CN1847906A - 数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头 - Google Patents

Abstract

本发明属于数码投影显示单元中视场扩展的光学镜头设计领域，特别是一种数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头。它设置在投影物镜和屏幕之间，由二个镜片组成的一个光学组合；其中，近屏幕一侧为正透镜，另一个为负透镜。通过上述手段达到16∶9向4∶3格式转换目标，在同一机型上实现16∶9与4∶3二种显示格式的兼容。

Description

数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头

技术领域：

本发明属于数码投影显示单元中视场扩展的光学镜头设计领域，特别是一种数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头。

背景技术：

二十世纪九十年代，数码显示投影技术已在国际投影显示领域，以其高清晰度，丰富逼真的色彩表现力，对早期的CRT投影技术，完成了由技术竞争至取而代之的过程。

数码显示投影技术的不断提高，引发出多品种多规格产品的高度发展。就显示格式而言，由传统的4∶3格式，进而演变出16∶9宽幕电影显示格式，配以高保真音响，实现了大屏幕数字电视的电影化。而4∶3显示格式，依然以其传统的方式在许多领域中，以其无可替代的特点，显示着自身的魅力。(如大屏幕电视墙系统、电化教学设备、大屏幕仪器显示终端、大屏幕监控设施等)。

因此，对数码投影显示的核心—数码光学引擎的设计带来了一个新的课题，即如何在同一机型上实现16∶9与4∶3二种显示格式的兼容。

发明内容：

本发明的目的是提供一种数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头，达到16∶9向4∶3格式转换目标，在同一机型上实现16∶9与4∶3二种显示格式的兼容。

为实现上述发明目的，本发明是这样实现的：

一种数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头，其特征在于：它设置在投影物镜和屏幕之间，由二个镜片组成的一个光学组合；其中，近屏幕一侧为正透镜，另一个为负透镜。

该正透镜含有一个或二个非球面，该非球面的计算公式为：

$\mathrm{SAG}\left(Z\right)=\frac{Y^2}{R[1+\sqrt{1-(1+K)(Y^2/R^2)}]}$

其中：R—半径；

      Y—非球面上各点离Z轴方向的距离；

      K—二次曲线常数。

光学间隔d1须满足条件：0.1|f₀’|≤d1≤2.5|f₀’|；

光学间隔d3须满足条件：0.1|f₀’|≤d3≤3.5|f₀’|；

光学间隔d4须满足条件：0≤d4≤1.5|f₀’|。

正透镜的焦距f₈’须满足条件：20|f₀’|＜|f₈’|＜200|f₀’|；

负透镜的焦距f₉’须满足条件：3|f₀’|＜|f₀’|＜15|f₀’|；

f₀’为原投影物镜焦距。

投影距的变化范围定为 $\frac{|L-1|}{L}\≤8\%;$

L为16∶9投影格式时投影物镜近屏幕一侧镜片中心顶点至屏幕的距离，I为转换镜头近屏幕侧镜片的中心顶点至屏幕的距离。

本发明的设计方案较之传统的视场扩展光学系统设计其优点在于：

1、本系统的畸变值很小，在相同视场扩展倍率的情况下，较好的传统设计一般相对畸变＞5％，而本发明的设计，畸变值＜1％，而且可根据原投影物镜畸变值的类型是正或负，采取补偿方法予以一定程度修正。

2、该设计一般用于广角光学系统，而本设计较之传统的设计对中心0.5视场以外区域的鉴别率下降控制具有明显优势。

3、优良的光均匀性。本发明对原图像的均匀性不产生衰减。

4、不改变原投影光学系统的远心光路设计。

附图说明：

图1是数码投影显示单元中的16∶9显像芯片示意图。

图2是16∶9芯片显示4∶3格式时的示意图。

图3是16∶9投影格式成像光学系统示意图。

图4是16∶9转换为4∶3投影格式的成像光学系统示意图。

图5是图4中转换镜头的光学结构简图。

图6是转换镜头与原投影物镜的相对位置示意图。。

具体实施方式：

本发明提供一种将数码显示投影视场扩展，而又使像质保持基本不变的光学转换镜头的设计。数码显示一般都由数码信号输入光学引擎后，在显像芯片上产生一个动态图像，该图像通过投影物镜投向屏幕形成一个放大的图像。

由16∶9显示图像一般以长宽比M∶N＝16∶9的显像芯片来实现。图1中1为该显像芯片，其中心斜线部分；2为有效显像区域，长为M，宽为N，对角线为H。

4∶3显示格式可在16∶9显像芯片中取其有效显像区域中间部分进行显像。图2为该格式芯片的显像示意图，中间斜线部分3为4∶3格式的有效显像区域，与16∶9格式对比不同的是：有效显像区域的长由M变为m，宽N不变，对角线由H变为h，即满足M∶N＝4∶3的条件。

为了使4∶3的缩小后的显示图像，仍然达到与16∶9对角线尺寸相等的投影图像，同时又满足下列条件：

1、投影物镜相对孔径不变。

2、投影距离变化不大，即 $\frac{|L-1|}{L}\≤8\%$

图3为原16∶9投影格式光学系统示意图。

图4为转换为4∶3投影格式光学系统示意图。

图3中，显像芯片1上的有效图像高度为H(即对角线)，该图像光线通过棱镜组4，经16∶9投影物镜5，投射至屏幕6上成像(16∶9)，屏幕6上图像对角线尺寸为A，投影距离(投影物镜5近屏幕一侧镜片中心顶点至屏幕的距离)为L。

图4中，显像芯片1上的有效图像高度为h(即对角线)，该图像光线通过棱镜组4，经16∶9格式投影物镜5及转换镜头7，投射至屏幕6成像(4∶3)，屏幕6图像对角线尺寸为a不变(A＝a)，而投影距离(转换镜头7近屏幕侧镜片的中心顶点至屏幕的距离)为I。

图5所示为转换镜头7的光学结构图。转换镜头7的光学结构图有二个：一个是位于近屏幕方的正透镜8，另一个是位于正原投影物镜方的负透镜9，图中S1、S2、S3、S4为所示各通光面的代号，d1、d2、d3、d4为所示各个光学间隔，其中d4为透镜9至原投影物镜5的外侧镜片的中心距。透镜8为一个含有非球面的正透镜，其二个面S1、S2中至少有一个非球面，透镜9为二个球面的负透镜。透镜8的非球面各点延Z轴(光轴)方向离顶点的距离符合公式：

$\mathrm{SAG}\left(Z\right)=\frac{Y^2}{R[1+\sqrt{1-(1+K)(Y^2/R^2)}]}$

其中：R—半径

      Y—非球面上各点离Z轴方向的距离

      K—二次曲线常数

透镜8的焦距须满足条件：20|f₀’|＜|f₈’|＜200|f₀’|

注：f₀’为原投影物镜焦距。

透镜9的焦距须满足条件：3|f₀’|＜|f₉’|＜15|f₀’|

光学间隔d1须满足条件：0.1|f₀’|≤d1≤2.5|f₀’|

光学间隔d3须满足条件：0.1|f₀’|≤d3≤3.5|f₀’|

光学间隔d4须满足条件：0≤d4≤1.5|f₀’|

在DLP光学引擎16∶9格式的投影物镜前(见图6)，加置一个本发明设计的转换镜头光组。

其中，原显示芯片对角线H＝20.1mm(见图1、3)

      投影物镜焦距    f’＝12.9mm

      投影图像对角线  A＝56.7”(见图3)

      投影距          L＝902.4mm(见图3)

加上一个由16∶9向4∶3格式转换镜头7(见图4)，该转换镜头各参数为：

S1—非球面，计算公式：

$\mathrm{SAG}\left(Z\right)=\frac{Y^2}{R[1+\sqrt{1-(1+K)(Y^2/R^2)}]}$

S2非球面，计算公式：

$\mathrm{SAG}\left(Z\right)=\frac{Y^2}{R[1+\sqrt{1-(1+K)(Y^2/R^2)}]}$

S3—球面，

S4—球面，

d1＝12mm

d2＝8.85mm

d3＝6mm

d4＝2mm

透镜8：  nd＝1.74693

         v＝50.95

透镜9：  nd＝1.78831

         v＝47.39

由上表可见：

1、加本发明设计的镜头，由16∶9转为4∶3格式后，在投影距不变的条件下，能保证图像大小不变。

2、在畸变方面，比原投影格式更好，更为明显的是大大超过了传统设计的视场扩展镜头。

3、在MTF值方面：在某些视场略低于原投影格式，但差距并非十分显著。与传统设计的扩展镜头相比在0.5及0.5以外的视场则明显地体现出本发明的优势所在。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (5)

1、一种数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头，其特征在于：它设置在投影物镜和屏幕之间，由二个镜片组成的一个光学组合；其中，近屏幕一侧为正透镜，另一个为负透镜。

2、根据权利要求1所述的数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头，其特征在于：该正透镜含有一个或二个非球面，该非球面的计算公式为：

$\mathrm{SAG}\left(Z\right)=\frac{Y^2}{R[1+\sqrt{1-(1+K)(Y^2/R^2)}]}$

其中：R-半径；

Y-非球面上各点离Z轴方向的距离；

K-二次曲线常数。

3、根据权利要求1所述的数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头，其特征在于：

光学间隔d1须满足条件：0.1|f₀’|≤d1≤2.5|f₀’|；

光学间隔d3须满足条件：0.1|f₀’|≤d3≤3.5|f₀’|；

光学间隔d4须满足条件：0≤d4≤1.5|f₀’|。

4、根据权利要求1所述的数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头，其特征在于：

正透镜的焦距f₈’须满足条件：20|f₀’|＜|f₈’|＜200|f₀’|；

负透镜的焦距f₉’须满足条件：3|f₀’|＜|f₉’|＜15|f₀’|；

f₀’为原投影物镜焦距。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的数码投影显示单元不同显示模式等视场、投影距转换镜头，其特征在于：投影距的变化范围定为 $\frac{|L-1|}{L}\≤8\%;$

L为16:9投影格式时投影物镜近屏幕一侧镜片中心顶点至屏幕的距离，l为转换镜头近屏幕侧镜片的中心顶点至屏幕的距离。

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