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3M微型光學引擎讓投影機小到極致

中國投影網行業資訊　2009-2-4 9:05:57　編輯：白云　[ 大中小 ]

　　前投影技術產品在最近幾年出現了小型化趨勢，從最初的超便攜式投影機到最近的口袋式投影機，尺寸的縮小可以使投影機逐漸滲透到以前無法進入的市場領域。而這種尺寸縮小的終極目標應該是使投影模塊可以集成到手持移動設備中，如手機、多媒體播放器、數碼相機、數碼攝像機等。

　　隨著越來越多的數字媒體內容被集成到手持移動設備中，也更多地受到移動設備尺寸的限制，如LCD類的固定尺寸顯示器件將限制數字媒體內容的顯示效果。而投影模塊將會是一種化解顯示內容豐富性和手持設備小型化之間矛盾的理想解決方案。

　　3M近期開發出一種可用于便攜移動設備的光學引擎，其中包括LED照明光源、LCOS成像芯片以及先進的多層光學薄膜材料技術。整個光學引擎的厚度為12.5毫米，光學效率超過5流明W。

　　設計要求

　　設計一個微型投影光學引擎需要平衡以下幾個關鍵指標。

　　首先是外形尺寸。受到手持設備小型化趨勢的影響，投影模塊應該盡量縮小尺寸，以便盡可能地減少模塊對外觀及其他功能的影響。
　　
　　其次是功耗和光能轉換效率。這兩個指標是部分關聯的，即有了好的發光效率可以幫助降低功耗，但是整個模塊功耗還必須考慮到驅動電路的功耗。由于手持設備主要靠電池進行供電，因此供電電流及能量非常有限。過大的功率消耗可能會導致以下三個不良后果：由于需要電流過大而無法開機，工作時間過短，發熱量過大導致機器升溫過高。
　　
　　最后需要考慮的是光學成像的質量。

　　同時，在設計中還需要考慮到成本問題，因此在材料和技術路線選擇上必須考慮到能夠量產和降低成本。

　　模塊構成

　　投影模塊的外形如上圖所示，由照明光路系統、顯示芯片、偏振分光棱鏡、投影鏡頭以及外殼組成。

　　照明系統是基于一顆高亮度的白光LED。普通的高亮度LED只著眼于總體光輸出最大化而并沒有考慮光輸出的角度分布特性(一般是朗伯Lambertian分布)。對于投影應用，這種大角度的發散光將無法全部被收集到顯示芯片表面并最終被投影出去。因此，3M設計了一個特殊的光學封裝系統將整個光輸出分布角減少到大約±30度。

　　3M微型投影機的核心技術是基于多層光學薄膜(MOF)的偏振分光棱鏡(PBS)。該棱鏡是由壓克力塑料注塑而成，而傳統的PBS采用玻璃作為棱鏡材料。采用壓克力作棱鏡材料的好處在于棱鏡的外表面可以很容易地做成非球面，這些增加的自由度可以極大地幫助減小整個投影光學系統的復雜性。

　　在目前應用的PBS中，3M共集成了三個曲面：一個曲面是位于照明部分的進入面，幫助整形光線來恰當地充滿整個顯示芯片;另一個曲面是位于照明部分的出射面，起到場鏡的作用;第三個曲面位于投影部分的出射面，作為投影光學的一部分。將這么多的光學功能集成在PBS上后，整個光學系統被極大地緊湊化。

　　塑料棱鏡還帶來一些好處：首先是簡化了固定結構，由于可以直接將固定結構與PBS集成在一起，不需要其他的固定結構，并且使固定的準確性和可靠性得到極大的提高;其次是減輕了重量，可以滿足移動設備輕量化的要求;最后是塑料也比較容易滿足震動等可靠性測試要求。

　　塑料棱鏡的主要技術挑戰來自于如何保持較低的雙折射性從而不減小整個系統的對比度。這一難題主要通過材料和制程來解決，即采用低雙折射材料和通過制程降低注塑過程中的內應力。

　　在微型投影模塊中，由于需要將盡量多的光線收集起來并投射出去，所以系統的F數設計得較小，即有較大的角度。假如F數為2.0，對應的角度為±14度。傳統的偏振分光膜是采用真空鍍膜的方式蒸鍍在玻璃棱鏡表面，雖然在正入射情況下可以有比較好的消光比，但是在大角度斜入射的情況下，消光比會快速變差，從而影響整個系統的對比度。

　　多層光學薄膜技術為3M公司發明的一項重要技術，將數百甚至上千層的有機材料疊合在一起，每層厚度約為14光波長(約100納米)。由于使用了與真空鍍膜不同的雙折射有機材料，透過率和消光比與入射角度的關系很小，完全可以應用在F2.0光學系統中。

　　圖像芯片使用了Himax公司的LCOS芯片。LCOS芯片具有高分辨率的特點，3M選擇使用VGA分辨率(640×480)的芯片，可以滿足不斷增加的移動顯示內容的需要。

　　投影鏡頭內使用了數片特殊設計的光學鏡片以減小整體體積。同時，在保證正常成像的前提下，在厚度方向上將部分鏡片切成不規則形狀，這樣可以保證整體厚度為12.5毫米。投影物鏡設計了前后移動的調節聚焦機構，可以在5～50英寸的屏幕尺寸范圍內清晰成像。

　　模塊性能

　　根據IEC61947-1標準，對3M微型投影模塊進行的性能測試結果顯示，該模塊亮度為5.6流明W，ANSI對比度為801;這個模組的外圍尺寸為43.7×34×12.5毫米，凈體積為11.8毫升，重量為21克。

　　3M微型投影模塊的小尺寸和低功耗的特點，使其可以內置于手機等移動設備或用電池驅動的微型移動設備附件中，使移動設備具有大尺寸顯示能力。這是一項將成熟的LED技術、LCOS 技術以及3M公司的多層光學薄膜技術和光學注塑技術相結合的產品，而且目前3M已經實現了微型投影模塊的商業化。

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文章來源：中國投影網