CN110235046A - 一种激光投影装置和一种激光投影*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光投影装置和激光投影***。该激光投影装置包括光纤扫描器和MEMS扫描镜；光纤扫描器上设置有光纤，光纤用于传送投影所需的激光束；光纤扫描器用于驱动光纤在第一平面内扫描，并使激光束投射至MEMS扫描镜；MEMS扫描镜可以绕第一轴做扫描运动，并反射激光束到预定区域形成投影图像；第一轴位于第一平面内或者第一轴与第一平面平行。不同于现有技术中光纤扫描器或MEMS扫描镜单独做双轴运动实现投影的方式，本发明通过使光纤扫描器和MEMS扫描镜同时在不同方向进行扫描来实现激光投影，具有独特的技术效果。

Description

一种激光投影装置和一种激光投影***

技术领域

本发明涉及激光投影技术领域，特别涉及一种激光投影装置和一种激光投影***。

背景技术

激光投影技术采用激光作为投影显示的光源，同传统的显示光源相比，具有很好的单色性、方向性，并且使具有更高色域的投影成为可能。然而，现有技术的激光投影技术还存在不足。

例如，受让人为华盛顿大学，公开号为US 2008/0249369的美国专利申请公开了一种紧凑型扫描光纤器件，该扫描光纤器件具有传送激光束的光纤，该光纤的悬臂式自由端部设置在压电管内，能够被该压电管激发而在正交轴线上谐振。该扫描纤维器件可以作为投影仪工作。

又如，受让人为日本西铁城控股有限公司，公开号为US2013/0250388的美国专利申请公开了一种扫描图像投影器和驱动扫描图像投影装置的方法，该扫描图像投影装置具有激光源和MEMS扫描镜，通过MEMS扫描镜的双轴振动形成光栅扫描模式，MEMS在两个轴线方向分别以慢扫描和快扫描方式工作。

现有技术中的光栅扫描是通过双轴驱动光纤或者通过双轴驱动MEMS扫描镜来完成的。

现有技术中进一步的问题是MEMS扫描镜的反射镜面在高频扫描时容易动态变形或者失效，降低图像质量或者降低扫描镜的使用寿命，限制更高频扫描作为高分辨率显示的可使用性。

最后，现有技术的致动器为管状的双轴光纤扫描器适合产生螺旋扫描模式，如果要产生光栅扫描图案，需要的控制结构或者算法比较复杂。而且使用光纤扫描器件产生光栅扫描时非谐振激发慢轴扫描角度受限。此外，当光纤扫描器以两轴扫描工作时，机械性能易受光纤自身对称性影响。

发明内容

为了改进现有技术，解决现有技术的一个或者多个技术问题，本发明的主要目的是提供一种通过同时驱动光纤和MEMS扫描镜来实现光栅投影的投影装置以及投影***。

本发明的进一步的目的还包括提高MEMS扫描镜的使用寿命并且保证投影的高图像质量。本发明还包括降低两轴扫描匹配对光纤机械结构的对称性要求，降低实现二维光栅扫描对精密加工的要求。

本发明的更进一步的目的是降低光栅扫描投影***制造或者控制的复杂性。

为了实现上述一个或者多个目的，本发明在不同实施方案中分别教导了如下多种技术方案：

依据本发明的一个方面，提供了一种激光投影装置，该激光投影装置包括光纤扫描器和MEMS扫描镜；

所述光纤扫描器上包括有光纤，所述光纤用于传送投影所需的激光束；

所述光纤扫描器用于驱动所述光纤在第一平面扫描，所述激光束投射至所述MEMS扫描镜；

所述MEMS扫描镜绕第一轴扫描，反射所述激光束到预定区域形成投影图像；

所述第一轴位于所述第一平面内或者所述第一轴与所述第一平面平行。

可选地，所述光纤扫描器的扫描频率高于所述MEMS扫描镜的扫描频率。

可选地，该激光投影装置还包括扫描信号同步模块，所述扫描信号同步模块分别向所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜发送驱动信号。

可选地，所述光纤扫描器的扫描频率在20kHz以上。

可选地，所述MEMS扫描镜的扫描频率在60Hz～120Hz范围内作为投影图像或视频的刷新频率。

可选地，所述光纤扫描器和/或所述MEMS扫描镜的驱动机制可以为电磁的、电热的、静电的或压电的。

可选地，该激光投影装置还包括设置在激光束路径上的光学透镜模块。所述光学透镜模块用于会聚修整所述激光束。

可选地，所述光纤扫描器驱动所述光纤扫描在一阶谐振模式,并且所述光学透镜模块设置在所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜之间或者设置在所述MEMS扫描镜和所述预定区域之间。

可选地，所述光纤扫描器驱动所述光纤扫描在二阶谐振模式，并且所述光学透镜模块附接在所述光纤传送所述激光束的端头。

可选地，所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜被同步控制以产生光栅扫描图案。

可选地，所述MEMS扫描镜的平面尺寸为4mm*4mm以内。

可选地，所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜均设置为单轴驱动结构；

所述光纤扫描器还包括衬底和致动器，所述致动器设置在所述衬底上，所述光纤设置在所述致动器的上表面。

可选地，所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜均设置为双轴驱动结构；

所述光纤扫描器还包括致动管，所述光纤设置在所述致动管的中心轴线上，所述致动管可分别驱动所述光纤在相互垂直的两个平面内扫描；或者，所述光纤扫描器包括有两个致动器，所述两个致动器分别设置在所述光纤垂直的两侧，并可分别驱动所述光纤在相互垂直的两个平面内扫描。

可选地，所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜的驱动方向可同步切换，切换后，

所述光纤扫描器驱动所述光纤在第二平面内扫描，并使所述激光束投射至所述MEMS扫描镜；

所述MEMS扫描镜绕第二轴扫描，并反射所述激光束到预定区域形成投影图像；

所述第二轴位于所述第二平面内或者与所述第二平面平行；

所述第二平面与所述第一平面垂直，所述第二轴与所述第一轴垂直。

可选地，该激光投影装置还包括驱动方向切换开关，所述驱动方向切换开关同步切换所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜的驱动方向。

可选地，该激光投影装置的直径为6mm以内。

可选地，所述光纤是均匀圆柱光纤或者锥形光纤。

依据本发明的另一个方面，提供了一种激光投影***，该激光投影***内设置有如上任一项所述的激光投影装置。

可选地，所述激光投影***为增强现实眼镜，所述激光投影装置设置在所述增强现实眼镜的框架中；

或者，所述激光投影***为内窥镜，所述激光投影装置设置在所述内窥镜的探头中；

或者，所述激光投影***为手机，所述激光投影装置内嵌于所述手机中；

或者，所述激光投影***为手表，所述激光投影装置内嵌于所述手表的表盘或者表带中。

本发明通过使光纤扫描器和MEMS扫描镜同时在不同方向进行扫描来实现激光投影，不同于现有技术中光纤扫描器或MEMS扫描镜单独做双轴运动实现投影的方式，具有独特的技术效果。

附图说明

图1为本发明激光投影装置的一个实施例的示意图；

图2为本发明激光投影装置的另一个实施例的示意图；

图3为本发明激光投影装置的另一个实施例的示意图；

图4为单轴驱动结构的MEMS扫描镜示意图；

图5为双轴驱动结构的MEMS扫描镜示意图；

图6为双轴驱动结构的光纤扫描器的一个实施例的横截面示意图；

图7为图6所示双轴驱动结构的光纤扫描器的剖面结构示意图；

图8为双轴驱动结构的光纤扫描器的另一个实施例的横截面示意图；

图9为增强现实眼镜的结构示意图；

图10为增强现实眼镜的一种投影光路示意图；

图11为增强现实眼镜的另一种投影光路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方案作进一步地详细描述。

图1-3分别示出了激光投影装置的一个实施例。

如图1所示，一种激光投影装置，该激光投影装置包括光纤扫描器1和MEMS扫描镜2。光纤扫描器1上包括有光纤11。光纤11用于传送投影所需的激光束，光纤扫描器1驱动光纤11在第一平面内扫描，并使光纤11传送的激光束投射至MEMS扫描镜2，MEMS扫描镜2绕第一轴扫描，并反射激光束到预定区域3形成投影图像。该第一轴位于该第一平面内，或者，该第一轴与该第一平面平行，即MEMS扫描镜2的扫描方向与光纤11的扫描方向垂直，如图1中，光纤11扫描的第一平面即为纸面，MEMS扫描镜2往复转动的第一轴在纸面内，MEMS扫描镜2在纸面内外扫描。在该实施方案中，光栅扫描图像的水平方向和垂直方向分别由光纤11的扫描以及MEMS扫描镜2的扫描来完成。例如，水平方向的扫描由光纤11扫描来完成，而垂直方向的扫描由MEMS扫描镜2的扫描来完成，或者相反。另外，该实施方案中，光纤11可以只能在一个平面内扫描，而且，MEMS扫描镜2也只能绕一个轴做扫描运动。本实施方案中的结构可以降低装置的复杂性，便于小型化。

具体地，该光纤11投射的激光束可以始终是单色光，实现单色投影图像。或者，也可以根据要显示的图像信息，使用时分复用方法分时段改变该光纤11投射的激光束的光强和颜色，使该光纤11投射的激光束符合某个时刻某个投影点位置处的激光颜色和光强。例如，在某一时刻，光纤11投射黄色激光束至一投影点位置，在之后的某一时刻，光纤11投射蓝色激光束至同一投影点位置，这两个时刻的间隔极小，人眼观察到的投影颜色即为该两次投影颜色的叠加，从而实现投影点颜色的改变，实现彩色投影。或者，彩色投影的另一种方法是使用RGB单模光纤，针对每一个像素点信息直接投射在RGB光源输入部分混合好的光束。

优选地，光纤扫描器1的扫描频率高于MEMS扫描镜2的扫描频率。具体地，光纤扫描器1的扫描频率在20kHz以上，MEMS扫描镜2以显示图像的刷新频率，即

60Hz～120Hz的频率扫描。MEMS扫描镜2不需要进行高频扫描，因而也就避免了MEMS扫描镜高速扫描时轴线存在的动态变形问题，有利于提高投影显示品质。

如图1-3所示的各实施例中，该激光投影装置还包括扫描信号同步模块4。该扫描信号同步模块4包括光纤扫描器驱动模块41和MEMS扫描镜驱动模块42。光纤扫描器驱动模块41和MEMS扫描镜驱动模块42分别向光纤扫描器1和MEMS扫描镜2发送驱动信号，驱动光纤扫描器1和MEMS扫描镜2扫描。具体地，光纤扫描器1和/或MEMS扫描镜2的驱动方式为电磁驱动、电热驱动、静电驱动或压电驱动。进一步，这些实施方案的激光投影装置还可以包括一个驱动改变MEMS扫描镜2的倾斜角度的装置，从而可以调整投影图像的位置。

优选地，光纤扫描器1和MEMS扫描镜2被同步控制以产生光栅扫描图案。

优选地，在图2和图3所示的实施例中，该激光投影装置还包括设置在激光束路径上的光学透镜模块，光学透镜模块用于会聚修整激光束，使显示的图像具有高的质量。光学透镜模块可以采用如下方式设置：

如图2所示实施例，光学透镜模块5设置在MEMS扫描镜2和预定区域3之间；或者，如图3所示实施例，光学透镜模块5具体为球形透镜51，球形透镜51设置在光纤11射出激光束的端部，具体地，球形透镜51可以单独制作后，熔接到光纤11的端部。光纤11可以单独处理，例如通过湿法刻蚀或激光修饰形成特定的结构，以达到特定的工作频率或者扫描幅度要求。处理后的光纤11的光学性能应该仍然能满足要求。

如图2所示，当光纤11扫描在一阶谐振模式时，光学透镜模块5可设置在MEMS扫描镜2和预定区域3之间，此时一阶谐振模式即可满足振幅要求；或者，光学透镜模块5也可设置在光纤扫描器1与MEMS扫描镜2之间。如图3所示，当光纤11扫描在二阶谐振模式时，会聚用的会聚透镜，例如球形透镜51，优选设置在光纤11的端头。由于光纤11的端头设置了球形透镜51后，光纤11端头的质量增加。在这种情况下，二阶谐振模式被用于满足光纤11扫描的振幅要求。光纤工作在二阶振动模式并且球形透镜设置在光纤端部的效果是透镜可以做得非常小，便于装置或者***的小型化。当然，当光纤11工作在二阶谐振模式时，会聚用的透镜也可以设置在MEMS扫描镜2和预定区域3之间。在进一步的实施方案中，当光纤11工作在二阶谐振模式时，同时在光纤的端部以及MEMS扫描镜2和预定区域3之间都设置会聚透镜也是可以的，这样可以便利光纤端部的球形透镜的大小，便于调整光纤的振动幅度。同时在图1、图2与图3的示例图中，所用光纤11可以为常见的圆柱形光纤，也可以为经过工艺加工后有特殊结构的光纤(例如变截面的锥形光纤)，以便于实现扫描所需的频率或幅度指标。

图4为单轴驱动结构的MEMS扫描镜示意图，图1-3所示实施例中均可以采用该单轴驱动结构的MEMS扫描镜2，参考图4，单轴驱动结构的MEMS扫描镜2包括第一外框21，第一连接件22和反射镜23。反射镜23通过第一连接件22与第一外框21连接，反射镜23在一定角度范围内往复旋转运动。第一连接件22的设置方向(虚线所示)被认为是旋转轴线。反射镜23反射激光束。单轴驱动结构MEMS扫描镜2结构简单，便于制作和装配，其尺寸可小到边长L＝2-4mm。换句话说，MEMS扫描镜2的平面面积可在4mm*4mm以下，使激光投影装置的结构更加紧凑，有利于实现装置的小型化和便携化。

参考图1和图4，光纤扫描器1也设置为单轴驱动结构。光纤扫描器1包括衬底13、压电致动器12和光纤11。压电致动器12设置在衬底13上，光纤11设置在压电致动器12的表面。光纤11在压电致动器12驱动下在第一平面(纸面)内扫描，将激光束投射到MEMS扫描镜2的反射镜23上。MEMS扫描镜2在MEMS扫描镜驱动模块42的控制下沿第一轴往复转动，是反射镜23将激光束反射至预定区域3形成投影。在其它实施方案中，压电致动器12可以替换为电磁驱动器、电热驱动器或静电驱动器。

在本激光投影装置的其他实施例中，光纤扫描器1和MEMS扫描镜2也可设置为双轴驱动结构。

图5示出了双轴驱动结构的MEMS扫描镜的一个实施例的示意图。不同于前述专利(US2013/0250388)，在此应用中双轴并不会同时处于工作状态。如图5所示，双轴驱动的MEMS扫描镜2a包括第一外框21a，第一连接件22a，反射镜23a，第二外框25a和第二连接件24a。反射镜23a通过第一连接件22a与第一外框21a连接。第一外框21a通过第二连接件22a与第二外框25a连接。反射镜23a可沿第一连接件22a轴向往复旋转运动，或沿第二连接件24a轴向往复旋转运动。

图6和图8分别示出了双轴驱动结构的光纤扫描器的两种实施方案示意图。不同于前述专利(US 2008/0249369)，在此应用中双轴并不会同时处于工作状态。图6中，双轴驱动结构的光纤扫描器1a包括光纤11a和致动管12a。光纤11a设置在致动管12a的中心轴线上。致动管12a可分别驱动光纤11a在相互垂直的两个平面内扫描，如图箭头所示；光纤11a在自由扫描端之前与致动管12a建立机械连接，具体地，如图7所示，光纤11a的一端可以通过一个或多个中间部件与致动管12a物理耦合，例如，该中间部件可以为环形塞14a，环形塞14a边侧与致动管12a机械连接，环形塞14a中部具有供光纤11a***的孔，进一步地，还可以使用粘合剂将光纤11a粘附在该孔中，强化连接。或者，如图8所示，双轴驱动结构的光纤扫描器1b包括光纤11b和两个致动器12b。两个致动器12b分别设置在光纤11b垂直的两侧，并分别驱动光纤11b在相互垂直的两个平面内扫描，如图箭头所示，优选地，两个致动器12b互不接触，避免干扰各自的动作。

优选地，在光纤扫描器和MEMS扫描镜均采用双轴驱动结构时，该激光投影装置还包括驱动方向切换开关。驱动方向切换开关同步切换光纤扫描器和MEMS扫描镜的驱动方向。切换后，光纤扫描器驱动光纤在第二平面内扫描，并使激光束投射至MEMS扫描镜。MEMS扫描镜绕第二轴做扫描运动，并反射激光束到预定区域形成投影图像；第二轴位于第二平面内。第二平面与第一平面垂直，第二轴与第一轴垂直，通过上述方向切换，可以实现激光投影图像的90°旋转，例如从水平方向切换为垂直方向显示。

在上述各实施例中，该激光投影装置的直径可以做到6mm以内，使该激光投影装置可以设置在一些小型激光投影***中。

该激光投影***可以为增强现实眼镜，激光投影装置设置在该增强现实眼镜的框架中，使用户佩戴增强现实眼镜时可以方便地投影图像进行观看。或者，该激光投影***可以为内窥镜，激光投影装置设置在内窥镜的探头中，使用内窥镜向狭小空间内发射以及采集光学信号。或者，该激光投影***为手机，激光投影装置内嵌于手机中。或者该激光投影***为手表，激光投影装置内嵌于手表的表盘或表带中。

图9示出了一种增强现实眼镜的结构示意图。如图9所示，该增强现实眼镜包括框架91、激光投影装置92和镜片93。该镜片93为透明镜片。参考图10所示的一种投影显示光路示意图，94为实现光学耦入的功能结构，95为实现光学耦出的功能结构。该增强现实眼镜可作为增强现实的光学器件使用。激光投影装置92传送的激光束从镜片93的一侧射入，经过若干次全反射后，从镜片93的显示模块射出，进入人眼，使用户在佩戴该增强现实眼镜时方便地观察到投影图像，实现增强现实效果，在图10中，激光投影装置92和镜片93的显示模块均位于镜片93朝向人眼的一侧。当然，该激光投影装置92和镜片93的显示模块也可设置在镜片93背离人眼的一侧。

图11示出了该增强现实眼镜的另一种投影光路示意图，如图11所示，该激光投影装置92和镜片93的显示模块分居镜片93的两侧。

以上所述，仅为本发明的具体实施方案，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种激光投影装置，其特征在于，该激光投影装置包括光纤扫描器和MEMS扫描镜；

所述光纤扫描器上包括有光纤，所述光纤用于传送投影所需的激光束；

所述光纤扫描器用于驱动所述光纤在第一平面内扫描，使所述激光束投射至所述MEMS扫描镜；

所述MEMS扫描镜绕第一轴扫描，反射所述激光束到预定区域形成投影图像；

其中，所述第一轴位于所述第一平面内或者所述第一轴与所述第一平面平行。

2.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述光纤扫描器的扫描频率高于所述MEMS扫描镜的扫描频率。

3.如权利要求1-2任一项所述的激光投影装置，其特征在于，该激光投影装置还包括扫描信号同步模块，所述扫描信号同步模块分别向所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜发送驱动信号，驱动所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜扫描。

4.如权利要求1-3任一项所述的激光投影装置，其特征在于，所述光纤扫描器的扫描频率在20kHz以上。

5.如权利要求1-4任一项所述的激光投影装置，其特征在于，所述MEMS扫描镜的扫描频率在60Hz～120Hz范围内。

6.如权利要求1-5任一项所述的激光投影装置，其特征在于，所述光纤扫描器和/或所述MEMS扫描镜的驱动机制为电磁的、电热的、静电的或压电的。

7.如权利要求1-6任一项所述的激光投影装置，其特征在于，该激光投影装置还包括设置在激光束路径上的光学透镜模块，所述光学透镜模块用于会聚修整所述激光束。

8.如权利要求7所述的激光投影装置，其特征在于，所述光纤扫描器驱动所述光纤扫描在一阶谐振模式，并且所述光学透镜模块设置在所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜之间或者设置在所述MEMS扫描镜和所述预定区域之间。

9.如权利要求7所述的激光投影装置，其特征在于，所述光纤扫描器驱动所述光纤扫描在二阶谐振模式，并且所述光学透镜模块附接在所述光纤传送所述激光束的端头。

10.如权利要求1-9任一项所述的激光投影装置，其特征在于，所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜被同步控制以产生光栅扫描图案。

11.如权利要求1-10任一项所述的激光投影装置，其特征在于，所述MEMS扫描镜的平面尺寸在4mm*4mm以内。

12.如权利要求1-11任一项所述的激光投影装置，其特征在于，所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜均设置为单轴驱动结构；

所述光纤扫描器还包括衬底和致动器，所述致动器设置在所述衬底上，所述光纤设置在所述致动器的上表面。

13.如权利要求1-10任一项所述的激光投影装置，其特征在于，所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜均设置为双轴驱动结构；

所述光纤扫描器还包括致动管，所述光纤设置在所述致动管的中心轴线上，所述致动管可分别驱动所述光纤在相互垂直的两个平面内扫描；或者，所述光纤扫描器还包括有两个致动器，所述两个致动器分别设置在所述光纤垂直的两侧，并可分别驱动所述光纤在相互垂直的两个平面内扫描。

14.如权利要求13所述的激光投影装置，其特征在于，所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜的驱动方向可同步切换，切换后，

所述光纤扫描器驱动所述光纤在第二平面内扫描，并使所述激光束投射至所述MEMS扫描镜；

所述MEMS扫描镜绕第二轴做扫描运动，并反射所述激光束到预定区域形成投影图像；

其中，所述第二轴位于所述第二平面内或者与所述第二平面平行；所述第二平面与所述第一平面垂直，所述第二轴与所述第一轴垂直。

15.如权利要求14所述的激光投影装置，其特征在于，该激光投影装置还包括驱动方向切换开关，所述驱动方向切换开关同步切换所述光纤扫描器和所述MEMS扫描镜的驱动方向。

16.如权利要求1-15任一项所述的激光投影装置，其特征在于，该激光投影装置的直径在6mm以内。

17.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述光纤是均匀圆柱光纤或者锥形光纤。

18.一种激光投影***，其特征在于，该激光投影***内设置有如权利要求1-17任一项所述的激光投影装置。

19.如权利要求18所述的激光投影***，其特征在于，所述激光投影***为增强现实眼镜，所述激光投影装置设置在所述增强现实眼镜的框架中；

或者，所述激光投影***为内窥镜，所述激光投影装置设置在所述内窥镜的探头中；

或者，所述激光投影***为手机，所述激光投影装置内嵌于所述手机中；

或者，所述激光投影***为手表，所述激光投影装置内嵌于所述手表的表盘或者表带中。