CN210465965U - 一种基于pbs分合光的两片式lcd投影机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于PBS分合光的两片式LCD投影机，包括第一PBS装置、第二PBS装置、第一LCD光阀模组和第二LCD光阀模组；其中：LED光源发出的光线经聚光照明装置后，由第一PBS装置分成P光和S光两路偏振光，一路为S光照射于该第一LCD光阀模组上，另一路为P光照射于该第二LCD光阀模组上，光线穿过两片LCD光阀模组由第二PBS装置进行合光，经场镜，投影镜头，最后到达屏幕实现投影功能。本实用新型结构简单，造价低廉，能显著提升单LCD投影机的能量转换效率，同时获得包括单机快门3D、单机偏光3D等较齐全和优异的3D显示功能。

Description

一种基于PBS分合光的两片式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：其光阀为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投影机两种原理和结构形式，一般的单LCD投影机是用一片全彩的LCD光阀，在白色光源或等效为白色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分别去照明三路LCD光阀，每路LCD光阀显示输入视频信号的一个纯基色场图像，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，具备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，故产品成本也高，亮度从800～8000流明不等，是传统商、教投影机市场的主力，纵观近年投影产品市场，主要就3LCD投影机、单LCD投影机和DLP投影机几种原理形式的产品。

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光效按大功率LED模组典型值100流明/瓦计，这样η通常仅2％～3.5％。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，是多方面的，其中由偏光片带来的损失就≥60％，故如何降低此损失是行业长期以来研发的课题。

LCD投影机，不管单LCD还是3LCD技术，因为光阀响应速度较慢的关系，存在一个极大的不足就是其单机都不能像DLP投影机一样具备出色的3D(3 Dimension)显示如快门3D(Active Shutter)显示功能。具体而言，单L CD投影机是完全不具有快门3D功能的；而最新技术的3LCD投影机，开启快门3D功能时，因为图像拖尾等异常现象，必须用关断3D眼镜的方法去克服，即当显示异常时，佩戴的3D眼镜关闭使人眼不能看到，故人眼获得的亮度一般会直接损失6～8倍，观看起来格外吃力，故LCD投影机单机只能作为体验度不佳的色差3D(Anaglyphic 3D)等方式进行3D显示，这种3D往往没有实用性。

另一种优异的3D显示是偏光3D(Polarization 3D)方式，这种显示方式在配置好视频信号源(须输出2路信号)时，需要两台投影机堆叠在一起工作，两台投影机画面要能极好地重叠，各光、色指标尽可能一致。

用两台DLP投影机堆叠进行偏光3D显示时，在镜头出射处各设置一片偏光片，两片偏光片偏轴轴正交，总亮度损失约60％，但因为两台投影机是同时工作，相对原来单机而言，损失后的总亮度只比原来的单机略低，又没有快门3D的闪烁性，故可以为用户提供极好的3D体验，商业影院往往以偏光3D为优先考虑因素。

用两台3LCD投影机堆叠进行偏光3D显示时，也要在镜头前各设置一片偏光片，且两片偏光片振动轴正交。如果其单机内部合色器件如X-cube(X棱镜)为SPS(RGB三基色为S光、P光、S光)方式，则会出现严重的亮度损失和偏色；如果其单机内部合色器件如X-cube为SSS(RGB三基色为S光、S光、S光)方式，则一台亮度损失极大，左右眼获得的亮度差异极大，影响3D体验。故即便是双机偏光3D显示，3LCD如果未经特别制作，也是非常不适合的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有上述单LCD投影机能量转换效率低，对自然光进行偏振化过滤损失大，单机无快门和偏光3D功能的不足；针对现有3LCD投影机，单机快门3D功能基本无实用性，双机偏光3D功能偏色或一路亮度降低过多的不足，而提出一种基于PBS(Polarization Beam Splitter，偏振光分离器)分合光方式的两片式LCD投影机及投影方法，实现能量转化效率的成本增加，实现优异的3D显示功能，且结构简单，成本低廉。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于PBS分合光的两片式LCD投影机，包括：LED光源、聚光照装置、第一PBS装置、第一LCD光阀模组、第二LCD光阀模组、第二PBS装置、场镜和投影镜头；其中：该LED光源发出的光线，经过聚光照明装置后，由该第一PBS装置分成P光和S光两路偏振光，一路为S光照射于该第一LCD光阀模组上，光线穿过该第一LCD光阀模组时由S光旋转90°变为P光并射出至第二PBS装置上；而该第一PBS装置分离出的另一路偏振光即P光照射于该第二LCD光阀模组上，光线穿过该第二LCD光阀模组时由P光旋转90°变成S光并射出至第二PBS装置上；该第二PBS装置对来自该第一LCD光阀模组的P光和该第二LCD光阀模组的S光进行合光，经场镜，投影镜头，最后到达屏幕。

在一些实施例中，该第一PBS装置和该第二PBS装置选用入射光线为45°的一面带粘的反射式偏光片，贴合于白板或青板玻璃上，制作成PBS模组实现PBS光学功能。

在一些实施例中，该第一PBS装置选用PBS棱镜；该第二PBS装置选用PBS棱镜。

在一些实施例中，该第一PBS装置选用由入射光线为45°的反射式偏光片制作的PBS模组或PBS棱镜；该第二PBS装置选用由入射光线为45°的反射式偏光片制作的PBS模组或PBS棱镜。

在一些实施例中，该第一LCD光阀模组和该第二LCD光阀模组，为同等分辨率、同等窗口尺寸的全彩透射式LCD光阀。

在一些实施例中，该第一LCD光阀模组的入射侧偏光片的透过轴，须和该第一PBS装置的反射轴一致；该第二LCD光阀模组的入射侧偏光片的透过轴，须和该第二PBS装置的透过轴一致。

在一些实施例中，该第一PBS装置、该第一LCD光阀模组、该第二LCD光阀模组和该第二PBS装置必须满足光路上对该材料偏振相位的特性要求，在既有原材料或安装布局不能满足光路各偏振相位特性要求的情况下，通过插入相位差板来满足光路要求。

本发明的有益效果在于，通过巧妙地在单LCD投影机的基础上，增加第二LCD光阀和两个PBS装置，能够对单LCD投影机光路上被损失的那一大部分偏振光进行较为充分地利用，实现较高的能量转换效率，同时提供性能较优异的、齐全的3D显示功能。

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示意出本发明的基于PBS分合光的两片式LCD投影机的原理性结构。

图2示意出本发明的基于PBS分合光的两片式LCD投影机的另一结构。

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示意出本发明一种基于PBS分合光方式的两片式LCD投影机原理性结构。图1示出的两片式LCD投影机包括：LED光源1、聚光照明装置2、全反射镜3、第一PBS装置4、全反射镜5、聚焦透镜6、第一LCD光阀模组7、全反射镜8、聚焦透镜9、第二LCD光阀模组11、第二PBS装置11、场镜12和投影镜头13。

本发明的两片式LCD投影机基本工作原理是：LED光源1发出的光线，经聚光照明装置2、全反射镜3后照射于第一PBS装置4上，该第一PBS装置4将入射光分成S光和P光两路偏振光，一路为S光经过全反射镜5，聚焦透镜6后，照射于第一LCD光阀模组7上，因第一LCD光阀模组7的旋光特性，且其入、出射偏光片的透过轴即相位正交，且其入射偏光片的透过轴和其入射的S光振动轴一致，故穿过该第一LCD光阀模组7的光线为P光并射出至第二PBS装置11上；而第一PBS装置4分离出的另一路偏振光即P光经全反射镜8、聚焦透镜9后，照射于第二LCD光阀模组10上，因第二LCD光阀模组10的旋光特性，且其入、出射偏光片的相位正交，且其入射偏光片的透过轴和其入射的P光振动轴一致，故穿过第二LCD光阀模组10的光线为S光并射出至第二PBS装置11上；第二PBS装置11对来自第一LCD光阀模组7的P光和第二LCD光阀模组10的S光进行合光，经场镜12，投影镜头13，最后到达屏幕实现投影功能。

LED光源1，选用白光LED或三基色RGB型LED，发光面积主要由投影机的成本预期、输出的亮度等级、LCD光阀的Etendue(光学扩展量)值、镜头的Fno值(光圈数)等因素而综合决定。

聚光照明装置2，一个作用是对LED光源1发射的光线进行聚光，使其按光束的设计立体角要求照射到第一PBS装置4上；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10的设计均匀照明条件；考虑到本发明两片式LCD投影机的PBS装置分光、合光的效率和成本，照射于PBS装置的光线立体角设计在单边7°内较好。

第一PBS装置4用入射光线为45°的反射式偏光片制作成PBS模组或使用PBS棱镜，第一PBS装置4的透过轴和反射轴的特性，决定其后的相位差板的透过轴相位、LCD光阀模组的入射侧偏光片的透过轴相位、第二PBS装置11的透过轴和反射轴的相位。

聚焦透镜6和9，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9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9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10，选用同等尺寸和像素数量的全彩透射式LCD屏，在图1中，两片LCD光阀的入射侧偏光片其透过轴是正交的，即两片LCD光阀模组7和10的偏光片特性是不一样的；如果两片LCD光阀模组的入射侧偏光片透过轴特性一样，则需要在第二LCD光阀模组10的入、出射侧，各设置一片1/2波片(产生90°的相位差)，方可使第二PBS装置工作条件符合设计要求。

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。

在快门3D显示时，本发明通过两片LCD光阀模组7和10，各显示一个眼睛的图像，眼镜并不需要类似DLP投影机的快门3D眼镜，而是用和本发明第二PBS装置11偏振轴匹配的偏光式3D眼镜，能较好实现快门3D功能，相比DLP投影机的快门3D显示，本发明图像无闪烁感，亮度不会显著降低，达到了偏光式3D的优异效果；在偏光3D显示时，本发明无需两台投影机堆叠，也无需在投影镜头前设置偏光片滤光，两个LCD光阀模组7和10，各独立完整地显示一个输入图像，只需偏光3D眼镜的偏光特性，和第二PBS装置11相匹配，便可实现优异的偏光3D功能，且和双机堆叠相比，无偏色，无左右眼不均匀，无亮度损失等不足。

场镜12和镜头13一起，将第一、第二LCD光阀模组7和10上显示的图像，投射于屏幕上。

参见图2，图2示意出本发明的基于PBS分合光的两片式LCD投影机的另一结构。在需要不同于图1示出的外观造型、光路摆放、适当加入相位差板的情形下，可以采用图2示出的这一结构。图2示出的两片式LCD投影机包括：LED光源1、聚光照明装置2、第一PBS装置4、全反射镜5、聚焦透镜6、第一LCD光阀模组7、聚焦透镜9、第二LCD光阀模组11、第二PBS装置11、场镜12、投影镜头13、中继透镜14、全反射镜15、中继透镜16和相位差板17、18。

具体而言，相位差板17、18选用90°相位差板，由一片一面带粘的1/2波片薄膜，粘贴于白板或青板玻璃上实现90°相位差板的作用。相位差板17和18，并不局限于一定置放于LCD光阀的入射侧，也可以放置于LCD光阀的出射侧，主要的限制条件在于：第一PBS装置4、第一LCD光阀模组7、第二LCD光阀模组10和第二PBS装置11必须满足光路上对材料偏振相位的特性要求，在既有原材料或安装布局不能满足光路各偏振相位特性要求的情况下，通过插入相位差板17和18来满足光路要求。

图2中所选用的第一LCD光阀模组7等同于图1的第一LCD光阀模组7的特性，图2中所选用的第二LCD光阀模组10等同与图1的第二LCD光阀模组10特性，故需要加入90°相位差板17和18。

图2示意的中继透镜14、全反射镜15、中继透镜16，是为确保第一PBS装置4分离出的P光，能高效顺利达到聚焦透镜6而设置的光学材料。

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 (7)

1.一种基于PBS分合光的两片式LCD投影机，其特征在于，包括LED光源(1)、聚光照明装置(2)、第一全反射镜(3)、第一PBS装置(4)、第二全反射镜(5)、第一聚焦透镜(6)、第一LCD光阀模组(7)、第三全反射镜(8)、第二聚焦透镜(9)、第二LCD光阀模组(10)、第二PBS装置(11)、场镜(12)和投影镜头(13)；其特征在于：该LED光源(1)发出的光线至该聚光照明装置(2)和该第一全反射镜(3)后照射于该第一PBS装置(4)上，该第一PBS装置(4)将入射光分成S光和P光两路偏振光；一路为S光经过该第二全反射镜(5)和该第一聚焦透镜(6)后，照射于该第一LCD光阀模组(7)上；第一LCD光阀模组(7)和第二LCD光阀模组(10)的旋光特性，且入、出射偏光片的透过轴即相位正交，穿过该第一LCD光阀模组(7)的光线为P光并射出至该第二PBS装置(11)上；该第一PBS装置(4)分离出的另一路偏振光即P光经该第三全反射镜(8)和该第二聚焦透镜(9)后，照射于该第二LCD光阀模组(10)上；穿过该第二LCD光阀模组(10)的光线为S光并射出至该第二PBS装置(11)上；该第二PBS装置(11)对来自该第一LCD光阀模组(7)的P光和该第二LCD光阀模组(10)的S光进行合光，经该场镜(12)和该投影镜头(13)，到达屏幕实现投影功能。

2.根据权利要求1所述的两片式LCD投影机，其特征在于：该第一PBS装置(4)和该第二PBS装置(11)选用入射光线为45°的一面带粘的反射式偏光片，贴合于白板或青板玻璃上，制作成PBS模组实现PBS光学功能。

3.根据权利要求1所述的两片式LCD投影机，其特征在于：该第一PBS装置(4)选用PBS棱镜；该第二PBS装置(11)选用PBS棱镜。

4.根据权利要求1所述的两片式LCD投影机，其特征在于：该第一PBS装置(4)选用由入射光线为45°的反射式偏光片制作的PBS模组或PBS棱镜；该第二PBS装置(11)选用由入射光线为45°的反射式偏光片制作的PBS模组或PBS棱镜。

5.根据权利要求1所述的两片式LCD投影机，其特征在于：该第一LCD光阀模组(7)和该第二LCD光阀模组(10)，为同等分辨率、同等窗口尺寸的全彩透射式LCD光阀。

6.根据权利要求1至5任一项所述的两片式LCD投影机，其特征在于：该第一LCD光阀模组(7)的入射侧偏光片的透过轴，须和该第一PBS装置(4)的反射轴一致；该第二LCD光阀模组(10)的入射侧偏光片的透过轴，须和该第二PBS装置(11)的透过轴一致。

7.根据权利要求1至5任一项所述的两片式LCD投影机，其特征在于：该第一PBS装置(4)、该第一LCD光阀模组(7)、该第二LCD光阀模组(10)和该第二PBS装置(11)必须满足光路上对该材料偏振相位的特性要求，在既有原材料或安装布局不能满足光路各偏振相位特性要求的情况下，通过插入相位差板来满足光路要求。

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