CN117716288A - 投影模块 - Google Patents

Abstract

提出一种扫描式激光器投影模块(20)，所述扫描式激光器投影模块基于其非常紧凑的构造方式特别好地适合用于消费者应用。这种类型的投影模块(20)包括能够操控的激光器模块(22)、能够操控的微镜组件(26)、装配载体(21)和射束转向组件(28)，所述激光器模块具有至少一个激光源，所述激光源用于发出能够预给定的强度的激光射束，所述微镜组件用于使所述至少一个激光射束偏移，所述装配载体具有载体前侧和载体后侧。根据本发明，所述激光器模块(22)布置在所述载体前侧上，所述微镜组件(26)布置在所述载体后侧上。此外，所述射束转向组件(28)设计成，使得所述至少一个激光射束从在所述载体前侧上的激光器模块(22)偏转到在所述载体后侧上的微镜组件(26)上。

Description

投影模块

背景技术

本发明涉及一种用于在消费者应用中使用的投影模块，例如VR(virtualreality，虚拟现实)或者AR(augmented reality，增强现实)数据眼镜。在这些应用中，将图像或者也仅将附加信息借助扫描式投影模块投影到用户的视野中。用于这一点的一种实现可能性在于，将二维图像信息直接投影到视网膜上，这被称为视网膜扫描方法。但是，图像信息也可以借助光波导投影到一个或两个眼镜片上。这种变型被称为波导方法。在两种情况下，投影模块包括能够操控的激光器模块，该激光器模块具有至少一个激光源，该激光源用于发出能够预给定的强度的激光射束。在此，通常使用RGB(red、green、blue，红、绿、蓝)激光器模块，所述RGB激光器模块具有不同波长范围的半导体激光二极管。另外，这样的投影模块包括能够操控的微镜组件，该微镜组件用于使激光射束偏转，其中，微镜组件负责激光射束的扫描运动。通常，这样的微镜组件包括两个反射镜，所述反射镜中的一个反射镜负责激光射束的水平运动，而另一个反射镜引起激光射束的竖直运动。通过这种方式，能够以连续的帧投影图像信息，其中，每个帧由单个的行构成。但是，也已知使用具有仅一个反射镜的微镜组件，该反射镜不仅水平地、而且竖直地偏转该激光射束。因此，该激光射束可以同样逐行地在投影面上被引导，或者也可以实施别的扫描运动，例如利萨如(Lissajou)形运动。

在视网膜扫描方法中，借助微镜组件将激光射束偏转到在眼镜片的区域中的全息元件或者光学活性元件上。然后，借助该全息元件或者光学活性元件，使该激光射束指向用户的眼睛。为此，投影模块必须布置在相对于在眼镜片的区域中的全息元件或者光学活性元件的定义的位置和定向中。在波导方法中，将微镜组件的输出射束耦合输入到眼镜片中，该眼镜片用作用于由微镜组件偏转的激光射束的光波导。为此，眼镜片具有用于激光射束的在地点方面定义的耦合输入结构和在用户的视野中的在地点方面定义的出射结构。在此，投影模块必须布置在相对于眼镜片的耦合输入结构的定义的位置和定向中。在两种情况中，在定位和定向投影模块时，应遵守非常小的公差范围，因为偏差非常强烈地影响用户感受。

发明内容

尤其是在消费者应用、例如VR/AR数据眼镜中，将投影模块集成到上一级的总系统中，在多方面都是高要求的。

就移动应用而言，力求达到的是尽可能节省空间的、紧凑的构造方式，该构造方式还应能够集成到总系统的不同设计中。投影模块在上一级的总系统中的集成应是在技术上尽可能不复杂的。尤其是，投影模块应能够非常简单且精确地相对于上一级的总系统的其余光学部件定位、定向和调整。在VR/AR数据眼镜的情况下，该构造方式应遵循标准眼镜几何形状。在此，用户的佩戴舒适度扮演重要角色。此外，当在眼睛的邻近处使用时，应注意安全方面。

本发明的核心和优点

提出一种扫描式激光器投影模块，该扫描式激光器投影模块基于其非常紧凑的构造方式特别好地适合用于消费者应用。根据本发明的投影模块包括能够操控的激光器模块和能够操控的微镜组件，该激光器模块具有至少一个激光源，该激光源用于发出能够预给定的强度的激光射束，该微镜组件用于使至少一个激光射束偏移。另外，根据本发明的投影模块包括装配载体和射束转向组件，该装配载体具有载体前侧和载体后侧。根据本发明，激光器模块布置在载体前侧上，微镜组件布置在载体后侧上，并且射束转向组件如此设计，使得至少一个激光射束从在载体前侧上的激光器模块偏转到在载体后侧上的微镜组件上。

即，根据本发明，不仅将装配载体的载体前侧、还将装配载体的载体后侧用作装配面。这以简单的方式实现投影模块的特别紧凑的构造形式。此外，由此，对于投影模块的各个结构组，尤其是对于在载体前侧上的激光器模块和对于在载体后侧上的微镜组件以及对于射束转向组件，可以实现有针对性的且能够分区的散热。尽可能好的散热对于投影模块的其他部件也是有利的，所述其他部件的相对定位和定向是关键的并且受到热影响。因此，根据本发明的装配方案例如能够实现，将用于射束合并(Beamcombiner，射束组合器)的、用于射束定向的和用于射束成形(Beamshaping)的光学元件必要时以汇总在结构组中的方式要么定位在载体前侧上、要么定位在载体后侧上，以便因此实现良好的散热。

有助于根据本发明的投影模块的紧凑的构造形式的另外的措施是，将激光器模块如此布置在载体前侧上，使得激光射束基本上平行于载体前侧发出，并且射束转向组件如此设计，使得激光射束基本上平行于载体后侧偏转到微镜组件上。在该变型中，另外的光学元件可以简单地装配在装配载体上，更确切地说，不仅装配在载体前侧上、还装配在载体后侧上，以便将所述另外的光学元件定位在激光器模块与微镜组件之间的射束路径中。由此，在紧凑性和散热方面得出很多优化可能性。在一种有利的变型中，这样的用于该激光射束的射束合并和/或射束定向和/或射束成形的光学元件在载体前侧上布置在激光器模块与射束转向组件之间。特别有利的是，激光器模块和微镜组件如此布置并且射束转向组件如此设计，使得激光射束基本上U形地从在载体前侧上的激光器模块偏转至在载体后侧上的微镜组件。通过这种方式，激光器模块和微镜组件可以特别节省空间地彼此相对地布置在装配载体的前侧和后侧上。

原则上，由激光器模块发出的激光射束可以借助射束转向组件经由装配载体的外棱边从载体前侧引导到载体后侧上。在装入投影模块时，必须单独考虑这一点。在将投影模块尽可能不复杂地集成到上一级的总系统中方面，被证明为有利的是，装配载体具有贯通开口，并且射束转向组件如此布置和设计，使得激光射束从在载体前侧上的激光器模块通过贯通开口偏转到在载体后侧上的微镜组件上。

原则上，根据本发明的投影模块的射束转向组件的光学功能可以借助唯一的、相应配置的光学元件实现。但是，该射束转向组件也可以包括多个光学元件，所述光学元件的共同作用引起该激光射束的射束转向。然后，这种类型的射束转向组件的各个光学元件可以有利地以空间分布的方式定位，即例如第一光学元件定位在载体前侧上并且第二光学元件定位在载体后侧上和/或另外的光学元件定位在装配载体的贯通开口的区域中。

在根据本发明的投影模块的一种有利的扩展方案中，射束转向组件附加地设计为用于将激光射束的至少一个子射束耦出。然后，该子射束可以例如用于投影模块的功能监控。在该背景下，被证明为有利的是，在耦出的子射束的射束路径中定位有光传感器、例如光电二极管。这种类型的光传感器可以用于激光器模块的和/或微镜组件的不同的与系统和/或安全有关的调节或操控。在此，例如是白平衡和亮度平衡，以及眼睛安全监控。

在根据本发明的投影模块的一种构型中，激光器模块的和/或微镜组件的和/或光传感器的电触点接通经由至少一个电路板进行，该电路板固定在装配载体上。特别有利的是使用柔性电路板，所述柔性电路板能够实现运行所需要的电子装置部件的可变的装入以及到上一级的总系统的电附接接口的灵活定位。

根据本发明的投影模块的装配载体可以配备有至少一个内部机械接口，该内部机械接口支持各个部件(例如激光器模块、微镜组件和/或射束转向组件)在装配载体上的经调整的装配。由此，尤其是，如果例如将预组装的结构组用于激光器模块和微镜组件，所述预组装的结构组随后在装配步骤中定位和固定在装配载体上，则根据本发明的投影模块的生产明显简化。

如前所述，投影模块在上一级的总系统中的集成应是在技术上尽可能不复杂的。尤其是，投影模块应能够非常简单且精确地相对于上一级的总系统的其余光学部件定位、定向和调整。为此，根据本发明的投影模块的装配载体可以配备有至少一个外部机械接口。该外部机械接口基本上具有两个功能。一方面，该外部机械接口形成用于激光器模块的、微镜组件的、射束转向组件的和用于射束合并和/或射束定向和/或射束成形的光学元件的校准和光学对准的参考面。即，在该功能方面，在生产投影模块期间在对准过程和校准过程中已经使用该外部机械接口。另一方面，该外部机械接口支持投影模块在上一级的总系统中的经调整的装入。这种类型的外部机械接口可以简单地以机械止挡和/或机械紧固器件的形式实现，该外部机械接口与上一级的总系统的相应的机械接口共同作用，以便防止在至少一个空间方向上的平移运动(即线性位移)和/或围绕至少一个空间方向的旋转运动(即扭转)。

总而言之，根据本发明的用于投影模块的装配方案能够实现总系统的观察方式，以便在重量、尺寸、可组装性、稳健性、批量生产能力与成本之间实现最佳可能的妥协方案。如前所述，根据本发明的投影模块基于其紧凑的构造形式特别好地适合用于在消费者应用、例如VR/AR数据眼镜的框架中的使用。然而，在此需要明确指出的是，根据本发明的投影模块也可以在例如来自汽车领域或者工业环境中的另外的上一级的总系统中使用。

附图说明

下面，以用于VR/AR数据眼镜的投影模块为例，根据附图阐述本发明的有利的实施方式和扩展方案。

图1示出具有视网膜扫描方法的VR/AR数据眼镜的作用原理；

图2示出根据本发明的投影模块的装配载体的经装备的载体前侧；

图3示出图2所示的装配载体的经装配的载体后侧；

图4示出图2和3所示的投影模块的透视图，和

图5示出图2至4所示的投影模块，该投影模块集成或装配在VR/AR数据眼镜的眼镜腿上。

具体实施方式

图1涉及VR/AR数据眼镜的用户的从上方看的示意性部分示图。能够看到头部1的具有用户的右眼2的部分，其中，在此示出具有瞳孔3的整个眼球。另外，图1示出VR/AR数据眼镜的一部分，即带有右眼镜片6和右眼镜腿7的前部部分的眼镜架5。在眼镜腿7的该部分上布置有能够操控的投影模块8，该投影模块包括至少一个激光器模块81和微镜组件82。借助投影模块8，将图像信息投影到右眼镜片6上。为此，由激光器模块81产生的激光射束9借助微镜组件82在扫描运动中在右眼镜片6的投影区域上偏转，这在此通过激光射束9的中央位置91和激光射束9的向右和向左最大偏移的两个位置92和93的示意图示出。眼镜片6的投影区域设有全息功能，以便使激光射束9在每个扫描位置中尽可能偏转到瞳孔3上并且因此偏转到用户的视网膜上。

图1一方面示出，在此提到的类型的投影模块仅由于使用地点(在此在眼镜腿上)就已经应该是尽可能小且紧凑的。另一方面，图1示出，投影模块在VR/AR数据眼镜的框架中的使用对在整个系统的其余部件方面、尤其是在眼镜片的全息功能方面的精确调整提出高要求。

在此建议的投影模块的重要方面是各个部件在装配载体的前侧和后侧上的分布。这在下文根据图2至4更详尽地阐述。对此，图2示出根据本发明的投影模块20的装配载体21的经装备的载体前侧，图3示出根据本发明的投影模块20的装配载体21的经装备的载体后侧，而整个投影模块20在图4中在透视侧视图中示出。

投影模块20包括能够操控的激光器模块22，该激光器模块具有三个激光二极管R、G、B作为激光源。三个激光二极管R、G、B发出不同波长的和能够预给定的强度的激光，优选输出红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)。根据待投影的图像信息调节每个单个的激光二极管R、G、B的光强度。激光器模块22在此布置在载体前侧上，更确切地说，布置成使得由激光二极管R、G、B产生的激光射束基本上与载体前侧平行地发出。这些单个射束借助用于射束合并的光学组件合并成总射束，该光学组件可以由仅一个光学元件或者也可以由多个光学元件组成并且被称为射束组合器23。然后，该总射束借助另外的光学元件(在此是两个射束成形棱镜24和25)定向和成形，其中，该总射束也在从棱镜24和25中出射之后与载体前侧平行地伸展。如图2所示，在这里描述的实施例中，不仅射束组合器23、而且射束成形棱镜24、25同样装配在载体前侧上。

为了使总射束为了图像信息的扫描投影的目的而偏移，投影模块20还包括能够操控的微镜组件26，该微镜组件根据本发明布置在载体后侧上。在这里示出的实施例中，微镜组件26涉及一种预组装的结构组，该结构组具有能够操控的第一微镜部件261并且具有能够操控的第二微镜部件262，该第一微镜部件用于使总射束水平偏转，该第二微镜部件用于使总射束竖直偏转。两个微镜部件261、262装配在所谓的骨架支架263上，更确切地说装配在具有相对于彼此的定义的间距和相对于彼此的定义的取向的定义的位置上，如图3所示。骨架支架263在装配载体21的载体后侧上的经调整的装配通过下述方式被明显简化：装配载体21具有定义的棱边211作为用于骨架支架263的内部机械接口，该骨架支架配备有相应的止挡棱边27。

根据本发明，由在载体前侧上的激光器模块22产生的激光射束或总射束借助射束转向组件28偏转到在载体后侧上的微镜组件26上。在这里示出的实施例中，射束转向组件28布置在装配载体21的边缘区域中的凹口中，使得该射束转向组件不仅在图2中、而且在图3中示出。但是，装配载体也可以具有贯通开口，总射束借助射束转向组件通过该贯通开口从在载体前侧上的激光器模块偏转到在载体后侧上的微镜组件上。射束转向组件28可以例如以唯一的转向棱镜的形式实现。但是，该射束转向组件也可以包括多个光学元件，所述光学元件的共同作用引起该总射束的射束转向。

如前所述，在这里描述的实施例中，不仅激光器模块22如此布置在载体前侧上并且定向，使得由激光二极管R、G、B产生的激光射束基本上与载体前侧平行地发出。光学元件、即射束组合器23和用于总射束的射束成形的棱镜24和25也如此在载体前侧上定位在激光器模块22与射束转向组件28之间并且定向，使得该总激光射束基本上平行于载体前侧伸展。此外，射束转向组件28如此设计，使得总射束基本上平行于载体后侧偏转到微镜组件26上。图2和3示出，在载体前侧上的激光器模块22连同光学元件23、24、25一起和在载体后侧上的微镜组件26彼此相对地布置，使得由激光二极管R、G、B产生的激光射束或总射束在此基本上U形地从在载体前侧上的激光器模块22偏转至在载体后侧上的微镜组件26，这有助于投影模块20的特别节省空间的紧凑的构造形式。

在此描述的投影模块20的射束转向组件28设计为用于，将至少一个子射束从总射束中耦出并且偏转到光传感器29、例如光电二极管上，该光电二极管在此定位在射束转向组件28上。该光传感器29可以多种多样地使用，例如用于投影模块20的功能监控并且用于调节目的、例如白平衡或者亮度平衡，或者也用于监控和遵守眼睛安全标准。

这里描述的投影模块20的各个部件的电触点接通经由柔性电路板31进行，该柔性电路板在第一装配步骤中已层压到装配载体21的载体前侧上。然后，微镜组件26的预组装的结构组装配在载体后侧上，其中，一方面装配载体21的定义的棱边211和另一方面骨架支架263的相应的止挡棱边27用于微镜组件26相对于装配载体的定义的定向。用于两个微镜部件260、261的电触点接通的两个柔性电路板32、33折叠到在载体前侧上的柔性电路板31上并且附接和固定在那里。然后，部件、即激光器模块22、射束组合器23和棱镜24、25装配在载体前侧上。在单独的对准步骤中，在射束转向组件28定位并且相对于在载体前侧上的部件和在载体后侧上的微镜组件26定向之前，各个激光二极管R、G、B和射束组合器23相对于彼此定向。

根据本发明的投影模块20的在此描述的实施方式的装配载体21配备有外部机械接口212。该外部机械接口212形成用于激光器模块22、微镜组件26、微镜转向组件28和光学元件(即射束组合器23和棱镜24、25)的校准和光学对准的参考面。如尤其图4所示，该外部机械接口在此以机械止挡212的形式实现，该机械止挡与在投影模块20的安装位置上的相应的机械接口共同作用来防止在至少一个空间方向上的平移运动和/或围绕至少一个空间方向的旋转运动。这支持以经调整的方式将投影模块20装入到上一级的总系统中，例如VR/AR数据眼镜。

图5示出在图2至4中示出的投影模块20在VR/AR数据眼镜的眼镜腿7上的装入。在适合的眼镜设计的情况下，投影模块20的紧凑的构造形式能够实现在眼镜片的紧邻处的装配，即在眼镜腿的铰链4前方的装配。另外，投影模块20可以由于其紧凑的构造形式也以扭转最多几度的方式装入，如果这在上一级的总系统的背景中有意义的话。因此，眼镜片6在图5所示的装入状况中具有5°的镜片倾斜度。与此相应地，投影模块20也可以以5°的倾斜度装配在眼镜腿7上。投影模块20相对于眼镜片6的所需要的定义的定向或取向通过外部机械接口212被明显简化。

最后需要再次指出的是，投影模块的根据本发明的方案不局限于在VR/AR数据眼镜中的使用，而是也可以用于别的应用，所述别的应用需要特别紧凑的构造形式和良好的导热性能。

Claims (12)

1.投影模块(20)，所述投影模块至少包括：

-能够操控的激光器模块(22)，所述激光器模块具有至少一个激光源，所述激光源用于发出能够预给定的强度的激光射束，

-能够操控的微镜组件(26)，所述微镜组件用于使至少一个激光射束偏移，

-装配载体(21)，所述装配载体具有载体前侧和载体后侧，和

-射束转向组件(28)，

·其中，所述激光器模块(22)布置在所述载体前侧上，

·其中，所述微镜组件(26)布置在所述载体后侧上，并且

·其中，所述射束转向组件(28)设计成，使得所述至少一个激光射束从在所述载体前侧上的所述激光器模块(22)偏转到在所述载体后侧上的所述微镜组件(26)上。

2.根据权利要求1所述的投影模块(20)，其特征在于，所述激光器模块(22)布置在所述载体前侧上，使得所述至少一个激光射束基本上平行于所述载体前侧发出，并且所述射束转向组件(28)设计成，使得所述至少一个激光射束基本上平行于所述载体后侧偏转到所述微镜组件(26)上。

3.根据权利要求1或者2所述的投影模块(20)，其特征在于，所述激光器模块(22)和所述微镜组件(26)布置成并且所述射束转向组件(28)设计成，使得所述至少一个激光射束基本上U形地从在所述载体前侧上的所述激光器模块(22)偏转至在所述载体后侧上的所述微镜组件(26)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的投影模块，其特征在于，所述装配载体具有贯通开口，并且所述射束转向组件布置和设计成，使得所述至少一个激光射束从在所述载体前侧上的所述激光器模块通过所述贯通开口偏转到在所述载体后侧上的所述微镜组件上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的投影模块，其特征在于，所述射束转向组件具有多个光学元件，所述光学元件的共同作用引起所述至少一个激光射束的射束转向。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的投影模块(20)，其特征在于，所述射束转向组件(28)设计为用于将所述至少一个激光射束的至少一个子射束耦出。

7.根据权利要求6所述的投影模块(20)，其特征在于，在所述至少一个子射束的射束路径中定位有光传感器(29)、尤其是光电二极管。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的投影模块(20)，其特征在于，用于所述至少一个激光射束的射束合并和/或射束定向和/或射束成形的光学元件(23、24、25)在所述载体前侧上布置在所述激光器模块(22)与所述射束转向组件(28)之间。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的投影模块(20)，其特征在于，所述激光器模块(22)的和/或所述微镜组件(26)的和/或所述光传感器(29)的电触点接通经由至少一个电路板(31、32、33)、尤其是至少一个柔性电路板进行，所述电路板固定在所述装配载体(21)上。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的投影模块，其特征在于，所述装配载体配备有至少一个内部机械接口，所述内部机械接口支持所述激光器模块和/或所述微镜组件和/或所述射束转向组件在所述装配载体上的经调整的装配。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的投影模块(20)，其特征在于，所述装配载体(21)配备有至少一个外部机械接口(212)，其中，所述外部机械接口(212)形成用于激光器模块(22)、微镜组件(26)、射束转向组件(28)和用于射束合并和/或射束定向和/或射束成形的光学元件(23、24、25)的校准和光学对准的参考面，并且支持所述投影模块(20)在上一级的总系统中的经调整的装入。

12.根据权利要求11所述的投影模块(20)，其特征在于，所述至少一个外部机械接口(212)以机械止挡和/或机械紧固器件的形式实现，使得所述至少一个外部机械接口与所述上一级的总系统的相应的机械接口共同作用来防止在至少一个空间方向上的平移运动和/或围绕至少一个空间方向的旋转运动。