CN104516182A - 一种照明系统、投影机以及背投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及投影领域，具体涉及一种照明系统、投影机以及背投影系统。照明系统包括至少R、G、B三色LED光源，还包括至少三组准直透镜组、分色镜、衰减阵列装置、位于衰减阵列装置之后的第一复眼透镜阵列、位于第一复眼透镜阵列之后的第二复眼透镜阵列、位于第二复眼透镜阵列之后的聚光透镜组，R、G、B LED光源各对应一组准直透镜组，各个光源发出的光经各自的准直透镜组后经过分色镜进行混光；混光经过衰减阵列装置使光线衰减得到若干个从四周向中心呈逐渐变暗的光束，若干个该光束经第一复眼透镜阵列、第二复眼透镜阵列后分割为若干细光束，细光束再由聚光透镜组在照明面上进行叠加。本发明可解决现有投影拼接显示中单元显示存在暗边暗角的问题。

Description

一种照明系统、投影机以及背投影系统

技术领域

本发明涉及投影领域，更具体地，涉及一种照明系统、投影机以及背投影系统。

背景技术

近年来，DLP（Digital Light Processing）投影显示市场发展十分迅猛，在电力行业、煤炭行业、交通部门、公安部门、会议中心、展览中心等许多行业和场所发挥着重要的作用。

产品需要不断地完善和优化，DLP拼接墙作为较为成熟的产品，同样也有需要改善的地方。在实际应用的DLP拼接墙中，普遍存在单元显示中暗边暗角的问题，并且这种现象在单元屏幕尺寸越大、屏幕增益越高的情况下越明显，直接影响了拼接显示的一致性和完整性。暗边暗角问题的主要原因在于现有的投影机的照明光斑在设计时一般按照均匀性越高越好，无限接近于百分百设计，忽略了投影机出射的光照在屏幕上后，由于进入屏幕的光线的入射角度不同，实际的透射光和反射光的比例存在差异，特别是在短焦背投影显示中，投影距离较短，边缘光线的入射角更是相对较大。入射角度越大，光线的反射率较高，光能损耗越大，折射进屏幕的光线越少，边缘光线由于入射角度较大，所以折射进屏幕的光线相对中心区域要少，造成了视觉上单元显示出现暗边暗角的问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种照明系统，应用于投影显示领域可以解决现有投影拼接显示中单元显示存在暗边暗角的问题。

本发明还提供一种投影机，应用于投影显示领域可以解决现有投影拼接显示中单元显示存在暗边暗角的问题。

本发明还提供一种背投影系统，以解决现有投影拼接显示中单元显示存在暗边暗角的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种照明系统，包括至少R、G、B三色LED光源，还包括至少三组准直透镜组、分色镜、衰减阵列装置、位于衰减阵列装置之后的第一复眼透镜阵列、位于第一复眼透镜阵列之后的第二复眼透镜阵列、位于第二复眼透镜阵列之后的聚光透镜组，R、G、B LED光源各对应一组准直透镜组，各个光源发出的光经各自的准直透镜组后经过分色镜进行混光；混光经过衰减阵列装置使光线衰减得到若干个从四周向中心呈逐渐变暗的光束，若干个该光束经第一复眼透镜阵列、第二复眼透镜阵列后再由聚光透镜组在照明面上进行叠加。

在本发明的照明系统中，R、G、B三色LED光源经过准直透镜组对原始LED光束进行扩束和准直，达到减小发散角、提升平行度的目的；之后光束经过分色镜进行混光处理，混合光束通过衰减阵列装置对光束进行分割和衰减，得到若干个从四周向中心逐渐变暗的光束，若干个该光束经过第一复眼透镜阵列、第二复眼透镜阵列和聚光透镜组后达到均匀的目的，经聚光透镜组在照明面上叠加得到的光斑从四周向中心呈逐渐变暗的趋势，从聚光透镜组出射后得到的光斑可以通过投影镜头投射到屏幕上，由于现有技术中投射角度较大的屏幕边缘区域相比投射角度较小的中心区域会产生相对大的光能损耗，而本专利申请得到的光斑具有从四周向中心逐渐变暗的特点，能够弥补投射角度带来的光能损耗差异，使得出射屏幕的亮度均匀性提升，解决现有投影拼接显示中单元显示存在暗边暗角的问题。

一种投影机，包括电源系统、与电源系统连接的驱动控制系统和投影系统，包括上述所述的照明系统，照明系统与电源系统、驱动控制系统连接，照明系统中出射的光束进入投影系统中。

上述的照明系统能够得到从四周向中心逐渐变暗的光斑，将该光斑应用在投影机中，然后通过投影机投射到投影屏幕中，能够弥补投射角度带来的光能损耗差异，使得出射屏幕的亮度均匀性提升，解决现有投影拼接显示中单元显示存在暗边暗角的问题。

一种背投影系统，包括背投影屏幕，还包括上述所述的投影机，投影机中出射的光线投射至背投影屏幕上。上述的投影机中投射出来的光斑从四周向中心逐渐变暗，将该光斑投射到投影屏幕中，能够弥补投射角度带来的光能损耗差异，使得出射屏幕的亮度均匀性提升，解决现有投影拼接显示中单元显示存在暗边暗角的问题。

附图说明

图1为本发明一种照明系统具体实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例1-3中照明面及DMD上的照度分布示意图。

图3为本发明一种照明系统具体实施例2的结构示意图。

图4为本发明一种照明系统具体实施例2中偏振片阵列的结构示意图。

图5为本发明一种照明系统具体实施例2中偏振片阵列中单元偏振片的放大示意图。

图6为本发明一种照明系统具体实施例3的结构示意图。

图7为本发明一种照明系统具体实施例3中衰减片阵列的结构示意图。

图8为本发明一种照明系统具体实施例3中衰减片阵列中单元衰减片的放大示意图。

其中，1为红色LED光源1，2为准直透镜组，3为绿色LED光源，4为蓝色LED光源，5为偏振转换系统，6为偏振片阵列，7为第一复眼透镜阵列，8为第二复眼透镜阵列，9为聚光透镜组，10为照明面，11为中继透镜组，12为DMD，13为分色镜，14为衰减片阵列，15为衰减阵列装置，16为正方形光斑，17为光矢量振动方向。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明提供一种照明系统、一种投影机和一种背投影系统，在保证照明光斑的相对均匀的前提下，定向弥补不同范围入射角度的光线能量损失，实现屏幕前亮度高均匀化，彻底解决显示暗边暗角问题，具体通过如下实施例来说明。

实施例1

如图1所示，为本发明一种照明系统具体实施例的结构示意图。参见图1，本具体实施例一种照明系统具体包括至少R、G、B三色LED光源，在图1所示结构中包括了红色LED光源1、绿色LED光源3和蓝色LED光源4各一个；还包括至少三组准直透镜组2、分色镜13、衰减阵列装置15、位于衰减阵列装置15之后的第一复眼透镜阵列7、位于第一复眼透镜阵列7之后的第二复眼透镜阵列8、位于第二复眼透镜阵列8之后的聚光透镜组9，红色LED光源1、绿色LED光源3和蓝色LED光源4各对应一组准直透镜组2，各个光源发出的光经各自的准直透镜组2后经过分色镜13进行混光；混光经过衰减阵列装置15使光线分割和衰减得到从若干个四周向中心呈逐渐变暗的光束，若干个该光束经第一复眼透镜阵列7、第二复眼透镜阵列8后再由聚光透镜组9在照明面10上进行叠加。

其中，用于投影用的照明系统的光通常由RGB三色光源合光得到，因此，在本实施例图1所示的照明系统包括了红色LED光源1、绿色LED光源3和蓝色LED光源4。

其中，准直透镜组2通常包括多个透镜，光源发出的光束经过准直透镜组2后得到扩束和准直，达到减小发散角、提升平行度的目的。如图1所示，在本具体实施例中准直透镜组3由三个透镜组成。

其中，第一复眼透镜阵列7、第二复眼透镜阵列8中各自包括一系列微透镜，第一复眼透镜阵列7、第二复眼透镜阵列8组合形成双排复眼透镜阵列对光束进行处理，可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明，其作用是将光束分割为若干细光束，再由聚光透镜组9在照明面上进行叠加，达到均匀的目的。

具体工作时，红色LED光源1、绿色LED光源3和蓝色LED光源4分别发出红色光、绿色光和蓝色光，红色光、绿色光和蓝色光分别经过对应的准直透镜组2进行扩束和准直，准直后的红色光、绿色光和蓝色光经过分色镜13进行混光处理后进入衰减阵列装置15中，通过衰减阵列装置15对混合光束进行衰减处理，光束不同程度的衰减使得混合光束被分割成若干个光束而且每个光束从四周向中心逐渐变暗，若干个该光束再经过第一复眼透镜阵列7、第二复眼透镜阵列8和聚光透镜组9后达到照明面10，在照明面10上叠加得到的光斑从四周向中心呈逐渐变暗的趋势，将该光斑通过投影镜头投射到屏幕上，能够弥补现有技术中由于投射角度带来的光能损耗差异，使得出射屏幕的亮度均匀性提升，解决现有投影拼接显示中单元显示存在暗边暗角的问题。

在具体实施过程中，配合投影机结构设计的需要，照明面10不一定是投影机中DMD所在的位置，所以照明面10的光斑可以通过中继透镜组11进行成像投射，使目标光斑落到投影机的DMD12上，具体如图1所示。

如图2所示，为图1中照明面10和DMD上的照度分布示意图，从图2所示的照度分布图可以看出，整个光斑从四周向中心呈逐渐变暗的趋势，将此光斑投射到屏幕时，投射角度较大的边缘区域相比角度较小的中心区域会产生相对大的光能损耗，本具体实施例的光斑和投射角度带来的损耗相互弥补，使得屏幕边缘区域和中心区域由于光斑亮度渐变和投射角度带来的损耗刚好匹配，使出射屏幕整体的亮度和均匀性得到提升，解决暗边暗角的问题。其中，图2所示的衰减光斑为正方形光斑17，在具体应用中衰减光斑形状的长宽比例可以根据需要进行设计，如常用的是4：3或者16：9的光斑，光斑形状的长宽比例通常由衰减装置16以及DMD12尺寸比例共同决定的。通常情况下，照明面10上的照度分布和DMD12上是相同的。如果位置满足要求，DMD12可以直接放在照明面10上。但是如果结构设计需求，DMD12需要放在远一些的位置，就需要在二者之间加成像透镜组(图1的中继透镜组11)，不影响照度分布的传输。在具体实施过程中，本具体实施例中的衰减阵列装置15具有对光线进行衰减的作用，而且其对光束的衰减是渐变的，经过衰减阵列装置后形成许多个中间暗四周亮的、和第一复眼透镜阵列相对应的若干光束。在具体应用中衰减阵列装置15可以通过偏振转换系统加偏振片阵列的方式实现，也可以直接通过衰减片阵列来实现，还可以采用能够实现衰减阵列装置15的功能的其他装置实现，在本发明中列举通过偏振转换系统加偏振片阵列的方式和衰减片阵列方式实现的实施例来具体说明衰减阵列装置15的构成，具体见实施例2和实施例3。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例采用偏振转换系统和偏振片阵列的方式实现实施例1的衰减阵列装置15，具体如图3所示。

如图3所示，本具体实施例一种照明系统包括红色LED光源1、绿色LED光源3和蓝色LED光源4各一个以及至少三组准直透镜组2、分色镜13、第一复眼透镜阵列7、第二复眼透镜阵列8、聚光透镜组9，还包括作为衰减阵列装置的偏振转换系统5和偏振片阵列6；

红色LED光源1、绿色LED光源3和蓝色LED光源4各对应一组准直透镜组2，各个光源发出的光经各自的准直透镜组2后经过分色镜13进行混光；混光经过偏振转换系统5后转变为偏振光出射，之后再偏振片阵列6进入第一复眼透镜阵列7和第二复眼透镜阵列8，最后进入聚光透镜组9中进行聚光；

其中，偏振片阵列6中包括多个具有相同偏振分布的偏振片，每个偏振片由内到外具有多种渐变的偏振方向，从外到内偏振片的偏振方向和光线的偏振方向的夹角越大，每个偏振片和第一复眼透镜阵列7的每个微透镜一一对应且大小相同或相近，经过偏振片阵列6的光出射后进入第一复眼透镜阵列7。

在本具体实施例中，准直透镜组2通常包括多个透镜，光源发出的光束经过准直透镜组2后得到扩束和准直，达到减小发散角、提升平行度的目的。如图3所示，在本具体实施例中准直透镜组3由三个透镜组成。

从准直透镜组2出射的红色光、绿色光和蓝色光经过分色镜13进行混光处理，混合光束再通过偏振转换系统5后转变为偏振光出射，偏振转换系统5可以以最小的光能损失达到混合光束转换成偏振光的效果。

偏振片阵列6中的每个偏振片和第一复眼透镜阵列7中的每个微小透镜一一对应，大小相同或相近，如图4为实施例2的偏振片阵列6的示意图，偏振片阵列6中的偏振片具有相同的偏振分布，每个偏振片具有多种渐变的偏振方向，从偏振转换系统5出射的偏振光进入偏振片阵列6中得到衰减处理，由于每个偏振片具有多种渐变的偏振方向，进入偏振片阵列6中的偏振光入射到各个偏振片中形成一束束中间暗四周亮的光束。理论上偏振方向越多，偏振片的偏振分布越丰富，最终的显示均匀性越好，但是考虑到成本、加工工艺以及人眼可识别能力，每个偏振片至少需要5种以上的偏振分布。如图5为本实施例中单元偏振片的放大示意图，图5所示的偏振片由内到外有5种渐变的偏振方向，分布在4个同心圆和1个外切矩形中。其中，偏振片最外层的偏振方向和光线的偏振方向相同，越往里层，偏振片的偏振方向和光线的偏振方向的夹角越大，图5所示的偏振片的偏振方向和光线的偏振方向的夹角从外到内依次是0°、5°、10°、15°、20°。

偏振片的偏振方向和光线的偏振方向的夹角可以由马吕斯定律计算得到，具体如下：

其中，为入射光强，为透射光强，为偏振片的偏振方向与入射光的光矢量振动方向之间的夹角。

其中，第一复眼透镜阵列7、第二复眼透镜阵列8中各自包括一系列微透镜，第一复眼透镜阵列7、第二复眼透镜阵列8组合形成双排复眼透镜阵列对光束进行处理，可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明，再由聚光透镜组9在照明面上进行叠加，达到均匀的目的。为了配合投影机结构设计的需要，照明面10不一定是投影机的DMD12所在的位置，所以照明面10的光斑需通过中继透镜组11进行成像投射，使目标光斑落在DMD12上。

如图2所示，为图3中照明面10和DMD12上的照度分布示意图，从图2所示的照度分布图可以看出，整个光斑从四周向中心呈逐渐变暗的趋势，将此光斑投射到屏幕时，投射角度较大的边缘区域相比角度较小的中心区域会产生相对大的光能损耗，本具体实施例的光斑和投射角度带来的损耗相互弥补，使得屏幕边缘区域和中心区域由于光斑亮度渐变和投射角度带来的损耗刚好匹配，使出射屏幕整体的亮度和均匀性得到提升，解决暗边暗角的问题。

实施例3

在实施例1的基础上，本实施例采用衰减片阵列的方式实现实施例1的衰减阵列装置15，具体如图6所示。

如图6所示，本具体实施例一种照明系统包括红色LED光源1、绿色LED光源3和蓝色LED光源4各一个以及至少三组准直透镜组2、分色镜13、第一复眼透镜阵列7、第二复眼透镜阵列8、聚光透镜组9，还包括作为衰减阵列装置的衰减片阵列14；

红色LED光源1、绿色LED光源3和蓝色LED光源4各对应一组准直透镜组2，各个光源发出的光经各自的准直透镜组2后经过分色镜13进行混光；混光经过衰减片阵列14后进入第一复眼透镜阵列7和第二复眼透镜阵列8，最后进入聚光透镜组9中进行聚光；

其中，衰减片阵列14包括若干个具有相同光衰分布的衰减片，每个衰减片由内到外有多种逐渐减小的衰减率，每个衰减片和第一复眼透镜阵列7中的每个微透镜一一对应且大小相同或相近。从分色镜13出射的混合光进入衰减片阵列14中得到衰减处理，由于每个衰减片具有多种逐渐减小的偏振方向，进入衰减片阵列14中的混光入射到各个衰减片中形成一束束中间暗四周亮的光束。然后从各个衰减片出射的光束直接进入对应的第一复眼透镜阵列7中的微透镜中进行匀光处理。

在本具体实施例中，准直透镜组2通常包括多个微透镜，光源发出的光束经过准直透镜组2后得到扩束和准直，达到减小发散角、提升平行度的目的。如图3所示，在本具体实施例中准直透镜组3由三个微透镜组成。

从准直透镜组2出射的红色光、绿色光和蓝色光经过分色镜13进行混光处理，混合光束再通过衰减片阵列14进行衰减处理。

衰减片阵列14中的每个衰减片和第一复眼透镜阵列7中的每个微透镜一一对应，大小相同或相近。图7为本实施例中衰减片阵列14的示意图，衰减片阵列14中的衰减片具有相同的光衰分布，每个衰减片由内到外有多种逐渐减小的光衰率，每个衰减片所具有的衰减率数量可以根据实际应用设置，每个衰减率也可以根据实际应用设置，优选的实施方式中每个衰减片至少包括n（n为整数且n大于或等于5）种渐变的衰减率。如图8所示的衰减片由内到外有5种渐变的衰减率，分布在4个同心圆和1个外切矩形中，衰减片由外到内的光能衰减率依次是0、2%、5%、8%、10%。

经过衰减片阵列14的光束由第一复眼透镜阵列7和第二复眼透镜阵列8分割为若干细光束，再由聚光透镜组9在照明面10上进行叠加，达到均匀的目的。为了配合投影机结构设计的需要，照明面10不一定是投影机DMD12所在的位置，所以照明面10的光斑需通过中继透镜组11进行成像投射，使目标光斑落在DMD12上。

如图2所示，为图6中照明面10和DMD12上的照度分布示意图，从图2所示的照度分布图可以看出，整个光斑从四周向中心呈逐渐变暗的趋势，将此光斑投射到屏幕时，投射角度较大的边缘区域相比角度较小的中心区域会产生相对大的光能损耗，本具体实施例的光斑和投射角度带来的损耗相互弥补，使得屏幕边缘区域和中心区域由于光斑亮度渐变和投射角度带来的损耗刚好匹配，使出射屏幕整体的亮度和均匀性得到提升，解决暗边暗角的问题。

在具体应用中，图2所示的光斑形状的长宽比例可以根据需要进行设计，并不限于图2中所述的正方形光斑。

实施例4

在实施例1或2或3的基础上，本发明还提供了一种投影机，所述投机与包括电源系统、与电源系统连接的驱动控制系统和投影系统，还包括实施例1或2或3所述的照明系统，照明系统与电源系统、驱动控制系统连接，照明系统中出射的光束进入投影系统中。

实施例1或2或3的照明系统能够得到从四周向中心逐渐变暗的光斑，将该光斑应用在投影机中，然后通过投影机投射到投影屏幕中，能够弥补投射角度带来的光能损耗差异，使得出射屏幕的亮度均匀性提升，解决现有投影拼接显示中单元显示存在暗边暗角的问题。

实施例5

在实施例4的基础上，本发明还提供了一种背投影系统，其包括背投影屏幕，还包括实施例4所述的投影机，投影机中出射的光线投射至背投影屏幕上。上述的投影机中投射出来的光斑从四周向中心逐渐变暗，将该光斑投射到投影屏幕中，能够弥补投射角度带来的光能损耗差异，使得出射屏幕的亮度均匀性提升，解决现有投影拼接显示中单元显示存在暗边暗角的问题。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种照明系统，包括至少R、G、B三色LED光源，其特征在于，还包括至少三组准直透镜组、分色镜、衰减阵列装置、位于衰减阵列装置之后的第一复眼透镜阵列、位于第一复眼透镜阵列之后的第二复眼透镜阵列、位于第二复眼透镜阵列之后的聚光透镜组，R、G、B LED光源各对应一组准直透镜组，各个光源发出的光经各自的准直透镜组后经过分色镜进行混光；混光经过衰减阵列装置使光线衰减得到若干个从四周向中心呈逐渐变暗的光束，若干个该光束经第一复眼透镜阵列、第二复眼透镜阵列后再由聚光透镜组在照明面上进行叠加。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述衰减阵列装置包括偏振转换系统和偏振片阵列，分色镜出射的混合光束经过偏振转换系统后进入偏振片阵列，偏振片阵列中包括多个具有相同偏振分布的偏振片，每个偏振片由内到外具有多种渐变的偏振方向，从外到内偏振片的偏振方向和光线的偏振方向的夹角越大，每个偏振片和第一复眼透镜阵列的每个微透镜一一对应且大小相同或相近，经过偏振片阵列的光出射后进入第一复眼透镜阵列。

3.根据权利要求2所述的照明系统，其特征在于，每个偏振片中由内到外具有至少5种渐变的偏振方向。

4.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述衰减阵列装置包括衰减片阵列，分色镜出射的混合光束经过衰减片阵列后进入第一复眼透镜阵列，衰减片阵列包括若干个具有相同光衰分布的衰减片，每个衰减片由内到外有多种逐渐减小的衰减率，每个衰减片和第一复眼透镜阵列中的每个微透镜一一对应且大小相同或相近。

5.根据权利要求4所述的照明系统，其特征在于，每个衰减片由内到外具有至少5中渐变的衰减率。

6.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，聚光透镜组后还设置有中继透镜组经过聚光透镜组后的光束通过中继透镜组进行成像投射。

7.一种投影机，包括电源系统、与电源系统连接的驱动控制系统和投影系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的照明系统，照明系统与电源系统、驱动控制系统连接，照明系统中出射的光束进入投影系统中。

8.一种背投影系统，包括背投影屏幕，其特征在于，还包括权利要求7所述的投影机，投影机中出射的光线投射至背投影屏幕上。