CN112904657A - 一种超小型激光图像投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超小型激光图像投影设备，包括目标显示器、驱动控制电路、与所述驱动控制电路连接的RGB激光器组件和MEMS反射镜系统，所述驱动控制电路用于接收待投影的图像数据信息，并根据接收到的数据信息驱动RGB激光器组件产生特定颜色和亮度的配置光RGB，同时控制MEMS反射镜系统将所述配置光RGB扫描到目标显示器上；所述RGB激光器组件包括红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器、合成器和准直透镜，所述合成器用于将红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器产生的三种颜色的激光束合成为一束配置光RGB，所述准直透镜用于对合成后的配置光RGB进行准直。本发明的激光图像投影设备体积小、易于大批量生产且图像渲染质量高。

Description

一种超小型激光图像投影设备

技术领域

本发明属于激光投影设备技术领域，具体是一种超小型激光图像投影设备。

背景技术

VR(虚拟现实技术)和AR(增强现实技术)是一项全新的实用技术。VR技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。AR技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。

随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR/AR技术的需求日益旺盛。VR/AR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。在我们的生活中已经呈现出许多相关产品，比如便携式投影仪、汽车HUD抬头显示系统、HMDS头戴式显示系统和智能眼镜等等。

VR/AR设备渲染图像通常采用RGB色彩模式。RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是运用最广的颜色系统之一。在电脑中，RGB各有256级亮度，用数字表示为从0、1、2…直到255，共256级，按照计算256级的RGB色彩总共能组合出约1678万种色彩，即256×256×256＝16777216。通常也被简称为1600万色或千万色，也称为24位色(2的24次方)。

MEMS(微机电系统)反射镜系统在VR/AR设备中渲染高质量图像的技术取得很大进步。MEMS反射镜系统设置有一维或多维反射镜，反射镜可以将来自RGB(红、绿、蓝)激光器组件的配置光反射扫描到目标显示器渲染各个特定像素，单位时间一定数量的像素生成针对VR/AR设备渲染图像的每一帧，另一单位时间一定数量的帧组成一个图像，连续扫描像素就渲染成了连续图像。

图1是现有的激光图像投影设备的原理图，其包括RGB激光器组件50、MEMS反射镜系统40和驱动控制电路70。RGB激光器组件50包括3个RGB激光器，分别是红色激光器501R、绿色激光器501G和蓝色激光器501B；RGB激光器组件50还包括3个准直透镜和3个光束合成器，分别是R准直透镜502R、G准直透镜502G、B准直透镜502B、R光束合成器503R、G光束合成器503G、B光束合成器503B。

所述3个RGB激光器红色激光器501R、绿色激光器501G和蓝色激光器501B分别可以脉冲发射出红色光R、绿色光G和蓝色光B，红色光R、绿色光G和蓝色光B分别通过R准直透镜502R、G准直透镜502G和B准直透镜502B准直，准直后的红色光R、绿色光G和蓝色光B分别进一步传输到R光束合成器503R、G光束合成器503G和B光束合成器503B，3个光束合成器将红色光R、绿色光G和蓝色光B合波为配置光RGB，配置光RGB传输到MEMS反射镜系统40，MEMS反射镜系统40进一步将配置光RGB反射扫描到目标显示器80的特定像素点。更具体地，特定像素点的颜色由配置光RGB决定，特定像素点坐标位置由MEMS反射镜系统40决定，进一步讲配置光RGB的颜色及亮度由3个RGB激光器脉冲发射出R、G、B光的不同级亮度组合决定。

所述驱动控制电路70为RGB激光器组件50和MEMS反射镜系统40提供驱动和控制电路，RGB激光器组件50连续脉冲发射配置光RGB，同时MEMS反射镜系统40连续扫描配置光RGB到目标显示器80，连续扫描的像素渲染出连续图像。

该现有激光图像投影设备的缺点也很明显，该设备体积大、结构复杂、制造难度大，包含的零部件多、成本高，复杂的光路导致配置光RGB的精度差，渲染的图像质量低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种设备体积小、易于大批量生产且图像渲染质量高的超小型激光图像投影设备。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超小型激光图像投影设备，包括目标显示器、驱动控制电路、与所述驱动控制电路连接的RGB激光器组件和MEMS反射镜系统，所述驱动控制电路用于接收待投影的图像数据信息，并根据接收到的数据信息驱动RGB激光器组件产生特定颜色和亮度的配置光RGB，同时控制MEMS反射镜系统将所述配置光RGB扫描到目标显示器上；所述RGB激光器组件包括红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器、合成器和准直透镜，所述合成器用于将红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器产生的三种颜色的激光束合成为一束配置光RGB，所述准直透镜用于对合成后的配置光RGB进行准直。

本发明中，所述驱动控制电路可以接收外部设备发送的数据信息，并根据接收的数据信息驱动RGB激光器组件连续脉冲发射配置光RGB，同时控制MEMS反射镜系统连续扫描配置光RGB到目标显示器，连续扫描的像素渲染出连续图像。

具体地，所述合成器包括第一波导、第二波导和第三波导，所述第一波导的入口与红色激光器的出口耦合，所述第二波导的入口与绿色激光器的出口耦合，所述第三波导的入口与蓝色激光器的出口耦合；所述第一波导、第二波导或第三波导的出口与准直透镜的入口耦合，所述第一波导、第二波导和第三波导之间设有多个耦合器。所述红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器发出的红光、绿光、蓝光分别经第一波导、第二波导和第三波导传输，并通过多个所述耦合器耦合为一束配置光RGB。

优选地，所述第二波导的出口与准直透镜的入口耦合，即第一波导和第三波导中传输的激光最终都耦合到第二波导中与绿光混合形成配置光RGB。

进一步地，所述第一波导与第二波导之间通过第一耦合器耦合，所述第一波导中传输的红色激光通过第一耦合器并入第二波导中与第二波导中的传输激光混合。第一波导中传输的红光经过第一耦合器后进入第二波导，其他波长的光(少量杂光)不会进入第二波导。

进一步地，所述第一耦合器设有1个或多个，优选为一个；由于第一波导中传输的是红色激光，因此，该处只需设置一个第一耦合器即可起到降低损耗的作用。

进一步地，所述第三波导与第二波导之间通过第二耦合器耦合，所述第三波导中传输的蓝色激光通过第二耦合器并入第二波导中与第二波导中的传输激光混合。第三波导中传输的蓝光经过第二耦合器后进入第二波导，其他波长的光(少量杂光)不会进入第二波导。

进一步地，所述第二耦合器设有1个或多个，优选为两个；通过设置两个第二耦合器可以起到降低损耗的作用。

具体地，所述MEMS反射镜系统包括反射镜片、第一维转轴、第二维转轴、第一框架和第二框架，所述反射镜片通过第一维转轴安装在第一框架上，所述第一框架通过第二维转轴安装在第二框架上；所述第一维转轴与第二维转轴垂直。所述第一维转轴和第二维转轴由两个静电驱动器驱动，两个静电驱动器由驱动控制电路控制，实现反射镜片在空间上任意方向的特定角度偏转，当配置光RGB传输到反射镜片上时，反射镜片可以将配置光RGB在一定空间范围内按任意角度反射输出投射到目标显示器上，目标显示器上的投射点为像素点，投射点即像素点的具体坐标位置由驱动控制电路控制。

具体地，所述目标显示器为投影图像接收屏，接收屏可以是一张纸、一面墙、一块布、一块玻璃等，甚至可以是人的眼球；该目标显示器可以是投影图像渲染的任何物体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过改进RGB激光器组件的内部结构，仅使用1个合成器和1个准直透镜即可将红、绿、蓝三束激光混合为一束配置光RGB，光路更加简单，大大缩减了设备体积，降低了设备生产成本，易于大批量生产；同时提高了配置光RGB的精度，提高了渲染图像的质量。

附图说明

图1为现有技术中激光图像投影设备的光路结构示意图；

图2为本发明实施例中激光图像投影设备的光路结构示意图；

图3为本发明实施例中MEMS反射镜系统的结构示意图；

图4为本发明实施例中目标显示器扫描像素阵列示意图；

图中：10、RGB激光器组件；101R、红色激光器；101G、绿色激光器；101B、蓝色激光器；102、合成器；102R、第一波导；102G、第二波导；102B、第三波导；102R1、第一耦合器；102B1、第二耦合器；103、准直透镜；20、MEMS反射镜系统；200、反射镜片；201、第一维转轴；202、第二维转轴；30、驱动控制电路；80、目标显示器；8001、像素点。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明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做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本实施例提供了一种超小型激光图像投影设备，包括目标显示器80、驱动控制电路30、与所述驱动控制电路30连接的RGB激光器组件10和MEMS反射镜系统20，所述驱动控制电路30用于接收待投影的图像数据信息，并根据接收到的数据信息驱动RGB激光器组件10产生特定颜色和亮度的配置光RGB，同时控制MEMS反射镜系统20将所述配置光RGB扫描到目标显示器80上；所述RGB激光器组件10包括红色激光器101R、绿色激光器101G、蓝色激光器101B、合成器102和准直透镜103，所述合成器102用于将红色激光器101R、绿色激光器101G和蓝色激光器101B产生的三种颜色的激光束合成为一束配置光RGB，所述准直透镜103用于对合成后的配置光RGB进行准直。

具体地，所述合成器102包括第一波导102R、第二波导102G和第三波导102B，所述第一波导102R的入口与红色激光器101R的出口耦合，所述第二波导102G的入口与绿色激光器101G的出口耦合，所述第三波导102B的入口与蓝色激光器101B的出口耦合；所述第一波导102R、第二波导102G或第三波导102B的出口与准直透镜103的入口耦合，所述第一波导102R、第二波导102G和第三波导102B之间设有多个耦合器。所述红色激光器101R、绿色激光器101G、蓝色激光器101B发出的红光、绿光、蓝光分别经第一波导102R、第二波导102G和第三波导102B传输，并通过多个所述耦合器耦合为一束配置光RGB。

本实施例中的耦合器是基于MZI原理(马赫-曾德尔干涉仪原理)，本实施例中耦合器的数量及布局方式仅是作为一种实施方式，并不用于限制本发明的保护范围，本领域的普通技术人员通过修改耦合器的数量和布局方式形成的技术方案均在本发明的保护范围内。

优选地，本实施例中，所述第二波导102G的出口与准直透镜103的入口耦合，即第一波导102R和第三波导102B中传输的激光最终都耦合到第二波导102G中与绿光混合形成配置光RGB。具体实施时，也可以将第一波导102R或第三波导102B的出口与准直透镜103的入口耦合。

进一步地，所述第一波导102R与第二波导102G之间通过第一耦合器102R1耦合，所述第一波导102R中传输的红色激光通过第一耦合器102R1并入第二波导102G中与第二波导102G中的传输激光混合。第一波导102R中传输的红光经过第一耦合器102R1后进入第二波导102G，其他波长的光(少量杂光)不会进入第二波导102G，而是由第一波导102R的末端出口导出。

进一步地，所述第一耦合器102R1设有1个或多个，优选为一个；由于第一波导102R中传输的是红色激光，因此，该处只需设置一个第一耦合器102R1即可起到降低损耗的作用。

进一步地，所述第三波导102B与第二波导102G之间通过第二耦合器102B1耦合，所述第三波导102B中传输的蓝色激光通过第二耦合器102B1并入第二波导102G中与第二波导102G中的传输激光混合。第三波导102B中传输的蓝光经过第二耦合器102B1后进入第二波导102G，其他波长的光(少量杂光)不会进入第二波导102G，而是由第三波导102B的末端出口导出。

进一步地，所述第二耦合器102B1设有1个或多个，本实施例优选为两个；通过设置两个第二耦合器102B1可以起到降低损耗的作用。

具体地，如图3所示，所述MEMS反射镜系统20包括反射镜片200、第一维转轴201、第二维转轴202、第一框架和第二框架，所述反射镜片200通过第一维转轴201安装在第一框架上，所述第一框架通过第二维转轴202安装在第二框架上；所述第一维转轴201与第二维转轴202垂直。所述第一维转轴201和第二维转轴202由两个静电驱动器驱动，两个静电驱动器由驱动控制电路30控制，实现反射镜片200在空间上任意方向的特定角度偏转，当配置光RGB传输到反射镜片200上时，反射镜片200可以将配置光RGB在一定空间范围内按任意角度反射输出投射到目标显示器80上，目标显示器80上的投射点为像素点，投射点即像素点的具体坐标位置由驱动控制电路30控制。

图4为本发明实施例目标显示器80扫描像素阵列示意图，图4也展示出了某个时刻的扫描像素点8001。需要说明的是，本实施例中，目标显示器80可以是一张纸、一面墙、一块布、一块玻璃，甚至是人的眼球，也就是说显示器可以是投影图像渲染的任何物体。

本实施例中，激光图像投影设备的具体工作过程为：驱动控制电路30根据接收到的数据信息驱动和控制红色激光器101R、绿色激光器101G和蓝色激光器101B分别脉冲发射不同级亮度的红色光R、绿色光G和蓝色光B，红色光R、绿色光G和蓝色光B进入合成器102合波为一路进行传输，不同级亮度的红色光R、绿色光G和蓝色光B合波混合后变成特定颜色和亮度的配置光RGB。配置光RGB经过准直透镜103准直以一束平行激光传输。准直后的配置光RGB进一步传输到MEMS反射镜系统20。驱动控制电路30驱动和控制MEMS反射镜系统20将配置光RGB投射到目标显示器80的特定像素点。所述驱动控制电路30为RGB激光器组件10和MEMS反射镜系统20提供驱动和控制电路，RGB激光器组件10连续脉冲发射配置光RGB，同时MEMS反射镜系统20连续扫描配置光RGB到目标显示器80，连续扫描的像素点渲染出连续图像。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种超小型激光图像投影设备，包括目标显示器、驱动控制电路、与所述驱动控制电路连接的RGB激光器组件和MEMS反射镜系统，所述驱动控制电路用于接收待投影的图像数据信息，并根据接收到的数据信息驱动RGB激光器组件产生特定颜色和亮度的配置光RGB，同时控制MEMS反射镜系统将所述配置光RGB扫描到目标显示器上；其特征在于，所述RGB激光器组件包括红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器、合成器和准直透镜，所述合成器用于将红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器产生的三种颜色的激光束合成为一束配置光RGB，所述准直透镜用于对合成后的配置光RGB进行准直。

2.根据权利要求1所述的一种超小型激光图像投影设备，其特征在于，所述合成器包括第一波导、第二波导和第三波导，所述第一波导的入口与红色激光器的出口耦合，所述第二波导的入口与绿色激光器的出口耦合，所述第三波导的入口与蓝色激光器的出口耦合；所述第一波导、第二波导或第三波导的出口与准直透镜的入口耦合，所述第一波导、第二波导和第三波导之间设有多个耦合器。

3.根据权利要求2所述的一种超小型激光图像投影设备，其特征在于，所述第二波导的出口与准直透镜的入口耦合。

4.根据权利要求2所述的一种超小型激光图像投影设备，其特征在于，所述第一波导与第二波导之间通过第一耦合器耦合，所述第一波导中传输的红色激光通过第一耦合器并入第二波导中与第二波导中的传输激光混合。

5.根据权利要求4所述的一种超小型激光图像投影设备，其特征在于，所述第一耦合器设有1个或多个。

6.根据权利要求2所述的一种超小型激光图像投影设备，其特征在于，所述第三波导与第二波导之间通过第二耦合器耦合，所述第三波导中传输的蓝色激光通过第二耦合器并入第二波导中与第二波导中的传输激光混合。

7.根据权利要求6所述的一种超小型激光图像投影设备，其特征在于，所述第二耦合器设有1个或多个。

8.根据权利要求1所述的一种超小型激光图像投影设备，其特征在于，所述MEMS反射镜系统包括反射镜片、第一维转轴、第二维转轴、第一框架和第二框架，所述反射镜片通过第一维转轴安装在第一框架上，所述第一框架通过第二维转轴安装在第二框架上；所述第一维转轴与第二维转轴垂直。

9.根据权利要求1所述的一种超小型激光图像投影设备，其特征在于，所述目标显示器为投影图像接收屏。

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