一种LCD投影机光学系统和投影方法

摘要

本发明公开了一种LCD投影机光学系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源、导光棒、重叠透镜模组、聚焦透镜、LCD光阀、场镜和投影镜头；所述LCD投影机光学系统还包括按光线行进方向依次设于重叠透镜模组和聚焦透镜之间的四分之一波片和增亮型偏光片。本发明增亮型偏光片对光线进行偏振光分离，对LCD光阀有用的一路偏振光被透射，无用的一路偏振光被反射；被反射的光线进入导光棒并照射在LED光源上，一部分光线经反射膜反射回来，期间两次穿过四分之一波片后，偏振面旋转90°而被LCD光阀所利用，且光展未溢出，故显著提高了照明效率，节约电源功耗。

说明书

技术领域

本发明涉及投影机领域，尤其涉及一种LCD投影机光学系统和投影方法。

背景技术

长期以来，由于透射式的单LCD投影机是建立在线偏振光对其液晶分子进行照射，通过检偏产生明暗图像，而来自光源的照明光线几乎都可认为是自然光，所以在自然光到线偏振光极化的过程中，有约≥50％的光线被LCD光阀的起偏器过滤掉，考虑LCD光阀对起偏器消光比的要求，起偏器总的起偏效率往往≤38％-45％。仅此一项照明损失，就让单LCD投影机始终会有55％-62％的能量在做无用功，这从根本上影响了单LCD投影机光学系统的效率，同时从根本上增加了投影机光学系统的散热负担，从而根本上局限了单LCD投影机的性能和应用。

而一直以来单LCD投影机都习惯于采用简单的科勒照明方式，这不仅照明效率低，而且图像的均匀度也非常低，从而在光阀的中央区域堆积了更多的热量而导致光阀的局部温升很高，再加上LCD光阀散热技术的固有局限，更加影响产品的输出亮度，用户满意度低。因此研发更加高效率的LCD投影机照明方案，如价廉物关、制作简单的偏振光变换实现更高的照明效率、临界照明技术获得更好的均匀照明和进一步提高照明效率，就是本发明要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术的不足，提供了一种LCD投影机光学系统，有效提升了单LCD投影机的照明效率和照明均匀度，且制作简单、价廉物关。

为了实现上述目的，本发明提供了一种LCD投影机光学系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源、导光棒、重叠透镜模组、聚焦透镜、LCD光阀、场镜和投影镜头。

所述LED光源包括导热基板，所述导热基板上设有发光区域，所述发光区域内安装有多片发光晶片；相邻的发光晶片之间设有间隙，所述发光区域内对应所述发光晶片以外的区域设有用于对光线进行反射的反射膜。

所述LCD投影机光学系统还包括按光线行进方向依次设于所述重叠透镜模组和聚焦透镜之间的四分之一波片和增亮型偏光片；或者所述LCD投影机光学系统还包括按光线行进方向依次设于所述聚焦透镜和LCD光阀之间的四分之一波片和增亮型偏光片。

进一步地，所述四分之一波片和增亮型偏光片的基材采用有机材料制作而成。

进一步地，相邻所述发光晶片之间的间隙的宽度为L，所述发光晶片的厚度为H，且L≥1.666H。

进一步地，所述增亮型偏光片采用线性起偏器，所述增亮型偏光片的透过轴和所述LCD光阀所需的入射偏振光的偏振面一致，所述增亮型偏光片透射所述LCD光阀所需的线偏振光；所述增亮型偏光片的反射轴和透过轴正交，且所述增亮型偏光片反射与其透过轴偏振面正交的线偏振光。

进一步地，所述四分之一波片的快轴和所述增亮型偏光片的透过轴成+45°、-45°、+135°和-135°中的任意一种。

可选地，所述四分之一波片采用两片八分之一波片组合而成，两片八分之一波片组合一起的等效快轴和所述增亮型偏光片的透过轴成+45°、-45°、+135°和-135°中的任意一种。

可选地，所述增亮型偏光片安装于所述重叠透镜模组和聚焦透镜之间的光阑上。

进一步地，所述重叠透镜模组包括按光线行进方向依次设置的入射透镜、中间透镜和转向透镜。

本发明还提供一种所述的LCD投影机光学系统的投影方法，包括如下步骤：

所述LED光源发出的光线依次经所述导光棒和重叠透镜模组后，穿过所述四分之一波片而照射在所述增亮型偏光片上，所述增亮型偏光片对光线进行偏振光分离，对LCD光阀有用的一路偏振光被透射，对LCD光阀无用的一路偏振光被反射，两路偏振光为线偏振光且振幅相等、振动面正交；对LCD光阀有用的一路偏振光穿过所述增亮型偏光片后，经所述聚焦透镜对LCD光阀进行均匀照明，并经所述场镜和投影镜头投射出去；对LCD光阀无用的一路偏振光则被所述增亮型偏光片反射回去，被反射的光线穿过所述四分之一波片，并经所述重叠透镜模组和导光棒后，照射在所述LED光源的发光区域上，一部分光线被所述发光区域内的反射膜反射回去，反射回去的光线再依次经所述导光棒和重叠透镜模组后穿过四分之一波片到达所述增亮型偏光片，被反射的光线两次穿过所述四分之一波片后偏振面旋转90°变得和所述增亮型偏光片的透过轴一致，从而对LCD光阀无用的一路偏振光的一部分光线变得可用，完成偏振光变换的过程。

或者所述LED光源发出的光线依次经所述导光棒、重叠透镜模组和聚焦透镜后，穿过所述四分之一波片到达所述增亮型偏光片，所述增亮型偏光片对光线进行偏振光分离，对LCD光阀有用的一路偏振光被透射，对LCD光阀无用的一路偏振光被反射，两路偏振光为线偏振光且振幅相等、振动面正交；对LCD光阀有用的一路偏振光穿过所述增亮型偏光片后对LCD光阀进行均匀照明，并经所述场镜和投影镜头投射出去；对LCD光阀无用的一路偏振光则被所述增亮型偏光片反射回去，被反射的光线穿过所述四分之一波片，并依次经所述聚焦透镜、重叠透镜模组和导光棒后，照射在所述LED光源的发光区域上，一部分光线被所述发光区域内的反射膜反射回去，反射回去的光线再依次经所述导光棒、重叠透镜模组和聚焦透镜后穿过四分之一波片到达所述增亮型偏光片，被反射的光线两次穿过所述四分之一波片后偏振面旋转90°变得和所述增亮型偏光片的透过轴一致，从而对LCD光阀无用的一路偏振光的一部分光线变得可用，完成偏振光变换的过程。

本发明的有益效果：

1、本发明通过增亮型偏光片对光线进行偏振光分离，对LCD光阀有用的一路偏振光被透射，无用的一路偏振光被反射；被反射的光线进入导光棒并照射在LED光源上，一部分光线被制作在LED光源的发光区域内的反射膜高效反射回去并再次进入光学系统而到达增亮型偏光片，期间两次穿过四分之一波片后，偏振面旋转90°而被LCD光阀所利用，且增效的光线均经过导光棒的入射端口，故光展(光学扩展量)不会溢出，从而被LCD光阀真正所利用，故显著提高了投影机的照明效率，节约电源功耗。

2、本发明通过将导光棒出射面上的多个LED光源像重叠并聚焦在LCD光阀上构成临界照明技术对LCD光阀进行均匀照明，不仅照明效率高，而且照明均匀度高。

3、本发明LCD投影机光学系统的关键元件：四分之一波片、增亮型偏光片采用有机材料制作，取材容易，价廉物美，而且材料供应稳定，受市场等因素波动而影响正常生产的几率大大降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例LED光源排列结构示意图；

图3为本发明偏振光变换示意图；

图4为本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

如图1-3所示，本实施方式提供的一种投影机光学系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源1、导光棒2、重叠透镜模组3、聚焦透镜4、四分之一波片8、增亮型偏光片9、LCD光阀5、场镜6和投影镜头7。其中：重叠透镜模组3由按光线行进方向依次设置的入射透镜31、中间透镜32和转向透镜33组合而成，以将导光棒2出射面的若干个LED光源像重叠一起对LCD光阀5进行均匀照明。

导光棒2选用实心的玻璃棒，入射面的光展≤受投影镜头7的Fno(光圈)所限制的LCD光阀5的光展；LED光源1发光区域对应表面的最顶部和导光棒2入射面距离优选设置在0.1-0.5mm内。

LED光源1的发光区域、导光棒2的入射面和出射面的尺寸均设置为15mm*8.57mm；LCD光阀5的透光窗口尺寸为4.41寸，16∶9宽高比形式；导光棒2的长度为14.5mm，材料为K9L(中国)。

四分之一波片8和增亮型偏光片9制作在一片0.5mm厚的玻璃上，玻璃的入射面贴四分之一波片8，出射面贴增亮型偏光片9，四分之一波片8和增亮型偏光片9都选用有机材料制作，这样具有价格低，供应稳定的优点，如四分之一波片8可采用现有日本帝人公司生产的四分之一波片，增亮型偏光片9可采用现有3M公司的DBEF增亮型偏光片，此不做具体的限定。四分之一波片8的入射表面距离聚焦透镜4的出射面距离为0.5mm。

LED光源1的发光晶片102选用40mil的蓝光晶片，分别设有30枚、45枚(参见图3所示)和60枚三种规格方案以验证本发明的效果，每种数量规格的发光晶片102都均匀排布在15mm*8.57mm的发光区域内；在LED光源1的发光区域对应的导热基板103上，没有布置发光晶片102的区域，全部镀银形成反射膜101，以获得极高的反射率；发光区域内还设置有黄色荧光粉涂层，在蓝色发光晶片102的激励下，LED光源1对外发射白光。

含30枚发光晶片102的LED光源1：光通量为5010Lm(流明)，功率45W。

含45枚发光晶片102的LED光源1：光通量为7515Lm，功率70W。

含60枚发光晶片102的LED光源1：光通量为10020Lm，功率100W。

本实施例在不设置四分之一波片8和增亮型偏光片9的情况下，上述三种LED光源1对应的投影机光通量输出是：含30枚发光晶片102的LED光源1对应的投影机光通量输出为209Lm；含45枚发光晶片102的LED光源1对应的投影机光通量输出为308Lm；含60枚发光晶片102的LED光源1对应的投影机光通量输出为418Lm。

参见图2，本实施例在设置了所述四分之一波片8和增亮型偏光片9的情况下，LED光源1发光区域上任一点发出的光线W，经增亮型偏光片9分光后，P光被透射，S光被反射。S光穿过四分之一波片8后继续前行，穿过发光晶片102之间的间隙后，被反射膜101高效反射回去，再次穿过四分之一波片8，此时S光的偏振面旋转90°变为P1，被增亮型偏光片9透射。此时，上述三种LED光源1对应的投影机光通量输出是：含30枚发光晶片102的LED光源1对应的投影机光通量输出为277Lm；含45枚发光晶片102的LED光源1对应的投影机光通量输出为411Lm；含60枚发光晶片102的LED光源1对应的投影机光通量输出为556Lm。

可见，以上实施例，投影机的照明效率和输出亮度获得了约1.33倍的大幅提升，节约电源功耗，且实现了对LCD光阀5的均匀照明。同时，相比现有技术(简单科勒照明)光学系统最高约3Lm/w的效率，本发明效率≥5.5Lm/w，具有非常明显的效率提升，均匀度具有明显的提升。

实施例二：

见图4所示，本实施方式提供的一种投影机光学系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源1、导光棒2、重叠透镜模组3、四分之一波片8、增亮型偏光片9、聚焦透镜4、LCD光阀5、场镜6和投影镜头7。其中，四分之一波片8和增亮型偏光片9的安装位置和实施例一不一样，且导光棒2的长度增加到24.5mm，其余同实施例一。

增亮型偏光片9具体是安装在重叠透镜模组3和聚焦透镜4之间的光阑附近，这个“附近”，结合本光学系统，可以认为是光阑前后约5mm的范围内。

上述三种LED光源1对应的投影机光通量输出是：含30枚发光晶片102的LED光源1对应的投影机光通量输出为310Lm；含45枚发光晶片102的LED光源1对应的投影机光通量输出为460Lm；含60枚发光晶片102的LED光源1对应的投影机光通量输出为625Lm。

本实施例可以获得更大的照明效率提升，但LCD光阀6的照明均匀度会降低一些，光棒长度会增加一些，仍然具有明显的发明价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。