CN201556018U - 一种微型单片lcos投影光机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种微型单片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
技术领域
本实用新型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。
实用新型内容
为解决现有技术存在的上述缺陷,本实用新型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,本实用新型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[U6]以及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,拨动调焦轮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。
本实用新型的优点在于:
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、本实用新型具有结构紧凑、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
下面结合附图对本实用新型的具体实施例作进一步详细的说明。
图1是本实用新型的微型单片LCOS投影光机结构示意图。
图2是本实用新型的微型单片LCOS投影光机光学系统图。
图3是本实用新型的微型单片LCOS投影光机投影镜头光线轨迹图。
图4是本实用新型的微型单片LCOS投影光机投影镜头MTF图。
图5是本实用新型的微型单片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。
本实用新型的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。
本实用新型在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[U6]以及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,拨动调焦轮[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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CN102062635A (zh) * | 2010-12-02 | 2011-05-18 | 北京心润心激光医疗设备技术有限公司 | 激光功率监测装置 |
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