CN1466375A - 背投影电视的投射装置 - Google Patents

Abstract

一种背投影电视机的投射装置，它主要分为投影机、回光装置和银幕三个部分，该投影机是由一种可投射分割画面的双光束投射镜头与其内部的光学组件所构成，回光装置实现投射光线的迂绕转向，而显示图像的银幕则置于投影机的正前方。先由投影机内投出两个反转的图像光束，再借回光装置内的反射镜，经三次来回反射始到达银幕，而合并形成一幅放大的图像，借以达到缩减电视机内空间的目的。

Description

背投影电视的投射装置

(1)技术领域

本发明涉及一种背投影电视的投射装置。

(2)背景技术

一般背投影电视机的结构，主要是以一组红绿蓝三原色分离的三镜头式，或者是三原色合一的单镜头式，再配合内部的电子光学显影装置所组成，并借由两面反射镜的反射，再把图像的光束聚焦成像于银幕上，此种投影机与银幕一体式的背投影电视，因为使用反射镜片的关系，确实可以缩短投影的距离，使电视机机身的厚度约可缩减一半，达到缩减部分体积的功能。然而这种结构使投影机必须设置于机身内银幕的下方，使电视机本身的下半部不得不安装成一个大型的掩饰音箱，导致整体的外观看来笨重而且不协调，普及上受到了很大的限制。

(3)实用新型内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种可使电视机身扁薄、外观简洁的背投影电视的投射装置。

本发明的背投影电视的投射装置包括有一组投影、两组回光装置及一面银幕，其特点是：该投影机的于投射口是由两组上下并立排列的透镜群所构成，这两组投射透镜将单一的视频画面，二分割反转为两个倒立的图像光束，而回光装置实现光线的迂绕转向，以缩短投影机与银幕之间的距离，它分为上下两组，每组各由三个镜面相对的反射镜所构成，而终端的银幕则置于投影机的正前方，银幕除了显示图像外，另有提高增益与扩散视角的效果。透过内部光电系统的转换，投影机主要的功用，在产生可供投影的高辉度图像，并经由两组投射透镜的分割撷取，再把割撷的图像光束，投入不同方向的回光区内，光线在两组回光区内来回反射，等360度绕了一圈才到达银幕，并由原先分割的图像光束，借由银幕而合并为单一完整的图像画面。光线从透镜投出到达终端的银幕，其行径区域内有三层次的反射重叠，而且投影机设置于银幕的正后方，以至于银幕的周边外，不须有如音箱或桌柜之类的掩饰物。因此，本发明的投影电视，确能达到如上所述轻薄简洁的功能。

为进一步说明本实用新型的目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本实用新型进行详细的描述。

(4)附图说明

图1所示是本发明的结构示意图。

图2所示是本发明的立体组合示意图。

图3所示是传统背投影电视的示意图。

图4所示是传统背投影电视的光线行径示意图。

图5所示是本发明的光线行径示意图。

图6所示是传统背投影电视在理想状况下，最小内部空间的示意图。

图7所示是本发明在理想状况下，最小内部空间的示意图。

图8所示是本发明的双光束投影原理示意图。

图9所示是本发明的双光束投影图像与隔光板的关系示意图。

图10所示是电视图框的垂直视张角与对角线视张角的关系示意图。

图11所示是本发明的双光束投影与经由回光镜反射，两者的比较示意图。

图12所示是第一反射镜置于投射镜镜筒内的结构示意图。

图13所示是理想化均匀亮度的图像合成示意图。

图14所示是经由光学透镜投射的图像合成示意图。

图15所示是传统的背投影电视，其投射光线与银幕之间的关系示意图。

图16所示是本发明由侧面透视，投射光线与类喇叭口型银幕之间的关系示意图。

图17所示是本发明由上方透视，投射光线与类喇叭口型银幕之间的关系示意图。

图18所示是一种类喇叭口型的平板式银幕，其纵切面的结构示意图。

(5)具体实施方式

如图1、2所示，本发明的结构可分为三个部分，一为投影机，二为回光装置，三为银幕，有关其构造、成像原理及所产生的特性，兹分别说明于后：

一、投影机：主要由一个灯泡光源1，一组集光镜片阵列(Condenser Lens)，内含镜片11、11’、12、12’和13，一个视频显像板(Video Display)2，一个隔光板(Diaphram)3，及两组上下并立的投影透镜群4和4’所构成。

二、回光装置：主要由上下两组，每组各由三个镜面相对的反射镜所构成，而上组的一次反射镜5镜面，与投影透镜4的中心轴大致有120度的夹角，二次反射镜6则与银幕大致互成90度垂直，并与三次反射镜7有大致60度的夹角，下组的一次反射镜5’镜面，与投影透镜4’的中心轴大致有120度的夹角，二次反射镜6’，也与银幕大致互成90度垂直，并与三次反射镜7’有大致60度的夹角。

三、银幕8：设置于两个投射镜4和4’的出射口，及两组回光镜反射口的正前方，银幕可有各种不同的形式和结构，但主要功能则在真实显像、提高增益及扩宽视角。

投影机的光源是由主动元件的灯泡1所产生，光线先经由单凸镜11和11’集结成平行的光束，其光束的上下沿，穿透过两个上下竖立的凹镜12和12’的中心轴后，圆形光束会分割成两个扩大的半圆光锥，接着光锥会合于凸镜13，13又将两个半圆光锥收敛，分离的光束各自穿过视像板2的上下部分，最后则聚焦于投射镜4和4’的镜筒内，于是4和4’内的焦点与灯泡之间形成第一个共轭(Conjugate)关系。另一方面，视像板2借着光电的转换，在表面形成一幅可穿透的动态视频图像，投射镜4与4’则把2的动态图像，撷取分割成为上下两幅图像倒转的半锥体光束，这两个被分割的图像光束，再经由射向相反的反射镜5和5’，分别把光线反射投入上下两组回光区内，而反射镜5、6、7所构成上组的回光区，如以光路行走的顺序来看，首先光线由一次反射镜5，进入二次反射镜6，再由6进入三次反射镜7，最后到达银幕8的上半部，沿光锥的扩大，三个镜面的反射面积呈梯形状递增，如7大于6，6大于5，依此类推，反射镜5’、6’、7’则构成下组的回光区，其光路行走的顺序，也由一次反射镜5’，进入二次反射镜6’，6’再进入三次反射镜7’，最后到达银幕8的下半部，其镜面反射面积的大小顺序为7’大于6’，6’大于5’。在银幕8形成的焦点，与视像板2在光线回绕的途程中形成第二个共轭关系。总的来说，不论上组或下组的回光区域，其光线的途程从头到尾刚好360度地绕了一圈，如果从银幕8的上沿到反射镜6与7的交界点，或8的下沿到6’与7’交界点的距离是机身的深度，由图1不难看出，因为光线有三段式的来回反射，所以本发明的机身深度，可以缩短为原来投距的三分之一，同时投影机也放置于机身的中央而非下方，且其所有的光电元件，可依实际需要来变更配置和转变方向，以便于将其容纳在反射镜后方的空间内，使银幕及反射镜所框成的周边之外不须有多余的赘物，颇符合美体工学平衡与对称的要求。

投影电视的最终端元件是银幕，银幕则必须配合人眼的视界、投影机的亮度及投射的方位点来决定形式，本发明的投影电视，其等效投射点就在银幕上下沿的后方，所以银幕的结构，除了传统式的可以配合使用以外，如要进一步得到最佳化的显示效果，则银幕必须有不同于以往的结构变更，其相关细节则留待图12中说明。此外，在上述的说明中，投影机元件的摆设位置并非固定不变，例如图1中所有上下位置的排列，可以改称为左右位置排列，而原先的左右位置则又变换为上下位置，虽然排列位置对调，但其结构及功能仍然不变。

在图1、2中的两组投影透镜群4与4’，其与视像板2之间有一个隔光板3，除了可防止投射透镜4与4’的图像光束，在镜筒内外互相产生鬼影的干扰外，也可以改变投射镜4与4’的垂直投射角，图9中将予说明。

本发明的投影机，如图1中所列举的视像板2，是一种三原色合一显像的穿透式LCD，其只是众多显像方式的一种代表，其他诸如三原色分离显像，再由X-Cube把三色合一的三LCD式显像法，以及采用色盘旋转的反射式DLP(Digital LightProcess)显像法等，皆是常用的投影处理方式，但不管使用何种显像方式，其目的主要在产生一个会发射强力光束的原始图像，以提供投射透镜撷取图像的光源，至于为改善投影机性能的技术，例如散热的处理方法、光能量的利用效率及光度的均匀扩散等，皆为传统的泛用技术，本文不再予赘述。

另外，由图1所示可知，本发使用的投影透镜群4和4’的内部，是一种包括多面透镜的统称，投影透镜不管由多少种的凸镜和凹镜组合而成，其正负像差系数的总和，仍然是等于一面凸透镜的功能，由于过于简化的单一投影透镜会产生诸如像面弯曲(Field curvature)、色散(Dispersion)或球面差(SphericalAberration)等的缺点，所以在实际应用中，会使用折射系数和色分散系数不同的玻璃，再配合多重凸凹透镜，产生正负像差的抵消，以便能形成一种低失真的图像。至于镜筒内镜片的组合，则由两片到复杂的二十几片都有，随制造厂家的喜好和用途所在而有所不同，也各有其优缺点所在。基本上，本发明所使用的投影透镜群，都是上下两组透镜并列的形式，这是为配合光学式画面分割所须的结构安排。

如图3所示，图中放于最下面的，含有光源、集光镜、视像板及投影透镜的传统单光束投影机10，其所投射的光线，经由一次反射镜20进入二次反射镜30，再由30反射投入银幕40，继而形成图像，从图3可以看出，传统式的背投影电视，其结构较为简单，然而却拥有庞大的机身，这种大空间的设计，与投影机的大小或其他的电子配备没有关连，只因其机身的大部份空间，均在光线二次反射的途程区域内，以至于电视机内的所有电子及光学配备，必须放置于银幕的下方。

另外，由图4可知，光线在反射的途程内，31为入射光，32为一次反射光，33为二次反射光，光线在行走的途程中，入射光31与出射光33俱有完全相同的相位，且31与32有小部分重叠，32与33则有大部分重叠，由于只有二层次的重叠利用，所以内部的空间，顶多只能缩小一半，此为传统投影电视使用效率的极限。

如图5所示，光线在反射的途程内，71与21是上下两边的入射光，72与22则为一次反射光，73与23则为二次反射光，74与24则为三次反射光，光线在行走的途程中，上半边的71与72有小部分的重叠，而72与73，73与74及74与72，则有大部分的三度重叠，且出射光74与入射光71，具有上下及左右完全相反的关系，同样地，下半边的21与22有小部分的重叠，而22与23，23与24及24与22，同样也都有三层次的空间重叠，且出射光24与入射光21，同样具有上下及左右完全相反的相位。因此，由图4与图5的比较得知，在空间的利用效率上，本发明约比传统式的多了一个层次的空间重叠，所以体积也能比传统式更小。

至于如何以确切的数据，证明本发明比传统式的背投影电视机可缩减较多的空间，则如图6、7所示，图6中标示的虚线，是没经过反射镜的等效直接投射线，戊点则相当于乙点的等效投射点，理论上，反射镜式的背投影电视，其最理想的投影视场角，是交边60度的正三角形，假如光线的等效投射点戊锐角大于60度时，则无法构成对折式的反射投影。实用上，戊锐角都小于60度，但如果戊锐角小于60度角越多时，其行走距离加长，则空间的浪费越多。图中的甲乙边是银幕，甲丙边则是反射镜，点丙到银幕甲乙边的垂直距离为I，点戊到银幕甲乙边的距离为II。如果以几何图形来分析，则图6的甲、乙、戊三点，构成一个正三角形，而甲、乙、丙三点则构成一个包括60度及30度的直角三角形，其面积是甲、乙、戊三角形的一半，因此，机身的深度I，与银幕高度甲乙的比例计算法如下：

依据三角函数的定理

cosθ＝邻边/斜边＝ 甲丙/ 甲乙

设∠乙甲丙＝θ    θ＝30°时

则cos30°＝ 甲丙/ 甲乙＝

而II＝ 甲丙   I＝II/2＝ 甲丙/2

 因此I/ 甲乙＝  (1/2 甲丙)/ 甲乙＝

由上式的计算得知，I长为甲乙边的0.43倍，此意谓，不管任何传统式的背投影电视，其机身的深度再怎么小，都不可能小于银幕高度的0.43倍。

如图7所示，光线由点丁往上、下两个方向投射，由于该上下两方向的光线途径，及其所构成的几何图形完全相同，因此只代表性的讨论下边的图形就可以。首先光线由点丁往下投射，经庚辛边的反射到达丁辛边，丁辛边再把光线反射到银幕丁庚边，图中标示的虚线，是不经反射的等效投射线，点壬则相当于点丁的等效投射点。如果以几何图形来分析，丁庚辛则是构成包括有30度与60度的直角三角形，丁庚壬也是构成30度60度的直角三角形，因此，机身的深度III与银幕的高度己庚，其比例计算法如下：

依据三角函数的定理

tanθ＝对边/邻边＝ 庚辛/ 丁庚

设∠庚丁辛＝θ    θ＝30°时

则tan30°＝ 庚辛/ 丁庚＝

而 己庚＝2 丁庚     III＝ 庚辛

因此III/ 己庚＝ 庚辛/2 丁庚＝

由上式的计算得知III为己庚的0.29倍，是最小的极限，等于是本发明的投影电视，其机身的深度最小只能是银幕高度的0.29倍。另外再由图6与图7的归纳比较得知：

若 甲乙＝ 己庚    则 $\mathrm{III}/I=(\sqrt{3}/6)/(\sqrt{3}/4)=2/3$

由此就可证明本发明的投影电视机，其机身厚度是为传统式的2/3倍。

本发明的双光束投影系统，采用不同于传统的方式，如图8所示，50为原物像，投射镜4与4’则上下坚立在一起，其分别实现物像50的上半部与下半部两者的图像分割和投射，透镜4投射后形成倒立的图像500，其投射光束为斜边朝上股边朝下的半锥体，直角股边600则相当于透镜4的光轴，透镜4’其投射后形成倒立的图像为700，而投射光束是斜边朝下股边朝上的半锥体，直角股边800则相当于透镜4’的光轴，两个透镜的中心光轴在没有折射或反射处理前，呈互相平行的状态，光束由透镜4和4’分割投射后所形成的图像500和700，其图像不但倒立，而且头脚对立于中间处，由于4与4’有宽广的视场角，投射角α1与投射角α2也会随着扩大，所以图像500与700有部分的重叠，然而实用上超过30度的投射角，将无法在回光镜内来回穿梭。

图9则是在4、4’的透镜与50之间，加入一片与光轴平行的隔光板(Diaphram)3，此与一般光学镜筒内，用来阻挡晕光的隔光板略有不同，3主要在限制4与4’的垂直视场角，使投射角β1和β2，各小于且接近于30度，而图像300与400只有极小部分的重叠，在回光镜内的来回反射，可避免多余的空间浪费。

如图10所示的四方形电视图框，不管4比3或16比9，其对角线子丑必大于垂直线甲乙，一般内投影电视机，都以能容纳电视图框的对角线做为投射角，图中圆圈内的范围即为戊点的投射角，如对角线子丑所对应的角度子戊丑超过80度以上时，而垂直线甲乙所对应的角度甲戊乙，因为有隔光板的阻挡，其投射角都限制在60度以内内，而斜角子戊丑则如原来的超过80度不能受到影响。

一般来说，本发明如果只着眼于双光束的投影方式，则看不出什么实用上的价值，但图像如经过图11内的回光装置的折射转变后，则是本发明的重点所在。图中由上下透镜投出的两个图像光束，经由上下两组回光区域的三次来回反射，到达银幕时合并形成的图像200，会与原先的物像50一样，具有相位相同的放大图像，其图像相位的转换关系，前面图5中己有所说明，今则不再重复叙述。

再回看图11所示的第一反射镜5与5’，当5与5’愈小时，则对投射距离的缩短愈为有利，最好的方式是将5与5’完全隐入4与4’的镜筒内，如图12所示上边的直角三菱镜81，置于出射镜91与入射镜92的中间，其斜边为反射面，反射点82相当于镜筒内光圈(Stop)原来的位置，91与92的中心轴互呈约60度的夹角θ1，因为光线在镜筒内己反相一次，所以由出射镜投出的图像光束，可以直接到达二次反射镜，因此投射距离可以缩短，而下边的结构及光线行走方法一如上边一样，所以省略不提，虽然三菱镜83与84可以使用一般的平面反射镜取代，但三菱镜的折射角恒固准确，且有零光损的全反射，是反射镜的上乘之选。

关于图像的合成处理，可分为电子式和光学式，如图13上边的圆圈70，是光度均匀的电子化图像，假设其对比度为3，而下边则是两个70图像的部分重叠，在其重叠处因为增光(Enhancing)效应，故而在画面交接的地方，会产生一条明显的交接光带，以致于影响画面的观瞻。

图14上边的80，是本发明使用的一种光学式投射图像，由于光束的一部分被透镜、镜筒等阻挡，使画面中心往边缘部分的光线产生渐暗(Vignetting)的现象，假设同心圆80的中心往周边的对比度，各自为4、3、2、1，而下边则是两个80光学图像的部分重叠，在其重叠处内的小块邻接区，因为没有明显的对比差，所以在画面交接的处，就不易察觉有合成图像的破绽。

银幕是投影电视机的最终端元件，也是与人类视觉神经的最初始互动界面，银幕在投影机的主要功能，除了显示图像以外，另外则是提高增益比，扩张视角宽度，以及显示良好的解析度及均匀的亮度等，均为考虑银幕良莠的标准，以背投影电视机而言，不同的投影方式，银幕的性能结构也必须配合改变，传统投影电视所使用的都是以中心点为投射源，再配合Fresnel平板式透镜，及前方加上可扩散水平视角的Lenticular板，两者合并构成一种高增益宽视角的银幕。如图15所示，为使构思简化，银幕均以光源直接投射的方式表达，图中的61是为光源的投射点，也是透镜银幕40的焦点，光源所投射的光线62到达Fresnel平板式透镜40时，所有的光线会折射成平行状态的63，这种表面结构相当于单面凸透镜90的Fresnel透镜，主要是以透明的压克力为结构体，在其表面进行同心圆的轮带状斜纹加工而成，每条斜纹面均朝向圆周边，中心的斜率最小，并以曲线的方式往外递增，直到周边的斜率最大，这种透镜式银幕如进行适当的扩散处理，其增益比最高可达5.5倍，并能消除亮度不均匀的热点效应(Hot spot)。

由于本发明的投影方式不同于以往的方式，虽然使用传统式的银幕，也能达到一般显影的要求，但如要让图像的显示效果得到更有效率的发挥，则银幕结构势必也要改变，如图16所示，如果单以侧面的方向来看，本发明的投影电视机，在银幕的上下沿位置，有两个投射点41与43，而银幕要能对这种不同方向投射点的光束有聚焦成像的作用，因此不论从结构或功能来看，其与Fresnel透镜具有相反的特性，银幕8是一种以透明压克力为底材的平板式透镜，在其表面进行同心圆的轮带状斜纹加工，每个条纹之间距平均大约在0.1mm以内，且其斜面均朝向中心点，而中心点的斜率最大，并以曲线的方式往外递减，直到最周边的斜率最小，其等效结构则如图中的透镜60，形状有如喇叭花口(以下称喇叭口)一般，中央陷入，并以曲线的方式往周边逐渐隆起，如以侧面的方向观之，两个焦点光源41和43往透镜8投射光线时，其交集的光线，会被折射成为45的平行线，因为压克力的内部有适当的杂质分布，所以垂直视张角会有适当的扩散。

如图17所示，如果单以上下的方向来看，本发明的投影电视机，在银幕上只有一个投射点51，对于单一投射点的锥形光线52，透过这种等效于喇叭口形状的银幕，光线53会产生些微的收敛，但是大部分还是扩散，如再配合压克力内杂质的进一步扩散，就可得到较为宽广的水平视角，但如要扩张更宽的水本视角，也可加入Lenticular板一起使用，至于银幕的增益及热点的去除，则与Fresnel银幕类似。

为了对本发明使用的类喇叭口型的平板式银幕，能得到较具体的了解，如图18所示可知，8为银幕的斜纹面，同心圆的环状条纹间距84，均小于0.1mm，而且斜纹面都朝着圆心，愈往中央斜率愈大，像这种的表面结构，正好与Fresnel透镜呈现相反的功能。

综上所述，本发明使用的双光束投影电视机，其在回光区内，光线具有三度的重叠，可使机内空间大幅地缩小，更由于投影机设置于电视后方的中央，而能使整体的外观更为简洁、调和。

当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型权利要求书的范围内。

Claims (4)

1.一种背投影电视机的投射装置，包括有一组投影、两组回光装置及一面银幕，其特征在于：

该投影机设置于机箱内的中央后方，主要由灯源、集光镜片阵列、视像板及投射透镜所构成，其两个投射口是由两组结构相同的透镜群上下并立排列，两者之一的上或下组，其所有透镜正负像差系数的总和相当于一面凸透镜作用，该两组透镜可把视像板所形成的单一画面撷取分割成为两个上下反转的半锥体图像光束，在光束未经反射前，其两个半锥体的垂直股面平行相对，该两组回光装置呈上下对称的组合，两者之一的上或下组，是由三个镜面相对的反射镜所构成，一次反射镜的镜面与对应的投射透镜光轴，大致呈120度的夹角，而二次反射镜的镜面则与银幕大致呈垂直状，并与三次反射镜的镜面有大致60度的夹角；当来自于投影机的两个图像光束，投入该两组的回光区内时，光线从一次反射镜到三次反射镜之间具有三层次的空间重叠，并经360度的回绕成像于银幕上，该银幕设置于投影机的两个投射口及两组回光镜出光口的正前方，并与投射光源的中心轴互成90度的垂直角；它作为双光束图像的合成显像界面，由回光镜反射而来的两幅分割图像，最终在该银幕合并成为单一完整的放大图像。

2.如权利要求1所述背投影电视机的投射装置，其特征在于：

该银幕是一种透明的压克力底材，表层是经同心圆的轮带状斜纹加工而成，每条斜纹的间距均小于0.1mm以内，斜纹面皆朝向圆心，而圆心的斜率最大，并以曲线的方式往外递减，直至最周边的斜率最小，而其等效的表面结构，则相当于喇叭花口的形样；该银幕能将上下沿两个不同点的投射光聚集成为平行的光线，再经由压克力底材内掺入的杂质把光线扩散，继而形成视角宽广及增益提高的图像。

3.如权利要求1所述背投影电视机的投射装置，其特征在于：

两组投射透镜与视像板之间有一个隔光板，以防止两组透镜相互产生干扰的鬼影，及可控制垂直投射角于30度内。

4.如权利要求1所述背投影电视机的投射装置，其特征在于：

两个第一反射镜分别设置于并立的投射镜筒中，其反射面为直角三菱镜的斜边，反射点则为镜筒中光圈的位置，两组中其各别的入射光轴与出射光轴大致呈60度的夹角。

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