激光显示器、发散角的预设范围及光纤长度的确定方法与流程
本申请涉及激光显示技术领域，具体而言，涉及一种激光显示器、发散角的预设范围及光纤长度的确定方法。
背景技术：
随着激光显示技术的发展，激光显示器的应用范围有了很大扩展，目前激光显示技术主要应用于公共信息大屏、激光电视等。与普通显示器相比，在相同屏幕尺寸和相同图像效果的条件下，激光显示器的功耗低于普通显示器；并且，激光是100％的单色光，通常采用红、蓝、绿三色光调制，彩色效果非常理想。以及，激光显示器的室温寿命一般可达10万小时，经高温老化试验推算出的室温寿命可达百万小时，因此它是一种寿命长可靠性高的产品。
而vcsel(vertical-cavitysurface-emittinglaser，垂直腔面发射激光器)基于半导体基板搭载多个可独立控制的点光源，其激光垂直于顶面射出。但vcsel发射的光线具有一定的发散角(通常在24°以内)，在将vcsel应用于激光显示器中时，由于发散角度的存在，会产生像素重叠的现象，影响显示效果。
技术实现要素：
本申请实施例的目的在于提供一种激光显示器、发散角的预设范围及光纤长度的确定方法，以解决由于像素重叠导致的显示效果不佳的问题。
为了实现上述目的，本申请的实施例通过如下方式实现：
第一方面，本申请实施例提供一种激光显示器，包括：包含多个可被独立控制的发光单元的vcsel光源；设置在所述vcsel光源与保护屏之间的光线传播单元，用于传播所述发光单元发射的光线，其中，经所述光线传播单元传播后射出的光线的发散角在预设范围内，以使每个所述发光单元发射的光线在到达所述保护屏时，位于各自对应的像素点所表示的范围内；所述保护屏，用于保护所述激光显示器的内部元件。
在本申请实施例中，通过在vcsel光源与保护屏(即vcsel光源的投影面)之间设置光线传播单元，用于传播vcsel光源中发光单元发射的光线，并改变光线的发散角，使得经光线传播单元传播后射出的光线的发散角在预设范围内，从而使得每个发光单元发射的光线在到达保护屏时，位于各自对应的像素点所表示的范围内，以避免像素重叠的现象，提升显示效果。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述光线传播单元为自聚焦光纤。
在该实现方式中，采用自聚焦光纤作为光线传播单元，一方面可以有效控制从自聚焦光纤出射的光线的发散角，另一方面，可以有效控制成本，且结构和设置方式简单。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述自聚焦光纤的长度l在
在该实现方式中，由于自聚焦光纤的特性(自聚焦光纤的纤芯的折射率并非常数，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律逐渐减小，因此光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚，光线偏离中心轴线越远，则其传播路程越长，传播的轨迹类似正弦波曲线)，将自聚焦光纤的长度l控制在
结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述自聚焦光纤的长度l为
在该实现方式中，将自聚焦光纤的长度l设置为
结合第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，每个所述发光单元用于发射可合成彩色模式的单色光。
在该实现方式中，每个发光单元用于发射可合成彩色模式的单色光，这样可以实现彩色激光显示。
结合第一方面，或者结合第一方面的第一种至第四种中任一可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述激光显示器还包括设置在所述光线传播单元与所述保护屏之间的扩散膜，用于对从所述光线传播单元射出的光线进行扩散，其中，任一所述发光单元发射的光线经所述光线传播单元传播及所述扩散膜扩散后，在到达所述保护屏时位于该发光单元对应的像素点所表示的范围内。
在该实现方式中，通过在光线传播单元与保护屏之间设置扩散膜，扩散膜可以对从光线传播单元射出的光线进行扩散，但任一发光单元发射的光线经光线传播单元传播及扩散膜扩散后，在到达保护屏时位于该发光单元对应的像素点所表示的范围内。这样既可以避免像素重叠的问题，又可以通过扩散膜将光线扩散，使得显示更加均匀，从而提升显示效果。
结合第一方面，或者结合第一方面的第一种至第四种中任一可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述激光显示器还包括编译器，用于控制每个所述发光单元的发光亮度。
在该实现方式中，通过编译器控制每个发光单元的发光亮度，可以使得激光显示器的显示效果更加丰富和细腻。
第二方面，本申请实施例还提供一种发散角的预设范围的确定方法，应用于第一方面或第一方面的可能的实现方式中任一项所述的激光显示器，所述光线传播单元为光纤，所述方法包括：获取所述光纤的出射端与所述保护屏之间的距离，以及，所述光纤的芯径和所述激光显示器的像素点的尺寸；根据所述距离、所述光纤的芯径和所述像素点的尺寸，确定出从所述出射端射出的光线的最大发散角，其中，所述出射端以所述最大发散角射出的光线在到达所述保护屏时不超出一个像素点所表示的范围；根据所述最大发散角确定出所述预设范围。
在本申请实施例中，通过获取光纤的出射端与保护屏之间的距离，光纤的芯径以及像素点的尺寸，确定出从出射端射出的光线所允许的最大发散角，以使光线在到达保护屏时不超出一个像素点所表示的范围，进一步确定出发散角的预设范围。这样的方式可以简单准确地确定出从光纤射出的能够保证激光显示器的显示效果的发散角的预设范围。
结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述根据所述最大发散角确定出所述预设范围，包括：获取预设系数，其中，所述预设系数为小于等于1的正数；确定出所述最大发散角和所述预设系数的乘积，所述乘积表示所述预设范围。
通过获取预设系数，计算最大发散角和预设系数的乘积，从而确定出预设范围。而预设系数可以基于实际情况中的多种影响因素进行确定，从而保证预设范围的可行性，为激光显示器的显示质量提供保障。
第三方面，本申请实施例提供一种自聚焦光纤长度的确定方法，应用于第一方面或第一方面的可能的实现方式中任一项所述的激光显示器，所述光线传播单元为自聚焦光纤，所述方法包括：确定出所述预设范围所允许的最大发散角；根据所述最大发散角和预设的对应关系，确定出所述自聚焦光纤的长度，其中，所述对应关系为自聚焦光纤的长度与出射光线的发散角之间的对应关系。
在本申请实施例中，通过预设范围所允许的最大发散角、最大发散角和预设的对应关系，可以准确确定出自聚焦光纤的长度，从而保证激光显示器的显示效果。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于vcsel的激光显示器的示意图。
图2为本申请实施例提供的一种vcsel光源的示意图。
图3为本申请实施例提供的一种光线在自聚焦光纤中传播的示意图。
图4为本申请实施例提供的一种光线在自聚焦光纤中传播后平行射出的示意图。
图5为发光单元发射的光线达到保护屏时在该发光单元对应的像素点所表示的范围内的示意图。
图6为本申请实施例提供的一种包括扩散膜的激光显示器的示意图。
图7为本申请实施例提供的一种发散角的预设范围的确定方法的流程图。
图8为本申请实施例提供的从出射端射出的光线到达保护屏的过程中的光路传播示意图。
图9为本申请实施例提供的一种自聚焦光纤长度的确定方法的流程图。
图标：100-激光显示器；110-vcsel光源；111-发光单元；120-光线传播单元；130-保护屏；140-扩散膜。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种激光显示器100的示意图。
在本实施例中，激光显示器100可以包括vcsel光源110、光线传播单元120和保护屏130，光线传播单元120设置在vcsel光源110和保护屏130之间。vcsel光源110可以发射光线，经光线传播单元120传播，发射到保护屏130，从而形成图像。
请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种vcsel光源110的示意图。
示例性的，vcsel光源110可以包含多个可被独立控制的发光单元111(即每个发光单元111之间的亮灭状态互不影响)，每个发光单元111可以发射光线(具有一定的发散角，通常在24°以内)。
示例性的，每个发光单元111可以发射可合成彩色模式的单色光，例如rgb模式中的红色单色光、蓝色单色光、绿色单色光，或者其他彩色模式(例如lab颜色模式)中的色光，本实施例中以rgb模式中的色光为例进行说明，但不作限定。当然，每个发光单元111也可以发射非彩色模式的色光，例如采用灰度模式进行显示的激光显示器100，则不需要发光单元111发射合成彩色模式的单色光。
每个发光单元111用于发射可合成彩色模式的单色光，这样可以实现彩色激光显示，丰富激光显示器100的显示效果。
为了进一步丰富激光显示器100的显示效果，在本实施例中，激光显示器100还可以包括可编译的编译器，编译器可以与每个发光单元111连接。通过对编译器的编译，可以生成控制发光单元111发光的控制指令，将控制指令发送到发光单元111即可控制发光单元111的发光亮度。通过编译器控制每个发光单元111的发光亮度，可以使得激光显示器100的显示效果更加丰富和细腻。
在本实施例中，保护屏130一方面可以保护激光显示器100的内部元件，另一方面，vcsel光源110发射的光线经光线传播单元120射出后到达保护屏130时，光线透过保护屏130，被人眼接收到，由于保护屏130的存在，人就感觉在保护屏130上成像。示例性的，保护屏130可以选用高光学透过率的材料制成，以提高激光显示器100的显示效果。
由于vcsel光源110的发光单元111发射的光线存在发散角(通常在24°以内)，将vcsel光源110的发光单元111视为一个点光源，若不使用光线传播单元120，那么结合发光单元111与保护屏130之间的距离，可以确定出光线达到保护屏130时的大小。当然，现有技术中也会使用光纤进行光信号的传导，但光线从光纤的输出端射出后，仍然具有发散角，结合光纤的输出端至保护屏130之间的距离，仍然会存在一些像素叠加的现象，显示效果有待提高。
因此，本申请实施例中采用的光线传播单元120，设置在vcsel光源110与保护屏130之间。vcsel光源110的发光单元111发射光线后，光线传播单元120可以传播发光单元111发射的光线，并且，光线传播单元120还可以对光线的发射角进行调整，使得经光线传播单元120传播后射出的光线的发散角在预设范围(例如10°内5°内等，以实际需要为准)内，从而使每个发光单元111发射的光线在到达保护屏130时，位于各自对应的像素点所表示的范围内。
通过在vcsel光源110与保护屏130(即vcsel光源110的投影面)之间设置光线传播单元120，用于传播vcsel光源110中发光单元111发射的光线，并改变光线的发散角，使得经光线传播单元120传播后射出的光线的发散角在预设范围内，从而使得每个发光单元111发射的光线在到达保护屏130时，位于各自对应的像素点所表示的范围内，以避免像素重叠的现象，提升显示效果。
请参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种光线在自聚焦光纤中传播的示意图。由于自聚焦光纤的特性：自聚焦光纤的纤芯的折射率并非常数，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律逐渐减小，因此光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚，光线偏离中心轴线越远，则其传播路程越长，传播的轨迹类似正弦波曲线。
因此，自聚焦光纤的长度l，可以作为控制出射光线的发散角的参数。因此，本实施例中可以选用自聚焦光纤作为光线传播单元120，一方面可以有效控制从自聚焦光纤出射的光线的发散角，另一方面，可以有效控制成本，且结构和设置方式简单。
请再次参阅图3，自聚焦光纤的纤芯截面的径向折射率n(r)呈渐变型分布，且满足：
其中，n1表示纤芯轴线处(r＝0)的折射率；r表示纤芯内任意一点到纤芯轴的距离；a表示纤芯半径；δ为相对折射率差；α表示折射率分布指数(此处α＝2)。
而多模光纤的纤芯直径2a通常在50～200微米，δ＝0.01～0.02；单模光纤的纤芯直径2a通常在10微米以内，δ＝0.001～0.01。
假设单色平面波的波长为λ，波数
结合目前的激光显示技术中光纤出射端与保护屏130之间需要保持的距离(视具体的应用场景、集成的工艺等因素而定)，可以选取长度l在
示例性的，可以选取长度l为
当然，光线传播单元120还可以为其他结构或形式的光线传播结构，例如，采用多模光纤和多模光纤准直器相配合，使得到达保护屏130的光线为平行光线，从而使得光线的发散角在预设范围内。因此，此处不应视为对本申请的限定。
为了进一步提升激光显示器100的显示效果，激光显示器100还可以包括扩散膜140，设置在光线传播单元120与保护屏130之间，如图6所示。
以光线从光线传播单元120的出射端平行出射为例，光线可以透过以pet(polyethyleneterephthalate，涤纶树脂)作为基材的扩散膜140，光线从折射率相异的介质中穿过，会使得光线发生许多折射、反射与散射的现象，可修正光线成均匀面光源以达到光学扩散的效果。扩散膜140在背光源结构中主要起到修正扩散角度的作用，会使光辐射面积增大，降低单位面积的光强度，即减低辉度。发光光源经扩散材料扩散之后，能变成面积更大，均匀度较好，色度稳定的2次光源。
由于扩散膜140与保护屏130可以贴附设置或间隔极小距离(例如1毫米)设置，因此，此处的扩散膜140对光线进行扩散，也依然能够使得每个发光单元111发射的光线经光线传播单元120传播和扩散膜140扩散后，在到达保护屏130时位于该发光单元111对应的像素点所表示的范围内，这样既可以避免像素重叠的问题，又可以通过扩散膜140将光线扩散，使得保护屏130位置处的每个像素点所表示的范围内的光线更加均匀和柔和，从而提升显示效果。
另外，针对不同的激光显示器，本申请还提供一种发散角的预设范围的确定方法，应用于本申请实施例提供的激光显示器，且光线传播单元为光纤的情况。
请参阅图7，图7为本申请实施例提供的一种发散角的预设范围的确定方法的流程图。发散角的预设范围的确定方法可以包括步骤s11、步骤s12和步骤s13。
示例性的，为了在保证激光显示器的显示效果(主要是避免像素叠加问题)的条件下简单准确地确定出发散角的预设范围，可以执行步骤s11。
步骤s11：获取光纤的出射端与保护屏之间的距离，以及，光纤的芯径和激光显示器的像素点的尺寸。
在本实施例中，可以获取选用的光纤的芯径、光纤的出射端与保护屏之间的距离，以及激光显示器的像素点的尺寸。
示例性的，光纤的芯径可以通过光纤的型号确定出，而光纤的出射端与保护屏之间的距离也可以便捷地获取，而激光显示器的像素点的尺寸可以通过激光显示器的显示屏尺寸和分辨率确定出。
确定出光纤的芯径、光纤的出射端与保护屏之间的距离及激光显示器的像素点的尺寸后，可以执行步骤s12。
步骤s12：根据距离、光纤的芯径和像素点的尺寸，确定出从出射端射出的光线的最大发散角，其中，出射端以最大发散角射出的光线在到达保护屏时不超出一个像素点所表示的范围。
在本实施例中，可以根据光纤的出射端与保护屏之间的距离、光纤的芯径和像素点的尺寸，确定出从出射端射出的光线所允许的最大发散角。
请参阅图8，图8为本申请实施例提供的从出射端射出的光线到达保护屏的过程中的光路传播示意图。
光线从出射端射出后，达到保护屏时的光线覆盖范围可以基于芯径大小、出射角度、传播距离确定出，从而，可以通过以下关系式确定出最大发散角：
其中，β表示最大发散角；d1表示光线的芯径；d2表示像素的尺寸；s表示传播距离(即出射端与保护屏之间的距离)。
确定出最大发散角后，可以执行步骤s13。
步骤s13：根据最大发散角确定出预设范围。
在本实施例中，可以获取预设系数，其中，预设系数为小于等于1的正数；确定出最大发散角和预设系数的乘积，乘积表示预设范围。
通过获取预设系数，计算最大发散角和预设系数的乘积，从而确定出预设范围。而预设系数可以基于实际情况中的多种影响因素(例如，考虑到添加扩散膜后会对光线进行一定程度的发散，导致到达保护屏的光线的范围会有些许扩大)进行确定，从而保证预设范围的可行性，为激光显示器的显示质量提供保障。
以及，本申请实施例还提供一种自聚焦光纤长度的确定方法，应用于本申请实施例提供的激光显示器，光线传播单元为自聚焦光纤。
请参阅图9，图9为本申请实施例提供的一种自聚焦光纤长度的确定方法的流程图。自聚焦光纤长度的确定方法可以包括步骤s21和步骤s22。
为了保证激光显示器的显示效果，避免像素叠加的问题，可以执行步骤s21。
步骤s21：确定出预设范围所允许的最大发散角。
确定出预设范围所允许的最大发散角的方式，可以参阅前文，此处不再赘述。
确定出最大发散角后，可以执行步骤s22。
步骤s22：根据最大发散角和预设的对应关系，确定出自聚焦光纤的长度，其中，对应关系为自聚焦光纤的长度与出射光线的发散角之间的对应关系。
在本实施例中，可以确定出自聚焦光纤的长度与出射光线的发散角之间的对应关系(可以为关系式，也可以为出射光线的发散角与自聚焦光纤的长度的对应关系列表，此处不作限定)，结合最大发散角，确定出自聚焦光纤的长度的可选范围，并进一步根据实际需要在可选范围内选取合适长度的自聚焦光纤。
通过预设范围所允许的最大发散角、最大发散角和预设的对应关系，可以准确确定出自聚焦光纤的长度，从而可以避免像素叠加的问题，保证激光显示器的显示效果。
综上所述，本申请实施例提供一种激光显示器、发散角的预设范围及光纤长度的确定方法，通过在vcsel光源与保护屏(即vcsel光源的投影面)之间设置光线传播单元，用于传播vcsel光源中发光单元发射的光线，并改变光线的发散角，使得经光线传播单元传播后射出的光线的发散角在预设范围内，从而使得每个发光单元发射的光线在到达保护屏时，位于各自对应的像素点所表示的范围内，以避免像素重叠的现象，提升显示效果。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法，可以通过其它的方式实现。另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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