CN101684925B - 一种面光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种照度均匀、相干性极低的面光源，包括：多个激光器；多根光纤，并且其中，每个光纤包括接收端和出射端，每个接收端用于接收多个激光器中的一个发出的激光，而在光纤的出射端处，多根光纤形成多个子光纤束，多个子光纤束排列成线状光纤阵列；扫描装置，用于将所述多个子光纤束出射的线状激光沿垂直于所述线状光纤阵列排列的方向扫描；激光接收装置，用于接收经扫描的激光，形成扫描面。本发明的面光源消相干效果好，可以满足各种激光投影场合；省去了匀场装置，简化了系统结构，有利于缩减系统体积；对扫描装置的加工难度和设置精度要求都不高，使得系统成本降低、可靠性提高。

Description

一种面光源

技术领域

本发明涉及激光领域，具体涉及激光显示领域中的面光源。

背景技术

激光显示由于其大色域、长寿命和低能耗等优点被认为是下一代显示技术的发展方向。由于激光是相干光，如果不对其处理直接作为光源进行投影，屏幕上会出现亮度分布不均的激光干涉斑纹图案，即所谓散斑，造成图像质量变差，严重影响观者感受。因此消相干是现有的激光显示技术中必需的步骤，此外在激光投影显示系统中需要获得对光阀均匀照明的面光源，因此对激光束进行匀场整形也是必不可少的。

公开号为CN200976052的专利采用多根光纤分别耦合多个激光器发出的光束，利用多个激光器发出的激光之间频率的微小差别和无关的相位关系来实现对激光消相干，然后用积分棒或复眼透镜之类的匀场整形装置将激光束改造成亮度均匀的面光源后对光阀进行照明，这种消相干的方法实质上是将各个激光器产生的散斑叠加，使人眼察觉不到散斑，其效果对正投影场合来说尚可接受，但在背投影场合中仍会产生人眼可感知的散斑图案，此外在上述获得面光源的过程中，由于使用了单独的匀场整形装置，增加了对激光的损耗，同时使得系统体积增大。

公告号为CN2585265的专利将单点激光照射到一个高速旋转的多面反射镜上，由于该多面反射镜的各个面与转轴方向的倾角逐个递增，使得扫描光束形成均匀的扫描面，又因为每个扫描点在不同时刻到达被照面，不满足相干光的时间相干性，因此形成的亮面无相干条纹。虽然这种方法适用于单色激光显示中面光源的实现，但是多面转镜少则数十个面，多则上百个面，每个面之间又互成一定角度，使得加工起来较为困难；另外，这种方法中的单点激光为高斯光束，其横截面光强分布不均匀，扫描时下一行须与上一行有相当多的重叠才能形成照度均匀的扫描面，这样造成多面转镜的转动精度也必须极高才能保证上述效果。

发明内容

因此，为了克服现有技术不足，本发明提供一种相干性低、照度均匀的面光源。

本发明提供一种面光源，包括

多个激光器，用于产生多束激光；

多根光纤，每根所述光纤包括接收端和出射端，所述多根光纤的所述接收端用于接收所述多个激光器发出的激光，而所述多根光纤在所述出射端处排列成线状光纤阵列，所述线状光纤阵列输出线状激光；

扫描装置，用于扫描所述线状光纤阵列出射的所述线状激光；以及

光接收元件，用于接收所述线状激光经所述扫描装置扫描后形成的扫描面。

上述的面光源，其中，还包括整形装置，设置在所述线状光纤阵列和所述扫描装置之间，用于将所述线状激光整形至预定发散角和预定长宽比。

上述的面光源，其中，所述多个激光器为多基色激光器或单色激光器。

上述的面光源，其中，所述多基色激光器的各基色激光器的数量由视觉白平衡功率配比原则和各基色的单台激光器功率决定。

上述的面光源，其中，所述线状光纤阵列中的所述光纤的出射端的排列情况满足均匀混色原则和视觉白平衡功率配比原则。

上述的面光源，其中，所述光接收元件为DMD光阀或起偏元件。

上述的面光源，其中，通过所述起偏元件产生的线偏振光用于照明LCD光阀或LCOS光阀。

上述的面光源，其中，所述线状激光的扫描方向垂直于所述线状光纤阵列的线条方向。

上述的面光源，其中，所述扫描装置为可振动的直角棱镜或可振动的多边形棱镜。

上述的面光源，其中，所述可振动直角棱镜或可振动的多边形棱镜的光入射面和光出射面呈一定夹角。

上述的面光源，其中，所述扫描装置为带转轴的四角棱镜或带转轴的多边形棱镜。

上述的面光源，其中，所述带转轴的四角棱镜或带转轴的多边形棱镜的光入射面和光出射面平行。

上述的面光源，其中，所述可振动的直角棱镜或可振动的多边形棱镜或带转轴的四角棱镜或带转轴的多边形棱镜的振动频率≥30Hz。

上述的面光源，其中，所述扫描装置的光入射面和光出射面镀有针对所述多个激光器产生的激光所在波段的增透膜。

本发明的面光源具有以下有益效果：

1.消相干效果好。由于扫描面上任何两行的散斑的出现和消失是彼此独立的，因此散斑出现的区域大为减小，本发明装置可以满足激光正投影和背投影场合；

2.由于利用本发明装置得到的面光源为连续扫描形成，消相干的同时使得面光源光照度均匀度也极高，因此本发明装置省去了匀场装置，简化了系统结构，有利于缩减系统体积。

3.形成扫描面的过程为连续扫描，上下行之间为渐变过程，与将单点扫描成扫描面的技术相比，不存在需要上下行重叠的设计，因此对扫描装置的运行精度要求不高，可靠性提高；而且所使用的扫描装置均为光学领域中常用的光学元件，加工方面也没有特殊的要求，因此成本很低。

附图说明

图1为将本发明的面光源用于一种三基色激光投影系统的实施例的示意图；

图2为本发明的面光源中线状光纤阵列的一种排列情况示意图；

图3为将直角棱镜作为扫描装置的工作原理示意图；

图4为将带转轴的四角棱镜作为扫描装置的工作原理示意图；

图5为将带转轴的多边形转镜作为扫描装置的工作原理示意图；

图6为将本发明的面光源用于一种采用DMD光阀的三基色激光投影系统的实施例的示意图；

图7为将本发明的面光源用于一种采用LCD光阀的三基色激光投影系统的实施例的示意图。

具体实施方式

实施例1：

图1为将本发明的面光源用于一种三基色激光投影系统的实施例的示意图。图1中所示的实施例包括红光光源101、绿光光源102、蓝光光源103、光纤套筒104、线状光纤阵列105、整形装置106、扫描装置107、DMD光阀108、TIR(Total internal reflection)棱镜114、投影物镜109和屏幕110。本发明采用公开号为CN200976052中的多激光器作为光源，其中红光光源101、绿光光源102和蓝光光源103均包含有多个半导体激光器(图1中各基色光源仅画出了用于示意的3个激光器，下同)，所述各基色半导体激光器的数量由所需的视觉白平衡功率配比和单台各基色半导体激光器的功率决定，这在本领域是公知技术，这里不予赘述，三基色光源和DMD光阀108相互匹配地时分复用。本领域技术人员应能理解，当用于产生单色扫描面时，本实施例中的多个半导体激光器可以为同种波长的激光器，相应的，其数量不受视觉白平衡功率配比原则的限制，而应该根据实际所需的总功率和单台这种波长的激光器的功率来决定。在本实施例中，红光光源101的设置如下：红光半导体激光器111的激光出射端放置有整形透镜112，其用于将红光半导体激光器111发出的激光光束整形以便更好地耦合进光纤113，光纤与半导体激光器一一对应，整形透镜112可以是一片自聚焦透镜或非球面透镜或柱面透镜，也可以是包含多片球面透镜的透镜组。绿光光源102和蓝光光源103的设置与红光光源101基本相同。所有耦合了各色激光的光纤由光纤套筒104进行集束，光纤套筒104为非必需部件，如果光纤数量较少、长度较短，不造成空间的杂乱，也可不必对其进行集束。在光纤输出端遵循RGB三基色均匀混色的原则将所有光纤重新排列成线状光纤阵列105，线状光纤阵列105发出的光束通过整形装置106后形成线状白光。线状白光经过扫描装置107沿垂直于上述线状白光的线条方向扫描，经过TIR棱镜114的引导在DMD光阀108上形成照度均匀的扫描面，经DMD光阀108调制后产生的图像再通过投影物镜109投射到屏幕110上形成图像。

本发明装置将线状白光扫描成面状光源的过程中可实现消相干，其具体原理如下所述：在任一独立时刻，DMD光阀108面内只有一行扫描光束，也只有在这一行处发生干涉，而在另外一独立时刻，光束被扫描到DMD光阀108上的另一行，在另一行发生干涉，相应的，屏幕上任何两行的散斑的出现和消失也是彼此独立的，散斑出现的区域大为减小，并且由于人眼视觉暂留效应，整个屏幕110面内散斑得到时间积分，使散斑不被察觉，这种消相干方法是在多激光器的基础上对散斑的进一步削弱，其最终效果优于仅使用多激光器的方法。基于上述扫描成像原理，画面均匀度也得到了保证，无需另设匀场装置。

位于光纤输出端的线状光纤阵列105的排列情况在图2中被详细示出。下面参照平面坐标系XOY对所述光纤输出端的排列进行详细说明。线状光纤阵列105由若干个子光纤束201沿X方向排列形成(为了示意，图2中仅画出6个子光纤束)，可选的，其通过外壳202进行封装。子光纤束201由传导三基色激光的多根光纤组成，并用外皮203包裹成形，所述多根光纤的端面对齐并遵循均匀混色的原则有序排列，在子光纤束201内部，光纤之间的空隙可以用胶204填充以避免其发生错位，子光纤束201中传导RGB激光的光纤的数量比值应与三基色光源中RGB激光器数量比值相同，使得从线状光纤阵列105发射的光为均匀的白光。举例说明，按照视觉白平衡功率配比原则，本实施例采用的三基色光源中RGB激光器数量之比为6(R):6(G):7(B)，子光纤束201由19根光纤组成，其中RGB光纤的数量分别为6根(R)、6根(G)和7根(B)，其比值与三基色光源中RGB激光器数量之比同样为6(R):6(G):7(B)；可选的，子光纤束201内的光纤可不必排列成六角形，根据实际的光纤数量可作出变化，例如排成方形或矩形等，总之只要光纤排列情况在线状光纤阵列105内部相邻的区域内符合均匀混色原则和视觉白平衡功率配比原则，其具体实现方式则不受限制。相应的，在判断线状光纤阵列105中的光纤是否按照均匀混色原则和视觉白平衡功率配比原则排列时，也可以将相邻的几个子光纤束合在一起进行统计，只要相邻的几个子光纤束总的RGB光纤数量之比满足6(R):6(G):7(B)即可，例如在一个子光纤束中三基色光纤的数量为3(R)根、3(G)根、3(B)根，在其相邻的子光纤束中三基色光纤的数量分别为3(R)根、3(G)根、4(B)根，将这样两个子光纤束合起来统计所述比值为6(R):6(G):7(B)，这样排列而成的线状光纤阵列105也同样符合本发明精神。需要说明的是，这里所给出的比例6(R):6(G):7(B)仅是作为示例，根据不同需要可采用不同的配比。

通常情况下，线状光纤阵列105的端面发出的是准线状白光，其发散角较大，如果直接将其扫描并照射到DMD光阀108上，则由于DMD光阀108的光学扩展量有限造成其有一定的光接收范围，部分光束将不能进入DMD光阀108的接纳范围，从而造成光能的损失。激光为高斯光束，其束腰尺寸与发散角的乘积为常数，所以激光束的束腰越小其发散角越大，因此常对所述线状白光进行整形使其发散角不超过DMD光阀108的接纳范围，但是发散角过小又造成覆盖过多行或多列象素，使得消散斑效果又不够好；因此要根据投影系统的实际情况对所述准线状白光适当整形，使得消散斑效果较理想且有大部分的光进入DMD光阀108的接纳范围，另外整形装置也可对形成的扫描面的长宽比做出一定的调整。在本实施例中采用整形装置106(一般为柱面透镜)对所述准线状白光进行整形，将其改造成预设发散角和预设长宽比的线状白光。当然，并非必须采用整形装置106，对于一些特定情况完全可以将整形功能集成到其它部件上，某些情况下若所述准线状白光的发散角刚好合适，也可不采用整形装置106。

图3为本发明的一种扫描装置工作原理示意图。扫描装置可以是常见的折射或反射光学元件，例如图3中所示的可振动的直角棱镜301。如图3所示，线状光纤阵列105发出的准线状白光303经整形装置106整形后形成线状白光304并垂直于直角棱镜301的直角面A入射，线状白光304经直角棱镜301偏折后由斜面C出射形成出射光束305落到DMD光阀108上，其中，直角棱镜301的面A和面C镀有针对RGB三色激光所在波段的增透膜。直角棱镜301由振动装置302(所述振动装置可以是电机或压电陶瓷或任意可按指定频率振动的装置)带动并沿垂直于面B的方向进行振动，也即沿Y方向振动。当直角棱镜301自上而下移动时，出射光束305在DMD光阀108上也自上而下在整个光阀面上扫描形成一帧扫描面；随后当直角棱镜301转而自下而上移动时，出射光束305在光阀上则自下而上扫描整个光阀面形成下一帧扫描面，如此循环往复在DMD光阀108上形成在人眼看来不间断显示的扫描面。直角棱镜301的振动幅度应使得出射光束305在DMD光阀108上的扫描区域恰好完全覆盖整个光阀，直角棱镜301的上下移动应尽量匀速以使DMD光阀108上得到的光照度均匀；由于直角棱镜301上下移动一次形成2帧扫描面，所以直角棱镜301的振动频率等于所述扫描面的每秒的帧数的二分之一，当扫描面帧数大于或等于60帧/秒时，人眼不会产生画面闪烁的感觉，相应的，直角棱镜301的振动频率应≥30Hz，优选的，所述振动频率为30Hz至50Hz。扫描过程中扫描装置不改变所述线状白光的形状和发散角。本领域技术人员应理解，本实施例中的直角棱镜301的面B实际上对扫描没有任何贡献，因此直角棱镜301可以替换成其他形状的多边形棱镜，例如四角棱镜、五角棱镜等，只要这些棱镜的某个角满足上述设置，能完成扫描功能即可。

扫描装置还可以是如图4所示的带转轴的四角棱镜401，四角棱镜401由电机402带动转动，四角棱镜401的光入射面和光出射面均镀有针对RGB三色激光所在波段的增透膜，在四角棱镜401上不遮挡光路的位置处设有转轴，通过转动四角棱镜401使得入射到其表面的光束的入射角和入射点不断变化，从而在DMD光阀108上扫描形成扫描面。通过转动四角棱镜401将线状白光扫描成扫描面的工作原理与图3中直角棱镜301的工作原理类似，此处不再详述。同样的，四角棱镜401的振动频率应≥30Hz，优选的，所述振动频率为30Hz至50Hz。本领域技术人员应理解，此处的四角棱镜401也可以由五角棱镜、六角棱镜等其他形状的多边形棱镜代替，只要这些多边形棱镜有两平行相对的面与四角棱镜401同样设置即可。本领域技术人员应理解，四角棱镜401的材料折射率以及通光方向上的厚度会影响光束在其中偏折的程度，而这个偏折程度也决定了四角棱镜401转动的角度范围和转动速度。一般来讲，在其他设置完全相同的情况下，要得到同样面积的扫描面，四角棱镜401的材料折射率越大以及通光方向上的厚度越大，其扫描的范围就越小，对其转动的速度要求也越低。

此外，扫描装置还可以是如图5所示的带转轴的多边形转镜501，其由电机502带动转动，利用多边形转镜501也可以将线状白光扫描成扫描面，这在扫描显示领域是公知的技术，此处省略对其工作原理的描述。与将点光源扫描成扫描面的多面转镜不同，多边形转镜501的各个反射面均与其转轴平行，加工难度比多面转镜要低很多。总之任何可实现将线状白光沿与其线条垂直的方向进行扫描的装置均可以采用。

实施例2：

图6为将本发明的面光源用于一种采用DMD光阀的三基色激光投影系统的实施例的示意图。图6包采用3套实施例1中的本发明装置分别对RGB(红绿蓝)三基色激光进行处理，以红光为例，红光经本发明装置处理后形成红光扫描面照明红光DMD光阀601，绿光扫描面和蓝光扫描面的形成过程同红光扫描面类似，红光扫描面经红光DMD光阀601调制后形成红光图像，绿光扫描面和蓝光扫描面分别经绿光DMD光阀和蓝光DMD光阀调制后形成绿光图像和蓝光图像。红光图像、绿光图像和蓝光图像在X-cube棱镜602会合形成彩色图像，最后彩色图像经由投影物镜109投影至屏幕110。本实施例虽然采用了3套本发明装置，在设置上稍显复杂，但是由于RGB三基色光源不需要和各自DMD光阀匹配地分时复用，因此对电路的要求较低。

实施例3：

实施例2中的DMD光阀可以由LCD光阀或LCOS光阀代替，相应的，在LCD光阀或LCOS光阀之前应设置起偏元件将偏振度较低的线状光变换成线偏振线状光。

图7为将本发明的面光源用于一种采用LCD光阀的三基色激光投影系统的实施例的示意图。图7采用3套实施例1中的本发明装置分别对RGB(红绿蓝)三基色进行处理，以红光为例，红光经本发明装置后形成非线偏振的红光扫描面照明红光偏振片701，所述非线偏振的红光扫描面经红光偏振片701后成为线偏振的红光扫描面对红光LCD光阀702进行照明，线偏振的绿光扫描面和线偏振的蓝光扫描面的形成过程同线偏振的红光扫描面类似，所述线偏振的红光扫描面经红光LCD光阀702调制后形成红色图像，线偏振的绿光扫描面和线偏振的蓝光扫描面分别经过绿光LCD光阀和蓝光LCD光阀调制后形成绿光图像和蓝光图像。红光图像、绿光图像和蓝光图像在X-cube棱镜602与红色图像会合形成彩色图像，最后彩色图像经由投影物镜109投影至屏幕110。红光偏振片701可以紧随扫描装置放置，也可以紧随整形装置放置。本领域技术人员应理解，本实施例中采用的红光偏振片701只是起偏元件的一种，能将非偏光转化成偏振光的元件和方法有很多种，这里没有一一列举，但其均应包含在本发明所要保护的范围内。

将本发明的面光源用于采用LCOS光阀的激光投影系统设置与实施例3中将本发明用于采用LCD光阀的激光投影系统的设置类似，不再重复叙述。本领域技术人员应理解，当上述实施例中所用的光纤长度较短时，光纤对激光的退偏作用很小，可直接将本发明装置产生的面光源用于照明LCD光阀和LCOS光阀，而无需经过例如偏振片一类的起偏元件起偏。

可选的，上述实施例中的光阀也可以用其他不对光进行调制的光接收元件进行代替，例如实施例3中的偏振片，或者所述光接收元件直接为需要被照明的装置。本发明中的扫描面的相干性非常低、照度非常均匀，还可以将其用于舞台激光表演等场合的照明。

虽然在上述实施例中，所述线状激光的扫描方向优选垂直于线状光纤阵列的延伸方向，但对于一些特定的应用例如光阀形状为非矩形时，所述扫描方向也可以根据具体情况选择与所述线状光纤阵列的线条方向成任意特定角度。

上述实施例中将线状白光扫描成扫描面的过程均为连续扫描，上下行之间为渐变过程，与将单点扫描成扫描面的技术相比，不存在需要上下行重叠的设计，因此对扫描装置的运行精度要求不高；上述扫描装置均为光学领域中常用的光学元件，加工方面也没有特殊的要求，因此成本很低。虽然上述实施例中，所用光纤与激光器一一对应，但实际应用中，还可以将多个激光器的激光耦合进入一根光纤，并且本发明中的激光器不局限于半导体激光器，还可以是固体激光器、气体激光器等其他类型的激光器。另外，本发明也可以用来形成除三基色以外的单色扫描面或多基色(例如四基色)白光扫描面。此外，本发明中所涉及的“线状”并非绝对意义上的“线”，而是指具有一定宽度的广义的“线”。

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)

1.一种面光源，包括

多个激光器，用于产生多束激光；

多根光纤，每根所述光纤包括接收端和出射端，所述多根光纤的所述接收端用于接收所述多个激光器发出的激光，而所述多根光纤在所述出射端处排列成线状光纤阵列，所述线状光纤阵列输出线状激光；

扫描装置，用于沿着垂直于所述线状光纤阵列的线条方向连续扫描所述线状光纤阵列出射的所述线状激光形成扫描面；以及

光接收元件，用于接收所述线状激光经所述扫描装置扫描后形成的扫描面;

所述线状光纤阵列由若干个子光纤束沿X方向排列形成，通过外壳进行封装，子光纤束由传导三基色激光的多根光纤组成，并用外皮包裹成形，所述多根光纤的端面对齐并遵循均匀混色的原则有序排列，在子光纤束内部，光纤之间的空隙用胶填充，子光纤束中传导RGB激光的光纤的数量比值与三基色光源中RGB激光器数量比值相同;

所述扫描装置为可振动的直角棱镜，所述线状光纤阵列输出的线状白光垂直于直角棱镜的直角面A入射，线状白光经直角棱镜偏折后由斜面C出射形成出射光束落到光接收元件上，其中，直角棱镜的直角面A和斜面C镀有针对RGB三色激光所在波段的增透膜，直角棱镜由振动装置带动并沿垂直于另一直角面B的Y方向振动，当直角棱镜自上而下移动时，出射光束在光接收元件上也自上而下在整个光接收元件上扫描形成一帧扫描面；随后当直角棱镜转而自下而上移动时，出射光束在光接收元件上则自下而上扫描整个光接收元件形成下一帧扫描面，如此循环往复在光接收元件上形成在人眼看来不间断显示的扫描面。

2.如权利要求1所述的面光源，其中，还包括整形装置，设置在所述线状光纤阵列和所述扫描装置之间，用于将所述线状激光整形至预定发散角和预定长宽比。

3.如权利要求1或2所述的面光源，其中，所述多个激光器为多基色激光器或单色激光器。

4.如权利要求3所述的面光源，其中，所述多基色激光器的各基色激光器的数量由视觉白平衡功率配比原则和各基色的单台激光器功率决定。

5.如权利要求4所述的面光源，其中，所述线状光纤阵列中的所述光纤的出射端的排列情况满足均匀混色原则和视觉白平衡功率配比原则。

6.如权利要求1或2所述的面光源，其中，所述光接收元件为DMD光阀或起偏元件。

7.如权利要求6所述的面光源，其中，通过所述起偏元件产生的线偏振光用于照明LCD光阀或LCOS光阀。

8.如权利要求1所述的面光源，其中，所述可振动的直角棱镜的振动频率≥30Hz。

9.如权利要求1所述的面光源，其中，所述扫描装置的光入射面和光出射面镀有针对所述多个激光器产生的激光所在波段的增透膜。

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