CN104536246A - 基于布拉格光栅的光源系统和投影机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于布拉格光栅的光源系统和投影机，其中光源系统包括光源、布拉格光栅以及波长调谐装置；光源用于输出可光至布拉格光栅，布拉格光栅具有至少两个中心反射波长，用于从输入的可见光中选择具有至少两个中心反射波长中的一个中心反射波长的光线并输出；波长调谐装置用于设定布拉格光栅的被选择中心反射波长，本发明通过波长调谐装置设定布拉格光栅的中心反射波长，使得布拉格光栅能够选择不同波长的光线进行输出，以减小输出光线的相干性。

Description

基于布拉格光栅的光源系统和投影机

技术领域

本发明涉及投影技术领域，特别是涉及一种基于布拉格光栅的光源系统和投影机。

背景技术

当前很多设备的使用都需要光源，例如液晶显示屏、投影仪等需要通过光线向人们呈现图像的设备。为了使用户能够从以上所述的设备中感受到良好的视觉效果，人们对于设备中的光源如何发射光线以及发射什么光线进行了大量的研究，开始使用光学元件对光源进行处理后再作输出，这些用于处理和输出光线的元件统称为光源系统。

以投影机为例，其光源系统一般分为两种，一种是超高压汞灯作为光源，此灯泡的寿命一般在2000小时到4000小时之间，随着灯泡工作时间的增长，会出现亮度减弱，投影图像质量降低的问题，并且灯泡作为投影机唯一的耗材，其价格比较高，因此用户使用投影机成本比较大；另一种是激光光源，主要使用现在不断发展的激光二极管，其具有低能耗、高亮度、寿命长、色彩纯净、色域高和随时开关等优点。然而激光光源所输出的光相干性较大，照射到投影屏上时发生干涉，容易造成散斑的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于布拉格光栅的光源系统和投影机，能够减小输出光线的相干性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于布拉格光栅的光源系统，包括：光源、布拉格光栅以及波长调谐装置；其中，光源用于输出可见光至布拉格光栅；布拉格光栅具有至少两个中心反射波长，布拉格光栅用于输入所述可见光，并从可见光中选择具有至少两个中心反射波长中的一个中心反射波长的光线并输出；波长调谐装置用于设定布拉格光栅的被选择中心反射波长。

其中，可见光是激光，至少两个中心反射波长均在激光波长范围中。

其中，激光为红光、绿光和蓝光中的一种或两种以上。

其中，波长调谐装置通过改变施加在布拉格光栅上的应力、温度或振动来调节布拉格光栅的被选择中心反射波长的设定。

其中，光源系统进一步包括光路控制装置，连接光源及布拉格光栅，用于控制光源及布拉格光栅输出光线的传输路径。

其中，光路控制装置为光开关、光环形器和光耦合器中的至少一种。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于布拉格光栅的投影机，包括光源系统和光阀；光源系统包括光源、布拉格光栅以及波长调谐装置；其中光源用于输出可见光至布拉格光栅；布拉格光栅具有至少两个中心反射波长，布拉格光栅用于输入所述可见光，并从可见光中选择具有至少两个中心反射波长中的一个中心反射波长的光线并输出至光阀；波长调谐装置用于设定布拉格光栅的被选择中心反射波长。

其中，可见光是激光，至少两个中心反射波长均在所述激光波长范围中。

其中，激光为红光、绿光和蓝光中的一种或两种以上。

其中，光源系统进一步包括光开关和光耦合器；其中光开关设置于光源和布拉格光栅之间，用于使光源输出的可见光分路输出；光耦合器设置于布拉格光栅之后，用于使布拉格光栅输出的光线合路输出。

本发明的有益效果是：区别于现有技术，本发明光源系统首先将波长调谐装置作用于布拉格光栅，设定布拉格光栅的中心反射波长，然后通过光源输出可见光至布拉格光栅，布拉格光栅继而反射输出具有中心反射波长的光线，下一时刻，波长调谐装置重新作用于布拉格光栅，使其具有另一中心反射波长，继而能够输出具有另一中心反射波长的光线，即布拉格光栅在不同时刻能够选择不同波长的光线输出，以减小输出光线的相干性。

附图说明

图1是本发明基于布拉格光栅的光源系统的第一实施方式的结构示意图；

图2是图1所示光源系统的第一实施方式中布拉格光栅的反射特性示意图；

图3是本发明基于布拉格光栅的光源系统的第二实施方式的结构示意图；

图4是本发明基于布拉格光栅的投影机的第一实施方式的结构示意图；

图5是本发明基于布拉格光栅的投影机的第二实施方式的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1，图1是基于布拉格光栅的光源系统的第一实施方式的结构示意图，本实施方式提供了一种光源系统100，包括光源101、布拉格光栅102以及波长调谐装置103。

光源101用于输出可见光至布拉格光栅102。

本实施方式中，光源101可以白光光源或激光光源，白光光源一般采用LED发光二极管，根据使用数量可以分为单晶和多晶两种类型。多晶型的发光二极管，即两个或两个以上互补二色LED发光二极管或三原色LED发光二极管，然而不同颜色的LED发光二极管的驱动电压、温度特性以及寿命各不相同，因此本实施方式中优选单晶LED发光二极管，即一个单色的LED发光二极管加上相应的荧光粉，为了提高发光效率，本实施方式中利用紫外光LED加RGB三原色的三波长荧光粉来达到白光的效果。其他实施方式中也可以选择蓝光LED来激发黄色荧光粉。对于激光光源，其具有单色性好、方向性强和光亮度高的优点，优选半导体激光二极管应用于本实施方式。本实施方式中光源101发射的可见光通过光纤传输至布拉格光栅102。

布拉格光栅102具有至少两个中心反射波长，布拉格光栅102用于输入可见光，并从可见光中选择具有至少两个中心反射波长中的一个中心反射波长的光线并输出。

布拉格光栅102为光纤布拉格光栅，即纤芯内部形成空间相位周期性分布的光栅，能够将满足一定条件的波长的光反射回来，其余的透射光不受影响，因此布拉格光栅102就起到了光波选择的作用。具体请参阅图2，图2是图1所示光源系统的第一实施方式中布拉格光栅的反射特性示意图。图2中λ_B是布拉格光栅102的中心反射波长，根据耦合理论，其中心反射波长为：

λ_B＝2λ_effΛ

λ_eff是光纤纤芯的有效折射率，Λ是光栅的周期，其中λ_eff和Λ的改变与温度、应力等有关，当改变布拉格光栅102所处的环境时，能够使λ_B发生偏移，即布拉格光栅102至少有两个中心反射波长，当可见光输入布拉格光栅102时，可通过调节温度等使布拉格光栅102能够选择不同波长的光线进行反射。

波长调谐装置103用于设定布拉格光栅102的被选择中心反射波长。

本实施方式中，波长调谐装置103通过温度来调节布拉格光栅102的波长，温度变化，由于光纤材料的热光效应，光栅的折射率λ_eff会发生变化，由于热胀冷缩效应，光栅的周期Λ也会发生变化；最终导致布拉格光栅102中心反射波长λ_B的变化。本实施方式中，通过波长调谐装置103周期性的调节温度，使得布拉格光栅102能够周期性的反射具有与温度相应的中心反射波长的光线。

其他实施方式中，也可以通过应变来调节，例如对布拉格光栅102施加均匀轴向应力，无论是拉伸还是压缩，都会导致光栅的周期Λ的变化，而光纤本身的弹光效应也会使有效折射率λ_eff发生变化，继而改变布拉格光栅102的中心反射波长λ_B。另一实施方式中，波长调谐装置103还可以通过振动来调节其中心反射波长。

区别于现有技术，本实施方式中首先通过波长调谐装置调节温度，以设定布拉格光栅的中心反射波长，然后光源输出可见光至布拉格光栅，布拉格光栅继而反射输出具有中心反射波长的光线，波长调谐装置可以通过改变温度，使得布拉格光栅能够选择不同波长的光线输出，以减小输出光线的相干性。

参阅图3，图3是基于布拉格光栅的光源系统的第二实施方式的结构示意图，本实施方式提供了一种光源系统300，包括光源301、布拉格光栅302、波长调谐装置303以及光路控制装置304。

光源301用于输出可见光至布拉格光栅302。

本实施方式中，可见光为激光，即光源301采用激光光源，其中激光光源采用红光、绿光和蓝光中的一种或两种以上。若将光源系统300使用于投影机，则在本实施方式中激光光源301采用红光、绿光和蓝光三原色光。当然在其他实施方式中也可以选择其他颜色的激光光源，如红光、黄光、绿光和蓝光四基色光或者红光、黄光、绿光，青光和蓝光五基色光。若光源系统300使用于其他的设备中，也可以仅选择某一种颜色的光。

布拉格光栅302具有至少两个中心反射波长，布拉格光栅302用于输入可见光，并从可见光中选择具有至少两个中心反射波长中的一个中心反射波长的光线并输出。

本实施方式中的光源301为红绿蓝三原色激光光源，其可以适用于投影仪。投影仪的光源301需要能够输出红绿蓝三种颜色的光，因此，在本实施方式中设置三个布拉格光栅302来分别选择红绿蓝三种颜色的光线进行输出。若其中一个布拉格光栅302选择红光光线进行输出，红光波长为620nm～750nm，则其对应的布拉格光栅302可选的至少两个中心反射波长均在红色激光波长范围中，即其中两个中心反射波长分别为650nm、700nm。对于绿光对应的布拉格光栅302以及蓝光对应的布拉格光栅302同样其可选的中心反射波长在绿色或蓝色激光波长范围中。

波长调谐装置303用于设定布拉格光栅302的被选择中心反射波长。与光源系统的第一实施方式中波长调谐装置103的原理相同，波长调谐装置303通过改变施加在布拉格光栅302上的应力、温度或振动来调节布拉格光栅302的被选择的中心反射波长的设定。本实施方式中，三个布拉格光栅302都有其所对应的波长调谐装置303，其中波长调谐装置303可同时进行温度调节；也可以单独进行温度调节，即各个波长调谐装置303之间没有关联。并且在调节时保证布拉格光栅302中心反射波长的变化范围均在所对应的激光波长范围内，即对应红光的布拉格光栅302的中心反射波长变化范围为620nm～750nm，且波长调谐装置303通过进行微小调动，第一时刻调节中心反射波长为650nm，第二时刻调节中心反射波长为655nm。

光路控制装置304，连接光源301和布拉格光栅302，用于控制光源301和布拉格光栅302输出光线的传输路径。本实施方式中的光线通过光纤进行传输，在对光线进行处理后，还需要光路控制装置304对光线的传输路径进行控制。本实施方式中，光路控制装置304包括光开关3041、光环形器3042以及光耦合器3043。

光开关3041设置在光源301与布拉格光栅302之间，用于实现可见光的分路传输。本实施方式中光开关3041为1×3光开关，其可以将光源301发出的可见光时序的分光到三个光路上，即任何时刻只有一个光路上有光输入，且应用在投影机中，每个光路分别对应输出红绿蓝三原色光。光环形器3042为三端口的光环形器，第一端口与光开关3014连接，第二端口与布拉格光栅302连接，第三端口与光耦合器3043连接，用于引导布拉格光栅302的反射光线输出至光耦合器3043。光耦合器3043设置在光环形器3042之后，用于将光环形器3042输出的光线进行耦合并输出。

区别于现有技术，本实施方式中首先通过波长调谐装置调节温度，以设定布拉格光栅的中心反射波长，然后光源输出可见光至布拉格光栅，布拉格光栅继而反射输出具有中心反射波长的光线，波长调谐装置可以通过改变温度，使得布拉格光栅能够选择不同波长的光线输出，以减小输出光线的相干性，进一步的，在光源系统中还设置有光开关、光环形器、光耦合器等光路控制装置，能够实现对光线传输路径及传输时序的控制，继而使其能够应用于投影机等设备。

请参阅图4，图4是基于布拉格光栅的投影机的第一实施方式的结构示意图，本实施方式提供一种投影机400，包括光源系统401和光阀402。其中，光源系统401包括光源4011、布拉格光栅4012、波长调谐装置4013，光开关4014、光环形器4015以及光耦合器4016。以上各元件通过光纤连接，即光线通过光纤传输，且各元件的原理及功能类似光源系统的第二实施方式，在此不再赘述。

需要进一步说明，光源4011为可以输出红光、绿光和蓝光三原色光的激光光源，光源连接光开关4014，光开关4014连接光环形器4015的第一端口，光开关4014可以时序的将光线分配至三个光环形器4015，即以一定周期顺序的分配光线至三个光环形器4015，任何时刻仅有一个光环形器4015有光输入，布拉格光栅4012连接光环形器4015的第二端口，布拉格光栅4012选择具有中心反射波长的光线进行输出，反射光线通过光环形器4015的第三端口传输至光耦合器4016，光耦合器4016的将三个光环形器4015输出的光耦合至一个光路上，并通过光阀402输出，继而依次发射红光、绿光和蓝光至投影屏上。

其中波长调谐装置4013连接布拉格光栅4012，用于设定布拉格光栅4012的中心反射波长，本实施方式中，波长调谐装置4013周期性的对温度进行调节，以周期性的设定不同的中心反射波长。继而布拉格光栅4012能够周期性的输出不同波长的红光、绿光或蓝光，其他实施方式中，波长调谐装置也可以随机的对温度进行调节。

区别于现有技术，本实施方式中的投影机光源输出可见光经光开关分配至光环形器，光线经过光环形器传输至布拉格光栅，布拉格光栅继而反射输出具有中心反射波长的光线，反射光线从光环形器的另一端口输出至光耦合器，继而从光耦合器传输至光阀，最终发射至投影屏，其中三个布拉格光栅分别对应输出红光、绿光和蓝光三色光，波长调谐装置通过周期性的改变温度，使得布拉格光栅能够周期性的选择不同波长的光线输出，以减小输出光线的相干性，减弱影屏上的散斑现象。

请参阅图5，图5是基于布拉格光栅的投影机的第二实施方式的结构示意图，本实施方式提供一种投影机500，包括光源系统501和光阀502。其中，光源系统501包括光源5011、第一布拉格光栅5012、第二布拉格光栅5013、波长调谐装置5014、第一光环形器5015、第二光环形器5016以及光开关5017。以上各元件通过光纤连接，即光线通过光纤传输。

第一光环形器5015第一端口连接光源5011、第二端口连接光开关5017、第三端口连接第一布拉格光栅5012的一端口；第一布拉格光栅5012的另一端口连接第二光环形器5016的第一端口，第二光环形器5016的第二端口连接光开关5017、第三端口连接第二布拉格光栅5013一端口；第二布拉格光栅5013的另一端口连接光开关5017。

本实施方式中，光源5011为包括红光、绿光和蓝光三原色光的激光光源，光源5011发出可见光，可见光通过第一光环形器5015到第一布拉格光栅5012，第一布拉格光栅5012反射红光、透射绿光和蓝光，红光通过第一光环形器5015到光开关5017，绿光和蓝光通过第二光环形器5016到第二布拉格光栅5013，第二布拉格光栅5013反射绿光、透射蓝光，绿光通过第二光环形器5016到光开关5017，蓝光直接到光开关5017。光开关5017为3×1光开关，可时序的输出红光、绿光或蓝光至光阀502，继而从光阀输出光线，发射至投影屏。

其中，第一布拉格光栅5012和第二布拉格光栅5013均连接有波长调谐装置5013，波长调谐装置5013用于设定布拉格光栅的中心反射波长，本实施方式中，波长调谐装置5013也是周期性的对温度进行调节，以周期性的设定不同的中心反射波长，并且两个波长调谐装置可以同时进行调节，也可以各自不同时进行调节。其他实施方式中，波长调谐装置也可以随机的对温度进行调节。

投影机的第一实施方式和第二实施方式均是采用布拉格光栅对具有中心反射波长的光进行选择，并使用波长调谐装置调节温度以设定中心反射波长，最终都是输出三原色的光线。两实施方式不同在于光学元件的连接方式及结构布置，因此，在其他实施方式中还可以通过增加或减少光纤布拉格光栅的个数，更改光源系统的排布方式，替换光路控制部件为同等功能的其他光学元件的方式或其他手段来实现光源系统至少输出红光、绿光和蓝光三基色光，且在下一时刻每个单色光的波长均与上一时刻的不同。

区别于现有技术，本实施方式中的投影机光源输出可见光经光开关分配至光环形器，光线经过光环形器传输至布拉格光栅，布拉格光栅继而反射输出具有中心反射波长的光线，反射光线从光环形器的另一端口输出至光耦合器，继而从光耦合器传输至光阀，最终发射至投影屏，其中单个布拉格光栅分别对应输出红光、绿光和蓝光三色光，波长调谐装置通过周期性的改变温度，使得布拉格光栅能够周期性的选择不同波长的光线输出，以减小输出光线的相干性，减弱投影屏上的散斑现象。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于布拉格光栅的光源系统，其特征在于，所述光源系统包括：光源、布拉格光栅以及波长调谐装置；

其中，所述光源用于输出可见光至所述布拉格光栅；

所述布拉格光栅具有至少两个中心反射波长，所述布拉格光栅用于输入所述可见光，并从所述可见光中选择具有所述至少两个中心反射波长中的一个中心反射波长的光线并输出；

所述波长调谐装置用于设定所述布拉格光栅的所述被选择中心反射波长。

2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述可见光是激光，所述至少两个中心反射波长均在所述激光波长范围中。

3.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述激光为红光、绿光和蓝光中的一种或两种以上。

4.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述波长调谐装置通过改变施加在所述布拉格光栅上的应力、温度或振动来调节所述布拉格光栅的所述被选择中心反射波长的设定。

5.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述光源系统进一步包括光路控制装置，连接所述光源及所述布拉格光栅，用于控制所述光源及所述布拉格光栅输出光线的传输路径。

6.根据权利要求5所述的光源系统，其特征在于，所述光路控制装置为光开关、光环形器和光耦合器中的至少一种。

7.一种基于布拉格光栅的投影机，其特征在于，所述投影机包括光源系统和光阀；

所述光源系统包括：光源、布拉格光栅以及波长调谐装置；

其中，所述光源用于输出可见光至所述布拉格光栅；

所述布拉格光栅具有至少两个中心反射波长，所述布拉格光栅用于输入所述可见光，并从所述可见光中选择具有所述至少两个中心反射波长中的一个中心反射波长的光线并输出至所述光阀；

所述波长调谐装置用于设定所述布拉格光栅的所述被选择中心反射波长。

8.根据权利要求7所述的投影机，其特征在于，所述可见光是激光，所述至少两个中心反射波长均在所述激光波长范围中。

9.根据权利要求8所述的投影机，其特征在于，所述激光为红光、绿光和蓝光中的一种或两种以上。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的投影机，其特征在于，所述光源系统进一步包括光开关和光耦合器；

所述光开关设置于所述光源和所述布拉格光栅之间，用于使所述光源输出的可见光分路输出；

所述光耦合器设置于所述布拉格光栅之后，用于使所述布拉格光栅输出的光线合路输出。