一种光学引擎及激光投影设备的制作方法

本申请涉及激光显示领域，尤其涉及一种光学引擎及激光投影设备。

背景技术：

激光是一种高亮度，方向性强，发出单色相干光束的光源，激光光源作为一种优良的相干光源，具有单色性好，方向性强，光通量高等优点，近年来逐渐作为光源应用于投影显示技术领域。

激光的高相干性也带来了激光投影显示时的散斑效应，散斑是相干光源在照射粗糙的物体时，散射后的光由于其波长相同，相位恒定，就会在空间中产生干涉，空间中有些部分发生干涉相长，有些部分发生干涉相消，最终的结果是在屏幕上出现颗粒状的明暗相间的斑点，这些未聚焦的斑点在人眼看来处于闪烁状态，长时间观看易产生眩晕不适感，更会造成投影图像质量的劣化，降低用户的观看体验。

因此，减轻激光散斑问题是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种光学引擎及激光投影设备，用以减轻激光散斑，投影图像质量劣化的问题。

本发明实施例提供的一种光学引擎，包括光机和至少一种光源，发出至少一种颜色的光束，在所述光源发出的光束的传输光路中包括：匀光部件、运动漫射体；

所述匀光部件的入光面和/或出光面设置有相位片；

所述运动漫射体设置在所述匀光部件的出光面出射的光束的传输路径上，所述运动漫射体所在的位置与投影成像的位置共轭，其中，所述光束经过所述运动漫射体产生随机相位。

可选地，在所述匀光部件入光面设置的相位片的入射光束的传输路径上，设置有振动的反射型相位片；或者，

在所述匀光部件入光面设置的相位片的出射光束的传输路径上，设置有振动的反射型相位片。

可选地，所述振动的反射型相位片的振动方式是平动方式。

可选地，所述匀光部件的入光面设置的相位片包括透射型相位片或反射型相位片。

可选地，所述匀光部件的出光面设置的相位片包括透射型相位片或反射型相位片。

可选地，所述运动漫射体包括透射型运动漫射体或反射型运动漫射体。

可选地，所述匀光部件包括光棒或复眼透镜阵列。

可选地，所述至少一种光源包括：发出第一颜色激光的激光器、发出第二颜色激光的激光器和发出第三颜色激光的激光器；或者，

所述至少一种光源包括：至少发出第一颜色激光的激光器，以及受激产生至少第二颜色和第三颜色荧光的光源；或者，

所述至少一种光源包括：至少发出第一颜色和第二颜色激光的激光器，以及受激产生至少第三颜色荧光的光源。

可选地，所述第一颜色为蓝色，所述第二颜色为绿色，所述第三颜色为红色。

本发明实施例提供的激光投影设备，包括上述的光学引擎；

所述光学引擎中的光源为所述光学引擎中的光机提供照明，所述光机对光源光束进行调制，并输出至所述光机的镜头进行成像，投影至投影介质形成投影画面。。

本申请实施例提供的光学引擎中，包括光机和至少一种光源，发出至少一种颜色的光束，在光源发出的光束的传输光路中包括：匀光部件、运动漫射体；匀光部件的入光面和/或出光面设置有相位片；运动漫射体设置在匀光部件的出光面出射的光束的传输路径，运动漫射体所在的位置与投影成像的位置共轭，运动漫射体使光束产生随机相位。

本申请实施例中，一方面，在匀光部件的入光面设置相位片，其扩散作用使得进入匀光部件的光束的发散角度变得多样化，从而改变光束的相位；在匀光部件的出光面设置相位片，其扩散作用使从匀光部件出射的光束的发散角度变得多样化，从而改变光束的相位；运动漫射体可对光束进行扩散，使光束的发散角度多样化，且因其运动可提高产生随机独立相位的个数或概率，这样，通过相位片和运动漫射体的扩散作用的叠加，使光束的发散角度变得多样化，而光束发散角度的多样化使得光束的光程差异变得多样化，光程决定了相位的变化，因此光束的相位发生变化，从而光程差异使得随机相位产生的概率增大，随机相位能够产生随机的散斑图样，而具有随机性的散斑图样在人眼产生积分效应时，散斑效应会减弱，从而降低了图像的散斑现象；另一方面，运动漫射体所在的位置与投影成像的位置共轭，因为该位置对应投影成像的位置，在该位置光束产生的随机相位分布能最大程度的反映对应位置的成像面产生的随机相位分布，而在该位置上产生的随机相位越多，由于能够最为直观或最大程度的影响在对应位置的成像面上由随机相位产生的独立散斑图样的个数，从而成像面上的散斑图样的个数也随之越多，利用人眼产生积分效应，散斑效应会减弱，从而成像面的散斑现象减弱。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的光学引擎的架构示意图；

图2为本申请实施例提供的光束入射至图1所示的透射型固定扩散片103之前高斯能量的分布示意图；

图3为本申请实施例提供的光束经过图1所示的透射型固定扩散片103之后的能量分布示意图；

图4为本申请实施例提供的光束经过图1所示的匀光部件之后的能量分布示意图；

图5为本申请实施例提供的光束经过透射型旋转扩散片106之后的能量分布示意图；

图6为本申请实施例提供在图1所示的匀光部件之前添加振动反射镜的激光投影设备的示意图；

图7为本申请实施例提供的激光投影系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请实施例进行详细描述。

在激光传输的光路中，往往存在较多的光学镜片，一般可以包括有比如：凸透镜，凹凸镜，二向色镜，准直透镜等光学镜片。激光器发出的光束在光路中的各个镜片中传输，被透射或反射，进行光学处理。

在激光传输光路中，使用扩散片或旋转的散射片进行消散斑，主要是运用空间迭加的方法使散斑细化和运用时间平均的方法使散斑叠加的原理。通过将光束拆分为多个子光束，将散斑细化，并将不同时间点的散斑图样进行叠加匀化，通过在人眼中的积分作用，使散斑现象淡化、减弱。

本申请实施例中通过应用相位片、匀光部件和运动漫射体，对激光光束光斑进行一定程度的扩散，扩散使得光束的发散角度变得多样化，而光束发散角度的多样化使得光束的光程差异变得多样化，光程决定了相位的变化，从而使得相位发生变化，光程决定了相位的变化，从而光程的差异使得随机相位产生的概率增大，增加了激光光束空间相位的个数，降低了激光光束的相干性，对光束起到一定的匀化作用，进而提高匀光效果。通过相位片的扩散作用，再经过匀光部件的多次反射和运动漫射体的进一步扩散，使光束出射时的相位发生变化，且因其运动可提高产生随机相位的个数，且运动漫射体所在的位置与成像的位置共轭，因此成像的位置的随机相位的个数也增多，随机相位的个数增多，从而使形成的光斑位置发生移动，从而避免了激光光束长期照射到光学镜片的同一位置，减轻了激光散斑、投影图像质量劣化的问题。

在一些实施例中，本申请中采用旋转扩散片实现运动漫射体的可以改变相位的作用，但不限于旋转扩散片，本申请实施例对采用什么部件以什么运动方式实现改变相位的作用不做具体的限制，只要可以使光束的相位发生改变即可。

在一些实施例中，本申请中采用固定扩散片实现相位片可以改变入射光束的相位分布的作用，但不限于固定扩散片，本申请实施例对采用什么部件实现相位片的可以改变入射光束的相位分布的作用不做具体的限制，只要可以改变入射光束的相位分布即可。

在一些实施例中，本申请中采用振动反射镜实现振动的反射型相位片使光束的角度变得多样化的作用，但不限于振动反射镜，本申请实施例对采用什么部件实现振动的反射型相位片的作用不做具体的限制，只要该部件可以使光束的发散角度变得多样化即可。

为了更清楚的描述本申请实施例提供的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细的描述。

参见图1，为本申请实施例提供的光学引擎的光学架构示意图。该光学架构中包含：激光器101、聚焦透镜102、透射型固定扩散片103、光棒104、透射型固定扩散片105、聚焦透镜106、透射型旋转扩散片107、数字微镜元件(Digital Micromirror Device，简称DMD)108。其中，激光器101、聚焦透镜102、透射型固定扩散片103、光棒104、透射型固定扩散片105、聚焦透镜106、透射型旋转扩散片107是光学引擎中的部件。

激光在上述的光学架构中的传输路径如下所述：

激光器101：用于发出激光，该激光器可以分别为一个或多个激光器(图中仅示例性的示出了3个)，多个激光器可调整整个画面的亮度，本申请实施例对激光器的数量和激光器发出的颜色不做具体的限制。

激光器发出的激光经过聚焦透镜102会聚后，以会聚状态入射至透射型固定扩散片103，经透射型固定扩散片103的扩散透射后进入光棒104，从透射型固定扩散片103透射和扩散的光束在光棒104内部经过多次反射从光棒的出光口出射。

从光棒104的出光口出射的光束经透射型固定扩散片105透射和扩散后，入射至聚焦透镜106，聚焦透镜106对扩散的光束进行会聚。

会聚的光束入射至透射型旋转扩散片107，经透射型旋转扩散片107扩散透射后，入射至DMD108。其中，透射型旋转扩散片107设置在激光器101发出的光束成像面的共轭位置，透射型旋转扩散片107设置在该位置是因为扩散片旋转时，对应的成像的屏幕上会产生随机相位图样的叠加，达到消散斑的作用。具体地，透射型旋转扩散片所在的位置和最终观看到的图像面的位置共轭，共轭在光学成像中，是指物方和像方具有一对一映射关系的两点：Q点和Q'点，根据光路可逆原理，如果在Q点放置光源，将在Q'点成像，反之亦然。这样互相对应的两点，称为一对共轭点，共轭点可组成共轭线，进而有共轭面，因此可将透射型旋转扩散片所在的位置称为物面位置，将最终看到的图像面称为像面位置。

在物面位置处利用透射型旋转扩散片107对光束进行扩散，增加了空间的随机相位，产生多个独立的散斑图样，通过人眼的积分作用起到降低散斑的效果。通过透射型旋转扩散片107对光束起到一定的匀化作用时，对应的像面位置形成的光斑也会跟着进行相位的平均，因此物面位置与成像面的关联较大，从而物面位置光束的匀化程度对像面位置的光束的匀化程度影响也较大。

本申请实施例中将透射型旋转扩散片107设置在DMD成像面的物面位置，该位置的相位平均效果较大程度的影响了图像的成像面，从而较大程度的减弱消散斑的效果。物面位置跟最终成像面有放大倍率的关系，放大率越小，经过旋转扩散片匀化效果平均后的散斑颗粒也更小，相位平均效果越好，最终消散斑的效果也越好。因此，期望从光棒出射的光斑的大小与成像面所需的照射光束光斑的大小的尺寸倍数较小。

在图1中通过在光棒104前增加透射型固定扩散片103，能够对入射光棒104的光束进行扩散，改变相位的变化，提高光束进入光棒104的匀化效果，此处的匀化效果可以是光束光斑的色度不均匀得到一致或光束光斑的偏色现象可以得到一致。同时在光棒104的出光口的位置再设置一片透射型固定扩散片105，对从光棒104出射的光束进行再次扩散改变相位的分布，达到进一步的匀化的作用，从该透射型固定扩散片105透射扩散的光束再经过透射型旋转扩散片107，该旋转的扩散片对光束进行再进一步地扩散改变相位的变化，且与旋转扩散片的旋转，提高了产生随机相位的个数，从而减弱了散斑效应。

基于图1所示的结构，激光器101发出的光束经过透射型固定扩散片103的扩散作用后，光束的发散角度变得多样化，光束发散角度的多样化使得光束的光程差异也变得多样化，而光程决定了相位的变化，从而光程的差异使得随机相位产生的概率增大，增加了激光光束空间相位的个数，但是通过固定扩散片的扩散作用增加的激光光束的空间相位的个数有限。进一步地，在增加了有限个空间相位个数的基础上，由透射型旋转扩散片107对光束进行进一步的扩散，进而再次提高产生随机独立相位的个数或概率，独立相位是指相位不同，从而利于形成多个不同的独立散斑图像，经过人眼的积分作用后，散斑效应减弱。

图1所示的光学架构中，在光棒104的入光口和出光口的位置都设置有透射型固定扩散片，在一些实施例中，可以只在光棒104的入光口的位置或只在光棒104的出光口的位置设置透射型固定扩散片，本申请实施例对此不做具体的限制。

图1示出的光学架构中，固定扩散片为透射型的固定扩散片，当然固定扩散片也可以是反射型的固定扩散片，只是为反射型固定扩散片时需要调整扩散片的放置位置，以使从反射型固定扩散片反射的光束进入匀光部件，本发明实施例对固定扩散片的材质不做具体的限制。

图1示出的光学架构中的匀光部件是光棒，当然匀光部件也可以是复眼透镜阵列，本发明实施例对此不做具体的限制。

图1所示的光学引擎中，光源使用激光器，当然光源也可以是激光器和受激产生荧光的光源，光源也可以是激光器和发光二极管LED。具体实施时，光源可以包括：发出第一颜色激光的激光器、发出第二颜色激光的激光器和发出第三颜色激光的激光器，也可以是至少发出第一颜色激光的激光器，以及受激产生至少第二颜色和第三颜色荧光的光源，也可以是至少发出第一颜色和第二颜色激光的激光器，以及受激产生至少第三颜色荧光的光源，其中，该第一颜色可以为蓝色，第二颜色可以为绿色，第三颜色可以为红色，本发明实施例对此不做具体的限制。

图1仅是对基于光学引擎的光学架构的一种示例，当然也有别的光学架构，本申请实施例对此不做限制。

下面将结合附图，对图1所示的激光光束依次经过透射型固定扩散片103前、经过透射型固定扩散片103后、经过光棒104后、以及经过透射型旋转扩散片107后光束的高斯能量分布进行分析。

参见图2至图5，为激光光束能量的分布示意图。图2至图5中，X轴代表光束的发散角度，Y轴代表光束的高斯能量。

如图2所示，示例性的示出了激光光束入射到图1所示的透射型固定扩散片103之前的能量的分布示意图，从图2可以看出，经过透射型固定扩散片103之前激光光束的高斯能量主要聚集在0度光轴。

如图3所示，示例性的示出了激光光束经过图1所示的透射型固定扩散片103之后的能量的分布示意图，从图3可以看出，激光光束的能量仍然相对集中，但是相比图2所示的高斯能量分布示意图，其0度光轴及附近的能量被削弱。

如图4所示，示例性的示出了激光光束经过图1所示的光棒104之后的能量的分布示意图，从图4可以看出，由于透射型固定扩散片103的扩散作用增多了激光光束的发散角度，经过光棒104之后，光束在光棒104内部经过多次反射，使得光束的出射角度变得多样化，从而使得多个发散角度的光束的能量分布较平均比，光斑的匀化效果明显。因此图4所示的激光光束的能量的分布示意图相比图3所示的能量分布示意图，能量分布较均匀。

如图5所示，示例性的示出了激光光束经过图1所示的透射型旋转扩散片107后光束的能量的分布示意图，从图5可以看出，激光光束经过旋转扩散片后，增多了偏离0度光轴的角度的多样性，使得光束的能量在多个发散角度之间进行重新分配，从而最终得到如图5所示的能量分布示意图，与图2至图4所示的能量分布示意图相比，图5所示的激光光束的能量的高峰消失，能量分布在多个发散角度和0度光轴之间相对均衡分布，这种分布方式使得相干性较强的0度光轴的光束能量比例大大减弱，减弱了散斑效果。

作为对图1所示的光学引擎的改进添加，如图6所示，在激光光束入射匀光部件之前，还设置有振动反射镜，该振动反射镜以一定频率由驱动部件驱动进行振动，振动反射镜的振动方式可以是平动(平动是指在振镜的平面内进行运动)，振动反射镜通过振动改变光斑入射至聚焦透镜的位置，进而改变光斑入射至透射型固定扩散片和匀光部件的位置，对光斑起到一定的匀化作用，当振动反射镜的振动达到一定频率时，有助于提高散斑效果。

具体地，振动反射镜表面具有微结构，振动反射镜以平动方式振动时不同颗粒度的微结构对光束的反射作用各不相同，从而能够形成多样化的发散角度，相当于光束入射到凹凸不平的且随时间变化的微结构，振动反射镜的平动运动使得相邻时刻反射镜同一空间位置的微结构不同，从而光束入射到不同的微结构表面，使光束出射时的相位发生变化(类似可变形反射镜的原理：可变形反射镜表面的凸凹变化由程序控制随机无序的变化，从而对光束的反射也变得杂乱无序，增加了发散角度的多样性)。

参见图6，为本发明实施例提供的一种激光投影设备的光学架构示意图。该光学架构中包括：蓝色激光器601、二向色片602、绿色激光器603、二向色片604、红色激光器605、振动反射镜606、聚焦透镜607、透射型固定扩散片608、匀光部件609、透射型旋转扩散片610、聚焦透镜611、DMD612、投影镜头613、投影屏幕614。

激光在图6所示的光学架构中的传输路径如下所述：

蓝色激光器601发出蓝色激光，二向色片602透过蓝色激光，反射绿色激光器603发出的绿色激光，二向色片604透过蓝色激光和绿色激光，反射红色激光器605发出的红色激光，从二向色片604出射的光束入射至振动反射镜606，蓝色激光、绿色激光、红色激光经过振动反射镜606的反射后入射至聚焦透镜607，经过聚焦透镜607会聚后，以会聚状态入射至透射型固定扩散片608，经过透射型固定扩散片608扩散后进入匀光部件609，在匀光部件609内部经过多次反射后从透射型旋转扩散片610出射，从透射型旋转扩散片610出射的光束，经过聚焦透镜611的会聚作用入射到DMD612上。DMD612前端的照明系统(未在图中示出)将光束引导至DMD表面，DMD由成千上万的小反射镜组成，这些小反射镜将光束反射入投影镜头613成像，并投射至投影屏幕614，形成投影图像。

从图6所示的光学架构中看出，在图1所示的光学架构的基础上增加了振动反射镜606，振动反射镜606对入射至透射型固定扩散片608的光束进行匀化，进而提高光束的匀化效果，此处的匀化效果可以是指光束光斑的色度不均匀得到一致或偏色现象得到一致，同时配合匀光部件出光面的旋转扩散片进一步地对光束进行较好的扩散作用，提高产生随机独立相位的个数或概率，从而形成多个不同的独立散斑图像，经过人眼积分后，散斑效应减弱。

从光束的传输方向看，振动反射镜606可以前后平动，也可以左右平动，也可以上下平动。图6示出了振动反射镜前后平动的情况，其中，606-1和606-2分别表示振动反射镜606前后平动时的两个不同位置。

图6所示的振动反射镜606设置在透射型固定扩散片608的入射光束的传输路径上，当然振动反射镜也可以设置在透射型固定扩散片608的出射光束的传输路径上，同样可以达到匀化的效果，本发明实施例对此不做具体的限制。

若振动反射镜606设置在透射型固定扩散片608的出射光束的传输路径上，匀光部件609优选为复眼透镜阵列，以便接收较大发散角度的入射光束。复眼透镜阵列是两列复眼透镜阵列平行排列，第一列复眼透镜阵列中的各个小单元透镜的焦点与第二列的复眼透镜阵列中对应的小单元透镜的中心重合，两列复眼透镜的光轴互相平行，在第二列复眼透镜后放置聚光镜，聚光镜的焦平面放照明屏就形成了照明系统，可以接收大发散角度的入射光束。

为了进一步增强消散斑效果，还可以在光路中再增加其他辅助散斑的部件，比如本申请实施例中的以平动方式振动的振动反射镜，平动振动反射镜上设置有微结构，微结构可以随机成型，不具有规律性，从而配合平动的运动方式，能够产生类似可变形反射镜的效果，增加光束发散角度的多样性，最终发散角度的多样性使得光束传播光程不同，最终导致相位不同，在一定程度上起到消散斑的效果。

在图1所示的光学引擎的光学结构示意图的后面同样的设置如图6所示的聚焦透镜611、DMD612、投影镜头613以及投影屏幕614，也能构成投影设备，光束在其中的传输路径与图6所示的一样，在此不对此做具体的描述，相关描述可参见对图6的具体介绍。

图7示出了本申请实施例提供的激光投影系统示意图。

如图7所示，所述激光投影系统包括：光学引擎701、投影屏幕702。

其中，光学引擎701是本申请上述实施例所提供的光学引擎，具体可参见前述实施例，在此将不再赘述。

具体地，光学引擎中的光源703为光机704提供照明，光机704对光束光束进行调制，并输出至光机中的镜头成像，透射至投影介质702(比如屏幕或墙体等)形成投影画面。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的部件。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令部件的制造品，该指令部件实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。