具有消散斑功能的激光投影系统的制作方法
【专利摘要】一种具有消散斑功能的激光投影系统，由多个激光器、合束匀光器、扩束器、相位扩散器、匀光器、光束整形器、投影芯片、投影镜头、以及一系列透镜组成。多个激光器为投影系统提供光源，合束匀光器将来自不同激光器的激光合束压缩并充分混合，扩束器将合束匀光后的激光扩束，并通过透镜以适当角度投射到相位扩散器上。相位扩散器对投射到相位扩散器上的激光按空间位置加上随机相位，并以一发散角耦合到匀光器中，再次充分混合。光束整形器将来自匀光器的光整合成与投影芯片一致的光束，并通过投影镜头将投影芯片上产生的图像投影到屏幕。通过本发明，激光光束的相干性大大减弱，从而达到消散斑的效果，并保证投影系统具有足够亮度的激光能量。
【专利说明】具有消散斑功能的激光投影系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及以激光为光源的投影系统的消散斑设计，尤其涉及一种具有消散斑功能的激光投影系统。在该激光投影系统中，消除了由于激光的高相干性而产生的散斑，以达到激光显示应有的高画质。
【背景技术】
[0002]激光是一种具有高亮度、发射单色相干光束的光源。这些特性使激光非常适合用于激光显示的光源。激光显示可为客户提供高功率的照明和饱和的色彩。然而，激光的相干性可能会导致一种现象，称为激光散斑。例如，激光由不同表面散射的相干光的干涉，会形成散斑图样。因此，当期望用激光器提供具有良好的色彩、明亮的图像时，如果不进行有效的消散斑，图像质量可由于激光散斑而劣化。
[0003]目前，已经披露了各种激光消散斑技术。例如，一种方法是增加激光器的纵模数量，即增加激光器的线宽，降低激光器相干性，以达到消散斑的目的。但是这种方法需要改变激光器本身的特性，因而不是对任何激光器都适用。比如目前市场上的二极管泵浦固体激光器(绿光)的线宽就很难被增加。
[0004]另一种方法是改变激光的偏振方向，以减少激光的干涉效应，达到消散斑的目的。例如，见美国专利号 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。但是一般情况下，这种做法较笨重，并且消散斑的效果也很有限。
[0005]还有一种方法是将激光器在空间排成阵列，提供空间非相干照明，以达到消散斑的目的。不幸的是，这种方法价格昂贵，而且现实中并不总是可行的，因为许多投影机需要采用几十、甚至几百只激光器。将如此多的激光器在空间排列，并且将所有激光都有效地投射到只有厘米量级、甚至亚厘米量级的投影芯片上，现实上非常困难。
[0006]还有另一种方法是通过产生许多不同的带有散斑的图样，并对这些图样进行时间平均，以减少激光散斑。例如，一种方法是采用振动显示屏。但是，对于一个大型投影屏幕，这是不实用的。因此，更常见的方法是使用一个外部光学元件，如扩散器(例如，见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，见美国专利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)、或随机衍射光学兀件(例如，见 L.Wang 等人，“Speckle reduct1n in laser project1nsystems by diffractive optical element, ^Appl.0pt.37,第 177-1775 页，1998 年)。随着时间的推移，通过振动或旋转，可以产生多个不同相位的图样。扩散器的相位也可以通过加在扩散器上的电压来控制。例如，美国专利US2008/0106779Al，Mark DavidPeterson, David Ell1tt Slobodin, “Laser Despeckle Device”，2007 年 10 月 31 日。这样，无需振动或旋转扩散器本身，即可改变通过扩散器的激光的相位，提高了系统的稳定性。
[0007]然而，文献中披露的消散斑主要针对单一激光器(作为光源)。因为许多高亮度的投影机需要采用几十、甚至几百只激光器，所以需要采用新的消散斑方法来实现多个激光光源的有效消散斑。
【发明内容】
[0008]本发明旨在提供一种有效的消散斑方法和具有消散斑功能的激光投影系统，适用于以激光为光源的投影系统，特别是基于多个激光器为光源的投影系统。
[0009]根据本发明的具有消散斑功能的激光投影系统由多个激光器1、合束匀光器2、扩束器3、相位扩散器5、匀光器7、光束整形器8、投影芯片9、投影镜头10、以及一系列透镜4、6组成。多个激光器为投影系统提供具有足够亮度的光源，合束匀光器将来自不同激光器的激光进行合束压缩并充分混合，扩束器将合束匀光后的激光按照相位扩散器的大小进行扩束，并通过透镜以适当的角度投射到相位扩散器上。相位扩散器对投射到相位扩散器上的激光按空间位置加上随机相位，并以一定的发散角通过另一透镜耦合到匀光器中，进行充分混合。光束整形器将来自匀光器的光整合成与投影芯片形状、大小一致的光斑(一般为方形或长方形)，并通过投影镜头将投影芯片上产生的图像投影到屏幕。通过本发明的合束、匀光、扩束、相位扩散、再匀光过程，激光光束的相干性大大减弱，从而达到消散斑的效果，并能保证投影系统所需的具有足够亮度的激光能量。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]根据下面给出的详细描述，结合附图，本发明将被更充分地理解。在附图中:
[0011]图1是本发明的基于多个激光器、具有消散斑功能的激光投影系统的第一实施例结构图(光学部分)。
[0012]图2是本发明的具有消散斑功能的激光投影系统第二实施例结构图。
[0013]图3是本发明的具有消散斑功能的激光投影系统第三实施例结构图。
[0014]图4是本发明的具有消散斑功能的激光投影系统第四实施例结构图。
[0015]图5是本发明的具有消散斑功能的激光投影系统第五实施例结构图。
[0016]图6是本发明的具有消散斑功能的激光投影系统第六实施例结构图(合束匀光部分)。
[0017]图7是本发明的具有消散斑功能的激光投影系统第七实施例结构图。
[0018]图8是本发明的具有消散斑功能的激光投影系统第八实施例结构图。
[0019]图9是本发明的具有消散斑功能的激光投影系统第九实施例结构图。
【具体实施方式】
[0020]图1示意性地示出了本发明的基于多个激光器、具有消散斑功能的激光投影系统的第一实施例结构图(光学部分)。激光投影系统由多个激光器11、合束匀光器12、扩束器13、相位扩散器15、匀光器17、光束整形器18、投影芯片19、投影镜头10、以及一系列透镜
14、16组成。多个激光器为投影系统提供具有足够亮度的光源，合束匀光器将来自不同激光器的激光进行合束压缩并充分混合，扩束器将合束匀光后的激光按照相位扩散器的大小进行扩束，并通过透镜以适当的角度投射到相位扩散器上。相位扩散器对投射到相位扩散器上的激光按空间位置加上随机相位，并以一定的发散角通过另一透镜耦合到匀光器中，进行充分混合。光束整形器18将来自匀光器的光整合成与投影芯片形状、大小一致的光斑(一般为方形或长方形)，并通过投影镜头将投影芯片上产生的图像投影到屏幕。通过本发明的合束、匀光、扩束、相位扩散、再匀光过程，激光光束的相干性大大减弱，从而达到消散斑的效果，并能保证投影系统所需的具有足够亮度的激光能量。
[0021 ] 激光器的波长可以是相同的(例如532nm)，也可以是不相同的(例如635nm、532nm、445nm)。目前一般单管红绿蓝激光器功率分别为0.5瓦、I瓦、I瓦。所以在高亮度投影机中，通常需要采用几十只、甚至几百只激光器。投影芯片19 一般采用单片DigitalLight Processing (数字光处理，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。消散斑可根据图1所示方法对三色光分别进行，然后将三束光合并后，射入投影芯片。这时，需要三套光路来分别实现三色光的消散斑。也可以根据图1所示方法对三色光同时进行处理。这时，只需要一套光路来实现三色光的消散斑。相位扩散器15可以是透射型的(如图1所示)，也可以是反射型的。如采用反射型相位扩散器，部件16、17、18、19和10需适当调整，以便有效接受来自相位扩散器反射或透射的光。为了描述方便和便于理解，以下假设激光器的波长相同(例如532nm),相位扩散器15为透射型。
[0022]现分析激光通过各部件后的空间相位、强度分布。在合束匀光器12之前，在垂直于光轴的截面上，由于空间各点的光来自不同的激光器，各激光器的光束大小有限，所以强度分布不均匀，且来自同一激光器的光斑的相位具有很强的相干性，即散斑效应严重。激光经过合束匀光器12之后，来自不同的激光器的光得到充分混合，因此强度分布均匀性大大提高。空间某一点的光强来自不同的激光器，但来自同一激光器的光强部分仍然具有很强的相干性，即散斑效应依然存在。为了使来自不同的激光器的光得到充分混合，在合束匀光器12中的光束直径不宜过大。因此，激光通过合束匀光器12后，需通过扩束器13扩束、准直，然后通过透镜14准确地汇聚到相位扩散器15之上。相位扩散器15可以看成包含有一个nXm矩阵的多个单元格。各单元的相位可由加在相位扩散器15上的电压控制，并且可互不相干。因此，相位扩散器15可以看成一片随机相位模板。当激光通过相位扩散器15后，空间某一点的光强来自不同的激光器，且具有与其他点不相干的相位，即激光的空间相干性已大大减弱。这些具有随机相位的激光通过透镜16被耦合入匀光器17进行再次混合后，空间某一点的光强既有来自不同激光器部分，又有来自同一激光器但具有不同相位的部分。因此，激光的空间相干性已彻底被破坏，即散斑效应已被消除。这些光经过光束整形器18被整形成与投影芯片19 一致的方形或长方形后，投入投影芯片，产生图像，并通过投影镜头10放大后投射到屏幕，形成高画质图像(即经过消散斑的图像)。
[0023]图2示意性地示出了本发明第二实施例的结构图。N个波长为532nm的激光器21构成光源，排列于一圆弧28上。来自这些激光器的激光以不同角度射入光束压缩器22。为了提高激光的耦合效率，光束压缩器22的入射面的中心与圆弧的中心重合。为了采用尽可能多的激光器，使用的激光器的尺寸应尽可能小。例如，可使用南京长青激光科技有限公司的I瓦迷你激光器。另外，使用的光束压缩器22的接收角应尽可能大。例如，EdmundOptics的接收角为25。或40。的Compound Parabolic Concentrator (复合抛物面聚光器，CPC)。从使用的光束压缩器22出射的激光经过透镜23被耦合入匀光器24，进行光混合。之后，经透镜25扩束，透镜26汇聚后，进入相位扩散器27。可见，第二实施例中的光束压缩器22、透镜23、勻光器24,相当于第一实施例中的合束勻光器,第二实施例中的透镜25相当于第一实施例中的扩束器。
[0024]图3示意性地示出了本发明第三实施例的结构图。N个波长为532nm的激光器31构成光源，排列于一圆弧38上。来自这些激光器的激光以不同角度射入光束压缩器32。为了提高激光的耦合效率，光束压缩器32的入射面的中心与圆弧的中心重合。为了采用尽可能多的激光器，使用的激光器的尺寸应尽可能小。例如，可使用南京长青激光科技有限公司的I瓦迷你激光器。另外，使用的光束压缩器2的接收角应尽可能大。例如,Edmund Optics的接收角为25°或40°的Compound Parabolic Concentrator (复合抛物面聚光器，CPC)。从使用的光束压缩器32出射的激光经过透镜33扩束、透镜34汇聚后，进入相位扩散器35。于第二实施例相比，第三实施例中省略了匀光器，因此成本会有所降低，但消散斑效果会低一点。该结构对线宽相对宽的激光器较有效，因为宽线宽激光器的消散斑会相对容易一些。
[0025]图4示意性地示出了本发明第四实施例的结构图。N个波长为532nm的激光器41构成光源，排列于一圆弧48上。来自这些激光器的激光以不同角度射入匀光器42。为了提高激光的耦合效率，匀光器42的入射面的中心与圆弧的中心重合。为了采用尽可能多的激光器，使用的激光器的尺寸应尽可能小。例如，可使用南京长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的接收角应尽可能大。例如，Edmund Optics的大数值孔径用Light Pipe Homogenizing Rod (光管均质杆)。从勻光器42出射的激光经过透镜43扩束、透镜44汇聚后，进入相位扩散器45。与第二实施例相比，第三实施例中省略了光束压缩器，因此成本会有所降低，但能采用的激光器个数会少一点。该结构对亮度要求不那么高的投影仪系统较有效。
[0026]图5示意性地示出了本发明第五实施例的结构图。N个波长为532nm的激光器51构成光源，排列于一圆弧58上。来自这些激光器的激光以不同角度射入透镜52，经透镜53汇聚后，进入相位扩散器54。于第二实施例相比，第三实施例中省略了光束压缩器和匀光器，因此成本会有所降低，但激光器的排列要求会非常严格，因为所有的激光都必须有效地耦合入直径只有数毫米的相位扩散器54。并且，采用的激光器个数会少一点，消散斑效果会低一点。该结构对亮度要求不那么高，采用线宽相对宽的激光器作为光源的投影仪系统较有效。
[0027]图6示意性地示出了本发明第六实施例的结构图。N个波长为532nm的激光器61构成光源。这些激光器先分别与多模光纤62稱合后,再与光纤功率合成器63熔合,实现合束。光纤功率合成器63的输入端的多模光纤的芯径较输出端多模光纤64的芯径小。光纤功率合成器63的输入端口数可为7、19、37等，输出端口数可为1、7、19、37等。为了实现激光的充分混合，输出端采用端口数为1、芯径较小、长度较长的多模光纤，例如芯径400微米、长度5米。与第二实施例相比，第六实施例中采用了光纤功率合成器63实现激光的合束匀光，因此可靠性会有所提高，可合束的激光器数量会增加，但成本会有所升高，激光能量损失也会有所升高。
[0028]图1示意性地示出了本发明第七实施例的结构图。N个波长为532nm的激光器通过第六实施例所不光纤功率合成器的合束勻光后，由多模光纤71输出。从多模光纤71输出的激光经透镜72，由锥形匀光器73进一步匀光。因为多模光纤的芯径较小(一般小于I毫米)，应使用入射孔径小，出射孔径大的锥形勻光器。例如，Edmund Optics的Tapered LightPipe Homogenizing Rod(锥形光管均质杆)。由锥形勻光器73出射的激光经透镜74扩束，透镜75汇聚后，进入相位扩散器76。与第二实施例相比，第七实施例中采用了多模光纤71和锥形匀光器73多次匀光，因此消散斑效果会更好，但成本会有所升高。
[0029]图8示意性地示出了本发明第八实施例的结构图。N个波长为532nm的激光器通过第六实施例所不光纤功率合成器的合束勻光后，由多模光纤81输出。从多模光纤81输出的激光经透镜82、83扩束，透镜84汇聚后，进入相位扩散器85。与第七实施例相比，第八实施例中省略了锥形匀光器，只采用了多模光纤81匀光，因此消散斑效果会低点，但成本会有所降低。
[0030]图9示意性地示出了本发明第九实施例的结构图。N个波长为532nm的激光器通过第六实施例所不光纤功率合成器的合束勻光后，由多模光纤91输出。从多模光纤91输出的激光经凸凹透镜92、凸透镜93扩束，凸透镜94汇聚后，进入相位扩散器95。与第八实施例相比，采用了凸凹透镜结合的方式，实现扩束。
[0031]值得一提的是，上述发明的实施例不应被认为具有限制意义，许多变化是可能的。例如，相位扩散器也可以是反射型的。如采用反射型相位扩散器，只需适当调整相位扩散器之后的光学部件的位置，以便有效接受从相位扩散器反射的光。
[0032]另外，上述发明所述的实施例对一套光路的消散斑方法进行了描述。上发明所述的消散斑方法也可分别应用于多套光路。每套光路激光器的波长可以是相同的，也可以是不同的。
[0033]还有，上发明所述的实施例对一套光路中包含多个激光器的消散斑方法进行了描述。上发明所述的消散斑方法也可应用于只包含单个激光器的光路。
[0034]相关文献:
[0035]专利文献
[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]其他文献
[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 页，1998 年。
【权利要求】
1.一种具有消散斑功能的激光投影系统，其特征在于，由多个激光器、合束匀光器、扩束器、相位扩散器、匀光器、光束整形器、投影芯片、投影镜头、以及一系列透镜组成。
2.根据权利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系统，其特征在于，所述激光器由排列于一圆弧上的N个激光器构成，所述圆弧的中心与所述合束匀光器的入射面的中心重合。
3.根据权利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系统，其特征在于，所述合束匀光器由光束压缩器、透镜、匀光器构成。
4.根据权利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系统，其特征在于，所述合束匀光器由光束压缩器和透镜构成。
5.根据权利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系统，其特征在于，所述合束匀光器由勻光器和透镜构成。
6.根据权利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系统，其特征在于，所述合束匀光器由透镜构成。
7.根据权利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系统，其特征在于，所述合束匀光器由多模光纤功率合成器、透镜、锥形勻光器、透镜构成。
8.根据权利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系统，其特征在于，所述扩束器由一组凸透镜构成。
9.根据权利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系统，其特征在于，所述扩束器由一凸凹透镜和一凸透镜构成。
10.根据权利要求1所述的具有消散斑功能的激光投影系统，其特征在于，所述相位扩散器由一随机空间相位调制器构成。
【文档编号】G02B27/48GK104252047SQ201310259800
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月26日 优先权日:2013年6月26日
【发明者】胡烨 申请人:Cq科技有限公司