CN110941136A

CN110941136A - 一种应用定向扩散片的激光投影系统

Info

Publication number: CN110941136A
Application number: CN202010006528.5A
Authority: CN
Inventors: 黄曙光; 卢睿; 周紫军; 程琳
Original assignee: Shenzhen Ruisi Huachuang Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Ruisi Huachuang Technology Co Ltd
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2020-03-31

Abstract

本发明一种应用定向扩散片的激光投影系统。它包括依次设置的激光光源单元、激光准直整形单元、MEMS微振镜、微电机单元、激光匀化整形单元、投射屏；所述激光匀化整形单元由一个定向扩散片组成，所述扫描出射光束以矩阵方式投射到定向扩散片上；所述定向扩散片为一微纳米结构扩散膜，所述微纳米结构扩散膜包括树脂基层、及微光学透镜阵列层MLA；所述微光学透镜阵列层为一个非均匀周期的微光学阵列结构，每个微光学透镜的表面面型为自由曲面结构。该激光投影系统采用定向扩散片，所述定向扩散片通过微光学透镜阵列结构将激光束圆型光斑扩散为均匀的方形光斑，能实现高亮度和高分辨率显示，同时该定向扩散片精度高、方便安装使用。

Description

一种应用定向扩散片的激光投影系统

技术领域

本发明涉及激光投影装置，特别涉及一种采用定向扩散片、通过微光学透镜阵列结构将激光束圆型光斑扩散为均匀的方形光斑、能实现高亮度和高分辨率显示、且精度高并方便安装使用的激光投影系统。

背景技术

传统的投影显示主要采用发光二极管（LED），激光投影由于具有体积小、性能稳定、分辨率高、颜色丰富的特点，此外相对于发光二极管其能量更集中、光电转换效率更高，使得激光投影设备的应用日益广泛，并逐渐成为当今投影的主要研究方向。

激光投影设备主要包括光源模块、整形模块、成像模块，由于激光的出射光束为高聚度强光束，整形模块主要对激光进行各种准直和匀化处理，其中匀化主要用于对激光能量进行均化处理，同时能消除激光的散斑，属于激光应用的关键技术，现有激光匀化装置还存在不足：

1、现有激光匀化处理时，主要采用扩散膜，现有扩散膜透光率差，影响激光显示亮度；

2、现有匀化装置结构复杂，如采用多个光面结构进行准直、匀化和聚焦光场控制，这样造成加工麻烦，安装使用不方便；

3、现有匀化结构精度低，激光匀化效果不理想，激光投影显示会出现少量散斑。

发明内容

本发明的目的是针对为了解决上述技术问题，提供一种应用定向扩散片的激光投影系统，该激光投影系统采用定向扩散片，所述定向扩散片通过微光学透镜阵列结构将激光束圆型光斑扩散为均匀的方形光斑，能实现高亮度和高分辨率显示，同时该定向扩散片精度高、方便安装使用。

为了解决上述现有技术问题,本发明的技术方案是:

一种应用定向扩散片的激光投影系统，它包括依次设置的激光光源单元、激光准直整形单元、MEMS微振镜、微电机单元、激光匀化整形单元、投射屏，所述激光光源单元包括一个或多个激光器件，用于将一个或多个激光器件所产生的一个或多个激光光束整合为一个组合激光光束，所述激光准直整形单元为一个透镜组，用于将组合激光光束准直整形，并形成光斑直径比组合激光光束的光斑直径更小的激光准直出射光束，使得光束能量更集中或者按照需要的方式分布，所述MEMS微振镜为一个上表面镀有光学反射膜层的反射镜，所述微电机单元包含驱动机构、控制单元，所述微电机单元的驱动机构通过旋转轴与MEMS微振镜相连接，所述微电机单元用于驱动MEMS微振镜绕旋转轴、在一个定义的角度范围内、按照设定的频率在水平和垂直方向上进行二维扫描，所述激光准直出射光束经过MEMS微振镜扫描反射后形成为扫描出射光束；

作为改进，所述投射屏的入射端设置激光匀化整形单元，所述激光匀化整形单元由一个定向扩散片组成，所述扫描出射光束根据MEMS微振镜的运动轨迹以矩阵方式投射到定向扩散片上；

作为改进，所述定向扩散片为一微纳米结构扩散膜，所述微纳米结构扩散膜包括树脂基层、及设置于树脂基层上的微光学透镜阵列层MLA，所述扫描出射光束经过定向扩散片透射，按照一定的横向扩散角和纵向扩散角扩散为一个二维分布的扩散出射光斑；

所述微光学透镜阵列层为一个非均匀周期的微光学阵列结构，每个微光学透镜的表面面型为自由曲面结构，以自由曲面结构在径向上的中点为原点，以垂直于入光面的方向为x轴，以径向所在方向为y轴，建立直角坐标系，所述自由曲面结构的特征参数满足如下方程式（1）、（2）：

如上方程式中，通过多次方程式（1）和（2）来表征一个自由曲面结构，多次方程式（1）是z与变量x和y的多项式方程，r是曲面标准的基础曲率， k为二次曲面系数，R₀为逼近拟合的圆半径，j为变量x和y的指数系数，m为横向扩散系数，n为纵向扩散系数；

当k＜-1时，二次曲面为双曲面；k＝-1时，二次曲面为抛物面；当-1＜k＜0时，二次曲面为椭圆；当k＝0时，二次曲面为球面，当k＞1时，二次曲面为扁椭圆。

进一步，所述激光光源单元为紧凑型激光模块；

进一步，所述激光光源单元的激光器件为半导体激光器或光纤激光器。

该定向扩散片通过微光学透镜阵列的排布设计，以及每一个微光学透镜的面型数据的设计，可以实现激光输出角度的调整，达到特定耦合角度，使得设定角度激光输出能量最大，非设定角度方向的激光输出能量最小，从而可以满足HUD激光显示的要求，自由曲面系数按照系统的需求调制激光的x,y两个方向的角度，并且消除激光的散斑效应。

具体该系统光路，是一个或者多个激光光源合为一束光束，这束光通过激光光束整形光学模块，光束被整形为合适的准直光斑，再出射到MEMS微振镜的中心，MEMS微振镜被驱动和控制单元驱动以高速沿两个方向振动，这个振动以一个最小步长、分别沿两个方向扫描，使得激光的光束投射为一个矩形的点阵，通过控制每一个点亮度能量，和RGB分量的比例，实现彩色图像的投影显示，或者复合颜色的显示。这个点阵的数量就是激光显示模组的分辨率，例如可以是1920*1080的分辨率，然后MEMS微振镜扫描反射的画投射到一个定向扩散片上，定向扩散片表面是特殊设计的微透镜阵列结构以及相位调制微结构，可以将一个激光光束扩散成一个定义好的角度并垂直于散射片表面透射出来，定向扩散片就成为了一个二次显示源，该定向扩散片实现：将激光透射到另外一侧，并且透射的效率衰减少；将激光的准直光束扩散为一个更大的角度的光束；去掉了激光的散斑效应。

本发明一种应用定向扩散片的激光投影系统,其有益效果有：

1、该激光投影系统采用定向扩散片，通过微光学透镜阵列结构将激光束圆型光斑扩散为均匀的方形光斑、从而实现高亮度和高分辨率的激光投影显示；

2、同时该定向扩散片精度高、透光率高，且方便安装使用；

3、将激光的准直光束扩散为一个更大的角度的光束，去掉了激光的散斑效应。

附图说明

图1，为本发明一种应用定向扩散片的激光投影系统（图中省略投射屏）的结构图；

图2，为本发明一种应用定向扩散片的激光投影系统中一个激光准直光源经过定向扩散片后形成扩散角的示意图；

图3，为实施例中定向扩散片的扩散角度（包括水平扩散角度、垂直扩散角度）与激光光束能量的曲线图；

图4，为实施例中一个激光准直光源经过定向扩散片后形成均匀方形光斑的图像；

图5，为本发明一种应用定向扩散片的激光投影系统的定向扩散片的分层结构图；

图6，为本发明一种应用定向扩散片的激光投影系统中高聚度激光经过定向扩散片匀化整形的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

实施例：

一种应用定向扩散片的激光投影系统，如图1，它包括依次设置的激光光源单元1、激光准直整形单元2、MEMS微振镜3、微电机单元4、激光匀化整形单元、投射屏，所述激光光源单元1包括一个或多个激光器件，用于将一个或多个激光器件所产生的一个或多个激光光束整合为一个组合激光光束，所述激光准直整形单元2为一个透镜组，用于将组合激光光束准直整形，并形成光斑直径比组合激光光束的光斑直径更小的激光准直出射光束，使得光束能量更集中或者按照需要的方式分布，所述MEMS微振镜3为一个上表面镀有光学反射膜层的反射镜，所述微电机单元4包含驱动机构、控制单元，所述微电机单元的驱动机构通过旋转轴与MEMS微振镜相连接，所述微电机单元用于驱动MEMS微振镜3绕旋转轴，在一个定义的角度范围内，按照设定的频率在水平和垂直方向上进行二维扫描，所述激光准直出射光束经过MEMS微振镜扫描反射后形成为扫描出射光束；

所述投射屏的入射端设置激光匀化整形单元，所述激光匀化整形单元由一个定向扩散片5组成，所述扫描出射光束根据MEMS微振镜的运动轨迹以矩阵方式投射到定向扩散片5上；

如图5，所述定向扩散片5为一微纳米结构扩散膜，所述微纳米结构扩散膜包括树脂基层51、及设置于树脂基层上的微光学透镜阵列层52，T为所述微光学透镜阵列的非均匀周期；

所述扫描出射光束经过定向扩散片透射，按照一定的横向扩散角和纵向扩散角扩散为一个二维分布的扩散出射光斑，如图3，一束准直激光光源11通过定向扩散片5之后，高聚度激光按照一定的横向扩散角和纵向扩散角扩散为方形光斑；

如图2，一束准直激光光源11通过定向扩散片5之后，准直激光光源11扩展为一个角度为θ的光束，这个θ我们称为扩散角，所述定向扩散片5通过微光学阵列结构，实现横向x方向和纵向y方向不同的扩散角；

如图4，水平方向坐标为扩散角度，垂直方向为亮度，H direction为水平方向的扩散曲线，V direction为垂直方向的扩散曲线，根据图上可知，所述横向扩散角为35.1度，纵向扩散角约为18.1度，在横向扩散角和纵向扩散角范围内，所述激光光源的能量均匀分布于横向扩散角和纵向扩散角范围内。

例如一个特定的自由曲面系数如下：

Figure DEST_PATH_130445DEST_PATH_IMAGE004

Figure DEST_PATH_500247DEST_PATH_IMAGE006

该激光光束扩散膜通过微光学元件阵列的排布设计，以及每一个微光学单元的面型数据的设计，可以实现激光输出角度的调整，达到特定耦合角度，激光输出能量最大，非设定角度方向的激光输出能量最小，从而可以满足HUD激光显示的要求。

所述激光光源单元为紧凑型激光模块；

所述激光光源单元的激光器件为半导体激光器。

如图6，bright为激光亮度，左边为多个高聚度激光光束，中间为定向扩散片，右边为匀化整形后的多个均匀光斑，每个均匀光斑的激光能量均匀分布。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作一般技术手段的增减或替换，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims

1.一种应用定向扩散片的激光投影系统，其特征在于，它包括依次设置的激光光源单元、激光准直整形单元、MEMS微振镜、微电机单元、激光匀化整形单元、投射屏，所述激光光源单元包括一个或多个激光器件，用于将一个或多个激光器件所产生的一个或多个激光光束整合为一个组合激光光束，所述激光准直整形单元为一个透镜组，用于将组合激光光束准直整形，并形成光斑直径比组合激光光束的光斑直径更小的激光准直出射光束，使得光束能量更集中或者按照需要的方式分布，所述MEMS微振镜为一个上表面镀有光学反射膜层的反射镜，所述微电机单元包含驱动机构、控制单元，所述微电机单元的驱动机构通过旋转轴与MEMS微振镜相连接，所述微电机单元用于驱动MEMS微振镜绕旋转轴，在一个定义的角度范围内，按照设定的频率在水平和垂直方向上进行二维扫描，所述激光准直出射光束经过MEMS微振镜扫描反射后形成为扫描出射光束；

所述投射屏的入射端设置激光匀化整形单元，所述激光匀化整形单元由一个定向扩散片组成，所述扫描出射光束根据MEMS微振镜的运动轨迹以矩阵方式投射到定向扩散片上；

所述定向扩散片为一微纳米结构扩散膜，所述微纳米结构扩散膜包括树脂基层、及设置于树脂基层上的微光学透镜阵列层MLA，所述扫描出射光束经过定向扩散片透射，按照一定的横向扩散角和纵向扩散角扩散为一个二维分布的扩散出射光斑；

如上方程式中，通过多次方程式（1）和（2）来表征一个自由曲面结构，多次方程式（1）是z与变量x和y的多项式方程，r是曲面标准的基础曲率， k为二次曲面系数，R₀为逼近拟合的圆半径，j为变量x和y的指数系数，m为横向扩散系数，n为纵向扩散系数。

2.根据权利要求1所述的一种应用定向扩散片的激光投影系统，其特征在于，所述激光光源单元为紧凑型激光模块。

3.根据权利要求1所述的一种应用定向扩散片的激光投影系统，其特征在于，所述激光光源单元的激光器件为半导体激光器或光纤激光器。