专利名称：：带有外部光阑的投影透镜的制作方法
技术领域：
：本发明总体涉及用于视频显示器的投影透镜系统。具体的，本发明涉及用于将投影系统与光波导结构达到最佳耦合的系统和方法。
背景技术：
：本部分旨在向读者介绍与下面所描述和/或提出专利权的本发明各方面相关的诸方面技术。论述相关技术相信有助于向读者提供背景信息，便于读者更好地了解本发明的方方面面。因此，应当理解为这些陈述应就此宗旨加以阅读，而非作为对已有技术的承认。应用在视频显示设备中的投影系统一般采用适于在大尺度圓锥内散射光线的透镜。大尺度圓锥的光线通常被投射到一个放置位置相对远离投影系统的屏幕上。本领域技术人员应该知道，那些透镜一般均带有一个使主光线大致平行射向投影系统透镜正面的结构。这通常是将一个出射光瞳深嵌入透镜内来实现，从而使光线平行并获得一个"宽光束腰"。为进一步加宽光束，在平行光线后放置功能强大的负透镜元件，以增加平行光线的散度。此外，广角投影系统通常与显示设备有一定距离而非直接与显示设备相邻，这样就可能产生一个更大的广角投影。尽管广角投影技术很常见，但对于视频系统，广角投影系统的应用却不是最佳的选择。在诸如由楔形显示屏构成的楔形板显示系统中，从投影透镜系统射出的光可射入楔形板显示器的一个小入射孔内。进入楔形板显示器的光以相对于楔形板显示器的某一角度被投射，这样，当其穿过楔形板显示器形成图像时会经过多次全内反射。使用这种方式能够在宽度相对较小的屏幕上成像。因此，由于入射光瞳小以及图像投影方式所限，广角投影系统的使用与楔形板显示器的使用不相容。这些不相容源于广角投影系统产生的大尺寸光束与显示设备'J、入射光瞳间的不匹配。此外，由于图像通常是以某一角度投射到楔形板显示系统上的，这样使用广角投影系统就不合适了。上述不相容可导致显示设备和投影系统间光耦合效率的总体损失，并最终使显示在显示设备上的图像质量降低。所以，需要一种能够在这种情况下使用中广角投影技术的系统和方法。
发明内容下文所述是与公开的实施方式范畴相当的某些方面。陈述这些方面仅为就本发明可能采用的某些形式向读者提供其筒要内容，且所陈述的这些方面并非有意限制本发明的范畴。实际上，本发明可能包含未在下文陈述的多个方面。本发明公开的实施方式涉及一种视频设备，其包含用于生成图像的成像系统，带有前表面和后表面的透镜，用于在后表面上接收图像并在前表面上产生中广角表征图像，以及靠近透镜前表面的孔径光阑，用于捕获来自透镜的中广角表征图像。通过阅读下文的详细描述并参考附图，本发明的优点显而易见，其中图1为依据本发明一个实施例给出的一种视频设备的方框图；图2为依据本发明一个实施例给出的一个投影透镜系统的示意图；图3为依据本发明一个实施例给出的一个投影透镜系统的示意图；图4为依据本发明一个实施例给出的方法流程图。具体实施例方式本发明的一个或多个具体实施方式将在下文il明。为4是供这些实施方式的简洁说明，在此并未将一个实际实施方式的所有特点全部给予描述。应该认识到在任何这些实际实施方式的开发中，正如在任何工程或设计项目中一样，为实现开发方的具体目标(因实施方式不同而不同)，如为符合与系统相关和商业相关的约束，必须做出许多具体实施决定。而且，开发过程可能复杂耗时，但尽管如此，对于那些将受益于本公开发明的普通技术人员而言，这不过是一个设计，加工，制造的例行工作。首先对图1进行说明，图1所示为依据本发明实施例给出的视频设备的方框图，以参考标号10总体标示。视频设备10可包含数字光处理(DigitalLightProcessing,DLP)投影电视或投影仪。在另一个实施例中，视频设备IO可包含液晶显示器(LiquidCrystalDisplay,LCD)投影电视或投影仪。在其它实施例中，视频设备10可包含另一种形式适合的投影电视或显示器。视频设备10可包含光引擎12。光引擎12用于产生白光或色光，成像系统14利用白光或色光生成视频图像。光引擎12可包括任何形式适合且能够投射白光或接近白光的灯或灯泡。在一个实施例中，光引擎12可以是诸如金属卣素灯或汞蒸汽灯的高亮度光源。例如，光引擎12可包含由飞利浦电子公司生产的超高性能(ultrahighperformance,UHP)灯。光引擎12也可以包含用于将被投射的白光转化为色光的部件，例如色轮、双色镜、偏光镜、和滤光器。而且，在替代实施例中，光引擎12可包含能够产生色光的部件，如发光二极管。如上文所述，光引擎12可在成像系统14处投射、照射、或聚焦色光。成像系统14可利用色光生成适合在屏幕24上显示的图像。成像系统14可产生一个或多个用于校准视频设备10内像素偏移的像素型样。在一个实施例中，成像系统14包含DLP成像系统，其利用一个或多个DMD并使用色光生成视频图像。在另一个实施例中，该成像系统使用了LCD投影系统。然而，应当理解的是，上述实施例并非具有唯一性，在替代实施例中，任何一种形式适合的成像系统14均可在视频设备10中使用。如图1所示，成像系统14可用于将图像投射到中广角投影透镜组件16内，图1中标为"投影"。如下文所述，中广角投影透镜组件16可包括一个或多个透4竟和/或反射镜，用于将成^象系统14产生的图像投射到显示屏24上。显示屏24可包含楔形板显示器，用于接收来自投影系统16的光。光以一定角度射入楔形板显示器，这样光在楔形板一侧发生全内反射直至其与楔形板间的夹角达到临界角。一旦达到临界角，在楔形板一侧就会产生可视图像。图2为依据本发明实施例给出的投影透镜系统的示意图，以参考标号40总体标示。图2所示的系统40用于产生中广角投射光。这样的投影系统使射出投影透镜组件40的光分量以最佳方式射入如楔形板显示器24中所用的小入射光瞳内。进一步，通过提供中广角投射光，透镜组件40可使投影系统16和显示系统24间实现直接耦合，如此，两个系统靠近放置。这样的布局能够增加^L影系统16和显示系统24间的光耦合效率。相应的，图2示出了成像器件42，例如DMD，以及位于组件40—端的DMD的防护玻璃44。从DMD42射出的光分量被进一步处理以便通过构成系统40的透镜元件进行中广角投射。因此，在此实施例中，DMD42提供了一个平面，通过该平面，示例主光线41、43、47、和49在透4竟组件40中产生。尽管图2只示出了四条示例光线，但本领域技术人员应该知道实际上有一束光线从DMD42射出。系统40还包括靠近防护玻璃44放置的全内反射(TotalInternalReflection,TIR)棱镜45。由红、绿、和蓝(RGB)光组成的色光分量从DMD42射出并被投射入TIR棱镜45。除色光分量外，图像照明光分量(未示出)也进入TIR棱镜45并到达DMD42。使用TIR45旨在将这两种不同光束引导至各自的目的地。即，照明光束被引导至DMD42，色光分量被引导至第一个透镜元件46。因此，TIR45用于将图像分离为RGB分量和照明分量。从TIR棱镜45射出的光线随后被投射到双负透镜46上。透镜46用于增加光线的散布率，从而离散那些由TIR棱镜45射出的光线，如主光线41、43、47、和49。以这种方式，在^皮投射的光线由系统40的其它透4竟元件进行处理前首先由透4竟46对其进行格式化。因此，光线41、43、47、和49#皮投射到后面的大尺寸正透镜48之前在此处可以得到最大程度的离散。透镜48具有大直径，并与透镜46靠近，以使两者在物理上贴靠。透镜48对从双负透镜46射出的光线，如主光线41、43、47和49进行初步汇聚。放置双负透镜46靠近大尺寸正透镜48,可以使光线发散，发散后的光线随后相对向前汇聚在透镜系统内。这样可使从透镜组件40射出的光线在进入显示系统24时保持平行，从而更有效率地进行耦合。主光线41、43、47和49从大尺寸正透镜48射出后#皮4殳射到正双合透镜50上。双合透镜50靠近透镜48放置并与之在物理上贴靠。正双合透镜50用于对射出大尺寸正透镜48的光进行色彩校正。由于从DMD42射出的RGB光分量包含各种电磁波长的光，所以有必要进行色彩校正。相应的，当光穿过透镜46和48时，不同波长的光会以不同的角度发生折射。因此，双合透镜48可确保由不同色光分量形成的图像得到适当聚焦。为了聚光，光线在接近到达透镜正面时，双合透镜50进一步对其进行汇聚。随后，主光线41、43、47和49被投射到与双合透镜50靠近并物理上相互贴靠的非球面透镜52上。透镜52用于将双合透镜50射出的光线进一步汇聚并"挤压"生成投影图像的光束。主光线41、43、47和49从非球面透镜52射出后，在这些光线射到平面镜54上时，进一步变为彼此平行的光线。平面镜54靠近透镜52放置，用于将光线进行反射，从而使透镜组件40更加紧凑。平面镜54相对于透镜组件40的水平和垂直部件成四十五度角》i:置。以这种布局，平面镜54可反射图像使其沿垂直方向传播。若没有平面镜54，从透镜52射出的光线将会继续沿水平路径传播，从而延长投影透镜系统40的长度。如图2所示，平面镜54的底部伸入透镜52内。这样从透镜52射出的光可完全被平面镜54接收而无遗漏，因此伸入放置在光学上是必要的。同时，这也使平面镜54和透镜52间的耦合效率达到最佳。此外，平面镜54可以与构成成像器件的微镜(如DMD42中所用的)同步摆动。平面镜54与显示设备微镜间的同步摆动可以使产生于DMD42的图像投射到孔径光阑56时达到最佳状态。经由平面镜54反射的光被投射到聚焦透镜55上，聚焦透镜55位于平面镜54和孔径光阑56之间。来自图像的被投射到透镜55上的光被聚焦，依次被投射到孔径光阑56上。正如本领域技术人员所知，孔径光阑确定透镜的出射光瞳。如图2所示，本发明提供的该实施例在系统40的最前方放置光束的出射光瞳。这样，就会在显示屏24(图1)的入射光瞳处产生"最小光束腰"。因此，为显示设备24提供"最小光束腰"，使显示设备24与投影系统16(图1)间的光耦合效率达到最佳。此外，将孔径光阑56置于透镜系统40的最前方能够进一步使显示设备(如楔形板显示器)靠近透镜系统40放置，两者物理上相互贴靠。这也进一步提高了投影系统16和显示设备24(图1)间的耦合效率。图3为依据本发明实施例给出的投影透镜系统的示意图，以参考标号70总体标示。系统70在结构和组成上均与图1所示透4竟系统40相似。<旦系统70包含场镜72而非图2所示的TIR棱镜45。场镜72的有效功能与TIR棱镜45相当，但可以为投射的图像提供更好的照明度。通过使用场镜72,系统70能够更有效地在显示设备24上产生更明亮的图像。图3所示的场镜72后的透镜元件的工作方式与图2所示的系统40中靠近TIR棱镜45放置的透镜元件相似。在系统40和系统70中，孔径光阑56均被置于透镜最远端，用于在显示屏24的入射光瞳处产生"最小光束腰"。此外，系统40和系统70均包含透镜元件46、48、50和52,这些透镜元件均与一并公开的前后透镜元件靠近放置。通过保持上述透镜元件间物理上贴靠，易于实现这些元件间适当的光学定位，同时也便于透镜系统(如一并描述的上述透镜系统)的生产加工，这是因为当这些元件相互贴靠放置，生产加工时保持上述透镜元件间适当的可重复间隙是非常方便的。利用投影系统的点列图可对投影系统的性能进行分析。因此，从点列图采集的数据包含若干像素域，而每个域代表显示设备上一个像素的图像。此外，正如本领域技术人员所知，每个域代表的像素对某一宽度的方框具有唯一均方才艮(RMS)和几何(GEO)半径光斑尺寸。因此，通过七个域分析透镜系统的性能，对于宽度为12微米的方框，每个域均有唯一RMS和GEO半径。这些域代表DMD42上像素的图像。下表1汇总了系统40的示例点列图的数据，其中数据单位均为微米<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表1相似的，可通过七个域分析透镜系统70的性能，对于宽度为12微米的方框，每个域均有唯一RMS和几何半径(GEO)。这些域代表DMD42上像素的图像。下表2汇总了系统70的示例点列图的数据，其中数据单位均为微米<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2另外，系统40和70的调制传递函数(MTF)得出的数值均为50%，按每微米45条线的空间频率计算，被视为最差情况。而且，系统40的实施例产生了0.3415%的网格畸变，而系统70的实施例则产生了0.2306%的网格畸变。此外，系统40在显示屏上产生的屏幕中心至四角的光衰减率为19%,而系统70在显示屏上产生的屏幕中心至四角的光衰减率为20%。因此，使用投影透镜系统的显示设备，如系统40和70的实施例，显著优于使用阴极射线管(CathodeRayTubes,CRTs)的显示设备。正如本领域技术人员所知，CRT系统在显示屏上产生的屏幕中心至四角的光衰减率通常为70%。现在对图4进行说明，图4所示为依据本发明的实施例所绘制的流程图，以参考标号90总体标示。流程图90描述了一种利用靠近透镜;改置的孔径光阑，捕获中广角表征图像的方法。通过图2和3分别所示的透镜组件40和70可使用该方法。该方法以图框92开始。在图框94处，成像器件(如图l所示的成像系统14)产生图像。其后，在图框96处，投影系统16通过透镜40和70产生中广角表征图像。在图框98处，通iti文置靠近透镜40和70的孔径光阑，捕获中广角表征图像。该方法在图框IOO处结束。下为用于设计本发明实施例的计算机编码实例GENERALLENSDATA:Surfaces:19Stop:1SystemAperture:FloatByStopSize=2.93234GlassCatalogs:SCHOTTSUM工TAMISCCORNINGRayAiming:OffApodization:Uniform,factor=0.00000E+000EffectiveFocalLength:15.54322(inairatsystemtemperatureandpressure)EffectiveFocalLength:15.54322(inimagespace)BackFocalLength:0.2361997TotalTrack:49.32125<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>8STANDARD-11.44616020.2526609STANDARD-171.93873.55259N-LAK33A23.686010STANDARD-20.05591023.71741011STANDARD19.538184.477497N-LASF4420.8171012STANDARD-86.89034020.13523013STANDARD-88.058590.9999907SF620.11372014STANDARD17.539283.517.16676015STANDARDInfinity11BK716.5196016STANDARDInfinity0.85112.8455017STANDARDInfinity3A87-7012.40709018STANDARDInfinity0.48311.386020IMASTANDARDInfinity11.248870SURFACEDATADETAIL:SurfaceOBJ":STANDARDSurfaceSTO:STANDARDSurfaceSTANDARDSurface3STANDARDSurface4EVENASPHCoeffoiir20Coeffonr4:-0.00031867578Coeffonr6:4.5897875e-006Coeffonr8:4.1939748e-007Coeffonr10:-1.3335883e-009Coeffonr120Coeffo[ir140Coeffo[ir160Surface5EVENASPHCoeffonr20Coeffonr4:7.0579508e-007Coefforir6:-3.7422925e-006Coeffonr8:4.686479e-007Coeffonr10:-4，6296627e-009Coeffonr120Coeffonr140Coeffonr160Surface6STANDARDSurfaceSTANDARDSurface8STANDARDSurface9STANDARDSurface10:STANDARDSurface11:STANDARDSurface12:STANDARDSurface13:STANDARDSurface14:STANDARDSurface15:STANDARDSurface16:STANDARDSurface17:STANDARDSurface18:STANDARDSurfaceIMA:STANDARD下为用于设计本发明实施例的另一计算4几编码实例:GENERALLENSDATA:Surfaces19Stop:SystemAperture:GlassCatalogs:RayAiming:Apodization:EffectiveFocalLengthEffectiveFocalLengthBackFocalLengthTotalTrack:ImageSpaceF/弁ParaxialWorkingF/弁WorkingF/#:ImageSpaceNA:ObjectSpaceNA:StopRadius:ParaxialImageHeightParaxialMagnificationEntrancePupilDiameterEntrancePupilPositionExitPupilDiameterExitPupilPositionFieldType:MaximumRadialFieldPrimaryWavelengthLensUnits:Angular"MagnificationFloatByStopSize=2.93234SCHOTTSUMITAMISCCORNINGOffUniform,factor=i:15.54199(in:15.54199(in0，281291646.254012.650101:2.6413412.6484470.18599460.0018653532.93234:5.636549:-0.009854084:5.864679:46.13265ObjectheightinMillimeters:572.00130.5875618萍Millimeters:-0.3354312).00000E+00Oairatsystemtemperatureandpressure)imagespace)Fields:7FieldType:ObjectheightinMillimeters弁X-ValueY-ValueWeight1CK0000000.0000001-00000020.000000280.42560010000002492724001402128001.0000004-423.763080-238.3617601.0000004985448000.00000010000006498544800280.4256001，0000007-498，544800-280.4256001.000000VignettingFactors#VDXVDYvexVCY'AN10000000000000000000000000000000000020000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000400000000000000000000000000000000000500000000000000000000000000000000000600000000000000000000000000000000000700000000000000000000000000000000000Wavelengths:3Units:#ValueWeight10.4861331.00000020.5875621.00000030，6562731.000000SURFACEDATASUMMARYs13<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>Surface17:STANDARDSurface18:STANDARDSurfaceIMA:STANDARD尽管本发明允许有各种修改和替代形式，但具体实施方式已通过实例示于简图内并将在此进行说明。然而，可以理解的是本发明并非有意受限于这些公开的具体形式。相反，本发明旨在涵盖所附权利要求而符合本发明精神和范畴的所有修改，等同物和替代物。权利要求1、一种视频设备(10)，其包含用于生成图像的成像系统(14)；具有前表面和后表面的透镜(40)，用于在后表面接收图像并在前表面产生中广角表征图像；和孔径光阑(56)，靠近透镜(40)的前表面放置，用于捕获来自透镜的中广角表征图像。2、根据权利要求1所述的视频设备(10),其包含用于将图像反射至孔径光阑(56)的平面镜(54)。3、根据权利要求2所述的视频设备(10)，其中，平面镜(54)用于与成像系统(42)中的数字微型装置一致摆动。4、根据权利要求2所述的视频设备(10),其中，平面镜(54)伸入透镜(40)的一部分。5、才艮据权利要求1所述的视频设备(10)，其中，透镜(40)包含全内反射TIR棱镜(45)。6、根据权利要求1所述的视频设备(10),其中，透镜(70)包含场镜(72)。7、根据权利要求1所述的视频设备(10)，其中，视频设备包含用于显示图像的楔形板显示器(24)。8、根据权利要求1所述的视频设备(10),其中，视频设备包含数字光处理DLP投影系统。9、才艮据权利要求1所述的视频设备(10),其包含物理上彼此贴靠的光学部件(48,50,52)。10、一种方法(90)，其包含；生成图像(94);利用透镜产生(96)中广角表征图像；和利用靠近透镜(40)的孔径光阑(56)，捕获(98)所述中广角表征图像。11、根据权利要求10所述的方法，其包括将图像反射到孔径光阑(56)。12、根据权利要求IO所述的方法(90),包括配置平面镜(54)随成像系统的数字微型装置一致摆动。13、根据权利要求IO所述的方法(90),其中，孔径光阑(56)位于透镜(40)最远端。14、根据权利要求10所述的方法(90),其中，利用楔形板显示器(24),中广角表征净皮捕获。15、根据权利要求IO所述的方法(90),包括使用场镜(72)增加图像的亮度。16、一种系统(10)，包含光引擎(12);成像系统(14);显示系统(24);和投影系统(16)，包含具有前表面和后表面的透镜(40),用于在后表面接收图像并在前表面产生中广角表征图像；和靠近透镜(40)的前表面放置的孔径光阑(56)，用于捕获来自透镜的中广角表征图像。17、根据权利要求16所述的系统(10),其中，孔径光阑(56)被放置在透镜(40)和显示系统(24)之间。18、根据权利要求16所述的系统(10)，其中，显示系统(24)基本上与透镜系统靠iii丈置。19、根据权利要求16所述的系统(10),包含将图像反射至孔径光阑(56)的平面镜(54)。20、根据权利要求16所述的系统(10)，包含用于捕获中广角表征图像的楔形板显示器(24)。全文摘要本发明公开的实施例涉及用于中广角投影系统的一种系统和方法。本发明实施例包括用于生成图像的成像系统(14)，具有前表面和后表面的透镜(40)，用于在后表面接收图像并在前表面产生中广角表征图像，和靠近透镜(40)的前表面放置的孔径光阑(56)，用于捕获来自透镜(40)的中广角表征图像。文档编号G02B13/00GK101443688SQ200680054333公开日2009年5月27日申请日期2006年5月26日优先权日2006年5月26日发明者埃斯蒂尔·索恩·霍尔,尤金·墨菲·奥唐奈,蔡景波申请人:深圳Tcl新技术有限公司