CN102053383A - 基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置 - Google Patents

基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及以相干光为光源的显示技术领域，具体是一种基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置，解决了现有散斑消除方法存在的消除散斑效果不佳、实现结构复杂、易损坏、成本高等问题，包括其上设有入射光耦合装置和透射出射面的光学反射腔、光学器件，光学器件正对光学反射腔的入射光耦合装置设置；光学反射腔除透射出射面内壁之外的内壁皆为“镜面”内壁，光学反射腔内设有填满整个光学反射腔的透明物质，且透明物质内散布有其线度能引起入射激光发生米氏散射的介质粒子；光学反射腔和光学器件分别或仅其一配设有微扰敏感装置。本发明结构合理、紧凑，易实现，造价低，散斑消除效果好，激光利用率高，性能稳定，安全可靠，并具有匀光功能。

Description

基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置
技术领域
本发明涉及以相干光为光源的显示技术领域，具体是一种基于米氏散射及微扰（一般指微弱振动）驱动的散斑消除装置，主要针对激光显示技术及光学仪器中存在的光学散斑现象。
背景技术
以激光为光源照射屏幕时，由于激光的相干性及屏幕的粗糙，导致人眼看到被散斑覆盖的图像，严重影响图像显示质量，阻碍观察者从图像中提取有用信息。因此，如何消除散斑一直是以激光为光源的光学仪器领域和显示技术领域中的研发热点。而就目前的研究结果来看，为消除散斑所用的方法大致可以分为两大类：一、通过控制激光光源的时间相干性来降低散斑，其原理是通过调整激光波长(或者频率)及多波长光源产生沸腾散斑，目前通过控制激光时间相干性成功消除光斑达到实用要求的技术方案基本上以多光源叠加为主；二、通过控制激光光束空间相干性消除散斑，是目前消除散斑的主要方法，基本原理是调整激光光束中基元光波的相位分布，从而改变散斑的空间分布，将多个散斑图像在人眼积分时间内相叠加，得到一个光能分布均匀的图像，进而实现消除散斑的目的。具体的方法有：采用旋转散射体、振动屏幕、振动具有Hadamard图形散射体、高频振动光纤等。上述方法，或要借助机械振动，甚至需要高频或大幅振动，或要集成多光源，实现结构复杂、易损坏、成本高，更主要的是散斑消除效果不佳。 
也有未借助机械振动的技术方案，例如：专利号为200820122639.7的中国专利公开了“一种基于散射的消相干匀场装置”，要求使用含有直径必须小于入射光波长十分之一的颗粒的散射介质，以实现对入射激光形成瑞利散射。专利中利用无机盐或有机醇水溶液(如NaCl、KCl、KNO3或ZnSO4水溶液)作为散射介质，基于无机盐或有机醇水溶液的存在形式是水合离子或大分子，相对于激光波长小很多，会对入射激光形成瑞利散射，以此实现入射激光分束，并在光导管内传导，以期降低入射激光的相干性来消除散斑，同时利用光导管的混光作用，将上述分束光进行匀化来匀场消相干。但按该申请所述技术方法进行试验，在室温下，利用长度为50mm、充满饱和NaCl水溶液的光导管消除散斑，结果如图1所示，其散斑对比度为70%，几乎没有起到降低散斑的作用。
发明内容
本发明为了解决现有散斑消除方法存在的消除散斑效果不佳、实现结构复杂、易损坏、成本高等问题，提供了一种基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置，包括其上设有入射光耦合装置和透射出射面的光学反射腔、用于实现激光入射光学反射腔的光学器件，光学器件正对光学反射腔的入射光耦合装置设置；光学反射腔除透射出射面内壁之外的内壁皆为“镜面”内壁（即内壁具有高反射率特性，能“全反射”入射于光学反射腔内的激光光束），光学反射腔内设有填满整个光学反射腔的透明物质，且透明物质内散布有其线度能引起入射激光发生米氏散射的介质粒子；光学反射腔和光学器件分别或仅其一配设有用于敏感外界微扰、并随动改变光束入射光学反射腔入射光耦合装置时的入射状态（包括入射角度、入射位置、入射光程等）的微扰敏感装置。所述外界微扰可以是环境微扰（如：系统中的散热风扇），或者由专用设置的微扰产生装置（如：压电微震微扰设备）提供。
所述微扰敏感装置可以采用多种结构实现，对于本领域的技术人员来说是很容易的，例如：采用悬臂梁结构实现、或者微弹簧等；
所述光学器件可以采用反射镜、扫描微镜、或者光学透镜；
所述透明物质为对入射激光无透射损失的透明固态物质，如：高分子凝胶；或者为溶液或溶胶，所述溶液为有机溶液或无机溶液；所述溶胶为气溶胶或液溶胶。
应用时，如图4所示，由激光光源发射的激光光束经光学反射腔上的入射光耦合装置入射到光学反射腔内的透明物质中，与透明物质中散布的介质粒子作用发生米氏散射（如图3所示，当入射激光101照射介质粒子402发生米氏散射时，入射激光101散射后的散射光光强分布于一个很宽的角度范围内，主要集中于前向散射光104、105、106，一般占总散射90%以上；后向散射光102只占很小部分，通常小于10%；沿入射激光前进方向的散射光105光强最强，垂直方向的散射光103、107最弱，因此入射激光经介质粒子402散射后，分束成多个强度不等的散射光，同时散射光的散射角分布扩大），分束成多个强度不等的散射光，或经光学反射腔内壁反射，或再次与透明物质中散布的介质粒子作用发生米氏散射，散射光分束为更多的散射光，经多次米氏散射后，由光学反射腔的透射出射面出射；由于微扰敏感装置的设置，使得光学反射腔和光学器件能敏感到外界微扰并发生随动，进而引起光束入射光学反射腔时入射状态（包括入射角度、入射位置、入射光程等）的连续改变，使得各时刻入射激光的散射光会随机改变在透明物质中传播方向和路径，最终在光学反射腔出射面出射的散射光的相位分布、散射角分布随机变化。而不同时刻的出射散射光具有不同的相位分布、散射角分布，经投影后，分别会对应产生一个散斑图像；在人眼积分时间（50ms）内，多个散斑图像相叠加，会得到一个光能分布均匀的图像，进而实现了消除散斑现象的目的。
与现有技术相比，本发明采用内置透明物质的光学反射腔，在光学反射腔内以透明物质中散布的介质粒子引起入射激光发生米氏散射，进行散射分束，并设置微扰敏感装置，使外界微扰能引起光束入射光学反射腔时入射状态的连续改变，随机改变散射光束在光学反射腔中的传播方向和路径，降低入射激光空间相干性，使得光学反射腔出射面在不同时间以不同的相位分布和散射角分布出射入射激光的散射光；从而改变投影后产生散斑的空间分布，使多个散斑图像在人眼积分时间内相叠加，得到一个光能分布均匀的图像，进而有效消除散斑。且经试验测试，应用本发明所述装置后，图像的散斑对比度可低于4%，如图5所示，图像的散斑对比度为3.98%，散斑消除效果极好；其中，外界产生的微米级扰动即能触发微扰敏感装置，例如：普通投影机风扇的震动即可满足触发微扰敏感装置所需的扰动幅度及频率要求；并可以通过提高外界微扰强度、透明物质中介质粒子的浓度来提高散斑消除效果；本发明于光学反射腔中对入射激光进行“全反射”，入射激光的总体光能损失甚微，保证了激光的高利用率，并在“全反射”过程中实现了匀光目的；此外，本发明所用光学反射腔结构极为普通，且透明物质也无须选择特殊材料，具有低造价的优势。
    本发明结构合理、紧凑，易实现，造价低，散斑消除效果好，激光利用率高，性能稳定，安全可靠，并具有匀光功能。
附图说明
图1为利用一现有技术消除散斑获得的测试结果图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为米氏散射的光强角分布图；
图4为本发明所述装置内光束的传输状态示意图；
图5为利用本发明所述装置消除散斑获得的测试结果图；
图6为本发明所述装置在点扫描显示系统中的应用示意图；
图7为本发明所述装置在全帧显示系统中的应用示意图；
图中：101-入射激光；102、103、104、105、106、107-散射光；
300-散斑消除装置；301-入射光耦合装置；302-光学反射腔；303-透射出射面；304-入射光孔；305、306、307-散斑消除装置；308-光学器件；
401-溶液或溶胶；402-介质粒子；
501、502、503-激光器；504、505、506-镜子；
601、602、603-信号源；
700-透镜；701-中继透镜；702-光调制器DLP；703-TIR棱镜； 704-中继透镜；705-TIR棱镜；706-光调制器DLP；707-中继透镜；708-平面镜；709-TIR棱镜；710-光调制器DLP；711-棱镜；712-微扫描镜；
800-屏幕。
具体实施方式
如图2所示，基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置，包括其上设有入射光耦合装置301和透射出射面303的光学反射腔302、用于实现激光入射光学反射腔302的光学器件308，光学器件308正对光学反射腔302的入射光耦合装置301设置；光学反射腔302除透射出射面303内壁之外的内壁皆为“镜面”内壁（即内壁具有高反射率特性，能“全反射”入射于光学反射腔302内的激光光束），光学反射腔302内设有填满整个光学反射腔302的透明物质401，且透明物质401内散布有其线度能引起入射激光发生米氏散射的介质粒子402；光学反射腔302和光学器件308分别或仅其一配设有用于敏感外界微扰、并随动改变光束入射光学反射腔302入射光耦合装置301时的入射状态（包括入射角度、入射位置、入射光程等）的微扰敏感装置（附图中未专门画出）。
所述微扰敏感装置可以采用多种结构实现，对于本领域的技术人员来说是很容易的，例如：采用悬臂梁结构实现、或者微弹簧等；
所述光学器件308可以采用反射镜、扫描微镜、或者光学透镜；
所述透明物质402为对入射激光无透射损失的透明固态物质，如：高分子凝胶；或者为溶液或溶胶，所述溶液为有机溶液或无机溶液；所述溶胶为气溶胶或液溶胶；
具体实施时，所述介质粒子402可以采用聚苯乙烯微球、二氧化钛粒子（TiO2）等介质粒子；所述光学反射腔302多选用金属、平面镜、透明塑料或玻璃加工制作，且其形状无需特别限定，一般多采用管状腔体；光学反射腔302的透射出射面303表面多选用透明塑料或玻璃加工制作，且多为矩形平面或圆形平面，且表面设有与入射激光波段匹配的增透膜；
所述光学反射腔302上的入射光耦合装置301可以按如下结构实现：采用透射入射面，并在表面设有与入射光束波段匹配的增透膜；或者采用入射光孔结构，如光学反射腔302内透明物质401为溶液或溶胶，则需要在入射光孔304上配设光学耦合元件（如：透镜），以便形成封闭式光学反射腔。
本发明所述散斑消除装置能应用于激光投影显示技术中，例如：如图6所示，应用于点扫描投影(Raster-Scanned Displays)系统，信号源601、602、603根据二维图像上每个像素的信息分别调制三基色激光器501、502、503输出功率；三个入射激光通过镜子504、505、506耦合入射本发明所述散斑消除装置300，经调制后于出射面导出，通过透镜700和微扫描镜(Scan Mirror)701投影到屏幕800。在电信号的驱动下，微扫描镜701根据二维图像逐像素扫描到屏幕上。本应用实例适用于点扫描的激光投影仪和激光电视显示。
如图7所示，应用于全帧显示投影(Full-Frame Displays)系统，三基色激光器501、502、503输出恒定功率激光光束，分别耦合导入本发明所述散斑消除装置305、306、307；经调制后，由中继透镜701、704、707，平面镜708及TIR棱镜703、705、709汇聚到光调制器DLP 702、706、710；光调制器DLP 702、706、710根据每帧2维图像信息调制生成单色图像；三基色图像经棱镜711融和，由透镜700投影至屏幕800。本应用实例适用于基于DMD、LCOS 等光调制器件的激光投影仪和激光电视显示。

Claims (6)

1.一种基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置，其特征在于：包括其上设有入射光耦合装置（301）和透射出射面（303）的光学反射腔（302）、用于实现激光入射光学反射腔（302）的光学器件（308），光学器件（308）正对光学反射腔（302）的入射光耦合装置（301）设置；光学反射腔（302）除透射出射面（303）内壁之外的内壁皆为“镜面”内壁，光学反射腔（302）内设有填满整个光学反射腔（302）的透明物质（401），且透明物质（401）内散布有其线度能引起入射激光发生米氏散射的介质粒子（402）；光学反射腔（302）和光学器件（308）分别或仅其一配设有用于敏感外界微扰、并随动改变光束入射光学反射腔（302）入射光耦合装置（301）时的入射状态的微扰敏感装置。
2.根据权利要求1所述的基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置，其特征在于：所述光学器件（308）采用反射镜、或者扫描微镜、或者光学透镜。
3.根据权利要求1所述的基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置，其特征在于：所述透明物质（401）为对入射激光无透射损失的透明固态物质。
4.根据权利要求1所述的基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置，其特征在于：所述透明物质（401）为溶液或溶胶，所述溶液为有机溶液或无机溶液；所述溶胶为气溶胶或液溶胶。
5.根据权利要求1所述的基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置，其特征在于：所述介质粒子（402）采用聚苯乙烯微球、或者二氧化钛粒子。
6.根据权利要求1所述的基于米氏散射及微扰驱动的散斑消除装置，其特征在于：光学反射腔（302）的透射出射面（303）表面设有与入射激光波段匹配的增透膜。
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