投影模块和结合有投影模块的投影机

摘要

本发明涉及一种用于在屏幕上投影图像的投影模块，所述屏幕限定特定投影平面。所述模块包括：物镜(41)，本身包括用于发射成像光束(47)的装置；曲面镜(44)；以及至少两个偏转面(42，43)，用于偏转成像光束，这些面位于物镜和曲面镜之间的成像光束路径中。本发明还涉及一种光学电机以及一种相应的投影系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于获得宽投影角度而无失真的投影模块。本发明还涉及这种模块在正投影和背投影系统中的应用。

背景技术

图1示出了背投影机1的传统设计，背投影机1的光轴位于屏幕中心，所述背投影机包括物镜13、两个平面偏转镜11和12以及同样为平面的屏幕10。在这种设计中，投影机发射的照明光束14被偏转镜11和12弯折。系统关于屏幕10的法向平面(光束的光轴15位于该平面内)对称。对于尺寸为1106×622毫米的屏幕10，投影机1的深度p可能高达45厘米。沿着屏幕对角线的孔径角必须为大约38°。利用由大约十个左右的透镜构成的适中成本的物镜，可以获得可接受的失真和MTF(调制传递函数)。

另一种设计是将光束弯折两次，如图2所示。该图中所图示的背投影机2包括物镜23以及彼此相对放置且平行于屏幕20的两个平面偏转镜21和22。投影物镜23的轴并不垂直于屏幕20的中心。因此，可以减小背投影机的深度p1(例如，大约20cm)。然而，背投影机2下部(即，位于屏幕之下的部分)的高度h1变大。

Mitsubishi所提交的专利申请EP 1203977描述了视频背投影机的数个实施例，包括非球面偏转镜，这使得可以减小光学像差和投影机的整体尺寸。图3图示了背投影机3，包括物镜33、第一平面偏转镜31、非球面偏转镜32、第二平面偏转镜36和屏幕30。因为物镜33与屏幕的法线成约60°的角度，所以所发射的光束34首先被镜34沿着屏幕30的法向偏转到非球面镜32上。然后光束被镜36弯折一次，之后到达屏幕30。因此，减小了整体尺寸。然而，背投影机2仍然具有笨重的缺点。

发明内容

本发明的一个目的是减少现有技术的缺点。

具体地，本发明的一个目的是提供一种投影机(正投影或背投影类型)以及一种投影模块或投影电机，比已知系统更轻便。

本发明的目的还要减小投影机的深度和高度(取决于所投影图像的尺寸)。

本发明的另一目的是校正光学系统可能引起的失真。

具体地，本发明的一个目的是使用非球面或双曲线类型(例如)的曲面镜。使用双曲线镜的系统是已知的，例如专利US 5716118中所述，但是系统必然具有大尺寸以获得大图像。这种系统在工业规模上是不可行的，因为难以生产如此大的镜子。

本发明涉及一种正投影机或背投影机用的投影模块，在工业规模上可行，并且使得可以获得高质量的大投影图像。

为此目的，本发明提出了一种用于在屏幕上投影图像的投影模块，所述屏幕限定特定投影平面，所述模块包括：

-物镜，包括用于发射成像光束的装置；以及

-曲面镜，

其特征在于，所述模块还包括至少两个偏转面，用于偏转所述成像光束，这些面位于物镜和曲面镜之间的成像光束路径中。

偏转面是反射或半反射的，例如，是反射镜或棱镜，并且使得可以将入射光束偏转到另一方向。

优选地，所述曲面镜是双曲线镜。

曲面镜包括至少一个凹或凸部分，并且有利地是凹镜或凸镜。

根据本发明的变体，物镜的轴与投影平面之间的角度不超过10°。

根据优选实施例，当所投影的图像是矩形时，物镜的轴与屏幕上所投影的图像的长边之间的角度不超过10°。

根据另一优选实施例，当所投影的图像是矩形时，物镜的轴与屏幕上所投影的图像的短边之间的角度不超过25°。

有利地，至少一个偏转面被设计来将来自物镜的成像光束沿着垂直于投影平面的平面重定向到曲面镜上。

根据一个特定特征，该模块的特征在于至少一个偏转面与垂直于投影平面的平面成40°和50°之间的角度。

优选地，偏转面是平面。

根据一个有利特征，模块包括与至少一个偏转面相关联的至少一个遮罩，被设计来防止杂散光线的传播。

本发明还涉及一种投影系统的光学电机，所述电机被设计来在屏幕上投影图像，所述屏幕限定特定投影平面，所述电机包括：

-成像器，被设计来产生成像光束；以及

-照明装置，本身包括用于产生照明光束的光源和聚焦装置，以及用于将照明光束偏转到成像器上的装置，

其特征在于，所述电机还包括如前所述的模块，并且用于偏转照明光束的装置包括至少两个分离的偏转面，用于偏转所述照明光束。

有利地，照明光束中未被偏转面之一反射的部分与成像光束中未被偏转面之一反射的部分成的角度小于10°。

另外，本发明适用于包括上述投影模块的投影系统。

根据一个特定特征，投影系统包括投影屏幕，模块通过后部照射屏幕。

附图说明

参考附图，阅读如下描述，将更好地理解本发明，并且其他特征和优点将变得更加清楚，附图中：

图1至3图示了现有技术的背投影机的各种实施例；

图4示出了根据本发明第一特定实施例的背投影机；

图5以立体图图示了图4所示的背投影机的光学元件；

图6和7分别示出了图4的背投影机的侧视图和正视图；

图8示出了本发明的第二实施例；

图9至11图示了本发明的第三实施例；

图12示出了根据本发明一个实施例的正投影机；

图13和14图示了图4的背投影机中使用的光学电机；

图15示出了图9至11的背投影机中使用的光学电机；

图16是根据本发明一个实施例的背投影机的高度示意图；

图17示出了图16的背投影机所形成的各种图像；

图18图示了图16的背投影机的光学特性；以及

图19示出了图16的投影机中使用的物镜。

具体实施方式

图4示意性示出了根据本发明第一特定实施例的背投影机4的透视图。

背投影机4包括：

-平坦的投影屏幕46，限定了平行于屏幕46的水平轴X、垂直轴Y以及垂直于屏幕46的Z轴；

-照明装置(图4中未示出)，产生照明光束；

-成像器40，根据照明光束产生成像光束；以及

-投影模块。

成像器例如是Texas Instrument出产的DMD(数字微镜装置)、透射LCD(液晶显示器)或LCOS(硅上液晶)装置。

投影机4的投影模块本身包括：

-光学系统41或物镜，面对成像器40放置，并且其光轴近似平行于X方向；

-第一偏转镜42，接收光学系统41发射的成像光束47，并使得可以将光束47的中心偏转到垂直于屏幕46、且由YZ轴限定的平面内；

-第二偏转镜43，接收镜42所偏转的光束47，并且所处位置使得光束反射到双曲线镜44上；

-双曲线镜44，被设计用于放大光束47，并将其传送到第三偏转镜45；以及

-偏转镜45，平行于屏幕46，并将从双曲线镜接收到的光束47传送到屏幕46上。

因为镜44是双曲线形式的，所以对投影模块的配置进行优化，以在大角度下获得大投影图像，同时具有小的光学像差。因此，包括光学系统41和双曲线镜44的组合使得可以获得宽角度物镜。

成像器40、光学系统41以及镜42至44位于背投影机4的下部，从而不致妨碍成像光束47的传播。凸面镜44与物镜41之间距离的大小足以使成像光束能够被镜42和43在小空间中弯折，并且光束47在位于凸面镜之前的区域中稍稍分散。

图5更详细地示出了光学元件40至45以及它们的布置。

物镜41沿着其光轴依次包括：

-第一复透镜410，即由一组透镜构成的透镜；

-光瞳411，用于防止杂散光线；以及

-第二复透镜412。

双曲线形状的镜44位于物镜的出光侧，并且使穿过双曲线焦点的双曲线轴与透镜410的光轴XX′重合。

通过透镜反射的光被平面镜42和43反射，然后被双曲线镜44反射，并且看起来就像来自物镜41的光瞳411的共轭点。因为根据所图示的实施例，光束的轴平行于屏幕46，所以镜42的取向使得其表面的法线与入射光束的光轴成45°的角度α。当然，在本发明的不同实施例中，角度α可以取其他值，特别是当入射光束不平行于屏幕46时。此外，镜43的取向使得入射光束被正确偏转到双曲线镜44上。因此，在仍然平行于X轴的同时，镜43表面的法线与入射光束47的光轴成一角度β。

从图5可知，双曲线镜44使得其反射的光束47可以变得更加发散。另外，为了防止透镜410干扰双曲线镜所反射的光束的传输，优选地仅使用双曲线形状中位于穿过双曲线对称轴的平面一侧的那部分。该轴穿过双曲线的焦点。因此，来自系统41的有用光是位于穿过物镜光轴的平面之上的光。因此，光源所照射且要投影到屏幕上的图像相对于物镜41的轴是离轴的。

根据本发明的变体，入射光瞳的场中所有的点紧密相处，并且系统是远心的。

这种布置在特定情况下可以导致失真和MTF(调制传递函数)的恶化，即，光学系统空间频率响应的恶化。可以通过将双曲线镜44移离物镜，并在光瞳411和双曲线镜44之间插入透镜，来做出校正这些缺陷的措施，这使得可以平衡所述透镜的光阑两侧的光功率，并减小光束入射到双曲线镜44上的入射角，尤其减小离双曲线的轴最远的光线的入射角。因此，双曲线镜离物镜41越远，后者就越发工作在较小的场中。为了在保持背投影机4的整体尺寸较小的同时在双曲线镜44和系统41之间获得大的光学距离，镜42和43弯折系统41所发射的光束47。

本发明还可以校正双曲线镜44可能带来的像散。为此，设置一个或两个弯月形板(图5中未示出)，这些板位于物镜41的光瞳411附近。在两个弯月板的情况下，它们分别位于光瞳411两侧。放置弯月板，使得它们的凹面彼此相对，并且弯月板的中心也分别位于光瞳411的两侧，使得两个凹面之间的距离小于两个凹面的半径和。

SLM(空间光调制器)显示装置的成像器40使得可以传送由于空间调制而传送至少一个图像的光束。该光束由系统41传送至平面镜42，然后传送至平面镜43，并最终传送至双曲线镜44，双曲线镜44将光反射到平面镜45上。平面镜45优选地平行于屏幕46的平面位于背投影机4的背面。

SLM显示器40位于穿过系统41的光轴XX′的平面的一侧，以便仅照射双曲线镜44，双曲线镜44仅占据位于穿过双曲线轴的平面一侧的一部分双曲线。因此，优选地，截去镜44中并不接收有用光束的下部。

图6和7分别示意性示出了沿着X方向的侧视图以及沿着Z方向的正视图。

如图所示，光学系统41的光轴近似水平，且平行于屏幕46。因此，它对背投影机4的深度p′1没有影响，同时保持了屏幕46之下的高度h′2较小。为了进行说明，对于高度h′1等于620mm的屏幕，p′1为约160mm，h′2为约320mm。

根据所图示的实施例，投影机4的参数如下：

-α和β分别等于45°和21°；

-物镜41和镜42之间的距离等于53mm；

-镜42和43之间的距离是86mm；

-镜43和44之间的距离等于94mm；

-镜42是尺寸为103mm(两条非平行对边)×55mm×68mm(平行对边)的梯形；以及

-镜43是尺寸为100mm×70mm的矩形。

更一般地，根据本发明的各种实施例，光学系统41的光轴近似水平，且与屏幕46成γ角度。系统41的光轴与屏幕46的长边之间的角度小于15°。优选地，该角度小于10°。因此，可以大大减小模块的深度。更优选地，深度为0或接近0，由此可以进一步减小投影模块的整体尺寸(高度和深度)，因此可以进一步减小投影机4的尺寸。

以这种方式，减小了模块的高度。这种模块尤其适于整体(one-piece)投影机的情况(例如，背投影机)，其中该模块安装在屏幕(图像具有电视或电影类型的长宽比)之下或之上；或者适于与屏幕分离的投影装置的情况，凸镜在与投影屏幕平行的方向造成了较大的尺寸。

另外，来自物镜的大多数杂散光线一般近似平行于投影屏幕，并且不被凸镜反射。因此，以非常简单的方式消除了这些光线。

镜42相对于YZ平面倾斜45°的角度，以便将沿YZ平面发射的光束47的中心光线偏转为垂直于屏幕46，由此允许投影模块的构造现对简单。镜42也相对于YZ平面倾斜22.5°的角度α。取决于上述各种实施例，在本发明的一个实施例中，光学系统的光轴与屏幕46之间的角度γ不是0，镜42相对于YZ平面倾斜45°±γ/2的角度。优选地，此角度在40°和50°之间，因为γ优选地小于10°。

图6还示出了沿着背投影机4中居中的垂直平面发射的光束的包络。更准确地，所发射光束的包络在上部受限于光线61，在下部受限于光线60。

为了减小高度h′2，镜42优选地放置的尽可能高。因此，镜43反射的光束(尤其是光线60)掠过镜42，使镜42不致成为其阻碍。

为了尽可能少地妨碍光束的传播，并减小高度h′2，镜42的形状为梯形，这恰对应于光学系统41所反射的光束在其反射面中的形状。

镜43平行于X轴，并且将镜42反射的光束偏转到双曲线镜44上。其相对于垂直轴Y倾斜22.5°的角度。将其放置的尽可能靠近背投影机4的背面，同时保证不会成为镜44所反射的光束的阻碍。

因此，在物镜41和双曲线镜44之间放置两个偏转镜42和43的光学模块配置中，两个偏转镜42和43具有两个功能，具体地，因为一方面它们使得可以将成像光束重新定向到垂直于投影屏幕的平面中，另一方面，可以加长物镜41和凸镜44之间的光学距离。这两个功能尤其使得可以在限定空间中更容易地弯折成像光束。

如上所述，双曲线镜44将光束偏转到镜45上，允许放大图像。

双曲线镜44的表面的方程如下：