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前投影技術(shù)產(chǎn)品在最近幾年出現(xiàn)了小型化趨勢，從最初的超便攜式投影機(jī)到最近的口袋式投影機(jī)，尺寸的縮小可以使投影機(jī)逐漸滲透到以前無法進(jìn)入的市場領(lǐng)域。而這種尺寸縮小的終極目標(biāo)應(yīng)該是使投影模塊可以集成到手持移動(dòng)設(shè)備中，如手機(jī)、多媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等。
隨著越來越多的數(shù)字媒體內(nèi)容被集成到手持移動(dòng)設(shè)備中，也更多地受到移動(dòng)設(shè)備尺寸的限制，如LCD類的固定尺寸顯示器件將限制數(shù)字媒體內(nèi)容的顯示效果。而投影模塊將會(huì)是一種化解顯示內(nèi)容豐富性和手持設(shè)備小型化之間矛盾的理想解決方案。
3M近期開發(fā)出一種可用于便攜移動(dòng)設(shè)備的光學(xué)引擎，其中包括LED照明光源、LCOS成像芯片以及先進(jìn)的多層光學(xué)薄膜材料技術(shù)。整個(gè)光學(xué)引擎的厚度為12.5毫米，光學(xué)效率超過5流明W。
設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)一個(gè)微型投影光學(xué)引擎需要平衡以下幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。
首先是外形尺寸。受到手持設(shè)備小型化趨勢的影響，投影模塊應(yīng)該盡量縮小尺寸，以便盡可能地減少模塊對(duì)外觀及其他功能的影響。
其次是功耗和光能轉(zhuǎn)換效率。這兩個(gè)指標(biāo)是部分關(guān)聯(lián)的，即有了好的發(fā)光效率可以幫助降低功耗，但是整個(gè)模塊功耗還必須考慮到驅(qū)動(dòng)電路的功耗。由于手持設(shè)備主要靠電池進(jìn)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(huì)導(dǎo)致以下三個(gè)不良后果：由于需要電流過大而無法開機(jī)，工作時(shí)間過短，發(fā)熱量過大導(dǎo)致機(jī)器升溫過高。
最后需要考慮的是光學(xué)成像的質(zhì)量。
同時(shí)，在設(shè)計(jì)中還需要考慮到成本問題，因此在材料和技術(shù)路線選擇上必須考慮到能夠量產(chǎn)和降低成本。
模塊構(gòu)成
投影模塊的外形如上圖所示，由照明光路系統(tǒng)、顯示芯片、偏振分光棱鏡、投影鏡頭以及外殼組成。
照明系統(tǒng)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(duì)于投影應(yīng)用，這種大角度的發(fā)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(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的光學(xué)封裝系統(tǒng)將整個(gè)光輸出分布角減少到大約±30度。
3M微型投影機(jī)的核心技術(shù)是基于多層光學(xué)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(tǒng)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(gè)投影光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。
在目前應(yīng)用的PBS中，3M共集成了三個(gè)曲面：一個(gè)曲面是位于照明部分的進(jìn)入面，幫助整形光線來恰當(dāng)?shù)爻錆M整個(gè)顯示芯片;另一個(gè)曲面是位于照明部分的出射面，起到場鏡的作用;第三個(gè)曲面位于投影部分的出射面，作為投影光學(xué)的一部分。將這么多的光學(xué)功能集成在PBS上后，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，由于可以直接將固定結(jié)構(gòu)與PBS集成在一起，不需要其他的固定結(jié)構(gòu)，并且使固定的準(zhǔn)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(dòng)設(shè)備輕量化的要求;最后是塑料也比較容易滿足震動(dòng)等可靠性測試要求。
塑料棱鏡的主要技術(shù)挑戰(zhàn)來自于如何保持較低的雙折射性從而不減小整個(gè)系統(tǒng)的對(duì)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(nèi)應(yīng)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(tǒng)的F數(shù)設(shè)計(jì)得較小，即有較大的角度。假如F數(shù)為2.0，對(duì)應(yīng)的角度為±14度。傳統(tǒng)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(huì)快速變差，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的對(duì)比度。
多層光學(xué)薄膜技術(shù)為3M公司發(fā)明的一項(xiàng)重要技術(shù)，將數(shù)百甚至上千層的有機(jī)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(jī)材料，透過率和消光比與入射角度的關(guān)系很小，完全可以應(yīng)用在F2.0光學(xué)系統(tǒng)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(diǎn)，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(dòng)顯示內(nèi)容的需要。
投影鏡頭內(nèi)使用了數(shù)片特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)鏡片以減小整體體積。同時(shí)，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(guī)則形狀，這樣可以保證整體厚度為12.5毫米。投影物鏡設(shè)計(jì)了前后移動(dòng)的調(diào)節(jié)聚焦機(jī)構(gòu)，可以在5～50英寸的屏幕尺寸范圍內(nèi)清晰成像。
模塊性能
根據(jù)IEC61947-1標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)3M微型投影模塊進(jìn)行的性能測試結(jié)果顯示，該模塊亮度為5.6流明W，ANSI對(duì)比度為801;這個(gè)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(diǎn)，使其可以內(nèi)置于手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備或用電池驅(qū)動(dòng)的微型移動(dòng)設(shè)備附件中，使移動(dòng)設(shè)備具有大尺寸顯示能力。這是一項(xiàng)將成熟的LED技術(shù)、LCOS技術(shù)以及3M公司的多層光學(xué)薄膜技術(shù)和光學(xué)注塑技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品，而且目前3M已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了微型投影模塊的商業(yè)化。
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文章來源：中國投影網(wǎng)
