CN109557680B - 结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统 - Google Patents
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Abstract
一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，包括沿着光路依次布置的激光器、准直透镜、衍射光学器件、聚焦透镜、多模光波导、成像透镜、投影屏幕和数字相机，所述激光器、准直透镜、衍射光学器件、聚焦透镜、多模光波导、成像透镜位于同一光轴上；所述衍射光学器件将入射激光束分解为不同衍射级的衍射光束输出，所述不同衍射级的衍射光束被所述聚焦透镜聚焦并输入到所述多模光波导中，所述多模光波导输出的光脉冲间隔大于所述激光器的时间相干长度，并通过成像透镜投影到投影屏幕上。本发明可靠性高、不需要电能供应、响应时间快、无机械运行机构、系统简单、尺寸小、成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于激光显示投影领域，尤其涉及一种结合多模光波导和衍射光学器件的全静态空间/时间混合的激光散斑抑制实现系统。
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，激光散斑由信号的随机相干叠加形成，严重影响图像的质量。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，是制约激光投影显示系统和仪器发展的核心因素。已有技术中对激光散斑的抑制，主要采用降低偏振相干、降低时间相干和降低空间相干等技术方法，其中以对随机激光散斑模式进行时间平均的运动衍射光学器件的技术方法最为常见。运动衍射光学器件的方法属于动态激光散斑抑制方法，虽然能够降低激光散斑，但其需要机械运行机构、电学控制系统，所以可靠性差、能耗高、系统复杂、结构庞大、成本高。因此，亟须研究静态(即无需电能供应、无运动部件)的散斑抑制方法和系统。
迄今为止，静态散斑抑制技术主要有基于电光、磁光、声光等调制技术(A.L.Andreev，N.V.Zalyapin，T.B.Andreeva，I.N.Kompanets，Electrooptic despecklerbased on helix-free ferroelectric liquid crystal，Quantum Electronics，2017，47(11):1064 -1068)和基于多模光纤(J.Manni，J.Goodman，Versatile method forachieving 1％speckle contrast in large-venue laser projection displays usinga stationary multimode optical fiber，Optics Express，2012，20(10):11288-11315)两种技术方案。前一种技术方案目前有理论和初步实验报道，因响应速度太慢，短期内无法实际应用，同时该技术方案还是需要电能供应的。后一种方案只有理论分析，尚未提出具体技术方案和实现系统，且散斑抑制效果也不理想。
发明内容
为了克服已有技术散斑抑制效果不够好、可靠性差、系统复杂、响应时间慢、需要电能供应、尺寸庞大、成本高等缺陷，本发明提供一种可靠性高、不需要电能供应、响应时间快、无机械运行机构、系统简单、尺寸小、成本低廉的结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，采用衍射光学器件形成不同角度的衍射光束，采用多模光波导对不同的衍射光束进行时延调制，达到同时降低空间和时间相干性的目的。本发明的激光散斑抑制系统无需电能供应和机械运行机构，能实现完全静态的激光散斑抑制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，包括沿着光路依次布置的激光器、准直透镜、衍射光学器件、聚焦透镜、多模光波导、成像透镜、投影屏幕和数字相机，所述激光器、准直透镜、衍射光学器件、聚焦透镜、多模光波导、成像透镜位于同一光轴上；
所述衍射光学器件将入射激光束分解为不同衍射级的衍射光束输出，所述不同衍射级的衍射光束被所述聚焦透镜聚焦并输入到所述多模光波导中，所述多模光波导输出的光脉冲间隔大于所述激光器的时间相干长度，并通过成像透镜投影到投影屏幕上。
进一步，所述数字相机由入射光阑、相机透镜和图像传感器，所述激光器射出的激光光束通过所述准直透镜进行扩束、整形和校准，正入射到所述衍射光学器件上，所述投影屏幕记录激光投影成像并可直接进行目视观察，所述数字相机记录投影屏幕上的激光投影成像并利用图像传感器进行数据处理。
再进一步，所述衍射光学器件，带有一维或二维浮雕结构，所述浮雕结构使用基于二元编码掩模制作，称为二元衍射光学结构。
所述二元编码可以是但不限于伪随机序列编码、巴克码、Hadamard矩阵。
所述二维二元衍射光学结构，可以是设定的二维二元编码结构，也可以由两个一维二元编码结构以设定角度交叠构成。
所述衍射光学器件由透明的玻璃或塑料材料镀金属制成，所述透明的玻璃或塑料材料是指对包括红、绿、蓝光在内的可见光波段透明的材料；所述金属材料的作用是遮挡光线，所述透光和遮光部分共同构成二元编码。
所述玻璃材料包括但不限于K9光学玻璃，所述塑料材料包括但不限于PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等透明硬质塑料。
更进一步，所述多模光波导可以是多模光纤也可以是多模矩形光波导，所述多模是指波导中存在多个光学传导模式，所述衍射光束的时延差必须大于激光器的时间相干长度，须满足下列不等式：
δT>2πλ2/(c·δλ) (1)
公式(1)中δT表示衍射光束从多模光波导输出时的时延差，λ代表激光器的波长，δλ代表激光器的光谱宽度，c代表真空中的光速。
所述多模光波导中传导模式的最大时延差δTmax由下面的公式(2)计算得出：
公式(2)中δTmax表示多模光波导中传导模式的最大时延差，l代表多模光波导的长度，n1和n2分别代表多模光波导芯层和包层的折射率，Δ代表多模光波导芯层和包层的相对折射率差。
另一种优选方案，所述多模光波导也可以是多模光纤束，或者芯层被结构化设计的多模光波导。
进一步地，所述准直透镜的前焦点与所述激光器的焦斑重合，以保证所述准直透镜输出平行光并照射在所述衍射光学器件上；
所述聚焦透镜的口径足够大，以保证所述衍射光学器件出射的不同衍射级的衍射光束被接收；
所述成像透镜将所述多模光波导出射的光脉冲成像在所述投影屏幕上，所述投影屏幕具有粗糙表面，记录激光投影成像并可直接进行目视观察；
所述数字相机记录投影屏幕上的激光投影成像并利用图像传感器进行数据处理，所述数字相机由入射光阑、相机透镜和图像传感器组成，所述数字相机入射光阑的口径用D0表示。
所述二元编码的最小编码宽度用T0表示，所述二元编码的编码位数用N表示，λ代表激光器的波长，所述衍射光学器件到所述聚焦透镜的距离为L1，所述成像透镜到所述投影屏幕的距离为L2，所述投影屏幕到所述数字相机的入射光阑沿光轴方向的距离为L3，并满足下列不等式：
L3>D0·T0·N·L2/(2L1·λ) (3)。
本发明的技术构思是：利用衍射光学器件生成的不相关的衍射光束破坏激光的空间相干性，利用多模光波导生成间隔大于激光器时间相干长度的光脉冲破坏激光的时间相干性，从而达到抑制散斑的效果，是一种新型的时间/空间混合的激光散斑抑制系统。
进一步地，衍射光学器件和多模光波导都是固定的，不需要电能供应和机械运行机构，能实现完全静态的激光散斑抑制。
更进一步，由于不需要电能供应和机械运行机构，该系统可靠性高、响应速度快、能耗低、尺寸小、结构简单易维护。
本发明的有益效果主要表现在：
(1)不需要电能供应和机械运行机构，是一种完全静态的激光散斑抑制系统。
(2)可同时降低激光的时间和空间相干性。
(3)整个散斑抑制系统可靠性高、响应速度快、能耗低、尺寸小、结构简单易维护。
(4)与市场上现有的散斑抑制系统相比，制作简单，成本低廉，适合大批量生产。
附图说明
图1是本发明结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统的示意图，其中，1是激光器；2是准直透镜；3是衍射光学器件；4是聚焦透镜；5是多模光波导；6是成像透镜；7是投影屏幕；8是数字相机；9是数字相机的入射光阑；10是相机透镜；11是数字相机的图像传感器。L1是衍射光学器件到聚焦透镜的距离；L2是成像透镜到投影屏幕的距离；L3是投影屏幕到数字相机的入射光阑沿光轴方向的距离。
图2是本发明结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制方法中衍射器件单元的示意图(二元编码以伪随机序列为例)，(a)是一维二元编码示意图；(b)是二维二元编码示意图。
图3是本发明结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制方法中多模光波导的示意图(以多模光纤和多模光纤束为例)，(a)是多模光纤示意图，n1和n2分别代表多模光纤芯层和包层的折射率；(b)是多模光纤束示意图。
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3，一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，包括沿着光路依次布置的激光器1、准直透镜2、衍射光学器件3、聚焦透镜4、多模光波导5、成像透镜6、投影屏幕7、数字相机8，所述激光器1、准直透镜2、衍射光学器件3、聚焦透镜4、多模光波导5、成像透镜6位于同一光轴上；
所述衍射光学器件3将入射激光束分解为不同衍射级的衍射光束输出，所述不同衍射级的衍射光束被所述聚焦透镜4聚焦并输入到所述多模光波导5中，所述多模光波导5输出的光脉冲间隔大于所述激光器的时间相干长度，并通过成像透镜6投影到投影屏幕7上。
进一步地，所述数字相机8由入射光阑9、相机透镜10和图像传感器11组成，所述激光器1射出的激光光束通过所述准直透镜2进行扩束、整形和校准，正入射到所述衍射光学器件3上，所述投影屏幕7记录激光投影成像并可直接进行目视观察，所述数字相机8记录投影屏幕上的激光投影成像并利用图像传感器11进行数据处理。
再进一步，所述衍射光学器件3的作用是将入射的准直激光束输出为具有不同衍射级的衍射光束。
所述衍射光学器件3，带有一维或二维浮雕结构，所述浮雕结构使用基于二元编码掩模制作，称为二元衍射光学结构。
所述二元编码可以是但不限于伪随机序列编码、巴克码或Hadamard矩阵。
所述二维二元衍射光学结构，可以是设定的二维二元编码结构，也可以由两个一维二元编码结构以设定角度交叠构成。所述二元编码的最小编码宽度用T0表示，所述二元编码的编码位数用N表示。
所述衍射光学器件3，由透明的玻璃或塑料材料镀金属制成，所述透明的玻璃或塑料材料是指对包括红、绿、蓝光在内的可见光波段透明的材料；所述金属材料的作用是遮挡光线，所述透光和遮光部分共同构成二元编码。所述玻璃材料包括但不限于K9光学玻璃，所述塑料材料包括但不限于PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等透明硬质塑料。
更进一步，所述多模光波导5的作用是调制不同衍射光束的传输时延，使所有衍射级的衍射光束以时延差δT从多模光波导输出。
所述多模光波导5，可以是多模光纤也可以是多模矩形光波导。所述多模是指波导中存在多个光学传导模式。所述衍射光束的时延差必须大于激光器的时间相干长度，须满足下列不等式：
δT>2πλ2/(c·δλ) (1)
公式(1)中δT表示衍射光束从多模光波导输出时的时延差，λ代表激光器的波长，δλ代表激光器的光谱宽度，c代表真空中的光速。
所述多模光波导中传导模式的最大时延差δTmax可由下面的公式(2)计算得出：
公式(2)中δTmax表示多模光波导中传导模式的最大时延差，l代表多模光波导的长度，n1和n2分别代表多模光波导芯层和包层的折射率，Δ代表多模光波导芯层和包层的相对折射率差。
另一种优选方案，所述多模光波导5也可以是多模光纤束，或者芯层被结构化设计的多模光波导。
进一步地，所述准直透镜2的前焦点与所述激光器1的焦斑重合，以保证所述准直透镜2输出平行光并照射在所述衍射光学器件3上；
所述聚焦透镜4的口径足够大，以保证所述衍射光学器件3出射的不同衍射级的衍射光束被接收；
所述成像透镜6将所述多模光波导5出射的光脉冲成像在所述投影屏幕7上，所述投影屏幕7具有粗糙表面，记录激光投影成像并可直接进行目视观察；
所述数字相机8记录投影屏幕上的激光投影成像并利用图像传感器11进行数据处理，所述数字相机由入射光阑9、相机透镜10和图像传感器11组成，所述数字相机入射光阑9的口径用D0表示。
所述衍射光学器件到所述聚焦透镜的距离为L1，所述成像透镜到所述投影屏幕的距离为L2，所述投影屏幕到所述数字相机的入射光阑沿光轴方向的距离为L3，并满足下列不等式：
L3>D0·T0·N·L2/(2L1·λ) (3)
实施例1：
一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制方法，其中衍射光学器件采用两个一维伪随机序列二元编码正交叠加成一个二维二元编码(参见附图2)，其交叠角度为90度，所述二元编码的最小编码宽度T0为6微米，所述伪随机序列编码位数N为13。
参见附图3(a)，所述多模光波导选用多模光纤，所述多模光纤的芯层为直径是400微米的圆柱形光波导，所述多模光纤的长度l取值1500毫米。
参见附图1，所述一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制方法，其功能通过静态激光散斑抑制系统实现。所述静态激光散斑抑制系统包括激光器、准直透镜、衍射光学器件、聚焦透镜、多模光波导、成像透镜、投影屏幕、数字相机，所述数字相机由入射光阑、相机透镜和图像传感器组成。所述激光器、准直透镜、衍射光学器件、聚焦透镜、多模光波导、成像透镜位于同一光轴上。
采用波长532纳米激光器1作为光源，发出的激光束通过所述准直透镜2进行扩束、整形和校准，正入射到所述衍射光学器件3上，所述衍射光学器件将入射激光束分解为不同衍射级的衍射光束输出，所述不同衍射级的衍射光束被所述聚焦透镜4聚焦并输入到所述多模光波导5中，所述多模光波导输出的光脉冲间隔大于所述激光器的时间相干长度，并通过成像透镜6投影到投影屏幕7上。所述投影屏幕记录激光投影成像并可直接进行目视观察，所述数字相机8记录投影屏幕上的激光投影成像并利用图像传感器进行数据处理。
激光散斑抑制效果为散斑抑制系数1.85。
实施例2：
参见附图3(b)，所述多模光波导采用多模光纤束，所述多模光纤束的直径为5毫米，所述多模光纤束中的每一根多模光纤为外接圆直径是25微米的六边形柱状光波导，多模光纤束的长度l取值2500毫米。其他实施参数和过程与实施例1相同。
激光散斑抑制效果为散斑抑制系数2.4。
Claims (10)
1.一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，其特征在于，所述静态激光散斑抑制系统包括沿着光路依次布置的激光器、准直透镜、衍射光学器件、聚焦透镜、多模光波导、成像透镜、投影屏幕和数字相机，所述激光器、准直透镜、衍射光学器件、聚焦透镜、多模光波导、成像透镜位于同一光轴上；
所述衍射光学器件将入射激光束分解为不同衍射级的衍射光束输出，所述不同衍射级的衍射光束被所述聚焦透镜聚焦并输入到所述多模光波导中，所述多模光波导输出的光脉冲间隔大于所述激光器的时间相干长度，并通过成像透镜投影到投影屏幕上；
衍射光束的时延差必须大于激光器的时间相干长度，须满足下列不等式：
δT>2πλ2/(c·δλ) (1)
公式(1)中δT表示衍射光束从多模光波导输出时的时延差，λ代表激光器的波长，δλ代表激光器的光谱宽度，c代表真空中的光速。
2.如权利要求1所述的一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，其特征在于，所述数字相机由入射光阑、相机透镜和图像传感器，所述激光器射出的激光光束通过所述准直透镜进行扩束、整形和校准，正入射到所述衍射光学器件上，所述投影屏幕记录激光投影成像并可直接进行目视观察，所述数字相机记录投影屏幕上的激光投影成像并利用图像传感器进行数据处理。
3.如权利要求1或2所述的一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，其特征在于，所述衍射光学器件带有一维或二维浮雕结构，所述浮雕结构使用基于二元编码掩模制作，称为二元衍射光学结构。
4.如权利要求3所述的一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，其特征在于，所述二元编码是伪随机序列编码、巴克码或Hadamard矩阵。
5.如权利要求3所述的一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，其特征在于，所述二元衍射光学结构为二维二元衍射光学结构，所述二维二元衍射光学结构是设定的二维二元编码结构或者由两个一维二元编码结构以设定角度交叠构成。
6.如权利要求3所述的一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，其特征在于，所述衍射光学器件由透明的玻璃或塑料材料镀金属制成，所述透明的玻璃或塑料材料是指对包括红、绿、蓝光在内的可见光波段透明的材料；所述金属的作用是遮挡光线，透光和遮光部分共同构成二元编码。
7.如权利要求1或2所述的一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，其特征在于，所述多模光波导是多模光纤或多模矩形光波导，所述多模是指波导中存在多个光学传导模式，
所述多模光波导中传导模式的最大时延差δTmax可由下面的公式(2)计算得出：
公式(2)中δTmax表示多模光波导中传导模式的最大时延差，l代表多模光波导的长度，n1和n2分别代表多模光波导芯层和包层的折射率，Δ代表多模光波导芯层和包层的相对折射率差。
8.如权利要求1或2所述的一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，其特征在于，所述多模光波导是多模光纤束，或者芯层被结构化设计的多模光波导。
9.如权利要求1或2所述的一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，其特征在于，所述准直透镜的前焦点与所述激光器的焦斑重合，以保证所述准直透镜输出平行光并照射在所述衍射光学器件上。
10.如权利要求3所述的一种结合多模光波导和衍射光学器件的静态激光散斑抑制系统，其特征在于，所述二元编码的最小编码宽度用T0表示，所述二元编码的编码位数用N表示，λ代表激光器的波长，所述衍射光学器件到所述聚焦透镜的距离为L1，所述成像透镜到所述投影屏幕的距离为L2，所述投影屏幕到所述数字相机的入射光阑沿光轴方向的距离为L3，所述数字相机入射光阑的口径用D0表示，并满足下列不等式：
L3＞D0·T0·N·L2/(2L1·λ) (3)。
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