CN102313999A

CN102313999A - 一种减弱激光散斑的装置

Info

Publication number: CN102313999A
Application number: CN2010102197707A
Authority: CN
Inventors: 成华; 颜世鹏; 毕勇
Original assignee: Optoelectronics Technology Co Ltd Of Beijing Zhongshida and Chinese Academy Of
Current assignee: Optoelectronics Technology Co Ltd Of Beijing Zhongshida and Chinese Academy Of
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-11

Abstract

本发明涉及激光显示领域，提供一种减弱激光散斑的装置，主要包括匀光装置及角度选择滤光膜，其中所述角度选择滤光膜设于匀光装置光出射端，所述匀光装置可以主要由实心积分棒和漫反射板组成，也可以主要由漫反射筒和透明介质组成。本发明提供的该种减弱激光散斑的装置，其有效的减弱了输出光场的散斑，使对比度降低到原来的20%左右；使得匀光装置的光输出率提高到90%以上，有效的提高光能利用率；实现匀光装置出射光到下游光学部件的高效光能耦合率。

Description

一种减弱激光散斑的装置

技术领域

本发明涉及激光显示领域，特别是涉及一种减弱激光散斑的装置。

背景技术

激光显示技术由于使用激光作为光源，从而具备更宽的颜色再现能力以实现更大的色域，并且由于激光的高准直性以及高的电光转换效率使得激光显示技术更具竞争力。然而，由于该显示技术使用的激光属于相干光源，相干光束在屏幕粗糙面前端干涉叠加会形成散斑现象。散斑是影响激光显示成像质量的关键因素，因此在激光显示技术中，消除激光散斑是一项重要的任务，事实上，由于相干性是激光内生的属性，完全消除激光的相干性是不大可能的，操作中只需将散斑减弱到人眼观测极限之下，不影响观众感受即可。

在现有的激光显示技术中，还有一个对激光进行匀场的步骤，一般采用积分棒（也称聚光棒）对激光束进行匀场，虽然积分棒对激光也有一定的减弱激光散斑作用，但效果很微弱，所以需要另设一个单独的消除激光散斑的装置，而其在减弱散斑的同时几乎必然带来激光利用率的降低，且大多数消除激光散斑的装置不可避免地引入噪音，同时带来可靠性和体积方面的问题，而且大多数成本较高，无法满足系统的集成化、小型化和低成本的要求。目前有人将匀场和消相干的功能在一个积分棒上同时实现，使得系统部件得以减少，成本降低，如公开号为WO2007072334的美国专利利用积分棒同时实现匀场和减弱激光散斑的功能，其采用的积分棒为内部中空的棒状体，两端面分别为光入射面和光出射面，积分棒的入射端面镀有针对入射光的全反射膜，其出射面镀有对入射光的部分反射膜，激光通过两个反射膜的作用在积分棒内进行多次反射后从出射面射出，光束在积分棒内进行多达几十次的反射，最终出射面的光束为多次反射叠加的光束，彼此之间互不相干，相比入射光而言降低了相干性。然而这一装置的缺点也是很明显的：1）多次反射造成一部分的光能在积分棒内被损耗，积分棒出射面的光能量为入射光能量的83.3%，然而激光散斑效应仅减弱10%，以至于肉眼根本无法感受到改善作用；2）从积分棒出射的光束光学扩展量也很大，无法保证出射光能完全被后续光学系统接受，超出后续光学系统光学扩展量的光束不能被利用。

进一步解释如下，光源发出的光能受到下游光学部件可接受的光量的限制，光学部件可接受的光量为光学扩展量E。

光学扩展量公式为：

其中E为光学扩展量，n为发光元所处的环境介质的折射率；α为光源的发射半角；S为光源的发光面积。

一个光学系统的光源的光学扩展量实际上确立了整个光学系统的光学扩展量的下限，光学系统若要完全利用光源的能量，其所有部件的光学扩展量必须大于光源的光学扩展量。

从积分棒出射的光相当于光源光，若光源光大于投影显示系统的光学扩展量，则超出的这部分光不能有效耦合入投影显示系统。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的主要目的在于提供一种减弱激光散斑的装置，该装置不仅能有效减弱激光散斑，而且还能有效的提高光能利用率。

为了达到以上目的，本发明提供的该种减弱激光散斑的装置，包括匀光装置及角度选择滤光膜，其中：

所述角度选择滤光膜设于匀光装置光出射端；

所述匀光装置主要由实心积分棒和漫反射板组成，所述漫反射板朝向所述匀光装置内部的一面为漫反射面，所述漫反射板由具有粗糙漫反射表面的高反射率陶瓷制成，或者所述漫反射面涂覆有材料Fluorilon-99W^TM，或者覆有高反射率的漫反射材料BaSO₄或CaSO₄；所述实心积分棒朝向漫反射板的底面镀有增透膜；所述实心积分棒为玻璃或其他透明材料制成；

另，所述匀光装置还可以主要由漫反射筒和透明介质组成，所述漫反射筒内壁均为漫反射面，且所述漫反射筒一端封闭另一端开口，开口端由透明介质封闭，所述透明介质的一表面镀有所述角度选择滤光膜；所述透明介质另一个表面还可以镀有增透膜；所述漫反射筒其内表面涂覆材料Fluorilon-99W^TM，或者其内表面涂覆高反射率的漫反射材料BaSO₄或CaSO₄，或者所述漫反射筒由具有粗糙漫反射面的高反射率陶瓷制成。

所述匀光装置为轴对称结构或旋转对称结构；所述匀光装置除采用圆柱形外，还可以采用长方体、正方体等；

所述角度选择滤光膜对入射到其上的光线具有角度限制的作用，即只有当入射光线的角度在角度选择滤光膜允许的角度范围内才能够透射过去，本发明中，所述角度选择滤光膜的允许角度范围，则主要是由下游光学部件可接受的光量的限制即光学扩展量E决定的，本发明所述的减弱激光散斑的装置应用于投影显示系统时，其角度选择滤光膜的允许角度范围优选为36.5度。

本发明提供的减弱激光散斑的装置在工作时，以匀光装置由实心积分棒和漫反射板组成为例，激光光束从积分棒的入射端即设有角度选择滤光膜的一端射入，通过角度选择滤光膜和积分棒到达漫反射板的漫反射面，激光光束在漫反射面发生漫反射产生多束不同角度的散射光线，所述散射光线直接射至角度选择滤光膜或通过积分棒内壁经多次全反射后到达角度选择滤光膜，符合其允许角度范围的光线则穿透射出，而剩下的不在出射角度范围的光线，则被角度选择滤光膜反射返回至积分棒及漫反射板，然后经漫反射板再次漫反射之后，通过积分棒内壁多次全反射后再到达角度选择滤光膜，如此循环，通过角度选择滤光膜射出，最终我们在镀有角度选择滤光膜的出射面得到经过多批经过漫反射和全反射的叠加激光束，该激光束的相干性已被大大减弱，并且可以控制光学扩展量，能很好的与后续光学系统匹配使用。

本发明提供的减弱激光散斑的装置具有以下有益效果：

1.有效的减弱了输出光场的散斑，使对比度降低到原来的20%左右；

2.光束在积分棒内发生全反射，光能损耗小，从匀光装置输出的光能为入射光能的90%以上，有效的提高光能利用率；

3.针对实际所采用的下游光学部件光学扩展量的值可以合理的确定本发明角度选择滤光膜的允许角度及匀光装置的发光面积，使得匀光装置的出射光的光学扩展量小于等于下游光学部件光学扩展量，使得全部出射光都能够耦合到下游光学部件中，实现匀光装置出射光到下游光学部件的高效光能耦合率。

附图说明

图1为本发明实施例1的减弱散斑装置的结构示意图；

图2为本发明实施例2的减弱散斑装置的结构示意图；

图3为本发明所述的减弱激光散斑的装置应用于三片式数字微镜装置激光投影仪的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明作进一步说明，但不作对其的限定：

以投影显示系统为例，由于光学扩展量E为恒定值且受到下游光学部件的光学扩展量的限制，需要针对所采用的下游光学部件光学扩展量的值确定从匀光装置，如积分棒输出光的对应值，使得积分棒的出射光全部能够耦合到下游光学部件中，大幅提高光能的耦合率，从而提高整个投影显示系统的光能利用率。

根据光学扩展量公式

需要限定积分棒出光面的面积和出射光的发散角。本发明采用角度选择滤光膜限制积分棒的出光角度，角度选择滤光膜对入射到其上的光线具有角度限制的作用，即只有当入射光线的角度在角度选择滤光膜允许的角度范围内才能够透射，其余角度范围的则反射回腔内。

本发明首先根据积分棒的出光效率得到角度选择滤光膜的允许的角度范围，然后根据光学扩展量确定积分棒的发光面积。同时为了加强积分棒的减弱散斑能力，在积分棒的另一端加有漫反射板，激光入射到漫反射板上发生漫反射，相当于N个互相独立的光场叠加，叠加之后的光场的散斑对比度是未叠加之前的

。

实施例1：

图1为本发明所述的一种减弱激光散斑的装置的结构示意图，包括漫反射板101、积分棒102、角度选择滤光膜103。漫反射板101采用上海光傲公司的Fluorilon-99W^tm漫反射板，此漫反射板的反射率在400nm至700nm波段高达99%以上，激光显示所使用的激光的波长均属于此光波段。积分棒102为实心矩形棒，可以为玻璃或其他透明材质制成，积分棒102具有两个平行端面A和B，端面A镀有针对入射激光的增透膜，用胶水将漫反射板101与积分棒102的A端面胶合在一起，漫反射板101的面积与积分棒102的A端面横截面相等，并且胶水只涂覆在二者的边缘处，以防污染通光面，角度选择滤光膜103镀在积分棒102的B端面。

为了便于理解，图1中特将漫反射板101和积分棒102的间隔拉宽，如图所示，激光光束104垂直积分棒102的B端面入射并通过角度选择滤光膜103和积分棒102到达漫反射板101的漫反射面，光束104在漫反射板101漫反射面O1处发生朗伯反射，即当入射角度一定时，从任何角度观察反射面，其反射光的亮度均相等。为了便于理解，选择反射光中的光线a、光线b和光线c三条光线进行详细地解释说明，假设角度选择滤光膜103的允许角度为30度，O1处朗伯反射光中的光线a以小于30度角直接入射到积分棒的B端面并透射过角度选择滤光膜103；O1处朗伯反射光中的光线b被反射到积分棒102的侧壁后发生全反射，反射光线以小于30度角入射到积分棒的B端面并透射过角度选择滤光膜103；O1处朗伯反射光中的光线c在积分棒102内发生多次的全反射到达B端，因为其入射角大于30度，所以被角度选择滤光膜103反射回积分棒102内，在积分棒102内又发生多次全内反射后再次到达漫反射板表面的O2处，光线c在O2处再次发生朗伯反射，O2处朗伯反射光中的光线c^，以小于30度角入射到积分棒102的B端面，并透射过角度选择滤光膜103。O1处反射光中的一部分光经过积分棒并直接以小于等于30角度的入射角透射过角度选择滤光膜103，另外一部分光经过积分棒的多次全反射也从角度选择滤光膜103透射出去，剩下部分的光在被积分棒102的B端面反射回积分棒102，并在漫反射板101表面再一次发生朗伯反射，反射光中又将有一部分光透射过角度选择滤光膜103，而另一部分光被再次反射到漫反射板101表面发生漫反射，这样的循环反射，最后至少有90%以上的光从积分棒102中出射。

关于在实际使用过程中，如何确定积分棒101出射光的发散角，即角度选择滤光膜103的允许角度，以下举例作出详细说明：

假设光束104的波长为532nm，而Fluorilon-99W^TM漫反射板对532nm光的漫反射率为99%，再设定入射到积分棒101内的光束104的功率为1W，并且每次从角度选择滤光膜103投射出去的光的几率为b，则第n次从积分棒出射光的功率为

，可以得到从积分棒101最终能够投射出来的总功率为

，若本实施例要求从积分棒101出射光与入射光的比值即积分棒的出光率必须大于等于90%（积分棒出光率大于等于90%），即

，由于光束在积分棒内发生多次反射，当第n次漫反射光的输出功率

时，即可将第n+1次以后漫反射后出射光的功率值忽略不计，由此二式可以推得当n=25时，b=11.605%，此时第25次输出光功率为0.0049。由b=11.605%通过光学软件模拟可以得到角度选择滤光膜103的允许半角为36.5度，即正负 36.5度范围内光束均可以从积分棒102内出射。对于使用典型的0.79英寸的成像芯片、F数为2.4的投影镜头的投影显示系统，其光学扩展量约为

19.8mm²sr。根据，取发光介质为空气，以空气折射率近似取为1进行计算，光束发散角36.5度，进而求得积分棒出射面面积是17.8mm²，其长宽比满足16：9的关系，因此其长度为5.63mm，宽为3.17mm。在上述参数条件下，积分棒的光学扩展量可以最大化的满足投影显示系统的需要，本发明将角度选择滤光膜镀制在积分棒的出光端面，以实现对光能高效的耦合。

由于入射光束在积分棒102内发生多次漫反射相当于n个互相独立的光场叠加，叠加之后的光场的散斑对比度是未叠加之前的

，从而减弱激光散斑效应，本实施例中的输出光场相当于由25个独立光场叠加，散斑对比度下降到未采用本发明减弱激光散斑的装置之前的20%以下，此时人眼已经感觉不到散斑的存在，对观众的观看不造成影响了；采用本减弱激光散斑的装置同时实现了对输出光场的匀化作用，并且积分棒的光输出率为90%；针对所采用的投影显示系统光学扩展量的值合理确定了积分棒的出射角度，使得积分棒的出射光的光学扩展量小于等于投影显示系统光学扩展量，使得全部出射光都能够耦合到投影显示系统中，大幅提高了系统的光能耦合率。

本实施例中，积分棒的侧壁起到全反射的作用，对激光的相位几乎不产生影响，也几乎没有损耗，因此积分棒侧壁的长度对系统的光学效率几乎没有影响。本实施例中，对出光效率影响最大的是角度选择滤光膜的允许出射半角。

通过计算，可得到如表1所示的角度选择滤光膜103的出射半角和出光效率之间的关系。

表1角度选择滤光膜的允许出射半角和出光效率之间的关系

半角（度）	40	30	20	10	5
						出光效率（%）	92.5	89	85	66.5	35.9

特别指出，积分棒除采用圆柱形外，还可以采用长方体、正方体等，积分棒还可以用透明玻璃棒等透明材料代替。

实施例2：

图2为本发明实施例2的减弱激光散斑的装置的结构示意图，包括漫反射筒201、透明介质202、角度选择滤光膜203和光束204。本实施例中的漫反射筒201为中空长方体，内底面为矩形，长宽比为16:9,其中长度为5.63mm,宽度为3.17mm。内侧壁也可以对激光产生漫反射，从而进一步减弱了激光相干性。漫反射筒201是采用Fluorilon-99W^TM漫反射材料制作而成的圆筒，其一端封闭另一端开口，开口端由透明介质202封闭，透明介质202两面抛光，izhong某个表面镀有对入射光的增透膜，另一表面镀有角度选择滤光膜203，本实施例中角度选择滤光膜203的出射角度范围选取为36.5度。光束204透射过角度选择滤光膜203垂直透明介质202入射到漫反射筒201内的U1处并发生朗伯反射，如图2所示，为了进行详细的解释，选取几条光线进行说明，U1反射光线中的光线m以小于36.5度角入射到透明介质202并透射过角度选择滤光膜203而出射；光线n’首先入射到漫反射筒201的侧壁U2处并再次发生朗伯反射，U2处漫反射光线中的光线n以小于36.5度角入射到透明介质202并透射过角度选择滤光膜203而出射；U2处漫反射光线中的光线p’入射到漫反射筒201的侧壁U3处并再次发生朗伯反射，U3处反射光线p以小于36.5度角入射到透明介质202并透射过角度选择滤光膜203而出射；U3处反射光线q以大于36.5度角入射到透明介质202，被角度选择滤光膜203反射回漫反射筒201内并在其侧壁U4处发生漫反射，同理，反射光中的一部份以小于36.5度角入射到透明介质202并透射过角度选择滤光膜203而出射，另一部分又被角度选择滤光膜203反射回漫反射筒201内，反复发生上述的过程，最终，所有的光线都将透射角度选择滤光膜203而出射。通过利用光学软件模拟计算，可以得到当角度选择滤光膜203的出射半角为36.5度时，光能输出效率与漫反射筒深的关系，如表2所示。

表2光能输出效率与漫反射筒深的关系

深度（mm）	1	2	3	4	5
						出光效率（%）	87.7	85.4	83.8	81.3	79

软件的模拟条件为入射光波长532nm，漫反射筒为上海光傲公司的Fluorilon-99W^TM漫反射材料，其对532nm的反射率为99%，漫反射筒的出光孔为直径1mm的圆形，由表2可见，当漫反射筒深为1mm时，从漫反射筒输出光的效率高达87.7%，随着筒深的增加，漫反射筒输出的光效率降低。在此实施例中漫反射筒的筒深和/或筒内表面面积不易过大，光在筒内漫反射时会有一定程度的损耗，筒深和/或筒内表面过大导致光的漫反射次数过多，会使光能损耗过大，降低光能的输出效率，但是随着漫反射面积的减小，消散斑的效果会随着降低，因此其具体的尺寸需要根据实际情况而决定。

漫反射筒内部可以为规则的圆筒等形状外，也可以采用不规则的形状，由此可以实现增大漫反射面积的目的。本发明的漫反射板和/或漫反射筒除采用本发明所指出的Fluorilon-99W^TM材料外，也可以采用其它的具有高漫反射特性的材料如涂覆有高反射率的漫反射材料BaSO₄或CaSO₄，或者漫反射筒由具有粗糙漫反射面的高反射率陶瓷制成。

实施例3：

图3为采用本发明所述的减弱激光散斑的装置的三片式数字微镜装置 (Digital Micromirror Device，DMD)激光投影仪的工作原理示意图。如图所示，本实施例中的激光投影仪包括红光激光光源301、绿光激光光源302、蓝光激光光源303、红光用全内反棱镜304、绿光用全内反棱镜305、蓝光用全内反棱镜306、红光用DMD 307、绿光用DMD 308、蓝光用DMD 309、投影透镜313、X-cube合色棱镜314、红光整形耦合装置315、绿光整形耦合装置316、蓝光整形耦合装置317、屏幕318、减弱红光激光散斑的装置319、减弱绿光激光散斑的装置320和减弱蓝光激光散斑的装置321。减弱红光激光散斑的装置319、减弱绿光激光散斑的装置320和减弱蓝光激光散斑的装置321均采用本发明中所述的减弱激光散斑的装置，积分棒为长方体的玻璃棒。红光激光光源301、绿光激光光源302、蓝光激光光源303发出的红、绿、蓝光分别被红光整形耦合装置315、绿光整形耦合装置316、蓝光整形耦合装置317整形，将红光耦合到减弱红光激光散斑的装置319的光纤内、绿光耦合到减弱绿光激光散斑的装置320的光纤内、蓝光耦合到减弱蓝光激光散斑的装置321的光纤内，红、绿、蓝激光经过减弱激光散斑的装置后又分别经红光用全内反棱镜304、绿光用全内反棱镜305、蓝光用全内反棱镜306反射到DMD307、DMD308和DMD309上，经过DMD307、DMD308和DMD309的处理形成数字图像再次被反射到红光用全内反棱镜304、绿光用全内反棱镜305、蓝光用全内反棱镜306上，并透射过红光用全内反棱镜304、绿光用全内反棱镜305、蓝光用全内反棱镜306后被聚焦透射到X-cube合色棱镜314上进行合色输出，然后投射到投影透镜313上，经投影透镜313的处理放大到屏幕318上。经过减弱红光激光散斑的装置319、减弱绿光激光散斑的装置320和减弱蓝光激光散斑的装置321的处理，观众可以在屏幕上看到没有散斑的清晰的图像。

以上已对本发明的技术内容作了详细说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都不会超出本申请所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种减弱激光散斑的装置，其特征在于，包括匀光装置及角度选择滤光膜，其中所述角度选择滤光膜设于匀光装置光出射端。

2.根据权利要求1所述的一种减弱激光散斑的装置，其特征在于，所述匀光装置主要由实心积分棒和漫反射板组成，所述漫反射板朝向所述匀光装置内部的一面为漫反射面。

3.根据权利要求2所述的一种减弱激光散斑的装置，其特征在于，所述漫反射板由具有粗糙漫反射表面的高反射率陶瓷制成，或者所述漫反射面涂覆有材料Fluorilon-99W^TM，或者覆有高反射率的漫反射材料BaSO₄或CaSO₄。

4.根据权利要求2所述的一种减弱激光散斑的装置，其特征在于，所述实心积分棒朝向漫反射板的底面镀有增透膜。

5.根据权利要求2所述的一种减弱激光散斑的装置，其特征在于，所述实心积分棒为玻璃或其他透明材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种减弱激光散斑的装置，其特征在于，所述匀光装置主要由漫反射筒和透明介质组成，所述漫反射筒内壁均为漫反射面，且所述漫反射筒一端封闭另一端开口，开口端由透明介质封闭，所述透明介质的一表面镀有所述角度选择滤光膜。

7.根据权利要求6所述的一种减弱激光散斑的装置，其特征在于，所述透明介质另一个表面镀有增透膜。

8.根据权利要求6所述的一种减弱激光散斑的装置，其特征在于，所述漫反射筒其内表面涂覆材料Fluorilon-99W^TM，或者其内表面涂覆高反射率的漫反射材料BaSO₄或CaSO₄，或者所述漫反射筒由具有粗糙漫反射面的高反射率陶瓷制成。

9.一种采用权利要求1-8任意一项所述减弱激光散斑的装置的投影显示系统。

10.根据权利要求9所述的投影显示系统，其特征在于，所述减弱激光散斑的装置的角度选择滤光膜的允许角度范围为36.5度。