使用雷射光源的微型投影機用光學引擎的製作方法

2023-04-26 07:41:16

專利名稱：使用雷射光源的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：
為了讓比手掌還要小的便攜用小型投影機或是可以嵌入在筆記本電腦中的投影機商用化，就要開發體積小低耗電的投影機。要實現投影機的小型化，就要簡化學光系統的構造。 為了開發低耗電的投影機，就要選擇相對低耗電的優質光源。對於這種低耗力投影機，最適合的光源為雷射或是發光二級管(Low Emitting Diode，簡稱"LED")。其中，雷射光源是相對低耗電量且有著高量度的高效率光源。 利用此類光源的投影機要把從光源射出的光射到轉換成影象的光調製器之前，先要變換成適合光調製器有效區域的光束形狀。完成此項功能的元件叫光束整形器。但現有的光束整形器是把光束放大後，只讓和光調製器的形狀一致的部分通過，其餘部分會阻斷掉。因為現有光束整形器把超出區域的部分阻斷掉，所以光效率低，也很難獲得均勻的光。
此外，雷射存在降低屏幕顯示影象質量的雷射散斑特性。現有的光束整形器不能降低這種雷射散斑。

發明內容
本發明的目的在於提供一種使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，提高光束整形器的光效率。 為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，包括至少一個雷射光源，利用光源發出的光生成圖象的光調製器，對該光解調器所生成的圖象進行放大投射的投射透鏡，和位置在光源和光調製器之間，用於將光源射出的光轉換成光調製器有效區域形狀的光束整形器，光束整形器包括至少兩個小透鏡體，各小透鏡體的直徑在80um至500um之間。 本發明實施方式與現有技術相比，主要區別及其效果在於 在光束整形器上使用了多個適合雷射的直徑為80um至500um的小透鏡體，使光束
更容易整形。 進一步地，光束整形器上組合了多種不同大小的小透鏡體，使雷射散斑得以減少。
進一步地，小透鏡體的形狀與光調製器有效區域的形狀一致，使光損失降到最低。
進一步地，各小透鏡體的大小最好是隨機分布的，排列方式最好是不規則的，這樣可以最大限度地增加隨機性，降低同一相位，同一振幅雷射的連貫性。 進一步地，各小透鏡體的直徑均為其中最小的小透鏡體的直徑的整數倍，這樣可以在增加隨機性的同時大大減少製造的困難。 進一步地，對以矩陣形式規則布置的小透鏡體在排列上加以隨機性，可以在增加隨機性的同時大大減少製造的困難。 進一步地，通過引入漫射體，可以使散斑擴散，防止因雷射光源引起的紋路之間的幹擾。 進一步地，通過振動光束整形器可以削弱雷射散斑。


圖1是本發明第一實施方式中構成微型投影機的光學引擎的構造簡略圖
圖2是本發明第一實施方式中構成光束整形器的小透鏡體的構造簡略圖
圖3是本發明第二實施方式中光束整形器中小透鏡體的排列構造簡略圖
圖4是本發明第三實施方式中光束整形器的小透鏡體的排列構造簡略圖
圖5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。 本發明第一實施方式涉及一種使用雷射光源的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(10R)、G光源(10G)、B光源(10B)、分色鏡(DichroicMirror) 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(20)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，但本發明中光源的數目並不限於三個。雷射光源也可以是一個，或者其它的數目。 漫射體(Diffuser) (20)垂直於光軸震動，從而通過漫射體(20)的光會增加隨機性(Randomness)。此漫射體(20)是消除雷射特有散斑(Speckle)的裝置，用來降低雷射的連貫性(Coherence)，達到減少散斑的作用。 通過漫射體(20)的光會通過光束整形器(Beam Sh即er)來變換光束形狀。
轉變光束形狀的原因是要將光束的模樣進行整形，以適應光調製器(60)的入射
4面形狀，從而提高光效率。從雷射光源射出的光是橢圓形狀，其短軸角度大概是±20度至 士30度之間，其長軸角度大概是±7至士10度之間。在顯示裝置中使用雷射光源的時候， 最好把雷射光源射出的橢圓形狀、轉換成平行光。在本發明實施方式中為實現了這些變換 在光源(10)和光調製器(30)之間可使用複眼透鏡。 如圖2所示複眼透鏡是由透明基板上的多個小透鏡體(80)形成，小透鏡體的直徑 (D)在80um至500um的範圍為好。雷射是非常筆直的光，所以很適合用來構成小型光學引 擎。所以對應這樣筆直的光、光束整形器的小透鏡的直徑要小，才能實現光束整形器的機 能。這時小型透鏡體的直徑是指小型透鏡體的長度，四角凸鏡形狀、六角凸鏡形狀等多邊型 的小型透鏡的直徑是指對應透鏡體中最長的一個對角線的長度。但是，如果這些小型透鏡 的直徑小於80um的話，會因為雷射的連貫性在光束裡產生格子紋路，此外在現有技術下很 難製做出比80um還小的光滑面的透鏡構造。直徑變大的話光束整形器的效果會減弱，得不 到超小型光學引擎所需的均勻光源，所以用500um以下為好。 包含在複眼透鏡內的小型透鏡體可以是多種形狀。比如四角凸透鏡形狀，六角凸 透鏡形狀及圓形等。不過最好是和光調製器形狀(準確的說是和光調製器的有效區域畫面 形狀) 一致。比如說光調製器的有效畫面形狀是四角形的時候，小型透鏡體的形狀也做成 四角形能把光損失將到最低。 圖1中的實例中使用了兩面由小型透鏡體構成的複眼透鏡，此外，使用2枚單面透 鏡也可以。 2枚物鏡(Field lens) (40)是把光束整形器形成的光集束到光調製器(60)的透 鏡，一般由2枚構成，並可以調整2枚透鏡之間距離來達到準確的集束。
光調製器(60)是指將入射的光線進行選擇性通過、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"LCOS")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 sequential)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。 LCOS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
5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5所示。 雷射通過光學系統或擴散的時候會產生叫散斑的特定幹涉紋路。這種散斑是因為 雷射是同一相位組成的高連貫性的光，才產生的現象。幹涉紋路一般相互抵消，結果產生雜 訊，形成模糊畫面，有散斑的畫面導致不能清楚觀看。這種現象在利用R/G/B色相的3個激 光的時候會更加嚴重，導致要顯示的畫面受損。為了消除散斑現象，應當讓雷射光源(10) 射出的光進入光調製器(70)之前先通過漫射體(20)。 漫射體(20)是由擴散元件和旋轉或振動此擴散元件的驅動元件組成的光學元 件，通過漫射體(20)使散斑擴散，防止因雷射光源引起的紋路之間的幹擾。不過，僅僅利用 此漫射體(20)還是達不到充分消除散斑的效果。 在本發明中為此在光束整形器上增加了隨機性(Randomness)。增加隨機性是為了 降低同一相位，同一振幅雷射的連貫性。 本實施方式中，光束整形器中各小透鏡體由多種大小的小透鏡混合組成，各小透 鏡體的大小是隨機的，並以不規則方式排列，這樣可以最大限度地增加隨機性，降低同一相 位，同一振幅雷射的連貫性。 本發明第二實施方式涉及一種使用雷射光源的微型投影機用光學引擎。第二實施 方式在第一實施方式的基礎上進行了改進，主要改進之處在於各小透鏡體(80)的直徑是 其中最小的小透鏡體的直徑的整數倍，一個例子如圖3所示，這樣可以在增加隨機性的同 時大大減少製造的困難。 本發明第三實施方式涉及一種使用雷射光源的微型投影機用光學引擎。第三實施 方式在第一實施方式的基礎上進行了改進，主要改進之處在於各小透鏡體(80)以類似於 矩陣的形式排列，但該矩陣中的各行隨機地與相鄰的行錯開，或者，該矩陣中的各列隨機地 與相鄰的列錯開，換句話說，行或列之間錯開的距離是隨機的，一個例子如圖4所示。對以 矩陣形式規則布置的小透鏡體在排列上加以隨機性，可以在增加隨機性的同時大大減少制 造的困難。 本發明第四實施方式涉及一種使用雷射光源的微型投影機用光學引擎。第四實施
方式在第一實施方式的基礎上進行了改進，主要改進之處在於還包括用于振動光束整形
器(30)的元件，通過振動光束整形器(30)可以進一步削弱雷射散斑。 在本發明的另一些實施方式中，以對光束整形器(30)的振動取代漫射體(20)。 雖然通過參照本發明的某些優選實施例，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
一種使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，包括至少一個雷射光源，利用所述光源發出的光生成圖象的光調製器，對該光解調器所生成的圖象進行放大投射的投射透鏡，和位置在所述光源和光調製器之間，用於將所述光源射出的光轉換成光調製器有效區域形狀的光束整形器，其特徵在於，所述光束整形器包括至少兩個小透鏡體，各小透鏡體的直徑在80um至500um之間。
2. 根據權利要求1所述的使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，各所 述小透鏡體由至少兩種大小的小透鏡體混合組成。
3. 根據權利要求2所述的使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，各所 述小透鏡體的形狀與所述光調製器的有效區域的形狀一致。
4. 根據權利要求3所述的使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，各所 述小透鏡體的大小是隨機的，以不規則方式排列。
5. 根據權利要求3所述的使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，各所 述小透鏡體的直徑是其中最小的小透鏡體的直徑的整數倍。
6. 根據權利要求3所述的使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，各所 述小透鏡體以矩陣形式排列，但該矩陣中的各行隨機地與相鄰的行錯開，或者，該矩陣中的 各列隨機地與相鄰的列錯開。
7. 根據權利要求1至6中任一項所述的使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，其特 徵在於，還包括漫射體，位置在所述光源和光調製器之間，用於減小光源的雷射散斑。
8. 根據權利要求7所述的使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，在光 的傳播途徑中，所述漫射體位置在所述光束整形器前端。
9. 根據權利要求8所述的使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，其特徵在於，所述 漫射體包括擴散元件和旋轉或振動此擴散元件的驅動元件。
10. 根據權利要求1至6中任一項所述的使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，其特 徵在於，還包括用于振動所述光束整形器的元件。
11. 根據權利要求1至6中任一項所述的使用雷射光源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。
12. 根據權利要求1至6中任一項所述的使用雷射光源的微型投影機用光學引擎，其特 徵在於，所述光調製器是以下之一 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，公開了一種使用雷射光源的微型投影機用光學引擎。本發明中，在光束整形器上使用了多個適合雷射的直徑為80um至500um的小透鏡體，使光束更容易整形。光束整形器上組合了多種不同大小的小透鏡體，使雷射散斑得以減少。小透鏡體形狀最好與光調製器有效區域的形狀一致。各小透鏡體的大小最好是隨機分布的，排列方式最好是不規則的。在光束整形器的前端有漫射體。
文檔編號G03B21/14GK101788712SQ200910056859
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
發明者權赫烈, 李東珍, 林倫辰, 金城守 申請人:上海三鑫科技發展有限公司