扩展像素致动器及光机装置的制作方法

1.本技术涉及投影设备技术领域，具体而言，涉及一种扩展像素致动器及光机装置。


背景技术：

2.投影系统的像素分辨率可能受到空间光调制器的限制，为了提高投影系统的像素分辨率，相关技术提供了一种投影系统，该投影系统在投影路径中设置了扩散像素致动器，用于将空间光调制器生成的图像光移位，能够实现图像的微小位移，进而实现像素分辨率的提升。扩展像素致动器通常使用音圈电机(voice coil motor,vcm)周期性地驱动振镜框，使固定于其上的平板玻璃也周期性的振动以实现图像的偏移。然而，现有的扩展像素致动器体积较大，导致其应用受到局限。


技术实现要素：

3.本技术实施方式提出了一种扩展像素致动器及光机装置，以解决上述技术问题。
4.本技术实施方式通过以下技术方案来实现上述目的。
5.第一方面，本技术提供一种扩展像素致动器，包括致动组件和光波导，致动组件设有出光区；光波导设有耦出区，耦出区位于出光区的正投影范围，光波导固定于致动组件，致动组件用于带动光波导周期性地振动。
6.在一种实施方式中，致动组件包括振动件、驱动件和电路板，振动件包括固定部和活动部，固定部固定于电路板，活动部连接于光波导和驱动件，驱动件驱动活动部带动光波导周期性的振动。
7.在一种实施方式中，驱动件包括多个磁铁和多个线圈，多个线圈固定于电路板，多个磁铁连接于活动部，多个磁铁与多个线圈两两相对设置，线圈用于与磁铁配合以带动活动部发生振动。
8.在一种实施方式中，固定部通过固定件固定于电路板。
9.在一种实施方式中，光波导相对电路板的偏转角度为0.1
°
～1
°
。
10.在一种实施方式中，光波导的厚度为0.5mm～2mm。
11.在一种实施方式中，光波导的折射率为1.3～2.0。
12.第二方面，本技术提供一种光机装置，包括光源、空间光调制器、镜头以及第一方面的扩展像素致动器；光波导设置于光源的出射光路上，且光波导设于空间光调制器和镜头之间，耦出区朝向空间光调制器；光源用于发出照明光，照明光耦入光波导后从耦出区出射至空间光调制器，空间光调制器用于调制照明光形成图像光，图像光经空间光调制器反射后穿过光波导并进入镜头。
13.在一种实施方式中，光波导与空间光调制器之间的距离为0.5mm～3mm。
14.在一种实施方式中，耦出区的面积大于空间光调制器的表面面积。
15.本技术提供的扩展像素致动器及光机装置，在扩展像素致动器应用于光机装置时，光波导通过耦出区能够为空间光调制器出射照明光，照明光经空间光调制器调制后产
生图像光反射回光波导，经过振动偏转的光波导后，图像光发生像素级的横向位移，实现对像素的扩展，使得扩展像素致动器集成了照明和像素扩展的功能，且集成度高，能够大幅缩小整个光机装置的尺寸。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施方式中的技术方案，下面将对实施方式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技术的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，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。
17.图1为本技术实施方式提供的扩展像素致动器的剖切示意图。
18.图2为为相关技术提供的扩展像素致动器的工作原理示意图。
19.图3为本技术实施方式提供的光机装置的剖切示意图。
20.图4为本技术另一实施方式提供的光机装置的剖切示意图。
21.图5为本技术实施方式提供的光机装置的光的传播示意图。
具体实施方式
22.下面详细描述本技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域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，都属于本技术保护的范围。
24.请参阅图1，本技术提供一种扩展像素致动器100，包括致动组件105和光波导120，致动组件105设有出光区106；光波导120设有耦出区121，耦出区121位于出光区106的正投影范围，光波导120固定于致动组件105，致动组件105用于带动光波导120周期性地振动。
25.投影系统的像素分辨率可能受到由空间光调制器提供的镜数量的限制，为了提供超过空间光调制器上的镜数量的像素分辨率，一些投影系统在投影路径中提供了用于将由空间光调制器生成的图像移位的致动器。例如，由空间光调制器生成的两个连续图像可以彼此偏移且交错以生成更高分辨率的图像。
26.相关技术中提供了一种双轴线致动器，双轴线致动器包含设于投影路径中的光学元件，该光学元件用于使图像在竖直方向上移位半个像素并且在水平方向上移位半个像素，从而利用每个空间光调制器镜生成四个屏幕上像素。
27.请参阅图2，图2示出了一种扩展像素制动器的工作原理。扩展像素制动器5包括透光元件1，透光元件1为折射率为n的透明平板，透明平板可以为透明塑料平板或者其他折射率大于空气的透明材质。透明平板装配在第一轴上面，可以沿一个方向实现倾斜，同时存在另一个正交方向的轴，可以实现另一个方向的倾斜。空间光调制器出射的光线2射向透光元件1，透光元件1沿着与光线2垂直的方向偏转了角度θ，并且透光元件1的厚度为t。光线2穿过透光元件1后，根据折射定律，原本按照方向3前进的光线，由于透光元件1的折射，导致沿
着方向4前进，以此实现了光线位移，位移量为
△
y。
28.在这种情况下，光线101被偏折的位移量
△
y可以用以下公式表示：
[0029][0030]
因此，适当地调整n、θ以及t的数值，可以实现像素的定量偏移。
[0031]
本技术提供的扩展像素致动器100，在扩展像素致动器100应用于光机装置时，出光区106对应空间光调制器和镜头设置，且位于空间光调制器和镜头之间的光路上，光波导120的耦出区121与出光区106同轴设置且耦出区121朝向空间光调制器，光波导120通过耦出区121能够为空间光调制器出射照明光，照明光经空间光调制器调制后产生图像光，并经空间光调制器的反射后可以回光波导120，经过振动偏转的光波导120后，图像光发生像素级的位移后从镜头出射，实现对像素的扩展，使得扩展像素致动器100集成了照明和扩展像素的功能，且集成度高，能够大幅缩小整个光机装置的尺寸。
[0032]
在一种实施方式中，致动组件105包括振动件112、驱动件113和电路板114，振动件112包括固定部1121和活动部1122，固定部1121固定于电路板114，活动部1122连接于光波导120和驱动件113，驱动件113驱动活动部1122带动光波导120周期性地振动。
[0033]
振动件112可以为大致的矩形框体，振动件112可以为金属材料制成，在一种实施方式中，振动件112为等厚度的金属片材，振动件112由薄钢片切割或者冲压而成，振动件112的结构简单，便于加工，降低了振动件112的加工成本。活动部1122可以设有通孔1123，出光区106位于通孔1123的范围内，光波导120固定于通孔1123，活动部1122还可以设有固定孔(图未示)，固定孔位于通孔1123的边缘，固定孔用于与驱动件113连接。
[0034]
在一种实施方式中，固定部1121通过固定件1124固定于电路板114。固定件1124可以是螺钉等紧固件，也可以是胶粘层、卡扣等其他一些结构。在其他实施方式中，可以采用焊接的方式直接固定连接振动件112和电路板114。
[0035]
在一种实施方式中，驱动件113包括多个磁铁1131和多个线圈1132，多个线圈1132固定于电路板114，多个磁铁1131连接于活动部1122，多个磁铁1131与多个线圈1132两两相对设置，线圈1132用于与磁铁1131配合以带动活动部1122发生振动。
[0036]
磁铁1131可以为永磁体，在一种实施方式中，磁铁1131的数量可以为四个。固定孔用于固定磁铁1131。与四个磁铁1131相对应，固定孔的数量可以为四个，四个固定孔可以分别设置于振动件112的四条边上。磁铁1131可以卡设于固定孔，并辅助粘胶以固定安装于振动件112，磁铁1131可以凸出于振动件112的表面设置。
[0037]
线圈1132可以是线条通过高精度的绕制而成，线圈1132与电路板114电性连接。在本实施方式中，电路板114可以对应磁铁1131设有四个线圈1132，四个线圈1132与四个磁铁1131一一对应且磁性配合，磁铁1131与线圈1132产生的交变电磁场产生交变电磁力，从而周期性地驱动活动部1122发生形变，从而光波导120发生偏转，实现扩展像素的功能。
[0038]
电路板114可以为柔性电路板，电路板114可以大致为矩形，且电路板114的尺寸与振动件112大致相同。电路板114可以设有通光孔1141，出光区106位于通光孔1141的范围内。电路板114与振动件112相对设置，通光孔1141与通孔1123同轴，且通光孔1141的面积大于或者等于通孔1123面积，以不遮挡光束传播。
[0039]
光波导120大致为平板状结构，光波导120还可以设有耦入区(图未示)，照明光通
过耦入区进入光波导120，利用光波导120的全内反射原理可以将光束引导至耦出区121。耦出区121的光栅可以为表面浮雕光栅，当照明光落到耦出区121时，部分光线从光波导120出射，部分光线继续经全内反射向前传播，向前传播的光线再次落到耦出区121时重复上述步骤，直至光线不再落到耦出区121。耦出区121位于通孔1123的正投影范围内，使得照明光顺利通过通孔1123出射，进而使得由光波导120耦出的照明光可以最大程度的被利用。
[0040]
在一种实施方式中，光波导120的厚度为0.5mm～2mm。例如，光波导120的厚度可以等于0.5mm、1mm、1.5mm或者2mm。光波导120的形状，尺寸和厚度都大致与常规的扩展像素致动器100中的平板玻璃一致，以便于将光波导120替换平板玻璃安装于振动件112，使得本技术实施方式提供的扩展像素致动器100集成通过光波导120引入照明光的功能和通过驱动件113驱动振动件110振动，振动件110带动光波导120周期性振动实现扩展像素的功能。
[0041]
在一种实施方式中，光波导120的折射率为1.3～2.0。例如，光波导120的折射率可以等于1.3、1.5、1.7或者2.0。当光波导120是折射率为n、厚度为d的平板结构时，由全反射临界角的计算公式θ0＝arcsin(na/n)(na为空气折射率)可知，光波导120的折射率越大，全反射临界角越小，此时光在光波导120内可发生全反射的角度范围增加，可以增加设计自由度。全反射角度对耦出效率有较大影响。
[0042]
作为一种示例，入射波长为520nm，耦出光栅为直光栅时，设置折射率为1.71，得到全反射临界角为37.8
°
，由于照明光对均匀性要求较高，当均匀性限制在比较高的水平(2％)时，全反射角越小，总耦出效率越高，并且全反射角度越大总耦出效率下降越快。因此全反射角选择接近临界角的角度可以获得更高的耦出效率。
[0043]
在一种实施方式中，振动件110带动光波导120周期性地振动，以使光波导120相对电路板114偏转，光波导120相对电路板114的偏转角度为0.1
°
～1
°
。光波导120未振动时，处于初始位置，与电路板114平行设置，光波导120振动发生偏转，偏转后的光波导120所在平面与初始位置的夹角为光波导120相对电路板114的偏转角度。例如，光波导120相对电路板114的偏转角度可以等于0.1
°
、0.5
°
或者0.7
°
等。由前述公式(1)可知，光波导120振动发生偏转，光波导120相对电路板114的偏转角度在0.1
°
～1
°
之间时，即可提供1～3um的像素偏移，实现扩展像素的功能。
[0044]
请参阅图3，在一种实施方式中，耦出区121设置于光波导120朝向电路板114的一侧。光波导120和电路板114之间形成安装腔125，安装腔125可以用作空间光调制器的安装空间，使得扩展像素致动器100和空间光调制器之间的结构更加紧凑，进一步地缩小整个光机装置的体积。
[0045]
请参阅图4，在其他一些实施方式中，耦出区121可以设置于光波导120背向电路板114的一侧，耦出区121距离空间光调制器的距离更小，以灵活利用扩展像素致动器100空间，适配具体的扩展像素致动器100的布局。
[0046]
仍请参阅图3，本技术实施方式还提供一种光机装置200，包括光源210、空间光调制器220、镜头230以及上述扩展像素致动器100，光波导120设置于光源210的出射光路上，且光波导120设于空间光调制器220和镜头230之间，耦出区121朝向空间光调制器220；光源210用于发出照明光，照明光耦入光波导120后从耦出区121出射至空间光调制器220，空间光调制器220用于调制照明光形成图像光，图像光经空间光调制器220反射后穿过光波导120并进入镜头230。
[0047]
本技术提供的光机装置200，扩展像素致动器100集成了照明和扩展像素的功能，集成度高，大幅缩小了光机装置200的尺寸，使得其可以更加适用于对体积要求较为严格的近眼显示装置中。
[0048]
在一种实施方式中，空间光调制器220为硅基液晶。对于硅基液晶(liquid crustal on silicon，lcos)等空间光调制器，可采用光波导120将光源210发出的光束的传播路径进行约束，并调整光束的强度分布和出射光斑面积，使其均匀照射到空间光调制器220的表面，再进一步调制后生成显示所需的图像光。在其他实施方式中，不对空间光调制器220的种类进行限定，空间光调制器220可以是数字微镜器件(digtial micromirror devices，dmd)、液晶显示器(liquid crystal display，lcd)等。
[0049]
请参阅图5，在一种实施方式中，光波导120与空间光调制器220之间的距离为0.5mm～3mm，且耦出区121的面积大于空间光调制器220的表面面积。光波导120的偏转，会影响对空间光调制器220的照明角度和照明位置。由前述计算可以知道，光波导120只需偏转较小的角度(0.1～1
°
)就可以实现图像光半个像素的位移，而光波导120提供的照明角度远大于这个角度，因此光波导120偏转带来的照明角度的变化不会对照明效果产生影响。由于光波导120的偏转，会导致照明光斑在空间光调制器220上发生横向移动，其移动的范围为d*tan(θ)，其中d为光波导120距离空间光调制器220表面的距离，θ为光波导120偏转的角度，θ的范围为0.1～1
°
，d的范围在0.5mm～3mm之间，因此，照明光斑的移动范围在0.05mm以内，当耦出区121的面积大于空间光调制器220的表面面积时，耦出区121出射的照明光斑即使发生移动也足以覆盖空间光调制器220的表面，耦出区121出射的照明光提供了一定的照明余量，即可保证对空间光调制器的照明的效果。
[0050]
术语“一些实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施方式或示例中。在本技术中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本技术中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
[0051]
以上实施方式仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。