CN204667036U - 一种一维成像器件及其整行扫描式激光投影显示系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种一维成像器件以及一种整行扫描式激光显示系统，所述一维成像器件包括：光源组件和一维成像装置；所述光源组件包括复数个激光发生器模组，每一激光发生器模组用于产生单个像素相对应的激光；所述一维成像装置包括复数个导光器件和设置于每一所述导光器件耦合端的激光发生器模组激光耦合接口件；所述导光器件的出光端沿第一方向一维排列。本申请的一维成像器件光纤的输出的一个像素为三色光在空间上重合而形成，这使得形成的白光光场非常均匀，色度一致性高度一致。
Description
本申请要求于2014年09月23日提交中国专利局、申请号为201410490118.7、发明名称为“一种整行扫描式激光投影显示装置”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及激光显示技术领域，具体涉及一种一维成像器件以及一种采用所述一维成像器件的整行扫描式激光投影显示系统。
背景技术
人类83％的信息量是通过视觉获得的，而通过听觉、嗅觉、味觉和触觉获得的信息量之和只占了27％，由此可知显示器件对于人类获取信息的重要意义。1897年布劳恩发明了CRT(Cathode-Ray-Tube，阴极射线管)，人类自此进入了电子显示时代。之后的100多年时间里，人类相继发明了多种显示技术，研制出种类繁多的显示器件。显示器件大致可以分为三种：一种为发光型显示，包含CRT、LED(Light Emitting Diode，发光二极管)显示屏、OLED(Organic LightEmitting Diode，有机发光二极管)显示屏，PDP(Plasma Display Panel，等离子显示板)等；另一种为背光源型显示，包含LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)；第三种是投影机。
CRT技术在电视接收机和桌面显示器市场，由于其体积太大而被LCD技术取代；在大屏幕投影市场，由于其输出光通量不足，被LCD和DLP投影机取代。LCD电视与PDP电视在家用电视市场与CRT电视竞争的初期，PDP以其色彩好的优势(色域覆盖率38％)与LCD一度平分秋色；但随着LCD刷新频率的提高和背光源技术的进步，LCD电视已经占据了电视市场的绝大部分份额。虽然LED背光源的LCD电视和显示器的色彩表现力有了显著提高，但其色域覆盖率依然只有33％左右。灯泡投影机的色域覆盖率不足30％。
评判显示器件性能优劣的指标主要有画面尺寸、分辨率、亮度、对比度、色彩表现力等。当前蓬勃发展的激光显示技术，有望全面超越以往显示器件的性能指标(如画面尺寸、分辨率、亮度以及色彩表现力等)。
激光显示技术可分为若干个种类。其中一种称为LPD(Laser PhosphorDisplay，激光荧光粉显示)，其结构与CRT类似，不过激光束代替了电子束；半导体蓝光激光器发出的蓝色激光束，照射到涂有荧光粉的屏上激发荧光粉发光，通过视频信号控制激光束二维扫描来实现图像显示。与CRT一样，LPD难以做到象LCD那样薄，画面尺寸也不大，是以拼接的方式实现大屏幕显示。第二种是使用激光激发荧光粉光源的投影显示，不再使用气体灯泡，消除了以往频繁更换灯泡的维护工作，同时画面质量也有所改善。激光激发荧光粉光源的投影显示，不但色彩覆盖率没有革命性突破，而且输出光通量受荧光粉抗激光强度的限制，难以做到一万流明以上。第三种激光显示技术是使用红绿蓝三基色激光光源的投影显示，因大多采用DMD(Digital Micromirror Device)光阀，所以有人称之谓激光DLP(Digital Light Processing)，但也可以采用LCD光阀或LCOS(Liquid Crystal on Silicon，反射型液晶光阀)等。与激光激发荧光粉光源的投影显示相比，可以获得更高的光通量和更大的色域覆盖率，但是需要消除激光散斑才可获得理想的画面质量。激光DLP的分辨率受光阀限制，在大屏幕显示时，由于其像素数目受限，虽然亮度可以很高，色彩很好，但是像素较大，图像画面视觉上不够细腻。第四种是激光逐点扫描投影成像技术，如图11所示，红、绿、蓝三束激光，同时扫描到屏幕上一个点(对应一个像素)，通过视频信号控制三束激光的强弱，进行二维扫描来实现彩色图像显示；屏幕是投影机所用的幕布(或背投影屏幕)，而不是如LPD或CRT那样的涂有荧光粉的玻璃板。激光逐点扫描投影成像技术，分辨率可以很高，但是激光束功率很高，一旦光束停止扫描不动时，很容易发生火灾，灼伤人眼或皮肤；二维扫描器件也较为复杂。
实用新型内容
本申请提供一种一维成像器件。以解决现有的激光显示装置的上述问题。
本申请提供的一种一维成像器件，其包括：
光源组件和一维成像装置；
所述光源组件包括复数个激光发生器模组，每一激光发生器模组用于产生单个像素相对应的激光；
所述一维成像装置包括复数个导光器件和设置于每一所述导光器件耦合端的激光发生器模组激光耦合接口件；所述导光器件的出光端沿第一方向一维排列；
所述激光发生器模组包括产生红、绿、蓝三基色激光的激光器，两个二相色镜和两个直角棱镜；
所述二相色镜和两个直角棱镜设置于所述三色激光器的光路中，并使得每一光源组件的所有激光器出射的激光束在空间上重合，并朝相同方向传播；
所述每一导光器件包括与每一激光器模组相对应设置的一根光导纤维，所述光导纤维的耦合端设置有耦合接头作为所述的激光耦合接口件；所述耦合接头设置于与该光导纤维相对应的激光器模组的经准直后的光路中，并朝向来光方向，接收空间上重合的红绿蓝三色激光束，每一光导纤维的出光端构成一个像素；所述光导纤维的出光端即为所述光导器件的出光端。
可选的，所述两直角棱角分别为第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述两个二相色镜分别为第一二相色镜和第二二相色镜；
红光激光器发出的红激光光束被第一直角棱镜反射，传播方向折转90°后照射到第一二向色镜上；第一二向色镜透射绿光反射红光；透射过第一二向色镜的绿光激光束与被第一二向色镜反射后的红光激光束在空间上重合；
蓝光激光器发出的蓝激光光束被第二直角棱镜反射，传播方向折转90°后照射到第二二向色镜上；第二二向色镜透射绿光和红光而反射蓝光；透射过第二二向色镜的红绿光激光束与被第二二向色镜反射后的蓝光激光束在空间上重合，形成白光激光束。
可选的，所有导光器件的出光端端面平齐设置，并粘结为一体。
可选的，所述耦合接口件为SMA905接口或FC接口。
可选的，所述绿光激光器为全固态激光器或绿光半导体激光管。
可选的，所述红光激光器和蓝光激光器为半导体激光管。
可选的，还包括投影镜头，用于将沿第一方向一维排列的出光端成像到屏幕上。
可选的，还包括投影显示装置。
此外，本申请还提供一种整行扫描式激光显示系统，其采用上述任一所述的一维成像器件。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
本申请的其中一个方面公开了一种一维成像器件，包括光源组件和一维成像装置；所述光源组件包括复数个激光发生器模组，每一激光发生器模组用于产生单个像素相对应的激光；所述一维成像装置包括复数个导光器件和设置于每一所述导光器件耦合端的激光发生器模组激光耦合接口件；所述导光器件的出光端沿第一方向一维排列；激光发生器模组通过将红绿蓝三色激光束在空间上相重合，并耦合到一根光纤中，并通过该光纤传输到激光显示系统或激光灯中；一根光纤的输出端可以作为一个像素，一方面可使得像素的尺寸显著减小，有助于单位面积上分辨率的提高，另一方面，一根光纤的输出的一个像素为三色光在空间上重合而形成，这使得形成的白光光场非常均匀，色度一致性高度一致。
通过光源组件和一维成像装置可产生一维图像，在该一维成像装置中，复数个导光器件的出光端一维阵列排布，每个出光端形成一个像素，所有出光端沿着一条线粘结固定，一行像素可以形成一维图像。将所述一维图像投射到诸如旋转多面棱镜的扫描装置上，在垂直于所述一维图像的一维方向扫描，并在扫描过程中同步变化一维图像的出射光强，可实现形成二维图像。所述装置仅仅需要在其中二维图像的其中一个维度上扫描，大大减少了扫描时间，从而可以显著提高屏幕图像的刷新频率；本申请的方案中，充分利用了激光作为点光源的特点，使得利用本申请的装置形成的图像亮度很高；同等光通量输出情况下，光束光强比逐点扫描方式要弱得多(1/1000数量级)，所以安全性较高；此外，本申请的方案不再使用光阀，分辨率可以超过4K(即4096×2160的像素分辨率)；本申请的方案光学结构简洁使得光能利用率更高；采用红绿蓝三基色激光保证了很高的色彩覆盖率；激光器数目与像素数目相关，可以输出更高的光通量；不用拼接方式即可获得超大屏幕显示，且像素很小，画面非常细腻、明亮、艳丽。
附图说明
图1是为本申请的整行扫描式激光显示装置第一实施例中的其中一像素形成光路的示意图；
图2为本申请的整行扫描式激光显示装置的第一实施例中的光源组件和一维成像装置相互连接的示意图；
图3中示出了第一实施例中一维像素阵列的局部放大图；
图4为本申请的扫描式激光显示装置的第一实施例结构示意图；
图5为本申请的扫描式激光显示装置第一实施例的单个像素色彩控制的示意图；
图6，其为本申请的扫描式激光显示装置的第二实施例中单个像素的形成光路示意图；
图7为图6沿AA向的视图；
图8为本申请的扫描式激光显示装置的第二实施例中多个像素形成的像素阵列的示意图；
图9为本申请的扫描式激光显示装置第二实施例的单个像素色彩控制的示意图；
图10为本申请的扫描式激光显示装置的第三实施例中单个像素的形成光路示意图；
图11为现有的一种激光逐点扫描投影成像装置的结构示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
本申请的实施例中，公开了一种整行扫描式激光显示装置。
所述装置包括用于产生激光的光源组件、用于实现在一维方向成像的一维成像装置、对所述一维成像装置的一维图像在其垂直方向扫描的扫描装置、投影镜头以及控制光源组件的控制装置。其中，所述光源组件包括复数个激光发生器模组，每一激光发生器模组用于产生单个像素相对应的激光；所述一维成像装置包括复数个导光器件和设置于每一所述导光器件耦合端的激光发生器模组激光耦合接口；所述导光器件的出光端沿第一方向一维排列，形成一行像素；扫描装置设置有至少一反射面，所述扫描装置设置于所述出光端出射的激光的光路中；用于将所述导光器件的出光端的出射光反射到投影镜头，投影镜头将所述导光器件的出光端在屏幕上成像；所述控制装置与所述光源组件相连接，用于控制所述光源组件的每一激光发生器模组出射的红、绿、蓝激光在不同时刻的光强；其中，所述扫描装置设置有与所述第一方向平行的旋转轴，在所述扫描装置绕其旋转轴旋转时，可实现被投影的第一方向的一维出射光沿垂直于所述第一方向的第二方向扫描。通过激光光源与导光器件相结合实现在一维方向排列的一维图像，对所述一维图像在第二维度方向扫描即可形成一帧二维图像。
下面结合附图对本申请的整行扫描式激光投影显示装置的实施例进行详细描述。下面分别就构成本实施例的整行扫描式激光投影显示装置的各个部分及其相互关系进行详细描述。
请参看图2，其为本申请的整行扫描式激光投影显示装置的实施例中的光源组件和一维成像装置相互连接的示意图。本实施例中，光源组件包括复数个激光发生器模组100，每一激光发生器模组对应于一个像素，其色彩通过控制该激光发生器模组发射的红、绿、蓝三色激光的光强来实现。通过控制该激光发生器模组中激光器的驱动电流可以实现对出射激光强度的控制，而驱动电流可以通过视频信号进行调制。激光发生器模组与一维成像装置的导光器件相连接，将激光器发射的红、绿、蓝三色激光耦合至所述导光器件中，并经由导光器件的另一端出射，该出射端便构成一个彩色像素(当然，根据需要，可以构成单色像素)。所有导光器件的出光端排成一行，构成一帧二维图像的其中一维。下面以其中一个像素为例来说明。
第一实施例
请参考图1，其为本申请的整行扫描式激光显示装置的其中一像素形成光路的示意图。如图1所示，激光发生器模组100包括红光激光器102c、绿光激光器102b和蓝光激光器102a，第一二向色镜106和第二二向色镜208、第一直角棱角204和第二直角棱角202。上述光学器件的布置方式如图1所示。
红光激光器102c发出的红激光光束被第一直角棱镜204反射，传播方向折转90°后照射到第一二向色镜106上；第一二向色镜106透射绿光反射红光；仔细调节第一直角棱角204距离红光激光器的距离(也就是水平方向上移动第一直角棱角204)，以及沿着垂直纸面的方向旋转第一直角棱角204，一定可以使得透射过第一二向色镜106的绿光激光束与被第一二向色镜106反射后的红光激光束在空间上重合。
蓝光激光器102a蓝激光光束被第二直角棱镜202反射，传播方向折转90°后照射到第二二向色镜208上；第二二向色镜208透射绿光和红光而反射蓝光；仔细调节第二直角棱镜202距离蓝光激光器的距离(也就是水平方向上移动第二直角棱镜202)，以及沿着垂直纸面的方向旋转第二直角棱镜202，一定可以使得透射过第二二向色镜208的红绿光激光束与被第二二向色镜208反射后的蓝光激光束在空间上重合，形成白光激光束。
白光激光束经过第一耦合透镜210和第二耦合透镜212后，通过耦合激光耦合接口件SMA905接口或FC接口，进入一光导纤维(简称光纤)216中传播，光纤的输出端218形成一个彩色像素(单个像素)。
将所述的单个彩色像素沿一维方向排列，并粘合在一起，即形成如图2和图3中的一维像素阵列200c。其中，图3中示出了一维像素阵列200c的局部放大图，单个像素218a沿一维排列为阵列结构，所述导光器件的出光端粘结为一体，且出光端端面平齐设置。所述单个像素的个数可以根据待显示像素数而决定。例如可以为768或1024或2048。对于每一个像素而言，都需要三个激光器，即上述的红光激光器102c、绿光激光器102b和蓝光激光器102a。其中，红光激光器和蓝光激光器可以采用半导体激光管，绿光激光器可以为全固态激光器或绿光半导体激光管。
请参考图4，其为本申请的整行扫描式激光显示装置的实施例结构示意图，其中，在图4中，省略了显示组件。请参考图4，除了上述的显示组件和一维成像装置外，还包括扫描装置300、设置于所述一维成像装置200b与扫描装置300之间的光路中的准直透镜300a、柱透镜300b和设置于扫描装置300的出射侧的投影透镜400。
本实施例中，所述扫描装置300为可旋转多棱镜，本实施例具体为八棱镜。所述八棱镜具有八个反射侧面，将所述正八棱镜300(实际不限于正八棱镜)设置于所述一维成像装置200b的出光光路中，所述一维成像装置200b发出的光通过准直透镜以及柱透镜300b后，会聚到所述八棱镜300的其中一反射侧面上，并经由反射侧面反射后经过投影透镜400后照射在投影屏幕500上。本实施例中所述八棱镜具有旋转轴(及其中心轴)，其旋转轴沿平行于所述一维成像装置的一维阵列方向设置，若沿所述八棱镜的旋转轴旋转所述八棱镜，即可以实现投射于所述投影屏幕500上的一维图像在垂直于所述一维图像的方向扫描，形成二维彩色图像。
以屏幕产生1024×768分辨率的图像为例，若一维成像装置发射出768个彩色光束，经过准直透镜和柱面透镜后，照射到正八棱镜300的一个面上；正八棱镜300以角速度ω绕其中心轴匀速转动，反射光束以2ω角速度匀速转动，反射光束的转动角度最大范围为90°。反射光束经过投影镜头投射到屏幕500上，当多棱镜静止时，反射光束在屏幕上形成一行(或一列)彩色像素(本例中有768个像素)；当多棱镜以ω角速度绕其中心轴匀速转动时，反射光束以2ω角速度匀速扫描屏幕；反射光束扫描屏幕一次，每个像素的色彩在一个扫描周期内变换1024次，屏幕上便可产生1024×768分辨率的二维彩色图像；如果每个像素的色彩变换2048次，屏幕上便产生2048×768分辨率的图像。
其中，所述扫描装置还可以是其它光学元件，例如复数面面镜反射面朝外且侧边首尾相接而形成的面镜组合或者扫描摆镜。其中，扫描摆镜的摆动轴即为本申请所述旋转轴，需要说明的是，在本申请中采用扫描摆镜，则形成的图像交替在相向方向对屏幕进行扫描。
请参考图5，其为本实施例的单个像素色彩控制的示意图。
如图5中所示，每一激光器均与激光驱动器20相连接，激光驱动器20与视频解码器10相连接，视频信号经过视频接口电路和视频解码电路板处理后，每个像素的色度信号和亮度信号传输给驱动器20。色度信号决定激光发生器模组中红、绿、蓝激光器102c、102b和102c驱动电流的相对大小，根据亮度信号就决定了红、绿、蓝激光器102c、102b和102c的驱动电流值。
在上述的实施例中，公开了一种整行扫描式激光显示装置，通过光源组件和一维成像装置可产生一维图像，在该一维成像装置中，多个导光器件的出光端一维阵列排布，使得一维图像在空间上铺开而形成，将所述一维图像投射到诸如八棱镜的扫描装置上，在垂直于所述一维图像的一维方向扫描，并在扫描过程中同步变化一维图像的出射光强，便可形成二维图像，连续转动所述八棱镜，即可实现视频播放。本实施例的装置，仅仅需要在其中二维图像的其中一个维度扫描，大大减小了扫描时间周期，从而可以显著提高屏幕图像的刷新频率。此外，本申请的方案中，充分利用了激光作为点光源的特点，使得利用本申请的装置形成的图像亮度高，色彩好，同等光通量输出情况下，本实施例的方案光束光强比逐点扫描方式要弱得多(1/1000数量级)，所以安全性较高；此外，本申请的方案不再使用光阀，分辨率可以超过4K(即4096×2160的像素分辨率)；本申请的方案光学结构简洁使得光能利用率更高；采用红绿蓝三基色激光保证了很高的色彩覆盖率；激光器数目与像素数目相关，可以输出更高的光通量；不用拼接方式即可获得超大屏幕显示，且像素很小，画面非常细腻、明亮、艳丽；
第二实施例
本实施例中，扫描装置与上述实施例相同，所不同的是形成单个像素的方式不同。请参考图6，其为本申请的扫描式激光显示装置的第二实施例中单个像素的形成光路示意图。本实施例中，激光发生器模组包括红、绿、蓝三色激光器(102c、102b、102a)，以及设置于每一激光器的出射光路中的准直元件(210a、210b、210c；212a、212b、212c)；
所述导光器件包括与每一激光器相对应设置的光导纤维，每一光导纤维的耦合端设置有耦合接头SMA905或FC接头作为所述的激光耦合接口件；所述耦合接头设置于与该光导纤维相对应的激光器的经准直后的光路中，并朝向来光方向，用于接收相应激光器发出的激光束；每一导光器件的所有光导纤维的出光端端面平齐设置，且出光端粘结为一体。所述每一导光器件的所有光导纤维构成一个像素。
所述每一导光器件均包括与所述产生红、绿、蓝三基色激光的激光器相对应设置的三根光导纤维，每一光导纤维的耦合端设置有耦合接头作为所述的激光耦合接口；所述耦合接头设置于与该光导纤维相对应的激光器的经准直后的光路中，并朝向来光方向，用于接收相应激光器发出的激光束；每一导光器件的所有光导纤维的出光端219的端面平齐设置，且出光端粘结为一体；构成一个红绿蓝三分像素不重合的彩色像素，如图7所示。图7为图6沿AA向的视图，单个像素包括空间上不重合的三个分像素：红色像素219a、蓝色像素219c和绿色像素219b。多个像素构成的像素阵列如图8中所示。单个像素的色彩控制如图9中所示，这里不再赘述。
本实施例的其它方面可以与上述的第一实施例相同，这里不再赘述。
第三实施例
本实施例中，单色像素的实现方式与上述第二实施例基本相同，所不同的是与其中一蓝光激光器103b相对应的光导纤维的出光端面设置有荧光粉涂层，如图10中所示所述荧光粉涂层用于在蓝光激光激发下产生绿光。本实施例其它方面与上述的第二实施例相同。本实施例的优点是图像散斑很弱。
本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种一维成像器件，其特征在于包括：
光源组件和一维成像装置；
所述光源组件包括复数个激光发生器模组，每一激光发生器模组用于产生单个像素相对应的激光；
所述一维成像装置包括复数个导光器件和设置于每一所述导光器件耦合端的激光发生器模组激光耦合接口件；所述导光器件的出光端沿第一方向一维排列；
所述激光发生器模组包括产生红、绿、蓝三基色激光的激光器、两个二相色镜和两个直角棱镜；
所述二相色镜和两个直角棱镜设置于所述三基色激光器的光路中，并使得每一光源组件的所有激光器出射的激光束在空间上重合，并朝相同方向传播；
所述每一导光器件包括与每一激光器模组相对应设置的一根光导纤维，所述光导纤维的耦合端设置有耦合接头作为所述的激光耦合接口件；所述耦合接头设置于与该光导纤维相对应的激光器模组的经准直后的光路中，并朝向来光方向，接收空间上重合的红绿蓝三色激光束，每一光导纤维的出光端构成一个像素；所述光导纤维的出光端即为所述光导器件的出光端。
2.根据权利要求1所述的一维成像器件，其特征在于，所述两直角棱角分别为第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述两个二相色镜分别为第一二相色镜和第二二相色镜；
红光激光器发出的红激光光束被第一直角棱镜反射，传播方向折转90°后照射到第一二向色镜上；第一二向色镜透射绿光反射红光；透射过第一二向色镜的绿光激光束与被第一二向色镜反射后的红光激光束在空间上重合；
蓝光激光器发出的蓝激光光束被第二直角棱镜反射，传播方向折转90°后照射到第二二向色镜上；第二二向色镜透射绿光和红光而反射蓝光；透射过第二二向色镜的红绿光激光束与被第二二向色镜反射后的蓝光激光束在空间上重合，形成白光激光束。
3.根据权利要求1或2所述的一维成像器件，其特征在于，所有导光器件的出光端端面平齐设置，并粘结为一体。
4.根据权利要求1所述的一维成像器件，其特征在于，所述耦合接口件为SMA905接口或FC接口。
5.根据权利要求1所述的一维成像器件，其特征在于，所述绿光激光器为全固态激光器或绿光半导体激光管。
6.根据权利要求1所述的一维成像器件，其特征在于，所述红光激光器和蓝光激光器为半导体激光管。
7.根据权利要求1所述的一维成像器件，其特征在于，还包括投影镜头，用于将沿第一方向一维排列的出光端成像到屏幕上。
8.根据权利要求1所述的一维成像器件，其特征在于，还包括投影显示装置。
9.一种整行扫描式激光投影显示系统，其特征在于，采用上述权利要求1至8任一所述的一维成像器件。
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