CN108227222A - 一种单光纤激光微投影装置 - Google Patents
一种单光纤激光微投影装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108227222A CN108227222A CN201611174019.3A CN201611174019A CN108227222A CN 108227222 A CN108227222 A CN 108227222A CN 201611174019 A CN201611174019 A CN 201611174019A CN 108227222 A CN108227222 A CN 108227222A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- piezoelectric ceramic
- single mode
- ceramic tube
- mode optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/18—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical projection, e.g. combination of mirror and condenser and objective
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
- G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
- G03B21/14—Details
- G03B21/20—Lamp housings
- G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
- G03B21/2033—LED or laser light sources
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
本发明型提出了一种基于单根光纤的激光微投影装置，包括单模光纤，柱状渐变折射率透镜，压电陶瓷管，金属保护管，激光光源，光纤合束器，倾角与温度传感器，激光调制驱动电路，压电陶瓷驱动电路，综合信息处理单元；激光调制驱动电路连接激光光源，激光光源连接光纤合束器，光纤合束器连接单模光纤，单模光纤穿过压电陶瓷管的轴心，并与压电陶瓷管用胶固定，单模光纤尾端一部分突出压电陶瓷管呈悬臂状，单模光纤前为柱状渐变折射率透镜。压电陶瓷管带动单模光纤摆动，经调制的激光光源发出的光通过柱状渐变折射率透镜聚焦，形成投影。该微投影装置中对单模光纤的摆动为闭环控制方式，使投影影像更为清晰稳定。
Description
技术领域
本发明型涉及一种微投影装置，属于微型投影与显示技术领域。
背景技术
微型投影仪有着便于转移和携带的特点，近年来随着在尺寸、功耗、色域等性能方面的不断提高，获得了市场的广泛关注与认可，在个人娱乐、商业、教育、医学、以及军事等领域有着广阔的发展前景。当前，国内外的微投影领域主要有DLP(Digital LightProcessor)技术、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)技术和OLED(Organic Light-Emitting Diode)技术。
DLP是一种以阵列微反射镜作为成像器件的光处理器。其核心部件为微反射镜阵列，由许多个微小的方形反射镜片按行列紧密的排列在一起，贴在一块硅晶片的电子节点上，每一个微反射镜都对应着投影图像的一个像素。光束通过一高速旋转的三色透镜分为时序的红、绿、蓝光，投射在微反射镜阵列上，通过控制微反射镜的反射角度来表示该像素的开与闭，最后通过镜头放大后将图像投射在屏幕上。
LCOS(Liquid Crystal on Silicon)是一种硅晶反射式投影技术，其工作原理跟DLP相近。其结构是在硅片上，利用半导体制程制作驱动面板(又称为CMOS-LCD)，然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板。跟DLP技术相似，每一个反光镜即是一个像素点，不过这个反光镜用来调节光强的手段不是靠DLP的反射角调整，而是靠液晶的开关。
与前面两种被动投影技术相比，OLED(Organic Light Emitting Display)有机发光二极管技术是一种主动发光显示技术，其发光原理是根据有机半导体和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。通过搭配不同的有机材料，发出不同颜色的光，来达到全彩显示的目的。
在微投影技术中，LCOS和DLP技术目前较为成熟，但他们都是基于被动发光显示，通过反射其它光源的光来成像。而OLED为主动发光显示，但微小尺寸的面板制造难度大，技术还在不断改进中。但不管是LCOS、DLP还是OLED，他们的制造过程都很复杂，需要经过如掩膜、曝光、刻蚀等半导体工艺，成本很高，所需设备和环境也要求严苛。另外从投影原理方面来看，上述三种投影技术不管采用被动还是主动发光，投影图像的形成皆源于固定的二维像素阵列对光束的控制或产生，在投影过程中各像素的相对位置是不变的。因此其投影影像的大小与阵列像素的多少相关，而分辨率也取决于阵列中相邻像素的间距。要进一步提高分辨率的话就要缩小像素的间距，导致技术实现的难度与成本急速上升。另外，目前实现的二维像素阵列的面积都在厘米量级，而相应的光学投影镜头尺寸至少也在同一量级，限制了它们在对尺寸和体积要求更高的智能眼镜等便携式设备上(例如谷歌的Googleglass)的应用。
另外，在申请号为200410051456.7的发明专利“光纤投影装置”和申请号为200410050985.5的发明专利“一种光纤投影装置”中还提出了一种光纤投影仪，包括了光源、包含多个光纤的光纤束、与光纤束中光纤一一对应的光开关等器件，通过光开关的开闭或直接弯曲光纤等手段调节光纤中光的传播方式，控制光迅号在显示面的明暗状态，来达到投影影像的目的。与上面提到的三种技术相似，这种光纤投影装置本质上仍然是一种像素固定的二维阵列显示技术，需要二维阵列光纤束来传导图像信息，体积大，制造复杂，便携性差。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种单光纤激光微投影装置，本装置基于二维动态显示技术，不需要制造高密集度的二维阵列像素，大大降低了成本和技术实现难度；采用闭环控制技术，使投影影像更为稳定，而且体积小，重量轻，更适用于头戴式显示器或智能眼镜等个人便携设备。
本发明所采用的技术方案：通过驱动压电陶瓷管使单模光纤按预设路径快速大幅度摆动，形成动态的二维显示阵列，激光光束由柱状渐变折射率透镜放大后直接投射到前方的焦平面上。该装置包括：单模光纤，柱状渐变折射率透镜，压电陶瓷管，金属保护管，激光光源，光纤合束器，倾角与温度传感器，激光调制驱动电路，压电陶瓷驱动电路，综合信息处理单元；激光调制驱动电路连接激光光源，激光光源的输出光纤连接光纤合束器，光纤合束器连接单模光纤，其穿过压电陶瓷管的轴心，并与压电陶瓷管用胶固定，单模光纤尾端一部分突出陶瓷管呈悬臂状态，单模光纤前端为柱状渐变折射率透镜，柱状渐变折射率透镜和压电陶瓷管均固定于金属保护管内，压电陶瓷管的电极引线分别与压电陶瓷驱动电路和综合信息处理单元连接，倾角与温度传感器固定于金属保护管外，并与综合信息处理单元连接，其主要工作原理是：压电陶瓷驱动电路驱动压电陶瓷管，压电陶瓷管带动悬臂单模光纤使其尾端沿螺旋线轨迹运动，激光光源发出的受调制光通过单模光纤，透过柱状渐变折射率透镜后在金属保护管外成像，形成投影。
优选的，所述的激光光源发出的激光为红、绿、蓝三色；或红、绿、黄、蓝四色。
优选的，所述的光纤合束器，为光纤无源器件，根据光源的数量，有相应个数的输入端口分别与所使用的激光光源相连接，输出端为一个，用于汇集各激光光源的出射光。
优选的，所述的单模光纤外径为40～125微米，由玻璃或树脂材料制成，置于压电陶瓷管轴心并突出一部分呈悬臂状，用胶与压电陶瓷管固定。
优选的，所述的压电陶瓷管为中空圆筒形，外径1～3mm，壁厚0.05～0.2mm，长度5～15mm，压电陶瓷管内外壁均镀电极，内壁电极联通为一块；外壁电极为条状与压电陶瓷管轴线平行，根据需要均分为6～12片电极。其中至少四片驱动电极，用于驱动压电陶瓷管。其余电极为传感电极，利用压电效应，将压电陶瓷管的形变转变为电压信号传递至综合信息处理单元来感知光纤的姿态。
优选的，所述的柱形渐变折射率透镜，长度4～8mm，直径1～3mm，用于将单模光纤尾端出射的发散光重新汇聚并聚焦于金属保护管外的平面上。
优选的，所述的金属保护管为金属材质的圆管，厚度为0.1～0.5mm，外径1～3mm，长度10～30mm，用于固定柱状渐变折射率透镜和压电陶瓷管，并保护其内部元件免受灰尘和水汽的影响。
优选的，所述的倾角与温度传感器，固定于金属保护管外，其工作原理基于MEMS结构和热电阻效应，用来监测整个金属保护管与地面的倾角和环境温度，并将信号传递至综合信息处理单元。
优选的，所述的一种单光纤激光微型投影装置，其控制方法为：对所述的悬臂态单模光纤的运动采取闭环控制方式；综合信息处理单元通过采集并处理压电陶瓷管、倾角与温度传感器的信号，实时获取悬臂态单模光纤的位置与姿态，并对压电陶瓷驱动电路发出反馈信号。
优选的，所述的综合信息处理单元中运行的闭环控制算法为比例-积分-微分(PID)算法。
优选的，所述的压电陶瓷驱动电路输出的控制信号为有相位差的波形一致的周期双路信号，波形为正弦与三角波的叠加。
优选的，所述的激光调制驱动电路，通过调制驱动电流或电压来控制激光光源输出的开闭以及强弱，以达到调制的目的，调制信号带宽大于20MHz，上升沿时间小于100ns。
附图说明
图1为一种单光纤激光微投影装置原理图；
图2为金属保护管内各部件的结构图；
图3为压电陶瓷管侧视图；
图4为压电陶瓷管俯视图；
图5为压电陶瓷管的驱动信号示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
如图所示，红色激光光源(1)，蓝色激光光源(2)，绿色激光光源(3)，为光纤合束器(4)，为激光调制驱动电路(5)，单模光纤(6)，金属保护管(7)，倾角和温度传感器(8)，压电陶瓷驱动电路(9)，综合信息处理单元(10)，柱状渐变折射率透镜(11)，压电陶瓷管(12)，第一电极(12-1)，第二电极(12-2)，第三电极(12-3)，第四电极(12-4)，第五电极(12-5)，第六电极(12-6)，第七电极(12-7)，第八电极(12-8)固定装置(13)，树脂胶(14)，导线(15)。
请参阅图1，是本发明一种单光纤激光微投影装置原理图，激光调制驱动电路(5)同时驱动并调制红色激光光源(1)，蓝色激光光源(2)，和绿色激光光源(3)，三个激光光源的输出端连接光纤合束器(4)，汇聚后输出到单模光纤(6)。金属保护管(7)内的装置结构，请参阅图2，单模光纤(6)延伸入压电陶瓷管(12)，置于其轴心，并伸出压电陶瓷管(12)，一部分呈悬臂状，单模光纤(6)尾端的前方为柱状渐变折射率透镜(11)，负责将单模光纤(6)尾端出射的发散光收集并聚焦于金属保护管(7)外的焦平面上，单模光纤(6)与压电陶瓷管(12)间用树脂胶(14)固定，压电陶瓷管(12)与金属保护管(7)间用固定装置(13)来连接并固定；压电陶瓷管(12)的电极由导线(15)连接至金属保护管(7)外。
请参阅图3和图4，分别为压电陶瓷管(12)结构和电极的俯视与侧视图，压电陶瓷管(12)壁厚为0.1～0.5mm，管外壁镀有八个等分电极(也可不等分，本例中没有示出)，内壁为一整块电极，电极厚度0.05mm(图中所示的比例与实物有差别)。外壁电极根据功能分为两组：驱动电极，包括第一电极(12-1)，第三电极(12-3)，第五电极(12-5)，第七电极(12-7)；传感电极，包括第二电极(12-2)，第四电极(12-4)，第六电极(12-6)，第八电极(12-8)。
请参阅图5，压电陶瓷驱动电路(9)产生的两组周期振幅渐变正弦信号，为正弦波与锯齿波信号的叠加，两组电压信号分别施加于压电陶瓷管(12)相对的两个驱动电极对上，即第一电极(12-1)与第五电极(12-5)，和第三电极(12-3)与第七电极(12-7)。两组信号的相位差为45度。该周期电压信号驱动控制压电陶瓷管(12)的运动，其原理基于逆压电效应，即对压电材料施加交变电场引起其机械变形的现象，压电陶瓷管(12)带动单模光纤(6)的尾端沿圆周路径摆动。图5表示了连续的两个信号周期，而当改变电压信号的幅度逐渐增大时，单模光纤(6)尾端的圆周轨迹从零点逐渐增大，形成螺旋线运动；当振幅最大时，单模光纤(6)尾端到达最外圈边界，在一个周期内单模光纤(6)尾端划过的螺旋线充满整个圆形区域，形成一个投影画面；此后，驱动信号振幅逐渐减小直到振幅为零，单模光纤(6)尾端也回到了零点，接着开始下一个周期。在整个信号周期，按照投影影像的需要，激光调制驱动电路(5)对三个激光光源的出射光强度进行连续调制。值得注意的是：根据压电陶瓷管(12)以及单模光纤(6)的尺寸、类型，压电驱动信号有最优化方案。
压电陶瓷管(12)外壁的传感电极，包括第二电极(12-2)，第四电极(12-4)，第六电极(12-6)，第八电极(12-8)，主要负责实时测量摆动着的单模光纤(6)尾端的位置与姿态。其测量原理基于正压电效应，即压电材料形变时产生电位差的现象。当单模光纤(6)摆动时，会对压电陶瓷管(12)的内外壁产生挤压，从而产生微弱的电压信号，该电压信号经由导线(15)传递给综合信息处理单元(10)。同时，固定于金属保护管(7)外的倾角和温度传感器(8)也会将倾角与环境温度信号传递给综合信息处理单元(10)。当内部元件响应或外界环境因素变化导致单模光纤(6)没有按图5驱动信号设定的路径运动时，综合信息处理单元(10)根据压电陶瓷管(12)和倾角和温度传感器(8)传递的信号，分析处理后，对压电陶瓷驱动电路(9)发出微调指令，通过对驱动信号的调整及时纠正单模光纤(6)的姿态，比较典型的纠正补偿算法有比例-积分-微分(PID)算法。
本发明型具有如下的有益效果：
1.利用压电陶瓷管传感电极的压电效应和倾角与温度传感器，实时获取悬臂状单模光纤的位置与姿态，当光纤微投影装置内部元件响应或外界环境因素变化，导致单模光纤尾端没有按预设路径摆动时，系统将及时做出微调，纠正单模光纤姿态，以保证投影影像的稳定和无畸变。
2.现有微投影显示技术对图像的显示都是依赖于高密度的像素阵列，因此其显示分辨率取决于像素个数与间距，而高密度的像素阵列需要复杂的制造过程和昂贵的设备。本发明提出的单光纤动态显示技术，利用了人眼的视觉暂留特性，用光纤的快速摆动替代二维显示阵列，大大降低了制造成本。另外，提高固态二维像素阵列的分辨率在技术难度和成本方面需要付出更大代价；而单光纤投影技术只需要提高单根光纤的分辨率即可，具有更好的发展前景。
3.受制造技术的限制，现有二维像素阵列面积都在厘米量级，与其配套的光学投影镜头尺寸至少也在同一量级。在对安装空间有要求的情境下，比如头戴式显示器或智能眼镜，单光纤投影装置毫米级的尺寸更具有技术优势。
Claims (7)
1.一种单光纤激光微型投影装置，包括：单模光纤，柱状渐变折射率透镜，压电陶瓷管，金属保护管，激光光源，光纤合束器，倾角与温度传感器，激光调制驱动电路，压电陶瓷驱动电路，综合信息处理单元；其特征在于：激光调制驱动电路连接激光光源，激光光源连接光纤合束器，光纤合束器连接单模光纤，单模光纤穿过压电陶瓷管的轴心，并用胶与压电陶瓷管固定，单模光纤尾端一部分突出压电陶瓷管呈悬臂状，单模光纤前端为柱状渐变折射率透镜，柱状渐变折射率透镜和压电陶瓷管均固定于金属保护管内，压电陶瓷管分别与压电陶瓷驱动电路和综合信息处理单元连接，倾角与温度传感器固定于金属保护管外，并与综合信息处理单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种单光纤激光微型投影装置，其特征在于：所述的压电陶瓷管外表面镀电极，电极为条状并与压电陶瓷管轴线平行。
3.根据权利要求1所述的一种单光纤激光微型投影装置，其特征在于：所述的倾角与温度传感器为基于MEMS结构和热电阻效应的传感器。
4.根据权利要求1所述的一种单光纤激光微型投影装置，其特征在于：所述的激光光源发出的激光为红、绿、蓝三色；或红、绿、黄、蓝四色。
5.根据权利要求1所述的一种单光纤激光微型投影装置，其特征在于，对所述的单模光纤尾端运动的控制方法为：对所述的悬臂态单模光纤的运动采取闭环控制方式；综合信息处理单元通过采集并处理压电陶瓷管、倾角与温度传感器的信号，实时获取悬臂态单模光纤的位置与姿态，并对压电陶瓷驱动电路发出反馈信号。
6.根据权利要求1所述的一种单光纤激光微型投影装置，其特征在于：所述的综合信息处理单元中运行的闭环控制算法为比例-积分-微分(PID)算法。
7.根据权利要求1所述的一种单光纤激光微型投影装置，其特征在于：所述的压电陶瓷驱动电路输出的控制信号为有相位差的波形一致的周期双路信号，波形为正弦与三角波的叠加。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201611174019.3A CN108227222A (zh) | 2016-12-15 | 2016-12-15 | 一种单光纤激光微投影装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201611174019.3A CN108227222A (zh) | 2016-12-15 | 2016-12-15 | 一种单光纤激光微投影装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108227222A true CN108227222A (zh) | 2018-06-29 |
Family
ID=62651760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201611174019.3A Pending CN108227222A (zh) | 2016-12-15 | 2016-12-15 | 一种单光纤激光微投影装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108227222A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109662729A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-04-23 | 南京航空航天大学 | 一种压电驱动超声扫描成像装置 |
| CN111458807A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-07-28 | 杭州菲柏斯科技有限公司 | 一种光纤开关 |
| CN111751981A (zh) * | 2019-03-26 | 2020-10-09 | 成都理想境界科技有限公司 | 一种投影显示模组及投影显示设备 |
-
2016
- 2016-12-15 CN CN201611174019.3A patent/CN108227222A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109662729A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-04-23 | 南京航空航天大学 | 一种压电驱动超声扫描成像装置 |
| CN109662729B (zh) * | 2019-01-17 | 2022-04-05 | 南京航空航天大学 | 一种压电驱动超声扫描成像装置 |
| CN111751981A (zh) * | 2019-03-26 | 2020-10-09 | 成都理想境界科技有限公司 | 一种投影显示模组及投影显示设备 |
| CN111458807A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-07-28 | 杭州菲柏斯科技有限公司 | 一种光纤开关 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20170301270A1 (en) | Imaging Structure Emitter Configurations | |
| US8057046B2 (en) | Projector device having assembly of reflection type light emitting diodes | |
| US20120019788A1 (en) | Projector and illumination apparatus for same | |
| KR20180063267A (ko) | 선택적인 해상도를 갖는 레이저 조명 | |
| JP6535340B2 (ja) | 表示装置 | |
| CN108227222A (zh) | 一种单光纤激光微投影装置 | |
| US20220155613A1 (en) | Directional oled display | |
| CN103676145A (zh) | 图像显示装置和光学组件 | |
| CN103926691B (zh) | 一种光开关阵列构成的兼具投影和摄像功能的光路装置 | |
| CN110266861A (zh) | 显示面板、显示装置 | |
| CN103454845A (zh) | 照明单元、投影显示单元和直视型显示单元 | |
| CN104536133B (zh) | 一种激光扫描式投影装置 | |
| US20160349370A1 (en) | Camera device | |
| CN109283692A (zh) | 一种显示装置和显示装置的驱动方法 | |
| CN208092417U (zh) | 激光光源及激光投影装置 | |
| CN107290865B (zh) | 3d眼镜及3d显示系统 | |
| CN101461249A (zh) | 用于在扩展观看范围内投影观看的图像的设备和方法 | |
| CN107703595A (zh) | 滤光片、镜头模组和成像模组 | |
| JP2000003611A (ja) | 照明装置、ビューファインダ、ビデオカメラ、照明装置の製造方法、投射型表示装置、表示パネル、映像表示装置、表示パネルの駆動方法および表示パネルの駆動回路 | |
| CN104363368B (zh) | 一种液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片 | |
| CN102193291A (zh) | 投影装置及其使用的反光板 | |
| Hilton | Ultra-Wide FOV Retinal Display | |
| CN101598890B (zh) | 投影系统 | |
| WO2021213101A1 (zh) | 投影设备 | |
| US7719740B2 (en) | Hinge memory mitigation system and method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180629 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |