专利名称：架高的投影仪的制作方法
技术领域：
本发明的背景本发明涉及一种架高投影仪的光学设计的改进。具体地说，本发明涉及一种具有一个为倒装投影头作的单片透镜光学设计的架高投影仪，这样的光学设计可降低投影仪的外廓高度并能给观众提供较好的视线。
常规的架高投影仪包括一个光源、一个水平的光线透射台和一个以悬臂方式支承在透射台上方的投影透镜。透射台包括一个菲涅尔透镜。如
图1所示，在采用单元件弯月形投影透镜的常规架高投影仪中，光源发出的光线透过透射台下面的菲涅尔透镜，使用时把绘有图象的透明膜片(幻灯片)放在透射台上。光线透过透明膜片之后先穿过单元件弯月形投影透镜，随后被一折叠反射镜反射后投向投影屏幕。为得到好的图象质量，弯月形投影透镜的凸表面必须面对透射台，而且从投影光源灯来的光聚焦在至弯月形投影透镜的凹表面有一规定距离的一光阑位置。投影透镜起着有点像照相机后景透镜的作用，例如，如Rudolph Kingslake所著的Lens Design Fundamentals(透镜设计基础)一书所述，而菲涅尔透镜的焦距限定着有效的光阑位置。
投影透镜的焦距长度和至投影屏幕的距离决定着为产生聚焦的图象所必需的透射台和投影透镜之间的距离(进而投影透镜的高度)。对于用一个292毫米毫米焦距长度投影透镜，以约6X的图象放大倍数，投影头的典型高度是420毫米毫米左右。
伸在高处的投影头会妨碍观众观看屏幕。因此，人们一直在试图降低投影头的高度。
另一种投影设计称为“倒装投影头”投影仪。如图2A所示，在倒装投影头投影仪中，投影透镜定位成让透过透明膜片的光线先由折叠反射镜反射，而后穿过投影透镜并投向投影屏幕。折叠反射镜折弯了光路，这使把投影头组件定位得比用非倒装投影头距透射台更近。但是，由于折叠反射镜会截去靠近底座的光锥(以及从光锥的中间细部分起的更远处)，折叠反射镜的尺寸就比常规投影头投影仪所需要的大。图2B给出了一个折叠反射镜的示例性尺寸，其是用于图象放大倍数约6X的292毫米毫米投影透镜和约320毫米毫米的投影头高度。
其结果，尽管投影头定位得低了，可其尺寸却大了。一个低高度的大投影头可能和一个较高而小的投影头一样令人难以接受。
另外，单元件弯月形投影透镜，在有折叠反射镜位于例如倒装的透镜的下方时，可使投影仪的光阑位置处在该透镜之前，面对该透镜的凹面。尽管这可提供好的光学性能，但是这会使得就在投影透镜前面的敞开空间内产生一个“热点”。在用高功率光源灯的架高投影仪中，一个不保护的热点可能达到足以点燃耗材的温度或有烫伤使用者的潜在危险。
所以，客观上需要有一种具有能减小对观众视线的妨碍的光学设计的架高投影仪。
本发明的概述本发明是致力于一种包括一个具有一菲涅尔透镜的透射台和一个布置在该透射台上方的投影头的架高投影仪。投影头包括一个反射反射镜和一个单元件弯月形投影透镜。菲涅尔透镜的焦点限定了一个投影透镜光阑位置。菲涅尔透镜限定了一个光锥，而反射反射镜是一面尺寸对应于其处的光锥尺寸的小外廓反射镜。
从菲涅尔透镜到投影头及至投射屏幕形成一条光路。该反射反射镜是沿光路放置在投影透镜的前面并且投影透镜的光阑位置是在投影透镜和反射反射镜之间。
光学设计是这样安排的FFres＝(FLens(MLens+1)/MLens-SLD)/(MFres+1)式中FFres是菲涅尔透镜的焦距长度，MFres是菲涅尔透镜的放大倍数，FLens是投影透镜的焦距长度，MLens是投影透镜的放大倍数，以及SLD是从投影透镜光阑位置到投影透镜的距离。
单元件弯月形透镜有一凸侧面和一凹侧面。在本发明的新颖布置中，投影透镜的凹侧面面对反射反射镜，而其凸侧面面对屏幕。这里，“面对”一词是指沿光路的位置而言。
在本发明的另一些实施例中，250毫米≤FLens≤400毫米。
在第一示例性实施例中，投影透镜的焦距长约355毫米毫米，菲涅尔透镜的焦距长约175毫米毫米。在第二示例性实施例中，投影透镜的焦距长约292毫米毫米，菲涅尔透镜的焦距长约140毫米毫米。在第三示例性实施例中，投影透镜的焦距长约400毫米毫米，菲涅尔透镜的焦距长约200毫米毫米。
本发明的架高投影仪还包括一个光源，其中菲涅尔透镜形成一个焦点，该焦点位于反射镜和投影仪之间。可设置一个限制接近该焦点的护罩。
附图简要说明图1是一传统的单片投影透镜架高投影仪的光学设计的示意图。
图2是一传统的单片投影透镜倒装投影头架高投影仪的光学设计的示意图和用于这种投影仪的一示例性反射反射镜的平面图。
图3是本发明的一单片投影透镜倒装投影头架高投影仪的一实施例的侧视图。
图4是本发明的一架高投影仪的光学设计的示意图和按照本发明的一示例性反射反射镜的平面图。
图5是图3所示的架高投影仪的立体图。
图6是图1所示的架高投影仪的投影头组件的侧视图。
图7是一常规架高投影仪的、用在一倒装投影头中的292毫米毫米焦距单片透镜的切向(T)和径向(S)视野曲率曲线图。
图8是图7中所描述的同一光学器件的光学畸变的曲线图。
图9是一架高投影仪的、用在一倒装投影头中的355毫米毫米焦距单片透镜的切向(T)和径向(S)视野曲率曲线图。
图10是图8中所描述的同一光学器件的光学畸变的曲线图。
本发明的详细说明本发明采用一种具有一个倒装投影头的光学设计。如图3、5和6所示，投影仪100包括一个主体110、一个投影头支承臂120和一个投影头组件130。该主体110包括一个透射台112，该透射台112有一个紧靠其下面设置的菲涅尔聚光透镜，主体110内部装有一光源(未示)。该支承臂120把投影头组件130支承于透射台112的上方。从图6可清楚地看到，投影头组件130包括一个透镜和一个平面反射镜134。在这一实施例中，平面镜134是用铰链安装的，以便于在存放时以铰接点142为轴转到最紧凑位置。
如题目为“有可折叠支承柱的低外廓架高投影仪”的相关专利申请书中详述的那样，为了存放方便，支承臂和投影头都可以折叠到投影仪主体110的侧面。
和图2示出的架高投影仪中一样，投影透镜132是这样定位的透过放在透射台112上的透明膜片的光线被折叠反射镜134反射，然后透过投影透镜而投向投影屏幕(未示)。投影透镜132是一个有一凹面和一凸面的单元件弯月形透镜。折叠反射镜134使光路弯折，这使投影头组件130能被定位得比用非倒装投影头时更接近透射台。有效的光阑位置136是在投影透镜132和透射台112之间。更精确地说，由透射台菲涅尔透镜相对于投影透镜形成的有效光阑位置是在反射镜134和投影透镜132之间。
但是，在光学设计上，本发明不同于其他的倒装投影头设计。以前的设计采用一个多元件投影透镜，其中不必像用单元件弯月形透镜为了良好的光学性能所要求的那样在投影镜头外面放置光阑。本设计把弯月形透镜的方向倒过来，把光阑位置和菲涅尔透镜的焦点位置放在投影透镜和透射台之间。与常规的投影头结构相比，这需要用焦距较短的菲涅尔透镜。这一新颖的设计为投影透镜提供了良好的光学性能，还可减小倒装的折叠反射镜的尺寸。
通过比较图2B和图4B，可以看出本发明的光学设计是怎样地允许明显地减小折叠反射镜的尺寸进而投影头的尺寸。同样，通过比较图1和图4A，可以理解到本发明的投影头高度的减小。
与采用焦距较短的菲涅尔透镜相组合，本发明的光学设计的一个实施例包括一个单片投影透镜132，它有约355毫米毫米的较长焦距长度。单片投影透镜132是定位成其凸的表面朝向屏幕而不是像传统的投影仪中那样朝向透射台，并且其凹表面光学地面对折叠反射镜(和透射台)而不是投影表面(屏幕)。
一种前景透镜设计中采用常规光学器件作为投影透镜的倒装投影头架高投影仪可能有约174毫米的菲涅尔透镜焦距长度和约292毫米的投影透镜焦距长度。图9和10示出了带有光阑的这一系统的在透射台上方约365毫米处的视场曲率和光学畸变。如图9和10所示，这样的系统的光学性能很差。
本发明的倒装投影头架高投影仪可有约174毫米的菲涅尔透镜焦距长度和处于320～390毫米范围内的约355毫米的投影透镜焦距长度。菲涅尔透镜焦距长度应该与单片透镜的焦距长度相匹配，以使光阑的位置落在可得到高质量图象的最佳位置。单片投影透镜的光学性能可以通过选择透镜焦距长度、透镜的弯曲度、非球面的或球面的透镜表面和光阑位置的定位的最好组合来优化。图7和8示出了带有光阑的这一系统的在透射台上方约365毫米处的视场曲率和光学畸变。如图7和8所示，这一倒装的355毫米单片投影透镜可给出良好的光学性能，下面将对其加以说明。
在前景透镜设计中用一焦距较长的单片透镜与一焦距较短的菲涅尔透镜相组合允许为达到优化的光学性能而选择光阑位置。可以通过确定菲涅尔透镜焦距和投影透镜背面焦距的最佳组合来满足下列条件光锥的光腰位于单片透镜的有效光阑位置。这一布置可优化该系统的光学性能。以这一方式，本发明的投影仪可以用具有不同焦距长度的投影透镜与具有适当焦距长度的菲涅尔透镜相匹配来建立。对于常规的架高投影仪，投影透镜的焦距长度范围是250毫米至400毫米，投影透镜图象放大的范围是3X至12X。菲涅尔透镜焦距长度和投影透镜焦距长度之间的关系可以用下式限定FFres＝(FLens(MLens+1)/MLens-SLD)/(MFres+1)(1式)式中FFres是菲涅尔透镜的焦距长度，FLens是投影透镜的焦距长度，MFres是菲涅尔透镜的放大倍数，MLens是投影透镜的放大倍数，SLD是从光阑到投影透镜的距离。例如，对于投影透镜的图象放大倍数MLens＝5.7X、菲涅尔透镜放大倍数MFres＝1.1X和光阑到投影透镜的距离SLD＝50毫米，本发明的条件可以用下列投影透镜焦距长度和菲涅尔透镜焦距长度的组合来满足
此外，投影透镜设计的选择包括最佳的光阑到投影透镜的距离SLD以及透镜焦距长度、透镜的弯曲度、非球面和球面透镜表面的应用、以及光阑位置的选择都可在所要求的投影仪放大倍数范围内为整个投影的图象提供良好的图象质量。Rudolph.Kingslake著的Lens Design Fundamentals一书中介绍了景色透镜设计优化的一般概念。
本发明允许把投影头组件定位得至透射台更近，这使得观众更容易在投影头的上方观看。同样，本发明还可减小倒装投影头折叠反射镜的尺寸，这使得观众更容易从投影头的两边观看。
例如，如图1所示的已有技术，一个用常规光学器件的182毫米菲涅尔透镜和292毫米凸表面朝向透射台的单片投影透镜的非倒装投影头架高投影仪，对于60英寸(152.4厘米)宽屏幕图象，从光轴的折光点(投影头的中心)算起的投影头组件高度可能是419毫米。可是，采用如图4所示的本发明的光学设计的倒装投影头架高投影仪的从光轴的折光点(投影头的中心)算起的投影头组件高度，对于60英寸(152.4厘米)宽屏幕图象，可能仅为约322毫米。
类似地，采用常规光学器件的倒装投影头架高投影仪可能有从透射台算起约404毫米的菲涅尔透镜焦距长度和约292毫米的投影透镜焦距长度。这样的系统将需要如图2B所示的277平方厘米的折叠反射镜。可是，按照本发明的倒装投影头架高投影仪的从透射台算起的菲涅尔透镜焦距长度可能为365毫米，以及投影透镜焦距长度约为355毫米。这一系统将需要约151平方厘米的较小的折叠反射镜。
另外，本发明利用弯月形投影透镜的转动，使其凸表面朝向屏幕。本发明的光学设计把照亮光线的焦点放在折叠反射镜和投影透镜之间而不是投影透镜之后，这样的定位使得比较容易把有效光阑位置包围起来和/或限制接近那一点，这可降低使用者受到热烫的危险。在图6的投影头组件130中，握住投影透镜132的透镜臂140和折叠反射镜的目的是使能限制接近焦点，这就形成了一个保护罩。其他的实施例可包括诸如筛网或塑料罩壳之类的保护罩。
尽管已参照示例性的较佳实施例说明了本发明，但是在不偏离本发明的精神的情况下还可以以其他具体的形式实现本发明。因此，这里所说明和图示的各实施例仅是示例性的而不应被认为是对本发明的范围的限制，对此是应该理解的。按照本发明的精神和范围还可作出其他的变化和变型。
权利要求
1.一种架高投影仪，它包括a)一个具有一菲涅尔透镜的透射台；b)一个位于所述透射台上方的投影头，所述投影头包括一个反射镜和一个单元件弯月形投影透镜，所述菲涅尔透镜的焦点限定着投影透镜的光阑位置；c)其中，从菲涅尔透镜至投影透镜及至一投影表面上形成了一条光路，其中所述反射镜是沿所述光路放置在所述投影头之前，而所述光阑位置是在所述投影透镜和所述反射镜之间。
2.如权利要求1所述的架高投影仪，其特征在于，FFres＝(FLens(MLens+1)/MLens-SLD)/(MFres+1)式中FFres是菲涅尔透镜的焦距长度，MFres是菲涅尔透镜的放大倍数，FLens是投影透镜的焦距长度，MLens是投影透镜的放大倍数，SLD是从光阑位置到投影透镜的距离。
3.如权利要求1所述的架高投影仪，其特征在于，250毫米≤FLens≤400毫米。
4.如权利要求1所述的架高投影仪，其特征在于，所述单元件弯月形投影透镜有一凸的侧面和一凹的侧面，其中凹的侧面面对所述反射镜。
5.如权利要求1所述的架高投影仪，其特征在于，所述投影透镜有约355毫米的焦距长度，所述菲涅尔透镜有约175毫米的焦距长度。
6.如权利要求1所述的架高投影仪，其特征在于，所述投影透镜有约292毫米的焦距长度，所述菲涅尔透镜有约140毫米的焦距长度。
7.如权利要求1所述的架高投影仪，其特征在于，所述投影透镜有约400毫米的焦距长度，所述菲涅尔透镜有约200毫米的焦距长度。
8.如权利要求1所述的架高投影仪，它还包括一个光源，其特征在于，所述菲涅尔透镜形成一个焦点，所述焦点位于所述反射镜和所述投影透镜之间，所述架高投影仪还包括一个能限制接近所述焦点的保护罩。
9.如权利要求1所述的架高投影仪，其特征在于，所述菲涅尔透镜产生一个光锥，所述反射镜是一面尺寸对应于反射镜处的光锥的尺寸的小外廓反射镜。
10.一个投影系统，它包括a)一个具有焦距长度FFres和放大倍数MFres的菲涅尔透镜；b)一个具有焦距长度FLens和放大倍数MLens的投影透镜，所述菲涅尔透镜的焦点形成一投影透镜光阑位置；c)一个放置在所述投影透镜和所述菲涅尔透镜之间的光路上的反射镜；d)其中，FFres＝(FLens(MLens+1)/MLens-SLD)/(MFres+1)，式中SLD是从投影透镜光阑位置到投影透镜的距离，所述光阑位置是在所述反射镜和所述投影透镜之间。
11.如权利要求10所述的投影系统，其特征在于，所述投影透镜是一个有一凹表面和一凸表面的单元件弯月形透镜，其中，所述凹表面光学地面对所述菲涅尔透镜。
12.如权利要求10所述的投影系统，其特征在于，FLers是所述投影透镜的焦距长度，以及250毫米≤FLens≤400毫米。
13.如权利要求10所述的投影系统，它还包括一个光源，其特征在于，所述菲涅尔透镜形成一个焦点，所述焦点是位于所述反射镜和所述投影透镜之间，所述投影系统还包括一个限制接近所述焦点的保护罩。
14.如权利要求10所述的投影系统，其特征在于，所述投影透镜有约355毫米的焦距长度，所述菲涅尔透镜有约175毫米的焦距长度。
15.一种架高投影仪，它包括a)一个菲涅尔透镜；b)一个有一凹的侧面和一凸的侧面的单元件弯月形投影透镜；c)一个放置在所述菲涅尔透镜和所述投影透镜之间的光路上的折叠反射镜；d)其中，所述投影透镜是定向为其凹的侧面光学地面对所述菲涅尔透镜。
16.如权利要求15所述的架高投影仪，其特征在于，FFres＝(FLens(MLens+1)/MLens-SLD)/(MFres+1)，式中FFres是菲涅尔透镜的焦距长度，MFres是菲涅尔透镜的放大倍数，FLens是投影透镜的焦距长度，MLens是投影透镜的放大倍数，SLD是从光阑位置到投影透镜的距离。
17.如权利要求16所述的架高投影仪，其特征在于，所述光阑位置是在所述反射镜和所述投影透镜之间。
18.如权利要求16所述的架高投影仪，其特征在于，250毫米≤FLens≤400毫米。
19.如权利要求15所述的架高投影仪，其特征在于，所述反射镜的尺寸定为与所述菲涅尔透镜形成的光锥的尺度相匹配。
20.如权利要求15所述的架高投影仪，其特征在于，一投影头包括所述反射镜和所述投影透镜，而且所述投影头是光学地放置在由所述菲涅尔透镜形成的一光锥的光腰之前。
全文摘要
一种架高投影仪包括一个菲涅尔透镜(112)、一个有凹侧面和凸侧面的单元件投影透镜(132)以及一个放置在菲涅尔透镜(112)和投影透镜(132)之间的光路上的折叠反射镜。投影透镜(132)定向成其凹侧面光学地面对菲涅尔透镜(112)。该架高投影仪的光学设计遵照下式F
文档编号G03B21/132GK1493018SQ01823058
公开日2004年4月28日 申请日期2001年6月26日 优先权日2001年3月19日
发明者P·H·德吕卡, P H 德吕卡, D·F·范德维尔夫, 范德维尔夫 申请人:3M创新有限公司