CN101666962A - 一种微型单片lcos投影光机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型单片LCOS投影光机，由投影镜头、PBS分光镜、场镜以及LCOS芯片沿系统成像光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列，PBS分光镜与成像光轴成45度，光学引擎的照明系统由LED光源透镜、第一聚光镜、柱面透镜、第二聚光镜沿照明系统光轴顺序排列。照明系统光轴与成像光路光轴成90度，其中，PBS分光镜、场镜及LCOS芯片为成像光路和照明光路的共用部份。照明中心光束通过PBS分光镜反射后再通过场镜垂直照射到LCOS芯片上，系统通过投影镜头沿成像光路的光轴作前后移动实现调焦，保证在不同的距离处实现清晰成像。该系统成本低、工艺性好，适应批量生产。

Description

一种微型单片LCOS投影光机

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，具体涉及一种适合内置于手机、数码相机、掌上投影机等产品内的微型单片LCOS投影光机。

背景技术

随着LED光源技术在近几年发展的突飞猛进，其用于微型投影仪的趋势更是十分明显和潜力巨大，使得微型光学投影机在未来几年内将出现爆炸式的市场需求。近年来，美国德州仪器公司专门针对微型投影领域开发了0.17”、0.2”等DMD微型芯片，但由于其DMD的高昂成本难以在短时间内使微型投影光学引擎大规模进入市场。目前，台湾一些LCOS芯片厂家如立景公司开发的0.38”、0.44”等单片微型LCOS芯片在成本上具有相当的优势，使得单片LCOS微型光学引擎成为目前开发的热点，各种针对微型光引擎的技术及相关产品层出不穷。目前，由于受LED光源的光效率限制，微型光学引擎的光输出大多还在10流明以下，因此，为了提高微型光引擎的整体性能，需要最大可能的提高相关元件的技术水平，同时，还要降低产品的成本。

在现有公开的关于微型单片LCOS的光学引擎文献中，由于LCOS使用的是偏振光，因此，大部分采用的玻璃PBS棱镜系统，而玻璃PBS棱镜为了保证性能的提高，一般采用的是价格昂贵的肖特SF57材料，这在成本上是一个劣势。现在一些厂家也在积极开发价格十分便宜的塑料PBS膜用于微型光学引擎产品，如美国的3M公司就拥有独家镀膜技术的塑料PBS膜。另外，由于目前的LCOS芯片多长宽比为4∶3或16∶9，因此，为了有效的利用光源能量，就存在对照明光束的整形问题，一些厂家开发的微型投影机出于成本的考虑，对照明光束缺少整形措施，这在一定程度上降低对光源能量的利用效率。对于光引擎主要部件的投影镜头，为了保持在一定范围的高质量成像，一般将采用6-8片玻璃透镜，这对微型投影光引擎也带来一定的成本压力，受光学扩展量的限制，投影光学镜头的相对口径不能大于2.4，因此，投影镜头的设计方案十分重要。

微型光学引擎在未来的发展中面临的技术问题主要有，系统的光输出偏低，在有限的范围内如何降低系统的热量及整机的可靠性问题，这也是制约微型光学引擎发展的瓶颈问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种能够与单片LCOS数字图像芯片相匹配，采用单颗LED光源照明，可嵌入手机、数码像机以及掌上投影仪，且结构紧凑、适合批量生产要求的单片LCOS微型光学引擎。

为达到这样的目的，本发明所提供的技术方案是：该微型单片LCOS投影光机，具有照明系统、PBS分光镜、场镜、LCOS芯片和投影镜头，其特征在于：所述投影镜头[LENS]、PBS分光镜[U5]、场镜[U6]以及LCOS芯片[U7]沿系统成像光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列；PBS分光镜[U5]与成像光轴成45度夹角；所述照明系统由LED光源透镜[U9]、第1聚光镜[U10]、柱面透镜[U11]、第2聚光镜[U12]沿照明系统光轴顺序排列，照明系统光轴与成像光路光轴成90度；所述PBS分光镜[U5]、场镜以[U6]及LCOS芯片[U7]为成像光路和照明光路的共用部份，照明中心光束通过PBS分光镜[U5]反射后再通过场镜[U6]垂直照射到LCOS芯片[U7]上，系统通过投影镜头[LENS]沿成像光路的光轴作前后移动实现调焦。

所述投影镜头[LENS]包括第一塑料非球面透镜[U1]、第二塑料非球面透镜[U2]、第一胶合透镜[U3]和第二胶合透镜[U4]，所述第一塑料非球面透镜[U1]凹面与第二塑料非球面透镜[U2]凹面相对，所述第一胶合透镜[U3]在屏幕侧，焦距为正，第二胶合透镜[U4]在像面侧，焦距为负，所述第一胶合透镜[U3]与第二胶合透镜[U4]胶合在一起。

所述投影镜头[LENS]的焦距f1与场镜[U6]的焦距f2均为正，并且满足下列不等式：0.45＜f1/f2＜0.63要求。

所述柱面透镜[U11]的弯曲方向与照明光束的方向一致。

所述投影镜头的镜筒5的侧面设有齿条，调焦轮4通过齿轮与齿条连接，拨动调焦论4可带动镜筒5上下运动，实现投影镜头[LENS]的调焦。

采用上述技术方案的有益效果是：该微型单片LCOS投影光机由照明系统、PBS分光镜、场镜、LCOS芯片和投影镜头构成，微型单片LCOS投影光机的照明系统由LED光源透镜[U9]、聚光镜1[U10]、柱面透镜[U11]、聚光镜2[U12]构成，柱面透镜[U11]的弯曲方向与照明光束的方向一致，柱面透镜在系统中的应用是对LED光源的光束进行整形，满足LCOS芯片的长宽比，提高光能的利用率。同样，照明光束经过场镜后，各个视场的主光线将垂直入射到LCOS芯片，提高光能的利用率。为了降低成本，在系统中不采用价格昂贵的玻璃PBS棱镜，而是采用3M公司的塑料PBS膜板，其分光性能满足系统使用要求，同时也使光引擎的重量减轻，制造工艺简单。由于成像系统中采用的是塑料PBS膜板，PBS膜板在系统中需要与成像光轴成45度角度，其厚度将会影响系统的成像质量，因此，在投影镜头的光学设计时，需要考虑这种影响，将PBS带入到系统中进行优化，补偿PBS膜板带来的影响，进一步提高图象清晰度。投影镜头中的第一、第二合透镜[U3]、[U4]构成一个胶合镜，第一胶合透镜[U3]在屏幕侧，焦距为正，胶合透镜2[U4]在像面侧，焦距为负。塑料非球面透镜[U1]凹面与塑料非球面透镜[U2]凹面相对，这样可以很好地保证镜头的装配精度及结构的简易性。投影镜头的镜筒5的侧面设有齿条，调焦轮4通过齿轮与齿条连接，拨动调焦论4可带动镜筒5上下运动，实现投影镜头[LENS]的调焦。保证在不同的距离处实现清晰成像。该系统成本低、工艺性好，适应批量生产。另外，为了在简化系统结构的前提下实现LOCS芯片远心照明，在LCOS芯片前放置一透镜作为场镜，构成整个投影系统的成像部分，可保证系统得到更好的像面照度均匀性，投影镜头[LENS]的焦距f1与场镜[U6]的焦距f2均为正，并且满足下列不等式：0.45＜f1/f2＜0.63。投影镜头的镜筒5的侧面设有齿条，调焦轮4通过齿轮与齿条连接，拨动调焦论4可带动镜筒5上下运动，实现投影镜头[LENS]的调焦。对于不同投影距离，通过投影镜头[LENS]在成像光路的光轴方向上前后移动实现调焦，保证不同投影距离的清晰成像，也使调焦机构得到简化。

本发明的优点在于：

1、系统中采用塑料非球面透镜和柱面透镜，对来自LED光源的光束按照LCOS的长宽比进行光斑整形，提高的光的利用率，减少了系统杂光。

2、使用场镜方案一方面可以使投影镜头的结构更加简化，另一方面可以使场镜在照明光束中发挥作用，对LED光源的光束利用更有保证，降低了产品成本，简化了系统，同时也提高了装配效率。

3、系统中未采用价格昂贵的玻璃PBS棱镜，以塑料PBS薄膜代替，减轻了系统重量，同时也进一步降低了成本。

4、本发明具有结构紧凑、调焦方便、投影图象清晰等特点。其成品体积为35mm×40mm×13mm。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。

图1是本发明的微型单片LCOS投影光机结构示意图。

图2是本发明的微型单片LCOS投影光机光学系统图。

图3是本发明的微型单片LCOS投影光机投影镜头光线轨迹图。

图4是本发明的微型单片LCOS投影光机投影镜头MTF图。

图5是本发明的微型单片LCOS投影光机像面照度分布图。

具体实施方式

如图1、2所示的微型单片LCOS投影光机，由照明系统、PBS分光镜、场镜、LCOS芯片和投影镜头构成，上述装置设置在光机主体2上，光机主体2设LCOS座1上，所述照明系统设置在照明座7上，所述投影镜头[LENS]、PBS分光镜[U5]、场镜[U6]以及LCOS芯片[U7]沿系统成像光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列；PBS分光镜[U5]与成像光轴成45度夹角；所述照明系统由LED光源、透镜[U9]、第1聚光镜[U10]、柱面透镜[U11]、第2聚光镜[U12]沿照明系统光轴顺序排列，照明系统光轴与成像光路光轴成90度，柱面透镜[U11]的弯曲方向与照明光束的方向一致，上述透镜设在照明座7内，照明座7通过螺钉9固定在光机主体2上，LED光源设在LED座8上，LED座8与照明座7连接。所述PBS分光镜[U5]、场镜以[U6]及LCOS芯片[U7]为成像光路和照明光路的共用部份，照明中心光束通过PBS分光镜[U5]反射后再通过场镜[U6]垂直照射到LCOS芯片[U7]上，系统通过投影镜头[LENS]沿成像光路的光轴作前后移动实现调焦。投影镜头[LENS]包括第一塑料非球面透镜[U1]、第二塑料非球面透镜[U2]、第一胶合透镜[U3]和第二胶合透镜[U4]，所述第一塑料非球面透镜[U1]凹面与第二塑料非球面透镜[U2]凹面相对，由隔圈6定位，所述第一胶合透镜[U3]在屏幕侧，焦距为正，第二胶合透镜[U4]在像面侧，焦距为负，所述第一胶合透镜[U3]与第二胶合透镜[U4]胶合在一起，投影镜头[LENS]的焦距f1与场镜[U6]的焦距f2均为正，并且满足下列不等式：0.45＜f1/f2＜0.63要求。投影镜头的镜筒5的侧面设有齿条，调焦轮4设销3上，通过齿轮与齿条连接，拨动调焦论4可带动镜筒5上下运动，实现投影镜头[LENS]的调焦。其调焦的位移量由调焦轮4本身结构限位来实现。调焦轮4和镜筒5上的齿轮和齿条及本身结构均采用工程塑料一次注塑成型，不仅简化了结构尺寸，降低成本，而且也完全满足光学性能的而需要。对产品的后续开发也提供了可靠便捷的设计空间。从图3、4、5中可看出，该微型单片LCOS投影光机的光源能量的利用效率高，在一定范围的成像质量高。

本发明的LED光源照明系统采用4片透镜结构，在结构上采用LED座8与照明系统的光学组件照明座7分离设计。此模块化结构设计在结构上可以方便满足不同用户使用不同型号的LED光源的需求。

本发明在LCOS座1设计时，采用了模块化设计，采用在一个独立的零件上同时安装光学零件场镜[U6]和LCOS组件，这样不仅保证了光学系统的装配精度，而且可以大大简化产品结构。

Claims (5)

1、一种微型单片LCOS投影光机，具有照明系统、PBS分光镜、场镜、LCOS芯片和投影镜头，其特征在于：所述投影镜头[LENS]、PBS分光镜[U5]、场镜[U6]以及LCOS芯片[U7]沿系统成像光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列；PBS分光镜[U5]与成像光轴成45度夹角；所述照明系统由LED光源透镜[U9]、第1聚光镜[U10]、柱面透镜[U11]、第2聚光镜[U12]沿照明系统光轴顺序排列，照明系统光轴与成像光路光轴成90度；所述PBS分光镜[U5]、场镜以[U6]及LCOS芯片[U7]为成像光路和照明光路的共用部份，照明中心光束通过PBS分光镜[U5]反射后再通过场镜[U6]垂直照射到LCOS芯片[U7]上，系统通过投影镜头[LENS]沿成像光路的光轴作前后移动实现调焦。

2、根据权利要求1所述的微型单片LCOS投影光机，其特征在于：所述投影镜头[LENS]包括第一塑料非球面透镜[U1]、第二塑料非球面透镜[U2]、第一胶合透镜[U3]和第二胶合透镜[U4]，所述第一塑料非球面透镜[U1]凹面与第二塑料非球面透镜[U2]凹面相对，所述第一胶合透镜[U3]在屏幕侧，焦距为正，第二胶合透镜[U4]在像面侧，焦距为负，所述第一胶合透镜[U3]与第二胶合透镜[U4]胶合在一起。

3、根据权利要求1所述的微型单片LCOS投影光机，其特征在于：所述投影镜头[LENS]的焦距f1与场镜[U6]的焦距f2均为正，并且满足下列不等式：0.45＜f1/f2＜0.63要求。

4、根据权利要求1所述的微型单片LCOS投影光机，其特征在于：所述柱面透镜[U11]的弯曲方向与照明光束的方向一致。

5、根据权利要求1所述的微型单片LCOS投影光机，其特征在于：所述投影镜头的镜筒5的侧面设有齿条，调焦轮4通过齿轮与齿条连接，拨动调焦论4可带动镜筒5上下运动，实现投影镜头[LENS]的调焦。

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