专利名称：长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视的制作方法
技术领域：
本实用新型属于成象光路设计技术领域，特别涉及采用对角线尺寸为10-15英寸的TFT单片大面积彩色液晶显示屏作为光调制器；具有高可靠性的低成本长寿命高亮度高对比度高色彩还原能力的大屏幕家用投影电视。
随着笔记本电脑和液晶桌面显示器的大量生产，800-1200线的高分辨率大尺寸液晶也大幅度降价，这种液晶显示屏由于面积大，每个象素所用的晶体管所占比例相对小，因此开口率高，透光率高，使得系统具有很高的亮度；由于液晶面积大，使得热量比较分散，散热比较容易，液晶寿命得到很大延长。
目前，虽然也有将大液晶直接放置于普通教学幻灯机上进行投影的技术，但这种技术由于没有进行液晶与光学系统的整体设计，只是简单的将大液晶置于其光路中，这样不能最大限度的利用光能，或者导致边缘亮度均匀性很差；由于普通教学幻灯机采用卤钨灯或氙灯，发光效率低，因此存在亮度不高的问题，而且偏色严重，光源寿命也不到1000小时；这种技术中液晶工作于非平行光的状态，由于液晶具有视角特性，因此导致画面均匀度差，对比度下降等问题；这样的设计也没有考虑液晶的色彩特性与光学系统匹配所需要进行的补偿问题，导致色彩表现能力不好。因此，这样的设计虽然也能放映出画面，但不能满足高品质的图象要求，整体性能较差。
发明内容
本实用新型的目的在于为克服已有技术的不足之处，针对分辨率为800*600，或1024*768，或1280*1024，尺寸为10-15英寸的高分辨率大尺寸液晶的特点，设计了一套利用其作为光调制器的家用大屏幕液晶投影电视，具有高分辨率，高亮度，长寿命，成本低，对比度高，色彩表现达到甚至超过普通电视的特点。
本实用新型提出一种长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，由设置在一机箱内的液晶投影光学系统及电视信号接收与处理电路构成，其特征在于，所说的液晶投影光学系统包括设置在聚光反射镜与聚光透射镜之间的长弧金属卤化物灯光源及其镇流器、依次垂直设置在该聚光透射镜的透射光路中的高分辨率大尺寸液晶屏及其驱动电路、投影物镜，以及设置在该液晶两侧的第一、第二分离菲涅耳透镜，其中，第一分离菲涅耳透镜与液晶面平行，第二分离菲涅耳透镜设有角度调节机构，可使其与液晶面形成一小角度。
所说的液晶屏可采用分辨率为800*600，或1024*768，或1280*1024，尺寸为10-15英寸的高分辨率大尺寸液晶屏作为光调制器。
所说的聚光反射镜可采用直径为50mm-100mm的球面反光镜；所说的光源可采用一只偏轴设置的长弧金属卤化物灯，偏离量为球面反光镜内半径的10％-80％。
所说的光源也可采用两只间距为5-25mm的中、长弧金属卤化物灯，每只灯与一个交流镇流器相连，在其中一只镇流器的220V输入端加入90度LC移相电路。
所说的聚光透射镜可采用直径为60-120mm，焦距为120mm-200mm，锥面系数为0-4的球面或非球面聚光镜；所说的投影物镜可采用柯克式或天塞式物镜或广角物镜。
所说的投影电视还可包括大尺寸表面镀膜的高反射率反光镜及由大尺寸菲涅耳透镜和屏幕构成散射背投电视。
所说的机箱内还可安装有对光源及液晶屏散热的散热装置。
所说的电视信号接收与处理电路可采用成熟常规电路，可包括安装在一电路板上的高频头，与其相连的数字视频解码芯片、音频控制芯片，连接在音频控制芯片与喇叭之间的音频功率放大器；连接在该数字视频解码芯片与液晶屏之间的数字视频处理芯片。
该电视信号接收与处理电路还可包括与计算机VGA接口相连的视频A/D转换器。
该电视信号接收与处理电路也可包括与该数字视频处理芯片相连的第二个数字视频解码芯片，以及与第二个数字视频解码芯片和所说的音频控制芯片相连的第二个高频头。
本实用新型具有以下特点及良好效果本实用新型采用分辨率为800*600，或1024*768，或1280*1024，尺寸为10-15英寸的高分辨率大尺寸液晶作为光调制器；采用一只或者两只电极间距为5-25mm，寿命为1500小时以上的中、长弧金属卤化物灯，特别是寿命为6000-15000小时的长弧超长寿命金属卤化物灯作为光源并且采用离轴光源设计或双光源设计；采用直径为50mm-100mm的球面反光镜、直径为60-120mm，焦距为120mm-200mm，锥面系数为0-4的球面或非球面聚光镜、能使液晶工作于平行光状态并且具有梯形变形控制功能的双分离菲涅耳透镜的高利用率高对比度照明系统；采用柯克式或天塞式物镜或广角物镜作为投影物镜的高分辨率，高亮度，长寿命，低成本的家用彩色液晶投影光路结构，以及与之配套的由高频头，VIDEO DECODER，数字视频处理芯片，与计算机连接的视频A/D转换器，音频放大器等电路系统。本实用新型还提出采用直流电子镇流器避免屏幕亮度闪烁特别是采用双移相式交流电感镇流器避免屏幕闪烁，同时获得高的可靠性。
图2是实施例一的整机结构侧视图。
图3是实施例一的基本光路结构示意图。
图4是实施例一离轴光源设计示意图。
图5是实施例一的光路ZEMAX软件计算图。
图6是实施例一的电路框图。
图7是实施例二的整机结构示意图。
图8是实施例二的光路ZEMAX软件计算图。
图9是实施例二的双光源设计示意图。
图10是实施例二的双移相式交流电感镇流器结构示意图。
图11是实施例二的双移相式交流电感镇流器的波形原理图。
图12是实施例二的的电路框图。
该光学系统的光通量可达700-1000流明，对比度为1∶250-1∶500，屏幕的均匀度大于609，灯泡使用寿命可超过4000小时。
本实施例中，将中、长电极间距的中、长弧金属卤化物灯应用于液晶投影系统的光学系统设计，并提出了采用大尺寸的液晶屏于之相结合，并设计了高利用率高对比度的照明与成象系统，实现了长寿命光源、低成本高分辨率液晶、高亮度、高对比度的液晶投影光学系统。其结构及工作原理如图3所示，图中光源部分针对液晶尺寸比较大的特点，采用一只长弧金属卤化物灯302。针对长弧金属卤化物灯的发光曲线特点，采用球面镀冷反光膜301的球面反射镜将灯泡一面大于120度以内的光全部反射，采用球面或非球面聚光镜303将灯泡正面大于120度以内的光和由球面反射镜反射回来的光进行一定程度的会聚，使得会聚的光在达到液晶屏305的时候其光斑正好充满液晶屏，或者略大于液晶屏，以便使光能的利用率达到最好，如果使用带有锥面的非球面透镜，可以将灯泡边缘的光线扩散的角度小于使用球面透镜时扩散的角度，使得边缘光线利用率增大，并且提高液晶面四周的光强。以获得更好的均匀度。第一片菲涅耳透镜304位于303与305之间且靠近305，其焦距等于球面透镜或非球面透镜到第一片菲涅耳透镜的距离与灯泡通过球面或非球面透镜所成虚象的象距之和，这样灯泡的虚象将位于第一片菲涅耳透镜304的焦点上，经过第一片菲涅耳透镜后形成平行光。液晶位于第一片菲涅耳透镜之后，因此，液晶工作在平行光的状态，可以获得最佳的对比度和色彩还原。平行光经过液晶的调制，就形成带有彩色图象的平行光。第二片菲涅耳透镜306位于液晶之后，将平行光会聚到第二片菲涅耳透镜的焦点。第二片菲涅耳透镜安装在一角度可调机构上，使其相对于液晶的角度做成可调式，其可调的范围为±30度，这样可以改变第二片菲涅耳透镜306对液晶的不同位置的放大率，以实现梯形变形控制的功能，能使投影系统在倾斜放置时，画面避免出现梯形。投影物镜307位于第二片菲涅耳透镜的焦点附近，其口径要满足使所有光经过投影物镜，以避免边缘失光现象。投影物镜将液晶面成象于远处的屏幕上。
本实施例中所提出一种离轴式光源设计，是将灯402的位置放置于偏离光轴403一定位置的地方，偏离量为球面反光镜内半径的25％，如图4所示，其原理是传统投影系统光源设计中灯的位置位于光轴上，这样，灯的一面的光经过球面反射镜401反射后，沿原路反射经过灯泡后，与灯泡另一面的光一起通过聚光镜输出。然而金属卤化物灯内部气体在工作状态对经过的光线有很强的吸收作用，灯泡的管壁也对经过的光线有吸收和散射，导致反射的光线损失严重，而且色彩出现失真。离轴式光源设计可使反射的光的大部分都不会通过灯泡。这样相当于两个灯在通过聚光镜输出，光的利用率大大提高，并且还可以提高液晶所在平面的照度均匀度。
实施例一光路的ZEMAX软件模拟的结果如图5所示，其光学器件的参数如下501是镀有冷反光膜的球面反光镜，反射表面直径为48-80mm；502是超长寿命的中、长弧金属卤化物灯，功率为350W，电极间距为6-15mm，显色指数大于90，色温为6500K，发光效率为801m/w.503是球面透镜，直径为88.9mm，焦距为153mm，厚度为15mm.504是焦距为210mm的菲涅耳透镜，505是分辨率为1024*768，对角线尺寸为14.1或15英寸的彩色TFT液晶，606是焦距为280mm的菲涅耳透镜。507是焦距为265mm，半视场角为32度，有效通光孔径为75mm的柯克式镜头。
实施例一的电路部分的结构及工作原理如图6所示。来自闭路线或天线的射频RF信号进入高频头，经过选台调谐，放大检波后，输出视频和音频信号，音频信号经过音频控制后，输出到音频功率放大器进行放大，推动扬声器发声，视频信号进入数字视频解码，经过解码后，输出16bit的数字YUV信号，该信号进入数字视频处理IC中，该IC在内部完成数字YUV信号到数字RGB信号的彩色空间变换、隔行扫描信号到逐行扫描信号的变换，显示分辨率缩放，OSD显示等功能，最后输出数字RGB信号驱动液晶显示器显示电视图象，由于数字视频解码具有多路视频输入和Y/C分离信号输入，因此来自VCD，DVD，录象机的视频信号或S端子信号也以进入数字视频解码，通过数字视频处理后驱动液晶显示。另外，该电路还可以通过视频模数转换IC转换接收来自计算机VGA输出的模拟RGB信号，经模数转换后输出数字信号，进入数字视频处理中，最后驱动液晶显示器显示计算机画面。数字视频解码IC的型号是SAA7111，SAA7114，SAA7118，VPC3230，KS0127等。数字视频处理IC的型号可采用AL300，NV320，NV220，FLI2200，DPTV，PANELTV等。视频模数转换IC的型号是AD9884，AD9883，AL875，TDA8752等。
实施例二是一种60寸背投影电视，其整机结构如图7所示；图中，701是设置在机壳中的封闭式灯箱，其中含有镀有冷反光膜的球面反光镜，中、长弧金属卤化物灯，球面透镜，灯箱侧面有低噪音散热风扇702；菲涅耳透镜703、706、大尺寸液晶704、广角投影镜头709与球面透镜共轴设置；液晶散热风扇705安装在液晶的一侧，708是电路板，707是电源供应器，710是表面镀膜的高反射率反光镜，该反光镜将透过广角投影镜头709的光通过60英寸的菲涅耳透镜711，反射到60英寸的散射背投屏幕712上。
实施例二的光路的ZEMAX软件模拟的结果如图8所示，其光学器件的参数如下801是镀有冷反光膜的球面反光镜，反射表面直径为65mm，反射表面厚度为28mm；802是两只超长寿命的中、长弧金属卤化物灯，寿命为10000小时，功率为分别为，电极间距为15mm，显色指数大于90，色温为6500K，发光效率为80lm/w。803是非球面透镜，直径为70mm，焦距为805mm，锥度系数为2，厚度为15mm.，804是焦距为210mm的菲涅耳透镜，805是分辨率为1024*768，对角线尺15英寸的彩色TFT液晶，806是焦距为230mm的菲涅耳透镜。807是焦距为200mm，半视场角为44度，有效通光孔径为60mm的广角镜头。808是梯形的表面镀膜高反射率反光镜，809是焦距为1000mm，对角线为60英寸的菲涅耳透镜，810是对角线为60英寸的背投屏幕。
该光学系统的光通量为600-700流明，对比度为1∶250-1∶500，屏幕的均匀度大于60％，灯泡使用寿命可达到10000小时。
本实施例采用双光源结构，如图9所示，其设计原理是，将两只相同规格的高显色指数中、长弧金属卤化物灯泡或两只光谱特性互补的中、长弧金属卤化物灯泡901、902分别置于光轴903的上下，两只间距为12mm，距离光轴相同的位置，这样，每只灯泡的功率相对较小，可以获得更长的寿命，并且能提高液晶所在平面的照度均匀度，并且具有更加平坦的光谱分布。
本实施例中针对采用两只中、长弧金属卤化物灯的情况，采用双移相式交流电感镇流器，该双移相式交流电感镇流器采用两只普通交流镇流器分别驱动这两只灯，而在其中一只镇流器的220V输入端加入90度LC移相电路，如
图10所示。其原理是普通交流镇流器驱动金属卤化物灯时，由于工作在50Hz的市电工频下，因此存在光强输出瞬间为0的时刻，从而导致闪烁，这样，投影系统输出的图象也会有频闪，由于这种频闪的频率为100Hz，在很多时候都会被人眼所察觉。采用高频电子开关镇流器或直流电子镇流器虽然可以避免这种闪烁，但镇流器电路复杂，特别容易损坏，并且还存在开关管开关瞬间造成的对电视信号的电磁干扰。采用该双移相式交流电感镇流器时，两只灯上的光强输出曲线分别为
图11a和
图11b，当一只灯的光强处于0的瞬间，另一只灯的光强等于最大值，其光强的总和为|sin(2πt)+sin(2πt+π/2)|，这两只灯泡的总输出光强波形如
图11c所示，在任何时刻都不存在没有光输出的情况，同时，波动频率也提高了一倍。这样就消除了频闪现象。可以避免屏幕闪烁，同时具有很简单的电路结构和很高的电源可靠性，并且对电视信号没有干扰。
实施例二的电路部分的原理如
图12所示。该电路具有画中画的功能。由两组相同的高频头和数字视频解码芯片。来自闭路线或天线的射频RF信号进入高频头，经过选台调谐，放大检波后，分别输出两路视频和音频信号，音频信号经过音频控制，选择一路，输出到音频功率放大器进行放大，推动扬声器发声，经过数字视频解码器解码后的两路输出16bit的数字YUV信号进入数字视频处理IC中，该IC在内部完成数字YUV信号到数字RGB信号的彩色空间变换、隔行扫描信号到逐行扫描信号的变换，显示分辨率缩放，OSD显示等功能，并且将两路信号处理成主画面和子画面的形式，最后输出数字RGB信号驱动液晶显示器显示电视图象及画中画。数字视频解码IC的型号可采用SAA7111，SAA7114，SAA7118，VPC3230，KS0127等。数字视频处理IC的型号可采用NV320，FLI2200，DPTV，PANELTV等。
权利要求1.一种长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，由设置在一机箱内的液晶投影光学系统及电视信号接收与处理电路构成，其特征在于，所说的液晶投影光学系统包括设置在聚光反射镜与聚光透射镜之间的长弧金属卤化物灯光源及其镇流器、依次垂直设置在该聚光透射镜的透射光路中的高分辨率大尺寸液晶屏及其驱动电路、投影物镜，以及设置在该液晶两侧的第一、第二分离菲涅耳透镜，其中，第一分离菲涅耳透镜与液晶面平行，第二分离菲涅耳透镜设有角度调节机构。
2.如权利要求1所述的长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，其特征在于，所说的液晶屏采用分辨率为800*600、1024*768或1280*1024之一种、尺寸为10-15英寸的高分辨率大尺寸液晶屏作为光调制器。
3.如权利要求1所述的长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，其特征在于，所说的聚光反射镜采用直径为50mm-100mm的球面反光镜；所说的光源采用一只偏轴设置的长弧金属卤化物灯，偏离量为球面反光镜内半径的10％-80％。
4.如权利要求1所述的长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，其特征在于，采用两只间距为5-25mm的中、长弧金属卤化物灯，每只灯与一个交流镇流器相连，在其中一只镇流器的220V输入端加入90度LC移相电路。
5.如权利要求1所述的长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，其特征在于，所说的聚光透射镜采用直径为60-120mm，焦距为120mm-200mm，锥面系数为0-4的球面或非球面聚光镜；所说的投影物镜采用柯克式、天塞式物镜或广角物镜之一种。
6.如权利要求1所述的长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，其特征在于，所说的投影电视还包括大尺寸表面镀膜的高反射率反光镜及由大尺寸菲涅耳透镜和屏幕构成散射背投电视。
7.如权利要求1所述的长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，其特征在于，所说的机箱内安装有对光源及液晶屏散热的散热装置。
8.如权利要求1所述的长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，其特征在于，所说的电视信号接收与处理电路包括安装在一电路板上的高频头，与其相连的数字视频解码芯片、音频控制芯片，连接在音频控制芯片与喇叭之间的音频功率放大器；连接在该数字视频解码芯片与液晶屏之间的数字视频处理芯片。
9.如权利要求8所述的长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，其特征在于，该电视信号接收与处理电路还包括与计算机VGA接口相连的视频A/D转换器。
10.如权利要求8所述的长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视，其特征在于，该电视信号接收与处理电路也可包括与该数字视频处理芯片相连的第二个数字视频解码芯片，以及与第二个数字视频解码芯片和所说的音频控制芯片相连的第二个高频头。
专利摘要本实用新型属于成象光路设计技术领域,涉及一种长寿命高亮度大屏幕家用液晶投影电视,采用对角线尺寸为10—15英寸的TFT单片大面积彩色液晶显示屏作为光调制器;采用具有长寿命特别是超长寿命的中、长弧金属卤化物灯作为光源;采用离轴式光源设计或双灯光源设计;采用大口径球面或非球面透镜、球面反光镜、菲涅耳透镜作为照明系统;采用直流电子镇流器避免屏幕亮度闪烁特别是采用双移相式交流电感镇流器避免屏幕闪烁并且具有高可靠性的低成本长寿命高亮度高对比度高色彩还原能力的大屏幕家用投影电视。
文档编号G02B27/18GK2511994SQ0127960
公开日2002年9月18日 申请日期2001年12月28日 优先权日2001年12月28日
发明者邱虹云 申请人:邱虹云