CN106291965A - 一种无散斑三基色激光光源及激光投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无散斑三基色激光光源，包括红光激光模块、绿光激光模块和蓝光激光模块；传能光纤；准直透镜；一个散射片，通过电机带动旋转；一个汇聚透镜，用于将多束激光汇聚；一个矩形积分棒，用于输出均匀的矩形光斑；还公开了一种激光投影系统；本发明提供独特的激光消散斑方法，针对人眼特别敏感的绿光激光进行消散斑处理，消散斑效果更加显著；提供的无散斑激光光源，采用三基色特种光纤耦合及集束功率合成技术，实现高亮度小光学扩展量匀光激光输出；提供的激光投影系统，应用本发明所述的消散斑激光光源，能够有效降低投影画面的激光散斑对比度，提高投影显示成像质量。

Description

一种无散斑三基色激光光源及激光投影系统

技术领域

本发明属于投影显示技术领域，具体涉及一种无散斑三基色激光光源，以及应用该光源的激光投影系统。

背景技术

激光显示技术是继黑白显示、彩色显示和数字显示之后的第四代显示技术，结合了传统投影显示设备和激光技术的特点，具有高亮度、色域广、色彩还原度高、寿命长、节能环保等特性。近年来，激光光源在投影显示技术领域的越来越受关注。

但是由于激光有高度相干性的特点，投射到屏幕上的激光相互干涉产生有明暗相间的斑纹，这就是激光显示中常见的散斑现象，散斑会导致投影图像画面模糊不清，大大影响成像质量。

因此，消除散斑效应是激光显示技术必须克服的难点。

现有的激光光源消散斑技术有：利用激光波长多样性；振动屏幕；振动光纤；使用运动的散射片；使用梯度折射率光纤等等，但是这些方法的减少散斑对比度效果有限，而且会增加光源系统的复杂度和整机成本。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种无散斑三基色激光光源，通过特殊的旋转散射片的结构，有效针对人眼最敏感的绿光，解决激光散斑效应造成的图像模糊等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无散斑三基色激光光源，包括红光激光模块、绿光激光模块和蓝光激光模块，用于发出三基色激光；传能光纤，用于传输激光器输出的激光；准直透镜，用于将传能光纤输出的发散激光准直；一个散射片，通过电机带动旋转，起到消散斑的作用；一个汇聚透镜，用于将多束激光汇聚；一个矩形积分棒，用于输出均匀的矩形光斑。

所述的一种无散斑三基色激光光源，其激光模块为半导体激光器或固体激光器或光纤激光器。

所述的一种无散斑三基色激光光源，其传能光纤为阶跃型折射率光纤。

所述的一种无散斑三基色激光光源，其散射片与入射光轴呈45°放置，散射片的一个表面镀有分色膜。

所述的一种无散斑三基色激光光源，其散射片的另一个表面镀有增透膜。

所述的一种无散斑三基色激光光源，其散射片中心连接电机转轴，通过电机驱动高速旋转。

所述的一种无散斑三基色激光光源，其矩形积分棒可以是空心或实心的。

本发明的目的之二是提供一种应用该光源的激光投影系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无散斑三基色激光投影系统，包括上述无散斑三基色激光光源；还包括DMD芯片；中继透镜组，紧接于矩形积分棒输出端之后，用于将矩形积分棒出射端面的均匀矩形光斑成像到DMD芯片上；反射镜，用于改变中继系统输出的红绿蓝激光束的方向，使其进入TIR棱镜；TIR棱镜和Philips棱镜，所述的TIR棱镜由两块棱镜组成，光束入射后发生全反射入射角改变，再由Philips棱镜分成RGB三色光并分别投射到三片DMD芯片上，DMD芯片将三种单色光反射到Philips棱镜重新合成彩色，再经TIR棱镜出射；投影镜头，用于将光源照明的DMD显示器件成像到投影屏幕上。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供独特的激光消散斑方法，针对人眼特别敏感的绿光激光进行消散斑处理，消散斑效果更加显著。

2、本发明提供的无散斑激光光源，采用三基色特种光纤耦合及集束功率合成技术，实现高亮度小光学扩展量匀光激光输出。

3、本发明提供的激光投影系统，应用本发明所述的消散斑激光光源，能够有效降低投影画面的激光散斑对比度，提高投影显示成像质量。

附图说明

图1 为本发明的无散斑三基色激光光源一种实施例示意图；

图2为本发明无散斑三基色激光光源的光纤耦合激光器模块的一种实施例示意图；

图3为本发明无散斑三基色激光光源的另一种实施例示意图；

图4为本发明无散斑三基色激光投影系统示意图。

各附图标记为：1—红光激光模块，2—绿光激光模块，3—蓝光激光模块，4—传能光纤，5—准直透镜，6—准直透镜，7—散射片，8—电机转轴，9—汇聚透镜，10—矩形积分棒，11—中继透镜组，12—反射镜，13—TIR棱镜，14—Philips棱镜，15—DMD芯片，16—投影镜头，21—准直透镜，22—汇聚透镜，23—散射片，24—电机转轴，25—矩形积分棒，L1—准直透镜，LD—激光器，F1—光纤，L2—汇聚透镜，M1—梯形反射镜。

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。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。

参照图1所示，一种无散斑三基色激光光源，包括

一个红光激光模块1、一个绿光激光模块2和一个蓝光激光模块3，用于发出满足亮度要求的三基色激光，所述的激光模块为半导体激光器或固体激光器或光纤激光器。

连接在绿光激光模块2和蓝光激光模块3上的传能光纤4，用于传输绿光激光模块2和蓝光激光模块3输出的激光，所述的传能光纤4为阶跃型折射率光纤。

设置在红光激光模块1后方的一个准直透镜5，用于将红光激光模块1输出的发散激光准直为平行光束。

传能光纤4的输出端对应一个准直透镜6，用于将传能光纤4输入的绿光激光模块2和蓝光激光模块3的激光汇聚。

绿光激光模块2和蓝光激光模块3的汇聚激光光路与红光激光模块1出射光的光路垂直，在两条光路的交汇处设置有一个散射片7，通过电机带动旋转，起到消散斑的作用，散射片7与入射光轴呈45°放置，散射片7的一个表面镀有分色膜，保证红光激光入射后发生透射，蓝绿激光入射后发生反射，另一个表面镀有增透膜，以保证更好的透过率。

散射片7中心连接电机转轴8，通过电机驱动高速旋转，通过这样的结构，保证绿激光会两次通过高速旋转地散射片，有效针对人眼敏感的绿光，减少散斑对比度。

散射片7后方设置有一个汇聚透镜9，用于将多束激光汇聚。

汇聚透镜9后方设置有一个矩形积分棒10，用于输出均匀的矩形光斑，所述的矩形积分棒10主要用来光束匀化和改变光源输出光束的形状，可以是空心的也可以是实心的，入射到矩形积分棒10中的光束发生多次发射，在后端面输出均匀的矩形光斑。

矩形积分棒10的长度越长，输出光斑的均匀性越好，矩形积分棒10的长度要兼顾均匀性与透过率。

实施例1

如图1所示，是本发明无散斑三基色激光光源的一种基本实施例。

包括红光激光模块1、绿光激光模块2及蓝光激光模块3，用于发出满足亮度要求的三原色激光。

包括红光激光模块1、绿光激光模块2及蓝光激光模块3可以是单个激光器或者是多个激光器组成的激光器阵列；激光器可以是半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。

对于激光器阵列，可以采用梯形反射镜进行光束整形以压缩其光学扩展量，然后通过透镜汇聚耦合入光纤。如图2所示的光纤耦合激光器模块的典型模式，激光器阵列由多个相同激光器LD组成（例如2×4或者3×4的阵列结构），所发出的激光光束通过准直透镜L1准直后，由梯形反射镜M1压缩光束口径，然后通过汇聚透镜L2耦合至光纤F1。

还包括传能光纤4，采用阶跃型折射率光纤，用于传输激光器发出的激光，同时，采用光纤结构也有助于光束匀化和减少激光散斑效应。

红光激光光束通过准直透镜5进行准直，绿光激光和蓝光激光通过光纤耦合成一束，然后由准直透镜6进行准直。

散射片7与激光模块1出射光轴呈45°放置，在散射片7的a面镀有分色膜，使红光激光入射时透射，蓝绿激光发生反射。在散射片7的b面镀有增透膜层。散射片7的中心与电机转轴8固定连接，通过这样的结构，绿光和蓝光会两次通过高速旋转地散射片。有效针对人眼敏感的绿光，减少散斑对比度。

然后光束由汇聚透镜9汇聚进入矩形积分棒10，在矩形积分棒内发生多次反射，在输出端面形成均匀的矩形光斑，作为投影显示所需的高亮度、无散斑、高均匀性照明光。

实施例 2

与实施例1不同的是，激光模块1为蓝色，激光模块2和3为红光和绿光，同时散射片7的a面镀有分色膜，使蓝光激光入射时透射，红绿激光发生反射，散射片7的b面同样镀增透膜。

实施例 3

如图3所示，是本发明无散斑三基色激光光源的另一种基本实施例。包括：红光激光模块1、绿光激光模块2、蓝光激光模块3、传能光纤4、准直透镜21、汇聚透镜22、散射片23、电机转轴24及矩形积分棒25。

红光激光模块1、绿光激光模块2及蓝光激光模块3，用于发出满足亮度要求的三原色激光。红绿蓝激光模块1、2、3可以是单个激光器或者是多个激光器组成的激光器阵列。激光器可以是半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。对于激光器阵列，可以采用梯形反射镜进行光束整形以压缩其光学扩展量，然后通过透镜汇聚耦合入光纤。

还包括传能光纤4，采用阶跃型折射率光纤，用于传输激光器发出的激光，同时，采用光纤结构也有助于光束匀化和减少激光散斑效应。

将激光模块1、2和3分别输出的三束激光光纤束4捆绑在一起，呈三角形排列，在三根光纤输出端后各自对应一个准直透镜21，三个个准直透镜21在一个平面内，汇聚透镜22放置在准直透镜后方。三束激光束经各自对应的准直透镜21准直后通过一个汇聚透镜22汇聚。

散射片23与入射光轴呈45°放置，在散射片23的a面镀有反射膜，使红绿蓝激光入射后发生反射。在散射片23的b面镀有增透膜层。散射片23的中心与电机转轴24固定连接，通过这样的结构，红绿蓝激光会两次通过高速旋转地散射片，减少激光散斑对比度效果更加显著。

矩形积分棒25位于汇聚光束的焦点位置，光束在矩形积分棒内发生多次反射，在输出端面形成均匀的矩形光斑，作为投影显示所需的高亮度、无散斑、高均匀性照明光。

实施例 4

如图4所示，是本发明激光投影系统的一种基本实施例。

包括实施例1中所述的无散斑三基色激光光源，还包括中继透镜组11、反射镜12、TIR棱镜13、Philips棱镜14、DMD芯片15及投影镜头16，DMD芯片15为微型反射镜阵列器件，是DLP显示器件核心；中继透镜组11紧接于矩形积分棒10输出端之后，用于将矩形积分棒10出射端面的均匀矩形光斑成像到DMD芯片15上，反射镜12用于改变中继系统输出的红绿蓝激光束的方向，使其进入TIR棱镜13，所述的TIR棱镜13由两块棱镜组成，光束入射后发生全反射入射角改变，再由Philips棱镜14分成RGB三色光并分别投射到三片DMD芯片15上，DMD芯片15将三种单色光反射到Philips棱镜14重新合成彩色，再经TIR棱镜13出射；投影镜头16用于将光源照明的DMD显示器件成像到投影屏幕上。

在上述技术方案中，中继透镜组由两个以上透镜组成，可以是球面或者非球面透镜，将矩形积分棒后端面输出的矩形光斑按一定比例放大到DMD显示芯片上；TIR棱镜、Philips棱镜的部分反射表面满足全反射条件，TIR棱镜Philips棱镜的角度经过精密计算得到，满足分色、合色及DMD微镜阵列的要求。

中继透镜组11紧接于矩形积分棒输出端之后，用于将矩形积分棒出射端面的均匀矩形光斑成像到DMD上；反射镜12用于改变中继系统输出的红绿蓝激光束的方向，使其进入TIR棱镜13；TIR棱镜13由两部分组成，光束入射后发生全反射入射角改变， 再由Philips棱镜14分成RGB三色光并分别投射到三片DMD上，DMD将三种单色光反射到Philips棱镜重新合成彩色，再经TIR棱镜出射；三片红绿蓝显示芯片DMD分别置于Philips棱镜的红蓝光束的出射面，DMD芯片15为绿光显示元件，红蓝光显示芯片DMD在图中未画出；投影镜头16用于将激光光源照明的DMD显示器件成像到投影屏幕上，显示放大的、清晰的图像。

在本发明的激光投影系统中，三基色激光光源通过特殊消散斑处理，由激光相干性造成的激光散斑效应将显著减少。

实施例 5

与上述实施例3不同的是，激光投影系统的激光光源使用案例2所述的无散斑激光光源，中继透镜组、TIR棱镜13与Philips棱镜14、DMD芯片15及投影镜头16与案例3中描述的一致。

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 (8)

1.一种无散斑三基色激光光源，其特征在于：包括

红光激光模块（1）、绿光激光模块（2）和蓝光激光模块（3），用于发出三基色激光；

传能光纤（4），用于传输激光器输出的激光；

准直透镜（5、6），用于将传能光纤（4）输出的发散激光准直；

一个散射片（7），通过电机带动旋转，起到消散斑的作用；

一个汇聚透镜（9），用于将多束激光汇聚；

一个矩形积分棒（10），用于输出均匀的矩形光斑。

2.根据权利要求1所述的一种无散斑三基色激光光源，其特征在于，所述的激光模块为半导体激光器或固体激光器或光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的一种无散斑三基色激光光源，其特征在于，所述的传能光纤（4）为阶跃型折射率光纤。

4.根据权利要求1所述的一种无散斑三基色激光光源，其特征在于，所述的散射片（7）与入射光轴呈45°放置，散射片（7）的一个表面镀有分色膜。

5.根据权利要求4所述的一种无散斑三基色激光光源，其特征在于，所述散射片（7）的另一个表面镀有增透膜。

6.根据权利要求1所述的一种无散斑三基色激光光源，其特征在于，所述的散射片（7）中心连接电机转轴（8），通过电机驱动高速旋转。

7.根据权利要求1所述的一种无散斑三基色激光光源，其特征在于，所述的矩形积分棒（10）可以是空心或实心的。

8.一种激光投影系统，其特征在于：包括权利1至7所述的无散斑三基色激光光源；还包括

DMD芯片（15）；

中继透镜组（11），紧接于矩形积分棒（10）输出端之后，用于将矩形积分棒（10）出射端面的均匀矩形光斑成像到DMD芯片（15）上；

反射镜（12），用于改变中继系统输出的红绿蓝激光束的方向，使其进入TIR棱镜（13）；

TIR棱镜（13）和Philips棱镜（14），所述的TIR棱镜（13）由两块棱镜组成，光束入射后发生全反射入射角改变，再由Philips棱镜（14）分成RGB三色光并分别投射到三片DMD芯片（15）上，DMD芯片（15）将三种单色光反射到Philips棱镜（14）重新合成彩色，再经TIR棱镜（13）出射；

投影镜头（16），用于将光源照明的DMD显示器件成像到投影屏幕上。