旋转多面镜、线阵光源扫描显示系统以及投影仪的制作方法

1.本技术涉及激光投影技术领域，具体涉及一种旋转多面镜、线阵光源扫描显示系统以及投影仪。


背景技术：

2.扫描显示是投影显示技术中的一种，在相关技术中，扫描显示技术使用激光器产生准直光束，再通过一个或多个扫描器件将其投射出去，在屏幕上产生快速移动的光点，通过对激光器地精确控制，可以实现光点在不同位置处的亮度调制，当扫描器件旋转足够快速，人眼的视觉暂留效应会使得人眼观察到稳定的画面。激光扫描显示技术可以将光源产生的光直接投射到屏幕上，不用经过空间光调制器，因此投影的效率非常高，能够产生高亮度的画面。此外，由于画面的亮暗是由激光器的光源直接控制，在暗部区域可以将激光器的亮度直接减弱，因此也避免了投影机出现的暗场有亮度泄露的问题，具有非常好的动态对比度。
3.基于旋转多面镜的激光扫描技术是扫描显示技术中的重要一种，图1示出了相关技术中的一种基于旋转多面镜的激光扫描系统的结构示意图，如图1所示，激光扫描系统100包括激光光源110、反射镜120和屏幕130，激光光源110产生激光束入射向反射镜120，反射镜120沿着旋转轴121进行旋转，改变反射镜120与激光束的夹角，将激光束扫描到屏幕130得到一条线。反射镜120的每个面都能将光束实现一个行程的扫描，在旋转轴121的方向设置阵列的激光光源110，就能扫描出多行光点，拼接得到一个完整的画面。基于旋转多面镜的激光扫描技术具有诸多的优点，如反射镜结构简单，旋转式的工作方式稳定、易控制，并且没有加减速产生的能量损耗和刹车效应。然而，在相关技术中，激光扫描技术的分辨率依赖于密拼的激光光源阵列，为了提升显示分辨率，需要大量增加激光光源的数量，实现起来存在技术困难，且成本较高。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种旋转多面镜、线阵光源扫描显示系统以及投影仪，以解决上述问题。本技术实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种旋转多面镜，其运用于线阵光源扫描显示系统，来接收并反射线阵光源发出的准直光束，以形成显示图像，旋转多面镜包括n个反射面，其中，n≥2，且每个反射面均与旋转轴平行，旋转多面镜可沿旋转轴旋转以使n个反射面随着旋转多面镜的旋转依次移动至准直光束的光路以逐次反射准直光束，准直光束经n个反射面反射后依次在显示面形成n个扫描线阵列，在显示面上，n个扫描线阵列中至少有两个扫描线阵列在平行于旋转轴的方向发生位移。
6.在一种实施方式中，n个反射面中至少有两个反射面与旋转轴的间距互不相等。
7.在一种实施方式中，位移与每个反射面和旋转轴的间距的差值成正比例关系，位移与准直光束的入射角度成正比例关系。
8.在一种实施方式中，旋转多面镜还包括透明介质板，透明介质板的数量小于或等于n，透明介质板贴合于反射面，准直光束经透明介质板入射至反射面，并经反射面反射后从透明介质板出射。
9.在一种实施方式中，位移与准直光束的入射角度成正比例关系，位移与透明介质板的厚度成正比例关系，位移与透明介质板的折射率成反比例关系。
10.在一种实施方式中，每个反射面与旋转轴的间距均相等，透明介质板的数量小于n。
11.在一种实施方式中，每个反射面与旋转轴的间距均相等，且透明介质板的数量等于n；n个透明介质板中至少有两个透明介质板的厚度互不相等，或者n个透明介质板中有至少两个透明介质板的折射率互不相等，或者n个透明介质板中至少有两个透明介质板的厚度和折射率均互不相等。
12.在一种实施方式中，透明介质板采用玻璃或树脂制成。
13.在一种实施方式中，准直光束相对反射面的入射角为锐角。
14.第二方面，本技术实施例提供一种线阵光源扫描显示系统，包括线阵光源、旋转多面镜和屏幕，线阵光源用于产生准直光束，屏幕包括显示面，旋转多面镜包括n个反射面，其中，n≥2，且每个反射面均与旋转轴平行，旋转多面镜可沿旋转轴旋转以使n个反射面随着旋转多面镜的旋转依次移动至准直光束的光路以逐次反射准直光束，准直光束经n个反射面反射后依次在显示面形成n个扫描线阵列，在显示面上，n个扫描线阵列中至少有两个扫描线阵列在平行于旋转轴的方向发生位移。
15.第三方面，本技术实施例提供一种投影仪，包括壳体以及第一方面所述的旋转多面镜，旋转多面镜设置于壳体内。
16.相对于现有技术，本技术实施例提供的旋转多面镜、线阵光源扫描显示系统以及投影仪通过旋转多面镜反射准直光束形成n个扫描线阵列，n个扫描线阵列中至少有两个扫描线阵列在平行旋转轴的方向发生位移，使得最终的投影画面在平行旋转轴的方向至少存在两个不同位置的扫描线阵列，可以在激光光源的数量有限的情况下增加投影画面的显示分辨率，加工制造方便。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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。
18.图1是相关技术中一种基于旋转多面镜的激光扫描系统的结构示意图。
19.图2是本技术实施例提供的线阵光源扫描显示系统的结构示意图。
20.图3是本技术一个实施例提供的旋转多面镜的截面示意图。
21.图4是图3所示的实施例提供的旋转多面镜的光路图。
22.图5是本技术另一个实施例提供的旋转多面镜的截面示意图。
23.图6是图5所示的实施例提供的旋转多面镜的光路图。
具体实施方式
24.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。
25.目前，基于旋转多面镜的激光扫描技术的分辨率依赖于密拼的激光光源阵列，为了提升显示分辨率，需要大量增加激光光源的数量，实现起来存在技术困难，且成本较高。
26.在一些相关技术中，曾将反射镜的各个反射面设置为相对旋转轴倾斜，当激光光源入射向各个反射面后，反射光线在旋转轴方向上具有不同的倾角，使得各个反射面反射形成的扫面线在画面中处于不同的行位置。然而，反射面的倾斜角度对加工工艺的精度要求非常高，往往难以精确控制，成本较高。
27.为了解决上述的问题，发明人经过研究，提出了本技术实施例中的旋转多面镜、线阵光源扫描显示系统以及投影仪。
28.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、完整地描述。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。
29.请参阅图2所示，本技术实施例提供的旋转多面镜220可以应用于线阵光源扫描显示系统200，线阵光源扫描显示系统200可以包括线阵光源210和屏幕250，线阵光源210用于产生准直光束211，屏幕250包括显示面251，旋转多面镜220用于接收并反射线阵光源210发出的准直光束211，以形成显示图像。
30.旋转多面镜220可以包括n个反射面230，其中，n≥2，且每个反射面230均与旋转轴240平行，旋转多面镜220可沿旋转轴240旋转以使n个反射面230随着旋转多面镜220的旋转依次移动至准直光束211的光路以逐次反射准直光束211，准直光束211经n个反射面230反射后依次在显示面251形成n个扫描线阵列280，在显示面251上，n个扫描线阵列280中至少有两个扫描线阵列在平行旋转轴240的方向发生位移。
31.例如，n个扫描线阵列280包括第一位置扫描线阵列281和第二位置扫描线阵列282，第二位置扫描线阵列282相对第一位置扫描线阵列281在平行旋转轴240的方向发生位移，使得最终的投影画面在平行旋转轴240的方向至少存在两个不同位置的扫描线阵列，也就是纵向分辨率至少增加了一倍，从而可以在激光光源数量有限的情况下大大增加投影画面的显示分辨率，提升显示效果。另外，线阵光源扫描显示系统200反射形成的n个扫描线阵列280可以直接透射到屏幕上，不用经过空间光调制器，因此投影效率高，能够产生高亮度的投影画面。
32.作为一种示例，线阵光源210包括m个线阵排列的激光器，其中，m≥1，m个激光器产生m个准直光束，m个准直光束经一个反射面扫描后形成m条线，即每个扫描线阵列280包括m条线。当n个扫描线阵列280均在平行旋转轴240的方向发生位移，就会使得最终的投影画面存在m*n条线，也就是纵向分辨率为m*n，此时纵向分辨率相比扫描线阵列不发生位移的情况增加了n倍，大大增加了投影画面的显示分辨率。
33.需要说明的是，扫描线阵列280在平行旋转轴240的方向发生的位移非常微小，例如一个像素大小(大约等于0.35mm)。当旋转多面镜220快速旋转时，人眼的视觉暂留效应就
会使得人眼在屏幕250观察到n个扫描线阵列280叠加形成的投影画面。
34.在本实施例中，线阵光源210可以是呈线阵排列的激光器，也可以是采用光纤作为光束整形器件，通过光纤耦合将多个激光器产生的光束整形为一个线阵光源，本实施例对此并不具体限定。
35.在本实施例中，反射面230为平面，反射面230的数量n可以等于或者大于2，当n等于2时，旋转多面镜220包括2个反射面230，还包括非反射面，非反射面和2个反射面230围合形成旋转多面镜220的外周面。当n等于或者大于3时，旋转多面镜220的外周面可以直接由反射面220围合形成。
36.在本实施例中，线阵光源扫描显示系统200还包括柱状透镜260，柱状透镜260位于准直光束211的反射光路，并位于屏幕250和旋转多面镜220之间，准直光束211经柱状透镜260折射后入射到屏幕250。
37.柱状透镜260设置于旋转多面镜220和屏幕250之间，用于通过透射和折射来控制光线的行进方向，以使光束能够以正确的角度入射至屏幕250。柱状透镜260可以包括相对设置的入射面261和出射面262，入射面261为平面，出射面262为曲面，准直光束211经入射面261入射后在出射面262发生折射。关于柱状透镜260的结构本技术实施例并不具体限定，只要能够控制光线的行进方向，以使光束能够以正确的角度入射至屏幕250即可。
38.图3是本技术一个实施例提供的旋转多面镜的截面示意图，请参阅图3所示，在本技术的一个实施例中，n个反射面230中至少有两个反射面与旋转轴240的间距互不相等。例如，n个反射面230包括第一反射面231和第二反射面232，第一反射面231和第二反射面232与旋转轴240的间距互不相等。当然，n个反射面230中也可以还包括其他与旋转轴240间距相等或不相等的反射面。
39.图4是图3所示的实施例提供的旋转多面镜的光路图，结合图3和图4所示，当第一反射面231旋转至准直光束211的光路后，准直光束211经第一反射面231反射形成第一反射光束212。当第二反射面232旋转至准直光束211的光路后，准直光束211经第二反射面232反射形成第二反射光束213，此时，第二反射光束213相比第一反射光束212在平行于旋转轴240(详见图2)的方向发生位移δ。
40.假定第一反射面231和第二反射面232与旋转轴240间距的差值为d，根据几何关系可以获取位移δ的计算公式为：
41.δ＝2θd
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(1)
42.公式(1)中，θ为准直光束211相对反射面230的入射角度，即准直光束211与反射面230法线的夹角。需要说明的是，入射角度θ为锐角，即准直光束211既不垂直于反射面230，也不平行于反射面230，以使经反射面230反射后的准直光束211可以在平行旋转轴240的方向发生位移。
43.由公式(1)可知，位移δ与入射角度θ成正比例关系，且位移δ与差值d成正比例关系，可以通过控制入射角度θ和差值d来控制位移δ的大小。当入射角度θ为小角度时(例如小于0.01
°
)，差值d毫米量级的变化可以实现位移δ微米量级的变化，而旋转多面镜220可以实现制备毫米量级的差值d。相比于相关技术在旋转多面镜制备出具有不同倾斜角度的反射面而言，在旋转多面镜220制备出与旋转轴240间距不同的反射面230显然更加容易操作，使得器件的制备更加简单，同时能够减少制造误差，实现反射光束的精确控制。另外，通
过调整入射角度θ可以产生不同的位移δ，使得一个旋转多面镜220适配多种使用场景。
44.需要说明的是，第一反射面231和第二反射面232可以是旋转多面镜220相邻的两个外周面，也可以是任意不相邻的两个外周面，只要第一反射面231和第二反射面232与旋转轴240的间距互不相等即可。
45.当n等于或者大于3时，n个反射面230中可以只有两个反射面与旋转轴的间距互不相等，也可以是每个反射面230与旋转轴240的间距互不相等，每个反射面230与旋转轴240的间距可以沿顺时针递减以形成规律性变化，也可以是不规则变化，使得旋转多面镜220扫描形成的每个扫描线阵列在平行旋转轴240的方向发生位移，可以将投影画面的显示分辨率增加n倍，提升显示效果，且结构设计简单，加工制造非常方便。
46.作为一种示例，n等于6，即反射面230的数量为6个，6个反射面230与旋转轴240的间距互不相等，6个反射面230与旋转轴240的间距可以沿顺时针方向递减。
47.本技术一个实施例提供的旋转多面镜220通过至少两个与旋转轴240间距互不相等的反射面230，可以使得旋转多面镜220扫描形成的扫描线阵列中至少有两个在平行旋转轴240的方向发生位移，从而增加投影画面的显示分辨率，提升显示效果，且结构设计简单，大大降低了加工制造难度，同时能够减少制造误差，实现对旋转多面镜220反射光束的精确控制。
48.图5是本技术另一个实施例提供的旋转多面镜的截面示意图，如图5所示，在本技术的另一个实施例中，旋转多面镜220还包括透明介质板270，透明介质板270的数量小于或等于n，透明介质板270贴合于反射面230，准直光束211经透明介质板270入射至反射面230，并经反射面230反射后从透明介质板270出射。
49.透明介质板270可以采用玻璃或树脂等一些高透光率(例如透光率大于90％)材料制成。透明介质板270可以包括相背的第一表面271和第二表面272，第一表面271和第二表面272均与旋转轴240平行，第二表面272贴合于反射面230，准直光束211经第一表面271入射至反射面230，并经反射面230反射后从第一表面271出射。
50.作为一种示例，n个反射面230包括第一反射面233和第二反射面234，第一反射面233未设置透明介质板270，第二反射面234设置有透明介质板270，即第一反射面233为旋转多面镜220的外表面。
51.图6是图5所示的实施例提供的旋转多面镜的光路图，结合图5和图6所示，当第一反射面233旋转至准直光束211的光路后，准直光束211经第一反射面231反射形成第一反射光束214。当第二反射面234旋转至准直光束211的光路后，准直光束211经透明介质板270入射至第二反射面234，并经第二反射面234反射形成形成第二反射光束215，由于透明介质板270的折射作用，第二反射光束215相比第一反射光束214在平行于旋转轴240的方向发生位移δ。
52.假定透明介质板270的厚度为d(即第一表面271和第二表面272之间的间距为d)，折射率为n，根据几何关系可以获取位移δ的计算公式为：
[0053][0054]
公式(2)中，θ为准直光束211相对反射面230的入射角度。需要说明的是，入射角度θ为锐角，以使经反射面230反射后的准直光束211可以在平行旋转轴240的方向发生位移。
[0055]
由公式(2)可知，位移δ与入射角度θ成正比例关系，位移δ与透明介质板270的厚度d成正比例关系，且位移δ与透明介质板270的折射率n成反比例关系，可以通过控制入射角度θ、透明介质板的厚度d和透明介质板的折射率n中的一种或多种可以控制位移δ的大小。当入射角度θ为小角度时(例如小于0.01
°
)，厚度d毫米量级的变化即可实现位移δ微米量级的变化，相应地，需要厚度为毫米量级的透明介质板。相比于相关技术在旋转多面镜制备出具有不同倾斜角度的反射面而言，在旋转多面镜设置厚度或者折射率不同的透明介质板更加容易操作，制备过程更加简单，同时能够减少制造误差，实现对旋转多面镜220反射光束的精确控制。另外，可以通过调整入射角度θ来产生不同大小的位移δ，使得一个旋转多面镜可以适配多种使用场景。
[0056]
作为一种示例，每个反射面230与旋转轴240的间距均相等，在这种情况下，透明介质板270的数量小于n，即旋转多面镜220包括设置有透明介质板的反射面和未设置有透明介质板的反射面，可使得n个扫描线阵列中至少有两个扫描线阵列在平行于旋转轴240的方向发生位移，透明介质板270的厚度和透明介质板270的折射率可以相同或者不同，本领域技术人员可以根据实际需要进行设定。
[0057]
作为一种示例，每个反射面230与旋转轴240的间距均相等，且透明介质板270的数量等于n，即每个反射面230均设置有一个透明介质板270。在这种情况下，n个透明介质板270中至少有两个透明介质板的厚度d互不相等，或者n个透明介质板270中至少有两个透明介质板的折射率n互不相等，或者n个透明介质板中至少有两个透明介质板的厚度d和折射率n均互不相等，可以使得扫描形成的n个扫描线阵列中至少有两个扫描线阵列在平行于旋转轴240的方向发生位移。
[0058]
作为一种示例，n等于6，即反射面230的数量为6个，且6个反射面与旋转轴240的间距均相等。透明介质板270的数量为5个，5个透明介质板270依次设置于相邻的5个反射面230，且5个透明介质板270的折射率相等，厚度沿顺时针方向递减，可以将投影画面的显示分辨率增加6倍，且透明介质板270采用相同的材料制成，可以方便加工制造。
[0059]
当然，在其他的一些实施方式中，n个反射面230可以与旋转轴240的间距不相等，且n个反射面230贴合有一个或多个透明介质板270，在这种情况下，可以通过控制反射面230与旋转轴240的间距、准直光束211的入射角度以及透明介质板270的厚度和折射率中的一种或多种来控制扫描线阵列在平行旋转轴240的方向发生的位移，这些方案都具有可行性，本领域技术人员可以根据实际需求进行设计。
[0060]
本技术另一个实施例提供的旋转多面镜220包括旋转多面镜220和透明介质板270，透明介质板270贴合于至少一个反射面230，通过透明介质板270的折射作用，可以使得旋转多面镜220扫描形成的n个扫描线阵列中至少有两个在平行旋转轴240的方向发生位移，增加投影画面的显示分辨率，提升显示效果，且结构设计简单，大大降低了加工制造难度，同时能够减少制造误差，实现对旋转多面镜220反射光束的精确控制。
[0061]
仍请参阅图2所示，本技术实施例还提供了一种线阵光源扫描显示系统200，包括线阵光源210、旋转多面镜220和屏幕250。
[0062]
线阵光源210用于产生准直光束211，屏幕250包括显示面251，旋转多面镜220可以包括n个反射面230，其中，n≥2，且每个反射面230均与旋转轴240平行，旋转多面镜220可沿旋转轴240旋转以使n个反射面230随着旋转多面镜220的旋转依次移动至准直光束211的光
路以逐次反射准直光束211，准直光束211经n个反射面230反射后依次在显示面251形成n个扫描线阵列280，在显示面251上，n个扫描线阵列280中至少有两个扫描线阵列在平行旋转轴240的方向发生位移。
[0063]
本技术实施例提供的线阵光源扫描显示系统200通过旋转多面镜220反射准直光束形成n个扫描线阵列280，n个扫描线阵列280中至少有两个扫描线阵列在平行旋转轴240的方向发生位移，使得最终的投影画面在平行旋转轴240的方向至少存在两个不同位置的扫描线阵列，可以在激光光源的数量有限的情况下增加投影画面的显示分辨率，加工制造方便。
[0064]
仍请结合图2所示，本技术实施例还提供了一种投影仪，包括壳体(未示出)以及旋转多面镜220，旋转多面镜220设置于壳体内。
[0065]
本技术实施例提供的投影仪通过旋转多面镜220反射准直光束形成n个扫描线阵列280，n个扫描线阵列280中至少有两个扫描线阵列在平行旋转轴240的方向发生位移，使得最终的投影画面在平行旋转轴240的方向至少存在两个不同位置的扫描线阵列，可以在激光光源的数量有限的情况下增加投影画面的显示分辨率，加工制造方便。
[0066]
上述投影仪还可以包括线阵光源210，线阵光源210用于产生准直光束211。关于旋转多面镜220的详细结构特征请参阅上述实施例的相关描述。由于该投影仪包括上述实施例中的旋转多面镜220，因而具有旋转多面镜220所具有的一切有益效果，在此不再赘述。关于投影仪其他部分的结构特征则在本领域技术人员的理解范围内，此处亦不再赘述。
[0067]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。