激光投影光学模组及激光投影设备的制作方法

本发明涉及激光显示领域，尤其涉及一种激光投影光学模组及激光投影设备。

背景技术：

激光显示技术是以红、绿、蓝三基色激光作为光源的显示技术，其作为新一代显示技术，不仅继承了数字显示技术的所有优点，而且色域覆盖率高达人眼可识别色彩空间的90％，可以真实再现客观世界最丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力，因而被认为是一次显示领域的革命。

然而，由于激光光源的高度相干性，作为光源的激光投影在屏幕上时，散射光束间的干涉会导致投影像面上产生一种无规则分布的亮暗斑点，即激光散斑。散斑的存在严重影响了显示画面的成像质量，降低了图像分辨率和对比度，成为激光投影显示发展的一个重要障碍。因此，激光显示设计中必须尽可能地消减散斑噪声的影响，只有有效地抑制散斑，激光显示技术才有可能成为新一代显示行业的主流。

目前，围绕散斑问题国内外已提出多种解决方案，例如在光路中引入旋转漫射板、或旋转光学元件、振动镜、随机相位片等；再例如增加光源的谱线宽度；通过脉冲激光叠加的方式等。

对众多消散斑方案成功运用的是2007年三菱公司在显示市场上推出的一款大屏幕激光电视，该电视屏幕色彩再现域比液晶显示面板宽两倍。该激光电视的消散斑方案采的就是运动屏幕的方法，通过两个紧挨着的散射体组成的屏幕，其中一个屏幕固定，另一个紧挨着固定屏幕的屏幕做微小运动，这样由于屏幕的运动，使得显示图像中的散斑进行叠加，由于人眼的暂留效应，观察者就感觉不到屏幕上的散斑，即通过在平面内旋转屏幕以保持屏幕持续运动来叠加散斑图样，减少散斑的影响。该系统中需要两块屏幕，既增加了成本又影响了整机重量，且需要较大的驱动力而增加功耗，其实用操作性并不强。而且在运动屏幕消散斑方法中，光散布在运动屏幕上直接到达固定屏幕，如果散射体的散射角度比光路中透镜的数值孔径或者光圈值大，一部分光就将损失。另外由于需要考虑电视机外观、重量、可靠性、寿命和无噪声等问题，且随着大屏电视的发展，电视屏幕尺寸越做越大，抖动屏幕方案在满足上述要求的情况下，屏幕结构设计难度非常大，也正因为如此三菱的激光大屏幕电视价格昂贵，只能走高端消费路线，不能大批量生产。

而目前市面上价格稍低的激光电视，一般都不是采用三色激光，而是采用单色激光或双色激光，通过荧光粉激发成三色，由于荧光粉激发产生的宽光谱本身散斑效应很小，且这种结构的设备里面通常会用到旋转的匀光片，可进一步消散斑，因此他们不需要上面提到的抖动屏幕，只需要普通抗光幕即可，成本相对较低，但显示效果远不及真正的三色激光电视，实际上色域和对比度都相较于真正的三色激光差很多。

如何利用低成本的方式，实现消散斑，已成为激光显示领域必须克服的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种激光投影光学模组，用低成本的方式实现消散斑。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种激光投影光学模组，包括外壳，封装在外壳内的致动器、光纤和中继镜组；致动器的两端分别为固定端和自由端，光纤固定在致动器上且一端超出致动器的自由端形成光纤悬臂；以激光投影光学模组光线出射方向为前，中继镜组封装在外壳前端且位于光纤的出光光路上；在外壳后端，设置有能带动整个激光投影光学模组振动的振动装置。

优选的，所述振动装置通为马达或由压电晶体、磁场变化材料、场致形变材料之一制成的振动装置。

优选的，所述振动装置为沿前后方向伸缩的压电驱动器，压电驱动器工作时，带动所述激光投影光学模组沿前后方向振动。

优选的，所述振动装置的振动频率f≥30hz,振动幅度a≤100μm。

优选的，所述振动装置的振动频率f范围为:200hz≥f≥30hz,振动幅度a范围为:15μm≤a≤100μm。

优选的，所述致动器包括第一致动部和第二致动部，第一致动部能够驱动第二致动部以第一方向振动，第二致动部能够以第二方向振动，光纤悬臂最终被带动以第一方向与第二方向的合成方向上扫动。

优选的，所述第二致动部为压电驱动器。

优选的，所述第一致动部为马达或由压电晶体、磁场变化材料、场致形变材料之一制成的振动装置。

优选的，外壳内还封装有激光光源和合束器，所述激光光源产生的光束经合束器合束后耦入光纤。

优选的，所述激光光源至少包括r、g、b三色激光光源。

优选的，外壳内采用真空方式封装内部器件。

相应的，本发明还提供一种激光投影设备，所述激光投影设备包括至少一组上述的任一种激光投影光学模组。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种全新的具有消散斑功能的激光投影光学模组，采用该激光投影光学模组的激光投影仪或激光电视，不需要配合特殊屏幕即可实现良好显示效果，能有效降低激光投影仪或激光电视机的硬件成本，利于激光电视的大规模生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明实施例一激光投影光学模组的一种结构示意图；

图2是本发明实施例一激光投影光学模组的另一种结构示意图；

图3是图1激光投影光学模组外接激光光源的结构示意图；

图4是本发明实施例二激光投影光学模组的一种结构示意图；

图5是本发明实施例三激光投影光学模组的一种结构示意图；

图6是图5激光投影光学模组外接激光光源的结构示意图；

图7是本发明实施例四激光投影光学模组的一种结构示意图；

图8是本发明实施例中致动器的结构示意图一；

图9是本发明实施例中致动器的结构示意图二；

图10是将图1中多个激光投影光学模组拼接的示意图；

图11是将图4中多个激光投影光学模组拼接的示意图；

图12是将图5中多个激光投影光学模组拼接的示意图；

图13是本发明实施例激光投影设备示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中的“激光投影光学模组”也可以称为“光纤扫描器”。

实施例一：

参见图1至图3，本实施例激光投影光学模组，包括外101，封装在外壳101内的致动器102、光纤和中继镜组105；致动器102的两端分别为固定端和自由端，在图1示例中，制动器102的固定端通过固定支架107固定在外壳101的后端内侧，光纤固定在致动器上且一端超出致动器的自由端形成光纤悬臂104，光纤另一端103超出外壳后端作为光输入端；以激光投影光学模组光线出射方向为前方，出光端相对的一端为后端，即图1中，箭头方向为前，中继镜组105封装在外壳101的前端且位于光纤的出光光路上；在外壳101的后端，设置有能带动整个激光投影光学模组振动的振动装置106。本发明实施例中的中继镜组依据实际实施需求，可以设计为具有准直、成像、放大、匀光、聚焦等功能中的一种或多种功能。在图1示例中，振动装置106设置在外壳101后端的外侧，在具体实施时，振动装置106也可以按照图2所示方式设置，即振动装置106一部分超出后端外侧，一部分嵌入外壳后端的方式实施，在此申请人不对振动装置具体如何设置做限定，只要振动装置106能够带动整个激光投影光学模组振动即可。

在本实施例中，振动装置106和制动器102可以各自为单独器件，也可以设计为一体成型结构。当振动装置106和制动器102一体成型时，在本发明实施例中，外壳101封装时，使得振动装置106部分外漏在外壳101后端外侧即可。

光纤另一端103超出外壳后端作为光输入端，在使用时，可与激光光源等其他光学器件的出光光纤连接在一起，如图3，是图1激光投影光学模组外接激光光源的示意图，激光光源201包括r、g、b三色激光，三色激光通过合束器301合束后，输入图1中的激光投影光学模组，合束器301的输出光纤连接光纤103端，光纤之间的连接可采用光纤熔接机操作，振动装置106优选按照箭头指示的前后方向振动。

散斑本质上是由于干涉作用造成的能量重新分布，干涉项是随时间周期变化的量，人眼感知到的是干涉项人眼积分时间内的积分，本发明实施例中，由于振动装置106带动整个激光投影光学模组振动，由于人眼的视觉暂留效应，不能准确的分辨某一个时刻的散斑图样，在激光投影光学模组振动的情况下，人眼接收到的由散斑图样引起的特定的空间能量分布，将会由于这种振动变化而产生匀化的效果，最终达到减弱甚至消去散斑的目的。

实施例二：

参见图4，本实施例中的激光投影光学模组与图1～3中的激光投影光学模组区别在于：图4实施例把激光光源201和合束器301全部封装到外壳101内，致动器102通过固定支架107固定于外壳中部，所述激光光源201至少包括r、g、b三色激光光源，激光光源201产生的光束经合束器301合束后耦入光纤，由光纤悬臂104出射，振动装置106同样带动整个激光投影光学模组振动。优选的，所述激光光源至少包括r、g、b三色激光光源。

实施例三：

参见图5和图6，本实施例所示的激光投影光学模组包括外壳101，封装在外壳101内的振动装置106、致动器102、光纤和中继镜组105；以激光投影光学模组光线出射方向为前，出光端相对的一端为后端，振动装置106固定在外壳后端内侧，在图9示例中，振动装置106通过固定支架107固定在外壳101的后端内侧，致动器102的两端分别为固定端和自由端，固定端固定在振动装置106上，光纤固定在致动器102上且一端超出致动器102的自由端形成光纤悬臂104，光纤另一端超出外壳后端作为光输入端，所述中继镜组105为变焦透镜组或长焦深透镜组，其封装在外壳前端且位于光纤的出光光路上。

图6为图5激光投影光学模组外接激光光源和合束器的结构示意图。

本实施例与实施例一的区别在于：实施例一中，振动装置106带动的是整个激光投影光学模组振动，而本实施例中，振动装置106由于安装位置不同，其直接带动的是致动器102振动，进而间接带动光纤悬臂104振动。由于振动主体发生了变化，本实施例中，中继镜组105必须为变焦透镜组或长焦深透镜组，而在实施例一和实施例二中，中继镜组可以不具备变焦功能。本发明实施例中中继镜组105采用变焦透镜时，通过变焦控制，使得无论扫描光纤出光端与中继镜组的距离怎样变化，始终能聚焦在屏幕上。而中继镜组采用长焦深透镜，当扫描光纤扫出的像面与中继镜组的距离发生微小变化时，屏幕上的图像受影响较小。

实施例四：

参见图7，本实施例中的激光投影光学模组与图5和图6中的激光投影光学模组区别在于：图7实施例把激光光源201和合束器301全部封装到外壳101内，致动器102通过固定支架107固定于外壳中部，激光光源201至少包括r、g、b三色激光光源。其他部分与图5实施例一致，即振动装置106同样只带动致动器102及其上固定的光纤悬臂104振动，中继镜组105必须为变焦透镜组或长焦深透镜组。

在实施例三和实施例四中，振动装置106和制动器102可以各自为单独器件，也可以设计为一体成型结构。

上面结合图1-7描述了激光投影光学模组四个实施例的不同结构，下面将对上述四个实施例的共通部分进行描述。

在上述所有实施例中，振动装置106均可以为振动马达或由压电晶体、磁场变化材料、场致形变材料、电致伸缩材料等材料制成的振动装置，通过电机驱动、电致伸缩、磁驱动等方式实现在一个或多个方向上振动，从而带动整个激光投影光学模组振动。

上述所有实施例的较佳实施例中，所述振动装置106优选采用沿前后方向伸缩的压电驱动器，压电驱动器工作时，带动所述激光投影光学模组沿前后方向振动，即压电驱动器工作在“d33模式”，“d33模式”指当外加电场e与极化强度p同向时，厚度(t)方向伸长；e/p反向时，厚度(t)方向缩短。振动装置106的振动频率优选地高于根据人眼可识别的物体的移动速度的上限定义的振动频率。众所周知，人眼在视觉上识别速度范围等于或小于30hz的物体。因此，振动装置106的振动频率优选大于等于30hz。为了减小激光投影光学模组设计体积及功耗，振动装置106的振动幅度优选控制在100μm内。更优选的，本发明实施例振动装置的振动频率f范围为:200hz≥f≥30hz,振动幅度a范围为:15μm≤a≤100μm。

上述所有实施例中的制动器102可以为螺旋扫描致动器，也可以为栅格扫描致动器，本发明对致动器结构不做限制。

由于激光投影成像领域图像源一般都是矩形区域，螺旋型的扫描方式存在许多缺点，例如：与图像源不易匹配，像素利用率不高等等，因此本发明实施例优选采用栅格式扫描致动器，具体为：所述致动器包括第一致动部和第二致动部，第一致动部能够驱动第二致动部以第一方向振动，第二致动部能够以第二方向振动，光纤悬臂最终被带动以第一方向与第二方向的合成方向上扫动。优选第一方向和第二方向垂直，一个为x方向扫描，一个为y方向扫描。另外，第一致动部和第二致动部可以分别采用压电驱动、电机驱动或磁驱动等驱动方式，在此不做限制。例如第一致动部和第二致动部可以分别由马达或由压电晶体、磁场变化材料、场致形变材料之一制成。第一致动部和第二致动部可以为单独元件，二者通过粘接、卡接或连接件组合在一起；第一致动部和第二致动部也可以为一体成型结构，在此不做限制。为了使得致动器结构便于理解，下面以图8和图9为举例。图8和图9中，标号1021表示第一致动部，标号1022表示第二致动部，标号104为光纤悬臂，标号1023是连接部或隔离部，图8中，第一致动部和第二致动部为分体卡接设计，图9为第一致动部和第二致动部一体成型设计。

本发明实施例中，由于光纤本身很轻，驱动光纤扫描的致动器体积可以做得非常小，因此整个激光投影光学模组体积和重量都可以做到非常小，振动装置驱动整个激光投影光学模组振动，需要的功耗也可以非常低。

上述所有实施例中，外壳内优选采用真空方式封装所述致动器、光纤和中继镜组等内部器件。

激光投影中，常常需要多个光纤扫描器(激光投影光学模组)进行拼接。工作时，每个光纤扫描器的振动装置可以同步或异步(即同频率或不同频率，同振幅或不同振幅)进行一个或多个方向上振动，实现消散斑的功能。图10示意的是将图1中多个激光投影光学模组拼接的示意图，其中400为各个光纤扫描器的共同固定部，各个光纤扫描器的振动装置106固定在固定部400上。图11示意的是将图4中多个激光投影光学模组拼接的示意图，而图12示意的是将图5中多个激光投影光学模组拼接的示意图。

实施例一和实施例三中的激光投影光学模组，相比实施例二和实施例四中的激光投影光学模组，由于模组内部未封装激光光源，其散热性更好。同时由于激光投影光学模组保留了最精简结构，体积和重量均较小，对振动装置的驱动力要求较低，便于量产实现及效果保证。当然，当实施例三和实施例四中的中继镜组选用变焦透镜组时，相较于实施例一和二，其控制难度加大。因此，实施例一为本发明最佳实施例。

本发明实施例的激光投影光学模组适用于激光投影设备，在激光投影设备中，可采用一组或多组本发明实施例的激光投影光学模组。如图13所示，为激光投影设备示意图，激光投影仪500内光机模组中采用本发明激光投影光学模组100，由于本发明激光投影光学模组100具备消散斑功能，因此投影幕600可以为普通抗光幕，甚至普通投影仪幕布。

本发明提供了一种全新的具有消散斑功能的激光投影光学模组，采用该激光投影光学模组的激光投影仪或激光电视，不需要配合特殊屏幕即可实现良好显示效果，能有效降低激光投影仪或激光电视机的硬件成本，利于激光电视的大规模生产及普及。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。