投影仪显示系统和投影仪的制作方法

1.本技术涉及投影设备技术领域，具体而言，涉及一种投影仪显示系统和投影仪。


背景技术：

2.空间光调制器是投影仪显示系统的关键元器件，目前的投影仪显示系统普遍基于空间光调制器为数字微镜装置(digital micromirro device,dmd)，为实现高效率、高对比度的投影仪显示系统，设计人员提出采用光回收方案，对空间光调制器上的非图像光进行回收，这种投影仪显示系统方案中，在产生图像光的空间光调制器前加一个空间光调制器用于预调制。然而，两个空间光调制器之间图像光的传播通常需要分光棱镜的配合，在投影仪显示系统中，由于分光棱镜的色散，会增大系统的像差。投影仪显示系统的像差严重影响了图像光的均匀性和最终显示效果，像差的矫正是投影仪显示系统设计的难点，也决定了基于采用空间光调制器对照明光进行预调制的投影系统是否能够实现。


技术实现要素：

3.本技术实施方式提出了一种投影仪显示系统和投影仪，以解决上述至少一个技术问题。
4.本技术实施方式通过以下技术方案来实现上述目的。
5.第一方面，本技术实施方式提供一种投影仪显示系统，包括发光光源、第一空间光调制器、调节棱镜、中继透镜组和第二空间光调制器，发光光源用于出射照明光，照明光经第一空间光调制器预调制后形成图像光，图像光依次入射调节棱镜、中继透镜组和第二空间光调制器，其中，调节棱镜用于调节图像光自第一空间光调制器出射的出射角度，中继透镜组包括调节透镜，调节透镜用于校正投影仪显示系统的场曲，第二空间光调制器用于调制图像光。
6.在一种实施方式中，调节棱镜为楔形棱镜，调节棱镜绕图像光出光方向的角度范围为35
‑
55
°
。
7.在一种实施方式中，调节棱镜包括入光面、出光面、连接入光面和出光面的第一底边以及连接入光面和出光面的第二底边，出光面包括第一棱边和第二棱边，第一底边和第一棱边之间为第一夹角，第二底边和第二棱边之间为第二夹角，第一夹角的角度范围为60
°‑
100
°
，第二夹角的角度范围为60
°‑
100
°
。
8.在一种实施方式中，第一夹角与第二夹角不相等。
9.在一种实施方式中，调节透镜相对垂直于图像光的光轴的方向具有倾斜角。
10.在一种实施方式中，调节透镜离焦设置。
11.在一种实施方式中，调节透镜位于图像光的出瞳处。
12.在一种实施方式中，投影仪显示系统还包括分光片和第三空间光调制器，分光片位于中继透镜组和第二空间光调制器之间，分光片用于将图像光分离为第一光和第二光，第二调节器用于调制第一光，第三空间光调制器用于调制第二光，第一光为红光，第二光为
蓝绿光。
13.在一种实施方式中，投影仪显示系统还包括平板玻璃片，平板玻璃片设置于分光片和第三空间光调制器之间，用于补偿第二光的光程。
14.第二方面，本技术实施方式提供一种投影仪。投影仪包括上述任一实施方式的投影仪显示系统以及投影镜头，投影仪显示系统发出的图像光入射投影镜头。
15.本技术提供的投影仪显示系统和投影仪通过在第一空间光调制器和第二空间光调制器之间设置调节棱镜和调节透镜，其中调节棱镜用于调节图像光自第一空间光调制器出射的出射角度，调节透镜用于校正投影仪显示系统的场曲，可以有效地降低投影仪显示系统的像散、场曲、色差等像差，改善了投影仪显示系统的成像质量。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，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。
17.图1为现有技术中常用的投影仪显示系统的结构示意图。
18.图2为现有技术中基于双空间光调制器的投影仪显示系统的结构示意图。
19.图3为现有技术中另一基于双空间光调制器的投影仪显示系统的结构示意图。
20.图4为本技术实施方式提供的投影仪显示系统的结构示意图。
21.图5为图4中的投影仪显示系统的调节棱镜的结构示意图。
22.图6为本技术另一实施方式提供的投影仪显示系统的结构示意图。
23.图7为本技术又一实施方式提供的投影仪显示系统的结构示意图。
具体实施方式
24.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术中的实施方式，本领域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方式，都属于本技术保护的范围。
25.下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
26.目前普遍使用的基于空间光调制器为数字微镜装置的投影仪显示系统的结构如图1所示，光源101用于出射照明光，中继透镜组102将光源101出射的光斑成像至空间光调制器104上，空间光调制器104对照明光进行调制形成图像光，图像光从分光棱镜103出射，达到投影镜头105上。中继透镜组102中的透镜数量根据不同投影仪显示系统而不同，一般为3
‑
5片，光源101出射的照明光为宽光谱的白光，分光棱镜103对不同波长的光束存在色散，对于照明光中的红光、绿光和蓝光来说，同一个分光棱镜103顶角一定时，红光、绿光和蓝光入射角相同，差异仅仅是分光棱镜103针对红光、绿光和蓝光的折射率不同，折射率越大，偏折角越大。
27.在投影仪显示系统中，由于分光棱镜103的色散，会增大系统的像差。但上述投影仪显示系统是属于照明系统，只需光源达到空间光调制器104上的光斑均匀，空间光调制器104边缘成像相对清晰，投影画面无漏边即可，对投影仪显示系统球差、彗差、场曲、畸变、色差等像差要求较低，优化时中继透镜数量较少，一般使用球面透镜，不对像差单独矫正。
28.为实现高效率、高对比度的投影仪显示系统，设计人员提出采用光回收方案，对空间光调制器上的非图像光进行回收，这种投影仪显示系统方案中，在产生图像光的空间光调制器前加一个空间光调制器用于预调制。以基于dmd的光回收投影仪显示系统为例，如图2所示，光源101出射的照明光经第一分光棱镜201到达第一空间光调制器202上后，其非图像光作为回收光进入循环光路，图像光进入中继透镜组102，成像至第二空间光调制器104上，第二空间光调制器104出射图像光进入投影镜头105，实现画面显示。第一空间光调制器202通常采用低分辨率，大像素尺寸的dmd，其衍射较弱，衍射效率较高，第二空间光调制器104提供图像光，需高分辨率的dmd，以实现高清显示。
29.光源101出射的照明光入射至第一空间光调制器202上时，只需要实现第一空间光调制器202上均匀照明即可，中继透镜组102将第一空间光调制器202成像至第二空间光调制器104上，由于第一空间光调制器202是用于预调制的dmd，第一空间光调制器202上的某个区域光斑成像至第二空间光调制器104上，这个过程对成像质量要求较高。需要较高的成像质量，色差、像散、场曲等像差过大会导致第二空间光调制器104上对应的区域光斑边缘模糊，与其他区域交叠后，影响光斑均匀性，交叠处易产生彩条。
30.由于这种基于空间光调制器的光回收方案中，在两个不同的位置设置空间光调制器，每个空间光调制器对应一组分光棱镜，由于分光棱镜对不同波长的光的折射率不同，照明光白光光束经过分光棱镜后，红光、绿光和蓝光对应的光程不同，会聚到第二空间光调制器104上的焦点位置存在差异，导致投影仪显示系统存在较大的色差、场曲及其他像差。这种像差问题在基于液晶显示器(liquid crystal display，lcd)的光回收系统中同样存在。
31.在双dmd投影仪显示系统中，平板玻璃也会带来像差。如图3所示，光源101出射的照明光经第一空间光调制器202调制后，出射的图像光经由中继透镜组102，分光片203，分光片203是透红反蓝绿的膜片，红光从分光片203上透射后入射至第二空间光调制器104上，蓝绿光从分光片203上反射后入射至平板玻璃205上。理论上，平板玻璃205对有一定角度入射的光束会带来色差、球差、像散、彗差、横向色差等，针对常用的平板玻璃205引起的球差、像散、彗差较大，平板玻璃205厚度越大像差越大，光束入射角越大，球差越大。
32.相关技术中为降低像差的影响，有将分光棱镜替换为楔形透镜来传播两个空间光调制器之间的图像光，由于楔形透镜的表面存在曲率半径，例如表面是凸面或凹面，使得楔形透镜对光有会聚和发散的作用，楔形透镜通过降低入射光的光轴与出射光的光轴的高度落差，减小出射角度，使得系统的像差得到改善。此外，相关技术通常还通过增加透镜数量、使用非球面透镜、更换透镜材料等方式来进一步减少像差。
33.相关技术中还有的采用棱镜来降低像差，例如将棱镜放置于第二个调制器的棱镜组前来降低慧差，由于光经棱镜后再经棱镜组入射至第二个调制器，导致成像位置会在视场周围出现偏移，无法降低场曲。
34.请参阅图4，本技术实施方式提供一种投影仪显示系统10，包括发光光源11、第一空间光调制器110、调节棱镜120、中继透镜组130和第二空间光调制器140。
35.发光光源11用于出射照明光，发光光源11可以是氙气灯或者激光二极管(laser diode)或者发光二极管(light emitting diode)或者波长转换装置。第一空间光调制器110用于对照明光进行预调制，将照明光预调制成图像光。第一空间光调制器110通常采用低分辨率，大像素尺寸的类型，例如第一空间光调制器110可以为数字微镜装置，其衍射较弱，衍射效率较高，又例如第一空间光调制器110可以为液晶显示器、硅基液晶(liquid crystalon silicon，lcos)调制器等，在本实施方式中不做限定。
36.在投影仪显示系统10中，每个调制器对应一组分光棱镜。分光棱镜用于空间光调制器之间的图像光的传播，但是分光棱镜会将光程差引入投影仪显示系统10，增大系统像差。发光光源11发出的照明光经第一分光棱镜111全反射后，入射至第一空间光调制器110，并经第一空间光调制器110预调制后形成图像光，图像光依次入射调节棱镜120、中继透镜组130，经第二分光棱镜113全反射至第二空间光调制器140进行二次调制。
37.请一并参阅图5，调节棱镜120用于调节图像光自第一空间光调制器110出射的出射角度，调节棱镜120可以补偿光程差，起到校正投影仪显示系统10的场曲的作用，达到减小投影仪显示系统10的像差的效果。调节棱镜120包括入光面4、出光面5、连接入光面4和出光面5的第一底边510以及连接入光面4和出光面5的第二底边530，出光面5包括第一棱边520和第二棱边540，第一底边510和第一棱边520之间为第一夹角
ɑ1，第二底边530和第二棱边540之间为第二夹角
ɑ2，第一夹角
ɑ1的角度范围为60
°‑
100
°
，第二夹角
ɑ2的角度范围为60
°‑
100
°
。当第一空间光调制器110为底部照明时，调节棱镜120可以为规则的楔形棱镜，则第一夹角
ɑ1与第二夹角
ɑ2的角度大小相等，从而有助于调节棱镜120的加工。又例如第一空间光调制器110为45
°
照明或者为侧面照明时，调节棱镜120可以为不规则的楔形棱镜，则第一夹角
ɑ1可以与第二夹角
ɑ2角度不相等，使调节棱镜120的结构的自由度更大，调节棱镜120的不同厚度部分的光程补偿量不同，有利于提升矫正像差效果。调节棱镜120不局限于为楔形棱镜，也可以是其他种类棱镜，对图像光的光路出射角度进行调节，起到校正投影仪显示系统10的像差的效果即可。
38.调节棱镜120绕图像光出光方向z的角度范围为35
‑
55
°
，在一种实施方式中，调节棱镜120绕图像光出光方向z的角度可以为45
°
。绕图像光出光方向z旋转一定角度的调节棱镜120可以在一定的范围(10
°
)内调整图像光的方向。
39.投影仪显示系统10还可以包括中继透镜组130，中继透镜组130中的透镜数量根据不同的投影仪显示系统10而不同，在一种实施方式中，中继透镜组130中的透镜数量为3
‑
5片，中继透镜组130用于将第一空间光调制器110出射的图像光成像至第二空间光调制器140。中继透镜组130中的透镜数量可以根据实际应用调整增减，不限于5片，可根据实际应用对透镜的数量进行增减。调整中继透镜组130中的透镜的数量、各透镜的材料和阿贝数，以及合理组合正透镜和负透镜，可进一步降低系统的像差。透镜可以为玻璃材质或者塑胶材质，各个透镜的材料可以不相同，中继透镜组130中的各个透镜的面型可以不一致。
40.中继透镜组130包括调节透镜135，调节透镜135的面型可以为凹面也可以为凸面，可以根据实际应用情况选择调节透镜135的面型。由于第一分光棱镜111和第二分光棱镜113的作用，从第一空间光调制器110出射的图像光存在光程差，导致图像光经过光路后成像至第二空间光调制器140上存在场曲，调节透镜135用于校正投影仪显示系统10的场曲。
41.在一种实施方式中，调节透镜135相对垂直于图像光的光轴的方向a具有倾斜角，
倾斜角的范围在0
°‑
30
°
。具有倾斜角的调节透镜135可以对图像光的光程差进行补偿。从而起到校正场曲的效果。
42.在一种实施方式中，调节透镜135离焦设置，调节透镜135使得图像光有离焦量，通过离焦设置调节透镜135可以较好的校正系统的场曲。
43.调节透镜135位于第一空间光调制器110出射的图像光的出瞳。具有倾斜角和离焦的调节透镜135被设置于出瞳处，更容易使不同视场的图像光的光程差不同，从而补偿引入的光程差，矫正场曲，能达到更好的校正系统场曲的效果。
44.第二空间光调制器140用于调制图像光，第二空间光调制器140用于将图像光调制为图像光，第二空间光调制器140可以为高分辨率的dmd，以实现高清显示，第二空间光调制器140的图像光进入投影镜头150，实现画面显示。
45.在图4所示的实施方式中，发光光源11出射的照明光经过第一分光棱镜111全反射，入射至第一空间光调制器110上，第一空间光调制器110出射的图像光进入第一分光棱镜111，经由中继透镜组130，入射至第二分光棱镜113上，经过第二分光棱镜113表面全反射后，入射至第二空间光调制器140上，第二空间光调制器140出射的图像光经第二分光棱镜113透射进入投影镜头150。
46.请一并参阅图4和图5，本实施方式中，调节透镜135没有倾斜放置，调节透镜135相对垂直于图像光的光轴的方向a倾斜角为0
°
，调节透镜135无离焦设置，整个中继透镜组130中的透镜无旋转，通过调节棱镜120、中继透镜组130中透镜的数量、材料等来矫正系统的像差，调节棱镜120绕图像光出光方向角度旋转，调节棱镜120绕图像光出光方向的角度z可根据实际情况调节，调节棱镜120与常规棱镜不同，第一夹角
ɑ1和第二夹角
ɑ2角度可以不同，可根据实际情况优化设计，以达到最佳的校正像差的效果。
47.此外，如图6所示，可以结合调节棱镜320和调节透镜335来矫正像差，尤其矫正系统的场曲，调节透镜335相对垂直于图像光的光轴的方向a具有倾斜角，调节透镜335离焦设置，调节透镜335设置于图像光的出瞳处。投影仪显示系统10中，由于第一分光棱镜311的影响，导致系统的场曲较大，即不同视场的光线的焦点不再同一个平面内。根据不同投影仪显示系统10对像差的要求，可以调整投影仪显示系统10中继透镜组330中透镜的数量。调节透镜335面型可以为凹面，也可以为凸面，能够较好矫正系统的场曲。本方案不限于空间光调制器为dmd，也可以为其他空间光调制器，例如可以为液晶显示器、硅基液晶调制器等。
48.在图6的实施方式中，楔形棱镜320和中继透镜组330将第一空间光调制器310出射的图像光成像至第二空间光调制器340上，调节透镜335倾斜放置，调节透镜335相对垂直于图像光的光轴的方向a具有倾斜角，倾斜角的大小可根据实际情况调整，楔形棱镜320可以以图6所示的方向放置，也可以绕图像光出光方向z角度旋转，楔形棱镜320的第一夹角
ɑ1和第二夹角
ɑ2可根据实际情况调整。通过调节透镜335和楔形棱镜320结合，可矫正投影仪显示系统10的场曲、像散及色差等。结合调整中继透镜组330中透镜的数量、材料和阿贝数，可进一步降低系统的像差，本实施方式中投影仪显示系统10的像差是普通投影仪显示系统的1/5。
49.为了实现投影系统的高效率、高对比度，在如图7所示的实施方式中，投影仪显示系统10还包括分光片160和第三空间光调制器170，分光片160可以是透红反蓝绿膜片，即分光片160可以透过红光波长范围内的图像光，并反射蓝绿波长范围内的图像光。分光片160
位于中继透镜组130和第二空间光调制器140之间，分光片160用于将图像光分离为第一光和第二光，第二调节器440用于调制第一光，第三空间光调制器170用于调制第二光，第一光为红光，第二光为蓝绿光。
50.由于红光在分光片160上透射，分光片160会给第三空间光调制器170上的红光带来像差，导致红光较难优化。双空间光调制器的投影仪显示系统中的分光棱镜组一般设计为对称结构，由于分光片160存在，导致红光和蓝绿光到达第二空间光调制器440和第三空间光调制器170上的光程不同，影响成像质量。
51.在一种实施方式中，投影仪显示系统10还包括平板玻璃片180，平板玻璃片180设置于分光片160和第三空间光调制器170之间，用于补偿第二光的光程，使第一光和第二光的光程接近，减小系统像差。
52.如图7所示，发光光源11出射的照明光经过第一空间光预调制器410预调制后通过楔形棱镜420和中继透镜组430后，红光从分光片160表面透射，入射到第二分光棱镜413上，并在第二分光棱镜413斜面全反射，达到第二空间光调制器440上，蓝绿光在分光片160上反射，经过平板玻璃180和第三分光棱镜415，最终达到第三空间光调制器170上。
53.本实施方式针对双dmd的投影仪显示系统，既除了对照明光进行预调制的第一空间光调制器410，还包括第二空间光调制器440和第三空间光调制器170。平板玻璃片180设置于分光片160和第三空间光调制器170之间，以补偿蓝绿光光程，使红光和蓝绿光的光程接近，减小系统像差。本实施方式结合楔形棱镜420、调节透镜435、平板玻璃180来降低像差，该方案同样适用于投影仪显示系统为三调制器的结构，用于预调制的第一空间光调制器410也可以为其他空间光调制器，例如第一空间光调制器110可以为lcd、lcos等调制器。
54.本技术实施方式还提供一种投影仪。投影仪包括上述任一实施方式的投影仪显示系统10以及投影镜头150，投影仪显示系统10发出的图像光入射所述投影镜头150。
55.本技术提供的投影仪显示系统10和投影仪通过调节棱镜和调节透镜的设置，其中调节棱镜用于调节图像光自第一空间光调制器出射的出射角度，调节透镜用于校正投影仪显示系统10的场曲，可以有效地降低投影仪显示系统10的像散、场曲等像差，均方根半径是只由像差引起的弥散斑，本技术提供的投影仪显示系统10均方根半径能够降低到常规投影仪显示系统的1/5，改善了投影仪显示系统10的成像质量。
56.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为特指或特殊结构。术语“一些实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施方式或示例中。在本技术中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本技术中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
57.以上实施方式仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。