一种LCD投影机复眼照明系统和投影方法与流程

本发明涉及投影机领域，尤其涉及一种lcd投影机复眼照明系统和投影方法。

背景技术：

长期以来，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。

使用偏振光变换技术是降低上述照明损失的最主要办法之一，对应于复眼系统的偏振光变换技术，近20年来国外有非常成熟的方案，并广泛应用于3lcd等投影机上，典型的结构见图6-7所示(后述)。

同时，一直以来单lcd投影机都习惯于采用简单的科勒照明方式，不仅仅照明效率低，而且图像的均匀度也非常低，从而在光阀的中央区域堆积了更多的热量而导致光阀的局部温升很高，再加上lcd光阀散热技术的固有局限，更加影响产品的输出亮度，用户满意度低。因此研发更加高效率的lcd投影机照明方案，如价廉物美、制作简单的偏振光变换实现更高的照明效率、临界照明技术获得更好的均匀照明和进一步提高照明效率，就是本发明要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服现有技术的不足，提供了一种lcd投影机复眼照明系统，有效提升了单lcd投影机的照明效率和照明均匀度，且制作简单、价廉物美。

为了实现上述目的，本发明提供了一种lcd投影机复眼照明系统，包括按光线行进方向依次设置的led光源、led收集器、复眼透镜、重叠透镜、聚焦透镜、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发光晶片；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。

所述led光源的数量至少为一个。

所述led收集器与所述led光源的数量相同且位置相对。

所述lcd投影机复眼照明系统还包括按光线行进方向依次设于所述led收集器和复眼透镜之间的四分之一波片和增亮型偏光片。

或者所述lcd投影机复眼照明系统还包括按光线行进方向依次设于所述复眼透镜和重叠透镜之间的四分之一波片和增亮型偏光片。

或者所述lcd投影机复眼照明系统还包括按光线行进方向依次设于所述重叠透镜和聚焦透镜之间的四分之一波片和增亮型偏光片。

或者所述lcd投影机复眼照明系统还包括按光线行进方向依次设于所述聚焦透镜和lcd光阀之间的四分之一波片和增亮型偏光片。

进一步地，所述led光源上所设置的发光区域为矩形，所述矩形的宽高比和所述复眼透镜的子透镜的宽高比一样；所述矩形的长边和所述复眼透镜的子透镜的长边平行，其中发光区域还可以是圆形等其他形状，不限定为矩形。

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，或者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。

可选地，所述增亮型偏光片安装于所述重叠透镜和聚焦透镜之间的光阑上。

可选地，所述led收集器为聚光透镜组、锥形聚光器、反光杯和tir(全内反射，totalinternalreflection)透镜中的任一种，其中所述聚光透镜组包括至少一片对led光源进行聚光并准直的透镜；

或者所述led收集器为锥形聚光器和准直透镜组的组合，所述led收集器为反光杯和准直透镜组的组合，其中准直透镜组包括至少一片对光线进行准直的透镜。

进一步地，所述复眼透镜为一片单面复眼透镜、两片单面复眼透镜的组合和双面复眼透镜中的任一种。

本发明还提供一种所述的lcd投影机复眼照明系统的投影方法，包括如下步骤：

所述led光源发出的光线经所述led收集器进行收集和准直后，穿过四分之一波片而照射在所述增亮型偏光片上；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所述增亮型偏光片后，依次经所述复眼透镜、重叠透镜和聚焦透镜后对lcd光阀进行均匀照明，并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led收集器后照射在led光源的发光区域上，一部分光线被所述反射膜反射回去，反射回去的光线再经所述led收集器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的一部分光线变得可用，完成偏振光变换的过程。

或者所述led光源发出的光线经所述led收集器进行收集和准直后，照射在所述复眼透镜上并分割成若干的子光源进而穿过所述四分之一波片而照射在所述增亮型偏光片上；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所述增亮型偏光片后，经重叠透镜和聚焦透镜后对lcd光阀进行均匀照明，并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，并经所述复眼透镜和led收集器后照射在led光源的发光区域上，一部分光线被所述反射膜反射回去，反射回去的光线再依次经所述led收集器和复眼透镜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的一部分光线变得可用，完成偏振光变换的过程。

或者所述led光源发出的光线经所述led收集器进行收集和准直后，照射在所述复眼透镜上并分割成若干的子光源，经所述重叠透镜进而穿过所述四分之一波片而照射在所述增亮型偏光片上；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所述增亮型偏光片后，经聚焦透镜对lcd光阀进行均匀照明，并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，并依次经所述重叠透镜、复眼透镜和led收集器后照射在led光源的发光区域上，一部分光线被所述反射膜反射回去，反射回去的光线再依次经所述led收集器、复眼透镜和重叠透镜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的一部分光线变得可用，完成偏振光变换的过程。

或者所述led光源发出的光线依次经所述led收集器进行收集和准直、经所述复眼透镜、重叠透镜和聚焦透镜后，穿过所述四分之一波片而照射在所述增亮型偏光片上；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所述增亮型偏光片后，对所述lcd光阀进行均匀照明，并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，并依次经所述聚焦透镜、重叠透镜、复眼透镜和led收集器后照射在led光源的发光区域上，一部分光线被所述反射膜反射回去，反射回去的光线再依次经所述led收集器、复眼透镜、重叠透镜和聚焦透镜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的一部分光线变得可用，完成偏振光变换的过程。

本发明的有益效果：

本发明通过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，无用的一路偏振光被反射；被反射的光线进入led收集器并照射在led光源的发光区域上，一部分光线被制作在发光区域内的反射膜高效反射回去并再次经led收集器而进入光学系统而到达增亮型偏光片，期间两次穿过四分之一波片后，偏振面旋转90°而被lcd光阀所利用，且增效的光线均无光展(光学扩展量)溢出，从而被lcd光阀真正所利用，故显著提高了投影机的照明效率，节约电源功耗，降低了光学系统的发热，同时实现了对lcd光阀的均匀照明，大幅提高了产品竞争力，而且本发明整体结构简单，体积相对较小，制作容易，价廉物美。

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结构示意图；

图2为本发明偏振光变换的原理示意图，且此时led收集器为透镜组，透镜组包括两片透镜；

图3为本发明实施例的led光源结构示意图；

图4为本发明实施例二的结构示意图；

图5为本发明实施例三的结构示意图；

图6为一种现有技术的结构示意图；

图7为一种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。

实施例一：

如图1-3所示，本实施方式提供的一种lcd投影机复眼照明系统，包括按光线行进方向依次设置的led光源1、led收集器2、复眼透镜3、重叠透镜4、聚焦透镜5、四分之一波片9、增亮型偏光片10、lcd光阀6、场镜7和投影镜头8。

其中led光源1数量采用1个还是n个，n≥2，取决于led光源1上发光区域的尺寸和投影镜头8的fno(光圈)对lcd光阀6的光展限制。

led光源1数量如果为一个，则结构相对简单，但led收集器2的体积会相对最大，制作成本高；led光源1的数量如果为多个，装配会相对麻烦，但led收集器2的体积会相对较小，且led光源1的散热会更好。

见图3，led光源1的发光区域为矩形，也可以是圆形或者其它形状，但只要是形状和复眼透镜3的子透镜形状不一样，就可能会导致更多的无用光线进入系统，不利于散热，或者产生光展的浪费，不能获得最好的系统效率。

led收集器2是将led光源1的光通量，尽量收集并转换成符合复眼透镜3允许的数值孔径，对复眼透镜3进行照明。

复眼透镜3的行列数、子透镜尺寸、面形、数值孔径、材料等参数，主要取决于对系统效率和成本的权衡。

复眼透镜3具有天然的无用光线限制作用，故本发明不用担心光展会溢出、或对lcd光阀6会产生无意义的照明和加热，这也是有别于当前很多伪偏振光变换技术的根本表现。现有伪偏振光变换技术虽照射光阀的光线确实一定程度地变多了，但投影图像的亮度并没有增加，白白增加光阀的散热负担。

重叠透镜4是将复眼透镜3分割出的若干子光源像，通过聚焦透镜5，重叠(叠加)在lcd光阀6上。

四分之一波片9和增亮型偏光片10制作在一片0.5mm厚的玻璃上，玻璃的入射面贴四分之一波片9，出射面贴增亮型偏光片10；四分之一波片9和增亮型偏光片10可选用有机材料制作，这样具有价格低，供应稳定的优点，如四分之一波片9可采用现有日本帝人公司生产的四分之一波片，增亮型偏光片10可采用现有3m公司的dbef增亮型偏光片，此不做具体的限定。

增亮型偏光片10安装于不同的位置，即可以是led收集器2和复眼透镜3之间、或复眼透镜3和重叠透镜4之间、或重叠透镜4和聚焦透镜5之间、或聚焦透镜5和lcd光阀6之间，对于投影机照明效率的增加幅度是不同的，置于复眼透镜3和重叠透镜4之间，或重叠透镜4和聚焦透镜5之间时，投影机照明效率增加最多；置于聚焦透镜5和lcd光阀6之间时次之；置于led收集器2和复眼透镜3之间时，效率会低一些。

参见图2所示，led收集器2采用聚光透镜组21，且聚光透镜组包括按光线行进方向依次设置的第一透镜211和第二透镜212，其中led光源1的发光区域内设置的发光晶片102上任一点发出的光线w，经增亮型偏光片10分光后，p光被透射，s光被反射回去，被反射回去的s光依次穿过四分之一波片、第二透镜212和第一透镜211后，照射在led光源1的发光区域上，被发光区域上的反射膜101高效反射回去，再依次经第一透镜211和第二透镜212后穿过四分之一波片9，此时s光两次穿过四分之一波片9，s光的偏振面被旋转90°变为p1光，p1光被增亮型偏光片9透射，完成偏振光变换过程，而被lcd光阀6真正所利用，故从而显著提高了投影机的照明效率，节约电源功耗，降低了光学系统的发热，同时实现了对lcd光阀6的均匀照明，大幅提高了产品竞争力。

实施例二：

见图3-4所示，本实施方式提供的一种lcd投影机复眼照明系统，包括按光线行进方向依次设置的led光源1、led收集器2、复眼透镜3、重叠透镜4、四分之一波片9、增亮型偏光片10、聚焦透镜5、lcd光阀6、场镜7和投影镜头8。

其中led收集器2采用锥形聚光器221和准直透镜组222的组合，锥形聚光器221为一个实心的方锥形导光棒，准直透镜组222为一个平凸透镜，两者胶合一起构成一个小模块以便于生产安装。

由8组led光源1组成4x2的阵列光源模组，每组led光源1的发光晶片102的尺寸为1.2mm*1.5mm，光通量1000lm(流明)，8组总功率72w。每组led光源1的发光区域的面积为1.5mm*2.55mm，在这个1.5mm*2.55mm矩形区域内除去1.2mm*1.5mm的区域上制作反射膜101；发光晶片102布置在发光区域的中央，参见图3所示。

led收集器2与led光源1的数量相同且位置相对，同样也是8个。led光源1上矩形的发光区域的长边，方锥形导光棒入射和出射面的长边，复眼透镜3的子透镜的长边相平行。

lcd光阀6选用3.5寸全彩的fhd光阀。

增亮型偏光片10具体是安装在重叠透镜4和聚焦透镜5之间的光阑的附近，这个“附近”，结合本光学系统，可以认为是光阑的前后约2mm范围内。

聚焦透镜5将复眼透镜3上的子光源像，聚焦在lcd光阀6上，本实施例照明系统为典型的临界照明方式。

上述配置在不设置四分之一波片9和增亮型偏光片10时，投影机输出光通量约315lm，相对现有技术即简单的科勒照明方式(72w最多输出180lm)，光学系统效率增加了接近1.8倍，具有非常高的效率，且均匀度比科勒照明好得多。在设置了四分之一波片9和增亮型偏光片10后，投影机输出约468lm，进一步获得了显著的效率提升。

实施例三

参见图2-3和图5所示，本实施方式提供的一种lcd投影机复眼照明系统，包括按光线行进方向依次设置的led光源1、led收集器2、复眼透镜3、重叠透镜4、四分之一波片9、增亮型偏光片10、聚焦透镜5、lcd光阀6、场镜7和投影镜头8。

其中led收集器2为聚光透镜组21，且聚光透镜组21包括按光线行进方向依次设置的第一透镜211和第二透镜212。

本实施例中led光源1、lcd光阀6和实施例二一样。

本实施例和实施例二相比，投影机输出亮度要低一些，只有425lm，不过相对当前的单lcd投影机不到3lm/w的光效，本实施例光效高达5.9lm/w，仍然是非常惊人的指标了。

见图6所示，这是早期3lcd投影机的偏振光变换技术，如3m和爱普生公司，上世纪末有非常丰富的此类产品投放于市场上。

具有一定数值孔径的自然光w’，照射在pbs分光镜41’(一般为一个pbs棱镜，体积巨大，成本高昂)上，p’光线透射，进入复眼透镜3’进行微分分割，s’光线被反射。s’继续前行，经全反射镜42’反射后，照射在二分之一波片43’上。穿过二分之一波片43’的光线，偏振面旋转90°变为p1’，进入复眼透镜3’进行微分分割。光线p’和p1’均为偏振面一样的线偏振光。

见图7所示，这是近20年来3lcd投影机的偏振光变换基本原理结构，具有一定数值孔径的自然光l’，经复眼透镜51’分割后，照射在pbs棱镜模组52’上，pbs棱镜模组52’是由若干的菱形棱镜胶合而成，在胶合面54’上制作有pbs分光膜，在胶合面55’上制作有全反膜；从复眼透镜51’射出的光线，射入pbs棱镜模组52’，经pbs膜分光后，p振动面的线偏振光穿过pbs棱镜模组52’射出，s振动面的线偏振光被胶合面55’上的全反膜反射，经二分之一波片53’后射出，故从pbs棱镜模组52’射出的光线，均为同一偏振面的线偏振光p2’。

以上两种偏振光变换过程，均为非常经典的工程技术，但应用于单lcd投影机并不适合，因为单lcd投影机和3lcd投影机一个最根本的区别是光阀的面积差距是数量级的，图6所示技术在早期的3lcd投影机上应用，光阀尺寸约1.3寸，而同期单lcd投影机光阀尺寸一般是6.4-10.4寸；图7技术在现今的3lcd投影机上广泛使用，光阀尺寸一般0.5-0.6寸，而单lcd投影机在3.5-8寸左右。这些3lcd投影机的经典偏振光变换技术，因为偏振光分光部件(如pbs棱镜)面积、体积的差异，导致成本和制作难度都根本不可能应用于要求相对廉价的单lcd投影机。何况上述pbs棱镜模组52’制作要求非常高，放眼世界可以提供产品的企业就一两家而已。

相对这些传统经典的偏振光变换技术，本发明更适合于单lcd投影机实际的需求特性，本发明从根本上显著提高了投影机的照明效率，节约电源功耗，降低了光学系统的发热，同时实现了对lcd光阀的均匀照明，大幅提高了产品竞争力，而且本发明整体结构简单，体积相对较小，制作容易，价廉物美。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。