CN114114675B - 一种拼接式扫描投影装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种拼接式扫描投影装置及方法，用于实现投影仪的小型化及提高投影质量。该拼接式扫描投影装置，包括沿光路依次设置的扫描模组、微透镜阵列模组及投影物镜，所述扫描模组包括光纤扫描单元阵列，所述光纤扫描单元阵列中每个光纤扫描单元对应于所述微透镜阵列模组中的一个微透镜模组，所述光纤扫描单元出射的弧型扫描面经对应的微透镜模组放大后拼接成像于中间像面，所述中间像面经所述投影物镜的放大后投射至投影介质形成显示图像。

Description

一种拼接式扫描投影装置及方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种拼接式扫描投影装置及方法。

背景技术

光纤扫描投影技术的成像原理是：通过光纤扫描器中的致动器带动扫描光纤进行预定二维扫描轨迹的运动，同时调制光源出光功率，来将待显示图像的每个像素点信息逐一投射到成像区域上，从而形成投射画面。

目前，在向用户提供高分辨率和超大物理尺寸的画面时，通常是将多个投影仪组成一个投影系统，也即将多个投影仪各自投射的画面拼接在一起来实现。但在实际投影过程中，光纤扫描器按照矩阵式排列，每个扫描器的出射端设置一组透镜模组，并通过机械件对每个透镜模组进行固定。这样需要引入更多的机械结构件，使得投影仪的体积比较大，并且不论直投还是斜投，各投影仪与投影屏幕之间的相对位置等差异，使得投影仪所出射的每个像素点到屏幕的距离和角度都不一致，导致投影仪出射到屏幕上的光斑会产生畸变，影响投影画面的像素尺寸均匀性，甚至导致投影画面的失真。

发明内容

本发明的目的是提供一种拼接式扫描投影装置及方法，用于实现投影仪的小型化及提高投影质量。

为了实现上述发明目的，第一方面，本发明提供了一种扫描投影装置，包括沿光路依次设置的扫描模组、微透镜阵列及投影物镜，所述扫描模组包括扫描单元阵列，所述扫描单元阵列包括多个光纤扫描单元，每个光纤扫描单元对应所述微透镜阵列模组中的一个微透镜模组，所述光纤扫描单元出射的弧形扫描面经对应的微透镜模组放大后拼接成像于中间像面，所述中间像面经所述投影物镜放大成像。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本发明实施例中，扫描投影装置采用包括扫描单元阵列的扫描模组、微透镜阵列模组和投影物镜在内的结构，扫描单元阵列中各光纤扫描器单元扫描出射的弧形扫描面对应的光经相应的微透镜模组放大后，汇聚并拼接成像于中间像面，中间像面经投影物镜放大并投射到投影介质上形成显示图像。故通过在扫描模组的出射端设置微透镜阵列模组来将各光纤扫描单元的弧形扫描面对应的光汇聚到中间画面处拼接为完整的图像，再通过投影物镜即可对中间像面进行放大及投射，采用的微透镜阵列后节省了结构件，有助于投影仪的小型化。

同时，更加小型微透镜阵列缩小了扫描模组中各光纤扫描单元与投影物镜之间的角度及位置差异，有利于提高直投/斜投的投影质量，减少畸变。

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1A-图1B为现有技术中光纤扫描投影系统的结构示意图；

图2A-图2B为本发明实施例中拼接式扫描投影装置的一种结构示意图；

图3为本发明实施例中一个微透镜模组的一种结构示意图；

图4为本发明实施例中微透镜阵列模组的一种结构示意图；

图5为本发明实施例中微透镜阵列模组出射光的示意图；

图6为本发明实施例中扫描投影方法的流程图。

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。

首先，介绍本发明实施例中扫描显示装置所采用的光纤扫描投影系统，以便于本领域技术人员理解。

图1A和图1B为现有的光纤扫描投影系统的结构示意图，其中图1B为图1A的侧视图。光纤扫描器投影系统包括：处理器100、激光单元110、光纤扫描器120、光纤130、光源调制模块140、扫描驱动模块150及光源合束模块160。工作时，处理器100通过向扫描驱动模块150发送电控制信号来控制光纤扫描器120振动扫描，同时，处理器100通过向光源调制模块140发送电控制信号来控制合束模块160的出光功率。光源调制模块140根据接收到的电控制信号输出光源调制信号，以调制光源合束模块160中的一个或多个颜色的激光单元110，图中示出其包括红(R)、绿(G)、蓝(B)三色激光器；光源合束模块160中每种颜色的激光单元110产生的光经合束后逐一产生每个像素点的色彩和灰度信息，光源合束模块出射的合束光束通过光纤导入光纤扫描器。同步地，扫描驱动电路150根据接收到的电控制信号输出扫描驱动信号，以控制光纤扫描器120中的光纤130以预定的二维扫描轨迹进行扫描运动，以将传输光纤130中传输的光束扫描输出。

接下来，介绍本发明实施例中的拼接式扫描投影装置。

图2A-图2B为本发明实施例提供的拼接式扫描投影装置的结构示意图，该扫描投影装置可应用于投影仪。该扫描投影装置包括扫描模组10、微透镜阵列模组20和投影物镜30，扫描模组10包括光纤扫描单元阵列，光纤扫描单元阵列中包括多个光纤扫描单元101，如光纤扫描器；微透镜阵列模组设置在光纤扫描单元阵列的出射端，每个光纤扫描单元对应微透镜阵列模组中的一个微透镜模组；光纤扫描单元出射的弧形扫描面的光经相应的微透镜模组后，即可汇聚到中间像面40拼接成像，中间像面40经投影物镜后投射到投影介质上显示成像。

由于本发明实施例提供的扫描投影装置采用包括光纤扫描单元阵列的扫描模组10、微透镜阵列模组20和投影物镜30的结构，扫描阵列中各光纤扫描单元101扫描出射子图像的光线通过微透镜阵列模组20中相应的微透镜模组201，即可汇聚到中间像面40形成拼接图像，而微透镜阵列模组20中各微透镜模组201相互连接一体，无需额外的结构件进行加固，有效缩小系统的体积，实现小型化。同时，与微透镜阵列模组20对应的光纤扫描单元阵列也可排列更加紧凑，将投影仪更加小型化，像素畸变可以得到更好的控制。

需要说明的是，图2仅仅是一个示例，图2中微透镜阵列模组中微透镜阵列的数量可以根据实际需求进行增减。微透镜阵列模组中每个微透镜阵列包含的多个微透镜与扫描模组中的多个光纤扫描器单元一一对应，微透镜阵列模组中微透镜的排列方式与扫描模组中光纤扫描单元的排布方式一致。

本发明实施例中，扫描模组中的多个光纤扫描器按照阵列方式紧凑排列，光纤扫描单元可以是前述光纤扫描投影系统中的光纤扫描器120。请仍参见图1B，具体来说，光纤扫描器120可以包括：致动部121、光纤悬臂122、透镜123、扫描器封装壳124以及固定件125。致动部121通过固定件125固定于扫描器封装壳124中，光纤130在致动部121的自由端延伸形成光纤悬臂122(也可称为光纤)。致动器121可以是方棒/管，或者也可以是圆棒/管，等等。

工作时，致动部121在扫描驱动信号的驱动下沿第一方向(Y方向)及第二方向(X方向)振动，受致动部121带动，光纤悬臂122的自由端按预设的二维扫描轨迹，如螺旋扫描、栅格式扫描、李萨如扫描等方式扫动并出射光束，出射的光束透过透镜123即可在介质表面上扫描。需要说明的是，光纤130从A端接入致动部121，其中的光束可传输至B端的光纤悬臂122，在可能的实施方式中，光纤130贯穿致动部121并在致动部121的自由端延伸形成光纤悬臂122(也即，光纤130和光纤悬臂122是一体的)；或者，光纤130从A端接入致动部121，并在致动部121内部与B端的光纤悬臂122的精密对接，从而可将光束输出至光纤悬臂122中(也即，光纤130和光纤悬臂122并不是一体的)。透镜123通常具有光束整形、准直等作用。

扫描模组10还包括多个光源以及多个光耦合单元，图中未示出。光源、光耦合单元及光纤扫描单元101之间一一对应，光耦合单元设置于光源与光纤扫描单元101之间。光源用于调制输出待显示图像的光束，每个光源至少包括R、G、B三个单色激光器。光耦合单元用于将各光源出射的子图像的光束耦入相应的光纤扫描单元101中，即将光源出射的光耦入光纤扫描器的入射端光纤中。

本发明所有实施例中，“待显示图像”可以是一幅完整图像，也可以是一幅完整图像中的局部图像，即本发明实施例中的扫描显示装置本身可以作为一个独立模组单独处理完整视场画面，也可以作为拼接模组中的一部分，只处理局部视场画面，与多个类似模组拼接后实现完整视场画面。本文中主要以待显示图像为一副完整图像为例，子图像为待显示图像中局部的视场图像。

本发明实施例中，微透镜阵列模组20用于将扫描模组10中光纤扫描单元101阵列出射的弧型扫描面放大，并在出瞳后汇聚成像于中间像面40(平面)，即中间像面40是各光纤扫描单元101扫描出射的子图像的光线(主要指主光线)汇聚拼接而成的，也就是多个光纤扫描器对应的画面拼接形成在一个中间像面40。

在实际应用中，微透镜阵列中的微透镜是一种直径为微米级的小透镜，多个微透镜按一定的周期以一维或二维等的方式排列在基底上构成微透镜阵列。微透镜阵列利用其表面波长量级的浮雕结构对光波进行调制，将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分都被相应的小透镜聚焦在焦平面上，一系列微透镜就可以得到由很多均匀、规则排布的焦点组成的平面。

本发明实施例中，将微透镜阵列模组20中对应于同一光纤扫描单元101的微透镜称为一个微透镜模组201，请仍参见图2B。每个微透镜模组201可包括一个或多个共光轴设置的微透镜，每个微透镜模组201用于将对应的光纤扫描单元101所出射的弧形扫描面的光线进行清晰成像。因此，可以认为微透镜阵列模组20是由多个微透镜模组201排列组合而成，且微透镜模组201之间相互连接；或者，也可认为，微透镜阵列模组20是包括一片或多微透镜阵列，每层微透镜阵列的基底上紧密排列且相互连接形成一体的多个微透镜，对应于同一光纤扫描单元101的微透镜即组成一个微透镜模组201。当然，若微透镜阵列模组20包含多个微透镜阵列，则多个微透镜阵列可在光轴方向上依序设置形成一个整体。

如图3所示，为本发明实施例中一个微透镜模组201的一种结构示意图，图中以该模组含11个透镜为例。图中标号1～11分别代表第一透镜至第十一透镜，标号01代表弧形像面，标号02代表物面，标号03代表光阑。具体的，该微透镜模组201可包括由物侧至像侧依次共光轴设置的第一透镜组和第二透镜组，其中，第一透镜组包括由物侧至像侧依次设置且焦距依序为正、负、负、负、正及正的第一透镜至第六透镜共6个透镜；第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；第二透镜组包括由物侧至像侧依次设置且焦距依序为负、正、正、正及正的第七透镜至第十一透镜共5个透镜；第七透镜为双凹透镜，第八透镜为双凸透镜，且第七透镜和第八透镜组成一凸面朝向像侧的双胶合透镜；第十一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；其中，第一透镜组的焦距大于第二透镜组的焦距。该微透镜模组201通过分散系统的光焦度，可减缓各镜片所产生的像差，从而将相应的光纤扫描单元101出射的弧型图案清晰成像为平面图像，以解决光纤扫描单元101的弧型像面成像的问题。

图4为本发明实施例中微透镜阵列模组20的一种结构示意图。图中以微透镜阵列模组20包含6个微透镜阵列为例。可以看作微透镜模组201包括6层微透镜阵列，即一个微透镜模组201包括共光轴的6个微透镜，微透镜之间也可根据需求设置光阑。

本发明实施例中，设计的微透镜模组201的出瞳直径大于光纤发射的光线经微透镜模组201成像在中间像面40上单个像素的尺寸，该像素即为光纤扫描单元101扫描不同位置经微透镜模组201汇聚到中间像面40的光斑，以便于扫描模组10中各光纤扫描器出射的光经微透镜阵列后能汇聚在中间像面40。

在一种可选的实施例中，可对微透镜阵列模组20进行边界限制，每个光纤扫描单元101出射的光经过微透镜模组201的最大发散角(即斜角)与微透镜模组201像方的孔径角之和不大于投影物镜30物方的孔径角，以保证出射光完全被投影物镜30接收，从而使得最终出射光的照度均匀性。图5所示，为光纤扫描单元101出射的光经过微透镜阵列模组20的光路图的示意图，则光纤扫描单元101阵列中光纤扫描单元101出射的光经微透镜阵列模组20出射时满足以下关系式：

θ₁+θ₂≤θ₃，

其中，θ₁为光纤扫描单元101中光纤端面扫描的图像对应的光束经微透镜模组201后的主光线的最大发散角，θ₂为光纤扫描单元101的光纤出射的光线经微透镜模组201汇聚到中间像面40的汇聚角，θ₃为投影物镜30物侧的孔径角。

在另一种可能的实施例中，也可在中间像面40处设置散射屏或定向微透镜阵列器件来保证成像。其中，定向微透镜阵列器件包括排列的多个微透镜，每个微透镜可对应一个中间像面40的一个像素的主光线，并将中间像面40上像素的主光线作用为垂直出射光线，且各像素对应出射的主光线之间相互平行，即可将中间像面40对应的光束送入投影物镜30放大投射于投影介质，如投影幕布等。

投影物镜30用于将处在投影物镜30物侧的图案放大到投影物镜30的像侧上。优选的，投影物镜30是物方(发光面源侧)远心镜头。物方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，物方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无限远，采用远心镜头可消除由于被测物体离镜头距离的远近不一致，造成放大倍率不一样，有效减小投影过程中的像素畸变。

本发明实施例中，扫描投影装置中光纤扫描单元101阵列中的光纤扫描器排布紧凑，配合微透镜阵列模组20一同实现投影仪的小型化，无需采用复杂且体积大的机械件。正是由于可将扫描模组10和微透镜阵列做得较小，即可将扫描单元阵列中各光纤扫描器之间设置为平行(即直投)，可使得扫描单元阵列中各光纤扫描器与微透镜阵列之间的距离一致，从而使得各光纤扫描器出射的光束经过微透镜模组201后汇聚在中间像面40上的光斑大小相同，减小畸变。

同时，扫描投影装置采用直投可保证各光纤扫描器出射的弧型扫描面的光束能直接射入相应的微透镜模组201，并汇聚到微透镜阵列模组20的中间像面40处拼接形成完整的平面图案，进而通过投影物镜30对中间像面40的放大即可投射显示。

如图6所示，基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种扫描投影方法，可以用于前述的基于拼接式扫描投影装置中，该扫描投影装置的结构请参照前述内容，此处不再赘述。该方法包括以下步骤：

S11：采用扫描模组中光纤扫描单元阵列扫描出射待显示图像对应的光束；其中，光纤扫描单元阵列中的每个光纤扫描单元对应扫描出射待显示图像包括的多个子图像中的一个子图像的光束。

S12：利用微透镜阵列模组将光纤扫描单元阵列中每个光纤扫描单元出射光束的弧型扫描面放大，并将光束汇聚成像于中间像面，在中间像面上拼接形成与待显示图像对应的完整图像。

S13：通过微透镜阵列模组的出光光路上的投影物镜将中间像面进行放大，并将放大后的图像投射到投影介质上形成与待显示图像对应的显示图像。

本发明实施例中，扫描投影装置的扫描模组中，光纤扫描单元阵列中每个光纤扫描单元对应扫描出射待显示图像的一个子图像，进而利用微透镜阵列模组中各微透镜模组对相应的光纤扫描单元出射的弧型扫描面的光束作用，即可将光线汇聚并拼接成像于中间像面，然后将中间像面经投影物镜放大即可投射显示，故通过利用微透镜阵列模组直接作用于光纤扫描单元阵列出射的扫描面的光，即可在系统小型化的同时实现将弧型扫描面对应的光束拼接成像到平面(中间像面)，进而通过投影物镜的投影放大作用即可将中间像面投射到远处的投影介质上，如投影屏幕或幕布等。

其中，微透镜阵列模组的结构及功能请参见图2-图5及相应内容，此处不再赘述。在执行S12及S13时，还可预先对微透镜阵列模组中微透镜阵列的结构进行设计，使得扫描单元出射的光经对应的微透镜模组的最大发散角与微透镜模组像方的孔径角之和小于投影物镜物方的孔径角，则成像于中间像面的光束能被远心投影物镜完全收光，最终出射光的照度均匀，有助于提高投影效果；或者，也可预先在中间像面设置散射屏或定向微透镜阵列器件，则通过散射屏或定向微透镜阵列器件的作用，可将中间像面对应的光束送入远心投影物镜，从而放大成像于屏幕。

本发明实施例中，由于扫描器排列紧凑，投影仪的体积较小，畸变可以得到较好的控制，每个扫描器投影仪可通过直投或者斜投进行拼接。优选的，可以采用直投方式将扫描模组出射的光线直接投射至微透镜阵列模组中，可有效能减弱光线的发散，避免像素畸变，从而提高投影效果。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本发明实施例中，扫描投影装置采用包括扫描单元阵列的扫描模组10、微透镜阵列模组20和投影物镜30在内的结构，扫描单元阵列中各光纤扫描器单元扫描出射的弧形扫描面对应的光经相应的微透镜模组201放大后，汇聚并拼接成像于中间像面40，中间像面40经投影物镜30放大并投射到投影介质上形成显示图像。故通过在扫描模组10的出射端设置微透镜阵列模组20来将各光纤扫描单元101的弧形扫描面对应的光汇聚到中间画面处拼接为完整的图像，再通过投影物镜30即可对中间像面40进行放大及投射，采用的微透镜阵列后节省了结构件，有助于投影仪的小型化。

同时，更加小型微透镜阵列缩小了扫描模组10中各光纤扫描单元101与投影物镜30之间的角度及位置差异，有利于提高直投/斜投的投影质量，减少畸变。

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 (10)

1.一种拼接式扫描投影装置，其特征在于，包括沿光路依次设置的扫描模组、微透镜阵列模组及投影物镜，所述扫描模组包括光纤扫描单元阵列，所述光纤扫描单元阵列包括多个光纤扫描单元，所述微透镜阵列模组包括与所述多个光纤扫描单元一一对应的多个微透镜模组；所述光纤扫描单元出射的弧型扫描面经对应的微透镜模组放大后拼接成像于中间像面，所述中间像面为虚拟平面，所述中间像面经所述投影物镜的放大后投射至投影介质形成显示图像。

2.如权利要求1所述的拼接式扫描投影装置，其特征在于，所述拼接式扫描投影装置还包括设置于所述扫描模组的入射端的多个光源，所述光源与所述光纤扫描单元阵列中光纤扫描单元一一对应，每个光源用于调制输出待显示图像所包括的多个子图像中的一个子图像的光束，并耦入对应的光学扫描单元。

3.如权利要求2所述的拼接式扫描投影装置，其特征在于，所述微透镜阵列模组中包括沿光路设置的至少一个微透镜阵列，每个微透镜阵列中的多个微透镜按照相同排列方式排列，且所述多个微透镜相互连接形成一体；其中，所述至少一个微透镜阵列中对应于同一光纤扫描单元的微透镜为一个微透镜模组。

4.如权利要求3所述的拼接式扫描投影装置，其特征在于，所述微透镜阵列模组中每个微透镜模组的出瞳直径大于光纤发射的光线经所述微透镜模组成像在中间像面上单个像素的尺寸，所述像素为光纤扫描到不同位置经微透镜模组汇聚到中间像面的光斑。

5.如权利要求4所述的拼接式扫描投影装置，其特征在于，所述投影物镜是物方远心镜头。

6.如权利要求5所述的拼接式扫描投影装置，其特征在于，所述光纤扫描单元出射的光束经对应的微透镜模组的最大发散角与所述微透镜模组像方的孔径角之和小于所述投影物镜物方的孔径角。

7.如权利要求1所述的拼接式扫描投影装置，其特征在于，所述拼接式扫描投影装置还可以包括位于所述中间像面处的散射屏或定向微透镜阵列。

8.如权利要求2所述的拼接式扫描投影装置，其特征在于，所述扫描模组还包括光耦合单元，所述光耦合单元设置于所述光源的出射端和所述光纤扫描单元的入射端之间，用于将所述光源出射的光线经光纤耦入对应的光纤扫描单元中。

9.如权利要求1所述的拼接式扫描投影装置，其特征在于，所述光纤扫描单元为光纤扫描器，所述光纤扫描器包括光纤和用于驱动所述光纤进行扫描的驱动结构。

10.一种扫描投影方法，应用于权利要求1-9任一项所述的拼接式扫描投影装置，其特征在于，所述方法包括：

采用所述扫描模组中所述光纤扫描单元阵列扫描出射待显示图像对应的光束；其中，所述光纤扫描单元阵列中的每个光纤扫描单元对应扫描出射所述待显示图像包括的多个子图像中的一个子图像的光束；

利用所述微透镜阵列模组将所述光纤扫描单元阵列中每个光纤扫描单元出射光束的弧型扫描面放大，并将光束汇聚成像于中间像面，所述中间像面为虚拟平面，在所述中间像面上拼接形成与所述待显示图像对应的完整图像；

通过所述微透镜阵列模组的出光光路上的投影物镜将所述中间像面进行放大，并将放大后的图像投射到投影介质上形成与所述待显示图像对应的显示图像。