CN106353890A - 光束调控光纤消散斑方法及装置 - Google Patents

光束调控光纤消散斑方法及装置 Download PDF

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    • G02B27/48—Laser speckle optics

Abstract

本发明公布了一种光束调控光纤消散斑方法及装置。所述方法由光束调控元件（如MEMS扫描镜、基于空间光调制器的动态光栅等）、聚光元件（如凸透镜）和多模光纤等组成。激光器发射出的激光束经光束调控元件后，在一定角度范围内动态扫描调控，并经聚光元件会聚到多模光纤的入射端口，最终可在光纤出射端口实现散斑抑制。为将系统的光强损耗降低至最低，光纤入射端口的调控激光束扫描角度须等于或小于光纤接受角；为实现最优化的消散斑效果，光束调控元件的扫描频率须等于或高于光强探测器（如人眼）的刷新频率。

Description

光束调控光纤消散斑方法及装置
技术领域
本发明涉及散斑的抑制和减弱，特别用于激光照明，如激光显示；具体为一种光束调控光纤消散斑方法及装置。
背景技术
当一相干激光束透射过粗糙散射体或被粗糙散射体所反射时，在该散射体的粗糙表面会发生光波的干涉现象：散斑（Speckle)，所表现出的是颗粒状的明暗非均匀光强分布。在激光显示中，散斑的存在将会降低图像质量，因而必须被抑制。
目前，受限制于激光二极管的光功率，大流明激光显示中一般采用光纤耦合的方法，将多个准直后的红、绿、蓝激光二极管经光纤束集成到一起，实现高功率光源照明。在激光散斑抑制上，ZL200820110227.1和ZL201210088322.7公布了一种高速振动多模光纤束的方法，实现多模光纤内全内反射光的动态调制，和光纤出射端口的散斑降低。
发明内容
本发明提供一种光束调控光纤消散斑方法及装置。
本发明所述的光束调控光纤消散斑方法是采用以下技术方案实现的：一种光束调控光纤消散斑方法，激光光源出射的激光经准直后被光束调控元件调制，使得激光在一定角度范围内实现动态扫描；经过调制的激光被聚光元件汇聚到多模光纤的入射端口；光束调控元件的扫描频率须等于或高于位于多模光纤的出射端口外的光强探测器的刷新频率，最终可在多模光纤出射端口实现散斑抑制。
进一步的，多模光纤入射端口的调制激光束扫描角度须等于或小于多模光纤的接收角。
本方法采用光束调控元件（如MEMS扫描镜、基于空间光调制器的动态光栅等）、聚光元件（如凸透镜）和多模光纤等实现。为将系统的光强损耗降低至最低，光纤入射端口的调控激光束扫描角度须等于或小于光纤接受角；光束调控元件的扫描频率须等于或高于光强探测器（如人眼）的刷新频率，以实现最优化的消散斑效果。
本发明所述的光束调控光纤消散斑装置是采用以下技术方案实现的：一种光束调控光纤消散斑装置，包括激光光源、顺次位于激光光源出射光路上的准直透镜、光束调控元件以及顺次位于光束调控元件调制出射光路上的聚光元件以及多模光纤。
相比于高速振动多模光纤的激光散斑抑制方法，本发明通过调制入射到多模光纤的激光束，实现散斑抑制。在达到同样散斑抑制效果的前提下，本发明公布的方法体积更小、功耗更低，更有利于在激光显示整机中集成。
附图说明
图1为反射型光束调控光纤消散斑装置。
图2为透射型光束调控光纤消散斑装置。
图3为图1所示例的反射型光束调控元件，如MEMS扫描镜。
图4为图2所示例透射型光束调控元件，如基于空间光调制器的动态光栅。
图5为图1所示反射型光束调控光纤消散斑方法和装置在激光投影显示系统中的简化光路。
图6是图2所示透射型光束调控光纤消散斑方法和装置在激光投影显示系统中的简化光路。
具体实施方式
图1是反射型光束调控光纤消散斑方法和装置，包括：激光光源1、反射型光束调控元件3、聚光元件5、和多模光纤7。激光光源1经透镜准直后发射出的激光束2被反射型光束调控元件3调制，形成调制激光束4.1、4.2和4.3。经聚光元件5后，耦合到多模光纤7的入射端口，其中调制激光束4.1经聚光元件5后形成多模光纤7的入射激光束6.1，调制激光束4.2经聚光元件5后形成多模光纤7的入射激光束6.2，调制激光束4.3经聚光元件5后形成多模光纤7的入射激光束6.3。
在图1中若已知多模光纤7的数值孔径（Numerical Aperture: NA），可计算出该多模光纤7的接受角(acceptance angle) θ a ，即θ a = sin-1(NA)。如多模光纤7的数值孔径NA= 0.22，则其接受角θ a = 12.7°。若反射型光束调控元件3的最大调控角度为θ m ，则经聚光元件5后，在多模光纤7的入射端口的最大入射角度等于θ i = tan-1(Z i /Z o ×tanθ m ) = tan-1(M×tanθ m )，其中Z o 是反射型光束调控元件3到聚光元件5的距离，Z i 是聚光元件5到多模光纤7入射端口的距离，M = Z i /Z o 是聚光元件5的放大倍数。为保证入射激光束6.1、6.2和6.3在多模光纤7里面全内反射，需使多模光纤7的入射端口的最大入射角度θ i 不大于多模光纤7的接受角。
图2是透射型光束调控光纤消散斑方法和装置，包括：激光光源1、透射型光束调控元件8、聚光元件5、和多模光纤7。激光光源1经透镜准直后发射出的激光束2被透射型光束调控元件8调制，形成调制激光束4.1、4.2和4.3。经聚光元件5后，耦合到多模光纤7的入射端口，其中调制激光束4.1经聚光元件5后形成多模光纤7的入射激光束6.1，调制激光束4.2经聚光元件5后形成多模光纤7的入射激光束6.2，调制激光束4.3经聚光元件5后形成多模光纤7的入射激光束6.3。
和图1中的计算方法类似，为保证图2中入射激光束6.1、6.2和6.3在多模光纤7里面全内反射，需使多模光纤7的入射端口的最大入射角度θ i 不大于多模光纤7的接受角。
反射型光束调控元件3可通过振动衍射光学元件、电学调制衍射光学元件、和旋转反射镜等方式实现。例如，图3是以旋转反射镜方式实现的反射型光束调控元件3的三个工作状态：起始状态3.1、顺时针旋转状态3.2和逆时针旋转状态3.3。起始状态3.1、顺时针旋转状态3.2、和逆时针旋转状态3.3的实现可通过机械力、电场力、磁场力、热力等方式驱动反射型光束调控元件3。更例如，图3为静电力驱动的MEMS扫描镜，由于静电力的吸附作用和静电力极性的变化，可实现MEMS扫描镜在X方向和Y方向的二维扫描。
透射型光束调控元件8可通过振动衍射光学元件、电学调制衍射光学元件、和旋转透镜等方式实现。例如，图4是以电学调制衍射光学元件方式实现的透射型光束调控元件8的四个工作状态：起始状态8.1、频率改变状态8.2、角度改变状态8.3、和频率与角度同时改变状态8.4。更例如图4是衍射光栅，起始状态8.1、频率改变状态8.2、角度改变状态8.3、和频率与角度同时改变状态8.4可实现衍射激光束方向的改变。
图5是图1所示反射型光束调控光纤消散斑方法和装置在激光投影显示系统中的简化光路。采用多组反射型光束调控光纤消散斑装置。如图5所示，多个准直后的激光光源1（激光二极管光源）发射出的激光束分别被各自对应的反射型光束调控元件3调制，随后分别经各自对应的聚光元件5耦合入各自对应的多模光纤7。该部分光学系统可实现高功率光源集成，同时具备消散斑的作用。散射片9和光通管（rod integrator）10起到匀光的作用，激光束经中继透镜11后，可均匀照明在微显示芯片[micro display chip，如数字微镜阵列（Digital Micromirror Device：DMD）和硅上液晶（Liquid Crystal on Silicon: LCoS）等]12上。微显示芯片12上所产生的图像信息经投影镜头13放大后，投放在幕布14上，最终人眼15可观察到消散斑后的激光显示图像。
图6是图2所示透射型光束调控光纤消散斑方法和装置在激光投影显示系统中的简化光路。采用多组透射型光束调控光纤消散斑装置。如图6所示，多个准直后的激光光源1（激光二极管光源）发射出的激光束分别被透射型光束调控元件8调制，随后分别经多个聚光元件5耦合入多个多模光纤7。该部分光学系统可实现高功率光源集成，同时具备消散斑的作用。散射片9和光通管（rod integrator）10起到匀光的作用，激光束经中继透镜11后，可均匀照明在微显示芯片[micro display chip，如数字微镜阵列（Digital MicromirrorDevice：DMD）和硅上液晶（Liquid Crystal on Silicon: LCoS）等]12上。微显示芯片12上所产生的图像信息经投影镜头13放大后，投放在幕布14上，最终人眼15可观察到消散斑后的激光显示图像。
例如图6中多个透射型光束调控元件8可由快速液晶材料制备的空间光调制器（spatial light modulator）实现，聚光元件5可为复眼透镜（fly’s eye lens），以最终达到器件和系统的高度集成。

Claims (7)

1.一种光束调控光纤消散斑方法，其特征在于，激光光源（1）出射的激光经准直后被光束调控元件调制，使得激光在一定角度范围内实现动态扫描；经过调制的激光被聚光元件（5）汇聚到多模光纤（7）的入射端口；光束调控元件的扫描频率须等于或高于位于多模光纤（7）的出射端口外的光强探测器的刷新频率，最终可在多模光纤（7）出射端口实现散斑抑制。
2.如权利要求1所述的光束调控光纤消散斑方法，其特征在于，所述光束调控元件采用反射型光束调控元件（3）。
3.如权利要求1所述的光束调控光纤消散斑方法，其特征在于，所述光束调控元件采用透射型光束调控元件（8）。
4.如权利要求1~3中任一项所述的光束调控光纤消散斑方法，其特征在于，多模光纤（7）入射端口的调制激光扫描角度须等于或小于多模光纤（7）的接收角。
5.一种光束调控光纤消散斑装置，用于实现权利要求1~4所述的光束调控光纤消散斑方法，其特征在于，包括激光光源（1）、顺次位于激光光源出射光路上的准直透镜、光束调控元件以及顺次位于光束调控元件调制出射光路上的聚光元件（5）以及多模光纤（7）。
6.如权利要求5所述的光束调控光纤消散斑装置，其特征在于，所述光束调控元件采用反射型光束调控元件（3）；反射型光束调控元件（3）可通过振动衍射光学元件、电学调制衍射光学元件、和旋转反射镜等来实现。
7.如权利要求5所述的光束调控光纤消散斑装置，其特征在于，所述光束调控元件采用透射型光束调控元件（8）；透射型光束调控元件（8）可通过振动衍射光学元件、电学调制衍射光学元件、和旋转透镜等方式实现。
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