CN1541346A

CN1541346A - 用于显示屏面的光学系统

Info

Publication number: CN1541346A
Application number: CNA008185794A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托弗・T・科顿; 克里斯托弗·T·科顿; ・T・瓦里格丹; 詹姆斯·T·瓦里格丹
Original assignee: SCRAM TECHNOLOGIES Inc
Current assignee: SCRAM TECHNOLOGIES Inc; Scram Tech Inc
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2004-10-27
Also published as: JP2003518278A; EP1240548A4; CA2395238A1; EP1240548A1; US20030025885A1; US6715886B2; US6485145B1; AU2280901A; WO2001046755A1

Abstract

一种由多个玻璃片叠层构成的超薄屏面，这些玻璃片可以涂敷透明的包层物质或可以不涂敷，利用环氧树脂或粘结剂固定在一起。耦合元件(16)粘贴到叠层的输入面(20)。一种有光发生器(12)的外壳，光发生器(12)与耦合元件在光路上对准。最好是，光发生器放置成与输入面平行并和它紧邻，因而可以减小这种结构的深度。一种光学系统，包括：图像源(110)；成像单元(120)，用于在中间图像平面生成物体的图像；变形单元(130)，用于减小图像的变形失真；和远心单元(140)，用于减小图像的梯形失真。

Description

用于显示屏面的光学系统

技术领域

本发明一般涉及显示装置领域。具体地说，本发明涉及一种用于耦合物体图像到显示装置上的光学系统和方法。更具体地说，本发明涉及一种用于耦合物体图像到超薄平面光学显示装置上的光学系统和方法，该装置能够减小或消除失真，这种失真通常是在图像投影到关于入射图像倾斜的显示装置上时发生的。

背景技术

光屏幕通常使用阴极射线管(CRT)以投影图像到屏幕上。标准屏幕的宽高比为4∶3，有425条垂直线的分辨率。电子束沿屏幕的水平方向和垂直方向扫描以形成大量像素，这些像素的总体构成图像。

普通的阴极射线管受到实际尺寸的限制，它相对地较深以容纳必要的电子枪。现在已有较大的屏幕，它包含各种形式的图像投影。然而，这种屏幕有各种视觉上的缺点，包括受限的视角，分辨率，亮度，和对比度，且这种屏幕在重量和形状上通常是相对地笨拙。此外，还要求各种尺寸的屏幕呈现黑色以提高视觉对比度。然而，直视式CRT实际上不可能是黑色的，因为它们利用荧光粉形成图像，而那些荧光粉是非黑色的。

可以通过叠层光波导制成光屏面(optical panel)，每个光波导有第一端和第二端，其中输出面是由多个第一端确定的，而其中输入面是由多个第二端确定的。与屏面的高度和宽度比较，这种屏面的深度是很薄的，波导的包层可以制成黑色的以增大黑色表面区，但是这种屏面可能需要昂贵和笨拙的投影设备以分配图像光到输入面上，因此，这种设备增大了屏面的整体尺寸和成本。

所以，我们需要这样一种光屏面，它具有对应于叠层波导屏面的优点，但不要求使用昂贵和笨拙的投影设备，也不会增大这种设备的尺寸和所需成本。

在要求外壳(包含光屏面和投影设备)的深度为最小的光屏面中，投影设备的定位通常适应于这些整体尺寸的约束。所以，相对于屏面的目标输入面，投影设备的定位可能要求图像路程是以锐角改变方向。因此，由于输入面的表面相对于图像路程一般是高度倾斜的，能够产生聚焦和没有失真图像的成像系统是很关键的。不但要求合适的聚焦图像，而且在保持物体与图像之间线性的点对点变换关系的同时，输入面表面上产生的图像还必须保留原始物体的纵横比。

所以，我们还需要这样一种光屏面的光学系统，它能够在相对于图像路程为高度倾斜的输入面表面上产生准确的图像，而不会产生不合适聚焦图像和图像失真，图像失真会造成原始物体的错误纵横比以及物体与图像之间非一致的线性点对点变换。

发明内容

本发明的目的是一种光学系统，以大于零的入射角投影物体的图像到光屏面的显示图像平面上。该光学系统包括：图像源和成像单元。成像单元在中间图像平面上生成物体的图像。该光学系统还包括：变形单元，用于减小图像的变形失真；和远心单元，用于减小图像的梯形失真。本发明的另一个目的是一种显示系统，该显示系统包括：光学系统和光屏面的组合。

本发明解决现有技术中遇到的问题，例如，使用昂贵和笨拙的投影设备，本发明提供一种有折合光程的光学系统，它在相对于图像路程为高度倾斜的输入面表面上产生准确的图像，而不会产生不合适聚焦图像和图像失真，图像失真会造成原始物体的错误纵横比以及物体与图像之间非一致的线性点对点变换。本发明还保留相当于叠层波导屏面的优点，例如，改进的对比度和最小的深度。

根据以下对本发明的详细描述，我们容易理解本发明的这些优点和其他优点。

附图说明

为清楚地理解和容易地实践本发明，结合以下的附图描述本发明，其中：

图1是超薄光屏面的等角示意图；

图2是超薄光屏面的横截面侧视图；

图3是利用棱镜耦合元件的超薄光屏面的水平和垂直横截面示意图；

图4是包含光屏面的光学系统的简化后视图；

图5是利用包括远心透镜单元的一个优选光学系统中超薄光屏面的横截面侧视图；

图6是利用包括远心反射镜单元的另一个优选光学系统中超薄光屏面的横截面侧视图。

具体实施方式

应当明白，本发明的附图和描述已经简化以说明与清楚理解本发明有关的单元，为了清晰起见，省略典型光学显示屏面上常有的许多其他单元。本领域专业人员可以认识到，这些其他单元是实现本发明所需要的和/或必要的。然而，因为这些单元是本领域专业人员都知道的，且它们无助于更好地理解本发明，此处不对这些单元进行讨论。

图1是光屏面10的等角示意图。光屏面10包括：多个波导10a，其中每个波导10a的一端形成该波导的输入端，每个波导10a的相对一端形成该波导10a的输出端；光发生系统12；外壳14，其中安装光发生系统12和多个波导10a；和耦合元件16。

每个波导10a沿水平方向延伸，而多个叠层波导10a沿垂直方向延伸。多个输入端确定接收图像光22的输入面20。多个输出端确定显示图像光22的输出面24，输出面24大致平行于输入面20。例如，图像光22可以显示成视频图像22a的形式，但不限于这种形式。

外壳14的高度和宽度大于光发生系统12和多个波导10a组合的尺寸，允许在其中放置多个波导10a和光发生系统12。外壳14有开放的前面，可以观察到输出面24；并有闭合的深度D，深度D是从开放的前面到外壳14背面的距离。

光发生系统12提供通过波导10a观察的光。光发生系统12包括：光源30，和光转向单元32，它把来自光源30的入射光22转向到耦合元件16，与耦合元件16组合的光转向单元32可以减小外壳14的深度D。允许发生这种减小的原因是，光转向单元32配置成把来自光源30的光22转向到耦合元件16，其中光源30放置在外壳14内，紧邻和平行于多个波导10a的垂直叠层，于是，耦合元件16急剧地转向光22进入波导10a。最好是，耦合元件16是在典型的约45°至约90°范围内有效地转向图像光，为的是产生传输通过多个波导10a的近似水平光。光发生系统12还可以包括：调制器和其他的成像光学元件。以下结合图2更具体地讨论光发生系统12。

输入面20和输出面24的平行表面允许屏面10和封闭外壳14制成超薄的深度。屏面10的标称厚度为T，它是输入面20与输出面24之间波导10a的深度，且厚度T远远小于输出面24的高度H和宽度W。例如，屏面10可以配置成典型电视的宽高比4∶3或16∶9。对于高度H约为100cm和宽度W约为133cm的情况，本发明的屏面厚度T可以是约1cm。深度D可以随厚度T而变化，但在上述的实施例中，外壳14的深度D最好不大于约12cm。

图2是超薄光屏面10的横截面侧视图。屏面10包括：多个叠层波导10a，光发生系统12，耦合元件16，和外壳14。

在本发明的一个实施例中，光发生系统12包括：投影仪60，它与光转向单元32的光路对准。图像投影到光转向单元32，然后，被转向到耦合元件16，用于传输通过波导10a显示在输出面24上。在一个优选实施例中，投影仪60放置在输入面20顶部附近，以便投影与其大致平行的图像光22，且投影仪60与它之间有足够的距离，允许图像光22从光转向单元32转向到耦合元件16，以便传输通过波导10a。

投影仪60可以包括：用于产生光22的合适光源30。光源30可以是灯泡(例如，灯丝或电弧型灯泡)或激光器。投影仪60可以是幻灯投影仪或视频投影仪，它可以包括用于调制光22的调制器62以形成图像22a。例如，调制器62可以是普通的液晶显示器(LCD)，数字微反射镜装置(DMD)，GLV，激光光栅扫描器，PDLC，LCOS，MEMS，或CRT。投影仪60还可以包括：合适的图像光学元件64，用于在光转向单元32上沿水平方向和垂直方向分配或广播图像光22，以便合适地会聚传输光到耦合元件16。图像光学元件64可以包括：聚焦和放大透镜和/或反射镜。一个或多个光发生系统12，例如，2与4之间的这种系统，用于提供光给耦合元件16的一个或多个部分。放大透镜可用于成像光学元件64和光转向单元32，沿水平方向和垂直方向放大耦合元件16上的图像光22。或者，合适的光栅系统可用作光发生系统12，沿水平方向和垂直方向扫描耦合元件16上的图像光22以形成图像。

在所说明的实施例中，从投影仪60最初投影的光22是在外壳14内部沿垂直方向向下到安装光转向单元32的外壳14底部，然后，光转向单元32以小的锐角沿垂直方向向上转向图像光22，用于广播到耦合元件16的整个暴露表面。在另一个实施例中，投影仪60可以放置在输入面20之下，而不是放置在输入面20之后。

图像光22到耦合元件16上的容许入射角是由耦合元件16的转向能力所确定，耦合元件16把图像光22转向到屏面10的输入面20。耦合元件16的转向能力越大，安装的投影仪60可以越接近于耦合元件16以减小外壳14的必要深度D。

图3是超薄光屏面10的水平和垂直横截面的示意图。屏面10包括：多个垂直叠层的光波导10a，光发生系统12(见图2)，耦合元件16，和外壳14。

多个波导10a中的每个波导10a包含有第一折射率的中央透明芯80。芯80可以利用现有技术中适合于传播光波的任何材料制成，例如，有机玻璃或聚合物，但不限制于这些材料。中央芯80可以利用光学塑料制成，例如，Lexan，它是通用电气公司的商品，或诸如BK7型号的玻璃。本发明的这个优选实施例是利用各种玻璃片实现的，其厚度是在2微米至100微米的范围内，并有可控制的长度和宽度。中央芯80是制成在至少两个包层82之间的薄层。与玻璃紧密接触的包层82有第二折射率，第二折射率小于中央芯80的第一折射率，因此，允许光22在芯80中传播时基本发生光的全内反射。例如，包层82可以是合适的塑料，有机玻璃，普通玻璃，粘结剂，聚氨脂，低折射率聚合物，或环氧树脂，其颜色最好是黑的。在使用多个包层82时，最好是，清澈的包层接触玻璃片，而黑着色层放置在相邻两个清澈包层之间，从而改进输出面24的视觉对比度和光22通过芯80的内反射。在输出面24处提供附加的黑度，使用至少一个黑着色层就可以改进对比度。此外，输出面24处黑着色层的暴露边缘是观察者可以直接观察到的。而且，通过输出面24离轴进入波导的环境光在内部被黑着色层吸收。可以按照任何适当的方法制成黑着色层，例如，在一个或多个黑着色层中，利用黑色喷漆，或环氧树脂粘合剂内的碳颗粒与相邻芯80粘贴在一起。以下更具体地讨论制成包层82和芯80的方法。

该优选实施例中的波导10a制成沿输出面24的宽度在水平方向上连续延伸的扁平带形式。最好是，带状波导10a在垂直方向上沿输出面24的高度叠层。因此，光屏面10的垂直分辨率取决于沿输出面24高度叠层的波导10a数目。例如，525个波导的叠层给出525条垂直线的分辨率。

多个叠层波导10a可以是这样制成的，首先在其尺寸略微大于第一个玻璃片的槽中铺设第一个玻璃片。然后，该槽中可以填充热固化环氧树脂。环氧树脂最好是黑色的，为了在各个波导之间形成一个黑色层，从而供改进视觉对比度。此外，环氧树脂应当具有合适包层82的性质，例如，其折射率低于玻璃片的折射率，可以使玻璃片内的光22基本发生全内反射。在槽中填充环氧树脂以后，反复地重叠玻璃片80，因而在各个玻璃片80之间形成一层环氧树脂。在形成约500片至800玻璃片叠层之前反复地进行重叠。然后，可以给叠层加上均匀的压力，使环氧树脂在各个玻璃片80之间流动，形成大致均匀的薄层。在本发明的一个优选实施例中，得到各个玻璃片80之间的均匀薄层约为0.0002″。然后，叠层可以在80摄氏度下烘干，烘干时间是固化环氧树脂所需的时间，再缓慢地冷却叠层以避免玻璃的破裂。在固化之后，可以用锯切割叠层，例如，利用金刚石锯进行切割成所需的尺寸，但不限制于使用金刚石锯。然后，可以利用金刚砂抛光屏面10的切割部分以去除一些锯痕。

在本发明的另一个实施例中，多个玻璃片80分别涂敷或浸泡在其折射率低于玻璃折射率的物质中，并利用胶水或热固化环氧树脂把多个涂敷薄片固定在一起，胶水或热固化环氧树脂最好是黑色的。第一个涂敷玻璃片10a放入其尺寸略微大于第一个涂敷玻璃片10a的槽中，该槽中填充热固化黑色环氧树脂，并反复地重叠涂敷的玻璃片10a，从而在各个涂敷玻璃片10a之间形成一层环氧树脂。最好是，在形成约500片至800玻璃片叠层之前反复地进行重叠。在环氧树脂固化之前，可以给叠层加上均匀的压力，并切割叠层成所需的尺寸。叠层可以切割成弯曲或平整的，在切割之后可以抛光或不抛光叠层。

在本发明的另一个实施例中，玻璃片80的宽度最好是在0.5″至1.0″的范围内，且有可控制的长度，例如，在12″与36″之间。利用放置在各个玻璃片80之间的一层黑色紫外粘合剂重叠各个玻璃片80。然后，利用紫外线辐射固化每个粘合层，可以切割和/或抛光该叠层。

在切割和/或抛光叠层之后，以上每个实施例的方法还包括：在矩形的外壳内，粘贴耦合元件16到叠层的输入面20，并固定粘贴了耦合元件16的叠层。叠层是这样固定的，外壳14的开放前面与输出面14对准，外壳14内的光发生器12与耦合元件16的光路对准。

光发生系统12提供入射到耦合元件16上的光22，并参照图2给以讨论。光发生系统12中的光源30可以安装在外壳14内的适当位置以减小外壳14的体积和深度。光源30最好安装在外壳14内输入面20顶部的正后方，使最初投射的光22是垂直向下，于是，光22被光发生系统12中的光转向单元32沿垂直方向朝上转向，以便在光路上对准耦合元件16。在本发明的一个优选实施例中，各个波导10a沿水平方向延伸而不倾斜，因此，允许图像沿水平方向直接传输通过波导10a，便于观察者直接观察，使观察者可以接收光22的全部强度以得到最大的亮度。可以在输出面24上任选地放置一片漫射材料以改进显示装置的视角。或者，替代利用一片漫射材料，漫射面可以直接形成在输出面24上，以实现相同的改进视角的目的。因此，为了获得最大的亮度，来自光发生系统12的入射光22必须基本上转向水平方向。棱镜耦合元件16可用于以高达90度的角度转向光，从而使光进入输入面20。在本发明的一个实施例中，透射式直角薄膜(TRAF)以81度角转向光。

光耦合元件16紧邻整个输入面20，并可以适当地粘贴到此输入面上，用于耦合或转向来自光发生系统12的入射光22进入输入面，以便传输通过波导10a。本发明的波导10a可以有一个接收入射光22的有限接收角，以及使耦合元件16对准以保证图像光22合适地转向，进入到容许接收角内的波导芯80。

在本发明的一个优选实施例中，耦合元件16包括：费涅耳棱镜槽16a，棱镜槽16a沿输入面20的宽度方向是笔直的，而沿输入面20的高度方向是垂直等间隔的，这种棱镜耦合元件16能使光转向高达90度角。在本发明的另一个优选实施例中，棱镜耦合元件16是Minneapolis市St.Paul 3M公司生产的商品TRAF，其商标名为TRAF II。任选的光反射器可以放置在紧靠棱镜耦合元件16，用于把棱镜槽16a处的任何杂散光22反射回波导10a中。在本发明的一个优选实施例中，耦合元件16(或光转向面)可以制成在输入面20上。

耦合元件16还可以是衍射元件16的形式。衍射耦合元件16包括有大量微小槽的衍射光栅，槽沿水平方向延伸并与各个波导10a平行，这些槽在输入面20高度的上方沿垂直方向紧密排列。耦合元件16还可以是其他的形式，包括全息元件，但不限于全息元件。

外壳14支承基本密闭机箱中的波导叠层10a和光发生系统12。输出面24是面朝外并朝向观察者和环境光，而输入面20和相邻的耦合元件16是面朝内，最好是朝向外壳14内的黑表面，从而提供附加的黑色以增强输出面24的对比度。由于波导10a和耦合元件16具有无源性质，这个附加的黑色是在输出面24上。若这些无源器件密闭在黑色区，则在没有被入射到输入面20上的图像光22照射的情况下，输出面24呈现黑色。

图4是说明投影来自图像源110的图像到光屏面10上的光学系统100的简化后视图(也表示图4中所示的例子)。光学系统100可以代替以上结合图2描述的光发生系统12。光学系统100包括：图像源110，成像单元120，变形单元130，和远心单元140。光屏面10可以是以上图1至图3的实施例中描述的类型。或者，光屏面可以是不同的类型，取决于专业人员的设计选择或例行实验。图像源110，成像单元120，变形单元130，和远心单元140相对于一个平面在名义上都是对称的，理想的是，这个平面包含所有光学单元的曲率中心。为了便于讨论，以下称这个平面为“y-z平面”。

此处，入射角θ定义为从物平面中心到显示图像平面中心的直线与垂直于显示图像平面的直线之间形成的夹角。图5中画出这个夹角，其中投影系统使用透镜而非反射镜。在投影系统中使用反射镜作为光学元件的实施例中，如图6所示，从物平面中心到图像平面中心的直线是“折叠的”或“反射的”，其中远心单元是反射镜。图像以大于零的入射角θ投影到显示图像平面上。在本发明的一个优选实施例中，入射角θ约在50°至85°的范围内，在本发明的另一个优选实施例中，入射角θ约为78°。

由于与这种配置相关的倾斜是很重要的，所以，在整个光学系统中图像平面的光倾斜操作最好是逐渐展开的。换句话说，光学系统中的光学单元，即，成像单元120，变形单元130，和远心单元140，各自使物体的图像发生倾斜。虽然利用光学系统中仅仅一个或几个光学单元完成这种倾斜操作也是可以的。图像源110和成像单元120各自绕x轴倾斜。倾斜图像源110和成像单元120是按照这种的方法，利用Scheimflug规则使图像平面产生中间倾斜。

成像单元120在中间图像平面上生成物体的图像，形成的夹角介于图像源110的平面(“物平面”)和目标输入面20的平面(“显示图像平面”)之间。变形单元130和远心单元140也绕x轴倾斜，使图像平面产生进一步的中间倾斜。虽然变形单元130产生倾斜图像的倾斜操作对于光学系统100不是必要的，但是变形单元130提供某种程度的倾斜操作是有利的，它可以提高图像的质量。

图像源110可以是照明物体，例如，LCD或DMD，或可以是发光物体，例如，LED阵列或激光器。成像单元120最好包括旋转对称面，它是由可以包含球面或非球面的玻璃或塑料制成。

光学系统100中的变形单元130主要用于减小图像的变形失真，最好放在光学系统100的光程内成像单元120之后的位置。虽然，在某些配置中，可能要求成像单元120是在光学系统100的光程内变形单元130之后的位置。在这个公开的内容中，变形单元是这样一种单元，它在两个正交轴(例如，x轴和y轴)上有不同的屈光本领。

变形单元130最好包括三个元件组，即，正聚焦组130，负聚焦组131，和负图像扩展组133。在这三个元件组中的每个组内，至少有一个非球面的柱面或双向对称元件。每个元件组还可以任选地包含这样的元件，它有球面或非球面的旋转对称面。各个元件组中的每个组可以相对于光学系统100的中央纵向光轴101(图4)倾斜或偏离中心，取决于所需的校正量或校正类型。各个元件组中的这些调整(即，倾斜或偏离中心)可以通过例行的实验确定，根据此处公开的内容，这些调整对于本领域专业人员是显而易见的。每个元件组的安排或调整可以独立于光学系统100中的其余单元(包括变形单元130内其余的各个元件组)。例如，这种安排或调整可能要求负聚焦组132相对于光学系统100的中央纵向光轴101有正的倾斜，而正聚焦组131和负图像扩展组133相对于光学系统100的中央纵向光轴101各有负的倾斜。当然，参照这个描述的其他配置也是在本发明的范围内。或者，在所有的配置中不必要求正好有三个元件组(变形单元130内)。虽然，在理想上，变形单元130内三个元件组中的每个组使物体的图像发生倾斜，但总的要求是总体倾斜效果是达到某个值，这个值可以由变形单元130内的或多或少的元件组完成。变形单元130内元件组的准确数目可以取决于光学系统的总体配置(包括上述的倾斜操作)，入射角θ的值，和所要求的图像质量。

光学系统100中的远心单元140主要用于减小或消除图像的梯形图像失真(或称之为“梯形”失真)，这种失真往往发生在入射角θ大于零的成像系统中。此外，如果需要，远心单元140可以任选地对物体的图像实施倾斜操作(如上所述)，也可以任选地用于聚焦图像。远心单元140最好是在光学系统100的光程内变形单元130和成像单元120之后的位置，且可以包括透镜，反射镜或透镜/反射镜的组合。如上所述，可能要求远心单元140是图6所示的反射镜，使光学系统100的光程发生折叠，从而减小包含光屏面10和光学系统100的外壳14(图1-3)的总体深度D。

在这个公开的内容中，远心单元是使光线变成大致平行的一种单元。换句话说，从远心反射镜元件反射的光，或从远心透镜元件出射的光，不再进一步扩展(不是圆锥形)，因此，这似乎是来自无限远距离的物体。

可能要求远心单元140相对于光学系统100的中央纵向光轴101是倾斜和偏离中心，它取决于所要求的校正量和校正类型。远心单元140的这些调整(即，倾斜和偏离中心)可以通过例行的实验确定，根据此处公开的内容，这些调整对于本领域专业人员是显而易见的。在这个优选实施例中，远心单元140可以包括环形和/或非球面的非旋转对称面，其目的是提高图像的质量。

作为远心单元140是上述透镜，反射镜，或透镜/反射镜组合的另一种方案，可以利用电子学方法减小或消除梯形失真。例如，图像源110可以是DMD，它配置成产生有“反梯形失真”的图像，“反梯形失真”补偿投影路径光学系统所造成的梯形失真。当然，这种失真校正技术可用于补偿光学系统中聚焦元件的任何其他的失真校正。虽然这种技术的描述是参照DMD调制器，但是也可以利用诸如LCD的其他调制器。

图5是利用图4所示类型优选光学系统100中超薄光屏面10的横截面侧视图。常用的光学设计软件，例如，ZEMAX(Focus Software，Inc.)，可用于辅助描述各种特性(例如，半径，厚度，玻璃类型，直径，以及表面是否为二次曲线)，这些特性对应于光学系统100内每个单元/组中每个表面区。在图4所示的典型配置中，ZEMAX软件输出描述这些表面特性的表面数据，如表1中所示。表面#4-#16的表面数据(表1中的左侧一列)对应于成像单元120。表面#19-#26，#29-#31，和#35-#39的表面数据分别对应于变形单元130内的正聚焦组131，负聚焦组132，和负图像扩展组133。表面#43的表面数据对应于远心单元140。

当然，根据此处公开的内容，每个单元/组的其他表面数据值对于本领域的一般专业人员是显而易见的，通过例行的实验可以确定这些表面数据值，它取决于光学系统100内各个单元/组的总体配置和定位(包括上述的倾斜操作)，入射角θ的值，和所要求的图像质量。

表1

描述光学系统100内每个单元的表面数据汇总和细节的ZEMAX软件输出

SURFACE DATA SUMMARY：

Surf Type Radius Thickness Glass Diameter Conic

OBJ STANDARD Infinity 0 21.756 0

1 STANDARD Infinity 0 21.756 0

2 COORDBRK - 292.175 - - -

3 COORDBRK - -249.4148 - - -

4 STANDARD Infinity 10.69606 SFL6 64.80751 0

5 STANDARD -74.6184 19.99612 65.37593 0

6 STANDARD 228.0807 10.34738 SK5 50.95582 0

7 STANDARD -55.44567 4.999329 SF2 49.81779 0

8 STANDARD Infinity 19.96982 46.37759 0

STO STANDARD Infinity 6 35.65802 0

10 STANDARD -45.74455 15.99918 SF2 37.60689 0

11 STANDARD Infinity 3.357388 56.80725 0

12 STANDARD -184.6081 14.13996 LAKN22 58.86762 0

13 STANDARD -42.9287 8.995559 SF1 62.42738 0

14 STANDARD -66.38955 0.5 75.3492 0

15 STANDARD Infinity 15 SK5 88.60007 0

16 STANDARD -100.051 119.414 91.11639 0

17 COORDBRK - -84.414 - - -

18 COORDBRK - 0 - - -

19 BICONICX Infinity 20 BK7 157.8103 0

20 IRREGULA Infinity -20 152.2011 0

21 COORDBRK - 108.4461 - - -

22 COORDBRK - 0 - - -

23 IRREGULA Infinity 20 BK7 163.0092 0

24 BICONICX Infinity 0 SAN 214.3203 0

25 BICONICX Infinity 15 SFL56 214.3203 0

26 BICONICX Infinity -35 227.1676 0

27 COORDBRK - 189.2805 - - -

28 COORDBRK - 0 - - -

29 BICONICX Infinity 20 BK7 181.0634 0

30 BICONICX Infinity 0 SAN 201.5716 0

31 BICONICX Infinity 25 SFL56 201.5716 0

32 BICONICX Infinity -45 209.3956 0

33 COORDBRK - 364.5128 - - -

34 COORDBRK - 0 - - -

35 IRREGULA -194.006 35 POLYCARB 288.6875 0

36 IRREGULA -194.006 -35 309.3933 0

37 COORDRRK - 80 - - -

38 COORDBRK - 0 - - -

39 BICONICX Infinity 30 ACRYLIC 306.0721 0

40 BICONICX Infinity -30 252.3439 0

41 COORDBRK - 850 - - -

42 COORDBRK - 0 - - -

43 BICONICX -3722.143 0 MIRROR 367.4967 0

44 COORDBRK - -35 - - -

45 COORDBRK - -415 - - -

46 COORDBRK - 0 - - -

47 STANDARD Infinity -12.5 BK7 0 0

IMA STANDARD Infinity 1272.227 0

SURFACE DATA DETAIL：

Surface OBJ ： STANDARD

Surface 1 ： STANDARD

Surface 2 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： -14

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 3 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： -3.6145015

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 4 ： STANDARD

Surface 5 ： STANDARD

Surface 6 ： STANDARD

Surface 7 ： STANDARD

Surface 8 ： STANDARD

Surface STO ： STANDARD

Surface 10 ： STANDARD

Surface 11 ： STANDARD

Surface 12 ： STANDARD

Surface 13 ： STANDARD

Surface 14 ： STANDARD

Surface 15 ： STANDARD

Surface 16 ： STANDARD

Surface 17 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： 3.6145015

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 18 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： -33.784948

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Tilt then decenter

Surface 19 ： BICONICX

X Radius ： 173.59718

X Conic ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 50

Y Half Width ： 57

Y-Decenter ： -35

Surface 20 ： IRREGULA

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt X ： 0

Tilt Y ： 0

Spherical ： 0

Astigmatism ： 0

Coma ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 50

Y Half Width ： 57

Y-Decenter ： -35

Surface 21 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： 33.784948

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 22 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： -37.672381

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Tilt then decenter

Surface 23 ： IRREGULA

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt X ： 0

Tilt Y ： 0

Spherical ： 0

Astigmatism ： 0

Coma ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 35

Y Half Width ： 70

Y-Decenter ： -48

Surface 24 ： BICONICX

X Radius ： -218.64119

X Conic ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 35

Y Half Width ： 70

Y-Decenter ： -48

Surface 25 ： BICONICX

X Radius ： -218.64119

X Conic ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 35

Y Half Width ： 70

Y-Decenter ： -48

Surface 26 ： BICONICX

X Radius ： 173.59718

X Conic ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 35

Y Half Width ： 70

Y-Decenter ： -48

Surface 27 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： 37.672381

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 28 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： -19.557286

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 29 ： BICONICX

X Radius ： -97.933517

X Conic ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 58

Y Half Width ： 65

Y-Decenter ： -43

Surface 30 ： BICONICX

X Radius ： 218.64119

X Conic ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 58

Y Half Width ： 65

Y-Decenter ： -43

Surface 31 ： BICONICX

X Radius ： 218.64119

X Conic ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 58

Y Half Width ： 65

Y-Decenter ： -43

Surface 32 ： BICONICX

X Radius ： -218.64119

X Conic ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 58

Y Half Width ： 65

Y-Decenter ： -43

Surface 33 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： 19.557286

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 34 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： -53.183452

Tilt About X ： -2.0483201

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 35 ： IRREGULA

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt X ： 0

Tilt Y ： 0

Spherical ： 0

Astigmatism ： 0

Coma ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 90

Y Half Width ： 80

Surface 36 ： IRREGULA

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt X ： 4.132604

Tilt Y ： 0

Spherical ： 0

Astigmatism ： 0

Coma ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 90

Y Half Width ： 80

Surface 37 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 53.183452

Tilt About X ： 2.0483201

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Tilt then decenter

Surface 38 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： 11.853793

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 39 ： BICONICX

X Radius ： -108.26109

X Conic ： -0.43754756

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 90

Y Half Width ： 78

Y-Decenter ： -63

Surface 40 ： BICONICX

X Radius ： 0

X Conic ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 110

Y Half Width ： 78

Y-Decenter ： -63

Surface 41 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： -11.853793

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 42 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： 6.25

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 43 ： BICONICX

X Radius ： -2108.2232

X Conic ： 0

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 510

Y Half Width ： 92

Y-Decenter ： -92

Surface 44 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： 0

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 45 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： 0

Tilt About X ： 6.25

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 46 ： COORDBRK

Decenter X ： 0

Decenter Y ： -78.542123

Tilt About X ： 79

Tilt About Y ： 0

Tilt About Z ： 0

Order ： Decenter then tilt

Surface 47 ： STANDARD

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 518

Y Half Width ： 391

Y-Decenter ： 4

Surface IMA ： STANDARD

Aperture ： Rectangular Aperture

X Half Width ： 518

Y Half Width ： 391

以上描述的光学系统100在光屏面10的输入面20表面上产生正确聚焦的图像，在保持物体与图像之间线性点对点变换的情况下，保留原始物体的纵横比。

本领域专业人员知道，可以实现本发明的许多改动和变化。例如，替代包括透镜，成像单元120和变形单元130可以各自包括反射镜或透镜或透镜/反射镜的组合。可以要求提供的成像单元120和/或变形单元130是反射镜，或提供附加的反射镜，以实现光学系统100中光程的折叠或多次折叠，从而减小包含光屏面10和光学系统100的外壳14(图1-3)的总体深度D。以上的描述和以下的权利要求书的目的是覆盖所有这些改动和变化。

Claims

1.一种光学系统，以大于零的入射角θ投影物体的图像到显示图像平面上，包括：

图像源；

成像单元，用于在中间图像平面上生成物体的图像；

变形单元，用于减小图像的畸形失真；和

远心单元，用于减小图像的梯形失真。

2.按照权利要求1的系统，其中中间图像平面的倾角是介于物平面与显示图像平面之间的倾角。

3.按照权利要求1的系统，其中成像单元，变形单元，和远心单元的曲率中心各自对准到一个公共平面。

4.按照权利要求1的系统，其中成像单元是反射镜。

5.按照权利要求1的系统，其中成像单元是透镜。

6.按照权利要求1的系统，其中成像单元是透镜和反射镜的组合。

7.按照权利要求1的系统，其中成像单元包括旋转对称面。

8.按照权利要求7的系统，其中成像单元包括非球面。

9.按照权利要求1的系统，其中成像单元，变形单元，和远心单元各自使物体的图像发生倾斜。

10.按照权利要求1的系统，其中选自成像单元，变形单元，和远心单元中的一个或两个单元使物体的图像发生倾斜。

11.按照权利要求1的系统，其中变形单元是反射镜。

12.按照权利要求1的系统，其中变形单元是透镜。

13.按照权利要求1的系统，其中变形单元是透镜和反射镜的组合。

14.按照权利要求1的系统，其中变形单元包括旋转对称面。

15.按照权利要求14的系统，其中成像单元和远心单元各自沿中央纵向光轴对准，而其中变形单元相对于中央纵向光轴倾斜和偏离中心。

16.按照权利要求14的系统，其中变形单元包括球面和非球面。

17.按照权利要求14的系统，其中成像单元和远心单元各自沿中央纵向光轴对准，而其中变形单元包括球面和非球面，且相对于中央纵向光轴倾斜和偏离中心。

18.按照权利要求1的系统，其中变形单元包括：正聚焦组，负聚焦组，和负图像扩展组。

19.按照权利要求18的系统，其中变形单元内的每个组使物体的图像发生倾斜。

20.按照权利要求18的系统，其中变形单元内的每个组至少包含一个柱面单元或双向对称非球面单元。

21.按照权利要求1的系统，其中远心单元是反射镜。

22.按照权利要求1的系统，其中远心单元是透镜。

23.按照权利要求1的系统，其中远心单元是透镜和反射镜的组合。

24.按照权利要求1的系统，其中远心单元包括非球面。

25.按照权利要求1的系统，其中远心单元包括环形面。

26.按照权利要求1的系统，其中远心单元包括非旋转对称面。

27.按照权利要求1的系统，其中远心单元包括非球面的非旋转对称面。

28.按照权利要求1的系统，其中远心单元包括费涅耳面。

29.按照权利要求1的系统，其中显示图像平面是由多个光波导的端部确定的。

30.按照权利要求1的系统，其中入射角θ约在50°至85°的范围内。

31.按照权利要求30的系统，其中入射角θ约为78°。

32.一种有光屏面和至少一个光学系统的显示系统，以大于零的入射角θ投影物体的图像到显示图像平面上，所述显示系统包括：

光屏面，包括：

多个叠层光波导，每个光波导有第一端和第二端，其中输出面是由多个第一端确定的，而其中输入面是由多个第二端确定的；和

输入面处至少一个耦合元件，它把沿非垂直于输入面的轴传播的光转向成沿垂直于输入面的轴；

至少一个光学系统，每个所述光学系统包括：

图像源；

成像单元，用于在中间图像平面上生成物体的图像；

变形单元，用于减小图像的变形失真；和

远心单元，用于减小图像的梯形失真。

33.按照权利要求32的系统，其中中间图像平面的倾角是介于物平面与显示图像平面之间的倾角。

34.按照权利要求32的系统，其中成像单元，变形单元，和远心单元的曲率中心各自对准到一个公共平面。

35.按照权利要求32的系统，其中成像单元是反射镜。

36.按照权利要求32的系统，其中成像单元是透镜。

37.按照权利要求32的系统，其中成像单元是透镜和反射镜的组合。

38.按照权利要求32的系统，其中成像单元包括旋转对称面。

39.按照权利要求38的系统，其中成像单元包括非球面。

40.按照权利要求32的系统，其中成像单元，变形单元，和远心单元各自使物体的图像发生倾斜。

41.按照权利要求32的系统，其中选自成像单元，变形单元，和远心单元中的一个或两个单元使物体的图像发生倾斜。

42.按照权利要求32的系统，其中变形单元是反射镜。

43.按照权利要求32的系统，其中变形单元是透镜。

44.按照权利要求32的系统，其中变形单元是透镜和反射镜的组合。

45.按照权利要求32的系统，其中变形单元包括旋转对称面。

46.按照权利要求45的系统，其中成像单元和远心单元各自沿中央纵向光轴对准，而其中变形单元相对于中央纵向光轴倾斜和偏离中心。

47.按照权利要求45的系统，其中变形单元包括球面和非球面。

48.按照权利要求45的系统，其中成像单元和远心单元各自沿中央纵向光轴对准，而其中变形单元包括球面和非球面，且相对于中央纵向光轴倾斜和偏离中心。

49.按照权利要求32的系统，其中变形单元包括：正聚焦组，负聚焦组，和负图像扩展组。

50.按照权利要求49的系统，其中变形单元内的每个组使物体的图像发生倾斜。

51.按照权利要求49的系统，其中变形单元内的每个组至少包含一个柱面单元或双向对称非球面单元。

52.按照权利要求32的系统，其中远心单元是反射镜。

53.按照权利要求32的系统，其中远心单元是透镜。

54.按照权利要求32的系统，其中远心单元是透镜和反射镜的组合。

55.按照权利要求32的系统，其中远心单元包括非球面。

56.按照权利要求32的系统，其中远心单元包括环形面。

57.按照权利要求32的系统，其中远心单元包括非旋转对称面。

58.按照权利要求32的系统，其中远心单元包括非球面的非旋转对称面。

59.按照权利要求32的系统，其中远心单元包括费涅耳面。

60.按照权利要求32的系统，其中显示图像平面是由多个波导的多个第二端确定的。

61.按照权利要求32的系统，其中入射角θ约在50°至85°的范围内。

62.按照权利要求61的系统，其中入射角θ约为78°。

63.按照权利要求32的系统，其中显示系统包括两个或多个光学系统。

64.按照权利要求32的系统，其中显示系统包括三个光学系统，其中光学系统分别投射红光，绿光和蓝光。

65.按照权利要求32的系统，其中多个波导中的每个波导制成为沿输出面在水平方向上连续延伸的扁平带。

66.一种方法，以大于零的入射角θ投影物体的图像到显示图像平面上，所述方法包括以下步骤：

投影来自图像源的图像；

利用成像单元使物体的图像引向中间图像平面；

利用变形单元减小图像的变形失真；和

利用远心单元减小图像的梯形失真。

67.一种方法，以大于零的入射角θ显示物体的图像到光屏面的显示图像平面上，所述方法包括以下步骤：

投影来自图像源的图像；

利用成像单元使物体的图像引向中间图像平面；

利用变形单元减小图像的变形失真；和

利用远心单元减小图像的梯形失真；

其中光屏面包括多个叠层光波导，每个光波导有第一端和第二端，其中输出面是由多个第一端确定的，而其中输入面是由多个第二端确定的，且其中光屏面还包括输入面处至少一个耦合元件，它把沿非垂直于输入面的轴传播的光转向成沿垂直于输入面的轴。