专利名称：具有扭曲的中间图像的广角透镜系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在光学装置中使用的透镜。更具体地说，本发明涉及在应用广角透镜系统的光学装置中使用的透镜。
背景技术：
为了给电视机提供大于约40英寸的屏幕尺寸，通常使用除直观式阴极射线管(CRT)外的显示装置。当CRT的屏幕尺寸增加时，其深度也增加了。人们一般认为屏幕尺寸大于40英寸的直观式CRT是不再可行的。存在两种可选择的大屏幕(＞40英寸屏幕尺寸)显示器投影显示器和等离子体显示器。
现有等离子体显示器比投影显示器贵得多。等离子体显示器一般很薄，可以安装在墙上，但又很重，使得安装起来困难。比如，现在42英寸等离子体显示器重达80磅或更多，而60英寸等离子体显示器可达150磅或更多。等离子体显示器相对现有投影显示器的一个优势是具有相同屏幕尺寸的等离子体显示器通常比现有的投影显示器更薄。
投影显示器，特别是背投式显示器，通常比等离子体显示器具有更高的成本效益。此外，投影显示器在房间中需要占用更多的空间以致于不能提供大屏幕所需的应用方案。例如，典型的60英寸背投式显示器为24英寸厚，重达200到300磅。
图1显示了现有技术中的背投式显示装置。通常，显示装置100包括光学引擎140、投影透镜130、后板(back plate)镜120和屏幕110。光学引擎140产生在屏幕110上投影的图像。投影透镜130将图像从光学引擎140投射到后板镜120上，后板镜120将图像反射到屏幕110。显示装置100的尺寸正比于要在屏幕110上显示的图像尺寸。这样，对于大屏幕尺寸(例如＞60英寸)，显示装置的整个尺寸将非常大。
薄型背投显示装置已发展成小于12英寸厚。但是，这些更薄的背投显示装置通常依赖于难以制造、不易对准的非球面镜。非球面镜的这些困难问题使得现在的薄型背投显示器价格昂贵，限制了背投显示器在理想成套产品中的可用性。
图2显示现有技术中的具有非球面镜的薄型背投显示装置。图像通过投影透镜250从光学引擎260投射到反射镜240上。反射镜240反射图像到非球面镜230，其放大投影图像并扩大视场射线角。非球面镜230反射图像到后板镜220，然后后板镜将图像反射到屏幕210。与图1中的显示装置100相比，背投影显示装置200为相同尺寸的屏幕提供了更薄的成套产品，但是采用非球面镜230所带来的制造和对准问题大大地增加了显示装置200的成本。
显示装置200的另一个缺点是光学引擎260关于镜220、230和240及关于屏幕210的角度。没有补偿的情况下，光学引擎260的角度会产生梯形化图像。角度补偿提供了正方形图像，却进一步增加了显示装置200的成本和复杂性。
发明内容
在一个实施例中，透镜系统包括以产生扭曲的中间图像的第一级，以及，产生扭曲以基本消除中间图像的扭曲、并投射对应于中间图像的基本上不扭曲的图像的第二广角透镜级。
本发明通过示例方式而非限制方式说明，在附图的各图中，相似的参考数字表示相似的器件。
图1显示现有技术的背投显示装置。
图2显示现有技术中采用非球面镜的薄型背投显示装置。
图3显示采用平行于屏幕的平面镜的超薄型背投显示装置的一个实施例。
图4显示具有扭曲的中间图像的折叠的广角透镜系统的一个实施例。
图5显示具有扭曲的中间图像的广角透镜系统的一个实施例。
图6显示具有中间图像的广角透镜系统的背投显示装置的一个实施例。
具体实施例方式
将描述具有扭曲中间图像的广角透镜系统。在下面的描述中，为解释起见，阐述了几个具体的细节以对本发明提供通透的理解。显然对于本领域的普通技术人员而言，即使不采用这些具体细节也能够实施本发明。在其它实例中，结构和装置用方块图表出以避免使本发明模糊不清。
这里所述的广角透镜系统允许投影装置(例如，背投显示装置)比其它可能的方式更紧凑。该透镜系统包括广角透镜级和中继透镜级。当作为投影装置运作时，该中继透镜级将扭曲的中间图像投射到广角透镜级上，后者投射图像以供显示。中继透镜级产生的扭曲补偿(即，近似相等和相反)由广角透镜级引起的扭曲。该扭曲可能是镜像形状和/或焦平面。当作为捕获装置运作时，广角级将扭曲图像提供到中继透镜级，中继透镜级补偿扭曲并提供较少扭曲，或甚至不扭曲的图像以供捕获。
图3示出具有平行于屏幕的平面镜的背投显示装置的一个实施例。如下面所详细描述的，平行于屏幕的平面镜以及具有垂直于镜面和屏幕的光轴的广角投影透镜的使用、使得背投显示装置与现有技术中的背投显示装置相比更薄更简单。例如，这里所述的小于7英寸厚的超薄型背投显示装置能够提供60英寸图像。
在一个实施例中，背投显示装置300包括屏幕310、后板镜320、中间镜330、透镜系统340和数字微镜装置(DMD)350。为简化描述，没有示出现有技术中已知的其它组件。可以用现有技术中的任意方法将图像提供到DMD350上。DMD350选择性地将来自光源(在图3中未示出)的光反射到透镜系统340。在显示装置300中能够使用现有技术中已知的任意类型的显示装置。其它类型的装置(例如，微机电系统(MEMS)，栅状光阀(GLV)，液晶显示器(LCD)，硅基液晶(LCOS)也可用来将图像提供到透镜系统340。
在一个实施例中，DMD350从透镜系统340的光轴偏移以至于只使用到有效透镜场(lens field)的一部分(例如，50％，60％，40％)。通过相对透镜系统340的光轴偏移DMD350，来自DMD350的图像由透镜场上部中的透镜系统340投射到中间镜330。也可用透镜场下部将图像投射到中间镜330。在这样的实施例中，透镜系统340在中间镜330上面，而中间镜330在后板镜320上面。
为了能用所描述的方式投射图像，透镜系统340是角度极广的透镜系统。在一个实施例中，透镜系统340具有152°或更大的场角；不过，也能够使用其它的透镜。通常，透镜系统340的角度越大，显示装置300便能够做得越薄。下面将更详细地描述适宜的广角透镜系统。
中间镜330将图像反射到后板镜320，后者反射图像到屏幕310，屏幕可以是诸如菲涅耳透镜。后板镜320也是平面镜，平行于屏幕310且垂直于透镜系统340的光轴。因为透镜系统340的光轴垂直于中间镜330，而且中间镜330和后板镜320都是平面镜并平行于屏幕310，显示装置300中不存在由成角透镜和非球面镜引起的扭曲。这样简化了显示装置300的设计并降低了制造成本和复杂度。在上述引用的专利申请更详细地描述了能够使用所述广角透镜系统的背投显示装置的实施例，该实例通过引用结合到本专利。
图4示出了具有扭曲的中间图像的折叠的广角透镜系统的一个实施例。虽然图4的透镜系统被描述为一个投影透镜系统，该透镜系统也能够用于图像捕获，比如作照相机。
DMD410将图像提供到透镜系统。如上所述，能够使用其它类型的装置以将图像提供到透镜系统。棱镜420将图像导向中继透镜组430。中继透镜组430将图像从棱镜420投射到棱镜440并扭曲该图像，这样中间棱镜440接收故意扭曲的中间图像。
在一个实施例中，中继透镜组430包括9个透镜；不过，可以根据诸如中间图像的所需扭曲或透镜系统的整个尺寸来使用任意数目的透镜。由中继透镜组430导致的扭曲与由广角透镜组450带来的扭曲相等且相反。在一个实施例中，中间图像近似为弯曲像平面的半圆图像。在替换实施例中，能够使用其它类型的扭曲。例如，如果使用整个透镜场，扭曲的中间图像为一般圆形图像。图像平面可以是或不是弯曲的。
中间棱镜440提供了90°的图像路径折叠。如下面图5所述，折叠是不需要的。此外，能够使用其它的折叠角，比如45°，30°，135°。广角透镜组450将扭曲的中间图像投射到屏幕上以供显示。因为广角透镜组450使投射的图像产生扭曲，而中间图像已经由中继透镜组430预扭曲，所以透镜系统投射的最终图像没有或几乎没有扭曲。在一个实施例中，由中继透镜组430、广角透镜组450和其它相应棱镜导致的总扭曲小于3％。
在一个实施例中，中继透镜组430的各透镜的光轴被对准成一行。同样，广角透镜组450的各透镜的光轴也被对准成一行。广角透镜组提供大于100°的场角。在一个实施例中，场角是153°；但是，能够提供任意角度。在一个实施例中，广角透镜组450的光轴垂直于屏幕，使得不存在梯形扭曲。
图5示出了具有扭曲的中间图像的广角透镜系统的一个实施例。图5中的该透镜系统类似于图4中的透镜系统，差异在于图5中的透镜系统没有折叠。即，广角透镜系统450与中继透镜系统430是共轴的。图5的透镜系统不包括中间棱镜。如果需要，可包含中间棱镜。
在一个实施例中，图5的透镜系统具有下面规定
表面RDY THIRMDGLA1 46.745314.000000 NBF1_HOYA2 28.811635.0512133 30.582924.000000 NBFD10_HOYA4 21.015768.4411065 129.13928 4.000000 SLAM60_OHARAASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.664982E-04 B -.187975E-06C0.420794E-09D -.348519E-126 21.14941 8.859193ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A -.367450E-04 B 0.130594E-06C-.665374E-09D 0.794813E-127 78．00018 3.124861 FDS90_HOYA8 16.67079 9.473114 BACD16_HOYA9 -13.03245 0.20000010-17.74399 6.650512 MNBF1_HOYAASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A 0.314557E-03 B -.254460E-05C0.149709E-07D -.573297E-1011 -14.40905 0.200000
ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A -.440469E-04B 0.237538E-05C-.134637E-07D 0.222969E-1012 131.970966.000000 MNBF1_HOYAASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.711368E-04B -.624364E-06C0.210000E-08D -.350000E-1113-15.59413 2.000000ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.257396E-03 B -.884746E-06C0.186450E-08D 0.216077E-1114INPINITY30.000000FD60_HOYA15INFINITY24.56548816-64.35637 4.999034 FD60_HOYA17-1966.99974 5.49474218-96.81620 16.104081NBFD13_HOYA19-39.51766 0.20000020136.11245 14.269098LAC8_HOYA21-114.50422 39.30109122-250.53752 5.915028 BACD16_HOYA23-62.97973 24.296450STO 8.12022 3.000000 FDS90_HOYA257.27512 2.00000026-67.85690 5.522870 BACD16_HOYA27-5.887507.902370 FDS90_HOYA28135.96725 1.68864729-35.98083 10.637917MNBF1_HOYAASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.956626E-04B 0.298084E-06C-.100781E-07D 0.371253E-1030 -16.84259 0.200000ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.434637E-04B 0.131005E-06C-.120433E-08D 0.718134E-1231 29.02346 8.028674 SLAH60_OHARAASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.696210E-05B-.847612E-07C0.104328E-09D -.182720E-1232 186.81664 4.000000ASP
K 0.000000ICYES CUP0.000000A -.196461E-05B 0.343490E-07C-.146991E-09D 0.000000E+0033INFINITY21.000000BSC7_HOYA34INFINITY2.00000035INFINITY3.000000 FC5_HOYA36INFINITY0.440000在上述规定中，表面1-13对应于广角透镜组450，表面16-32对应于中继透镜组430。在替换实施例中，也可以使用其它的规定和/或材料。
图6示出具有广角透镜的背投显示装置的一个实施例。显示装置600包括屏幕610、广角透镜系统620和DMD630。在一个实施例中，屏幕610是菲涅耳透镜，这在上述引用的相关专利申请中有更详细的描述，在此通过引用结合到本专利。
图像由现有技术中已知的光学引擎组件(在图6中没有示出)产生，并经由DMD630移送到广角透镜系统620。在替换实施例中，DMD630可由其它组件替代，例如，微机电系统(MEMS)，栅状光阀(GLV)，液晶显示器(LCD)，硅基液晶(LCOS)等。DMD630的光轴与广角透镜系统620的光轴对准成一行，使得使用全透镜场来将图像投射到屏幕610上。
如此所述，图像通过广角透镜系统投射到屏幕上。屏幕可以是菲涅耳透镜。不过，能够用许多其它的器件作为屏幕以显示图像。通常，能够采用任何漫射光的器件作为屏幕。例如，墙、水或雾可以用作屏幕。
在说明书上所述的“一个实施例”意味着与所述实施例有关的具体特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中多处出现的用语“在一个实施例中”并非都指相同的实施例。
在上述说明书中，参考特定的实施例描述了本发明。不过，显然在不背离本发明的广泛精神和范围时可以进行不同的修改和变化。说明书和附图应认为是说明性的而不是限制性的。
权利要求
1.一种透镜系统，其特征在于，包括第一级，其产生扭曲的中间图像；和第二广角透镜级，其产生扭曲以基本消除中间图像的扭曲并投射与中间图像相应的基本上不扭曲的图像。
2.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述第一级包括的透镜根据表面 RDY THI1 -64.35637 4.9990342 -1966.99974 5.4947423 -96.8162016.1040814 -39.51766 0.2000005 136.1124514.2690986 -114.5042239.3010917 -250.53752 5.9150288 -62.9797324.296450STO 8.12022 3.0000008 7.27512 2.0000009 -67.85690 5.52287010 -5.88750 7.90237011 135.96725 1.68864712 -35.9808310.637917ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.956626E-04B 0.298084E-06C -.100781E-07D 0.371253E-1013-16.84259 0.200000ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A 0.434637E-04B 0.131005E-06C -.120433E-08D 0.718134E-1214 29.02346 8.028674ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A 0.696210E-05B -.847612E-07C 0.104328E-09D -.182720E-1215186.81664 4.000000ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A -.196461E-05B 0.343490E-07C -.146991E-09D 0.000000E+00.
3.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述第二级包括的透镜根据表面 RDYTHI1 46.745314.0000002 28.811635.0512133 30.582924.0000004 21.015768.4411065129.139284.000000ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.664982E-04B -.187975E-06C 0.420794E-09D -.348519E-126 21.14941 8.859193ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A -.367450E-04B 0.130594E-06C -.665374E-09D 0.794813E-127 78.00018 3.1248618 16.67079 9.4731149 -13.03245 0.20000010-17.74399 6.650512ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A 0.314557E-03B -.254460E-05C 0.149709E-07D -.573297E-1011-14.40905 0.200000ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A -.440469E-04B 0.237538E-05C -.134637E-07D 0.222969E-1012131.97096 6.000000ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A 0.711368E-04B -.624364E-06C 0.210000E-08D -.350000E-1113-15.59413 2.000000ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.257396E-03B -.884746E-06C 0.186450E-08D 0.216077E-11。
4.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述第一级和所述第二级是同轴的。
5.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述第一级的所述光轴和所述第二级的所述光轴形成一个角度。
6.如权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，所述第一级的透镜是同轴的，所述第二级的透镜是同轴的。
7.如权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，所述角度约90°。
8.如权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，所述角度基本小于90°。
9.如权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，所述角度基本大于90°。
10.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述广角是指全视场大于100°。
11.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述扭曲小于3％。
12.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，极度角的相对照度大于30％。
13.一种显示装置，其特征在于，包括屏幕；和广角透镜系统，其具有以产生扭曲的中间图像的第一级，和产生扭曲以基本消除中间图像的扭曲、并将相应于中间图像的基本不扭曲的图像投射在屏幕上的第二广角透镜级。
14.如权利要求13所述的显示装置，其特征在于，还包括基本是平面的后板镜，以将图像反射到屏幕，其中后板镜基本垂直于广角透镜系统的光轴并基本平行于屏幕。
15.如权利要求14所述的显示装置，其特征在于，还包括基本是平面的中间镜，以将由广角透镜系统投射的图像反射到后板镜上，所述中间镜平行于所述后板镜。
16.如权利要求13所述的显示装置，其特征在于，所述屏幕包括全内反射(TIR)菲涅耳透镜。
17.如权利要求13所述的显示装置，其特征在于，所述屏幕包括折射型菲涅耳透镜。
18.如权利要求13所述的显示装置，其特征在于，所述广角透镜系统使用约一半透镜场投射图像。
19.如权利要求13所述的显示装置，其特征在于，广角透镜系统使用小于一半的透镜场投射图像。
20.如权利要求13所述的显示装置，其特征在于，还包括微机电系统(MEMS)以提供图像到广角透镜系统。
21.如权利要求20所述的显示装置，其特征在于，还包括数字微镜装置(DMD)，以提供图像到广角透镜系统。
22.如权利要求13所述的显示装置，其特征在于，还包括栅状光阀(GLV)，以提供图像到广角透镜系统。
23.如权利要求13所述的显示装置，其特征在于，还包括液晶显示器(LCD)，以提供图像到广角透镜系统。
24.如权利要求23所述的显示装置，其特征在于，还包括硅基液晶(LCOS)显示器，以提供图像到广角透镜系统。
25.一种设备，其特征在于，包括图像捕获装置；和广角透镜系统，其产生扭曲的中间图像，以及中继透镜级，其产生扭曲以基本消除中间图像的扭曲并将相应于中间图像的基本不扭曲的图像投射到图像捕获装置。
26.如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述中继透镜级和广角透镜级是同轴的。
27.如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述第一级光轴和第二级光轴形成一个角度。
28.如权利要求27所述的设备，其特征在于，所述角度约90°。
29.如权利要求27所述的设备，其特征在于，所述角度基本小于90°。
30.如权利要求27所述的设备，其特征在于，所述角度基本大于90°。
31.如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述广角透镜提供大于100°的全视场。
32.如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述透镜系统产生小于3％的扭曲。
33.一种方法，其特征在于，包括采用中断透镜组投射图像，以产生扭曲的中间图像；并采用广角透镜组投射扭曲的中间图像，以产生基本不扭曲的最终图像，其中由所述第一透镜组产生的扭曲与所述第二透镜组产生的扭曲基本相等且相反。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述广角透镜组包括的透镜根据表面RDY THI1 -64.35637 4.9990342 -1966.99974 5.4947423 -96.81620 16.1040814 -39.51766 0.2000005 136.11245 14.2690986-114.50422 39.3010917-250.53752 5.9150288 -62.97973 24.296450STO 8.12022 3.0000008 7.27512 2.0000009 -67.85690 5.52287010 -5.88750 7.90237011135.96725 1.68864712-35.98083 10.637917ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.956626E-04 B 0.298084E-06 C -.100781E-07D 0.371253E-1013-16.84259 0.200000ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.434637E-04 B 0.131005E-06 C -.120433E-08D 0.718134E-1214 29.02346 8.028674ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A 0.696210E-05 B -.847612E-07 C 0.104328E-09D -.182720E-1215186.81664 4.000000ASPK 0.000000IC YES CUF0.000000A -.196461E-05 B 0.343490E-07 C -.146991E-09D 0.000000E+00.
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述中继透镜组包括的透镜根据表面RDY THI1 46.74531 4.0000002 28.81163 5.0512133 30.58292 4.0000004 21.01576 8.4411065 129.13928 4.000000ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A 0.664982E-04B -.187975E-06C 0.420794E-09D -.348519E-126 21.14941 8.859193ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A -.367450E-04B 0.130594E-06 C -.665374E-09D 0.794813E-127 78.00018 3.1248618 16.67079 9.4731149 -13.03245 0.20000010-17.74399 6.650512ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A 0.314557E-03B -.254460E-05 C 0.149709E-07D -.573297E-1011-14.40905 0.200000ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A -.440469E-04B 0.237538E-05 C -.134637E-07D 0.222969E-1012131.97096 6.000000ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A 0.711368E-04B -.624364E-06 C 0.210000E-08D -.350000E-1113-15.59413 2.000000ASPK 0.000000IC YESCUF0.000000A 0.257396E-03B -.884746E-06 C 0.186450E-08D 0.216077E-11.
36.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述第一级和第二级是同轴的。
37.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述广角是指全视场大于100°。
38.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述扭曲小于3％。
39.一种透镜系统，其特征在于，包括中继透镜组，其产生扭曲的中间图像；和广角透镜组，提供至少100°的视场，其产生扭曲以基本消除中间图像的扭曲并投射相应于中间图像的具有小于3％的扭曲的图像。
40.如权利要求39所述的透镜系统，其特征在于，中继透镜组的所有透镜是同轴的。
41.如权利要求40所述的透镜系统，其特征在于，所述广角透镜组的所有透镜是同轴的。
42.如权利要求41所述的透镜系统，其特征在于，所述广角透镜组和中继透镜组是同轴的。
43.如权利要求41所述的透镜系统，其特征在于，所述广角透镜组的光轴和所述中继透镜组的光轴形成一个角度。
44.如权利要求43所述的透镜系统，其特征在于，所述角度约90°。
45.如权利要求43所述的透镜系统，其特征在于，所述角度基本小于90°。
46.如权利要求43所述的透镜系统，其特征在于，所述角度基本大于90°。
全文摘要
这里所述的广角透镜系统允许投影装置(例如，背投显示装置)比其它可能的方式更紧凑。该透镜系统包括广角透镜级和中继透镜级。当作为投影装置运作时，中继透镜级将扭曲的中间图像投射到广角透镜级，广角透镜级投射图像以供显示。由中继透镜级导致的扭曲补偿(即，约相等且相反)由广角级带来的扭曲。扭曲可以是镜像形状和/或焦平面。当作为捕获装置运作时，广角级将扭曲图像提供到中继透镜级，中继透镜级补偿扭曲并提供较少扭曲，或甚至不扭曲的图像以供捕获。
文档编号G02B13/16GK1692297SQ03824093
公开日2005年11月2日 申请日期2003年7月30日 优先权日2002年8月16日
发明者杰弗里·艾伦·高曼 申请人:富可视公司