CN110082928A

CN110082928A - 一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置

Info

Publication number: CN110082928A
Application number: CN201910359541.6A
Authority: CN
Inventors: 徐美芳; 王浩全; 董剑龙; 任时磊; 解琨阳; 王志斌; 张敏娟; 张荣臻
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2039-04-30
Also published as: CN110082928B

Abstract

本发明涉及激光显示技术领域，更具体而言，涉及一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，沿光路依次设置激光器、准直透镜、合束镜、基于偏振多样性的静态消散斑装置、基于角度多样性的静态消散斑装置、散射片、光通管、中继透镜、数字微镜器件、投影透镜组和观测屏。在光源部分加入相应波片，无需对激光显示系统做任何改变，就可通过非运动方式实现多种散斑抑制技术结合的激光散斑减少。根据激光投影系统的特性设计了激光散斑抑制方案，既不影响投影系统的整体结构，又能抑制激光散斑，结构简单、成本低、系统的一致性和稳定性高。

Description

一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置

技术领域

本发明涉及激光显示技术领域，更具体而言，涉及一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置。

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，广泛地应用于背投电视，投影机，微型投影仪，车载显示等行业，以及现代高端显示技术领域。

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显示提高画质、进入市场的关键技术。

目前已有消散斑方法的装置，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，其中采用运动型结构方案(如振动散射片或屏幕或光纤、高频驱动二维扫描复面转镜或MEMS扫描微镜)实现角度多样性的散斑抑制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。此外，公开号为CN 104777626 A的中国专利，通过对集束光纤的子光纤进行间隔排布使其输出端的子光束满足角度多样性条件来实现静态散斑抑制。该技术方案中需要采用多个非相干的激光器和多个光纤耦合器与相应集束光纤配合使用才能达到有效消除散斑的效果。可见，这种技术中因使用过多的激光器、光纤耦合器、集束光纤不仅会增大系统体积、提高成本、降低光效率，还会造成系统结构复杂、稳定性差、维护困难，因此，实际应用并不理想。

现有基于偏振多样性的消散斑技术中，主要是利用散射屏或粗糙表面有两类不同散射元，使散射光在两个正交方向偏振，或同一类散射元在两个正交偏振方向有不同的相位，这样两个偏振分量中强度呈现的散斑图像是统计独立的，可获得2个散斑抑制自由度。针对现有散射屏(如白色打印纸、PVC软幕、机织软幕、金属软幕、PVC白塑幕和石英磨砂玻璃散射片等)进行试验，目前仅白色打印纸屏具有这种特性，而白色打印纸屏一般只能用做测试屏。此外，如果照明屏幕的光的偏振在两正交状态之间的转换能够比探测器的反应时间更快，经过这种散射屏，还可进一步将散斑抑制自由度提高到4个，散斑对比度总的降低可达原来值的1/2。尽管偏振多样性对散斑图像对比度减小的贡献一般不大，也没有解除多少散斑带来的困扰。然而，有助于减弱散斑的每一因素都应受到欢迎，多种散斑抑制技术结合中偏振多样性可使其达到最大量的散斑总体抑制。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，现有消散斑装置机械运动型结构方案、半导体激光阵列、采用复杂结构系统，存在如下缺点：从工作频率提高、机械噪音消除、振动驱动系统的稳定性和低能耗到降低成本和系统微/小型化都成为产品化过程中的挑战；或采用波长多样性结合时间平均的散斑抑制原理，如控制型方案、光散射方法，或消除散斑效果甚微，或有一定光损。本发明提出一种利用波片引入偏振多样性结合角度多样性的复合静态消散斑装置，该消散斑装置只需在光源部分加入相应波片，无需对激光显示系统做任何改变，就可通过非运动方式实现多种散斑抑制技术结合的激光散斑减少。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，沿光路依次设置激光器、准直透镜、合束镜、基于偏振多样性的静态消散斑装置、基于角度多样性的静态消散斑装置、散射片、光通管、中继透镜、数字微镜器件、投影透镜组和观测屏；所述激光器用于产生激光光束，作为照明光源；所述准直透镜用于将激光束变成平行光；所述合束镜用于将激光束合为一束；所述基于偏振多样性的静态消散斑装置用于产生偏振态彼此正交的两束激光；所述基于角度多样性的静态消散斑装置用于将基于偏振多样性的静态消散斑装置产生的激光束分束后以不同角度投射出到散射片上，经光通管匀场整形后，由中继透镜组、数字微镜器件、投影透镜组成像在观察屏上。

进一步地，所述激光器包括红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器；所述准直透镜包括第一准直透镜、第二准直透镜和第三准直透镜；所述准直透镜与激光器一一对应设置。

进一步地，所述红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器分别从不同方向将红色激光、绿色激光和蓝色激光经准直透镜射入合束镜，将红、绿、蓝光束合为一束。

进一步地，所述基于偏振多样性的静态消散斑装置采用第一基于偏振多样性的静态消散斑装置或第二基于偏振多样性的静态消散斑装置。

进一步地，所述第一基于偏振多样性的静态消散斑装置包括光束分束/合束镜、第一1/4波片、第一反射镜、第二1/4波片、第二反射镜；激光束经光束分束/合束镜平分成2束等波前的光束，其中一束光经第一1/4波片透射传播，由其后的第一反射镜全反射，改变传播方向后再一次经第一1/4波片透射，射入光束分束/合束镜；另一束光经相对于第一1/4波片的轴线倾斜45°角的第二1/4波片透射，由第二反射镜全反射，改变传播方向后再一次经第二1/4波片透射，射入光束分束/合束镜；这两束光合束为光束。

进一步地，所述激光束为线偏振光时，经第一1/4波片和第二1/4波片传播后的两束光波的偏振态彼此正交。

进一步地，所述第二基于偏振多样性的静态消散斑装置包括偏振分束棱镜、合束镜、第三反射镜、第四反射镜；激光束由偏振分束棱镜分成两束相互正交的激光束，其中一束光由第三反射镜改变传播方向，到达合束镜；另一束光经第四反射镜改变传播方向后也到达合束镜，它们由合束镜合成偏振态彼此正交的光束，光束可为散斑抑制贡献2个自由度。

进一步地，所述基于角度多样性的静态消散斑装置包括能量分束镜和反射镜，基于偏振多样性的静态消散斑装置出射的光束经能量分束镜分成等能量的光束，等能量的光束分别经反射镜反射，改变传播光路，以满足角度多样性条件射出。

进一步地，基于偏振多样性的静态消散斑装置出射的光束由第一能量分束镜分成等能量的两束光，其中一束光经第二能量分束镜再次分成等能量的两束光，另一束光被第三能量分束镜再次分成等能量的两束光，这四束光分别由第四能量分束镜、第五能量分束镜、第六能量分束镜和第七能量分束镜进一步分成等能量的两束光，每束光依此规律继续分束；所有光束分别由反射镜阵列中第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜等反射镜分别反射至散射片。

进一步地，任意两束光到达观测屏所张的角度θ满足：sinθ≥NA，其中，NA为探测器成像系统的数值孔径。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本发明提供了一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，只需在光源部分加入相应波片，无需对激光显示系统做任何改变，就可通过非运动方式实现多种散斑抑制技术结合的激光散斑减少。根据激光投影系统的特性设计了激光散斑抑制方案，既不影响投影系统的整体结构，又能抑制激光散斑，结构简单、成本低、系统的一致性和稳定性高。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置示意图；

图2为本发明实施例提供的第一基于偏振多样性的静态消散斑装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第二基于偏振多样性的静态消散斑装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于角度多样性的静态消散斑装置的结构示意图。

图中：101为红色激光器、102为绿色激光器、103为蓝色激光器、104为第一准直透镜、105为第二准直透镜、106为第三准直透镜、107为合束镜、108为激光束、109为散射片、110为光通管、111为中继透镜、112为数字微镜器件、113为投影透镜组、114为观测屏、200为第一基于偏振多样性的静态消散斑装置、201为光束分束/合束镜、202为第一1/4波片、203为第一反射镜、204为第二1/4波片、205为第二反射镜、300为第二基于偏振多样性的静态消散斑装置、301为偏振分束棱镜、302为合束镜、303为光束、304为第三反射镜、305为第四反射镜、400为基于角度多样性的静态消散斑装置、401为第一能量分束镜、402为第二能量分束镜、403为第四能量分束镜、404为第五能量分束镜、405为第三能量分束镜、406为第六能量分束镜、407为第七能量分束镜、408为第一反射镜、409为第二反射镜、410为第三反射镜、411为第四反射镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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1所示，一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，沿光路依次设置激光器、准直透镜、合束镜107、基于偏振多样性的静态消散斑装置、基于角度多样性的静态消散斑装置400、散射片109、光通管110、中继透镜111、数字微镜器件112、投影透镜组113和观测屏114；其中激光器包括红色激光器101、绿色激光器102、蓝色激光器103，用于产生激光光束，作为照明光源；准直透镜包括第一104准直透镜、第二准直透镜105、第三准直透镜106，准直透镜与激光器一一对应，用于将激光束变成平行光；合束镜107，用于将第一准直透镜104、第二准直透镜105和第三准直透镜106出射的光束合为一束；基于偏振多样性的静态消散斑装置用于产生偏振态彼此正交的两束激光，基于角度多样性的静态消散斑装置400，用于将基于偏振多样性的静态消散斑装置产生的激光束分束后以不同角度投射到散射片109上，经光通管110匀场整形后，由中继透镜组111、数字微镜器件112、投影透镜组113成像在观察屏114上。

在本实施例中，所述基于偏振多样性的静态消散斑装置采用第一基于偏振多样性的静态消散斑装置200或第二基于偏振多样性的静态消散斑装置300。

如图2所示，为第一基于偏振多样性的静态消散斑装置200的结构示意图。激光束108经光束分束/合束镜201平分成2束等波前的光束，其中一束光经第一1/4波片202透射传播，由其后的第一反射镜203反射，改变传播方向后再一次经第二1/4波片202透射后，偏振矩阵为：

式中，Ψ为1/4波片的快轴与入射光振动方向的夹角；W_Ψ为光束经两次1/4波片202透射和一次反射镜203反射后的偏振矩阵

另一束光经相对于第一1/4波片202的轴线倾斜45°角的第二1/4波片204透射，由第二反射镜205反射，改变传播方向后再一次经第二1/4波片204透射后，其偏振矩阵为：

若入射激光的偏振态：

式中|U>表示入射激光的偏振态，u_x为入射激光在x方向上的分量，u_y为入射激光在y方向上的分量

则这两列波的偏振态分别为：

式中，|U₁>表示与W_Ψ对应的光束的偏振态，u_1x为该束激光在x方向上的分量，u_1y为入射激光在y方向上的分量；公式(5)中|U₂>表示与W_Ψ+45°对应的光束的偏振态，u_2x为该束激光在x方向上的分量，u_2y为入射激光在y方向上的分量

由于〈U₁|U₂〉＝〈U₂|U₁〉＝0，根据Malus定律，这两个偏振态是正交的，即入射激光为线偏振光时，经第一1/4波片202和第二1/4波片204传播后的这两束光波的偏振态彼此正交。采用这种方式获得的光源可为散斑抑制贡献2个自由度。

图3为第二基于偏振多样性的静态消散斑装置300的结构示意图。激光束108由偏振分束棱镜301分成两束相互正交的激光束，其中一束光由第三反射镜304改变传播方向，到达合束镜302，另一束光经第四反射镜305改变传播方向后也到达合束镜302，它们由合束镜302合成偏振态彼此正交的光束303，光束303可为散斑抑制贡献2个自由度。

为了更有效地抑制激光散斑，本发明实施例结合基于角度多样性的静态消散斑装置400，其结构示意图如图4所示。光束206或光束303由能量分束镜401分成等能量的两束光，其中一束光经能量分束镜402再次分成等能量的两束光，另一束光被能量分束镜405再次分成等能量的两束光。这四束光分别由能量分束镜403、能量分束镜404、能量分束镜406和能量分束镜407进一步分成等能量的两束光，各能量分束镜的法线与入射光成45°角。每束光依此规律继续分束。所有光束分别由反射镜阵列中反射镜408、反射镜409、反射镜410、反射镜411、……等反射镜改变传播光路，其中反射镜的角度依据汇集光束角度而定，以满足角度多样性条件投射到观测屏114上，即任意两束光到达观测屏114所张的角度θ满足：sinθ≥NA，其中，NA为探测器成像系统的数值孔径。也就是说，当这些光束中的任意两束光满足该条件时，它们传播到观测屏上形成的所有散斑图像是统计独立的，故被探测器的探测面记录的散斑图像是基于这些散斑图像的强度叠加，这样可为系统提供2ⁿ个散班抑制自由度，其中n代表光束经反射镜阵列中反射镜408、反射镜409、反射镜410、反射镜411、……改变传播光路，照射到观测屏114上满足所张角度θ达到：sinθ≥NA条件的光束总数；结合偏振多样性的静态消散斑装置，总的散斑抑制自由度可达到2ⁿ⁺¹，也就是最后获得图像中散斑对比度可降低到原来的倍。

由激光器产生激光光束；激光光束经光束分束镜后形成两束等波前光束；其中一束激光经波片传输垂直到达反射镜并反射，反射光束再次经波片到达合束镜；另一束激光经另一有一定倾斜角的波片后垂直照射到另一反射镜并反射，反射光束再次经波片后改变其相对偏振态到达合束镜；到达合束镜的这两束激光的偏振态彼此正交，这样获得的光源可为散斑抑制贡献2个自由度。该激光光束经后面每一个分束镜等能量分成两束，得到2ⁿ个激光光束，这些激光光束以不同角度到达观测屏，可提供2ⁿ个散班抑制自由度；这样总的散斑抑制自由度可达到2ⁿ⁺¹，也就是最后获得的图像中散斑对比度可降低到原来的倍。

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

1.一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，其特征在于：沿光路依次设置激光器、准直透镜、合束镜(107)、基于偏振多样性的静态消散斑装置、基于角度多样性的静态消散斑装置(400)、散射片(109)、光通管(110)、中继透镜(111)、数字微镜器件(112)、投影透镜组(113)和观测屏(114)；

所述激光器用于产生激光光束，作为照明光源；所述准直透镜用于将激光束变成平行光；所述合束镜(107)用于将激光束合为一束；所述基于偏振多样性的静态消散斑装置用于产生偏振态彼此正交的两束激光；所述基于角度多样性的静态消散斑装置用于将基于偏振多样性的静态消散斑装置产生的激光束分束后以不同角度投射出到散射片(109)上，经光通管(110)匀场整形后，由中继透镜组(111)、数字微镜器件(112)、投影透镜组(113)成像在观察屏(114)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，其特征在于：所述激光器包括红色激光器(101)、绿色激光器(102)和蓝色激光器(103)；所述准直透镜包括第一准直透镜(104)、第二准直透镜(105)和第三准直透镜(106)；所述准直透镜与激光器一一对应设置。

3.根据权利要求2所述的一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，其特征在于：所述红色激光器(101)、绿色激光器(102)和蓝色激光器(103)分别从不同方向将红色激光、绿色激光和蓝色激光经准直透镜射入合束镜(107)，将红、绿、蓝光束合为一束。

4.根据权利要求1所述的一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，其特征在于：所述基于偏振多样性的静态消散斑装置采用第一基于偏振多样性的静态消散斑装置(200)或第二基于偏振多样性的静态消散斑装置(300)。

5.根据权利要求4所述的一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，其特征在于：所述第一基于偏振多样性的静态消散斑装置(200)包括光束分束/合束镜(201)、第一1/4波片(202)、第一反射镜(203)、第二1/4波片(204)、第二反射镜(205)；激光束(108)经光束分束/合束镜(201)平分成2束等波前的光束，其中一束光经第一1/4波片(202)透射传播，由其后的第一反射镜(203)全反射，改变传播方向后再一次经第一1/4波片(202)透射，射入光束分束/合束镜(201)；另一束光经相对于第一1/4波片(202)的轴线倾斜45°角的第二1/4波片(204)透射，由第二反射镜(205)全反射，改变传播方向后再一次经第二1/4波片(204)透射，射入光束分束/合束镜(201)；这两束光合束为光束(206)。

6.根据权利要求5所述的一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，其特征在于：所述激光束(108)为线偏振光时，经第一1/4波片(202)和第二1/4波片(204)传播后的两束光波的偏振态彼此正交。

7.根据权利要求1所述的一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，其特征在于：所述第二基于偏振多样性的静态消散斑装置(300)包括偏振分束棱镜(301)、合束镜(302)、第三反射镜(304)、第四反射镜(305)；激光束(108)由偏振分束棱镜(301)分成两束相互正交的激光束，其中一束光由第三反射镜(304)改变传播方向，到达合束镜(302)；另一束光经第四反射镜(305)改变传播方向后也到达合束镜(302)，它们由合束镜(302)合成偏振态彼此正交的光束(303)，光束(303)可为散斑抑制贡献2个自由度。

8.根据权利要求1所述的一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，其特征在于：所述基于角度多样性的静态消散斑装置(400)包括能量分束镜和反射镜，基于偏振多样性的静态消散斑装置出射的光束经能量分束镜分成等能量的光束，等能量的光束分别经反射镜反射，改变传播光路，以满足角度多样性条件射出。

9.根据权利要求8所述的一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，其特征在于：基于偏振多样性的静态消散斑装置出射的光束由第一能量分束镜(401)分成等能量的两束光，其中一束光经第二能量分束镜(402)再次分成等能量的两束光，另一束光被第三能量分束镜(405)再次分成等能量的两束光，这四束光分别由第四能量分束镜(403)、第五能量分束镜(404)、第六能量分束镜(406)和第七能量分束镜(407)进一步分成等能量的两束光，每束光依此规律继续分束；所有光束分别由反射镜阵列中第一反射镜(408)、第二反射镜(409)、第三反射镜(410)、第四反射镜(411)等反射镜分别反射至散射片(109)。

10.根据权利要求1所述的一种基于偏振多样性与角度多样性结合的激光消散斑装置，其特征在于：任意两束光到达观测屏(114)所张的角度θ满足：sinθ≥NA，其中，NA为探测器成像系统的数值孔径。