CN115996284A - 一种高对比度无热失焦的lcos投影光机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及投影设备技术领域，提供一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，包括：沿投影光路依次设置的光源组件、偏光转换片、PBS棱镜和投影镜头，偏光转换片用于将光源组件产生的复合光中的P偏振光转换成S偏振光；PBS棱镜用于透射P偏振光且反射S偏振光，且PBS棱镜的S偏振光出光侧设置有LCOS芯片，LCOS芯片用于将投影图像信号的偏振态调制为P偏振态。本发明通过采用不同的透镜模组相互配合的方式，可以有效提高LCOS芯片所用偏振光的比例以提高光效，并显著提高对比度，从而提高投影成像质量，具有高对比度、无热失焦等特点。

Description

一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机

技术领域

本发明涉及投影设备技术领域，尤其涉及一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机。

背景技术

LCOS指液晶附硅或硅基液晶，LCOS投影光机是一种采用半导体硅晶技术控制液晶而投射彩色画面的液晶显示装置。

相关技术中，由于LCOS投影光机成像调制原理与DLP有根本性差异，LCOS通过偏振光的偏振态来确定像素的通断，因此对光源的偏振态有较高要求，导致采用非偏振LED光源时，存在光效低，对比度低等问题，从而影响投影图像质量。

发明内容

本发明提供一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，用以解决相关技术中光效对比度低导致投影图像质量差的缺陷，本发明通过采用不同的透镜模组相互配合的方式，可以有效提高LCOS芯片所用偏振光的比例以提高光效，并显著提高对比度，从而提高投影成像质量。

本发明提供一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，包括：

沿投影光路依次设置的光源组件、偏光转换片、PBS棱镜和投影镜头，所述偏光转换片用于将所述光源组件产生的复合光中的P偏振光转换成S偏振光；所述PBS棱镜用于透射P偏振光且反射S偏振光，且所述PBS棱镜的S偏振光出光侧设置有LCOS芯片，所述LCOS芯片用于将投影图像信号的偏振态调制为P偏振态。

根据本发明提供的一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，所述偏光转换片与所述PBS棱镜之间设有金属线栅偏振片，所述金属线栅偏振片用于透射S偏振光且反射P偏振光。

根据本发明提供的一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，所述金属线栅偏振片与所述偏光转换片之间设有积分透镜。

根据本发明提供的一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，所述PBS棱镜的S偏振光出光侧与所述LCOS芯片之间设有四分一玻片。

根据本发明提供的一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，所述光源组件与所述偏光转换片之间设有复眼透镜。

根据本发明提供的一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，所述投影镜头包括：沿投影光路依次设置的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜、第五正透镜、第二负透镜和第三负透镜。

根据本发明提供的一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，所述第一正透镜为双凸透镜，所述第一负透镜为月牙凹透镜，所述第二正透镜为双凸透镜，所述第三正透镜为平凸透镜；所述第四正透镜为月牙凸透镜，所述第五正透镜为双凸透镜；所述第二负透镜为月牙凹透镜，且所述第二负透镜的出光面边缘具有至少一个反曲点；所述第三负透镜为月牙凹透镜。

根据本发明提供的一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，所述PBS棱镜、所述第一负透镜和所述第五正透镜的折射率为1.83~1.87，色散系数为23.6~23.8；所述第一正透镜的折射率为1.78~1.82，色散系数为46.4~46.8；所述第二正透镜的折射率为1.56~1.59，色散系数为55.8~56.2；所述第三正透镜和所述第四正透镜的折射率为1.50~1.52，色散系数为64.0~64.4；所述第二负透镜的折射率为1.62~1.66，色散系数为23.9~24.1；所述第三负透镜的折射率为1.53~1.55，色散系数为55.4~55.7。

根据本发明提供的一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，所述光源组件包括：红光光源、绿光光源、蓝光光源以及多个二向色镜，多个所述二向色镜用于将红光、绿光以及蓝光形成复合光；

且所述红光光源、所述绿光光源以及所述蓝光光源的出光侧均设置有准直透镜。

根据本发明提供的一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，所述LCOS投影光机的投射比为0.5~0.8，偏轴不小于120%。

本发明提供的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，包括沿投影光路依次设置的光源组件、偏光转换片、PBS棱镜和投影镜头，光源组件主要用于成像照明，产生复合光，偏光转换片可以将光源组件产生的复合光中的P偏振光转换成S偏振光，提升S偏振光的纯度；PBS棱镜可以透射P偏振光且反射S偏振光，从而进一步提高S偏振光占总光能的比例；并且PBS棱镜的S偏振光出光侧设置有LCOS芯片，LCOS芯片主要用于对投影图像调制，将投影图像信号的偏振态调制为P偏振态，从而将反射的S偏振光转换成P偏振光，并经PBS棱镜再一次提升P偏振光的纯度后，经投影镜头投影成像。因此，本发明通过将偏光转换片和PBS棱镜等模组进行配合，可以有效提高LCOS芯片所用偏振光的比例以提高光效，并显著提高投影像面的对比度，在同样光源功率下可以提升画面亮度，从而提高投影成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的高对比度无热失焦的LCOS投影光机的结构示意图；

图2是本发明提供的PBS棱镜、LCOS芯片、金属线栅偏振片和四分之一玻片的装配示意图；

图3是本发明提供的投影镜头的剖面结构示意图。

附图标记：

100：光源组件；101：红光光源；102：绿光光源；

103：蓝光光源；104：第一二向色镜；105：第二二向色镜；

106：第一准直透镜；107：第二准直透镜；

200：偏光转换片；300：PBS棱镜；

400：投影镜头；401：第一正透镜；402：第一负透镜；

403：第二正透镜；404：第三正透镜；405：第四正透镜；

406：第五正透镜；407：第二负透镜；408：第三负透镜；

409：反曲点；

500：LCOS芯片；600：金属线栅偏振片；700：积分透镜；

800：四分之一玻片；900：复眼透镜；1000：显示屏幕。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”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，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图3描述本发明的高对比度无热失焦的LCOS投影光机。

根据本发明的一个实施例，参照图1-图3所示，本发明提供的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，主要包括：沿投影光路依次设置的光源组件100、偏光转换片200、PBS棱镜300和投影镜头400。其中，光源组件100主要用于成像照明，产生复合光，偏光转换片200主要用于将光源组件100产生的复合光中的P偏振光转换成S偏振光，提升S偏振光的纯度；PBS棱镜300除了用于折转光路外，其主要特性是用于透射P偏振光且反射S偏振光，从而进一步提高S偏振光占总光能的比例；并且PBS棱镜300的S偏振光出光侧设置有LCOS芯片500，LCOS芯片500主要用于对投影图像调制，将投影图像信号的偏振态调制为P偏振态，从而将反射的S偏振光转换成P偏振光，并经PBS棱镜300再一次提升P偏振光的纯度后，经投影镜头400投影成像。

工作时，光源组件100产生复合光，经过偏光转换片200，将复合光中的P偏振光转换成S偏振光，提升S偏振光的纯度；然后经过PBS棱镜300，透射P偏振光，并且反射S偏振光，从而进一步提高S偏振光占总光能的比例，然后反射的S偏振光经过LCOS芯片500，将图像信号调制为P偏振光，然后再经过PBS棱镜300，透射P偏振光且反射S偏振光，再一次提升P偏振光的纯度，最后经投影镜头400成像在显示屏幕1000上。

因此，本发明实施例提供的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，通过将偏光转换片200和PBS棱镜300等模组进行配合，可以有效提高LCOS芯片500所用偏振光的比例以提高光效，并显著提高投影像面的对比度，在同样光源功率下可以提升画面亮度，从而提高投影成像质量。

根据本发明的一个实施例，参照图1所示，偏光转换片200与PBS棱镜300之间设有金属线栅偏振片600，金属线栅偏振片600用于透射S偏振光，并且反射P偏振光，进一步提高S偏振光占总光能的比例，从而进一步提高投影像面的对比度，保证成像质量。

具体地，来自光源组件100的复合光包括P偏振光和S偏振光，复合光经过金属线栅偏振片600时，只允许S偏振光透过，不允许P偏振光透过，因此增加了入射至PBS棱镜300以及LCOS芯片500的S偏振光的比例，可以提高光效，并显著提高对比度。

根据本发明的一个实施例，参照图1所示，金属线栅偏振片600与偏光转换片200之间设有积分透镜700，通过积分透镜700可以对不同角度光线进行调制，使其较为均匀地投射至LCOS芯片500上，从而保证图像清晰度。

本发明积分透镜700的具体类型不做特别限制，例如积分透镜700可以为单片非球面透镜，也可以是两片非球面透镜或一片球面一片非球面透镜，材料可以是塑料也可以是玻璃，可根据实际需求进行设计。

根据本发明的一个实施例，参照图2所示，PBS棱镜300的S偏振光出光侧与LCOS芯片500之间设有四分一玻片800。四分一玻片800是个相位延迟片，由于P偏振光和S偏振光本来就有±π/2的相位差，经过四分一玻片800后又新增±π/2的相位差，即0或者π的相位差，即原始光路中的P偏振光全部转换为S偏振光，从而增加入射LCOS芯片500光线中S偏振光的纯度。

具体地，复合光中的P偏振光透过PBS棱镜300，复合光中的S偏振光到达PBS棱镜300的镀膜平面时反射，因此反射至LCOS芯片500的光束中S偏振光的比例较高。然而，鉴于PBS棱镜300自身的光效问题，反射的S偏振光并不纯净。在PBS棱镜300与LCOS芯片500之间设置四分之一玻片800，可以将PBS棱镜300反射光束中余留的P偏振光也转换成S偏振光，进一步增加S偏振光的比例。

与此同时，经过LCOS芯片500调制后的图像包括P偏振光，可能还存在少部分S偏振光，经过四分之一玻片800可以再次将LCOS芯片500调制后的光束中的S偏振光全部转换为P偏振光，保证P偏振光的纯度比例，进而增加投影图像的对比度。

根据本发明的一个实施例，参照图1所示，光源组件100与偏光转换片200之间设有复眼透镜900。通过复眼透镜900可以对来自光源组件100的复合光进行整形和匀光，进而使入射至LCOS芯片500的S偏振光更加均匀，从而使投影图像更加清晰。

根据本发明的一个实施例，参照图1所示，光源组件100包括：红光光源101、绿光光源102、蓝光光源103以及多个二向色镜，多个二向色镜用于将红光、绿光以及蓝光形成复合光，并且红光光源101、绿光光源102以及蓝光光源103的出光侧均设置有准直透镜。通过调整红光、绿光以及蓝光的亮度以及相互间的比例，可以改善投影图像的彩色成像效果。

在一个具体示例中，参照图1所示，准直透镜包括沿光源出光方向依次设置的第一准直透镜106和第二准直透镜107。第一准直透镜106用于对光线的角度进行收束，第二准直透镜107用于对收束后的光线进行准直。经过光束准直透镜后的红光、绿光以及蓝光的光束具有准直性，有助于提高复眼整形和匀光的效率，提升画面整体亮度。

在一个具体示例中，参照图1所示，二向色镜包括相对倾斜设置的第一二向色镜104和第二二向色镜105，第一二向色镜104位于第二二向色镜105的下方，且两者之间具有夹角，蓝光光源103位于第一二向色镜104的下方，绿光光源102位于第一二向色镜104与第二二向色镜105的左侧之间，红光光源101位于第二二向色镜105的右侧。

并且，第二二向色镜105的上方依次设置复眼透镜900、偏光转换片200、积分透镜700、金属线栅偏振片600和PBS棱镜300，PBS棱镜300的右侧依次设置四分之一玻片800和LCOS芯片500，PBS棱镜300的左侧设置投影镜头400。

因此，本发明实施例提供的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，采用多种透镜模组相互组合搭配的方式，可以提高LCOS芯片500所用偏振光的比例，以提高光效，并显著提高对比度。

下面对投影光路中的偏振光消光比/偏振比提升原理进行描述，大致包括：提升偏振比的光学原件包括四种，分别是偏光转换片200、金属线栅偏振片600、PBS棱镜300以及四分之一玻片800。

1、偏光转换片200把复眼透镜900整形匀光后的复合光中的P偏振光转换为S偏振光，提高了光效；

2、金属线栅偏振片600用于透过S偏振光，并且反射P偏振光，进一步提高了S偏振光占总光能的比例；

3、PBS棱镜300的作用包括两点：第一个特性是折转光路，调整光路的方向，有利于LCOS芯片500的布置；第二个特性是透过P偏振光并反射S偏振光，进一步增加S偏振光占总光能的比例；

4、四分之一玻片800具有相位延迟功能，P偏振光和S偏振光本来就有±π/2的相位差，经过四分之一玻片800之后，P偏振光和S偏振光又增加了±π/2的相位差，即0或者π的相位差，可以将原始光路中的P偏振光全部转换为S偏振光，从而增加入射至LCOS芯片500的光线中的S偏振光的纯度。并且经过LCOS芯片500调制后的图像信号包括P偏振光，可能还存在少量的S偏振光，少量的S偏振光再次经过四分之一玻片800之后，全部转换成P偏振光，进一步增加了投影像面的对比度。

可以理解的是，光源组件100发出的光束经过以下几次处理过程：

第一次，偏光转换片200把P偏振光转换成S偏振光，提升了S偏振光的纯度；

第二次，金属线栅偏振片600透过S偏振光并反射P偏振光，进一步增加了S偏振光占总光能的比例；

第三次，PBS棱镜300透过P偏振光并反射S偏振光，进一步增加S偏振光占总光能的比例；

第四次，四分之一玻片800将残余的P偏振光全部转换为S偏振光，进一步提升S偏振光的纯度；

LCOS芯片500调制图像信号，将图像信号的偏振态调制为P偏振态；

第五次，四分之一玻片800再次将杂散的S偏振光全部转换成P偏振光，进一步提升了P偏振光的纯度；

第六次，PBS棱镜300透过P偏振光并反射S偏振光，进一步提升P偏振光的纯度。

相关技术中，多数玻塑混合投影镜头都存在热失焦问题，刚开机和热机一段时间后，如果没有进行重新调焦，画面质量有明显变化，存在热失焦导致成像质量差的问题。

为此，参照图3所示，本发明实施例还提供一种投影镜头400，投影镜头400包括：沿投影光路依次设置的第一正透镜401、第一负透镜402、第二正透镜403、第三正透镜404、第四正透镜405、第五正透镜406、第二负透镜407和第三负透镜408。

本发明实施例通过将上述不同类型的光学元件进行组合设计，可以提高成像质量。

根据本发明的一个实施例，第一正透镜401为双凸透镜，第一负透镜402为月牙凹透镜，第二正透镜403为双凸透镜，第三正透镜404为平凸透镜；第四正透镜405为月牙凸透镜，第五正透镜406为双凸透镜；第二负透镜407为月牙凹透镜，且第二负透镜407的出光面边缘具有至少一个反曲点409；第三负透镜408为月牙凹透镜，各个透镜具体的凹凸方向可参见图3所示。

需要说明的，反曲点409一般用于校正轴外像差，本发明通过在第二负透镜407的出光面边缘设计反曲点409，可以有利于投影镜头400的小型化，同时提高投影镜头400的成像质量。

并且，PBS棱镜300、第一负透镜402和第五正透镜406的折射率为1.83~1.87，色散系数为23.6~23.8；第一正透镜401的折射率为1.78~1.82，色散系数为46.4~46.8；第二正透镜403的折射率为1.56~1.59，色散系数为55.8~56.2；第三正透镜404和第四正透镜405的折射率为1.50~1.52，色散系数为64.0~64.4；第二负透镜407的折射率为1.62~1.66，色散系数为23.9~24.1；第三负透镜408的折射率为1.53~1.55，色散系数为55.4~55.7。

例如，PBS棱镜300、第一负透镜402和第五正透镜406的折射率为1.85，色散系数为23.8；第一正透镜401的折射率为1.80，色散系数为46.6；第二正透镜403的折射率为1.57，色散系数为56.0；第三正透镜404和第四正透镜405的折射率为1.52，色散系数为64.2；第二负透镜407的折射率为1.64，色散系数为23.9；第三负透镜408的折射率为1.54，色散系数为55.6。

本发明实施例通过采用上述不同折射率和色散系数的透镜进行组合搭配的方式，在不需要调焦的情况下，可以实现在-20℃~65℃温度范围内，满足光机成像质量的要求。本发明投影光机适于温度为-20℃~65℃的应用场景，该光机在-20℃~65℃温度范围内不需要调焦就具有较好的成像质量。因此，本发明实施例提供的投影镜头无热失焦问题，可以显著提高投影成像质量。

现有投影技术长焦镜头无法满足桌投近距离大画面的要求，短焦镜头因为非球面反射镜和公差要求较高等方面的因素，导致可量产性差，虽然有小批量生产，但是成像质量不理想，且成本较高。

因此，本发明实施例LCOS投影光机的投射比为0.5~0.8，例如投射比可以为0.7，这样设计的话，既可以满足成像质量要求，也可以满足量产的稳定性。其中，投射比为投影距离与画面宽度的比值。

另外，投影领域以LCOS芯片为成像调制单元的投影光机的偏轴最大为100%。而本发明通过将LCOS投影光机的偏轴设计为不小于120%，可以实现远距离投影，并优化镜头尺寸过大的问题，并且大偏轴设计特别适用于桌投和悬挂墙投，提升用户使用体验。

综上所述，本发明实施例提供的LCOS投影光机是一种高对比度无热失焦的LCOS投影装置，具有光效高、对比度高、无热失焦、成像质量高等特点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高对比度无热失焦的LCOS投影光机，其特征在于，包括：

沿投影光路依次设置的光源组件、偏光转换片、PBS棱镜和投影镜头，所述偏光转换片用于将所述光源组件产生的复合光中的P偏振光转换成S偏振光；所述PBS棱镜用于透射P偏振光且反射S偏振光，且所述PBS棱镜的S偏振光出光侧设置有LCOS芯片，所述LCOS芯片用于将投影图像信号的偏振态调制为P偏振态。

2.根据权利要求1所述的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，其特征在于，所述偏光转换片与所述PBS棱镜之间设有金属线栅偏振片，所述金属线栅偏振片用于透射S偏振光且反射P偏振光。

3.根据权利要求2所述的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，其特征在于，所述金属线栅偏振片与所述偏光转换片之间设有积分透镜。

4.根据权利要求1所述的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，其特征在于，所述PBS棱镜的S偏振光出光侧与所述LCOS芯片之间设有四分一玻片。

5.根据权利要求1所述的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，其特征在于，所述光源组件与所述偏光转换片之间设有复眼透镜。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，其特征在于，所述投影镜头包括：沿投影光路依次设置的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜、第五正透镜、第二负透镜和第三负透镜。

7.根据权利要求6所述的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，其特征在于，所述第一正透镜为双凸透镜，所述第一负透镜为月牙凹透镜，所述第二正透镜为双凸透镜，所述第三正透镜为平凸透镜；所述第四正透镜为月牙凸透镜，所述第五正透镜为双凸透镜；所述第二负透镜为月牙凹透镜，且所述第二负透镜的出光面边缘具有至少一个反曲点；所述第三负透镜为月牙凹透镜。

8.根据权利要求7所述的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，其特征在于，所述PBS棱镜、所述第一负透镜和所述第五正透镜的折射率为1.83~1.87，色散系数为23.6~23.8；所述第一正透镜的折射率为1.78~1.82，色散系数为46.4~46.8；所述第二正透镜的折射率为1.56~1.59，色散系数为55.8~56.2；所述第三正透镜和所述第四正透镜的折射率为1.50~1.52，色散系数为64.0~64.4；所述第二负透镜的折射率为1.62~1.66，色散系数为23.9~24.1；所述第三负透镜的折射率为1.53~1.55，色散系数为55.4~55.7。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，其特征在于，所述光源组件包括：红光光源、绿光光源、蓝光光源以及多个二向色镜，多个所述二向色镜用于将红光、绿光以及蓝光形成复合光；

且所述红光光源、所述绿光光源以及所述蓝光光源的出光侧均设置有准直透镜。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的高对比度无热失焦的LCOS投影光机，其特征在于，所述LCOS投影光机的投射比为0.5~0.8，偏轴不小于120%。

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