用于高動(dòng)態(tài)范圍投影儀的中繼透鏡系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本說(shuō)明書(shū)涉及中繼透鏡，具體地，涉及用于高動(dòng)態(tài)范圍投影儀的中繼透鏡系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]通過(guò)利用提供低分辨率圖像的第一光調(diào)制器，和提供相似圖像的更高分辨率版本的第二光調(diào)制器，高動(dòng)態(tài)范圍投影儀能夠獲得期望的高動(dòng)態(tài)范圍。在第一光調(diào)制器和第二光調(diào)制器之間的中繼透鏡系統(tǒng)把從第一光調(diào)制器反射的光中繼到第二光調(diào)制器，使照射第二光調(diào)制器的低分辨率圖像模糊。不過(guò)，僅僅使光模糊不會(huì)導(dǎo)致最佳的高動(dòng)態(tài)范圍和/或最佳的對(duì)比度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]一般來(lái)說(shuō)，本公開(kāi)目的在于高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)投影儀用中繼透鏡系統(tǒng)。所述中繼透鏡系統(tǒng)在HDR投影儀中，把光從的第一光調(diào)制器中繼到第二光調(diào)制器。在HDR投影儀中，在從第一光調(diào)制器中繼到第二光調(diào)制器的圖像中，本實(shí)現(xiàn)方式的中繼光系統(tǒng)在光中引入球面像差，而不是僅僅使光模糊。具體地，中繼透鏡系統(tǒng)的給定數(shù)值孔徑和中繼透鏡系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)透鏡的組合被配置成:在光輸入和光輸出之間的光中，引入球面像差；和抑制球面像差的光線扇形圖中的下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):局部極大值和局部極小值；和光線扇形圖的導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)。這種球面像差導(dǎo)致被中繼的圖像中的像素的形狀從近似方形改變成在中繼系統(tǒng)的光輸出處的光中的高斯形狀和/或偽高斯形狀和/或具有寬闊的中央?yún)^(qū)域和延續(xù)多個(gè)像素的尾部的形狀。從而，孔徑光闌，孔徑光闌的位置，中繼透鏡系統(tǒng)的透鏡的位置和種類(lèi)，和各個(gè)透鏡的種類(lèi)、曲率半徑、厚度和材料至少之一都被配置，以導(dǎo)致期望的光線扇形圖和/或像素的形狀的期望變化。
[0004]在本說(shuō)明書(shū)中，元件可被描述成“配置成”進(jìn)行一種或多種功能或被“配置成用于進(jìn)行”這些功能。通常，配置成進(jìn)行某種功能的元件被配置成用于進(jìn)行所述功能，或者適合于進(jìn)行所述功能，或者適應(yīng)進(jìn)行所述功能，或者可操作，從而進(jìn)行所述功能，或者以別的方式能夠進(jìn)行所述功能。
[0005]本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)方面提供一種中繼透鏡系統(tǒng)，包括:光輸入；光輸出；一個(gè)或多個(gè)透鏡，所述一個(gè)或多個(gè)透鏡被配置成把來(lái)自光輸入的光中繼到光輸出；和孔徑光闌，所述孔徑光闌被配置成向通過(guò)所述一個(gè)或多個(gè)透鏡中繼的光提供給定的數(shù)值孔徑，給定數(shù)值孔徑和所述一個(gè)或多個(gè)透鏡的組合被配置成在光輸入和光輸出之間、在所述光中，引入球面像差，所述球面像差把光中的像素的形狀從在光輸入處的近似方形改變成具有如下定義的上邊界和下邊界的函數(shù):LB(r) = 0.9X (l/2+l/2os( π r/N)),當(dāng);r〈N 時(shí)，LB(r) = 0,當(dāng) r > N時(shí)，UB(r) = 1.1exp (_(r/N)2)，其中UB是上邊界，LB是下邊界，r是距像素的中心的距離，N是進(jìn)入光輸入的光中的抖動(dòng)圖案的像素尺寸。
[0006]給定數(shù)值孔徑和所述一個(gè)或多個(gè)透鏡的組合可被進(jìn)一步配置成抑制球面像差的光線扇形圖中的下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):局部極大值和局部極小值；和光線扇形圖的導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)。給定數(shù)值孔徑和所述一個(gè)或多個(gè)透鏡的組合可被進(jìn)一步配置成平衡三階球面像差、五階球面像差和七階球面像差，以抑制下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):局部極大值和局部極小值；和光線扇形圖的導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)。
[0007]球面像差可進(jìn)一步把光中的像素的形狀從在光輸入處的近似方形改變成下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):在光輸出處的近似高斯形狀；在光輸出處的偽高斯形狀；和在光輸出處的與光輸入相比具有寬闊的中央?yún)^(qū)域和延續(xù)光中的多個(gè)像素的尾部的形狀。所述形狀的半高全寬可延續(xù)所述多個(gè)像素的至少約+/-4個(gè)像素，尾部可延續(xù)所述多個(gè)像素的至少+/-10個(gè)像素。所述形狀的半高全寬可延續(xù)所述多個(gè)像素的約+/-3個(gè)像素到約+/-10個(gè)像素之間，尾部可延續(xù)所述多個(gè)像素的約+/-5個(gè)像素到約+/-30個(gè)像素之間。
[0008]所述函數(shù)可在上邊界和/或下邊界的給定百分比之內(nèi)。
[0009]球面像差可包含球面像差的光線扇形圖中的三階球面像差、五階球面像差和七階球面像差中的一個(gè)或多個(gè)。
[0010]給定數(shù)值孔徑和一個(gè)或多個(gè)透鏡的組合可被配置成進(jìn)行下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):平衡三階球面像差、五階球面像差和七階球面像差，以抑制下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):球面像差的光線扇形圖上的局部極大值和局部極小值；和光線扇形圖的導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)；和抑制光中的大于下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)的球面像差:三階球面像差；五階球面像差；和七階球面像差。
[0011]孔徑光闌的孔徑可包括直徑，該直徑在相對(duì)于給定透鏡的孔徑光闌的給定位置處引入球面像差的至少一部分，和進(jìn)行下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):平衡三階球面像差、五階球面像差和七階球面像差，以抑制下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):球面像差的光線扇形圖上的局部極大值和局部極小值；和光線扇形圖的導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)；和抑制光中的大于下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)的球面像差:三階球面像差；五階球面像差；和七階球面像差。
[0012]所述一個(gè)或多個(gè)透鏡中的至少一個(gè)透鏡可包含球面透鏡。
[0013]給定數(shù)值孔徑可包含在約F/2到約F/8的范圍中的光圈值。
[0014]孔徑光闌的孔徑可以是:圓形；或者下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)以校正進(jìn)入光輸入的光的各向異性的數(shù)值孔徑:橢圓形和不對(duì)稱(chēng)。
[0015]孔徑光闌可包含下述各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):可變光闌；貓眼；配置成手動(dòng)調(diào)整孔徑光闌的孔徑的大小的設(shè)備；和配置成調(diào)整孔徑光闌的孔徑的大小的電動(dòng)機(jī)和/或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
[0016]中繼透鏡系統(tǒng)還可包括奇數(shù)個(gè)反射鏡，所述奇數(shù)個(gè)反射鏡被配置成朝著光輸出中繼從光輸入接收的光。
[0017]中繼透鏡系統(tǒng)可以是雙遠(yuǎn)心的。
[0018]所述一個(gè)或多個(gè)透鏡可進(jìn)一步被配置成放大從光輸入到光輸出的光，其中放大倍率可以大于1、小于1、或者約為I。
[0019]所述一個(gè)或多個(gè)透鏡中的至少一個(gè)透鏡的位置是能夠被沿著中繼透鏡系統(tǒng)的光軸調(diào)整，以致通過(guò)調(diào)整所述一個(gè)或多個(gè)透鏡中的至少一個(gè)透鏡的位置，能夠調(diào)整光的聚焦、變焦和像素的形狀中的一個(gè)或多個(gè)。
[0020]中繼透鏡系統(tǒng)還可包括下述中的一個(gè)或多個(gè):第一設(shè)備，所述第一設(shè)備被配置成手動(dòng)調(diào)整所述一個(gè)或多個(gè)透鏡中的至少一個(gè)透鏡的位置；第二設(shè)備，所述第二設(shè)備被配置成作為一組地調(diào)整所述一個(gè)或多個(gè)透鏡中的至少兩個(gè)透鏡的位置；和電動(dòng)機(jī)和/或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其被配置成調(diào)整所述一個(gè)或多個(gè)透鏡中的一個(gè)或多個(gè)透鏡的位置。
[0021]中繼透鏡系統(tǒng)還可包括補(bǔ)償板，所述補(bǔ)償板被配置成補(bǔ)償光的像散和/或慧形像散。
【附圖說(shuō)明】
[0022]為了更地理解這里說(shuō)明的各種實(shí)現(xiàn)方式，和更清楚地表示如何實(shí)施所述各種實(shí)現(xiàn)方式，下面將僅通過(guò)示例的方式參考附圖，附圖中:
[0023]圖1按照非限制性實(shí)現(xiàn)方式，描述包括用于高動(dòng)態(tài)范圍投影儀的中繼透鏡系統(tǒng)的系統(tǒng)。
[0024]圖2按照非限制性實(shí)現(xiàn)方式，描述在球面透鏡的不同徑向光瞳坐標(biāo)處與球面透鏡相互作用的光，以圖解說(shuō)明球面透鏡的球面像差。
[0025]圖3按照非限制性實(shí)現(xiàn)方式，描述圖2的球面透鏡的示意性光線扇形圖。
[0026]圖4A按照非限制性實(shí)現(xiàn)方式，描述關(guān)于圖1的中繼透鏡系統(tǒng)的不同模擬的不同光線扇形圖和相關(guān)的像素?cái)U(kuò)散函數(shù)。
[0027]圖4B按照非限制性實(shí)現(xiàn)方式，描述圖1的中繼透鏡系統(tǒng)的像素?cái)U(kuò)散函數(shù)的上邊界和下邊界。
[0028]圖5按照非限制性實(shí)現(xiàn)方式，描述圖1的系統(tǒng)的特定非限制性實(shí)現(xiàn)方式的各個(gè)方面，其中第一光調(diào)制器包含2K-DMD，對(duì)應(yīng)的第二光調(diào)制器包含4K-DMD，中繼透鏡系統(tǒng)在照射第二光調(diào)制器的光中弓I入球面像差。
[0029]圖6按照非限制性實(shí)現(xiàn)方式，描述圖1的系統(tǒng)及孔徑光闌中的橢圓形孔徑。
【具體實(shí)施方式】
[0030]圖1按照非限制性實(shí)現(xiàn)方式，描述包含用于高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)投影儀的中繼透鏡系統(tǒng)101的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100可包含HDR投影儀的一部分；例如，系統(tǒng)100還包括:一個(gè)或多個(gè)第一光調(diào)制器103-1 ;—個(gè)或多個(gè)第二光調(diào)制器103-2 ;棱鏡105-1,用于把來(lái)自光源(未圖示)的光107引導(dǎo)向一個(gè)或多個(gè)第一光調(diào)制器103-1，和把從一個(gè)或多個(gè)第一光調(diào)制器103-1反射的光109引導(dǎo)向中繼透鏡系統(tǒng)101 ;和棱鏡105-2，用于把離開(kāi)中繼透鏡系統(tǒng)101的光111引導(dǎo)向一個(gè)或多個(gè)第二光調(diào)制器103-2,和把從一個(gè)或多個(gè)第二光調(diào)制器103-2反射的光113引導(dǎo)向HDR投影儀的投影光學(xué)器件(未圖示)。圖1還描述與一個(gè)或多個(gè)第一光調(diào)制器103-1相互作用的光107、109的光線，和與一個(gè)或多個(gè)第二光調(diào)制器103-2相互作用的光111的光線。
[0031]下面將把一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器103-1、103-2可互換地共同稱(chēng)為光調(diào)制器103，并且一般稱(chēng)為光調(diào)制器103。下面將把棱鏡105-1、105-2可互換地共同稱(chēng)為棱鏡105,并且一般稱(chēng)為棱鏡105。
[0032]每個(gè)光調(diào)制器103可包括相位調(diào)制器、光調(diào)制器、反射光調(diào)制器、透射光調(diào)制器、硅基液晶(LCOS)器件、液晶顯示(LCD)器件和數(shù)字微鏡器件(DMD)中的一個(gè)或多個(gè)。此夕卜，各個(gè)棱鏡105可包括楔形棱鏡，每組棱鏡105-1、105-2可包含兩個(gè)楔形棱鏡，它們相對(duì)于彼此布置，以把光引導(dǎo)向光調(diào)制器103，或者引導(dǎo)向中繼透鏡系統(tǒng)101或投影光學(xué)器件。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，棱鏡105-1、105-2通常相對(duì)于彼此對(duì)稱(chēng)。此外,在描述的實(shí)現(xiàn)方式中，系統(tǒng)100包括:在每個(gè)所述一個(gè)或多個(gè)第一光調(diào)制器103-1和棱鏡105-1之間的直角棱鏡106-1 ;和在每個(gè)所述一個(gè)或多個(gè)第二光調(diào)制器103-2和棱鏡105-2之間的直角棱鏡106-2，以減小系統(tǒng)100中的空氣/鏡片界面。換句話(huà)說(shuō)，系統(tǒng)100包含兩個(gè)棱鏡組合體，每個(gè)棱鏡組合體都由多個(gè)棱鏡兀件構(gòu)成，包括(但不限于):棱鏡105-1,在一個(gè)或多個(gè)第一光調(diào)制器103-1處的直角棱鏡；和棱鏡105-2，在一個(gè)或多個(gè)第二光調(diào)制器103-2處的直角棱鏡106-2。不過(guò)，棱鏡105和106的排列通常是非限制性的，其它棱鏡和光調(diào)制器的其它排列都在本實(shí)現(xiàn)方式的范圍之內(nèi)。此外，在一些實(shí)現(xiàn)方式中，每個(gè)相應(yīng)的光調(diào)制器103可以和它們的相關(guān)棱鏡組合體作為一組地被調(diào)整。
[0033]一個(gè)或多個(gè)第一光調(diào)制器103-1可包含分別用于紅光、綠光和藍(lán)光中的每一個(gè)的3個(gè)光調(diào)制器，光107可包含紅光、綠光和藍(lán)光分量；棱鏡105-1從而可把光107的相應(yīng)紅色、綠色和藍(lán)色分量弓I導(dǎo)向?qū)?yīng)的第一光調(diào)制器103-1。
[0034]一個(gè)或多個(gè)第一光調(diào)制器103-1由處理器(未圖示)等控制，以形成第一分辨率的圖像。從一個(gè)或多個(gè)第一光調(diào)制器103-1反射的光109從而包含第一分辨率的圖像，所述第一分辨率的圖像由棱鏡105-1引導(dǎo)向中繼透鏡系統(tǒng)101。如下所述，中繼透鏡系統(tǒng)101在進(jìn)入其中的光109中引入球面像差。在棱鏡105-2把離開(kāi)中繼透鏡系統(tǒng)101的光111的相應(yīng)紅色、綠色和藍(lán)色分量引導(dǎo)向?qū)?yīng)的第二光調(diào)制器103-2的情況下,光111被從一個(gè)或多個(gè)第二光調(diào)制器103-2反射。
[0035]一個(gè)或多個(gè)第二光調(diào)制器103-2由處理器等控制，以形成比在一個(gè)或多個(gè)第一光調(diào)制器103-1處形成的圖像的第一分辨率高的第二分辨率的圖像。實(shí)際上，一個(gè)或多個(gè)第二光調(diào)制器103-2形成由投影器件投影的圖像。
[0036]從而，光111被引導(dǎo)向一個(gè)或多個(gè)第二光調(diào)制器103-2的需要光111的區(qū)域(例如，圖像的較明亮區(qū)域)，和被引導(dǎo)離開(kāi)一個(gè)