CN110191327B - 一种两片式lcd投影机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种两片式LCD投影机，包括第一LCD光阀模组、第二LCD光阀模组；其中，该第一LCD光阀模组在空间上同时提供完整的红色场和蓝色场图像，该第二LCD光阀模组提供完整的绿光场图像；该第一LCD光阀模组的红色场像素和该第二LCD光阀模组的对应像素在空间上重合生成黄色图像；该第一LCD光阀模组的蓝色场像素和该第二LCD光阀模组的对应像素在空间上重合生成青色图像；由黄色和青色光线重现白色及全彩图像。本发明结构简单，造价较低，能够实现较高的能量转换效率，能输出极高的亮度，图像稳定无闪烁，具有极大的实用性和完全的可行性。

Description

一种两片式LCD投影机

技术领域

本发明涉及一种两片式LCD投影机。

背景技术

长期以来人们对投影机的分类，通常是基于投影机最核心的器件之一即光阀的特征而习惯性去进行，如现在常见的DLP(Digital Light Processing，数字光处理)投影机，LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)投影机，LCOS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)投影机等。

常见的LCD投影机，均是指具有：光阀为LCD技术(为区别DLP)，且为透射式的(为区别LCOS)这两个特征。LCD投影机一般有单LCD投影机和3LCD投影机两种产品形式，一般的单LCD投影机是用一片全彩的LCD光阀，在白光光源或等效为白光光源的照射下重现空间彩色图像，一般的3LCD投影机是用3片单色(黑白)的LCD光阀，即LCD光阀上没有单LCD投影机光阀所使用的CF(Color Filter，彩色滤光膜，彩膜等)装置，由红绿蓝三种基色光去照明三路LCD光阀，3片LCD光阀各显示一个基色场图像，最后对3片光阀产生的图像进行重合，从而和应用全彩LCD光阀的单LCD投影机一样，产生空间的彩色图像。

单LCD投影机具有造价低廉，制作简单，亮度从十余流明到三四百流明不等，具有一定的实用性和竞争力；3LCD投影机色彩丰富，画质好，亮度高，但制作繁琐，准入门槛高，成本高，亮度从800～8000流明不等，是传统商、教投影机市场的主力。

单LCD投影机最大的不足是“能量转换效率”η太低，通常对η的定义为：η＝[输出亮度(Lm)/输入电功率(w)/100(Lm/w)*100％]，其中LED光效按现阶段大功率LED模组典型值100流明/瓦计，单LCD投影机η通常仅2％～3.5％左右，而使用UHP灯泡、LED、激光等光源的3LCD和DLP投影机η一般可轻松达到10％几甚至25％以上。

单LCD投影机η低的原因，最主要因素是其全彩LCD光阀效率太低，一般仅4％～7％左右，由偏光片，彩膜，TFT(Thin Film Transistor，薄膜场效应管)开口率等因素综合决定，偏光片效率约35％～40％，CF效率约5％～21％，TFT开口率约50％～70％，但CF和TFT开口率的暗区(如黑框等装置)，有一定的重叠部分，故不能以上数据直接相乘而得出LCD模组总效率。

由此可见，单LCD投影机光阀构成的各部品中，效率最低的部分就是CF，在R、G、B三色滤色装置波长带宽不交叉且刚好分开的情况下，其理论效率最高仅为33.3％，即白光或者等效白光照射在LCD光阀上，其中的R像素透过该像素所占空间白色光线中的红光而吸收绿、蓝光成分，其中的G像素透过该像素所占空间白色光线中的绿光而吸收红、蓝光成分，其中B像素透过该像素所占空间白色光线中的蓝光而吸收红、绿光成分，如此其理论效率为1/3即33.3％。考虑实际情况，CF的效率是远远低于此理论值的，因为以上理论计算时，未考虑光阀上每个像素四周遮光装置(如黑框等)所占的巨大面积。如何提高LCD光阀CF的效率，进而提升投影机的输出亮度，是长期以来研发改善单LCD投影机性能的关键性课题。

单纯提升CF的效率有很多办法，但CF效率的提升往往会带来各种弊端，比如增加彩膜的开口率(即减小黑框等装置所占面积)，对比度和色域会受严重影响；减小彩膜的厚度，色域和色彩的准确性、热稳定性等会受严重影响；增加RGB三色彩膜各所占波长带宽的宽度，比如把B的带宽由400～475nm，增加到400～485nm，同时G的波长带宽由475～580nm增加到470～600nm，再把R的带宽从580～800nm增加到560～800nm，CF效率是会显著增加的，但图像效果会恶化，尽管投影机的输出亮度显著增加了，但播放彩色图像时，人们对亮度增加的感知度并不明显，且色域太差而导致图像失真严重，基本无法正常观看，所以提升CF的效率和提升CF效率后获得的成效，通常是矛盾的，传统方法是难以再进行创新和突破的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有LCD光阀技术的单LCD投影机，因其LCD光阀CF效率低下，提升LCD光阀的CF效率时与获得的成效存在严重矛盾等根本性技术难题，而提出一种两片式LCD投影机及投影方法，使投影机能效比大幅提升，同时并不牺牲颜色效果和对比度等指标，且成本低廉，产品性价比较高，对现有LCD光阀模组最上游的CF、TFT等制造产业链无更高要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种两片式LCD投影机，包括红、绿、蓝三色LED光源，光源发出的光线，经各光源对应的聚光照明装置，红色和蓝色的光线由红蓝合光装置合于一起，照射第一LCD光阀模组，绿色光线单独照射第二LCD光阀模组，由红绿蓝合光装置对经两片LCD光阀模组调制的光线进行合光，经场镜和投影镜头，最后将LCD光阀模组的图像，投射成于幕布上。

在一些实施例中，该第一、第二LCD光阀模组的窗口大小尺寸一样。

在一些实施例中，该第一LCD光阀模组为带有红蓝两色CF的两色型LCD光阀。

在一些实施例中，该第二LCD光阀模组为没有CF的黑白型LCD光阀。

在一些实施例中，该第二LCD光阀模组为有且只有绿色CF的LCD光阀。

本发明有益的成果在于，通过设置第一、第二两片LCD光阀，第一LCD光阀模组在红、蓝两个颜色的光线同时照明时，其CF理论效率由原来全彩型LCD光阀模组的33.3％提升到50％；该第二LCD光阀模组的CF效率，在绿光照射下，从原来全彩型LCD光阀模组的33.3％，提升到100％，显著地提高了投影机能量转换效率；同时其技术平台仍然和单LCD投影机一样，具有结构简单，性价比高等显著有点，对现有产业链最上游的制造链，无更高技术和设备要求，故具有极大的实用性和完全的可行性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1示意出本发明两片式LCD投影机的原理性结构。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

参见图1，图1示意出本发明一种两片式LCD投影机的原理性结构，包括红色LED光源1、聚光照明装置2、蓝色LED光源3、聚光照明装置4、红蓝合光装置5、聚焦透镜6、第一LCD光阀模组7、绿色LED光源8、聚光照明装置9、聚焦透镜10、第二LCD光阀模组11、红绿蓝合光装置12、场镜13以及投影镜头14。

本发明两片式LCD投影机基本原理为：该红色LED光源1、该蓝色LED光源3发出的光线经各自聚光照明装置2、4聚光后到达该红蓝合光装置5，由该红蓝合光装置5进行合光后到达该聚焦透镜6对该第一LCD光阀模组7进行照明，光线经该第一LCD光阀模组7调制后射出至该红绿蓝合光装置12；该绿色LED光源8发出的光线经该聚光照明装置9后，到达该聚焦透镜10对第二LCD光阀模组11进行照明，光线经该第二LCD光阀模组11调制后射出至该红绿蓝合光装置12；该红绿蓝合光装置12对来自于该第一、第二LCD光阀模组7、11的光线进行合光后，光线继续传输至该场镜13和该投影镜头14，光线穿过该投影镜头14后最终在屏幕上成像。

因为该第一、第二LCD光阀模组7、11窗口尺寸一样，输入到该第一、第二LCD光阀模组7、11的视频信号分辨率一样，故该第一LCD光阀模组7所提供的每个红色像素，和该第二LCD光阀模组11提供的所对应的每个绿色像素的相应面积，在空间上重合，生成黄光；该第一LCD光阀模组7所提供的蓝色像素，和该第二LCD光阀模组11提供的所对应的每个绿色像素的相应面积，在空间上重合，生成青光；根据三基色原理，由黄色和青色光线生成白光以及全彩的图像，黄色+青色＝R+G+G+B，表面上看起来，绿色过多了，但实际上投影机白场的RGB各色亮度比例，以色彩出众的3LCD投影机为例，一般为(0.25～0.3)∶1∶(0.1～0.15)左右，主波长分别是625nm，535nm，455nm左右，以LED为光源的DLP投影机RGB色彩亮度比例一般约1∶8∶1左右，光源主波长分别为617nm，520nm，455nm左右，现阶段同等晶片尺寸(发光面积)的LED，施加额定的同等的电流时，RGB各LED输出光通量比例约1∶2.5∶0.5，所以LED光源的投影机在设计提升亮度时，其瓶颈永远是绿色光源的亮度数量等级，即绿色光线的亮度永远都是不嫌多的；R+2G+B方式，也是LED光源的DLP投影机标准的光源占空比程式，即：R灯驱动电流占空比约25％，G灯约50％，B灯约25％，故本发明R+G+G+B的空间比例结构，匹配LED光源不存在白平衡问题。

LED光源1、3、8可选用三基色LED光源或白色LED光源进行三基色分光，选用三基色LED光源时通过控制各LED的功率以控制各自输出光通量，并注意LED峰值波长的合理选择，可非常容易实现优质的白平衡显示；选用白光LED光源时，只有在第一LCD光阀模组上R和B像素所占面积相等时，才能较容易实现白平衡；LED光源的面积大小，由该第一、第二LCD光阀模组7、11的Etendue(光学扩展量)、镜头14的Fno(光圈数)，合光装置5、12的光束立体角要求等综合决定。

聚光照明装置2、4、9，一个作用是对LED光源1、3、8发射的光线进行聚光，以及满足光线传输过程中的立体角要求；另一个作用是满足对第一LCD光阀模组7和第二LCD光阀模组11的设计均匀照明条件；考虑到本发明2片式LCD投影机的合光装置5、12的效率和成本，照射于合光装置的光线立体角设计在单边7°内较好。

红蓝合光装置5，由使用真空镀膜技术的二向色玻璃板实现。

聚焦透镜6和10，在科勒照明装置系统上，为LCD光阀提供准直照明；在临界照明装置系统上，将LED光源像或来自照明装置光积分器件分割的子光源像，聚焦在LCD光阀窗口上；当LCD光阀尺寸较小时(如≤3寸)，聚焦透镜6和10可选用玻璃透镜以提高性能；当LCD光阀尺寸较大时(如4～7寸)，聚焦透镜6和10选用塑料菲涅尔镜以降低成本。

第一和第二LCD光阀模组7和11，尺寸大小一样，但第一LCD光阀模组7为双色显示，第二LCD光阀模组11为单色显示。

如果希望输出较高的亮度，则LCD光阀模组必然被更强的光线照射，此时通常需要将LCD光阀模组上入射侧的偏光片从LCD玻璃上拿下来，粘贴于单独的玻璃板上，用风冷等有效措施对偏光片和LCD光阀进行散热；不论聚光照明装置2、4、9有无包含PCS(Polarization Conversion System，偏振光转换系统)功能的器件，都最好是在LCD光阀模组入射侧偏光片之前(靠LED光源方向)，设置一片反射式偏光片，以提高该LCD光阀模组入射侧偏光片的安全性。

合光装置12由可进行波长或振动相位分割的原材料实现，如二向色板、PBS(Polarization Beam Splitter，偏振光分离器)薄膜贴于白板或青板玻璃上组成PBS模组、或PBS棱镜实现，只是使用PBS器件时，对穿过LCD光阀的光线，需要偏振轴满足PBS的工作条件。

场镜13和镜头14一起，将第一、第二LCD光阀模组7和11上显示的图像，投射于屏幕上。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例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；而这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种两片式LCD投影机，包括红色LED光源(1)、第一聚光照明装置(2)、蓝色LED光源(3)、第二聚光照明装置(4)、红蓝合光装置(5)、第一聚焦透镜(6)、第一LCD光阀模组(7)、绿色LED光源(8)、第三聚光照明装置(9)、第二聚焦透镜(10)、第二LCD光阀模组(11)、红绿蓝合光装置(12)、场镜(13)以及投影镜头(14)；其特征在于：该红色LED光源(1)、该蓝色LED光源(3)发出的光线经各自该第一聚光照明装置(2)、第二聚光照明装置(4)汇聚后到达该红蓝合光装置(5)，由该红蓝合光装置(5)进行合光后到达该第一聚焦透镜(6)对该第一LCD光阀模组(7)进行照明，光线经该第一LCD光阀模组(7)调制后射出至该红绿蓝合光装置(12)；该绿色LED光源(8)发出的光线经该第三聚光照明装置(9)后，到达该第二聚焦透镜(10)对该第二LCD光阀模组(11)进行照明，该第一LCD光阀模组(7)和第二LCD光阀模组(11)的窗口大小尺寸一样，该第一LCD光阀模组(7)为带有红、蓝两色CF的两色型LCD光阀，该第二LCD光阀模组(11)为没有CF的黑白型LCD光阀或者有且只有绿色CF的LCD光阀，光线经该第二LCD光阀模组(11)调制后射出至该红绿蓝合光装置(12)；该红绿蓝合光装置(12)对来自于该第一LCD光阀模组(7)、第二LCD光阀模组(11)的光线进行合光后，光线继续传输至该场镜(13)和该投影镜头(14)，光穿过该投影镜头(14)后最终在屏幕上成像。

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