CN100510943C - 图像投影的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种图像投影系统和方法，将图像光学投影在一显示面上，具有视觉上最恰当的几何机构和最佳图像质量。所述投影系统包括：用于接收输入图像数据并生成失真补偿图像数据以补偿所述投影系统内的下一个空间失真的图像处理单元；接收失真补偿图像数据并根据该失真补偿图像数据投射失真补偿光学图像的投影灯引擎；及，包括至少一个位于来自投影灯引擎的失真补偿光学图像的光路中的曲面镜，其用于生成减小失真后的光学图像显示在所述显示面上。所述图像处理单元对输入图像数据进行失真补偿，以便显示光学图像内的与所述投影灯引擎和光反射装置相关的光学和空间失真被充分减少。

Description

图像投影的系统和方法

技术领域

本发明涉及投影系统和方法，更具体地，涉及结合光学和图像处理技术以减小光程长度、维持最佳图像质量的短程投影系统和方法。

背景技术

在正投影系统中，投影机和浏览器位于显示面的同一侧，来自投影机的图像从显示面反射到浏览器上。图1A是现有技术中标准的八单元投影透镜5的示意图，该透镜能接收输入光学图像2并投影出放大的输出光学图像3。图1B是使用八组件投影透镜5将图像直接投影到显示面20的投影灯引擎6的示意图。其为创建的图像沿与显示面20垂直的直轴线投影的同轴投影系统的一个例子。

对于背投影系统来说，设计更复杂，以迎合背投屏幕尺寸的商业需求。这种紧密度用“投射比”来量化。一个投影系统的投射比由被显示面20的对角线长度D(图中未示出)分开的投影距离d(图1B所示)给出。该对角线D从显示面20的对角开始测得。投射比由以下等式给出：

如图1C和1D所示，正投影结构中普通的投影透镜5生成低失真图像，具有典型的光点直径(即位于边角的散焦点图像)。具体地，若其尺寸是1480mm×834mm的显示面20，25.4mm焦距为2.8的投影透镜5，产生的投影图像的中心处是1mm的点，边角处是3mm的点。正投影系统的合理设计目标是具有最小的可辨聚焦点直径，边角处不多于一个像素范围，边角内不少于2-3个像素范围。在该例子中，考虑到微显示图像设备中的像素大小和投影到远距离显示面所产生的放大率，显示面20上的一个像素范围是大约1mm。整个透镜的失真小于显示面20的屏幕大小的1％。为了较少丢失的像素和丢失的亮度(因关掉未覆盖显示屏的像素和因此而丢失其对整个亮度的作用而产生)，失真图(即图1C)最好是矩形的并准备地覆盖有效显示区域。此外，图1D的光点图最好能显示最小光点直径的增加(离显示屏中心较远处开始)并对称分布。最小化光点直径的增加意味着最小化点图像的散焦。

建立紧密的投影系统的另一个重要的设计目标是最小化投射比(有些设计者计算投射比时用图像的宽度代替对角线，因此指定正在使用的投射比的哪种定义是重要的)的同时实现好的图像质量。对投影机和显示屏物理地结合成一个功能单元的背投影系统如背投电视来说，最小化投射比是特别重要的。在该单元中，最小化投射比意味着更短的投射路径长度，可允许收容显示面和投影灯引擎的机壳有更小的深度。正投影系统中最小化投射比可实现用放置于离显示屏很近的位置处的投影机而投影大图像。

背投显示系统中机壳深度和机壳深度的减小可通过测量显示屏对角线与机壳深度的比率或DtoD比率来客观估算。现有的使用同轴投影的配置中，平面镜和失真校正光学装置的DtoD比率是大约2.5到3.5(例如，61”的对角线和19.5”的深度，或55”的对角线和18”的深度，等等)。

为了减小机壳深度，现有的方法将平面镜(用于折叠光路)和低失真宽视场(FOV)透镜相结合，该透镜用于减小投影路径长度，从而减小投射比。通过很好的调整光学几何学(透镜类型、焦距、反射角度)，图像失真可被最小化。现有的配置结构将一个折叠镜(或多个折叠镜)放在与投影光束同轴的位置。这种结构具有不产生梯形失真的优点，但是不能使机壳深度明显减小，或未能增加DtoD比率。

例如，图2A是现有的包括有投影灯引擎14、平面镜8、显示面20的投影系统6’的示意图。其为同轴投影系统的一个例子，其中平面镜建立一个折叠的光路，与显示面20成一个角度α。因而机壳深度为T。这一投影系统6’不产生梯形失真，如图2B的投影在显示面20上的图像I的示意图所示。

现有技术中减小机壳深度的主要方法是使用短射程宽角度的透镜和同轴光路。这种方法的缺陷是限制了深度的缩小，尽管未出现梯形失真，该方法还是需要设计和制造更优的光学器件。光学和几何学的约束使得其增加了枕形失真或桶形失真和梯形失真。现有系统的设计被最小化这些失真、实现需要的调制传递函数(MTF)、校正横向色差、满足透镜F值规范和达到性价比平衡的需求所大大限制。

为了提供高的对比率，现有的背投系统使用对从前面撞击显示屏的光线具有低反射比(使用吸光材料)的显示屏组合。为了提供高的亮度，这些显示屏组合对从背面撞击的光具有高的透射比。一般光线通过作为所述显示屏组合的一部分的菲涅耳透镜进行校准。菲涅耳透镜为对称循环结构(其光心位于物理中心，或投影光路的轴线上)，用于同轴投影系统。给定焦距的菲涅耳透镜可代替大量循环的具有相同焦距的双凸镜。这种菲涅耳透镜的直径至多是显示对角线的长度。这些菲涅耳透镜一般很薄，易弯曲，会随着内部温度的上升而膨胀。同轴投影系统的图像质量对菲涅耳透镜表面轮廓的中点位置(光轴附近)的变化不是非常敏感。遗憾的是，这些对称的菲涅耳透镜不能用于离轴背投系统。此外，在投影系统内菲涅耳透镜必须谨慎设计为具有高的DtoD比率，因为显示屏背面撞击的光线的入射角不同，显示屏上端附近的入射角最小，为20±5度，显示屏上端附近的入射角最大，为60±5度。因此，由于其对撞击光线的入射角的准直功能的敏感性，透镜表面必须保持非常精密。

发明内容

本发明提供一种使用背投透射屏和整体式菲涅耳准直透镜的紧致型背投影系统。本发明的另一个实施例提供一种紧致型正投影系统，放置在靠近反射屏的位置处。具体地，本发明涉及一种同轴图像投影系统和方法，以视觉上合适地几何学设计和最佳的图像质量在显示面上光学投影一幅图像，并减小光路长度和投射比。

所述投影系统包括图像处理单元、投影灯引擎和光反射装置。所述图像处理单元接收具有不同分辨率和宽高比的数字输入图像数据，并调整所述输入的图像数据为所述投影光引擎合适的宽高比和分辨率。所述图像处理单元还通过使用后面将会描述的逆变换对发送给光调制器的数字图像进行失真补偿，因而当图像调制光线切断整个光路时，所述光线将在这一光路上出现光学和几何学失真。也就是说，所述失真补偿使图像调制器处的每一个像素向相反方向足够远地移动，以至于所述光调制器和屏幕之间光路上的失真将每个像素移回其在屏幕上预定的位置。所述投影灯引擎接收来自所述图像处理单元的数字形式的失真补偿后的图像数据，该图像数据被翻译成使该光调制微显示设备(或多个设备)产生光的信号。所述光形成与所述失真补偿后的图像数据对应的光学图像。所述投影灯引擎可包括校正透镜，对因产生于投影几何结构和所述光反射装置的光束分散而产生的光点散焦进行补偿。可选择地，也可使用提供这种功能地普通投影透镜。

所述光反射装置位于失真补偿后的光学图像的光路内，将该光学图像反射到显示面的一特定区域。所述光反射装置包括至少一个用于控制反射到显示面的非球面镜。所述非球面镜在水平方向和垂直方向上均具有不同的曲率半径，以便在显示面上形成视觉上充分合适的图像。所述投影灯引擎和光反射装置被设计来最小化光学性反常，并对空间精确度进行折衷。所述图像处理单元可对所述投影灯引擎、光反射装置产生的空间失真的结合进行最后的校正，并改变投影几何结构内装配定位的旋转自由度的3个轴和平移自由度(上/下和左/右)的2个尺寸的错误。前后平移错误产生于焦点的改变，并且不能由所述图像处理单元校正。所述显示面被设计来接收具有不同的高入射角的光线，并将光线垂直反射或透射给所述显示面。

因此，本发明的一个方面提供一种在显示面上基于输入图像数据显示光学图像的离轴投影系统。所述投影系统包括：

(a)用于接收输入图像数据并产生失真补偿图像数据的图像处理单元；

(b)用于接收所述失真补偿图像数据并根据所述失真补偿图像数据投影失真补偿光学图像的投影灯引擎，与所述图像处理单元连接；

(c)与所述投影灯引擎连接的光反射装置，所述光反射装置包括至少一个曲面镜，所述曲面镜具有非球面旋转不对称几何结构且位于来自一投影透镜的所述失真补偿光学图像的光路内，用于生成在显示面上显示的减小失真后的光学图像；

其中所述图像处理单元对所述输入图像数据的数字值进行失真补偿，这样当所述失真补偿光学图像通过所述投影灯引擎投射并从所述光反射装置反射时，显示的光学图像内的与所述投影灯引擎和光反射装置有关的光学和几何学失真被充分地消除。

本发明的另一个方面提供一种在离轴投影系统的显示面基于输入图像数据显示光学图像的离轴投影方法。所述方法包括以下步骤：

(a)以数字格式接收输入图像数据并电子地产生失真补偿图像数据；

(b)提供与所述失真补偿数字图像数据对应的失真补偿光学图像；

(c)将所述失真补偿光学图像通过一光反射装置反射，生成用于在所述显示面投影的显示光学图像，所述装置包括至少一个曲面镜，所述曲面镜具有非球面旋转不对称几何结构且位于来自所述投影透镜的失真补偿光学图像的光路内，用于生成在所述显示面上显示的光学图像；

其中步骤(a)包括对所述输入图像数据进行失真补偿，这样当所述失真补偿光学图像从所述光反射装置反射时，显示的光学图像内的与所述投影系统有关的光学和几何学失真被充分地消除。

附图说明

为了更好地理解本发明，更清楚地说明本发明如何实施，以下将仅以举例的方式给出与本发明的最佳实施例有关的附图。

图1A是普通的八单元投影透镜的示意图；

图1B是图1A所示的投影透镜用于在屏幕上同轴投射图像的示意图；

图1C和图1D是说明图1B所示的直接投影系统中固有失真的失真和焦点分布示意图；

图2A是现有技术中同轴投影系统的示意图；

图2B是对应图2A所示的现有技术的投影系统的失真分布示意图；

图3A是可选择的(离轴)投影系统的示意图；

图3B是对应于图3A所示的可选择投影系统的失真分布示意图；

图4A是采用两平面镜折叠的背投影系统的示意图；

图4B和图4C是说明图4A所示的两平面镜折叠背投系统中图像失真和焦点大小的失真分布示意图和焦点示意图；

图5是本发明投影系统的方框图；

图6是图5所示的投影系统作为顺序使用一个小的非球面镜和一个校正透镜的双折背投系统的结构示意图；

图7A-7B是制作图6所示的小非球面镜的模型的侧面图；

图7C是图6所示的小非球面镜的镜面的示意图；

图8A-8C是图6所示的校正透镜的表面曲率示意图；

图9A是本发明的投影系统产生的失真补偿图像的示意图(下面的画面显示的是显示设备生成的图像，上面的画面显示的是在所述显示屏上显示的理想图像)；

图9B是从平面镜看显示设备生成的矩形矩阵图像的聚焦光点示意图；

图10A图6所示的双折背投系统单独使用小的非球面曲面镜的示意图；

图10B和图10C是说明与图10A所示的背投系统相关的图像失真和聚焦光点性能的示意图；

图11A和11B是说明与图6所示的背投系统相关的图像失真和聚焦光点性能的示意图；

图12是本发明使用三个反光镜适用于垂直投影设备的另一个实施例的示意图；

图13是本发明投影系统使用三个反光镜其中两个是曲面镜的另一个实施例的示意图；

图14A是本发明的投影系统使用一个大曲面镜的另一个实施例的示意图；

图14B、14C和图14D是说明图14A所示的离轴折叠背投系统中图像失真和聚焦光点性能的示意图；

图15A是使用单个平面镜的现有同轴投影系统的示意图；

图15B和图15C是说明图15A所示的投影系统的固有失真的失真和聚焦光点分布图；

图16A是本发明的投影系统使用单个、大的非球面曲面镜的另一实施例的示意图；

图16B和图16C是说明图16A所示的离轴投影系统的固有失真的失真和聚焦光点分布图；

图17A是本发明的投影系统使用单个、大的非球面曲面镜的另一实施例的示意图；

图17B和图17C是说明图17A所示的离轴投影系统的固有失真的失真和聚焦光点分布图；

图18A是本发明的投影系统使用包括一个菲涅耳镜代替大的非球面曲面镜的两镜结构的另一实施例的示意图；

图18B是图18A所示的实施例中使用的大曲面镜部分转换为菲涅耳镜的三维示意图；

图18C是不使用校正透镜时图18A所示的投影系统的失真分布示意图；

图18D是用于校正图18A所示的投影系统中菲涅耳镜失真和光束发散的可旋转的非球面非对称校正透镜表面的三维示意图；

图18E是当使用图18D所示的校正透镜而未进行任何电校正时图18A所示的投影系统的失真分布示意图；

图18F是可与图18A所示的菲涅耳镜一起使用的常用投影透镜的俯视图；

图18G是图18F所示的常用投影透镜的侧视图；

图19A是现有的向上30度离轴投影产生近似地梯形失真的投影系统的示意图；

图19B是说明图19A所示的投影系统中27％梯形失真的示意图；

图19C是在投影透镜和微显示器之间有一定移位的现有离轴投影灯引擎的示意图；

图19D是图19C所示的现有投影灯引擎用于30度离轴投影系统(注意：镜筒是水平的，但是该透镜仍以30度向上投影图像)的示意图；

图19E是使用图19C所示的“移位透镜”投影灯引擎校正梯形失真的图19D所示的现有离轴投影系统的失真示意图；

图20A是为利用现有的曲率最小化散焦而在投影透镜轴线上有一定倾斜的现有的投影灯引擎的示意图；

图20B是为消除光点散焦而用于现有的投影系统的沙姆普弗克(Scheimpflug)原理的(微显示器平面、透镜和显示屏均沿同一交线相交)示意图；

图21A是具有校正透镜功能的常用投影透镜的俯视图；

图21B是具有校正透镜功能的常用投影透镜的侧视图；

图21C是图21A-B所示的常用投影透镜的第三表面(非球面非对称的)的示意图；

图22是可用于本发明任何实施例中提供电子失真校正的图像处理单元的方框图。

具体实施方式

现在请参考图3A，减小机壳厚度T(图2A所示)的第一种尝试是减小角度α。相应地，投影系统6”(即离轴投影系统)具有与同轴投影系统6’相同的组件，只是平面镜8以与显示面20更小的夹角放置。这样便可达到预期的机壳厚度从厚度T减至厚度T’的效果。但是，这时所得图像具有梯形失真(如图3B所示)，其中离轴投影系统6”产生的图像I’相对原始图像I(如图2B所示)发生变形。该失真表现为图像I’下端在水平方向上收缩，图像I’上端在水平方向上拉伸。另外图像I’在垂直方向上也被拉伸。

现在请参考图4A。图4A是背投影系统21的示意图，为了减小机壳厚度该系统也使用光路折叠以使该系统适用于较小的机壳和离轴反射镜的布置。使用两个平面镜33和35的多路折叠能实现较薄的机壳尺寸同时仍能提供完整的投影光路长度。如图所示，投影的图像从第二级平面镜35反射到第一级平面镜33。第一级平面镜33再将投影图像反射到显示面20的背面以便观看者4在显示面20的另一边进行观看。然而，这种双平面镜背投系统配置结构仍然含有梯形失真。图4B示出了投影图像在显示屏下端的尺寸不足，在显示屏上端超过正常尺寸(即投影图像I1与显示屏的边长S1不一致)且严重变形。具体地，如图4B所示，这种背投结构具有65％的梯形失真。同样地，图4C示出了沿显示面20的上边缘光点直径(即散焦)大约为50mm(大大超出预期的2-3mm)。梯形失真可通过相对投影透镜5向下移动投影灯引擎14内的微显示器而减小，所述散焦可通过相对投影透镜5倾斜所述微显示器而减小。这些在图19-20中将有进一步详细的说明。

图5和图6举例说明了根据本发明所建立的投影系统10。投影系统10包括图像处理单元12、投影灯引擎14和光反射装置16，该光反射装置16将代表图像源18提供的输入图像的图像数据转换成失真补偿光图像并投影在显示面20上，这样显示的光图像是非失真图像。

图像源18可以是摄影机、个人计算机或任何其他能够产生要求的视频/图片格式(如YprPb、RGB、DVI等等)的图像的设备。

图像处理单元12接收来自图像源18的图像数据，并对该数据进行数字扭曲或失真补偿以补偿该投影系统10内的光学失真，从而显示在显示面20的图像是非失真的。图像处理单元12还校正显示的光学图像中不一致的亮度/灰度。图像处理单元12对提供给投影灯引擎14的数字图像数据运用电子校正，从而实现该数据的数字微调。图像处理单元12的具体处理步骤将进行更详细的讨论。

投影灯引擎14接收来自图像处理单元12的失真补偿数字图像数据，并生成对应的失真补偿光学图像。投影灯引擎14含有光发生单元22、微显示器24和投影光学器件26。光发生单元22(又称作照射子系统)包括多个组件(图未示)如光源(例如超高压弧光灯、RGB发光二极管或RGB激光器)、分色棱镜、抛物面反射镜、集成棒和/或集成器/准直仪。微显示器24可以是任何市场上有的基于光调制子系统(如1或3平板LCD，1、2或3平板DLP，1或3平板LCOS等，包括微显示器专用接口ASICs)并具有合适的色彩管理系统(即彩色转盘、偏振棱镜和颜色选择滤波器等等)的微显示器。微显示器24通过对依据图像处理单元12生成的失真补偿数字图像数据反射或透射的光线进行调制以生成光学图像。实际上，所述照射子系统产生一束一致地照射所述光调制微显示设备的光线，也可与色彩管理和/或偏振恢复组件一起配合而实现。为了将数字图像数据转换成光学图像，所述光调制微显示设备被放置于照射子系统的前面。投影光学器件26由投影和聚焦所述失真补偿图像的透镜组成。

投影光学器件26可由固定焦距的长距离投射透镜或短距离投射透镜或者不同焦距的变焦透镜组成。同样，投影光学器件26的投影角可以是正常视场或宽视场(FOV)。本发明不要求投影光学器件26没有任何失真，因为投影光学器件26内的任何失真和曲面镜均可通过数字图像处理进行校正。投影光学器件26还包括校正透镜49，其安装于投影透镜25上，从而位于投影透镜25和光反射装置16之间的失真补偿光学图像的光路上。校正透镜49的功能将进一步进行介绍。投影灯引擎14前沿部分用标号14a表示。如果投影光学器件26是下面将一步介绍的普通构造，则可以删去校正透镜49。

光反射装置16接收来自投影灯引擎14由失真补偿光学图像组成的光束并将之反射到显示面20上。图6所示是光反射装置的具体组成部分。如图所示，光反射装置16由一个非球面镜39、一个一级平面镜33组成。非球面镜39是非球面非对称(或旋转非对称的)曲面镜，与一级平面镜33一起用于折叠所述光路。这种反射镜是补偿严重性梯形失真(在高DtoD比率时出现的一种失真)最有效且最直接的方法，因为梯形失真本身是不对称的。在梯形失真中，图像的上端相对于图像的下端放大率不同。现有的方法受失真校正(以及因此而改进DtoD比率)数量的限制，这是因为现有的方法需要通过光学手段将所有的失真校正，因而仅仅使用微显示器偏移来校正梯形失真和对称镜/透镜。非球面镜39的主要目的是减少因离轴投影而产生的失真，并允许使用来自照射光源的所有可用微显示像素。非球面镜39还可以用于投影系统中结合微显示器移位一起来校正任何微显示器移位未能校正的左边过大的失真。如上所述，投影光学器件26的校正透镜49位于投影透镜25与非球面镜398之间的失真补偿光学图像的光路上，校正光束宽度发散并控制相关的散焦失真，以下将会再进行讨论。校正透镜49还可以是非球面曲线、可旋转的非对称透镜。

显示面20被设计成用于接收具有不同高入射角的光线并将光线垂直反射或透射给显示面20。正投影系统中显示面20产生反射，背投影系统中显示面20产生透射。现有的背投影系统中，使用菲涅耳透镜来接收以非垂直角度撞击显示面20的光线并改变光线的方向从显示面20面向观看者的平面射出，或者换句话说，用来校准光线。现有的背投影系统中，菲涅耳透镜的中心位于显示面的中心位置处，显示面上的入射角成放射状对称分布。

根据本发明设计的离轴背投系统，因为离轴投影几何学的原因，需要用菲涅耳透镜，还需要将撞击显示面的光入射角处理为不对称分布。这使得菲涅耳透镜的中心需要沿显示面的中心向下偏移，偏移的程序取决于系统的DtoD比率(离轴几何学使用的次数)。因而离轴投影系统中使用的菲涅耳透镜不是对称的。这些非对称菲涅耳透镜必须设计为对来自较大的锥形投影光的光线进行准直，包括离轴光路。实际上，在具有高DtoD比率的系统中，投影轴倾斜得更厉害，有更多的梯形失真需要调校正。这意味着更宽的锥形光从微显示器发射出来，显示面的底端和顶端之间的入射光角度更分散。该锥形光线的光轴必须通过菲涅耳透镜的中心，为了满足这一要求，菲涅耳透镜的中心需要更大程度的向下偏移。在极限离轴结构的投影系统中，菲涅耳透镜的光心必须完全移离显示屏。因而菲涅耳透镜的直径比显示屏对角线大得多，矩形片从其上切割下来与显示屏层压在一起。显然，如果仅仅一个可用菲涅耳透镜片能从大直径结构中获得，透镜的成本增高。在某些不对称菲涅耳透镜设计中，可从大直径完整的菲涅耳透镜上切割多于一个的可用透镜片，这样便可分摊加工用于制造菲涅耳透镜的模具的成本。

图7A-7C是图6所示的非球面镜39的曲面示意图。非球面镜39用于校正因投影系统10的离轴特性产生的梯形失真。非球面镜39基于从凹面反射的图像被收缩而从凸面反射的图像被拉伸的原理设计的。例如，如图3B中，显示面顶端的图像被水平拉伸，超出显示面的宽度。此外，显示面的底端的图像被水平收缩，小于显示面的宽度。上端具有凹入部分的镜子能收缩图像使之适合显示面；同样的镜子，如果下端具有凸起部分，能在显示面的底端拉伸图像使之适合。实际离轴投影结构应用中，最好将投影系统移近显示面，以便图像的顶部小于等于水平方向上显示面的宽度，从而调整镜面形状。这样有两点好处：减小投影距离(可减小折叠几何结构中的壳体厚度)；更容易加工的镜面，因为镜子只需要有凸面，代替了凹凸过渡。在减小投影长度方面，投影灯引擎的透镜是具有更宽角度的透镜，较难设计，并有更多的球面像差需要校正。因此，为了确定最佳结构，最好多试几种不同的投影长度、投影透镜和非球面镜曲面组合。

因此，本发明的球面镜39设计为具有横向轻微凸起上部以在显示面20的顶端产生轻微的横向放大效果(即投影路径被缩短)，具有横向的更凸起的下部以较大程度的横向放大显示面20的底端。非球面镜39还纵向凹入以补偿梯形失真的纵向的拉伸。因此，非球面镜39具有纵向凹面和从凸面到平面或较不凸的面变化的横向面。为了更清楚的说明，图7A示出了制作非球面镜39的模型的横向曲面，图7B示出了非球面镜39的纵向曲面，图7C示出了非球面镜39的曲面的透视图，水平方向上延伸进页面(即沿Y轴)，垂直方向从左向右延伸，曲面的高度(或厚度)用Z轴表示。镜子的实际有效面积比图7C所示的小，但是可用于观察描述非球面镜39表面的系数改变时的效果。非球面镜39的曲面的横向半径从顶端的较大的正值(低曲率)过渡到底端较小的正值(高曲率)。曲面的纵向半径用来校正因梯形失真产生的纵向缩放错误。

非球面镜39的整个形状通过最初的半径和最后的半径以及过渡率来确定，如前所述，无疑是旋转非对称的，尽管侧面以纵向轴对称。非球面镜39的具体表面通过权衡对应的投影透镜结构、由电子装置校正的期望的失真、期望的有效显示分辨率和壳体深度来选择。因此，可设计一个非球面镜，纵向凹入，横向曲面从上部的凹面变化成平面再到下部的凸面。例如，希望使用现有系统中相同的投影透镜的背投电视(RPTV)生产商需要校正器，由于现有投影透镜物理尺寸产生的限制，需要选择与其它希望设计新的投影透镜的背投电视生产商不同的对角线对深度比率(以及壳体深度)。另一个示例是使用平面镜的背投电视生产商将限制壳体的尺寸，并因此间接地限制了非球面镜39。

非球面镜39可部分或全部校正离轴投影系统中的梯形失真。这种系统中，平面镜不提供校正功能。梯形失真的减少通过使用非球面镜39的凸面部分放大图像(横向放大至较大或较小的程度)和凹面部分纵向收缩图像来实现。通过平滑的改变曲面的正负(凸起或凹入)和幅度，梯形失真转换成为不同程度的矩形失真。如果非球面镜39和校正透镜49被合适的设计，则图像处理单元12更容易维持显示面20边缘附近的像素的质量(即亮度和聚焦)。但是，球面镜39还会带来混合场曲率问题，也就是光点大小/焦点问题，其中图像的中心部分具有合理的MTF和焦点，而图像的边缘散焦，MTF也减少。

图8A-8C是图6所示的用于(同时相对投影透镜25移位和倾斜微显示装置24，反之亦然)减少投影透镜5投影到非球面镜39上的光束的散焦(即光束发散)的校正透镜49的曲面示意图。校正透镜49也是对应非球面镜39的非球面的曲面、非旋转地不对称透镜，设计成与投影系统10内的投影透镜5一起使用，如图6所示。图8A示出了校正透镜49横向的曲率，图8B示出了校正透镜49纵向的曲率，图8C示出了校正透镜39曲面的透视图，横向从左到右示出，纵向延伸至页面内(即沿Y轴)，曲面的高度用Z轴表示。校正透镜49的形状与非球面镜39的形状相似，也是旋转非对称的，侧面纵向对称。具体地，校正透镜49是横向凸起的曲面半径从一个较小值过渡到一个较大值，且纵向凹入的柱状透镜。但是校正透镜49更平(即在横向和纵向具有更大的曲面半径)。

校正透镜49由比非球面镜39更大半径的曲面构成，用于校正光束发散并补偿投影透镜5的特性。校正透镜49的使用还使在本发明的投影系统10中使用现有的投影透镜5(即进行改进)成为可能，使现有的投影透镜5符合最小的性能和尺寸标准(即透镜速度、MTF、适应小机壳的能力等)。将会进一步进行说明的用于该系统的现有的投影透镜可进行改进，以使其具有校正透镜的功能，从而消除对独立的校正透镜元件的需求，并确保符合需求。还需要清楚的是，图像处理单元12用于提供电子校正，对因投影透镜5、校正透镜49、球面透镜39、离轴投影几何学和安装误差所产生的所有未被校正的失真进行校正。因此，图像处理单元12为投影系统10中物理上的错误和误差提供了额外的自由度。

参考图6-8，以下将给出不同部件的典型尺寸。校正透镜49中，第一表面的垂度是4.58mm，第二表面是平的，至投影透镜最后一个透镜面的距离是11mm(中心线)。曲面镜39中，垂度是33.5mm，倾斜角是-46.4度，到投影透镜的最后一个校正透镜面的距离是201.7239mm(中心线)，X、Y坐标以mm为单位是：(295.528198，276.941671)，(141.557812，-87.435980)，(-141.557812，-87.435980)和(-295.528198，276.941671)。镜33中，倾斜角为+51.2度，到曲面镜39的距离是298.775mm(中心线)，X、Y坐标以mm为单位是：(713.058886，579.509103)，(611.018382，-235.682721)，(-611.018382，-235.682721)和(-713.058886，579.509103)。显示面20中，倾斜角是0度，到镜33的距离是384.2278mm(中心线)，大小是1480mm宽834mm高，对角线长1702mm。

现在请参考图9B，示出的是平面镜33上的图像的聚焦光点图。该图像是5×7点矩阵的矩形，由微显示设备24生成，被投影灯引擎14通过校正透镜39和非球面镜49投射至该平面镜33。增加非球面镜39底端附近曲面的凸起程度将导致图9B下端附近的光点散开，增加非球面镜39顶端附近曲面的凹入程度将导致图9B上端附近的光点压缩。需要注意的是，图9B所示的聚焦光点是尚未经过任何电子校正的。

非球面镜39的曲面试图校正梯形失真，并且如平面镜33上所看到的，失真的减少得到改善。该聚焦光点图显示图像边缘附近的光点仍有轻微的梯形和散焦影响。这些轻微的梯形失真可通过将显示面20放置在离平面镜33一定的距离处来校正。但是，如果显示面20放置在离平面镜33较大距离的位置处，则会出现反相失真并增加散焦。然而，另一种校正该轻微梯形影响的方法是通过以下将要介绍的电子装置来校正。

现在请参考图5、6和9A，图像处理单元12用于对输入的数字图像执行失真补偿，通过这种方法显示的光学图像是非失真的。

具体地，图9A是因经曲面镜如非球面镜39反射的理想图像44的失真图像40的示例。非球面镜39校正梯形失真后，还有一些残留的失真需要被校正。图9A中还示出了失真补偿图像42，当被曲面镜反射后，将校正或补偿因曲面镜产生的失真并产生理想图像44投射在显示面20上。也就是说，当失真补偿图像42经过曲面镜反射后，理想图像44将投射在显示面20上。具体地，如果没有任何校正，理想图像ABCD将如图所示的曲线的不规则四边形EFGH显示在显示面20上。通过反向补偿该图像，如图所示的不规则四边形IJKL，最终显示的图像与显示屏/理想图像ABCD相匹配，因而未失真。

因此，投影系统10使用图像处理单元12依据几何转换，即对投影灯引擎14和相关的反射(镜)光(图中未示出)产生的几何失真(图中未示出)进行反向，对输入图像进行失真补偿。如果投影系统10中的全部失真(因透镜/反射镜而产生)用变换F表示，然后图像根据F^-1进行失真补偿，则出现以下关系：

显示的图像＝F(F^-1(输入图像))＝输入图像

因此，图像处理单元12本质上使系统不受未失真显示图像的需求的限制。数字失真校正的能力意味着光学几何结构和光学元件(如角度、发射镜和透镜的类型、曲面镜是否是旋转不对称的等等)根据具体设计目的的不同可不同。没有图像处理单元12提供的几何校正，将会因不同光学处理步骤而在显示图像内产生失真。图像处理单元12执行的失真补偿实际上是对输入图像进行再取样/滤波。该图像的像素根据F^-1进行再取样，F^-1给出像素位置经历的几何变换。该变换F^-1可从不同光学元件的空间转换特性中确定。具体的图像处理单元将确定具体的F^-1的形式(例如，根据二维表面、一维多项式等等)。

图像处理单元12还用于校正不一致的亮度和光照度。显示面20上显示的图像可能因投影灯引擎(如光发生单元、透镜晕映等)或因光路的特性而具有不同的亮度。具体地，考虑到包括反射和校正透镜的折射的整个光路，照射在显示面20上的点或区域由来自投影透镜的穿过不同距离的光线照射。由于落在显示图像的一个点或区域的光线强度不同，与光线传播的距离的平方成反比，这就使得显示图像内的亮度不同。离轴投影系统中，撞击显示屏上端和显示屏下端的光线传播的光路长度更加明显的不同，因此离轴投影系统中亮度差别比同轴投影系统中的更大。

图像处理单元12用于投影前预调整像素亮度，以便最终显示的图像具有一致的亮度。像素亮度依据预定图在色彩空间内进行预调整，该图称为G^-1，类似于F^-1，提供显示面20上像素的位置。该图只能在色彩空间内使用，无需额外的滤波(即仅仅调整像素的色值，不调整像素的位置)。像F^-1一样，G^-1可从不同光学元件和光路转换特性的亮度/光度来确定。图像处理单元12对每个像素的色值执行G^-1。一个简单的例子可通过线性方程式给出：G^-1(O)＝αO+β，其中O是RGB色值，功能参数α和β对每个像素来都是常数。投影系统10的电子校正为光学透镜提供了更灵活的选择，因为任何相关的失真都通过预变形而不是符合透镜的光学特性被消除。特别是可以使用宽角度的透镜，该透镜可投射相同大小的图像，而只需要较短的投影距离，因此提供了另一种减小投射比的变化。注意聚焦问题(与几何学的问题相反)不同通过几何失真补偿进行校正，仍然需要通过透镜的合适选择从光学上解决。

如果没有图像处理单元12的电子几何校正，投影系统10必须设计为确保整个图像失真是可接受的。因为曲面镜、离轴投影(梯形效果)和宽角透镜的失真效果，这种设计限制是有问题的。本发明使用电子校正使得投影系统的设计限制中的几何失真(以及亮度不一致)被消除，现有的这些限制被自由设计代替。因此，为了改进其他失常可自由的修改光路的图像失真。进一步地，对输入信号的电子校正(通过失真补偿)可用来补偿这一点，这样未失真的图像便可以生成于显示屏上。

需要注意的是，通过提供三个独立的图像处理单元，每个单元作用于一特定的光通带，例如R、G、B，每个通带的失真补偿特性可个别地调整。其允许对因光学效应而产生的侧边色彩偏移或色差等问题的校正，光学效应例如折射率，不同波长的光线具有不同的值。为了利用这一技术，需要提供一个装置将光源的通带分离(例如色通带滤波器)，以便光调制器进行与被其调制的光的单独通带同步的具体补偿处理。场序制或三面并行光调制方案均可用于该方法。色空间内使用多于三种颜色的方案可进行类似的处理。这种方法权衡电子成本、光学成本和校正成本，提供日益增加的成本效益，因为处理成本在不断下降，而光学成本和劳动成本(参与校正的)在不断增加。如果还对每个通带进行光照度补偿，则照射源(例如，使用超高压气体和小电弧的高强度放电灯)的频谱特性可被调整为具有更多想要的特性(例如，更一致而不是出现峰值)。

使用曲面镜反射仍然会使显示的图像根据减小的梯形效果和枕形/桶形效果的结合产生失真。因此，简单的通过光学元件的选择布置很难补偿这些类型的失真。利用投影系统10的电子几何校正，这些失真可以被消除。再参考图9A，所示是因曲面反射而产生的变形的屏幕图像40和对应的用于校正几何失真的失真补偿图像42的示例。但是，光反射装置16内使用曲面镜的好处是梯形失真可以被减少，同时保留了微显示器内大部分或全部有效像素的使用。

现在请再参考图5和图6，图像源18提供给图像处理单元数字输入图像数据，然后由图像处理单元12进行处理直至产生合适的失真补偿图像。然后该失真补偿数字图像被提供给投影灯引擎14进行光调制，然后由位置P处的投影透镜5投影给光反射装置16。该失真补偿光学图像在透镜内(来自球面像差或类似的如透镜偏移和/或倾斜，如前所述)失真，然后被非球面镜39第一次反射，但是来自离轴角的梯形失真完全填满该图像，来自曲面反射的失真对图像执行最后的校正，这样当图像通过光反射装置16的一级平面镜33反射到显示面20上供观看者浏览时，该图像看起来未失真。

投影灯引擎14接收来自图像处理单元12的失真补偿数字图像，生成调制光束然后通过非球面镜39引入的用于减少散焦的校正透镜49。校正透镜49校正因投影透镜5和非球面镜39的特性而产生的光束宽度的发散。一旦该投影图像通过校正透镜49，其撞击非球面镜39并被其反射。然后反射图像撞击一级平面镜33(从A到B)，由其将失真补偿图像反射在显示面20上(从E到F)。由于非球面镜39从较凸的柱面逐渐变化为较不凸的柱面，提供给一级平面镜33的投影图像因梯形失真而部分被校正，也就是说，显示面上端和显示面下端的横向缩放比例不同。此外，非球面镜39的纵向凹面部分地校正了图像因梯形失真而出现的纵向拉伸。非球面镜39的局部失真校正不是问题，因为图像处理单元12提供电子校正对残留的失真和任何未进行的校正进行补偿。这一点与现有技术中的系统未使用电子装置校正正好相反。相反地，现有技术使用精密的光学的、机械的和热学的技术来保证在最初的装配时进行定位校正，并在机构变化和温度变化的情况下继续进行校准。

一级平面镜33上的四个点和其定义的不规则四边形以一种方式被反射，以便显示屏上该不规则四边形(因为经过曲面反射现在是弯曲的)包括的区域完全保卫整个显示面20的屏幕(如图9A所示，不规则四边形EFGH完全包围屏幕ABCD)。这样便可保证在经过图像处理单元12电子校正后，显示的图像准确的覆盖显示面20的矩形屏幕。

另一种方法是设计投影灯引擎14的光调制显示设备具有符合预定失真单独形状的像素，维持光线穿过整个光路后在显示屏上的整个分辨率。该形状使得撞击微显示设备的光束被调制后，该光束通过投影透镜，从曲面镜反射，然后以合适的长宽比打在显示面上，覆盖显示面的整个矩形区域。为了最佳地使用可用光线，撞击微显示器的光束可定形为符合微显示器的形状。例如，其可以通过使用与微显示器形状相似的全部内反射集成杆来实现。

处于解释的目的，本发明投影系统10内的校正透镜49的重要性可通过投影系统10和类似的投影系统100(两系统均使用现有的投影透镜)的性能比较看出来，投影系统100的唯一区别是缺少校正透镜49。投影系统100如图10A所示，不同的性能结果如图10B和10C所示。很明显可以看出，没有使用校正透镜49，失真分布图(图10B)显示出相对合理的梯形失真(因使用非球面镜39而产生)，图10C显示散焦严重。特别是图10C示出显示面20中心位置处的聚焦光点大约为5mm(5个像素的跨度)，显示面20周边边缘处的光点约为30mm(30个像素的跨度)。显示面周边边缘处的聚焦光点的大小超出了20mm，不符合典型的投影系统的聚焦光点尺寸要求。这种情况下，投影透镜可设计为含有校正透镜49的功能。图10B和10C中未使用电子校正。

相反，如图11A和11B所示，引入校正透镜49放置在投影透镜5的前面时，投影系统10的性能明显好很多。具体从图11B可看出，根据可接受性能的要求，整个投影显示区域的聚焦光点都小于4mm(4个像素的跨度)。实际上，聚焦光点的大小在2mm到5mm的范围内。但是需要注意的是，如图11A所示，少量的附加梯形失真被校正透镜49再次引入。这一少量的失真可通过另一种重度设计减少。非球面镜39的表面可为校正透镜49的出现再优化，校正透镜49也可使用非球面镜39的新的迭代方法再优化。图11A和图11B中未使用电子校正。

可选地，如果投影灯引擎的投影透镜设计为如前所述的与非球面透镜39一致，则校正透镜49不是必需的。这通过将校正透镜49的表面应用到投影灯引擎已有的一个透镜上来实现。最佳的选择是现有的塑胶非球面透镜元件。这种方法本身不是最佳的解决方案，但是其为期望表面给出了很好的第一位近似值。进一步的优化能生产定制的投影透镜，比将现有的透镜与校正透镜结合的组合更好。

现在请参考图12，图12所示是结合三个反射镜的可选择投影系统200的示意图，包括系统10的一级平面镜33和非球面镜39，还包括一附加的二级平面镜202。非球面镜39和二级镜202都是小反射镜。投影系统200实现了投影灯引擎14更垂直的布置，调换出一个额外高度，使投影灯引擎14或投影透镜5在容置投影系统的机壳内安装更灵活，减小了机壳深度。某些设计中，投影灯引擎14水平放置，具有镜子90度旋转图像以获得布置的灵活性。这种设计中，图像也需要数字的预旋转90度。这是因为光调制器(例如一个数字微反射装置或一个LCOS板或一个LCD板)一般制成4∶3或16∶9的长宽比，即制成矩形长宽比。当使用一个镜子90度旋转光束时，为了充分使用微显示器的整个区域，发送给光调制器的图像也应该被旋转。

在一个可选实施例中，依据本发明的一个投影系统包括一个大平面镜和两个曲面镜，其中一个曲面镜是单曲面部分，可由例如塑胶圆柱的一部分制成，绕心轴将其弯曲并涂上铝喷层使其具有合适的反射性能。另一个曲面镜是一个较小的非球面镜，执行梯形校正的余下部分。现在请参考图13，图13所示是投影系统300的示意图，该系统包括具有校正透镜49的透镜灯引擎14、曲面镜302和304、一级大平面镜33、显示面20和图像处理单元12(图中未示出)。图像处理单元12的使用使得可使用不是很贵的镜子来作曲面镜302和304。光反射装置包括三个镜子，其中的两个是曲面镜，另外，该投影系统300还包括有投影系统10的其他系统部件(如图5所示)。

曲面镜302是非球面镜，与图12所示的非球面镜39相似，但是尺寸较小。曲面镜302的曲率和非球面镜39纵向上相似。因此，曲面镜302也是非球面的。但是，镜302的上端和下端都具有较小的横向凸起。这是因为曲面镜304的曲面产生的附加光线扩张的原因，该曲面镜304是单曲面镜。曲面镜304的曲率可由锥形体的一部分来定义，镜304的底端附近具有较多的曲率，而上端附近具有较少的曲率。可选择地，曲面镜304还可在纵向上具有一些曲率。

使用两个曲面镜是有好处的，因为非球面镜39校正梯形失真需要的总的曲面现在可以分离并由两个较小的曲面镜来提供。较小的非球面镜能更经济地制造出来，因为较小地非球面镜需要的加工时间较少，且制造该非球面镜的模具可通过塑胶注射工艺大量生产。因此，两个曲面镜的制造相对制造一个更复杂的非球面镜的成本更经济。现代的光学设计工具允许模拟该两个曲面镜302和304的各种不同构造。因此，曲面的最终选择取决于制造成本的折衷。

本发明前述的实施例已经示出了小曲面镜的使用。根据本发明离轴投影系统的另一个可选择的实施例使用单个大曲面镜。该大曲面镜的一般形状与小曲面镜相似。但是，小曲面镜的曲面半径比该大曲面镜的曲面半径小。该大曲面镜一般具有与显示面相同的纵向尺寸，该曲面镜上端附近的横向尺寸与显示面的相同，下端附近的横向尺寸比显示面的稍微小一些。该大曲面镜将是离显示面最近的反射镜，如果该结构中还有一个镜子，其将是靠近投影灯引擎位置处的一折叠镜。该折叠镜越小其离投影灯引擎越近。使用大曲面镜的该实施例的一个优点是曲面镜离显示面较近，能更好的控制散焦，因为经该曲面散射的光线在撞击显示面之间穿越的光路更短。

现在参考图14，图14所示是具有投影灯引擎14、单个曲面镜402和显示面20的投影系统300的示意图。单个曲面镜402大约与显示面的尺寸相同。投影系统402包括有投影系统10(如图5所示)相同的部件。但是，光反射装置仅仅包括单个曲面镜402。如前所述，一个常用的投影透镜设计在该应用中校正该单个曲面镜402的光束发散散焦。如以前，该离轴投影系统以及由透镜、设计的镜面和图像处理实现的失真校正使得机壳厚度减小。因为散焦可通过一大的曲面镜更好的控制，因而可使用更严格的离轴几何结构，增加对DtoD比率以及机壳厚度的改进。

单个大曲面镜402的表面与小曲面镜方案中使用的相似，也就是说，单个大曲面镜402的表面是非球面旋转的不对称的，侧面对称。该单个大曲面镜402垂直方向上具有凹面。因此，曲面镜402在垂直方向上轻微收缩图像，以补偿纵向的离轴扩散。单个曲面镜402引入的失真由投影透镜/校正透镜和图像处理单元12(图未示)的组合进行处理。如果没有使用校正透镜，则需要使用一定制的投影透镜(图未示)。该定制的透镜是多单元透镜系统，还提供校正透镜的功能。为了减轻一些失真和需要的散焦控制，该定制的投影透镜还包括移位和倾斜技术。

现在请参考图14B-14D，所示为图14A所示的投影系统400的失真和聚焦光点图。图14B示出了大曲面镜执行的失真校正，该大曲面镜非常好，几乎充分使用了全部可用像素。图14C示出了没有校正透镜情况下的聚焦光点图，图14D示出了有校正透镜情况下的聚焦光点图。因此，投影系统400具有60英寸对角线的显示屏，机壳的厚度是11英寸。镜402的垂度是40mm或大约1.5英寸。如果将图14B和14D与图1C和1D中所示的现有同轴系统相比较，可以看出，大曲面镜技术可几乎不需要任何图像处理来校正使用现有透镜进行校正后残留的失真便可产生较好的图像质量。这也意味着通过使用更高级的定制透镜设计与其他技术如倾斜、偏移和图像处理，可实现DtoD比率和机壳深度的更进一步减小。在图14B-D中未使用电子校正。

以下将进一步解释如何运用日益复杂的技术来实现更好地DtoD比率。参考图15A，所示是现有技术中的同轴投影系统500的一个示例的一部分，包括投影灯引擎14、单个平面镜502和显示面20。该系统具有90度的屏幕投影角。图15B和15C所示分别是失真和聚焦光点图。投影系统500未增加明显的失真或散焦。机壳厚度T1大约为19英寸，屏幕对角线是67英寸，DtoD比率是3.52。聚光焦点均在0.5mm到1.5mm之间。图15A-B中未使用电子校正。

现在请参考图16A，所示是根据本发明的离轴投影系统600的一部分，包括投影灯引擎14、显示面20和单个曲面镜602。单个曲面镜602是非球面镜，与图7A-7C所示的非球面镜相似。曲面镜602的垂度大约为30mm(是垂直于镜602的中心点的平面与垂直于镜602边缘的平面之间的距离)。图16B和16C所示分别是失真和聚焦光点图。投影系统600填满了显示面的上端，但是下端没填满。机壳厚度T2大约是16英寸，对角线与前述一样是67英寸，DtoD比率是4.2。梯形失真通过单个曲面镜602被减少，但是还有一些残留的单个线条的“变形”，如图16B所示。通过单个曲面镜602失真减少了大约7％。5％的失真比(对应于5％的可用像素损失)是可接受的。7％的失真可由图像处理单元12处理，校正至小于1％，但是仍然会产生大约7％的有用像素损失。该失真也还可以通过进一步的优化得到改进。此外，该系统中未使用校正透镜，轻微的散焦通过将透镜灯引擎14的投影透镜倾斜大约0.2度来消除。图16C所示的产生的光点在0.5mm到1.5mm之间，与图15C所示的相同。图16B-C中未使用电子校正。

现在请参考图17A，所示是根据本发明的离轴投影系统700的一部分，包括投影灯引擎14、显示面20和单个曲面镜702。单个曲面镜702是非球面镜，垂度大约为70mm(如上所定义)。图17B和17C所示分别是失真和聚焦光点图。投影系统700具有梯形失真，未填满显示面的上端。机壳厚度T3大约是13英寸，对角线同样是67英寸，因而DtoD比率为5.15。投影系统700中，曲面镜702校正梯形失真并增加足够的放大率使图像填满显示面20。产生的失真大约是3％，可通过进一步优化和图像处理单元12得到改进。此外，该系统700中未使用校正透镜，轻微的散焦通过将透镜灯引擎14的投影透镜倾斜大约0.8度来消除。图17B-C中未使用电子校正。

图16A和17A所示的投影系统中，曲面镜602和702仍需要在垂直方向上具有凹面来校正因梯形失真产生的纵向扩张。但是，在这种情况下，曲面镜602和702水平方向上只需要有一个凸面来校正横向收缩，该收缩在显示面底端比显示面顶端收缩的更多。在这种情况下，投影透镜被设计来生成的图像在显示面上端的横向尺寸等于或稍小于期望的大小，这样曲面镜602和702上端的横向曲面只需要轻微的凸起。相应地，在显示面的底端，梯形失真使横向图像大小比预期的小得多，因而横向镜面曲率需要更凸出以提供更大的放大率。尽管如此，曲面镜602和702仍与非球面镜39一样执行相同的功能，具有相同的基本形状，因而是旋转非对称的。

校正透镜49，不管是分立的透镜还是复合透镜的一部分，不管是小的还是大的非球面旋转不对称镜，均执行相同的功能。因此，在每个情况中校正透镜49都具有相同的基本形状。一般，校正透镜49的形状与曲面非球面镜一致，因为校正透镜49正试图适当地调整(即减小光束发散并因此减小光点直径)射向非球面镜的光束的形状。一般非球面镜上端和下端明显的不对称，因而根据离轴几何学，校正透镜亦是如此。这就是为什么非球面镜和校正透镜旋转非对称的原因。

图15到图17所示的系统使用具有八单元投影透镜的投影灯引擎，具有f：5的12.3mm焦距的透镜和18mm对角线的微显示器。该微显示器的像素间距是12.27微米，大小是1280×720像素，或者像素间距8.17微米，大小是1920×1080像素。该投影灯引擎具有32.8度的射出锥角。所示的其他系统设计为具有八单元投影透镜的投影灯引擎，具有f：2.8的18.7mm焦距的透镜和0.9英寸的微显示器。该投影灯引擎具有31.7度的投影射出锥角。但是，本发明还可以使用其他类型的投影灯引擎。此外，所示的投影系统的侧视图是经过比例调整后的。所示的投影系统仅出于解释的目的，并不限制本发明。

背投系统还总是包括用于将投影图像的光线集中成光束以水平的从面向位于其前面的观看者的显示面(即显示屏)显示出来的装置。经常使用的是具有菲涅耳透镜的荧光屏部件，这是因为菲涅耳透镜是一种轻巧、相对便宜的装置，能准直从点光源(即来自投影器5内)投影来的大量光束。进一步地，光线的空间分布集中在菲涅耳透镜的中心部分。为了更好地在投影系统10中使用菲涅耳透镜，菲涅耳透镜的焦距应该与到点光源(具体是光调制微显示设备的表面)的距离一致。菲涅耳透镜用于旋转和校准带有已以一定角度到达显示面20背面的接近完美的图像的光线。形成光学图像的光线以不同的角度撞击在菲涅耳透镜上，该角度取决于其在显示面上的位置。为了将光线以垂直于显示屏的出射角射出，菲涅耳透镜必须将光线旋转一个适合的角度(垂直方向和水平方向)。如前所示，菲涅耳透镜的中心将从显示面的中心向下偏移一定距离，偏移的程度取决于投影系统(即使用的离轴几何学的数量)的DtoD比率。

在一种可选择的配置结构中，各种实施例中的非球面镜可以是菲涅耳反射镜。菲涅耳反射镜具有一系列的同心槽，成型为轻薄的塑胶薄片表面，代替现有镜子的曲面。该同心槽用作单个的反射面，从截面图看像微小的棱镜，反射近似平行的光线到最初的厚曲面镜表面。该菲涅耳反射镜可通过在模具上切割相同节距的圆槽来制成，代替非球面曲面镜的曲率。用该模具制成菲涅耳结构后，对该结构的表面金属处理使其具有前表面镜(FSM)涂覆层。该菲涅耳非球面镜通过消除曲面镜的垂度可将投影系统的机壳深度减小一英寸或两英寸。在一个实施例中，通过在60英寸对角线8英寸厚的系统中用菲涅耳镜代替曲面镜，可实现节省1.5英寸的厚度，并能实现9:1(即60英寸的对角线和6.5英寸的厚度)的DtoD比率。这不是普通的替换，因为菲涅耳镜必须由非对称镜制造，厚度的轻微减小将带来投射比的轻微改变。但是，开发菲涅耳镜方案的目的就是为了减小机壳厚度。菲涅耳非球面镜的大小与其所替代的曲面镜相同，但是要薄很多。该菲涅耳镜还如非球面不对称曲面镜一样可减小梯形失真，因为菲涅耳镜的微小反射槽提供了与非球面不对称曲面镜表面曲率类似的效果。但是，菲涅耳镜减小梯形失真的性能没有非球面不对称曲面镜的好(这种情况下图像处理单元需要提供更多的失真校正)。

在一示例中，该菲涅耳镜可具有0.1mm的槽间间距，用天然钻石工具切割该槽，每个半径上有5个连续的切口。该工具使用具有一定角度的尖头切割，该模具由黄铜制成，带有特定液体用于淹没切割区域和冷却，并移除加工出来的物质，这些都是本领域的普通技术人员已知的。为了再现其代替的曲面旋转不对称镜的性能，该菲涅耳非球面镜最好是不对称的。但是，现有的生产技术限制了车床加工的菲涅耳模具结构只能是旋转对称的。对称菲涅耳镜的使用意味着投影透镜和图像处理单元12需要承担更多的失真校正和减小聚焦光点的任务。

现在请参考图18A，所示是根据本发明另一个实施例的投影系统750，使用菲涅耳镜752代替非球面曲面镜。投影系统750进一步包括可以是平面或曲面的镜754、投影灯引擎756、显示面20和图像处理单元(图中未示出)。菲涅耳镜752的模具可通过现有技术制造，因其设计为通过车床加工，也就是说，菲涅耳镜用来代替旋转对称非球面镜。现有的紫外线固化聚合物技术可用来利用该模具生产塑胶薄膜，该塑胶膜上含有代表非球面镜光学特定的槽。该薄膜需要安装在一个刚性基体上(例如其可以是现有技术中的玻璃)。为了获得镜面，还需要一种方法将该薄膜有槽一侧处理成反射面，这是本领域的普通技术人员熟知的。整个菲涅耳镜制成后，从该整个菲涅耳镜的中心切割一个四边形小片作为菲涅耳镜752。图18B所示是位于从整个菲涅耳镜上切割下来的四边形菲涅耳镜片752下面的最初的曲面镜片形状的三维示意图。

现在请参考图18C，所示是显示投影系统750性能的失真分布图，其中未使用校正透镜，投影灯引擎756未设计有校正透镜功能。需要注意的是，因为菲涅耳镜752不具有本发明的非球面旋转不对称曲面镜的不对称特性，该菲涅耳镜752不能有效地校正梯形失真。但是，附加的校正透镜(其表面如图18D所示)使失真分布有明显的区别，如图18E所示。在这种情况下，校正透镜不限制为对称的(因为相比用车床加工，其更容易模具成型)，并在较少光点发散中充当重要角色。图18E所示的失真可使用数字图像处理改善至小于1％的可接受的水平。在该实施例中，对应的非球面对称镜片的垂度是45mm，通过用3mm厚的菲涅耳镜752来代替，机壳厚度减小至42mm。

图18F是可与菲涅耳镜752一起使用的常用投影透镜的俯视图。除了第二透镜元件762被改变外，投影透镜760与图21A-B所示的投影透镜相同，透镜元件762的非球面不对称表面如图18D所示。类似地，图18G所示是投影透镜760的侧视图。与图21所示的透镜相似，投影透镜760也在其设计中使用偏移和倾斜技术。透镜元件762结合了必须由非球面旋转对称菲涅耳镜处理的校正透镜的功能。该校正透镜的表面是非球面不对称的，是透镜元件762右侧的表面。校正透镜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，投影灯引擎内的投影透镜的倾斜和移位可用来校正非球面镜引入的失真。特别是，透镜移位或与投影透镜相关的微显示设备的移位，可加入本发明的任何离轴投影系统中以减少梯形失真。应该清楚的是，透镜移位只是校正离轴投影产生的梯形失真的一种技术，另一种改进DtoD比率的方法也可以实现。

根据图18，以下将给出各个部件的示例尺寸。镜754中，倾斜角是-19度，到投影透镜的最后一个透镜面的距离是65.087736mm(中心线)，X、Y轴坐标以mm为单位是：(68.766592，92.704316)，(51.292765，10.947695)，(-51.297133，10.949841)和(-68.765149，92.709893)。菲涅耳镜752中，垂度是46.34mm，倾斜角是+19度，到镜754的距离是353.0113(中心线)，X、Y轴坐标以mm为单位是：(333.965543，464.941499)，(252.931401，74.623281)，(-252.963970，74.640022)和(-333.957131，464.974787)。显示面20中，倾斜角是-19度，到镜752的距离是539.7357mm(中心线)，大小是1326mm宽747mm高，对角线长1524mm。

现在参考图19A，所示是现有技术中30度离轴投影系统780的示意图，该系统产生27％的梯形失真，如图19B所示。投影系统780未使用透镜偏移。图19C是现有的投影灯引擎800的投影透镜配置的示意图，采用了移位或偏移，意味着穿过微显示器/TIR棱镜装置802的光轴与投影透镜804本身的光轴的中线之间有偏移/移位。在该实施例中，如果投影灯引擎800是用于一同轴投影系统中，该移位量足以生成图19B所示的27％的梯形失真。但是，参考图19D，所示是现有的采用投影灯引擎800的30度离轴投影系统820的示意图。在该配置中，投影灯引擎800的移位量足以移除梯形失真(如图19E所示)。图19A-E均未示出本发明的各个部件，但是图19C-D所示的现有技术可应用于本发明的各实施例中以帮助减小机壳深度同时满足图像质量。

投影透镜移位使得投影透镜804的下半部分的大部分被使用，投影透镜804的上半部分的一部分未被使用，这是因为光线没有从投影透镜804的该部分穿过。但是，因为非球面镜的周边部分比中心部分产生更多的像差，该投影透镜必须设计为具有比未使用移位/偏移的透镜更大直径，这稍微增加了透镜的成本，但是能使用更多的近轴光线。如果投影系统的离轴角更大，失真比27％更多，则将有几个百分比额外的失真不能通过移位被校正。该额外的失真可通过图像处理单元12、曲面镜或两者的结合来处理。可选择地，如果投影系统的离轴几何结构具有较小的角度，失真将小于27％，投影透镜800将校正过度，将会出现一些反向失真(即显示面上图像的底端比顶端大)，这些失真可通过图像处理单元或改面镜面来校正。

数值27％只是给出的一个例子，投影系统中还可以使用其他的移位量来校正其他量值的失真。但是，能运用的移位量将产生昂贵的设计成本，因为运用的移位量越大，投影透镜入孔的有效面积不得不足够大以覆盖包围该移位的微显示器的圆周，并且该透镜需要由足够宽的角度设计以将图像投射到显示面上。需要注意的是，小量的移位通常用在桌面型前投影器内，以便投影图像被稍微向上离轴投射而没有失真，且不与桌面发生干涉。

透镜移位使得投影引擎的设计更复杂，但是使用的移位是有效的。与透镜移位最接近的是透镜倾斜。本领域的普通技术人员可知，使用这两种技术对高级投影灯引擎更有好处。然而这两种技术均可以单独使用。透镜倾斜一般用来校正因倾斜的聚焦平面产生的聚焦问题。到目前为止所示的实施例中还没有出现倾斜的聚焦平面(即微显示器和显示面平行)。但是，使用透镜移位后，因透镜的移位，图像会产生偏移(即如果使用50％的偏移，图像的底端将靠近投影透镜的中心)。由于任何透镜生长的图像都会有曲线区域，投影到显示面上的图像的上端比下端聚焦更靠近。一种微显示器、透镜和显示面全部沿同一直线相交的结构可以减少梯形失真。这便是沙姆普弗克原理，如图20B的正投影系统900的示意图所示。为了消除光点散焦，可将投影透镜倾斜以减少“场曲”效应。可选择地，显示面可向内倾斜，但是向外稍微倾斜投影透镜要更容易一些。

现在请参考图20A，所示是现有技术中投影灯引擎900的示意图，其中投影透镜902的轴线有一定的倾斜。这种倾斜可应用于本发明的任何投影系统中以减少场曲光点散焦的影响，改进系统性能并减小机壳厚度。该倾斜位于微显示器904的图像表面的平面和投影透镜902的孔径入口平面之间。在该实例中，倾斜总共为两个角度，一般为1度到2度的顺序，取决于投影灯引擎内是否有移位以及移位量。任何物理透镜出现的球形波阵面使得以焦距为半径的球面内出现最佳聚焦图像点。沙姆普弗克原理表明，如果图像平面、透镜平面和显示面全部沿同一直线相交，则聚焦光点最小。

现在参考图20B，具有内置微显示器倾斜的投影灯引擎900的结构符合沙姆普弗克条件。图中所示的“最好的聚焦平面”实际上最优的聚焦平面，因为最佳焦点总是位于球面上。该平面显示为与投影投降的曲率场相交。显示面需通过减小显示面平面与垂直于投影透镜主轴的平面之间的夹角来移动至与该平面一致。投影系统的其他部件如非球面镜等等为了图面清晰而未在图中示出，但是很明显这些部件是存在的。最佳焦点总是位于圆弧上，因而平面显示屏上总是会有聚焦问题。本发明的离轴投影系统中，具有内置倾斜的投影灯引擎900可用来减少聚焦问题。如果将显示面倾斜一些角度以与最优聚焦面(与最佳焦点的球形波阵面重叠)一致，则光点直径将得到改善。从概念上来讲，相对微显示器904向后倾斜投影透镜902更容易些，然后将投影灯引擎向前倾斜几度，这样便满足了沙姆普弗克原理。从机械上来讲，这需要通过仔细的设计透镜基座、正好倾斜的透镜镜筒的使用和/或离轴加工和/或特定的垫片/垫圈等等来实现。该倾斜的投影透镜900可应用于本发明的各种实施例中。这种概念可用于正投和背投两种投影系统中。

使用现有的投影透镜，并倾斜或移位该透镜与具有较小微显示器的灯引擎一起使用，比特制的投影透镜更有可能性。当然，如前所述，需要进行某些机械的改变。需要清楚的是，投影灯引擎可用于本发明的各个实施例中，可不进行透镜移位或倾斜，或者仅仅透镜移位，或者仅仅透镜倾斜，或者是移位与倾斜的结合。例如，微特定的光调制器设计的现有的投影透镜可通过应用移位和倾斜修改为与不同的较小的光调制器一起使用。例如，发明人将1.2英寸对角线的光调制器设计的商用透镜移位50％并倾斜小于1度，可用于0.8英寸对角线的光调制器。移位50％意味着微显示器的上边缘向下移至投影透镜的中心处，使得大部分的投影图像从该透镜的上半部分投射。这种情况下的图像质量足够好，不需要校正透镜，从而节省了常用透镜设计的成本。但是，这种设计需要对透镜灯引擎进行必要的修改，首先0.8英寸微显示器为离轴配置提供必要的移位和倾斜，然后为投影透镜的附加装置设计以不同的灯引擎。结果是具有60英寸对角线和8英寸机壳厚度的背投离轴系统使用0.8英寸的光调制微显示器。其可通过为具有60英寸对角线、20英寸机壳厚度、使用较大的(可能更贵)1.2英寸光调制微显示器的现有投影系统设计的投影透镜来实现。

如前面所提到的，安装在灯引擎上的定制投影透镜可用来本发明的各种实施例中以代替校正透镜49。定制的投影灯引擎可在其透镜壳体内包括校正透镜49。这种情况下，投影灯引擎的壳体更长，整个投影灯引擎更贵。可选地，该定制的投影灯引擎可包括普通透镜元件，具有非球面旋转不对称的曲率，用于部分或全部校正曲面非球面镜引入的失真。这种情况下，该定制的投影灯引擎更紧致。

可与一非球面曲面旋转不对称镜一起使用的普通透镜的示例如图21A-C所示。需要注意的是，该设计还可与非球面曲面旋转对称镜(为了用菲涅耳镜代替该镜)(图18F-G所示)一起使用，但是需要改变其中一个透镜元件的表面。现在请参考图21A和21B，所示分别是八单元普通透镜950的俯视图和侧视图。透镜950的各个元件从右开始分别是：具有凸面和凹面的第一单元952，具有不对称非球面凹面的第二单元954，具有双重透镜的第三单元956，双凸镜第四单元958，具有双重透镜的第五单元960，具有双重透镜的第六单元962，双凸镜第七单元964，平凸镜第八单元966。该设计中透镜移位和倾斜均有使用。图21B非常清楚的示出了移位，但是倾斜比较难看出。倾斜从透镜单元966开始。

图21C所示是用于常用投影透镜950的第二透镜单元954非球面旋转非对称表面的示意图。图21B所示的侧视图中显示该面与透镜单元952的第二表面之间有一些干涉，但是实际上干涉不会发生，因为透镜的下端部分并未使用(因为有移位)并且可以磨掉。投影透镜950可校正聚焦，能用于任何使用校正透镜的曲面镜系统。图18所示的投影透镜校正因只能使用对称表面而不能被菲涅耳镜完全处理的梯形失真。

现在参考图22，所示是本发明图像处理单元1000的一个示例的方框图。图像处理单元1000可与本发明的任何实施例中的光学元件集成以校正任何残留的梯形失真和其它空间失真。图像处理单元1000包括图像捕捉模块1002、图像处理模块1004、显示控制器模块1006、控制器1008和存储器接口模块1010，如图所示彼此连接。图像捕捉模块1002、图像处理模块1004和显示控制器模块1006均与用于存储和取回数据和参数的存储器接口模块1010连接。

原始图像数据由图像捕捉模块1002重新获取并进行数字化。然后数字化的图像数据被发送给图像处理模块1004通过亮度校正器级1012和图像变形级1014进行数字图像处理和梯形失真校正。图像处理模块1004从控制器模块1008中获取失真参数并生成图像转换，通过图像变形级1014对数字化图像数据进行失真补偿。然后该失真补偿数字化图像数据被传递给显示控制器模块1006，基于失真补偿图像数据调制光线并将该光线投射出投影灯引擎。当该光线通过大量光学元件传播到投影系统的显示面时，光学元件产生的失真使图像中出现的补偿性失真无效，最终显示是完全未失真的图像。

亮度校正器级1012用于校正不一致的亮度或光度。因此，亮度校正器级1012接收输入图像数据并生成亮度调整后图像数据。亮度校正器级1012应用一预定映射图来校正色空间内具体位置处的像素亮度，因为显示图像的一个点或区域的亮度与其穿越的距离的平方成反比，这使得显示图像内的亮度出现不同。图像映射图的各种等式均可以使用(前面已经给出了一个呈线性的例子)。

图像变形级1014用于校正因投影透镜5、校正透镜49、非球面镜39、离轴投影几何学和安装误差所产生的残留未校正的失真。图像变形级1014对输入图像进行转换以根据与投影灯引擎14和相关的反射(镜)光学元件(未示出)引入的几何失真(未示出)相反的几何转换对输入图像(例如图9A所示的图像)进行失真补偿。因此，图像变形级1014接收亮度调整后的图像数据并生成失真补偿图像数据。图像变形级1014实现了光学透镜更灵活的选择，因为任何相关的失真将通过预变形被消除，好过匹配投影灯引擎透镜的光学特性。图像变形级1014的一个具体实施例已在格雷根(Greggain)的美国专利US5594676中给出，该专利在此作为引用文件。

亮度校正器级1012和图像变形级1014能同等处理白光的所有波长成分。但是，该级也能根据R、G、B波长进行不同处理。这将产生更进一步的好处，即侧面色彩改变的校正和色差校正。如果色差和侧面色移能通过图像处理单元1000校正，则透镜的设计可大大简化，相应的节省制造成本。但是，电子成本将会增加，这是因为需要三个同样的图像处理引擎来代替图像处理单元的每个级中一个引擎。

亮度校正器级1012和图像变形级1014可通过软件模块或专门的处理电路如数字信号处理器或应用集成电路来实现。这些级在光路中的顺序可以互换。

使用时，首先整个失真参数空间的失真参数值的完整范围被图像处理单元1000获取。该失真参数值可通过用户接口获得，并能根据投影系统的各种几何学和光学配置离线确定。每一组失真参数值可表示图像变形级1014进行的一次失真补偿转换。然后准备好一失真图数据库，覆盖失真参数可能出现的值的整个空间。每次投影系统需要进行校准时，如制造时、运输后等等，都需要访问该数据库。然后对应投影系统的最终失真参数(即当投影系统安装后，失真参数不会有太多的改变，因为光学校准并没有改变)的一组失真参数值从该失真图数据库中提取出来。然后图像变形级1014使用最终失真图几何调整(即失真补偿)数字化输入图像数据。

总之，示出的本发明各实施例的不同性能图中并没有显示由图像处理单元12进行的校正。但是，需要清楚的是，当由图像处理单元12提供电子校正时，失真明显减少，其值等于或小于1％。

发明人发现，使用透镜倾斜、透镜偏移、投影透镜使用一个或多个非球面元件、至少一个曲面非球面反射镜和电子失真校正的各种不同结合的投影系统内，改善DtoD比率的同时可以保留可接受的图像质量。图像处理单元提供的电子失真校正可用作消除因设计或单个部件偏差和/或上述各部件组合的机械安装误差所产生的残留失真的额外自由度。

消费性背投电视中的DtoD比率的当前状态大约是3.2:1。专业背投系统(比消费产品贵3到5倍)中的DtoD比率的当前状态大约是6:1。例如，通过使用大曲面镜设计和简单的非球面投影透镜以及图像处理单元可实现5.5:1的DtoD比率。另一个例子是通过在前面的例子中增加微显示器偏移和倾斜并再优化定制透镜的表面可实现7.5:1的DtoD比率。消费性背投电视产品的其他实例包括：a)未对投影透镜使用倾斜或偏移且具有额外的校正透镜的小曲面镜、离轴投影系统(与图6所示的相似)的DtoD比率为6；b)未对投影透镜使用倾斜或偏移且具有额外的校正透镜的大曲面镜、离轴投影系统(与图16A所示的相似)的DtoD比率为7；c)对定制的投影透镜使用倾斜和偏移的大曲面镜离轴投影系统的DtoD比率为7.5；(可通过在图18A的结构中使用如图18F-G所示的透镜来实现)d)对定制的投影透镜使用倾斜和偏移的大菲涅耳镜离轴投影系统的DtoD比率为8.5(可通过在图16A的结构中使用如图21A-B所示的透镜来实现)。需要清楚的是，显示屏对角线和机壳厚度的具体值是不非常重要，只有比率非常重要。为了使投影灯引擎适合机壳的厚度，只要该最小机械尺寸符合，所有的部件都可以进行线性调整。

但是，使用这些技术时成本和性能会互相牵连。例如，使用透镜或微显示器偏移包括使用一较大的透镜光圈将增加成本。折衷点是较大的透镜/微显示器偏移可实现较多的梯形失真校正，但是因为需要较大的投影元件，投影透镜的成本增加。进一步地，当使用非球面旋转不对称透镜元件时，因制造注射成型的透镜元件的工具成本增加，导致整个成本增加。此外，制造非球面旋转不对称反射镜时，加工具有精确的光学表面的前面反射镜的成本增加(也会带来模具加工成本)。

如本申请中各种实施例所述，本发明可适用于1、2和3镜离轴投影系统，其中至少一个反射镜具有弯曲表面，或者一个反射镜与光束成离轴角放置，或者前述两种情况均存在。在上述所有情况中，一校正透镜或定制的投影透镜用来校正被曲面镜反射后的图像的失真。此外，需要一图像处理单元来校正任何残留的失真。进一步的，对该结构增加一个或多个平面镜可进一步实现垂直高度和机壳厚度的折衷。大量反射镜的使用还为投影系统内各部件的放置提供了额外的灵活性，并可减小机壳的厚度，但是弊端是安装校准更加困难。使用两个曲面镜可使反射镜制造更简化，但是再次使安装校准变复杂。菲涅耳镜的使用可代替大曲面镜，减小成本的同时进一步改善机壳厚度和DtoD比率。

根据本发明，设计具有至少一个曲面镜和图像处理单元的投影系统的典型设计过程包括以下步骤：

I)定义该投影系统的设计约束；

1)定义投影灯引擎的参数，如焦距、f#(即透镜直径与焦距的比率)等；

2)定义机壳厚度，反射镜数量(1、2或3)，以及哪个反射镜是曲面的，机壳结构(自立地、组合柜等等)，显示面的大小等等；

II)定义反射镜的初始配置：

3)使用至少一个反射镜建立投影灯引擎与该反射镜(如果使用一个曲面镜；如果使用多于一个的反射镜且其中一个是平面镜)之间的角度和距离；如果使用一菲涅耳镜代替一大曲面镜；

a)优化投影灯引擎和该反射镜之间的角度和距离以使梯形失真最小同时保持光学图像的投影路径清晰(即避免在光学图像上出现投射阴影；注意：投影路径将随曲面镜表面而改变)；

b)若投影灯引擎允许，调整投影透镜相对显示装置(反之亦然)的偏移和倾斜以最小化失真和光点拖尾/散焦(此步骤还可包括再优化步骤3a中提到的角度和距离)；

4)在光学模拟器内为曲面镜选择某一个初始配置、材料和起始尺寸(如Oslo^TM、Zemax^TM等等)；

III)优化曲面镜的表面轮廓并设计校正透镜；

5)建立一个优化误差函数(由模拟器提供的均方误差等)以最小化曲面镜产生的失真并优化曲面镜的表面轮廓以最小化该误差函数；

a)调整曲面镜厚度、曲率和倾斜所需的约束；

b)再模拟并再调整所需的约束；

c)检查光路冲突；

d)重复步骤5a到5c直至投影系统获得可接受的失真和聚焦光点直径；

6)对校正透镜(或定制的投影灯引擎内的透镜表面)的设计应用步骤4和5，同时优化校正透镜以提供最小的聚焦光点，并在防止过度失真的同时将校正透镜限制在机械要求内(即该校正透镜设计得比正常尺寸大一些，这是因定义校正透镜表面的数学函数形成期望的表面轮廓时的振动而产生的；校正透镜超出正常尺寸的部分未加工出来)；

7)再优化曲面镜以最小化校正透镜或定制投影透镜引入的任何失真(包括通过增加正的和/或负的曲率来轻微地调整曲面镜的轮廓，调整凹面曲率和凸面曲率的过渡比，等等)；

8)再优化校正透镜以最小化因曲面镜曲率变化而引入的任何聚焦光点直径的降级。

这一处理过程能快速生成逐渐减小的返回结果，如果为校正透镜和曲面镜选择了合适的初始轮廓，该方案可快速获得最优值。该轮廓可通过三阶多项式或五阶多项式逼近。使用双三次样条函数的插值法、余弦函数或类似的数学函数可用来设计反射镜的表面曲率。Excel电子制表软件或其他合适的计算机程序可用来计算这些近似值。

投影系统10通过使用特定结构的投影元件可提供接近不失真的光学图像投影。投影系统10结合一个具有固有失真的短投射光学系统，利用图像处理单元校正几何和其他光学失真以实现短投射距离。投影系统10使用非球面镜39、校正透镜49和电子校正来实现期望的短投射比以及可接受的失真水平。图像处理单元12执行对因投影灯引擎、光反射装置、投影几何学以及整个装置安装的三个旋转轴产生的全部残留失真的校对。图像处理单元12能处理梯形失真和桶形/枕形失真以及色散(因微显示器在X、Y或θ轴上的安装误差而产生)。具体地，图像处理单元12可为所有可见波长的光同等地提供随机调整(水平和垂直尺寸均可调整，并可在图像的不同区域)和线性上下调整，或者为几个期望的光通带中的每一个提供特定编程的随机调整。色度和光度的不一致也可通过图像处理单元12进行校正。透镜设计可被简化，这是因为透镜误差和失真，如普通的球面像差和侧面色偏移，可通过电子校正进行修正。由于图像处理单元12可消除任何残留失真，系统设计不再受最小光学失真约束的限制，还可应用数字化微调代替更复杂的光学装置。结合几个反射镜(平面的和/或非平面的)和/或投影灯引擎可获得各种结构变化。这种系统设计方法在正投影和背投影装置中都适用。

另一种可选方案中，可使用能调节梯形失真和其他残留失真的光调制微显示设备。该微显示设备由合适形状的像素组成，当调制光穿过包括一个投影透镜和一个或多个反射镜的离轴光路时，部分或全部的失真被校正，生成一校正图像投影在显示面上。若该微显示设备用于保守设计的离轴系统，其可在保守的DtoD系统中与一个平面镜一起使用，还可具有一个用于特定系统的曲面镜。这样的好处是光学和图像处理可被简化，但是会加重普通微显示设备的制造成本。制造该微显示设备存在的一个困难是蚀刻照相平版印刷品覆盖有彼此不成正确角度的线，因为微小几何结构中，“阶梯”或“锯齿状”在线结构中会很明显。幸运地是，制造该微显示设备所使用的几何结构很少像存储器或处理设备所需要的几何结构一样小。

需要注意的是，本申请中示出的各种实施例也适用紧致正投影系统。但是正投影系统的显示屏内不需要一个菲涅耳透镜。

对于本领域的普通技术人员来使，很明显对上述结构的各种修改和替换可能未脱离本发明权利要求定义的范围。

交叉引用的相关申请

本申请主张申请日为2003年1月8日，申请号为60/438,675的美国临时专利申请的优先权。

Claims (38)

1、一种在显示面上基于输入图像数据显示光学图像的离轴投影系统，包括：

用于接收输入图像数据并电子地生成失真补偿图像数据的图像处理单元；

用于接收所述失真补偿图像数据并根据所述失真补偿图像数据投影失真补偿光学图像的投影灯引擎，与所述图像处理单元连接；

与所述投影灯引擎连接的光反射装置，所述光反射装置包括至少一个曲面镜，所述曲面镜具有非球面旋转不对称几何结构并位于来自一个投影透镜的所述失真补偿光学图像的光路内，用于生成在显示面上显示的减小失真后的光学图像；

其中，所述图像处理单元对所述输入图像数据所表示的光学图像进行电子地失真补偿，这样当所述失真补偿光学图像通过所述投影灯引擎投射并从所述光反射装置反射时，显示的光学图像内的与所述投影灯引擎和光反射装置有关的光学和几何学失真被充分地消除。

2、如权利要求1所述的投影系统，其中所述曲面镜具有垂直方向的凹面和水平方向上从上部分表面变化程度的凹入或凸起曲率平滑过渡至下部分表面变化程度的凸起曲率，用于减少所述显示光学图像中的空间失真。

3、如权利要求2所述的投影系统，其中所述曲面镜上部分具有较小程度的水平凸起曲率，下部分具有较大程度的水平凸起曲率，用以减少所述显示光学图像中的空间失真。

4、如权利要求1所述的投影系统，进一步包括位于所述投影灯引擎和曲面镜之间失真补偿光学图像的光路内的校正透镜，所述校正透镜用以补偿因所述曲面镜产生的散焦。

5、如权利要求1所述的投影系统，其中所述投影灯引擎包括非球面旋转不对称透镜，用以补偿所述曲面镜产生的散焦。

6、如权利要求1所述的投影系统，其中所述图像处理单元被用来将所述输入图像数据调整至所述投影灯引擎的长宽比和分辨率。

7、如权利要求1所述的投影系统，其中所述投影灯引擎包括：

(i)生成光束的光发生器；

(ii)位于所述光发生器前面，用于显示失真补偿光学图像的显示设备；

(iii)位于所述显示设备前面，用于投射和聚焦所述失真补偿光学图像的投影光学元件。

8、如权利要求7所述的投影系统，其中所述投影光学元件包括投影透镜，其中所述投影透镜的光轴从所述显示设备的光轴偏移，用以相对于所述失真补偿光学图像路径的同轴方向调整来自所述光发生器的光束的位置，进一步补偿所述显示光学图像内的梯形失真和光点直径。

9、如权利要求7所述的投影系统，其中所述投影光学元件包括投影透镜，其中所述投影透镜的光轴相对于所述显示设备的光轴倾斜，用以相对于所述失真补偿光学图像路径的同轴方向调整来自所述光发生器的光束的位置，进一步减小光点直径并改善所述显示光学图像内的调制传递函数。

10、如权利要求7所述的投影系统，其中所述投影光学元件包括投影透镜，其中所述投影透镜的光轴相对于所述显示设备的光轴偏移并倾斜，用以相对于所述失真补偿光学图像路径的同轴方向调整来自所述光发生器的光束的位置，进一步补偿所述显示光学图像内的梯形失真和光点直径。

11、如权利要求7所述的投影系统，其中所述光发生器是照射子系统，所述显示设备是一基于光调制子系统的微显示器，所述光学组是透镜元件的组合装置。

12、如权利要求11所述的投影系统，其中所述微显示设备成形来补偿梯形失真或其他空间失真。

13、如权利要求1所述的投影系统，其中所述光反射装置还包括具有平面反射面的第一平面镜，放置在所述失真补偿光学图像的光路内。

14、如权利要求13所述的投影系统，进一步包括第二平面镜，这样所述失真补偿光学图像的光路撞击在所述第二平面镜的表面，反射至所述曲面镜，然后从所述曲面镜的表面反射到第一级平面镜的表面上，最终将光线引导至所述显示面上。

15、如权利要求13所述的投影系统，进一步包括第二曲面镜，这样所述失真补偿光学图像的光路传递至所述第二曲面镜的表面，从该曲面镜的表面反射，然后从所述第一级平面镜表面反射出去。

16、如权利要求1所述的投影系统，其中所述图像处理单元、投影灯引擎和光反射装置可应用在一背投影结构中。

17、如权利要求1所述的投影系统，其中所述曲面镜可由一菲涅耳镜替代。

18、如权利要求1所述的投影系统，其中所述图像处理单元包括：

i)调整所述输入图像数据的像素亮度以生成亮度调整后输入图像数据的亮度校正级；

ii)与所述亮度校正级连接的图像变形级，用于接收亮度调整后输入图像数据并生成失真补偿图像数据。

19、如权利要求18所述的投影系统，其中所述亮度校正级单个地处理所述亮度调整后输入图像数据内的不同频谱带通。

20、如权利要求18所述的投影系统，其中所述图像变形级单个地处理所述亮度调整后输入图像数据内的不同频谱带通。

21、一种在离轴投影系统的显示面基于输入图像数据显示光学图像的离轴投影方法，包括以下步骤：

(a)接收输入图像数据并电子地生成失真补偿图像数据；

(b)提供与所述失真补偿数字图像数据对应的失真补偿光学图像；

(c)将所述失真补偿光学图像通过一光反射装置反射，生成用于在所述显示面投影的显示光学图像，所述装置包括至少一个曲面镜，所述曲面镜具有非球面旋转不对称几何结构并位于来自所述投影透镜的失真补偿光学图像的光路内，用于生成在所述显示面上显示的光学图像；

其中步骤(a)包括对所述输入图像数据所代表的所述光学图像进行电子地失真补偿，这样当所述失真补偿光学图像从所述光反射装置反射时，显示的光学图像内的与所述投影系统有关的光学和几何学失真被充分地消除。

22、如权利要求21所述的投影方法，其中步骤(c)包括提供所述曲面镜具有垂直方向的凹面和水平方向上从上部分表面变化程度的凹入或凸起曲率平滑过渡至下部分表面变化程度的凸起曲率，用于减少所述显示光学图像中的空间失真。

23、如权利要求22所述的投影方法，其中所述曲面镜上部分具有较小程度的水平凸起曲率，下部分具有较大程度的水平凸起曲率，用以减少所述显示光学图像中的空间失真。

24、如权利要求21所述的投影方法，其中步骤(c)进一步包括引导所述失真补偿光学图像通过一个校正透镜，所述校正透镜位于所述失真补偿光学图像的光路内所述光反射装置的前面，所述校正透镜成形来补偿因步骤(c)中使用的所述曲面镜产生的散焦。

25、如权利要求21所述的投影方法，其中步骤(c)进一步包括引导所述失真补偿光学图像通过一个非球面旋转不对称透镜，所述透镜成形来补偿因所述曲面镜产生的散焦。

26、如权利要求21所述的投影方法，其中步骤(b)和步骤(c)进一步包括生成一个光束，放置一个显示设备以生成所述失真补偿光学图像，并投射和聚焦所述失真补偿光学图像。

27、如权利要求26所述的投影方法，其中步骤(b)和步骤(c)进一步包括相对于一个投影透镜的光轴偏移所述显示设备的光轴，从而进一步补偿所述显示光学图像中的梯形失真。

28、如权利要求26所述的投影方法，其中步骤(b)和步骤(c)进一步包括相对于投影透镜的光轴倾斜所述显示设备的光轴，从而减小散焦并改善所述显示光学图像中的调制传递函数。

29、如权利要求26所述的投影方法，其中步骤(b)和步骤(c)进一步包括相对于投影透镜的光轴偏移并倾斜所述显示设备的光轴，从而进一步补偿梯形失真，减小散焦并改善所述显示光学图像中的调制传递函数。

30、如权利要求26所述的投影方法，其中步骤(b)和步骤(c)进一步包括在所述显示设备的前面放置一个光发生器，在所述显示设备的后面放置一光反射装置，其中所述光发生器是一照射子系统，所述显示设备是一基于微显示的图像子系统，所述光反射装置是透镜元件的组合装置。

31、如权利要求21所述的投影方法，其中所述方法进一步包括在所述光反射装置内加入第一平面镜，所述第一平面镜具有平面反射面，放置在所述失真补偿光学图像的光路内。

32、如权利要求31所述的投影方法，其中步骤(c)进一步包括在所述光反射装置内增加第二平面镜，这样所述失真补偿光学图像的光路撞击在所述第二平面镜的表面，反射至所述曲面镜的表面上，然后反射到第一级平面镜的表面上。

33、如权利要求31所述的投影方法，其中步骤(c)进一步包括在所述光反射装置内增加第二曲面镜，这样所述失真补偿光学图像的光路撞击所述第二曲面镜的表面，反射到所述第一曲面镜的表面，然后反射到所述第一级平面镜的表面。

34、如权利要求21所述的投影方法，其中所述方法进一步包括将所述投影系统应用在一背投影结构中。

35、如权利要求21所述的投影方法，其中所述方法进一步包括使用一菲涅耳镜替代所述曲面镜。

36、如权利要求21所述的投影方法，其中步骤(c)包括：

i)调整所述输入图像数据的像素亮度以生成亮度调整后输入图像数据；

ii)对所述亮度调整后输入图像数据进行变形并生成失真补偿图像数据。

37、如权利要求36所述的投影方法，其中步骤(i)包括单个地处理所述输入图像数据内的不同频谱带通。

38、如权利要求36所述的投影方法，其中步骤(ii)包括单个地处理所述亮度调整后输入图像数据内的不同频谱带通。

Images