CN104808352A - 一种散斑抑制方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种散斑抑制方法，包括：生成至少一个非周期性信号；由非周期性信号驱动被激光透射的界面做非周期性运动；激光透过界面后发生散射，生成与时间和空间均为随机无序的光束；光束投影成非周期性抖动的图像，实现抑制散斑。激光经散射后的光束在屏幕上就不会形成稳定的散斑图样，使人眼就不会观察到散斑现象从而抑制散斑。本发明还公开了一种散斑抑制装置。

Description

一种散斑抑制方法及其装置
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种抑制激光显示散斑的散斑抑制方法及其装置。
背景技术
激光显示系统具有色域宽、亮度高、色彩好等诸多优点，因此被认为是下一代投影显示或电视产品的发展方向。但是由于激光的强相干性，作为光源的激光照射到屏幕上，光束间的干涉会导致投影像面产生一种无规则分布的亮暗斑点，称为激光散斑(Laser Speckle)。图5为存在严重散斑的图像激光显示因为散斑的存在，将造成显示图像模糊、分辨率下降、对比度下降，并导致观察者易疲劳等现象，严重阻碍了当前激光显示市场的快速发展。在激光显示系统中，散斑必须要得到有效抑制。
散斑现象产生的原因在于激光的相干性，破坏或降低激光的相干性有助于抑制散斑，围绕抑制散斑问题已经提出了多种方法来消除散斑，如利用不同波长的光源增加谱带宽度，利用单光纤或纤维束照明等来降低激光相干性从而减弱散斑；利用脉冲激光的叠加、移动散射体、移动孔径光阑、屏幕振动等方法来减少散斑。图5为存在严重散斑的图像，所要显示的字母图像模糊不清。图6为图5的局部图，可以很明显地看到杂乱的、亮暗相间的图案，这种现象即为激光散斑。图7为散斑得到较好抑制的图像，图中所显示的字母清晰可辨。
从抑制散斑的原理上看，抑制激光散斑的方法可以分类归结为：运用空间迭加的方法将散斑细化；运用时间平均的方法将散斑叠加；利用短脉冲加宽频谱宽度降低光源的相干性；利用频率迭加减弱激光相干性。
在一定光源条件下，现有比较有效抑制散斑的技术之一是旋转散射片，其抑制散斑的原理是前述“运用空间迭加的方法将散斑细化”和“运用时间平均的方法将散斑叠加”的综合，散射片可以将光束拆散为多个子光束，将散斑细化，通过转动散射片将不同时点的散斑图像叠加匀化，从而达到抑制散斑的目的。现有技术中的一个重要特点在于散斑抑制元件是作周期性运动的，其对光束的影响也是周期性。如果对图像在一定时间内做积分(类似于一个拍照的过程)，就可以得到一个稳定的图像。
但是实际上，人眼观看图像的过程也是一个对时间取积分的过程。由于散斑抑制元件的振动频率是周期性的，所以其形成的干涉图像容易在一定程度上形成周期性显示，肉眼看到的图像中仍然存在散斑。所以，该技术能够在相当大程度上抑制散斑，但效果仍不十分理想。
为了克服现有技术中周期性振动导致散斑抑制效果不理想的缺陷，提出一种散斑抑制方法及其装置。
发明内容
本发明提出了一种散斑抑制方法，包括如下步骤：
步骤一：生成至少一个非周期性信号；
步骤二：由所述非周期性信号驱动被激光透射的界面做非周期性运动；
步骤三：所述激光透过所述界面后发生散射，生成与时间和空间关系上均为随机无序的光束；
步骤四：所述光束投影成非周期性抖动的图像，实现抑制散斑。
本发明提出的散斑抑制方法中，所述步骤二进一步包括，两个非周期性信号驱动所述界面沿两个方向同时做非周期性运动。
本发明提出的散斑抑制方法中，所述界面沿两个相互垂直的方向同时做非周期性运动。
本发明还提出了一种散斑抑制装置，包括散射部件、第一致动部件、第二致动部件和供电部件；所述第一致动部件和所述第二致动部件分别与所述散射部件连接；所述供电部件分别为所述第一致动部件和所述第二致动部件提供非周期性信号，使所述第一致动部件和所述第二致动部件驱使所述散射部件作非周期运动。
本发明提出的散斑抑制装置中，所述散射部件为可透射可见光的片状材料，所述散射部件的一面为抛光面，另一面为非抛光面；所述非抛光面用于使入射光束发生散射。
本发明提出的散斑抑制装置中，所述第一致动部件包括第一致动器和第一弹性簧片；所述第一致动器与所述供电部件电气连接，并通过所述第一弹性簧片与所述散射部件连接。
本发明提出的散斑抑制装置中，所述第二致动部件包括第二致动器和第二弹性簧片；所述第二致动器与所述供电部件电气连接，并通过所述第二弹性簧片与所述散射部件连接。
本发明提出的散斑抑制装置中，所述第一致动部件和所述第二致动部件的致动方向相互垂直。
本发明提出的散斑抑制装置中，所述第一致动器或所述第二致动器的运动频率在1-100赫兹之间，运动幅度为0.1-3毫米之间。
本发明的有益效果包括：散射片通过两个相互垂直的弹性簧片分别连接到相应的致动器上，每个致动器由相互独立的随机信号驱动，并通过相应的弹性簧片带动散射片做无规则运动，且两个弹性簧片的运动方向相互垂直，因此散射片在相互垂直的两个运动方向所形成的的二维平面内做无规则运动。通过散射片的激光束经过投影系统投射到屏幕上，由于散射片是非周期性二维无规运动的，在屏幕上就不会形成稳定的散斑图样，由于人眼的时间积分效应，人眼就不会观察到散斑现象，从而起到提高图像分辨率、改善图像清晰度、提高人眼观察图像舒适度的效果。
附图说明
图1为本发明散斑抑制方法的流程图。
图2为本发明散斑抑制装置的结构示意图。
图3为采用本发明散斑抑制装置的激光投影装置的光学系统图。
图4是采用现有技术与本发明的散斑抑制后的图像对比；其中，图4a表示利用现有技术散斑抑制后的图像，图4b表示利用本发明散斑抑制后的图像。
图5为背景技术中存在严重散斑的图像。
图6为背景技术中存在严重散斑图像的局部放大图。
图7为背景技术中散斑得到较好抑制的图像。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
参阅图1，本发明散斑抑制方法包括如下步骤：
步骤S1，生成至少一个非周期性信号。该非周期性信号的电压值在时间先后上不存在关联。
步骤S2，由非周期性信号驱动被激光透射的界面做非周期性运动。该界面是由具有一定透光性的晶体或材料的表面所形成的，其对于入射的激光产生散射作用。
步骤S3，激光透过界面后发生散射，生成与时间和空间关系上均为随机无序的光束；
步骤S4：光束投影成非周期性抖动的图像，实现抑制散斑。
如图2所示，本发明的散斑抑制装置包括散射部件1、第一致动部件2、第二致动部件3和供电部件4。第一致动部件2与散射部件1的侧边连接，第二致动部件3与散射部件1的底部连接。供电部件4生成两路非周期性信号分别输送至第一致动部件2和第二致动部件3，分别为第一致动部件2和第二致动部件3提供非周期性信号，非周期性信号(即，随机电压)是一种在幅度和相位前后不相关的电压信号，使第一致动部件2和第二致动部件3驱使散射部件1在二维平面内作非周期运动。该非周期运动是指散射部件1在二维平面内、在一定幅度内的运动是无规律的。
散射部件1是用于实现光的散射，采用对可见光透明的材料制成，常用的材料包括玻璃、石英和光学塑料等。散射部件1一般为片状，其一面为良好的平面，另一面做成可以使光束散射的非平面结构，比如磨砂、或者一些特殊结构。使用时散射部件1一般以垂直于光束主光线方向放置，具有非平面结构的表面形成激光散射的界面，激光经该界面散射后再经投影系统投射至屏幕上。
第一致动部件2包括第一致动器21和第一弹性簧片22。第一致动器21与供电部件4电气连接，并通过第一弹性簧片22与散射部件1连接。第二致动部件3包括第二致动器31和第二弹性簧片32。第二致动器31与供电部件4电气连接，并通过第二弹性簧片32与散射部件1连接。
以上第一致动器21和第二致动器31为压电陶瓷致动器，其分别根据不同的输入电压产生振动，其振动频率为1-100赫兹随机变化，振动的幅度在0.1-3毫米之间随机变化。
第一弹性簧片22与第二弹性簧片32是一种可以在一个方向弯曲的、在弯曲方向具有弹性的、扁平状的片材，一般由金属材料制成，也有采用塑料或其他材料制作。本实施例中第一弹性簧片22与第二弹性簧片32的可弯曲方向是相互垂直的。
第一弹性簧片22随第一致动器21沿第一方向振动，第二弹性簧片32随第二致动器31沿第二方向振动，第一方向与第二方向垂直，从而使散射部件1在第一方向与第二方向所构成的二维平面内作无规则运动。所以通过散射部件1的激光束经过投影系统投射到屏幕上，由于散射部件1是非周期性二维无规运动的，在屏幕上就不会形成稳定的散斑图样，由于人眼的时间积分效应，人眼就不会观察到散斑现象，从而有效地抑制了散斑现象。
参阅图1，散射部件1垂直于激光光束的主光线方向设置。第一弹性簧片22的与第一致动器21相连，第一致动器21通过第一弹性簧片22带动散射部件1在垂直于纸面方向(第一方向)运动，。第二弹性簧片32的与第二致动器31相连，第二致动器31通过第二弹性簧片32带动散射部件1在平行于纸面方向(第二方向)作上下运动。
其中，第二弹性簧片32的可弯曲方向是垂直于纸面方向的，第二弹性簧片32不会限制散射部件1在垂直于纸面方向的运动。同样地，第一弹性簧片22的可弯曲方向是上下方向的，第一弹性簧片22不会限制散射部件1在上下方向的运动。第一弹性簧片22与第二弹性簧片32的共同作用使得散射部件1做在第一方向与第二方向所构成的二维平面内作无规则运动。
激光束以垂直于散射部件1抛光面方向入射到无规则运动状态下的散射部件1上，经具散射部件1中的非平面结构散射后，在其后方形成空间内随机无序的不规则散射光束相互叠加的散射场，散射光束投射到屏幕后，显示的图像以不稳定的、非周期性方式抖动。人眼观察图像的过程实际上是一个对所观察图像取时间积分的过程，积分时间与人眼的视觉暂留时间有关，人眼对于图像的快速变化并不敏感，比如普通日光灯的亮度是以100Hz(市电50Hz的2倍)的频率快速变化的，但人眼并不感到闪烁。所以基于人眼的对光的积分效应，非周期的不稳定的散斑图样不会被人眼感知到，从而取得良好的散斑抑制效果。
以下一采用本发明散斑抑制装置的激光投影装置的光学系统对本发明的散斑抑制效果做进一步说明。图3是采用本发明的散斑抑制装置所构成的激光投影装置的光学系统的结构图。
该激光投影装置中，激光光源模组101用于产生激光并输出激光束，一般而言，激光光源模组101产生的激光由红、绿、蓝三基色组成，根据需要也可以采用其他色光或只用1-2种颜色的激光。
扩束镜102将该激光束扩束及准直，射入本发明散射抑制装置的散射片1中。散射片1由第一致动部件2与第二致动部件3沿两个相互垂直方向，在该二维平面内做无规则的运动，其振动频率为1-100赫兹随机变化，振动的幅度在0.1-3毫米之间随机变化，从而降低透过的光束的相干性，抑制图像中的散斑。
激光束经过散射片1后射入耦合透镜103中，耦合透镜103将光束汇聚到光学积分棒104中。汇聚的激光束在光学积分棒104得到均匀化。激光束从光学积分棒104后进入准直镜105，准直镜105将激光束准直后射入偏振转换元件106，得到偏振光。该偏振光经过会聚透镜107的会聚后依次通过第一分色片108和第二分色片109分成三束不同颜色的激光束后射入成像系统中。
成像系统采用了三片LCOS显示芯片系统，包括三个由场镜、偏振棱镜和LCOS显示芯片所组成的结构以及一个合色棱镜113，每片LCOS显示芯片都对应着一个偏振棱镜和一个场镜。以下对于第二分色片109与成像系统中的一个偏振棱镜和LCOS显示芯片的连接关系及功能做进一步说明。
沿第一分色片108的透射方向设置有第二分色片109。沿第二分色片109的透射方向依次设有第一场镜110与第一偏振棱镜112。第一偏振棱镜112的反射方向上设置有第一LCOS显示芯片111，折射方向上设置有合色棱镜113。从第二分色片109中透射出的偏振光束经第一场镜110后射入第一偏振棱镜112中，由第一偏振棱镜112反射至第一LCOS显示芯片111上实现对LCOS显示芯片111的照明。第一LCOS显示芯片111上加有图像信号，从第一LCOS显示芯片111反射的携带有图像信号的光束透过第一偏振棱镜112投射至合色棱镜113中。
类似地，其他两束不同颜色的光束通过反射镜115反射或者直接射入偏振棱镜中并形成携带有不同图像信号的光束。三个LCOS显示芯片反射的三束光束在合色棱镜113中合并后射入投影镜头114，由投影镜头114将光束投影至屏幕，携带有LCOS芯片图像信号的光束在屏幕上叠加生成彩色的图像，从而实现激光图像的显示。
图4是采用现有技术与本发明的散斑抑制后的对比图像。图4a是将现有的旋转散射片取代上述激光投影装置中本发明中散射片1对应的位置上，旋转散射片是一种常用的技术，但是其以周期运动旋转使得在显示的图像中会显示出稳定的散斑图案。图4b图是采用本发明散斑抑制装置的激光投影装置所显示的图像。通过本发明中的散射片1在二维平面内以随机频率和随机幅度做无规则的运动，更好地降低了光束的相干性，从而更好地抑制了散斑。与图4a相比，应用本发明散斑抑制装置所形成的图像中散斑得到了更好的抑制，且像分辨率更高、清晰度更好，在实际观看中，人眼观察图像舒适度得到了提高，不易疲劳。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (9)

1.一种散斑抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：生成至少一个非周期性信号；
步骤二：由所述非周期性信号驱动被激光透射的界面做非周期性运动；
步骤三：所述激光透过所述界面后发生散射，生成与时间和空间关系上均为随机无序的光束；
步骤四：所述光束投影成非周期性抖动的图像，实现抑制散斑。
2.如权利要求1所述的散斑抑制方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括，两个非周期性信号驱动所述界面沿两个方向同时做非周期性运动。
3.如权利要求2所述的散斑抑制方法，其特征在于，所述界面沿两个相互垂直的方向同时做非周期性运动。
4.一种散斑抑制装置，其特征在于，包括散射部件(1)、第一致动部件(2)、第二致动部件(3)和供电部件(4)；
所述第一致动部件(2)和所述第二致动部件(3)分别与所述散射部件(1)连接；
所述供电部件(4)分别为所述第一致动部件(2)和所述第二致动部件(3)提供非周期性信号，使所述第一致动部件(2)和所述第二致动部件(3)驱使所述散射部件(1)作非周期运动。
5.如权利要求4所述的散斑抑制装置，其特征在于，所述散射部件(1)为可透射可见光的片状材料，所述散射部件(1)的一面为抛光面，另一面为非抛光面；所述非平面用于使入射光束发生散射。
6.如权利要求4所述的散斑抑制装置，其特征在于，所述第一致动部件(2)包括第一致动器(21)和第一弹性簧片(22)；所述第一致动器(21)与所述供电部件(4)电气连接，并通过所述第一弹性簧片(22)与所述散射部件(1)连接。
7.如权利要求4所述的散斑抑制装置，其特征在于，所述第二致动部件(3)包括第二致动器(31)和第二弹性簧片(32)；所述第二致动器(31)与所述供电部件(4)电气连接，并通过所述第二弹性簧片(32)与所述散射部件(1)连接。
8.如权利要求4所述的散斑抑制装置，其特征在于，所述第一致动部件(2)和所述第二致动部件(3)的致动方向相互垂直。
9.如权利要求4所述的散斑抑制装置，其特征在于，所述第一致动器(21)或所述第二致动器(31)的运动频率在1-100之间，运动幅度为0.1-3毫米。
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