專利名稱：具有一個(gè)投影機(jī)和偏轉(zhuǎn)鏡的投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)帶一投影機(jī)和偏轉(zhuǎn)鏡的投影系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，圖像投影從一個(gè)投影方向投射到位于兩個(gè)空間方向內(nèi)的活動(dòng)的偏轉(zhuǎn)鏡上，其鏡面以一個(gè)仰角和方向角反射投影光線。這種投影系統(tǒng)也可稱為圖像投影機(jī)，因?yàn)榭僧a(chǎn)生靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的圖像，該圖像被投影到一個(gè)投影面上并在該投影面上運(yùn)動(dòng)。
在正面投影時(shí)，投影面是一道幕墻(例如亞麻布屏)，或在背面投影時(shí)投影面則為一個(gè)投影屏(例如毛玻璃屏)。其中投影機(jī)不受一種確定的圖像產(chǎn)生的限制。投影機(jī)可用借助于亮度調(diào)制的和/或顏色調(diào)制的光束來記錄圖像。這種投影機(jī)也叫做激光投影機(jī)。但也可用投影圖像的投影機(jī)，這種投影機(jī)從機(jī)器內(nèi)部的投影面投影圖像，例如眾所周知的陰極射線管顯示投影機(jī)、液晶顯示投影機(jī)、數(shù)字微鏡像顯示投影機(jī)或幻光投影機(jī)。
美國專利US 5365288 DEWALD提出了一種用激光束產(chǎn)生的圖像的偏轉(zhuǎn)裝置。圖像通過一個(gè)K-鏡系統(tǒng)本身可旋轉(zhuǎn)地并通過一個(gè)雙軸支承的鏡這樣偏轉(zhuǎn)，使產(chǎn)生的圖像可在一定的空間范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)。圖形反射用的元件是這樣布置的，即圖像在一個(gè)位于底部的儀器中產(chǎn)生并從該底部位置偏轉(zhuǎn)到偏轉(zhuǎn)鏡上。
從該裝置得出一個(gè)實(shí)用的偏轉(zhuǎn)角度范圍，該偏轉(zhuǎn)角度范圍相對于通過偏轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)軸的一個(gè)水平面為-朝底部方向因所需的儀器尺寸受到限制，所以最多為45°左右而沒有明顯的圖像陰影。
-朝頂部方向由于對著不斷無限增大的反射鏡尺寸而最多為30°。
所以對觀察者來說，在頂部方向內(nèi)的觀察可能性受到的限制要比底部方向內(nèi)大得多。但這與圖像一般“朝天”投射的通常的觀察方式是矛盾的，還有從為了避免由于別的觀察者或者由于部件引起的陰影考慮，也是矛盾的。所以用這種布置方式不可能在天頂附近產(chǎn)生圖像。
本發(fā)明的目的在于，擴(kuò)大上述那種投影系統(tǒng)在一定投影面上的可能的圖像顯示的范圍。在一個(gè)與圖像尺寸成比例的大的投影面內(nèi)尤其是在一個(gè)投影圓頂內(nèi)擴(kuò)大相當(dāng)小的圖像的顯示范圍。顯示范圍的位置應(yīng)適合觀察者的一般的觀察習(xí)慣并還可在天頂?shù)母浇吞祉旓@示圖像。其中，可用相當(dāng)小的費(fèi)用就可顯示出單色的、黑白的或彩色的優(yōu)質(zhì)圖像，同時(shí)可使這種圖像在投影面上這樣迅速運(yùn)動(dòng)，使觀察者可大致跟得上圖像的運(yùn)動(dòng)。此外，提出一種由多個(gè)投影機(jī)組成的投影系統(tǒng)并使相互的陰影減小到最低限度和將全部投影機(jī)的可能的圖像顯示范圍增加到最大限度。
本發(fā)明提出一種帶有一個(gè)投影機(jī)和一個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡的投影系統(tǒng)，其中圖像投影從一個(gè)投影方向沿一根主投影軸投射到活動(dòng)支承在兩個(gè)空間方向內(nèi)的偏轉(zhuǎn)鏡上，其鏡面以一定的仰角和方向角將一束投影的光束偏轉(zhuǎn)到一個(gè)位于底部的投影面上。其中圖像投影從天頂方向在一個(gè)角度β下進(jìn)行，該角度相對于天頂?shù)拇怪本€小于60°，偏轉(zhuǎn)鏡布置在底部，此外，到投影面的投影光束可以偏轉(zhuǎn)，所以可在投影面上產(chǎn)生圖像，而且該圖像可在該投影面上運(yùn)動(dòng)。
“天頂”表示天穹的頂或例如天文館內(nèi)的人造天頂。布置在底部的偏轉(zhuǎn)鏡并不是說，該偏轉(zhuǎn)鏡直接位于地面上。它可通過一個(gè)支架布置在遠(yuǎn)離地面的上方或固定在遠(yuǎn)離地面的墻上或吊在天花板上。但重要的是，投影從天頂方向投射到偏轉(zhuǎn)鏡的鏡面上。規(guī)定的角度β的大小是指光束的方向，該光束來至天頂方向并落到反射鏡上。與現(xiàn)有技術(shù)比較，用本發(fā)明的投影系統(tǒng)例如在天文館的投影天頂內(nèi)可達(dá)到圖像顯示的大得多的面積范圍，而在投影面上沒有陰影干擾。
此外，可將投影機(jī)、別的部件或觀察者引起的陰影減少到最低限度，特別是可達(dá)到圍繞天頂?shù)拿娣e范圍不受限制，而且圖像顯示沒有陰影。
根據(jù)本發(fā)明的一種有利方案，用投影光束只在投影面的一部分范圍產(chǎn)生圖像，而且該圖像可在這個(gè)投影面的整個(gè)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行得相當(dāng)快因?yàn)橘|(zhì)量相當(dāng)大的投影機(jī)是固定不動(dòng)的，只有偏轉(zhuǎn)鏡的相當(dāng)小的質(zhì)量必須運(yùn)動(dòng)。
其中圖像不是靜態(tài)地填充整個(gè)投影面，例如在電影院就是這種情況，而是在顯示的范圍內(nèi)可在投影面上運(yùn)動(dòng)。對一些使用場合來說，圖像可等于或大于投影面。在這種情況中，圖像在運(yùn)動(dòng)時(shí)，圖像的一些部分不用顯示出來。但對許多應(yīng)用場合來說，運(yùn)動(dòng)圖像的尺寸比投影面尺寸小90％，乃是足夠的。如果圖像投影到布景設(shè)施上，則這種情況例如對顯示范圍內(nèi)的情景圖像顯示的圖像跟蹤是有利的。然后總是還可顯示整個(gè)圖像內(nèi)容。對許多使用場合來說，該圖像是相當(dāng)小的圖像，例如行星或飛行體的圖像，這種圖像例如“天球”在投影面上運(yùn)動(dòng)。但用投影機(jī)顯示的圖像的圖像尺寸也可比投影面小1％。
通過在投影機(jī)中設(shè)置變焦功能可連續(xù)調(diào)節(jié)圖像尺寸，用這種方式例如可真實(shí)地模擬一輛汽車的遠(yuǎn)近。這種變焦功能可用一種熟知的變焦鏡或一種產(chǎn)生圖像的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
如果調(diào)節(jié)仰角的旋轉(zhuǎn)軸垂直于主投影軸和調(diào)節(jié)方向角的旋轉(zhuǎn)軸與主投影軸重合，則偏轉(zhuǎn)鏡的調(diào)節(jié)可按有利的方式相當(dāng)簡單地進(jìn)行。這時(shí)通過偏轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行的圖像偏轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生圖像畸變。如果偏轉(zhuǎn)鏡上的主投影軸的方向是天頂垂直線的一條平行線，則是特別有利的。這時(shí)角度β為0°。在這種情況下，偏轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)軸之一分別只產(chǎn)生圖像的方向位置和仰角位置的運(yùn)動(dòng)部分。這樣就可在投影面的范圍內(nèi)特別簡單地配置圖像位置。
如果偏轉(zhuǎn)鏡上的主投影軸的方向位于球形投影天頂?shù)拇怪本€內(nèi)，則特別容易實(shí)現(xiàn)圖像的360°運(yùn)動(dòng)。如果投影機(jī)布置在投影天頂?shù)捻敳亢推D(zhuǎn)鏡布置在投影圓頂?shù)牡撞?，則可達(dá)到一個(gè)特別有利的方案，其中調(diào)節(jié)方向角用的旋轉(zhuǎn)軸與天頂?shù)拇怪本€重合。這時(shí)投影機(jī)位于投影圓頂之外并通過投影圓頂?shù)捻敳康囊粋€(gè)小孔實(shí)現(xiàn)光束耦合。這里只有偏轉(zhuǎn)鏡布置在投影圓頂內(nèi)。如果偏轉(zhuǎn)鏡布置在球形圓頂?shù)闹悬c(diǎn)以外，則可達(dá)到另一種有利的方案。這樣到投影圓頂?shù)娜糠秶木嚯x都是相同的。所以圖像的尺寸在全部角度位置都相同而無需采取別的措施。
特別是，通過這種投影系統(tǒng)簡化了用圖像顯示的投影機(jī)來產(chǎn)生圖像，例如幻燈機(jī)、液晶顯示投影機(jī)或數(shù)字光處理投影機(jī)。因?yàn)檫@類投影機(jī)的景深的可能范圍相當(dāng)小，所以在這里不需要附加的調(diào)節(jié)措施來使圖像達(dá)到清晰。如果用這類投影機(jī)從圓頂中心外部進(jìn)行投影或?qū)D像對著一個(gè)球形的幕墻，則必須根據(jù)圖像位置進(jìn)行圖像清晰度的調(diào)節(jié)。在較大的圖像時(shí)，圖像的部分范圍可能不清晰。
用大致平行的記錄激光束工作的投影機(jī)不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。這樣產(chǎn)生的圖像在長達(dá)幾米的很大的范圍內(nèi)在任一投影距離內(nèi)都是清晰的。這類投影機(jī)即熟知的所謂“激光投影機(jī)”。
實(shí)際表明，當(dāng)偏轉(zhuǎn)鏡與投影面的位置布置成使到投影面任一點(diǎn)的投影距離與平均投影距離相差小于+/-10％時(shí)，觀察者看圖像尺寸是靜止的。當(dāng)觀察者缺乏標(biāo)準(zhǔn)比例尺時(shí)，尤其可達(dá)到這樣的效果。為了調(diào)節(jié)圖像尺寸，不必一定需要投影機(jī)的變焦功能。但對一些次要的使用場合來說，+/-20％的誤差也是可以接受的。如果需要精確的幾何圖像顯示，則投影距離的誤差應(yīng)小于+/-5％。
用一個(gè)不太大的偏轉(zhuǎn)鏡使圖像以良好的質(zhì)量無陰影地在投影面上運(yùn)動(dòng)的范圍的大小首先取決于投影圓頂中的投影機(jī)或它的組件的尺寸。如本發(fā)明下面的實(shí)施例所示，這個(gè)因素可絕對地減少到最低限度。此外，圖像投影所用的投影面的尺寸由相對于投影面的偏轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)軸位置來確定。偏轉(zhuǎn)鏡相對于例如在一個(gè)投影圓頂中給定的水平線的高度對確定圖像顯示的可達(dá)范圍的尺寸起決定性的作用。如果產(chǎn)生仰角的旋轉(zhuǎn)軸位于該水平線的上方，則顯示范圍減小，如果該旋轉(zhuǎn)軸位于該水平線的下方，則圖像可顯示的范圍增大。在極端的情況中，投影圓頂是一個(gè)球體，投影機(jī)位于頂部，而偏轉(zhuǎn)鏡則位于與頂部對置的底部。這種投影面的形狀尤其在激光投影機(jī)時(shí)由于幾乎無限的景深而幾乎不受任何限制。投影面可以是一個(gè)球體、一個(gè)截體球或一個(gè)球殼的內(nèi)表面或外表面或一個(gè)與上述基本形狀相當(dāng)?shù)那蛎妫坏部捎梢粋€(gè)平面組成或由這樣一個(gè)平面的幾部分組成，它可以是完全不規(guī)則的形狀和/或進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。
如果相對于投影機(jī)布置一個(gè)固定的偏向鏡來偏轉(zhuǎn)投影機(jī)的光束，則可達(dá)到特別有利的空間利用和很實(shí)用的結(jié)構(gòu)。投影機(jī)相對于投影面的布置方式和布置位置是相對可以自由選擇的。只需滿足這個(gè)條件光束被偏向鏡偏轉(zhuǎn)后從天頂?shù)姆较蛏煺埂?br>
在圖像顯示的投影機(jī)時(shí)，偏向鏡布置在光束方向內(nèi)投影物鏡后面。在具有一個(gè)記錄光束的激光投影機(jī)時(shí)，偏轉(zhuǎn)鏡則設(shè)置在圖像行掃描的偏轉(zhuǎn)裝置后面，或設(shè)置在一般采用的變角鏡后面。偏向鏡最好與投影機(jī)固定連接。此外，為了便于用角坐標(biāo)控制，固定的偏向鏡最好與投影機(jī)的主投影軸保持45°的角度。其中，如果投影機(jī)本身與偏轉(zhuǎn)鏡的方向旋轉(zhuǎn)保持90°的角度，則是特別有利的。但為了產(chǎn)生特別的圖像效果，偏轉(zhuǎn)鏡也可是活動(dòng)的。這樣，例如對準(zhǔn)該偏轉(zhuǎn)鏡的光束便可借助于一個(gè)可控的偏向鏡偏轉(zhuǎn)到一個(gè)具有不同鏡位的偏轉(zhuǎn)鏡上。從而例如可在兩個(gè)具有不同鏡位的并排布置的偏轉(zhuǎn)鏡之間進(jìn)行交換時(shí)產(chǎn)生突然的圖像運(yùn)動(dòng)。
激光投影機(jī)至少包括一個(gè)亮度調(diào)制和/或顏色調(diào)制的激光光源和一個(gè)用于光束的行偏轉(zhuǎn)和圖像偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)裝置。在用激光投影機(jī)時(shí)，如果在投影空間內(nèi)用光導(dǎo)纖維將亮度調(diào)制和/或顏色調(diào)制的激光光源與投影頭進(jìn)行光學(xué)連接，則對激光投影機(jī)是特別有利的。激光光源是一種單色的激光光源或一種紅-綠-藍(lán)激光光源，用這種光源光線可有效地耦合在光導(dǎo)纖維中。光源和投影頭通過光導(dǎo)纖維的可能的空間隔開提供了許多布置可能性來把投影機(jī)例如安裝在一個(gè)投影圓頂內(nèi)。
由于組件的空間隔開，所以把現(xiàn)在仍然相當(dāng)重的和大的激光光源安放在投影圓頂旁邊或下面并把相當(dāng)小的投影頭布置在投影圓頂之內(nèi)或投影圓頂之上，是沒有問題的。甚至把投影頭布置在投影圓頂?shù)捻敳恳膊怀蓡栴}。如果這些組件通過不斷的發(fā)展變得較小和較輕，則更便于投影系統(tǒng)組裝在一個(gè)外殼中。
投影頭包括一個(gè)光束掃描用的行偏轉(zhuǎn)鏡和圖像偏轉(zhuǎn)鏡。此外，在光線方向內(nèi)后面設(shè)置了一個(gè)放大掃描角度的變角鏡，如果投影比例(在給定投影距離時(shí)與達(dá)到的圖像尺寸的比例)需要這種變角鏡的話。如果要調(diào)節(jié)圖像尺寸或在圖像顯示過程中要改變圖像尺寸，則該變角鏡也可包括一個(gè)可控的變焦功能。根據(jù)投影面上的要求的圖像尺寸進(jìn)行變焦系數(shù)的電子控制，其中由于投影距離的變化，也可平衡圖像尺寸的變化。
但本發(fā)明也可用顯示圖像的投影機(jī)來實(shí)現(xiàn)，例如用一個(gè)電影投影機(jī)、幻燈投影機(jī)、液晶投影機(jī)或陰極射線管投影機(jī)。在這類投影機(jī)時(shí)，最好用一個(gè)投影物鏡，以便調(diào)節(jié)要求的圖像尺寸。在這種情況下，通常用熱輻射器作光源。投影機(jī)也可將光源分配到各組件和投影頭內(nèi)與激光投影機(jī)的區(qū)別在于，投影頭具有物平面，該物平面配有一個(gè)投影物鏡。
各組件之間的光學(xué)連接也可通過光導(dǎo)纖維或光導(dǎo)纖維束來實(shí)現(xiàn)。這樣的優(yōu)點(diǎn)是，熱輻射器在運(yùn)行中產(chǎn)生的熱功率不散發(fā)到投影空間。
但在圖像顯示的投影機(jī)時(shí)也可用激光光源，當(dāng)然，該光源必須擴(kuò)大到可照亮物場。這里同樣通過光導(dǎo)纖維進(jìn)行從激光光源到物場的光線傳輸。在固定設(shè)置時(shí)，可在自由空間內(nèi)進(jìn)行光源和投影頭之間的光線傳輸，而與投影機(jī)的種類無類。這是一種特別有利的方案，其中在光源布置在投影空間以外時(shí)，必須通過投影幕墻內(nèi)或投影圓頂內(nèi)的一個(gè)小孔來通過光線。
上述的投影系統(tǒng)用于培訓(xùn)和測量的場合可與一個(gè)主控激光器組合。其中主控激光器的光束的波長不等于投影光束的波長。主控激光器的光束是這樣耦合在光路中的，即它表示偏轉(zhuǎn)圖像的一個(gè)固定點(diǎn)并與該圖像一起運(yùn)動(dòng)。主控激光器光束的耦合特別適用于對主控激光器光束的波長透光和對全部其它波長反光的偏轉(zhuǎn)鏡。但主控激光器光束也可在投影系統(tǒng)的光路中的別的位置上進(jìn)行耦合，例如通過一個(gè)附加的輸入凹鏡進(jìn)行。其中由于可見光線位于主控激光器光束的波長之外，應(yīng)在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和變角光鏡后面進(jìn)行耦合。主控激光器光束的方向也可特別對應(yīng)于主投影軸的位置或?qū)?yīng)于投影圖像的一定的目標(biāo)。
用一個(gè)根據(jù)主控激光器光束的波長調(diào)節(jié)的光線敏感的接收器可跟蹤圖像的運(yùn)動(dòng)，或可進(jìn)行自動(dòng)的或手動(dòng)的圖像跟蹤測量和估算。
如果在一個(gè)投影空間內(nèi)布置幾個(gè)投影機(jī)，則用一個(gè)投影機(jī)和一個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡工作的上述投影系統(tǒng)也具有許多優(yōu)點(diǎn)。其中，例如第一個(gè)投影機(jī)可投影填充投影面的幕圖像，而第二個(gè)投影機(jī)則可借助于該偏轉(zhuǎn)鏡提供相當(dāng)小的圖像，該圖像可在幕圖像以內(nèi)運(yùn)動(dòng)并顯示出來，而與該幕圖像無關(guān)。
另一種方案是，把分別配有偏轉(zhuǎn)鏡的多于一個(gè)的投影機(jī)對準(zhǔn)一個(gè)投影面。所以例如三個(gè)表示不同物體的圖像可完全相互無關(guān)地在該投影面上運(yùn)動(dòng)。這些圖像例如可分別表示一架飛機(jī)。其中這些偏轉(zhuǎn)鏡可并排橫放在水平方向內(nèi)，落到偏轉(zhuǎn)鏡的鏡面上的光束的方向在這里也是從天頂?shù)姆较蛏煺埂?br>
這些偏轉(zhuǎn)鏡也可上下橫放在垂直方向內(nèi)。此外，偏轉(zhuǎn)鏡仍可并排橫放。但投影機(jī)最好用偏向鏡，并在通過相應(yīng)的偏向鏡使光束偏向以后，光束的主投影軸的方向重合。
所以全部偏轉(zhuǎn)鏡以很小的距離上下精確排列。這樣對全部投影機(jī)幾乎達(dá)到相同的投影比例，因?yàn)槿繄D像的投影都從幾乎相等的位置進(jìn)行。這時(shí)可輕易滿足投影機(jī)的投影距離小于平均投影距離的+/-10％的條件。
與已知的投影系統(tǒng)比較，圖像顯示的放大的角度范圍沒有任何陰影，這是特別有利的。尤其是在一個(gè)投影空間內(nèi)必須布置多于一個(gè)的投影機(jī)時(shí)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)尤為明顯。此外，在投影圓頂中，角度范圍的位置例如相對于投影機(jī)的位置也比較有利，因?yàn)檫@時(shí)圖像在頂部范圍直至遠(yuǎn)離水平線下方都可顯示出來。在用一個(gè)記錄的激光束工作的投影機(jī)時(shí)尤其具有明顯的優(yōu)點(diǎn)這樣顯示的圖像具有幾乎無限的景深，而且在很大程度上可進(jìn)行圖像缺陷的修正。
下面結(jié)合附圖舉例來更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
附圖表示
圖1具有一個(gè)安裝在投影圓頂墻上的投影機(jī)的本發(fā)明投影系統(tǒng)；圖2具有一個(gè)帶偏向鏡的投影頭的本發(fā)明投影系統(tǒng)安裝在一個(gè)帶有一個(gè)光源的投影圓頂內(nèi)，該光源位于該投影圓頂外面；圖3具有一個(gè)帶一個(gè)光源和一個(gè)帶偏轉(zhuǎn)鏡的偏向鏡的本發(fā)明投影系統(tǒng)安裝在一個(gè)投影圓頂內(nèi)，該光源位于該投影圓頂外面；圖4具有一個(gè)投影機(jī)的本發(fā)明投影系統(tǒng)，該投影機(jī)安裝在投影圓頂?shù)捻敳?；圖5具有一個(gè)背面投影機(jī)的本發(fā)明投影系統(tǒng)，該投影機(jī)帶有偏向鏡；圖6帶偏向鏡的投影機(jī)的構(gòu)造；圖7在一個(gè)投影圓頂內(nèi)上下布置多個(gè)投影機(jī)的本發(fā)明投影系統(tǒng)。
按圖1～4所示的例子以例如天文館或模擬設(shè)備所用的圓頂室內(nèi)的投影來說明本發(fā)明。但在用記錄光束的投影方法時(shí)也可用別的任意形狀的投影幕墻，因?yàn)檫@時(shí)在很大程度上提供了圖像畸變的修正可能性，而且圖像在任意平面內(nèi)都是清晰的，如圖5所示的背面投影即是這方面的例子。所以具有記錄激光光束的投影機(jī)特別適用于這種情況，例如圖6所示。在這些圖中，相同的數(shù)字表示相同的特征。
圖1表示一個(gè)投影圓頂1的投影空間的示意圖。投影圓頂1具有一個(gè)天頂2和一條水平線3。投影圓頂1的底部4例如位于水平線3的下方。投影機(jī)10的主投影軸5與天頂2的垂直線成一夾角β。從光線方向看去，光線從投影機(jī)10投射到一個(gè)布置在底部一側(cè)的、兩軸可旋轉(zhuǎn)支承的偏轉(zhuǎn)鏡11上，該偏轉(zhuǎn)鏡這樣運(yùn)動(dòng)，使投影的圖像6可圍繞一根方向旋轉(zhuǎn)軸7以大約340°的角度范圍和圍繞一根旋轉(zhuǎn)軸8以大約100°的仰角在投影面9上運(yùn)動(dòng)，而不存在由于投影機(jī)10引起的陰影。在所示例子中，投影機(jī)10是液晶投影機(jī)。
在所示例子中，β角大約為25°。很明顯，投影圖像6可在投影面9的很大部分內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而不存在任何陰影。如果投射機(jī)10的主投影軸5的傾角β超過大約60°的角度時(shí)，則實(shí)際上不再可能使投影圖像6在水平線3下方的圓頂范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。較大的角度β一方面需要偏轉(zhuǎn)鏡11的較大的面積，這對它的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生不利的影響。另一方面，在偏轉(zhuǎn)鏡11上的入射角很小時(shí)，則投影比例嚴(yán)重惡化。
如果方向旋轉(zhuǎn)軸7表示天頂2的垂直線的平行線，且仰角旋轉(zhuǎn)軸8位于水平線3的一條平行線內(nèi)時(shí)，則在這兩個(gè)角坐標(biāo)中可相當(dāng)簡便地實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)鏡11的相應(yīng)的電氣機(jī)械式驅(qū)動(dòng)和電子控制。如果主投影軸5在偏轉(zhuǎn)鏡11上與方向旋轉(zhuǎn)軸7的方向一致時(shí)，則這種控制變得更簡便。所以在正常情況下選用角度β=0°。
在圖2所示的例子中，投影機(jī)10只部分地位于投影圓頂1內(nèi)并用一個(gè)按行和按圖像偏轉(zhuǎn)的激光光束產(chǎn)生投影圖像6。投影機(jī)10在這里由一個(gè)亮度調(diào)制的和顏色調(diào)制的紅-綠-藍(lán)激光光源12和一個(gè)帶有一個(gè)固定偏向鏡14及兩軸可運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)鏡11的投影頭13組成。激光光源12最好安置在投影圓頂1的外部。在激光光源12和投影頭13之間有電連接線和一根用來傳輸亮度調(diào)制和顏色調(diào)制的激光光束的光導(dǎo)纖維連接線15。投影頭在這里安放在底部并與圖1例子比較，具有小得多的外部尺寸，所以由投影機(jī)10引起的陰影更小。
由于投影機(jī)10用其主投影軸5基本平行布置，所以進(jìn)一步減少了陰影。由于固定的偏向鏡14固定在投影頭13的光線出口處，所以主投影軸5′偏轉(zhuǎn)到一個(gè)與天頂2的垂直線成一個(gè)角度β的方向內(nèi)。在此例中，β=0°。
圖3中，投影機(jī)10用其紅綠-藍(lán)激光光源12和投影頭13安放在投影圓頂1外面。只有固定的偏向鏡14和兩軸可運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)鏡11位于該投影圓頂內(nèi)。偏轉(zhuǎn)的亮度調(diào)制和顏色調(diào)制的激光光束通過一個(gè)小孔16進(jìn)入只布置了偏向鏡14和偏轉(zhuǎn)鏡11的投影圓頂1中。如果投影頭選擇這樣的布置方式，使其主投影軸5平行于天頂2的垂直線或在角度β＞0°時(shí)，則這里也可取消固定的偏向鏡14(虛線所示)。
圖4表示在投影圓頂1外面投影機(jī)10的一種有利的布置。這里從投影圓頂?shù)捻旤c(diǎn)2沿垂直線通過小孔16投影到布置在底部一側(cè)的兩軸可偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)鏡11上。這里圖像6可在四分之三球體的整個(gè)空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，但圖像6的運(yùn)動(dòng)可一直進(jìn)行到水平線3下方低的范圍。偏轉(zhuǎn)鏡11從垂直線開始測量不必偏轉(zhuǎn)明顯大于60°，該運(yùn)動(dòng)的圖像就可到達(dá)水平線3下方的球體的絕大部分。如果投影面9是透明的，而且觀看者從圓頂外面觀看圖像，則圖1～4所述的在投影面9上的圓頂投影當(dāng)然也是完全適用的。尤其是在激光投影機(jī)時(shí)，投影面9幾乎可構(gòu)成任意的形狀，因?yàn)檫@時(shí)可采取大量的可能性來修正圖像缺陷。
圖5表示背面投影的例子。投影面9在在這里是一個(gè)透光的球形屏幕。圖像投影到屏幕的背面，并從其前面觀看圖像。沿光線方向看去，光線從投影機(jī)10首先到達(dá)偏向鏡14然后到達(dá)布置在底部一側(cè)的、兩軸可旋轉(zhuǎn)支承的偏轉(zhuǎn)鏡11。后者這樣運(yùn)動(dòng)，使投影的圖像6圍繞一根方向旋轉(zhuǎn)軸7以大約340°的角度范圍和圍繞一根旋轉(zhuǎn)軸8以大約90°的仰角8進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并由一個(gè)適當(dāng)形狀的屏幕顯示出來。
圖6表示帶有一個(gè)激光光源12和一個(gè)投影頭13的投影機(jī)10的結(jié)構(gòu)。該投影機(jī)由布置在光線方向內(nèi)的下列部件組成激光光源12、偏轉(zhuǎn)裝置17、變焦鏡18、偏向鏡14和帶有驅(qū)動(dòng)裝置的兩軸可偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)鏡11。激光光源12和激光光源運(yùn)行用的電器控制部分、激光光源調(diào)制、偏轉(zhuǎn)裝置17、變焦鏡18的變焦功能和偏轉(zhuǎn)鏡11驅(qū)動(dòng)的電器控制部分都放在一個(gè)外殼19中。偏轉(zhuǎn)裝置17、變焦鏡18、偏向鏡14和帶有驅(qū)動(dòng)裝置的兩軸可偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)鏡11安裝在一個(gè)與外殼19連接的支架20上。外殼19放在投影圓頂1的底部4。如圖3所示，光源12和投影頭13可進(jìn)行隔開。在這種情況下，外殼19和支架20例如分開固定在投影圓頂1的墻上。圖6還示出了在主投影軸5′的方向內(nèi)主控激光束21可選擇地通過一個(gè)半透明的偏向鏡14進(jìn)行耦合。主控激光束21與用來產(chǎn)生圖像的光束22通過偏轉(zhuǎn)鏡11偏轉(zhuǎn)并在顯示的圖像中總是對應(yīng)一個(gè)位置。
圖7表示一個(gè)具有球形投影面的投影空間。在這個(gè)投影空間內(nèi)這樣上下布置了三個(gè)具有圖6所示相應(yīng)偏向鏡14、14′、14″和偏轉(zhuǎn)鏡11、11′、11″的投影機(jī)10、10′、10″，使主投影軸的方向通過偏向鏡把光線偏轉(zhuǎn)到一條與天頂2的垂直線相同的直線上。這三個(gè)投影機(jī)的每一個(gè)都與圖6所示的投影機(jī)的構(gòu)造相同。這三個(gè)投影機(jī)布置在投影圓頂?shù)膸缀沃行牡母浇Ｋ詮娜客队皺C(jī)10、10′、10″到投影面9的所有部分的投影距離都是大致相同的。圖7三個(gè)投影機(jī)10、10′、10″的尺寸與投影圓頂1的尺寸沒有按同一的比例示出。投影圓頂、例如具有20米的直徑，而單個(gè)投影機(jī)10則具有900毫米長、400毫米高和200毫米寬的尺寸。圖7表示中間投影機(jī)10的偏轉(zhuǎn)鏡11精確地布置在投影圓頂1的中心。另兩個(gè)投影機(jī)10′、10″的偏轉(zhuǎn)鏡11′、11″則分別離中心大約500毫米。在行張角為5°時(shí)，由中間的投影機(jī)10產(chǎn)生的圖像6大約900毫米寬。另外兩個(gè)投影機(jī)10′、10″的圖像6′、6″的圖像寬度與中間的投影機(jī)10的圖像6的圖像寬度相差大約45毫米。這樣，各圖像的最大可能的尺寸差都位于特別是在運(yùn)動(dòng)的圖像時(shí)不再可能被觀看者感覺的范圍。
權(quán)利要求
1．具有一個(gè)投影機(jī)(10)和一個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡(11)的投影系統(tǒng)，在這個(gè)投影系統(tǒng)中，圖像投影從一個(gè)投影裝置沿一根主投影軸(5)投影到可運(yùn)動(dòng)支承在兩個(gè)空間方向內(nèi)的偏轉(zhuǎn)鏡(11)上，其鏡面將投影的光束(22)以一定的仰角和方向角偏轉(zhuǎn)到一個(gè)位于底部(4)的投影面(9)上，其中圖像投影從天頂(2)的方向在一個(gè)角度β下進(jìn)行，該角度相對于天頂(2)的一條垂直線不到60°，偏轉(zhuǎn)鏡(1)布置在地面(4)，其中投影的光束(22)可朝投影面(9)偏轉(zhuǎn)，所以圖像(6)可在投影面(9)上產(chǎn)生并可在該投影面上運(yùn)動(dòng)。
2．按權(quán)利要求1的投影系統(tǒng)，其特征為，用投影光束(22)只在投影面(9)的部分面積上產(chǎn)生一個(gè)圖像(6)，該圖像可在投影面(9)的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
3．按權(quán)利要求1的投影系統(tǒng)，其特征為，調(diào)節(jié)仰角的旋轉(zhuǎn)軸(8)垂直于主投影軸(5)，而調(diào)節(jié)方向角的旋轉(zhuǎn)軸(7)則與主投影軸(5)重合。
4．按權(quán)利要求1的投影系統(tǒng)，其特征為，角度β=0°。
5．按權(quán)利要求1或3的投影系統(tǒng)，其特征為，主投影軸(5)與投影圓頂(1)的天頂(2)的垂直線重合。
6．按權(quán)利要求5的投影系統(tǒng)，其特征為，投影機(jī)(10)布置在投影圓頂(1)的頂部(2)，而偏轉(zhuǎn)鏡(11)則布置在該投影圓頂?shù)牡撞?，其中調(diào)節(jié)方向角用的旋轉(zhuǎn)軸(7)與頂點(diǎn)(2)的垂直線重合。
7．按權(quán)利要求1或5的投影系統(tǒng)，其特征為，偏轉(zhuǎn)鏡(11)相對于投影面(9)的位置是這樣布置的，即到該投影面任一點(diǎn)的投影距離都與平均投影距離相差不到+/-10％。
8．按權(quán)利要求1或4的投影系統(tǒng)，其特征為，在投影機(jī)(10)和偏轉(zhuǎn)鏡(11)之間設(shè)置了一個(gè)偏向鏡(14)，該偏向鏡這樣偏轉(zhuǎn)來自投影機(jī)(10)的光束(22)，即在通過該偏向鏡(14)偏轉(zhuǎn)后光束(22)的主投影軸(5)的方向與天頂?shù)拇怪本€成一個(gè)角度β。
9．按權(quán)利要求8的投影系統(tǒng)，其特征為，偏向鏡(14)是固定布置的。
10．按權(quán)利要求9的投影系統(tǒng)，其特征為，偏向鏡(14)的鏡面與來自投影機(jī)(10)的光束(22)的主投影軸(5)保持一個(gè)45°的角度并與頂點(diǎn)(2)的垂直線成45°的角度布置。
11．按權(quán)利要求1的投影系統(tǒng)，其特征為，投影機(jī)(10)為激光投影機(jī)，它包括一個(gè)用圖像信息可調(diào)制的激光光源作為光源(12)和一個(gè)用來按行和按圖像偏轉(zhuǎn)光束(22)的偏轉(zhuǎn)裝置(17)。
12．按權(quán)利要求11的投影系統(tǒng)，其特征為，激光投影機(jī)的淘汰(12)為單色激光光源或紅-綠-藍(lán)色激光光源。
13．按權(quán)利要求11的投影系統(tǒng)，其特征為，偏轉(zhuǎn)裝置(17)包括光束(22)掃描用的一個(gè)行偏轉(zhuǎn)鏡和一個(gè)圖像偏轉(zhuǎn)鏡以及一個(gè)變焦鏡(18)，用該變焦鏡可調(diào)節(jié)行方向內(nèi)和圖像方向內(nèi)的光束(22)的角度偏轉(zhuǎn)。
14．按權(quán)利要求1的投影系統(tǒng)，其特征為，投影機(jī)(10)為圖像顯示投影機(jī)，其中光源為激光光源或熱輻射器。
15．按權(quán)利要求11或14的投影系統(tǒng)，其特征為，采用了一種光導(dǎo)纖維，該光導(dǎo)纖維用其一端與光源(12)連接并用其另一端與激光投影機(jī)的投影頭(13)中的偏轉(zhuǎn)裝置(17)或與圖像顯示投影機(jī)的物場進(jìn)行光學(xué)連接。
16．按權(quán)利要求1的投影系統(tǒng)，其特征為，主控激光束(21)的光波波長不等于光束(22)的光波波長，該主控激光束在圖像(6)的投影光路中是這樣耦合的，即主控激光束(21)在偏轉(zhuǎn)的圖像(6)中對應(yīng)一個(gè)固定點(diǎn)，其中該主控激光束最好與主投影軸(5)的位置重合并借助于偏轉(zhuǎn)鏡(11)可與圖像(6)一起在投影面(9)上運(yùn)動(dòng)。
17．按權(quán)利要求16的投影系統(tǒng)，其特征為，主控激光束(21)通過一個(gè)可透過它的波長的偏向鏡(14)來進(jìn)行耦合。
18．按權(quán)利要求1的投影系統(tǒng)，其特征為，對一個(gè)投影面配置了第一個(gè)投影機(jī)(10)，該投影機(jī)投影填充該投影面的幕圖像(6)，并對該投影面配置了帶一個(gè)相應(yīng)偏轉(zhuǎn)鏡的第二個(gè)投影機(jī)(10′)，其中第二個(gè)投影機(jī)(10′)投影相當(dāng)小的圖像(6′)，該圖像可在該幕圖像內(nèi)運(yùn)動(dòng)并可顯示出來，而完全與這個(gè)幕圖像(6)無關(guān)。
19．按權(quán)利要求1或8的投影系統(tǒng)，其特征為，分別配置偏轉(zhuǎn)鏡(11′、11″)的多于一個(gè)投影機(jī)(10)對準(zhǔn)一個(gè)投影面(9)。
20．按權(quán)利要求19的投影系統(tǒng)，其特征為，偏轉(zhuǎn)鏡(11、11′、11″)并排橫放在水平方向內(nèi)，且落到這些偏轉(zhuǎn)鏡(11、11′、11″)的鏡面上的光束(22)的方向從天頂?shù)姆较蛏煺埂?br>
21．按權(quán)利要求19或19的投影系統(tǒng)，其特征為，偏轉(zhuǎn)鏡(11、11′、11″)上下橫放在垂直方向內(nèi)。
22．按權(quán)利要求21和8的投影系統(tǒng)，其特征為，光束(22)的主投影軸的方向通過分別配置的偏轉(zhuǎn)鏡(14)偏轉(zhuǎn)后重合。
全文摘要
具有一個(gè)投影機(jī)(10)和一個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡(11)的投影系統(tǒng),在這個(gè)投影系統(tǒng)中,圖像投影從一個(gè)投影裝置沿一根主投影軸(5)投影到可運(yùn)動(dòng)支承在兩個(gè)空間方向內(nèi)的偏轉(zhuǎn)鏡(11)上,其鏡面將投影的光束(22)以一定的仰角和方向角偏轉(zhuǎn)到一個(gè)位于底部(4)的投影面(9)上,其中圖像投影從天頂(2)的方向在一個(gè)角度β下進(jìn)行,該角度相對于天頂(2)的一條垂直線不到60°,偏轉(zhuǎn)鏡(11)布置在地面(4),其中投影的光束(22)可朝投影面(9)偏轉(zhuǎn),所以圖像(6)可在投影面(9)上產(chǎn)生并在該投影面上運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)G09B27/02GK1287628SQ99802007
公開日2001年3月14日 申請日期1999年11月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月5日
發(fā)明者K·希勒, W·庫爾曼, R·比爾多爾夫 申請人:Ldt激光展示技術(shù)公司