CN102156378A - 一种大屏幕投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大屏幕投影系统，包括激光光源、分光模块、光机模块、投影模块以及屏幕模块；其中，激光光源发出的光束投射到所述分光模块后，由所述分光模块将接收到的光束做分光操作，分光后得到至少N路子光束，各路子光束分别投射到所述光机模块中，由所述光机模块对这些子光束加以调制，调制后所得到的各路信号光经由所述投影模块投影到所述屏幕模块以形成图像。本发明的光路可以随意分成若干光路，因此拼接墙子屏幕数量和拼接方式不受限制。

Description

一种大屏幕投影系统

技术领域

本发明涉及显示领域，尤其涉及一种以激光作为光源的大屏幕拼接墙投影系统。

背景技术

在商场、广场、大型会议室等人流密集的区域，大屏幕投影系统具有广泛的应用。电视拼接墙是一种典型的大屏幕投影系统。当前市场上常见的电视拼接墙多以60英寸DLP背投电视作为拼接单元，每个拼接单元内均有一个120瓦左右的超高压汞灯作为光源。由于超高压汞灯容易发生损坏，使得所在拼接单元无法正常工作，因此，这种类型的电视拼接墙经常存在放映图像不完整的现象。此外，由于超高压汞灯散热量大，需要有专门的散热风扇散热，而风扇又会产生噪声，因此，对于拼接单元较多的电视拼接墙而言，其较高的热排放量和噪音为高端用户所不容。对此有人提出将光源和后续装置分离放置以降低噪声和热量对观众的影响，而由于超高压汞灯的光束发散角大，无法进行集束，光源和后续装置不能进行分离放置，所以热量和噪音问题无法克服。

近年来，随着激光显示技术的不断进步，以激光作为光源的激光电视拼接墙成为大屏幕投影系统的新的研究方向，由于激光具有高亮度和单色性的特点，使得激光电视拼接墙可以为用户提供一个低成本、高分辨率和高亮度的显示装置，激光的热量小且噪声低，可以一定程度上减小热量和噪音。在专利号为US6771326的参考文献1中披露了一种激光电视拼接墙装置。如图1所示，该装置包括激光光源101、光束102、光开关103、图像显示控制系统104、光调制器系统105、投影光学系统106和屏幕107。其中激光光源101由红、绿、蓝激光器组成，由激光光源101发射多束不同颜色的激光束102；激光束102入射到光开关103内，由光开关103将多束激光分为三路单色光并分别入射到光调制器系统105内的第一调制器、第二调制器和第三调制器；光调制器系统105由图像显示控制系统104和光开关103根据图像信号进行同步控制，第一调制器、第二调制器和第 三调制器获取光信号的顺序分别是红绿蓝、绿蓝红和蓝红绿以实现对三基色激光的分时复用；经过光调制系统105调制后的三路信号光入射到投影光学系统106，三路信号光经投影光学镜头分别投射到屏幕107上对应的子屏幕，屏幕107上的各个子屏幕拼接成一个完整的图像。

在上述现有技术中，对于一个子屏幕而言，虽然红、绿、蓝三色激光投影到子屏幕上的时刻存在时间差，但由于人眼的视觉暂留特性，人眼能同时观察到由红绿蓝三色光所形成的彩色图像，这种显示方法也被称为时间混色法。采用时间混色法的显示装置所要显示的图像中如果有快速移动的景物时，容易出现颜色拖尾现象(俗称彩虹现象)，这一现象的具体表现是图像中的色彩被简单地分离出明显的红、绿和蓝三种单色，看起来像雨后彩虹一样。这种现象产生的原因是由于人的视觉系统能察觉出一种彩色转换到另一种彩色的过程，而不是靠视觉暂留特性把几种单色混合成新的色彩。因此，采用时间混色法的显示装置并不具有良好的图像显示效果。此外，对于某些用户而言，图像显示过程中色彩的迅速变化还会产生眼睛胀痛和头痛的情况，影响显示效果。最后，在上述激光电视拼接墙装置中，只有当光路的数量是光源基色种类的正整数倍时才能充分利用光源。例如，光源为三基色，则需要有3×N(N为正整数)个光路分支，若光路分支为2×N路，则有三分之一的光源能量被损耗掉，光源的使用率将大大降低。如果要充分利用光源就会限制拼接墙的子屏幕的数量和组合方式，使得激光电视拼接墙的应用受到一定程度的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的大屏幕投影系统所得到的投影子屏幕数量受限和出现彩虹现象，且光源能量利用率的缺陷，从而提供一个子屏幕数量任意、光源利用率高、不会出现彩虹现象的大屏幕投影系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种大屏幕投影系统，包括激光光源、分光模块、光机模块、投影模块以及屏幕模块；其中，

所述光源发出的光束投射到所述分光模块后，由所述分光模块将接收到的光束做分光操作，分光后得到至少N路子光束，各路子光束分别投射到所述光机模块中，由所述光机模块对这些子光束加以调制，调制后所得到的各路信号光经由所述投影模块投影到所述屏幕模块以形成图像；所述N为大于或等于2的正整数。

上述技术方案中，所述的激光光源包括红、绿、蓝三色激光光源，所述红、绿、蓝三色激光光源发出的红、绿、蓝三色光按照功率配比混合为白光后从所述激光光源射出。

上述技术方案中，所述的激光光源包括红、绿、蓝三色激光光源，所述红、绿、蓝三色激光光源发出的红、绿、蓝三色光分别从所述激光光源中射出。

上述技术方案中，所述的屏幕模块包括至少两个子屏幕或者至少可以划分为两个以上的显示区域。

上述技术方案中，所述的光机模块包括至少两个光阀，每个光阀与每路子光束一一对应，每路子光束均为各个基色光的混合而形成的白光。

上述技术方案中，所述分光模块包括N-1个分光装置，所述分光装置对入射光束进行分光操作。

上述技术方案中，所述分光模块包括第一分光装置、第二分光装置、第三分光装置；所述光机模块中有四个光阀；其中，

所述第一分光装置接收到由激光光源入射的白光后，将该白光分成等量的两路光，这两路光分别投射到所述的第二分光装置以及第三分光装置；所述第二分光装置以及第三分光装置分别将所接收到的白光分为两路，从而形成四路白光，并将所述的四路白光分别投射到所述的四个光阀中。

上述技术方案中，所述的分光模块包括整形耦合单元以及分光装置；所述的整形耦合单元对由所述分光装置射入的各路光束做整形耦合，然后将整形耦合后的光束传输到所述光机模块加以调制。

上述技术方案中，当所述光源所发出光束的颜色数量为大于或等于1的正整数M时，所述分光模块中所包含(N-1)×M个分光装置。

上述技术方案中，所述的分光模块包括第一分光模块、第二分光模块以及第三分光模块和整形耦合单元；其中，在所述第一分光模块、第二分光模块以及第三分光模块中各自包括有三个分光装置；

所述光源发出的红、绿、蓝三色光各自发射到所述第一分光模块中的三个分光装置，由这些分光装置将1/4光通量的光束经整形耦合单元传输到所述光机系统，将另外3/4光通量的光束传输到所述第二分光模块；所述第二分光模块中的各个分光装置将所接收光束中1/3光通量的光束经整形耦合单元传输到所述光机系统，将剩余2/3光通量的光束传输到所述第 三分光模块；所述第三分光模块中的各个分光装置将所接收光束中平均分为两路，经整形耦合单元各自传输到所述光机模块。

本发明的优点在于：

1、本发明的光路可以随意分成若干光路，因此拼接墙子屏幕数量和拼接方式不受限制。

2、本发明采用空间混色法，可避免出现“彩虹效应”，画面显示效果好。

3、本发明中因为激光方向性好，光源和后续的装置之间通过光纤传导，可以实现分体放置，即将电视拼接墙的光源放置在对噪音和排热相对没有限制或限制较少的空间，从而极大地降低了电视墙的噪音以及对观看场地的热量排放，创造出一个相对无噪音和无热量的观赏空间。

4、由于采用多台激光光源，可以减小投影图像的激光散斑效应。

5、由于投影系统统一采用多台激光器组成的光源，即使激光光源中的一台或几台激光器发生故障不能正常工作，也不会导致投影系统发生图像缺失的现象。

附图说明

图1为现有技术中激光投影显示装置的结构示意图；

图2为一个实施例一中的分光装置的结构示意图；

图3为另实施例中的投影系统的结构示意图；

图4为子屏幕的数量为六个时，分光装置的组合结构示意图；

图5为子屏幕的数量为九个时，分光装置的组合结构示意图；

图6为另一个实施例中投影系统的结构示意图；

图7为子屏幕的数量为五个时，分光装置的组合结构示意图；

图8为另一实施例中投影系统的分光系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。

在对本发明的投影系统进行说明前，首先对该系统中所涉及的一种分光装置的结构予以说明。

图2中给出了一个实施例中的分光装置的结构示意图，从图中可以看出，该分光装置包括第一光纤头2011、第二光纤头2012、第三光纤头2013、 第一聚焦透镜2021、第二聚焦透镜2022、第三聚焦透镜2023、分光镜203和第一光纤2041、第二光纤2042和第三光纤2043。光束通过第一光纤2041从第一光纤头2011入射到第一聚焦透镜2021上，光束经第一聚焦透镜2021汇聚后入射到分光镜203上，分光镜203的分光比值(即透射光功率与反射光功率比值)为1∶1，即入射光经分光镜203后有50％的光透射到第三聚焦透镜2023上，另外50％的光反射到第二聚焦透镜2022上，透射光再经由第三光纤头2013入射至第三光纤2043，而反射光再经由第二光纤头2012入射至第二光纤2042。

上述给出了分光装置的一种实现方式，本领域技术人员应当了解，可以根据实际需要对上述分光装置的部件加以替换或，例如，分光装置中的聚焦透镜可以替换为自聚焦透镜或者聚焦透镜组等具有聚焦效果的元件。分光镜的分光波段为可见光范围，并且可以根据投影系统需要实现同一分光镜同时对不同波长的可见光进行分光；分光镜的分光比值也不局限于1∶1，可以根据需要调整为4∶1或7∶3或3∶2等其它类型的分光比值。本实施例仅仅是分光装置的一种实现方法，可以替换为具有相同功能的其他结构的分光装置。

实施例一：

在对分光装置的结构做上述说明后，下面对采用上述分光装置的投影系统加以说明。

图3给出了一个实施例中的投影系统的结构示意图，该投影系统包括光源301、第一分光装置3021、第二分光装置3022、第三分光装置3023、光机模块303、投影模块304和屏幕模块305。其中，所述的分光装置内的分光镜的分光比值均为1∶1；所述的光源301包含红、绿、蓝固态激光器各十台(图中未示出)，这些激光器所发出的红、绿、蓝光按照功率配比混合为一束白光，此束白光经光纤传导至第一分光装置3021；入射到第一分光装置3021的白色激光被分为两路子光束，这两路白色子光束分别经光纤传导入射到第二分光装置3022和第三分光装置3023，经过第二分光装置3022和第三分光装置3023后的两路白色子光束又被均匀分为四路白色子光束；这四路白色子光束经光纤传导后分别入射到光机模块304内的四个光阀内，由所述的光阀根据图像信号对白色激光做调制操作；经过调制后的四路不同的信号光对应入射到投影模块304内的四个投影透镜， 然后由四个投影透镜将图像投射到对应的屏幕模块305内的四个子屏幕上。

在本实施例中，上述光阀为三片式数字微反射镜装置(DigitalMicro-mirror Device，DMD)，但在其它应用场合中，光阀也可以采用硅上液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)、液晶(LCD)或单片DMD等其它类型的实现方式。此外，投影系统分光光路的数量、投影透镜和屏幕三者的数量保持一致。

在本实施例中，光源301采用了固态激光器，但在其它应用中，也可以采用其它类型的光源，如LD等具有小发散角的光源。光源301所发出的光除了本实施例中所提到的混合白光外，还可以是单色光、二色光、四基色光或者五基色光等。此外，光源301中的固态激光器的数量也不限于本实施例中所提到的30台，在其它实施例中可以是2台或2台以上的任意数量。

在本实施例中，屏幕模块305内包括有四个子屏幕，这些子屏幕可以拼接成2×2的矩阵，也可以拼接成1×4的矩阵，具体形状可根据实际需要而定。当然屏幕模块305也可以是能够划分为多个投影区域的一个完整的屏幕，这些划分的多个投影域也统称为子屏幕。屏幕模块305内的子屏幕的数量不限于四个，可以是任意个，例如六个、九个或十六个等。但一旦子屏幕的数量发生变化，则分光装置的数量、分光装置中分光镜的分光比值以及分光装置之间的组合方式也要做相应调整。如果子屏幕的数量为N(N≥2为正整数)，则分光装置的数量则为N-1。在图4中给出了当子屏幕的数量为六个时，分光装置的一种组合方式，在图5中给出了当子屏幕的数量为九个时，分光装置的另一种组合方式。这些分光装置中分光镜的分光比值应当能够保证最后各个光路入射到调制器的白光能量相等。本领域技术人员结合上述实例，很容易推出子屏幕为其它数量时分光装置的组合方式及分光镜的分光比值。

实施例二：

图6给出了另一个实施例中投影系统的结构示意图，该投影系统包括光源401、分光模块、光机模块404、投影模块405和屏幕模块406。其中，所述分光模块包括第一分光模块4021、第二分光模块4022、第三分光模块4023和整形耦合单元403。光源401包含红、绿、蓝固态激光器各五台 (图中未示出)，按照输出光场白平衡原则对红、绿、蓝激光进行功率配比，但是在光源401出射端不对红、绿、蓝激光进行混光。红、绿、蓝三束单色光分别通过光纤传导后入射到第一分光模块4021内的三个分光装置，第一分光模块4021内分光镜的分光比值为3∶1，经过第一分光模块4021后红、绿、蓝光三个单色光束分别有四分之一的反射光由光纤传导到整形耦合单元403的第一整形耦合头内；三束单色光剩余四分之三的光透射过分光镜后经过光纤传导至第二分光模块4022，第二分光模块4022内的分光镜的分光比值为2∶1，红绿蓝三束光经过第二分光模块4022后又分别被分为两路子光束，一路反射光功率为原始出射光功率的四分之一，三束反射光分别经光纤传导到整形耦合单元403的第二整形耦合头内；红、绿、蓝三束单色光的原始出射光的四分之二透射过分光镜后经光纤传导至第三分光模块4023，第三分光模块4023内分光镜的分光比值为1∶1，即分成的两路子光束中的反射光和透射光的光功率均是原始出射光功率的四分之一，红、绿、蓝光的反射光部分分别由光纤传导至整形耦合单元403内的第三整形耦合头；红、绿、蓝光的透射光分别由光纤传导至整形耦合单元403内的第四整形耦合头。红、绿、蓝光经整形耦合单元403内的四个整形耦合头混成四路白光子光束，并分别由整形耦合单元403耦合到光机模块404的四个光阀中；四路白光子光束分别被四个光阀单独调制，四个光阀根据不同的调制信号对四路白光子光束进行调制，调制后的四个信号光分别入射到投影模块405内的四个投影镜头，四个投影镜头分别将投影光投射到屏幕模块406对应的子屏幕上。

在本实施例中，光源401出射光为红绿蓝单色光，分光模块402对单色光进行分光，红绿蓝单色光在进入调制器之前混合为白光。虽然在本实施例中，屏幕模块406中子屏幕的数量为四个，但在其它应用场合中，子屏幕的数量不限于四个，可以是任意个。在投影系统中每增加一个子屏幕，只需要增加一组分光模块，如图7所示，在图6基础上增加一组分光模块4024，子屏幕的数量就变为五个，其他数量的子屏幕实现方法可以依此类推。若分得的光路数量和/或屏幕的数量为若L(L≥2的正整数)，光源基色的数量为M(M≥1的正整数)，则分光装置数量则为(L-1)×M，例如本实施例中光源基色数量为3，光路为4，则分光装置数量为3×(4-1)＝9。需要说明的是，子屏幕的数量发生变化后，分光装置中分光镜的分光比值以及分光装置之间的组合方式也要做相应调整。本实施例的分光方法适合 于光源体积较大，各颜色激光束不适合进行合光的场合。

本实施例的投影系统中的其它部件与实施例一中并无不同，因此不对这些部件的具体实现做重复说明。

实施例三：

在实施例一和实施例二中，投影系统分别按照先合光再分光的原理，以及先分光再合光再分光的原理实现投影过程，但在本实施例中还可以将上述两个原理相结合得到新的投影系统。在图8中给出了本实施例中的投影系统的分光模块的结构示意图。该分光模块在图6所示投影系统的整形耦合单元403之后添加第四分光模块804，后续对应的元件适应性地调整为光机模块805、投影模块806和屏幕模块807，第四分光模块804对4路白光子光束再次进行分光，获得8路白光子光束。在该实施例的投影系统中，要得到8路白光子光束需要13个分光装置，与之相比，按照实施例一的投影系统的原理所得到的能够生成8路白光子光束的投影系统需要7个分光装置，按照实施例二的投影系统的原理所得到的能够生成8路白光子光束的投影系统需要21个分光装置。即在分光光路数量相同的情况下，本实施例中的分光装置的数量比实施例一中的分光装置多，但比实施例二中的分光装置少，因此，可以根据需要选择合适的分光模块结构，但是在条件允许的情况下，优选分光装置少的组合方式，以降低光能损耗。

上述实施例一到实施例三中的投影系统对光源发出的激光做分路操作，将分路、调制后的信号光分别投射到不同的子屏幕上，这种对各基色光束进行合光之后进行多基色同时调制的方法被称为空间混色法。与现有技术中采用时间混色法的投影系统相比，上述实施例中的投影系统能够避免“彩虹效应”的发生，画面显示效果好。此外，本发明的光路可以随意分成若干光路，因此拼接墙子屏幕数量和拼接方式不受限制。上述实施例中光源和后续的装置之间通过光纤传导，因而可以实现分体放置，即将投影系统的光源放置在对噪音和排热相对没有限制或限制较少的空间，从而极大地降低投影系统对观看场地的噪音以及的热量排放。而且，由于光源采用多台固态激光器，降低了光源间的相干性，因此可以达到减小散斑的效果。现有拼接墙投影系统中光源、调制器和屏幕区域一一对应的情况下，若一台或几台光源发生故障，则会导致对应的投影区域图像缺失的现象，本发明由于采用多光源混光在分光的方法，则消除了此类原因导致的图像 缺失的问题。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种大屏幕投影系统，其特征在于，包括激光光源、分光模块、光机模块、投影模块以及屏幕模块；其中，

所述光源发出的光束投射到所述分光模块后，由所述分光模块将接收到的光束做分光操作，分光后得到至少N路子光束，各路子光束分别投射到所述光机模块中，由所述光机模块对这些子光束加以调制，调制后所得到的各路信号光经由所述投影模块投影到所述屏幕模块以形成图像；所述N为大于或等于2的正整数。

2.根据权利要求1所述的大屏幕投影系统，其特征在于，所述的激光光源包括红、绿、蓝三色激光光源，所述红、绿、蓝三色激光光源发出的红、绿、蓝三色光按照功率配比混合为白光后从所述激光光源射出。

3.根据权利要求1所述的大屏幕投影系统，其特征在于，所述的激光光源包括红、绿、蓝三色激光光源，所述红、绿、蓝三色激光光源发出的红、绿、蓝三色光分别从所述激光光源中射出。

4.根据权利要求1、2或3所述的大屏幕投影系统，其特征在于，所述的屏幕模块包括至少两个子屏幕或者至少可以划分为两个以上的显示区域。

5.根据权利要求1或2或3所述的大屏幕投影系统，其特征在于，所述的光机模块包括至少两个光阀，每个光阀与每路子光束一一对应，每路子光束均为各个基色光的混合而形成的白光。

6.根据权利要求2所述的大屏幕投影系统，其特征在于，所述分光模块包括N-1个分光装置，所述分光装置对入射光束进行分光操作。

7.根据权利要求6所述的大屏幕投影系统，其特征在于，所述分光模块包括第一分光装置(3021)、第二分光装置(3022)、第三分光装置(3023)；所述光机模块中有四个光阀；其中，

所述第一分光装置(3021)接收到由激光光源入射的白光后，将该白光分成等量的两路光，这两路光分别投射到所述的第二分光装置(3022)以及第三分光装置(3023)；所述第二分光装置(3022)以及第三分光装置(3023)分别将所接收到的白光分为两路，从而形成四路白光，并将所述的四路白光分别投射到所述的四个光阀中。

8.根据权利要求3所述的大屏幕投影系统，其特征在于，所述的分光模块包括整形耦合单元以及分光装置；所述的整形耦合单元对由所述分光装置射入的各路光束做整形耦合，然后将整形耦合后的光束传输到所述光机模块加以调制。

9.根据权利要求8所述的大屏幕投影系统，其特征在于，当所述光源所发出光束的颜色数量为大于或等于1的正整数M时，所述分光模块中所包含(N-1)×M个分光装置。

10.根据权利要求9所述的大屏幕投影系统，其特征在于，所述的分光模块包括第一分光模块(4021)、第二分光模块(4022)以及第三分光模块(4023)和整形耦合单元(403)；其中，在所述第一分光模块(4021)、第二分光模块(4022)以及第三分光模块(4023)中各自包括有三个分光装置；

所述光源发出的红、绿、蓝三色光各自发射到所述第一分光模块(4021)中的三个分光装置，由这些分光装置将1/4光通量的光束经整形耦合单元传输到所述光机系统，将另外3/4光通量的光束传输到所述第二分光模块(4022)；所述第二分光模块(4022)中的各个分光装置将所接收光束中1/3光通量的光束经整形耦合单元传输到所述光机系统，将剩余2/3光通量的光束传输到所述第三分光模块(4023)；所述第三分光模块(4023)中的各个分光装置将所接收光束中平均分为两路，经整形耦合单元各自传输到所述光机模块。

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