CN201408312Y - 微型投影机用光学引擎 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及便携式微型投影机，公开了一种微型投影机用光学引擎。本实用新型中，通过将投射透镜的侧面制成一个或多个平面，并将投射透镜的固定框架的圆形镜筒上下两端削除，使得作为光学引擎的体积得以缩小，尤其是厚度。投射透镜的镜筒以滑动方式实现变焦，在固定框架上下端的一部分被去除的前提下，仍可以实现投射透镜的固定和变焦功能。

Description

微型投影机用光学引擎

技术领域

本实用新型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

为了将相对于手掌面积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，必须要开发出体积小耗能低的投影模块出来。尤其是考虑到便携性能，微型投影机的厚度应该控制在可以方便手持的2厘米以下。

但是，投影机的光学引擎中的投射透镜为了保持有效投射距离，必须维持一定的大小，特别是带有轴偏移量(offset)的投射透镜的情况下，所需体积还要变大。因为光学引擎是投影机中体积最大的元件之一，所以整个微型投影机整体尺寸也会显著变大。如何在维持投射透镜放大功能的前提下减少其厚度，这对于便携式微型投影机是一个重要的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种微型投影机用光学引擎，可以缩小微型投影机的体积。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种微型投影机用光学引擎，包括：至少一个光源，利用光源发出的光生成图象的光调制器，和对该光解调器所生成的图象进行放大投射的投射透镜，投射透镜的侧面存在至少一个平面。

本实用新型实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

通过将投射透镜的侧面制成一个或多个平面，使作为光学引擎中最大体积部分之一的投射透镜的体积得以缩小，从而实现了微型投影机的体积(特别是厚度)的缩小。

进一步地，将固定框架的圆形镜筒的上下两端削除，可以进一步缩小微型投影机的体积，尤其是厚度。

进一步地，通过固定投射透镜的镜筒而使投射透镜保持预设的固定焦距，可以避免因投射透镜非轴对称而导致的无法以旋转方式变焦的问题。因为使用的是激光光源，光的发散角小，所以虽然使用了固定焦距，但在焦平面附近相当大的一个距离范围内都可以有较好的聚焦效果。

进一步地，投射透镜的镜筒以滑动方式实现变焦，在固定框架上下端的一部分被去除的前提下，仍可以实现投射透镜的固定和变焦功能。

附图说明

图1是本实用新型第一实施方式中投射式光学引擎功能的简略示意图；

图2是本实用新型第一实施方式中投射透镜结构的简略示意图；

图3是本实用新型第一实施方式中投射透镜带有轴偏移量的时候，光调制器的图像会经过何种路径投射的简单示意图；

图4是本实用新型第一实施方式中削除了组成投射透镜的其中一部分透镜的图纸；

图5是传统的投射透镜固定框架的简单演示图；

图6本实用新型第一实施方式中投射透镜固定框架的简单示意图；

图7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。

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

本实用新型的实施方式中，在至少包括一个激光光源的微型投影机中的，将光源发出的光转换为图像的光调制器以及将光调制器射出的图像进行放大投射的投射透镜等光学引擎部分中，将组成投射透镜的多个透镜的形状进行优化，同时优化固定投射透镜的框架结构，从而达到缩小微型投影机的体积的目的。

本实用新型第一实施方式涉及一种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，在本实用新型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，但本实用新型并不限于激光光源，光源的数目也不限于三个。例如，在本实用新型的其它一些实施方式中，可以使用发光二级管(Light Emitting Diode，简称“LED”)光源，或者激光与LDE的混合光源。光源也可以是一个，或者其它的数目。

漫射体垂直振动于光轴，因此通过漫射体的时候，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。

通过漫射体的光会通过光束整形器(Beam Shaper)来转变光束形状。转变光束形状的原因是要将其光束的模样进行整形，以适应于光调制器(60)的入射面形状，从而提高光效率。光束整形器(30)的典型事例为复眼透镜(Fly Eye Lens)、灯管(Light Pipe)等。在图1中标示的是作为光束整形器(30)的典型例子的，在基板上面用多块球面或非球面的小型透镜组合构成的复眼透镜。

复眼透镜(30)由透明基板上多个小型透镜所组成，这些小型透镜体们可以体现为各种形状，如四角形凸透镜、六角形凸透镜以及圆形等等，但最好是与光调制器的形状(更加准确地说，是光调制器的有效画面形状)相一致。例如：光调制器的有效画面大致为四角形状，那么小型透镜体的形状也最好也为四角形状，从而使光损失最小化。

在图1的实例中使用了双面都有小透镜体的双面型复眼透镜，也可以使用单面型复眼透镜。

两片物镜(40)是将经过光束整形器整形的光线用光调制器(60)进行集束的透镜，一般由两片组成，通过调节两片透镜之间的距离达到更加准确的聚焦。

光调制器(60)是指将入射的光线进行甄别性通过、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7所示。

图2是投射透镜的一个例子，示出了构成投射透镜的多个透镜的结构。图2的实例中只标识了5个透镜，但实际上根据所需的放大倍率和投射距离，会有很多形态和数量的透镜的组合。要想在短距离中在屏幕上投射出大画面，就需要很高的倍率，这也意味着透镜的曲度增加。透镜曲度的增加会引发相应的像差(包括单色像差和因波长不同而引起的像差)，为了纠正像差，通常需要增加透镜的数量，因而投射透镜会变得更大和更长。因此，在限定的内体积中可供使用的投射距离和倍率是有限的，微型投影机一般会使用4～6个透镜。

投射透镜是光学引擎中最厚的部件之一，如果有轴偏移量(Offset)的话则将变得更厚。图3展示了当使用100％轴偏移量的时候，光调制器(60)成型的图像会显示到屏幕(80)的哪个位置上面。

光调制器(60)位于投射透镜入射边的中轴下方，则经过投射透镜放大投射出的图像会显示在轴线上方，因此就能够做到将微型投影机平放到桌面上或台架上即可正常显示。如果减少轴偏移量的话，投射出的图像下缘会照射在水平线下方，此时图像就会被水平线遮断掉一部分。相反，如果将轴偏移量增加的话，图像就会显示到水平线的更加上方。因此，在投射透镜的制作中适当地使用轴偏移量是必须的，但使用轴偏移量的同时也会导致整个投射透镜的厚度。怎样减少投射透镜的厚度，即变成非常重要的问题。

为此，本实用新型实施方式着眼于最终显示的四方形图像和圆形的投射透镜之间的差异(透镜面积的利用率)，来实现减少厚度的方法。图4是图像投影的时候根据投射透镜的投影面(701)和图像实际显示的有效区域(702)的示意图。(a)是轴偏移量为′0′的情况，(b)是轴偏移量为100％时候的有效区域。如图4所示，投射透镜的投影面并不是完全被利用的，图4中的703区域就是投射透镜的投影面中并不实际使用的部分。

投射透镜是由一组大小不一的多个透镜构成，但实际上对整个厚度产生最大影响的，也就是那些直径最大的透镜，在图2中可以看出，这里指的就是投射透镜内部最左边的和最右边的两个大透镜。因此，将上述大透镜的无效部分(图4中703标识的区域)削除就能够减少整体投射透镜的厚度，投射透镜镜筒的结构也会变成圆柱形削除横截面两端的扁状体，进而减少光学引擎的体积。

但另一方面，传统方式中投射透镜的调焦是通过将圆形镜筒(图中未标识)进行旋转，根据其旋转来调节投射透镜内部的各子镜之间的距离来实现的。因此，在需要投射透镜旋转的情况中，就不能将上述对透镜的一部分进行削除。所谓旋转，就是要求结构在360度全方位中都完全一致才行。

为了在固定框架上下端的一部分被去除的前提下，仍可以实现投射透镜的固定和变焦功能，本实施方式中投射透镜的镜筒能够在预先设定的两个聚焦距离之间以滑动方式前后移动以实现变焦。本实施方式中预先设定的两个聚焦距离所对应的投影像大小为10英寸和40英寸。这是两个人们主要使用的投影画面大小。当然，使用其它的聚焦距离作为变化范围也是可以的。

图5是在光学引擎结构中用来固定投射透镜的传统样式的框架的简略示意图。图6则是本实用新型实施方式的一个实例，即：将投射透镜的上下一定部分予以截除，投射透镜的镜筒不是以旋转而是用滑动来实现前后位移的改良型框架的示意图，图中可以看出，围绕着投射透镜的固定框架也随着透镜的改良相同地截除了上下端的一部分。传统形式的固定框架，因为必须围绕投射透镜进行保护所以在投射透镜的厚度外还要加上固定框架的厚度，但是在本实用新型中使用了滑动式位移设计，即使框架上下端的一部分结构可以省略掉，同样可以实现投射透镜的固定和变焦功能。

本实施方式中，通过将投射透镜及其镜筒的侧面制成一个或多个平面，使作为光学引擎中最大体积部分之一的投射透镜的体积得以缩小，从而实现了微型投影机的体积(特别是厚度)的缩小。

本实施方式中，投射透镜的侧面存在两个互相平行的平面。在本实用新型的其它实施方式中，也可以只有一个平面，或有更多的数目，如4个平面，同样可以起到减少微型投影机体积的作用。

本实用新型第二实施方式涉及一种微型投影机用光学引擎。第二实施方式与第一实施方式基本相同，区别主要在于：

在第一实施方式中，投射透镜是变焦的，投射透镜的镜筒能够在预先设定的两个聚焦距离之间以滑动方式前后移动以实现变焦。

然而在第二实施方式中，投射透镜为固定焦距，投射透镜的镜筒固定附着于固定框架。

通过固定投射透镜的镜筒而使投射透镜保持预设的固定焦距，可以避免因投射透镜非轴对称而导致的无法以旋转方式变焦的问题。

本实施方式中的光源中激光光源，激光是一种集光率(散射光收集能力，etendue)相当小的光，所以成像面移动引起的焦点错觉容差大小非常有限。换句话说就是光的发散角小，所以屏幕偏离投射透镜焦平面距离较大时，人的肉眼才会明显察觉到聚焦的变化。因此，在设定一定投影距离的前提下固定住投射透镜，用户们也不会感觉到什么不便，实际上投射透镜在焦平面附近相当大的一个距离范围内都可以有较好的聚焦效果。

虽然通过参照本实用新型的某些优选实施方式，已经对本实用新型进行了图示和描述，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，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (8)

1.一种微型投影机用光学引擎，包括：至少一个光源，利用所述光源发出的光生成图象的光调制器，和对该光解调器所生成的图象进行放大投射的投射透镜，其特征在于，所述投射透镜的侧面存在至少一个平面。

2.根据权利要求1所述的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述投射透镜的侧面存在两个互相平行的平面。

3.根据权利要求2所述的微型投影机用光学引擎，其特征在于，还包括用于固定所述投射透镜的固定框架，该固定框架的圆形镜筒的上下两端被削除。

4.根据权利要求1至3中任一项所述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。

5.根据权利要求4所述的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述投射透镜为固定焦距，所述投射透镜的镜筒固定附着于所述固定框架。

6.根据权利要求4所述的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述投射透镜是变焦的，所述投射透镜的镜筒能够在预先设定的两个聚焦距离之间以滑动方式前后移动以实现变焦。

7.根据权利要求6所述的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述预先设定的两个聚焦距离所对应的投影像大小为10英寸和40英寸。

8.根据权利要求1至3中任一项所述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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