CN107390458A - 一种高清晰度投影装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高清晰度投影装置，包括投影镜头和数字微镜晶片，其中，所述数字微镜晶片的数目为多个，所述多个数字微镜晶片通过棱镜成像后组合拼接在一起形成中间画像，所述中间画像作为投影镜头新的虚拟DMD进行投影。本发明提供的高清晰度投影装置，通过拼合多个DMD的像而产生一个更大的像，并以这个像作为新的投影镜头的虚物来进行投影，从而能够在一台投影装置的内部进行DMD级别的拼接融合，从而一步解决了亮度提升，分辨率提升，图像同步等瓶颈问题，并且将现有投影技术提高到了人眼分辨的极限，使得投影体验大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字投影装置，尤其涉及一种高清晰度投影装置。
背景技术
DLP是“Digital Light Procession”的缩写，即为数字光处理，也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于TI(美国德州仪器)公司开发的数字微镜晶片(DMD)来实现数字光学处理过程。
常见DLP装置的原理是将光源发射出的光通过光学透镜和Rod(光棒)将光均匀化，经过处理后的光通过一个色轮(Color Wheel)，将光分成RGB三色(或者RGBW等更多色)，再将色彩由透镜投射在DMD芯片上，最后反射经过投影镜头在投影屏幕上成像。DMD芯片外观看起来只是一小片镜子，被封装在金属与玻璃组成的密闭空间内，事实上，这面镜子是由数十万乃至上百万个微镜所组成的。以XGA解析度的DMD芯片为例，在宽1cm，长1.4cm的面积里有1024×768＝786432个微镜单元，每一个微镜代表一个像素，图像就由这些像素所构成。由于像素与芯片本身都相当微小，因此业界也称这些采用微型显示装置的产品为微显示器。
现今的DMD投影技术的投射分辨率已经达到了4k(4096*2160)的水平，但是其通常的方案是由2k的分辨率的DMD经过扫描来得到4k的分辨率，并不是物理阵列上的4k分辨率。随着分辨率的提升，DMD技术也有它很难逾越的瓶颈，一是微镜片数太多，无坏点的质量要求对于一个集成芯片制造难度增大，二是芯片面积增大，制作成本增加，三是芯片数据吞吐速率很难跟上，需要的数据传输速率极高，四是微镜片的大小已经达到5.4微米，再制作更小的镜片非常困难，而且光的衍射效应也愈加明显。因此DMD技术随着分辨率达到8k则遇到诸多困难，在高分辨率领域需要有解决方案。
另一个非常主要的困难是随着光源技术的发展，各种激光等高亮度光源的应用，对投影装置中器件的耐热要求提出了新的挑战。在几万流明的投影机中，光学器件中的光功率将达到几百瓦，其中的光吸收产生的热量将十分明显，严重影响着光学性能。
随着分辨率的提升，对高解像力的镜头要求也随之大大提高。而在DLP系统中，不论远心光路或者是非远心光路，都需要有一个较长的后焦，从而使得镜头设计难度很高。在4k乃至8k的分辨率要求下，这种要求简直是苛刻。因此如果能减少后焦的要求，则投影镜头要求大大降低，很多通用的摄像镜头也可以使用，这样可选择的投影镜头种类也更丰富了。
中国专利文献CN201510532549.X，显示了高亮度的偏振投影仪结构。这一技术使得光源分成三种颜色射到DMD上，在每个DMD可以承受的光功率有限制的前提下，可以把最终的亮度提升三倍左右。但是虽然亮度提升了三倍，但是投影镜头的后焦变得极长，镜头设计很难。而且这里还有三个DMD的像要在成像端对齐，否则三种颜色的像就有色差，精度要求极高。最关键的是其分辨率完全没有提高。专利CN200610140263.8也是同样分色的手段来提高亮度。分色的手段不会提高分辨率。
现有能提高分辨率的投影技术，除了DMD分辨率本身的提高以外，就只有屏幕拼接融合了。但是屏幕拼接融合最大的问题是需要多台机器，在很多影院的场合，是没有多台投影机位的空间的；而且多台机器之间的同步问题要复杂，远没有一台机器内部同步那么容易。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高清晰度投影装置，能够在一台投影装置的内部进行DMD级别的拼接融合，从而一步解决了亮度提升，分辨率提升，图像同步等瓶颈问题，并且将现有投影技术提高到了人眼分辨的极限，使得投影体验大大提高。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种高清晰度投影装置，包括投影镜头和数字微镜晶片，其中，所述数字微镜晶片的数目为多个，所述多个数字微镜晶片通过棱镜成像后组合拼接在一起形成中间画像，所述中间画像作为投影镜头新的虚拟DMD进行投影。
上述的高清晰度投影装置，其中，所述多个数字微镜晶片沿投影镜头的径向布置，每个数字微镜晶片对应一个直角棱镜，对应每一个数字微镜晶片的照明光路的光束通过直角棱镜斜面进入棱镜，然后穿过棱镜到达数字微镜晶片，数字微镜晶片调制的反射光再第二次射入棱镜，通过棱镜的内斜面发生内全反射后射出棱镜，进入投影镜头从而成像。
上述的高清晰度投影装置，其中，所述数字微镜晶片和直角棱镜的数目为四个，组合拼接后中间画像的面积为数字微镜晶片的四倍。
上述的高清晰度投影装置，其中，所述四个直角棱镜拼接成倒金字塔形状。
上述的高清晰度投影装置，其中，所述四个直角棱镜拼接成金字塔形状，所述直角棱镜的每一个斜面都是反射面，并镀有反射膜，每个数字微镜晶片和直角棱镜之间均设有中间镜头，每个数字微镜晶片首先通过中间镜头产生一个比例接近1：1的实像，一次成像后的光束通过直角棱镜斜面改变方向并在与投影镜头的轴线相垂直的平面进行二次成像；四个数字微镜晶片二次成像的实像位于同一平面且实现无缝拼接。
上述的高清晰度投影装置，其中，所述数字微镜晶片为采用TI的底照明方式的DMD芯片，每一个数字微镜晶片的局部是一个底照明系统，照明光线经过两个棱镜的反射与折射入射DMD，然后反射后进入倒三角的柱状棱镜进行拼合，最终形成4个DMD的拼合像。
上述的高清晰度投影装置，其中，所述四个直角棱镜拼接成金字塔形状或采用一个整体金字塔棱镜，在金字塔尖相邻的棱镜表面镀有可见光全反射镀膜；每个棱镜面对应一个数字微镜晶片，照明光线采用非远心的方式，在棱镜塔尖附近绕射到数字微镜晶片上；先由所述微镜晶片反射照明光线，再通过金字塔对应全反射棱镜面反射后，经投影镜头成像。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的高清晰度投影装置，通过拼合多个DMD的像而产生一个更大的像，并以这个像作为新的投影镜头的虚物来进行投影，从而能够在一台投影装置的内部进行DMD级别的拼接融合，从而一步解决了亮度提升，分辨率提升，图像同步等瓶颈问题，并且将现有投影技术提高到了人眼分辨的极限，使得投影体验大大提高。
附图说明
图1为本发明采用反金字塔直角棱镜的投影装置结构示意图；
图2a为图1中按投影镜头轴线的侧视图；
图2b为图1中沿投影镜头轴线的俯视图；
图3为本发明采用金字塔直角棱镜的投影装置结构示意图；
图4为图3沿投影镜头轴线方向观察的俯视图。
图5为本发明第三种实施方式。
图6为本发明第四种实施方式。
图中：
1投影镜头 2数字微镜晶片 3反金字塔直角棱镜
4光束 5虚拟DMD 6直角棱镜斜面
7中间镜头 8金字塔直角棱镜
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明采用反金字塔直角棱镜的投影装置结构示意图。
请参见图1，本发明提供的高清晰度投影装置，包括投影镜头1和数字微镜晶片2，其中，所述数字微镜晶片2的数目为多个，所述多个数字微镜晶片2通过棱镜成像后组合拼接在一起形成中间画像，所述中间画像作为投影镜头1新的虚拟DMD 5进行投影。
本发明的基本方案是以4组DMD芯片成像系统组合成一个4倍画面尺寸的像作为投影镜头的物，然后再由投影镜头1进行投影。由于4颗DMD芯片都有包装外壳，外壳的干涉无法直接由4颗DMD芯片直接拼合在一起组合成一个4倍尺寸大小的DMD。虽然不能直接拼合，但是通过中间成像的方式则是可以形成一个完整的4倍尺寸大小画面的，然后再由这个中间像画面作为投影镜头的新DMD，就能够实现分辨率提升4倍，画幅提升4倍的功能。这种成像按照远心光路和非远心光路可以分成两种解决方案。一种是通过直角棱镜的扩展方式来组合画面，如图1和图2所示。这种方案是常见的直角棱镜RTIR投影方案的扩展，通过适当的角度与位置调整，使得由直角棱镜组成的反金字塔棱镜将四周4个DMD成像拼合为一个4倍面积的DMD，然后通过镜头投影到屏幕上形成一个完整的图像。这种方案结构紧凑，缺点是边缘光线不好控制，拼合DMD时容易在拼合边界处产生黑边。
本发明的第一种实施方式，采用直角棱镜四合一投影的总体结构,四个直角棱镜拼接成倒金字塔形状。在投影镜头1的物方，将四个数字微镜晶片2分别布置在投影镜头1径向的四个方向。在每个方向上都有反金字塔直角棱镜3的一个方向的棱镜对应。如图2a所示，对应每一个DMD的照明光路的光束4首先通过直角棱镜斜面6进入棱镜，然后穿过棱镜到达DMD，DMD调制的反射光再第二次射入棱镜，通过直角棱镜内斜面发生内全反射，射出棱镜的另一个面，进入投影镜头1从而成像。这样的光路有4组，每一个DMD通过棱镜成像后相当于虚拟DMD 5，在同一个平面上组合而成一个4倍DMD大小的物面，从而使得投影投出的是一个4个DMD画幅组合成的更大的投影图像。图2a和图2b显示了DMD合光结构的具体形式。图2a是按投影镜头轴线的侧视图，图2b是沿投影镜头轴线的俯视图,可以看到4个棱镜组合形成的反金字塔直角棱镜3。此处的棱镜组合是示意图，具体形式可能按照具体光路的要求而有所修改。此方案结构紧凑，但是光路太紧凑而有可能在成像的均匀性和杂散光处理上比较困难。
更通用的类似非远心光路的方案，如图3和图4所示。4路DMD中，每一路DMD都各自进行单独的照明设计，最后由一个中间镜头7，将DMD进行一次成像。投影镜头1物方采用一个金字塔直角棱镜8。金字塔直角棱镜8的每一个斜面都是反射面，镀有反射膜。数字微镜晶片2首先通过一组中间镜头7产生一个比例变化不大，接近1：1的实像。一次成像的光束4通过金字塔直角棱镜8的斜面改变方向进行二次成像，二次成像的平面与投影镜头1的轴线垂直。图4显示出沿投影镜头轴线方向观察的俯视图。一共有4组DMD加中间镜头的光路在金字塔棱镜8处成实像10。这些实像拼合成一个大的4倍于每个实像的大实像，作为投影镜头的新虚物进行投影，从而投射出一个更大的画面。本方案中金字塔直角棱镜8以及各个数字微镜晶片2与中间镜头7组成的光路可以微调，这样使得组合成的实像之间平整一致，且没有缝隙，从而投影出一幅完整的画面。由于中间镜头的画面放大倍率不大，因此设计相对容易。同时数字微镜晶片2处的照明光路在空间上分的很开，就不会因为太紧凑而难于设计。另外空间上的分开还让散热处理变得相对容易，整个投影光机结构的热量分散化，更有利于投影亮度的提升。
鉴于实用化的考虑，本发明还提供了第三种实施方式，如图5所示。对于采用TI公司的底照明方式的DMD芯片更为适用。本方案简明的概括为先2合一，再2合一的4个DMD的组合方式。每一个数字微镜晶片2的局部是一个底照明系统，照明光线4经过两个棱镜的反射与折射入射DMD，然后反射后进入倒三角的柱状棱镜进行拼合，最终形成4个DMD的拼合像。此方式的优点是结构整齐，光学照明简单。
图6为本发明第四种实施方式，进一步从实用化出发进行简化。请继续参见图6，一个正金字塔形状的棱镜，金字塔尖的四个棱镜表面有全反射镀膜。每个棱镜面对应一个DMD。照明光线采用非远心的方式，在棱镜塔尖附近绕射到DMD上，然后由棱镜的相应反射面反射光线到投影镜头投影。这样既没有光线穿过棱镜造成棱镜的吸收，也让照明光路容易设计，整体结构得到简化。
以上是两种典型的实施方式，但在这种方案上还可能变形。例如金字塔棱镜的斜面可能是沿投影镜头交错的，以接收更多的光线。各光路设计时因结构需要可以做相应的转折或变换，这些都是本发明可能的实施方式。
本发明解决了投影中很多难点，采用4个低分辨率的DMD组成一个虚拟完整DMD，从而使得分辨率提高4倍，并且亮度也提升了4倍。如果采用单组4k分辨率技术，则可以在投影领域实现8k的分辨率。如果采用第二种具体实施方式，则可以使用通用的摄影镜头，即常用的单反镜头等都可以考虑。具体优点如下：
1、本发明将最终投影图像的解析度提高了4倍。使得使用1080p分辨率的DMD就可以产生4k清晰度的投影。而使用4k的DMD则可以产生8k的投影清晰度，几乎达到了人眼极限。
2、由于有4片DMD分别独立运行，从而亮度上也是4倍于原单个DMD投影的亮度。从而使得亮度大大增加。原来一般一个DMD可以达到一万流明的亮度现在则可以达到4万流明。各个DMD独自散热，互相影响小。
3、在第二种方案中，整个投影架构的通用性很强，分为投影镜头，金字塔棱镜，中间镜头，DMD显示部分。这几个部分都可以作为模组独立互换，从而使得整个投影架构有极高的通用替代性。用户可以根据各自的喜好组合不同大小，不同清晰度，不同亮度的投影机型。
4、DMD的组合，对各个DMD是独立的，信号处理等都相对成熟，仅仅需要前端信号能够进行分解融合。而这种多屏融合技术也是相当成熟的，所以不需要特别的技术。因此电子技术上使用的都是成熟的技术而达到了分辨率，亮度的提升。
5、在第二种类似非远心的实施方案中，对镜头没有后焦要求。在投影镜头中，最困难的就是有较长的后焦要求。对于远心光路，需要有长的后焦来容纳TIR全反射棱镜。对于非远心光路也需要有较长的后焦来让入射光和出射光进行分离。因为后焦的原因，大量的通用的摄影摄像镜头无法使用。使得数字投影无法使用胶片投影的镜头。而且较长的后焦也大大提升了镜头设计的难度。但在本发明的此方案中，没有对后焦的要求，也就是所有胶片投影的镜头，或者单反相机的镜头都可以使用，如此大大丰富了镜头的可选择性。而且很多镜头都是全画幅镜头，与影院投影的要求是一致的，从而直接可以在家庭影院，商业影院中应用。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (7)
1.一种高清晰度投影装置，包括投影镜头(1)和数字微镜晶片(2)，其特征在于，所述数字微镜晶片(2)的数目为多个，所述多个数字微镜晶片(2)通过棱镜成像后组合拼接在一起形成中间画像，所述中间画像作为投影镜头(1)新的虚拟DMD(10)进行投影。
2.如权利要求1所述的高清晰度投影装置，其特征在于，所述多个数字微镜晶片(2)沿投影镜头(1)的径向布置，每个数字微镜晶片(2)对应一个直角棱镜，对应每一个数字微镜晶片(2)的照明光路的光束(4)通过直角棱镜斜面(6)进入棱镜，然后穿过棱镜到达数字微镜晶片(2)，数字微镜晶片(2)调制的反射光再第二次射入棱镜，通过棱镜的内斜面发生内全反射后射出棱镜，进入投影镜头(1)从而成像。
3.如权利要求2所述的高清晰度投影装置，其特征在于，所述数字微镜晶片(2)和直角棱镜的数目为四个，组合拼接后中间画像的面积为数字微镜晶片(2)的四倍。
4.如权利要求3所述的高清晰度投影装置，其特征在于，所述四个直角棱镜拼接成倒金字塔形状。
5.如权利要求3所述的高清晰度投影装置，其特征在于，所述四个直角棱镜拼接成金字塔形状，所述直角棱镜的每一个斜面都是反射面，并镀有反射膜，每个数字微镜晶片(2)和直角棱镜之间均设有中间镜头(7)，每个数字微镜晶片(2)首先通过中间镜头(7)产生一个比例接近1：1的实像，一次成像后的光束(4)通过直角棱镜斜面(6)改变方向并在与投影镜头(1)的轴线相垂直的平面进行二次成像；四个数字微镜晶片(2)二次成像的实像位于同一平面且实现无缝拼接。
6.如权利要求3所述的高清晰度投影装置，其特征在于，所述数字微镜晶片(2)为采用TI的底照明方式的DMD芯片，每一个数字微镜晶片(2)的局部是一个底照明系统，照明光线经过两个棱镜的反射与折射入射DMD，然后反射后进入倒三角的柱状棱镜进行拼合，最终形成4个DMD的拼合像。
7.如权利要求3所述的高清晰度投影装置，其特征在于，所述四个直角棱镜拼接成金字塔形状或采用一个整体金字塔棱镜，在金字塔尖相邻的棱镜表面镀有可见光全反射镀膜；每个棱镜面对应一个数字微镜晶片(2)，照明光线采用非远心的方式，在棱镜塔尖附近绕射到数字微镜晶片(2)上；先由所述微镜晶片(2)反射照明光线，再通过金字塔对应全反射棱镜面反射后，经投影镜头(1)成像。
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