CN107102503A - 消除激光散斑的光源系统以及投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除激光散斑的光源系统，其包括：激光光源模块，用于产生包括红色光、绿色光和蓝色光的激光光束；光束扫描机构，用于将所述激光光束反射出，所述光束扫描机构周期性地摆动，将所述激光光束扫描形成发散的面光源；第一透镜，用于将所述发散的面光源转换为平行的面光源；微透镜阵列组，用于将所述平行的面光源转换为多个发散的面光束；第二透镜，用于将所述多个发散的面光束分别转换为多个平行的面光束，所述多个平行的面光束在所述第二透镜的焦点会聚。本发明还公开了包含如上所述光源系统的投影装置。本发明实施例提供的光源系统结构简单，易于实现，并且能够有效消除减小或消除激光散斑。

Description

消除激光散斑的光源系统以及投影装置

技术领域

本发明涉及投影光源系统，尤其涉及一种消除激光散斑的光源系统以及包含该光源系统的投影装置。

背景技术

在投影光学系统中，由于激光的单色性好、色纯度高、按三色合成原理，在色度图上有最大的色三角形区域，因而它有其它光源所不可比拟的优势。但是，当相干性极好的激光光源照射光学粗糙表面时(屏幕)，屏幕表面可以分为很多个表面单元，各单元反射的光会存在相位差，在空间相遇会发生干涉，形成具有无规则分布的颗粒状结构的散斑图样。散斑的存在会导致图像信息内容部分缺失，而且会降低图像的分辨率，对于激光显示来说，散斑对比度需要抑制到4％以下，人眼系统才无法分辨。因此，散斑是降低图像质量和分辨率的主要因素，也是制约投影机发展的因素之一。

现有的激光消散斑的方法主要有：

一、通过使屏幕移动抑制散斑，采用将屏幕迅速前后运动或者转动，运动的量足够大就能对散斑进行抑制。如果要将散斑抑制为原先的1/10，需要屏幕在一帧图像的时间内运动35cm，或者是在一帧时间内将屏幕旋转0.4°。该种方法在能耗、噪声等方面依旧存在缺陷，而且使屏幕运动一定距离或转动一定角度，对于投影系统过于复杂，很难实现。

二、利用单光纤或纤维束照明等来降低激光相干性从而减弱散斑。光纤扰动会扰乱激光光束在光纤中的传输，降低光纤输出光束的相干性，而且旋转的光纤也会对激光光源的匀光有一定作用。该种方法在实际应用中会使结构复杂化，而且消散斑装置会过大，严重影响系统体积，而且对激光光效损失很大，并且光纤的本身价格昂贵。

三、用旋转散射片进行消散斑，常见的散射片为毛玻璃，光透过毛玻璃后会分割为多个子光束，各个子光束经过运动的散射片后的相位是随机的，不具备相关性，在眼睛的积分时间内将会观察到数个不相关的散斑图案，从而获得散斑抑制。毛玻璃的透射率比较低，目前常用衍射光学元件(DOE)代替毛玻璃。驱动散射片运动需要电机，这也会增加整个系统的复杂性和功耗，而且可能会产生一定的噪声。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提供了一种消除激光散斑的光源系统，该光源系统结构简单，易于实现，并且能够有效消除减小或消除激光散斑。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种消除激光散斑的光源系统，其包括：激光光源模块，用于产生包括红色光、绿色光和蓝色光的激光光束；光束扫描机构，用于将所述激光光束反射出，所述光束扫描机构周期性地摆动，将所述激光光束扫描形成发散的面光源；第一透镜，用于将所述发散的面光源转换为平行的面光源；微透镜阵列组，用于将所述平行的面光源转换为多个发散的面光束；第二透镜，用于将所述多个发散的面光束分别转换为多个平行的面光束，所述多个平行的面光束在所述第二透镜的焦点会聚。

其中，所述光束扫描机构沿一维或二维方向周期性地摆动。

其中，所述微透镜阵列组包括相对设置的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，所述第一微透镜阵列的微透镜和第二微透镜中的微透镜一一对应，所述第一微透镜阵列和第二微透镜的间距为微透镜的焦距。

其中，所述光束扫描机构为微机电系统扫描振镜。

其中，所述光束扫描机构为机械摆镜、压电驱动的扫描镜面或音圈电机驱动的扫描镜面。

其中，所述激光光源模块包括红光激光器、绿光激光器以及蓝光激光器，所述红光激光器、绿光激光器以及蓝光激光器分别通过第一分色镜、第二分色镜和第三分色镜合束形成所述激光光束。

其中，所述红光激光器与第一分色镜之间、所述绿光激光器与第二分色镜之间以及所述蓝光激光器与第三分色镜之间分别设置有准直透镜。

其中，所述红光激光器、绿光激光器以及蓝光激光器均为半导体激光器。

本发明还提供了一种投影装置，其包括如上所述的消除激光散斑的光源系统。

其中，所述投影装置还包括成像芯片、投影镜头和投影屏幕；所述光源系统提供光线射入到所述成像芯片后携带图像信息，所述光线再通过所述投影镜头入射到所述投影屏幕上，在所述投影屏幕上显示图像。

基于Goodman提出的一种投影系统散斑消除原理，指出当两束非相干光源照射到屏幕上的入射角度大于人眼对屏幕的张角时，两束光源形成的散斑图互不相关，两个不相关的散斑图叠加为光强叠加，可以实现散斑对比度的降低。本发明实施例提供的消除激光散斑的光源系统以及包含该光源系统的投影装置，利用光束扫描机构和微透镜阵列组结合，入射到微透镜阵列组的面光源是在光束扫描机构扫描一个周期后形成，当光束入射到微透镜阵列表面时，通过相邻微透镜之间的光束存在一定时间差，该时间差会超过激光本身的相干时间，所以再经过相邻微透镜后形成的光束不存在相干性，所以面光源通过多少个微透镜后就会产生多少个非相干光源，满足Goodman提出消散斑的一个条件。从微透镜出来的面光源经过透镜准直成平面光源，再通过投影镜头入射到投影屏幕上，相邻微透镜形成的光源照射到屏幕上时，与屏幕的法线夹角不相同，当相邻两个光源之间的夹角大于Goodman提出最小光束夹角时，各个光源形成的散斑图为相互独立的散斑图，所以多个光源散斑图的叠加为光强叠加，原先的散斑对比度降低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的消除激光散斑的光源系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的投影装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本实施例首先提供了一种消除激光散斑的光源系统，参阅图1，所述光源系统100包括激光光源模块1、光束扫描机构2、第一透镜3、微透镜阵列组4以及第二透镜5。

其中，所述激光光源模块1用于产生包括红色光、绿色光和蓝色光的激光光束，即所述激光光束是由红色光、绿色光和蓝色光合成的白光光束。具体地，如图1所示，所述激光光源模块1包括红光激光器11R、绿光激光器11G以及蓝光激光器11B，所述红光激光器11R、绿光激光器11G以及蓝光激光器11B分别通过第一分色镜12R、第二分色镜12G和第三分色镜12B合束形成所述激光光束L。进一步地，所述红光激光器11R与第一分色镜12R之间、所述绿光激光器11G与第二分色镜12G之间以及所述蓝光激光器11B与第三分色镜12B之间分别设置有准直透镜13。更为优选的是，所述红光激光器11R、绿光激光器11G以及蓝光激光器11B均采用半导体激光器；当然，所述红光激光器11R、绿光激光器11G以及蓝光激光器11B也可以采用其它类型的激光器。

其中，所述光束扫描机构2用于将所述激光光束反射出，所述光束扫描机构2周期性地摆动，将所述激光光束扫描形成发散的面光源。进一步地，所述光束扫描机构2可以是沿一维或二维方向周期性地摆动。在本实施例中，所述光束扫描机构2采用微机电系统(MEMS)扫描振镜。当然，在另外的一些实施例中，所述光束扫描机构2也可以是采用机械摆镜、压电驱动的扫描镜面或者是音圈电机驱动的扫描镜面。

其中，第一透镜3主要是用于将所述光束扫描机构2反射形成的发散的面光源转换为平行的面光源。具体地，将光束扫描机构2反射点设置在第一透镜3的前方焦点上。

其中，所述微透镜阵列组4用于将所述第一透镜3射出的平行面光源转换为多个分别为发散的面光束。具体地，如图1所示，所述微透镜阵列组4包括相对设置的第一微透镜阵列41和第二微透镜阵列42，所述第一微透镜阵列41中的微透镜41a、41b和第二微透镜42中的微透镜42a、42b一一对应，所述第一微透镜阵列41和第二微透镜42的间距为微透镜41a、41b、42a、42b的焦距。由于入射到所述微透镜阵列组4的面光源是在光束扫描机构2扫描一个周期后形成的，所以通过相邻微透镜(例如第一微透镜阵列41中的微透镜41a、41b)之间的光束存在一定时间差，该时间差会超过激光本身的相干时间，因此经过相邻微透镜后形成的光束不存在相干性，即面光源通过多少个微透镜就会产生多少个非相干光源。即，从微透镜阵列组4射出的多个发散的面光束是非相干光。

其中，所述第二透镜5用于将从所述微透镜阵列组4射出的多个发散的面光束分别转换为多个分别为平行的面光束，并且所述多个平行的面光束在所述第二透镜5的焦点会聚。

本实施例还提供一种投影装置，如图2所示，该投影装置包括本发明如上实施例所提供的光源系统100、成像芯片200、投影镜头300以及投影屏幕400。成像芯片200设置在光源系统100的第二透镜5的焦点上，从第二透镜5射出的非相干的多个平行面光源射入到成像芯片200后携带图像信息，再通过投影镜头300入射到投影屏幕400上，在投影屏幕400上显示图像。从第二透镜5射出的非相干的多个平行面光源，其中相邻的两束光(经过相邻微透镜形成得到光源)与屏幕的法线夹角不相同，当相邻两个光源之间的夹角大于Goodman提出最小光束夹角时，各个光源形成的散斑图为相互独立的散斑图，所以多个光源散斑图的叠加为光强叠加，原先的散斑对比度降低。

综上所述，本发明实施例提供的消除激光散斑的光源系统以及包含该光源系统的投影装置，利用光束扫描机构和微透镜阵列组结合，入射到微透镜阵列组的面光源是在光束扫描机构扫描一个周期后形成，当光束入射到微透镜阵列表面时，通过相邻微透镜之间的光束存在一定时间差，该时间差会超过激光本身的相干时间，所以再经过相邻微透镜后形成的光束不存在相干性，所以面光源通过多少个微透镜就会产生多少个非相干光源，满足Goodman提出消散斑的一个条件。从微透镜出来的发散面光源再经过透镜准直成平行面光源，再通过投影镜头入射到投影屏幕上，相邻微透镜形成得到光源照射到屏幕上时，与屏幕的法线夹角不相同，当相邻两个光源之间的夹角大于Goodman提出最小光束夹角时，各个光源形成的散斑图为相互独立的散斑图，所以多个光源散斑图的叠加为光强叠加，原先的散斑对比度降低。

本发明中，消除激光散斑的光源系统主要是光由束扫描机构、微透镜阵列和一些光学元件组成，微透镜阵列的设计要考虑投影镜头的放大倍率和成像芯片的尺寸。通过各个微透镜的非相干光束形成不相关散斑图是由微透镜之间的间距和透镜焦距所决定，成像芯片的大小决定了微透镜单个透镜的数值孔径和第二透镜的参数。另外，通过调整半导体激光器的电流驱动，可以调试出各个像素所需要的颜色，并且实现光扫描机构反射出的光源均匀性会很好。整个系统可以实现投影屏幕上散斑对比度的降低，人眼不能觉察，进一步地，该光源系统结构简单，易于实现。

需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种消除激光散斑的光源系统，其特征在于，包括：

激光光源模块，用于产生包括红色光、绿色光和蓝色光的激光光束；

光束扫描机构，用于将所述激光光束反射出，所述光束扫描机构周期性地摆动，将所述激光光束扫描形成发散的面光源；

第一透镜，用于将所述发散的面光源转换为平行的面光源；

微透镜阵列组，用于将所述平行的面光源转换为多个发散的面光束；

第二透镜，用于将所述多个发散的面光束分别转换为多个平行的面光束，所述多个平行的面光束在所述第二透镜的焦点会聚。

2.根据权利要求1所述的消除激光散斑的光源系统，其特征在于，所述光束扫描机构沿一维或二维方向周期性地摆动。

3.根据权利要求1或2所述的消除激光散斑的光源系统，其特征在于，所述微透镜阵列组包括相对设置的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，所述第一微透镜阵列的微透镜和第二微透镜中的微透镜一一对应，所述第一微透镜阵列和第二微透镜的间距为微透镜的焦距。

4.根据权利要求1所述的消除激光散斑的光源系统，其特征在于，所述光束扫描机构为微机电系统扫描振镜。

5.根据权利要求1所述的消除激光散斑的光源系统，其特征在于，所述光束扫描机构为机械摆镜、压电驱动的扫描镜面或音圈电机驱动的扫描镜面。

6.根据权利要求1所述的消除激光散斑的光源系统，其特征在于，所述激光光源模块包括红光激光器、绿光激光器以及蓝光激光器，所述红光激光器、绿光激光器以及蓝光激光器分别通过第一分色镜、第二分色镜和第三分色镜合束形成所述激光光束。

7.根据权利要求6所述的消除激光散斑的光源系统，其特征在于，所述红光激光器与第一分色镜之间、所述绿光激光器与第二分色镜之间以及所述蓝光激光器与第三分色镜之间分别设置有准直透镜。

8.根据权利要求6所述的消除激光散斑的光源系统，其特征在于，所述红光激光器、绿光激光器以及蓝光激光器均为半导体激光器。

9.一种投影装置，包括如权利要求1-8任一所述的消除激光散斑的光源系统。

10.根据权利要求9所述的投影装置，其特征在于，所述投影装置还包括成像芯片、投影镜头和投影屏幕；其中，所述光源系统提供光线射入到所述成像芯片后携带图像信息，所述光线再通过所述投影镜头入射到所述投影屏幕上，在所述投影屏幕上显示图像。