紧凑式集成前置投影系统的制作方法

专利名称：紧凑式集成前置投影系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种紧凑式轻型集成前投显示系统。尤其是，本发明涉及一种外形不引人注目的集成前投系统，该系统使用投影光学和可收缩的屏幕，其中优化可收缩屏幕与光学相结合的工作，以便于创建最佳的视觉性能和产生所需的梯形校正。
背景技术：
视频或电子显示系统都是能够再现视频或者电子生成图像的设备。无论是应用于家庭娱乐、广告宣传、视频会议、计算、数据协商或者小组介绍，都需要适当的视频显示设备。
在选择显示设备中，图像质量是一个重要的因素。随着需要显示设备能够提供较大图像的需求增加，诸如成本、体积以及重量之类的因素也变得尤为重要。显示系统机壳的体积一直是一个因素，尤其是在家庭或办公室中使用，在这些地方较大的外壳或机壳都是不适用的。显示系统的重量则是另一个因素，特别是紧凑式或者壁挂式的显示。
目前，最常用的视频显示设备是典型的CRT监视器，经常称之为电视机。对于小至中尺寸的图像应用(图像尺寸传统的是沿着矩形屏幕的对角线测量)，CRT器件相对较为廉价。然而，随着图像尺寸的增加，则在大的CRT监视器的比例和重量上的增加就变得使人讨厌，并且限制了它们的使用和放置。同样，随着CRT屏幕尺寸的增加，还会产生屏幕曲率问题。最后，大的CRT监视器会消耗大量的功率和产生电磁辐射。
常规CRT监视器的另一种选择是背投电视机。背投电视机一般包括投影机械或者引擎，这些部件放置在一个大的外壳中用于投影在屏幕的背面。背投屏幕可以设计成投影机械和观众是在屏幕的两侧。该屏幕具有光透射性，以便于将图像传递给观众。
很自然，背投系统就需要在屏幕后面有一个空间，用于容纳扩展图像电子束所需的投影体积。当背景和环境反射光线会应先背投图像时，外壳或机壳一般都会紧靠着投影体积。外壳中可以包括一个或者多个镜子，用以形成交叠光路和减小外壳的深度。对于在屏幕背后空间的需要救排除了在墙壁上放置背投显示器。
新一代的视频放映系统包括等离子体显示器。许多注意力都集中在等离子体显示器可以提供相对薄的机壳(大约75-100mm深)的能力，它可以一个集成紧凑式的封装放置在墙壁上作为图像显示器。然而，目前等离子体显示器十分昂贵且还存在着亮度低(大约200-400cd/m2范围)和维修困难的缺陷。等离子体显示屏一般较重(大约80-170lb，大约36-77公斤)，需要十分坚固的结构才能挂在墙壁上。
在较新的应用中，一直未能受到同样关注的传统视频放映设备是前投系统。前投系统是一种投影机械和观众都在屏幕的相同一侧的系统。前投系统可以具有许多在背投系统中所没有的不同的光学和结构上的挑战，在背投系统中，图像是反射到观众的，而不是传输到观众的。一例前投系统的实例是使用紧凑式前置投影仪和前置投影屏幕，适用于作为会议室设施使用或者放置在诸如飞机机舱之类的位置上。
前置投影仪的一个优点是投影仪引擎的体积。就传统而言，电子式前置投影仪一直是设计成尽可能最小的“接地面积”，该术语是用于表述投影仪在桌面上或者在台面上所占据的面积。紧凑式前置投影仪一直被设计成重量大约是10-20lb(大约4.5-9公斤)。
然而，在最新的交互式应用中，传统的前置投影系统并不是十分引人注意，因为存在着投影仪或者观众会挡住图像，较差的图像亮度，图像失真，以及设置困难等问题。
传统电子前置投影仪一般都需要一间能够满足图像扩展所需投影容积而没有任何物理障碍的房间。尽管图像可以投影在大的清洁平坦的表面上，例如，墙壁，但是使用分离的屏幕可以获得更好的图像质量。图1和图2图示说明了传统的前置投影系统。投影仪10可以放置在桌面上或者其它升高的表面上，用于将图像投影在屏幕或者投影表面20上。熟悉使用电阻式投影仪的人士都会意识到，投影仪倾斜在屏幕的法线轴以下会产生形状失真的图像，即，称之为梯形效应。最新的电子投影仪提供的有限程度的梯形校正。正如从图2中所意识到的，投影仪的放置仍旧会干扰观众的视线。
更为显著的特点是为了获得适当的图像尺寸以及也受到聚焦的限制，投影仪10在屏幕20之前需要一定的“投影窗口”。表A列出了某些目前在市场上常见的电子投影仪所公布的指标。
表A

*在公布的指标中没有给出投影距离定义程从投影透镜到投影屏幕之间的距离。投影比率经常定义成投影距离与屏幕对角线的比率。适用于上表所列出的投影仪的最短投影距离是1米。为了能够获得较大的图像，例如，在40至60英寸(大约1至1.5米)之间，大多数投影仪就必须定位在较远的位置上，至少离开墙壁或者屏幕8至12英尺(大约2.5至3.7米)远。
在屏幕前方的该“投影窗口”的存在可防止观众相互靠近投影图像。如果观众，例如，希望接近于图像，则观众就有可能阻挡投影并且在屏幕上产生一个阴影。
传统集成投影仪一般都需要光学调整和机械调整，例如，每次投影仪重新定位时的聚焦和前支承脚的提升。电子连接，例如，将投影仪与膝上计算机的连接，一般都是直接连接着投影仪，于是就会需要主持人能够迅速地访问投影仪或者主持人可以事先运行所需的连线。
前置投影仪的另一问题是易受环境光线的干扰。在传统的前置投影仪中，所投影光线的主要部分是散射的并且不会向观众反射。光线的损耗导致减小图像亮度。因此，就需要高的反射屏幕。然而，屏幕的反射越强，则由环境光源对投影图像衰减的可能性就越大。目前的解决方法是，当观看高质量的投影系统时，例如，35mm的彩色胶片放映系统，使得环境光线暗谈。在某些非常重要的观看场合，就希望能够控制从投影仪自身所发出光线的再反射。
某些屏幕的设计者一直希望能够采用“单向反射”屏幕来解决环境光线的问题，也就是说，希望投影屏幕能够吸收不是来自投影仪的光线，同时能够最大化来自投影仪方向的入射光线的反射。然而，因为紧凑式投影仪可以各种不同的投影距离和投影角度使用，所以已经证明对适用于所有可能的投影仪位置和光学特性进行优化是非常困难的。
另一可选的是设计专用的投影装置。这种设计可以满足专用会议室的需要，在专用会议室中，投影仪和屏幕的距离以及投影仪的光学特性都可以进行严格地控制和校正。可以使用结构部件将所选择的投影仪悬挂在天花板上。一旦校正好，该系统就可以永久保持着，这种装置需要较高的成本且缺乏紧凑性能。
妨碍前置投影仪最佳性能的另一问题是梯形效应，如果投影仪放置在偏离屏幕中心的位置上，就会产生梯形失真。梯形失真是一种特殊的图像失真，其中矩形或者方形图像的投影产生类似于梯形的屏幕图像，也就是说，四边形具有平行的上下边，但是所述边具有不同的长度。
减小梯形失真的方法取决于投影仪相对于屏幕的位置。梯形校正可以采用光学和电子的方法来获得。对于在LCD成像仪中较大的梯形校正来说，目前较佳的是采用光学的方法，而当象素变得失准时，则电子方法就会出现象素失常的失真。
对于大的屏幕视频放映系统来说，就需要能够提供有效的空间利用，较小的重量和吸引人的价格。这种系统应该是小巧紧凑的，并且能够在室内光线的条件下产生明亮和高质量的图像。

发明内容
本发明提供了一种小巧紧凑、重量轻、集成的投影系统。一个方面，本发明提供了一种集成前置投影显示器。该显示器包括具有第一部分和第二部分的框架；具有第一端和第二端的折叠式臂，其中臂的第二端连接着框架的第一部分，且臂可以在储存位置和投影位置之间移动；设置在框架第二部分中的可收缩的投影屏幕；安装在可移动臂的第一端上的投影头，使得当移动臂处于投影位置时投影头不会直接限制投影屏幕的观看；以及适用于将校正后的图像投影在投影屏幕上的梯形校正装置。
本发明的上述概要并不试图讨论各个披露的实施例或者本发明的每一个实施例。下列附图和详细讨论将更具体地解释实施例。


本发明将参考下列附图作进一步讨论，附图包括图1是传统投影设备和屏幕布置的投影视图；图2是图1所示布置的正面侧视图；图3是根据本发明的典型集成前置投影系统处于开放投影位置的俯视图；图4是图3所示集成前置投影系统的侧视图；图5a、5b和5c是说明典型集成前置投影系统分别处于储存、设置和投影位置上的等距视图；和，图6是根据本发明的集成前置投影系统的臂和投影头的典型实施例的正面示意剖视图。
这些附图是理想化的，并未按比例绘制，意图在用于说明发明目的。
具体实施例方式
本发明的一个实施例包括一个前置投影系统，它集成了光学引擎，并具有模块化的控制和电源电子部件以及专用的可收缩的投影屏幕，提供了一种小巧紧凑重量轻的视频显示设备。
主要参见图3和图4，可收缩屏幕102与投影头106光学耦合。屏幕102可以是从框架104延伸出来的柔性材料，也可以是刚性部件。在举例的实施例中，屏幕和框架是由材料的合成片所制成。屏幕102可以包括多层或者特殊的涂层，例如，允许将其作为可消除的白板。在美国专利申请No.09/841,021中讨论了一种举例说明的有效屏幕，并将该专利申请赋予本文件，通过引用合并与本文件。
框架104可以包含和支承系统的其它部件。例如，框架104可以安装其它附加的部件，例如，集成喇叭、输入和输出的插孔，以及可以放置诸如文具、橡皮等等附件的功能盘。在本举例说明的实施例中，投影系统100的机械基础构件，臂108和框架104，包括诸如铝、镁或者塑料合成的轻型材料。因此，整个投影系统相当轻(35-45磅，14-18公斤)。
在一个举例说明的实施例中，一个电机放置在臂的第二端108b中，用于控制臂的移动。电机可以是AC、DC型，可以通过缓和、在中心臂(弹簧负载)或者任何其它任何可以提供可靠重复定位的适用型式来手工驱动。电机可以是具有两个限位传感器开关的精确引导齿轮驱动电机，用于正确定位臂108，并因此投影头106可以处于精确和重复的关闭和打开的位置。
臂108的移动和投影系统100的功能都可以通过控制屏114、遥控器(未显示)、或者其它可控机械来控制。在投影系统100的臂108可旋转固定在一个单点上时，业内熟练的技术人士就迅速意识到，在本发明精神的范围内可以使用各种不同的连接和/或旋转机械。在另一举例说明的实施例中，头106和臂108可以包括附加的铰链或者套筒移动，并且该臂可以与框架的其它部分或者墙壁或者柱子相耦合。
系统100以头106相对于屏幕的精确定位来耦合投影引擎，从而产生高对比度、亮度增强、图像均匀、最佳图像位置以及锐利聚焦。因为投影引擎的光学参数都是众所周知的，并且在使用位置中的投影仪头的兼容性和精确定位的选择也都是众所周知的和预先确定的，所以举例说明的屏幕可以设计和优化成能够为观众提供最大的亮度，同时减小环境光线的干扰。
在投影的模式中，投影系统100可以产生具有多种光线射线的光束。有关坐标系统，其中可以将屏幕定义为z平面，各个光束包括沿着水平x平面和垂直y平面的分量。各个光束入射屏幕的角度取决于投影仪的光学特性，例如，f-数和投影头相对于屏幕的位置。
图3显示了一例集成前置投影系统100的典型实施例的俯视图，该前置投影系统包括框架104、可收缩屏幕102以及可折叠臂108。在该特殊实施例中，屏幕和框架都是系统的集成部件。可选择的是，在投影头106附近是多个开孔，例如，空隙109，以允许空气流通。
图4显示了另一例集成前置投影系统100的典型实施例，其中，屏幕102是与框架104可分离的部件。仅仅只是用于说明的目的，虚线示意表示了在屏幕上的投影区域。正如本领域的普通技术人员所能意识到的，如果要在屏幕上呈现出直行图像，所投影的图像就需要校正。该图像是可以通过使用一般放置在框架中在投影头中的单独的光学元件或者与电子组合的光学元件来校正。投影系统还包括控制屏114和功能盘115。
图5a显示了又一例集成前置投影系统100的典型实施例，其中投影系统处于关闭或储存的位置。系统100包括框架104，该框架具有可分别设计成104a、104b和104c的第一、第二和第三部分。折叠臂108分别具有第一和第二端108a和108b，且附加在框架104上，使得臂的第二端108b可设置在框架的第一端104a上。在臂的第二端108b上设置一个投影头(未显示)。可选择的是，在第二端108b的上侧设置缝隙109，用于冷却投影投。屏幕102一般设置在框架的第二部分内。在一个举例说明的实施例中，控制屏114设置在框架的第三部分104c。在储存的位置上，臂处于和屏幕并行的位置。图5b显示了图5a所举例说明的实施例正处于部分关闭(或者部分打开)的位置上，但在该位置上集成前置投影系统还没有处于投影模式。在这部分打开的位置上，臂已经升高，使得它处于图3所示的关闭位置，即，垂直于和一般处于屏幕上。当屏幕102a和102b没有折叠时，可收缩的屏幕就已经部分打开。正如本文所使用的，术语“可收缩”是指屏幕能够从它的打开、显示模式拖曳或者拉回至关闭、储存模式。尽管图5b显示了可收缩的屏幕是有三个屏组成，其中两个屏幕可以折叠或者收缩在框架104上。业内的熟练技术人士会意识到，也可以使用其它可收缩的设计。例如，在另一举例说明的实施例中，可收缩的屏幕是滚动的。在这部分打开位置上，投影头106处于与屏幕102紧密光学调节。采用这一设计的优点是在投影头从储存模式变化到投影模式时用户不一定要重新定位或者重新聚焦投影头。同样，图5c显示了处于完全打开或投影位置且在该位置上投影头106处于与屏幕102紧密光学调节的集成前置投影系统100。
正如从图3、4和5c中可以意识到的那样，投影系统100以一个较大的角度和接近屏幕的距离来设置投影头106，从而使得观众干扰的可能性最小化。将投影头设置在投影臂108的一端提出了独特的机械和光学结构的挑战。即使最轻和最紧凑的常规紧凑式投影仪，大约71b(3.2Kg)也都会对结构部件存在着杠杆不平衡应力。另一选择，聚焦图像所需要的投影距离仍需要较长的臂，这就进一步对结构产生了杠杆放大的应力。即使如果结构是合理的，但系统只能投影严重梯形失真和相对较小的图像。
电子光学引擎包括成像和电子部件。正如图6所作的较佳说明，在投影系统100中，臂108是刚性的空腹结构。臂108的结构定义了一个臂腔122并允许诸如灯控制模块118和成像模块120可以分别放置。灯控制模块118包括控制板、压舱物、以及其它电子部件。电子部件通过内部功率和数据连接的阵列进行内部连接。成像模块120包括光源、投影光学部件、色轮和成像仪。通过将投影系统的部件沿着臂和框架分布，激光器负载放置在第二端108b和臂中。同样，较小的投影头尺寸变成可能。本领域的普通技术人员都会意识到，在本发明的其它实施例中，各种不同的模块结构都是可能的。例如，另一选择是，电子模块的部件可以设置在框架104的内部。
在传统的投影仪设计中需要大量的EMI/RFI(电磁干扰/无线电频率干扰)屏蔽，以减小在灯和电子部件之间的EM串扰以及具有无线电频率限制。在臂108中的电子部件的分别放置可减小EMI/RFI干扰。此外，在所举例说明的系统100中，电源和控制电子模块都是封闭的。
该结构也提供了一个高效热管理系统。几个风扇150和152设置在臂108中，使得空气可以流过空腔投影臂108、冷却设置其中的成像模块120和灯控制模块118。空气通过空气出口129流出投影头106。空气也可以通过风扇130流过投影头106。冷却空气的流动也可以用于冷却设置在投影头106中的其它部件或者可以使用分别冷却得空气流动或者热管理元件。
通常实用的电子前置投影仪可以设计成以一个特定的投影距离(TD)投影一个特殊的屏幕对角线(D)。投影仪的投影比率可定义成投影距离与屏幕对角线的比率。放大比率是以屏幕对角线/图像的对角线。可选的是，投影系统100投影头106的谨慎设置需要图像能够同时兼容三项十分苛求的要求短的投影距离、高的放大倍率和大的梯形校正。在本实施例中，为了能够最小化图像阴影，投影头106可以大约15°的投影角度来设置并且臂测量大约30英寸(76.2cm)。在一个举例说明的实施例中，屏幕102所具有的屏幕对角线大约为42至60英寸(大约107-152cm)。
再参见图6，投影头106包括一个灯单元132、一个成像仪或光阀134、聚焦光学136、一个色轮138、一个聚焦镜139和一个投影透镜140。投影头也可以包括偏振转换器(用于偏振旋转成像仪)、红外和紫外吸收或反射滤色器、一个可能与灯更换机械相耦合的变更光源、反射镜、以及其它光部件(未显示)。灯单元132包括一个反射器131和一个灯133。反射器131通过色轮138聚焦由灯133所产生的光。随后，光束可由聚焦光学136和聚焦镜139进行聚焦。现在，将聚焦的光束可被聚焦镜反射并被引导到反射成像仪134，由成像仪依次将光反射到投影透镜140。上述投影头106的讨论仅仅只是讨论了适用于本发明所使用的一种前置投影。业内熟练的技术人士都会意识到任何其它类型的前置投影光学都可以使用，只要这种光学部件可以满足以上所描述的需要，例如，短的投影距离、高的放大倍率和大的梯形校正。
灯单元132包括一个椭圆形的反射器和一个高亮度弧、放电灯133，例如，Philips UHP类型(来自荷兰Eindhoven的Philips公司出产)或者OSRAMVIP-270(拉孜德国Berlin的Osram公司出产)。也可以使用其它合适的灯泡和灯结构，例如，金属钠或者钨卤素灯。成像仪134包括一个单一XGA数字微镜器件(DMD)，该器件具有大约18mm(0.7英寸)对角线(例如，由TexasDallas的Texas仪器公司出产)。色轮138是一个旋转红/绿/蓝(RGB)颜色序列的圆盘，可以在投影图像中产生16.7百万种颜色。在另一实施例中，色轮和成像仪134可以采用不同的合适结构来取代，例如，一个液晶RGB彩色序列快门和一个反射或透射液晶(LCD)成像仪。本领域的普通技术人员都会很快意识到，根据本发明精神邪有可能使用其它光学部件和结构。
成像仪134和灯132可以采用由风扇130所产生的空气流动来冷却。本实施例结构的其它热优点是发热部件，例如，灯，设置在冷却空气流动路径的端部分，从而可防止灯的内部发热影响精密的电子部件。
灯140的聚焦可以预设，以便于在屏幕102上获得最佳分辨率。为了提供完整的梯形校正，光阀中心可以从投影透镜中心相移一个等于投影角度的数量。梯形校正性能不需要仅仅限制于光学。梯形校正光学、电子梯形校正部件和屏幕倾斜可以组合以获得适当的图像。在另一实施例中，屏幕可以电机驱动，以便于在臂处于打开位置上可以达到倾斜投影的位置。
本领域的普通技术人员将会意识到，本发明可以采用各种不同的光学部件。在本发明参考举例说明的较佳实施例进行讨论的同时，本发明可以包含于其它特殊形式中，而不背离本发明的精神。因此，应该理解的是，本文所讨论和举例说明的实施例仅仅只是实例，而不应该认为是对本发明范围的限制。根据本发明的精神和范围可以进行其它变更和改进。
权利要求
1.一种集成前置投影显示系统，其特征在于，包括(a)框架，它包括第一部分和第二部分；(b)折叠式臂，它包括第一和第二端，所述臂的第二端连接着所述框架的第一部分，其中所述臂可在储存位置和投影位置之间移动；(c)可收缩的投影屏幕，它设置在所述框架的第二部分内；(d)投影头，它安装在所述可移动臂的第一端，使得所述投影头在所述移动臂处于投影位置时基本上不会影响对投影屏幕的观看；以及，(e)梯形校正机构，用于将直线的图像投影在所述的投影屏幕上。
2.如权利要求1所述集成前置投影显示系统，其特征在于，所述框架进一步包括第三部分，它包括至少一个控制屏和一个功能盘。
3.如权利要求2所述集成前置投影显示系统，其特征在于，所述可收缩投影屏幕选自一组包括一个可折叠屏幕和一个滚动屏幕。
4.如权利要求3所述集成前置投影显示系统，其特征在于，所述可折叠屏幕包括左边、中间和右边屏，当所述显示系统处于所述储存位置时，至少一个所述左边和所述右边的屏能够折叠到所述中间屏上。
5.如权利要求3所述集成前置投影显示系统，其特征在于，所述梯形校正机构选自一组包括光学结构和电子结构。
6.如权利要求5所述集成前置投影显示系统，其特征在于，所述投影头在其上侧包括多个开孔。
7.如权利要求1所述集成前置投影显示系统，其特征在于，所述框架和所述可收缩投影屏幕是一个集成部件。
8.如权利要求1所述集成前置投影显示系统，其特征在于，所述可收缩屏幕是干式擦除的。
全文摘要
本发明提供了一种紧凑式集成前置投影显示系统。该系统包括一个具有第一和第二部分的框架和一个具有第一和第二端的可折叠臂。臂的第二端连接着框架的第一部分。臂可以在储存位置和投影位置之间移动。系统还包括设置在框架第二部分上的可收缩投影屏幕和安装在移动臂第一端的投影头。
文档编号G03B21/60GK1726704SQ200380106555
公开日2006年1月25日 申请日期2003年11月13日 优先权日2002年12月19日
发明者E·M·小罗德里格斯 申请人:3M创新有限公司