專利名稱：短投影距離的投影系統和方法
技術領域：
本發明涉及投影系統和方法，特別涉及短投影距離的投影系統和方法。
背景技術：
一般的投影系統可根據觀眾的位置和投影儀相對于屏幕的位置分為前投影裝置和背投影裝置。在前投影系統中，觀眾和投影儀在屏幕的相同一側，投影儀的圖像通過屏幕反射到觀眾。在背投影系統中，投影儀和觀眾處于屏幕的不同側，投影儀的圖像“穿透”屏幕到觀眾。
圖1示出現有技術的背投影系統21和現有技術的前投影系統23。如圖所示，可根據屏幕20將圖像投影儀25放置在不同位置。投射率定義為投影距離d除以屏幕對角線長度D，或者 在構造任何投影系統時的通常的設計目標是在不犧牲圖像質量的情況下使投射率最小化。如前所述，投射率定義為從最遠的光學元件(一般是投影儀)的屏幕開始的距離和投影圖像的大小(由圖像/屏幕對角線給出)的比值。對于背投影系統(其中投影儀和屏幕被物理連接成單個功能單元，例如背投影電視)而言，使投射率最小化尤為重要。在此單元中，使投射率最小化意味著容納屏幕和投影儀的機體具有更小的厚度。使前投影的投射率最小化提供了另一個重要的優點，諸如將投影儀放置在距離屏幕表面近的地方使放置更為簡便，并避免演講者和聽眾干擾光路。
為了降低投射率，現有技術方法結合了平面鏡、低扭曲以及廣視域(FOV)鏡頭以使光路(用作降低投影距離)交叉，降低投射距離，從而減小投射率。通過調整光學表面形狀(鏡頭類型、焦距、鏡角)，可以使圖像失真最小化。其缺點在于，所需光學元件很難設計并且制造昂貴，并且限制了光學元件的大小和放置。光學和幾何限制表現為枕形或桶形失真以及梯形失真。將失真最小化的需求極大地限制了現有系統的設計。
如Hiller等在專利號為6233024的美國專利中揭示的，近年來，曲面鏡和用來消除失真的計算電路得到了使用。然而，在美國專利6233024中揭示的發明僅限于優化背投影系統(由于使失真最小化)，并且雖然失真得以降低，但仍然存在。再者，鏡方位角限于一定范圍內并且限于單投影儀系統。最后，專利號為6233024的美國專利基于使用掃描激光束在屏幕上產生圖像的投影原理，其中計算電路控制光束的偏差和強度，這是一種笨重的和不靈活的方案，僅提供有限的數據調整。
當前基于CRT的投影系統在由水平和垂直反射電路所電子控制的光柵掃描格式中產生圖像。這些反射電路集成產生非線性反射控制信號的補償電路以為反射角間的非線性提供補償，從而顯示表面掃描區域。這種失真導致枕形失真圖像。一般地，可以調整此補償電路以補償投影系統中鏡頭失真或其他失真偏差。對于新一代采用固定點陣顯示的投影系統，特別是微型顯示器而言，不適合采用此補償方法。此外，采用微型顯示器的投影系統需要大約100倍的光學放大率以投射60-70英尺的圖像。由于運送和老化所帶來的誤差，這需要投影景片在制造和調整中，定位調整和校準具有高的允許誤差。
最后，任何廣角和偏軸投影系統所固有的是光學膜中光路的巨大變化。這和其他光學元件偏差(例如，光源、顯示設備、鏡頭等)會導致投影的圖像亮度和色度不均勻。同樣，光色反射的偏差會導致圖像色彩出現巨大偏差。

發明內容
本發明提供一種基于輸入圖像數據的在投影屏幕上顯示失真校正光學圖像的投影系統，包括(a)用于接收輸入圖像數據并產生預失真圖像數據的電子校正單元；(b)與電子校正單元相連、用于接收預失真圖像數據并提供與預失真圖像數據對應的預失真光學圖像的圖像投影儀；(c)一種包括至少一個平面鏡或曲面鏡的反射裝置，所述光學反射裝置定位在預失真光學圖像的光路上以產生投影到投影屏幕上的顯示的光學圖像；以及(d)所述電子校正單元用于使輸入圖像數據的幾何圖形預失真，從而當通過圖像投影儀提供并在光學反射裝置中反射基于所述預失真圖像數據的所述預失真光學圖像時，在顯示的光學圖像中消除與所述圖像投影儀和所述反射裝置相關聯的光學、幾何和校正失真。
本發明的另一方面提供一種基于輸入圖像數據在投影屏幕上顯示失真校正光學圖像的投影方法，包括(a)接收輸入圖像數據并產生預失真圖像數據；(b)通過圖像投影儀提供預失真光學圖像，所述預失真光學圖像對應于預失真圖像數據；(c)在包括至少一個平面鏡和曲面鏡的反射裝置中反射預失真光學圖像以為投影屏幕上的投影產生顯示的光學圖像；(d)其中(a)進一步包括預處理輸入圖像數據的幾何圖形，從而當通過圖像投影儀提供并在光學反射裝置中反射基于所述預失真圖像數據的所述預失真光學圖像時，在顯示的光學圖像中消除與圖像投影儀和反射裝置相關聯的光學、幾何和校正失真。
本發明實現了極短投影距離的投影并使用數字圖像處理電路以補償極寬角和非平面鏡所固有的線性二維失真。數字圖像處理電路也提供補償橫向色差、元件偏差以及系統校正產生的失真。光學地校正這些固有的二維失真一般是很困難和昂貴的。
以下將結合附圖闡述本發明的進一步方面和優點。


在附圖中圖1是現有技術的背投影系統和現有技術的前投影系統的示意圖；圖2是現有技術的背投影儀的示意圖，示出如何使用單平面鏡使光路交叉；圖3使現有技術的背投影儀的示意圖，示出如何使用兩個平面鏡使光路交叉；圖4是本發明投影系統的實例結構的框圖；圖5是從曲面鏡反射后的失真圖像的示意圖和校正失真的預失真圖像的實例的示意圖；圖6是圖4投影系統的另一個實例結構的側視圖，該投影系統為使用曲面鏡的單交叉背投影系統；圖7是圖4投影系統的另一個實例結構的側視圖，該投影系統為使用曲面鏡的單交叉前投影系統；
圖8是圖4投影系統的另一個實例結構的示意圖，該投影系統為使用凸面鏡的桌面前投影系統；圖9是圖4投影系統的另一個實例結構的示意圖，該投影系統為帶可伸縮反射光學部件的前投影系統；圖10A和圖10B是圖4投影系統的其他實例結構的示意圖，所述投影系統為使用凹和凸雙曲線/雙曲面鏡以使光路交叉；圖11是圖4投影系統的另一個實例結構的示意圖，該投影系統為依次使用凸面鏡和凹面鏡的雙交叉背投影系統；圖12是圖4投影系統的另一個實例結構的示意圖，示出來自單投影儀的光束是如何分為兩條光路，其中每半條光束分別用于投影半個屏幕；以及圖13是圖4投影系統的另一個實例結構的示意圖，示出通過連接兩臺投影系統如何使兩臺圖像投影儀形成一半圖像。
具體實施例方式
圖2和圖3示出一般的現有技術的具有理想交叉(fold)的背投影系統21和現有技術的使用光路交叉以降低投影距離d和相應投射率的背投影系統31。
圖2示出單交叉方案，其中通過使用平面鏡33將光路從投影儀25反射到屏幕20來實現圖像交叉。特別地，單交叉的事實是使投影儀可以放置在平面鏡33的前方，其具有和將投影儀25定位為投影儀25’相同的效果。這種方案導致投影距離的減少(即，距離d而非與非交叉方案相關聯的距離d’)。如圖所示，距離屏幕d/s(s＞1)的交叉將使投射率減少s。如果正確選擇鏡角和投影儀，顯示的圖像應該沒有任何的失真。所示的單交叉方案需要適當配置平面鏡33和投影儀25。特別地，如圖所示，如果平面鏡33表面和一般投影線N之間的夾角為α，那么應該將投影儀25定位在與一般投影線N夾角為π-2α的位置，從而由投影儀25投影的圖像以正確的角度到達平面鏡33。
如圖3所示，可通過使用兩個平面鏡33和35實現多交叉。同樣地，距離屏幕d/s(s＞1)的交叉將使投射率減少s。如果正確選擇鏡角和投影儀，顯示的圖像應該沒有任何的失真。所示的雙交叉方案需要適當配置平面鏡33、35和投影儀25。特別地，如圖所示，如果平面鏡33表面和一般投影線N之間的夾角為α2，并且將平面鏡35定位在和一般投影想N夾角為2α2-α1處，那么應該將投影儀25定位在與一般投影線N夾角為2α2-2α1處，從而由投影儀25投影的圖像以正確的角度到達平面鏡35，并且投影儀14能夠數字調整數據。下面將詳細描述電子校正單元12的具體工作原理。
圖像投影儀14從電子校正單元12接收預失真圖像數據并產生與由投影鏡片26的任何光學失真所調整的預失真圖像數據相對應的預失真光學圖像。圖像投影儀14包括光發生單元22、微型顯示裝置24和投影鏡頭26。光發生單元22包括諸如光源(例如，臺燈或激光器)的部件(未示出)、色分離鏡和合成器/準直儀(未示出)。微型顯示裝置24可以是任何市場上可用的微型顯示硬件(例如，LCD，CRT，DLPTM，LCOS等)，用于根據電子校正單元12所產生的預失真數字圖像數據，通過反射/透射光產生光學圖像。根據隨后的描述，將會理解多個微型顯示裝置24可代替使用單個顯示裝置以實現輸入圖像的獨立色彩校正。投影鏡頭26包括通過反射鏡頭16將預失真圖像投影并聚焦到投影屏幕20上的鏡頭。
投影鏡頭26包括廣視域鏡頭或降低散光的鏡頭。同樣，投影鏡頭26的投影角可以是普通的或廣視域的，并且當在曲面鏡中反射時擴展到更廣視野。投影鏡頭26有足夠的視野，其僅需要一個平面鏡提供所需的視野以獲得投射率。本發明不需要投影鏡頭26不失真，這是因為可通過數字圖像處理來校正投影鏡頭26和曲面鏡中的任何失真。投影鏡頭26的設計目標是在投影屏幕20的區域厚度內降低散光或改進聚焦質量。
反射裝置16從包含預失真光學圖像的圖像投影儀14接收光束。反射裝置16包括曲面和/或平面鏡，如上所述，其用作使光路交叉并以一種方式配置，以從較大程度上降低投射率，同時使屏幕的過掃描最小化，從而使刷新率的損耗最小化。通過結合多個反射鏡來實現投射率的變化，例如單獨使用凸和凹曲面鏡或結合平面鏡，這將在以下部分詳述。
相應地，投影系統10通過使用特殊配置的投影元件提供了光學圖像的無失真投影。進一步地，能夠理解投影系統10能夠配置為工作在前投影方案或后投影方案中。最后，當使用“無失真”時，應該理解該術語指不同類型的幾何失真例如梯形失真、傾斜、枕形失真/桶形失真和其他非線性效應以及不能聚焦的問題(例如散光)。
現在參照圖4和5，電子校正單元12用于用幾何方法使輸入數字圖像預失真，從而使顯示的光學圖像以無失真的方式顯示。
圖5提供了理想圖像44在曲面鏡(未示出)中反射的失真圖像40的實例。圖中也示出預失真圖像42，它在曲面鏡中反射時，會校正或補償曲面鏡引起的失真并且使理想圖像44投影到投影屏幕20上。即，當預失真圖像42反射到曲面鏡時，理想圖像44會投影到投影屏幕20。特別地，在不存在任何校正的情況下，理想圖像ABCD在投影屏幕20上顯示為曲線“梯形”EFGH，其拐角/邊界如圖所示。通過以反方式使圖像預失真，如所示的“梯形”IJKL，最終顯示的圖像將與屏幕ABCD精確匹配并相應地為無失真。
投影系統10根據幾何變換使用電子校正單元12以使輸入圖像預失真，這是投影儀(未示出)和相關反射(鏡)鏡頭(未示出)引發的幾何失真的逆過程。如果在投影系統10內得到的完全失真(由于鏡頭/反射鏡)用變換F表示，那么根據F-1使圖像預失真，并且存在一下關系式顯示圖像＝F(F-1(輸入圖像))＝輸入圖像 (2)相應地，電子校正單元12在本質上“釋放”與無失真顯示圖像的需求相關聯的限制系統。數字糾正失真的能力意味著對于特定的設計目標而言，需要不同的光學表面形狀和光學元件(例如角度、鏡類型和鏡頭等)。在沒有幾何校正的情況下，由于光學處理步驟的不同，顯示的圖像將發生失真。電子校正單元12施加的預失真在實質上是輸入圖像數據的再取樣/過濾。根據F-1對象素進行取樣，使象素的位置經歷幾何變換。變換F-1可以通過不同光學元件的空間變換特性得以確定。電子校正單元的特性將決定需要規定的F-1格式(例如，按照2維表面、1維多項式等)。
由于光學折射，不同色光在穿過圖像投影儀14的投影鏡頭26時具有不同的空間變換。如果不被校正的話，則會產生橫向色差(lateral chromaticaberration)。如前所述，光發生單元22(圖4)包括色分離鏡(未示出)和合成器/準直儀(未示出)以提供三種分離色光流。在光發生單元22中的光分離器(未示出)的前方定位微型顯示裝置(或將描述的裝置)24。如前所述，光發生單元22中的光分離器將光束分離為分離的主色光流。然后相關聯的微型顯示裝置(裝置)24使用電子校正單元12的電路(或將描述的電路)提供的預失真主色圖像數據調節分離的主色光流。以這種方式，使在投影屏幕20的投影圖像上執行橫向色差的校正成為可能。同樣，也使在微型顯示裝置24上調整與輸入圖像數據相關聯的圖像亮度成為可能，從而可以補償由于光學元件、投影路徑和顯示設備的特性而發生的亮度變化。
應該理解，通過時分多路復用圖像數據彩色信號，可以使用單微型顯示裝置24。然而，可以使用任意多個(例如，“三個”)微型顯示裝置取代單微型顯示裝置24。在使用多微型顯示裝置時，為每個微型顯示裝置提供獨特的與特定色彩(例如，紅、藍、綠)相關聯的預失真圖像數據。即，每個微型顯示裝置24用于使用電子校正單元12的電路(或將描述的電路)提供的適當的預失真主色圖像數據，調整來自光發生單元22的分離的主色光流。以這種方式，使在投影屏幕20的投影圖像上執行橫向色差的校正成為可能。同樣，在多微型顯示裝置24的情況下，可以在每個獨立的微型顯示裝置24上調整與輸入圖像數據相關聯的圖像亮度，從而可以補償由于光學元件、投影路徑和顯示設備的特性而發生的亮度變化。
最后，能夠通過電子校正單元12中的單電路將三種圖像數據色彩信號(例如，紅、藍和綠)按時多路復用(即，順序提供)到電子校正單元12。然而，電子校正裝置12可任意使用多個(如，“三個”)分離電路(未示出)，(根據需要獨立或統一地)獨立處理圖像數據的每個主色的幾何圖形。當多(如，“三個”)電路在只使用一個微型顯示裝置24的條件下不足夠時，可考慮兼容性原因(即，在需要與單個或三個微型顯示裝置24兼容的條件下)。
電子校正單元12也用于亮度非均勻或光度非均勻的校正。由于圖像投影儀元件的限制(例如，光發生單元等)或光路特性，投影屏幕20上的顯示的圖像會發生亮度變化。特別地，投影屏幕20的投影點或區域和變化的光路同時相關聯。這意味著負責顯示圖像的不同屏幕點或區域的光來自不同光源并傳播不同的距離。由于顯示圖像的點或區域的密度與平方距離成反比，這導致了顯示的圖像中的亮度變化。電子校正單元12用于在投影前預調象素亮度，從而最終的圖像以均勻的亮度顯示。根據預置圖在色彩空間內預調象素亮度(類似F-1記為G-1)。該圖只工作在彩色空間并且不需要附加過濾(即，只調整象素色彩值而不調整象素位置)。至于F-1，能夠從不同光學元件和光路的亮度/廣度變換特性確定G-1。電子校對單元將G-1施加到每個象素的色值。簡單的情況由線性函數給出G-1(O)＝αO+β其中對于每個象素而言，O是RGB色值，而功能參數α和β是常數。
投影系統10的電子校正允許更靈活的光學鏡頭的選擇，這是因為通過預扭曲而非通過匹配鏡頭的光學特性來消除任何相關聯的失真。特別地，可以使用廣角鏡頭，它能以更短的投影距離投影相同大小的圖像，從而提供另一種降低投射率的變量。然而，值得注意的是，不能通過幾何預失真校正該聚焦問題(和幾何問題相反)，而需要通過選擇合適的鏡頭光學處理。
鏡頭類型的靈活性也擴展了能夠使用的反射鏡的類型。現有技術的投影系統主要處理平面反射鏡頭，這是因為通過仔細配置不同的光學元件(例如，見圖2)能夠消除這些反射鏡所產生的失真。相反，使用反射曲面鏡導致屏幕圖像根據梯形失真和枕形失真/桶形失真類型效果的結合而發生失真并且相應地，不可能僅通過光學元件的選擇性配置來補償這些類型的失真。然而，使用投影系統10的電子幾何校正，可以輕易消除這些失真。返回圖5，其示出了由于曲面鏡的反射產生的失真屏幕圖像40以及相應的用作校正幾何失真的預失真圖像42的一個實例。
使用曲面鏡的好處是投射率能夠進一步降低。一般而言，曲面鏡反射的兩條相鄰光線的夾角大于平面鏡反射的兩條相鄰光線的夾角。這意味著當球面鏡與平面鏡放置在距離投影儀相同位置時，球面鏡具有更大的投影大小(即，屏幕對角線)。換句話說，放置在距離投影儀更近位置的曲面鏡可獲得相同的圖像大小，這意味著更短的投影距離以及由此帶來的更小的投射率。在實際中這會導致更小的用以完全容納投影系統(屏幕/鏡/投影儀)的機體尺寸或空間需要。
圖6示出一種本發明的投影系統的實例的實現方式，該實例為背投影結構(即投影系統60)。投影系統60包括電子校正單元62、圖像投影儀64(投影儀鏡頭在P點)以及反射鏡頭66，所述反射鏡頭66在單交叉背投影配置中包括微曲面鏡63(例如，所示凸面類型連接C和D)。如圖所示，曲面鏡63使投影系統60能夠獲得比傳統的平面鏡61(連接A和B)更低的投射率。應該理解可在投影系統60中使用其他類型的曲面鏡以及合理配置的電子校正單元以獲得類似的投射率。
圖像源(未示出)為電子校正單元62提供輸入圖像數據，然后通過電子校正單元62處理輸入圖像數據直到產生合適的預失真圖像為止。然后將預失真圖像提供給圖像投影儀64(投影儀鏡頭在P點)，圖像投影儀與水平線H成α的夾角，其孔徑角為θ。在沒有一般性損耗時，認為上面一條光線PA和屏幕平行(即，θ/2+α＝π/2)并且下面一條光線PB與PA夾角為θ。下面將描述觀眾5觀看通過反射鏡頭66反射到投影屏幕20的預失真圖像。
開始，示范性平面交叉系統(即，使用連接A和B的平面鏡61)，平面鏡61將預失真圖像反射到投影屏幕20(連接E和F)上。根據反射規則，在B點，底部的一條光線PB反射到投影屏幕20的F，對于頂部一條光線而言，在A點將光線PA反射到投影屏幕20的E。以這種方式位于上面的光線PA和下面的光線PB之間的光線以及整個光束被投影到投影屏幕20上。如圖所示，平面系統的投影厚度以d2表示。
假設圖像投影儀參數(即，位置和角度)固定，投影儀發出的光椎(即，組成圖像的光椎)固定，沿著光線PA和PB上分別將點A和B朝P方向移動到C和D，投影距離理論上減少。從這點來說，需要在C點將光線PC反射到E，并且在D點將PD反射到F。虛線部分KC和LD將角PCE和PDF二等分，而實線GH和IJ是相對應的垂足。為了使入射和反射角度相等，C和D間的反射鏡必須在C點和GH相切，并在D點和IJ相切。
一般而言，切線GH和IJ的斜率不相同，這意味著CD處的反射鏡63是彎曲的(在本特殊情況中是凸面的)。實際上，對于圖6所示的給定光椎和屏幕20配置而言，點A和B間僅可能是平面鏡61。通過使用包含曲面鏡63的反射鏡頭66，投影距離從d2降至d1，這導致更小的投射率。通過特定投影和屏幕配置的屏幕/光椎的定位/幾何結構，可以確定C點和D點的切線斜率以及C點和D點的位置。一旦這些得以確定，能夠精確(算術)描述一系列具有所需特性的曲面鏡，即使用所需切線插入點C和點D的三次樣條(cubic spline)函數曲線。
根據傳統知識，通過改變兩個內部控制點而不改變底切線(即，GH和IJ)，可以獲得一系列的曲線。這導致反射鏡具有不同的曲率屬性，所有的曲率屬性滿足PC在C反射到E并且PD在D反射到F的條件。選擇一條最佳曲線以確保可建立相關聯的反射鏡并使任何聚焦問題最小化。曲線最好是凸面或凹面的。最后，機體68用于容納圖6的背投影系統(其具有更小的厚度d1)以及充分的附加空間以容納其他所需的元件，而不擋住投影系統10的鏡頭。
以上的描述是基于二維的曲率幾何圖形。特別地，假設曲面鏡僅在較小的長度上彎曲(即，在圖6所示的平面上)。期望在反射鏡更長的長度上引入曲率(到圖6平面的橫線上)。雖然此步驟和上面描述的二維情況的步驟相同，但為了達到以上目的，必須進行更復雜的三維分析。需要考慮全光椎(由四條光線包圍，未示出)的反射，而不僅僅只考慮上面的光線PA和下面的光線PB。光椎的四角反射點朝投影儀64(位于點P)移動以減少投影距離d。
這四個點以及它們所定義的梯形必須以一種方式反射，從而屏幕平面中的“梯形”(由于從彎曲的表面反射而成為曲線)所覆蓋的區域完全覆蓋屏幕(如圖5所示，其中梯形EFGH完全覆蓋屏幕ABCD)。這確保了在電子校正單元12電子校正后，顯示圖像完全覆蓋矩形投影屏幕20。如果在沒有校正的情況下，投影屏幕的某些部分沒有投影，那么任何電子校正都不能夠投影這些區域。應該理解對于只在一個方向彎曲的反射鏡而言該必要條件也是必需的。通過知道反射梯形上的至少八個點(4個角和4個中點)的位置和切線平面，可以精確地將一組曲面鏡定義為一組雙三次樣條表面。可選擇這些表面為凸面或凹面以產生最小化聚焦問題。
圖7示出本發明投影系統的另一個實例的實現，該實例為前投影裝置(即投影系統70)。投影系統70包括電子校正單元72、圖像投影儀74(投影鏡頭在P)和反射鏡頭76。所述反射鏡頭76在單交叉前投影結構中包括微曲面鏡73(例如，所示凸面類型連接C和D)。如圖所示，曲面鏡73使投影系統70能夠獲得比使用平面鏡代替曲面鏡73時更低的投射率。應該理解可在投影系統70中使用其他類型的曲面鏡以及合理配置的電子校正單元72以獲得類似的投射率。
在沒有任何反射鏡頭時，前投影系統僅僅包括位于投影儀位置P’的圖像投影儀。一個關鍵的設計局限是該投影儀必須放在低于線FM的位置，從而它不會遮擋屏幕前的觀眾5的視線。選取方向角α和孔徑角β以使投影距離d2最小化，同時保持整個投影屏幕20的投影。一般來說，需要為此方案做梯形失真校正。如圖所示，通過使用位于投影儀位置P’和投影屏幕20間連接C、D兩點的反射鏡73(平面或曲面)，以及將圖像投影儀14向投影儀位置P適當移動來減少投影距離。可使用與描述投影系統60(圖6)相同的步驟描述投影系統70中的曲面(或平面)鏡。即，通過指定C點和D點的切線斜率和位置，有可能將面鏡73描述為樣條曲線(spline curve)。另外，投影儀位置P可以變化以確定最佳表面形狀。和前述的投影系統60相同，可以使用凸面鏡或凹面鏡以及合理配置的電子校正單元12。
如圖7所示，反射鏡頭76包括可聚光的凸面鏡73(如圖從P點出來的光線)。為了使用可聚光面鏡(converging mirror)獲得相同的圖像大小(屏幕對角線)，必須使用廣角鏡頭(即，θ＞θ’)。這是鏡頭類型靈活性的一個實例，通過合理配置的電子校正單元12使靈活性成為可能。當孔徑角增加時，由鏡頭產生的光學失真也增加，但是可通過電子校正單元12內的電子幾何預失真來補償這些光學失真。使用反射鏡頭76將投影距離由d2降低到d1，由此使整機體的大小更小。圖像投影儀74和反射鏡頭76可被置于一較小的機身78中。同樣地，整個設備需根據需要放置在直線FM以下。
圖7分別示出圖8和圖9中兩個緊湊型投影系統80和90的基本原理。兩個投影系統80和90分別使用單凸面鏡83和93用于圖像交叉。
圖8示出本發明的投影系統的另一個實例地實施，該系統為緊湊型前投影儀(即投影系統80)。投影系統80包括電子校正單元82、圖像投影儀84以及反射鏡頭86，所述反射鏡頭86在單交叉前投影配置中包括微曲面鏡83(例如，所示的凸面類型)。投影系統80是桌面式設計，其中機身88容納電子校正單元82、圖像投影儀84和反射鏡頭單元86。假設圖像源(未示出)位于投影系統80的外部。同樣，應該理解可在投影系統80中使用其他類型的曲面鏡以及合理配置的電子校正單元82。
反射鏡頭86的曲面鏡反射鏡頭使裝置80在不遮擋觀眾5的情況下靠近投影屏幕20。電子校正裝置82會數字校正任何失真或亮度不均勻。通過調整反射鏡83和圖像投影儀84的角向來調整投影系統80，并且在電子校正單元82內適當調整預失真位置。
圖9的投影系統90是投影系統80(圖8)的一個變形，其中圖像從上述投影屏幕20將投影到投影屏幕20。機體98采用緊湊型設計，將其放置在屏幕20的平面附近或其中，但位于平面上部以免遮擋觀眾5的實現，并容納電子校正單元92和圖像投影儀94。反射鏡頭96包括放置在屏幕20和觀眾5之間地曲面鏡93，使用支撐臂97再一次將其定位，從而它不會遮擋視線。根據習知技術，當系統沒有使用時，支撐臂97能夠通過旋轉、伸縮或類似的方式伸縮。支撐臂97也使反射鏡93的角向能被調整。與圖6的背投影系統的情況相同，在兩種系統中，能夠擴展機體98以容納屏幕20(或臂97)。
總體參考圖6、7、8和9，對每個投影系統中所使用的曲面鏡的描述是根據樣條曲線/表面，并通過某些點(一般稱為控制點)的一組切線/平面和位置所定義。這是曲面鏡的非常一般性的描述，但是應該理解可使用更具體類型的曲面鏡。存在一些具有公知反射特性的面鏡/表面，例如球形、橢圓形、雙曲線和拋物線表面。反射鏡類型的選擇基于反射鏡和投影鏡頭單元的光學特性。即，這兩個元件必須以屏幕圖像聚焦的方式相匹配。對于任何曲面而言，如果曲率太大或不正確選擇曲率，那么就會產生聚焦問題。在某些情況下，理想的曲面鏡可以是中間類型(部分橢圓形或在一個方向上是橢圓形等)。
特別地，圖10示出使用雙曲線/雙曲面反射鏡實現投影系統100和110中的光路交叉。雙曲線的特性是來自雙曲面焦點的光線就像從其他焦點發出的一樣被反射。投影系統100示出圖像投影儀104是如何被放置在雙曲面(雙曲面的坐標軸以虛線表示)的焦點f1。第二焦點位于f2處。雙曲面的凸曲面(如f1所示)用于曲面鏡103。來自f1的光線經過反射鏡103反射就像從焦點f2發出的一樣，該焦點形成(圖像)投影儀的圖像。對于三維情況而言(反射鏡在雙向彎曲)，雙曲線被雙曲面所代替，而反射特性保持不變。
投影系統110包括反射鏡113的凸面元件(其和焦點f1位于“垂直”坐標的同一側)。同樣，光線反射好像它是由焦點f2發出的一樣。由于凸面鏡113是可聚光面鏡，圖像投影儀114需要廣角鏡頭。值得注意的是，雖然必須校正的失真不太嚴重(也會減少任何聚焦問題)并產生處理與大小的折衷，機體的大小將增加(更長的投影距離)。這可以從投影到屏幕的光線的方向看出，該方向符合圖2的現有技術的投影系統的方向，圖2中使用了平面交叉鏡。
圖11示出使用兩個雙曲面鏡121和123(即依次為凹面鏡和凸面鏡)的雙交叉背投影系統120。如上所述，任何系統(背投影或前投影)的反射鏡頭都不限于單一反射鏡類型。將圖像投影儀124放置在第一反射鏡121的焦點f1處，其中反射鏡121作為雙曲線的發散凸面部分。這用作擴展圖像，從而圖像投影儀124和反射鏡121的結合有效地用作廣角鏡頭。第一反射鏡121的焦點f2同樣和第二反射鏡123的焦點相匹配，第二反射鏡123的焦點作為第二雙曲線的發射凸面部分。第二反射鏡123的光線反射就像它們是從反射鏡123的第二焦點f3發出的一樣。發散第二反射鏡123導致失真降低，而第一發散反射鏡121使一般的鏡頭的作用看上去像廣角鏡頭。類似地，任何以上所述的系統可包含第二曲面鏡，作為其反射鏡頭的一部分。
圖12示出另一個示例性投影系統130，其中來自單一投影儀134的光束分為兩條光路，每半條光束分別反射以投影一半的屏幕。如圖所示，反射鏡頭136包括兩對自反射平面鏡131、135以及133、137。通過使用多反射鏡(多于兩個)和/或多于一個圖像投影儀單元可獲得進一步的改變。多反射鏡和/或投影儀可用于將光路和相關反射鏡頭劃分/分為多個子單元，投影屏幕的不同部分。
在圖12中，每對反射鏡131、135和133、137組成獨立的雙交叉反射鏡頭單元，其分別投影一半的屏幕。第一對平面鏡135和137也用作將光束(光椎)分成兩路，然后這兩路光線從兩個平面鏡131和133反射到屏幕上。這有效地降低了左側和右側的反射鏡對所看見的孔徑角，這導致更小的平面鏡尺寸，而同時保持小的投放率。電子校正單元必須適當校正左側和右側的二等分，從而在屏幕上重新產生準確的圖像。這能夠平均地從原始信號形成兩個不相交的子圖像并獨立地使它們預失真。通過每條光路投影的圖像或者投影的屏幕部分在中心(圖12的點C)附近重疊。在此重疊區，亮度級更大并且需要電子校正單元做一些形式的邊緣混和或軟化以獲得全屏幕上的無縫圖像。單一邊緣混和實現方式定義預失真子圖像中的重疊區，從而當投影到屏幕上時，這些區具有相同的寬度。此外，子圖像重疊區中的亮度級應在補償線性斜率中衰減，從而子圖像亮度級的總和為定值。
圖13提供了另一個使用兩個圖像投影儀(分別形成一半的圖像，而不是將圖像/光束光學地分開)的示例性投影系統140。曲面鏡141、145和143、147用于減少投影距離。該方案稱為連接雙背投影系統。即，通過使用兩個圖像投影儀144和144’(每個投影一半的原始信號)使光椎分開。兩組發散凸面鏡141、145和143、147(一條光路一組凸面鏡)用于進一步降低投射率。每個圖像投影儀144和144’有單獨的電子校正單元142或共享的單一單元。這兩個子圖像獨立失真和/或通過電子校正單元12調整這兩個子圖像的邊緣，從而最終的圖像顯示為無失真、無縫并盡可能和圖像源信號接近。
無論使用角鏡或曲面鏡，由于光路中的散光，有可能產生聚焦問題。簡而言之，來自圖像投影儀外部區域不同部分的光在不同的距離聚焦。如果焦點距離變化很大，則很難獲得良好的聚焦。為了克服此問題，將附加的形狀約束放置在反射鏡上以限制任何散光。在上述曲面鏡的基于樣條的結構中，可以在不破壞(特定切線斜率和位置的)邊緣要求的情況下調整控制點，以控制表面的曲率。這使反射鏡的形狀以使散光最小化的方式變化。特別地，可以規定限制性的情況，在這些情況之間散光量是可以接受的。另一種方法是將補償散光加到圖像投影儀的投影鏡頭中。將一個或多個圓柱形鏡頭元件加到投影鏡頭中是可能的，從而在整個區域產生統一和已知的散光度。然后可以將曲面鏡設計為整個區域的容許偏差內統一反轉散光。這在設計中加入了附加的自由度——投影鏡頭中的散光量，其可以變化以優化反射鏡形狀和整個系統的光學性能。
應該理解在沒有電子校正單元12所獲得的一般電子幾何校正的情況下，必須設計投影系統10以確保總圖像失真為可接受的。由于曲面鏡的失真效應、偏軸投影(梯形失真效應)和可能的圓柱形鏡頭元件，這種設計局限性是個問題。本發明電子校正的使用提供了對于投影系統而言，幾何失真(以及亮度不均勻)從設計局限性中消除，并且這些現有的局限性被看作設計“自由度”。相應地，可自由調整光路的圖像失真以改善散光和其他色差。此外，輸入信號的數字校正(通過預失真)可用于補償散光和其他色差，從而在觀看屏幕上產生無失真的圖像。
為了圖示的目的，現在在來自凸面屏幕反射的內容中描述此優化的實例。得到的沒有任何校正的圖像會顯示為枕形失真加上梯形失真(如圖5的EFGH)。眾所周知，枕形失真的倒轉是桶形失真(如圖5的IJKL，它有垂直的梯形元件)——通過根據桶形失真預失真，可以降低或消除枕形失真。從而另一種消除來自凸面鏡的失真的可能性是通過使用廣角鏡頭增加桶形失真。通過將兩個補償效應緊密匹配，能夠消除反射鏡/廣角鏡頭的“曲線”引起的失真，并使電子校正裝置主要補償偏軸投影/梯形效應。
相應地，投影系統10包含通用短投影距離的光學系統，其具有固有的失真，但同時使用電子校正電路獲得短投影距離，該電子校正電路用于幾何和其他光學失真的校正。電子校正單元12通過將反失真應用到輸入圖像數據中以補償該光學失真來消除現有技術系統中發生的殘留光學失真。電子校正單元12也具有校正與制造偏差相關聯的顯示偏差并同時提供常規顯示處理功能(例如圖像處理和測量)的能力。電子校正單元12也使用數字圖像處理以補償與光學包絡(envelope)中光路的大的偏差相關的光學偏差和其他光學元件偏差(例如，光源、顯示設備、鏡頭等)，這些偏差會導致亮度和色度的不均勻。
為獲得短投射率，投影系統10使用帶光學校正或錯誤投影鏡頭的曲面鏡，或者帶廣角投影鏡頭的平面或曲面鏡。電子校正單元用作消除任何幾何失真(包括橫向色差)并校正亮度不均勻，該過程在現有技術中是通過光學方法實現的。本系統設計不再受使用光學方法使失真最小化的局限性限制。這也具有附加的好處能夠使用數字方法而不是更復雜的光學方法進行微調。通過結合多個反射鏡(平面和/或非平面)和/或圖像投影儀可獲得偏差。該系統適用于前投影和后投影裝置。揭示了具體的具有短投射率的前投影和后投影系統。
對于本領域技術人員而言，顯而易見的是，在不脫離本發明保護范圍的條件下，可以針對以上所述設備做出不同的改動，本發明保護范圍在權利要求書中詳細闡述。
權利要求
1.一種基于輸入圖像數據的在投影屏幕上顯示失真校正光學圖像的投影系統，其特征在于，包括(a)用于接收輸入圖像數據并產生預失真圖像數據的電子校正單元；(b)與電子校正單元相連、用于接收預失真圖像數據并提供與預失真圖像數據對應的預失真光學圖像的圖像投影儀；(c)一種包括至少一個平面鏡或曲面鏡的反射裝置，所述光學反射裝置定位在預失真光學圖像的光路上以產生投影到投影屏幕上的顯示的光學圖像；以及(d)所述電子校正單元適用于使輸入圖像數據的幾何形狀預失真從而當通過圖像投影儀提供并在光學反射裝置中反射基于所述預失真圖像數據的所述預失真光學圖像時，在顯示光學圖像中消除與所述圖像投影儀和所述反射裝置相關聯的光學、幾何和校正失真。
2.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于還包括和圖像投影儀相關聯的顯示裝置，其中電子校正單元也調整與所述輸入圖像數據相關聯的圖像亮度，從而可以補償由于光學元件、光路和顯示裝置的特性引起的亮度變化。
3.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于其中所述電子校正單元還適用于獨立使輸入圖像數據的每一原色的幾何形狀預失真并產生預失真原色圖像數據以補償每個色彩光學折射中的差別，從而當通過圖像投影儀和反射裝置將與預失真原色圖像數據相關聯的預失真原色圖像投影到投影屏幕時，消除了與每個原色光學圖像相關聯的光學和幾何失真。
4.如權利要求3所述的投影系統，其特征在于其中所述圖像投影儀包括(i)產生平行光束的光發生器；(ii)與光發生器相連接的分色機，其將光束分為對應于預失真原色圖像數據中原色光流的分離的原色光流；(iii)位于分色機前方的顯示裝置，用于使用預失真原色圖像數據調節分離的原色光流；以及(iv)位于顯示裝置前方的光學裝置，用于將預失真光學圖像投影并聚焦到投影屏幕上。
5.如權利要求4所述的投影系統，其特征在于從包括電子管和激光器的組中選擇所述光發生器，所述顯示裝置是微型顯示器，并且所述光學裝置是一組鏡頭。
6.如權利要求4所述的投影系統，其特征在于還包括多個顯示裝置，其中所述光分離器將分離的原色光流對準所述多個顯示裝置，每個顯示裝置適用于使用對應的原色圖像數據同時調節每條原色光流，并且其中所述光學裝置進一步適用于使所有的原色光學圖像對準并聚焦為合成的彩色光學圖像。
7.如權利要求4所述的投影系統，其特征在于其中所述圖像投影儀的光學裝置包括散光元件，其用于至少部分補償所述預失真光學圖像光路中的聚焦散光。
8.如權利要求4所述的投影系統，其特征在于其中所述圖像投影儀的光學裝置包括具有未校正光學失真和橫向色差中至少一個的廣角鏡頭。
9.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于其中所述反射裝置包括至少一個用于校正光學和幾何失真中至少一個的曲面鏡和一個平面鏡，其中所述至少一個曲面鏡和平面鏡的反射表面置于預失真光學圖像的光路中。
10.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于其中所述反射裝置包括凸面鏡，其中凸起的反射表面位于預失真光學圖像的光路中。
11.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于其中所述反射裝置包括凹面鏡，其中凹入的反射表面位于預失真光學圖像的光路中。
12.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于其中所述反射裝置的所述至少一個曲面鏡包括雙曲線/雙曲面鏡。
13.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于所述反射裝置包括第一曲面鏡和第二曲面鏡，從而預失真光學圖像的光路從所述第一曲面鏡的表面反射到所述第二曲面鏡的表面。
14.如權利要求13所述的投影系統，其特征在于其中所述第一曲面鏡是凸面鏡，所述第二曲面鏡是凹面鏡，從而預失真光學圖像的光路從所述第一曲面鏡的凸起表面反射到所述第二曲面鏡的凹入表面。
15.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于其中所述反射裝置包括至少一個曲面鏡和至少一個平面鏡以降低光學包絡。
16.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于其中所述電子校正單元、投影單元以及反射裝置適用于工作在前投影配置中。
17.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于其中所述電子校正單元、投影單元以及反射裝置適用于工作在背投影配置中。
18.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于其中所述投影系統包括用于將所述光學裝置朝投影屏幕平面收縮以減少投影屏幕前障礙的旋轉裝置。
19.如權利要求1所述的投影系統，其特征在于其中預失真光學圖像分為至少兩條光路，其中所述反射裝置的至少一個平面鏡放置在至少兩條光路的每一個中，從而每條光路包括顯示光學圖像的不同部分，每個部分投影所述投影屏幕的不同部分。
20.如權利要求1所述的投影系統結合如權利要求1所述的至少一個其他投影系統，其特征在于其中每個投影系統在投影屏幕上顯示光學圖像的不同部分。
21.如權利要求19或20所述的投影系統，其特征在于其中所述顯示在投影屏幕上的光學圖像的不同部分發生輕微重疊，并且其中電子校正單元使用顯示光學圖像的邊緣軟化以降低或消除其中的可視接縫。
22.一種基于輸入圖像數據的在投影屏幕上顯示失真校正光學圖像的投影方法，其特征在于包括(a)接收輸入圖像數據并產生預失真圖像數據；(b)通過圖像投影儀提供預失真光學圖像，所述預失真光學圖像對應于預失真圖像數據；(c)在包括至少一個平面鏡或曲面鏡的反射裝置中反射預失真光學圖像以在投影屏幕上產生顯示的光學投影圖像；(d)其中(a)進一步包括預失真輸入圖像數據的幾何圖形從而當通過圖像投影儀提供并在光學反射裝置中反射基于所述預失真圖像數據的所述預失真光學圖像時，在顯示的光學圖像中消除與圖像投影儀和反射裝置相關聯的光學、幾何和校正失真。
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于還包括調整與所述輸入圖像數據相關聯的圖像亮度，從而可以補償由于光學元件、光路和顯示裝置的特性而發生的光學亮度變化。
24.如權利要求22所述的方法，其特征在于還包括獨立使輸入圖像數據的每個原色的幾何形狀預失真以補償每個色彩光學折射中的差別，從而當通過圖像投影儀和反射裝置將和預失真原色圖像數據相關聯的預失真原色圖像投影到投影屏幕時，消除了與每個原色光學圖像相關聯的光學和幾何失真。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于其中(b)進一步包括產生平行光束、將光束分為原色光流、定位一個顯示裝置以調節預失真原色圖像數據以及將預失真光學圖像投影并聚焦到投影屏幕上。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于將原色分離光束對準各自的顯示裝置，每個顯示裝置適用于使用對應的原色圖像數據同時調節每條原色光流以及將每個原色光學圖像對準并聚焦到合成的彩色光學圖像。
27.如權利要求22所述的方法，其特征在于進一步包括在預失真光學圖像的光路中提供散光元件以補償聚焦散光效應。
28.如權利要求22所述的方法，其特征在于進一步包括在預失真光學圖像的光路中提供具有未校正光學失真和橫向色差中至少一個的廣角鏡頭。
29.如權利要求22所述的方法，其特征在于其中(c)包括將所述預失真光學圖像反射到凸面鏡的表面。
30.如權利要求22所述的方法，其特征在于其中(c)包括將所述預失真光學圖像反射到凹面鏡的表面。
31.如權利要求22所述的方法，其特征在于其中(c)包括將所述預失真光學圖像反射到雙曲線/雙曲面鏡的表面。
32.如權利要求22所述的方法，其特征在于其中(c)包括順序將所述預失真光學圖像從第一曲面鏡的表面反射到第二曲面鏡的表面。
33.如權利要求22所述的方法，其特征在于其中(c)包括順序將所述預失真光學圖像從充分校正光學和幾何失真中的至少一個曲面鏡和平面鏡的表面反射到另外一個曲面鏡和平面鏡的表面，以降低光學包絡。
34.如權利要求22所述的方法，其特征在于其中所述第一反射鏡是凸面鏡，所述第二反射鏡是凹面鏡。
35.如權利要求22所述的方法，其特征在于其中投影系統工作在前投影配置中。
36.如權利要求22所述的方法，其特征在于其中投影系統工作在背投影配置中。
37.如權利要求22所述的方法，其特征在于進一步包括將光學裝置朝投影屏幕平面收縮以減少投影屏幕前的障礙。
38.如權利要求22所述的方法，其特征在于進一步包括將預失真光學圖像分成至少兩條光路，其中所述反射裝置的至少一個反射鏡置于至少兩條光路的每一個中，從而每條光路包括顯示的光學圖像的不同部分，每個部分投影所述投影屏幕的不同部分。
39.如權利要求22所述的方法，其特征在于該方法至少由兩個分離的投影儀系統實現，每一投影儀系統執行權利要求22的方法以在投影屏幕上顯示投影圖像的不同部分。
40.如權利要求36或37所述的方法，其特征在于還包括顯示的光學圖像的不同部分的邊緣柔化，以減少或消除其中的可視接縫。
全文摘要
一種基于輸入圖像數據的在投影屏幕上顯示校正光學圖像的短投影距離的投影系統和方法，包括電子校正單元、圖像投影儀和反射裝置。電子校正單元接收輸入圖像數據并產生預失真圖像數據。圖像投影儀從電子校正單元接收預失真圖像數據并投影與預失真圖像數據對應的預失真光學圖像或由投影光學失真補償的預失真圖像。光學反射裝置定位在預失真光學圖像的光路上以將光學圖像投影到投影屏幕上。反射裝置可根據需要包括不同曲面鏡和平面鏡的組合。電子校正單元被編碼以使圖形(表示為圖形圖像)的幾何圖形預失真，從而當預失真光學圖像通過圖像投影儀投影并在反射裝置中反射時，在顯示的光學圖像中消除與反射裝置內的圖像投影儀和反射鏡相關聯的光學和幾何失真。
文檔編號G03B21/14GK1659867SQ03813405
公開日2005年8月24日 申請日期2003年6月12日 優先權日2002年6月12日
發明者佐拉沃·S.巴錫, 格雷戈里·萊昂內爾·史密斯, 路易·李 申請人:奧普提克斯晶硅有限公司