CN113238438A - 一种投影模块和投影机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影模块，包括透射式的LCD光阀、合光装置和投影镜头，所述LCD光阀的数量为两片或者三片；所述LCD光阀的数量为三片时，所述合光装置为X棱镜，任一片LCD光阀显示窗口的长边W和所述X棱镜的中心交线A平行；所述LCD光阀的数量为两片时，第一片LCD光阀出射的光线透过所述合光装置，第二片LCD光阀出射的光线经所述合光装置反射。本发明还公开了一种投影机，包括所述的投影模块。本发明能显著改善合光装置的制作难易度和实现相对廉价的制作成本，且可缩小整机体积，改变整机外形堆叠和降低投影镜头的制作成本，提高产品竞争力。

Description

一种投影模块和投影机

技术领域

本发明涉及投影机领域，尤其涉及一种投影模块和LCD投影机。

背景技术

如图5-8所示，传统的3LCD投影机，LCD光阀和合光装置的排位方式为任一片LCD光阀显示窗口的短边H’和X棱镜2’的中心交线A’平行。图中，1’为投影镜头，2’为X棱镜，3’、4’、5’分别对应为显示红、绿、蓝场图像的LCD光阀，50为LCD光阀的FPC(Flexible PrintedCircuit)排线，//为平行符号(后同)。这种排位方式是由国外3LCD投影技术的发展方向和历史积累所注定的。近30年来，基于HTPS(High Temperature Poly-Silicon，高温多晶硅)技术的LCD光阀尺寸越来越小，从早期量产的1.3英寸左右，到现在约0.5英寸左右，相应地，X棱镜2’的体积也越来越小，成本也越来越低。

近年来，3LCD投影机最核心的器件即LCD光阀，国内已可以通过采用LTPS(低温多晶硅)技术实现量产，但现阶段国产LCD光阀尺寸还偏大，目前LTPS技术只能稳定制作约2-2.5英寸的LCD光阀。相比国外HTPS技术的光阀，同等分辨率情况下，国产LTPS技术光阀的尺寸要大4-5倍，但好处是成本降低了3-5倍，同时光阀尺寸大，投影机输出同样的亮度，光阀散热相对就容易多了，而且因为光阀尺寸大，对投影光源的光学扩展量(简称光展)限制也越小，所以投影机可以输出更高的亮度。相应地，如果按图5所示传统的LCD光阀和合光装置的排位方式设计制作适用于国产较大尺寸LCD光阀的X棱镜2’，即LCD光阀显示窗口的短边H’和X棱镜2’的中心交线A’平行，会导致X棱镜2’的制作难度，制作成本都非常高，从而对投影机的竞争力造成极为不利的影响。

图6为X棱镜的结构示意图，由四枚直角棱镜胶合而成，胶合面上制作有原理复杂的光学薄膜各司其职，从而对3个LCD光阀产生合光的作用。四个直角棱镜的直角顶点重合并形成一条直线，即上述X棱镜2’的中心交线A’。

在还没有发明X棱镜的时候，3LCD投影机的3个LCD光阀，通过多片二向色板，或者多片二向色板和多个直角棱镜、玻璃导光棒的组合进行合光。这种技术会导致投影镜头的后焦距极长，且对投影光源的光展限制局限非常大，在上世纪末期已经完全淘汰。

参见图9-10所示，由于3LCD投影机制作工艺相对较复杂，成本较高，故在实现国产LCD光阀技术突破的时候，也诞生了更加简洁且具有较高光学效率的2LCD投影机。可参见美国授权专利US10809610B1、US10859900B1等，在现有2LCD投影机上，也存在着和上述3LCD投影机合光装置类似的工程难题(后述)。图9中，合光装置21’采用棱镜方式，如PBS(Polarization Beam Splitter，偏振光分离)棱镜或者二向色棱镜，由两个尺寸相等的直角棱镜，通过将其斜面胶合一起而成，在直角棱镜的斜面上制作有分光光学薄膜210’(简称分光膜)。6’、7’为两片LCD光阀，a″为LCD光阀显示窗口的长边。LCD光阀6’、7’和分光膜210’的排位参见图9所示，a″和分光膜210’的相对摆放关系，是现有技术区分本发明技术的重要识别参数。

图10是合光装置采用平板式合光镜8’的现有2LCD投影技术，平板式合光镜8’一般以波长为分光方式或者以偏振性为分光方式。在平板式合光镜8’的出射面上制作有分光膜。两片LCD光阀6’、7’和平板式合光镜8’的排位参见图10所示，a″为LCD光阀显示窗口的长边。

本发明的目的就在于克服国产LCD光阀因为尺寸较大而带来的合光难题，使得3LCD投影机的X棱镜、或者2LCD投影机的合光装置制作变得简单、廉价，同时对缩小整机体积，改变整机外形堆叠，降低投影镜头的制作成本，也有积极帮助。

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投影模块，本发明能显著改善较大尺寸光阀的3LCD投影机的X棱镜、或者2LCD投影机合光装置的制作难易度，实现相对廉价的制作成本，且可缩小整机体积，改变整机外形堆叠和降低投影镜头的制作成本。

本发明提供的一种投影模块，包括透射式的LCD光阀、合光装置和投影镜头，所述LCD光阀的数量为两片或者三片。

当所述LCD光阀的数量为三片时，所述合光装置为X棱镜，任一片LCD光阀的显示窗口的长边W和所述X棱镜的中心交线A平行。

当所述LCD光阀的数量为两片时，两片LCD光阀中的第一片LCD光阀出射的光线依次透过所述合光装置和投影镜头后投射出去；第二片LCD光阀出射的光线经所述合光装置反射后与第一片LCD光阀透过所述合光装置的光线相重叠后再经所述投影镜头投射出去；设所述合光装置对第二片LCD光阀出射的光线进行反射的反射面与所述投影镜头的光轴的交点为P，在所述反射面上、经过点P且与任一片LCD光阀显示窗口的长边W相平行的直线为B，第二片LCD光阀经所述合光装置反射的光线沿直线B和所述投影镜头的光轴所决定的平面发生镜像转折。

本发明还提供了一种投影机，包括所述投影模块，其中当LCD光阀的数量为三片时，对应的投影机为3LCD投影机；当LCD光阀的数量为二片时，对应的投影机为2LCD投影机。

本发明的有益效果：

1、本发明LCD光阀的显示窗口的长边W和X棱镜的中心交线A平行，使得X棱镜的长宽尺寸能尽量缩小，可显著改善X棱镜的制作难度，降低制作成本，尽管在X棱镜高度方向的尺寸会增加，但X棱镜高度的增加，并不影响制作难度，一定尺寸范围内，对成本影响很小。

2、本发明针对2LCD投影机的合光装置，不管是棱镜方式还是平板方式合光，都可显著改善合光装置的制作难度，降低制作成本，提升合光品质，改善投影图像亮、色不均匀瑕疵，提高用户观看体验的满意度。

3、本发明使得整机布局和造型可以获得更加新颖的选择，对改变和创新投影机一成不变的外观造型，有了新的选择维度；同时由于X棱镜长宽方向尺寸的缩小，或者合光装置的缩小，使得投影镜头的后焦距可以相应减小，可显著改善投影镜头的制作难度，降低制作成本。

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为本发明实施例一的立体图，此时LCD光阀的数量为三片；

图2为本发明实施例二的立体图，此时LCD光阀的数量为二片；

图3为图1进一步说明的结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为现有技术的示意图，此时LCD光阀的数量为三片；

图6为X棱镜的结构示意图；

图7为图5进一步说明的结构示意图；

图8为图7的左视图；

图9为现有技术的示意图，此时LCD光阀的数量为二片；

图10为现有技术的示意图，此时LCD光阀的数量为二片。

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：

见图1、图3和图4所示，本实施方式提供的一种投影模块，包括透射式的LCD光阀、合光装置和投影镜头1，所述LCD光阀的数量为三片；所述合光装置为X棱镜2；任一片LCD光阀显示窗口的长边W和所述X棱镜2的中心交线A平行；三片LCD光阀分别为用于显示红色场图像的红色场LCD光阀3、用于显示绿色场图像的绿色场LCD光阀4和用于显示蓝色场图像的蓝色场LCD光阀5；所述X棱镜2的相对两侧分别设所述绿色场LCD光阀4和所述投影镜头1。

本实施例中红色场LCD光阀3、绿色场LCD光阀4和蓝色场LCD光阀5安装在X棱镜2的三个入射面附近(具体位置由投影镜头1的后焦距和相对位置，X棱镜2的长宽、材料折射率，LCD光阀玻璃基板的折射率等因素决定)，投影镜头1和绿色场LCD光阀4相对分设在X棱镜2的两侧，且X棱镜2的中心交线A和任一个LCD光阀显示窗口的长边W平行(见图中的“//”号)。图1中，10为LCD光阀的FPC排线，可以从LCD光阀显示窗口的长边W对应的区域引出，也可以从LCD光阀显示窗口的短边对应的区域引出，取决于LCD光阀的驱动集成电路(IC)选择，例如Sitronix(矽创电子)公司的很多IC，可支持从长边引出，而Himax(奇景光电)公司的很多IC，支持从短边引出。

一定孔径角θ的光线，穿过绿色场LCD光阀4后(穿过红色场LCD光阀3、蓝色场LCD光阀5的光线理论上和穿过绿色场LCD光阀4的光线θ值一样)，在绿色场LCD光阀4和X棱镜2的入射面距离已知，LCD光阀4显示窗口的长度a和宽度b已知的情况下(还包括LCD光阀4的玻璃基板的折射率、X棱镜2的材料折射率等，这些参数在设计制作时均为已知)，可确定X棱镜2的长或宽尺寸k(X棱镜2的长宽尺寸相等)，以及X棱镜2的高度尺寸c。

同理，见图5-图8的传统方式，X棱镜2’的中心交线A’和任一个LCD光阀显示窗口的短边H’平行。一定孔径角θ’的光线，穿过绿色场LCD光阀4’后，在绿色场LCD光阀4’和X棱镜2’的距离，LCD光阀显示窗口的长度a’和宽度b’等参数已知的情况下，可确定X棱镜2’的长和宽尺寸k’，以及高度尺寸c’。

通常，LCD光阀显示窗口长边的尺寸a、a’比短边的尺寸b、b’大得多得多，一般长宽(短)边的比例为16：9、16：10、24：9等常见比例。对比图1、图3和图4，以及图5-图8不难看出的是：

孔径角θ、θ’，LCD光阀显示窗口尺寸a、a’，b、b’，LCD光阀和X棱镜的距离相同的情况下，则k＜k’，c＞c’。

因而，若采用图5-图8的传统技术，较大尺寸的LTPS技术光阀所决定的X棱镜的长宽会远大于较小尺寸的HTPS技术光阀所决定的X棱镜的长宽，从而使适用于国产较大尺寸LCD光阀的X棱镜制作难度，制作成本都非常高，甚至根本没有实际商业价值。而采用本发明的技术，能有效对较大尺寸的LTPS光阀所决定的X棱镜的长宽进行大幅减小，减小到制作难度、制作成本都具有实际价值的程度。

另外，k或k’越大，不仅X棱镜就越难以制作，成本就越高，同时，投影镜头的后焦距也越长。不是任意的投射比，投影机都可以较好地满足用户安装场地的需求，所以原则上投影镜头的焦距(决定投射比的关键参数)取值一定后，投影镜头的后焦距越长，投影镜头就越难以制作，成本也越高。

而c＞c’，对X棱镜的成本影响就非常小了，相比k’和k尺寸不同带来的制作难度和成本差距，X棱镜的高度c变大所增加的成本可以忽略。

进而，这种三片LCD光阀的长边W和X棱镜2的中心交线A平行的方式，使三片LCD光阀、X棱镜2和投影机镜头1所组成的投影模块，在投影机内部的位置和摆放与现有三片LCD光阀的短边H’和X棱镜2’的中心交线A’平行的方式，是完全不一样的，这为投影机的造型设计提供了一种新的选择。

实际上任何的投影机，投影光源都有一定的数值孔径而不是理想的“点光源”，故穿过LCD光阀的光线，图7所示的θ’值都比图3所示的θ值大得多(因为LCD光阀显示窗口的长边尺寸a远大于短边尺寸b)，所以在针对前述2-2.5寸的国产LCD光阀，采用传统排位技术方式，X棱镜2’的长和宽尺寸K’会大得离谱，在现有光学制造工艺水平情况下，很难有获得量产并价格低廉的可能性。而采用本发明排位方式，同样数值孔径的投影光源，因为图3所示的θ值比图7所示的θ’值小得多，所以对有效缩小X棱镜2的长和宽尺寸K，也进一步创造了有利于加工制作的条件。

实施例二

参见图2，本实施方式提供的一种投影模块，包括透射式的LCD光阀、合光装置和投影镜头1，所述LCD光阀的数量为两片，两片LCD光阀分别为第一片LCD光阀6和第一片LCD光阀7。

两片LCD光阀中的第一片LCD光阀6出射的光线依次透过所述合光装置8和投影镜头1后投射出去；第二片LCD光阀7出射的光线经所述合光装置8反射后与第一片LCD光阀6透过所述合光装置8的光线相重叠后再经所述投影镜头1投射出去；设所述合光装置8对第二片LCD光阀7出射的光线进行反射的反射面与所述投影镜头1的光轴的交点为P，在所述反射面上，经过点P且与任一片LCD光阀显示窗口的长边W相平行的直线为B，第二片LCD光阀7经所述合光装置8反射的光线沿直线B和所述投影镜头1的光轴所决定的平面发生镜像转折。

图2中，合光装置8不管是采用平板式合光镜还是棱镜合光，和图9、10所示结构均有显著的效果和结构差异。

参见图10，一定孔径角的光线L1’、L2’透过LCD光阀7’照射在平板式合光镜8’的反射面上，光线L1’、L2’对反射面的入射角度并不一样，光线L2’的入射角比L1’大(如光轴与反射面夹角为45°，则光线L1’在反射面上的入射角等于45°减孔径角，光线L2’在反射面上的入射角等于45°加孔径角)，且随上述孔径角的增大而光线L1’、L2’入射角的差值成倍增大。平板式合光镜8’的反射面不管采用什么反射膜层(如前述的以波长方式分光或者以偏振性方式分光)都会因为光线的入射角不同，而反射率不同，且反射光线和入射光线的色坐标也不同，即对于平板式合光镜8’的反射面，不同的入射角，不同的波长，反射率不同。这对图10所示投影机成像系统而言，非常容易使投影图像的左边和右边出现亮、色明显的差异，比如一边颜色偏黄、一边颜色偏蓝，一边亮度较高，一边亮度较低，进而非常负面地影响用户的观看体验。对LCD光阀6’射出的光线依次照射在平板式合光镜8’的入射面和出射面上时，同样会因为入射角的不同，波长的不同，而透过率不同，进而造成投影图像亮、色不均匀性的进一步恶化。而对图9所使用的棱镜方式合光，针对上述透射和反射的特性，也是同样的规律。

对这种入射角度不同、波长不同而使投影机产生亮、色瑕疵的工程问题，迄今为止，对需要具有透射和反射功能的分光器件来说，还没有较妥善的解决办法。人们试图通过制作“渐变分色薄膜”来解决上述问题，在较小孔径角(比如≤5°)的光学系统上，渐变分色薄膜技术具有一定的实用性。而穿过LCD光阀光线的孔径角直接决定投影机输出亮度(在投影镜头允许范围内时)，所以≤5°的孔径角，几乎是没有实际价值的，一般投影镜头的Fno在1.6(对应18.2°)-2.8(对应10.3°)之间。

结合图2并参考图1、图3等图所示，如前所述，LCD光阀显示窗口的长边a和短边b，具有非常明显的数值差距，短边比长边的长度小得多，因此透过LCD光阀的光线，前述θ’值比θ值大得多。如图2本发明的排位方式，对合光装置8的透射和反射而言，相比于图9、图10的现有排位方式(图2的LCD光阀显示窗口的长边W和直线B平行，由图可知，图9、图10的LCD光阀显示窗口的短边和上述方式定义的直线B平行)。由于上述θ的减小，进而导致合光装置8光线入射角差值的减小，因而投影图像产生亮、色差异的瑕疵，就轻微了许多。

由于只有和前述产生镜像转折的平面(即直线B和投影镜头1的光轴所决定的平面)相正交的方向，合光装置才会因为光线入射角的不同，产生透射率、反射率的不同，而对和前述产生镜像转折的平面相平行的方向，并不会产生光线入射角的不同(即不存在前述例如45°对孔径角的加或者减)，故不会产生透射率、反射率的差异。所以上述照射合光装置光线θ的减小或者增大，具有非常显著的效果差异。而针对于和产生镜像转折的平面相正交方向的反射膜制作，哪怕是θ减小1°，不仅仅性能，制作成本更能带来显著的改善。

同时，对合光装置8等效于图3中K值的有效减小，是类似的规律，故对缩小投影镜头的后焦距，也是有着明显帮助的。

实施例三

本实施例还提供的一种投影机，包括实施例一和实施例二所述投影模块，其中当LCD光阀的数量为三片时，对应的投影机为3LCD投影机；当LCD光阀的数量为二片时，对应的投影机为2LCD投影机。

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 (2)

1.一种投影模块，其特征在于，包括透射式的LCD光阀、合光装置和投影镜头(1)，所述LCD光阀的数量为两片或者三片；

当所述LCD光阀的数量为三片时，所述合光装置为X棱镜(2)，任一片LCD光阀的显示窗口的长边W和所述X棱镜(2)的中心交线A平行；

当所述LCD光阀的数量为两片时，两片LCD光阀中的第一片LCD光阀(6)出射的光线依次透过所述合光装置(8)和投影镜头(1)后投射出去；第二片LCD光阀(7)出射的光线经所述合光装置(8)反射后与第一片LCD光阀(6)透过所述合光装置(8)的光线相重叠后再经所述投影镜头(1)投射出去；设所述合光装置(8)对第二片LCD光阀(7)出射的光线进行反射的反射面与所述投影镜头(1)的光轴的交点为P，在所述反射面上、经过点P且与任一片LCD光阀显示窗口的长边W相平行的直线为B，第二片LCD光阀(7)经所述合光装置(8)反射的光线沿直线B和所述投影镜头(1)的光轴所决定的平面发生镜像转折。

2.一种投影机，其特征在于，包括权利要求1所述的投影模块。

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