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CN105759444B - 基于透镜阵列的静态消散斑装置及激光投影仪 - Google Patents

基于透镜阵列的静态消散斑装置及激光投影仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于透镜阵列的静态消散斑装置，其设置在激光投影仪的激光源和投影透镜之间，透镜阵列位于激光源后方，其包含阵列排布的多个子透镜，该些子透镜所在的平面与光轴垂直，用于分割激光源射出的光从而产生子光束；静态相位调制器位于透镜阵列光路后方并与透镜阵列位置匹配，用于使子光束携带相互独立的图样；积分透镜位于相位片阵列光路后方与透镜阵列共焦的位置，图像发生器位于积分透镜的焦平面，图像发生器的光路后方为投影透镜，积分透镜将携带有相互独立图样的子光束汇聚叠加在其焦平面的图像发生器，图像发生器依据子光束携带的相互独立图样，产生携带有相互独立图样叠加的图像。

Description

基于透镜阵列的静态消散斑装置及激光投影仪
技术领域
本发明涉及激光显示技术领域，尤其涉及一种基于透镜阵列的静态消散斑装置及激光投影仪。
背景技术
相对于传统显示，激光投影显示具有亮度高，饱和度好，色域广等优点。但因为激光光源的高相干性，会在投影时产生散斑现象，严重影响了图像的质量。消除散斑有多种方式，大体分为动态和静态两种。动态消散斑会带来机械振动，导致仪器的体积和能耗增大，例如，通过振动Hadamard(哈达玛)矩阵相位片，使得每个探测器每个探测点所对应的分辨点在积分时间内叠加多幅具有不同相位分布的独立图样，达到消散斑的目的。通过振动哈达玛矩阵相位片就会产生很多彼此独立的相位分布图样。但是这种方法带来了机械振动和额外的能量损耗，增大了系统的尺寸和复杂度，又因为振动的存在，在一定时间内，有一部分的相位片不能够被利用，降低了相位片的利用率。通过给液体透镜阵列的各子透镜加载不同电压实现相位调制的静态消散斑方式，其缺点在于液体透镜阵列结构复杂，制造难度大，不易实现小型化，后期维护耗费大，需要单独给每个子透镜加载电压，驱动电路复杂。
因此，本领域亟需一种结构简单、无需驱动装置和能量消耗的静态方式消散斑的投影光路，以弥补上述的缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于透镜阵列的静态消散斑装置及激光投影仪。
(二)技术方案
本发明提供了一种基于透镜阵列的静态消散斑装置，其设置在激光投影仪的激光源1010和投影透镜1007之间，包括：透镜阵列1003、静态相位调制器、积分透镜1005和图像发生器1006；其中，所述透镜阵列1003位于激光源后方，其包含阵列排布的多个子透镜，用于分割激光源射出的光从而产生子光束；所述静态相位调制器位于透镜阵列光路后方并与透镜阵列位置匹配，用于使子光束携带相互独立的图样；所述积分透镜1005位于相位片阵列光路后方与透镜阵列共焦的位置，所述图像发生器1006位于积分透镜的焦平面，所述图像发生器的光路后方为投影透镜1007，所述积分透镜1005将携带有相互独立图样的子光束汇聚叠加在其焦平面的图像发生器1006，所述图像发生器1006依据子光束携带的相互独立图样，产生携带有相互独立图样叠加的图像。
优选地，所述静态相位调制器为相位片阵列1004，其包含阵列排布的多个子相位片，该些子相位片所在的平面与光轴垂直。
优选地，所述静态相位调制器为空间光调制器。
优选地，所述透镜阵列1003为由子透镜组成的N×M阶透镜阵列，所述相位片阵列1004由N×M个子相位片组成，子相位片的尺寸和排列方式与透镜阵列子透镜的尺寸和排列方式匹配。
优选地，所述子相位片包括两种矩阵单元按照哈达玛矩阵的行或列向量排布而成的图样，两种矩阵单元的相位差为π，不同子相位片的图样相互独立。
优选地，所述两种矩阵单元的相位分别为0和π。
优选地，所述透镜阵列1003为由子透镜组成的N×M阶透镜阵列，空间光调制器电控调制出相互独立的图样，其图样尺寸和排列方式与子透镜尺寸和排列方式匹配。
优选地，所述图样由两种矩阵单元按照哈达玛矩阵的行或列向量排布构成，两种矩阵单元的相位差为π。
优选地，所述两种矩阵单元的相位分别为0和π。
本发明还提供了一种激光投影仪，包括：激光源1010和投影透镜1007，以及设置在激光源1010和投影透镜1007之间任一种上述的静态消散斑装置，激光源1010用于产生激光束，投影透镜1007用于将图像投影在屏幕1008上。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的基于透镜阵列的静态消散斑装置及激光投影仪具有以下有益效果：
(1)利用透镜阵列、积分透镜和图像发生器配合相位片阵列或空间光调制器实现静态消散斑，所有部件均为静态部件，结构简单，可靠性高；
(2)无需额外的驱动部件和能量损耗，减小了系统尺寸，降低了系统复杂度；
(3)同一时间相位片阵列的所有子相位片均被利用，同时发挥作用，提高了正交矩阵相位片的利用率。
附图说明
图1是根据本发明具体实施例的静态消散斑装置的结构示意图；
图2是根据本发明具体实施例的透镜阵列示意图；
图3是根据本发明具体实施例的相位片阵列示意图；
图4是根据本发明具体实施例的子相位片示意图；
图5是根据本发明具体实施例的子相位片1的相位分布图样示意图。
【符号说明】
1001-激光器；1002-扩束器；1003-透镜阵列；1004-相位片阵列；1005-积分透镜；1006-图像发生器；1007-投影透镜；1008-屏幕；1009-接收者；1010-激光源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明第一实施例提供了一种基于透镜阵列的静态消散斑装置，其设置在激光投影仪的激光源1010和投影透镜1007之间，用于消除激光投影仪的散斑，该静态消散斑装置包括：透镜阵列1003、相位片阵列1004、积分透镜1005和图像发生器1006；其中，
透镜阵列1003位于激光源后方，包含阵列排布的多个子透镜，该些子透镜所在的平面与光轴垂直，用于分割激光源射出的光从而产生子光束；
相位片阵列1004位于透镜阵列光路后方并与透镜阵列位置匹配，包含阵列排布的多个子相位片，该些子相位片所在的平面与光轴垂直，用于使子光束携带相互独立的图样；
积分透镜1005位于相位片阵列光路后方与透镜阵列共焦的位置，图像发生器1006位于积分透镜的焦平面，图像发生器的光路后方为投影透镜1007，积分透镜1005将携带有相互独立的图样的子光束汇聚叠加在其焦平面的图像发生器1006，图像发生器1006依据子光束携带的相互独立图样，产生携带有相互独立的图样叠加的图像。
其中，透镜阵列1003为由子透镜组成的N×M阶透镜阵列，相位片阵列1004由N×M个子相位片组成，子相位片的尺寸和排列方式与透镜阵列子透镜的尺寸和排列方式匹配，所述N、M≥8。子相位片包括两种矩阵单元按照正交矩阵的方式排列而成的图样，两种矩阵单元的相位差为π，不同子相位片的图样相互独立。
优选地，如图2和图3所示，所述N和M取8，即透镜阵列1003为由64个子透镜组成的8×8阶透镜阵列，子透镜2001-2064尺寸为4mm*4mm，透镜阵列的尺寸为32mm*32mm；相位片阵列1004由64个子相位片组成，子相位片3001-3064的尺寸与子透镜的尺寸相同，其图样如图4所示。每一子相位片由4um*4um的矩阵单元依照哈达玛矩阵的行(或列)向量排布构成，且具有与哈达玛矩阵相同阶数的矩阵图样，矩阵单元的相位分别为0(4001)或π(4002)，其中子相位片3001的相位分布图样如图5所示。
本发明第一实施例的基于透镜阵列的静态消散斑装置，激光源1010产生的光束入射至透镜阵列1003，其中，当激光器的输出光口径满足要求时，激光源1010可只包括激光器1001，否则，激光源1010还可包括扩束器1002；光束经透镜阵列1003被分割为64条子光束；各子光束经过相位片1004，每个子光束均携带了与之对应的子相位片图样的相位分布信息；子光束经积分透镜1005后叠加汇聚在积分透镜的焦平面附近，同时，各子光束携带的相位分布信息也叠加汇聚在积分透镜的焦平面附近；位于积分透镜的焦平面上的图像发生器1006产生图像，则图像携带了由各子相位片叠加的相位分布信息；图像被投影透镜1007投影在屏幕1008上；接收者1009(例如人眼)观察屏幕1008，因接收者探测点对应的每个分辨点包含有多个相互独立的正交矩阵图样的叠加，因此达到消散斑的效果，理论上可以使散斑对比度下降为原来的12.5％。
由此可见，本发明第一实施例的基于透镜阵列的静态消散斑装置，利用透镜阵列、积分透镜和图像发生器配合正交矩阵相位片实现静态消散斑，所有部件均为静态部件，结构简单，可靠性高；无需额外的驱动部件和能量损耗，减小了系统尺寸，降低了系统复杂度；同一时间正交矩阵相位片的所有子相位片均被利用，同时发挥作用，提高了正交矩阵相位片的利用率。
本发明第二实施例提供了另一种基于透镜阵列的静态消散斑装置，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
该静态消散斑装置包括：透镜阵列1003、空间光调制器(SLM)、积分透镜1005和图像发生器1006；其中，空间光调制器位于透镜阵列光路后方并与透镜阵列位置匹配，用于使子光束携带相互独立的图样，第二实施例的静态消散斑装置结构示意图可参照图1，只需将相位片阵列1004替换为空间光调制器即可。
透镜阵列1003为由子透镜组成的N×M阶透镜阵列，空间光调制器可电控调制出相互独立的图样，图样尺寸和排列方式与子透镜尺寸和排列方式匹配，正交矩阵图样由两种矩阵单元按照正交矩阵的方式排列而成，两种矩阵单元的相位差为π。
优选地，所述N和M取16，即透镜阵列1003为由256个子透镜组成的16×16阶透镜阵列，子透镜尺寸为1mm*1mm，透镜阵列的尺寸为16mm*16mm；空间光调制器由矩阵单元0和π调制出相互独立的图样，该图样是依照哈达玛矩阵的行(或列)向量排布而成，且具有与哈达玛矩阵相同阶数的矩阵图样，矩阵图样尺寸为1mm*1mm。
本发明第二实施例的基于透镜阵列的静态消散斑装置，激光源产生的光束入射至透镜阵列1003，光束经透镜阵列1003被分割为256条子光束；各子光束经过空间光调制器，每个子光束均携带了与之对应的图样的相位分布信息；子光束经积分透镜1005后叠加汇聚在积分透镜的焦平面附近，同时，各子光束携带的相位分布信息也叠加汇聚在积分透镜的焦平面附近；位于积分透镜的焦平面上的图像发生器1006产生图像，则图像携带了由各子相位片叠加的相位分布信息；图像被投影透镜1007投影在屏幕1008上；接收者1009观察屏幕1008，因接收者探测点对应的每个分辨点包含有多个相互独立的正交矩阵图样的叠加，因此达到消散斑的效果，理论上可以使散斑对比度下降为原来的6.25％。
由此可见，本发明第二实施例的基于透镜阵列的静态消散斑装置，利用透镜阵列、积分透镜和图像发生器配合空间光调制器实现静态消散斑，所有部件均为静态部件，结构简单，可靠性高；无需额外的驱动部件，减小了系统尺寸，降低了系统复杂度。
本发明第三实施例提供了一种激光投影仪，包括激光器1001和投影透镜1007，以及设置在激光器1001和投影透镜1007之间的第一或第二实施例的静态消散斑装置，激光器1001用于产生激光束，投影透镜1007用于将图像投影在屏幕1008上。
其中，激光器1001可以是单一激光器，也可以是激光器阵列。
当激光器输出光口径不满足要求时，在激光器和静态消散斑装置之间设置有扩束器1002，用于扩大光源面积，依据需求合理的控制光束口径。
至此，已对本发明的一种基于透镜阵列的静态消散斑装置及激光投影仪进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、步骤和形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)各光学器件还可采用其他类型的元件，只要能实现相同的功能即可；
(2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；
(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
(4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
综上所述，本发明的基于透镜阵列的静态消散斑装置及激光投影仪，利用透镜阵列、积分透镜和图像发生器配合正交矩阵相位片或空间光调制器实现静态消散斑，所有部件均为静态部件，结构简单，可靠性高；无需额外的驱动部件和能量损耗，减小了系统尺寸，降低了系统复杂度；同一时间正交矩阵相位片的所有子相位片均被利用，同时发挥作用，提高了正交矩阵相位片的利用率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于透镜阵列的静态消散斑装置，其特征在于，其设置在激光投影仪的激光源(1010)和投影透镜(1007)之间，包括：透镜阵列(1003)、静态相位调制器(1004)、积分透镜(1005)和图像发生器(1006)；其中，
所述透镜阵列(1003)位于激光源后方，其包含阵列排布的多个子透镜，用于分割激光源射出的光从而产生子光束；
所述静态相位调制器(1004)位于透镜阵列光路后方并与透镜阵列位置匹配，用于使子光束携带相互独立的图样；
所述积分透镜(1005)位于相位片阵列光路后方与透镜阵列共焦的位置，所述图像发生器(1006)位于积分透镜的焦平面，所述图像发生器的光路后方为投影透镜(1007)，所述积分透镜(1005)将携带有相互独立图样的子光束汇聚叠加在其焦平面的图像发生器(1006)，所述图像发生器(1006)依据子光束携带的相互独立图样，产生携带有相互独立图样叠加的图像；
所述静态相位调制器为相位片阵列(1004)，其包含阵列排布的多个子相位片；所述透镜阵列(1003)为由子透镜组成的透镜阵列，子相位片的尺寸和排列方式与透镜阵列子透镜的尺寸和排列方式匹配；
所述子相位片包括两种矩阵单元按照哈达玛矩阵的行或列向量排布而成的图样，两种矩阵单元的相位差为π，不同子相位片的图样相互独立；所述两种矩阵单元的相位分别为0和π。
2.如权利要求1所述的静态消散斑装置，其特征在于，该些子相位片所在的平面与光轴垂直。
3.如权利要求1所述的静态消散斑装置，其特征在于，所述静态相位调制器为空间光调制器。
4.如权利要求3所述的静态消散斑装置，其特征在于，所述透镜阵列(1003)为由子透镜组成的N×M阶透镜阵列，空间光调制器电控调制出相互独立的图样，其图样尺寸和排列方式与子透镜尺寸和排列方式匹配。
5.如权利要求4所述的静态消散斑装置，其特征在于，所述图样由两种矩阵单元按照哈达玛矩阵的行或列向量排布构成，两种矩阵单元的相位差为π。
6.如权利要求5所述的静态消散斑装置，其特征在于，所述两种矩阵单元的相位分别为0和π。
7.一种激光投影仪，其特征在于，包括：激光源(1010)和投影透镜(1007)，以及设置在激光源(1010)和投影透镜(1007)之间的权利要求1至6中任一项权利要求所述的静态消散斑装置，激光源(1010)用于产生激光束，投影透镜(1007)用于将图像投影在屏幕(1008)上。
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