激光投影显示
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激光投影显示的照明系统 研究
姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 联系方式：
2017-1-8
激光投影显示的照明系统研究
摘 要：由于激光有较好的单色性，宽广的色域范围，节能环保等优点，激光投影显示成为
显示技术的重要发展方向。本文主要介绍了几种典型的激光投影显示的照明系统，最后激光 投影照明系统进行了总结。
图 24 激光散射器后光束匀化照度图 Fig.24 Intensity of illumination of laser diffuser
光纤内多次反射实现激光光束的初步混合与再通过特殊设计的微透镜阵列散光器件进一步 匀光，经过 4f 中继系统以满足 LCOS 和投影镜头的要求。并用非成像光学扩展量理论指导 照明设计，实现高光能利用率。照明光路原理图如图 17。
图 17 照明光路原理图 Fig.17 Schematic diagram of illuminated light
图 9 (a)蓝色光源组件；(b)绿色光源示意图
Fig.9 (a) The fabricated blue source module; (b) The layout of the green source module
对于波长为 638nm 的红色激光二极管，为了尽可能得到结构紧凑且能量较高的系统， 采用 24 个激光二极管组成 3×8 的二极管阵列，相隔距离为 5mm。非球面微透镜阵列用于
个微透镜的边缘作用类似方形光阑，控制光束使其圆光斑进，微分积分后，远场形成照度均
匀的方形光板。激光散射器的制备是采用激光刻蚀系统生产，通过光栅扫描模式逐点曝
光光刻胶层，调整激光束的强度可以改变光刻胶曝光程度。
图 20 激光散射片散光示意图
图 21 实际匀光效果图
Fig.20 Laser Diffuser uniform sketch
GRIN 透镜也称自聚焦透镜，为实心圆柱镜体。其传光机制不同于光棒和锥形光管，锥 形光管是利用光在其内部多次全反射以压缩出射光的发散角度，光棒也是利用内部的多次全 反射以形成光源虚像继而实现匀光。而 GRIN 透镜则是利用折射率的梯度分布特性来产生光 场均匀的准直光。
图 14 Zemax 模拟的 GRIN 透镜子午光场分布 Fig.14 Beam distribution of GRIN lens simulated by Zemax
图 15 基于 GRIN 透镜阵列的单片机 DLP 激光投影仪光学引擎示意图 Fig.15 Sketch map of single DLP laser projector using GRIN lens arrays
图 16 矩形阵列照度图与配光曲线
Fig.16 Irradiation map and light distribution of right square prism arrays
Key word: laser projection display; beam shaping; uniform illumination
1 引言
激光显示是继黑白显示、彩色显示和数字显示之后的下一代显示技术，它采用三基色 激光作为光源，具有色域范围广（2 倍于 CRT、液晶的色彩再现能力）、寿命长（数万小 时）、节能环保（耗电可达平板电视的 1/4）等优点。因此，国际显示行业认为激光显示是 “人类视觉史上的一次革命”，具有十分广阔的市场前景[1]。
intensity distribution at fiber input end
fiber input end
以下光纤阵列采用多模石英光纤，纤芯 1mm，NA=0.48，其内部包含的模数非常大，完
全可以用几何光学近似处理。所以在此种情况下，光纤完全可以进行匀光处理[5]。
2.2 微透镜阵列匀光[6]
图 18 激光器阵列排布
图 19 汇聚及匀光光路示意图
Fig.18 LD array
Fig.19 Convergence and uniform light path diagram
由于激光光束的光斑尺寸相对较小，传统的复眼单个尺寸太大对光束不能有效微分。故
根据光束微分再积分的原理，把单个微透镜做小，把光束微分；单纯缩小复眼透镜尺寸，每
个微透镜尺寸和曲面曲率一致的话并不能有效的对高斯光束均匀化。通过做大量实验对单个
微透镜单元的长宽尺寸控制在 50100m 之间随机分布，且曲面曲率随机赋值。激光散射片
散光示意图如图 18。每个微透镜单元都能独立工作，能有效地准确的控制光束发散角，这
样激光散射器就能对光束进行随机，每
光斑完全覆盖 0.3 英寸 DMD 所限定的 5.4mm×4.05mm 的区域，且这一区域内的照度 均匀性达到 90.9%以上。照明面投影效率（即 DMD 阵列面的表面与照明光斑总面积的比例） 为 84.2%。将 GRIN 阵列的准直匀光、二向色镜的光路选择、反射镜的全反射以及在 DMD 工作面上的有效投影等各环节仿真所得到的光能利用率相乘，得出照明光路对光源的综合利 用率为 68.4%。 2.4 基于光纤导光棒的匀光[8]
Fig.21 The actual light rendering
图 21 是实际匀光效果图，是在简易情况下用激光笔照射，出射光斑散射效果符合设计 要求，比磨砂片等匀光效果好很多。
图 22 照明系统结构图 Fig.22 Lighting system structure diagram
图 23 汇聚光斑照度分布 Fig.23 spot size and intensity of illumination
束整形，最终实现总的光纤耦合效率为 71.8%。光斑尺寸仿真结果为 82.8μm（95%光功率），
实际测量结果为 101μm（95%光功率）。
图 3 光纤入射端的光场分布模拟
图 4 光纤入射端的光强分布测量结果
Fig.3 Experimental measurement of optical
Fig.4 Simulation of intensity distribution at
关键词：激光投影显示；光束整形；均匀照明
中图分类号：TN248
文献标识码：A
Research of the Illumination System for Laser Projection Display
Abstract: Because that the laser have the advantages of monochromaticity, wider display color gamut, energy conservation and environment protection, laser projection display have become an important development direction. This paper mainly introduces several typical laser projection display system, and finally summarizes the laser projection lighting system.
准直二极管阵列发出的光，微镜阵列用于压缩光斑尺寸。最终光斑大小约为 3030mm2 ，
发散角约为 2°。绿色和蓝色激光器波长分别为 532nm 和 445nm。蓝光激光器为 3×3 阵列， 无微反射镜阵列。绿光为 532nm 激光光源经过扩束器和准直系统。
图 10 投影系统图 Fig.10 The schematic structure of projection system
2.3 基于渐变折射率透镜的激光投影仪照明光路设计[7] 在光纤通信行业中，常用渐变折射率(GRIN)透镜制作成光纤准直器，对近红外波段的高
斯光束进行聚焦或准直。基于 GRIN 原理，设计了一种以 GRIN 透镜为核心器件的单片式 DLP 投影仪照明光路。使用 GRIN 透镜构成照明光路的必要性在于，实现对 LD 发出的可见 光波段高斯光束的扩束、准直、匀光以及光斑整形，使出射的照明光斑质量满足投影要求， 直接被数字微镜(DMD)光调制器所利用。照明光路仅由单级透镜系统构成，结构简单，提高 了照明光路的光能利用率。
半导体激光 二极管阵列
分束器
空间调制
偏振
聚焦系统
光纤
图 1 半导体激光器光纤耦合原理图
图 2 光纤耦合模块光路图
Fig.1 Technical block diagram of fiber coupled diode laser module
Fig.2 Optical setup of the fiber coupled diode laser module
通常激光器发出的激光束的空间强度分布呈高斯分布，能量并非均匀分布，在激光材料 加工、光学信息处理、激光显示、激光成像等领域的应用中，希望激光光强是均匀分布的， 而且对激光光束的均匀性也有较高的要求。因此，在采用激光作为投影光源时，需要对光源 进行匀光，即通过改变入射激光束的高斯分布为所需要的强度分布，同时调整它的相位分布 以控制其传播特性，使得光束变换成为接近于平面波前的光束[3]。
2 典型激光匀光方法
2.1 高亮度半导体激光阵列与单根光纤耦合[4] 半导体激光器的发散角很大，一般快轴方向（垂直于 PN 结）的发散角约为 70°(FWHM)，
慢轴方向（平行于 PN 结）的发散角在 10°(FWHM)左右；其次，半导体激光器的光束质量 在快慢轴方向极不均衡，一般快轴方向接近衍射极限。而慢轴方向的光束质量极差，一般大 于衍射极限的 1000 倍[4]。
对投影显示的照明系统一般有以下具体要求： (1)被照明面要有足够的光照度，而且要足够均匀；
(2)要保证被照明物点的数值孔径，而且照明系统的渐晕系数与成像系统的渐晕系数应 一致；
(3)尽可能减少杂光，限制视场以外的光线进人，防止多次反射，以免降低像面对比和 照明均匀性；
(4)对于高精度的仪器，光源和物平面以及决定精度的主要零部件不要靠得很近，以免 造成温度误差。
以下照度均匀度测量和计算方法采用 9 点法测量计算：
[1 (Lmax LA) / LA]100% N % [1 (LA Lmin ) / LA]100% N %
(1)
式中： Lmax 为照度最大值， LA 为照度平均值， Lmin 为照度最小值，N 为计算结果的百
分值。 系统中采用改造设计的卡塞格林系统对激光光束收集，汇聚在光纤端面，再通过光线在
图 11 红色波段照明系统 Fig.11 Illumination system of the red light
图 12 3-LOS 投影系统 Fig.12 the 3-LOS projection system
图 13 投影效果图 Fig.13 The projected picture system
采用的光纤芯径为 100μm，数值孔径为 0.22，计算得出 f ' 8.8mm 时满足条件。聚焦
镜可以采用透镜组或非球面透镜，为了便于装调．在此采用了单片非球面透镜，它可以矫正
球差。BTS 由快轴准直镜(Fast axis collimator．FAC)和 45°倾斜柱透镜阵列组成，快轴准直
镜的外形为平面-柱面，它的作用是压缩快轴方向的发散角。同理慢轴准直镜(SAC)也进行光
图 5 光纤激光阵列 Fig.5 combined fiber lasers array
图 7 红色激光光源阵列结构图
图 8 红色激光光源阵列成品图
Fig.7 the schematic diagram of the red laser source module Fig.8 the fabricated red laser source module
近年来，随着半导体激光技术的不断进步，限制激光用于投影系统光源的体积大、成 本高、散斑效应明显等问题得到了有效改善，按照目前技术发展趋势，激光器作为投影系 统主要光源之一日渐成熟，特别是在数字电影放映机、高亮度投影仪等特殊应用领域，激 光光源的使用受到业界的普遍关注，已成为未来技术发展的重要方向之一[2]。
姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 联系方式：
2017-1-8
激光投影显示的照明系统研究
摘 要：由于激光有较好的单色性，宽广的色域范围，节能环保等优点，激光投影显示成为
显示技术的重要发展方向。本文主要介绍了几种典型的激光投影显示的照明系统，最后激光 投影照明系统进行了总结。
图 24 激光散射器后光束匀化照度图 Fig.24 Intensity of illumination of laser diffuser
光纤内多次反射实现激光光束的初步混合与再通过特殊设计的微透镜阵列散光器件进一步 匀光，经过 4f 中继系统以满足 LCOS 和投影镜头的要求。并用非成像光学扩展量理论指导 照明设计，实现高光能利用率。照明光路原理图如图 17。
图 17 照明光路原理图 Fig.17 Schematic diagram of illuminated light
图 9 (a)蓝色光源组件；(b)绿色光源示意图
Fig.9 (a) The fabricated blue source module; (b) The layout of the green source module
对于波长为 638nm 的红色激光二极管，为了尽可能得到结构紧凑且能量较高的系统， 采用 24 个激光二极管组成 3×8 的二极管阵列，相隔距离为 5mm。非球面微透镜阵列用于
个微透镜的边缘作用类似方形光阑，控制光束使其圆光斑进，微分积分后，远场形成照度均
匀的方形光板。激光散射器的制备是采用激光刻蚀系统生产，通过光栅扫描模式逐点曝
光光刻胶层，调整激光束的强度可以改变光刻胶曝光程度。
图 20 激光散射片散光示意图
图 21 实际匀光效果图
Fig.20 Laser Diffuser uniform sketch
GRIN 透镜也称自聚焦透镜，为实心圆柱镜体。其传光机制不同于光棒和锥形光管，锥 形光管是利用光在其内部多次全反射以压缩出射光的发散角度，光棒也是利用内部的多次全 反射以形成光源虚像继而实现匀光。而 GRIN 透镜则是利用折射率的梯度分布特性来产生光 场均匀的准直光。
图 14 Zemax 模拟的 GRIN 透镜子午光场分布 Fig.14 Beam distribution of GRIN lens simulated by Zemax
图 15 基于 GRIN 透镜阵列的单片机 DLP 激光投影仪光学引擎示意图 Fig.15 Sketch map of single DLP laser projector using GRIN lens arrays
图 16 矩形阵列照度图与配光曲线
Fig.16 Irradiation map and light distribution of right square prism arrays
Key word: laser projection display; beam shaping; uniform illumination
1 引言
激光显示是继黑白显示、彩色显示和数字显示之后的下一代显示技术，它采用三基色 激光作为光源，具有色域范围广（2 倍于 CRT、液晶的色彩再现能力）、寿命长（数万小 时）、节能环保（耗电可达平板电视的 1/4）等优点。因此，国际显示行业认为激光显示是 “人类视觉史上的一次革命”，具有十分广阔的市场前景[1]。
intensity distribution at fiber input end
fiber input end
以下光纤阵列采用多模石英光纤，纤芯 1mm，NA=0.48，其内部包含的模数非常大，完
全可以用几何光学近似处理。所以在此种情况下，光纤完全可以进行匀光处理[5]。
2.2 微透镜阵列匀光[6]
图 18 激光器阵列排布
图 19 汇聚及匀光光路示意图
Fig.18 LD array
Fig.19 Convergence and uniform light path diagram
由于激光光束的光斑尺寸相对较小，传统的复眼单个尺寸太大对光束不能有效微分。故
根据光束微分再积分的原理，把单个微透镜做小，把光束微分；单纯缩小复眼透镜尺寸，每
个微透镜尺寸和曲面曲率一致的话并不能有效的对高斯光束均匀化。通过做大量实验对单个
微透镜单元的长宽尺寸控制在 50100m 之间随机分布，且曲面曲率随机赋值。激光散射片
散光示意图如图 18。每个微透镜单元都能独立工作，能有效地准确的控制光束发散角，这
样激光散射器就能对光束进行随机，每
光斑完全覆盖 0.3 英寸 DMD 所限定的 5.4mm×4.05mm 的区域，且这一区域内的照度 均匀性达到 90.9%以上。照明面投影效率（即 DMD 阵列面的表面与照明光斑总面积的比例） 为 84.2%。将 GRIN 阵列的准直匀光、二向色镜的光路选择、反射镜的全反射以及在 DMD 工作面上的有效投影等各环节仿真所得到的光能利用率相乘，得出照明光路对光源的综合利 用率为 68.4%。 2.4 基于光纤导光棒的匀光[8]
Fig.21 The actual light rendering
图 21 是实际匀光效果图，是在简易情况下用激光笔照射，出射光斑散射效果符合设计 要求，比磨砂片等匀光效果好很多。
图 22 照明系统结构图 Fig.22 Lighting system structure diagram
图 23 汇聚光斑照度分布 Fig.23 spot size and intensity of illumination
束整形，最终实现总的光纤耦合效率为 71.8%。光斑尺寸仿真结果为 82.8μm（95%光功率），
实际测量结果为 101μm（95%光功率）。
图 3 光纤入射端的光场分布模拟
图 4 光纤入射端的光强分布测量结果
Fig.3 Experimental measurement of optical
Fig.4 Simulation of intensity distribution at
关键词：激光投影显示；光束整形；均匀照明
中图分类号：TN248
文献标识码：A
Research of the Illumination System for Laser Projection Display
Abstract: Because that the laser have the advantages of monochromaticity, wider display color gamut, energy conservation and environment protection, laser projection display have become an important development direction. This paper mainly introduces several typical laser projection display system, and finally summarizes the laser projection lighting system.
准直二极管阵列发出的光，微镜阵列用于压缩光斑尺寸。最终光斑大小约为 3030mm2 ，
发散角约为 2°。绿色和蓝色激光器波长分别为 532nm 和 445nm。蓝光激光器为 3×3 阵列， 无微反射镜阵列。绿光为 532nm 激光光源经过扩束器和准直系统。
图 10 投影系统图 Fig.10 The schematic structure of projection system
2.3 基于渐变折射率透镜的激光投影仪照明光路设计[7] 在光纤通信行业中，常用渐变折射率(GRIN)透镜制作成光纤准直器，对近红外波段的高
斯光束进行聚焦或准直。基于 GRIN 原理，设计了一种以 GRIN 透镜为核心器件的单片式 DLP 投影仪照明光路。使用 GRIN 透镜构成照明光路的必要性在于，实现对 LD 发出的可见 光波段高斯光束的扩束、准直、匀光以及光斑整形，使出射的照明光斑质量满足投影要求， 直接被数字微镜(DMD)光调制器所利用。照明光路仅由单级透镜系统构成，结构简单，提高 了照明光路的光能利用率。
半导体激光 二极管阵列
分束器
空间调制
偏振
聚焦系统
光纤
图 1 半导体激光器光纤耦合原理图
图 2 光纤耦合模块光路图
Fig.1 Technical block diagram of fiber coupled diode laser module
Fig.2 Optical setup of the fiber coupled diode laser module
通常激光器发出的激光束的空间强度分布呈高斯分布，能量并非均匀分布，在激光材料 加工、光学信息处理、激光显示、激光成像等领域的应用中，希望激光光强是均匀分布的， 而且对激光光束的均匀性也有较高的要求。因此，在采用激光作为投影光源时，需要对光源 进行匀光，即通过改变入射激光束的高斯分布为所需要的强度分布，同时调整它的相位分布 以控制其传播特性，使得光束变换成为接近于平面波前的光束[3]。
2 典型激光匀光方法
2.1 高亮度半导体激光阵列与单根光纤耦合[4] 半导体激光器的发散角很大，一般快轴方向（垂直于 PN 结）的发散角约为 70°(FWHM)，
慢轴方向（平行于 PN 结）的发散角在 10°(FWHM)左右；其次，半导体激光器的光束质量 在快慢轴方向极不均衡，一般快轴方向接近衍射极限。而慢轴方向的光束质量极差，一般大 于衍射极限的 1000 倍[4]。
对投影显示的照明系统一般有以下具体要求： (1)被照明面要有足够的光照度，而且要足够均匀；
(2)要保证被照明物点的数值孔径，而且照明系统的渐晕系数与成像系统的渐晕系数应 一致；
(3)尽可能减少杂光，限制视场以外的光线进人，防止多次反射，以免降低像面对比和 照明均匀性；
(4)对于高精度的仪器，光源和物平面以及决定精度的主要零部件不要靠得很近，以免 造成温度误差。
以下照度均匀度测量和计算方法采用 9 点法测量计算：
[1 (Lmax LA) / LA]100% N % [1 (LA Lmin ) / LA]100% N %
(1)
式中： Lmax 为照度最大值， LA 为照度平均值， Lmin 为照度最小值，N 为计算结果的百
分值。 系统中采用改造设计的卡塞格林系统对激光光束收集，汇聚在光纤端面，再通过光线在
图 11 红色波段照明系统 Fig.11 Illumination system of the red light
图 12 3-LOS 投影系统 Fig.12 the 3-LOS projection system
图 13 投影效果图 Fig.13 The projected picture system
采用的光纤芯径为 100μm，数值孔径为 0.22，计算得出 f ' 8.8mm 时满足条件。聚焦
镜可以采用透镜组或非球面透镜，为了便于装调．在此采用了单片非球面透镜，它可以矫正
球差。BTS 由快轴准直镜(Fast axis collimator．FAC)和 45°倾斜柱透镜阵列组成，快轴准直
镜的外形为平面-柱面，它的作用是压缩快轴方向的发散角。同理慢轴准直镜(SAC)也进行光
图 5 光纤激光阵列 Fig.5 combined fiber lasers array
图 7 红色激光光源阵列结构图
图 8 红色激光光源阵列成品图
Fig.7 the schematic diagram of the red laser source module Fig.8 the fabricated red laser source module
近年来，随着半导体激光技术的不断进步，限制激光用于投影系统光源的体积大、成 本高、散斑效应明显等问题得到了有效改善，按照目前技术发展趋势，激光器作为投影系 统主要光源之一日渐成熟，特别是在数字电影放映机、高亮度投影仪等特殊应用领域，激 光光源的使用受到业界的普遍关注，已成为未来技术发展的重要方向之一[2]。