CN102844697A - 光斑消减器及包括光斑消减器的投影单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光斑消减设备，该光斑消减设备包括光学元件（20、120），所述光学元件用于被待处理的相干光束穿过。所述设备还包括：能够造成所述光学元件（20、120）发热的装置（22、123）；以及降温元件（26），所述降温元件与所述光学元件（20、120）联接，以便能够对所述光学元件进行降温。控制模块（34、134）被配置为用于控制所述加热装置和降温元件，以在所述光学元件（20、120）中产生热扰动，导致所述光学元件折射率的相对应的变化。所述光学元件为压电晶体，以造成所述压电晶体发热的特定变形模式来激发所述压电晶体。

Description

光斑消减器及包括光斑消减器的投影单元

技术领域

本发明涉及光斑消减设备，以及该光斑消减设备在投影单元上的应用，其中所述投影单元使用相干的光源，并且尤其是机动车辆用的平视显示（英文为“head up display”）设备类型的。

背景技术

平视显示设备通常包括投影单元，该投影单元产生用于指向合成器的光束，以投影图像，尤其是车辆的工作信息或更一般的关于驾驶的信息，所述信息的形式为位于驾驶员视线范围中的虚拟图像。

在这种平视显示设备中或更一般地在任何类型的使用相干光源（例如：激光）的投影系统中出现的一个不利现象在英语术语中公知为“光斑（speckle）”。在本领域中法语通常也使用术语“speckle”，尽管也称为“tavelure”、“chatoiement”或激光粒度。

光斑现象的根源在于激光特殊的空间和时间相干特性。由激光源发出的相干光波在被自然粗糙的表面漫射后在空间的某些点处以加强的方式干涉，并在其他点处以抵消的方式干涉；所形成的光斑整体称为光斑图，该光斑整体存在于被表面漫射的波相叠加的整个空间中。

光斑现象在某些情况下被用于测量物体的变形。但在大量的应用中，尤其是在使用衍射元件的投影系统中，光斑现象是不利的，重要的是消减光斑，以改善使用者观察到的图像质量。

已经提出了多个解决方案来消减光斑，大部分都基于通过使光学元件移动来对光线相位平均化。例如已知带有转动的漫射器（diffuseur）的系统。或者是平移和/或摇摆的漫射器或镜子，这些漫射器或镜子能够借助于致动器或压电马达来致动。文档EP-A1-1 510 851和EP-A1-1 655 636描述了这种类型的解决方案。

要注意的是，如上述专利申请另外所述，平移系统以及尤其是旋转系统体积大，需要严格控制移动，并会造成使用舒适度和耐用性（robustesse）的问题。传统光斑消减系统的体积使得它限制了这些系统在某些微型化的光学设计中的应用。

文档US 2009/016390描述了一种带有光斑消减的系统，该系统包括发光单元，该发光单元与用于选择波长的元件关联，其原理在于具有多个发光器，这些发光器以略微不同的波长来发光，以降低相干性并因此消减光斑。Peltier元件允许保证该设备的每个区域都恰以所期望的频率来发光。借助于用作致动器来代替Peltier元件的压电类型的发热元件会引起失真。

文档US2001/007510描述了一种光斑消减器，该光斑消减器包括投影表面，该投影表面带有悬浮在流体中并处于恒定的相对运动中的漫射颗粒（particule diffusante）。该流体可以用电阻来加热，或借助于压电致动器来搅动。

类似地，文档US 2007/058135描述了一种系统，该系统包括电泳漫射器，该电泳漫射器改变光线的相位，并基于悬浮的颗粒的搅动。

发明内容

本发明的目的在于提出一种改善的用于相干光束的光斑消减系统，该系统不具有已知的平移和转动系统的缺陷。

根据本发明，该目的通过一种用于相干光束的光斑消减设备来实现，其中所述设备包括：

光学元件，该光学元件用于被待处理的相干光束穿过；

能够造成所述光学元件被加热的装置；

降温元件，该降温元件与所述光学元件联接，以便能够对该光学元件进行降温；

控制模块，该控制模块被配置为用于控制加热装置和降温元件，以在光学元件中产生热扰动，导致所述光学元件折射率的相对应的变化。

根据本发明的一个方面，被待处理的光线穿过的光学元件为压电晶体，并且激发该晶体的至少一个振动模式，以造成该晶体发热。在该背景下，可以理解，优选地使用被激励在晶体所谓的“厚度切变”振动模式（英文为“thickness-shear mode”）下的压电晶体（要注意的是，这实际上是极小变形模式，该模式不造成可视振动，不能用于致动）。在该情况下，加热装置有利地包括施加在晶体上的电极，这些电极与控制模块连接，以便能够激发所需的振动模式。

因此，与基于漫射器的转动或平移的光斑消减系统相反地，根据本发明的设备提出通过改变被待处理的相干光束穿过的光学元件的折射率来减弱光斑现象。所使用的光斑修正原理因此基于光学元件的内在特性的变化，而不是基于漫射器的移动。

要理解的是，折射率的变化源于有意地在光学元件内部造成的热扰动。实际上，如所已知地，介质的折射率也取决于该介质的温度。换句话说，本发明通过使光学元件的温度从初始温度（例如：25℃）开始变化来利用透明光学元件的折射率的变化。

温度变化通过结合使用加热装置和降温元件来产生，其中所述加热装置和降温元件允许在光学元件中产生受控的温度变化。控制器有利地被配置为用于产生随机热扰动或伪随机热扰动。

光学元件的折射率的变化导致穿过光学元件的光束中的相位变化，通过对热扰动的频率和幅度的合适控制，这些相位变化造成对于肉眼而言为抵消或平均化的效果，并因此造成光斑消减效果。为此，控制模块有利地被配置为用于产生热扰动，这些热扰动体现为折射率以大于肉眼灵敏度（视网膜感知）的频率变化。

为了实施本发明，所选择的用于光学元件的材料应该对于待处理的光束的波长是大致透明的，并且其折射率应在所期望的工作温度范围内具有可检测到的变化，以便观察到所希望的现象。优选地，折射率在20℃和125℃之间的变化（绝对值）大约为至少15%，优选地大约为30%。

光学元件的加热装置可以例如还包括一个或多个施加在该光学元件上的电阻加热元件。

为了更好地控制，所述设备有利地包括用于确定光学元件的温度的装置。一个可行的方案在于用热电偶或其他合适的设备来测量温度。但当透明元件为压电晶体时，该晶体的温度可以借助于石英的热弹性耦合并因此通过测量晶体的实际振荡频率来确定。

优选地，光学元件通过金属固定支撑件来保持，该金属固定支撑件还保证与降温元件的热耦合。

降温元件可以包括Peltier元件，该Peltier元件优选地与散热器关联。Peltier元件的优点在于控制该元件并将其集成在微型化设备中的简易性。

可以理解的是，所述光斑消减设备的一个主要应用在于使用相干光源的投影单元。并且，一个另外的应用因此在于包括设有所述光斑消减设备的投影单元的平视显示设备领域。

还要注意的是，根据本发明的设备中没有转动或平移机构，这允许极端的微型化，该设备的大小能够达到大约为200μm的尺寸。从此可以将所述光斑消减设备直接集成到相干光源（例如：激光）中，光学元件可以例如构成该源的输出窗。

在该集成到光源中的情况下，光学元件具有被相干光束穿过的处理区域，该处理区域与所述光束的直径相适应；该处理区域可以例如具有大约为200μm的直径。如有必要，光学元件因此可以被用作发光元件（例如半导体类型的）或倍频晶体之后的输出窗。光学元件可以热耦合到安装在光源的箱体外面的Peltier元件。

根据另一方面，本发明还涉及一种光斑消减方法，在该方法中，待处理的相干光的光束穿过光学元件，所述方法的特征在于，该光学元件与加热装置和降温元件关联，其特征还在于，在该光学元件内部产生热扰动，以使该光学元件的折射率变化。

优选地，随机或伪随机地产生热扰动。所造成的折射率的变化有利地具有大于肉眼灵敏度的频率。

根据一个变型，光学元件为被激励在造成该光学元件发热的振动模式中的压电晶体，其中所述振动模式优选地为厚度切变模式。

根据另一个变型，加热装置包括一个或多个布置在光学元件上的电阻电极。

附图说明

通过参照附图，本发明的其他特点和特征在下述示例性的几个有利实施例的详细说明中将变得显而易见。在这些附图中：

图1为原理示意图，该原理示意图示出了包括本光斑消减设备的投影单元；

图2为使用电阻电极的光斑消减设备的示意图；

图3为示出了石英晶体的折射率随温度变化的图；

图4为示意性地示出了电极和降温元件的工作状态以及相应的折射率随时间变化的图；

图5为图1的光斑消减设备的工作原理图；和

图6为本光斑消减设备的一个优选实施例的示意图；

图7为图6的光斑消减设备的A-A剖视图。

具体实施方式

本光斑消减设备基于通过光线相位变化来消减光斑，其中所述光线的相位变化通过被待处理的相干光束穿过的光学元件的折射率的变化来实现，所述变化则通过在该光学元件内部造成的热扰动来实现。

已知，波在折射率为n的介质中的传播速度（v）由以下关系式给定：

v=c/n，

其中c为光在真空中的速度。波的相位速度因此取决于该波在其中传播的介质的折射率。

还已知，介质的折射率或多或少敏感地取决于温度。

本设备因此利用折射率与温度之间的这一关系，来造成穿过它的光线的受控相位变化，这些变化产生为使得造成在使用者眼中的相位平均化，从而减弱光斑效应。

图1示出了一个投影单元10的示例，在传统配置中，该投影单元包括相干光源12（例如：激光）、激光束成形光学单元14（衍射式或非衍射式）、和显示器16。

在源12和显示器16之间的相干光束的路径上布置光斑消减设备18，这里布置在光束成形光学单元14之后。

在图2中详细示出了光斑消减设备18的一个实施例。该光斑消减设备包括光学元件20，该光学元件20用于被待处理的激光束穿过。在该变型中，该光学元件20为石英晶体。根据本发明，正是利用了石英晶体20的折射率随温度的变化性来消减光斑。该变化性由图3的曲线示出。如图可见，石英晶体从25℃加热到125℃造成该晶体折射率减小30%。

在图2中，附图标记22表示两个布置在晶体20的前表面上的电阻电极（例如由铂制成），所述电极相互连接，允许加热晶体，以使该晶体的折射率变化。这些电极优选地布置在不对称的配置中，以在晶体20中产生不均匀的温度分布。

根据所选择的配置，所述设备18必须布置为使得待处理的光束穿过石英晶体20的中央部分24，该中央部分构成光学处理路径。

降温元件26与晶体20关联，以便能够选择性地提取晶体20的热量并改变该晶体的温度。优选地，降温元件26包括Peltier元件28，该Peltier元件抵靠散热器30。Peltier元件的工作原理本身是已知的，不在这里说明。降温元件26和晶体20之间的热耦合通过晶体的金属固定支撑件32来实现。晶体20的基部可以直接与Peltier元件28接触。

最后，设备18由控制模块34来控制，该控制模块控制加热电极22和降温元件26。如上所述，控制模块34结合加热和降温效应，以造成温度在晶体中的变化，并使该晶体的折射率变化。

为了最优地控制温度变化，期望确定晶体在处理区域24附近的温度。尽管这可以通过传统温度测量来实现，但优选地由压电晶体的振荡频率来推导。为此，电极36布置在晶体的前表面上，而对称的电极（未示出）则布置在相对的表面上，控制模块34包括振荡电路。静电场在这些电极36之一上的施加允许产生由静电场和电极的重量所造成的频率（所述频率优选地为用于所谓的“厚度切变”激发的频率）。在相对表面上的电极对这些频率的检测允许通过使用所用材料（即用于使用的切割的石英）的频率-温度系数来确定晶体的温度。

因此，借助于电极36来测量石英的振荡频率允许确定晶体20的温度，在如上所述的晶体配置中，估计频率的变化约为500Hz/℃。

还要注意的是，可以只通过激发压电晶体的振动模式来实现加热该压电晶体。在图6中示出了一个这样的实施例；与图1的元件相同或类似的元件用相同的附图标记加上100来示出。两个激发电极123代替电阻电极22对称地布置在石英晶体120的两个表面上。晶体120的中央部分124构成待处理的光束必须穿过的光学处理路径。

和图1的设备一样，降温元件126与晶体120关联，以便能够选择性地提取晶体120的热量并改变该晶体的温度。优选地，降温元件126包括Peltier元件28，该Peltier元件抵靠散热器130。降温元件126和晶体120之间的热耦合通过晶体的金属固定支撑件132来实现。晶体120的基部可以直接与Peltier元件128接触。

控制模块134管理加热效应和降温效应的组合，以造成晶体中的温度的变化并使该晶体的折射率变化。

对于激发电极123，优选地使用由金或银制成的、大致呈环状的电极；这些电极由集成在控制模块134上的振荡电路来控制。为了测量温度，保留相同的中央电极136。

如在图1和图6中可见，在实际中，要施加在光学元件上的元件（例如：激发电极、电阻电极和/或温度检测电极）优选地位于光学元件的处理区域24的周边。当然，该处理区域的尺寸（面积）与待处理光束的直径相适应。

所述设备18、118的总工作原理在图5中示出。控制模块分别控制加热电极22、激发电极123和降温块26、126，以在晶体20、120内部造成温度的受控变化。控制模块34、134还控制电极36、136，以确定晶体20、120的温度，并因此控制加热/降温循环。

在图4中示出了设备的一个优选控制情境。如图可见，分别地通过电极22和123来持续地加热晶体。降温元件26、126则暂时地激活，抵抗由振动模式产生的发热。通过以合适的方式来控制Peltier元件28、128的工作和停止时间，在石英晶体20、120中产生具有确定的幅度和频率的折射率变化。

优选地，控制模块以大于或等于视觉频率的频率产生随机或伪随机的折射率变化。由此获得相干光束相位在使用者眼中平均化的效果。

为此，这里将Peltier元件28、128控制为处于至少50Hz的频率，这对于晶体意味着折射率每秒至少50个升沿和降沿的交替。一般地，可以以大约为100至5000Hz的频率工作。

此外，为了明显的效果，使用如下温度范围：该温度范围造成折射率在一个周期的最小温度和最大温度之间优选地为至少15%至20%（绝对值）的、更优选地为至少30%的变化。因此这里使晶体的温度在每个周期中都从环境温度变化到高于100℃。根据一个实施例，所选择的压电晶体在幅度大约为40℃至50℃的温度范围（即从环境温度到约60℃）上具有大约为10至25%、尤其是15%至20%的折射率变化。

给定总工作原理后，还要提供某些优选的实施细节。

晶体20、120优选地呈具有小厚度的板的形状，该板优选地趋向于无限的板，其被切割为用于在所谓的“厚度切变”振动/变形模式下工作。“无限的板”指的是如下的板：该板的厚度相对于其在该板平面内的延伸而言为小的，体现为优选地大于10的直径（或长度）与厚度的比值。例如，晶体20、120可以呈板的形状，该板具有大于10或15的直径（或长度）与厚度的比值。因此不仅是为了温度测量还是为了设备118的晶体的加热，在上述两个变型中使用的都是该“厚度切变”振动模式（或极小变形模式）。

因此可以使用由通常称为y+θ的简单旋转切割制成的石英单晶体。如所已知地，石英的热性质取决于其切割角，即使关系还是依据经验的。对于在所述设备中的应用，切割可以在包括在所谓的AT切割和所谓的BT切割之间的范围中变化，这对于θ意味着：-49°≤θ<35。

为了在-30℃到大约160℃的温度范围中工作，角θ可以特别地位于4至24°的区间中，尤其优选的数值为大约14°。

石英晶体的该切割体现于数MHz至数百MHz的、通常在1至500MHz之间的共振频率。

可以理解的是，在图1的变型中使用压电效应，来检测在晶体内部产生的发热；而在图6的变型中，压电效应则还被用于加热晶体，以造成所期望的折射率变化。利用了通常不用于致动的振动模式下的高振动频率。晶体的变形大约为数nm，因此宏观上观察不到。因此，所述设备尽管使用压电效应，但还可以被视为是静态（或近似静态）的，这与使用转动或平移机构的光斑消减系统相反。

通常，晶体的切割在通过X光的衍射来测量角θ后实现，然后抛光所获得的石英件。

为了实现电极，可以应用传统地用于生产石英共振器的方法。根据一个变型，在真空下在每个表面上连续地沉积铬层，然后沉积金层。至于电阻电极，则可以使用铂。

要注意的是，在图6的变型中，电极123和136被选为能够几乎整个覆盖石英板每个表面（除了光通过区域124）。例如，在晶体120的表面上，电极的面积和板120的面积（不包括中央区域124）的比值优选地高于0.6。如在图7中可见，电极123和136对称地沉积在板的两个表面上。

电极123和136的重量参与产生厚度中的变形（厚度切变变形）。

然后通过光刻技术实现电极的形状。在两个表面上施加感光树脂层。在晶体的两侧布置具有对应于电极形状的开口的两个光掩模。并且，晶体的两个表面同时通过光掩模暴露在紫外线下，以聚合暴露的树脂部分，这允许获得电极相对定位的高度准确性。

去除未聚合的树脂，然后通过合适的化学溶液去除不被未聚合的树脂层保护的金和铬。最后，去除剩下的树脂，为电极留出位置。

在控制方面，控制模块包括与电极36、136连接的振荡电路，该振荡电路控制石英共振器20、120。认为电极36、136或电极123的环状允许最优地激发厚度切变模式。

最后，尽管所述变型使用石英晶体，但本领域的技术人员明显地还可以用具有合适的光学和压电特性的其他晶体来实施本发明。特别地，可以使用例如块磷铝矿（AlPO₄）。

Claims (14)

1.一种用于相干光束的光斑消减设备，所述设备包括光学元件（20、120），所述光学元件用于被待处理的相干光束穿过，所述设备的特征在于：

能够造成所述光学元件（20、120）被加热的装置（22、123）；

降温元件（26），所述降温元件与所述光学元件（20、120）联接，以便能够对所述光学元件进行降温；

控制模块（34、134），所述控制模块被配置为用于控制所述加热装置和降温元件，以在所述光学元件（20、120）中产生随机或伪随机的热扰动，从而导致所述光学元件的折射率的相对应的变化，

并且在所述设备中，所述光学元件为压电晶体；所述加热装置包括施加在所述晶体（120）上的电极（123），所述电极与所述控制模块（134）连接，以激发造成所述晶体被加热的晶体振动模式。

2.如权利要求1所述的光斑消减设备，其中，实现所述热扰动，使得所述折射率以大于50Hz、优选地大于100Hz的频率变化。

3.如上述权利要求中任一项所述的光斑消减设备，其中，所述光学元件（20、120）由对于待处理的光束的波长大致透明的、折射率随温度变化的材料制成。

4.如上述权利要求中任一项所述的光斑消减设备，其中，所述压电晶体为由石英或块磷铝矿制成。

5.如上述权利要求中任一项所述的光斑消减设备，其中，所述控制模块（134）被配置为激发所述压电晶体的厚度切变模式。

6.如上述权利要求中任一项所述的光斑消减设备，其中，所述加热装置包括一个或多个施加在所述光学元件（20）上的电阻加热元件（22）。

7.如上述权利要求中任一项所述的光斑消减设备，所述设备包括用于测量所述晶体（20、120）的振荡频率并基于所述振荡频率来确定所述晶体的温度的装置（36）。

8.如上述权利要求中任一项所述的光斑消减设备，其中，所述降温元件（26）包括Peltier元件（28），所述Peltier元件优选地与散热器（30）关联。

9.如上述权利要求中任一项所述的光斑消减设备，其中，所述晶体（20、120）具有无限的板的形状，所述无限的板的直径或长度与厚度的比值大于10。

10.一种投影单元，所述投影单元包括如上述权利要求中任一项所述的光斑消减设备。

11.一种平视显示设备，所述平视显示设备包括投影单元，所述投影单元包括如权利要求1至9中任一项所述的光斑消减设备。

12.一种相干光源，所述相干光源包括如权利要求1至9中任一项所述的光斑消减设备。

13.一种光斑消减方法，其中，待处理的相干光束穿过光学元件（20、120），所述方法的特征在于，所述光学元件与加热装置（22、123）和降温元件（26）关联，其特征还在于，在所述光学元件内部产生随机或伪随机的热扰动，以使所述光学元件的折射率以大于肉眼灵敏度的频率变化，所述加热装置包括施加在所述晶体（120）上的电极（123），以便激发造成所述晶体被加热的晶体振动模式。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述晶体（20、120）具有无限的板的形状，并且激发厚度切变模式。

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