一種光學引擎及激光投影設備的制作方法

本申請涉及激光顯示領域，尤其涉及一種光學引擎及激光投影設備。

背景技術：

激光是一種高亮度，方向性強，發出單色相干光束的光源，激光光源作為一種優良的相干光源，具有單色性好，方向性強，光通量高等優點，近年來逐漸作為光源應用于投影顯示技術領域。

激光的高相干性也帶來了激光投影顯示時的散斑效應，散斑是相干光源在照射粗糙的物體時，散射后的光由于其波長相同，相位恒定，就會在空間中產生干涉，空間中有些部分發生干涉相長，有些部分發生干涉相消，最終的結果是在屏幕上出現顆粒狀的明暗相間的斑點，這些未聚焦的斑點在人眼看來處于閃爍狀態，長時間觀看易產生眩暈不適感，更會造成投影圖像質量的劣化，降低用戶的觀看體驗。

因此，減輕激光散斑問題是目前亟待解決的問題。

技術實現要素：

本申請實施例提供一種光學引擎及激光投影設備，用以減輕激光散斑，投影圖像質量劣化的問題。

本發明實施例提供的一種光學引擎，包括光機和至少一種光源，發出至少一種顏色的光束，在所述光源發出的光束的傳輸光路中包括：勻光部件、運動漫射體；

所述勻光部件的入光面和/或出光面設置有相位片；

所述運動漫射體設置在所述勻光部件的出光面出射的光束的傳輸路徑上，所述運動漫射體所在的位置與投影成像的位置共軛，其中，所述光束經過所述運動漫射體產生隨機相位。

可選地，在所述勻光部件入光面設置的相位片的入射光束的傳輸路徑上，設置有振動的反射型相位片；或者，

在所述勻光部件入光面設置的相位片的出射光束的傳輸路徑上，設置有振動的反射型相位片。

可選地，所述振動的反射型相位片的振動方式是平動方式。

可選地，所述勻光部件的入光面設置的相位片包括透射型相位片或反射型相位片。

可選地，所述勻光部件的出光面設置的相位片包括透射型相位片或反射型相位片。

可選地，所述運動漫射體包括透射型運動漫射體或反射型運動漫射體。

可選地，所述勻光部件包括光棒或復眼透鏡陣列。

可選地，所述至少一種光源包括：發出第一顏色激光的激光器、發出第二顏色激光的激光器和發出第三顏色激光的激光器；或者，

所述至少一種光源包括：至少發出第一顏色激光的激光器，以及受激產生至少第二顏色和第三顏色熒光的光源；或者，

所述至少一種光源包括：至少發出第一顏色和第二顏色激光的激光器，以及受激產生至少第三顏色熒光的光源。

可選地，所述第一顏色為藍色，所述第二顏色為綠色，所述第三顏色為紅色。

本發明實施例提供的激光投影設備，包括上述的光學引擎；

所述光學引擎中的光源為所述光學引擎中的光機提供照明，所述光機對光源光束進行調制，并輸出至所述光機的鏡頭進行成像，投影至投影介質形成投影畫面。。

本申請實施例提供的光學引擎中，包括光機和至少一種光源，發出至少一種顏色的光束，在光源發出的光束的傳輸光路中包括：勻光部件、運動漫射體；勻光部件的入光面和/或出光面設置有相位片；運動漫射體設置在勻光部件的出光面出射的光束的傳輸路徑，運動漫射體所在的位置與投影成像的位置共軛，運動漫射體使光束產生隨機相位。

本申請實施例中，一方面，在勻光部件的入光面設置相位片，其擴散作用使得進入勻光部件的光束的發散角度變得多樣化，從而改變光束的相位；在勻光部件的出光面設置相位片，其擴散作用使從勻光部件出射的光束的發散角度變得多樣化，從而改變光束的相位；運動漫射體可對光束進行擴散，使光束的發散角度多樣化，且因其運動可提高產生隨機獨立相位的個數或概率，這樣，通過相位片和運動漫射體的擴散作用的疊加，使光束的發散角度變得多樣化，而光束發散角度的多樣化使得光束的光程差異變得多樣化，光程決定了相位的變化，因此光束的相位發生變化，從而光程差異使得隨機相位產生的概率增大，隨機相位能夠產生隨機的散斑圖樣，而具有隨機性的散斑圖樣在人眼產生積分效應時，散斑效應會減弱，從而降低了圖像的散斑現象；另一方面，運動漫射體所在的位置與投影成像的位置共軛，因為該位置對應投影成像的位置，在該位置光束產生的隨機相位分布能最大程度的反映對應位置的成像面產生的隨機相位分布，而在該位置上產生的隨機相位越多，由于能夠最為直觀或最大程度的影響在對應位置的成像面上由隨機相位產生的獨立散斑圖樣的個數，從而成像面上的散斑圖樣的個數也隨之越多，利用人眼產生積分效應，散斑效應會減弱，從而成像面的散斑現象減弱。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡要介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本申請實施例提供的光學引擎的架構示意圖；

圖2為本申請實施例提供的光束入射至圖1所示的透射型固定擴散片103之前高斯能量的分布示意圖；

圖3為本申請實施例提供的光束經過圖1所示的透射型固定擴散片103之后的能量分布示意圖；

圖4為本申請實施例提供的光束經過圖1所示的勻光部件之后的能量分布示意圖；

圖5為本申請實施例提供的光束經過透射型旋轉擴散片106之后的能量分布示意圖；

圖6為本申請實施例提供在圖1所示的勻光部件之前添加振動反射鏡的激光投影設備的示意圖；

圖7為本申請實施例提供的激光投影系統的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本申請實施例進行詳細描述。

在激光傳輸的光路中，往往存在較多的光學鏡片，一般可以包括有比如：凸透鏡，凹凸鏡，二向色鏡，準直透鏡等光學鏡片。激光器發出的光束在光路中的各個鏡片中傳輸，被透射或反射，進行光學處理。

在激光傳輸光路中，使用擴散片或旋轉的散射片進行消散斑，主要是運用空間迭加的方法使散斑細化和運用時間平均的方法使散斑疊加的原理。通過將光束拆分為多個子光束，將散斑細化，并將不同時間點的散斑圖樣進行疊加勻化，通過在人眼中的積分作用，使散斑現象淡化、減弱。

本申請實施例中通過應用相位片、勻光部件和運動漫射體，對激光光束光斑進行一定程度的擴散，擴散使得光束的發散角度變得多樣化，而光束發散角度的多樣化使得光束的光程差異變得多樣化，光程決定了相位的變化，從而使得相位發生變化，光程決定了相位的變化，從而光程的差異使得隨機相位產生的概率增大，增加了激光光束空間相位的個數，降低了激光光束的相干性，對光束起到一定的勻化作用，進而提高勻光效果。通過相位片的擴散作用，再經過勻光部件的多次反射和運動漫射體的進一步擴散，使光束出射時的相位發生變化，且因其運動可提高產生隨機相位的個數，且運動漫射體所在的位置與成像的位置共軛，因此成像的位置的隨機相位的個數也增多，隨機相位的個數增多，從而使形成的光斑位置發生移動，從而避免了激光光束長期照射到光學鏡片的同一位置，減輕了激光散斑、投影圖像質量劣化的問題。

在一些實施例中，本申請中采用旋轉擴散片實現運動漫射體的可以改變相位的作用，但不限于旋轉擴散片，本申請實施例對采用什么部件以什么運動方式實現改變相位的作用不做具體的限制，只要可以使光束的相位發生改變即可。

在一些實施例中，本申請中采用固定擴散片實現相位片可以改變入射光束的相位分布的作用，但不限于固定擴散片，本申請實施例對采用什么部件實現相位片的可以改變入射光束的相位分布的作用不做具體的限制，只要可以改變入射光束的相位分布即可。

在一些實施例中，本申請中采用振動反射鏡實現振動的反射型相位片使光束的角度變得多樣化的作用，但不限于振動反射鏡，本申請實施例對采用什么部件實現振動的反射型相位片的作用不做具體的限制，只要該部件可以使光束的發散角度變得多樣化即可。

為了更清楚的描述本申請實施例提供的技術方案，下面結合附圖對本申請實施例進行詳細的描述。

參見圖1，為本申請實施例提供的光學引擎的光學架構示意圖。該光學架構中包含：激光器101、聚焦透鏡102、透射型固定擴散片103、光棒104、透射型固定擴散片105、聚焦透鏡106、透射型旋轉擴散片107、數字微鏡元件(Digital Micromirror Device，簡稱DMD)108。其中，激光器101、聚焦透鏡102、透射型固定擴散片103、光棒104、透射型固定擴散片105、聚焦透鏡106、透射型旋轉擴散片107是光學引擎中的部件。

激光在上述的光學架構中的傳輸路徑如下所述：

激光器101：用于發出激光，該激光器可以分別為一個或多個激光器(圖中僅示例性的示出了3個)，多個激光器可調整整個畫面的亮度，本申請實施例對激光器的數量和激光器發出的顏色不做具體的限制。

激光器發出的激光經過聚焦透鏡102會聚后，以會聚狀態入射至透射型固定擴散片103，經透射型固定擴散片103的擴散透射后進入光棒104，從透射型固定擴散片103透射和擴散的光束在光棒104內部經過多次反射從光棒的出光口出射。

從光棒104的出光口出射的光束經透射型固定擴散片105透射和擴散后，入射至聚焦透鏡106，聚焦透鏡106對擴散的光束進行會聚。

會聚的光束入射至透射型旋轉擴散片107，經透射型旋轉擴散片107擴散透射后，入射至DMD108。其中，透射型旋轉擴散片107設置在激光器101發出的光束成像面的共軛位置，透射型旋轉擴散片107設置在該位置是因為擴散片旋轉時，對應的成像的屏幕上會產生隨機相位圖樣的疊加，達到消散斑的作用。具體地，透射型旋轉擴散片所在的位置和最終觀看到的圖像面的位置共軛，共軛在光學成像中，是指物方和像方具有一對一映射關系的兩點：Q點和Q'點，根據光路可逆原理，如果在Q點放置光源，將在Q'點成像，反之亦然。這樣互相對應的兩點，稱為一對共軛點，共軛點可組成共軛線，進而有共軛面，因此可將透射型旋轉擴散片所在的位置稱為物面位置，將最終看到的圖像面稱為像面位置。

在物面位置處利用透射型旋轉擴散片107對光束進行擴散，增加了空間的隨機相位，產生多個獨立的散斑圖樣，通過人眼的積分作用起到降低散斑的效果。通過透射型旋轉擴散片107對光束起到一定的勻化作用時，對應的像面位置形成的光斑也會跟著進行相位的平均，因此物面位置與成像面的關聯較大，從而物面位置光束的勻化程度對像面位置的光束的勻化程度影響也較大。

本申請實施例中將透射型旋轉擴散片107設置在DMD成像面的物面位置，該位置的相位平均效果較大程度的影響了圖像的成像面，從而較大程度的減弱消散斑的效果。物面位置跟最終成像面有放大倍率的關系，放大率越小，經過旋轉擴散片勻化效果平均后的散斑顆粒也更小，相位平均效果越好，最終消散斑的效果也越好。因此，期望從光棒出射的光斑的大小與成像面所需的照射光束光斑的大小的尺寸倍數較小。

在圖1中通過在光棒104前增加透射型固定擴散片103，能夠對入射光棒104的光束進行擴散，改變相位的變化，提高光束進入光棒104的勻化效果，此處的勻化效果可以是光束光斑的色度不均勻得到一致或光束光斑的偏色現象可以得到一致。同時在光棒104的出光口的位置再設置一片透射型固定擴散片105，對從光棒104出射的光束進行再次擴散改變相位的分布，達到進一步的勻化的作用，從該透射型固定擴散片105透射擴散的光束再經過透射型旋轉擴散片107，該旋轉的擴散片對光束進行再進一步地擴散改變相位的變化，且與旋轉擴散片的旋轉，提高了產生隨機相位的個數，從而減弱了散斑效應。

基于圖1所示的結構，激光器101發出的光束經過透射型固定擴散片103的擴散作用后，光束的發散角度變得多樣化，光束發散角度的多樣化使得光束的光程差異也變得多樣化，而光程決定了相位的變化，從而光程的差異使得隨機相位產生的概率增大，增加了激光光束空間相位的個數，但是通過固定擴散片的擴散作用增加的激光光束的空間相位的個數有限。進一步地，在增加了有限個空間相位個數的基礎上，由透射型旋轉擴散片107對光束進行進一步的擴散，進而再次提高產生隨機獨立相位的個數或概率，獨立相位是指相位不同，從而利于形成多個不同的獨立散斑圖像，經過人眼的積分作用后，散斑效應減弱。

圖1所示的光學架構中，在光棒104的入光口和出光口的位置都設置有透射型固定擴散片，在一些實施例中，可以只在光棒104的入光口的位置或只在光棒104的出光口的位置設置透射型固定擴散片，本申請實施例對此不做具體的限制。

圖1示出的光學架構中，固定擴散片為透射型的固定擴散片，當然固定擴散片也可以是反射型的固定擴散片，只是為反射型固定擴散片時需要調整擴散片的放置位置，以使從反射型固定擴散片反射的光束進入勻光部件，本發明實施例對固定擴散片的材質不做具體的限制。

圖1示出的光學架構中的勻光部件是光棒，當然勻光部件也可以是復眼透鏡陣列，本發明實施例對此不做具體的限制。

圖1所示的光學引擎中，光源使用激光器，當然光源也可以是激光器和受激產生熒光的光源，光源也可以是激光器和發光二極管LED。具體實施時，光源可以包括：發出第一顏色激光的激光器、發出第二顏色激光的激光器和發出第三顏色激光的激光器，也可以是至少發出第一顏色激光的激光器，以及受激產生至少第二顏色和第三顏色熒光的光源，也可以是至少發出第一顏色和第二顏色激光的激光器，以及受激產生至少第三顏色熒光的光源，其中，該第一顏色可以為藍色，第二顏色可以為綠色，第三顏色可以為紅色，本發明實施例對此不做具體的限制。

圖1僅是對基于光學引擎的光學架構的一種示例，當然也有別的光學架構，本申請實施例對此不做限制。

下面將結合附圖，對圖1所示的激光光束依次經過透射型固定擴散片103前、經過透射型固定擴散片103后、經過光棒104后、以及經過透射型旋轉擴散片107后光束的高斯能量分布進行分析。

參見圖2至圖5，為激光光束能量的分布示意圖。圖2至圖5中，X軸代表光束的發散角度，Y軸代表光束的高斯能量。

如圖2所示，示例性的示出了激光光束入射到圖1所示的透射型固定擴散片103之前的能量的分布示意圖，從圖2可以看出，經過透射型固定擴散片103之前激光光束的高斯能量主要聚集在0度光軸。

如圖3所示，示例性的示出了激光光束經過圖1所示的透射型固定擴散片103之后的能量的分布示意圖，從圖3可以看出，激光光束的能量仍然相對集中，但是相比圖2所示的高斯能量分布示意圖，其0度光軸及附近的能量被削弱。

如圖4所示，示例性的示出了激光光束經過圖1所示的光棒104之后的能量的分布示意圖，從圖4可以看出，由于透射型固定擴散片103的擴散作用增多了激光光束的發散角度，經過光棒104之后，光束在光棒104內部經過多次反射，使得光束的出射角度變得多樣化，從而使得多個發散角度的光束的能量分布較平均比，光斑的勻化效果明顯。因此圖4所示的激光光束的能量的分布示意圖相比圖3所示的能量分布示意圖，能量分布較均勻。

如圖5所示，示例性的示出了激光光束經過圖1所示的透射型旋轉擴散片107后光束的能量的分布示意圖，從圖5可以看出，激光光束經過旋轉擴散片后，增多了偏離0度光軸的角度的多樣性，使得光束的能量在多個發散角度之間進行重新分配，從而最終得到如圖5所示的能量分布示意圖，與圖2至圖4所示的能量分布示意圖相比，圖5所示的激光光束的能量的高峰消失，能量分布在多個發散角度和0度光軸之間相對均衡分布，這種分布方式使得相干性較強的0度光軸的光束能量比例大大減弱，減弱了散斑效果。

作為對圖1所示的光學引擎的改進添加，如圖6所示，在激光光束入射勻光部件之前，還設置有振動反射鏡，該振動反射鏡以一定頻率由驅動部件驅動進行振動，振動反射鏡的振動方式可以是平動(平動是指在振鏡的平面內進行運動)，振動反射鏡通過振動改變光斑入射至聚焦透鏡的位置，進而改變光斑入射至透射型固定擴散片和勻光部件的位置，對光斑起到一定的勻化作用，當振動反射鏡的振動達到一定頻率時，有助于提高散斑效果。

具體地，振動反射鏡表面具有微結構，振動反射鏡以平動方式振動時不同顆粒度的微結構對光束的反射作用各不相同，從而能夠形成多樣化的發散角度，相當于光束入射到凹凸不平的且隨時間變化的微結構，振動反射鏡的平動運動使得相鄰時刻反射鏡同一空間位置的微結構不同，從而光束入射到不同的微結構表面，使光束出射時的相位發生變化(類似可變形反射鏡的原理：可變形反射鏡表面的凸凹變化由程序控制隨機無序的變化，從而對光束的反射也變得雜亂無序，增加了發散角度的多樣性)。

參見圖6，為本發明實施例提供的一種激光投影設備的光學架構示意圖。該光學架構中包括：藍色激光器601、二向色片602、綠色激光器603、二向色片604、紅色激光器605、振動反射鏡606、聚焦透鏡607、透射型固定擴散片608、勻光部件609、透射型旋轉擴散片610、聚焦透鏡611、DMD612、投影鏡頭613、投影屏幕614。

激光在圖6所示的光學架構中的傳輸路徑如下所述：

藍色激光器601發出藍色激光，二向色片602透過藍色激光，反射綠色激光器603發出的綠色激光，二向色片604透過藍色激光和綠色激光，反射紅色激光器605發出的紅色激光，從二向色片604出射的光束入射至振動反射鏡606，藍色激光、綠色激光、紅色激光經過振動反射鏡606的反射后入射至聚焦透鏡607，經過聚焦透鏡607會聚后，以會聚狀態入射至透射型固定擴散片608，經過透射型固定擴散片608擴散后進入勻光部件609，在勻光部件609內部經過多次反射后從透射型旋轉擴散片610出射，從透射型旋轉擴散片610出射的光束，經過聚焦透鏡611的會聚作用入射到DMD612上。DMD612前端的照明系統(未在圖中示出)將光束引導至DMD表面，DMD由成千上萬的小反射鏡組成，這些小反射鏡將光束反射入投影鏡頭613成像，并投射至投影屏幕614，形成投影圖像。

從圖6所示的光學架構中看出，在圖1所示的光學架構的基礎上增加了振動反射鏡606，振動反射鏡606對入射至透射型固定擴散片608的光束進行勻化，進而提高光束的勻化效果，此處的勻化效果可以是指光束光斑的色度不均勻得到一致或偏色現象得到一致，同時配合勻光部件出光面的旋轉擴散片進一步地對光束進行較好的擴散作用，提高產生隨機獨立相位的個數或概率，從而形成多個不同的獨立散斑圖像，經過人眼積分后，散斑效應減弱。

從光束的傳輸方向看，振動反射鏡606可以前后平動，也可以左右平動，也可以上下平動。圖6示出了振動反射鏡前后平動的情況，其中，606-1和606-2分別表示振動反射鏡606前后平動時的兩個不同位置。

圖6所示的振動反射鏡606設置在透射型固定擴散片608的入射光束的傳輸路徑上，當然振動反射鏡也可以設置在透射型固定擴散片608的出射光束的傳輸路徑上，同樣可以達到勻化的效果，本發明實施例對此不做具體的限制。

若振動反射鏡606設置在透射型固定擴散片608的出射光束的傳輸路徑上，勻光部件609優選為復眼透鏡陣列，以便接收較大發散角度的入射光束。復眼透鏡陣列是兩列復眼透鏡陣列平行排列，第一列復眼透鏡陣列中的各個小單元透鏡的焦點與第二列的復眼透鏡陣列中對應的小單元透鏡的中心重合，兩列復眼透鏡的光軸互相平行，在第二列復眼透鏡后放置聚光鏡，聚光鏡的焦平面放照明屏就形成了照明系統，可以接收大發散角度的入射光束。

為了進一步增強消散斑效果，還可以在光路中再增加其他輔助散斑的部件，比如本申請實施例中的以平動方式振動的振動反射鏡，平動振動反射鏡上設置有微結構，微結構可以隨機成型，不具有規律性，從而配合平動的運動方式，能夠產生類似可變形反射鏡的效果，增加光束發散角度的多樣性，最終發散角度的多樣性使得光束傳播光程不同，最終導致相位不同，在一定程度上起到消散斑的效果。

在圖1所示的光學引擎的光學結構示意圖的后面同樣的設置如圖6所示的聚焦透鏡611、DMD612、投影鏡頭613以及投影屏幕614，也能構成投影設備，光束在其中的傳輸路徑與圖6所示的一樣，在此不對此做具體的描述，相關描述可參見對圖6的具體介紹。

圖7示出了本申請實施例提供的激光投影系統示意圖。

如圖7所示，所述激光投影系統包括：光學引擎701、投影屏幕702。

其中，光學引擎701是本申請上述實施例所提供的光學引擎，具體可參見前述實施例，在此將不再贅述。

具體地，光學引擎中的光源703為光機704提供照明，光機704對光束光束進行調制，并輸出至光機中的鏡頭成像，透射至投影介質702(比如屏幕或墻體等)形成投影畫面。

本申請是參照根據本申請實施例的方法、設備(系統)、和計算機程序產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的部件。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令部件的制造品，該指令部件實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

盡管已描述了本申請的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本申請范圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本申請進行各種改動和變型而不脫離本申請的精神和范圍。這樣，倘若本申請的這些修改和變型屬于本申請權利要求及其等同技術的范圍之內，則本申請也意圖包含這些改動和變型在內。