CN201408314Y - 反射型光学引擎 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及便携式微型投影机，公开了一种反射型光学引擎。本实用新型中，在两个物镜所必须保持的间隔距离中放置偏振分光镜，以共用空间，既维持了两个物镜之间所需的间隔距离，同时也节约了空间，从而减少了光学引擎的体积。还可以将物镜中的一个或多个透镜与偏振分光镜进行一体化成型，以提高光学引擎组装的精度。通过将偏振分光镜与光调制器之间的光学元件与偏振分光镜进行一体化成型，能够将液晶光阀布置得更加接近偏振分光镜。

Description

反射型光学引擎

技术领域

本实用新型涉及便携式微型投影机，特别涉及便携式微型投影机的微型化技术。

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。

传统的反射型光学引擎的结构如图1所示，其中10R为红光源，10G为绿光源，10B为蓝光源，20为漫射体，30为光束整形器，40为物镜，50R、50G和50B为红、绿和蓝的分色镜，60为光调制器，70为投射透镜，80为偏振分光镜(Polarizing Beam Splitter，简称“PBS”)。为了减少反射型光学引擎的体积，就要将光学引擎系统的结构进行简化。

但是将光源射出的光入射到形成图象的光调制器之前，必须要将光束的形状进行转换，以适应光调制器有效区域的形状。起到这种作用的元件，就叫做光束整形器(Beam shaper)。为了将通过光束整形器的有效图象的面光源大小调整到比有效区域略微大一点的面积，就需要两张物镜。到达光调制器的面光源面积，是由光束整形器和这两张物镜之间的距离来决定的。

如何将到达光调制器的面光源面积有效地调整到所需的面积，是影响光学引擎效率高低的重要因素。但是，为了达到以上效果，需要三种光学元件(光束整形器和两张物镜)按照一定的间隔距离排位，这就造成了光学引擎体积的增加。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种反射型光学引擎，能够减少光学引擎的体积。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种反射型光学引擎，包括：

至少一个光源；

光调制器，利用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；

偏振分光镜，位于光调制器和投射投镜之间；

物镜，包括至少两个透镜，用于对要进入光调制器的光线进行集束，物镜中至少有一个透镜安装在偏振分光镜的光源一侧，并且至少有一个透镜安装在偏振分光镜的光调制器一侧。

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：

在两个物镜所必须保持的间隔距离中放置偏振分光镜，以共用空间，既维持了两个物镜之间所需的间隔距离，同时也节约了空间，从而减少了光学引擎的体积。此外，安装在偏振分光镜的光调制器一侧的透镜同时可以起到投射透镜的第一块透镜的作用，这样可以从必须由多个透镜组成的投射透镜中省掉一个透镜，达到了缩小投射透镜体积的作用，从而进一步减少了光学引擎的体积。

进一步地，通过将物镜中的一个或多个透镜与偏振分光镜进行一体化成型，可以提高光学引擎组装的精度。

进一步地，通过将偏振分光镜与光调制器之间的光学元件与偏振分光镜进行一体化成型，能够将液晶光阀更加接近偏振分光镜来布置，从而进一步减少了光学引擎的体积，此外，组装光学引擎时的对准会变得简单，因为只需将光调制器对偏振分光镜进行对准，操作更容易。

进一步地，通过在光源和光调制器之间引入光束整形器，可以将光源射出的光束整形成适应光调制器的入射面形状，从而提高光效率。

进一步地，光束整形器的两面都构成了复眼透镜，从而以有限的体积提高了光束整形的效果。

附图说明

图1是传统的反射型光学引擎的简略示意图；

图2是本实用新型第一实施方式中反射型光学引擎的概略图；

图3是本实用新型第二实施方式中反射型光学引擎的概略图；

图4是本实用新型第三实施方式中反射型光学引擎的概略图；

图5是本实用新型第四实施方式中反射型光学引擎的概略图。

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。

本实用新型第一实施方式涉及一种反射型光学引擎，其结构如图2所示。

该反射型光学引擎包括：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(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。

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LED的混合光源。光源也可以是一个，或者其它的数目。

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(Beam Shaper)以转变光束形状。

本实施方式中，光束整形器(30)是复眼透镜，该复眼透镜的表面有多个小型透镜体以矩阵形式排列，光束整形器(30)的作用是将光源射出的光束整形成适应光调制器的入射面形状，从而提高光效率。

在使用激光光源的本实施方式中，光束整形器由多个小透镜体组成，直径80-500um，从而使光束更容易整形。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。

小透镜体形状与光调制器有效区域的形状一致，从而使光损失降到最低。

在本实用新型的其它实施方式中，光束整形器也可以不由复眼透镜构成，而是只由一个或两个小透镜构成。

本实施方式中，光束整形器(30)在两面都构成了复眼透镜，在两面成型的多个小型透镜体分别一一对应，从而以有限的体积提高了光束整形的效果。在本实用新型的其它实施方式中，也可以使用2枚单面复眼透镜。

物镜(40-1，40-2)是将经过光束整形器整形的光线进行集束的透镜，一般由两个透镜组成，通过调节两个透镜之间的距离可以达到更加准确的聚焦。

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偏光会通过而丢弃，而P偏光则会被反射到光调制器的方向。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。

如此进入光调制器的P偏光，会在出光调制器时形成S偏光，转换成S偏光的图象光则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S偏光，因此会被偏光分离膜全部透射，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。

因为第一、第二物镜要保持规定的间隔距离，因此本实施方式中将偏振分光镜(80)放在第一物镜(40-1)和第二物镜(40-2)之间。其中，第一物镜(40-1)安装在偏振分光镜(80)的光源一侧，而第二物镜(40-2)安装在偏振分光镜(80)的光调制器(60)一侧。

利用这种布置，在两个物镜之间所必须保持的间隔距离中放置偏振分光镜，以共用空间，既维持了两个物镜之间所需的间隔距离，同时也节约了空间，从而减少了光学引擎的体积。

此外，这种方案还有另一个优点。因为是反射型光调制器，因此从光的路径上会两次通过第二物镜(40-2)，第一次通过的时候会起到入射光的面积大小调整到光调制器有效区域的作用，第二次通过的时候则会起到投射透镜的第一个透镜的作用。因此这样可以从必须由多个透镜组成的投射透镜中省掉一个透镜，达到了缩小投射透镜体积的作用，从而进一步减少了光学引擎的体积。

本实用新型第二实施方式涉及一种反射型光学引擎，第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进。

第一实施方式的问题在于物镜必须由框架来固定，这样会导致光学引擎体积的增加，此外，随着到达光调制器的光的路径长度增加，光的损耗也会增加。

同时对于微型投影机的超小型光学引擎来说，对于透镜位置的容差要求很高，在组装的时候对准(Alignment)存在很大困难。

因此，考虑到光效率，光调制器(60)须尽可能地靠近偏振分光镜(80)，并且需要进一步缩小光学引擎的体积。

第二实施方式中，将作为反射型光调制器的液晶光阀和偏振分光镜(80)之间的光学元件，与偏振分光镜(80)进行了一体化成型。具体地说，安装在偏振分光镜的光调制器一侧的一个透镜(相当于图2中的40-2)与偏振分光镜(80)是一体化成型的，其结构如图3所示。

图3中，偏振分光镜与光调制器之间不存在独立的光学元件。通过将偏振分光镜与光调制器之间的光学元件与偏振分光镜进行一体化成型，能够将液晶光阀更加接近偏振分光镜来布置，从而进一步减少了光学引擎的体积，此外，组装光学引擎时的对准会变得简单，因为只需将光调制器对偏振分光镜进行对准，操作更容易。

本实用新型第三实施方式涉及一种反射型光学引擎。第三实施方式在第一实施方式的基础上进行了另一种改进，主要改进之处在于：安装在偏振分光镜的光源一侧的一个透镜(相当于图2中的40-1)与偏振分光镜(80)是一体化成型的，如图4所示，这种一体化也会降低组装光学引擎时对准的难度。

本实用新型第四实施方式涉及一种反射型光学引擎。第四实施方式也在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：

物镜包括至少三块透镜(40-4、40-5和40-6)，其中安装在偏振分光镜的光调制器一侧的一个透镜(40-6)和安装在偏振分光镜的光源一侧的一个透镜(40-5)共同与偏振分光镜(80)进行一体化成型，如图5所示。这种方案能够将液晶光阀更加接近偏振分光镜来布置，从而进一步减少光学引擎的体积，此外，组装光学引擎时的对准会变得简单，因为只需将光调制器对偏振分光镜进行对准，操作更容易。

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 (10)

1.一种反射型光学引擎，包括：

至少一个光源；

光调制器，利用所述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；

偏振分光镜，位于所述光调制器和投射投镜之间；

物镜，包括至少两个透镜，用于对要进入所述光调制器的光线进行集束；

其特征在于，所述物镜中至少有一个透镜安装在所述偏振分光镜的光源一侧，并且至少有一个透镜安装在所述偏振分光镜的光调制器一侧。

2.根据权利要求1所述的反射型光学引擎，其特征在于，所述物镜的至少一个透镜与所述偏振分光镜是一体化成型的。

3.根据权利要求2所述的反射型光学引擎，其特征在于，安装在所述偏振分光镜的光调制器一侧的一个透镜与所述偏振分光镜是一体化成型的。

4.根据权利要求2所述的反射型光学引擎，其特征在于，安装在所述偏振分光镜的光源一侧的一个透镜与所述偏振分光镜是一体化成型的。

5.根据权利要求2所述的反射型光学引擎，其特征在于，所述物镜包括至少三块透镜，其中安装在所述偏振分光镜的光调制器一侧的一个透镜和安装在所述偏振分光镜的光源一侧的一个透镜共同与所述偏振分光镜一体化成型。

6.根据权利要求3或5所述的反射型光学引擎，其特征在于，所述偏振分光镜与所述光调制器之间不存在独立的光学元件。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的反射型光学引擎，其特征在于，还包括：

光束整形器，位于所述光源和物镜之间，用于将所述光源射出的光束转换成光调制器的有效区域形状；

所述光束整形器是复眼透镜，该复眼透镜的表面有以矩阵形式排列的多个小型透镜体。

8.根据权利要求7所述的反射型光学引擎，其特征在于，所述光束整形器在两面都构成了复眼透镜，在两面成型的多个小型透镜体分别一一对应。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的反射型光学引擎，其特征在于，所述光源有多个，各光源中包括至少一个激光光源，或者各光源中包括至少一个发光二级管光源。

10.根据权利要求9所述的反射型光学引擎，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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