CN104765242B - 多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统，系统包括：激光光源，包括多个激光光纤束模块，用于发出多束激光；非球面准直透镜单元，包括多个处于同一平面内的非球面准直透镜，非球面准直透镜与激光光纤束模块一一对应，每个非球面准直透镜的光轴到光学系统主光轴的距离相等，所述非球面准直透镜的前表面为平面，后表面为非球面；汇聚透镜单元，包括至少一个汇聚透镜，用于将非球面准直透镜单元的光进行汇聚，将多孔径的光拼接为大孔径圆形光斑；矩形积分棒，用于将拼接后的大孔径圆形光斑匀化整形为矩形方斑。本发明利用多孔径拼接大孔径合成的方式可将多个光纤束模块耦合到一起，做成高亮度的激光光源。

Description

多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统

技术领域

本发明公开了多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统，可以用于基于数字微镜阵列(DMD)的高亮度的DLP激光投影显示设备中。

背景技术

激光显示是第四代显示技术，它采用红绿蓝三基色激光作为光源，充分利用激光波长可选择性和高光谱亮度的特点，使显示图像具有更大的色域表现空间，同时完全继承数字显示的高分辨率，数字信号等特征，可最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力，相比传统显示设备，激光显示在亮度、色域、寿命、功耗上具有无可比拟优势，目前成为显示技术发展热点。

激光投影是激光显示的主要应用之一，在众多领域具有重要的价值和庞大的潜在市场，近年来市场已推出不同亮度的激光投影产品，应用于家庭娱乐、商务会演、游戏模拟、展览标牌、剧院等领域，在这些应用领域中，很多应用要求投影机(工程投影机、数字电影放映机等)高亮度投射，特别是35000流明以上亮度应用领域必须用激光投影机来实现。

基于数字微镜阵列(DMD)的DLP显示技术是目前获得高亮度显示的主流技术，与红绿蓝三基色激光光源结合可获得大色域高亮度投影显示，但由于受目前红绿蓝激光器功率的限制和消除显示激光散斑的需要，高亮度激光投影机使用的三基色激光照明光源使用多组红绿蓝激光模组功率合成来实现所要求的激光亮度，一般激光功率合成可采用光纤捆绑光纤束技术来实现，考虑到模块化设计、维修方便以及高亮度投影机对光源的特殊要求，照明光源采用多组三基色光纤束输出，因此本发明多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统针对多光纤束输出照明光源而设计，满足不同尺寸的DMD芯片激光显示需要。

发明内容

本发明的目的是提供多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统，三个激光光纤束模块组成的高亮度激光光源经过该多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统后变为照度均匀性达到95％以上的矩形光斑。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统，包括：

激光光源，包括多个激光光纤束模块，用于发出多束激光；

非球面准直透镜单元，包括多个处于同一平面内的非球面准直透镜，非球面准直透镜与激光光纤束模块一一对应，每个非球面准直透镜的光轴到光学系统主光轴的距离相等，所述非球面准直透镜的前表面为平面，后表面为非球面；

汇聚透镜单元，包括至少一个汇聚透镜，用于将非球面准直透镜单元的光进行汇聚，将多孔径的光拼接为大孔径圆形光斑；

矩形积分棒，用于将拼接后的大孔径圆形光斑匀化整形为矩形方斑。

本发明所述的光学系统中，所述矩形积分棒为空心棒。

本发明所述的光学系统中，所述汇聚透镜单元为正焦距组元，其通光口径大于非球面准直透镜单元发出光束的复合口径。

本发明所述的光学系统中，所述矩形积分棒的长宽比为16：9、16：10或者4：3。

本发明还提供一种多孔径拼接大孔径的高亮度三基色激光光源的合成方法，包括以下步骤：

将多个激光光纤束模块发出的多束激光通过非球面准直透镜单元准直为多束平行光，一束激光与一个非球面准直透镜对应；

将通过非球面准直透镜单元的平行光束通过汇聚透镜单元进行汇聚，将多孔径的光拼接为大孔径圆形光斑；

将大孔径圆形光斑通过矩形积分棒，将拼接后的大孔径圆形光斑匀化整形为矩形方斑。

本发明产生的有益效果是：本发明利用多孔径拼接大孔径合成的方式将多个光纤束模块通过汇聚透镜单元耦合到一起，做成高亮度的激光光源，并将光纤束模块发出的小角度的激光光束转化为适合投影照明用的大角度光束；通过选择合适长宽高的积分棒，将圆形光斑匀化整形为适合不同规格DMD芯片的均匀性很高的矩形光斑。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统示意图；

图2为本发明多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统结构图；

图3为本发明三片非球面准直透镜示意图；

图4为本发明积分方棒出射端光斑示意图；

图5为本发明积分方棒出射端X方向光照度均匀性示意图；

图6为本发明积分方棒出射端Y方向光照度均匀性示意图；

图7为本发明积分方棒出射端照度均匀性示意图及文本图；

图中各标记的名称如下：1—非球面准直透镜；2—非球面准直透镜；3—非球面准直透镜；4—第一成像透镜；5—第二成像透镜；6—矩形积分棒。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过利用多孔径拼接大孔径合成的方式将多个光纤束模块通过汇聚透镜单元耦合到一起，做成高亮度的激光光源，并利用该光学系统将光纤束模块发出的小角度的激光光束转化为适合投影照明用的大角度光束；通过选择合适长宽高的矩形积分棒，将圆形光斑匀化整形为适合不同规格DMD芯片的均匀性很高的矩形光斑。

本发明实施例的多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统，包括：

激光光源，包括多个激光光纤束模块，用于发出多束激光；

非球面准直透镜单元，包括多个处于同一平面内的非球面准直透镜，非球面准直透镜与激光光纤束模块一一对应，每个非球面准直透镜的光轴到光学系统主光轴的距离相等，所述非球面准直透镜的前表面为平面，后表面为非球面；

汇聚透镜单元，包括至少一个汇聚透镜，用于将非球面准直透镜单元的光进行汇聚，将多孔径的光拼接为大孔径圆形光斑；汇聚透镜起汇聚光束的作用，可将准直透镜准直组合后的大口径平行光束汇聚为圆形光斑。

矩形积分棒，用于将拼接后的大孔径圆形光斑匀化整形为矩形方斑。

本发明的一个实施例中，所述矩形积分棒为空心棒。空心方棒由四个长条形反射镜胶合而成，入射到空心方棒中的光束发生多次发射，当从空心方棒出射后变为均匀的矩形光斑。方棒的长度决定光斑的均匀性。

(去除)

本发明中的汇聚透镜单元为正焦距组元，其通光口径大于非球面准直透镜单元发出光束的复合口径。

矩形积分棒的长宽比根据需要可以设计为16：9、16：10或者4：3。

实施例1：如图1和图2所示，为本发明一种多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统的一个基本实施例。光学系统的非球面准直透镜单元包括三片非球面准直透镜1～3、汇聚透镜单元包括第一成像透镜4和第二成像透镜5、该光学系统还包括横截面长宽比为a：b的矩形积分棒6，a：b等于16：9。

非球面准直透镜1～3为正透镜，材料为FK61，前表面为平面，后表面为非球面；非球面准直透镜1～3的外径为8mm；如图3所示，三片非球面准直透镜(1～3)处于同一平面内，非球面准直透镜1～3之间的间隔为2mm。

第一成像透镜4为正透镜，材料为K9，外径为22mm。

第二成像透镜(5)为正透镜，材料为K9，外径为18mm。

横截面长宽比为16：9的矩形积分棒6为空心方棒，横截面的尺寸为9.8mm×5.6mm，长度为81mm。长方形积分方棒的入射端面位于汇聚光束像平面后方，横截面处的光斑直径小于短边的长度5.6mm。

在积分方棒出射端0.5mm处加一个探测器表面，探测器划分为3×3的像素，根据DCI标准计算照度均匀性。

高亮度激光光源的功率很高，需要的激光器的数量也相对较多，为了安装和维修的方便将激光光纤束分为三个相同的模块。三个激光光纤束模块按照等边三角形排列，激光光纤束模块的中心间距为10mm，每个激光光纤束模块包含RGB三根光纤，光纤发出光束的数值孔径NA为0.22。

多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统中，三个激光模块发出的三束激光分别经过非球面准直透镜1～3准直为三束平行光束，三束平行光经过第一成像透镜4和第二成像透镜5汇聚后变为数值孔径NA为0.5的光束进入横截面长宽比为16：9的矩形积分棒6，光束在矩形积分棒6中经过3～4次反射后离开积分方棒，变为长宽比为16：9的照明方斑，如图4所示，方斑的照度均匀性达到了95％以上。

高亮度激光光源发出的光束经过照明光学系统后变为9.8mm×5.6mm的照明方斑，如图5、图6和图7所示，方斑的照度均匀性达到了95％以上，照明方斑经中继照明系统(转向系统)照射到数字微镜阵列(DMD)，经数字微镜阵列(DMD)反射后进入投影镜头，并投射到大屏幕上。

高亮度激光投影显示设备的照明光学系统采用复合孔径的结构形式，成功的将三个间距较远的激光光纤束模块发出的NA为0.22的光整形、匀化整形为数值孔径为0.5的照明方斑，方斑的尺寸为9.8mm×5.6mm，照度均匀性达到了95％以上，满足了高亮度激光投影显示设备的使用要求。

不同片数的非球面准直透镜对应的激光光纤束模块的个数不同，从而对应的激光光源的亮度不同，改变非球面准直透镜的个数，可对实施案例1进行拓展。

实施例2：与上述实施例1不同的是，多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统包括两片非球面准直透镜、第一成像透镜、第二成像透镜和横截面长宽比为a：b的长方形积分方棒。

实施例3：与上述实施例1不同的是，多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统包括四片非球面准直透镜、第一成像透镜、第二成像透镜和横截面长宽比为a：b的长方形积分方棒。

实施例4：与上述实施例1不同的是，多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统包括五片非球面准直透镜、第一成像透镜、第二成像透镜和横截面长宽比为a：b的长方形积分方棒。

实施例5：与上述实施例1不同的是，多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统包括六片非球面准直透镜、第一成像透镜、第二成像透镜和横截面长宽比为a：b的长方形积分方棒。

实施例6：与上述实施例1不同的是，多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统包括七片非球面准直透镜、第一成像透镜、第二成像透镜和横截面长宽比为a：b的长方形积分方棒。

实施例7：与上述实施例1不同的是，多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统的长方形积分方棒长宽比a：b等于16：10和4：3。

本发明多孔径拼接大孔径的高亮度三基色激光光源的合成方法，包括以下步骤：

将多个激光光纤束模块发出的多束激光通过非球面准直透镜单元准直为平行光束，一束激光与一个非球面准直透镜对应；

将通过非球面准直透镜单元的平行光束通过汇聚透镜单元进行汇聚，将多孔径的光拼接为大孔径圆形光斑；

将大孔径圆形光斑通过矩形积分棒，将拼接后的大孔径圆形光斑匀化整形为矩形方斑。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种多孔径拼接大孔径合成的高亮度三基色激光光源光学系统，其特征在于，包括：

激光光源，包括多个激光光纤束模块，用于发出多束激光；

非球面准直透镜单元，包括多个处于同一平面内的非球面准直透镜，非球面准直透镜与激光光纤束模块一一对应，每个非球面准直透镜的光轴到光学系统主光轴的距离相等，所述非球面准直透镜的前表面为平面，后表面为非球面；

汇聚透镜单元，包括至少一个汇聚透镜，用于将非球面准直透镜单元的光进行汇聚，将多孔径的光拼接为大孔径圆形光斑；

矩形积分棒，用于将拼接后的大孔径圆形光斑匀化整形为矩形方斑。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述矩形积分棒为空心棒。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述汇聚透镜单元为正焦距组元，其通光口径大于非球面准直透镜单元发出光束的复合口径。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述矩形积分棒的长宽比为16：9、16：10或者4：3。

5.一种多孔径拼接大孔径的高亮度三基色激光光源的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

将多个激光光纤束模块发出的多束激光通过非球面准直透镜单元准直为多束平行光，一束激光与一个非球面准直透镜对应；

将通过非球面准直透镜单元的平行光束通过汇聚透镜单元进行汇聚，将多孔径的光拼接为大孔径圆形光斑；

将大孔径圆形光斑通过矩形积分棒，将拼接后的大孔径圆形光斑匀化整形为矩形方斑。