CN106997144A - 一种投影屏幕及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影屏幕及投影系统，投影屏幕的形状为曲面，且曲面与投影镜头的像面相吻合。由于现有的投影屏幕都为平面，由投影镜头的场曲像差的影响需要额外设备多元件对场曲进行校正，而本发明实施例提供的上述投影屏幕不再是平面而是与投影镜头的像面相匹配的曲面，与投影镜头的产生的场曲相适应，因此投影屏幕在接收到的所述投影镜头的成像不存在场曲像差，增加可视角度，显示效果更佳。

Description

一种投影屏幕及投影系统

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤指一种投影屏幕及投影系统。

背景技术

投影系统在进行图像显示时，仅需要通过视频电缆将生成模拟信号输入投影系统，即可以将图像投影在屏幕上进行显示。由于其便利性在显示领域应用十分广泛。激光是一种高亮度，方向性强，具有偏振性质的光源，由于激光的诸多优点，近年来被逐渐作为光源应用于投影显示领域。

目前较为常用的一种激光投影系统包括投影光源、光机照明系统、光阀部件、投影镜头和投影屏幕这几个部分。其中，投影光源中通常可包含激光器，在非纯色三色光源中，还设置有荧光粉轮，用于受激发生荧光，使得激光和荧光组成三基色光，再通过滤色轮滤色输出后进行光机照明系统。光机照明系统将光束输出给光阀部件，例如在数字光处理(Digital Light Procession，简称DLP)构架中，光阀部件可为数字微镜芯片(DigitalMicromirror Device，简称DMD)，DMD芯片接收图像信号的驱动，将三基色光光束进行调制后输出给投影镜头，由投影镜头将光束投射到投影屏幕上提供给观看者观看。

由于在实际应用上，轴外点发出的光在通过光学系统之后的像面为曲面，即存在场曲，场曲是球面光学系统的固有性质。而应用于激光投影系统中的激光扫描系统在大视场情况下场曲会变大，随着视角的增加，像面与投影屏幕之间的距离增加，像面与投影屏幕无法重合，因此投影屏幕的成像效果差。

发明内容

本发明实施例提供一种投影屏幕及投影系统，用以消除投影镜头造成的场曲像差。

第一方面，本发明实施例提供一种投影屏幕，曲面，且所述曲面与投影镜头的像面相吻合。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述投影屏幕中，所述投影屏幕关于所述投影镜头的光轴中心对称；

所述投影屏幕中的各点与第一平面的距离随着所述投影屏幕中的各点与所述光轴的垂直距离的增大而增大；所述第一平面为经过所述投影屏幕的中心点且垂直于所述光轴的平面。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述投影屏幕中，所述投影屏幕包括至少三种受激发射单元，各种所述受激发射单元按照设定规则排列；

每种所述受激发射单元在经过设定波段的光照射后受激发射特定颜色的光。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述投影屏幕中，所述投影屏幕为前投屏幕，包括沿入光方向依次设置的保护层、由各所述受激发射单元组成的受激发射层以及反射层。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述投影屏幕中，所述投影屏幕为背投屏幕，包括沿入光方向依次设置的二向色层、由各所述受激发射单元组成的受激发射层以及保护层。

第二方面，本发明实施例提供一种投影系统，包括光源，在所述光源的出射光光路上沿光的出射方向依次设置的显示芯片，振镜组，投影镜头，以及位于所述投影镜头像面位置处的上述任一投影屏幕。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述投影系统中，所述光源为单色光源，所述投影屏幕包括至少三种受激发射单元，各种所述受激发射单元按照设定规则排列；

每种所述受激发射单元在经过所述单色光源的出射光的照射后受激发射特定颜色的光。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述投影系统中，所述投影屏幕包括：红色受激发射单元、绿色受激发射单元以及蓝色受激发射单元。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述投影系统中，各所述受激发射单元为尺寸形状均相同的方形；一个所述红色受激发射单元、一个所述蓝色受激发射单元以及两个所述绿色受激发射单元组成一个方形颜色组，且各颜色的受激发射单元在所述颜色组中的位置固定；所述红色受激发射单元以及所述蓝色受激发射单元位于所述颜色组的一条对角线上，两个所述绿色受激发光单元位于所述颜色组的另一条对角线上；

多个所述颜色组按矩阵排布构成所述投影屏幕。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述投影系统中，所述受激发射单元为量子点单元或荧光单元。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述投影系统中，所述振镜组包括两个振镜，且两个所述振镜的转动轴相互垂直。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的投影屏幕及投影系统，投影屏幕的形状为曲面，且曲面与投影镜头的像面相吻合。由于现有的投影屏幕都为平面，由投影镜头的场曲像差的影响需要额外设备多元件对场曲进行校正，而本发明实施例提供的上述投影屏幕不再是平面而是与投影镜头的像面相匹配的曲面，与投影镜头的产生的场曲相适应，因此投影屏幕在接收到的所述投影镜头的成像不存在场曲像差，增加可视角度，显示效果更佳。

附图说明

图1a为本发明实施例提供的投影屏幕的结构示意图之一；

图1b为本发明实施例提供的场曲的原理图；

图2为本发明实施例提供的受激发射单元的排列结构示意图之一；

图3为本发明实施例提供的前投屏幕的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的背投屏幕的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的投影系统的结构示意图之二；

图6a为本发明实施例提供的振镜组的转动位置示意图；

图6b为本发明实施例提供的投影原理图之一；

图6c为本发明实施例提供的投影原理图之二；

图7为本发明实施例提供的受激发射单元的排列结构示意图之二；

图8a为本发明实施例提供的投影屏幕的显示示意图之一；

图8b为本发明实施例提供的投影屏幕的显示示意图之二；

图8c为本发明实施例提供的投影屏幕的显示示意图之三；

图8d为本发明实施例提供的投影屏幕的显示示意图之四。

具体实施方式

本发明实施例提供一种投影屏幕及投影系统，用以消除投影镜头造成的场曲像差。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细介绍本发明具体实施例提供的投影屏幕及投影系统。

在实际应用中，投影系统中的投影屏幕通常为平面投影屏幕，而投影镜头并非理想透镜，镜头中的镜片存在的缺陷使垂直于主光轴的物平面上发出的光经透镜成像后，清晰的最佳实像面不是平面而是一个曲面，从而投影屏幕并不能与投影镜头的清晰的像面重合，则投影屏幕接收到的成像在轴外部分不清晰，并且在一般情况下视场角越大，成像点距离平面投影屏幕越远，成像越不清晰。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种投影屏幕，如图1a所示，本发明实施例提供的投影屏幕11，位于向其投影的投影镜头12的像面上，该投影屏幕11的形状为曲面，曲面与投影镜头的像面相吻合。

本发明实施例提供的上述投影屏幕根据投影镜头本身的成像特点，将投影屏幕的位置设置于投影镜头的像面处，将投影屏幕设置成与投影镜头的清晰像面具有相同的曲面弧度，从而该投影屏幕所接收到的成像中的各点均为清晰像点。而在实际应用中，人眼在观看上述曲面投影屏幕时看到的是平面显示效果，画面并不会发生扭曲。

进一步地，根据光学系统的像差理论可知，某一视场的子午像点、弧矢像点相对于高斯像面的距离称为子午像面弯曲和弧矢像面弯曲，简称子午场曲和弧矢场曲。其中，轴外点细光束的场曲计算公式公为子午场曲的公式为和弧矢场曲公式。子午场曲公式为：x_t’＝l_t’-l’＝t’cosU_z’+x-l’；弧矢场曲的公式为：x_s’＝l_s’-l’＝s’cosU_z’+x-l’；如图1b所示，x_t’和x_s’分别表示子午场曲和弧矢场曲，l’表示理想像距，l_t’和l_s’分别表示轴外点主光线与子午像点以及弧矢像点的轴向距离，t’和s’分别表示轴外点主光线的镜头交点到子午及弧矢像点的距离，U_z’表示不同视场，x表示轴外点主光线的镜头交点的轴向距离。

由像面所遵循的以上公式可以看出，真实像面(即子午像面或弧矢像面)是关于光轴中心对称的，且只有像面的中心点处的理想像点与真实像点重合，若将经过该中心点且垂直与光轴的平面称为第一平面(即理想高斯像面)，则在真实像面中的各点与第一平面的距离随着真实像面中的各点与光轴的垂直距离的增大而增大。而本发明实施例提供的上述投影屏幕与真实像面吻合，因此，投影屏幕关于投影镜头的光轴中心对称；且投影屏幕中的各点与第一平面的距离随着投影屏幕中的各点与光轴的垂直距离的增大而增大。在实际应用中，子午像面与弧矢像面上对应的像点位置非常接近，可将投影屏幕设置在子午像面与弧矢像面的中间位置，且使投影屏幕可以覆盖对应的子午像点与弧矢像点连接的中点。

在实际应用中为减小投影设备的体积以及投影设备到投影屏幕之间的距离，可以采用短焦或超短焦投影镜头作为上述投影镜头，然而在使用上述短焦或超短焦类型的投影镜头时，在投影视场较大的情况下，轴外发光点即大视角下的成像点所产生的像差更为严重。为此，本发明实施例提供了一种可以消除像差的投影屏幕，如图2所示，该投影屏幕11包括至少三种受激发射单元111，各种受激发射单元按照设定规则排列；每种受激发射单元在经过设定波段的光照射后受激发射特定颜色的光。

受激发射单元111通常至少应包括受激发射出显示所用的三基色光的种类。以图2所示的投影屏幕为例，图2所示的投影屏幕包括三种受激发射单元111，在吸收光照后分别可以受激发射红色、绿色和蓝色的光。如图2所示，红色受激发射单元R可以受激发射红色光；绿色受激发射单元G可以受激发射绿色光；蓝色受激发射单元B可以受激发射蓝色光。在上述各颜色的受激发射单元按照像素单元的排列规则进行排列时，可以在受到光照时发出红、绿、蓝三基色光，在调制信号源的亮度信号之后即可实现图像显示。

需要说明的是，由受激发射的能级原理可知，上述的受激发射单元111吸收高能量的光受激发射出长低能量的光，因此实际应用中所使用的光源的发射光的波段应小于各受激发射单元111发射光的波段。

进一步地，本发明实施例投影屏幕可应用于前投影模式的投影系统中，也可以应用于背投影模式的投影系统中。

在上述投影屏幕应用于前投系统时，投影屏幕11为前投屏幕，如图3所示，包括沿入光方向依次设置的保护层112、由各受激发射单元组成的受激发射层110以及反射层113。对于前投屏幕来说，观看者与投影设备位于同一侧，经过投影镜头12的光线向前投屏幕内入射，受激发射层110吸收入射光能量受激发射至少三种基色光，一部分激发光直接向观看者一侧发射，一部分激发光向反射层113发射，经过反射层113的反射后再次向观看者一侧出射。

在上述投影屏幕应用于背投系统时，投影屏幕11为背投屏幕，如图4所示，包括沿入光方向依次设置的二向色层114、由各受激发射单元组成的受激发射层110以及保护层112。经过投影镜头的光束首先透过二向色层114照射至受激发射层110，受激发射层110吸收入射光能量受激发射至少三种基色光，再向保护层112一侧出射，最终入射至人眼。二向色层114的作用为通过单色光源的光，而反射受激发射层110的激发光，由此可以提高投影屏幕的显示亮度，提升显示效果。

在实际应用中，制作上述受激发射层110的材料通常为具有受激发射性质的荧光转换材料。与现有的菲涅尔光学屏幕相比，由于本发明实施例提供的上述投影屏幕为发光屏幕，且采用的荧光转换材料发光角度范围较大，因而可视角度范围相比于现有的光学屏幕更大，显示效果佳。其中，二向色层114可以为膜层，也可为二向色镜片层；反射层113的制作方式可以采用镀膜或涂覆反光材料的方式，在此均不做限定。

另一方面，基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种投影系统，如图5所示，包括：光源13，在光源13的出射光光路上沿光的出射方向依次设置的显示芯片14，振镜组15，投影镜头12，以及上述任一投影屏幕11。

在实际应用中，本发明实施例提供的上述投影系统可为基于在数字光处理(Digital Light Procession，简称DLP)构架的投影系统。其中，光源13可为激光器芯片；显示芯片14作为光阀部件，可采用数字微镜芯片(Digital Micromirror Device，简称DMD)，DMD芯片接收图像信号的驱动，接收的光源光束进行调制后输出给振镜组15；振镜组15可以以转动轴进行旋转，从而将人射的光束反射至投影镜头12的不同位置处，由投影镜头12对光路进行偏折从而入射成像到投影屏幕11的不同位置。投影镜头12可采用F-θ，在此不做限定。

进一步地，本发明实施例提供的上述投影系统可采用点扫描的方式进行投影显示。振镜组15可包括两个转动轴相互垂直的振镜，可以实现将入射光束经反射后在投影镜头的二维表面的不同位置持续振动。如图6a所示，振镜组15包括第一振镜151和第二振镜152，第一振镜151以水平方向的转动轴X₁进行转动，可分别处于A和B两个位置；第二振镜152以垂直于X₁轴的垂直向内的转动轴X₂进行转动，可分别处于C和D两个位置。

举例来说，如图6b所示，当第一振镜151处于A位置，而第二振镜152处于C位置时，光束经过第一振镜151和第二振镜152的反射后可入射到投影镜头的位置S₁，从而经过投影镜头入射到投影屏幕的位置S₁’处；如图6c所示，当第一振镜151处于B位置，而第二振镜152处于D位置时，光束经过第一振镜151和第二振镜152的反射后可入射到投影镜头的位置S₂，从而经过投影镜头入射到投影屏幕的位置S₂’处。

在实际应用中，第一振镜151和第二振镜152可以振动的位置不至于上述的两个位置，那么基于上述的相同的投影原理，可在改变第一振镜151和第二振镜152在处于不同的位置时，实际投影屏幕上的各位置点的扫描。而在第一振镜151和第二振镜152远大于人眼可识别的速度在不同的位置进行振动使得在投影屏幕上留下光点时，由于人眼对像点的滞留作用，可以在投影屏幕上观看到完整的显示画面。

进一步地，本发明实施例提供的上述投影系统的由投影屏幕采用受激发射单元111组合的形式，因此投影系统的光源仅采用单色光源即可，且投影系统中不再需要设置滤色轮部件，直接对单色光源的光束进行亮度调制即可，由此，可以进一步减小投影系统的体积，亦可在一定程度上简化信号调制的复杂程度。

其中，投影屏幕11包括至少三种受激发射单元111，各种受激发射单元按照设定规则排列；每种受激发射单元111在经过单色光源的出射光的照射后受激发射特定颜色的光。

在具体实施时，受激发射单元111通常至少应包括受激发射出显示所用的三基色光的种类。例如，如图2所示，本发明实施例提供的上述投影屏幕可包括：红色受激发射单元R、绿色受激发射单元G以及蓝色受激发射单元B。

如下以一具体实例对本发明采用单色光源以及受激发射单元组成的投影屏幕进行图像显示的工作原理进行具体说明。

如图7所示，本发明实施例提供的上述投影屏幕中，各受激发射单元为尺寸形状均相同的方形；一个红色受激发射单元R、一个蓝色受激发射单元B以及两个绿色受激发射单元G组成一个方形颜色组P，且各颜色的受激发射单元在颜色组P中的位置固定；红色受激发射单元R以及蓝色受激发射单元B位于颜色组P的一条对角线上，两个绿色受激发光单元G位于颜色组P的另一条对角线上；多个颜色组按矩阵排布构成投影屏幕。

如图7所示，上述的一个颜色组P实际对应了一个像素单元的位置，在实际应用中，投影系统的扫描方式可为点扫描方式，光源13为单色光源，光源13的出射光束在经过显示芯片14后可将光束进行调制，从而使出射的光束带有亮度信号，在经过振镜组15的反射后可以入射到投影镜头12的不同位置，从而入射到投影屏幕11的不同位置处。

具体来说，在本发明实施例中，如图6a所示，振镜组15包括两个转动轴相互垂直的第一振镜151和第二振镜152，由此可使带有设定亮度信号的光线经过第一振镜151和第二振镜152之后入射到投影镜头12的设定位置，最终入射到投影屏幕中的设定受激发射单元上。由于本发明实施例提供的上述投影系统采用点扫描方式，因此振镜组15需要有与受激发射单元111个数相等的位置状态，以使振镜组15振动到某一位置时，相应地可以将带有对应亮度信号的单色光束入射到投影屏幕的对应位置，激发该位置处的受激发射单元111发射出特定颜色以及特定亮度的光。

以位于中心位置的一个颜色组P为例。振镜组15在处于位置Q₁、Q₂、Q₃、Q₄四个振动状态时可对应以指定强度的单色激光分别点亮红色受激发射单元R、位于右上角的绿色受激发射单元G、位于左下角的绿色受激发射单元G以及蓝色受激发射单元B。如图8a所示，振镜组15处于振动位置Q₁时，红色受激发射单元R被点度形成红色亮点r；如图8b所示，振镜组15处于振动位置Q₂时，位于右上角的绿色受激发射单元G被点度形成红色亮点g；如图8c所示，振镜组15处于振动位置Q₃时，位于左下角的绿色受激发射单元G被点度形成红色亮点g；如图8d所示，振镜组15处于振动位置Q₄时，蓝色受激发射单元B被点度形成红色亮点b。

采用与上述相同的方式以极快的速度将投影屏幕内的各受激发射单元均扫描一遍，人眼视觉滞留作用下可以将投影屏幕内的发光点均点亮，显示一幅完整的图像画面。

作为一种优选的实施方案，受激发射单元111可为量子点单元，即受激发射单元的材料可采用量子点材料。

进一步地，量子点单元的材料为锌、镉、硒、硫元素的化合物，是一种半导体材料，为直径约为2-10nm的纳米粒子。量子点的发光性质可以通过改变量子点的尺寸来调控。通过改变量子点材料的尺寸和化学组成可以使其荧光发射波长覆盖整个可见光区。通常情况下，量子点越小，发出光越偏蓝，反之量子点越大，发出的光越偏红。

当单色光源为蓝色激光光源时，投影屏幕上设置的蓝色量子点材料满足能够受激发射蓝光，绿色量子点材料满足能够受激发射绿光，红色量子点材料满足能够受激发射红光。

其中，蓝光量子点的荧光频谱吸收范围为350-400nm。由硫化镉及硫化锌组成的核壳结构可以发射出蓝光，并且相同量子点材料随着尺寸的减小，荧光吸收谱发生蓝移。首先将硫化二纳水溶液与钠二乙基己基溶液混合，然后与氯化镉前驱体溶液混合制备出了硫化镉量子点材料。再将二氯化锌溶液注入到硫化镉量子点溶液中制备出硫化锌壳结构。在紫外光激发下，硫化镉/硫化锌核壳结构发射出的可见光波长受到量子点尺寸和壳层厚度的影响。

绿光量子点的荧光频谱吸收范围为450-550nm。在高温条件下将氧化镉溶解于十四烷基磷酸中，将硒粉溶解于三辛基膦注入到氧化镉溶液中，在190-210℃环境下反应制备出硒化镉量子点材料。经检测，这种量子点结构的发光效率更好，主要是由于高温条件下制备出的硒化镉量子点结构的禁带势垒变宽，使得量子点受激发射的光子的能量变大。

除此之外，本发明实施例提供的上述光源13可使用蓝光光源，还可为紫光光源或紫外光源。受激发射单元111也可采用荧光材料的发光单元，在此不做限定，只要采用本发明构思而置换的其它可应用的单色光源以及受激发射材料均落入本发明的保护范围。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述投影系统中，如图5所示，还包括：位于光源13出光一侧的整形透镜16，以及设置在光源13与显示芯片14之间的集光器17。实际应用中单色光源通常采用单色激光器，而激光器出射的激光具有不对称、像散等缺陷，因此需要在激光器的出光则设置整形透镜16对出射激光进行整形。而集光器17可以将整形后的激光有效收集到显示芯片上以使显示芯片对入射的光束进行信号调制。

本发明实施例提供的投影屏幕及投影系统，投影屏幕的形状为曲面，且曲面与投影镜头的像面相吻合。由于现有的投影屏幕都为平面，由投影镜头的场曲像差的影响需要额外设备多元件对场曲进行校正，而本发明实施例提供的上述投影屏幕不再是平面而是与投影镜头的像面相匹配的曲面，与投影镜头的产生的场曲相适应，因此投影屏幕在接收到的所述投影镜头的成像不存在场曲像差，增加可视角度，显示效果更佳。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕的形状为曲面，且所述曲面与投影镜头的像面相吻合。

2.如权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕关于所述投影镜头的光轴中心对称；

所述投影屏幕中的各点与第一平面的距离随着所述投影屏幕中的各点与所述光轴的垂直距离的增大而增大；所述第一平面为经过所述投影屏幕的中心点且垂直于所述光轴的平面。

3.如权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕包括至少三种受激发射单元，各种所述受激发射单元按照设定规则排列；

每种所述受激发射单元在经过设定波段的光照射后受激发射特定颜色的光。

4.如权利要求3所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕为前投屏幕，包括沿入光方向依次设置的保护层、由各所述受激发射单元组成的受激发射层以及反射层。

5.如权利要求3所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕为背投屏幕，包括沿入光方向依次设置的二向色层、由各所述受激发射单元组成的受激发射层以及保护层。

6.一种投影系统，其特征在于，包括光源，在所述光源的出射光光路上沿光的出射方向依次设置的显示芯片，振镜组，投影镜头，以及位于所述投影镜头像面位置处的如权利要求1-5任一项所述的投影屏幕。

7.如权利要求6所述的投影系统，其特征在于，所述光源为单色光源，所述投影屏幕包括至少三种受激发射单元，各种所述受激发射单元按照设定规则排列；

每种所述受激发射单元在经过所述单色光源的出射光的照射后受激发射特定颜色的光。

8.如权利要求7所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕包括：红色受激发射单元、绿色受激发射单元以及蓝色受激发射单元。

9.如权利要求8所述的投影屏幕，其特征在于，各所述受激发射单元为尺寸形状均相同的方形；一个所述红色受激发射单元、一个所述蓝色受激发射单元以及两个所述绿色受激发射单元组成一个方形颜色组，且各颜色的受激发射单元在所述颜色组中的位置固定；所述红色受激发射单元以及所述蓝色受激发射单元位于所述颜色组的一条对角线上，两个所述绿色受激发光单元位于所述颜色组的另一条对角线上；

多个所述颜色组按矩阵排布构成所述投影屏幕。

10.如权利要求7-9任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述受激发射单元为量子点单元或荧光单元。

11.如权利要求7-9任一所述的投影系统，其特征在于，所述振镜组包括两个振镜，且两个所述振镜的转动轴相互垂直。