CN101384940B

CN101384940B - 用于多媒体和其他系统的投影透镜和显示装置

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Publication number: CN101384940B
Application number: CN2007800055360A
Authority: CN
Inventors: 卢开昌; 帕特里夏·M·休斯
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2027-01-30
Also published as: US7173777B1; EP1984769B1; EP2251740A1; EP2246736A1; EP1984769A2; ATE524764T1; CN101384940A; JP2009527002A; TW200745594A; WO2007094951A2; EP2246736B1; CN101384955B; CN101384955A; EP1984769A4; WO2007094951A3

Abstract

一种广角投影透镜，其包括(从图像侧依次为)第一透镜组，其具有负屈光力，所述第一透镜组具有至少一个非球形表面；第二透镜组；以及第三透镜组，其具有正屈光力。所述广角投影透镜满足下列的条件(1)至(4)：|F₁/F|≥4.5(条件(1))；2.5≤|F₂/F|≤6.0(条件(2))；3.8≤|F₃/F|≤5.0(条件(3))；以及0.8≤BFL/F≤1.4(条件(4))。一种光学引擎，其包括所述广角投影透镜，所述光学引擎可在投影显示装置中实施。

Description

用于多媒体和其他系统的投影透镜和显示装置

技术领域

本发明涉及短投射距离显示系统中使用的投影透镜和显示装置，应用于多媒体和墙面显示器。具体地讲，本发明涉及提供广角投影透镜的投影装置，该广角投影透镜允许生成超偏轴图像，并且生成基本上无畸变并只需要少量或不需要梯形畸变校正的图像。在正投影和背投影应用中均可利用所述投影透镜。

背景技术

电子或视频显示系统是指能够呈现视频或电子图像的装置。无论是用于家庭娱乐、广告、视频会议或团体会议，都需要合适的显示装置。

图像质量是消费者确定显示装置是否合适的因素之一。一般来讲，借助如图像分辨率和图像色彩之类的因素，能够定性地判定图像质量。而当某些消费者期望显示装置具有较大的画面尺寸时，图像质量会下降。通常，大图像尺寸是指沿屏幕对角线测得的屏幕尺寸超过约40英寸。

虽然如今市场上的前投影系统提供了许多显示装置，但是对开发其他装置仍然有持续的需求。

发明内容

作为本发明的一个实施例，广角投影透镜包括，从输出侧依次为：第一透镜组，其具有负屈光力，所述第一透镜组具有至少一个非球形表面；第二透镜组；以及第三透镜组，其具有正屈光力。广角投影透镜满足下列的条件(1)至(4)：

|F₁/F|≥4.5条件(1)

2.5≤|F₂/F|≤6.0条件(2)

3.8≤|F₃/F|≤5.0条件(3)

0.8≤BFL/F≤1.4条件(4)

此处，F为广角投影透镜的焦距，F₁为第一透镜组的焦距，F₂为第二透镜组的焦距，F₃为第三透镜组的焦距，BFL为后焦距。

在一个示例方面，有效焦距与像高之比为约0.5至1.0。在另一个示例方面，广角投影透镜是光学引擎的一部分，所述光学引擎还包括照明系统和成像系统。所述光学引擎可设置在投影显示装置中。在另一个示例性实施例中，第三透镜组包括用于广角投影透镜的孔径光阑、第一透镜元件和第二透镜元件，其中第二透镜元件的有效焦距为约30mm至约40mm。此外，第二透镜元件可包括面向孔径光阑的表面和背向孔径光阑的表面，其中面向孔径光阑的表面的曲率大于背向孔径光阑的表面的曲率。第二透镜元件可以是单一结构透镜元件，例如双凸透镜或平凸透镜。

作为本发明的另一个实施例，广角投影透镜包括(从输出侧依次为)：第一透镜组，其具有负屈光力，所述第一透镜组具有至少一个非球形表面；第二透镜组；以及第三透镜组，其具有正屈光力。广角投影透镜满足下列的条件(1)至(4)：

1.3≤|F₁/F|≤2.0条件(1)

|F₂/F|≥4.0条件(2)

3.8≤|F₃/F|≤5.0条件(3)

0.8≤BFL/F≤1.4条件(4)

在一个示例方面，有效焦距与像高之比为约0.5至1.0。光学引擎可设置在投影显示装置中。在另一个示例性实施例中，第三透镜组包括用于广角投影透镜的孔径光阑、第一透镜元件和第二透镜元件，其中第二透镜元件的有效焦距为约30mm至约40mm。第二透镜元件可包括面向孔径光阑的表面和背向孔径光阑的表面，其中面向孔径光阑的表面的曲率大于背向孔径光阑的表面的曲率。

作为本发明的另一个实施例，光学引擎包括照明系统、成像系统和投影透镜，所述投影透镜的后焦距小于约1.4倍有效焦距，并且其感光度小于或等于约F/3.1或者更小。投影透镜以至少约50°的半视场角生成图像，所生成图像基本上无畸变，并且其中光学引擎是投影显示装置的一部分。

在本发明的其他方面，可以在壁挂式投影系统、多媒体系统、背投影电视系统和紧凑集成监控系统中实现光学引擎。

本发明的光学系统用于投射距离短并且超偏轴的投影系统。术语“投射距离”是指从投影屏幕到投影透镜的由法线限定的距离。短语“短投射距离”是指小于一米的距离。术语“超偏轴”是指相对于投影图像的角度大于45度。此外，投影装置所投影图像基本上没有畸变。基本上没有畸变是指畸变不超过2％。在优选的方面，畸变小于或等于1％，最优选地小于或等于0.5％。在这些畸变值下，对于至少大部分成像应用，不需要电子畸变校正。短语“基本为零屈光力”是指小于所有透镜组总透镜光学能力的3％。在本文档中，应认为所有的数值均用术语“大约”修饰。

本发明的以上发明内容并非旨在描述本发明的每个图示实施例或每项具体实施。以下附图和具体实施方式更具体地说明这些实施例。

附图说明

图1为可用于本发明的示例性光学引擎的示意图。

图2为可用于本发明的示例性投影光学器件的示意图。

图3为采用所述示例性光学引擎的壁挂式投影系统的示意图；以及

图4示出，和传统正投影机比较，示例性光学引擎实现的短投射距离的图示说明。

这些图未按比例绘制，并且仅用于示例性目的。虽然本发明可以有多种修改形式以及替代形式，但其细节已在附图中以举例的方式示出并且将作详细描述。然而应当理解，本发明并不限于所描述的具体实施例。相反，其目的在于涵盖附加权利要求所限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式和可供选择的形式。

具体实施方式

本发明涉及用于投射距离短的投影显示装置的广角投影透镜。具体地讲，广角投影透镜可以是光学引擎的一部分，所述光学引擎可用于正投影系统和背投影系统。这些投影系统能够适用于(例如)集成多媒体系统或家庭影院系统、壁挂式投影系统、背投影电视系统和监控系统。此外，本文所述的光学引擎基本上无畸变，并且基本上不需要梯形畸变校正。

图1示出示例性光学引擎60的示意图，该引擎具有一个或多个下列部件：照明系统62或62’、成像系统64、聚焦机构65和投影光学器件66。虽然示出了两个不同的照明系统62和62’，但通常仅使用其中一个。当照明系统位于参考标号62标示的位置时，使用的成像器为反射成像器。相反，当照明系统位于用参考标号62’标示的位置时，使用的成像器为透射成像器。光学引擎可以在投影屏幕或观看表面68上生成图像。下面对光学引擎中的各个元件进行详细的讨论。

照明系统62、62’可包括灯组件、滤光器(例如红外线抑制滤光器和/或紫外线抑制滤光器)、色分离装置和积分器。在一个示例性实施例中，灯组件包括反射器和灯。适用的市售灯包括：(i)可得自飞利浦半导体公司(Philips Semiconductors)(荷兰埃因霍温)的Philips UHP型灯组件，其采用的是椭圆反射器和(ii)可得自欧司朗有限股份公司(OSRAM GmBH)(德国慕尼黑)的OSRAM P-VIP 250灯组件。其他适用的灯和灯组件结构也可用于本发明。例如，可以使用金属卤灯、卤钨灯或发光二极管(LED)。可用于本发明实施例的滤光器、色轮和积分器的型号并不是关键的。在一个示例性实施例中，色分离装置为成像器光源中旋转的红/绿/蓝(RGB)或红/绿/蓝/白(RGBW)的色序盘。示例性的市售色轮为UNAXIS RGBW色轮，得自优利讯巴尔查斯有限公司(UNAXIS Balzers，LTD)(列支敦士登巴尔查斯)。液晶RGB色序快门同样可以用于本发明的实施例。示例性的市售积分器为可得自优利讯巴尔查斯有限公司的空心管型积分器。

成像系统64可包括成像器，并且通常还可包括传统的电子器件。一种能够用于本发明的有用的反射成像器为对角线尺寸约22mm的XGA数字微镜器件(DMD)，可得自德州仪器公司(Texas Instruments)(德克萨斯州达拉斯)。作为另外一种选择，透射或反射式液晶显示器(LCD)可以用作成像器。在示例性光学引擎实施例中，成像器的表面被布置为基本上平行于投影屏幕的表面。

对一些具体实施，聚焦机构65可通过将一个或多个下述透镜装配在滑动的或有螺纹的底座(未示出)上实现，所述底座可以通过手动或通过使用电子驱动机构来调节。例如，聚焦可以通过使用变焦或缩放透镜来实现。作为另外一种选择，对具有建立在光学引擎60和观看屏幕或观看表面68之间预定的、固定位置上的投影组件或者对背投影应用来说，不要求用户聚焦。

在一些具体实施中，屏幕68可以包括多层材料，例如，被构造为如美国专利No.6,179,426中所述的多个菲涅耳元件。屏幕可被设计为控制在水平方向上传播的光强分布，以使其适应位于屏幕前方水平位置的观看者。屏幕可供选择的实施例可采用多层薄膜技术、反射式偏光增光片(DBEF)技术或VIKUITI^TM技术，均可得自3M公司(明尼苏达州圣保罗)。可选的是，可以在任何表面(如，墙壁或其他结构，或标准的观看屏)观看生成的图像。

图2A和图2B示出光学引擎60中投影光学器件(在本文中还被称作“投影透镜”或“广角投影透镜”)的示例性实施例。图2A和图2B中的投影光学器件包括三个透镜组(根据输出侧或屏幕侧进行确定)：第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)和第三透镜组(G3)。术语“输出侧”是指投影透镜最靠近观看表面的一侧。下面对三个透镜组进行详细的描述。根据本文的具体实施方式，可以采用投影透镜66的替代构造，包括透镜元件更少、相同或更多的替代构造，这对本领域的普通技术人员是显而易见的。

在第一个实施例中，图2A中的示例性投影透镜在三个透镜组中包括总计八(8)个元件，按照输出侧编号。在该具体实施方式中，F为投影透镜的总焦距，F₁为第一透镜组的焦距，F₂为第二透镜组的焦距，并且F₃为第三透镜组的焦距。

第一透镜组(G1)可包括(从屏幕侧依次为)：具有负屈光力的第一透镜元件(L1)和其第二表面为非球形表面的第二透镜元件(L2)。优选的是，G1具有负屈光力。G1中F₁/F之比可使得|F₁/F|≥4.5。在一个示例性实施例中，|F₁/F|为约5.1。在优选的方面，包括G1的透镜可以是大体上具有圆形形状。作为另外一种选择，包括G1的透镜可以是具有矩形孔径的、拉长的形状的(oblong)或椭圆形的透镜，具有矩形孔径的、矩形的透镜或具有矩形孔径的、圆形的透镜。

第二透镜组(G2)可包括一个透镜元件(L3)。在该实施例中，G2具有负屈光力。G2中F₂/F之比可使得2.5≤|F₂/F|≤6。在一个示例性实施例中，|F₂/F|为约4.2。

在该示例性实施例中，孔径光阑位于第三透镜组(G3)中。第三透镜组(G3)可包括多个透镜元件，如，包括(L4)到(L8)。优选的是，G3具有正屈光力。G3中F₃/F之比可使得3.8≤F₃/F≤5.0。在一个示例性实施例中，|F₃/F|为约4.6。在该示例性实施例中，最靠近照明输入的透镜L8可视作“物镜”。

在优选的方面，L8可以是单一结构的透镜，例如双凸透镜或平凸透镜，具有约30mm至约40mm的有效焦距。在可供选择的方面，例如，在背投影应用中，如果使用高折射材料(例如LaK34玻璃)来形成L8，L8可以具有短于30mm的焦距。

在优选的方面，透镜元件L8的第一表面之曲率半径为约25mm。此外，L8可以几乎完全从投影透镜的孔径光阑中移除。在另一方面，L8面向孔径光阑的表面(如表面13)的曲率大于背向孔径光阑的表面(如表面14)的曲率。在另一方面，L8和L7之间的距离为约12mm至约17mm。这个间隔为折叠式反射镜提供空间，以便安装在光学引擎中，作为照明系统的一部分。

在第二个实施例中，图2B中的示例性投影透镜在三个透镜组中包括总计八(8)个元件，按照输出侧编号。第一透镜组(G1)可包括具有负屈光力的第一透镜元件(L1)、其第二表面为非球形表面的第二透镜元件(L2)、以及第三透镜元件(L3)。优选的是，G1具有负屈光力。G1中F₁/F之比可使得1.3≤|F₁/F|≤2.0。在一个示例性实施例中，F₁为约-9.8mm至约-11.5mm。

第二透镜组(G2)可包括一个透镜元件(L4)。在该实施例中，G2具有正屈光力。G2中F₂/F之比可使得|F₂/F|≥4.0。在一个示例性实施例中，F₂为约27.5mm至约31mm。

在该示例性实施例中，孔径光阑位于第二透镜组(G2)和第三透镜组(G3)之间。第三透镜组(G3)可包括多个透镜元件，如，包括(L5)至(L8)。优选的是，G3具有正屈光力。G3中F₃/F之比可使得3.8≤|F₃/F|≤5.0。在一个示例性实施例中，F₃为约26.8mm至约30.3mm。

在该示例性实施例中，整个透镜的有效焦距为约6.4mm至约6.7mm。

在图2A和图2B所示实施例的更多细节中，第一透镜组G1包括多个透镜元件。例如，在三个透镜组的所有透镜中，位于最靠近观看表面或观看屏幕处的第一透镜元件(L1)的直径最大。在一个示例性实施例中，第一透镜组中的第一透镜元件L1具有足够大的直径，可在基本上没有畸变的情况下在观看表面或观看屏幕的方向上以大的视场(即大于45°的半视场角)投影图像，优选地大于50°，并且最优选地约55°或更大。

对图2A和图2B所示的实施例，有效焦距与像高之比可以为约0.5至1.0。有效焦距与像高之比是通过先求得整个透镜的有效焦距，再用这个数除以系统的像高来确定的。例如，如果透镜的EFL为6.71mm，而用于光学引擎的成像器的对角线为13.4mm，那么EFL与像高之比为6.71/13.4＝0.51。

在另一个示例性实施例中，第一透镜组中的第一透镜元件L1的直径大于约60mm并小于约100mm。在又一个示例性实施例中，第一透镜组中的第一透镜元件的直径为约90mm。因此，当在投影装置中实现时，第一透镜元件可提供约110°至约120°的视场。

在图2A和图2B所示实施例中，第一透镜组G1还包括具有至少一个非球形表面的第二透镜元件(L2)。本发明的示例性实施例中的非球形表面有助于降低畸变效应，同时仍可提供大的视场。在一个方面，第二透镜元件可以由光学聚合物(折射率为约1.49，色散系数为约57.2)加工制成，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。非球形表面的形状可通过以下公式来定义：

Z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + α_{2} r^{2} + α_{4} r^{4} + α_{6} r^{6} + α_{8} r^{8} + α_{10} r^{10} + α_{12} r^{12} + α_{14} r^{14}

(公式I)

其中

Z为与系统光轴的距离为r处的表面凹陷

c为光轴处透镜的曲率，单位为

r为径向坐标，单位为mm

k为二次曲面常数

α₂为二次项系数，α₄为四次项系数，α₆为六次项系数，α₈为八次项系数，α₁₀为十次项系数，α₁₂为十二次项系数，并且α₁₄为十四次项系数。

在一个实施例中，第一透镜组中第一元件的第二表面之曲率半径基本上等于第一透镜组中第二透镜元件的第一表面之曲率半径。

在另一个实施例中，第一透镜组G1包括两个套叠的凹凸透镜元件，第一凹凸元件由玻璃制成，并且第二凹凸元件由塑料或丙烯酸树脂制成，塑料/丙烯酸树脂元件具有可控的厚度。可以使用(例如)PMMA材料。两个元件在空间上隔开，使得第一元件的第二表面与第二元件的第一表面之间的距离与投影透镜的总有效焦距之比为1/175。

在示例性实施例中，第二成型元件包括整体上厚度基本均匀的非球面透镜(如，具有至少一个非球形表面的透镜)。这种圆顶形设计可以解决散热问题，并且便于制造。

在可供选择的实施例中，第一透镜组G1可包括两个成型元件，这两个成型元件模塑成型以形成一个整体元件。例如，第一成型元件可包括玻璃元件，并且第二成型元件可包括用模塑工艺制造或用粘固剂粘合在第一成型元件的第二表面上的丙烯酸树脂或塑料(如PMMA)元件。

在另一个可供选择的实施例中，透镜元件1(L1)和透镜元件2(L2)可包括单个元件(如，单个玻璃元件)，并在单个元件的第一表面、第二表面或两个表面上形成非球形表面。

在示例性实施例中，透镜元件3(L3)可具有球形表面，并且可以由玻璃形成。该透镜元件提供了较长的负有效焦距，其值在-2.5F到-6F之间变动，其中F为整个投影透镜的焦距。

在另一个示例性实施例中，透镜元件4(L4)为正透镜。优选的是，L4可以是平凸透镜或凹凸透镜。在另一个示例性实施例中，L4面向L3的表面(参见(例如)下表中的表面6)可具有较小之曲率半径，使得L4的有效焦距大于4.0F。此外，L4可用作投影透镜中的聚焦元件。对不同的投射距离，通过沿光轴移动L4可以得到清晰的图像。

在一个示例性实施例中，透镜元件5、6和7(L5、L6和L7)形成用粘固剂粘合的三合透镜，有助于控制球面像差和彗差。在可供选择的实施例中，可以用双合透镜替代三合透镜。在该可供选择的实施例中，双合透镜的其中一个或两个元件可以包括非球形表面。

在另一个示例性实施例中，第三透镜组G3可以具有正屈光力，并且该透镜组中的所有透镜元件可以具有球形表面。

在另一个示例性实施例中，投影透镜66的孔径光阑紧邻L5(如，L4和L5之间，如表1所示；或L5和L6之间，如表4所示)。

透镜L5-L7可包括相同的玻璃材料或不同的玻璃材料。适用于这些透镜的示例材料包括下表中列出的材料以及其他材料，包括，但不限于(举例来说)N-SF1、N-SF4、N-SK5、N-SF6、N-LAK8、N-SF16、N-PSK53、N-SF57和N-BK7。

对图2A和图2B所示的实施例，以举例的方式说明，示例透镜用模塑工艺制造。下面的表1、表4和表7中列出了三个示例透镜的表面编号，从输出侧依次列出(表面1为最接近第一透镜元件L1输出侧的表面)；每个表面的光轴附近的曲率(C)(单位为1/mm)；表面之间的轴向间距(D)(单位为毫米)，并且还列出了玻璃或其他材料的型号。本领域的技术人员将会认识到，从玻璃型号可以确定材料的折射率和色散系数。目标表面为物体表面或观看表面/屏幕表面。标识的表面编号示于图2A和图2B中，其中表面15和16对应于示例的DLP成像装置的窗玻璃，同时“IMA”对应于图像平面。

在如表1列出的实施例中，广角投影透镜具有约6.47mm的有效总焦距和在输出侧方向约56.58°的半视场角，并且在F/2.6处工作。后焦距(BFL)为约5.5mm(空气中)。在优选的方面，BFL小于EFL的约1.4倍。此外，投影透镜的感光度可以小于或等于约F/3.1或更小，而且投影透镜以至少约50°的半视场角生成图像。例如，第一透镜组G1(例如图2A所示)的有效焦距可以为-31.3mm；第二透镜组G2(例如图2A所示)的有效焦距可以为-37.5mm；并且第三透镜组G3(例如图2A所示)的有效焦距可以为30.6mm。在该示例性实施例中，该示例投影透镜的总轨迹为123.3mm(从L1至L8)。在另一个实施例中，例如图2B所示，第一透镜组G1的有效焦距可以为-11.4mm；第二透镜组G2的有效焦距可以为31.0mm；并且第三透镜组G3的有效焦距可以为30.3mm。在该示例性实施例中，该示例投影透镜的总轨迹为123.3mm。

对图2A-2B中的实施例，透镜元件2(L2)的第二表面(如，表1中指出的表面3)为非球面，如上面的公式I所确定的。图2A-2B所示实施例中的广角投影透镜的总的轨迹距离为约123.3mm。本领域中的技术人员将会意识到，在某些应用中，例如正投影显示应用中，总的轨迹距离较短是有利的，因为这样可形成紧凑的投影透镜，从而使整个光学引擎的空间需求最小化。

对下列例子，表1-表3对应于第一示例投影透镜，表4-表6对应于第二示例投影透镜，并且表7-表9对应于第三示例投影透镜。

表1

表面编号	C(mm^-1)	D(mm)	玻璃型号
				物	0	755
1	0.0149	3	N-BK7
				2	0.0333	6	丙烯酸树脂
3	0.0823	32.44433
				4	0.0163	3	N-SK16
5	0.0602	30.8284
				6	0.0397	4.030861	N-SF6
7	0	9.343294
				光阑	0	1.0
9	0.0195	1.2	N-SF4
				10	0.0799	4.447884	N-SK5
11	-0.0966	1	N-SF6
				12	-0.0384	15
13	0.04	12.00451	N-BK7
				14	-0.0143	3
15	0	3	1.472，62.0
				16	0	0.483
IMA	0

[0073] 下面的表2和表3是第一示例透镜中的常规透镜数据和表面数据的一览表。

表2

表3

表4-6对应于第二示例投影透镜。

表4

表面编号	C(mm^-1)	D(mm)	玻璃类别
				物	0	755
1	0.0131	3	N-BK7
				2	0.0333	6	丙烯酸树脂
3	0.0746	29.83529
				4	0.0190	3	N-BAF10
5	0.0774	22.2651
				6	0.0447	8.582311	N-SF6
7	-0.0062	7.244238
				8(虚拟)	0
9	-0.0011	1.2	N-SF6
				光阑/10	0.0449	4.6	N-SK16
11	-0.1414	1.2	N-SF6
				12	-0.0625	15
13	0.04	12.00451	N-BK7
				14	-0.0143	0.1
15	0	3	1.472，62.0
				16	0	0.483
IMA	0

请注意表2中的8号表面为虚拟表面，而且孔径光阑与表面10位于相同的位置。

下面的表5和表6是第二示例透镜中的常规透镜数据和表面数据的一览表。

表5

表6

表7-9对应于第三示例投影透镜。

表7

表面编号	C(mm^-1)	D(mm)	玻璃型号
				物	0	755
1	0.0119	3	N-BK7
				2	0.0333	6	丙烯酸树脂
3	0.0730	32.6153
				4	0.0129	3	N-SK16
5	0.0720	22.35666
				6	0.0434	9.493437	N-SF6
7	-0.0015	6.794976
				光阑	0	1.0
9	-0.0072	1.2	N-SF1
				10	0.0472	4.6	N-SK16
11	-0.1380	1.2	N-SF6
				12	-0.0622	15
13	0.04	12.00451	N-BK7
				14	-0.0143	3
15	0	3	1.472，62.0
				16	0	0.483
IMA	0

下面的表8和表9是第三示例透镜中的常规透镜数据和表面数据的一览表。

表8

表9

上表中提供的数据仅代表少数例子，并非旨在限定本文所述发明的范围。

上述光学引擎可用于多种正投影和背投影应用。例如，图3示出正投影应用的一个示例性实施例，即采用上述示例性光学引擎的壁挂式投影系统。包括如上所述光学引擎的投影机壁挂组件100可以使用传统的等安装在墙壁或其他结构上。图3所示的组件100处于打开位置。操作时，可移动构件112(如，滑动盘、滑动臂、伸缩臂、螺杆等)从组件100中伸出，将光学引擎放置在距墙壁或观看表面105(可以从其上观看到图像)的一段距离处。例如，屏幕105可以用上述方式构建。作为一种选择，屏幕105可被构建为数码白板，例如美国专利No.6,179,426中所述。作为另外一种选择，壁挂组件100可被安装在与屏幕105不同的墙壁(如，侧壁)上。

由于本文所述光学引擎的视场较大，组件100可以在短投射距离处提供大的图像尺寸。图4示出投影组件50(包括如上所述的示例性光学引擎)和传统的投影机75之间示例性的对比。如图4所示，示例性光学引擎(此处在台式投影机50中实施)可放置在与观看屏幕或观看表面的距离相对较短(如，27-33英寸)的位置，以生成60英寸的图像尺寸(按对角线测量)。因此，在一个示例性实施例中，到观看表面的距离与图像尺寸(对角线，4×3格式)之比可以为约1.8-2.2比1。如图4所示，作为对比，传统的投影系统75到观看表面的距离与图像尺寸(对角线，4×3格式)之比为约0.7-0.9比1。术语“4×3格式”和“16×9格式”是指按像宽和像高之比而测得的常规图像格式。

例如，要得到约40英寸的图像尺寸(对角线，4×3格式)，光学引擎被放置在距屏幕约18-22英寸处。对约60英寸的图像尺寸(对角线，4×3格式)，光学引擎放置在距离屏幕约27-33英寸处。当然，本文所述的示例性光学引擎可以提供大于60英寸的图像尺寸(对角线，4×3格式)，如有必要，可在超偏轴的位置采用相对较短的投射距离。在优选的实施例中，图像尺寸为至少约25英寸。

在示例性实施例中，示例性投影透镜(如上所述)的有效焦距为约6.41至约6.51，并采用示例性成像器(例如0.53″480p成像器)，其投射比描述于下表10中：

表10

透镜到观看表面的距离	放大率	图像尺寸(对角线)
			500mm	82.2	43.6″
750mm	120.1	63.7″
			1000mm	158.2	83.8″
1250mm	103.9	103.9″

此外，光学引擎被设计为使得需要少量或不需要梯形畸变校正，同时降低了畸变。例如，投影图像的畸变值可以小于或等于2％，优选地小于或等于1.0％，并且更优选地小于或等于0.5％(如，其中畸变(d)可以由：d＝(H-h)/h*100确定，其中h为近轴像高并且H为实际像高)。在一个示例性实施例中，光学引擎可提供具有4×3格式的图像。在另一个示例性实施例中，光学引擎可与合适的成像器一起实施，以提供不同的屏幕格式，例如16×9格式。

作为另外一种选择，光学引擎可与校正电路(如，传统的图像扭曲芯片(warp chip))一起实施，可以在甚至更短的投射距离生成足够的图像质量。

上述光学引擎可用于多种其他应用，例如未决美国专利申请No.11/003,252和US11/003,278中所述，其全文以引用方式并入本文。上述光学引擎还可用于多种背投影应用，例如，如未决美国专利申请No.11/090,370中所述，该专利申请全文以引用方式并入本文。

本发明的光学引擎被设计为在多种正投影具体实施中，从短距离并且超偏轴的位置提供大的图像尺寸。此外，本文所述的光学引擎基本上无畸变，并且只需要少量或不需要梯形畸变校正。

本领域内的技术人员将意识到，本发明可以同多种不同的光学部件一起使用。虽然本发明已结合示例性优选的实施例进行了描述，但是在不脱离本发明范围的前提下，本发明可以通过其他具体形式体现。因此，应当理解，本文所描述或图示的实施例仅是示例性的，并且不应理解为限制了本发明的范围。根据本发明的范围，可以有其他变体和修改形式。

Claims

1.一种广角投影透镜，包括下列部件，从图像侧依次为：

(a)第一透镜组，其具有负屈光力，所述第一透镜组具有至少一个非球形表面；

(b)第二透镜组，其具有负屈光力；

(c)第三透镜组，其具有正屈光力；并且

其中满足下列条件(1)至(4)：

|F₁/F|≥4.5 条件(1)

2.5≤|F₂/F|≤6.0 条件(2)

3.8≤|F₃/F|≤5.0 条件(3)

0.8≤BFL/F≤1.4 条件(4)

其中

F为所述广角投影透镜的焦距；

F₁为所述第一透镜组的焦距；

F₂为所述第二透镜组的焦距；

F₃为所述第三透镜组的焦距；以及

BFL为所述广角投影透镜的后焦距。

2.根据权利要求1所述的广角投影透镜，其中所述广角投影透镜的有效焦距与像高之比为0.5至1.0。

3.根据权利要求1所述的广角投影透镜，其中所述第三透镜组包括用于所述广角投影透镜的孔径光阑、第一透镜元件和第二透镜元件，其中所述第二透镜元件的有效焦距为约30mm至约40mm。

4.根据权利要求3所述的广角投影透镜，其中所述第二透镜元件包括面向所述孔径光阑的表面和背向所述孔径光阑的表面，其中面向所述孔径光阑的所述表面的曲率大于背向所述孔径光阑的所述表面的曲率。

5.根据权利要求3所述的广角投影透镜，其中所述第二透镜元件为单一结构透镜元件。

6.根据权利要求5所述的广角投影透镜，其中所述单一结构透镜元件为双凸透镜和平凸透镜中的一种。

7.根据权利要求1所述的广角投影透镜，其中所述第一透镜组具有拉长的形状并且具有矩形孔隙。

8.一种光学引擎，包括：

(a)照明系统；

(b)成像系统；以及

(c)根据权利要求1所述的广角投影透镜；

其中所述光学引擎能够设置在投影显示装置中。

9.一种广角投影透镜，包括以下部件，从图像侧依次为：

(b)第二透镜组，其具有正屈光力；

(c)第三透镜组，其具有正屈光力；并且

其中满足下列条件(5)至(8)：

1.3≤|F₁/F|≤2.0 条件(5)

|F₂/F|≥4.0 条件(6)

3.8≤|F₃/F|≤5.0 条件(7)

0.8≤BFL/F≤1.4 条件(8)

其中

F为所述广角投影透镜的焦距；

F₁为所述第一透镜组的焦距；

F₂为所述第二透镜组的焦距；

F₃为所述第三透镜组的焦距；

BFL为所述广角投影透镜的后焦距。

10.根据权利要求9所述的广角投影透镜，其中所述广角投影透镜的有效焦距与像高之比为0.5至1.0。

11.根据权利要求9所述的广角投影透镜，其中所述第三透镜组包括用于所述广角投影透镜的孔径光阑、第一透镜元件和第二透镜元件，其中所述第二透镜元件的有效焦距为约30mm至约40mm。

12.根据权利要求11所述的广角投影透镜，其中所述第二透镜元件包括面向所述孔径光阑的表面和背向所述孔径光阑的表面，其中面向所述孔径光阑的所述表面的曲率大于背向所述孔径光阑的所述表面的曲率。

13.根据权利要求11所述的广角投影透镜，其中所述第二透镜元件为单一结构透镜元件。

14.根据权利要求9所述的广角投影透镜，其中所述第一透镜组具有拉长的形状并且具有矩形孔隙。

15.一种光学引擎，包括：

(a)照明系统；

(b)成像系统；以及

(c)根据权利要求9所述的广角投影透镜；

其中所述光学引擎能够设置在投影显示装置中。