CN1042386C - 视频投影系统 - Google Patents

Abstract

至少有一个用于产生至少一个光束(14、15、16、22)的强度可控的光源(4、5、6)并且有一个为了产生视频图像像点将光束(22)以图像扫描和帧扫描方式顺序偏转到屏幕(36)上的偏转装置(30)的视频投影系统具有两个部件(1、2)，其中，第一个部件(1)包含至少一个光源(4、5、6)并且有一个光输出端，在输出端至少射出一个光束，而其中第二个部件(2)具有偏转装置(30)和一个光输入端，光束(22)通过此输入端呈像在偏转装置(30)上。此外，还配置有一个光传输装置(3)，此光传输装置可以在两个部件(1、2)的第一个部件(1)的光输出端和第二个部件(2)的光输入端之间相互进行光学连接。

Description

视频投影系统

本发明涉及一种视频投影系统，此系统至少有一个用于产生至少一个光束的、强度可控的光源并且有一个偏转装置，此偏转装置为了产生视频图像的像点将光束以图像扫描和行扫描方式顺序偏转到屏幕上。

在杂志“Funkschau(无线电观察)”1970年第4期286页上发表了一篇有关这种类型投影系统的文章。其中，涉及到了一个彩色图像的视频投影系统，其各种彩色的信号是由激光器产生的，其中，由激光器输出的光束随着视频图像每个像点色值的不同通过光调制器在强度上进行改变。由光调制器输出的光束通过分色镜汇合成一个共同的光束，经过机械-光学偏转系统，以图像扫描和行扫描的方式进行偏转并且投影到一个屏幕上。如果屏幕尺寸很大，则应该配置与此相应的大功率激光器，这样，所采用的激光器就需要占用很大的空间，除了激光器的几何尺寸外，其所必要的散热装置亦构成另一个难题，它与紧凑型结构是背道而弛的。所以这种类型的视频系统造价昂贵并且需要占用大的空间以致例如不能在居室内使用。

在上述“Funkschau”杂志上还发表了另一种视频投影系统，这种系统甚至空间需要更大，因为各种色彩应通过一段棱镜滤出。此外，其行扫描是采用一个振动镜进行的。就是说此视频投影系统在其偏转装置中需要有一个附加的射束分配器和若干个附加的反射镜，从而如同其结构费用那样进一步提高了空间需求。

在文献DE3 404 412 Al中阐述了一种数字式平面彩色电视大图像屏幕从而激起了用紧凑型结构实现视频系统的探讨。在所述屏幕上视频图像的像点藉助于光导纤维输送到屏幕上，其中这些光导纤维朝屏幕方向散开。通过这些光导纤维的展开可以在屏幕上产生一个比初始图像更大的图像。此外，光导纤维的应用给出了与图像屏位置空间不相关的选择光产生部位的可能性从而可以降低对空间的需求。

然而这种技术的缺点在于对每一个像点均需要一根与其对应的光导纤维。这样，在那里例举的实例中为了传输图像就需要519792根光导纤维并且尚需将它们按顺序彼此粘合起来。因此制造这样一种系统耗资格外的高而每根光导纤维的满负荷却很少。与此同时，由于光导纤维彼此之间要求精确的调整，所以在制造过程中存在着废品率很高的危险。

鉴于上述原因，本发明的目的在于设计一种本文一开始所述的视频投影系统，此系统可以广泛应用，特别是具有一种极为紧凑的、可变化的结构并且造价低廉。

此目的在本文开始所述的视频投影系统上是这样加以解决的，即此视频投影系统具有两个部件，其中第一个部件包含至少一个光源并有一个光输出端，光源在此光输出端至少射出一个光束，而第二个部件包含偏转装置并配备有一个光输入端，光束通过此输入端呈像在偏转装置上，此外，还配备有一个将第一个部件的光输出端和第二个部件的光输入端进行光学连接的光传输装置，此装置允许两个部件相互之间具有任意的排列。

在本发明的视频投影系统中，光的产生和偏转装置分别安置在彼此隔离的不同的部件中，而这些部件仅通过光传输装置相互进行光学连接。其中，这些部件可以具有互不相同的空间排列，这样就可以减少整个的空间需要并且也可以更加良好的进行散热，因为例如第一个包含激光器的部件可以安置在一个散热良好的部位而与第二个部件的位置互不相关。

根据本发明甚至可以将第一个部件与第二个部件分开而放置在另一个空间中并且激光的传输仅通过光传输装置从一个空间至另一个空间进行。这样，本发明视频投影系统即可获得特别广泛的应用。

此外，本发明视频投影系统还具有维修简便的优点，因为无论是激光器还是偏转装置均可以方便的接近。最后，本发明视频投影系统与上述人们熟知的系统相比还证明是比较不复杂的。

本发明既可以用于黑/白图像，也可以用于彩色视频图像的产生。

在优选的本发明进一步发展了的实施例中光传输装置包含有一个反射镜系统。反射镜是一些标准元件，采用此反射镜可以以简单方式在空间相互隔离的部件之间进行甚至是复杂的光学连接。其中，特别要使这些反射镜的相对位置可以加以调节，这样就可以将光传输装置与第一个部件和第二个部件的光路迅速匹配。

在另一优选的本发明进一步发展了的实施例中光传输装置至少包含有一根光导纤维。采用此方案可以毫无问题的简单的桥接甚至是最复杂的光传输路径而元需在光束应偏转的各个角上进行调节。如今，对于所传输光的波长具有各种不同传输特性的光导纤维已然可以用适中价格购得，因此此方案的耗资也是有限的。优选的方案是在这里至少有一根光导纤维呈多模光纤，采用此种多模光纤可以同时传输不同波长和不同色彩的光束。这样，在传输彩色视频图像时用于光传输装置的耗资特别少，因为原则上只需要一根光导纤维。当然，在特殊要求时也可采用一根以上的光导纤维。

根据另一个优选的本发明进一步发展了的实施方案对于至少具有不同波长的三个光源的彩色视频图像配备有一个将由这些光源输出的光束汇合成一个共同光束的光学装置。调整此共同的光束使其进入光传输装置的输入端。这些光源可以是激光器，但是也可以采用发光二极管，其输出光线藉助于一个光学系统进行聚束。

通过一个光学装置将若干光束汇合成一个共同的光束可以以不同的方式进行。这里，一个有益的方式是可以采用例如一个反射镜系统。但是也可以将由各光源射出的光束藉助于若干光导纤维馈入多模光纤，为此可以采用集成光学器件。另一个优选的方法是采用具有若干根输入光纤和一根输出光纤的光导纤维耦合器，其中将这些输入光纤的光导芯与这根输出光纤的光导芯光学连接，这样就可以把许多光束汇合成一个共同的光束。

就多模光纤而言，其传输特性可能与波长相关，这一点例如可能因在某特定波长的光强衰减大于其它波长而带来不利的影响。此缺点例如有可能在控制这些光源时通过光强不同程度的提高而得到补偿。但是这种类型的补偿其推荐价值是很有限的，因为用于激光器的费用随其功率的增大而远超过成比例的提高。因此优选一根多模光纤，此多模光纤在不同波长下几乎无衰减的传输各光源的光而且在不同波长下的衰减彼此差别很小，其中最大的偏差小于15％。

一个优选的本发明进一步发展的实施例还在于用于汇合各个光束的光学装置包含有分色镜，其反射特性和透射特性主要与光的波长相关。在适当的选择分色镜的膜层时实际上可以100％地反射或者透射光束的强度。

另一个优选的本发明对于彩色视频图像进一步发展的实施例在于，当至少有三个不同波长的光源时为了通过光传输装置传输每一个光束对每一种波长配置有一根单模光纤。这里，这些不同波长的光束在此光传输装置的输出端汇合成一个共同的光束然后显像到偏转装置上。

根据本发明视频投影系统另一个优选的实施例，在光传输装置的输入端配置一个将入射光馈入光导纤维的光学系统。这样一种类型的光学系统是很适用的，因为通过它可将一个光束的全部强度有针对性地馈入到光导纤维中去。这就可以使这些光源，特别是激光器在尽可能小的功率下工作，因为这样可以将损耗保持在最低限度。此外，在将输入端的光束聚焦到光导纤维芯时对生产中所出现的容差要求或调节也降低了，因为即使在输入端光束有些偏差时此光束也可以通过光学系统呈像到光导纤维芯上。

如果第一个光学系统在图像侧的焦点位于光导纤维的光入射面上，则可以以优异的方式实现特别有利的馈入。这样，光束不仅准确地馈入到光导纤维芯上，而且还产生了有益的副效应，即到达某一特定点，此光学系统焦点的光束可以以良好的中心度导入光导纤维的输入端。这样，在光束中的各种光线总是渡越几乎同样长的光程并且在光导中全反射次数对所有光线几乎是相同的，从而一个光束在穿越光导纤维时其相干性仅有很微小的变化。

本发明的另一个有利的实施方案在于在光传输装置的输出端配置第二个光学系统，此系统将来自光导纤维的出射光聚束或者聚焦到偏转装置上。通过这种方法可以部分地补偿由于在光导纤维中相干性的改变而引起的损耗。此外，由于第二个光学系统可以由偏转装置在屏幕上呈现出一个清晰的点从而极大地改善了图像质置。其中，优选的方式是正确地配置从属第二光学系统的孔径，致使自光导纤维光出射面输出的光线完全被此孔径捕获。这样即可捕获由光导纤维输出的光的整个立体角范围，几乎好到没有光强损耗出现。

根据本发明的另一优选的实施方案在于将从属于第二光学系统的物侧焦点设置在光导纤维的光出射面上，这样即可通过第二光学系统实现良好的聚束或聚焦。

第一和/或第二光学系统例如可以是一个单独的透镜或者也可以是一个多级物镜。

比较有利的方式是在本发明视频投影系统上，在偏转装置和屏幕之间配置一个光学系统，此光学系统在输出端放大了在其输入端由偏转装置对光束进行图像和行扫描时所扫过的立体角。这样，在相同图像尺寸情况下还可以减小偏转装置和屏幕之间的空间需求，而且本发明视频投影系统采用了扁平结构从而使视频投影系统也可以在普通的居室应用。

下面藉助于附图对本发明进一步举例加以阐述。

图1示出了本发明视频投影系统的一个实施例，其中，光传输装置包含有一根多模光纤：

图2示出了图1所示的实施例，然而在光传输装置中有三根单模光纤：

图3示出了图1所示的实施例，但是在光传输装置中有若干反射镜。

在这些附图中描述了几个用于彩色视频图像的视频投影系统，因为这些类型的系统可以描绘出本发明视频投影系统尽可能多的特性。

图1示出了一个视频投影系统，此系统分成两个部件1和2，仅用示意图表示。其中，第一个部件1用于光的产生和调制，而第二个部件2用于图像扫描和行扫描以便将电视图像投影到屏幕36上。为了进行光传输，在图1所示的实施例中配备有一个光传输装置3，它在第一部件1和第二个部件2之间形成了一个光路。

第一个部件1用于产生视频投影用的强度可控的光束。在图1所示的实施例中，针对一个彩色视频图像的三种色彩配备有以激光光源形式的三个光源4、5、6。由这些光源4、5、6输出的光束通过调制器7、8、9在强度上进行控制以产生最终像点所期望的色量。其中，调制器7、8、9作为用于强度控制的主要控制元件可以包含DKDP-晶体。由于这些调制的存在，所以光源4、5、6可以用连续功率工作。此技术特别是在采用激光器时非常有益，因为一方面可以保证激光器具有较大的稳定性，而另一方面可以足够快地改变光强以产生激光视频图像。在其它的实施方案中，例如当光源4、5、6由发光二极管构成时，则不再需要调制器7、8、9，因为发光二极管可以直接控制并且对于一个视频图像也是足够快的。

自光源4、5、6用调制器7、8、9输出光束14、15、16，它们通过一个光学装置17汇合成一个共同的光束22。此光学装置17使用了反射镜18、19、20，其中反射镜18、19用作分色镜，它们随光波长的不同而具有不同的反射特性和透射特性。适当地定位这些分色镜可以透射或反射全部光线，就是说可以将几乎100％的光强聚合到一个共同的光路中。在共同的光路中配置了另一个反射镜21，它反射共同的光束22。但是反射镜21不仅用于偏转，而且还用于调整共同的光束22以使其光路对准其后的第一个光学系统24。此光学系统的作用在于将光束聚焦到光导纤维26的芯上，此光导纤维作为多模光纤适用于传输由光源4、5、6发出的所有光束。与波长相关的光导纤维的衰减值相互之间不应有大于15％的容差。在衰减方面的差别可望通过对光束14、15、16强度的分别控制加以补偿。

多模光纤通常有一个数量级为100μm的芯。因此，随着光束22中的光线到达光导纤维芯部位的不同全反射的次数也不相同。其结果是入射光束的相干性在很长的传输路径上，在多模光纤26中继续传导时将受到影响并且一个光束的在正常情况下所呈现的径向高斯光强分布这里将显著展宽。通过第一光学系统24同心地对准芯轴之一点的聚焦越好，则此效应的影响越小。因此为了尽可能好地聚焦到光导纤维26的中心而配置第一光学系统24是适宜的。为此目的应使光导纤维26输入端的中心置于第一光学系统24图像侧的焦点上。

在离开光导纤维26后，光复又以圆锥形射出，这里采用第二光学系统28将此射出的光束再聚束或呈像在一点上，然后通过一个投影系统投射到屏幕36上，投影是藉助于第二个部件2进行的，其中，偏转装置30用于图像扫描和行扫描，在图1所示的实例中此偏转装置作为机械偏转装置是用一个多棱反射镜31和一个旋转反射镜32构成的。

已偏转了的光束接着射入光学系统34，此光学系统将其投射到屏幕36上。在图1所示的实施例中光学系统34不仅用来将光束聚焦到屏幕36上，而且也用于放大由偏转装置30扫过的立体角，这是就光束在屏幕36的呈像而言的。这样，屏幕36与偏转装置30的间距可以选择得很短。因此，除在空间上分成两部件外，光学系统34还可以使投影系统制成比较扁平的结构成为可能。

通过在结构上分隔成部件1和部件2并且通过光传输装置3可以将两个部件1和2在结构上分开从而可将第一部件1置于相对于第二部件2的任何部位。如果人们例如拟将第一部件1垂直安置，则此部件实际上可在一个视频投影系统底部找到一个位置，这样，扁平结构形式主要还仅仅由屏幕36至偏转装置30的间距所决定。此间距可以通过采用光学系统34而显著缩短。用这样一种结构曾研制了一个视频投影系统，在其厚度只有60cm时其图像屏幕对角线为2m。

在图2中示出了一个实施例，其中，将光束14、15、16汇合成一个共同光束22的光学装置17不再配置在第一个部件1内，而是安排在光传输装置3的输出端。在图2所示的实例中光束14、15、16各通过各自的光学系统24馈入各自的光导纤维44、45、46中。这里，光导纤维44、45、46用作多模光纤。

由光导纤维44、45、46射出的光复又通过第二光学系统28耩合出来并且通过一个光学装置17汇合成一个共同的光束22，此光束在第二个部件2中以藉助于图1所描述的同样方式进行偏转和投影。

在图1和图2的实施例中，光束14、15、16通过光学装置17汇合成一个共同的光束22是藉助于反射镜18、19、20实现的。因为这两个实例中采用了光导纤维，但是光束14、15、16也可以简单地通过集成光学器件加以汇合，例如通过一个具有多根输入光纤和一根输出光纤的光导纤维耦合器，其中，输出光纤和输入光纤的光导芯处于光学连接状态。这里，光束的汇合是通过由输入光纤传给输出光纤而实现的。当采用这样的器件时可以省略反射镜18、19、20和21，在图2所示实例中似乎也只需要唯一的一个第2光学系统28，以便将光由输出光纤呈像在偏转装置30上。

图3所示的实施例与图1和图2所示实施例相比具有更加简单的结构，因为在此例中可以放弃附加的第一和第二光学系统24和28。这里，由第一个部件1向第二个部件2的偏转是通过反射镜进行的，在图3的示意图中，这些反射镜仅示意地通过两个反射镜50、51表示。这样一种类型的光传输装置要比图1和图2中示出的同样装置造价低廉的多，然而在不可能调整反射镜50和51的情况下采用这类光传输装量桥接较大的间距和复杂的光路是困难的，图3所示实施例特别适于作成非常紧凑的系统。

与此根反，在实验中采用图1和图2所示装置曾经可以毫无问题地桥接直到50m的间距。

光传输装置3是否应由反射镜或光导纤维，或由反射镜和光导纤维的组合构成主要应根据用途、结构形式的紧凑性以及现场状况和经济承受能力决定。

Claims (14)

1．具有至少一个光强可控光源(4、5、6)以产生至少一个光束(14、15、16、22)、并且具有一个以图像扫描和行扫描方式顺序偏转光束(22)以便在屏幕(36)上产生视频图像像点的偏转装置(30)的视频投影系统，此视频投影系统有两个部件(1、2)，其中第一个部件(1)至少包含一个光源(4、5、6)并有一个光输出端，在此光输出端至少射出一个光束(22)，并且其中第二个部件(2)具有偏转装置(30)和一个光输入端，光束(22)通过此光输入端呈像在偏转装置(30)上，并且配置有一个光传输装置(3)，此光传输装置可以在第一个部件(1)的光输出端和第二个部件(2)的光输入端之间，与这两个部件(1、2)的相对位置不相关地彼此进行光学连接，其特征在于，在偏转装置(30)和屏幕(36)之间配置有一个光学系统(34)，此光学系统将由偏转装置(30)在输入端对光束(22)进行图像扫描和行扫描时扫过的立体角在输出端加以放大。

2．根据权利要求1所述视频投影系统，其特征正于，光传输装置(3)包含有一个反射镜系统(50、51)。

3．根据权利要求2所述视频投影系统，其特征在于，反射镜(50、51)的相对位置可以相互进行调整。

4．根据权利要求1所述视频投影系统，其特征在于，光传输装置(3)至少包含有一根光导纤维(26、44、45、46)。

5．根据权利要求4所述视频投影系统，其特征在于，至少有一根光导纤维是多模光纤(26)。

6．根据权利要求1至5所述之一，对于一个彩色视频图像具有至少三个不同波长光源的视频投影系统，其特征在于，配置有一个光学装置(17)，用于将由光源(4、5、6)射出的光束(14、15、16、22)汇合成一个共同的光束(22)。

7．根据权利要求5所述视频投影系统，其特征在于，多模光纤(26)元衰减地传输各种不同波长的光束或者在不同波长下的衰减相互只有很小的偏离，其中最大的偏离小于15％。

8．根据权利要求5所述视频投影系统，其特征在于，用于汇合光束(14、15、16)的光学装置(17)包含有分色镜(19、20)。

9．根据权利要求5所述视频投影系统，其特征在于，用于传输由光源(4、5、6)产生的光束(14、15、16)的光传输装置(3)对每一个波长各包含有一个单模光纤(44、45、46)。

10．根据权利要求4所述视频投影系统，其特征在于，在光传输装置(3)的输入端配置有第一光学系统(24)，此光学系统将入射光馈入光导纤维(26、44、45、46)。

11．根据权利要求10所述视频投影系统，其特征在于，一个属于第一光学系统(24)的图像侧焦点位于光导纤维(26、44、45、46)的光入射面上。

12．根据权利要求4所述视频投影系统，其特征在于，在光传输装置(3)的输出端配置有第二光学系统(28)，此光学系统聚束由光导纤维(26、44、45、46)射出的光或聚焦到偏转装置上。

13．根据权利要求12所述视频投影系统，其特征在于，正确地配置从属第二光学系统(28)的孔径，致使自光导纤维(26、44、45、46)输出的光线全部被此孔径捕获。

14．根据权利要求12或13所述视频投影系统，其特征在于，一个从属第二光学系统(28)的物侧焦点位于光导纤维(26、44、45、46)的光出射面上。

Images