CN103123419A - 基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光散斑消除的技术领域，具体为一种基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，解决了现有的激光散斑消除装置的散斑消除效果不佳、容易引起图像模糊的问题。一种基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，包括消相干机构（1），所述消相干机构（1）包括电机（101）、反射镜（102）、连接件（103）及透明的散射体（104），所述反射镜（102）和散射体（104）分别固定于所述连接件（103）的两侧，所述电机（101）的输出轴与反射镜（102）的背面固定连接；所述消相干机构（1）的输出光路上依次布置有汇聚透镜（2）和具有匀场功能的光导管（3）。本发明设计合理、结构简单，有效消除了激光散斑。

Description

基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置

技术领域

本发明涉及激光散斑消除的技术领域，具体为一种基于旋转反射面的匀场消相干装置。

背景技术

激光具有亮度高、单色性好，方向性好等优点，在激光显示领域和激光照明领域具有广阔的应用前景。但是，由于激光是相干光，经粗糙表面（如屏幕）反射后，人眼接收到的是具有散斑的图像，散斑现象严重降低了图像的显示质量，因此，需要消除激光散斑现象，提高图像显示质量。

公开号为CN02103270A的专利利用全息散射器在微型直流电机的驱动下高速旋转，实现对入射光束的散射，使不相干的散射场在积分时间内随机高速叠加,在视觉上形成平均效果，达到降低或消除散斑的目的，根据Goodman“Speckle Phonomena in Optics Theory and Application”第5.2节（“当一个运动的散射体放置在一个光滑透明的物邻近时，散斑的对比度随着曝光期间漫射体运动所经过的物上的分辨率宽度的数目的平方根之增加而降低，这样来减小散斑相当的慢，要求在曝光时间内漫射体有较大的运动”），可知该方法降低散斑效果有限。

公开号为CN201845132U的专利在光路中利用旋转的楔角片使出射光束周期性发生偏折，导致图像在屏幕上发生一定距离的偏差，从而消除散斑。但该方法会导致图像模糊，散斑消除机理单一。

综上所述，现有的消相干装置在消除激光散斑方面存在散斑消除机理单一、散斑消除效果不佳，容易引起图像模糊等问题。

因此，有必要发明一种新型的用于激光散斑消除的装置。

发明内容

本发明为了解决现有的激光散斑消除装置的散斑消除效果不佳、容易引起图像模糊的问题，提供了一种基于旋转反射面的匀场消相干装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，包括消相干机构，汇聚透镜和光导管。所述消相干机构包括电机、反射镜、连接件及透明的散射体，所述反射镜和散射体分别固定于所述连接件的两侧，所述电机的输出轴与反射镜的背面固定连接；所述消相干机构的出射光路上依次布置有汇聚透镜和具有匀场功能的光导管。

工作时，如图4所示，当激光光束801以一定的角度（激光光束并不是垂直射向反射镜）入射到消相干机构上时，依次经散射体上的入射点803透射，经反射镜反射，再次经散射体上的出射点802出射。由于散射体和反射镜之间具有一定的距离（即连接件的宽度，该距离可根据激光光斑的大小进行相应的设置），所以散射体上入射点803和出射点802不重合（即两点之间亦具有一定的距离），这样，激光光束经过消相干机构时，连续经过了散射体上两个非相干的散射区域，在人眼积分时间内，相同的转速下，激光光束经过了更多的非相干区域，根据Goodman“Speckle Phenomena in Optics Theory and Application”第5.2节，以一定速度运动的散射体对散斑的抑制程度，取决于经过了多少个非相干区域的数目，两个相对运动的散射体对散斑的抑制要比用一个散射体大得多。通过实验证明，该方法可以有效消除一次散斑和二次散斑。

优选地，如图3所示，由于所述电机的输出轴轴线与连接件的轴线相交，即反射镜、散射体和连接件通过机械结构连接后以一定的偏角固定在电机的输出轴上。

所述散射体的散射面上或散射体内部散布纳米散射颗粒或具有纳米微结构，实现任意的散射角度。

当反射镜、散射体和连接件通过机械结构连接后以一定的偏角固定在电机的输出轴上时，如图5所示，当入射激光光束801经过消相干机构后，出射光804或805将以2倍的偏角在汇聚透镜表面4上进行圆周轨迹806扫描。由于出射光804或805以一定的角度扫描，经汇聚透镜汇聚到具有匀场功能的光导管中，由于出射光束在不同时间内以不同的角度入射到光导管中，增加了出射光的角度多样性和相位分布，更加有效地消除激光散斑。

激光光束801在具有纳米颗粒或微结构的散射体中会发生多次散射，多次散射能有效展宽传播激光光束的程长范围，增加了出射光束的光程差分布，从而有效降低了激光光束的相干长度，更为有效地消除了激光散斑。

另外，消相干器件中反射镜不限于平面反射镜结构，可采用凹面镜对出射光束进行汇聚，降低出射光束发散角。所述连接件可以为连接环或透明的连接实体（例如透明的玻璃、塑料或者晶体）。

如图6所示，消相干器件中包括凹面镜112，散射体114及透明的连接实体113。当入射光束经散射体114后，入射光束以一定的发散角照射到凹面镜，经凹面镜反射后，入射光束散射角度降低，因此该结构可以有效降低出射光束的光学扩展量。

除此以外，另一种基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，包括消相干机构，所述消相干机构包括电机和透明的楔形圆盘，所述楔形圆盘的斜面上镀有反射膜而形成反射面，楔形圆盘上与斜面相对的侧面形成散射面，所述电机的输出轴与楔形圆盘的斜面相固定、且电机的轴线与散射面垂直；所述消相干机构的出射光路上依次布置有汇聚透镜和具有匀场功能的光导管。

工作时，当激光光束以一定的角度（激光光束并不是垂直射向反射面）入射到楔形圆盘上时，依次经散射面上入射点透射，经反射面反射，再次经散射面上出射点出射。由于散射面和反射面之间具有一定的距离（即楔形圆盘的厚度，该距离可根据光斑的大小进行相应的调整），所以散射面上入射点和出射点不重合（即两点之间亦具有一定的距离），由于消相干机构的高速旋转，当入射激光经过楔形圆盘后，出射光将以2倍的偏角进行圆周扫描。由于出射光以一定的角度扫描，增加了出射光的角度多样性和相位分布，之后，出射光经汇聚透镜汇聚到具有匀场功能的光导管中，由于出射光束在不同时间内以不同的角度入射到光导管中，具有一定光场分布的出射光束在人眼积分时间内叠加，形成了具有均匀性的入射光场，进而降低散斑对比度，有效消除激光散斑。

本发明设计合理、结构简单，达到的有益效果如下：

1、散斑消除效果好。本发明利用旋转的反射面和散射体，实现对激光光束的两次相位调制和出射角度扫描，降低相干长度，有效地消除了激光散斑。

2、激光利用率高。入射光束经散射后的部分反射光和经透射后反射的出射光最终均经汇聚透镜汇聚至光导管中，因此光能损失小，光能利用率高。

3、本发明结构简单，成本低，易于加工和安装。

4、本发明所述的匀场消相干装置中的各组成部分均可实现长时间连续稳定的工作，所以性能稳定、安全可靠。

5、本发明中的光导管对光束还具有匀场功能。

附图说明

图1是本发明的一实施例的结构示意图。

图2是图1中消相干机构的结构示意图。

图3是本发明的另一实施例中消相干机构的结构示意图。

图4是对应于图2中消相干机构的光路示意图。

图5是对应于图3中消相干机构的光路示意图。

图6是本发明又一实施例中消相干机构的结构示意图。

图7是本发明又一实施例中消相干机构的结构示意图。

图8是基于本发明的一种激光显示系统。

图9是基于本发明的另一种激光显示系统。

图中，1-消相干机构，2-汇聚透镜，3-光导管，4-汇聚透镜局部表面，101-电机，102-反射镜，103-连接件，104-散射体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1

如图1、2所示，一种基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，包括消相干机构1，汇聚透镜2和光导管3。所述消相干机构1包括电机101、反射镜102、连接环103及透明的散射体104，所述反射镜102和散射体104分别固定于所述连接件103的两侧，所述电机101的输出轴与反射镜102的背面（非反射面）固定连接；所述消相干机构1的出射光路上依次布置有汇聚透镜2和具有匀场功能的光导管3。

工作时，如图4所示，当激光光束801以一定的角度（激光光束并不是垂直射向反射镜）入射到消相干机构1上时，依次经散射体104上入射点802透射，经反射镜102反射，再次经散射体104上出射点803出射，出射光经汇聚透镜2汇聚到具有匀场功能的光导管3中。由于散射体104和反射镜102之间具有一定的距离（即连接环的宽度，该距离可根据光斑的大小进行相应的调整），所以散射体104上入射点802和出射点803不重合（即两点之间亦具有一定的距离），这样，激光光束801经过消相干机构1时，连续经过了散射体104上两个非相干的散射区域（即以入射点802和出射点803为代表的两个非相干的散射区域）；同时，由于散斑消除机构的偏转，入射激光光束801经反射后，反射光束804或805环形806扫描，如图5所示，因此出射光束出射角度随时间不断变化。由于散射体的散射作用，出射光束804或805相干长度降低。由于消相干机构1的旋转，导致出射光束的入射角度及相位分布随时间不断变化，产生多个独立散斑在人眼积分时间内叠加，消除了散斑现象，同时激光光束的空间相干长度的降低进一步降低了散斑对比度，有效消除激光散斑。

实施例2

如图1、3所示，一种基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，本实施例与实施例1的区别在于：在实施例1的基础上，所述电机101的输出轴轴线与连接环103（或者透明的连接实体）的轴线相交，即反射镜102、散射体104和连接环103通过机械结构连接后以一定的偏角105固定在电机101的输出轴上。

工作时，如图5所示，当反射镜102、散射片104和连接环103通过机械结构连接后以一定的偏角105固定在电机101的输出轴上时，由于消相干机构1的高速旋转，当入射激光801经过消相干机构1后，以出射光804、805为例，出射光将以2倍的偏角进行圆周轨迹806在汇聚透镜局部表面4扫描。由于出射光以一定的角度扫描，增加了出射光的角度多样性和相位分布，之后，出射光经汇聚透镜2汇聚到具有匀场功能的光导管3中，由于出射光束在不同时间内以不同的角度入射到光导管中，具有一定光场分布的出射光束在人眼积分时间内叠加，形成了具有一定均匀性的入射光场，进而降低散斑对比度，更加有效地消除激光散斑。

具体实施时，所述反射镜102可以为平面反射镜、凹面反射镜或者凸面反射镜。但优选为凹面反射镜，如图6所示，消相干机构包括凹面镜112、散射体114及透明的连接实体113。

工作时，入射光束经散射体114后，入射光束以一定的发散角照射到凹面镜112，经凹面镜112反射后，再次经过散射体114出射，经汇聚透镜汇聚到光导管中。由于消相干机构的旋转，导致出射光束的入射角度及相位分布随时间不断变化，产生多个独立散斑在人眼积分时间内叠加，消除了散斑现象，同时激光光束的空间相干长度的降低进一步降低了散斑对比度，有效消除激光散斑。同时，由于凹面镜112的汇聚作用，入射光束散射角度降低，因此该结构可以有效降低出射光束的光学扩展量。

所述散射体104的散射面上或散射体内部散布纳米散射颗粒或具有纳米微结构。

所述电机101可以是旋转电机、振动电机或者直线电机。

实施例3

一种基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，包括消相干机构1，汇聚透镜2和光导管3。所述消相干机构1包括电机101、反射镜102、侧投影为楔形的连接环103（或者透明的连接实体）及透明的散射体104，所述反射镜102和散射体104分别固定于所述连接环103的两侧，且所述反射镜102倾斜固定于所述连接环103的一侧而形成斜面，所述电机101的输出轴与反射镜102的背面（非反射面）固定连接；所述电机101的轴线与散射体104垂直。

具体实施时，所述电机101可以是旋转电机、振动电机或者直线电机。

实施例4

如图1、7所示，一种基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，包括消相干机构，汇聚透镜2和光导管3。所述消相干机构包括电机和透明的楔形圆盘123，所述楔形圆盘123的斜面上镀有反射膜而形成反射面122，楔形圆盘123上与斜面相对的侧面形成散射面124，所述电机的输出轴与楔形圆盘123的斜面相固定、且电机的轴线与散射面124垂直；所述消相干机构1的出射光路上依次布置有汇聚透镜2和具有匀场功能的光导管3。

工作时，当激光光束以一定的角度（激光光束并不是垂直射向反射面）入射到楔形圆盘122上时，依次经散射体表面124上入射点透射，经反射面122反射，再次经散射面124上出射点出射，经汇聚透镜汇聚到具有匀场功能的光导管中。由于散射体表面124和反射面122之间具有一定的距离（即楔形圆盘的厚度，该距离可根据光斑的大小进行相应的调整），所以散射面上入射点和出射点在不同的相干区域（即两点之间亦具有一定的距离，不重合）；由于消相干机构的高速旋转，当入射激光经过楔形圆盘123后，出射光将以2倍的偏角进行圆周扫描，增加了出射光的角度多样性和相位分布；激光光束在反射面122和散射体表面124之间的散射体内发生多次散射，因此出射光束具有较大的光程差分布，降低了激光光束的空间相干长度。，由于出射光束在不同时间内以不同的入射角度及相位分布汇聚到光导管，及较低的空间相干长度均有效的消除激光散斑。

具体实施时，所述楔形圆盘122的散射面124上或楔形圆盘内部散布纳米散射颗粒或具有纳米微结构，所述楔形圆盘123的材料可以为透明的玻璃、塑料或者晶体。所述电机可以为旋转电机、振动电机或者直线电机。

上述的匀场消相干装置在实际中有如下运用方式。

如图8所示，红、绿、蓝三色激光光源501、502、503光束经合束镜504、505、506合束后，以一定的角度照射到消相干机构601上，具有一定扫描角的出射光束经汇聚透镜602汇聚至光导管603，光束在光导管603中多次反射后实现匀场及整形，使其形成矩形光束。光导管603出射端的光束经中继透镜604、605，其中S偏振光经偏振分束器（PBS）606成像在成像器件607上，成像器件607将S偏振光调制为P偏振光，透过偏振分束器（PBS）606，将携带图像信息的P偏振光投射到投影镜头608上，经投影镜头608放大投影在屏幕609上。

如图9所示，红、绿、蓝三色激光光源511、512、513光束经光纤514耦合后，以一定的发散角度照射准直透镜515，经准直透镜515准直后光束照射消相干器件611，具有一定扫描角的出射光束经汇聚透镜612汇聚至光导管613，光束在光导管613中多少反射后实现匀场及整形，使其形成与DMD成像器件617 具有相同或相近长宽比的矩形光束。光导管613出射端的光束经中继透镜614和615，成像在成像器件617 上，携带图像信息的反射光经投影镜头618 放大投影在屏幕619 上。

上述运用中，匀场消相干装置利用旋转反射面对入射光束实施扫描及反射，利用反射面和散射面实现了对激光的两次相位调制，所以，在成像器件前端实现了激光散斑消除，并且没有引起图像模糊等现象。

Claims (10)

1.一种基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，其特征在于：包括消相干机构（1），所述消相干机构（1）包括电机（101）、反射镜（102）、连接件（103）及透明的散射体（104），所述反射镜（102）和散射体（104）分别固定于所述连接件（103）的两侧，所述电机（101）的输出轴与反射镜（102）的背面固定连接；所述消相干机构（1）的出射光路上依次布置有汇聚透镜（2）和具有匀场功能的光导管（3）。

2.根据权利要求1所述的基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，其特征在于：所述电机（101）的输出轴轴线与连接件（103）的轴线相交。

3.根据权利要求1或2所述的基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，其特征在于：所述反射镜（102）为平面反射镜、凹面反射镜或者凸面反射镜；所述连接件（103）为连接环或透明的连接实体。

4.根据权利要求3所述的基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，其特征在于：所述散射体（104）的散射面上或散射体内部散布纳米散射颗粒或具有纳米微结构。

5.根据权利要求4所述的基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，其特征在于：所述电机（101）为旋转电机、振动电机或者直线电机。

6.根据权利要求1所述的基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，其特征在于：所述连接件（103）是侧投影为楔形的连接件，所述反射镜（102）倾斜固定于所述连接件（103）的一侧而形成斜面；所述电机（101）的输出轴轴线与散射体（104）垂直。

7.根据权利要求6所述的基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，其特征在于：所述散射体（104）的散射面上或散射体内部散布纳米散射颗粒或具有纳米微结构。

8.一种基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，其特征在于：包括消相干机构（1），所述消相干机构包括电机和透明的楔形圆盘（123），所述楔形圆盘（123）的斜面上镀有反射膜而形成反射面（122），楔形圆盘（123）上与斜面相对的侧面形成散射面（124），所述电机的输出轴与楔形圆盘（123）的斜面相固定、且电机的轴线与散射面（124）垂直；所述消相干机构（1）的出射光路上依次布置有汇聚透镜（2）和具有匀场功能的光导管（3）。

9.根据权利要求8所述的基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，其特征在于：所述楔形圆盘（122）的散射面（124）上或楔形圆盘内部散布纳米散射颗粒或具有纳米微结构。

10.根据权利要求8或9所述的基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置，其特征在于：所述电机为旋转电机、振动电机或者直线电机。

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