CN101685181A - 一种基于散射的消相干匀场装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于激光的消相干匀场装置，包括中空波导和散射媒质，所述中空波导为密封腔体以容纳所述散射媒质并对所述激光实行传导。本发明通过激光在散射媒质中的传播过程中，通过散射媒质对激光发生的瑞利散射将激光分束并利用波导的混光作用将上述分束光进行匀化，最终得到相干性有效降低且照度分布均匀的激光光束。本发明的装置可以同时实现消相干和匀场功能，并且激光利用率高、成本低廉、无噪音、不耗电。

Description

一种基于散射的消相干匀场装置

技术领域

本发明涉及激光显示领域，具体涉及一种基于散射的消相干匀场装置。

背景技术

由于激光的相干性，造成显示画面散斑现象严重，影响观者感受，这一问题已成为激光显示领域必须克服的技术难题。

公开号为CN1879057的发明专利利用光扩散单元中或摇动或振动或流动的散射颗粒对激光进行作用，使得从光扩散单元透射的激光产生的散斑图像随时间发生变化，使人眼观察到叠加的散斑图像，所以散斑现象不明显。但是，该装置对激光的利用率很低，其优选方案的利用率仅25％左右；而且该方案对光源、光扩散单元以及光调制元件之间的空间位置有严格的限制，对安装和维护均有较高要求；另外，由于需要另设使散射颗粒或摇动或振动或流动的装置，使得整个方案设计复杂，成本高昂。

公开号为CN101078869的发明专利在显示系统屏幕内设置流动回路，并在流动回路中填充可对激光散射的液体或气体，并使液体或气体处于流动状态，使观察者看到经过时间平均化的散斑图像，达到消散斑的效果，但这种方法中的屏幕的制造非常复杂，成本很高，而且还需要设置促使所述液体或气体流动的泵，引入不期望的噪音并增加功耗。

发明内容

因此，为了克服现有技术不足，本发明提供一种能同时实现消相干和匀场功能的装置。

本发明提供一种用于激光的消相干匀场装置，包括中空波导和散射媒质，其中，所述散射媒质适用于对所述激光实行瑞利散射，所述中空波导为密封腔体以容纳所述散射媒质并对所述激光实行传导。

上述技术方案中的消相干匀场装置，其中所述中空波导包括侧壁和光入射面、光出射面，所述侧壁适用于反射所述激光；所述光入射面和光出射面位于所述中空波导的端面处，适用于透射所述激光。

上述技术方案中的消相干匀场装置，其中所述中空波导为笔直形状或弯曲形状。

上述技术方案中的消相干匀场装置，其中所述散射媒质为无机盐水溶液或有机物醇溶液。

上述技术方案中的消相干匀场装置，其中所述侧壁、光入射面和光出射面由透明塑料或玻璃制成。

上述技术方案中的消相干匀场装置，其中所述侧壁的内表面或外表面镀有针对所述激光的波段的全反射膜。

上述技术方案中的消相干匀场装置，其中所述侧壁的折射率小于所述散射媒质的折射率。

上述技术方案中的消相干匀场装置，其中所述光入射面的两通光面和光出射面的两通光面均镀有针对所述激光的波段的增透膜。

上述技术方案中的消相干匀场装置，其中所述透明塑料为聚四氟乙烯。

上述技术方案中的消相干匀场装置，其中所述中空波导的横截面形状为矩形或圆形。

上述技术方案中的消相干匀场装置，其中所述散射媒质为NaCl、KCl、KNO₃或ZnSO₄的水溶液。

本发明的有益效果是：

1.可同时实现消相干和匀场功能。所述波导对激光具有匀场作用，加上所述散射媒质对入射激光进行瑞利散射，形成的散射光相对入射激光有所退偏，散射光在波导中传播经过不同的光程出射，因此出射光束的偏振度及相位相对于入射激光已大为改变，其相干度大为减弱。所以，本发明装置对激光能同时实现消相干和匀场的功能。

2.激光利用率高。由于瑞利散射不吸收光能，再考虑到散射媒质可采用对激光吸收极小的物质，且所述波导在传播激光的过程中，漏光极少，通常可使得激光的利用率高达90％。

3.结构简单，成本低廉。本发明装置采用的都是常见的材料和常见的结构，在材料成本和加工成本上都很低，相应的，替换成本也很低。

4.无噪音，不耗电。本发明装置为静态调制，不引入系统噪音，且运行过程中不耗电，是一种理想的环保解决方案。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为本发明装置的一个实施例的剖面示意图。

图2为本发明装置的另一个实施例的剖面示意图。

图3为将实施例1的本发明装置用于一种单片式DLP激光投影系统的实施例的示意图。

图4为将实施例1中的本发明装置用于一种三片式DLP激光投影系统的实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明利用内层填充有散射媒质的中空波导传输激光，利用传播过程中散射媒质对激光发生的瑞利散射将激光分束并利用波导的混光作用将上述分束光进行匀化，最终得到相干性有效降低且照度分布均匀的激光光束。

首先对瑞利散射的特点作出简要说明。瑞利散射是由线度小于入射光波长十分之一的微粒造成的，瑞利散射不吸收光能，散射光波长与入射光波长相同。在与入射光传播方向成θ角的方向上，单位散射媒质(包含有散射颗粒的溶液、烟尘或其他物质)中散射光强度为

$I_{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\α}\frac{N_0{V}^2}{r^2{\mathrm{\λ}}^4}{I}_0(1+{\cos }^2\mathrm{\θ})$

其中α表征散射媒质的非均匀程度，N₀为单位体积散射媒质中散射颗粒的数目，V为一个散射颗粒的体积，r为散射颗粒到观察点的距离，λ为入射光的波长，I₀为入射光的光强。

因此，根据上述瑞利散射的理论，可以知道散射光的强度与入射光波长的四次方成反比，即在其他条件一定的情况下，短波长的入射光被散射的程度更高，而且散射颗粒的密度越大、散射颗粒体积越大(直径须小于入射光波长的十分之一)，则散射媒质的散射能力越强(即入射光被散射的光越多，沿原方向继续传播的光越少)。

从中还可以看出，瑞利散射的散射光在空间的角分布有如下的规律：在与入射光方向夹角越小的方向上，散射光的强度越大，在与入射光垂直的方向上，散射光强度达到最小。因此，大部分散射光集中分布于入射光方向附近。

瑞利散射还有一个特点，即当入射光为线偏振光且散射颗粒是各向异性时，散射光会出现退偏现象，即散射光为部分偏振光；当入射光为部分偏振光时，不同方向上的散射光仍为部分偏振光，但具有与入射光不同的偏振度，且散射光之间的偏振度互不相同。

实施例1：

图1为本发明装置的一个实施例的剖面示意图。如图1所示，本实施例中的消相干匀场装置包括笔直形状的中空波导102以及填充在其内的NaCl水溶液。其中中空波导102包括侧壁101、光入射面108和光出射面111。因为经本发明装置处理后的激光通常用于照射矩形光阀，所以中空波导102的横截面优选采用矩形。中空波导102的侧壁101由玻璃或透明塑料(例如聚四氟乙烯)等耐腐蚀且吸收光能较少的材料制成，侧壁101的内壁平面度没有特殊要求，因此不造成加工上的困难。中空波导102的腔内填充有NaCl水溶液(溶剂为蒸馏水，溶质为分析纯的NaCl)，中空波导102两底面由光入射面108、光出射面111封住，光入射面108和光出射面111由玻璃或透明塑料等透光物质制成，其形状不限，其面积应略大于中空波导102的两底面(能完全覆盖底面即可)，光入射面108的两通光面和光出射面111的两通光面均镀有针对入射光束104的波长的增透膜。NaCl水溶液的折射率应大于侧壁101的材料的折射率，并且上述两者折射率的差值越大越好(折射率差值越大，意味着波导的数值孔径越大，接收入射光的能力就越强，本实施例中的折射率均指材料在入射光束104的波长处相对于真空的折射率)。

入射光束104为具有相干性的可见光波段的激光，其以聚焦形式耦合进入中空波导102内，并在NaCl水溶液中向前传播，Na⁺离子或Cl^-离子(统称为离子103)的线度均小于10nm，通常入射光束104的波长处于400～780nm之间，显然离子103的线度小于入射光束104的波长的十分之一，一部分光束例如光束105遇到离子103时发生瑞利散射(Rayleigh Scattering)，产生沿空间各个方向传播的散射光。其中第一散射光106和沿原方向传播的光束107在侧壁101上的入射角大于全反射角，而第二散射光110在侧壁101上的入射角小于全反射角，第一散射光106和光束107遇到侧壁101时发生全反射继续向前传播，第二散射光110一部分反射回波导继续向前传播形成散射光113，一部分则透射出波导损失掉，由上述瑞利散射的角分布的理论可知，这样损失掉的光能只占入射光束的极小部分，分布于入射光束104的传播方向附近的大部分散射光在侧壁101上发生的是全反射。由于NaCl水溶液中布满了离子103，腔内的光束不断遇到离子103并发生瑞利散射，每发生一次瑞利散射，光束就被分为若干束子光束向空间各个方向发散，基于瑞利散射原理，当散射颗粒为各向异性时，每次散射得到的子光束都有不同程度的退偏或偏振度的改变，这些子光束经过不同的光程后在中空波导102的出射端面重新混合，最终形成出射光束109，相比线偏振的入射光束104，出射光束109已经有所退偏，上述过程中由于光程不同造成的子光束之间的相位差以及相对于入射光束的退偏都大为减弱了入射光束104的相干性。

另一方面，用没有填充NaCl水溶液的矩形中空波导102(实际上是聚光器的一种)传输激光本身就可以达到匀场(即在出射端面得到光照度均匀的激光光束)的效果，加上NaCl水溶液中离子103的散射作用，使得在中空波导102中传输的光束的匀场效果更好，所以采用本实施例中的装置可以同时完成消相干和匀场两个功能。

本发明另一显著的优点是对激光的损耗小，由于瑞利散射不吸收光能，再考虑到NaCl水溶液对入射光束104的吸收极小，加上可以忽略的极少量的侧壁透射光，最终出射端面的光束109的能量一般可以达到入射光束104的90％。当然，如果在侧壁101外表面镀上针对入射光束波段的高反膜，激光的利用率会更高。

在一定程度上，本发明装置中的NaCl水溶液浓度越高，消相干的效果越好。首先因为NaCl水溶液的浓度越高，其折射率也越高，其与侧壁材料的折射率的差值也越大，使得全反射角越大，在侧壁发生透射的散射光也越少；其次NaCl水溶液的浓度越高，溶液中离子的密度越大，根据瑞利散射的原理，散射光强度也越大，因此消相干的效果也会越好。

实施例2：

图2为本发明装置的另一个实施例的剖面示意图，其中密封的中空的波导管202内填充有KNO₃水溶液，波导管202由玻璃或透明塑料一体化制成，波导管202的光入射面203和光出射面204镀有针对入射光束201波段的增透膜，波导管202的侧壁205镀有针对入射光束201波段的高反膜，所有膜均镀在波导管202的外表面，当然也可以镀在波导管202的内表面，只是这种方式对膜层的耐腐蚀性能有较高要求。光束在波导管202内传播时遇到侧壁205外表面的高反膜发生反射。波导管202是如图2所示的来回弯折形状，其横截面为圆形，波导管202设计成来回弯折形状节省了空间，波导管202也可以是其它弯折形状，甚至波导管202可以在空间上呈螺旋环绕或打结。波导管202横截面的直径优选为相等，也可以不相等，只要波导管202可以实现导光作用即可。基于与实施例1相同的消相干和匀场原理，在光出射端面204得到相干性极低且光照度均匀分布的出射光束206。

另外，实验表明，本发明中的波导管适当的弯曲对消相干的效果也有一定的提升，这是由于波导管的弯曲进一步加大了各光束之间的光程差，这些光束在光出射面处的相位关系比通过实施例1中的笔直形状波导管处理后更为混乱。

由于波导管202的侧壁205的外表面镀有高反膜，所以不要求KNO₃水溶液的折射率大于外壁材料的折射率，当然，在合理范围内，KNO₃水溶液优选为高浓度。

实施例3：

图3为将实施例1的本发明装置用于一种单片式DLP激光投影系统的实施例的示意图。其中红光激光器301经过红光整形装置311后形成聚焦光束耦合进入矩形的中空波导304的腔内，绿光激光器302和蓝光激光器303也分别经过各自的整形装置后形成聚焦光束耦合进入中空波导304的腔内。中空波导304的腔内填充有NaCl水溶液，从中空波导304出射的光束相干性极低并且光照度均匀。由于中空波导304截面为矩形，所以上述出射光束为矩形，与矩形的DMD光阀308的形状匹配，但其发散角较大，一般不直接用于照明DMD光阀308，因此需要使用中继透镜305将其发散角压缩(一种本领域普通技术人员熟知的整形技术)，并经过TIR棱镜307(total internalreflection)后成像于DMD光阀308处，DMD光阀308配合三基色激光器时分复用地对入射其上的激光进行调制，其产生的图像经投影透镜309投射到屏幕310上显示。

实施例4：

图4为将实施例1中的本发明装置用于一种三片式DLP激光投影系统的实施例的示意图。三基色激光器由红光激光器301、绿光激光器302和蓝光激光器303组成。其中绿光激光器302经过整形装置404形成聚焦光束耦合进入矩形中空波导405的腔内，中空波导405的腔内填充有NaCl水溶液，从中空波导405出射的光束相干性极低并且光照度均匀，基于与实施例3中相同的原因，从中空波导405出射的光束需要经过中继透镜406压缩发散角并经TIR棱镜414后成像于绿光DMD光阀410处，红光和蓝光的上述过程与绿光类似，它们分别经过各自的DMD光阀后，在X-cube棱镜411与绿光合色形成彩色图像，之后通过投影透镜412将合成后的彩色图像投射到屏幕413上。

上述用于传输激光的中空波导应由耐腐蚀、对光吸收少的材料制成，基于材料的易获得性和成本方面的考虑，上述实施例中的中空波导优选采用玻璃或聚四氟乙烯制成。中空波导内填充的溶液不限于NaCl和KNO₃的水溶液，还可以是其它种类的水溶液或醇溶液，例如KCl、ZnSO₄之类溶于水的无机盐类的水溶液，或者是有机物的乙醇溶液，总之凡是能够对激光带来足够散射效应的散射物质均可。另外，中空波导的截面形状优选与需要进行照明的光阀形状匹配，因此当光阀为其他形状时，也可以对中空波导的形状作出相应改动，例如对圆形光阀采用圆形波导，最常见的圆形中空波导就是中空的光纤(只有包层、没有纤芯的光纤)。

本发明装置工作过程中不产生噪音，也不耗电，是一种理想的静音环保的消相干方案。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种用于激光的消相干匀场装置，包括中空波导和散射媒质，其中，所述散射媒质适用于对所述激光实行瑞利散射，所述中空波导为密封腔体以容纳所述散射媒质并对所述激光实行传导。

2.权利要求1所述的用于激光的消相干匀场装置，其中所述中空波导包括侧壁和光入射面、光出射面，所述侧壁适用于反射所述激光；所述光入射面和光出射面位于所述中空波导的端面处，适用于透射所述激光。

3.权利要求1所述的用于激光的消相干匀场装置，其中所述中空波导为笔直形状或弯曲形状。

4.权利要求1-3之一所述的用于激光的消相干匀场装置，其中所述散射媒质为无机盐水溶液或有机物醇溶液。

5.权利要求2所述的用于激光的消相干匀场装置，其中所述侧壁、光入射面和光出射面由透明塑料或玻璃制成。

6.权利要求2所述的用于激光的消相干匀场装置，其中所述侧壁的内表面或外表面镀有针对所述激光的波段的全反射膜。

7.权利要求2所述的用于激光的消相干匀场装置，其中所述侧壁的折射率小于所述散射媒质的折射率。

8.权利要求2所述的用于激光的消相干匀场装置，其中所述光入射面的两通光面和光出射面的两通光面均镀有针对所述激光的波段的增透膜。

9.权利要求5所述的用于激光的消相干匀场装置，其中所述透明塑料为聚四氟乙烯。

10.权利要求1所述的用于激光的消相干匀场装置，其中所述中空波导的横截面形状为矩形或圆形。

11.权利要求4所述的用于激光的消相干匀场装置，其中所述无机盐水溶液为NaCl、KCl、KNO₃或ZnSO₄的水溶液。

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