本发明涉及微型激光投影显示技术，尤其涉及一种用于消除激光投影散斑的光学结构、光学系统及光学方法。
背景技术：
微型激光投影显示技术是主要是以红、绿、蓝三基色的激光光束的激光光束为光源，使在显示终端透射出的画面(即图像)尽可能真实地还原客观世界的色彩。激光光束可以使显示终端的图像亮度更高、色域更广，但是其存在的散斑现象不但影响图像的分辨率，而且使图像的外观被散斑场的颗粒状结构所调制，严重影响了图像的质量，因此必须加以抑制。
对于微型激光投影显示技术而言，激光光束的单色性和线偏振性都是有益的特性，也就是说，是在消除激光光束散斑的过程中应当尽量保留的特性。因此增加空间上的差异性成为微型激光投影显示技术中消除散斑的主要途径。目前通过增加空间上的差异性来消除散斑的方案主要是通过在光路中安排一块振动或者旋转的散射体或者衍射光学元件来实现的，但是由于这种方案消除散斑的原理是：散射体或者衍射光学元件使激光光束的出射角扩展，随着出射角的增大，散斑的亮度、对比度等反映光束能量的参数的值将随之发生相当程度的减小，传感器接收到的散斑现象才会因此减弱。
也就是说，目前消除散斑的方案在消除散斑的同时，会伴随着激光光束的能量效率的降低。
技术实现要素：
技术问题
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，如何在保证激光光束的能量效率的前提下，有效地消除微型激光投影显示技术中存在的散斑现象。
解决方案
为了解决上述技术问题，根据本发明的一个实施例，提供了一种用于消除激光投影散斑的光学结构。该光学结构包括激光光源、混光棒、数字微镜器件和DMD阵列，所述激光光源发射的激光光束在所述混光棒内进行多次全反射，多次全反射形成的出射光入射加载有数字全息源信息的所述数字微镜器件，从所述数字微镜器件出射的激光光束经DMD阵列反射至显示终端。
对于上述用于消除激光投影散斑的光学结构，在一种可能的实现方式中，所述光学结构还包括第一耦合透镜，所述第一耦合透镜设置于所述激光光源和所述混光棒之间，所述激光光源发射的激光光束经所述第一耦合透镜汇聚光束后入射所述混光棒。
对于上述用于消除激光投影散斑的光学结构，在一种可能的实现方式中，所述光学结构还包括第二耦合透镜，所述第二耦合透镜设置于所述混光棒和所述数字微镜器件之间，所述多次全反射形成的出射光经所述第二耦合透镜进行多次汇聚光束后，将所述混光棒的出射光汇聚为与所述混光棒的轴线平行的光束。
对于上述用于消除激光投影散斑的光学结构，在一种可能的实现方式中，所述光学结构还包括第三耦合透镜，所述第三耦合透镜设置于所述数字微镜器件和所述DMD阵列之间，与所述混光棒的轴线平行的光束经所述第三耦合透镜进行扩束之后，经所述DMD阵列反射入射所述显示终端。
对于上述用于消除激光投影散斑的光学结构，在一种可能的实现方式中，所述混光棒还配置有旋转机构，该旋转机构能够使所述混光棒以可旋转的方式处于所述光学结构中。
对于上述用于消除激光投影散斑的光学结构，在一种可能的实现方式中，所述光学结构，所述激光光源为He-Ne激光器。
为了解决上述技术问题，根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于消除激光投影散斑的光学系统。该光学系统包括三组所述光学结构，其中，第一组所述光学结构的激光光源能够发射红光，第二组所述光学结构的激光光源能够发射绿光，第三组所述光学结构的激光光源能够发射蓝光，并且，三组所述光学结构的混光棒的轴线相互平行。
对于上述用于消除激光投影散斑的光学系统，在一种可能的实现方式中，所述红光的波长为632.8nm，所述绿光的波长为532nm，所述蓝光的波长为473nm。
为了解决上述技术问题，根据本发明的第三个实施例，提供了一种用于消除激光投影散斑的光学方法。该光学方法包括该方法包括以下步骤：
S10、使红、绿、蓝三色激光器组发射的三组平行的第一激光光束分别通过第一耦合透镜组汇聚光束后形成三组第二激光光束；
S20、三组所述第二激光光束分别入射三组混光棒组，并在相应的混光棒组内多次全反射后，出射为三组第三激光光束；
S30、三组所述第三激光光束分别通过第二耦合透镜组进行多次汇聚光束处理之后，整形成与所述混光棒的轴线平行的三组第四激光光束；
S40、三组所述第四激光光束分别入射三组加载有数字全息源信息的数字微镜器件，在任意所述数字微镜器件处出射为与所述混光棒的轴线平行的一组第五激光光束；
S50、所述一组第五激光光束经第三耦合透镜扩束得到第六激光光束，该第六激光光束通过DMD阵列反射后，在显示终端上形成投影画面。
对于上述用于消除激光投影散斑的光学方法，在一种可能的实现方式中，所述光学结构使所述混光棒以绕所述轴线旋转的方式处于所述第一耦合透镜和所述第二耦合透镜之间。
有益效果
本发明的用于消除激光投影散斑的光学结构在引入可旋转的混光棒的基础上，通过在混光棒内进行多次全反射，能够有效地消除微型激光投影显示技术存在的散斑现象。并且，由于混光棒出射的激光光束经过整形后没有出射角的扩展，因此维持了激光光束的能量效率。换言之，本发明的光学系统解决了常规激光散斑消除技术中存在的散斑消除和能量效率之间的矛盾。并且，本发明的用于消除激光投影散斑的光学结构无需引入复杂的光学装置，因此还具有结构简单、易于实现的优点。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
图1示出本发明的一个实施例的用于消除激光投影散斑的光学系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
实施例1
本发明在激光光束的能量本身就不能匹及照明灯源的前提下，出于对目前激光散斑消除技术消除散斑的原理“散射体或者衍射光学元件使激光光束的出射角扩展，随着出射角的增大，散斑的亮度、对比度等反映光束能量的参数的值将随之发生相当程度的减小，传感器接收到的散斑现象才会因此减弱”具有的“在消除散斑的同时，会伴随着激光光束的能量效率的降低”的缺陷的考虑，通过引入旋转的混光棒，在混光棒的内部进行多次全反射后，将出射的激光经过整形进行投影。经通过多个透镜组对入射的激光光束进行扩束或者汇聚光束之后，最后投射置显示终端。
与通过“在光路中安排一块振动或者旋转的散射体或者衍射光学元件”的方式消除散斑的现有方案相比，本发明的光学系统一方面在保证激光光束的空间差异化得以实现的基础上，消除了激光光束的散斑现象。另一方面由于投射至显示终端的激光光束的出射角并没有增大，因此在散斑得以消除的前提下，并不会影响激光光束的亮度、对比度等反映光的能量的参数的值。换言之，本发明的光学系统在消除激光光束存在的散斑现象的过程中，有效地解决了激光光束的散斑消除必要性和能量效率稳定性之间的矛盾。
图1示出本发明的一个实施例的用于消除激光投影散斑的光学系统的结构示意图。该光学系统主要用于消除激光投影中存在的散斑现象。且在散斑现象得以消除的前提下，能够维持激光光束的能量效率。该光学系统主要包括对应于(红、绿、蓝)三基色的三组光学结构。
如图1所示，(红、绿、蓝)三基色激光器组(L1、L2、L3)发射的三组平行的激光光束(第一激光光束)首先分别通过透镜组(M1、M2、M3)(第一耦合透镜)汇聚光束后形成三组第二激光光束，三组第二激光光束分别入射混光棒组(Lp1、Lp2、Lp3)，并在其内实现多次全反射，从而实现了第二激光光束的空间差异化。作为一种优选，可以为混光棒组(Lp1、Lp2、Lp3)配置设定的旋转机构，通过旋转机构来调整混光棒的旋转速度，以促进实现激光光束的空间差异性，从而进一步改善显示终端的投影画面的质量。从混光棒(Lp1、Lp2、Lp3)出射的三组激光光束(第三激光光束)分别依次经过透镜组(M1’、M2’、M3’)、(M1”、M2”、M3”)和(E1、E2、E3)(第二耦合透镜)，对三组第三激光光束进行多次汇聚光束，最终整形成三组平行的激光光束(第四激光光束)。使三组第四激光光束分别入射加载有数字全息源信息的DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜器件)(D1、D2、D3)，将在D2处出射的第五激光光束经过透镜M4(第三耦合透镜)进行扩束处理，并将扩束得到的衍射广场(第六激光光束)通过DMD阵列F1反射，最终在显示终端S(如屏幕)上形成投影画面(即图像)。
在本实施例中，D1为反射镜，D2和D3均为分光棱镜。这样一来，从透镜E1出射的第一组第四激光光束经D1反射后到达D2，进一步经D2反射后入射M4。从透镜E2出射的第二组第四激光光束经D2透射后入射M4。从透镜E3出射的第三组第四激光光束经D3透射后到达D2，进一步经D2透射后入射M4。当然，根据M4的位置，可以对(D1、D2、D3)的种类以及位置进行相应的调整，只要保证经DMD(D1、D2、D3)处理后能够形成入射至M4的平行的第五激光光束即可。
由于激光散斑的消除机理为激光光束的散斑图样在进行强度叠加时，波峰正好与波谷进行叠加。这就要求散斑图样具有空间差异性。而本发明中，通过设置可旋转的混光棒，混光棒的旋转特性以及激光光束在混光棒内的多次全反射均可以使出射的第三激光光束最大可能地实现空间差异性。光束的空间差异性使得出射的第三激光光束中产生了大量相互独立的激光散斑图样，相互独立的激光散斑图样之间通过强度的叠加即可实现激光散斑的消除。在实现了激光散斑的消除的前提下，由于激光光束的对比度、亮度等与能量有关的参数的值并不会受到影响，因此解决了激光光束的散斑消除和和能量效率之间的矛盾。
进一步地，可以通过调节旋转机构的参数，如引入能够自动调节旋转机构的速度的调节装置，通过调节装置控制混光棒的旋转速度，进一步促进了激光光束的空间差异性的实现，在此基础上使投影画面的质量也得以进一步改善。
在一种可能的实施方式中，上述三色激光器中的L1为能发射波长为632.8nm的红光的He-Ne红光激光器，L2为能发射波长为532nm的He-Ne绿光激光器，L3为能发射波长为473nm的He-Ne蓝光激光器。
实施例2
本发明还提供了一种消除激光投影散斑的光学方法，主要通过采用实施例1中的光学系统来消除激光光束存在的散斑现象。该方法主要包括以下步骤：
S10、使(红、绿、蓝)三基色激光器组(L1、L2、L3)发射的三组平行的激光光束(第一激光光束)分别通过透镜组(M1、M2、M3)汇聚光束后形成三组第二激光光束。
S20、三组第二激光光束分别入射可旋转的混光棒组(Lp1、Lp2、Lp3)，并在混光棒组(Lp1、Lp2、Lp3)内实现多次全反射后，形成从混光棒(Lp1、Lp2、Lp3)出射的三组第三激光光束。由于混光棒及其旋转的特性，实现了激光光束的空间差异化。
S30、三组第三激光光束分别依次经过透镜组(M1’、M2’、M3’)、(M1”、M2”、M3”)和(E1、E2、E3)，分别依次对三组第三激光光束进行三次汇聚光束处理后，最终整形成三组平行的第四激光光束。
S40、三组第四激光光束分别入射加载有数字全息源信息的DMD(D1、D2、D3)，并将在D2处出射的第五激光光束经过透镜M4进行扩束处理，得到衍射广场(第六激光光束)。
S50、衍射广场通过DMD阵列F1反射后，在显示终端S上形成投影画面。
需要说明的是，尽管以特定波长的三基色激光光束作为示例介绍了用于消除激光投影散斑的光学系统及其方法如上，但本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此。事实上，用户完全可根据需要以及实际应用场景、精度要求等情形，对三基色激光光束进行改进调整等形式的灵活设定等，也可以根据实际情使用情况，调整发射激光光束的各个激光器的种类和型号，如将He-Ne激光器替换为半导体激光器。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。