专利名称：使用led阵列和分色楔形物的小型化投影装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种小型化投影装置以及，特别涉及一种投影装置，其所投影的图像 通过使用复数光源和一具有适于分别反射各光束的表面的分色楔形物来提供，楔形物的角 度为可调节的以利于受控制的混合光束。
背景技术：
图像投影设备已经被了解许多年，并且分为两类背面投影和正向投影。例如，现 有的电视机为背面投影设备，而现有的电影放映机为正向投影设备。当前，已知的投影仪具 有许多难点和限制。首先，所有的投影设备需要精致且复杂的光学引擎和内置于设备中的电子元件。 这些设备经常需要包含IXD或DLP技术，或阴极射线管技术，需要精密光学部件才能运行。 复杂的光学引擎增加了这些投影仪的成本，并且由于光学引擎的尺寸，其通常不能应用至 小型化的投影仪中，例如手持设备。而且，它们非常易碎，且容易损坏或对偏。作为特色，它 们还很笨重，并且不是针对便携设备而设计。由于上述原因，投影设备需要仔细储存和移动，因此不适合在便携环境下显示图像。本申请人拥有共同审理中的专利申请AU2006906179和AU2006906180，涉及了克 服上述一些问题的光学引擎，这些专利申请提供了一种独立的光学引擎设计，其适合用于 便携装置和小型化投影系统。虽然起作用，这些装置仍然受到一些缺点的困扰，这些缺点包括其复杂性，包括这 些装置内部需要多重元件耗费了许多空间，使其较不适合小型化单位，以及所导致的它们 的整体尺寸和费用。任何减少光学引擎内部件的数量的手段有益于光损耗、小型化、成本及 整体坚固性(也就是便携性)等方面。因此，本发明的一目的在于提供一种小型化投影装置，从而克服上述问题中至少 一部分，或者提供一种有用的选择。本发明的进一步目的在于提供一种小型化投影系统，其具有一线性阵列LED源、 一单一的准直透镜组以及堆叠的分色镜，楔形分色镜的角度和厚度选择为配合LED源。本发明的进一步目的还在于提供一种小型化投影装置，其仅需要2光轴。本发明的进一步目的还在于提供一种小型化投影系统，其相比于迄今已知的系统 较不复杂且包含较少光学元件。
发明内容
因此，在本发明的一种形式中提出了一种图像投影装置，其包括至少两个不同波长的光源；一准直来自所述至少两个光源中每个光源的光的装置；一分色楔形物，其具有复数反射面，每个反射面适合以相同的方向反射来自该经准直的光源中的每一个光源的光；以及一聚集反射自该分色楔形物的光至一远端表面的装置。优选地，该至少两个光源以线性阵列排列在一公共衬底上。优选地，所述准直来自所述至少两个光源中每一个光源的光的装置为用于所有所 述光源的一单一的准直透镜组。优选地，该分色楔形物的角度相对于所述光源是可调节的。优选地，该图像投影装置包括三个光源以线性阵列排列在一公共衬底上。优选地，所述三个光源为红、绿和蓝LED。作为选择，该图像投影装置包括两个光源按紧接的线性布置放置，以及一第三光 源放置于该分色楔形物后面。优选地，该三个光源为红、绿和蓝LED。优选地，该图像投影装置进一步包括一光调制器，例如一液晶显示(IXD)或硅基 液晶(LCOS)，该光调制器用来自于所述聚集反射自该分色楔形物的光的装置的光来照亮。优选地，该图像投影装置进一步包括放置于该光调制器和该远端表面之间的一物 镜及投影透镜。优选地，该聚集反射自该分色楔形物的光至一远端表面的装置的形式为一或多个 聚光透镜。优选地，所述透镜全部包括一抗反射涂层以最小化反射。优选地，所述图像投影装置包括用于发散来自光学元件的热量的装置。优选地，所述图像投影装置用于自一移动装置投影图像。在本发明的一进一步形式中提出了一种图像投影装置，其包括一蓝、绿以及红发光二极管，其以线性阵列排列在一公共衬底上；一单一的准直透镜组，其适合准直来自所述发光二极管中每一个的光；一楔形物，其具有三个分色涂层，所述分色涂层排列为以相同的方向反射所述来 自该些发光二极管中每一个的经准直的光；至少一聚光透镜，其用于聚集反射自该楔形物的光至一远端表面；一光调制器，例如一 IXD面板，该光调制器用来自于所述至少一聚光透镜的光来 照亮；以及物镜和投影透镜，其放置于该光调制器和该远端表面之间。在本发明的又一进一步形式中，提出了一种移动装置，例如一移动电话，其包括一 如上所述的图像投影装置。通过设置一线性阵列的LED、一用于准直各LED的公共透镜组以及一具有用于反 射各光源的不同分色涂层的楔形物，本发明的图像投影装置允许较小的光学封装，并且与 迄今已知的这种类型的装置相比，本发明的图像投影装置的制造更加简单和便宜。
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式
详细描述，将使本发明的技术方案 及其有益效果显而易见。附图中，图Ia所示为本发明的小型化投影系统的俯视剖视图，并且特别显示了蓝光的路径；图Ib所示为本发明的小型化投影系统的俯视剖视图，并且特别显示了绿光的路 径；图Ic所示为本发明的小型化投影系统的俯视剖视图，并且特别显示了红光的路 径；图2所示为图Ia-Ic的投影系统的外壳的俯视剖视图；图3所示为自图2中A方向观察所见的图Ia-Ic的投影系统的外壳；图4所示为自图2中B方向观察所见的图Ia-Ic的投影系统的外壳；图5所示为自图2中C方向观察所见的图Ia-Ic的投影系统的外壳；图6所示为图Ia-Ic的投影系统的隔离片的侧视剖视图；图7所示为图Ia-Ic的投影系统的定位环之一的侧视剖视图；图8所示为图Ia-Ic的投影系统的LED支架的透视图；图9a所示为图Ia-Ic的投影系统的调焦块的前视图；图9b所示为图9a的调焦块的侧视图；以及图10所示为具有内置的依照本发明的小型化投影系统的移动装置的俯视图。
具体实施例方式下面结合附图来对本发明进行详细说明。尽管下面的说明中包括了代表性的实施 例，但是并不排除其它实施例的存在，并且所描述的实施例可以作出不脱离本发明的精神 和范围的改变。图Ia-Ic所示为本发明的投影装置10，而图2_9分别图示该投影装置10的各种元 件。虽然图未示，但是该装置通常将构成一光学引擎的一部分，该光学引擎包括自该投影装 置建立和投射一图像所必需的所有光学元件。投影装置10包括外壳12，外壳12具有两个相互呈80度延伸的主要延长部14和 16，该外壳包括其顶部从一边至另一边延伸的一部分17，该部分17成形为承接一分色楔形 物18。在所示的实施例中，该分色楔形物由两个堆叠的近似同样尺寸和形状的分色镜20和 22组成。安装该分色楔形物18，以便其相对于入射光的角度可调，以下进一步详细描述此
点ο该外壳12代表性地(但不是必需)用铝制成，由于铝的散热性能和重量轻(需要 注意的是，在嵌入式装置中，该外壳可以利用现有装置外壳的一部分，其可以是塑料材质)。 该第一延长部14包括一入口 24，一第一准直透镜26，一使用一隔离片30与第一准直透镜 26隔离的第二准直透镜28，以及一用于固定该第二准直透镜28于适当位置的定位环32。光源自于一发光二极管(LED)板34，LED板34包括在其上线性排列的三个LED36、 38和40。该LED板34固定至一 L形支架42之上，该支架42邻近于外壳12的入口 24安 装，从而使光朝向第一准直透镜26。该支架42优选为可调节地安装，从而使该些LED或任 意其它单独的彩色光源与该第一准直透镜26之间的距离是可调整的。在所示的实施例中，该第一 LED36为红色，第二 LED38为蓝色，第三LED40为绿色， 并且各光源的强度适合于分别控制。图Ia显示来自于蓝色LED38的光的路径，图Ib显示 来自于绿色LED40的光的路径，图Ic显示来自于红色LED36的光的路径，从而明确地图示
6光路。可以理解，全部三个光源在任何时候应当工作。该第二延长部16容纳一聚光透镜44以及，实施例中所示，邻近于该第二延长部16 的一出口 48的一液晶显示(IXD)面板46。如上所提及，同样能够很好地使用其它光学调制 器，例如一 LCOS (硅基液晶)面板。使用一进一步的定位环50来将该聚光透镜44保持在 所示的位置。一调焦块(图未示)安装至该出口 48，该调焦块包含一可调节的物镜或调焦 透镜(图未示)，从而可以聚焦透射的图像。如图10所示，该物镜也可以配置为承接或形成 一用于一移动装置的天线，该投影装置10可与该移动装置协同使用。上述的透镜优选为涂有一抗反射涂层，从而最小化折射和反射并最大化自该些 LED发出的光的通过量。如所述，该分色楔形物18由两个堆叠的分色镜20和22组成。该分色镜20和22 为镀膜的，从而分色镜20和22的三个表面54、56和58仅允许特定的颜色通过。例如，第 一表面54，其相对于垂直于第一外壳延长部14的纵轴60的一轴成大约54度角，对其镀膜 以反射红光并传输蓝光和绿光。第二表面56，其成大约56. 4度角延伸，对其镀膜以反射蓝 光并传输绿光。最终，第三表面58，其成大约58. 8度角延伸，对其镀膜以反射所有剩下的 光。那些熟知本领域的技术人员可以认识到，这些分色镜呈大约2. 4度的楔形，从而造成各 反射表面的角度增加。可以理解，楔形的角度和厚度选取为确保红、蓝和绿光源以同一位置感和角度感 叠加于所述LCD/LC0S。可以理解，源自LED38的蓝光由准直透镜26和28使其准直，然后传播至分色楔 形物18，从而被第二表面56反射。类似地，来自LED40的绿光被第三表面58反射，而来自 LED36的红光被第一表面54反射。随后，光穿过聚光透镜44，穿过IXD面板46，然后穿过调 焦块52和投影透镜(图未示)，从而被投射至一远端表面上以被观察。熟知本领域的技术人员可以意识到本发明的投影装置10对三个不同的彩色光源 使用一个准直透镜组和一个单独的分色楔形物18，配置有堆叠的分色镜以照亮一光调制 器。这不同于以前熟知的装置，以前熟知的装置典型地包括一 2x2矩阵的LED，或者作为一 种选择，包括单独的LED且各LED具有其自己的准直镜片和单独的分色镜。线性阵列光源 和堆叠的分色镜的使用意味着包含这一系统的光学引擎需要显著较少的空间以及还有需 要较少的元件，这意味着该系统可以比以前的系统应用于更多的应用，并且减少了成本。应当注意的是，这一 LED阵列和分色楔形物的布置可以用于照亮一光导管、微透 镜阵列或任何其它类似的使用于投影装置中的光学部件。在一未图示的替换的实施例中，可以使用一单个的分色双面镜，并且位于入口处 的三个LED可以用两个LED代替，将第三个LED放置于该分色双面镜后面，从而使光直接对 准聚光透镜而穿过分色镜。在这种情况下，例如将绿色LED放置于该楔形物后面，仅需要 一个具有两个反射面的分色镜，一个反射面仅用于反色蓝光而另一个反射面仅用于反射红 光。在一未图示的另一替换的实施例中，可以使用一单个的具有两个反射面分色双面 镜，在其后面放置一常规的镜子，该双面分色镜分别反射蓝光和红光，而该常规的镜子反色 所有穿过该分色镜表面的光线(主要为绿色)。这一替换的配置考虑到了保留在一条直线 上的LED和单一的准直透镜。
如所述，外壳12优选由吸热和散热材料构建，例如铝，并且其物理强度高。由于结 构的任何扭转或变形都会导致歪曲的图像，外壳12必须保持光学元件精确对准，从而阻止 人工产物被引入投射的图像中。投影传输的图像的能力使投影装置10能够投射详细的传输信息至一比嵌入移动 装置的屏幕大得多的显示屏上，赋予使用者更加清楚地观察详细信息，例如来自于一 CPS 卫星的卫星照片，的能力。本发明的一进一步的实施例采用红外线LED来代替可见光谱LED，从而提供用红 外线投影的图像。这样的图像只能被带有红外护目镜的使用者看见，并且能够用于安全、防 护或近似目的。图10所示为用于一移动电话62中的投影系统。可以理解，这样的投影装置10意 图在于小型化并且能够配置用于各种各样的手持装置中。该投影系统设计为不具有运动部 件，结果其坚固且结实从而能够适用于类似的便携装置中。由于便携装置通常存储于使用 者的口袋中并且其对狠撞和其它损害敏感，任何活动部件或精密电路都不足够坚固以禁得 起用于便携装置的压力。该投影系统还设计为最大化捕捉LED的光总量，从而实现投影图像的亮度更大、 图像的均勻性更好、投影图像的对比度更好以及投影图像的中心角落比更好。该透镜设计 还能捕获多达98%的产生于该些LED的光，并且因此需要较低的功率来维持所投影图像的 亮度，从而使投影装置10适合于低功率手持装置。在一进一步的实施例中，IXD面板和LED的运行可以使用一印刷电路板(图未示) 来控制。至装置的功率可以通过电缆注入电路板，并且分发至电路。该投影装置10的全部的光学元件位于几乎垂直的光路中，具有最小化的成本、最 大化的光传递效率以及最小化所需元件的数量。这一设计使该投影装置10比起其它投影 装置相当小，并且其因此适用于更广阔的各种各样的应用。元件数量的减少和这些元件的 布置进一步加强了该投影装置10，并且允许其用于更苛刻的条件。在迄今已知的微型投影系统中，LED并不排成线性一维布置，而是典型地排成二维 矩阵型布置，例如四个LED按2x2矩阵放置且其中两个LED为同样的颜色。使用本发明的 投影装置时，也就是，三个LED以大约相距1-1. 5mm的线性布置放置，仅需要二维光轴。本发明并不仅限于使用线性LED，例如，该三个LED同样可以以二维L形布置排列， 并因此需要3个光轴。至于该投影装置的尺寸规格而言，这取决于若干因素，例如，IXD或LCOS面板尺 寸，所需的光输出以及由特定的应用所强加的尺寸约束。在一应用中，设想该外壳的尺寸在 一 26x26mm正方形范围内，各分色楔形物大约23mm长16mm宽且其最大厚度大约为1. 4mm。分色楔形物的形状(包括但不限于尺寸、角度和涂层)取决于光源的波长和相对 排列。楔形物角度取决于至光源的距离和光源之间的距离。概括来说，这样的分色楔形物的光学设计使得以不同角度入射至镜上的彩色光线 也以不同角度反射。这样所获得的结果是当光束穿过聚光透镜而接触图像承载面板时，所 有(两条或更多)光束变得平行且准直。这种“反射”策略同样能用于各种类型的反射数字显示面板以产生清楚的图像。在不偏离本发明的范围的情况下，可以使本发明具有进一步的优点和改进。尽管本发明已经通过被认为是最实用和优选的实施例来显示和描述，但其并不是限制本发明为 所揭露的细节，而是为了与权利要求的全部范围一致，从而包括任一和所有的等同装置和 设备，可以理解，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出各种改变。
在下面的权利要求中以及在本发明的发明内容中，除非上下文要求，否则由于明 确的语言或必要的暗示，词语“包括”表示包括但不仅限于，也就是本发明各种实施例中所 详细说明的特征可以与进一步的特征相联系。
权利要求
一种图像投影装置，其特征在于，包括至少两个不同波长的光源；一准直来自所述至少两个光源中每个光源的光的装置；一分色楔形物，其具有复数反射面，每个反射面适合以相同的方向反射来自该经准直的光源中的每一个光源的光；以及一聚集反射自该分色楔形物的光至一远端表面的装置。
2.如权利要求1所述的图像投影装置，其特征在于，该至少两个光源以线性阵列排列 在一公共衬底上。
3.如权利要求1或2所述的图像投影装置，其特征在于，所述准直来自所述至少两个光 源中每一个光源的光的装置为用于所有所述光源的一单一的准直透镜组。
4.如权利要求1-3任一所述的图像投影装置，其特征在于，该分色楔形物的角度相对 于所述光源是可调节的。
5.如权利要求1-4任一所述的图像投影装置，其特征在于，该图像投影装置包括三个 光源以线性阵列排列在一公共衬底上。
6.如权利要求5所述的图像投影装置，其特征在于，所述三个光源为红、绿和蓝LED。
7.如权利要求1-4任一所述的图像投影装置，其特征在于，该图像投影装置包括两个 光源按紧接的线性布置放置，以及一第三光源放置于该分色楔形物后面。
8.如权利要求7所述的图像投影装置，其特征在于，该三个光源为红、绿和蓝LED。
9.如权利要求1-8任一所述的图像投影装置，其特征在于，该图像投影装置进一步包 括一光调制器，例如一液晶显示(LCD)或硅基液晶(LCOS)，该光调制器用来自于所述聚集 反射自该分色楔形物的光的装置的光来照亮。
10.如权利要求9所述的图像投影装置，其特征在于，该图像投影装置进一步包括放置 于该光调制器和该远端表面之间的一物镜及投影透镜。
11.如权利要求1-10任一所述的图像投影装置，其特征在于，该聚集反射自该分色楔 形物的光至一远端表面的装置的形式为一或多个聚光透镜。
12.如权利要求1-11任一所述的图像投影装置，其特征在于，所述透镜全部包括一抗 反射涂层以最小化反射。
13.如权利要求1-12任一所述的图像投影装置，其特征在于，所述图像投影装置包括 用于发散来自光学元件的热量的装置。
14.如权利要求1-13任一所述的图像投影装置，其特征在于，所述图像投影装置用于 自一移动装置投影图像。
15.一种图像投影装置，其特征在于，包括一蓝、绿以及红发光二极管，其以线性阵列排列在一公共衬底上；一单一的准直透镜组，其适合准直来自所述发光二极管中每一个的光；一楔形物，其具有三个分色涂层，所述分色涂层排列为以相同的方向反射所述来自该 些发光二极管中每一个的经准直的光；至少一聚光透镜，其用于聚集反射自该楔形物的光至一远端表面；一光调制器，例如一 LCD面板，该光调制器用来自于所述至少一聚光透镜的光来照亮；以及物镜和投影透镜，其放置于该光调制器和该远端表面之间。
16. 一种移动装置，例如一移动电话，其特征在于，包括一如权利要求1-15任一所述的 嵌入的图像投影装置。
全文摘要
本发明涉及一种图像投影装置，其具有在一公共衬底上的一线性阵列的LED，一用于准直来自各LED的光的公共透镜组，以及一单一的分色楔形物，该分色楔形物具有用于反射各光源至一聚光装置的分色涂层，该聚光装置聚集光线至一远端表面。因此，该图像投影装置允许较小的光学封装，其更容易适应于移动装置，例如移动电话，并且其的制造简单和便宜。
文档编号G02B27/10GK101939685SQ200880124371
公开日2011年1月5日 申请日期2008年12月3日 优先权日2007年12月3日
发明者丹尼·荣格, 彼得·鲁宾斯坦 申请人:迪吉斯莱德控股有限公司