CN1926466B - 投影电视设备和屏幕 - Google Patents

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Abstract

提供一种正投影显示设备，包括配置为生成图像的图像生成源，适用于接收图像的广角透镜系统，及屏幕。该广角透镜系统可以配置为在第一级增加图像的畸变并在第二级减少图像的畸变。该屏幕可以配置为在第一面接收来自广角透镜系统的图像并在第一面将图像反射回观看者。在另一个实施例中，提供一种用于正投影系统的屏幕，该屏幕可以配置为接收来自陡峭角的光且可以包括任何数量的配置为反射光使其沿着所需的观看平面返回观看者的表面形貌。

Description

投影电视设备和屏幕
相关申请的交叉参考
本申请是申请号为10/222,083的部分继续申请，该申请于2002年8月16日提交，代理人案卷号为IFC.369(004589.P019)，，本申请并且是申请号为10/222,050的部分继续申请，该申请于2002年8月16日提交，代理人案卷号为IFC.368(004589.P018)，将这两个专利申请中每个的全部内容完整结合在此作为参考用于所有目的。
背景技术
存在很多将图像投影或显示在显示面上的方法。一种生成大屏幕显示的方法是使用投影设备，如投影电视。两种类型的投影电视为背投影电视和正投影电视。通常，背投影电视的组件包含在单个单元内。相反，对正投影电视来说，电视的组件可以彼此分离。例如，在某些正投影电视系统中，某些组件可以位于第一位置，而其他组件可以位于第二位置。
投影电视的组件通常包括投影机和屏幕。图像可以由投影机生成并显示在屏幕上。投影机和/或屏幕的类型或其组合会影响所显示图像的质量。
发明内容
提供一种正投影显示设备，包括配置为生成图像的图像生成源，适用于接收图像的广角透镜系统，及屏幕。该广角透镜系统可以配置为在第一级增加图像的畸变并在第二级减少图像的畸变。该屏幕可以配置为在第一面接收来自广角透镜系统的图像并在第一面将图像反射回观看者。在另一个实施例中，提供一种用于正投影系统的屏幕，该屏幕可以配置为接收来自陡峭角的光且可以包括任何数量的配置为反射光使其沿着所需的观看平面返回观看者的表面形貌。
附图说明
图1是现有的正投影显示设备的示意图。
图2是根据本发明实施例的另一个正投影显示设备的另一示意图。
图3是根据本发明实施例可用于图2的正投影显示设备中的透镜系统的框图。
图4是根据本发明实施例可用于图2的正投影显示设备中的透镜系统的示意图。
图5是根据本发明实施例可用于图2的正投影显示设备中的另一个透镜系统的示意图。
图6是用于图2的正投影显示设备的菲涅耳(Fresnel)屏幕的示意图。
图7是根据本发明实施例的图6的菲涅耳屏幕的截面图。
图8是根据本发明实施例用于图2的正投影显示设备的包括回反射镜的屏幕配置的另一个截面图。
图8A是根据本发明实施例用于图2的正投影显示设备的包括微透镜光栅的屏幕配置的另一个截面图。
图9是根据本发明实施例用于图2的正投影显示设备的包括微珠结构的屏幕配置的另一个截面图。
图10是根据本发明实施例用于图2的正投影显示设备的包括反射凸缘的屏幕配置的另一个截面图。
图11是根据本发明实施例可用于图2的正投影显示设备中的另一个透镜系统的示意图。
图12示出根据本发明实施例的具有图11所示透镜系统的投影机。
具体实施方式
下面描述结合了能够在短距离内产生大图像的光学系统的显示设备。在下面的说明中，出于解释目的，阐明了众多具体细节以提供对本发明的完整理解。然而，对熟悉本领域技术的人来说显然可以不通过这些具体细节来实施本发明。在其他示例中，以框图形式示出各种结构和设备，以使本发明更清楚。
图1示出现有的正投影显示设备。正投影显示设备100包括投影机110和屏幕120。屏幕120可以是任何适合的显示面。例如，在某些实施例中，屏幕120可以是菲涅耳屏幕。通常，屏幕120包括屏幕表面130。
在操作正投影显示设备100期间，投影机110可以配置为生成图像并将图像投影到屏幕120上。屏幕120可以反射所投影的图像并将其指向观看者(未示出)。在某些实施例中，屏幕表面130可以散射光，从而使投影的图像对观看者可见。光线140和150示出光可以从投影机110传播到屏幕120的示例路径，而光线160和170示出光在经屏幕120反射之后可以传播的示例路径。
可以使用具有可变形貌的各种类型的屏幕表面来向观看者反射图像。例如，屏幕表面可能是玻璃珠屏幕表面或凹凸的屏幕表面。玻璃珠屏幕表面通常有嵌入屏幕130表面上的透明涂层中的多个小玻璃球。这样的表面可能对某些类型的投影系统来说是不充分的，如图2中所示的系统。此外，这些基于玻璃珠的屏幕和具有凹凸表面的屏幕可能难以清洁，这会影响经这些屏幕反射的图像质量。
在某些实施例中，碰撞屏幕120的光可能被漫射回观看者，从而在光以适当的角度碰撞这些屏幕时会发生接近后向反射的现象。后向反射是这样的反射，其中光以接近光所来自的方向返回。因此，碰撞这类屏幕且几乎垂直地落在这类屏幕表面上的光会在坐在屏幕前方的观看者的方向上折返。这样的后向反射不可能使用在如图2所示的这些系统中。
图2示意性地在200处示出另一个正投影显示设备。如上所述，正投影显示设备包括投影机210和屏幕220。屏幕220可以包括屏幕表面230。
投影机210可以配置为以与水平方向成陡峭角将光投射到屏幕220上。例如，投影机210可以从屏幕220偏移，使得光以与水平成约30到80度之间的角度被投射到屏幕220上。反射角可以沿着屏幕变化。光线240和250示出光可以从投影机210传播到屏幕220的示例路径。仅为示例目的，光线240如图所示以角245经屏幕反射和漫射。角245可以是任何适合的角，如80度角。类似地，光线250如图所示以角255经屏幕反射。角255可以是任何适合的角，例如角255可以是30度角。如图1那样，光线160和170示出光在经屏幕220反射之后可以传播的路径。在这样的系统中，后向反射可能不充分无法向观看者显示图像。
在本发明的一个实施例中，投影机210可以是广角投影机。在2002年8月16日提交、申请号为10/222,050、标题为“WIDE Angle Lens System Having a DistortedIntermediate Image(具有畸变中间图像的广角透镜系统)”的美国专利申请中描述了一种可以实现在正投影系统中的示例广角系统，将该申请结合在此作为参考。
在一个示例广角系统中，如图3示意性所示，系统300可以包括中继透镜级310和广角透镜级320。中继透镜级310可以配置为生成并投影中间图像330到广角透镜级320。广角透镜级320可以配置为生成并投影修正的图像340以将其显示在屏幕350上。
中间图像330可被视为畸变图像(I(D))，从而广角透镜级接收预畸变图像。广角透镜级造成的畸变使得基本上中间图像330的所有畸变都由广角透镜级320补偿(抵消)以生成图像(I(-D))。标号(I(-D))用于指示没有中间图像畸变的图像。应理解，畸变可以作用于图像形状和/或焦点平面。
为本说明书的目的，术语“畸变”用于表示输入到预畸变系统中的原始图像的任何改变。例如，在某些实施例中，图像中的畸变包括图像的至少一部分形状改变。术语“预畸变”用于表示为补偿(即，基本上相等且相反的)广角投影系统产生的畸变而对光学图像的故意畸变。应理解，取决于预畸变图像将要补偿的下游畸变的类型，预畸变图像可以出现在各种不同的配置中。
图3中所示的系统可以包括附加的光学组件(未示出)。例如，该系统可以包括一个或多个棱镜等，以便沿着所需光路指引图像。此外，可以有一个或多个配置为提供更改的中间图像或修正的图像的透镜。
图4示出上述广角系统的一个示例实施例。如图所示，该系统可以包括适用于向透镜系统提供图像的DMD410。可以按现有技术中已知的任何方式向DMD410提供图像。DMD410可以配置为选择性地将来自任何适合光源(未示出)的光反射到透镜系统。其他类型的装置(如，微电子机械系统(MEMS)、栅状光阀(GLV)、液晶显示器(LCD)、硅上液晶装置(LCOS))也可以用于向透镜系统提供图像。
虽然可以使用其他装置来向透镜系统提供图像，但在所示实施例中，棱镜420将图像指向中继透镜组430。中继透镜组430将来自棱镜420的图像投影到棱镜440并畸变该图像，这样中间棱镜440接收到故意畸变的中间图像。
在一个实施例中，中继透镜组420包括9个透镜，然而，基于例如所需的中间图像畸变，或透镜系统的总体尺寸，可以使用任何数量的透镜。将要由中继透镜组430造成的畸变可以与广角透镜组450造成的畸变相等并相反。在一个实施例中，中间图像是弯曲的图像平面中近似半圆的图像。在可选实施例中，可以使用其他类型的畸变。例如，如果使用完整的透镜视场，则畸变中间图像将是基本上圆的图像。图像平面可以弯曲，也可以不弯曲。
中间棱镜440可以提供图像路径的90°折叠。如下文中参考图5所述，该折叠不是必须的。或者，可以使用其他的折叠角，例如45°、30°、135°、180°等。此外，如图11-13所示及在下文中更详细的说明，可以使用多个折叠。广角透镜组450将畸变中间图像投影到屏幕上用于显示。因为广角透镜组450给要投影的图像造成畸变且中间图像已由中继透镜组430预畸变，所以由透镜系统投影的结果图像只有很少的畸变或没有畸变。在一个实施例中，中继透镜组430、广角透镜组450和任何关联的棱镜造成的总畸变可以低于3％。
在一个实施例中，可以对齐中继透镜组430中各透镜的光轴。类似地，也可以对齐广角透镜组450中各透镜的光轴。通常，广角透镜组提供大于100°的视场角度。在一个实施例中，视场角度为153°，然而，可以提供任何其他角度。在某些实施例中，广角透镜组450的光轴与屏幕正交，从而没有梯形失真或梯形畸变。
图5示出具有畸变中间图像的广角透镜系统的另一个实施例。除了图5的透镜系统并未折叠之外，图5的透镜系统类似于图4的透镜系统。即，广角透镜系统450与中继透镜系统430同轴。图5的透镜系统不包括中间棱镜。如果需要，也可以包括中间棱镜。
如上所述，可以将图像投影到屏幕上。在某些实施例中，屏幕可以是菲涅耳透镜的一部分。图6示出具有示例截面轮廓的菲涅耳透镜600，示例截面轮廓如610所示可以用作屏幕，当然也可以使用其他截面。所要使用的透镜部分的尺寸和形状对应于显示设备的屏幕尺寸和形状。
在一个实施例中，菲涅耳透镜600可以包含很多具有一个或多个预先确定的槽角的同心槽。可能存在具有不同槽角的区域或环带。制造和使用具有槽角的菲涅耳透镜的方法在现有技术中是已知的。
图7示出用在正投影系统中的屏幕的截面轮廓。如示意性所示，屏幕700可以是在屏幕表面上具有多个槽(峰)的菲涅耳透镜。每个槽都包括配置为如730所示朝向观看者反射碰撞光(输入光)720的反射小平面710。这样的配置可以适应从陡峭角接收的光，如在图2所示的系统中那样。应注意，槽角和反射角可以变化以适应输入光的角度。此外，槽的反向上表面可以适于防止散射光被反射向观看者。
应理解，槽可以很大，以便允许清洁各小平面而不损坏屏幕表面。在某些实施例中，屏幕的表面可以带有电荷，以排斥聚集在屏幕表面上的灰尘和其他污染物。例如，可以提供用户可选择的装置其允许通过屏幕表面发送电荷，来除去屏幕表面上的任何灰尘。也可以提供其他方法来清洁屏幕700。例如，可以使用强制通风来清洁屏幕，包括使用空气过滤罐或空气帘。
可以使用其他类型的屏幕表面和屏幕来适应如图2所示的陡峭角投影机。例如，屏幕可以是微透镜屏幕。微透镜屏幕可以包括间隔很近地放置到一起的多个非常小的半圆柱形透镜(微透镜)。在某些实施例中，微透镜屏幕可以是单面反射屏幕，类似于图7对菲涅耳屏幕所示的配置。因此，虽然图7是相对于菲涅耳透镜的使用来描述的，但应理解，该透镜可以是微透镜屏幕。光可以按陡峭角碰撞此类微透镜屏幕的表面并沿着水平或其他所需平面被反射到观看者。
图8在800处示出用于正投影系统的屏幕的另一个实施例。该屏幕可以是单面菲涅耳透镜或线性棱镜光栅且可以在屏幕背面包括反射镜810或类似的反射表面。输入光820可以穿过透镜的表面830且可被轻微地折射，见840。折射光840然后可以经反射表面(如，反射镜)810反射并通过屏幕改变方向返回。反射光850可以朝向观看者穿过透镜的背面860，如870所示。
在类似的实施例中，如图8A所示，屏幕可以是微透镜光栅，如860所示。光870可以穿过微透镜的表面，经轻微地折射、由后壁反射，然后通过另一个微透镜后改变方向返回。
在又一个实施例中，微透镜屏幕可以是双面的。例如，微透镜屏幕的正面可以包括水平微透镜其配置为改变光的垂直方向。而屏幕的背面可以包括垂直微透镜其配置为改变光的水平分布。
图9在900处进一步示出另一个实施例，其中屏幕表面包括多个玻璃珠类型的结构。这些玻璃珠可以配置为根据输入光的进入角度来改变光的方向。因此，珠子的形状可以根据接收的输入光的角度依赖于珠子的位置而变化。例如，在图9中，输入光910和920被指向屏幕900。输入光910和920分别碰撞珠子930和940。珠子930和940可以配置为将光的方向改变为在水平面上向外朝向观看者(分别由950和960所示)。应理解，光进入珠子的入角可以沿着屏幕的垂直轴变化。珠子的折射和反射特性可以与各个入角相关联。
图10进一步示出另一个屏幕表面1000。如图所示，该屏幕可以具有多个反射凸缘或其他适合的表面拓扑结构。凸缘可以配置为接收来自非常陡峭的角度的输入光线1010和1020并指引光沿着水平面返回观看者，分别如光线1030和1040所示。
上述屏幕可以配置为接收来自陡峭角的光，例如来自上述的广角透镜系统。每个屏幕此外还可以配置为具有适用于反射光使其沿着水平面或其他适合的观看面返回观看者的表面形貌。
应理解，可以确定上述屏幕表面中每个的尺寸来防止对图像的焦点造成任何明显的干扰。此外，应注意，上述表面可以配置为非常耐用，使得屏幕可以适应用户的操作和触摸。另外，屏幕表面可以配置为易于清洁。例如，可以将涂层和其他表面处理应用于屏幕表面来减少静电、灰尘等和/或保护表面。此外，槽和其他表面形貌可以具有较大的尺寸以使表面容易清洁。在某些实施例中，屏幕表面可以包括防静电涂层和其他表面处理来增强图像质量和屏幕的耐用性。
图11进一步示出另一个示例透镜系统，该系统总地由1100指出。在示例透镜系统中，图像路径包括多个折叠。具体来说，指引图像路径通过第一中继透镜组1110，通过变向光学组件1120、1130到达广角透镜系统1140。在所示配置中，光(图像路径)被改变方向超过180度。可以使用任何适合的光学排列来改变光的方向。在示例实施例中，可以使用两个折叠反射镜或棱镜1120、1130，从而光的方向改变约180度。可以使用其他光学装置和数次图像路径折叠而不偏离本发明的范围。例如，可以使用棱镜和/或反射镜的其他组合来改变图像方向达180度或更多。多折叠排列将光方向反向，从而输出光被改变方向为与输入光在相同或基本上相同的方向上(只是水平面不同)。
如上述透镜系统那样，图11中的透镜系统可以配置为产生畸变中间图像。中间图像的畸变可以使用广角透镜级来修正，广角透镜级可以产生基本上与中间图像畸变的畸变相等并相反。在某些实施例中，如上文中所述，可以通过使用中继透镜级来产生中间图像的畸变。
这些透镜系统中的每个都可被视为具有预畸变系统，如中继透镜级，其配置为从原始图像产生预畸变图像(或中间图像)。透镜系统还可被理解为具有接收投影系统，如广角透镜系统，其配置为接收预畸变图像并畸变该图像以基本上抵消预畸变图像中的预畸变，并投影对应于原始图像的实质上不畸变的图像。
透镜系统可以配置为将来自广角透镜级的图像1150指向屏幕。在某些实施例中，透镜系统可以配置为以陡峭角将图像指向屏幕。例如，透镜系统可以配置为以30到80度的角度将光指向屏幕。光可以在第一面上碰撞屏幕并在屏幕的同一面(第一面)上改变方向返回观看者。任何适合的屏幕，如上述的那些，都可用于接收来自透镜系统的图像。
图12在1200处进一步示出透镜系统(如图11所示)结合投影机1210的使用。如图所示，透镜系统1220可以连接到投影机。例如，透镜系统可以可移动地连接到投影机。或者，透镜系统可以集成到投影机中。使用多折叠系统可以减小透镜的长度，产生更加紧凑的系统。透镜在投影机上的方向允许投影机的主体定位在紧靠墙壁处。这样的配置可以减少投影机在操作时所需的摆放空间，同时仍然提供透镜系统所需的最小投射距离。例如，图12的投影机可以放置在距墙壁2至10英寸的地方，而同时产生非常大的50英寸到100英寸的图像。
图12的系统此外还向上偏移显示设备。某些现有的显示系统在显示设备向下偏移时所显示的图像向上偏移高于投影机的平面，与之相反，本发明的系统设置为为使图像向上偏移则向上偏移显示设备。例如，在本发明的系统的某些实施例中，透镜系统产生的中间图像可能需要偏移。例如，在图12中，折叠透镜并使光反向可以用于将显示偏移到所需位置。
应认为，上文中阐明的公开内容包括可独立使用的多个不同的发明。虽然这些发明中的每个都以其较佳形式公开，但在本文中公开和示出的其具体实施例不应被视为是限制性的，因为可能存在大量的变体。本发明的主题包括在此公开的各种元素、特征、功能，和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合及子组合。在这些权利要求引用“一个”元素或“第一”元素或其等价时，这些权利要求应被理解为包括对一个或一个以上这种元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这种元素。
在说明书中提及“一个实施例”或“实施例”的是指描述的与该实施例有关的特定特征、结构，或特性包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中各处的出现不一定全部都指同一实施例。
在上述说明书中，已参考其具体实施例描述了本发明。然而，很显然，可以对其做出各种修改和改变而不偏离本发明更广泛的精神和范围。因此，说明书和附图应被视为是说明性而非限制性的。

Claims (26)

1.一种正投影显示设备，包括：
基本上为平面的正投影屏幕；及
广角透镜系统，其具有产生畸变中间图像的第一级，及造成畸变以基本上抵消所述中间图像的畸变并以大于100度的视场角度将对应于所述中间图像的基本上无畸变的图像投影到所述基本上为平面的正投影屏幕上的第二级，所述第二级为广角透镜级。
2.如权利要求1所述的正投影显示设备，其特征在于，所述第一级的光轴和所述第二级的光轴形成90度角。
3.如权利要求1所述的正投影显示设备，其特征在于，所述第一级的光轴和所述第二级的光轴形成180度角。
4.如权利要求1所述的正投影显示设备，其特征在于，所述广角透镜级配置为以30到80度之间的角度向所述屏幕投射光。
5.如权利要求1所述的正投影显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕配置为接收来自30到80度的角的图像并反射光使其沿着基本20上水平的平面返回。
6.如权利要求1所述的正投影显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕是菲涅耳透镜。
7.如权利要求1所述的正投影显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕是单面微透镜屏幕。
8.如权利要求1所述的正投影显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕是玻璃珠屏幕。
9.如权利要求1所述的正投影显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕包括多个反射凸缘。
10.一种正投影系统，包括：
第一级，以产生畸变中间图像；及
第二级，所述第二级为广角透镜级，其造成畸变以基本上抵消所述中间图像的畸变并以大于100度的视场角度将对应于所述中间图像的基本上无畸变的图像投影到基本上为平面的正投影屏幕上，其中配置所述第一级和所述广角透镜级，使得在图像从第一级传播到第二级时使图像传播路径相反。
11.如权利要求10所述的正投影系统，其特征在于，所述广角透镜级配置为将所述无畸变的图像以30到80度的角投影到屏幕上。
12.一种显示设备，包括：
基本上为平面的正投影屏幕；
预畸变系统，以从原始图像产生预畸变图像；及
投影系统，其造成畸变以基本上抵消所述预畸变图像的预畸变并以大于100度的视场角度将对应于原始图像的基本上无畸变的图像投影到所述基本上为平面的正投影屏幕上。
13.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述投影系统包括广角20透镜。
14.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述预畸变系统包括中继透镜组。
15.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述预畸变系统的光轴和所述投影系统的光轴形成180度角。
16.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述投影系统配置为以30到80度之间的角度向所述屏幕投射光。
17.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕配置为接收来自30到80度的角的图像并反射光使其沿着基本上水平的平面返回。
18.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕是单面微透镜屏幕。
19.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕是玻璃珠屏幕。
20.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕包括多个反射凸缘。
21.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕包括用于将所述图像反射回观看者的反射表面。
22.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕在向观看者输出图像的同一面上接收图像。
23.如权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕包括将图像改变方向返回观看者的反射背面。
24.一种正投影显示设备，包括：
图像生成源，配置为生成图像；
广角透镜系统，适用于接收图像并配置为在第一级增加图像的畸变并在第二级减少图像的畸变，并以大于100度的视场角度投影基本上无畸变的图像；及
基本上为平面的正投影屏幕，配置为在第一面接收来自所述广角透镜系统的图像并从第一面将图像反射回观看者。
25.如权利要求24所述的正投影显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕配置为以30到80度的角接收光。
26.如权利要求24所述的正投影显示设备，其特征在于，所述基本上为平面的正投影屏幕包括反射表面。
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