CN1742228B - 背投显示器 - Google Patents

Abstract

本发明所述的超薄型背投显示装置包括广角透镜系统和一个或多个平行于显示图像用的屏幕的平面镜。在一个实施例中，具有多槽角的屏幕比采用单一槽角的屏幕提供更好的照明。

Description

背投显示器

技术领域

本发明涉及显示装置。更具体地说，本发明涉及薄型背投显示装置。

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

显示装置包括屏幕，广角透镜系统，采用广角透镜系统的透镜场(lens field)的一部分投射图像，以及基本为平面以将图像反射到屏幕的后板镜。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。在一个实施例中，显示装置也包括基本为平面的中间镜，它反射由广角透镜系统投射到后板镜上的图像。中间镜平行于后板镜。在一个实施例中，屏幕具有第一区和第二区，第一区具有第一槽角，第二区具有第二槽角。

附图说明

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显示具有用于背投屏幕部分的轮廓的菲涅耳透镜。

图5显示具有39°槽角的菲涅耳透镜的剖面图。

图6a显示菲涅耳透镜的正视图，该菲涅耳透镜具有每个区为不同槽角的两个区。

图6b显示两区菲涅耳透镜的剖面图，该菲涅耳透镜具有35°槽角的第一区和41°槽角的第二区。

图7显示具有10°面角的菲涅耳透镜的具有60°输入角的入射光。

图8显示菲涅耳透镜设计的剖面图，该菲涅耳透镜设计有两个区，这两个区有不同的槽角和区之间的过渡区域。

图9显示菲涅耳透镜设计的剖面图。

图10显示菲涅耳透镜的一个实施例，该菲涅耳透镜在透镜的相对两面具有两个区，这两个区之间有一个过渡区域。

图11显示具有广角透镜的背投显示装置的一个实施例。

具体实施方式

将描述超薄型背投显示系统。在下面描述中，为解释起见，阐述了数个具体细节以对本发明提供彻底理解。显然对于本领域的普通技术人员，即使不采用这些特殊细节也能够实施本发明。在其它实例中，结构和装置以方块图形式表示以避免使本发明不清楚。

这里所述的超薄型背投显示装置包括广角透镜系统和与屏幕平行的一个或多个平面镜，在所述屏幕上显示图像。在一个实施例中，屏幕具有多个槽角以提供与采用单一槽角的屏幕相比的更好照明。

如下面更详细的描述，屏幕可以是具有一个或多个槽角的菲涅耳透镜。只要能够显示图像的许多其它物体也可作为屏幕。通常，散射光的任何物体都可用作屏幕。例如，墙、水或雾能够用作屏幕。

图3显示具有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。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、使得超薄型背投显示装置与现有技术中的超薄型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，超薄型背投显示装置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(例如图像发生组件)。可以用现有技术中的任意方法将图像提供到DMD350上。DMD350选择性地反射来自光源(在图3中未示出)的光到透镜系统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，镜子基本平行于屏幕，或者说校正误差为+/-10°。在一个实施例中，广角透镜系统的光轴基本平行于屏幕，也即校正误差为+/-10°。

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的一部分(例如，50％，60％，40％)。通过DMD350相对于透镜系统340的光轴偏移，来自DMD350的图像在透镜场上部中由透镜系统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的场角越大，显示装置300便能够做得越薄。在上述引用的专利申请中描述了适宜的广角透镜系统，在此通过引用结合到本专利。

中间镜330将图像反射到后板镜320，后板镜反射图像到屏幕310。在一个实施例中，屏幕310是菲涅耳透镜。后板镜320也是平面镜，平行于屏幕310并垂直于透镜系统340的光轴。因为透镜系统340的光轴垂直于中间镜330并且中间镜330和后板镜320都是平面镜并平行于屏幕310，在显示装置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的成本和复杂性。

图4显示具有用作背投屏幕部分的轮廓的菲涅耳透镜。图4提供了能够用于各种背投显示装置的菲涅耳透镜的部分概念图解。菲涅耳透镜能够用两个角来描述。面角定义为当光进入时可通过的各个单槽的表面角，在折射设计中定义为光相对透镜光轴离开菲涅耳透镜的角度。槽角是在入射表面和折射表面间形成的角度，在折射透镜的情况下则是槽的光学表面和非光学表面间的角度。

在一个实施例中，菲涅耳透镜400能够具有许多同中心的槽，这些同心槽具有一个或更多预定的槽角。现有技术中已知晓制造和使用具有单一槽角的菲涅耳透镜的技术。在使用投影透镜系统的全透镜场的背投显示装置中，菲涅耳透镜400的中心部分420用作显示装置的透镜。

虚线方框420提供来自菲涅耳透镜400中心部分的屏幕的指示。透镜使用部分的尺寸和形状对应于显示装置屏幕的尺寸和形状。对于传统的背投显示器，用作屏幕的部分420的中心是菲涅耳透镜420的中心。

当使用偏移DMD(或其它装置)以使得只使用投影透镜场的一部分时，用于屏幕的菲涅耳透镜400的部分相对于菲涅耳透镜400的中心偏移。例如，如果使用投影透镜场的顶部一半，屏幕部分410的底部边缘通过菲涅耳透镜400中心。

图5显示具有39°槽角510的菲涅耳透镜500的剖面图。图5中的透镜能够被用于例如图3的显示系统。当采用具有图4所述偏移的图3所示的显示系统时，39°的槽角提供了钻石切割器结构完整性与透镜性能之间的平衡。

当槽角增加时，因为光通过透镜没有被反射，投射到透镜500底部中心的图像变暗。当槽角变小时，因为反射光向下且远离观察者，投射到透镜500顶部角的图像变暗。而且，当槽角减小时，用于制造透镜500的工具太弱而不能有效工作。

图6a示出菲涅耳透镜的正视图，该菲涅耳透镜具有两个区域，分别具有不同的槽角。图6a的实施例示出具有两个槽角的两个区；但是，能够使用具有相应槽角的任意数目的区。透镜槽角能够连续变化。而且，虽然图6a的实例表示为环形区，也能够使用其它的形状。

在一个实施例中，内部区域620具有约35°的槽；不过，也能够使用其它槽角。当用作大屏幕时，全部采用单一槽角的菲涅耳透镜使照明不一致。在一个实施例中，外部区域610具有约41°的槽；不过，也能够使用其它的槽角。在替换实施例中，内部区域620和外部区域610能够提供折射和/或折射透镜的任意组合。在一个实施例中，透镜600的投影侧具有槽而观察侧是平面的。在替换实施例中，透镜600在两侧都具有槽。

图6b显示两区菲涅耳透镜的剖面图，该菲涅耳透镜具有35°槽角的第一区和41°槽角的第二区。图6b的透镜可用于例如图3的显示系统。图6b的透镜与图5的透镜相比提供了增进的均匀性。

在一个实施例中，区域620的槽作为折射透镜，区域610的槽作为全内反射(TIR)透镜。透镜600的折射和反射区可以在透镜的相同侧(例如，投影侧)或者该透镜600的折射和反射区可以在透镜的相对侧(例如，折射区在投影侧而反射区在观察侧)。如下而所详细描述的，能够使用过渡区来减少或甚至消除区域间转变而引起的图像产物。对于一个双边透镜，两个单侧透镜可以被对准并且各个透镜的平面侧能被接合在一起。另外一种方法是，透镜的一侧可按以上所述制造，而附加的槽可直接在透镜材料上形成。

图7显示采用10°面角的菲涅耳透镜的具有60°入射角的入射光。对于陡角的入射光(例如，大于约45°)，可设计槽的面角使得光进入菲涅耳透镜并从反射面反射，并向观察者传播。例如入射光620通过槽面600并微微折射。折射光630由反射面610反射向观察者(图7中未示出)。对许多应用，反射光640被导向观察者。

当入射光的角度减小时，将有一个折射光错过反射面710的角度。例如，最靠近菲涅耳中心的槽上屏幕的底部中心处会出现这样的角度。这样的光会丢失并穿过菲涅耳结构，不是造成幻像就是使对比度减小。丢失的光在屏幕区的底部中心减小了对比度(并可能处处依赖于关于屏幕的镜子)。

减小幻光并提高这个区的对比度的一种技术是改变反射面角，这样，光不是导向观察者，而将透镜设计成聚集尽可能多的光。作为结果，反射光740向下传播。这提高了所显示图像的对比度，但向下的光还是没有再导向观察者并出现暗色。

可以设计面角，使来自入射光变陡的屏幕边缘的光能够将反射光导向透镜中心以提高图像边缘的感觉亮度。

在一个实施例中，所有的槽都在透镜的投影侧，且透镜的观察侧是平面。在替换实施例中，一个区的槽在透镜的投影侧，另一个区的槽在透镜的观察侧。

图8示出菲涅耳透镜的剖面图，该菲涅耳透镜具有两个分别有不同槽角和区之间的过渡区域。示出的透镜800只有小数目的槽、区和区域。这是为了简化描述。能够使用具有任何数目的槽、区和或区域的菲涅耳透镜。

在这里，“区”是具有特定槽角的菲涅耳透镜的范围(当槽角不是连续变化时)。“区域”是其面角(γ)由单一方程定义的菲涅耳透镜的范围。区可以包括多个区域。在一个实施例中，在区边界中包含了一个或多个过渡区域以提供平滑的区过渡。

在一个实施例中，方程F为半径r函数，定义第一区域的面角，而方程G定义第二区域的面角，它们在区域边界处相等。换言之，F(r₁)＝G(r₁)，其中，r₁是区域边界。此外，定义区域面角方程的一次导数等于定义区域边界处面角方程的一次导数。也即，F＇(r₁)＝G＇(r₁)，其中r₁是区域边界。

图9示出菲涅耳透镜设计的剖面图。在一个实施例中，下面的方程描述了菲涅耳透镜设计的不同角度。也可以使用替换的角度关系。在下面的方程中，θ6是入射角，即入射光920与水平面的夹角；γ是面角，即折射面910与水平面的夹角；δ是反射面角，即反射面900与水平面的夹角；ρ是折射光的角度，即折射光930与水平面的夹角；θ2是反射光的角度，即反射光950与水平面的夹角；而β是输出光的角度，即输出光960与水平面的夹角。

在一个实施例中，下面的方程用于决定用于各种区域的角度。对于固定的峰值角(峰值角k＝γ+δ)，可以计算面角以在接近底部中心处创造没有幻光的菲涅耳透镜，并修改面角以提高通过量。

如两个区域的实施例，内部区域可以是无损系统，定义为：

$F(R,\mathrm{\γ}):=\[\frac{\tan \left(\mathrm{\γ}\right)\·(\tan \left(\mathrm{\γ}\right)+2\·\tan (k-\mathrm{\γ}))+\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\γ}-a\sin \left(\frac{\cos (a\tan \left(\frac{R}{f1}\right)+\mathrm{\γ})}{n}\right))\·\tan (k-\mathrm{\γ})}{\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\γ}-a\sin \left(\frac{\cos (a\tan \left(\frac{R}{f1}\right)+\mathrm{\γ})}{n}\right))-\tan (k-\mathrm{\γ})}-\frac{R}{f1}\]$

其中n是菲涅耳透镜材料的折射率；k是槽角，R是到菲涅耳透镜中心的半径，而f1是菲涅耳透镜的焦距。外部区域定义为：

$(R,\mathrm{\γ}):=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\γ}-a\sin \left(\frac{\cos (a\tan \left(\frac{R}{\mathrm{fl}}\right)+\mathrm{\γ})}{n}\right)-2(k-\mathrm{\γ})-\mathrm{\θ}2$

图10显示菲涅耳透镜的一个实施例，它具有在透镜的相对侧的两个区，两个区之间有过渡区。菲涅耳透镜1090包括两个区：折射区、反射区，及过渡区域。在替换实施例中，透镜1090可以是在单侧上的一个或多个区。

在一个实施例中，菲涅耳透镜1090包括传统的折射菲涅耳透镜设计1000的内部区。所述内部区包括透镜1090中心向外延伸直到外部区变得比内部区更有效。菲涅耳透镜1090还包括为全内反射菲涅耳透镜设计1020的外部区。与内部区的折射设计延伸到透镜边缘相比，外部区将更多的光导向观察者。

为了减少，甚至消除透镜1090的折射与反射部分间的不连续性，包含有过渡区域1010。在一个实施例中，在过渡区域1010中，菲涅耳透镜1090的内部光从折射设计的向上角度逐渐改变到反射设计的水平角。由于交迭光，逐渐的改变减小了图像的不连续性。

图11显示了具有广角透镜的背投显示装置的一个实施例。显示装置1100包含屏幕1110，广角透镜系统1120和DMD1130。在一个实施例中，屏幕1110是上面详细描述的菲涅耳透镜。

由光学引擎组件(在图11中没有示出)产生的图像在现有技术中已为人知晓，并通过DMD1130用于广角透镜系统1120上。在替换实施例中，DMD1130可以由其它组件替换，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。在一个实施例中，DMD1130的光轴与广角透镜系统1120的光轴对准，这样整个透镜场用来将图像投射到屏幕1110。在替换实施例中，DMD1130的光轴与广角透镜系统1120的光轴偏移。使用上述菲涅耳透镜提供更具有亮度均匀性的更薄系统。

在说明书上所述的“一个实施例”意味着与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。

Claims (37)

1.一种显示装置，包括：

屏幕；

以投射图像的广角透镜系统，所述广角透镜系统包括光轴；

基本平面的后板镜，以反射图像到屏幕，其中所述后板镜基本平行于屏幕；及

基本平面的中间镜，以反射由所述广角透镜系统投影的图像到后板镜，其中所述中间镜基本平行于后板镜且基本垂直于所述广角透镜系统的光轴。

2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述广角透镜系统使用一部分透镜场投射图像。

3.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述屏幕包括全内反射菲涅耳透镜。

4.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述屏幕包括折射菲涅耳透镜。

5.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述广角透镜系统使用大约一半透镜场投射图像。

6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，所述广角透镜系统使用上半透镜场将图像投射到所述中间镜。

7.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，所述广角透镜系统使用下半透镜场将图像投射到所述中间镜。

8.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述广角透镜系统使用小于一半透镜场投射图像。

9.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，还包括至少一个微机电系统以将图像提供到所述广角透镜系统。

10.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，还包括至少一个数字微镜装置以将图像提供到所述广角透镜系统。

11.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，还包括至少一个栅状光阀以将图像提供到所述广角透镜系统。

12.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，还包括至少一个液晶显示器以将图像提供到所述广角透镜系统。

13.如权利要求12所述的显示装置，其特征在于，还包括至少一个硅基液晶以将图像提供到所述广角透镜系统。

14.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述屏幕包括具有连续变化槽角的菲涅耳透镜。

15.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述屏幕包括菲涅耳透镜，其具有第一区和第二区，所述第一区具有第一槽角，所述第二区具有第二槽角。

16.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述第二区包围着所述第一区。

17.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述第一槽角小于所述第二槽角。

18.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述第一槽角大于所述第二槽角。

19.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述第一区部分地包围所述第二区。

20.如权利要求19所述的显示装置，其特征在于，所述第一槽角小于所述第二槽角。

21.如权利要求19所述的显示装置，其特征在于，所述第一槽角大于所述第二槽角。

22.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述第一槽角约35°，所述第二槽角约41°。

23.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述第二区的槽提供全内反射。

24.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述第一区和第二区在所述菲涅耳透镜的第一侧上。

25.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，在所述第一区和第二区间的边界处，所述第一区的面角基本等于所述第二区的面角。

26.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于，在所述第一区和第二区间的边界处，在所述第一区中的面角改变率基本等于在所述第二区中的面角改变率。

27.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述第一区在所述菲涅耳透镜的第一侧上，所述第二区在所述菲涅耳透镜的第二侧上。

28.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述屏幕包括菲涅耳透镜，它把最远离菲涅耳透镜中心角落的光导向菲涅耳透镜中心，并使光从菲涅耳透镜中心区引导成基本垂直于所述菲涅耳透镜。

29.如权利要求1所述的显示装置，其中的基本平行包含校正误差为+/-10°的平行。

30.如权利要求1所述的显示装置，其中的基本垂直包含校正误差为+/-10°的垂直。

31.一种方法，包括：

使用具有光轴的广角透镜系统投射图像；

使用中间镜反射由所述广角透镜系统投影的图像到平面镜，其中所述中间镜是平面的且基本平行于屏幕且基本垂直于所述透镜系统的光轴；和

采用所述平面镜将图像反射到屏幕，其中所述平面镜基本平行于所述屏幕，此外所述广角透镜系统的光轴基本垂直于所述平面镜。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述广角透镜系统使用大约一半透镜场投射图像。

33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述广角透镜系统使用上半透镜场将图像投射到所述中间镜。

34.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述广角透镜系统使用下半透镜场将图像投射到所述中间镜。

35.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述广角透镜系统使用小于一半透镜场投射图像。

36.如权利要求31所述的方法，其中的基本平行包含校正误差为+/-10°的平行。

37.如权利要求31所述的方法，其中的基本垂直包含校正误差为+/-10°的垂直。

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