專利名稱：能夠消除激光散斑的照明系統(tǒng)及采用其的投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體構(gòu)思涉及一種能夠消除從激光光源發(fā)射的激光光束的散斑的照明系統(tǒng)及一種采用該照明系統(tǒng)的投影系統(tǒng)，更具體地講，涉及一種照明系統(tǒng)和一種能夠通過移動衍射光學(xué)元件和時間平均部分光束來有效地減少或消除激光散斑的投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于包括激光光源的投影系統(tǒng)具有寬的色域，因此它們具有出色的準(zhǔn)直性和高光效率。然而，這種投影系統(tǒng)具有由于相干照明所產(chǎn)生的散斑。散斑源于從漫反射表面散開的相干波的干涉交互作用。這種散斑構(gòu)成了圖像分辨率和圖像質(zhì)量惡化的重要原因。
在6,606,173B2號美國專利中公開的傳統(tǒng)的用于消除散斑的投影儀在圖1和圖2中被說明。
參考圖1，傳統(tǒng)的投影儀包括激光光源1、光束擴(kuò)張器2、全息漫射器3、第一場透鏡4和第二場透鏡5，它們都排列在相同的軸上。從激光光源1發(fā)射的高斯激光光束被光束擴(kuò)張器2、全息漫射器3、第一場透鏡4和第二場透鏡5分為多個具有統(tǒng)一的矩形截面的光束。
參考圖1和圖2，從激光光源1發(fā)射的光束被光束擴(kuò)張器2擴(kuò)張為平行光束。該平行激光光束被全息漫射器3分為多個矩形光束。每個矩形光束以水平角θhoriz和垂直角θvert被散射。水平角θhoriz和垂直角θvert能夠根據(jù)全息漫射器3的衍射模式被調(diào)節(jié)。矩形光束被第一場透鏡4會聚，從而具有高斯分布的光束被變換為統(tǒng)一的光束。矩形光束被調(diào)節(jié)為具有與微顯示系統(tǒng)對應(yīng)的形狀。已經(jīng)穿過第一場透鏡4的光束被第二場透鏡5折射為遠(yuǎn)心光束。
由于該平行光束被全息漫射器3變換為多個具有統(tǒng)一的強(qiáng)度分布的矩形光束并且這些矩形光束被會聚，因此減少了激光散斑。然而，當(dāng)只使用全息漫射器3減少激光散斑時，激光散斑并未完全被消除并且圖像質(zhì)量惡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能夠通過旋轉(zhuǎn)或周期性地移動衍射光學(xué)元件以有效地減少或消除激光散斑的緊湊的照明系統(tǒng)和一總采用該照明系統(tǒng)的投影系統(tǒng)。
本發(fā)明總體構(gòu)思的另外一些方面將會在接下來的描述中部分地被闡述和，部分在描述中將會是明顯的或可以通過本發(fā)明總體構(gòu)思的實踐了解。
本發(fā)明總體構(gòu)思的上述的和/或其他方面可通過提供一種照明系統(tǒng)來被實現(xiàn)，所述照明系統(tǒng)包括激光光源，其包括至少一個發(fā)射光束的激光器；和第一衍射光學(xué)元件，將從激光光源發(fā)射的光束分為多個部分光束并通過周期移動來將這些部分光束進(jìn)行時間平均以消除光束散斑。
本發(fā)明的上述的和/或其他方面也可通過提供一種照明系統(tǒng)來被實現(xiàn)，所述照明系統(tǒng)包括激光光源，其包括至少一個發(fā)射光束的激光器；第一衍射光學(xué)元件，將從激光光源發(fā)射的光束分為多個部分光束；和楔元件，被置于第一衍射光學(xué)元件之前或之后以接收從激光光源發(fā)射的光束之一和多個部分光束，并通過旋轉(zhuǎn)和時間平均接收到的被發(fā)射的光束之一和部分光束來改變所述接收到的被發(fā)射的激光光束之一和部分光束的路徑以消除散斑。
本發(fā)明的上述的和/或其他方面也可通過提供一種投影系統(tǒng)來被實現(xiàn)，所述投影系統(tǒng)包括激光光源，其包括至少一個發(fā)射光束的激光器；第一衍射光學(xué)元件，將從激光光源發(fā)射的光束分為多個部分光束并通過周期移動來將這些部分光束進(jìn)行時間平均以消除光束散斑；第二衍射光學(xué)元件，衍射從第一衍射光學(xué)元件發(fā)射的部分光束從而使所述部分光束具有與預(yù)定形狀對應(yīng)的形狀；顯示元件，具有預(yù)定的形狀，以從被第二衍射光學(xué)元件衍射的光束中形成圖像；投影透鏡單元，放大所述圖像并將該被放大的圖像投影到屏幕上。
第一衍射光學(xué)元件可以是可旋轉(zhuǎn)或線性可往復(fù)移動的。
本發(fā)明的上述的和/或其他方面也可通過提供一種投影系統(tǒng)來被實現(xiàn)，所述投影系統(tǒng)包括激光光源，其包括至少一個發(fā)射光束的激光器；第一衍射光學(xué)元件，將從激光光源發(fā)射的激光光束分為多個部分光束；楔元件，被置于第一衍射光學(xué)元件之前或之后以接收從激光光源發(fā)射的光束之一和多個部分光束，并通過旋轉(zhuǎn)和時間平均接收到的被發(fā)射的光束之一和部分光束來改變接收到的被發(fā)射的激光光束之一和部分光束的路徑以消除散斑。第二衍射光學(xué)元件，衍射從第一衍射光學(xué)元件發(fā)射的部分光束從而使這些部分光束具有預(yù)定的形狀；顯示元件，具有預(yù)定的形狀，以從被第二衍射光學(xué)元件衍射的光束中形成圖像；和投影透鏡單元，放大所述圖像并將該被放大的圖像投影到屏幕上。
第二衍射光學(xué)元件可以調(diào)節(jié)所述部分光束的發(fā)散角以增加所述部分光束的F/值。
所述部分光束可以包括多個子束，多個子束可以互相重疊并會聚。
顯示元件可以包括透射式液晶顯示屏、硅液晶、可變形微器件和柵狀光閥之一。


通過下面結(jié)合附圖對實施例進(jìn)行的描述，本發(fā)明總體構(gòu)思的上述和/或其他方面將會變得清楚和更容易理解，其中圖1是示出傳統(tǒng)的用于激光投影儀的照明系統(tǒng)的示圖；圖2是示出在通過圖1的傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)中包括的光束漫射器后得到的矩形光束的側(cè)面圖的示圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例的投影系統(tǒng)的示意圖；圖4是示出在通過圖3的投影系統(tǒng)中使用的第一衍射光學(xué)元件后得到的部分光束的側(cè)面圖的示圖；圖5A是示出激光散斑被消除前的光束的照片；圖5B是示出本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例的激光散斑被根據(jù)照明系統(tǒng)消除后的光束的照片；圖6是示出被圖3的投影系統(tǒng)中包括的第二衍射光學(xué)元件定形的光束的側(cè)面圖的示圖；圖7是示出圖3的投影系統(tǒng)被變形的示圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的另一實施例的投影系統(tǒng)的示意圖；和圖9是示出光束的路徑隨著圖8的投影系統(tǒng)中所使用的楔元件旋轉(zhuǎn)而周期性地變化的示圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將詳細(xì)說明本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例，實施例的示例將會在附圖中例舉，其中，相同的標(biāo)號代表相同的元件。這些實施例將會參考圖形被描述以解釋本發(fā)明的總體構(gòu)思。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例的能夠消除散斑的投影系統(tǒng)。
參考圖3，該投影系統(tǒng)包括激光光源20、消除從激光光源20發(fā)射的激光光束的光斑的可被旋轉(zhuǎn)的第一衍射光學(xué)元件24、和使用通過第一衍射光學(xué)元件24的光束來形成圖像的顯示元件28。
將通過第一衍射光學(xué)元件24的光束定形的第二衍射光學(xué)元件26被置于顯示元件28和第一衍射光學(xué)元件24之間的光路上。投影透鏡單元30放大由顯示單元8形成的圖像并將該被顯示元件28形成的圖像投影到屏幕32上。
第一衍射光學(xué)元件24是可旋轉(zhuǎn)的，從而來自激光光源20的光束能夠被時間平均并因此可有效地消除散斑。圖4示出第一衍射光學(xué)元件24的操作。參考圖3和圖4，第一衍射光學(xué)元件24包括多個個體元件24a，個體元件24a可以是圓形的，但也可以具有各種其他形狀。每個來自激光光源20的光束通過第一衍射光學(xué)元件24的各個體元件24a，并且被變換為相互之間具有不同的相位和路徑的部分光束27。部分光束27能夠互相會聚并重疊。部分光束27的每個包括多個子束(beamlets)27a。
當(dāng)?shù)谝谎苌涔鈱W(xué)元件24被電機(jī)22旋轉(zhuǎn)時，子束27a被時間平均從而消除了散斑。圖5A示出散斑被消除前的激光光束，圖5B示出通過旋轉(zhuǎn)圖3和圖4中顯示的投影系統(tǒng)的第一衍射光學(xué)元件24來消除散斑后的激光光束。
如下的方程給出激光散斑模式的對比值C，并且如果對比值C小于4％，那么，激光散斑模式對肉眼是不可見的。
方程1C=⟨Ii2⟩-⟨Ii⟩2⟨Ii⟩=σμ×100(%)]]>其中<Ii>表示通過第一衍射光學(xué)元件24的第i個個體元件的光的平均強(qiáng)度，σ表示標(biāo)準(zhǔn)差，μ表示平均值。
每個通過第一衍射光學(xué)元件24的光束被分為具有統(tǒng)一的強(qiáng)度分布的部分光束27。也就是說，從激光光源20發(fā)射的具有高斯分布的激光光束被分為多個具有統(tǒng)一的強(qiáng)度分布的部分光束27，所述部分光束27在通過第一衍射光學(xué)元件24后，互相會聚，因此提高了圖像質(zhì)量。
圖6示出第二衍射光學(xué)元件26的操作。參考圖6，第二衍射光學(xué)元件26將所述部分光束衍射為與顯示元件28的截面對應(yīng)的截面。顯示元件28可以是透射式液晶顯示屏(LCD)、硅液晶(LCoS)、可變形微鏡器件(DMD)、柵狀光閥或類似器件。顯示元件28可以是具有縱橫比為4∶3或16∶9的矩形。由于從激光光源20發(fā)射的光束具有與顯示元件28不同的形狀，因此，有必要使從激光光源20發(fā)射的光束具有與顯示元件28的形狀對應(yīng)的形狀。例如，如圖6所示，第二衍射光學(xué)元件26衍射圓形光束，從而該光束變?yōu)榫匦喂馐耘c顯示元件28的形狀對應(yīng)。
另外，光束的發(fā)散角能夠通過調(diào)節(jié)第二衍射光學(xué)元件26的衍射模式被控制。所述投影系統(tǒng)能夠通過調(diào)節(jié)光束的發(fā)散角并增加照明系統(tǒng)的F/值(F/No)被小型化。
被第二衍射光學(xué)元件26定形的光束被顯示元件28使用以形成圖像，被顯示元件28形成的圖像被投影透鏡單元30放大并被投影到屏幕32上。
激光光源20可以包括多個按照顏色連續(xù)地發(fā)射多個具有不同波長的激光光束的激光器。例如，激光光源20可以包括分別發(fā)射紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)激光束的第一、第二和第三激光。激光光源20連續(xù)發(fā)射R、G和B激光束以連續(xù)使用R、G和B激光束形成圖像，并且圖像被投影到屏幕32上以實現(xiàn)彩色圖像。
根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例的照明系統(tǒng)包括包括發(fā)射不同波長的光束的多個激光的激光光源20、將從激光光源20發(fā)射的光束的散斑消除的第一衍射元件24、和根據(jù)顯示元件28將光束定形的第二衍射光學(xué)元件26。第一衍射元件24將從激光光源20發(fā)射的每個光束分為多個部分光束27，并且這些部分光束根據(jù)第一衍射元件24的旋轉(zhuǎn)被時間平均以消除散斑。
在圖3的投影系統(tǒng)中，通過旋轉(zhuǎn)第一衍射元件24以時間平均所述部分光束來消除散斑。圖7示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的另一實施例的投影系統(tǒng)。參考圖7，可通過使用移動元件25線性往復(fù)移動第一衍射元件24’以時間平均通過第一衍射元件24’的光束來消除散斑。圖3和圖7中具有相同標(biāo)號的元件操作相同，因此具體的解釋被省略。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的另一實施例的照明系統(tǒng)及采用該照明系統(tǒng)的投影系統(tǒng)。
參考圖8，該照明系統(tǒng)包括激光光源40、將從激光光源40發(fā)射的光束的散斑消除的第一衍射元件44、將光束定形的第二衍射光學(xué)元件46?？尚D(zhuǎn)的楔元件42被置于激光光源40和第一衍射元件44之間或第一衍射元件44和第二衍射光學(xué)元件46之間。楔元件42可以以具有楔形截面的板(例如，玻璃板)的形式被制造。
激光光源40包括多個發(fā)射具有不同波長的激光光束的激光器，并且楔元件42能夠被電機(jī)41旋轉(zhuǎn)。
圖9示出楔元件42的操作。參考圖9，從激光光源40發(fā)射的光束在其通過楔元件42時，被朝向第一衍射元件44折射。當(dāng)楔元件42旋轉(zhuǎn)時，光束的路徑被周期性地改變。然后第一衍射元件44將每個被折射的光束分為多個部分光束。每個部分光束包括多個子束。
由于在光束入射到第一衍射元件44上之前，光束的路徑根據(jù)楔元件42的旋轉(zhuǎn)被周期性地改變，因此，獲得與圖3的投影系統(tǒng)類似的效果。因此，光束被時間平均并且散斑被消除。另外，所述部分光束互相會聚，從而具有高斯分布的光束被變換為具有統(tǒng)一的強(qiáng)度分布的光束。
從激光光源40發(fā)射的光束可具有圓形截面，并且第二衍射光學(xué)元件46將光束轉(zhuǎn)換為具有與顯示元件48對應(yīng)的形狀的光束。顯示元件48從被第二衍射光學(xué)元件46轉(zhuǎn)換的光束中形成圖像，投影透鏡單元50放大該圖像并將該被放大的圖像投影到屏幕52上。
激光光源40包括多個發(fā)射具有不同波長的激光光束的激光器。多個激光器連續(xù)發(fā)射具有不同的波長的光束以產(chǎn)生彩色圖像。
在圖8中示出的實施例中，通過旋轉(zhuǎn)楔元件42而不是第一衍射元件44來消除散斑。在其中第一衍射元件24旋轉(zhuǎn)的圖3的實施例，與圖8的實施例相比，可需要更大的用于第一衍射元件24的區(qū)域以及用于設(shè)計第一衍射元件24的衍射模式的更高成本。
根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例，照明系統(tǒng)能顯著地減少或消除從激光光源發(fā)射的光束的散斑，并且投影系統(tǒng)能采用該照明系統(tǒng)以實現(xiàn)提高的圖像質(zhì)量。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實施例的投影系統(tǒng)能夠通過旋轉(zhuǎn)衍射元件24或楔元件以時間平均所述部分光束來有效地消除散斑。而且，由于通過使用衍射元件能夠減小所述部分光束的發(fā)散角，因此該投影系統(tǒng)能夠是緊湊的。
盡管已經(jīng)顯示和描述了本發(fā)明的一些實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明總體構(gòu)思的原理和精神的情況下，可以對這些實施例進(jìn)行修改，本發(fā)明總體構(gòu)思的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物所限定。
權(quán)利要求
1.一種照明系統(tǒng)，包括激光光源，其包括至少一個發(fā)射光束的激光器；和第一衍射光學(xué)元件，將從激光光源發(fā)射的光束分為多個部分光束并通過周期移動來將這些部分光束進(jìn)行時間平均以消除光束散斑。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，第一衍射光學(xué)元件是可旋轉(zhuǎn)的。
3.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，第一衍射光學(xué)元件是線性可往復(fù)移動的。
4.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，還包括第二衍射光學(xué)元件，衍射從第一衍射光學(xué)元件發(fā)射的部分光束從而使所述部分光束具有與顯示元件對應(yīng)的形狀以形成圖像。
5.如權(quán)利要求4所述的照明系統(tǒng)，其中，第二衍射光學(xué)元件調(diào)節(jié)所述部分光束的發(fā)散角以增加所述部分光束的F/值。
6.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，每個部分光束包括多個子束，多個子束互相重疊并會聚。
7.一種照明系統(tǒng)，包括激光光源，其包括至少一個發(fā)射光束的激光器；第一衍射光學(xué)元件，將從激光光源發(fā)射的光束分為多個部分光束；和楔元件，被置于第一衍射光學(xué)元件之前或之后以接收從激光光源發(fā)射的光束之一和多個部分光束，并通過旋轉(zhuǎn)和時間平均接收到的被發(fā)射的光束之一和部分光束來改變所述接收到的被發(fā)射的激光光束之一和部分光束的路徑以消除散斑。
8.如權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，還包括第二衍射光學(xué)元件，衍射從第一衍射光學(xué)元件發(fā)射的所述部分光束從而使所述部分光束具有與顯示元件對應(yīng)的形狀以形成圖像。
9.如權(quán)利要求8所述的照明系統(tǒng)，其中，第二衍射光學(xué)元件調(diào)節(jié)所述部分光束的發(fā)散角以增加所述部分光束的F/值。
10.如權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，其中，每個部分光束包括多個子束，多個子束互相重疊并會聚。
11.一種投影系統(tǒng)，包括激光光源，其包括至少一個發(fā)射光束的激光器；第一衍射光學(xué)元件，將從激光光源發(fā)射的光束分為多個部分光束并通過周期移動來將這些部分光束進(jìn)行時間平均以消除光束散斑；第二衍射光學(xué)元件，衍射從第一衍射光學(xué)元件發(fā)射的部分光束從而使所述部分光束具有與預(yù)定形狀對應(yīng)的形狀；顯示元件，具有預(yù)定的形狀，以從被第二衍射光學(xué)元件衍射的光束中形成圖像。投影透鏡單元，放大所述圖像并投影該被放大的圖像；和屏幕，顯示被投影的圖像。
12.如權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，其中，第一衍射光學(xué)元件是可旋轉(zhuǎn)的。
13.如權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，其中，第一衍射光學(xué)元件是線性可往復(fù)移動的。
14.如權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，其中，第二衍射光學(xué)元件調(diào)節(jié)部分光束的發(fā)散角以增加部分光束的F/值。
15.如權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，其中，每個部分光束包括多個子束，多個子束互相重疊并會聚。
16.如權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，其中，顯示元件包括透射式液晶顯示屏(LCD)、硅液晶(LCoS)、可變形微鏡器件(DMD)和柵狀光閥其中之一。
17.一種投影系統(tǒng)，包括激光光源，其包括至少一個發(fā)射光束的激光器；第一衍射光學(xué)元件，將從激光光源發(fā)射的激光光束分為多個部分光束；楔元件，被置于第一衍射光學(xué)元件之前或之后以接收從激光光源發(fā)射的光束之一和多個部分光束，并通過旋轉(zhuǎn)和時間平均接收到的被發(fā)射的光束之一和部分光束來改變接收到的被發(fā)射的激光光束之一和部分光束的路徑以消除散斑。第二衍射光學(xué)元件，衍射從第一衍射光學(xué)元件發(fā)射的部分光束從而使這些部分光束具有預(yù)定的形狀；顯示元件，具有預(yù)定的形狀，以從被第二衍射光學(xué)元件衍射的光束中形成圖像；投影透鏡單元，放大所述圖像并投影該被放大的圖像；和屏幕，顯示被投影的圖像。
18.如權(quán)利要求17所述的投影系統(tǒng)，其中，第二衍射光學(xué)元件調(diào)節(jié)所述部分光束的發(fā)散角以增加所述部分光束的F/值。
19.如權(quán)利要求17所述的投影系統(tǒng)，其中，每個部分光束包括多個子束，多個子束互相重疊并會聚。
20.如權(quán)利要求17所述的投影系統(tǒng)，其中，顯示元件包括透射式液晶顯示屏、硅液晶、可變形微鏡器件和柵狀光閥其中之一。
21.一種照明系統(tǒng)，包括一個或多個激光器，發(fā)射預(yù)定波長的光束；和可移動散斑消除元件，將從所述一個或多個激光器發(fā)射的每個光束分為多個部分光束并根據(jù)其移動時間平均所述部分光束。
22.一種消除激光光束的散斑的方法，該方法包括在衍射光學(xué)元件中將激光光束分為多個部分光束；和通過周期性地移動衍射光學(xué)元件時間平均所述多個部分光束。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠消除激光散斑的照明系統(tǒng)及一種采用該照明系統(tǒng)的投影系統(tǒng)。該照明系統(tǒng)包括具有至少一個激光器的激光光源，和將從激光光源發(fā)射的激光光束分為多個部分光束并通過周期移動時間平均該部分光束以消除激光散斑的第一衍射光學(xué)元件。因此，該系統(tǒng)能夠消除從激光光源發(fā)射的光束的散斑并且采用該照明系統(tǒng)的投影系統(tǒng)能夠獲得高質(zhì)量圖像。
文檔編號G03B21/20GK1731238SQ20051008911
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月5日
發(fā)明者金成河, 都尚會 申請人:三星電子株式會社