CN101535868A

CN101535868A - 用于散斑减少的方法和设备

Info

Publication number: CN101535868A
Application number: CNA2007800414382A
Authority: CN
Inventors: H·J·图尼森; L·王
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH; Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2009-09-16
Also published as: US20100110364A1; WO2008056318A3; EP2082280A2; WO2008056318A2; JP2010509617A

Abstract

公开了一种用于散斑减少的设备和方法，其中通过使用光束扩展器(7)来扩展相干激光束(3)。扩展光束随后被允许通过可变光学元件(11)，所述可变光学元件(11)可包括液晶单元，并对所述扩展光束应用衍射函数。然后通过准直器(17)减少所述光束的截面。准直光束的散斑图案快速变化，使得减少了当所述光束投射在表面上时感觉到的令人讨厌的散斑的程度。

Description

用于散斑减少的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于减少所感觉到的由激光束产生的散斑(speckle)的设备和方法。

背景技术

例如在US 5,313,479中描述了这样的设备，所述US 5,313,479公开了使用相干光的显示系统，其中通过旋转或振动的散射体(diffuser)来减少散斑。

然而，由于机械可移动部件的使用，这类设备往往复杂并且因此价格昂贵。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能够在不使用可移动部件的情况下减少所感觉到的散斑的设备和方法。

该目的通过如权利要求1中定义的用于减少所感觉到的由激光束产生的散斑的设备、以及通过如权利要求9中定义的对应方法来实现。

更具体地，所述设备包括：光束扩展器，其被布置为从入射光束产生扩展光束，所述扩展光束与所述入射光束相比具有增加的截面积；可变光学元件，其被布置在所述扩展光束的路径中，其中所述光学元件被布置为对所述扩展光束的至少子部分应用衍射函数，从而产生衍射光束，其中所述衍射函数随时间变化；以及光束准直器，其被布置为从所述衍射光束产生准直光束，所述准直光束与所述衍射光束相比具有减少的截面积。

所述设备能够对光束应用衍射函数，所述衍射函数发生变化使得散斑图案被快速改变。这并未移除散斑图案，但是使得其较不可见，并且对人眼造成较少干扰。不需要机械可移动部件。

所述光学元件可包括第一液晶单元，所述第一液晶单元包含液晶材料和影响所包含的液晶材料的电极，并具有光栅结构。由于光栅结构，LC分子将被布置为提供强衍射效应，并且所述电极可以在很大程度上影响该效应。所述光学元件还可包括第二单元，并且所述第一单元和所述第二单元可被单独控制。这使得可能更快速地改变所述光学元件的衍射效应。

如果使用两个单元，则这些单元的光栅周期和/或光栅取向可相互不同，以便更充分地改变衍射效应。

作为第一可选方案，所述光学元件可包括液晶单元，所述液晶单元包含液晶材料以及按组互连以影响所包含的液晶材料的多个电极，并具有光栅结构。这使得可能在使用单个单元的同时以具有多于一个光栅周期的结构布置LC分子。

作为第二可选方案，所述光学元件可包括多个液晶单元，每个单元包含液晶材料以及影响所包含的液晶材料的电极，并具有光栅结构，其中每个单元影响所述扩展光束的子部分。

所述设备可包括在激光投影系统或照明系统中。

所述方法可包括下述步骤：从入射光束产生扩展光束，所述扩展光束与所述入射光束相比具有增加的截面积；对所述扩展光束的至少子部分应用衍射函数，从而产生衍射光束，其中所述衍射函数随时间变化；以及从所述衍射光束产生准直光束，所述准直光束与所述衍射光束相比具有减少的截面积。所述方法提供了各种优点并且可以依照设备改变。

根据下面描述的实施例本发明的这些和其他方面将变得显而易见，并且将参照所述实施例对其进行说明。

附图说明

图1示意性示出用于减少所感觉到的由激光束产生的散斑的设备。

图2示出用于在图1的设备中使用的可变光学元件。

图3示出用于在图1的设备中使用的第一可选可变光学元件。

图4示出用于在图1的设备中使用的第二可选可变光学元件。

具体实施方式

现在将描述用于减少所感觉到的由激光束产生的散斑的方法和设备。

散斑是当高度相干的光束(如激光束)被具有随机表面性质的粗糙表面(如纸张、织物或粉刷的墙)散射时出现的现象。由于干扰导致强度峰值和谷值，散射光的不同部分累积成强烈波动的光图案。例如，如果在激光投影系统中使用激光束，则可能觉得这种散斑现象非常令人讨厌。投影的图像可能因而具有“颗粒状”外观。

设备1接收通过激光光源5产生的入射光束3，所述激光光源5例如为激光二极管、VCSEL(垂直空穴表面发射激光器)、变频固态激光器、气体激光器等。注意，光源5不是设备1的一部分。在时间上和空间上，入射光束3是高度相干的，并且如果所述入射光束3被投射到粗糙表面上，则它将产生令人讨厌的散斑图案。

入射光束3被馈送到大体由单个凹透镜示出的光束扩展器7。然而，本领域技术人员将了解能够扩展光束(即，增加其截面)并且通常包括若干透镜和/或反射镜的不同光学系统。从光束扩展器输出的光束9因而可称为扩展光束。

可变光学元件11位于扩展光束9的路径中。以下将更详细描述的衍射/光学元件11被布置为对扩展光束9应用衍射函数。光束的总宽度或光束的至少子部分可能被衍射函数影响。该光学元件被布置为提供随时间变化的衍射函数。该变化通过连接到光学元件11的控制单元13提供。

如果衍射函数以大约60Hz或更高的频率变化，则当光束最终投射到表面上时，可能在很大程度上移除了散斑图案。因此虽然散斑图案仍然存在于投射的光束中，但是由于该图案变化了，所以散斑较少程度地被人眼感觉到。然而，小于60Hz的频率也将产生一些作用。从光学元件11输出的光束15可被称为衍射光束15。

衍射光束继续到达由凸透镜指示的光束准直器17。与光束扩展器7类似，准直器17可以不同方式实现，如本领域技术人员所公知的。通常，准直器17从衍射光束15产生准直光束19。准直光束19与衍射光束15相比，具有减少的截面积。

准直光束19的截面积可相当于入射光束3的截面积，尽管这不是必须的。

由于光学元件11的变化的衍射函数，准直光束19的散斑图案快速变化，使得当准直光束投射在表面上时观看者完全看不到散斑图案，或与投射入射光束3的情况相比感觉到的令人讨厌的散斑减少了。

准直光束19现在可用于多种应用中，例如在激光投影系统中、作为聚光灯、在汽车前灯照明系统中等。

图1还图示用于减少所感觉到的由激光束产生的散斑的对应方法，所述方法包括下述步骤：从入射光束产生扩展光束，所述扩展光束与所述入射光束相比具有增加的截面积，对所述扩展光束的至少子部分应用衍射函数，从而产生衍射光束，其中所述衍射函数随时间变化，并且从所述衍射光束产生准直光束，所述准直光束与所述衍射光束相比具有减少的截面积。

图2示意性地以截面形式图示用于在图1的设备中使用的可变光学元件11。所述元件包括第一薄液晶单元(cell)21，所述第一薄液晶单元21包含液晶(LC)材料23。

单元21的内表面具有被提供为精细表面结构的光栅结构25，其在松弛(relaxed)状态下使得LC分子以光栅状的结构按特定取向(在LC单元的平面内)和间隔周期对自身进行排列。LC单元21中的LC分子的该光栅状的结构将基本上衍射沿图2箭头所指示的方向通过该单元的光。注意到，光栅结构是微观的。关于该方面，图2当然不是按比例绘制。由于LC材料只影响一种类型的偏振，所以使用了激光的偏振性质。

单元21还包括位于LC材料的相对两侧的电极27、29。该电极可由透明材料(例如，ITO，铟锡氧化物)制成并用于影响该单元中包含的LC材料23。当在电极27、29之间施加电压时，如电压源31和开关33所指示的，电场驱使LC分子在一定程度上离开其光栅状结构。这可例如通过如图1所示的控制单元13实现。因此，大大改变了LC单元21的衍射效应。同样改变了折射率。如果衍射效应以足够高的速率(例如，60Hz或更高)改变，则人眼将感觉到减少的散斑。

通过例如接通和关断电场，LC单元的衍射函数将因此随时间变化。当然，还可能使施加的电压持续变化，使得衍射效应平滑地改变。

图2所示的光学元件11还通过与第一单元21类似的第二液晶单元35而得以增强。第二单元因此包含液晶材料37并具有光栅结构39和影响所包含的液晶材料的电极41和43。第一和第二单元可单独控制，即，在关断第二单元时，可接通或不接通第一单元，反之亦然。因此，即使仅使用通断状态，四种组合也是可能的(通-通、通-断、断-通和断-断)。衍射效应因此可按所施加的电场的频率的两倍变化，如果LC材料“慢”，则这特别有用。所述单元可具有不同光栅周期，例如在第一单元21中光栅周期为50μm，而在第二单元中光栅周期为60μm。可选地或与该差别组合，所述单元还可具有不同的光栅取向。这些差别使得上述衍射模式相互之间甚至更加不同。当然，可使用多于两个的单元。

图3以截面形式示出用于在图1的设备中使用的第一可选可变光学元件。在此情况下，光学元件11’包括单个液晶单元51，所述液晶单元51包含液晶材料53。该单元具有将影响LC材料的光栅结构55。该单元与例如图2中的第一单元21的差别在于，该单元的平坦表面上的电极被划分为按组互连的分开的部分。因此，分开的电极57、59、61、63和65位于该单元的一侧并且按第一组电极57、61和65以及第二组电极59、93互连。每个电极可与光栅结构中的子结构协调一致。类似地，两组电极67、71、75和69、73提供在另一侧。与图2的两个单元的组合类似，这允许通过施加不同电压到不同电极组来实现若干不同的衍射函数。将不同电压组合施加到不同电极组可用于通过改变光栅间隔周期来改变LC分子的光栅结构。

如图3图示的两个单元当然可以组合，图3所示的一个单元也可以与图2所示的一个单元组合，等等。

图4是用于在图1的设备中使用的第二可选可变光学元件的前视图。

在此情况下，光学元件11”包括多个液晶单元81、83、85、87、89等，其以阵列布置以影响扩展光束9的不同子部分，如图1所示。每个单元包含如前所述的液晶材料。如图4所示，该单元可具有不同的光栅间隔和光栅，并且可通过电极单独控制。因此，扩展光束的不同部分在被准直器组合为准直光束前，将被不同的并且变化的衍射效应影响。这将非常有效地降低由人眼感觉到的任何散斑。

总之，公开了一种用于散斑减少的设备和方法，其中通过使用光束扩展器扩展相干激光束。扩展光束随后被允许通过可变光学/衍射元件，所述可变光学/衍射元件可包括液晶单元，并对扩展光束应用衍射函数。然后通过准直器减少光束的截面。准直光束的散斑图案快速变化，使得减少了当光束投射在表面上时感觉到的令人讨厌的散斑的程度。

Claims

1.一种用于减少所感觉到的由激光束产生的散斑的设备，所述设备包括：

光束扩展器(7)，其被布置为从入射光束(3)产生扩展光束(9)，所述扩展光束与所述入射光束相比具有增加的截面积；

可变光学元件(11；11’；11”)，其被布置在所述扩展光束(9)的路径中，其中所述光学元件被布置为对所述扩展光束的至少子部分应用衍射函数，从而产生衍射光束(15)，其中所述衍射函数随时间变化；以及

光束准直器(17)，其被布置为从所述衍射光束(15)产生准直(19)光束，所述准直光束与所述衍射光束相比具有减少的截面积。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述光学元件(11)包括：第一液晶单元(21)，所述第一液晶单元(21)包含液晶材料(23)，并且具有光栅结构(25)和影响所包含的液晶材料的电极(27，29)。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述光学元件(11)还包括第二液晶单元(35)，所述第二液晶单元(35)包含液晶材料(37)并具有光栅结构(39)和影响所包含的液晶材料的电极(41，43)，其中所述第一单元和所述第二单元能够被单独控制。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述第一单元和所述第二单元具有相互不同的光栅周期和/或光栅取向。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述光学元件(11’)包括液晶单元，所述液晶单元包含液晶材料并具有光栅结构以及按组互连以影响所包含的液晶材料的多个电极。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述光学元件(11”)包括多个液晶单元(81，83，85，87，89)，每个单元包含液晶材料并具有光栅结构以及影响所包含的液晶材料的电极，其中每个单元影响所述扩展光束的子部分。

7.如前述任一权利要求的设备，其中所述设备被包括在激光投影系统中。

8.如权利要求1到6的任一所述的设备，其中所述设备被包括在照明系统中。

9.一种用于减少所感觉到的由激光束产生的散斑的方法，所述方法包括下述步骤：

从入射光束产生扩展光束，所述扩展光束与所述入射光束相比具有增加的截面积；

对所述扩展光束的至少子部分应用衍射函数，从而产生衍射光束，其中所述衍射函数随时间变化；以及

从所述衍射光束产生准直光束，所述准直光束与所述衍射光束相比具有减少的截面积。