CN109613790A - 一种激光投影光学模组及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光投影光学模组，包括外壳，封装在外壳内的运动装置、致动器、光纤和中继镜组，以激光投影光学模组光线出射方向为前，运动装置固定在外壳后端内侧，致动器的两端分别为固定端和自由端，制动器的固定端固定在运动装置上，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，所述中继镜组封装在外壳前端且位于光纤的出光光路上，运动装置工作时，带动致动器沿前后方向运动。另外，本发明公开了一种近眼显示系统，在光纤扫描器中加入Z轴触动，实现图像的深度显示，能有效提高AR/VR近眼显示系统的可用度，提升用户体验。

Description

一种激光投影光学模组及近眼显示设备

技术领域

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近眼显示设备。

背景技术

随着穿戴设备的兴起，各种头戴显示设备成为各大巨头公司的研发热点，逐渐进入人们的视野。头戴显示设备是增强现实技术和虚拟现实技术的的最佳运用环境，目前多数现有AR/VR头戴显示设备，其信息显示仅考虑与目标位置X、Y轴坐标的相关性，而未计算目标的深度信息，使得虚拟信息固定在一定的焦距位置。

增强现实AR设备是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术，如果未考虑深度信息，虚拟信息就漂浮在人眼前方，与环境融合度不高，用户体验度欠佳，且当用户视线在目标物体和所叠加的AR信息之间切换时，由于二者在用户的视觉范围内的深度不同，须要频繁调节眼睛的焦距来看清其内容，会造成用户眼睛负担加重，长时间使用会感觉不适。

而目前的虚拟现实VR设备则大多采用双目视差实现3D图像的深度显示和感知，会存在视觉辐射调节和感知深度的冲突，其中，视觉辐射调节是指人的双眼具有自我调节影响距离的能力，但是这种能力并不是非常快速的转换，由于双眼的协调能力有限，双眼聚焦屏幕时，双眼的自我调节能力远不如影像切换的速度快，因此，长时间观看会使得用户出现头晕，恶心的情况，甚至用户的眼睛受到损害。

可见，现有的增强显示和虚拟现实技术还难以满足市场消费者的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光投影光学模组及近眼显示设备，可在近眼显示设备中实现深度调节，解决近眼显示设备因无深度调节导致的用眼负担，增提高用户体验度。

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，封装在外壳内的运动装置、致动器、光纤和中继镜组，以激光投影光学模组光线出射方向为前，运动装置固定在外壳后端内侧，致动器的两端分别为固定端和自由端，制动器的固定端固定在运动装置上，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，所述中继镜组封装在外壳前端且位于光纤的出光光路上，运动装置工作时，带动致动器沿前后方向运动。

优选的，所述运动装置的前后运动幅度A运动范围为：0μm≤A≤10μm。

优选的，所述运动装置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运动装置。

优选的，所述运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，带动所述致动器沿前后方向运动。

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，所述第一致动部和第二致动部均为压电驱动器。

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。

相应的，本发明还提供一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括至少一组上述的任一种激光投影光学模组，所述激光投影光学模组出射的光经波导传输扩展后输出。

优选的，所述近眼显示设备还包括控制器和驱动电路，控制器在控制激光发射器调制图像像素的同时，根据当前图像像素对应的深度信息，控制驱动电路向运动装置输出不同驱动电压，使所述运动装置沿前后方向运动不同的幅度。

优选的，所述激光投影光学模组中的中继镜组为变焦透镜组。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在光纤扫描器中加入Z轴触动，实现图像的深度显示，有利于解决 VR系统中的视觉辐射冲突，以及解决AR系统中的，虚拟信息漂浮在人眼前方，与环境融合度不高的问题，能有效提高AR/VR近眼显示系统的可用度，提升用户体验。

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是本发明激光投影光学模组实施例一结构示意图；

图2是图1中激光投影光学模组外接激光光源的结构示意图；

图3是本发明激光投影光学模组实施例二结构示意图；

图4是本发明实施例中致动器的结构示意图一；

图5是本发明实施例中致动器的结构示意图二；

图6是将图1中多个激光投影光学模组拼接的示意图；

图7是本发明实施例近眼显示设备的光学系统结构示意图；

图8为本发明实施例近眼显示设备结构示意图。

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，本实施例激光投影光学模组，包括外壳101，封装在外壳101 内的运动装置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，运动装置106固定在外壳101后端内侧，图1示例中，运动装置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，制动器102的固定端固定在运动装置106上，光纤固定在致动器102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；所述中继镜组105 封装在外壳101前端且位于光纤的出光光路上，运动装置106工作时，运动装置106带动致动器102沿前后方向运动，进而带动光纤悬臂的出光点前后运动。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。

在本发明实施例中，所述运动装置的前后运动幅度A范围为0μm≤A≤10 μm。优选A的范围为0～4μm或0～5μm。

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2，是图1激光投影光学模组外接激光光源的示意图，图2中，激光光源包括R、G、B三色激光，三色激光通过合束器合束后，输入图1中的激光投影光学模组，合束器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。

本发明实施例中，运动装置106不运动时，光纤悬臂扫描的是X、Y平面的二维图形，运动装置106运动时，等于加入了Z轴运动，带入了图像深度信息，即光纤悬臂扫描的是三维图像。

实施例二：

参见图3，是本发明激光投影光学模组实施例二结构示意图，本实施例中的激光投影光学模组与图1、图2中的激光投影光学模组区别在于：图3实施例把激光光源201和合束器301全部封装到外壳101内，运动装置106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，运动装置106同样带动致动器102沿前后方向运动。优选的，所述激光光源至少包括R、G、B三色激光光源。

在上述两个实施例中，运动装置106均可以为振动马达或由压电晶体、磁场变化材料、场致形变材料制成的振动装置，通过电机驱动、压电驱动或磁驱动方式驱动运动装置106沿前后方向运动，从而带动致动器102沿前后方向运动。当运动装置采用压电驱动器时，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。

由于上述两个实施例中的激光投影光学模组非常适用于近眼显示设备，考虑到在近眼显示系统中，所有元器件的尺寸都是越小越好，因此在另一种实施方式中，可以考虑将运动装置的前后向运动幅度设计得小一点，将中继镜组105 设计为变焦透镜，运动装置叠加上变焦透镜共同调焦，可以使调焦距离范围更大。

上述两个实施例中，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采用压电驱动器或磁驱动器或其他驱动方式，在此不做限制。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4和图5为举例。图4和图5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4中，第一致动部和第二致动部为分体卡接设计，图5为一体成型设计。

上述实施例中，运动装置106与制动器102之间，可以通过固定件连接或二者粘接，也可以将运动装置106与制动器102一体成型。

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，每个光纤扫描器的运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)进行前后方向运动，实现景深调节功能。图6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，各个光纤扫描器的运动装置106固定在固定部400上。

实施例三：

本实施例为采用前述实施例激光投影光学模组的近眼显示设备的实施例，参见图8，为本发明实施例近眼显示设备结构示意图，参见图7，为本实施例近眼显示设备的光学系统结构示意图，本实施例以近眼显示设备包括至少一组如图1所示的激光投影光学模组为例，实际运用中，该光学系统可采用多组激光投影光学模组拼接的方式实现，所述激光投影光学模组100出射的光经波导500传输扩展后输出至人眼600。

本发明实施例中的近眼显示设备还包括控制器和驱动电路，图7中未示出，控制器在控制激光发射器调制图像像素的同时，根据当前图像像素对应的深度信息，控制驱动电路向运动装置输出不同驱动电压，使所述运动装置沿前后方向运动不同的幅度，配合光学系统其它光学元件的放大效果，最终人眼600看到的图像是符合图像源所携带深度信息的图像。一般来讲，图像深度呈区域化分布，所以，运动装置不需要每个像素都对应改变运动幅度，只需要在扫描器扫描的当前像素与上一个像素存在深度不一致时，才改变运动幅度。

本发明实施例中，运动装置的(工作距)前后运动幅度A的数值与近眼显示系统的目镜焦距以及成像的相距相关，在通常情况下，A在0～4μm之间便可实现明视距离至无穷远的深度变化。

同样，考虑到在近眼显示系统中，所有元器件的尺寸都是越小越好，所以在另一种实施例中，可以考虑将运动装置的前后向运动幅度设计得小一点，将中继镜组105设计为变焦透镜，运动装置叠加上变焦透镜共同调焦，可以使调焦距离范围更大。

本发明在光纤扫描器中加入Z轴触动，实现图像的深度显示，有利于解决 VR系统中的视觉辐射冲突，以及解决AR系统中的，虚拟信息漂浮在人眼前方，与环境融合度不高的问题，能有效提高AR/VR近眼显示系统的可用度，提升用户体验。

基于本发明同样的原理，可在MEMS激光扫描系统中增加Z轴致动，配合振镜及光源整体Z轴的振动同样可以实现深度信息。

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。

Claims (11)

1.一种激光投影光学模组，其特征在于，包括外壳，封装在外壳内的运动装置、致动器、光纤和中继镜组，以激光投影光学模组光线出射方向为前，运动装置固定在外壳后端内侧，致动器的两端分别为固定端和自由端，制动器的固定端固定在运动装置上，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，所述中继镜组封装在外壳前端且位于光纤的出光光路上，运动装置工作时，带动致动器沿前后方向运动。

2.如权利要求1所述的激光投影光学模组，其特征在于，所述运动装置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运动装置。

3.如权利要求1所述的激光投影光学模组，其特征在于，所述运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，带动所述致动器沿前后方向运动。

4.如权利要求3所述的激光投影光学模组，其特征在于，所述运动装置的前后运动幅度0μm≤A≤10μm。

5.如权利要求1至4任一项所述的激光投影光学模组，其特征在于，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。

6.如权利要求5所述的激光投影光学模组，其特征在于，所述第一致动部和第二致动部均为压电驱动器。

7.如权利要求1、2、3、4、6任一项所述的激光投影光学模组，其特征在于，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。

8.如权利要求7所述的激光投影光学模组，其特征在于，所述激光光源至少包括R、G、B三色激光光源。

9.一种近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备包括至少一组如权利要求1至8任一项所述的激光投影光学模组，所述激光投影光学模组出射的光经波导传输扩展后输出。

10.如权利要求9所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备还包括控制器和驱动电路，控制器在控制激光发射器调制图像像素的同时，根据当前图像像素对应的深度信息，控制驱动电路向运动装置输出不同驱动电压，使所述运动装置沿前后方向运动不同的幅度。

11.如权利要求10任一项所述的激光投影光学模组，其特征在于，所述激光投影光学模组中的中继镜组为变焦透镜组。