一种投影光学装置及投影系统的制作方法

1.本发明涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种投影光学装置及投影系统。


背景技术：

2.目前市场上主流的投影显示装置，多以汞灯、发光二极管(led)作为光源，汞灯光源的投影装置亮度高，但汞灯光源亮度衰减快、寿命短；led光源的投影装置亮度低，抗干扰度低，难以在光线明亮的地方使用。以激光作为光源的投影显示技术逐渐成为投影装置的新选择，相较于传统的以汞灯、led作为光源的投影显示技术，激光投影显示具有对比度高、成像清晰、亮度高、节能环保等优点。
3.尽管激光光源的亮度相较现有方式有明显提高，但在一些特定需求下，如高分辨率室外投影、激光3d扫描成像、增强现实(ar)成像等场景，由于激光光源的发光亮度依然有限，投影显示画面的亮度仍无法满足要求。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种投影光学装置及投影系统，该投影光学装置提出一种基于双光机的投影结构，结构紧凑、亮度高，适用于高分辨率室外投影、激光3d扫描成像、ar成像等场景。
5.根据本发明的一方面，提供了一种投影光学装置，包括第一光机模块、第二光机模块、光扫描模块和光输出模块；
6.所述第一光机模块输出第一合束光，所述第二光机模块输出第二合束光，所述第一合束光和所述第二合束光以预设夹角入射至所述光扫描模块；
7.所述光扫描模块对所述第一合束光和所述第二合束光进行扫描成像，并经过所述光输出模块调制后输出。
8.可选的，所述光输出模块包括第一曲面反射镜和第二曲面反射镜，所述光扫描模块输出的光束，经过所述第一曲面反射镜和所述第二曲面反射镜依次反射后在成像面成像。
9.可选的，所述第一曲面反射镜和所述第二曲面反射镜均为球面反射镜，且第一曲面反射镜朝向所述第二曲面反射镜的表面为凸球面，所述第二曲面反射镜朝向所述第一曲面反射镜的表面为凹球面。
10.可选的，还包括至少一个光偏转镜，所述光偏转镜位于所述第一光机模块与所述光扫描模块之间和/或所述第二光机模块与所述光扫描模块之间；
11.所述光偏转镜用于将所述第一合束光和/或所述第二合束光转折后入射至所述光扫描模块。
12.可选的，所述第一光机模块和所述第二光机模块均包括红、绿、蓝三色激光器、准直透镜、合束棱镜和匀光器；
13.所述准直透镜用于将各所述激光器输出的激光转换为平行光，所述合束棱镜用于
将红绿蓝三色所述平行光复用为合束光输出，所述匀光器将所述合束光由高斯光斑整形为圆形光斑输出。
14.可选的，所述第一光机模块和所述第二光机模块中准直透镜的焦距不同。
15.可选的，所述光扫描模块包括两个单轴mems微镜的组合或一个双轴mems微镜。
16.根据本发明的另一方面，提供了一种投影系统，包括安装组件、控制电路板和上述的投影光学装置；
17.所述安装组件包括基座和设置于所述基座两端的第一侧壁和第二侧壁，所述投影光学装置的第一光机模块、第二光机模块和光扫描模块位于所述基座的第一侧，所述控制电路板位于所述基座的第二侧，所述第一侧和所述第二侧相对；
18.所述安装组件还包括位于所述第一侧壁和第二侧壁之间的安装架，所述光输出模块位于所述安装架上。
19.可选的，所述基座上设有第一安装座和第二安装座，所述第一光机模块安装于所述第一安装座上，所述第二光机模块安装于所述第二安装座上；所述第一安装座高于第二安装座，所述投影光学装置还包括至少一个光偏转镜，所述光偏转镜位于第一安装座下。
20.可选的，所述安装架包括第一安装架和第二安装架，所述光输出模块包括第一曲面反射镜和第二曲面反射镜，所述第一曲面反射镜固定在所述第一安装架上，所述第二曲面反射镜固定在所述第二安装架上。
21.可选的，所述投影系统还包括制冷器，所述安装组件基座还包括散热开口，所述制冷器设置于所述散热开口内，所述制冷器用于给所述第一光机模块和所述第二光机模块中的激光器散热。
22.本发明实施例提供的投影光学装置，包括第一光机模块、第二光机模块、光扫描模块和光输出模块；第一光机模块输出第一合束光，第二光机模块输出第二合束光，第一合束光和第二合束光以预设夹角入射至光扫描模块；光扫描模块对第一合束光和第二合束光进行扫描成像，并经过光输出模块调制后输出。该投影光学装置提出一种基于双光机的投影结构，结构紧凑、亮度高，适用于高分辨率室外投影、激光3d扫描成像、ar成像等场景。
23.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例提供的一种投影光学装置的结构示意图；
26.图2为本发明实施例提供的一种光输出模块的结构示意图；
27.图3为本发明实施例提供的一种光机模块的结构示意图；
28.图4为本发明实施例提供的一种投影光学装置的光路示意图；
29.图5为本发明实施例提供的另一种投影光学装置的光路示意图；
30.图6为本发明实施例提供的一种投影系统的结构示意图；
31.图7为本发明实施例提供的一种安装组件的局部结构示意图；
32.图8为本发明实施例提供的投影系统另一视角的结构示意图；
33.图9为本发明实施例提供的投影系统又一视角的结构示意图；
34.图10为本发明实施例提供的投影系统又一视角的结构示意图。
具体实施方式
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
36.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
37.图1为本发明实施例提供的一种投影光学装置的结构示意图，参考图1，该装置包括第一光机模块10、第二光机模块20、光扫描模块40和光输出模块560。
38.第一光机模块10输出第一合束光，第二光机模块20输出第二合束光，第一合束光和第二合束光以预设夹角入射至光扫描模块40。光扫描模块40对第一合束光和第二合束光进行扫描成像，并经过光输出模块560调制后输出。
39.可以理解的是，现有技术中单光机(激光光源)的发光亮度有限，本发明实施例中第一光机模块10和第二光机模块20均包括激光光源，发光亮度高，可以满足用户对显示画面的亮度需求。具体实施时，第一合束光和第二合束光的预设夹角可以根据实际情况设计，本发明实施例对此不作限定。
40.本发明实施例提供的投影光学装置，包括第一光机模块10、第二光机模块20、光扫描模块40和光输出模块560。第一光机模块10输出第一合束光，第二光机模块20输出第二合束光，第一合束光和第二合束光以预设夹角入射至光扫描模块40。光扫描模块40对第一合束光和第二合束光进行扫描成像，并经过光输出模块560调制后输出。该投影光学装置提出一种基于双光机的投影结构，结构紧凑、亮度高，适用于高分辨率室外投影、激光3d扫描成像、ar成像等场景。
41.可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图1，光输出模块560包括第一曲面反射镜50和第二曲面反射镜60，光扫描模块40输出的光束，经过第一曲面反射镜50和第二曲面反射镜60依次反射后在成像面70成像。
42.可以理解的是，成像面70为虚面，并非实际存在的硬件。
43.图2为本发明实施例提供的一种光输出模块的结构示意图，可选的，在上述实施例的基础上，参考图2，第一曲面反射镜50和第二曲面反射镜60均为球面反射镜，且第一曲面
反射镜50朝向第二曲面反射镜60的表面为凸球面，第二曲面反射镜60朝向第一曲面反射镜50的表面为凹球面。
44.可以理解的是，第一曲面反射镜50为凸球面反射镜，即凸面作为反射面，第二曲面反射镜60为凹球面反射镜，即凹面作为反射面，光经过光扫描模块40反射后的准直光由第一曲面反射镜50反射，再经过第二曲面反射镜60反射成汇聚光至成像面70。依据光学拉赫不变量nyu＝n’y’u’，其中n和n’为物方和像方的折射率，y和y’为物高和像高，u和u’为物方孔径角和像方孔径角，本发明实施例中物高和物方孔径角为激光光源的端面大小和它的初始发散角，像高和像方孔径角为像面上的一个像点的大小和该点的汇聚孔径角。使用凸球面反射镜和凹球面反射镜增大成像面像素点的汇聚孔径角，这样能够缩小像点的大小，提高成像的分辨率。
45.可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图1，投影光学装置还包括至少一个光偏转镜30，光偏转镜30位于第一光机模块10与光扫描模块40之间和/或第二光机模块20与光扫描模块40之间(图1中示意性位于第一光机模块10和光扫描模块40之间，并不是对本发明实施例的限定)。光偏转镜30用于将第一合束光和/或第二合束光转折后入射至光扫描模块40。
46.可以理解的是，基于不同的空间分布需要，在第一光机模块10和光扫描模块40之间设置光偏转镜30，可以使得第一光机模块10产生的第一合束光经光偏转镜30转向后与第二合束光呈一定的夹角入射到光扫描模块40。也可以在第二光机模块20和光扫描装置40之间设置光偏转镜30，使得第二光机模块20产生的第二合束光经光偏转镜30转向后与第一合束光呈一定的夹角入射到光扫描模块40。还可以在第一光机模块10和第二光机模块20后的光路上均设置光偏转镜30，使得分别经偏转后的第一合束光与第二合束光呈一定的夹角入射到光扫描模块40，有利于减小投影光学装置的体积。
47.图3为本发明实施例提供的一种光机模块的结构示意图，本发明实施例中，第一光机模块10和第二光机模块20和图3中的光机模块的结构相同。可选的，在上述实施例的基础上，参考图3，第一光机模块10和第二光机模块20均包括红、绿、蓝三色激光器s1、准直透镜s2、合束棱镜s3和匀光器s4。
48.准直透镜s2用于将各激光器s1输出的激光转换为平行光，合束棱镜s3用于将红绿蓝三色平行光复用为合束光输出，匀光器s4将合束光由高斯光斑整形为圆形光斑输出。
49.可以理解的是，由于合束光为高斯光斑，能量分布不均匀，通过匀光器s4将合束光由高斯光斑整形为圆形光斑输出。合束棱镜s3可以根据需要设置为一体的合束棱镜，或是独立的透反镜组合，匀光器s4可以为直角棱镜组合，具体实施时可以根据实际情况设计。
50.可选的，在上述实施例的基础上，第一光机模块10和第二光机模块20中准直透镜s2的焦距不同。
51.可以理解的是，调整第一光机模块10和第二光机模块20中准直透镜s2的焦距，能够改变第一光机模块10和第二光机模块20的成像焦面。设置第一光机模块10的准直透镜s2的焦距与第二光机模块20的准直透镜s2的焦距不同，可以使两个光机模块的成像焦面不同，从而在在成像面附近形成前后存在间隔的两幅图像。
52.示例性的，图4为本发明实施例提供的一种投影光学装置的光路示意图，具体为图1中的投影光学装置的另一种视角，参考图4，第一光机模块10在第一焦面70’处形成第三成
像区域73，第二光机模块20在第二焦面70处形成第四成像区域74，即设置第一光机模块10和第二光机模块20中准直透镜的焦距不同可以实现双焦面显示，该技术尤其适用于3d显示和ar显示等领域上。
53.可选的，在上述实施例的基础上，光扫描模块40包括两个单轴mems微镜的组合或一个双轴mems微镜。
54.其中，光扫描模块40包括两个单轴mems微镜的组合或一个双轴mems微镜，以实现二维的光束扫描成像。
55.图5为本发明实施例提供的另一种投影光学装置的光路示意图，图5为图1中投影光学装置的另一种视角，参考图5，第一光机模块10和第二光机模块20的出射光以一个夹角θ同时入射到光扫描模块40上，经过光扫描模块40扫描反射，分别在成像面70处的不同区域上形成图像，图5中第一光机模块10成像在第一成像区域71处，第二光机模块20成像在第二成像区域72处。第一成像区域71和第二成像区域72的图像可以拼接为一个完整图像，也可以分离显示两个不同图像。由于第一光机模块10和第二光机模块20相互独立，在屏幕中仅扫描一部分区域，相较于传统单光机扫描整个屏幕，每个光机扫描区域更小，显示亮度更高。
56.本发明实施例还提供了一种投影系统，该投影系统包括安装组件、控制电路板和上述实施例提供的任意一种投影光学装置。
57.图6为本发明实施例提供的一种投影系统的结构示意图，参考图6，安装组件包括基座1和设置于基座1两端的第一侧壁21和第二侧壁22。本发明实施例中，投影光学装置的第一光机模块、第二光机模块和光扫描模块位于基座1的第一侧，控制电路板80(图6未示出，参见图8)位于基座1的第二侧，第一侧和第二侧相对(未在图6中示出)。
58.示例性的，投影光学装置的第一光机模块、第二光机模块和光扫描模块可以位于基座1的上侧，控制电路板可以位于基座1的下侧。
59.继续参考图6，安装组件还包括位于第一侧壁21和第二侧壁22之间的安装架3，本发明实施例中的光输出模块位于安装架3上(未在图6中示出)。
60.可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图6，安装架3包括第一安装架31和第二安装架32，本发明实施例中的光输出模块包括第一曲面反射镜和第二曲面反射镜，第一曲面反射镜固定在第一安装架31上，第二曲面反射镜固定在第二安装架32上(未在图6中示出)。
61.可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图6，基座1上设有第一安装座11和第二安装座12，第一光机模块安装于第一安装座上11，第二光机模块安装于第二安装座12上。
62.图7为本发明实施例提供的一种安装组件的局部结构示意图，参考图6和图7，基座1对应于第一安装座11的下方设有第一安装凸台13，第一安装座11固定设置于第一安装凸台13，使得第一安装座11的高度高于第二安装座12。基座1对应于第一安装座11的下方还设有第二安装凸台14，用于安装光偏转镜。由于第一安装座11比第二安装座12高，第二光机模块出射的光束射向位于第一安装座11的下方的光偏转镜30。基座上还设有第三安装凸台15，用于安装光扫描模块。
63.继续参考图7，基座1还包括第三安装凸台15，本发明实施例中，第一安装架31位于第一安装座11和第二安装座12的上方/斜上方，第二安装架32位于第三安装凸台15的上方/
斜上方，即光扫描模块位于第二安装架32与第三安装凸台15之间。
64.继续参考图6和图7，基座1还包括第一排线口161和第二排线口162。本发明实施例中，第一排线口161邻近第一侧壁，第二排线口162邻近第二侧壁。第一光机模块和第二光机模块的激光器的电控排线100分别从第一排线口161和第二排线口162穿过。
65.图8为本发明实施例提供的投影系统另一视角的结构示意图，图8示出的为图6中安装组件的下侧。可选的，在上述实施例的基础上，参考图8，投影系统还包括制冷器200，参考图7，基座1还包括散热开口17，本发明实施例中，制冷器200设置于散热开口17内，制冷器200用于给第一光机模块和第二光机模块中的激光器散热。
66.图9为本发明实施例提供的投影系统又一视角的结构示意图，图9示出的为图6中安装组件的左前侧，可选的，在上述实施例的基础上，参考图9，安装组件还包括前密封板4、后密封板5、底部密封板6以及顶部窗7，制冷器的散热端热耦合至底部密封板6，以将热量向外部传输。顶部窗7设置一光路开口71，第二曲面反射镜反射的光束可从光路开口71射出进入后续光路。
67.图10为本发明实施例提供的投影系统又一视角的结构示意图，图10示出的为图6中安装组件的左后侧，可选的，在上述实施例的基础上，参考图10，后密封板5上设有外接开口51，外部连接器可从外接开口51电连接至控制电路板。
68.本发明实施例提供的投影系统包括上述实施例的投影光学装置的全部特征，因此具备同样的有益效果，即结构紧凑、亮度高，适用于高分辨率室外投影、激光3d扫描成像、ar成像等场景。
69.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种投影光学装置，其特征在于，包括第一光机模块、第二光机模块、光扫描模块和光输出模块；所述第一光机模块输出第一合束光，所述第二光机模块输出第二合束光，所述第一合束光和所述第二合束光以预设夹角入射至所述光扫描模块；所述光扫描模块对所述第一合束光和所述第二合束光进行扫描成像，并经过所述光输出模块调制后输出。2.根据权利要求1所述的投影光学装置，其特征在于，所述光输出模块包括第一曲面反射镜和第二曲面反射镜，所述光扫描模块输出的光束，经过所述第一曲面反射镜和所述第二曲面反射镜依次反射后在成像面成像。3.根据权利要求2所述的投影光学装置，其特征在于，所述第一曲面反射镜和所述第二曲面反射镜均为球面反射镜，且第一曲面反射镜朝向所述第二曲面反射镜的表面为凸球面，所述第二曲面反射镜朝向所述第一曲面反射镜的表面为凹球面。4.根据权利要求1所述的投影光学装置，其特征在于，还包括至少一个光偏转镜，所述光偏转镜位于所述第一光机模块与所述光扫描模块之间和/或所述第二光机模块与所述光扫描模块之间；所述光偏转镜用于将所述第一合束光和/或所述第二合束光偏转后入射至所述光扫描模块。5.根据权利要求1所述的投影光学装置，其特征在于，所述第一光机模块和所述第二光机模块均包括红、绿、蓝三色激光器、准直透镜、合束棱镜和匀光器；所述准直透镜用于将各所述激光器输出的激光转换为平行光，所述合束棱镜用于将红绿蓝三色所述平行光复用为合束光输出，所述匀光器将所述合束光由高斯光斑整形为圆形光斑输出。6.根据权利要求5所述的投影光学装置，其特征在于，所述第一光机模块和所述第二光机模块中准直透镜的焦距不同。7.根据权利要求1所述的投影光学装置，其特征在于，所述光扫描模块包括两个单轴mems微镜的组合或一个双轴mems微镜。8.一种投影系统，其特征在于，包括安装组件、控制电路板和权利要求1～7任一所述的投影光学装置；所述安装组件包括基座和设置于所述基座两端的第一侧壁和第二侧壁，所述投影光学装置的第一光机模块、第二光机模块和光扫描模块位于所述基座的第一侧，所述控制电路板位于所述基座的第二侧，所述第一侧和所述第二侧相对；所述安装组件还包括位于所述第一侧壁和第二侧壁之间的安装架，所述光输出模块位于所述安装架上。9.根据权利要求8所述的投影系统，其特征在于，所述基座上设有第一安装座和第二安装座，所述第一光机模块安装于所述第一安装座上，所述第二光机模块安装于所述第二安装座上；所述第一安装座高于第二安装座，所述投影光学装置还包括至少一个光偏转镜，所述光偏转镜位于第一安装座下。10.根据权利要求8所述的投影系统，其特征在于，所述安装架包括第一安装架和第二
安装架，所述光输出模块包括第一曲面反射镜和第二曲面反射镜，所述第一曲面反射镜固定在所述第一安装架上，所述第二曲面反射镜固定在所述第二安装架上。11.根据权利要求8所述的投影系统，其特征在于，还包括制冷器，所述基座还包括散热开口，所述制冷器设置于所述散热开口内，所述制冷器用于给所述第一光机模块和所述第二光机模块中的激光器散热。

技术总结
本发明实施例公开了一种投影光学装置及投影系统，该投影光学装置包括第一光机模块、第二光机模块、光扫描模块和光输出模块；第一光机模块输出第一合束光，第二光机模块输出第二合束光，第一合束光和第二合束光以预设夹角入射至光扫描模块；光扫描模块对第一合束光和第二合束光进行扫描成像，并经过光输出模块调制后输出。该投影光学装置提出一种基于双光机的投影结构，结构紧凑、亮度高，适用于高分辨率室外投影、激光3D扫描成像、AR成像等场景。AR成像等场景。AR成像等场景。


技术研发人员：杨宁 糜卫东 司继成
受保护的技术使用者：苏州龙马璞芯芯片科技有限公司
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/10/7