CN108037632A - 一种用于投影的激光照明装置、投影系统及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于投影的激光照明装置、投影系统及其调节方法，包括：沿激光光束的出射方向依次设置的固定透镜组、移动透镜组和补偿透镜组；固定透镜组与激光光源之间的距离固定，固定透镜组、移动透镜组以及补偿透镜组中的各透镜之间的距离固定；通过改变移动透镜组与固定透镜组之间的距离，可以改变激光照明装置的焦距，同时调整移动透镜组与补偿透镜组之间的距离，可使固定透镜组的中心点至激光照明装置焦点的距离保持不变，从而使得在激光光源在激光照明装置的像方相同位置处的光线覆盖面积可变，由此可以根据应用需求可以改变投影芯片overfill为最合适的取值，也可以使激光照明装置适用于不同类型的投影芯片，达到光效利用率的最大化。

Description

一种用于投影的激光照明装置、投影系统及其调节方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤指一种用于投影的激光照明装置、投影系统及其调节方法。

背景技术

激光投影技术是一种新型的显示技术，相比于传统显示技术，采用激光作为光源，具有更长的使用寿命、更低的功耗、更宽的色域范围、更高的色彩饱和度等优势。

目前激光投影机普遍存在的暗带问题，即照射到投影芯片上的光未将芯片完全覆盖，从而在成像画面的边缘产生彩色暗带，它是制约生产效率的重要问题。激光投影系统通常为避免暗带问题，会对照射在投影芯片上的光预留一部分能量，使得照射到芯片上的光会超出芯片边缘一部分，在本领域将超出芯片的光能量与光的总能量的比值称为overfill。在理论上如果光源的光恰好完全覆盖投影芯片时，光源的利用率最高，但实际应用中，由于光学元件结构各不相同，在加工和组装过程中均存在一定的公差，因此会预留一定的overfill。然而，overfill越大，用于成像的光源的利用率就越低；overfill过小又会产生暗带问题。因此，如何实现自由调节overfill的大小，使其适用于不同类型的投影芯片，以提高光利用率是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明提供一种用于投影的激光照明装置、投影系统及其调节方法，可以调整激光照明装置的焦距，实现自由调节overfill，使其适用于不同类型的投影芯片，提高系统效率。

第一方面，本发明提供一种用于投影的激光照明装置，包括：沿激光光束的出射方向依次设置的固定透镜组、移动透镜组和补偿透镜组；

所述固定透镜组与激光光源之间的距离固定，所述固定透镜组中的各透镜之间的距离固定；

所述移动透镜组中的各透镜之间的距离固定，所述移动透镜组沿光轴向靠近或远离所述固定透镜组方向的设定范围内移动；

所述补偿透镜组中的各透镜之间的距离固定，所述补偿透镜组与所述移动透镜组之间的距离随着所述移动透镜组与所述固定透镜组之间的距离的变化而变化；

所述固定透镜组的中心点至所述激光照明装置的焦点之间的距离保持不变。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光照明装置中，所述固定透镜组以及所述补偿透镜组均等效为会聚透镜，所述移动透镜组等效为发散透镜。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光照明装置中，所述激光照明装置的焦距随着所述固定透镜组与所述移动透镜组之间的距离的增大而增大；

所述补偿透镜组与所述移动透镜组之间的距离随着所述固定透镜组与所述移动透镜组之间的距离的增大而减小。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光照明装置中，所述固定透镜组为一个凸透镜，所述移动透镜组为一个凹透镜，所述补偿透镜组为一个凸透镜。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光照明装置中，所述固定透镜组及所述补偿透镜组均为一个双凸透镜；所述移动透镜组为一个双凹透镜。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光照明装置中，所述固定透镜组与所述移动透镜组之间的距离为第一距离，所述补偿透镜组与所述移动透镜组之间的距离为第二距离，所述第一距离与所述第二距离满足以下关系：

d₁＝f_A′-s₁；

d₁＝f_A′-s₂；

其中，d₁表示所述第一距离，d₂表示所述第二距离；s₁表示所述移动透镜组的一个物距极值，s₂表示所述移动透镜组的另一个物距极值；f_A’表示所述固定透镜组的像方焦距，f_AB’表示所述固定透镜组和所述移动透镜组构成的光学系统的像方焦距，f_c’表示所述补偿透镜组的像方焦距，f_c表示所述补偿透镜组的物方焦距。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光照明装置中，所述第一距离大于或等于0.333英寸且小于或等于1.883英寸；所述第二距离大于或等于0.883英寸且小于或等于2.333英寸。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光照明装置中，所述移动透镜组在所述设定范围内连续移动或定点移动。

第二方面，本发明提供一种投影系统，包括：激光光源，沿所述激光光源的光出射方向依次设置的上述任一用于投影的激光照明装置以及投影芯片。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述投影系统中，还包括：靠近所述激光照明装置的匀光部件。

第三方面，本发明提供一种基于上述任一用于投影的激光照明装置的调节方法，包括：

确定投射到投影芯片所在平面的光线覆盖面积超出所述投影芯片面积的尺寸；

根据确定出的所述尺寸，已知的所述固定透镜组的焦距，已知的所述移动透镜组的焦距，已知的所述补偿透镜组的焦距，以及已知的激光光源与所述固定透镜组之间的距离，计算所述固定透镜组与所述移动透镜之间的距离以及计算所述移动透镜组与所述补偿透镜组之间的距离；

根据计算出的各距离调整所述移动透镜组和所述补偿透镜组，以使投影到所述投影芯片的光线覆盖面积满足所述尺寸。

第四方面，本发明提供一种基于上述任一用于投影的激光照明装置的调节方法，包括：

保持激光光源与固定透镜组之间的距离不变，同时调整移动透镜组与固定透镜组之间的距离以及所述移动透镜组与所述补偿透镜组之间的距离，使投射到投影芯片所在平面的光线覆盖面积超出所述投影芯片面积的尺寸最小。

本发明有益效果如下：

本发明提供的用于投影的激光照明装置、投影系统及其调节方法，包括：沿激光光束的出射方向依次设置的固定透镜组、移动透镜组和补偿透镜组；固定透镜组与激光光源之间的距离固定，固定透镜组中的各透镜之间的距离固定；移动透镜组中的各透镜之间的距离固定，移动透镜组沿光轴向靠近或远离固定透镜组方向的设定范围内移动；补偿透镜组中的各透镜之间的距离固定，补偿透镜组与移动透镜组之间的距离随着移动透镜组与固定透镜组之间的距离的变化而变化；固定透镜组的中心点至激光照明装置的等效焦点之间的距离保持不变。通过改变移动透镜组与固定透镜组之间的距离，可以改变激光照明装置的焦距，同时调整移动透镜组与补偿透镜组之间的距离，可使固定透镜组的中心点至激光照明装置的焦点的距离保持不变，从而使得在激光光源在激光照明装置的像方相同位置处的光线覆盖面积可变，由此可以根据应用需求可以改变投影芯片overfill为最合适的取值，也可以使激光照明装置适用于不同类型的投影芯片，达到光效利用率的最大化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于投影的激光照明装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的用于投影的激光照明装置的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的用于投影的激光照明装置的结构示意图之三；

图4a为图3中的激光照明装置的光路对比图之一；

图4b为图3中的激光照明装置的光路对比图之二；

图5为本发明实施例提供的投影系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的用于投影的激光照明装置的调节方法的流程示意图；

图7a为本发明实施例提供的投影系统的应用效果图；

图7b为本发明实施例提供的投影芯片的overfill效果图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种用于投影的激光照明装置、投影系统及其调节方法，可以激光照明装置的焦距，实现自由调节overfill，使其适用于不同类型的投影芯片，提高系统效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

下面结合附图，对本发明实施例提供的用于投影的激光照明装置、投影系统及其调节方法进行具体说明。其中，附图中各部件的厚度和形状不反映显示装置的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。

如图1所示，本发明实施例提供的用于投影的激光照明装置，包括：沿激光光源11的光出射方向依次设置的固定透镜组121、移动透镜组122和补偿透镜组123。

其中，固定透镜组121与激光光源11之间的距离固定，固定透镜组121中的各透镜之间的距离固定；移动透镜组122中的各透镜之间的距离固定，移动透镜组122沿光轴向靠近或远离固定透镜组121方向的设定范围内移动；补偿透镜组123中的各透镜之间的距离固定，补偿透镜组123与移动透镜组122之间的距离随着移动透镜组122与固定透镜组121之间的距离的变化而变化；固定透镜组121的中心点至激光照明装置的焦点之间的距离保持不变。

在实际应用中激光光源11出射的光束口径较大，当需要将其应用于具体的系统，如激光投影系统时需要对激光光束进行聚焦，使其能量集中以提高最终的显示亮度。或者在某些照明场景中需要对照明光斑的尺寸进行调节。有鉴于此，本发明实施例提供了一种可变焦的激光照明装置应用于投影系统，在激光光源11的出光侧设置的固定透镜组121和移动透镜组122，通过调节移动透镜组122使其靠近或远离固定透镜组121，在沿着光轴方向移动上述的移动透镜组122时，可使固定透镜组121与移动透镜组122所组成的光学系统的焦距不断变化，然而在只有上述固定透镜组121与移动透镜组122构成激光照明装置时，在像方最多只有两个放大率的位置成像是清晰的，而在其它光焦度时均为离焦像。因此，为了消除上述的离焦像，再设置补偿透镜组123作为补偿元件。在具体应用时，当移动透镜组122移动时，补偿透镜组123应该随之移动，以使像方在任一放大率位置均能够清晰成像。由此可使在激光光斑在激光照明装置的像方相同位置处的光线覆盖面积可变，而固定透镜组121的中心点到激光照明装置的焦点的距离保持不变，从而可以调整该像素位置处的光斑尺寸以及光能量，由此可提高激光光源的利用效率。

将本发明实施例提供的上述激光光源应用于数字光学处理技术(Digital LightProcessing，简称DLP)架构的激光投影系统时，激光光源的出射光束经过激光照明装置的光斑入射到数字微镜芯片(Digital Micromirror Device，简称DMD)上，由DMD芯片反射后成像到投影屏幕。当激光照明装置中固定透镜组与移动透镜组之间的距离改变时，可使得入射到DMD芯片上而超出DMD范围的光线覆盖率发生变化，即调整其overfill。当增大overfill时，可以增加光线覆盖DMD芯片上的面积，以使成像画面产生彩色暗带的风险降低；而减小overfill时，又可以提高激光光源的利用率，提高成像画面的亮度。在实际应用中，在不改各透镜的镜片材质和面型的情况下，通过调节固定透镜组与移动透镜组之间的距离，改变激光照明装置的放大倍率和装置内光线的分布，从而通过改变激光照明装置的焦距，使投射到DMD面上的光线分布发生变化，可等比例的放大或缩小，改变overfill的大小，以最大限度的保证照明效率，同时不产生暗带，使光效利用率最大化。除此之外，本发明实施例提供的上述用于投影的激光照明装置还可以适用于不同类型的投影芯片，根据不同类型投影芯片的尺寸来调节入射到投影芯片上光斑的面积，提高光源利用效率。

在实际应用中，对于激光照明装置所应用的情景不同，其包含的透镜的类型也不相同。而当激光照明装置应用于投影系统时，激光光源的出射光口径一般相对将大，需要对激光光源缩束，此时，上述的固定透镜组121以及补偿透镜组123可均等效为会聚透镜，而移动透镜组122可等效为发散透镜。而在其它应用场景时，还可能需要对激光光源扩束处理，以达到更大的光线覆盖范围，针对上述应用场景，激光照明装置中的固定透镜组、移动透镜组以及补偿透镜组也有可能等效为其它类型的透镜，例如如图2所示的情况，固定透镜组121等效为发散透镜，移动透镜组122等效为会聚透镜，补偿透镜组123等效为发散透镜。在实际应用中还可能存在其它情况，本发明实施例不对此进行限定。

进一步地，当固定透镜组121和补偿透镜组123均等效为会聚透镜，而移动透镜组122等效为发散透镜时，激光照明装置的焦距随着固定透镜组121与移动透镜组之间122的距离的增大而增大。且补偿透镜组123与移动透镜组122之间的距离随着固定透镜组121与移动透镜组122之间的距离的增大而减小。

具体来说，光学系统的焦距的计算公式为F＝F1*F2/(F1+F2-D)，其中，F1表示固定透镜组的焦距，F2表示移动透镜组的焦距，D表示固定透镜组与移动透镜组之间的距离。由上述公式可以看出，当固定透镜组与移动透镜组的焦距确定不变时，固定透镜组与移动透镜组之间的距离D越大，则光学系统的焦距F越大，因此，激光照明装置的焦距F随着固定透镜组与移动透镜组之间的距离D的增大而增大，与此同时调整补偿透镜组，可消除激光照明装置的离焦像。

作为一种最基本也最简单的实施方式，如图3所示，固定透镜组121可为一个凸透镜，移动透镜组122可为一个凹透镜，补偿透镜组123可为一个凸透镜。采用三个透镜构成激光照明装置，结构简单，可有效减小装置的尺寸。进一步地，上述作为固定透镜组以及补偿透镜组的凸透镜可为双凸透镜，作为移动透镜组的凹透镜可为双凹透镜。而在具体应用时，对于装置的变焦范围比较大的情况，仍需要以透镜组的形式设置上述固定透镜组121、移动透镜组122以及补偿透镜组123。其原理与单片透镜类似，均属于本发明的保护范围，在此不做限定。

如下以单片透镜分别作为上述的固定透镜组121、移动透镜组122以及补偿透镜组123为例，对本发明提供的激光照明装置的变焦系统进行说明。如图3所示，在本实施例中采用双凸透镜A作为上述的固定透镜组121，双凹透镜B作为上述的移动透镜组122，双凸透镜C作为上述的补偿透镜组123。其中，双凸透镜A(固定透镜组121)与双凹透镜B(移动透镜组122)之间的距离为第一距离d₁，双凹透镜B(移动透镜组122)与双凸透镜C(补偿透镜组123)之间的距离为第二距离d₂。

进一步地，如图4a所示，如果双凸透镜A与激光光源11之间距离保持不变，双凸透镜C与双凸透镜A之间距离也保持不变时，移动双凹透镜B向着远离双凸透镜A靠近双凸透镜C的方向移动，即使第一距离d₁逐渐增大，第二距离d₂逐渐减小的过程中，变焦系统只有在两个位置处的成像是清晰的，即双凹透镜B在图4a的第一幅以及第三幅所在的位置时在最右侧的虚线处的成像的清晰的，而在如第二幅所在的其它位置均为离焦状态。因此，在实际应用中，在移动双凹透镜B时同时移动双凸透镜C进行补偿，以使凹透镜在任意位置时，同一位置的成像均清晰。具体来说，如图4b所示，在双凸透镜A与激光光源11之间的距离保持不变时，双凹透镜B向着远离双凸透镜A的方向移动的过程中，双凸透镜C与双凹透镜B之间的第二距离d₂随着双凹透镜B与双凸透镜A之间的第一距离d₁的增大而减小。由此可使在最右侧的虚线位置得的成像在双凹透镜B移动的任意位置时均具有清晰的成像，与此同时可使变激光照明装置的焦距在一定范围内连续变化。

本发明实施例提供的上述激光照明装置，移动透镜组122的移动方式可采用在设定范围内连续移动的形式，或者，也可以采用在设定范围内定点移动的方式。如上所述，当移动透镜组在设定范围内连续移动时，可使激光照明装置的焦距也在一定的范围内连续变化，采用这种方式可以在应用过程中随时调整，使激光照明装置达到最适合应用的状态。而在另一种实施方式中，如果需激光照明装置具有二倍焦距、四倍焦距等特定的变焦焦距时，也可以由此来设定好移动透镜的位置，从而根据要求定点移动。实际应用中可根据需求选择，在此不做限定。

在具体实施时，固定透镜组与移动透镜组之间的第一距离d₁，以及移动透镜组与补偿透镜组之间的第二距离d₂可满足以下关系：

d₁＝f_A′-s₁；

d₁＝f_A′-s₂；

其中，d₁表示第一距离，d₂表示第二距离；s₁表示移动透镜组的一个物距极值，s₂表示移动透镜组的另一个物距极值；f_A’表示固定透镜组的像方焦距，f_AB’表示固定透镜组和移动透镜组构成的光学系统的像方焦距，f_c’表示补偿透镜组的像方焦距，f_c表示补偿透镜组的物方焦距。

进一步地，上述的第一距离d₁可大于或等于0.333英寸且小于或等于1.883英寸；第二距离d₂可大于或等于0.883英寸且小于或等于2.333英寸。

仍以如图3所示激光照明装置的结构为例，双凸透镜A作为固定透镜，双凹透镜B作为移动透镜，双凸透镜C作为补偿透镜；通过移动双凹透镜B改变激光照明装置的焦距，移动双凹透镜B的同时移动双凸透镜C保证双凸透镜A至焦点的距离不变。

假设激光照明装置的变焦范围为R，双凹透镜B的光焦度φ_B＝-1。确定中间的双凹透镜B的共轭距，从而产生放大率和根据高斯公式：

代入放大率m＝s′/s并求解s′，可得：

s′＝f(1-m)；

s＝f(1-m)/m；

其中，s和s’分别表示中间的双凹透镜B的物距和像距。由此，得出照明系统的物像距关系。为保证镜片间有足够的间隔，双凸透镜A的焦距f_A’应大于双凹透镜B的物距s，并留有一定的余量。双凹透镜B的移动会使激光照明装置的放大倍率β两个极端值对于的物距s的值不同。若双凸透镜C的焦距为f_C’。设双凸透镜A和双凹透镜B之间的间隔为d₁(即上述的第一距离)，双凸透镜C和双凹透镜B之间的间隔为d₂(即上述的第一距离)。可知d₁的极端值为：

d₁＝f_A′-s₁；

d₁＝f_A′-s₂；

此时，激光光源的出射光由双凸透镜A成像在双凸透镜A的像方焦平面上，而成像在双凸透镜A的像方焦平面上的点又作为双凹透镜B的物点，因此，双凸透镜A和双凹透镜B的间隔d₁加上物距正好等于双凸透镜A的焦距。在双凸透镜A和双凹透镜B的组成的透镜组中设：

Δ₁＝d₁-f_A′+f_B；

其中，f_A’表示双凸透镜A的像方焦距(即固定透镜组的像方焦距)，f_B表示双凹透镜B的物方焦距(即移动透镜组的物方焦距)。通常情况下，透镜或透镜组的物方焦距与像方焦距数值相等。

则双凸透镜A和双凹透镜B组成的透镜组的焦距(f’_AB)为：

等效焦点的位置为：

在双凸透镜A、双凹透镜B和双凸透镜C组成的透镜组中设：

则可推出第二距离d₂为：

其中，f_AB’表示双凸透镜A和双凹透镜B构成的透镜组的像方焦距(固定透镜组和移动透镜组构成的光学系统的像方焦距)，f_c’表示双凸透镜C的像方焦距(补偿透镜组的像方焦距)，f_c表示双凸透镜C的物方焦距(补偿透镜组的物方焦距)。

由此，根据d₁的不同取值，可以计算出对应的d₂的取值。d₁与d₂一一对应。由上述的计算公式可确定出d₁和d₂的取值范围。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种投影系统，如图5所示，该投影系统包括激光光源100，沿着激光光源100的出射方向依次设置的上述任一激光照明装置200以及投影芯片300(例如DMD芯片)。

除此之外，如图5所示，本发明实施例提供的上述投影系统还可包括：投影镜头400以及投影屏幕500。

在本发明实施例提供的上述投影系统中，通过改变激光照明装置中移动透镜组与固定透镜组之间的距离，可以改变激光照明装置的焦距，从而使得在激光光源在激光照明装置的像方相同位置处的光线覆盖面积可变，根据应用需求可以改变overfill为最合适的取值，也可以更换投影芯片的类型，通过调整激光照明装置中的移动透镜组和补偿透镜组可以适用于不同类型的投影芯片，由此提高光源的使用效率。

进一步地，在本发明实施例提供的上述投影系统中，激光光源100还包括：靠近激光照明装置200的匀光部件。该均光部件可为匀光棒或光导管等元件，可将激光光斑的能量均匀化，消除激光散斑。而在实际应用中匀光部件的出光而也作为激光照明装置200的物面，匀光部件与激光照明装置之间的距离为激光照明装置的物距。

在本发明实施例提供的上述激光照明装置的基础上，可采用以下两种方式对投影芯片的overfill进行调节。以下将分别对两种方式具体说明。

如图6所示，本发明实施例提供的一种基于上述激光照明装置的调节方法，可包括如下步骤：

S601、确定投射到投影芯片所在平面的光线覆盖面积超出投影芯片面积的尺寸；

S602、根据确定出的尺寸，已知的固定透镜组的焦距，已知的移动透镜组的焦距，已知的补偿透镜组的焦距，以及已知的激光光源与固定透镜组之间的距离，计算固定透镜组与移动透镜之间的距离以及移动透镜组与补偿透镜组之间的距离；

S603、根据计算出的各距离调整移动透镜组和补偿透镜组，以使投影到投影芯片的光线覆盖面积满足上述尺寸。

具体地，通过合理的优化，选择相应的材质，采用如图7a所示的变焦的激光照明装置200，相对于传统的激光照明装置来说光学系统镜片数量减少，架构简单，既降低了加工成本，又减少了组装时间。如图7a所示，由激光光源100出射的激光经过激光照明装置200之后入射到投影芯片300上。此时，投影系统的overfill大小为16％。

对于激光照明装置来说，其最大的目的就是将光源发出的高斯分布的光线进行匀化，使其打到投影芯片及overfill上的光均匀分布，在本发明实例中使用矩形光导管通过光线的多次反射从而达到匀光的目的。同时，需保证系统不产生暗带，即投影芯片平面的每个区域均有均匀地光线打上去。为达到此目的，通常采取以下两种方式：

1)保证打到投影芯片上的光斑的锐利度足够高。一般情况下，在设计激光照明装置时，通过合理选择镜片的材质和镜片间的搭配，使光学系统的艾里斑半径小于300nm，即可满足激光照明装置的要求，使其保证足够的锐利度，可以减小overfill的取值。

2)预留一定的overfill。由于镜片公差、结构件公差以及温度等方面的影响，均会导致像面的大小和位置发生变化，无法做到能量100％全部都打到投影芯片上，因此需预留一定量的overfill可避免产生暗带。在实际应用中，overfill的范围在12％-20％。overfill的取值越小越容易产生暗带、影响画质；overfill的取值越大越容易浪费激光光源的能量、影响效率。因此，合理的选取overfill值至关重要。

本发明实施例选用0.66”的DMD芯片作为上述的投影芯片300，如图7b所示，DMD芯片的半宽度为4.1256mm×7.3332mm，激光光源的发散角为23°，初步确定光导管的半宽度尺寸为x(mm)×y(mm)。当overfill的长宽边厚度为d(mm)时，则激光照明装置的放大倍率β为：

该overfill的大小为光学系统设计时的芯片厂商推荐的设计值。但对于实际激光照明装置来说，此值的大小未必为装置的最优解。并且由于光学元件、结构件以及组装的公差，无法保证激光照明装置在安装之后overfill的一致性。而本发明实施例提供的上述激光照明系统可以解决上述问题，通过改变固定透镜组与移动透镜组之间的间隔的方式，实现激光照明装置的不同放大倍率，从而改变overfill的取值。

例如，假设激光照明装置的变焦范围为R＝4×，在已知DMD芯片安装位置的前提下，DMD芯片与激光照明装置之间的距离固定不变，那么可以根据激光照明装置的变焦范围以及DMD芯片与激光照明装置之间的距离，计算出DMD芯片所在平面的光线覆盖面积超出DMD芯片面积的尺寸。

进一步地，根据上述的公式可求解出：凹透镜B的放大率m₁＝-0.5；m₂＝-2。当m₁＝-0.5时，则s＝3和s’＝-1.5；当m₂＝-2时，则s＝1.5和s’＝-3。若假设凸透镜A的焦距为f_A’＝3.333in(英寸)，凸透镜C的焦距f_C’＝1.25in(英寸)。则根据上述公式可求解出d₁的两个极值：

d₁＝0.333in或d₁＝1.883in；

相应地，得到d₂的两个极值为：

d₂＝2.333in或d₂＝0.883in；

则移动透镜组可在与固定透镜组之间的第一距离d₁可在大于或等于0.333in且小于或等于1.883in的范围内移动；相应地，移动透镜组与补偿透镜组之间的第二距离d₂可在大于或等于0.883in且小于或等于2.333in的范围内随之移动。由此，可根据已知的投射到投影芯片所在平面的光线覆盖面积超出投影芯片面积的尺寸，固定透镜组、移动透镜组以及补偿透镜组的焦距，激光光源与固定透镜组之间的距离计算出固定透镜组与移动透镜之间的距离以及移动透镜组与补偿透镜组之间的距离，从而定点调整移动透镜组和补偿透镜组的位置，使投影系统的overfill达到设定的取值。

在另一种可实施的方式中，本发明实施例提供的激光照明装置的调节方法可以包括如下步骤：

保持激光光源与固定透镜组之间的距离不变，调整移动透镜组与固定透镜组之间的距离以及移动透镜组与补偿透镜组之间的距离，使投射到投影芯片所在平面的光线覆盖面积超出投影芯片面积的尺寸最小。

具体地，本发明实施例提供的上述激光照明装置为变焦照明光学系统，通过调节系统中固定透镜组与移动透镜组之间的间距可以改变装置的放大倍率。在实际应用中，可以现场调节以保证效率的最大化。其中激光照明装置的物像位置保持不变，同时物的大小也保持不变。当放大倍率改变时，像面的大小随之发生改变，即overfill大小发生变化。放大倍率β变大时，overfill随之增大；放大倍率β变小时，overfill随之减小。

举例来说，如果投影系统的overfill取值范围为12％-20％。当overfill值为12％时，设overfill的长宽边厚度为d₁(mm)，则激光照明装置的放大倍率为：

当overfill值为20％时，设overfill的长宽边厚度为d₂(mm)，则激光照明装置的放大倍率为：

则根据overfill的不同取值，可以将移动透镜组在设定范围内连续移动，同时移动补偿透镜组，使激光照明装置的放大倍率取值连续变化。

本发明实施例提供的用于投影的激光照明装置、投影系统及其调节方法，包括：沿激光光束的出射方向依次设置的固定透镜组、移动透镜组和补偿透镜组；固定透镜组与激光光源之间的距离固定，固定透镜组中的各透镜之间的距离固定；移动透镜组中的各透镜之间的距离固定，移动透镜组沿光轴向靠近或远离固定透镜组方向的设定范围内移动；补偿透镜组中的各透镜之间的距离固定，补偿透镜组与移动透镜组之间的距离随着移动透镜组与固定透镜组之间的距离的变化而变化；固定透镜组的中心点至激光照明装置的等效焦点之间的距离保持不变。通过改变移动透镜组与固定透镜组之间的距离，可以改变激光照明装置的焦距，同时调整移动透镜组与补偿透镜组之间的距离，可使固定透镜组的中心点至激光照明装置的焦点的距离保持不变，从而使得在激光光源在激光照明装置的像方相同位置处的光线覆盖面积可变，由此可以根据应用需求可以改变投影芯片overfill为最合适的取值，也可以使激光照明装置适用于不同类型的投影芯片，达到光效利用率的最大化。

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，则可对这些实施例作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 (12)

1.一种用于投影的激光照明装置，其特征在于，包括：沿激光光束的出射方向依次设置的固定透镜组、移动透镜组和补偿透镜组；

所述固定透镜组与激光光源之间的距离固定，所述固定透镜组中的各透镜之间的距离固定；

所述移动透镜组中的各透镜之间的距离固定，所述移动透镜组沿光轴向靠近或远离所述固定透镜组方向的设定范围内移动；

所述补偿透镜组中的各透镜之间的距离固定，所述补偿透镜组与所述移动透镜组之间的距离随着所述移动透镜组与所述固定透镜组之间的距离的变化而变化；

所述固定透镜组的中心点至所述激光照明装置的焦点之间的距离保持不变。

2.如权利要求1所述的激光照明装置，其特征在于，所述固定透镜组以及所述补偿透镜组均等效为会聚透镜，所述移动透镜组等效为发散透镜。

3.如权利要求2所述的激光照明装置，其特征在于，所述激光照明装置的焦距随着所述固定透镜组与所述移动透镜组之间的距离的增大而增大；

所述补偿透镜组与所述移动透镜组之间的距离随着所述固定透镜组与所述移动透镜组之间的距离的增大而减小。

4.如权利要求2所述的激光照明装置，其特征在于，所述固定透镜组为一个凸透镜，所述移动透镜组为一个凹透镜，所述补偿透镜组为一个凸透镜。

5.如权利要求4所述的激光照明装置，其特征在于，所述固定透镜组及所述补偿透镜组均为一个双凸透镜；所述移动透镜组为一个双凹透镜。

6.如权利要求1-5任一项所述的激光照明装置，其特征在于，所述固定透镜组与所述移动透镜组之间的距离为第一距离，所述补偿透镜组与所述移动透镜组之间的距离为第二距离，所述第一距离与所述第二距离满足以下关系：

d₁＝f_A′-s₁；

d₁＝f_A′-s₂；

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其中，d₁表示所述第一距离，d₂表示所述第二距离；s₁表示所述移动透镜组的一个物距极值，s₂表示所述移动透镜组的另一个物距极值；f_A’表示所述固定透镜组的像方焦距，f_AB’表示所述固定透镜组和所述移动透镜组构成的光学系统的像方焦距，f_c’表示所述补偿透镜组的像方焦距，f_c表示所述补偿透镜组的物方焦距。

7.如权利要求6所述的激光照明装置，其特征在于，所述第一距离大于或等于0.333英寸且小于或等于1.883英寸；所述第二距离大于或等于0.883英寸且小于或等于2.333英寸。

8.如权利要求1-5任一项所述的激光照明装置，其特征在于，所述移动透镜组在所述设定范围内连续移动或定点移动。

9.一种投影系统，其特征在于，包括：激光光源，沿所述激光光源的光出射方向依次设置的如权利要求1-8任一项所述的用于投影的激光照明装置以及投影芯片。

10.如权利要求9所述的激光投影系统，其特征在于，所述激光光源还包括：靠近所述激光照明装置的匀光部件。

11.一种基于权利要求1-10任一项所述的用于投影的激光照明装置的调节方法，其特征在于，包括：

确定投射到投影芯片所在平面的光线覆盖面积超出所述投影芯片面积的尺寸；

根据确定出的所述尺寸，已知的所述固定透镜组的焦距，已知的所述移动透镜组的焦距，已知的所述补偿透镜组的焦距，以及已知的激光光源与所述固定透镜组之间的距离，计算所述固定透镜组与所述移动透镜之间的距离以及计算所述移动透镜组与所述补偿透镜组之间的距离；

根据计算出的各距离调整所述移动透镜组和所述补偿透镜组，以使投影到所述投影芯片的光线覆盖面积满足所述尺寸。

12.一种基于权利要求1-10任一项所述的用于投影的激光照明装置的调节方法，其特征在于，包括：

保持激光光源与固定透镜组之间的距离不变，同时调整移动透镜组与固定透镜组之间的距离以及所述移动透镜组与所述补偿透镜组之间的距离，使投射到投影芯片所在平面的光线覆盖面积超出所述投影芯片面积的尺寸最小。