CN104536133A - 一种激光扫描式投影装置 - Google Patents

Abstract

一种激光扫描式投影装置，包括X方向行扫描反射镜和用于Y方向场扫描的液晶偏转透镜，液晶偏转透镜包括两侧外层分别为相互平行的ITO导电玻璃基板，电源正、负极分别连接在ITO导电玻璃基板的导电层上，提供扫描电压；中间为填充层，由聚合物光介质和液晶共同填充，其垂直于所述ITO导电玻璃基板的横截面为长方形，两种填充介质分界线为长方形的对角线；激光自填充液晶一侧的ITO导电玻璃基板垂直入射，自对侧的ITO导电玻璃基板出射，液晶分子状态扫描电压变化，使入射线偏振激光出射时发生偏转从而实现投影的场扫描。本发明结构简单紧凑，解决了现有设备体积庞大的问题，且容易操作，能耗较低。

Description

一种激光扫描式投影装置

技术领域

本发明涉及激光显示技术领域，特别是一种激光扫描式投影装置。

背景技术

激光投影显示技术(LDT)，也称激光投影技术或者激光显示技术，它是以红、绿、蓝(RGB)三基色激光为光源的显示技术。同传统的显示光源相比，首先，激光具有很好的单色性、方向性的优点，使用激光三基色作为显示光源，包含了人眼所能分辨颜色的90％，色域空间大、色彩丰富、色饱和度高；其次，光源寿命长、维护费用总体使用成本低；生产装备投资规模小，可以分期投入；环保节能，功耗仅是传统电视的1/3，且生产过程中不使用对环境有威胁的重金属材料；随着激光显示系统设计变革，成本下降潜力大。激光投影技术除了目前较为流行的使用面阵空间光调制器的投影技术，其中包括LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、LCOS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)和DLP(Digital Light Processor，数码光路处理器)等投影技术，除此之外还有一种更重要的投影技术，即激光扫描式投影技术。

激光扫描式投影技术原理如图1所示，一般使用二维振镜扫描器、多面转镜扫描器或声光偏转器实现激光扫描投影显示，通常对于行扫描的频率要求比较高，目前振镜的扫描频率为20kHz-100kHz，而对场扫描的频率要求比较低，只要达到50Hz左右即可。专利CN201010179954和CN201210156931均记载了采用两个反射镜组成的二维振镜系统实现扫描投影的技术方案；专利CN200310117132记载了使用多面转镜扫描器实现扫描的激光投影方法。在常用的扫描装置中，二维振镜扫描器和多面转镜扫描器采用机械驱动或者微电子机械系统驱动，这种结构体积较大，且能耗较大，不利于节能减排，不利于较狭小空间的安装使用。开发一种体积精巧、能耗低的激光扫描式投影装置，成为当前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种激光扫描式投影装置。

本发明的技术方案为：

一种激光扫描式投影装置，包括可使入射激光在X方向偏转的行扫描反射镜，所述行扫描反射镜与电机连接并转动，还包括用于场扫描的液晶偏转透镜，在所述液晶偏转透镜上通过电源加载扫描电压可使液晶分子状态发生变化，使入射线偏振激光出射时在Y方向发生偏转，出射激光偏转角度随扫描电压变化；通过行扫描反射镜和液晶偏转透镜联动实现激光行和场扫描，在显示平面投影出二维图像。

优选的，所述液晶偏转透镜为分层结构，包括ITO导电玻璃基板和填充层；液晶偏转透镜两侧外层分别为相互平行的ITO导电玻璃基板，所述电源正、负极分别连接在ITO导电玻璃基板的导电层上，提供所述扫描电压；所述填充层由聚合物光介质和液晶共同填充，聚合物光介质和液晶的分界面为一个平面，所述分界面与外层所述ITO导电玻璃基板的夹角θ为锐角；激光自填充液晶一侧的ITO导电玻璃基板垂直入射，自对侧的ITO导电玻璃基板出射；加载电压可改变填充液晶的偏振状态，从而改变线偏振入射激光的出射方向。

进一步优选的，所述ITO导电玻璃基板由外层的玻璃基板和内层淀积的ITO透明导电膜组成，所述电源连接在所述ITO透明导电膜上；ITO(Indium-Tin Oxide，氧化铟锡)是一种N型氧化物半导体材料，ITO膜层的厚度不同会导致其导电性能和透光性能的差异，因其透过率好，常用在光电器件上作为电极；ITO膜常淀积在玻璃上面，称为ITO导电玻璃，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性。

进一步优选的，调整所述填充层使其垂直于所述ITO导电玻璃基板的横截面为两个直角三角形斜边拼合的长方形结构，其中聚合物光介质和液晶的分界线恰好为该长方形的对角线。

进一步优选的，所述液晶采用寻常光折射率n_o为1.488，非寻常光折射率n_e为1.642的正性液晶；所述聚合物光介质各向同性，折射率n与所述n_o相同；所述ITO导电玻璃基板折射率n′为1.45；设置所述夹角θ为60°。

优选的，所述行扫描反射镜为振镜或多面转镜。

优选的，所述扫描电压频率为50Hz-200Hz。

进一步优选的，所述扫描电压频率为20kHz-100kHz。

优选的，激光光路中包括光束整形装置和/或光束放大装置；所述投影装置还包括连接并控制所述电机和电源的扫描控制系统；扫描控制系统可同时控制电机的运行和扫描电压变化，使入射激光光束在显示平面上通过行扫描和场扫描形成二维投影画面。

本发明技术方案相比现有技术，解决了因扫描器机械转动受限于电机转速及反射镜惯量导致扫描频率不易提高且易产生机械损坏的缺陷，也同时克服了现有的激光扫描式投影仪体积庞大的问题，发明装置的结构简单紧凑，容易操作，能耗较低。

附图说明

图1为现有技术采用二维振镜扫描器的投影原理示意图；

图2为本发明实施例1采用振镜的装置基本结构示意图；

图3为本发明实施例2采用多面转镜的装置基本结构示意图；

图4为本发明液晶偏转透镜的结构示意图；

图5a为本发明液晶偏转透镜的工作状态原理示意图，液晶处于液晶态I；

图5b为本发明液晶偏转透镜的工作状态原理示意图，液晶处于液晶态II；

其中：

1.振镜；2.多面转镜；3.电机；4.液晶偏转透镜；5.ITO导电玻璃基板；51.玻璃基板；52.ITO透明导电膜；6.填充层；61.聚合物光介质；62.液晶；62A.液晶态I；62B.液晶态II；63.分界面；7.电源；8.激光光源；81.入射激光；82.出射激光；9.显示平面。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步说明。

实施例1：

图1所示的是现有技术中采用二维振镜进行激光扫描投影的原理，入射的光线通过两个振镜分别进行行扫描和场扫描，形成显示平面上的二维图像。本发明技术方案将现有技术中的场扫描振镜用液晶偏转透镜4代替。入射激光81首先入射到行扫描振镜1，反射光的偏转方向为X轴方向，反射光线再入射到液晶偏转透镜4，利用液晶62分子在外加电压变化下的不同状态实现透射光偏转，从而使出射激光82在扫描电压作用下，沿竖直方向，即图中Y轴方向完成场扫描。激光在行扫描和场扫描结合下在显示平面9上形成二维扫描画面。虽然图2中并未示出，但为控制驱动振镜扫描的电机3的动作以及对液晶偏转透镜4施加所需的扫描电压，设置有连接电机3和产生扫描电压的电源7的扫描控制系统；同时为使激光光源8出射的激光更满足投影需要，光路中还可加入辅助性的附加装置，可在激光入射振镜前加入光束整形装置和/或光束放大装置。

液晶偏振透镜4的结构如图4所示为：两外侧为平行的由玻璃基板51内侧淀积ITO透明导电膜52形成的ITO导电玻璃基板5，中间填充层6由聚合物光介质61和液晶62分区填充，二者分界面63为与ITO导电玻璃基板5夹角为锐角θ的平面，本实施例中填充层6垂直于所述ITO导电玻璃基板5的横截面呈现两个直角三角形斜边拼合的长方形，其中拼合处的分界线恰好为该长方形的对角线。

关于液晶偏振透镜4结构参数的设定，液晶62采用正性液晶，当施加电压时，液晶分子长轴平行于电场方向；液晶62材料折射率为非寻常光n_e为1.642，寻常光n_o为1.488；同时选择聚合物光介质61为各向同性物质，其折射率n同为1.488；设定分界面63夹角角度θ为60°；选择ITO导电玻璃基板5的折射率n′为1.45。

如图5a所示为液晶偏振透镜4初始状态，此时电源7提供扫描电压V₁使得液晶62分子处于液晶态I62A，即分子的长轴垂直于所述ITO导电玻璃基板5，入射激光81为线偏振光，使其偏振方向垂直于分子长轴方向，此时由于n和n_o相等，根据折射定律：

n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂

激光在分界面的初始折射角度θ₁和夹角θ相等，均为60°，出射激光82与出射面ITO导电玻璃基板5夹角θ₁′为90°。

如图5b所示为液晶偏振透镜4工作状态，电源7提供电压V₂使得液晶62分子处于液晶态II62B，即分子的长轴平行于所述ITO导电玻璃基板5，此时前述入射激光81在液晶62中传播方向的折射率改变为n_e，根据折射定律可以计算得到θ₂为72.9°，θ₂′为109.4°，即与初始状态相比，出射激光82在Y轴方向偏转角度为19.4°。

根据以上原理，技术人员通过计算与调试可自由设定其它夹角θ，并方便的选择具有适合折射率的各部分材质，只需前述的基本折射原理。计算可知，为了增加出射激光82的偏转角度，可通过以下方法实现：1.选择更大的夹角θ；2.选择折射率更小的聚合物光介质61。

实际工作中，由于在液晶分子从液晶态I变到液晶态II的过程中，还存在许多过渡的液晶态，每种液晶态所对应的激光偏转角度逐渐变化。由于普通的向列型液晶分子的响应时间通常在5ms左右，对应的频率为200Hz，远大于一般场扫描所需要的50Hz的频率，所以液晶偏转透镜作为场扫描元件可以满足投影要求。

由于液晶偏转透镜不像振镜或者多面转镜那样需要机械驱动，所以结构相对简单，而且可以做的很小，这样就可以在一定程度上实现整个系统的小型化和简单化。

实施例2：

图3所示是本发明投影装置的另外一个实施例，与实施例1不同的是振镜1替换为多面转镜2，其余显示原理及参数选择设定方式相同。

应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种激光扫描式投影装置，包括可使入射激光在X方向偏转的行扫描反射镜，所述行扫描反射镜与电机(3)连接并转动，其特征在于：还包括用于场扫描的液晶偏转透镜(4)，在所述液晶偏转透镜(4)上通过电源(7)加载扫描电压使液晶分子状态发生变化，使入射线偏振激光在出射时于Y方向发生偏转，出射激光偏转角度随扫描电压变化。

2.根据权利要求1所述的激光扫描式投影装置，其特征在于：所述液晶偏转透镜(4)为分层结构，包括ITO导电玻璃基板(5)和填充层(6)；液晶偏转透镜(4)两侧外层分别为相互平行的ITO导电玻璃基板(5)，所述电源(7)正、负极分别连接在ITO导电玻璃基板(5)的导电层上，提供所述扫描电压；所述填充层(6)由聚合物光介质(61)和液晶(62)共同填充，聚合物光介质(61)和液晶(62)的分界面(63)为一个平面，所述分界面(63)与外层所述ITO导电玻璃基板(5)的夹角θ为锐角；激光自填充液晶(62)一侧的ITO导电玻璃基板(5)垂直入射，自对侧的ITO导电玻璃基板(5)出射。

3.根据权利要求2所述的激光扫描式投影装置，其特征在于：所述ITO导电玻璃基板(5)由外层的玻璃基板(51)和内层淀积的ITO透明导电膜(52)组成，所述电源(7)连接在所述ITO透明导电膜(52)上。

4.根据权利要求2所述的激光扫描式投影装置，其特征在于：所述填充层(6)垂直于所述ITO导电玻璃基板(5)的横截面为两个直角三角形斜边拼合的长方形结构，其中聚合物光介质(61)和液晶(62)的分界面(63)在该截面中为长方形的对角线。

5.根据权利要求2所述的激光扫描式投影装置，其特征在于：所述液晶(62)采用正性液晶，其寻常光折射率n_o为1.488，非寻常光折射率n_e为1.642；所述聚合物光介质(61)各向同性，折射率n与所述n_o相同；所述ITO导电玻璃基板(5)折射率n′为1.45；设置所述夹角θ为60°。

6.根据权利要求1所述的激光扫描式投影装置，其特征在于：所述行扫描反射镜为振镜(1)或多面转镜(2)。

7.根据权利要求1至6任一项所述的激光扫描式投影装置，其特征在于：所述扫描电压频率为50Hz-200Hz。

8.根据权利要求7所述的激光扫描式投影装置，其特征在于：所述扫描电压频率为20kHz-100kHz。

9.根据权利要求1至6任一项所述的激光扫描式投影装置，其特征在于：激光光路中包括光束整形装置和/或光束放大装置；所述投影装置还包括连接并控制所述电机(3)和电源(7)的扫描控制系统。