CN105511087B - 基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光光束匀场及散斑抑制装置。本装置包括准直透镜、扩散片、聚光镜以及复眼透镜。本发明利用复眼透镜的匀光效果，将复眼透镜分为四个相同的区域，利用准直透镜与扩散片对激光光束接收、扩束并准直后输入到双排复眼透镜进行匀光整形，激光光束随后入射到X分光镜进行分光投影。本结构合理划分为四条光路后，合理弥补了X分光镜在投影系统中画面屏幕中心出现暗条纹的缺陷。该装置结构简单，运行稳定，屏幕显示图像效果好，光场均匀等优点，可应用于以相干光为光源的照明或显示技术领域。

Description

基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置

技术领域

本发明涉及激光显示技术领域，特别是应用于激光照明、激光显示及以相干光为光源的光学设备与仪器，具体为一种基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置。

背景技术

激光具有亮度高、波长带宽小，光学扩展量小等特点，在激光显示领域和激光照明领域具有广阔的应用前景。但是，由于激光器出射的是单模或多模高斯光束，光场分布不均匀，因此需要把激光光束转换成特定形状（如矩形或方形）且强度均匀的光束。

复眼透镜由一系列完全相同的微透镜组合而成，基于复眼透镜的照明光学系统以其光能利用率高、结构简单等优势，在投影系统、照明系统等需要均匀照明的领域有着广泛的应用。在基于复眼透镜的投影系统光路中，传统光源出射的一整束白光经过复眼透镜由X分光镜分为红绿蓝三路光线，由光学引擎数字信号的调制实现最终画面的显示，由光源的每一点出射的光束都会交叠到照明视场的同一范围内，所以会得到一个均匀的方形光斑。然而，由于X分光镜通常采用两片不同波长的滤波片交叉粘结而成，在交叉位置处透射效率低，入射光的中心部分经过复眼透镜和X分光镜后，在X分光镜交叉位置对应的像面上形成一条暗场区域，投影到屏幕后严重影响图像的均匀度，影响投影画面质量。

因此，如何消除图像中心暗场，提高画面质量，以及激光光束的匀场是在基于复眼透镜的激光显示系统中存在的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于复眼透镜的激光显示和激光照明系统中匀场整形的装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，包括匀场组件，所述匀场组件包括第一准直透镜、扩散片、凹透镜、第二准直透镜；入射光依次经过第一准直透镜、扩散片、凹透镜、第二准直透镜后输入到第一复眼透镜，并进一步经过第二复眼透镜后，通过聚光镜，最后由X分光镜进行分光后投影。

工作时，当光纤发射的激光入射光束经第一准直透镜准直后照射到扩射片，经扩散片对入射激光一定角度散射后，由凹透镜将光束以一定的角度发散，再经第二准直透镜将发散的激光光束进行准直，光束垂直进入第一复眼透镜后形成一束与光轴平行的平行光，光束经过第一复眼透镜内的小透镜后聚焦到对应的第二复眼透镜内的小透镜中心处，即第一复眼透镜将光源形成多个光源像进行照明，第二复眼透镜的每个小透镜将第一复眼透镜上对应的小透镜重叠成像后，经聚光镜将第二复眼透镜出射的光斑聚焦在照明屏上。如图1所示，由于第一复眼透镜将光源的整个宽光束分为多个细光束照明，且每个细光束范围内的微小不均匀性，由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。从第二复眼透镜出射的光斑通过聚光镜和X分光镜聚集在照明屏上，照明屏上光斑的每一点均受到光源所有点发出的照射，同时，光源上每一点发出的光束又都交汇重叠到照明光斑上的同一视场范围内，所以得到一个均匀的方形光斑。

由于在第一复眼透镜后加装了第二复眼透镜，当准直后的光束与光轴有一定的夹角，但不是太大的时候，经第一复眼透镜的小透镜后偏离了对应第二复眼透镜的每个小透镜的中心但未完全偏离对应的小透镜单元。此时由于焦平面上同一点发出的光线，经过第二准直透镜后，将平行出射，因此这与平行光轴的平行光通过第二复眼透镜阵列后出射的光线方向一致，将照射到相同的区域，不产生旁瓣。

在激光显示投影系统中，X分光镜将红绿蓝不同波段的光进行分束，X分光镜是由两个不同镀膜的平面镜进行交叠胶合之后形成，实现分光效果。第二复眼透镜中心区域一排小透镜出射的光束经过X分光镜的中心区域即胶合部分时，光能损耗较大，投影到屏幕就会在图像中心出现暗条纹。工作时，本发明匀场整形机构为了有效避免这种现象，将激光光束分为若干个区域进行输入。即位于第一复眼透镜入射端以中心对称方式布置若干组匀场组件，则第一复眼透镜入射端面的光斑均匀分布在第一复眼透镜上的若干个区域，且不同区域之间无交叉。这样区分于传统光源输入的光强分布，在此区域光能量最强，因此本发明中激光经过X分光镜时，被遮挡的光能远远小于传统光源，从而有效消除投影画面中心区域偏暗的现象。

工作时，入射光束分为若干个区域入射，通过机械结构件调整第二准直透镜与凹透镜之间的距离，调整光斑大小，将光能量全部输入到第一复眼透镜上，并保证第一复眼透镜上的小透镜的覆盖率达到78.5%以上，而传统光源经过准直后仅能覆盖敷衍透镜的45%-50%。

除此之外，第一准直透镜、扩散片、凹透镜及第二准直透镜通过整体的机械结构件连接固定，可以保证光学器件的同轴、同心度。

本发明设计合理、结构简单，达到的有益效果如下：

1、匀场效果好：激光光束分成若干部分进行匀场整形入射到第一复眼透镜，入射光在第一复眼透镜上微镜的覆盖率高达78.5%以上，可实现良好的匀场效果，并且入射光合理的布局避开了与X分光镜对应第一复眼透镜阵列中心区域的微镜，从而避免了形成投影图像中心的暗条纹。

2、激光利用率高：经过准直透镜组后，光束剩余发散角小，因此光束经过复眼透镜时效率高。

3、光路集成度高：采用凹透镜，缩短光路距离，提高结构稳定性。

4、结构简单，造价低，易于加工及安装，并具有可调结构设计。

5、装置中各组成部分均可实现长时间，连续稳定工作，性能稳定，安全可靠。

本发明利用复眼透镜的匀光效果，合理划分若干条光路后，将复眼透镜分为若干个相同的区域，利用准直透镜与扩散片对激光光束接收、扩束并准直后输入到双排复眼透镜进行匀光整形，激光光束随后入射到X分光镜进行分光投影，合理弥补了X分光镜在投影系统中画面屏幕中心出现暗条纹的缺陷。该装置结构简单，运行稳定，具有屏幕显示图像效果好、光场均匀等优点，可应用于以相干光为光源的照明或显示技术领域。

附图说明

图1表示复眼透镜均匀照明原理图。

图2表示第二复眼透镜对小角度光路的纠正原理示意图。

图3a表示匀场整形装置光路设计示意图（侧视图）。

图3b表示匀场整形装置光路设计示意图（整体斜视图）。

图3c表示匀场整形装置光路设计示意图（正视图）。

图4表示复眼透镜阵列上光强分布示意图。

图5表示本发明屏幕显示效果示意图。

图中，1-第一准直透镜，2-扩散片，3-凹透镜，4-第二准直透镜，5-第一复眼透镜，6-第二复眼透镜，7-聚光镜，8-X分光镜，9-照明屏（虚拟屏幕）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，如图1、3所示，包括匀场组件，所述匀场组件包括第一准直透镜1、扩散片2、凹透镜3、第二准直透镜4。所述第一准直透镜1与集束光纤出射端通过机械件固定连接。所述第一准直透镜1、扩散片2、凹透镜3、第二准直透镜4通过机械结构件依次固定连接；所述机械结构件为固定光学器件的固定结构，并可以改变光路中镜片之间的距离，从而调整光斑的大小。透明扩散片2为现有公知结构。

入射光依次经过第一准直透镜1、扩散片2、凹透镜3、第二准直透镜4后输入到第一复眼透镜5，并进一步经过第二复眼透镜6后，通过聚光镜7，最后由X分光镜8进行分光后投影。

其中，集束光纤入射端轴线与第一准直透镜1、凹透镜3的轴线重合，光线在所述的匀场机构中被较好的整形，光线整形中没有偏移中心轴线，则被高效的传导，因此光束耦合效率高。

本实施例以具有四组匀场组件为例进行说明。

位于第一复眼透镜5入射端以中心对称方式布置有4组匀场组件，则对应的，第一复眼透镜5入射端面的光斑均匀分布在第一复眼透镜5的4个区域，且不同区域之间无交叉。这样，第二复眼透镜6的出射光束强度分布区域，避开了X分光镜8的中心交叉区域。那么每个光路上布置有第一准直透镜1，扩散片2，凹透镜3，第二准直透镜4，第一复眼透镜5，第二复眼透镜6。其中，第一准直透镜1、扩散片2、凹透镜3及第二准直透镜4的入射与出射端面均镀有相对应激光光束波长的增透膜。

工作时，如图3a所示，当光纤发射的激光光束经第一准直透镜1准直后照射到扩射片2，经扩散片2对入射激光一定角度散射后，由凹透镜3将光束以一定的角度发散，再经第二准直透镜4将发散的激光光束进行准直。如图1所示，光束垂直进入第一复眼透镜5后形成一束与光轴平行的平行光，光束经过第一复眼透镜5后聚焦到第二复眼透镜6的中心处，即第一复眼透镜5将光源形成多个光源像进行照明，第二复眼透镜6的每个小透镜将第一复眼透镜5上对应的小透镜重叠成像后，经聚光镜7将第二复眼透镜6出射的光斑聚焦在照明屏9上。如图1所示，由于第一排复眼透镜将光源的整个宽光束分为多个细光束照明，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。从第二复眼透镜6出射的光斑通过聚光镜7和X分光镜8聚集在照明屏9上，照明屏9上光斑的每一点均受到光源所有点发出的照射，同时，光源上每一点发出的光束又都交会重叠到照明光斑上的同一视场范围内，所以得到一个均匀的方形光斑。

另外，在激光显示投影系统中，X分光镜8将红绿蓝不同波段的光进行分束，X分光镜8是由两个不同镀膜的平面镜进行交叠胶合之后形成，实现分光效果。第二复眼透镜6中心区域一排小透镜出射的光束经过X分光镜8的中心区域即胶合部分时，光能损耗较大，投影到屏幕就会在图像中心出现暗条纹。工作时，本发明匀场整形机构可以有效避免这种现象，将激光光束分为四个区域进行输入，如图3c所示，经过第二准直透镜4后，均匀的分布在第一复眼透镜5的四个区域，光强分布区域如图4所示，四个入射区域交叉部分没有光能分布，区分于传统光源输入的光强分布，在此区域光能量最强，因此本发明中激光经过X分光镜8时，被遮挡的光能远远小于传统光源，从而有效消除投影画面中心区域偏暗的现象。

工作时，入射光束分为四个区域入射，通过机械结构件调整第二准直透镜4与凹透镜3之间的距离，调整光斑大小，将光能量全部输入到第一复眼透镜5上，并保证第一复眼透镜上的小透镜的覆盖率达到78.5%以上，而传统光源经过准直后仅能覆盖敷衍透镜的45%-50%。

除此之外，第一准直透镜1、扩散片2、凹透镜3及第二准直透镜4通过整体的机械结构件连接固定，可以保证光学器件的同轴、同心度。

更优地，还可以整个匀场整形装置进行升级，采用6×6、8×8等多个区域激光入射的方式，光斑均匀地分布在第一复眼透镜5的36个或者64个互不相交的区域，可以实现更高的复眼透镜光能覆盖率、更为优质的匀场效果。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (9)

1.一种基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，其特征在于：包括匀场组件，所述匀场组件包括第一准直透镜（1）、扩散片（2）、凹透镜（3）、第二准直透镜（4）；

入射光依次经过第一准直透镜（1）、扩散片（2）、凹透镜（3）、第二准直透镜（4）后输入到第一复眼透镜（5），并进一步经过第二复眼透镜（6）后，通过聚光镜（7），最后由X分光镜（8）进行分光后投影；

位于第一复眼透镜（5）入射端以中心对称方式布置有若干组匀场组件，则第一复眼透镜（5）入射端面的光斑均匀分布在第一复眼透镜（5）上的若干个区域，且不同区域之间无交叉；激光光束分成若干部分进行匀场整形入射到第一复眼透镜，并且入射光合理的布局避开了与X分光镜对应第一复眼透镜阵列中心区域的微镜。

2.根据权利要求1所述的基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，其特征在于：所述第一准直透镜（1）与集束光纤出射端通过机械件固定连接，所述第一准直透镜（1）、扩散片（2）、凹透镜（3）、第二准直透镜（4）通过机械结构件依次固定连接。

3.根据权利要求1或2基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，其特征在于：位于第一复眼透镜（5）入射端以中心对称方式布置有4组或6组或者8组匀场组件，则对应的，第一复眼透镜（5）入射端面的光斑均匀分布在第一复眼透镜（5）的4个或者6个或者8个区域，且不同区域之间无交叉。

4.根据权利要求2所述的基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，其特征在于：集束光纤入射端轴线与第一准直透镜（1）、凹透镜（3）的轴线重合。

5.根据权利要求4所述的基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，其特征在于：所述第二准直透镜（4）的出射光束为平行光束，垂直入射于第一复眼透镜（5）入射端面。

6.根据权利要求3所述的基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，其特征在于：集束光纤入射端轴线与第一准直透镜（1）、凹透镜（3）的轴线重合；所述第二准直透镜（4）的出射光束为平行光束，垂直入射于第一复眼透镜（5）入射端面。

7.根据权利要求1或2所述的基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，其特征在于：第一准直透镜（1）、扩散片（2）、凹透镜（3）及第二准直透镜（4）的入射与出射端面均镀有相对应激光光束波长的增透膜。

8.根据权利要求3所述的基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，其特征在于：第一准直透镜（1）、扩散片（2）、凹透镜（3）及第二准直透镜（4）的入射与出射端面均镀有相对应激光光束波长的增透膜。

9.根据权利要求3述的基于复眼透镜的激光显示匀场整形装置，其特征在于：通过机械结构件调整第二准直透镜（4）与凹透镜（3）之间的距离，调整光斑大小，将光能量全部输入到第一复眼透镜（5）上，并保证第一复眼透镜（5）上的小透镜的覆盖率达到78.5%以上。