CN102298219A

CN102298219A - 一种激光散斑消除装置

Info

Publication number: CN102298219A
Application number: CN2010102072523A
Authority: CN
Inventors: 王斌; 毕勇
Original assignee: Optoelectronics Technology Co Ltd Of Beijing Zhongshida and Chinese Academy Of
Current assignee: Optoelectronics Technology Co Ltd Of Beijing Zhongshida and Chinese Academy Of
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-28

Abstract

本发明涉及一种激光散斑消除装置，包括具有密封腔体的中空波导和位于所述中空波导的密封腔体内的多孔液体，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，适用于透射激光。本发明的激光散斑消除装置利用内层填充有多孔液体的中空波导传输激光，降低光束的空间和时间相干性，从而有效降低相干对比度并提高激光光束的均匀度。

Description

一种激光散斑消除装置

技术领域

本发明涉及激光显示领域，特别涉及一种激光散斑消除装置。

背景技术

激光在生物医学、显示、高密度数据存储、光谱学、激光打印、水下成像与通讯、探测等领域得到广泛应用。在上述领域尤其是激光显示领域，激光固有的相干性造成的散斑现象已经成为困扰广大技术工作者的一大难题。本质上讲，散斑现象是光源的相干性引起的，因此，通过降低光源的时间相干性和空间相干性就能达到减弱散斑的目的。文献和专利中报道的减弱散斑的方法可以归纳为以下两种方法：（1）采用时间部分相干光照明，即将光源分为多个多模激光器输出，采用非相干叠加的方法使得散斑效应减弱；（2）降低光束空间相干性，在整个光束范围内产生无规相位调制达到减弱散斑效应的目的。实际应用中，多同时运用上述两种方法，达到更好的散斑减弱效果。

目前，国内外报道的降低光束空间相干性的方法主要采用：（1）在光束内插入一个、多个转动或振动的漫射体；（2）在光束内插入液晶器件，通过电场激励使晶体运动引起必要的相位调制；（3）采用带有转动棱镜的系统，使相干光束有效的变换为准单色非相干的环形光源。上述方法中，（2）对光束偏振性要求高，且光损较高，（1）、（3）对光束要求不高，但由于采用运动器件，会增加系统的噪声和不可靠性，造成画面清晰度下降，另外，由于振动、转动的重复性，散射体的运动不能做到完全随机，不能更为有效降低光束空间相干性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供激光散斑消除装置，利用内层填充有多孔液体的中空波导传输激光，降低光束的空间相干性，最终得到相干性有效降低且照度分布均匀的激光光束。

本发明是通过如下技术方案实现的：激光散斑消除装置，包括具有密封腔体的中空波导和位于所述中空波导的密封腔体内的多孔液体，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，适用于透射激光。

上述激光散斑消除装置，所述多孔液体为纯液体型多孔液体。

上述激光散斑消除装置，所述纯液体型多孔液体为冠醚、杯芳烃和环糊精中的一种或多种。

上述激光散斑消除装置，所述多孔液体为溶解于位阻溶剂中的空主体分子型多孔液体。

上述激光散斑消除装置，所述溶解于位阻溶剂中的空主体分子型多孔液体是由葫芦脲、无机笼状化合物中的一种或两种溶于丙酮获得的液体。

上述激光散斑消除装置，所述多孔液体为分散在位阻溶剂中的框架材料型多孔液体。

上述激光散斑消除装置，所述分散在位阻溶剂中的框架材料型多孔液体为将分子筛纳米微晶溶于丙酮获得的液体。

上述激光散斑消除装置，所述中空波导为笔直形状或弯曲形状。

上述激光散斑消除装置，所述侧壁的折射率小于所述多孔液体的折射率。

上述激光散斑消除装置，所述中空波导的横截面形状为矩形或圆形或正多边形。

本发明的激光散斑消除装置具有以下有益的技术效果：

（1）多孔液体，即具有永久孔洞的液体，它结合了微孔固体的大小、形状选择性、吸附等特性和液体的快速传质性、流动性和稳定的动力学性能。在多孔液体中，液体分子和孔洞相当于大量作布朗运动的散射体，其作用结果是降低光束的空间相干性，采用多孔液体的布朗运动作为散斑消除方法优势明显：首先，光场的相关性质是依赖于散射体运动的型式的，作布朗运动的液体分子和孔洞，其运动是完全随机的，其散射光的光谱为Lorentz线型，而对于一个和多个转动或振动的漫射体其运动则是完全相关的；其次，多孔液体的布朗运动是微观运动，是分子热运动的表现，不会停止，这相对于宏观物体靠驱动力激励的运动可靠性更高；另外，在显示应用中，宏观散射体的振动、转动，会造成画面清晰度的下降，而多孔液体分子和孔洞的布朗运动则不会影响画面质量。利用多孔液体分子和孔洞布朗运动对激光散斑的减弱效应，选择合适的液体和工作温度，研制集成散斑消除器件，其在激光医学、激光显示、激光探测等领域有着广泛的应用，将极大促进上述领域的发展，产生巨大的经济效益。

（2）本发明的激光散斑消除装置可同时实现消相干和匀场功能。所述中空波导对激光具有匀场作用，加上所述多孔液体对入射激光进行散射，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。激光利用率高。由于散射不吸收光能，再考虑到多孔液体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％。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。无噪音，不耗电。本发明装置利用液体分子固有的热运动实现消散斑，无宏观机械运动，不产生系统噪音，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

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。

图5为实施例1中的纯液体型多孔液体示意图。

图6为实施例2中的溶解于位阻溶剂中的空主体分子型多孔液体示意图。

图7为分散在位阻溶剂中的框架材料型多孔液体示意图。

图8为具有非固有孔的传统液体示意图。

图中：101-侧壁，102-中空波导，103-具有固有孔的分子，104-入射光束，105-光束，106-第一散射光，107-光束，108-光入射面，109-出射光束，110-第二散射光，111-光出射面，113-散射光，201-入射光束，202-波导管，203-光入射面，204-光出射端面，205-侧壁，206-出射光束，301-红光激光器，302-绿光激光器，303-蓝光激光器，304-中空波导，305-中继透镜，307-TIR棱镜，308-DMD光阀，309-投影透镜，310-屏幕，311-红光整形装置，404-整形装置，405-矩形中空波导，406-中继透镜，411-X－cube棱镜，410-绿光DMD光阀，412-投影透镜，413-屏幕，501-传统液体的分子，502-位阻溶剂分子，503-框架材料，504-非固有孔，505-固有孔。

实施方式

传统液体如图8所示：传统液体的分子501之间的非固有孔504孔隙半径比典型的分子要小，超过0.15 nm 的孔隙非常少，一般介于0.01～0.04 nm 之间。以此尺寸量级的分子和孔洞尺寸与波长为532nm的激光相互作用，布朗运动对激光光场的影响非常有限。

纯液体型多孔液体如图5所示：液体分子均为具有固有孔的分子103，所述固有孔505大于0.3nm，可以为大于50nm的大孔，介于2～50nm 之间的介孔，或0.3～2nm 之间的足够容纳其他分子的微孔。纯液体型多孔液体的分子存在不会坍塌的内部空腔。

溶解于位阻溶剂中的空主体分子型多孔液体如图6所示：空主体分子溶解在位阻溶剂分子502中形成，空主体分子为具有固有孔的分子103，固有孔505大于0.3nm，可以为大于50nm的大孔，介于2～50nm 之间的介孔，或0.3～2nm 之间的足够容纳其他分子的微孔。

分散在位阻溶剂中的框架材料型多孔液体如图7所示：框架材料503溶解在位阻溶剂中，空主体分子为具有固有孔的分子103，固有孔505大于0.3nm，可以为大于50nm的大孔，介于2～50nm 之间的介孔，或0.3～2nm 之间的足够容纳其他分子的微孔。

与存在于液体分子之间的小的、暂时性的非固有孔504相比，如果液体分子内有空置的孔洞，即固有孔505，就会存在真正意义上的多孔液体。在简单溶液中，通常任何孔隙都会被较小的溶剂分子所占据；而在多孔液体中，任何溶剂等小分子都会被刻意地在空间上从主体的孔中清除。多孔液体将微孔固体的多种特性，如大小、形状选择性吸附等，和液体的快速传质性、流动性和稳定的动力学性能结合在一起。具有固有孔的分子103可以为分子筛、配位聚合物、共价有机网络结构等。

在多孔液体中，液体分子和孔洞相当于大量作布朗运动的散射体，其作用结果是降低光束的空间相干性。

以下通过实施例来详细说明如何设置多孔液体使其达到消散斑的效果。

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，本实施例中的激光散斑消除装置包括笔直形状的中空波导102以及填充在其内的如图5所示的纯液体型多孔液体，可以是冠醚、杯芳烃和环糊精中的一种或多种。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的腔内填充有纯液体型多孔液体，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。纯液体型多孔液体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，并在纯液体型多孔液体中向前传播，一部分光束例如光束105遇到具有固有孔的分子103时发生散射，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，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。由于纯液体型多孔液体中布满了具有固有孔的分子103，腔内的光束不断遇到具有固有孔的分子103并发生散射，每发生一次散射，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，用没有填充纯液体型多孔液体的矩形中空波导102（也可为圆形和正多边形，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，加上纯液体型多孔液体中具有固有孔的分子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，由于散射不吸收光能，再考虑到纯液体型多孔液体对入射光束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。

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内填充有如图6所示的溶解于位阻溶剂中的空主体分子型多孔液体，是由葫芦脲(英文名称：cucurbituril)、无机笼状化合物[例如：{CpCo(CH₃)}₄(Cp*Ru)₄]中的一种或两种溶于有机溶剂如丙酮获得的液体，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，所以不要求溶解于位阻溶剂中的空主体分子型多孔液体的折射率大于外壁材料的折射率，当然，在合理范围内，溶解于位阻溶剂中的空主体分子型多孔液体优选为高浓度。此外，波导管202内还可填充如图7所示的溶解于位阻溶剂中的框架材料型多孔液体，例如将分子筛纳米微晶，在甲苯等有机溶剂中形成透明的分散体系。

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的腔内填充有分散在位阻溶剂中的框架材料型多孔液体，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纯液体型多孔液体和溶解于位阻溶剂中的空主体分子型多孔液体，还可以是分散在位阻溶剂中的框架材料型多孔液体。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。

Claims

1.一种激光散斑消除装置，其特征在于，包括具有密封腔体的中空波导和位于所述中空波导的密封腔体内的多孔液体，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，适用于透射激光。

2.根据权利要求1所述的一种激光散斑消除装置，其特征在于，所述多孔液体为纯液体型多孔液体。

3.根据权利要求2所述的一种激光散斑消除装置，其特征在于，所述纯液体型多孔液体为冠醚、杯芳烃和环糊精中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种激光散斑消除装置，其特征在于，所述多孔液体为溶解于位阻溶剂中的空主体分子型多孔液体。

5.根据权利要求4所述的一种激光散斑消除装置，其特征在于，所述溶解于位阻溶剂中的空主体分子型多孔液体是由葫芦脲、无机笼状化合物中的一种或两种溶于丙酮获得的液体。

6.根据权利要求1所述的一种激光散斑消除装置，其特征在于，所述多孔液体为分散在位阻溶剂中的框架材料型多孔液体。

7.根据权利要求6所述的一种激光散斑消除装置，其特征在于，所述分散在位阻溶剂中的框架材料型多孔液体为将分子筛纳米微晶溶于丙酮获得的液体。

8.根据权利要求1至6任一所述的一种激光散斑消除装置，其特征在于，所述中空波导为笔直形状或弯曲形状。

9.根据权利要求1至6任一所述的一种激光散斑消除装置，其特征在于，所述侧壁的折射率小于所述多孔液体的折射率。

10.根据权利要求1至6任一所述的一种激光散斑消除装置，其特征在于，所述中空波导的横截面形状为矩形或圆形或正多边形。