CN101482689A - 超薄背投光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种超薄背投光学系统，包括第一光学系统和第二光学系统，所述的第一光学系统由9片透射光学元件，依次按正、负、正、负、正、光阑、正、正、负、正焦距组成；第二光学系统为凹面非球面反射镜；一次成像的位置在第一光学系统与第二光学系统之间，且靠近第二光学系统，成像的形状为近似弧面并向光轴倾倒，光线从一次像面经过，到达第二光学系统反射后，光线在一次像面与第二光学系统的空间内交叉后到达屏幕二次成像，在第一与第二光学系统之间加设一平面反射镜，该反射镜的法线与第一光学系统的光轴夹角为45度，第一光学系统的壳体与背投系统的屏幕平行；所述屏幕上投射光线与第一光学系统光轴的夹角A范围为：22°＜A＜69°。

Description

超薄背投光学系统

技术领域

本发明涉及一种新的光学系统，尤指一种超薄背投光学系统，可有效地降低背投电视的厚度和高度，并使其具有高分辨率，低失真的特性。

背景技术

当前，数字电视是一个发展趋势，高清晰度(1920×1080)和大屏幕是未来数字电视的一个方向，LCD、DLP、LCOS背投都在向50寸以上和1080P发展。然而由于制造工艺的限制，现阶段LCD50寸以上的液晶面板良品率低导致其价格居高不下，因而DLP、LCOS背投电视更能够满足观众对高清、大画面、低价格的要求。

光学背投一般的工作原理为投影光学系统将被光源和照明系统均化照明了的成像单元(DMD或LCOS)放大成像于屏幕之上。图6为其工作原理图，光线从投影镜头b中斜向上打到反光镜a上，镜头的光轴通过反光镜的中心，反射后到达屏幕c的中心点。从原理可知，因为平面反射镜a的大小和位置确定，故很困难减少背投的厚度和高度。

另外，也有一种折反式投影系统，如PCT国际申请公布号WO01/006295，见图7所示，该投影系统主要包括第一光学系统，作用为承担主要放大倍率；第二光学系统，作用为承担次放大倍率，转折光路且投影于平面上。光线从第一光学系统经过、到达第二光学系统，经其反射后，光线到达屏幕成像。光学系统可有效减少背投箱体的厚度。此系统具有130度以上的视场，但只用上半视场，由于考虑光学引擎空间位置的摆放，上半视场的下半段被舍弃，因此箱体的高度会比上一种背投系统还要高。且此系统的第二光学系统的口径会比较大，增加了系统的成本；另外由于经过第二光学系统的光线发散，因而很难在第二光学系统的周围设置有效的密封防尘装置，影响长期的使用效果。

近期也有采用偏轴全反射系统来实现投影，如中国专利CN1377476A，见图8所示，因全反射系统不需要矫正色差，少量反射光学元件能实现广角投影，故可将系统厚度大为减小。另外相比于透射系统，光通量在反射元件表面少量会被吸收，能提高3～5％的亮度。但偏轴系统不可避免地需要一定的空间纵深量来摆放光学元件，升高了显示器的底部，增加了背投箱体高度；另外此系统中大部分光学原件为非轴旋转对称体，造价高昂，且偏轴反射系统对装调要求极高，也对另外增加成本，不适合家庭推广。当然经过光线发散的反射元件，因而很难在其周围设置有效的密封防尘装置，影响观众的长期使用效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种超薄背投光学系统，有效地降低背投电视的厚度和高度，并使其具有高分辨率，低失真的特性。

系统将成像单元LCOS放大后成像于屏幕上，该投影系统主要包括第一光学系统，作用为承担主要放大倍率，且形成一次成像；第二光学系统，作用为承担次放大倍率，转折光路且形成二次成像。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种超薄背投光学系统，包括第一光学系统，由9片透射光学元件组成，正负焦距配合，依次按正、负、正、负、正、光阑、正、正、负、正焦距组成，用于形成一次放大的中间像；第二光学系统，为凹面非球面反射镜，用于将一次成像继续放大并投影到屏幕上。光线从一次像面经过，到达第二光学系统，经其反射后，光线在一次像面与第二光学系统的空间内交叉后到达屏幕二次成像。

在本发明的系统中，光线经过第一光学系统后，一次成像的位置在第一光学系统与第二光学系统之间，且成像的位置靠近第二光学系统，成像的形状为近似弧面并向光轴倾倒。光线经过一次成像后入射到第二光学系统上，用很小的反射面即可实现将中间像反射到屏幕上实现二次成像。此种情况下，合理地控制入射光线的视场便可尽量减少背投箱体的高度和厚度。

在本发明的系统中，为减少厚度，会在第一光学系统与第二光学系统之间加一平面反射镜，该反射镜的法线与第一光学系统的光轴夹角为45度，因而第一光学系统的壳体与背投系统的屏幕平行，使得整个箱体的厚度大大减小。另外，成像单元的离轴量对减少高度很是关键，成像单元离轴的越多，成像位置越往上偏移，因而背投箱体需增加，此状况下第一光学系统用到的视场与成像单元的偏移量成反比，在一定范围内，成像单元偏移大，第一光学系统的可用视场会小，因而其元件片数也会相应减少。成像单元离轴量少，则第一光学系统的可用视场增大，其元件片数也会相应增加。因而本发明中，由成像单元离轴量决定的夹角A(所述屏幕上某投射光线与第一光学系统光轴的夹角A)的范围为：

22°<A<69°。

在上述方案的基础上，所述的第一光学系统的第一面顶点到所述的第二光学系统反射面顶点间的距离为220mm。

在上述方案的基础上，所述的第一光学系统、第二光学系统之间的距离符合下述关系式：

f1×f2/L＝6.7，

其中，f1为第一光学系统的焦距，

f2为第二光学系统的焦距，

L为第一光学系统到第二光学系统之间的距离。

在上述方案的基础上，所述的第一光学系统由9片透镜组成，9片透镜均为球面折射镜，整个系统的光阑在第5、6片透镜之间，且第2、3、5片透镜均背向光阑，第一光学系统中，第1、2、5、7、9片透镜均为厚透镜，第一光学系统的焦距为42mm，其中，最大口径为第1片透镜，其口径为54mm。

在上述方案的基础上，所述的第二光学系统由凹面非球面反射镜构成，为非旋转对称的，其定义由以下公式决定，该公式是个双锥Zernike多项式，在X和Y向有不同的曲率：

$z=\frac{c_x{x}^2+c_y{y}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_x){c_x}^2{x}^2-(1+k_y){c_y}^2{y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{x}^i+\underset{i=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_i{y}^i$

其中 $c_x=\frac{1}{R_x}$          $c_y=\frac{1}{R_y}$

R_x为x方向上的顶点曲率半径，

R_y为y方向上的顶点曲率半径，

K_x为x方向上的圆锥常数，

K_y为y方向上的圆锥常数，

α_i、β_i为非球面系数，i的取值为4、6、8、12或14。

在上述方案的基础上，所述的第二光学系统包括一个平面反射镜和一个凹面非球面反射镜，凹面非球面反射镜的口径为150×120mm，焦距为35mm。

在上述方案的基础上，一次成像并经过凹面非球面反射镜后的光线于第一光学系统与第二光学系统间的空间内交叉，交叉点的位置在第二光学系统前沿轴横向5～60mm，纵向17～100mm范围内，交叉点的光束形状为蝙蝠形，在此交叉点处采用开孔防尘装置。

在上述方案的基础上，成像单元为数字显微芯片或反射式/透射式点阵液晶面板中的一种，光源模块与照明模块配合使用，将均匀化的光斑入射到成像单元表面，成像单元与偏振分光棱镜、内反射棱镜结合。

在上述方案的基础上，成像单元离轴1mm，屏幕的最下端到第一光学系统的光轴的垂直距离为93mm。

本发明的有益效果是：本发明的超薄背投光学系统能有效地降低背投电视的厚度和高度，并使其具有高分辨率，低失真的特性。

附图说明

图1为本发明投影系统的概略图。

图2为本发明投影系统的光学系统放大图。

图3为本发明投影系统的侧视图。

图4为本发明第一光学系统的结构示意图。

图5为本发明第一光学系统与第二光学系统的结构示意图。

图6为现有光学背投系统的工作原理图。

图7为现有折反式投影系统的概略图。

图8为现有偏轴全反射系统的概略图。

具体实施方式

以下参考附图以及相关数据来描述实施本专利的最佳实例，如图1示出本发明实施例的投影系统概略图，图2为该投影系统的光学系统的放大图。

图1中，成像单元可为数字显微芯片(DMD)或反射式/透射式点阵液晶面板(LCOS/LCD)；光源模块与照明模块配合使用，将均匀化的光斑入射到成像单元表面，成像单元一般与偏振分光棱镜(PBS)、内反射棱镜(TIR)结合使用，如图所示。本实施例采用1080P(分辨率1920*1080)LCOS作为成像单元，长宽比为16：9，单个像元尺寸的大小为8微米，LCOS对角线大小为0.7英寸，LCOS被光学系统放大94倍以达到66英寸来显示。物方孔径角为24度(投影光学系统的F数为2.4)。系统的参考波长为656nm，546nm，450nm。

第一光学系统由透射元件组成，第二光学系统由凹面非球面反射镜构成，该非球面反射镜其实为近似自由面反射镜，因为它是非旋转对称的，其定义由以下公式决定，该公式是个双锥Zernike多项式，在X和Y向有不同的曲率：

$z=\frac{c_x{x}^2+c_y{y}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_x){c_x}^2{x}^2-(1+k_y){c_y}^2{y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{x}^i+\underset{i=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_i{y}^i$

其中 $c_x=\frac{1}{R_x}$          $c_y=\frac{1}{R_y}$

R_x为x方向上的顶点曲率半径，

R_y为y方向上的顶点曲率半径，

K_x为x方向上的圆锥常数，

K_y为y方向上的圆锥常数，

α_i、β_i为非球面系数，i的取值为4、6、8、12或14。

根据本发明的投影光学系统所采用的凹面旋转对称双锥Zernike多项式是有效的，变化曲率R、圆锥常数K和非球面系数A可有效控制第二光学系统的口径和改变第二光学系统在像差中的贡献因子。在此系统中第二光学系统为一个平面反射镜和一个凹面非球面反射镜，其口径约150×120mm，其焦距为35mm。

第一光学系统由9片透镜组成，9片透镜均为球面折射镜。第一光学系统采用反远结构以获得较长的后工作距离，第一光学系统中各透镜的走向依次为正、负、正、负、正、光阑、正、正、负、正焦距，由于此系统为大视场系统，最大角度超过70度，故大视场的轴外像差如场曲和畸变为主要矛盾，因此，第2、3、5片透镜均背向光阑，矫正以上像差，整个系统的光阑在第5、6片透镜之间，光阑远离第5片透镜对矫正像差有利，但会增加光阑后镜片的口径。第一光学系统中，第1、2、5、7、9片透镜为厚透镜，特别对矫正系统的场曲尤为有利。第一光学系统的焦距为42mm，其中，最大口径为第1片透镜，口径为54mm。

成像单元LCOS经过第一光学系统后成一次像，视场轴上点一次成像的位置在第1片透镜之前180mm位置，最大视场处一次成像的位置在第1片透镜前21mm，离轴线的高度为32mm，一次像成像的形状为一段近似平行于轴线的平滑弧线。第一光学系统的第一面顶点到第二光学系统反射面顶点间的距离为220mm，第一光学系统与第二光学系统之间加设一面平面反射镜，反射镜的法线方向与光轴成45度夹角，可折反光路90度，使得第一光学系统的光轴与屏幕的平面平行，此举减少了光学系统的厚度，使得整个光学系统的厚度可有效减少。

一次成像并经过凹面非球面反射镜后的光线于第一光学系统与第二光学系统间的空间内交叉，交叉点的位置在第二光学系统前沿轴横向5～60mm，纵向17～100mm范围内，交叉点的光束形状为蝙蝠形，因光线在此空间内会聚，光束在此空间内可通过很小的孔投射出去，因此在此可采用开孔防尘装置来抵挡一部分灰尘的进入。另外此防尘装置亦可阻挡一部分从凹面反射镜反射回的杂光(散射光)，提高了图像的对比度和均匀性。第二光学系统的口径越大，其生产加工的成本越高，因而调整第一光学系统与第二光学系统之间的距离可有效控制第二光学系统的口径，该距离符合下述关系式：

f1×f2/L＝6.7，

其中，f1为第一光学系统的焦距，

      f2为第二光学系统的焦距；

      L为第一光学系统到第二光学系统的距离。

第二光学系统的实用截面尺寸为120mm×90mm。第二光学系统到屏幕的距离为530mm，在第二光学系统前265mm的位置放一平面反射镜，使得整个光学系统的厚度为265mm，可以控制整个系统的厚度在300mm以内。

传统背投系统中，投影镜头的视场至少要达到100度，但大视场会带来大畸变，另外垂轴色差也会随视场的增大而增大，为了矫正以上主要轴外像差，投影镜头结构须复杂化。此实例中，凹面非球面反射镜的使用可使投影系统的最大视场增加到140度；一般系统中当视场增大时，畸变和垂轴色差会更大，然而，凹面非球面的面型变化可有效控制畸变在0.5％以内，且此自由曲面的焦距值为负值，也可对垂轴色差的矫正有一定的贡献。

背投系统中，场曲要求很严格，故系统的匹兹凡和数需满足平场要求。传统背投系统中为了满足平场条件，镜头的结构也不得不进行正负搭配造成结构复杂化。另外，由于场曲的存在，传统背投镜头的像质最佳位置为轴上点，轴外点的像质逐渐下降。在此发明专利系统中通过对LCOS芯片的适当离轴可使场曲在没有满足平场条件时也能得到很好的矫正。

考虑到实际装配需留一定的空间量，此发明实例中成像单元LCOS离轴了1mm，屏幕的最下端到第一光学系统的光轴的垂直距离为93mm。在本实施例中，由成像单元离轴量决定的夹角A(所述屏幕上某投射光线与第一光学系统光轴的夹角A)的范围为：22°<A<69°，从而有效地减少了箱体的高度。

另外，照度也是背投系统的一个重要指标，由于屏幕中的菲涅尔透镜改变了镜头的出射光线的角度，故也会影响照度和均匀度。在传统背投系统中，对称视场增大会使得光线在屏幕各处透射率差别较大，然而在此专利实施系统中，因其非对称大角度入射能保证屏幕各处透射率差别较小，可获得较高的均匀度。

表1  本实例中的系统参数

 

透镜编号	曲率半径	厚度	Ne	Ve
					投影图像表面	Infinity	-530
凹面非球面	-66.783	110	反射表面
					平面反射镜	Infinity	110	反射表面
1	854.08	20.00	1.691000	54.70
						-324.42	10.30
2	-87.72	20.00	1.746930	50.95
						-60.61	16.95
3	-95.80	9.00	1.713003	53.83
						-52.94	0.10
4	-88.44	20.00	1.620414	60.27
						71.33	5.00
5	-130.38	15.60	1.638540	55.59
						-43.15	45.00
光阑	Infinity	0.40
					6	78.16	20.00	1.613091	60.59
	-32.85	0.10
					7	351.46	9.00	1.516021	56.76
	-20.77	0.20
					8	-20.46	16.50	1.749500	34.95

 

	173.26	3.00
					9	-472.61	10.30	1.691000	54.70
	-35.86	5.00
						Infinity	20.75	1.589130	61.27
	Infinity	1.00
						Infinity	24.50	1.516800	64.17
显示元件	Infinity	0.25

曲率半径为Infinity表示为平面，N_e、V_e分别表示在e光(546.1nm)情况下的折射率和阿贝数。

第二光学系统为一平面反射镜和一口径约150×120mm单片凹面非球面反射镜，其定义由以下公式决定，该公式是个双锥Zernike多项式，在X和Y向有不同的曲率：

$z=\frac{c_x{x}^2+c_y{y}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_x){c_x}^2{x}^2-(1+k_y){c_y}^2{y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{x}^i+\underset{i=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_i{y}^i$

其中 $c_x=\frac{1}{R_x}$       $c_y=\frac{1}{R_y}$

R_x为x方向上的顶点曲率半径

R_y为y方向上的顶点曲率半径

K_x为x方向上的圆锥常数

K_y为y方向上的圆锥常数

α_i、β_i为非球面系数(i的取值为4、6、8、12、14)。

表2  凹面非球面反射镜的参数

 

Rx	-66.783	Ry	-66.0562
				Kx	-1.855	Ky	-2.021
α4	1.244419E-8	β4	-8.565508E-8
				α6	-2.595806E-12	β6	-9.007565E-12
α8	-1.560813E-15	β8	2.326296E-15
				α10	-8.164736E-19	β10	-2.338739E-19
α12	1.68627E-24	β12	9.133829E-24

Claims (10)

1、一种超薄背投光学系统，将成像单元放大后成像于屏幕上，包括形成一次成像的第一光学系统和承担次放大倍率、转折光路且形成二次成像的第二光学系统，其特征在于：所述的第一光学系统由9片透射光学元件，依次按正、负、正、负、正、光阑、正、正、负、正焦距组成；第二光学系统为凹面非球面反射镜；一次成像的位置在第一光学系统与第二光学系统之间，且成像的位置靠近第二光学系统，成像的形状为近似弧面并向光轴倾倒，光线从一次像面经过，到达第二光学系统，经其反射后，光线在一次像面与第二光学系统的空间内交叉后到达屏幕二次成像，在第一光学系统与第二光学系统之间加设一平面反射镜，该反射镜的法线与第一光学系统的光轴夹角为45度，使第一光学系统的壳体与背投系统的屏幕平行；所述屏幕上投射光线与第一光学系统光轴的夹角A范围为：22°<A<69°。

2、根据权利要求1所述的超薄背投光学系统，其特征在于：所述的第一光学系统的第一面顶点到所述的第二光学系统反射面顶点间的距离为220mm。

3、根据权利要求1或2所述的超薄背投光学系统，其特征在于：所述的第一光学系统、第二光学系统之间的距离符合下述关系式：

f1×f2/L＝6.7，

其中，f1为第一光学系统的焦距，

f2为第二光学系统的焦距，

L为第一光学系统到第二光学系统之间的距离。

4、根据权利要求1或2所述的超薄背投光学系统，其特征在于：所述的第一光学系统由9片透镜组成，9片透镜均为球面折射镜，整个系统的光阑在第5、6片透镜之间，且第2、3、5片透镜均背向光阑，第一光学系统中，第1、2、5、7、9片透镜均为厚透镜，第一光学系统的焦距为42mm，其中，最大口径为第1片透镜，其口径为54mm。

5、根据权利要求1或2所述的超薄背投光学系统，其特征在于：所述的第二光学系统由凹面非球面反射镜构成，为非旋转对称，其定义由以下公式决定，该公式是个双锥Zernike多项式，在X和Y向有不同的曲率：

$z=\frac{c_x{x}^2+c_y{y}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_x){c_x}^2{x}^2-(1+k_y){c_y}^2{y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{x}^i+\underset{i=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_i{y}^i$

其中 $c_x=\frac{1}{R_x}$      $c_y=\frac{1}{R_y}$

R_x为x方向上的顶点曲率半径，

R_y为y方向上的顶点曲率半径，

K_x为x方向上的圆锥常数，

K_y为y方向上的圆锥常数，

α_i、β_i为非球面系数，i的取值为4、6、8、12或14。

6、根据权利要求5所述的超薄背投光学系统，其特征在于：所述的第二光学系统包括一个平面反射镜和一个凹面非球面反射镜，凹面非球面反射镜的口径为150×120mm，焦距为35mm。

7、根据权利要求5所述的超薄背投光学系统，其特征在于：一次成像并经过凹面非球面反射镜后的光线于第一光学系统与第二光学系统间的空间内交叉，交叉点的位置在第二光学系统前沿轴横向5～60mm，纵向17～100mm的范围内，交叉点的光束形状为蝙蝠形，在此交叉点处采用开孔防尘装置。

8、根据权利要求1所述的超薄背投光学系统，其特征在于：成像单元为数字显微芯片或反射式/透射式点阵液晶面板中的一种，光源模块与照明模块配合使用，将均匀化的光斑入射到成像单元表面，成像单元与偏振分光棱镜、内反射棱镜结合。

9.根据权利要求8所述的超薄背投光学系统，其特征在于：成像单元离轴1mm，屏幕的最下端到第一光学系统的光轴的垂直距离为93mm。

10、根据权利要求1或2所述的超薄背投光学系统，其特征在于：系统参数为：

  透镜编号 曲率半径 厚度 N_e(折射率) V_e阿贝数 投影图像表面 Infinity -530 凹面非球面 -66.783 110 反射表面 平面反射镜 Infinity 110 反射表面 1 854.08 20.00 1.691000 54.70 -324.42 10.30 2 -87.72 20.00 1.746930 50.95 -60.61 16.95 3 -95.80 9.00 1.713003 53.83 -52.94 0.10 4 -88.44 20.00 1.620414 60.27 71.33 5.00 5 -130.38 15.60 1.638540 55.59 -43.15 45.00 光阑 Infinity 0.40 6 78.16 20.00 1.613091 60.59 -32.85 0.10 7 351.46 9.00 1.516021 56.76 -20.77 0.20 8 -20.46 16.50 1.749500 34.95 173.26 3.00 9 -472.61 10.30 1.691000 54.70 -35.86 5.00 Infinity 20.75 1.589130 61.27 Infinity 1.00 Infinity 24.50 1.516800 64.17 显示元件 Infinity 0.25

曲率半径为Infinity表示为平面，N_e、V_e分别表示在546.1nme光的情况下的折射率和阿贝数；

第二光学系统中的凹面非球面反射镜的参数为：

  R_x -66.783 R_y -66.0562 K_x -1.855 K_y -2.021

  α₄ 1.244419E-8 β₄ -8.565508E-8 α₆ -2.595806E-12 β₆ -9.007565E-12 α₈ -1.560813E-15 β₈ 2.326296E-15 α₁₀ -8.164736E-19 β₁₀ -2.338739E-19 α₁₂ 1.68627E-24 β₁₂ 9.133829E-24

其中，R_x为x方向上的顶点曲率半径，R_y为y方向上的顶点曲率半径，K_x为x方向上的圆锥常数，K_y为y方向上的圆锥常数，α、β为非球面系数。

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