乙烯基涂料
牛磊;李湘宁;隋峰
单列调心滚子轴承
【摘 要】激光投影显示技术是显示技术近年来的发展趋势，本文设计了一种新的针对激光光源的照明系统，它由激光器阵列作为光源、改进的卡塞格林汇聚系统、光纤导光棒、激光散射器及4f中继系统组成。改进的卡塞格林汇聚系统收集激光器阵列发出的光能耦合进光纤，激光在光纤中传输，使光束混合均匀，激光散射器对光束匀光及整形，通过4f中继系统照射在0.61英寸(1英寸=2.54 cm)LCOS芯片上，形成高效均匀的照明光束，光纤可弯曲可合束能实现超高亮度照明。用光学扩展量评价了系统的光能利用率。最后通过软件模拟，验证了方案的可行性。%In recent years, the laser display is the tendency of the display technology. A new kind of illumination system is proposed for laser light source, which consists of laser array light source, improved Cassegrain optical system, fiber, laser diffuser and 4f-relay system. In order to obtain efficient and uniform illumination distribution, the light from the laser is collected by the improved Cassegrain optical system and then coupled into the fiber where it’s been mixed and uniformed. Then the beam is collected on the 0.61-inch LCOS c hip through the 4f-relay system after being shaped by the laser diffuser. The system could achieve high brightness illumination because the fiber can be bent and combined, and the optical extension is evaluated based on optical extend. Finally, the designed system is ray tracing simulated in optical software to verify the feasibility of the method.
【期刊名称】《光电工程》
【年(卷),期】2015(000)003
【总页数】6页(P77-82)
【关键词】照明系统;光学扩展量;光纤导管棒;激光散射器;激光投影显示
【作 者】牛磊;李湘宁;隋峰
【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093; 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093; 教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海 200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093; 上海市现代光学系统重点实验室，上海
200093; 教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海 200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093; 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093; 教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海 200093
【正文语种】抗石击涂料中 文
【中图分类】TN94
随着投影显示技术的发展，对投影系统的亮度、解析度、彩丰富性的要求越来越高[1]。光源作为投影系统的重要部件，其发光特性直接决定了投影系统的品质。而激光具有亮度高、单性好、波长固定等特点。投影显示中光源采用红绿蓝三基激光光源，基本可以完全模拟自然彩，域空间接近NTSC标准的两倍。鉴于以上特性，激光显示逐渐成为显示技术的发展方向和主流趋势。
激光光源在显示系统中广泛应用，对照明系统的要求越来越高，照明系统要求高亮度、高均匀性、高效光能利用率，而传统照明系统很难实现激光光束的度、照度均匀。已公开的专利100383599，102122081A等中尝试使用衍射光学元件、相位衍射器件、光纤等光
学元件对激光进行匀光和消散斑。在激光显示方面，国内外研发尝试诸多激光匀光消散斑的方案，并取得一定效果。本文使用了光纤与微透镜阵列散光器件组合的方式对激光进行匀光，设计了投影系统的整体照明光路，着重讨论了激光投影显示系统中的照明均匀度和利用光学扩展量评价光能利用率；其中照度均匀度测量和计算方法采用9点法测量[2]计算：
电热碗式中：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。
1.1 照明光路设计原理
照明光路的基本原理是半导体激光器光源发出的光束经过整形准直透镜准直，通过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1。
1.2 激光光束整形及汇聚系统
红蓝激光光源采用相对成熟的半导体激光器，而绿激光光源采用固体激光器。红绿蓝激光以阵列排布作为光源，激光器阵列排布如图2所示。
RGB 三激光对称分布，且RGB间隔分布，这种结构可以使得阵列光束达到空间紧密排布而且还有效地使用散热面积，并且能使红绿蓝激光光束光学扩展量一致，利于激光光束的消相干。绿激光为固体激光器，其准直性很好，无需准直整形。对于红蓝LD光束快轴慢轴光斑尺寸不同，因此有必要对光束进行准直整形[3]。由半导体激光器的发光特性类似两个相距一定距离的发光点，这里采用普通弯月透镜进行准直，如图3半导体激光器的准直整形光路图所示。以红(λ=638 nm)激光器为例，发散角θ∥=15°，θ⊥=25°。
表1是弯月准直透镜设计参数，r为表面半径，d为透镜中心厚度，n为透镜折射率。采用非序列优化得到表1参数，准直后光束纵向横向发散角都1 mrad。
纱窗角码设计改进了卡塞格林系统[4]汇聚及匀光光路示意图如图4所示，用于将准直后的光束汇聚耦合进光纤。由一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成，抛物面的焦点和双曲面的虚焦点重合于。平行光束经过抛物面汇聚于，再经过双曲面理想成像于实焦点。反射方式，不存在透镜折射的散，能使三激光汇聚在一点，保证能高效的耦合进入光纤。
1.3 光纤匀光
激光光源光功率密度相对较高，需要匀光扩束，使用传统光棒匀光混合效果不佳，且光功率损耗比较大。光纤具有可弯曲、可多光纤合束、可长距离传输、光功率损耗低(传输距离远小于10 m，其传输损耗可忽略)等诸多优点，故选取光纤作为激光混光和中继传输器件[5]。光纤采用多模石英光纤，纤芯1 mm，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，光纤完全可以用光棒理论推导其对激光光束的匀光混光效果。光纤光棒匀光理论[6]如下：
一般来说对于对称分布的光源，只要在方棒壁上反射三次以上即可得到较为均匀的分布，光线在光纤中的反射次数用下次表示：
其中：L是光纤长度；NA为光纤数值孔径；n1为光纤纤芯材料折射率；A是截面积。由上式知全反射次数与光纤长度成正比，与光纤截面积成反比；由于使用光纤长度比光纤截面积大的多，光线能在光纤中几十次，所以能有效地匀光和混光，且光纤传输光能损失很小。并利用非成像光学扩展量[7]的理论指导设计。光学扩展量其理论表达式为
式中：n为光束通过介质的折射率，θ为面积dA与dΩ立体角的中心轴之间的夹角，即光束孔径角。对于光束面积为A、数值孔径为NA的光束，其扩展量近似为
光束在光纤入射端的光学扩展量为
其中：r为光斑半径，Φmax是光束最大孔径角。由于本文使用光纤数值孔径为NA＝0.48，而
所以入射光纤的最大孔径角应小于58°即可。光束在光纤出射端的光学扩展量为
其中R为光纤纤芯半径。由于汇聚光斑为略大于1 mm，光能有一定的损失。投影显示系统是光学扩展量受限系统。空间光调制器限制整个光学系统的扩展量，空间光调制器的光学扩展量为
主回路电阻其中：n为空间光调制器所在介质折射率，A为空间调制器尺寸，F为照明光束数值孔径。本文使用的空间调制器LCOS，尺寸A为0.61英寸(16:9)，照明光束数值孔径F为2.4，则光学扩展量为15.8 mm2⋅sr。整个光学系统的光学扩展量更好的匹配，才能提高整个投影系统的光能利用率。
1.4 激光散射器的设计
从光纤均匀混光之后，照度均匀度和度均匀度还需要进一步均匀混光，传统复眼透镜，单个透镜单元比较大，匀光效果有限。还有其他很多匀光技术，如磨砂玻璃、乳玻璃、全息元件。磨砂玻璃和乳玻璃透过率太差，且是完全随机漫射，无法控制光束；全息元件可以视为一组随机排列的透镜，但是通过全息曝光的的类透镜效果无法控光的分布。本文设计了用于激光匀光的激光散射器[8-10]，设计思路来源于复眼透镜阵列，对光束的微分再积分达到使光斑均匀的目的。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50 ∼100 μm之间随机分布，且曲面曲率随机赋值。显微镜下激光散射片表面结构和激光散射片散光示意图如图5、图6。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和准确的控制。方形的微透镜单元把光束按方形微分，每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7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8是激光散射器入射出射角度关系，是实测不同入射角度光束，出射光束的照度分布，横坐标是散射角度，纵坐标是相对照度。
汇聚入光纤的光束有效孔径角为18°，从光纤出来的光束孔径角也为18°，从散射器出来的光斑孔径角为25°。入射激光散射器的光斑为圆形光斑，半径为R=3 mm，由散射器出来的光斑为方形光斑，长w=11 mm，宽h=6 mm。散射器出来后的光学扩展量为
则光学扩展量为9.7 mm2⋅sr小于LCOS的光学扩展量。
1.5 4f中继系统
4f中继系统用于投影照明系统设计中，目的在于消除杂散光，并将激光散射器件出射面成像在空间调制器面板，使空间调制器获得均匀照明。如图9是4f中继系统光路图结构图，在散射器后面一定距离设置有方形光阑，光阑面相对微结构尺寸为远场处，光阑面处光斑是方形光斑。相对于4f中继系统，方形光阑面和芯片面共轭。设置光阑的目的，在装配中能
更好的定位共轭面，便于装配调试，同时能有效的去除杂散光。通过4f中继系统每个微小单元出射的光束在空间调制器芯片上叠加[11]。中继系统的焦距可由空间调制器面的光束孔径角及尺寸，以及从激光散射器件出射面光斑口径和孔径角确定。
本文用lighttools仿真分析了整个照明系统。使用0.61英寸LCOS芯片，激光阵列使用10颗红光，8颗蓝光，4颗绿光，并使用了LD厂商提供的激光器光线文件，模拟光线100万条，基本符合实际应用。图10是照明系统结构图模拟示意图。
图11给出了整形后的激光束通过汇聚系统后在光纤入射断面的光斑照度和光斑角度分布，符合光纤对光束的要求。
图12给出了经过光纤的混光匀光出来的照度分布及角度分布，与进入光纤的光斑对比，照度均匀度有了明显的提升。
图13给出了由激光散射器的设计原理模拟出从光纤出射的光束经过激光散射器的整形后的照度及角度分布。光斑形状变为方形，与LCOS尺寸比例相同，能提高LCOS芯片的光能量利用率，光斑照度均匀度能达到80%以上。
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