一种投影设备及方法、投影仪、显示系统、画面调整设备与流程

1.本公开实施例涉及但不限于投影显示技术领域，具体涉及一种投影设备及方法、投影仪、显示系统、画面调整设备。


背景技术：

2.投影仪是一种可以将图像或视频投射到幕布或屏幕上的装置，目前投影仪分为三种类型：dlp(数字光处理)投影仪、单lcd(液晶显示)投影仪、3lcd(液晶显示)投影仪。3lcd投影仪采用三块lcd屏，成本较高，影响了客户的使用意愿。单lcd投影仪由于仅采用一块lcd屏，成本较低，受到普通客户的追捧。
3.在实践应用中，可变焦的单lcd投影仪存在变焦后投影画面质量下降的问题。


技术实现要素：

4.本公开实施例所要解决的问题是，提供一种投影设备及方法、投影仪、显示系统、画面调整设备及方法，以解决变焦后投影画面质量的技术问题。
5.第一方面，为了解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种投影设备，包括：
6.光源组件；
7.显示组件，设置于所述光源组件出射光线的一侧，所述光源组件出射的光线投射至所述显示组件的非显示侧；
8.液晶透镜，设置于所述显示组件远离所述光源组件的一侧，所述投影设备的焦距通过施加在液晶透镜中液晶分子的电压调整。
9.在示例性实施方式中，投影设备还包括镜头组件，所述镜头组件设置于所述显示组件的显示侧，所述镜头组件的入光侧靠近所述显示侧设置。
10.在示例性实施方式中，所述镜头组件包括多个液晶子透镜，所述液晶透镜和每个液晶子透镜均包括相对设置的第一基板和第二基板，以及设置在所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；所述第一基板靠近所述第二基板的一侧设有第一导电层，所述第二基板靠近所述第一基板的一侧设有第二导电层，所述第一导电层包括多个第一电极，所述第二导电层包括第二电极。
11.在示例性实施方式中，所述第一电极为环形结构，所述多个第一电极沿所述第一基板的中心至边缘的方向间隔排布。
12.在示例性实施方式中，在所述液晶透镜中，所述第一基板位于所述液晶透镜靠近所述光源组件的一侧，所述第二基板位于所述液晶透镜远离所述光源组件的一侧。
13.在示例性实施方式中，所述镜头组件中的多个液晶子透镜包括第一液晶子透镜、第二液晶子透镜、第三液晶子透镜和第四液晶子透镜，所述第一液晶子透镜至第四液晶子透镜沿入光侧到出光侧的方向依次排布。
14.在示例性实施方式中，在所述第一液晶子透镜和所述第四液晶子透镜中，第一基板位于靠近所述第二液晶子透镜的一侧，第二基板位于远离所述第二液晶子透镜的一侧；
15.在所述第二液晶子透镜中，第一基板位于靠近所述第一液晶子透镜的一侧，第二基板位于靠近所述第三液晶子透镜的一侧；
16.在所述第三液晶子透镜中，第一基板位于靠近所述第四液晶子透镜的一侧，第二基板位于靠近所述第二液晶子透镜的一侧。
17.在示例性实施方式中，所述液晶层中液晶分子的折射率为：
18.其中，n(θ)为液晶分子的折射率，θ为液晶分子的偏转角度，no为第一折射率，ne为第二折射率，所述第一折射率no和所述第二折射率ne中的其中一个为液晶分子的最大折射率，另一个为液晶分子的最小折射率，所述液晶分子的折射率n(θ)的取值范围在所述第一折射率no与所述第二折射率ne之间。
19.在示例性实施方式中，投影设备还包括反射镜；
20.所述反射镜，设置于所述镜头组件的入光侧，所述显示组件出射的光线经由所述液晶透镜投射至所述反射镜的反射面，所述反射面反射后的光线投射至所述镜头组件的入光侧。
21.在示例性实施方式中，所述光源组件中投射至所述显示组件的光线所对应的每一个发光点作为一个朗伯体。
22.在示例性实施方式中，投影设备还包括聚焦透镜和隔热结构，所述光源组件包括光源和反光结构；
23.所述反光结构设置于所述光源出射光线的一侧，所述聚焦透镜设置于所述反光结构远离所述光源的一侧，所述隔热结构设置于所述聚焦透镜和所述显示组件之间，所述隔热结构靠近所述聚焦透镜设置。
24.在示例性实施方式中，所述聚焦透镜为菲涅尔透镜，所述显示组件为液晶显示屏，所述光源为led，所述隔热结构为隔热玻璃。
25.第二方面，本公开实施例还提供了一种投影仪，包括上述任一实施例所述的投影设备。
26.第三方面，本公开实施例还提供了一种显示系统，包括：
27.上述任一实施例所述的投影设备或者投影仪；
28.投影幕布，用于对所述投影设备或者所述投影仪出射的光线进行投影，形成投影画面。
29.第四方面，本公开实施例还提供了一种投影画面调整设备，应用于上述任一实施例所述的投影设备或者投影仪，投影画面调整设备包括投影距离感应器和处理器，所述投影设备或者所述投影仪包括液晶透镜，所述液晶透镜包括相对设置的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层之间设有液晶层，所述第一导电层包括多个第一电极，所述第二导电层包括第二电极；
30.所述投影距离感应器，设置为感应投影距离，根据感应到的投影距离生成投影距离信息，将所述投影距离信息传输给所述处理器；
31.所述处理器，设置为根据所述投影距离信息控制施加在所述第二电极和所述多个第一电极的电压。
32.第五方面，本公开实施例还提供了一种投影画面调整方法，应用于上述任一实施
例所述的投影设备或者投影仪，所述投影设备或者所述投影仪包括液晶透镜，所述液晶透镜包括相对设置的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层之间设有液晶层，所述第一导电层包括多个第一电极，所述第二导电层包括第二电极；所述方法包括：
33.感应投影距离，根据感应到的投影距离生成投影距离信息；
34.根据所述投影距离信息控制施加在所述第二电极和所述多个第一电极的电压。
35.第六方面，本公开实施例还提供了一种投影方法，应用于上述任一实施例所述的投影设备或者投影仪，所述投影设备或者所述投影仪包括液晶透镜，所述液晶透镜包括相对设置的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层之间设有液晶层，所述第一导电层包括多个第一电极，所述第二导电层包括第二电极；所述投影方法包括：
36.向所述第二电极和所述多个第一电极施加对应的电压。
37.本公开实施例提供的投影设备及方法、投影仪、显示系统、画面调整设备及方法，投影设备的焦距通过施加在液晶透镜中液晶分子的电压调整，可以避免变焦后投影的画面质量下降的问题。
附图说明
38.附图用来提供对本公开技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本公开内容。
39.图1所示为本公开实施例提供的一种投影设备的结构示意图；
40.图2所示为本公开示例性实施例提供的一种液晶透镜的剖面结构示意图；
41.图3a所示为本公开示例性实施例提供的一种镜头组件的结构示意图；
42.图3b所示为本公开示例性实施例提供的一种镜头组件的示意图；
43.图4所示为本公开示例性实施例提供的一种第一电极的排布示意图；
44.图5a所示为本公开示例性实施例提供的一种液晶透镜在常规状态下的示意图；
45.图5b所示为本公开示例性实施例提供的一种液晶透镜在施加电压状态下的示意图；
46.图6所示为本公开示例性实施例提供的一种液晶透镜汇聚光线的示意图；
47.图7所示为本公开示例性实施例提供的一种投影设备的投影示意图；
48.图8所示为本公开示例性实施例提供的一种投影设备反向设计光路示意图；
49.图9所示为本公开示例性实施例提供的一种投影设备反向设计光路的放大示意图；
50.图10所示为本公开示例性实施例提供的一种反向设计过程中在液晶透镜上形成的光斑形貌示意图；
51.图11所示为本公开示例性实施例提供的一种反向设计过程中在显示组件上形成的点斑形貌示意图；
52.图12所示为本公开实施例提供的一种投影系统的示意图；
53.图13所示为本公开实施例提供的一种投影画面调整设备的示意图；
54.图14所示为本公开实施例提供的一种投影画面调整方法的流程图。
具体实施方式
55.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本公开的实施例进行详细说明。注意，实施方式可以以多个不同形式来实施。所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实，就是方式和内容可以在不脱离本公开的宗旨及其范围的条件下被变换为各种各样的形式。因此，本公开不应该被解释为仅限定在下面的实施方式所记载的内容中。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了部分已知功能和已知部件的详细说明。本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
56.本公开中的附图比例可以作为实际工艺中的参考，但不限于此。例如：沟道的宽长比、各个膜层的厚度和间距、各个信号线的宽度和间距，可以根据实际需要进行调整。显示基板中像素的个数和每个像素中子像素的个数也不是限定为图中所示的数量，本公开中所描述的附图仅是结构示意图，本公开的一个方式不局限于附图所示的形状或数值等。
57.本说明书中的“第一”、“第二”、“第三”等序数词是为了避免构成要素的混同而设置，而不是为了在数量方面上进行限定的。
58.在本说明书中，为了方便起见，使用“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的词句以参照附图说明构成要素的位置关系，仅是为了便于描述本说明书和简化描述，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公开的限制。构成要素的位置关系根据描述各构成要素的方向适当地改变。因此，不局限于在说明书中说明的词句，根据情况可以适当地更换。
59.在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，或可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或通过中间件间接相连，或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公开中的具体含义。
60.在本说明书中，“电连接”包括构成要素通过具有某种电作用的元件连接在一起的情况。“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接的构成要素间的电信号的授受，就对其没有特别的限制。“具有某种电作用的元件”的例子不仅包括电极和布线，而且还包括晶体管等开关元件、电阻器、电感器、电容器、其它具有各种功能的元件等。
61.在本说明书中，“平行”是指两条直线形成的角度为-10
°
以上且10
°
以下的状态，因此，也包括该角度为-5
°
以上且5
°
以下的状态。另外，“垂直”是指两条直线形成的角度为80
°
以上且100
°
以下的状态，因此，也包括85
°
以上且95
°
以下的角度的状态。
62.在本说明书中，“膜”和“层”可以相互调换。例如，有时可以将“导电层”换成为“导电膜”。与此同样，有时可以将“绝缘膜”换成为“绝缘层”。
63.本说明书中三角形、矩形、梯形、五边形或六边形等并非严格意义上的，可以是近似三角形、矩形、梯形、五边形或六边形等，可以存在公差导致的一些小变形，可以存在导角、弧边以及变形等。
64.本公开中的“约”，是指不严格限定界限，允许工艺和测量误差范围内的数值。
65.单lcd投影仪主要包括光源以及沿光源的出射光传播方向依次设置的反光杯、第
一菲涅尔透镜、隔热玻璃、lcd显示屏、第二菲涅尔透镜、反射镜、成像镜头，成像镜头通常为一个镜头组，镜头组中包括多个透镜。可变焦的单lcd投影仪的变焦方式主要有两种，一种是当投影距离发生变化时，手动旋转镜头组，使镜头组与lcd显示屏的工作距离发生变化，第二菲涅尔透镜保持不动，从而产生焦距的变化，这种变焦方式每次变焦都需要手动调整，适用于投影距离固定的场所，如会议室悬挂固定投影仪；另一种是当投影距离发生变化时，距离传感器感知距离，通过电机旋转镜头组，使镜头组与lcd显示屏的工作距离发生变化，第二菲涅尔透镜保持不动，从而产生焦距的变化，这种是每次自动调整，适用于投影仪距离变化的场所，如家庭非固定投影仪。
66.目前，单lcd投影仪在变焦后存在以下问题：其一，由于单lcd投影仪在变焦过程中镜头组发生移动，因而变焦后成像质量会下降，成像镜头在设计过程中，会分别在投影40inch、60inch、80inch、100inch、120inch的画面尺寸的情况下进行优化像质，但不能同时满足各个画面尺寸下都是最佳像质，因此一般选择80inch获得最佳像质(即投影的画面质量)，当投影画面发生变化时，加工的成像镜头面型是固定的，非80inch画面下的像质就会下降；其二，无论是手动调焦还是自动调焦，在调焦过程中成像镜头的旋转机构都会存在一定的安装公差，成像的镜头移动轨迹并非严格按照轴线移动，略有角度的偏移也会导致成像质量的下降；其三，在调焦过程中，成像镜头旋转机构存在摩擦，时间长久后会存在成像镜头偏轴问题，也会导致成像质量的下降；其四，第二涅尔透镜加工过程中受限于工艺和成本，透镜边缘形貌和理想模型差异较大，影响投影画面边缘视场成像质量；其五，自动调焦的机械结构在运转过程中会产生噪声，电机、转向结构也会增加投影仪额外的成本；其六，在有些采用大尺寸单lcd的投影仪，如5inch(显示组件14的尺寸，不是投影画面的尺寸)、分辨率2k或4k的单lcd投影仪，成像镜头的设计过程中，考虑的成像质量的优化，镜头到lcd的工作距离很短，变焦过程中移动镜头会造成镜头遮挡光路，也会影响像质。由此可见，现有的单lcd投影仪存在制备成本高以及在变焦后投影的画面质量下降的问题。
67.本公开实施例提供了一种投影设备，可以包括：
68.光源组件；
69.显示组件，设置于所述光源组件出射光线的一侧，所述光源组件出射的光线投射至所述显示组件的非显示侧；
70.液晶透镜，设置于所述显示组件远离所述光源组件的一侧，所述投影设备的焦距通过施加在液晶透镜中液晶分子的电压调整。
71.本公开实施例提供的投影设备，投影设备的焦距通过施加在液晶透镜中液晶分子的电压调整，可以避免变焦后投影的画面质量下降的问题。
72.如图1所示，本公开实施例提供的投影设备可以包括：
73.光源组件11；
74.显示组件14，设置于光源组件11出射光线的一侧，光源组件11出射的光线投射至显示组件14的非显示侧；
75.液晶透镜15，设置于显示组件14远离光源组件11的一侧，投影设备的焦距通过施加在液晶透镜15中液晶分子的电压调整。
76.在示例性实施方式中，如图1所示，投影设备还可以包括镜头组件17，镜头组件17设置于显示组件14的显示侧m12，镜头组件17的入光侧m21靠近显示侧m12设置。
77.在本公开实施例中，如图1所示，显示组件14可以包括非显示侧m11和显示侧m12，非显示侧m11位于显示组件14靠近光源组件11的一侧，显示侧m12位于显示组件14远离光源组件11的一侧；镜头组件17可以包括入光侧m21和出光侧m22，镜头组件17设置于显示组件14远离光源组件11的一侧，镜头组件17的入光侧m21位于靠近显示组件14的显示侧m12。
78.在示例性实施方式中，如图1至图3a所示，镜头组件17可以包括多个液晶子透镜，液晶透镜15和每个液晶子透镜均可以包括相对设置的第一基板151和第二基板152，以及设置在第一基板151和第二基板152之间的液晶层155；第一基板151靠近第二基板152的一侧设有第一导电层153，第二基板152靠近第一基板151的一侧设有第二导电层154，第一导电层153包括多个第一电极1531，第二导电层154包括第二电极1541。
79.在示例性实施方式中，如图4所示，第一电极1531可以为环形结构，多个第一电极1531可以沿第一基板151的中心至边缘的方向间隔排布。如图4所示，第一电极1531可以但不限于圆形的环状结构，例如，第一电极1531可以为椭圆形的环状结构。相应的，第一基板151和第二基板152、第二导电层154可以为圆形结构或者椭圆形结构。在示例性实施方式中，沿第一基板151的中心至边缘的方向上，多个第一电极1531的环形结构的半径依次增大。在示例性实施方式中，位于第一基板151中心位置的第一电极1531(即半径最小的一个第一电极1531)可以为圆形或椭圆形结构(如图4所示)，也可以为圆形的环状结构或者椭圆形的环形结构。
80.在示例性实施方式中，如图2和图3a所示，多个第一电极1531在第一基板151上的正投影与第二电极1541在第一基板151上的正投影存在重叠区域。例如，多个第一电极1531在第一基板151上的正投影位于第二电极1541在第一基板151上的正投影范围之内。在本公开实施例中，第二电极1541可以为公共电极，公共电极的形状可以与第一基板151和第二基板152的形状一致，例如，第二电极1541(公共电极)的形状可以为圆形结构或者椭圆形结构。在本公开实施例中，第二电极1541的尺寸可以与第一基板151和第二基板152的尺寸一致，或者第二电极1541的尺寸小于第一基板151和第二基板152的尺寸。在示例性实施方式中，第二电极1541在第二基板152上的正投影可以位于第二基板152的范围之内。
81.在示例性实施方式中，如图2所示，在液晶透镜15中，第一基板151可以位于液晶透镜15靠近光源组件11的一侧，第二基板152可以位于液晶透镜15远离光源组件11的一侧。
82.在本公开实施例中，向液晶透镜15中的多个第一电极1531和第二电极154施加相应的电压，可以使得分别与多个第一电极1531对应的多个液晶分子lc发生偏转，从而改变对应位置的折射率，进而改变液晶透镜15的焦距，因此，可以通过控制向液晶透镜15中多个第一电极和第二电极的电压实现投影设备的静态调焦。
83.在示例性实施方式中，如图1和图3a所示，镜头组件17中的多个液晶子透镜可以包括第一液晶子透镜171、第二液晶子透镜172、第三液晶子透镜173和第四液晶子透镜174，第一液晶子透镜171至第四液晶子透镜174沿镜头组件17的入光侧m21到出光侧m22的方向依次排布。
84.在示例性实施方式中，如图3a所示，在第一液晶子透镜171和第四液晶子透镜174中，第一基板151位于靠近第二液晶子透镜172的一侧，第二基板152位于远离第二液晶子透镜172的一侧；
85.在第二液晶子透镜172中，第一基板151位于靠近第一液晶子透镜171的一侧，第二
基板152位于靠近第三液晶子透镜173的一侧；
86.在第三液晶子透镜173中，第一基板151位于靠近第四液晶子透镜174的一侧，第二基板152位于靠近第二液晶子透镜172的一侧。
87.在本公开实施例中，第二液晶子透镜172和第三液晶子透镜173中的第一电极和第二电极施加电压后二者合并可以等效为一个凹透镜，第一液晶子透镜171和第四液晶子透镜174中的第一电极和第二电极施加电压后可以等效为两个凸透镜，即第一液晶子透镜171施加电压后可以等效为一个凸透镜，第四液晶子透镜174施加电压后可以等效为一个凸透镜，第二液晶子透镜172和第三液晶子透镜173施加电压后可以合并等效为一个凹透镜。其中，液晶子透镜形成的凹透镜和凸透镜的焦距可以通过施加在第一电极和第二电极上的电压进行控制。
88.在示例性实施方式中，如图3b所示，镜头组件17还可以包括第一透镜l1、第二透镜l2和第三透镜l3，第一透镜l1、第二透镜l2和第三透镜l3沿入光侧m21到出光侧m22的方向依次排布。在示例性实施方式中，图3b中所示的三个透镜为等效结构示意图，每个透镜结构可以包括多个透镜。在本公开实施例中，图3a中的第二液晶子透镜172和第三液晶子透镜173可以等效为第二透镜l2，第一液晶子透镜171可以等效为第一液晶透镜l1，第四液晶子透镜174可以等效为第三液晶透镜l3，在本公开实施例中，镜头组件17中的液晶子透镜的数量可以不限于4个，数量可以多于四个，超过4个液晶子透镜形成的镜头组件17的等效结构与图3b的等效结构可以相同。
89.在示例性实施方式中，液晶层155中液晶分子lc的折射率可以为：
90.其中，n(θ)为液晶分子lc的折射率，θ为液晶分子lc的偏转角度，no为第一折射率，ne为第二折射率，第一折射率no和第二折射率ne中的其中一个为液晶分子lc的最大折射率，另一个为液晶分子lc的最小折射率，液晶分子lc的折射率n(θ)的取值范围在第一折射率no与第二折射率ne之间。
91.在示例性实施方式中，第一折射率no可以为通过第一电极1531和第二电极1541向对应的液晶分子lc施加电场的情况下液晶分子lc的折射率，第二折射率ne可以为未通过第一电极1531和第二电极1541向对应的液晶分子lc施加电场的情况下液晶分子lc的折射率。在示例性实施方式中，第一折射率no可以为液晶分子lc的最大折射率，第二折射率ne可以为液晶分子lc的最小折射率。
92.在示例性实施方式中，如图1所示，投影设备还可以包括反射镜16；
93.反射镜16，设置于镜头组件17的入光侧m21，显示组件14出射的光线经由液晶透镜15投射至反射镜16的反射面m3，反射面m3反射后的光线投射至镜头组件17的入光侧m21。
94.在本公开实施例中，反射镜16可以使得在投影设备体积不变的情况下使光路加长，节省投影设备的空间，减小投影设备的体积。
95.在示例性实施方式中，光源组件11中投射至显示组件14的光线所对应的每一个发光点可以作为一个朗伯体。朗伯体中心
±
10
°
范围内的光线，来实现显示组件14的中心位置和边缘位置的亮度的均匀性，从而提高投影画面的中心和边缘位置的亮度均一性。
96.在示例性实施方式中，如图1所示，投影设备还可以包括聚焦透镜12和隔热结构13，光源组件11包括光源111和反光结构112；
97.反光结构112设置于光源111出射光线的一侧，聚焦透镜12设置于反光结构112远离光源111的一侧，隔热结构13设置于聚焦透镜12和显示组件14之间，隔热结构13靠近聚焦透镜12设置。
98.在本公开实施例中，反光结构112可以为反光杯，光源111发射出的光线从反光杯的入光口进入，光线经反光杯内壁的反射，从反光杯的出光口出射。聚焦透镜12可以为菲涅尔透镜，设置于反光杯出光口的一侧，光源111发射的光线经反光杯反射后，经过菲涅尔透镜(聚焦透镜12)对光线聚焦形成近似准直的光线(即近似平行的光线)，近似准直的光线经过隔热结构13投射到显示组件14的非显示侧m11，显示组件14显示侧m12显示的画面通过液晶透镜15汇聚后经过成像组件17投射至投影幕布上形成投影画面。在本公开实施例中，在投影设备设置反射镜16的情况下，显示组件14显示侧m12显示的画面通过液晶透镜15汇聚后经过反射镜16、成像组件17投射至投影幕布上形成投影画面。
99.在示例性实施方式中，显示组件14可以为液晶显示屏其他透明显示屏，比如，可以为透明oled显示屏。光源111可以为led光源；隔热结构13可以为隔热玻璃，隔热结构13可以将显示组件14显示画面过程中不需要的至少部分光线过滤掉，避免显示组件14吸收过多无用光的热量，比如，隔热玻璃可以将人眼不可视的光过滤掉，可以将红外光、紫外光过滤掉，红外光和紫外光等光线不会投射至显示组件14，避免显示组件14吸入过多热量而发热，从而可以避免因发热导致显示性能下降。
100.在示例性实施方式中，第一基板151和第二基板152可以为透明基板，例如可以为透明的玻璃基板，第一基板151和第二基板152相对设置后，第一基板151和第二基板152之间填充液晶层155形成液晶盒；第一电极1531和第二电极1541可以为ito导电结构，例如，可以分别在第一基板151和第二基板152靠近液晶层155的一侧镀上纳米铟锡金属氧化物电极(ito)形成上述第一电极1531和第二电极1541。第一电极1531和第二电极1541靠近液晶层155的一侧可以进行配向处理，为液晶分子提供初始位置和角度，当液晶透镜15处于未施加电压状态时，液晶分子lc与玻璃基板呈平行状态，如图5a所示，液晶分子的指向顺着玻璃基板上的配向方向。当在第一电极1531和第二电极1541上施加驱动电压时，液晶盒中会产生相应电场，而液晶盒中的电场会带动正向性液晶分子的偶极矩，使得液晶分子的指向开始转向电场方向，这种转动程度的大小由液晶分子所处电场大小决定，可以通过改变液晶盒中对应位置的电场强度(即控制施加在第一电极1531和第二电极1541上的电压的大小)来控制液晶分子的转向。
101.在本公开实施例中，液晶透镜15可以作为液晶光调制器，通过调整施加在第一电极1531和第二电极1541上的电压控制不同位置液晶分子lc的偏转角度，从而改变液晶透镜15的焦距。
102.在示例性实施方式中，如图5a所示，在常规状态下，液晶透镜15内部分子是自然有序排列的，其分子具有非寻常光折射率ne(即第二折射率ne)和寻常光折射率no(即第一折射率no)。在未加电场(未向第一电极1531和第二电极1541施加电压)的情况下，液晶分子lc呈现非寻常光折射率ne(第二折射率ne)；在加电场(向第一电极1531和第二电极1541施加电压)的情况下，液晶分子lc将朝一定方向产生旋转，如图5b所示，液晶分子的折射率变为
103.在示例性实施方式中，液晶分子lc具有双折射特性，其双折射公式可以为：
104.根据双折射公式可以推导出液晶透镜15中液晶分子lc的指向矢(即液晶分子偏转方向)与第一电极和第二电极未施加电压状态下液晶指向呈θ角时，在垂直方向(z方向)的折射率可以为：
[0105][0106]
液晶分子lc的折射率n(θ)随着液晶分子的偏转角度θ的变化在ne与no之间变化，由于液晶分子的取向角度θ可以由外加电场(施加在第一电极1531和第二电极1541的电场)来控制，因此液晶分子lc的折射率n(θ)可以由外加电场控制，如图5b所示，对多个第一电极分别施加第一电压v1至第六电压v6后，光线s0经过液晶透镜15后可以达成如图5b所示的汇聚效果。为了使投影画面中心和边缘的亮度一致，显示组件14中心和边缘每个发光点可认为是一个朗伯体，利用这些朗伯体中心
±
10
°
范围内的光线，来实现显示组件14中心和边缘亮度的一致性，从而使得投影幕布上的投影画面的中心和边缘位置的亮度基本一致，如图6所示，为液晶透镜15中心和边缘对光线汇聚后的效果图，通过在液晶透镜15上不同位置第一电极1531施加不同电压，使得不同位置的液晶分子偏转角度不同，从而实现液晶透镜15实现对光线汇聚(聚焦)的效果。
[0107]
在示例性实施方式中，如图7所示，在投影过程中，投影仪中显示组件14的画面投影到幕布的过程是正向光路，即显示组件14产生的画面，经过液晶透镜15的汇聚，再经过反射镜16和镜头组件17(镜头组件17可以采用多个透镜的镜片，或者采用如图3a所示的多个液晶子透镜)，投射到幕布18上。但在光路设计过程中，通常采用反向光路的设计方法，如图8所示是反向设计整体光路图，如图9所示是反向设计局部放大光路图。投影幕布18上的点光源发出的光线，经过镜头组件17后汇聚到液晶透镜15上形成光斑，图10所示为液晶透镜15上光斑形貌示意图，再经过液晶透镜15汇聚到显示组件14上形成点斑，如图11所示，为显示组件14上形成的点斑示意图，为达成最佳的成像质量，显示组件14上点斑的直径小于显示组件14的像素的尺寸。
[0108]
在示例性实施方式中，在光路距离不变的情况下，图7所示设置射镜16的结构可以比图8所示未设置反向镜的结构节省空间，例如，图8中的其中一束光线s04由液晶透镜15到镜头组件之间的光路距离为r0，与中的第一光路距离r1和第二光路距离r2两者之和一致，即r0、r1、r2的关系可以为：r0＝r1+r2。
[0109]
在示例性实施方式中，在反向光路设计过程中，如图8所示，投影幕布18上的七个光源s1至s7分别对应镜头组件17中七个视场角，七个光源s1至s7发出的光线汇聚在液晶投影15上的光斑分别对应图9中g1至g7，在显示组件14上形成的点斑分别对应图9中的d1至d7，即：光源s1在液晶透镜15上形成的光斑为g1，在显示组件14上形成的点斑为d1；光源s2在液晶透镜15上形成的光斑为g2，在显示组件14上形成的点斑为d2；光源s3在液晶透镜15上形成的光斑为g3，在显示组件14上形成的点斑为d3；以此类推，光源s7在液晶透镜15上形成的光斑为g7，在显示组件14上形成的点斑为d7；在液晶透镜15上形成的光斑如图10所示，
在显示组件14上形成的点斑如图11所示。
[0110]
如图10和图11所示，在第一方向x和第二方向y所在的平面内，在第二方向y上，第一点斑d1至第七点斑d7沿第二方向y依次排布，第一光斑g1至第七光斑g7沿第二方向y依次排布。在图10和图11所示结构中，的液晶透镜15和显示组件14设置为圆形结构，液晶透镜15和显示组件14的直径可以为几十毫米至几百毫米，具体尺寸可以根据实际投影设备进行设定。图11中第一点斑d1至第七点斑d7所对应的视场角、第一点斑d1至第七点斑d7的均方根(root meam square，简写为rms)半径的值如表1所示：
[0111]
表1
[0112]
点斑位置d1d2d3d4d5d6d7视场角(度)-50-30-150153050均方根半径值(微米)45.44237.44030.83237.76730.83237.44045.442
[0113]
如表1所示，图11中第一点斑d1至第七点斑d7的视场角分别为-50
°
、-30
°
、-15
°
、0
°
、15
°
、30
°
、50
°
，第一点斑d1至第七点斑d7的均方根rms半径的值分别为均方根半径分别为45.442微米、37.440微米、30.832微米、37.767微米、30.832、37.440、45.442微米。在示例性实施方式中，第一点斑d1至第七点斑d7的均方根rms半径的值在30微米至46微米之间，尺寸小于显示组件14中一个像素的尺寸。在示例性实施方式中，如图11所示，在显示组件14所在的平面内，第一点斑d1与第七点斑d7可以相对于第四点斑d4对称，第二点斑d2与第六点斑d6可以相对于第二点斑d2对称，第三点斑d3与第五点斑d5可以相对于第二点斑d2对称，即：第一点斑d1与第七点斑d7的形貌可以相对于第四点斑d4对称，第二点斑d2与第六点斑d6的形貌可以相对于第二点斑d2对称，第三点斑d3与第五点斑d5的形貌可以相对于第二点斑d2对称
[0114]
在示例性实施方式中，图11中第一点斑d1至第七点斑d7分别与图10中第一光斑g1至第七光斑g7相对应，第一点斑d1至第七点斑d7的视场角分别与第一光斑g1至第七光斑g7的视场角一致，即第一光斑g1至第七光斑g7的视场角分别为-50
°
、-30
°
、-15
°
、0
°
、15
°
、30
°
、50
°
。在示例性实施方式中，如图10所示，第一光斑g1与第七光斑g7可以相对于第四光斑g4对称，第二光斑g2与第六光斑g6可以相对于第二光斑g2对称，第三光斑g3与第五光斑g5可以相对于第二光斑g2对称，即：第一光斑g1与第七光斑g7的形貌可以相对于第四光斑g4对称，第二光斑g2与第六光斑g6的形貌可以相对于第二光斑g2对称，第三光斑g3与第五光斑g5的形貌可以相对于第二光斑g2对称。
[0115]
在本公开实施例中，镜头组件17在设计过程中，会在投影40inch、60inch、80inch、100inch、120inch画面的情况下分别优化像质，但不能同时满足各个画面下都是最佳像质，因此一般选择80inch获得最佳像质，当投影画面发生变化时，由多个透镜形成的镜头组件17面型是固定的，非80inch画面下的像质就会下降，因此可通过调整液晶透镜15不同位置的电极(不同位置的第一电极1531)电压，使得不同位置的液晶分子偏转角度不同，将液晶透镜15上的光斑重新汇聚到lcd表面形成点斑，该点斑的直径小于lcd一个像素的尺寸，如图11所示，这样可以在投影40inch、60inch、80inch、100inch、120inch画面的情况下，均可以获得最佳成像质量。本公开实施例可以通过控制液晶透镜15中多个第一电极1531的电压，来实现优化不同投影距离和不同尺寸投影画面下的成像质量，从而使得在不同投影距离以及不同尺寸投影画面下均能够实现较好的像质。在本公开实施例中，可以对每种尺寸
的投影画面以及所对应的投影距离、施加在第二电极和多个第一电极的最佳成像质量的电压进行保存，在投影过程中，可以根据投影画面尺寸和投影距离在第一电极和第二电极上施加相应的电压，从而实现在每种投影画面尺寸和投影距离下均可以实现较好的像质。
[0116]
在本公开实施例中，使用液晶透镜15替换菲涅尔透镜可以实现静态调焦，在调焦过程中可以不用调整镜头组件17，调焦后镜头组件17不会存在安装公差，可以避免因变焦导致投影成像质量的下降；在调焦过程中，通过控制液晶透镜的电极电源，不需要机械调焦，不会调整镜头组件17中部件的位置，也就不会存在镜头组件17偏轴问题，从而可以避免成像质量的下降；液晶透镜的透镜边缘形貌不会影响投影画面边缘视场成像质量；不需要调焦的机械结构，在调焦过程中不会产生噪声，同时节省了自动调节过程中电机、转向结构的成本，降低投影设备的制备成本；在有些采用大尺寸单lcd的投影仪，如5inch(显示组件14的尺寸，不是投影画面的尺寸)、分辨率2k或4k的单lcd投影仪，成像镜头的设计过程中，不会因为镜头组件17与显示组件14之间的工作距离很短造成遮挡光路的问题。
[0117]
在本公开实施例中，镜头组件17采用多个液晶子透镜的结构中，也可以通过调整液晶子透镜中第一电极的电压进行静态调焦，不需要机械调焦，同样可以避免上述因调整成像镜头(即镜头组件17)过程中产生的像质降低的问题，也同样可以降低成本以及避免遮挡光路。在本公开实施例中，镜头组件17采用多个液晶子透镜的结构，可以同时调整多个液晶子透镜中第一电极的电压以及液晶透镜15中第一电极的电压来调整投影设备的焦距，也可以仅调整镜头组件17中多个液晶子透镜中第一电极的电压进行调焦，或者只调整液晶透镜15中第一电极的电压进行调焦。另外，本公开实施例中，镜头组件17和液晶透镜15均采用液晶透镜的结构，相比于现有技术中镜头组件17采用多个镜头，液晶透镜15的位置采用第二菲尼尔透镜，本公开实施例中的液晶透镜结构可以减小投影设备的体积，由于液晶透镜是通过控制施加在第一电极1531上的电压来调整焦距，需要多大的焦距只需要调整液晶分子的偏转角度，不需要增加物理结构，不会增加透镜的体积，所以可以节省投影设备的空间，减小投影设备的体积。
[0118]
本公开实施例还提供一种投影仪，包括上述任一实施例所述的投影设备。
[0119]
本公开实施例还提供一种显示系统，如图12所示，可以包括：
[0120]
上述任一实施例所述的投影设备或者投影仪；
[0121]
投影幕布，用于对投影设备或者投影仪出射的光线进行投影，形成投影画面。
[0122]
在本公开实施例中，投影幕布可以为投影平面或者投影屏幕，或者可以为能够呈现投影画面的其他结构。
[0123]
本公开实施例还提供一种投影画面调整设备，应用于上述任一实施例所述的投影设备或投影仪，如图13所示，投影画面调整设备可以包括投影距离感应器和处理器，投影设备或者投影仪可以包括液晶透镜，液晶透镜可以包括相对设置的第一导电层和第二导电层，第一导电层和第二导电层之间设有液晶层，第一导电层可以包括多个第一电极，第二导电层可以包括第二电极；
[0124]
投影距离感应器，设置为感应投影距离，根据感应到的投影距离生成投影距离信息，将投影距离信息传输给处理器；
[0125]
处理器，设置为根据投影距离信息控制施加在第二电极和多个第一电极的电压。
[0126]
在示例性实施方式中，投影距离感应器可以为距离传感器，处理器可以为mcu或者
cpu。
[0127]
在示例性实施方式中，处理器内部可以预存多组数据，每组数据包括投影距离信息以及与该组数据中投影距离信息所对应的第二电极的电压信息和多个第一电极的电压信息，处理器接收到来自投影距离感应器的投影距离信息之后，找到预存的多组数据中与接收的投影距离相对应的预存的投影距离信息，根据找到的预存的投影距离信息获取对应的第二电极的电压信息和多个第一电极的电压信息，根据获取的第二电极的电压信息控制施加在液晶透镜中第二电极的电压，根据获取的多个第一电极的电压信息分别控制施加在液晶透镜中多个第一电极的电压。
[0128]
在示例性实施方式中，每组数据可以包括预存的投影距离信息和对应的第二电极的电压信息以及多个第一电极的电压信息可以在反向光路设计过程中获取，比如预存的多组数据中，每组数据对应一个投影画面的尺寸，每个投影画面尺寸对应一个的投影距离，在该投影距离下，反向光路设计过程中，通过调整液晶透镜15中第二电极和不同位置的第一电极的电压来获取较佳的像质，比如，投影幕布的光源发出光线汇聚在线上组件14上的点斑的直径小于显示组件14的像素尺寸，可以认为像质较佳，将对应的第二电极和多个第一电极的电压进行预存，从而获得该组数据中预存的投影距离信息以及对应的第二电极和多个第一电极的电压信息。
[0129]
本公开实施例还提供一种投影画面调整方法，应用于上述任一实施例所述的投影设备或投影仪，投影设备或者投影仪包括液晶透镜，液晶透镜包括相对设置的第一导电层和第二导电层，第一导电层和第二导电层之间设有液晶层，第一导电层包括多个第一电极，第二导电层包括第二电极；如图14所示，投影画面调整方法可以包括：
[0130]
步骤h1：感应投影距离，根据感应到的投影距离生成投影距离信息；
[0131]
步骤h2：根据投影距离信息控制施加在第二电极和多个第一电极施加的电压。
[0132]
在示例性实施方式中，步骤h2可以包括：根据投影距离信息查找预存的对应的投影距离信息，根据查找的投影距离信息获取对应的施加到第二电极的电压信息和多个第一电极的电压信息，根据获取到的第二电极的电压信息控制施加在第二电极上的电压，根据获取的多个第一电极的电压信息分别控制施加多个第一电极上的电压。
[0133]
在示例性实施方式中，可以预存多组数据，每组数据可以包括预存的投影距离信息和对应的第二电极的电压信息以及多个第一电极的电压信息可以在反向光路设计过程中获取，比如预存的多组数据中，每组数据对应一个投影画面的尺寸，每个投影画面尺寸对应一个的投影距离，在该投影距离下，反向光路设计过程中，通过调整液晶透镜15中第二电极和不同位置的第一电极的电压来获取较佳的像质，比如，投影幕布的光源发出光线汇聚在线上组件14上的点斑的直径小于显示组件14的像素尺寸，可以认为像质较佳，将对应的第二电极和多个第一电极的电压进行预存，从而获得该组数据中预存的投影距离信息以及对应的第二电极和多个第一电极的电压信息。
[0134]
本公开实施例还提供一种投影方法，应用于上述任一实施例所述的投影设备或投影仪，投影设备或者投影仪包括液晶透镜，液晶透镜包括相对设置的第一导电层和第二导电层，第一导电层和第二导电层之间设有液晶层，第一导电层包括多个第一电极，第二导电层包括第二电极；投影方法可以包括：
[0135]
向第二电极和多个第一电极施加对应的电压。
[0136]
在示例性实施方式中，向第二电极和多个第一电极施加的电压可以是预设的，比如，在投影距离和投影画面不变的情况下，每次投影可以向液晶透镜中的第二电极和多个第一电极施加预设的电压，即可形成投影画面。
[0137]
在示例性实施方式中，预设的第二电极和多个第一电极的电压，可以通过反向光路设计获取，具体获取方式参考上文，在此不再详细说明。
[0138]
在示例性实施方式中，向第二电极和多个第一电极施加对应的电压之前，还可以包括：感应投影距离，根据感应到的投影距离生成投影距离信息；相应地，向第二电极和多个第一电极施加对应的电压可以包括：根据投影距离信息控制施加在第二电极和多个第一电极施加上的电压。在示例性实施方式中，根据投影距离信息控制施加在第二电极和多个第一电极施加上的电压的实施方式可以参考上文所述，在此不做详细说明。
[0139]
本公开实施例提供的投影设备及方法、投影仪、显示系统、画面调整设备及方法，投影设备的焦距通过施加在液晶透镜中液晶分子的电压调整，可以避免变焦后投影的画面质量下降的问题。
[0140]
有以下几点需要说明：
[0141]
本公开实施例附图只涉及本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
[0142]
在不冲突的情况下，本公开的实施例即实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
[0143]
虽然本公开所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本公开而采用的实施方式，并非用以限定本公开。任何本公开所属领域内的技术人员，在不脱离本公开所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本公开的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种投影设备，其特征在于，包括：光源组件；显示组件，设置于所述光源组件出射光线的一侧，所述光源组件出射的光线投射至所述显示组件的非显示侧；液晶透镜，设置于所述显示组件远离所述光源组件的一侧，所述投影设备的焦距通过施加在液晶透镜中液晶分子的电压调整。2.根据权利要求1所述的投影设备，其特征在于，还包括镜头组件，所述镜头组件设置于所述显示组件的显示侧，所述镜头组件的入光侧靠近所述显示侧设置。3.根据权利要求2所述的投影设备，其特征在于，所述镜头组件包括多个液晶子透镜，所述液晶透镜和每个液晶子透镜均包括相对设置的第一基板和第二基板，以及设置在所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；所述第一基板靠近所述第二基板的一侧设有第一导电层，所述第二基板靠近所述第一基板的一侧设有第二导电层，所述第一导电层包括多个第一电极，所述第二导电层包括第二电极。4.根据权利要求3所述的投影设备，其特征在于，所述第一电极为环形结构，所述多个第一电极沿所述第一基板的中心至边缘的方向间隔排布。5.根据权利要求3所述的投影设备，其特征在于，在所述液晶透镜中，所述第一基板位于所述液晶透镜靠近所述光源组件的一侧，所述第二基板位于所述液晶透镜远离所述光源组件的一侧。6.根据权利要求3所述的投影设备，其特征在于，所述镜头组件中的多个液晶子透镜包括第一液晶子透镜、第二液晶子透镜、第三液晶子透镜和第四液晶子透镜，所述第一液晶子透镜至第四液晶子透镜沿入光侧到出光侧的方向依次排布。7.根据权利要求6所述的投影设备，其特征在于，在所述第一液晶子透镜和所述第四液晶子透镜中，第一基板位于靠近所述第二液晶子透镜的一侧，第二基板位于远离所述第二液晶子透镜的一侧；在所述第二液晶子透镜中，第一基板位于靠近所述第一液晶子透镜的一侧，第二基板位于靠近所述第三液晶子透镜的一侧；在所述第三液晶子透镜中，第一基板位于靠近所述第四液晶子透镜的一侧，第二基板位于靠近所述第二液晶子透镜的一侧。8.根据权利要求3所述的投影设备，其特征在于，所述液晶层中液晶分子的折射率为：其中，n(θ)为液晶分子的折射率，θ为液晶分子的偏转角度，n
o
为第一折射率，n
e
为第二折射率，所述第一折射率n
o
和所述第二折射率n
e
中的其中一个为液晶分子的最大折射率，另一个为液晶分子的最小折射率，所述液晶分子的折射率n(θ)的取值范围在所述第一折射率n
o
与所述第二折射率n
e
之间。9.根据权利要求2所述的投影设备，其特征在于，还包括反射镜；所述反射镜，设置于所述镜头组件的入光侧，所述显示组件出射的光线经由所述液晶透镜投射至所述反射镜的反射面，所述反射面反射后的光线投射至所述镜头组件的入光
侧。10.根据权利要求1所述的投影设备，其特征在于，所述光源组件中投射至所述显示组件的光线所对应的每一个发光点作为一个朗伯体。11.根据权利要求10所述的投影设备，其特征在于，还包括聚焦透镜和隔热结构，所述光源组件包括光源和反光结构；所述反光结构设置于所述光源出射光线的一侧，所述聚焦透镜设置于所述反光结构远离所述光源的一侧，所述隔热结构设置于所述聚焦透镜和所述显示组件之间，所述隔热结构靠近所述聚焦透镜设置。12.根据权利要求11所述的投影设备，其特征在于，所述聚焦透镜为菲涅尔透镜，所述显示组件为液晶显示屏，所述光源为led，所述隔热结构为隔热玻璃。13.一种投影仪，其特征在于，包括权利要求1至12任一项所述的投影设备。14.一种显示系统，其特征在于，包括：权利要求1至12任一项所述的投影设备或者权利要求13所述的投影仪；投影幕布，用于对所述投影设备或者所述投影仪出射的光线进行投影，形成投影画面。15.一种投影画面调整设备，应用于如权利要求1至12任一项所述的投影设备或者权利要求13所述的投影仪，其特征在于，包括投影距离感应器和处理器，所述投影设备或者所述投影仪包括液晶透镜，所述液晶透镜包括相对设置的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层之间设有液晶层，所述第一导电层包括多个第一电极，所述第二导电层包括第二电极；所述投影距离感应器，设置为感应投影距离，根据感应到的投影距离生成投影距离信息，将所述投影距离信息传输给所述处理器；所述处理器，设置为根据所述投影距离信息控制施加在所述第二电极和所述多个第一电极的电压。16.一种投影画面调整方法，应用于如权利要求1至12任一项所述的投影设备或者权利要求13所述的投影仪，其特征在于，所述投影设备或者所述投影仪包括液晶透镜，所述液晶透镜包括相对设置的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层之间设有液晶层，所述第一导电层包括多个第一电极，所述第二导电层包括第二电极；所述方法包括：感应投影距离，根据感应到的投影距离生成投影距离信息；根据所述投影距离信息控制施加在所述第二电极和所述多个第一电极的电压。17.一种投影方法，应用于如权利要求1至12任一项所述的投影设备或者权利要求13所述的投影仪，其特征在于，所述投影设备或者所述投影仪包括液晶透镜，所述液晶透镜包括相对设置的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层之间设有液晶层，所述第一导电层包括多个第一电极，所述第二导电层包括第二电极；所述投影方法包括：向所述第二电极和所述多个第一电极施加对应的电压。

技术总结
本公开实施例提供了一种投影设备及方法、投影仪、显示系统、画面调整设备，投影设备包括光源组件；显示组件，设置于光源组件出射光线的一侧，光源组件出射的光线投射至显示组件的非显示侧；液晶透镜，设置于显示组件远离光源组件的一侧，投影设备的焦距通过施加在液晶透镜中液晶分子的电压调整。本公开实施例提供的技术方案，可以避免变焦后投影的画面质量下降的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：谭祺瑞 张伟 李熙 王甲强 刘小龙 董大林 王宇杰 杨昱
受保护的技术使用者：京东方科技集团股份有限公司 北京京东方技术开发有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/6