CN100367079C - 能够消除激光散斑的照明系统及采用其的投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够消除激光散斑的照明系统及一种采用该照明系统的投影系统。该照明系统包括具有至少一个激光器的激光光源，和将从激光光源发射的激光光束分为多个部分光束并通过周期移动时间平均该部分光束以消除激光散斑的第一衍射光学元件。因此，该系统能够消除从激光光源发射的光束的散斑并且采用该照明系统的投影系统能够获得高质量图像。

Description

能够消除激光散斑的照明系统及采用其的投影系统
本申请要求于2004年8月5日在韩国知识产权局提交的2004-61791号韩国专利申请的优先权，该申请的公开通过引用全部包含于此。
技术领域
本发明总体构思涉及一种能够消除从激光光源发射的激光光束的散斑的照明系统及一种采用该照明系统的投影系统，更具体地讲，涉及一种照明系统和一种能够通过移动衍射光学元件和时间平均部分光束来有效地减少或消除激光散斑的投影系统。
背景技术
由于包括激光光源的投影系统具有宽的色域，因此它们具有出色的准直性和高光效率。然而，这种投影系统具有由于相干照明所产生的散斑。散斑源于从漫反射表面散开的相干波的干涉交互作用。这种散斑构成了图像分辨率和图像质量恶化的重要原因。
在6,606,173B2号美国专利中公开的传统的用于消除散斑的投影仪在图1和图2中被说明。
参考图1，传统的投影仪包括激光光源1、光束扩张器2、全息漫射器3、第一场透镜4和第二场透镜5，它们都排列在相同的轴上。从激光光源1发射的高斯激光光束被光束扩张器2、全息漫射器3、第一场透镜4和第二场透镜5分为多个具有统一的矩形截面的光束。
参考图1和图2，从激光光源1发射的光束被光束扩张器2扩张为平行光束。该平行激光光束被全息漫射器3分为多个矩形光束。每个矩形光束以水平角θhoriz和垂直角θvert被散射。水平角θhoriz和垂直角θvert能够根据全息漫射器3的衍射模式被调节。矩形光束被第一场透镜4会聚，从而具有高斯分布的光束被变换为统一的光束。矩形光束被调节为具有与微显示系统对应的形状。已经穿过第一场透镜4的光束被第二场透镜5折射为远心光束。
由于该平行光束被全息漫射器3变换为多个具有统一的强度分布的矩形光束并且这些矩形光束被会聚，因此减少了激光散斑。然而，当只使用全息漫射器3减少激光散斑时，激光散斑并未完全被消除并且图像质量恶化。
发明内容
本发明提供一种能够通过旋转或周期性地移动衍射光学元件以有效地减少或消除激光散斑的紧凑的照明系统和一种采用该照明系统的投影系统。
本发明总体构思的另外一些方面将会在接下来的描述中部分地被阐述和，部分在描述中将会是明显的或可以通过本发明总体构思的实践了解。
本发明总体构思的上述的和/或其他方面可通过提供一种照明系统来被实现，所述照明系统包括：激光光源，其包括至少一个发射光束的激光器；和第一衍射光学元件，将从激光光源发射的光束分为多个部分光束并通过周期移动来将这些部分光束进行时间平均以消除光束散斑。
本发明的上述的和/或其他方面也可通过提供一种照明系统来被实现，所述照明系统包括：激光光源，其包括至少一个发射光束的激光器；第一衍射光学元件，将从激光光源发射的光束分为多个部分光束；和楔元件，被置于第一衍射光学元件之前或之后以接收从激光光源发射的光束之一和多个部分光束，并通过旋转和时间平均接收到的被发射的光束之一和部分光束来改变所述接收到的被发射的激光光束之一和部分光束的路径以消除散斑。
本发明的上述的和/或其他方面也可通过提供一种投影系统来被实现，所述投影系统包括：激光光源，其包括至少一个发射光束的激光器；第一衍射光学元件，将从激光光源发射的光束分为多个部分光束并通过周期移动来将这些部分光束进行时间平均以消除光束散斑；第二衍射光学元件，衍射从第一衍射光学元件发射的部分光束从而使所述部分光束具有与预定形状对应的形状；显示元件，具有预定的形状，以从被第二衍射光学元件衍射的光束中形成图像；投影透镜单元，放大所述图像并将该被放大的图像投影到屏幕上。
第一衍射光学元件可以是可旋转或线性可往复移动的。
本发明的上述的和/或其他方面也可通过提供一种投影系统来被实现，所述投影系统包括：激光光源，其包括至少一个发射光束的激光器；第一衍射光学元件，将从激光光源发射的激光光束分为多个部分光束；楔元件，被置于第一衍射光学元件之前或之后以接收从激光光源发射的光束之一和多个部分光束，并通过旋转和时间平均接收到的被发射的光束之一和部分光束来改变接收到的被发射的激光光束之一和部分光束的路径以消除散斑。第二衍射光学元件，衍射从第一衍射光学元件发射的部分光束从而使这些部分光束具有预定的形状；显示元件，具有预定的形状，以从被第二衍射光学元件衍射的光束中形成图像；和投影透镜单元，放大所述图像并将该被放大的图像投影到屏幕上。
第二衍射光学元件可以调节所述部分光束的发散角以增加所述部分光束的F/值。
所述部分光束可以包括多个子束，多个子束可以互相重叠并会聚。
显示元件可以包括透射式液晶显示屏、硅液晶、可变形微器件和栅状光阀之一。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明总体构思的上述和/或其他方面将会变得清楚和更容易理解，其中：
图1是示出传统的用于激光投影仪的照明系统的示图；
图2是示出在通过图1的传统的照明系统中包括的光束漫射器后得到的矩形光束的侧面图的示图；
图3是示出根据本发明总体构思的实施例的投影系统的示意图；
图4是示出在通过图3的投影系统中使用的第一衍射光学元件后得到的部分光束的侧面图的示图；
图5A是示出激光散斑被消除前的光束的照片；
图5B是示出本发明总体构思的实施例的激光散斑被根据照明系统消除后的光束的照片；
图6是示出被图3的投影系统中包括的第二衍射光学元件定形的光束的侧面图的示图；
图7是示出图3的投影系统被变形的示图；
图8是根据本发明总体构思的另一实施例的投影系统的示意图；和
图9是示出光束的路径随着图8的投影系统中所使用的楔元件旋转而周期性地变化的示图。
具体实施方式
现在，将详细说明本发明总体构思的实施例，实施例的示例将会在附图中例举，其中，相同的标号代表相同的元件。这些实施例将会参考图形被描述以解释本发明的总体构思。
图3示出根据本发明总体构思的实施例的能够消除散斑的投影系统。
参考图3，该投影系统包括激光光源20、消除从激光光源20发射的激光光束的光斑的可被旋转的第一衍射光学元件24、和使用通过第一衍射光学元件24的光束来形成图像的显示元件28。
将通过第一衍射光学元件24的光束定形的第二衍射光学元件26被置于显示元件28和第一衍射光学元件24之间的光路上。投影透镜单元30放大由显示单元8形成的图像并将该被显示元件28形成的图像投影到屏幕32上。
第一衍射光学元件24是可旋转的，从而来自激光光源20的光束能够被时间平均并因此可有效地消除散斑。图4示出第一衍射光学元件24的操作。参考图3和图4，第一衍射光学元件24包括多个个体元件24a，个体元件24a可以是圆形的，但也可以具有各种其他形状。每个来自激光光源20的光束通过第一衍射光学元件24的各个体元件24a，并且被变换为相互之间具有不同的相位和路径的部分光束27。部分光束27能够互相会聚并重叠。部分光束27的每个包括多个子束(beamlets)27a。
当第一衍射光学元件24被电机22旋转时，子束27a被时间平均从而消除了散斑。图5A示出散斑被消除前的激光光束，图5B示出通过旋转图3和图4中显示的投影系统的第一衍射光学元件24来消除散斑后的激光光束。
如下的方程给出激光散斑模式的对比值C，并且如果对比值C小于4％，那么，激光散斑模式对肉眼是不可见的。
方程1
C = < I i 2 > - < I i > 2 < I i > = &sigma; &mu; &times; 100 ( % )
其中<Ii>表示通过第一衍射光学元件24的第i个个体元件的光的平均强度，σ表示标准差，μ表示平均值。
每个通过第一衍射光学元件24的光束被分为具有统一的强度分布的部分光束27。也就是说，从激光光源20发射的具有高斯分布的激光光束被分为多个具有统一的强度分布的部分光束27，所述部分光束27在通过第一衍射光学元件24后，互相会聚，因此提高了图像质量。
图6示出第二衍射光学元件26的操作。参考图6，第二衍射光学元件26将所述部分光束衍射为与显示元件28的截面对应的截面。显示元件28可以是透射式液晶显示屏(LCD)、硅液晶(LCoS)、可变形微镜器件(DMD)、栅状光阀或类似器件。显示元件28可以是具有纵横比为4∶3或16∶9的矩形。由于从激光光源20发射的光束具有与显示元件28不同的形状，因此，有必要使从激光光源20发射的光束具有与显示元件28的形状对应的形状。例如，如图6所示，第二衍射光学元件26衍射圆形光束，从而该光束变为矩形光束以与显示元件28的形状对应。
另外，光束的发散角能够通过调节第二衍射光学元件26的衍射模式被控制。所述投影系统能够通过调节光束的发散角并增加照明系统的F/值(F/No)被小型化。
被第二衍射光学元件26定形的光束被显示元件28使用以形成图像，被显示元件28形成的图像被投影透镜单元30放大并被投影到屏幕32上。
激光光源20可以包括多个按照颜色连续地发射多个具有不同波长的激光光束的激光器。例如，激光光源20可以包括分别发射红(R)、绿(G)和蓝(B)激光束的第一、第二和第三激光。激光光源20连续发射R、G和B激光束以连续使用R、G和B激光束形成图像，并且图像被投影到屏幕32上以实现彩色图像。
根据本发明总体构思的实施例的照明系统包括：包括发射不同波长的光束的多个激光的激光光源20、将从激光光源20发射的光束的散斑消除的第一衍射元件24、和根据显示元件28将光束定形的第二衍射光学元件26。第一衍射元件24将从激光光源20发射的每个光束分为多个部分光束27，并且这些部分光束根据第一衍射元件24的旋转被时间平均以消除散斑。
在图3的投影系统中，通过旋转第一衍射元件24以时间平均所述部分光束来消除散斑。图7示出根据本发明总体构思的另一实施例的投影系统。参考图7，可通过使用移动元件25线性往复移动第一衍射元件24’以时间平均通过第一衍射元件24’的光束来消除散斑。图3和图7中具有相同标号的元件操作相同，因此具体的解释被省略。
图8示出根据本发明总体构思的另一实施例的照明系统及采用该照明系统的投影系统。
参考图8，该照明系统包括激光光源40、将从激光光源40发射的光束的散斑消除的第一衍射元件44、将光束定形的第二衍射光学元件46。可旋转的楔元件42被置于激光光源40和第一衍射元件44之间或第一衍射元件44和第二衍射光学元件46之间。楔元件42可以以具有楔形截面的板(例如，玻璃板)的形式被制造。
激光光源40包括多个发射具有不同波长的激光光束的激光器，并且楔元件42能够被电机41旋转。
图9示出楔元件42的操作。参考图9，从激光光源40发射的光束在其通过楔元件42时，被朝向第一衍射元件44折射。当楔元件42旋转时，光束的路径被周期性地改变。然后第一衍射元件44将每个被折射的光束分为多个部分光束。每个部分光束包括多个子束。
由于在光束入射到第一衍射元件44上之前，光束的路径根据楔元件42的旋转被周期性地改变，因此，获得与图3的投影系统类似的效果。因此，光束被时间平均并且散斑被消除。另外，所述部分光束互相会聚，从而具有高斯分布的光束被变换为具有统一的强度分布的光束。
从激光光源40发射的光束可具有圆形截面，并且第二衍射光学元件46将光束转换为具有与显示元件48对应的形状的光束。显示元件48从被第二衍射光学元件46转换的光束中形成图像，投影透镜单元50放大该图像并将该被放大的图像投影到屏幕52上。
激光光源40包括多个发射具有不同波长的激光光束的激光器。多个激光器连续发射具有不同的波长的光束以产生彩色图像。
在图8中示出的实施例中，通过旋转楔元件42而不是第一衍射元件44来消除散斑。在其中第一衍射元件24旋转的图3的实施例，与图8的实施例相比，可需要更大的用于第一衍射元件24的区域以及用于设计第一衍射元件24的衍射模式的更高成本。
根据本发明总体构思的实施例，照明系统能显著地减少或消除从激光光源发射的光束的散斑，并且投影系统能采用该照明系统以实现提高的图像质量。
如上所述，根据本发明的实施例的投影系统能够通过旋转衍射元件24或楔元件以时间平均所述部分光束来有效地消除散斑。而且，由于通过使用衍射元件能够减小所述部分光束的发散角，因此该投影系统能够是紧凑的。
尽管已经显示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明总体构思的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明总体构思的范围由所附权利要求及其等同物所限定。

Claims (22)

1.一种照明系统，包括：
激光光源，其包括至少一个发射光束的激光器；和
包括多个个体元件的第一衍射光学元件，将从激光光源发射的光束分为多个部分光束并通过周期移动来将这些部分光束进行时间平均以消除光束散斑。
2.如权利要求1所述的照明系统，其中，第一衍射光学元件是可旋转的。
3.如权利要求1所述的照明系统，其中，第一衍射光学元件是线性可往复移动的。
4.如权利要求1所述的照明系统，还包括：
第二衍射光学元件，衍射从第一衍射光学元件发射的部分光束从而使所述部分光束具有与显示元件对应的形状以形成图像。
5.如权利要求4所述的照明系统，其中，第二衍射光学元件调节所述部分光束的发散角以增加所述部分光束的F/值。
6.如权利要求1所述的照明系统，其中，每个部分光束包括多个子束，多个子束互相重叠并会聚。
7.一种照明系统，包括：
激光光源，其包括至少一个发射光束的激光器；
包括多个个体元件的第一衍射光学元件，将从激光光源发射的光束分为多个部分光束；和
楔元件，被置于第一衍射光学元件之前或之后以接收从激光光源发射的光束之一或多个部分光束，并通过旋转和时间平均接收到的被发射的光束之一或部分光束来改变所述接收到的被发射的激光光束之一或部分光束的路径以消除散斑。
8.如权利要求7所述的照明系统，还包括：
第二衍射光学元件，衍射从第一衍射光学元件或楔元件发射的所述部分光束从而使所述部分光束具有与显示元件对应的形状以形成图像。
9.如权利要求8所述的照明系统，其中，第二衍射光学元件调节所述部分光束的发散角以增加所述部分光束的F/值。
10.如权利要求7所述的照明系统，其中，每个部分光束包括多个子束，多个子束互相重叠并会聚。
11.一种投影系统，包括：
激光光源，其包括至少一个发射光束的激光器；
包括多个个体元件的第一衍射光学元件，将从激光光源发射的光束分为多个部分光束并通过周期移动来将这些部分光束进行时间平均以消除光束散斑；
第二衍射光学元件，衍射从第一衍射光学元件发射的部分光束从而使所述部分光束具有与预定形状对应的形状；
显示元件，具有预定的形状，以从被第二衍射光学元件衍射的光束中形成图像。
投影透镜单元，放大所述图像并投影该被放大的图像；和
屏幕，显示被投影的图像。
12.如权利要求11所述的投影系统，其中，第一衍射光学元件是可旋转的。
13.如权利要求11所述的投影系统，其中，第一衍射光学元件是线性可往复移动的。
14.如权利要求11所述的投影系统，其中，第二衍射光学元件调节部分光束的发散角以增加部分光束的F/值。
15.如权利要求11所述的投影系统，其中，每个部分光束包括多个子束，多个子束互相重叠并会聚。
16.如权利要求11所述的投影系统，其中，显示元件包括透射式液晶显示屏、硅液晶、可变形微镜器件和栅状光阀其中之一。
17.一种投影系统，包括：
激光光源，其包括至少一个发射光束的激光器；
包括多个个体元件的第一衍射光学元件，将从激光光源发射的激光光束分为多个部分光束；
楔元件，被置于第一衍射光学元件之前或之后以接收从激光光源发射的光束之一或多个部分光束，并通过旋转和时间平均接收到的被发射的光束之一或部分光束来改变接收到的被发射的激光光束之一或部分光束的路径以消除散斑；
第二衍射光学元件，衍射从第一衍射光学元件或楔元件发射的部分光束从而使这些部分光束具有预定的形状；
显示元件，具有预定的形状，以从被第二衍射光学元件衍射的光束中形成图像；
投影透镜单元，放大所述图像并投影该被放大的图像；和
屏幕，显示被投影的图像。
18.如权利要求17所述的投影系统，其中，第二衍射光学元件调节所述部分光束的发散角以增加所述部分光束的F/值。
19.如权利要求17所述的投影系统，其中，每个部分光束包括多个子束，多个子束互相重叠并会聚。
20.如权利要求17所述的投影系统，其中，显示元件包括透射式液晶显示屏、硅液晶、可变形微镜器件和栅状光阀其中之一。
21.一种照明系统，包括：
一个或多个激光器，发射预定波长的光束；和
包括多个个体元件的可移动散斑消除元件，将从所述一个或多个激光器发射的每个光束分为多个部分光束，并根据所述可移动散斑消除元件的移动来时间平均所述部分光束。
22.一种消除激光光束的散斑的方法，该方法包括：
在包括多个个体元件的衍射光学元件中将激光光束分为多个部分光束；和
通过周期性地移动衍射光学元件时间平均所述多个部分光束。
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