專利名稱：：準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于包括背投和前投在內(nèi)的大屏幕投影顯示裝置的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：目前，在大屏幕電視中，投影電視在屏幕尺寸和價(jià)格方面都優(yōu)于包括CRT、LCD和PDP等在內(nèi)的直視型電視?，F(xiàn)在流行的投影電視，按成像器的種類分，有CRT、LCD、LCOS和DLP等。這些投影電視的成像器和顯示屏基本上與光學(xué)系統(tǒng)的光軸垂直，受光學(xué)系統(tǒng)中光源、成像器、光學(xué)元件和光路設(shè)計(jì)等限制，整機(jī)尺寸較厚。在進(jìn)一步對(duì)上述諸因素影響整機(jī)尺寸的分析，發(fā)現(xiàn)構(gòu)成投影顯示裝置的各組成部分的相互配置是受成像器、顯示屏與主光軸的相對(duì)位置和光學(xué)元件的選擇，以及光路走向是極其重要的影響因素，本申請(qǐng)擬就此做出改進(jìn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種用于包括背投和前投在內(nèi)的大屏幕投影顯示裝置的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是由下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的按照本發(fā)明的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)包括一個(gè)光源，一個(gè)成像器，一個(gè)由第一成像光組和第二成像光組構(gòu)成的光學(xué)投影系統(tǒng)，以及一個(gè)顯示屏組成，其特征在于所說的成像器與主光軸之間按準(zhǔn)軸向關(guān)系配置;所說的第一成像光組位于成像器和顯示屏之間的成像器的像方，所說的第二成像光組位于成像器和顯示屏之間的顯示屏的物方，第一成像光組的后焦點(diǎn)和第二成像光組的前焦點(diǎn)在光軸上重合，且光學(xué)投影系統(tǒng)的總的軸向放大率M與總的垂軸向放大率m應(yīng)滿足M=Cm2，其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>C為準(zhǔn)軸向成像系統(tǒng)中軸向放大率與垂軸的放大率間的比例因子e為成像器與主光軸的夾角，0°<0<45°。申請(qǐng)人在此必須說明，本發(fā)明所使用的術(shù)語"準(zhǔn)軸向成像"是相對(duì)于軸向成像而言，是指成像器與主光軸成一夾角的成像系統(tǒng)，所說的夾角必須大于零但不超過45°，以便與現(xiàn)行的垂直投影或軸向投影系統(tǒng)或裝置區(qū)分。本發(fā)明所說的術(shù)語"成像光組"包括由透鏡、反射鏡及其組合所構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)。為便于理解本發(fā)明，首先引入圖l說明軸向成像的基本原理，如圖所示，光組L的光軸為Z，焦距為/，物是沿光軸放置的一線段，AB是該線段上的一個(gè)微元，其中，A的坐標(biāo)為"，B的坐標(biāo)為-("+血);AB的長(zhǎng)度為d"。A，B，是微元AB經(jīng)光組L在光軸上的像，其中，A'的坐標(biāo)為w'，B'的坐標(biāo)為w'+rf"',微元AB的像A'B'的大小為du'。我們定義物和像均垂直于光軸放置時(shí)的放大率為垂軸向放大率m;物和像均平放在光軸上時(shí)的放大率為軸向放大率M。根據(jù)成像公式可得垂軸向放大率軸向放大率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(1)(2)(3)比較(3)式和(4)式可知，軸向放大率是垂軸向放大率的平方，即A/=/n2(5)由(3)、(4)式看出，附和M都是"的函數(shù)，即每個(gè)像元的放大率是隨其在光軸上的位置"變化的。軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)必須使每個(gè)像元的放大率不隨"變化，其原理如圖2所示。在圖2中，第一成像光組14和第二成像光組L2是焦距分別為/i和/2的成像光組。第一成像光組l4的垂軸向放大率為/m,第二成像光組L2的垂軸向放大率為/n2。當(dāng)?shù)谝怀上窆饨MU的像方焦點(diǎn)與第二成像光組La的物方焦點(diǎn)重合于F時(shí)，該系統(tǒng)的垂軸向放大率/M-z^xm2。通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(6)因此，在軸投成像系統(tǒng)中，垂軸向放大率m和軸向放大率M都是不隨"變化的常量，實(shí)現(xiàn)了軸向成像的均勻放大。前面的分析都是基于物平面與光軸重合，但實(shí)際上為了使物得到更多的光源輻照，把物平面與光軸成一角度放置，如圖3所示。在圖3中，Z是光軸，d"是物上的一個(gè)微元，^'是像上與^對(duì)應(yīng)的微元。物與Z軸的夾角為e，像與Z軸的夾角為e'。根據(jù)成像原理，準(zhǔn)軸投成像系統(tǒng)的放大率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(7)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(9)(9)式中的C為準(zhǔn)軸投成像系統(tǒng)的軸向放大率與垂軸的放大率間的比例因子<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>按照本發(fā)明的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)與己有技術(shù)相比，改變了已有技術(shù)必須將成像器和顯示屏置于與光軸相垂直位置的傳統(tǒng)模式，從而降低了整個(gè)背投電視的厚度。其次，按照本發(fā)明的軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)其軸向放大率A/是垂軸向放大率w的平方倍，因此，在投影圖像尺寸相同的條件下，本發(fā)明所用的成像器尺寸比現(xiàn)有背投電視所用的成像器尺寸大，從而降低了對(duì)成像器象素密度、分辨率、耐強(qiáng)光輻照和耐高溫等的要求。第三，按照本發(fā)明的軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的上述目的和其它目的及其優(yōu)點(diǎn)通過下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例的詳細(xì)說明將對(duì)本發(fā)明進(jìn)一歩的理解。附圖有圖l、基本光學(xué)成像系統(tǒng)；圖2、軸投成像系統(tǒng)原理圖；圖3、本發(fā)明的準(zhǔn)軸投成像系統(tǒng)原理圖；圖4、按照本發(fā)明的準(zhǔn)軸投成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖5、本發(fā)明另一實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式首先參考圖4，所示的是按照本發(fā)明的準(zhǔn)軸向投影的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)的第一個(gè)實(shí)施例，如圖(6)所示，設(shè)系統(tǒng)包括一個(gè)光源l,該光源可以是高壓滎燈，也可以是適合本系統(tǒng)的其它光源，如LED。一個(gè)起聚光鏡作用的菲涅爾透鏡2，光源1置于菲湼爾透鏡2的物方焦點(diǎn)上。光源1發(fā)出的光線經(jīng)透鏡2成平行光照射物3，按照本實(shí)施例，該透鏡外型尺寸為200xl80mm,焦距為130mm。菲湼爾透鏡2與第一成像光組4的光學(xué)間隔為260mm。在本實(shí)施例中，物3為一鉻板，其尺寸為166毫米X13,375毫米，其平面與光軸夾角約29.21°，如果像素被放大后是一方型，則像素橫縱比是8比1.1457，在本例中，像素為0.8毫米比0.1毫米，物3置于第一成像光組4的前方焦點(diǎn)之外。第一成像光組4由7片鏡片組成，其中各片鏡片的結(jié)構(gòu)從下面所列的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)可知。第一平面反射鏡5，其平面與光軸夾角為45°，第二平面反射鏡6，其平面與光軸夾角為45°，第一平面反射鏡5和第二平面反射鏡6的作用是將光路折返，以減小外型尺寸。按照本實(shí)施例，第二成像光組7為一球面反射鏡8，半徑約2468毫米，與光軸夾角約5°，球面反射鏡8的曲率中心與第一成像光組4的后方焦點(diǎn)重合，第二成像光組8的成像面為平面的顯示屏9。其中第一成像光組4最后一面的中心頂點(diǎn)與第二成像光組8中心頂點(diǎn)相距約1296毫米。具體參數(shù)如下ZEMAX軟件輸出光學(xué)系統(tǒng)面型數(shù)據(jù)。URFACEDATASUMMARY:<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>SURFACEDATADETAIL:SurfaceOBJXTangentYTangentApertureApertureXHalfWidthYHalfWidthSurface1Surface2Coeffonr2Coeffonr4Coeffonr6Coeffonr8Coeffonr10Coeffonr12Coeffonr14Coeffonr16Aperture:MaximumRadiusSurface3Coeffonr2Coeffonr4Coeffonr6Coeffonr8Coeffonr10Coeffonr12Coeffonr14Coeffonr16Aperture:MaximumRadiusSurface4CoeffonrCoeffonrCoeffonrCoeffonrCoeffonr10Coeffonr12Coeffonr14Coeffonr16Aperture:MaximumRadiusSurface5468TILTSURF0-1.7884305:Rectangular63.049583STANDARDEVENASPH09.9825239e-007000000FloatingAperture:47.5EVENASPH0-3.2521437e-008000000FloatingAperture:47.5:EVENASPH0-2.8063217e-006000000FloatingAperture:44.5:EVENASPH<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>ApertureApertureMaximumRadius:Surface15COORDBRKDcccntcrX0DecenterYFloating60TiltAboutXTiltAboutY0TiltAboutZ0OrdertiltSurface16STANDARDApertureApertureXHalfWidthYHalfWidth:Surface17COORDBRKDecenterX0DecenterY-3TiltAboutX2.5TiltAboutY0TiltAboutZ0OrdertiltSurface18DecenterX0DcccntcrY-20TiltAboutX:TiltAboutY0-2.5Decenterthen:Rectangular55040:DecenterthenCOORDBRK89.02913TiltAbout0OrdertiltSurfaceIMASTANDARDApertureApertureXHalfWidthYHalfWidthZDecenterthenRectangular530370參考圖5說明按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，如圖所示，光源ll由LED陣列組成，每組LED由RGB(紅、綠、藍(lán))三顆LED組成(未示出)，每組間距為20mm,共有2X5即10組。每組有一焦距約為20的透鏡組12，其口徑為20*20mm。物13是一彩色膠片，顯示像素是方型，膠片上的像素橫縱比是3.61:1.05，，與光軸夾角是18度左右。第一成像光組是非球面反射鏡14，半徑約為1928.825毫米至1300.001毫米，其焦平面和系統(tǒng)光軸垂直；15和16分別是平面反射鏡，它們將光路折返，以減小系統(tǒng)的尺寸，在本實(shí)施例中、平面反射物15為三片反射中心波長(zhǎng)與所用三色LED的中心波長(zhǎng)相匹配的膽甾相液晶片，反射面和系統(tǒng)的光軸夾角約為86度，距非球面反射鏡14約660毫米，平面反射鏡16是具有高反射率的平面反射鏡，其反射率不低于75%，距平面反射鏡15約650毫米，第二成像光組17也是非球面反射鏡，半徑約為4696.264毫米至4698.281毫米；第一成像光組14的第二焦點(diǎn)與第二成像光組17的第一焦點(diǎn)基本重合。18是屏幕，屏幕與光軸的夾角約為4.6°。具體參數(shù)如下ZEMAX軟件輸出光學(xué)系統(tǒng)面型數(shù)據(jù)。URFACEDATASUMMARY:SurfTypeRadiusThicknessGlassDiameterConicOBJTILTSURF--742.7317117.74551COORDBRK-0--STOTOROIDAL1298.8250MIRROR216.86640<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>200610127184.3說明書第11/14頁Coeffony八4:0CoeffonyA6:0CoeffonyA8:0Coeffony^io0CoeffonyA120CoeffonyA14:0Aperture:RectangularApertureXHalfWidth90YHalfWidth90Surface3COORDBRKDecenterX0DecentearY0TiltAboutX0TiltAboutY0TiltAboutZ0Oirder:Decenteo:thentiltSurface4COORDBRKDecenterX0DecenterY:0TiltAboutX-4TiltAboutY0TiltAboutZ0Order:DecenterthentiltSurface5STANDARDAperture:FloatingApertureMaximumRadius:40.6596Surface6COORDBRKDecenterX0DecenterY0TiltAboutX-4TiltAboutY0TiltAboutZ0Order:DecenterthentiltSurface7COORDBRKDecenterX0DecenterY0TiltAboutX4TiltAboutY0TiltAboutZ0Order:DecenterthentiltSurface8STANDARDAperture:FloatingApertureMaximumRadius:98.27274Surface9COORDBRKDecenterX0DecenterY0TiltAboutX4TiltAboutY0TiltAboutZ0Order:DecenterthentiltSurface10COORDBRKDecenterX0DecenterY0TiltAboutX-2.3245653TiltAboutY0TiltAboutZ0Order:DecenterthentiltSurface11TOROIDALRadofrev.-4698.2813Coeffony八20CoeffonyA4:0CoeffonyA6:0CoeffonyA8:0CoeffonyA100CoeffonyA12:0CoeffonyA14:0Aperture:RectangularApertureXHalfWidth250YHalfWidth120Surface12COORDBRKDecenterX0DecenterY0TiltAboutX2.3245653TiltAboutY0TiltAboutZ0Order:Decentei:thentiltSurface13COORDBRKDecenterX0DecentearY:-90TiltAboutX89.952927TiltAboutY0TiltAboutZ0Order:DecenteirthentiltSurfaceIMATOROIDALRadofrev.14706.845CoeffonyA20CoeffonyA40CoeffonyA6:0CoeffonyA80CoeffonyA100CoeffonyA120CoeffonyA14:0Aperture:FloatingApertureMaximumRadius:2098.309申請(qǐng)人己將本發(fā)明的構(gòu)思及其實(shí)施例做出了詳細(xì)說明，本專業(yè)的技術(shù)人員可在本發(fā)明的基礎(chǔ)上做出各種變換和改進(jìn)，但這些變換和改進(jìn)都沒有脫離本發(fā)明的精神，都在權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1，一種準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)，包括一個(gè)光源，一個(gè)成像器，一個(gè)由第一成像光組和第二成像光組構(gòu)成的光學(xué)投影系統(tǒng)，以及一個(gè)顯示屏組成，其特征在于所說的成像器與主光軸之間按準(zhǔn)軸向關(guān)系配置;所說的第一成像光組位于成像器和顯示屏之間的成像器的像方，所說的第二成像光組位于成像器和顯示屏之間的顯示屏的物方，第一成像光組的后焦點(diǎn)和第二成像光組的前焦點(diǎn)在光軸上重合，且光學(xué)投影系統(tǒng)的總的軸向放大率M與總的垂軸向放大率m應(yīng)滿足C為準(zhǔn)軸向成像系統(tǒng)中軸向放大率與垂軸的放大率間的比例因子，e為成像器與主光軸的夾角，0°<6<45°。2，按照權(quán)利要求l所述的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的光源是高壓汞燈或LED或半導(dǎo)體激光器。3，按照權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的LED或半導(dǎo)體激光器是以紅、綠、藍(lán)三色成組配置。4，按照權(quán)利要求l所述的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的光學(xué)投影系統(tǒng)由透鏡、反射鏡或其組合構(gòu)成。5，按照權(quán)利要求4所述的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的光學(xué)投影系統(tǒng)的第一成像光組是一個(gè)透鏡組，第二成像光組是一球面反射鏡，其間有一對(duì)與光軸成一定直角配置的反射鏡。6，按照權(quán)利要求5所述的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的第一成像光組是由七片透鏡組成，第二成像光組為球面反射鏡，各片透鏡和球面反射鏡的參數(shù)如下-ZEMAX軟件輸出光學(xué)系統(tǒng)面型數(shù)據(jù)為URFACEDATASUMMARY:SurfTypeRadiusThicknessGlassDiameterConicOBJTILTSURF-84.00205126.09921STANDARDInfinity0air67.07702EVENASPH-131.467126ZF29503EVENASPH-301.5521.7air9504EVENASPH62.5433314K98905EVENASPH126.36221air8906EVENASPH66.4444620ZK11820STANDARD134.848ZF78208EVENASPH78.339411.6air25.372580STOSTANDARDInfinity3air16.54242010EVENASPH-332.2卯535F220.201980"STANDARD255.788914ZK1175012EVENASPH-70.0180915.75air75013EVENASPH-68.2069541ZF280014EVENASPH-110.42111296.3air120015COORDBRK-0--16STANDARD-2468.2-464.8879MIRROR1097.498017COORDBRK--30---18COORDBRK-0---IMASTANDARDInfinity1219.2297，按照權(quán)利要求4所述的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的第一成像光組和第二成像光組均為非球面反射鏡，其間有一對(duì)反射鏡。8，按照權(quán)利要求7所述的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的第一成像光組和第二成像光組的參數(shù)如下ZEMAX軟件輸出光學(xué)系統(tǒng)面型數(shù)據(jù)為URFACEDATASUMMARY:SurfTypeRadiusThicknessGlassConicOBJTILTSURF--742.7317117.74551COORDBRK-0-STOTOROIDAL1298.8250MIRROR216.866403COORDBRK-660--4COORDBRK-0--STANDARDInfinity0MIRROR81.3191906COORDBRK--650--7COORDBRK-0--8STANDARDInfinity0MIRROR196.545509COORDBRK-1702.304--10COORDBRK-0--11TOROIDAL-4696.2640MIRROR497.6951012COORDBRK-0--13COORDBRK-0--IMATOROIDALInfinityBK74196.6189，按照權(quán)利要求8所述的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影監(jiān)示系統(tǒng)，其特征在于所述的一對(duì)反射鏡中的第一平面反射鏡為三片反射中心波長(zhǎng)與所用三色LED的中心波長(zhǎng)相匹配的膽甾相液晶片，反射面和系統(tǒng)的光軸夾角約為86度。全文摘要本發(fā)明提供一種用于包括背投和前投在內(nèi)的大屏幕投影顯示裝置的準(zhǔn)軸向成像的光學(xué)投影顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)光源，一個(gè)成像器，一個(gè)由第一成像光組和第二成像光組構(gòu)成的光學(xué)投影系統(tǒng)，以及一個(gè)顯示屏。其特征在于第一成像光組的像方焦點(diǎn)與第二成像光組的物方焦點(diǎn)重合，成像器與主光軸Z間的夾角θ大于0°，但不超過45°，且該系統(tǒng)的軸向放大率M和垂軸向放大率m之間符合下列關(guān)系M＝Cm²，式中C為比例因子。按照本發(fā)明的準(zhǔn)軸向成像光學(xué)系統(tǒng)，使大屏幕投影顯示裝置變薄成為可能；本發(fā)明可使用較大的圖像發(fā)生器，從而有利于光源的選擇，且使利用率明顯提高。文檔編號(hào)G02B27/18GK101144911SQ20061012718公開日2008年3月19日申請(qǐng)日期2006年9月12日優(yōu)先權(quán)日2006年9月12日發(fā)明者于洪收,劉守英,吳佶寧,吳葆剛,瑋張,張志堅(jiān),帥曾,李裕寬,路程,勤趙,高建謐申請(qǐng)人:北京萬方同輝科技有限公司;美國映像公司