CN102203670B - 投影仪及其控制方法 - Google Patents

Abstract

实现了一种安全的高亮的投影仪。投影仪将光束从光源(101)引导到图像调制装置(105)，并且通过变焦镜头(102)来放大和投影在图像调制装置(105)处形成的图像。这个投影仪具有透光窗(103)，该透光窗口(103)沿着光轴可移动地被布置在所述变焦镜头(102)的出光侧的表面的前方。该投影仪进一步具有窗口位置控制单元(108)，用于控制透光窗口(103)的位置，使得当改变变焦镜头(102)的焦距时，不改变在透光窗口(103)的外表面上出现的光束区域。

Description

投影仪及其控制方法

技术领域

本发明涉及适合于激光光源的投影仪及其控制方法。

背景技术

对于投影仪，积极地进行取代放电灯而使用固态光源的商业产品的研究和开发，旨在改善性能并且降低尺寸和成本。例如，可以商业方式获得使用LED光源的背投电视机和口袋型投影仪。

对于投影仪的固态光源，将激光光源看作也像LED那样有前途。虽然每人都认识到激光光源作为光源的高可能性，但是还没有可以商业方式获得使用激光光源的投影仪。原因是由于激光束的属性而需要各种限制，更不必说便宜的绿色半导体激光还没有实际使用。

例如，与现有的投影仪比较，可以几乎超乎想象地在尺寸上减小光束扫描型投影仪，该光束扫描型投影仪使用MEMS扫描仪来水平地和垂直地扫描激光束以显示图像。然而，它们必须符合在用于激光产品的安全的国际标准IEC 60825等中规定的安全标准。在IEC 60825等级中，光源的光输出被限制得小。因为这一点，所以说难以实现对于投影仪充分实用的亮度或实现与使用放电灯的传统投影仪相同的亮度。另外，因为激光束可以直接地进入人眼的风险，所以对于单独的等级指定安全亮度，并且调节根据人眼向激光束暴露的条件而改变。

另一方面，已知间接地扫描激光束的正投影型投影仪。例如，参见JP2008-58454A。这是下述类型：将激光束引导到诸如液晶光阀或DMD(数字镜装置)这样的二维微型显示器，并且使用诸如投影仪镜头这样的光学系统来放大和投影在微型显示器上显示的图像。

与光束扫描类型的投影仪比较，这种类型的投影仪被认为实现了更亮的投影仪。

现在，当操作使用激光光源的正投影类型的投影仪时，引起最大风险的状态是当人眼最接近投影仪镜头(投影镜头)时的状态。

通常，因为经常使用具有大约一英寸或更小的尺寸的微型显示器，所以可以认为，通过位于投影仪镜头的显露端侧的部分，即人们最近地接触的部分的光束的尺寸大于几个毫米的直径，该几个毫米是人眼瞳孔的平均尺寸。因此，具有在几个毫米的直径的范围内的直径的激光光束的功率可以被认为足够安全。因此，所计算的AEL(AccessibleEmission Limit：可达的发射极限)应当被设置来满足投影仪的安全等级。

在使用激光光源的投影仪中，更具体地，在正投影型投影仪的情况下，为了用户方便和产品的优点，经常将变焦镜头用作投影仪镜头。例如，在未提供与屏幕尺寸匹配的足够的投影仪安装距离的情况下，如果改变变焦镜头的变焦放大率，则可以将要在屏幕上投影的图像区域与屏幕尺寸匹配。在本说明书中，术语“广角”(wide angle)表示变焦镜头的焦距f的设置状态，其中，当投影预定尺寸的图像区域时，使得到屏幕的投影距离是最短的长度，并且术语“远角”(tele angle)表示变焦镜头的焦距f的设置状态，其中，当投影与广角的图像区域相同尺寸的图像区域时，使得到屏幕的投影距离是最长的长度。

通常，在投影仪的变焦镜头中，在从广角向远角改变的过程中，改变通过透镜元件的出光侧的表面的光束的位置和角度。因此，在透镜的出光侧的表面上照射的区域(激光光束通过的部分的面积)根据变焦镜头放大率调整而改变。这个区域的尺寸在广角处较大，并且在“远角”处较小(参见图1)。

结果，在光源的激光输出不变的条件下，在广角和远角之间出现在安全上的差别，更具体地，在AEL上的差别。

远角对于人眼危险，因为其激光功率密度比在广角时更高。因为这个原因，当激光输出被设计来满足符合在远角处的安全等级的AEL或更低时，可以对于变焦镜头的整个可变功率区域补偿该安全等级。然而，关于这些措施，根据AEL的安全余裕可能性未被优化。换句话说，虽然亮得多的图像在广角处会被合法地投影，但是亮度不增加。

发明内容

本发明的目的是提供可以解决如上所述的问题的一种投影仪和一种用于投影仪的控制方法。这个目的的示例是实现一种投影仪，其中，可以在变焦镜头的广角侧执行对于光输出的设置，这可以实现较高的亮度，并且保证在变焦镜头的整个可变功率区域上的安全性。而且，一个目的是使得投影仪的光输出在变焦镜头的整个可变功率区域上相同。

本发明涉及一种放大和投影来自光源的光束的投影仪。具体地说，本发明提供一种投影仪，其中，在变焦镜头的出光侧的表面上出现的光束区域中的能量密度在变焦镜头的整个可变倍率区域上等于或小于预定安全值。

根据本发明的一个方面的一种投影仪具有透光窗口，所述透光窗口沿着光轴可移动地布置在变焦镜头的出光侧的表面的前方。而且，所述投影仪具有控制装置，用于控制所述透光窗口的位置，使得当改变所述变焦镜头的焦距时，不改变在所述透光窗口的外表面上出现的光束区域。

附图说明

图1是图示在投影仪的变焦镜头的出光表面处的激光光束区域的尺寸(广角和远角的状态)的图；

图2是图示本发明的第一示例性实施例的配置的图；

图3是在图2中所示的透光窗口的示例性配置；以及

图4是图示根据本发明的第一示例性实施例的、基于窗口的操作的在透光窗口上的激光光束区域的尺寸的图。

具体实施方式

下面，将参考附图描述本发明的实施例。

本发明涉及一种投影仪，其中，诸如液晶板或DMD这样的二维微型显示器用作图像调制装置，并且红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的彩色光束被引导到这个图像调制装置以用于通过投影仪镜头的放大和投影。更具体地，本发明涉及这样的一种投影仪，该投影仪以诸如LED或激光光源这样的固态光源来作为光源，并且包括具有变焦功能的投影仪镜头。另外，在下面，将给出和描述一个示例，其中，将激光光源用作投影仪光源。然而，在此使用的光源不限于此，并且该光源能够被替换为可以实现本发明的目的的其他光源。

首先，将详细描述本发明的基本思想。

在将激光作为现有放电灯的替代品用于投影仪光源的情况下，在产品的重复强度上，关键的是，这样的产品可以符合激光束的安全标准(IEC 60825或JIS C6802等)，并且实际上可以实现满足投影仪的可允许的安全等级的较大亮度。在2008年4月在日本激光协会发起下举行的激光技术专门研讨会的“高功率红色半导体激光器和激光投影仪应用”(索尼公司)讲座中，讨论下面与使用激光作为光源的正投影型投影仪的安全相关的思想。

在微型显示器方案中，光源的激光束的光束直径通过利用诸如蝇眼透镜或柱状透镜等这样的积分器光学系统而被放大，以对应于微型显示器的尺寸，然后被引导到微型显示器。在微型显示器后照明光沿着的路径与在基于放电灯的投影仪中的路径相同，因此可以将被放大以对应于微型显示器的光束看作光源。因此，如果发现当光束通过投影仪镜头时的功率密度的值等于或小于预定安全等级的AEL(可达发射极限)值，则可以认为投影仪安全。而且，指定危险激光辐射的持续时间是0.25秒或更长。

关于激光投影仪的对于人最危险的情况是下述情况：其中，将眼睛置于投影仪镜头紧前，投影仪镜头紧前是投影仪的投影光的出射点。此时，在最接近屏幕的投影仪镜头表面上出现的激光光束区域的部分(在投影仪镜头的出光侧的表面上的光亮部分)的面积经常大于人瞳孔的直径，人瞳孔的直径是几毫米的直径。在该情况下，制造商必须设计光源的激光输出，使得在激光光束区域中的、也被称为能量密度的激光功率密度(W/mm²)的值满足安全等级的要求。

然而，在具有变焦镜头的激光投影仪的情况下，在变焦镜头的出光侧的表面上出现的激光光束区域的尺寸(要投影的图像面积)在下述两种状态之间不同：其中变焦镜头的焦距f是最长长度的状态(即，远角)；以及，其中变焦镜头的焦距f是最短长度的状态(即，广角)。

例如，当用于根据液晶、DLP(注册商标)显示器等的正投影型投影仪的变焦镜头被调整到广角设置或远角设置时，在最接近屏幕的在变焦镜头中的透镜元件的出光表面上的激光光束区域的尺寸在广角比在远角大(参见图1A和1B)。

这是因为，这是变焦镜头的特性。当然，如下考虑是可以的：当从广角向远角调整角度时，在广角和远角之间的中间部分，在透镜元件的出光侧的表面上的激光光束区域的尺寸变小。

如上所述，与变焦镜头的焦距的调整、即变焦放大率的调整相关联，改变在变焦镜头的出光侧的表面上的激光光束区域的尺寸使得激光功率密度改变。结果，将出现安全问题，除非制造商采取一些对策。

在此，将描述关于为什么当在透镜元件的出光侧的表面上的激光光束区域的尺寸在广角和远角之间不同时出现问题。另外，也将描述通过补充该差别而获得的益处。

在变焦镜头的出光侧的表面上出现的激光光束区域被看作好像在那个表面上存在那个尺寸的激光光源。结果，在激光光束区域的尺寸上的差别意味着其中的激光功率密度(W/mm²)不同。在此，在根据激光的安全标准指定的激光等级中，为了说明方便，假定预定激光安全等级是“等级1”。

在设计投影仪中，要确定在投影仪内的激光光源的输出，使得由在变焦镜头的出光侧的表面上的激光光束区域的尺寸确定的能量密度等于或小于等级1的标准，否则有合法上的问题。如果使用其输出在那个范围内、换句话说在等级1的范围内尽可能大的这样的激光，则从投影仪获得的投影图像最后变为在安全标准内最亮。

为了实现可以投影亮图像的投影仪，设计者将自然地考虑使用激光光源，该激光光源提供在等级1的范围内的、在投影仪镜头的出光侧的表面上的激光光束区域中输出的最高能量密度。

然而，在该情况下，产生问题。在广角和远角之间的比较中，在变焦镜头的出光侧的表面上的激光光束区域的尺寸在广角更大。因为这个原因，在具有相同的激光输出的光源中，换句话说，在不变地使用激光光源的条件下，在激光光束区域中的能量密度(激光功率密度)在广角比在远角小。

因此，假定期望在变焦镜头放大率改变范围中完全满足用于等级1的安全标准，在远角在激光光束区域中的能量密度必须被调整为等于或小于等级1的安全标准。因此，在广角比在远角有更大的在能量密度上的安全余裕。换句话说，在广角合法地投影的图像将被认为变得更亮，但是在广角的可能未被优化。

这样的问题的产生是因为当变焦镜头的焦距改变时，在变焦镜头的出光侧的表面上的激光光束区域的尺寸改变。如果变焦镜头的出光侧的表面的位置固定，则改变在出光侧的表面上出现的激光光束区域的尺寸是自然的现象。

然后，在本发明的示例中，投影窗口沿着光轴可移动地被布置在变焦镜头的出光侧的表面之前。投影窗口由没有折射光焦度的平行板形成。然后，来自激光光源的激光光束的能量被设置为恒定，并且，当改变变焦镜头的焦距时，投影窗口的位置改变，以便当变焦镜头的焦距改变时不改变在投影窗口的外表面上出现的激光光束区域。例如，相对于变焦镜头的出光侧的表面，投影窗口的平行板的位置在广角设置中最接近，并且在远角设置中最远。

根据这个方案，可以提供在变焦镜头放大区域的整个范围中具有高亮度的投影仪。另外，满足预定安全等级并且实现在那个等级中的最佳性能(亮度)的这样的正投影型激光投影仪可以被投放到市场。

本发明的实施例

下面，将参考附图来描述根据本发明的投影仪的一个示例性实施例。

图2是说明本发明的第一实施例的配置的图。根据这个实施例的投影仪包括激光光源101、图像调制装置105、变焦镜头102和容纳它们的壳体104。

壳体104具有开口，通过该开口，从变焦镜头102发射的激光光束投影到壳体之外。这个开口设置有透光窗口103，该透光窗口103能够沿着光轴移动。例如，透光窗口103被安装在壳体104上相对于变焦镜头102的出光侧的表面有预定间隔，使得透光窗口103通过壳体104的开口而延伸出壳体104或缩入壳体104。

而且，在改变变焦镜头102的焦距或变焦放大率的同时，移动透光窗口103。

变焦位置检测单元107被设置来根据改变变焦镜头102的焦距来检测变焦位置。窗口位置控制单元108进一步被设置为根据所检测的变焦位置来控制透光窗口103的位置。对于变焦镜头102，可以使用在公知技术的投影仪中使用的变焦镜头。

在此引用的术语“变焦位置”表示当沿着光轴移动构成变焦镜头102的内部透镜元件组的一部分以确定变焦镜头102的焦距(到屏幕的投影距离，或变焦放大率)时内部透镜元件组的一部分的位置。

对于检测变焦位置的示例性装置，在变焦镜头102的透镜镜筒上设置了变焦环以围着透镜镜筒的中心轴旋转，用于改变变焦位置。为了用户操作以旋转的方便，变焦环具有在壳体104的外侧上暴露的杆。在变焦镜头102上设置了位置传感器来作为变焦位置检测单元107，以检测作为用于改变变焦位置的装置的变焦环的旋转角。

如果预先得到在变焦环的旋转角、变焦镜头102的内部透镜元件组的一部分的位置、和根据所述位置确定的变焦镜头102的焦距(到屏幕的投影距离或变焦放大率)之间的关系，则从由位置传感器检测的变焦环的旋转角得到与到屏幕的投影距离或变焦放大率对应的当前变焦位置。

在该情况下，变焦环的旋转范围受限。在变焦镜头102中，将变焦环旋转到旋转范围的一端建立了其中变焦镜头的焦距是最短的状态，即“广角”，而将该环旋转到另一端建立了其中变焦镜头的焦距是最长的状态，即“远角”。

示出了其中用户操作所述杆来旋转变焦环的示例。然而，也可以使用从与投影仪远离的位置远程操作的诸如马达这样的致动器来旋转变焦环。而且，关于用于改变变焦位置的装置，也可以使用与上述的变焦环不同的另一种结构。

而且，对于透光窗口103，平行板是优选的，该平行板由能够透射可见激光光束的透明材料构成。对于这个平行板，可以使用例如光学玻璃、塑料等。未具体指定平行板的厚度。因为在透光窗口破裂的情况下可能出现危险的情形，所以可以提供下述措施：通过附接光学透明膜等来防止透光窗口103的平板部分的破裂。破裂除了破损之外进一步包括孔或裂缝等。

如图3中所示，透光窗口103的外观具有茶叶筒盖的形状。透光窗口103的平板部分103a是与光轴正交并且面向变焦镜头102的出光表面的平行板的一部分，该平板部分优选地如上所述由透明构件构成，如上所述。优选的是，围绕这个平板部分103a的圆柱侧表面部分103b由不透明的构件构成。这是因为，如果圆柱侧表面部分103b由透明构件构成，则光泄漏出透光窗口103的侧表面，或人瞳孔当接近圆柱侧表面部分103b时暴露到危险中。

另外，透光窗口103的形状不限于圆柱形状。关于透光窗口103的形状，棱镜和其他形状是可能的。期望地，通过考虑壳体104的设计来确定形状。重要的是，出自变焦镜头102的光被允许从透光窗口103出现，而不遮挡光，并且不使得光泄漏出侧表面。

对于激光光源101，可以使用半导体激光器或固态激光器等。对于发射红色或蓝色光的激光光源，能够从已经对于DVD或蓝光装置等大量生产的半导体激光器获得较为便宜的激光光源。而且，对于绿光发射激光器，可以使用通过经由SHG(二次谐波产生)装置的波长转换而获得的激光光源。然而，本发明不限于此。

而且，在激光光源101和图像调制装置105之间，布置了照明光学系统106，以将来自激光光源101的激光光束(激光束)放大为与图像调制装置105的尺寸对应的尺寸。照明光学系统106沿着激光光束的传播方向以下述顺序由透镜106a、积分器106b和透镜106c形成。透镜106a和106c是凸透镜，积分器106b是蝇眼透镜或柱状积分器等。

图像调制装置105是形成二维图像的微型显示器，并且例如，透射液晶光阀、DMD(数字镜装置)或LCOS(反射液晶器件)等用作图像调制装置105。

在二维图像调制装置105形成的图像通过变焦镜头102被投影到未示出的屏幕、白壁等上。此时，允许图像通过透光窗口103从壳体104出去。

另外，在图2中所示的框图被图示为示意图。因此，虽然单个地示出激光光源、图像调制装置等的每一个，但是该配置实际上较复杂。

例如，对于光源，如果期望实现可以提供彩色图像的投影仪，则需要以三色R、G和B来发射光的激光光源。在该情况下，如果光源由三个单独的彩色激光模块形成，则也需要用于组合三种颜色的光的光学部件，诸如滤光器等。当然，关于图像调制装置，也根据使用哪个类型，透射型或反射型，改变光学系统的布局。因此，根据本发明的投影仪的光学系统不限于在附图中示出的光学部件的数量和布局。

接下来，将描述这个投影仪的操作。

例如，用户使用杆来旋转变焦镜头102的变焦环，然后，移动构成变焦镜头102的内部透镜系统的一部分的位置(变焦位置)，以改变变焦镜头102的焦距(到屏幕的投影距离，或变焦放大率)。

在以这种方式来改变变焦镜头102的焦距的同时，移动透光窗口103。

在此，将详细描述透光窗口103的移动。

在改变变焦镜头102的焦距的同时移动透光窗口103，使得当将变焦镜头102设置在广角模式中时在透光窗口103的外表面(平板部分103a)上出现的激光光束区域110的尺寸几乎等于当将变焦镜头102设置在远角模式时在透光窗口103的外表面(平板部分103a)上出现的激光光束区域111的尺寸(参见图4A和4B)。即使在广角和远角之间改变的过程中，透光窗口103的位置被控制使得不改变在透光窗口103的外表面(平板部分103a)上出现的激光光束区域的尺寸。

在示例性实施例中，当用户操作在变焦镜头102的变焦环上设置的杆时，通过变焦位置检测单元107来检测此时的变焦位置信息。

此时，基于变焦位置来得到透光窗口103要移动到的位置。

详细而言，假定未移动透光窗口103，然后当从广角向远角调整变焦镜头102时，在透光窗口103的外表面上的激光光束区域的尺寸将变小。在本发明中，期望控制透光窗口103的位置，使得当改变变焦镜头102的焦距时，不改变在任何变焦位置处的透光窗口103的外表面上的激光光束区域的尺寸(面积)。通过基于变焦镜头102的规格执行光学模拟(光路跟踪)，可以预先精确地了解在透光窗口103的外表面上出现的激光光束区域的尺寸(面积)。然后，使用上述的光学模拟(光路跟踪)来预先计算透光窗口103的位置，在所述位置，对于任何变焦位置不改变在透光窗口103的外表面上的激光光束区域的尺寸(面积)，并且所述位置被存储在窗口位置控制单元108等中。

在该情况下，也预先确定在透光窗口103的外表面上的激光光束区域的尺寸(面积)，使得激光光源101的输出值[W]被固定，从而在透光窗口103上的激光功率密度(能量密度)是满足投影仪的安全等级的AEL值[W/mm²]。

然后，例如，当操作变焦环的杆以调整变焦镜头102为广角时，由变焦位置检测单元107检测到当前变焦位置。基于这个检测结果，窗口位置控制单元108移动透光窗口103，使得将其在图2中的箭头A的方向上缩回壳体104内。此时，在透光窗口103的外表面上的激光光束区域的尺寸(面积)几乎是相同的，该尺寸(面积)与在向广角的变焦操作之前的尺寸相比没有增大。

另一方面，当变焦镜头106在初始状态中被设置在广角并且从那个状态向远角执行变焦调整时，变焦位置检测单元107检测当前的变焦位置，并且从所检测到的当前变焦位置信息得到透光窗口103要移动到的位置。基于这个检测结果，窗口位置控制单元108在图2的箭头B的方向上移动透光窗口103，以便将其从壳体104内部向前推。此时，在透光窗口103的外表面上的激光光束区域的尺寸(面积)几乎是相同的，该尺寸(面积)与在向远角的变焦操作之前的尺寸相比没有减小。

根据如上所述的讨论，要从投影仪出现的光束的尺寸，即透光窗口103上的激光光束区域的尺寸总是相同的，即使当操作变焦镜头102的变焦环的杆以移动变焦位置时。

因此，在本发明中，可以将在透光窗口103的外表面上的激光光束区域中的能量密度保持在恒定值，该恒定值等于或小于AEL值，而与改变变焦镜头102的焦距无关。换句话说，可以提供在整个变焦镜头放大率改变区域中安全的并且投影明亮图像的投影仪。

第一实施例的示例修改

可以容易地修改上述的第一示例性实施例。

例如，也可以构造在变焦镜头102上一体地具有可移动的透光窗口103的结构，而不像上述示例性实施例那样，在具有投影仪的外观的壳体104的光出口处设置可移动的透光窗口103，

更具体地，可以采用在变焦镜头102的出光侧上具有光学透明的平行板的透镜镜筒结构。透光窗口103的操作几乎与第一实施例相同。

透光窗口103被一体地安装在变焦镜头102上，使得存在下述优点：改善了整个投影仪的装配，因为可以将透光窗口103的移动机构设计为变焦镜头的透镜镜筒的凸轮机构。

如上所述，为了描述本申请的发明，示出了示例性实施例。然而，本申请的发明不限于上述示例性实施例。本领域技术人员可以明白，在本申请的发明的技术思想的范围内，本领域技术人员可以不同地修改本申请的发明的形式和细节。

Claims (6)

1.一种投影仪，包括：

变焦镜头，被构造为放大和投影从光源发射的光束；

透光窗口，沿着光轴可移动地被布置在所述变焦镜头的出光侧的表面的前方；以及

控制器，被构造为控制所述透光窗口的位置，使得当改变所述变焦镜头的焦距时，不改变在所述透光窗口的外表面上出现的所述光束的区域，

其中，所述光源是激光光源，

其中，所述投影仪将激光光束从所述激光光源向图像调制装置引导，并且通过所述变焦镜头放大和投影在所述图像调制装置处形成的图像，以及

其中，在所述透光窗口的外表面上出现的所述激光光束的能量密度等于或小于可达发射极限值(AEL值)，以满足投影仪的激光安全等级。

2.根据权利要求1所述的投影仪，其中，所述透光窗口由与所述光轴正交的平行板形成，并且面向所述变焦镜头的出光侧的表面。

3.根据权利要求1所述的投影仪，其中，当所述变焦镜头的焦距被设置为最短长度时，所述透光窗口与所述变焦镜头的出光侧的表面最接近，并且当所述变焦镜头的焦距被设置为最长长度时，所述透光窗口与所述变焦镜头的出光侧的表面最远。

4.根据权利要求3所述的投影仪，进一步包括用于改变所述变焦镜头的焦距的改变机构。

5.根据权利要求4所述的投影仪，

其中，所述改变机构是在所述变焦镜头的透镜镜筒上可旋转地安装的变焦环，所述变焦环被构造为旋转以沿着所述光轴移动内部透镜元件组的一部分，用于确定所述变焦镜头的焦距，以及

其中，所述投影仪进一步包括变焦位置检测器，所述变焦位置检测器被构造为，根据所述变焦环的旋转角，检测用于确定所述焦距的所述内部透镜元件组的一部分的位置。

6.一种用于投影仪的控制方法，所述投影仪通过变焦镜头放大和投影来自光源的光束，所述方法包括：

沿着光轴可移动地将透光窗口布置在所述变焦镜头的出光侧的表面的前方；以及

控制所述透光窗口的位置，使得当改变所述变焦镜头的焦距时，不改变在所述透光窗口的外表面上出现的所述光束的区域，

其中，所述光源是激光光源，

其中，所述投影仪将激光光束从所述激光光源向图像调制装置引导，并且通过所述变焦镜头放大和投影在所述图像调制装置处形成的图像，以及

其中，在所述透光窗口的外表面上出现的所述激光光束的能量密度等于或小于可达发射极限值(AEL值)，以满足投影仪的激光安全等级。

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