專利名稱：寬視角和高分辨率的背面投影光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體構(gòu)思涉及一種使用投影式圖像顯示設(shè)備的投影光學(xué)系統(tǒng)，更具體地講，涉及一種配置成足夠短的投影距離以實現(xiàn)寬視角和高分辨率的背面投影透鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
最近，由于對圖像顯示設(shè)備的寬視角和高分辨率的需求，所以通過使用投影光學(xué)系統(tǒng)將小尺寸圖像投影并放大到大屏幕上的圖像投影裝置迅速發(fā)展起來。特別是將圖像信號從屏幕的背面投影的背面投影裝置被廣泛用于投影電視。
傳統(tǒng)的背面投影裝置包括光源；液晶顯示器(LCD)或數(shù)字微鏡器件(DMD)面板，其作為通過使用光源發(fā)出的光形成圖像的顯示裝置；屏幕；和背面投影系統(tǒng)，其將面板上形成的圖像以某一放大因子放大并投影到屏幕上。
然而，隨著投影光學(xué)系統(tǒng)將圖像聚焦在其上的屏幕尺寸逐漸增大，所以需要更高的分辨率，并且需要更寬的視角以用于更薄的裝置。傳統(tǒng)的背面投影光學(xué)系統(tǒng)描述如下。
圖1是示出傳統(tǒng)的投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的視圖。參照圖1，傳統(tǒng)的投影光學(xué)系統(tǒng)具有前透鏡組，其包括第一到第五透鏡1、2、3、4、和5，其中第一透鏡最靠近屏幕(未示出)；后透鏡組，其包括第六到第十透鏡6、7、8、9、和10；可變光闌20，其放置在前透鏡組和后透鏡組之間。后透鏡組具有負光焦度，并且主要用于減小通過棱鏡30入射、從數(shù)字微鏡顯示器(DMD)面板40反射、并通過后透鏡組的光的各種像差。此外，這些像差由于第四透鏡4和第五透鏡5的強的正光焦度而被再次補償。第一透鏡1主要補償畸變的像差，第二透鏡2和第三透鏡3主要補償彗差、像散、和球差。為了擴寬視角，前透鏡組被構(gòu)造成具有負光焦度。
然而，由于后透鏡組產(chǎn)生的重影導(dǎo)致不想要的圖像顯示在屏幕上，所以傳統(tǒng)的投影光學(xué)系統(tǒng)存在的問題是后透鏡組必須根據(jù)其位置具有不同的曲率。另外，因為可變光闌20緊靠第六透鏡6放置，所以很難插入一個新的可變光闌來控制光量。此外，傳統(tǒng)的投影光學(xué)系統(tǒng)不能提供足夠大的視角。因此，需要一個改善的投影光學(xué)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總體構(gòu)思提供了一種具有寬視角、高分辨率、和較小畸變的投影光學(xué)系統(tǒng)。
本發(fā)明總體構(gòu)思的另外方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分地被闡述，并且其中一部分在描述中是明顯的，或者通過發(fā)明總體構(gòu)思的實施可以理解。
發(fā)明總體構(gòu)思的前述的和/或其他方面和優(yōu)點可以通過提供一種將成像面板上的圖像放大并投影到屏幕后側(cè)的背面投影光學(xué)系統(tǒng)來實現(xiàn)。該背面投影光學(xué)系統(tǒng)包括前透鏡組，其放置在屏幕附近，并具有分別具有負光焦度的第一、第二、和第三透鏡，以及分別具有正光焦度的第四和第五透鏡；后透鏡組，其放置在成像面板附近，并且具有第一膠合透鏡、第二膠合透鏡、和具有負光焦度的第十透鏡，第一膠合透鏡包括具有正光焦度的第六透鏡和具有負光焦度的第七透鏡，第二膠合透鏡包括具有負光焦度的第八透鏡和具有正光焦度的第九透鏡；和可變光闌，其放置在前透鏡組和后透鏡組之間以控制光量。
第十透鏡具有具有正曲率的第一表面和具有負曲率的第二表面，滿足下面的方程0.046<|Σi=67pi+Σi=89pi|Qi=69nivi×1000<0.05]]>OBJBFL×m=K,K≤0.35]]>其中，pi，ni，和vi分別表示第i透鏡的折射力(refractive power)、折射率、和色散，OBJ(物距)表示從屏幕到第一透鏡的距離，BFL(后焦距)表示從第十透鏡到成像面板的距離，m表示全部透鏡的放大率。
OBJ，BFL和m可以分別被設(shè)置為593、26.5、和0.0154。
此外，可變光闌可以與第六透鏡的第一表面中心間隔預(yù)定距離而放置，滿足下面的方程
1.55<Σi=67nid11+Σi=89nid11<1.58]]>其中，d11表示可變光闌和第六透鏡的第一表面中心之間的預(yù)定距離，ni表示第i透鏡的折射率。
d11和相應(yīng)的ni可被如下設(shè)置d11＝4.19，n6＝1.48749，n7＝1.75520，n8＝1.84666，和n9＝1.48749。
第四透鏡具有分別具有負曲率的第一表面和第二表面；第五透鏡具有具有正曲率的第一表面和具有負曲率的第二表面；第一膠合透鏡具有分別具有正曲率、正曲率、和負曲率的第一表面、膠合表面、和第二表面，并且滿足下面的方程7.30<Σi=45piΣi=12pbi<7.60]]>這里，pi表示第i透鏡的折射力，pbi表示第i膠合透鏡的折射力。


通過結(jié)合附圖，從實施例的以下描述中，本發(fā)明總體構(gòu)思的上述和其他這些和/或其他方面和優(yōu)點將會變得更加清楚和更加易于理解，其中圖1是示出傳統(tǒng)的背面投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的視圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例的背面投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的視圖；圖3是示出圖2的背面投影光學(xué)系統(tǒng)的像差特性的視圖；和圖4是示出圖2的背面投影光學(xué)系統(tǒng)的實際應(yīng)用的視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將對本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例作出詳細說明，其示例在附圖中示出，其中相同的標(biāo)號始終表示相同的部件。下面參照附圖來描述這些實施例以解釋本發(fā)明總體構(gòu)思。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例的背面投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的視圖。圖2的背面投影光學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于一種使用DMD面板的圖像投影裝置，例如投影電視。為了解釋，圖2示出了圖像投影裝置的主要部件。參照圖2，圖像投影裝置具有屏幕、背面投影光學(xué)系統(tǒng)50、燈75、棱鏡80、和DMD面板90以形成圖像。當(dāng)50”的屏幕作為標(biāo)準(zhǔn)屏幕時，根據(jù)圖2的實施例的背面投影光學(xué)系統(tǒng)50被構(gòu)造為將具有有效面積為0.79”(20.1mm)的DMD面板90的圖像投影到46”和56”的屏幕上。
背面投影光學(xué)系統(tǒng)50包括前透鏡組50a，其具有靠近屏幕100放置的五個透鏡51、52、53、54、和55；后透鏡組50b，其具有靠近DMD面板90放置的五個透鏡56、57、58、59、和60；可變光闌70，其放置在前透鏡組50a和后透鏡組50b之間用于控制光量。這樣，背面投影光學(xué)系統(tǒng)50一共包括十個透鏡51、52、53、54、55、56、57、58、59、和60。如圖2所示，給透鏡Li分配了標(biāo)號，從而Li指的是從屏幕100的第i個透鏡。類似地，以屏幕100為參考，按次序給透鏡表面Si、透鏡的中心厚度、和透鏡間的中心距離di分配了標(biāo)號。例如，第一透鏡51被表示為L1，第二透鏡52被表示為L2，第一透鏡51的第一表面被表示為S1，第一透鏡51的第二表面被表示為S2，第一透鏡51的中心厚度被表示為d1，第一透鏡51和第二透鏡52之間的中心距離被表示為d2。
前透鏡組50a具有包括透鏡L1、L2、L3、L4和L5(51、52、53、54、和55)的五個透鏡。各個透鏡的特性如下。透鏡L1(51)和透鏡L2(52)分別具有以正(+)曲率形成的第一表面S1和S3以及第二表面S2和S4，從而透鏡L1(51)和透鏡L2(52)具有負(-)光焦度，并且透鏡L3(53)具有以負曲率形成的第一表面S5和以正曲率形成的第二表面S6，從而透鏡L3(53)具有負光焦度。此外，透鏡L4(54)具有以負曲率形成的第一表面S7和第二表面S8，從而透鏡L4(54)具有正光焦度，透鏡L5(55)具有以正曲率形成的第一表面S9和以負曲率形成的第二表面S10，從而透鏡L5(55)具有正光焦度。
前透鏡組50b具有包括透鏡L6、L7、L8、L9和L10(56、57、58、59、和60)的五個透鏡。透鏡L6(56)和透鏡L7(57)由一種紫外(UV)膠合劑(bonding)等膠合在一起構(gòu)成第一膠合透鏡，透鏡L8(58)和透鏡L9(59)被膠合在一起構(gòu)成第二膠合透鏡。
第一膠合透鏡的透鏡L6(56)具有以正曲率形成的第一表面S12和以負曲率形成的第二表面S13，從而透鏡L6(56)具有正光焦度；透鏡L7(57)具有以負曲率形成的第一表面S13和以負曲率形成的第二表面S14，從而透鏡L7(57)具有負光焦度。第二膠合透鏡的透鏡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，從而透鏡L8(58)具有負光焦度；透鏡L9(59)具有以正曲率形成的第一表面S16和以負曲率形成的第二表面S17，從而透鏡L9(59)具有正光焦度。此外，透鏡L10(60)具有以正曲率形成的的第一表面S18和以負曲率形成的第二表面S19，從而透鏡L10(60)具有負光焦度。
為了使DMD面板90上的圖像通過后透鏡組50b和前透鏡組50a，并被投影和清晰地聚焦在屏幕100上，畸變減小被執(zhí)行。透鏡L1(51)可以是由塑料物質(zhì)組成的非球面透鏡以減小畸變。此外，為了獲得寬視角，靠近屏幕40放置的透鏡L1到L3(51、52、和53)被構(gòu)造為具有負光焦度，并且，透鏡L4(54)和透鏡L5(55)被構(gòu)造為具有正光焦度以減小光的角度。而且，因為L1到L3(51、52、和53)具有負光焦度，所以透鏡L1、L2、和L3(51、52、和53)之間的相互作用導(dǎo)致像差部分地抵銷，從而減小了像差。
第一和第二膠合透鏡減小未被前透鏡組50a消除的像差。特別地，可以補償光的色差。第一和第二膠合透鏡可由FD系列(FD-series)和低色散物質(zhì)構(gòu)成。此外，透鏡L10(60)具有設(shè)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。按以上描述構(gòu)造透鏡(51、52、53、54、55、56、57、58、59、和60)從而清晰的圖像能夠精確地聚焦并以較小的畸變顯示在屏幕100上。
根據(jù)圖2的實施例的背面投影光學(xué)系統(tǒng)50滿足下面的方程1-3。
0.046<|Σi=67pi+Σi=89pi|Qi=69nivi×1000<0.05]]>OBJBFL×m=K,K≤0.35]]>其中，pi、ni、和vi分別表示透鏡Li的折射力，折射率和色散，OBJ(物距)表示從屏幕100到透鏡L1(51)的距離，BFL(后焦距)表示透鏡L10(60)到DMD面板90的距離，m表示全部透鏡(51、52、53、54、55、56、57、58、59、和60)的放大率。這里，定義折射力pi為焦距fi的倒數(shù)。

1.55<Σi=67nid11+Σi=89nid11<1.58]]>這里，d11表示可變光闌70和透鏡L6(56)之間的中心距離，ni表示第i透鏡Li的折射率。
7.30<Σi=45piΣi=12pbi<7.60]]>這里，pi表示透鏡Li的折射力，pbi表示第i膠合透鏡的折射力。
表1示出了根據(jù)發(fā)明總體構(gòu)思的實施例的背面投影光學(xué)系統(tǒng)50的透鏡(51、52、53、54、55、56、57、58、59、和60)的示例性的值。



透鏡L1(51)的兩個非球面表面S1和S2的方程表示如下[方程4]x=CY21+1-(K+1)C2Y2+aY4+bY6+cY8+dY10]]>C＝1/R其中，Y表示離光軸的距離，C表示曲率，R表示半徑。
表2示出了透鏡L1(51)的兩個表面S1和S2的二次曲線常數(shù)和非球面表面系數(shù)(a、b、c和d)。


表格3示出了放大因子、有效焦距(EFL)、F數(shù)(F#)、從屏幕100到透鏡L1(51)的距離(物距(OBJ))、視角(FOV)、和RGB光源的波長。

圖3示出了具有上述示例性的值的背面投影光學(xué)系統(tǒng)50的球差(a)、像散(b)、和畸變(c)的特性。此外，圖4示出了根據(jù)發(fā)明總體構(gòu)思的實施例，通過在前透鏡組50a和后透鏡組50b之間插入反射鏡400，可以減小顯示裝置的深度。
盡管上面顯示和描述了本發(fā)明總體構(gòu)思的一些實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離由所附權(quán)利要求及其等同物限定其范圍的本發(fā)明總體構(gòu)思的原理和精神的情況下，可以對這些實施例進行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種將成像面板上的圖像放大并投影到屏幕背面的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，包括前透鏡組，其放置在屏幕附近，包括分別具有負光焦度的第一、第二、和第三透鏡，以及分別具有正光焦度的第四和第五透鏡；后透鏡組，其放置在成像面板附近，并且具有第一膠合透鏡、第二膠合透鏡、和具有負光焦度的第十透鏡，第一膠合透鏡包括具有正光焦度的第六透鏡和具有負光焦度的第七透鏡，第二膠合透鏡包括具有負光焦度的第八透鏡和具有正光焦度的第九透鏡；和可變光闌，其放置在前透鏡組和后透鏡組之間以控制光量。
2.如權(quán)利要求1所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第十透鏡具有具有正曲率的第一表面和具有負曲率第二表面，滿足下面的方程0.046<|Σi=67pi+Σi=89pi|Qi=69nivi×1000<0.05]]>OBJBFL×m=K,K≤0.35]]>這里，pi，ni，and vi分別表示第i透鏡的折射力，折射率和色散，OBJ(物距)表示從屏幕到第一透鏡的距離。BFL(后焦距)表示從第十透鏡到面板的距離，m表示全部透鏡的放大率。
3.如權(quán)利要求2所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，OBJ、BFL、和m分別被設(shè)置為593、26.5、和0.0154。
4.如權(quán)利要求1所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，可變光闌與第六透鏡的第一表面中心間距預(yù)定距離而放置，滿足下面的方程1.55<Σi=67nid11+Σi=89nid11<1.58]]>這里，d11表示可變光闌和第六透鏡的第一表面中心之間的預(yù)定距離，ni表示第i透鏡的折射率。
5.如權(quán)利要求4所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，d11和相應(yīng)的ni設(shè)置如下d11＝4.19，n6＝1.48749，n7＝1.75520，n8＝1.84666，和n9＝1.48749。
6.如權(quán)利要求1所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第四透鏡具有分別具有負曲率的第一表面和第二表面；第五透鏡具有具有正曲率的第一表面和具有負曲率的第二表面；膠合透鏡具有分別具有正曲率、正曲率、和負曲率的第一表面、膠和表面、和第二表面，并滿足下面的方程7.30<Σi=45piΣi=12pbi<7.60]]>這里，pi表示第i透鏡的折射力，pbi表示第i膠合透鏡的折射力。
7.如權(quán)利要求1所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第六透鏡和第七透鏡由紫外膠合劑膠合在一起構(gòu)成第一膠合透鏡，第八透鏡和第九透鏡由紫外膠合劑膠合在一起構(gòu)成第二膠合透鏡。
8.如權(quán)利要求1所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一透鏡是非球面透鏡。
9.一種具有形成圖像的成像面板、屏幕、將圖像放大并投影到屏幕上的投影光學(xué)系統(tǒng)的顯示設(shè)備，該投影光學(xué)系統(tǒng)包括前透鏡組，其放置在屏幕附近，并包括第一、第二、第三、第四、和第五透鏡；和后透鏡組，其放置在成像面板附近，包括膠合在一起的第六透鏡和第七透鏡，膠合在一起的第八透鏡和第九透鏡，和第十透鏡。
10.如權(quán)利要求9所述的顯示設(shè)備，其中，背面投影光學(xué)系統(tǒng)還包括放置在前透鏡組和后透鏡組之間以控制光量的可變光闌。
11.如權(quán)利要求9所述的顯示設(shè)備，其中，第一、第二、第三、第七、第八、和第十透鏡是發(fā)散透鏡，第四、第五、第六、和第九透鏡是會聚透鏡。
12.如權(quán)利要求9所述的顯示設(shè)備，其中，第一透鏡是非球面透鏡。
13.如權(quán)利要求9所述的顯示設(shè)備，其中，第六透鏡和第七透鏡由紫外膠合劑膠合在一起，第八透鏡和第九透鏡由紫外膠合劑膠合在一起。
14.如權(quán)利要求13所述的顯示設(shè)備，其中，第六，第七，第八和第九透鏡由FD系列和低色散物質(zhì)構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求9所述的顯示設(shè)備，其中，背面投影光學(xué)系統(tǒng)還包括反射鏡；后透鏡組，其放置在前透鏡組下面，并且成像面板的圖像通過后透鏡組并從該反射鏡反射到前透鏡組。
16.一種使用具有形成圖像的成像面板和顯示圖像的屏幕的顯示設(shè)備的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，包括第一透鏡組，其沿著聚焦路徑靠近屏幕放置，包括多個將成像面板上的圖像放大并投影到屏幕上的透鏡；和第二透鏡組，其沿著聚焦路徑靠近成像面板放置，并包括第一套膠合透鏡和第二套膠合透鏡。
17.如權(quán)利要求16所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一和第二套膠合透鏡每個包括兩個由紫外膠合劑膠合在一起的透鏡。
18.如權(quán)利要求17所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一和第二套膠合透鏡每個中的兩個透鏡中的一個具有正光焦度，并且第一和第二套膠合透鏡每個中的兩個透鏡中的另一個具有負光焦度。
19.如權(quán)利要求16所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一和第二套膠合透鏡減小通過多個透鏡投影的圖像的像差。
20.如權(quán)利要求19所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一和第二套膠合透鏡補償通過多個透鏡投影的圖像的色差。
21.如權(quán)利要求16所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一鏡和第二套膠合透鏡靠近聚焦路徑的后端放置。
22.一種顯示設(shè)備，包括成像面板，用于形成圖像；屏幕，用于顯示圖像；多個后透鏡，其靠近成像面板放置，并包括第一套膠合透鏡和第二套膠合透鏡；和多個前透鏡，其靠近屏幕放置，其中，圖像沿著聚焦路徑從成像面板通過多個后透鏡和多個前透鏡被投影到屏幕上，并且多個后透鏡的位置相對于多個前透鏡能夠被調(diào)整。
23.如權(quán)利要求22所述的顯示設(shè)備，其中，根據(jù)顯示設(shè)備的深度來確定多個后透鏡的位置。
24.如權(quán)利要求23所述的顯示設(shè)備，其中，多個后透鏡放置在多個前透鏡的下面以減小顯示設(shè)備的深度。
25.如權(quán)利要求24所述的顯示設(shè)備，還包括反射鏡，其放置在多個后透鏡和多個前透鏡之間的聚焦路徑中，并且被有角度地定位以將通過多個后透鏡投影的圖像反射到多個前透鏡。
26.如權(quán)利要求22所述的顯示設(shè)備，其中，根據(jù)屏幕的寬度來確定多個后透鏡的位置。
27.如權(quán)利要求22所述的顯示設(shè)備，其中，根據(jù)經(jīng)多個后透鏡和多個前透鏡投影的圖像的像差決定多個后透鏡的位置。
28.如權(quán)利要求22所述的顯示設(shè)備，其中，根據(jù)圖像的分辨率質(zhì)量來確定多個后透鏡的位置。
29.如權(quán)利要求22所述的顯示設(shè)備，還包括可變光闌，其放置在多個后透鏡和多個前透鏡之間的聚焦路徑中，并距多個后透鏡預(yù)定的距離以控制光量。
30.一種將光投影到屏幕上的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，包括前透鏡組，其包括減小光畸變和像差的多個負光焦度透鏡和減小光角度的多個正光焦度透鏡；和后透鏡組，包括減小未被前透鏡組消除的像差的第一和第二套膠合透鏡，以及控制最后性能校正和光角度的折射透鏡。
31.如權(quán)利要求30所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，多個負光焦度透鏡根據(jù)多個負光焦度透鏡之間的相互作用減小光的像差。
32.如權(quán)利要求30所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，多個負光焦度透鏡中的至少一個是非球面透鏡。
33.如權(quán)利要求30所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一和第二套膠合透鏡補償光的色差。
34.如權(quán)利要求30所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一和第二套膠合透鏡每個包括兩個由紫外膠合劑膠合在一起的透鏡。
35.如權(quán)利要求34所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一和第二套膠合透鏡每個中的兩個透鏡中的一個是正光焦度透鏡，并且第一和第二套膠合透鏡每個中的兩個透鏡中的另一個是負光焦度透鏡。
36.如權(quán)利要求30所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，其中，折射透鏡是負光焦度透鏡。
37.如權(quán)利要求30所述的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，還包括可變光闌，其放置在前透鏡組和后透鏡組之間，并距后透鏡組預(yù)定的距離以控制光量。
全文摘要
一種將成像面板上的圖像放大并投影到屏幕背面的背面投影光學(xué)系統(tǒng)，包括前透鏡組，其放置在屏幕附近，具有分別具有負光焦度的第一、第二和第三透鏡，以及分別具有正光焦度的第四和第五透鏡；后透鏡組，其放置在成像面板附近，并且具有第一膠合透鏡、第二膠合透鏡和具有負光焦度的第十透鏡，第一膠合透鏡包括具有正光焦度的第六透鏡和具有負光焦度的第七透鏡，第二膠合透鏡包括具有負光焦度的第八透鏡和具有正光焦度的第九透鏡；和可變光闌，其放置在前透鏡組和后透鏡組之間以控制光量。該背面投影光學(xué)系統(tǒng)具有寬視角(91度)、高分辨率和減小的顯示裝置的深度。
文檔編號G02F1/13GK1661417SQ20051000286
公開日2005年8月31日 申請日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月24日
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