CN104865785A - 一种用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源 - Google Patents

一种用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，包括：激光器，用于产生激光；散射片，使光束发生散射，增大光束的发散角，扩大光源面积，降低光场相干性；光学积分棒，使光束在其内部发生多次反射，提高光场分布均匀度，降低光场相干性；反射碗，用于收集积分棒的出射光，减小光束发散角，让尽可能多的光线平行出射；双排复眼透镜阵列，收集反射碗的光线，减小光线发散角，提高光场分布的均匀性和平行度；场镜，光线汇聚，减小发散角，提高均匀性。

Description

一种用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源
技术领域
本发明涉及激光投影显示领域的光源，特别涉及一种用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源。
背景技术
激光投影显示具有色域广、亮度高、屏幕尺寸灵活、使用寿命长、节能环保等优点。但是由于激光光束的发散角小，相干性高的特点，激光投影显示会产生散斑效应和投影面积也过小的问题。散斑的产生主要是由于投影光路中光学表面散射次波的相干叠加。作为一种噪声，它会降低成像的分辨率。投影面积过小，主要是因为激光的发散角很小。
为了降低散斑效果，常会采用通过动态调制元件的规律性运动，使散斑也发生动态变化，散斑平均化的效果就会使散斑的视觉效果得到改善。但是动态调制需要外部动力来驱动元件的运动，不可避免的会带来机械振动和噪声以及额外的能量损耗。这些因素会影响着激光投影显示的节能性，稳定性和小型化。于是，寻求一种静态的消相干匀场方法显得尤为重要。编号为CN201285473Y的新型实用专利即通过在空波导内注入散射媒质，利用瑞利散射和波导的共同作用实现消相干匀场的目的。但是，上述专利也存在着若干问题。首先，结构较为复杂，需要在波导内注入散射媒质，并对波导管两端面进行密封，抬高了制造难度和使用成本；其次，维护较为麻烦，一旦波导管破损，封装在内的散射媒质液体发生泄露，就会对波导管周围的电路等元器件造成损坏，增大了器材的损伤风险和维修成本。
因此，寻找一种结构简单，稳定性好，效率高且无需引入外部动态装置，兼具匀光和消散斑的激光投影光源，就可以明显改善上述的不足。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出利用静态元件实现均匀无散斑的激光光源。静态元件相比动态元件拥有更好的稳定性和低噪声，更具节能优势。
本发明采用的技术方案为：一种用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，包括消散斑匀光模块和集光匀光模块；其中，所述消散斑匀光模块负责对激光进行匀场和消相干；所述集光匀光模块负责对经所述消散斑匀光模块的出射光进行收集，匀场和提高平行度。
所述消散斑匀光模块，包括：两片散射片和一根光学积分棒；其中所述的两散射片分别紧贴所述光学积分棒的两端面处。
所述集光匀光模块，包括；反射碗，复眼透镜阵列和场镜。
所述反射碗的面形经过优化，且放置于所述光学积分棒右端的合适位置处。
所述复眼透镜阵列为共焦排列，且紧挨所述反射碗的出光面，适用于反射碗的尺寸。
所述场镜放置于所述复眼透镜阵列右侧合适位置处。
所述的消散斑匀光和集光匀光模块，其抑制散斑，提高光线分布均匀度并收集光线的方法包括以下步骤：光束经由散射片发生散射，初步增大了光束的发散角，扩大了光源面积，初步抑制了光束的相干性；散射后的光线在光学积分棒内发生多次反射，使光场的能量分布均匀化，同时进一步的抑制了光束的相干性；经积分棒出射的光再次通过散射片并发生散射，再次增大了光束发散角，减小了光束的相干性；用面型经过优化且位置放置合理的反光碗来收集光线，达到减小光线发散角，增大光线出射的平行度的目的；紧挨反射碗的共焦复眼透镜阵列继续收集光束，再次减小光束的发散角，并提高光束分布的均匀度和平行度；位于合适位置的场镜会对光线进行进一步的收集，减小光束发散角，提高分布均匀度。
本发明的一种用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，包括：激光器，作为光源，用于产生激光；散射片，使光束发生散射，增大光束的传输包络，增大发散角，扩大光源面积，同时降低光束的相干性；光学积分棒，使光束在其内部发生多次反射，提高光能分布的均匀度，进一步的降低光束的相干性；反射碗，用于收集由积分棒端口出射的光，初步减小光束发散角，让尽可能多的光线平行出射，提高平行度；双排复眼透镜阵列，用于收集反射碗的光线，进一步减小光线发散角，提高光线分布的均匀性和平行度；场镜，用于将光线汇聚，再一次减小发散角，提高光线的平行度，提高光线分布的均匀性。
根据本发明的一个方面，所述的积分棒，反射碗和复眼透镜阵列，其尺寸和摆放位置可以包括多种组合。作为一个实例，我们使用直径为5mm的积分棒，把面型经过优化的反射碗放置在积分棒右端，使其焦点位于积分棒右端面中心处，让尽可能多的光线可以被收集并且使光束的发散角减小，令尽可能多的光线平行出射。共焦复眼透镜阵列中每个透镜包含11*11个子透镜，该阵列紧挨着反射碗的边缘，经过选择合适的焦距，保证尽可能多的光线平行输出。
本发明与现有技术相比的优点在于：
应用本发明的激光投影光源，避免了动态调制元件，提高了光源的稳定性，降低了***的复杂度，同时实现了扩大光源面积，均匀光束分布，消除散斑的目的。
附图说明
图1是根据本发明的具体实施实例的激光投影光源示意图；
图中附图标记含义为：11为激光器，12为第一散射片，13为光学积分棒，14为第二散射片，15为反光碗，16为共焦复眼透镜阵列，17为场镜，18为屏幕。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本发明的具体实施方式。
如图1所示，根据本发明的实施例的一种用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，包括：激光器11，用于产生激光，制造光源；第一散射片12，用于光束散射，增大了光束的发散角，扩大了光源面积，抑制了光束的相干性；光学积分棒13，用于使光线在棒内发生多次反射，使光场的能量分布均匀化，同时进一步抑制了光束的相干性；第二散射片14，用于出射光的再次发生散射，再次增大了光束发散角，减小光束相干性；反光碗15，用于对光线进行收集，减小光线发散角，让尽可能多的光线平行出射；共焦复眼透镜阵列16，用于收集光束，减小了光束发散角，提高光束分布的均匀度和平行度；场镜17，用于对光线进行进一步的收集，减小光束发散角，提高分布均匀度。
激光器11可以是固态激光器、半导体激光器、气体激光器中的一种。激光器11可以是激光二极管。光线经由第一散射片12发生散射，增大了光束的发散角，降低了光束的相干性。在实例中，散射后的光线进入直径为5毫米的光学积分棒13中，进行匀光和消相干。在积分棒右端出口处的第二散射片14进一步的对光线进行扩束和消相干，并通过面型经过优化，且焦点与积分棒右端面中心重合的反射碗15对出射光线进行收集，使绝大多数光线向光轴靠拢，以提高出射光的平行度。随后，通过2个由11*11个子透镜构成的共焦复眼透镜阵列16来提高光线的均匀度和平行度。最后由场镜17实现对光线的收集汇聚，进一步提高光线的均匀度和平行度，并投影到屏幕18上。
尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化、替换及改造。此外，不意味着本申请的范围限定于说明书中描述的工艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员从本发明的公开内容将很容易意识到那些现在存在或以后发现的工艺设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤，其与这里描述的根据本发明相应实例所使用的完成基本上相同的功能或达到基本上相同的结果。因此，期望所附的权利要求将这样的工艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤包括在它们的范围内。此外，每个权利要求构成一个单独的实施例，并且不同的权利要求和实施例的组合也落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，其特征在于：包括消散斑匀光模块和集光匀光模块；其中，所述消散斑匀光模块负责对激光进行匀场和消相干；所述集光匀光模块负责对经所述消散斑匀光模块的出射光进行收集，匀场和提高平行度。
2.根据权利要求1所述的用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，其特征在于：所述消散斑匀光模块，包括：两片散射片和一根光学积分棒；其中所述的两散射片分别紧贴所述光学积分棒的两端面处。
3.根据权利要求2所述的用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，其特征在于：所述集光匀光模块，包括；反射碗，复眼透镜阵列和场镜。
4.根据权利要求3所述的用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，其特征在于：所述反射碗的面形经过优化，且放置于所述光学积分棒右端的合适位置处。
5.根据权利要求3所述的用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，其特征在于：所述复眼透镜阵列为共焦排列，且紧挨所述反射碗的出光面，适用于反射碗的尺寸。
6.根据权利要求3所述的用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，其特征在于：所述场镜放置于所述复眼透镜阵列右侧合适位置处。
7.根据权利要求1所述的用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，其特征在于：所述的消散斑匀光和集光匀光模块，其抑制散斑，提高光线分布均匀度并收集光线的方法包括以下步骤：光束经由散射片发生散射，初步增大了光束的发散角，扩大了光源面积，初步抑制了光束的相干性；散射后的光线在光学积分棒内发生多次反射，使光场的能量分布均匀化，同时进一步的抑制了光束的相干性；经积分棒出射的光再次通过散射片并发生散射，再次增大了光束发散角，减小了光束的相干性；用面型经过优化且位置放置合理的反光碗来收集光线，达到减小光线发散角，增大光线出射的平行度的目的；紧挨反射碗的共焦复眼透镜阵列继续收集光束，再次减小光束的发散角，并提高光束分布的均匀度和平行度；位于合适位置的场镜会对光线进行进一步的收集，减小光束发散角，提高分布均匀度。
8.一种用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，其特征在于：包括：激光器，作为光源，用于产生激光；散射片，使光束发生散射，增大光束的传输包络，增大发散角，扩大光源面积，同时降低光束的相干性；光学积分棒，使光束在其内部发生多次反射，提高光能分布的均匀度，进一步的降低光束的相干性；反射碗，用于收集由积分棒端口出射的光，初步减小光束发散角，让尽可能多的光线平行出射，提高平行度；双排复眼透镜阵列，用于收集反射碗的光线，进一步减小光线发散角，提高光线分布的均匀性和平行度；场镜，用于将光线汇聚，再一次减小发散角，提高光线的平行度，提高光线分布的均匀性。
9.根据权利要求8所述的用于实现均匀无散斑照明的激光投影光源，其特征在于：所述的积分棒，反射碗和复眼透镜阵列，其尺寸和摆放位置可以包括多种组合，使用适当直径的积分棒，把面型经过优化的反射碗放置在积分棒右端，使其焦点位于积分棒右端面中心处，让尽可能多的光线可以被收集并且使光束的发散角减小，令尽可能多的光线平行出射，共焦复眼透镜阵列中每个透镜包含若干个子透镜，该阵列紧挨着反射碗的边缘，经过选择合适的焦距，保证尽可能多的光线平行输出。
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