一種面光源的製作方法

2023-05-09 11:16:01

專利名稱：一種面光源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及雷射領域，具體涉及雷射顯示領域中的面光源。
背景技術：
雷射顯示由於其大色域、長壽命和低能耗等優點被認為是下一代顯示技術的發展方向。由於雷射是相干光，如果不對其處理直接作為光源進行投影，屏幕上會出現亮度分布不均的雷射幹涉斑紋圖案，即所謂散斑，造成圖像質量變差，嚴重影響觀者感受。因此消相干是現有的雷射顯示技術中必需的步驟，此外在雷射投影顯示系統中需要獲得對光閥均勻照明的面光源，因此對雷射束進行勻場整形也是必不可少的。
公開號為CN200976052的專利採用多根光纖分別耦合多個雷射器發出的光束，利用多個雷射器發出的雷射之間頻率的微小差別和無關的相位關係來實現對雷射消相干，然後用積分棒或複眼透鏡之類的勻場整形裝置將雷射束改造成亮度均勻的面光源後對光閥進行照明，這種消相干的方法實質上是將各個雷射器產生的散斑疊加，使人眼察覺不到散斑，其效果對正投影場合來說尚可接受，但在背投影場合中仍會產生人眼可感知的散斑圖案，此外在上述獲得面光源的過程中，由於使用了單獨的勻場整形裝置，增加了對雷射的損耗，同時使得系統體積增大。
公告號為CN2585265的專利將單點雷射照射到一個高速旋轉的多面反射鏡上，由於該多面反射鏡的各個面與轉軸方向的傾角逐個遞增，使得掃描光束形成均勻的掃描面，又因為每個掃描點在不同時刻到達被照面，不滿足相干光的時間相干性，因此形成的亮面無相干條紋。雖然這種方法適用於單色雷射顯示中面光源的實現，但是多面轉鏡少則數十個面，多則上百個面，每個面之間又互成一定角度，使得加工起來較為困難；另外，這種方法中的單點雷射為高斯光束，其橫截面光強分布不均勻，掃描時下一行須與上一行有相當多的重疊才能形成照度均勻的掃描面，這樣造成多面轉鏡的轉動精度也必須極高才能保證上述效果。發明內容
因此，為了克服現有技術不足，本實用新型提供一種相干性低、照度均勻的面光源。
本實用新型提供一種面光源，包括
多個雷射器，用於產生多束雷射；
多根光纖，每根所述光纖包括接收端和出射端，所述多根光纖的所述接收端用於接收所述多個雷射器發出的雷射，而所述多根光纖在所述出射端處排列成線狀光纖陣列，所述線狀光纖陣列輸出線狀雷射；
掃描裝置，用於掃描所述線狀光纖陣列出射的所述線狀雷射；以及光接收元件，用於接收所述線狀雷射經所述掃描裝置掃描後形成的掃描面。
上述的面光源，其中，還包括整形裝置，設置在所述線狀光纖陣列和所述掃描裝置之間，用於將所述線狀雷射整形至預定發散角和預定長寬比。
上述的面光源，其中，所述多個雷射器為多基色雷射器或單色雷射器。
上述的面光源，其中，所述多基色雷射器的各基色雷射器的數量由視覺白平衡功率配比原則和各基色的單臺雷射器功率決定。
上述的面光源，其中，所述線狀光纖陣列中的所述光纖的出射端的排列情況滿足均勻混色原則和^f見覺白平4lf功率配比原則。
上述的面光源，其中，所述光"^妄收元件為DMD光閥或起偏元件。
上述的面光源，其中，通過所述起偏元件產生的線偏-振光用於照明LCD光閥或LC0S光閥。
上述的面光源，其中，所述線狀雷射的掃描方向垂直於所述線狀光纖陣列的線條方向。
上述的面光源，其中，所述掃描裝置為可振動的直角稜鏡或可振動的多邊形稜鏡。
上述的面光源，其中，所述可振動直角稜鏡或可振動的多邊形稜鏡的光入射面和光出射面呈一定夾角。
上述的面光源，其中，所述掃描裝置為帶轉軸的四角稜鏡或帶轉軸的多邊形稜鏡。
上述的面光源，其中，所述帶轉軸的四角稜鏡或帶轉軸的多邊形稜鏡的光入射面和光出射面平4亍。
上述的面光源，其中，所述可振動的直角稜鏡或可振動的多邊形稜鏡或帶轉軸的四角稜鏡或帶轉軸的多邊形稜鏡的振動頻率> 3 0 H Z 。
上述的面光源，其中，所述掃描裝置的光入射面和光出射面鍍有針對所述多個雷射器產生的雷射所在波段的增透膜。
本實用新型的面光源具有以下有益效果
1. 消相干效果好。由於掃描面上任何兩行的散斑的出現和消失是彼此獨立的，因此散斑出現的區域大為減小，本實用新型裝置可以滿足雷射正投影和背投影場合；
2. 由於利用本實用新型裝置得到的面光源為連續掃描形成，消相干的同時使得面光源光照度均勻度也極高，因此本實用新型裝置省去了勻場裝置，簡化了系統結構，有利於縮減系統體積。
3. 形成掃描面的過程為連續掃描，上下行之間為漸變過程，與將單點掃描成掃描面的技術相比，不存在需要上下行重疊的設計，因此對掃描裝置的運行精度要求不高，可靠性提高；而且所使用的掃描裝置均為光學領域中常用的光學元件，加工方面也沒有特殊的要求，因此成本很低。


圖1為將本實用新型的面光源用於一種三基色雷射投影系統的實施例的示意圖2為本實用新型的面光源中線狀光纖陣列的一種排列情況示意圖3為將直角稜鏡作為掃描裝置的工作原理示意圖4為將帶轉軸的四角稜鏡作為掃描裝置的工作原理示意圖5為將帶轉軸的多邊形轉鏡作為掃描裝置的工作原理示意圖6為將本實用新型的面光源用於一種採用DMD光閥的三基色雷射投影
系統的實施例的示意圖7為將本實用新型的面光源用於一種採用LCD光閥的三基色雷射投影
系統的實施例的示意圖。
具體實施方式
實施例1:
圖1為將本實用新型的面光源用於一種三基色雷射投影系統的實施例的示意圖。圖1中所示的實施例包括紅光光源101、綠光光源102、藍光光源103、光纖套筒104、線狀光纖陣列105、整形裝置106、掃描裝置107、 DMD光岡108、TIR (Total internalref lection)稜鏡114、投影物4竟109和屏幕110。本實用新型釆用公開號為CN200976052中的多雷射器作為光源，其中紅光光源101、綠光光源102和藍光光源103均包含有多個半導體雷射器(圖l中各基色光源僅畫出了用於示意的3個雷射器，下同)，所述各基色半導體雷射器的數量由所需的視覺白平衡功率配比和單臺各基色半導體雷射器的功率決定，這在本領域是公知技術，這裡不予贅述，三基色光源和DMD光閥108相互匹配地時分復用。本領域技術人員應能理解，當用於產生單色掃描面時，本實施例中的多個半導體雷射器可以為同種波長的雷射器，相應的，其數量不受^L覺白平衡功率配比原則的限制，而應該根據實際所需的總功率和單臺這種波長的雷射器的功率來決定。在本實施例中，紅光光源101的設置如下紅光半導體雷射器111的雷射出射端放置有整形透鏡112,其用於將紅光半導體雷射器l 1 l發出的雷射光束整形以便更好地耦合進光纖l 13,光纖與半導體雷射器——對應，整形透鏡112可以是一片自聚焦透鏡或非球面透鏡或柱面透鏡，也可以是包含多片球面透鏡的透鏡組。綠光光源102和藍光光源103的設置與紅光光源101基本相同。所有耦合了各色雷射的光纖由光纖套筒104進行集束,光纖套筒104為非必需部件，如果光纖數量較少、長度較短，不造成空間的雜亂，也可不必對其進行集束。在光纖輸出端遵循RGB三基色均勻混色的原則將所有光纖重新排列成線狀光纖陣列105，線狀光纖陣列105發出的光束通過整形裝置106後形成線狀白光。線狀白光經過掃描裝置107沿垂直於上述線狀白光的線條方向掃描，經過TIR稜鏡114的引導在DMD光閥108上形成照度均勻的掃描面，經DMD光閥108調製後產生的圖像再通過投影物鏡l09投射到屏幕110上形成圖像。
本實用新型裝置將線狀白光掃描成面狀光源的過程中可實現消相干，其具體原理如下所述在任一獨立時刻，DMD光閥108面內只有一行掃描光束，也只有在這一行處發生幹涉，而在另外一獨立時刻，光束被掃描到DMD光閥108上的另一行，在另一行發生幹涉，相應的，屏幕上任何兩行的散斑的出現和消失也是彼此獨立的，散斑出現的區域大為減小，並且由於人眼視覺暫留效應，整個屏幕110面內散斑得到時間積分，使散斑不被察覺，這種消相干方法是在多雷射器的基礎上對散斑的進一步削弱，其最終效果優於僅使用多雷射器的方法。基於上述掃描成像原理，畫面均勻度也得到了保證，無需
6另設勻場裝置。
位於光纖輸出端的線狀光纖陣列105的排列情況在圖2中被詳細示出。
下面參照平面坐標系XOY對所述光纖輸出端的排列進行詳細說明。線狀光纖陣列105由若干個子光纖束201沿X方向排列形成(為了示意，圖2中僅畫
出6個子光纖束)，可選的，其通過外殼202進行封裝。子光纖束201由傳導三基色雷射的多根光纖組成，並用外皮203包裹成形，所述多根光纖的端面對齊並遵循均勻混色的原則有序排列，在子光纖束201內部，光纖之間的空隙可以用膠204填充以避免其發生錯位，子光纖束201中傳導RGB雷射的光纖的數量比值應與三基色光源中RGB雷射器數量比值相同，使得從線狀光纖陣列105發射的光為均勻的白光。舉例說明，按照視覺白平衡功率配比原則，本實施例採用的三基色光源中RGB雷射器數量之比為6 (R): 6(G): 7
(B),子光纖束201由19根光纖組成，其中RGB光纖的數量分別為6根(R)、6根(G)和7根(B)，其比值與三基色光源中RGB雷射器數量之比同樣為6
(R): 6(G): 7(B);可選的，子光纖束201內的光纖可不必排列成六角形，根據實際的光纖數量可作出變化，例如排成方形或矩形等，總之只要光纖排列情況在線狀光纖陣列105內部相鄰的區域內符合均勻混色原則和視覺白平衡功率配比原則，其具體實現方式則不受限制。相應的，在判斷線狀光纖陣列105中的光纖是否按照均勻混色原則和視覺白平衡功率配比原則排列時，也可以將相鄰的幾個子光纖束合在一起進行統計，只要相鄰的幾個子光纖束總的RGB光纖數量之比滿足6 (R): 6(G): 7(B)即可，例如在一個子光纖束中三基色光纖的數量為3 (R)根、3(G)根、3(B)根，在其相鄰的子光纖束中三基色光纖的數量分別為3 (R)根、3 (G)根、4 (B)根，將這樣兩個子光纖束合起來統計所述比值為6 (R): 6(G): 7 (B )，這樣排列而成的線狀光纖陣列i05也同樣符合本實用新型精神。需要說明的是，這裡所給出的比例6(R): 6(G): 7(B)僅是作為示例，根據不同需要可採用不同的配比。
通常情況下，線狀光纖陣列105的端面發出的是準線狀白光，其發散角較大，如果直接將其掃描並照射到DMD光閥108上，則由於DMD光閥108的光學擴展量有限造成其有一定的光接收範圍，部分光束將不能進入DMD光閥108的接納範圍，從而造成光能的損失。雷射為高斯光束，其束腰尺寸與發散角的乘積為常數，所以雷射束的束腰越小其發散角越大，因此常對所述線狀白光進行整形使其發散角不超過DMD光閥108的接納範圍，但是發散角過小又造成覆蓋過多行或多列象素，使得消散斑效果又不夠好；因此要根據投
影系統的實際情況對所述準線狀白光適當整形，使得消散斑效果較理想且有
大部分的光進入DMD光閥108的接納範圍，另外整形裝置也可對形成的掃描 面的長寬比做出一定的調整。在本實施例中採用整形裝置106 (—般為柱面 透鏡)對所述準線狀白光進行整形，將其改造成預設發散角和預設長寬比的 線狀白光。當然，並非必須採用整形裝置106，對於一些特定情況完全可以 將整形功能集成到其它部件上，某些情況下若所述準線狀白光的發散角剛好 合適，也可不採用整形裝置106。
圖3為本實用新型的一種掃描裝置工作原理示意圖。掃描裝置可以是常 見的折射或反射光學元件，例如圖3中所示的可振動的直角稜鏡301。如圖 3所示，線狀光纖陣列105發出的準線狀白光303經整形裝置106整形後形 成線狀白光304並垂直於直角稜鏡301的直角面A入射，線狀白光304經直 角稜鏡301偏折後由斜面C出射形成出射光束305落到匿D光閥108上，其 中，直角稜鏡301的面A和面C鍍有針對RGB三色雷射所在波段的增透膜。 直角稜鏡301由振動裝置302 (所述振動裝置可以是電機或壓電陶資或任意 可按指定頻率振動的裝置)帶動並沿垂直於面B的方向進行振動，也即沿Y 方向振動。當直角稜鏡301自上而下移動時，出射光束305在DMD光閥108 上也自上而下在整個光閥面上掃描形成一幀掃描面；隨後當直角稜鏡301轉 而自下而上移動時，出射光束305在光閥上則自下而上掃描整個光閥面形成 下一幀掃描面，如此循環往復在DMD光閥108上形成在人眼看來不間斷顯示 的掃描面。直角稜鏡301的振動幅度應使得出射光束305在畫D光閥108上 的掃描區域恰好完全覆蓋整個光閥，直角稜鏡301的上下移動應儘量勻速以 使DMD光閥108上得到的光照度均勻；由於直角稜鏡301上下移動一次形成 2幀掃描面，所以直角稜鏡301的振動頻率等於所述掃描面的每秒的幀數的 二分之一，當掃描面幀數大於或等於60幀/秒時，人眼不會產生畫面閃爍的 感覺，相應的，直角稜4竟301的振動頻率應> 30Hz，優選的，所述振動頻率 為30Hz至50Hz。掃描過程中掃描裝置不改變所述線狀白光的形狀和發散角。 本領域技術人員應理解，本實施例中的直角稜鏡301的面B實際上對掃描沒 有任何貢獻，因此直角稜鏡301可以替換成其他形狀的多邊形稜鏡，例如四 角稜鏡、五角稜鏡等，只要這些稜鏡的某個角滿足上述設置，能完成掃描功 能即可。
掃描裝置還可以是如圖4所示的帶轉軸的四角稜鏡401,四角稜鏡401由電機402帶動轉動，四角稜鏡401的光入射面和光出射面均鍍有針對RGB 三色雷射所在波段的增透膜，在四角稜鏡401上不遮擋光路的位置處設有轉 軸，通過轉動四角稜鏡4 G1使得入射到其表面的光束的入射角和入射點不斷 變化，從而在DMD光閥108上掃描形成掃描面。通過轉動四角稜鏡401將線 狀白光掃描成掃描面的工作原理與圖3中直角稜4竟301的工作原理類似，此 處不再詳述。同樣的，四角稜鏡401的振動頻率應》30Hz,優選的，所述振 動頻率為30Hz至50Hz。本領域技術人員應理解，此處的四角稜鏡401也可 以由五角稜鏡、六角稜鏡等其他形狀的多邊形稜鏡代替，只要這些多邊形稜 鏡有兩平行相對的面與四角稜鏡4 01同樣設置即可。本領域技術人員應理解， 四角稜鏡4 01的材料折射率以及通光方向上的厚度會影響光束在其中偏折的 程度，而這個偏折程度也決定了四角稜鏡401轉動的角度範圍和轉動速度。 一般來講，在其他設置完全相同的情況下，要得到同樣面積的掃描面，四角 稜鏡401的材料折射率越大以及通光方向上的厚度越大，其掃描的範圍就越 小，對其轉動的速度要求也越低。
此外，掃描裝置還可以是如圖5所示的帶轉軸的多邊形轉鏡501,其由 電機502帶動轉動，利用多邊形轉鏡501也可以將線狀白光掃描成掃描面， 這在掃描顯示領域是^^知的技術，此處省略對其工作原理的描述。與將點光 源掃描成掃描面的多面轉鏡不同，多邊形轉鏡501的各個反射面均與其轉軸 平行，加工難度比多面轉鏡要低很多。總之任何可實現將線狀白光沿與其線 條垂直的方向進行掃描的裝置均可以採用。
實施例2:
圖6為將本實用新型的面光源用於一種採用DMD光閥的三基色雷射投影 系統的實施例的示意圖。圖6包採用3套實施例1中的本實用新型裝置分別 對RGB (紅綠藍)三基色雷射進行處理，以紅光為例，紅光經本實用新型裝 置處理後形成紅光掃描面照明紅光D^nr光閥601,綠光掃描面和藍光掃描面 的形成過程同紅光掃描面類似，紅光掃描面經紅光DMD光閥601調製後形成 紅光圖像，綠光掃描面和藍光掃描面分別經綠光DMD光閥和藍光DMD光閥調 制後形成綠光圖像和藍光圖像。紅光圖像、綠光圖像和藍光圖像在X-cube 稜鏡602會合形成彩色圖像，最後彩色圖像經由投影物鏡109投影至屏幕 110。本實施例雖然採用了 3套本實用新型裝置，在設置上稍顯複雜，但是 由於RGB三基色光源不需要和各自DMD光閥匹配地分時復用，因此對電路的要求較低。
實施例3:
實施例2中的DMD光閥可以由LCD光閥或LC0S光閥代替，相應的，在 LCD光閥或LC0S光岡之前應設置起偏元件將偏振度較低的線狀光變換成線 偏振線狀光。
圖7為將本實用新型的面光源用於一種採用LCD光閥的三基色雷射投影 系統的實施例的示意圖。圖7採用3套實施例1中的本實用新型裝置分別對 RGB (紅綠藍)三基色進行處理，以紅光為例，紅光經本實用新型裝置後形 成非線偏振的紅光掃描面照明紅光偏振片701,所述非線偏振的紅光掃描面 經紅光偏振片701後成為線偏振的紅光掃描面對紅光LCD光閥702進行照明， 線偏振的綠光掃描面和線偏振的藍光掃描面的形成過程同線偏振的紅光掃 描面類似，所述線偏振的紅光掃描面經紅光LCD光閥702調製後形成紅色圖 像，線偏振的綠光掃描面和線偏振的藍光掃描面分別經過綠光LCD光閥和藍 光LCD光閥調製後形成綠光圖像和藍光圖像。紅光圖像、綠光圖像和藍光圖 像在X - cube稜鏡6 02與紅色圖像會合形成彩色圖像，最後彩色圖像經由投 影物鏡109投影至屏幕110。紅光偏振片701可以緊隨掃描裝置放置，也可 以緊隨整形裝置放置。本領域技術人員應理解，本實施例中釆用的紅光偏振 片701隻是起偏元件的一種，能將非偏光轉化成偏振光的元件和方法有很多 種，這裡沒有一一列舉，但其均應包含在本實用新型所要保護的範圍內。
將本實用新型的面光源用於採用LCOS光閥的雷射投影系統設置與實施 例3中將本實用新型用於採用LCD光閥的雷射投影系統的設置類似，不再重 復敘述。本領域技術人員應理解，當上述實施例中所用的光纖長度較短時， 光纖對雷射的退偏作用很小，可直接將本實用新型裝置產生的面光源用於照 明LCD光閥和LCOS光閥，而無需經過例如偏振片 一類的起偏元件起偏。
件進行代替，例如實施例3中的偏振片，或者所述光接收元件直接為需要被 照明的裝置。本實用新型中的掃描面的相干性非常低、照度非常均勻，還可 以將其用於舞臺雷射表演等場合的照明。
雖然在上述實施例中，所述線狀雷射的掃描方向優選垂直於線狀光纖陣 列的延伸方向，但對於一些特定的應用例如光閥形狀為非矩形時，所述掃描方向也可以根據具體情況選擇與所述線狀光纖陣列的線條方向成任意特定 角度。
上述實施例中將線狀白光掃描成掃描面的過程均為連續掃描，上下行之 間為漸變過程，與將單點掃描成掃描面的技術相比，不存在需要上下行重疊
的設計，因此對掃描裝置的運行精度要求不高；上述掃描裝置均為光學領域 中常用的光學元件，加工方面也沒有特殊的要求，因此成本很低。雖然上述 實施例中，所用光纖與雷射器——對應，但實際應用中，還可以將多個雷射 器的雷射耦合進入一^f艮光纖，並且本實用新型中的雷射器不局限於半導體激 光器，還可以是固體雷射器、氣體雷射器等其他類型的雷射器。另外，本實 用新型也可以用來形成除三基色以外的單色掃描面或多基色(例如四基色) 白光掃描面。此外，本實用新型中所涉及的"線狀"並非絕對意義上的"線"， 而是指具有一定寬度的廣義的"線"。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非 限制。儘管參照實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人 員應當理解，對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本 實用新型技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍 當中。
權利要求1.一種面光源，其特徵在於，包括多個雷射器，用於產生多束雷射；多根光纖，每根所述光纖包括接收端和出射端，所述多根光纖的所述接收端用於接收所述多個雷射器發出的雷射，而所述多根光纖在所述出射端處排列成線狀光纖陣列，所述線狀光纖陣列輸出線狀雷射；掃描裝置，用於掃描所述線狀光纖陣列出射的所述線狀雷射；以及光接收元件，用於接收所述線狀雷射經所述掃描裝置掃描後形成的掃描面。
2. 如權利要求1所述的面光源，其中，還包括整形裝置，設置在所述線 狀光纖陣列和所述掃描裝置之間，用於將所述線狀雷射整形至預定發 散角和預定長寬比。
3. 如權利要求1或2所述的面光源，其中，所述多個雷射器為多基色激 光器或單色雷射器。
4. 如權利要求3所述的面光源，其中，所述多基色雷射器的各基色雷射 器的數量由視覺白平衡功率配比原則和各基色的單臺雷射器功率決 定。
5. 如權利要求4所述的面光源，其中，所述線狀光纖陣列中的所述光纖 的出射端的排列情況滿足均勻混色原則和視覺白平衡功率配比原則。
6. 如權利要求1或2所述的面光源，其中，所述光接收元件為DMD光閥 或起偏元件。
7. 如權利要求6所述的面光源，其中，通過所述起偏元件產生的線偏振 光用於照明LCD光閥或LCOS光閥。
8. 如權利要求1或2所述的面光源，其中，所述線狀雷射的掃描方向垂 直於所述線狀光纖陣列的線條方向。
9. 如權利要求1或2所述的面光源，其中，所述掃描裝置為可振動的直 角稜鏡或可振動的多邊形稜鏡。
10. 如權利要求9所述的面光源，其中，所述可振動直角稜鏡或可振 動的多邊形稜鏡的光入射面和光出射面呈一定夾角。
11. 如權利要求1或2所述的面光源，其中，所述掃描裝置為帶轉軸
專利摘要本實用新型提供一種照度均勻、相干性極低的面光源，包括多個雷射器；多根光纖，並且其中，每個光纖包括接收端和出射端，每個接收端用於接收多個雷射器中的一個發出的雷射，而在光纖的出射端處，多根光纖形成多個子光纖束，多個子光纖束排列成線狀光纖陣列；掃描裝置，用於將所述多個子光纖束出射的線狀雷射沿垂直於所述線狀光纖陣列排列的方向掃描；雷射接收裝置，用於接收經掃描的雷射，形成掃描面。本實用新型的面光源消相干效果好，可以滿足各種雷射投影場合；省去了勻場裝置，簡化了系統結構，有利於縮減系統體積；對掃描裝置的加工難度和設置精度要求都不高，使得系統成本降低、可靠性提高。
文檔編號F21V8/00GK201302105SQ20082012264
公開日2009年9月2日 申請日期2008年9月23日 優先權日2008年9月23日
發明者華 成, 濤 房, 斌 王, 許江珂, 賈中達, 光 鄭 申請人:北京中視中科光電技術有限公司;中國科學院光電研究院