的光源皆被
省略。光学装置100a与100b在平面900上的第一投影影像112a与112b互相
重叠。举例而言，光学装置100a与100b可分别从不同方向投影第一投影影
像112a与112b至平面900的同一位置。对于光学装置100a而言，透镜轴面
122a、切面902与延伸面116a实质相交于直线La。对于光学装置100b而言，
透镜轴面122b、切面902与延伸面116b实质相交于直线Lb。如此一来，光
学装置100a与100b皆能够在平面900上提供清楚的影像。
在一些实施方式中，光学系统可还包含影像撷取装置200，置于光学装置
100a与100b之间并连接至调节装置130a与130b。影像撷取装置200的视野
范围FOV可涵盖于平面900上的第一投影影像112a与112b，以一并撷取第
一投影影像112a与112b。在分析与侦测第一投影影像112a与112b后，影像
撷取装置200可传送指令至调节装置130a与130b以调节其位置与倾斜角度。
至于第三实施方式的其他细节因与第一个实施方式相同，因此便不再描述。
图6至图8为本发明第四至第六个实施方式的光学系统与平面900的示
意图。为了清楚起见，图6至图8的光学装置100的光源皆已省略。在此三
个实施方式中，每一光学装置100还包含第二影像装置150与分光元件160。
第二影像装置150用于形成第二投影影像152。透镜组120还用于投影第二投
影影像152至平面900。分光元件160置于第一影像装置110与透镜组120之
间，以将第二影像装置150形成的第二投影影像152反射至透镜组120，且让
第一投影影像112通过。换句话说，第一投影影像112与第二投影影像152
为同轴。
具体而言，平面900具有两部分910与920。第一投影影像112与第二投
影影像152分别被投影至部分910与920的上表面。部分910与920的上表
面可具有不同的形态，而调节装置130可分别调节第一影像装置110与第二
影像装置150的位置与倾斜角度，以同时将第一投影影像112与第二投影影
像152清楚的投影至平面900上。
如图6所示，平面900具有阶梯S，而部分920的上表面高于部分910
的上表面。第一影像装置110投影第一投影影像112至部分910上，而第二
影像装置150投影第二投影影像152至部分920上。因此第一影像装置110
与第二影像装置150可分别被调节，以于平面900上得到完整的清楚影像。
换句话说，光学装置100适用于具有高高度差的平面900。
如图7所示，部分910与920的上表面不平行。如图8所示，部分910
与920的上表面为斜面。在此两个实施方式中，第一影像装置110投影第一
投影影像112至部分910上，而第二影像装置150投影第二投影影像152至
部分920上。因此第一影像装置110与第二影像装置150可分别被调节，以
于平面900上得到完整的清楚影像。至于第四至第六个实施方式的其他细节
因与第一实施方式相同，因此便不再描述。
图9为本发明第七个实施方式的光学系统与平面900的示意图。本实施
方式与第一实施方式的不同处主要在于第一影像装置。在本实施方式中，光
学装置100’用于侦测平面900的第一侦测影像112’。具体而言，第一影像装
置110’用于通过透镜组120而侦测平面900的第一侦测影像112’。
在本实施方式中，光学装置100’为相机。第一影像装置110’可为影像感
测装置，例如为光电二极管阵列。第一影像装置110’置于透镜组120的影像
侧，而平面900则置于透镜组120的物侧。置于平面900的交点P的物体可
成像于影像面115的影像中心C。
根据图2的解释以及光的可逆性原理，只要透镜轴面122、切面902与影
像面115’的延伸面116’实质相交于直线L，本实施方式的第一侦测影像112’
整体即可实质聚焦于第一影像装置110’的影像面115’。因此，第一影像装置
110’即可取得清楚的第一侦测影像112’。至于第七个实施方式的其他细节因与
第一实施方式相同，因此便不再描述。
为了得到清楚的第一侦测影像112’，可应用光学装置100’的影像补偿方
法。图10为本发明另一个实施方式的影像补偿方法的流程图。为了清楚叙明
影像补偿方法，影像补偿方法可应用于，但不限于，图9的光学装置100’。
如步骤S22所示，使用第一影像装置110’并通过透镜组120而侦测平面900
的第一侦测影像112’。具体而言，第一影像装置110’可侦侧(或撷取)并分析于
平面900的第一侦测影像112’，以确认第一侦测影像112’是否聚焦至第一影
像装置110’的影像面115’上。
之后，如步骤S24所示，根据被侦测的第一侦测影像112’，调节第一影
像装置110’的位置与倾斜角度，使得透镜轴面122、切面902与延伸面116’
能够实质相交于直线L。在一些实施方式中，若调节装置130为调节轮，则可
机械性调节第一影像装置110’。举例而言，使用者可手动转动调节轮以调节
第一影像装置110’。在一些实施方式中，若调节装置130为电子装置，则可
电性调节第一影像装置110’。举例而言，第一影像装置110’可回馈指令至调
节装置130以调节第一影像装置110’。
综合上述，通过调节第一影像装置110’的位置与倾斜角度，则透镜轴面
122、切面902与影像面115’的延伸面116’能够实质相交于直线L。因此，第
一侦测影像112’整体即可聚焦于第一影像装置110’的影像面115’上。
图11为本发明第八个实施方式的光学系统与平面900的示意图。在本实
施方式中，光学系统包含两个光学装置100c与100d，其结构与图9的光学装
置100’相同。光学装置100c与100d分别侦测的第一侦测影像112c与112d
互相分离。此光学系统可应用于侦测非平坦表面的影像的影像侦测系统。举
例而言，在图11中，平面900可具有两部分910与920，其上表面非平行。
光学装置100c侦测部分910的第一侦测影像112c，而光学装置100d侦测部
分920的第一侦测影像112d。对于光学装置100c而言，透镜轴面122c、切面
902c与延伸面116c实质相交于直线Lc。对于光学装置100d而言，透镜轴面
122d、切面902d与延伸面116d实质相交于直线Ld。如此一来，光学装置100c
与100d皆能够于平面900上侦测清楚的影像。至于第八实施方式的其他细节
因与第七实施方式相同，因此便不再描述。
图12为本发明第九个实施方式的光学系统与平面900的示意图。在本实
施方式中，光学系统包含两个光学装置100c与100d，其结构与图9的光学装
置100’相同。在平面900上的第一侦测影像112c与112d互相重叠。举例而
言，光学装置100c与100d可分别从不同方向侦测平面900的同一位置。对
于光学装置100c而言，透镜轴面122c、切面902与延伸面116c实质相交于
直线Lc。对于光学装置100d而言，透镜轴面122d、切面902与延伸面116d
实质相交于直线Ld。如此一来，光学装置100c与100d皆能够于平面900上
侦测清楚的影像。至于第九个实施方式的其他细节因与第七实施方式相同，
因此便不再描述。
图13至图15为本发明第十至第十二个实施方式的光学系统与平面900
的示意图。在此三个实施方式中，每一光学装置100’还包含第二影像装置150’
与分光元件160’。第二影像装置150’用于侦测第二侦测影像152’。分光元件
160’置于第一影像装置110’与透镜组120之间，以将来自透镜组120的第二侦
测影像152’反射至第二影像装置150’，且让第一侦测影像112’通过。换句话
说，第一侦测影像112’与第二侦测影像152’为同轴。
具体而言，平面900具有两部分910与920。第一影像装置110’与第二影
像装置150’分别侦测部分910与920的上表面。部分910与920的上表面可
具有不同的形态，而调节装置130可分别调节第一影像装置110’与第二影像
装置150’的位置与倾斜角度，以同时于平面900上得到清楚的第一侦测影像
112’与第二侦测影像152’。
如图13所示，平面900具有阶梯S，而部分910与920的上表面具有高
度差。如图14所示，部分910与920的上表面不平行。如图15所示，部分
910与920的上表面为斜面。在此三个实施方式中，第一影像装置110’可侦测
部分910的第一侦测影像112’，而第二影像装置150’可侦测部分920的第二
侦测影像152’。因此第一影像装置110’与第二影像装置150’可分别被调节，
以自平面900上得到完整的清楚影像。至于第十至第十二个实施方式的其他
细节因与第七实施方式相同，因此便不再描述。
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用于限定本发明，任何本
领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种不同的选择和修
改，因此本发明的保护范围由权利要求书及其等同形式所限定。