投影系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及投影技术领域，具体而言，涉及一种投影系统及其设计方法。
背景技术
投影机在使用的时候，受限于使用场合的限制，投影机安装或是摆放的位置有要求，同时对投影出的画面位置也有要求，即投影机的位置及画面的位置都受到限制。为了满足现场应用的需要，目前都采用如下方案：给投影系统增加镜头位移功能。通过调整投影镜头的上下，左右位置实现画面的上下左右移动。
如图1和图2所示，投影系统10在光的调制装置11和透镜镜头(成像镜头)12的配合下对投影画面20进行调节。其中，透镜镜头12向上移动的时候，根据成像的规律，投影画面20也会相应的向上移动，且移动的距离是镜头移动的M倍，其中M为镜头的放大率。通过这样的调整方案，达到一种投影机与画面位置变化的目的。
但是，现有技术中的投影系统10增加位移模组调整的功能，系统的体积会增加，无法实现小型化。镜头的成像范围要求提高，镜头的价格与可移动距离成指数关系。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种投影系统及其设计方法，以解决现有技术中的投影系统设置调节模组时使投影系统的体积增大，且成本较高的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种投影系统，包括照明装置、调制装置和成像镜头，照明装置为调制装置提供光照，成像镜头对调制装置成像，成像镜头的光轴与投影画面所在的平面的法线相交；其中，照明装置仅对调制装置的有效区域提供光照，有效区域为调制装置实际动态调制的区域。
进一步地，有效区域的大小小于调制装置实际设计区域的大小。
进一步地，有效区域形状为圆形，四边形或者椭圆形。
进一步地，照明装置包括透镜组件，透镜组件设在调制装置远离成像镜头的一侧。
进一步地，投影系统还包括光源装置，光源装置设置在透镜组件远离调制装置的一侧，透镜组件将光源装置发出的光引导到调制装置上。
进一步地，照明装置还包括匀光组件，匀光组件设置在光源装置与透镜组件之间，以对光源装置发出的光进行均匀化，并限制光源的光照射于调制装置的有效区域。
进一步地，匀光组件设置为光导管或者复眼透镜，匀光组件的尺寸与调制装置有效区域的尺寸相适配。
根据本发明的另一方面，提供了一种投影系统的设计方法，使用步骤包括：使用或设计预定要求的画面偏移量；根据选定调制装置的类型和成像镜头的参数，计算成像镜头所需要的倾斜角度，并同步确定调制装置有效区域的位置及大小；根据调制装置有效区域的大小计算照明装置中匀光组件的尺寸，使得两者相匹配，以达到亮度的最大输出；根据实际投影结果进行结构与参数的微调。
进一步地，画面偏移量为投影画面中心与成像镜头光轴中心所在平面的距离；倾斜角度是镜头光轴与画面法线的夹角。
进一步地，当倾斜角度调节至θ时，匀光组件的尺寸与有效区域相匹配，投影画面经过画面偏移量的位移后到达预设位置；当投影画面向画面偏移量变大的方向调制时，投影画面呈倒梯形；根据倾斜角度和投影系统与投影画面的距离得出倒梯形的下边的长度为W1，上边的长度为W2，高度为H1，并确定预设的投影画面的尺寸为W1*H2，其中W1/H2为实际要求的投影画面的长宽比。
进一步地，当倾斜角度过大时，成像镜头配合调制装置倾斜作为补偿。
进一步地，调制装置的实际设计区域的尺寸为w1*h1，有效区域的下边的长度为w1，上边的长度为w2，高度为h2，且w2＝W1*w1/W2,h2＝H2*h1/H1。
进一步地，将调制装置的尺寸设置为w1*h2，以匹配调制装置的有效区域。
进一步地，调制后的匀光组件的出光口的下边的长度为L1，上边的长度为L2，高度为D，且L2＝w2/w1*L1。
应用本发明的技术方案，成像镜头配合调制装置后，可以改变所述投影系统的投影画面的投射位置和投影形状，这样的设置可以减少调节模组的安装，进而避免投影系统体积的增加，同时可以对投影画面进行调节。具体地，改变成像镜头与投影画面所在平面的法线方向夹角的大小，可以改变投影画面在其所在平面的位置，此时，投影画面的形状会发生变化。配合调制装置后，可以将变形后的图像恢复到原来的规则形状，进而使投影画面移动时不会出现图像扭曲变形的情况。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的投影系统设置调节模组时使投影系统的体积增大，且成本较高的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了传统的投影系统的投影画面调整前的结构示意图；
图2示出了传统的投影系统的投影画面调整后的结构示意图；
图3示出了本发明的投影系统的投影画面调整前的结构示意图；
图4示出了本发明的投影系统的投影画面调整后的结构示意图；
图5示出了本发明的投影系统的调整前后投影画面的变化示意图；
图6示出了本发明的投影系统的工作原理的光路的示意图；
图7示出了本发明中投影画面的有效区域和无效区域对比示意图；
图8示出了本发明中调制装置的有效区域和无效区域对比示意图；
图9示出了本发明中调制装置的去掉部分无效区域后的对比示意图；
图10示出了本发明中匀光组件的开口示意图；
图11示出了本发明的投影系统使用时的流程图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、投影系统；11、调制装置；12、成像镜头；20、投影画面；30、光源装置；40、匀光组件；50、透镜组件。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
如图3至图6所示，本实施例中的一种投影系统10，包括照明装置、调制装置11和成像镜头12，照明装置为调制装置11提供光照，成像镜头12对调制装置11成像，成像镜头12的光轴与投影画面20所在的平面的法线相交；其中，照明装置仅对调制装置的有效区域提供光照，有效区域为调制装置11实际动态控制的区域。
应用本实施例的技术方案，成像镜头12配合调制装置11后，可以改变所述投影系统10的投影画面20的投射位置和投影形状，这样的设置可以减少调节模组的安装，进而避免投影系统10体积的增加，同时可以对投影画面20进行调节。具体地，改变成像镜头12与投影画面20所在平面的法线方向夹角的大小，可以改变投影画面20在其所在平面的位置，此时，投影画面20的形状会发生变化。配合调制装置后，可以将变形后的图像恢复到原来的规则形状，进而使投影画面20移动时不会出现图像扭曲变形的情况。本实施例的技术方案有效地解决了现有技术中的投影系统10设置调节模组时使投影系统10的体积增大，且成本较高的问题。
如图3至图6所示，在本实施例的技术方案中，有效区域的大小小于调制装置11实际设计区域的大小。上述结构可以保证有效区域在调制装置11上的完整性，进而避免投影画面20因调整而出现缺失。
如图3至图6所示，在本实施例的技术方案中，有效区域形状为圆形，四边形或者椭圆形。上述结构可以根据投影画面20的需求形状来设置对应形状的有效区域。
如图3至图6所示，在本实施例的技术方案中，照明装置包括透镜组件50，透镜组件50设在调制装置11远离成像镜头12的一侧。投影系统10还包括光源装置(30)，光源装置30设置在透镜组件50远离调制装置11的一侧，透镜组件50将光源装置30发出的光引导到调制装置11上。上述结构中透镜组件50的设置可以将光源装置30发出的光引导到调制装置11上，之后配合成像镜头12投射出投影画面20。
如图3至图6所示，在本实施例的技术方案中，照明装置还包括匀光组件40，匀光组件设置在光源装置30与透镜组件50之间，以对光源装置发出的光进行均匀化，并限制光源的光照射于调制装置11的有效区域。上述结构中匀光组件的设置可以使照射在有效区域上的光源更加均匀，进而使投影画面更加清晰稳定。
如图3至图6所示，在本实施例的技术方案中，匀光组件设置为光导管或者复眼透镜，匀光组件的尺寸与调制装置11的有效区域的尺寸相适配。上述结构可以更好地传导图像。
如图6至图11所示，本实施例中的一种投影系统10的设计方法，使用步骤包括：使用或设计预定要求的画面偏移量；根据选定调制装置11的类型和成像镜头12的参数，计算成像镜头12所需要的倾斜角度，并同步确定调制装置11有效区域的位置及大小；根据调制装置11有效区域的大小计算照明装置中匀光组件40的尺寸，使得两者相匹配，以达到亮度的最大输出；根据实际投影结果进行结构与参数的微调。通过上述步骤可以改变投影系统10的投影位置，并未改变后的投影画面20进行调制校正。
如图7所示，在本实施例的技术方案中，画面偏移量为投影画面中心与成像镜头光轴中心所在平面的距离。倾斜角度是镜头光轴与画面法线的夹角。上述步骤中画面偏移量是指投影画面20的位置的改变量，倾斜角度的改变用来改变投影画面20的画面偏移量。
如图7所示，在本实施例的技术方案中，当倾斜角度调节至θ时，投影画面的位置及大小到达预定要求的画面偏移量。当投影画面20向画面偏移量变大的方向调制时，投影画面20呈倒梯形；根据倾斜角度和投影系统10与投影画面20的距离得出倒梯形的下边的长度为W1，上边的长度为W2，高度为H1，并确定预设的投影画面20的尺寸为W1*H2，其中W1/H2为实际要求的投影画面的长宽比。上述步骤可以确定出预设投影画面20的尺寸，并根据实际需要计算调制装置11的需求尺寸。预设投影画面20是指调制后的需求投影画面20。
值得注意的是，当所述倾斜角度过大时，成像镜头12配合调制装置11倾斜作为补偿。上述步骤可以使投影画面20的画面更加清晰，避免画面局部不清楚的情况。例如倾斜一个小角度用于补偿因画面倾斜造成的画面局部不清楚。
如图8所示，在本实施例的技术方案中，调制装置11的实际设计区域的需求尺寸为w1*h1，有效区域的下边的长度为w1，上边的长度为w2，高度为h2，且w2＝W1*w1/W2,h2＝H2*h1/H1。上述步骤可以得出调制装置11的需求尺寸，具体根据投影系统10的大小确定需要的调制装置11的需求尺寸。
如图9所示，在本实施例的技术方案中，将调制装置11的尺寸设置为w1*h2，以匹配调制装置11的有效区域。上述步骤可以将多余的无效区域剔除，具体根据实际需求进行选择。上述尺寸可以使无效区域调制装置11不会得到光照，即没有因无效照明产生的光损失，最大效率的利用光能量。
如图10所示，在本实施例的技术方案中，调制后的匀光组件40的出光口的下边的长度为L1，上边的长度为L2，高度为D，且L2＝w2/w1*L1。上述步骤用来确定匀光组件40的出光口需要尺寸，进而根据投影画面20的变化对匀光组件40的出光口的形状进行调节。
值得注意的是，当进行上下或者左右调制时，调制装置11的有效区域多为等腰梯形，进行复合调节时，会形成其他四边形，左右调制的方法与上下调制的方法相似。复合调节时，可以分别进行上下或者左右调制，以达到需要的投影画面20。
值得注意的是，本发明优选的设计方式是：
根据画面的偏移量，计算出成像镜头12的光轴相对于画面法线方向的夹角θ，再结合成像镜头12设计的偏移量和投射比两个参数，就可以推导出调制装置11全部使用时，其画面的尺寸参数(W1,W2,H1)。再根据上面的尺寸计算出调制装置11有效区域的尺寸，进而计算出光导管或是复眼透镜的尺寸。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：成像镜头12配合调制装置11后，可以改变所述投影系统10的投影画面20的投射位置和投影形状，这样的设置可以减少调节模组的安装，进而避免投影系统10体积的增加，同时可以对投影画面20进行调节。具体地，改变成像镜头12与投影画面20所在平面的法线方向夹角的大小，可以改变投影画面20在其所在平面的位置，此时，投影画面20的形状会发生变化。配合调制装置后，可以将变形后的图像恢复到原来的规则形状，进而使投影画面20移动时不会出现图像扭曲变形的情况。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的投影系统10设置调节模组时使投影系统10的体积增大，且成本较高的问题。
本发明的技术效果还包括：
1.采用普通的镜头，实现较大的画面位置的改变；
2.保证系统画面的输出亮度不会大幅度的降低；
3.在功能满足的情况下，保持成本不变。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
