专利名称：小厚度背投式显示器的偏移投影装置的制作方法
本申请涉及背投式显示系统，尤其是背投影屏电视显示器。
背投影屏电视显示器由于可以显示大尺寸的图像，具有很大的消费市场。但对于背投影屏电视显示器而言，其主要的缺陷就是器件的体积和纵深过大，所以减小器件的尺寸是一个迫切需要解决的问题。而对于目前基于CRT的投影系统而言，这样做非常困难而且花费很大。
基于LCD，DMD，或LCOS的微显示器可以获得比CRT投影显示器小得多的系统体积。这是因为这些系统的发动机的尺寸较小，并且是通过单一的投影透镜进行投影，而CRT系统则需要3个。所以，基于这些系统的投影显示器在尺寸上就非常具有竞争力了。近年来，已经出现屏幕对角线宽55英寸，纵深为18英寸；以及屏幕对角线宽50英寸，纵深为35cm的产品。在这些系统中，通过采用广角投影透镜来获得较小的纵深。然而，采用这种方法的宽屏幕系统的纵深必将因为投影系统的光路出现模糊而受到限制。
其他的减小系统纵深的方法包括使用偏振折叠光路(美国专利公开号US-573324)，以及使用一个轴外非球面反射镜。但采用这两种方式都存在很多的困难，并会导致图像性能的降低以及系统成本的增加。而且，使用这些方式，系统的高度也会变得很大。
如果能够在目前的同轴投影系统的基础上，减小系统的纵深，这无疑是最有利的。一旦系统的纵深和高度都能减小，这样的投影系统将会变得非常具有吸引力。采用新的微显示技术，例如LCD，DMD，和LCOS都可以大大减小系统的体积，从而带动消费者的购买欲。利用现有技术已可以把系统做的十分紧凑，我们所面临的最大问题就是如何在此基础上更进一步地减小系统的体积。
通过在投影光路中引入光学偏移量，可以在基架被维持在一个适当高度时达到减小设备纵深的目的。透镜或透镜系统相对于目标的“光学偏移”，即是透镜或透镜系统的光轴相对于目标中心偏离一段距离(偏移量)。透镜或透镜系统的“光轴”在本领域是众所周知的；其方向可根据在光路中设置的反射或折射元件发生改变。例如，如果投影透镜的光轴(在任一方向)没有通过目标的中心，投影透镜与目标的投影图像间则存在光学偏移。
在垂直方向移动投影透镜会产生光学偏移，此时，投影图像以一偏角被投影到屏幕上。为补偿该偏角，就要对屏幕的菲涅尔透镜进行相应地偏移，以使图像能在屏上正常成像。
典型的背投式投影系统使用同轴放置的短焦投影透镜，由于焦距短，所以透镜至屏幕间的投影距离短，所以使得系统紧凑。而且，透镜同轴设置，投影透镜的旋转对称轴和成像器件在图像的中心相交。典型的屏幕由一个能很好地对光进行校准的菲涅耳透镜和一个在观察区对光进行发散的光发散层组成。从图像中心发出的光正入射到屏幕上。这样，菲涅耳透镜的光轴和投影透镜的光轴完全重合。
本发明的一个方面，提出一种用于显示目标投影图像的偏移式背投显示系统，包括一个相对于目标中心存在光学偏移的投影透镜；一个具有光发散层的屏幕；一个反射镜，用于将投影透镜投影的目标投影图像反射到屏幕上。
本发明的另一个方面，提出一种令目标图像在屏幕上显示的背投方法，其中包括设置投影透镜，使其与目标间存在光学偏移；将由所述与目标间存在光学偏移的投影透镜投影的目标图像投影到反射镜；将图像反射到屏幕。
本发明的再一个方面，提出一种用于投影目标图像的显示系统，包括一个屏幕，以及用于将目标图像投影到屏幕上的光投射设备。光投射设备包括一与目标中心存在光学偏移的投影透镜。
根据下面的
可以更好地理解本发明图1是本发明一个方面的光学系统结构；图2是在本发明中使用的一个折叠式投影光路；图3表示同轴投影系统可达到的最小折叠量；图4表示在某一偏角，偏轴投影系统可达到的最小折叠量；图1表示本发明的一个实施例的偏移式投影光路。设置投影透镜1或投影透镜序列，使其与被投影目标3相偏离。投影透镜1接收目标3的图像，并将该图像投影到背面屏幕5上。目标3可以是一个从其表面发射、反射或传播光的物体，或其本身也可以是一个投影图像。在本实施例中，目标3是一个通过电子操作在其表面成像的单面板LCoS设备。
在利用光路折叠减小投影显示器外壳的实际结构中，通常利用一个折叠式反射镜7(图1中未示出)将光从投影透镜反射到屏幕上。在附图中，为能表示清楚所以没将折叠式反射镜画出，所显示的是不考虑反射的光路。所述光路包括图像的中心光线8，投影透镜1的光轴10(即，离开投影透镜1，沿着投影透镜1的光轴传播的光线的光路。除缺少折叠式反射镜7外，图1所示还是一个带有单一折叠式反射镜的用于背面投影装置的代表型光路。
投影透镜1，其当然包括多个透镜元件，与目标3或被投影的目标图像的中心之间存在光学偏移。屏幕5包括一个菲涅耳透镜11和一个光发散层13，在本实施例中光发散层13是一个双凸透镜。光发散层也可以是一个漫射层，或其他能对光进行漫射或散射的材料。在本实施例中，菲涅耳透镜11的光轴9和投影透镜1的光轴10重合。屏幕5的中心与菲涅耳透镜11的光轴9及投影透镜1的光轴10相偏离。
图2所示的典型投影光路中设有折叠式反射镜7，所以显示出一个投影图像的折叠式投影光路，并示出了投影图像的中心光线8的光路。设置折叠式反射镜7，使投影透镜1的光轴10和菲涅耳透镜11的光轴9在经过折叠式反射镜7反射的光学结构中重合。
图3是一个理想的同轴投影系统示例，使用了一个同轴轻型发动机(即LCoS和投影透镜同轴)将从折叠式反射镜7反射的图像投影到由具有中心轴的菲涅耳透镜21和光发散层13组成的屏幕5上。在本实施例中，投影透镜的光轴16(未示出)和菲涅耳透镜21的光轴19重合。
图4是一个应用本发明的理想的偏轴投影系统，其中示出了投影图像的中心线18的偏角θ，以及该系统外壳的理论最小纵深d。
图5是图4中纵深随偏角θ改变的曲线。
如图1所示，本发明的主要内容就在于投影透镜1的光轴10与目标3(LCoS面板)间存在光学偏移，则目标3的投影图像的中心不会落在投影透镜1的光轴10上。同时，由于设置了反射镜7，所以菲涅耳透镜11的光轴9和投影透镜1的光轴10重合，当目标3的投影图像经折叠式反射镜7反射，到达屏幕5时，其中心也不会落在菲涅耳透镜11的光轴9上，即使投影图像可以优选地落在屏幕5的中央位置。
采用这种结构的结果就是，显示系统的纵深d可以比投影图像的中心落在投影透镜和菲涅耳透镜的光轴上时小。
图3和图4中示出了采用偏移式投影系统，并利用单一的折叠式投影光路可得到纵深的最大减小量。通过增大投影透镜的张角可以缩短投影光路。可以一直增大透镜的张角直到发出的光线和反射的光线发生重合。对于同轴投影，垂直方向张角60度处达到极限值。其几何关系如图3所示。当然这只是一个理论值，实际中并不能达到，因为对于投影透镜和成像设备而言，不存在这样的一个物理空间。
对于一种根据本发明实施例的偏移投影，图4显示出相似的光线圆锥三角。其中投影图像的中心光线18的偏角为□。图5示出了纵深d和偏角□间的关系曲线。理论上，例如偏角为20度时，纵深缩小率为0.77。所以，可以制造出较薄的背投式显示系统。
对熟知本领域的技术人员而言，其它的一些实施方式，对给出实施例做出的变化和等效变换，以及一些其他方面，如目标的形式及本发明的优点，都是显而易见的，并可以通过本发明的附图，公开的内容和权利要求而知晓。例如，在给出的实施例中，目标3是一个LCoS面板，但是本发明也包括其他目标物体的投影图像。无论如何，在权利要求中，说到其图像被投影的“目标”时，“目标”可以只是指一个大的目标物体的一部分，即权利要求中的“目标”指的是目标物体被显示的那部分。
权利要求
1.一种用于将目标(3)作为投影图像进行显示的偏移式背投显示系统，包括投影透镜(1)，其与目标(3)的中心之间存在光学偏移；屏幕(5)，包括光发散层(13)；以及用于将由投影透镜(1)投影的目标(3)的投影图像反射到屏幕(5)上的反射镜(7)。
2.根据权利要求1所述的显示系统，其中屏幕(5)进一步包含菲涅耳透镜(11)，并且其中投影透镜(1)、屏幕(5)和反射镜(7)如下设置投影透镜(1)的光轴(10)在到达屏幕(5)时与菲涅耳透镜(11)的光轴(9)基本重合，并且，投影图像的中心(8)在到达屏幕(5)时与菲涅耳透镜(11)的光轴(9)基本偏离。
3.根据权利要求2所述的显示系统，其中目标(3)是单面板LCoS器件(3)。
4.根据权利要求2所述的显示系统，其中光发散层(13)是由双凸透镜构成的。
5.根据权利要求2所述的显示系统，其中菲涅耳透镜(11)的光轴(9)与屏幕(5)的中心基本偏离。
6.根据权利要求1所述的显示系统，其中目标(3)是单面板LCoS器件(3)。
7.根据权利要求1所述的显示系统，其中光发散层(13)是由双凸透镜构成的。
8.一种将目标(3)的图像显示到屏幕(5)上的背投方法，包括将投影透镜(1)设置得与目标(3)之间存在光学偏移；将目标(3)的图像从上述与目标之间存在光学偏移的投影透镜(1)投影到反射镜(7)上；并且通过反射镜(7)将图像反射到屏幕(5)上。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括如下构成屏幕(5)将菲涅耳透镜(11)和光发散层(13)相邻设置，并使得菲涅耳透镜(11)的光轴(9)和屏幕(5)的中心基本偏离，其中，投影图像被反射镜(7)反射到屏幕(5)上，从而投影图像的中心(8)在到达屏幕(5)时离屏幕(5)的中心比离菲涅耳透镜(11)的光轴(9)的中心近。
10.根据权利要求9所述的方法，其中包括对投影透镜(1)、反射镜(7)和屏幕(5)进行排列，使得投影透镜(1)与菲涅耳透镜(11)的光轴(9)基本光学对准。
11.根据权利要求10所述的方法，其中目标(3)是单面板LCoS器件(3)。
12.根据权利要求10所述的方法，其中光发散层(13)是由双凸透镜构成的。
13.根据权利要求9所述的方法，其中目标(3)是单面板LCoS器件(3)。
14.根据权利要求9所述的方法，其中光发散层(13)是由双凸透镜构成的。
15.根据权利要求8所述的方法，其中目标(3)是单面板LCoS器件(3)。
16.根据权利要求8所述的方法，其中光发散层(13)是由双凸透镜构成的。
17.一种用于背投目标(3)图像的显示系统，包括屏幕(5)；以及用于将目标(3)的图像偏轴投影到屏幕(5)上的光投射设备(1，7)。
18.根据权利要求17所述的显示系统，光投射设备(1，7)包括与目标(3)的中心之间存在光学偏移的投影透镜(1)。
19.根据权利要求18所述的显示系统，其中屏幕(5)包括光发散层(13)以及菲涅耳透镜(11)，该透镜具有与屏幕(5)的中心基本偏离的光轴(9)；并且，投影透镜(1)与菲涅耳透镜(11)的光轴(9)基本光学对准。
20.根据权利要求19所述的显示系统，其中投影透镜(1)的光轴和/或菲涅耳透镜(11)的光轴(9)与屏幕(5)的中心相偏离。
全文摘要
一种偏移式背投显示系统，用于显示目标的投影图像，其中包括一个与目标中心存在光学偏移的投影透镜，一个具有光发散层的屏幕，及一个反射镜，该反射镜将投影透镜投影的目标投影图像反射到屏幕上。
文档编号H04N5/74GK1666508SQ03815128
公开日2005年9月7日 申请日期2003年6月10日 优先权日2002年6月27日
发明者J·斯米祖 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司