TWI238905B - Lens system for an imager to imager relay - Google Patents
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Description
1238905 玫、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於一種在投影系統中使用的透鏡系統, 更特定言之,係關於一低失真、1對1的投影透鏡,其用於 在一兩級式投影機架構中將一影像從第一成像器投影至第 二成像器。 【先前技術】 液晶顯示器(Liquid crystal display ; LCD),特定言之係 使用反射光引擎或成像器的矽上液晶(liquid crystal 〇n silicon ; LCOS)系統在諸如後投影電視(reai> pr〇jecti〇n television; RPTV)的成像裝置中的使用越來越普遍。在 LCOS系統中,藉由一極化分光器(p〇larizing beam spliUer ; PBS)使投影光極化,並且將其引導至包含像素矩陣的一 LC0S成像器或光引擎。在整份說明書中,與相關技術實務 相一致’術語「像素」係用於表示影像的一小區域或點、 光透射的對應部分及一成像器產生光透射之部分。 成像器的各像素根據輸入至該成像器或光引擎的一灰階 因數對其上的入射光進行調變,以形成一離散的調變光信 號或像素之矩陣。該調變光信號矩陣從成像器反射或輸出 並引導至一投影透鏡系統,其將調變光投影至一顯示螢 幕,該調變光與光像素合併後形成一可視影像。在該系統 中,像素至像素的灰階變化取決於處理影像信號所用的位 兀數量。明亮狀態(即最大亮度)與黑暗狀態(最小亮度)的對 比率取決於成像器中光的洩漏。
O:\89\89567.DOC 1238905 當前LCOS系統的主要缺點之―在於报難減少黑暗狀能 中光的數量而難以提供良好的對比率。這部分係由於 LCOS系統固有的光洩漏造成。 、 此外’由於輸入係固定數量的位元(如8、1〇等”而复必 須說明全幅度的光’因此造成僅有極少位元可用於說明圖 像較暗區域内的細微差別。其會導致輪廓的人工因素。 -種增強黑暗狀態下LC0S中對比度之方法係使用 C〇L〇rSwitchTM或相似裝置,以根據該特定圖框内的最 大值對整個圖像進行縮放。其會改進某些圖像,但對包含 高低光階的圖像作料大。㈣造更好的成像料進行了 其他嘗試以解決該問題’然而這些嘗試均最多為逐步改進。 需要-種投影系統’其改進視頻影像(尤其在黑暗狀態下) 的對比率,並且減少輪廓的人工因素。 【發明内容】 本發明提供一種透鏡系統,其係配置成在一兩級式投影 機架構中將-影像以-像素對像素的形式從第一成像器投 影至第二成像器。4了將_影像以像素對像素的形式從第 :成像器投影至第二成像器,依據本發明一項具體實施例 二提仏又同斯透鏡系統,其具有一小於大約0 015%的失 一同呀將第成像裔上一特定像素至少大約90%的光能 m第一成像器上的大約154平方微米内。在本發明的 ϋ性具體實施例中,該透鏡系統的放大率可精確控 制至大约_1 ’亚且遠心保持位於該透鏡系統的輸入及輸出 處0
O:\89\89567.DOC !2389〇5 【實施方式】 者確义,藉由將第一成像器的輸出投影至第二成像 :亡’可使第一成像器中-特定像素的輸出投影至第二成 小_!對應像素,因此可提供—種對㈣改進且輪廓減 二的投影系統。發明者確^,該兩級式架構中需要的透鏡 糸、洗應具有極低的失真及高度方形化(⑶叫⑽〖Μ)能量。第 一成像杰上一像素的光必須使其中心位於其對應像素上。 此外,大多數的光必須在對應像素的區域内。 本务明提供_種在_兩級式投影架構中使用的具有低失 真、尚度方形化能量的中繼透鏡系統。在本發明的一項示 範性具體實施例中,係提供—雙高斯透鏡系統,其用以將 光k第一成像器中繼至第二成像器6〇,該透鏡系統的失真 J於0.015 /〇,並且將第一成像器5〇一特定像素至少川%的 光能投影至第二成像器上的大約15·4平方微米内。如圖!所 不,一不範性兩級式投影系統包含第一成像器5〇及第二成 像器60,並且有兩個極化分光器(pBS)71、72及一透鏡組或 透鏡系統80置放於該等成像器5〇、6〇之間,用以將光影像 以像素對像素的形式從第一成像器5〇中繼至第二成像器6〇 的對應像素上。 如圖1所示,示範性中繼透鏡系統8〇包含第一非球面透鏡 81及第一無彩色透鏡82,位於第一 pBS 71與透鏡系統或系 統止點83的焦點之間。在系統止點83與第二成像器72之 間’透鏡系統80包含第二無彩色透鏡84及第二非球面透鏡 85。第一非球面透鏡81具有第一表面81a及第二表面81b, O:\89\89567.DOC -9- 1238905 其使來自於第一 PBS 71的發散光圖案轉向為會聚至透鏡系 統80之光學軸的光圖案。第一無彩色透鏡82具有第一表面 82a、弟二表面82b及第三表面82c,其使來自於第一非球面 透鏡81的會聚光圖案聚焦於系統止點83上。在系統止點μ 處,光圖案倒像並發散。第二無彩色透鏡84具有第一表面 84a、第二表面84b及第三表面8 4c,該無彩色透鏡係第一盔 彩色透鏡82的鏡像(即相同的透鏡向後翻轉,使第二無彩色 透鏡84的第一表面84a與第一無彩色透鏡82的第三表面82c 等效’以及第二無彩色透鏡84的第三表面84c與第一無彩色 透鏡82的第一表面82a等效)。第二無彩色透鏡料的表面 84a、84b及84c將發散光圖案分佈於第二非球面透鏡以上。 第二非球面透鏡85係第一非球面透鏡81的鏡像,且具有第 一表面85a及第二表面85b。表面85a及85b使光圖案轉向會 ♦,攸而在第二成像器6〇上形成一倒像,與來自於第一成 像器50的物件或像素矩陣一 一對應。中繼透鏡系統⑽的各 表面係配置成與成像器50、60及PBS 71、72 —起工作,以 實現第一成像器50與第二成像器60的各像素一 一對應。表i 中提供了一示範性兩級式投影系統3〇各表面之概況,以及 表2提供了各表面81a、81b、85a及85b的非球面係數。此等 示範性透鏡表面係發明者使用ZEMAXtm軟體所發展的,其 新穎特徵由發明者決定。根據下列諸如成本、尺寸、亮度 等級及其他設計因素可對該示範性投影系統進行各種變 更。在中繼透鏡系統⑽中,無彩色透鏡82與84係等效的, 而非球面透鏡81及85係等效的。因此,會減少獨特的零件,
O:\89\89567.DOC -10- 1238905 以使製造效率提高以及成本降低。此外,該示範性透鏡系 統80的無彩色透鏡82、84包含便宜的光學玻璃(SF15的成本 為BK7成本的大約2.25倍,而BAK2的成本為BK7成本的大 約1.85倍)。(SF15、BK7及BAK2可從紐約州揚克斯市的斯 考特公司(Schott Corporation of Yonkers,New York)購買。) 表1 (尺度為mm) 裝置 表面 類型 半徑 厚度 玻璃 直徑 二次曲線 50 物件 標準 無限大 11.25436 0 71 2nd (71b) 標準 無限大 28 SF2 24.07539 0 71 3rd (71c) 標準 無限大 11.44304 29.59782 0 81 1st (81a) 平滑非球面 45.72373 11.60359 BAK2 40 -0.941321 81 2nd (81b) 平滑非球面 -29.74398 1.061985 40 -2.300802 82 1st (82a) 標準 16.45201 9.507266 BAK2 28 -0.003454099 82 2nd (82b) 標準 696.8212 6.993905 SF15 28 0 82 3rd (82c) 標準 10.75055 6.389217 14 0 83 止點 標準 無限大 6.389217 10.09268 0 84 1st (84a) 標準 -10.75055 6.993905 SF15 14 0 84 2nd (84b) 標準 -696.8212 9.507266 BAK2 28 0 84 3rd (84c) 標準 -16.45201 1.061985 28 -0.003454099 85 1st (85a) 平滑非球面 29.74398 11.60359 BAK2 40 -2.300802 85 2nd (85b) 平滑非球面 -45.72373 11.44304 40 -0.941321 72 1st (72a) 標準 無限大 28 SF2 31.9247 0 72 2nd (72b) 標準 無限大 11.25436 25.06428 0 60 影像 標準 無限大 20.44114 0 表2 係數 表面 81a、85b 表面 81b、85a rz -2.5672672e-005 -2.5672139e-005 r4 -3.6464646e-007 -4.6458644e-007 r° -1.3360629e-009 -5.3232556e-010 rs 2.2079531e-012 9.3458426e-013 rlu 4.0274312e-019 -2.9875722e-019 r12 3.2408025e-022 8.6192792e-022 r14 -4.2302691e-024 5.022829e-024 rib -1.3350251e-026 1.9281194e-026 第一光矩陣5離開中繼透鏡系統80後,其穿過第一表面 O:\89\89567.DOC -11 - 1238905 72a進入第二PBS 72。第二PBS 72具有一極化表面72p,其 將s極性的第一光矩陣5穿過第二表面72b反射至第二成像 态60上。在該示範性具體實施例中,如圖1所示,第二成像 盗60係一 LCOS成像器,其以像素對像素的形式將先前調變 的第一光矩陣5調變,使其與針對各個別像素提供至第二成 像器60的一灰階值成比例。第二成像器6〇的各像素以一對 一的形式與第一成像器50的各像素對應,並且與顯示影像 的各像素對應。因此,一特定像素(i,j)至第二成像器6〇的 輸入係第一成像器50對應像素(i,j)的輸出。 表1及表2概述的透鏡系統80係在由發明者所設計的系統 限制下使用裝軟體設計的。圖2及3分別顯示計 算所得之透鏡系統80的失真及方形化能量。失真小於 0.015%’使第一成像器5〇中從一特定像素(i,輸出的光中 繼或投影至第二成像器60中對應的像素(i,』),允許一視頻 影像(例如)藉由針對該像素(i,j)提供至第一成像器5〇及第 =·成像益60各值的組合進行調變。來自於第一成像器5〇的 光能係高度方形化的,可將第—成像器5吐—特定像素(ij) 輸出的至少90%的光能投影至第二成像器6〇上的15.4平方 微米内。由於示範性LC0S成像器的像素尺寸為12微米,因 此來自於第-成像器50上-特定像素(i,j)的大多數光將投 射在第二成像器6〇上的對應像素(丨,』)上。 當成像1150、6G的尺寸相同’以像素對像素的形式將影 像從第-成像器50投影至第二成像請時,一對一透鏡系 統的放大率應該大約為-10。由2繼,軟體計算所得,
O:\89\89567.DOC -12- 1238905 該示範性透鏡系統80的放大率為_〇.99977。 該示範性透鏡系統80的低]?值(17_11111111^1〇不大於2.8,更特 定言之計算所得的!^值大約為2·798。為保證觀看螢幕的充 分売度需要該低F值。該示範性透鏡系統8〇亦較小巧,成像 裔50與60之間的總距離為大約161·25 。該總長度係該透 鏡系統各表面厚度值之總和,此等厚度值係與下一表面的 線性距離。 此外,由於輸入至投影系統的光係遠心的,並且投影透 _ 鏡需要-遠心影像’因此透鏡系統80必須係高度遠心的。 計算所得離該示範性透鏡系統8 0的投影影像中心内主光線 的最大偏差係輸入角為103度,而輸出角為1.⑼度。 前面顯示了實施本發明的一些可能性。在本發明範嘴应 精神内亦可能產生許多其他的具體實施例。因此,前面的 說明應視為圖示說明而非限制,且本發明的範峰係由附隨 的申請專利範圍及其全部等效内容所決定。 【圖式簡單說明】 參照附圖說明本發明如上,其中: · 圖1顯示依據本發[項具體實施例之*範性透鏡系統; 圖2顯示計算所得的圖1透鏡系統之失真;以及 , 圖3顯示計算所得的圖1透鏡系統之包圍矩形能量。 【圖式代表符號說明】 5 第一光矩陣 30 兩級式投影系統 50 第一成像器
O:\89\89567.DOC -13- 1238905 60 第二成像器 71 極化分光器 72 極化分光器 80 透鏡系統 81 第一非球面透鏡 82 第一無彩色透鏡 83 系統止點 84 第二無彩色透鏡 85 第二非球面透鏡 72p 極化表面 81a 第一表面 81b 第二表面 82a 第一表面 82b 第二表面 82c 第三表面 84a 第一表面 84b 第二表面 84c 第三表面 85a 第一表面 85b 第二表面 O:\89\89567.DOC -14-
Claims (1)
1238905 拾、申請專利範園: 1 ·種在-投影系統中用於將從一第一成像器輪出的光 以一像素對像素的形式中繼至一第二成像器之透鏡系 統’該透鏡系統包含-雙高斯透鏡組,其具有一小於大 約0.015%的失真,並且可將一特定像素至少大約9〇%的 光能投影在大約一 15.4平方微米内。 2·如申請專利範圍第丨項之透鏡系統,其中該雙高斯透鏡 組具有一介於大約-0.9997與-1.0003之間的放大率。 3.如申請專利範圍第丨項之透鏡系統,其中該雙高斯透鏡 組具有一遠心,其一輸入及輸出角偏差小於1〇5度。 4·如申請專利範圍第3項之透鏡系統,其中該雙高斯透鏡 、、且具有运心’其一輸入角偏差小於1 ·〇3度,以及一輸 出角偏差小於1. 〇度。 5·如申請專利範圍第3項之透鏡系統,其中該雙高斯透鏡 組由圍繞一對對稱無彩色透鏡之一對對稱非球面透鏡 所組成。 6·如申請專利範圍第5項之透鏡系統,其中該等無彩色透 鏡包含光學玻璃。 7·如申請專利範圍第1項之透鏡系統,其中該等第一與第 二成像器之間的總距離小於165 mm。 8·如申請專利範圍第1項之透鏡系統,其中該等第一與第 一成像器之間的總距離大約為161.25 mm。 9_如申請專利範圍第1項之透鏡系統,其中該雙高斯透鏡 組具有一不大於大約2.8的F值。 O:\89\89567.DOC 1238905 ίο. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 一種在一投影系統中使用之成像器至成像器中繼透鏡 系統,其包含一由一對等效無彩色透鏡及一對等效非球 面透鏡組成的透鏡組,該等透鏡係定位及配置成使從一 第一成像器上一特定像素輸出的光投影至一第二成像 裔上的一對應像素。 如申請專利範圍第1〇項之成像器至成像器中繼透鏡系 統’其中該中繼透鏡系統的總失真小於大約〇 〇15%,同 時將一特定像素的至少大約9〇%的光能投影在一 15·4平 方微米内,該中繼透鏡系統進一步具有一介於大約 •0.9997與-1.0003之間的放大率。 如申請專利範圍第10項之成像器至成像器中繼透鏡系 統,其中該透鏡組具有一遠心,其一輸入及輸出角偏差 小於1.05度。 如申請專利範圍第12項之成像器至成像器中繼透鏡系 統’其中該透鏡組具有一遠心,其一輸入角偏差小於丨〇3 度,以及一輸出角偏差小於1.〇度。 如申請專利範圍第10項之成像器至成像器中繼透鏡系 統’其中該等第一與第二成像器之間的該總距離小於 165 mm 〇 如申請專利範圍第10項之成像器至成像器中繼透鏡系 統’其中該等第一與第二成像器之間的該總距離為大約 161.25 mm 〇 如申請專利範圍第1〇項之成像器至成像器中繼透鏡系 統’其中該透鏡組具有一不大於大約2_ 8的F值。 O:\89\89567.DOC -2-
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