CN103955048B - 背投影装置以及用于背投影装置的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种背投影装置，该背投影装置包括一屏幕、一投影光学系统和一用于生成图像的图像模块，借助该投影光学系统将图像从后面投影到该屏幕上，从而使得位于该屏幕前方的观察者能够看到投影到该屏幕上的图像。此外，还描述了一种用于这样的背投影装置的方法。在此，使用了一菲涅耳镜或者一非球面镜。

Description

背投影装置以及用于背投影装置的方法

本案是申请号为200880006129.6、申请日为2008年1月25日、发明名称为“背投影装置以及用于背投影装置的方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种背投影装置，该背投影装置包括屏幕、投影光学系统以及用于产生图像的图像模块，借助投影光学系统将图像从后面投影到屏幕上，从而使得位于屏幕前面的观察者能够看到被投影到屏幕上的图像。此外，本发明还涉及一种用于这种背投影装置的方法。

背景技术

在这种背投影装置中，结构厚度和底座高度应尽可能小。可以通过使用具有大的像场偏移的光学系统减小结构厚度。然而，在此情况下，屏幕上会出现很大的入射角，在具有透射的菲涅耳圆盘(Fresnelscheibe)的屏幕中，该入射角不允许超过一定的入射角，这不利地限制了结构厚度的最小化。为了达到更小的结构厚度，屏幕通常具有反射的菲涅耳圆盘，借助该反射的菲涅耳圆盘在屏幕上执行必要的光束偏转。然而，由于在反射的菲涅耳圆盘中，最小入射角不允许小于约40°，这导致即使在屏幕的最接近轴的点处(朝着投影光学系统观察)也必须调节入射角，由此不利的是，底座高度变得相对大。对于小于55°的角度而言就已经由于菲涅耳结构出现了增大的光损失。

在EP 1 452 907 A1中，菲涅耳圆盘被构造为部分反射和部分透射，以便最小化底座高度。然而，这导致如下缺点，即在菲涅耳圆盘的反射区域和透射区域之间的过渡区域中出现不能接受的图像伪影。

发明内容

从所述背景出发，本发明的任务在于，改进本文开头所述类型的背投影装置，从而在背投影装置的结构厚度和底座高度小的情况下实现屏幕上的好的图像显示。

根据本发明，通过以下方式来解决该任务，即投影光学系统具有反射的菲涅耳镜。利用该菲涅耳镜使得在远离轴的区域内(即对于屏幕的上部区域)调节光束的更强偏转成为可能，由此减小了屏幕上的最大入射角并且可以这样调节该最大入射角，使得它例如在具有透射的菲涅耳圆盘的屏幕中不大于对于该透射的菲涅耳圆盘而言最大允许的入射角。由此可以在同时保持结构厚度的情况下实现背投影装置的小的底座高度，其中，由于屏幕可以仅具有透射的菲涅耳圆盘，因而还实现了出色的图像显示。特别地，仅通过屏幕的透射的菲涅耳圆盘就可以在屏幕上产生必要的光束偏转。透射的菲涅耳圆盘可以在整个屏幕上延伸。

此外，根据本发明，同样通过以下方式来解决该任务，即投影光学系统具有带有屈光力的镜的组合，也就是说，具有至少一个第一非球面镜和第二非球面镜。通过使用如下可能性，即赋予所述镜子的形状以非球面的部分，可以减少投影光学系统的光学元件的数量。特别地，利用投影光学系统中的第二非球面镜，优选直接在透射的菲涅耳圆盘前面的第二非球面镜，可以在远离轴的区域内，即对于屏幕的上部区域调节光束的更强偏转，由此减小屏幕上的最大入射角并且可以这样调节最大入射角，使得它例如在具有透射的菲涅耳圆盘的屏幕中不大于对于透射的菲涅耳圆盘而言最大允许的入射角。由此可以在同时保持结构厚度的情况下实现背投影装置的小的底座高度，其中，因为屏幕可以仅具有透射的菲涅耳圆盘，所以还实现了出色的图像显示。特别地，仅通过屏幕的透射的菲涅耳圆盘就可以在屏幕上产生必要的光束偏转。透射的菲涅耳圆盘可以在整个屏幕上延伸。

特别地，在屏幕和菲涅耳镜之间可以不设置其他的转向镜。因此，菲涅耳镜在菲涅耳圆盘前面导致最后的光路折叠。同样地，在屏幕和第二非球面镜之间也可以不设置其他的转向镜。因此，第二非球面镜在菲涅耳圆盘前面导致最后的光路折叠。

此外，可以如此设计菲涅耳镜或第二非球面镜，以使在将图像投影到屏幕上时，在整个屏幕上入射角不大于60°。因此，确保了透射的菲涅耳圆盘可以用于屏幕。

此外，菲涅耳镜或者第二非球面镜还优选地具有正的屈光力。因此，可以减少投影光学系统的光学元件的数量。

投影光学系统可以与菲涅耳圆盘一起被构造为旋转对称的系统，该系统的像场仅被单侧地使用，并且该系统的像场不包含该系统的光轴。因此，可以最小化背投影装置的结构厚度。为了使投影光学系统最佳地空间匹配于小的结构厚度和底座高度，投影光学系统可以包括两个平的转向镜。

所述投影光学系统还可以被构造为非旋转对称的系统并且包括例如自由表面在此，自由表面应理解为非旋转对称的非球面表面。

特别地，装置具有承载屏幕的壳体，其中，除了菲涅耳镜或第二非球面镜，壳体中的投影光学系统的所有光学元件被设置在屏幕的下边缘的下面。因此，可以实现小的结构厚度。

在背投影装置中，菲涅耳镜可以具有多个相对于中心被同心地设置的、沿着第一方向延伸的菲涅耳结构，所述菲涅耳结构分别包括用于光路折叠的镜面。在此，所述菲涅耳结构优选地被分别构造为环形截面，以便实现像场的所期望的偏移。

特别地，在垂直于第一方向的截平面中不弯曲地构造菲涅耳结构的镜面。这使菲涅耳结构的制造变得容易。当然，也可以在截平面中弯曲地构造镜面，从而使得菲涅耳结构的镜面本身仍然具有超出纯粹的光束偏转的光学作用。还可以如此选择镜面的弯曲构造，使得成像误差被补偿。特别地，可以补偿这种由于菲涅耳结构的有限宽度(垂直于所述第一方向的膨胀)而出现的成像误差。

优选地，截平面中的菲涅耳结构的镜面与菲涅耳结构所处的平面的法线之间的角度随着与中心的距离的增大而减小。在镜面的构造是弯曲的情况下，角度应理解为弯曲的镜面的(优选在重心处的)切线与平面的法线之间的角度。此外优选地，菲涅耳结构的宽度在垂直于第一方向上也随着与中心的距离的增大而减小。因此，可以提供具有所期望的特性的菲涅耳镜。

可以在平的或者弯曲的平面上构造菲涅耳结构。如果平面是平的，那么菲涅耳镜是易于制造的。在弯曲的平面上的构造中，可以有利地通过弯曲来补偿例如投影光学系统的成像误差。

图像模块可以具有反射的或者透射的图像生成元件，例如可倾式镜阵列(Kippspiegelmatrix)、LCD元件或者LCoS元件。该图像生成元件可以是自发光的或者该图像模块包括用于对图像生成元件进行照明的光源和光学系统。背投影装置可以包括用于控制图像模块的控制单元。

有利地，背投影装置可以在场透镜设计中装配投影光学系统或者具有场透镜结构。例如在DE 19832317C1和相应的US 6439726中描述了一种有利地适用于根据本申请的背投影装置的场透镜结构，它们的全部公开内容应当是后续申请的主题。利用该场透镜结构和第二非球面镜可以在背投影高度的结构厚度和底座高度小的情况下在屏幕上实现好的图像显示。

此外，提供了一种用于背投影装置的投影方法，该背投影装置包括具有正面和背面、具有透射的菲涅耳圆盘的屏幕，在所述方法中，通过反射的菲涅耳镜或者第二非球面镜将图像从后面投影到屏幕上，确切地说投影到屏幕的背面上，从而使得位于屏幕前面的观察者能够看到投影到屏幕上的图像，其中，可以在该屏幕的正面上看到投影到屏幕的背面上的图像。利用该方法可以提供具有小的结构厚度和底座高度的背投影装置。

特别地，在屏幕和菲涅耳镜或者第二非球面镜之间可以不设置其他的转向镜，从而使得菲涅耳镜或者第二非球面镜在屏幕前面导致最后的光路折叠。

所述屏幕可以具有透射的菲涅耳圆盘，该菲涅耳圆盘优选地在整个屏幕上延伸。

此外，可以这样设计菲涅耳镜或者第二非球面镜，使得图像投影到屏幕上时，在整个屏幕上入射角不大于60°。由此透射的菲涅耳圆盘可以在整个屏幕上延伸，由此可以实现出色的图像显示。

菲涅耳镜可以是投影光学系统的一部分，该投影光学系统与菲涅耳圆盘一起被构造为旋转对称的系统，该系统的像场仅被单侧地使用并且不包含该系统的光轴。因此可以实现必要的、大的像场偏移，以便在投影装置中实现小的结构厚度。

此外，背投影装置可以具有承载屏幕的壳体，其中，除了作为投影光学系统的一部分的菲涅耳镜，该壳体中的投影光学系统的所有其他光学元件被设置在该幕的下边缘的下面。

菲涅耳镜可以具有多个相对于中心被同心地设置的、沿着第一方向延伸的菲涅耳结构，所述菲涅耳结构分别具有用于光路折叠的镜面。可以在垂直于所述第一方向的截平面中不弯曲地构造镜面。可替代地，可以在该截平面中弯曲地构造镜面，并且因此除了光路折叠之外，镜面还发挥另外的光学作用。

特别地，截平面中的镜面与菲涅耳结构所处的截平面的法线之间的角度可以随着与中心的距离的增大而减小。菲涅耳结构的宽度也可以在垂直于第一方向上随着与中心的距离的增大而减小。在此，提供了具有所期望的特性的菲涅耳镜。

菲涅耳结构可以被构造在平的或者弯曲的平面上。

此外，如果投影光学系统中的部分成像元件，例如直接设置在第二非球面镜前面的输出透镜具有与第二非球面镜相同的光轴，那么通过所述措施简化了整个光学结构并且因此简化了整个几何对称，从而由于投影光学系统的输出成像元件与第二非球面镜之间相同的光轴而不必使用必要时补偿各个光轴的偏移的补偿光学系统或均衡光学系统。

被证明特别有利的是，如果投影光学系统的输出成像元件、第一非球面镜和第二非球面镜具有相同的光轴，由此整个成像光学系统具有简单的结构。因此，同样可以避免使用附加的、可能带来误差的均衡光学系统。

如果投影光学系统包括尤其设置在输出成像元件之间的转向镜并且在转向镜前面的投影光学系统的成像元件的光轴与在转向镜后面的投影光学系统的成像元件的光轴之间的角度小于或者等于90°，那么投影光学系统最优地集成在背投影装置中。因为有利地将转向镜引入到投影光学系统中，所以可以将例如投影光学系统的一部分连同照明模块放置在屏幕的下边缘的下面及第一非球面镜的光轴的上面，更确切地说可以实现如下设置，即将投影光学系统的一部分放置为垂直于第二非球面镜的光轴或者与光轴的夹角小于90°。利用所述措施可以实现：背投影装置的底座高度几乎可以被设置为零，或者投影装置的结构厚度可以仅由第一非球面镜的尺寸确定。

应当理解，前述特征和以下还要描述的特征不仅可以使用在已说明的组合中，而且还可以使用在其他的组合中或者单独地使用，而不超出本发明的范围。

附图说明

以下借助实施例以及结合附图对本发明进行详细的描述和说明。附图示出：

图1：具有菲涅耳镜的、根据本发明的背投影装置的截面图；

图2：具有第二非球面镜的、根据本发明的背投影装置的截面图；

图3：根据图1和图2的背投影装置的投影光学系统3的一部分的透镜截面；

图4：图1中的菲涅耳镜10的一部分的放大截面图；

图5：具有特殊投影光学系统的、根据本发明的背投影装置的侧视图；

图6：具有特殊的投影光学系统设置、根据本发明的背投影装置的俯视图；

图7：图5和图6中所使用的投影光学系统的透镜截面；

具体实施方式

在图1和图2中所示的实施形式中，背投影装置1包括具有正面(2A)和背面(2B)的屏幕2、投影光学系统3、图像模块4以及在图1中以虚线示出的壳体5。

投影光学系统3设置在背投影装置1的壳体5中，其中，壳体5具有底座部分6以及屏幕部分7。背投影装置的厚度T约为140至150mm或者150至160mm，而底座部分的前面的高度H仅约为140mm。以矩形示出的屏幕2的高度，即屏幕2的下边缘8到屏幕2的上边缘9的距离在这里约为747mm。屏幕的宽度(垂直于图1中的绘图平面)约为1328mm，从而屏幕2具有约1524mm的对角线。

背投影装置1的投影光学系统3或者具有场透镜结构的投影光学系统3部分地在图1和图2中示出以及部分地在图3中示出。其原因在于，在图3中从图像模块4到转向镜19所示的投影光学系统3的元件在图1和图2的示图中垂直于图1的绘图平面并且位于绘图平面的上面。

在以下的表1和表2中说明了在使用菲涅耳镜(表1)和使用第二非球面镜(表2)的情况下投影光学系统3的元件的表面10至36的距离和曲率半径。如果两个表面限定了透镜材料(而不是空气)，那么还对该材料说明了折射率以及阿贝值。在表格中以mm来说明半径、厚度和空隙。在表面特性一栏中，S代表镜、A代表非球面地弯曲的面、AF代表非球面地弯曲的菲涅耳面。在两个表面之间的行中，在“厚度和空隙”一栏中说明了各个距离，其中，在表1的第一行中用140说明了菲涅耳圆盘2’到菲涅耳镜10A的距离，并且在表2中用150说明了菲涅耳圆盘2’到第二非球面镜10B的距离。

表1:

表2：

在运行中，借助在这里具有可倾式镜阵列的图像模块4以公知的方式生成图像。出于简化示图的目的，未示出用于图像生成所必需的照明单元以及用于控制可倾式镜阵列的控制单元。利用投影光学系统3将借助图像模块4生成的图像从后面投影到屏幕2上，如通过箭头P1、P2和P3所示的那样。于是，站在背投影装置前面(即图1中背投影装置的左侧)的观察者可以看到投影到屏幕上的图像。此外，屏幕2具有在整个屏幕区域上延伸的、透射的菲涅耳圆盘2’。菲涅耳圆盘2’被如此构造，使得来自屏幕的光线基本上垂直于屏幕平面地传播，如通过箭头P1’、P2’和P3’所示的那样。这样的透射的菲涅耳圆盘对于本领域的技术人员是公知的。在此所使用的菲涅耳圆盘2’对于图1中的轴A是旋转对称的，该轴A与投影光学系统3的光轴OA重合。

屏幕2还可以具有设置在菲涅耳圆盘2’后面的扩散圆盘(未示出)，该扩散圆盘用于将来自屏幕2的光线输出到预先确定的角度区域中。光线不仅沿着通过箭头P1’-P3’所示的方向传播，而且还在所述角度区域内传播，从而通过屏幕2提供了所期望的视角区域。

根据图1的表面10A被构造为非球面地弯曲的菲涅耳镜并且用于在将借助图像模块4生成的图像投影到屏幕2上时保持入射角γ小于60°。

根据图2的表面10B被构造为非球面地弯曲的镜并且用于在将借助图像模块4生成的图像投影到屏幕2上时保持入射角γ小于60°。

在图4中示意性地示出了菲涅耳镜10的三个镜部分表面40、41、42，其中，分别通过截面为三角形的菲涅耳结构43、44、45的有效齿面来构造镜面40、41、42。其他的齿面46、47、48不被用于光束偏转并且因此通常被称为干扰齿面。在这里，菲涅耳结构43-45是环的一段，这些环的中心点与轴A重合，其中，菲涅耳结构的宽度B1、B2、B3(在这里位于0.4mm的范围内)随着与轴A的距离的增大而减小，如图4中示意性示出的那样。此外，镜面40-42相对于光轴(或者相对于平行于光轴OA、并且穿过菲涅耳结构43-45的三角形截面的左棱角E1、E2、E3延伸的直线)的齿角α₁、α₂、α₃随着与光轴OA的距离的增大而减小(即α₁>α₂>α₃)。在此，齿角α₁、α₂、α₃相应于如下函数的正切：

其中，h为菲涅耳结构40、41、42的点(例如左棱角E1-E3)到光轴OA的距离，R为整个菲涅耳镜10的球面曲率，而参数kfr和cfr_i具有在下表3中说明的数值：

表3：

可以通过以下非球面方程来描述表面10B、11、13和14的非球面曲率：

其中，h为到光轴OA的距离，z为到顶部平面的距离(该顶部平面为垂直于光轴OA并且包括该平面与表面的顶部的交叉点的平面)。在以下的表4(菲涅耳镜)和表5(第二非球面镜)中说明了用于非球面镜11以及也同样用于非球面表面13和14的非球面系数。

表4：(菲涅耳镜)

表5：(第二非球面镜)

除了通过平的镜12和19发生的偏转，投影光学系统为旋转对称的系统，该系统的像场仅被单侧使用。与光轴相比，转向镜12倾斜了10°，并且因此与光轴OA相比，随后的(具有表面13-18的)三个透镜的轴倾斜了20°。

转向镜19相对于光轴OA倾斜了45°，从而使得具有表面20-36的光学元件垂直于图1和图2的绘图平面地依次设置。

在根据图1所述的实施形式中，菲涅耳结构43-45被构造在平的平面E1上(图3)。然而，也可以弯曲地(例如球面地或非球面地)构造平面E1，从而使得菲涅耳结构43-45在此情况下被设置在弯曲的平面E1上。通过平面E1的弯曲构造可以补偿例如投影光学系统3的成像误差。

由于投影光学系统的所述结构以及尤其是由于菲涅耳镜10A或者第二非球面镜10B，可以提供具有小的结构厚度T以及小的底座高度H的背投影装置，而因为光束在屏幕2或者菲涅耳圆盘2’上的最大入射角不大于60°，所以在背投影装置中，屏幕可以具有在整个屏幕区域上延伸的、透明的菲涅耳圆盘。因为这在整个圆盘区域上可以确保，所以就不再有必要将屏幕的菲涅耳圆盘构造为至少在一个子区域中是反射的。因此利用根据本发明的投影装置可以提供具有出色的图像特性的、极其紧凑的投影装置。

在图5中示出了根据一个另外的构型方案的背投影装置的侧视图，在该构型方案中尤其可以清楚地看出可被视为投影光学系统的输出成像元件(表面112-115)的透光学系统具有与第一非球面镜11相同的光轴。此外还可以看到，不仅第一非球面镜11而且第二非球面镜10B也具有与投影光学系统的输出成像元件的透光学系统相同的光轴(A1)。同样可以清楚地看到，投影光学系统与第一和第二非球面镜一起被构造为旋转对称的系统。此外还可以清楚地看到，像场仅被单侧地使用，从而存在于光轴以下的部分未被使用或者该部分周围的光学元件可以被减少。

在图6中示出了根据本申请的背投影装置的俯视图，从中可以清楚地知道，处于投影光学系统3内的转向镜适用于侧面地进行图像耦合，更确切地说，例如适用于在屏幕和第二非球面镜之间进行图像耦合，由此使得投影装置的扁平结构是特别的，然而其中，图像质量依旧是最佳的。由于第二非球面镜的非球面弯曲，有利的是，如果这样设置投影光学系统的位于转向镜前面和后面的光学成像元件，那么使得通过该转向镜，各个光学轴具有小于或等于90°的角度。利用该措施实现了：仅基于投影光学系统3、第一非球面镜以及第二非球面镜的光学特性和成像先决条件就相应地限定了背投影装置的厚度。

在图7中示出了一个另外的实施形式中的投影光学系统3的一部分的透镜截面，从中可以清楚地知道，转向镜116将该投影光学系统分为两个部分，即输入耦合光学系统(117-138)和具有输出成像元件的输出光学系统(112-115)，在此情况下该输出光学系统由两个具有不同表面的透镜表示。必须强调的是，如此选择输出成像元件的光轴，以使该光轴与第一非球面镜的光轴(A1)相同。根据投影光学系统的划分部分的几何布置，要考虑屏幕和第二非球面镜的空间特性以及它们的相互作用。更确切地说，要考虑如下结构，即被划分的成像的各个光轴具有小于或等于90°的角度。在此必须强调，例如构成表面134和135的元件同样可以被设置为偏转棱镜，以由此可以进行例如待显示的图像的全反射。

在表6中说明了投影光学系统3A的元件的表面112-138的距离和曲率半径。同样地，如果两个表面限定了透镜材料，那么对于该材料还说明了折射率以及阿贝值。在表格中以毫米来说明半径、厚度和空隙。相应的说明可以从根据表1和表2的说明中获得。

表6：

表面10B、11、112、113、130、131的非球面曲率也可以用前述的非球面方程来描述。在此同样适用相应的说明。

原则上必须坚持，根据图5至图7的结构尤其在投影光学系统方面原则上具有如下优点，即在投影光学系统与第一非球面镜之间不必借助镜进行向下的偏转，这尤其带来了小的结构高度。原则上由于转向镜的存在仅采用该转向镜或者平面镜进行偏转。此外，采用该投影光学系统还具有如下优点，即输出成像元件进一步由光阑设置，并且因此特别有利地适用于光学成像。

Claims (16)

1.一种背投影装置，包括：

一具有正面和背面的屏幕；

一投影光学系统以及一用于生成图像的图像模块，借助所述投影光学系统使该图像被投影到所述屏幕的背面上，

其中，所述被投影到所述屏幕的背面上的图像能够在所述屏幕的正面上被看到，其特征在于，所述投影光学系统包含一第一非球面镜及一第二非球面镜，并且所述屏幕具有一透射的菲涅耳圆盘，所述图像被所述第一非球面镜及所述第二非球面镜反射，被所述第二非球面镜反射的所述图像直接抵达所述屏幕的背面，所述第二非球面镜为弯曲的曲面镜且具有正的屈光力。

2.根据权利要求1所述的背投影装置，其中，所述投影光学系统的成像元件与所述第二非球面镜具有相同的光轴。

3.根据权利要求1所述的背投影装置，其中，所述投影光学系统包含成像元件，且所述成像元件、所述第一非球面镜、及所述第二非球面镜具有相同的光轴。

4.根据权利要求1所述的背投影装置，其中，所述投影光学系统包含一转向镜及成像元件，且在所述转向镜前面的所述成像元件的光轴与在所述转向镜后面的所述成像元件的光轴之间的角度小于或等于90度。

5.根据权利要求1所述的背投影装置，其中，所述投影光学系统具有一场透镜光学系统。

6.根据权利要求l至5任一项所述的背投影装置，其中，在所述屏幕和所述第二非球面镜之间没设置其他的转向镜。

7.根据权利要求l至5任一项所述的背投影装置，其中，所述图像被投影到所述屏幕上时，在整个所述屏幕上的入射角不大于60度。

8.根据权利要求l至5任一项所述的背投影装置，其中，所述投影光学系统与所述菲涅耳圆盘一起被构造为旋转对称的系统，所述系统的像场仅被单侧地使用并且所述系统的像场不包含所述系统的光轴。

9.根据权利要求l至5任一项所述的背投影装置，其中，所述投影光学系统与所述菲涅耳圆盘一起被构造为非旋转对称的系统。

10.根据权利要求l至5任一项所述的背投影装置，该装置具有一承载所述屏幕的壳体，其中，除所述第二非球面镜外，该壳体中的所述投影光学系统的所有元件被设置在所述屏幕的下边缘的下面。

11.根据权利要求l至5任一项所述的背投影装置，其中，所述第二非球面镜替换为菲涅耳镜，所述菲涅耳镜具有多个相对于一中心被同心地设置的、沿着一第一方向延伸的菲涅耳结构，且所述菲涅耳结构分别包括一用于光路折叠的镜面。

12.根据权利要求11所述的背投影装置，其中，所述镜面在垂直于所述第一方向的一截平面中是不弯曲的或弯曲的。

13.根据权利要求12所述的背投影装置，其中，在所述截平面中的镜面与所述菲涅耳结构所处的平面的法线之间的角度随着与所述中心的距离的增大而减小。

14.根据权利要求12所述的背投影装置，其中，所述菲涅耳结构的宽度在垂直于所述第一方向上随着与所述中心的距离的增大而减小。

15.根据权利要求11所述的背投影装置，其中，所述菲涅耳结构被构造在一弯曲的平面上。

16.用于制造权利要求1至15任一项所述的背投影装置的一种方法。