CN1093175A - 带有自动聚焦系统的图象投影设备 - Google Patents

Abstract

描述了一种图象投影装置，它包括至少一个显示 板、投影透镜系统和焦距误差检测系统。该焦距误差 检测系统包括产生焦距测量光束的辅助辐射源、用于 捕获被投影屏散射的辐射的辅助透镜、和用于测量由 光束形成在屏上的点的尺寸的检测单元。

Description

本发明涉及一种图象投影设备，该设备包括具有至少一个用于产生待投影的图象的显示板、用于把由显示系统形成的图象投影到投影屏上的投影透镜系统、带有提供焦距测量光束的辅助辐射源的聚焦错误检测系统、以及用于把投影屏反射的焦距测量光束辐射转换成焦距误差信号的检测单元。

术语"图象投影装置"具有广泛的含义，并包括用于显示诸如视频图象、图形图象、数字信息或其组合的装置。图象可是单色或彩色的。在后一情况下，显示系统可包括三个色度通道，比如用于基色红、绿和兰的，每个通道都适配于一个显示板。显示板最好由阴极射线管的显示屏组成，但最好由液晶显示板组成，在后一种情况下，显示系统包括一用于照亮板的照明单元。

现行的图象投影装置包括变焦距透镜形式的投影透镜系统，用于把放大的图象投影到距投影装置诸如几米远的投影屏上;其中投影距离的每一改变，均要求通过手动或可能的话通过一遥控单元，通过重新调节变焦距透镜，来对图象进行重新聚焦。另外，由于温度变化等，图象投影装置的光学元件会发生相对移动。因此这些已知的图象投影装置要求用户具有更多的时间、精力和技能。若一种图象投影装置具有自动聚焦系统，即能测量显示板和投影屏之间的距离并根据该测量自动调节投影透镜系统的焦距的系统，则它的使用将得到大大的改善。

在公开的日本专利申请（公开）3-149538号中，描述了一种图象投影装置，其中一辅助辐射源向屏发射不可见的红外光束，且屏反射的辐射束被一位置检测器检测。利用该系统（它被称为三角系统），可测量源和参考平面即辐射源和/或检测器所在平面之间的距离。此信息被用来沿光轴移动整个投影透镜系统，以使该系统和屏之间能适合于投影透镜系统的焦距。该系统的缺点，是测量光束不与投影镜系统和显示板相耦合，因而不能保证投影系统的焦距总是与屏和显示板之间的距离相适应。

本发明的一个目的，是提供一种用于图象投影设备的聚焦误差检测系统，它基于新颖的原理并且非常简单且成本低廉。为此，根据本发明的图象投影装置的特征在于辅助辐射源设在从投影透镜系统看与显示屏所在平面有效重合的平面中，该辅助辐射源被投影透镜系统成象为投影屏上的一个点、设置了一种辅助透镜系统以把该点成象为检测单元上的辅助点、且该单元为点尺寸测量单元。

这种聚焦误差检测系统检测显示板是否总是清晰地成象在投影屏上，而与投影透镜系统与图象投影装置之间的距离无关，从而当情况不是这样时能调节投影透镜系统的焦距。另外，也借助此投影透镜系统来测量聚焦误差。

已公开的日本专利申请第3-239085号，公开了一种带有聚焦误差检测系统的图象投影装置，其中借助投影透镜系统测量聚焦误差。然而，焦距测量光束不是由有效地设置在显示板所在平面中的辅助辐射源提供的;而是由提供投影光束的主辐射源提供的;该主辐射源被设在显示板之后。在这种已知设备中，所测量的是主辐射源与投影屏之间的距离，而不是显示板和投影屏之间的距离。另外，在该装置中，焦距测量光束没有被聚焦成投影屏上的点，且为了测量聚焦误差，需要把设置在一个色彩通道中的反射器手动地移动到该通道之外，以使焦距测量光束能达到位于所述镜之后的光路径中的检测器。

反射的焦距测量光束是被投影屏反射的焦距测量光束辐射的一部分所形成的光束，它被辅助透镜系统所接收并到达检测单元。由于投影屏要把来自显示系统的信号光散布到很大的视角中，所以对焦距测量光束而言它是一个散射反射器。因此，投影屏所反射的焦距测量光束辐射仅有一部分进入了辅助透视系统而聚焦在检测系统上。这部分反射焦距测量光束辐射的强度要足够地大，以产生适当的焦距误差信号。

投影透镜系统的焦距调节，可通过在聚焦误差信号的控制下沿光轴移动整个投影透镜系统来实现。

其中投影透镜系统是变焦距透镜的图象投影装置的特征，最好还在于聚焦误差信号被加到用于变焦距透镜的可调节透镜组的致动器上。

该可调节透视组最好是被称为变焦距透镜的前组的透镜组。

在已公开的日本专利申请（公开）3-141336号中，描述了一种图象投影装置，其中自动聚焦误差检测系统控制着变焦距投影透镜系统的前组。然而，该专利申请没有显示聚焦误差信号是如何产生的。

图象投影装置的另一个特征，在于辅助辐射源位于显示板所在平面中并在该板以外。

此时，应保证屏大于投影图象的最大尺寸。

在图象投影装置的最佳实施例中，不必再把辅助辐射源设置在这样的平面内，该平面是显示板所在平面相对于与投影透镜系统的光轴成锐角地延伸的波长选择反射器的镜象。

该反射器是诸如一个分束器，它反射来自显示板的可见光并使诸如来自辅助辐射源的红外线辐射通过。

此实施例的特征最好还在于上述锐角是-45°角且辅助辐射源与所述光轴处于同一条线。

这样，聚焦误差在投影透镜系统的光轴上进行，其优点是焦距测量光束垂直地入射到投影屏上。

对于检测单元，可有几个实施例。这种单元的第一实施例的特征，在于它包括一CCD光二极管矩阵，该矩阵被设在当把辅助辐射源正确地成象在投影屏上时所形成的辅助点的位置。

在该实施例中，辅助点的大小由电子装置测量，且所需的光学元件的数目是最少的。

为了在保持灵敏度的同时扩大接收范围，本实施例及下面将要描述的其它实施例的特征还可以在于检测单元的第一表面一反射的焦距测量光束通过该表面进入此单元一被与辅助透镜系统成锐角地设置。

该设备的可代替带有光二极管矩阵的实施例的一个实施例的特征，在于检测单元包括一光阑和设在该光阑的开口之后的光检测器;该光阑位于当辅助源被清晰地成象在投影屏上时形成辅助点的位置处。

这样，通过检测通过光阑开口的辐射量，测量辅助点的大小。

后一实施例的特征还可在于光阑开口的大小对应于当焦距测量光束被聚焦在投影屏上时所形成的辅助点的大小。此时可获得具有大信噪比的聚焦误差信号。

或者，该实施例的特征还可在于光阑开口是一个缝，其长度方向与辅助点在投影屏沿投影透镜系统的光轴移动时的移动方向相平行。此时，在保持灵敏度的同时获得了更大的接收范围。

另一个也有大的接收范围的实施例的特征，在于检测单元以下列从辅助透镜系统看时的顺序包括一变形系统、一个光阑、和一个光检测器;其中该光阑具有缝状开口，其缝的方向与变形系统的最大功率方向大体平行。该变形系统可包括一或两个柱状透镜或棱镜。

为了检测焦距误差的幅度和符号，所有的上述实施例的特征都在于提供了用于相对投影屏周期性地移动第一点的装置，而且检测单元的输出端与信号处理电路的一个输入端相耦合，信号处理电路的另一输入端与所述装置相耦合以轴向地移动第一点。

所述装置可由用于周期和轴向地移动轴向辐射源的致动器构成，或由用于周期地移动投影透镜系统或该系统的一个可移动透镜组的致动器构成。

“轴向”的意思是沿着投影透镜系统的光轴。

在另一实施例中，检测单元的输出信号表示焦距误差的幅度和符号，其特征在于辐射包括至少两个辐射发射元件，这些元件既沿平行于投影透镜系统的光轴的第一方向又沿垂直于第一方向的第二方向相互移动，且其特征在于检测单元包括与辐射发射元件的数目相对应的若干检测器。

通过下面结合实施例的描述，本发明的这些和其他方面将变得很明显。在附图中：

图1中显示了已知的图象投影装置;

图2显示了根据本发明的带有焦距伺服系统的图象投影设备;

图3显示了用于该设备的投影透镜系统;

图4显示了焦距误差检测系统的第一实施例;

图5显示了用于这种系统的检测单元;

图6显示了焦距误差检测系统的第二实施例;

图7显示了这种系统的输出信号;

图8显示了带有轴向地移动的点的焦距误差检测系统的输出信号;

图9显示了这种系统的第一实施例;

图10显示了这种系统的操作原理;

图11显示了带有轴向移动点的焦距误差检测系统的第二实施例;

图12A和12B显示了带有多个辐射源的焦距误差检测系统的实施例;

图13A和13B显示了带有缝光阑的焦距误差检测系统;

图14A和14B显示了带有柱形透镜和带缝光阑的焦距误差检测系统;

图15显示了检测单元为什么和如何倾斜。

在图1中，块A表示发射光束b的照明系统，光束b的主光线与图象投影设备的光轴00'重合。该光束入射到图象显示系统B上，图象显示系统B在投影单色图象的情况下包括一个显示板1。该板可是诸如液晶显示（或LCD）板。这种板包括一层液晶材料4，诸如包含在两块透明板2和3（如玻璃）之间的向列材料。驱动电极5和6被设在各板上。这些电极可大量地被设成行和列，从而在显示板上确定大量的象元。不同的象元由矩阵的电极驱动，如驱动端7和8所示意地显示的。所以，可把电场加到液晶材料4上所希望的位置。这种电场使材料4的有效折射发生变化，从而使经过给定象的光，根据在相应象元的位置出现或不出现局部电场，而经历或不经历偏振方向的旋转。

可采用主动驱动板来代替这种被动驱动图象显示板。在这种主动驱动板中，一个支持板包括一电极，而另一板设有半导体驱动电子装置。各象元现在都由其自己的主动驱动元件（例如薄膜晶体管）驱动。两种直接驱动显示板都在诸如欧洲专利申请第0266184号中进行了描述。

入射到显示板1上的光束应得到偏振，最好是线性偏振。然而，照明系统A产生的是非偏振光。借助偏振器10，从该光选出具有所需要的偏振方向的线性偏振成分。在显示板所传送的光的路径中，设置了其偏振方向与偏振器10的偏振方向充分平行的分析器11。因此，从那些被激励并且不改变光束的偏振方向的象元传来的光，被分析器传向投影透镜系统C。来自未激励的、把光束的偏振方向旋转了90°的象元的光，被分析器所阻止。所以，该分析器将光束的偏振调制转换为强度调制。投影透镜系统C把形成在板1上的图象投到投影屏D上。这种投影图象可被观众W所观看。

照明系统可包括高功率灯、设在灯的一侧的反射器和设在灯的另一侧的聚光系统。该聚光系统可用美国专利第5，046，837号中所描述的系统来实现，并且不仅有大的光收集能力而且有低的通过量，使得诸如投影透镜C的投影装置中的其它光学元件的数值孔径和横截面能受限，从而使装置的成本不致于太高。

该照明系统最好象欧洲专利申请第0，395，156号中所描述的那样进行实施，并包括作为额外元件的两个透镜板。这样使得显示板处的照明光束横截面相应于待照明的该板的表面积，从而使光束有均匀的强度分布。这些可用的光随后被最佳程度地得到利用且投影屏上的图象有均匀的亮度。

在欧洲专利申请第0467447号中，描述了一种照明系统，它有最佳的光利用特性并且被用于图象投影装置。这种照明系统包括特殊的偏振敏感分束器和偏振旋转器。该分束器把入射的照明光束分成具有不同偏振方向的两个子束，其中一束的方向适合于被显示板所调制。该偏振旋转器把第二束子光束转换成与第一束子光束具有相同偏振方向的光束。从分束器和偏振旋转器的组合体出来的子光束，构成了一条光束，该光束以适当的偏振方向通过显示系统。

照明系统的所述实施例在实践中被发现是非常有用的，因为尽管液晶显示板的透射率较低，这些实施例仍然能在投影屏上给出很大的表面单位光强，而且图象是放大形式的。

当上述图象投影装置工作时，用户首先要手动地把投影图象聚焦在投影屏上，即他必须使投影透镜的聚焦适合以于显示板的平面和屏之间的距离。在使用中，该距离会由于诸如投影装置中的温度变化或投影屏的移动而改变。此时，用户必须重新聚焦。另外，投影透镜可是变焦距透镜形式的，以调节投影图象的大小或该图象的一部分。对传统的图象投影装置。这种变焦透镜不仅要包括主要透镜组、前透镜组、和用于调节图象大小的变换器透镜组，而且还要包括用于补偿由于变换器组的移动而发生的焦距变化的补偿器透镜组。通过给图象投影装置提供根据本发明的聚焦伺服系统，不仅可避免手动的焦距设定，而且采用仅包括三个首先提到的变焦距透镜就足够了。事实上，焦距改变引起的焦距误差现可借助焦距伺服系统而得到检测并通过移动前透镜组而得到了消除。具有三个透镜组的变焦距透镜的制作成本比具有四个透镜组的变焦距透镜低，这是很重要的，特别是于对于消费者设备而言。

图2通过彩色电视投影装置的例子，显示了根据本发明的图象投影装置的原理。该装置仍然包括三个主要部分：照明系统A、显示系统B和变焦距透镜形式的投影透镜系统C。照明系统的主轴00'与设备的光轴DD'相对准;该设备在该实施例中被显示为被分成三个子轴，这些子轴然后与可与投影透镜系统的光轴EE'重合的一根光轴结合。为获得最佳的图象对比度，轴EE'可与所述子轴成锐角地有效地延伸。“有效地”的意思是：除了反射器导致的可能的90°角，如图2所显示的。

来自照明系统A的光束入射到色选择反射器20上;反射器20可是诸如反射例如蓝色成分b_B并使光束的其它成分通过的分色镜。该光束部分遇到第二色选择反射器21，反射器21反射绿色成分b_G并使剩下的红色成分b_R通过以达到反射器22;反射器22把红色光束反射向投影透镜系统。反射器22可是一中性反射器或是一对红光最佳的反射器。借助一中性或蓝色选择反射器23，蓝色光束被反射向液晶板形式的显示板26。该板以已知的方式得到电子驱动，以使图象的待投影的蓝色成分出现在该板上。调制有蓝色信息的光束，经过使蓝色光束通过并反射绿色光束的选色反射器24和反射蓝色光束的另一选色反射器25，达到投影透镜系统C。绿色光束b_G通过一第二显示板27，在那里它受到绿色图象成分的调制并随后被选色反射器24和25相继地反射向投影透镜系统C_O红色光束b_R通过一第三显示板28，在那里它被红色图象成分所调制并随后经过反射器22和选色反射器25而达到投影透镜系统C。

蓝色、红色和绿色光束在该透镜系统的输入端被叠加起来，从而在该输入端产生被该系统放大在投影屏（图2中未显示）上的彩色图象。

照明系统A和各显示板26、27和28之间的光程长度，最好相等，以使光束b_B、b_G和b_R的横截面在它们的显示板区域中相等。另外，显示板26、27和28与投影透镜系统的入射孔之间的光程长度相等，从而使不同颜色的画面能令人满意地聚焦在投影屏上。

透镜40、41和42可设在各个显示板26、27和28之前，这些透镜一起保证了来自照明系统的出射平面的所有辐射都能被聚在投影透镜系统C的入射光瞳。这种透镜40、41、42也可被设在显示板的后面而不是它们的前面。各个透镜的功能也可用两个透镜来实现，其中一个被设在显示板的前面，而另一个则被设在各显示板的后面。

与图2所显示的透镜显示板不同，图象投影装置可包括反射显示板。这种装置可如欧洲专利申请第0467447号的图28中所显示的那样进行实施。

与具有三个单色板的显示系统不同，该彩色图象投影装置也可以具有仅有一个显示板的显示系统，即复合-或-彩色板。该彩色板可包括多个象元，这些象元的数目是单色板象元的数目的诸如三倍。彩色板的象元按照产生红色、绿色和蓝色图象的三个组进行设置。各组的一个象元与投影屏上的一个象元相联系。例如，在各象元前面，设有一单独的滤色器，该滤色器仅允许相应象元所需要的颜色通过。该色板也可是透射板或反射板。

彩色图象投影装置的这三个单色信道也可被制成单独的单元，各个单元均包括它们自己的照明系统和显示板。由这些单元提供并被调制的图象信息的红、绿和蓝光束，被诸如分色镜所结合，并随后到达投影透镜。图象投影装置的这样的一个实施例被显示在EP申请第0467447号的图29中。

焦距伺服系统包括辐射源50、辐射敏感检测系统60、电子放大和控制电路CA和马达M。源50发射不可见辐射，它是诸如发光二极管或发射红外辐射束b的半导体激光器。反射器22和25的设置使得它们允许该光束通过。光束b随后通过投影透镜C并在投影屏（D）上形成辐射点（S）。该辐射点是投影透镜形成的源50的象。投影屏把光束b的一部反射至包括透镜61和检测器62的检测系统60。透镜61把点S再成象为检测器62上的辅助点S'。检测器62提供一输出信号或焦距误差信号S_f，该信号依赖于源50被成象于屏上的清晰程度，如下面所要描述的。由于源50的平面分别是相对反射器22、反射器25和显示板28、26和27的平面的反射器24和25的镜象，信号S_f也表示了这些板被聚焦在屏上的程度。若显示板在屏上显示出偏离了聚焦，例如由于屏发生了沿光轴的移动或由于投影透镜的焦距发生了变化，则可借助信号Sf调节投影透镜的焦距，使得在屏上重新形成清晰的图象。为此，信号Sf被加到电子放大器和控制电路CA，电路CA提供用于马达M的控制信号S_c。例如，可借助该马达，把投影透镜的聚焦透镜组相对于其他透镜进行移动。

图3显示了投影变焦距透镜的另一实施例。该透镜有三个透镜组G₁、G₂和G₃，每一个都包括多个透镜元件。G₃是主透镜组，它提供大部分的透镜放大率。G₁是聚焦透镜组或前透镜组，它对着显示系统，且借助它可通过用马达M和示意地显示的齿轨55和齿杆56来通过移动它而设定焦距。在组G₁和G₃之间设有一变换器组G₂。该组可借助另一马达（未显示）在组G₁和G₃之间的空间中移动，从而可调节焦距。这种移动使投影透镜的图象平面发生了改变，该改变必须得到补偿。然而，由于这种改变是由焦距误差检测系统检测的，它可通过移动前组G₁而得到补偿。投影屏上的图象清晰度可借助一第四可移动透镜得到控制;该第四透镜组被叫做补偿组，其移动耦合到变换器组的改变上，从而能够补偿由于变换器组的运动而发生的图象平面改变。这种第四透镜组使得投影透镜更复杂和昂贵。

图4示意地显示了焦距误差检测系统的第一实施例。与图2的元件相对应的元件被用相同的标号表示。由于投影屏D是散射屏，焦距测量光束b的一部分辐射被散射，所以点S可被认为是一辅助辐射源。反射辐射的一部分，即反射的焦距测量光束，入射到透镜61上。该透镜把辅助辐射源S成象为检测器62上的点S'。透镜61最好具有大的聚焦深度，从而使图象能被形成在距该透镜恒定的距离，而不管投影相对于投影屏的聚焦状态如何。该聚焦状态决定着点S的大小，因而决定着辅助点S'的大小。若辅助源50被清晰地成象在屏D上，则点S'就有最小的尺寸。

点S'的大小可由一光二极管（如所谓的CCD阵列）确定，这些二极管被分别地读出。图5显示了这种阵列62中的某些光二极管63。通过确定被照射即被点S'所覆盖的光二极管63的数目，可确定该点的大小。也可用一线形光二极管排列来代替两维的排列。这些光二极管可通过行和/或列电极而被读出，这些电极与电路相耦合，以处理二极管信号，且其中被照射的二极管的数目得到了计数。

在图6中，显示了焦距误差检测系统的第二实施例。该实施例包括光阑70和设在该光阑之后的光二极管72;光阑70位于当焦距测量光束被清晰地聚焦在投影屏D上时点S的象S'所在之处。若点S是辐射源50的清晰的象，则光阑的开口对应于点S'的大小。在最佳聚焦状态下，即当投影透镜C的焦距等于源50和屏D之间的距离时，信号S_f为最大。当该距离改变时，信号S_f减小。

作为本实施例和图4和5中的实施例的聚焦状态2的函数的信号S_f示于图7中。该信号只有一种极性，从而只能确定有对最佳聚焦状态Z_o的偏离，而不是这种偏离的符号。为确定该符号，焦距误差要具有如图8所显示的形状。这种信号可通过给系统提供引起点S沿投影透镜的光轴ZZ'作周期运动的装置。这种周期运动可通过沿ZZ'轴周期地移动辐射源50来获得。如图9所示，辐射源为此可被设在被来自源81的周期电压VD所激励的压电元件80上，从而使辐射源沿投影透镜系统C的光轴作小幅度的周期位移。该系统形成的二极管激光器50的象S则被沿ZZ'轴周期地移动，从而使检测信号S_o的幅度周期性地变化。

图10显示了根据参照五个图的图9的焦距误差检测系统的运行。第一个图由S_o，1表示，并显示了当电压源81被关掉时作为投影屏D的位置Z的函数的检测信号的幅度A_m的变化。若屏处于辐射源50的象S的位置，即若焦距测量光束被聚焦在屏上，该幅度为最大A_m.o。若屏被分别移向处于象S的一侧的位置Z₁、Z₂，则该幅度将会较小，并分别取值A_m，1、A_m，2。当屏被移向处于象S的另一侧的位置-Z₁、-Z₂时，检测信号的幅度将分别为A_m，-1、A_m，-2。

图10的下半部分显示了作为时间t的函数的、辐射源的电压VD的变化，致动器80就是用该电压激励的。该电压有周期T。根据屏的位置，电压VD所引起的图象S的周期性位移对检测信号将具有不同的作用。如图9所示，该信号被加到只使AC成分通过的滤波器82。图10的右边部分显示了当焦距测量光束b被聚焦在投影屏上时获得的滤波的检测器信号S_o，2图象S的周期性位置调制，使得开始时聚焦在屏上的光束首先脱离聚焦，然后又重新聚焦，随后又再次脱离聚焦，如此进行下去。滤波的检测器信号S_o，2因而具有周期T/2，所以其频率是电压V_D的两倍。若屏处于位置Z₁，电压造成了聚焦偏离的交替变小和变大，此时获得的滤波输出信号S_o，3的频率等于电压V_D的频率且其幅度依赖于位置Z₁。若屏处于位置-Z₁，即脱离聚焦的程度与处于位置Z₁的相同但方向相反，则得到具有与信号S_o，3相同的频率和幅度但却被移相了180°的滤波的检测器信号S_o，4。

该滤波的检测器信号在一同步检测电路83中被与信号VD相比较（图9）。若两个信号有不同的频率，就没有焦距误差。若频率相等，则将发生聚焦偏离，其符号通过比较滤波检测信号（S_o，3或S_o，4）和信号V_D的相位来确定且其值由信号S_o，3或S_o，4滤波的检测器信号给出。

该投影透镜系统，可借助同步检测电路提供的焦距误差信号，再次得到修正。

在正常的情况下，投影设备在开始一程序之前或在两个相继的程序之间自动设定其焦距就足够了。周期变化或动态的焦距误差信号，可被交替地获得，即是透镜装置（它被用于修正聚焦）的焦距设定阶段的小周期运动，即由于整个投影透镜系统C的该系统的前组的周期运动所引起的运动。这种可能性示于图11。该图的实施例包括与图9相同的部分，只是源81的周期电压VD现在驱动致动器85以移动投影透镜C或其一部分。从检测电路83获得的焦距误差信号S_f可被提供给同一致动器，只要后者的结构使之既能进行小而迅速的运动又能进行大的运动。在描述了图9和10的实施例之后，图11的实施例就不需要再进行描述。

图12A和12B显示了焦距误差检测系统的一个实施例，它提供表示焦距误差的幅度和方向的焦距误差信号而不采用周期运动的元件。为明确起见，用两个图来表明这种系统;图12A显示了从辐射源至屏D的辐射路径，而图12B显示了从该屏至检测器的辐射路径。使用了两个静止的辐射源90、91，它们是LED或二极管激光器，并沿Z和X方向与点58相分开;点58可代表显示板28（图1）的中心并被成象为屏上的点S₀。当投影透镜系统C的焦距使得上述板清晰地成象在屏D₁上时，辐射源90和91的焦距测量光束b₁和b₂分别被聚焦成屏后的点90'和屏前的点91'。光束b₁和b₂因而在屏上形成点S₁和S₂，这些点构成了辅助辐射源。当点58和屏之间的距离为透镜系统C的焦距时，即当点被成象为屏D上的点象S时，这些源具有相同大小。

如图12B所示，来自点S₁和S₂的反射焦距测量光束b_1，r和b_2，r被透镜61所捕获;透镜61在光阑93上形成图象S'₁和S'₂。该光阑位于当点58被清晰地成象在屏D上并有两个开口94和95时点S所成象的平面中。在这些开口的每一个后面，设有检测器96、97。这些检测器的输出被耦合到微分放大器98的输入端。

在聚焦状态下，点S₁和S₂的大小相等，因而点S₁'和S₂'的大小也相等。检测器96和97随后接收等量的辐射，且焦距误差信号则是诸如为零。当屏D相对投影透镜C移向右边时，点S₁和S₁'变得较小而点S₂和S₂'变得较大。因而光束b_2，r的较少的辐射到达检测器97，而光束b_1，r的较多辐射到达检测器96。此时焦距误差信号是正的。当屏D移向左边时，点S₁和S₁'的大小增加，且点S₂和点S₂'的尺寸减小，而且焦距误差信号变成负的。

在图12A和12B所示的实施例中，不是把光阑93与两个检测器96和97相结合，而是采用了两个CCD检测器，这些检测器应该位于光阑93的平面中，这两个传感器可用一个单一的CCD传感器来代替;该CCD传感器的设置使之能分别测量两个点的大小。

在上述实施例中，光阑缝和检测器的各种组合可被具有一辐射表面的检测器所代替;该辐射表面对应着当源（50;90;91）被聚焦在屏D上时的象点（S';S₁';S₂'）的大小。

在所述的所有实施例中，光阑开口或检测器辐射敏感表面的大小，最好与辐射源被聚焦在投影屏上时象点S'的大小处于相同的量级，以对焦距误差有最大的敏感度。

当屏D向图4、6、9、11或12的右边或左边移动更长的距离时，不仅象点S'的大小将增加，而且透镜61所捕获的反射焦距测量光束b_r的主要光线的方向也将改变，从而象点在所述附图的平面中向下或向上移动。如果，为得到高敏感度，光阑开口或检测器的传感表面很小，象点就可能离这些单元，使焦距误差信号丢失。

在图13A所示的实施例中避免了这种情况，带有缝状开口101的光阑100被设在检测器102之前。图13B显示了以实线表示的、沿图13A中的AA'线的缝101及下面的检测器102的视图。该缝沿图13A所在的平面中垂直于透镜61的光轴的方向延伸。在聚焦状态下，象点将具有点S'的位置和大小，从而使检测器能接收最大量的辐射。当偏离聚焦时，象点将变得较大并将如点S″所示的那样向诸如右边移动。检测器此时将接收到较少的辐射，并将继续接收辐射，因为光阑缝和检测器足够的长。

另一种增加焦距误差检测系统的捕获范围并同时保持敏感性的可能，是通过把柱形透镜设在反射焦距测量光束的路径中并利用带缝的光阑。这些元件111和112分别显示在图14A中，它们沿着Z'方向即在聚焦状态下反射焦距误差光束的主光线所具有的方向一个接一个地设置。图14B以立体图显示了从成象透镜110反射到检测器114上的光束b_r的辐射路径。图14B的元件相对于图14A的那些元件被绕着光束b_r的主轴旋转了90°。在图14A中，透镜111的柱轴与该图所在的平面相垂直。该透镜与透镜110一起把点S成象成光阑112上的长形点ES;光阑112具有在图14A所在平面中延伸并位于光束b_r的主光线上的缝113。从该缝通过的辐射被检测器114转换成电信号。

在聚焦状态下，长形的点ES有最小的尺寸，所以通过光阑缝并被检测器114接收的辐射量最大。在此实施例中，光束b_r辐射只有一部分能通过光阑缝。当出现聚焦偏离时，长形的点ES被破坏，这意味着辐射强度（每单位面积的辐射强度）随着焦距误差的平方减小。被点ES所覆盖的缝部分随焦距误差线性地增加，从而使入射到检测器上的辐射量随焦距误差的增加而线性地减少。点ES由于屏D沿投影透镜系统C的光轴的移动而发生的移动沿着缝113的长度方向，所以这种移动不会使入射到检测器上的辐射发生改变。

长形的点ES也可不用单一的柱形透镜获得，而是用两个具有平行柱轴的这种透镜的组合来获得，或利用一或两个棱镜或一般地利用一种的变形系统来获得;在这种所谓的变形系统中，沿一第一方向的光功率与沿垂直于该第一方向的第二方向的光功率有明显的不同。

图13A-14B的、具有缝光阑且其中仅有一部分焦距测量光束辐射得到利用的实施例，在该光束具有足够的强度时，将会令人满意地工作。

也可采用焦距误差检测系统的一个实施例，其中可采用具有较低强度的焦距测量光束，但如果该检测器或检测器光阑单元被以其与透镜61的夹角的方式进行设置，则它仍然有高敏感度和大的捕获范围，从而使总是能在检测器上形成成象点。该实施例的原理被显示在图15中，为明确起见，Y方向的标度相对于X方向的标度被放大了。辅助辐射源50被设置在距投影透镜系统的光轴00'距离Y且距该透镜系统距离X的位置。屏D的位置PO是正确聚焦位置。在该位置。辐射源被成象为屏上尺寸最小的点So。该点被透镜61再次成象为距透镜61的光轴BB'距离YO'且距该透镜距离X_O'的点S_O'。当屏被向右移到位置P₁时，在屏上形成了点S₁。透镜61把该点再次成象成距光轴BB'距离Y₁且距透镜61距离X₁'的点S₁';Y₁'小于Y_O且X₁'小于X_O'。当屏被向左边移到位置P₂时，在屏上形成了点S₂。透镜61把该点再次成象成距光轴AA'距离Y₂'且距该透镜距离X₂'的点S₂';Y₂'小于Y_O'且X₂'小于X_O'。所以当屏的位移较大时，再次成象的点沿线120移过点S₁'、S_O'和S₂'的位置。当检测器或检测器光阑单元朝向该方向时，焦距误差检测系统的捕获范围较大，例如为2米至15米且敏感性仍然很高。一般，应该是检测单元的第一表面即通过其反射的焦距测量光束进入该单元的那个表面，具有线120的朝向。

应该指出，线120和光轴之间的夹角ψ由于Y坐标的夸大而被夸大了。在实际中，该夹角ψ将由系统的元件沿X和Y方向的距离确定。由图15可见：

$\frac{Y}{X}=\frac{Y_s}{X_d}$

其中Y_s是点S_o和光轴00'之间的距离，而X_d是投影透镜系统和屏之间的距离。

另一方面，对于象点S_o'的位置，下面的公式成立：

$\frac{Y^{}{}_0}{X^{}{}_0}=\frac{Y_d{\mathrm{-Y}}_5}{X_d}$

其中Y_d是光轴OO？和BB？之间的距离。它可被写成：

$\frac{Y^{}{}_0}{X^{}{}_0}=\frac{Y_d}{X_d}-\frac{Y_S}{X_d}=\frac{Y_d}{X_d}-\frac{Y}{X}$

在最佳情况下，即源50位于光轴OO？时，对于Y＝O，下面的公式成立：

$Y^{}{}_0\mathrm{=\; X}{}^{}{}_0\frac{Y_d}{X_d}$

在实际中，可能要求距离X_d能在2和15米之间变化且所引起的象点在检测器上的移动应该被限制在5毫米。这个要求可用具有50毫米的后焦距（＝X_o'）和具有大约23厘米距离Y_d的透镜61来满足。角度ψ随之约为80°。

倾斜的检测器还可被用于图4、6、9、11和12的实施例。

对所有的实施例，投影透镜系统的轴线（OO'）和透镜61的轴线（BB'）之间的距离（Y_d）最好尽量地小，且后一轴线与屏的法线之间夹角也应该尽量地小。

Claims (15)

1、图象投影设备，该设备包括：

图象显示系统，它具有至少一个用于产生待投影的图象的图象显示板，

投影透镜系统，用于把图象从显示系统投影到投影屏上，以及焦距误差检测系统，它具有发出焦距测量光束的辅助辐射源和用于把被屏反射的焦距测量光束转换成焦距误差信号的检测单元，

其特征在于：

该辅助辐射源被设在一个平面内，该平面当从投影透镜系统看时与图象显示板所在的平面有效地重合，

辅助辐射源被投影透镜系统成象成投影屏上的一个点，

提供了一个辅助透镜系统，用于把该点成象为检测单元上的一辅助点，而且这个单元是点尺寸测量单元。

2、根据权利要求1的图象投影设备，其中投影透镜是变焦距透镜，其特征在于焦距误差信号被加到该变焦距透镜的可移动透镜组的致动器上。

3、根据权利要求1或2的图象投影设备，其特征在于辅助辐射源被设在显示板所在的平面内但在该板之外。

4、根据权利要求1或2的图象投影设备，其特征在于辅助辐射源被设在一平面内，该平面是显示板所在平面相对于波长选择反射器的镜象，该波长选择反射器与投影透镜系统的光轴成锐角地设置。

5、根据权利要求4的图象投影设备，其特征在于该锐角是一45°角且辅助辐射源被设置在与所述光轴等同的线上。

6、根据权利要求1、2、3、4或5的图象投影设备，其特征在于检测单元包括一CCD光二极管矩阵，该二极管矩阵被设在当把辅助辐射源正确地成象在投影屏上时辅助点的位置处。

7、根据权利要求1、2、3、4、5或6的图象投影设备，其特征在于检测单元的第一表面-反射焦距测量光束通过该表面进入该单元-被与辅助透镜系统的光轴成锐角地设置。

8、根据权利要求1、2、3、4或5的图象投影设备，其特征在于检测单元包括：

一个光阑，它被设在当辅助源被清晰地成象在投影屏上时辅助点所在的位置;和

设在该光阑的开口之后的光检测器。

9、根据权利要求8的图象投影设备，其特征在于光阑开口的大小与当焦距测量光束被聚焦在投影屏上时的辅助点的大小相对应。

10、根据权利要求8的图象投影设备，其特征在于光阑开口是缝，该缝的长度方向与当投影屏沿投影透镜系统的光轴位移时辅助点的移动方向相平行。

11、根据权利要求8的图象投影设备，其特征在于检测单元包括当从辅助透镜系统看时以如下顺序设置的变形系统、具有其方向基本上与变形系统的最大光功率方向相平行的缝方向的缝的光阑，和光检测器。

12、根据权利要求1至11中的任何一项的图象投影设备，其特征在于设置了相对于投影屏沿轴向移动第一点的装置，且检测单元的输出端被耦合到信号处理电路的一个输入端，其另一输入端被耦合到用于沿轴向移动该第一点的所述装置。

13、根据权利要求12的图象投影设备，其特征在于用于沿轴向移动第一点的装置由用于周期性地沿轴向移动辅助辐射源的致动器构成。

14、根据权利要求12的图象投影设备，其特征在于用于沿轴向移动第一点的装置由用于周期性地移动投影透镜系统的可移动透镜组的致动器构成。

15、根据权利要求1至11的任一项的图象投影设备，其特征在于辐射源包括至少两个辐射发射元件，这些辐射发射元件沿着与投影透镜系统的光轴平行的第一方向和与第一方向相垂直的第二方向相分开，且检测单元包括与辐射发射元件的数目相对应的数目的检测器。

Images