CN104777626A - 一种抑制激光散斑的装置和方法、及激光显示投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抑制激光散斑的装置和方法、及激光显示投影系统，该装置包括：多个非相干的激光器、光纤耦合器和集束光纤，多个激光器输出的多路光束经由光纤耦合器耦合至集束光纤的子光纤中，在子光纤中传输的光束称为子光束，集束光纤的输出端输出的同频率的相邻子光束在空间上具有预设距离；设置的预设距离使多个同频率的子光束经过投影系统以不同角度照射到屏幕上，从而使人眼观察到散斑图样是相互独立的。该装置通过设置多个非相干激光器降低光束的相干性，从而降低散斑对比度；还通过在集束光纤的输出端按照散斑角度多样化条件排布子光束，独立散斑的在空间上叠加降低散斑对比度；两种方法散斑抑制效果可以叠加，更大程度地降低散斑对比度。

Description

一种抑制激光散斑的装置和方法、及激光显示投影系统

技术领域

本发明涉及激光投影显示领域，具体涉及一种抑制激光散斑的装置和方法，另外还涉及激光显示投影系统。

背景技术

激光投影显示技术具有高亮度、大色域的优点，其作为新一代显示技术受到了科学界和产业界的极大关注。但是，激光具有强相干性的特点，激光的强相干性会引起的散斑效应，而散斑效应将会严重影响显示图像的质量，并且散斑效应很难被有效消除，因此散斑效应的引入已经成为了制约激光投影显示技术发展的最主要问题。

针对这一技术问题，目前业内主要抑制散斑的方法是增加激光带宽或是激光波长多样性，目前市场上出现采用激光与其他非相干光(如LED)形成的混合光源，但这样需要牺牲光源的亮度或饱和度，从而影响显示画面质量；而线宽大的激光器的成本高，且传输的功率和效率低，因此无法得到广泛应用。

另外，目前市场上还出现了采用振动屏幕使散斑场“沸腾”的方法来抑制散斑，这种方法虽然简单易行，但是散斑抑制的效果严重依赖于投影系统以外的器件，例如屏幕，而对于材质偏硬或尺寸过大的屏幕的振动不易实现，因此该方法对于无固定屏幕的投影显示设备不适用，该抑制方法存在着抑制效果差和实用性问题。

上述提到的抑制方法均具有很大的局限性，尤其是针对高亮度、高增益显示等应用场合，由于激光热量和孔径的增加等条件的限制，使得现有的抑制方法所能达到的效果有限。

发明内容

本发明提供一种抑制激光散斑的装置，以解决现有技术中存在的上述问题。

本发明还提供一种抑制激光散斑的方法。

本发明还提供一种应用抑制激光散斑的装置的激光显示投影系统。

本发明提供一种抑制激光散斑的装置，包括：多个非相干的激光器、光纤耦合器和包含多个子光纤的集束光纤，每个激光器用于输出一路光束，多个激光器输出的多路光束分别经由所述光纤耦合器耦合至所述集束光纤的子光纤中，且在每一子光纤中传输的一路光束称为子光束，所述集束光纤的输出端输出的同频率的相邻子光束在空间上具有预设距离；设置的所述预设距离使多个同频率的子光束产生的散斑图样是相互独立的。

可选的，所述激光器为单色激光器，所述每个激光器用于输出一路光束具体是，所述激光器用于输出红光、绿光或蓝光的一路激光光束。

优选的，所述预设距离与所述相同频率的子光束的角间隔成正比。

优选的，所述角间隔是观察者的瞳孔张角的预设放大倍率的倍数；所述瞳孔张角是瞳孔直径与观察距离的比值。

优选的，所述预设距离的最小值的计算公式为：L＝kna/s，其中L是预设距离，n是预设放大倍率，a是瞳孔直径，s是观察距离，k是距离单位常数。

可选的，所述集束光纤中同频率的子光纤之间间隔的光纤根数的计算公式是：N＝L/b-1，其中b是光纤直径。

优选的，所述集束光纤中同频率的子光纤之间间隔的光纤根数的最小值为一根光纤。

优选的，所述同频率的子光束的个数的T，所述激光的散斑对比度为

本发明还提供一种激光显示投影系统，包括耦合透镜、投影芯片、投影镜头和上述的抑制激光散斑的装置，所述抑制激光散斑的装置中的所述集束光纤的输出端与所述耦合透镜、投影芯片及投影镜头依次设置在一个光路中，经过投影镜头放大的光束投影至屏幕上。

可选的，还包括准直透镜，所述准直透镜设置于所述集束光纤的输出端与所述耦合透镜之间，并位于上述的光路中。

优选的，如上述权利要求6所述的计算公式中，所述k是距离单位常数，具体的，k是所述准直透镜的焦距；

n是预设放大倍率，具体的，n是所述投影镜头的放大倍率；

s是观察距离，具体的，s是观察者距离所述屏幕的距离。

本发明还提供一种抑制激光散斑的方法，包括：

采用多个非相干的激光器的方法设置激光光源；

采用照明角度多样性的方法设置集束光纤输出端的子光纤的间隔排布；

所述激光光源在所述集束光纤中传输。

优选的，所述激光器是单色激光器，用于输出红光、绿光或蓝光的一路激光光束。

可选的，所述采用照明角度多样性的方法具体是，通过调整集束光纤输出端的子光纤的间隔排布，改变激光光束的照明方向，使散斑图样发生变化。

优选的，所述散斑图样的强度通过叠加方式分布。

优选的，所述子光纤的间隔排布使所述子光纤中的光束产生的散斑图样之间为独立的。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种抑制激光散斑的装置,包括：多个非相干的激光器、光纤耦合器和包含多个子光纤的集束光纤，每个激光器用于输出一路光束，多个激光器输出的多路光束分别经由所述光纤耦合器耦合至所述集束光纤的子光纤中，且在每一子光纤中传输的一路光束称为子光束，所述集束光纤的输出端输出的同频率的相邻子光束在空间上具有预设距离；设置的所述预设距离使多个同频率的子光束产生的散斑图样是相互独立的。该装置通过设置非相干激光器降低光束的相干性，从而降低散斑对比度，另一方面，通过按照散斑角度多样化条件预设距离排布输出端子光束，在空间上降低散斑对比度。

本发明还提供一种抑制激光散斑的方法，包括：采用多个非相干的激光器的方法设置激光光源；采用照明角度多样性的方法设置集束光纤输出端的子光纤的间隔排布；所述激光光源在所述集束光纤中传输。该方法采用设置非相干激光器的方法以及照明角度多样性的方法结合，两种方法均可抑制散斑，通过结合两种抑制散斑的方法共同降低散斑对比度。另外，采用预设集束光纤输出端子光纤距离的方法实现简单，无需复杂的光学系统，不影响光学传输效率，不受总输出光功率的限制，并可附加在其他散斑抑制方法上。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种抑制激光散斑的装置的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的抑制激光散斑的装置中集束光纤的输出端的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的抑制激光散斑的装置及照明系统的一种结构示意图。

图4是本发明实施例提供的抑制激光散斑的装置及照明系统的另一种结构示意图。

图5是本发明实施例提供的一种抑制激光散斑的方法的流程图。

图6是本发明实施例提供的一种激光显示投影系统的结构示意图。

其中，101、多个非相干的激光器，102、光纤耦合器，103、集束光纤，301、子光束，601、抑制激光散斑的装置，602、耦合透镜，603、投影芯片，604、投影镜头，605、屏幕，606、准直透镜。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

图1是本发明实施例提供的一种抑制激光散斑的装置的结构示意图。

本发明提供一种抑制激光散斑的装置，该装置包括多个非相干的激光器101、光纤耦合器102和包含多个子光纤的集束光纤103。

所述激光器为单色激光器，该单色激光器可输出一路光束，在本实施例中，应用的该多个单色激光器中，某些激光器可输出一路红色激光光束，某些激光器可输出一路绿色激光光束，还有某些激光器可输出一路蓝色激光光束。

所述激光器输出的光束经由所述光纤耦合器102耦合至所述集束光纤103的子光纤中。在所述子光纤中传输的光束称为是子光束301，所述每个子光束301经由所述集束光纤103的子光纤传输，所述集束光纤103的输出端输出的同频率的相邻子光束301在空间上具有预设距离；设置的所述预设距离使多个同频率的子光束301产生的散斑图样是相互独立的。

由于所述多个非相干的激光器101中输出的多路红色光束、蓝色光束或者绿色光束之间均是相互独立的，具有非相干性。

首先，三种不同颜色的光束的频率不同，则说明其具有非相干性。另外，虽然同一种颜色的光束的频率是相同的，但是，由于是不同的激光器输出的，其相位是随机的，因此，即使两束频率相同的光束之间也是具有非相干性的。

总之，采用所述多个非相干的激光器101可满足激光光源的非相干性。

由于激光本身具有的相干性是造成散斑的一个重要的因素，因此，为了降低散斑对比度，需要降低光束的相干性，因此才引入多个非相干的激光器101，由于多个激光器之间输出的光束是非相干的，因此，采用非相干的激光器光纤组束可降低总光束的相干性。

所述光纤耦合器102用于将激光器输出的光束耦合至相应的子光纤中，在每个子光纤中传输的一路光束可称为子光束301。

由于每根子光纤中传输的红、绿、蓝三种激光的功率不同，则对应不同颜色的光纤耦合器102耦合的不同颜色的子光束301的功率是不同的。每根子光纤传输的绿光激光的功率大于每根子光纤中红光激光的功率，为了保证输出的三种颜色混合后的白平衡，通过设置所述光纤耦合器102，使得所述集束光纤输出端的子光束301中红色子光束数量多于绿色子光束的数量。

上述传输所述子光束301的子光纤可设置为石英光纤，多根石英光纤通过组束合成为集束光纤103，并且所述集束光纤103具有一个总的输出端，并且该输出端可以输出一个能量分布集中，且高功率的白光激光。

由多个非相干激光器及光纤调制均可降低激光的相干性，通过设置所述非相干的激光器以及采用石英光纤的调制，可以输出高光通量激光的同时使散斑对比度已经下降至12％或者更低，该情况下对散斑的削弱已能达到到人眼接受的程度，但为了提高画面的质量，在此基础上可再降低散斑对比度。

利用角度多样性的散斑抑制方法对所述集束光纤103的输出端进行设置，达到再次降低散斑对比度的目的。

所述集束光纤103输出端是由多个输出红绿蓝三色激光的离散化光纤组成，每根子光纤的输出端都可视为一个非相干的子光束301，同种颜色的子光束301在空间上具有预设距离，并且按照一定的间隔排布，使得每个子光束301通过投影系统照射到屏幕产生一个散斑图样强度分布。设置的所述预设距离使多个同频率的子光束301产生的散斑是相互独立的。

同颜色的子光束301在所述集束光纤103的输出端进行重新排布，该排布的方式是根据角度多样性的散斑抑制理论得出的，并且所述子光束301的排布的预设距离需要保证每个子光束301产生的散斑是相互独立的，并且满足照明角度多样性的条件。

所述Goodman的散斑抑制理论表明：每种散斑抑制方法都可以看成是引入了某一数目的自由度，例如偏振的多样性可以提供两个自由度，而时间平均、角度和波长的多样性和减弱激光相干性等都贡献自己的自由度。如果设置有N个独立的机制引入新的自由度，那么自由度的总数M为：

$M=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{M}_n$

得到的散斑的总的对比度C是：

$C=\frac{1}{\sqrt{M}}$

以下结合Goodman的散斑抑制理论，介绍激光的照明角度多样性来降低散斑对比度的原理。

激光光束照射到如屏幕这样的散射表面时，将散射形成具有特征的散斑图样强度分布，散斑图样的强度分布依赖于照明的角度、观察角度以及激光的波长。角度多样性的原理是通过改变激光的照明方向，使散斑图样发生变化，这些散斑图样在强度基础上叠加，将会降低观察到的对比度。

如果有T个互不相干的光束的从不同的方向照射散射面，对于接近垂直的观察角度，不同照明角度的主要效应是散斑图样的角移动。当照明角度的变化超过人眼瞳孔的张角时，这种变化相当于散斑图样强度分布在空间上的位移超过一个瞳孔直径的距离，可以认为所形成的T个散斑图样是不相关的，这些不相关的散斑图样在强度基础上叠加，使散斑对比度降为实现散斑效应的抑制。

例如，所述集束光纤103的输出端的排布为六边形紧密排列，可参照图2，填充有红、绿、蓝三种颜色的S个子光束301，该图示中仅示意出绿色子光束的位置，圆圈中写有G标号的为绿色子光束的位置，红色和蓝色的排布与绿色的排列原理相同，所以未标示。

通过合理分配每个同颜色子光束301彼此之间的间隔距离，以满足投影角度差异条件，则可视为每种颜色的子光束301产生的散斑彼此独立，通过投影系统后根据产生的角度变化各形成S个非相关的散斑图样分布，这些散斑图样分布叠加，将分别降低三种颜色光场的散斑对比度。

基于上述理论基础，设置所述集束光纤103的输出端各个子光束301的排布方式需要做具体的介绍。由于子光束301的排布方式与后续的照明系统具有一定程度的联系，为了更详细的说明该排布方式，需要引入后续的照明系统。

所述后续的照明系统可包括耦合透镜602、投影芯片603、投影镜头604和屏幕605等。所述耦合镜头、投影芯片603、投影镜头604与所述集束光纤103的输出端设置在一个光路中。经过所述集束光纤103的输出端输出的激光经过耦合透镜602使光束聚焦在所述投影芯片603上，再经过投影镜头604，以n倍的放大率成像在所述屏幕605上。

所述集束光纤103的输出端输出的激光光束在未准直情况下，子光束301经过投影系统后投射角度会发生部分交叠，因此产生的散斑图样彼此之间为部分独立，可在一定程度上抑制散斑对比度。

为了充分满足角度多样性条件，需保证激光平行传输，可在所述输出端与所述耦合透镜602之间设置准直透镜606，以保证激光的平行传输。

具体是，所述集束光纤103输出端的每个子光束301通过准直透镜606和耦合透镜602之后进入投影芯片603。由于所述输出端可输出红、绿、蓝三种颜色的子光束301，为方便描述，以绿光子光束(以下简称绿子光束)为例进行描述。对于红光子光束和蓝光子光束与绿光子光束的排布原理相同，本实施例不再赘述。

由于绿子光束之间彼此设置有预设距离，所以各绿子光束会以不同的角度投影到屏幕605，当投影角度的角度差大于眼睛瞳孔的张角时，此时由于角度的变化产生的各个绿子光束的散斑图样分布是不相关的，满足角度多样性原理。

其中，由于各子光纤之间具有间隔，各子光纤的出射子光束301之间存在一定的角间隔。激光光束经过所述耦合透镜602，以不同的角度照射到投影芯片603上，所述投影芯片603上的内容经过投影镜头604，以n倍的放大率成像到屏幕605上，根据这一放大关系，得知光束照射到投影芯片603的角度为照明光经过镜头照射到屏幕605上的角度的n倍。因此如果要满足角度多样化条件，需要各子光束301的角间隔必须为人眼张角的n倍，因此，所述预设距离与所述相同频率的子光束301的角间隔成正比。

上述n可定义为预设放大倍率，因此所述角间隔是观察者的瞳孔张角的n倍。所述瞳孔张角是瞳孔直径与观察距离的比值。

根据上述推导关系，可整理出所述预设距离的最小值的计算公式，该计算公式为：L＝kna/s，其中L是预设距离，n是预设放大倍率，a是瞳孔直径，s是观察距离，k是距离单位常数。

所述k为距离单位常数，结合上述透明系统中各装置，所述k可具体为所述准直透镜606的焦距。

上述L是同颜色子光束301之间的预设距离，由于所述子光束301在所述子光纤中传输，因此，基于可实现性，可计算出子光纤的排布方式。

具体是，所述集束光纤103中同频率的子光纤之间间隔的光纤根数的计算公式是：

N＝L/b-1，其中b是光纤直径。

以下结合具体的实施例对所述集束光纤103的输出端的子光束301的排布进行说明。

请参考图3和图4。图3是不包含准直透镜的情况，图4是包含有准直透镜的情况。

对于实际应用的数字投影系统，一般的投影芯片603(DMD芯片)的尺寸为0.95英寸，假设投影至一个对角线为4.7m的屏幕605上，根据计算得到，投影机的放大倍率是4.7/0.95/0.0254＝195倍。

于是各子光束301之间的角分隔必须是人眼瞳孔张角的195倍。假设观察者距离屏幕605大约为6m，人眼瞳孔直径为3mm，可以得到瞳孔张角为0.003/6＝5*10^-4rad，则子光束301的角分隔约为195*5*10^-4＝0.098rad。

假设集束光纤103的输出端共有91根子光纤组成的圆形排列，光纤直径为0.42mm，于是各子光纤彼此间的最小间隔为0.42mm。所述照明系统中的准直透镜606的焦距为10mm，因此子光纤间的间隔为10*0.098＝0.98mm，也就是在光纤排布中，需要同色的光纤之间需至少间隔一根排列。该具体实施例中91根子光纤中可具有16个子光束301为绿光子光束，因此，采用该阵列排布将使散斑对比度降到即25％。

综合采用非相干激光器可降低散斑对比度12％，以及针对集束光纤103输出端的子光束301的排布降低散斑对比度25％，该装置共可使散斑对比度降低至12％*25％＝3％。该装置在实现高亮度输出的同时进一步降低散斑对比度，使激光显示中的散斑减弱到人眼完全能够被接受的程度。

本发明实施例还提供一种激光显示投影系统，请参照图6，该激光显示投影系统包括抑制激光散斑的装置601，以及耦合透镜602、投影芯片603和投影镜头604，所述抑制激光散斑的装置中的所述集束光纤103的输出端与所述耦合透镜602、投影芯片603及投影镜头604依次设置在一个光路中，经过投影镜头604放大的光线投影至屏幕605上。

可选的，还包括准直透镜606，所述准直透镜606设置于所述集束光纤103的输出端与所述耦合透镜602之间，并位于上述的光路中。

可选的，如上述预设距离的计算公式中，所述k是距离单位常数，具体的，k是所述准直透镜606的焦距；

n是预设放大倍率，具体的，n是所述投影镜头604的放大倍率；

s是观察距离，具体的，s是观察者距离所述屏幕605的距离。

由于该激光显示投影系统中的各装置在所述抑制激光散斑的装置已经有具体的介绍，该系统的各部分装置的介绍可参考上述描述，在次不再赘述。

本发明实施例还提供一种抑制激光散斑的方法，该方法是对应上述抑制激光散斑的装置衍生出的一种方法，请参照图5，该方法包括：

步骤S501，采用多个非相干的激光器的方法设置激光光源；

步骤S502，采用照明角度多样性的方法设置集束光纤输出端的子光纤的间隔排布；

所述激光光源在所述集束光纤中传输。

上述步骤S501可参照上述装置中设置的非相干激光器和集束光纤两个装置的介绍。

可选的，所述激光器是单色激光器，用于输出红光、绿光或蓝光的一路激光光束。

可选的，所述采用照明角度多样性的方法具体是，通过调整集束光纤输出端的子光纤的间隔排布，改变激光光束的照明方向，使散斑图样发生变化。

可选的，所述散斑图样的强度通过叠加方式分布，所述子光纤的间隔排布使所述子光纤中的光束产生的散斑图样之间为独立的。

另外，在步骤S502之后还可以采用运动漫射体调制散斑图样的方法，或者结合更多的散斑抑制方法共同调制散斑图样，更大程度地抑制散斑。

由于上述方法是上述装置之间具有相应的对应关系，以及方法中应用的各理论和原理在装置的介绍中均已详述，因此对该方法的理解可参考上述装置的说明。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (16)

1.一种抑制激光散斑的装置，其特征在于，包括：多个非相干的激光器、光纤耦合器和包含多个子光纤的集束光纤，每个激光器用于输出一路光束，多个激光器输出的多路光束分别经由所述光纤耦合器耦合至所述集束光纤的子光纤中，且在每一子光纤中传输的一路光束称为子光束，所述集束光纤的输出端输出的同频率的相邻子光束在空间上具有预设距离；

设置的所述预设距离使多个同频率的子光束产生的散斑图样是相互独立的。

2.根据权利要求1所述的抑制激光散斑的装置，其特征在于，所述激光器为单色激光器，所述每个激光器用于输出一路光束具体是，所述激光器用于输出红光、绿光或蓝光的一路激光光束。

3.根据权利要求1或2任一项所述的抑制激光散斑的装置，其特征在于，所述预设距离与所述相同频率的子光束的角间隔成正比。

4.根据权利要求3所述的抑制激光散斑的装置，其特征在于，所述角间隔是观察者的瞳孔张角的预设放大倍率的倍数；

所述瞳孔张角是瞳孔直径与观察距离的比值。

5.根据权利要求4所述的抑制激光散斑的装置，其特征在于，所述预设距离的最小值的计算公式为：

L＝kna/s，其中L是预设距离，n是预设放大倍率，a是瞳孔直径，s是观察距离，k是距离单位常数。

6.根据权利要求5所述的抑制激光散斑的装置，其特征在于，所述集束光纤中同频率的子光纤之间间隔的光纤根数的计算公式是：

N＝L/b-1，其中b是光纤直径。

7.根据权利要求6所述的抑制激光散斑的装置，其特征在于，所述集束光纤中同频率的子光纤之间间隔的光纤根数的最小值为一根光纤。

8.根据权利要求1所述的抑制激光散斑的装置，其特征在于，所述同频率的子光束的个数的T，所述激光的散斑对比度为

9.一种激光显示投影系统，其特征在于，包括耦合透镜、投影芯片、投影镜头和权利要求1-8任一项所述的抑制激光散斑的装置，所述抑制激光散斑的装置中的所述集束光纤的输出端与所述耦合透镜、投影芯片及投影镜头依次设置在一个光路中，经过投影镜头放大的光束投影至屏幕上。

10.根据权利要求9所述的激光显示投影系统，其特征在于，还包括准直透镜，所述准直透镜设置于所述集束光纤的输出端与所述耦合透镜之间，并位于上述的光路中。

11.根据权利要求10所述的激光显示投影系统，其特征在于，如上述权利要求6所述的计算公式中，所述k是距离单位常数，具体的，k是所述准直透镜的焦距；

n是预设放大倍率，具体的，n是所述投影镜头的放大倍率；

s是观察距离，具体的，s是观察者距离所述屏幕的距离。

12.一种抑制激光散斑的方法，其特征在于，包括：

采用多个非相干的激光器的方法设置激光光源；

采用照明角度多样性的方法设置集束光纤输出端的子光纤的间隔排布；

所述激光光源在所述集束光纤中传输。

13.根据权利要求12所述的抑制激光散斑的方法，其特征在于，所述激光器是单色激光器，用于输出红光、绿光或蓝光的一路激光光束。

14.根据权利要求12所述的抑制激光散斑的方法，其特征在于，所述采用照明角度多样性的方法具体是，通过调整集束光纤输出端的子光纤的间隔排布，改变激光光束的照明方向，使散斑图样发生变化。

15.根据权利要求14所述的抑制激光散斑的方法，其特征在于，所述散斑图样的强度通过叠加方式分布。

16.根据权利要求12所述的抑制激光散斑的方法，其特征在于，所述子光纤的间隔排布使所述子光纤中的光束产生的散斑图样之间为独立的。