CN104965307A - 一种可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置和方法。该装置包括驱动装置和位相片；所述位相片为相位型衍射/散射微结构，位相片包括多个子区域，所述的每个子区域对应的相位值随机排布；所述位相片受驱动装置驱动在其平面转动或平面震动。本发明所述可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置，将消散斑和激光整形整合到一个器件装置上，这样在整形激光光束的同时进行散斑的抑制消除，明显的减少了光学损耗，提高了激光的光能利用率，能量损耗少，成像更加清晰。

Description

一种可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置和方法，属于激光显示的技术领域。

背景技术

激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点，采用激光作为显示光源具有色域宽、颜色饱和度高、亮度高、适合大屏幕显示等优点。近年来，激光显示技术的研究和开发应用发展十分迅速，激光显示正成为继黑白、彩色和数字高清之后的第四代显示技术。但是，激光所具有的良好单色性(相干性)使激光光束在通过显示系统时会因反射、折射、干涉、衍射及散射等效应形成严重的散斑噪声。散斑噪声会严重影响激光显示的图像质量，因此，抑制或消除散斑噪声成为激光显示中迫切需要解决的技术问题之一。同时，为了提高显示系统的光能利用率和显示图像的均匀性，要求照明图像显示芯片的激光光束在横截面内的强度是均匀分布、并且其尺寸和形状与图像显示芯片相匹配，因此，需要对激光光束进行整形匀光。

消除散斑噪声的方法可以分为两大类：第一类是通过降低激光光源的相干性和通过多幅独立非相关的散斑图样的动态叠加实现散斑的消除；散斑噪声是散射光相干叠加造成的，所以可以通过降低激光的相干性来抑制散斑噪声的产生，此类方法主要是从激光的波长、角度方面来降低激光的时间相干性和空间相干性。第二类是通过改变半导体激光器的谐振腔的长度或者改变高频调制位相的方法来实现激光光源线宽的增加，或者通过采用波长稍有不同的多个激光器照明来获得波长的多样性从而降低激光光源的时间相干性，进而减少激光的散斑噪声；通过将激光光束分为子光束，不同的子光束引入不同的光程差，超过激光光源的相干长度后合束来作为照明光源，此种方法同样削弱了激光的相干性从而达到了抑制散斑的效果；或者也可采用空间分开的多个激光器组成激光阵列来实现照明角度的多样性进行散斑的抑制。

其中，通过多幅独立非相关的散斑图样的动态叠加实现散斑的抑制是利用了人眼的特性，人眼对图像的响应时间大约是30ms,在这段时间内人眼接收到的图像就会进行叠加，当多幅独立非相关的散斑图样在这段时间内发生叠加时就会达到视觉平均的作用从而减少了人眼观察到的散斑。独立非相关散斑图样的动态叠加可以通过动态改变光源入射角、改变光源偏振态以及在光路中加入动态散射器件或随机相位板等方式来实现。

中国专利CN201340489Y公开了一种激光消散斑装置，该装置采用电磁振动装置使光纤束产生随机振动；中国专利CN201387516Y公开了一种消散斑装置及使用该消散斑装置的激光投影仪，该投影仪采用脉冲电源与逆压电材料体，使环绕在逆压电材料体上的光纤束产生无规伸缩；中国专利CN101425656公开了一种减少激光散斑效应的方法，该方法利用压电效应、电光效应、声光效应及标准具快速改变激光器腔长，使激光输出波长快速变化或跃变，从而达到降低激光的时间相干性、降低散斑效应的目的。此外，中国专利CN1727938A公开了一种激光投影电视照明系统中的光束均匀化装置，该装置采用衍射光学器件把扩束后的圆形或环形或椭圆形激光束转换为方形照明光束，经过对所用衍射光学器件进行特殊设计，该装置在实现光束整形的同时具有一定的匀光效果，但由于其中的器件是固定不动的，因此难以降低或消除系统中由其它器件所引起的散斑与条纹。

在整形匀光方面，目前常用的方法有三类，一是采用光管或光积分棒，二是采用复合透镜阵列，三是采用相位型衍射光学元件。三种方法各有特点，需要根据所用光源的特点和显示系统的结构要求来选择。

在目前的激光显示系统中，消散斑和整形匀光一般是采用多个分立光学元件分别实现；每个光学元件都有其前后表面的反射和内部材料的吸收，都需要支撑固定或驱动，都需要相应的放置空间。其主要缺点有：(1)采用器件多，结构复杂，稳定性差，不利于系统小型或微型化；(2)光能损耗增加、利用率降低，同样的显示画面尺寸和亮度，需要更大功率的激光光源；(3)系统的成本和功耗高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置。本发明所述可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置，该装置在相机曝光时间或者人眼积分时间内可以实现多个独立非相关的散斑图样的叠加从而达到消除散斑的目的，同时激光光束的输出形状不会发生变化，满足照射物体的光束要求；集两种功能于一体，可同时实现整形匀光和消散斑；该装置用于激光显示系统，可以提高系统的稳定性和光能利用率，降低系统复杂度、功耗和成本低，利于系统的小型化和微型化。

本发明还提供一种利用上述装置进行光束整形匀光与消散斑的方法。

发明概述：

该装置基于光波波前相位重建原理和算法，通过设计可以实现整形匀光的衍射/散射微结构；以平板型透明光学材料为基底，将平板型基底表面区域分为按一定阵列形式分布的子区域，在每个子区域上采用上所述衍射/散射微结构，得到可同时实现整形匀光和消散斑功能的衍射/散射器件；每一个子区域上的微结构均可实现整形匀光，各个子区域所对应的微结构各自具有不同的结构形式，相互之间随机分布、统计无关；所述衍射/散射器件放置在显示系统照明光路中并使其表面垂直于激光光束，在驱动装置驱动下按一定频率做面内平移振动或转动；在该衍射/散射器件平移或转动过程中，激光光束依次通过不同的子区域，通过不同的子区域时得到的整形匀光光束在形状尺寸和强度分布上相同，但其相位分布相互独立、统计无关；该衍射/散射器件的振动或转动频率足够大且适当，在人眼或探测器积分时间内实现了大量独立非相关散斑图像的随机叠加，从而达到降低或消除散斑的目的。

本发明的技术方案如下：

一种可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置，包括驱动装置和位相片；所述位相片为相位型衍射/散射微结构，位相片包括多个子区域，所述的每个子区域对应的相位值随机排布；所述位相片受驱动装置驱动在其平面转动或平面震动。每个子区域设置有随机的微结构，使每个子区域相位值相互之间随机分布、统计无关，每一个子区域上的微结构均可实现整形匀光。

优选的，所述驱动装置是驱动电机。

优选的，所述子区域的形状相同，所述子区域的形状为矩形或者扇形。

优选的，所述子区域的个数大于50个。

一种可同时实现光束整形匀光与消散斑的方法，包括步骤如下：

1)对透明平板基底加工为相位型衍射/散射微结构，形成位相片；

2)激光光束扩束准直；

3)启动驱动装置，驱动所述位相片沿着所在平面进行平面震动或者平面转动，使扩束准直后的激光光束入射到所述位相片表面；所述相位型衍射/散射微结构平面震动或平面转动的过程中，激光光束依次通过不同的子区域，通过不同的子区域时得到的整形匀光光束在形状尺寸和强度分布上相同，但其相位分布相互独立、统计无关；所述相位型衍射/散射微结构的高频振动或转动，在人眼或探测器积分时间内实现了大量独立非相关散斑图像的随机叠加，从而达到降低或消除散斑的目的。

4)将通过所述位相片的激光光束经过傅里叶变换透镜使光束均匀的照射在物体上，通过投影镜头投影到屏幕上。

优选的，所述步骤1)中加工所述相位型衍射/散射微结构的具体方法为，采用现有的光学微加工技术在透明平板基底上加工得到。加工后的透明平板基底为光学衍射器件，可以起到对激光光束整形的作用。

优选的，所述步骤3)中所述扩束准直后的激光光束垂直入射到所述位相片表面。

优选的，所述步骤3)中所述位相片的平面震动频率和平面转动频率均大于1000Hz。

激光光束经过扩束准直后通过本发明消散斑整形器件，然后经过傅里叶变换透镜使光束均匀的照射在物体上，通过投影镜头投影到屏幕上。本发明所述位相片一方面的特征为光学衍射器件，可以起到对激光光束整形的作用，另一方面位相片被分成了多个小的子区域，每个子区域在满足整形激光光束的基础上被附加了随机的相位值，当高频率振动或者旋转所述位相片时，激光光束照射到位相片不同的位置被附加了不同的相位值，从而得到动态变化的独立不相关的散斑图样，在探测器或者是人眼积分时间内，多幅散斑图样进行叠加达到通过时间平均的方式来消除散斑。

本发明的优点在于：

1、本发明所述可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置，将消散斑和激光整形整合到一个器件装置上，这样在整形激光光束的同时进行散斑的抑制消除，明显的减少了光学损耗，提高了激光的光能利用率，能量损耗少，成像更加清晰；

2、本发明所述可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置，简化了光路设计，结构简单，易于推广和应用，更加便于光路的集成一体化、轻便化。

附图说明：

图1为本发明所述可同时实现光束整形匀光与消散斑的方法的光路结构示意图；

图2为本发明所述振动状态位相片的结构示意图；

图3为本发明所述旋转位相片的结构示意图；

其中，1、位相片；2、傅里叶变换透镜；3、物体；4、投影镜头；5、屏幕。

具体实施方式：

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1-3所示。

一种可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置，包括驱动电机和位相片1；所述位相片1为相位型衍射/散射微结构，所述位相片1包括60个矩形子区域，所述的每个子区域对应的相位值随机排布；所述位相片1受驱动电机驱动在其平面转动或平面震动。每个子区域设置有随机的微结构，使每个子区域相位值相互之间随机分布、统计无关，每一个子区域上的微结构均可实现整形匀光。

实施例2、

如实施例1所述的可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置，其区别在于，所述位相片1包括90个扇形子区域。

实施例3、

一种可同时实现光束整形匀光与消散斑的方法，包括步骤如下：

1)采用现有的光学微加工技术将透明平板基底加工为相位型衍射/散射微结构，形成位相片1；加工后的透明平板基底为光学衍射器件，可以起到对激光光束整形的作用。

2)激光光束扩束准直；

3)启动驱动装置，驱动所述位相片1沿着所在平面进行平面震动或者平面转动，使扩束准直后的激光光束垂直入射到所述位相片1表面，其中，所述平面震动频率和平面转动的频率均大于1000Hz；所述相位型衍射/散射微结构平面震动或平面转动的过程中，激光光束依次通过不同的子区域，通过不同的子区域时得到的整形匀光光束在形状尺寸和强度分布上相同，但其相位分布相互独立、统计无关；所述相位型衍射/散射微结构的高频振动或转动，在人眼或探测器积分时间内实现了大量独立非相关散斑图像的随机叠加，从而达到降低或消除散斑的目的。

4)将通过所述位相片1的激光光束经过傅里叶变换透镜2使光束均匀的照射在物体3上，通过投影镜头4投影到屏幕5上。

Claims (6)

1.一种可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置，其特征在于，包括驱动装置和位相片；所述位相片为相位型衍射/散射微结构，位相片包括多个子区域，所述的每个子区域对应的相位值随机排布；所述位相片受驱动装置驱动在其平面转动或平面震动。

2.如权利要求1所述的可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置，其特征在于，所述子区域的形状相同，所述子区域的形状为矩形或者扇形。

3.如权利要求1所述的可同时实现光束整形匀光与消散斑的装置，其特征在于，所述子区域的个数大于50个。

4.一种利如权利要求1所述装置进行光束整形匀光与消散斑的方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)对透明平板基底加工为相位型衍射/散射微结构，形成位相片；

2)激光光束扩束准直；

3)启动驱动装置，驱动所述位相片沿着所在平面进行平面震动或者平面转动，使扩束准直后的激光光束入射到所述位相片表面；

4)将通过所述位相片的激光光束经过傅里叶变换透镜使光束均匀的照射在物体上，通过投影镜头投影到屏幕上。

5.如权利要求4所述的光束整形匀光与消散斑的方法，其特征在于，所述步骤3)中所述扩束准直后的激光光束垂直入射到所述位相片表面。

6.如权利要求4所述的光束整形匀光与消散斑的方法，其特征在于，所述步骤3)中所述位相片的平面震动频率和平面转动频率均大于1000Hz。