CN1661417A - 宽视角和高分辨率的背面投影光学系统 - Google Patents

Abstract

一种将成像面板上的图像放大并投影到屏幕背面的背面投影光学系统，包括：前透镜组，其放置在屏幕附近，具有分别具有负光焦度的第一、第二和第三透镜，以及分别具有正光焦度的第四和第五透镜；后透镜组，其放置在成像面板附近，并且具有第一胶合透镜、第二胶合透镜和具有负光焦度的第十透镜，第一胶合透镜包括具有正光焦度的第六透镜和具有负光焦度的第七透镜，第二胶合透镜包括具有负光焦度的第八透镜和具有正光焦度的第九透镜；和可变光阑，其放置在前透镜组和后透镜组之间以控制光量。该背面投影光学系统具有宽视角(91度)、高分辨率和减小的显示装置的深度。

Description

宽视角和高分辨率的背面投影光学系统

                         技术领域

本发明总体构思涉及一种使用投影式图像显示设备的投影光学系统，更具体地讲，涉及一种配置成足够短的投影距离以实现宽视角和高分辨率的背面投影透镜系统。

                         背景技术

最近，由于对图像显示设备的宽视角和高分辨率的需求，所以通过使用投影光学系统将小尺寸图像投影并放大到大屏幕上的图像投影装置迅速发展起来。特别是将图像信号从屏幕的背面投影的背面投影装置被广泛用于投影电视。

传统的背面投影装置包括：光源；液晶显示器(LCD)或数字微镜器件(DMD)面板，其作为通过使用光源发出的光形成图像的显示装置；屏幕；和背面投影系统，其将面板上形成的图像以某一放大因子放大并投影到屏幕上。

然而，随着投影光学系统将图像聚焦在其上的屏幕尺寸逐渐增大，所以需要更高的分辨率，并且需要更宽的视角以用于更薄的装置。传统的背面投影光学系统描述如下。

图1是示出传统的投影光学系统的结构的视图。参照图1，传统的投影光学系统具有：前透镜组，其包括第一到第五透镜1、2、3、4、和5，其中第一透镜最靠近屏幕(未示出)；后透镜组，其包括第六到第十透镜6、7、8、9、和10；可变光阑20，其放置在前透镜组和后透镜组之间。后透镜组具有负光焦度，并且主要用于减小通过棱镜30入射、从数字微镜显示器(DMD)面板40反射、并通过后透镜组的光的各种像差。此外，这些像差由于第四透镜4和第五透镜5的强的正光焦度而被再次补偿。第一透镜1主要补偿畸变的像差，第二透镜2和第三透镜3主要补偿彗差、像散、和球差。为了扩宽视角，前透镜组被构造成具有负光焦度。

然而，由于后透镜组产生的重影导致不想要的图像显示在屏幕上，所以传统的投影光学系统存在的问题是后透镜组必须根据其位置具有不同的曲率。另外，因为可变光阑20紧靠第六透镜6放置，所以很难插入一个新的可变光阑来控制光量。此外，传统的投影光学系统不能提供足够大的视角。因此，需要一个改善的投影光学系统。

                          发明内容

本发明总体构思提供了一种具有宽视角、高分辨率、和较小畸变的投影光学系统。

本发明总体构思的另外方面和优点将在下面的描述中部分地被阐述，并且其中一部分在描述中是明显的，或者通过发明总体构思的实施可以理解。

发明总体构思的前述的和/或其他方面和优点可以通过提供一种将成像面板上的图像放大并投影到屏幕后侧的背面投影光学系统来实现。该背面投影光学系统包括：前透镜组，其放置在屏幕附近，并具有分别具有负光焦度的第一、第二、和第三透镜，以及分别具有正光焦度的第四和第五透镜；后透镜组，其放置在成像面板附近，并且具有第一胶合透镜、第二胶合透镜、和具有负光焦度的第十透镜，第一胶合透镜包括具有正光焦度的第六透镜和具有负光焦度的第七透镜，第二胶合透镜包括具有负光焦度的第八透镜和具有正光焦度的第九透镜；和可变光阑，其放置在前透镜组和后透镜组之间以控制光量。

第十透镜具有具有正曲率的第一表面和具有负曲率的第二表面，满足下面的方程：

$0.046<\frac{|\underset{i=6}{\overset{7}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i+\underset{i=8}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i|}{\underset{i=6}{\overset{9}{Q}}{n}_i{v}_i}\&times;1000<0.05$

$\frac{\mathrm{OBJ}}{\mathrm{BFL}}\&times;m=K,K\&le;0.35$

其中，p_i，n_i，和v_i分别表示第i透镜的折射力(refractive power)、折射率、和色散，OBJ(物距)表示从屏幕到第一透镜的距离，BFL(后焦距)表示从第十透镜到成像面板的距离，m表示全部透镜的放大率。

OBJ，BFL和m可以分别被设置为593、26.5、和0.0154。

此外，可变光阑可以与第六透镜的第一表面中心间隔预定距离而放置，满足下面的方程：

$1.55<\frac{\underset{i=6}{\overset{7}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_i}{d_{11}}+\frac{\underset{i=8}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_i}{d_{11}}<1.58$

其中，d₁₁表示可变光阑和第六透镜的第一表面中心之间的预定距离，n_i表示第i透镜的折射率。

d₁₁和相应的n_i可被如下设置：

d₁₁＝4.19，n₆＝1.48749，n₇＝1.75520，n₈＝1.84666，和n₉＝1.48749。

第四透镜具有分别具有负曲率的第一表面和第二表面；第五透镜具有具有正曲率的第一表面和具有负曲率的第二表面；第一胶合透镜具有分别具有正曲率、正曲率、和负曲率的第一表面、胶合表面、和第二表面，并且满足下面的方程：

$7.30<\frac{\underset{i=4}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i}{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{\mathrm{bi}}}<7.60$

这里，p_i表示第i透镜的折射力，p_bi表示第i胶合透镜的折射力。

                         附图说明

通过结合附图，从实施例的以下描述中，本发明总体构思的上述和其他这些和/或其他方面和优点将会变得更加清楚和更加易于理解，其中：

图1是示出传统的背面投影光学系统的结构的视图；

图2是示出根据本发明总体构思的实施例的背面投影光学系统的结构的视图；

图3是示出图2的背面投影光学系统的像差特性的视图；和

图4是示出图2的背面投影光学系统的实际应用的视图。

                       具体实施方式

现在将对本发明总体构思的实施例作出详细说明，其示例在附图中示出，其中相同的标号始终表示相同的部件。下面参照附图来描述这些实施例以解释本发明总体构思。

图2是示出根据本发明总体构思的实施例的背面投影光学系统的结构的视图。图2的背面投影光学系统可以应用于一种使用DMD面板的图像投影装置，例如投影电视。为了解释，图2示出了图像投影装置的主要部件。参照图2，图像投影装置具有屏幕、背面投影光学系统50、灯75、棱镜80、和DMD面板90以形成图像。当50”的屏幕作为标准屏幕时，根据图2的实施例的背面投影光学系统50被构造为将具有有效面积为0.79”(20.1mm)的DMD面板90的图像投影到46”和56”的屏幕上。

背面投影光学系统50包括：前透镜组50a，其具有靠近屏幕100放置的五个透镜51、52、53、54、和55；后透镜组50b，其具有靠近DMD面板90放置的五个透镜56、57、58、59、和60；可变光阑70，其放置在前透镜组50a和后透镜组50b之间用于控制光量。这样，背面投影光学系统50一共包括十个透镜51、52、53、54、55、56、57、58、59、和60。如图2所示，给透镜L_i分配了标号，从而L_i指的是从屏幕100的第i个透镜。类似地，以屏幕100为参考，按次序给透镜表面S_i、透镜的中心厚度、和透镜间的中心距离d_i分配了标号。例如，第一透镜51被表示为L₁，第二透镜52被表示为L₂，第一透镜51的第一表面被表示为S₁，第一透镜51的第二表面被表示为S₂，第一透镜51的中心厚度被表示为d₁，第一透镜51和第二透镜52之间的中心距离被表示为d₂。

前透镜组50a具有包括透镜L₁、L₂、L₃、L₄和L₅(51、52、53、54、和55)的五个透镜。各个透镜的特性如下。透镜L₁(51)和透镜L₂(52)分别具有以正(+)曲率形成的第一表面S₁和S₃以及第二表面S₂和S₄，从而透镜L₁(51)和透镜L₂(52)具有负(-)光焦度，并且透镜L₃(53)具有以负曲率形成的第一表面S₅和以正曲率形成的第二表面S₆，从而透镜L₃(53)具有负光焦度。此外，透镜L₄(54)具有以负曲率形成的第一表面S₇和第二表面S₈，从而透镜L₄(54)具有正光焦度，透镜L₅(55)具有以正曲率形成的第一表面S₉和以负曲率形成的第二表面S₁₀，从而透镜L₅(55)具有正光焦度。

前透镜组50b具有包括透镜L₆、L₇、L₈、L₉和L₁₀(56、57、58、59、和60)的五个透镜。透镜L₆(56)和透镜L₇(57)由一种紫外(UV)胶合剂(bonding)等胶合在一起构成第一胶合透镜，透镜L₈(58)和透镜L₉(59)被胶合在一起构成第二胶合透镜。

第一胶合透镜的透镜L₆(56)具有以正曲率形成的第一表面S₁₂和以负曲率形成的第二表面S₁₃，从而透镜L₆(56)具有正光焦度；透镜L₇(57)具有以负曲率形成的第一表面S₁₃和以负曲率形成的第二表面S₁₄，从而透镜L₇(57)具有负光焦度。第二胶合透镜的透镜L₈(58)具有以正曲率形成的第一表S₁₅和以正曲率形成的第二表面S₁₆，从而透镜L₈(58)具有负光焦度；透镜L₉(59)具有以正曲率形成的第一表面S₁₆和以负曲率形成的第二表面S₁₇，从而透镜L₉(59)具有正光焦度。此外，透镜L₁₀(60)具有以正曲率形成的的第一表面S₁₈和以负曲率形成的第二表面S₁₉，从而透镜L₁₀(60)具有负光焦度。

为了使DMD面板90上的图像通过后透镜组50b和前透镜组50a，并被投影和清晰地聚焦在屏幕100上，畸变减小被执行。透镜L₁(51)可以是由塑料物质组成的非球面透镜以减小畸变。此外，为了获得宽视角，靠近屏幕40放置的透镜L₁到L₃(51、52、和53)被构造为具有负光焦度，并且，透镜L₄(54)和透镜L₅(55)被构造为具有正光焦度以减小光的角度。而且，因为L₁到L₃(51、52、和53)具有负光焦度，所以透镜L₁、L₂、和L₃(51、52、和53)之间的相互作用导致像差部分地抵销，从而减小了像差。

第一和第二胶合透镜减小未被前透镜组50a消除的像差。特别地，可以补偿光的色差。第一和第二胶合透镜可由FD系列(FD-series)和低色散物质构成。此外，透镜L₁₀(60)具有设置其以控制最后的性能校正和入射在DMD面板90上的光的角度的折射力。按以上描述构造透镜(51、52、53、54、55、56、57、58、59、和60)从而清晰的图像能够精确地聚焦并以较小的畸变显示在屏幕100上。

根据图2的实施例的背面投影光学系统50满足下面的方程1-3。

[方程1]

$0.046<\frac{|\underset{i=6}{\overset{7}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i+\underset{i=8}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i|}{\underset{i=6}{\overset{9}{Q}}{n}_i{v}_i}\&times;1000<0.05$

$\frac{\mathrm{OBJ}}{\mathrm{BFL}}\&times;m=K,K\&le;0.35$

其中，p_i、n_i、和v_i分别表示透镜L_i的折射力，折射率和色散，OBJ(物距)表示从屏幕100到透镜L₁(51)的距离，BFL(后焦距)表示透镜L₁₀(60)到DMD面板90的距离，m表示全部透镜(51、52、53、54、55、56、57、58、59、和60)的放大率。这里，定义折射力p_i为焦距f_i的倒数。

[方程2]

$1.55<\frac{\underset{i=6}{\overset{7}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_i}{d_{11}}+\frac{\underset{i=8}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_i}{d_{11}}<1.58$

这里，d₁₁表示可变光阑70和透镜L₆(56)之间的中心距离，n_i表示第i透镜L_i的折射率。

[方程3]

$7.30<\frac{\underset{i=4}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i}{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{\mathrm{bi}}}<7.60$

这里，p_i表示透镜L_i的折射力，p_bi表示第i胶合透镜的折射力。

表1示出了根据发明总体构思的实施例的背面投影光学系统50的透镜(51、52、53、54、55、56、57、58、59、和60)的示例性的值。

[表1]

表面标号(Si)	曲率半径	厚度，距离(di)	折射率(nd)	色散(Vd)
					*1*2345678910中断121314151617	110.63839.691103.87129.588-45.12145.121-822.751-63.89084.950221.455无穷大75.739-22.786-68.618191.64529.267-60.727	5.2110.992.5018.763.9730.3610.001.4611.0075.004.195.004.508.291.206.995.11	1.492001.658441.658441.603421.622901.487491.755201.846661.48749	57.150.950.938.058.170.427.523.870.4

1819棱镜成像器

54.057-74.049无穷大无穷大

5.462.9025.00.00

1.784721.51680

25.764.2

透镜L₁(51)的两个非球面表面S₁和S₂的方程表示如下：

[方程4]

$x=\frac{{\mathrm{CY}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)C^2{Y}^2}}+{\mathrm{aY}}^4+{\mathrm{bY}}^6+{\mathrm{cY}}^8+{\mathrm{dY}}^{10}$

C＝1/R

其中，Y表示离光轴的距离，C表示曲率，R表示半径。

表2示出了透镜L₁(51)的两个表面S₁和S₂的二次曲线常数和非球面表面系数(a、b、c和d)。

[表2]

	S1	S2
			K	-0.848776	-0.407388
A	0.432770E-05	0.120734E-05
			B	-0.170360E-08	0.218927E-09
C	0.655455E-12	-0.435046E-11
			D	-0.710030E-17	0.148104E-14

表格3示出了放大因子、有效焦距(EFL)、F数(F#)、从屏幕100到透镜L₁(51)的距离(物距(OBJ))、视角(FOV)、和RGB光源的波长。

m	EFL	F#	OBJ	FOV	R	G	B
								0.0154	9.6864	2.5	593mm	91度	640mm	550mm	440mm

图3示出了具有上述示例性的值的背面投影光学系统50的球差(a)、像散(b)、和畸变(c)的特性。此外，图4示出了根据发明总体构思的实施例，通过在前透镜组50a和后透镜组50b之间插入反射镜400，可以减小显示装置的深度。

尽管上面显示和描述了本发明总体构思的一些实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定其范围的本发明总体构思的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行各种改变。

Claims (37)

1、一种将成像面板上的图像放大并投影到屏幕背面的背面投影光学系统，包括：

前透镜组，其放置在屏幕附近，包括分别具有负光焦度的第一、第二、和第三透镜，以及分别具有正光焦度的第四和第五透镜；

后透镜组，其放置在成像面板附近，并且具有第一胶合透镜、第二胶合透镜、和具有负光焦度的第十透镜，第一胶合透镜包括具有正光焦度的第六透镜和具有负光焦度的第七透镜，第二胶合透镜包括具有负光焦度的第八透镜和具有正光焦度的第九透镜；和

可变光阑，其放置在前透镜组和后透镜组之间以控制光量。

2、如权利要求1所述的背面投影光学系统，其中，第十透镜具有具有正曲率的第一表面和具有负曲率第二表面，满足下面的方程：

$0.046<\frac{|\underset{i=6}{\overset{7}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i+\underset{i=8}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i|}{\underset{i=6}{\overset{9}{Q}}{n}_i{v}_i}\&times;1000<0.05$

$\frac{\mathrm{OBJ}}{\mathrm{BFL}}\&times;m=K,K\&le;0.35$

这里，p_i，n_i，and v_i分别表示第i透镜的折射力，折射率和色散，OBJ(物距)表示从屏幕到第一透镜的距离。BFL(后焦距)表示从第十透镜到面板的距离，m表示全部透镜的放大率。

3、如权利要求2所述的背面投影光学系统，其中，OBJ、BFL、和m分别被设置为593、26.5、和0.0154。

4、如权利要求1所述的背面投影光学系统，其中，可变光阑与第六透镜的第一表面中心间距预定距离而放置，满足下面的方程：

$1.55<\frac{\underset{i=6}{\overset{7}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_i}{d_{11}}+\frac{\underset{i=8}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_i}{d_{11}}<1.58$

这里，d₁₁表示可变光阑和第六透镜的第一表面中心之间的预定距离，n_i表示第i透镜的折射率。

5、如权利要求4所述的背面投影光学系统，其中，d₁₁和相应的n_i设置如下：

d₁₁＝4.19，n₆＝1.48749，n₇＝1.75520，n₈＝1.84666，和n₉＝1.48749。

6、如权利要求1所述的背面投影光学系统，其中，第四透镜具有分别具有负曲率的第一表面和第二表面；第五透镜具有具有正曲率的第一表面和具有负曲率的第二表面；胶合透镜具有分别具有正曲率、正曲率、和负曲率的第一表面、胶和表面、和第二表面，并满足下面的方程：

$7.30<\frac{\underset{i=4}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i}{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{\mathrm{bi}}}<7.60$

这里，p_i表示第i透镜的折射力，p_bi表示第i胶合透镜的折射力。

7、如权利要求1所述的背面投影光学系统，其中，第六透镜和第七透镜由紫外胶合剂胶合在一起构成第一胶合透镜，第八透镜和第九透镜由紫外胶合剂胶合在一起构成第二胶合透镜。

8、如权利要求1所述的背面投影光学系统，其中，第一透镜是非球面透镜。

9、一种具有形成图像的成像面板、屏幕、将图像放大并投影到屏幕上的投影光学系统的显示设备，该投影光学系统包括：

前透镜组，其放置在屏幕附近，并包括第一、第二、第三、第四、和第五透镜；和

后透镜组，其放置在成像面板附近，包括：

胶合在一起的第六透镜和第七透镜，

胶合在一起的第八透镜和第九透镜，和

第十透镜。

10、如权利要求9所述的显示设备，其中，背面投影光学系统还包括放置在前透镜组和后透镜组之间以控制光量的可变光阑。

11、如权利要求9所述的显示设备，其中，第一、第二、第三、第七、第八、和第十透镜是发散透镜，第四、第五、第六、和第九透镜是会聚透镜。

12、如权利要求9所述的显示设备，其中，第一透镜是非球面透镜。

13、如权利要求9所述的显示设备，其中，第六透镜和第七透镜由紫外胶合剂胶合在一起，第八透镜和第九透镜由紫外胶合剂胶合在一起。

14、如权利要求13所述的显示设备，其中，第六，第七，第八和第九透镜由FD系列和低色散物质构成。

15、如权利要求9所述的显示设备，其中，背面投影光学系统还包括：反射镜；后透镜组，其放置在前透镜组下面，并且成像面板的图像通过后透镜组并从该反射镜反射到前透镜组。

16、一种使用具有形成图像的成像面板和显示图像的屏幕的显示设备的背面投影光学系统，包括：

第一透镜组，其沿着聚焦路径靠近屏幕放置，包括多个将成像面板上的图像放大并投影到屏幕上的透镜；和

第二透镜组，其沿着聚焦路径靠近成像面板放置，并包括第一套胶合透镜和第二套胶合透镜。

17、如权利要求16所述的背面投影光学系统，其中，第一和第二套胶合透镜每个包括两个由紫外胶合剂胶合在一起的透镜。

18、如权利要求17所述的背面投影光学系统，其中，第一和第二套胶合透镜每个中的两个透镜中的一个具有正光焦度，并且第一和第二套胶合透镜每个中的两个透镜中的另一个具有负光焦度。

19、如权利要求16所述的背面投影光学系统，其中，第一和第二套胶合透镜减小通过多个透镜投影的图像的像差。

20、如权利要求19所述的背面投影光学系统，其中，第一和第二套胶合透镜补偿通过多个透镜投影的图像的色差。

21、如权利要求16所述的背面投影光学系统，其中，第一镜和第二套胶合透镜靠近聚焦路径的后端放置。

22、一种显示设备，包括：

成像面板，用于形成图像；

屏幕，用于显示图像；

多个后透镜，其靠近成像面板放置，并包括第一套胶合透镜和第二套胶合透镜；和

多个前透镜，其靠近屏幕放置，

其中，图像沿着聚焦路径从成像面板通过多个后透镜和多个前透镜被投影到屏幕上，并且多个后透镜的位置相对于多个前透镜能够被调整。

23、如权利要求22所述的显示设备，其中，根据显示设备的深度来确定多个后透镜的位置。

24、如权利要求23所述的显示设备，其中，多个后透镜放置在多个前透镜的下面以减小显示设备的深度。

25、如权利要求24所述的显示设备，还包括反射镜，其放置在多个后透镜和多个前透镜之间的聚焦路径中，并且被有角度地定位以将通过多个后透镜投影的图像反射到多个前透镜。

26、如权利要求22所述的显示设备，其中，根据屏幕的宽度来确定多个后透镜的位置。

27、如权利要求22所述的显示设备，其中，根据经多个后透镜和多个前透镜投影的图像的像差决定多个后透镜的位置。

28、如权利要求22所述的显示设备，其中，根据图像的分辨率质量来确定多个后透镜的位置。

29、如权利要求22所述的显示设备，还包括可变光阑，其放置在多个后透镜和多个前透镜之间的聚焦路径中，并距多个后透镜预定的距离以控制光量。

30、一种将光投影到屏幕上的背面投影光学系统，包括：

前透镜组，其包括减小光畸变和像差的多个负光焦度透镜和减小光角度的多个正光焦度透镜；和

后透镜组，包括减小未被前透镜组消除的像差的第一和第二套胶合透镜，以及控制最后性能校正和光角度的折射透镜。

31、如权利要求30所述的背面投影光学系统，其中，多个负光焦度透镜根据多个负光焦度透镜之间的相互作用减小光的像差。

32、如权利要求30所述的背面投影光学系统，其中，多个负光焦度透镜中的至少一个是非球面透镜。

33、如权利要求30所述的背面投影光学系统，其中，第一和第二套胶合透镜补偿光的色差。

34、如权利要求30所述的背面投影光学系统，其中，第一和第二套胶合透镜每个包括两个由紫外胶合剂胶合在一起的透镜。

35、如权利要求34所述的背面投影光学系统，其中，第一和第二套胶合透镜每个中的两个透镜中的一个是正光焦度透镜，并且第一和第二套胶合透镜每个中的两个透镜中的另一个是负光焦度透镜。

36、如权利要求30所述的背面投影光学系统，其中，折射透镜是负光焦度透镜。

37、如权利要求30所述的背面投影光学系统，还包括可变光阑，其放置在前透镜组和后透镜组之间，并距后透镜组预定的距离以控制光量。