專利名稱：反射型光學引擎的制作方法
技術領域：
本發明涉及便攜式微型投影機，特別涉及便攜式微型投影機的微型化技術。
背景技術：
為了將相對于手掌還要小的便攜式微型投影機或者對筆記本等設備進行嵌入式 設計的投影儀進行實用化，就需要開發出體積小的投影機用光學引擎。傳統的反射型光學引擎的結構如圖1所示，其中IOR為紅光源，IOG為綠光源，IOB 為藍光源，20為漫射體，30為光束整形器，40為物鏡，50R、50G和50B為紅、綠和藍的分色 鏡，60為光調制器，70為投射透鏡，80為偏振分光鏡(Polarizing Beam Splitter，簡稱 “PBS”)。為了減少反射型光學引擎的體積，就要將光學引擎系統的結構進行簡化。但是將光源射出的光入射到形成圖象的光調制器之前，必須要將光束的形狀進行 轉換，以適應光調制器有效區域的形狀。起到這種作用的元件，就叫做光束整形器(Beam shaper)。為了將通過光束整形器的有效圖象的面光源大小調整到比有效區域略微大一點 的面積，就需要兩張物鏡。到達光調制器的面光源面積，是由光束整形器和這兩張物鏡之間 的距離來決定的。如何將到達光調制器的面光源面積有效地調整到所需的面積，是影響光學引擎效 率高低的重要因素。但是，為了達到以上效果，需要三種光學元件(光束整形器和兩張物 鏡)按照一定的間隔距離排位，這就造成了光學引擎體積的增加。
發明內容
本發明的目的在于提供一種反射型光學引擎，能夠減少光學引擎的體積。為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種反射型光學引擎，包括至少一個光源；光調制器，利用光源發出的光生成圖象；投射透鏡，對光調制器所生成的圖象進行放大投射；偏振分光鏡，位于光調制器和投射投鏡之間；物鏡，包括至少兩個透鏡，用于對要進入光調制器的光線進行集束，物鏡中至少有 一個透鏡安裝在偏振分光鏡的光源一側，并且至少有一個透鏡安裝在偏振分光鏡的光調制 器一側。本發明實施方式與現有技術相比，主要區別及其效果在于在兩個物鏡所必須保持的間隔距離中放置偏振分光鏡，以共用空間，既維持了兩 個物鏡之間所需的間隔距離，同時也節約了空間，從而減少了光學引擎的體積。此外，安裝 在偏振分光鏡的光調制器一側的透鏡同時可以起到投射透鏡的第一塊透鏡的作用，這樣可 以從必須由多個透鏡組成的投射透鏡中省掉一個透鏡，達到了縮小投射透鏡體積的作用， 從而進一步減少了光學引擎的體積。進一步地，通過將物鏡中的一個或多個透鏡與偏振分光鏡進行一體化成型，可以提高光學引擎組裝的精度。進一步地，通過將偏振分光鏡與光調制器之間的光學元件與偏振分光鏡進行一體化成型，能夠將液晶光閥更加接近偏振分光鏡來布置，從而進一步減少了光學引擎的體積， 此外，組裝光學引擎時的對準會變得簡單，因為只需將光調制器對偏振分光鏡進行對準，操 作更容易。進一步地，通過在光源和光調制器之間弓I入光束整形器，可以將光源射出的光束 整形成適應光調制器的入射面形狀，從而提高光效率。進一步地，光束整形器的兩面都構成了復眼透鏡，從而以有限的體積提高了光束 整形的效果。
圖1是傳統的反射型光學引擎的簡略示意圖；圖2是本發明第一實施方式中反射型光學引擎的概略圖；圖3是本發明第二實施方式中反射型光學引擎的概略圖；圖4是本發明第三實施方式中反射型光學引擎的概略圖；圖5是本發明第四實施方式中反射型光學引擎的概略圖。
具體實施例方式在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，本 領域的普通技術人員可以理解，即使沒有這些技術細節和基于以下各實施方式的種種變化 和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的實施 方式作進一步地詳細描述。本發明第一實施方式涉及一種反射型光學引擎，其結構如圖2所示。該反射型光學引擎包括R光源(IOR)，G光源(IOG)，B光源(IOB)，分色鏡50R、 40G、50B，漫射體(20)，光束整形器(30)，物鏡(40_1，40_2)，光調制器(60)，投射透鏡(70)， 偏振分光鏡(80)，其中R代表紅色，G代表綠色，B代表藍色。R/G/B光源依次照射R/G/B光，具體地說，把照射一個幀的時間設為T，T/3的時間 照射R光源，接著的T/3的時間照射G光源，再接著的T/3時間照射B光源。可以理解，光 源也可以按照其它順序依次照射，如B/G/R等。雖然本實施方式中使用了三個激光光源，但本發明并不限于激光光源，光源的數 目也不限于三個。例如，在本發明的其它一些實施方式中，可以使用發光二級管(Light Emitting Diode，簡稱“LED”)光源，或者激光與LED的混合光源。光源也可以是一個，或者 其它的數目。三個光源(10R，10G, 10B)被各自的分色鏡50R，50G, 50B反射或是透射到漫射體 (20)。分色鏡50G起到反射G光源(從IOG照射出的綠色激光)并讓剩余光線透過的作 用，分色鏡50G也可以使用能夠將普通可視光線全部予以反射的一般鏡子。分色鏡50R起 到反射R光源(從IOR照射出的紅色激光)、通過剩余波長范圍的光線的作用，分色鏡50B起到反射R光源(從IOB照射出的藍色激光)通過剩余波長范圍光線的作用。漫射體(20)垂直于光軸振動，因此通過漫射體(20)的時候，光的隨機性 (Randomness)會得到增加。這種漫射體，是為了消除激光特有的激光散斑(Speckle)而設 置的裝置，用以減少激光光線的連貫性(Coherence)特征來達到減少激光散斑的目的。通過漫射體(20)的光會通過光束整形器(Beam Shaper)以轉變光束形狀。
本實施方式中，光束整形器(30)是復眼透鏡，該復眼透鏡的表面有多個小型透鏡 體以矩陣形式排列，光束整形器(30)的作用是將光源射出的光束整形成適應光調制器的 入射面形狀，從而提高光效率。在使用激光光源的本實施方式中，光束整形器由多個小透鏡體組成，直徑 80-500um,從而使光束更容易整形。這是因為小型透鏡的直徑小于80um的話會因為激光的 連貫性在光束里產生格子紋路，并且在現有技術下很難制做出比80um還小的光滑面的透 鏡構造。直徑變大的話光束整形器的效果會減弱，得不到超小型光學引擎所需的均勻光源， 所以用500um以下為好。各小透鏡體由多種不同大小的小透鏡混合組成，從而使激光散斑得以減少。小透鏡體形狀與光調制器有效區域的形狀一致，從而使光損失降到最低。在本發明的其它實施方式中，光束整形器也可以不由復眼透鏡構成，而是只由一 個或兩個小透鏡構成。本實施方式中，光束整形器(30)在兩面都構成了復眼透鏡，在兩面成型的多個小 型透鏡體分別一一對應，從而以有限的體積提高了光束整形的效果。在本發明的其它實施 方式中，也可以使用2枚單面復眼透鏡。物鏡(40-1，40-2)是將經過光束整形器整形的光線進行集束的透鏡，一般由兩個 透鏡組成，通過調節兩個透鏡之間的距離可以達到更加準確的聚焦。光調制器(60)是指將入射的光線進行選擇性通過、阻斷或改變光徑來形成影像 圖片的元件。光調制器(60)的典型實例有數字微鏡器件(DigitalMicromirror Device, 簡稱 “DMD”)、液晶顯示(Liquid Crystal Display，簡稱 “LCD”)元件、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，簡稱 “LCOS”)等等。DMD是用在數字光處理(Digital Light Processing，簡稱“DLP”)投影機的元件， 它利用場時序(field sequential)的驅動方式，使用與像素數量一樣多的矩陣形態排列的 數碼鏡(DIGITAL MIRROR)。DLP是指從光源照射出的光用數碼鏡來調節光徑，并用隔板反 射來達到漸變(Gradation)或形成圖象的投影儀。液晶顯示元件(IXD)是指選擇性地開/關液晶來形成圖象的元件。使用IXD元件 的投影機中，有直視型(direct-view)、投射型以及反射型。直視型投影是液晶顯示元件后 面的背景光通過LCD面板形成圖象并可以直接觀察的方式；投射型投影是將通過液晶顯示 元件形成的圖象利用投射透鏡放大后投射到屏幕，觀察從屏幕反射的圖象的方式；反射型 與投射型的結構基本相同，區別之處在于，反射型在LCD下面基板上設有反射膜，反射的光 線被放大投射到屏幕上。LCOS屬于反射型液晶顯示，它將以往液晶顯示端的兩面基板中的下方基板由透明 的玻璃改為硅基板，從而用反射型方式運作。偏振分光鏡(80)是起到將入射光傳遞到光調制器(60)的作用的光學元件，其玻璃材質的六面體內，偏光分離膜以對角線分布，是反射型光學引擎所必須的一個光學元件。入射光到達偏振分光鏡(80)的偏光分離膜上，S偏光會通過而丟棄，而P偏光則 會被反射到光調制器的方向。因此，從光源(10)出來的光線，需要在光路上的某一位置轉 換(Conversion)成線偏振光的形態才能維持光效率。但是，出自激光光源的光線自身的偏 振比高達數百比一，所以并不需要額外添加用來形成線偏振光的光學元件。如此進入光調制器的P偏光，會在出光調制器時形成S偏光，轉換成S偏光的圖象 光則再一次地入射到偏振分光鏡(80)中，與偏振分離膜相接觸。這時圖象光全部是S偏光， 因此會被偏光分離膜全部透射，入射到投射透鏡(70)中。投射透鏡(70)由多個透鏡構成，將由光調制器(60)形成的圖象向屏幕(圖中未 標識)上放大投射。因為第一、第二物鏡要保持規定的間隔距離，因此本實施方式中將偏振分光鏡 (80)放在第一物鏡(40-1)和第二物鏡(40-2)之間。其中，第一物鏡(40-1)安裝在偏振分 光鏡(80)的光源一側，而第二物鏡(40-2)安裝在偏振分光鏡(80)的光調制器(60) —側。利用這種布置，在兩個物鏡之間所必須保持的間隔距離中放置偏振分光鏡，以共 用空間，既維持了兩個物鏡之間所需的間隔距離，同時也節約了空間，從而減少了光學引擎 的體積。此外，這種方案還有另一個優點。因為是反射型光調制器，因此從光的路徑上會兩 次通過第二物鏡(40-2)，第一次通過的時候會起到入射光的面積大小調整到光調制器有效 區域的作用，第二次通過的時候則會起到投射透鏡的第一個透鏡的作用。因此這樣可以從 必須由多個透鏡組成的投射透鏡中省掉一個透鏡，達到了縮小投射透鏡體積的作用，從而 進一步減少了光學引擎的體積。本發明第二實施方式涉及一種反射型光學引擎，第二實施方式在第一實施方式的 基礎上進行了改進。第一實施方式的問題在于物鏡必須由框架來固定，這樣會導致光學引擎體積的增 加，此外，隨著到達光調制器的光的路徑長度增加，光的損耗也會增加。同時對于微型投影機的超小型光學引擎來說，對于透鏡位置的容差要求很高，在 組裝的時候對準(Alignment)存在很大困難。因此，考慮到光效率，光調制器(60)須盡可能地靠近偏振分光鏡(80)，并且需要 進一步縮小光學引擎的體積。第二實施方式中，將作為反射型光調制器的液晶光閥和偏振分光鏡(80)之間的 光學元件，與偏振分光鏡(80)進行了一體化成型。具體地說，安裝在偏振分光鏡的光調制 器一側的一個透鏡(相當于圖2中的40-2)與偏振分光鏡(80)是一體化成型的，其結構如 圖3所示。圖3中，偏振分光鏡與光調制器之間不存在獨立的光學元件。通過將偏振分光鏡 與光調制器之間的光學元件與偏振分光鏡進行一體化成型，能夠將液晶光閥更加接近偏振 分光鏡來布置，從而進一步減少了光學引擎的體積，此外，組裝光學引擎時的對準會變得簡 單，因為只需將光調制器對偏振分光鏡進行對準，操作更容易。本發明第三實施方式涉及一種反射型光學引擎。第三實施方式在第一實施方式的 基礎上進行了另一種改進，主要改進之處在于安裝在偏振分光鏡的光源一側的一個透鏡(相當于圖2中的40-1)與偏振分光鏡(80)是一體化成型的，如圖4所示，這種一體化也會 降低組裝光學引擎時對準的難度。本發明第四實施方式涉及一種反射型光學引擎。第四實施方式也在第一實施方式 的基礎上進行了改進，主要改進之處在于物鏡包括至少三塊透鏡(40-4、40_5和40_6)，其中安裝在偏振分光鏡的光調制器 一側的一個透鏡(40-6)和安裝在偏振分光鏡的光源一側的一個透鏡(40-5)共同與偏振分 光鏡(80)進行一體化成型，如圖5所示。這種方案能夠將液晶光閥更加接近偏振分光鏡來 布置，從而進一步減少光學引擎的體積，此外，組裝光學引擎時的對準會變得簡單，因為只 需將光調制器對偏振分光鏡進行對準，操作更容易。雖然通過參照本發明的某些優選實施方式，已經對本發明進行了圖示和描述，但 本領域的普通技術人員應該明白，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發 明的精神和范圍。
權利要求
一種反射型光學引擎，包括至少一個光源；光調制器，利用所述光源發出的光生成圖象；投射透鏡，對所述光調制器所生成的圖象進行放大投射；偏振分光鏡，位于所述光調制器和投射投鏡之間；物鏡，包括至少兩個透鏡，用于對要進入所述光調制器的光線進行集束；其特征在于，所述物鏡中至少有一個透鏡安裝在所述偏振分光鏡的光源一側，并且至少有一個透鏡安裝在所述偏振分光鏡的光調制器一側。
2.根據權利要求1所述的反射型光學引擎，其特征在于，所述物鏡的至少一個透鏡與 所述偏振分光鏡是一體化成型的。
3.根據權利要求2所述的反射型光學引擎，其特征在于，安裝在所述偏振分光鏡的光 調制器一側的一個透鏡與所述偏振分光鏡是一體化成型的。
4.根據權利要求2所述的反射型光學引擎，其特征在于，安裝在所述偏振分光鏡的光 源一側的一個透鏡與所述偏振分光鏡是一體化成型的。
5.根據權利要求2所述的反射型光學引擎，其特征在于，所述物鏡包括至少三塊透鏡， 其中安裝在所述偏振分光鏡的光調制器一側的一個透鏡和安裝在所述偏振分光鏡的光源 一側的一個透鏡共同與所述偏振分光鏡一體化成型。
6.根據權利要求3或5所述的反射型光學引擎，其特征在于，所述偏振分光鏡與所述光 調制器之間不存在獨立的光學元件。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的反射型光學引擎，其特征在于，還包括光束整形器，位于所述光源和物鏡之間，用于將所述光源射出的光束轉換成光調制器 的有效區域形狀；所述光束整形器是復眼透鏡，該復眼透鏡的表面有以矩陣形式排列的多個小型透鏡體。
8.根據權利要求7所述的反射型光學引擎，其特征在于，所述光束整形器在兩面都構 成了復眼透鏡，在兩面成型的多個小型透鏡體分別一一對應。
9.根據權利要求1至5中任一項所述的反射型光學引擎，其特征在于，所述光源有多 個，各光源中包括至少一個激光光源，或者各光源中包括至少一個發光二級管光源。
10.根據權利要求9所述的反射型光學引擎，其特征在于，所述光調制器是以下之一 液晶顯示元件、數字微鏡器件、硅基液晶；所述光調制器以場時序方式對多個光源進行調制。
全文摘要
本發明涉及便攜式微型投影機，公開了一種反射型光學引擎。本發明中，在兩個物鏡所必須保持的間隔距離中放置偏振分光鏡，以共用空間，既維持了兩個物鏡之間所需的間隔距離，同時也節約了空間，從而減少了光學引擎的體積。還可以將物鏡中的一個或多個透鏡與偏振分光鏡進行一體化成型，以提高光學引擎組裝的精度。通過將偏振分光鏡與光調制器之間的光學元件與偏振分光鏡進行一體化成型，能夠將液晶光閥布置得更加接近偏振分光鏡。
文檔編號G02B27/09GK101825830SQ200910056929
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者李東珍, 林倫辰, 金城守 申請人:上海三鑫科技發展有限公司