CN110581984A - 投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影设备，包括：用于发出照明光的光源；包括反射面的变形镜；用于出射投影光的空间光调制器；与所述变形镜及所述空间光调制器分别电连接的控制装置，所述控制装置根据投影图像数据，驱动所述反射面的轮廓发生形变，从而将所述光源发出的照明光以特定的光场分布反射至所述空间光调制器；所述控制装置还根据所述投影图像数据控制所述空间光调制器对入射光进行进一步调制，以得所述投影光。本发明投影设备中的控制装置驱动反射面的轮廓发生形变，以实现对照明光的预调制，在实现HDR的基础上有效提高光利用率。

Description

投影设备

技术领域

本发明涉及投影技术领域，尤其涉及一种投影设备。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的具体实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

高动态范围(HDR)的投影***能够增加投影机输出的对比度和峰值亮度，使得画面中的亮场和暗场部分都能显示丰富的灰阶信息从而大大提高画面的效果和观众的观影体验。目前推向市场的HDR投影设备多采用双片空间光调制器的实现方案。典型的案例如DolbyVision技术，通过在数字微镜器件(DMD)后加入另一片空间光调制器以实现更高的对比度。这种方案能够使得光场分布能够以像素级别进行控制，但是由于第二片空间光调制器的加入，使得投影机的光利用率大大降低。

发明内容

为解决现有技术中利用双片空间光调制器实现高动态范围导致的光利用率大大降低的技术问题，本发明提供一种可以有效提高光利用率的实现高动态范围的投影设备。

一种投影设备，包括

用于发出照明光的光源；

包括反射面的变形镜；

空间光调制器；及

与所述变形镜及所述空间光调制器分别电连接的控制装置，所述控制装置根据投影图像数据，驱动所述反射面的轮廓发生形变，从而将所述光源发出的照明光以特定的光场分布反射至所述空间光调制器；所述控制装置还根据所述投影图像数据控制所述空间光调制器对入射光进行进一步调制。

进一步地，所述光源包括激光器，所述照明光包括激光。

进一步地，所述变形镜及所述空间光调制器之间还设置有波长转换装置，所述反射面出射的照明光激发所述波长转换装置产生入射至所述空间光调制器的荧光。

进一步地，所述光源还包括波长转换装置，所述激光器激发所述波长转换装置产生入射至所述变形镜的荧光。

进一步地，所述光源包括主光源与补充光源，所述主光源中包括用于发出荧光的波长转换装置，所述补充光源中包括激光器并发出至少一种颜色的补充光，所述主光源与所述补充光源发出的光合光后入射至所述变形镜。

进一步地，所述光源还包括用于反射所述主光源出射光线的反射镜，所述反射镜表面设置有通孔，所述补充光穿过所述通孔与所述主光源出射的光线进行合光。

进一步地，所述补充光源包括：

用于发出红色激光的红色激光器；

用于发出绿色激光的绿色激光器；及

二向色片，所述二向色片用于引导所述红色激光与所述绿色激光沿同一光路出射至所述通孔。

进一步地，所述激光经过所述波长转换装置后产生包括至少一种颜色的荧光。

进一步地，所述激光经过所述波长转换装置后产生黄色荧光与蓝色激光。

进一步地，所述光源中包括用于为所述激光进行匀光的匀光装置。

本发明投影设备中的控制装置驱动反射面的轮廓发生形变，以实现对照明光的预调制，在实现HDR的基础上有效提高光利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例/方式技术方案，下面将对实施例/方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例/方式，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的附图。

图1为本发明第一实施方式提供的投影设备的结构示意图。

图2为图1所示的变形镜的分解结构示意图。

图3为本发明实施方式中的控制装置控制的所述变形镜的方法流程图。

图4为本发明实施方式中的变形镜对所述照明光预调制原理示意图。

图5为本发明第二实施方式提供的投影设备的结构示意图。

图6为本发明第三实施方式提供的投影设备的结构示意图。

图7为本发明第四实施方式提供的投影设备的结构示意图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，为本发明第一实施方式提供的投影设备100的结构示意图。本发明实施方式中提供的投影设备100能够实现高动态范围(HDR)，即投影机输出的对比度和峰值亮度较高。

投影设备100包括光源110、变形镜130、空间光调制器150及控制装置(图未示)。其中，光源110用于发出照明光，空间光调制器150用于出射用于投影的投影光，变形镜130包括反射面131a(如图2)，所述控制装置与变形镜130及空间光调制器150分别电连接，所述控制装置根据投影图像数据，驱动反射面131a的轮廓发生形变，从而将光源110发出的照明光以特定的光场分布反射至空间光调制器150；所述控制装置还根据所述投影图像数据控制空间光调制器150对入射光进行进一步调制，以得到所述投影光。

所述控制装置驱动反射面131a的轮廓发生形变，以实现对照明光的预调制。与利用双空间光调制器实现HDR的投影设备相比，本发明中的投影设备100利用变形镜130取代双空间光调制中的一个空间光调制器，在实现HDR的基础上有效提高光利用率。

具体地，本实施方式中，光源110发出白色激光并保持白平衡。光源110中包括发光体111、112、113，其中，发光体111包括蓝色激光器并发出蓝色激光，发光体112包括红色激光器并发出红色激光，发光体113包括绿色激光器并发出绿色激光。可以理解的是，发光体111、112、113中可以设置激光器阵列，具体设置激光器的数量可以根据实际需要进行选择。

光源110中还包括用于将各色激光进行合光的合光组件114，及用于匀光的匀光器件117。在本实施方式中，合光组件114包括间隔设置的二向色片114a及二向色片114b，其中，二向色片114a设置有反红透蓝膜，并用于将发光体111与发光体112发出的蓝色激光与红色激光进行合光，并出射品红色激光；二向色片114b设置有反绿透红透蓝膜，并用于将二向色片114a与发光体113发出的品红色激光与绿色激光进行合光，并出射白色激光。可以理解的是，在一种实施方式中，合光组件114包括一透蓝反红反绿的二向色片，可以理解的是，还可以通过其他方式对三基色激光进行合光，并不以此为限。匀光器件117可以是复眼或光棒等匀光整形元件，匀光器件117将合光组件114出射白激光进行匀光后引导其从光源110出射。在一种实施方式中，匀光器件117中设置有散射膜，用于对所述白色激光进行消相干处理。可以理解的是，光源110中还可以包括其他本领域公知的引导器件，比如中继透镜及反射镜等。

请参阅图2，为图1所示的变形镜130的分解结构示意图。变形镜130包括镜子部131、支撑基部132、压电元件134、固定部135及电极孔136(136没有指在孔上)。变形镜130其利用压电元件134的竖直位移使形成在镜子部131的顶侧的反射面131a轮廓的形状变化。支撑基部132上安装有多个压电元件134和多个固定部135。在本实施方式中，压电元件134的数量为四个，固定部135的数量为四个。

其中，支撑基部132例如由诸如陶瓷或玻璃之类的绝缘材料形成。支撑基部132中形成有多个电极孔136，通过所述电极孔136将电压供至压电元件134。通过压电元件134改变镜子部131的反射面131a的形状，并且镜子部131反射从光源110(图1)射入的照明光。

镜子部131优选由刚性的并且可以导电的材料形成，从而能与压电元件134电连接。这种材料的实例包括硅以及诸如铝和铁之类的金属。镜子部131也可以由诸如玻璃之类的绝缘材料形成，尽管这样镜子部131不具有导电性。在镜子部131是由诸如玻璃之类的绝缘材料形成的情况下，为了实现与压电元件134电导通，有必要在镜子部131的与反射面131a相对侧上通过气相沉积金等方法形成电极图案，或者在镜子部131的反射面131a的相对侧上安装电极。镜子部131可以由单一材料形成。可选择地，也可以由硅形成镜子部131的基底部，然后通过铺设铝涂层或类似物来覆盖该基底部的顶侧以形成反射面131a。也可以在其底部上形成多个层。

在本实施方式中，镜子部131为平板形。可选择地，镜子部131可以根据本发明的目的形成为其它任何形状或进行其它的改变。比如，镜子部131的反射面131a部分可以为凹形，从而镜子部131可以从整体上形成为凹形。

多个固定部135夹在支撑基部132和镜子部131之间，并且设置在俯视时多个压电元件134的***。而且，固定部135的顶面结合于镜子部131。在本实施例中，固定部135与支撑基部132分开，可选择地，支撑基部132和固定部135可以一体成形，或根据本发明的目的形成为其它任何形状或进行其它的改变。优选地，各固定部135的高度相等以防止镜子部131的反射面131a畸变。优选地，通过调整固定部135和压电元件134的高度之间的关系以使反射面131a不产生畸变。

压电元件134夹在支撑基部132和镜子部131之间。压电元件134通过电极孔136连接于单独电极(未示出)，所述电极孔136形成于面对压电元件134的底面的一侧。压电元件134的顶面与镜子部131相接触，这样允许压电元件134膨胀和收缩。在如上所述的镜子部131是由绝缘材料形成的情况下，在镜子部131的反射面131a的相对侧上气相沉积有电极层，以在镜子部131上提供电极，并且这个电极被用作公共电极。

压电元件134是由例如PZT(锆钛酸铅，Pb(ZrXTi1-X)O3)的压电陶瓷或者由例如聚偏二氟乙烯的压电聚合物形成。其中，压电陶瓷因其高机械强度而优选。

在本实施方式中，压电元件134为矩形柱状，并在压电元件134与镜子部131相接触的顶端处变细。然而，压电元件134可以形成为任何形状，例如，压电元件134的顶端可以为长方体形或圆柱形。

如图2中所示，在本实施例中，优选对称设置多个压电元件134。然而，为了在各位置均匀地改变镜子部131的反射面131a形状，更优选的是，在俯视时沿着十字形方向对称地设置四个压电元件134。多个固定部135分别沿对称设置的多个压电元件134的连线与各压电元件134邻接设置。为了更正确地改变反射面131a的形状，优选地，使压电元件134相对于通过镜子部131的反射面131a中心的轴线对称设置。另外，还可以根据与射入变形镜130的照明光的关系来设置压电元件134。

可以理解的是，变形镜130还可以采用其他的机械结构或连接方式驱动反射面131a发生形变，并不以此为限。

请参阅图3，为本发明实施方式中的控制装置控制的变形镜130的方法流程图。包括以下步骤：

S1：获得投影图像数据。

S2：在所述投影图像数据中提取图像信息并转换为对应电信号。

在本发明实施方式中，控制装置包括图像处理***及驱动电路，所述图像处理***在所述投影图像数据中提取图像信息并转换为对应电信号。可以理解的是，所述控制装置根据所述投影图像数据控制变形镜130对所述照明光进行预调制，以及控制空间光调制器150对经过预调制的照明光进一步进行调制，从而得到符合投影图像数据的投影光。可以理解的是，对于每帧投影图像数据，可以根据不同的图像算法提取出不同的图像信息，并转换为对应的用于驱动变形镜130发生形变的电信号，所述电信号与所述控制装置用于控制空间光调制器150的控制信号对应，以保证照明光依次经过变形镜130的预调制，以及空间光调制器150的调制后得到的投影光符合所述投影图像数据。

S3：利用所述电信号驱动变形镜130的压电元件134变形。

所述驱动电路根据所述电信号驱动变形镜130的压电元件134变形。

S4：压电元件134带动反射面131a发生形变，反射面131a对入射的照明光进行预调制，使得反射面131a出射的照明光呈与所述投影图像数据对应的特定光场分布。可以理解的是，对于每帧投影图像数据，根据不同的图像算法可以得到多种不同的图像信息及对应的电信号，不同的电信号对应反射面131a出射照明光的光场分布不同，即根据每帧投影图像数据可以得到不同特定光场分布的照明光。

请结合图3进一步参阅图4，为变形镜130对所述照明光预调制原理示意图。变形镜130(图3)包括压电元件134a和压电元件134b，反射面131a包括的边缘a及边缘b。图4中以具有两个压电元件134a及压电元件134b作为支点的一维线条表示反射面131a的方式，说明变形镜130对光源110(图1)的预调制原理。

其中，图(A)对应压电元件134a与压电元件134b未变形时情况，一束均匀分布的平行光入射时，经由未变形的反射面131a反射，出射光仍然为平行光，最终得到一个均匀分布的光斑；图(B)表示所述驱动电路作用于压电元件134a与压电元件134b，使得反射面131a变形为一段椭圆圆弧时的情况，此时，平行光入射后，经反射面131a反射，使得O1处的光强最强；图(C)表示所述驱动电路作用于压电元件134a与压电元件134b，使得反射面131a变形为与图(B)中的几何参数不同的一段椭圆圆弧时的情况。此时，平行光入射后，经反射面131a反射，可使得O2处的光强最强。以上分析表明，图4中包含压电元件134a及压电元件134b的变形镜130在椭圆圆弧面的情形下即可使得最强的光斑处于不同位置，实现不同的光分布，增加其他的变形情况，如使得变形镜130为圆弧面，抛物面，双曲面或其他曲面形状可实现更多的光分布状态；增加压电元件134的数量，将一维曲线扩展到二维曲面，变形镜的反射面呈现更多的曲面形状，可进一步实现更多的光分布。变形镜130将光路中的光能量按照所述图像信息中不同区域的亮度参数进行调配，光线以预设光场分布出射，因此使用变形镜130的预调制实现HDR有利于提高光利用率。

请再次参阅图1，在本实施方式中，变形镜130出射的光线依次穿过中继透镜组及TIR棱镜入射至空间光调制器150。其中，本发明实施方式中的空间光调制器150可以是LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、LCOS(Liquid Crystal on Silicon，液晶附硅或硅基液晶)、DMD(Digital Mirror Device，Digital Micromirror Device，数字微镜元件)等。所述中继透镜组包括多个光轴重合的透镜，在其他实施方式中，中继***还可以采用其他形式的中继透镜。

所述TIR棱镜由多个异形的棱镜体构成，所述多个棱镜体之间设置有空气隙。所述TIR棱镜还包括第一出光面、第二出光面及连接于所述第一出光面与所述第二出光面之间的至少一入光面。所述第一出光面正对空间光调制器150设置，所述第二出光面正对投影设备100的镜头170设置，所述入光面对应所述中继透镜组设置，所述中继透镜组出射的光线至所述入光面，所述TIR棱镜引导从所述入光面入射的光线从所述第一出光面出射至空间光调制器150，空间光调制器150出射的光线从所述第一出光面入射至所述TIR棱镜内部，并穿过所述第二出光面入射至镜头170。

可以理解的是，投影设备100中还包括其他本领域公知的光学器件，比如中继透镜、散光片、匀光器件及其他引导器件，比如反射镜、二向色片等等。

请参阅图5，为本发明第二实施方式提供的投影设备200的结构示意图。投影设备200与投影设备100的主要区别在于：投影设备200还包括波长转换装置240，光源210与波长转换装置240之间设置有变形镜230。光源210发出的照明光经过变形镜230的预调制后激发波长转换装置240产生至少一种颜色的荧光，波长转换装置240出射的光线经过空间光调制器250的进一步调制后从镜头270出射。需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于前述实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于本实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

具体地，光源210中包括发光体211以发出用于激发波长转换装置240产生单色照明光。在一种实施方式中，发光体211包括蓝色激光器，用于发出蓝色激光作为所述照明光。在其他实施方式中，发光体211发出其他颜色的激光，比如紫外激光等等。具体地，发光体211中包括激光器的数量可以根据实际需要进行选择，发光体211中还可以包括激光器阵列。

在本实施方式中，波长转换装置240包括呈圆盘状的基板及设置于所述基板底部的驱动单元，所述驱动单元带动所述基板做周期性旋转。所述基板一侧表面设置有转换区及散射区，所述转换区设置有至少一种颜色的荧光粉，以将所述变形镜230出射的照明光转换为对应颜色的荧光。所述散射区设置有散射材料，以对所述照明光消相干后将其出射。所述转换区与所述散射区在所述驱动单元的带动下间隔位于所述照明光的光路上。可以理解的是，在一种实施方式中，照明光为蓝色激光，所述转换区可以设置黄色荧光粉，或红色荧光粉+绿色荧光粉，或黄色荧光粉+绿色荧光粉，或黄色荧光粉+红色荧光粉等其他波长转换材料的组合，以与所述照明光合成白光。

可以理解的是，在一种实施方式中，波长转换装置240包括条形的基板，所述基板的一端面上设置有驱动单元，所述驱动单元驱动所述基板做周期性的往复运动。所述基板上的转换区与散射区在所述驱动单元的带动下间隔位于照明光的光路上。

请参阅图6，为本发明第三实施方式提供的投影设备300的结构示意图。投影设备300与投影设备200相比，主要区别在于，投影设备300中的变形镜330设置于波长转换装置340及空间光调制器350之间，波长转换装置340出射的光线依次经过变形镜330的预调制，及空间光调制器350的进一步调制得到用于投影的投影光。需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于前述实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于本实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

请参阅图7，为本发明第四实施方式提供的投影设备400的结构示意图。投影设备400与投影设备300相比，主要区别在于：光源410包括主光源412与补充光源414，主光源412中包括用于发出荧光的波长转换装置413及发光体411a，补充光源414中包括发光体411b与发光体411c并发出两种颜色的补充光，发光体411b与发光体411c均为激光器并发出不同颜色的激光。主光源412与补充光源414发出的光合光后入射至变形镜430。

需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于第一实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第二实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

在本实施方式中，发光体411a为激光器，优选地为蓝色激光器。波长转换装置413设置的红色荧光粉、绿色荧光粉及散射材料交替位于所述发光体411a出射光线的光路上，发光体411a发出的蓝色激光经过波长转换装置413交替产生红色荧光、绿色荧光与散射后的蓝色激光。可以理解的是，发光体411a还可以选择其他颜色的激光器，相应地，波长转换装置413表面还可以设置黄色荧光粉，或黄色荧光粉+绿色荧光粉，或黄色荧光粉+红色荧光粉等其他波长转换材料的组合。

在本实施方式中，发光体411b为红色激光器并发出红色补充光，发光体411c包括绿色激光器并发出绿色补充光。红色补充光与绿色补充光通过二向色片合光后沿同一光路出射。在其他实施方式中，补充光源414中仅包括发出一种颜色补充光的发光体411b，比如红色激光器，补充光源414发出红色激光作为补充光。

主光源412与补充光源414出射的光线根据光学扩展量合光。具体地，光源410包括用于反射主光源412出射光线的反射镜415，反射镜415表面设置有通孔。波长转换装置413出射的光线包括荧光与散射后的激光，其光线扩展量较大，在反射镜415上形成的光斑面积较大，主光源412出射的绝大部分的光线被反射镜415反射，所述补充光为激光，光线扩展量较小，在反射镜415上能够形成较小的光斑，所述通孔对应所述补充光的光斑位置设置，所述补充光其穿过所述通孔与波长转换装置413出射的光线合光。

可以理解的是，光源410中还包括用于为所述激光进行匀光的匀光装置，所述匀光装置可以为复眼或光棒。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个装置也可以由同一个装置或***通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种投影设备，其特征在于，包括

用于发出照明光的光源；

包括反射面的变形镜；

空间光调制器；及

与所述变形镜及所述空间光调制器分别电连接的控制装置，所述控制装置根据投影图像数据，驱动所述反射面的轮廓发生形变，从而将所述光源发出的照明光以特定的光场分布反射至所述空间光调制器；所述控制装置还根据所述投影图像数据控制所述空间光调制器对入射光进行进一步调制。

2.如权利要求1所述的投影设备，其特征在于，所述光源包括激光器，所述照明光包括激光。

3.如权利要求2所述的投影设备，其特征在于，所述变形镜及所述空间光调制器之间还设置有波长转换装置，所述反射面出射的照明光激发所述波长转换装置产生入射至所述空间光调制器的荧光。

4.如权利要求2所述的投影设备，其特征在于，所述光源还包括波长转换装置，所述激光器激发所述波长转换装置产生入射至所述变形镜的荧光。

5.如权利要求2所述的投影设备，其特征在于，所述光源包括主光源与补充光源，所述主光源中包括用于发出荧光的波长转换装置，所述补充光源中包括激光器并发出至少一种颜色的补充光，所述主光源与所述补充光源发出的光合光后入射至所述变形镜。

6.如权利要求5所述的投影设备，其特征在于，所述光源还包括用于反射所述主光源出射光线的反射镜，所述反射镜表面设置有通孔，所述补充光穿过所述通孔与所述主光源出射的光线进行合光。

7.如权利要求6所述的投影设备，其特征在于，所述补充光源包括：

用于发出红色激光的红色激光器；

用于发出绿色激光的绿色激光器；及

二向色片，所述二向色片用于引导所述红色激光与所述绿色激光沿同一光路出射至所述通孔。

8.如权利要求3-7任意一项所述的投影设备，其特征在于，所述激光经过所述波长转换装置后产生包括至少一种颜色的荧光。

9.如权利要求8所述的投影设备，其特征在于，所述激光经过所述波长转换装置后产生黄色荧光与蓝色激光。

10.如权利要求2所述的投影设备，其特征在于，所述光源中包括用于为所述激光进行匀光的匀光装置。