CN111142268B - 一种消散斑装置、激光光源及激光投影设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种消散斑装置、激光光源及激光投影设备，具体的，消散斑装置包括电光晶体、与电光晶体连接的输入匹配电路。利用输入匹配电路在电光晶体上外加随时间变化的电场，使电光晶体在该电场的作用下，其折射率也随时间变化。由于电光晶体的折射率可随时间变化，进而不同时间射入上该电光晶体内的激光光束，在其内部的光程也随机变化。而不同的光程可以使出射激光光束的相位不同，所以上述电光晶体出射激光光束的相位相同或者相位差恒定的概率就大大降低，即破坏发生干涉的条件之一，减轻出射激光的相干程度。因此，将该消散斑装置应用于激光光源后，可大大减轻散斑效应，提高投影画面的显示质量。

Description

一种消散斑装置、激光光源及激光投影设备

技术领域

本公开涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种消散斑装置、激光光源及激光投影设备。

背景技术

激光光源因其具有单色性好，方向性强，光通量高等优点，近年来逐渐作为光源应用于投影显示技术领域。

然而，激光的高相干性也会造成激光投影显示时的散斑效应，其中，散斑是指相干光源在照射粗糙的物体时，散射后的光由于其波长相同且相位恒定，就会在空间中产生干涉，空间中有些部分发生干涉相长,有部分发生干涉相消,最终的结果是在屏幕上出现颗粒状的明暗相间的斑点，这些未聚焦的斑点在人眼看来处于闪烁状态,长时间观看易产生眩晕不适感，更造成投影图像质量的劣化。

为减小激光由于其自身特性带来的散斑效应，到目前为止有多种消散斑的方法。其中，有一种在投影系统中使用振动的显示屏，通过屏的振动来减弱散斑斑点在人眼内的积分作用，但是对于大尺寸屏幕的控制来说，该方法并不适用，并且目前投影也正朝向无屏化方向发展。还有就是通过在激光光路中设置扩散部件增加激光的空间相位，以破坏相位恒定的干涉条件进行减弱散斑。但是上述扩散部件的消散斑效果与扩散部件本身设置的发散角度相关，并不能有效抑制或者避免由于激光本身特性带来的散斑现象，因此无法有效提高投影画面的显示质量。

因此，如何有效减轻激光光源相干性所造成的投影图像的散斑是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例中提供了一种消散斑装置、激光光源及激光投影设备，以解决激光光源应用时的散斑效应问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种消散斑装置，该装置包括电光晶体和输入匹配电路，其中：

所述输入匹配电路通过电极与所述电光晶体连接，用于向所述电光晶体施加强度随时间变化的电场，所述电极设置在所述电光晶体上；

所述电光晶体，用于在所述电场的作用下，对射入所述电光晶体的激光光束的相位进行调制。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种激光光源，该光源包括激光器，同时所述激光器所发出激光光束的传输光路中设置有如本发明实施例第一方面所提供的消散斑装置。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种激光投影设备，该设备包括光机、镜头、以及本发明实施例第一方面所提供的激光光源，其中：

所述的激光光源为所述光机提供照明，所述光机对光源光束进行调制，并输出至所述镜头进行成像，投射至投影介质形成投影画面。

由上述实施例可见，本发明实施例提供的消散斑装置、激光光源及激光投影设备，利用输入匹配电路在电光晶体上外加随时间变化的电场，使电光晶体在该电场的作用下其折射率随时间变化。由于电光晶体的折射率可随时间变化，进而不同时间射入上该电光晶体内的激光光束，在其内部的光程也随机变化。而不同的光程可以使出射激光光束的相位不同，所以上述电光晶体出射激光光束的相位相同或者相位差恒定的概率就大大降低，即破坏发生干涉的条件之一，减轻出射激光的相干程度。因此，将该消散斑装置应用于激光光源后，可大大减轻散斑效应，提高投影画面的显示质量。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种消散斑装置的第一基本结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种消散斑装置的第二基本结构示意图；

图3为本申请实施例提供的经图1中的消散斑装置输出的激光光束相位延迟与输入电压的关系示意图；

图4为本申请实施例提供的利用探测器探测激光光束某一行的响应信号示意图；

图5为本申请实施例提供的激光光束没有经过消散斑装置和经过消散斑装置之后的能量分布；

图6为本申请实施例提供的另一种消散斑装置的基本结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种电光晶体表面微结构的示意图；

图8为本申请实施例提供的一种电光晶体表面电极的示意图；

图9为本申请实施例提供的一种激光光源的基本结构示意图；

图10为本申请实施例提供的一种激光投影设备的基本结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

针对现有激光光源在投影显示时存在散斑效应问题，本发明实施提供了一种消散斑装置、激光光源及激光投影设备，其基本原理为：通过改变激光光束在电光晶体内的光程来减轻激光光束的相干性。基于上述原理，下面将对本发明实施提供的消散斑装置进行详细介绍。

具有电光效应的晶体材料被称为电光晶体，其中，晶体在足够强的外加电场下，其光学性质发生改变(即折射率发生变化)的这一现象，称为电光效应。具体的，晶体折射率可以用其外面施加电场E的幂级数表示，即

n＝n_o+γE+bE²+… (1)

在公式(1)中，γE是一次项，由该项引起的折射率变化与外加电场强度成线性光学，称为线性电光效应或泡克尔斯(Pockels)效应；由二次项bE²引起的折射率变化，称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。基于大多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著的特点，本实施例主要利用晶体的线性电光效应。

图1为本申请实施例提供的一种消散斑装置的第一基本结构示意图。如图1所示，该装置主要包括电光晶体10和输入匹配电路20。

其中，由于KTP晶体有优越的电光效应、电光系数大、半波电压较低(仅为几百伏)、响应时间短(在200-400ps量级)、不潮解、温度稳定性高且光损伤阈值高等优点，本实施例中的电光晶体10采用KTP晶体，其形状为立方形结构，但并不限于所述形状，还可以是矩形、正方形、平行四边形、梯形、圆形等。同时，在其垂直于Z轴两个外表面镀有电极101，其中该电极101为金属电极，综合考虑焊线牢固的以及接触电阻值，其厚度可以为500nm～1000nm，但并不限于所述范围，其材料可以选用金、银、铂或铝等。输入匹配电路20可以由可调谐电阻202和电源201构成，利用可调谐电阻202改变电源201施加至电光晶体10上的电压，使该电压值可以随时间变化，进而使电光晶体10上所施加的电场强度也随时间变化。

根据在沿KTP晶体X轴或Y轴方向加电场时，剩余两个感应主轴的折射率与原主轴折射率差别很小，即加Ex或Ey时折射率椭球几乎不变形的特点，本实施例在晶体的Z轴方向施加电场，即加Ez，对应的其折射率椭球方程变为：

此时，KTP晶体的主轴方向不变，只是形变，主轴折射率放生变化，归一化求出感应主轴(x',y',z')的三个主轴的折率率分别为：

由于γ₃₃＞γ₂₃＞γ₁₃，因此x'、z'两个感应主轴的折射率差最大，电光效应最大。因此，本实施使激光光束沿电光晶体10的Y轴方向传输，即设置电光晶体10的入光面和出光面垂直于Y轴，激光光束垂直于入光面射入电光晶体10内部。图2为本申请实施例提供的一种消散斑装置的第二基本结构示意图。如图2所示，激光光束从入光面102射入，然后从出光面103射出，其中，沿激光光束传播方向的晶体长度为L，平行于电场方向的晶体厚度为d，对应的，激光束产生的相位延迟为：

在公式(4)中有效电光系数

根据公式(4)，在电源201输出电压不变的前提下，改变可调谐电阻202的电阻值，便可以改变加载到电光晶体10上的电压值，进而会改变入射激光光束的相位延迟。图3为本申请实施例提供的经图1中的消散斑装置输出的激光光束相位延迟与输入电压的关系示意图。如图3所示，激光光束相位延迟与输入电压成线性变化关系。基于输入电压值会随时间变化，进而前后先后入射到该电光晶体10的激光束在出射端面便会产生不同的相位变化，进而在时间上打乱激光光束的相干性，从而达到减弱激光散斑的效果。

本实施例中，电压值会随时间变化的规律可以是随时间随机变化也可以按照特定规律变化，为能更好降低出射激光光束相位相同或者相差恒定的概率，优选地其变化规律为随时间随机变化。

基于上述设计，本实例提供了不同相位延迟后的消散结构测试。图4为本申请实施例提供的利用探测器探测激光光束某一行的响应信号示意图。如图4所示，当本实施例中的消散斑装置还没有开始工作时，相位延迟为0rad时，如图4(a)所示，信号起伏剧烈。消散斑装置开始工作后，当相位改变达到0.1rad时，如图4(b)所示，信号起伏变弱。当相位改变达到0.3rad时，如图4(c)所示起伏进一步变弱。当相位改变达到0.6rad时，如图4(d)所示，信号趋于稳定，达到消散斑的目的。

为保证散斑消除效果，本实施例设计施加在电光晶体10上的电压值，使激光光束通过电光晶体10后相位延迟范围为0.3rad～0.6rad。

图5为本申请实施例提供的激光光束没有经过消散斑装置和经过消散斑装置之后的能量分布。如图5所示，在没有经过消散斑装置后的能量分布图(a)中可以看出，其能量分布非常不均匀，即散斑现象较为为严重。而利用本实施例提供的消散斑装置后，从其能量分布图(b)中可以看出图像能量分布较为均匀，即激光光束的能量值得到均匀化,进而证明本实施例提供的消散斑装置能够有效解决激光光源应用时的散斑效应问题。

需要说明的是，本实施例只是以电光晶体KTP晶体为例，在实际应用到产品时，可以根据不同的需要选择晶体，常见的电光晶体可以是铌酸锂晶体、KDP晶体以及BBO晶体等等。具体的，上述三种晶体的特性入下：KDP晶体电光效应比较显著，但电光品质因数Q很小、半波电压高达几千伏、在空气中吸潮厉害；铌酸锂晶体不溶于水，机械性能好，而且比较容易生长出大尺寸高质量的晶体，成本相对较低，电光Q值比KDP晶体略高、半波电压比KDP略低，但是光损伤阈值太低，并且有严重的压电耦合效应，当施加调制电压时，会产生寄生振荡；BBO晶体有比较好的电光特性，但半波电压过大，适用于从200nm到2500nm波长范围，光损伤阈值高，且介电常数低，从而响应时间较短，有轻微潮解的问题。

另外，施加在电光晶体上的电场方向并不限于本实施例提供的垂直于激光光束的入射方向，在具体应用时还可以平行于激光光束的入射方向，即将电光晶体用于镀电极的面设置在其入光面和出光面上。进一步的，当施加电场方形平行于激光光束的入射方向时，为了减少设置在入光面和出光面上的电极对光路的遮挡，提高光透过率，本实施例还将该电极设置为透明电极，例如，可以在电光晶体表面蒸镀氧化铟锡薄膜电极、水热法镀氧化锌薄膜电极等。当然，该类型的透明电极该可以应用在施加在电光晶体上的电场方向垂直于激光光束的入射方向的消散斑装置中。

进一步的，基于光沿晶体的光轴方向传播时传播方向不变的特点，本实施例还设置激光光束沿电光晶体的光轴入射，使得光通过电光晶体后传播方向不发生改变，从而将该消散斑装置应用于激光光源后，可有助于减少光路中的合束元件。

上述实施例通过在光电晶体上施加随时间变化的电场，使先后入射到电光晶体的激光光束在出射端面产生了不同的相位变化，在时间上打乱激光的相干性，从而达到减弱激光散斑的效果。为达到更好的激光散斑消除效果，本实施例还提供了同时从时间和空间上对激光的相位产生调制的方法。

图6为本申请实施例提供的另一种消散斑装置的基本结构示意图。如图6所示，本实施例中的电光晶体由多个小的子电光晶体104构成，本实施例采用5*5的结构，即各子电光晶体104分别在垂直于激光光束的传输方向上沿横向和纵向依次排布，使得整个电光晶体的入光面和出光面形成网状结构。同时，相邻的所述子电光晶体104之间设置有绝缘层30，具体的，为不影响光透过率、同时为更好的固定整个电光晶体，本实施例中的绝缘层30采用透明不导电的黏合剂制成，其中，该黏合剂层的厚度约为2um。

进一步的，本实施采用施加电场与光传播方向相平行的纵向电光调制的方式，即在各子电光晶体104的入光面和出光面上设有透明电极；同时，各子电光晶体104通过其表面的透明电极连接有一个输入匹配电路，并且各输入匹配电路用于向各子电光晶体施加不同的强度随时间变化的电场。

本实例中的电光晶体材料选用KDP晶体，同时激光光束沿其光轴方向射入晶体，两个感应主轴的感生折射率分别为n'_x、n'_y，激光光束射入电光晶体后，两个偏振光在晶体中以不同的折射率沿光轴传播，当该激光光束射出光电晶体后，则两个偏振光之间的相位差

由感生折射率差

决定，该外加电压引起的两个偏振分量的相位差又叫做电光延迟。

其中，

根据公式(6)，可知由于利用输入匹配电路对各子电光晶体施加不同的电压后，各子电光晶体产生了不同的折射率变化，对入射激光束可以造成不同的电光延迟，进而一束激光光束打到该电光晶体的入光面以后，会分散射入到各子电光晶体中，同时不同的子电光晶体所产生的相位延迟不同，从而从各子电光晶体出射的激光光束的相位各不相同，进而在空间上减弱激光的相干性。同时，由于各子电光晶体上所施加的电压还随时间变化，因此，本实施例提供的具有网栅状结构的电光晶体的消散斑装置，可以同时从时间和空间上对入射激光光束的相位进行调制，进而可以达到更好的激光散斑消除效果。

需要说明的是，本实施例只是以KDP晶体为例，对从时间和空间上对入射激光光束的相位进行调制的方式进行说明，，在实际应用到产品时，可以根据不同的需要选择晶体，并且电光调制方式也并不限于利用晶体的纵向电光效应，还可以利用晶体的横向电光效应，即还可以使入射光和所加电场方向相垂直。

并且，各子电光晶体选用的材料可以相同也可以不同，只要在同时时刻各子电光晶体所产生的相位延迟不同即可。另外，上述电光晶体中各子电光晶体的个数也并不限于本实施例提供的数目，可以为m×n个，m并不要求等于n，例如m可以取1，n取大于1的其它数值，使多个子电光晶体仅在一个沿垂直于所述激光光束传输的方向排布，即自在一个方向上进行空间调制。其中，m与n的取值可以根据实际电光晶体的总入射面的面积决定，理论上整个电光晶体被分的越细密，空间调制效果越好，但由于激光的光能量较大，当子电光晶体的尺寸过小时，其接收的激光能量密度便会较大，容易产生激光损伤，基于上述原因，优选的设计各子电光晶体的入光面和出光面的边长在毫米到微米量级之间，如边长为1um～1mm。

为进一步增加激光光束在空间上的相位随机性，减弱激光光束的相干性。本实施还提供在电光晶体的入光面和出光面设计微结构，其中，该微结构颗粒度可以在微米量级。颗粒结构可以通过光刻工艺制程，也可以为涂覆在入光面和出光面表面的散射颗粒，以增加对激光光束的散射。

图7为本申请实施例提供的一种电光晶体表面微结构的示意图。本实施例中的为微结构为设置在电光晶体入光面和出光面上的小凹槽结构，由于设置有上述小凹槽结构的入光面和出光面为非平面，从而使激光光束经电光晶体后的出射角度具有多样性，形成多个随空间变化的相位分布，即从空间上对入射激光光束的相位进行调制，以达到更好的激光散斑消除效果。

当然，上述微结构并不限于本实施例提供的凹槽结构，还可以为凸起结构、其他不规则图形等。另外，入光面和出光面表面的微结构图形可以相同也可以不同，也可以入光面和出光面其中的一个面上设置微结构图形，另一个面仍为平面结构。

进一步的，除了采用在电光晶体入光面和出光面上设置微结构的方式，对入射激光光束增加空间相位的多样性外，本实施例借助设置在电光晶体表面的透明电极来实现。图8为本申请实施例提供的一种电光晶体表面电极的示意图。如图8所示，本实施例中的电光晶体的入光面和出光面上的电极101为透明电极，并且该透明电极的表面具有毛刺状结构，当然，还可以为其它的微结构图形。利用本实施例提供的表面具有微结构的电极在起到其自身欧姆接触导电作用的同时，还可以使激光光束经电光晶体后的出射角度具有多样性，形成多个随空间变化的相位分布。具体的，本实施例中的透明电极可以为氧化铟锡纳米晶薄膜电极、氧化锌纳米阵列薄膜电极、非规则粗糙结构氧化铟锡薄膜等等。

本实施例还提供了将上述消散斑装置应用到激光光源中的示例。图9为本申请实施例提供的一种激光光源的基本结构示意图。

如图9所示，该激光光源还包括第一激光器组111、第二激光器组112、第三激光器组113，三个激光器分别发出红色、绿色和蓝色激光，第一二向色镜114和第二二向色镜115用于实现激光光束合光，消散斑装置116用于改变对激光束的相位进行调制，增加出射激光光束的相位随机性，聚焦准直透镜组117用于对光束进行准直、缩束，匀光棒118用于对激光束光束进行匀化后输出。

具体的，第一二向色镜114用于将第一激光器组111发出的光束透射至消散斑装置116，以及第二二向色镜115透射和反射的光束反射至消散斑装置116；第二二向色镜115，用于第二激光器组112发出光束反射至第一二向色镜114，以及将第三激光器组113发出的光束透射至第一二向色镜114。进一步的，从第一二向色镜114照射到消散斑装置116中电光晶体上的激光光束，根据电光晶体折射率随时间随机变化特点，使其在电光晶体中的传输的光程也随机变化，进而从电光晶体出射激光光束的相位也在变化，减轻了激光的相干程度。需要说明的是，本实施例提供的消散斑装置116可以为上述实施例提供的任意一种消散斑装置；另外，消散斑装置116还可以设置在激光光源中的激光器所发出激光光束的传输光路中的其它位置，并且激光光源还可以为其它架构，本实施例在此不再赘述。

基于相同的技术构思，本发明实施例还提供一种激光投影设备，该激光投影设备可以包括本发明上述实施例所提供的激光光源，该激光投影设备具体可以是激光影院或者激光电视，或者其他激光投影仪器等。

图10为本申请实施例提供的一种激光投影设备的基本结构示意图。如图10所示，所述激光投影设备包括：激光光源121，光机122，镜头123。

其中，激光光源121是本发明上述实施例所提供的激光光源，具体可参见前述实施例，在此将不再赘述。具体地，激光光源121为光机122提供照明，光机122对光源光束进行调制，并输出至镜头123进行成像，投射至投影介质124(比如屏幕或者墙体等)形成投影画面。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种消散斑装置，其特征在于，包括电光晶体和输入匹配电路，其中：

所述输入匹配电路通过电极与所述电光晶体连接，用于向所述电光晶体施加强度随时间变化的电场，所述电极设置在所述电光晶体上；

所述电光晶体，所述电光晶体由多个子电光晶体构成，用于在所述电场的作用下，对射入所述电光晶体的激光光束的相位进行调制；所述多个子电光晶体沿垂直于所述激光光束传输的方向排布，相邻的所述子电光晶体之间设置有绝缘层；

所述输入匹配电路，用于向各所述子电光晶体施加不同的强度随时间变化的电场。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个子电光晶体在垂直于所述激光光束的传输方向上沿横向和纵向依次排布，使所述电光晶体的入光面和出光面为网状结构。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述子电光晶体的入光面边长为1um～1mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光光束通过所述电光晶体后相位延迟范围为0.3rad～0.6rad。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电光晶体的入光面和出光面上均设置有微结构。

6.根据权利要求1或4所述的装置，其特征在于，所述电极为设置在所述电光晶体入光面和出光面上的透明电极，所述透明电极的具有微结构结构。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光光束沿所述电光晶体的光轴方向入射。

8.一种激光光源，其特征在于，包括激光器，其中，所述激光器所发出激光光束的传输光路中设置有如权利要求1至7任一所述的消散斑装置。

9.一种激光投影设备，其特征在于，包括光机、镜头、以及如权利要求8所述的激光光源，其中：

所述的激光光源为所述光机提供照明，所述光机对光源光束进行调制，并输出至所述镜头进行成像，投射至投影介质形成投影画面。

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