CN1717927B - 用于成像器到成像器中继的透镜系统 - Google Patents

用于成像器到成像器中继的透镜系统 Download PDF

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Abstract

一种用在两级投影系统中的透镜系统，逐个像素地将从第一成像器输出的光中继到第二成像器上。所述透镜系统包括双高斯透镜组，对于在大约15.4平方微米内所投影的特定像素的光能量的至少大约90％，具有小于大约0.015％的失真。

Description

用于成像器到成像器中继的透镜系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2002年12月4日递交的、题为“LENS DESIGN FOR LCOSTO LCOS RELAY”的美国临时专利申请序列号No.60/430,995(代理卷号PU020473)的优先权，其全部在此一并作为参考。
技术领域
本发明大体上涉及一种用在投影系统中的透镜系统，更具体地，涉及一种低失真的1对1投影透镜，用于在两级投影仪结构中，将来自第一成像器的图像投影到第二成像器上。
背景技术
液晶显示器(LCD)、尤其是利用反射光引擎或成像器的、硅上液晶(LCOS)系统正在逐渐成为入背投电视(RPTV)等成像设备的主流。在LCOS系统中，通过偏振分束器(PBS)对所投影的光进行偏振，并将其引向包括像素矩阵的LCOS成像器或光引擎。在整个说明书中，与现有技术的实际相一致，术语像素用于表示图像的小区域或点、光传输的相应部分、以及产生所述光传输的成像器部分。
成像器的每个像素根据输入成像器或光引擎的灰度级因子对入射到其上的光进行调制，以形成离散调制光信号或像素矩阵。从成像器反射或输出调制光信号矩阵，并送往投影透镜系统，其将调制光投影到显示屏幕上，对光像素进行组合，以形成可视图像。在此系统中，从像素到像素的灰度级变化受到用于处理图像信号的比特数的限制。从亮状态(即，最大光)到暗状态(即，最小光)的对比度受到成像器中光泄漏的限制。
现有LCOS系统的主要缺点之一在于难以减少暗状态下的光量，从而导致其难以提供卓越的对比度。这部分上是由于LCOS系统所固有的光泄漏。
此外，由于输入是固定比特数的(例如，8、10等)，其必须描述光的全标度，于是倾向于非常少的比特能够用于描述图像的暗区域中的细微差别。这可能会导致轮廓假像。
一种增强LCOS在暗状态下的对比度的解决方案是利用COLORSWITCHTM或类似的设备，根据特定帧中的最大值，对整幅画面进行定标。这样做改进了一些画面，但对于包含高和低光电平的画面来说几乎没有作用。解决此问题的其他尝试涉及做出更好的成像器等，但最多只是额外的改进。
所需的是一种投影系统，其增强了视频图像的对比度，尤其是在暗状态下，并减少了轮廓假像。
发明内容
本发明提供了一种透镜系统，配置用于在两级投影仪结构中，逐个像素地将来自第一成像器的图像投影到第二成像器上。为了逐个像素地将来自第一成像器的图像投影到第二成像器上，根据本发明的实施例，设置双高斯透镜系统，具有小于大约0.015％的失真，以及将第一成像器上大约15.4平方微米内的特定像素的光能量的至少大约90％投影到第二成像器上。在本发明的典型实施例中，将透镜系统的放大率非常精确地控制在大约-1，并在透镜系统的输入和输出处保持远心(telecentricity)。
附图说明
现在，将参照附图对本发明进行描述，其中：
图1示出了根据本发明实施例的典型透镜系统；
图2示出了图1所示的透镜系统的计算失真；以及
图3示出了图1所示的透镜系统的计算包围矩形能量。
具体实施方式
本发明人已经确定：通过将第一成像器的输出投影到第二成像器上、从而将第一成像器中特定像素的输出投影到第二成像器中相应的像素上，可以提供具有增强对比度和减小轮廓效应的投影系统。本发明人已经确定：此两级结构需要具有非常低的失真和较高包围矩形能量(ensquared energy)的透镜系统。来自第一成像器上的像素的光必须置于其相应像素的中心。而且，大部分光必须落入相应像素的区域内。
本发明提供了一种用在两级投影结构中的低失真、高包围矩形能量的中继透镜系统。在本发明的典型实施例中，设置双高斯透镜系统，用于将来自第一成像器的光中继到第二成像器60，失真小于0.015％，而且将来自第一成像器50的特定像素的光能量的至少90％投影到第二成像器上大约15.4平方微米上。如图1所示，典型的两级投影系统包括第一成像器50和第二成像器60，具有设置在成像器50、60之间的两个偏振分束器(PBS)71、72和透镜组或透镜系统80，用于逐个像素地将来自第一成像器50的光图像中继到第二成像器60的相应像素上。
如图1所示，典型中继透镜系统80包括第一消球差透镜81和第一消色差透镜82，位于第一PBS 71和透镜系统的焦点或系统光阑83之间。在系统光阑83和第二成像器72之间，透镜系统80包括第二消色差透镜84和第二消球差透镜85。第一消球差透镜81具有第一表面81a和第二表面81b，将来自第一PBS 71的发散光图案弯曲为向透镜系统80的光轴会聚的光图案。第一消色差透镜82具有第一表面82a、第二表面82b和第三表面82c，将来自第一消球差透镜81的会聚光图案聚焦到系统光阑83上。在系统光阑83处，光图案反转并发散。具有第一表面84a、第二表面84b和第三表面84c的第二消色差透镜84是第一消色差透镜82的镜像(即，将相同的透镜向后反转，从而使第二消色差透镜84的第一表面84a等价于第一消色差透镜82的第三表面82c，以及第二消色差透镜84的第三表面84c等价于第一消色差透镜82的第一表面82a)。第二消色差透镜84的表面84a、84b和84c将发散光图案分布到第二消球差透镜85上。具有第一表面85a和第二表面85b的第二消球差透镜85是第一消球差透镜81的镜像。表面85a和85b对光图案进行弯曲，从而使其会聚并形成第二成像器72上的反转图像，其具有与来自第一成像器50的物体或像素矩阵一一对应的关系。对中继透镜系统80的表面进行配置，以便与成像器50、60和PBS71、72一起工作，从而实现第一成像器50和第二成像器60的像素的一一对应。在表1中给出了对典型的两级投影系统30的表面的总结，以及在表2中给出了表面81a、81b、85a和85b的非球面系数。这些典型的透镜表面由发明人利用ZEMAXTM软件和发明人所确定的新型特性而研发。可以根据以下因素对此典型投影系统进行多种修改：成本、尺寸、亮度级和其他设计因素。在中继透镜系统80中，消色差透镜82和84是等价的，消球差透镜81和85是等价的。因此，需要较少的惟一部件，提高了制造效率，并降低了成本。而且，典型透镜系统80的消色差透镜82、84包括廉价的光学玻璃(SF15的成本大约是BK7的成本的2.25倍，以及BAK2的成本大约是BK7的成本的1.85倍)。(SF15、BK7和BAK2可以从纽约的Schott Corporation of Yonkers购得。)
表1(以mm为单位)
  器件   表面   类型   半径   厚度   玻璃   直径   圆锥度
  50   物体   std   无限   11.25436   0
  71   第二(71b)   std   无限   28   SF2   24.07539   0
  71   第三(71c)   std   无限   11.44304   29.59782   0
  81   第一(81a)   evenasph   45.72373   11.60359   BAK2   40   -0.941321
  81   第二(81b)   evenasph   -29.74398   1.061985   40   -2.3008002
  82   第一(82a)   std   16.45201   9.507266   BAK2   28   -0.003454099
  82   第二(82b)   std   696.8212   6.993905   SF15   28   0
  82   第三(82c)   std   10.75055   6.389217   14   0
  83   光阑   std   无限   6.389217   10.09268   0
  84   第一(84a)   std   -10.75055   6.993905   SF15   14   0
  84   第二(84b)   std   -696.8212   9.507266   BAK2   28   0
  84   第三(84c)   std   -16.45201   1.061985   28   -0.003454099
  85   第一(85a)   evenasph   29.74398   11.60359   BAK2   40   -2.300802
  85   第二(85b)   evenasph   -45.72373   11.44304   40   -0.941321
  72   第一(72a)   std   无限   28   SF2   31.9247   0
  器件   表面   类型   半径   厚度   玻璃   直径   圆锥度
  72   第二(72b)   std   无限   11.25436   25.06428   0
  60   图像   std   无限   20.44114   0
表2
  系数   表面81a、85b   表面81b、85a
r<sup>2</sup>   -2.5672672e-005   -2.5672139e-005
r<sup>4</sup>   -3.6464646e-007   -4.6458644e-007
r<sup>6</sup>   -1.3360629e-009   -5.3232556e-010
r<sup>8</sup>   2.2079531e-012   9.3458426e-O13
r<sup>10</sup>   4.0274312e-019   -2.9875722e-019
r<sup>12</sup>   3.2408025e-022   8.6192792e-022
r<sup>14</sup>   -4.2302691e-024   5.022829e-024
r<sup>16</sup>   -1.3350251e-026   1.9281194e-026
在第一光矩阵5离开中继透镜系统80之后，其通过第一表面72a进入第二PBS 72。第二PBS 72具有偏振表面，将s偏振第一光矩阵5通过第二表面72b反射到第二成像器60上。在典型实施例中，如图1所示，第二成像器60是LCOS成像器，其针对每个单独的像素，逐个像素地、与提供给第二成像器60的灰度级数值成正比地调制先前已经调制过的第一光矩阵5。第二成像器60上的像素逐个像素地对应于第一成像器50的像素和显示图像的像素。因此，对于第二成像器60的特定像素(i，j)的输入是来自第一成像器50的对应像素(i，j)的输出。
在发明人所设计的系统约束条件下，利用ZEMETTM软件包来设计表1和表2中所总结的透镜系统80。透镜系统80的计算失真和包围矩形能量分别如图2和图3所示。失真小于0.015％，使从第一成像器50中的特定像素(i，j)输出的光被中继或投影到第二成像器60中的对应像素(i，j)上，例如，针对该像素(i，j)，允许通过提供给第一成像器50和第二成像器60的数值的组合来调制视频图像。将来自第一成像器50的光能量高度包围在矩形内，将从第一成像器50上的特定像素(i，j)输出的光能量的至少90％投影到第二成像器60上15.4平方微米的区域上。由于典型的LCOS成像器的像素尺寸是12微米，来自第一成像器50上的特定像素(i，j)的大部分光将落在第二成像器60上的相应像素(i，j)上。
当成像器50、60具有相同尺寸并逐个像素地将来自第一成像器50的图像投影到第二成像器60上时，一对一透镜系统的放大率应当近似为-1.0。根据ZEMAXTM软件的计算，典型的透镜系统80提供了-0.99977的放大率。
典型的透镜系统80还提供了不大于2.8的较低F数，更具体地，计算出的F数大约为2.198。需要此较低的F数，以确保观看屏幕的足够亮度。典型的透镜系统80还是紧凑的，成像器50、60之间的总体距离大约为161.25mm。此总体长度是透镜系统的多个表面的厚度值的和，厚度值是到下一表面的直线距离。
而且，因为输入投影系统的光是远心的，而且投影透镜需要远心的图像，透镜系统80必须是高度远心的。对于典型透镜系统80的投影图像的中心的主光线所计算出的最大偏差是输入角1.03度、输出角1.00度。
前面描述了实现本发明的一些可能。在本发明的范围和精神内，多种其他实施例也是可能的。因此，倾向于将前面的描述看作示例性的而非限制性的，并且本发明的范围由所附权利要求及其等价物的全部范围给出。

Claims (15)

1.一种用在投影系统中的透镜系统，用于逐个像素地将从第一成像器输出的光中继到第二成像器上，所述透镜系统包括双高斯透镜组，具有小于0.015％的失真，并且将特定像素的光能量的至少90％投影在15.4平方微米内，其中所述双高斯透镜组由围绕对称消色差透镜对的对称消球差透镜对构成。
2.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于所述双高斯透镜组具有-0.9997和-1.0003之间的放大率。
3.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于所述双高斯透镜组具有输入和输出角偏差小于1.05度的远心性。
4.根据权利要求3所述的透镜系统，其特征在于所述双高斯透镜组具有输入角偏差小于1.03度、输出角偏差小于1.0度的远心性。
5.根据权利要求3所述的透镜系统，其特征在于所述消色差透镜包括光学玻璃。
6.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于第一和第二成像器之间的总距离小于165mm。
7.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于第一和第二成像器之间的总距离为161.25mm。
8.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于所述双高斯透镜组具有不大于2.8的F数。
9.一种用在投影系统中的成像器到成像器中继透镜系统，包括由一对等价消色差透镜和一对等价消球差透镜构成透镜组，定位并配置所述透镜组，以便将从第一成像器上的特定像素输出的光投影到第二成像器上的相应像素上。
10.根据权利要求9所述的成像器到成像器中继透镜系统，其特征在于所述中继透镜系统的总失真小于0.015％，并且将特定像素的光能量的至少90％投影在15.4平方微米内，所述中继透镜系统还具有-0.9997和-1.0003之间的放大率。
11.根据权利要求9所述的成像器到成像器中继透镜系统，其特征在于所述透镜组具有输入和输出角偏差小于1.05度的远心性。
12.根据权利要求11所述的成像器到成像器中继透镜系统，其特征在于所述透镜组具有输入角偏差小于1.03度、输出角偏差小于1.0度的远心性。
13.根据权利要求9所述的成像器到成像器中继透镜系统，其特征在于第一和第二成像器之间的总距离小于165mm。
14.根据权利要求9所述的成像器到成像器中继透镜系统，其特征在于第一和第二成像器之间的总距离为161.25mm。
15.根据权利要求9所述的成像器到成像器中继透镜系统，其特征在于所述双高斯透镜组具有不大于2.8的F数。
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