一种LCD投影机光学系统和投影方法
技术领域
本发明涉及LCD投影机领域，尤其涉及一种单LCD投影机光学系统和投影方法。
背景技术
一直以来，单LCD投影机始终以高耗低效的形态存在，其光学效率很难突破3.5％，从而根本上局限了单LCD投影机的性能和应用。近年来，业内也在不断研发一些成本相对低廉的PCS(Polarization Conversion System，偏振光转换系统)专利技术以期待提升光学系统效率，目前看效果都非常有限。
现公开的相对廉价的PCS技术，其客观性和正确性都普遍存在问题，主要有两种代表技术，现通过图6和图7进行分析说明。
见图6所示，按光线行进方向依次设置的LED光源6′、聚光照明装置7′、1/4波片8′、反射式偏光片9′、LCD光阀10′、后菲11′(场镜)、反射镜12′和投影镜头13′，其中聚光照明装置7′包括方锥形聚光器71′和前菲72′。最理想情况是方锥形聚光器71′的入射端的光展和LCD光阀10′的光展相等且出射端的光展无溢出(或轻度溢出)，反射式偏光片9′所反射的、任何不能到达方锥形聚光器71′的入射端而自聚光照明装置7′其余部位反射回所述反射式偏光片9′实现了偏振光变换的光线，都极难以被投影镜头13′所利用，只能大幅度增加LCD光阀10′的发热；视光展溢出情况，反射式偏光片9′所反射的光线，经前菲72′折射后，达到方锥形聚光器71′入射端的光线和光展溢出成反比，而且，即便到达了方锥形聚光器71′的入射端，因为LED光源6′的发光面的反射率、以及LED光源6′的基板可利用的反射效能，都非常低，故此转偏技术对光线利用率的提升，几乎不可能超6％。
图6展示了一种光展正常范围溢出下的状况，LED光源6′发出的任意一根主光线Lk，经方锥形聚光器71′、前菲72′、1/4波片8′后到达反射式偏光片9′，经反射式偏光片9′分离出一路LCD光阀10′可用的光线Pa透射；而反射式偏光片9′反射的光线Sb1，经1/4波片8′、前菲72′折射后，Sb1经方锥形聚光器71′多次反射，依次是Sb2、Sb3、Sb4并经1/4波片8′后到达反射式偏光片9′。如果此时可以为反射式偏光片9′所透射，则Sb4到达LCD光阀10′，少部分光线被LCD光阀10′透射而成为杂散光Pc，多数光线被LCD光阀10′以焦耳热损耗掉，这种转偏技术，缺乏正确性，没有实用价值。
见图7所展示的另一种PCS代表性技术，按光线行进方向依次设置了光源装置1′、聚光装置2′、前菲3′，反射式偏光片4′，液晶屏5′和带1/4波片的反光镜14′，这些PCS技术的一个共性是：反射式偏光片4′和液晶屏5′不平行，以及光源装置1′和带1/4波片的反光镜14′并列排列。这种技术类似于“永动机”技术，其光展溢出比图6展示技术要严重得多，所以收效自然小得更多，这种技术不符合基本客观常识。
在越来越注重能耗的时代，需要对单LCD投影机现有的照明技术、现有的转偏技术，进行全面的、科学的创新，才能真正提升光学系统效率，这就是本发明要解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能够提高光线利用率且结构简单、价格相对低廉的LCD投影机光学系统。
本发明提供的技术方案如下，包括按光线行进方向依次设置的LED光源、透反板、聚光装置、第一聚焦透镜、偏光调制板、增亮型偏光板、LCD光阀、场镜、反射镜和投影镜头。
所述透反板上设有允许光线透射的透光部；所述透光部的尺寸和面积大于等于所述LED光源的发光面的尺寸和面积；所述透反板的出射面上设有对光线进行反射的反射部。
所述LED光源的发光面和所述透光部相对。
所述反射部的外形尺寸大于等于所述聚光装置的入射端的通光孔的尺寸。
进一步地，按光线行进方向在所述增亮型偏光板和LCD光阀之间还设有第二聚焦透镜和第三聚焦透镜。
可选地，所述第二聚焦透镜为正透镜。
可选地，所述第三聚焦透镜为负透镜。
进一步地，所述聚光装置采用方锥形聚光器；所述方锥形聚光器出射端的长宽尺寸大于所述LCD光阀的显示窗口的长宽尺寸。
或者所述聚光装置采用复合抛物面聚光器，所述复合抛物面聚光器为由四个复合抛物面所围成的空心的导光管，相对的两复合抛物面的尺寸相等，且四个所述复合抛物面相互的交线长度相等；所述复合抛物面聚光器的内壁具有反射功能；所述复合抛物面聚光器的出射端的通光孔为矩形，且所述出射端的长宽尺寸大于所述LCD光阀的显示窗口的长宽尺寸。
或者所述聚光装置包括至少一片用于聚光的透镜。
优选地，所述透镜采用自由曲面透镜。
可选地，所述方锥形聚光器或复合抛物面聚光器的入射端的通光孔的光展，小于等于所述LCD光阀在所述投影镜头约束下的光展。
可选地，光线自所述方锥形聚光器或复合抛物面聚光器的入、出射端通过时，光展不发生溢出或者只是轻度溢出。
可选地，所述方锥形聚光器为由四个等腰梯形平面所围成的空心的导光管；相对两等腰梯形平面的尺寸相等，且四个等腰梯形平面的腰长相等，所述方锥形聚光器的内壁具有反射功能。
进一步地，所述透反板的出射面和所述聚光装置的入射端相贴合。
或者所述透反板的透光部和反射部设于所述聚光装置入射端上。
或者所述透反板的入射面和所述LED光源的基板相贴合。
进一步地，所述第一聚焦透镜采用玻璃透镜、塑料透镜和菲涅尔透镜中的任一种。
可选地，所述第一聚焦透镜为正透镜。
可选地，所述玻璃透镜和塑料透镜采用自由曲面透镜。
可选地，所述第一聚焦透镜的入射面和所述聚光装置的出射端相贴合。
进一步地，所述偏光调制板采用位相板或宽波长的退偏器。
或者所述偏光调制板采用不改变入射偏振光偏振态的无源旋光器、会改变入射偏振光偏振态的延迟器或有源旋光器中的任一种或是任意几种的组合。
进一步地，所述延迟器采用四分之一波片或八分之一波片中的一种或是任意几种的组合。
进一步地，所述增亮型偏光板采用具有增亮功能的线栅式偏光片或具有增亮功能的反射式偏光片。
进一步地，所述增亮型偏光板与所述偏光调制板的出射面相贴合。
本发明还提供了一种所述投影机光学系统的投影方法，包括如下步骤：
所述LED光源出射的光线依次经透反板上的透光部、聚光装置、第一聚焦透镜和偏光调制板后，到达增亮型偏光板；增亮型偏光板对光线进行偏振光分离，分离出对LCD光阀有用的一路偏振光透射、对LCD光阀无用的一路偏振光反射，两路偏振光为线偏振光且振幅相等、振动正交；对LCD光阀有用的一路偏振光穿过LCD光阀后依次经场镜、反射镜和投影镜头后投射出去；对LCD光阀无用的一路偏振光则被反射回去，经偏光调制板、第一聚焦透镜和聚光装置后，到达透反板的反射部和透光部，经反射部和与透光部相对的LED光源反射后，依次经聚光装置、第一聚焦透镜和偏光调制板后，到达增亮型偏光板，期间连续两次穿过偏光调制板后偏振面或偏振性改变，进而对LCD光阀无用的一路偏振光透过增亮型偏光板成为对LCD光阀可用的偏振光，完成偏振光变换的过程。
进一步地，按光线行进方向在所述增亮型偏光板和LCD光阀之间还设有第二聚焦透镜和第三聚焦透镜。
进一步地，所述LCD投影机光学系统使投影机光线利用效率提高的总增加量ηinc为：
ηinc＝ΔΨR+ΔΨL；
其中：
其中：ΔΨR为所述反射部对应使投影机光线利用效率提高的增加量；ΔΨL为所述LED光源对应使投影机光线利用效率提高的增加量；β为所述偏光调制板的调制效率；Ω为所述增亮型偏光板所反射的光线，经所述第一聚焦透镜和聚光装置后，最终到达所述聚光装置入射端的光线的能量比；TL为所述聚光装置和第一聚焦透镜的传输效率；TP、RP分别为所述增亮型偏光板的透过率、反射率；AS为透光部的面积，AL为所述聚光装置入射端通光孔的面积；RM为反射部的表面反射率；LR为LED光源包括的发光面和基板共同作用的反射率。
本发明的有益效果：
1、本发明通过增亮型偏光板对LED光源出射的自然光进行偏振光分离，分离出对LCD光阀有用和无用的两路偏振光；对LCD光阀无用的这路偏振光，连续两次穿过偏光调制板后偏振面或偏振性被改变，使得对LCD光阀无用的这路偏振光变得可用，且这部分光线是由设置于聚光装置入射端的透反板及LED光源反射出来，光展不会溢出，故真正实现了投影机光利用率显著地大幅度提升，节约电源功耗。
2、本发明通过第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和第三聚焦透镜对光线进行立体角和面积变换，使第一聚焦透镜出射的光线的孔径角比LCD光阀入射的光线的孔径角小得多，故偏光调制板和增亮型偏光板有更高的效率，且第一聚焦透镜对增亮型偏光板反射的光线进行汇聚到透反板时，也更准确、高效和容易；第二聚焦透镜和第三聚焦透镜使光线的立体角变大，照射面积变小，对LCD光阀进行高效照明匹配。
3、本发明聚光装置采用方锥形聚光器、复合抛物面聚光器或至少一片用于聚光的透镜，能很好地对LED光源的发光面外形尺寸和LCD光阀的显示窗口进行形状匹配，故能很好地提高LED光源的利用率。
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中记载的一些实施例，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为本发明实施例二的结构示意图；
图3为本发明实施例三的结构示意图；
图4为本发明实施例四的结构示意图；
图5为对应图1或图4的局部示意图；
图6为现有技术的结构示意图；
图7为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和图5所示，本实施方式提供的技术方案如下，包括按光线行进方向依次设置的LED光源1、透反板2、聚光装置、第一聚焦透镜4、偏光调制板5、增亮型偏光板6、第二聚焦透镜7、第三聚焦透镜8、LCD光阀9、场镜10、反射镜11和投影镜头12。
本实施方式所述聚光装置采用方锥形聚光器31，且所述透反板2的透光部21和反射部22制作在所述方锥形聚光器31的入射端上。所述方锥形聚光器31的入射端的面积即相当于所述反射部22的外形面积所对应的光展，小于等于所述LCD光阀9在所述投影镜头12约束下的光展；所述LED光源1的发光面101嵌入到所述透光部21内，所述透光部21的窗口和所述发光面101之间的间隙优选单边为0.05-0.12mm；优选地，所述LED光源1的发光面101和所述反射部22的反射面之间的距离即两平面间的距离尽量小。
所述方锥形聚光器31的出射端窗口尺寸，以具体实施时投影机体积所允许的窗口长宽限制为宜，优选单边大于所述第三聚焦透镜8通光窗口的长宽各15-30％，以兼顾整机体积和提高光线顺方向经过所述第一聚焦透镜4以后的准直度、逆方向聚焦到反射部22面内的准确度。
所述方锥形聚光器31的入射端的光展，只有光线在入射端设计光展条件下，自所述方锥形聚光器31的入射端射入、出射端射出，光展不溢出或者轻度溢出时，才存在光学意义。
第一聚焦透镜4设计的关键要素是，所述增亮型偏光板6所分离并反射的光线，能够尽量多地到达所述方锥形聚光器31的入射端面，即只有被所述反射部22或者所述透光部21所对应的LED光源1再次反射回去的光线，才能被所述投影镜头12所利用，否则就是违背光展基本原理；所述第一聚焦透镜4优选玻璃材料的自由曲面透镜。
同时，根据光展原理和效率需求，由于第一聚焦透镜4设计出射的光线的立体角比LCD光阀9所允许的立体角小得多，第一聚焦透镜4出射面的光线的照射面积比所述LCD光阀9的显示面积却大得多，通过第二聚焦透镜7和第三聚焦透镜8的设置，使得第一聚焦透镜4出射的光线和LCD光阀9的孔径角和照射面积相匹配。
LED光源1发光面101所射出的光线经所述透光部21射入方锥形聚光器31，所述方锥形聚光器31不仅可以聚光，还可以均光并自带虚像重叠性，能在其出射端获得具有一定均匀性的光斑，经第一聚焦透镜4进行折射后，射入所述偏光调制板5并进一步到达增亮型偏光板6的入射面。
结合图5具体说明，对来自LED光源1的发光面101射出的任一根光线T1，被所述增亮型偏光板6分离出符合所述LCD光阀9需求的线偏振光L01透射，另一路线偏振光S1被所述增亮型偏光板6反射，两偏振光L01和S1振幅相等且振动正交。
S1穿过偏光调制板5并被第一聚焦透镜4折射后，射入方锥形聚光器31，并到达方锥形聚光器31的入射端，照射于反射部22上，被反射部22的反射面反射回去，再次到达增亮型偏光板6。由于线偏振光S1两次穿过偏光调制板5，故其偏振面或偏振性发生改变，完成偏振光变换的过程，使得对LCD光阀9无用的光线S1能被增亮型偏光板6透射(L03)，由于光展至始至终未产生溢出(S1相当于来自所述方锥形聚光器31的入射端，且所述方锥形聚光器31的入射端的光展≤所述LCD光阀9在所述投影镜头12约束下的光展)，故进而被投影镜头12真正利用，从而提升了照明效率。
对来自LED光源1的发光面101射出的任一根光线T2，重复了上述光线T1的过程被增亮型偏光板6分离出L02透射、S2反射；线偏振光S2穿过透光部21到达LED光源1，被LED光源1的发光面101和基板102再次反射一部分回去，进而再次到达增亮型偏光板6并射出(L04、L05)，光线S2未被LED光源1的发光面101和基板102反射回去的光线，则被LED晶片103群、荧光粉和硅胶104阻挡，吸收并转化成了焦耳热。
本实施方式由以下公式，计算投影机光学系统中转偏部分对光线利用率提高的增加量：
ηinc＝ΔΨR+ΔΨL
其中：
式中：
ΔΨR为所述反射部22对应使投影机光线利用效率提高的增加量；
ΔΨL为LED光源1对应使投影机光线利用效率提高的增加量，也可以理解为所述透光部21对应使投影机光线利用效率提高的增加量；
β为偏光调制板5的调制效率，用能量的百分比表示；
Ω为增亮型偏光板6所反射的光线，经第一聚焦透镜4、聚光装置汇聚后，最终到达方锥形聚光器31的入射端的光线的能量比值，理论推导时可不计如散射、吸收等损失，可以理解为增亮型偏光板6所反射光线，减去光展溢出部分的光线后，所占的比例，本质上是第一聚焦透镜4、聚光装置对光展溢出的控制水平；
TL为方锥形聚光器31和第一聚焦透镜4的传输效率，即第一聚焦透镜4的出射面和方锥形聚光器31入射端的能量的比值；
TP、RP分别为增亮型偏光板6的透过率、反射率；
AS为透光部21的面积，AL为方锥形聚光器31入射端的面积；
RM为反射部22的表面反射率；
LR为LED光源1包括的发光面101和基板102共同作用的反射率。
本实施方式投影机光学系统能使光利用效率提升一倍以上，实现投影机光利用率显著地大幅度提升，输出同样的亮度，节约一倍以上的电源功耗。
实施例二：
如图2和5所示，实施例二与实施例一不同之处在于，所述聚光装置采用复合抛物面聚光器32；所述透反板2的透光部21和反射部22制作在所述复合抛物面聚光器32的入射端上，所述复合抛物面聚光器32的入射端的面积所对应的光展小于等于所述LCD光阀9在所述投影镜头12约束下的光展；所述LED光源1的发光面101嵌入到所述透光部21内，所述透光部21的窗口和所述发光面101之间的间隙优选单边为0.05-0.12mm；优选地，所述LED光源1的发光面101和所述反射部22的反射面之间的距离尽量小。
所述复合抛物面聚光器32的具体聚光原理和所述方锥形聚光器31并不一样，对所述第一聚焦透镜4的要求也不一样，其余原理及计算公式同实施例一。
设计所述复合抛物面聚光器32时，需要和第一聚焦透镜4结合设计，才能获得较好的光学效率和较小的体积。
因为复合抛物面聚光器32自身光学特性的局限，即在一定长度情况下，其入射端对LED光源1的收集立体角范围限制较大，且对均光的帮助也不大，故本实施例针对LCD光阀9尺寸相对较小(如小于等于3.5寸)时，具有相对较高的系统效率，且LCD光阀9尺寸越小，越适合使用这种复合抛物面原理的反射式的聚光器。
实施例三：
如图3和5所示，实施例三与实施例一不同之处在于，所述聚光装置包括至少一片用于聚光的透镜33，透镜33优选平凸的自由曲面透镜。
以一枚透镜33为例，所述透反板2的入射面贴合在所述LED光源1的基板102上；所述透反板的厚度和LED光源1的发光面101在所述基板102上的高度值相等。所述透反板2的反射部22的面积，至少大于等于反射面所在光学系统上允许的光展对应的面积；所述LED光源1的发光面101嵌入到所述透光部21内，且所述透光部21的窗口和所述发光面101之间的间隙优选单边为0.05-0.12mm。
本实施方式转偏效率计算方式参考实施例一，本实施方式第一聚焦透镜4的设计和制作相对较简单，且在AS/AL取值55％-65％的情况下，结合当前LED光源1的技术情况，能带来一定的效率值提升的同时，光展溢出部分的光线，完全不会对LCD光阀9产生不良影响，这也是本实施方式独特的、特别重要的优点之一。
实施例四：
如图4和5所示，本实施方式提供的技术方案如下，包括按光线行进方向依次设置的LED光源1、聚光装置、第一聚焦透镜4、偏光调制板5、增亮型偏光板6、LCD光阀9、场镜10、反射镜11和投影镜头12。实施例四与实施例一的区别在于：去掉增亮型偏光板6和LCD光阀9之间的第二聚焦透镜7和第三聚焦透镜8。本实施例虽在转偏效率上，相对于前述三个实施例有牺牲，但投影机光学系统的体积小，成本低，结构更简单，尽管牺牲了性能，但并没有降低性价比，因为成本也更低廉。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
