专利名称：具有偏移的同轴投影透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影显示系统领域。更具体地，该发明涉及用于投影显示系统的投影光学器件。
背景技术：
显示系统一般可分为直观显示和投影显示。直观显示允许由直观显示系统的用户直接观察物体平面。投影显示系统投影来自物体平面的光于图像平面上，以便投影显示系统的用户观察来自图像平面的光。投影显示系统的图像平面可以是正面投影表面，其中显示系统和观察者位于图像平面的相同侧；或是背面投影表面，其中显示系统和观察者位于图像平面的相对侧。除非另外说明，本文提出的概念适于用正面和背面两种投影显示系统。投影显示系统依赖来自物体平面的光。该光可从位于物体平面的显示面板发射，例如通过等离子体放电面板、发光二极管阵列或阴极射线管荧光屏，或任何其它的光源。可替代地，光可通过位于物体平面的显示面板透射或反射，例如通过微镜阵列、透射型液晶装置、反射型液晶装置、摄影幻灯片，或能够反射入射光的任何物理物体。就彩色保真度、图像亮度、图像对比度、图像失真度和图像尺寸来说，在过去的十年到二十年间，现代显示系统已取得巨大进步。消费者对于显示系统的期望继续增加。因此，非常期望的是通过非常小的低成本的显示系统产生非常高质量的图像，并且该显示系统易于使用同时很好的适于典型的观看环境。
发明内容
本发明提供了用于产生具有高图像偏移的图像同时保持小形状因素(formfactor)、短投射或小形状因素和短投射两者的方法和系统。一个实施例提供了投影透镜，其包括具有光轴的显示面板，相对于光轴在第一方向上引入图像偏移的第一透镜组，以及在与图像偏移相反方向上移相光路的光学移相器。另一个实施例提供了投影透镜，其包括具有光轴的显示面板，基本准直来自显示面板的光并相对于光轴在第一方向上引入图像偏移的第一透镜组，以及聚焦显示面板图像于图像平面上的第二透镜组，其中第一透镜组中的元件相对于彼此偏移。另一个实施例提供了投影透镜，其包括具有光轴的显示面板，基本准直来自显示面板的光并在相对于光轴的第一方向上引入图像偏移的第一透镜组，和聚焦显示面板图像于图像平面上的第二透镜组，其中当图像具有100%或更多的图像偏移时，第一透镜组中的元件相对于每个光轴偏移不大于显示面板高度的20%。
参考附图描述示例实施例，其中图1是投影显示系统的示意性视图，其示出投影仪投射比率。图2是典型的投影显示系统的示意性视图，其示出显示面板、投影透镜和显示屏幕之间的关系。图3A-3C是投影显示系统的示意性视图，其示出多个量的图像偏移。图4-5是投影显示系统的示意性视图，其示出图像偏移。图6是投影透镜的方框示意性视图，其示出三组光学元件。图7是投影透镜的示意性视图，其示出相对于显示面板的偏移。图8-12是根据本发明实施例的光学移相器的示意性视图。图13是根据本发明实施例，示出倾斜的透镜组的部分投影透镜的示意性视图。图14是根据本发明实施例，通过XZ平面的投影透镜的示意性视图。图15是通过XY平面的图14中投影透镜的示意性视图。图16是根据本发明实施例，通过XZ平面的投影透镜的示意性视图。图17是通过XY平面的图16中的投影透镜的示意性视图。图18是根据本发明实施例，通过XZ平面的投影透镜的示意性视图。图19是通过XY平面的图18中的投影透镜的示意性视图。
具体实施例方式图1示出了投影图像于图像平面102上的投影显示系统100。投影仪100定位于距图像平面102的距离104处，并在该距离上投影具有高度106和宽度108的图像。距图像平面102或屏幕的距离104通常称为投影仪投射(throw)。投射距离除以图像宽度108的比率通常称为投射比率。某些应用，例如电影院，需要长投射以便放置投影仪在观众后面，从而其不会分散观众注意力。然而，在例如会议室的应用中，经常期望具有非常短的投射。短投射投影仪被期望以便允许在小房间中产生大图像。短投射投影仪也允许投影仪安置得更靠近图像平面。在某些情况下，安置投影仪靠近图像平面具有限制区域的优点，在该区域中人或物体可干扰图像投影于图像平面上。图2是典型的投影显示系统200的简化示意性视图，其示出显示面板、投影透镜和显示屏幕之间的关系。图2中，显示面板202、投影透镜204和显示屏幕206位于的平面都设置成正交于共同的光轴208。在图2所示的显示系统200中，光轴208穿过显示面板202和显示屏幕206的中心。因为图2中示出的三个组件中心都集中在光轴208上，即三个组件没有从光轴偏移，所以图2中示出的系统被认为没有偏移。虽然投影透镜204显示为单个正透镜，但是应该理解，该说明仅仅是为了便利，并不旨在投影透镜的实际说明。除非另外清楚地说明或通过上下文看出，术语透镜和投影透镜一般用于说明单个透镜或由光学元件组成的透镜系统。同样地，作为单个透镜、透镜组，或作为块的透镜和透镜系统的说明不旨在限制，且除非清楚地说明或通过上下文看出，其包括单个透镜、透镜组和与额外光学元件组合的透镜。图3A是投影仪300和屏幕302的示意性侧视图，其示出零偏移的配置。虽然投影仪300的光学结构相对简单和高效，但是这类投影仪的使用在许多应用上可具有限制。例如，如果投影仪300紧靠房间天花板安装，则投影图像的几乎所有上半部分将被天花板遮挡。安装在房间天花板上的零偏移的投影仪通常被安装在延伸部分从而使投影仪远离天花板被固定。使投影仪远离天花板需要的长延伸部分不仅仅不美观并且有时不稳定，其使投影仪进入房间中许多人的视野内，并因此分散了注意力。替代长延伸部分安装的是，在相对于天花板的一角度上安装投影仪从而防止图像碰到天花板上。当投影屏幕平行于房间的墙壁安装时，安装投影仪从而使光轴倾角向下朝向墙壁，其导致具有显著梯形失真的投影图像，其中图像的底部边缘比图像的顶部边缘更宽，且图像的两侧彼此不平行或也不正交于顶部或底部边缘。同样地，零偏移的便携式投影仪难以使用。便携式投影仪通常安放在桌子顶部表面上。对于零偏移来说，几乎一半的投影图像投射在桌子上，或如果投影仪被安放为在桌子边缘上方投影，则几乎一半的图像投影在桌子顶部以下水平的屏幕上，其中对于坐在桌子周围的人来说难以看见。或者，便携式投影仪倾角向上从而投影图像远离桌子，但如同投影仪倾角向下朝向屏幕的情形，投影仪倾角向上产生不良的梯形失真效应。为克服上述问题，许多投影仪设计成偏移投影图像。图3B是投影系统306的示意性侧视图，所述投影系统306设计成偏移投影于屏幕302上的图像到光轴304的一侧上。图3B中示出的投影仪被认为具有100%的图像偏移，因为投影于屏幕302上的图像完全在光轴304的一侧上。有计算图像偏移的多种方法。基于本公开并假设图像被垂直偏移到光轴之上，图像偏移将被认为从光轴到图像中心的距离除以一半的图像高度。虽然图像偏移一般通过定义光轴作为投影透镜的光轴计算，但是为了清楚，本文光轴将被定义为正交于显示面板并穿过显示面板中心的轴。图3C是投影系统306的示意性侧视图，所述投影系统306设计成偏移投影于屏幕302上的图像到光轴304的一侧。图3C中示出的投影仪308被认为具有150%的图像偏移，因为投影于屏幕302上的图像完全在光轴304的一侧，并离开光轴一距离，该距离等于在图像偏移方向上图像尺寸的25%，在图3C的情形中，该图像是垂直偏移的。因此，偏移距离，SP从光轴到图像中心的距离，是图像高度除以二的150%。如图4所示，图像偏移一般通过相对于投影透镜404移相显示面板402实现。显示面板402相对于投影透镜404，更具体地正交于投影透镜404的光轴406的移相导致在图像平面或显示屏幕408上显示系统的图像成比例的相反的移相。然而，相对于投影透镜404移相显示面板402以便实现希望的图像偏移不是不需要显著成本。图5示出在物体平面506上的投影透镜504的视野502，和在图像平面510上相应的视野508。如图5所示，物体视野502和图像视野508两者都显示为中心在投影透镜504的光轴512的周围。透镜视野通常被称为进入透镜的、聚焦于图像平面上的光线的角度扫掠。为了说明目的，视野被显示为物体平面上的区域，来自该区域的光线可进入透镜光瞳。如果透镜设计为保持恒定，相对于投影透镜504的光轴移相物体的光轴需要被成像的物体比当物体和投影透镜的光轴对齐时适用的物体更小。这由物体平面506上透镜视野502中所示的圆圈514示出。如果被成像物体的尺寸保持恒定，则透镜的尺寸必须增加，或投影透镜的焦距必须增加。这两种选择都有不良效应。增加透镜的尺寸不仅增加投影仪的形状因素，也增加投影仪的重量和成本。
良好校正投影透镜一般具有这样的焦距，其近似于在零偏移投影仪上成像的物体平面部分的直径的两倍。增加投影透镜的焦距导致投影透镜上投射的相应增加，这导致在许多环境中难以使用投影仪。即使传统的投影仪也受益于本文公开的发明。利用本文提出的发明允许传统的投影仪使用更小更低成本的投影透镜，而不必增加投影系统的投射。100%偏移显示系统中的很大部分投影透镜不用于产生显示面板的图像。因此，投影透镜的元件可以被削减从而减少生产透镜所需的材料并减少投影透镜的尺寸和重量。对于投影仪产品的消费者认同来说，实现大的图像偏移非常重要。因此，投影仪制造商或承担更大光学器件的额外成本或以其他方式折中透镜设计，从而使透镜成本保持平衡。例如，更慢速的透镜可用于减少透镜的尺寸和成本。然而，更慢速的透镜减少了图像亮度。限制更大透镜系统的成本和重量影响的另一种方式是以塑料透镜元件替代一些玻璃透镜元件，但这种替代可降低透镜的图像质量。近来，引入了新类别的图像投影仪。因它们非常小的尺寸，这些投影仪经常被称为“ 口袋式投影仪”、“移动式投影仪”或“微型投影仪”。对微型投影仪设计者来说，主要目标之一是集成投影仪到移动电话上，或到移动电话尺寸的封装内。由于几个原因，该尺寸限制使得难以设计具有100%图像偏移的微型投影仪。首先，微型投影仪的形状因素意味着透镜相对于显示面板不可能简单地移相，因为相对于显示面板的透镜中的任何移相需要增加投影仪的厚度。显示面板的尺寸不可能被减小而没有亮度效率的损失。类似地，更慢速的透镜不可能使用而没有亮度效率的损失。对于本公开来说，除非另外说明，投影仪的厚度被认为在与光学偏移方向上的投影路径光轴正交的方向上。一般地，投影仪厚度与显示面板的两个正交维度中的较短维度对齐，因为显示面板的图像被对齐为在显示面板的纵横比上宽度比其高度更大，通常为16:9 或 4:3。因为微型投影仪的形状因素必须保持与实际的一样薄，目前在7mm左右或更小，所以实现期望的图像偏移而不使用增加显示厚度的偏移透镜是非常重要的。同样地，移动电话或类似尺寸的投影仪具有来自装置电池的可用的有限电力。有限的电力需要较高的效率需求以便产生适当明亮的图像，并一般地不可接受采用低效的，更慢速的光学器件。这类光学器件会降低显示的亮度；或要求使用更亮的照明源并相应减少显示的基于电池运行时间，以便实现期望的图像偏移而不使用更大的光学器件。本发明提供了几种新的方法和系统，以用于产生大的图像偏移而没有在显示面板和投影透镜之间相应的大的物理偏移。这些方法和系统包括在图像偏移相对的方向上移相光射线束以便实现偏移透镜而不影响显示系统的厚度的效果，相对于其它透镜元件使一些透镜元件偏心，并一般地关于投影透镜孔径倾斜一些透镜元件。这些方法单独地或组合使用从而实现显著的图像偏移，而没有投影透镜的相应显著偏移和投影透镜尺寸上伴随的显著增加。图6是透镜系统600的示意性侧视图。图6中光轴610在从物体平面到图像平面的X方向上延伸。图6示出的另一个维度被认定为z方向。在投影仪中取向的z方向通常从投影仪底部延伸通过投影仪顶部，并被认为在朝向图6顶部的正方向上延伸。因此，无论投影仪倒置安装在天花板上或设置在桌子顶部，期望的图像偏移的方向都假设在朝向图6顶部的正Z方向上。如图6示出的投影透镜600包括三组光学元件。第一组602位于最靠近透镜的物体平面处，且当描述投影透镜时经常被称为后组。第二组604紧邻第一组602。第三组606位于最靠近透镜的图像平面处，且当描述投影透镜时经常被称为前组。每组都由一个或多于一个光学兀件组成。根据一个实施例，光学元件的第一组602配合从而收集源自物体平面上透镜视野中的光线，并将收集的光聚焦成基本对准的光射线束。来自第一组的光射线束通常被收集以便边缘光线基本被准直。在该情形中基本准直意味着离开第一组的边缘光线在平行线的10度之内。更具体地，边缘光线和主要光线在平行线的4度之内，在平行线的2度之内，或在平行线的I度之内。根据本发明的一个实施例，第一透镜组中的至少一个光学透镜元件被偏心以便其在期望的偏移方向上产生图像偏移。偏心的透镜通常不是最靠近显示面板的光学透镜元件。保持最靠近显不面板的一个或多于一个透镜兀件定中心在显不面板的光轴上有助于最小化投影仪的厚度。图7是两个透镜元件的示意性视图，所述透镜元件来自靠近显示面板的第一组透镜。图7中，显示面板702具有高度“H”且定中心在显示面板702的光轴704上。第一透镜706被定位以便第一透镜706的光轴708从显示面板702的光轴704偏心或偏移距离“D1”。同样地，具有光轴712的第二透镜元件710从显示面板702的光轴704偏心距离“D2”。图7所示的透镜被设计为实现图像偏移而不使透镜的偏心足够显著增加投影仪的厚度或高度。100%的图像偏移可被实现而不使第一组透镜偏心超过显示面板高度的20%。优选地，通过使第一组透镜偏心不超过显示面板高度的15%实现100%的图像偏移。更优选地，通过使第一组透镜偏心不超过显示面板高度的10%实现100%的图像偏移。偏心第一组中的透镜元件，以便偏心的透镜元件的光轴偏移于显示面板的光轴，从而导致形成图像的射线束的移相。换句话说，投影透镜的内部体积在正z方向上移相，所述体积由形成投影图像的射线束的光路使用。在大的图像偏移处，形成图像的射线束的这种移相需要大的投影透镜以及增加透镜高度并从而增加投影仪的高度到不可接受的水平。防止投影透镜高度增加到不可接受水平的一个新方法是在负z方向上移相光路或射线束。光路中的该移相可视为瞄准线(boresight)校准，因为其使射线束反回朝向透镜孔的中心，或甚至经过透镜孔的中心。根据本发明的一个实施例，用于在负z方向上移相射线束的光学元件理想地不具有在射线束上的任何其它效应。然而，实际上因为移相射线束的光学元件的折射率不一致，光学元件将改变透镜的有效路径长度。光学移相器不应与叠放投影透镜的现有技术方法混淆。当透镜叠放时，相对于透镜光轴的移动方向显著改变。根据本发明，射线束的轴改变小于15度，更具体地小于10度，更具体地小于5度，且更具体地小于I度。通常，叠放的透镜导致物体平面和图像平面具有非平行的关系，而移相光路通常导致物体平面和图像平面保持平行的关系。图8是根据本发明一个实施例的光学移相器802的一个实施例的示意性示出。图8中，来自显示面板806的射线束804入射在光学移相器802上。入射射线束804示为准直的射线并由于未示出的偏心的第一组透镜与显示面板806的光轴808成角度，其中第一组透镜用于产生上文所述的图像偏移。随着射线束804从光轴806处发散，没有示出的第三组光学元件位置必须在正z方向上移动以便在射线束804的光路上定位。光学移相器802在负z方向上移相射线束804的光路。根据图8不出的实施例，光学移相器不聚焦或散焦射线，而仅在负z方向上移相光线。这允许第三组光学元件沿着射线束810的路径定位，该路径更靠近光轴808。定位第三组元件更靠近显示面板806的光轴808，允许用于投影透镜的透镜元件定位更靠近在非偏移的透镜中具有的位置，同时仍提供显著的偏移。以这种方式，投影透镜使更薄的投影仪成为可能，同时仍提供相对于显示面板806的光轴808的100%的图像偏移。图9是根据本发明一个实施例的光学移相器的不意性视图。光学移相器900由两个平面镜902组成，每个都折叠光路。图9中每个平面镜902折叠光路，且两个平面镜配合移相光路而不变动光路角度。水平地安放平面镜会移相光路，但会导致水平方向上非常长的投影透镜。倾斜镜子远离水平方向使投影透镜缩短，但增加投影透镜的高度，该高度是避免平面镜遮挡光路所需要的。在一些情形中，光学移相器900的高度近似于两倍的光束高度，这限制了使用光学移相器900实现的益处。图10是根据本发明另一个实施例的另一个光学移相器1000的示意性视图。图10中，一对棱镜用于折射和移相光束。棱镜可为颜色校正而消色差，但很少是复消色差的。棱镜通常引入对于图像的梯形失真，但如下文讨论，该梯形失真可用于偏移由透镜的其它部分产生的梯形失真。图11是根据本发明另一个实施例的另一个光学移相器1100的示意性视图。图11中，偏心的透镜在负z方向上折射光。一个或多于一个偏心的透镜可用于移相载像光束的光路。图12是根据本发明另一个实施例的另一个光学移相器1200的示意性视图。图12中，楔形透镜，即第一和第二表面彼此相对偏心的透镜，用于在负z方向上折射光。一个或多于一个楔形透镜可用于移相光载像束的光路。在投影透镜上安放光学移相器以在负z方向上移相图像路径，这减小用于给定的图像偏移的投影透镜的高度。光学移相器应该提供负z方向上光路的线性移相，而在会减少偏移的方向上没有光路角度的相应改变。这允许在Z方向上相对于射线束保持透镜位置，同时移相透镜的物理位置和准线以最小化移相透镜对投影仪高度的影响。由光学移相器引入的图像伪影可用于抵消由投影透镜其它元件引入的图像伪影。例如，由楔尺引入的梯形失真伪影可用于抵消由倾斜透镜和倾斜的图像平面引入的梯形失真伪影。此外，如图13所示，由光学移相器引入的色差可抵消由光学移相器引入的色差。图13中，光学移相器1302与倾斜的透镜1304 —起示出。倾斜的透镜1304用于在光路上引入额外的偏移，并位于上文所述的第三组光学元件中。整个第三组可被倾斜从而补偿对多种颜色的伪影。第三组关于透镜孔径光阑旋转。关于透镜孔径旋转第三组具有对光路添加楔尺的效应。倾斜的第三光学组通过比折射红光更小地折射蓝光而引入色差。因此，如图13所不，蓝光相对于红光在正z方向上被折射。光学移相器具有相反效应。如图13所不,光学移相器可相对于红光在负Z方向上折射蓝光。在投影路径中具有对光有相反效应的两个元件，允许透镜设计成使用一个效应从而偏移或消除另一个效应。上述技术可用于各种组合中从而提供高程度的图像偏移，而不显著增加投影透镜的厚度、投影仪的高度，或增加投影透镜投射比率。图14-19示出根据本发明的投影透镜的三个实施例。图14、16和18在χ-z平面中示出三个实施例的视图，而图15、17和19在x-y平面示出三个投影透镜的视图。用于三个投影透镜的方案在下面的附表1、II和III中以光学设计领域普通人员易于理解的形式提供。在具有全部或仅一些特征或步骤的示例实施例的背景下，在此同样意图保护所描述的具有一个或多于一个这类特征或这类步骤的不同组合的实施例。本领域技术人员应该理解，在要求的发明保护范围内其它的实施例和变体都是可能的。
权利要求
1.一种投影透镜系统，包括: 具有光轴的显示面板； 相对于所述光轴在第一方向上引入图像偏移的第一透镜组；以及 在与所述图像偏移相反的方向上移相光路的光学移相器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中在所述第一透镜组中的两个或更多个透镜相对于彼此偏心。
3.根据权利要求1所述的系统，其中在所述第一透镜组中的全部透镜相对于彼此偏心。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一透镜组基本准直来自所述显示面板的光。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统可操作从而聚焦物体平面到平行的图像平面上。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学移相器是折射型光学移相器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学移相器是反射型光学移相器。
8.根据权利要求1所述的系统，其包括第二透镜组，所述第二透镜组接收来自所述光学移相器的光并聚焦所述光于图像平面上。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二透镜组相对于所述光轴倾斜。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二透镜组相对于所述光轴关于所述投影透镜的孔径倾斜。
11.一种投影透镜系统，包括: 具有光轴的显示面板； 第一透镜组，其基本准直来自所述显示面板的光，并相对于所述光轴在第一方向上引入图像偏移；以及 第二透镜组，其聚焦所述显示面板的图像于图像平面上，其中在所述第一透镜组中的元件相对于彼此偏移。
12.根据权利要求11所述的系统，其中当所述图像具有100%或更多的图像偏移时，所述第一透镜组中的元件相对于所述光轴偏移不大于所述显示面板高度的20%。
全文摘要
本发明提供以高程度图像偏移投影图像同时限制投影透镜元件物理偏移的方法和系统。公开的实施例具有具有光轴(704)的显示面板(702)；具有光轴(708)的第一透镜元件(706)，该光轴(708)偏心显示面板光轴(704)第一距离(D1)；和具有光轴(712)的第二透镜元件(710)，该光轴(712)偏心显示面板光轴(704)第二距离(D2)。该方法和系统限制了光学元件相对于显示面板光轴的位移，并使非常薄的高效的投影仪成为可能。
文档编号H04N5/225GK103080833SQ201180042571
公开日2013年5月1日 申请日期2011年7月11日 优先权日2010年7月9日
发明者P·R·迪斯塔因 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司