CN105676478B - 一种用于激光投影系统的静态消散斑装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光显示技术领域，更具体而言，涉及一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，具体是一种结合角度多样性和空间平均的非运动式有效减少或消除激光投影显示系统中散斑的静态装置；该装置只需在投影镜头的出瞳面上放置设计好的静态多孔掩模板，无需对激光投影系统做任何改变，就可通过非运动方式实现角度多样性和空间平均的激光散斑减少；本发明包括：激光器、散射片、会聚透镜、多孔掩模板和屏幕，所述激光器、散射片、会聚透镜、多孔掩模板和屏幕依次排列，所述激光器将激光束通过散射片散射后经会聚透镜收集并由多孔掩模板分成不同区域以不同角度成像在屏幕上；本发明主要应用在激光投影方面。

Description

一种用于激光投影系统的静态消散斑装置

技术领域

本发明涉及激光显示技术领域，更具体而言，涉及一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，具体是一种结合角度多样性和空间平均的非运动式有效减少或消除激光投影显示系统中散斑的静态装置。

背景技术

激光以其广色域、高亮度、高色饱和度、低能耗、长寿命等优点，被认为是信息显示领域中取代传统光源（如高压汞灯或氙气灯）的理想光源，广泛地应用于背投电视，投影机，微型投影仪，车载显示等行业，以及现代高端显示技术领域。

然而，激光光源是一种高度相干光，其固有的空间和时间相干性使其经粗糙表面（如屏幕）反射或透射时，由于粗糙表面基元的高度涨落不同引起光程差，导致有限孔径的强度检测器（如观察者的眼睛）接收到的图像呈颗粒状图样斑纹，即激光散斑，这一现象严重影响了显示图像的质量。因此，减小由于激光引入的散斑噪声问题成为激光投影显示提高画质、进入市场的关键技术。

目前存在很多消散斑方法的装置，如旋转散射片、振动衍射光学元件或屏幕、电/磁振动光纤、超声波驱动液晶单元、高频驱动二维扫描复面转镜或MEMS扫描微镜等均是用于产生多帧统计独立的散斑图像，利用在人眼积分时间内对这些散斑图像进行平均来降低散斑视觉。由于这类装置所需的高频振动或旋转会导致系统不稳定、产生噪声，而且驱动电机还需要空间等缺点，使得激光投影系统结构复杂、成本高、难于微型化。

理论上，采用角度多样性来抑制散斑最多可以使散斑对比度减小到原来的1/倍，其中，N为统计独立散斑图像的数目。除了上述技术中采用运动型结构方案（如高频驱动二维扫描复面转镜或MEMS扫描微镜）实现角度多样性的抑制散斑外，公开号为CN104777626 A的中国专利，通过对集束光纤的子光纤进行间隔排布使其输出端的子光束满足角度多样性条件来实现静态散斑抑制。该技术方案中需要采用多个非相干的激光器和多个光纤耦合器与相应集束光纤配合使用才能达到有效消除散斑的效果。可见，这种技术中因使用过多的激光器、光纤耦合器、集束光纤不仅会增大系统体积、提高成本、降低光效率，还会造成系统结构复杂、稳定性差、维护困难，因此，实际应用并不理想，有必要对其进行改进。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，提供一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，该装置只需在投影镜头的出瞳面上放置设计好的静态多孔掩模板，无需对激光投影系统做任何改变，就可通过非运动方式实现角度多样性和空间平均的激光散斑减少。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，包括：激光器、散射片、会聚透镜、多孔掩模板和屏幕，所述激光器、散射片、会聚透镜、多孔掩模板和屏幕依次排列，所述激光器将激光束通过散射片散射后经会聚透镜收集并由多孔掩模板分成不同区域以不同角度成像在屏幕上。

所述散射片和屏幕分别置于会聚透镜的成像共轭面上。

所述激光器有多个，多个激光器发出不同颜色的激光束经合束后照射在散射片上。

所述激光器有三个，三个激光器分别发出红、绿、蓝激光束照射在各自的散射片上，再经合束后到达会聚透镜。

所述激光器可以是固态激光器、半导体激光器、气体激光器、光纤激光器中的一种或多种。

所述多孔掩模板可以是圆形、方形或棱形。

所述多孔掩模板的透光孔有多个，相邻两个透光孔之间的中心间距为d，d满足公式d≥λZ_o/2Δx _min，其中，λ为激光波长，Z_o为会聚透镜的中心到屏幕的距离，Δx _min为成像系统探测面上的最小分辨间距。

还包括光通管，所述光通管设置于散射片与会聚透镜之间，所述光通管的入射面紧贴散射片，所述光通管的出射面与屏幕分别放置在会聚透镜的成像共轭面上。

还包括中继透镜组和空间光调制器，所述光通管出射端的激光束经中继透镜组收集，利用空间光调制器产生图像进入会聚透镜。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

现有消散斑装置中，或采用机械运动型结构方案，或采用复杂结构系统，从工作频率提高、机械噪音消除、振动驱动系统的稳定性和低能耗到降低成本和系统微/小型化都成为产品化过程中的挑战，本发明设计的静态消散斑装置根据激光投影系统的特性设计了激光散斑抑制方案，既能得到较好的整形匀场，又能有效抑制激光散斑，体积小、结构简单、成本低、系统的一致性和稳定性也能得到有效提高。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的多孔掩模板的结构示意图；

图3为发明实施例提供的另一种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的光通管产生虚拟激光光源的示意图；

图5为本发明实施例提供的激光投影显示系统的结构示意图。

图中：1为激光器、2为散射片、3为会聚透镜、4为多孔掩模板、5为屏幕、6为光通管、7为中继透镜组、8为空间光调制器、9为虚拟激光光源。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，包括：激光器1，用于产生激光光束，作为照明光源；散射片2，用于散射会聚光束，降低光场相干性；会聚透镜3，用于将散射片2上的光斑图像成像到屏幕5上；多孔掩模板4，用于将散射片2上的光斑图像经透镜3传播后分成不同区域并以不同角度成像到屏幕5上。

激光器1可以是多个激光器发出不同颜色的激光束经合束后照射在散射片2上，也可以是三个激光器，各自产生红、绿、蓝激光束照射在各自的散射片上，再经合束后由透镜3收集并由多孔掩模板4分成不同区域以不同角度成像在屏幕5上。所述激光器可以是固态激光器、半导体激光器、气体激光器、光纤激光器中的一种或多种。

为了更有效地抑制激光散斑，本发明实施例使用具有某一发散角和某一粗糙度的散射片2，激光束照射到散射片2上，具有某一发散角的散射片2会把会聚的激光光束散射，增加光束的尺寸，起到扩束的作用，同时，具有某一粗糙度的散射片2会使其上形成的光斑图像中相邻区域发射的光束之间的相关性大大减弱，具有一定距离区域发射的光束之间不相关。散射片2与屏幕5分别置于会聚透镜3的成像共轭面上。

散射片2上光斑图像发散的散射光由会聚透镜3收集并以一定像角进行发射，发射光束经放置于透镜3的出瞳面上的多孔掩模板4分成不同区域不同像角的子光束，投射到屏幕5上。多孔掩模板4的形状根据透镜3的形状而定，一般为圆形，如果投影镜头系统结构允许，可为方形、棱形。多孔掩模板4的位置可根据激光投影显示系统中的投影镜头组的结构放置，可置于投影镜头组的光阑处，也可置于投影镜头组的某一片会聚透镜的出瞳面上。

本发明实例中使用的多孔掩模板的结构示意图如图2所示。R，圆形掩模板半径；D，掩模板上透光孔的直径；d，掩模板上相邻两个透光孔之间的中心距离。对于半径为R的圆形掩模板，掩模板上透光孔的数目N由孔的直径D、以及相邻两个透光孔之间的中心间距d决定，而相邻两个透光孔之间的中心间距d由产生两个相互统计独立的散斑图像所满足的角度多样性条件决定，即相邻两个透光孔的中心与屏幕所张的角度θ满足：sinθ≥NA，其中，NA为探测器成像系统的数值孔径。根据成像系统的数值孔径NA与成像系统的探测面上的最小分辨间距Δx _min之间的关系：NA=λ/2Δx _min，以及sinθ≈d/Z_o，其中，Z_o为会聚透镜3的中心到屏幕5的距离，则有相邻两个透光孔之间的中心间距d满足：d≥λZ_o/2Δx _min。也就是说，当相邻两个透光孔之间的中心间距d满足该条件时，由散射片2上不同区域发出的散射光经透镜3和多孔掩模板4上这对透光孔传播到屏幕上形成的两个散斑图像是统计独立的，故被探测面记录的散斑图像是基于这两个散斑图像的强度叠加，散斑图像的对比度可降低1/倍。根据上述构建原理，在设计多孔掩模板4时，使N个透光孔的中心间距满足d≥λZ_o/2Δx _min，就可满足相邻两个透光孔所形成的散斑图像是统计独立的，这样散斑图像的对比度可降至1/倍。另外，根据照射光源的面积A与其在屏幕上产生的光斑的相干面积A_c之间关系：A_c=(λZ_o)²/ A，其中，A=π(D/2)²，A_c∝S，S为屏幕上形成的散斑图像内散斑颗粒的大小，可见，多孔掩模板4上透光孔的直径D越大，通过透光孔传播到屏幕上形成的光斑的相干面积A_c越小，即屏幕上形成的散斑图像内散斑颗粒的尺寸S越小。当S<Δx _min时，由成像系统探测面所探测到的多个散斑颗粒会在探测面上单个像素内进行空间平均，从而进一步降低散斑图像的对比度，达到抑制激光散斑的目的。

图3为在图1的基础上改进后的本发明装置的结构示意图。与图1不同的是，图3在散射片2和会聚透镜3之间设置有一个光通管6，散射片2紧贴光通管6的入射面放置，由散射片2发射的散射光就能全部进入光通管6内部，从而减少从散射片2与光通管6之间存在缝隙漏掉光束。另外，光通管6的出射面与屏幕5分别放置在会聚透镜3的成像共轭面上，当散射片2发射的散射光经光通管6的内腔壁来回全反射后到达其出射面时，一方面，光束被光通管6整形为方形，另一方面，如图4所示，散射光场因光通管6内腔壁的多次全反射形成许多的虚拟激光光源9，这些虚拟激光光源9以不同照射角同时照射在光通管6的出射面内叠加，形成均匀的照明，同时，也减弱光通管6出射面上光束的相干性。

图5是根据本发明的具体实施实例的激光投影显示系统，由激光器1产生激光光束；激光光束通过散射片2以某一角度散射，形成一定面积的散射光斑，减弱光场的相干性；散射光斑由光通管6整形、匀场，进一步降低光场的相干性；光通管6出射端的激光光束经中继透镜组7收集；利用空间光调制器8产生图像，再通过会聚透镜3并由多孔掩模板4分成不同区域以不同角度成像在屏幕5上，形成光强叠加的散斑图像，进一步抑制激光散斑。

本发明虽然以较佳实施例公开如上并进行了详细说明，但其并不是用来限定本发明，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各种组合、修改、添加或替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围内，均应属于本发明的权利保护范围。

Claims (8)

1.一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，其特征在于，包括：激光器（1）、散射片（2）、会聚透镜（3）、多孔掩模板（4）和屏幕（5），所述激光器（1）、散射片（2）、会聚透镜（3）、多孔掩模板（4）和屏幕（5）依次排列，所述激光器（1）将激光束通过散射片（2）散射后经会聚透镜（3）收集并由多孔掩模板（4）分成不同区域以不同角度成像在屏幕（5）上；所述多孔掩模板（4）的透光孔有多个，相邻两个透光孔之间的中心间距为d，d满足公式d≥λZ_o/2Δx _min，其中，λ为激光波长，Z_o为会聚透镜（3）的中心到屏幕（5）的距离，Δx _min为成像系统探测面上的最小分辨间距。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，其特征在于：所述散射片（2）和屏幕（5）分别置于会聚透镜（3）的成像共轭面上。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，其特征在于：所述激光器（1）有多个，多个激光器（1）发出不同颜色的激光束经合束后照射在散射片（2）上。

4.根据权利要求1所述的一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，其特征在于：所述激光器（1）有三个，三个激光器（1）分别发出红、绿、蓝激光束照射在各自的散射片（2）上，再经合束后到达会聚透镜（3）。

5.根据权利要求1所述的一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，其特征在于：所述激光器（1）可以是固态激光器、半导体激光器、气体激光器、光纤激光器中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，其特征在于：所述多孔掩模板（4）可以是圆形、方形或棱形。

7.根据权利要求1所述的一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，其特征在于：还包括光通管（6），所述光通管（6）设置于散射片（2）与会聚透镜（3）之间，所述光通管（6）的入射面紧贴散射片（2），所述光通管（6）的出射面与屏幕（5）分别放置在会聚透镜（3）的成像共轭面上。

8.根据权利要求7所述的一种用于激光投影系统的静态消散斑装置，其特征在于：还包括中继透镜组（7）和空间光调制器（8），所述光通管（6）出射端的激光束经中继透镜组（7）收集，利用空间光调制器（8）产生图像进入会聚透镜（3）。