專利名稱：投影顯示裝置的廣角投影透鏡和光學(xué)引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)合在光學(xué)引擎中的廣角投影透鏡，用于在較短投射距離的前投影顯示系統(tǒng)中使用，用于多種應(yīng)用。具體而言，本發(fā)明涉及提供廣角投影透鏡的投影裝置，該廣角投影透鏡允許極端離軸圖像產(chǎn)生，并產(chǎn)生基本不失真并需要較少到不需要梯形失真校正的圖像。
背景技術(shù)：
電子或視頻顯示系統(tǒng)是能夠提供視頻或電子產(chǎn)生圖像的裝置。無論在家庭娛樂、廣告、視頻會議或組群會議中使用，都需要適當(dāng)?shù)娘@示裝置。
圖像質(zhì)量是消費(fèi)者用于判定適當(dāng)顯示裝置的因素之一。一般而言，借助于如圖像分辨率和圖像顏色之類的因素，能夠從質(zhì)量方面判定圖像質(zhì)量。當(dāng)某些消費(fèi)者對顯示裝置所期望的是具有較大的畫面尺寸時，則能夠容忍圖像質(zhì)量。通常，大畫面尺寸為這樣的尺寸，即沿著屏幕的對角線測量得的屏幕尺寸超過大約40英寸。
盡管現(xiàn)在在前投影系統(tǒng)中，市場上有許多種顯示裝置，但是繼續(xù)需要研制其它的顯示裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例包括一種在前投影顯示裝置中使用的廣角投影透鏡。該顯示裝置可包括光學(xué)引擎，該光學(xué)引擎包括照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和廣角投影透鏡。該廣角投影透鏡包括具有負(fù)屈光力的第一透鏡組，該第一透鏡組具有至少一個非球面。該廣角投影透鏡以至少45°的半場視角輸出圖像，其中該圖像基本沒有失真。例如，當(dāng)?shù)谝煌哥R組被放置在離觀看屏幕一特定距離處時，該距離與輸出圖像尺寸(對角)的比為大約1.8-2.2比1。所輸出的圖像可具有大約25英寸或更大的對角尺寸。而且，在優(yōu)選方面中，該顯示裝置不需要基本的梯形失真校正。
在本發(fā)明的其它方面中，光學(xué)引擎可以在壁掛式投影系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)、緊湊集成監(jiān)視系統(tǒng)和便攜式投影單元中實現(xiàn)。
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)被用在短投射距離、極端離軸前投影系統(tǒng)中。詞語“投射距離”表示由從投影屏幕到投影透鏡的垂線所限定的距離。詞語“短投射距離”表示小于一米的距離。詞語“極端離軸”表示投影的圖像對著的角度大于45度。另外，投影裝置投影基本沒有失真的圖像。就基本不失真而言，意味著失真不超過2％。在優(yōu)選方面中，失真小于或等于1％，最為優(yōu)選的是小于或等于0.5％。這些失真值對于至少大多數(shù)成像裝置而言不需要電子失真校正。在本文獻(xiàn)中，詞語“大約”認(rèn)為修飾所有的數(shù)值。
本發(fā)明的上述概述并不意圖描述本發(fā)明的每個所說的實施例或每個實現(xiàn)。下述附圖和詳細(xì)描述更具體地說明了這些實施例。


附圖1是可以在本發(fā)明中使用的示例性光學(xué)引擎的示意性視圖；附圖2是可以在本發(fā)明中使用的示例性投影光學(xué)系統(tǒng)的示意性視圖；附圖3是使用該示例性光學(xué)引擎的壁掛式投影系統(tǒng)的示意性視圖；附圖4A至4C是附圖3所示的投影系統(tǒng)的壁掛單元的更加詳細(xì)的視圖；附圖5A和5B分別示出了處于關(guān)閉位置和打開位置的示例性壁掛單元的設(shè)計；附圖6是使用該示例性光學(xué)引擎的示例性集成多媒體系統(tǒng)的示意性視圖；附圖7A至7D示出了附圖6所示的多媒體系統(tǒng)的更加詳細(xì)的視圖；附圖8A和8B示出了該多媒體系統(tǒng)的替代性實施例；附圖9A和9B示出了該多媒體系統(tǒng)的另一替代性實施例；附圖10A示出了使用該示例性光學(xué)引擎的緊湊集成監(jiān)視系統(tǒng)的示意性視圖，且附圖10B至10D示出了該緊湊集成監(jiān)視系統(tǒng)的替代性實施例；附圖11A和11B分別示出了根據(jù)另一實施例所述的便攜式投影單元的正視圖和后視圖；附圖12A至12C示出了便攜式投影單元的替代性設(shè)計的不同視圖；及附圖13示出了該示例性光學(xué)引擎與常規(guī)前投影儀所獲得的短投射距離的說明。
這些附圖未按比例繪制，而且只用于說明性目的。盡管本發(fā)明允許各種修改和替代性形式，但是其具體形式已經(jīng)在附圖中通過例子示出，并且將詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，不希望將本發(fā)明限定于所述的具體實施例。相反，期望覆蓋落入由所述權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替代物。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種用于在短投射距離的前投影顯示系統(tǒng)中使用的投影顯示裝置，用于多煤體和墻壁顯示應(yīng)用。尤其是，此處所述的光學(xué)引擎可以在前投影系統(tǒng)中使用，該前投影系統(tǒng)適合于在集成多媒體系統(tǒng)、壁掛式投影系統(tǒng)、便攜式投影單元和監(jiān)視系統(tǒng)中使用。另外，此處所述的光學(xué)引擎基本上不產(chǎn)生失真，并且基本不需要梯形失真校正。
附圖1示出了示例性光學(xué)引擎10的示意性視圖，該光學(xué)引擎具有下述部件中的一個或多個照明系統(tǒng)12或12’、成像系統(tǒng)14、聚焦機(jī)構(gòu)15和投影光學(xué)系統(tǒng)16。盡管示出了兩個不同照明系統(tǒng)12和12’，但是通常只使用一個。當(dāng)該照明系統(tǒng)位于附圖標(biāo)記12所示的位置處時，所使用的成像儀為反射成像儀。相反，當(dāng)該照明系統(tǒng)位于附圖標(biāo)記12’所示的位置處時，所使用的成像儀為透射成像儀。光學(xué)引擎10在投影屏幕18或觀看表面上產(chǎn)生圖像。由于觀眾和光學(xué)引擎位于投影屏幕的同一側(cè)，所以附圖1描繪出了使用光學(xué)引擎10的前投影顯示系統(tǒng)。該光學(xué)引擎中的每個元件都將被在下面詳細(xì)地討論。
照明系統(tǒng)12、12’可包括燈單元、濾光器(如紅外光和/或紫外光拒波濾光器)、色彩分離裝置和積分器。在一個示例性實施例中，燈單元包括反射器和燈。合適的、商業(yè)上可用的燈包括(I)Philips UHP型燈單元，它使用來自荷蘭埃因霍溫飛利浦半導(dǎo)體公司的橢圓反射器；和(II)來自德國慕尼黑OSRAM GmBH公司的OSRAM P-VIP250燈單元。本發(fā)明中還可以使用其它合適的燈和燈單元裝置。例如，可以使用金屬鹵化物燈或鎢鹵素?zé)艋虬l(fā)光二極管(LED’s)?？梢栽诒景l(fā)明的實施例中使用的濾光器、彩色轉(zhuǎn)盤(color wheel)和積分器的類型無關(guān)緊要。在一個示例性實施例中，彩色分離裝置為成像儀的光源中的旋轉(zhuǎn)的紅/綠/藍(lán)(RGB)彩色順序盤。示例性商業(yè)上可用的彩色轉(zhuǎn)盤為來自UNAXIS Balzers有限公司，巴爾查斯，列支敦士登的UNAXISRGBW彩色轉(zhuǎn)盤。本發(fā)明的實施例中還可以使用液晶RGB彩色順序色盤(shutter)。示例性商業(yè)上可用的積分器為來自UNAXIS Balzers有限公司的空心通道型積分器。
成像系統(tǒng)14可包括成像儀，并通常還可包括常規(guī)電子儀器?？梢栽诒景l(fā)明中使用的有用的反射成像儀為具有大約22毫米對角尺寸的XGA數(shù)字微鏡裝置(DMD)，它可從德州儀器公司，達(dá)拉斯，美國得克薩斯州獲得?；蛘?，可以將透射或反射液晶顯示屏作為成像儀使用。在示例性光學(xué)馬達(dá)實施例中，成像儀的表面基本平行于投影屏幕的表面定位。
通過將一個或多個下面所述透鏡安裝在可滑動的或螺紋底座(mount)(未示出)上，可以實現(xiàn)聚焦機(jī)構(gòu)15，該底座可以用手進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，或通過電子致動機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，可以通過使用變焦透鏡或變焦距透鏡實現(xiàn)聚焦?；蛘?，對于具有建立在光學(xué)引擎10和投影屏幕18之間的預(yù)定的固定位置上的投影單元不需要用戶聚焦。
屏幕18可以包括多層材料，例如在美國專利No.6,179,426中所述構(gòu)造的數(shù)個菲涅耳元件。該屏幕可以被設(shè)計成控制光在水平方向上的分布傳播(spreading)，以適應(yīng)水平位于屏幕前面的觀眾。屏幕的替代性實施例可以包括可從美國明尼蘇達(dá)州圣保羅的3M公司獲得的多層薄膜技術(shù)、雙重增亮膜(DBEF)技術(shù)或VIKUITITM技術(shù)?？蛇x地，所產(chǎn)生的圖像可以在任何表面上觀察到，例如墻壁或其它結(jié)構(gòu)，或標(biāo)準(zhǔn)觀看屏幕。
附圖2示出了光學(xué)引擎10的廣角投影透鏡的示例性實施例。附圖2的投影透鏡從屏幕側(cè)開始按下列順序包括三個透鏡組第一透鏡組(G1)、第二透鏡組(G2)和第三透鏡組(G3)。詞語“屏幕側(cè)”表示最靠近投影屏幕的投影透鏡的側(cè)面。這三個透鏡組將在下面詳細(xì)討論。如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將明顯的那樣，可以使用投影透鏡16的替代性結(jié)構(gòu)，包括含有較少、相同或較多透鏡元件數(shù)量的替代性結(jié)構(gòu)。
從屏幕側(cè)開始數(shù)，附圖2的示例性投影透鏡在三組透鏡組中包括總共十一(11)個元件。第一透鏡組(G1)按從屏幕側(cè)順序可包括負(fù)屈光力的第一透鏡元件(L1)和在其第二表面上具有非球面的第二透鏡元件(L2)。優(yōu)選地，G1具有負(fù)屈光力。G1中F1/F的比可以是-3.5＜F1/F＜-2.3。第二透鏡組(G2)可包括使用常規(guī)粘結(jié)劑固定或膠結(jié)在一起的三個透鏡元件(L3)至(L5)。優(yōu)選地，G2具有基本為0的屈光力。在另一實施例中，G2在屈光力方面可以略微為正。在另一實施例中，G2在屈光力方面可以略微為負(fù)。G2中F2/F的比可以是-95＜F2/F＜-86。在該示例性實施例中，孔徑光闌位于第二透鏡組G2中或其附近。第三透鏡組(G3)可包括六個透鏡元件(L6)至(L11)。優(yōu)選地，G3具有正屈光力。G3中F3/F的比可以是2.5＜F3/F＜3.2。如附圖2中所示，有棱鏡位于L11的右側(cè)，即距離投影屏幕最遠(yuǎn)。在上述描述中，F(xiàn)為廣角投影透鏡的焦距，F(xiàn)1是第一透鏡組的焦距，F(xiàn)2是第二透鏡組的焦距，F(xiàn)3是第三透鏡組的焦距。
更加詳細(xì)的是，第一透鏡組G1優(yōu)選地具有負(fù)屈光力。在第一實施例中，第一透鏡組G1包括數(shù)個透鏡元件。例如，離屏幕最近的第一透鏡元件(L1)可以具有三個透鏡組中所有透鏡的最大直徑。在一個示例性實施例中，第一透鏡組中的第一透鏡元件L1具有足夠大的直徑，從而在較大視野中投影圖像，即在沿屏幕方向大于45°、優(yōu)選地大于50°、最為優(yōu)選地大于55°的半場視角(field angle)上投影圖像，且基本不失真。
在另一示例性實施例中，第一透鏡組中的第一透鏡元件L1具有大于60毫米且小于75毫米的直徑。在又一示例性實施例中，第一透鏡組的第一透鏡元件具有大約70毫米的直徑。于是，當(dāng)應(yīng)用于投影裝置中時，該第一透鏡元件能夠提供大約110°至大約120°的觀察視野。
在附圖2的實施例中，第一透鏡組G1還包括具有至少一個非球面的第二透鏡元件(L2)。本示例性實施例的非球面能夠幫助減小失真效應(yīng)，同時仍然提供較大的觀察視野。在一方面中，第二透鏡元件可以由如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之類的光學(xué)聚合物制成，該聚合物具有大約1.49的折射率和大約57.2的阿貝數(shù)。非球面的形狀可以借助于下述等式限定Z=cr21+1-(1+k)c2r2+α2r2+α4r4+α6r4+α8r8+α10r10]]>等式1其中，Z是離系統(tǒng)的光軸距離r處的表面垂度(surface sag)
c是光軸上透鏡的曲率，單位為1/mmr是極坐標(biāo)，單位為毫米k為圓錐常數(shù)(conic constant)α2是第二項的系數(shù)，α4是第四項的系數(shù)，α6是第六項的系數(shù)，α8是第八項的系數(shù)，α10是第十項的系數(shù)。
在另一實施例中，第一透鏡組的第一元件的第二表面具有一曲率半徑，該曲率半徑基本等于該第一透鏡組中第二透鏡元件的第一表面的曲率半徑。
在一個實施例中，第一透鏡組G1包括兩個彎月形嵌套的透鏡元件，第一彎月形元件由玻璃制成，第二彎月形元件由塑料制成，且在塑料元件上具有受控的厚度?？梢允褂萌鏟MMA之類的塑料。這兩個元件被間隔開，使得第一元件的第二表面和第二元件的第一表面之間的距離與投影透鏡的整個有效焦距的比為1/175。
在示例性實施例中，第二成形元件包括非球面透鏡(例如，具有至少一個非球面的透鏡)，它具有基本一致的厚度。該拱形設(shè)計能夠減小熱量所產(chǎn)生問題，并能夠提供簡單的制造。
在替代性實施例中，第一透鏡組G1能夠包括兩個成形元件，它們被模制在一起，從而形成一個整體元件。例如，第一成形元件可包括玻璃元件，并且第二成形元件可包括模制在該第一成形元件的第二表面上的塑料(例如，PMMA)元件。
在另一替代性方案中，第一透鏡組G1可包括單個元件(例如，單個玻璃元件)，且在該單個元件的第一表面、第二表面或兩個表面上形成有非球面。
在另一示例性實施例中，第二透鏡組G2可以具有基本為0的屈光力。第二透鏡組可以由數(shù)個透鏡元件制成。投影透鏡16的孔徑光闌可以位于該第二透鏡組中或其附近。例如，在一個實施例中，參照附圖2，該孔徑光闌被設(shè)置在大約L5處。
在示例性實施例中，第二透鏡組中的所有透鏡元件都可具有非球表面。在一個示例性實施例中，第二透鏡組G2包括膠接的三合透鏡，以幫助控制球面像差和彗形像差。如果需要的話，則可以改變G1中的透鏡元件和G2中的透鏡元件之間的軸距。
在示例性實施例中，第二透鏡組G2提供較長的有效焦距。另外，在示例性實施例中，組成第二透鏡組的元件由玻璃制成。
在替代性實施例中，雙合透鏡可以用于第二透鏡組G2。在該替代性實施例中，雙合透鏡中的一個或兩個可包括非球面。
在另一示例性實施例中，第三透鏡組G3可具有正屈光力，并且該透鏡組中的所有透鏡元件都能夠具有非球表面。在示例性實施例中，第三透鏡組G3提供彩色像差校正(color aberration correction)(即，初級和次級色散補(bǔ)償)。例如，透鏡L7、L8、L10和L11可包括相同的玻璃材料，例如MP52?；蛘撸€可以使用其它的玻璃。
可以在第三透鏡組G3和成象儀14之間設(shè)置棱鏡(例如，TIR棱鏡，未示出)，例如在離屏幕側(cè)最遠(yuǎn)的位置處設(shè)置棱鏡?；蛘?，可以使用物鏡。
對于附圖2中所示的實施例，作為例子，下面的表1以從屏幕側(cè)開始的順序(表面1為離第一透鏡元件L1的屏幕側(cè)最近的表面)列出了表面號、靠近每個表面的光軸的曲率(c)(以1/毫米為單位)、表面之間的軸距(D)(以毫米為單位)，并且還說明了玻璃類型。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可從玻璃類型中確定材料的折射率和阿貝數(shù)。表面0為物體表面或投影屏幕表面。在本實施例中，廣角投影透鏡具有8.8毫米的有效整體焦距，沿屏幕側(cè)方向55°的半場視角，并在F/2.8下工作。第一透鏡組G1具有-25.4毫米的有效焦距；第二透鏡組G2具有-800毫米的有效焦距；并且第三透鏡組G3具有23.5毫米的有效焦距。在本示例性實施例中，該投影透鏡具有130毫米的總跨距。
對于附圖2中的實施例，第一透鏡組中的第二透鏡元件的第二表面(在表1中用表面4表示)為非球面，如上述等式I所決定的那樣，并具有下述系數(shù)值c＝0.0901，k＝-0.8938，α2＝0，α4＝1.99×10-5，α6＝-7.468×10-8，α8＝3.523×10-10和α10＝-5.970×10-13。附圖2的實施例的廣角投影透鏡具有130毫米的總跨距。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的那樣，在如前投影顯示應(yīng)用之類的某些應(yīng)用中，由于將導(dǎo)致緊湊投影透鏡，從而使整個光學(xué)引擎所需要的空間最小，所以可以有利地具有較短的總跨距。
表1


下面的表2和3列出了附圖2的實施例的基本透鏡數(shù)據(jù)和表面數(shù)據(jù)匯總。
表2


表3


上述表中提供的數(shù)據(jù)表示一個例子，且并不意圖限制此處所述的本發(fā)明的范圍。
上述光學(xué)引擎可以用于多種前投影裝置。例如，附圖3示出了一個示例性實施例，使用上述示例性光學(xué)引擎的壁掛式投影系統(tǒng)?？梢允褂贸Ｒ?guī)安裝螺栓等將包括上所述光學(xué)引擎的投影儀壁掛式單元100安裝到墻壁或其它結(jié)構(gòu)102上。附圖3中所示的單元100處于關(guān)閉位置。當(dāng)工作時，活動部件(例如，滑動托盤、滑臂、螺紋桿等)在離屏幕105一定距離處從單元100出現(xiàn)，在該屏幕105上可以看到圖像。屏幕105可以以如上述方式構(gòu)造?；蛘?，屏幕105可以被構(gòu)造為如美國專利No.6,179,426中所述的數(shù)字白板。在另一替代性方案中，屏幕105可以被構(gòu)造為如電影放映機(jī)通常使用的那樣的下拉式屏幕。該下拉式屏幕可以安裝到壁掛單元100上，或被單獨(dú)固定到墻壁上?；蛘?，壁掛單元100可以安裝在與屏幕105不同的墻壁上(例如，側(cè)壁)。
由于此處所述光學(xué)引擎的較大觀察視野，因而單元100能夠在較短的投射距離上提供較大的圖像尺寸。附圖13示出了包括上述示例性光學(xué)引擎的投影單元50和常規(guī)投影儀75之間的說明性比較。如附圖13中所示，示例性光學(xué)引擎可以放置在離觀看屏或表面較近的距離處(例如，27-33英寸)，產(chǎn)生60英寸圖像尺寸(對角測量)。于是，在一個示例性實施例中，離觀看屏的距離與圖像尺寸(4×3格式，對角)的比例可以是大約1.8-2.2比1。如附圖13中所示，作為比較，常規(guī)投影系統(tǒng)75具有離觀看屏的距離與圖像尺寸(4×3格式，對角)的比例為大約0.7-0.9比1。詞語“4×3格式”和“16×9格式”指的是測量的圖像寬度與圖像高度的常規(guī)圖像格式。
例如，對于大約40英寸的圖像尺寸(4×3格式，對角)，光學(xué)引擎被放置在離屏幕大約18至22英寸的距離處。對于60英寸的圖像尺寸(4×3格式，對角)，光學(xué)引擎被放置在離屏幕大約27至33英寸的距離處。當(dāng)然，如果需要的話，則通過利用在極端離軸位置處的相對較短的投射距離，此處所述示例性光學(xué)引擎能夠提供大于60英寸的圖像尺寸(4×3格式，對角)。在優(yōu)選實施例中，圖像尺寸至少大約為25英寸。
另外，光學(xué)引擎被設(shè)計成使得很少需要或不需要梯形失真校正，同時減少失真。例如，投影圖像的失真值可以小于或等于2％，優(yōu)選的是小于或等于1.0％，更為優(yōu)選的是小于或等于0.5％(例如，失真(d)可以通過下述等式?jīng)Q定d＝(H-h)/h*100，其中h為近軸像高度，H為實際圖像高度)。在一個示例性實施例中，光學(xué)引擎能夠提供具有4×3格式的圖像。在另一示例性實施例中，光學(xué)引擎可以用合適的成像儀實現(xiàn)，從而提供不同的屏幕格式，如16×9格式。
或者，光學(xué)引擎可以通過校正電路(例如，常規(guī)偏差芯片(warpchip))實現(xiàn)，它能夠在甚至更短的投射距離上產(chǎn)生足夠的圖像質(zhì)量。
附圖4A、4B和4C示出了示例性投影單元100的更詳細(xì)的視圖。附圖4A是單元100的頂視圖。為了減輕整體重量，單元100可以由金屬和/或輕型材料構(gòu)成，如鋁、鎂和/或塑料合成物。該單元可具有大約24至36英寸的整體寬度(W1)。光學(xué)引擎110能夠位于活動部件或托盤112中，它能夠具有大約12至16英寸的寬度。此處所述所有投影系統(tǒng)的物理尺寸都是說明性的，而不是限制性的。
通過使用常規(guī)平移機(jī)構(gòu)，托盤112可以移動，如托盤112被聯(lián)接到平移到固定或可調(diào)節(jié)位置處的螺紋桿上。光學(xué)引擎110通過托盤112而被定位，從而當(dāng)放置在使用位置(即打開位置)處時，光學(xué)圖像在如屏幕105之類的屏幕上投影成圖像。另外，單元100還可包括另外的音頻/視頻部件，如揚(yáng)聲器118、輸入/輸出插座(未示出)和控制面板(未示出)。(如向光學(xué)引擎提供電力和圖像信號的)另外的電纜可延伸穿過單元100的后端進(jìn)入墻壁中，從而將電纜保持在觀眾看不見的地方。
如附圖4B中所示，單元100可具有大約6至10英寸的高度(H)。另外，單元100具有大約14至20英寸的關(guān)閉長度(L1)，這時根據(jù)將被投影到屏幕上的圖像的尺寸，容納光學(xué)引擎110的活動托盤能夠延伸出大約6至20英寸的長度(L2)，從而提供大約20至40英寸的整體長度(L)。在一個示例性實施例中，活動托盤112能夠延伸到兩個或多個不同的固定或可調(diào)節(jié)位置，從而在屏幕上提供兩個或多個不同的圖像尺寸?？梢钥蛇x擇地設(shè)置用戶對焦。
例如，對于40英寸對角圖像尺寸，光學(xué)引擎可以放置在離屏幕大約18至22英寸的距離處，而對于60英寸對角圖像尺寸，光學(xué)引擎可以放置在離屏幕大約27至33英寸的距離處。
另外，單元100可包括輔助電子元件115、空氣冷卻部件，電源和/或?qū)箼C(jī)構(gòu)。優(yōu)選地，這些輔助部件分布遍及單元100的本體和托盤112，以使工作時的負(fù)載影響最小化。附圖4C提供了處于打開位置處的單元100的示意性側(cè)視圖。
附圖5A和5B示出了處于關(guān)閉位置(附圖5A)和打開位置(附圖5B)的、與上述參照附圖4A至4C所述的壁掛單元100類似的示例性設(shè)計。如附圖5B中所示，由于光學(xué)引擎的極端離軸成像能力，因而光學(xué)引擎托盤112的延伸能夠保持在比常規(guī)高架投影儀中找到的距離更短的距離上。在使用中，操作人員可將成像單元起動到一組或多組屏幕尺寸。然后，起動滑動托盤，并且將光學(xué)引擎定位在距屏幕與所選圖像尺寸相對應(yīng)的設(shè)定距離處。對焦可以由操作人員通過遙控裝置手動進(jìn)行，或者用常規(guī)自動對焦機(jī)構(gòu)自動進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，附圖6是使用上述示例性光學(xué)引擎的示例性集成多媒體系統(tǒng)200的示意性視圖。該多媒體系統(tǒng)200可包括多媒體裝置(例如，計算機(jī)、DVD播放器、CD播放器、VCR播放器、有線/衛(wèi)星電視接收器、揚(yáng)聲器等)。另外，示例性光學(xué)引擎可位于活動部件(例如，滑動托盤)212中。根據(jù)將在屏幕205上所觀看到的圖像尺寸，該滑動托盤可以被放置在一個或多個位置處。如果需要的話，則電纜能夠延伸穿過多媒體系統(tǒng)200的后端。
附圖7A至7D示出了示例性多媒體系統(tǒng)200的更詳細(xì)的視圖。在附圖7A中示出了示例性多媒體系統(tǒng)200的頂視圖。多媒體系統(tǒng)200的本體可以由金屬和/或輕型材料制成，如鋁、鎂和/或塑料合成物。該多媒體系統(tǒng)200可具有大約24至36英寸的整體寬度(W1)。光學(xué)引擎210可位于活動部件或托盤212中，它具有大約12至16英寸的寬度(W2)。光學(xué)引擎210通過托盤212定位，使得當(dāng)放置在使用位置(即，打開位置)處時，光學(xué)圖像在如屏幕205之類的屏幕上投影圖像。托盤212還能夠容納電子單元214，該電子元件214可包括控制電路板、鎮(zhèn)流器、驅(qū)動電路和/或其它電子部件。另外，多媒體系統(tǒng)200還可包括揚(yáng)聲器218。
附圖7B示出了多媒體系統(tǒng)200的后視圖，它包括滑動托盤212和音頻/視頻部件隔間220。另外，可位于單獨(dú)隔間中并具有大約14至20英寸寬度(W3)的電源和/或控制電子元件215可以連接到光學(xué)引擎210上。還可以設(shè)置連接器端口227。
附圖7C示出了示例性多媒體系統(tǒng)200的側(cè)視圖。該單元的高度可以是大約30至40英寸，主多媒體部件隔間的深度(D)可以是大約16至24英寸。另外，多媒體系統(tǒng)200具有大約14至24英寸的關(guān)閉深度(L1)，這時根據(jù)將要投影到屏幕上的圖像的尺寸，容納光學(xué)引擎210的活動托盤能夠延伸出大約4至20英寸的長度(L2)，從而提供大約20至40英寸的整體長度(L)。
附圖7D提供了多媒體系統(tǒng)200的透視圖，其中一個或多個A/V部件225可以位于隔間220中，如計算機(jī)、DVD播放器、CD播放器、VCR播放器、有線/衛(wèi)星電視接收器等。
附圖8A和8B示出了替代性示例性實施例多媒體系統(tǒng)250。在本替代性實施例中，示例性光學(xué)引擎260可位于活動部件或滑動托盤單元262中，如上所述。另外，多媒體系統(tǒng)250可包括屏幕單元255，該屏幕單元255經(jīng)過常規(guī)樞轉(zhuǎn)或可轉(zhuǎn)動夾緊/緊固機(jī)構(gòu)(未示出)而被連接到多媒體系統(tǒng)本體上。另外，可以設(shè)置輪子或滾輪257，以允許多媒體系統(tǒng)250具有較大便攜性。成像系統(tǒng)的總體操作可以與上述類似。而且，多媒體系統(tǒng)可容納一個或多個A/V部件，如計算機(jī)、DVD播放器、CD播放器、VCR播放器、有線/衛(wèi)星電視接收器等，如上所述。在附圖8A中，屏幕單元255打開用于工作，而在附圖8B中，屏幕單元255被放置在關(guān)閉和旋轉(zhuǎn)位置處。
附圖9A和9B示出了本發(fā)明的光學(xué)引擎的又一替代性實施例多媒體/家庭影院系統(tǒng)300。在本替代性實施例中，如上所述的光學(xué)引擎310被容納在塔形結(jié)構(gòu)306中。該結(jié)構(gòu)可以與屏幕(未示出)成角度放置，并放置在離屏幕較近的距離處。圖像通過該塔形結(jié)構(gòu)的后側(cè)輸出，如附圖9B中所示。該塔形結(jié)構(gòu)可包括上述A/V部件，并能夠作為多媒體中心或家庭影院工作。揚(yáng)聲器318可以是該塔形單元的一部分或者可以被單獨(dú)地設(shè)置，如附圖9A中所示。成像系統(tǒng)的總體操作可以與上述類似。
附圖10A示出了本發(fā)明的光學(xué)引擎的又一替代性實施例緊湊集成監(jiān)視系統(tǒng)400。在本實施例中，與上述類似的光學(xué)引擎410被容納在基座單元406中。屏幕405可以被連接到該基座單元406上?；蛘?，屏幕405可以與基座單元406分離開。在另一替代性實施例中，光學(xué)引擎410可在墻壁其它結(jié)構(gòu)上投影圖像?；鶈卧?06可包括控制電路板、鎮(zhèn)流器、冷卻部件、驅(qū)動電路和/或其它電子部件?？蛇x地，基座單元406還能夠包括個人電腦部件(主板、硬盤驅(qū)動器、視頻卡/聲卡等)?；蛘?，基座406能夠包括連接器和/或適配器，用以將監(jiān)視系統(tǒng)連接到獨(dú)立計算機(jī)或便攜計算機(jī)(未示出)上。
附圖10B至10D示出了緊湊集成監(jiān)視系統(tǒng)450的替代性結(jié)構(gòu)。在附圖10B中，包括光學(xué)引擎460及上述相對于基座單元406的一個或多個電子部件的基座單元456在屏幕455上投影圖像，該屏幕455被聯(lián)接到基座單元456上。在本替代性實施例中，屏幕455經(jīng)過可轉(zhuǎn)動底座而被聯(lián)接到該基座單元456上。該可轉(zhuǎn)動底座能夠?qū)⑵聊环胖迷诟鱾€位置處，包括使用位置(參見附圖10B)或非使用位置(參見附圖10D)。附圖10C示出了基座單元456的頂部透視圖，它可以類似于上述用于基座單元406的方式工作。
在附圖10A和10B所示的實施例中，圖像尺寸可以是至少25英寸(對角)，優(yōu)選的是大約30英寸對角或更大，從而提供類似尺寸的LCD和等離子屏幕的低成本替代品。為了產(chǎn)生30英寸的對角圖像尺寸，本發(fā)明的短投射距離的、極端離軸的光學(xué)引擎可以放置在離觀看屏幕或觀看表面大約13至17英寸的距離處。于是，減小了所需的桌面空間，允許足夠空間用于另外的部件，如遙控鍵盤430等。
附圖11A和11B示出了本發(fā)明的再一替代性實施例便攜式投影單元500。在本實施例中，與上述類似的光學(xué)引擎510可以被容納在緊湊便攜式結(jié)構(gòu)或塢站(docking station)551中。便攜式單元500可以放置在離觀看屏幕(未示出)較近距離的桌面上，并能夠提供對角至少40英寸的圖像尺寸?？蛇x地，該便攜式投影單元500還能夠提供手動對焦515和揚(yáng)聲器518。設(shè)有端口525，用于電纜連接到音頻/視頻部件和/或塢站上。另外，便攜式投影單元500可以具有手柄519，以具有更大便攜性。該成像系統(tǒng)的總體操作與上述類似。
如上所述，便攜式投影單元可以被構(gòu)造成安裝在塢站中。該塢站可包括基座?？蛇x地，塢站還可包括可延伸臂，如伸縮臂和柔性臂。在示例性方面中，基座或者可以是便攜式的或者可以固定地連接到如墻壁或天花板之類的表面上。而且，塢站能夠容納電源，用以向投影單元或模塊供電；提供投影單元或模塊和計算機(jī)(未示出)之間通信的通信線或線路；和形成有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接的連接器。其中，有線/無線網(wǎng)絡(luò)連接器能夠提供中央管理控制功能，以允許中央辦公具有監(jiān)視投影裝置的使用的能力。網(wǎng)絡(luò)連接還能夠提供訪問基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，以允許演播人獲取并顯示留存在網(wǎng)絡(luò)上的文件。網(wǎng)絡(luò)連接能夠允許演播人以特定的模式從本地計算機(jī)接收信息，如表示圖形。投影單元/模塊可包括含有與塢站通信的接口的端口。盡管伸縮臂和柔性臂是示例性的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，還有用于延伸臂的替代性設(shè)計。
附圖12A至12C示出了便攜式前投影單元550的替代性設(shè)計。在附圖12A中，以透視圖示出了便攜式投影單元550，而附圖12B示出了正視圖，且附圖12C示出了投影單元550的頂視圖。便攜式單元550可以放置在離觀看屏幕(未示出)較近距離的桌面上，并能夠提供對角至少40英寸的圖像尺寸。可選地，單元500還能夠提供手動對焦565。該成像系統(tǒng)的總體操作與上述類似。
本發(fā)明的成像系統(tǒng)被設(shè)計成在在各種前投影應(yīng)用中在較短的距離和極端離軸位置處提供較大的圖像尺寸。另外，此處所述的光學(xué)引擎基本不失真，而且需要較小到不需要梯形失真校正。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，本發(fā)明可以與多種不同光學(xué)部件一起使用。盡管已經(jīng)參照示例性優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，本發(fā)明也可以以其它具體形式實現(xiàn)。因此，應(yīng)當(dāng)理解，此處所說明和示出的實施例只是示例性的，并且不應(yīng)當(dāng)看作限制本發(fā)明的范圍。其它變化和修改可以根據(jù)本發(fā)明的范圍做出。
權(quán)利要求
1.一種在前投影顯示裝置中使用的廣角投影透鏡，包括具有負(fù)屈光力并具有至少一個非球面的第一透鏡組，其中，該廣角投影透鏡以至少大約45°的半場視角輸出圖像，其中該輸出圖像基本不失真。
2.如權(quán)利要求1所述的廣角投影透鏡，其中，該廣角投影透鏡以至少大約50°、更為優(yōu)選的是大約55°的半場視角輸出圖像。
3.如權(quán)利要求1或2所述的廣角投影透鏡，其中，還包括具有基本為0屈光力的第二透鏡組，且其中孔徑光闌位于該第二透鏡組內(nèi)或其附近；及具有正屈光力的第三透鏡組；其中，滿足下述條件(1)至(3)|F1/F|＜4.0條件(1)|F2/F|＜50 條件(2)|F3/F|＜3.5條件(3)其中F是該廣角投影透鏡的焦距；F1是第一透鏡組的焦距；F2是第二透鏡組的焦距；F3是第三透鏡組的焦距。
4.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的廣角投影透鏡，其中，第一透鏡組包括具有負(fù)屈光力的第一透鏡元件和在其第二表面上具有非球面的第二透鏡元件，且該第一透鏡組的焦距與投影光學(xué)系統(tǒng)的焦距比(F1/F)具有如下關(guān)系-3.5＜F1/F＜-2.3。
5.如權(quán)利要求4所述的廣角投影透鏡，其中，第二透鏡元件具有整體基本一致的厚度。
6.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的廣角投影透鏡，其中，還包括第二透鏡組，該第二透鏡組包括數(shù)個透鏡元件，并被設(shè)置在所述第一透鏡組附近，其中該第二透鏡組具有基本為0的屈光力，并且該第二透鏡組的焦距與投影光學(xué)系統(tǒng)的焦距比(F2/F)具有如下關(guān)系-95＜F2/F＜-86。
7.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的廣角投影透鏡，其中，還包括第三透鏡組，該第三透鏡組具有正屈光力，并包括被設(shè)置在所述第二透鏡組附近的數(shù)個透鏡元件，且該第三透鏡組的焦距與投影光學(xué)系統(tǒng)的焦距比(F3/F)具有如下關(guān)系2.5＜F3/F＜3.2。
8.一種前投影顯示裝置，其包括光學(xué)引擎，該光學(xué)引擎包括前述權(quán)利要求中任意一項所述的廣角投影透鏡，其中該光學(xué)引擎還包括照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)。
9.如權(quán)利要求8所述的前投影顯示裝置，其中所述第一透鏡組距觀看屏幕的距離與投影圖像尺寸的比為大約1.8-2.2比1。
10.如權(quán)利要求8或9所述的前投影顯示裝置，其中投影圖像尺寸為至少25英寸(對角測量)，并基本不需要梯形失真校正，其中投影圖像格式為4×3格式和16×9格式中的一種。
11.如權(quán)利要求8至10中任意一項所述的前投影顯示裝置，其中投影透鏡產(chǎn)生圖像，該圖像基本沒有失真并且基本不需要梯形失真校正，并且光學(xué)引擎為前投影顯示裝置中的投影頭的一部分。
12.如權(quán)利要求8至11中任意一項所述的前投影顯示裝置，其中廣角投影透鏡的速度小于或等于大約F/3.0，且有效焦距大約為9。
13.如權(quán)利要求8至12中任意一項所述的前投影顯示裝置，其中還包括活動部件，用以支承所述光學(xué)引擎，其中該活動部件能夠在距觀看表面第一距離處延伸。
14.如權(quán)利要求13所述的前投影顯示裝置，其中該前投影顯示裝置被安裝到墻壁上。
15.如權(quán)利要求14所述的前投影顯示裝置，其中在墻壁上安裝有觀看屏幕，并且所述第一距離為距離該觀看屏幕為大約27英寸至約33英寸，且所述投影光學(xué)系統(tǒng)輸出具有大約60英寸對角尺寸的圖像。
16.如權(quán)利要求14所述的前投影顯示裝置，其中在墻壁上安裝有觀看屏幕，并且所述第一距離為距離該觀看屏幕為大約18英寸至大約22英寸，且所述投影光學(xué)系統(tǒng)輸出具有大約40英寸對角尺寸的圖像。
17.如權(quán)利要求8至16中任意一項所述的前投影顯示裝置，其中該前投影顯示裝置包括空氣冷卻器、揚(yáng)聲器和對焦機(jī)構(gòu)中的至少一個。
18.如權(quán)利要求8所述的前投影顯示裝置，其中該前投影顯示裝置被設(shè)置在多媒體系統(tǒng)中，該多媒體系統(tǒng)還包括計算機(jī)、DVD播放器、CD播放器、VCR播放器、衛(wèi)星電視接收器和有線電視接收器中的至少一個。
19.如權(quán)利要求18所述的前投影顯示裝置，其中所述多媒體系統(tǒng)包括聯(lián)接到系統(tǒng)本體上的若干輪子或滾輪，并且還包括活動部件，用以支承光學(xué)引擎；和結(jié)合在該多媒體系統(tǒng)上的觀看屏幕，其中該活動部件能夠從距該觀看屏幕第一距離處延伸。
20.如權(quán)利要求8所述的前投影顯示裝置，其中光學(xué)引擎被結(jié)合到一集成監(jiān)視系統(tǒng)中。
21.如權(quán)利要求20所述的前投影顯示裝置，其中還包括基座單元，用以容納光學(xué)引擎，其中所述觀看屏幕經(jīng)過一可轉(zhuǎn)動聯(lián)軸器聯(lián)接而被結(jié)合到該基座單元上。
22.如權(quán)利要求8所述的前投影顯示裝置，其中還包括手柄，其中該前投影顯示裝置是便攜式的，并被構(gòu)造成安裝在塢站中。
23.如權(quán)利要求22所述的前投影顯示裝置，其中所述塢站包括活動臂。
24.如權(quán)利要求23所述的前投影顯示裝置，其中所述塢站包括電線，用以向投影模塊供電；用于連通前投影顯示裝置和計算機(jī)的通信線；和提供有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接中至少一個的連接線路。
25.如權(quán)利要求8所述的前投影顯示裝置，其中還包括圖像校正電路。
全文摘要
在光學(xué)引擎中結(jié)合有廣角投影透鏡，用于在較短投射距離的前投影顯示系統(tǒng)中使用，用于多種應(yīng)用。該前投影顯示裝置包括光學(xué)引擎，該光學(xué)引擎包括照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和所述的廣角投影透鏡。該廣角投影透鏡包括負(fù)屈光力的第一透鏡組，該第一透鏡組具有至少一個非球面。該廣角投影透鏡以至少45°的半場視角輸出圖像，其中該圖像基本沒有失真。例如，當(dāng)?shù)谝煌哥R組被放置在離觀看屏幕小于1米的距離上時，輸出圖像具有大約40英寸或更大的對角尺寸，并基本不需要梯形失真校正。在其它方面中，光學(xué)引擎可以在壁掛式投影系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)、緊湊集成監(jiān)視系統(tǒng)和便攜式投影單元中使用。
文檔編號G02B13/18GK1890593SQ200480036020
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者歐內(nèi)斯特·M·小羅德里格斯, 帕特里夏·M·休斯, 威廉·E·豪斯赫特, 盧開昌, 史蒂文·G·薩克斯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司