CN101063519A - 一种消除散斑的照明系统 - Google Patents

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许祖彦
房涛
王斌
郑光
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成华
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Abstract

本发明公开了一种激光器阵列光纤耦合结构消除散斑的照明系统。该照明系统，包括：多个发射激光束的激光器；在每个激光器出光口前端与激光发射方向垂直放置一个准直元件和一会聚元件；一集束器，每个会聚元件的出光口与所述集束器的入口光学连接，用于将所有激光器发出的激光进行集束；一匀场整形装置，该匀场整形装置与集束器的出口光学连接，用于对集束器发出的激光进行匀场。本发明能够消除激光干涉形成的散斑效应，满足高亮度和均匀度的照明要求，并且体积小、成本低、效率高、性能稳定和方便维护，适用于激光前投影、激光背投影等利用激光作为光源的显示设备。

Description

一种消除散斑的照明系统
技术领域
本发明涉及激光照明，特别涉及一种激光器阵列光纤耦合结构消除散斑的照明系统。
背景技术
激光作为一种亮度高、单色性好、方向性好的光源越来越得到广泛的应用。使用激光作为光源的显示系统具有饱和度高，色域宽广等优点，是新一代显示技术，对提高显示图像质量和显示系统效率起着重要的作用。但由于激光的高相干性，这种显示系统易出现散斑效应。散斑是由于从漫反射表面散射的相干波交互干涉形成的。这种散斑效应是图像分辨率和图像质量劣化的重要原因。
目前，消除激光散斑的技术主要是使用相位调制元件，通过旋转或周期性的移动微光学元件或随机相位板，它使激光光束分为多个部分光束并将这些光束在时间上平均以降低激光光束的散斑效应。但是，使用微光学元件或随机相位板存在制作工艺复杂、界面尺寸大和成本高等缺点，而且需要高频电机带动，消除散斑的效果也不太理想。除此之外，人们还采用了振动屏幕、全息漫射以及各种复杂的光学系统等方法，但这些方法造价昂贵、结构复杂，消除散斑的效果也不够好。
更重要的是，针对大屏幕的激光显示投影系统采用的激光光源主要是高功率的单台激光器，具有体积大、成本高、效率低、性能不稳定和维护困难等缺点，是制约激光显示技术向大屏幕发展的一大阻碍。
因此，针对现有技术的不足，人们就希望在实现消除散斑效应的同时获得高功率激光输出，克服单台大功率激光的不足，实现大屏幕激光投影显示。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种满足高亮度和均匀度的照明要求、适用于以激光作为光源的显示设备的激光阵列光纤耦合结构消除散斑的照明系统。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。
一种消除散斑的照明系统，包括：
多个发射光束的激光器；
在每个激光器出光口前端与激光发射方向垂直放置一个准直元件和一会聚元件；
一集束器，每个会聚元件的出光口与所述集束器的入口光学连接，用于将所有激光器发出的激光进行集束；
一匀场整形装置，该匀场整形装置与集束器的出口光学连接，用于对集束器发出的激光进行匀场。
在上述技术方案中，所述集束器由多根光纤组成，多根光纤集束成单光纤形式输出激光，在每个所述会聚元件的后方放置所述光纤，每个激光器发射出的光束经会聚元件一一耦合到输出光纤中。
在上述技术方案中，所述激光器是半导体激光器或固体激光器，或采用半导体激光器或固体激光器的变频激光。
在上述技术方案中，所述匀场整形装置包括阵列型器件，如复眼透镜、微复眼透镜和阵列反射镜等，或光棒型器件如积分棒、光纤等，该匀场整形装置使入射的光束分布均匀，并使输出光束具有预定的形状，光能利用率高。
在上述技术方案中，多个所述激光器发出相同波长的激光。
在上述技术方案中，多个所述激光器发出不同波长的激光。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)能够消除激光干涉形成的散斑效应；
2)满足高亮度和均匀度的照明要求；
3)体积小、成本低、效率高、性能稳定和方便维护，适用于激光前投影、激光背投影等利用激光作为光源的显示设备。
附图说明
图1为本发明实施例1的装置示意图；
图2为本发明实施例1中集束光纤的横截面示意图；
图3为本发明实施例1中光纤内部波前反射状况的示意图。
图4为本发明实施例2的装置示意图。
图5为本发明实施例2集束光纤的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
此处以一实施例来说明将本发明用于单色照明系统。参照图1制作本发明阵列型激光器光纤耦合消除散斑的照明系统，包括n台单色激光器L1、L2、…Ln，本实施例中n＝19，激光器采用波长为635nm的半导体激光器，功率为百毫瓦到瓦级。对应每个激光器前端，垂直于激光发射方向放置一个准直透镜和一个会聚透镜将光束准直和聚焦，准直透镜和会聚透镜的焦距和孔径的选取取决于激光的参数，根据具体激光的参数进行焦距和孔径的适当选取是本领域技术人员能胜任的。光束经过会聚透镜聚焦后耦合到输出光纤的输入端面中。图1中所示，放置在激光器L1后面的是准直透镜11和会聚透镜12以及光纤13，其他每个激光器后面均对应各自的准直透镜、会聚透镜和光纤。
如图2所示，多束光纤集束成单光纤形式，形成一集束器，实现高功率光束输出。图2中表示19根光纤被集束成一个圆形阵列，当然不限于圆形阵列，还可以是矩形、三角形、椭圆形或各种多边形等。
如图3所示，光束在光纤中多次反射混光，波阵面被打乱，从而减小这些光束的相干性，而且多台激光器输出的激光光束由于相互间存在频率和相位的差异不满足相干条件，因此消除了相互干涉产生散斑；将多根光纤集束以单光纤形式输出，实现高功率光束照明；
集束器形成的单光纤形式输出的光束经光束匀场整形装置14形成强度分布均匀的光场，该光场用于激光显示系统。本实施例的匀场整形装置14采用微复眼透镜来实现。
实施例2：
此处以一实施例来说明将本发明用于彩色照明系统。如图4所示，制作本发明的阵列激光器光纤耦合结构消除散斑的白场照明的实施例。n台激光器由R(红)、G(绿)、B(蓝)三基色或多基色激光器组成，本实施例中采用R(红)、G(绿)、B(蓝)三基色的激光器，三基色激光器数量由单台激光器功率和视觉白平衡功率配比决定，这对于本领域技术人员是能够胜任的。本实施例n＝19。
其他同实施例1。对应每个激光器前端，激光发射方向放置一个适当焦距和孔径准直透镜和会聚透镜使光束将光束准直和聚焦，光束聚焦耦合到输出光纤的输入端面中；每台激光器光束在光纤中多次反射混光，n条输出R、G、B三色激光的光纤按照一定的顺序排列集束成单光纤形式，如图5所示。光纤排列的原则遵循均匀混色的原则。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1、一种消除散斑的照明系统，包括：
多个发射光束的激光器；
在每个激光器出光口前端与激光发射方向垂直放置一个准直元件和一会聚元件；
一集束器，每个会聚元件的出光口与所述集束器的入口光学连接，用于将所有激光器发出的激光进行集束；
一匀场整形装置，该匀场整形装置与集束器的出口光学连接，用于对集束器发出的激光进行匀场。
2、根据权利要求1所述消除散斑的照明系统，其特征在于，所述集束器由多根光纤组成，多根光纤集束成单光纤形式输出激光，在每个所述会聚元件的后方放置一所述光纤，每个激光器发射出的光束经会聚元件一一耦合到所述光纤中。
3、根据权利要求1或2所述消除散斑的照明系统，其特征在于，所述激光器是半导体激光器或固体激光器，或其变频激光。
4、根据权利要求1所述消除散斑的照明系统，其特征在于，所述匀场整形装置包括阵列型器件或光棒型器件。
5、根据权利要求4所述消除散斑的照明系统，其特征在于，所述阵列型器件为复眼透镜、微复眼透镜或阵列反射镜，所述光棒型器件为积分棒或光纤。
6、根据权利要求1所述消除散斑的照明系统，其特征在于，所有所述激光器发出相同波长的激光。
7、根据权利要求1所述消除散斑的照明系统，其特征在于，部分所述激光器发出不同波长的激光。
8、根据权利要求1所述消除散斑的照明系统，其特征在于，多个所述激光器包括红、绿、蓝三种基色激光器。
9、根据权利要求6、7或8所述消除散斑的照明系统，其特征在于，所述集束器由多根光纤组成，多根光纤集束成单光纤形式输出激光，在每个所述会聚元件的后方放置一所述光纤，每个激光器发射出的光束经会聚元件一一耦合到所述光纤中。
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