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一种基于波长多样性的激光消散斑装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光显示技术领域，具体涉及一种基于波长多样性的激光消散斑装置。本发明激光消斑装置包括散射片、单面镜、方形匀光管、增透玻璃，方形匀光管的入射端面设有单面镜，方形匀光管的出射端面设有增透玻璃，激光器产生的激光光束通过散射片发散，散射片产生的散射光经过单面镜直接耦合到方形匀光管中，其中方形匀光管内设有激光增益介质和微/纳米散射体。本发明根据激光投影系统的特性设计了激光散斑抑制方案，既能得到较好的整形匀场，又能有效抑制激光散斑，并提高光能利用率，体积小、结构简单、成本低、系统的一致性和稳定性高。

Description

一种基于波长多样性的激光消散斑装置
技术领域
本发明属于激光显示技术领域，具体涉及一种基于波长多样性的激光消散斑装置。
背景技术
激光以其广色域、高亮度、高色饱和度、低能耗、长寿命等优点，被认为是信息显示领域中取代传统光源(如高压汞灯或氙气灯)的理想光源。
然而，激光光源是一种高度相干光，其固有的空间和时间相干性使其经粗糙表面(如屏幕)反射或透射时，由于粗糙表面基元的高度涨落不同引起光程差，导致有限孔径的强度检测器(如观察者的眼睛)接收到的图像呈颗粒状图样斑纹，即激光散斑，这一现象严重影响了显示图像的质量。因此，减小由于激光引入的散斑噪声问题成为激光投影显示提高画质、进入市场的关键技术。
目前存在很多消散斑方法的装置，如旋转散射片、振动衍射光学元件或屏幕、电/磁振动光纤、超声波驱动液晶单元、高频驱动二维扫描复面转镜或MEMS扫描微镜等均是用于产生多帧统计独立的散斑图像，利用在人眼积分时间内对这些散斑图像进行平均来降低散斑视觉。由于这类装置所需的高频振动或旋转会导致系统不稳定、产生噪声，而且驱动电机还需要空间等缺点，使得激光投影系统结构复杂、成本高、难于微型化。
现有基于波长多样性的消散斑技术中，主要是通过控制半导体激光二极管的驱动电流或温度改变其输出波长，一般情况下，这两种情况引起的波长线宽为几个纳米，不足以影响激光束的相干性，也就是对激光散斑抑制贡献不大。此外，专利号为200820122639.7的中国专利用无机盐或有机醇水溶液(如NaCl、KCl、KNO3、或ZnSO4水溶液)作为散射介质，对入射激光实现瑞利散射，以期降低入射激光的相干性来消除散斑，不仅效果甚微，因瑞利散射还会增大光损。
随后，公开号为CN102073145 A的中国专利利用溶液或溶胶内散布有线度能引起入射激光发生米氏散射的介质粒子(如聚苯乙烯微球、TiO2粒子)做随机布朗运动，改变不同时刻出射散射光的相位和散射角分布，在人眼积分时间(50ms)内形成多个统计独立散斑图像，将这些散斑图像基于强度叠加，实现消除散斑现象的目的。但按该申请所述技术方法进行试验，在室温下，对同一入射激光束经浓度为0.0125％的液态纳米复合材料(0.05ml的2.5％PS小球与10ml去离子水混合而成)装入横截面为8.8mm×7mm、长为4.2cm的光通管所构成的消散斑装置与空光通管装置后的光功率进行测试，结果如图1a、图1b、图1c所示，结果表明：该消散斑装置光损太大，无法满足激光投影系统的实际应用。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种基于波长多样性的激光消散斑装置，无需对激光投影系统做任何改变，就可通过非运动方式实现波长多样性、空间和时间平均的激光散斑减少，同时还能提高光能利用率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于波长多样性的激光消散斑装置，包括激光器和消斑装置，所述消斑装置包括散射片和方形匀光管，所述方形匀光管的入射端面设有单面镜，方形匀光管的出射端面设有增透玻璃，激光器产生的激光光束通过散射片发散，散射片产生的散射光经过单面镜直接耦合到方形匀光管中。
所述方形匀光管内设有激光增益介质和微/纳米散射体，散射片产生的散射光在纳米散射体之间或微/纳米散射体与方形匀光管内壁之间反射，一方面会扩大不同散射激光束传播程长的散布范围，减弱它们的时间相干性；另一方面会形成开腔或类开腔，在激光增益介质的作用下被放大，产生相位随机分布的激光束，并拓展激光线宽，减弱它们的时间和空间相干性。
所述激光增益介质为恶嗪或若丹明，用于增大传输光束的能量。
所述微/纳米散射体采用二氧化硅纳米颗粒或二氧化钛纳米颗粒。
所述单面镜一面镀有强增透膜，另一面镀有高反射膜。
所述增透玻璃的两面均镀有强增透膜，可以增加光的透过率。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明中激光光束通过散射片以某一角度散射，形成一定面积的散射光斑，减弱光场的相干性，散射光束进入方形匀光管，以不同角度与均匀分散在匀光管内的微/纳米散射体进一步发生散射，产生的散射光会在微/纳米散射体之间或微/纳米散射体与匀光管内壁之间来回反射，一方面会扩大不同散射激光束传播程长的散布范围，减弱它们的时间相干性，另一方面会形成开腔或类开腔，在激光增益介质的作用下被放大，产生相位随机分布的激光束，并拓展激光线宽，减弱它们的时间和空间相干性，这样，经方形匀光管出射端面，透射出的就是具有一定线宽、弱相干性、光强被放大的激光束，经投影后，就会得到一个无散斑现象且有足够亮度的图像。本发明无需对激光投影系统做任何改变，根据激光投影系统的特性设计了激光散斑抑制方案，既能得到较好的整形匀场，又能有效抑制激光散斑，并提高光能利用率。
附图说明
图1a为利用红色光源对现有技术构建的消散斑装置测试的输出功率结果图；
图1b为利用绿色光源对现有技术构建的消散斑装置测试的输出功率结果图；
图1c为利用蓝色光源对现有技术构建的消散斑装置测试的输出功率结果图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为激光光束经本发明的消斑装置传输的过程及光强获得放大的示意图；
图4a为激光增益介质若丹明的激光光谱图；
图4b为红色激光经泵浦作用的激光光谱图；
图5为本发明的消散斑装置在单色激光投影系统中的应用示意图。
其中：210为激光器，220为消斑装置，221为散射片，222为单面镜，223为方形匀光管，224为增透玻璃，230为透镜，301散射光束，302为微/纳米散射体，303为散射光束a，304为散射光束b，305为激光增益介质，306相干光束，307为非相干光束，501为中继透镜组，502为DMD，503为投影镜头组，504为屏幕。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示：一种基于波长多样性的激光消散斑装置包括散射片221、单面镜222、方形匀光管223、增透玻璃224。
消斑装置220包括散射片221和方形匀光管223，消斑装置220用于降低激光的相干性并整形，散射片221用于散射会聚光束，降低光场的空间相干性，方形匀光管223的入射端面设有单面镜222，单面镜222用于封闭方形匀光管223的入射端面，方形匀光管223的出射端面设有增透玻璃224，增透玻璃224用于封闭方形匀光管223的出射端面，激光器210产生的激光光束通过散射片221发散，散射片221产生的散射光经过单面镜222直接耦合到方形匀光管223中，方形匀光管223中的光束从增透玻璃224中导出到透镜230上，透镜230用于收集来自消斑装置220的出射激光束，透镜230一般为平凸透镜或平凸透镜与凸透镜的组合。
单面镜222一面镀有强增透膜，用于将来自散射片221散射的光直接耦合到方形匀光管223内腔中，另一面镀有高反射膜，用于将来自方形匀光管223内腔中激光与微/纳米散射体302发生作用，产生的后向散射光反射回腔中，继续与微/纳米散射体302发生作用，增加光与微/纳米散射体302发生作用的机率，减少光的损失；增透玻璃224的两面均镀有强增透膜，可以增加光的透过率。
如图3所示:激光光束经本发明的消斑装置传输的过程及光强获得放大图，其中包括散射光束301、微/纳米散射体302、散射光束a303、散射光束b304、激光增益介质305、相干光束306和非相干光束307。
方形匀光管223内填充有激光增益介质305和微/纳米散射体302的均匀混合物，激光增益介质305用于增大传输光束的能量，激光增益介质305和微/纳米散射体302能够使激光光束在方形匀光管223内传播时形成开腔或类开腔，减弱激光的时间和空间相干性，并放大光强和整形光场，散射片221产生的散射光在微/纳米散射体302之间或微/纳米散射体302与方形匀光管223内壁之间来回反射，一方面会扩大不同散射激光束传播程长的散布范围，减弱它们的时间相干性，另一方面会形成开腔或类开腔，在激光增益介质305的作用下被放大，产生相位随机分布的激光束，并拓展激光线宽，减弱它们的时间和空间相干性。
散射光束301是由激光器210产生的激光光束通过散射片221发散出来的，微/纳米散射体302可以是粒径为100nm～500nm的二氧化硅纳米颗粒，或粒径为50nm～200nm的二氧化钛纳米颗粒，其中微/纳米散射体302用于提供相干反馈或非相干反馈机制，获得波长拓展的随机激光，散射光束a303和散射光束b304是由散射光束301与微/纳米散射体302相互作用产生的，激光增益介质305可以是恶嗪或若丹明，用于增大传输光束的能量，相干光束306是由散射光束a303与方形匀光管223内部无序的微/纳米散射体302做多次相互作用，形成大小不同的闭环，提供一个相干反馈，在激光增益介质305的作用下，使得能量不同程度的增加，然后从方形匀光管223的出射端射出的相干激光束，非相干光束307是由散射光束b304与方形匀光管223内部的微/纳米散射体302做单次相互作用，形成不同路径的开环，提供一个非相干反馈，在激光增益介质305的作用下，获得不同程度的能量增加，然后从方形匀光管223的出射端射出的非相干激光束。根据激光线宽δλ与散斑图像对比度CR之间的关系：
其中，n是散射屏的折射率，σh为散射屏的粗糙度，是照射激光光束的中心波长，δλ表示照射激光光束在消散斑装置作用后发射波长峰值之半的全宽度。对于透射散射屏，一般粗糙度在100～200μm范围内，消散斑装置能使入射激光束的线宽拓展到150nm左右，散斑图像的对比度就能降到0.05或更低(一般人眼无法分辨对比度低于0.04的散斑)。因此，根据上述理论实现波长多样性达到消除激光散斑的目的。
如图4a所示：采用632nm的红色激光对激光增益介质305若丹明Rhodamine泵浦，其中若丹明Rhodamine中均匀分散有粒径为200nm的二氧化硅的微/纳米散射体302，经泵浦作用后，激光增益介质302若丹明Rhodamine的激光光谱的线宽从100nm左右被展宽至140nm左右，如图4b所示。
如图5所示：是根据本发明所提供的单色激光投影显示系统，包括：激光器210、消斑装置220、透镜230、中继透镜组501、DMD 502、投影镜头组503和屏幕504。
实施例1
为了更有效地改善光能利用率和抑制激光散斑，本实施例中使用具有较小发散角的散射片221，发散角可选为5°-10°，激光器210产生的激光束照射到散射片221上，具有一定发散角的散射片221会对准直性良好的激光光束散射，形成一定面积的散射光斑，减弱光场的相干性，增大光束照射尺寸和扩散角，使经单面镜222耦合到方形匀光管223内腔中的光束入射角更丰富，便于光束在方形匀光管223内腔中与微/纳米散射体302二氧化硅纳米颗粒或微/纳米散射体302二氧化硅纳米颗粒与方形匀光管223内壁之间来回反射，一方面扩大不同散射激光束传播程长的散布范围，减弱它们的时间相干性，另一方面会形成开腔或类开腔，在激光增益介质305若丹明的作用下被放大，产生相位随机分布的激光束，并拓展激光线宽，减弱它们的时间和空间相干性；这样，经匀光管223出射端面透射出的就是具有一定线宽、弱相干性、光强被放大的激光束，经投影后，就会在屏幕504上得到一个无散斑现象且有足够亮度的图像。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于波长多样性的激光消散斑装置，其特征在于：包括激光器(210)和消斑装置(220)，所述消斑装置(220)包括散射片(221)和方形匀光管(223)，所述方形匀光管(223)的入射端面设有单面镜(222)，方形匀光管(223)的出射端面设有增透玻璃(224)，激光器(210)产生的激光光束通过散射片(221)发散，散射片(221)产生的散射光经过单面镜(222)直接耦合到方形匀光管(223)中；所述方形匀光管(223)内设有激光增益介质(305)和微/纳米散射体(302)，散射片(221)产生的散射光在微/纳米散射体(302)之间或微/纳米散射体(302)与方形匀光管(223)内壁之间反射，一方面会扩大不同散射激光束传播程长的散布范围，减弱它们的时间相干性；另一方面会形成开腔或类开腔，在激光增益介质(305)的作用下被放大，产生相位随机分布的激光束，并拓展激光线宽，减弱它们的时间和空间相干性。
2.根据权利要求1所述的一种基于波长多样性的激光消散斑装置，其特征在于：所述激光增益介质(305)为恶嗪或若丹明，用于增大传输光束的能量。
3.根据权利要求1所述的一种基于波长多样性的激光消散斑装置，其特征在于：所述微/纳米散射体(302)采用二氧化硅纳米颗粒或二氧化钛纳米颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种基于波长多样性的激光消散斑装置，其特征在于：所述单面镜(222)一面镀有强增透膜，另一面镀有高反射膜。
5.根据权利要求1所述的一种基于波长多样性的激光消散斑装置，其特征在于：所述增透玻璃(224)的两面均镀有强增透膜，可以增加光的透过率。
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