CN210323739U - 一种基于半场序显示方式的两片式lcd投影机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于半场序显示方式的两片式LCD投影机，包括第一和第二两片黑白透射式LCD光阀模组；其中，第一LCD光阀模组交替显示输入视频信号的红、蓝色场图像，由红色LED光源和蓝色LED光源交替照明；红色LED光源、蓝色LED光源的交替点亮和熄灭周期与该LCD光阀的红、蓝色场交替周期同步；第二LCD光阀模组用以显示输入视频信号的绿色场图像，由绿色光源恒亮照明；穿过第一和第二两片LCD光阀模组的光线，经合光装置进行合光，经场镜，投影镜头，最终将两片LCD光阀模组显示的图像，投影呈现于幕布上。本实用新型具有成本较低，结构简单，容易制作，能量转换效率较高，观看疲劳感较轻，能输出极高的亮度等特点。

Description

一种基于半场序显示方式的两片式LCD投影机

技术领域

本实用新型涉及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片光阀产生的三基色图像进行重合，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，图像稳定无闪烁，亮度从十余流明到三四百流明不等，单LCD投影机因为价格格外便宜，在消费数码市场，有着较大的竞争力；3LCD投影机色彩丰富，画质好，亮度高，图像稳定无闪烁，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。

DLP投影机是基于时间的纯场序显示(3片式DLP投影机除外)，基于时间交替显示输入视频信号的R、G、B等场图像，由视觉残留效应(Persistence Of Vision)而在人脑中合成彩色图像。DLP投影机效率高，画质较好。但因为其核心器件为TI(德州仪器)公司独家供应，且制作较繁琐，准入门槛较高，故成本也较高，随着LED光源的使用，就其还原颜色欠佳的缺陷已得到较好的改善。而因为DLP 投影机为纯场序方式显示R、G、B场图像，图像闪烁带来的观看疲劳感一直是影响用户体验的重要因素。

纵观近年投影产品市场，主要就上述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，最主要因素是其光阀模组效率太低，一般仅4％～7％左右，由偏光片，彩膜，TFT(Thin Film Transistor) 开口率等因素综合决定，偏光片效率约35％～40％，CF效率约5％～21％， TFT开口率约50％～70％，但CF和TFT开口率的暗区(即黑框等结构)，有一定的重叠部分，故不能以上数据直接相乘而得出LCD模组总效率。这些因素中，效率最低的部分就是CF，即使不考虑开口率因素而认为光线无遮挡全部放出去，RGB截止波长不交叉而使色域基本满足观看条件，它的理论效率极限也就只有33.3％，而如果要适当追求RGB 颜色纯度(RGB三色CF的波长带宽)，那么其效率只能降低不能增加，如果再考虑对比度(黑框等遮光措施)因素，以及CF窗口和TFT窗口的对准工艺难度，制程的良品率，其效率还得进一步降低，所以想办法有机会拿掉LCD光阀上的CF装置，是提高单LCD投影机η的最关键因素。

拿掉CF要显示彩色图像，要么需要3LCD投影机一样用3片LCD 光阀，要么需要像DLP投影机一样，拥有足够快的响应速度进行三基色场序显示。很显然这两种方式都并不容易实施，3LCD技术成本高，制作较难，产业链制约较多；而纯场序显示，目前基于非晶硅和低温多晶硅技术的LCD光阀，结合分辨率、对比度等实际需求指标，要实用化，产品化，其刷新速度是根本不够的：第一是基本没可能达到 150Hz这样的单片纯场序显示方式最低的刷新率要求，第二是即便达到480Hz刷新率(用特制的高温多晶硅LCD光阀试验)，图像也会产生严重的拖尾和显示错乱，通过控制光源的点亮和熄灭起止来避免看到拖尾(即在LCD光阀拖尾和显示错乱的时间，把光源关闭)等不良现象，于是光源的占空比定会必然的、显著的降低，从而导致光源的输出亮度显著降低，于是失去了拿掉CF预期大幅提升亮度，改善能源利用率的初衷。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提出一种基于半场序方式的两片式LCD投影机及投影方法，实现较低的制造门槛，较高的性价比，较高的能量转换效率，较轻的观看疲劳感，且可实现极高的亮度输出。

本实用新型提出一种基于半场序显示方式的两片式LCD投影机，包括红色LED光源、绿色LED光源、蓝色LED光源、聚光装置、合光装置、光积分装置、重叠透镜、全反射镜、聚焦透镜、第一和第二两片黑白透射式LCD光阀模组、场镜和投影镜头；其中，第一LCD光阀模组交替显示输入视频信号的红、蓝色场图像，由红色LED光源和蓝色LED光源交替场序照明；红色LED光源、蓝色LED光源的交替点亮和熄灭周期与该LCD光阀的红、蓝色场交替周期同步；第二LCD光阀模组用以显示输入视频信号的绿色场图像，由绿色光源恒亮照明；穿过第一第二两片LCD光阀模组的光线，经合光装置进行合光，经场镜，投影镜头，最终将两片LCD光阀模组显示的图像，投影呈现于幕布上。本实用新型具有成本低廉，结构简单，容易制造，能量转换效率较高，观看疲劳感较轻，且能输出极高的亮度等特点。

在一些实施例中，该红色LED光源、该蓝色LED光源的点亮起点滞后于该场序显示的LCD光阀相应红、蓝色场显示的起始点一定时间；并且，该红色LED光源、该蓝色LED光源的熄灭点超前于该场序显示的LCD光阀相应红、蓝色场显示的止点一定时间。

在一些实施例中，该第一和第二两片LCD光阀模组大小尺寸一样，像素总颗粒数量一样，刷新率≥80Hz，模组上无CF装置。

在一些实施例中，该红绿蓝合光装置选用二向色玻璃板、PBS薄膜或PBS棱镜。

在一些实施例中，该红绿蓝合光装置选用二向色玻璃板，其分割点波长选用≤475nm和≥595nm的光线透射，475nm～595nm的光线反射。

本实用新型的有益效果在于，和现有单LCD投影机相比较，能量转换效率显著提升，但保留了单LCD投影机结构简单，成本低廉的特性；和现有3LCD投影机相比较，制作容易，成本低廉，但具有3LCD 投影机能量转换效率高的特性；和现有DLP投影机相比较，除一样具备较高的能量转换效率外，因为是半场序显示(仅红色、蓝色场图像进行交替，绿色场恒亮不参与交替)，观看的疲劳感比红、绿、蓝均参与交替的DLP投影机轻微得多；由于射出LCD光阀的RGB三色光线能以较廉价的方式进行合光，光阀尺寸大小对该红绿蓝合光装置成本和性能影响极小，故该两片LCD光阀模组的尺寸可以比较大，如达4～ 5寸以上，故光阀Etendue(光学扩展量)也会较大，故允许更大发光面积的光源进行照明，由于LED光源的输出光通量，和发光面积基本成正比关系，故投影机可输出极高的亮度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1示意出本实用新型的基于半场序显示方式的两片式LCD投影机的原理性结构。

具体实施方式

现结合附图，对本实用新型的较佳实施例作详细说明。

参见图1，图1示意出本实用新型的基于半场序显示方式的两片式LCD投影机的原理性结构。本实用新型的两片式LCD投影机100包括：红色LED光源1、第一聚光装置2、蓝色LED光源3、第二聚光装置4、红蓝合光装置5、红蓝通道光积分装置6、第一重叠透镜7、全反射镜8、第一聚焦透镜9、第一LCD光阀模组10、绿色LED光源11、第三聚光装置12、绿色通道光积分装置13、第二重叠透镜14、第二聚焦透镜15、第二LCD光阀模组16、红绿蓝合光装置17、场镜 18和投影镜头19。

本实用新型的两片式LCD投影机基本工作原理是：红蓝通道的 LED光源1和3经各自的聚光装置2和4聚光后，由红蓝合光装置5 进行合光，照射于光积分装置6上，由光积分装置6和第一重叠透镜 7，全反射镜8，第一聚焦透镜9实现对第一LCD光阀模组10进行均匀照明，第一LCD光阀模组10交替显示输入视频信号的红、蓝色场图像，由红色LED光源1和蓝色LED光源3交替照明；红色LED光源 1、蓝色LED光源3的交替周期和第一LCD光阀模组10的红、蓝色场图像交替场序同步；同样地，第二LCD光阀模组16显示输入视频信号的绿色场图像，由绿色LED光源11恒亮照明；穿过第一、第二两片LCD光阀模组10、16的光线，经红绿蓝合光装置17进行合光，经场镜18，投影镜头19，将第一、第二两片LCD光阀模组10、16所显示的图像，投影呈现于幕布上。第一LCD光阀模组10产生的场序的红、蓝色场图像，利用人眼的视觉残留效应，和第二LCD光阀模组16产生的绿色场图像一起叠加，由此RGB色彩在时间和空间的最终重合，而在人脑中生成全彩色图像。

场序显示方式实现人脑的全彩色图像感知，实质是基于人眼的视觉残留作用实现的。但本实用新型和一般完全基于纯时间的全彩场序显示技术(如单片式DLP投影机，一些特别的单片式场序LCD投影机，单片式场序LCOS投影机等)不同的特征在于：第一是本实用新型为半场序显示，即除了红色和蓝色LED光源的占空比空闲的区间外，任何时候，均有两个基色输出(R与G，G与B)，而不是纯场序显示方式在任何时候只有一个基色场输出；第二是有一个基色恒亮，不参与场序交替，为纯空间显示；第三是有两个场是基于时间进行场序显示，为纯时间显示，故本实用新型为时间加空间的复合型显示；第四是对投影机输出亮度占绝对主要成分的、人眼感知度最高(555nm附近) 的绿色场图像，由绿色光源11和第二LCD光阀16恒亮显示，不存在闪烁，故第一LCD光阀10因为红、蓝色场交替而产生的图像闪烁，对人眼在观看时视觉的疲劳程度大大减轻(对450nm和630nm附近的光线，远没有555nm附近的光线敏感)；第五是只有两个基色的图像参与场序交替，其与三个基色均参与的场序交替相比，闪烁感指数级变慢，且对光阀的刷新率要求成倍降低。

在确保一定的投影画面白平衡条件下，光源1、3、11用R、G、 B基色光LED光源，其中绿色LED光源11恒亮照明第二LCD光阀模组16；红色LED光源1和蓝色LED光源3各按一定的占空比和时序交替点亮，因为和第一LCD光阀模组10的场序是同步关系，两个光源之间的点亮间隔，点亮起止，都非常关键，需要合理的占空比，避免看到图像拖尾。

聚光装置2、4、12一般采用透镜组的方式，其输出光束的立体角，根据光积分装置6、13的设计特性而定，一般聚光装置输出光束的立体角单边12°内，光积分装置均可获得较高的效率，但出于整体效率、颜色均匀性等因素考虑，光束立体角单边值最好≤7°，这当然会使从光源到镜头整个光学系统的体积适当增大一些。

红蓝合光装置5选用由真空镀膜制作的二向色玻璃板，分割波长几乎无要求，500nm～560nm内某点均可。

光积分装置6、13原则上优先选择相对廉价的树脂材质的复眼透镜，也可使用积分棒(实心或空心)，但不管是复眼透镜还是积分棒，都可以加入PCS(PolarizationConversion System，偏振光变换系统)装置以提高光线的利用率，加入PCS装置后光线利用率的提升由很多因素决定，如光束立体角大小，镜头Fno(光圈数)限制，PCS 自身效率等。

重叠透镜7和14，是对光积分装置6、13输出的若干子光源像产生的光线进行重叠。

聚焦透镜9和15，是将光积分装置6、13产生的子光源的像，以较高的效率、较低的失真聚焦在第一和第二两片LCD光阀上模组 10和16的窗口上，实现对第一和第二两片LCD光阀模组10、16的均匀照明。

第一和第二两片LCD光阀模组10、16，是两片黑白的即无CF装置的同等尺寸和像素数量的LCD屏，如果本实用新型应用是以获得较高的输出亮度为初衷，故该两片LCD光阀模组10和16的入射、出射侧的偏光片(一般均为吸收式)，都不宜直接贴合于该两片LCD光阀模组10、16的入、出射玻璃面上，需要分离出来，贴合于单独的玻璃基板上各放置于LCD光阀模组10、16的两侧，并且需要高效的风冷等措施进行散热。该两片LCD光阀模组10、16各自入射侧偏光片前面(靠LED光源方向)，不管照明系统有没有设置PCS装置，都还需要设置一片反射式的偏光片，以最大程度保护上述吸收式偏光片的安全。

红绿蓝合光装置17，选用二向色玻璃板等具有波长或振动轴相位分割特性的器件，实施时对光线立体角设置为单边45±7°以内较好。红绿蓝合光镜17的分割波长选用≤475nm，≥595nm的光线透射， 465～595nm的光线反射，但不完全必须选择这样的波长分割点，视具体情况而定，比如光源的特性，色坐标，色域，效率等诉求。

红绿蓝合光装置17，也可以是PBS(Polarization Beam Splitter，偏振光分离器)薄膜贴于青板或白板玻璃上实现合光，但对第一和第二两片LCD光阀模组10和16所射出的偏振光，偏振相位(轴)有要求，即要求两片LCD光阀模组10和16所射出的偏振光正交；还可以是PBS棱镜等方式合光，尤其是在极高亮度输出比如投影机输出6000 流明以上的场合，PBS棱镜具有更好的耐久性和热稳定性。

红绿蓝合光装置17的具体类型选择，主要看投影机容许的性价比即造价、输出亮度等级，像质需求，及一些具体的工程因素，综合评估而定。

场镜18在光学系统上本身是计入投影镜头的一部分，但在LCD 光阀模组尺寸较大(如3～5寸)时，场镜18和投影镜头19因为成本关系不宜于制造在一起，且场镜18往往使用廉价的塑料菲涅尔透镜，以获得比应用玻璃透镜做场镜更简单的镜头设计。

投影镜头19为同等光阀窗口和分辨率的单LCD投影机镜头便可，本实用新型的设计在照明系统上未设置PCS装置时，对投影镜头19 的Fno不造成额外影响；如果需加入PCS装置时，则具体看镜头的 Fno是否允许，Fno值需要降低多少，在缩小LED光源发光面积和加入PCS装置之间权衡评估。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，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，都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于半场序显示方式的两片式LCD投影机，包括红色LED光源(1)、第一聚光装置(2)、蓝色LED光源(3)、第二聚光装置(4)、红蓝合光装置(5)、红蓝通道光积分装置(6)、第一重叠透镜(7)、全反射镜(8)、第一聚焦透镜(9)、第一LCD光阀模组(10)、绿色LED光源(11)、第三聚光装置(12)、绿色通道光积分装置(13)、第二重叠透镜(14)、第二聚焦透镜(15)、第二LCD光阀模组(16)、红绿蓝合光装置(17)、场镜(18)和投影镜头(19)；其特征在于：该第一LCD光阀模组(10)交替显示输入视频信号的红、蓝色场图像，由该红色LED光源(1)和该蓝色LED光源(3)交替照明；该红色LED光源(1)、该蓝色LED光源(3)的交替周期和该第一LCD光阀模组(10)的红、蓝色场图像交替场序同步；该第二LCD光阀模组(16)显示输入视频信号的绿色场图像，由该绿色LED光源(11)恒亮照明；穿过该第一LCD光阀模组(10)和该第二LCD光阀模组(16)的光线，经该红绿蓝合光装置(17)进行合光，经该场镜(18)，该投影镜头(19)，将该第一LCD光阀模组(10)和该第二LCD光阀模组(16)所显示的图像，投影呈现于幕布上。

2.根据权利要求1所述的两片式LCD投影机，其特征在于：该红色LED光源(1)、该蓝色LED光源(3)的交替点亮起点滞后于该第一LCD光阀模组(10)相应红、蓝色场显示的起始点一定时间；该红色LED光源(1)、该蓝色LED光源(3)的交替熄灭点超前于该第一LCD光阀模组(10)相应红、蓝色场显示的止点一定时间。

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LCD光阀模组(10)、该第二LCD光阀模组(16)大小尺寸一样，像素总数量一样，刷新率≥80Hz，模组上无CF装置。

4.根据权利要求1所述的两片式LCD投影机，其特征在于：该红绿蓝合光装置(17)选用二向色玻璃板、PBS薄膜或PBS棱镜。

5.根据权利要求4所述的两片式LCD投影机，其特征在于：该红绿蓝合光装置(17)所选用二向色玻璃板，其分割点波长选用≤475nm和≥595nm的光线透射，475nm～595nm的光线反射。

Images