CN106444254A - 投影装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种投影装置及系统，涉及光学成像领域，所述装置包括第一出光单元、第二出光单元、分光单元、匀光单元、反光镜、成像单元和镜头，分别从第一出光单元发出的第一光束和第二出光单元发出的第二光束均入射到所述分光单元，经分光单元合束形成第三光束，所述第三光束依次经过匀光单元和反光镜，再经成像单元接收的成像信号调制形成成像光束，所述成像光束入射到镜头，经镜头的放大处理后偏离镜头的主光轴输出，其中，所述成像光束的入射主光轴和所述镜头的主轴不共轴。与现有技术相比，通过设置反光镜使光路折转，缩小了整个光路系统的占用空间，而不共轴的成像光束和镜头使得投影装置的工作位置的选择范围更广。

Description

投影装置及系统

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体而言，涉及一种投影装置及系统。

背景技术

现有的投影装置的内部成像光路通常为直线，由于一般的成像光路较长，致使其延光路方向的占用空间较大，空间利用率较低，且成像光路多为单轴系统，其成像光的入射主光轴与镜头的主轴共轴，导致投影装置的成像效果受制于所述投影装置镜头的位置，不能在房间内过低或过高的位置投射出完整的像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种投影装置及系统，其通过设置反光镜使光路折转，缩小了整个光路系统的占用空间，而不共轴的成像光束和镜头使得投影装置的工作位置的选择范围更广。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种投影装置，其包括第一出光单元、第二出光单元、分光单元、匀光单元、反光镜、成像单元和镜头，分别从所述第一出光单元发出的第一光束和所述第二出光单元发出的第二光束均入射到所述分光单元，经所述分光单元合束形成第三光束，所述第三光束依次经过所述匀光单元和所述反光镜，再经所述成像单元接收的成像信号调制形成成像光束，所述成像光束入射到所述镜头，经所述镜头的放大处理后偏离所述镜头的主轴输出，其中，所述成像光束的入射主光轴和所述镜头的主轴不共轴。

在本发明较佳的实施例中，所述第一光束的波段范围和所述第二光束的波段范围不同。

在本发明较佳的实施例中，所述第一光束的波段包括红光波段和蓝光波段，所述第二光束的波段为绿光波段。

在本发明较佳的实施例中，入射到所述分光单元的所述第一光束经所述分光单元反射，入射到所述分光单元的所述第二光束透过所述分光单元，透过所述分光单元的所述第二光束与经所述分光单元反射的第一光束合束形成所述第三光束。

在本发明较佳的实施例中，所述分光单元为二向色镜。

在本发明较佳的实施例中，所述匀光单元包括复眼透镜和场透镜，从所述分光单元出射的第三光束依次经过所述复眼透镜的匀光处理和所述场透镜的聚光处理入射到所述反光镜的反射面上。

在本发明较佳的实施例中，所述成像单元包括场棱镜、三角棱镜和成像微镜，由所述反光镜反射的光依次经过所述场棱镜的聚光和折射处理、所述三角棱镜的折射处理入射到所述成像微镜上，再依次经过所述成像微镜接收的成像信号调制并反射、进入所述三角棱镜发生全反射并出射形成所述成像光束。

在本发明较佳的实施例中，所述场棱镜和所述三角棱镜之间设有间隙。

在本发明较佳的实施例中，所述镜头为0.2in镜头或0.3in镜头。

第二方面，本发明实施例还提供了一种投影系统，其包括带缆和如上所述的投影装置，所述带缆与所述投影装置的成像单元电连接，成像信号由所述带缆传输至所述成像单元，以使入射到所述成像单元的光经所述成像单元接收的成像信号调制形成成像光束。

本发明提供的投影装置及系统，通过设置第一出光单元和第二出光单元这两个光源，并使用分光单元将由第一出光单元发出的第一光束和由第二出光单元发出的第二光束合束形成第三光束，提高了光源的光强度；通过匀光单元对第三光束进行匀光处理，使光束的光强分布更为均匀；通过设置反光镜使光路折转，缩减了沿单向前进的光路的长度，提高了整个光路系统的空间利用率；通过成像单元接收成像信号，对入射到成像单元的光进行调制以产生成像光束，并使入射到镜头上的成像光束的入射主光轴和镜头的主轴不共轴，以使经过镜头放大处理后的成像光束偏离镜头的主轴输出。与现有技术相比，本发明提供的投影装置及系统的空间利用率更高，且由镜头输出的像面的中心不再和镜头的中心一致，而是偏离镜头的中心，在保留原有像质的基础上，扩大了投影装置工作位置的选择范围，即使投影装置的镜头在房间内过高或过低的位置，也能投影出完整的像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供投影装置的结构框图；

图2为本发明第一实施例提供的投影装置的光路结构图；

图3为本发明第一实施例提供的匀光单元的光路结构图；

图4为本发明第一实施例提供的成像单元的光路结构图；

图5为本发明第二实施例提供的投影系统的结构框图。

图标：100-第一出光单元；200-第二出光单元；300-分光单元；400-匀光单元；500-反光镜；600-成像单元；700-镜头；800-带缆；1000-投影装置；2000-投影系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

对于描述光束前进过程的术语，例如“射入”、“经过”、“通过”、“透射”等并不表示要求光束完全穿透或是分束，而是描述一种光学变化或光学处理。如“通过”仅仅是指光束经过该光学元件之后发生了光学上的变化，使光束受到处理而获得解决技术问题所需要的光束，根据具体实施方案中光学元件的不同，可能是反射也可能是透射。另外，“透射”是指光束入射到某一物质分界面发生折射并穿透该分界面的现象，与“反射”相对。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“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，也可以通过中间媒介间接相连，可以是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中的具体含义。

此外，“输入”、“输出”、“返回”、“形成”等术语应理解为是描述一种光学、电学变化或光学、电学处理。如“形成”仅仅是指光信号或电信号通过该元件、仪器或装置之后发生了光学上或电学上的变化，使得所述光信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案或解决技术问题所需要的信号。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述场棱镜及光学棱镜结构各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的光路方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。

请参照图1，本发明实施例提供了一种投影装置1000，其包括第一出光单元100、第二出光单元200、分光单元300、匀光单元400、反光镜500、成像单元600和镜头700。

分别从所述第一出光单元100发出的第一光束和由所述第二出光单元200发出的第二光束均入射到所述分光单元300，经所述分光单元300合束形成第三光束，所述第三光束依次经过所述匀光单元400和所述反光镜500，再经所述成像单元600接收的成像信号调制形成成像光束，所述成像光束入射到所述镜头700，经所述镜头700的放大处理后偏离所述镜头700的主轴输出，其中，所述成像光束的入射主光轴和所述镜头700的主轴不共轴。

所述第一出光单元100发出的第一光束的波段范围和所述第二出光单元200发出的第二光束的波段范围不同。在本实施例中，所述第一出光单元100发出的第一光束的波段包括红光和蓝光波段，所述第二出光单元200发出的第二光束的波段包括绿光波段。

分别选择红光、绿光和蓝光作为投影装置1000的光源的目的是因为人眼的三色成像原理。人眼中用于感光的视锥细胞可以对可见光谱波段上的任何颜色进行分辨，但对红光、绿光和蓝光最敏感，当具有某一可见光谱波段的光束作用于人眼中的视锥细胞时，视锥细胞会根据该光谱波段中的红光、绿光和蓝光波段的比例进行混色，再经过大脑的复杂处理就会产生对应于该光谱波段光束的某一颜色。例如，太阳发出的日光具有在可见光波段连续的光谱，由同样比例的红光波段、绿光波段和蓝光波段混合的光束具有非连续光谱，但这两种光束被人眼所感受到的颜色都是白色光。根据RGB(红绿蓝)三色成像原理，通过分别调节由红光波段、绿光波段和蓝光波段组成的混合光中红光、绿光和蓝光的光强比例，即可让人产生可见光波段上所有颜色的视觉。

可以理解的是，在本发明的其他实施方案中，由所述第一出光单元100发出的第一光束的波段可以不是红光和蓝光波段，由所述第二出光单元200发出的第二光束的波段也可以不是绿光波段。例如，可以使由第一出光单元100和第二出光单元200发出的光的波段不仅包括红光、绿光和蓝光波段，还可以包括黄光波段和其他可见光波段，这里的第一出光单元100可第二出光单元200可以是能够发出具有其他波段光的光源。

在本实施例中，所述第一出光单元100和所述第二出光单元200仅对发出不同波段范围光的出光单元作区分，只是为了更清楚的表现第一出光单元100和第二出光单元200的相对位置关系，并非限定某一出光单元所在的位置是固定不变的。

所述分光单元300可以是具有使所述第一光束和所述第二光束合束功能的任何光学或电学组件，在选择分光单元300时，应根据对入射光束强度或光谱的衰减和结构、成本等方面进行综合考虑。

所述匀光单元400能够对由所述第一光束和所述第二光束混合后的所述第三光束进行匀光处理，使其在从匀光单元400出射的横截面上的光强分布均匀。由于所述第三光束是由具有红光和蓝光波段的所述第一光束和具有绿光波段的所述第二光束混合而成，所述第三光束经过匀光单元400匀光处理后可以是以均匀白光的形式入射到反光镜500上。

所述反光镜500对入射到其反光面上的所述第三光束经过匀光处理后形成的所述均匀白光进行反射，以改变光束前进的方向。反光镜500的摆放角度可以根据实际实施方案中的需求进行设计，例如，整个投影装置1000的外形结构在设计时需要的是一个长方体，那么反光镜500的反射面相对于入射光的方向的夹角可以设置为45°左右，此时经过反光镜500反射的光束前进方向与入射光束的方向夹角为90°，即反光镜500以前的光路和经过折转之后的光路呈直角，这样一来整个投影装置1000的横向长度就缩减了，而光路系统的空间占用率大大提高了。

所述成像单元600能够接收从外部输入的成像信号，以对经过反光镜500反射后的入射到成像单元600中的光束作调制。成像单元600对光束的调制可以是纯光学的，例如经过不同光谱吸收率的反射镜反射并输出具有所需光谱参数的光；也可以是光电混合的，例如经过光电转换电路进行电信号调制，并经过电光组件输出携带有所需信息的光束。通过对成像单元600输入所需的成像信号，使成像单元600对入射光束做处理并输出携带有所述成像信号的成像光束，同时还可以通过改变成像单元600的位置结构，来改变成像光束从成像单元600出射时的位置，以形成和镜头700的主轴不共轴入射的成像光束。

镜头700内部由一系列透镜组合而成，用于对经过镜头700的成像光束进行放大，最终实现投影成像的效果。入射到镜头700上的成像光束的主光轴和镜头700自身透镜组的主轴是不共轴的，特别的，为了有更好的成像效果，入射到镜头700上的成像光束的主光轴和镜头700自身透镜组的主轴是在同一竖直平面内，且平行的两条光轴。此时，从镜头700的透镜组主轴下方沿水平方向入射的成像光束经过镜头700后，在镜头700的透镜组主轴上方出射，也就意味着，从镜头700的后下方入射的成像光束，经过镜头700的放大处理之后，在镜头700的前上方成像。如此设计的好处是，将镜头700置于房间较低位置时，也能够在前上方成清晰而完整的像，而不需要受制于镜头700的中心一定要和投影画面的中心在同一水平线上，即扩大了投影装置1000的工作位置的选择范围。

第一实施例

请参照图2，本实施例提供一种投影装置1000，其包括第一出光单元100、第二出光单元200、分光单元300、匀光单元400、反光镜500、成像单元600和镜头700。

第一出光单元100和第二出光单元200可以分别由一个小型发光单元和一块聚光透镜组合而成。具体的，在本实施例的一个优选方案中，第一出光单元100中的第一小型发光单元为OSRAM公司出产的型号为“LE BA Q6WM”的投影单元，能够发出中心谱线在617nm波段的红光和中心谱线在460nm波段的蓝光；第二出光单元200中的第二小型发光单元为OSRAM公司出产的型号为“LCG H9RN”的投影单元，能够发出中心谱线在500nm到600nm之间波段的绿光。由第一小型发光单元和第二小型发光单元发出的光分别经过聚光透镜汇聚，分别入射到分光单元300的两个表面上。

本实施例中，分光单元300可以是二向色镜，所述二向色镜对波段在绿光范围内的光束透射，而对不在绿光范围内的光束反射。由第一出光单元100发出的红光和蓝光入射到所述二向色镜上被反射，而由第二出光单元200发出的绿光经过所述二向色镜透射，此时即实现了对由第一出光单元100发出的第一光束，以及由第二出光单元200发出的第二光束的合束，最终形成混合有红光、蓝光和绿光波段的第三光束。

本实施例中，匀光单元400可以由一个复眼透镜和一个场透镜组成，从分光单元300出射的所述第三光束依次经过所述复眼透镜的匀光处理和所述场透镜的聚光处理入射到所述反光镜500的反射面上。

请参照图3，本实施例中使用的双排透射式复眼透镜的结构，由前、后两个大致相同的微透镜阵列组成，靠近所述第三光束入射方向的成为前复眼透镜阵列，另一个为后复眼透镜阵列，两排透镜阵列平行放置，间隔距离等于两个复眼透镜阵列中的微透镜的焦距，使前复眼透镜单元的焦点刚好处于后复眼透镜阵列中对应的透镜单元的中心。而位于后复眼透镜阵列的出光方向一侧设置有所述场透镜，所述场透镜的作用是将由后复眼透镜阵列的每个微透镜单元出射的小光束汇聚，使得这些小光束在所述场透镜的像面上重叠，以实现对所述第三光束的匀光效果。

通常来说，从所述场透镜出射的经过一次汇聚的小光束到达所述场透镜的像面距离相对较长，要在短距离内实现最佳的匀光效果，通常需要在后续光路中再加一个聚光镜以缩短光路。本实施例中，成像单元600中的场棱镜完成了这一功能。

本实施例中，成像单元600包括场棱镜、三角棱镜和成像微镜，由所述反光镜500反射的光依次经过所述场棱镜的聚光和折射处理、所述三角棱镜的折射处理入射到所述成像微镜上，再依次经过所述成像微镜接收的成像信号调制并反射、进入所述三角棱镜发生全反射并出射形成所述成像光束。

本实施例中，所述场棱镜为一块场透镜和一块锐角三角棱镜的组合，所述三角棱镜为一块直角三角棱镜，所述场棱镜和所述三角棱镜之间设有空气间隙。成像微镜又叫数字微镜器件(Digital Micromirror Device，以下简称DMD)，是一种光开关，上面有很多个旋转反射镜。当DMD打开的时候，入射光束透过DMD出射，当DMD关闭的时候，即DMD的反射镜产生一个小的旋转，使光束按照反射定律发生反射。通过给DMD输入不同的电平，来使DMD上各个旋转反射镜都按照需求进行打开或关闭，实现对每个旋转反射镜所在区域内光束的选择性反射。在本实施例中，通过向所述数字微镜输入成像信号，来改变所述数字微镜内每个旋转反射镜的状态，达到使入射光束携带成像信号的目的，即入射到所述数字微镜并被反射形成的光束的分布，即为所需要投影装置1000投影显示的图像的色彩分布。

请参照图4，经过场棱镜汇聚并折射的光束，通过场棱镜和三角棱镜之间的空气间隙射入所述三角棱镜中，再由所述三角棱镜折射并出射到所述成像微镜上，由所述成像微镜反射的部分光束沿所述三角棱镜底面的法线方向直接入射，并在所述三角棱镜的斜侧面发生全反射，最终沿所述三角棱镜的右侧面的法线方向出射形成成像光束，在本实施例中，所述三角棱镜的右侧面的法线方向可以是水平方向。

经所述成像单元600出射的所述成像光束入射到镜头700上，所述成像光束的入射主光轴与镜头700的透镜组主轴在同一竖直平面内且互相平行，使得最终由镜头700出射的光束偏离了镜头700的透镜组主轴。

特别的，在本实施例中，所述镜头700可以是0.2in镜头或0.3in镜头，所述0.2in和0.3in指的是镜头700的通光孔径大小。当选择的镜头700为0.2in镜头时，其最终出射光束的偏轴率为100％，意为在镜头700主轴一侧出射的光束占全部出射光束的100％；当选择的镜头为0.3in镜头时，其最终出射光束的偏轴率为70％，意为在镜头700主轴一侧出射的光束占全部出射光束的70％，在镜头700主轴另一侧出射的光束占全部出射光束的30％。需要注意的是，切换镜头700的时候，相应的成像单元600中的成像微镜的摆放位置也需要调整，以使成像光束的出射方向满足预期要求。

本实施例提供的投影装置1000，通过切换不同的镜头700，来实现对投影装置1000工作位置的切换，以满足在各种工作位置上，都能够投影出完整图像的要求。

第二实施例

请参照图5，本实施例提供一种投影系统2000，包括带缆800和本发明第一实施例提供的投影装置1000。

和本发明第一实施例最大的不同在于，所述带缆800与所述投影装置1000的成像单元600中的成像微镜电连接，成像信号由所述带缆800传输至所述成像单元600的成像微镜，以使入射到所述成像单元600的成像微镜上的光经所述成像单元600的成像微镜接收的成像信号调制形成成像光束。

带缆800作为成像信号传输组件，一般情况下，带缆800一端接其他成像信息输出装置，以接收其他装置输出的成像信号，另一端接成像单元600的成像微镜，以输出所述成像信号至成像单元600的成像微镜，实现成像单元600对光束的调制。

综上所述，本发明提供的投影装置及系统，通过设置第一出光单元和第二出光单元这两个光源，并使用分光单元将由第一出光单元发出的第一光束和由第二出光单元发出的第二光束合束形成第三光束，提高了光源的光强度；通过匀光单元对第三光束进行匀光处理，使光束的光强分布更为均匀；通过设置反光镜使光路折转，缩减了沿单向前进的光路的长度，提高了整个光路系统的空间利用率；通过成像单元接收成像信号，对入射到成像单元的光进行调制以产生成像光束，并使入射到镜头上的成像光束的入射主光轴和镜头的主轴不共轴，以使经过镜头放大处理后的成像光束偏离镜头的主轴输出。与现有技术相比，本发明提供的投影装置及系统的空间利用率更高，且由镜头输出的像面的中心不再和镜头的中心一致，而是偏离镜头的中心，在保留原有像质的基础上，扩大了投影装置工作位置的选择范围，即使投影装置的镜头在房间内过高或过低的位置，也能投影出完整的像。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之。

Claims (10)

1.一种投影装置，其特征在于，包括第一出光单元、第二出光单元、分光单元、匀光单元、反光镜、成像单元和镜头，分别从所述第一出光单元发出的第一光束和所述第二出光单元发出的第二光束均入射到所述分光单元，经所述分光单元合束形成第三光束，所述第三光束依次经过所述匀光单元和所述反光镜，再经所述成像单元接收的成像信号调制形成成像光束，所述成像光束入射到所述镜头，经所述镜头的放大处理后偏离所述镜头的主轴输出，其中，所述成像光束的入射主光轴和所述镜头的主轴不共轴。

2.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述第一光束的波段范围和所述第二光束的波段范围不同。

3.根据权利要求2所述的投影装置，其特征在于，所述第一光束的波段包括红光波段和蓝光波段，所述第二光束的波段为绿光波段。

4.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，入射到所述分光单元的所述第一光束经所述分光单元反射，入射到所述分光单元的所述第二光束透过所述分光单元，透过所述分光单元的所述第二光束与经所述分光单元反射的所述第一光束合束形成所述第三光束。

5.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述分光单元为二向色镜。

6.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述匀光单元包括复眼透镜和场透镜，从所述分光单元出射的所述第三光束依次经过所述复眼透镜的匀光处理和所述场透镜的聚光处理入射到所述反光镜的反射面上。

7.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述成像单元包括场棱镜、三角棱镜和成像微镜，由所述反光镜反射的光依次经过所述场棱镜的聚光和折射处理、所述三角棱镜的折射处理入射到所述成像微镜上，再依次经过所述成像微镜接收的成像信号调制并反射、进入所述三角棱镜发生全反射并出射形成所述成像光束。

8.根据权利要求7所述的投影装置，其特征在于，所述场棱镜和所述三角棱镜之间设有间隙。

9.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述镜头为0.2in镜头或0.3in镜头。

10.一种投影系统，其特征在于，所述系统包括带缆和如权利要求1至9任一项所述的投影装置，所述带缆与所述投影装置的成像单元电连接，成像信号由所述带缆传输至所述成像单元，以使入射到所述成像单元的光经所述成像单元接收的成像信号调制形成成像光束。