投影儀和包括該投影儀的顯示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及投影儀和包括該投影儀的顯示系統(tǒng)本發(fā)明涉及包括光學(xué)引擎、投影透鏡、用于光偏移的裝置以及無焦透鏡系統(tǒng)的投影儀，其中該投影儀具有在0.7和0.8之間的總投射比。此類投影儀可用來構(gòu)建非常緊湊且成本劃算的后投影系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及包括此類投影儀、其后是用于光灰度的裝置和前表面反射鏡的投影組件。本發(fā)明還涉及包括至少一個(gè)此類投影和顯示屏的顯示系統(tǒng)。
【專利說明】投影儀和包括該投影儀的顯示系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及包括對(duì)高分辨率圖像進(jìn)行混合和顯示的緊湊后投影儀系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 后投影系統(tǒng)由于它們能獨(dú)立于環(huán)境光照條件提供更好的對(duì)比度相對(duì)前投影系統(tǒng) 具有優(yōu)勢(shì)。通過控制透射屏幕增益和反射屏幕增益之間的平衡，可以制造出在惡劣的環(huán)境 光照條件下有極好ANSI (美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）對(duì)比度屬性的顯示器。這也是用以創(chuàng)建大面 積顯示器或屏幕的技術(shù)。大圖像可通過讓數(shù)個(gè)投影儀提供該圖像的子部分來構(gòu)成。在諸子 圖像之間將存在圖像間的重疊，所謂的混合區(qū)域。將投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)成使混合區(qū)域?qū)τ^看者 不可見是最重要的。存在獲得良好混合的各種方式，一個(gè)示例是為每個(gè)投影儀使用梯度濾 光器,這導(dǎo)致跨重疊的均勻亮度分布。
[0003] 在后投影中，投影儀及支持的光學(xué)器件被放置在顯示屏的背側(cè)并且損失了顯示屏 后面的所有空間。因此，感興趣的是使這些設(shè)備盡可能少地在顯示屏后方延伸以及減小系 統(tǒng)厚度。進(jìn)一步感興趣的是能用廉價(jià)設(shè)備（例如，COTS (商用現(xiàn)貨）組件）來構(gòu)建這一系 統(tǒng)。
[0004] 投射比描述用于屏幕上某一區(qū)域的清晰圖象投影的投影儀和屏幕間的距離。因 此，降低系統(tǒng)厚度的一種方法將要使用具有短投射比的投影儀。然而，短投射比引起朝向圖 像邊緣（尤其是矩形圖像的角落）的高的亮度衰減。不均勻的亮度分布將導(dǎo)致糟糕的混合 質(zhì)量。由于光的大部分被浪費(fèi)，該系統(tǒng)還變得低效。US7334901給出了一個(gè)具有短投射比的 后投影系統(tǒng)深度示例。這一方案將帶來深度較小的投影系統(tǒng)，但是亮度衰減對(duì)于包括圖像 混合的系統(tǒng)而言過高。
[0005] 減少光路延伸的另一方法是使用折疊光路的前表面反射鏡。當(dāng)使用數(shù)個(gè)投影儀 時(shí)，每一投影儀投影圖像的一子部分。具有數(shù)個(gè)投影儀和前表面反射鏡的設(shè)置將導(dǎo)致具有 光束邊緣和反射鏡的三維圖案。在這些邊緣間將存在在朝向顯示屏的方向上變窄的非照明 體積（non-lit volume)。如果投影儀系統(tǒng)不適合這一體積，它到顯示屏的距離不得不被增 加且顯示系統(tǒng)深度增加。當(dāng)前的微投影儀（例如，口袋型投影儀）的輸出流明足以提供良好 的圖像質(zhì)量。然而，標(biāo)準(zhǔn)的投影儀外殼具有扁平的立方體形狀，其中兩面接近正方形尺寸。 這一形狀將不會(huì)有效地適合于具有三角形橫截面的可用體積。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 相應(yīng)地，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的目的在于提供具有高混合質(zhì)量和低系統(tǒng)深度的后 投影系統(tǒng)，以及用低成本組件實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)。
[0007] 在本文中，"光學(xué)引擎"被定義為包括照明和圖像形成但在那里尚不添加光功率的 單元，因此所形成的圖像遠(yuǎn)小于最終投影出的圖像。該照明可以是內(nèi)部的或經(jīng)由光纖從外 部源饋送。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明提供了一種投影儀，其包括光學(xué)引擎，其后是投影透鏡、用于光偏移的 裝置和無焦透鏡系統(tǒng)。
【發(fā)明者】已經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)把組件選擇成使得投影儀具有在0. 7和0. 8之 間的總投射比。這限制亮度衰減到最大20%從而使高混合質(zhì)量得以保留且系統(tǒng)高能效。這 還允許該系統(tǒng)相比常規(guī)后投影系統(tǒng)深度更小。此外，光學(xué)引擎可輸出至少150流明。這一 選擇引起良好的圖像和混合質(zhì)量。用于光偏移的裝置例如可以是反射鏡或棱鏡，其使光從 其光路朝向折疊式反射鏡偏移45到70度之間。無焦透鏡系統(tǒng)被放置在用于光偏移的裝置 之后，其例如可以是攝影透鏡（例如，低成本轉(zhuǎn)換透鏡）。該轉(zhuǎn)換透鏡因其將放大圖像而不 使圖像變形故而可進(jìn)一步縮短到屏幕的距離。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的投影儀的實(shí)施例，光源可通過光纖連接至系統(tǒng)的其余部分。通過保 持光源在另一位置上，所占用的顯示屏后方的體積被進(jìn)一步減小。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明投影儀的實(shí)施例，光學(xué)引擎的組件可沿一個(gè)軸線對(duì)準(zhǔn)。這將使得投影 儀主要在一個(gè)維度上延伸。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種投影儀組件，其包括如上所述的投影儀，其后是 用于光灰度的裝置和前表面反射鏡。優(yōu)選地，該投影儀基本上沿著與投影出的圖像的平 面平行的方向延伸；并且該投影儀、用于光灰度的裝置以及前表面反射鏡以留下在不受圖 像-混合（image-blending)配置中類似投影裝置干擾的情況下可被占據(jù)的開放空間的方 式被成形和布置。因此，在顯示屏被放置的離前表面反射鏡的前部非常近（即，與其接觸或 幾乎與其接觸）的布置中提供了一種能夠至少部分地接收鄰近投影組件而沒有各自投影 組件間以及它們各自鄰居的光束間的干擾的空間。本描述公開了允許以非常緊湊的方式鄰 近投影組件來放置附加投影組件的投影組件的配置，從而獲得極其緊湊以及纖薄的圖像混 合后投影系統(tǒng)；具體而言，當(dāng)從投影表面的方向來看時(shí)，一個(gè)投影組件的部分可被放置在鄰 近的投影組件的前表面反射鏡的后面技術(shù)人員將理解，可以獲得相同效果且也落在本發(fā)明 范圍之內(nèi)的所公開配置的變體也是可能的。優(yōu)選地，在兩個(gè)方向（優(yōu)選為正交的方向）上 提供用于接收鄰近投影儀的空間，從而可以創(chuàng)建投影儀的二維堆疊。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種包括至少一個(gè)上述投影組件以及顯示屏的投 影系統(tǒng)。用于光灰度的裝置將確保重疊區(qū)域中正確的亮度水平。用于光灰度的裝置可以是 為了避免衍射而沒有內(nèi)部光柵的光學(xué)混和濾光器，例如梯度中性密度濾光器。前表面反射 鏡和折疊反射鏡將減少光路以縮短投影系統(tǒng)的深度。顯示屏可以是平面的或彎曲的并且它 可具有朗伯特性。顯示屏的背側(cè)可覆蓋有抗反射涂層，該抗反射涂層可以是相比常規(guī)抗反 射涂層對(duì)光線的入射角的依賴更少的蛾眼抗反射涂層。該抗反射涂層可減少由屏幕背側(cè)上 的反射而產(chǎn)生的所謂的鬼像。
[0013] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，投影儀可以通過一個(gè)或數(shù)個(gè)光纖連接至一個(gè)或數(shù)個(gè)光源。 通過保持光源在另一位置上，所占用的顯示屏后方的體積被進(jìn)一步減小。
[0014] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，光學(xué)引擎的組件可沿一個(gè)軸線對(duì)準(zhǔn)。這將使得投影儀主要 在一個(gè)方向上延伸。這一方向可以被選擇成基本平行于顯示屏。以此方式，投影儀在垂直 于屏幕方向上的延伸可被減小。
[0015] 現(xiàn)在將參照附圖詳述本發(fā)明的實(shí)施例。通過參照?qǐng)D6可方便地理解貫穿本申請(qǐng)全 文所使用的術(shù)語，圖6解說投影儀10,其包括光學(xué)引擎50,其后是包括簡(jiǎn)單投影透鏡60、用 于光偏移的裝置70和無焦透鏡系統(tǒng)80的投影透鏡組件。包括光學(xué)引擎50和簡(jiǎn)單投影透 鏡60的實(shí)體可作為COTS組件獲得。圖6示出"投影系統(tǒng)"170,其將包括投影儀10、顯示屏 20以及用于每個(gè)投影儀的灰度濾光器90和前表面反射鏡30中的至少一個(gè)。平行于圖6a) 中屏幕20的延伸的方向?qū)⒈恢付橄到y(tǒng)的"水平"方向，而平行于圖6b)中屏幕20的延伸 的方向?qū)⒈恢付橄到y(tǒng)的"垂直"方向。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是解說投影儀10和顯示屏20以及折疊前表面反射鏡30的圖。陰影區(qū)域指 示系統(tǒng)的損失空間。
[0017] 圖2是解說用于光灰度的光學(xué)混合濾光器40的使用的圖。投影儀10把光投影到 光學(xué)混合濾光器40上，從而使在顯示屏20上顯示的經(jīng)組合的圖像在混合區(qū)域45中將具有 正確亮度水平。
[0018] 圖3解說商用口袋型投影儀的內(nèi)部。
[0019] 圖4a)和圖4b)示出專利US3409346的圖4,其解說投影儀10投影到前表面反射 鏡12上以供后投影到顯示屏13上（編號(hào)是根據(jù)US3409346)。
[0020] 圖5是解說本發(fā)明一個(gè)實(shí)現(xiàn)的圖。圖5a)示出光學(xué)引擎50、簡(jiǎn)單投影透鏡60、用 于光偏移的裝置70、無焦透鏡系統(tǒng)80、前表面反射鏡30和顯示屏20的側(cè)視圖。圖5還解 說光源110如何通過光纖120連接至系統(tǒng)的剩余部分。圖5b)以俯視圖示出上述系統(tǒng)。
[0021] 圖6a)是解說本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)，即包括多個(gè)投影儀10和前表面反射鏡30及顯示屏 20的投影系統(tǒng)170的側(cè)視圖。上部投影儀處的格子區(qū)域解說反射鏡30和光束140的邊緣 之間的可用空間130的垂直橫截面?？臻g130將在垂直于紙面的平面中延伸。這一平面平 行于顯示屏20的平面。平面在此基本平坦，但是理論上它們可以彎曲或呈任意形狀。圖 6b)是對(duì)應(yīng)的俯視圖。
[0022] 圖7解說屏幕20背側(cè)上的反射150如何引起前表面反射鏡30中的第二次反射 160并在成像平面中形成所謂的"鬼像"。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 附圖及示意性解說是非限定性的并且不應(yīng)當(dāng)被解釋為表示物理對(duì)象的確切比例。 本發(fā)明不受限于所公開的實(shí)施例。在整篇描述中，相同的附圖編號(hào)貫穿全文被用于本發(fā)明 的相同元件，但是重印的現(xiàn)有技術(shù)仍保留用斜體字指示的其原始編號(hào)。應(yīng)當(dāng)理解權(quán)利要求 中所使用的術(shù)語"包括"不應(yīng)被解釋為受限于此后列出的裝置，而是應(yīng)該被解釋為指定所聲 稱的特征的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)特征的存在或附加。還應(yīng)當(dāng)理解術(shù)語透鏡不受限于 單一透鏡元件而是可包括形成復(fù)合透鏡的多個(gè)單一透鏡元件。
[0024] 可以由來自數(shù)個(gè)投影儀的貢獻(xiàn)構(gòu)建大屏幕上的圖像，其中它們各自的貢獻(xiàn)將覆蓋 顯示屏的一個(gè)子部分。
[0025] 使用混合的優(yōu)點(diǎn)在于可以避免各個(gè)顯示器模塊之間的接縫，在LCD的情況下這些 接縫是由LCD邊框?qū)е碌?。后投影立方體針對(duì)合理屏幕尺寸（>120厘米）以更大深度為代 價(jià)或者針對(duì)合理顯示器深度以屏幕對(duì)角線為代價(jià)限制接縫為在1毫米之下（sub 1mm)。通 過使用圖像混合，我們的方法結(jié)合了合理的屏幕尺寸和合理的顯示器深度。
[0026] 這將導(dǎo)致兩個(gè)或更多個(gè)子圖像將輕度重疊，產(chǎn)生混合區(qū)域。該混合可被電子地控 制或光學(xué)地（物理地）控制，所謂的電子或光學(xué)混合。對(duì)于黑色不等同于關(guān)閉屏幕的顯示 器技術(shù)（諸如，舉例而言LCD)而言，黑色仍然包含一些低水平亮度。在電子混合的情況下， 這一低水平亮度將通過數(shù)個(gè)重疊的圖像的被增強(qiáng)。對(duì)于光學(xué)混合，這一低水平的亮度被物 理濾光器減小。因此，通過光學(xué)混合控制實(shí)現(xiàn)了最佳的對(duì)比度范圍。這可通過確保貫穿重 疊的正確輸出亮度水平的光學(xué)灰度濾光器（例如，梯度中性密度濾光器）來實(shí)現(xiàn)。圖2示 出兩個(gè)投影儀10,其中灰度濾光器40確保顯示屏20上的混合區(qū)域45具有均勻的亮度分 布。最重要的是混合區(qū)域45對(duì)于人眼而言不可辨別。
[0027] 減小投影系統(tǒng)深度的第一措施是通過使用圖1中所示的前表面反射鏡30。光路 離開投影儀10并且在抵達(dá)屏幕20之前被前表面反射鏡30折疊。以此方式，投影儀10和 顯示屏20間的距離被縮短。后投影系統(tǒng)的背側(cè)具有有對(duì)應(yīng)的前表面反射鏡的多個(gè)水平地 和/或垂直地傾斜的投影儀。光束離開投影儀并且前表面反射鏡將為非照明體積定界。為 了最小化投影系統(tǒng)，投影儀需要適合在被圖6中的格子圖案130所解說的這一可用空間中。 投影儀不能干擾反射鏡或光束，但是不得不移離開存在更多可用空間的屏幕處。以此方式， 投影儀系統(tǒng)深度將增加。
[0028] 圖4a)示出US3409346(圖4)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，其中投影儀10在其到達(dá)屏幕顯示器13 之前經(jīng)過無焦透鏡系統(tǒng)14和折疊反射鏡12。然而，這一方案被限制在盒中并且如果與第 二個(gè)相似系統(tǒng)組合時(shí)不能提供混合的圖像。即使盒壁被移除，向左的子系統(tǒng)的反射鏡將不 得不放置在圖4b)中的條紋線處以便在圖像間獲得混合，并且投影儀將干擾反光鏡。因此， US3409346沒有教導(dǎo)如何實(shí)現(xiàn)緊湊的包含混合的后投影系統(tǒng)。
[0029] 當(dāng)前的可用口袋型投影儀供給了足以提供高質(zhì)量圖像的光輸出。充足的光輸出至 少是150流明。表1示出一些典型商用口袋型投影儀的量度。這一類型的投影儀是緊湊 的，且外殼在高度上是最小化的而外殼的寬度和長(zhǎng)度具有較長(zhǎng)的、同樣長(zhǎng)的邊，從而它們創(chuàng) 建了方形覆蓋區(qū)（square footprint)。供應(yīng)商以"適合口袋"為目標(biāo)來選擇這些量度。然 而，這些尺寸使口袋型投影儀不適合于包括混合的投影系統(tǒng)。圖3解說如何以折疊式布局 來布置通用口袋型投影儀的光學(xué)引擎以創(chuàng)建方形覆蓋區(qū)。除了投影透鏡60以外的所有組 件包括光學(xué)引擎。這一形狀對(duì)于適合于在可用空間130中而言不是最優(yōu)的。
[0030] 表I COTS投影儀
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種投影儀，包括光學(xué)引擎、投影透鏡、用于光偏移的裝置以及無焦透鏡系統(tǒng)，其特 征在于，所述投影儀具有在0.7和0.8之間的總投射比。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影儀，其特征在于，所述光學(xué)引擎沿一個(gè)軸線對(duì)準(zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影儀，其特征在于，所述光學(xué)引擎的輸出是至少150流明。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的投影儀，其特征在于，所述用于光偏移的裝置把光從 其光路偏移45度至70度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影儀，其特征在于，所述用于光偏移的裝置是反射鏡或棱 鏡或矩形棱鏡或其任意組合，或者光源通過光纖連接至所述系統(tǒng)的剩余部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影儀，其特征在于，所述無焦透鏡系統(tǒng)是轉(zhuǎn)換透鏡。
7. -種投影組件，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影儀或者其后是用于光灰度的裝置和 前表面反射鏡。
8.如權(quán)利要求7所述的投影組件，其特征在于，所述投影儀基本上沿著與投影出的圖 像的平面平行的方向延伸，并且其中所述投影儀、所述用于光灰度的裝置以及所述前表面 反射鏡以留下不受圖像-混合配置中類似投影組件干擾的、可被占據(jù)的開放空間的方式被 成形和布置。
9. 一種顯示系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的至少一個(gè)投影組件以及顯示屏。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述前表面反射鏡和源自每一投影 儀并在所述反射鏡上反射的光束為可用空間定界，所述可用空間在基本平行于所述顯示屏 的方向上延伸，其中每一投影儀被設(shè)計(jì)成具有細(xì)長(zhǎng)的形狀并且適合于在這一空間中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述投影透鏡組件修改所述顯示 屏上圖像的定向。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所有投影儀連接至一個(gè)或多個(gè)光 源，并且所述光源或多個(gè)光源通過一個(gè)或多個(gè)光纖連接至所述投影儀。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述顯示屏是平坦的或彎曲的。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或11或13所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述用于光灰度的裝置 是光學(xué)混合濾光器或者連續(xù)色調(diào)混合濾光器。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，首先接收投影儀光線的所述顯示 屏的表面覆蓋有抗反射涂層或蛾眼型抗反射涂層。
【文檔編號(hào)】G03B21/14GK104378611SQ201410398088
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月14日
【發(fā)明者】K·韋梅爾什, R·德弗維爾, P·格雷茨 申請(qǐng)人:巴科股份有限公司