CN113552763A - 一种三色纯激光投影光学系统 - Google Patents

一种三色纯激光投影光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三色纯激光投影光学系统，其包括：三色激光光源组件，用于产生三基色同轴激光束；光棒聚光组件，用于对光束进行聚光；消散斑和匀光组件，用于将经过光棒聚光组件的光束进行匀化、散射和光路转折；中继组件，用于将经过散射和光路转折后的光束经过RTIR棱镜共轭成像于光调制芯片上，光束在入射到光调制芯片前再RTIR棱镜上为透射，经光调制芯片反射后在RTIR棱镜上发生全发射，光路发生转折后入射到投影镜头上。本发明通过在光路中合理的设置光路转折器件，使得光学系统可以在空间布局上有效节省空间，有利于整机堆叠和产品的小型化设计，整体光学系统为U型排布。

Description

一种三色纯激光投影光学系统
技术领域
本发明涉及微投影产品技术领域，更具体的说是一种三色纯激光投影光学系统。
背景技术
激光投影显示作为一种新的投影显示技术，近年来市场份额在逐年提升，三色激光光源在近年已经具备更大的市场规格，以三色纯激光作为光源的投影技术在色彩表现上具有独一无二的优势，且较为简洁的光学引擎系统更为适合用于对于体积要求更高的微投产品上，家用微投产品更是每年有百万量级的市场需求。但同时三色激光较为严重的散斑也会严重影响显示效果，是制约该技术大范围推广的主要因素之一，而增加消散斑器件也同时会使光路复杂化，增大系统体积，同时满足微投产品对于体积和消散斑的要求就显得尤为关键。
发明内容
本发明提供一种三色纯激光投影光学系统，以期解决背景技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三色纯激光投影光学系统，包括：三色激光光源组件，用于产生三基色同轴激光束；光棒聚光组件，用于对光束进行聚光；消散斑和匀光组件，用于将经过光棒聚光组件的光束进行匀化、散射和光路转折；中继组件，用于将经过散射和光路转折后的光束经过RTIR棱镜共轭成像于光调制芯片上，光束在入射到光调制芯片前在RTIR棱镜上为透射，经光调制芯片反射后在RTIR棱镜上发生全发射，光路发生转折后入射到投影镜头上。
在一些实施例中，所述三色激光光源组件发出包含红、绿、蓝三基色对应波长的激光光束，三基色光束为共轴的平行光束或者近平行光束。
在一些实施例中，所述消散斑和匀光组件包含动态消散斑器件、静态散射片和积分光棒；所述动态消散斑器件为散射轮，所述散射轮倾斜设置于光棒聚光组件和静态散射片之间的光路上，光束通过光棒聚光组件后以一定入射角入射到散射轮的散射面上，发生第一次动态散射后入射到散射轮的反射面上，经过反射面反射后改变光束传播方向后再次入射到散射面上，发生第二次动态散射后聚焦于所述积分光棒的入光口处。
在一些实施例中，所述散射轮由散射片和马达组成，马达用于带动散射片进行高速旋转；所述散射片远离马达的一面为散射面，可对入射到其上的光束进行散射，靠近马达一侧镀高反射膜。
在一些实施例中，所述积分光棒为具有矩形工作腔空心光棒，空心光棒的作用是匀化光束，得到均匀且经过整形的矩形光斑，光斑的均匀性与光束在矩形工作腔内的反射次数有关，矩形工作腔尺寸和反射次数由下式确定：
Figure BDA0003208834020000021
其中，N为反射次数，L为矩形工作腔长度，θmax为光束在矩形工作腔内的最大孔径角，h、w表示矩形工作腔宽、高。
在一些实施例中，所述光调制芯片为DMD芯片或者反射式光调制芯片。
在一些实施例中，在光调制芯片、投影镜头和中继组件间采用RTIR棱镜进行连接，以实现图像从投影镜头投射出来，所述RTIR棱镜对光路的转折和角度与前述散斑和匀光组件对光路的转折角度应在设计上予以对应，以满足镜头光轴出射方向与激光光源处的光轴出射方向的平行关系。
在一些实施例中，还包括缩束组件，用于将三色激光光源组件产生的三基色同轴激光束口径缩小后以近平行光束入射到光棒聚光组件。
附图说明
图1为一种三色纯激光投影光学系统示意图。
图2为一种三色光源组件的整形合束示意图。
图3为一种三色激光光源排布方式示意图。
图4为散射轮用做光路转折时的工作示意图。
图中标记：10-三色激光光源组件，20-缩束组件，30-光棒聚光组件，40-消散斑和匀光组件，41-动态散射器件，42-静态散射片，43-积分光棒，50-中继组件，60-RTIR棱镜，70-光调制芯片，80-投影镜头，A-三色激光光源，B-反射镜，C-分色镜。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
以下将结合图1-4对本申请实施例所涉及的三色纯激光投影光学系统进行详细说明。值得注意的是，以下实施例仅仅用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
在本申请的实施例中，如图1所示，三色纯激光投影光学系统可以包括：三色激光光源组件10，用于产生三基色同轴激光束；所述三色激光光源组件10如附图2所示，包含三色激光光源A、反射镜B和分色镜C。
所述三色激光光源A集成了红绿蓝三基色激光器，激光器的排布如附图3所示，所述分色镜上镀有低通滤光膜，可反射三色激光光源A发出的红色激光束的同时透射蓝光和绿光激光束。所述三色激光光源A上设置有非球面透镜阵列，可将激光器发出的光束整形为近平行光束。
进一步的，三色激光光源A上的红光激光器发出的红光激光束以45°入射角入射到反射镜B上，经反射镜B反射后传播方向转折90度以45°角入入射到分色镜C上，而三色激光光源A上的绿光和蓝光激光器发射的蓝光和绿光的混合激光束直接以45°入射角入射到分色镜C上，从而使得红绿蓝三基色激光束经分色镜C后合束为沿相同方向传播的同轴激光束。
所述三色激光光源组件10经上述合束后发出的三基色同轴激光束入射到缩束组件20上，激光束经过缩束组件20后光束口径缩小，仍以近平行光束入射到光棒聚光组件30上。
缩束组件20，用于将光束口径缩小后以近平行光束入射到光棒聚光组件30；所述光源组件发出的激光束入射到缩束组件20上以减小光斑口径，所述缩束组件20原则上采用伽利略式望远镜的光学架构。当所述三色激光光源组件10发出的激光束口径较小时，可不使用缩束组件20进行缩束。
光束经过所述光棒聚光组件30后，入射到其后的消散斑和匀光组件40上，所述消散斑和匀光组件40包含动态散射器件41、静态散射片42和积分光棒43。所述动态散射器件41为散射轮，所述散射轮侧视图及工作时的光线路径如附图4所示，散射轮由圆形散射片和背后的马达构成，马达在工作时带动圆形散射片高速旋转。圆形散射片远离马达的一侧为散射面，靠近马达的一侧镀高反射膜。所述散射轮倾斜设置于光棒聚光组件30和静态散射片42之间的光路上，光束通过光棒聚光组件30后以一定入射角入射到散射轮的散射面上，发生第一次动态散射后入射到散射轮的反射面上，经过反射面反射后改变光束传播方向后再次入射到散射面上，发生第二次动态散射后聚焦于所述积分光棒43的入光口处。
光路经散射轮转折的角度与后续光路相关联，根据后续器件的具体规格来确定散射轮的倾斜角，最终可保证由投影镜头80出射的光束光轴与由三色激光光源组件10发出的光束光轴平行，整体光学系统成U型。经由所述散射轮转折后的光束先经过设置于积分光棒43前的静态散射片42散射后入射到积分光棒43内，光束在积分光棒43内经过次反射后整形为均匀的矩形光斑。所述静态散射片42直接胶合在积分光棒43的入光口处。
在一些实施例中，所述积分光棒43为具有矩形工作腔空心光棒，空心光棒的作用是匀化光束，得到均匀且经过整形的矩形光斑，光斑的均匀性与光束在矩形工作腔内的反射次数有关，矩形工作腔尺寸和反射次数由下式确定：
Figure BDA0003208834020000051
其中，N为反射次数，L为矩形工作腔长度，为光束在矩形工作腔内的最大孔径角，h、w表示矩形工作腔宽、高，一般当N＝3时均匀性达到饱和，增加反射次数会造成更多能量损失，系统效率下降。
光束在积分光棒43整形后经中继组件50共轭成像于光调制芯片70上，可对光调制芯片70的有效工作区域实现均匀照明，光束在入射到光调制芯片70前再RTIR棱镜60上为透射，经光调制芯片70反射后在RTIR棱镜60上发生全发射，光路发生90°转折后入射到投影镜头80上，最终可在像面上实现投影显示。本实施方式通过灵活设置散射轮，可实现光路两次动态散射和一次静态散射，有效降低了激光散斑对于图像质量的影响，同时巧妙的光路转折使得光路U型排布，有利于光机的布局和整机堆叠。
在一些实施例中，所述光调制芯片70为DMD芯片或者反射式光调制芯片70。
在一些实施例中，在光调制芯片70、投影镜头80和中继组件50间采用RTIR棱镜60进行连接，以实现图像从投影镜头80投射出来，所述RTIR棱镜60对光路的转折和角度与前述散斑和匀光组件对光路的转折角度应在设计上予以对应，以满足镜头光轴出射方向与激光光源处的光轴出射方向的平行关系。
本申请所披露的三色纯激光投影光学系统可能带来的有益效果包括但不限于：本发明通过上述光路配置，可完成以三色激光为光源的投影系统的设计，同时由于光路的巧妙设计，可实现两次动态散射和一次静态散射，对于激光散斑的抑制效果较好，同时，相对规整的光学架构可更容易的适配不同的整机堆叠要求，有利于系统的小型化设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三色纯激光投影光学系统，其特征在于，包括：
三色激光光源组件，用于产生三基色同轴激光束；
光棒聚光组件，用于对光束进行聚光；
消散斑和匀光组件，用于将经过光棒聚光组件的光束进行匀化、散射和光路转折；
中继组件，用于将经过散射和光路转折后的光束经过RTIR棱镜共轭成像于光调制芯片上，光束在入射到光调制芯片前在RTIR棱镜上为透射，经光调制芯片反射后在RTIR棱镜上发生全发射，光路发生转折后入射到投影镜头上。
2.根据权利要求1所述的一种三色纯激光投影光学系统，其特征在于，所述三色激光光源组件发出包含红、绿、蓝三基色对应波长的激光光束，三基色光束为共轴的平行光束或者近平行光束。
3.根据权利要求1所述的一种三色纯激光投影光学系统，其特征在于，所述消散斑和匀光组件包含动态消散斑器件、静态散射片和积分光棒；所述动态消散斑器件为散射轮，所述散射轮倾斜设置于光棒聚光组件和静态散射片之间的光路上，光束通过光棒聚光组件后以一定入射角入射到散射轮的散射面上，发生第一次动态散射后入射到散射轮的反射面上，经过反射面反射后改变光束传播方向后再次入射到散射面上，发生第二次动态散射后聚焦于所述积分光棒的入光口处。
4.根据权利要求3所述的一种三色纯激光投影光学系统，其特征在于，所述散射轮由散射片和马达组成，马达用于带动散射片进行高速旋转；所述散射片远离马达的一面为散射面，可对入射到其上的光束进行散射，靠近马达一侧镀高反射膜。
5.根据权利要求3所述的一种三色纯激光投影光学系统，其特征在于，所述积分光棒为具有矩形工作腔空心光棒，空心光棒的作用是匀化光束，得到均匀且经过整形的矩形光斑，光斑的均匀性与光束在矩形工作腔内的反射次数有关，矩形工作腔尺寸和反射次数由下式确定：
Figure FDA0003208834010000021
其中，N为反射次数，L为矩形工作腔长度，θmax为光束在矩形工作腔内的最大孔径角，h、w表示矩形工作腔宽、高。
6.根据权利要求1所述的一种三色纯激光投影光学系统，其特征在于，所述光调制芯片为DMD芯片或者反射式光调制芯片。
7.根据权利要求1所述的一种三色纯激光投影光学系统，其特征在于，在光调制芯片、投影镜头和中继组件间采用RTIR棱镜进行连接，以实现图像从投影镜头投射出来，所述RTIR棱镜对光路的转折和角度与前述消散斑和匀光组件对光路的转折角度应在设计上予以对应，以满足镜头光轴出射方向与激光光源处的光轴出射方向的平行关系。
8.根据权利要求1所述的一种三色纯激光投影光学系统，其特征在于，还包括缩束组件，用于将三色激光光源组件产生的三基色同轴激光束口径缩小后以近平行光束入射到光棒聚光组件。
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