CN118068636A - 一种短焦偏置的单片lcd倾斜投影装置及吸顶投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置，包括LED照明光源、准直光学、单片LCD面板、菲涅尔场镜和投影镜头，投影镜头的光轴与投影平面之间形成倾斜角度θ₁，单片LCD面板与投影镜头的光轴之间设置有旋转补偿角θ₂。本发明还公开了一种吸顶投影系统。本发明相较于现有技术，解决投影镜头倾斜时投影屏幕偏离理想成像面以及画面梯形变形的问题。

Description

一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置及吸顶投影系统

技术领域

本发明涉及投影装置技术领域，尤其涉及一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置及吸顶投影系统。

背景技术

单片LCD投影设备近几年来得到广泛的应用，特别是随着LCD液晶面板透过率的提高，单片LCD投影由于成本的优势，市场占有率迅速增长。智慧家居的投影吸顶灯产品形态可以把投影仪集成到吸顶灯上，安装在房顶，可以作为照明和投影用，节省安装空间。如中国专利201810801190.5中公开了一种吸顶灯，包括用于固定的灯座，包括安装在灯座上的灯罩，灯座上还安装有投影装置，投影装置包括镜筒和固定在镜筒上的夹套，镜筒内安装有至少一个光源，投影装置还包括安装在镜筒内的照明系统、显示系统和成像系统；显示系统设置于照明系统的投射方向，照明系统将经过聚焦后的光线投射给显示系统，显示系统包括LCD显示系统、LCOS显示系统和DLP显示系统其中的一种。成像系统包括成像透镜组和反射透镜组，经过显示系统的光线通过成像透镜组后形成成像图像，反射透镜组将接收到的成像图像反射到灯罩的内表面，灯罩的外表面显示出成像图像的完整信息。

当单片LCD投影系统安装到吸顶灯里，会以一定的倾角向下投影到墙上来观看视频，投影镜头的倾角往往大于10度，使得投影的墙面与投影系统的光轴有一定的倾角，投影屏幕偏离理想成像面，使得投影屏幕的上方和下方容易出现模糊、图像不清晰等问题。另外，因为倾角投影，画面会有严重的梯形变形。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置及吸顶投影系统，以解决投影镜头倾斜时投影屏幕偏离理想成像面以及画面梯形变形的问题。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置，包括LED照明光源、准直光学、单片LCD面板、菲涅尔场镜和投影镜头，投影镜头的光轴与投影平面之间形成倾斜角度θ₁时，单片LCD面板与投影镜头的光轴之间设置有旋转补偿角θ₂，使得投影平面上下端的图像都能清晰成像；

其中，旋转补偿角θ₂与倾斜角度θ₁的关系如下：

D/(β*sin(θ₂)-D/sin(θ₁)＝h*(1+β)；

其中，h为单片LCD面板的高度，D为投影物距，β为投影镜头的放大倍率。

作为上述技术方案的进一步描述：

菲涅尔场镜与投影镜头的光轴角度偏离90度，形成偏离角C，以补偿倾斜投影装置在投影面上产生的梯形畸变问题。

作为上述技术方案的进一步描述：

投影镜头的光轴与投影平面之间形成倾斜角度θ₁大于10度。

作为上述技术方案的进一步描述：

投影镜头是一个短焦镜头，其投射比小于1.0∶1，投影镜头的光轴相对于单片LCD面板中心的偏置量大于50％。

作为上述技术方案的进一步描述：

准直光学包括一个非球面透镜和一个菲涅尔透镜。

作为上述技术方案的进一步描述：

非球面透镜和菲涅尔透镜之间设置有反射镜，反射镜用于压缩光路尺寸。

另一方面，本发明还提供了一种吸顶投影系统，包括如上述的单片LCD倾斜投影装置和吸顶照明装置、控制模块，吸顶照明装置包括照明灯，控制模块与LCD倾斜投影装置、吸顶照明装置电连接。

作为上述技术方案的进一步描述：

吸顶照明装置包括亮度调节单元和色温调节单元，亮度调节单元用于调整照明灯的亮度，色温调节单元用于调整照明灯的色温。

作为上述技术方案的进一步描述：

控制模块包括时钟单元、环境亮度检测单元和模式设定单元，时钟单元用于获取实时时间信息以及计时，环境亮度检测单元用于检测吸顶照明装置安装环境的亮度，模式设定单元用于设定智能模式的参数以及开启或退出智能模式。

综上，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，当投影镜头的光轴与投影平面不成垂直、有一个倾斜角度θ₁时，单片LCD面板也不垂直于投影镜头的光轴，通过设置旋转补偿角θ₂，使得单片LCD面板的上下边都能在倾斜投影时，使得倾斜像面上的各点与其物面相对应的各点的关系重新回到高斯成像公式，在投影平面上成清晰图像。

2、本发明中，由于投影镜头的光轴与投影平面不成垂直，因此使得投影镜头的光轴与菲涅尔场镜也不再保持垂直，形成偏离角C，从而校正在倾斜投影时投影平面上的梯形变形，提高成像质量。

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为一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置的投影示意图。

图2为一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置的结构示意图。

图3为一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中单片LCD面板的旋转补偿示意图。

图4为一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中单片LCD面板无旋转补偿角的成像传递函数MTF。

图5为一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中单片LCD面板具有旋转补偿角后的成像传递函数MTF图。

图6为一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中菲涅尔场镜的未偏离示意图。

图7为一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中菲涅尔场镜的未偏离情况投影画面示意图。

图8为一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中菲涅尔场镜与投影镜头光轴偏离的示意图。

图9为一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中菲涅尔场镜与投影镜头光轴偏离后投影画面的校正示意图。

图例说明：

1、LED照明光源；2、准直光学；21、非球面透镜；22、菲涅尔透镜；23、反射镜；3、单片LCD面板；4、菲涅尔场镜；5、投影镜头。

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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”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。

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。

实施例1

请参阅图1-9，一方面，本发明提供了一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置，包括LED照明光源1、准直光学2、单片LCD面板3、菲涅尔场镜4和投影镜头5，投影镜头5的光轴与投影平面之间形成倾斜角度θ₁时，单片LCD面板3与投影镜头5的光轴之间设置有旋转补偿角θ₂，使得投影平面上下端的图像都能清晰成像；

其中，旋转补偿角θ₂与倾斜角度θ₁的关系如下：

D/(β*sin(θ₂)-D/sin(θ₁)＝h*(1+β)；

其中，h为单片LCD面板的高度，D为投影物距，β为投影镜头5的放大倍率。

根据投影镜头5的几何光学高斯成像公式，当投影镜头5的焦距是f，物距是d，像距是D时，满足如下的高斯成像关系，才能成清晰像：

1/d+1/D＝1/f；

当投影镜头5的光轴与投影平面不成垂直，有一个倾斜角度θ₁时，像面上各点的像距就发生了改变，像距即各像点相对于光轴的法线到投影镜头的距离，像面上各点在物面(即单片LCD面板3)上相对应的点的高斯成像关系就有偏离，需要物面有相应旋转补偿角θ₂，使得倾斜像面上的各点与其物面相对应的各点的关系重新回到高斯成像公式，这样倾斜像面上的各点才能成清晰像。

假如物面(即单片LCD面板3)的高度是h，投影镜头5的放大倍率是β，则单片LCD面板3的旋转补偿角θ₂满足如下关系，单片LCD面板3的各点在倾斜投影后的屏幕上才能成清晰像：

1/(D-h*sin(θ₂))+1/(D+h*β*sin(θ₁)＝1/f；

将上面的公式简化后得到单片LCD面板3需要旋转补偿的角度θ₂与投影镜头的倾斜投影角度θ₁，以及LCD面板的高度、投影物距D的关系如下：

D/(β*sin(θ₂)-D/sin(θ₁)＝h*(1+β)。

当投影镜头5的光轴与投影平面不成垂直、有一个倾斜角度θ₁时，单片LCD面板3也不垂直于投影镜头5的光轴，需要设置旋转补偿角θ₂，使得单片LCD面板3的上下边都能在倾斜投影时，在投影平面上成清晰图像。

菲涅尔场镜4与投影镜头5的光轴角度偏离90度，形成偏离角C。常规状态下，投影镜头5的光轴垂直于菲涅尔场镜4。而本申请中，由于投影镜头5的光轴与投影平面不成垂直，因此使得投影镜头5的光轴与菲涅尔场镜4也不再保持垂直，形成偏离角C，从而校正在倾斜投影时投影平面上的梯形变形，提高成像质量。投影画面的校正原理如下：

投影镜头5在吸顶投影灯的应用场景，当投影镜头5向下倾斜一个角度θ1来投影时，由于投影屏幕不垂直于光轴，画面越往屏幕下方，光程差会越增加，导致屏幕下方的画面变大，形成梯形畸变，需要做图像矫正，会造成分辨率的损失。

因此，本申请中通过旋转菲涅尔场镜4的方法，可以补偿一些投影画面的梯形畸变现象。通过菲涅尔场镜4的旋转，来调整进入投影镜头5的光线角度，从而补偿光程差。菲涅尔场镜4的旋转角度(即偏离角C)越大，投影画面的梯形补偿越多，但是会影响清晰度。因此在投影镜头5的设计软件上模拟菲涅尔场镜4旋转合适的角度，使得梯形畸变得到一定的补偿，同时不影响图像的清晰度。

通常，在倾斜投影场景中，投影镜头5的光轴与投影平面之间形成倾斜角度θ1大于10度，这样在投影平面的上端和下端容易出现虚焦的现象，图像模糊，所以需要通过旋转单片LCD面板3，以解决图像上下端的清晰度问题。

在大屏幕投影时，为了缩短投影距，需要利用短焦镜头，因此本发明的投影镜头5的投射比小于1.0：1，投影镜头的光轴相对于单片LCD面板中心的偏置量大于50％。投影镜头5是短焦偏置投影，有效保证成像质量，并得到大屏幕投影。

附图3-9的详细说明如下：

图3描述了短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中，单片LCD面板的旋转补偿示意图，可以看出单片LCD面板3相对于菲涅尔场镜4有个旋转角度；

图4描述了短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中，单片LCD面板无旋转补偿角时的成像传递函数MTF，可以看出大视场角时，MTF在2线对/mm时就降为零，表明投影屏幕上图像下方是很模糊的；

图5描述了通过单片LCD面板进行旋转补偿，大视场角的MTF与小视场角的MTF都不错，在10线对/mm的频率下都能在35％以上，大大改善了成像的清晰度；

图6描述短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中，菲涅尔场镜4没有偏离的示意图，在这种情况下投影出来的画面，如图7所示，图像畸变变形严重，靠近画面上方，投影图像比较短，而在投影图像下方则比较宽；

图8描述短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置中，菲涅尔场镜4有偏离角的示意图；

图9描述了菲涅尔场镜4偏离后的畸变校正示意图，画面上方和下方的图像尺寸比较接近，校正了投影图像变形。

准直光学2包括一个非球面透镜21和一个菲涅尔透镜22，且非球面透镜21和菲涅尔透镜22之间设置反射镜23来压缩光路尺寸。

另一方面，本发明还提供了一种吸顶投影系统，包括如上述的单片LVD倾斜投影装置和吸顶照明装置、控制模块，吸顶照明装置包括照明灯，控制模块与LCD倾斜投影装置、吸顶照明装置电连接。

单片LCD倾斜投影装置用于向下倾斜的在墙上实现投影，墙即投影平面，吸顶照明装置用于通过照明灯吸顶照明，使得吸顶投影系统兼具照明和投影功能。当LCD倾斜投影装置启动时，系统作为吸顶投影仪工作，控制模块控制吸顶照明装置不工作，照明灯熄灭，关掉照明灯功能。

吸顶照明装置包括亮度调节单元和色温调节单元，亮度调节单元用于调整照明灯的亮度，色温调节单元用于调整照明灯的色温。如色温调节单元具体可以通过电流比例的调整来实现照明灯的色温调节。灯具的亮度、色温调节为现有技术，不多赘述。

控制模块包括时钟单元、环境亮度检测单元和模式设定单元，时钟单元用于获取实时时间信息以及计时，环境亮度检测单元用于检测吸顶照明装置安装环境的亮度，模式设定单元用于设定智能模式的参数以及开启或退出智能模式。设定智能模式的参数具体指启动助眠和自然唤醒的条件，如助眠功能启动时间、自然唤醒功能启动时间、自然唤醒功能持续时间等。

吸顶投影系统可以启用或退出智能模式，智能模式状态下控制模块可以控制单片LCD倾斜投影装置、吸顶照明装置自动启动，实现助眠功能和自然唤醒功能。具体的，当吸顶投影系统启用智能模式时，控制模块根据时钟单元获取的实时时间信息判断是否达到设定的启动助眠功能的时间，如果达到了，则控制单片LCD倾斜投影装置播放助眠音乐或视频，同时控制吸顶照明装置的照明灯光渐渐变成暖色温、低亮度，便于入眠。同理，控制模块根据时钟单元获取的实时时间信息判断是否达到设定的启动自然唤醒功能的时间，如果达到了，则控制单片LCD倾斜投影装置播放唤醒音乐，并控制控制吸顶照明装置的照明灯光开启，灯光的亮度逐渐增加，且色温从暖色温变化到冷色温。照明灯光在环境亮度超过照明灯发出的亮度或者达到自然唤醒功能的设定持续时间后，关闭照明灯光。

工作原理：当投影镜头5的光轴与投影平面不成垂直、有一个倾斜角度θ₁时，单片LCD面板3也不垂直于投影镜头5的光轴，需要设置旋转补偿角θ₂，使得单片LCD面板3的上下边都能在倾斜投影时，使得倾斜像面上的各点与其物面相对应的各点的关系重新回到高斯成像公式，在投影平面上成清晰图像。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置，包括LED照明光源、准直光学、单片LCD面板、菲涅尔场镜和投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的光轴与投影平面之间形成倾斜角度θ₁时，所述单片LCD面板与所述投影镜头的光轴之间设置有旋转补偿角θ₂，使得投影平面上下端的图像都能清晰成像；

其中，所述旋转补偿角θ₂与所述倾斜角度θ₁的关系如下：

D/(β*sin(θ₂)-D/sin(θ₁)＝h*(1+β)；

其中，h为单片LCD面板的高度，D为投影物距，β为投影镜头的放大倍率。

2.根据权利要求1所述的一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置，其特征在于，所述菲涅尔场镜与所述投影镜头的光轴角度偏离90度，形成偏离角C，以补偿倾斜投影装置在投影面上产生的梯形畸变问题。

3.根据权利要求1所述的一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置，其特征在于，所述投影镜头的光轴与投影平面之间形成倾斜角度θ₁大于10度。

4.根据权利要求1所述的一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置，其特征在于，所述投影镜头的投射比小于1.0∶1，所述投影镜头的光轴相对于单片LCD面板中心的偏置量大于50％。

5.根据权利要求1所述的一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置，其特征在于，所述准直光学包括一个非球面透镜和一个菲涅尔透镜。

6.根据权利要求5所述的一种短焦偏置的单片LCD倾斜投影装置，其特征在于，所述非球面透镜和所述菲涅尔透镜之间设置有反射镜，所述反射镜用于压缩光路尺寸。

7.一种吸顶投影系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的单片LCD倾斜投影装置和吸顶照明装置、控制模块，所述吸顶照明装置包括照明灯，所述控制模块与所述LCD倾斜投影装置、所述吸顶照明装置电连接。

8.根据权利要求7所述的一种吸顶投影系统，其特征在于，所述吸顶照明装置包括亮度调节单元和色温调节单元，所述亮度调节单元用于调整照明灯的亮度，所述色温调节单元用于调整照明灯的色温。

9.根据权利要求8所述的一种吸顶投影系统，其特征在于，所述控制模块包括时钟单元、环境亮度检测单元和模式设定单元，所述时钟单元用于获取实时时间信息以及计时，所述环境亮度检测单元用于检测吸顶照明装置安装环境的亮度，所述模式设定单元用于设定智能模式的参数以及开启或退出智能模式。