光源模组及投影显示装置
技术领域
本发明涉及投影成像领域，尤其涉及一种光源模组及投影显示装置。
背景技术
光纤扫描成像技术的成像原理是，通过光源调制出待显示图像的每个像素点对应的光，然后，通过扫描器带动扫描光纤的高频运动，扫描输出每个像素点对应的光，从而将待显示图像的每个像素点对应的光逐一投射到投影屏幕上，形成投影画面。
由于激光光源具有单色性好、亮度高、色域宽广等优点，可作为光纤扫描成像技术的光源。但因为光纤的高频扫描弯曲、镜头模式匹配、光纤模间色散等多方面因素，使的最终的投影画面画质呈现偏色严重、色域减小、亮度不均匀等现象，且这些现象还会随时间变化，最终导致整个投影画面看起来“脏”、不清晰，以及，基于激光的扫描投影技术还存在灰阶显示不稳定影响表现力和显示抗干扰能力弱等诸多有别于传统显示器的特异性现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种光源模组及投影显示装置，用以缓解现有技术中存在的，光纤扫描成像的投影画质较差的问题。
为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供一种光源模组，包括：激光光源；耦合透镜，设置在所述激光光源的出射光路上，所述耦合透镜的入光侧和/或出光侧设置有孔径光阑；尾纤，设置在所述耦合透镜的出射光路上，所述激光光源出射的光通过所述耦合透镜耦入所述尾纤；所述尾纤的光纤耦合端面为倾斜端面，使得所述光纤耦合端面的反射光偏离光轴反射。
可选的，所述耦合透镜固定在透镜座上；所述入光侧孔径光阑或所述出光侧孔径光阑包括设置在所述透镜座上的挡板结构或垫圈结构。
可选的，所述孔径光阑与所述透镜座可拆卸。
可选的，所述光源模组包括尾柄，所述尾柄内具有供所述尾纤穿过的通孔，所述尾柄套设在由所述通孔穿过的尾纤入射端外部；所述尾柄的轴向方向与所述耦合透镜的主光轴不平行。
可选的，所述尾柄的轴向方向与所述耦合透镜的主光轴之间的夹角θ与所述光纤耦合端面角度φ相关，θ和φ满足以下关系：n1*sin(θ+φ)＝n2*sin(φ)；其中，n1是空气折射率，n2是光纤纤芯折射率。
可选的，所述光源模组包括尾柄和尾柄连接件；所述尾柄内具有供光纤穿过的第一通孔；所述尾柄套设在由所述第一通孔穿过的尾纤入射端外部；所述尾柄连接件内部具有供所述尾柄和所述尾纤穿过的第二通孔，所述第二通孔的轴向与所述尾柄连接件的轴向不平行；所述尾柄连接件套设在由所述第二通孔穿过的尾柄和尾纤外部。
可选的，所述第二通孔的轴向与所述尾柄连接件的轴向之间的夹角θ与所述光纤耦合端面角度φ相关，θ和φ满足以下关系：n1*sin(θ+φ)＝n2*sin(φ)；其中，n1是空气折射率，n2是光纤纤芯折射率。
可选的，所述光源模组包括壳体，以及通过所述壳体形成的位于所述耦合透镜和所述光纤耦合端面之间的空腔；所述壳体的内表面设置有螺旋结构。
可选的，所述光源模组包括壳体，以及通过所述壳体形成的位于所述耦合透镜和所述光纤耦合端面之间的空腔；所述壳体上设置有透光窗口。
可选的，所述透光窗口包括沿所述壳体周向分布的多个矩形窗口；或
所述透光窗口包括沿所述壳体周向设置的环形窗口。
可选的，所述光源模组包括壳体，以及通过所述壳体形成的位于所述耦合透镜和所述光纤耦合端面之间的空腔；所述壳体为可透光的透明壳体。
可选的，所述光源模组包括壳体，以及通过所述壳体形成的位于所述耦合透镜和所述光纤耦合端面之间的空腔；
所述光源模组还包括内管结构，所述内管结构位于靠近所述耦合透镜的一侧，所述壳体和内管结构之间形成间隙，使得所述光纤耦合端面的反射光能够在所述间隙中多次反射。
可选的，所述光源模组包括壳体，以及通过所述壳体形成的位于所述耦合透镜和所述光纤耦合端面之间的空腔；所述壳体的内表面设置有吸光涂料。
可选的，所述激光光源的出光窗口、所述耦合透镜和所述光纤耦合端面镀有抗反射膜层。
本发明实施例第二方面提供一种投影显示装置，包括R、G、B三色光源模组和光扫描模组，所述R、G、B三色光源模组出射的光经所述光扫描模组扫描输出后，作为显示图像光；所述R、G、B三色光源模组包括如第一方面所述的光源模组，所述光扫描模组包括致动器，所述尾纤的出射端固定在所述致动器上，所述尾纤超出所述致动器并形成光纤悬臂，所述光纤悬臂被所述扫描致动器带动以在三维空间中扫动。
本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
本发明实施例的方案中，尾纤的光纤耦合端面倾斜，可以使得光纤耦合端面的反射光偏离光轴反射，从而减少沿光轴原路返回到激光器接收面的反射光；并且，设置在光纤耦合透镜入光侧和/或出光侧的孔径光阑，可以拦截光源系统中由反射光形成的杂散光，从而减少通过光纤耦合透镜返回到激光器谐振腔接收面的杂散光。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明实施例提供的光纤扫描成像系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的光源模组的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的光源模组的另一种可能的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种可能的尾纤连接方式的示意图；
图5-图8为本发明实施例提供的几种可能的消杂散光壳体结构的示意图；
图9为本发明实施例提供的一种可能的投影显示装置的结构框图；
图10A为本发明实施例提供的另一种可能的投影显示装置的结构框图；
图10B为本发明实施例提供的R、G、B激光合束尾纤光源模块的示意图。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的光纤扫描成像系统的示意图。光纤扫描成像系统主要包括：处理器、扫描驱动电路、光源模块、光源调制模块、光纤扫描器11、光源合束模块12和光纤13。光纤扫描成像系统的工作原理如下：处理器通过向扫描驱动电路发送电控制信号来驱动光纤扫描器11，同时，处理器通过向光源调制模块发送电控制信号来控制光源模块的出光情况。其中，处理器、扫描驱动电路和光源调制模块之间的信号传输可以经电子输入/输出设备进行，光源调制模块根据接收到的控制信号输出光源调制信号，以对光源模块中的多个颜色的发光单元(如：激光器/发光二极管等，图1中所示为红绿蓝RGB三色激光器)调制，光源模块中每种颜色的发光单元产生的光经光源合束模块12合束后逐一产生图像中每个像素点对应的光，光源合束模块12产生的光束通过光纤13导入光纤扫描器11，同时，扫描驱动电路根据接收到的控制信号输出扫描驱动信号，以控制光纤扫描器11中的光纤13以预定的二维扫描轨迹(如：螺旋扫描、栅格式扫描、李萨如扫描)进行扫描运动，然后，光学系统将光纤13出射的每个像素点的光放大并投影至投影面上形成图像。其中，投影面可以投影屏幕，墙壁等。
半导体激光器LD通过谐振腔实现特定波长的输出，其结构特点以及激光的产生原理，决定了LD自身的输出功率的稳定性受温度、内部折射率分布、注入电流变化等多方面的影响，同时，外部发射、杂散光等逆向传输到激光器内部，也会极大的引起激光器功率的不稳定，使激光器的输出光强甚至是激光波长偏离目标值。
当激光器作为成像显示的RGB LD，尤其是用在以光纤扫描为代表的逐像素、内调制为主的激光成像方式中时，通过对RGB激光器的注入电流精确调制，使RGB三路激光通过光学系统链路后能以准确配比实现精确的色彩显示、灰度显示。如果激光器受到如上所说的杂散光及后向反射回波注入的影响，导致激光器输出波长和功率的偏差，将非常灵敏的反映在显示图像的准确性上，造成色彩显示不准、亮度显示不正常等现象；加之光纤的高频扫描弯曲、镜头模式匹配、光纤模间色散等多方面因素导致的系统链路能量利用率随时间变化的特点，使最终的成像画质呈现偏色严重、色域减小、亮度不均匀等现象，且这些现象随时间变化，整个投影画面看起来“脏”、不清晰，以及，基于激光的扫描投影技术还存在灰阶显示不稳定影响表现力和显示抗干扰能力弱等诸多有别于传统显示器的特异性现象。
因此，要实现色彩准确、干净的激光显示画面，需要使激光器本身的输出更可控、稳定，综合系统结构及光学链路的特点，本案提出适用的光源模组方案，以解决此关键问题，提升光纤扫描成像的显示效果。
请参考图2，图2为本发明实施例提供的光源模组的结构示意图，该光源结构包括激光光源20；耦合透镜21，设置在所述激光光源20的出射光路上，所述耦合透镜21的入光侧和/或出光侧设置有孔径光阑23；尾纤24，设置在所述耦合透镜21的出射光路上，所述激光光源20出射的光通过所述耦合透镜21耦入所述尾纤24；所述尾纤24的光纤耦合端面240为倾斜端面，使得所述光纤耦合端面240的反射光偏离光轴反射。
本发明实施例的方案中，由于尾纤24的光纤耦合端面240倾斜，可以使得光纤耦合端面240的反射光偏离光轴反射，从而减少沿光轴原路返回到激光器接收面的反射光；并且，光纤耦合透镜21的入光侧和/或出光侧设置有孔径光阑23，可以拦截光源系统中的杂散光，从而减少通过光纤耦合透镜21返回到激光器谐振腔接收面的杂散光。通过倾斜光纤端面和孔径光阑23配合，减小回波和杂散光对激光器的影响，使得激光器本身的输出更加稳定可控。
本发明实施例中，请参考图2和图3，所述耦合透镜21的入光侧和/或出光侧设置有孔径光阑23包括以下三种可能的方案：第一种，所述耦合透镜21的入光侧设置有入光侧孔径光阑231；第二种，所述耦合透镜21的出光侧设置有出光侧孔径光阑232；第三种，所述耦合透镜21的入光侧设置有入光侧孔径光阑231，同时，所述耦合透镜21的出光侧设置有出光侧孔径光阑232。
本发明实施例中，请继续参考图3，耦合透镜21固定在透镜座25上；入光侧孔径光阑231或出光侧孔径光阑232包括设置在所述透镜座25上的挡板结构。在其他实施例中，孔径光阑23还可以设置为垫圈结构，本发明对此不做限制。进一步，为了便于安装，孔径光阑23与透镜座25可以为可分离的壳拆卸结构。
本发明实施例中，R、G、B激光管分别与光纤耦合透镜21连接，分别形成R、G、B激光管与光纤耦合透镜21一体件。如图3所示，可以在透镜座25上开设通孔，激光管采用激光焊接等方式固定在透镜座25上。而耦合透镜21可以胶粘等方式固定在透镜座25上。
本发明实施例中，如图3所示，所述光源模组包括尾柄26，所述尾柄26内具有供尾纤24穿过的通孔261，所述尾柄26套设在由所述通孔261穿过的尾纤24的入射端外部。所述尾柄26的轴向方向与所述耦合透镜21的主光轴不平行，也就是说，所述尾柄26倾斜安装在壳体28上，这样设置的原因在于，相比于普通光纤，采用倾斜光纤耦合端面会使得光纤的光轴发生一定角度的偏移，从而导致光能量损失，通过设置尾柄26的轴向方向与所述耦合透镜21的主光轴不平行来矫正光纤光轴，使光纤光轴和耦合透镜21光轴在同一条直线上，进而使得整个光学系统的光轴同轴，并且，经过倾斜尾柄结构的设计，在减少反向杂散光的同时，补偿了光路耦合中的角度装配偏差引起的光功率损失，提高了显示画面的亮度。其中，所述尾柄26的轴向方向与所述耦合透镜21的主光轴之间的夹角θ，与所述尾纤24的光纤耦合端面角度φ相关。n1*sin(θ+φ)＝n2*sin(φ)，其中，光纤耦合端面角度是指光纤端面研磨角度，n1是空气折射率，n2是光纤纤芯折射率。
在另一种可能的实施方式中，为了矫正光纤光轴偏移，使得整个光学系统的光轴同轴，如图4所示，所述光源模组包括尾柄26和尾柄连接件27；所述尾柄26内具有供光纤穿过的第一通孔262；所述尾柄26套设在由所述第一通孔262穿过的尾纤24入射端外部；所述尾柄连接件27内部具有供所述尾柄26和所述尾纤24穿过的第二通孔271，所述第二通孔271的轴向与所述尾柄连接件27的轴向不平行，所述尾柄连接件27套设在由所述第二通孔271穿过的尾柄26和尾纤24外部。其中，所述第二通孔271的轴向与所述尾柄连接件27的轴向之间的夹角θ，与所述尾纤24的光纤端面研磨角度φ相关。n1*sin(θ+φ)＝n2*sin(φ)，其中n1是空气折射率，n2是光纤纤芯折射率。
本发明实施例中，通过设置尾柄连接件27，在将尾柄26安装到光源模组上时，不需要倾斜安装。
本发明实施例中，为了拦截系统中的杂散光，减少通过耦合透镜21返回到激光器谐振腔接收面的杂散光，在耦合透镜21和光纤耦合端面240之间还设置有消杂散光壳体结构，用于吸收杂散光或者将杂散光导出光源模组。
本发明实施例中，消杂散光壳体结构可以有多很种实现方式，接下来，对以下几种实现方式进行说明，在具体实施过程中，不限于以下几种实施方式。
在一种可能的实施方式中，请参考图3和图5，所述光源模组包括壳体28，以及通过所述壳体28形成的位于所述耦合透镜21和所述光纤耦合端面240之间的空腔29；所述壳体28的内表面设置有螺旋结构281。相比平面，螺旋结构281可以增加反射光的反射次数，从而经过多次反射，改变反射光的能量分布，使得反射光能量衰减。
在另一种可能的实施方式中，如图6所示，所述光源模组包括壳体28，以及通过所述壳体28形成的位于所述耦合透镜21和所述光纤耦合端面240之间的空腔29；所述壳体28上设置有透光窗口282，使得反射光入射至透光窗口282上时，从透光窗口282射到空腔29外。其中，透光窗口282可以为设置在所述壳体28上的透明件，透光窗口282可以是精心设置的一个或多个局部小区域，其形状可以为矩形、方形，圆形等等；透光窗口282也可以为沿壳体周向设置的360°环绕的环形透光带。
本发明实施例中，也可以采用整个壳体28是透明件的形式，使得反射光入射至壳体28上时，从壳体28透射到空腔29外。在具体实施过程中，考虑到玻璃具有较低的热膨胀系数及透明属性，将玻璃用作封装的壳体也是一种可行的方案。
在另一种可能的实施方式中，如图7所示，所述光源模组包括壳体28，以及通过所述壳体28形成的位于所述耦合透镜21和所述光纤耦合端面240之间的空腔29；所述光源模组还包括内管结构30，所述内管结构30位于靠近所述耦合透镜21的一侧，所述壳体28和内管结构30之间形成间隙301，使得所述光纤耦合端面240的反射光能够在所述间隙301中多次反射。
在另一种可能的实施方式中，如图8所示，所述光源模组包括壳体28，以及通过所述壳体28形成的位于所述耦合透镜21和所述光纤耦合端面240之间的空腔29；所述壳体28的内表面283设置有吸光涂料。
本发明实施例中，为了减少反射光在系统中形成杂散光，所述激光光源20的出光窗口、所述耦合透镜21和所述光纤耦合端面240镀有抗反射膜层。
本发明实施例中，光学系统中无光学隔离器，降低了成本，减少了光能量损耗。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种投影显示装置，包括R、G、B三色光源模组和光扫描模组，所述R、G、B三色光源模组出射的光经所述光扫描模组扫描输出后，作为显示图像光；所述R、G、B三色光源模组包括上述实施例中任一实施例所述的光源模组，所述光扫描模组包括致动器，所述尾纤的出射端固定在所述致动器上，所述尾纤超出所述致动器并形成光纤悬臂，所述光纤悬臂被所述扫描致动器带动以在三维空间中扫动。
本发明实施例中，如图9所示，R尾纤激光光源901、G尾纤激光光源902、B尾纤激光光源903可以为独立的光源模组，然后通过RGB光纤合束器904合束到一根光纤中，再通过光纤扫描器905扫描输出，形成扫描图像906。
在另一种可能的实施方式中，请参考图10A，R、G、B三色光源模组可以为合束光源，即R、G、B激光合束尾纤光源1001出射的光直接耦合光纤中，然后通过光纤扫描器1002扫描输出，形成扫描图像1003。
请参考图10B，图10B为本发明实施例提供的R、G、B激光合束尾纤光源模组的示意图，R激光光源、G激光光源和B激光光源通过二向色滤波片进行合束后，直接耦合尾纤中。
本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
本发明实施例的方案中，尾纤的光纤耦合端面倾斜，可以使得光纤耦合端面的反射光偏离光轴反射，从而减少沿光轴原路返回到激光器接收面的反射光；并且，设置在光纤耦合透镜入光侧和/或出光侧的孔径光阑，可以拦截光源系统中由反射光形成的杂散光，从而减少通过光纤耦合透镜返回到激光器谐振腔接收面的杂散光。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
