CN109521637A - 一种激光投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光投影系统，包括按照光路依次设置的激光器光源，出射不同颜色的光且用于合成白光；第一整形透镜，将激光器光源发出的光转换成散射片发生米氏散射需要的入射光；散射片，用于降低激光器光源的相干性；第二整形透镜，用于将散射片射出的光线进行匀光整形变成平行光；数字微镜元件，控制光是否反射到投影镜头上；投影镜头，用于显示投影效果；系统还包括导光管，导光管一端开口，激光器光源、第一整形透镜、散射片均设置在导光管内，导光管的开口端位于散射片和第二整形透镜之间，且用于将散射片发射的光形成点光源。该发明的优点在于：使用的元器件数量少，促进了系统体积的减小，降低了系统的成本，提高了系统的光能利用率。

Description

一种激光投影系统

技术领域

本发明涉及投影技术领域，尤其涉及一种激光投影系统。

背景技术

近年来，随着人们对投影仪投射出的图像质量要求越来越高，传统的卤素灯、氙灯、汞灯等光源已经不能满足人们的需要，在投影仪光源的选择上，人们已经将注意力投向了激光照明领域。与传统光源相比，激光投影仪具有广色域、高对比度、高亮度等优点，被业界普遍看好有望成为下一代数字投影显示系统的主流照明光源。

在2011年10月出版的《激光与光电子学进展》刊物中，芮大为等人发表了《基于渐变折射率透镜的激光投影仪照明光路设计》，公开了一种利用渐变折射率(GRIN)透镜和激光的DLP投影仪照明光路，该设计以LD发出的光作为照明光源，包括：红绿蓝(RGB)激光器光源、单级GRIN透镜阵列、二向色镜、反射镜、DMD、吸收体和投影透镜，照明光路由三组透镜阵列及其所对应的三组二向色镜组成。虽然没有使用色轮，但是该方案存在以下缺陷：(1)由于激光的相干性，投射出的显示图像中会出现散斑，从而影响了显示效果；(2)激光要通过三组二向色镜，在每个二向色镜上，光能都会有损耗，二向色镜的成本较高，对入射光的入射角度要求严格，在生产或运输的过程中，不能由于元器件位置的变化导致入射光入射到二向色镜的角度发生改变，整体的安装难度较大；(3)透镜矩阵由几何参数、光学特性和加工精度均相同的渐变折射率透镜紧密排列而成。这种方案由于使用了较多元器件，并对元器件的质量要求高，光路复杂，加工和安装难度高，成本高，对整个系统的光能利用率低，整个系统的电光转换效率低，并且系统中杂散光多，限制了系统的体积，并增加了散热难度，对于采用电池供电的投影系统，会严重缩短工作时间。

在2016年12月出版的《中国激光》刊物中，梁传样等人发表了《基于硅基液晶实现激光投影显示系统匀光整形和散斑抑制》，公开了一种利用硅基液晶(LCoS)空间光调制器(SLM)同时解决激光投影显示中光束整形匀化和散斑抑制的问题，该设计以LD作为照明光源，利用衍射光学元件(DOE)将圆形高斯分布照明激光束整形成平顶矩形光场；在不同的初始相位条件下，设计得到多幅具有相同强度分布、不同相位分布的衍射图样。当SLM依次调制出这些衍射图样，通过时间积分将这些衍射图样相叠加，从而提高光斑均匀性，同时抑制激光散斑。但是该方案存在以下缺陷：(1)单颗LD投影仪的光照度较低，增加单颗LD的功率，又会造成投影仪散热难等问题；(2)硅基液晶价格昂贵，增加了投影仪的成本。

现有的激光投影系统的方案对激光散斑无法有效的抑制，同时存在对光能的利用率低、结构复杂、元器件较多、体积较大、成本较高、散热困难等问题。需要提供一种能够对激光散斑有效抑制、光能利用率高、光路简单、使用的元器件少、体积小、成本低、系统的电光转换效率高、杂散光少的新型激光投影系统解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于解决现有技术中的产品

效果问题，为此，本发明提供一种激光投影系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光投影系统，包括按照光路依次设置的

激光器光源，出射不同颜色的光且用于合成白光；

第一整形透镜，将激光器光源发出的光转换成散射片发生米氏散射需要的入射光；

散射片，用于降低激光器光源的相干性；

第二整形透镜，用于将散射片射出的光线进行匀光整形变成平行光；

数字微镜元件，控制光是否反射到投影镜头上；

投影镜头，用于显示投影效果；

系统还包括导光管，所述导光管一端开口，所述激光器光源、第一整形透镜、散射片均设置在导光管内，所述导光管的开口端位于散射片和第二整形透镜之间，且用于将散射片发射的光形成点光源。

对导光管的限定，所述导光管包括多个分支部和圆锥部，每个分支部与圆锥部的底部均导通，所述圆锥部顶端开口。

对导光管、激光器光源、第一整形透镜的限定，所述分支部、激光器光源、第一整形透镜均包括3个，3个激光器光源分别发出红光、绿光和蓝光，三个激光器光源和对应的第一整形透镜分别设置在对应的3个分支部内且远离圆锥部的一端，相邻两个分支部的夹角相同。

对激光器光源和第一整形透镜的进一步限定，所述激光器光源输出端贴在第一整形透镜入口的端面上。

对第一整形透镜的进一步限定，所述第一整形透镜为渐变折射率透镜，所述第一整形透镜的折射率为其中n₀是梯度折射率透镜的中心折射率，α是透镜折射率的渐变系数，r是第一整形透镜中任意一点离中心轴线的距离。

对散射片的限定，所述散射片为多块且重叠阵列设置在圆锥部内。

对散射片的进一步限定，所述散射片的片数设定范围为3-5片，每片散射片的散射角设定范围为6-10°。

对第二整形透镜的限定，所述第二整形透镜为矩形透镜，与导光管的开口端的距离为一倍焦距。

对投影镜头的限定，所述投影镜头为五片式反远距投影镜头。

对导光管的限定，所述导光管的长度范围为5-7cm。

本发明的优点在于：

(1)激光器光源发出的光线经过第一整形透镜后，在散射片中发生米氏散射，经过多次折射、反射，不同轨迹的光线走过的光程不同，从而降低了激光器光源的相干性，并且降低散斑对比度。在导光管的开口端再次将光线汇聚成点光源，经过第二整形透镜进行匀光整形，整形后的平行光入射到数字微镜元件表面，反射光经过投影透镜后成像在投影幕布上，经过漫反射后进入人眼，装置还包括吸收体，数字微镜元件反射的另一部分光线被吸收体吸收。相对于现有技术，本发明减少了色轮、反光碗、中继透镜、反射镜、色轮、二向色镜等，元器件的减少可以促进系统体积的减小，降低了系统的成本，同时也提高了系统的光能利用率。

(2)激光器光源具有较好的准直性，发射光斑小，在使用激光作为投影系统的照明光源通过第一整形透镜改变光形。

(3)本发明导光管包括锥形部分，将激光器光源发射的光最终在开口形成点光源，导光管的设置提高光能利用率。

(4)分别发出红光、绿光和蓝光的3个激光器光源，位于对应的三个分支部中，中部的分支部的中轴线与圆锥部的中轴线重合，可在导管内形成白光。

(5)3个激光器光源与第一整形透镜的设置方式和第一整形透镜的特性，将激光器光源发出的点光源转换成平行光。

(6)散射片数量和角度的限定可以提高降低激光器光源相干性的效果。

附图说明

图1是本发明一种激光投影系统结构示意图。

图2是光源散射效果示意图。

图3是1片到5片散射片间距为零的情况下发散角与相关面积宽度的关系图。

图4是2片到5片散射片间距不为零的情况下发散角θ与相关面积宽度Δs的关系图，图中实线和虚线分别表示散射片间隙为0.5um和50um时的情况，实线从最左边看，从上到下分别表示2片到5片散射片间距为0.5um的情况下发散角θ与相关面积宽度Δs的关系曲线，虚线从最右边看，从上到下分别表示2片到5片散射片间距为50um的情况下发散角θ与相关面积宽度Δs的关系曲线。

图5为用Zemax软件模拟的P/4长度的第一整形透镜中光束的传播轨迹图。

图6为用Zemax软件模拟了该投影镜头的光线轨迹图。

图7系统在在Tracepro软件中模拟获得的照度图。

图中标注符号的含义如下：

1-激光器光源 2-第一整形透镜 3-散射片 4-第二整形透镜 5-数字微镜元件 6-投影镜头 7-导光管 71-分支部 72-圆锥部 8-吸收体

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种激光投影系统，包括按照光路依次设置的

激光器光源1，出射不同颜色的光且用于合成白光；

第一整形透镜2，将激光器光源1发出的光转换成散射片3发生米氏散射需要的入射光；

散射片3，用于降低激光器光源1的相干性；

第二整形透镜4，所述第二整形透镜4为矩形透镜，与导光管7的开口端的距离为一倍焦距，用于将散射片3射出的光线进行匀光整形变成平行光；

数字微镜元件5，控制光是否反射到投影镜头6上；

投影镜头6，用于显示投影效果；

系统还包括导光管7吸收体8，所述导光管7一端开口，所述激光器光源1、第一整形透镜2、散射片3均设置在导光管7内，所述导光管7的开口端位于散射片3和第二整形透镜4之间，且用于将散射片3发射的光形成点光源。

所述吸收体8用于吸收未进入人眼部分的光线。

所述导光管7包括多个分支部71和圆锥部72，每个分支部71与圆锥部72的底部均导通，所述圆锥部72顶端开口。所述分支部71、激光器光源1、第一整形透镜2均包括3个，3个激光器光源1分别发出红光、绿光和蓝光，三个激光器光源1和对应的第一整形透镜2分别设置在对应的3个分支部71内且远离圆锥部72的一端，所述散射片3为多块且重叠阵列设置在圆锥部72内。相邻两个分支部71的夹角相同。所述激光器光源1输出端贴在第一整形透镜2入口的端面上。在该实施例中，所述导光管7的长度范围为5cm，光管的三个分支段与导光管7的总长比值为3：5,三个相邻的分支部71之间的夹角为35°。

本发明使用OSRAM公司专业用于投影机照明的激光器光源1，分别是波长为650nm，功率为0.5w，型号为SPL CG65的红光激光二极管；波长为450nm，功率为1.6w，型号为PLTB450B的蓝光激光二极管；波长为520nm，功率为0.5w，型号为PL 520的绿光激光二极管。

所述第一整形透镜2均为渐变折射率透镜，所述第一整形透镜2的折射率为其中n₀是梯度折射率透镜的中心折射率，α是透镜折射率的渐变系数，r是第一整形透镜2中任意一点离中心轴线的距离。光线在梯度折射率透镜中传播时，基于折射原理向中心自动偏转，一个周期内的光程轨迹是抛物线状，周期长度称为节距P，节距P＝2π/α，当点光源置于长度为：l＝P/4＝π/2α的梯度折射率透镜端面时，透镜出射平行光。图5是用Zemax软件模拟的长度的梯度折射率透镜中光束的传播轨迹。

散射片3内部和表面随机分布着直径为0.2微米左右的颗粒，激光器光源1照射到散射片3表面发生米氏散射，降低了激光的空间相干性。Van cittert-Zernike定理指出，一束激光入射到发散角为θ的散射片3上时，散射光场的平均相关面积宽度Δs为：

式中，λ为光源的波长。在成像光学中，散斑颗粒的大小与平均相关面积宽度Δs的直径正相关，相关面积宽度越大，散斑颗粒的直径也越大。在投影屏幕上一个像素中，填充的多个小散斑颗粒在空间中有亮度平均的效果，所以小颗粒激光散斑对应的图像质量比大颗粒的散斑图像质量好。因此，降低激光光束散射后的平均相关面积宽度Δs也是提高图像质量的一个方法。

如图2所示，当光源入射到散射角为θ₁的散射片3时，此时经过散射片3后的相关面积宽度为Δs₁＝λ/sin(θ₁/2)，同理，入射到发散角θ₂的散射片32上，相关面积宽度为Δs₂＝λ/sin(θ₂/2)。依次类推，如果有多个级联散射片3，将以相同的原理继续传播。

如图2所示，如果散射片31紧贴着散射片32，即散射片3间距Z₁₂＝0,那么光线经过散射片31入射到散射片32时，散射角为(θ₁+θ₂)，此时经过散射片32后的光学相关面积宽度Δs₂为：

同理：如果散射片31后级联有n个散射片3，且相邻散射片3之间间距为零，则Δs_n为：

由(3)式可知，Δs₁＞Δs₂＞…Δs_n。

在该实施例中，图3中，横坐标表示单个散射片3的发散角度θ，纵坐标表示相关面积宽度Δs，图中五条曲线分别对应不同数量的散射片3，最上面的曲线对应1片散射片3，从左边看的从上往下各条曲线分别是1片到5片的情况。由该图可知，随着散射片3数量的叠加，光束的相关面积宽度不断减小，当散射片3数量超过3片后，再增加散射片3的数量对光束的相关面积宽度影响不大；随着散射片3散射角的增加，光束的相关面积宽度也在急剧下降，当散射角超过8°后，再增大散射角对光束的相关面积宽度影响较小，过大的散射角也不利于光线的收集。

如果散射片3之间存在间隙，即Z₁₂＞0，那么光线经过散射片32后的相关面积宽度Δs₂近似为：

同理，再经过散射片3时，相关面积宽度Δs₃近似为：

依次类推，如果散射片31后级联有n个散射片3，相关面积宽度Δs_n近似为：

如果散射片3之间的间距都相等，同时散射片3的发散角也都相同，那么光束经过n个级联散射片3后，Δs_n进一步近似为：

如图4所示，横坐标表示单个散射片3的发散角度θ，纵坐标表示相关面积宽度Δs。当散射片3之间的距离较小时，随着散射角θ的增大，相关面积宽度Δs逐渐减小；当散射片3之间的距离达到50um时，相关面积宽度随着散射角的增大，相关面积宽度Δs先下降后上升。

综合图3和图4，该实施例将3片散射片3重叠在一起，同时散射片3的散射角度控制在8°。

数字微镜元件5为美国德州仪器(TI)公司于1987年发明的一种反射式空间光调制器件，具体的为dlp6500型的DMD元件，芯片尺寸是14.5152mm×8.1648mm(16∶9)。数字微镜元件5在两个角度快速的翻转，对应两种工作状态。当数字微镜元件5翻转到+12°时，此时处于“On”态，所有微镜反射的光线平行进入投影镜头6；当翻转到－12°时，此时处于“Off态”，反射光线被吸收体8吸收；图6中“Flat”指的是微镜处于平板态，此时没有控制信号加载到微镜上，投影镜头6的光轴垂直于微镜的表面。

为了与数字微镜元件5匹配，投影镜头6的入瞳直径要大于20mm；本发明的投影镜头6视场角为56°，在50lp/mm处光学传递调制函数值大于0.5；投影镜头6的畸变小于1％。

为了方便用户使用，通常需要在较小的距离内投射出较大的光斑，本发明选择投影镜头6库中五片式反远距投影镜头6。如图6所示，用Zemax软件通过调整投影镜头6的参数，优化后可获得模拟该投影镜头6的光线轨迹图。

在Tracepro软件中构建了激光投影系统，数字微镜元件5的反射率按厂家提供的参数设定，其它元器件的参数根据实际情况设定，光线追迹得到照度图如图7所示。

实施例2

与实施例1不同之处在于，导光管7的长度范围为6cm，也可以为7cm。

实施例3

与实施例1不同在于，散射片3的片数为4片,也可以为5片。

实施例4

与实施例1不同在于，每片散射片3的散射角设定角度可以为6°，7度，9度，10度。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光投影系统，其特征在于，包括按照光路依次设置的

激光器光源(1)，出射不同颜色的光且用于合成白光；

第一整形透镜(2)，将激光器光源(1)发出的光转换成散射片(3)发生米氏散射需要的入射光；

散射片(3)，用于降低激光器光源(1)的相干性；

第二整形透镜(4)，用于将散射片(3)射出的光线进行匀光整形变成平行光；

数字微镜元件(5)，控制光是否反射到投影镜头(6)上；

投影镜头(6)，用于显示投影效果；

系统还包括导光管(7)，所述导光管(7)一端开口，所述激光器光源(1)、第一整形透镜(2)、散射片(3)均设置在导光管(7)内，所述导光管(7)的开口端位于散射片(3)和第二整形透镜(4)之间，且用于将散射片(3)发射的光形成点光源。

2.根据权利要求1所述的一种激光投影系统，其特征在于，所述导光管(7)包括多个分支部(71)和圆锥部(72)，每个分支部(71)与圆锥部(72)的底部均导通，所述圆锥部(72)顶端开口。

3.根据权利要求2所述的一种激光投影系统，其特征在于，所述分支部(71)、激光器光源(1)、第一整形透镜(2)均包括3个，3个激光器光源(1)分别发出红光、绿光和蓝光，三个激光器光源(1)和对应的第一整形透镜(2)分别设置在对应的3个分支部(71)内且远离圆锥部(72)的一端，相邻两个分支部(71)的夹角相同。

4.根据权利要求3所述的一种激光投影系统，其特征在于，所述激光器光源(1)输出端贴在第一整形透镜(2)入口的端面上。

5.根据权利要求4所述的一种激光投影系统，其特征在于，所述第一整形透镜(2)为渐变折射率透镜，所述第一整形透镜(2)的折射率为其中n₀是梯度折射率透镜的中心折射率，α是透镜折射率的渐变系数，r是第一整形透镜(2)中任意一点离中心轴线的距离。

6.根据权利要求2所述的一种激光投影系统，其特征在于，所述散射片(3)为多块且重叠阵列设置在圆锥部(72)内。

7.根据权利要求6所述的一种激光投影系统，其特征在于，所述散射片(3)的片数设定范围为3-5片，每片散射片(3)的散射角设定范围为6-10°。

8.根据权利要求1所述的一种激光投影系统，其特征在于，所述第二整形透镜(4)为矩形透镜，与导光管(7)的开口端的距离为一倍焦距。

9.根据权利要求1所述的一种激光投影系统，其特征在于，所述投影镜头(6)为五片式反远距投影镜头(6)。

10.根据权利要求1所述的一种激光投影系统，其特征在于，所述导光管(7)的长度范围为5-7cm。