CN201314977Y - 消除激光散斑的系统以及使用该系统的投影机 - Google Patents

Abstract

一种消除激光散斑的系统以及使用该系统的投影机，该消除激光散斑的系统包括激光光源，聚焦光学单元，积分棒单元，具有至少一个第一积分棒，该第一积分棒连续不断地上下移动；所述激光光源、聚焦光学单元、积分棒单元依次排列。消除激光散斑的投影机包括激光光源，聚焦光学单元，积分棒单元，光斑放大透镜组，成像芯片，投影物镜组。本实用新型的有益效果在于：与传统的消除激光散斑方法相比，由于所采用的第一积分棒体积小、加工方便、减小了体积，减少了加工成本；采用第一积分棒移动技术后投影屏幕消除了散斑；采用上述方法的激光显示投影机，体积小、能量利用率高，制造成本低，元器件容易采购。

Description

消除激光散斑的系统以及使用该系统的投影机

技术领域

本实用新型涉及一种消除激光散斑的系统以及使用该系统的投影机。

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，作为光源的激光束由于相干性而受到散斑影响，照射到粗糙物体的表面会形成激光光斑，屏幕上强烈的散斑条纹严重影响了成像质量，降低了图像的分辨率和对比度。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。

现有技术中激光投影机消除激光散斑的主要方法，有使用光纤消除激光散斑，它的工作原理是：一定长度的光纤，当会聚后的激光束进入光纤，不同入射角的激光光束与光纤壁的碰撞次数不同，造成光束的光程不同，因而在光纤出射面的激光束有不同的相位，减弱了激光的相干性，激光散斑的对比度因此降低，激光散斑对人眼的刺激减少。

现有技术中激光投影机消除激光散斑的方法，还有使用微透镜旋转消除激光散斑，它的工作原理是：微透镜将激光光源的平行光会聚成几个会聚点，激光束的光束相对微透镜的高度不同相应的光程也不同，不同会聚点的激光束进入积分棒，同理出射面的激光束有不同的相位，相干性减弱，转动微透镜使激光散斑的位置移动，眼睛合成各个细小不同散斑，减小散斑的对比度。

将投影屏幕制造成锯齿形，使透过屏幕的光束散射，改变光束的相位，破坏成像光束的相干性是消除激光散斑的另一方法。

现有技术中激光投影机消除激光散斑的方法，存在下列缺点：激光的相干长度从几厘米到数公里，用光纤消散斑光束的光程达到相干长度光纤会很长，由于材料的吸收等原因，光的强度会减弱，投影设备体积增大。

微透镜消散斑的缺点在于：微透镜不能做得无限小，数量有限的光点使散斑的分布稀疏，微透镜的转速快才能消除散斑。

投影屏幕消散斑成本高，国内不能加工。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服以上现有技术的不足，提供一种制造工艺简单，成本低，消除散斑效果好的系统以及使用该系统的投影机。

为实现上述发明目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种消除激光散斑的系统，包括：激光光源，具有至少一个用于发出激光光束的激光器；聚焦光学单元，用于将激光光源发出的激光束会聚；积分棒单元，具有至少一个第一积分棒，该第一积分棒连续不断地上下移动；所述激光光源、聚焦光学单元、积分棒单元依次排列。上述第一积分棒移动频率为20Hz以上。所述积分棒单元还包括一个第二积分棒。

一种消除激光散斑的投影机，包括：激光光源，具有至少一个用于发出激光光束的激光器；聚焦光学单元，用于将激光光源发出的激光束会聚；积分棒单元，具有至少一个第一积分棒，该第一积分棒连续不断地上下移动；光斑放大透镜组，具有至少一个用于放大光斑的光学元件；成像芯片，用于对光学系统成像；投影物镜组，具有至少一个用于将图像成像于屏幕的投影物镜；所述激光光源、聚焦光学单元、积分棒单元、光斑放大透镜组、成像芯片和投影物镜组依次排列。上述第一积分棒移动频率为20Hz以上。所述积分棒单元还包括一个第二积分棒。所述激光光源取自于红激光器、绿激光器和兰激光器；所述成像芯片取自于lcd成像芯片、lcos成像芯片和DMD成像芯片。

本实用新型的有益效果在于：

1、与传统的消除激光散斑方法相比，由于所采用的第一积分棒体积小、加工方便、减小了体积，减少了加工成本，同时采用第一积分棒移动技术后投影屏幕消除了散斑；

2、采用上述方法的激光(lcd、lcos、DMD)显示投影机，体积小、能量利用率高，制造成本低，元器件容易采购.。

附图说明

图1是本实用新型消除激光散斑系统的结构示意图；

图2是本实用新型使用消除激光散斑系统的投影机的第一实施例示意图；

图3是本实用新型使用消除激光散斑系统的投影机的第二实施例示意图；

图4是本实用新型使用消除激光散斑系统的投影机的第三实施例示意图。

具体实施方式

现结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示是本实用新型消除激光散斑系统的结构示意图，它包括激光光源10、会聚透镜20、第一积分棒31，第二积分棒32，其中激光光源10、会聚透镜20、第一积分棒31，第二积分棒32依次排列。其中第一积分棒31体积小，便于加工。

激光光源10具有至少一个发出激光光束的激光器，其发出的平行光被会聚透镜20聚焦在第一积分棒31的入口，光束在第一积分棒31内多次反射，第一积分棒31出口激光光束匀化且位相比进入前杂乱，这些光线进入第二积分棒32，光线在第二积分棒32内再经过多次反射，进一步匀化，光束的相干性更弱。系统中第一积分棒31出口处的面光源，相当于无数的光点组合，光线射出第二积分棒32后形成无数散斑均匀地散布在整个照明光斑上，第一积分棒31连续不断地上下移动，相当于无数小光点不断改变位置，相应照明光斑上的散斑也就不断移动(如图1虚线所示)，当移动的频率达到20Hz以上，人眼将小光斑合成一幅均匀的光斑。其中会聚透镜20可以由其他具有会聚功能的光学元件组所取代。积分棒单元也可以只包括一个第一积分棒31，但这种情况下，为消除激光散斑，第一积分棒31通常会比较长。

如图2所示是本实用新型使用消除激光散斑系统的投影机的第一实施例示意图，包括红激光器11、绿激光器12、兰激光器13、会聚透镜20、第一积分棒31、第二积分棒32、光斑放大透镜组40、lcd成像芯片51，合色棱镜60、投影物镜70。其中绿光光路自左到右依次是绿激光器12、会聚透镜20、第一积分棒31、第二积分棒32、光斑放大透镜组40、lcd成像芯片51、合色棱镜60；红光光路：自上而下依次是红激光器11、会聚透镜20、第一积分棒31、第二积分棒32、光斑放大透镜组40、lcd成像芯片51、合色棱镜60；兰光光路：自下而上依次是兰激光器13、会聚透镜20、第一积分棒31、第二积分棒32、光斑放大透镜组40、lcd成像芯片51、合色棱镜60，合色棱镜60右边的是投影物镜70。其中光斑放大透镜组40具有至少一个用于放大光斑的光学元件，在实施例1中，光斑放大透镜组40由两个依次排列的凸透镜41、42组成。投影物镜70可以由其他具有放大功能的光学元件组所取代。

由红激光器11、绿激光器12、兰激光器13发出的平行光如上所述经过消除激光散斑系统到第二积分棒32出口成为均匀的消散斑照明光斑，光斑放大透镜组40将第二积分棒32出口的均匀光斑放大成像于lcd成像芯片51上，合色棱镜60将三幅红绿兰图像叠加合成为一幅图像，投影物镜70将合成图像成像于屏幕。在实施例1中，红激光器11、绿激光器12、兰激光器13的位置可以相互调换。

当然，在本实用新型中，也可以只采用一个激光器作为激光光源10，其发出的激光光束经会聚透镜20、第一积分棒31、第二积分榜32、光斑放大透镜组40、成像芯片、投影物镜70成像于屏幕，当然在此种情况下，由于选用的是单色激光器，因此所成图像也是相应于该激光器波长的图像。例如，选用红激光器11作为激光光源，则屏幕上呈现的为红色图像。

如图3所示是本实用新型使用消除激光散斑系统的投影机的第二实施例示意图，包括红激光器11、绿激光器12、兰激光器13、反红透兰绿二向色镜81、反兰透红绿二向色镜82、会聚透镜20、第一积分棒31、第二积分棒32、光斑放大透镜组40、反光镜62、完全内反(TIR)棱镜组61、DMD成像芯片53、投影物镜70，其中完全内反(TIR)棱镜组61设置在反光镜62的光轴出射方向，DMD成像芯片53在完全内反(TIR)棱镜组61的左边，投影物镜70在完全内反(TIR)棱镜组61的右边。

其中绿光光路自左到右依次是绿激光器12、反红透兰绿二向色镜81、反兰透红绿二向色镜82、会聚透镜20、第一积分棒31、第二积分棒32、光斑放大透镜组40、反光镜62、完全内反(TIR)棱镜组61、DMD成像芯片53、投影物镜70，其中反红透兰绿二向色镜81、反兰透红绿二向色镜82分别成45°角设置。红光光路与绿光光路基本相同，其区别在于：红激光器11位于45°的反红透兰绿二向色镜81下方；兰光光路与绿光光路基本相同，其区别在于：兰激光器13位于45°的反兰透红绿二向色镜82下方。其中反红透兰绿二向色镜81、反兰透红绿二向色镜82，也可以调换位置，相应的红激光器11位于45°的反红透兰绿二向色镜81下方，兰激光器13位于45°的反兰透红绿二向色镜82下方。同理：反红透兰绿二向色镜81、反兰透红绿二向色镜82也可以分别成135°角设置，红激光器11位于135°的反红透兰绿二向色镜81上方，兰激光器13位于135°的反兰透红绿二向色镜82上方。

在第二实施例中，也可以选用反绿透红兰二向色镜、反兰透红绿二向色镜，红激光器位于反绿透红兰二向色镜、反兰透红绿二向色镜的左边，绿激光器12位于反绿透红兰二向色镜的下方，兰激光器13位于反兰透红绿二向色镜的下方，反绿透红兰二向色镜、反兰透红绿二向色镜的位置可以相互调换。当然，选用反绿透红兰二向色镜、反红透兰绿二向色镜也是可以的。光栅具有部分反射部分透射功能，也可以替换本实施例中的二向色镜。

DMD成像芯片53显示绿色图案时，绿激光器12发出的平行光透过反红透兰绿二向色镜81，反兰透红绿二向色镜82，如上所述的到第二积分棒32出口成为均匀的消散斑照明光斑，光斑放大透镜组40将第二积分棒32出口的均匀光斑通过反光镜62、完全内反(TIR)棱镜组61反射放大成像于DMD成像芯片53上，DMD成像芯片53将光线反射回完全内反(TIR)棱镜组61，投影物镜70将图像成像于屏幕。DMD成像芯片53显示红色图案时，红激光器11发出的平行光由反红透兰绿二向色镜81反射，透过反兰透红绿二向色镜82，到达会聚透镜20。当DMD成像芯片53显示兰色图案时，兰激光器13发出的平行光由反兰透红绿二向色镜82反射，到达会聚透镜20，与绿光相同的兰色、红色图像最后由投影物镜70投影到屏幕。人眼将时序显示的三幅红、绿、兰图像合成一幅彩色的图像。

如图4所示是本实用新型使用消除激光散斑系统的投影机的第三实施例示意图，包括红激光器11、绿激光器12、兰激光器13、反绿透红二向色镜83、会聚透镜20、第一积分棒31、第二积分棒32、光斑放大透镜组40、lcos成像芯片52、偏振分光棱镜80、合色棱镜60、投影物镜70，反绿透红二向色镜83成135°角设置。其中红光光路自左到右依次是红激光器11、反绿透红二向色镜83、会聚透镜20、第一积分棒31、第二积分棒32、光斑放大透镜组40、反绿透红二向色镜83、偏振分光棱镜80、lcos成像芯片52在偏振分光棱镜80的上方，合色棱镜60，红光经反绿透红二向色镜83透射进入合色棱镜60上方的偏振分光棱镜80；绿光光路与红光光路基本相同，其区别在于：绿激光器12位于135°角设置的反红透绿二向色镜83的上方，绿光经反绿透红二向色镜83反射进入合色棱镜60左方的偏振分光棱镜80；兰光光路自左到右依次是兰激光器13、会聚透镜20、第一积分棒31、第二积分棒32、光斑放大透镜组40、偏振分光棱镜80、lcos成像芯片52在偏振分光棱镜80的下方、合色棱镜60，投影物镜组70位于合色棱镜60的右方。

由红激光器11、绿激光器12、兰激光器13发出的平行光如上所述的到第二积分棒32出口成为均匀的消散斑照明光斑，光斑放大透镜组40将第二积分棒32出口的均匀光斑通过偏振分光棱镜80放大成像于lcos成像芯片52上，lcos成像芯片52改变入射光线的偏振态，将光线反射回偏振分光棱镜80，光线再进入合色棱镜60，合色棱镜60将三幅红绿兰叠加成一幅彩色图像，投影物镜70将合成图像成像于屏幕。

在实施例三中，先采用反绿透红二向色镜83将红激光器11、绿激光器12发出的激光束进行耦合，一起进入会聚透镜20，经光斑放大透镜组40后设置的反绿透红二向色镜83后，红光透射进入合色棱镜60上方的偏振分光棱镜80，绿光反射进入合色棱镜60左方的偏振分光棱镜80。其中第一个反红透绿二向色镜83可以成45°角设置，这时绿激光器12位于45°角设置的反红透绿二向色镜83的下方。

同样，在实施例3中，也可以将绿光和兰光先耦合再分离，或者红光和兰光先耦合再分离，这些都是实施例3的等同替代方式。

以上实施方式旨在说明本实用新型，而决非对本实用新型的限制，本领域的技术人员根据描述，在不脱离权利要求及其等同物限定其范围的本实用新型总体构思的原则下，可以对实施例做出改变。

Claims (16)

1.一种消除激光散斑的系统，包括：

激光光源，具有至少一个用于发出激光光束的激光器；

聚焦光学单元，用于将激光光源发出的激光束会聚；

积分棒单元，具有至少一个第一积分棒，该第一积分棒连续不断地上下移动；

所述激光光源、聚焦光学单元、积分棒单元依次排列。

2.根据权利要求1所述的消除激光散斑的系统，其特征在于：所述第一积分棒移动频率为20Hz以上。

3.根据权利要求1或2所述的消除激光散斑的系统，其特征在于：所述积分棒单元还包括一个第二积分棒。

4.一种消除激光散斑的投影机，包括：

激光光源，具有至少一个用于发出激光光束的激光器；

聚焦光学单元，用于将激光光源发出的激光束会聚；

积分棒单元，具有至少一个第一积分棒，该第一积分棒连续不断地上下移动；

光斑放大透镜组，具有至少一个用于放大光斑的光学元件；

成像芯片，用于对光学系统成像；

投影物镜组，具有至少一个用于将图像成像于屏幕的投影物镜；

所述激光光源、聚焦光学单元、积分棒单元、光斑放大透镜组、成像芯片和投影物镜组依次排列。

5.根据权利要求4所述的投影机，其特征在于：所述第一积分棒移动频率为20Hz以上。

6.根据权利要求4或5所述的投影机，其特征在于：所述积分棒单元还包括一个第二积分棒。

7.根据权利要求4所述的投影机，其特征在于：所述激光光源取自于红激光器、绿激光器和兰激光器。

8.根据权利要求4所述的投影机，其特征在于：所述成像芯片取自于lcd成像芯片、lcos成像芯片和DMD成像芯片。

9.根据权利要求7所述的投影机，其特征在于：所述投影机还包括合色棱镜，所述红激光器、绿激光器、兰激光器分别与所述聚焦光学单元、积分棒单元、光斑放大透镜组、成像芯片组成红光光路、绿光光路、兰光光路，所述合色棱镜位于所述红光光路、绿光光路和兰光光路与所述投影物镜组之间，用于将所述红光光路、绿光光路和兰光光路的图像合成，经所述投影物镜组成像于屏幕。

10.根据权利要求9所述的投影机，其特征在于：所述红光光路、绿光光路、兰光光路分别垂直于所述合色棱镜的任意三个工作面，投影物镜组垂直于合色棱镜的另外一个工作面。

11.根据权利要求9所述的投影机，其特征在于：所述投影机还包括两个部分反射部分透射光学元件组，第一部分反射部分透射光学元件组位于所述红激光器、绿激光器和聚焦光学单元之间，将红激光器、绿激光器发出的激光光束耦合后进入所述聚焦光学单元，经积分棒单元、光斑放大透镜组后，再经第二部分反射部分透射光学元件组分离。

12.根据权利要求11所述的投影机，其特征在于：所述投影机还包括三个偏振分光棱镜，分别位于所述合色棱镜的上方、下方和左方。

13.根据权利要求7所述的投影机，其特征在于：所述投影机还包括部分反射部分透射光学元件组，位于所述激光光源与所述聚焦光学单元之间，所述红激光器、绿激光器和兰激光器依次轮流发出激光光束。

14.根据权利要求13所述的投影机，其特征在于：所述投影机还包括反光镜和完全内反棱镜组，位于所述成像芯片和所述投影物镜组之间。

15.根据权利要求13或14所述的投影机，其特征在于：所述部分反射部分透射光学元件组是反红透兰绿二向色镜和反兰透红绿二向色镜，其分别成45°角设置，所述绿激光器位于所述反红透兰绿二向色镜和所述反兰透红绿二向色镜的左侧，所述红激光器位于所述反红透兰绿二向色镜的下方，所述兰激光器位于所述反兰透红绿二向色镜的下方。

16.根据权利要求13或14所述的投影机，其特征在于：所述部分反射部分透射光学元件组是反红透兰绿二向色镜和反兰透红绿二向色镜，其分别成135°角设置，所述绿激光器位于所述反红透兰绿二向色镜和所述反兰透红绿二向色镜的左侧，所述红激光器位于所述反红透兰绿二向色镜的上方，所述兰激光器位于所述反兰透红绿二向色镜的上方。

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