CN110543075A - 一种消散斑装置及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消散斑装置，包括：散射片、旋转装置；所述散射片随所述旋转装置运动，所述旋转装置在旋转的过程中，散射片与光轴的夹角发生变化，从而使得所述消散斑装置实现动态散射，所述旋转装置的旋转频率大于预定频率。从而能够在散斑效果和体积增加之间达到有效平衡，保证了散斑效果的同时又不会使得系统的体积增加过大。

Description

一种消散斑装置及投影系统

技术领域

本发明涉及投影装置技术领域，具体而言涉及一种投影装置的光源领域。

背景技术

在投影领域中，尤其是激光投影领域中，其光源系统中往往需要使用散射片，该散射片在光源系统中的作用是改变光源光的空间分布，使得经过散射片后的光源的光经过会聚系统后到达波长转换材料上的光斑具有相对均匀的分布。

目前激光投影系统都是采用蓝色的激光进行波长转换提供光源照明系统的，激光由于具有相干性，会造成画面显示时出现散斑(即干涉亮暗的斑)。为了解决散斑这一问题，一般都是采用镜头的散射片或是动态的转轮散射片进行消散斑的处理。

然而，静态的散射片虽然体积小，但是由于是固定的，导致方向性破坏不够随机，仍然存在散斑；而动态的散射片虽然能够相对随机地破坏光的方向性，当时由于其附加的马达、旋转轮以及相关的装置，导致其体积较大，增加了光学系统的体积。

因此，有必要提供一种消散斑装置及投影系统，以解决上述技术问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种消散斑装置，包括：散射片、旋转装置；所述散射片随所述旋转装置运动；所述旋转装置在旋转的过程中，散射片与光轴的夹角发生变化，从而使得所述消散斑装置实现动态散射，所述旋转装置的旋转频率大于预定频率。

进一步地，旋转装置绕旋转轴往复旋转，往复旋转的中心位置处散射片与光轴垂直。

进一步地，根据权利要求1所述的消散斑装置，其特征在于，所述旋转装置具有一个以上的旋转轴，所述旋转轴同时运动，形成复运动。

进一步地，所述旋转装置具有两个旋转轴，且所述两个旋转轴正交设置。

进一步地，所述预定频率为20Hz。

进一步地，所述旋转装置包括吸附装置。

进一步地，所述吸附装置为可变磁性吸附材料。

进一步地，通过电路控制所述吸附装置的电流方向，实现不同的磁性特征，进而实现不同方向的吸附。

进一步地，还包括散射片固定支架，用于固定所述散射片，连接旋转装置。

进一步地，散射片为单面散射片，一面为透过面，一面为散射面，所述透过面朝向入光面，所述散射面朝向出光面。进一步地，所述散射片为平板结构，所述散射片通过旋转能够改变出射光在散射面上出射的位置。

进一步地，所述散射片为楔形结构，所述散射片通过旋转能够改变出射光在散射面上出射的位置和出射的角度。

本发明的另一个方面又提供了一种投影装置，所述投影装置包括：根据第一方面的消散斑装置。

综上所述，本发明提供一种消散斑装置，包括：

包括：散射片、旋转装置；所述旋转装置在旋转的过程中，散射片与光轴的夹角发生变化，从而使得所述消散斑装置实现动态散射，所述旋转装置的旋转频率大于预定频率。本发明的目的是在现有体积略微增加的基础上实现动态的消散斑，从而能够在散斑效果和体积增加之间达到有效平衡，保证了散斑效果的同时又不会使得系统的体积增加过大。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为一种静态的散射片的示例图；

图2为一种动态的散射方案的示意图；

图3为动态散射片的光路中结构示意图；

图4为本发明一个实施例的旋转装置示意图；

图5为散射片旋转摆动的原理示意图；

图6为散射片摆动时，其在散射面处出射的位置轨迹的示意图；

图7为本发明一个实施例的旋转装置的结构示意图；

图8为本发明一个实施例的二维摆动的旋转装置的结构示意图；

图9为本发明一个实施例的另外一种结构的旋转装置示意图；

图10为本发明一个实施例所示的一种投影系统结构示意图；

图11本发明另一实施例所示的一种楔形旋转装置的投影系统结构示意图。

附图标记说明：

1 散射片

2 散射片固定支架

3 旋转轴

4 旋转装置固定座

5 吸附装置

101 激光光源

102 第一透镜

103 第二透镜

104 旋转装置

105 二向色镜

106 聚焦透镜

107 波长转换装置

108 波长转换材料

109 楔形旋转装置

111 激光

112 散射光

113 透射光

114 受激光

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出具体的实施方案，以便阐释本发明如何改进目前存在的问题。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

目前激光投影系统都是采用蓝色的激光进行波长转换提供光源照明系统的，激光由于具有相干性，会造成画面显示时出现散斑(即干涉亮暗的斑)。为了解决散斑这一问题，一般都是采用镜头的散射片或是动态的转轮散射片进行消散斑的处理。其中静态的散射片示例地如图1所示，为一平面镜片(如图1右侧图所示)，其中背光侧一面为散射层面，当入射光的光线入射到散射片上时，其出射光线会经由散射层面出射时，由于散射层面的散射作用，出射光会产生多方向的散射光。通过上述散射片的作用，入射光的传播方向被改变为多个出射方向，如图1所示，因此，静态散射片的优点是结构简单，体积小，但是由于散射层面自身的限制，其能够改变光的传播方向的能力有限，且由于其静态设置，出射光方向的改变也不够随机，因此，经过静态散射片散射的光仍然具有一定的方向性，导致散射效果难以适应较高要求的光学系统，因此，附图1所示的散射片的缺点是散射的程度不够。为了解决静态散射片的问题，另一种动态的散射方案如图2所示：图2所示的为动态的散射方案，其中散射片置于旋转的马达上，通过马达的高速旋转达到更好的消散斑。如图2中右图所示，动态散射片所在的轮上，在一个扇面范围内设置散射片，因此，当将马达驱动的带有散射片的轮垂直于入射光路设置时(如图2中左图所示)，入射光的光线入射到动态旋转的散射片上，由于马达的高速旋转，因此，入射光入射到散射片上的位置在不断变化，从而能够充分地实现散射的效果，相对静止散射片具有更好的散斑效果。

然而，由于动态的散射片由于需要旋转，其需要马达以及旋转轮的支撑，而马达、旋转轮以及相关装置的设置将导致整个旋转装置的体积增大，具体如图3所示的光路中的结构；图3示例性地示出了静态散射片和动态散射片位于光路中的光路结构示意图。具体地，如图3中上方的图所示，静态散射片设置于透镜组之前，入射光通过静态散射片后，进入投影组，并经过透镜组的耦合，进入匀光组件；如图3中下方的图所示，动态散射片设置于透镜组和匀光组件之间，入射光通过透镜组后，经过动态散射片的散射后，进入匀光组件。两者相比较而言，静态的散射片虽然体积小，但是由于是固定的，导致方向性破坏不够随机，仍然存在散斑；而动态的散射片虽然能够相对随机地破坏光的方向性，当时由于其附加的马达、旋转轮以及相关的装置，导致其体积较大，增加了光学系统的体积。

为了解决上述问题，本发明的目的是在现有体积略微增加的基础上实现动态的消散斑，从而能够在散斑效果和体积增加之间达到有效平衡，保证了散斑效果的同时又不会使得系统的体积增加过大。

下面将结合附图4至附图6对旋转装置的原理进行说明，具体地，如附图4所示，为本发明的旋转装置示意图，旋转装置包含散射片，旋转装置。散射片为单面散射片，一面为透过面，一面为散射面，所述透过面朝向入光面，所述散射面朝向出光面。示例性地，如图4所示，其左侧面为入光面，右侧面为出光面，左侧面为透过面，右侧面为散射面。正常工作时，散射片来回高速的旋转摆动，且旋转装置绕旋转轴往复旋转，带动散射片往复旋转，其旋转摆动的部分方向如图4中双箭头所示，可选择地，附图4中所示的双箭头方向示出了所述旋转装置旋转过程中带动散射片的部分旋转位置，比如，实线位置为往复旋转的中心位置，虚线位置为往复旋转的最右端位置，旋转装置带动散射片由虚线所示的最右端位置向实线所示的中心位置旋转，并向与最右端位置相对于中心位置的最左端位置(未示出)旋转，再向中心位置旋转，进而再向最右端旋转，如此周期性往复旋转，即实现了往复旋转，其中，所述往复旋转的中心位置与光轴垂直。上述往复旋转方式为示例性地给出了一种旋转装置对称往复旋转的方式，在其他的实施方式中，旋转装置也可以带动散射片以非对称的方式往复运动，例如，仅在附图4中所示的实线和虚线两个位置来回往复旋转运动，在往复运动的实线位置，所述旋转装置与光轴垂直，在往复运动的虚线位置，所述旋转装置与光轴成一定角度。在上述对称与不对称的往复旋转运动中，旋转装置带动散射片与光轴的角度发生变化。上述往复旋转具有预定频率。频率就是指单位时间内旋转装置振动的次数，或称往复运动的次数，单位时间内振动的次数越多，消散斑的程度越好，人眼越察觉不到。示例性地，旋转装置的旋转频率大于预定频率，当旋转装置大于该预定频率时，散射程度较好，人眼已经无法觉察到散斑效应。示例性地，所述预定频率为20Hz。

当散射片处于实线位置时，入射光经过散射片后出射光的光线得到一个散射后的第一光线分布，当散射片处于虚线位置时，入射光经过散射片后出射光的光线得了另一个散射后的第二光线分布，第一光线分布于第二光线分布之间可能存在重叠，但是，由于旋转角度的存在，二者不会完全相同。至于散射片旋转后产生的第二光线分布与散射片旋转前的第一光线分布产生差异的原因，将结合附图5进行具体的说明，根据光学基本原理，具体地，根据光学的折射定律，又称斯涅尔定律，当光线由一种介质入射至另一种介质时，入射角为非零度角时，折射光线跟入射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分居在法线的两侧，当入射侧为空气，折射侧为其他物质时，sin(i)/sin(r)＝n/1，其中，n为折射侧位置的折射率，i为入射角，r为折射角，由于空气的折射率近似于1，因此，上述公式可简化为sin(i)/sin(r)＝n，当入射角为零度角(即垂直入射)时，光的传播方向不发生改变。对于附图5中所示的平板玻璃，当平板玻璃处于实线位置时，入射光线垂直入射平板玻璃，根据光学原理，无论是在平面玻璃的左表面还是右表面，其均不改变传播方向，沿原传播方向出射平板玻璃，当平板玻璃旋转一定角度后，由于入射光线维持不变，此时平板玻璃的法线方向也发生旋转，平面玻璃左表面旋转后的法线方向如图5中点划线所示，此时，入射光线的入射角为α，根据斯涅耳定律，出现光线的出射角为β，且sin(α)/sin(β)＝n/1，其中，n为平面玻璃的折射率。入射光线经过折射后，在平面玻璃内沿着虚线所示方向继续传播，并将在平板玻璃的右表面再次发生折射，此时，入射角为β，因此，根据前述光学原理，其出射角为α，由此可见，平板玻璃的存在不改变光的传播方向，只改变出射光在散射面上出射的位置，具体比较可参考附图5中的出射实线与出射虚线。图5中的虚线框为旋转一定角度后的散射片，其出射光束相比未旋转散射片的出射光束平行，但是有个位移，位移的距离与镜片的厚度和角度有关。根据上述分析可知，当散射片以一定角度来回旋转时，其在散射面处出射的位置轨迹(光线移动区域)如附图6所示，从而达到动态散射的目的(光线在一定区域移动，散射的情况更加随机)。

消散斑由旋转装置实现，其中，旋转装置的示意结构如附图7所示，其中，1为散射片，2为散射片固定支架，3为旋转轴，4为旋转装置固定座，5为吸附装置。散射片位于散射片固定支架内，如附图7左侧的图所示，散射片固定支架2将散射片1包围，示例性地，旋转轴3位于散射片1以及散射片固定支架2的两侧，示例性地，散射片固定支架2，用于固定所述散射片1，并将其设置于所述散射片固定座4上。旋转轴3可以贯穿散射片1以及散射片固定支架2，或者也可以仅仅设置于散射片1以及散射片固定支架2的两侧，与前述两者没有物理接触，或者可以部分贯穿散射片1以及散射片固定支架2，本发明对此不做出限定。如附图7右侧的图所示，旋转轴3位于旋转装置固定座4的中间位置，示例性地，旋转轴也可以不位于旋转装置固定座4的中间位置。

散射片1、散射片固定支架2、旋转轴3均构成旋转装置固定座4的部分，且旋转装置固定座4还包括位于上端的吸附装置5，该吸附装置5示例性地可选择为可变磁性吸附材料，例如，工作时，通过电路控制吸附装置5的电流方向，实现不同的磁性特征，进而实现不同方向的吸附，在吸附装置5对应位置的散射片固定支架2上，存在磁性材料，配合吸附装置5实现吸附运动。上述吸附运动可以使得旋转装置固定座4沿着附图7中所示的方向旋转，其旋转角度可以相对于光轴的垂直方向对称，实现类似于单摆的摆动模式，在其他可选的实施例中，其旋转角度也可以不以垂直于光轴的方向为对称轴，例如，朝向单侧方向摆动，然后返回出发位置，或者选择其他摆动方式，而这些摆动方式可以根据实际情况进行选择。在所述吸附运动中所述旋转轴旋转的过程中，散射片与光轴的夹角发生变化。

示例性地，驱动所述旋转装置的结构还可以为凸轮装置或曲柄装置。

在更优的实施方式中，还可以包括一个以上的旋转轴，所述旋转轴同时运动，形成复运动，示例性地，还可以采用二维的摆动，其旋转装置的示意结构如图8所示，可以实现更加随机的散射。

附图8仅示意性地示出了旋转装置固定座4的两个摆动方向，并未示出具体的旋转装置固定座4结构。然而，结合附图7所示的旋转装置固定座4结构，可以理解的是，在附图8所示的实施例中，吸附装置5不仅位于旋转装置固定座4的上端的部分，还进一步包括位于旋转装置固定座4左侧或右侧的吸附装置5，在其他的是示例性中，吸附装置5还包括位于下端的部分。因此，位于旋转装置固定座4上端和/或下端的吸附装置5可以使得旋转装置固定座4以附图8所示左端的方向旋转，位于旋转装置固定座4左端和/或右端的吸附装置5可以使得旋转装置固定座4以附图8所示上端的方向旋转，其实现了二维方向的摆动，从而能够产生更加随机的散射效果，示例性地，二维方向旋转摆动的过程中所具有的两个旋转轴相互正交设置。

以上的实施例中均已平面结构为例进行说明，接下来如图9中右侧所示，示出了另外一种结构的旋转装置，图9中左图为前面叙述的旋转装置，其为平面结构，右图为楔形的旋转装置，实线为旋转装置摆动前的位置，虚线为旋转装置摆动后的位置。根据前面的描述可知，附图中左图所示出的旋转装置改变了散射光散射的位置，而右图不仅改变了散射光的散射位置，还改变了散射光的散射方向，使得散射的效果更好。

具体地，如图9右图中所示，散射片为楔形，因此，当楔形结构位于实线位置时，其出射光的方向也由实线示出，当楔形结构位于虚线位置时，其出射光的方向由虚线示出。当楔形结构位于实线位置时，由于楔形结构左右两侧的表面是不平行的，入射光在左侧表面是垂直入射，在楔形结构内部的光线的传播方向与入射光方向相同，当其入射到楔形结构的右表面时，并非垂直入射，适用于斯涅耳折射定律，因此，出射光线相对于入射光线具有第一夹角，当楔形结构位于虚线位置时，由于楔形结构左右两侧的表面是不平行的，入射光在左侧表面时不是垂直入射，适用于斯涅耳折射定律，在楔形结构内部的光线的传播方向与入射光方向存在一定角度，当其入射到楔形结构的右表面时，也并非垂直入射，仍适用于斯涅耳折射定律，因此，出射光线相对于入射光线具有第二夹角，且所述第二夹角与第一夹角不同，且第二夹角与第一夹角的差值与楔形结构旋转的角度和厚度相关，因此，楔形结构不仅改变了散射光的在散射面上出射的位置，还改变了散射光在散射面上出射的角度，并该散射方向的变化更加丰富而且可控，使得散射的效果更好。

图10为本发明实施例所示的一种投影系统，101为激光光源，示例性地，发出蓝色的激光，102为第一透镜、103为第二透镜，实现缩束的功能，104为本发明的旋转装置，105为二向色镜，示例性地，本系统中的功能是透射蓝色光，反射蓝色波段以上的光(绿光与红光)，106为聚焦透镜，107为波长转换装置，108为波长转换材料，111为激光，112为散射光，113为透射光，114为受激光。

具体地，采用蓝色的激光光源101产生激光111，经过第一透镜102和第二透镜103进行缩束，再经过旋转装置104进行散射，达到改变激光方向性的目的，改变方向性的激光即散射光112经过二向色镜105后，形成透射光113，并且该透射光113通过聚焦透镜106会聚到波长转换材料108上，产生受激光114，示例性地，该受激光为荧光，受激光114经过聚焦透镜106后准直，被二向色镜105反射从另外一个方向出射，其中波长转换材料108在波长转换装置107上，所述波长转换装置107上面有波长转换区与透过区，透过的激光经过一系列的反射镜与受激光合光输出。具体的光路细节等技术方案将示例地如附图10所示。

在图10中所示的激光光源方案中，所使用的散射片所在旋转装置104的结构如附图9左图所示，其中，包括入射光和散射光，其主要结构为玻璃，示例性地，两侧分别为透过面与散射面，其中透过面镀有增透膜，因而又称为增透膜面，示例性地，散射面有散射层，因为又被称为散射层面，其主要作用是通过散射改变入射激光的方向性。

在图10所示的激光光源方案中，其中包含两个旋转装置104，分别位于102为第一透镜、103为第二透镜和二向色镜之间的第一旋转装置以及反射光路中，位于反射镜与二向色镜之间第二旋转装置，在图10所示的实施方式中，处于反射镜与二向色镜之间的第二旋转装置能够上下摆动，实现优良的散射效果。进一步地，第二旋转装置还可以实现二维摆动，从而使得增加随机性，进一步加强散射效果。

在其他的实施方式中，可以选择第一旋转装置摆动，当然也可以选择第一旋转装置和第二旋转装置都可以摆动，从而获得更加优良的散射效果。

图11为本发明另一实施例所示的楔形旋转装置的投影系统，基本原理同上，只是为配合出光的方向调整了反射镜的位置。

具体地，采用蓝色的激光光源101产生激光111，经过第一透镜102和第二透镜103进行缩束，再经过旋转装置104进行散射，达到改变激光方向性的目的，改变方向性的激光即散射光112经过二向色镜105后，形成透射光113，并且该透射光113通过聚焦透镜106会聚到波长转换材料108上，产生受激光114，示例性地，该受激光为荧光，受激光114经过聚焦透镜106后准直，被二向色镜105反射从另外一个方向出射，其中波长转换材料108在波长转换装置107上，所述波长转换装置107上面有波长转换区与透过区，透过的激光经过一系列的反射镜和楔形旋转装置109后与受激光合光输出。具体的光路细节等技术方案将示例地如附图11所示。

在图11中所示的激光光源方案中，所使用的楔形旋转装置109的结构如附图9右图所示，其中，其中包括入射光和散射光，其主要结构为玻璃，示例性地，两侧分别为透过面与散射面，其中透过面镀有增透膜，因而又称为增透膜面，示例性地，散射面有散射层，因为又被称为散射层面，其主要作用是进一步改变激光的方向性。

在图11所示的激光光源方案中，其中包含两个旋转装置：分别为位于102为第一透镜、103为第二透镜和二向色镜之间的第一旋转装置104以及反射光路中，位于反射镜与二向色镜之间楔形旋转装置109，在图11所示的实施方式中，处于反射镜与二向色镜之间的楔形旋转装置109，即楔形旋转装置能够上下摆动，不仅能够改变出射光的出射位置，还能改变出射光的出射方向，从而实现更加优良的散射效果。进一步地，楔形旋转装置109还可以实现二维摆动，从而使得增加随机性，进一步加强散射效果。

在其他的实施方式中，可以选择第一旋转装置104摆动，当然也可以选择第一旋转装置104和楔形旋转装置109都可以摆动，从而获得更加优良的散射效果。

通过上述描述，可以看到本发明的优点：本发明的目的是在现有体积略微增加的基础上实现动态的消散斑，从而能够在散斑效果和体积增加之间达到有效平衡，保证了散斑效果的同时又不会使得系统的体积增加过大。以低成本及小体积实现了动态散射，且获得了极佳的散射效果。

至此完成了对本发明的光源系统的解释和说明，对于完整的光源系统还可以包括其他的元件，在此不做赘述。

本发明的光源系统可以应用于任何需要合成光的应用场景中，包括但不限于应用于激光投影机，例如单片式激光投影机。本发明的光源系统能够实现时序的多色光的输出，得到激光投影机所需要的时序光。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。本领域技术人员还可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (13)

1.一种消散斑装置，其特征在于，包括：散射片、旋转装置；所述散射片随所述旋转装置运动；

所述旋转装置在旋转的过程中，散射片与光轴的夹角发生变化，从而使得所述消散斑装置实现动态散射，所述旋转装置的旋转频率大于预定频率。

2.根据权利要求1所述的消散斑装置，其特征在于，旋转装置绕旋转轴往复旋转，往复旋转的中心位置处散射片与光轴垂直。

3.根据权利要求1所述的消散斑装置，其特征在于，所述旋转装置具有一个以上的旋转轴，所述旋转轴同时运动，形成复运动。

4.根据权利要求3所述的消散斑装置，其特征在于，所述旋转装置具有两个旋转轴，且所述两个旋转轴正交设置。

5.根据权利要求1所述的消散斑装置，其特征在于，所述预定频率为20Hz。

6.根据权利要求1所述的消散斑装置，其特征在于，所述旋转装置包括吸附装置。

7.根据权利要求6所述的消散斑装置，其特征在于，所述吸附装置为可变磁性吸附材料。

8.根据权利要求7所述的消散斑装置，其特征在于，通过电路控制所述吸附装置的电流方向，实现不同的磁性特征，进而实现不同方向的吸附。

9.根据权利要求1所述的消散斑装置，其特征在于，还包括散射片固定支架，用于固定所述散射片，连接旋转装置。

10.根据权利要求1-9任一项所述的消散斑装置，其特征在于，散射片为单面散射片，一面为透过面，一面为散射面，所述透过面朝向入光面，所述散射面朝向出光面。

11.根据权利要求10所述的消散斑装置，其特征在于，所述散射片为平板结构，所述散射片通过旋转能够改变出射光在散射面上出射的位置。

12.根据权利要求10所述的消散斑装置，其特征在于，所述散射片为楔形结构，所述散射片通过旋转能够改变出射光在散射面上出射的位置和出射的角度。

13.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括：

权利要求1-12任一项所述的消散斑装置。