CN101825832B - 激光光学引擎 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及便携式微型投影机，公开了一种激光光学引擎。本发明中，在激光光源的On time驱动时进行KHz以上频率的调制驱动，减少了激光的连贯特性，削弱了散斑现象。对无需倍频的激光光源进行300Mhz的高速调制，波长波动引起的散斑减少效果明显。对经倍频生成的绿色激光进行以2KHz频率反复开关的调制，不但可以减少散斑，还可以增加绿色激光总的光输出量。

Description

激光光学引擎
技术领域
本发明涉及便携式微型投影机，特别涉及便携式微型投影机的光源技术。 
背景技术
为了将相对于手掌还要小的便携式微型投影机或者对笔记本等设备进行嵌入式设计的投影仪进行实用化，就需要开发出体积小的投影机用光学引擎。 
决定光学引擎大小的重要元件之一就是光源。激光是小体积高光输出能力的光源代表。激光芯片的大小在2000um左右，但可以输出1W以上的光，是非常优秀的发光元件。但激光的缺点是存在散斑(Speckle)现象。 
散斑是激光的固有特性，是有着同一波长、相位、和振幅的激光的高连贯性(Coherence)引起的一种干涉现象。散斑在屏幕上体现为斑点，会损害影像画面质量，给观看者一种闪烁的感觉。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光光学引擎，能够减少激光的连贯特性，削弱散斑现象。 
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种激光光学引擎，包括： 
至少一个激光光源； 
光调制器，利用光源发出的光生成图象； 
投射透镜，对光调制器所生成的图象进行放大投射，还包括： 
调制驱动单元，用于将光源在开启时间期间的输入负载调制成以一千赫兹以上频率变化的负载。 
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于： 
在激光光源的On time驱动时进行KHz以上频率的调制驱动，减少了激光的连贯特性，削弱了散斑现象。 
进一步地，对无需倍频的激光光源进行300Mhz的高速调制，波长波动引起的散斑减少效果明显。这是因为激光二极管特有的共振现象，使存在于激光二极管活性领域的电荷密度的大小波动大，这使共振机内的曲折率产生变化引发波长的波动。 
进一步地，对经倍频生成的绿色激光进行以2KHz频率反复开关的调制，不但可以减少散斑，还可以增加绿色激光总的光输出量。 
进一步地，通过引入漫射体，可以使散斑扩散，削弱因激光光源引起的纹路之间的干扰。 
进一步地，通过振动光束整形器可以进一步削弱激光散斑。 
附图说明
图1是应用本发明技术方案的光学引擎结构的简略图； 
图2是把各光源和光调制器同步协调驱动的驱动信号简略图； 
图3是本发明实施方式中激光光源驱动方式的简略图； 
图4是绿色激光生成过程简略图； 
图5是本发明实施方式中根据输入负载变化，DPM的光输出变化图。 
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。 
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。 
可以应用本发明技术方案的一种光学引擎的结构如图1所示，该光学引擎为反射型，包括：R光源(10R)，G光源(10G)，B光源(10B)，分色镜50R、40G、50B，漫射体(20)，光束整形器(Beam Shaper)(30)，物镜(40-1，40-2)，光调制器(60)，投射透镜(70)，偏振分光镜(80)，其中R代表红色，G代表绿色，B代表蓝色。 
R/G/B光源依次照射R/G/B光，具体地说，把照射一个帧的时间设为T，T/3的时间照射R光源，接着的T/3的时间照射G光源，再接着的T/3时间照射B光源。可以理解，光源也可以按照其它顺序依次照射，如B/G/R等。 
微型投影机用的光源，既要体积小也要发光多，因此需要使用激光光源。三个光源(10R，10G，10B)被各自的分色镜50R，50G，50B反射或是透射到漫射体(20)。 
分色镜50G起到反射G光源(从10G照射出的绿色激光)并让剩余光线透过的作用，分色镜50G也可以使用能够将普通可视光线全部予以反射的一般镜子。分色镜50R起到反射R光源(从10R照射出的红色激光)、通过剩余波长范围的光线的作用，分色镜50B起到反射R光源(从10B照射出的蓝色激光)通过剩余波长范围光线的作用。 
漫射体(20)垂直于光轴振动，因此通过漫射体(20)的时候，光的随机性(Randomness)会得到增加。这种漫射体，是为了消除激光特有的激光散斑(Speckle)而设置的装置，用以减少激光光线的连贯性(Coherence)特征来达到减少激光散斑的目的。 
通过漫射体(20)的光会通过光束整形器(30)来转变光束形状。转变光束形状的原因是要将光束的模样整形成适应于光调制器(60)的入射面形状以提高光效率。 
图1中的实例中光束整形器(30)使用了两面由小型透镜体构成的复眼透镜，也可以使用2枚单面透镜。在这样的两面，或者是两枚上面各自聚集成型的多个小型透镜体会相互之间一一对应来成形。这样的光速整形器把以100至200微米直径大小入射的激光，转换成面状态并扩大，可缓和激光的连贯特性，并把光能量扩散成面光，可降低因为集中在一起产生的激光特有的危险性。 
包含在复眼透镜的小型透镜体可以是多种形状：比如四角凸透镜形状，六角凸透镜形状或者圆形等，不过最好是和光调制器的有效区域形状一致。比如说光调制器的有效区域形状是四角形的时候，小型透镜体的形状也做成四角形能把光损失将到最低。 
小透镜体的直径最好为80-500um，这个尺寸下光束更容易整形。这是因为小型透镜的直径小于80um的话会因为激光的连贯性在光束里产生格子纹路，并且在现有技术下很难制做出比80um还小的光滑面的透镜构造。直径变大的话光束整形器的效果会减弱，得不到超小型光学引擎所需的均匀光源，所以用500um以下为好。 
各小透镜体由多种不同大小的小透镜混合组成，从而使激光散斑得以减少。 
物镜(40)是将经过光束整形器整形的光线利用光调制器(60)进行集 束的透镜，一般由一至两片组成。 
光调制器(60)是指将入射的光线进行选择性通过、阻断或改变光径来形成影像图片的元件。光调制器(60)的典型实例有数字微镜器件(DigitalMicromirror Device，简称“DMD”)、液晶显示(Liquid Crystal Display，简称“LCD”)元件、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，简称“LCOS”)等等。 
DMD是用在数字光处理(Digital Light Processing，简称“DLP”)投影机的元件，它利用场时序(field sequential)的驱动方式，使用与像素数量一样多的矩阵形态排列的数码镜(DIGITAL MIRROR)。DLP是指从光源照射出的光用数码镜来调节光径，并用隔板反射来达到渐变(Gradation)或形成图象的投影仪。 
液晶显示元件(LCD)是指选择性地开/关液晶来形成图象的元件。使用LCD元件的投影机中，有直视型(direct-view)、投射型以及反射型。直视型投影是液晶显示元件后面的背景光通过LCD面板形成图象并可以直接观察的方式；投射型投影是将通过液晶显示元件形成的图象利用投射透镜放大后投射到屏幕，观察从屏幕反射的图象的方式；反射型与投射型的结构基本相同，区别之处在于，反射型在LCD下面基板上设有反射膜，反射的光线被放大投射到屏幕上。 
LCOS属于反射型液晶显示，它将以往液晶显示端的两面基板中的下方基板由透明的玻璃改为硅基板，从而用反射型方式运作。 
偏振分光镜(80)是起到将入射光传递到光调制器(60)的作用的光学元件，其玻璃材质的六面体内，偏光分离膜以对角线分布，是反射型光学引擎所必须的一个光学元件。 
入射光碰到偏振分光镜的偏光分离膜，S偏光被偏光分离膜反射到光调制器，P偏光透射过偏振分光镜被废弃。所有光源部(10)发出的光，在光 路上的某一点要转换(Conversion)成线平行状态，才能维持光效率。但是激光光源的输出的光中偏光比达到数百比一，不需要转换线平行的光学部件，所以非常适用于微型投影机的光源。 
这样经过偏光分离膜反射的S偏光通过光调制器形成影像的过程中转换为P偏光，转换为P偏光的影像光再次入射到偏振分光镜(80)，碰到偏光分离膜。这回的影像光全是P偏光，所以透过偏光分离膜入射到投射透镜(70)。 
投射透镜(70)由多个透镜构成，将由光调制器(60)形成的图象向屏幕(图中未标识)上放大投射。 
上面描述的是反射型的光学引擎，本发明的技术方案也适用于透射型的光学引擎。透射型的光学引擎的结构与反射型的差不多，区别主要是没有偏振分光镜(80)，此外，物镜(40)、光调制器(60)和投射透镜(70)的光路为同一直线。 
图2是上述微型投影机中R/G/B三色激光驱动原理的简略图。微型投影机的光学引擎为了小型化，要用一个光调制器体现彩色影像。利用场时序(field sequential)的驱动方式的液晶显示装置(LCD)是符合此目的光调制器。这样的场时序是指把时间表划分为3等分，在各自的时间上把对应三原色的绿，红，蓝影像依次显示的方式。人眼对影像会有残留现象，把影像以一定速度以上显示时，就会认为是连续画面。电影或动画就是利用该原理。色彩影像也是一样，快速显示R/G/B三原色时，因残影效果，观看者会认为是三原色混合色的白色。同样三原色的光量不同时可以调整出多种颜色，所以可以调整三原色的相对光量来达到显示我们所要色彩的目的。 
场时序驱动是把60Hz的影像画面重新3等分。把一个影像画面根据各像素制作三原色光量对应的R/G/B分影像，然后把上述的分影像以180Hz驱动。根据上述的180Hz的分影像同步入射R/G/B光，就可以得到60Hz 的彩色影像。图2说明的是上述根据180Hz分影像驱动R/G/B三个光源的驱动信号。 
如图2所示，R光源信号是180Hz，有个On time区间。各光源之间的区间用于往光调制器传输各像素光量数据，每帧中有3个这种区间，其和是全体负载的10％左右。 
控制好各光源的On time，协同光调制器对应的时间信号，用一定的光能量反复进行180Hz的开/关动作。 
本发明实施方式对这种简单的光源驱动作了改进，以减少激光的连贯特性。 
激光是同一波长，同一振幅，同一相位光的集合体，有着很强的连贯特性。即使通过光束整形器整形和扩大成面光源，还是会产生随机性的干涉影像点，这个干涉影像点体现为斑点，叫做散斑。本发明的发明人认为存在以下关系： 
随机性(Randomness)＝波长的可变×相位的可变×入射角的可变 
相应于上面的公式，有以下3种代表性方法可以减少入射光的连贯特性。 
方法一是入射角可变。 
图1的漫射体(20)就是入射角可变的方法。但是光用漫射体(20)是不能完全消灭散斑，还需配合以其它方法。 
方法二是相位可变。 
相位可变方法是在偏光上给于变化，在光调制器前端使用是存在困难。 
方法三是波长可变。 
波长可变可以做为漫射体(20)以外的一种重要手段。 
图3是适用本发明的一个案例中对光源驱动进行改进的示意图。 
激光二极管发出的虽然是单一波长的光，不过在两种情况下可以让波长有变化。 
第一种是温度的变化。激光二极管的工作温度变化时发出的光的波长会渐渐改变，这样的改变范围大概是0.25nm/C°左右。在-10C°～+10C°范围内连续变动的话波长也会任意持续变化。 
要控制工作温度就要增加改变激光二极管温度的装置，这会有使光学引擎体积会变大的缺点。 
第二种是将如图3所示光源的开启时间(On Time)分成多个区间，调制成高速负载。图纸上为了说明方便分为近10个区间，但实际上是3Khz以上的高速调制。特别是进行300Mhz的高速调制时，波长的波动引起的散斑减少效果明显。这是因为激光二极管特有的共振现象，使存在于激光二极管活性领域的电荷密度的大小波动变大，这使共振机内的曲折率产生变化引发波长的波动。 
调制驱动时图3上把输入负载调整到一半大小，高速调制时输入负载的最小值可以是最大值至0之间的任意值。 
红色和蓝色激光可以调制成以数百Mhz变化的负载，但绿色光不可以。是因为绿色光是由叫二极管泵浦模块(Diode Pumped Module，简称“DPM”)的光学元件发出的。 
因为到目前为止还没有开发出固体的绿色激光器，所以绿色激光通过二次谐波产生(Second Harmonic Generation，简称“SHG”)把长波长的红外激光(Infrared Laser)倍频(Frequency Doubling)转换为绿色波长来使用。一般利用DPM(90)这种光学元件进行倍频，其构造在图4中有简单介绍。 
红外激光(100)发出的800nm左右的波长光通过DPM(90)转换为532nm的绿色光。这样的DPM(Diode Pumped Module)由Nd:YVO4(110， 添加了Nd的钒酸钇)和KTP(120)构成。KTP(120)是KTiOPO4(Potassium Titanyl Phosphate Crystals磷酸钛氧钾晶体)是属于非线性光学元件，多用于激光的倍频上。 
利用Nd:YVO4(110)把808nm的红外激光(100)转换成1064nm的长波长的光，再把1064nm的长波长激光通过非线性元件KTP(120)倍频到532nm的绿色激光。 
上述DPM(90)不能适应数百Mhz的高速调制，所以要改为数khz程度。在本发明的一个优先实例中，上述的绿色光的光调制可以到2000Hz。当然也可以调制成其它的频率，如1500Hz，2500Hz等等，不过效果会差一些。 
上述DPM(90)除了在前面说的通过驱动调制波长波动减少散斑效果外还有一个优点。 
图5是DPM(90)针对输入负载的工作特性的示意图。图5a是输入负载的现有驱动方法的输出图。图5b是把输入负载高速调制时的输出图。把绿色光源调制到数Khz反复开/关情况下整个负载期间的光输出量反而增加了。这是因为DPM的输出能力在负载量适量增加的时候有逐渐衰减的特性。所以负载间off区间增加但光输出量却在增加。 
图5中对形成绿色光源的红外激光的输入负载以开/关方式调制，也就是说输入负载变化的最小值是0，本发明的实施方式并不限于这种调制方式，输入负载变化的最小值其实可以是0至最大值之间的任一个值。 
本实施方式中，光源的调制可由调制驱动单元完成，该单元用于将光源在开启时间期间的输入负载调制成以一千赫兹以上频率变化的负载。可以理解，调制驱动单元是一个逻辑单元，可以以独立的物理单元实现，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，调制驱动单元本身的物理实现方式并不是最重要的，其所实现的功能是才解决本发明所提 出的技术问题的一个关键。 
可见，在激光光源的On time驱动时进行数KHz以上的调制驱动，可以减少激光的连贯特性，削弱散斑现象。特别在绿色光的情况下，除了可以减少散斑现象外还可以增大光输出效率。 
除了通过对激光光源的高频调制和引入漫射体可以削弱激光散斑外，还可以引入用于振动光束整形器的元件，通过振动光束整形器进一步削弱激光散斑。 
上述实施方式是针对三个激光光源的，但本发明的技术方案并不限于三个激光光源的光学引擎，也可以是一个、二个或更多个激光光源，还可以是激光光源和发光二级管(Light Emitting Diode，简称“LED”)光源组成的混合光源，例如一个红色激光光源，一个由红外激光光源经倍频生成的绿色激光，还有一个蓝色的LED光源。 
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。 

Claims (8)

1.一种激光光学引擎，包括：
至少一个激光光源；
光调制器，利用所述光源发出的光生成图象；
投射透镜，对所述光调制器所生成的图象进行放大投射，其特征在于，还包括：
调制驱动单元，用于将所述光源在开启时间期间的输入负载调制成以一千赫兹以上频率变化的负载；
所述激光光源包括红外激光光源；所述红外激光光源的输入负载的变化频率是1500Hz至2500Hz；
漫射体，位置在所述光源和光调制器之间，用于减小光源的激光散斑；所述漫射体包括扩散元件和旋转或振动此扩散元件的驱动元件；
光束整形器，位于所述光源和物镜之间，用于将所述光源射出的光束转换成光调制器的有效区域形状；以及，用于振动所述光束整形器的元件；
光束整形器使用了由小型透镜体构成的复眼透镜，小透镜体的直径为80-500um。
2.根据权利要求1所述的激光光学引擎，其特征在于，所述激光光源包括红色激光光源和蓝色激光光源；
所述红色激光光源和蓝色激光光源的输入负载的变化频率在3KHz至300MHz之间。
3.根据权利要求2所述的激光光学引擎，其特征在于，所述红色激光光源和蓝色激光光源的输入负载的变化频率是300MHz。
4.根据权利要求3所述的激光光学引擎，其特征在于，所述输入负载 变化时的最小值是最大值的1/2。
5.根据权利要求1所述的激光光学引擎，其特征在于，
所述红外激光光源的输入负载的变化频率是2000Hz。
6.根据权利要求5所述的激光光学引擎，其特征在于，还包括二极管泵浦模块，用于将所述红外激光光源产生的红外激光变换成绿色激光。
7.根据权利要求6所述的激光光学引擎，其特征在于，所述红外激光光源输入负载变化时的最小值是0。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的激光光学引擎，其特征在于，所述光调制器是以下之一：
液晶显示元件、数字微镜器件、硅基液晶；
所述光调制器以场时序方式对多个光源进行调制。 
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