CN112180668A - 一种lcd投影机高效照明系统和投影方法 - Google Patents

一种lcd投影机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投影机高效照明系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源、聚光装置、准直透镜、四分之一波片、增亮型偏光片、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。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、成本等制作和用户体验的方方面面，均有积极帮助。

Description

一种LCD投影机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。
而探索发明易于制作、价廉物关的效率提升解决方案，使单LCD投影机具有更高的性能和更广阔的应用空间，这就是本发明要解决的问题。
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关的LCD投影机高效照明系统。
本发明提供的技术方案如下：
一种LCD投影机高效照明系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源、聚光装置、准直透镜、四分之一波片、增亮型偏光片、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，相邻的所述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。
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。
进一步地，所述聚光装置采用方锥形聚光器、CPC(复合抛物面)聚光器、聚光透镜中的任意一种。
本发明还提供了一种LCD投影机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聚光装置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LCD光阀后，依次经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，并经所述准直透镜聚焦和所述聚光装置汇集后，被反射的光线聚焦照射在所述LED光源的发光区域上，其中一部分光线被所述反射膜反射，再依次经所述聚光装置汇集和所述准直透镜准直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一部分变得可用，完成偏振光变换的过程。
本发明的有益效果：
本发明LED光源包括的发光晶片排布时留有合适的间隙，且LED光源包括的导热基板上制作反射膜，增亮型偏光片对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一部分照射在反射膜上，被反射膜反射回去再次进入聚光装置，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一部分变得可用，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。
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为本发明LED光源发光晶片排布示意图；
图3为本发明偏振光变换过程示意图；
图4为本发明实施例光线追迹的局部示意图；
图5为本发明实施例LCD光阀上的照度分布图；
图6为本发明实施例LCD光阀上的照度数据。
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1-6所示，本实施方式提供的LCD投影机高效照明系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源1、聚光装置2、准直透镜3、四分之一波片4、增亮型偏光片5、LCD光阀6、场镜7和投影镜头8。
本实施例中，所述聚光装置2选用空心的方锥形聚光器。
增亮型偏光片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。
参见图1-2和图4，本实施例进行专业软件模拟时，LED光源1的发光区域尺寸设为18.36×10.56mm，均布45片40mil的发光晶片102，总光通量9018Lm(流明)；聚光装置2选用空心的方锥形聚光器，设置入射端口尺寸为18.36×10.56mm，出射端口尺寸为107.6×63.6mm，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，凸面向LCD光阀6；四分之一波片4和增亮型偏光片5集成于一片厚度0.5的玻璃上，玻璃材料K9L(中国)，玻璃的入射面设为四分之一波片4，出射面设为增亮型偏光片5，玻璃入射面位置距离准直透镜3的出射面顶点0.1mm，四分之一波片4的快轴和增亮型偏光片5的透过轴夹角45°；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，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”。本实施方式的成效见下表1所展示：
Figure BDA0002759937750000051
表1本实施方式效果展示
表1中序号第①行为现有技术，投影机输出光通量为325Lm。
表1中序号第②行为本实施方式的技术，投影机输出通光量为625Lm。
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(达1.92倍)，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。
图3是本实施方式偏振光变换过程的展示，LED光源1上的发光区域内设置的发光晶片102上发出的任一根光线W，经聚光装置2后，穿过四分之一波片4到达增亮型偏光片5进行偏振光分离。对LCD光阀6有用的一路偏振光P被透过，对LCD光阀6无用的一路偏振光S则被反射回来并穿过四分之一波片4，经反射膜101反射后再次穿过四分之一波片4。此时，偏振光S连续两次穿过四分之一波片4后，偏振面旋转了90°成为P1，从而透过增亮型偏光片5为LCD光阀6所用。
由于LED光源1上发光区域的任何位置，都满足系统的光展，所以即便是光线被反射膜101反射而再次进入聚光装置2并到达LCD光阀6的过程，光展并无明显溢出，故可被系统所利用。
图3中，发光晶片102之间的间隙为L，发光晶片厚度为H，本实施例中，当L/H≥1.666倍时，就可以获得较高的效率提升，而本实施例的发光晶片排布，L/H约为4.24。间隙尺寸L的选择，除和H有一定关系外，还要结合希望LED光源1输出的光通量，投影机需要的光通量，以及投影机镜头8和LCD光阀6对光源发光区域光展的限制，结合发光晶片102的长宽尺寸、效率等等，以经济、高效、合理为本。如在定义的发光区域内，发光晶片102的数量排列得多，LED光源1的总光通量大，但偏振光变换效率低，投影机输出亮度较高，能耗较高；而发光晶片102的数量排列得较恰当时，LED光源1的总光通量可能小很多，但偏振光变换效率高，投影机输出亮度高，能耗和成本低很多。
图4是本实施例光线追迹的局部示意图，为便于观察，图中隐藏了聚光装置2以及其它原材料，只保留了LED光源1和约80条追迹可视光线。
图5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，孔径角也符合设置要求。
图6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5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。
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 (6)

1.一种LCD投影机高效照明系统，包括按光线行进方向依次设置的LED光源(1)、聚光装置(2)、准直透镜(3)、四分之一波片(4)、增亮型偏光片(5)、LCD光阀(6)、场镜(7)和投影镜头(8)；其特征在于，所述LED光源(1)包括导热基板(103)，所述导热基板(103)上设有发光区域，所述发光区域内安装有多片发光晶片(102)，相邻的所述发光晶片(102)之间设有间隙；所述发光区域内对应所述发光晶片(102)以外的区域设有用于对光线进行反射的反射膜(101)。
2.根据权利要求1所述的一种LCD投影机高效照明系统，其特征在于，所述增亮型偏光片(5)采用线性起偏器，所述增亮型偏光片(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，所述增亮型偏光片(5)透射所述LCD光阀(6)所需的线偏振光；所述增亮型偏光片(5)的反射轴和透过轴正交，且所述增亮型偏光片(5)反射与其透过轴偏振面正交的线偏振光。
3.根据权利要求1所述的一种LCD投影机高效照明系统，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片(5)的透过轴成+45°、-45°、+135°和-135°中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种LCD投影机高效照明系统，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片(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投影机高效照明系统，其特征在于，所述聚光装置(2)采用方锥形聚光器、CPC聚光器、聚光透镜中的任意一种。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的LCD投影机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聚光装置(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片(5)，所述增亮型偏光片(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)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片(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)聚焦和所述聚光装置(2)汇集后，被反射的光线聚焦照射在所述LED光源(1)的发光区域上，其中一部分光线被所述反射膜(101)反射，再依次经所述聚光装置(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片(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片(5)的透过轴一致，从而对LCD光阀(6)无用的一路偏振光一部分变得可用，完成偏振光变换的过程。
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