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3M微型光学引擎 让投影机小巧玲珑

导读: 前投影技术产品在最近几年出现了小型化趋势,从最初的超便携式投影机到最近的口袋式投影机,尺寸的缩小可以使投影机逐渐渗透到以前无法进入的市场领域。而这种尺寸缩小的终极目标应该是使投影模块可以集成到手持移动设备中,如手机、多媒体播放器、数码相机、数码摄像机等。

    前投影技术产品在最近几年出现了小型化趋势,从最初的超便携式投影机到最近的口袋式投影机,尺寸的缩小可以使投影机逐渐渗透到以前无法进入的市场领域。而这种尺寸缩小的终极目标应该是使投影模块可以集成到手持移动设备中,如手机、多媒体播放器、数码相机、数码摄像机等。

 

    随着越来越多的数字媒体内容被集成到手持移动设备中,也更多地受到移动设备尺寸的限制,如LCD类的固定尺寸显示器件将限制数字媒体内容的显示效果。而投影模块将会是一种化解显示内容丰富性和手持设备小型化之间矛盾的理想解决方案。

 

    3M近期开发出一种可用于便携移动设备的光学引擎,其中包括LED照明光源、LCOS成像芯片以及先进的多层光学薄膜材料技术。整个光学引擎的厚度为12.5毫米,光学效率超过5流明W。

 

    设计要求

 

    设计一个微型投影光学引擎需要平衡以下几个关键指标。

 

    首先是外形尺寸。受到手持设备小型化趋势的影响,投影模块应该尽量缩小尺寸,以便尽可能地减少模块对外观及其他功能的影响。

 

    其次是功耗和光能转换效率。这两个指标是部分关联的,即有了好的发光效率可以帮助降低功耗,但是整个模块功耗还必须考虑到驱动电路的功耗。由于手持设备主要靠电池进行供电,因此供电电流及能量非常有限。过大的功率消耗可能会导致以下三个不良后果:由于需要电流过大而无法开机,工作时间过短,发热量过大导致机器升温过高。

 

    最后需要考虑的是光学成像的质量。

 

    同时,在设计中还需要考虑到成本问题,因此在材料和技术路线选择上必须考虑到能够量产和降低成本。

 

    模块构成

 

    投影模块的外形如上图所示,由照明光路系统、显示芯片、偏振分光棱镜、投影镜头以及外壳组成。

 

    照明系统是基于一颗高亮度的白光LED。普通的高亮度LED只着眼于总体光输出最大化而并没有考虑光输出的角度分布特性(一般是朗伯Lambertian分布)。对于投影应用,这种大角度的发散光将无法全部被收集到显示芯片表面并最终被投影出去。因此,3M设计了一个特殊的光学封装系统将整个光输出分布角减少到大约±30度。

 

    3M微型投影机的核心技术是基于多层光学薄膜(MOF)的偏振分光棱镜(PBS)。该棱镜是由压克力塑料注塑而成,而传统的 PBS采用玻璃作为棱镜材料。采用压克力作棱镜材料的好处在于棱镜的外表面可以很容易地做成非球面,这些增加的自由度可以极大地帮助减小整个投影光学系统的复杂性。

 

    在目前应用的PBS中,3M共集成了三个曲面:一个曲面是位于照明部分的进入面,帮助整形光线来恰当地充满整个显示芯片;另一个曲面是位于照明部分的出射面,起到场镜的作用;第三个曲面位于投影部分的出射面,作为投影光学的一部分。将这么多的光学功能集成在PBS上后,整个光学系统被极大地紧凑化。

 

    塑料棱镜还带来一些好处:首先是简化了固定结构,由于可以直接将固定结构与PBS集成在一起,不需要其他的固定结构,并且使固定的准确性和可靠性得到极大的提高;其次是减轻了重量,可以满足移动设备轻量化的要求;最后是塑料也比较容易满足震动等可靠性测试要求。

 

    塑料棱镜的主要技术挑战来自于如何保持较低的双折射性从而不减小整个系统的对比度。这一难题主要通过材料和制程来解决,即采用低双折射材料和通过制程降低注塑过程中的内应力。

 

    在微型投影模块中,由于需要将尽量多的光线收集起来并投射出去,所以系统的F数设计得较小,即有较大的角度。假如F数为2.0,对应的角度为±14度。传统的偏振分光膜是采用真空镀膜的方式蒸镀在玻璃棱镜表面,虽然在正入射情况下可以有比较好的消光比,但是在大角度斜入射的情况下,消光比会快速变差,从而影响整个系统的对比度。

 

    多层光学薄膜技术为3M公司发明的一项重要技术,将数百甚至上千层的有机材料叠合在一起,每层厚度约为14光波长(约100纳米)。由于使用了与真空镀膜不同的双折射有机材料,透过率和消光比与入射角度的关系很小,完全可以应用在F2.0光学系统中。

 

    图像芯片使用了Himax公司的LCOS芯片。LCOS芯片具有高分辨率的特点,3M选择使用VGA分辨率(640×480)的芯片,可以满足不断增加的移动显示内容的需要。

 

    投影镜头内使用了数片特殊设计的光学镜片以减小整体体积。同时,在保证正常成像的前提下,在厚度方向上将部分镜片切成不规则形状,这样可以保证整体厚度为12.5毫米。投影物镜设计了前后移动的调节聚焦机构,可以在5~50英寸的屏幕尺寸范围内清晰成像。

 

    模块性能

 

    根据IEC61947-1标准,对3M微型投影模块进行的性能测试结果显示,该模块亮度为5.6流明W,ANSI对比度为801;这个模组的外围尺寸为43.7×34×12.5毫米,净体积为11.8毫升,重量为21克。

 

    3M微型投影模块的小尺寸和低功耗的特点,使其可以内置于手机等移动设备或用电池驱动的微型移动设备附件中,使移动设备具有大尺寸显示能力。这是一项将成熟的LED技术、LCOS技术以及3M公司的多层光学薄膜技术和光学注塑技术相结合的产品,而且目前3M已经实现了微型投影模块的商业化。(编辑:曾聪)

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