CN201555989U - 一种激光投影系统中的光束整形及均匀化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光投影系统中的光束整形及均匀化装置，其特征是设置一对平凸柱面透镜光栅，一对平凸柱面透镜光栅以其平面相对胶合在一起，相互之间以透镜单元正交取向，形成双凸形微透镜阵列，双凸形微透镜阵列放置在垂直于光轴的平面内。本实用新型结构简单、易于加工、透光率高、变换后的光束具有强度分布均匀，且形状与光调制器相符，适合作为照明光源应用于单片或者三片的激光投影系统中。

Description

一种激光投影系统中的光束整形及均匀化装置

技术领域

本实用新型涉及激光投影系统中光束变换整形及均匀化器件，更具体地说是一种利用微透镜阵列对激光原始光斑的强度进行重新分布以达到输出光强均匀化的装置。

背景技术

传统投影显示设备普遍使用的是金属卤素灯、UHE灯泡、UHP灯泡等光源。这些光源由于其固有的发光机理，其寿命通常只有几千小时；同时，由于辐射光谱中含有紫外UV和红外IR光，因此需要使用紫外和红外滤光片，这也增加了光路系统的复杂性。

采用激光作为投影系统的光源相对于其他光源具有很多优势，包括：激光单色性好，为线光谱，具有很高的饱和度；可以通过选择合适的三基色波长，可以得到更宽的色域，实现更加真实的色彩还原；由于光线的波长是固定的，因而看上去更舒服，没有灯泡刺眼的不舒服感觉；不含有紫外线，使得眼睛看画面的时候很放松；激光的电光转换效率高，方向性好，易于实现高亮度投影显示；激光器出射光束通常为线偏振光，对于基于LOCS或者LCD光调制器的投影系统来说，偏振光源将减少偏振片数量的使用，增加光透过率，减小光路系统设计的复杂性，提高激光显示的亮度。

激光投影系统的结构设置通常包括：

1、红绿蓝三基色激光光源，它决定了基于激光显示技术的终端显示产品的亮度、色域空间、寿命以及工作方式；

2、图像调制单元，决定了显示图像分辨率、对比度、亮度等综合性能指标，主流的调制器有LCD、DLP和LCOS；

3、匀场及消相干单元，直接影响着显示器的效率和图像性噪比。通常激光束是一个直径2～5mm的圆形或椭圆光斑，其光强呈现高斯分布，通常需要设置光束均匀器件，对原始激光是进行整形和匀化；

4、广色域图像的信息处理单元，包括数字信号的压缩、存储、传输和解调。

目前，对激光光束进行整形和匀化的装置是光学积分棒或者复眼透镜阵列。光学积分棒的基本原理是光线经过该棒，在棒内会经过多次的反射后出射，假设入射时是一个光源，经过多次的反射后，会形成多束光，出射时会形成多个光源″镜像″，相当于把一个光源在能量层面上均匀化了。积分榜通常在内壁镀有铝膜，要求腔内具有较高的洁净度，并且在强光长时间照射下铝膜容易受到损伤，影响出射光的均匀性。复眼透镜是由一系列小透镜组合组成，双排复眼透镜阵列应用于照明系统中，将激光束重新分割叠加，可以获得较高的光能利用率和大面积的均匀照明。这种复眼透镜阵列结构复杂、加工难度较大，成本很高。此外在传统的投影系统中，采用双排独立的复眼透镜，占据较大的空间，而且要求前后复眼透镜成对应关系，对安装技术要求较高。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种结构简单、易于加工、成本低廉的激光投影系统中的光束整形及均匀化装置，将其应用激光投影系统中，以使原始高斯分布的激光光束变换成矩形且强度分布均匀的照明光源，照射到光调制器上，以满足实际应用的要求。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型激光投影系统中的光束整形及均匀化装置的结构特点是设置一对平凸柱面透镜光栅，所述一对平凸柱面透镜光栅以其平面相对胶合在一起，相互之间以透镜单元正交取向，形成双凸形微透镜阵列，所述双凸形微透镜阵列放置在垂直于光轴的平面内。

本实用新型激光投影系统中的光束整形及均匀化装置的结构特点也在于：

在所述双凸形微透镜阵列之后设置一可改变光束长宽比的柱透镜。

所述双凸形微透镜阵列是以PET合胶、PP聚丙烯、PVC聚氯乙烯、PS聚苯乙烯或PMMA压克力为材质。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型可以使高斯分布的圆形激光光束变换成矩形或正方形的光束，其横截面光强均匀分布。

2、本实用新型可进一步在所述双凸形微透镜阵列之后设置一柱透镜，改变变化后光束的长宽比，使得光斑的尺寸能够与光调制器尺寸相匹配。

3、本实用新型结构简单，易于在投影系统中安装调节，能够用于单片或三片的投影系统中。

4、本实用新型常用的材料为PET合胶、PP聚丙烯、PVC聚氯乙烯、PS聚苯乙烯或PMMA压克力有机材料，这些有机材料具有较高的透过率，显示亮度高。

附图说明

图1本实用新型中平凸柱面透镜光栅示意图。

图2为本实用新型中一对平凸柱面透镜光栅正交放置俯视图。

图3为本实用新型装置在激光投影系统中应用示意图。

图4为本实用新型中投射到光调制器上的激光光束横截面示意图。

图中标号：1激光器、2双凸形微透镜阵列、2a平凸柱面透镜光栅、3柱透镜、4光调制器、5方形光束。

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明：

具体实施方式

参见图1和图2，采用平凸柱面透镜光栅2a，一对平凸柱面透镜光栅2a之间的柱面透镜正交取向；并将其平面相对胶合在一起，形成双凸形微透镜阵列2，双凸形微透镜阵列2可以采用PET合胶、PP聚丙烯、PVC聚氯乙烯、PS聚苯乙烯或PMMA压克力等材质，具有较高的透过率，显示亮度高。

参见图3，双凸形微透镜阵列2放置在垂直于光轴的平面内，在双凸形微透镜阵列2之后设置一可改变光束长宽比的柱透镜3。

具体实施中，如图1所示，平凸柱面透镜光栅2a为平凸型柱透镜单元在同一平面上并行排布构成，一面是平面，另一面是平行布排的柱面，可用压克力材料压印加工而成。

图2所示，可将两块平凸柱面透镜光栅2a裁剪成正方形，使其两平面相对放置，柱面透镜取向正交排列，形成的网格单元可看成n×n的双凸形二维透镜阵列，以此实现对激光光束进行变换整形及光束的均匀化分布。

图3所示，呈圆形或椭圆形光斑、光强为高斯分布的原始激光光束从激光器1出射，经扩束后入射到双凸形微透镜阵列2，由双凸形微透镜阵列2变换后，形成如图4所示的方形光束5，选择合适的柱面透镜曲率和光栅周期大小可以得到强度分布均匀的方形光斑，直接照射到方形的光调制器4上。

若选择的光调制形状为长方形时，变换后的出射光束可通过柱透镜3实现光束上下或者左右尺寸的压缩，改变光束的长宽比后，照射到光调制器4上，光斑满足光强分布均匀、光斑尺寸与光调制器匹配的实际应用的需要。

光调制器4是将入射的光选择性透过、阻挡或者变更光路形成影像的光学器件，可以是DMD、LCD或LCOS。通常激光器的输出光为线偏振光，因此投影光学系统中，可以使用单个偏振片控制光调制器的输出光强，与传统的照明光源相比，其光效可以提高一倍。

本实施例是针对单片的激光投影照明系统；在三片的激光投影系统中，红、绿、蓝三基色激光器分别通过各自双凸形微透镜阵列，投射到三片光调制器上，经合色装置合色后，形成投影像源，再由透镜投影到屏幕上。

Claims (3)

1.一种激光投影系统中的光束整形及均匀化装置，其特征是设置一对平凸柱面透镜光栅(2a)，所述一对平凸柱面透镜光栅(2a)以其平面相对胶合在一起，相互之间以透镜单元正交取向，形成双凸形微透镜阵列(2)，所述双凸形微透镜阵列(2)放置在垂直于光轴的平面内。

2.根据权利要求1所述的激光投影系统中的光束整形及均匀化装置，其特征是在所述双凸形微透镜阵列(2)之后设置一可改变光束长宽比的柱透镜(3)。

3.根据权利要求1所述的激光投影系统中的光束整形及均匀化装置，其特征是所述双凸形微透镜阵列(2)是以PET合胶、PP聚丙烯、PVC聚氯乙烯、PS聚苯乙烯或PMMA压克力为材质。

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