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CN101369055B - 投影设备及其光圈调节方法和光源装置 - Google Patents

投影设备及其光圈调节方法和光源装置 Download PDF

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Abstract

一种投影设备，其包括光源、聚焦透镜、显示元件、可调式准直元件、传动单元和透镜调节单元。光源发出光束经由准直元件以及聚焦透镜照射到显示元件上。显示元件用于根据视频信号进行成像。准直元件位于光源和聚焦透镜之间，用于将光源发出光束转换为平行光束。传动单元用于改变光源与准直元件之间的距离。透镜调节单元用于根据光源与准直元件之间的距离变化调节可调式准直元件的焦距。上述投影设备通过控制光源和准直元件之间的距离进行光圈调节，尽可能不影响通过透镜光束能量，使得该投影设备的投影图像对比度高，且保持较高亮度。本发明还提供一种对应的光圈调节方法以及用于该投影设备的光源装置。

Description

投影设备及其光圈调节方法和光源装置
技术领域
本发明涉及一种光电设备，特别是一种投影设备及其光圈调节方法和光源装置。
背景技术
在视频投影领域，投影设备的对比度非常重要。对比度越高，图像显示就越清晰，层次感也就越好，尤其是在图像的细节表现、清晰度和高速运动中的一些场景表现上，高对比度产品具有明显优势。这是因为在动态图像中明暗转换比较快，对比度越高，人的眼睛越容易分辨出这样的转换过程，从而带给我们逼真的视觉体验。
目前有许多投影机的对比度达到了500∶1以上，以LCD型投影设备为例，如此高的对比度是通过在光源和显示元件之间增设光圈系统来实现的。其原理为：根据显示元件的消光比与入射线角度的反比关系，改变光圈开口的大小，以控制光线到达显示元件的夹角，从而调节投影图像的对比度，但是由于光圈缩小时就会遮挡掉一部分光束，使得图像亮度降低很多。上述显示元件可以使透射型液晶面板，也可以是反射型液晶面板等，下面以采用透射型液晶面板的投影设备为例作进一步说明。
请参阅图1，投影设备10包括光源100、透镜矩阵102、偏光转换元件104、光圈106、二个分光镜108、110、三个反射镜112~116、五个聚焦透镜118~126、三个液晶面板128~132、合光棱镜134以及透镜镜头136。
光源100发出光束经过透镜矩阵102提供给偏光转换元件104的特定区域，以使偏光转换元件104有效地将光束中的P光转化为S光；然后依次照射到二个分光镜108~110上，将光束分为RBG三个光束；RBG三个光束再分别经过对应的反射镜112~116和聚焦透镜118~126照射对应的液晶面板128~132上。三个液晶面板128~132分别根据视频信号进行成像并通过合光棱镜134合成为彩色图像，最后利用投影镜头136将合光棱镜134合成的图像投射到屏幕138上。
请同时参阅图2~3，其为投影设备10中光圈106不同开口时的简略光路图。很明显，图3中由于光圈106的开口较小，光束被遮挡了一部分，使得到达头镜118的光束变窄，从而使得光束到达液晶面板128的最大入射角较小，图2~3中分别用α和β表示，且β小于α。请再参阅图4，其为液晶面板128的消光比与入射光线角度的关系曲线图，其中，入射角度越大，消光比越低。消光比是指S光与P光亮度的比值，消光比越大及S光的穿透率越高，图像的对比度越高。所以，当光圈106开口减小时，到达液晶面板128的光线最大角度较小，图像对比度较高，但是由于光圈106的开口较小时，光圈106会遮挡掉一部分光束，使得图像亮度降低很多，光能量的利用率也不高。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种能提高对比度且光能量损失小的投影设备。
还有必要提供一种能提高对比度且光能量损失小的光圈调节方法。
还有必要提供一种用于投影设备的灯源装置。
一种投影设备，其包括光源、聚焦透镜、显示元件、可调式准直元件、传动单元和透镜调节单元。所述光源发出光束经由准直元件以及聚焦透镜照射到显示元件上。所述显示元件用于根据视频信号进行成像。所述准直元件位于光源和聚焦透镜之间，用于将光源发出光束转换为平行光束。所述传动单元用于改变光源与准直元件之间的距离。所述透镜调节单元用于根据光源与准直元件之间的距离变化调节所述可调式准直元件的焦距。
一种光圈调节方法，包括如下步骤：
接收光圈调节信号；
根据所述光圈调节信号调节光源与可调式透镜的距离；
根据所述光圈调节信号调节所述可调式透镜的焦距。
一种用于投影设备的光源装置，包括光源、传动单元、可调式准直元件和透镜调节单元。所述光源用于为投影设备提供工作光束。所述可调式准直元件用于将光源发出光束转换为平行光束。所述传动单元用于调节光源和可调式准直元件之间的距离。所述透镜调节单元用于根据光源与可调式准直元件之间的距离变化调节所述可调式准直元件的焦距。
上述投影设备、光圈调节方法以及使用上述光源装置的投影设备，其都可通过控制光源和透镜之间的距离进行光圈的调节，且能在光圈改变的情况下尽可能不影响通过透镜的光束的能量，使得该投影设备、使用该光圈调节方法或光源装置的投影设备所投影的图像对比度高，且保持较高的亮度，满足用户视觉要求。
附图说明
图1透射型投影设备的系统架构图。
图2为图1所示的投影设备的光圈较大时的简略光路图。
图3为图1所示的投影设备的光圈较小时的简略光路图。
图4为液晶面板的消光比与入射光线角度的关系曲线图。
图5为一较佳实施方式的投影设备的系统架构图。
图6为图5所示的投影设备另一状态的系统架构图。
图7为另一较佳实施方式的投影设备的系统架构图。
图8为一较佳实施方式的光圈调节方法流程图。
具体实施方式
请参阅图5，其为一较佳实施方式的投影设备20的系统架构图，投影设备20可以是投影机也可以是背投电视等电子产品，其投影类型可以是透射型也可以是反射型。投影设备20包括光源202、可调式准直元件204、聚焦透镜206、显示元件208、传动单元210、接收单元212、传动控制单元214以及透镜调节单元216。光源202发出光束经过准直元件204转换为平行光束后经过聚焦透镜206照射到显示元件208上。当投影设备20为透射型液晶投影机时，其还可以包括透镜矩阵、偏光转换元件、反射镜以及合光棱镜，再此不作一一列举。本实施方式中，显示元件208为液晶面板，用于根据视频信号控制各个像素点上光束的透过率，透过液晶面板的光束投射到屏幕上形成图像。准直元件204的作用在于为后续光路提供尽可能的平行光，其可以是液态透镜，也可以是可调式透镜组。
传动单元210用于带动光源202相对准直元件204移动，以改变光源202与准直元件204之间的距离。传动单元210包括传动杆232和马达234，所述传动杆232平行于光轴方向设置，所述传动杆232与光源202相连并在马达234的驱动下在沿平行于光轴方向移动。其他实施方式还可以采用手动调节的方法改变光源202与准直元件204的距离，如旋转具有螺纹的传动机构。
接收单元212用于接收光圈调节信号，该光圈调节信号可以是投影设备自动根据视频信号特点而产生的，也可以是用户输入的。
传动控制单元214用于根据所述光圈调节信号控制传动单元210带动光源202移动，即通过控制马达234的转动来控制光源202与准直元件204的距离。
透镜调节单元216用于根据所述光圈调节信号改变准直元件204的焦距，以保证其能够将入射光束转换为平行光束。因为，要使准直元件204能够将入射光束转换为平行光束，准直元件204的焦距需随着物距的变化而变化，所以，也可以说透镜调节单元216用于根据所述光源202与准直元件204之间的距离变化改变准直元件204的焦距。当准直元件204为液态透镜时，可根据外加电场的变化而改变其焦距，当准直元件204为可调式透镜组时，可根据调节多个透镜的距离来改变透镜组的焦距。
同时参阅图5和图6，图6为图5中光源202向远离准直元件204的方向移动后的状态。可以看出，光源202向远离准直元件204的方向移动后，入射到准直元件204上的光束的最大直径变小，使得从准直元件204出射的平行光的最大直径变小(图中用L1和L2表示)，光束能量更为集中，到达显示元件208的光线最大入射角也减小。根据液晶面板的消光比与入射光线角度的反比关系可以得出，光源202远离准直元件204的方向移动，光圈减小，图像对比度提高。还可以看出的是，改变光源202和准直元件204的距离后，从光源202发出的光束在准直元件204上的面积虽然会发生变化，但光束能量却影响不大，也即是采用集束的方式减小光圈，因此可在光圈变化的同时尽量减少光能量的损失，使得投影设备20在小光圈时还保持较高的亮度，满足用户视觉要求。以下是通过计算机模拟使用传统光圈的投影设备以及本实施方式的投影设备20的亮度和对比度测试，得到如下数据：
表1使用传统光圈的投影设备
    光圈     Rs+Rp(流明)     Rs(流明)     Rs/Rp
    F/3.80     4754.7     4594.1     28.6
    F/6.64     2626.8     2558.7     37.6
    F/8.14     1690.6     1653.5     44.6
表2本实施方式的投影设备
    光圈     Rs+Rp(流明)     Rs(流明)     Rs/Rp
    F/3.80     4754.7     4594.1     28.6
    F/6.64     3035.5     2973.6     48.0
    F/8.14     2123.4     2086.6     56.7
表1和2中Rs表示S光的亮度值，Rp表示P光的亮度值，Rs+Rp的值越大表示亮度越高，Rs/Rp值越高表示对比度越高。从表1和2中的数据可以看出，虽然本实施方式的投影设备20在光圈数值增大，即光源202远离准直元件204后，也有一定的亮度的损失，但是同等的光圈大小下，本实施方式的投影设备20的Rs+Rp和Rs/Rp值都比使用传统光圈的投影设备高出许多，即同等光圈下，使用本实施方式的投影设备20比使用传统光圈的投影设备所达到的图像对比度以及亮度都更高。
请参阅图7，另一实施方式的投影设备30的系统架构图，其相对于图1所示的投影设备30的区别在于：传动单元210的传动杆232与准直元件204相连，用于在马达234的驱动下带动准直元件204沿光轴平行方向移动，以改变光源202与准直元件204的距离。另外，所述传动单元210、光源202和准直元件204构成的整体也可作为一种用于投影设备的光源装置，该光源装置还可以进一步包括所述透镜调节单元216和传动控制单元214。
请参阅图8，一种光圈调节方法，包括如下步骤：
步骤S601，接收光圈调节信号，该光圈调节信号可以是投影设备自动根据视频信号特点而产生的，也可以是用户输入的。
步骤S603，根据所述光圈调节信号调节光源202与准直元件204的距离。光源202与准直元件204的距离可以是通过马达234带动光源202移动，也可以是通过马达234带动准直元件204移动，还可是二者共同移动，其移动的动力也可以来自用户的手动调节。光源202和准直元件204距离的变化使得光源202发出的光束照射在准直元件204上的面积发生变化，即实现光圈的调节。
步骤S605，根据所述光圈调节信号调节所述准直元件204的焦距，使得准直元件204将入射光束转换为平行光束。所述准直元件204可以是液态透镜，也可以是可调式透镜组，本实施方式中，准直元件204为液态透镜，利用液态透镜可根据外加电场而改变自身的聚焦特性特征来调节准直元件204的焦距。
通过上述光圈调节方法，在光圈改变时，对入射光的强度影响较小，使得使用该光圈调节方法的投影设备所投影的图像对比度提高，且保持着较高的亮度，满足用户视觉要求。

Claims (9)

1.一种投影设备，其包括光源、聚焦透镜和显示元件，所述光源发出光束经由聚焦透镜照射到显示元件上，所述显示元件用于根据视频信号进行成像，其特征在于：所述投影设备还包括可调式准直元件、传动单元、接收单元、传动控制单元和透镜调节单元，所述准直元件位于光源和聚焦透镜之间，用于将光源发出光束转换为平行光束，所述传动单元用于改变光源与准直元件之间的距离，所述接收单元用于接收光圈调节信号，所述光圈调节信号用于调节所述投影设备的光圈数值以提高所述投影设备的对比度，所述传动控制单元用于根据光圈调节信号控制传动单元的传动工作，所述透镜调节单元用于根据光源与准直元件之间的距离变化调节所述可调式准直元件的焦距。
2.如权利要求1所述的投影设备，其特征在于：所述准直元件为液态透镜。
3.如权利要求1所述的投影设备，其特征在于：所述准直元件为可调式透镜组。
4.如权利要求1所述的投影设备，其特征在于：所述传动单元用于带动光源相对所述准直元件移动。
5.如权利要求4所述的投影设备，其特征在于：所述传动单元包括传动杆和马达，所述传动杆与光源相连，并在所述马达的驱动下带动光源沿平行与光轴的方向移动。
6.一种用于如权利要求1所述的投影设备的光圈调节方法，包括如下步骤：
接收光圈调节信号，所述光圈调节信号用于调节所述投影设备的光圈数值以提高所述投影设备的对比度；
根据所述光圈调节信号调节光源与准直元件的距离；
根据所述光圈调节信号调节所述准直元件的焦距。
7.如权利要求6所述的光圈调节方法，其特征在于：所述准直元件为液态透镜。
8.如权利要求6所述的光圈调节方法，其特征在于：所述准直元件为可调式透镜组。
9.如权利要求6所述的光圈调节方法，其特征在于：所述传动单元用于带动光源相对所述准直元件移动。
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