CN107861253A - 激光投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光投影装置，属于激光投影显示技术领域。所述装置包括：光源和光机；光机包括：沿远离光源的方向依次设置的菲涅尔透镜、单面微透镜阵列和积分透镜，菲涅尔透镜和积分透镜的主光轴垂直于单面微透镜阵列的排布面；菲涅尔透镜用于对光源发出的光束进行准直处理；单面微透镜阵列用于对准直处理后的光束进行匀化处理；积分透镜用于对匀化处理后的光束进行聚焦处理。本发明解决了相关技术中光束整形装置导致的光衰率较高，光束利用率较低的问题。本发明用于激光投影。

Description

激光投影装置
技术领域
本发明涉及激光投影显示技术领域，特别涉及一种激光投影装置。
背景技术
激光投影显示技术是目前市场上的一种新型的投影显示技术。相对于传统的有机发光二极管(英文：Light Emitting Diode；简称：LED)投影产品，激光投影显示技术所采用的激光器具有体积小、寿命长和光电转换效率高等特点，另外，由于激光器所发出的激光的光谱宽度较窄，因此其成像画面具有对比度高、成像清晰和颜色鲜艳的特点，激光器的这些特点逐渐使得激光投影显示技术成为投影显示领域的主流研究方向。
由于激光器采用光谱激发原理出光，其出射光束会呈现出椭圆形光斑，因此目前的激光照明系统中通常包括激光器和光束整形装置，其中，光束整形装置用于对激光器的出射光束进行光束整形和匀化。
相关技术中，光束整形装置一般包括透镜组合，该透镜组合可以包括球面透镜和/或非球面透镜，透镜组合中的每个透镜均可以改变光束传输方向，以实现对光束的准直和匀化。为了达到较好的成像效果，目前常用的透镜组合包括四个透镜。
但是，采用相关技术中的光束整形装置时，由于光束需要经过多个球面透镜和/或非球面透镜，因此光衰率较高，光束利用率较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光投影装置，可以解决相关技术中光束整形装置导致的光衰率较高，光束利用率较低的问题。所述技术方案如下：
提供了一种激光投影装置，所述装置包括：光源和光机；
所述光机包括：沿远离所述光源的方向依次设置的菲涅尔透镜、单面微透镜阵列和积分透镜，所述菲涅尔透镜和所述积分透镜的主光轴垂直于所述单面微透镜阵列的排布面；
所述菲涅尔透镜用于对所述光源发出的光束进行准直处理；
所述单面微透镜阵列用于对准直处理后的光束进行匀化处理；
所述积分透镜用于对匀化处理后的光束进行聚焦处理。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的激光投影装置，通过菲涅尔透镜对光源发出的光束进行准直处理，再通过单面微透镜阵列对光束进行匀化处理，最后通过积分透镜对光束进行聚焦处理，由于菲涅尔透镜能够根据光束的能量分布，针对不同孔径宽度位置处的光束进行相应的面型设计，能够提高对光束的准直效果，且菲涅尔透镜与传统的球面透镜或非球面透镜相比，能够降低光衰率；由于光机由不同面型的透镜组合而成，与相关技术中的光束整形装置相比，本发明实施例提供的光机的体积较小，从而可以减小激光投影装置的整体体积，缩短光束的传输光程，在实现激光照明系统的小型化的同时，降低了光能损耗，提高了光束利用率。
附图说明
图1是相关技术中的一种光束整形装置的结构示意图；
图2A是本发明实施例提供的一种激光投影装置的结构示意图；
图2B是图2A所示的激光投影装置中的光机对光束处理的仿真示意图；
图2C是图2A所示的激光投影装置中的光机对光束处理后在显像面上的仿真结果图；
图3A是本发明实施例提供的一种菲涅尔透镜的结构示意图；
图3B是图3A所示的菲涅尔透镜在AA’方向上的截面示意图；
图3C是图3A所示的菲涅尔透镜对光束处理的仿真示意图；
图3D是图3A所示的菲涅尔透镜对光束处理后在显像面上的仿真结果图；
图3E是本发明实施例提供的另一种菲涅尔透镜的结构示意图；
图4A是本发明实施例提供的一种单面微透镜阵列的结构示意图；
图4B是图4A所示的单面微透镜阵列在AA’方向上的截面示意图；
图5A是本发明实施例提供的单面微透镜阵列与积分透镜组成的系统的结构示意图；
图5B是图5A所示的系统对光束处理的仿真示意图；
图5C是图5A所示的系统对光束处理后在显像面上的仿真结果图；
图5D是本发明实施例提供的一种积分透镜的厚度与曲率半径的关系示意图；
图5E是本发明实施例提供的一种子透镜的口径宽度与曲率半径的关系示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种激光投影装置的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的又一种激光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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
激光光源能够提供光亮度高、方向性强、发出单色相干光束的光源，由于激光光源的诸多优点，近年来逐渐被应用于投影显示领域。
示例的，激光光源可以应用于激光投影装置。激光投影装置可以发出至少一种颜色的光线以实现图像的显示。基色，是指不能通过其他颜色的混合调配而得出的“基本色”。以不同比例将基色混合，可以产生出其他的新颜色。激光投影装置通常产生基色的光线来实现图形的显示。一般的激光投影装置产生的颜色为三基色，即红、绿、蓝三种颜色，随着科技的发展，激光投影装置也可以产生两基色或五基色，本发明实施例对此不作限定。
目前的激光投影装置的激光光源有多种，该激光光源可以包括：至少一个激光器，激光光源能够发射出至少一种颜色的光线。通常该激光光源还可以包括：荧光轮(也称荧光色轮)，荧光轮可以作为波长转换装置。激光光源可以是单色激光光源(即包括一个激光器且该激光器产生一种颜色)，也可以是双色激光光源(即包括两个激光器且每个激光器产生一种颜色)，从而发出一种或两种颜色的激光，荧光轮上设置有荧光粉，可以被激发出对应颜色的荧光，用于与激光器发出的激光的颜色共同组成三基色，作为投影光源向光机部分提供照明。
相关技术中的光束整形装置一般包括透镜组合，该透镜组合可以包括球面透镜和/或非球面透镜，例如，图1是相关技术中的光束整形装置10的结构示意图，如图1所示，该光束整形装置10包括四个透镜，通过该四个透镜分别改变激光器(光源)发出的光束的传输方向，对光束起到整形和匀化的效果。但是，采用相关技术中的光束整形装置时，一方面，由于光束需要经过多个球面透镜和/或非球面透镜，光衰率较高，另一方面，采用的透镜组合的整体体积较大，导致激光照明系统的整体体积较大，从而导致光束的传输光程较长，光能损耗较大，光束的利用率较低。
本发明实施例提供了一种激光投影装置，如图2A所示，该装置包括：光源A和光机；光机包括：沿远离光源A的方向依次设置的菲涅尔透镜201、单面微透镜阵列202和积分透镜203。其中，菲涅尔透镜201和积分透镜203的主光轴垂直于单面微透镜阵列202的排布面，即菲涅尔透镜的入光面、积分透镜的入光面和单面微透镜阵列的排布面(入光面)互相平行。
菲涅尔透镜201用于对光源A发出的光束进行准直处理。
单面微透镜阵列202用于对准直处理后的光束进行匀化处理。
积分透镜203用于对匀化处理后的光束进行聚焦处理。
进一步的，如图2A所示，激光投影装置还可以包括显像元件B，由积分透镜203进行聚焦处理后的光束能够照射在显像元件B的显像面上。
可选的，光源可以包括激光器或激光器阵列。其中，激光器可以为单管激光器、线性bar条式激光器和堆栈激光器。
示例的，图2B是图2A所示的激光投影装置中的光机对光束进行处理的仿真示意图，图2C是图2A所示的激光投影装置中的光机对光束处理后在显像面上的仿真结果图。
综上所述，本发明实施例提供的激光投影装置，通过菲涅尔透镜对光源发出的光束进行准直处理，再通过单面微透镜阵列对光束进行匀化处理，最后通过积分透镜对光束进行聚焦处理，由于菲涅尔透镜能够根据光束的能量分布，针对不同孔径宽度位置处的光束进行相应的面型设计，能够提高对光束的准直效果，且菲涅尔透镜与传统的球面透镜或非球面透镜相比，能够降低光衰率；由于光机由不同面型的透镜组合而成，与相关技术中的光束整形装置相比，本发明实施例提供的光机的体积较小，从而可以减小激光投影装置的整体体积，缩短光束的传输光程，在实现激光照明系统的小型化的同时，降低了光能损耗，提高了光束利用率。
图3A是本发明实施例提供的菲涅尔透镜的结构示意图，如图3A所示，菲涅耳透镜是由一系列的同心棱形槽构成的光学系统，这些同心棱形槽能够将从点光源或扩展式光源上发出的光束进行准直。菲涅耳透镜的作用与非球面透镜类似，不同之处在于非球面透镜为连续型面型，而菲涅耳透镜由若干个以光轴为中心的圆环组成，图3B是图3A所示的菲涅尔透镜在AA’方向上的截面示意图，如图3B所示，菲涅尔透镜类似于非球面透镜经过塌陷形成，光束在菲涅尔透镜中传输的光程小于在非球面透镜中传输的光程，从而减少了光束在透镜中的光程，因此能够一定程度的降低光衰，同时根据不同孔径处的光束分布所设计的非球面面型，能够有效的提高光束的准直效率。
可选的，菲涅尔透镜的设计可以采用与非球面透镜设计相同的曲面方程，即非球面公式，如图3B所示，以菲涅尔透镜在径向上的中点为原点，以垂直于入光面的方向为x轴，以径向所在方向为y轴，建立直角坐标系，非球面公式可以表示为：
其中，假设曲面中心点的横坐标为x0，纵坐标为y的曲面上的点的横坐标为x1，则z为x0与x1的差值，c为曲面中心点的曲率，y为径向高度(纵坐标)，k为二次曲面系数，ai为非球面系数。当k＜-1时，二次曲面为双曲面；k＝-1时，二次曲面为抛物面；当-1＜k＜0时，二次曲面为椭圆；当k＝0时，二次曲面为球面，当k＞1时，二次曲面为扁椭圆。
可选的，菲涅耳透镜主要通过磨削或模压的加工方法实现，首先加工出圆形结构，然后根据需求将其切割为方形底座。底座的切割形状根据需求而定，可做方形、圆形以及六边形等多种形状。同时，根据光源形式的不同，菲涅耳透镜的微结构的排布形式也可以随之而改变，本发明实施例优选菲涅尔透镜的微结构的排布形式为圆形或半圆弧形。
参见图2A，光源A发出的光束在经过菲涅尔透镜201的准直处理后，从菲涅尔透镜201出射的光束为平行光。图3C是图3A所示的菲涅尔透镜对光束处理的仿真示意图，图3D是图3A所示的菲涅尔透镜对光束处理后在显像面上的仿真结果图。
可选的，本发明实施例提供的光机可以对不同的光源发出的光束进行光束整形，例如光源可以为点光源、点光源阵列或扩展式光源。当光源为扩展式光源时，由于扩展式光源的出射光束的发散角较大，为了进一步提高对光束的准直处理效果，菲涅尔透镜可以为多阶微结构菲涅尔透镜，例如菲涅尔透镜可以为三阶微结构菲涅尔透镜，其截面示意图可以如图3E所示。
在本发明实施例中，单面微透镜阵列可以将入射光束分隔成多个子光束，积分透镜将多个子光束聚焦到显像面上。由于单面微透镜阵列将入射的宽光束分割成多个细光束，每个细光束范围内的微小不均匀性在积分透镜进行聚焦处理时被均匀分隔，从而实现出射光束的均匀化。
可选的，积分透镜可以为傅里叶透镜。
图4A是本发明实施例提供的单面微透镜阵列的结构示意图，如图4A所示，单面微透镜阵列包括衬底基板202a和形成在衬底基板202a上的多个阵列排布的子透镜202b，每个子透镜202b在衬底基板202a上的正投影呈正方形；图4B是图4A所示的单面微透镜阵列在AA’方向上的截面示意图。
可选的，单面微透镜阵列可以采用磨削或模压的加工方法实现，本发明实施例对单面微透镜阵列的制造方法不做限定。
目前的激光投影通常采用数字光处理(英文：Digital Light Processing；简称：DLP)的显示模式，即采用数字微镜元件(英文：Digital Micromirror Device；简称：DMD)作为激光照明系统中的显像元件。
图5A是本发明实施例提供的单面微透镜阵列与积分透镜组成的系统的结构示意图，如图5A所示，单面微透镜阵列202将平行入射的光束分割为多个子光束，积分透镜203对子光束进行聚焦处理后，光束到达显像元件B。其中，UD为显像面的入射光束发散角的一半，也即是UD为显像面的入射光束所在方向与主光轴的延伸方向的夹角(即显像面的光束入射角)，U复为子透镜的出射光束发散角的一半，也即是U复为子透镜的出射光束所在方向与主光轴的延伸方向的夹角。
可选的，积分透镜为双凸面结构，积分透镜在垂直于主光轴的延伸方向上的截面呈圆形，积分透镜的直径D积满足：D积＝DD+2f积tanUD；
其中，DD为显像元件的显像面的对角线长度(即DD为显像元件的尺寸)，f积为积分透镜与显像面之间的后焦长度。
需要说明的是，积分透镜位于单面微透镜阵列的后焦面位置，每个子透镜在衬底基板上的正投影呈现的正方形的对角线长度(即每个子透镜的口径宽度)d复满足：d复＝2f复tanU复；每个子透镜的曲率半径r满足：
其中，f复为子透镜的焦距，n′为单面微透镜阵列的折射率。
图5B是图5A所示的系统对光束处理的仿真示意图，图5C是图5A所示的系统对光束处理后在显像面上的仿真结果图。
示例的，本发明实施例以采用的显像元件为4kDMD(即像素分辨率为4096×2160的DMD)为例进行说明，4kDMD的尺寸为0.66英寸(即4kDMD的显像面的对角线长度为16.51毫米)，假设积分透镜和单面微透镜阵列的材质均为编号为BK7的光学玻璃，该光学玻璃的折射率为1.5168，若显像面的光束入射角(即积分透镜的光束发散角2UD)为16°，基于光机的尺寸，选取的积分透镜的直径D积为50毫米，则根据公式D积＝DD+2f积tanUD，可以计算得到积分透镜与显像面之间的后焦长度f积为58.7毫米。根据理想厚透镜成像理论可知，积分透镜的厚度d积与曲率半径r’满足如图5D所示的关系，当取d积为10毫米时，积分透镜的两个面的曲率半径均为17.4毫米，即确定了积分透镜的面型参数。
实际应用中，也可以基于光机的尺寸，先确定积分透镜与显像面之间的后焦长度，再根据公式D积＝DD+2f积tanUD，计算得到积分透镜的直径，本发明实施例对此不做限定。
进一步的，根据图5A所示的物像关系，结合几何光学，计算得到子透镜的出射光束发散角(也即是积分透镜的光束入射角2U复)为16°，即tanU复＝0.14，由于子透镜为平凸结构的透镜，根据公式d复＝2f复tanU复和公式以及理想薄透镜成像理论可知，子透镜的口径宽度d复与子透镜的曲率半径r满足如图5E所示的线性关系，当取d复为2毫米时，可以计算得到子透镜的曲率半径r为2.42毫米，也可以计算得到子透镜的焦距f复为7.1毫米；进一步的，根据子透镜的焦距和积分透镜的焦距，可以确定子透镜与积分透镜之间的距离(子透镜的焦距与积分透镜的焦距之和即为该距离)，即确定了单面微透镜阵列与积分透镜之间的设置距离。
实际应用中，也可以采用2kDMD作为激光投影装置中的显像元件，2kDMD的尺寸为0.65英寸，积分透镜以及单面微透镜阵列中的子透镜的尺寸和面型参数的计算方式可以参考上述采用4kDMD作为显像元件时的计算方式，本发明实施例在此不做赘述。
可选的，菲涅尔透镜的主光轴与积分透镜的主光轴均经过单面微透镜阵列的排布面的中心，也即是，菲涅尔透镜的光心、积分透镜的光心和单面微透镜阵列的排布面的中心在同一条直线上，在保证光束利用率的同时，可以减小光机的体积。
图6是本发明实施例提供的另一种激光投影装置的结构示意图，如图6所示，单面微透镜阵列202可以与菲涅尔透镜201邻接。使单面微透镜阵列与菲涅尔透镜邻接在一起，可以进一步减小光机的体积，以实现激光投影装置的小型化。
可选的，单面微透镜阵列可以通过胶合的方式固定设置在菲涅尔透镜上。例如可以采用光敏胶固定单面微透镜阵列和菲涅尔透镜，工艺较为成熟，可实现性强，由于胶合厚度较薄，光敏胶对光束的传输方向影响甚微，且光敏胶导致的光衰在1％以内，因此在减小光机的体积的同时，可以保证光束利用率。或者，菲涅尔透镜与单面微透镜阵列可以通过模压的方式形成在同一衬底基板上，即菲涅尔透镜和单面微透镜阵列可以为一体结构。本发明实施例对单面微透镜阵列与菲涅尔透镜的固定方式不做限定。
可选的，如图7所示，激光投影装置还可以包括反射镜30。如图7所示，光源A发出的光束在经过光机(包括菲涅尔透镜201、单面微透镜阵列202和积分透镜203)的整形和匀化处理后，可以由反射镜30将从光机出射的光束反射至显像元件B的显像面上。
综上所述，本发明实施例提供的激光投影装置，通过菲涅尔透镜对光源发出的光束进行准直处理，再通过单面微透镜阵列对光束进行匀化处理，最后通过积分透镜对光束进行聚焦处理，由于菲涅尔透镜能够根据光束的能量分布，针对不同孔径宽度位置处的光束进行相应的面型设计，能够提高对光束的准直效果，且菲涅尔透镜与传统的球面透镜或非球面透镜相比，能够降低光衰率；由于光机由不同面型的透镜组合而成，与相关技术中的光束整形装置相比，本发明实施例提供的光机的体积较小，从而可以减小激光投影装置的整体体积，缩短光束的传输光程，在实现激光照明系统的小型化的同时，降低了光能损耗，提高了光束利用率。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光投影装置，其特征在于，所述装置包括：光源和光机；
所述光机包括：沿远离所述光源的方向依次设置的菲涅尔透镜、单面微透镜阵列和积分透镜，所述菲涅尔透镜和所述积分透镜的主光轴垂直于所述单面微透镜阵列的排布面；
所述菲涅尔透镜用于对所述光源发出的光束进行准直处理；
所述单面微透镜阵列用于对准直处理后的光束进行匀化处理；
所述积分透镜用于对匀化处理后的光束进行聚焦处理。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光投影装置还包括显像元件，所述积分透镜在垂直于所述主光轴的延伸方向上的截面呈圆形，所述积分透镜的直径D积满足：D积＝DD+2f积tan UD；
其中，DD为所述显像元件的显像面的对角线长度，f积为所述积分透镜与所述显像面之间的后焦长度，UD为所述显像面的入射光束发散角的一半。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述积分透镜位于所述单面微透镜阵列的后焦面位置，所述单面微透镜阵列包括衬底基板和形成在所述衬底基板上的多个阵列排布的子透镜，每个所述子透镜在所述衬底基板上的正投影呈正方形；
所述正方形的对角线长度d复满足：d复＝2f复tanU复；
每个所述子透镜的曲率半径r满足：
其中，U复为所述子透镜的出射光束发散角的一半，f复为所述子透镜的焦距，n'为所述单面微透镜阵列的折射率。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述菲涅尔透镜的主光轴与所述积分透镜的主光轴均经过所述单面微透镜阵列的排布面的中心。
5.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，
所述单面微透镜阵列与所述菲涅尔透镜邻接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述单面微透镜阵列通过胶合的方式固定设置在所述菲涅尔透镜上；
或者，所述菲涅尔透镜与所述单面微透镜阵列通过模压的方式形成在同一衬底基板上。
7.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，
所述积分透镜为傅里叶透镜。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源为点光源、点光源阵列或扩展式光源；
所述菲涅尔透镜为多阶微结构菲涅尔透镜。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述菲涅尔透镜的微结构的排布方式为圆形或半圆弧形。
10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激光投影装置还包括反射镜；
所述反射镜用于将从所述积分透镜出射的光束反射至所述显像面上。
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