專利名稱：：超薄背投光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種新的光學系統(tǒng)，尤指一種超薄背投光學系統(tǒng)，可有效地降低背投電視的厚度和高度，并使其具有高分辨率，低失真的特性。
背景技術(shù)：
：當前，數(shù)字電視是一個發(fā)展趨勢，高清晰度(1920X1080)和大屏幕是未來數(shù)字電視的一個方向，LCD、DLP、LCOS背投都在向50寸以上和1080P發(fā)展。然而由于制造工藝的限制，現(xiàn)階段LCD50寸以上的液晶面板良品率低導致其價格居高不下，因而DLP、LCOS背投電視更能夠滿足觀眾對高清、大畫面、低價格的要求。光學背投一般的工作原理為投影光學系統(tǒng)將被光源和照明系統(tǒng)均化照明了的成像單元(DMD或LCOS)放大成像于屏幕之上。圖6為其工作原理圖，光線從投影鏡頭b中斜向上打到反光鏡a上，鏡頭的光軸通過反光鏡的中心，反射后到達屏幕c的中心點。從原理可知，因為平面反射鏡a的大小和位置確定，故很困難減少背投的厚度和高度。另外，也有一種折反式投影系統(tǒng)，如PCT國際申請公布號WO01/006295，見圖7所示，該投影系統(tǒng)主要包括第一光學系統(tǒng)，作用為承擔主要放大倍率；第二光學系統(tǒng)，作用為承擔次放大倍率，轉(zhuǎn)折光路且投影于平面上。光線從第一光學系統(tǒng)經(jīng)過、到達第二光學系統(tǒng)，經(jīng)其反射后，光線到達屏幕成像。光學系統(tǒng)可有效減少背投箱體的厚度。此系統(tǒng)具有130度以上的視場，但只用上半視場，由于考慮光學引擎空間位置的擺放，上半視場的下半段被舍棄，因此箱體的高度會比上一種背投系統(tǒng)還要高。且此系統(tǒng)的第二光學系統(tǒng)的口徑會比較大，增加了系統(tǒng)的成本；另外由于經(jīng)過第二光學系統(tǒng)的光線發(fā)散，因而很難在第二光學系統(tǒng)的周圍設(shè)置有效的密封防塵裝置，影響長期的使用效果。近期也有采用偏軸全反射系統(tǒng)來實現(xiàn)投影，如中國專利CN1377476A，見圖8所示，因全反射系統(tǒng)不需要矯正色差，少量反射光學元件能實現(xiàn)廣角投影，故可將系統(tǒng)厚度大為減小。另外相比于透射系統(tǒng)，光通量在反射元件表面少量會被吸收，能提高35%的亮度。但偏軸系統(tǒng)不可避免地需要一定的空間縱深量來擺放光學元件，升高了顯示器的底部，增加了背投箱體高度；另外此系統(tǒng)中大部分光學原件為非軸旋轉(zhuǎn)對稱體，造價高昂，且偏軸反射系統(tǒng)對裝調(diào)要求極高，也對另外增加成本，不適合家庭推廣。當然經(jīng)過光線發(fā)散的反射元件，因而很難在其周圍設(shè)置有效的密封防塵裝置，影響觀眾的長期使用效果。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種超薄背投光學系統(tǒng)，有效地降低背投電視的厚度和高度，并使其具有高分辨率，低失真的特性。系統(tǒng)將成像單元LCOS放大后成像于屏幕上，該投影系統(tǒng)主要包括第一光學系統(tǒng)，作用為承擔主要放大倍率，且形成一次成像；第二光學系統(tǒng)，作用為承擔次放大倍率，轉(zhuǎn)折光路且形成二次成像。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是一種超薄背投光學系統(tǒng)，包括第一光學系統(tǒng)，由9片透射光學元件組成，正負焦距配合，依次按正、負、正、負、正、光闌、正、正、負、正焦距組成，用于形成一次放大的中間像；第二光學系統(tǒng)，為凹面非球面反射鏡，用于將一次成像繼續(xù)放大并投影到屏幕上。光線從一次像面經(jīng)過，到達第二光學系統(tǒng)，經(jīng)其反射后，光線在一次像面與第二光學系統(tǒng)的空間內(nèi)交叉后到達屏幕二次成像。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，光線經(jīng)過第一光學系統(tǒng)后，一次成像的位置在第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)之間，且成像的位置靠近第二光學系統(tǒng)，成像的形狀為近似弧面并向光軸傾倒。光線經(jīng)過一次成像后入射到第二光學系統(tǒng)上，用很小的反射面即可實現(xiàn)將中間像反射到屏幕上實現(xiàn)二次成像。此種情況下，合理地控制入射光線的視場便可盡量減少背投箱體的高度和厚度。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，為減少厚度，會在第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)之間加一平面反射鏡，該反射鏡的法線與第一光學系統(tǒng)的光軸夾角為45度，因而第一光學系統(tǒng)的殼體與背投系統(tǒng)的屏幕平行，使得整個箱體的厚度大大減小。另外，成像單元的離軸量對減少高度很是關(guān)鍵，成像單元離軸的越多，成像位置越往上偏移，因而背投箱體需增加，此狀況下第一光學系統(tǒng)用到的視場與成像單元的偏移量成反比，在一定范圍內(nèi)，成像單元偏移大，第一光學系統(tǒng)的可用視場會小，因而其元件片數(shù)也會相應減少。成像單元離軸量少，則第一光學系統(tǒng)的可用視場增大，其元件片數(shù)也會相應增加。因而本發(fā)明中，由成像單元離軸量決定的夾角A(所述屏幕上某投射光線與第一光學系統(tǒng)光軸的夾角A)的范圍為-22°〈A〈69。。在上述方案的基礎(chǔ)上，所述的第一光學系統(tǒng)的第一面頂點到所述的第二光學系統(tǒng)反射面頂點間的距離為220mm。在上述方案的基礎(chǔ)上，所述的第一光學系統(tǒng)、第二光學系統(tǒng)之間的距離符合下述關(guān)系式flXf2/L=6.7，其中，fl為第一光學系統(tǒng)的焦距，f2為第二光學系統(tǒng)的焦距，L為第一光學系統(tǒng)到第二光學系統(tǒng)之間的距離。在上述方案的基礎(chǔ)上，所述的第一光學系統(tǒng)由9片透鏡組成，9片透鏡均為球面折射鏡，整個系統(tǒng)的光闌在第5、6片透鏡之間，且第2、3、5片透鏡均背向光闌，第一光學系統(tǒng)中，第l、2、5、7、9片透鏡均為厚透鏡，第一光學系統(tǒng)的焦距為42mm，其中，最大口徑為第1片透鏡，其口徑為54mm。在上述方案的基礎(chǔ)上，所述的第二光學系統(tǒng)由凹面非球面反射鏡構(gòu)成，為非旋轉(zhuǎn)對稱的，其定義由以下公式?jīng)Q定，該公式是個雙錐Zernike多項式，在X和Y向有不同的曲率cj2+cv_y21616z=l+Vl-(l+"c/x2-(l十Agc》2'=i^—丄及其中c,=ts=Rx為x方向上的頂點曲率半徑，Ry為y方向上的頂點曲率半徑，L為x方向上的圓錐常數(shù)，Ky為y方向上的圓錐常數(shù)，Qi、卜為非球面系數(shù)，i的取值為4、6、8、12或14。在上述方案的基礎(chǔ)上，所述的第二光學系統(tǒng)包括一個平面反射鏡和一個凹面非球面反射鏡，凹面非球面反射鏡的口徑為150X120mm，焦距為35mm。在上述方案的基礎(chǔ)上，一次成像并經(jīng)過凹面非球面反射鏡后的光線于第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)間的空間內(nèi)交叉，交叉點的位置在第二光學系統(tǒng)前沿軸橫向560mm，縱向17100mm范圍內(nèi)，交叉點的光束形狀為蝙蝠形，在此交叉點處采用開孔防塵裝置。在上述方案的基礎(chǔ)上，成像單元為數(shù)字顯微芯片或反射式/透射式點陣液晶面板中的一種，光源模塊與照明模塊配合使用，將均勻化的光斑入射到成像單元表面，成像單元與偏振分光棱鏡、內(nèi)反射棱鏡^口口o在上述方案的基礎(chǔ)上，成像單元離軸lmm，屏幕的最下端到第一光學系統(tǒng)的光軸的垂直距離為93mm。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的超薄背投光學系統(tǒng)能有效地降低背投電視的厚度和高度，并使其具有高分辨率，低失真的特性。圖1為本發(fā)明投影系統(tǒng)的概略圖。圖2為本發(fā)明投影系統(tǒng)的光學系統(tǒng)放大圖。圖3為本發(fā)明投影系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖4為本發(fā)明第一光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為現(xiàn)有光學背投系統(tǒng)的工作原理圖。圖7為現(xiàn)有折反式投影系統(tǒng)的概略圖。圖8為現(xiàn)有偏軸全反射系統(tǒng)的概略圖。具體實施例方式以下參考附圖以及相關(guān)數(shù)據(jù)來描述實施本專利的最佳實例，如圖1示出本發(fā)明實施例的投影系統(tǒng)概略圖，圖2為該投影系統(tǒng)的光學系統(tǒng)的放大圖。圖1中，成像單元可為數(shù)字顯微芯片(DMD)或反射式/透射式點陣液晶面板(LCOS/LCD);光源模塊與照明模塊配合使用，將均勻化的光斑入射到成像單元表面，成像單元一般與偏振分光棱鏡(PBS)、內(nèi)反射棱鏡(TIR)結(jié)合使用，如圖所示。本實施例采用1080P(分辨率1920*1080)LCOS作為成像單元，長寬比為16:9，單個像元尺寸的大小為8微米，LC0S對角線大小為0.7英寸，LCOS被光學系統(tǒng)放大94倍以達到66英寸來顯示。物方孔徑角為24度(投影光學系統(tǒng)的F數(shù)為2.4)。系統(tǒng)的參考波長為656nm，546nm，450nm。第一光學系統(tǒng)由透射元件組成，第二光學系統(tǒng)由凹面非球面反射鏡構(gòu)成，該非球面反射鏡其實為近似自由面反射鏡，因為它是非旋轉(zhuǎn)對稱的，其定義由以下公式?jīng)Q定，該公式是個雙錐Zernike多項式，在X和Y向有不同的曲率1+—(1+、x2—(1+、_y2"'=1其中Rx為x方向上的頂點曲率半徑，Ry為y方向上的頂點曲率半徑，Kx為x方向上的圓錐常數(shù)，Ky為y方向上的圓錐常數(shù)，a"Pi為非球面系數(shù)，i的取值為4、6、8、12或14。根據(jù)本發(fā)明的投影光學系統(tǒng)所采用的凹面旋轉(zhuǎn)對稱雙錐Zernike多項式是有效的，變化曲率R、圓錐常數(shù)K和非球面系數(shù)A可有效控制第二光學系統(tǒng)的口徑和改變第二光學系統(tǒng)在像差中的貢獻因子。在此系統(tǒng)中第二光學系統(tǒng)為一個平面反射鏡和一個凹面非球面反射鏡，其口徑約150X120mm，其焦距為35腿。第一光學系統(tǒng)由9片透鏡組成，9片透鏡均為球面折射鏡。第一光學系統(tǒng)采用反遠結(jié)構(gòu)以獲得較長的后工作距離，第一光學系統(tǒng)中各透鏡的走向依次為正、負、正、負、正、光闌、正、正、負、正焦距，由于此系統(tǒng)為大視場系統(tǒng)，最大角度超過70度，故大視場的軸外像差如場曲和畸變?yōu)橹饕?，因此，?、3、5片透鏡均背向光闌，矯正以上像差，整個系統(tǒng)的光闌在第5、6片透鏡之間，光闌遠離第5片透鏡對矯正像差有利，但會增加光闌后鏡片的口徑。第一光學系統(tǒng)中，第l、2、5、7、9片透鏡為厚透鏡，特別對矯正系統(tǒng)的場曲尤為有利。第一光學系統(tǒng)的焦距為42mm，其中，最大口徑為第1片透鏡，口徑為54mm。成像單元LCOS經(jīng)過第一光學系統(tǒng)后成一次像，視場軸上點一次成像的位置在第1片透鏡之前180mm位置，最大視場處一次成像的位置在第1片透鏡前21mm，離軸線的高度為32ram，一次像成像的形狀為一段近似平行于軸線的平滑弧線。第一光學系統(tǒng)的第一面頂點到第二光學系統(tǒng)反射面頂點間的距離為220mm，第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)之間加設(shè)一面平面反射鏡，反射鏡的法線方向與光軸成45度夾角，可折反光路90度，使得第一光學系統(tǒng)的光軸與屏幕的平面平行，此舉減少了光學系統(tǒng)的厚度，使得整個光學系統(tǒng)的厚度可有效減少。一次成像并經(jīng)過凹面非球面反射鏡后的光線于第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)間的空間內(nèi)交叉，交叉點的位置在第二光學系統(tǒng)前沿軸橫向560mm，縱向17100mm范圍內(nèi)，交叉點的光束形狀為蝙蝠形，因光線在此空間內(nèi)會聚，光束在此空間內(nèi)可通過很小的孔投射出去，因此在此可采用開孔防塵裝置來抵擋一部分灰塵的進入。另外此防塵裝置亦可阻擋一部分從凹面反射鏡反射回的雜光(散射光)，提高了圖像的對比度和均勻性。第二光學系統(tǒng)的口徑越大，其生產(chǎn)加工的成本越高，因而調(diào)整第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)之間的距離可有效控制第二光學系統(tǒng)的口徑，該距離符合下述關(guān)系式flXf2/L二6.7,其中，f1為第一光學系統(tǒng)的焦距，f2為第二光學系統(tǒng)的焦距；L為第一光學系統(tǒng)到第二光學系統(tǒng)的距離。第二光學系統(tǒng)的實用截面尺寸為120mmX90mm。第二光學系統(tǒng)到屏幕的距離為530mm,在第二光學系統(tǒng)前265mm的位置放一平面反射鏡，使得整個光學系統(tǒng)的厚度為265mm，可以控制整個系統(tǒng)的厚度在300mm以內(nèi)。傳統(tǒng)背投系統(tǒng)中，投影鏡頭的視場至少要達到100度，但大視場會帶來大畸變，另外垂軸色差也會隨視場的增大而增大，為了矯正以上主要軸外像差，投影鏡頭結(jié)構(gòu)須復雜化。此實例中，凹面非球面反射鏡的使用可使投影系統(tǒng)的最大視場增加到140度；一般系統(tǒng)中當視場增大時，畸變和垂軸色差會更大，然而，凹面非球面的面型變化可有效控制畸變在0.5%以內(nèi)，且此自由曲面的焦距值為負值，也可對垂軸色差的矯正有一定的貢獻。背投系統(tǒng)中，場曲要求很嚴格，故系統(tǒng)的匹茲凡和數(shù)需滿足平場要求。傳統(tǒng)背投系統(tǒng)中為了滿足平場條件，鏡頭的結(jié)構(gòu)也不得不進行正負搭配造成結(jié)構(gòu)復雜化。另外，由于場曲的存在，傳統(tǒng)背投鏡頭的像質(zhì)最佳位置為軸上點，軸外點的像質(zhì)逐漸下降。在此發(fā)明專利系統(tǒng)中通過對LCOS芯片的適當離軸可使場曲在沒有滿足平場條件時也能得到很好的矯正。考慮到實際裝配需留一定的空間量，此發(fā)明實例中成像單元LCOS離軸了lmm，屏幕的最下端到第一光學系統(tǒng)的光軸的垂直距離為93ram。在本實施例中，由成像單元離軸量決定的夾角A(所述屏幕上某投射光線與第一光學系統(tǒng)光軸的夾角A)的范圍為22°<A〈69°，從而有效地減少了箱體的高度。另外，照度也是背投系統(tǒng)的一個重要指標，由于屏幕中的菲涅爾透鏡改變了鏡頭的出射光線的角度，故也會影響照度和均勻度。在傳統(tǒng)背投系統(tǒng)中，對稱視場增大會使得光線在屏幕各處透射率差別較大，然而在此專利實施系統(tǒng)中，因其非對稱大角度入射能保證屏幕各處透射率差別較小，可獲得較高的均勻度。表l本實例中的系統(tǒng)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>曲率半徑為Infinity表示為平面，N6、V6分別表示在e光(546.lnm)情況下的折射率和阿貝數(shù)。第二光學系統(tǒng)為一平面反射鏡和一口徑約150X120mm單片凹面非球面反射鏡，其定義由以下公式?jīng)Q定，該公式是個雙錐Zernike多項式，在X和Y向有不同的曲率cj2+cz=其中(i+、)c>2-iicr=——1616,=1。=zRx為x方向上的頂點曲率半徑Ry為y方向上的頂點曲率半徑K,為x方向上的圓錐常數(shù)K,為y方向上的圓錐常數(shù)ai、ei為非球面系數(shù)(i的取值為4、6、8、12、14)<表2凹面非球面反射鏡的參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>權(quán)利要求1、一種超薄背投光學系統(tǒng)，將成像單元放大后成像于屏幕上，包括形成一次成像的第一光學系統(tǒng)和承擔次放大倍率、轉(zhuǎn)折光路且形成二次成像的第二光學系統(tǒng)，其特征在于所述的第一光學系統(tǒng)由9片透射光學元件，依次按正、負、正、負、正、光闌、正、正、負、正焦距組成；第二光學系統(tǒng)為凹面非球面反射鏡；一次成像的位置在第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)之間，且成像的位置靠近第二光學系統(tǒng)，成像的形狀為近似弧面并向光軸傾倒，光線從一次像面經(jīng)過，到達第二光學系統(tǒng)，經(jīng)其反射后，光線在一次像面與第二光學系統(tǒng)的空間內(nèi)交叉后到達屏幕二次成像，在第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)之間加設(shè)一平面反射鏡，該反射鏡的法線與第一光學系統(tǒng)的光軸夾角為45度，使第一光學系統(tǒng)的殼體與背投系統(tǒng)的屏幕平行；所述屏幕上投射光線與第一光學系統(tǒng)光軸的夾角A范圍為22°<A<69°。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄背投光學系統(tǒng)，其特征在于所述的第一光學系統(tǒng)的第一面頂點到所述的第二光學系統(tǒng)反射面頂點間的距離為220mm。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超薄背投光學系統(tǒng)，其特征在于所述的第一光學系統(tǒng)、第二光學系統(tǒng)之間的距離符合下述關(guān)系式-flXf2/L=6.7，其中，fl為第一光學系統(tǒng)的焦距，f2為第二光學系統(tǒng)的焦距，L為第一光學系統(tǒng)到第二光學系統(tǒng)之間的距離。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超薄背投光學系統(tǒng)，其特征在于所述的第一光學系統(tǒng)由9片透鏡組成，9片透鏡均為球面折射鏡，整個系統(tǒng)的光闌在第5、6片透鏡之間，且第2、3、5片透鏡均背向光闌，第一光學系統(tǒng)中，第l、2、5、7、9片透鏡均為厚透鏡，第一光學系統(tǒng)的焦距為42mm，其中，最大口徑為第1片透鏡，其口徑為54mm。5、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超薄背投光學系統(tǒng)，其特征在于所述的第二光學系統(tǒng)由凹面非球面反射鏡構(gòu)成，為非旋轉(zhuǎn)對稱，其定義由以下公式?jīng)Q定，該公式是個雙錐Zernike多項式，在X和Y向有不同的曲率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中^、'&Rx為x方向上的頂點曲率半徑，Ry為y方向上的頂點曲率半徑，Kx為x方向上的圓錐常數(shù)，Ky為y方向上的圓錐常數(shù)，a"卜為非球面系數(shù)，i的取值為4、6、8、12或14。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的超薄背投光學系統(tǒng)，其特征在于所述的第二光學系統(tǒng)包括一個平面反射鏡和一個凹面非球面反射鏡，凹面非球面反射鏡的口徑為150X120mm，焦距為35mm。7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的超薄背投光學系統(tǒng)，其特征在于一次成像并經(jīng)過凹面非球面反射鏡后的光線于第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)間的空間內(nèi)交叉，交叉點的位置在第二光學系統(tǒng)前沿軸橫向560ram，縱向17100mm的范圍內(nèi)，交叉點的光束形狀為蝙蝠形，在此交叉點處采用開孔防塵裝置。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄背投光學系統(tǒng)，其特征在于成像單元為數(shù)字顯微芯片或反射式/透射式點陣液晶面板中的一種，光源模塊與照明模塊配合使用，將均勻化的光斑入射到成像單元表面，成像單元與偏振分光棱鏡、內(nèi)反射棱鏡結(jié)合。9根據(jù)權(quán)利要求8所述的超薄背投光學系統(tǒng)，其特征在于成像單元離軸lmm，屏幕的最下端到第一光學系統(tǒng)的光軸的垂直距離為93mm。10、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超薄背投光學系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)參數(shù)為<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>曲率半徑為Infinity表示為平面，N6、、分別表示在546.lnme光的情況下的折射率和阿貝數(shù)；第二光學系統(tǒng)中的凹面非球面反射鏡的參數(shù)為<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>其中，R,為x方向上的頂點曲率半徑，Ry為y方向上的頂點曲率半徑，K,為x方向上的圓錐常數(shù)，Ky為y方向上的圓錐常數(shù)，a、0為非球面系數(shù)。全文摘要本發(fā)明為一種超薄背投光學系統(tǒng)，包括第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)，所述的第一光學系統(tǒng)由9片透射光學元件，依次按正、負、正、負、正、光闌、正、正、負、正焦距組成；第二光學系統(tǒng)為凹面非球面反射鏡；一次成像的位置在第一光學系統(tǒng)與第二光學系統(tǒng)之間，且靠近第二光學系統(tǒng)，成像的形狀為近似弧面并向光軸傾倒，光線從一次像面經(jīng)過，到達第二光學系統(tǒng)反射后，光線在一次像面與第二光學系統(tǒng)的空間內(nèi)交叉后到達屏幕二次成像，在第一與第二光學系統(tǒng)之間加設(shè)一平面反射鏡，該反射鏡的法線與第一光學系統(tǒng)的光軸夾角為45度，第一光學系統(tǒng)的殼體與背投系統(tǒng)的屏幕平行；所述屏幕上投射光線與第一光學系統(tǒng)光軸的夾角A范圍為22°＜A＜69°。文檔編號G03B21/10GK101482689SQ20091004611公開日2009年7月15日申請日期2009年2月12日優(yōu)先權(quán)日2009年2月12日發(fā)明者敏徐,王軍華,珂程,郝沛明申請人:復旦大學;上海遠超微納技術(shù)有限公司;上海現(xiàn)代先進超精密制造中心有限公司