專利名稱：架高的投影儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明涉及一種架高投影儀的光學(xué)設(shè)計的改進(jìn)。具體地說，本發(fā)明涉及一種具有一個為倒裝投影頭作的單片透鏡光學(xué)設(shè)計的架高投影儀，這樣的光學(xué)設(shè)計可降低投影儀的外廓高度并能給觀眾提供較好的視線。
常規(guī)的架高投影儀包括一個光源、一個水平的光線透射臺和一個以懸臂方式支承在透射臺上方的投影透鏡。透射臺包括一個菲涅爾透鏡。如

圖1所示，在采用單元件彎月形投影透鏡的常規(guī)架高投影儀中，光源發(fā)出的光線透過透射臺下面的菲涅爾透鏡，使用時把繪有圖象的透明膜片(幻燈片)放在透射臺上。光線透過透明膜片之后先穿過單元件彎月形投影透鏡，隨后被一折疊反射鏡反射后投向投影屏幕。為得到好的圖象質(zhì)量，彎月形投影透鏡的凸表面必須面對透射臺，而且從投影光源燈來的光聚焦在至彎月形投影透鏡的凹表面有一規(guī)定距離的一光闌位置。投影透鏡起著有點像照相機(jī)后景透鏡的作用，例如，如Rudolph Kingslake所著的Lens Design Fundamentals(透鏡設(shè)計基礎(chǔ))一書所述，而菲涅爾透鏡的焦距限定著有效的光闌位置。
投影透鏡的焦距長度和至投影屏幕的距離決定著為產(chǎn)生聚焦的圖象所必需的透射臺和投影透鏡之間的距離(進(jìn)而投影透鏡的高度)。對于用一個292毫米毫米焦距長度投影透鏡，以約6X的圖象放大倍數(shù)，投影頭的典型高度是420毫米毫米左右。
伸在高處的投影頭會妨礙觀眾觀看屏幕。因此，人們一直在試圖降低投影頭的高度。
另一種投影設(shè)計稱為“倒裝投影頭”投影儀。如圖2A所示，在倒裝投影頭投影儀中，投影透鏡定位成讓透過透明膜片的光線先由折疊反射鏡反射，而后穿過投影透鏡并投向投影屏幕。折疊反射鏡折彎了光路，這使把投影頭組件定位得比用非倒裝投影頭距透射臺更近。但是，由于折疊反射鏡會截去靠近底座的光錐(以及從光錐的中間細(xì)部分起的更遠(yuǎn)處)，折疊反射鏡的尺寸就比常規(guī)投影頭投影儀所需要的大。圖2B給出了一個折疊反射鏡的示例性尺寸，其是用于圖象放大倍數(shù)約6X的292毫米毫米投影透鏡和約320毫米毫米的投影頭高度。
其結(jié)果，盡管投影頭定位得低了，可其尺寸卻大了。一個低高度的大投影頭可能和一個較高而小的投影頭一樣令人難以接受。
另外，單元件彎月形投影透鏡，在有折疊反射鏡位于例如倒裝的透鏡的下方時，可使投影儀的光闌位置處在該透鏡之前，面對該透鏡的凹面。盡管這可提供好的光學(xué)性能，但是這會使得就在投影透鏡前面的敞開空間內(nèi)產(chǎn)生一個“熱點”。在用高功率光源燈的架高投影儀中，一個不保護(hù)的熱點可能達(dá)到足以點燃耗材的溫度或有燙傷使用者的潛在危險。
所以，客觀上需要有一種具有能減小對觀眾視線的妨礙的光學(xué)設(shè)計的架高投影儀。
本發(fā)明的概述本發(fā)明是致力于一種包括一個具有一菲涅爾透鏡的透射臺和一個布置在該透射臺上方的投影頭的架高投影儀。投影頭包括一個反射反射鏡和一個單元件彎月形投影透鏡。菲涅爾透鏡的焦點限定了一個投影透鏡光闌位置。菲涅爾透鏡限定了一個光錐，而反射反射鏡是一面尺寸對應(yīng)于其處的光錐尺寸的小外廓反射鏡。
從菲涅爾透鏡到投影頭及至投射屏幕形成一條光路。該反射反射鏡是沿光路放置在投影透鏡的前面并且投影透鏡的光闌位置是在投影透鏡和反射反射鏡之間。
光學(xué)設(shè)計是這樣安排的FFres＝(FLens(MLens+1)/MLens-SLD)/(MFres+1)式中FFres是菲涅爾透鏡的焦距長度，MFres是菲涅爾透鏡的放大倍數(shù)，F(xiàn)Lens是投影透鏡的焦距長度，MLens是投影透鏡的放大倍數(shù)，以及SLD是從投影透鏡光闌位置到投影透鏡的距離。
單元件彎月形透鏡有一凸側(cè)面和一凹側(cè)面。在本發(fā)明的新穎布置中，投影透鏡的凹側(cè)面面對反射反射鏡，而其凸側(cè)面面對屏幕。這里，“面對”一詞是指沿光路的位置而言。
在本發(fā)明的另一些實施例中，250毫米≤FLens≤400毫米。
在第一示例性實施例中，投影透鏡的焦距長約355毫米毫米，菲涅爾透鏡的焦距長約175毫米毫米。在第二示例性實施例中，投影透鏡的焦距長約292毫米毫米，菲涅爾透鏡的焦距長約140毫米毫米。在第三示例性實施例中，投影透鏡的焦距長約400毫米毫米，菲涅爾透鏡的焦距長約200毫米毫米。
本發(fā)明的架高投影儀還包括一個光源，其中菲涅爾透鏡形成一個焦點，該焦點位于反射鏡和投影儀之間?？稍O(shè)置一個限制接近該焦點的護(hù)罩。
附圖簡要說明圖1是一傳統(tǒng)的單片投影透鏡架高投影儀的光學(xué)設(shè)計的示意圖。
圖2是一傳統(tǒng)的單片投影透鏡倒裝投影頭架高投影儀的光學(xué)設(shè)計的示意圖和用于這種投影儀的一示例性反射反射鏡的平面圖。
圖3是本發(fā)明的一單片投影透鏡倒裝投影頭架高投影儀的一實施例的側(cè)視圖。
圖4是本發(fā)明的一架高投影儀的光學(xué)設(shè)計的示意圖和按照本發(fā)明的一示例性反射反射鏡的平面圖。
圖5是圖3所示的架高投影儀的立體圖。
圖6是圖1所示的架高投影儀的投影頭組件的側(cè)視圖。
圖7是一常規(guī)架高投影儀的、用在一倒裝投影頭中的292毫米毫米焦距單片透鏡的切向(T)和徑向(S)視野曲率曲線圖。
圖8是圖7中所描述的同一光學(xué)器件的光學(xué)畸變的曲線圖。
圖9是一架高投影儀的、用在一倒裝投影頭中的355毫米毫米焦距單片透鏡的切向(T)和徑向(S)視野曲率曲線圖。
圖10是圖8中所描述的同一光學(xué)器件的光學(xué)畸變的曲線圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說明本發(fā)明采用一種具有一個倒裝投影頭的光學(xué)設(shè)計。如圖3、5和6所示，投影儀100包括一個主體110、一個投影頭支承臂120和一個投影頭組件130。該主體110包括一個透射臺112，該透射臺112有一個緊靠其下面設(shè)置的菲涅爾聚光透鏡，主體110內(nèi)部裝有一光源(未示)。該支承臂120把投影頭組件130支承于透射臺112的上方。從圖6可清楚地看到，投影頭組件130包括一個透鏡和一個平面反射鏡134。在這一實施例中，平面鏡134是用鉸鏈安裝的，以便于在存放時以鉸接點142為軸轉(zhuǎn)到最緊湊位置。
如題目為“有可折疊支承柱的低外廓架高投影儀”的相關(guān)專利申請書中詳述的那樣，為了存放方便，支承臂和投影頭都可以折疊到投影儀主體110的側(cè)面。
和圖2示出的架高投影儀中一樣，投影透鏡132是這樣定位的透過放在透射臺112上的透明膜片的光線被折疊反射鏡134反射，然后透過投影透鏡而投向投影屏幕(未示)。投影透鏡132是一個有一凹面和一凸面的單元件彎月形透鏡。折疊反射鏡134使光路彎折，這使投影頭組件130能被定位得比用非倒裝投影頭時更接近透射臺。有效的光闌位置136是在投影透鏡132和透射臺112之間。更精確地說，由透射臺菲涅爾透鏡相對于投影透鏡形成的有效光闌位置是在反射鏡134和投影透鏡132之間。
但是，在光學(xué)設(shè)計上，本發(fā)明不同于其他的倒裝投影頭設(shè)計。以前的設(shè)計采用一個多元件投影透鏡，其中不必像用單元件彎月形透鏡為了良好的光學(xué)性能所要求的那樣在投影鏡頭外面放置光闌。本設(shè)計把彎月形透鏡的方向倒過來，把光闌位置和菲涅爾透鏡的焦點位置放在投影透鏡和透射臺之間。與常規(guī)的投影頭結(jié)構(gòu)相比，這需要用焦距較短的菲涅爾透鏡。這一新穎的設(shè)計為投影透鏡提供了良好的光學(xué)性能，還可減小倒裝的折疊反射鏡的尺寸。
通過比較圖2B和圖4B，可以看出本發(fā)明的光學(xué)設(shè)計是怎樣地允許明顯地減小折疊反射鏡的尺寸進(jìn)而投影頭的尺寸。同樣，通過比較圖1和圖4A，可以理解到本發(fā)明的投影頭高度的減小。
與采用焦距較短的菲涅爾透鏡相組合，本發(fā)明的光學(xué)設(shè)計的一個實施例包括一個單片投影透鏡132，它有約355毫米毫米的較長焦距長度。單片投影透鏡132是定位成其凸的表面朝向屏幕而不是像傳統(tǒng)的投影儀中那樣朝向透射臺，并且其凹表面光學(xué)地面對折疊反射鏡(和透射臺)而不是投影表面(屏幕)。
一種前景透鏡設(shè)計中采用常規(guī)光學(xué)器件作為投影透鏡的倒裝投影頭架高投影儀可能有約174毫米的菲涅爾透鏡焦距長度和約292毫米的投影透鏡焦距長度。圖9和10示出了帶有光闌的這一系統(tǒng)的在透射臺上方約365毫米處的視場曲率和光學(xué)畸變。如圖9和10所示，這樣的系統(tǒng)的光學(xué)性能很差。
本發(fā)明的倒裝投影頭架高投影儀可有約174毫米的菲涅爾透鏡焦距長度和處于320～390毫米范圍內(nèi)的約355毫米的投影透鏡焦距長度。菲涅爾透鏡焦距長度應(yīng)該與單片透鏡的焦距長度相匹配，以使光闌的位置落在可得到高質(zhì)量圖象的最佳位置。單片投影透鏡的光學(xué)性能可以通過選擇透鏡焦距長度、透鏡的彎曲度、非球面的或球面的透鏡表面和光闌位置的定位的最好組合來優(yōu)化。圖7和8示出了帶有光闌的這一系統(tǒng)的在透射臺上方約365毫米處的視場曲率和光學(xué)畸變。如圖7和8所示，這一倒裝的355毫米單片投影透鏡可給出良好的光學(xué)性能，下面將對其加以說明。
在前景透鏡設(shè)計中用一焦距較長的單片透鏡與一焦距較短的菲涅爾透鏡相組合允許為達(dá)到優(yōu)化的光學(xué)性能而選擇光闌位置?？梢酝ㄟ^確定菲涅爾透鏡焦距和投影透鏡背面焦距的最佳組合來滿足下列條件光錐的光腰位于單片透鏡的有效光闌位置。這一布置可優(yōu)化該系統(tǒng)的光學(xué)性能。以這一方式，本發(fā)明的投影儀可以用具有不同焦距長度的投影透鏡與具有適當(dāng)焦距長度的菲涅爾透鏡相匹配來建立。對于常規(guī)的架高投影儀，投影透鏡的焦距長度范圍是250毫米至400毫米，投影透鏡圖象放大的范圍是3X至12X。菲涅爾透鏡焦距長度和投影透鏡焦距長度之間的關(guān)系可以用下式限定FFres＝(FLens(MLens+1)/MLens-SLD)/(MFres+1)(1式)式中FFres是菲涅爾透鏡的焦距長度，F(xiàn)Lens是投影透鏡的焦距長度，MFres是菲涅爾透鏡的放大倍數(shù)，MLens是投影透鏡的放大倍數(shù)，SLD是從光闌到投影透鏡的距離。例如，對于投影透鏡的圖象放大倍數(shù)MLens＝5.7X、菲涅爾透鏡放大倍數(shù)MFres＝1.1X和光闌到投影透鏡的距離SLD＝50毫米，本發(fā)明的條件可以用下列投影透鏡焦距長度和菲涅爾透鏡焦距長度的組合來滿足
此外，投影透鏡設(shè)計的選擇包括最佳的光闌到投影透鏡的距離SLD以及透鏡焦距長度、透鏡的彎曲度、非球面和球面透鏡表面的應(yīng)用、以及光闌位置的選擇都可在所要求的投影儀放大倍數(shù)范圍內(nèi)為整個投影的圖象提供良好的圖象質(zhì)量。Rudolph.Kingslake著的Lens Design Fundamentals一書中介紹了景色透鏡設(shè)計優(yōu)化的一般概念。
本發(fā)明允許把投影頭組件定位得至透射臺更近，這使得觀眾更容易在投影頭的上方觀看。同樣，本發(fā)明還可減小倒裝投影頭折疊反射鏡的尺寸，這使得觀眾更容易從投影頭的兩邊觀看。
例如，如圖1所示的已有技術(shù)，一個用常規(guī)光學(xué)器件的182毫米菲涅爾透鏡和292毫米凸表面朝向透射臺的單片投影透鏡的非倒裝投影頭架高投影儀，對于60英寸(152.4厘米)寬屏幕圖象，從光軸的折光點(投影頭的中心)算起的投影頭組件高度可能是419毫米?？墒牵捎萌鐖D4所示的本發(fā)明的光學(xué)設(shè)計的倒裝投影頭架高投影儀的從光軸的折光點(投影頭的中心)算起的投影頭組件高度，對于60英寸(152.4厘米)寬屏幕圖象，可能僅為約322毫米。
類似地，采用常規(guī)光學(xué)器件的倒裝投影頭架高投影儀可能有從透射臺算起約404毫米的菲涅爾透鏡焦距長度和約292毫米的投影透鏡焦距長度。這樣的系統(tǒng)將需要如圖2B所示的277平方厘米的折疊反射鏡?？墒?，按照本發(fā)明的倒裝投影頭架高投影儀的從透射臺算起的菲涅爾透鏡焦距長度可能為365毫米，以及投影透鏡焦距長度約為355毫米。這一系統(tǒng)將需要約151平方厘米的較小的折疊反射鏡。
另外，本發(fā)明利用彎月形投影透鏡的轉(zhuǎn)動，使其凸表面朝向屏幕。本發(fā)明的光學(xué)設(shè)計把照亮光線的焦點放在折疊反射鏡和投影透鏡之間而不是投影透鏡之后，這樣的定位使得比較容易把有效光闌位置包圍起來和/或限制接近那一點，這可降低使用者受到熱燙的危險。在圖6的投影頭組件130中，握住投影透鏡132的透鏡臂140和折疊反射鏡的目的是使能限制接近焦點，這就形成了一個保護(hù)罩。其他的實施例可包括諸如篩網(wǎng)或塑料罩殼之類的保護(hù)罩。
盡管已參照示例性的較佳實施例說明了本發(fā)明，但是在不偏離本發(fā)明的精神的情況下還可以以其他具體的形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，這里所說明和圖示的各實施例僅是示例性的而不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的范圍的限制，對此是應(yīng)該理解的。按照本發(fā)明的精神和范圍還可作出其他的變化和變型。
權(quán)利要求
1.一種架高投影儀，它包括a)一個具有一菲涅爾透鏡的透射臺；b)一個位于所述透射臺上方的投影頭，所述投影頭包括一個反射鏡和一個單元件彎月形投影透鏡，所述菲涅爾透鏡的焦點限定著投影透鏡的光闌位置；c)其中，從菲涅爾透鏡至投影透鏡及至一投影表面上形成了一條光路，其中所述反射鏡是沿所述光路放置在所述投影頭之前，而所述光闌位置是在所述投影透鏡和所述反射鏡之間。
2.如權(quán)利要求1所述的架高投影儀，其特征在于，F(xiàn)Fres＝(FLens(MLens+1)/MLens-SLD)/(MFres+1)式中FFres是菲涅爾透鏡的焦距長度，MFres是菲涅爾透鏡的放大倍數(shù)，F(xiàn)Lens是投影透鏡的焦距長度，MLens是投影透鏡的放大倍數(shù)，SLD是從光闌位置到投影透鏡的距離。
3.如權(quán)利要求1所述的架高投影儀，其特征在于，250毫米≤FLens≤400毫米。
4.如權(quán)利要求1所述的架高投影儀，其特征在于，所述單元件彎月形投影透鏡有一凸的側(cè)面和一凹的側(cè)面，其中凹的側(cè)面面對所述反射鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的架高投影儀，其特征在于，所述投影透鏡有約355毫米的焦距長度，所述菲涅爾透鏡有約175毫米的焦距長度。
6.如權(quán)利要求1所述的架高投影儀，其特征在于，所述投影透鏡有約292毫米的焦距長度，所述菲涅爾透鏡有約140毫米的焦距長度。
7.如權(quán)利要求1所述的架高投影儀，其特征在于，所述投影透鏡有約400毫米的焦距長度，所述菲涅爾透鏡有約200毫米的焦距長度。
8.如權(quán)利要求1所述的架高投影儀，它還包括一個光源，其特征在于，所述菲涅爾透鏡形成一個焦點，所述焦點位于所述反射鏡和所述投影透鏡之間，所述架高投影儀還包括一個能限制接近所述焦點的保護(hù)罩。
9.如權(quán)利要求1所述的架高投影儀，其特征在于，所述菲涅爾透鏡產(chǎn)生一個光錐，所述反射鏡是一面尺寸對應(yīng)于反射鏡處的光錐的尺寸的小外廓反射鏡。
10.一個投影系統(tǒng)，它包括a)一個具有焦距長度FFres和放大倍數(shù)MFres的菲涅爾透鏡；b)一個具有焦距長度FLens和放大倍數(shù)MLens的投影透鏡，所述菲涅爾透鏡的焦點形成一投影透鏡光闌位置；c)一個放置在所述投影透鏡和所述菲涅爾透鏡之間的光路上的反射鏡；d)其中，F(xiàn)Fres＝(FLens(MLens+1)/MLens-SLD)/(MFres+1)，式中SLD是從投影透鏡光闌位置到投影透鏡的距離，所述光闌位置是在所述反射鏡和所述投影透鏡之間。
11.如權(quán)利要求10所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述投影透鏡是一個有一凹表面和一凸表面的單元件彎月形透鏡，其中，所述凹表面光學(xué)地面對所述菲涅爾透鏡。
12.如權(quán)利要求10所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，F(xiàn)Lers是所述投影透鏡的焦距長度，以及250毫米≤FLens≤400毫米。
13.如權(quán)利要求10所述的投影系統(tǒng)，它還包括一個光源，其特征在于，所述菲涅爾透鏡形成一個焦點，所述焦點是位于所述反射鏡和所述投影透鏡之間，所述投影系統(tǒng)還包括一個限制接近所述焦點的保護(hù)罩。
14.如權(quán)利要求10所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述投影透鏡有約355毫米的焦距長度，所述菲涅爾透鏡有約175毫米的焦距長度。
15.一種架高投影儀，它包括a)一個菲涅爾透鏡；b)一個有一凹的側(cè)面和一凸的側(cè)面的單元件彎月形投影透鏡；c)一個放置在所述菲涅爾透鏡和所述投影透鏡之間的光路上的折疊反射鏡；d)其中，所述投影透鏡是定向為其凹的側(cè)面光學(xué)地面對所述菲涅爾透鏡。
16.如權(quán)利要求15所述的架高投影儀，其特征在于，F(xiàn)Fres＝(FLens(MLens+1)/MLens-SLD)/(MFres+1)，式中FFres是菲涅爾透鏡的焦距長度，MFres是菲涅爾透鏡的放大倍數(shù)，F(xiàn)Lens是投影透鏡的焦距長度，MLens是投影透鏡的放大倍數(shù)，SLD是從光闌位置到投影透鏡的距離。
17.如權(quán)利要求16所述的架高投影儀，其特征在于，所述光闌位置是在所述反射鏡和所述投影透鏡之間。
18.如權(quán)利要求16所述的架高投影儀，其特征在于，250毫米≤FLens≤400毫米。
19.如權(quán)利要求15所述的架高投影儀，其特征在于，所述反射鏡的尺寸定為與所述菲涅爾透鏡形成的光錐的尺度相匹配。
20.如權(quán)利要求15所述的架高投影儀，其特征在于，一投影頭包括所述反射鏡和所述投影透鏡，而且所述投影頭是光學(xué)地放置在由所述菲涅爾透鏡形成的一光錐的光腰之前。
全文摘要
一種架高投影儀包括一個菲涅爾透鏡(112)、一個有凹側(cè)面和凸側(cè)面的單元件投影透鏡(132)以及一個放置在菲涅爾透鏡(112)和投影透鏡(132)之間的光路上的折疊反射鏡。投影透鏡(132)定向成其凹側(cè)面光學(xué)地面對菲涅爾透鏡(112)。該架高投影儀的光學(xué)設(shè)計遵照下式F
文檔編號G03B21/132GK1493018SQ01823058
公開日2004年4月28日 申請日期2001年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月19日
發(fā)明者P·H·德呂卡, P H 德呂卡, D·F·范德維爾夫, 范德維爾夫 申請人:3M創(chuàng)新有限公司