微型投影机用光学引擎的制作方法

专利名称：微型投影机用光学引擎的制作方法
技术领域：
本发明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：
为了将比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。为了投影模块的 体积小型化，就要使用超小型的光调制器，并且与光调制器的有效区域面积相适应地设计 和制作投射透镜。 考虑到光的效率，须将光调制器和投射透镜间的距离尽量拉近。
—般来说在制作光调制器的时候，考虑到生产效率一般会在所需的有效区域外额 外预留3 5个像素，这些缓冲像素部位会被标识成密封(Sealant)区域，或者被用为研磨 时处理异物的空间。这些缓冲像素虽然是无效像素，但也会透过或反射一部分入射光线形 成散射，从而发生有效区域边缘部分对比度(Contrast)降低的问题。 还有一种光调制器，为了适用于多种应用范围，一般会把光调制器设计为较大分 辨率，如854X600，然后根据需要将光调制器调制成较小的分辨率，如WVGA (854X480)或 者SVGA (800 X 600)等。使用这种方式的光调制器来实现WVGA或者SVGA分辨率的时候，因 为有效区域外面无效像素部分引起的反射光线，也会出现投射图象边缘部分对比度下降的 问题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种微型投影机用光学引擎，可以改善投影图像边缘区域 的对比度。 为解决上述技术问题，本发明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 进行投射的投射透镜组件，在光调制器与投射透镜组件之间，存在用于固定光调制器的结 构物，该结构物与光调制器的接触面形成开口面，并且该结构物与光调制器的接触面被涂黑。 本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于 在光调制器与投射透镜组件之间设置一个涂黑的安装座，通过涂黑处理可以吸收 透过的漏光，从而防止散射光的发生，提高投影图像边缘区域的对比度。 进一步地，安装座的开口面积和形状最好与光调制器的有效区域面积和形状一 致，这样可以取得最佳的防散射效果。 进一步地，安装座最好使用高导热材料，如金属，这使安装座本身成为一个散热 器，从而改善整个光学引擎的散热效果。特别是光源功率较大而整个光学引擎体积效小时， 高导热材料的使用尤为必要。
进一步地，将安装座与光调制器的接触面以拥有高导热性能的炭黑系列的颜料涂 黑，可以改善安装座与光调制器之间的导热性能，防止光调制器出现温度过高而无法使用 的故障。


图1是本发明第一实施方式中光学引擎功能的简略示意图； 图2是本发明第一实施方式中，投射型光调制器与投射透镜的连接结构的简单示 意图； 图3是本发明实施方式中，具有缓冲像素的光调制器横截面结构的简单示意图；
图4是本发明实施方式中，只将高分辨率的光调制器中的一部分作为有效区域运 用的方式简单示意图； 图5是本发明第二实施方式中光学引擎功能的简略示意图； 图6是本发明第二实施方式中，反射型光调制器与投射透镜的连接结构的简单示 意图。
具体实施例方式
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。 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施 方式作进一步地详细描述。 本发明第一实施方式涉及一种微型投影机用光学引擎，该光学引擎使用投射型光 调制器。 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(服)、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。 虽然本实施方式中使用了三个激光光源，但本发明并不限于激光光源，光源的数 目也不限于三个。例如，在本发明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。
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通过漫射体的光会通过光束整形器(Beam Sh即er)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"LC0S")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荧幕，观察从荧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 线被放大投射到荧幕上。 LC0S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)形成的图象向荧幕(图中未 标识)上放大投射。 图2在图1的光学引擎功能图纸上详细标识了光调制器(60)和投射透镜(70)的 安装结构，其中包括了将投射透镜和光调制器进行固定的结构物——安装座(100)。安装座 (100)与光调制器的接触面形成开口面，并且安装座(100)与光调制器的接触面涂黑。通过 涂黑处理可以吸收透过的漏光，从而防止散射光的发生，提高投影图像边缘区域的对比度。
安装座(100)的材质应为高导热材料。高导热物质可以是金属(包括纯金属或合 金)，也可以是人工合成的复合材料等。在本发明的一个较佳例子中，使用铝、镁、铅中的一 种作为安装座(100)的材质。 微型投影机为了携带方便必须被制作成超小体积，因此其光学引擎的结构体积也非常小。但与这种体积限制相反，产生光线的光源的能量则要求着更高等级光源的使用， 因此光源的发热量也是逐步增加。同时，由于光调制器的驱动而产生的热量也是不能忽视 的，如果光调制器的温度过高，那么原本起到光闸功能的液晶会产生变形并无法使用。为了 解决这些问题，需要快速地将产生的热量吸收并散发出去，为此，也需要一定容量的散热装 置。要想在小体积的光学引擎中确保充分数量的散热装置，光学引擎构体本身就应该成为 散热器，安装着光调制器并在投射透镜前形成开口面积的光学结构体——安装座(100)亦 需采用高导热材质以满足作为散热器件的作用。 光调制器(60)的有效面积(601)部分，最好与安装座的开口面积(101) —致。开 口区域的面积应小于等于有效领域面积(601)。这是因为，在光调制器的有效面积外面存在 着缓冲像素。缓冲像素产生的原因有以下两种情况 第一种是光调制器制造工程上的原因。制造光调制器像素的工程是通过数层半导 体薄膜蒸贴(evaporation)过程制造的，这时候最外部分的像素由于差异性，会造成很高 的不良率，因此生产时会在有效区域外有意形成3 5列的缓冲像素。如图3所示，这些缓 冲像素部位会被标识成密封(Sealant)区域，或者被用为研磨时处理异物的空间。但由于 有效区域之外的缓冲像素并不能电控，因此就变成了漏光的主要原因。
另一种原因是在制作光调制器的时候，为了扩大应用范围(Application)而设 定了比最高分辨率更低的分辨率。例如，WVGA的分辨率是854X480， SVGA的分辨率是 800X600，这时候会把光调制器的最高分辨率设计为854X600，然后根据需要将光调制器 作为WVGA或者SVGA使用。若光调制器工作在WVGA分辨率上，如图4所示，就会在有效区 域下方形成120列的缓冲像素；同理，光调制器工作在SVGA分辨率时也会同样在侧面留下 54列的缓冲像素。 这些缓冲像素是不工作的部分，所以不会形成图象，但因为它们不能用电有效调 控，会变成漏光的主要原因。 如果安装座的开口区域大于有效区域，由于上述的漏光原因，会降低有效区域边 缘(edge)部分的对比度(Contrast)。相对的，如果开口区域的面积相对于有效区域太过狭 小的话会降低光的效率，同时也会遮蔽通过光调制器所形成图象的外缘。因此，开口区域和 有效区域的面积和形状相符合时效果最佳，稍大或稍小时也有提高图象对比度的效果但不 是最佳的。 即使在上述的开口区域不大于有效区域的情况中，如果安装座将通过光调制 器的漏光反射到开口区域内的话，也会造成有效区域边缘(edge)的散射，造成对比度 (Contrast)降低的现象。尤其是金属材质的安装座，因为其特有的金属光泽很难避免这种 情况的发生。 为了解决这个问题，本发明的实施方式中将安装座(100)用黑色进行涂盖。通过 涂黑处理就能够吸收透过的漏光，从而防止散射光的发生。这种涂黑颜料最好是拥有高 导热性能的炭黑(carbon black)系列的颜料。使用高导热性能的颜料，可以改善安装座 (100)与光调制器(60)之间的导热性能，防止光调制器(60)出现温度过高而无法使用的故障。 本发明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，光调制器为投射型光调制器。
然而在第二实施方式中，光调制器为反射型光调制器。 图5示出了使用反射型光调制器的投影机的光学器件作用原理。基本的光学器件 结构如同图l，但图5中添加了偏振分光镜(80)，并承担着将光调制器(60)所生成的图象 传递到投射透镜的作用。 图6在图5的光学引擎功能图纸上详细标识了光调制器(60)、投射透镜(70)、和 偏振分光镜(80)的一种安装结构。在反射型光调制器中，入射光线会向入射方向射出以形 成图象，因此，在投射透镜(70)和光调制器(60)的中间，会多出一个将出射的图象光线转 到投射透镜方向或将出射方向偏转90度的偏振分束器(Polarizing Beam Splitter，简称 "PBS，，)。 虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，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，而不偏离本发 明的精神和范围。
权利要求
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投射的投射透镜组件，其特征在于，在所述光调制器与所述投射透镜组件之间，存在用于固定所述光调制器的结构物，该结构物与所述光调制器的接触面形成开口面，并且该结构物与所述光调制器的接触面被涂黑。
2. 根据权利要求l所述的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述结构物的开口部 分的面积和形状与所述光调制器的有效区域的面积和形状一致。
3. 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，所述结构物的材质为 高导热材料。
4. 根据权利要求3所述的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述结构物的材质为金属。
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，所述结构物的材质为 铝、镁、铅中的一种。
6. 根据权利要求3至5中任一项所述的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述结构 物与所述光调制器的接触面以拥有高导热性能的炭黑系列的颜料涂黑。
7. 根据权利要求1至5中任一项所述的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述光源为激光。
8. 根据权利要求1至5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 制器为投射型光调制器。
9. 根据权利要求1至5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 制器为反射型光调制器。
10. 根据权利要求9所述的微型投影机用光学引擎，其特征在于，所述光调制器与所述 投射透镜组件之间有偏振分束器。
全文摘要
本发明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。本发明中，在光调制器与投射透镜组件之间设置了一个涂黑的安装座，通过涂黑处理可以吸收透过的漏光，从而防止散射光的发生，提高投影图像边缘区域的对比度。安装座的开口面积和形状最好与光调制器的有效区域面积和形状一致。安装座最好使用高导热材料，并将安装座与光调制器的接触面以拥有高导热性能的炭黑系列的颜料涂黑。
文档编号G03B21/14GK101788751SQ20091005686
公开日2010年7月28日 申请日期2009年1月23日 优先权日2009年1月23日
发明者权赫烈, 林钟镐, 金城守 申请人:上海三鑫科技发展有限公司