具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，由多個激光器、合束勻光器、擴束器、相位擴散器、勻光器、光束整形器、投影芯片、投影鏡頭、以及一系列透鏡組成。多個激光器為投影系統(tǒng)提供光源，合束勻光器將來自不同激光器的激光合束壓縮并充分混合，擴束器將合束勻光后的激光擴束，并通過透鏡以適當角度投射到相位擴散器上。相位擴散器對投射到相位擴散器上的激光按空間位置加上隨機相位，并以一發(fā)散角耦合到勻光器中，再次充分混合。光束整形器將來自勻光器的光整合成與投影芯片一致的光束，并通過投影鏡頭將投影芯片上產(chǎn)生的圖像投影到屏幕。通過本發(fā)明，激光光束的相干性大大減弱，從而達到消散斑的效果，并保證投影系統(tǒng)具有足夠亮度的激光能量。
【專利說明】具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及以激光為光源的投影系統(tǒng)的消散斑設(shè)計，尤其涉及一種具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)。在該激光投影系統(tǒng)中，消除了由于激光的高相干性而產(chǎn)生的散斑，以達到激光顯示應(yīng)有的高畫質(zhì)。

【背景技術(shù)】
[0002]激光是一種具有高亮度、發(fā)射單色相干光束的光源。這些特性使激光非常適合用于激光顯示的光源。激光顯示可為客戶提供高功率的照明和飽和的色彩。然而，激光的相干性可能會導致一種現(xiàn)象，稱為激光散斑。例如，激光由不同表面散射的相干光的干涉，會形成散斑圖樣。因此，當期望用激光器提供具有良好的色彩、明亮的圖像時，如果不進行有效的消散斑，圖像質(zhì)量可由于激光散斑而劣化。
[0003]目前，已經(jīng)披露了各種激光消散斑技術(shù)。例如，一種方法是增加激光器的縱模數(shù)量，即增加激光器的線寬，降低激光器相干性，以達到消散斑的目的。但是這種方法需要改變激光器本身的特性，因而不是對任何激光器都適用。比如目前市場上的二極管泵浦固體激光器(綠光)的線寬就很難被增加。
[0004]另一種方法是改變激光的偏振方向，以減少激光的干涉效應(yīng)，達到消散斑的目的。例如，見美國專利號 US3, 633，999，Middle Court, Middle Court, “Removing specklepatterns from objects”，1970 年 7 月 27 日；US4, 511，220A, Charles N.Scully, “Lasertarget speckle eliminator”，1982 年 12 月 23 日；和 US7, 715, 084B2, Scott McEldowney等人，“Retarder-based despeckle device for laser illuminat1n systems，，, 2009 年4月15日。但是一般情況下，這種做法較笨重，并且消散斑的效果也很有限。
[0005]還有一種方法是將激光器在空間排成陣列，提供空間非相干照明，以達到消散斑的目的。不幸的是，這種方法價格昂貴，而且現(xiàn)實中并不總是可行的，因為許多投影機需要采用幾十、甚至幾百只激光器。將如此多的激光器在空間排列，并且將所有激光都有效地投射到只有厘米量級、甚至亞厘米量級的投影芯片上，現(xiàn)實上非常困難。
[0006]還有另一種方法是通過產(chǎn)生許多不同的帶有散斑的圖樣，并對這些圖樣進行時間平均，以減少激光散斑。例如，一種方法是采用振動顯示屏。但是，對于一個大型投影屏幕，這是不實用的。因此，更常見的方法是使用一個外部光學元件，如擴散器(例如，見J.W.Goodman 等人，“Speckle reduct1n by a moving diffuser in laser project1ndisplays,，，Annual Meeting of the Optical Society of America, Rhode Island, 2000年)、相位板(例如，見美國專利US6, 323，984B1, Jahja 1.Trisnadi,“Method and apparatusfor reducing laser speckle”，2000年 10月 11 日 jPUS6，747，781B2,Jahja 1.Trisnadi,“Method, apparatus, and diffuser for reducing laser speckle，，, 2001 年 7 月 2 日)、或隨機衍射光學兀件(例如，見 L.Wang 等人，“Speckle reduct1n in laser project1nsystems by diffractive optical element, ^Appl.0pt.37,第 177-1775 頁，1998 年)。隨著時間的推移，通過振動或旋轉(zhuǎn)，可以產(chǎn)生多個不同相位的圖樣。擴散器的相位也可以通過加在擴散器上的電壓來控制。例如，美國專利US2008/0106779Al，Mark DavidPeterson, David Ell1tt Slobodin, “Laser Despeckle Device”，2007 年 10 月 31 日。這樣，無需振動或旋轉(zhuǎn)擴散器本身，即可改變通過擴散器的激光的相位，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0007]然而，文獻中披露的消散斑主要針對單一激光器(作為光源)。因為許多高亮度的投影機需要采用幾十、甚至幾百只激光器，所以需要采用新的消散斑方法來實現(xiàn)多個激光光源的有效消散斑。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明旨在提供一種有效的消散斑方法和具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，適用于以激光為光源的投影系統(tǒng)，特別是基于多個激光器為光源的投影系統(tǒng)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)由多個激光器1、合束勻光器2、擴束器3、相位擴散器5、勻光器7、光束整形器8、投影芯片9、投影鏡頭10、以及一系列透鏡4、6組成。多個激光器為投影系統(tǒng)提供具有足夠亮度的光源，合束勻光器將來自不同激光器的激光進行合束壓縮并充分混合，擴束器將合束勻光后的激光按照相位擴散器的大小進行擴束，并通過透鏡以適當?shù)慕嵌韧渡涞较辔粩U散器上。相位擴散器對投射到相位擴散器上的激光按空間位置加上隨機相位，并以一定的發(fā)散角通過另一透鏡耦合到勻光器中，進行充分混合。光束整形器將來自勻光器的光整合成與投影芯片形狀、大小一致的光斑(一般為方形或長方形)，并通過投影鏡頭將投影芯片上產(chǎn)生的圖像投影到屏幕。通過本發(fā)明的合束、勻光、擴束、相位擴散、再勻光過程，激光光束的相干性大大減弱，從而達到消散斑的效果，并能保證投影系統(tǒng)所需的具有足夠亮度的激光能量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]根據(jù)下面給出的詳細描述，結(jié)合附圖，本發(fā)明將被更充分地理解。在附圖中:
[0011]圖1是本發(fā)明的基于多個激光器、具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)的第一實施例結(jié)構(gòu)圖(光學部分)。
[0012]圖2是本發(fā)明的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)第二實施例結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖3是本發(fā)明的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)第三實施例結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖4是本發(fā)明的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)第四實施例結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖5是本發(fā)明的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)第五實施例結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖6是本發(fā)明的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)第六實施例結(jié)構(gòu)圖(合束勻光部分)。
[0017]圖7是本發(fā)明的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)第七實施例結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖8是本發(fā)明的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)第八實施例結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖9是本發(fā)明的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)第九實施例結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0020]圖1示意性地示出了本發(fā)明的基于多個激光器、具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)的第一實施例結(jié)構(gòu)圖(光學部分)。激光投影系統(tǒng)由多個激光器11、合束勻光器12、擴束器13、相位擴散器15、勻光器17、光束整形器18、投影芯片19、投影鏡頭10、以及一系列透鏡
14、16組成。多個激光器為投影系統(tǒng)提供具有足夠亮度的光源，合束勻光器將來自不同激光器的激光進行合束壓縮并充分混合，擴束器將合束勻光后的激光按照相位擴散器的大小進行擴束，并通過透鏡以適當?shù)慕嵌韧渡涞较辔粩U散器上。相位擴散器對投射到相位擴散器上的激光按空間位置加上隨機相位，并以一定的發(fā)散角通過另一透鏡耦合到勻光器中，進行充分混合。光束整形器18將來自勻光器的光整合成與投影芯片形狀、大小一致的光斑(一般為方形或長方形)，并通過投影鏡頭將投影芯片上產(chǎn)生的圖像投影到屏幕。通過本發(fā)明的合束、勻光、擴束、相位擴散、再勻光過程，激光光束的相干性大大減弱，從而達到消散斑的效果，并能保證投影系統(tǒng)所需的具有足夠亮度的激光能量。
[0021 ] 激光器的波長可以是相同的(例如532nm)，也可以是不相同的(例如635nm、532nm、445nm)。目前一般單管紅綠藍激光器功率分別為0.5瓦、I瓦、I瓦。所以在高亮度投影機中，通常需要采用幾十只、甚至幾百只激光器。投影芯片19 一般采用單片DigitalLight Processing (數(shù)字光處理，DLP), 3DLP, Liquid Crystal on Silicon (娃上液晶,LCOS)，或3LCD等方式。不同的投影方式，通常采用不同的光路。消散斑可根據(jù)圖1所示方法對三色光分別進行，然后將三束光合并后，射入投影芯片。這時，需要三套光路來分別實現(xiàn)三色光的消散斑。也可以根據(jù)圖1所示方法對三色光同時進行處理。這時，只需要一套光路來實現(xiàn)三色光的消散斑。相位擴散器15可以是透射型的(如圖1所示)，也可以是反射型的。如采用反射型相位擴散器，部件16、17、18、19和10需適當調(diào)整，以便有效接受來自相位擴散器反射或透射的光。為了描述方便和便于理解，以下假設(shè)激光器的波長相同(例如532nm),相位擴散器15為透射型。
[0022]現(xiàn)分析激光通過各部件后的空間相位、強度分布。在合束勻光器12之前，在垂直于光軸的截面上，由于空間各點的光來自不同的激光器，各激光器的光束大小有限，所以強度分布不均勻，且來自同一激光器的光斑的相位具有很強的相干性，即散斑效應(yīng)嚴重。激光經(jīng)過合束勻光器12之后，來自不同的激光器的光得到充分混合，因此強度分布均勻性大大提高?？臻g某一點的光強來自不同的激光器，但來自同一激光器的光強部分仍然具有很強的相干性，即散斑效應(yīng)依然存在。為了使來自不同的激光器的光得到充分混合，在合束勻光器12中的光束直徑不宜過大。因此，激光通過合束勻光器12后，需通過擴束器13擴束、準直，然后通過透鏡14準確地匯聚到相位擴散器15之上。相位擴散器15可以看成包含有一個nXm矩陣的多個單元格。各單元的相位可由加在相位擴散器15上的電壓控制，并且可互不相干。因此，相位擴散器15可以看成一片隨機相位模板。當激光通過相位擴散器15后，空間某一點的光強來自不同的激光器，且具有與其他點不相干的相位，即激光的空間相干性已大大減弱。這些具有隨機相位的激光通過透鏡16被耦合入勻光器17進行再次混合后，空間某一點的光強既有來自不同激光器部分，又有來自同一激光器但具有不同相位的部分。因此，激光的空間相干性已徹底被破壞，即散斑效應(yīng)已被消除。這些光經(jīng)過光束整形器18被整形成與投影芯片19 一致的方形或長方形后，投入投影芯片，產(chǎn)生圖像，并通過投影鏡頭10放大后投射到屏幕，形成高畫質(zhì)圖像(即經(jīng)過消散斑的圖像)。
[0023]圖2示意性地示出了本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)圖。N個波長為532nm的激光器21構(gòu)成光源，排列于一圓弧28上。來自這些激光器的激光以不同角度射入光束壓縮器22。為了提高激光的耦合效率，光束壓縮器22的入射面的中心與圓弧的中心重合。為了采用盡可能多的激光器，使用的激光器的尺寸應(yīng)盡可能小。例如，可使用南京長青激光科技有限公司的I瓦迷你激光器。另外，使用的光束壓縮器22的接收角應(yīng)盡可能大。例如，EdmundOptics的接收角為25?；?0。的Compound Parabolic Concentrator (復(fù)合拋物面聚光器，CPC)。從使用的光束壓縮器22出射的激光經(jīng)過透鏡23被耦合入勻光器24，進行光混合。之后，經(jīng)透鏡25擴束，透鏡26匯聚后，進入相位擴散器27。可見，第二實施例中的光束壓縮器22、透鏡23、勻光器24,相當于第一實施例中的合束勻光器,第二實施例中的透鏡25相當于第一實施例中的擴束器。
[0024]圖3示意性地示出了本發(fā)明第三實施例的結(jié)構(gòu)圖。N個波長為532nm的激光器31構(gòu)成光源，排列于一圓弧38上。來自這些激光器的激光以不同角度射入光束壓縮器32。為了提高激光的耦合效率，光束壓縮器32的入射面的中心與圓弧的中心重合。為了采用盡可能多的激光器，使用的激光器的尺寸應(yīng)盡可能小。例如，可使用南京長青激光科技有限公司的I瓦迷你激光器。另外，使用的光束壓縮器2的接收角應(yīng)盡可能大。例如,Edmund Optics的接收角為25°或40°的Compound Parabolic Concentrator (復(fù)合拋物面聚光器，CPC)。從使用的光束壓縮器32出射的激光經(jīng)過透鏡33擴束、透鏡34匯聚后，進入相位擴散器35。于第二實施例相比，第三實施例中省略了勻光器，因此成本會有所降低，但消散斑效果會低一點。該結(jié)構(gòu)對線寬相對寬的激光器較有效，因為寬線寬激光器的消散斑會相對容易一些。
[0025]圖4示意性地示出了本發(fā)明第四實施例的結(jié)構(gòu)圖。N個波長為532nm的激光器41構(gòu)成光源，排列于一圓弧48上。來自這些激光器的激光以不同角度射入勻光器42。為了提高激光的耦合效率，勻光器42的入射面的中心與圓弧的中心重合。為了采用盡可能多的激光器，使用的激光器的尺寸應(yīng)盡可能小。例如，可使用南京長青激光科技有限公司的I瓦迷你激光器。另外，使用的勻光器42的接收角應(yīng)盡可能大。例如，Edmund Optics的大數(shù)值孔徑用Light Pipe Homogenizing Rod (光管均質(zhì)桿)。從勻光器42出射的激光經(jīng)過透鏡43擴束、透鏡44匯聚后，進入相位擴散器45。與第二實施例相比，第三實施例中省略了光束壓縮器，因此成本會有所降低，但能采用的激光器個數(shù)會少一點。該結(jié)構(gòu)對亮度要求不那么高的投影儀系統(tǒng)較有效。
[0026]圖5示意性地示出了本發(fā)明第五實施例的結(jié)構(gòu)圖。N個波長為532nm的激光器51構(gòu)成光源，排列于一圓弧58上。來自這些激光器的激光以不同角度射入透鏡52，經(jīng)透鏡53匯聚后，進入相位擴散器54。于第二實施例相比，第三實施例中省略了光束壓縮器和勻光器，因此成本會有所降低，但激光器的排列要求會非常嚴格，因為所有的激光都必須有效地耦合入直徑只有數(shù)毫米的相位擴散器54。并且，采用的激光器個數(shù)會少一點，消散斑效果會低一點。該結(jié)構(gòu)對亮度要求不那么高，采用線寬相對寬的激光器作為光源的投影儀系統(tǒng)較有效。
[0027]圖6示意性地示出了本發(fā)明第六實施例的結(jié)構(gòu)圖。N個波長為532nm的激光器61構(gòu)成光源。這些激光器先分別與多模光纖62稱合后,再與光纖功率合成器63熔合,實現(xiàn)合束。光纖功率合成器63的輸入端的多模光纖的芯徑較輸出端多模光纖64的芯徑小。光纖功率合成器63的輸入端口數(shù)可為7、19、37等，輸出端口數(shù)可為1、7、19、37等。為了實現(xiàn)激光的充分混合，輸出端采用端口數(shù)為1、芯徑較小、長度較長的多模光纖，例如芯徑400微米、長度5米。與第二實施例相比，第六實施例中采用了光纖功率合成器63實現(xiàn)激光的合束勻光，因此可靠性會有所提高，可合束的激光器數(shù)量會增加，但成本會有所升高，激光能量損失也會有所升高。
[0028]圖1示意性地示出了本發(fā)明第七實施例的結(jié)構(gòu)圖。N個波長為532nm的激光器通過第六實施例所不光纖功率合成器的合束勻光后，由多模光纖71輸出。從多模光纖71輸出的激光經(jīng)透鏡72，由錐形勻光器73進一步勻光。因為多模光纖的芯徑較小(一般小于I毫米)，應(yīng)使用入射孔徑小，出射孔徑大的錐形勻光器。例如，Edmund Optics的Tapered LightPipe Homogenizing Rod(錐形光管均質(zhì)桿)。由錐形勻光器73出射的激光經(jīng)透鏡74擴束，透鏡75匯聚后，進入相位擴散器76。與第二實施例相比，第七實施例中采用了多模光纖71和錐形勻光器73多次勻光，因此消散斑效果會更好，但成本會有所升高。
[0029]圖8示意性地示出了本發(fā)明第八實施例的結(jié)構(gòu)圖。N個波長為532nm的激光器通過第六實施例所不光纖功率合成器的合束勻光后，由多模光纖81輸出。從多模光纖81輸出的激光經(jīng)透鏡82、83擴束，透鏡84匯聚后，進入相位擴散器85。與第七實施例相比，第八實施例中省略了錐形勻光器，只采用了多模光纖81勻光，因此消散斑效果會低點，但成本會有所降低。
[0030]圖9示意性地示出了本發(fā)明第九實施例的結(jié)構(gòu)圖。N個波長為532nm的激光器通過第六實施例所不光纖功率合成器的合束勻光后，由多模光纖91輸出。從多模光纖91輸出的激光經(jīng)凸凹透鏡92、凸透鏡93擴束，凸透鏡94匯聚后，進入相位擴散器95。與第八實施例相比，采用了凸凹透鏡結(jié)合的方式，實現(xiàn)擴束。
[0031]值得一提的是，上述發(fā)明的實施例不應(yīng)被認為具有限制意義，許多變化是可能的。例如，相位擴散器也可以是反射型的。如采用反射型相位擴散器，只需適當調(diào)整相位擴散器之后的光學部件的位置，以便有效接受從相位擴散器反射的光。
[0032]另外，上述發(fā)明所述的實施例對一套光路的消散斑方法進行了描述。上發(fā)明所述的消散斑方法也可分別應(yīng)用于多套光路。每套光路激光器的波長可以是相同的，也可以是不同的。
[0033]還有，上發(fā)明所述的實施例對一套光路中包含多個激光器的消散斑方法進行了描述。上發(fā)明所述的消散斑方法也可應(yīng)用于只包含單個激光器的光路。
[0034]相關(guān)文獻:
[0035]專利文獻
[0036]US2008/0106779A1, Mark David Peterson, David Ell1tt Slobodin, “LaserDespeckle Device”，2007 年 10 月 3I 日。
[0037]US7, 715, 084B2, Scott McEldowney 等人，“Retarder-based despeckle devicefor laser illuminat1n systems，，，2009 年 4 月 15 日。
[0038]US3, 633, 999, Middle Court, Middle Court, “Removing speckle patterns fromobjects”, 1970 年 7 月 27 日。
[0039]US4, 511, 220A, Charles N.Scully, “Laser target speckle eliminator”，1982年12月23日。
[0040]US6, 323, 984B1, Jahja 1.Trisnadi, “Method and apparatus for reducinglaser speckle”，2000 年 10 月 11 日。
[0041]US6747781B2, Jahja 1.Trisnadi, “Method, apparatus, and diffuser forreducing laser speckle”，2001 年 7 月 2 日。
[0042]其他文獻
[0043]J.W.Goodman 等人，“Speckle reduct1n by a moving diffuser in laserproject1n displays，，，Annual Meeting of the Optical Society of America, RhodeIsland, 2000 年。
[0044]L.Wang 等人，“Speckle reduct1n in laser project1n systems bydiffractive optical element，，，Appl.0pt.37，第 177-1775 頁，1998 年。
【權(quán)利要求】
1.一種具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，由多個激光器、合束勻光器、擴束器、相位擴散器、勻光器、光束整形器、投影芯片、投影鏡頭、以及一系列透鏡組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器由排列于一圓弧上的N個激光器構(gòu)成，所述圓弧的中心與所述合束勻光器的入射面的中心重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述合束勻光器由光束壓縮器、透鏡、勻光器構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述合束勻光器由光束壓縮器和透鏡構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述合束勻光器由勻光器和透鏡構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述合束勻光器由透鏡構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述合束勻光器由多模光纖功率合成器、透鏡、錐形勻光器、透鏡構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述擴束器由一組凸透鏡構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述擴束器由一凸凹透鏡和一凸透鏡構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述相位擴散器由一隨機空間相位調(diào)制器構(gòu)成。
【文檔編號】G02B27/48GK104252047SQ201310259800
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月26日
【發(fā)明者】胡燁 申請人:Cq科技有限公司