CN101825831A - 微型投影机用激光光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明涉及便携式微型投影机，公开了一种微型投影机用激光光学引擎。本发明中，将激光光源与高导热的结构物相固定，并将该结构物和激光光源的接触部位进行了机器研磨处理，降低了热阻，提高了散热效果。结构物可由上下基板构成，采用金属材质，可将上下端基板以焊膏进行锡焊，使上下端基板牢固而适当地压在激光光源上。

Description

微型投影机用激光光学引擎

技术领域

本发明涉及便携式微型投影机，特别涉及激光光学引擎的光源技术。

背景技术

为了将相对于手掌还要小的便携式微型投影机或者对笔记本等设备进行嵌入式设计的投影仪进行实用化，就需要开发出体积小的投影机用光学引擎。

决定光学引擎大小的重要因素之一就是光源。激光是一种典型的小体积高光亮光源。激光光源芯片仅仅拥有2000um的大小却能发出1W以上的高光输出，因此是一种很优秀的发光器件。但是，高光输出会产生很多热量，由于这些发热造成的温度上升会导致激光发光波长的迁移(Shift)现象，进而造成微型投影机投射出的图象的色感出现变化的问题。

同时，体积微小的激光光源的制造难度很高，因此一般使用叫做安装架(Mount)的金属体上固定激光光源芯片的形式来制作。而这种金属体本身还起到阳极(Anode)的作用，在光学引擎的组装中安装架容易断裂，从而产生制程良品率不高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型投影机用激光光学引擎，使激光光源的散热效果得以提高。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种微型投影机用激光光学引擎，包括：

至少一个激光光源；

光调制器，利用激光光源发出的光生成图象；

投射透镜，对光调制器所生成的图象进行放大投射，还包括：

与激光光源相固定的结构物，该结构物采用高导热材料制成，并且该结构物与激光光源的接触部位进行了机械抛光处理。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

将激光光源与高导热的结构物相固定，并将该结构物和激光光源的接触部位进行机器研磨处理，降低了热阻，提高了散热效果，此外还有对激光光源芯片的保护作用，因容易与输入电源连接而提高了光学引擎组装工作的效率。

进一步地，结构物由上下基板构成，既对激光光源芯片提供了全方位的保护，又便于安装。

进一步地，结构物采用金属材质，不但可以提供良好的导热效果，还可以因为金属的高强度而对激光光源芯片有较好的保护作用。

进一步地，如果对光学引擎的散热性能较为重视，则结构物可以选择铜或铝材质，如果对光学引擎的重量较为重视，则结构物可以选择镁或锌材质。

进一步地，将上下端基板以焊膏进行锡焊，可以使上下端基板牢固而适当地压在激光光源上，对导热性能起到良好效果。

附图说明

图1是应用本发明技术方案的光学引擎结构的简要示意图；

图2是激光光源结构的简要示意图；

图3是本发明实施方式中激光光源结合到下端基板的结构简单示意图；

图4是本发明实施方式中激光光源与上下端基板结合的结构简单示意图。

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。

可以应用本发明技术方案的一种光学引擎的结构如图1所示，该光学引擎为反射型，包括：R光源(10R)，G光源(10G)，B光源(10B)，分色镜50R、40G、50B，漫射体(20)，光束整形器(Beam Shaper)(30)，物镜(40-1，40-2)，光调制器(60)，投射透镜(70)，偏振分光镜(80)，其中R代表红色，G代表绿色，B代表蓝色。

R/G/B光源依次照射R/G/B光，具体地说，把照射一个帧的时间设为T，T/3的时间照射R光源，接着的T/3的时间照射G光源，再接着的T/3时间照射B光源。可以理解，光源也可以按照其它顺序依次照射，如B/G/R等。

微型投影机用的光源，既要体积小也要发光多，因此需要使用激光光源。三个光源(10R，10G，10B)被各自的分色镜50R，50G，50B反射或是透射到漫射体(20)。

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。

漫射体(20)垂直于光轴振动，因此通过漫射体(20)的时候，光的随机性(Randomness)会得到增加。这种漫射体，是为了消除激光特有的激光散斑(Speckle)而设置的装置，用以减少激光光线的连贯性(Coherence)特征来达到减少激光散斑的目的。

通过漫射体(20)的光会通过光束整形器(30)来转变光束形状。转变光束形状的原因是要将光束的模样整形成适应于光调制器(60)的入射面形状以提高光效率。

图1中的实例中光束整形器(30)使用了两面由小型透镜体构成的复眼透镜，也可以使用2枚单面透镜。在这样的两面，或者是两枚上面各自聚集成型的多个小型透镜体会相互之间一一对应来成形。

包含在复眼透镜的小型透镜体可以是多种形状：比如四角凸透镜形状，六角凸透镜形状或者圆形等，不过最好是和光调制器形状(比较准确的话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。

小透镜体的直径最好为80-500um，这个尺寸下光束更容易整形。这是因为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，并且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。

各小透镜体由多种不同大小的小透镜混合组成，从而使激光散斑得以减少。

物镜(40)是将经过光束整形器整形的光线利用光调制器(60)进行集束的透镜，一般由一至两片组成。

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。

偏振分光镜(80)是起到将入射光传递到光调制器(60)的作用的光学元件，其玻璃材质的六面体内，偏光分离膜以对角线分布，是反射型光学引擎所必须的一个光学元件。

入射光到达偏振分光镜(80)的偏光分离膜上，S偏光会通过，而P偏光则会被反射到投射透镜的相反方向而丢弃。因此，从光源(10)出来的光线，需要在光路上的某一位置转换(Conversion)成线偏振光的形态才能维持光效率。但是，出自激光光源的光线自身的偏振比高达数百比一，所以并不需要额外添加用来形成线偏振光的光学元件。

如此通过偏光分离膜的S偏光，会在通过光调制器时形成P偏光，转换成P偏光的图象光再一次地入射到偏振分光镜(80)中，与偏振分离膜相接触。这时图象光全部是P偏光，因此会被偏光分离膜全部反射，入射到投射透镜(70)中。

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。

上面描述的是反射型的光学引擎，本发明的技术方案也适用于透射型的光学引擎。透射型的光学引擎的结构与反射型的差不多，区别主要是没有偏振分光镜(80)，此外，物镜(40)、光调制器(60)和投射透镜(70)的光路为同一直线。

图2是激光光源结构的简单示意图。

激光光源芯片的体积非常之小，很难加工，因此会制作成图2所示的安装座(Mount)上附着激光光源芯片的形态。在本发明中为了说明的方便，解说成C安装座(C-Mount)类型。图2就是示意C安装座类型的激光光源。

激光光源芯片(90)将连接在芯片底面的安装座本体(100)作为阳极(Anode)使用。在安装座上缘放置绝缘物体，在绝缘物体上面以连接线形态成型了阴极(120，Cathode)，再将上述连接线与激光光源芯片进行连线。

上述光源结构是C安装座(C-Mount)类型，是比一般激光光源芯片加工更容易的结构，安装座本体结构即作为阳极(Anode)来使用。

微型投影机的光学引擎是一种超小型的密集结构，因此这种安装座金属体本身起到阳极(Anode)的作用的情况，在光学引擎的组装中容易断裂，从而产生制程良品率不高的问题。

在本发明的实施方式中，将激光光源与高导热的结构物相固定，该结构物与激光光源的接触部位要进行机械抛光处理，其他部分进行绝缘镀膜处理。

在一个实例中，结构物可以由上下端基板构成，对激光光源形成一种“包裹”，既提供了物理上的保护，又便于安装。当然，结构物也可以不是上下端基板的形式，例如结构物可以由三块元件组合而成等等。

图3是本发明的实例之一，是激光光源固定在下端基板的示意图。

激光光源平行面贴于下端基板(130)，同时下端基板(130)的一侧面上固定有连接器，起到与外部端子相连的作用。

下端基板(130)由金属材料制成，表面上镀有非导电物质。由于是金属材质制成的，因此下端基板(130)也等于是散热片的面积增加。考虑到光学引擎的重量和导热性，在铜、铝、镁、锌中选择。导热性上，铜和铝较好；而镁和锌则比较轻。

与激光光源的接触面和连接器的阳极(Anode)并没有进行镀膜处理，利用与激光光源的接触，将阳极端子与连接器连接起来。阴极(Cathode)连接线弯曲连接到连接器。由于能便捷地通过连接器与外部端子相连，所以提高了其加工效率。

但是，在激光光源和下端基板(130)的面相接触时会发生热阻，激光光源工作时产生的热量不能及时散发而会滞留于安装座。如果热量不能传导到下端基板(130)而滞留，不仅安装座的温度会上升，激光光源芯片的温度也会上升，从而造成激光波长的迁移(Shift)现象，迁移的幅度大概为0.25nm/℃。因此，若温度上升20℃以上，构成白色的色坐标就会产生变化，影响到色感，造成激光发光稳定性方面的问题。

引起上述问题的原因下端基板(130)和激光光源的接触面不够平整，粗糙造成接触面面积减少。同时，在与下端基板(130)进行粘着时会使用导热性出众的热接口材料(Thermal Interface Material)来进行，若该面的粗糙度过高，上述TI M就不能够均匀地渗入，造成了本该起到导热作用的毛孔之间充进了空气，降低了导热的有效性。

本发明实施方式中为了减少上述的热阻，将下端基板(130)的上表面和激光安装座的下表面进行了机械抛光(Mechanical Polishing)处理。通过机械抛光，两个面的接触面积得到增加，上述热接口材料(TIM)也能更加均匀地渗入，可有效地将激光光源发生的热量传导到下端基板(130)上。机械抛光后的表面粗糙度建议维持在Rmax 6.3s以下。

作为热接口材料，导热硅脂(Thermal greases)或相变垫(Phase changepads)等是主要使用的材料，特别是相变垫在一定温度条件下会从固体变成液体并产生体积的膨胀，驱除空气，渗入毛孔中，从而实现更好的导热性。

图4是激光光源和下端基板(130)的结合体，与上端基板(140)相结合的示意图。上端基板(140)上面有将透镜装置于激光路径上的透镜孔，可将发散的激光进行集光。

与下端基板(130)一样，上端基板(140)除激光光源部以外也都镀有绝缘物质，与激光光源则是面接触。并且也最好将接触部位进行抛光，并利用热接口材料(TIM)进行粘着。

上端基板(140)和下端基板(130)用焊膏(Solder Cream)进行锡焊，让上下端基板(130)适当压在激光光源上面，对导热性能起到良好效果。可以理解，上端基板(140)和下端基板(130)也可以以其它方式固定，例如以机械卡口固定或以紧固件固定，只要能适当地压在激光光源上就好。

本实施方式中，上下端基板采用金属材质，金属材质不但可以提共良好的导热效果，还因为金属的高强度而对激光光源芯片有较好的保护作用。当然，也可以使用其它的高导热材料，如复合材料、高导热陶瓷等等。

本实施方式中虽然使用了三个激光光源，不过本发明的技术方案并不限于全部使用激光光源的光学引擎。光学引擎的多个光源中也可以包括一个或多个发光二级管(Light Emitting Diode，简称“LED”)光源。例如，一个光学引擎有三个光源，一个是红色的激光光源，另一个是绿色的激光光源(由红外激光光源经倍频得到)，还有一个是蓝色的LED光源。LED光源也有较大的发热量，也可以使用本发明的技术方案以取得较好的散热效果。

本发明实施方式中围绕激光光源的上述结构物，起到了散发激光光源发生的热量的散热器作用，同时让激光光源输入电源的连接变得容易，改善了光学引擎的组装便利性。特别是在用到风扇将发生的热量迅速散发到空气中的情况中，防止了风扇发出的风直接与激光光源芯片相接触，从而减少了激光光源芯片的损伤可能性。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，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 (10)

1.一种微型投影机用激光光学引擎，包括：

至少一个激光光源；

光调制器，利用所述激光光源发出的光生成图象；

投射透镜，对所述光调制器所生成的图象进行放大投射；

其特征在于，还包括：

与所述激光光源相固定的结构物，该结构物采用高导热材料制成，并且该结构物与所述激光光源的接触部位进行了机械抛光处理。

2.根据权利要求1所述的微型投影机用激光光学引擎，其特征在于，所述结构物包括上端基板(140)和下端基板(130)。

3.根据权利要求2所述的微型投影机用激光光学引擎，其特征在于，所述结构物为金属材质。

4.根据权利要求3所述的微型投影机用激光光学引擎，其特征在于，所述结构物的材质为铜、铝、镁、锌之一。

5.根据权利要求2所述的微型投影机用激光光学引擎，其特征在于，所述上端基板(140)和下端基板(130)以焊膏进行锡焊。

6.根据权利要求1所述的微型投影机用激光光学引擎，其特征在于，所述激光光源包括激光光源芯片和金属的安装架，激光光源芯片固定在安装架上，安装架同时起到阳极的作用。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的微型投影机用激光光学引擎，其特征在于，所述机械抛光处理的粗糙度Rmax＜6.3s。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的微型投影机用激光光学引擎，其特征在于，所述结构物中除与所述激光光源相接触的部分以外的其他部分进行绝缘镀膜处理。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的微型投影机用激光光学引擎，其特征在于，还包括至少一个发光二极管光源。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的微型投影机用激光光学引擎，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；

所述光调制器以场时序方式对多个光源进行调制。

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