CN110082927A - 降低激光扫描显示的散斑强度的方法以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低激光扫描显示的散斑强度的方法以及电子设备。该方法包括：将入射的激光束分为两束光，计为第一束光和第二束光；将所述第一束光进行多次反射，以增加所述第一束光的光程，其中，所述第一束光中设定颜色的光与所述第二束光中相同颜色的光的光程差大于或等于该设定颜色的光的相干长度；将所述第一束光和所述第二束光合成为一束光。

Description

降低激光扫描显示的散斑强度的方法以及电子设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种降低激光扫描显示的散斑强度的方法以及电子设备。

背景技术

现有的光学显示设备，例如，VR设备、AR设备等，通常采用激光扫描的方式进行显示成像。光束照射到MEMS振镜上，并被反射到显示屏幕上。

然而，由于显示屏幕的表面平整度较差，甚至表面较为粗糙。当激光照射在平均起伏大于波长数量级的光学粗糙表面(或透过光学粗糙的透射板)上时，这些表面上无规分布的面元散射的子波相互叠加使反射光场(或透射光场)具有随机的空间光强分布，呈现出颗粒状的结构，从而形成激光散斑。激光散斑的强度过高，造成显示图像的清晰度差。

因此，需要提供一种新的技术方案，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种降低激光扫描显示的散斑强度的方法的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种降低激光扫描显示的散斑强度的方法。该方法包括：将入射的激光束分为两束光，计为第一束光和第二束光；将所述第一束光进行多次反射，以增加所述第一束光的光程，其中，所述第一束光中设定颜色的光与所述第二束光中相同颜色的光的光程差大于或等于该设定颜色的光的相干长度；将所述第一束光和所述第二束光合成为一束光。

可选地，所述第二束光沿第一方向偏振,将所述第一束光转换为沿第二方向偏振的光，所述第一方向与所述第二方向垂直。

可选地，在所述将所述入射的激光束分为两束光的步骤中，所述第一束光与所述第二束光的强度相等。

可选地，所述入射的激光束包括合成在一起的蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束。

可选地，所述入射的激光束为圆形光束。

可选地，设定颜色的所述第一束光和所述第二束光的光路围成平行四边形，所述第二束光的光路形成平行四边形的一条边，所述第一束光的光路形成所述平行四边形的另外三条边。

根据本公开的另一个实施例，提供了一种电子设备。该设备包括：偏振分束器，所述偏振分束器被配置为用于将入射的激光束分为两束光，计为第一束光和第二束光，其中，所述第一束光被所述偏振分束器反射，第二束光透射所述偏振分束器；位于偏振分束器下游的多个二向色分束器和/或反射器，多个所述二向色分束器被配置为用于交替反射所述第一束光中的设定颜色的光，以增加该设定颜色的光的光程，以及透射其他颜色的光；所述反射器被配置为用于交替反射所述第一束光中的设定颜色的光，以增加该设定颜色的光的光程；其中，所述第一束光中设定颜色的光与所述第二束光中相同颜色的光的光程差大于或等于该设定颜色的光的相干长度；以及位于多个二向色分束器和/或反射器下游的所述偏振合束器，所述偏振合束器被配置为用于将所述第一束光和所述第二束光合成为一束光。

可选地，还包括半波转换器，所述半波转换器被设置在任意两个所述二向色分束器之间和/或所述反射器之间，所述第二束光沿第一方向偏振,所述半波转换器被配置为用于将所述第一束光转换为沿第二方向偏振的光，所述第一方向与所述第二方向垂直。

可选地，所述入射的激光束包括蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束；还包括第一合束器，所述第一合束器被配置为用于将所述蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束合成为白光。

可选地，还包括准直器和位于准直器下游的光束整形器，所述蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束在经过各自的准直器和光束整形器后，入射到所述第一合束器中。

根据本公开的一个实施例，该方法能有效地降低屏幕上的散斑强度。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本公开的一个实施例的降低激光扫描显示的散斑强度的方法的流程图。

图2是根据本公开的一个实施例的电子设备的结构示意图。

图3是根据本公开的一个实施例的电子设备的效果图.

附图标记说明：

11a：第一准直器；11b：第二准直器；11c：第三准直器；12a：第一光束整形器；12b：第二光束整形器；12c：第三光束整形器；13：第一合束器；14：偏振分束器；15：偏振合束器；16a：第一二向色分束器；16b：第二二向色分束器；16e：第三二向色分束器；16f：第四二向色分束器；17a：第一半波转换器；17b：第二半波转换器；17c：第三半波转换器；18：MEMS振镜；19：屏幕；20a：第一反射器；20b：第二反射器。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1是根据本公开的一个实施例的降低激光扫描显示的散斑强度的方法的流程图。

如图1所示，该降低激光扫描显示的散斑强度的方法，包括：

S1、将入射的激光束分为两束光，计为第一束光和第二束光；

S2、将第一束光进行多次反射，以增加第一束光的光程，其中，第一束光中设定颜色的光与第二束光中相同颜色的光的光程差大于或等于该设定颜色的光的相干长度；

S3、将第一束光和第二束光合成为一束光。

两束光合成后，经由MEMS振镜等扫描至投影的屏幕上进行成像。

例如，入射的激光束为圆形光束，以使成像效果更好。入射的激光束为单一颜色的光，例如，蓝光、绿光、红光、黄光；也可以是多种颜色合成的光。例如，由蓝光、绿光、红光和黄光中的多种颜色的光合成的光。

光程差是指第一束光和第二束光经过的路径的长度差。相干长度是指的是相互干涉的波(例如，电磁波)保持一定的相干度进行传播的距离。当相互干涉的波的路径之间的差距小于相干长度时，干涉现象明显。当相互干涉的波的路径之间的差距大于或等于相干长度时，干涉现象不明显。

不同颜色的光的相干长度不同。相干长度的计算公式如下：

其中，λ为激光的中心波长，Δλ为激光的半高全宽(FWHM，full width at halfmaximum)。

在投影设备中使用的激光器的波长分别为：红光：638nm，绿光：525nm，蓝光：450nm。半高全宽为1nm。

在一个例子中，在将入射的激光束分为两束光的步骤中，第一束光与第二束光的强度相等。通过这种方式，相等能量强度且设定颜色的两束光的光程差大于或等于该颜色的光的相干长度。通过这种方式，激光束的散斑强度能最大程度地被降低。

在一个例子中，第二束光沿第一方向偏振。例如，入射的激光束为第一方向的偏振光，经由分束器(例如，偏振分束器)后，第二束光保持该偏振方向。将第一束光转换为沿第二方向偏振的光。第一方向与第二方向垂直。例如，设定颜色的光在反射过程中，通过半波转换器将第一束光由沿第一方向偏振的光转换为沿第二方向偏振的光。

例如，当第一方向为水平方向时，第二方向为竖直方向；当第一方向为竖直方向时，第二方向为水平方向。当然，第一方向和第二方向也可以是相互垂直的其他任意方向。

在该例子中，由于第一束光与第二束光的偏振方向相互垂直，故在合成为一束光后，两个方向偏振的光互不干涉。通过这种方式，能进一步降低屏幕上散斑的强度。

在一个具体实施例中，当仅存在沿第一方向偏振的光束(例如，水平偏振光)时，由于两束光的强度相等，故振幅为E的水平偏振光的干涉强度可以表达为：

其中，φ为两束水平偏振光的相位角。

当水平偏振光的一半转换为垂直偏振光时，即投影光束为等强度的水平偏振与垂直偏振的光束混合时，干涉强度可以表达为：

比较(2)式与(3)式，由于水平方向的两光束的相位差φ₁与竖直方向的两光束的相位差φ₂之间彼此独立，没有关联性，相位差是完全随机的，因此散斑强度可以显著降低。

水平偏振与水平+竖直偏振光的干涉强度(即水平偏振光和竖直偏振光合成的光)，如图3所示，相比于仅存在水平偏振光的情况，水平+竖直偏振光均匀混合后，随机性增强，而原本相长干涉的位置的强度降低，原本相消干涉的位置的强度增大，因此，散斑强度相对于水平偏振光的散斑强度明显变弱了。

当然，第一束光与第二束光的强度也可以不相等，这样同样能够降低激光束的散斑强度。

在本发明实施例中，由于入射的激光束被分为两束光，其中一束光经多次反射后，使得两束光中设定颜色的光的光程差大于相干长度，两束光合成后，经由MEMS振镜等扫描至投影的屏幕上进行成像。通过这种方式有效地降低了屏幕上散斑的强度，提高了屏幕成像的效果。

当然，第二束光也可以是经过多次反射后再与第一束光合成为白光，只要两束光的光程差大于或等于设定颜色的光的相干长度即可。

在一个例子中，入射的激光束包括合成在一起的蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束。在该例子中，每种颜色的光经过多次反射，以使每种颜色的两束光的光程差大于该种颜色的光的相干长度。通过这种方式，不同种颜色的光的散斑强度均能被有效地降低，从而使得入射的光束的散斑强度更有效地降低。

当然，入射的激光束还可以是其他颜色的光的组合，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

在一个例子中，设定颜色的第一束光和第二束光的光路围成平行四边形。第二束光的光路形成平行四边形的一条边。第一束光的光路形成平行四边形的另外三条边。

例如，在平行四边形的其中两个相邻的角部分别设置有偏振分束器和偏振合束器。在另外两个相邻的角部分别设置有反射器，或者二向色分束器。

入射的激光束经由偏振分束器后，被偏振分束器分为第一束光和第二束光。例如，第二束光直接到达偏振合束器。第一束光经由两个反射器或者二向色分束器的反射后到达偏振合束器。这样，两束光被偏振合束器合成为一束光。其中，偏振分束器与邻近的分束器(例如，第一二向色分束器)或反射器之间的距离计为d1，另一个二向色分束器或反射器(例如，第四二向色分束器)与偏振合束器之间的距离计为d6。d1+d6大于或等于设定颜色的光(例如，蓝光)的相干长度。

在该例子中，第一束光的光路简单，对光学设备的要求低，需要的光学设备的数量少，降低散斑强度的效果易于实现。

当然，第一束光和第二束光的光路不限于此，还可以是五边形、六边形甚至更多边形。第一束光经过更多次反射，以使第一束光与第二束光的光程差大于或等于设定颜色光的相干长度。

在其他示例中，第二束光也可以经过多次反射，再到达偏振合束器，只要第一束光与第二束光的光程差大于或等于设定颜色光的相干长度即可。

根据本公开的另一个实施例，提供了一种电子设备。例如，电子设备为VR设备或者AR设备等。

该电子设备包括偏振分束器、多个二向色分束器和/或二向色分束器、以及偏振合束器。

偏振分束器被配置为用于将入射的激光束分为两束光，计为第一束光和第二束光，其中，第一束光被偏振分束器反射，第二束光透射偏振分束器。

多个二向色分束器和/或反射器位于偏振分束器的下游。多个二向色分束器被配置为用于交替反射第一束光中的设定颜色的光，以增加该设定颜色的光的光程，以及透射其他颜色的光。

反射器被配置为用于交替反射第一束光中的设定颜色的光，以增加该设定颜色的光的光程。

其中，第一束光中设定颜色的光与第二束光中相同颜色的光的光程差大于或等于该设定颜色的光的相干长度。

需要说明的是，在仅对第一束光中的一种颜色的光进行处理的情况下，可以采用多个二向色分束器进行交替反射；也可以采用多个反射器进行交替反射；还可以采用二向色分束器、反射器混合对光进行交替反射。

如图2所示，在对第一束光中的多种颜色的光进行处理的情况下，由于每种颜色的光的相干长度不一样，相干长度较短的颜色的光可以采用二向色分束器进行交替反射，同时需要二向色分束器能够被其他颜色的光透射，以便于其他颜色的光经过更长的光程后被二向色分束器或反射器反射。

还可以是，在对第一束光中的多种颜色的光进行处理的情况下，仅设置两个二向色分束器或者反射器。第一束光与第二束光的光程差大于或等于相干长度最大的光的相干长度。例如，红光的相干长度最大。在图2中仅设置第一反射器20a和第二反射器20b，以对三种颜色的光进行反射。这样，同样能够使第一束光与第二束光的光程差大于或等于各自颜色的光的相干长度。

偏振合束器位于多个二向色分束器和/或反射器的下游。偏振分束器被配置为用于将第一束光和第二束光合成为一束光。

例如，在偏振分束器的下游设置有MEMS振镜和屏幕。合成的光经由MEMS振镜扫描后到达屏幕上，并在屏幕上成像。

该电子设备能将入射的激光束分为两束光，并至少增加其中一束光的光程，从而使两束光的光程差大于设定颜色光的相干长度。通过这种方式投射到屏幕上的散斑强度能有效地被降低，从而提升了图像的成像质量。

在一个例子中，电子设备还包括半波转换器。半波转换器被设置在任意两个二向色分束器之间和/或反射器之间，即位于两个二向色分束器之间、两个反射器之间，或者二向色分束器与反射器之间。

第二束光沿第一方向偏振,半波转换器被配置为用于将第一束光转换为沿第二方向偏振的光。第一方向与第二方向垂直。在该例子中，通过设置半波转换器，使得第一束光和第二束光的偏振方向垂直，这样在合成为一束光后，两束光不会发生相互干涉，从而进一步降低了散斑的强度。

在一个例子中，入射的激光束包括蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束。电子设备还包括第一合束器。第一合束器被配置为用于将蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束合成为白光。白光通过MEMS振镜扫描到屏幕上，从而进行成像。而单种颜色的光或仅设置两种颜色的光的成像效果差。

在一个例子中，电子设备还包括准直器和位于准直器下游的光束整形器。蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束在经过各自的准直器和光束整形器后，入射到合束器中。

在通常情况下，激光二极管出射的偏振光(例如水平偏振光)为具有一定的发散角的激光束。由于发散的光的存在，故这种激光束很难在屏幕上成像。该激光束经过准直器耦合后，出射的光为平行光，例如椭圆形平行光，从而使得激光束的效率达到最大。椭圆形平行光是指垂直于传播方向的截面为椭圆形的光束。

椭圆形平行光经由光束整形器耦合后出射圆形光束。圆形光束是指垂直于传播方向的截面为圆形的光束。各种颜色的圆形光束进入第一合束器后被合成为白光。该白光射入偏振分束器，并被分为第一束光和第二束光。

在该例子中，三种颜色的光被耦合成圆形光束，再入射到合束器中。这样，入射的激光束能够更有效的在屏幕上进行成像。

例如，上述的各种元器件如下：

准直器为非球面透镜。准直器的前表面为球面，后表面为非球面。前、后表面镀有AR增透膜。AR增透膜能够增加光能的利用率。

光束整形器为自由曲面透镜。光束整形器的前表面为非球面柱面，后表面为柱面。前、后表面镀有AR增透膜，以增加光能的利用率。

第一合束器的各种颜色光的入射窗口以及出射窗口处镀有AR增透膜，以提高光能利用率。其中，光学表面7处，例如，入射光线以45°角入射，能实现全反射；光学表面8和9为二向色分束器，以实现不同色光的合束。

偏振分束器的前表面镀有BS膜，以实现入射白光按照强度为1:1分束；后表面镀有AR增透膜，以提高光能利用率。

偏振合束器的前表面镀有AR增透膜，以提高光能利用率；后表面镀有PBS分束膜，以实现入射水平偏振光的透射，垂直偏振光的反射，进而合成为同一束光。

第一二向色分束器和第二二向色分束器的前表面镀有二向色分光膜，以实现不同颜色光的分束；后表面镀有AR增透减反射膜，以提高光能利用率。

第一反射器和第二反射器的前表面镀有反射膜，以提高光能利用率。

第三二向色分束器和第四二向色分束器的前表面镀有二向色分光膜，以实现不同沿色光的分束，后表面镀有AR增透减反射膜，以提高光能利用率。

其中，上述的前表面是指光入射的表面，后表面是指光出射的表面。

图2是根据本公开的一个实施例的电子设备的结构示意图。该电子设备的工作过程如下：

S01、激光器发出的红光、绿光和蓝光分别经过第一准直器11a、第二准直器11b和第三准直器11c耦合，以形成无光焦度的椭圆形平行光，三种颜色的椭圆形平行光均为水平偏振光；

S02、三种颜色的椭圆形平行光，分别经过第一光束整形器12a、第二光束整形器12b和第三光束整形器12c耦合后，以形成圆形光束；

S03、三种圆形光束经第一合束器13后被合成为白光。其中，红光被光学表面7反射，并透过光学表面8和9；绿光被光学表面8反射，并透过光学表面9；蓝光被光学表面9反射。三种颜色的光合成为白光。

S04、合成后的白光经过偏振分束器14，被分为第一束光和第二束光。其中，第二束光透过偏振分束器14直接到达偏振合束器15；第一束光被偏振分束器反射14，例如，第一束光与第二束光的出射方向垂直；

S05、被反射的第一束光中的蓝光依次被第一二向色分束器反射16a、被第一半波转换器17a转换为竖直偏振光，再被第四二向色分束器16f反射后到达偏振合束器15；

S06、被反射的第一束光中的绿光透射第一二向色分束器16a，然后依次被第二二向色分束器反射16b、被第二半波转换器17b转换为竖直偏振光，再被第三二向色分束器16e反射，并透射第四二向色分束器16f后到达偏振合束器15；

S07、被反射的第一束光中的红光依次透射第一二向色分束器16a、第二二向色分束器16b，然后依次被第一反射器反射20a、被第三半波转换器17c转换为竖直偏振光，再被第二反射器20b反射，并依次透射第三二向色分束器16e和第四二向色分束器16f后到达偏振合束器15；

S08、第一束光和第二束光被偏振合束器合成为白光，例如。两束光的入射方向垂直。其中，第一束光为竖直偏振光，第二束光为水平偏振光。由于偏振方向垂直，故在被合成后，两束光的干涉小甚至不发生干涉。该白光入射到MEMS振镜18，并经MEMS振镜扫描18后，再在屏幕19上成像。

上述第一束光和第二束光围成的光路为矩形。计偏振分束器14与第一二向色分束器16a之间的距离为d1，第一二向色分束器16a与第二二向色分束器16b之间的距离为d2,第二二向色分束器16b与第一反射器20a之间的距离为d3,第二反射器20b与第三二向色分束器16e之间的距离为d4，第三二向色分束器16e与第四二向色分束器16f之间的距离为d5，第四二向色分束器16f与偏振合束器15之间的距离为d6。

其中，d1+d6大于或等于蓝光的相干长度。d1+d2+d5+d6大于或等于绿的相干长度。d1+d2+d3+d4+d5+d6大于或等于红光的相干长度。这种设置方式有效地降低了屏幕上的散斑强度。

该电子设备具有散斑强度低，成像质量好的特点。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种降低激光扫描显示的散斑强度的方法，包括：

将入射的激光束分为两束光，计为第一束光和第二束光；

将所述第一束光进行多次反射，以增加所述第一束光的光程，其中，所述第一束光中设定颜色的光与所述第二束光中相同颜色的光的光程差大于或等于该设定颜色的光的相干长度；

将所述第一束光和所述第二束光合成为一束光。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二束光沿第一方向偏振,将所述第一束光转换为沿第二方向偏振的光，所述第一方向与所述第二方向垂直。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述将所述入射的激光束分为两束光的步骤中，所述第一束光与所述第二束光的强度相等。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述入射的激光束包括合成在一起的蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束。

5.根据权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其中，所述入射的激光束为圆形光束。

6.根据权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其中，设定颜色的所述第一束光和所述第二束光的光路围成平行四边形，所述第二束光的光路形成平行四边形的一条边，所述第一束光的光路形成所述平行四边形的另外三条边。

7.一种电子设备，其中，包括：

偏振分束器，所述偏振分束器被配置为用于将入射的激光束分为两束光，计为第一束光和第二束光，其中，所述第一束光被所述偏振分束器反射，第二束光透射所述偏振分束器；

位于偏振分束器下游的多个二向色分束器和/或反射器，多个所述二向色分束器被配置为用于交替反射所述第一束光中的设定颜色的光，以增加该设定颜色的光的光程，以及透射其他颜色的光；所述反射器被配置为用于交替反射所述第一束光中的设定颜色的光，以增加该设定颜色的光的光程；其中，所述第一束光中设定颜色的光与所述第二束光中相同颜色的光的光程差大于或等于该设定颜色的光的相干长度；以及

位于多个二向色分束器和/或反射器下游的所述偏振合束器，所述偏振合束器被配置为用于将所述第一束光和所述第二束光合成为一束光。

8.根据权利要求7所述的电子设备，其中，还包括半波转换器，所述半波转换器被设置在任意两个所述二向色分束器之间和/或所述反射器之间，所述第二束光沿第一方向偏振,所述半波转换器被配置为用于将所述第一束光转换为沿第二方向偏振的光，所述第一方向与所述第二方向垂直。

9.根据权利要求7所述的电子设备，其中，所述入射的激光束包括蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束；还包括第一合束器，所述第一合束器被配置为用于将所述蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束合成为白光。

10.根据权利要求9所述的电子设备，其中，还包括准直器和位于准直器下游的光束整形器，所述蓝色激光束、绿色激光束和红色激光束在经过各自的准直器和光束整形器后，入射到所述第一合束器中。