CN107678174B - 一种柔性变角度阵列衍射光学微结构及其履带式运动方法 - Google Patents
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Abstract
一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，所述微结构制作在柔性材料上，由N组一维二元衍射光学微结构首尾组成，所述柔性变角度阵列衍射光学微结构弯折并首尾相连形成履带式结构，所述弯折后的柔性变角度阵列衍射光学微结构作为一个整体的衍射光学器件，它包括前后两层，每一层包含(N/2)组一维二元衍射光学微结构；所述一维二元衍射光学微结构包括光栅结构和光学微结构，所述一维是指衍射光学微结构为一维图案、所述二元是指因衍射光学微结构深度所形成的光程差是二值化的。以及提供一种柔性变角度阵列衍射光学微结构的履带式运动方法。本发明全波段散斑抑制效果好、运动方式简单、易于实现、且系统通用性、鲁棒性好、成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于激光显示投影领域，尤其涉及采用运动式衍射光学器件进行激光散斑抑制的衍射光学器件及其适配运动方法。
背景技术
激光投影显示系统因其所具备的色彩丰富、画面质量高、寿命长、可靠性高、功效高、能耗低等优点，受到越来越广泛的关注和欢迎。然而由于激光是高相干光，不可避免地会产生一种称为激光散斑的画面噪声。散斑表现为随机分布在激光光斑中的黑色斑点，其实质为信号的随机相干叠加，散斑的存在严重影响图像和信息的质量。在激光投影显示领域，散斑会使投影显示的画面质量下降，导致观看者产生疲倦和头晕眼花等症状，严重影响激光投影仪使用者的体验，成为制约激光投影显示系统和仪器发展的核心因素。因此，研发激光散斑抑制技术和器件十分必要。
已有技术中对激光散斑抑制所采用的最常用的方法，是使用运动的衍射光学器件。多年来，研究者报道了多种衍射光学器件，包括常周期的光栅结构；基于伪随机编码、M序列编码、Barker码的微光学结构；基于Hadamard矩阵的微光学结构等等。激光束经过这些衍射光学器件形成了衍射光场，动态变化的衍射光场的叠加能够破坏激光的相干性，并进而起到抑制激光散斑的作用。为了形成动态变化的衍射光场的叠加，需要对衍射光学器件进行震动、线性位移、旋转运动等机械运动方式。然而这样的运动方式不仅机械部件和运行机构复杂、庞大，而且对激光投影显示仪器有冲击损害。另外，由于需要往复运动使得无法保证衍射光学器件处于匀速运动状态，因此散斑抑制效果也不够理想。上述机械运动方式中旋转运动所引起的运动冲击最小，但因将衍射光学结构制作在圆盘上进行旋转，每一时刻只有圆盘上的一小部分衍射光学结构进入光路，因此衍射光学结构利用率很低。而对于线性位移而言，通常需要两个维度的线性运动，机械上实现难度大且稳定性不好。上述已有技术中与本发明最接近的衍射光学器件及其运动方法，比如在《Hadamard specklecontrast reduction》(2004，Opt.Lett.29,11-13)一文中Jahja I.Trisnadi第一次采用了基于Hadamard矩阵结构的衍射光学器件；在《Full speckle suppression in laserprojectors using two Barker code-type diffractive optical elements》(2013，J.Opt.Soc.Am.A 30,22-31)一文中，Lapchuk等人采用两个基于Barker码结构的衍射光学器件并使其在垂直于光轴的平面，沿与水平面呈一定角度的方向运动，对全波段(既包括红、绿、蓝)激光进行了散斑抑制实验；乐孜纯、熊启源、董文和付明磊在中国发明专利《一种基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法》(CN 106896520A)中提出使用运动的二元光学衍射元件来抑制激光散斑。
然而上述基于运动的衍射光学器件的现有技术方法，均存在缺陷。或是散斑抑制程度不够；或是不能进行全波段散斑抑制；或是结构设计的难度太大，系统容错性、鲁棒性、通用性很差，不能满足实际应用需求；或是需要往复式机械运动，对激光投影显示仪器机械冲击大、稳定性不好、结构复杂庞大、能耗高、功效低，并需在运动过程中改变速度导致散斑抑制效果不佳等等。
发明内容
为了克服已有技术散斑抑制效果不够好、不能进行全波段散斑抑制、系统采用器件个数和种类多、运动部件复杂并对仪器有冲击损害、尺寸大、仪器结构复杂、能耗高、功效低等不足，本发明提供一种全波段散斑抑制效果好、运动方式简单、易于实现、且系统通用性、鲁棒性好、成本低廉的柔性变角度阵列衍射光学微结构及其履带式运动方法，采用柔性材料制作、通过变角度阵列衍射结构、构建可以无限匀速循环的履带式传动代替往复式机械运动实现红、绿、蓝全波段激光散斑抑制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，所述微结构制作在柔性材料上，由N组一维二元衍射光学微结构首尾组成，所述柔性变角度阵列衍射光学微结构弯折并首尾相连形成履带式结构，所述弯折后的柔性变角度阵列衍射光学微结构作为一个整体的衍射光学器件，它包括前后两层，每一层包含(N/2)组一维二元衍射光学微结构；所述一维二元衍射光学微结构包括光栅结构和光学微结构，所述一维是指衍射光学微结构为一维图案、所述二元是指因衍射光学微结构深度所形成的光程差是二值化的。
进一步，所述一维二元衍射光学结构图案由参数T表示，所述参数T为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用T的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用T0表示；所述一维二元衍射光学结构的深度为h，所述一维二元衍射光学结构与X轴所夹倾角为θ0。
再进一步，所述光学微结构为基于伪随机序列的光学微结构、基于M序列的光学微结构或基于Barker码的光学微结构。
更进一步，所述N是正整数，N≧3，所述每一组一维二元衍射光学微结构中包含m个编码周期；所述阵列中的N个一维二元衍射光学微结构，一次性制作在单片柔性材料上，其阵列中的N个一维二元衍射光学微结构内部的微结构编码图案相同或不相同，所述N组一维二元衍射光学微结构首尾连接，沿着Y轴方向将第1组衍射光学微结构的头与第N组衍射光学微结构的尾相连。
阵列中的N个一维二元衍射光学微结构与X轴所夹倾角不同，表示为θ±i，其中θ±i＝θ0±(N-1)/2·Δθ±i·Δθ，Δθ表示相邻衍射光学器件单元与X轴所夹倾角的变化幅度，根据履带式运动所要达到的Y轴方向的位移大小来确定。
所述一维二元衍射光学微结构的深度h，应满足半波长漂移的条件，与激光波长和柔性材料的折射率有关，其范围在350nm至650nm。
所述柔性材料是指对包括红、绿、蓝光在内的可见光波段透明的、柔软可弯折的材料，所述柔性材料包括热塑性塑料或光刻胶材料。
所述热塑性塑料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚氯乙烯PVC或聚碳酸酯PC。
所述光刻胶材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS或光敏聚酰亚胺光刻胶PSPI。
一种柔性变角度阵列衍射光学微结构的履带式运动方法，当激光束照射到弯折成履带式的柔性变角度阵列衍射光学微结构上时，光束通过了前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构，当进行履带式运动时，前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构以相同的运动速度、向相反方向运动，所述柔性变角度阵列衍射光学微结构通过履带式运动方法，不仅使原本的一维衍射光学微结构叠加成了二维衍射光学微结构，同时所述二维衍射光学微结构还具有动态变化的特性。
进一步，所述履带式柔性变角度阵列衍射光学微结构固定在两根旋转立柱上，所述两根旋转立柱安装在一个基于齿轮传动的履带式传送装置上，所述两根旋转立柱中的一根上连接了两个弹簧，所述弹簧对旋转立柱施加拉力，使得弯折成履带式的柔性变角度阵列衍射光学微结构始终处于拉伸状态；所述齿轮安装在旋转立柱的底部并由一个电学控制模块控制；所述电学控制模块，由步进电机驱动齿轮来控制所述柔性变角度阵列衍射光学微结构进行连续的履带式运动。当然，也可以采用其他的结构形式。
所述柔性变角度阵列衍射光学微结构的柔性材料厚度，以易于弯折和保证前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构之间的间距尽可能小为原则，在0.01毫米至3毫米之间变化。
本发明的技术构思是：通过在单片柔性材料上制作变角度阵列衍射光学器件，利用运动的衍射光学微结构来改变激光光束的相位分布，破坏激光的空间相干性，从而达到抑制散斑的效果。
进一步地，利用柔性材料的弯折，使得N组不同的一维二元衍射光学结构相互叠加，形成基于双面一维衍射光学微结构的二维光学编码；利用连续的履带式运动使得叠加的光学结构动态变化，以达到全波段激光散斑抑制的效果并提高激光散斑抑制率。
更进一步，由于履带式传送是周而复始的，有效避免了往复式机械运动过程中运动速度的变化，减小了机械运动冲击造成的系统损伤和运动速度变化造成的干扰噪声。
再进一步地，通过发明变角度阵列结构，使得在仅需一维方向运动的情况下，实现了二维位移的技术效果。
本发明的有益效果主要表现在：(1)采用柔性材料，使得履带式连续运动成为可能。(2)单片材料上制作多组衍射光学微结构，尺寸小、效率高。(3)利用柔性材料的弯折和履带式连续运动，使得N组不同的一维二元衍射光学结构相互叠加和动态变化，实现了全波段激光散斑抑制。(4)通过发明变角度阵列结构，使得在仅需一维方向运动的情况下，实现了二维位移的技术效果。(5)采用履带式运动代替往复式机械运动，拥有更稳定的散斑抑制效果和更小的噪声干扰，也使得整个结构更加稳定。(6)整个散斑抑制系统结构简单、稳定、通用性好、功效高、能耗低。(7)可直接在现有激光投影仪上改装而不必重新购买。(8)与市场上现有的散斑抑制装置相比，制作简单，成本低廉，适合大批量生产。
附图说明
图1是本发明一种柔性变角度阵列衍射光学微结构及其履带式运动方法的示意图，其中，1是旋转立柱及传动齿轮；2是弯折的柔性变角度阵列衍射光学微结构；3是柔性变角度阵列衍射光学微结构首尾连接的位置。
图2是本发明柔性变角度阵列衍射光学微结构的示意图(以M序列为例)。
图3是本发明柔性变角度阵列衍射光学微结构履带式传动装置以及传动方式示意图，其中，1是激光照射在本发明柔性变角度阵列衍射光学器件上的位置；2是两个实现履带式运动的旋转立柱；3是连接步进电机的齿轮；4是为本发明柔性变角度阵列衍射光学器件提供拉力的两个弹簧；5是控制本发明柔性变角度阵列衍射光学器件进行履带式运动的电学控制模块；6表示第二根旋转立柱与弹簧固定，使本发明柔性变角度阵列衍射光学器件一直处于拉伸状态。
图4是本发明利用一维方向运动，实现二维位移效果的技术原理图。
图5是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件实现激光散斑抑制的系统示意图，其中，1是激光器；2是平凸透镜；3是光阑；4是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件及其履带式传动装置；5是成像透镜；6是投影屏幕；7是CCD相机及其计算机处理系统。
图6是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件对红色激光进行散斑抑制的结果图，图6(a)为散斑抑制前的光场分布，图6(b)为散斑抑制后的光场分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图6，一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，制作在PDMS柔性材料上，由N(N取3)组一维二元衍射光学结构首尾连接而成。所述一维二元衍射光学结构为基于M序列的光学微结构(参见附图1和附图2)，其一维二元衍射光学结构图案由参数T表示，所述参数T为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用T的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用T0表示。所述一维二元衍射光学结构的深度为h、所述一维二元衍射光学结构与X轴所夹倾角为θ0。
所述T参数为4微米，一维二元衍射光学结构深度h为400纳米，M序列编码为31位编码，即1111100110100100001010111011000。根据散斑抑制理论和履带式运动所要达到的Y轴方向的位移大小，选择θ0为45°、Δθ为0.3°。根据θ±i＝θ0±(N-1)/2·Δθ±i·Δθ的计算公式，3组一维二元衍射光学结构与X轴所夹倾角分别为44.4°、45°、45.6°，采用胶粘剂粘结的方法，沿着Y轴方向将第1组衍射光学结构的头与第3组衍射光学结构的尾相连。
一种柔性变角度阵列衍射光学微结构的履带式运动方法，是指将所述柔性变角度阵列衍射光学微结构弯折，并首尾相连形成履带式结构。所述弯折后的柔性变角度阵列衍射光学微结构作为一个整体的衍射光学器件，它包括前后两层，每一层包含(N/2)组一维二元衍射光学微结构。当激光束照射到弯折成履带式的柔性变角度阵列衍射光学微结构上时，光束通过了前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构，尽管所述柔性变角度阵列衍射光学微结构中的N个一维二元衍射光学微结构均为一维结构，但前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构的叠加，使得原本的一维衍射光学微结构变成了二维衍射光学微结构。当进行履带式运动时，前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构以相同的运动速度、向相反方向运动，因此本发明的柔性变角度阵列衍射光学微结构，通过履带式运动方法，不仅使原本的一维衍射光学微结构叠加成了二维衍射光学微结构，同时所述二维衍射光学微结构还具有动态变化的特性。
进一步地，所述PDMS材料柔性变角度阵列衍射光学微结构的厚度为3毫米。
再进一步，所述履带式柔性变角度阵列衍射光学微结构固定在两根旋转立柱上，所述两根旋转立柱安装在一个基于齿轮传动的履带式传送装置上，所述两根旋转立柱中的一根上连接了两个弹簧，所述弹簧对旋转立柱施加拉力，使得弯折成履带式的柔性变角度阵列衍射光学微结构始终处于拉伸状态。所述齿轮安装在旋转立柱的底部并由一个电学控制模块控制。所述电学控制模块，由步进电机驱动齿轮来控制所述柔性变角度阵列衍射光学微结构进行连续的履带式运动。
本发明的柔性变角度阵列衍射光学微结构及其履带式运动方法的工作原理如下：
1)散斑对比度SC计算公式：
其中σ是光强分布的标准差，是平均光强分布。大部分散斑抑制方法出发点都是使光强分布平均。
2)本发明一种柔性变角度阵列衍射光学微结构由N组一维二元衍射光学结构首尾连接而成。所述一维二元衍射光学结构包括但不限于光栅结构、基于伪随机序列的光学微结构、基于M序列的光学微结构、基于Barker码的光学微结构。以基于M序列的光学微结构为例，其使激光束产生衍射。所述柔性变角度阵列衍射光学微结构的履带式运动方法，通过连续不断的履带式传动又使N组一维二元衍射光学结构相互叠加并动态变化，进而使激光衍射光场叠加实现去相干，达到抑制激光散斑的作用。
所述弯折后的柔性变角度阵列衍射光学微结构作为一个整体的衍射光学器件，它包括前后两层，每一层包含(N/2)组一维二元衍射光学微结构。当激光束照射到弯折成履带式的柔性变角度阵列衍射光学微结构上时，光束通过了前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构，尽管所述柔性变角度阵列衍射光学微结构中的N个一维二元衍射光学微结构均为一维结构，但前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构的叠加，使得原本的一维衍射光学微结构变成了二维衍射光学微结构。而这种双面一维衍射光学微结构所形成的二维光学编码，可以实现对红、绿、蓝全波段的激光散斑抑制。
其抑制散斑的原理是：影响激光散斑抑制效果的基本因素有两个：运动过程中的运动方向和运动速度。用X轴方向和Y轴方向的线性位移来确定运动方向和运动速度对散斑抑制效果的影响，理论计算公式如下：
其中D是人眼分辨率单元在屏幕上的投影宽度，x1,x2,y1,y2是激光束通过两块沿不同轴运动的二元衍射光学结构投影到屏幕上的坐标，H(x1,x2,y1,y2)和H(x1,x1,y1,y1)是由M序列二元光学衍射元件调制的屏幕平面处的激光束的自相关函数：
其中，Δt是人眼的曝光时间；V1是二元光学衍射元件图像在屏幕上沿Y轴方向的运动速度，V2是沿X轴方向的运动速度；T0是二元光学衍射元件一个周期内的最小单位长度；M是非零整数；T(x,y,V,t)是二元光学衍射元件的透射系数函数。
参见附图5，将本发明一种柔性变角度阵列衍射光学微结构置于激光散斑抑制系统中，所述激光散斑抑制系统包括激光器、调制透镜组件、本发明一种柔性变角度阵列衍射光学微结构、成像透镜、投影屏幕、CCD相机及其计算机处理系统。所述调制透镜组件包括一个平凸透镜和一个光阑。所述激光器、调制透镜组件、本发明一种柔性变角度阵列衍射光学微结构和成像透镜位于同一光轴上，激光器射出的激光光束通过所述调制透镜组件进行扩束、整形和校准，正入射到本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件上，本发明一种柔性变角度阵列衍射光学微结构安装在由步进电机驱动的履带式传送装置上进行履带式运动。所述投影屏幕记录激光投影成像并直接进行目视观察。所述CCD相机记录投影屏幕上的激光投影成像并输入计算机进行后续数据处理。
由于采用履带式运动，当激光照射到其中一块衍射光学器件区域上时，光束透过该区域也同时照射到柔性变角度阵列衍射光学器件的另一块微光学结构倾角不同的区域上，由此形成双面一维的衍射光学叠加结构。由于在激光照射部分前后两块器件区域向着相反方向匀速运动，且不同器件区域微光学结构倾斜角度不同，以此来达到产生相当于Y轴方向的位移。至于安装着本发明柔性变角度阵列衍射光学器件的履带式运动装置的运动速度，则由电学控制模块控制。
参见附图6，采用红光激光器作为光源，发出的激光束通过所述平凸透镜2进行准直和扩束，再经过光阑改变其光圈大小，将激光束正入射到本发明柔性变角度阵列衍射光学器件上。所述的柔性变角度阵列衍射光学器件固定在履带式传动装置上，当激光束照射到其表面时，启动电学控制模块控制该柔性变角度阵列衍射光学器件进行匀速履带式传送运动。所述运动的柔性变角度阵列衍射光学器件在人眼或CCD相机的曝光时间内改变了衍射级数的相位，进而破坏了激光束的空间相干性，达到了散斑抑制的效果。
Claims (12)
1.一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，其特征在于：所述微结构制作在柔性材料上，由N组一维二元衍射光学微结构首尾相连组成，所述柔性变角度阵列衍射光学微结构弯折并首尾相连形成履带式结构，所述弯折后的柔性变角度阵列衍射光学微结构作为一个整体的衍射光学器件，它包括前后两层，每一层包含（N/2）组一维二元衍射光学微结构；所述一维二元衍射光学微结构包括光栅结构和光学微结构，所述一维是指衍射光学微结构为一维图案、所述二元是指因衍射光学微结构深度所形成的光程差是二值化的，所述变角度是指柔性变角度阵列衍射光学器件中N组一维二元衍射光学微结构与X轴的夹角是不同的，所述X轴是指柔性变角度阵列衍射光学器件的长度方向。
2.如权利要求1所述的一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，其特征在于：一维二元衍射光学微结构图案由参数T表示，所述参数T为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用T的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学微结构图案的总宽度用T0表示；所述一维二元衍射光学微结构的深度为h，所述一维二元衍射光学微结构与X轴所夹倾角为。
3.如权利要求2所述的一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，其特征在于：所述光学微结构为基于伪随机序列的光学微结构、基于M序列的光学微结构或基于Barker码的光学微结构。
4.如权利要求1~3之一所述的一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，其特征在于：N是正整数，N≧3，所述每一组一维二元衍射光学微结构中包含m个编码周期；所述阵列中的N组一维二元衍射光学微结构，一次性制作在单片柔性材料上，其阵列中的N组一维二元衍射光学微结构内部的微结构编码图案相同或不相同，所述N组一维二元衍射光学微结构首尾连接，沿着X轴方向将第1组衍射光学微结构的头与第N组衍射光学微结构的尾相连。
5.如权利要求1~3之一所述的一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，其特征在于：N组一维二元衍射光学微结构与X轴所夹倾角不同，表示为，其中，表示相邻衍射光学器件单元与X轴所夹倾角的变化幅度。
6.如权利要求1~3之一所述的一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，其特征在于：所述一维二元衍射光学微结构的深度h，应满足半波长漂移的条件，与激光波长和柔性材料的折射率有关，其范围在350nm至650nm。
7.如权利要求1~3之一所述的一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，其特征在于：所述柔性材料是指对包括红、绿、蓝光在内的可见光波段透明的、柔软可弯折的材料，所述柔性材料包括热塑性塑料或光刻胶材料。
8.如权利要求7所述的一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，其特征在于：所述热塑性塑料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚氯乙烯PVC或聚碳酸酯PC。
9.如权利要求7所述的一种柔性变角度阵列衍射光学微结构，其特征在于：所述光刻胶材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS或光敏聚酰亚胺光刻胶PSPI。
10.一种如权利要求1所述的柔性变角度阵列衍射光学微结构的履带式运动方法，其特征在于：当激光束照射到弯折成履带式的柔性变角度阵列衍射光学微结构上时，光束通过了前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构，当进行履带式运动时，前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构以相同的运动速度、向相反方向运动，所述柔性变角度阵列衍射光学微结构通过履带式运动方法，不仅使原本的一维衍射光学微结构叠加成了二维衍射光学微结构，同时所述二维衍射光学微结构还具有动态变化的特性。
11.如权利要求10所述的履带式运动方法，其特征在于：所述履带式柔性变角度阵列衍射光学微结构固定在两根旋转立柱上，所述两根旋转立柱安装在一个基于齿轮传动的履带式传送装置上，所述两根旋转立柱中的一根上连接了两个弹簧，所述弹簧对旋转立柱施加拉力，使得弯折成履带式的柔性变角度阵列衍射光学微结构始终处于拉伸状态；所述齿轮安装在旋转立柱的底部并由一个电学控制模块控制；所述电学控制模块，由步进电机驱动齿轮来控制所述柔性变角度阵列衍射光学微结构进行连续的履带式运动。
12.如权利要求10所述的履带式运动方法，其特征在于：所述柔性变角度阵列衍射光学微结构的柔性材料厚度在0.01毫米至3毫米之间变化。
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2017
- 2017-10-20 CN CN201710998312.XA patent/CN107678174B/zh active Active
Patent Citations (2)
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