微型投影機用光學引擎的製作方法
2023-06-04 21:14:41 1
專利名稱：微型投影機用光學引擎的製作方法
技術領域：
本發明涉及可攜式微型投影機，特別涉及將光源放射出的光整形為面光源，通過
光調製器的有效區域來形成圖象，並通過投射透鏡將其放大投射的微型投影機。
背景技術：
為了將相對於手掌面積還要小的可攜式微型投影機或者對筆記本等設備進行嵌 入式設計的投影儀進行實用化，必須要開發出體積小耗能低的投影模塊出來。尤其是考慮 到便攜性能，微型投影機的厚度應該控制在可以方便手持的2釐米以下。
但是，投影機的光學引擎中的投射透鏡為了保持有效投射距離，必須維持一定的 大小，特別是帶有軸偏移量(offset)的投射透鏡的情況下，所需體積還要變大。因為光學 引擎是投影機中體積最大的元件之一，所以整個微型投影機整體尺寸也會顯著變大。如何 在維持投射透鏡放大功能的前提下減少其厚度，這對於可攜式微型投影機是一個重要的問 題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種微型投影機用光學引擎，可以縮小微型投影機的體 積。 為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種微型投影機用光學引擎，包 括至少一個光源，利用光源發出的光生成圖象的光調製器，和對該光解調器所生成的圖象 進行放大投射的投射透鏡，投射透鏡的側面存在至少一個平面。
本發明實施方式與現有技術相比，主要區別及其效果在於 通過將投射透鏡的側面製成一個或多個平面，使作為光學引擎中最大體積部分之 一的投射透鏡的體積得以縮小，從而實現了微型投影機的體積(特別是厚度)的縮小。
進一步地，將固定框架的圓形鏡筒的上下兩端削除，可以進一步縮小微型投影機 的體積，尤其是厚度。 進一步地，通過固定投射透鏡的鏡筒而使投射透鏡保持預設的固定焦距，可以避 免因投射透鏡非軸對稱而導致的無法以旋轉方式變焦的問題。因為使用的是雷射光源，光 的發散角小，所以雖然使用了固定焦距，但在焦平面附近相當大的一個距離範圍內都可以 有較好的聚焦效果。 進一步地，投射透鏡的鏡筒以滑動方式實現變焦，在固定框架上下端的一部分被 去除的前提下，仍可以實現投射透鏡的固定和變焦功能。
圖1是本發明第一實施方式中投射式光學引擎功能的簡略示意圖；
圖2是本發明第一實施方式中投射透鏡結構的簡略示意圖； 圖3是本發明第一實施方式中投射透鏡帶有軸偏移量的時候，光調製器的圖像會經過何種路徑投射的簡單示意圖； 圖4是本發明第一實施方式中削除了組成投射透鏡的其中一部分透鏡的圖紙； 圖5是傳統的投射透鏡固定框架的簡單演示圖； 圖6本發明第一實施方式中投射透鏡固定框架的簡單示意圖； 圖7是反射式光學引擎功能的簡略示意圖。
具體實施例方式
在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，本 領域的普通技術人員可以理解，即使沒有這些技術細節和基於以下各實施方式的種種變化 和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的實施 方式作進一步地詳細描述。 本發明的實施方式中，在至少包括一個雷射光源的微型投影機中的，將光源發出
的光轉換為圖像的光調製器以及將光調製器射出的圖像進行放大投射的投射透鏡等光學
引擎部分中，將組成投射透鏡的多個透鏡的形狀進行優化，同時優化固定投射透鏡的框架
結構，從而達到縮小微型投影機的體積的目的。 本發明第一實施方式涉及一種微型投影機用光學引擎。 圖1是利用雷射光源的投影機整體運作原理的示意圖。包括雷射光源的投影機 由R光源(服)、G光源(10G)、B光源(10B)、分色鏡50R、40G、50B、漫射體(20)、光束整形 器(30)、兩張物鏡(40)、光調製器(60)、投射透鏡(70)等構成。 三個光源(10R、10G、10B)都是雷射光源，由各自的分色鏡50R、50G、50B反射或者 透過，入射到漫射體之中。分色鏡50G起到反射G光源(從10G照射出的綠色雷射)並讓 剩餘光線透過的作用，分色鏡50G也可以使用能夠將普通可視光線全部予以反射的一般鏡 子。分色鏡50R起到反射R光源(從10R照射出的紅色雷射)、通過剩餘波長範圍的光線的 作用，分色鏡50B起到反射R光源(從10B照射出的藍色雷射)通過剩餘波長範圍光線的 作用。 光源的照射方式有多種，本實施方式中光源依次照射R(紅)/G(綠)/B(藍)光。 依次照射R/G/B光源(IOR， IOG， 10B)是指，將照射一個幀的時間設為T時，T/3的時間照射 R光源，接著的T/3的時間照射G光源，緊接著的T/3時間照射B光源的意思。可以理解，在 本發明的其它一些實施方式中，光源也可以按照其它順序依次照射，如B/G/R等。
雖然本實施方式中使用了三個雷射光源，但本發明並不限於雷射光源，光源的數 目也不限於三個。例如，在本發明的其它一些實施方式中，可以使用發光二級管(Light Emitting Diode，簡稱"LED")光源，或者雷射與LDE的混合光源。光源也可以是一個，或者 其它的數目。 漫射體垂直振動於光軸，因此通過漫射體的時候，光的隨機性(Randomness)會得 到增加。這種漫射體，是為了消除雷射特有的雷射散斑(Speckle)而設置的裝置，用以減少 雷射光線的連貫性(Coherence)特徵來達到減少雷射散斑的目的。 通過漫射體的光會通過光束整形器(Beam Sh即er)來轉變光束形狀。轉變光束形 狀的原因是要將其光束的模樣進行整形，以適應於光調製器(60)的入射面形狀，從而提高
4光效率。光束整形器(30)的典型事例為複眼透鏡(Fly Eye Lens)、燈管(Light Pipe)等。 在圖1中標示的是作為光束整形器(30)的典型例子的，在基板上面用多塊球面或非球面的 小型透鏡組合構成的複眼透鏡。 複眼透鏡(30)由透明基板上多個小型透鏡所組成，這些小型透鏡體們可以體現
為各種形狀，如四角形凸透鏡、六角形凸透鏡以及圓形等等，但最好是與光調製器的形狀
(更加準確地說，是光調製器的有效畫面形狀)相一致。例如光調製器的有效畫面大致為
四角形狀，那麼小型透鏡體的形狀也最好也為四角形狀，從而使光損失最小化。 在圖1的實例中使用了雙面都有小透鏡體的雙面型複眼透鏡，也可以使用單面型
複眼透鏡。 兩片物鏡(40)是將經過光束整形器整形的光線用光調製器(60)進行集束的透
鏡，一般由兩片組成，通過調節兩片透鏡之間的距離達到更加準確的聚焦。 光調製器(60)是指將入射的光線進行甄別性通過、阻斷或改變光徑來形成影像
圖片的元件。光調製器(60)的典型實例有數字微鏡器件(DigitalMicromirror Device,
簡稱"DMD")、液晶顯示(Liquid Crystal Display,簡稱"LCD")元件、矽基液晶(Liquid
Crystal On Silicon,簡稱"LC0S")等等。 DMD是用在數字光處理(Digital Light Processing,簡稱"DLP")投影機的元件， 它利用場時序(field sequemial)的驅動方式，使用與像素數量一樣多的矩陣形態排列的 數碼鏡(DIGITAL MIRROR) 。 DLP是指從光源照射出的光用數碼鏡來調節光徑，並用隔板反 射來達到漸變(Gradation)或形成圖象的投影儀。 液晶顯示元件(LCD)是指選擇性地開/關液晶來形成圖象的元件。使用LCD元件 的投影機中，有直視型(direct-view)、投射型以及反射型。直視型投影是液晶顯示元件後 面的背景光通過LCD面板形成圖象並可以直接觀察的方式；投射型投影是將通過液晶顯示 元件形成的圖象利用投射透鏡放大後投射到屏幕，觀察從屏幕反射的圖象的方式；反射型 與投射型的結構基本相同，區別之處在於，反射型在LCD下面基板上設有反射膜，反射的光 線被放大投射到屏幕上。 LC0S屬於反射型液晶顯示，它將以往液晶顯示端的兩面基板中的下方基板由透明 的玻璃改為矽基板，從而用反射型方式運作。 投射透鏡(70)由多個透鏡構成，將由光調製器(60)形成的圖象向屏幕(圖中未 標識)上放大投射。 圖1是使用液晶顯示元件(LCD)等的投射型光調製器的光學器件結構。如果是使 用反射型光調製器的話，需要在光調製器和投射透鏡之間額外設置PBS (90)，反射型光調製 器的光學器件結構如圖7所示。 圖2是投射透鏡的一個例子，示出了構成投射透鏡的多個透鏡的結構。圖2的實 例中只標識了 5個透鏡，但實際上根據所需的放大倍率和投射距離，會有很多形態和數量 的透鏡的組合。要想在短距離中在屏幕上投射出大畫面，就需要很高的倍率，這也意味著透 鏡的曲度增加。透鏡曲度的增加會引發相應的像差(包括單色像差和因波長不同而引起的 像差)，為了糾正像差，通常需要增加透鏡的數量，因而投射透鏡會變得更大和更長。因此， 在限定的內體積中可供使用的投射距離和倍率是有限的，微型投影機一般會使用4 6個 透鏡。
投射透鏡是光學引擎中最厚的部件之一，如果有軸偏移量(Offset)的話則將變 得更厚。圖3展示了當使用100%軸偏移量的時候，光調製器(60)成型的圖像會顯示到屏 幕(80)的哪個位置上面。 光調製器(60)位於投射透鏡入射邊的中軸下方，則經過投射透鏡放大投射出的
圖像會顯示在軸線上方，因此就能夠做到將微型投影機平放到桌面上或臺架上即可正常顯
示。如果減少軸偏移量的話，投射出的圖像下緣會照射在水平線下方，此時圖像就會被水平
線遮斷掉一部分。相反，如果將軸偏移量增加的話，圖像就會顯示到水平線的更加上方。因
此，在投射透鏡的製作中適當地使用軸偏移量是必須的，但使用軸偏移量的同時也會導致
整個投射透鏡的厚度。怎樣減少投射透鏡的厚度，即變成非常重要的問題。 為此，本發明實施方式著眼於最終顯示的四方形圖像和圓形的投射透鏡之間的差
異(透鏡面積的利用率)，來實現減少厚度的方法。圖4是圖像投影的時候根據投射透鏡的
投影面(701)和圖像實際顯示的有效區域(702)的示意圖。(a)是軸偏移量為'0'的情
況，(b)是軸偏移量為100%時候的有效區域。如圖4所示，投射透鏡的投影面並不是完全
被利用的，圖4中的703區域就是投射透鏡的投影面中並不實際使用的部分。 投射透鏡是由一組大小不一的多個透鏡構成，但實際上對整個厚度產生最大影響
的，也就是那些直徑最大的透鏡，在圖2中可以看出，這裡指的就是投射透鏡內部最左邊的
和最右邊的兩個大透鏡。因此，將上述大透鏡的無效部分(圖4中703標識的區域)削除
就能夠減少整體投射透鏡的厚度，投射透鏡鏡筒的結構也會變成圓柱形削除橫截面兩端的
扁狀體，進而減少光學引擎的體積。 但另一方面，傳統方式中投射透鏡的調焦是通過將圓形鏡筒(圖中未標識)進行 旋轉，根據其旋轉來調節投射透鏡內部的各子鏡之間的距離來實現的。因此，在需要投射透 鏡旋轉的情況中，就不能將上述對透鏡的一部分進行削除。所謂旋轉，就是要求結構在360 度全方位中都完全一致才行。 為了在固定框架上下端的一部分被去除的前提下，仍可以實現投射透鏡的固定和 變焦功能，本實施方式中投射透鏡的鏡筒能夠在預先設定的兩個聚焦距離之間以滑動方式 前後移動以實現變焦。本實施方式中預先設定的兩個聚焦距離所對應的投影像大小為10 英寸和40英寸。這是兩個人們主要使用的投影畫面大小。當然，使用其它的聚焦距離作為 變化範圍也是可以的。 圖5是在光學引擎結構中用來固定投射透鏡的傳統樣式的框架的簡略示意圖。圖 6則是本發明實施方式的一個實例，即將投射透鏡的上下一定部分予以截除，投射透鏡的 鏡筒不是以旋轉而是用滑動來實現前後位移的改良型框架的示意圖，圖中可以看出，圍繞 著投射透鏡的固定框架也隨著透鏡的改良相同地截除了上下端的一部分。傳統形式的固 定框架，因為必須圍繞投射透鏡進行保護所以在投射透鏡的厚度外還要加上固定框架的厚 度，但是在本發明中使用了滑動式位移設計，即使框架上下端的一部分結構可以省略掉，同 樣可以實現投射透鏡的固定和變焦功能。 本實施方式中，通過將投射透鏡及其鏡筒的側面製成一個或多個平面，使作為光 學引擎中最大體積部分之一的投射透鏡的體積得以縮小，從而實現了微型投影機的體積 (特別是厚度)的縮小。 本實施方式中，投射透鏡的側面存在兩個互相平行的平面。在本發明的其它實施方式中，也可以只有一個平面，或有更多的數目，如4個平面，同樣可以起到減少微型投影 機體積的作用。 本發明第二實施方式涉及一種微型投影機用光學引擎。第二實施方式與第一實施 方式基本相同，區別主要在於 在第一實施方式中，投射透鏡是變焦的，投射透鏡的鏡筒能夠在預先設定的兩個 聚焦距離之間以滑動方式前後移動以實現變焦。 然而在第二實施方式中，投射透鏡為固定焦距，投射透鏡的鏡筒固定附著於固定 框架。 通過固定投射透鏡的鏡筒而使投射透鏡保持預設的固定焦距，可以避免因投射透 鏡非軸對稱而導致的無法以旋轉方式變焦的問題。 本實施方式中的光源中雷射光源，雷射是一種集光率(散射光收集能力， etendue)相當小的光，所以成像面移動引起的焦點錯覺容差大小非常有限。換句話說就是 光的發散角小，所以屏幕偏離投射透鏡焦平面距離較大時，人的肉眼才會明顯察覺到聚焦 的變化。因此，在設定一定投影距離的前提下固定住投射透鏡，用戶們也不會感覺到什麼不 便，實際上投射透鏡在焦平面附近相當大的一個距離範圍內都可以有較好的聚焦效果。
雖然通過參照本發明的某些優選實施方式，已經對本發明進行了圖示和描述，但 本領域的普通技術人員應該明白，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發 明的精神和範圍。
權利要求
一種微型投影機用光學引擎，包括至少一個光源，利用所述光源發出的光生成圖象的光調製器，和對該光解調器所生成的圖象進行放大投射的投射透鏡，其特徵在於，所述投射透鏡的側面存在至少一個平面。
2. 根據權利要求1所述的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，所述投射透鏡的側面 存在兩個互相平行的平面。
3. 根據權利要求2所述的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，還包括用於固定所述 投射透鏡的固定框架，該固定框架的圓形鏡筒的上下兩端被削除。
4. 根據權利要求1至3中任一項所述的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，所述光源 由三個分別照射紅、綠、藍光的雷射光源組成。
5. 根據權利要求4所述的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，所述投射透鏡為固定 焦距，所述投射透鏡的鏡筒固定附著於所述固定框架。
6. 根據權利要求4所述的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，所述投射透鏡是變焦 的，所述投射透鏡的鏡筒能夠在預先設定的兩個聚焦距離之間以滑動方式前後移動以實現 變焦。
7. 根據權利要求6所述的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，所述預先設定的兩個 聚焦距離所對應的投影像大小為10英寸和40英寸。
8. 根據權利要求1至3中任一項所述的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，所述光調 制器是以下之一液晶顯示元件、數字微鏡器件、矽基液晶。
全文摘要
本發明涉及可攜式微型投影機，公開了一種微型投影機用光學引擎。本發明中，通過將投射透鏡的側面製成一個或多個平面，並將投射透鏡的固定框架的圓形鏡筒上下兩端削除，使得作為光學引擎的體積得以縮小，尤其是厚度。投射透鏡的鏡筒以滑動方式實現變焦，在固定框架上下端的一部分被去除的前提下，仍可以實現投射透鏡的固定和變焦功能。
文檔編號G03B21/14GK101788750SQ200910056858
公開日2010年7月28日 申請日期2009年1月23日 優先權日2009年1月23日
發明者樸尚榮, 林鐘鎬, 金城守 申請人:上海三鑫科技發展有限公司