CN111142269A - 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，包括声光晶体和超声波激励源，超声波激励源通过耦合介质层与所述声光晶体连接。耦合介质层设置在所述声光晶体上，利用超声波激励源通过耦合介质层向声光晶体注入频率随时间变化的超声波，该频率随时间变化的超声波通过声光晶体时，会使晶体中各点的折射率随时间和空间变化。由于声光晶体的折射率可随时间和空间变化，进而射入上该声光晶体内的激光光束，在其内部的传输光程也会存在差异。而不同的光程可以使出射激光光束的相位不同，所以上述声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，减轻出射激光的相干程度，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

激光因具有单色性好、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，激光的单色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，目前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。还有一种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上述散斑现象，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，包括声光晶体和超声波激励源，其中：

所述超声波激励源通过耦合介质层与所述声光晶体连接，用于向所述声光晶体注入频率随时间变化的超声波，所述耦合介质层设置在所述声光晶体上；

所述声光晶体，用于在所述超声波的作用下，对射入所述声光晶体的激光光束的相位进行调制，所述激光光束在所述声光晶体中的传播方向与所述超声波的传播方向相垂直。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种激光光源，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述的消散斑装置。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种激光投影设备，包括光机、镜头、以及如本发明实施例第二方面所述的激光光源，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。

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，利用超声波激励源通过耦合介质层向声光晶体注入频率随时间变化的超声波，该频率随时间变化的超声波通过声光晶体时，会使晶体中各点的折射率随时间和空间变化。由于声光晶体的折射率可随时间和空间变化，进而射入上该声光晶体内的激光光束，在其内部的传输光程也会存在差异。而不同的光程可以使出射激光光束的相位不同，所以上述声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基本结构示意图；

图2为本申请实施例提供的图1中消散斑装置的激光通过方向和超声波传播方向示意图；

图3为本申请实施例提供的图1中的消散斑装置对激光光束的相位调制原理示意图；

图4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5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6为本申请实施例提供的图5中消散斑装置的激光通过方向和超声波传播方向示意图；

图7为本申请实施例提供的一种声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激光光源的基本结构示意图；

图9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。

当光波和声波同时射到晶体上时，声波会与晶体发生作用，使晶体的光学性质发生改变，从而改变光波的性质，如使光束发生偏转、使光强和频率发生变化等，这种晶体称为声光晶体。当超声波在声光晶体中传播时，由于超声波是一种弹性波(纵向应力波)，使声光晶体产生相应的弹性形变，激起各质点沿声波的传播方向振动，引起声光晶体的密度呈疏密相间的交替变化，进而引起声光晶体的折射率也随着发生相应的周期性变化。当光通过上述有超声波作用的声光晶体时，相位就要受到调制，将会引起相位的变化，本实施例便是声光晶体对光的相位调制，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。

图1为本申请实施例提供的一种消散斑装置的基本结构示意图。如图1所示，该装置主要包括超声波激励源10、耦合介质层20以及声光晶体30。

其中，超声波激励源10可以由驱动电源101与电声转换器102构成。驱动电源101与电声转换器102连接，用以产生控制信号施加于电声换能器102的两端电极上，驱动电声换能器102工作；电声换能器102通过设置在声光晶体30上的耦合介质层20与声光晶体连接，并利用来自驱动电源101的控制信号把电震荡信号转换为超声振动，在通过耦合介质层20把超声振动注入到声光晶体30中。

图2为本申请实施例提供的图1中消散斑装置的激光通过方向和超声波传播方向示意图。如图2所示，在进行激光散斑消除时，设计使用驱动电源101发出的控制信号可以使电声转换器102输出频率随时间变化的超声波信号给声光晶体30。基于布拉格衍射是对于高频超声波而产生的衍射，并且布拉格衍射的光能量主要分布在一级衍射光的特点，本实施例使激光光束在声光晶体30中产生拉曼-奈斯衍射，使激光光束在声光晶体30中的传播方向与超声波的传播方向相垂直，即使激光光束沿垂直超声波的传播方向射入声光晶体30内部。

图3为本申请实施例提供的图1中的消散斑装置对激光光束的相位调制原理示意图。如图1所示，声光晶体30作为声光相互作用的场所，在行波声场的作用下，其折射率出现增大或减小的交替变换，并以声速向前推荐，由于声速仅为光速的数十万分之一，所以为光波来说运动的“声光栅”可以看作是静止的。同时控制声波的频率以及声波和光波作用的长度，使声光相互作用为拉曼-奈斯衍射，具体的，使声波频率较低，光波垂直于超声场传播方向入射，且声波互作用长度L较短，这样激光光波通过声光晶体30时，几乎不通过声波面，只受到相位调制。

假设注入声光晶体30的超声波频率为Ω，其传播方向沿z方向，对应的，声光晶体30的折射率系数的变化为：

在公式(1)中，n₀为晶体的初始折射率、P_S为超声波功率、K_s为超声波波矢。

表示折射率变化的最大幅值。该式表明，声光晶体在超声波作用下，折射率沿z方向出现了正弦形式的增量，因而声光晶体z方向的折射率分布为：

n(z,t)＝n₀-(Δn)_Msin(K_sz-Ωt) (2)

由于声光晶体30中各点的折射率也会产生相应的周期性变化，进而对入射激光束的相位进行调制，根据上述公式(2)可知，同一时刻沿声波传播方向不同位置(即z值不同)的激光束在出射端面的相位不同。同时，由于本实施例设计超声波的频率随时间变化，进而沿声波传播方向相同位置的激光的激光束在出射端面的相位也随时间变化，从而出射激光光束相位相同或者相差恒定的概率就大大降低，破坏了发生干涉的条件之一，因此减轻了激光光束的相干程度，达到了激光光源应用时的消散斑的目。

本实施例中，超声波的频率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。

进一步的，为了减少由声光晶体30透出的超声波对激光光源中其它元件的干扰，本实施提供的消散斑装置还包括超声波吸声模块40，其中，超声波吸声模块40设置在声光晶体上输出超声波的端面，用于吸收所述声光晶体输出的超声波。具体的，本实施例中的超声波吸声模块40可以是吸收性强的铅橡胶等物质，也可是将声光晶体30的输出超声波的端面磨一定角度得到，使回波在声光晶体30的侧面产生多次反射而衰减。

当然，除了采用上述吸声的方式外，还可以将超声波再次返回声光晶体30，具体的，可以在声光晶体30输出超声波的端面设置超声波反射模块，用于将所述声光晶体输出的超声波反射回声光晶体30中，其中，超声波反射模块可由高反射率金属材料镀在声光晶体30输出超声波的端面。

根据公式(1)，声光晶体30的折射率变化还与超声波功率有关，当功率增大时，折射率变化的最大幅值会增大，较常使用的激光声光调制的功率为10～50W之间，优选的，在本实施实例中，使用30W至50W的功率。

本实施例还提供例利用上述消散斑装置进行消散斑的效果示意图。图4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4所示，当声光调制没有工作时，通过声光晶体30的激光光斑分布如图4(a)所示，存在明显的散斑模式；当消散斑装置开始工作后，使用30W的功率，散斑有部分消除，如图4(b)；使用50W的驱动功率，散斑消除效果更为明显，如图4(c)。进而，可以证明当激光光束通过有超声波作用的晶体时，光波相位就要受到调制，使出射光相位相同或者相差恒定的概率就大大降低，破坏了发生干涉的条件之一，因此可激光的相干程度达到了消散斑的目。

需要说明的是，本实施例中的声光晶体30可以是石英、铌酸锂晶体、六方晶系蓝宝石晶体、钇铝石榴石等晶体，但不局限于上述晶体.另外，还可以使激光光束通过声光晶体30时，产生布拉格衍射。

上述实施例是将声光晶体在一个方向上(z轴)进行折射率的改变，同一时刻沿声波传播方向不同位置的激光束在出射端面的相位不同，但在x轴方向上相位仍然没有被打乱，为提高消除激光散斑的效果。本实施例还提供了另外一种消散斑装置。图5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。本实施例中的超声波激励源由第一超声波激励源11和第二超声波激励源12组成，用于向声光晶体30施加频率随机变化的两个超声波，并且两个超声波的传播方向相互垂直。

具体的，第一超声波激励源11可以由第一驱动电源111与第一电声转换器112构成。第一驱动电源111与第一电声转换器112连接，用以产生控制信号施加于第一电声换能器112的两端电极上，驱动第一电声转换器112工作；第一电声转换器112通过设置在声光晶体30上的第一耦合介质层21与声光晶体连接，并利用来自第一驱动电源111的控制信号把电震荡信号转换为超声振动，在通过第一耦合介质层21把超声振动注入到声光晶体30中。同样的，第二超声波激励源12可以由第二驱动电源121与第二电声转换器122构成。第二驱动电源121与第二电声转换器122连接，用以产生控制信号施加于第二电声换能器122的两端电极上，驱动第二电声转换器122工作；第二电声转换器122通过设置在声光晶体30上的第二耦合介质层22与声光晶体连接，并利用来自第二驱动电源121的控制信号把电震荡信号转换为超声振动，在通过第二耦合介质层22把超声振动注入到声光晶体30中。同时，由于本实施例中的声光晶体30为长方体结构，因此，本实施例中将第一耦合介质层21和第二耦合介质层22设置在声光晶体30两个相邻的表面上，这样两个激励源产生的超声波的传播方向便可以相互垂直。当然，如果声光晶体30为其它形状时，耦合介质层则采用其它布置方式，以保障两个激励源产生的超声波在晶体中的传播方向相互垂直。

图6为本申请实施例提供的图5中消散斑装置的激光通过方向和超声波传播方向示意图。本实施例在在z方向上增加的第一超声激励装置21、以及x方向增加的第二超声激励装置22，均输出频率随时间变化的超声波信号给声光晶体30。当x方向和z方向均施加频率随时间变化的超声波时，整个声光晶体30的折射率相当于一个栅格状结构，垂直于激光传播方向的平面xoz上任一位置的折射率均不相同，并且随时间变化，进而沿y轴各位置折射率也均不相同。因此，本实施例与上述实施例相比，声光晶体30转化成一个折射率随机分布且随时间变化的光学元件，相比于单方向施加超声波，在两个方向均施加超声波，可以达到更好的激光散斑消除效果。进一步的，为了提高消散斑效果，上述两个超声波的频率随时间变化规律不同。

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。本实施还提供在声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声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声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，从而使激光光束经声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。

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8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8所示，该激光光源还包括第一激光器组81、第二激光器组82、第三激光器组83，三个激光器分别发出红色、绿色和蓝色激光，第一二向色镜84和第二二向色镜85用于实现激光光束合光，消散斑装置86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87用于对光束进行准直、缩束，匀光棒88用于对激光束光束进行匀化后输出。

具体的，第一二向色镜84用于将第一激光器组81发出的光束透射至消散斑装置86，以及第二二向色镜85透射和反射的光束反射至消散斑装置86；第二二向色镜85，用于第二激光器组82发出光束反射至第一二向色镜84，以及将第三激光器组83发出的光束透射至第一二向色镜84。进一步的，从第一二向色镜84照射到消散斑装置86中声光晶体上的激光光束，根据声光晶体折射率随时间随机变化特点，使其在声光晶体中的传输的光程也随机变化，进而从声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86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86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9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9所示，所述激光投影设备包括：激光光源91，光机92，镜头93。

其中，激光光源91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91为光机92提供照明，光机92对光源光束进行调制，并输出至镜头93进行成像，投射至投影介质94(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 (10)

1.一种消散斑装置，其特征在于，包括声光晶体和超声波激励源，其中：

所述超声波激励源通过耦合介质层与所述声光晶体连接，用于向所述声光晶体注入频率随时间变化的超声波，所述耦合介质层设置在所述声光晶体上；

所述声光晶体，用于在所述超声波的作用下，对射入所述声光晶体的激光光束的相位进行调制，所述激光光束在所述声光晶体中的传播方向与所述超声波的传播方向相垂直。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波激励源用于向所述声光晶体施加频率随机变化的两个超声波，所述两个超声波的传播方向相互垂直。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述两个超声波的频率随时间变化规律不同。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括超声波吸声模块，其中：

所述超声波吸声模块设置在所述声光晶体输出超声波的端面，用于吸收所述声光晶体输出的超声波。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括超声波反射模块，其中：

所述超声波反射模块设置在所述声光晶体中输出所述超声波的端面，用于将所述声光晶体输出的超声波反射回所述声光晶体中。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波的功率为10W～50W。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波用于使射入所述声光晶体的激光光束形成拉曼-奈斯衍射。

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

9.一种激光光源，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8任一所述的消散斑装置。

10.一种激光投影设备，其特征在于，包括光机、镜头、以及如权利要求9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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