專利名稱：：投影透鏡系統及方法
技術領域：
：本發明總體上涉及用于視頻顯示的投影透鏡系統。具體而言，其涉及一種中廣角投影系統和方法。技術背景本部分旨在向讀者介紹與以下所描述和/或提出專利權的本發明各方面相關的諸方面技術。討論相關技術相信有助于向讀者提供背景信息，便于讀者更好地了解本發明的方方面面。因此，對這些陳述應就此發明而非作為對已有技術的承認加以審閱。視頻顯示設備中所使用的投影系統一般采用適于在寬光錐內散射光線的透鏡。寬光錐通常被投射到放置位置相對遠離投影系統的屏幕上。正如對該技術有一般了解的人所知，這些透鏡一般均帶有使主光線大致平行射向投影系統透鏡正面的結構。這通常是將出射光瞳深嵌入透鏡內來實現，從而使光線平行并得到"寬光束腰"。為進一步加寬光束，在平行光線后放置負透鏡元件，以增加平行光線的散度。盡管廣角投影技術很普通，但由于視頻系統的原因而使廣角投影系統未成為最佳應用選擇。在諸如由楔形板顯示屏構成的楔形板顯示系統中，從投影透鏡系統射出的光可射入楔形板顯示器的小入射孔內。進入楔形板顯示器的光以相對于楔形板顯示器的某一角度被投射，這樣，當光穿過楔形板顯示器形成圖像時經過了多次全內反射。使用這種方式能夠在寬度相對較小的屏幕上成像。因此，由于入射光瞳小以及圖像投影方式所限，廣角投影的使用與諸如楔形板顯示器等顯示設備的使用不相容。這種不相容是由廣角投影系統所產生的大光斑尺寸以及顯示設備的小入射光瞳所導致的。這種不相容可導致顯示設備和投影系統間光耦合效率的全面損失。最終使顯示在顯示設備上的圖像質量降低。所以需要一種能夠在這種情況下使用廣角投影技術的系統和方法。
發明內容為就本發明可能采用的某些形式向讀者提供其簡要內容且所陳述的這些方面并非有意限制本發明的范疇。實際上，本發明可能包含未在下文陳述的多個方面。本發明公開的實施方式涉及一種視頻單元，其包含用于形成圖像的成像系統，至少一個用于產生中廣角顯示圖像的透鏡，以及孔徑光闌，用于捕獲來自至少一個透鏡的中廣角顯示圖像。通過閱讀下文的詳細描述并參考附圖，本發明的優點顯而易見，其中圖1為依據本發明的一個實施例給出的一種視頻單元的方框圖；圖2為依據本發明的一個實施例給出的投影透鏡系統的示意圖；圖3為依據本發明的一個實施例給出的投影透鏡系統的示意圖；圖4A為依據本發明的一個實施例給出的各光斑示意圖；圖4B為依據本發明的一個實施例給出的另外光斑的示意圖；和圖5為依據本發明的一個實施例給出的方法流程圖。具體實施方式本發明的一個或多個具體實施方式將在下文說明。為提供這些實施方式的簡潔說明，在此并未將一個實際實施方式的所有特點全部給予描述。應該認識到在任何這些實際實施方式的開發中，正如在任何工程或設計項目中一樣，為實現開發方的具體目標(因實施方式不同而不同)，如符合與系統相關和商業相關的約束，必須做出許多具體實施決定。而且，開發過程可能復雜耗時，但盡管如此，對于那些受益于本公開發明的普通技術人員而言，這不過是一個設計，加工，制造的例行工作。首先對圖1進行說明，圖1示出的是依據本發明的一個實施例給出的視頻單元框圖，以參考標號10總體標示。視頻單元10可包含數字光處理(DLP,DigitalLightProcessing)投影電視或投影儀。在另一個實施方式中，視頻單元IO可包含液晶顯示器(LCD,LiquidCrystalDisplay)投影電視或投影儀。在其它實施方式中，視頻單元IO可包含另一種方式適合的投影電視或顯示器。視頻單元IO可包括光引擎12。光引擎12用于產生白光或色光，成像系統14利用產生的白光或色光生成視頻圖像。光引擎12可包括任何形式適合且能夠沖殳射白光或接近白光的燈或燈泡。在一個實施方式中，光引擎12可以是諸如金屬囟化物燈或汞蒸汽燈的高亮度光源。例如，光引擎12可包括由飛利浦電子公司生產的超高性能("UHP")燈。光引擎12也可以包括可將被投射的白光轉化為色光的部件，例如色輪，二色鏡，偏光鏡，和濾光器。同樣，在替代實施方式中，光引擎12可包括能夠產生色光的部件，如發光二^l管。如上文所述，光引擎12可在成像系統14處l殳射，照射，或聚焦色光。成像系統14可利用色光生成適合在屏幕24上顯示的圖像。成像系統14可產生一個或多個用于校準視頻單元10內像素偏移的像素型樣。在某一實施方式中，成像系統14包含DLP成像系統，其利用一個或多個DMD并使用色光生成視頻圖像。在另一個實施方式中，該成像系統使用了LCD投影系統。然而，應該了解，上述實施例并非具有唯一性，在替代實施方式中，任何一種方式適合的成像系統14均可在視頻單元10中使用。如圖1所示，成像系統14可將圖像投射到一個中廣角投影透鏡組件16內，圖1中標為"投影"。如下文所述，中廣角投影透鏡組件16可包括一個或多個透鏡和/或反射鏡，用于將成像系統14產生的圖像投射到屏幕24上。顯示屏24可包含一個楔形板顯示器，用于接收來自投影系統16的光。光以一定角度射入楔形板顯示器，這樣入射光在楔形板一側發生全內反射直至其與楔形板間的夾角達到臨界角度。一旦達到臨界角，在楔形板一側就會產生用戶可視的圖像。圖2為依據本發明的一個實施例給出的投影透鏡系統的示意圖，以參考標號40總體標示。圖2所示系統40適用于使光發生中廣角投影。這樣一個投影系統使射出投影透鏡組件40的光以最佳方式射入如楔形板顯示器24中所用的小入射光瞳內。因此，圖2示出了成像器件42,例如DMD,以及位于組件40—端的防護玻璃44。從DMD42射出的光通過構成系統40的透鏡元件被進一步處理以便進行中廣角投影。因此，在此實施例中，DMD42提供了一個平面，通過該平面，示例主光線41,43,47,和49在透#;組件40中產生。盡管圖2只示出了四條示例光線，但熟知本技術的人員應該知道實際上有一束光線從DMD42射出。此外系統40還包括靠近防護玻璃44放置的全內反射(TIR,TotalInternalReflection)棱鏡45。由紅，綠，和藍(RGB)光組成的色光分量從DMD42射出并被投射入TIR棱鏡45。除色光分量外，圖像照明光(未在圖中標示)也進入TIR棱鏡45并到達DMD42。使用TIR45旨在將這兩種不同光束引導至各自的目的地。即，照明光束被引導至DMD42,色光分量^皮引導至第一個透鏡元件46。因此，TIR45用于將成像用RGB光和照明用光加以分離。隨后，從TIR棱鏡45射出的光線被投射到丙烯酸非球面透鏡46上。透鏡46用于精細調整從TIR棱鏡45射出的光線，這樣光線可能稍有離散。因此，光線41,43,47和49又被投射到靠近非球面透鏡46放置的雙合透鏡48上。透鏡48對發散光進行初步聚焦，之后，光束被沖殳射到與復合雙合透鏡48臨近的透鏡50。透鏡50進一步"擠壓"從透鏡48射出的光線，如光線41,43,47,和49所示。靠近透鏡50放置的平面鏡52可將光線進行折疊，以使透鏡組件40更緊湊。因此，平面鏡52以與透鏡組件40的水平和垂直部件成四十五度》文置。這樣，平面鏡52將圖像進行反射，使光線豎直向上傳播。若沒有平面鏡52，則自透鏡50射出的光線將繼續沿水平路徑傳播，從而延長投影透鏡系統40的長度。此外，平面鏡52可以與構成成像器件的微鏡(如DMD42中所用)同步擺動。平面鏡52與顯示設備微鏡間的同步擺動可以使產生于DMD42的圖4象^L射到孔徑光闌56時得到最佳優化。經由平面鏡52^^射的光3皮才殳射到位于平面鏡52和孔徑光闌56間的聚焦透鏡54上。進入透鏡54的光在其到達孔徑光闌56前#1聚焦。正如熟知本沖支術所知，孔徑光闌確定透鏡的射出光瞳。按圖2所示，本發明的該實施例在系統40的遠前方放置射出光瞳。這樣，就會在顯示屏24(圖1)的入射光瞳處產生一個"最小光束腰"。因此，只要產生這樣的"最小光束腰"，就會使投影系統16(圖1)和顯示屏24間的光耦合效率達到最大。圖3為依據本發明的一個實施例給出的投影透鏡系統的示意圖，以參考標號70總體標示。系統70無論結構還是組成均與圖1所示透鏡系統40相似。但系統70包含場鏡72而非圖2所示的TIR棱鏡45。場鏡72的有效功能與TIR棱鏡45相當，但可以為投射的圖像提供更好的照明度。使用場鏡72，系統70能夠更有效地在顯示屏24上產生更明亮的圖像。圖3所示場鏡72以后的透鏡元件其工作方式與圖2所示系統40中靠近TIR棱鏡45放置的透鏡元件相似。不i侖系統40還是系統70，只要在顯示屏24的入射光瞳處光束產生"最小光束腰"，孔徑光闌56就均被置于透鏡遠前方。如同投影透鏡系統40和70，將孔徑光闌置于透鏡遠前方可產生一個最佳調制傳遞函數(MTF，ModulationTransferFunction)特性而非最小均方根(RMS，RootMeanSquare)光斑尺寸。因此，圖4A給出了依據本發明的一個實施例由系統40產生的光斑示意圖集90。這些示意圖描繪了六個區域91-96。對于寬度為12微米的方框，每個區域均有唯——個RMS和幾何半徑(GEO，Geometrical)。這些區域描繪了DMD42上一個像素的圖像。下表1匯總了光斑示意圖90的數據，其中數據單位均為微米<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表1同樣，圖4B給出了依據本發明的實施方式由投影透鏡系統70產生的光斑示意圖集110。這些示意圖描繪了六個區域111-116,對于寬度為12微米的方框，每個區域均有唯——個RMS和幾何半徑(GEO)。這些區域描繪了DMD42上一個像素的圖像。下表2匯總了光斑示意圖110的數據，其中數據單位均為微米<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2另外，系統40的調制傳遞函數(MTF)得出的數值為40%,按每微米45條線的空間頻率計算，被視為最差情況。而對于系統70，其MTF得出的數值為44%,按每微米45條線的空間頻率計算，被視為最差情況。而且，系統40的一個實施例產生了0.165%的網格畸變，而系統70的一個實施例則產生了0.105%的網格畸變。同樣，使用系統40和70的顯示設備其屏幕中心至四角的光衰減率為22%。因此，使用投影透鏡系統的顯示設備，如系統40和70的實施例，顯著優于使用陰極射線管(CRTs,CathodeRayTubes)的顯示設備。使用CRT系統的顯示設備其屏幕中心至四角的光衰減率為70%，這對那些本
技術領域：
內的普通技術人員也可以理解。現在對圖5進行說明，圖5所示為依據本發明的一個實施例所繪制的流程圖，以參考標號130總體標示。流程圖130描述了一種用于捕獲中廣角顯示圖像的方法。通過圖2和3分別所示的透鏡組件40和70可^f吏用該方法。該方法以圖框132開始。在圖框134處，成像器件產生圖像。其后，在圖框136處，該圖像傳至投影系統，產生中廣角顯示圖像。這在構成投影系統透鏡組件內將孔徑光闌置于遠前方即可實現。在框圖138處，顯示設備可將該中廣角顯示圖像進行有效耦合并捕獲。該方法在框圖140處結束。下為設計本發明的一個實施例所用計算機編碼實例總體透鏡數據表面22光闌3系統孔徑隨光闌大小浮動=4.29玻璃類型SCHOTTMISCHIKARICORNING光線定位近軸參考光線，CacheOnX光瞳偏移2Y光瞳偏移2Z光瞳偏移2變跡均勻，系數=0.00000E+000有效焦距15.38915(在系統溫度和壓力下的空氣中)有效焦距15.38915(在圖像空間內)后焦距0.6692284光程總長圖像空間F/#進軸工作F/#工作F/#圖像空間NA物空間NA光闌半徑近軸圖像高度近軸放大率入射光瞳直徑入射光瞳位置出射光瞳直徑出射光瞳位置場型最大纟圣向場主波長透鏡單位角放大率表面數據匯總表面類型OBJTILTSURF1EVENASPH2EVENASPHSTO標準4標準5標準6標準7COORDBRK8標準:50.06067:2.5982092.595522:2.65:0.1891616:0.001968192:4.295.619357-0.010216995.9229844.67312958.50706-151.8274:物體高度(毫米)550.00120.55jim:毫米0.1012451分析半徑厚度屏幕-1500透鏡8停止-134.84741透鏡8開始10.245975.816177停止無窮遠0.4999999透鏡7停止78.535053.454109透鏡7開始194.85182.779957透鏡6開始-10.981627.75-0無窮遠0玻璃直徑二次曲面1100.002-丙烯酸9.466651739.46918.4861831.3358738.580N-LAF79.4283770ZK111.11542011.740550反射鏡17.792510109COORDBRK--10.29258--10標準透鏡5停止28.30512-0.9999996SFL416.47256011標準透鏡5開始-25.22335-5.409959SK1417.99469012標準透鏡4開始24.70861-0.566233719.04373013標準透鏡3停止-22.75477-1.000003BALF420.74188014標準透鏡3開始-17.69436-4.732311SK420.46932015標準透鏡2開始148.3144-1.8535720.23533016EVENASPH透鏡1停止-55.05112-7.061342丙烯酸18.8434619.7386517EVENASPH透鏡1開始48.52976-315.2899669.9486218標準QUAD停止無窮遠-10.81067BK714.65756019標準QUAD開始無窮遠-0.851.65756020標準無窮遠-3A87-7012.20853021標準無窮遠-0.48311.589930IMA標準成像儀無窮遠11.244180表面詳細數據:表面OBJ:TILTSURF屏X正切0Y正切0孔徑矩形孔徑X半寬479.37Y半寬269.64表面1:EVENASPH透鏡8停止r2系數0r4系數-0.00011728082r6系數-7.7981108e-006r8系數3.5157708e-007rlO系數0rl2系數0rl4系數0r16系數表面2r2系數r4系數r6系數r8系數r10系數r12系數r14系數r16系數表面STO表面4孔徑最大半徑表面5孔徑最大半徑表面6表面7偏離中心X偏離中心Y與X軸傾角與Y軸傾角與Z軸傾角順序表面8反射鏡基底表面9偏離中心X0:EVENASPH透鏡8開始0.025016615畫4.6538705e-005-1.6885864e-0054.9040087e-0070000:標準停止標準透鏡7停止孔徑漂移4.714189標準透鏡7開始孔徑漂移5.557712標準透鏡6開始COORDBRK:0:04500:偏離中心然后傾斜:標準曲面，厚度=3.55850E-001:COORDBRK:0偏離中心Y:0與X軸傾角45與Y軸傾角0與Z軸傾角0順序偏離中心然后傾釗-表面10:標準透鏡5停止表面11:標準透鏡5開始表面12:標準透鏡4開始表面13:標準透4竟3停止表面14:標準透4免3開始表面15:標準透鏡2開始表面16:EVENASPH透鏡1停止r2系數0r4系數-7.9580475e-005r6系數-4.233306le-008r8系數2.1566488e-009rlO系數0rl2系數0rl4系數0rl6系數0表面17:EVENASPH透鏡1開始r2系凄丈-0.011733351r4系數-0,00016478422r6系數-1.4517046e-006r8系數4.7147566e-009rlO系數0rl2系數0rl4系數0rl6系數0孔徑孔徑漂移最大半徑7.644982表面18:標準QUAD停止表面19:標準QUAD開始孔徑孔徑漂移最大半徑7.32878表面20:標準表面21:標準表面IMA:標準成像儀.下為設計本發明的一個實施例所用另一計算機編碼實例總體透鏡數據表面光闌系統孔徑玻璃類型光線定位X光瞳偏移Y光瞳偏移Z光瞳偏移變跡有效焦距有效焦距背焦距光程總長圖^象空間F/#近軸工作F/#工作F/#圖像空間NA物空間NA:22:3隨光闌大小漂移=4.29SCHOTTMISCHIKARICORNING:近軸參考光線，CacheOn222均勻，系數=0.00000E+00015.4126(在系統溫度和壓力下的空氣中)15.4126(在圖《象空間內)0.6401503:48.67506:2.6057672.600509:2.65:0.1888118:0.001965507光闌半徑:4.29近軸圖像高度5.622473近軸放大率:-0.01022266入射光瞳直徑5.914804入射光瞳位置4.648139出射光瞳直徑29.96748出射光瞳位置-77.93111場型:物體高度(毫米)最大徑向場二550.0012主波長0.55jim透鏡單位:毫米角放大率:0.1973838表面數據匯總表面類型分析半徑厚度玻璃直徑二次曲面OBJTILTSURF屏-15001100.002-1EVENASPH透鏡8停止-104.8421丙烯酸9.521499383.94382EVENASPH透鏡8開始10.366495.7926118.5382071.503846STO標準停止無窮遠0.49999298.5804標準透鏡7停止106.23894.973123LAF11A9.39086805標準透鏡7開始542.10242.901663ZK111.9014106標準透鏡6開始-11.459827.7512.5449107COORDBRK-0--8標準無窮遠0反射鏡18.9609909COORDBRK--10.29258--10標準透鏡5停止30.20158-0.9999954SFL417.34614011標準透鏡5開始-28.39295-4.559673SKI418.85949012標準透鏡4開始25.25265-0.499997619.45177013標準透鏡3停止-22.41238-1.000002BALF421.11171014標準透鏡3開始-15.77587-5.231067SK420.71645015標準透鏡2開始148.006-3.67380220.46509016EVENASPH透鏡1停止-67.85487-7.383939丙烯酸18.2860130.0426917EVENASPH透鏡1開始113.0542-914.73889-580.428418標準-89-1.7KZFSN513.01439019標準130-0.85112.76845020標準無窮遠-3A87-7012.39065021標準無窮遠-0.48311.635930IMA標準成像儀無秀遠11.243630表面詳細數據表面OBJ:TILTSURF屏孔徑矩形孔徑X半寬479.37Y半寬269.64表面1:EVENASPH透鏡8停止r2系數0r4系數-0.00014594555r6系數-2.764674le-006r8系數1.8122862e-007r10系數0rl2系數0rl4系數0rl6系數0表面2:EVENASPH透鏡8開始r2系數0.025016615r4系數-0.00014165702r6系數-8.9658626e-006r8系數1.8040403e-007r10系數r12系數r14系數r16系數表面STO表面4孔徑最大半徑表面5孔徑最大半徑表面6表面7偏離中心X偏離中心YTiltAboutXTiltAboutYTiltAboutZ順序表面8反射鏡基底表面9偏離中心X偏離中心Y與X軸傾角與Y軸傾角與Z軸傾角順序表面100000:標準停止標準透鏡7停止孔徑漂移4.695434標準透4竟7開始孔徑漂移5.950707標準透4竟6開始COORDBRK:0:0:45:0:0:偏離中心然后傾斜標準曲面，厚度=3.79220E-001COORDBRK:0:0:450:0:偏離中心然后傾斜:標準透鏡5停止表面11:標準透4竟5開始表面12標準透鏡4開始表面13標準透鏡3停止表面14標準透鏡3開始表面15標準透4免2開始表面16EVENASPH透鏡1停止r2系數0r4系數-7.0768702e-005r6系數1.7941983e-007r8系數1.7441529e-009rl0系數0r12系數0r14系數0r16系數0表面17EVENASPH透鏡1開始r2系數-0.011733351r4系數-0.00019775485r6系數-1.110827e-006r8系數6.3383452e-009r10系數0r12系數0rl4系數0r16系數0孔徑孔徑漂移最大半徑7.369445表面18:標準表面19:標準表面20:標準表面21:標準表面IMA:標準成像儀盡管本發明允許有各種修改和替代形式，但具體實施方式已通過實例示于簡圖內并將在此進行說明。然而，可以理解的是本發明并非有意受限于這些公開的具體形式。相反，本發明旨在涵蓋按以下所附權利要求而符合本發明精神和范疇的所有修改，等同物和替代物。權利要求1、一種視頻單元，其包含用于生成圖像的成像系統(42)；至少一個用于產生中廣角顯示圖像的透鏡；和孔徑光闌(56)，用于捕獲來自所述至少一個透鏡的中廣角顯示圖像。2、根據權項1中所述的視頻單元，其包含用于將圖像反射至所述孔徑光闌(56)的平面鏡(52)。3、根據權項2中所述的視頻單元，其中所述平面鏡(52)可以才艮據所述成像系統(42)中的微型數字裝置擺動。4、才艮據;K項1中所述的^L頻單元，其中所述孔徑光闌(56)與孔徑組件的射出光瞳相鄰。5、根據權項1中所述的視頻單元，其中所述透鏡包含全內反射TIR棱鏡(45)。6、根據權項1中所述的視頻單元，其中所述透鏡包含場鏡(72)。7、根據權項1中所述的視頻單元，其中所述視頻單元包含用于顯示圖像的楔形板顯示器(24)。8、根據權項1中所述的視頻單元，其中所述視頻單元包含數字光處理DLP投影系統。9、一種方法(130)，其包含產生圖像(134);產生(136)中廣角顯示圖像；和通過孔徑光闌(56)捕獲(138)來自所述至少一個透鏡的所述中廣角顯示圖像。10、根據權項9中所述的方法，包含將圖像反射至所述孔徑光闌(56)。11、根據權項9中所述的方法，包含配置平面鏡(52)使之根據成像系統中的微型數字裝置進行擺動。12、才艮據權利9中所述的方法，其中所述孔徑光闌(56)與孔徑組件的射出光瞳(58)相鄰。13、根據權利9中所述的方法，其中通過楔形板顯示屏(24)捕獲所述中廣角顯示圖像。14、根據權項9中所述的方法，包含通過使用場鏡(72)增加圖像亮度。15、根據權項9中所述的方法，包含獲得圖像的最佳調制傳遞函數MTF。16、一種系統，其包含產生圖像的方法(42);產生中廣角顯示圖像的方法(40);和使用孔徑光闌捕獲來自至少一個透鏡的中廣角顯示圖像的方法(24)。17、根據權項16中所述的系統，其中所述孔徑光闌(56)與孔徑組件的射出光瞳(58)相鄰。18、根據權項16中所述的系統，包含用于將圖像反射至所述孔徑光闌(56)的平面鏡(52)。19、根據權項16中所述的系統，包含捕獲所述中廣角顯示圖像的方法(24)。20、根據權項16中所述的系統，其中包括獲得圖像的最佳調制傳遞函數MTF。全文摘要公開的實施方式涉及中廣角投影系統所用系統和方法。當前發明的一個實施例包含用于產生圖像的成像系統(42)，至少一個可以產生中廣角顯示圖像的透鏡，和可以捕獲來自至少一個透鏡的中廣角顯示圖像的孔徑光闌(56)。文檔編號H04N5/74GK101336386SQ200680052308公開日2008年12月31日申請日期2006年3月31日優先權日2006年3月31日發明者小埃斯蒂爾·索恩·霍爾,尤金·墨菲·奧唐奈,蔡景波申請人:深圳Tcl新技術有限公司