CN100381867C - 薄型光学投影系统和使用该光学投影系统的图像显示设备 - Google Patents

薄型光学投影系统和使用该光学投影系统的图像显示设备 Download PDF

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Abstract

一种薄型光学投影系统和一种使用该薄型光学投影系统的图像显示设备。所述光学投影系统包括：中继透镜组，用于从由显示器产生的图像生成中间图像并在该中间图像中产生第一畸变；投影透镜组，用于放大和投影通过所述中继透镜组的所述中间图像并在投影的图像中产生第二畸变；和反射器，用于将被所述投影透镜组放大的所述图像以宽视角反射到屏幕上。所述第一畸变和第二畸变用于补偿由所述反射器引起的第三畸变。

Description

薄型光学投影系统和使用该光学投影系统的图像显示设备
本申请要求于2004年9月24日提交到韩国知识产权局的第2004-77374号韩国专利申请的优先权，该申请公开的内容通过引用全部包含于此。
技术领域
本发明总体构思涉及一种薄型光学投影系统和使用该薄型光学投影系统的图像显示设备，更具体地讲，涉及一种将由显示器生成的图像以宽视角投影到屏幕上并通过校正由宽视角投影引起的畸变来提供改进的图像质量的薄型光学投影系统以及使用该薄型光学投影系统的图像显示设备。
背景技术
图像显示设备包括：显示器，其打开和关闭为多个像素发射光从而产生彩色图像灯型光源；和光学投影系统，其将所述彩色图像放大并投影到屏幕上。由于对具有大屏幕、高分辨率和薄型设计的图像显示设备的需要增加了，所以已经积极地进行了研究以满足这种需要。
为了获得薄型图像显示设备，光学投影系统以宽视角产生一束光线。然而，当光学投影系统位于屏幕的中心时，由光学投影系统产生的该束投影光线的视角只能被增加到有限的角度。图1示意性地示出传统的图像显示设备。参照图1，为了增加由光学投影系统20产生的一束光线的视角，光学投影系统20被倾斜地置于屏幕40的下部上。由光学引擎10生成的图像被光学投影系统20放大和投影，并被入射到反射镜30上。从反射镜30反射的图像被投影到屏幕40上。
当如上所述从光学投影系统20发出的图像被反射器30反射到屏幕40时，由于图像显示设备的厚度非常小，所以来自光学投影系统20的图像应该以非常大的角度被扩散。然而，由位于屏幕40下部上的光学投影系统20以宽角度投影的图像的一部分易经受畸变，这会降低图像质量。因此，提供具有大屏幕、高图像质量和薄型设计的图像显示设备在技术上是困难的。
发明内容
本发明总体构思提供了一种薄型光学投影系统以及一种使用该薄型光学投影系统的图像显示设备，该薄型光学投影系统以宽视角投影图像并通过校正由宽视角投影引起的畸变来提供改进的图像质量。
本发明总体构思的另外方面和优点将在下面的描述中被部分地阐述，并且部分地根据描述将变得明显，或者可通过实施本发明而了解。
本发明总体构思的前述和/或其它方面可通过提供一种光学投影系统被实现，该光学投影系统包括：中继透镜组，用于从由显示器产生的图像生成中间图像并在该中间图像中产生第一畸变；投影透镜组，用于放大和投影通过所述中继透镜组的所述中间图像并在投影的图像中产生第二畸变；和反射器，用于将由所述投影透镜组放大的所述图像以宽视角反射到屏幕上。所述第一畸变和第二畸变用于补偿由所述反射器引起的第三畸变。
所述反射器可以是非球面镜并具有负的折射光焦度。所述的光学投影系统还可包括第一光路变换器和第二光路变换器，用于分别转换在所述中继透镜组和所述投影透镜组之间以及在所述投影透镜组和所述反射器之间的光路。尽管所述显示器的光轴可与所述中继透镜组和所述投影透镜组的光轴是同轴的，而所述反射器的光轴偏离于所述显示器的光轴。所述第一畸变和第二畸变可以是枕形畸变，由所述反射器引起的所述第三畸变可以是桶形畸变。
本发明总体构思的前述和/或其它方面还可通过提供一种光学投影系统被实现，该光学投影系统包括：折射光学系统，用于放大和传输由显示器生成的图像；反射光学系统，用于以宽视角反射由所述折射光学系统传输的图像；和中继透镜组，位于所述显示器和所述反射光学系统之间以预先引起用于补偿由所述反射光学系统引起的第三畸变的第一畸变。所述折射光学系统可预先引起第二畸变，所述第二畸变与所述第一畸变结合使用以补偿由所述反射光学系统引起的所述第三畸变。
本发明总体构思的前述和/或其它方面还可通过提供一种图像显示设备被实现，该图像显示设备包括：显示器，用于接收由光源发出的光束并通过根据输入图像信号对接收的光束进行处理来生成图像；和光学投影系统，用于将所述图像放大并投影到屏幕上。该光学投影系统包括：中继透镜组，用于从由所述显示器产生的图像生成中间图像并在该中间图像中产生第一畸变；投影透镜组，用于放大和投影通过所述中继透镜组的所述中间图像并在投影的图像中产生第二畸变；和反射器，用于将被所述投影透镜组放大的所述图像以宽视角反射到屏幕上。所述第一畸变和第二畸变可以用来补偿由所述反射器引起的第三畸变。
所述图像显示设备的光学投影系统可包括：折射光学系统，用于放大和传输由显示器生成的图像；反射光学系统，用于以宽视角反射由所述折射光学系统传输来的所述图像；和中继透镜组，位于所述显示器和所述反射光学系统之间以预先引起用于补偿由所述反射光学系统引起的第三畸变的第一畸变。折射光学系统可预先引起第二畸变，该第二畸变与所述第一畸变结合使用以补偿由所述反射光学系统引起的第三畸变。
附图说明
通过下面结合附图对实施例的描述，本发明总体构思的这些和/或其他方面及优点将会变得清楚和更易于理解。附图中：
图1示意性地示出传统的图像显示设备；
图2示意性地示出根据本发明总体构思的实施例的图像显示设备；
图3示出根据本发明总体构思的实施例的光学投影系统；
图4示出根据本发明总体构思的另一实施例的光学投影系统；
图5示出由根据本发明总体构思的实施例的图像显示设备显示的每个场位置的光点分布；和
图6示出由根据本发明总体构思的实施例的图像显示设备显示的图像的畸变。
具体实施方式
现在将详细描述本发明总体构思的实施例，其示例在附图中被示出，其中，相同的标号始终表示相同的元件。下面将参照附图描述所述实施例以解释本发明。
参照图2，图像显示设备包括光学投影系统150，该光学投影系统150包括：中继透镜组110，用于从由显示装置100产生的图像中生成中间图像；投影透镜组130，用于将通过中继透镜组110的所述中间图像放大并投影；和反射器140，用于将从投影透镜组130接收的图像放大并反射到屏幕S上。
显示装置100通过根据从图像信息输入(未示出)接收的图像信息对接收的光束进行调制来生成图像。显示装置100可以是数字微镜装置(DMD)显示器、液晶显示器(LCD)、光栅光阀(GLV)显示器或硅上液晶(LCOS)显示器。所述DMD显示器是对入射到其上的光的强度进行空间调制以产生图像的微镜的二维阵列。
图3示出根据本发明总体构思的实施例的光学投影系统150中的光学元件的排列。参照图3，光学投影系统150包括全反射棱镜105，该全反射棱镜105位于显示装置100和中继透镜组110之间，允许光束入射到显示装置100上并将由显示装置100生成的图像反射到中继透镜组110。
投影透镜组130将由中继透镜组110生成的所述中间图像放大并投影到反射器140上，反射器140也将从投影透镜组130接收的图像放大并投影到屏幕S上。反射器140可以是由反射材料，如具有负屈光能力的塑料，制成的平面镜或非球面镜以扩散和放大从投影透镜组130接收的所述中间图像。由于投影透镜组130和反射器140都放大和投影所述图像，所以超宽视角可被生成。
中继透镜组110包括至少一个透镜，并从由显示装置100产生的图像中生成中间图像，并且在该中间图像中产生第一畸变以补偿由反射器140引起的第三畸变。投影透镜组130包括至少一个透镜并在从中继透镜组110接收的所述中间图像中产生第二畸变，该第二畸变与第一畸变结合使用以补偿由反射器140引起的第三畸变。即，中继透镜组110和投影透镜组130引起预畸变以抵消随后由反射器140引起的畸变。
在图3的光学投影系统中，中继透镜组110和投影透镜组130的光轴与显示装置100的光轴同轴，而反射器140的光轴偏离于显示装置100的光轴。
参照图3，当反射器140在所述图像中引起桶形畸变时，中继透镜组110和投影透镜组130生成枕形(spool)畸变作为所述第一畸变和第二畸变以校正所述桶形畸变。因此，从反射器140反射到屏幕S上的图像具有很少畸变的高视觉质量。
为了获得宽视角，光学投影系统150包括诸如投影透镜组130的折射光学系统和诸如反射器140的反射光学系统，并且事先引入分别由中继透镜组110和投影透镜组130产生的第一畸变和第二畸变以校正由所述反射光学系统引起的第三畸变。
通过有效地使用折射光学系统和反射光学系统，光学投影系统150可具有宽视角，因此使图像显示设备的厚度最小化。
为了进一步减小图像显示设备的厚度，光学投影系统150还可包括至少一个位于从显示装置100出射的光的光路中的光路变换器以弯曲该光路。该光路变换器可以是镜构件、反射器、折射器或全反射棱镜。
图4示出根据本发明总体构思的另一实施例的光学投影系统。如图4所示，光学投影系统还包括位于中继透镜组110中的第一光路变换器M1、位于中继透镜组110和投影透镜组130之间的第二光路变换器M2以及位于投影透镜组130和反射器140之间的第三光路变换器M3。这里，只要没有阻止光的传播，第一光路变换器M1、第二光路变换器M2和第三光路变换器M3就可根据图像显示设备的结构和尺寸以各种方式排列。
根据本发明总体构思的多种实施例的光学投影系统的详细设计数据如下。应该理解，此详细设计数据仅是示例性的，而不是为了限定本发明总体构思的范围。
     半径             透镜厚度或距离     材料
OBJ：无穷大           2.796436
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5：  无穷大           3.750000
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     SPS XYP：
     IC：   是
     SCO/SCC
     X2：1.7502E-03    Y2：1.7342E-03    X2Y：-4.6569E-06
SCC C4：  0       SCC C6：  0    SCC C8：  0
    Y3：-6.2731E-06  X4：-2.7828E-08  X2Y2：-5.4611E-08
SCC C10：  0      SCC C11：0     SCC C13： 0
    Y4：-3.3816E-09  X4Y：1.2384E-10  X2Y3：2.3422E-10
SCC C15： 0       SCC C17：0     SCC C19：    0
    Y5：2.3965E-11   X6：2.4256E-14   X4Y2：3.8056E-13
SCC C21：0        SCC C22：0     SCC C24：  0
    X2Y4：3.5202E-13 Y6：9.6308E-14   X6Y：2.3936E-16
SCC C26：0        SCC C28：0     SCC C30：0
    X4Y3：3.2006E-16 X2Y5：-1.1911E-15Y7：1.0423E-16
SCC C32：0        SCC C34：0     SCC C36：  0
    X8：1.2656E-17   X6Y2：1.0115E-18 X4Y4：-1.9730E-17
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SCC C43：0        SCC C45：0     SCC C47：0
    X6Y3：-2.2846E-20X4Y5：-4.5095E-21X2Y7：2.3931E-20
SCC C49：0        SCC C51：0     SCC C53：0
    Y9：-4.1720E-21  X10：-1.6329E-22 X8Y2：2.5535E-22
SCC C55：0        SCC C56：0     SCC C58：0
    X6Y4：6.0420E-24 X4Y6：2.5305E-22 X2Y8：-2.9495E-23
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    BDZ：3.0000E+02
SCC C84：
XDE：0.000000   YDE：29.882489   ZDE：0.000000DAR
XDC：  100      YDC：    0       ZDC：100
ADE：-6.924326  BDE：0.000000    CDE：0.000000
ADC：   0       BDC： 100        CDC：100
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SLB：″g2″(lable)
41：无穷大       0.000000
42：无穷大       0.000000
XDE：0.000000   YDE：636.488356  ZDE：0.000000
XDC： 100       YDC：0           ZDC： 100
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规格数据
NAO    0.20000
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       3.32000
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       0.00000
孔径数据/边缘清晰度
CA
对于表面OBJ副43的孔径数据未列入清单。
折射率
GLASS CODE     632.80      546.07      460.00
FC5_HOYA       1.486014    1.489142    1.494026
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FD60_HOYA      1.798849    1.812631    1.836802
NBFD15_HOYA    1.801166    1.811837    1.829942
492000.572000  1.490193    1.494050    1.500226
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492000.572000  1.490193    1.494050    1.500226
NBFD11_HOYA    1.782176    1.790150    1.803176
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无限共轭物
EFL      -8.0684
BFL      -379.4730
FFL      -2.5970
FNO      0.0000
使用的共轭物
RED      -40.4490
FNO      -101.1224
OBJ DIS  2.7964
TT       675.5649
IMG DIS  0.0000
OAL      672.7685
近轴像
HT       134.2905
THI      -53.1149
ANG      0.0000
入瞳
DIA      0.4082E+10
THI      0.1000E+11
出瞳
DIA      3.2939
THI      -379.4730
图5和图6分别示出由根据本发明总体构思的实施例的图像显示设备显示的每个场位置的光点分布和图像畸变。如图6所示，根据本发明总体构思的各种实施例的图像显示设备显示良好的图像质量。本发明总体构思使用折射光学系统和反射光学系统以有效地获得宽视角，因此提供了当屏幕尺寸保持不变时具有与传统图像显示设备的厚度相比减小的厚度的图像显示设备。
如上所述，根据本发明的光学投影系统和图像显示设备包括折射光学系统和反射光学系统以将由显示器生成的图像以宽视角投影到屏幕上，因此减小了所述图像显示设备的厚度。光学投影系统和图像显示设备还通过中继透镜组和/或折射光学系统引起预畸变以补偿由反射光学系统引起的畸变，因此提供了高质量的图像。
尽管显示并描述了本发明总体构思的几个实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物中限定其范围的本发明的原则和精神的情况下，可对这些实施例进行改变。

Claims (46)

1.一种光学投影系统，包括：
中继透镜组，用于从由显示器产生的图像生成中间图像并在该中间图像中产生第一畸变；
投影透镜组，用于放大和投影通过所述中继透镜组的所述中间图像并在投影的图像中产生第二畸变；和
反射器，用于将被所述投影透镜组放大的图像以宽视角反射到屏幕上，
其中，所述第一畸变和第二畸变补偿由所述反射器引起的第三畸变。
2.如权利要求1所述的光学投影系统，其中，所述反射器包括非球面镜。
3.如权利要求1所述的光学投影系统，其中，所述反射器具有负的屈光能力。
4.如权利要求1所述的光学投影系统，还包括：
第一光路变换器和第二光路变换器，分别用于改变在所述中继透镜组和所述投影透镜组之间以及在所述投影透镜组和所述反射器之间的光路。
5.如权利要求4所述的光学投影系统，还包括：
第三光路变换器，其位于所述中继透镜组中。
6.如权利要求4所述的光学投影系统，其中，所述第一光路变换器、第二光路变换器和第三光路变换器包括反射镜和全反射棱镜之一。
7.如权利要求1所述的光学投影系统，其中，所述显示器的光轴与所述中继透镜组和所述投影透镜组的光轴是同轴的。
8.如权利要求7所述的光学投影系统，其中，所述反射器的光轴偏离于所述显示器的光轴。
9.如权利要求1所述的光学投影系统，其中，所述第一畸变和第二畸变是枕形畸变，由所述反射器引起的第三畸变是桶形畸变。
10.如权利要求1所述的光学投影系统，还包括：
全反射棱镜，位于所述显示器和所述中继透镜组之间以接收由所述显示器产生的图像并将接收的图像反射到所述中继透镜组。
11.如权利要求1所述的光学投影系统，其中，所述投影透镜组对所述图像执行第一放大操作，所述反射器对所述图像执行第二放大操作。
12.如权利要求1所述的光学投影系统，其中，所述投影透镜组将所述图像放大第一角度并将放大的图像以所述第一角度提供给所述反射器，所述反射器将所述图像放大第二角度并将该图像引导到所述屏幕上用于以第二角度观看。
13.如权利要求1所述的光学投影系统，还包括：
一组反射器，用于弯曲通过所述光学投影系统的所述图像的光路，其方式是将所述中继透镜组和所述投影透镜组排列于所述屏幕的下方并且将所述反射器排列于所述屏幕下部的后方。
14.一种可与图像显示设备一起使用的光学投影系统，包括：
预畸变单元，用于接收由图像产生单元产生的图像并在接收的图像中引起预畸变；和
图像放大单元，用于接收预畸变的图像，在接收的图像中引起畸变的同时放大接收的图像，并将放大的图像投影到屏幕上，
其中，所述预畸变补偿所述畸变，
其中，所述预畸变单元包括：
中继透镜组，用于从由所述图像产生单元产生的图像生成中间图像并在该中间图像中产生第一畸变；和
投影透镜组，用于将通过中继透镜组的所述中间图像放大并投影到所述图像放大单元，并且在投影的图像中产生第二畸变。
15.如权利要求14所述的光学投影系统，其中，所述预畸变单元包括中继透镜组、投影透镜组和折射光学系统中的至少一个。
16.如权利要求14所述的光学投影系统，其中，所述图像放大单元包括反射光学系统。
17.如权利要求14所述的光学投影系统，其中，所述预畸变单元在与所述屏幕相对的方向上接收所述产生的图像并向着所述图像显示设备的后方向提供预畸变的图像，并且所述图像放大单元将放大的图像向着所述图像显示设备的前方向反射到所述屏幕上。
18.如权利要求14所述的光学投影系统，其中，所述预畸变包括枕形畸变，所述畸变包括桶形畸变。
19.一种光学投影系统，包括：
折射光学系统，用于放大和传输由显示器生成的图像；
反射光学系统，用于将由所述折射光学系统传输来的所述图像以宽视角反射；和
中继透镜组，位于所述显示器和所述反射光学系统之间以预先引起第一畸变以补偿由所述反射光学系统引起的第三畸变，
其中，所述折射光学系统预先引起第二畸变，该第二畸变与所述第一畸变结合使用以补偿由所述反射光学系统引起的所述第三畸变。
20.如权利要求19所述的光学投影系统，其中，所述反射光学系统包括非球面镜。
21.如权利要求19所述的光学投影系统，其中，所述反射光学系统具有负的屈光能力。
22.如权利要求19所述的光学投影系统，还包括：
第一光路变换器和第二光路变换器，分别用于改变在所述中继透镜组和所述折射光学系统之间以及在所述折射光学系统和所述反射光学系统之间的光路。
23.如权利要求22所述的光学投影系统，还包括：
第三光路变换器，其位于所述中继透镜组中。
24.如权利要求22所述的光学投影系统，其中，所述第一光路变换器、第二光路变换器和第三光路变换器包括反射镜和全反射棱镜之一。
25.如权利要求19所述的光学投影系统，其中，所述显示器的光轴与所述中继透镜组和所述折射光学系统的光轴是同轴的。
26.如权利要求25所述的光学投影系统，其中，所述反射光学系统的光轴偏离于所述显示器的光轴。
27.如权利要求19所述的光学投影系统，其中，所述第一畸变和第二畸变是枕形畸变，由所述反射光学系统引起的所述第三畸变是桶形畸变。
28.一种图像显示设备，包括：显示器，用于接收由光源发出的光束并通过根据输入图像信号对所接收的光束进行处理来生成图像；和光学投影系统，用于将所生成的图像放大并投影到屏幕上，该光学投影系统包括：
中继透镜组，用于从由显示器产生的图像生成中间图像并在该中间图像中产生第一畸变；
投影透镜组，用于放大和投影通过所述中继透镜组的所述中间图像并在投影的图像中产生第二畸变；和
反射器，用于将由所述投影透镜组放大的所述图像以宽视角反射到屏幕上，
其中，所述第一畸变和第二畸变补偿由所述反射器引起的第三畸变。
29.如权利要求28所述的设备，其中，所述反射器包括非球面镜。
30.如权利要求28所述的设备，其中，所述反射器具有负的屈光能力。
31.如权利要求28所述的设备，其中，所述光学投影系统还包括第一光路变换器和第二光路变换器，用于分别转换在所述中继透镜组和所述投影透镜组之间以及在所述投影透镜组和所述反射器之间的光路。
32.如权利要求31所述的设备，其中，所述光学投影系统还包括位于所述中继透镜组中的第三光路变换器。
33.如权利要求31所述的设备，其中，所述第一光路变换器、第二光路变换器和第三光路变换器包括反射镜和全反射棱镜之一。
34.如权利要求28所述的设备，其中，所述显示器的光轴与所述中继透镜组和所述投影透镜组的光轴是同轴的。
35.如权利要求34所述的设备，其中，所述反射器的光轴偏离于所述显示器的光轴。
36.如权利要求28所述的设备，其中，所述第一畸变和第二畸变是枕形畸变，由所述反射器引起的所述第三畸变是桶形畸变。
37.一种图像显示设备，包括：显示器，用于接收由光源发出的光束并通过根据输入图像信号对所述接收的光束进行处理来生成图像；和光学投影系统，用于将所述生成的图像放大并投影到屏幕上，该光学投影系统包括：
折射光学系统，用于放大并传输由所述显示器生成的图像；
反射光学系统，用于将由所述折射光学系统传输的所述图像以宽视角反射；和
中继透镜组，位于所述显示器和所述反射光学系统之间以预先引起第一畸变以补偿由所述反射光学系统引起的第三畸变，
其中，所述折射光学系统预先引起第二畸变，该第二畸变与所述第一畸变结合使用以补偿由所述反射光学系统引起的所述第三畸变。
38.如权利要求37所述的设备，其中，所述反射光学系统包括非球面镜。
39.如权利要求37所述的设备，其中，所述反射光学系统具有负的屈光能力。
40.如权利要求37所述的设备，其中，所述光学投影系统还包括第一光路变换器和第二光路变换器，分别用于改变在所述中继透镜组和所述折射光学系统之间以及在所述折射光学系统和所述反射光学系统之间的光路。
41.一种光学投影系统，包括：
显示器，用于产生图像；
第一透镜组，用于从所述图像产生具有第一畸变的第一中间图像；
第二透镜组，用于从所述第一中间图像产生具有第二畸变的第二中间图像；
反射器，用于将第三畸变引入到所述第二中间图像中以补偿所述第一畸变和第二畸变，并产生第三中间图像；和
屏幕，用于显示不具有所述第一畸变和第二畸变的所述第三中间图像。
42.如权利要求41所述的系统，其中，所述第一中间图像和第二中间图像具有枕形形状，而通过引入具有桶形形状的第三畸变所述反射器产生具有矩形形状的第三中间图像。
43.如权利要求41所述的系统，其中，从所述第二中间图像放大所述第三中间图像。
44.一种光学投影系统的方法，该方法包括：
接收由图像产生单元产生的图像；
在接收的图像中产生预畸变并将预畸变的图像提供给反射器；和
在引入由所述预畸变补偿的畸变的同时将所述预畸变的图像向着屏幕反射，
其中，在接收的图像中产生预畸变并将预畸变的图像提供给反射器的步骤包括：
从接收的图像产生中间图像并在该中间图像中产生第一畸变；
放大和投影所述中间图像并在投影的图像中产生第二畸变。
45.如权利要求44所述的方法，其中，所述预畸变包括一个或多个枕形畸变，所述畸变包括桶形畸变。
46.如权利要求44所述的方法，其中：
在所述接收的图像中产生所述预畸变的步骤包括使用投影透镜组执行第一放大操作；和
将所述预畸变的图像向着所述屏幕反射的步骤包括使用所述反射器执行第二放大操作。
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