投影模块和结合有投影模块的投影机的制作方法

专利名称：投影模块和结合有投影模块的投影机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于获得宽投影角度而无失真的投影模块。本发明还涉及这种模块在正投影和背投影系统中的应用。
背景技术：
图1示出了背投影机1的传统设计，背投影机1的光轴位于屏幕中心，所述背投影机包括物镜13、两个平面偏转镜11和12以及同样为平面的屏幕10。在这种设计中，投影机发射的照明光束14被偏转镜11和12弯折。系统关于屏幕10的法向平面(光束的光轴15位于该平面内)对称。对于尺寸为1106×622毫米的屏幕10，投影机1的深度p可能高达45厘米。沿着屏幕对角线的孔径角必须为大约38°。利用由大约十个左右的透镜构成的适中成本的物镜，可以获得可接受的失真和MTF(调制传递函数)。
另一种设计是将光束弯折两次，如图2所示。该图中所图示的背投影机2包括物镜23以及彼此相对放置且平行于屏幕20的两个平面偏转镜21和22。投影物镜23的轴并不垂直于屏幕20的中心。因此，可以减小背投影机的深度p1(例如，大约20cm)。然而，背投影机2下部(即，位于屏幕之下的部分)的高度h1变大。
Mitsubishi所提交的专利申请EP 1203977描述了视频背投影机的数个实施例，包括非球面偏转镜，这使得可以减小光学像差和投影机的整体尺寸。图3图示了背投影机3，包括物镜33、第一平面偏转镜31、非球面偏转镜32、第二平面偏转镜36和屏幕30。因为物镜33与屏幕的法线成约60°的角度，所以所发射的光束34首先被镜34沿着屏幕30的法向偏转到非球面镜32上。然后光束被镜36弯折一次，之后到达屏幕30。因此，减小了整体尺寸。然而，背投影机2仍然具有笨重的缺点。

发明内容
本发明的一个目的是减少现有技术的缺点。
具体地，本发明的一个目的是提供一种投影机(正投影或背投影类型)以及一种投影模块或投影电机，比已知系统更轻便。
本发明的目的还要减小投影机的深度和高度(取决于所投影图像的尺寸)。
本发明的另一目的是校正光学系统可能引起的失真。
具体地，本发明的一个目的是使用非球面或双曲线类型(例如)的曲面镜。使用双曲线镜的系统是已知的，例如专利US 5716118中所述，但是系统必然具有大尺寸以获得大图像。这种系统在工业规模上是不可行的，因为难以生产如此大的镜子。
本发明涉及一种正投影机或背投影机用的投影模块，在工业规模上可行，并且使得可以获得高质量的大投影图像。
为此目的，本发明提出了一种用于在屏幕上投影图像的投影模块，所述屏幕限定特定投影平面，所述模块包括-物镜，包括用于发射成像光束的装置；以及-曲面镜，其特征在于，所述模块还包括至少两个偏转面，用于偏转所述成像光束，这些面位于物镜和曲面镜之间的成像光束路径中。
偏转面是反射或半反射的，例如，是反射镜或棱镜，并且使得可以将入射光束偏转到另一方向。
优选地，所述曲面镜是双曲线镜。
曲面镜包括至少一个凹或凸部分，并且有利地是凹镜或凸镜。
根据本发明的变体，物镜的轴与投影平面之间的角度不超过10°。
根据优选实施例，当所投影的图像是矩形时，物镜的轴与屏幕上所投影的图像的长边之间的角度不超过10°。
根据另一优选实施例，当所投影的图像是矩形时，物镜的轴与屏幕上所投影的图像的短边之间的角度不超过25°。
有利地，至少一个偏转面被设计来将来自物镜的成像光束沿着垂直于投影平面的平面重定向到曲面镜上。
根据一个特定特征，该模块的特征在于至少一个偏转面与垂直于投影平面的平面成40°和50°之间的角度。
优选地，偏转面是平面。
根据一个有利特征，模块包括与至少一个偏转面相关联的至少一个遮罩，被设计来防止杂散光线的传播。
本发明还涉及一种投影系统的光学电机，所述电机被设计来在屏幕上投影图像，所述屏幕限定特定投影平面，所述电机包括-成像器，被设计来产生成像光束；以及-照明装置，本身包括用于产生照明光束的光源和聚焦装置，以及用于将照明光束偏转到成像器上的装置，其特征在于，所述电机还包括如前所述的模块，并且用于偏转照明光束的装置包括至少两个分离的偏转面，用于偏转所述照明光束。
有利地，照明光束中未被偏转面之一反射的部分与成像光束中未被偏转面之一反射的部分成的角度小于10°。
另外，本发明适用于包括上述投影模块的投影系统。
根据一个特定特征，投影系统包括投影屏幕，模块通过后部照射屏幕。


参考附图，阅读如下描述，将更好地理解本发明，并且其他特征和优点将变得更加清楚，附图中图1至3图示了现有技术的背投影机的各种实施例；图4示出了根据本发明第一特定实施例的背投影机；图5以立体示了图4所示的背投影机的光学元件；图6和7分别示出了图4的背投影机的侧视图和正视图；图8示出了本发明的第二实施例；图9至11图示了本发明的第三实施例；图12示出了根据本发明一个实施例的正投影机；
图13和14图示了图4的背投影机中使用的光学电机；图15示出了图9至11的背投影机中使用的光学电机；图16是根据本发明一个实施例的背投影机的高度示意图；图17示出了图16的背投影机所形成的各种图像；图18图示了图16的背投影机的光学特性；以及图19示出了图16的投影机中使用的物镜。
具体实施例方式
图4示意性示出了根据本发明第一特定实施例的背投影机4的透视图。
背投影机4包括-平坦的投影屏幕46，限定了平行于屏幕46的水平轴X、垂直轴Y以及垂直于屏幕46的Z轴；-照明装置(图4中未示出)，产生照明光束；-成像器40，根据照明光束产生成像光束；以及-投影模块。
成像器例如是Texas Instrument出产的DMD(数字微镜装置)、透射LCD(液晶显示器)或LCOS(硅上液晶)装置。
投影机4的投影模块本身包括-光学系统41或物镜，面对成像器40放置，并且其光轴近似平行于X方向；-第一偏转镜42，接收光学系统41发射的成像光束47，并使得可以将光束47的中心偏转到垂直于屏幕46、且由YZ轴限定的平面内；-第二偏转镜43，接收镜42所偏转的光束47，并且所处位置使得光束反射到双曲线镜44上；-双曲线镜44，被设计用于放大光束47，并将其传送到第三偏转镜45；以及-偏转镜45，平行于屏幕46，并将从双曲线镜接收到的光束47传送到屏幕46上。
因为镜44是双曲线形式的，所以对投影模块的配置进行优化，以在大角度下获得大投影图像，同时具有小的光学像差。因此，包括光学系统41和双曲线镜44的组合使得可以获得宽角度物镜。
成像器40、光学系统41以及镜42至44位于背投影机4的下部，从而不致妨碍成像光束47的传播。凸面镜44与物镜41之间距离的大小足以使成像光束能够被镜42和43在小空间中弯折，并且光束47在位于凸面镜之前的区域中稍稍分散。
图5更详细地示出了光学元件40至45以及它们的布置。
物镜41沿着其光轴依次包括-第一复透镜410，即由一组透镜构成的透镜；-光瞳411，用于防止杂散光线；以及-第二复透镜412。
双曲线形状的镜44位于物镜的出光侧，并且使穿过双曲线焦点的双曲线轴与透镜410的光轴XX′重合。
通过透镜反射的光被平面镜42和43反射，然后被双曲线镜44反射，并且看起来就像来自物镜41的光瞳411的共轭点。因为根据所图示的实施例，光束的轴平行于屏幕46，所以镜42的取向使得其表面的法线与入射光束的光轴成45°的角度α。当然，在本发明的不同实施例中，角度α可以取其他值，特别是当入射光束不平行于屏幕46时。此外，镜43的取向使得入射光束被正确偏转到双曲线镜44上。因此，在仍然平行于X轴的同时，镜43表面的法线与入射光束47的光轴成一角度β。
从图5可知，双曲线镜44使得其反射的光束47可以变得更加发散。另外，为了防止透镜410干扰双曲线镜所反射的光束的传输，优选地仅使用双曲线形状中位于穿过双曲线对称轴的平面一侧的那部分。该轴穿过双曲线的焦点。因此，来自系统41的有用光是位于穿过物镜光轴的平面之上的光。因此，光源所照射且要投影到屏幕上的图像相对于物镜41的轴是离轴的。
根据本发明的变体，入射光瞳的场中所有的点紧密相处，并且系统是远心的。
这种布置在特定情况下可以导致失真和MTF(调制传递函数)的恶化，即，光学系统空间频率响应的恶化。可以通过将双曲线镜44移离物镜，并在光瞳411和双曲线镜44之间插入透镜，来做出校正这些缺陷的措施，这使得可以平衡所述透镜的光阑两侧的光功率，并减小光束入射到双曲线镜44上的入射角，尤其减小离双曲线的轴最远的光线的入射角。因此，双曲线镜离物镜41越远，后者就越发工作在较小的场中。为了在保持背投影机4的整体尺寸较小的同时在双曲线镜44和系统41之间获得大的光学距离，镜42和43弯折系统41所发射的光束47。
本发明还可以校正双曲线镜44可能带来的像散。为此，设置一个或两个弯月形板(图5中未示出)，这些板位于物镜41的光瞳411附近。在两个弯月板的情况下，它们分别位于光瞳411两侧。放置弯月板，使得它们的凹面彼此相对，并且弯月板的中心也分别位于光瞳411的两侧，使得两个凹面之间的距离小于两个凹面的半径和。
SLM(空间光调制器)显示装置的成像器40使得可以传送由于空间调制而传送至少一个图像的光束。该光束由系统41传送至平面镜42，然后传送至平面镜43，并最终传送至双曲线镜44，双曲线镜44将光反射到平面镜45上。平面镜45优选地平行于屏幕46的平面位于背投影机4的背面。
SLM显示器40位于穿过系统41的光轴XX′的平面的一侧，以便仅照射双曲线镜44，双曲线镜44仅占据位于穿过双曲线轴的平面一侧的一部分双曲线。因此，优选地，截去镜44中并不接收有用光束的下部。
图6和7分别示意性示出了沿着X方向的侧视图以及沿着Z方向的正视图。
如图所示，光学系统41的光轴近似水平，且平行于屏幕46。因此，它对背投影机4的深度p′1没有影响，同时保持了屏幕46之下的高度h′2较小。为了进行说明，对于高度h′1等于620mm的屏幕，p′1为约160mm，h′2为约320mm。
根据所图示的实施例，投影机4的参数如下
-α和β分别等于45°和21°；-物镜41和镜42之间的距离等于53mm；-镜42和43之间的距离是86mm；-镜43和44之间的距离等于94mm；-镜42是尺寸为103mm(两条非平行对边)×55mm×68mm(平行对边)的梯形；以及-镜43是尺寸为100mm×70mm的矩形。
更一般地，根据本发明的各种实施例，光学系统41的光轴近似水平，且与屏幕46成γ角度。系统41的光轴与屏幕46的长边之间的角度小于15°。优选地，该角度小于10°。因此，可以大大减小模块的深度。更优选地，深度为0或接近0，由此可以进一步减小投影模块的整体尺寸(高度和深度)，因此可以进一步减小投影机4的尺寸。
以这种方式，减小了模块的高度。这种模块尤其适于整体(one-piece)投影机的情况(例如，背投影机)，其中该模块安装在屏幕(图像具有电视或电影类型的长宽比)之下或之上；或者适于与屏幕分离的投影装置的情况，凸镜在与投影屏幕平行的方向造成了较大的尺寸。
另外，来自物镜的大多数杂散光线一般近似平行于投影屏幕，并且不被凸镜反射。因此，以非常简单的方式消除了这些光线。
镜42相对于YZ平面倾斜45°的角度，以便将沿YZ平面发射的光束47的中心光线偏转为垂直于屏幕46，由此允许投影模块的构造现对简单。镜42也相对于YZ平面倾斜22.5°的角度α。取决于上述各种实施例，在本发明的一个实施例中，光学系统的光轴与屏幕46之间的角度γ不是0，镜42相对于YZ平面倾斜45°±γ/2的角度。优选地，此角度在40°和50°之间，因为γ优选地小于10°。
图6还示出了沿着背投影机4中居中的垂直平面发射的光束的包络。更准确地，所发射光束的包络在上部受限于光线61，在下部受限于光线60。
为了减小高度h′2，镜42优选地放置的尽可能高。因此，镜43反射的光束(尤其是光线60)掠过镜42，使镜42不致成为其阻碍。
为了尽可能少地妨碍光束的传播，并减小高度h′2，镜42的形状为梯形，这恰对应于光学系统41所反射的光束在其反射面中的形状。
镜43平行于X轴，并且将镜42反射的光束偏转到双曲线镜44上。其相对于垂直轴Y倾斜22.5°的角度。将其放置的尽可能靠近背投影机4的背面，同时保证不会成为镜44所反射的光束的阻碍。
因此，在物镜41和双曲线镜44之间放置两个偏转镜42和43的光学模块配置中，两个偏转镜42和43具有两个功能，具体地，因为一方面它们使得可以将成像光束重新定向到垂直于投影屏幕的平面中，另一方面，可以加长物镜41和凸镜44之间的光学距离。这两个功能尤其使得可以在限定空间中更容易地弯折成像光束。
如上所述，双曲线镜44将光束偏转到镜45上，允许放大图像。
双曲线镜44的表面的方程如下z=cr21+1-(1+k)c2r2---(1)]]>其中-c表示镜的曲率(c＝1/Rc，其中Rc是曲率半径)；-k是锥度常数；以及-r是径向坐标。
作为示例，在所图示的实施例中，半径Rc等于57.7mm，并且常数k等于3.77。双曲线的外形是从双曲线的轴偏心56mm的椭圆形(尺寸90mm×136mm)。
一般而言，镜44是凸镜。因此，在一个实施例中，镜44被非球面镜代替，非球面镜被设计来将放大图像偏转到镜45上。非球面镜的表面的方程如下z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1Nαiri---(2)]]>其中出现非球面项，其中-i是所使用项的秩(rank)；以及-αi表示秩为i的项的非球面系数。
作为示例，α3等于-1.09×10-6，并且其他系数αi为零。
根据本发明的另一变体(可以与所述的其他背投影机变体组合)，位于非球面或双曲线镜与屏幕之间的镜可由相对于屏幕倾斜的镜替代，和/或由用于弯折光束的数个偏转镜替代。
根据本发明的又一变体，在凸面(例如，非球面或双曲线)镜和屏幕之间没有反射镜。物镜的折射部分包括由四个透镜构成的后部透镜组Gr以及由三个透镜(包括一个弯月形镜)构成的前部透镜组Gf。前部组接收来自对象SLM(要将其图像投影到屏幕上)的光。前部组Gf使得可以使用其从后部组Gr接收到的光束来照射凸镜(根据所图示的示例，为双曲线镜)。双曲线镜相对于透镜组Gf如此放置，使得其焦点之一F1位于前部组Gf的出射光瞳的平面内。另一虚焦点F2位于系统的虚出射光瞳的平面内。双曲线镜与光瞳共轭，并且具有增加场角的优点，因此具有增加系统放大率的优点。另外，设置位于组Gf的弯月形镜与双曲线镜之间的正透镜，以便减小场中光线的包络，从而使得光束更容易被平面镜弯折，以减小物镜的整体尺寸。
然而，双曲线镜可能引入几何失真。为了校正此失真，后部透镜组Gr包括表面为二次曲线形的透镜。有利地，此二次曲线是与凸镜的形状相同类型的二次曲线，以提供对几何失真的近乎完美的校正。有利地，因而此二次曲线是双曲线。优选地，二次曲线(双曲线镜和后部透镜)的比近似正比于双曲线的焦点位置之比。例如，如果设定了等价后部透镜Gr的焦点，将光瞳置于此透镜的焦点处，并且将双曲线置于相距“特定距离”。此距离限制了双曲线的焦点和二次曲线形状的使用，以便在屏幕上获得给定的放大率(例如，64)。为了校正物镜，必须给予透镜或透镜组Gr的二次曲线表面形状应该如下此二次曲线与双曲线镜的二次曲线之比近似等于双曲线的焦点与双曲线的主平面距离之比。通过透镜组Gf从相应的双曲线观察，这些距离是相同的距离。
然而，双曲线透镜必须与物镜的光阑相距一定距离，使得可以在扩大的光束上进行失真的预校正。
另外，如此设计的透镜使得可以不仅校正几何失真，还可以校正场曲率。
此外，系统导致的像散缺陷并不遵循与几何失真相同的规律。它们不能通过上述装置来校正。这是设置至少一个弯月形镜来校正系统导致的像散缺陷的原因。
根据投影机4的一个实施例，镜42和42可以由复棱镜替代。可以存在与镜42等价的表面的完全反射。然而，与镜43等价的表面必须镀上金属，因为入射光束的角度与该表面的法线相比较小。
图8示出了根据本发明的背投影机8的第二实施例，尤其适于防止晕影或消除杂散光线。
背投影机8包括与上述背投影机6相同的元件。这些公共元件具有相同标号，因此不再描述。
背投影机8还包括平行于X轴的遮罩80至82，每个这种与镜42和43中至少一个相关联，并且它们的位置使得阻断来自系统41的杂散光线(或者直接阻断，或者在其中一个反射镜(特别是镜42)上反射之后阻断)。
遮罩80与镜42在最靠近双曲线镜44的一侧相切。因此，其阻断杂散光线83被引导到双曲线镜44或屏幕46上。
遮罩81连接到遮罩80，同时近似水平，不致阻碍镜42和43分别反射的光束。因此，其阻断杂散光线85被引导到背投影机8的顶部，尤其是引导到屏幕46上。
遮罩82与镜43在靠近平面镜45的上端相切，同时其位置和尺寸不致成为镜43和44分别所反射的光束的阻碍。因此，其阻断杂散光线84被引导到镜45上。
优选地，遮罩80至82沿X方向具有较大尺寸，仅受投影机8的宽度限制。沿着YZ平面的方向，遮罩的位置不致妨碍成像光束的传播。
根据实施例变体，遮罩组合在一起成为将物镜和照明装置与镜42至45完全分开的单个表面。仅在形成遮罩的表面中制造出矩形或梯形孔径(取决于成像光束入射到表面上的角度)，以使成像光束穿过该孔径，同时防止杂散光束通过孔径穿出。
此外，应该注意，在光学系统41的光轴近似水平的配置中，沿着近似平行于镜44和45以及平行于屏幕46(背投影机6和8)的轴，大多数杂散光线是以非常简单的方式消除的。这是因为在这种配置中，大多数杂散光线近似水平，并且向着背投影机的一侧引导。因此，大多数这样没有遇上第一偏转镜42的杂散光线不会被引导向镜或屏幕，而是被引导向背投影机的其他内部元件，这些元件优选地并不反射。
图13示出了背投影机4所装备的光学电机。该光学电机包括-灯130及其反射器；-16∶9导板131(对应于16∶9的屏幕46)；-透镜132和133；-平面偏转镜134；-透镜135；-棱镜136；-成像器40；-物镜41；以及-镜42至44。
灯130及其反射器发射照明光束137，该光束聚集在导板131的入口。一旦从导板131出射，透镜132和133传送光束137，到达镜134。镜134相对于入射光束的光轴倾斜，从而将光束137偏转到透镜135上，透镜135粘接在棱镜136上。灯130、导板131和透镜132和133的光轴近似平行于与屏幕46相关联的投影平面。因此，减小了背投影机4的深度。
然后，光束137经由透镜135进入棱镜136，之后被棱镜136的相对面反射到成像器40上。光学电机中各个元件的位置和透镜的焦距使得导板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因而形成代表图像的光束138，将其发送到棱镜136，之后进入光学系统41，然后被镜42、43和44反射，如上所述。
灯130所发射的光束137的取向与从成像器40发射的光束相同。以这种方式，元件130至133位于相对于成像器40后部的一半空间。此外，照明光束137中位于偏转镜134之前的部分近似平行于从透镜41发射的成像光束。优选地，这两个光束之间的角度小于10°。此外，优选地，投影平面(由屏幕46限定)与照明光束137中位于偏转镜134之前的部分之间的角度也小于10°。因此，照明系统的元件130至135、成像器40、物镜41和镜42至44可以占据高度和深度(分别沿Y和Z轴)减小且长度不超过屏幕46宽度的平行六面体空间。
图14图示了图13所示的光学电机(除了未示出的灯130之外)的正视图，并且表明了各个元件的位置。
因为镜43的法线与入射光束47的光轴成β的角度，所以成像器40的长轴与Z(屏幕46的法向)方向成2β的角度。同样，16∶9导板131的出口的长边也与Z方向成2β的角度(然而，导板出口的长边和成像器长轴取向相反)。
图9至11图示了根据本发明的背投影机9的第三实施例，尤其适于具有基座98的配置。
背投影机9包括-平坦的投影屏幕96，限定了平行于屏幕96的水平轴X、垂直轴Y以及垂直于屏幕96的Z轴；-照明装置(图9中未示出)，产生照明光束；-成像器90，从照明光束产生成像光束；以及-投影模块。
投影仪9本身的投影模块包括-光学系统91或物镜，面对成像器90放置，其光轴近似平行于Y方向(近似竖直光轴)；-第一偏转镜92，其接收光学系统91所发射的成像光束97，并使得可以将光束97的中心偏转到相对于水平平面XZ稍有倾斜的平面内；-第二偏转镜93，其接收镜92偏转的光束97，并且其位置使得将光束反射到双曲线镜94上；-双曲线镜94(类似于上述镜44)，其被设计来放大光束97，并将其传送到第三偏转镜95；以及-偏转镜95(类似于上述镜45)，平行于屏幕46，并将从双曲线镜接收到的光束97传送到屏幕96上。
作为示例，镜92和93分别成52°和18°。因此，物镜91相对于屏幕成22°的角度((90+2×18)°-2×52°＝22°)。
因此，如图9中所示的立体图所示，光学元件90至94处于基座98中，基座98可能相对较窄(同时仍然保持组件的良好机械强度)，仅仅放大了基座98的底座，以便更好地理解组件。对于尺寸为1106×620mm的屏幕，基座的宽度p′3例如是250mm，其深度是160mm。因此，可以一起容纳光学元件90至94、灯以及用于照射成像器的系统。因此，该投影模块尤其适于具有基座的背投影机，或者正投影机的配置(对于垂直边短于水平边的电视或电影类型图像未弯折)。
图10和图11分别示意性示出了背投影机9沿X轴和Z轴的侧视图和正视图。
系统91的光轴近似位于YZ平面中，并且与垂直轴Y成γ1的角度。根据所图示的实施例，角度γ1等于22°。根据实施例变体，利用所选择的孔径，其处于20°和24°之间(对应于入射角大于55°)。这避免了必须将镜92的面积增加太多，并避免了晕影。
更一般地，角度γ1处于20°和24°之间。这与现有技术相比，已经允许减小背投影机的深度。优选地，其小于10°，以便更多地减小背投影机的深度。
图11示意性图示了背投影机9沿Z轴的正视图。
图15示出了背投影机9装备的光学电机。该光学电机包括-灯150及其相关联的反射器；-16∶9导板151(对应于16∶9的屏幕96)；-透镜152和153；-平面偏转镜154；-透镜155；-棱镜156；-成像器90；-物镜91；以及-镜92至94。
灯150及其反射器发射照明光束157，该光束聚集在导板151的入口。一旦从导板151出射，透镜152和153传送光束157，到达镜154。镜154相对于入射光束的光轴倾斜，从而将光束157偏转到透镜155上，透镜155粘接在棱镜156上。灯190、导板141和透镜142和143的光轴相对于与屏幕46相关联的投影平面略有倾斜。因此，减小了背投影机9的深度。
然后，光束157经由透镜155进入棱镜156，之后被棱镜156的相对面反射到成像器90上。光学电机中各个元件的位置和透镜的焦距使得导板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因而形成代表图像的光束158，将其发送到棱镜156，之后进入光学系统91，然后被镜92、93和94反射，如上所述。
灯190所发射的光束157的取向与从成像器90发射的光束相反。以这种方式，元件150至155位于相对于成像器90前部的一半空间。此外，照明光束157中位于偏转镜154之前的部分近似平行于从透镜91发射的成像光束。优选地，这两个光束之间的角度小于10°。根据本发明的其他实施例，投影平面(由屏幕96限定)与照明光束147中位于偏转镜154之前的部分之间的角度也小于10°。因此，照明系统的元件150至155、成像器90、物镜91和镜92至94可以占据高度、宽度和深度减小的平行六面体空间，因此可以容易地安装在基座98中。
图12示出了正投影系统，包括垂直的平坦屏幕121和正投影系统120，正投影系统120例如位于面对屏幕121的顶板之下，从而将图像投影到屏幕121上。投影系统120与屏幕121分离。然而，与背投影机系统(其中，通过后部照射屏幕)不同，由投影系统在其可视的正面上照射屏幕121。
屏幕121限定了平行于屏幕121的水平轴X、垂直轴Y以及垂直于屏幕121的Z轴。
投影系统120包括与背投影机4相同的元件(具有相同标号)，具体地是
-照明装置130至136；-成像器40；以及-光学系统41，面对成像器40放置，其光轴近似平行于X方向；-第一偏转镜42，其接收光学系统41所发射的光束47，并使得可以将光束47的中心偏转到与屏幕46垂直且由YZ轴限定的平面内；-第二偏转镜43，其接收镜42偏转的光束47，并且其位置使得将光束反射到双曲线镜44上；以及-双曲线镜44，其被设计来放大光束47，并将其传送到屏幕121。
镜45不是必须的，因为投影系统120可以远离屏幕，当然无需增加系统120的尺寸，并且其位置使得图像正确投影在屏幕121上(光束47在镜44和屏幕121之间不弯折)。
根据本发明的实施例变体，添加了与图8所示的遮罩80至82类似的遮罩。
在不同变体中，可以修改镜42、43和44的尺寸和几何形状。具体地，镜44可以是非球面镜。
根据本发明的实施例变体，成像装置类似于图15所示的装置150至155，由此特别适于不弯折的正投影系统(例如，弯折位置对应于存储模式，并且未弯折位置对应于工作模式)。
因此，该投影模块尤其适于具有基座的背投影机，或者正投影机的配置(对于垂直边短于水平边的电视或电影类型图像未弯折)。
图16以展开图的形式图示了根据本发明实施例变体的背投影机16，具有凹非球面镜164，该背投影机包括-成像源或成像器40；-物镜161，由源40产生的成像光束照射；-凹非球面镜164，在弯折光束同时放大图像；-两个平面弯折镜162和163，位于物镜161和凹镜164之间；-弯折镜45；以及-背投影屏幕46。
背投影机16包括与背投影机4的组件相同的元件，它们具有相同的标号，具体地，如图13所示的产生照明光束的装置(灯130及其反射器、16∶9导板131、透镜132和133等)、成像器40、物镜20、弯折镜45和屏幕46，将不再描述。
弯折背投影机161的物镜161的轴是水平的。从物镜161发射的成像光束首先照射镜162，镜162相对于光轴倾斜45°，并且垂直于屏幕16。因此，光束沿平行于屏幕16的方向发送，其光轴在与屏幕16垂直的平面中。镜162反射的光束然后照射镜163，镜163相对于光轴倾斜45°，并且其法线垂直于屏幕16。因此，光束沿垂直于屏幕16的方向发送，以便照射凹镜164。未被平面弯折镜162、163和45弯折的成像光束165在图16中以虚线表示。
一般而言，未弯折投影系统的各个实施例的所有光轴垂直于投影平面，假设投影平面为垂直的，因此光轴是水平的(针对以未弯折形式示出的系统)。
然而，根据其中使得照明部分可以更容易地安装的可选实施例(连接到成像器40的光照明核心、灯外壳、电子卡倾斜)，物镜的实际轴倾斜。这是因为在通过弯折镜进行弯折之后，投影系统的一个元件的轴可以变为非水平。例如，如果较大的镜倾斜，所有之后的元件，尤其是凹镜，也将倾斜两倍角度。优选地，物镜的轴与投影平面之间的角度不超过10°。同样，物镜的轴与平面上所投影的图像的长边之间的角度优选地不超过10°。优选地，镜162与垂直于屏幕46的平面成40°和50°之间的角度。
投影机的光学部分拥有光轴166，所产生的光束165(因此成像器40)相对于该轴166是离轴的。从屏幕46观察，凹镜164使得光束165看起来像是来自与位于镜164和屏幕46之间的成像光束165路径中的光瞳PF相对应的光瞳区。
凹非球面镜164具有轴对称形状，其反射表面由如下非球面方程给出Z(r)=r2/R1+1-(1+c)(r/R)2+α1r+α2r2+α3r3+α4r4+α5r5+α6r6+...]]>
其中-r表示给定点与光轴的距离；-Z表示该点与垂直于光轴的平面的距离；-系数c是二次曲线系数；-参数R对应于表面的曲率半径；以及-参数a1、a2、…、ai分别是1、2和i阶的非球面系数。
根据可选实施例，镜164是双曲线镜(即，在上述Z(r)的方程中系数ai为0)。
图19更详细地示出了物镜161。
物镜161包括后部透镜组190至193以及前部透镜组194至196。
物镜161在成像光束路径中的最后一个透镜196优选地是非球面弯月形透镜，其形状与凹镜164的参数匹配。因此，其形状优选地由如上所示的非球面方程给出。
作为示例，在一个特定实施例中，凹镜164的半径R是60mm，参数c和a1至a8分别如下-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。弯月形透镜196的第一表面(成像器一侧)的半径R是44.94711mm，并且参数c和a1至a8的值分别如下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。弯月形透镜196的第二表面(与成像器一侧相对)的半径R是29.49554mm，并且参数c和a1至a8的值分别如下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。
背投影机16具有屏幕之下的高度h′相对较小的优点，典型地，对于对角线约1.50m的屏幕，在10和20cm之间。高度h′实际上足以容纳物镜161和镜164，同时仍然在屏幕46上形成正确的图像，而成像光束165不会碰到物镜161。优选地，高度h′等于屏幕高度的五分之一(近似)。更准确地，高度h′小于或等于屏幕的高度除以5。其还可能取决于物镜161或凹镜164的放大率，以及照明系统(灯的反射器的尺寸)。因此，对于50″屏幕和DMD HD3的投影机，高度h′例如小于20cm，典型地等于12cm。
根据本发明的变体，弯折背投影机16的物镜161的轴不是水平的，背投影机16包括位于物镜和凹镜164之间的两个或多个弯折镜，以便沿着近似垂直且优选地垂直于屏幕46的方向发送光束。
根据本发明的其他实施例变体，照射凹镜(位于成像光束的路径中的第一图像之后)的成像光束的轴不是水平的。于是计算凹镜的形状，以在与投影屏幕相对应的投影平面上产生第二图像。
背投影机16的成像器40的长边是竖直的(对于水平边较长的竖直投影屏幕46)。
背投影机16使得可以消除物镜161中透镜的尺寸限制，以便其不会切断来自镜164的返回光束165。取决于背投影机16的配置，当透镜在光束165之下时，还可以使用更大的透镜(更容易的场分离)。
图17示出了背投影机16形成的各种图像(成像光束表示为未弯折)。
光线174表示成像光束165的中心光线，并且光线173和175表示两个外端光线。
物镜161的出射光瞳PS在光束165的路径中形成位于镜164之前的图像IS。物镜161放大成像器40上所形成的物体图像，以便形成放大因子为G的图像IS。与物镜161相关联的放大因子G优选地在1和10之间，并且更优选地在5和9之间。
镜164将出射光瞳PS和光瞳PF相关联，其中成像光束中的光线在相对较小的区域中穿过。计算镜164的形状，以产生与图像IS相对应的图像IF，投影到屏幕46所处的投影平面上。凹镜164放大图像IS，以放大因子G′形成图像IF。与凹镜164相关联的放大因子G′优选地大于与物镜161相关联的放大因子G。
位于所述成像光束路径中第一图像之后的凹镜164的使用具有如下优点与光线172相对应的成像光束的下部相对较高，因此允许光学元件接近屏幕(在背投影机的情况下)，从而更容易安装，而不会干扰凹镜与平面之间的光束传播。
根据实施例变体，与凹镜164相关联的放大因子G′大于10。
凹镜164优选地位于光轴之下。优选地，系统在凹镜164之前的光轴是水平的，并且接近屏幕46的底部。
图18图示了背投影机16的光学特性。更准确地，成像器40产生第一图像，包括为了说明所表示的两点A和B。从这两点A和B分别发射两个光束182和183，在穿过包括至少一个透镜180以及出射光瞳PS181的物镜161之后，形成两点A′和B′，它们属于物镜161所产生的图像IS。
光束183和182分别在镜164的非离散区域A″和B″中反射，并且会聚在与光瞳PF相对应的区域上，光瞳PF是光瞳PS通过镜164的像。
应该注意，光瞳PF相对接近镜164，光瞳PS离镜164更远。通常，出射光瞳区PF与凹镜164的顶点的距离在25mm和60mm之间。优选地，出射光瞳181与凹镜21的距离必须尽可能大。
另外，本领域技术人员将能够限定物镜和弯折凹镜(用来从位于凹镜之前的第一图像在投影平面中产生第二图像)，尤其以根据特定标准来适配校正或像散以及光学失真，并将它们在投影系统的各个光学组件之间分配。
根据本发明的可选实施例，投影机16具有与至少一个偏转镜162和163相关联的遮罩，以防止杂散光线的传播。
根据本发明的可选实施例，投影机包括类似于基座98的基座，其可以相对较窄(如图9所述)，并包括与投影机16的元件类似的光学元件(尤其是凹镜)，其光轴对应于投影机9中针对相应元件所图示的光轴(特别是，物镜的光轴与平面成γ1的角度，该角度优选地不超过25°)。
根据本发明的可选实施例，投影机具有使用凹曲面镜的正投影机类型。因此，这种投影机例如包括投影机16的元件，除了位于凹镜之后的弯折镜和屏幕，在光学电机和弯折镜的元件的情况下，配置类似于投影机16的配置，并且在正投影特有部件的情况下，配置类似于图12所示的投影机的配置。
当然，本发明不限于上述实施例。
具体地，根据本发明的背投影机包括曲面镜，尤其可以是非球面或双曲线镜，以便放大光束。
曲面镜尤其是凸镜或凹镜。本发明还与局部凹或凸曲面镜(例如，具有凹部分和凸部分的镜，或者具有平面部分和凸或凹部分的镜，或者具有平面部分、凸部分和凹部分的镜)兼容。
本发明适用于任何小型化投影机，尤其是包含光学元件的横向部分位于屏幕旁边、之上或之下的情况。
根据本发明，位于物镜和凸镜之间或灯和图像之间的平面偏转面可以是任何类型的，具体地，可以是反射镜类型的反射或半反射面，或者具有反射面的棱镜。
位于物镜和凸镜之间的成像光束路径中的反射或半反射偏转面的数目和位置也不限于上述实施例。因此，根据本发明，可能存在两个或多个(特别是两个、三个或四个)偏转面位于光学系统和凹镜之间的成像光束路径中。因此，根据本发明，实施例可以包括三个、四个或更多个偏转面，用于沿着不垂直于屏幕的不同平面重定向成像光束(例如，在其中物镜放置为近似垂直于投影机的横向部分的配置中，第一反射面向第二反射面水平发送成像光束，第二反射面向第三偏转面垂直发送光束，第三偏转面将光束重定向到凸镜)。
同样，位于照明源和成像器之间的照明光束路径中的反射或半反射偏转面(尤其是具有反射面的镜或棱镜)的数目和位置也不限于上述实施例。因此，根据本发明，可以存在两个或多个(特别是两个、三个或四个)偏转面位于照明源和成像器之间的照明光束路径中。因此，根据本发明，实施例可以包括三个、四个或更多个偏转面，用于将照明光束重定向到成像器上。
权利要求
1.一种用于在屏幕(46，96，121)上投影图像的投影模块，所述屏幕限定特定投影平面，所述模块包括-物镜(41，91，161)，包括用于发射成像光束(47，97)的装置；以及-曲面镜(44，94，164)，其特征在于，所述模块包括至少两个偏转面(42，43，92，93，162，163)，用于偏转所述成像光束，这些面位于所述物镜和所述曲面镜之间的所述成像光束路径中。
2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于所述曲面镜(44，94，164)是双曲线镜。
3.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于所述物镜的轴与所述投影平面之间的角度不超过10°。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模块，其特征在于，当所投影的图像是矩形时，所述物镜的轴与所述屏幕上所投影的图像的长边之间的角度不超过10°。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的模块，其特征在于，当所投影的图像是矩形时，所述物镜的轴与所述屏幕上所投影的图像的短边之间的角度不超过25°。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的模块，其特征在于，至少一个所述偏转面被设计来将来自物镜的成像光束沿着垂直于所述投影平面的平面重定向到所述曲面镜上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的模块，其特征在于，至少一个所述偏转面与垂直于所述投影平面的平面成40°和50°之间的角度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的模块，其特征在于所述偏转面是平面。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的模块，其特征在于包括与至少一个所述偏转面相关联的至少一个遮罩(80，81，82)，被设计来防止杂散光线(83，84，85)的传播。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的模块，其特征在于所述曲面镜(44，94)至少局部凸出。
11.根据权利要求10所述的模块，其特征在于所述曲面镜(44，94)是凸镜。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的模块，其特征在于所述曲面镜(164)至少局部凹入。
13.根据权利要求12所述的模块，其特征在于所述曲面镜(164)是凹镜。
14.一种投影系统的光学电机，所述电机用于在屏幕上投影图像，所述屏幕限定特定投影平面，所述电机包括-成像器(40，90)，被设计来产生所述成像光束(47，97)；以及-照明装置，本身包括用于产生照明光束(137，157)的光源(130，150)和聚焦装置(132，133，135，152，153，155)，以及用于将所述照明光束偏转到所述成像器上的装置，其特征在于，所述电机还包括根据权利要求1至13中任一项所述的模块，并且用于偏转所述照明光束的所述装置包括至少两个分离的偏转面(134，136，154，156)，用于偏转所述照明光束。
15.根据权利要求14所述的电机，其特征在于，所述照明光束中未被所述偏转面之一反射的部分与所述成像光束中未被所述偏转面之一反射的部分成的角度小于10°。
16.一种投影系统(4，8，9，120)，其特征在于包括根据权利要求1至13中任一项所述的投影模块。
17.根据权利要求16所述的投影系统(4，8，9)，其特征在于包括投影屏幕(46，96)，所述模块通过后部照射所述屏幕。
全文摘要
本发明涉及一种用于在屏幕上投影图像的投影模块，所述屏幕限定特定投影平面。所述模块包括物镜(41)，本身包括用于发射成像光束(47)的装置；曲面镜(44)；以及至少两个偏转面(42，43)，用于偏转成像光束，这些面位于物镜和曲面镜之间的成像光束路径中。本发明还涉及一种光学电机以及一种相应的投影系统。
文档编号G03B21/28GK1938645SQ200580009987
公开日2007年3月28日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年3月30日
发明者让-雅克·萨克雷, 帕斯卡·贝努瓦 申请人:汤姆森许可贸易公司