光学系统和投影装置

技术领域

本申请属于投影装置技术领域，尤其涉及一种光学系统和投影装置。

背景技术

现有投影装置主要有LCD(Liquid-Crystal Display，液晶显示)和DLP(DigitalLight Processing，数字投影式光学处理器)等技术路线，其中，LCD投影因具备低成本，实现方案简单等特点，市场占有率较高。在投影的技术指标中，亮度是较为关键的。而LCD因其调光方式限制，与其他方式相比其光效利用率一直处于弱势。

其中，常见的LCD投影方案，采用白光光源和RGB LCD实现调光，LCD中有RGB色阻，透射特定波长吸收其他波长，从而实现彩色显示。而色阻本身吸收光能会造成光效损失，因此出现了使用2个或3个黑白LCD分别调制RGB画面后再合成的方案，以降低彩色LCD光阻吸收导致的光效损失。然而，不论是单个彩色LCD还是多LCD的方案，在LCD进行灰阶调制时的偏振光因LCD调制角度的原因被偏光片吸收，仍然导致光效的损失。

发明内容

本申请实施例提供一种光学系统和投影装置，可以降低偏振光的损失，提高投影装置的光效利用率。

第一方面，本申请实施例提供一种光学系统，应用于投影装置，所述投影装置包括投影镜头，所述光学系统包括：

光源组，包括第一光源、第二光源和第三光源，所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源分别能发出第一颜色光线、第二颜色光线和第三颜色光线；

黑白液晶面板，设置于所述光源组的发光一侧，所述黑白液晶面板用于调制以及透射所述第一颜色光线、所述第二颜色光线和所述第三颜色光线；

合光件，设置于所述黑白液晶面板背离所述光源组的一侧，所述合光件用于解析经所述黑白液晶面板调制后的偏振光，并将所述第一颜色光线、所述第二颜色光线和所述第三颜色光线合光后反射至所述投影镜头；

光回收组件，设置于所述合光件和所述光源组之间，以将所述合光件透射的部分偏振光回收至所述黑白液晶面板处，并最终送入所述投影镜头。

可选的，所述合光件为反射式偏光片或者偏振分光镜。

可选的，所述黑白液晶面板与所述投影镜头垂直设置，所述合光件分别相对于所述黑白液晶面板和所述投影镜头倾斜，以将所述黑白液晶面板透射的光线反射至所述投影镜头。

可选的，所述光学系统还包括第一偏光片，所述第一偏光片设置于所述光源组和所述黑白液晶面板之间，用于调整所述光源组的光线至偏振态，所述第一偏光片与所述黑白液晶面板垂直设置；

所述光学系统还包括第一反射镜，所述第一反射镜设置于所述第一偏光片和所述黑白液晶面板之间，且分别相对于所述第一偏光片和所述黑白液晶面板倾斜，以将所述第一偏光片产生的偏振光反射至所述黑白液晶面板。

可选的，所述光回收组件包括：

反射棱镜，设置于所述第一偏光片和所述第一反射镜之间，以将所述合光件透射的部分偏振光反射至所述第一反射镜以及所述黑白液晶面板。

可选的，所述光回收组件还包括：

匀光镜，设置在所述反射棱镜和所述合光件之间，以均匀化经所述合光件透射的部分偏振光。

可选的，所述光回收组件还包括：

第二反射镜，设置于所述合光件和所述匀光镜之间，且分别相对于所述合光件和匀光镜倾斜，以将透过所述合光件的部分偏振光反射至所述匀光镜；

第三反射镜，设置于所述匀光镜和所述第二反射镜之间，且与所述第二反射镜相对设置，以将所述第二反射镜反射的部分偏振光反射至所述匀光镜。

可选的，所述光回收组件还包括：

第一波片，设置于所述第二反射镜与所述第三反射镜之间，以调整所述合光件透射的部分偏振光的偏振态。

可选的，所述光学系统还包括：

第二波片和偏振分光镜，设置于所述光源组和所述黑白液晶面板之间，以调整所述光源组的光线至偏振态，所述第二波片设置于所述偏振分光镜靠近所述光源组的一侧；和/或

反射光锥，罩设于所述光源组，以汇聚所述光源组的光线至准直光。

第二方面，本申请实施例还提供一种投影装置，包括：

如上任一项所述的光学系统；

投影镜头，用于接收所述光学系统发出的光线。

本申请实施例的光学系统和投影装置中，通过使用三颜色光源，且使用合光件取代现有技术中的下偏光片的设置，与光回收组件配合可以实现部分偏振光的回收再利用，可以降低偏振光的损失，并动态降低光源功耗，提高投影装置的光效利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对本领域技术人员来说，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。

为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行说明。其中，在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。

图1为本申请实施例提供的投影装置的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的光学系统的第一种结构示意图。

图3为本申请实施例提供的光学系统的第二种结构示意图。

图4为本申请实施例提供的光学系统的第三种结构示意图。

图5为本申请实施例提供的光学系统的第四种结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1所示，图1为本申请实施例提供的投影装置的结构示意图。本申请实施例提供一种投影装置1，投影装置1可以是投影仪，或者称投影机，是一种可以将图像或者视频投射到幕布上的设备。投影装置1还可以是汽车中的抬头显示系统(Head Up Display，HUD)，或者称为平视显示系统，是指以车辆驾驶员为中心、盲操作、多功能仪表盘。抬头显示系统的作用是把时速、导航等重要的行车信息，投影到驾驶员前面的挡风玻璃上，让驾驶员尽量做到不低头、不转头就能看到时速、导航等重要的驾驶信息。

现有投影装置主要有LCD和DLP等技术路线，其中，LCD投影因具备低成本，实现方案简单等特点，市场占有率较高。在投影的技术指标中，亮度是较为关键的。而LCD因其调光方式限制，与其他方式相比其光效利用率一直处于弱势。

其中，常见的LCD投影方案，采用白光光源和RGB LCD实现调光，LCD中有RGB色阻，透射特定波长吸收其他波长，从而实现彩色显示。而色阻本身吸收光能会造成光效损失，因此出现了使用2个或3个黑白LCD分别调制RGB画面后再合成的方案，以降低彩色LCD光阻吸收导致的光效损失。然而，不论是单个彩色LCD还是多LCD的方案，在灰阶调制时，往往需要靠近投影镜头的下偏光片对LCD调制角度后的偏振光进行吸收，从而实现各像素的灰阶显示，在绝大部分投影场景，画面的灰阶都不是处于最大的状态，因此绝大部分时候下偏光片都在依据画面灰阶的需要吸收偏振光，也即是在LCD进行灰阶调制时的偏振光因LCD调制角度的原因被偏光片吸收，仍然导致光效的损失。

为了减少上述问题，本申请实施例对投影装置1中的光学系统进行了改进，以下将结合附图进行说明。

光学系统100可以应用在投影装置1中，但光学系统100并不限于应用在投影装置1中，比如还可以应用在照明设备或者其他显示设备中，本申请实施例以光学系统100应用在投影装置1中为例进行说明，而不应理解为对投影装置1的限制。

示例性的，投影装置1包括光学系统100和投影镜头200，光学系统100用于提供经调制后的光源，并将其输入到投影镜头200中。投影镜头200是整个光路的最后一个环节，决定了投影装置1的画面色彩、亮度、对焦清晰度等核心参数，也即是将画面投影到幕布上的器件。

需要说明的是，投影镜头200也可以是光学系统100的组成部分，这里为了便于说明，将投影镜头200与光学系统100区分开，而不应理解为对投影镜头200与光学系统100的限制。

示例性的，请结合图1并参阅图2所示，图2为本申请实施例提供的光学系统的第一种结构示意图。光学系统100包括光源组110、黑白液晶面板120、合光件130和光回收组件140。

光源组110用于为光学系统100提供投影光源，与黑白液晶面板120配合可以实现画面的显示。示例性的，光源组110包括第一光源112、第二光源114和第三光源116，第一光源112、第二光源114和第三光源116分别能发出第一颜色光线、第二颜色光线和第三颜色光线。第一颜色光线、第二颜色光线和第三颜色光线也即是形成画面的三基色，即红、绿、蓝，或者RGB。第一颜色光线、第二颜色光线以及第三颜色光线混合可以产生不同的灰阶，从而展现不同的显示效果。

黑白液晶面板120设置于光源组110的发光一侧，黑白液晶面板120用于调制以及透射第一颜色光线、第二颜色光线和第三颜色光线。

其中，黑白液晶面板一般用TN(Twist Nematic)扭曲向列相液晶，黑白液晶面板的工作原理为：向列型液晶夹在两片玻璃中间，这种玻璃的表面上先镀有一层透明导电薄膜ITO(氧化铟锡)以作电极之用，然后在有薄膜电极的玻璃上涂取向层PI(聚酰亚胺)，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面的方向排列。液晶的自然状态具有90度的扭曲，利用电场可使液晶分子旋转，液晶的双折射率随液晶的方向而改变，影响的结果是偏振光经过TN型液晶后偏振方向发生转动。只要选择适当的厚度使偏振光的偏振方向刚好改变90度，就可利用两个平行偏光片使得光完全不能通过。而足够大的电压又可以使得液晶方向与电场方向平行，这样光的偏振方向就不会改变，光就可通过第二个偏光片。于是，就可控制光的明暗了。

并且，本申请实施例的黑白液晶面板120，与普通彩色液晶面板的区别在于，黑白液晶面板120取消了彩色滤光片的设置，因此可以降低由于彩色滤光片吸收光导致的光效降低问题。也因此，需要配合能够发出第一颜色光线、第二颜色光线和第三颜色光线的光源组110来实现投影光路。

合光件130设置于黑白液晶面板120背离光源组110的一侧，合光件130用于解析经黑白液晶面板120调制后的偏振光，并将第一颜色光线、第二颜色光线和第三颜色光线合光后反射至投影镜头200。

需要说明的是，合光件130既充当现有技术中下偏光片的作用，也即解析经黑白液晶面板120调制后的偏振光；合光件130又作为第一颜色光线、第二颜色光线和第三颜色光线合光的器件，可以节省器件的设置，进而降低成本。

其中，由于现有技术中的下偏光片通常会吸收一部分偏振光，导致偏振光的浪费，本申请实施例为了减少这种问题的发生，使用合光件130代替现有技术中的下偏光片，合光件130还能够将部分偏振光透射，以便于进行回收。

光回收组件140设置于合光件130和光源组110之间，以将合光件130透射的部分偏振光回收至黑白液晶面板120处，并最终送入投影镜头200，从而可以实现对偏振光的回收再利用，提高光效利用率。

本申请实施例提供的光学系统100中，通过使用三颜色光源，且使用合光件130取代现有技术中的下偏光片的设置，与光回收组件140配合可以实现部分偏振光的回收再利用，可以降低偏振光的损失，并动态降低光源功耗，提高投影装置1的光效利用率。

其中，示例性的，合光件130为反射式偏光片或者偏振分光镜。反射式偏光片或者称为反射式偏振片透射所需的偏振并反射其余的偏振，比如p偏振光不被反射，而被透射，而s偏振光被反射。偏振分光镜能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏振光，其中，p偏光完全通过，而s光以45°角被反射，出射方向与p光成90°角，p偏光与s偏光都是线偏振光，且偏振方向互相垂直。利用这一特性，可以将合光需要的第一颜色偏振光、第二颜色偏振光和第三颜色偏振光反射至投影镜头200，而另一部分偏振光透过合光件130，经光回收组件140回收再利用，就可以不浪费透射部分的偏振光。

示例性的，黑白液晶面板120与投影镜头200垂直设置，合光件130分别相对于黑白液晶面板120和投影镜头200倾斜，比如倾斜角度可以为45°，以与合光件130的透射偏振光、反射偏振光进行配合，既能实现将黑白液晶面板120透射的光线反射至投影镜头200，又能将透射的偏振光进行回收再利用。

示例性的，光学系统100还包括第一偏光片150，第一偏光片150设置于光源组110和黑白液晶面板120之间，第一偏光片150用于调整光源组110的光线至偏振态。第一偏光片150也即现有技术中的上偏光片，用于将背光源产生的光束转换为偏振光，现有技术中的下偏光片用于解析经液晶电调制后的偏振光，产生明暗对比，从而产生显示画面。其中，第一偏光片150与黑白液晶面板120垂直设置，以便于缩小光学系统100的占用空间。

由于光源组110相对于黑白液晶面板120垂直设置，要实现光源组110的光线入射到黑白液晶面板120，还需要设置反射镜来改变光路。

示例性的，光学系统100还包括第一反射镜160，第一反射镜160设置在第一偏光片150和黑白液晶面板120之间，且分别相对于第一偏光片150和黑白液晶面板120倾斜，以将第一偏光片150产生的偏振光反射至黑白液晶面板120。可以理解的是，光源组110发出的光线为水平方向的，而黑白液晶面板120也沿水平方向设置，因此，可以将第一反射镜160设置于分别相对于光源组110和黑白液晶面板120的倾斜角度为45°，从而水平方向的第一颜色光线、第二颜色光线和第三颜色光线可以被第一反射镜160转换为竖直方向的光线进入黑白液晶面板120。

以下将对光回收组件140的结构组成进行说明。

示例性的，请结合图1和图2并参阅图3所示，图3为本申请实施例提供的光学系统的第二种结构示意图。光回收组件140包括反射棱镜141、匀光镜142、第二反射镜143和第三反射镜144。

反射棱镜141设置于第一偏光片150和第一反射镜160之间，以将合光件130透射的部分偏振光反射至第一反射镜160以及黑白液晶面板120。示例性的，反射棱镜141为三角形诸如等腰直角三角形，且反射棱镜141的斜边朝向光源组110设置，从而可以将合光件130透射的部分竖直方向的偏振光反射至第一反射镜160。

匀光镜142设置在反射棱镜141和合光件130之间，以均匀化合光件130透射的部分偏振光。需要说明的是，因画面RGB灰阶并非均匀分布，因此从合光件130透射出的偏振光光强分布并不均匀，所以在进入反射棱镜141之前，加入匀光镜142，来使光源均匀分布，减少回收光线的不均匀现象导致的对画面的影响。示例性的，匀光镜142也可以称为复眼透镜，复眼透镜是由一系列小透镜组合形成，将双排复眼透镜阵列应用于照明系统可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明。复眼透镜在微显示器及投影显示领域有广阔的应用前景。

需要说明的是，从合光件130透射的光线是竖直向下的，而进入匀光镜142以及反射棱镜141的光线是竖直向上的，因此，还需要设置光学器件来改变光线路径。

第二反射镜143和第三反射镜144也即用于改变光线路径。示例性的，第二反射镜143设置于合光件130和匀光镜142之间，且分别相对于合光件130和匀光镜142倾斜，倾斜角度可以为45°，以将透过合光件130的部分偏振光反射至匀光镜142。在此之后，第三反射镜144设置于匀光镜142和第二反射镜143之间，且于第二反射镜143相对设置，以将第二反射镜143反射的部分偏振光反射至匀光镜142。由此，第二反射镜143和第三反射镜144配合实现了对光线路径的改变。

本申请实施例提供的光学系统100中，通过使用三颜色光源，且使用合光件130取代现有技术中的下偏光片的设置，与光回收组件140配合可以实现部分偏振光的回收再利用，可以降低偏振光的损失，并动态降低光源功耗，提高投影装置1的光效利用率。

对于常规的LCD系统，可以使用上述光学系统100的方案，而对于一些非常规的LCD系统，诸如黑白液晶面板120两侧的两个偏光片平行的情况下，可以在光路中加入二分之一波片来调整光线的偏振态。

示例性的，请结合图1至图3并参阅图4所示，图4为本申请实施例提供的光学系统的第三种结构示意图。光回收组件140还包括第一波片145，第一波片145设置于第二反射镜143和第三反射镜144之间，以调整合光件130透射的部分偏振光的偏振态，使其满足使用要求。

其中，波片又称为相位延迟片，是由双折射材料加工而成，它使通过波片的两个互相正交的偏振分量产生相位偏移，可用来调整光束的偏振状态。其中，四分之一波片是晶体厚度恰能使o光和e光的光程差为λ/4的晶片。旋转波片使入射光偏振方向与波片两轴夹角为45°，椭圆/圆偏振光经过四分之一波片后，变成了线偏振光。同理，如果入射光偏振方向与波片两轴夹角为45°，线偏振光经过四分之一波片后，变成了圆偏振光。二分之一波片是晶体厚度恰能使o光和e光的光程差为λ/2的晶片。线偏振光经过λ/2波片后还是线偏振光，但是振动方向与原来的方向旋转了2θ角。圆偏振光经过λ/2波片后还是圆偏振光，但是转动方向与原来相反。

本申请实施例的第一波片145为二分之一波片，可以改变振动方向或者转动方向，来使得其满足使用要求。

需要说明的是，上述方案中，从第一偏光片150中出射光经过反射棱镜141表面时容易造成反射，可能影响原始光源效率。为了减少对原始光源效率的影响，本申请实施例还对此进行了改进。

示例性的，请结合图1至图4并参阅图5所示，图5为本申请实施例提供的光学系统的第四种结构示意图。光学系统100还包括第二波片170和偏振分光镜180。第二波片170和偏振分光镜180设置于光源组110和黑白液晶面板120之间，以调整光源组110的光线至偏振态。其中，第二波片170设置于偏振分光镜180靠近光源组110的一侧。本申请实施例的第二波片170为四分之一波片，可以改变光源组110光线的偏振态。偏振分光镜180能把入射的非偏振光分成垂直的线偏振光。其中p偏光完全通过，而s偏光以45度角被反射，出射方向与p光成90度角，p偏光与s偏光都是线偏振光，且偏振方向互相垂直。偏振分光镜180与第二波片170的组合分光器件，若入射光偏振方向平行于入射面，则可全部透过分光器件，反射分量为0。经第二波片170入射到被测面，返回时再次经过第二波片170，两次经过第二波片170可以使光的偏振方向转过pi/2，即光束垂直于入射面，经过分光器件后全部反射，透射分量为0，并无能量损失。根据上述特点，本申请实施例将偏振分光镜180与第二波片170也即四分之一波片组合，且偏振分光镜180与第一反射镜160平行，并与第二波片170呈诸如45°倾斜，由此可以使光源组110的光线完全透过第二波片170和偏振分光镜180，减少初始光源的损失。

示例性的，为了减少光源组110扩散光的损失，本申请实施例的光学系统100还包括反射光锥190，反射光锥190罩设于光源组110，以汇聚光源组110的光线至准直光。可以理解的是，光源组110发出的光线通常为发散光，若直接进行出射，则容易损失大部分的发散光，因此本申请实施例设置反射光锥190来改善这种情况。当然，对于光线的准直并不限于反射光锥，还可以使用准直透镜来使得光线平行入射。

上述情况下，光学系统100的光路原理或者说光路过程为：光源组110出射光为自然偏振态，采用反射光锥190进行准直，准直后的自然光经过第二波片170后依然为自然偏振态，经过偏振分光镜180后形成线偏振光，偏振分光镜180出射的偏振光进入第一反射镜160，并经黑白液晶面板120调制后出射到合光件130，合光件130反射的光线进入投影镜头200，透射的光线与偏振分光镜180具有相同的偏振态，此部分光线在经过第一波片145后偏振态旋转90°，经第二反射镜143和第三反射镜144反射，并经匀光镜142匀光后入射到偏振分光镜180，被偏振分光镜180反射进入反射光锥190，并由反射光锥190反射回偏振分光镜180，因进入反射光锥190后反射出反射光锥190的过程中两次经过第二波片170，其偏振角度旋转90°，因此出射光线可以直接透过偏振分光镜180进入黑白液晶面板120被利用。

需要说明的是，以上针对投影装置1中光学系统100的设计，整个系统还需要配合画面识别算法和亮度调节机制，可以在实现光效提升的同时不影响颜色效果。

示例性的，画面识别算法需要依据画面各区域的RGB灰阶及光路特性，计算出合光件130透射光分布以及可利用光效。通常而言，RGB画面在不同灰阶时回收光效不同，同时灰阶的分布可能也会影响到回收光源的分布：如画面中心的回收率更高，画面边缘的回收效率会更低。算法依据光机系统特性，依据理论计算和实际采集获得各区域可回收光能的比重，加入算法中进行运算；画面识别算法可以直接运行于投影装置1的处理器平台，也可以在显示接口处增加单独的模块诸如FPGA芯片，使用单独的模块识别画面并运行算法类似计算出可回收光源的比重，从而动态调制光源。并且，采用此方案的光源，需采用RGB光源，根据RGB各自灰阶来调整RGB光源的各自亮度。

本申请实施例提供的光学系统100和投影装置1中，通过使用三颜色光源，且使用合光件130取代现有技术中的下偏光片的设置，与光回收组件140配合可以实现部分偏振光的回收再利用，可以降低偏振光的损失，并动态降低光源功耗，提高投影装置1的光效利用率。此外，对光源组110处配置第二波片170和偏振分光镜180的配合，可以减少原始光源的反射损失，进而可以进一步提高光源利用率。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。

以上对本申请实施例所提供的光学系统和投影装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。