專利名稱：一種微型單片lcos投影光機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適合內(nèi)置于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、掌 上投影機(jī)等產(chǎn)品內(nèi)的微型單片LCOS投影光機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著LED光源技術(shù)在近幾年發(fā)展的突飛猛進(jìn)，其用于微型投影儀的趨勢(shì)更是十分 明顯和潛力巨大，使得微型光學(xué)投影機(jī)在未來(lái)幾年內(nèi)將出現(xiàn)爆炸式的市場(chǎng)需求。近年來(lái)，美 國(guó)德州儀器公司專門針對(duì)微型投影領(lǐng)域開發(fā)了 0. 17”、0.2”等DMD微型芯片，但由于其DMD 的高昂成本難以在短時(shí)間內(nèi)使微型投影光學(xué)引擎大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)。目前，臺(tái)灣一些LCOS芯 片廠家如立景公司開發(fā)的0. 38”、0. 44”等單片微型LCOS芯片在成本上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，使 得單片LCOS微型光學(xué)引擎成為目前開發(fā)的熱點(diǎn)，各種針對(duì)微型光引擎的技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品 層出不窮。目前，由于受LED光源的光效率限制，微型光學(xué)引擎的光輸出大多還在10流明 以下，因此，為了提高微型光引擎的整體性能，需要最大可能的提高相關(guān)元件的技術(shù)水平， 同時(shí)，還要降低產(chǎn)品的成本。在現(xiàn)有公開的關(guān)于微型單片LCOS的光學(xué)引擎文獻(xiàn)中，由于LCOS使用的是偏振光， 因此，大部分采用的玻璃PBS棱鏡系統(tǒng)，而玻璃PBS棱鏡為了保證性能的提高，一般采用的 是價(jià)格昂貴的肖特SF57材料，這在成本上是一個(gè)劣勢(shì)?，F(xiàn)在一些廠家也在積極開發(fā)價(jià)格十 分便宜的塑料PBS膜用于微型光學(xué)引擎產(chǎn)品，如美國(guó)的3M公司就擁有獨(dú)家鍍膜技術(shù)的塑料 PBS膜。另外，由于目前的LCOS芯片多長(zhǎng)寬比為4 3或16 9，因此，為了有效的利用光 源能量，就存在對(duì)照明光束的整形問(wèn)題，一些廠家開發(fā)的微型投影機(jī)出于成本的考慮，對(duì)照 明光束缺少整形措施，這在一定程度上降低對(duì)光源能量的利用效率。對(duì)于光引擎主要部件 的投影鏡頭，為了保持在一定范圍的高質(zhì)量成像，一般將采用6-8片玻璃透鏡，這對(duì)微型投 影光引擎也帶來(lái)一定的成本壓力，受光學(xué)擴(kuò)展量的限制，投影光學(xué)鏡頭的相對(duì)口徑不能大 于2. 4，因此，投影鏡頭的設(shè)計(jì)方案十分重要。微型光學(xué)引擎在未來(lái)的發(fā)展中面臨的技術(shù)問(wèn)題主要有，系統(tǒng)的光輸出偏低，在有 限的范圍內(nèi)如何降低系統(tǒng)的熱量及整機(jī)的可靠性問(wèn)題，這也是制約微型光學(xué)引擎發(fā)展的瓶 頸問(wèn)題。

實(shí)用新型內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠與單片LCOS 數(shù)字圖像芯片相匹配，采用單顆LED光源照明，可嵌入手機(jī)、數(shù)碼像機(jī)以及掌上投影儀，且 結(jié)構(gòu)緊湊、適合批量生產(chǎn)要求的單片LCOS微型光學(xué)引擎。為達(dá)到這樣的目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案是該微型單片LCOS投影光 機(jī)，具有照明系統(tǒng)、PBS分光鏡、場(chǎng)鏡、LCOS芯片和投影鏡頭，其特征在于所述投影鏡頭 [LENS]、PBS分光鏡[TO]、場(chǎng)鏡[U6]以及LCOS芯片[U7]沿系統(tǒng)成像光軸從屏幕側(cè)向像平 面?zhèn)鹊捻樞蚺帕校籔BS分光鏡[U5]與成像光軸成45度夾角；所述照明系統(tǒng)由LED光源透鏡[U9]、第1聚光鏡[U10]、柱面透鏡[U11]、第2聚光鏡[U12]沿照明系統(tǒng)光軸順序排列，照 明系統(tǒng)光軸與成像光路光軸成90度；所述PBS分光鏡[TO]、場(chǎng)鏡[U6]以及LCOS芯片[U7] 為成像光路和照明光路的共用部份，照明中心光束通過(guò)PBS分光鏡[U5]反射后再通過(guò)場(chǎng)鏡 [U6]垂直照射到LCOS芯片[U7]上，系統(tǒng)通過(guò)投影鏡頭[LENS]沿成像光路的光軸作前后移 動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。 所述投影鏡頭[LENS]包括第一塑料非球面透鏡[U1]、第二塑料非球面透鏡[U2]、 第一膠合透鏡[U3]和第二膠合透鏡[U4]，所述第一塑料非球面透鏡[U1]凹面與第二塑 料非球面透鏡[U2]凹面相對(duì)，所述第一膠合透鏡[U3]在屏幕側(cè)，焦距為正，第二膠合透鏡 [U4]在像面?zhèn)龋咕酁樨?fù)，所述第一膠合透鏡[U3]與第二膠合透鏡[U4]膠合在一起。所述投影鏡頭[LENS]的焦距f 1與場(chǎng)鏡[U6]的焦距f2均為正，并且滿足下列不 等式0. 45 < fl/f2 < 0. 63 要求。所述柱面透鏡[U11]的彎曲方向與照明光束的方向一致。所述投影鏡頭的鏡筒5的側(cè)面設(shè)有齒條，調(diào)焦輪4通過(guò)齒輪與齒條連接，撥動(dòng)調(diào)焦 輪4可帶動(dòng)鏡筒5上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)投影鏡頭[LENS]的調(diào)焦。采用上述技術(shù)方案的有益效果是該微型單片LCOS投影光機(jī)由照明系統(tǒng)、PBS分 光鏡、場(chǎng)鏡、LCOS芯片和投影鏡頭構(gòu)成，微型單片LCOS投影光機(jī)的照明系統(tǒng)由LED光源透鏡 [U9]、聚光鏡1[U10]、柱面透鏡[U11]、聚光鏡2[U12]構(gòu)成，柱面透鏡[U11]的彎曲方向與 照明光束的方向一致，柱面透鏡在系統(tǒng)中的應(yīng)用是對(duì)LED光源的光束進(jìn)行整形，滿足LCOS 芯片的長(zhǎng)寬比，提高光能的利用率。同樣，照明光束經(jīng)過(guò)場(chǎng)鏡后，各個(gè)視場(chǎng)的主光線將垂直 入射到LCOS芯片，提高光能的利用率。為了降低成本，在系統(tǒng)中不采用價(jià)格昂貴的玻璃PBS 棱鏡，而是采用3M公司的塑料PBS膜板，其分光性能滿足系統(tǒng)使用要求，同時(shí)也使光引擎的 重量減輕，制造工藝簡(jiǎn)單。由于成像系統(tǒng)中采用的是塑料PBS膜板，PBS膜板在系統(tǒng)中需要 與成像光軸成45度角度，其厚度將會(huì)影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量，因此，在投影鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì) 時(shí)，需要考慮這種影響，將PBS帶入到系統(tǒng)中進(jìn)行優(yōu)化，補(bǔ)償PBS膜板帶來(lái)的影響，進(jìn)一步提 高圖象清晰度。投影鏡頭中的第一、第二合透鏡[U3]、[U4]構(gòu)成一個(gè)膠合鏡，第一膠合透鏡 [U3]在屏幕側(cè)，焦距為正，膠合透鏡2[U4]在像面?zhèn)?，焦距為?fù)。塑料非球面透鏡[U1]凹面 與塑料非球面透鏡[U2]凹面相對(duì)，這樣可以很好地保證鏡頭的裝配精度及結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易性。 投影鏡頭的鏡筒5的側(cè)面設(shè)有齒條，調(diào)焦輪4通過(guò)齒輪與齒條連接，撥動(dòng)調(diào)焦論4可帶動(dòng)鏡 筒5上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)投影鏡頭[LENS]的調(diào)焦。保證在不同的距離處實(shí)現(xiàn)清晰成像。該系統(tǒng) 成本低、工藝性好，適應(yīng)批量生產(chǎn)。另外，為了在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)LOCS芯片遠(yuǎn)心 照明，在LCOS芯片前放置一透鏡作為場(chǎng)鏡，構(gòu)成整個(gè)投影系統(tǒng)的成像部分，可保證系統(tǒng)得 到更好的像面照度均勻性，投影鏡頭[LENS]的焦距fl與場(chǎng)鏡[U6]的焦距f2均為正，并且 滿足下列不等式0. 45 < fl/f2 < 0. 63。投影鏡頭的鏡筒5的側(cè)面設(shè)有齒條，調(diào)焦輪4通過(guò)齒輪與 齒條連接，撥動(dòng)調(diào)焦論4可帶動(dòng)鏡筒5上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)投影鏡頭[LENS]的調(diào)焦。對(duì)于不同 投影距離，通過(guò)投影鏡頭[LENS]在成像光路的光軸方向上前后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，保證不同投 影距離的清晰成像，也使調(diào)焦機(jī)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1、系統(tǒng)中采用塑料非球面透鏡和柱面透鏡，對(duì)來(lái)自LED光源的光束按照LCOS的長(zhǎng)寬比進(jìn)行光斑整形，提高的光的利用率，減少了系統(tǒng)雜光。2、使用場(chǎng)鏡方案一方面可以使投影鏡頭的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，另一方面可以使場(chǎng)鏡在 照明光束中發(fā)揮作用，對(duì)LED光源的光束利用更有保證，降低了產(chǎn)品成本，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，同 時(shí)也提高了裝配效率。3、系統(tǒng)中未采用價(jià)格昂貴的玻璃PBS棱鏡，以塑料PBS薄膜代替，減輕了系統(tǒng)重 量，同時(shí)也進(jìn)一步降低了成本。4、本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)焦方便、投影圖象清晰等特點(diǎn)。其成品體積為 35mm X 40mm X 13mm。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。


圖1是本實(shí)用新型的微型單片LCOS投影光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的微型單片LCOS投影光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)圖。圖3是本實(shí)用新型的微型單片LCOS投影光機(jī)投影鏡頭光線軌跡圖。圖4是本實(shí)用新型的微型單片LCOS投影光機(jī)投影鏡頭MTF圖。圖5是本實(shí)用新型的微型單片LCOS投影光機(jī)像面照度分布圖。
具體實(shí)施方式
如
圖1、2所示的微型單片LCOS投影光機(jī)，由照明系統(tǒng)、PBS分光鏡、場(chǎng)鏡、LCOS芯 片和投影鏡頭構(gòu)成，上述裝置設(shè)置在光機(jī)主體2上，光機(jī)主體2設(shè)LCOS座1上，所述照明 系統(tǒng)設(shè)置在照明座7上，所述投影鏡頭[LENS]、PBS分光鏡[TO]、場(chǎng)鏡[U6]以及LCOS芯 片[U7]沿系統(tǒng)成像光軸從屏幕側(cè)向像平面?zhèn)鹊捻樞蚺帕?；PBS分光鏡[U5]與成像光軸成 45度夾角；所述照明系統(tǒng)由LED光源、透鏡[U9]、第1聚光鏡[U10]、柱面透鏡[U11]、第2 聚光鏡[U12]沿照明系統(tǒng)光軸順序排列，照明系統(tǒng)光軸與成像光路光軸成90度，柱面透鏡 [U11]的彎曲方向與照明光束的方向一致，上述透鏡設(shè)在照明座7內(nèi)，照明座7通過(guò)螺釘9 固定在光機(jī)主體2上，LED光源設(shè)在LED座8上，LED座8與照明座7連接。所述PBS分光 鏡[U5]、場(chǎng)鏡以[U6]及LCOS芯片[U7]為成像光路和照明光路的共用部份，照明中心光束 通過(guò)PBS分光鏡[U5]反射后再通過(guò)場(chǎng)鏡[U6]垂直照射到LCOS芯片[U7]上，系統(tǒng)通過(guò)投 影鏡頭[LENS]沿成像光路的光軸作前后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。投影鏡頭[LENS]包括第一塑料非 球面透鏡[U1]、第二塑料非球面透鏡[U2]、第一膠合透鏡[U3]和第二膠合透鏡[U4]，所述 第一塑料非球面透鏡[U1]凹面與第二塑料非球面透鏡[U2]凹面相對(duì)，由隔圈6定位，所述 第一膠合透鏡[U3]在屏幕側(cè)，焦距為正，第二膠合透鏡[U4]在像面?zhèn)?，焦距為?fù)，所述第一 膠合透鏡[U3]與第二膠合透鏡[U4]膠合在一起，投影鏡頭[LENS]的焦距fl與場(chǎng)鏡[U6] 的焦距f2均為正，并且滿足下列不等式0. 45 < fl/f2 < 0. 63要求。投影鏡頭的鏡筒5 的側(cè)面設(shè)有齒條，調(diào)焦輪4設(shè)銷3上，通過(guò)齒輪與齒條連接，撥動(dòng)調(diào)焦論4可帶動(dòng)鏡筒5上 下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)投影鏡頭[LENS]的調(diào)焦。其調(diào)焦的位移量由調(diào)焦輪4本身結(jié)構(gòu)限位來(lái)實(shí)現(xiàn)。 調(diào)焦輪4和鏡筒5上的齒輪和齒條及本身結(jié)構(gòu)均采用工程塑料一次注塑成型，不僅簡(jiǎn)化了 結(jié)構(gòu)尺寸，降低成本，而且也完全滿足光學(xué)性能的而需要。對(duì)產(chǎn)品的后續(xù)開發(fā)也提供了可靠 便捷的設(shè)計(jì)空間。從圖3、4、5中可看出，該微型單片LCOS投影光機(jī)的光源能量的利用效率高，在一定范圍的成像質(zhì)量高。本實(shí)用新型的LED光源照明系統(tǒng)采用4片透鏡結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上采用LED座8與照明系統(tǒng)的光學(xué)組件照明座7分離設(shè)計(jì)。此模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上可以方便滿足不同用戶 使用不同型號(hào)的LED光源的需求。本實(shí)用新型在LCOS座1設(shè)計(jì)時(shí)，采用了模塊化設(shè)計(jì)，采用在一個(gè)獨(dú)立的零件上同時(shí)安裝光學(xué)零件場(chǎng)鏡[U6]和LCOS組件，這樣不僅保證了光學(xué)系統(tǒng)的裝配精度，而且可以大 大簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求一種微型單片LCOS投影光機(jī)，具有照明系統(tǒng)、PBS分光鏡、場(chǎng)鏡、LCOS芯片和投影鏡頭，其特征在于所述投影鏡頭[LENS]、PBS分光鏡[U5]、場(chǎng)鏡[U6]以及LCOS芯片[U7]沿系統(tǒng)成像光軸從屏幕側(cè)向像平面?zhèn)鹊捻樞蚺帕?；PBS分光鏡[U5]與成像光軸成45度夾角；所述照明系統(tǒng)由LED光源透鏡[U9]、第1聚光鏡[U10]、柱面透鏡[U11]、第2聚光鏡[U12]沿照明系統(tǒng)光軸順序排列，照明系統(tǒng)光軸與成像光路光軸成90度；所述PBS分光鏡[U5]、場(chǎng)鏡[U6]以及LCOS芯片[U7]為成像光路和照明光路的共用部份，照明中心光束通過(guò)PBS分光鏡[U5]反射后再通過(guò)場(chǎng)鏡[U6]垂直照射到LCOS芯片[U7]上，系統(tǒng)通過(guò)投影鏡頭[LENS]沿成像光路的光軸作前后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型單片LCOS投影光機(jī)，其特征在于所述投影鏡頭[LENS] 包括第一塑料非球面透鏡[U1]、第二塑料非球面透鏡[U2]、第一膠合透鏡[U3]和第二膠合 透鏡[U4]，所述第一塑料非球面透鏡[U1]凹面與第二塑料非球面透鏡[U2]凹面相對(duì)，所述 第一膠合透鏡[U3]在屏幕側(cè)，焦距為正，第二膠合透鏡[U4]在像面?zhèn)龋咕酁樨?fù)，所述第一 膠合透鏡[U3]與第二膠合透鏡[U4]膠合在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型單片LCOS投影光機(jī)，其特征在于所述投影鏡頭[LENS] 的焦距f 1與場(chǎng)鏡[U6]的焦距f2均為正，并且滿足下列不等式0. 45 < fl/f2 < 0. 63要 求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型單片LCOS投影光機(jī)，其特征在于所述柱面透鏡[U11] 的彎曲方向與照明光束的方向一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型單片LCOS投影光機(jī)，其特征在于所述投影鏡頭的鏡筒 [5]的側(cè)面設(shè)有齒條，調(diào)焦輪[4]通過(guò)齒輪與齒條連接，撥動(dòng)調(diào)焦輪[4]可帶動(dòng)鏡筒[5]上 下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)投影鏡頭[LENS]的調(diào)焦。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種微型單片LCOS投影光機(jī)，由投影鏡頭、PBS分光鏡、場(chǎng)鏡以及LCOS芯片沿系統(tǒng)成像光軸從屏幕側(cè)向像平面?zhèn)鹊捻樞蚺帕?，PBS分光鏡與成像光軸成45度，光學(xué)引擎的照明系統(tǒng)由LED光源透鏡、第一聚光鏡、柱面透鏡、第二聚光鏡沿照明系統(tǒng)光軸順序排列。照明系統(tǒng)光軸與成像光路光軸成90度，其中，PBS分光鏡、場(chǎng)鏡及LCOS芯片為成像光路和照明光路的共用部份。照明中心光束通過(guò)PBS分光鏡反射后再通過(guò)場(chǎng)鏡垂直照射到LCOS芯片上，系統(tǒng)通過(guò)投影鏡頭沿成像光路的光軸作前后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，保證在不同的距離處實(shí)現(xiàn)清晰成像。該系統(tǒng)成本低、工藝性好，適應(yīng)批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G03B21/20GK201556018SQ20092022389
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者許東升, 黃長(zhǎng)春 申請(qǐng)人:南陽(yáng)市?？乒怆娪邢挢?zé)任公司