专利名称：一种光棒型激光消相干均匀照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光棒型激光消相干均匀照明系统，使出射光场强度分布均匀化以及消除因激光的干涉产生的散斑效应，适用于激光前投影、激光背投影电视或其他对激光均匀性有很高要求的仪器设备。
背景技术：
激光作为一种亮度高、单色性好、方向性好的光源得到广泛的应用。在显示系统中，单色高亮度的照明光源对显示图像的质量起着重要的作用，对显示系统的性能有极大的提高，但是，由于激光的光场在整个截面上通常不具有均匀分布的光强，比如激光的高斯分布，使得激光在照明区域内光场分布极度不均匀。对于照明均匀性要求很高的激光前投影、激光背投影电视中LCD或LCOS的照明，光强分布的不均匀性将直接影响到系统的性能。另外，光能的利用率也是照明系统中非常重要的一个因素，由于光源光斑通常为圆形，而仪器设备需照明的区域很多情况下都是矩形或正方形，这种照明光场与需照明的区域形状的不匹配会严重影响光能的利用率，虽然通过特殊工艺，比如对照明光路中的元件镀增透膜可以适当提高整个照明系统的透过率，从而提高光能的利用率，但是，这种利用率的提高非常有限。还有，由于激光具有极高的相干性，在照明面上会有明显的干涉条纹，在显示投影系统中，直接影响图像的质量。
目前，作为使光强均匀化的光学均匀器主要为阵列型器件，可以是复眼透镜、微复眼透镜和阵列反射镜等，阵列型器件的各单元一般采用胶合方式集成。阵列型均匀器照明光路采用柯拉照明方式，复眼透镜均匀照明的原理见图1，由各透射单元透镜分割波面，每一单元都将它所覆盖的不均匀光场投射到照明区域内叠加，形成均匀的照明，适当增加单元数，可以提高混光均匀性。但是，阵列型透镜或反射镜存在工艺技术复杂、截面尺寸大、照明光路复杂、体积大、成本高和产品合格率低等难题，更重要的是对于用激光作光源的照明系统，用于胶合单元镜的胶层会对激光产生强烈的吸收，使得光能利用率降低，而且产生的热能还会损伤均匀器件，透镜元边界的散射和表面反射也会降低光源的利用率。
为了克服激光干涉条纹，人们采用了各种不同的方法，比如振动屏幕，声波以及各种复杂的光学系统。有人使用光纤，有人使用全息的方法，虽然可以达到消相干的目的，但系统复杂，造价昂贵。
发明内容
本发明的技术解决问题是针对现有技术的不足，提供一种新型的光棒型激光消相干均匀照明系统，使得在对入射光束的形状改变的同时，满足照明高均匀性要求以及消除激光干涉条纹，本发明系统简单，成本低，可以适用于用激光作为照明光源的仪器设备中，比如前投影、背投影激光电视。
本发明的技术解决方案一种光棒型激光消相干均匀照明系统，其特点在于它由激光器、位相调制元件、光束耦合系统及光棒组成。位相调制元件可置于光束耦合系统之前也可置于光束耦合系统之后。激光器发出的光束经位相调制元件调制位相后，再经光束耦合系统入射到光棒。光棒为细长型六面体棱镜，可以是柱体棱镜或锥体棱镜，光棒入射端面与光束耦合系统的会聚光斑重合，出射端面与入射端面平行，可以是长方形也可以是正方形。入射光束经光棒四个内表面多次反射混光，即所谓的光积分平均，在光棒的输出端输出矩形或正方形强度均匀的光场。
本发明所述的位相调制元件，是一透明光学材料薄板，可以是微光学元件，也可以是随机位相板。通过小型电机的驱动，以一定速度绕旋转轴转动，实时改变激光波面各点的位相分布，使通过光棒出射的光线互不相干，从而消除激光在光棒出射端面的干涉条纹。
本发明所述的光束耦合系统，对于激光光束口径和发散角都小的情况，由一准直系统和一会聚透镜组成或与其有等效功能的光学系统组成；而对于发散角较大的激光光束，根据具体情况，耦合系统由三片或四片或更多的透镜元件组成一个复杂的会聚系统将光耦合进光棒。
激光光强空间分布极度不均匀，通常为高斯分布，经光束耦合系统后，变为角度分布的不均匀性，入射光棒后，因在光棒内的多次反射实现混光。合理设计光棒几何参数，使光强空间分布的混光范围与出射截面匹配，则出射光强的空间不均匀性将因光线在光棒内的混合叠加，得到均匀的出射光强。
本发明所述的光棒，包括光线在固体透明介质内部传输的实心棒，也包括光线在四个固体界面围成的空间中多次反射的空心棒。实心棒和空心棒均可以是柱形光棒和锥形光棒。实心棒的入射端面和出射端面镀增透膜，四个表面可以镀反射膜，也可以不镀膜；空心棒通常都在内表面镀增反膜。光棒的长度根据照明均匀性要求确定，出射端面的形状根据需照明区域的形状确定，可以是正方形，也可以是矩形。入射到光棒的圆形或椭圆形光束经光棒的多次反射混光，光线空间位置被调制，在光棒的出射端，光束形状和光棒的出射端面形状一致，得到在长方形或矩形区域内均匀分布的光场。
本发明与现有技术相比具有以下优点1.采用单片位相调制元件对激光位相进行实时调制，结构简单，可以消除照明面上的激光干涉条纹，提高照明性能。
2.采用光棒实现照明光场的混光和均匀化，波前分割次数较多，除了保证照明区域的光场均匀性外，还可以同时对入射的圆形等光束整形，输出光束为所需要的形状，比如正方形或矩形，能量损失少，光能的利用率高。
图1为现有技术阵列型光束均匀器原理图；图2为本发明的光棒的工作原理图；图3为本发明的位相调制元件工作示意图；
图4为本发明的当激光光束口径较小时光棒型激光消相干均匀照明系统示意图。
具体实施例方式
如图2所示，方棒设计可以采取各种不同的形状，本发明采用实心柱棒，入射端面和出射端面均为矩形。光棒作为光能积分器的原理如图2A所示，一束圆形光经光束耦合系统耦合到光棒中，在光棒入射端光斑形状如图2B所示，进入方棒的光线角度由光束耦合系统3决定。进入方棒的各条光线经多次全反射，在方棒出射端面形成均匀的光斑输出，如图2C所示，通过方棒由圆形光束转换为矩形光束。
位相调制元件工作原理如图3所示，在电动机5上用螺纹紧固联接件固定安装位相调制元件2。电动机5以一定速度转动带动位相调制元件转动，激光光束不同点处的位相被随机调制，任意两点间的位相差对某一段观察时间来说是不定的，它在不同时刻所产生的各组干涉条纹将会叠加，叠加到一定程度时，条纹可见度下降，完全看不到干涉条纹。位相调制元件保持了激光的单色性和高亮度性。
本发明所说的光束耦合系统，根据激光器发出的光束口径大小及发散角的不同，可以采用不同的结构形式，使得激光按一定的孔径角要求被耦合进光棒。具体的对于激光光束口径和发散角都小的情况，耦合系统由一准直系统和一会聚透镜组成或与其有等效功能的光学系统组成；而对于发散角较大的激光光束，根据具体情况，耦合系统由三片或四片或更多的透镜元件组成一个复杂的会聚系统将光耦合进光棒。
本发明的光棒型激光整形均匀照明系统的一个实施例结构如图4所示，此实施例特别针对激光光束口径和发散角都小的情况，包括激光器1、用于位相调制的位相调制元件2，光束耦合系统3及用于光传输和混光的光棒4组成。光束耦合系统3包括用于准直放大激光光束口径的准直镜组(包括前透镜组31和后透镜组32)和会聚透镜33。本实施例中，激光器1波长为532nm，功率为20mw，光束口径为1mm，位相调制元件置于激光器1之后，光束经位相调制元件2对位相实时调制，位相调制元件为一透射型随机位相板，用于消除激光的空间相干性，避免在照明区域出现明亮的干涉条纹。光束耦合系统中准直透镜组的前透镜31采用负焦镜组，焦距为-10mm，后透镜组32焦距为正，焦距为100mm，光束经准直镜组准直后，口径增大10倍后为10mm。准直后的光束经会聚透镜33会聚，考虑到光棒出射光的最大孔径角度应小于10度，会聚透镜33焦距为28.4mm。会聚的光束进入光棒4后，经四个内表面的多次反射混光，即所谓的光积分平均，在光棒输出端形成矩形无干涉条纹的均匀光场。此实施例中，需照明区域为矩形，光棒采用实心柱棒，其入射和出射截面均为18mm×14mm，材料为熔石英，长度为180mm。
由于本发明可以进行各种变形和替换，具体的实施例作为例子被展示在图中，同时将被详细地描述。无论如何，本发明并不限于公开的特定形式，相反地，本发明覆盖包括在由所附权利要求书限定的本发明精神和范围内的各种变形、等效物和替换物。
权利要求
1.一种光棒型激光消相干均匀照明系统，其特征在于它由激光器(1)、用于激光位相调制的位相调制元件(2)、将激光耦合到光棒的光束耦合系统(3)及用于光传输和均匀化的光棒(4)组成，激光器(1)发出的激光经位相调制元件(2)调制位相后，再经光束耦合系统(3)入射到光棒(4)，入射光束经光棒(4)内表面多次反射混光，在光棒(4)的输出端输出矩形或正方形强度均匀的光场。
2.根据权利要求1所述的光棒型激光消相干均匀照明系统，其特征在于所述的位相调制元件(2)是透明光学材料薄板，可置于光束耦合系统(3)之前，也可置于光束耦合系统(3)之后。
3.根据权利要求2所述的光棒型激光消相干均匀照明系统，其特征在于所述的位相调制元件为微光学元件，或为随机位相板，通过小型电机驱动，以一定的速度绕旋转轴转动对激光位相实现实时调制。
4.根据权利要求1所述的光棒型激光消相干均匀照明系统，其特征在于所述的光棒(4)为细长型六面体棱镜，或柱体棱镜或锥体棱镜，出射端面与入射端面平行，是长方形或正方形。
5.根据权利要求4所述的光棒型激光消相干均匀照明系统，其特征在于所述的光棒(4)为光线在固体透明介质内部传输的实心棒，或光线在四个固体界面围成的空间中多次反射的空心棒，实心棒的输入、输出端面镀增透膜，表面镀反射膜，或不镀膜；空心棒在内表面镀增反膜。
6.根据权利要求1所述的光棒型激光消相干均匀照明系统，其特征在于所述的光束耦合系统(3)使激光按孔径角要求耦合进光棒。对激光光束口径和发散角都小的情况，耦合系统由一准直系统和一会聚透镜组成或与其有等效功能的光学系统组成；而对于发散角较大的激光光束，根据具体情况，耦合系统由三片或四片或更多的透镜元件组成一个复杂的会聚系统将光耦合进光棒。
全文摘要
一种光棒型激光消相干均匀照明系统，包括激光器、位相调制元件、光束耦合系统及光棒。位相调制元件置于激光器与光棒的光路之间，可以置于光束耦合系统之前，也可置于光束耦合系统之后。激光器发出的光束经位相调制元件调制位相后，再经光束耦合系统入射到光棒，入射光束经光棒内表面多次反射混光，在光棒的输出端输出矩形或正方形激光强度均匀的光场。本发明用位相调制元件对激光的位相进行随机调制，消除出射光束因激光干涉造成的干涉条纹；另外，采用光棒实现任意形状激光束的整形和光强的均匀化，具有制造简单、实用化等特点，适用于对照明均匀性要求很高的仪器设备，特别是激光正投影、背投影电视机等的照明系统。
文档编号G02F1/01GK1734308SQ20041000942
公开日2006年2月15日 申请日期2004年8月13日 优先权日2004年8月13日
发明者林妩媚, 廖志远, 邢廷文, 廖志杰 申请人:中国科学院光电技术研究所