CN1490641A - 滚动投影系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种高效的投影系统，包括光源、滚动单元、色分离全息图、光阀、以及投影透镜单元。滚动单元包括螺旋形排列的柱面透镜单元，以便在旋转的同时滚动/循环入射光束。色分离全息图将光源所辐射的光束分成不同波长的光束。通过依据输入图像信号开启和关闭象素，从而使光阀形成彩色图像。投影透镜单元放大光阀所形成的图像，并且将放大图像投影到屏幕上。在此投影系统中，从光源发出的三个彩色光束同时进行滚动，以便形成图像，并且形成了高光效的投影系统。

Description

滚动投影系统及方法

技术领域

本发明涉及一种小型投影系统，其通过使用全息图和滚动单元提高光效率。

背景技术

如图1所示，常规的投影系统包括光源100、第一和第二中继透镜102和110、色轮105、蝇眼透镜107、光阀112、以及投影透镜单元115。第一中继透镜102将光源100所发射的光束聚焦到色轮105上，该色轮可将入射光束分成三种彩色光束，分别称为R、G和B光束。蝇眼透镜107可以使色轮105所透射的R、G和B光束变得均匀。然后，第二中继透镜110将蝇眼透镜107所透射的R、G和B光束聚焦到光阀112上，其可利用色轮105按顺序发射的R、G和B光束来形成像。投影透镜单元115将所形成的图像投影到屏幕118上。

在常规投影系统中，通过驱动马达(未示出)带动色轮105作高速旋转和按顺序将R、G和B光束辐射到光阀112上，从而得到彩色图像。将色轮105平均分成三个彩色滤光器，称为R、G和B滤光器。因此，当色轮105旋转时，根据光阀112的相应速度，顺序使用三个彩色滤光器，以便形成R、G和B光束。这种操作将产生相当于入射光2/3的光损耗。典型地，为了获得更好的彩色图像，将在两个相邻的彩色滤光器之间形成预留的狭缝，该狭缝也会产生光损耗。

此外，因为色轮105进行高速旋转，所以也会产生噪声。而且，色轮105的机械旋转会引起色轮105的运动，从而是不稳定的。使色轮105旋转的驱动马达也会增加色轮105的尺寸。由于驱动马达的机械限制，色轮105无法超过某个速度，还会发生颜色畸变。而且，因为色轮非常昂贵，所以投影系统的制造成本也会增加。

发明内容

本发明提供一种投影系统，其使用全息图而不是色轮来实现颜色分离，并且使用旋转滚动单元来实现滚动，以便形成彩色图像，因此，投影系统的尺寸和光损耗可以降到最小。

本发明的另外的方案和/或优点，在下面的说明书中将在某种程度上加以阐述，并且在某种程度上，从说明书可以明确导出，或者通过实践本发明可以知道。

根据本发明的一个方案，提供一种投影系统，包括光源、滚动单元、该滚动单元包括螺旋形排列的柱面透镜，以便在其旋转时滚动入射光束，色分离全息图，用于将光源所辐射的光束分成不同波长的光束，光阀，可以根据输入图像信号和颜色分离的滚动光束，开启或者关闭象素，以便形成彩色图像；以及投影透镜单元，用于放大光阀所形成的图像，并且将放大后的图像投影到屏幕上。

投影系统可以进一步包括第一和第二蝇眼透镜，其设置在光源和光阀之间。此外，投影系统可以进一步包括中继透镜，其设置在第二蝇眼透镜和光阀之间，用于将第二蝇眼透镜透射的光束聚焦到光阀上相应的颜色区域。投影系统可以包括第一柱面透镜，其设置在滚动单元之前，以及第二柱面透镜，其与第一柱面透镜组成一对，设置在滚动单元之后，用于控制入射到滚动单元的光束的宽度。而且，投影系统也可以包括光路校正全息图，用于校正色分离全息图所透射的彩色光束的光路变化。最后，滚动单元可以是圆盘形的，包括螺旋形排列的柱面透镜单元。

依据本发明的又一个方案，提供一种投影系统，包括光源、包括螺旋形排列的柱面透镜的滚动单元、用于在彩色分离滚动光束的基础上形成彩色图像的光阀、并且至少该彩色分离滚动光束的形成是基于光源所发出的且经滚动单元滚动的光束，以及投影单元，用于投影图像。

依据本发明的又一个方案，提供一种投影系统，包括光源，滚动单元，用于同时滚动光源所发出的至少两个光束，光阀，用于在彩色分离滚动光束的基础上形成彩色图像，该彩色分离滚动光束是基于两个滚动光束中的至少一个，以及投影单元，用于投影图像。

依据本发明的又一个方案，提供一种图像生成方法，包括同时滚动从光源入射的至少两个光束，并且基于彩色分离滚动光束来生成彩色图像，该彩色分离滚动光束基于两个滚动光束中的至少一个。

依据本发明的又一个方案，提供一种投影方法，包括一种投影方法，其包括同时滚动从光源入射的至少两个光束，并且基于彩色分离滚动光束来生成彩色图像，该彩色分离滚动光束基于两个滚动光束中的至少一个，投影所生成的彩色图像。

附图说明

本发明的这些和/或其他的方案和优点将变得显而易见，并且结合附图、从优选实施例的下面描述中可以更容易地理解，其中：

图1示出了常规的投影系统；

图2示出了依据本发明实施例的高效投影系统；

图3A示出了滚动单元，其用于依据本发明实施例的高效投影系统；

图3B示出了全息图，其用于依据本发明实施例的高效投影系统；

图4示出了由滚动单元的旋转所实现的彩色滚动操作，其中该滚动单元用于依据本发明实施例的高效投影系统；

图5示出了两种光束尺寸上的差别，一种是在投影系统中不包括一对柱面透镜时入射到滚动单元上的光束，另一种是在依据本发明实施例的投影系统中包括一对柱面透镜时入射到滚动单元上的光束；

图6A示出了在依据本发明实施例的投影系统中不包括光路校正全息图时的光路；

图6B示出了在依据本发明实施例的投影系统中包括光路校正全息图时的光路。

发明详述

现在将参考本发明的优选实施例来进行详细地阐述，其实例是结合附图进行说明的，并且在全文中同样的附图标记对应同样的元件。下面将描述实施例，以便参照附图来解释本发明。

图2示出了依据本发明一个实施例的投影系统。如图2所示，滚动单元20滚动从光源10辐射出的光束，以便在屏幕45上形成最终的投影。从光源10辐射出的光束经滚动单元20进行滚动，随后经色分离全息图(colorseparation hologram)23分成三个光束，命名为R、G和B光束。色分离全息图23可以设置在滚动单元20的前方或者后方。

从滚动单元20和色分离全息图23射出的R、G和B光束，最终入射到光阀40上各自的彩色区域，依照提供给光阀40的图像信号，该光阀可以通过开启和关闭其象素，来形成彩色图像。彩色图像经投影透镜单元43放大，投影到屏幕45上。

第一和第二蝇眼透镜25和26以及中继透镜30，沿着光路设置在滚动单元20和光阀40之间。

如图3A所示，滚动单元20是可旋转的并由螺旋形排列的柱面透镜单元17构成。滚动单元20可以是圆盘形的并包括至少一个柱面透镜单元17，以便实现彩色滚动。此外所述的彩色滚动可以认为是，与常规的利用色轮按顺序来形成单一的R、G和B光束的方式类似，这是因为彩色光束是按顺序改变的，但是此处的滚动实际上是完全不同的，这是因为，与常规的色轮系统相比滚动单元20产生不同的彩色光束是在同一时间完成的，而在常规色轮系统中不同的彩色光束是按顺序产生的。可以证明，此处彩色光束的滚动实际上就是所产生的光束以线性方式循环，例如上或下。

下面将作进一步的详述，如果从光源10射出的特定光束，总是辐射到滚动单元10表面上特定的固定区域，然后，随着滚动单元10的旋转，该光束将继续辐射到滚动单元10上同一特定固定区域，但是对应的透镜单元17随着滚动单元旋转转过此特定的固定区域，则产生所得光束的直线滚动或者周期循环。为了实现均匀的光分布，优选地是，滚动单元20包括至少三个柱面透镜单元。在图3A中，附图标记L表示射到滚动单元20上的入射光束，该入射光束最终产生R、G和B光束。当滚动单元20匀速旋转时，实际上柱面透镜单元17看上去好像柱面透镜单元17的光透射区域实际上在作直线运动。如上所述，柱面透镜单元17的旋转，得到了输出光束的直线运动，从而实现了滚动。

如图3B所示，色分离全息图23根据波长来对入射的白光光束进行分光。分光的波长范围可以根据色分离全息图23的图案而变化。虽然，图3示出了将白光分成三个光束的情况，这三个光束分别称为R、G和B光束，但是，白光也可以分成比三个光束更多。如上所述，色分离全息图23可以设置在滚动单元20的前方或者后方。

参照图4，在滚动单元20滚动运行的同时，光源10所辐射的光束将入射到滚动单元20上，然后经色分离全息图23分成三个光束，分别称为R、G和B光束。然后，色分离全息图23透射R、G和B光束聚焦到光阀40的不同区域上。因此，入射到每个透镜单元17上的光束最后都分成R、G和B光束。R、G和B光束经第一和第二蝇眼透镜25和26，以及中继透镜30后，聚焦到光阀40上三个相应的区域，从而形成彩色条纹。这将在后面加以描述。下面，将描述由滚动单元20和色分离全息图23所实现的彩色滚动。

当滚动单元20匀速旋转时，从光透射区域截面的方向观察，似乎是滚动单元20的柱面透镜单元17进行匀速上下运动。因此，滚动单元所透射光束的位置实际上可以看作是连续变化或者周期循环。如上所述，当滚动单元20上入射光所通过的区域改变时，色分离全息图所形成的R、G和B光束聚焦的位置也进行连续的变化或者周期循环。

如图4所示，首先，光穿过滚动单元20、第一和第二蝇眼透镜25和26、以及中继透镜30，在光阀40上以R、G和B的顺序形成彩色条纹。然后，随着滚动单元20的旋转，滚动单元20的透镜表面逐渐向上移动，也就是，沿着径向远离滚动单元20的盘心的方向，与此同时光穿过滚动单元20，从而最终以R、G和B的顺序形成彩色条纹。随着滚动单元20的进一步旋转，以B、R和G的顺序形成了彩色条纹。换句话说，随着滚动单元20的旋转，光束入射到透镜上的位置也随之改变，并且滚动单元20的旋转引起了位于滚动单元20横截面上的柱面透镜单元阵列作直线运动，相应地，不同彩色条纹的位置也周期循环。从而，实现了彩色滚动。当这种彩色滚动或者周期循环重复时，光阀40的单个象素将开启或者关闭，从而形成了彩色图像。

因此，依据本发明实施例的投影系统即使在单屏板结构中也能够完全利用入射光束，从而，与使用色轮的常规单屏板投影系统相比，极大地提高了光效率。此外，应当指出，即使是在依据本发明实施例的单屏板投影系统中，也可以获得与三屏板投影系统类似的光效率，与三屏板投影系统相比，本发明实施例的独特实现可以得到最小型的投影系统。

因此，通过沿着一个方向不断地旋转滚动单元20，而不改变其旋转方向，可以实现滚动，所以连贯性和一致性能够得到保证。此外，因为利用单个滚动单元就可以实现滚动，所以滚动单元20可以很容易地与光阀40的工作频率达到同步。

例如，通过控制滚动单元20上柱面透镜单元17的数量，可以使滚动单元20与光阀40的工作频率达到同步。也就是，如果光阀40的工作频率高，在保持滚动单元的旋转速度恒定的情况下，包括更多的柱面透镜单元，以便提高滚动或者循环的速度。

可选地，也可以通过保持滚动单元上柱面透镜单元的数量恒定并增加滚动单元旋转频率的办法，来使滚动单元与光阀的工作频率达到同步。例如，当光阀40的工作频率为960Hz，即当光阀40工作在每帧1/960秒使每秒重现960帧时，滚动单元可以按如下方式构造。如果滚动单元20每转重现32帧，那么为了每秒能再现960帧，滚动单元20必须每秒旋转30次。在此速度下，滚动单元20每60秒必须旋转1800次，相应地具有1800rpm的旋转速度。当光阀的工作频率增加一半时，并且因此光阀工作在1440Hz时，为了与光阀提高后的工作频率同步，滚动单元必须以2700rpm的速度旋转。

从光源10发射的光入射到滚动单元20上，经色分离全息图23分成三个光束，分别称为R、G和B光束。此后，R、G和B光束入射到第一蝇眼透镜25上。优选地，第一蝇眼透镜25设置成面对滚动单元20的焦平面。第一蝇眼透镜25透射的R、G和B光束聚焦到第二蝇眼透镜26上，从而使相同颜色的光束会聚到一起。此后，R、G和B光束穿过中继透镜30，并且聚焦到光阀40上三个相应的彩色区域上，从而在光阀40上形成R、G和B的彩色条纹。

如上所述，滚动单元20透射的R、G和B光束经过第一和第二蝇眼透镜25和26以及透镜阵列30后，聚焦到光阀40上各自的彩色区域，从而形成彩色条纹。第一和第二蝇眼透镜25和26是这样构成的，使得其上透镜单元和滚动单元20以及色分离全息图23所形成的彩色条纹图像一一对应。

优选地，除上述结构以外，还可以增加第一和第二柱面透镜15和24，沿着光路设置在光源10与第一和第二蝇眼透镜25和26之间。第一和第二柱面透镜18和23可以控制光源10所发射的光束的宽度。图5给出了两个光束的比较，一个光束是从光源10发出，不经过第一柱面透镜15，而直接入射到滚动单元20上，另一个光束经过第一柱面透镜15来缩小其宽度，然后入射到滚动单元20上。

如图5的左图所示，当透过滚动单元20的光束L相对较宽时，由于滚动单元20是弯曲的，透镜单元17的形状无法与光束L的匹配，因此对于每种颜色，将产生不匹配区域A的光损耗。优选地，为了使光损耗减到最小，设置了第一柱面透镜18来减小光束L的宽度，以便使光束L的形状与透镜单元17的形状尽可能地匹配。因此，当穿过滚动单元20的光束L的宽度减小时，不匹配区域，此处称为A′，A′小于A。从而，光损耗可以减小。此后，透过滚动单元20的光束经第二柱面透镜24进行准直。

如上所述，通过控制光束的宽度，可以减小光损耗，这是由第一和第二柱面透镜15和24来实现的。然后，第一和第二柱面透镜15和24透射的光束经第一和第二蝇眼透镜25和26以及中继透镜30聚焦到光阀40上。

在图6A中，色分离全息图23所透射的光束被分成三个光束，分别称为R、G和B光束，并且该R、G和B光束入射到第一蝇眼透镜25的不同区域。优选地，第一蝇眼透镜25的每个透镜单元所透射的光，入射到第二蝇眼透镜25对应的透镜单元上。然而，当光通过色分离全息图23的时候，由于光的入射角改变了，第一蝇眼透镜25的透镜单元所透射的光无法精确地入射到第二蝇眼透镜26上相应的透镜单元，将导致光泄漏到相邻的透镜单元。在图6A中，光路图经过一些放大，以便表示泄漏光的光路。

因为光路随着入射角而改变，色分离全息图23所透射的光中只有一部分是有效光(E)，而剩余部分为泄漏光(Ls)。因此，将产生光损耗。如图6B所示，通过增加对应于色分离全息图23的光路校正全息图33，可以避免由于泄漏光(Ls)的产生所引起的光损耗。光路校正全息图33将色分离全息图23所改变的入射角恢复成初始的入射角，从而第一蝇眼透镜25所透射的光可以精确地入射到第二蝇眼透镜26上，而没有光损耗。相应地，泄漏光减少到最小，以避免光损耗。

如上所述，借助于滚动单元和色分离全息图，依据本发明的投影系统易于实现彩色滚动，因此形成彩色图像。

所采用的色分离全息图至少是体积小且容易制造的，所以依据本发明实施例的投影系统的体积比常规的投影系统小。而且，因为使用单个滚动单元来实现彩色滚动，所以组件的数量达到最少，并且彩色滚动易于控制。因此，本发明的实施例将得到重量轻、价格低的投影系统。

而且，由于常规单屏板(single-panel)投影系统需要通过将白光按顺序分成R、G和B光束来形成彩色图像，所以，光阀上可用光的效率降至三屏板(three-panel)投影系统光效率的1/3。然而，在采用了依据本发明实施例的滚动技术的单屏板(single-panel)投影系统中，光源所辐射的三个彩色光束能够同时滚动，而无需按顺序逐个处理三个彩色光束。因此，依据本发明的实施例，单屏板(single-panel)投影系统可以获得与三屏板(three-panel)投影系统同样的光效率。

虽然，已经参考优选实施例详细地说明并且描述了本发明，但是本领域普通技术人员应当理解，形式和细节上的各种变形并不背离本发明的原则和精神、权利要求书所确定的范围及其等价范围。

Claims (29)

1.一种投影系统，包括：

光源；

滚动单元，包括螺旋形排列的柱面透镜，用于旋转的同时滚动光源所发出的光束；

色分离全息图，用于将入射光束分成不同波长的光束；

光阀，根据输入图像信号和颜色分离的滚动光束开启或者关闭象素，以便形成彩色图像；

投影透镜单元，用于放大光阀所形成的彩色图像，并且将放大后的彩色图像投影到屏幕上。

2.权利要求1的投影系统，其特征在于，进一步包括第一和第二蝇眼透镜，其设置在光源和光阀之间。

3.权利要求2的投影系统，其特征在于，进一步包括中继透镜，其设置在第二蝇眼透镜和光阀之间，用于将第二蝇眼透镜透射的彩色光束聚焦到光阀上相应的彩色区域。

4.权利要求3的投影系统，其特征在于，进一步包括第一柱面透镜，其设置在滚动单元之前，以及第二柱面透镜，其与第一柱面透镜组成一对，设置在滚动单元之后，用于控制入射光束的宽度。

5.权利要求3的投影系统，其特征在于，进一步包括光路校正全息图，用于校正色分离全息图所透射的彩色光束的光路变化。

6.权利要求2的投影系统，其特征在于，进一步包括第一柱面透镜，其设置在滚动单元之前，以及第二柱面透镜，其与第一柱面透镜组成一对，设置在滚动单元之后，用于控制入射光束的宽度。

7.权利要求2的投影系统，其特征在于，进一步包括光路校正全息图，用于校正色分离全息图所透射的彩色光束的光路变化。

8.权利要求7的投影系统，其特征在于，光路校正全息图避免了光损耗，这种光损耗是由于在投影系统中产生泄漏光所引起的。

9.权利要求1的投影系统，其特征在于，滚动单元包括一个圆盘，该圆盘包括螺旋形排列的柱面透镜。

10.权利要求1的投影系统，其特征在于，该投影系统为单屏板投影系统。

11.权利要求1的投影系统，其特征在于滚动单元和光分离单元结合在一起，用于同时滚动至少三个分离彩色光束。

12.权利要求1的投影系统，其特征在于，所排列的柱面透镜单元包括多个柱面透镜单元，用于使滚动单元与光阀的工作频率达到同步。

13.权利要求1的投影系统，其特征在于，控制滚动单元的旋转频率，从而使滚动单元与光阀的工作频率达到同步。

14.一种投影系统，包括：

光源；

滚动单元，包括螺旋形排列的柱面透镜；

光阀，用于在彩色分离滚动光束的基础上形成彩色图像，并且至少该彩色分离滚动光束的形成是基于光源所发出的且经滚动单元滚动的光束；以及

投影单元，用于投影图像。

15.权利要求14的投影系统，其特征在于，进一步包括色分离全息图，用于将光源所发出的光束分成不同波长的光束。

16.权利要求15的投影系统，其特征在于，色分离全息图接收经滚动单元滚动的光束。

17.一种投影系统，包括：

光源；

滚动单元，用于同时滚动光源所发出的至少两个光束；

光阀，用于在彩色分离滚动光束的基础上形成彩色图像，该彩色分离滚动光束基于两个滚动光束中的至少一个；以及

投影单元，用于投影图像。

18.权利要求17的投影系统，其特征在于，进一步包括色分离全息图，用于将光源所发出的入射光束分成不同波长的光束。

19.权利要求18的投影系统，其特征在于，经色分离全息图所分离的入射光束是经滚动单元滚动的光束。

20.权利要求17的投影系统，其特征在于，滚动单元包括一个圆盘，该圆盘包括螺旋形排列的柱面透镜单元，用于实现使光源所发出的至少两上入射光束同时滚动。

21.一种图像生成方法，包括：

同时滚动从光源发出的至少两个入射光束；并且

基于彩色分离滚动光束来生成彩色图像，该彩色分离滚动光束基于两个滚动入射光束中的至少一个。

22.权利要求21的图像生成方法，其特征在于，进一步包括将光源发出的光束分成不同波长的光束。

23.权利要求22的图像生成方法，其特征在于，经色分离全息图所分离的光束是经滚动单元滚动的光束。

24.一种投影方法，包括

同时滚动从光源入射的至少两个光束；

基于彩色分离滚动光束来生成彩色图像，该彩色分离滚动光束基于两个滚动入射光束中的至少一个；并且

投影所生成的彩色图像。

25.权利要求24的投影方法，其特征在于，进一步包括将光源发出的光束分成不同波长的光束。

26.权利要求25的投影方法，其特征在于，色分离全息图对经滚动单元滚动的光束进行彩色分离。

27.权利要求25的投影方法，其特征在于，进一步包括对不同波长光束的光路变化进行校正。

28.权利要求24的投影方法，其特征在于，进一步包括将彩色分离滚动光束聚焦到光阀上相应的彩色区域，以便投影所生成的彩色图像。

29.权利要求28的投影方法，其特征在于，进一步包括控制入射到滚动单元的光束的宽度。

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