CN101788712B - 使用激光光源的微型投影机用光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明涉及便携式微型投影机，公开了一种使用激光光源的微型投影机用光学引擎。本发明中，在光束整形器上使用了多个适合激光的直径为80um至500um的小透镜体，使光束更容易整形。光束整形器上组合了多种不同大小的小透镜体，使激光散斑得以减少。小透镜体形状最好与光调制器有效区域的形状一致。各小透镜体的大小最好是随机分布的，排列方式最好是不规则的。在光束整形器的前端有漫射体。

Description

使用激光光源的微型投影机用光学引擎

技术领域

本发明涉及便携式微型投影机，特别涉及将光源放射出的光整形为面光源，通过光调制器的有效区域来形成图象，并通过投射透镜将其放大投射的微型投影机。

背景技术

为了让比手掌还要小的便携用小型投影机或是可以嵌入在笔记本电脑中的投影机商用化，就要开发体积小低耗电的投影机。要实现投影机的小型化，就要简化学光系统的构造。

为了开发低耗电的投影机，就要选择相对低耗电的优质光源。对于这种低耗力投影机，最适合的光源为激光或是发光二级管(Low Emitting Diode，简称“LED”)。其中，激光光源是相对低耗电量且有着高量度的高效率光源。

利用此类光源的投影机要把从光源射出的光射到转换成影象的光调制器之前，先要变换成适合光调制器有效区域的光束形状。完成此项功能的元件叫光束整形器。但现有的光束整形器是把光束放大后，只让和光调制器的形状一致的部分通过，其余部分会阻断掉。因为现有光束整形器把超出区域的部分阻断掉，所以光效率低，也很难获得均匀的光。

此外，激光存在降低屏幕显示影象质量的激光散斑特性。现有的光束整形器不能降低这种激光散斑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用激光光源的微型投影机用光学引擎，提高光束整形器的光效率。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种使用激光光源的微型投影机用光学引擎，包括：至少一个激光光源，利用光源发出的光生成图象的光调制器，对该光解调器所生成的图象进行放大投射的投射透镜，和位置在光源和光调制器之间，用于将光源射出的光转换成光调制器有效区域形状的光束整形器，光束整形器包括至少两个小透镜体，各小透镜体的直径在80um至500um之间。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

在光束整形器上使用了多个适合激光的直径为80um至500um的小透镜体，使光束更容易整形。

进一步地，光束整形器上组合了多种不同大小的小透镜体，使激光散斑得以减少。

进一步地，小透镜体的形状与光调制器有效区域的形状一致，使光损失降到最低。

进一步地，各小透镜体的大小最好是随机分布的，排列方式最好是不规则的，这样可以最大限度地增加随机性，降低同一相位，同一振幅激光的连贯性。

进一步地，各小透镜体的直径均为其中最小的小透镜体的直径的整数倍，这样可以在增加随机性的同时大大减少制造的困难。

进一步地，对以矩阵形式规则布置的小透镜体在排列上加以随机性，可以在增加随机性的同时大大减少制造的困难。

进一步地，通过引入漫射体，可以使散斑扩散，防止因激光光源引起的纹路之间的干扰。

进一步地，通过振动光束整形器可以削弱激光散斑。

附图说明

图1是本发明第一实施方式中构成微型投影机的光学引擎的构造简略图；

图2是本发明第一实施方式中构成光束整形器的小透镜体的构造简略图；

图3是本发明第二实施方式中光束整形器中小透镜体的排列构造简略图；

图4是本发明第三实施方式中光束整形器的小透镜体的排列构造简略图；

图5是反射式光学引擎功能的简略示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种使用激光光源的微型投影机用光学引擎。

图1是利用激光光源的投影机整体运作原理的示意图。包括激光光源的投影机由：R光源(10R)、G光源(10G)、B光源(10B)、分色镜(DichroicMirror)50R、40G、50B、漫射体(20)、光束整形器(30)、两张物镜(40)、光调制器(60)、投射透镜(70)等构成。

三个光源(10R、10G、10B)都是激光光源，由各自的分色镜50R、50G、50B反射或者透过，入射到漫射体(20)之中。分色镜50G起到反射G光源(从10G照射出的绿色激光)并让剩余光线透过的作用，分色镜50G也可以使用能够将普通可视光线全部予以反射的一般镜子。分色镜50R起到反射R光源(从10R照射出的红色激光)、通过剩余波长范围的光线的作用，分色镜50B起到反射R光源(从10B照射出的蓝色激光)通过剩余波长范围光线的作用。

光源的照射方式有多种，本实施方式中光源依次照射R(红)/G(绿)/B(蓝)光。依次照射R/G/B光源(10R，10G，10B)是指，将照射一个帧的时间设为T时，T/3的时间照射R光源，接着的T/3的时间照射G光源，紧接着的T/3时间照射B光源的意思。可以理解，在本发明的其它一些实施方式中，光源也可以按照其它顺序依次照射，如B/G/R等。

虽然本实施方式中使用了三个激光光源，但本发明中光源的数目并不限于三个。激光光源也可以是一个，或者其它的数目。

漫射体(Diffuser)(20)垂直于光轴震动，从而通过漫射体(20)的光会增加随机性(Randomness)。此漫射体(20)是消除激光特有散斑(Speckle)的装置，用来降低激光的连贯性(Coherence)，达到减少散斑的作用。

通过漫射体(20)的光会通过光束整形器(Beam Shaper)来变换光束形状。

转变光束形状的原因是要将光束的模样进行整形，以适应光调制器(60)的入射面形状，从而提高光效率。从激光光源射出的光是椭圆形状，其短轴角度大概是±20度至±30度之间，其长轴角度大概是±7至±10度之间。在显示装置中使用激光光源的时候，最好把激光光源射出的椭圆形状、转换成平行光。在本发明实施方式中为实现了这些变换在光源(10)和光调制器(30)之间可使用复眼透镜。

如图2所示复眼透镜是由透明基板上的多个小透镜体(80)形成，小透镜体的直径(D)在80um至500um的范围为好。激光是非常笔直的光，所以很适合用来构成小型光学引擎。所以对应这样笔直的光、光束整形器的小透镜的直径要小，才能实现光束整形器的机能。这时小型透镜体的直径是指小型透镜体的长度，四角凸镜形状、六角凸镜形状等多边型的小型透镜的直径是指对应透镜体中最长的一个对角线的长度。但是，如果这些小型透镜的直径小于80um的话，会因为激光的连贯性在光束里产生格子纹路，此外在现有技术下很难制做出比80um还小的光滑面的透镜构造。直径变大的话光束整形器的效果会减弱，得不到超小型光学引擎所需的均匀光源，所以用500um以下为好。

包含在复眼透镜内的小型透镜体可以是多种形状。比如四角凸透镜形状，六角凸透镜形状及圆形等。不过最好是和光调制器形状(准确的说是和光调制器的有效区域画面形状)一致。比如说光调制器的有效画面形状是四角形的时候，小型透镜体的形状也做成四角形能把光损失将到最低。

图1中的实例中使用了两面由小型透镜体构成的复眼透镜，此外，使用2枚单面透镜也可以。

2枚物镜(Field lens)(40)是把光束整形器形成的光集束到光调制器(60)的透镜，一般由2枚构成，并可以调整2枚透镜之间距离来达到准确的集束。

光调制器(60)是指将入射的光线进行选择性通过、阻断或改变光径来形成影像图片的元件。光调制器(60)的典型实例有数字微镜器件(DigitalMicromirror Device，简称“DMD”)、液晶显示(Liquid Crystal Display，简称“LCD”)元件、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，简称“LCOS”)等等。

DMD是用在数字光处理(Digital Light Processing，简称“DLP”)投影机的元件，它利用场时序(field sequential)的驱动方式，使用与像素数量一样多的矩阵形态排列的数码镜(DIGITAL MIRROR)。DLP是指从光源照射出的光用数码镜来调节光径，并用隔板反射来达到渐变(Gradation)或形成图象的投影仪。

液晶显示元件(LCD)是指选择性地开/关液晶来形成图象的元件。使用LCD元件的投影机中，有直视型(direct-view)、投射型以及反射型。直视型投影是液晶显示元件后面的背景光通过LCD面板形成图象并可以直接观察的方式；投射型投影是将通过液晶显示元件形成的图象利用投射透镜放大后投射到屏幕，观察从屏幕反射的图象的方式；反射型与投射型的结构基本相同，区别之处在于，反射型在LCD下面基板上设有反射膜，反射的光线被放大投射到屏幕上。

LCOS属于反射型液晶显示，它将以往液晶显示端的两面基板中的下方基板由透明的玻璃改为硅基板，从而用反射型方式运作。

投射透镜(70)由多个透镜构成，将由光调制器(60)形成的图象向屏幕(图中未标识)上放大投射。

图1是使用液晶显示元件(LCD)等的投射型光调制器的光学器件结构。如果是使用反射型光调制器的话，需要在光调制器和投射透镜之间额外设置PBS(90)，反射型光调制器的光学器件结构如图5所示。

激光通过光学系统或扩散的时候会产生叫散斑的特定干涉纹路。这种散斑是因为激光是同一相位组成的高连贯性的光，才产生的现象。干涉纹路一般相互抵消，结果产生杂讯，形成模糊画面，有散斑的画面导致不能清楚观看。这种现象在利用R/G/B色相的3个激光的时候会更加严重，导致要显示的画面受损。为了消除散斑现象，应当让激光光源(10)射出的光进入光调制器(70)之前先通过漫射体(20)。

漫射体(20)是由扩散元件和旋转或振动此扩散元件的驱动元件组成的光学元件，通过漫射体(20)使散斑扩散，防止因激光光源引起的纹路之间的干扰。不过，仅仅利用此漫射体(20)还是达不到充分消除散斑的效果。

在本发明中为此在光束整形器上增加了随机性(Randomness)。增加随机性是为了降低同一相位，同一振幅激光的连贯性。

本实施方式中，光束整形器中各小透镜体由多种大小的小透镜混合组成，各小透镜体的大小是随机的，并以不规则方式排列，这样可以最大限度地增加随机性，降低同一相位，同一振幅激光的连贯性。

本发明第二实施方式涉及一种使用激光光源的微型投影机用光学引擎。第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：各小透镜体(80)的直径是其中最小的小透镜体的直径的整数倍，一个例子如图3所示，这样可以在增加随机性的同时大大减少制造的困难。

本发明第三实施方式涉及一种使用激光光源的微型投影机用光学引擎。第三实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：各小透镜体(80)以类似于矩阵的形式排列，但该矩阵中的各行随机地与相邻的行错开，或者，该矩阵中的各列随机地与相邻的列错开，换句话说，行或列之间错开的距离是随机的，一个例子如图4所示。对以矩阵形式规则布置的小透镜体在排列上加以随机性，可以在增加随机性的同时大大减少制造的困难。

本发明第四实施方式涉及一种使用激光光源的微型投影机用光学引擎。第四实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：还包括用于振动光束整形器(30)的元件，通过振动光束整形器(30)可以进一步削弱激光散斑。

在本发明的另一些实施方式中，以对光束整形器(30)的振动取代漫射体(20)。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种使用激光光源的微型投影机用光学引擎，包括：至少一个激光光源，利用所述光源发出的光生成图象的光调制器，对该光调制器所生成的图象进行放大投射的投射透镜，和位置在所述光源和光调制器之间，用于将所述光源射出的光转换成光调制器有效区域形状的光束整形器，其特征在于，所述光束整形器包括至少两个小透镜体，各小透镜体的直径在80um至500um之间；

光束整形器上组合了多种不同大小的小透镜体；

各所述小透镜体的形状与所述光调制器的有效区域的形状一致；

各所述小透镜体的直径是其中最小的小透镜体的直径的整数倍；

以最小的小透镜体按矩阵方式排列成背景矩阵，背景矩阵的每个单元格的大小正好容纳一个最小的小透镜体，较大的小透镜体随机地分布在背景矩阵中，每个较大的小透镜体占据多个单元格并与周围的其它单元格对齐，其中，较大的小透镜体指直径大于最小的小透镜体的直径的小透镜体。

2.根据权利要求1所述的使用激光光源的微型投影机用光学引擎，其特征在于，还包括漫射体，位置在所述光源和光调制器之间，用于减小光源的激光散斑。

3.根据权利要求2所述的使用激光光源的微型投影机用光学引擎，其特征在于，在光的传播途径中，所述漫射体位置在所述光束整形器前端。

4.根据权利要求3所述的使用激光光源的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述漫射体包括扩散元件和旋转或振动此扩散元件的驱动元件。

5.根据权利要求1所述的使用激光光源的微型投影机用光学引擎，其特征在于，还包括用于振动所述光束整形器的元件。

6.根据权利要求1所述的使用激光光源的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述光源由三个分别照射红、绿、蓝光的激光光源组成。

7.根据权利要求1所述的使用激光光源的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述光调制器是以下之一：

液晶显示元件、数字微镜器件、硅基液晶。

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