CN112180665A - 一种lcd投影机共轭高效照明系统和投影方法 - Google Patents

一种lcd投影机共轭高效照明系统和投影方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LCD投影机共轭高效照明系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源、方锥形聚光器、准直透镜、四分之一波片、增亮型偏光板、LCD光阀、场镜和投影镜头；所述LCD投影机共轭高效照明系统还包括设于所述方锥形聚光器入射端口上的反射镜；所述方锥形聚光器入射端口的通光面沿水平中心线或垂直中心线平分，形成两个子通光面；所述LED光源的发光面位于其中一个子通光面处，所述反射镜位于另外一个子通光面处，所述LED光源和反射镜沿所述增亮型偏光板光学共轭。本发明真正实现了投影机照明效率显著地大幅度提升，同比现有技术输出同样的亮度，本发明可大幅节约电源功耗，对降低投影机体积、噪音、散热等方面，均有积极帮助。

Description

一种LCD投影机共轭高效照明系统和投影方法
技术领域
本发明涉及投影机领域，尤其涉及一种LCD投影机共轭高效照明系统和投影方法。
背景技术
一直以来，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。
近年来，国内行业内也在不断研发一些成本相对低廉的PCS(Polarlza-tionConversion System，偏振光转换系统)专利技术以期待提升光学系统效率，但几乎绝大多数公开技术均疑为伪技术：要么理论上几乎行不通，要么实际上几乎没效果，参见图6和表2所示，且这些伪技术呈泛滥之势，见本公司公开的技术(公开号CN111399326A)对现有伪技术的分析和总结。本发明在本公司现有技术(见公开号CN111367140A、CN111399326A)的基础上，保留了功效确切的特性外，进一步提升了易于制作、价廉物美的特性，具有更广阔的产品化意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能够非常易于制作和价廉物美的LCD投影机共轭高效照明系统。
为了实现上述目的，本发明提供的一种LCD投影机共轭高效照明系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源、方锥形聚光器、准直透镜、四分之一波片、增亮型偏光板、LCD光阀、场镜和投影镜头；所述LCD投影机共轭高效照明系统还包括设于所述方锥形聚光器入射端口上的反射镜；所述方锥形聚光器入射端口的通光面沿水平中心线或垂直中心线平分，形成两个子通光面；所述LED光源的发光面位于其中一个子通光面处，所述反射镜位于另外一个子通光面处，所述LED光源的发光面和反射镜沿所述增亮型偏光板光学共轭。
优选地，所述反射镜制作于所述LED光源上，所述LED光源的发光面和所述反射镜沿所述方锥形聚光器入射端口的通光面的水平中心线或垂直中心线对称布置；
或所述反射镜制作于所述方锥形聚光器的入射端口的一个子通光面处。
进一步地，所述增亮型偏光板采用线性起偏器，所述增亮型偏光板的透过轴和所述LCD所需的入射偏振光的偏振面一致，所述增亮型偏光板透射所述LCD光阀所需的线偏振光；所述增亮型偏光板的反射轴和透过轴正交，且所述增亮型偏光板反射与其透过轴偏振面正交的线偏振光。
优选地，所述四分之一波片的快轴和所述增亮型偏光板的透过轴成+45°、-45°、+135°和-135°中的任意一种，偏振光变换过程将获得最高效率。
进一步地，所述方锥形聚光器为实心的方锥形导光棒或空心的方锥形导光棒，或是实心的方锥形导光棒和空心的方锥形导光棒的组合。
进一步地，所述准直透镜的入射面和所述方锥形聚光器的出射端面相贴合。
可选地，所述准直透镜采用菲涅尔透镜、平凸透镜、凹凸透镜中的任意一种或是任意几种的组合。
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。
优选地，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板的透过轴成+45°、-45°、+135°和-135°中的任意一种，偏振光变换过程将获得最高效率。
本发明还提供了一种所述的LCD投影机共轭高效照明系统的投影方法，包括如下步骤：
所述LED光源发出的光线，依次经所述方锥形聚光器汇集和所述准直透镜准直后穿过所述四分之一波片到达所述增亮型偏光板，所述增亮型偏光板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LCD光阀后，依次经场镜和投影镜头后投射出去；对LCD光阀无用的一路偏振光则被所述增亮型偏光板反射回去，被反射回去的光线穿过所述四分之一波片，并经所述准直透镜聚焦和所述方锥形聚光器汇集后，被反射的光线聚焦照射在所述反射镜上并被所述反射镜反射再依次经所述方锥形聚光器汇集和所述准直透镜准直后穿过所述四分之一波片到达所述增亮型偏光板，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板的透过轴一致，从而对LCD光阀无用的一路偏振光变得可用，完成偏振光变换的过程，使投影机照明效率获得显著幅度的提升。
本发明的有益效果：
1、本发明将方锥形聚光器入射端的通光面沿水平中心线或垂直中心线进行平分，形成两个子通光面，将LED光源和反射镜分别安装在两个子通光面上，使得LED光源和反射镜沿增亮型偏光板光学共轭。当增亮型偏光板对穿过准直透镜的自然光进行偏振光分离，分离出对LCD光阀有用和无用的两路线偏振光时，无用的一路线偏振光将被反射回来并大部分聚焦在反射镜上，且再次进入方锥形聚光器。由于LED光源和反射镜都处于方锥形聚光器的入射端口上且光学共轭，故经方锥形聚光器传输后，光展(光学扩展量)不会产生明显溢出，同时无用的这路线偏振光，连续两次穿过四分之一波片后偏振面旋转90°，使得对LCD光阀无用的这路线偏振光变得可用，故真正实现了投影机照明效率显著地大幅度提升，同比现有技术输出同样的亮度，本发明可大幅节约电源功耗，对降低投影机体积、噪音、散热、成本等制作和用户体验的方方面面，均有积极帮助。
2、本发明将反射镜集成制作于所述LED光源上，或将反射镜集成制作于方锥形聚光器的入射端口上，使得本发明真正实现了在PCS技术应用过程时，安装和制作都变得格外简单，对提升生产效率，降低产品成本有非常积极的意义。
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中记载的一些实施例，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为本发明实施例的结构示意图；
图2为图1中的A处放大图；
图3为本发明实施例光线追迹的局部示意图；
图4为本发明实施例LCD光阀上的照度分布图；
图5为本发明实施例LCD光阀上的照度数据；
图6为现有技术的结构示意图。
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。
具体实施例：
如图1-5所示，本实施方式提供的LCD投影机共轭高效照明系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源1、方锥形聚光器2、准直透镜3、四分之一波片4、增亮型偏光板5、LCD光阀6、场镜7和投影镜头8，还包括设于方锥形聚光器2入射端口的反射镜9。
本实施例中，所述方锥形聚光器2选用空心的方锥形导光棒；所述方锥形聚光器2入射端口的两个子通光面选择沿入射端口的垂直中心线平分而形成；所述LED光源1的发光面位于其中一个子通光面处，所述反射镜9位于另外一个子通光面处，所述LED光源1和反射镜9沿所述增亮型偏光板5光学共轭。
根据LED光源1余弦发光分布(朗伯体发光)、以及方锥形聚光器2的原理，LED光源1发出的主要能量光线，大部分不经所述空心的方锥形导光棒的内壁反射而直接到达准直透镜3，经准直后穿过四分之一波片4到达增亮型偏光板5。
增亮型偏光板5可等效为一个平板的分光镜，实现对自然光(等效为两路振幅相等且振动面正交的线偏振光)进行分光，即实现了两路偏振光的透射和反射，产生分光的作用。
由于LED光源1位于系统光轴的一边，除非是平行于光轴入射到增亮型偏光板5的光线，否则必然在增亮型偏光板5分光时，根据反射基本原理，反射的光线被沿水平方向(即被方锥形聚光器2入射端口的“垂直中心线”和“光轴”所确定的面)镜像，经准直透镜3聚焦后，扣除准直透镜3像差以及畸变等各种失真影响，增亮型偏光板5分离出的绝大部分反射回去的光线，必然落在反射镜9上，此时反射镜9上的像为LED光源的像，使得反射镜9和LED光源1在光学上，沿增亮型偏光板5共轭。
而LED光源1的非主要能量光线，视方锥形聚光器2和准直透镜3对光展产生的溢出情况，以及增亮型偏光板5在光轴上的具体安装位置，LED光源1的某些出射角度的非主要能量光线，经增亮型偏光板5分光(反射)回来，并不能到达反射镜9上，从而基本上成为无用光线；视方锥形聚光器2和准直透镜3的设计制作的品质情况，正常而言一大部分上述反射的光线，能回到反射镜9上，因为准直透镜3一定程度内的像差、畸变和失真是可控的，而对实现PCS过程的影响，上述某些出射角度的非主要能量光线毕竟也不是主要的。
不管是软件模拟还是实际产品上测试，经增亮型偏光板5反射回来的大部分的光线都会到达反射镜9而成为有效光线被系统所利用，下面将进一步说明本实施方式的积极效果。
参见图1，本实施例进行专业软件模拟时，在LCD光阀6的入射面上放置一个“表面接收器”，在该“表面接收器”上放置一个“角度亮度计”；LED光源1的光通量10000Lm；方锥形聚光器2选用空心的方锥形导光棒，入射端口的两个子通光面选择沿其垂直中心线平分而形成，设置入射端口尺寸为18.36x10.56mm，于是子通光面的尺寸为9.18x10.56mm，出射端口尺寸为107.6x63.6mm，沿光轴的长度为140mm，内壁反射率100％；准直透镜3设置为一片平凸透镜，中心厚32，材料为QK2(中国)，凸面的球面半径为82.65；四分之一波片4和增亮型偏光板5集成于一片厚度0.5的玻璃上，玻璃材料K9(中国)，玻璃的入射面设为四分之一波片4(设置为理想线性延迟器)，出射面设为增亮型偏光板5(设置为理想线偏振光分光器)，玻璃入射面位置距离准直透镜3的出射面顶点0.1mm；LCD光阀6为4.5英寸光阀，窗口尺寸101*56.8mm，距离准直透镜3的出射面顶点11mm；反射镜9尺寸设置为9.18x10.56mm，反射率100％。本实施方式的成效见下表1所展示：
Figure BDA0002759765540000071
Figure BDA0002759765540000081
表1本实施方式效果展示
表1中第a-c行为现有公开的不同技术，可知第c行相较于第b行，投影机照明效率的增加仅有1.2％左右(5302.1/5239.9＝1.2％)的贡献，基本可以忽略，因此对投影机PCS技术应用无实质性帮助，如中国公开号CN110174809A等所采用的技术。
表1中第d行说明LED光源1发光面的大小，对现有技术影响非常有限，对比第d和c行，仅约0.3％。
而表1中第e行为本实施方式的技术，其到达LCD光阀6入射面的线偏振光达到了7621.9Lm，相较于第c行，投影机光学效率可获得不低于140％(7621.9Lm/5302.1Lm＝144％)的提升。实际中，LCD光阀6的偏振光透过率约为13％，投影机输出通光量约720Lm，同等条件下，现有第c行技术，投影机输出通光量仅为500Lm。
可见，通过本实施方式真正实现了投影机照明效率显著地大幅度提升，同比现有技术输出同样的亮度，本实施方式可大幅节约电源功耗，对降低投影机体积、噪音、散热、成本等制作和用户体验的方方面面，均有积极帮助。
表1中，如果方锥形聚光器2的入射端口按水平中心线分割，LED光源1和反射镜9各安装于一个子通光面上，则LCD光阀6入射面上的表面接收器所得光通量为7645.3Lm(线偏振光)，但此应用在实际产品中，LED光源1为长条形排列(长宽比约3.5∶1)，在高效设计应用光展所允许的光源面积方面，方锥形聚光器2沿垂直中心线分割比沿水平中心线分割会获得更多的LED晶片排版的自由度。
图3是本实施方式LED光源1和反射镜9光学共轭的展示和进行光线追迹的局部截图(图中隐藏了方锥形聚光器2)，LED光源1和反射镜9按方锥形聚光器2入射端的通光面的垂直中心线对称布置，通过光源各种立体角逐一分析，大部分经增亮型偏光板5反射回来的光线，均聚焦在了反射镜9上，从而被系统所利用。
图4是本实施方式LCD光阀6(约4.4-4.5英寸)入射面上的表面接收器的照度分布，均匀度非常好，孔径角也限制得非常好。
图5是LCD光阀6入射面上的表面接收器的几种典型照度数据，可为图4的照度分布量化出投影画面的均匀度。通常，严肃的光学设计和制作，实际结果和设计的吻合度是极高的。
近年业内伪技术特别是一些隐形的伪技术呈泛滥之势，参见图6所示，在光线行进方向即光轴ZL’方向，依次设置了LED光源1’、空心方锥形聚光器2’、准直透镜3’、分光和相位板45’、LCD光阀6’；其中分光和相位板45’的入射面为四分之一波片，出射面为增亮型偏光片，且四分之一波片的快轴和增亮型偏光片的透过轴角度为45°。
图6中，LED光源1’的发光面设置为18.36x10.56mm，光通量10000Lm；空心方锥形聚光器2’设置入射端口尺寸为18.36x10.56mm，出射端口尺寸为107.6x63.6mm，沿光轴ZL’方向的长度为140mm，内壁反射率100％；准直透镜3’设置为一片厚度2mm，焦距142mm的菲镜，材质PMMA，齿深和环距均为0.3mm，齿形为标准齿，齿面朝向LCD光阀6’；LED光源1’的发光面贴合空心方锥形聚光器2’的入射端口安装，准直透镜3’的入射面贴合空心方锥形聚光器2’的出射端口安装；分光和相位板45’厚度0.5mm，，材料为K9，入射面到准直透镜3’的出射面的距离4mm；LCD光阀6’为4.5英寸光阀，窗口尺寸101*56.8mm，距离准直透镜3’的出射面为11mm。
图6中，光学模拟时在LCD光阀6’的入射面上放置一个“表面接收器”，在该“表面接收器”上放置一个“角度亮度计”，这些现有技术的实际效果见下表2所示：
Figure BDA0002759765540000101
Figure BDA0002759765540000111
表2现有技术实际效果
表2中，通过按②-⑤条件设置分光和相位板45’的角度，可以看出，照射在LCD光阀6’的入射面上的光线，可以获得小幅度的增加。
设投影机镜头的Fno为2.9，匹配图6所示的照明，则：
表2中序号①条件，线偏振光4705.3Lm照射在LCD光阀6’上，投影机输出通光量约442Lm。
按序号②条件，实际上原有光线4705.3Lm(序号①)的Fno并没有受影响，而新增加的4766.5-4705.3＝61.2Lm的光线，根本不能被Fno2.9的镜头所用，对投影机输出通光量无影响，故投影机输出通光量还是约442Lm，也就是说，条件②的技术没效果。
再设投影机镜头的Fno为2.4，匹配图6所示的照明，则：
表2中序号②条件理论计算可以输出通光量约448Lm；考虑Fno2.4对轴外光线的使用，序号①条件自身就可以输出通光量约515Lm，而序号②条件因为有前述多余的61.2Lm的光线可用，可输出通光量约520Lm，而520/515Lm＝1％，故即便镜头Fno不计成本提升2.4，增加的亮度也几乎可以忽略。
而一只Fno2.4和2.9的镜头，无论是成本，像质，直径，重量，装配精度要求等等，差距都是非常大的，镜头的Fno越小，越难以制作。故图6的技术，做表2的②-⑥项发明改进，增加了一点点微弱的光线，因为光展的明显溢出，却对投影机镜头的Fno参数带来了苛刻很多的要求，这些隐形的伪技术和发明，是完全违背科学和基本工程事实的。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种LCD投影机共轭高效照明系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源(1)、方锥形聚光器(2)、准直透镜(3)、四分之一波片(4)、增亮型偏光板(5)、LCD光阀(6)、场镜(7)和投影镜头(8)；其特征在于，所述LCD投影机共轭高效照明系统还包括设于所述方锥形聚光器(2)入射端口上的反射镜(9)；所述方锥形聚光器(2)入射端口的通光面沿水平中心线或垂直中心线平分，形成两个子通光面，所述LED光源(1)的发光面位于其中一个子通光面处，所述反射镜(9)位于另外一个子通光面处，所述LED光源(1)的发光面和反射镜(9)沿所述增亮型偏光板(5)光学共轭。
2.根据权利要求1所述的一种LCD投影机共轭高效照明系统，其特征在于，所述反射镜(9)制作于所述LED光源(1)上，所述LED光源(1)的发光面和所述反射镜(9)沿所述方锥形聚光器(2)入射端口的通光面的水平中心线或垂直中心线对称布置；
或所述反射镜(9)制作于所述方锥形聚光器(2)的入射端口的一个子通光面处。
3.根据权利要求1所述的一种LCD投影机共轭高效照明系统，其特征在于，所述增亮型偏光板(5)采用线性起偏器，所述增亮型偏光板(5)的透过轴和所述LCD光阀(6)所需的入射偏振光的偏振面一致，所述增亮型偏光板(5)透射所述LCD光阀(6)所需的线偏振光；所述增亮型偏光板(5)的反射轴和透过轴正交，且所述增亮型偏光板(5)反射与其透过轴偏振面正交的线偏振光。
4.根据权利要求1所述的一种LCD投影机共轭高效照明系统，其特征在于，所述四分之一波片(4)的快轴和所述增亮型偏光板(5)的透过轴成+45°、-45°、+135°和-135°中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种LCD投影机共轭高效照明系统，其特征在于，所述方锥形聚光器(2)为实心的方锥形导光棒或空心的方锥形导光棒，或是实心的方锥形导光棒和空心的方锥形导光棒的组合。
6.根据权利要求1所述的一种LCD投影机共轭高效照明系统，其特征在于，所述准直透镜(3)的入射面和所述方锥形聚光器(2)的出射端面相贴合；所述准直透镜(3)采用菲涅尔透镜、平凸透镜、凹凸透镜中的任意一种或是任意几种的组合。
7.根据权利要求1所述的一种LCD投影机共轭高效照明系统，其特征在于，所述四分之一波片(4)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板(5)的透过轴成+45°、-45°、+135°和-135°中的任意一种。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的LCD投影机共轭高效照明系统的投影方法，其特征在于，包括如下步骤：
所述LED光源(1)发出的光线，依次经所述方锥形聚光器(2)汇集和所述准直透镜(3)准直后穿过所述四分之一波片(4)到达所述增亮型偏光板(5)，所述增亮型偏光板(5)对光线进行偏振光分离，对LCD光阀(6)有用的一路偏振光被透射，对LCD光阀(6)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(6)有用的一路偏振光穿过LCD光阀(6)后，依次经场镜(7)和投影镜头(8)后投射出去；对LCD光阀(6)无用的一路偏振光则被所述增亮型偏光板(5)反射回去，被反射的光线穿过所述四分之一波片(4)，并经所述准直透镜(3)聚焦和所述方锥形聚光器(2)汇集后，被反射的光线聚焦照射在所述反射镜(9)上并被所述反射镜(9)反射再依次经所述方锥形聚光器(2)汇集和所述准直透镜(3)准直后穿过四分之一波片(4)到达所述增亮型偏光板(5)，被反射的光线两次穿过所述四分之一波片(4)后偏振面旋转90°变得和所述增亮型偏光板(5)的透过轴一致，从而对LCD光阀(6)无用的一路偏振光变得可用，完成偏振光变换的过程。
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