專利名稱：投影模塊和結合有投影模塊的投影機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于獲得寬投影角度而無失真的投影模塊。本發明還涉及這種模塊在正投影和背投影系統中的應用。
背景技術：
圖1示出了背投影機1的傳統設計，背投影機1的光軸位于屏幕中心，所述背投影機包括物鏡13、兩個平面偏轉鏡11和12以及同樣為平面的屏幕10。在這種設計中，投影機發射的照明光束14被偏轉鏡11和12彎折。系統關于屏幕10的法向平面(光束的光軸15位于該平面內)對稱。對于尺寸為1106×622毫米的屏幕10，投影機1的深度p可能高達45厘米。沿著屏幕對角線的孔徑角必須為大約38°。利用由大約十個左右的透鏡構成的適中成本的物鏡，可以獲得可接受的失真和MTF(調制傳遞函數)。
另一種設計是將光束彎折兩次，如圖2所示。該圖中所圖示的背投影機2包括物鏡23以及彼此相對放置且平行于屏幕20的兩個平面偏轉鏡21和22。投影物鏡23的軸并不垂直于屏幕20的中心。因此，可以減小背投影機的深度p1(例如，大約20cm)。然而，背投影機2下部(即，位于屏幕之下的部分)的高度h1變大。
Mitsubishi所提交的專利申請EP 1203977描述了視頻背投影機的數個實施例，包括非球面偏轉鏡，這使得可以減小光學像差和投影機的整體尺寸。圖3圖示了背投影機3，包括物鏡33、第一平面偏轉鏡31、非球面偏轉鏡32、第二平面偏轉鏡36和屏幕30。因為物鏡33與屏幕的法線成約60°的角度，所以所發射的光束34首先被鏡34沿著屏幕30的法向偏轉到非球面鏡32上。然后光束被鏡36彎折一次，之后到達屏幕30。因此，減小了整體尺寸。然而，背投影機2仍然具有笨重的缺點。
發明內容
本發明的一個目的是減少現有技術的缺點。
具體地，本發明的一個目的是提供一種投影機(正投影或背投影類型)以及一種投影模塊或投影電機，比已知系統更輕便。
本發明的目的還要減小投影機的深度和高度(取決于所投影圖像的尺寸)。
本發明的另一目的是校正光學系統可能引起的失真。
具體地，本發明的一個目的是使用非球面或雙曲線類型(例如)的曲面鏡。使用雙曲線鏡的系統是已知的，例如專利US 5716118中所述，但是系統必然具有大尺寸以獲得大圖像。這種系統在工業規模上是不可行的，因為難以生產如此大的鏡子。
本發明涉及一種正投影機或背投影機用的投影模塊，在工業規模上可行，并且使得可以獲得高質量的大投影圖像。
為此目的，本發明提出了一種用于在屏幕上投影圖像的投影模塊，所述屏幕限定特定投影平面，所述模塊包括-物鏡，包括用于發射成像光束的裝置；以及-曲面鏡，其特征在于，所述模塊還包括至少兩個偏轉面，用于偏轉所述成像光束，這些面位于物鏡和曲面鏡之間的成像光束路徑中。
偏轉面是反射或半反射的，例如，是反射鏡或棱鏡，并且使得可以將入射光束偏轉到另一方向。
優選地，所述曲面鏡是雙曲線鏡。
曲面鏡包括至少一個凹或凸部分，并且有利地是凹鏡或凸鏡。
根據本發明的變體，物鏡的軸與投影平面之間的角度不超過10°。
根據優選實施例，當所投影的圖像是矩形時，物鏡的軸與屏幕上所投影的圖像的長邊之間的角度不超過10°。
根據另一優選實施例，當所投影的圖像是矩形時，物鏡的軸與屏幕上所投影的圖像的短邊之間的角度不超過25°。
有利地，至少一個偏轉面被設計來將來自物鏡的成像光束沿著垂直于投影平面的平面重定向到曲面鏡上。
根據一個特定特征，該模塊的特征在于至少一個偏轉面與垂直于投影平面的平面成40°和50°之間的角度。
優選地，偏轉面是平面。
根據一個有利特征，模塊包括與至少一個偏轉面相關聯的至少一個遮罩，被設計來防止雜散光線的傳播。
本發明還涉及一種投影系統的光學電機，所述電機被設計來在屏幕上投影圖像，所述屏幕限定特定投影平面，所述電機包括-成像器，被設計來產生成像光束；以及-照明裝置，本身包括用于產生照明光束的光源和聚焦裝置，以及用于將照明光束偏轉到成像器上的裝置，其特征在于，所述電機還包括如前所述的模塊，并且用于偏轉照明光束的裝置包括至少兩個分離的偏轉面，用于偏轉所述照明光束。
有利地，照明光束中未被偏轉面之一反射的部分與成像光束中未被偏轉面之一反射的部分成的角度小于10°。
另外，本發明適用于包括上述投影模塊的投影系統。
根據一個特定特征，投影系統包括投影屏幕，模塊通過后部照射屏幕。
參考附圖，閱讀如下描述，將更好地理解本發明，并且其他特征和優點將變得更加清楚，附圖中圖1至3圖示了現有技術的背投影機的各種實施例；圖4示出了根據本發明第一特定實施例的背投影機；圖5以立體示了圖4所示的背投影機的光學元件；圖6和7分別示出了圖4的背投影機的側視圖和正視圖；圖8示出了本發明的第二實施例；圖9至11圖示了本發明的第三實施例；圖12示出了根據本發明一個實施例的正投影機；
圖13和14圖示了圖4的背投影機中使用的光學電機；圖15示出了圖9至11的背投影機中使用的光學電機；圖16是根據本發明一個實施例的背投影機的高度示意圖；圖17示出了圖16的背投影機所形成的各種圖像；圖18圖示了圖16的背投影機的光學特性；以及圖19示出了圖16的投影機中使用的物鏡。
具體實施例方式
圖4示意性示出了根據本發明第一特定實施例的背投影機4的透視圖。
背投影機4包括-平坦的投影屏幕46，限定了平行于屏幕46的水平軸X、垂直軸Y以及垂直于屏幕46的Z軸；-照明裝置(圖4中未示出)，產生照明光束；-成像器40，根據照明光束產生成像光束；以及-投影模塊。
成像器例如是Texas Instrument出產的DMD(數字微鏡裝置)、透射LCD(液晶顯示器)或LCOS(硅上液晶)裝置。
投影機4的投影模塊本身包括-光學系統41或物鏡，面對成像器40放置，并且其光軸近似平行于X方向；-第一偏轉鏡42，接收光學系統41發射的成像光束47，并使得可以將光束47的中心偏轉到垂直于屏幕46、且由YZ軸限定的平面內；-第二偏轉鏡43，接收鏡42所偏轉的光束47，并且所處位置使得光束反射到雙曲線鏡44上；-雙曲線鏡44，被設計用于放大光束47，并將其傳送到第三偏轉鏡45；以及-偏轉鏡45，平行于屏幕46，并將從雙曲線鏡接收到的光束47傳送到屏幕46上。
因為鏡44是雙曲線形式的，所以對投影模塊的配置進行優化，以在大角度下獲得大投影圖像，同時具有小的光學像差。因此，包括光學系統41和雙曲線鏡44的組合使得可以獲得寬角度物鏡。
成像器40、光學系統41以及鏡42至44位于背投影機4的下部，從而不致妨礙成像光束47的傳播。凸面鏡44與物鏡41之間距離的大小足以使成像光束能夠被鏡42和43在小空間中彎折，并且光束47在位于凸面鏡之前的區域中稍稍分散。
圖5更詳細地示出了光學元件40至45以及它們的布置。
物鏡41沿著其光軸依次包括-第一復透鏡410，即由一組透鏡構成的透鏡；-光瞳411，用于防止雜散光線；以及-第二復透鏡412。
雙曲線形狀的鏡44位于物鏡的出光側，并且使穿過雙曲線焦點的雙曲線軸與透鏡410的光軸XX′重合。
通過透鏡反射的光被平面鏡42和43反射，然后被雙曲線鏡44反射，并且看起來就像來自物鏡41的光瞳411的共軛點。因為根據所圖示的實施例，光束的軸平行于屏幕46，所以鏡42的取向使得其表面的法線與入射光束的光軸成45°的角度α。當然，在本發明的不同實施例中，角度α可以取其他值，特別是當入射光束不平行于屏幕46時。此外，鏡43的取向使得入射光束被正確偏轉到雙曲線鏡44上。因此，在仍然平行于X軸的同時，鏡43表面的法線與入射光束47的光軸成一角度β。
從圖5可知，雙曲線鏡44使得其反射的光束47可以變得更加發散。另外，為了防止透鏡410干擾雙曲線鏡所反射的光束的傳輸，優選地僅使用雙曲線形狀中位于穿過雙曲線對稱軸的平面一側的那部分。該軸穿過雙曲線的焦點。因此，來自系統41的有用光是位于穿過物鏡光軸的平面之上的光。因此，光源所照射且要投影到屏幕上的圖像相對于物鏡41的軸是離軸的。
根據本發明的變體，入射光瞳的場中所有的點緊密相處，并且系統是遠心的。
這種布置在特定情況下可以導致失真和MTF(調制傳遞函數)的惡化，即，光學系統空間頻率響應的惡化。可以通過將雙曲線鏡44移離物鏡，并在光瞳411和雙曲線鏡44之間插入透鏡，來做出校正這些缺陷的措施，這使得可以平衡所述透鏡的光闌兩側的光功率，并減小光束入射到雙曲線鏡44上的入射角，尤其減小離雙曲線的軸最遠的光線的入射角。因此，雙曲線鏡離物鏡41越遠，后者就越發工作在較小的場中。為了在保持背投影機4的整體尺寸較小的同時在雙曲線鏡44和系統41之間獲得大的光學距離，鏡42和43彎折系統41所發射的光束47。
本發明還可以校正雙曲線鏡44可能帶來的像散。為此，設置一個或兩個彎月形板(圖5中未示出)，這些板位于物鏡41的光瞳411附近。在兩個彎月板的情況下，它們分別位于光瞳411兩側。放置彎月板，使得它們的凹面彼此相對，并且彎月板的中心也分別位于光瞳411的兩側，使得兩個凹面之間的距離小于兩個凹面的半徑和。
SLM(空間光調制器)顯示裝置的成像器40使得可以傳送由于空間調制而傳送至少一個圖像的光束。該光束由系統41傳送至平面鏡42，然后傳送至平面鏡43，并最終傳送至雙曲線鏡44，雙曲線鏡44將光反射到平面鏡45上。平面鏡45優選地平行于屏幕46的平面位于背投影機4的背面。
SLM顯示器40位于穿過系統41的光軸XX′的平面的一側，以便僅照射雙曲線鏡44，雙曲線鏡44僅占據位于穿過雙曲線軸的平面一側的一部分雙曲線。因此，優選地，截去鏡44中并不接收有用光束的下部。
圖6和7分別示意性示出了沿著X方向的側視圖以及沿著Z方向的正視圖。
如圖所示，光學系統41的光軸近似水平，且平行于屏幕46。因此，它對背投影機4的深度p′1沒有影響，同時保持了屏幕46之下的高度h′2較小。為了進行說明，對于高度h′1等于620mm的屏幕，p′1為約160mm，h′2為約320mm。
根據所圖示的實施例，投影機4的參數如下
-α和β分別等于45°和21°；-物鏡41和鏡42之間的距離等于53mm；-鏡42和43之間的距離是86mm；-鏡43和44之間的距離等于94mm；-鏡42是尺寸為103mm(兩條非平行對邊)×55mm×68mm(平行對邊)的梯形；以及-鏡43是尺寸為100mm×70mm的矩形。
更一般地，根據本發明的各種實施例，光學系統41的光軸近似水平，且與屏幕46成γ角度。系統41的光軸與屏幕46的長邊之間的角度小于15°。優選地，該角度小于10°。因此，可以大大減小模塊的深度。更優選地，深度為0或接近0，由此可以進一步減小投影模塊的整體尺寸(高度和深度)，因此可以進一步減小投影機4的尺寸。
以這種方式，減小了模塊的高度。這種模塊尤其適于整體(one-piece)投影機的情況(例如，背投影機)，其中該模塊安裝在屏幕(圖像具有電視或電影類型的長寬比)之下或之上；或者適于與屏幕分離的投影裝置的情況，凸鏡在與投影屏幕平行的方向造成了較大的尺寸。
另外，來自物鏡的大多數雜散光線一般近似平行于投影屏幕，并且不被凸鏡反射。因此，以非常簡單的方式消除了這些光線。
鏡42相對于YZ平面傾斜45°的角度，以便將沿YZ平面發射的光束47的中心光線偏轉為垂直于屏幕46，由此允許投影模塊的構造現對簡單。鏡42也相對于YZ平面傾斜22.5°的角度α。取決于上述各種實施例，在本發明的一個實施例中，光學系統的光軸與屏幕46之間的角度γ不是0，鏡42相對于YZ平面傾斜45°±γ/2的角度。優選地，此角度在40°和50°之間，因為γ優選地小于10°。
圖6還示出了沿著背投影機4中居中的垂直平面發射的光束的包絡。更準確地，所發射光束的包絡在上部受限于光線61，在下部受限于光線60。
為了減小高度h′2，鏡42優選地放置的盡可能高。因此，鏡43反射的光束(尤其是光線60)掠過鏡42，使鏡42不致成為其阻礙。
為了盡可能少地妨礙光束的傳播，并減小高度h′2，鏡42的形狀為梯形，這恰對應于光學系統41所反射的光束在其反射面中的形狀。
鏡43平行于X軸，并且將鏡42反射的光束偏轉到雙曲線鏡44上。其相對于垂直軸Y傾斜22.5°的角度。將其放置的盡可能靠近背投影機4的背面，同時保證不會成為鏡44所反射的光束的阻礙。
因此，在物鏡41和雙曲線鏡44之間放置兩個偏轉鏡42和43的光學模塊配置中，兩個偏轉鏡42和43具有兩個功能，具體地，因為一方面它們使得可以將成像光束重新定向到垂直于投影屏幕的平面中，另一方面，可以加長物鏡41和凸鏡44之間的光學距離。這兩個功能尤其使得可以在限定空間中更容易地彎折成像光束。
如上所述，雙曲線鏡44將光束偏轉到鏡45上，允許放大圖像。
雙曲線鏡44的表面的方程如下z=cr21+1-(1+k)c2r2---(1)]]>其中-c表示鏡的曲率(c＝1/Rc，其中Rc是曲率半徑)；-k是錐度常數；以及-r是徑向坐標。
作為示例，在所圖示的實施例中，半徑Rc等于57.7mm，并且常數k等于3.77。雙曲線的外形是從雙曲線的軸偏心56mm的橢圓形(尺寸90mm×136mm)。
一般而言，鏡44是凸鏡。因此，在一個實施例中，鏡44被非球面鏡代替，非球面鏡被設計來將放大圖像偏轉到鏡45上。非球面鏡的表面的方程如下z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1Nαiri---(2)]]>其中出現非球面項，其中-i是所使用項的秩(rank)；以及-αi表示秩為i的項的非球面系數。
作為示例，α3等于-1.09×10-6，并且其他系數αi為零。
根據本發明的另一變體(可以與所述的其他背投影機變體組合)，位于非球面或雙曲線鏡與屏幕之間的鏡可由相對于屏幕傾斜的鏡替代，和/或由用于彎折光束的數個偏轉鏡替代。
根據本發明的又一變體，在凸面(例如，非球面或雙曲線)鏡和屏幕之間沒有反射鏡。物鏡的折射部分包括由四個透鏡構成的后部透鏡組Gr以及由三個透鏡(包括一個彎月形鏡)構成的前部透鏡組Gf。前部組接收來自對象SLM(要將其圖像投影到屏幕上)的光。前部組Gf使得可以使用其從后部組Gr接收到的光束來照射凸鏡(根據所圖示的示例，為雙曲線鏡)。雙曲線鏡相對于透鏡組Gf如此放置，使得其焦點之一F1位于前部組Gf的出射光瞳的平面內。另一虛焦點F2位于系統的虛出射光瞳的平面內。雙曲線鏡與光瞳共軛，并且具有增加場角的優點，因此具有增加系統放大率的優點。另外，設置位于組Gf的彎月形鏡與雙曲線鏡之間的正透鏡，以便減小場中光線的包絡，從而使得光束更容易被平面鏡彎折，以減小物鏡的整體尺寸。
然而，雙曲線鏡可能引入幾何失真。為了校正此失真，后部透鏡組Gr包括表面為二次曲線形的透鏡。有利地，此二次曲線是與凸鏡的形狀相同類型的二次曲線，以提供對幾何失真的近乎完美的校正。有利地，因而此二次曲線是雙曲線。優選地，二次曲線(雙曲線鏡和后部透鏡)的比近似正比于雙曲線的焦點位置之比。例如，如果設定了等價后部透鏡Gr的焦點，將光瞳置于此透鏡的焦點處，并且將雙曲線置于相距“特定距離”。此距離限制了雙曲線的焦點和二次曲線形狀的使用，以便在屏幕上獲得給定的放大率(例如，64)。為了校正物鏡，必須給予透鏡或透鏡組Gr的二次曲線表面形狀應該如下此二次曲線與雙曲線鏡的二次曲線之比近似等于雙曲線的焦點與雙曲線的主平面距離之比。通過透鏡組Gf從相應的雙曲線觀察，這些距離是相同的距離。
然而，雙曲線透鏡必須與物鏡的光闌相距一定距離，使得可以在擴大的光束上進行失真的預校正。
另外，如此設計的透鏡使得可以不僅校正幾何失真，還可以校正場曲率。
此外，系統導致的像散缺陷并不遵循與幾何失真相同的規律。它們不能通過上述裝置來校正。這是設置至少一個彎月形鏡來校正系統導致的像散缺陷的原因。
根據投影機4的一個實施例，鏡42和42可以由復棱鏡替代。可以存在與鏡42等價的表面的完全反射。然而，與鏡43等價的表面必須鍍上金屬，因為入射光束的角度與該表面的法線相比較小。
圖8示出了根據本發明的背投影機8的第二實施例，尤其適于防止暈影或消除雜散光線。
背投影機8包括與上述背投影機6相同的元件。這些公共元件具有相同標號，因此不再描述。
背投影機8還包括平行于X軸的遮罩80至82，每個這種與鏡42和43中至少一個相關聯，并且它們的位置使得阻斷來自系統41的雜散光線(或者直接阻斷，或者在其中一個反射鏡(特別是鏡42)上反射之后阻斷)。
遮罩80與鏡42在最靠近雙曲線鏡44的一側相切。因此，其阻斷雜散光線83被引導到雙曲線鏡44或屏幕46上。
遮罩81連接到遮罩80，同時近似水平，不致阻礙鏡42和43分別反射的光束。因此，其阻斷雜散光線85被引導到背投影機8的頂部，尤其是引導到屏幕46上。
遮罩82與鏡43在靠近平面鏡45的上端相切，同時其位置和尺寸不致成為鏡43和44分別所反射的光束的阻礙。因此，其阻斷雜散光線84被引導到鏡45上。
優選地，遮罩80至82沿X方向具有較大尺寸，僅受投影機8的寬度限制。沿著YZ平面的方向，遮罩的位置不致妨礙成像光束的傳播。
根據實施例變體，遮罩組合在一起成為將物鏡和照明裝置與鏡42至45完全分開的單個表面。僅在形成遮罩的表面中制造出矩形或梯形孔徑(取決于成像光束入射到表面上的角度)，以使成像光束穿過該孔徑，同時防止雜散光束通過孔徑穿出。
此外，應該注意，在光學系統41的光軸近似水平的配置中，沿著近似平行于鏡44和45以及平行于屏幕46(背投影機6和8)的軸，大多數雜散光線是以非常簡單的方式消除的。這是因為在這種配置中，大多數雜散光線近似水平，并且向著背投影機的一側引導。因此，大多數這樣沒有遇上第一偏轉鏡42的雜散光線不會被引導向鏡或屏幕，而是被引導向背投影機的其他內部元件，這些元件優選地并不反射。
圖13示出了背投影機4所裝備的光學電機。該光學電機包括-燈130及其反射器；-16∶9導板131(對應于16∶9的屏幕46)；-透鏡132和133；-平面偏轉鏡134；-透鏡135；-棱鏡136；-成像器40；-物鏡41；以及-鏡42至44。
燈130及其反射器發射照明光束137，該光束聚集在導板131的入口。一旦從導板131出射，透鏡132和133傳送光束137，到達鏡134。鏡134相對于入射光束的光軸傾斜，從而將光束137偏轉到透鏡135上，透鏡135粘接在棱鏡136上。燈130、導板131和透鏡132和133的光軸近似平行于與屏幕46相關聯的投影平面。因此，減小了背投影機4的深度。
然后，光束137經由透鏡135進入棱鏡136，之后被棱鏡136的相對面反射到成像器40上。光學電機中各個元件的位置和透鏡的焦距使得導板131的出口被成像在成像器40上。
在反射到成像器40上之后，光束137因而形成代表圖像的光束138，將其發送到棱鏡136，之后進入光學系統41，然后被鏡42、43和44反射，如上所述。
燈130所發射的光束137的取向與從成像器40發射的光束相同。以這種方式，元件130至133位于相對于成像器40后部的一半空間。此外，照明光束137中位于偏轉鏡134之前的部分近似平行于從透鏡41發射的成像光束。優選地，這兩個光束之間的角度小于10°。此外，優選地，投影平面(由屏幕46限定)與照明光束137中位于偏轉鏡134之前的部分之間的角度也小于10°。因此，照明系統的元件130至135、成像器40、物鏡41和鏡42至44可以占據高度和深度(分別沿Y和Z軸)減小且長度不超過屏幕46寬度的平行六面體空間。
圖14圖示了圖13所示的光學電機(除了未示出的燈130之外)的正視圖，并且表明了各個元件的位置。
因為鏡43的法線與入射光束47的光軸成β的角度，所以成像器40的長軸與Z(屏幕46的法向)方向成2β的角度。同樣，16∶9導板131的出口的長邊也與Z方向成2β的角度(然而，導板出口的長邊和成像器長軸取向相反)。
圖9至11圖示了根據本發明的背投影機9的第三實施例，尤其適于具有基座98的配置。
背投影機9包括-平坦的投影屏幕96，限定了平行于屏幕96的水平軸X、垂直軸Y以及垂直于屏幕96的Z軸；-照明裝置(圖9中未示出)，產生照明光束；-成像器90，從照明光束產生成像光束；以及-投影模塊。
投影儀9本身的投影模塊包括-光學系統91或物鏡，面對成像器90放置，其光軸近似平行于Y方向(近似豎直光軸)；-第一偏轉鏡92，其接收光學系統91所發射的成像光束97，并使得可以將光束97的中心偏轉到相對于水平平面XZ稍有傾斜的平面內；-第二偏轉鏡93，其接收鏡92偏轉的光束97，并且其位置使得將光束反射到雙曲線鏡94上；-雙曲線鏡94(類似于上述鏡44)，其被設計來放大光束97，并將其傳送到第三偏轉鏡95；以及-偏轉鏡95(類似于上述鏡45)，平行于屏幕46，并將從雙曲線鏡接收到的光束97傳送到屏幕96上。
作為示例，鏡92和93分別成52°和18°。因此，物鏡91相對于屏幕成22°的角度((90+2×18)°-2×52°＝22°)。
因此，如圖9中所示的立體圖所示，光學元件90至94處于基座98中，基座98可能相對較窄(同時仍然保持組件的良好機械強度)，僅僅放大了基座98的底座，以便更好地理解組件。對于尺寸為1106×620mm的屏幕，基座的寬度p′3例如是250mm，其深度是160mm。因此，可以一起容納光學元件90至94、燈以及用于照射成像器的系統。因此，該投影模塊尤其適于具有基座的背投影機，或者正投影機的配置(對于垂直邊短于水平邊的電視或電影類型圖像未彎折)。
圖10和圖11分別示意性示出了背投影機9沿X軸和Z軸的側視圖和正視圖。
系統91的光軸近似位于YZ平面中，并且與垂直軸Y成γ1的角度。根據所圖示的實施例，角度γ1等于22°。根據實施例變體，利用所選擇的孔徑，其處于20°和24°之間(對應于入射角大于55°)。這避免了必須將鏡92的面積增加太多，并避免了暈影。
更一般地，角度γ1處于20°和24°之間。這與現有技術相比，已經允許減小背投影機的深度。優選地，其小于10°，以便更多地減小背投影機的深度。
圖11示意性圖示了背投影機9沿Z軸的正視圖。
圖15示出了背投影機9裝備的光學電機。該光學電機包括-燈150及其相關聯的反射器；-16∶9導板151(對應于16∶9的屏幕96)；-透鏡152和153；-平面偏轉鏡154；-透鏡155；-棱鏡156；-成像器90；-物鏡91；以及-鏡92至94。
燈150及其反射器發射照明光束157，該光束聚集在導板151的入口。一旦從導板151出射，透鏡152和153傳送光束157，到達鏡154。鏡154相對于入射光束的光軸傾斜，從而將光束157偏轉到透鏡155上，透鏡155粘接在棱鏡156上。燈190、導板141和透鏡142和143的光軸相對于與屏幕46相關聯的投影平面略有傾斜。因此，減小了背投影機9的深度。
然后，光束157經由透鏡155進入棱鏡156，之后被棱鏡156的相對面反射到成像器90上。光學電機中各個元件的位置和透鏡的焦距使得導板151的出口被成像在成像器90上。
在反射到成像器90上之后，光束157因而形成代表圖像的光束158，將其發送到棱鏡156，之后進入光學系統91，然后被鏡92、93和94反射，如上所述。
燈190所發射的光束157的取向與從成像器90發射的光束相反。以這種方式，元件150至155位于相對于成像器90前部的一半空間。此外，照明光束157中位于偏轉鏡154之前的部分近似平行于從透鏡91發射的成像光束。優選地，這兩個光束之間的角度小于10°。根據本發明的其他實施例，投影平面(由屏幕96限定)與照明光束147中位于偏轉鏡154之前的部分之間的角度也小于10°。因此，照明系統的元件150至155、成像器90、物鏡91和鏡92至94可以占據高度、寬度和深度減小的平行六面體空間，因此可以容易地安裝在基座98中。
圖12示出了正投影系統，包括垂直的平坦屏幕121和正投影系統120，正投影系統120例如位于面對屏幕121的頂板之下，從而將圖像投影到屏幕121上。投影系統120與屏幕121分離。然而，與背投影機系統(其中，通過后部照射屏幕)不同，由投影系統在其可視的正面上照射屏幕121。
屏幕121限定了平行于屏幕121的水平軸X、垂直軸Y以及垂直于屏幕121的Z軸。
投影系統120包括與背投影機4相同的元件(具有相同標號)，具體地是
-照明裝置130至136；-成像器40；以及-光學系統41，面對成像器40放置，其光軸近似平行于X方向；-第一偏轉鏡42，其接收光學系統41所發射的光束47，并使得可以將光束47的中心偏轉到與屏幕46垂直且由YZ軸限定的平面內；-第二偏轉鏡43，其接收鏡42偏轉的光束47，并且其位置使得將光束反射到雙曲線鏡44上；以及-雙曲線鏡44，其被設計來放大光束47，并將其傳送到屏幕121。
鏡45不是必須的，因為投影系統120可以遠離屏幕，當然無需增加系統120的尺寸，并且其位置使得圖像正確投影在屏幕121上(光束47在鏡44和屏幕121之間不彎折)。
根據本發明的實施例變體，添加了與圖8所示的遮罩80至82類似的遮罩。
在不同變體中，可以修改鏡42、43和44的尺寸和幾何形狀。具體地，鏡44可以是非球面鏡。
根據本發明的實施例變體，成像裝置類似于圖15所示的裝置150至155，由此特別適于不彎折的正投影系統(例如，彎折位置對應于存儲模式，并且未彎折位置對應于工作模式)。
因此，該投影模塊尤其適于具有基座的背投影機，或者正投影機的配置(對于垂直邊短于水平邊的電視或電影類型圖像未彎折)。
圖16以展開圖的形式圖示了根據本發明實施例變體的背投影機16，具有凹非球面鏡164，該背投影機包括-成像源或成像器40；-物鏡161，由源40產生的成像光束照射；-凹非球面鏡164，在彎折光束同時放大圖像；-兩個平面彎折鏡162和163，位于物鏡161和凹鏡164之間；-彎折鏡45；以及-背投影屏幕46。
背投影機16包括與背投影機4的組件相同的元件，它們具有相同的標號，具體地，如圖13所示的產生照明光束的裝置(燈130及其反射器、16∶9導板131、透鏡132和133等)、成像器40、物鏡20、彎折鏡45和屏幕46，將不再描述。
彎折背投影機161的物鏡161的軸是水平的。從物鏡161發射的成像光束首先照射鏡162，鏡162相對于光軸傾斜45°，并且垂直于屏幕16。因此，光束沿平行于屏幕16的方向發送，其光軸在與屏幕16垂直的平面中。鏡162反射的光束然后照射鏡163，鏡163相對于光軸傾斜45°，并且其法線垂直于屏幕16。因此，光束沿垂直于屏幕16的方向發送，以便照射凹鏡164。未被平面彎折鏡162、163和45彎折的成像光束165在圖16中以虛線表示。
一般而言，未彎折投影系統的各個實施例的所有光軸垂直于投影平面，假設投影平面為垂直的，因此光軸是水平的(針對以未彎折形式示出的系統)。
然而，根據其中使得照明部分可以更容易地安裝的可選實施例(連接到成像器40的光照明核心、燈外殼、電子卡傾斜)，物鏡的實際軸傾斜。這是因為在通過彎折鏡進行彎折之后，投影系統的一個元件的軸可以變為非水平。例如，如果較大的鏡傾斜，所有之后的元件，尤其是凹鏡，也將傾斜兩倍角度。優選地，物鏡的軸與投影平面之間的角度不超過10°。同樣，物鏡的軸與平面上所投影的圖像的長邊之間的角度優選地不超過10°。優選地，鏡162與垂直于屏幕46的平面成40°和50°之間的角度。
投影機的光學部分擁有光軸166，所產生的光束165(因此成像器40)相對于該軸166是離軸的。從屏幕46觀察，凹鏡164使得光束165看起來像是來自與位于鏡164和屏幕46之間的成像光束165路徑中的光瞳PF相對應的光瞳區。
凹非球面鏡164具有軸對稱形狀，其反射表面由如下非球面方程給出Z(r)=r2/R1+1-(1+c)(r/R)2+α1r+α2r2+α3r3+α4r4+α5r5+α6r6+...]]>
其中-r表示給定點與光軸的距離；-Z表示該點與垂直于光軸的平面的距離；-系數c是二次曲線系數；-參數R對應于表面的曲率半徑；以及-參數a1、a2、…、ai分別是1、2和i階的非球面系數。
根據可選實施例，鏡164是雙曲線鏡(即，在上述Z(r)的方程中系數ai為0)。
圖19更詳細地示出了物鏡161。
物鏡161包括后部透鏡組190至193以及前部透鏡組194至196。
物鏡161在成像光束路徑中的最后一個透鏡196優選地是非球面彎月形透鏡，其形狀與凹鏡164的參數匹配。因此，其形狀優選地由如上所示的非球面方程給出。
作為示例，在一個特定實施例中，凹鏡164的半徑R是60mm，參數c和a1至a8分別如下-1.59311mm、0、0、-8.94×10-6、0、1.64×10-9、-9.74×10-13、-7.84×10-14及2.31×10-16。彎月形透鏡196的第一表面(成像器一側)的半徑R是44.94711mm，并且參數c和a1至a8的值分別如下0、0、0、-3.1×10-4、2.88×10-5、1.96×10-6、7.14×10-8、4.15×10-10及-4.30×10-10。彎月形透鏡196的第二表面(與成像器一側相對)的半徑R是29.49554mm，并且參數c和a1至a8的值分別如下0、0、0、-2.7×10-4、9.97×10-6、6.34×10-7、-1.41×10-7、8.98×10-9及-1.78×10-10。
背投影機16具有屏幕之下的高度h′相對較小的優點，典型地，對于對角線約1.50m的屏幕，在10和20cm之間。高度h′實際上足以容納物鏡161和鏡164，同時仍然在屏幕46上形成正確的圖像，而成像光束165不會碰到物鏡161。優選地，高度h′等于屏幕高度的五分之一(近似)。更準確地，高度h′小于或等于屏幕的高度除以5。其還可能取決于物鏡161或凹鏡164的放大率，以及照明系統(燈的反射器的尺寸)。因此，對于50″屏幕和DMD HD3的投影機，高度h′例如小于20cm，典型地等于12cm。
根據本發明的變體，彎折背投影機16的物鏡161的軸不是水平的，背投影機16包括位于物鏡和凹鏡164之間的兩個或多個彎折鏡，以便沿著近似垂直且優選地垂直于屏幕46的方向發送光束。
根據本發明的其他實施例變體，照射凹鏡(位于成像光束的路徑中的第一圖像之后)的成像光束的軸不是水平的。于是計算凹鏡的形狀，以在與投影屏幕相對應的投影平面上產生第二圖像。
背投影機16的成像器40的長邊是豎直的(對于水平邊較長的豎直投影屏幕46)。
背投影機16使得可以消除物鏡161中透鏡的尺寸限制，以便其不會切斷來自鏡164的返回光束165。取決于背投影機16的配置，當透鏡在光束165之下時，還可以使用更大的透鏡(更容易的場分離)。
圖17示出了背投影機16形成的各種圖像(成像光束表示為未彎折)。
光線174表示成像光束165的中心光線，并且光線173和175表示兩個外端光線。
物鏡161的出射光瞳PS在光束165的路徑中形成位于鏡164之前的圖像IS。物鏡161放大成像器40上所形成的物體圖像，以便形成放大因子為G的圖像IS。與物鏡161相關聯的放大因子G優選地在1和10之間，并且更優選地在5和9之間。
鏡164將出射光瞳PS和光瞳PF相關聯，其中成像光束中的光線在相對較小的區域中穿過。計算鏡164的形狀，以產生與圖像IS相對應的圖像IF，投影到屏幕46所處的投影平面上。凹鏡164放大圖像IS，以放大因子G′形成圖像IF。與凹鏡164相關聯的放大因子G′優選地大于與物鏡161相關聯的放大因子G。
位于所述成像光束路徑中第一圖像之后的凹鏡164的使用具有如下優點與光線172相對應的成像光束的下部相對較高，因此允許光學元件接近屏幕(在背投影機的情況下)，從而更容易安裝，而不會干擾凹鏡與平面之間的光束傳播。
根據實施例變體，與凹鏡164相關聯的放大因子G′大于10。
凹鏡164優選地位于光軸之下。優選地，系統在凹鏡164之前的光軸是水平的，并且接近屏幕46的底部。
圖18圖示了背投影機16的光學特性。更準確地，成像器40產生第一圖像，包括為了說明所表示的兩點A和B。從這兩點A和B分別發射兩個光束182和183，在穿過包括至少一個透鏡180以及出射光瞳PS181的物鏡161之后，形成兩點A′和B′，它們屬于物鏡161所產生的圖像IS。
光束183和182分別在鏡164的非離散區域A″和B″中反射，并且會聚在與光瞳PF相對應的區域上，光瞳PF是光瞳PS通過鏡164的像。
應該注意，光瞳PF相對接近鏡164，光瞳PS離鏡164更遠。通常，出射光瞳區PF與凹鏡164的頂點的距離在25mm和60mm之間。優選地，出射光瞳181與凹鏡21的距離必須盡可能大。
另外，本領域技術人員將能夠限定物鏡和彎折凹鏡(用來從位于凹鏡之前的第一圖像在投影平面中產生第二圖像)，尤其以根據特定標準來適配校正或像散以及光學失真，并將它們在投影系統的各個光學組件之間分配。
根據本發明的可選實施例，投影機16具有與至少一個偏轉鏡162和163相關聯的遮罩，以防止雜散光線的傳播。
根據本發明的可選實施例，投影機包括類似于基座98的基座，其可以相對較窄(如圖9所述)，并包括與投影機16的元件類似的光學元件(尤其是凹鏡)，其光軸對應于投影機9中針對相應元件所圖示的光軸(特別是，物鏡的光軸與平面成γ1的角度，該角度優選地不超過25°)。
根據本發明的可選實施例，投影機具有使用凹曲面鏡的正投影機類型。因此，這種投影機例如包括投影機16的元件，除了位于凹鏡之后的彎折鏡和屏幕，在光學電機和彎折鏡的元件的情況下，配置類似于投影機16的配置，并且在正投影特有部件的情況下，配置類似于圖12所示的投影機的配置。
當然，本發明不限于上述實施例。
具體地，根據本發明的背投影機包括曲面鏡，尤其可以是非球面或雙曲線鏡，以便放大光束。
曲面鏡尤其是凸鏡或凹鏡。本發明還與局部凹或凸曲面鏡(例如，具有凹部分和凸部分的鏡，或者具有平面部分和凸或凹部分的鏡，或者具有平面部分、凸部分和凹部分的鏡)兼容。
本發明適用于任何小型化投影機，尤其是包含光學元件的橫向部分位于屏幕旁邊、之上或之下的情況。
根據本發明，位于物鏡和凸鏡之間或燈和圖像之間的平面偏轉面可以是任何類型的，具體地，可以是反射鏡類型的反射或半反射面，或者具有反射面的棱鏡。
位于物鏡和凸鏡之間的成像光束路徑中的反射或半反射偏轉面的數目和位置也不限于上述實施例。因此，根據本發明，可能存在兩個或多個(特別是兩個、三個或四個)偏轉面位于光學系統和凹鏡之間的成像光束路徑中。因此，根據本發明，實施例可以包括三個、四個或更多個偏轉面，用于沿著不垂直于屏幕的不同平面重定向成像光束(例如，在其中物鏡放置為近似垂直于投影機的橫向部分的配置中，第一反射面向第二反射面水平發送成像光束，第二反射面向第三偏轉面垂直發送光束，第三偏轉面將光束重定向到凸鏡)。
同樣，位于照明源和成像器之間的照明光束路徑中的反射或半反射偏轉面(尤其是具有反射面的鏡或棱鏡)的數目和位置也不限于上述實施例。因此，根據本發明，可以存在兩個或多個(特別是兩個、三個或四個)偏轉面位于照明源和成像器之間的照明光束路徑中。因此，根據本發明，實施例可以包括三個、四個或更多個偏轉面，用于將照明光束重定向到成像器上。
權利要求
1.一種用于在屏幕(46，96，121)上投影圖像的投影模塊，所述屏幕限定特定投影平面，所述模塊包括-物鏡(41，91，161)，包括用于發射成像光束(47，97)的裝置；以及-曲面鏡(44，94，164)，其特征在于，所述模塊包括至少兩個偏轉面(42，43，92，93，162，163)，用于偏轉所述成像光束，這些面位于所述物鏡和所述曲面鏡之間的所述成像光束路徑中。
2.根據權利要求1所述的模塊，其特征在于所述曲面鏡(44，94，164)是雙曲線鏡。
3.根據權利要求1或2所述的模塊，其特征在于所述物鏡的軸與所述投影平面之間的角度不超過10°。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的模塊，其特征在于，當所投影的圖像是矩形時，所述物鏡的軸與所述屏幕上所投影的圖像的長邊之間的角度不超過10°。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的模塊，其特征在于，當所投影的圖像是矩形時，所述物鏡的軸與所述屏幕上所投影的圖像的短邊之間的角度不超過25°。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的模塊，其特征在于，至少一個所述偏轉面被設計來將來自物鏡的成像光束沿著垂直于所述投影平面的平面重定向到所述曲面鏡上。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的模塊，其特征在于，至少一個所述偏轉面與垂直于所述投影平面的平面成40°和50°之間的角度。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的模塊，其特征在于所述偏轉面是平面。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的模塊，其特征在于包括與至少一個所述偏轉面相關聯的至少一個遮罩(80，81，82)，被設計來防止雜散光線(83，84，85)的傳播。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的模塊，其特征在于所述曲面鏡(44，94)至少局部凸出。
11.根據權利要求10所述的模塊，其特征在于所述曲面鏡(44，94)是凸鏡。
12.根據權利要求1至10中任一項所述的模塊，其特征在于所述曲面鏡(164)至少局部凹入。
13.根據權利要求12所述的模塊，其特征在于所述曲面鏡(164)是凹鏡。
14.一種投影系統的光學電機，所述電機用于在屏幕上投影圖像，所述屏幕限定特定投影平面，所述電機包括-成像器(40，90)，被設計來產生所述成像光束(47，97)；以及-照明裝置，本身包括用于產生照明光束(137，157)的光源(130，150)和聚焦裝置(132，133，135，152，153，155)，以及用于將所述照明光束偏轉到所述成像器上的裝置，其特征在于，所述電機還包括根據權利要求1至13中任一項所述的模塊，并且用于偏轉所述照明光束的所述裝置包括至少兩個分離的偏轉面(134，136，154，156)，用于偏轉所述照明光束。
15.根據權利要求14所述的電機，其特征在于，所述照明光束中未被所述偏轉面之一反射的部分與所述成像光束中未被所述偏轉面之一反射的部分成的角度小于10°。
16.一種投影系統(4，8，9，120)，其特征在于包括根據權利要求1至13中任一項所述的投影模塊。
17.根據權利要求16所述的投影系統(4，8，9)，其特征在于包括投影屏幕(46，96)，所述模塊通過后部照射所述屏幕。
全文摘要
本發明涉及一種用于在屏幕上投影圖像的投影模塊，所述屏幕限定特定投影平面。所述模塊包括物鏡(41)，本身包括用于發射成像光束(47)的裝置；曲面鏡(44)；以及至少兩個偏轉面(42，43)，用于偏轉成像光束，這些面位于物鏡和曲面鏡之間的成像光束路徑中。本發明還涉及一種光學電機以及一種相應的投影系統。
文檔編號G03B21/28GK1938645SQ200580009987
公開日2007年3月28日 申請日期2005年3月30日 優先權日2004年3月30日
發明者讓-雅克·薩克雷, 帕斯卡·貝努瓦 申請人:湯姆森許可貿易公司