一种消相干和匀场装置的制作方法

专利名称：一种消相干和匀场装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光领域，具体涉及激光显示领域中的消相干和勻场装置。
背景技术：
激光由于其高亮度、单色性、方向性而在显示领域中具有无可比拟的优
势。激光显示的基本原理是R、 G、 B三色激光分别经过整形、扩束、匀场、 消相干等步骤后，再经过光阀调制后由合色棱镜合色，最后经过投影物镜采 用前投或背投方式投影到屏幕。与其他显示技术所采用的非相干光源不同， 激光具有相干性，如果没有对其进行消相干处理直接作为光源投影，在接收 屏上我们会看到明显的亮度不均的斑紋图像，即所谓的散斑，这样的图像质 量非常影响观者感受，因此在激光显示技术中，消相干是必不可少的一道步 骤。
公开号分别为CN1900813和CN1734308以及授斥又号为CN2555523的 专利均采用转动的漫透射元件来调制激光，打乱其相位以实现消相干，然后 将透射光耦合进聚光棒进行匀场，这种方法中消相干和匀场功能由不同的 装置完成，且由于漫透射元件透过率有限，造成激光的利用率低下；另外， 这种方法对部件的安装精度要求较高(在转动时，入射光需始终垂直入射到 漫透射元件表面)；此外，这种方法造成消相干和匀场装置之间还有耦合装 置，使得系统部件较多，难以缩减体积。 发明内容
因此，为了克服现有技术不足，本实用新型提供一种能同时实现消相干 和匀场功能的装置。
一方面，本实用新型提供一种用于激光光束的消相干匀场装置，包括，
漫反射板，具有漫反射面，所述漫反射面用于接收并漫反射所述 激光光束以得到多束散射激光；
全反射腔，用于在其内壁全反射所述散射激光并产生定向输出的 出射光束，其中，所述全反射腔具有相对的两端，所述漫反射板设置 在所述全反射腔的 一端并覆盖所述端，其漫反射面朝向全反射腔；匀化透镜，所述匀化透镜设置在所述出射光束的光路中，以使得 所述出射光束在到达目标区域时照度均匀分布。
上述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中还包括光束引导装 置，用于将所述激光光束导向所述漫反射板。
上述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中，还包括偏振透射
振的光束透过。
上述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中，还包括电机，所 述电机用于驱动所述漫反射板在自身平面内发生使得所述激光光束 在所述漫反射板上的入射点时刻变换的转动。
上述的用于激光光束的消相干勻场装置，其中，还包括电机，所 述电机用于驱动所述光束引导装置发生使得所述激光光束在所述漫 反射板上的入射点时刻变换的转动或振动。
上述的用于激光光束的消相千匀场装置，其中，所述匀化透镜为 自由曲面透镜或中继透镜组。
上述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中所述漫反射板的漫
反射面涂覆有高反射率的漫反射材料BaS0,或CaSO,,或者所述漫反射 板由具有粗糙漫反射面的高反射率陶瓷制成。
上述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中，所述光束引导装 置为带孔全反射镜或局部反射镜或仅允许以45°入射的光束透过的镀
制特殊膜的玻璃板。
上述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中，所述全反射腔为 轴对称结构或旋转对称结构。
上述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中，所述全反射腔形 状为CPC形或棱台形或棱柱形。
上述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中，所述全反射腔为 中空腔体，所述中空腔体的内壁镀有针对所述激光光束的全反膜。
上述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中，所述全反射腔为 由均匀透光物质制成的实心体，所述实心体的两端面镀有针对所述激 光光束的增透膜，外壁抛光并镀制或不镀制针对所述激光光束的全反 膜。
另一方面，本实用新型提供一种采用上述的用于激光光束的消相干匀场装置的激光显示系统。
本实用新型的有益效果是
1. 能同时实现消相干和匀场功能；
2. 激光利用率高；
3. 占用体积小，有助于显示系统实现微型化；
4. 可以全静态工作，无噪音并几乎不耗电，适用于便携式显示系统。


以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中 图1A为本实用新型的一个实施例的示意图； 图1B为在图U的基础上改进后的本实用新型装置的示意图； 图2为本实用新型的另一种实施例的示意图3为将图1A中所示的装置用于一种单片式DLP投影系统的示意图； 图4为将图1A中所示的装置用于一种三片式DLP投影系统的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的说明。 实施例1:
图1A为本实用新型的一个实施例的示意图，本实施例中的装置包括带 孔反射镜102、漫反射板103以及带动漫反射板103转动的电机104、全反 射腔105和自由曲面透镜106。
下面对本实施例中的本实用新型装置的构造加以详细说明。本实施例采 用带孔反射镜102(在申请号为CN200720305226. 8的实用新型专利中披露了 这种结构的带孔反射镜)来引导具有相干性的入射激光光束101进入全反射 腔105，为了尽量減小带孔反射镜102对光路的影响，带孔反射镜102上小 孔的尺寸应尽量小，可只比光束101的光束直径略大。本实施例中全反射腔 105采用四棱台(设计为四棱台是由于其底面形状与DMD光阀108形状匹配) 形状的中空腔(只有棱台的侧面，没有棱台的上下底面)，其内壁镀有对光 束101的波长全反射的膜。漫反射板103为能完全覆盖全反射腔105上底 面的圆形平板，其由电机104带动绕通过漫反射板103中心且垂直于漫反射 板103的轴在漫反射板103所在的平面内转动，漫反射板103应尽量平行地 靠近但不紧贴全反射腔105的上底面放置，以使尽量少的光束从二者之间的缝隙漏出，二者之间应留有适当空隙以保证漫反射板103在转动时与全反射 腔105之间没有摩^^,漫反射板103的迎光面均勻地涂覆有BaS04或CaS04 粉体材料，涂覆后的迎光面应为朗伯漫反射面，上述两种粉体材料在可见光 波段具有高反射率。自由曲面透镜106的入射表面和出射表面均应镀有针对 光束101的波长的增透膜。自由曲面透镜106应紧贴并完全覆盖全反射腔10 5 的出射端面(即四棱台的下底面)，以防止光束从两者之间的缝隙漏出。自 由曲面透镜106的作用是重新调整从全反射腔105出射端面的光束的能量分 布，其设计要使得最终落在DMD光阀108上的光束107的光照度均匀分布。 在设计自由曲面透镜106的尺寸、材料以及表面形状等一系列参数时应考虑 带孔反射镜102上的小孔和本实施例的光路中可能存在的所有对画D光阀 108的光照度的影响，设计工作可以由Zemax 2005或LightTools 6.0或 Tracepro 3. 0或其他类似光学设计软件完成，本领域技术人员在熟悉上述软 件使用方法后可以胜任这项设计工作。
下面对本实施例中的本实用新型装置实现消相干和匀场功能的工作原 理作出详细说明。光束101为具有相千性的激光，其通过带孔反射镜102的 小孔，穿过自由曲面透镜106进入全反射腔105,并照射在漫反射板103上， 照射的位置优选偏离漫反射板103转动时转轴所处的位置。由于漫反射板 103表面粗糙且对光束101具有高反射率，光束101在漫反射板103表面发 生几乎无能量损失的漫反射，分成的多束散射光向空间各个方向散射，这些 散射光在全反射腔105内部发生一次或多次(通常为多次)全反射，经过各 自不同的路径传播后从全反射腔105的出射端面出射，此时各散射光彼此间 的光程差已被随机调制，全反射腔105出射端面处的光束相干性大为减弱； 由于漫反射板103在电机104带动下不停转动，使得每一时刻由漫反射板103 上不同的部位(这些部位表面的粗糙情况不同)对入射光束101进行漫反射， 得到的散射光在空间的分布时刻都在变化，从而进一步减弱了激光的相干 性。基于显示领域熟知的聚光棒匀场原理，经过全反射腔105对散射光的多 次反射，其出射端面处的光照度已分布均匀，经过自由曲面透镜106后出射 的光束一小部分穿过带孔反射镜102的小孔损失掉，绝大部分光束被带孔反 射镜102反射后进入后续光路。经过自由曲面透镜106对光场的能量再分布， 可以在DMD光阀108处得到光照度均匀分布的非相干的光束107。至此，本 实用新型装置实现了对激光光束101的消相干和匀场功能。由于漫反射板 103的散射作用造成的退偏，全反射腔105出射端面处的光束为部分偏振光，从而光束107也为部分偏振光，其用于照射DMD光阀是完全可以接受的，但 不能直接用于照明LCD光阀或LC0S光阀等偏振性光调制元件。
图1B为在图1A的基础上改进后的本实用新型装置的示意图。采用图IB 中的装置产生的光束可用于照明LCD光阀或LC0S光阀等偏振性光调制元件。 与图1A不同的是，图1B在自由曲面透镜106和全反射腔105之间设置一个 偏振透射元件109,偏振透射元件109应比全反射腔105的出射端面的尺寸 大，并紧贴全反射腔105的出射端面放置，自由曲面透镜106则紧贴偏振透 射元件109。偏振透射元件109可以是镀制了特殊膜的透光板，这种镀制了 特殊膜的透光板只允许入射光束101以及从全反射腔105出射的与入射光束 101相同偏振方向的光透过，而将从全反射腔105出射的其他偏振方向的光 反射回全反射腔105内重新参与散射和匀场过程。使用偏振透射元件109可 以在LCD光阀111处得到非相干、线偏振且照度分布均匀的光束110。在全 反射腔105的上底面边缘还可以设置挡板112，从漫反射板103和全反射腔 105的缝隙漏出的光被挡板112收集并反射回全反射腔105重新利用，减少 了对光束的损耗。
漫反射板103的转轴优选位于其中心处，但是也可以不在中心处，漫反 射板103优选为圆形平板，但是也可以是任何形状的平板，只要漫反射板103 在转动一周的过程中均能完全覆盖全反射腔105的上底面即可。可选地，自 由曲面透镜106也可以与全反射腔105留有缝隙地分开放置。偏振透射元件 109还可以是本领域常见的偏振片和PBS棱镜等输出偏振光的元件，根据实 际情况可放置在光路中光阀前的其他适当位置。
通常情况下，由于漫反射板103的迎光面涂覆的BaS04或CaS04粉体材料 反射率非常高，可在可见光波段达到98%以上，而全反射腔105的内壁对入 射光束101的散射光反射率可以达到99%以上，而自由曲面透镜106表面镀 制的针对入射光束101的增透膜透射率可以达到99%以上，忽略少量从漫反 射板103和全反射腔105之间的缝隙漏掉的光束，整个发明装置对激光几乎 无损耗，光能的利用率极高，这对激光显示是极为重要的优点。
实施例2:
图2为本实用新型的另一种实施例的示意图。本实施例采用局部反射 镜202来引导具有相干性的入射激光光束201进入全反射腔205，局部反 射镜202反射部位镀有针对光束201的波长的高反膜，局部反射镜202透
8射部分镀有针对光束201的波长的增透膜，使用这种新型结构的局部反射
镜202是因为其尺寸可以做到完全接受光路中所有的光束，从而局部反射 镜202的固定装置不必出现在光路中，对光路没有干扰。光束201在局部 反射镜202上的法线为L轴，M轴通过光束201在局部反射镜202上的入 射点且稍稍偏离L轴一定角度，而电机204带动局部反射镜202绕M轴旋 转。当局部反射镜202旋转时，光束201在局部反射镜202上的入射角在 一个小范围内变化，从而改变光束201经局部反射镜202反射后在漫反射 板203上的落点，以时刻改变后续散射光的空间分布，加强消相干的效果。 漫反射板203为矩形，由于局部反射镜202在转动，漫反射板203就可以设 置成紧贴全反射腔205设置并处于静止状态，这样做的好处是没有光束从漫 反射板203和全反射腔205之间漏出。全反射腔205采用称为复合抛物形聚 光器(CPC, Compound Parabolic Concentrator, —种轴对称体)的中空腔， 其上下底面均为矩形(下底面形状与DMD光阀208形状匹配)，其内壁镀有 针对光束201的波长的全反射膜，使用这种形状的空腔对光束匀场可以得到 发散角很小的近平行光束，这意味着匀场后的光束的光学扩展量很小，这种 性能在投影显示中极为有利。从全反射腔205出射的光束为非相干照度均匀 的光束，其经过局部反射镜202后，形成类似日环食形状的光束206，虽然 阴影部分只占很小的一部分，但是不能将光束206直接照明DMD光阀208, 必须使用一中继透镜组207对全反射腔205出射端面的光束成像，使像面落 在DMD光阀208上，在光阀208处得到照度均匀的光束。
局部反射镜202的作用和实施例1中带孔反射镜102的作用本质上相同， 这里可以统称为光束引导装置。光束引导装置还可采用镀制特殊膜的玻璃 板，该特殊膜仅允许以45。入射其上的光透过，以其他角度入射的光则发生 全反射。因此将该镀制特殊膜的玻璃板相对入射激光45。放置即可将激光引 导至漫反射板。光束引导装置的形式可以是多种多样，只要是可以将入射 激光引导至漫反射板，同时对整个光路不会造成结构性影响的实现方式均 可。
本实施例中采用转动局部反射镜202改变入射光束201在漫反射板 203上的入射位置，使得漫反射板203不必转动，可以紧贴全反射腔205 放置，这样就不会留有空隙让光束漏出，当然上述局部反射镜202的转动 也可以改成振动来实现让漫反射板不同部位来散射入射光的目的，但是一 般来讲振动电机的寿命没有转动电机寿命长。当然，为了不留有空隙让光束漏出，也可将漫反射板203紧贴全反射腔205,使二者一同转动，但这 种方法既不简便，同时又对转动精度要求较高，因此不常用到。
中继透镜组207的设置属于投影显示领域的公知技术，本领域普通技术 人员可以胜任这项工作。需要特别说明的是，使用中继透镜组207是因为其 成本比自由曲面透镜低，易获得，且可以根据光路的具体情况进行调整，而 自由曲面透镜根据使用环境定制而成，通用性较差，因此在某些场合例如实 验或低成本场合，中继透镜组可以作为自由曲面透镜的良好的替代。并且因 为自由曲面透镜和中继透镜组所起的作用相似，均用于对出射光束进一步匀 化以在目标区域处(例如光阀)得到照度均匀的光束，这里可以统称为匀化 透镜。
本领域技术人员应理解，本实施例中的装置在加入偏振透射元件后，可 用于照明LCD光阀或LCOS光阀等偏振性光调制元件。
实施例3:
图3为将图1A中所示的装置用于一种单片式DLP投影系统的示意图。 本实施例中，三基色激光光源由红光激光器301、绿光激光器302和蓝光激 光器303组成，并分别发射具有相干性的红光321、绿光322、蓝光323。红 光321、绿光322、蓝光323分时复用地穿过带孔反射镜305的孔后，经由 自由曲面透镜309入射到漫反射板306上，漫反射板306由电机307带动转 动。全反射腔308的内壁镀有对红光321、绿光322、蓝光323全反射的薄 膜，三基色激光分別经过漫反射板306、全反射腔308和自由曲面透镜309 的处理后形成非相干光入射到TIR (total internal reflection)棱镜311 上，然后由DMD光阀310对其进行调制，调制后产生的图像经由投影透镜312 的放大被投射到屏幕313上。此处，自由曲面透镜309的设计需要考虑带孔 反射镜305的孔以及TIR棱镜311对光路的影响，使得落在DMD光阀310上 的光束光照度分布均匀。
本实施例由于采用了分时复用技术，因此可以使用单片DMD光阀分时复 用地对三基色光调制实现全彩色投影。可选地，不必使三基色激光从同一个 小孔入射，而是在在带孔反射镜305上设置3个孔让各色激光分别通过。
可选地，还可以去掉电机307,将漫反射板306紧贴全反射腔308与其 相对固定地设置，这样虽然会得到稍逊于有电机307时的消相干效果，但仍 在人眼可接受范围内，并且去掉电机307可以有效减少能耗；此外，现有的实验表明，若没有电机307,漫反射板306、全反射腔308和自由曲面透镜 309三者的总体积可以做到30mmx 10mmx 10mm以内，所以不采用电机307 的装置适合用于微型或便携式激光投影系统。
本领域普通技术人员应理解，图1B中所示的本实用新型装置可用于单 片式LCD投影系统或单片式LCOS投影系统。
实施例4:
图4为将图1A中的装置用于一种三片式DLP投影系统的示意图。激光 光源由红光激光器401、绿光激光器402和蓝光激光器403组成，其分别发 射红光、绿光和蓝光。本实施例采用了三套图1A中所示的装置分别对红光、 绿光和蓝光进行消相干和匀场处理。这里仅以绿光404为例进行说明，红光 和蓝光的工作过程与绿光404基本相同。绿光404穿过带孔反射镜405的小 孔并穿过自由曲面透镜406入射到漫反射板408上，漫反射板408由电机409 带动进行转动，被分成的多束散射光在全反射腔407内壁(全反射腔407内 壁镀有对绿光404全反射的薄膜)来回反射后经自由曲面透镜406出射，出 射光束经带孔反射4竟405的反射后入射到TIR( total internal reflection) 棱镜410，在绿光DMD光阀411上形成非相干的光照度均匀分布的光束，经 绿光DMD光阀411调制后的光束进入X-cube合色棱镜412与其他两种颜色 的激光合色，其中三色激光各自的光阀到X-cube合色棱镜412的光程设计 成相等，最后从X-cube合色棱镜412出射的合色光通过投影透镜组413投 影到屏幕414。
本实用新型装置中的全反射腔可以为轴对称体或旋转对称体，其出射端 面形状应与后续光路中的光阀形状匹配(即长宽比例一致)。在本实施例中， 使用棱台形状的全反射腔，是出于压缩出射光束发散角的考虑，事实上，由 于自由曲面透镜有重整光场的作用，全反射腔也可以采用棱柱形状。此外， 全反射腔也可以是由均匀透光物质(例如玻璃和透明塑料)制成的实心体， 实心体的外壁须抛光，外壁可镀针对入射光束波段的全反射膜或不镀膜(若 材料折射率和形状合适，光束在侧壁界面会发生全反射)，实心体的两端面 应镀有针对入射光束波段的增透膜。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人 员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本 实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围 当中。
权利要求1. 一种用于激光光束的消相干匀场装置，包括，漫反射板，具有漫反射面，所述漫反射面用于接收并漫反射所述激光光束以得到多束散射激光；全反射腔，用于在其内壁全反射所述散射激光并产生定向输出的出射光束，其中，所述全反射腔具有相对的两端，所述漫反射板设置在所述全反射腔的一端并覆盖所述端，其漫反射面朝向全反射腔；匀化透镜，所述匀化透镜设置在所述出射光束的光路中，以使得所述出射光束在到达目标区域时照度均匀分布。
2. 如权利要求1所述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中 还包括光束引导装置，用于将所述激光光束导向所述漫反射板。
3. 如权利要求1所述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中， 还包括偏振透射元件，所述偏振透射元件仅允许所述定向输出的出射光 束中沿某方向偏振的光束透过。
4. 如权利要求1所述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中， 还包括电机，所述电机用于驱动所述漫反射板在自身平面内发生使得 所述激光光束在所述漫反射板上的入射点时刻变换的转动。
5. 如权利要求1所述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中， 还包括电机，所述电机用于驱动所述光束引导装置发生使得所述激光 光束在所述漫反射板上的入射点时刻变换的转动或振动。
6. 如权利要求1所述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中， 所述勻化透镜为自由曲面透镜或中继透镜组。
7. 如权利要求1所述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中 所述漫反射板的漫反射面涂覆有高反射率的漫反射材料BaS04或 CaS04,或者所述漫反射板由具有粗糙漫反射面的高反射率陶瓷制成。
8. 如权利要求2所述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中， 所述光束引导装置为带孔全反射镜或局部反射镜或仅允许以45。入射 的光束透过的镀制特殊膜的玻璃板。
9. 如权利要求1-8之一所述的用于激光光束的消相干匀场装 置，其中，所述全反射腔为轴对称结构或旋转对称结构。
10. 如权利要求9所述的用于激光光束的消相干匀场装置，其中，所述全反射腔形状为CPC形或棱台形或棱柱形。
11. 如权利要求1-8之一所述的用于激光光束的消相干匀场装 置，其中，所述全反射腔为中空腔体，所述中空腔体的内壁镀有针对 所述激光光束的全反膜。
12. 如权利要求1-8之一所述的用于激光光束的消相干匀场装 置，其中，所述全反射腔为由均匀透光物质制成的实心体，所述实心 体的两端面镀有针对所述激光光束的增透膜，外壁抛光并镀制或不镀 制针对所述激光光束的全反膜。
13. —种采用权利要求1-8之一所述的用于激光光束的消相干匀 场装置的激光显示系统。
专利摘要本实用新型提供一种消相干匀场装置，包括漫反射板、全反射腔以及匀化透镜。本实用新型利用光束引导装置将待处理光束导向漫反射板，待处理光束经漫反射板漫反射后形成多束散射光。上述多束散射光在全反射腔内以各自不同的传播路径在全反射腔侧壁一次或多次全反射，彼此间的光程差被随机调制，互不相干，因此从全反射腔的出射端口出射的光束为非相干光，然后该非相干光再经过匀化透镜在目标区域形成光照度均匀分布的光束。另外本实用新型还可采取机械手段使得待处理光束在漫反射板上的入射点时刻变换，以提升消相干的效果。
文档编号G02B5/02GK201285471SQ20082010944
公开日2009年8月5日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者瑛 张, 华 成, 勇 毕, 贾中达, 颜世鹏 申请人:北京中视中科光电技术有限公司;中国科学院光电研究院