CN103376629A - 图像投影设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种图像投影设备，该图像投影设备包括：构造成产生光束的光源；构造成使用光束形成图像的显示元件；以及构造成放大并投影图像的投影系统，并且该投影系统可以包括第一非球面透镜和第二非球面透镜以及反射镜，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的相互面对的弯曲表面被设置成沿彼此相反的方向凹进，所述反射镜将在所述第一非球面透镜和第二非球面透镜中折射的光束朝向外部反射。

Description

图像投影设备

技术领域

本发明涉及一种用于将产生的图像放大并投影到外部的图像投影设备。

背景技术

用于将产生的图像放大并投影的图像投影设备是已知的。然而，它们具有多种缺点。

附图说明

将参照附图详细描述实施方式，在附图中相同的附图标记指的是相同的元件，其中：

图1是图示根据本公开的实施方式的图像投影设备的运行的概念图；

图2A和图2B是分别图示图1中的图像投影设备的前透视图和后透视图；

图3是图示图1中的图像投影设备的分解图；

图4是图示图3的投影系统中的光束路径的概念图；

图5和6是分别图示图4的部分A和B的放大图；

图7是图示与本公开相关的光学系统的修改例的概念图；并且

图8是图示根据本公开的另一个实施方式的图像投影设备的概念图。

具体实施方式

随着信息时代的迅速发展，已经强调了用于实现大屏幕的显示装置的重要性。作为实现这样的大屏幕的装置的例子，存在具有将图像放大并投影的功能的图像投影设备。

图像投影设备指的是用于使用从光源发射的光线实现图像并且投影所实现的图像的设备，并且有代表性的例子包括投影仪、投影电视等等。

在近几年中，已经根据图像投影设备的性能进行了多种新尝试。这些尝试中的一种是实现用于在位于屏幕附近的状态下投影大屏幕的超短投影（UST）比率光学系统。

然而，使用现有的光学系统可能难以缩短图像投影设备与屏幕之间的距离，并且特别地，可能非常难以实现全高清的图像品质。此外，当使用大量的玻璃透镜以实现全高清时，存在增加光学系统的尺寸的问题。

本公开是为了实现一种光学系统，尽管图像投影设备具有紧凑结构，但是该光学系统确保图像投影设备的光学性能。

为了完成上述任务，根据本公开的实施方式的一种图像投影设备可以包括：构造成产生光束的光源；构造成使用光束形成图像的显示元件；以及构造成放大并投影图像的投影系统，并且所述投影系统可以包括第一非球面透镜和第二非球面透镜以及反射镜，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的相互面对的弯曲表面被设置成沿彼此相反的方向凹进，所述反射镜将在第一非球面透镜和第二非球面透镜中折射的光束朝向外部反射。

作为本公开的例子，第一非球面透镜和第二非球面透镜可以被包括在用于会聚、发散和发射入射光束的非球面透镜组中。

第一非球面透镜和第二非球面透镜可以被制成为在它们的边缘处相互接触。第一非球面透镜可以是凹透镜并且第二非球面透镜可以是凸透镜。第二非球面透镜的入射表面的凹进水平可以大于第一非球面透镜的出射表面的凹进水平。

作为本公开的另一个例子，具有多个透镜以形成光圈的透镜组可以被设置在显示元件和第一非球面透镜之间。该透镜组可以包括具有由球面制成的出射表面的第一球面透镜，和具有入射表面并被设置在第一球面透镜附近的第二球面透镜，所述入射表面具有沿与第一球面透镜的出射表面的方向相同的方向的曲率。

为了减轻形成在第一和第二球面透镜之间的空气层的影响，出射表面和入射表面之间的间隔距离可以被减少为在边缘处接近。第一非球面透镜和第二非球面透镜可以被设置在光圈的沿着光束的前进方向的前侧处。

作为本公开的再另一个例子，白玻璃可以被设置在第二非球面透镜和反射镜之间。

在下文中，将参照附图更详细地描述与本公开相关的图像投影设备。即使在根据本公开的不同实施方式中，相同或相似的附图标记也被指定为相同或相似的结构，并且它们的说明将由稍早的说明替代。除非被另外明显地使用，否则在本公开中使用的单数的表达可以包括复数的意思。

图1是图示根据本公开的实施方式的图像投影设备的运行的概念图。

根据本公开的图像投影设备100在被设置于距屏幕（S）非常短的距离处的配置中将大尺寸屏幕图像投影在屏幕（S）上。

作为用于使用从光束产生的光线实现图像并将所实现的图像投影在屏幕上的设备，图像投影设备100可以是如图所示的用于放大并投影图像的投影仪等等。在下文中，将基于投影仪描述与本公开相关的图像投影设备100。然而，图像投影设备100可以不仅限于此，而是也能够应用于例如被集成在投影电视中的投影设备等等。在下文中，根据本说明书，将基于投影仪进行描述。

根据附图，图像投影设备100可以被设置在屏幕（S）的下端侧（或上端侧）附近，并且形成为在该配置中在屏幕（S）上实现大尺寸屏幕图像。

这里，将能够实现这样的操作的图像投影设备描述为一个例子。图2A和图2B是分别图示图1中的图像投影设备的前透视图和后透视图。

然而，如图2A和2B中所图示的组成元件不是必需的，并且图像投影设备100也可以使用比那些图示的元件更多或更少数量的元件实现。

参考附图，图像投影设备100的外观可以由上部和下部壳体111、112形成。各种光学元件和电子元件被集成在由上部和下部壳体111、112形成的空间中。至少一个中间壳体可以被另外地设置在上部和下部壳体111、112之间。

操纵单元113可以被设置在上部壳体111上。可以采用任何方法，如果是允许用户使用触觉执行操纵的触感方式的话。

操纵单元113接收用于控制图像投影设备100的运行的命令。在功能性方面，操纵单元113可以用于输入诸如开始、结束等等的菜单等等。

此外，操纵单元113可以被操纵为在从图像投影设备100投影的图像上执行放大和缩小操作。操纵单元113可以被操纵为对从图像投影设备100投影的图像调焦。

空气流通单元114、接口115和电源单元116等等可以被设置在下部壳体112处。

空气流通单元114可以由多个通风孔形成，从而将空气通入到图像投影设备100的内部。由此，可能能够使用强制对流来实现图像投影设备100的冷却。

接口115可以是用于允许图像投影设备100与外部装置交换数据的路径。与从图像投影设备100投影的图像相对应的图像数据可以通过接口115从外部接收。参考附图，接口115可以包括连接端子，所述连接端子能够被电连接至诸如计算机、DVD播放器等等能够提供图像或音频数据的电子装置。

电源单元116被安装在下部壳体112上，以用于向图像投影设备100供电。电源单元116可以形成为接收家用电源例如交流电源，并且将其转换为直流电源。然而，电源单元116的构造可以不仅限于此，可充电电池也可以与其可分离地结合以用于充电等等。

音频输出单元可以被实现为在上部和下部壳体111、112中的任何一个中的扬声器的形式，并且广播信号接收天线等等可以被另外地设置在音频输出单元中。

根据附图，投影单元117被形成为将图像从上部壳体111的上表面投影至外部。例如，投影单元117可以包括投影系统140（或投影光学系统140，参考图3），其中以预定间隔设置多个透镜和反射镜。投影单元117可以形成为通过对操纵单元113的操纵而调节多个透镜和反射镜之间的距离。图像投影设备100的缩放或调焦功能可以由此而实现。

在下文中，将参照图3至图6更详细地描述图像投影设备100的与投影系统140相关的内部结构。

图3是图示图1中的图像投影设备的分解图，并且图4是图示图3的投影系统中的光束路径的概念图，并且图5和图6是图示图4中的部分A和B的放大图。

如图所示，控制电路板121可以被安装在下部壳体112中。控制电路板12可以被构造成作为用于操作图像投影设备100的各种功能的控制器的例子。

此外，光学系统130可以被安装在下部壳体112中。光学系统130表示光学元件的如下系统，在所述系统中，反射镜、透镜等等被适当地设置成使用图像投影设备100中的光线反射或折射来实现物体的图像。能够将光学系统130组装在其中的结构（未示出）可以被另外地设置在光学系统130和下部壳体112之间。

光学系统130可以包括光源131、照明系统132、显示元件133和投影系统140。

光源131形成为接收电能并将电能转换为光能，并且由此产生光束。光源131可以是超高压（UHV）灯、发光二极管（LED）、激光二极管（LD）等等。

用于使被供应至光源131的电力稳定的稳定器、用于产生强制对流的冷却风扇等等可以被安装在下部壳体112中，以帮助光源131的运行。

照明系统132可以形成为将从光源131产生的光束照在显示元件133上。显示元件133使用该光束形成图像。更具体地，显示元件133可以是用于反射被照在其入射表面上的光束以实现图像的反射式显示面板。参考附图，显示元件133的入射表面可以是矩形形状。

显示元件133可以是数字控制的电子元件。电子元件可以包括能够被分别驱动的多个微反射镜。多个微反射镜以与要实现的图像相对应的独立方式反射光线。电子元件可以是数字微镜器件（DMD），其中微反射镜在平面上被布置成例如栅格结构，微反射镜的倾斜角根据控制信号而被改变为导通或关断状态。此外，电子元件可以是液晶显示装置中的能够反射光线以实现图像的硅基液晶（LCOS）面板。

投影系统140可以构造成放大并投影在显示元件133中形成的图像。参考图4至图6，投影系统140可以包括透镜组150、非球面透镜组160和反射镜170，并且由此支持全高清屏幕。然而，即使在投影系统140支持全高清时，也可能难以解决由投影系统的大的总体长度导致的投影仪的总体尺寸增加的问题。根据本公开，通过透镜组150和非球面透镜组160（在这里也被称为透镜组件）的形状能够解决该问题。

对于具体例子，透镜组150可以包括在显示元件133和非球面透镜组160之间形成光圈的多个透镜。多个透镜可以是球面玻璃透镜，并且沿着投影系统的中心轴线设置并且由例如总共11片构成。

根据附图，透镜组150可以构造成增加光圈周围的功率。例如，在光圈沿着光束的前进方向的前侧处被设置成彼此相邻的第一和第二球面透镜151、152被制成使得彼此面对的弯曲表面具有沿相同方向的曲率。

参考图4和图5，第一球面透镜151具有由球面制成的出射表面151a，并且第二球面透镜152具有入射表面152a，入射表面152a具有沿与第一球面透镜的出射表面151a的方向相同的方向的曲率。此外，曲率由不同的尺寸形成，从而在出射表面151a和入射表面152b之间形成间隙。即使在热变形的情况下，第一和第二球面透镜151、152也可以通过该间隙而维持光学性能。

此外，第一和第二球面透镜151、152通过该间隙而相互分离，并且空气层形成在出射表面151a和入射表面152b之间。根据附图，出射表面151a和入射表面152b之间的间隔距离被减少为在边缘处接近，从而减轻形成在第一和第二球面透镜151、152之间的空气层的影响。由于这样的结构，空气层的厚度可以被减少，从而使由于空气层而使光学性能的降低减轻，并且确保可靠性和对热变形的装配公差。

参考图4和图6，非球面透镜组160可以形成为会聚、发散和发射入射光束。例如，非球面透镜组160可以包括第一非球面透镜和第二非球面透镜161、162，第一非球面透镜和第二非球面透镜161、162的相互面对的弯曲表面被设置成沿彼此相反的方向凹进。第一非球面透镜和第二非球面透镜161、162可以沿着投影系统的中心轴线被连续地设置。反射镜170将在第一非球面透镜和第二非球面透镜161、162中折射的光束朝向外部反射，从而以短距离实现大尺寸屏幕。为此，反射镜170可以由凹面镜形成。

根据附图，第一非球面透镜161可以是具有正焦强值（power value）的凹透镜，并且第二非球面透镜162可以是具有负焦强值的凸透镜。由于在其中凹透镜和凸透镜的相互面对的非球面表面沿彼此相反的方向凹进的结构，所以如图6所示，可以看出功率的分布形状能够被更有效地维持。

此外，第一非球面透镜和第二非球面透镜161、162可以形成为使得第二非球面透镜162的入射表面162a的凹进水平大于第一非球面透镜161的出射表面161a的凹进水平。此外，第一非球面透镜和第二非球面透镜161、162可以形成为在它们的边缘处相互接触。由于这样的结构，能够允许不易受公差影响的非球面透镜设计。特别地，为了确保制造和装配公差，第一非球面透镜161可以形成为曲率在两个边缘处与在中心处不同并且基于中心对称的形状。例如，类似于海鸥展开翅膀的形状。

上述投影系统140可以使用球面透镜和/或非球面透镜的形状减少光圈数，从而允许组成元件的数量总共是例如14个，以及增强亮度。

如上所述，使用球面透镜和/或非球面透镜的形状的全高清屏幕的实现可以以多种形式修改。在下文中，根据将在稍后描述的实施方式或修改例，相同或相似的附图标记指定与先前示例相同或相似的构造，并且它们的说明将由稍早的说明替代。

图7是图示与本公开相关的光学系统的修改例的概念图，并且仅图示其中的投影系统240。

根据附图，白玻璃280被设置在第二非球面透镜262和反射镜270之间。在实现3D的过程中，白玻璃280可以由3D滤光器构成。换句话说，用于实现2D图像的光学系统可以构造成将白玻璃280设置在其中的状态，并且在该需要发生时，白玻璃280可以由3D滤光器构成，并且结果能够在相同或相似的条件下在屏幕上实现3D图像。

根据附图，球面透镜或非球面透镜可以以沿着基于投影系统的中心轴线旋转的方向对称的结构形成，但是白玻璃280可以以围绕投影系统的中心轴线不对称的结构形成。换句话说，白玻璃280可以在光学设计的过程中具有偏心值。

图8是图示根据本公开的另一个实施方式的图像投影设备的概念图。

根据附图，在根据本公开的图像投影设备中，只有光学系统可以由一个产品构成并且被集成在汽车等等中。在该情况下，图像投影设备可以被构造成将大尺寸屏幕图像投影在汽车的挡风玻璃上。

如上所述，根据图像投影设备，只有光学系统可以被另外地安装在另一个商品诸如移动终端、手提电脑、个人数字助理（PDA）、便携式多媒体播放器（PMP）、导航仪等等中。由此，图像投影设备可以为商品提供投影仪功能。

如这里广泛地描述并实施的，图像投影设备可以包括：外壳；构造成产生光束的光源；构造成使用光束产生被投影的图像的显示元件；以及构造成放大并投影图像的投影系统。投影系统可以包括：沿着光束路径设置的第一非球面透镜；沿着光束路径设置的第二非球面透镜；以及构造成将由第一非球面透镜和第二非球面透镜折射的光束反射通过外壳的反射镜。此外，第一非球面透镜可以包括第一弯曲表面，并且第二非球面透镜包括第二弯曲表面，第一非球面透镜相对于第二非球面透镜被定位成使得第一非球面透镜的第一弯曲表面面对第二非球面透镜的第二弯曲表面，并且其中第一弯曲表面沿第一方向弯曲而第二弯曲表面沿与第一方向相反的第二方向弯曲。

投影系统可以包括被构造成会聚、发散和发射入射光束的非球面透镜组，非球面透镜组包括第一非球面透镜和第二非球面透镜。第一非球面透镜的边缘可以接触第二非球面透镜的边缘。第一非球面透镜可以是凹透镜并且第二非球面透镜是凸透镜。第二非球面透镜的第二弯曲表面的凹进深度可以大于第一非球面透镜的第一弯曲表面的凹进深度。第二非球面透镜的第二弯曲表面的曲率可以大于第一非球面透镜的第一弯曲表面的曲率。此外，第二弯曲表面在第二非球面透镜的边缘处的曲率大于第二弯曲表面在第二非球面透镜的中心轴线附近的曲率。第一非球面透镜的第一弯曲表面可以是光束的入射表面，并且第二非球面透镜的第二弯曲表面是光束的出射表面。

透镜组可以被设置在显示元件和第一非球面透镜之间，透镜组具有被构造成形成光圈的多个透镜。透镜组可以包括具有第一表面的第一球面透镜和具有第二表面的第二球面透镜，所述第一表面具有球面，所述第二表面具有球面，其中第一球面透镜的第一表面和第二球面透镜的第二表面沿相同的方向弯曲并且被设置成彼此相邻。第一球面透镜的第一表面可以是光束的出射表面，并且第二球面透镜的第二表面可以是光束的入射表面。

第一球面透镜的第一表面的曲率可以不同于第二球面透镜的第二表面的曲率。第一球面透镜的第一表面和第二球面透镜的第二表面之间的距离可以在第一和第二球面透镜的周边缘处比在第一和第二球面透镜的中心处小。第一和第二球面透镜可以沿光束路径被设置在光圈的前面。此外，白玻璃可以被设置在第二非球面透镜和反射镜之间。

在一个实施方式中，图像投影设备可以包括：外壳；构造成产生沿着指定路径的光束的光源；构造成形成由光束推进的图像的显示元件；沿着光束路径被设置在显示元件的后面的透镜组，所述透镜组具有被构造成形成光圈的多个透镜；以及沿着光束路径被设置在透镜组的后面并且被构造成放大并投影图像的投影系统。投影系统可以包括被构造成会聚和发散光束的非球面透镜组，和被设置成将在非球面透镜组中被折射的光束反射通过外壳的反射镜。

投影系统可以包括沿着光束路径设置的第一非球面透镜和沿着光束路径设置的第二非球面透镜。这里，第一非球面透镜包括第一弯曲表面并且第二非球面透镜可以包括第二弯曲表面。第一非球面透镜可以相对于第二非球面透镜被定位成使得第一非球面透镜的第一弯曲表面面对第二非球面透镜的第二弯曲表面。此外，第一弯曲表面可以沿第一方向弯曲，并且第二弯曲表面可以沿与第一方向相反的第二方向弯曲。

第一非球面透镜的外边缘可以形成为接触第二非球面透镜的外边缘。第一非球面透镜可以是凹透镜并且第二非球面透镜可以是凸透镜。第二非球面透镜的入射表面可以比第一非球面透镜的出射表面凹进更大的量。

在本说明书中的任何对“一个实施方式”、“实施方式”、“示例实施方式”等等的参考是表示关于实施方式描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。在说明书中的各个位置中出现这样的措词并不必都指的是相同的实施方式。此外，在关于任何实施方式描述具体的特征、结构或特性时，主张的是关于其它的实施方式实现这样的特征、结构或特性是在本领域技术人员的范围内的。

尽管已经参照多个图示实施方式描述了实施方式，但是应该理解由本领域技术人员能够想出多种其它改型和实施方式，所述其它改型和实施方式将落入本公开的原理的精神和范围内。更具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内能够对组成部件和/或主题组合排列的布置进行各种变型和改型。除了对组成部件和/或布置进行变型和改型以外，本领域技术人员还会明白可替换的应用。

Claims (20)

1.一种图像投影设备，包括：

外壳；

光源，所述光源被构造成产生光束；

显示元件，所述显示元件被构造成使用所述光束来产生被投影的图像；以及

投影系统，所述投影系统被构造成放大并投影所述图像，

其中，所述投影系统包括：沿着所述光束的路径设置的第一非球面透镜；沿着所述光束的路径设置的第二非球面透镜；以及反射镜，所述反射镜被构造成将由所述第一非球面透镜和所述第二非球面透镜折射的所述光束反射通过所述外壳，并且

其中，所述第一非球面透镜包括第一弯曲表面并且所述第二非球面透镜包括第二弯曲表面，所述第一非球面透镜相对于所述第二非球面透镜被定位成使得所述第一非球面透镜的第一弯曲表面面对所述第二非球面透镜的第二弯曲表面，并且其中，所述第一弯曲表面沿第一方向弯曲，而所述第二弯曲表面沿与所述第一方向相反的第二方向弯曲。

2.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述投影系统包括被构造成会聚、发散和发射入射光束的非球面透镜组，所述非球面透镜组包括所述第一非球面透镜和所述第二非球面透镜。

3.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述第一非球面透镜的边缘接触所述第二非球面透镜的边缘。

4.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述第一非球面透镜是凹透镜，并且所述第二非球面透镜是凸透镜。

5.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述第二非球面透镜的所述第二弯曲表面的凹进深度大于所述第一非球面透镜的所述第一弯曲表面的凹进深度。

6.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述第二非球面透镜的所述第二弯曲表面的曲率大于所述第一非球面透镜的所述第一弯曲表面的曲率。

7.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述第二弯曲表面的在所述第二非球面透镜的边缘处的曲率大于所述第二弯曲表面的在所述第二非球面透镜的中心轴线附近的曲率。

8.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述第一非球面透镜的所述第一弯曲表面是所述光束的入射表面，并且所述第二非球面透镜的所述第二弯曲表面是所述光束的出射表面。

9.根据权利要求1所述的图像投影设备，还包括被设置在所述显示元件和所述第一非球面透镜之间的透镜组，所述透镜组具有被构造成形成光圈的多个透镜。

10.根据权利要求9所述的图像投影设备，其中，所述透镜组包括：

具有第一表面的第一球面透镜，所述第一表面具有球面；和

具有第二表面的第二球面透镜，所述第二表面具有球面，

其中，所述第一球面透镜的第一表面和所述第二球面透镜的第二表面沿相同的方向弯曲并且被设置成彼此相邻。

11.根据权利要求10所述的图像投影设备，其中，所述第一球面透镜的第一表面是所述光束的出射表面，并且所述第二球面透镜的第二表面是所述光束的入射表面。

12.根据权利要求10所述的图像投影设备，其中，所述第一球面透镜的所述第一表面的曲率不同于所述第二球面透镜的所述第二表面的曲率。

13.根据权利要求10所述的图像投影设备，其中，所述第一球面透镜的第一表面和所述第二球面透镜的第二表面之间的距离在所述第一球面透镜和所述第二球面透镜的周边缘处比在所述第一球面透镜和所述第二球面透镜的中心处小。

14.根据权利要求10所述的图像投影设备，其中，所述第一球面透镜和所述第二球面透镜沿所述光束的路径被设置在所述光圈的前面。

15.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中，白玻璃被设置在所述第二非球面透镜和所述反射镜之间。

16.一种图像投影设备，包括：

外壳；

光源，所述光源被构造成沿着指定路径产生光束；

显示元件，所述显示元件被构造成形成由光束推进的图像；

沿着所述光束的路径设置在所述显示元件后面的透镜组，所述透镜组具有被构造成形成光圈的多个透镜；以及

沿着所述光束的路径设置在所述透镜组后面并且被构造成放大并投影所述图像的投影系统，所述投影系统包括被构造成会聚和发散所述光束的非球面透镜组，并且包括被设置成将在所述非球面透镜组中被折射的所述光束反射通过所述外壳的反射镜。

17.根据权利要求16所述的图像投影设备，其中，所述投影系统包括沿着所述光束的路径设置的第一非球面透镜和沿着所述光束的路径设置的第二非球面透镜，并且

其中，所述第一非球面透镜包括第一弯曲表面并且所述第二非球面透镜包括第二弯曲表面，所述第一非球面透镜相对于所述第二非球面透镜被定位为使得所述第一非球面透镜的第一弯曲表面面对所述第二非球面透镜的第二弯曲表面，并且其中，所述第一弯曲表面沿第一方向弯曲，并且所述第二弯曲表面沿与所述第一方向相反的第二方向弯曲。

18.根据权利要求17所述的图像投影设备，其中，所述第一非球面透镜的外边缘形成为接触所述第二非球面透镜的外边缘。

19.根据权利要求17所述的图像投影设备，其中，所述第一非球面透镜是凹透镜，并且所述第二非球面透镜是凸透镜。

20.根据权利要求17所述的图像投影设备，其中，所述第二非球面透镜的入射表面比所述第一非球面透镜的出射表面凹进更大的量。

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