CN102782554A - 具有变焦和聚焦的以合理的大角度进行短距离投影的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出短距离正面投影系统，也就是说，具有宽角度，占用小体积并提供聚焦以及变焦功能的可能。该投影系统能够获得对角线大于2米的图像，整个光学系统距离图像的平面至少50cm。该投影机以三个光学元件为基础构造：目镜、无焦透镜系统和构成物镜的最终组，物镜用于在凹面镜前形成中间图像。

Description

具有变焦和聚焦的以合理的大角度进行短距离投影的设备

本发明涉及能够产生较大图像的短距离投影设备。本发明具体涉及这种能够对图像进行聚焦和变焦的设备。

短距离投影机首先出现在背面投影领域。投影系统所需的体积降低能够使容纳整个系统的家具的尺寸明显降低。专利申请WO2006/043666和WO 2006/058884中描述了这类系统的示例。

这些系统的特殊性涉及以下事实，即投影机相对于给定尺寸的图像平面是固定的。这些系统在一定距离处投影已知固定尺寸的图像，该距离相对于最后的具有焦度的光学元件（在这种情况下为曲面镜（通常为凹面镜））也是固定的。这些文献还示出，这种系统能够由全部具有相同对称旋转轴线的元件和单独曲面镜构成。这些镜子相对昂贵并且仅使用这些镜子中的一个的事实因此是有利的。此外，这些镜子不被集成在容纳形成该设备的透镜的筒中，因为这导致组装困难。对称轴线的存在大大地促进了这种组装。

因为投影距离和固定图像的尺寸，这些系统不需要聚焦和变焦功能。

这些投影机可用于设计正面投影系统。在正面投影系统中，投影不机械地连接至投影表面。对于投影机与投影表面之间的给定距离，为了调整图像的清晰度，允许通过调节某些透镜的相对位置来进行聚焦是有利的。这种正面投影可从专利申请WO 2008/11159中可知。

投影表面的尺寸可在使用这种正面投影系统时改变。使具有适于不同尺寸的投影表面的变焦功能的投影机可用是有利的。

本发明的目的是通过短距离正面投影系统解决上述问题，也就是说，该投影系统具有宽角度，占用小体积并提供聚焦以及变焦功能的可能。该投影系统能够获得对角线大于2米的图像，整个光学系统距离图像平面至少50cm。该投影机以三个光学元件为基础构造：目镜、无焦透镜系统和构成物镜的最终组，物镜用于在凹面镜前形成中间图像。

本发明涉及一种短距离投影设备，按照光束传播的顺序包括：成像器，形成图像；目镜，由形成近似平行光束的一组透镜形成；物镜，由具有场曲的、形成中间图像的一组透镜形成；非球面凹面镜，生成最终图像，所述物镜产生的场曲补偿由所述非球面凹面镜所引发的变形；无焦透镜系统，包括位于所述目镜和所述物镜之间的一组透镜，这些透镜能够在光轴上平移以改变所述无焦系统所产生的放大率并且由此能够为所述设备提供变焦能力。

根据本发明的具体实施方式，构成所述物镜的透镜能够在它们的光轴上平移，从而能够改变生成所述最终图像的距离并且由此能够为所述设备提供聚焦能力。

根据本发明的具体实施方式，构成目镜、无焦透镜系统和物镜的透镜以及非球面镜共享同一个光轴。

根据本发明的具体实施方式，无焦透镜系统包括第一会聚透镜，随后是发散透镜、新的会聚透镜和最后的发散透镜。

根据本发明的具体实施方式，为了获得最终图像的缩小，无焦透镜系统被形成为：第一会聚透镜能够在光轴上平移，以使第一会聚透镜能够远离所述目镜，第一发散透镜能够在光轴上平移，以使第一发散透镜能够靠近第一会聚透镜，最后的发散透镜能够在光轴上平移，以使最后的发散透镜能够远离第二会聚透镜。

根据本发明的具体实施方式，物镜包括第一会聚透镜，随后是一个或多个发散透镜，之后是一个或多个透镜，该一个或多个透镜包括至少一个曲率中心与被称为弯月面的表面位于同一侧的透镜。

根据本发明的具体实施方式，物镜被形成为：所有透镜都能够在光轴上平移，以使这些透镜能够靠近所述凹面镜，第一会聚透镜和弯月面能够在光轴上平移，以使第一会聚透镜和弯月面能够彼此靠近。

根据本发明的具体实施方式，无焦透镜系统包括两个会聚透镜或会聚透镜组和最后的发散透镜。

根据本发明的具体实施方式，无焦透镜系统被形成为两个会聚透镜或会聚透镜组和最后的发散透镜沿着光轴平移以允许在光传播方向上独立运动。

根据本发明的具体实施方式，物镜包括第一会聚透镜，随后是一个或多个发散透镜，随后是非球面透镜。

根据本发明的具体实施方式，物镜能够以单件形式在光轴上平移。

通过阅读下面的示例性实施方式的描述，上面提到的本发明的特征、以及其他特征将更加清楚，所述描述参照附图给出，在附图中：

图1示出了第一个实施方式；

图2、3和4给出第一个示例性实施方式的精确物理特征；

图5示出第一个示例性实施方式的前三种给定配置；

图6、7和8给出第一个示例性实施方式的配置1、2和3中的图像的失真；

图9、10和11给出第一个示例性实施方式的配置1、2和3的调制传递函数；

图12示出第二个示例性实施方式；

图13、14和15给出第二个示例性实施方式的精确物理特征；

图16示出第二个示例性实施方式的前三种给定配置；

图17、18和19给出第二个示例性实施方式的配置1、2和3中的图像的失真；

图20、21和22给出第二个示例性实施方式的配置1、2和3的调制传递函数。

投影设备被定义为这样一种光学设备，该光学设备在其被放置于从成像器发出的光束的路径上时能够在设备外部生成最终图像。由于所设想的投影距离约为几十厘米，故文中谈及了短距离投影设备。显然，所描述的具有创造性的设备可以被构造为其它规格，以使更近或更远的投影成为可能。

正面投影应用中所面临的具体问题涉及系统的紧凑度、场曲的大小以及非常大的散光，上述问题全部用曲面镜在最终图像上进行了补偿。这种补偿能够在短距离处获得大的图像。理论上，难以构思乃至接受设计这种具有聚焦和变焦功能的系统的可能性。

聚焦包括在面对（vis-à-vis）具有焦度的最后一个光学元件（这里为凹面镜）的某一距离范围上获得清晰图像。当与凹面镜之间的距离增加时，图像随着光束的自然扩展成比例地增大。然后，图像的尺寸遵循是到该凹面镜的距离的函数的仿射法则。

变焦包括在距该凹面镜的固定距离处获得不同尺寸的图像。

这些正面投影系统示意性地包括下列元件。图像由成像器形成。从该成像器发出的光束随后由形成目镜的一系列透镜至少近似地转换为平行光束。该基本平行的光束随后穿过一组透镜，这一组透镜又称为物镜，物镜产生场曲并形成中间图像。从物镜发出的光束随后投影至非球面凹面镜上，非球面凹面镜给予图像较大的放大率并产生该图像的短距离投影。物镜所产生的高场曲补偿该非球面凹面镜所产生的高曲率以获得几乎没有变形的最终图像。

物镜由一组透镜形成，这组透镜能够在它们的光轴上平移以改变生成最终图像的距离。通过这么做，给该设备提供了聚焦能力。

物镜通常包括曲率中心位于靠近凹面镜的正焦度的表面的同一侧的透镜，所述表面被称为弯月面（meniscus）。该透镜通常是物镜的最后一个透镜，也就是说，该透镜最靠近凹面镜。该透镜前面通常设置有一个或多个发散透镜，发散透镜前面设置有会聚透镜。当形成物镜的这些透镜移动时，中间图像的位置以及最终图像的位置也稍微移动。在这种方法中，通过移动形成系统的物镜的透镜，获得聚焦功能。有利地，通过以下方式完成聚焦：通过使形成凹面镜中的物镜的所有透镜移动以彼此靠近，同时在物镜内使第一透镜（距凹面镜最远）与弯月面之间的距离减少。根据本发明的某些实施方式，弯月面可由一组透镜替代，这一组透镜中的至少一个具有弯月面的形式并且满足相同的功能。根据本发明的某些实施方式，聚焦通过物镜的全部透镜的整体相同移动而获得。根据本发明的具体实施方式，物镜包括位于弯月面和凹面镜之间的最后的非球面透镜。可替换地，弯月面的功能被集成至非球面透镜中，非球面透镜随后采用弯月面形状但非球面透镜的焦度在接近光轴处略微为负值。

因此，使物镜移动以靠近凹面镜，以实现在更大距离处的聚焦。物镜靠近凹面镜的移动因此使最终图像远离凹面镜。离凹面镜最远并在与物镜整体地运动的透镜是会聚透镜。可选地使弯月面靠近该第一会聚透镜。

我们已经看到，从目镜发出的光束是基本平行的。最终图像的尺寸取决于从目镜发出的光线进入物镜的角度和高度。根据本发明，在目镜和物镜之间增加一组新透镜以形成无焦透镜系统。这些透镜能够在它们的光轴上平移，从而能够改变无焦透镜系统所产生的放大。无焦透镜系统还能够改变从目镜发出的光线进入物镜的角度和高度，因此能够改变最终图像的尺寸，并且通过这样做，能够实现聚焦功能。

根据第一个实施方式，无焦透镜系统包括第一会聚透镜，随后是发散透镜、新的会聚透镜和最后的发散透镜。最终图像的缩小随后通过以下步骤实现：使第一会聚透镜远离目镜的射出光圈、使第一发散透镜靠近第一会聚透镜并使最后的发散透镜远离第二会聚透镜。第二会聚透镜的绝对移动相当小。该变焦功能的特征在于第一会聚透镜和最后的发散透镜朝着物镜的移动。两个透镜的移动幅度不同并且产生窄的最终图像。无焦透镜系统的这种设计仅能够稍微更改最终场曲并且图像因此保持轮廓分明。有利地，第一会聚透镜具有大的阿贝数，通常大于60，并且第一发散透镜具有小的阿贝数，通常小于30。另外两个透镜具有更加温和的色散性质并具有接近50的阿贝数。

在第二个实施方式中，发散透镜现在位于无焦透镜系统的起点和终点处。可移动部件是第一正透镜、具有正的总焦度、会聚性的第二组透镜、以及最后的发散透镜。这些透镜的运动方向如下。最后的发散透镜靠近构成物镜起点的随后的会聚透镜，物镜限制会聚透镜的可用直径。换言之，最后的发散透镜能够沿光传播的方向在光轴上平移。类似地，两组会聚透镜朝着右边移动，也就是说，沿着光传播方向移动，以使远离光轴的光束更加猛烈地转向。这些可动部件的移动彼此独立。有利地，会聚透镜必须具有低散射，通常具有大于50的阿贝数。

现在将更加精确地描述图1所示的根据第一个实施方式的投影机的示例性实施方式。所述设备的目的是产生大图像，该图像通常具有约85英寸的直径并与最后的具有焦度的光学元件相距400mm，因此与凹面镜1.9相距400mm。该设备包括屈光系统1.1至1.8，随后是凹面镜1.9。具有焦度的所有元件均具有相同的旋转轴线1.10。该设备设置有提供聚焦范围和变焦的装置以能够在正面投影中使用。

凹面镜的尺寸明显大于物镜1.6的透镜。因此，凹面镜难以精确地移动。因此，有利地，光学系统的长度不应在聚焦或变焦期间改变。因此，无论使用讨论中的何种配置，正在被成像的物体与凹面镜之间的距离都保持恒定。

为了产生由光学系统放大的图像，使用了微显示器1.1。能够使用具有微镜的成像器，诸如由德州仪器（Texas Instruments）制造的DLP（数字光处理），也可以使用其他微显示技术，诸如液晶微显示器。

所使用的成像器1.1测量14.0288x 10.5216mm。成像器1.1的分辨率为1024x 768像素。稍后给出光学系统在这一分辨率下的性能。成像器1.1相对于光轴（透镜的公共的旋转轴线1.10）在其较小侧方向上偏心6.3mm。

该设备包括成像器1.1、窗1.2、目镜1.3（图中提供了目镜的放大图，使得能够清楚地区分6个透镜）、无焦透镜系统1.4和1.5、物镜1.6，物镜1.6包括弯月面1.7，弯月面1.7后面是非球面透镜1.8和非球面凹镜1.9。光束由两个极端光线1.11和1.12示出。最终图像通过上方的凹面镜上所反射的光束形成并形成于设备的左侧。

在目镜的入口处，系统的入射光瞳位于在离开成像器的光的传播方向上通过空气与图像间隔51.848mm处。入射光瞳的直径为25.924mm，并且该设备的孔径为f/2。入射光瞳的中心位于光轴上。

图2中的表格给出该设备的物理特征。当两个透镜被关联时，公共的界面归因于在光线传播方向上的随后的透镜。该设备的透镜在该光的传播方向上被编号为L1至L15。所指的材料是介质的材料，该介质的材料的界面是入口。当未指明时，所述材料为空气。该材料的特征在于它们在587.6nm波长处的折射率和阿贝数。除了透镜15由塑料材料制成之外，材料通常为玻璃。

图3中给出四个具体聚焦和变焦设备的可变厚度。配置1对应于设备的标称配置。配置2描述了位于最大变焦位置的设备，最大变焦位置对应于最小的最终图像尺寸。配置3对应于最大聚焦。配置4对应于最大变焦和聚焦并因此为配置2和3的组合。

图4中的表中给出了非球面的规模。非球面遵循以下等式：

$z\left(r\right)=\frac{r^2/R}{1+\sqrt{1-(1+k){(r/R)}^2}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{a}_{2i}{r}^{2i}$

该等式的系数在图4中给出，R是曲率半径，k是圆锥的曲率半径。

图5示出图3中的表格的第一种配置。图5a对应于配置1，图5b对应于配置2，图5c对应于配置3。

该设备是齐焦的，即提供变焦和聚焦的装置是独立的。对于在与曲面镜相距400mm处的聚焦，应认为，光圈与透镜11（物镜的第一个透镜）之间的距离保持恒定。当在与曲面镜相距大于400mm处聚焦时，透镜11与透镜10（无焦透镜系统的最后的透镜）之间的距离增加，这确保聚焦和变焦不相互干涉。

还发现，无论何种配置，孔径都保持恒定。

对于在400mm处产生最小图像的配置2，该设备能够获得约112倍的放大率。对于在508mm处产生最大图像的配置3，放大率可高达150倍。配置1能够获得约123.5倍的放大率，即配置1能够获得85英寸的标称图像。在给定的投影距离处，变焦能够获得尺寸从约10%（从最小图像计算）变化的图像。

所述设备在屏幕上具有大的入射角。在图像的上角中，对于变焦位置，屏幕上的入射角约为80°，从而能够在距凹面镜给定距离处获得最大图像。

聚焦系统能够将投影距离从400mm改变为508mm。

图6、7和8给出配置1、2和3的图像的失真。

图9、10和11给出配置1、2和3的调制传递函数。

还描述了根据第二个实施方式的第二个示例性实施。该第二个示例的设备的总体结构与第一个示例基本类似。图12示出第二个示例的设备的总体结构。在图中可以发现：在这里包括三个透镜的目镜12.1，包括透镜12.4、12.5、12.6和12.7的无焦透镜系统12.2，以及物镜12.3。成像器和凹面镜与第一个示例相同，所不同的是，成像器的偏心为6.83mm。

物镜已经被简化，因为聚焦通过物镜的整体移动所取代。物镜必须靠近凹面镜以获得在距凹面镜更大距离处的聚焦。物镜的结构与第一个示例的物镜相同，所不同的是，弯月面和最后的非球面透镜的功能被结合在单个透镜中。

无焦透镜系统满足上述第二个实施方式的要求。

除了比之前的示例简单之外，这第二个示例还具有如下优点：物镜与形成于物镜与凹面镜之间的中间图像具有更小的交叉。不同于之前的实施，除了位于场的边缘处之外，中间图像几乎永远位于物镜外。

图13、14和15以与第一个示例类似的方式给出第二个示例性实施方式的精确物理特征。

所给出的各种配置对应于第一个示例中的等价配置。通过相同的方法，该设备是齐焦的。一个聚焦位置适于所有的变焦位置。

类似地，图16a、16b和16c示出配置1、2和3。

图17、18和19给出配置1、2和3中的图像的失真。

图20、21和22给出配置1、2和3的调制传递函数。

下列属于给出图6至11和图17至22中出现的英文表达的法语翻译：

-TV distorsion:distorsion TV

-Distorsion scale:échelle de distorsion

-Optical Dist:Distance optique

-vs opt axis:par rapport àl’axe optique

-ave magnification:grandissement moyen

-expected magnification:grandissement attendu

-framing vs grid:cadrage par rapport àla grille

-centring:centrage

-size error X:taille de l’erreur selon l’axe X

-size error Y:taille de l’erreur selon l’axe Y

-Inclination X:inclinaison selon X

-Inclination Y:inclinaison selon Y

-trapezium:trapèze

-Geometric MTF vs.Field:FTM (Fonction de transfert et demodulation)géométrique en fonction du champ

-Y field in millimeters:champ Y en millimètres

-modulus vs.of the OTF:valeur de la fonction de transfert et demodulation

-data for:données pour

-frequency:fréquence

-cycles per mm:cycles par mm

Claims (10)

1.短距离投影设备，按照光束传播的顺序包括：

成像器，形成图像；

目镜，由形成近似平行光束的一组透镜形成；

物镜，由具有场曲的、形成中间图像的一组透镜形成；

非球面凹面镜，生成最终图像，所述物镜产生的场曲补偿由所述非球面凹面镜所引发的变形；

无焦透镜系统，包括位于所述目镜和所述物镜之间的一组透镜，这些透镜能够在光轴上平移以改变所述无焦系统所产生的放大率并且由此能够为所述设备提供变焦能力；

其特征在于，构成所述物镜的透镜能够在它们的光轴上平移，从而能够改变生成所述最终图像的距离并且由此能够为所述设备提供聚焦能力。

2.根据权利要求1所述的投影设备，其特征在于，构成所述目镜、所述无焦透镜系统和所述物镜的所述透镜以及所述非球面凹面镜共享同一个光轴。

3.根据权利要求1和2之一所述的投影设备，其特征在于，所述无焦透镜系统包括第一会聚透镜、其后的发散透镜、新的会聚透镜和最后的发散透镜。

4.根据权利要求3所述的投影设备，其特征在于，为了获得所述最终图像的缩小，所述无焦透镜系统被形成为：

所述第一会聚透镜能够在所述光轴上平移，以使所述第一会聚透镜能够远离所述目镜，

所述第一发散透镜能够在所述光轴上平移，以使所述第一发散透镜能够靠近所述第一会聚透镜，

所述最后的发散透镜能够在所述光轴上平移，以使所述最后的发散透镜能够远离第二会聚透镜。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的投影设备，其特征在于，所述物镜包括第一会聚透镜，其后是一个或多个发散透镜，随后是一个或多个透镜，所述一个或多个透镜包括至少一个曲率中心与被称为弯月面的表面位于同一侧的透镜。

6.根据权利要求5所述的投影设备，其特征在于，所述物镜被形成为：

所有透镜都能够在所述光轴上平移，以使这些透镜能够靠近所述凹面镜，

所述第一会聚透镜和弯月面能够在所述光轴上平移，以使所述第一会聚透镜和所述弯月面能够彼此靠近。

7.根据权利要求3所述的投影设备，其特征在于，所述无焦透镜系统被形成为两个会聚透镜或会聚透镜组和最后的发散透镜沿着所述光轴平移以允许在光传播方向上独立运动。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的投影设备，其特征在于，所述物镜包括第一会聚透镜，之后是一个或多个发散透镜，随后是非球面透镜。

9.根据权利要求8所述的投影设备，其特征在于，所述物镜能够以单件形式在所述光轴上平移。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的投影设备，其特征在于，所述设备具有恒定的孔径。

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