一种基于复眼透镜的激光显示起偏匀场整形装置的制作方法

本实用新型涉及激光显示技术领域，特别是应用于激光照明、激光显示及以相干光为光源的光学设备与仪器，具体为一种基于复眼透镜的匀场整形装置光路设计。

背景技术：

激光具有高亮度、单波长，光束质量好等特点，在激光显示领域和激光照明领域具有广阔的应用前景。但由于激光器出射光为偏振光，且功率低，呈高斯分布，为了实现大功率激光照明，通常采用激光器与光纤耦合，多根光纤集束，实现大功率激光输出，采用两片式复眼透镜组和球面镜实现匀场整型，再采用PCS(PCS-Polarizing Conversion System偏振光转换器)实现非偏振光转化为偏振光，具体如图1所示。

在Lcos(Lcos-Liquid Crystal on Silicon硅基液晶)和LCD投影系统中，近似平行光的非偏振光1先后通过2、3复眼透镜和透镜5实现匀场和整型后的光场6，同时才复眼透镜3和球面镜5之间，放置PCS4，实现非偏振光转化为线偏正光，基于复眼透镜的匀场装置必须采用PCS实现偏振光转换，导致系统元器件成本高，系统光效率低于60％。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于复眼透镜的激光显示起偏匀场整形装置，能够高效率和低成本地实现匀场整型及偏振态光转化。

一种基于复眼透镜的激光显示起偏匀场整形装置，该装置包括光纤、准直透镜、PBS(Polarizing Beam splitters偏振分光棱镜)、反射镜、半波片、复眼透镜Ⅰ、复眼透镜Ⅱ以及透镜；

所述光纤的出射光路上依次设置准直透镜和PBS，PBS的出射面上设置半波片，PBS将光纤的激光光束分光后，S光反射的光路上设置反射镜，S光在反射镜上发生反射；P光透射过半波片后转变为S光出射，出射光路上依次设置复眼透镜Ⅰ、复眼透镜Ⅱ和透镜；反射和出射的两路S光以相同的角度射入复眼透镜Ⅰ，经复眼透镜Ⅱ和透镜，实现匀场和整型后的光斑。

进一步地，为了简化光路结构，利用内反射镜PBS代替PBS和反射镜的组合。

进一步地，通过改变半波片的位置可实现P光的输出。

进一步地，减少轴向光路尺寸以适用于不同空间限制，所述光纤与准直透镜垂直于复眼透镜轴线方向设置，半波片设置在内反射镜PBS的反射光出射面上；光束经内反射镜PBS分光，S光经内反射镜PBS反射后直接入射到复眼透镜，分光后的P光经内反射面内反射后，经半波片转化为S光，以相同的角度入射复眼透镜Ⅰ，经复眼透镜和透镜，实现匀场和整型后的光斑。

进一步地，为了提高照明光功率，采用两根光纤耦合方式；所述光纤、准直透镜、内反射镜PBS和半波片组成S光出射组件，两组S光出射组件呈中心对称设置，两组S光出射组件中光纤的光束同时位于垂直于复眼透镜轴线方向的直线上。

进一步地，为了克服不同空间对光路设计的限制，对准直透镜输入时采用平行光束，平行光束利用准直透镜对光纤输出光束准直或采用空间平行光束直接输入来实现。

进一步地，采用多根光纤，多种入射角度方式实现匀场整型及起偏功能。

进一步地，在PBS前入射光位置，或PBS与复眼透镜组之间放置散射片，进一步匀化，提高匀场效果。

有益效果：

1、本实用新型的生产成本低：由于PCS为几十片棱镜和波片胶合而成，加工精度高，工序复杂，因此价格高，而本实用新型利用PBS代替了PCS，PBS 数量少，加工难度低，因此可大幅度降低元器件成本；

2、本实用新型的光效率高：由于PCS受光面是间隔分布，必须置于复眼透镜后，入射光发散角大，光效率小于60％，本实用新型采用PCS、复眼透镜方式，先将准直后光束转化为偏振光，再经过复眼透镜匀场和整型，光效率大于 90％，本实用新型可提高系统光效率。

3、本实用新型的偏振转换效果好：由于PCS至于复眼透镜之后，入射光剩余发散角大，偏振态转换效果差，消光比较小；本实用新型采用准直透镜准直后，入射光发散角小，经PBS偏振态转换后，消光比大。

4、本实用新型的装置中各器件效率高，发热量小，可连续稳定工作，性能稳定，安全可靠。

附图说明

图1现有技术中基于复眼透镜和PCS的激光显示起偏匀场整形装置的光路图

图2本实用新型基于复眼透镜和PBS激光显示起偏匀场整形装置的光路图

图3本实用新型利用内反射镜PBS代替PBS的实施例

图4本实用新型采用垂直入射光路设计的实施例

图5本实用新型基于2×2内反射镜PBS和复眼透镜匀场、整型和起偏光路的实施例(垂直入射)

图6本实用新型基于2×2内反射镜PBS和复眼透镜匀场、整型和起偏光路的实施例(平行入射)

图7本实用新型基于多PBS和复眼透镜匀场、整型和起偏光路的实施例

图8基于Lcos的光路设计

其中：1-入射光束，2-复眼透镜Ⅰ，3-复眼透镜Ⅱ，4-PCS，5-透镜，6-匀场整型后光场，7、71、72、73-光纤，8、81、82、83-准直透镜，9-PBS，91、92、 93-内反射镜PBS，10、101、102、103-半波片，11-反射镜，111-内反射面，12、 16、19-Lcos模组，13-合束棱镜，14-投影镜头，15-X分光棱镜，17-反射镜， 18-分光镜，20-反射镜。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

实施例1

如附图2所示，本实用新型提供了一种基于复眼透镜的激光显示起偏匀场整形装置，该装置包括光纤7、准直透镜8、PBS9、反射镜11、半波片10、复眼透镜Ⅰ2、复眼透镜Ⅱ3以及透镜5；

光纤的出射光路上设置准直透镜8和PBS9，PBS9的出射面上设置半波片 10，PBS9将光纤的激光光束分光后，S光反射的光路上设置反射镜11，S光在反射镜11上发生反射；P光透射过半波片10后转变为S光出射，出射光路上依次设置复眼透镜Ⅰ2、复眼透镜Ⅱ3和透镜5；反射和出射的两路S光以相同的角度射入复眼透镜Ⅰ2，经复眼透镜Ⅱ3和透镜5，实现匀场和整型后的光斑6。

实施例2

如图3所示，在实施例1的基础上采用内反射镜PBS91的内反射面111实现内反射，代替实施例1中的反射镜11，简化了装置的整体结构。

实施例3

如图4所示，光纤7与准直透镜8垂直于复眼透镜2轴线方向入射，经PBS91 分光，S光经内反射镜PBS91反射，直接入射到复眼透镜Ⅰ2，分光后的P光经内反射面111内反射后，经半波片10转化为S光，以相同的角度入射复眼透镜Ⅰ2。本实施例有利于减少轴向光路尺寸，适用于不同空间限制。

实施例4

为了提高照明光功率，可采用两根光纤耦合方式，如图5所示，光纤71、准直透镜81、内反射镜PBS91和半波片101组成S光出射组件，两组S光出射组件呈中心对称设置，两组S光出射组件中光纤的光束同时位于垂直于复眼透镜轴线方向的直线上。

光纤71和72输出的两束光束，经准直透镜81和82准直后，利用内反射镜PBS91和92起偏，经两片半波片101和102将P光转化为S光，一并照射到复眼透镜Ⅰ2，分光后的S光经内反射镜PBS91和92的内反射面111反射，直接入射到复眼透镜Ⅰ2，经复眼透镜Ⅱ3和透镜5，实现匀场和整型后的光斑6。

实施例5

为了克服不同空间对光路设计的限制，可采用光纤与准直透镜平行于复眼透镜轴线的方式入射，如附图6所示。

实施例6

如附图7所示，本实施例采用三根光纤入射，其中光纤71和光纤73所在的S光出射组件入射角度一致，光纤72位于光纤71和光纤73之间，光纤72 所在的S光出射组件入射角度与光纤71和光纤73所在的S光出射组件入射角度相差180度；光纤71、72和73与准直透镜81、82和83以平行于复眼透镜Ⅰ2和Ⅱ3轴线的方式入射，光束分别经准直透镜81、82和83准直后，利用内反射镜PBS91、92和93起偏，经三片半波片101、102和103将P光转化为S 光，一并照射到复眼透镜Ⅰ2；分光后的S光经内反射镜PBS91、92和93的内反射面111反射，直接入射到复眼透镜Ⅰ2经复眼透镜Ⅱ3和透镜5，实现匀场和整型后的光斑6。

实施例7

如图8所示，一种基于本实用新型的投影显示装置，包括本实用新型的匀场整型装置部分以及投影显示部分。工作时，激光光源71、72经光纤输出白色激光，经过准直透镜81、82准直后为平行光束，经过PBS91、92分光后为两束 P光和两束S光，P光经波片101、102后，转化为S光，四束S光束经汇聚透镜5汇聚后，X分光棱镜15分光，绿光(或红光，或蓝光)经反射镜20反射后，入射Lcos模组12，经Lcos模组12图像调制后，入射到合束棱镜13；X分光棱镜15分光后的其它两种光(绿光和蓝光)经反射镜17反射，和分光镜18 分光后，分别照射到Lcos模组16、19，经Lcos模组16、19图像调制后，入射到合束棱镜13，经投影镜头14实现投影显示。

装置将入射的自然光高效率的转换为固定的偏振态，经X镜以及分光镜分为红、绿、蓝三路光入射到各自的Lcos中进行光的调制，最终实现图像的输出。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。