專利名稱：一種微型單片lcos投影光機的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光學儀器技術領域，具體涉及一種適合內置于手機、數碼相機、掌 上投影機等產品內的微型單片LCOS投影光機。
背景技術：
隨著LED光源技術在近幾年發展的突飛猛進，其用于微型投影儀的趨勢更是十分 明顯和潛力巨大，使得微型光學投影機在未來幾年內將出現爆炸式的市場需求。近年來，美 國德州儀器公司專門針對微型投影領域開發了 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間內使微型投影光學引擎大規模進入市場。目前，臺灣一些LCOS芯 片廠家如立景公司開發的0. 38”、0. 44”等單片微型LCOS芯片在成本上具有相當的優勢，使 得單片LCOS微型光學引擎成為目前開發的熱點，各種針對微型光引擎的技術及相關產品 層出不窮。目前，由于受LED光源的光效率限制，微型光學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元件的技術水平， 同時，還要降低產品的成本。在現有公開的關于微型單片LCOS的光學引擎文獻中，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，而玻璃PBS棱鏡為了保證性能的提高，一般采用的 是價格昂貴的肖特SF57材料，這在成本上是一個劣勢。現在一些廠家也在積極開發價格十 分便宜的塑料PBS膜用于微型光學引擎產品，如美國的3M公司就擁有獨家鍍膜技術的塑料 PBS膜。另外，由于目前的LCOS芯片多長寬比為4 3或16 9，因此，為了有效的利用光 源能量，就存在對照明光束的整形問題，一些廠家開發的微型投影機出于成本的考慮，對照 明光束缺少整形措施，這在一定程度上降低對光源能量的利用效率。對于光引擎主要部件 的投影鏡頭，為了保持在一定范圍的高質量成像，一般將采用6-8片玻璃透鏡，這對微型投 影光引擎也帶來一定的成本壓力，受光學擴展量的限制，投影光學鏡頭的相對口徑不能大 于2. 4，因此，投影鏡頭的設計方案十分重要。微型光學引擎在未來的發展中面臨的技術問題主要有，系統的光輸出偏低，在有 限的范圍內如何降低系統的熱量及整機的可靠性問題，這也是制約微型光學引擎發展的瓶 頸問題。
實用新型內容為解決現有技術存在的上述缺陷，本實用新型的目的是提供一種能夠與單片LCOS 數字圖像芯片相匹配，采用單顆LED光源照明，可嵌入手機、數碼像機以及掌上投影儀，且 結構緊湊、適合批量生產要求的單片LCOS微型光學引擎。為達到這樣的目的，本實用新型所提供的技術方案是該微型單片LCOS投影光 機，具有照明系統、PBS分光鏡、場鏡、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]、場鏡[U6]以及LCOS芯片[U7]沿系統成像光軸從屏幕側向像平 面側的順序排列；PBS分光鏡[U5]與成像光軸成45度夾角；所述照明系統由LED光源透鏡[U9]、第1聚光鏡[U10]、柱面透鏡[U11]、第2聚光鏡[U12]沿照明系統光軸順序排列，照 明系統光軸與成像光路光軸成90度；所述PBS分光鏡[TO]、場鏡[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PBS分光鏡[U5]反射后再通過場鏡 [U6]垂直照射到LCOS芯片[U7]上，系統通過投影鏡頭[LENS]沿成像光路的光軸作前后移 動實現調焦。 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，所述第一膠合透鏡[U3]在屏幕側，焦距為正，第二膠合透鏡 [U4]在像面側，焦距為負，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的側面設有齒條，調焦輪4通過齒輪與齒條連接，撥動調焦 輪4可帶動鏡筒5上下運動，實現投影鏡頭[LENS]的調焦。采用上述技術方案的有益效果是該微型單片LCOS投影光機由照明系統、PBS分 光鏡、場鏡、LCOS芯片和投影鏡頭構成，微型單片LCOS投影光機的照明系統由LED光源透鏡 [U9]、聚光鏡1[U10]、柱面透鏡[U11]、聚光鏡2[U12]構成，柱面透鏡[U11]的彎曲方向與 照明光束的方向一致，柱面透鏡在系統中的應用是對LED光源的光束進行整形，滿足LCOS 芯片的長寬比，提高光能的利用率。同樣，照明光束經過場鏡后，各個視場的主光線將垂直 入射到LCOS芯片，提高光能的利用率。為了降低成本，在系統中不采用價格昂貴的玻璃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使用要求，同時也使光引擎的 重量減輕，制造工藝簡單。由于成像系統中采用的是塑料PBS膜板，PBS膜板在系統中需要 與成像光軸成45度角度，其厚度將會影響系統的成像質量，因此，在投影鏡頭的光學設計 時，需要考慮這種影響，將PBS帶入到系統中進行優化，補償PBS膜板帶來的影響，進一步提 高圖象清晰度。投影鏡頭中的第一、第二合透鏡[U3]、[U4]構成一個膠合鏡，第一膠合透鏡 [U3]在屏幕側，焦距為正，膠合透鏡2[U4]在像面側，焦距為負。塑料非球面透鏡[U1]凹面 與塑料非球面透鏡[U2]凹面相對，這樣可以很好地保證鏡頭的裝配精度及結構的簡易性。 投影鏡頭的鏡筒5的側面設有齒條，調焦輪4通過齒輪與齒條連接，撥動調焦論4可帶動鏡 筒5上下運動，實現投影鏡頭[LENS]的調焦。保證在不同的距離處實現清晰成像。該系統 成本低、工藝性好，適應批量生產。另外，為了在簡化系統結構的前提下實現LOCS芯片遠心 照明，在LCOS芯片前放置一透鏡作為場鏡，構成整個投影系統的成像部分，可保證系統得 到更好的像面照度均勻性，投影鏡頭[LENS]的焦距fl與場鏡[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的側面設有齒條，調焦輪4通過齒輪與 齒條連接，撥動調焦論4可帶動鏡筒5上下運動，實現投影鏡頭[LENS]的調焦。對于不同 投影距離，通過投影鏡頭[LENS]在成像光路的光軸方向上前后移動實現調焦，保證不同投 影距離的清晰成像，也使調焦機構得到簡化。本實用新型的優點在于1、系統中采用塑料非球面透鏡和柱面透鏡，對來自LED光源的光束按照LCOS的長寬比進行光斑整形，提高的光的利用率，減少了系統雜光。2、使用場鏡方案一方面可以使投影鏡頭的結構更加簡化，另一方面可以使場鏡在 照明光束中發揮作用，對LED光源的光束利用更有保證，降低了產品成本，簡化了系統，同 時也提高了裝配效率。3、系統中未采用價格昂貴的玻璃PBS棱鏡，以塑料PBS薄膜代替，減輕了系統重 量，同時也進一步降低了成本。4、本實用新型具有結構緊湊、調焦方便、投影圖象清晰等特點。其成品體積為 35mm X 40mm X 13mm。
以下結合附圖對本實用新型的具體實施例作進一步詳細的說明。
圖1是本實用新型的微型單片LCOS投影光機結構示意圖。圖2是本實用新型的微型單片LCOS投影光機光學系統圖。圖3是本實用新型的微型單片LCOS投影光機投影鏡頭光線軌跡圖。圖4是本實用新型的微型單片LCOS投影光機投影鏡頭MTF圖。圖5是本實用新型的微型單片LCOS投影光機像面照度分布圖。
具體實施方式
如
圖1、2所示的微型單片LCOS投影光機，由照明系統、PBS分光鏡、場鏡、LCOS芯 片和投影鏡頭構成，上述裝置設置在光機主體2上，光機主體2設LCOS座1上，所述照明 系統設置在照明座7上，所述投影鏡頭[LENS]、PBS分光鏡[TO]、場鏡[U6]以及LCOS芯 片[U7]沿系統成像光軸從屏幕側向像平面側的順序排列；PBS分光鏡[U5]與成像光軸成 45度夾角；所述照明系統由LED光源、透鏡[U9]、第1聚光鏡[U10]、柱面透鏡[U11]、第2 聚光鏡[U12]沿照明系統光軸順序排列，照明系統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，上述透鏡設在照明座7內，照明座7通過螺釘9 固定在光機主體2上，LED光源設在LED座8上，LED座8與照明座7連接。所述PBS分光 鏡[U5]、場鏡以[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PBS分光鏡[U5]反射后再通過場鏡[U6]垂直照射到LCOS芯片[U7]上，系統通過投 影鏡頭[LENS]沿成像光路的光軸作前后移動實現調焦。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，由隔圈6定位，所述 第一膠合透鏡[U3]在屏幕側，焦距為正，第二膠合透鏡[U4]在像面側，焦距為負，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 的側面設有齒條，調焦輪4設銷3上，通過齒輪與齒條連接，撥動調焦論4可帶動鏡筒5上 下運動，實現投影鏡頭[LENS]的調焦。其調焦的位移量由調焦輪4本身結構限位來實現。 調焦輪4和鏡筒5上的齒輪和齒條及本身結構均采用工程塑料一次注塑成型，不僅簡化了 結構尺寸，降低成本，而且也完全滿足光學性能的而需要。對產品的后續開發也提供了可靠 便捷的設計空間。從圖3、4、5中可看出，該微型單片LCOS投影光機的光源能量的利用效率高，在一定范圍的成像質量高。本實用新型的LED光源照明系統采用4片透鏡結構，在結構上采用LED座8與照明系統的光學組件照明座7分離設計。此模塊化結構設計在結構上可以方便滿足不同用戶 使用不同型號的LED光源的需求。本實用新型在LCOS座1設計時，采用了模塊化設計，采用在一個獨立的零件上同時安裝光學零件場鏡[U6]和LCOS組件，這樣不僅保證了光學系統的裝配精度，而且可以大 大簡化產品結構。
權利要求一種微型單片LCOS投影光機，具有照明系統、PBS分光鏡、場鏡、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]、場鏡[U6]以及LCOS芯片[U7]沿系統成像光軸從屏幕側向像平面側的順序排列；PBS分光鏡[U5]與成像光軸成45度夾角；所述照明系統由LED光源透鏡[U9]、第1聚光鏡[U10]、柱面透鏡[U11]、第2聚光鏡[U12]沿照明系統光軸順序排列，照明系統光軸與成像光路光軸成90度；所述PBS分光鏡[U5]、場鏡[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PBS分光鏡[U5]反射后再通過場鏡[U6]垂直照射到LCOS芯片[U7]上，系統通過投影鏡頭[LENS]沿成像光路的光軸作前后移動實現調焦。
2.根據權利要求1所述的微型單片LCOS投影光機，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，所述 第一膠合透鏡[U3]在屏幕側，焦距為正，第二膠合透鏡[U4]在像面側，焦距為負，所述第一 膠合透鏡[U3]與第二膠合透鏡[U4]膠合在一起。
3.根據權利要求1所述的微型單片LCOS投影光機，其特征在于所述投影鏡頭[LENS] 的焦距f 1與場鏡[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.根據權利要求1所述的微型單片LCOS投影光機，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.根據權利要求1所述的微型單片LCOS投影光機，其特征在于所述投影鏡頭的鏡筒 [5]的側面設有齒條，調焦輪[4]通過齒輪與齒條連接，撥動調焦輪[4]可帶動鏡筒[5]上 下運動，實現投影鏡頭[LENS]的調焦。
專利摘要本實用新型涉及一種微型單片LCOS投影光機，由投影鏡頭、PBS分光鏡、場鏡以及LCOS芯片沿系統成像光軸從屏幕側向像平面側的順序排列，PBS分光鏡與成像光軸成45度，光學引擎的照明系統由LED光源透鏡、第一聚光鏡、柱面透鏡、第二聚光鏡沿照明系統光軸順序排列。照明系統光軸與成像光路光軸成90度，其中，PBS分光鏡、場鏡及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PBS分光鏡反射后再通過場鏡垂直照射到LCOS芯片上，系統通過投影鏡頭沿成像光路的光軸作前后移動實現調焦，保證在不同的距離處實現清晰成像。該系統成本低、工藝性好，適應批量生產。
文檔編號G03B21/20GK201556018SQ20092022389
公開日2010年8月18日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者許東升, 黃長春 申請人:南陽市海科光電有限責任公司