一种投影设备及投影系统的制作方法

1.本实用新型涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种投影设备及投影系统。


背景技术：

2.激光光源由于具有高亮度、高对比度和高色域的优点，被越来越多的应用于显示产品中，激光电视的工作原理是激光投影设备发出的光线投射至投影屏幕上，投影屏幕再将光线反射至用户眼睛中。目前的激光电视通常采用数字光处理(digital light processing，简称dlp)技术进行图像显示，激光光源发射出的光线经过整形、匀化之后照射到数字微镜器件(digital micro device，简称dmd)上，由dmd上的微镜单元调制后照射到投影镜头，上述过程中光线经过的光学部件组合成投影设备的照明系统，从照明系统出射的光线经投影镜头投射到投影屏幕上形成图像。
3.随着近年来激光电视产品的快速发展，其应用需求模式也越来越多样化，然而目前的激光电视中所采用的照明系统通常其焦数(f.no)为一定值，无法匹配多样化的投影镜头从而满足投影系统的亮度等使用需求。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种投影设备及投影系统，用于调节照明系统的焦数，使之可以适用于多样化的应用场景中。
5.本实用新型第一方面提供一种投影设备，包括：投影光源，用于出射投影光线；
6.照明系统，位于所述投影光源的出光侧，所述照明系统用于对所述投影光源出射的投影光线进行整形、匀化；
7.所述照明系统包括多个透镜和光调制部件，所述光调制部件位于所述多个透镜的出光侧，所述多个透镜中的至少一个透镜为液体透镜，所述液体透镜的入光侧表面和出光侧表面的曲率半径随施加于所述液体透镜上的电压变化。
8.本实用新型的一些实施例中，所述多个透镜包括沿光路传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；
9.所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中的至少一个透镜为非球面透镜，所述非球面透镜为液体透镜。
10.本实用新型的一些实施例中，所述第一透镜为非球面透镜，所述第二透镜为球面透镜，所述第三透镜为球面透镜；所述第一透镜为液体透镜。
11.本实用新型的一些实施例中，所述第一透镜为球面透镜，所述第二透镜为非球面透镜，所述第三透镜为球面透镜；所述第二透镜为液体透镜。
12.本实用新型的一些实施例中，所述第一透镜为球面透镜，所述第二透镜为球面透镜，所述第三透镜为非球面透镜；所述第三透镜为液体透镜。
13.本实用新型的一些实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜共光轴设置，所述第二透镜和所述第三透镜的光轴呈设定夹角设置；
14.所述照明系统还包括反光镜，所述反光镜位于所述第二透镜和所述第三透镜之间，所述反光镜用于将所述第二透镜的出射光线转向入射至所述第三透镜。
15.本实用新型的一些实施例中，所述照明系统的焦数满足以下条件：
16.1.8＜f.no＜2.3；
17.其中，f.no表示所述照明系统的焦数。
18.本实用新型的一些实施例中，所述照明系统还包括：
19.棱镜，位于所述第三透镜和所述光调制部件之间；所述棱镜用于调整所述第三透镜的出射光线以设定角度入射至所述光调制部件；
20.所述投影设备还包括：
21.投影镜头，位于所述棱镜背离所述光调制部件的一侧。
22.本实用新型的一些实施例中，所述照明系统还包括匀光部件，所述匀光部件位于所述投影光源和所述第一透镜之间。
23.本实用新型第二方面提供一种投影系统，包括上述任一种投影设备和位于所述投影设备出光侧的投影屏幕。
24.本实用新型有益效果如下：
25.本实用新型提供一种投影镜头及投影系统，投影设备包括：投影光源，用于出射投影光线；照明系统，位于投影光源的出光侧，照明系统用于对投影光源出射的投影光线进行整形、匀化；照明系统包括多个透镜和光调制部件，光调制部件位于多个透镜的出光侧，多个透镜中的至少一个透镜为液体透镜，液体透镜的入光侧表面和出光侧表面的曲率半径随施加于所述液体透镜上的电压变化，利用液体透镜的这一特性可以调节投影设备中照明系统的f.no值，从而可以改变照明系统的光通量和对比度使之适用于多样化的激光电视系统中。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。
27.图1为本实用新型实施例提供的投影设备中照明系统的结构示意图；
28.图2为本实用新型实施例提供的照明系统光路示意图之一；
29.图3为图2所示的照明系统出射光斑的模拟示意图；
30.图4为图2所示的照明系统投射至dmd上的光斑能量分布图；
31.图5为本实用新型实施例提供的照明系统光路示意图之二；
32.图6为图5所示的照明系统出射光斑的模拟示意图；
33.图7为图5所示的照明系统投射至dmd上的光斑能量分布图；
34.图8为本实用新型实施例提供的照明系统光路示意图之三；
35.图9为本实用新型实施例提供的照明系统光路示意图之四；
36.图10为图8和图9所示的照明系统出射光斑的模拟示意图；
37.图11为图8和图9所示的照明系统投射至dmd上的光斑能量分布图；
38.图12为本实用新型实施例提供的投影系统的结构示意图。
具体实施方式
39.为使本实用新型的上述目的、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实用新型做进一步说明。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实用新型更全面和完整，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。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。本实用新型中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本实用新型保护范围内。本实用新型的附图仅用于示意相对位置关系不代表真实比例。
40.激光电视的工作原理是激光投影设备发出的光线投射至投影屏幕上，投影屏幕再将光线反射至用户眼睛中。目前的激光电视通常基于dlp技术，投影设备由光源装置、照明系统和投影镜头组成，其中，dmd为照明系统的核心部件，投影镜头安装在dmd的出光侧。从光源装置出射的激光入射至照明系统中，被整形、匀化后入射至dmd上，再被dmd调制、反射后出射至投影镜头中由投影镜头进行成像，最终投射至投影屏幕上形成显示图像。
41.随着对更高亮度、更高对比度显示的追求，对投影设备中照明系统光学效率的要求也相应提高，其中照明系统中的光线入射至dmd的效率又直接影响了投影显示图像的质量。照明系统的f.no值决定了照明系统的光学效率，f.no值越小，照明系统中可以通过的光线就越多，从而照明系统的光通量越大、亮度越高，其光线利用率越高，即通过改变照明系统的f.no值，可以改变照明系统的光通量，从而满足激光电视产品的不同亮度和对比度的需求，然而，目前的激光电视系统中所采用的照明系统通常其f.no值为一定值，同一照明系统所能匹配的投影镜头和适用的投影系统种类有限，难以在不同使用场景中应用以满足日趋多样化的用户需求。
42.有鉴于此，本实用新型实施例提供一种投影设备，投影设备中照明系统的f.no值可以调节。
43.图1为本实用新型实施例提供的投影设备中照明系统的结构示意图。
44.如图1所示，本实用新型实施例提供的投影设备中照明系统100可以包括多个透镜和光调制部件m。
45.其中，多个透镜中的至少一个透镜为液体透镜，液体透镜中可以包括两种折射率不同且不相混合的液体，其中一种可以是可导电的水性溶液，另一种可以是不导电的油性溶液，并将两种液体封装在两面均透明的圆筒型容器中，对该圆筒型容器的容器壁做疏水性处理，可以使得水溶液呈圆顶型聚集在容器中心，从而水性溶液和油性溶液之间可以形成两个凸状曲面，即可视为该液体透镜的入光侧和出光侧表面，由于液体的电润湿效应，可以使得液体透镜的入光侧表面和出光侧表面的曲率半径随施加于液体透镜上的电压变化。
46.本实用新型实施例中各透镜的面型和间距参数以及液体透镜适用的电压等参数可以根据具体使用需求设计而成，设计思路如下：先根据选用的液体透镜的特性通过相关软件建立该液体透镜的结构模型，并在液体透镜两侧预设一个电压；对该结构使用拉普拉斯公式得到该液体透镜的非球面面型与密度差关系的二阶偏微分方程；通过对该微分方程进行计算，得出非球面面型的数值解；再通过数值拟合得到该非球面透镜的面型函数；通过
不断采集不同电压下非球面系数的实验数据，得到非球面系数与电压的拟合函数。在具体实施时，通过光学模拟可以分析出照明系统所需的f.no值时液体透镜所对应的非球面面型的各项参数，根据上述思路可以计算出对应的电压值，由此可以实现对同一照明系统仅改变在液体透镜上施加的电压值即可改变照明系统的f.no值，从而照明系统可以具有较好的通用性，降低了在不同的激光电视系统中重新设计照明系统的成本。
47.本实用新型实施例以照明系统100中包括三个透镜为例进行说明，如图1所示，照明系统100中的多个透镜包括沿光路传播方向依次设置的第一透镜c1、第二透镜c2和第三透镜c3，第一透镜c1、第二透镜c2和第三透镜c3中的至少一个透镜为非球面的液体透镜。在照明系统中仅设置三个透镜即可实现调节照明系统f.no值，照明系统中光路结构简单，有利于降低投影设备的复杂程度和减少成本。
48.光调制部件m位于多个透镜的出光侧，可以用于对入射光线进行调制，光调制部件m具体可以采用dmd芯片，dmd芯片由成千上万个微镜片组成，微镜片是精密、微型的反射镜，每一个微镜片可以控制投影平面的一个像素。dmd芯片中的每个微镜片可以倾斜为开或者关状态，各微镜片在数字驱动信号的控制下可以被其下方的转动装置带动，并以很快的速度调整其角度与方向，入射至处于开态的微镜片表面的光线被反射至后续的光学部件中。
49.如图1所示，本实用新型实施例中，第一透镜c1和第二透镜c2可以共光轴设置，第三透镜c3的光轴和第二透镜c2的光轴呈设定夹角设置，照明系统中还可以包括反射镜r，反射镜r位于第二透镜c2和第三透镜c3之间，可以将第二透镜c2的出射光线转向入射至第三透镜c3，从而折叠照明系统中的光路，有利于减小照明系统的体积，在具体实施时，照明系统中的各透镜之间还可以根据使用需求设置其他反光镜用于对照明光路进行折叠，在此不做限定。
50.本实用新型实施例中，由于光调制部件m在采用dmd芯片时对入射光线的角度有要求，照明系统还可以包括位于第三透镜c3和光调制部件m之间的棱镜t，棱镜t可以调整第三透镜c3的出射光线以设定角度入射至光调制部件m中，在具体实施时，棱镜t可以为全反射棱镜。
51.本实用新型实施例提供的照明系统中还可以包括匀光部件y，匀光部件y位于投影光源与第一透镜c1之间，在具体实施时，匀光部件y可以采用光导管或复眼透镜组等，匀光部件y用于将投影光源的出射光线进行整形和匀化，使入射至光调制部件m的光线可以满足其入射要求从而提高投影显示图像的质量。
52.本实用新型实施例提供的照明系统中的光路传播过程如下：从匀光部件y出射的光经第一透镜c1和第二透镜c2入射至反光镜r，被反光镜r反射后入射至第三透镜c3，从第三透镜c3出射后经棱镜t以设定角度入射至光调制部件m，经光调制部件m的调制后再经棱镜t出射至后续的光学部件中。
53.以下将以第一透镜c1、第二透镜c2、第三透镜c3分别设置为非球面的液体透镜时的情形为例进行说明。第一透镜c1、第二透镜c2和第三透镜c3的面型参数可以根据光学设计得到，本实用新型实施例中照明系统100的焦数满足以下条件：
54.1.8＜f.no＜2.3；
55.其中，f.no表示所述照明系统的焦数。
56.本实用新型实施例对上述三种情形的照明系统分别进行光学仿真和光线追迹，分
别给出了照明系统对0.450μm、0.550μm和0.630μm三种波长出射光斑的模拟示意图和dmd接收到的光斑能量分布图。
57.图2为本实用新型实施例提供的照明系统光路示意图之一。
58.图2示出了第一透镜c1为非球面液体透镜、第二透镜c2和第三透镜c3均为球面透镜时照明系统中的光路。
59.图2所示的照明光路中各个光学部件的面型参数如下表所示：
60.[0061][0062]
其中，obj为物面，s1～s38为沿光路传播方向依次经过的各个光学部件的表面，sto为光阑面。
[0063]
图3为图2所示的照明系统出射光斑的模拟示意图。
[0064]
参照图3，当照明系统中的第一透镜c1为液体透镜时，照明系统出射光斑的均方根半径为308.857照明，照明系统出射光斑的几何半径为500.337出射。
[0065]
图4为图2所示的照明系统投射至dmd上的光斑能量分布图。
[0066]
参照图4，当照明系统中的第一透镜c1为液体透镜时，在dmd芯片表面接收到的光斑能量分布较为均匀，并且，dmd芯片对光斑的接收效率百分比即光斑面积占dmd芯片有效工作区域面积的百分比为55.636％。
[0067]
图5为本实用新型实施例提供的照明系统光路示意图之二。
[0068]
图5示出了第二透镜c2为非球面液体透镜、第一透镜c1和第三透镜c3均为球面透
镜时照明系统中的光路。
[0069]
图5所示的照明光路中各个光学部件的面型参数如下表所示：
[0070][0071][0072]
其中，obj为物面，s1～s38为沿光路传播方向依次经过的各个光学部件的表面，sto为光阑面。
[0073]
图6为图5所示的照明系统出射光斑的模拟示意图。
[0074]
参照图6，当照明系统中的第二透镜c2为液体透镜时，照明系统出射光斑的均方根半径为303.174照明，照明系统出射光斑的几何半径为492.618光斑。
[0075]
图7为图5所示的照明系统投射至dmd上的光斑能量分布图。
[0076]
参照图7，当照明系统中的第二透镜c2为液体透镜时，在dmd芯片表面接收到的光斑能量分布较为均匀，并且，dmd芯片对光斑的接收效率百分比即光斑面积占dmd芯片有效
工作区域面积的百分比为55.643％。
[0077]
图8为本实用新型实施例提供的照明系统光路示意图之三；图9为本实用新型实施例提供的照明系统光路示意图之四。
[0078]
图8和图9示出了第三透镜c3为非球面液体透镜、第一透镜c1和第二透镜c2均为球面透镜时照明系统中的光路。
[0079]
图8和图9所示的照明光路中各个光学部件的面型参数如下表所示：
[0080]
[0081][0082]
其中，obj为物面，s1～s38为沿光路传播方向依次经过的各个光学部件的表面，sto为光阑面。
[0083]
本实用新型实施例中，当第三透镜c3的r1＝-29.1，r2＝97.33时，照明系统的f.no＝1.9；当第三透镜c3的r1＝-30.7，r2＝78.7时，照明系统的f.no＝2.0；当第三透镜c3的r1＝-31.2，r2＝75.1时，照明系统的f.no＝2.1；当第三透镜c3的r1＝-32.1，r2＝94.5时，照明系统的f.no＝2.2。其中，r1为第三透镜c3入光侧表面的曲率半径，r2为第三透镜c3出光侧表面的曲率半径。
[0084]
图10为图8和图9所示的照明系统出射光斑的模拟示意图。
[0085]
参照图10，当照明系统中的第三透镜c3为液体透镜时，照明系统出射光斑的均方根半径为308.847照明，照明系统出射光斑的几何半径为500.329光斑。
[0086]
图11为图8和图9所示的照明系统投射至dmd上的光斑能量分布图。
[0087]
参照图11，当照明系统中的第三透镜c3为液体透镜时，在dmd芯片表面接收到的光斑能量分布较为均匀，并且，dmd芯片对光斑的接收效率百分比即光斑面积占dmd芯片有效工作区域面积的百分比为55.625％。
[0088]
由上述仿真模拟图及仿真数据可以看出，本实用新型实施例提供的照明系统中，将任一透镜设置为液体透镜均可在一定视场范围内保证较好的照明质量，出射至dmd芯片表面的光斑较为均匀且具有较好的光学效率，可以满足投影设备中可变f.no照明系统的使用需求。
[0089]
图12为本实用新型实施例提供的投影系统的结构示意图。
[0090]
如图12所示，本实用新型实施例提供的投影设备中还包括投影光源200和投影镜头300，本实用新型实施例提供的投影系统基于dlp技术，包括照明系统100、投影光源200、投影镜头300和投影屏幕400，其中，照明系统100可以采用前述实施例中的任一种照明系统。
[0091]
投影光源200可以采用激光光源，由于激光高亮度和单色性强的特点，可以使得投影图像具有更好的亮度和色彩表现。投影光源200可以采用出射不同颜色激光的激光器，也可以采用多个出射不同颜色激光的激光器组合而成，还可以采用单色激光器。当投影光源200采用单色激光器如蓝色激光器时，还需要在投影系统中设置色轮，色轮可以用于将入射的单色激光转换为其他颜色的激光出射从而实现全彩投影。
[0092]
投影镜头300位于棱镜t背离光调制部件m的一侧，投影光源200出射的投影光线经照明系统100的整形和匀化后入射至光调制部件m，经光调制部件m调制后入射至投影镜头300中。在具体实施时，投影镜头300可以采用超短焦镜头，投影镜头300中具体包括的透镜数量、类型和排布方式可以根据使用需求进行光学设计得到，本实用新型实施例在此对投影镜头300的具体结构不做限定。
[0093]
投影屏幕400位于投影设备中投影镜头300的出光侧，投影镜头300可以将入射至其中的光线进行成像并将其投射至投影屏幕400上，激光电视的投影屏幕可以采用抗光屏幕，抗光屏幕可以抵抗环境光的影响从而提升显示效果。
[0094]
本实用新型实施例中将照明系统中的任一透镜设置为表面曲率半径可调的非球面液体透镜，可以实现调节照明系统的f.no值，照明系统的f.no值决定了照明系统的光通量和对比度，从而照明系统可以匹配不同f.no值的投影镜头，提高了照明系统的通用性，可以适用于不同的激光电视投影系统中。
[0095]
根据第一实用新型构思，将投影设备的照明系统中多个透镜中的至少一个设置为液体透镜，由于液体透镜的电润湿效应，其入光侧表面和出光侧表面的曲率半径可以随施加于液体透镜上的电压变化，进而改变照明系统的f.no值。
[0096]
根据第二实用新型构思，通过光学模拟可以分析出照明系统所需的f.no值时液体透镜所对应的非球面面型的各项参数，根据该参数计算出对应的电压值，由此可以实现对同一照明系统仅改变在液体透镜上施加的电压值即可改变照明系统的f.no值，从而照明系统可以具有较好的通用性，降低了在不同的激光电视系统中重新设计照明系统的成本。
[0097]
根据第三实用新型构思，照明系统中包括三个透镜，将三个透镜中的任意一个设置为液体透镜即可实现调节照明系统f.no值，照明系统中光路结构简单，有利于降低投影设备的复杂程度和减少成本。
[0098]
根据第四实用新型构思，在第二透镜和第三透镜之间设置反射镜，可以将第二透镜的出射光线转向入射至第三透镜，从而折叠照明系统中的光路，有利于减小照明系统的体积。
[0099]
根据第五实用新型构思，对将第一透镜、第二透镜、第三透镜分别设置为非球面的液体透镜时的情形下的照明系统分别进行光学仿真和光线追迹可知：将任一透镜设置为液体透镜均可在一定视场范围内保证较好的照明质量，出射至dmd芯片表面的光斑较为均匀且具有较好的光学效率，可以满足投影设备中可变f.no照明系统的使用需求，本实用新型实施例中照明系统的焦数满足1.8＜f.no＜2.3。
[0100]
根据第六实用新型构思，将照明系统中的任一透镜设置为表面曲率半径可调的非球面液体透镜，可以实现调节照明系统的f.no值，照明系统的f.no值决定了照明系统的光通量和对比度，从而照明系统可以匹配不同f.no值的投影镜头，提高了照明系统的通用性，可以适用于不同的激光电视投影系统中。
[0101]
尽管已描述了本实用新型的优选实施例，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实用新型范围的所有变更和修改。
[0102]
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种投影设备，其特征在于，包括：投影光源，用于出射投影光线；照明系统，位于所述投影光源的出光侧，所述照明系统用于对所述投影光源出射的投影光线进行整形、匀化；所述照明系统包括多个透镜和光调制部件，所述光调制部件位于所述多个透镜的出光侧，所述多个透镜中的至少一个透镜为液体透镜，所述液体透镜的入光侧表面和出光侧表面的曲率半径随施加于所述液体透镜上的电压变化。2.如权利要求1所述的投影设备，其特征在于，所述多个透镜包括沿光路传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中的至少一个透镜为非球面透镜，所述非球面透镜为液体透镜。3.如权利要求2所述的投影设备，其特征在于，所述第一透镜为非球面透镜，所述第二透镜为球面透镜，所述第三透镜为球面透镜；所述第一透镜为液体透镜。4.如权利要求2所述的投影设备，其特征在于，所述第一透镜为球面透镜，所述第二透镜为非球面透镜，所述第三透镜为球面透镜；所述第二透镜为液体透镜。5.如权利要求2所述的投影设备，其特征在于，所述第一透镜为球面透镜，所述第二透镜为球面透镜，所述第三透镜为非球面透镜；所述第三透镜为液体透镜。6.如权利要求2～5任一项所述的投影设备，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜共光轴设置，所述第二透镜和所述第三透镜的光轴呈设定夹角设置；所述照明系统还包括反光镜，所述反光镜位于所述第二透镜和所述第三透镜之间，所述反光镜用于将所述第二透镜的出射光线转向入射至所述第三透镜。7.如权利要求6所述的投影设备，其特征在于，所述照明系统的焦数满足以下条件：1.8＜f.no＜2.3；其中，f.no表示所述照明系统的焦数。8.如权利要求6所述的投影设备，其特征在于，所述照明系统还包括：棱镜，位于所述第三透镜和所述光调制部件之间；所述棱镜用于调整所述第三透镜的出射光线以设定角度入射至所述光调制部件；所述投影设备还包括：投影镜头，位于所述棱镜背离所述光调制部件的一侧。9.如权利要求8所述的投影设备，其特征在于，所述照明系统还包括匀光部件，所述匀光部件位于所述投影光源和所述第一透镜之间。10.一种投影系统，其特征在于，包括如所述权利要求1～9任一项所述的投影设备和位于所述投影设备出光侧的投影屏幕。

技术总结
本实用新型公开了一种投影设备及投影系统，投影设备包括：投影光源，用于出射投影光线；照明系统，位于投影光源的出光侧，照明系统用于对投影光源出射的投影光线进行整形、匀化；照明系统包括多个透镜和光调制部件，光调制部件位于多个透镜的出光侧，多个透镜中的至少一个透镜为液体透镜，液体透镜的入光侧表面和出光侧表面的曲率半径随施加于所述液体透镜上的电压变化，利用液体透镜的这一特性可以调节投影设备中照明系统的F.NO值，从而可以改变照明系统的光通量和对比度使之适用于多样化的激光电视系统中。化的激光电视系统中。化的激光电视系统中。


技术研发人员：张萌 李晓平
受保护的技术使用者：青岛海信激光显示股份有限公司
技术研发日：2023.01.29
技术公布日：2023/8/13