CN1367883A - 投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示可视信息的投影系统,该系统适用于电视、计算机技术、医疗应用、影剧院、运输设备和其它目的。根据不同实施例,本发明的目的是提供表面投影,用于减少投影面积从而减少投影系统的重量和尺寸和/或在屏幕上保持明亮外部背景光的同时观察无闪烁的图像。在图1所示实施例中,用于在视屏上产生外表面的投影系统,包括一平面薄视屏,能双侧投影图像可在屏的左侧(1a)和右侧(1b)观看。屏端面左右两侧设置了投影仪(2a、2b),把图像同时投影到屏两侧。屏两侧设置的屏光漫射体(3a、3b)将投影光线捕获后偏转漫射至图像方向观看的左右侧。投影经投影仪(2a,2b)的光学装置变换,形成的窄发散投影光线(α1,α2)完全被光漫射体捕获,并在图像观看区域的宽角度(β1,β2)内对光线偏转和漫射。屏(1)表面可包含不透明的防闪涂层,该屏可具有可调节的透明度。

Description

投影系统

发明领域

本发明涉及用光学投影技术把单一图像与立体图像投影到大型观察屏上的投影系统。

提出的投影系统可用于业余和专业应用场合，如影院、电视、视频与计算机投影，剧场布景投影、广告及其它目的。为了产生投影图像，可以采用目前使用并提出修改的投影灯、透射幻灯、电影投影仪以及视频、电视与计算机投影仪。提出的反射或半透明视屏能提供屏图像高的光学参数和已有技术所没有的相当强的投影工作能力。

已有技术

包括投影仪和投影视屏的投影系统已为众所周知。投影仪中形成一被投影图像，该图像在大型外置半透明或反射视屏上用(投影仪的)投影镜放大。透明投影仪半透明地投影诸物体的透明图像，如来自透明幻灯片、影片或液晶显示器的图像。投影灯以反射光投影背景照明的不透明物体的图像，如绘画、图表、照片等。有显像管或其它光辐射显示器的电视、视频和计算机投影仪投影在显示屏上形成的自发光图像。具有含多块电控微镜的图像调制器的投影仪，以微镜反射的光投影图像，前投影系统把图像投影到反射视屏或白色墙上，后投影系统则把图像投影到半透明的漫射屏上。

以下文献描述了已知的投影仪：Makartsev V.V.，Khesin A.Ya.，Steierberg A.L.，Large-Screen Video Systems，Moscow，《Panas》Publishers，1993，pp.15-22，57-83，96-99，147-155，Figs 1.2和22，23。

上述投影系统的主要缺点是尺寸大，份量重，因而必须在投影仪与视屏之间很大的投影空间里作投影，投影距离不得小于屏图像对角线长度。再者投影和屏上的图像可能被空间内的观众和物体遮挡。在投影明亮清晰的图像时，技术难题在于反射或半透明视屏必须将投影的光通量反射或透射到最大程度。在视屏有外界附加照明时观看，图像对比度明显劣化，屏像场边缘的亮度减小，色底精度丢失。这类参数只能在黑屏(类似于直视显像管的黑屏)上得以优化。这时，低质量的屏图像不能在有照明的室内和户外使用投影系统。这一难题涉及到现代投影系统的设计问题，这种投影系统允许在不超过30度的投影角度(轴线相对于视屏垂直方向倾斜角)内投影。

以一组特性特点和取得的技术效果来衡量，包括双凸镜一光栅后投影(半透明)视屏的后投影系统最接近于本发明。该屏包括两部分：在投影一侧设置了菲涅耳透镜，在观众一侧垂向定位由黑竖条分隔的双凸镜元件。这些黑条保证图像在光亮照明的室内有高的对比度。屏的轴向放大系数(亮度的)为5.7单位。轴向定向系数极大(达100)的菲涅耳透镜可将投影仪光通量聚集在极窄的漫射角内。双凸镜在黑竖条之间的缝隙里引导聚集的光通量，在相当宽的观察角内沿观众方向对光通量漫射，从而在光集中(发光效能)和相对屏反射的视区宽度之间实现优化折衷。暗屏对外界照明不敏感，可把窄缝隙中高度集中的光看成明亮的图像。

前后投影系统的一个缺点是必须有大范围的投影空间不被外界物体遮挡。另外，双凸镜一光栅屏会明显降低屏图像中心到边缘的亮度和色底精度，在观众位置扇区边缘附近的方位观看时尤其如此。此外，由于必须将投影系统放在防光的房内或含投影反射镜的室内，而且要有坚固的投影仪悬架，已有技术的后投影系统的尺寸与重量太大。这些问题以及投影仪与屏之间要有更长的投影距离(与图像对角线长度相当)，使已有技术的前后投影系统的设计变得更复杂，成本也更大。

发明内容

本发明的目的是提供价廉，尺寸小和重量轻的投影系统，其反射或半透明视屏可在外界明亮的附加照明屏图像情况下，以任何图像放大比例投影单一和立体质量的图像。

通过实施本发明可获得的一般技术成果是一种扁平设计的投影系统，可减小投影空间，改进基本参数，还能对投影系统提供新的参数，通过从屏端面作投影，实现最大发光效能。

根据权项2的一附加技术成果是能够分开或同时作前面和/或半透明投影，并从屏两边观着图像。

根据权项3和4的另一附加技术成果是，运用端面投影法把光线投射入光波导形式的屏内部，通过光线在光波导中的多次反射而形成屏图像。该方法不会遮挡投影，且不占用前后屏投影空间量。

根据权项5的再一个附加技术成果是，可在对应于某些像元(像素)的光线投影中形成屏图像，其特征在于屏内反射表面上有不同的进入一入射角，因而屏光漫射体能以屏图像形成合适的坐标输出所述光线。

根据权项5的又一附加技术成果是，扩展了具有防闪保护的屏面积，或增强了屏的可控透明度，缩小了屏图像可见元件的区域。

根据权项6的再一附加技术成果是，利用投影仪的投影镜对投影光线的纵向部分作光学变窄，减小了投影空间或光波导屏厚度。

根据权项7的又一个附加技术成果是，在透明投影仪的照明系统中对半透明投影光线的纵向部分作光学变窄，不用投影透镜就能减小投影空间或光波导屏的厚度。

根据权项8，应用本发明的再一个技术成果是，不使用准备提供给移动观众的立体眼镜就能方便地观看立体图像，而且不同的观众在各种图像观看方位可在公共屏上同时观看不同的图像。

在实施本发明时，所述技术成果是用已知的投影系统取得的，该投影系统仅包括一台或几台投影仪和一幅视屏，屏上形成的光漫射体对投影光线作漫射。

其特征在于，光漫射体构成光学元件，用于捕获由屏端面沿屏平面导出的投影光线，之后利用光线的同时漫射，将所述光线以光学方法反射或偏转到屏图像观看扇区内。对于光学放大和保证在整个屏区的投影景深，投影仪和视屏配备了一种光学系统，用于变换投影图像，并将投影光线的截面减窄到光漫射体进入窗的宽度。

换言之，本申请的投影系统包括一台或几台投影仪和一幅其上设置了投影光线光漫射体的视屏，其特征在于，光漫射体设计成捕获自屏端面沿其表面导出的投影光线，之后利用光线的同时漫射，以光学方法将所述光线偏入屏上形成的图像观看扇区；而且还包括一光学系统，用于对投影的图像作变换，使投影光线的截面与置于屏上的光漫射体的入射孔相匹配，从而在整个屏表面上提供投射图像清晰的景深。

根据权项2，把视屏设计成执行从屏端面向屏正面和/或反面(从观众一侧)进行投影，为此，将光漫射体构成从从屏表面-反射镜、透镜、棱镜突出或凹在里面，对从屏端面投射的光线作捕获、偏转或漫射。即投影系统的特征在于，该视屏构成具有投影的端面反射器，和/或把投影仪置于屏端面，对所述屏的正面(从观众一侧)和/或反面执行投影。光漫射体设计成从屏表面诸光学元件突出或凹在里面。这些元件以透镜、棱镜形式构制，用于捕获入射在屏图像形成表面上的全部投射光线。

在根据权项3的另一投影系统实施例中，投影系统的特征在于，视屏配备了扁平平行板形式的光波导，或者层迭或多条光波导。光波导芯有一恒定的折射率，其端面透明入射窗用于将平行投射光线输入光波导。在光波导表面上，屏区局部设置的点状或直线光漫射体在预定的屏图像形成坐标内，输出光波导发出的投影光线。之后，这些光波导把这些投影光线漫射入屏图像观看扇区。投影仪或若干投影仪配备的一种光学系统，用于形成窄的平行投影光线，并把这些光线通过光波导端面送入光线入射在光波导平面预定的坐标。由于从光波导表面作多次内部反射，这种结构确保光波导内部的光线传播到某些光漫射体，免除了屏光漫射体。有关光漫射体捕获的有些投影光线，从光波导出射而漫射入屏图像观看扇区。

根据权项3，在视屏中，光波导芯构成从光波导入射端面起沿光线在光波导中的传播方向具有减窄的楔状光波导厚度。芯具有恒定的折射率并涂有包层，或者光漫射体的光学入射窗，光漫射体具有恒定或阶跃式折射率，其值低于芯的折射率值。对于任何一类这种光波导屏实施例，投影仪都配有一种光学系统，对被投影图像的各种要素形成投影光线，该光线以其进入光波导端面的不同角度来表征。这种结构可用有关屏图像形成坐标内的屏光漫射体提供从光波导输出的这类光线的选择性输出，于是这些光线漫射入图像观看扇区。

根据本发明的权项4，投影系统的特征在于，屏光漫射体的入射与出射窗具有最小面积，即比窗周围的屏面积小好多倍。在一实施例中，屏上出射窗周围的屏区域涂有一不透明的防闪黑色层。在另一实施例中，屏区域上各光漫射体之间设置一不透明的防闪黑色网。在第三实施例中，光漫射体周围的屏区呈光学透明，或涂有彩照膜片，利用紫外背景照明调节屏透明度。

根据权项5，该投影系统的特征在于，投影仪配备了投影摄远透镜与变形柱面透镜，或一种柱面镜，用于对投影尺寸作最小放大(如沿高度的放大)，并将投影同时放大到屏宽度。投影仪与屏相距一预定距离，在屏宽度的端面上有一镜面反向反射体，在屏表面上使来自所述端面的投影偏转。在另一实施例中，投影仪或若干投影仪靠近屏端面，置于屏端面的镜面反射体使投影作多次反射。这些实施例可在光漫射体入射窗区内优化减窄投影光线的截面。

根据权项6，该投影系统的特征在于，透明投影仪和屏配备一种光学系统，用于变换投影图像并减窄投影光线的截面，不必使用投影透镜和变换变形透镜。为此，在透明投影仪中，透明投影图像的照明器配有一种光学系统，利用微弱的扇形发散光线形成幻灯片背光，光线截面在光漫射体入射窗区内扩展。

根据权项7，该投影系统的特征在于，还包括一台或几台立体投影仪和一幅具有光漫射体与双凸镜立体光栅的立体屏。立体光栅由观众的左右眼将立体对左右像在空间选择到该立体对左右像的观看区。为了从某一方位不用眼镜或在观众横向移动时方便地观看立体图像，对该系统配备了一个半自动的手控较正器。在另一实施例中，系统配备了耦合至传感器的自动校正器，用于跟踪观众的眼睛坐标。所述半自动或自动校正器包括一个用各种方法校正立体观测系统的驱动器，例如使立体屏绕其垂直轴转动，或移动双凸镜一光栅，或使立体投影仪沿屏移动。这种结构在观众移动时，使图像立体对的观看区与观众的左右眼作光学自动配合，还能让不同的观众以不同的观看方位同时观看不同的图像。

附图简介

图1示出投影系统的侧视图，该系统用于从屏两边投影和观看图像，在屏下端面一侧有两台端面投影仪；

图2示出所述屏的正面左侧；

图3示出带光波导视屏的后投影系统的侧视图；

图4示出所述屏的正面左侧；

图5(a)与(b)示出屏和光漫射体实施例的光学图(屏截面图)；

图6示出光学系统和自动校正系统的平面图，其中视屏截面包含一立体双凸镜一光栅，自动校正系统用于立体视区与观众眼睛的对准。

发明的实施例

在图1和2所示的本申请投影系统的第一实施例中：视屏1设计成扁平薄板；在屏下端面设置了投影仪2a和2b。在屏两面，屏图像观看区配有光漫射体3a(在屏正面a上)，屏正面b上配有光漫射体3b。光漫射体分别以从屏a侧的屏图像观看扇区的角β1和从屏c侧的另一屏图像观看扇区的角β2，捕获投影光线α1与α2(从屏端面导出)并接着偏转和漫射这些光线。光漫射体周围的屏表面1a和1b涂有防闪黑色不透明层，或呈透明或涂有彩照膜片(由外部紫外照射调节透明度)。投影仪2a与屏a侧分开，在屏表面1a上以对该表面很小的角度投影图像(光线α1)。投影仪2b与屏b侧分开，在屏表面1b上以对所述表面很小的角度投影图像(光线α2)。

在图3和4的另一投影系统实施例中：视屏由两个平行扁平的透明光波导1c与1d构成，并且有输入投影光线α3与α4的透明入射端面。光波导1c入射端面的下前方设置了投影仪2c，光波导1d端面前面设置了投影仪2d。在光波导1c表面的c侧(屏前侧c)，在屏图像观看区上设置了光漫射体3c；在光波导1d表面的d侧(屏前侧d)设置了光漫射体3d。光漫射体3c用来捕获光线α3(由投影仪2c投射)，输出来自光波导的光线，并从c侧屏图像观看扇区以角度β3对所述光线作偏转与漫射。光漫射体3d用于输出光线α4(由投影仪2d投射)，并从d侧屏图像观看扇区以角度β4对它们作偏转与漫射。投影的光线在从所述光波导表面作多次内部全反射后，由光波导把它们提供给预定的光漫射体。

在图5(a)中，在投影视屏1上，光漫射体4包括正透镜5和倾斜的扁平反射镜6。从屏图像观看侧开始，光漫射体上面具有防闪黑色不透明或彩照涂层7。透镜5用于捕获和漫射光线(以屏图像观看扇区的角度β5聚焦)。反射镜用于偏转聚焦的光线，并通过光漫射体小的透明出射窗将它们输出。

在图5(b)的另一实施例中：光漫射体配有微棱镜，将光线偏入一微focon，后者把光线漫射入图像观看扇区。在另一些实施例中，在以图像观看扇区角度β6对光线同时作偏转和漫射的屏上，只安装了球面或抛物面镜6a。

图6中的立体投影系统包括视屏1，其光漫射体4l形成立体对左帧的像元，光漫射体4r形成立体对右帧的像元。从观众一侧，对立体对帧作光学选择的立体双凸镜一光栅8沿箭头δ所指的方向移动定位。双凸镜一光栅8耦至自动校正器10的驱动器9。该自动校正器耦到传感器11，跟踪(运用从观众脸部反射的光线r)观众的眼睛相对立体图像视区的空间位置。自动校正器使左像光线β1的视区与观众的左眼12l配合，而使右像光线βr的视区相应地与所述观众的右眼12r配合，当观众位于屏的前面并相对屏横移时，这时结构不用眼镜就能连续方便地观看立体图像。

本申请的该投影系统的工作状况如下。

根据图1和2的第一实施例：两台投影仪2a与2b形成并变换两幅投影的图像。应用光学变换方法，将投影图像水平展宽到屏宽度，并垂直减窄到图像的最佳宽度，该最佳宽度的尺度比屏高度小多倍。投影光线α1与α2以预定的小角度导向屏表面，并在光漫射体入射窗区内减窄截面，让一个预定的光漫射体精密地完全捕获每条分离的光线。投影仪和光漫射体形成不同的观众同时从屏两面观看的不同的全屏图像，没有光学干扰。

在图3和4中，本申请的投影系统的第二实施例有一视屏，它包括两个扁平平行的光波导。该投影系统的工作状况如下。

从屏1c和1d端面侧下面，投影仪2c与2d以窄发散光线α3与α4的形式形成图像投影的光通量。投影仪2c从下面通过光波导1c的端面投影光线α3。这些光线在光波导内反射，其形式是光线α3向某些光漫射体3c的各点发散，然后由所述光漫射体以从c侧屏图像观看扇区的宽角度β1输出、偏转和漫射。同样地，投影仪2d形成从屏相对侧d观看的屏图像。

图5(a)示出的投影屏l，其透镜5形式的光漫射体4配有扁平倾斜的反射镜6和不透明的黑色涂层7。光漫射体用于全部捕获直接投影光线α，该光线由透镜聚焦，然后由反射镜偏转，以屏图像看扇区的角度β5对它们漫射。

图5(b)示出另一实施例的投影屏1，它具有不同型式的光漫射体和屏涂层。上面的光漫射体设计成偏转投影光线的光学棱镜6c，并与镜球面或镜抛物面开口6d(做成focon形式)配合。下面，按屏高度设置诸光漫射体，其球面或抛物面镜6a从屏表面伸出，在光漫射体出射窗的最小区域内偏转和聚焦投影光线。在光漫射体中，在屏高的中间部分，当屏以内部气压作自清洁时，光漫射体的反射镜与开口e(做成空心focon形式)共同造成出射窗的通风作用。在光漫射体中，在屏高的下面部分，微镜6a与透明屏的透明窗相配合。屏可以呈透明，或涂上防闪不透明黑漆或合适的网7a(在出射窗外面的屏区内)。

根据另一实施例，屏上(窗外面的屏区内)加有彩照涂层7a，利用紫外背光调节屏透明度。角度β6是观看屏图像时微镜漫射投影光线的扇区的角度。

在图6的立体投影系统中，立体投影仪以立体左右像对水平交替的竖条形式形成自动立体图。立体光栅8将左像投影入左眼视区，把右像投影入右眼视区。光敏传感器11接收从观众脸上反射的光线r，根据眼睛与脸面图像的对比度确定眼睛的空间位置。传感器形成一送给自动校正器10的控制信号。运用驱动器9，自动校正器自动移动立体光栅，使左像视区优化对准观众左眼12l，右像视区(光线βr)优化对准右眼12r。

本申请的投影系统应用于积灰尘环境或在下雨条件下的较佳实施例，可以包括这样一种设计，即封闭屏后的投影空间以防光、防尘和防湿，里面可容纳一台投影仪。投影仪可以离屏任何距离，变换的投影可以指向水平或垂直的屏入射窗，或指向防尘防雨的端面镜。为了自动连续地自我清洁屏和光漫射体的入射与出射光学窗，可在投影空间内(与环境隔离)装上风扇或压气机对窗及系统的微镜(类似于图5(b)所示屏光漫射体的开口e)吹气。

投影系统的另一较佳实施例是一种适合在眼镜玻璃内部或眼镜玻璃内表面上的光漫射体中投影的设计。这时，眼镜玻璃上的微小型光漫射体不能被眼睛看见，而且不影响通过光漫射体周围眼镜玻璃区观看外部物体的能见度。利用眼镜玻璃厚度内彩照层的紫外背光，可以调节眼镜透明度以更清楚地观看投影图像。为确保投影有高的发光效能，把眼镜里的光漫射体设计成以最小角度将投影光线只漫射入眼瞳区里，可将投影功耗减小数百倍。因此，能以高达140度的超宽视场角、任何范围的色彩层次、增强的亮度与对比度、高精度的色低和分辨率，实现应用已知立体投影系统的立体屏无法做到的优良立体观测。

本申请的单一与立体投影系统提供的优化光学与结构参数，是世上已有技术最佳的相似装置无法实现的。除了在眼镜玻璃中可作高效投影外，观众还能以任何方位和在横移时不用眼镜而方便地观看立体图像，因而符合创造性要求。

工业应用性

本申请的各投影系统，都能应用生产投影仪、立体投影仪、投影光学装置和带光反射体或双凸镜一光栅的视屏的已知制造技术作系列化生产。对于立体投影系统的自动校正，可以应用自动校正物体位移的已知系统，该系统配备的传感器可以跟踪物体的诸对照部分，以确定这些物体的空间定向并使系统自动适应。因此，本发明的工业适用性是显而易见的。

Claims (8)

1、一种投影系统，包括一台或几台投影仪和一幅视屏，所述屏上形成有漫射投影光线的光漫射体，其特征在于，光漫射体适用于捕获从屏端面通过其表面导出的投影光线，并接着将所述光线偏入屏上形成的图像观看扇区内；该投影系统还包括一光学系统，用于变换投影的图像，使投影光线的截面对准屏上形成的光漫射体的入射孔，从而在整个屏表面提供投影图像清晰的景深。

2、如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，视屏适于由观众一侧从屏端面向所述屏的正面和/或反面作投影，为此，光漫射体实施成从屏表面突出或凹在屏表面内的反射镜、透镜、棱镜，用于捕获、偏转和漫射从屏端面投影的光线。

3、如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，视屏配有扁平平行板形式的光波导，或其芯具有恒定折射率的层迭体或多条光波导，还配有将平行投影光线输入该光波导的端面入射窗；在部分覆盖屏表面的光波导表面上，设置的光漫射体以预定的屏图像形成坐标从光波导输出所述光线，并把所述光线漫射入所述图像的观看扇区，为此对投影仪或几台投影仪配备一光学系统，以便形成窄平行投影光线，并将所述光线通过光波导端面导入光波导反射平面上预定的光线入射坐标，从而通过从其表面的多次内反射在光波导内传播光线，并用屏上的光漫射体从光波导中输出光线。

4、如权利要求3所述的投影系统，其特征在于，屏光波导芯从光波导的入射端面开始，沿光线在光波导中传播的方向呈楔状减窄，芯具有恒定的折射率并涂有包层或光漫射体的光学入射窗，其恒定或阶跃的折射率值低于芯的折射率值；对任何型式的光波导屏实施例而言，投影仪都配有一光学系统，用于形成投影图像各种像元的光线投影，这些光线的特征在于对光波导端面有不同的入射角，以便由有关屏图像形成坐标内的屏光漫射体从光波导中有选择地输出这些光线，然后由光漫射体把这些光线漫射入图像观看扇区。

5、如权利要求1-4中任一所述的投影系统，其特征在于，屏光漫射体的入射与出射窗具有比所述窗周围屏区小多倍的最小区域，而且出射窗周围的屏区域涂有防闪不透明黑色层，或在诸光漫射体之间的屏上设置一不透明的黑色网，或者光漫射体周围的屏区在光学上呈透明或涂有彩照膜片，利用紫外背光调节屏透明度。

6、如权利要求1-5中任一所述的投影系统，其特征在于，投影仪配有投影摄远透镜和变形柱面透镜，用于最小地放大投影尺度，如沿高度放大，而且把投影同时放大到屏宽度，投影仪与屏分开预定距离，并且在屏宽度的端面上设置一镜面反向反射体，将投影偏入屏端面，或让投影仪靠近屏端面，而在屏的相对端面上设置镜面反射体使投影多次反射，从而在光漫射体的入射窗区域内减窄投影光线的截面。

7、如权利要求1-6中任一所述的投影系统，其特征在于，透明投影仪和屏配备一光学系统，可以不使用投影透镜和变换变形透镜而变换投影图像并使投影光线截面变窄，为此，在该透明投影仪中，透明投影图像的照明器配备一种光学结构，利用扇状发散的微弱光线对幻灯片形成背光，而光线的截面在光漫射体入射窗区范围内扩展。

8、如仅利要求1-7中任一所述的投影系统，其特征在于，包括一台或几台立体投影仪和一幅带光漫射体与双凸镜一光栅的立体屏，分别由观众的左右眼将立体左右像对空间选择到立体左右像对视区内；并为了方便，在任何方位或在观众作横向移动时，不用眼镜就能观看立体图像；系统配备一半自动手控校正器或耦至传感器的自动校正器，用于跟踪观众的眼睛坐标，所述半自动或自动校正器有一对立体观测系统作各类校正的驱动器，如使立体屏绕其垂直轴转动，或移动双凸镜一光栅，或沿该屏移动立体投影仪。

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