CN108152972A - 一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置，包括有至少一组半导体激光光源、望远缩束系统、激光消散斑‑匀化器，所述激光光源为单色蓝光激光二极管阵列、蓝红双色激光二极管阵列或RGB三色激光二极管阵列本发明通过分段式匀化控制，静、动态扩散片结合带有楔形波片的相位调节器相结合方式提供了一种高效耦合、紧凑布局、低成本的激光匀化消散斑装置及激光匀化照明光源，可大幅降低散斑对比度，从而有效抑制激光显示画面中的散斑效应，本发明集成后的激光消散斑‑匀化器，体型小巧，成本低廉，可降低激光投影显示系统的整体尺寸，具有很好的工程可实现性，可充分发挥激光投影的广色域、长寿命、环保节能特性。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体来说是一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置。
背景技术
激光具有亮度高、单色性(相干性)与方向性好等特点，在科学研究、工程技术及工农业生产中具有十分重要和广泛的应用；激光投影显示和红外激光夜视是其中的两个重要应用领域。激光投影显示采用激光器替代现有投影显示系统中的传统光源(如超高压汞灯等)，具有亮度高、色域范围大、色纯度与饱和度高等优点，目前有关激光投影显示技术的研究方兴未艾，许多发达国家的研究单位和大型公司都在大力研发激光投影显示技术和装置。采用红外激光作为主动照明光源的红外激光夜视技术在军事、公安和安防等方面具有重要应用。激光投影显示和主动照明红外激光夜视都需要均匀化的激光束照明，为实现均匀化激光照明，需要解决两大难题：(一)是激光光束的匀光整形，就是把激光器出射的单模或多模高斯光束转换成特定形状(如矩形或方形)且强度尽量均匀的光束；(二)是尽量减少或消除因激光高单色性(相干性)由干涉和衍射形成的散斑和条纹。
目前市面存在的激光装置散斑对比度高，激光显示画面中的散斑效应较强，体型较大巧，成本较高，激光投影显示系统的整体尺寸较大，使用不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置，用以解决上述背景技术提出的，目前市面存在的激光装置散斑对比度高，激光显示画面中的散斑效应较强，体型较大巧，成本较高，激光投影显示系统的整体尺寸较大，使用不便的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置，包括有至少一组半导体激光光源、望远缩束系统、激光消散斑-匀化器，所述半导体激光光源用于提供最初的激光光源，且激光光源为单色蓝光激光二极管阵列、蓝红双色激光二极管阵列或RGB三色激光二极管阵列；所述激光消散斑-匀化器，包含静态扩散片、相位调节器、聚光透镜、含有扩散片的一体式荧光-滤光轮或者全向动态扩散轮、开口式遮光板、匀化导光棒、机构壳体、驱动控制板；所述望远缩束系统采用伽利略构架，望远物镜采用弯月正透镜，次镜为双凹负透镜。
优选的，所述半导体激光光源由激光二极管阵列、导热铜板、导热管、散热片、准直透镜阵列。
优选的，其中激光二极管阵列均匀排列安装在导热铜板上，导热铜板内插导热管，导热管内含冷媒，导热管另一端接散热片。
优选的，其中准直透镜阵列置于各色激光二极管阵列前端，排列布局上与激光二极管阵列一致，形成一一对应。
优选的，所述的准直透镜阵列和激光二极管阵列耦合集成靶条，面型采用双曲非球面，双曲非球面透镜方程为：
其中，cx、cy、kx、ky分别为非球面透镜在X、Y方向的曲率和圆锥系数。
优选的，所述望远缩束系统的透镜材料选用低成本材料，其缩束倍率控制在0.3-0.6之间，出光口径控制在25mm以下。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过分段式匀化控制，静、动态扩散片结合带有楔形波片的相位调节器相结合方式提供了一种高效耦合、紧凑布局、低成本的激光匀化消散斑装置及激光匀化照明光源，可大幅降低散斑对比度，从而有效抑制激光显示画面中的散斑效应；本发明集成后的激光消散斑-匀化器，体型小巧，成本低廉，可降低激光投影显示系统的整体尺寸，具有很好的工程可实现性，可充分发挥激光投影的广色域、长寿命、环保节能特性。
附图说明
图1为本发明所述一种用于激光投影匀化消散斑装置的结构示意图；
图2为本发明所述激光消散斑-匀化器组成与结构示意图。
图中：101-半导体激光光源；102-望远缩束系统；103-激光消散斑-匀化器；201-静态扩散片；202-相位调节器；203-聚光透镜；204-含有扩散片的一体式荧光-滤光轮或者全向动态扩散轮；205-开口式遮光板；206-匀化导光棒；207-机构壳体；208-驱动控制板。
具体实施方式1
下面结合附图及具体实施例就本发明的技术方案做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，请参阅图1、图2，本发明案例意在于提供一种高效、紧凑布局、低成本的分段式激光匀化消散斑装置及三色纯激光匀化照明光源，包含RGB三色半导体激光光源101、望远缩光束系统102、激光消散斑-匀化器图103，所述RGB三色半导体激光光源101包含RGB激光阵列激光光源模组、阵列准直透镜、分光镜；所述的激光消散斑-匀化器103包含静态扩散片、相位调节器、聚光透镜、全向动态扩散轮204、开口式遮光板205、匀化导光棒206、机构壳体207、驱动控制板208，工作原理为：RGB阵列激光光源模组通过各自对应的阵列准直透镜后平行输出激光光场，各色激光通过带通分光镜耦合成共孔径的激光光场，置于望远缩束系统后面；望远缩束系统对激光光场进行孔径压缩，压缩后的激光光场仍为平行光输出至静态扩散片进行光场初步的匀化、消散斑，相位调节器则将初步匀化的光场进行消相干处理；经过静态扩散片、相位调节器处理后的激光光场分布还不是特别均匀，还具有一定的相干特性，因此需要通过聚光透镜耦合至匀化导光棒进行匀化处理，并在紧挨光棒前端的位置上安置动态扩撒轮，进行进一步的匀化和消散斑处，最终即可在光棒后端得到光场分布均匀的激光光场。
本案例所采用的RGB阵列激光光源模组应均匀排列安装在各自的导热铜板上，导热铜板内插导热管，导热管内含冷媒，导热管另一端接散热片，在外置风扇作用下带走热量，准直透镜阵列置于各色激光二极管阵列前端，排列布局上与激光二极管阵列一致，形成一一对应，如示意图1中各，色激光二极管数量均为16颗，成4X4均匀排列布局，LD均为TO9的封装规格。经阵列透镜准直后出射的照明光场为方形场，在集成靶条出口位的最大面积为35mmX35mm，增加激光二极管数量，可提高独立光源数量，降低系统的散斑对比度。
本案例所采用的望远缩束系统为伽利略构架，望远物镜采用弯月正透镜，次镜为双凹负透镜，可缩短了整个装置的尺寸。透镜材料选用低成本的成都光明材料，如H-k9l、H-QK3L，缩束倍率控制在0.3～0.6之间，出光口径控制在25mm以下，口径压缩后可有效减小后端各类光学元件的尺寸。
本案例所采用的静态扩散片扩散半角应控制在2°-4°，扩散半角增大会增大激光光源的扩展不变量，不利于后续光场的耦合，扩散半角太小，消散斑效应下降，因此需要根据前面激光光源的独立数量进行匹配设置。
本案例所采用的相位调节器包含楔形相位波片、驱动机构和驱动控制电路板，激光通过楔形相位波片分解为O光和E光，且波片上不同口径处分解出的O光和E光相位差各部相同，通过驱动结构随机上下或者左右推动楔形相位波片可实时改变相位差，从而降低激光的相干特性。
本案例所采用的聚光透镜为非球面透镜，可有效降低光学系统的像差，提高激光耦合效应，非球面的方程为：
R球面顶点处的曲率半径(从左向右为正),K、Rn为非球面系数，ρ为归一化径向坐标。
本案例所采用的全向动态扩散轮转速频率可控制在70HZ～300HZ，转速越高，消散斑效果越明显，但转速的提高需要马达提供更大的动力，所需马达的尺寸必然增大，不利于装置的集成，鉴于上述原因，本案例选用的转速频率为240HZ。
本案例所采用的导光匀光棒为直形空心光棒，光棒口径应略大于与聚焦光斑，长度应保证光场在光棒的全反射次数大于3次，才可保证光棒出口端的匀化激光光场达到实用化要求，如图
本案例所采用的相位调节器和全向动态扩散轮驱动板可集成为单块电路板。
本案例激光消散斑-匀化器集成封装后可以成为独立模块，便于减小激光投影显示系统的尺寸。
以上描述了本发明的基本原理和主要特征，说明书的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (6)
1.一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置，其特征在于：包括有至少一组半导体激光光源（101）、望远缩束系统（102）、激光消散斑-匀化器（103），
所述半导体激光光源（101）用于提供最初的激光光源，且激光光源为单色蓝光激光二极管阵列、蓝红双色激光二极管阵列或RGB三色激光二极管阵列；
所述激光消散斑-匀化器（103）包含静态扩散片（201）、相位调节器（202）、聚光透镜（203）、含有扩散片的一体式荧光-滤光轮或者全向动态扩散轮（204）、开口式遮光板（205）、匀化导光棒（206）、机构壳体（207）、驱动控制板（208）；
所述望远缩束系统（102）采用伽利略构架，望远物镜采用弯月正透镜，次镜为双凹负透镜。
2.根据权利要求1所述的一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置，其特征在于：所述半导体激光光源（101）由激光二极管阵列、导热铜板、导热管、散热片、准直透镜阵列。
3.根据权利要求2所述的一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置，其特征在于：其中激光二极管阵列均匀排列安装在导热铜板上，导热铜板内插导热管，导热管内含冷媒，导热管另一端接散热片。
4.根据权利要求2所述的一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置，其特征在于：其中准直透镜阵列置于各色激光二极管阵列前端，排列布局上与激光二极管阵列一致，形成一一对应。
5.根据权利要求2所述的一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置，其特征在于：所述的准直透镜阵列和激光二极管阵列耦合集成靶条，面型采用双曲非球面，双曲非球面透镜方程为：
其中，、、、分别为非球面透镜在X、Y方向的曲率和圆锥系数。
6.根据权利要求1所述的一种一种高效、紧凑布局的分段式激光匀化消散斑装置，其特征在于：所述望远缩束系统（102）的透镜材料选用低成本材料，其缩束倍率控制在0.3-0.6之间，出光口径控制在25mm以下。
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