專利名稱：圖像投影的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影系統(tǒng)和方法，更具體地，涉及結(jié)合光學(xué)和圖像處理技術(shù)以減小光程長(zhǎng)度、維持最佳圖像質(zhì)量的短程投影系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在正投影系統(tǒng)中，投影機(jī)和瀏覽器位于顯示面的同一側(cè)，來(lái)自投影機(jī)的圖像從顯示面反射到瀏覽器上。圖1A是現(xiàn)有技術(shù)中標(biāo)準(zhǔn)的八單元投影透鏡5的示意圖，該透鏡能接收輸入光學(xué)圖像2并投影出放大的輸出光學(xué)圖像3。圖1B是使用八組件投影透鏡5將圖像直接投影到顯示面20的投影燈引擎6的示意圖。其為創(chuàng)建的圖像沿與顯示面20垂直的直軸線投影的同軸投影系統(tǒng)的一個(gè)例子。
對(duì)于背投影系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)更復(fù)雜，以迎合背投屏幕尺寸的商業(yè)需求。這種緊密度用“投射比”來(lái)量化。一個(gè)投影系統(tǒng)的投射比由被顯示面20的對(duì)角線長(zhǎng)度D(圖中未示出)分開(kāi)的投影距離d(圖1B所示)給出。該對(duì)角線D從顯示面20的對(duì)角開(kāi)始測(cè)得。投射比由以下等式給出 如圖1C和1D所示，正投影結(jié)構(gòu)中普通的投影透鏡5生成低失真圖像，具有典型的光點(diǎn)直徑(即位于邊角的散焦點(diǎn)圖像)。具體地，若其尺寸是1480mm×834mm的顯示面20，25.4mm焦距為2.8的投影透鏡5，產(chǎn)生的投影圖像的中心處是1mm的點(diǎn)，邊角處是3mm的點(diǎn)。正投影系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)目標(biāo)是具有最小的可辨聚焦點(diǎn)直徑，邊角處不多于一個(gè)象素范圍，邊角內(nèi)不少于2-3個(gè)象素范圍。在該例子中，考慮到微顯示圖像設(shè)備中的象素大小和投影到遠(yuǎn)距離顯示面所產(chǎn)生的放大率，顯示面20上的一個(gè)象素范圍是大約1mm。整個(gè)透鏡的失真小于顯示面20的屏幕大小的1％。為了較少丟失的象素和丟失的亮度(因關(guān)掉未覆蓋顯示屏的象素和因此而丟失其對(duì)整個(gè)亮度的作用而產(chǎn)生)，失真圖(即圖1C)最好是矩形的并準(zhǔn)備地覆蓋有效顯示區(qū)域。此外，圖1D的光點(diǎn)圖最好能顯示最小光點(diǎn)直徑的增加(離顯示屏中心較遠(yuǎn)處開(kāi)始)并對(duì)稱分布。最小化光點(diǎn)直徑的增加意味著最小化點(diǎn)圖像的散焦。
建立緊密的投影系統(tǒng)的另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是最小化投射比(有些設(shè)計(jì)者計(jì)算投射比時(shí)用圖像的寬度代替對(duì)角線，因此指定正在使用的投射比的哪種定義是重要的)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)好的圖像質(zhì)量。對(duì)投影機(jī)和顯示屏物理地結(jié)合成一個(gè)功能單元的背投影系統(tǒng)如背投電視來(lái)說(shuō)，最小化投射比是特別重要的。在該單元中，最小化投射比意味著更短的投射路徑長(zhǎng)度，可允許收容顯示面和投影燈引擎的機(jī)殼有更小的深度。正投影系統(tǒng)中最小化投射比可實(shí)現(xiàn)用放置于離顯示屏很近的位置處的投影機(jī)而投影大圖像。
背投顯示系統(tǒng)中機(jī)殼深度和機(jī)殼深度的減小可通過(guò)測(cè)量顯示屏對(duì)角線與機(jī)殼深度的比率或DtoD比率來(lái)客觀估算。現(xiàn)有的使用同軸投影的配置中，平面鏡和失真校正光學(xué)裝置的DtoD比率是大約2.5到3.5(例如，61”的對(duì)角線和19.5”的深度，或55”的對(duì)角線和18”的深度，等等)。
為了減小機(jī)殼深度，現(xiàn)有的方法將平面鏡(用于折疊光路)和低失真寬視場(chǎng)(FOV)透鏡相結(jié)合，該透鏡用于減小投影路徑長(zhǎng)度，從而減小投射比。通過(guò)很好的調(diào)整光學(xué)幾何學(xué)(透鏡類型、焦距、反射角度)，圖像失真可被最小化?，F(xiàn)有的配置結(jié)構(gòu)將一個(gè)折疊鏡(或多個(gè)折疊鏡)放在與投影光束同軸的位置。這種結(jié)構(gòu)具有不產(chǎn)生梯形失真的優(yōu)點(diǎn)，但是不能使機(jī)殼深度明顯減小，或未能增加DtoD比率。
例如，圖2A是現(xiàn)有的包括有投影燈引擎14、平面鏡8、顯示面20的投影系統(tǒng)6’的示意圖。其為同軸投影系統(tǒng)的一個(gè)例子，其中平面鏡建立一個(gè)折疊的光路，與顯示面20成一個(gè)角度α。因而機(jī)殼深度為T(mén)。這一投影系統(tǒng)6’不產(chǎn)生梯形失真，如圖2B的投影在顯示面20上的圖像I的示意圖所示。
現(xiàn)有技術(shù)中減小機(jī)殼深度的主要方法是使用短射程寬角度的透鏡和同軸光路。這種方法的缺陷是限制了深度的縮小，盡管未出現(xiàn)梯形失真，該方法還是需要設(shè)計(jì)和制造更優(yōu)的光學(xué)器件。光學(xué)和幾何學(xué)的約束使得其增加了枕形失真或桶形失真和梯形失真?，F(xiàn)有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被最小化這些失真、實(shí)現(xiàn)需要的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、校正橫向色差、滿足透鏡F值規(guī)范和達(dá)到性價(jià)比平衡的需求所大大限制。
為了提供高的對(duì)比率，現(xiàn)有的背投系統(tǒng)使用對(duì)從前面撞擊顯示屏的光線具有低反射比(使用吸光材料)的顯示屏組合。為了提供高的亮度，這些顯示屏組合對(duì)從背面撞擊的光具有高的透射比。一般光線通過(guò)作為所述顯示屏組合的一部分的菲涅耳透鏡進(jìn)行校準(zhǔn)。菲涅耳透鏡為對(duì)稱循環(huán)結(jié)構(gòu)(其光心位于物理中心，或投影光路的軸線上)，用于同軸投影系統(tǒng)。給定焦距的菲涅耳透鏡可代替大量循環(huán)的具有相同焦距的雙凸鏡。這種菲涅耳透鏡的直徑至多是顯示對(duì)角線的長(zhǎng)度。這些菲涅耳透鏡一般很薄，易彎曲，會(huì)隨著內(nèi)部溫度的上升而膨脹。同軸投影系統(tǒng)的圖像質(zhì)量對(duì)菲涅耳透鏡表面輪廓的中點(diǎn)位置(光軸附近)的變化不是非常敏感。遺憾的是，這些對(duì)稱的菲涅耳透鏡不能用于離軸背投系統(tǒng)。此外，在投影系統(tǒng)內(nèi)菲涅耳透鏡必須謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)為具有高的DtoD比率，因?yàn)轱@示屏背面撞擊的光線的入射角不同，顯示屏上端附近的入射角最小，為20±5度，顯示屏上端附近的入射角最大，為60±5度。因此，由于其對(duì)撞擊光線的入射角的準(zhǔn)直功能的敏感性，透鏡表面必須保持非常精密。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種使用背投透射屏和整體式菲涅耳準(zhǔn)直透鏡的緊致型背投影系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供一種緊致型正投影系統(tǒng)，放置在靠近反射屏的位置處。具體地，本發(fā)明涉及一種同軸圖像投影系統(tǒng)和方法，以視覺(jué)上合適地幾何學(xué)設(shè)計(jì)和最佳的圖像質(zhì)量在顯示面上光學(xué)投影一幅圖像，并減小光路長(zhǎng)度和投射比。
所述投影系統(tǒng)包括圖像處理單元、投影燈引擎和光反射裝置。所述圖像處理單元接收具有不同分辨率和寬高比的數(shù)字輸入圖像數(shù)據(jù)，并調(diào)整所述輸入的圖像數(shù)據(jù)為所述投影光引擎合適的寬高比和分辨率。所述圖像處理單元還通過(guò)使用后面將會(huì)描述的逆變換對(duì)發(fā)送給光調(diào)制器的數(shù)字圖像進(jìn)行失真補(bǔ)償，因而當(dāng)圖像調(diào)制光線切斷整個(gè)光路時(shí)，所述光線將在這一光路上出現(xiàn)光學(xué)和幾何學(xué)失真。也就是說(shuō)，所述失真補(bǔ)償使圖像調(diào)制器處的每一個(gè)象素向相反方向足夠遠(yuǎn)地移動(dòng)，以至于所述光調(diào)制器和屏幕之間光路上的失真將每個(gè)象素移回其在屏幕上預(yù)定的位置。所述投影燈引擎接收來(lái)自所述圖像處理單元的數(shù)字形式的失真補(bǔ)償后的圖像數(shù)據(jù)，該圖像數(shù)據(jù)被翻譯成使該光調(diào)制微顯示設(shè)備(或多個(gè)設(shè)備)產(chǎn)生光的信號(hào)。所述光形成與所述失真補(bǔ)償后的圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的光學(xué)圖像。所述投影燈引擎可包括校正透鏡，對(duì)因產(chǎn)生于投影幾何結(jié)構(gòu)和所述光反射裝置的光束分散而產(chǎn)生的光點(diǎn)散焦進(jìn)行補(bǔ)償。可選擇地，也可使用提供這種功能地普通投影透鏡。
所述光反射裝置位于失真補(bǔ)償后的光學(xué)圖像的光路內(nèi)，將該光學(xué)圖像反射到顯示面的一特定區(qū)域。所述光反射裝置包括至少一個(gè)用于控制反射到顯示面的非球面鏡。所述非球面鏡在水平方向和垂直方向上均具有不同的曲率半徑，以便在顯示面上形成視覺(jué)上充分合適的圖像。所述投影燈引擎和光反射裝置被設(shè)計(jì)來(lái)最小化光學(xué)性反常，并對(duì)空間精確度進(jìn)行折衷。所述圖像處理單元可對(duì)所述投影燈引擎、光反射裝置產(chǎn)生的空間失真的結(jié)合進(jìn)行最后的校正，并改變投影幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)裝配定位的旋轉(zhuǎn)自由度的3個(gè)軸和平移自由度(上/下和左/右)的2個(gè)尺寸的錯(cuò)誤。前后平移錯(cuò)誤產(chǎn)生于焦點(diǎn)的改變，并且不能由所述圖像處理單元校正。所述顯示面被設(shè)計(jì)來(lái)接收具有不同的高入射角的光線，并將光線垂直反射或透射給所述顯示面。
因此，本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種在顯示面上基于輸入圖像數(shù)據(jù)顯示光學(xué)圖像的離軸投影系統(tǒng)。所述投影系統(tǒng)包括(a)用于接收輸入圖像數(shù)據(jù)并產(chǎn)生失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)的圖像處理單元；(b)用于接收所述失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)并根據(jù)所述失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)投影失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的投影燈引擎，與所述圖像處理單元連接；
(c)與所述投影燈引擎連接的光反射裝置，所述光反射裝置包括至少一個(gè)曲面鏡，所述曲面鏡位于來(lái)自一投影透鏡的所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路內(nèi)，用于生成在顯示面上顯示的減小失真后的光學(xué)圖像；其中所述圖像處理單元對(duì)所述輸入圖像數(shù)據(jù)的數(shù)字值進(jìn)行失真補(bǔ)償，這樣當(dāng)所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像通過(guò)所述投影燈引擎投射并從所述光反射裝置反射時(shí)，顯示的光學(xué)圖像內(nèi)的與所述投影燈引擎和光反射裝置有關(guān)的光學(xué)和幾何學(xué)失真被充分地消除。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種在離軸投影系統(tǒng)的顯示面基于輸入圖像數(shù)據(jù)顯示光學(xué)圖像的離軸投影方法。所述方法包括以下步驟(a)以數(shù)字格式接收輸入圖像數(shù)據(jù)并電子地產(chǎn)生失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)；(b)提供與所述失真補(bǔ)償數(shù)字圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的失真補(bǔ)償光學(xué)圖像；(c)將所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像通過(guò)一光反射裝置反射，生成用于在所述顯示面投影的顯示光學(xué)圖像，所述裝置包括至少一個(gè)曲面鏡，所述曲面鏡位于來(lái)自所述投影透鏡的失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路內(nèi)，用于生成在所述顯示面上顯示的光學(xué)圖像；其中步驟(a)包括對(duì)所述輸入圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行失真補(bǔ)償，這樣當(dāng)所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像從所述光反射裝置反射時(shí)，顯示的光學(xué)圖像內(nèi)的與所述投影系統(tǒng)有關(guān)的光學(xué)和幾何學(xué)失真被充分地消除。


為了更好地理解本發(fā)明，更清楚地說(shuō)明本發(fā)明如何實(shí)施，以下將僅以舉例的方式給出與本發(fā)明的最佳實(shí)施例有關(guān)的附圖。
圖1A是普通的八單元投影透鏡的示意圖；圖1B是圖1A所示的投影透鏡用于在屏幕上同軸投射圖像的示意圖；圖1C和圖1D是說(shuō)明圖1B所示的直接投影系統(tǒng)中固有失真的失真和焦點(diǎn)分布示意圖；
圖2A是現(xiàn)有技術(shù)中同軸投影系統(tǒng)的示意圖；圖2B是對(duì)應(yīng)圖2A所示的現(xiàn)有技術(shù)的投影系統(tǒng)的失真分布示意圖；圖3A是可選擇的(離軸)投影系統(tǒng)的示意圖；圖3B是對(duì)應(yīng)于圖3A所示的可選擇投影系統(tǒng)的失真分布示意圖；圖4A是采用兩平面鏡折疊的背投影系統(tǒng)的示意圖；圖4B和圖4C是說(shuō)明圖4A所示的兩平面鏡折疊背投系統(tǒng)中圖像失真和焦點(diǎn)大小的失真分布示意圖和焦點(diǎn)示意圖；圖5是本發(fā)明投影系統(tǒng)的方框圖；圖6是圖5所示的投影系統(tǒng)作為順序使用一個(gè)小的非球面鏡和一個(gè)校正透鏡的雙折背投系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7A-7B是制作圖6所示的小非球面鏡的模型的側(cè)面圖；圖7C是圖6所示的小非球面鏡的鏡面的示意圖；圖8A-8C是圖6所示的校正透鏡的表面曲率示意圖；圖9A是本發(fā)明的投影系統(tǒng)產(chǎn)生的失真補(bǔ)償圖像的示意圖(下面的畫(huà)面顯示的是顯示設(shè)備生成的圖像，上面的畫(huà)面顯示的是在所述顯示屏上顯示的理想圖像)；圖9B是從平面鏡看顯示設(shè)備生成的矩形矩陣圖像的聚焦光點(diǎn)示意圖；圖10A圖6所示的雙折背投系統(tǒng)單獨(dú)使用小的非球面曲面鏡的示意圖；圖10B和圖10C是說(shuō)明與圖10A所示的背投系統(tǒng)相關(guān)的圖像失真和聚焦光點(diǎn)性能的示意圖；圖11A和11B是說(shuō)明與圖6所示的背投系統(tǒng)相關(guān)的圖像失真和聚焦光點(diǎn)性能的示意圖；圖12是本發(fā)明使用三個(gè)反光鏡適用于垂直投影設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖13是本發(fā)明投影系統(tǒng)使用三個(gè)反光鏡其中兩個(gè)是曲面鏡的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
圖14A是本發(fā)明的投影系統(tǒng)使用一個(gè)大曲面鏡的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖14B、14C和圖14D是說(shuō)明圖14A所示的離軸折疊背投系統(tǒng)中圖像失真和聚焦光點(diǎn)性能的示意圖；圖15A是使用單個(gè)平面鏡的現(xiàn)有同軸投影系統(tǒng)的示意圖；圖15B和圖15C是說(shuō)明圖15A所示的投影系統(tǒng)的固有失真的失真和聚焦光點(diǎn)分布圖；圖16A是本發(fā)明的投影系統(tǒng)使用單個(gè)、大的非球面曲面鏡的另一實(shí)施例的示意圖；圖16B和圖16C是說(shuō)明圖16A所示的離軸投影系統(tǒng)的固有失真的失真和聚焦光點(diǎn)分布圖；圖17A是本發(fā)明的投影系統(tǒng)使用單個(gè)、大的非球面曲面鏡的另一實(shí)施例的示意圖；圖17B和圖17C是說(shuō)明圖17A所示的離軸投影系統(tǒng)的固有失真的失真和聚焦光點(diǎn)分布圖；圖18A是本發(fā)明的投影系統(tǒng)使用包括一個(gè)菲涅耳鏡代替大的非球面曲面鏡的兩鏡結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例的示意圖；圖18B是圖18A所示的實(shí)施例中使用的大曲面鏡部分轉(zhuǎn)換為菲涅耳鏡的的三維示意圖；圖18C是不使用校正透鏡時(shí)圖18A所示的投影系統(tǒng)的失真分布示意圖；圖18D是用于校正圖18A所示的投影系統(tǒng)中菲涅耳鏡失真和光束發(fā)散的可旋轉(zhuǎn)的非球面非對(duì)稱校正透鏡表面的三維示意圖；圖18E是當(dāng)使用圖18D所示的校正透鏡而未進(jìn)行任何電校正時(shí)圖18A所示的投影系統(tǒng)的失真分布示意圖；圖18F是可與圖18A所示的菲涅耳鏡一起使用的常用投影透鏡的俯視圖；圖18G是圖18F所示的常用投影透鏡的側(cè)視圖；
圖19A是現(xiàn)有的向上30度離軸投影產(chǎn)生近似地梯形失真的投影系統(tǒng)的示意圖；圖19B是說(shuō)明圖19A所示的投影系統(tǒng)中27％梯形失真的示意圖；圖19C是在投影透鏡和微顯示器之間有一定移位的現(xiàn)有離軸投影燈引擎的示意圖；圖19D是圖19C所示的現(xiàn)有投影燈引擎用于30度離軸投影系統(tǒng)(注意鏡筒是水平的，但是該透鏡仍以30度向上投影圖像)的示意圖；圖19E是使用圖19C所示的“移位透鏡”投影燈引擎校正梯形失真的圖19D所示的現(xiàn)有離軸投影系統(tǒng)的的失真示意圖；圖20A是為利用現(xiàn)有的曲率最小化散焦而在投影透鏡軸線上有一定傾斜的現(xiàn)有的投影燈引擎的示意圖；圖20B是為消除光點(diǎn)散焦而用于現(xiàn)有的投影系統(tǒng)的沙姆普弗克(Scheimpflug)原理的(微顯示器平面、透鏡和顯示屏均沿同一交線相交)示意圖；圖21A是具有校正透鏡功能的常用投影透鏡的俯視圖；圖21B是具有校正透鏡功能的常用投影透鏡的側(cè)視圖；圖21C是圖21A-B所示的常用投影透鏡的第三表面(非球面非對(duì)稱的)的示意圖；圖22是可用于本發(fā)明任何實(shí)施例中提供電子失真校正的圖像處理單元的方框圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖3A，減小機(jī)殼厚度T(圖2A所示)的第一種嘗試是減小角度α。相應(yīng)地，投影系統(tǒng)6”(即離軸投影系統(tǒng))具有與同軸投影系統(tǒng)6’相同的組件，只是平面鏡8以與顯示面20更小的夾角放置。這樣便可達(dá)到預(yù)期的機(jī)殼厚度從厚度T減至厚度T’的效果。但是，這時(shí)所得圖像具有梯形失真(如圖3B所示)，其中離軸投影系統(tǒng)6”產(chǎn)生的圖像I’相對(duì)原始圖像I(如圖2B所示)發(fā)生變形。該失真表現(xiàn)為圖像I’下端在水平方向上收縮，圖像I’上端在水平方向上拉伸。另外圖像I’在垂直方向上也被拉伸。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖4A。圖4A是背投影系統(tǒng)21的示意圖，為了減小機(jī)殼厚度該系統(tǒng)也使用光路折疊以使該系統(tǒng)適用于較小和機(jī)殼和離軸反射鏡布置。使用兩個(gè)平面鏡33和35的多路折疊能實(shí)現(xiàn)較薄的機(jī)殼尺寸同時(shí)仍能提供完整的投影光路長(zhǎng)度。如圖所示，投影的圖像從第二級(jí)平面鏡35反射到第一級(jí)平面鏡33。第一級(jí)平面鏡33再將投影圖像反射到顯示面20的背面以便觀看者4在顯示面20的另一邊進(jìn)行觀看。然而，這種雙平面鏡背投系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)仍然含有梯形失真。圖4B示出了投影圖像在顯示屏下端的尺寸不足，在顯示屏上端超過(guò)正常尺寸(即投影圖像I1與顯示屏的邊長(zhǎng)S1不一致)且嚴(yán)重變形。具體地，如圖4B所示，這種背投結(jié)構(gòu)具有65％的梯形失真。同樣地，圖4C示出了沿顯示面20的上邊緣光點(diǎn)直徑(即散焦)大約為50mm(大大超出預(yù)期的2-3mm)。梯形失真可通過(guò)相對(duì)投影透鏡5向下移動(dòng)投影燈引擎14內(nèi)的微顯示器而減小，所述散焦可通過(guò)相對(duì)投影透鏡5傾斜所述微顯示器而減小。這些在圖19-20中將有進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
圖5和圖6舉例說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明所建立的投影系統(tǒng)10。投影系統(tǒng)10包括圖像處理單元12、投影燈引擎14和光反射裝置16，該光反射裝置16將代表圖像源18提供的輸入圖像的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成失真補(bǔ)償光圖像并投影在顯示面20上，這樣顯示的光圖像是非失真圖像。
圖像源18可以是攝影機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)或任何其他能夠產(chǎn)生要求的視頻/圖片格式(如YprPb、RGB、DVI等等)的圖像的設(shè)備。
圖像處理單元12接收來(lái)自圖像源18的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字扭曲或失真補(bǔ)償以補(bǔ)償該投影系統(tǒng)10內(nèi)的光學(xué)失真，從而顯示在顯示面20的圖像是非失真的。圖像處理單元12還校正顯示的光學(xué)圖像中不一致的亮度/灰度。圖像處理單元12對(duì)提供給投影燈引擎14的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)運(yùn)用電子校正，從而實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)的數(shù)字微調(diào)。圖像處理單元12的具體處理步驟將進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
投影燈引擎14接收來(lái)自圖像處理單元12的失真補(bǔ)償數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，并生成對(duì)應(yīng)的失真補(bǔ)償光學(xué)圖像。投影燈引擎14含有光發(fā)生單元22、微顯示器24和投影光學(xué)器件26。光發(fā)生單元22(又稱作照射子系統(tǒng))包括多個(gè)組件(圖未示)如光源(例如超高壓弧光燈、RGB發(fā)光二極管或RGB激光器)、分色棱鏡、拋物面反射鏡、集成棒和/或集成器/準(zhǔn)直儀。微顯示器24可以是任何市場(chǎng)上有的基于光調(diào)制子系統(tǒng)(如1或3平板LCD，1、2或3平板DLP，1或3平板LCOS等，包括微顯示器專用接口ASICs)并具有合適的色彩管理系統(tǒng)(即彩色轉(zhuǎn)盤(pán)、偏振棱鏡和顏色選擇濾波器等等)的微顯示器。微顯示器24通過(guò)對(duì)依據(jù)圖像處理單元12生成的失真補(bǔ)償數(shù)字圖像數(shù)據(jù)反射或透射的光線進(jìn)行調(diào)制以生成光學(xué)圖像。實(shí)際上，所述照射子系統(tǒng)產(chǎn)生一束一致地照射所述光調(diào)制微顯示設(shè)備的光線，也可與色彩管理和/或偏振恢復(fù)組件一起配合而實(shí)現(xiàn)。為了將數(shù)字圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光學(xué)圖像，所述光調(diào)制微顯示設(shè)備被放置于照射子系統(tǒng)的前面。投影光學(xué)器件26由投影和聚焦所述失真補(bǔ)償圖像的透鏡組成。
投影光學(xué)器件26可由固定焦距的長(zhǎng)距離投射透鏡或短距離投射透鏡或者不同焦距的變焦透鏡組成。同樣，投影光學(xué)器件26的投影角可以是正常視場(chǎng)或?qū)捯晥?chǎng)(FOV)。本發(fā)明不要求投影光學(xué)器件26沒(méi)有任何失真，因?yàn)橥队肮鈱W(xué)器件26內(nèi)的任何失真和曲面鏡均可通過(guò)數(shù)字圖像處理進(jìn)行校正。投影光學(xué)器件26還包括校正透鏡49，其安裝于投影透鏡25上，從而位于投影透鏡25和光反射裝置16之間的失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路上。校正透鏡49的功能將進(jìn)一步進(jìn)行介紹。投影燈引擎14前沿部分用標(biāo)號(hào)14a表示。如果投影光學(xué)器件26是下面將一步介紹的普通構(gòu)造，則可以刪去校正透鏡49。
光反射裝置16接收來(lái)自投影燈引擎14由失真補(bǔ)償光學(xué)圖像組成的光束并將之反射到顯示面20上。圖6所示是光反射裝置的具體組成部分。如圖所示，光反射裝置16由一個(gè)非球面鏡39、一個(gè)一級(jí)平面鏡33組成。非球面鏡39是非球面非對(duì)稱(或旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的)曲面鏡，與一級(jí)平面鏡33一起用于折疊所述光路。這種反射鏡是補(bǔ)償嚴(yán)重性梯形失真(在高DtoD比率時(shí)出現(xiàn)的一種失真)最有效且最直接的方法，因?yàn)樘菪问д姹旧硎遣粚?duì)稱的。在梯形失真中，圖像的上端相對(duì)于圖像的下端放大率不同?，F(xiàn)有的方法受失真校正(以及因此而改進(jìn)DtoD比率)數(shù)量的限制，這是因?yàn)楝F(xiàn)有的方法需要通過(guò)光學(xué)手段將所有的失真校正，因而僅僅使用微顯示器偏移來(lái)校正梯形失真和對(duì)稱鏡/透鏡。非球面鏡39的主要目的是減少因離軸投影而產(chǎn)生的失真，并允許使用來(lái)自照射光源的所有可用微顯示象素。非球面鏡39還可以用于投影系統(tǒng)中結(jié)合微顯示器移位一起來(lái)校正任何微顯示器移位未能校正的左邊過(guò)大的失真。如上所述，投影光學(xué)器件26的校正透鏡49位于投影透鏡25與非球面鏡398之間的失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路上，校正光束寬度發(fā)散并控制相關(guān)的散焦失真，以下將會(huì)再進(jìn)行討論。校正透鏡49還可以是非球面曲線、可旋轉(zhuǎn)的非對(duì)稱透鏡。
顯示面20被設(shè)計(jì)成用于接收具有不同高入射角的光線并將光線垂直反射或透射給顯示面20。正投影系統(tǒng)中顯示面20產(chǎn)生反射，背投影系統(tǒng)中顯示面20產(chǎn)生透射?，F(xiàn)有的背投影系統(tǒng)中，使用菲涅耳透鏡來(lái)接收以非垂直角度撞擊顯示面20的光線并改變光線的方向從顯示面20面向觀看者的平面射出，或者換句話說(shuō)，用來(lái)校準(zhǔn)光線?，F(xiàn)有的背投影系統(tǒng)中，菲涅耳透鏡的中心位于顯示面的中心位置處，顯示面上的入射角成放射狀對(duì)稱分布。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的離軸背投系統(tǒng)，因?yàn)殡x軸投影幾何學(xué)的原因，需要用菲涅耳透鏡，還需要將撞擊顯示面的光入射角處理為不對(duì)稱分布。這使得菲涅耳透鏡的中心需要沿顯示面的中心向下偏移，偏移的程序取決于系統(tǒng)的DtoD比率(離軸幾何學(xué)使用的次數(shù))。因而離軸投影系統(tǒng)中使用的菲涅耳透鏡不是對(duì)稱的。這些非對(duì)稱菲涅耳透鏡必須設(shè)計(jì)為對(duì)來(lái)自較大的錐形投影光的光線進(jìn)行準(zhǔn)直，包括離軸光路。實(shí)際上，在具有高DtoD比率的系統(tǒng)中，投影軸傾斜得更厲害，有更多的梯形失真需要調(diào)校正。這意味著更寬的錐形光從微顯示器發(fā)射出來(lái)，顯示面的底端和頂端之間的入射光角度更分散。該錐形光線的光軸必須通過(guò)菲涅耳透鏡的中心，為了滿足這一要求，菲涅耳透鏡的中心需要更大程度的向下偏移。在極限離軸結(jié)構(gòu)的投影系統(tǒng)中，菲涅耳透鏡的光心必須完全移離顯示屏。因而菲涅耳透鏡的直徑比顯示屏對(duì)角線大得多，矩形片從其上切割下來(lái)與顯示屏層壓在一起。顯然，如果僅僅一個(gè)可用菲涅耳透鏡片能從大直徑結(jié)構(gòu)中獲得，透鏡的成本增高。在某些不對(duì)稱菲涅耳透鏡設(shè)計(jì)中，可從大直徑完整的菲涅耳透鏡上切割多于一個(gè)的可用透鏡片，這樣便可分?jǐn)偧庸び糜谥圃旆颇哥R的模具的成本。
圖7A-7C是圖6所示的非球面鏡39的曲面示意圖。非球面鏡39用于校正因投影系統(tǒng)10的離軸特性產(chǎn)生的梯形失真。非球面鏡39基于從凹面反射的圖像被收縮而從凸面反射的圖像被拉伸的原理設(shè)計(jì)的。例如，如圖3B中，顯示面頂端的圖像被水平拉伸，超出顯示面的寬度。此外，顯示面的底端的圖像被水平收縮，小于顯示面的寬度。上端具有凹入部分的鏡子能收縮圖像使之適合顯示面；同樣的鏡子，如果下端具有凸起部分，能在顯示面的底端拉伸圖像使之適合。實(shí)際離軸投影結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，最好將投影系統(tǒng)移近顯示面，以便圖像的頂部小于等于水平方向上顯示面的寬度，從而調(diào)整鏡面形狀。這樣有兩點(diǎn)好處減小投影距離(可減小折疊幾何結(jié)構(gòu)中的殼體厚度)；更容易加工的鏡面，因?yàn)殓R子只需要有凸面，代替了凹凸過(guò)渡。在減小投影長(zhǎng)度方面，投影燈引擎的透鏡是具有更寬角度的透鏡，較難設(shè)計(jì)，并有更多的球面象差需要校正。因此，為了確定最佳結(jié)構(gòu)，最好多試幾種不同的投影長(zhǎng)度、投影透鏡和非球面鏡曲面組合。
因此，本發(fā)明的球面鏡39設(shè)計(jì)為具有橫向輕微凸起上部以在顯示面20的頂端產(chǎn)生輕微的橫向放大效果(即投影路徑被縮短)，具有橫向的更凸起的下部以較大程度的橫向放大顯示面20的底端。非球面鏡39還縱向凹入以補(bǔ)償梯形失真的縱向的拉伸。因此，非球面鏡39具有縱向凹面和從凸面到平面或較不凸的面變化的橫向面。為了更清楚的說(shuō)明，圖7A示出了制作非球面鏡39的模型的橫向曲面，圖7B示出了非球面鏡39的縱向曲面，圖7C示出了非球面鏡39的曲面的透視圖，水平方向上延伸進(jìn)頁(yè)面(即沿Y軸)，垂直方向從左向右延伸，曲面的高度(或厚度)用Z軸表示。鏡子的實(shí)際有效面積比圖7C所示的小，但是可用于觀察描述非球面鏡39表面的系數(shù)改變時(shí)的效果。非球面鏡39的曲面的橫向半徑從頂端的較大的正值(低曲率)過(guò)渡到底端較小的正值(高曲率)。曲面的縱向半徑用來(lái)校正因梯形失真產(chǎn)生的縱向縮放錯(cuò)誤。
非球面鏡39的整個(gè)形狀通過(guò)最初的半徑和最后的半徑以及過(guò)渡率來(lái)確定，如前所述，無(wú)疑是旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的，盡管側(cè)面以縱向軸對(duì)稱。非球面鏡39的具體表面通過(guò)權(quán)衡對(duì)應(yīng)的投影透鏡結(jié)構(gòu)、由電子裝置校正的期望的失真、期望的有效顯示分辨率和殼體深度來(lái)選擇。因此，可設(shè)計(jì)一個(gè)非球面鏡，縱向凹入，橫向曲面從上部的凹面變化成平面再到下部的凸面。例如，希望使用現(xiàn)有系統(tǒng)中相同的投影透鏡的背投電視(RPTV)生產(chǎn)商需要校正器，由于現(xiàn)有投影透鏡物理尺寸產(chǎn)生的限制，需要選擇與其它希望設(shè)計(jì)新的投影透鏡的背投電視生產(chǎn)商不同的對(duì)角線對(duì)深度比率(以及殼體深度)。另一個(gè)示例是使用平面鏡的背投電視生產(chǎn)商將限制殼體的尺寸，并因此間接地限制了非球面鏡39。
非球面鏡39可部分或全部校正離軸投影系統(tǒng)中的梯形失真。這種系統(tǒng)中，平面鏡不提供校正功能。梯形失真的減少通過(guò)使用非球面鏡39的凸面部分放大圖像(橫向放大至較大或較小的程度)和凹面部分縱向收縮圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)平滑的改變曲面的正負(fù)(凸起或凹入)和幅度，梯形失真轉(zhuǎn)換成為不同程度的矩形失真。如果非球面鏡39和校正透鏡49被合適的設(shè)計(jì)，則圖像處理單元12更容易維持顯示面20邊緣附近的象素的質(zhì)量(即亮度和聚焦)。但是，球面鏡39還會(huì)帶來(lái)混合場(chǎng)曲率問(wèn)題，也就是光點(diǎn)大小/焦點(diǎn)問(wèn)題，其中圖像的中心部分具有合理的MTF和焦點(diǎn)，而圖像的邊緣散焦，MTF也減少。
圖8A-8C是圖6所示的用于(同時(shí)相對(duì)投影透鏡25移位和傾斜微顯示裝置24，反之亦然)減少投影透鏡5投影到非球面鏡39上的光束的散焦(即光束發(fā)散)的校正透鏡49的曲面示意圖。校正透鏡49也是對(duì)應(yīng)非球面鏡39的非球面的曲面、非旋轉(zhuǎn)地不對(duì)稱透鏡，設(shè)計(jì)成與投影系統(tǒng)10內(nèi)的投影透鏡5一起使用，如圖6所示。圖8A示出了校正透鏡49橫向的曲率，圖8B示出了校正透鏡49縱向的曲率，圖8C示出了校正透鏡39曲面的透視圖，橫向從左到右示出，縱向延伸至頁(yè)面內(nèi)(即沿Y軸)，曲面的高度用Z軸表示。校正透鏡49的形狀與非球面鏡39的形狀相似，也是旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的，側(cè)面縱向?qū)ΨQ。具體地，校正透鏡49是橫向凸起的曲面半徑從一個(gè)較小值過(guò)渡到一個(gè)較大值，且縱向凹入的柱狀透鏡。但是校正透鏡49更平(即在橫向和縱向具有更大的曲面半徑)。
校正透鏡49由比非球面鏡39更大半徑的曲面構(gòu)成，用于校正光束發(fā)散并補(bǔ)償投影透鏡5的特性。校正透鏡49的使用還使在本發(fā)明的投影系統(tǒng)10中使用現(xiàn)有的投影透鏡5(即進(jìn)行改進(jìn))成為可能，使現(xiàn)有的投影透鏡5符合最小的性能和尺寸標(biāo)準(zhǔn)(即透鏡速度、MTF、適應(yīng)小機(jī)殼的能力等)。將會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行說(shuō)明的用于該系統(tǒng)的現(xiàn)有的投影透鏡可進(jìn)行改進(jìn)，以使其具有校正透鏡的功能，從而消除對(duì)獨(dú)立的校正透鏡元件的需求，并確保符合需求。還需要清楚的是，圖像處理單元12用于提供電子校正，對(duì)因投影透鏡5、校正透鏡49、球面透鏡39、離軸投影幾何學(xué)和安裝誤差所產(chǎn)生的所有未被校正的失真進(jìn)行校正。因此，圖像處理單元12為投影系統(tǒng)10中物理上的錯(cuò)誤和誤差提供了額外的自由度。
參考圖6-8，以下將給出不同部件的典型尺寸。校正透鏡49中，第一表面的垂度是4.58mm，第二表面是平的，至投影透鏡最后一個(gè)透鏡面的距離是11mm(中心線)。曲面鏡39中，垂度是33.5mm，傾斜角是-46.4度，到投影透鏡的最后一個(gè)校正透鏡面的距離是201.7239mm(中心線)，X、Y坐標(biāo)以mm為單位是(295.528198，276.941671)，(141.557812，-87.435980)，(-141.557812，-87.435980)和(-295.528198，276.941671)。鏡33中，傾斜角為+51.2度，到曲面鏡39的距離是298.775mm(中心線)，X、Y坐標(biāo)以mm為單位是(713.058886，579.509103)，(611.018382，-235.682721)，(-611.018382，-235.682721)和(-713.058886，579.509103)。顯示面20中，傾斜角是0度，到鏡33的距離是384.2278mm(中心線)，大小是1480mm寬834mm高，對(duì)角線長(zhǎng)1702mm。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖9B，示出的是平面鏡33上的圖像的聚焦光點(diǎn)圖。該圖像是5×7點(diǎn)矩陣的矩形，由微顯示設(shè)備24生成，被投影燈引擎14通過(guò)校正透鏡39和非球面鏡49投射至該平面鏡33。增加非球面鏡39底端附近曲面的凸起程度將導(dǎo)致圖9B下端附近的光點(diǎn)散開(kāi)，增加非球面鏡39頂端附近曲面的凹入程度將導(dǎo)致圖9B上端附近的光點(diǎn)壓縮。需要注意的是，圖9B所示的聚焦光點(diǎn)是尚未經(jīng)過(guò)任何電子校正的。
非球面鏡39的曲面試圖校正梯形失真，并且如平面鏡33上所看到的，失真的減少得到改善。該聚焦光點(diǎn)圖顯示圖像邊緣附近的光點(diǎn)仍有輕微的梯形和散焦影響。這些輕微的梯形失真可通過(guò)將顯示面20放置在離平面鏡33一定的距離處來(lái)校正。但是，如果顯示面20放置在離平面鏡33較大距離的位置處，則會(huì)出現(xiàn)反相失真并增加散焦。然而，另一種校正該輕微梯形影響的方法是通過(guò)以下將要介紹的電子裝置來(lái)校正。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖5、6和9A，圖像處理單元12用于對(duì)輸入的數(shù)字圖像執(zhí)行失真補(bǔ)償，通過(guò)這種方法顯示的光學(xué)圖像是非失真的。
具體地，圖9A是因經(jīng)曲面鏡如非球面鏡39反射的理想圖像44的失真圖像40的示例。非球面鏡39校正梯形失真后，還有一些殘留的失真需要被校正。圖9A中還示出了失真補(bǔ)償圖像42，當(dāng)被曲面鏡反射后，將校正或補(bǔ)償因曲面鏡產(chǎn)生的失真并產(chǎn)生理想圖像44投射在顯示面20上。也就是說(shuō)，當(dāng)失真補(bǔ)償圖像42經(jīng)過(guò)曲面鏡反射后，理想圖像44將投射在顯示面20上。具體地，如果沒(méi)有任何校正，理想圖像ABCD將如圖所示的曲線的不規(guī)則四邊形EFGH顯示在顯示面20上。通過(guò)反向補(bǔ)償該圖像，如圖所示的不規(guī)則四邊形IJKL，最終顯示的圖像與顯示屏/理想圖像ABCD相匹配，因而未失真。
因此，投影系統(tǒng)10使用圖像處理單元12依據(jù)幾何轉(zhuǎn)換，即對(duì)投影燈引擎14和相關(guān)的反射(鏡)光(圖中未示出)產(chǎn)生的幾何失真(圖中未示出)進(jìn)行反向，對(duì)輸入圖像進(jìn)行失真補(bǔ)償。如果投影系統(tǒng)10中的全部失真(因透鏡/反射鏡而產(chǎn)生)用變換F表示，然后圖像根據(jù)F-1進(jìn)行失真補(bǔ)償，則出現(xiàn)以下關(guān)系
顯示的圖像＝F(F-1(輸入圖像))＝輸入圖像因此，圖像處理單元12本質(zhì)上使系統(tǒng)不受未失真顯示圖像的需求的限制。數(shù)字失真校正的能力意味著光學(xué)幾何結(jié)構(gòu)和光學(xué)元件(如角度、發(fā)射鏡和透鏡的類型、曲面鏡是否是旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱的等等)根據(jù)具體設(shè)計(jì)目的的不同可不同。沒(méi)有圖像處理單元12提供的幾何校正，將會(huì)因不同光學(xué)處理步驟而在顯示圖像內(nèi)產(chǎn)生失真。圖像處理單元12執(zhí)行的失真補(bǔ)償實(shí)際上是對(duì)輸入圖像進(jìn)行再取樣/濾波。該圖像的象素根據(jù)F-1進(jìn)行再取樣，F(xiàn)-1給出象素位置經(jīng)歷的幾何變換。該變換F-1可從不同光學(xué)元件的空間轉(zhuǎn)換特性中確定。具體的圖像處理單元將確定具體的F-1的形式(例如，根據(jù)二維表面、一維多項(xiàng)式等等)。
圖像處理單元12還用于校正不一致的亮度和光照度。顯示面20上顯示的圖像可能因投影燈引擎(如光發(fā)生單元、透鏡暈映等)或因光路的特性而具有不同的亮度。具體地，考慮到包括反射和校正透鏡的折射的整個(gè)光路，照射在顯示面20上的點(diǎn)或區(qū)域由來(lái)自投影透鏡的穿過(guò)不同距離的光線照射。由于落在顯示圖像的一個(gè)點(diǎn)或區(qū)域的光線強(qiáng)度不同，與光線傳播的距離的平方成反比，這就使得顯示圖像內(nèi)的亮度不同。離軸投影系統(tǒng)中，撞擊顯示平上端和顯示屏下端的光線傳播的光路長(zhǎng)度更加明顯的不同，因此離軸投影系統(tǒng)中亮度差別比同軸投影系統(tǒng)中的更大。
圖像處理單元12用于投影前預(yù)調(diào)整象素亮度，以便最終顯示的圖像具有一致的亮度。象素亮度依據(jù)預(yù)定圖在色彩空間內(nèi)進(jìn)行預(yù)調(diào)整，該圖稱為G-1，類似于F-1，提供顯示面20上象素的位置。該圖只能在色彩空間內(nèi)使用，無(wú)需額外的濾波(即僅僅調(diào)整象素的色值，不調(diào)整象素的位置)。像F-1一樣，G-1可從不同光學(xué)元件和光路轉(zhuǎn)換特性的亮度/光度來(lái)確定。圖像處理單元12對(duì)每個(gè)象素的色值執(zhí)行G-1。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子可通過(guò)線性方程式給出G-1(O)＝αO+β，其中O是RGB色值，功能參數(shù)α和β對(duì)每個(gè)象素來(lái)都是常數(shù)。投影系統(tǒng)10的電子校正為光學(xué)透鏡提供了更靈活的選擇，因?yàn)槿魏蜗嚓P(guān)的失真都通過(guò)預(yù)變形而不是符合透鏡的光學(xué)特性被消除。特別是可以使用寬角度的透鏡，該透鏡可投射相同大小的圖像，而只需要較短的投影距離，因此提供了另一種減小投射比的變化。注意聚焦問(wèn)題(與幾何學(xué)的問(wèn)題相反)不同通過(guò)幾何失真補(bǔ)償進(jìn)行校正，仍然需要通過(guò)透鏡的合適選擇從光學(xué)上解決。
如果沒(méi)有圖像處理單元12的電子幾何校正，投影系統(tǒng)10必須設(shè)計(jì)為確保整個(gè)圖像失真是可接受的。因?yàn)榍骁R、離軸投影(梯形效果)和寬角透鏡的失真效果，這種設(shè)計(jì)限制是有問(wèn)題的。本發(fā)明使用電子校正使得投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)限制中的幾何失真(以及亮度不一致)被消除，現(xiàn)有的這些限制被自由設(shè)計(jì)代替。因此，為了改進(jìn)其他失?？勺杂傻男薷墓饴返膱D像失真。進(jìn)一步地，對(duì)輸入信號(hào)的電子校正(通過(guò)失真補(bǔ)償)可用來(lái)補(bǔ)償這一點(diǎn)，這樣未失真的圖像便可以生成于顯示屏上。
需要注意的是，通過(guò)提供三個(gè)獨(dú)立的圖像處理單元，每個(gè)單元作用于一特定的光通帶，例如R、G、B，每個(gè)通帶的失真補(bǔ)償特性可個(gè)別地調(diào)整。其允許對(duì)因光學(xué)效應(yīng)而產(chǎn)生的側(cè)邊色彩偏移或色差等問(wèn)題的校正，光學(xué)效應(yīng)例如折射率，不同波長(zhǎng)的光線具有不同的值。為了利用這一技術(shù)，需要提供一個(gè)裝置將光源的通帶分離(例如色通帶濾波器)，以便光調(diào)制器進(jìn)行與被其調(diào)制的光的單獨(dú)通帶同步的具體補(bǔ)償處理。場(chǎng)序制或三面并行光調(diào)制方案均可用于該方法。色空間內(nèi)使用多于三種顏色的方案可進(jìn)行類似的處理。這種方法權(quán)衡電子成本、光學(xué)成本和校正成本，提供日益增加的成本效益，因?yàn)樘幚沓杀驹诓粩嘞陆?，而光學(xué)成本和勞動(dòng)成本(參與校正的)在不斷增加。如果還對(duì)每個(gè)通帶進(jìn)行光照度補(bǔ)償，則照射源(例如，使用超高壓氣體和小電弧的高強(qiáng)度放電燈)的頻譜特性可被調(diào)整為具有更多想要的特性(例如，更一致而不是出現(xiàn)峰值)。
使用曲面鏡反射仍然會(huì)使顯示的圖像根據(jù)減小的梯形效果和枕形/桶形效果的結(jié)合產(chǎn)生失真。因此，簡(jiǎn)單的通過(guò)光學(xué)元件的選擇布置很難補(bǔ)償這些類型的失真。利用投影系統(tǒng)10的電子幾何校正，這些失真可以被消除。再參考圖9A，所示是因曲面反射而產(chǎn)生的變形的屏幕圖像40和對(duì)應(yīng)的用于校正幾何失真的失真補(bǔ)償圖像42的示例。但是，光反射裝置16內(nèi)使用曲面鏡的好處是梯形失真可以被減少，同時(shí)保留了微顯示器內(nèi)大部分或全部有效象素的使用。
現(xiàn)在請(qǐng)?jiān)賲⒖紙D5和圖6，圖像源18提供給圖像處理單元數(shù)字輸入圖像數(shù)據(jù)，然后由圖像處理單元12進(jìn)行處理直至產(chǎn)生合適的失真補(bǔ)償圖像。然后該失真補(bǔ)償數(shù)字圖像被提供給投影燈引擎14進(jìn)行光調(diào)制，然后由位置P處的投影透鏡5投影給光反射裝置16。該失真補(bǔ)償光學(xué)圖像在透鏡內(nèi)(來(lái)自球面像差或類似的如透鏡偏移和/或傾斜，如前所述)失真，然后被非球面鏡39第一次反射，但是來(lái)自離軸角的梯形失真完全填滿該圖像，來(lái)自曲面反射的失真對(duì)圖像執(zhí)行最后的校正，這樣當(dāng)圖像通過(guò)光反射裝置16的一級(jí)平面鏡33反射到顯示面20上供觀看者瀏覽時(shí)，該圖像看起來(lái)未失真。
投影燈引擎14接受來(lái)自圖像處理單元12的失真補(bǔ)數(shù)字圖像，生成調(diào)制光束然后通過(guò)非球面鏡39引入的用于減少散焦的校正透鏡49。校正透鏡49校正因投影透鏡5和非球面鏡39的特性而產(chǎn)生的光束寬度的發(fā)散。一旦該投影圖像通過(guò)校正透鏡49，其撞擊非球面鏡39并被其反射。然后反射圖像撞擊一級(jí)平面鏡33(從A到B)，由其將失真補(bǔ)償圖像反射在顯示面20上(從E到F)。由于非球面鏡39從較凸的柱面逐漸變化為較不凸的柱面，提供給一級(jí)平面鏡33的投影圖像因梯形失真而部分被校正，也就是說(shuō)，顯示面上端和顯示面下端的橫向縮放比例不同。此外，非球面鏡39的縱向凹面部分地校正了圖像因梯形失真而出現(xiàn)的縱向拉伸。非球面鏡39的局部失真校正不是問(wèn)題，因?yàn)閳D像處理單元12提供電子校正對(duì)殘留的失真和任何未進(jìn)行的校正進(jìn)行補(bǔ)償。這一點(diǎn)與現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)未使用電子裝置校正正好相反。相反地，現(xiàn)有技術(shù)使用精密的光學(xué)的、機(jī)械的和熱學(xué)的技術(shù)來(lái)保證在最初的裝配時(shí)進(jìn)行定位校正，并在機(jī)構(gòu)變化和溫度變化的情況下繼續(xù)進(jìn)行校準(zhǔn)。
一級(jí)平面鏡33上的四個(gè)點(diǎn)和其定義的不規(guī)則四邊形以一種方式被反射，以便顯示屏上該不規(guī)則四邊形(因?yàn)榻?jīng)過(guò)曲面反射現(xiàn)在是彎曲的)包括的區(qū)域完全保衛(wèi)整個(gè)顯示面20的屏幕(如圖9A所示，不規(guī)則四邊形EFGH完全包圍屏幕ABCD)。這樣便可保證在經(jīng)過(guò)圖像處理單元12電子校正后，顯示的圖像準(zhǔn)確的覆蓋顯示面20的矩形屏幕。
另一種方法是設(shè)計(jì)投影燈引擎14的光調(diào)制顯示設(shè)備具有符合預(yù)定失真單獨(dú)形狀的象素，維持光線穿過(guò)整個(gè)光路后在顯示屏上的整個(gè)分辨率。該形狀使得撞擊微顯示設(shè)備的光束被調(diào)制后，該光束通過(guò)投影透鏡，從曲面鏡反射，然后以合適的長(zhǎng)寬比打在顯示面上，覆蓋顯示面的整個(gè)矩形區(qū)域。為了最佳地使用可用光線，撞擊微顯示器的光束可定形為符合微顯示器的形狀。例如，其可以通過(guò)使用與微顯示器形狀相似的全部?jī)?nèi)反射集成桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。
處于解釋的目的，本發(fā)明投影系統(tǒng)10內(nèi)的校正透鏡49的重要性可通過(guò)投影系統(tǒng)10和類似的投影系統(tǒng)100(兩系統(tǒng)均使用現(xiàn)有的投影透鏡)的性能比較看出來(lái)，投影系統(tǒng)100的唯一區(qū)別是缺少校正透鏡49。投影系統(tǒng)100如圖10A所示，不同的性能結(jié)果如圖10B和10C所示。很明顯可以看出，沒(méi)有使用校正透鏡49，失真分布圖(圖10B)顯示出相對(duì)合理的梯形失真(因使用非球面鏡39而產(chǎn)生)，圖10C顯示散焦嚴(yán)重。特別是圖10C示出顯示面20中心位置處的聚焦光點(diǎn)大約為5mm(5個(gè)象素的跨度)，顯示面20周邊邊緣處的光點(diǎn)約為30mm(30個(gè)象素的跨度)。顯示面周邊邊緣處的聚焦光點(diǎn)的大小超出了20mm，不符合典型的投影系統(tǒng)的聚焦光點(diǎn)尺寸要求。這種情況下，投影透鏡可設(shè)計(jì)為含有校正透鏡49的功能。圖10B和10C中未使用電子校正。
相反，如圖11A和11B所示，引入校正透鏡49放置在投影透鏡5的前面時(shí)，投影系統(tǒng)10的性能明顯好很多。具體從圖11B可看出，根據(jù)可接受性能的要求，整個(gè)投影顯示區(qū)域的聚焦光點(diǎn)都小于4mm(4個(gè)象素的跨度)。實(shí)際上，聚焦光點(diǎn)的大小在2mm到5mm的范圍內(nèi)。但是需要注意的是，如圖11A所示，少量的附加梯形失真被校正透鏡49再次引入。這一少量的失真可通過(guò)另一種重度設(shè)計(jì)減少。非球面鏡39的表面可為校正透鏡49的出現(xiàn)再優(yōu)化，校正透鏡49也可使用非球面鏡39的新的迭代方法再優(yōu)化。圖11A和圖11B中未使用電子校正。
可選地，如果投影燈引擎的投影透鏡設(shè)計(jì)為如前所述的與非球面透鏡39一致，則校正透鏡49不是必需的。這通過(guò)將校正透鏡49的表面應(yīng)用到投影燈引擎已有的一個(gè)透鏡上來(lái)實(shí)現(xiàn)。最佳的選擇是現(xiàn)有的塑膠非球面透鏡元件。這種方法本身不是最佳的解決方案，但是其為期望表面給出了很好的第一位近似值。進(jìn)一步的優(yōu)化能生產(chǎn)定制的投影透鏡，比將現(xiàn)有的透鏡與校正透鏡結(jié)合的組合更好。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖12，圖12所示是結(jié)合三個(gè)反射鏡的可選擇投影系統(tǒng)200的示意圖，包括系統(tǒng)10的一級(jí)平面鏡33和非球面鏡39，還包括一附加的二級(jí)平面鏡202。非球面鏡39和二級(jí)鏡202都是小反射鏡。投影系統(tǒng)200實(shí)現(xiàn)了投影燈引擎14更垂直的布置，調(diào)換出一個(gè)額外高度，使投影燈引擎14或投影透鏡5在容置投影系統(tǒng)的機(jī)殼內(nèi)安裝更靈活，減小了機(jī)殼深度。某些設(shè)計(jì)中，投影燈引擎14水平放置，具有鏡子90度旋轉(zhuǎn)圖像以獲得布置的靈活性。這種設(shè)計(jì)中，圖像也需要數(shù)字的預(yù)旋轉(zhuǎn)90度。這是因?yàn)楣庹{(diào)制器(例如一個(gè)數(shù)字微反射裝置或一個(gè)LCOS板或一個(gè)LCD板)一般制成4∶3或16∶9的長(zhǎng)寬比，即制成矩形長(zhǎng)寬比。當(dāng)使用一個(gè)鏡子90度旋轉(zhuǎn)光束時(shí)，為了充分使用微顯示器的整個(gè)區(qū)域，發(fā)送給光調(diào)制器的圖像也應(yīng)該被旋轉(zhuǎn)。
在一個(gè)可選實(shí)施例中，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)投影系統(tǒng)包括一個(gè)大平面鏡和兩個(gè)曲面鏡，其中一個(gè)曲面鏡是單曲面部分，可由例如塑膠圓柱的一部分制成，繞心軸將其彎曲并涂上鋁噴層使其具有合適的反射性能。另一個(gè)曲面鏡是一個(gè)較小的非球面鏡，執(zhí)行梯形校正的余下部分。現(xiàn)在請(qǐng)參考圖13，圖13所示是投影系統(tǒng)300的示意圖，該系統(tǒng)包括具有校正透鏡49的透鏡燈引擎14、曲面鏡302和304、一級(jí)大平面鏡33、顯示面20和圖像處理單元12(圖中未示出)。圖像處理單元12的使用使得可使用不是很貴的鏡子來(lái)作曲面鏡302和304。光反射裝置包括三個(gè)鏡子，其中的兩個(gè)是曲面鏡，另外，該投影系統(tǒng)300還包括有投影系統(tǒng)10的其他系統(tǒng)部件(如圖5所示)。
曲面鏡302是非球面鏡，與圖12所示的非球面鏡39相似，但是尺寸較小。曲面鏡302的曲率和非球面鏡39縱向上相似。因此，曲面鏡302也是非球面的。但是，鏡302的上端和下端都具有較小的橫向凸起。這是因?yàn)榍骁R304的曲面產(chǎn)生的附加光線擴(kuò)張的原因，該曲面鏡304是單曲面鏡。曲面鏡304的曲率可由錐形體的一部分來(lái)定義，鏡304的底端附近具有較多的曲率，而上端附近具有較少的曲率?？蛇x擇地，曲面鏡304還可在縱向上具有一些曲率。
使用兩個(gè)曲面鏡是有好處的，因?yàn)榉乔蛎骁R39校正梯形失真需要的總的曲面現(xiàn)在可以分離并由兩個(gè)較小的曲面鏡來(lái)提供。較小的非球面鏡能更經(jīng)濟(jì)地制造出來(lái)，因?yàn)檩^小地非球面鏡需要的加工時(shí)間較少，且制造該非球面鏡的模具可通過(guò)塑膠注射工藝大量生產(chǎn)。因此，兩個(gè)曲面鏡的制造相對(duì)制造一個(gè)更復(fù)雜的非球面鏡的成本更經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)代的光學(xué)設(shè)計(jì)工具允許模擬該兩個(gè)曲面鏡302和304的各種不同構(gòu)造。因此，曲面的最終選擇取決于制造成本的折衷。
本發(fā)明前述的實(shí)施例已經(jīng)示出了小曲面鏡的使用。根據(jù)本發(fā)明離軸投影系統(tǒng)的另一個(gè)可選擇的實(shí)施例使用單個(gè)大曲面鏡。該大曲面鏡的一般形狀與小曲面鏡相似。但是，小曲面鏡的曲面半徑比該大曲面鏡的曲面半徑小。該大曲面鏡一般具有與顯示面相同的縱向尺寸，該曲面鏡上端附近的橫向尺寸與顯示面的相同，下端附近的橫向尺寸比先是面的稍微小一些。該大曲面鏡將是離顯示面最近的反射鏡，如果該結(jié)構(gòu)中還有一個(gè)鏡子，其將是靠近投影燈引擎位置處的一折疊鏡。該折疊鏡越小其離投影燈引擎越近。使用大曲面鏡的該實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是曲面鏡離顯示面較近，能更好的控制散焦，因?yàn)榻?jīng)該曲面散射的光線在撞擊顯示面之間穿越的光路更短。
現(xiàn)在參考圖14，圖14所示是具有投影燈引擎14、單個(gè)曲面鏡402和顯示面20的投影系統(tǒng)300的示意圖。單個(gè)曲面鏡402大約與顯示面的尺寸相同。投影系統(tǒng)402包括有投影系統(tǒng)10(如圖5所示)相同的部件。但是，光反射裝置僅僅包括單個(gè)曲面鏡402。如前所述，一個(gè)常用的投影透鏡設(shè)計(jì)在該應(yīng)用中校正該單個(gè)曲面鏡402的光束發(fā)散散焦。如以前，該離軸投影系統(tǒng)以及由透鏡、設(shè)計(jì)的鏡面和圖像處理實(shí)現(xiàn)的失真校正使得機(jī)殼厚度減小。因?yàn)樯⒔箍赏ㄟ^(guò)一大的曲面鏡更好的控制，因而可使用更嚴(yán)格的離軸幾何結(jié)構(gòu)，增加對(duì)DtoD比率以及機(jī)殼厚度的改進(jìn)。
單個(gè)大曲面鏡402的表面與小曲面鏡方案中使用的相似，也就是說(shuō)，單個(gè)大曲面鏡402的表面是非球面旋轉(zhuǎn)的不對(duì)稱的，側(cè)面對(duì)稱。該單個(gè)大曲面鏡402垂直方向上具有凹面。因此，曲面鏡402在垂直方向上輕微收縮圖像，以補(bǔ)償縱向的離軸擴(kuò)散。單個(gè)曲面鏡402引入的失真由投影透鏡/校正透鏡和圖像處理單元12(圖未示)的組合進(jìn)行處理。如果沒(méi)有使用校正透鏡，則需要使用一定制的投影透鏡(圖未示)。該定制的透鏡是多單元透鏡系統(tǒng)，還提供校正透鏡的功能。為了減輕一些失真和需要的散焦控制，該定制的投影透鏡還包括移位和傾斜技術(shù)。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖14B-14D，所示為圖14A所示的投影系統(tǒng)400的失真和聚焦光點(diǎn)圖。圖14B示出了大曲面鏡執(zhí)行的失真校正，該大曲面鏡非常好，幾乎充分使用了全部可用象素。圖14C示出了沒(méi)有校正透鏡情況下的聚焦光點(diǎn)圖，圖14D示出了有校正透鏡情況下的聚焦光點(diǎn)圖。因此，投影系統(tǒng)400具有60英寸對(duì)角線的顯示屏，機(jī)殼的厚度是11英寸。鏡402的垂度是40mm或大約1.5英寸。如果將圖14B和14D與圖1C和1D中所示的現(xiàn)有同軸系統(tǒng)相比較，可以看出，大曲面鏡技術(shù)可幾乎不需要任何圖像處理來(lái)校正使用現(xiàn)有透鏡進(jìn)行校正后殘留的失真便可產(chǎn)生較好的圖像質(zhì)量。這也意味著通過(guò)使用更高級(jí)的定制透鏡設(shè)計(jì)與其他技術(shù)如傾斜、偏移和圖像處理，可實(shí)現(xiàn)DtoD比率和機(jī)殼深度的更進(jìn)一步減小。在圖14B-D中未使用電子校正。
以下將進(jìn)一步解釋如何運(yùn)用日益復(fù)雜地技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更好地DtoD比率。參考圖15A，所示是現(xiàn)有技術(shù)中的同軸投影系統(tǒng)500的一個(gè)示例的一部分，包括投影燈引擎14、單個(gè)平面鏡502和顯示面20。該系統(tǒng)具有90度的屏幕投影角。圖15B和15C所示分別是失真和聚焦光點(diǎn)圖。投影系統(tǒng)500未增加明顯的失真或散焦。機(jī)殼厚度T1大約為19英寸，屏幕對(duì)角線是67英寸，DtoD比率是3.52。聚光焦點(diǎn)均在0.5mm到1.5mm之間。圖15A-B中未使用電子校正。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖16A，所示是根據(jù)本發(fā)明的離軸投影系統(tǒng)600的一部分，包括投影燈引擎14、顯示面20和單個(gè)曲面鏡602。單個(gè)曲面鏡602是非球面鏡，與圖7A-7C所示的非球面鏡相似。曲面鏡602的垂度大約為30mm(是垂直于鏡602的中心點(diǎn)的平面與垂直于鏡602邊緣的平面之間的距離)。圖16B和16C所示分別是失真和聚焦光點(diǎn)圖。投影系統(tǒng)600填滿了顯示面的上端，但是下端沒(méi)填滿。機(jī)殼厚度T2大約是16英寸，對(duì)角線與前述一樣是67英寸，DtoD比率是4.2。梯形失真通過(guò)單個(gè)曲面鏡602被減少，但是還有一些殘留的單個(gè)線條的“變形”，如圖16B所示。通過(guò)單個(gè)曲面鏡602失真減少了大約7％。5％的失真比(對(duì)應(yīng)于5％的可用象素?fù)p失)是可接受的。7％的失真可由圖像處理單元12處理，校正至小于1％，但是仍然會(huì)產(chǎn)生大約7％的有用象素?fù)p失。該失真也還可以通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化得到改進(jìn)。此外，該系統(tǒng)中未使用校正透鏡，輕微的散焦通過(guò)將透鏡燈引擎14的投影透鏡傾斜大約0.2度來(lái)消除。圖16C所示的產(chǎn)生的光點(diǎn)在0.5mm到1.5mm之間，與圖15C所示的相同。圖16B-C中未使用電子校正。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖17A，所示是根據(jù)本發(fā)明的離軸投影系統(tǒng)700的一部分，包括投影燈引擎14、顯示面20和單個(gè)曲面鏡702。單個(gè)曲面鏡702是非球面鏡，垂度大約為70mm(如上所定義)。圖17B和17C所示分別是失真和聚焦光點(diǎn)圖。投影系統(tǒng)700具有梯形失真，未填滿顯示面的上端。機(jī)殼厚度T3大約是13英寸，對(duì)角線同樣是67英寸，因而DtoD比率為5.15。投影系統(tǒng)700中，曲面鏡702校正梯形失真并增加足夠的放大率使圖像填滿顯示面20。產(chǎn)生的失真大約是3％，可通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化和圖像處理單元12得到改進(jìn)。此外，該系統(tǒng)700中未使用校正透鏡，輕微的散焦通過(guò)將透鏡燈引擎14的投影透鏡傾斜大約0.8度來(lái)消除。圖17B-C中未使用電子校正。
圖16A和17A所示的投影系統(tǒng)中，曲面鏡602和702仍需要在垂直方向上具有凹面來(lái)校正因梯形失真產(chǎn)生的縱向擴(kuò)張。但是，在這種情況下，曲面鏡602和702水平方向上只需要有一個(gè)凸面來(lái)校正橫向收縮，該收縮在顯示面底端比顯示面頂端收縮的更多。在這種情況下，投影透鏡被設(shè)計(jì)來(lái)生成的圖像在顯示面上端的橫向尺寸等于或稍小于期望的大小，這樣曲面鏡602和702上端的橫向曲面只需要輕微的凸起。相應(yīng)地，在顯示面的底端，梯形失真使橫向圖像大小比預(yù)期的小得多，因而橫向鏡面曲率需要更凸出以提供更大的放大率。盡管如此，曲面鏡602和702仍與非球面鏡39一樣執(zhí)行相同的功能，具有相同的基本形狀，因而是旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的。
校正透鏡49，不管是分立的透鏡還是復(fù)合透鏡的一部分，不管是小的還是大的非球面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱鏡，均執(zhí)行相同的功能。因此，在每個(gè)情況中校正透鏡49都具有相同的基本形狀。一般，校正透鏡49的形狀與曲面非球面鏡一致，因?yàn)樾Ｕ哥R49正試圖適當(dāng)?shù)卣{(diào)整(即減小光束發(fā)散并因此減小光點(diǎn)直徑)射向非球面鏡的光束的形狀。一般非球面鏡上端和下端明顯的不對(duì)稱，因而根據(jù)離軸幾何學(xué)，校正透鏡亦是如此。這就是為什么非球面鏡和校正透鏡旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的原因。
圖15到圖17所示的系統(tǒng)使用具有八單元投影透鏡的投影燈引擎，具有f:5的12.3mm焦距的透鏡和18mm對(duì)角線的微顯示器。該微顯示器的象素間距是12.27微米，大小是1280×720象素，或者象素間距8.17微米，大小是1920×1080象素。該投影燈引擎具有32.8度的射出錐角。所示的其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)為具有八單元投影透鏡的投影燈引擎，具有f:2.8的18.7mm焦距的透鏡和0.9英寸的微顯示器。該投影燈引擎具有31.7度的投影射出錐角。但是，本發(fā)明還可以使用其他類型的投影燈引擎。此外，所示的投影系統(tǒng)的側(cè)視圖是經(jīng)過(guò)比例調(diào)整后的。所示的投影系統(tǒng)僅出于解釋的目的，并不限制本發(fā)明。
背投系統(tǒng)還總是包括用于將投影圖像的光線集中成光束以水平的從面向位于其前面的觀看者的顯示面(即顯示屏)顯示出來(lái)的裝置。經(jīng)常使用的是具有菲涅耳透鏡的熒光屏部件，這是因?yàn)榉颇哥R是一種輕巧、相對(duì)便宜的裝置，能準(zhǔn)直從點(diǎn)光源(即來(lái)自投影器5內(nèi))投影來(lái)的大量光束。進(jìn)一步地，光線的空間分布集中在菲涅耳透鏡的中心部分。為了更好地在投影系統(tǒng)10中使用菲涅耳透鏡，菲涅耳透鏡的焦距應(yīng)該與到點(diǎn)光源(具體是光調(diào)制微顯示設(shè)備的表面)的距離一致。菲涅耳透鏡用于旋轉(zhuǎn)和校準(zhǔn)帶有已以一定角度到達(dá)顯示面20背面的接近完美的圖像的光線。形成光學(xué)圖像的光線以不同的角度撞擊在菲涅耳透鏡上，該角度取決于其在顯示面上的位置。為了將光線以垂直于顯示屏的出射角射出，菲涅耳透鏡必須將光線旋轉(zhuǎn)一個(gè)適合的角度(垂直方向和水平方向)。如前所示，菲涅耳透鏡的中心將從顯示面的中心向下偏移一定距離，偏移的程度取決于投影系統(tǒng)(即使用的離軸幾何學(xué)的數(shù)量)的DtoD比率。
在一種可選擇的配置結(jié)構(gòu)中，各種實(shí)施例中的非球面鏡可以是菲涅耳反射鏡。菲涅耳反射鏡具有一系列的同心槽，成型為輕薄的塑膠薄片表面，代替現(xiàn)有鏡子的曲面。該同心槽用作單個(gè)的反射面，從截面圖看像微小的棱鏡，反射近似平行的光線到最初的厚曲面鏡表面。該菲涅耳反射鏡可通過(guò)在模具上切割相同節(jié)距的圓槽來(lái)制成，代替非球面曲面鏡的曲率。用該模具制成菲涅耳結(jié)構(gòu)后，對(duì)該結(jié)構(gòu)的表面金屬處理使其具有前表面鏡(FSM)涂覆層。該菲涅耳非球面鏡通過(guò)消除曲面鏡的垂度可將投影系統(tǒng)的機(jī)殼深度減小一英寸或兩英寸。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)在60英寸對(duì)角線8英寸厚的系統(tǒng)中用菲涅耳鏡代替曲面鏡，可實(shí)現(xiàn)節(jié)省1.5英寸的厚度，并能實(shí)現(xiàn)9∶1(即60英寸的對(duì)角線和6.5英寸的厚度)的DtoD比率。這不是普通的替換，因?yàn)榉颇R必須由非對(duì)稱鏡制造，厚度的輕微減小將帶來(lái)投射比的輕微改變。但是，開(kāi)發(fā)菲涅耳鏡方案的目的就是為了減小機(jī)殼厚度。菲涅耳非球面鏡的大小與其所替代的曲面鏡相同，但是要薄很多。該菲涅耳鏡還如非球面不對(duì)稱曲面鏡一樣可減小梯形失真，因?yàn)榉颇R的微小反射槽提供了與非球面不對(duì)稱曲面鏡表面曲率類似的效果。但是，菲涅耳鏡減小梯形失真的性能沒(méi)有非球面不對(duì)稱曲面鏡的好(這種情況下圖像處理單元需要提供更多的失真校正)。
在一示例中，該菲涅耳鏡可具有0.1mm的槽間間距，用天然鉆石工具切割該槽，每個(gè)半徑上有5個(gè)連續(xù)的切口。該工具使用具有一定角度的尖頭切割，該模具由黃銅制成，帶有特定液體用于淹沒(méi)切割區(qū)域和冷卻，并移除加工出來(lái)的物質(zhì)，這些都是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的。為了再現(xiàn)其代替的曲面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱鏡的性能，該菲涅耳非球面鏡最好是不對(duì)稱的。但是，現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)限制了車床加工的菲涅耳模具結(jié)構(gòu)只能是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。對(duì)稱菲涅耳鏡的使用意味著投影透鏡和圖像處理單元12需要承擔(dān)更多的失真校正和減小聚焦光點(diǎn)的任務(wù)。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖18A，所示是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的投影系統(tǒng)750，使用菲涅耳鏡752代替非球面曲面鏡。投影系統(tǒng)750進(jìn)一步包括可以是平面或曲面的鏡754、投影燈引擎756、顯示面20和圖像處理單元(圖中未示出)。菲涅耳鏡752的模具可通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)制造，因其設(shè)計(jì)為通過(guò)車床加工，也就是說(shuō)，菲涅耳鏡用來(lái)代替旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面鏡?，F(xiàn)有的紫外線固化聚合物技術(shù)可用來(lái)利用該模具生產(chǎn)塑膠薄膜，該塑膠膜上含有代表非球面鏡光學(xué)特定的槽。該薄膜需要安裝在一個(gè)剛性基體上(例如其可以是現(xiàn)有技術(shù)中的玻璃)。為了獲得鏡面，還需要一種方法將該薄膜有槽一側(cè)處理成反射面，這是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟知的。整個(gè)菲涅耳鏡制成后，從該整個(gè)菲涅耳鏡的中心切割一個(gè)四邊形小片作為菲涅耳鏡752。圖18B所示是位于從整個(gè)菲涅耳鏡上切割下來(lái)的四邊形菲涅耳鏡片752下面的最初的曲面鏡片形狀的三維示意圖。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖18C，所示是顯示投影系統(tǒng)750性能的失真分布圖，其中未使用校正透鏡，投影燈引擎756未設(shè)計(jì)有校正透鏡功能。需要注意的是，因?yàn)榉颇R752不具有本發(fā)明的非球面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱曲面鏡的不對(duì)稱特性，該菲涅耳鏡752不能有效地校正梯形失真。但是，附加的校正透鏡(其表面如圖18D所示)使失真分布有明顯的區(qū)別，如圖18E所示。在這種情況下，校正透鏡不限制為對(duì)稱的(因?yàn)橄啾扔密嚧布庸?，其更容易模具成?，并在較少光點(diǎn)發(fā)散中充當(dāng)重要角色。圖18E所示的失真可使用數(shù)字圖像處理改善至小于1％的可接受的水平。在該實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)的非球面對(duì)稱鏡片的垂度是45mm，通過(guò)用3mm厚的菲涅耳鏡752來(lái)代替，機(jī)殼厚度減小至42mm。
圖18F是可與菲涅耳鏡752一起使用的常用投影透鏡的俯視圖。除了第二透鏡元件762被改變外，投影透鏡760與圖21A-B所示的投影透鏡相同，透鏡元件762的非球面不對(duì)稱表面如圖18D所示。類似地，圖18G所示是投影透鏡760的側(cè)視圖。與圖21所示的透鏡相似，投影透鏡760也在其設(shè)計(jì)中使用偏移和傾斜技術(shù)。透鏡元件762結(jié)合了必須由非球面旋轉(zhuǎn)對(duì)稱菲涅耳鏡處理的校正透鏡的功能。該校正透鏡的表面是非球面不對(duì)稱的，是透鏡元件762右側(cè)的表面。校正透鏡面的主要目的是校正散焦，也部分校正梯形失真。
如前面所提到的，投影燈引擎內(nèi)的投影透鏡的傾斜和移位可用來(lái)校正非球面鏡引入的失真。特別是，透鏡移位或與投影透鏡相關(guān)的微顯示設(shè)備的移位，可加入本發(fā)明的任何離軸投影系統(tǒng)中以減少梯形失真。應(yīng)該清楚的是，透鏡移位只是校正離軸投影產(chǎn)生的梯形失真的一種技術(shù)，另一種改進(jìn)DtoD比率的方法也可以實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)圖18，以下將給出各個(gè)部件的示例尺寸。鏡754中，傾斜角是-19度，到投影透鏡的最后一個(gè)透鏡面的距離是65.087736mm(中心線)，X、Y軸坐標(biāo)以mm為單位是(68.766592，92.704316)，(51.292765，10.947695)，(-51.297133，10.949841)和(-68.765149，92.709893)。菲涅耳鏡752中，垂度是46.34mm，傾斜角是+19度，到鏡754的距離是353.0113(中心線)，X、Y軸坐標(biāo)以mm為單位是(333.965543，464.941499)，(252.931401，74.623281)，(-252.963970，74.640022)和(-333.957131，464.974787)。顯示面20中，傾斜角是-19度，到鏡752的距離是539.7357mm(中心線)，大小是1326mm寬747mm高，對(duì)角線長(zhǎng)1524mm。
現(xiàn)在參考圖19A，所示是現(xiàn)有技術(shù)中30度離軸投影系統(tǒng)780的示意圖，該系統(tǒng)產(chǎn)生27％的梯形失真，如圖19B所示。投影系統(tǒng)780未使用透鏡偏移。圖19C是現(xiàn)有的投影燈引擎800的投影透鏡配置的示意圖，采用了移位或偏移，意味著穿過(guò)微顯示器/TIR棱鏡裝置802的光軸與投影透鏡804本身的光軸的中線之間有偏移/移位。在該實(shí)施例中，如果投影燈引擎800是用于一同軸投影系統(tǒng)中，該移位量足以生成圖19B所示的27％的梯形失真。但是，參考圖19D，所示是現(xiàn)有的采用投影燈引擎800的30度離軸投影系統(tǒng)820的示意圖。在該配置中，投影燈引擎800的移位量足以移除梯形失真(如圖19E所示)。圖19A-E均未示出本發(fā)明的各個(gè)部件，但是圖19C-D所示的現(xiàn)有技術(shù)可應(yīng)用于本發(fā)明的各實(shí)施例中以幫助減小機(jī)殼深度同時(shí)滿足圖像質(zhì)量。
投影透鏡移位使得投影透鏡804的下半部分的大部分被使用，投影透鏡804的上半部分的一部分未被使用，這是因?yàn)楣饩€沒(méi)有從投影透鏡804的該部分穿過(guò)。但是，因?yàn)榉乔蛎骁R的周邊部分比中心部分產(chǎn)生更多的像差，該投影透鏡必須設(shè)計(jì)為具有比未使用移位/偏移的透鏡透鏡更大直徑，這稍微增加了透鏡透鏡的成本，但是能使用更多的近軸光線。如果投影系統(tǒng)的離軸角更大，失真比27％更多，則將有幾個(gè)百分比額外的失真不能通過(guò)移位被校正。該額外的失真可通過(guò)圖像處理單元12、曲面鏡或兩者的結(jié)合來(lái)處理。可選擇地，如果投影系統(tǒng)的離軸幾何結(jié)構(gòu)具有較小的角度，失真將小于27％，投影透鏡800將校正過(guò)度，將會(huì)出現(xiàn)一些反向失真(即顯示面上圖像的底端比頂端大)，這些失真可通過(guò)圖像處理單元或改面鏡面來(lái)校正。
數(shù)值27％只是給出的一個(gè)例子，投影系統(tǒng)中還可以使用其他的移位量來(lái)校正其他量值的失真。但是，能運(yùn)用的移位量將產(chǎn)生昂貴的設(shè)計(jì)成本，因?yàn)檫\(yùn)用的移位量越大，投影透鏡入孔的有效面積不得不足夠大以覆蓋包圍該移位的微顯示器的圓周，并且該透鏡需要由足夠?qū)挼慕嵌仍O(shè)計(jì)以將圖像投射到顯示面上。需要注意的是，小量的移位通常用在桌面型前投影器內(nèi)，以便投影圖像被稍微向上離軸投射而沒(méi)有失真，且不與桌面發(fā)生干涉。
透鏡移位使得投影引擎的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，但是使用的移位是有效的。與透鏡移位最接近的是透鏡傾斜。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知，使用這兩種技術(shù)對(duì)高級(jí)投影燈引擎更有好處。然而這兩種技術(shù)均可以單獨(dú)使用。透鏡傾斜一般用來(lái)校正因傾斜的聚焦平面產(chǎn)生的聚焦問(wèn)題。到目前為止所示的實(shí)施例中還沒(méi)有出現(xiàn)傾斜的聚焦平面(即微顯示器和顯示面平行)。但是，使用透鏡移位后，因透鏡的移位，圖像會(huì)產(chǎn)生偏移(即如果使用50％的偏移，圖像的底端將靠近投影透鏡的中心)。由于任何透鏡生長(zhǎng)的圖像都會(huì)有曲線區(qū)域，投影到顯示面上的圖像的上端比下端聚焦更靠近。一種微顯示器、透鏡和顯示面全部沿同一直線相交的結(jié)構(gòu)可以減少梯形失真。這便是沙姆普弗克原理，如圖20B的正投影系統(tǒng)900的示意圖所示。為了消除光點(diǎn)散焦，可將投影透鏡傾斜以減少“場(chǎng)曲”效應(yīng)?？蛇x擇地，顯示面可向內(nèi)傾斜，但是向外稍微傾斜投影透鏡要更容易一些。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖20A，所示是現(xiàn)有技術(shù)中投影燈引擎900的示意圖，其中投影透鏡902的軸線有一定的傾斜。這種傾斜可應(yīng)用于本發(fā)明的任何投影系統(tǒng)中以減少場(chǎng)曲光點(diǎn)散焦的影響，改進(jìn)系統(tǒng)性能并減小機(jī)殼厚度。該傾斜位于微顯示器904的圖像表面的平面和投影透鏡902的孔徑入口平面之間。在該實(shí)例中，傾斜總共為兩個(gè)角度，一般為1度到2度的順序，取決于投影燈引擎內(nèi)是否有移位以及移位量。任何物理透鏡出現(xiàn)的球形波陣面使得以焦距為半徑的球面內(nèi)出現(xiàn)最佳聚焦圖像點(diǎn)。沙姆普弗克原理表明，如果圖像平面、透鏡平面和顯示面全部沿同一直線相交，則聚焦光點(diǎn)最小。
現(xiàn)在參考圖20B，具有內(nèi)置微顯示器傾斜的投影燈引擎900的結(jié)構(gòu)符合沙姆普弗克條件。圖中所示的“最好的聚焦平面”實(shí)際上最優(yōu)的聚焦平面，因?yàn)樽罴呀裹c(diǎn)總是位于球面上。該平面顯示為與投影投降的曲率場(chǎng)相交。顯示面需通過(guò)減小顯示面平面與垂直于投影透鏡主軸的平面之間的夾角來(lái)移動(dòng)至與該平面一致。投影系統(tǒng)的其他部件如非球面鏡等等為了圖面清晰而未在圖中示出，但是很明顯這些部件是存在的。最佳焦點(diǎn)總是位于圓弧上，因而平面顯示屏上總是會(huì)有聚焦問(wèn)題。本發(fā)明的離軸投影系統(tǒng)中，具有內(nèi)置傾斜的投影燈引擎900可用來(lái)減少聚焦問(wèn)題。如果將顯示面傾斜一些角度以與最優(yōu)聚焦面(與最佳焦點(diǎn)的球形波陣面重疊)一致，則光點(diǎn)直徑將得到改善。從概念上來(lái)講，相對(duì)微顯示器904向后傾斜投影透鏡902更容易些，然后將投影燈引擎向前傾斜幾度，這樣便滿足了沙姆普弗克原理。從機(jī)械上來(lái)講，這需要通過(guò)仔細(xì)的設(shè)計(jì)透鏡基座、正好傾斜的透鏡鏡筒的使用和/或離軸加工和/或特定的墊片/墊圈等等來(lái)實(shí)現(xiàn)。該傾斜的投影透鏡900可應(yīng)用于本發(fā)明的各種實(shí)施例中。這種概念可用于正投和背投兩種投影系統(tǒng)中。
使用現(xiàn)有的投影透鏡，并傾斜或移位該透鏡與具有較小微顯示器的燈引擎一起使用，比特制的投影透鏡更有可能性。當(dāng)然，如前所述，需要進(jìn)行某些機(jī)械的改變。需要清楚的是，投影燈引擎可用于本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，可不進(jìn)行透鏡移位或傾斜，或者僅僅透鏡移位，或者僅僅透鏡傾斜，或者是移位與傾斜的結(jié)合。例如，微特定的光調(diào)制器設(shè)計(jì)的現(xiàn)有的投影透鏡可通過(guò)應(yīng)用移位和傾斜修改為與不同的較小的光調(diào)制器一起使用。例如，發(fā)明人將1.2英寸對(duì)角線的光調(diào)制器設(shè)計(jì)的商用透鏡移位50％并傾斜小于1度，可用于0.8英寸對(duì)角線的光調(diào)制器。移位50％意味著微顯示器的上邊緣向下移至投影透鏡的中心處，使得大部分的投影圖像從該透鏡的上半部分投射。這種情況下的圖像質(zhì)量足夠好，不需要校正透鏡，從而節(jié)省了常用透鏡設(shè)計(jì)的成本。但是，這種設(shè)計(jì)需要對(duì)透鏡燈引擎進(jìn)行必要的修改，首先0.8英寸微顯示器為離軸配置提供必要的移位和傾斜，然后為投影透鏡的附加裝置設(shè)計(jì)以不同的燈引擎。結(jié)果是具有60英寸對(duì)角線和8英寸機(jī)殼厚度的背投離軸系統(tǒng)使用0.8英寸的光調(diào)制微顯示器。其可通過(guò)為具有60英寸對(duì)角線、20英寸機(jī)殼厚度、使用較大的(可能更貴)1.2英寸光調(diào)制微顯示器的現(xiàn)有投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)的投影透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如前面所提到的，安裝在燈引擎上的定制投影透鏡可用來(lái)本發(fā)明的各種實(shí)施例中以代替校正透鏡49。定制的投影燈引擎可在其透鏡殼體內(nèi)包括校正透鏡49。這種情況下，投影燈引擎的殼體更長(zhǎng)，整個(gè)投影燈引擎更貴?？蛇x地，該定制的投影燈引擎可包括普通透鏡元件，具有非球面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱的曲率，用于部分或全部校正曲面非球面鏡引入的失真。這種情況下，該定制的投影燈引擎更緊致。
可與一非球面曲面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱鏡一起使用的普通透鏡的示例如圖21A-C所示。需要注意的是，該設(shè)計(jì)還可與非球面曲面旋轉(zhuǎn)對(duì)稱鏡(為了用菲涅耳鏡代替該鏡)(圖18F-G所示)一起使用，但是需要改變其中一個(gè)透鏡元件的表面?，F(xiàn)在請(qǐng)參考圖21A和21B，所示分別是八單元普通透鏡950的俯視圖和側(cè)視圖。透鏡950的各個(gè)元件從右開(kāi)始分別是具有凸面和凹面的第一單元952，具有不對(duì)稱非球面凹面的第二單元954，具有雙重透鏡的第三單元956，雙凸鏡第四單元958，具有雙重透鏡的第五單元960，具有雙重透鏡的第六單元962，雙凸鏡第七單元964，平凸鏡第八單元966。該設(shè)計(jì)中透鏡移位和傾斜均有使用。圖21B非常清楚的示出了移位，但是傾斜比較難看出。傾斜從透鏡單元966開(kāi)始。
圖21C所示是用于常用投影透鏡950的第二透鏡單元954非球面旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱表面的示意圖。圖21B所示的側(cè)視圖中顯示該面與透鏡單元952的第二表面之間有一些干涉，但是實(shí)際上干涉不會(huì)發(fā)生，因?yàn)橥哥R的下端部分并未使用(因?yàn)橛幸莆?并且可以磨掉。投影透鏡950可校正聚焦，能用于任何使用校正透鏡的曲面鏡系統(tǒng)。圖18所示的投影透鏡校正因只能使用對(duì)稱表面而不能被菲涅耳鏡完全處理的梯形失真。
現(xiàn)在參考圖22，所示是本發(fā)明圖像處理單元1000的一個(gè)示例的方框圖。圖像處理單元1000可與本發(fā)明的任何實(shí)施例中的光學(xué)元件集成以校正任何殘留的梯形失真和其它空間失真。圖像處理單元1000包括圖像捕捉模塊1002、圖像處理模塊1004、顯示控制器模塊1006、控制器1008和存儲(chǔ)器接口模塊1010，如圖所示彼此連接。圖像捕捉模塊1002、圖像處理模塊1004和顯示控制器模塊1006均與用于存儲(chǔ)和取回?cái)?shù)據(jù)和參數(shù)的存儲(chǔ)器接口模塊1010連接。
原始圖像數(shù)據(jù)由圖像捕捉模塊1002重新獲取并進(jìn)行數(shù)字化。然后數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)被發(fā)送給圖像處理模塊1004通過(guò)亮度校正器級(jí)1012和圖像變形級(jí)1014進(jìn)行數(shù)字圖像處理和梯形失真校正。圖像處理模塊1004從控制器模塊1008中獲取失真參數(shù)并生成圖像轉(zhuǎn)換，通過(guò)圖像變形級(jí)1014對(duì)數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行失真補(bǔ)償。然后該失真補(bǔ)償數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)被傳遞給顯示控制器模塊1006，基于失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)調(diào)制光線并將該光線投射出投影燈引擎。當(dāng)該光線通過(guò)大量光學(xué)元件傳播到投影系統(tǒng)的顯示面時(shí)，光學(xué)元件產(chǎn)生的失真使圖像中出現(xiàn)的補(bǔ)償性失真無(wú)效，最終顯示是完全未失真的圖像。
亮度校正器級(jí)1012用于校正不一致的亮度或光度。因此，亮度校正器級(jí)1012接收輸入圖像數(shù)據(jù)并生成亮度調(diào)整后圖像數(shù)據(jù)。亮度校正器級(jí)1012應(yīng)用一預(yù)定映射圖來(lái)校正色空間內(nèi)具體位置處的象素亮度，因?yàn)轱@示圖像的一個(gè)點(diǎn)或區(qū)域的亮度與其穿越的距離的平方成反比，這使得顯示圖像內(nèi)的亮度出現(xiàn)不同。圖像映射圖的各種等式均可以使用(前面已經(jīng)給出了一個(gè)呈線性的例子)。
圖像變形級(jí)1014用于校正因投影透鏡5、校正透鏡49、非球面鏡39、離軸投影幾何學(xué)和安裝誤差所產(chǎn)生的殘留未校正的失真。圖像變形級(jí)1014對(duì)輸入圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換以根據(jù)與投影燈引擎14和相關(guān)的反射(鏡)光學(xué)元件(未示出)引入的幾何失真(未示出)相反的幾何轉(zhuǎn)換對(duì)輸入圖像(例如圖9A所示的圖像)進(jìn)行失真補(bǔ)償。因此，圖像變形級(jí)1014接收亮度調(diào)整后的圖像數(shù)據(jù)并生成失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)。圖像變形級(jí)1014實(shí)現(xiàn)了光學(xué)透鏡更靈活的選擇，因?yàn)槿魏蜗嚓P(guān)的失真將通過(guò)預(yù)變形被消除，好過(guò)匹配投影燈引擎透鏡的光學(xué)特性。圖像變形級(jí)1014的一個(gè)具體實(shí)施例已在格雷根(Greggain)的美國(guó)專利US5594676中給出，該專利在此作為引用文件。
亮度校正器級(jí)1012和圖像變形級(jí)1014能同等處理白光的所有波長(zhǎng)成分。但是，該級(jí)也能根據(jù)R、G、B波長(zhǎng)進(jìn)行不同處理。這將產(chǎn)生更進(jìn)一步的好處，即側(cè)面色彩改變的校正和色差校正。如果色差和側(cè)面色移能通過(guò)圖像處理單元1000校正，則透鏡透鏡的設(shè)計(jì)可大大簡(jiǎn)化，相應(yīng)的節(jié)省制造成本。但是，電子成本將會(huì)增加，這是因?yàn)樾枰齻€(gè)同樣的圖像處理引擎來(lái)代替圖像處理單元的每個(gè)級(jí)中一個(gè)引擎。
亮度校正器級(jí)1012和圖像變形級(jí)1014可通過(guò)軟件模塊或?qū)ｉT(mén)的處理電路如數(shù)字信號(hào)處理器或應(yīng)用集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些級(jí)在光路中的順序可以互換。
使用時(shí)，首先整個(gè)失真參數(shù)空間的失真參數(shù)值的完整范圍被圖像處理單元1000獲取。該失真參數(shù)值可通過(guò)用戶接口獲得，并能根據(jù)投影系統(tǒng)的各種幾何學(xué)和光學(xué)配置離線確定。每一組失真參數(shù)值可表示圖像變形級(jí)1014進(jìn)行的一次失真補(bǔ)償轉(zhuǎn)換。然后準(zhǔn)備好一失真圖數(shù)據(jù)庫(kù)，覆蓋失真參數(shù)可能出現(xiàn)的值的整個(gè)空間。每次投影系統(tǒng)需要進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，如制造時(shí)、運(yùn)輸后等等，都需要訪問(wèn)該數(shù)據(jù)庫(kù)。然后對(duì)應(yīng)投影系統(tǒng)的最終失真參數(shù)(即當(dāng)投影系統(tǒng)安裝后，失真參數(shù)不會(huì)有太多的改變，因?yàn)楣鈱W(xué)校準(zhǔn)并沒(méi)有改變)的一組失真參數(shù)值從該失真圖數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出來(lái)。然后圖像變形級(jí)1014使用最終失真圖幾何調(diào)整(即失真補(bǔ)償)數(shù)字化輸入圖像數(shù)據(jù)。
總之，示出的本發(fā)明各實(shí)施例的不同性能圖中并沒(méi)有顯示由圖像處理單元12進(jìn)行的校正。但是，需要清楚的是，當(dāng)由圖像處理單元12提供電子校正時(shí)，失真明顯減少，其值等于或小于1％。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，使用透鏡傾斜、透鏡偏移、投影透鏡使用一個(gè)或多個(gè)非球面元件、至少一個(gè)曲面非球面反射鏡和電子失真校正的各種不同結(jié)合的投影系統(tǒng)內(nèi)，改善DtoD比率的同時(shí)可以保留可接受的圖像質(zhì)量。圖像處理單元提供的電子失真校正可用作消除因設(shè)計(jì)或單個(gè)部件偏差和/或上述各部件組合的機(jī)械安裝誤差所產(chǎn)生的殘留失真的額外自由度。
消費(fèi)性背投電視中的DtoD比率的當(dāng)前狀態(tài)大約是3.2∶1。專業(yè)背投系統(tǒng)(比消費(fèi)產(chǎn)品貴3到5倍)中的DtoD比率的當(dāng)前狀態(tài)大約是6∶1。例如，通過(guò)使用大曲面鏡設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的非球面投影透鏡以及圖像處理單元可實(shí)現(xiàn)5.5∶1的DtoD比率。另一個(gè)例子是通過(guò)在前面的例子中增加微顯示器偏移和傾斜并再優(yōu)化定制透鏡的表面可實(shí)現(xiàn)7.5∶1的DtoD比率。消費(fèi)性背投電視產(chǎn)品的其他實(shí)例包括a)未對(duì)投影透鏡使用傾斜或偏移且具有額外的校正透鏡的小曲面鏡、離軸投影系統(tǒng)(與圖6所示的相似)的DtoD比率為6；b)未對(duì)投影透鏡使用傾斜或偏移且具有額外的校正透鏡的大曲面鏡、離軸投影系統(tǒng)(與圖16A所示的相似)的DtoD比率為7；c)對(duì)定制的投影透鏡使用傾斜和偏移的大曲面鏡離軸投影系統(tǒng)的DtoD比率為7.5；(可通過(guò)在圖18A的結(jié)構(gòu)中使用如圖18F-G所示的透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn))d)對(duì)定制的投影透鏡使用傾斜和偏移的大菲涅耳鏡離軸投影系統(tǒng)的DtoD比率為8.5(可通過(guò)在圖16A的結(jié)構(gòu)中使用如圖21A-B所示的透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn))。需要清楚的是，顯示屏對(duì)角線和機(jī)殼厚度的具體值是不非常重要，只有比率非常重要。為了使投影燈引擎適合機(jī)殼的厚度，只要該最小機(jī)械尺寸符合，所有的部件都可以進(jìn)行線性調(diào)整。
但是，使用這些技術(shù)時(shí)成本和性能會(huì)互相牽連。例如，使用透鏡或微顯示器偏移包括使用一較大的透鏡光圈將增加成本。折衷點(diǎn)是較大的透鏡/微顯示器偏移可實(shí)現(xiàn)較多的梯形失真校正，但是因?yàn)樾枰^大的投影元件，投影透鏡的成本增加。進(jìn)一步地，當(dāng)使用非球面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱透鏡元件時(shí)，因制造注射成型的透鏡元件的工具成本增加，導(dǎo)致整個(gè)成本增加。此外，制造非球面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱反射鏡時(shí)，加工具有精確的光學(xué)表面的前面反射鏡的成本增加(也會(huì)帶來(lái)模具加工成本)。
如本申請(qǐng)中各種實(shí)施例所述，本發(fā)明可適用于1、2和3鏡離軸投影系統(tǒng)，其中至少一個(gè)反射鏡具有彎曲表面，或者一個(gè)反射鏡與光束成離軸角放置，或者前述兩種情況均存在。在上述所有情況中，一校正透鏡或定制的投影透鏡用來(lái)校正被曲面鏡反射后的圖像的失真。此外，需要一圖像處理單元來(lái)校正任何殘留的失真。進(jìn)一步的，對(duì)該結(jié)構(gòu)增加一個(gè)或多個(gè)平面鏡可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)垂直高度和機(jī)殼厚度的折衷。大量反射鏡的使用還為投影系統(tǒng)內(nèi)各部件的放置提供了額外的靈活性，并可減小機(jī)殼的厚度，但是弊端是安裝校準(zhǔn)更加困難。使用兩個(gè)曲面鏡可使反射鏡制造更簡(jiǎn)化，但是再次使安裝校準(zhǔn)變復(fù)雜。菲涅耳鏡的使用可代替大曲面鏡，減小成本的同時(shí)進(jìn)一步改善機(jī)殼厚度和DtoD比率。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)計(jì)具有至少一個(gè)曲面鏡和圖像處理單元的投影系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)過(guò)程包括以下步驟I)定義該投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束；1)定義投影燈引擎的參數(shù)，如焦距、f#(即透鏡直徑與焦距的比率)等；2)定義機(jī)殼厚度，反射鏡數(shù)量(1、2或3)，以及哪個(gè)反射鏡是曲面的，機(jī)殼結(jié)構(gòu)(自立地、組合柜等等)，顯示面的大小等等；II)定義反射鏡的初始配置3)使用至少一個(gè)反射鏡建立投影燈引擎與該反射鏡(如果使用一個(gè)曲面鏡；如果使用多于一個(gè)的反射鏡且其中一個(gè)是平面鏡)之間的角度和距離；如果使用一菲涅耳鏡代替一大曲面鏡；a)優(yōu)化投影燈引擎和該反射鏡之間的角度和距離以使梯形失真最小同時(shí)保持光學(xué)圖像的投影路徑清晰(即避免在光學(xué)圖像上出現(xiàn)投射陰影；注意投影路徑將隨曲面鏡表面而改變)；b)若投影燈引擎允許，調(diào)整投影透鏡相對(duì)顯示裝置(反之亦然)的偏移和傾斜以最小化失真和光點(diǎn)拖尾/散焦(此步驟還可包括再優(yōu)化步驟3a中提到的角度和距離)；4)在光學(xué)模擬器內(nèi)為曲面鏡選擇某一個(gè)初始配置、材料和起始尺寸(如OsloTM、ZemaxTM等等)；III)優(yōu)化曲面鏡的表面輪廓并設(shè)計(jì)校正透鏡；5)建立一個(gè)優(yōu)化誤差函數(shù)(由模擬器提供的均方誤差等)以最小化曲面鏡產(chǎn)生的失真并優(yōu)化曲面鏡的表面輪廓以最小化該誤差函數(shù)；a)調(diào)整曲面鏡厚度、曲率和傾斜所需的約束；b)再模擬并再調(diào)整所需的約束；c)檢查光路沖突；d)重復(fù)步驟5a到5c直至投影系統(tǒng)獲得可接受的失真和聚焦光點(diǎn)直徑；6)對(duì)校正透鏡(或定制的投影燈引擎內(nèi)的透鏡表面)的設(shè)計(jì)應(yīng)用步驟4和5，同時(shí)優(yōu)化校正透鏡以提供最小的聚焦光點(diǎn)，并在防止過(guò)度失真的同時(shí)將校正透鏡限制在機(jī)械要求內(nèi)(即該校正透鏡設(shè)計(jì)得比正常尺寸大一些，這是因定義校正透鏡表面的數(shù)學(xué)函數(shù)形成期望的表面輪廓時(shí)的振動(dòng)而產(chǎn)生的；校正透鏡超出正常尺寸的部分未加工出來(lái))；7)再優(yōu)化曲面鏡以最小化校正透鏡或定制投影透鏡引入的任何失真(包括通過(guò)增加正的和/或負(fù)的曲率來(lái)輕微地調(diào)整曲面鏡的輪廓，調(diào)整凹面曲率和凸面曲率的過(guò)渡比，等等)；8)再優(yōu)化校正透鏡以最小化因曲面鏡曲率變化而引入的任何聚焦光點(diǎn)直徑的降級(jí)。
這一處理過(guò)程能快速生成逐漸減小的返回結(jié)果，如果為校正透鏡和曲面鏡選擇了合適的初始輪廓，該方案可快速獲得最優(yōu)值。該輪廓可通過(guò)三階多項(xiàng)式或五階多項(xiàng)式逼近。使用雙三次樣條函數(shù)的插值法、余弦函數(shù)或類似的數(shù)學(xué)函數(shù)可用來(lái)設(shè)計(jì)反射鏡的表面曲率。Excel電子制表軟件或其他合適的計(jì)算機(jī)程序可用來(lái)計(jì)算這些近似值。
投影系統(tǒng)10通過(guò)使用特定結(jié)構(gòu)的投影元件可提供接近不失真的光學(xué)圖像投影。投影系統(tǒng)10結(jié)合一個(gè)具有固有失真的短投射光學(xué)系統(tǒng)，利用圖像處理單元校正幾何和其他光學(xué)失真以實(shí)現(xiàn)短投射距離。投影系統(tǒng)10使用非球面鏡39、校正透鏡49和電子校正來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的短投射比以及可接受的失真水平。圖像處理單元12執(zhí)行對(duì)因投影燈引擎、光反射裝置、投影幾何學(xué)以及整個(gè)裝置安裝的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的全部殘留失真的校對(duì)。圖像處理單元12能處理梯形失真和桶形/枕形失真以及色散(因微顯示器在X、Y或θ軸上的安裝誤差而產(chǎn)生)。具體地，圖像處理單元12可為所有可見(jiàn)波長(zhǎng)的光同等地提供隨機(jī)調(diào)整(水平和垂直尺寸均可調(diào)整，并可在圖像的不同區(qū)域)和線性上下調(diào)整，或者為幾個(gè)期望的光通帶中的每一個(gè)提供特定編程的隨機(jī)調(diào)整。色度和光度的不一致也可通過(guò)圖像處理單元12進(jìn)行校正。透鏡設(shè)計(jì)可被簡(jiǎn)化，這是因?yàn)橥哥R誤差和失真，如普通的球面像差和側(cè)面色偏移，可通過(guò)電子校正進(jìn)行修正。由于圖像處理單元12可消除任何殘留失真，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不再受最小光學(xué)失真約束的限制，還可應(yīng)用數(shù)字化微調(diào)代替更復(fù)雜的光學(xué)裝置。結(jié)合幾個(gè)反射鏡(平面的和/或非平面的)和/或投影燈引擎可獲得各種結(jié)構(gòu)變化。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在正投影和背投影裝置中都適用。
另一種可選方案中，可使用能調(diào)節(jié)梯形失真和其他殘留失真的光調(diào)制微顯示設(shè)備。該微顯示設(shè)備由合適形狀的象素組成，當(dāng)調(diào)制光穿過(guò)包括一個(gè)投影透鏡和一個(gè)或多個(gè)反射鏡的離軸光路時(shí)，部分或全部的失真被校正，生成一校正圖像投影在顯示面上。若該微顯示設(shè)備用于保守設(shè)計(jì)的離軸系統(tǒng)，其可在保守的DtoD系統(tǒng)中與一個(gè)平面鏡一起使用，還可具有一個(gè)用于特定系統(tǒng)的曲面鏡。這樣的好處是光學(xué)和圖像處理可被簡(jiǎn)化，但是會(huì)加重普通微顯示設(shè)備的制造成本。制造該微顯示設(shè)備存在的一個(gè)困難是蝕刻照相平版印刷品覆蓋有彼此不成正確角度的線，因?yàn)槲⑿缀谓Y(jié)構(gòu)中，“階梯”或“鋸齒狀”在線結(jié)構(gòu)中會(huì)很明顯。幸運(yùn)地是，制造該微顯示設(shè)備所使用的幾何結(jié)構(gòu)很少像存儲(chǔ)器或處理設(shè)備所需要的幾何結(jié)構(gòu)一樣小。
需要注意的是，本申請(qǐng)中示出的各種實(shí)施例也適用緊致正投影系統(tǒng)。但是正投影系統(tǒng)的顯示屏內(nèi)不需要一個(gè)菲涅耳透鏡。
對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)使，很明顯對(duì)上述結(jié)構(gòu)的各種修改和替換可能未脫離本發(fā)明權(quán)利要求定義的范圍。
交叉引用的相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)主張申請(qǐng)日為2003年1月8日，申請(qǐng)?zhí)枮?0/438,675的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
權(quán)利要求
1.一種在顯示面上基于輸入圖像數(shù)據(jù)顯示光學(xué)圖像的離軸投影系統(tǒng)，包括(a)圖像處理單元，用于接收輸入圖像數(shù)據(jù)并產(chǎn)生失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)；(b)投影燈引擎，用于接收所述失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)并根據(jù)所述失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)投影失真補(bǔ)償光學(xué)圖像，且與所述圖像處理單元連接；(c)光反射裝置，與所述投影燈引擎連接，所述光反射裝置包括至少一個(gè)曲面鏡，所述曲面鏡位于來(lái)自一個(gè)投影透鏡的所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路內(nèi)，用于生成在顯示面上顯示的減小失真后的光學(xué)圖像；其中，所述圖像處理單元對(duì)所述輸入圖像數(shù)據(jù)所表示的光學(xué)圖像進(jìn)行失真補(bǔ)償，這樣當(dāng)所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像通過(guò)所述投影燈引擎投射并從所述光反射裝置反射時(shí)，顯示的光學(xué)圖像內(nèi)的與所述投影燈引擎和光反射裝置有關(guān)的光學(xué)和幾何學(xué)失真可被充分地消除。
2.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中所述曲面鏡是一非球面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱鏡，具有一個(gè)垂直方向的凹面和一個(gè)水平方向上的表面，該表面的上部分表面具有變化程度的凹陷或凸起彎曲，且平滑地過(guò)渡至下部分表面上的變化程度的凸起彎曲，用于減少所述顯示光學(xué)圖像中的空間失真。
3.如權(quán)利要求2所述的投影系統(tǒng)，其中所述曲面鏡上部分具有較小程度的水平凸起彎曲，下部分具有較大程度的水平凸起彎曲，用以減少所述顯示光學(xué)圖像中的空間失真。
4.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，進(jìn)一步包括位于所述投影燈引擎和曲面鏡之間失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路內(nèi)的校正透鏡，所述校正透鏡用以補(bǔ)償因所述曲面鏡而產(chǎn)生的散焦。
5.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中所述投影燈引擎包括一個(gè)非球面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱透鏡，用以補(bǔ)償所述曲面鏡而產(chǎn)生的散焦。
6.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中所述圖像處理單元被用于將所述輸入圖像數(shù)據(jù)調(diào)整至所述投影燈引擎的長(zhǎng)寬比和分辨率。
7.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中所述投影燈引擎包括(i)生成光束的光發(fā)生器；(ii)位于所述光發(fā)生器前面，用于顯示失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的顯示設(shè)備；(iii)位于所述顯示設(shè)備前面，用于投射和聚焦所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的投影光學(xué)元件。
8.如權(quán)利要求7所述的投影系統(tǒng)，其中所述投影光學(xué)元件包括投影透鏡，其中所述投影透鏡的光軸從所述顯示設(shè)備的光軸偏移，用以相對(duì)于所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像路徑的同軸方向調(diào)整來(lái)自所述光發(fā)生器的光束的位置，進(jìn)一步補(bǔ)償所述顯示光學(xué)圖像內(nèi)的梯形失真和光點(diǎn)直徑。
9.如權(quán)利要求7所述的投影系統(tǒng)，其中所述投影光學(xué)元件包括投影透鏡，其中所述投影透鏡的光軸相對(duì)于所述顯示設(shè)備的光軸傾斜，用以相對(duì)于所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像路徑的同軸方向調(diào)整來(lái)自所述光發(fā)生器的光束的位置，進(jìn)一步減小光點(diǎn)直徑并改善所述顯示光學(xué)圖像內(nèi)的調(diào)制傳遞函數(shù)。
10.如權(quán)利要求7所述的投影系統(tǒng)，其中所述投影光學(xué)元件包括一投影透鏡，其中所述投影透鏡的光軸相對(duì)于所述顯示設(shè)備的光軸偏移并傾斜，用以相對(duì)于所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像路徑的同軸方向調(diào)整來(lái)自所述光發(fā)生器的光束的位置，進(jìn)一步補(bǔ)償所述顯示光學(xué)圖像內(nèi)的梯形失真和光點(diǎn)直徑。
11.如權(quán)利要求7所述的投影系統(tǒng)，其中所述光發(fā)生器是照射子系統(tǒng)，所述顯示設(shè)備是基于光調(diào)制子系統(tǒng)的微顯示器，所述光學(xué)組是透鏡元件的組合裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，其中所述微顯示設(shè)備成形來(lái)補(bǔ)償梯形失真或其他空間失真。
13.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中所述光反射裝置還包括具有平面反射面的第一平面鏡，并放置于所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路內(nèi)。
14.如權(quán)利要求13所述的投影系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二平面鏡，這樣所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路撞擊在所述第二平面鏡的表面，反射至所述曲面鏡，然后從所述曲面鏡的表面反射到第一級(jí)平面鏡的表面上，最終將光線引導(dǎo)至所述顯示面上。
15.如權(quán)利要求13所述的投影系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二曲面鏡，這樣所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路傳遞至所述第二曲面鏡的表面，從該曲面鏡的表面反射，然后從所述第一級(jí)平面鏡表面反射出去。
16.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中所述圖像處理單元、投影燈引擎和光反射裝置可應(yīng)用于一個(gè)背投影結(jié)構(gòu)中。
17.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中所述曲面鏡可由菲涅耳鏡替代。
18.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中所述圖像處理單元包括i)調(diào)整所述輸入圖像數(shù)據(jù)的象素亮度以生成亮度調(diào)整后輸入圖像數(shù)據(jù)的亮度校正級(jí)；ii)與所述亮度校正級(jí)連接的圖像變形級(jí)，用于接收亮度調(diào)整后輸入圖像數(shù)據(jù)并生成失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)。
19.如權(quán)利要求18所述的投影系統(tǒng)，其中所述亮度校正級(jí)個(gè)別地處理所述亮度調(diào)整后輸入圖像數(shù)據(jù)內(nèi)的不同頻譜帶通。
20.如權(quán)利要求18所述的投影系統(tǒng)，其中所述圖像變形級(jí)個(gè)別地處理所述亮度調(diào)整后輸入圖像數(shù)據(jù)內(nèi)的不同頻譜帶通。
21.一種在離軸投影系統(tǒng)的顯示面基于輸入圖像數(shù)據(jù)顯示光學(xué)圖像的離軸投影方法，包括以下步驟(a)接收輸入圖像數(shù)據(jù)并電子地生成失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)；(b)提供與所述失真補(bǔ)償數(shù)字圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的失真補(bǔ)償光學(xué)圖像；(c)將所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像通過(guò)光反射裝置反射，生成用于在所述顯示面投影的顯示光學(xué)圖像，所述裝置包括至少一個(gè)曲面鏡，所述曲面鏡位于來(lái)自所述投影透鏡的失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路內(nèi)，用于生成在所述顯示面上顯示的光學(xué)圖像；其中步驟(a)包括對(duì)所述輸入圖像數(shù)據(jù)所代表的所述光學(xué)圖像進(jìn)行失真補(bǔ)償，這樣當(dāng)所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像從所述光反射裝置反射時(shí)，顯示的光學(xué)圖像內(nèi)的與所述投影系統(tǒng)有關(guān)的光學(xué)和幾何學(xué)失真被充分地消除。
22.如權(quán)利要求21所述的投影方法，其中步驟(c)包括提供所述曲面鏡為一個(gè)非球面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱鏡，具有垂直方向的凹面和水平方向上從上部分表面變化程度的凹入或凸起曲率平滑過(guò)渡至下部分表面變化程度的凸起曲率，用于減少所述顯示光學(xué)圖像中的空間失真。
23.如權(quán)利要求22所述的投影方法，其中所述曲面鏡上部分具有較小程度的水平凸起曲率，下部分具有較大程度的水平凸起曲率，用以減少所述顯示光學(xué)圖像中的空間失真。
24.如權(quán)利要求21所述的投影方法，其中步驟(c)進(jìn)一步包括引導(dǎo)所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像通過(guò)校正透鏡，所述校正透鏡位于所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路內(nèi)所述光反射裝置的前面，所述校正透鏡成形來(lái)補(bǔ)償因步驟(c)中使用的所述曲面鏡產(chǎn)生的散焦。
25.如權(quán)利要求21所述的投影方法，其中步驟(c)進(jìn)一步包括引導(dǎo)所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像通過(guò)一非球面旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱透鏡，所述透鏡成形來(lái)補(bǔ)償因所述曲面鏡產(chǎn)生的散焦。
26.如權(quán)利要求21所述的投影方法，其中步驟(b)和步驟(c)進(jìn)一步包括生成一個(gè)光束，放置一個(gè)顯示設(shè)備以生成所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像，并投射和聚焦所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像。
27.如權(quán)利要求26所述的投影方法，其中步驟(b)和步驟(c)進(jìn)一步包括相對(duì)于投影透鏡的光軸偏移的所述顯示設(shè)備的光軸，從而進(jìn)一步補(bǔ)償所述顯示光學(xué)圖像中的梯形失真。
28.如權(quán)利要求26所述的投影方法，其中步驟(b)和步驟(c)進(jìn)一步包括相對(duì)于投影透鏡的光軸傾斜的所述顯示設(shè)備的光軸，從而減小散焦并改善所述顯示光學(xué)圖像中的調(diào)制傳遞函數(shù)。
29.如權(quán)利要求26所述的投影方法，其中步驟(b)和步驟(c)進(jìn)一步包括相對(duì)于投影透鏡的光軸偏移并傾斜所述顯示設(shè)備的光軸，從而進(jìn)一步補(bǔ)償梯形失真，減小散焦并改善所述顯示光學(xué)圖像中的調(diào)制傳遞函數(shù)。
30.如權(quán)利要求26所述的投影方法，其中步驟(b)和步驟(c)進(jìn)一步包括在所述顯示設(shè)備的前面放置光發(fā)生器，在所述顯示設(shè)備的后面放置光反射裝置，其中所述光發(fā)生器為一個(gè)照射子系統(tǒng)，所述顯示設(shè)備是基于微顯示的圖像子系統(tǒng)，所述光反射裝置是透鏡元件的組合裝置。
31.如權(quán)利要求21所述的投影方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在所述光反射裝置內(nèi)加入第一平面鏡，所述第一平面鏡具有平面反射面，放置于所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路內(nèi)。
32.如權(quán)利要求31所述的投影方法，其中步驟(c)進(jìn)一步包括在所述光反射裝置內(nèi)增加第二平面鏡，這樣所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路撞擊在所述第二平面鏡的表面，反射至所述曲面鏡的表面上，然后反射到第一級(jí)平面鏡的表面上。
33.如權(quán)利要求31所述的投影方法，其中步驟(c)進(jìn)一步包括在所述光反射裝置內(nèi)增加第二曲面鏡，這樣所述失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路撞擊所述第二曲面鏡的表面，反射到所述第一曲面鏡的表面，然后反射到所述第一級(jí)平面鏡的表面。
34.如權(quán)利要求21所述的投影方法，其中所述方法進(jìn)一步包括將所述投影系統(tǒng)應(yīng)用于一個(gè)背投影結(jié)構(gòu)中。
35.如權(quán)利要求21所述的投影方法，其中所述方法進(jìn)一步包括使用一個(gè)菲涅耳鏡替代所述曲面鏡。
36.如權(quán)利要求21所述的投影方法，其中步驟(c)包括i)調(diào)整所述輸入圖像數(shù)據(jù)的象素亮度以生成亮度調(diào)整后輸入圖像數(shù)據(jù)；ii)對(duì)所述亮度調(diào)整后輸入圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變形并生成失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)。
37.如權(quán)利要求36所述的投影方法，其中步驟(i)包括個(gè)別地處理所述輸入圖像數(shù)據(jù)內(nèi)的不同頻譜的通頻帶。
38.如權(quán)利要求36所述的投影方法，其中步驟(ii)包括個(gè)別地處理所述亮度調(diào)整后輸入圖像數(shù)據(jù)內(nèi)的不同頻譜的通頻帶。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種圖像投影系統(tǒng)和方法，將圖像光學(xué)投影在一顯示面上，具有視覺(jué)上最恰當(dāng)?shù)膸缀螜C(jī)構(gòu)和最佳圖像質(zhì)量。所述投影系統(tǒng)包括用于接收輸入圖像數(shù)據(jù)并生成失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)以補(bǔ)償所述投影系統(tǒng)內(nèi)的下一個(gè)空間失真的圖像處理單元；接收失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)并根據(jù)該失真補(bǔ)償圖像數(shù)據(jù)投射失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的投影燈引擎；及，包括至少一個(gè)位于來(lái)自投影燈引擎的失真補(bǔ)償光學(xué)圖像的光路中的曲面鏡，其用于生成減小失真后的光學(xué)圖像顯示在所述顯示面上。所述圖像處理單元對(duì)輸入圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行失真補(bǔ)償，以便顯示光學(xué)圖像內(nèi)的與所述投影燈引擎和光反射裝置相關(guān)的光學(xué)和空間失真被充分減少。
文檔編號(hào)H04N17/00GK1735837SQ200480001926
公開(kāi)日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2004年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月8日
發(fā)明者戈帕爾·拉馬錢(qián)德蘭, 格雷戈里·A·普賴爾 申請(qǐng)人:奧普提克斯晶硅有限公司