CN111273454A - 一种激光散斑消除装置及其激光显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光显示技术领域，具体涉及一种激光散斑消除装置及其激光显示设备，该装置包括：两个以上叠放的压电层，压电层由压电材料构成；每个压电层的两侧面上分别设有电极，电极与电源相导通，电源上设有电源输出控制器，电源输出控制器用于控制电源向每个压电层上的电极输出变化的电压，使得通电后的各个压电层的长度互不相同；激光从压电层的前端面进入至压电层的内部，并压电层的后端面射出。本发明的电源在电源控制器的控制下，向每个压电层输出变化的电压，使得每个压电层在通电时刻下其长度均不相一致，有效地降低了各激光之间的相干性，从而达到消除激光散斑的效果；且其无需额外的机械辅助结构，有效地降低了产品的尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及激光显示技术领域，具体涉及一种激光散斑消除装置以及一种激光显示设备。
背景技术
在激光显示技术中，以红绿蓝三基色激光作为光源，可以真实地再现客观世界中丰富的色彩。但是，由于激光具有良好的相干性，当激光照射在粗糙物体表面时反射或投射的光之间会出现干涉的现象，呈现出无规则分布明暗不等的颗粒状的点，即激光散斑。激光散斑是影响成像质量非常关键的因素，历年来都一直是激光显示领域研究的重点和难点。激光散斑导致的颗粒感的存在会严重影响激光显示图像的质量，带来不好的观看体验，因此激光散斑必须要减弱或者消除。
现有的激光散斑消除方法中，最常见的是在激光光路中设置消散斑光学元件，并为光学元件引入机械扰动，例如设置运动的扩散片或散射片等，这种方法只能较粗略地消除散斑，并且由于引入机械扰动，结构不稳定，尺寸也相对较大。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种基于逆压电效应的激光散斑消除装置以及其激光显示设备。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种激光散斑消除装置，包括：
两个以上叠放的压电层，所述压电层由压电材料构成；每个压电层的两侧面上分别设有电极，所述电极与电源相导通，所述电源上设有电源输出控制器，所述电源输出控制器用于控制所述电源向每个压电层上的电极输出变化的电压，使得通电后的各个压电层的长度互不相同；激光从所述压电层的前端面进入至所述压电层的内部，并所述压电层的后端面射出。
本发明是一种激光显示设备，包括：发光器件和如上所述的激光散斑消除装置，所述发光器件与所述激光散斑消除装置的前端面相对准，所述发光器件所发射的激光从所述激光散斑消除装置的前端面进入至所述激光散斑消除装置中，并从所述激光散斑消除装置的后端面射出。
本发明的激光散斑消除装置由若干个压电层构成，且在每个压电层中连接有电源，所述电源在电源控制器的控制下，向每个压电层输出变化的电压，由于逆压电效应，压电材料在通电后，其长度会发生变化，使得每个压电层在通电时刻下其长度均不相一致，进而使得通过各压电层之间的激光的光程互不相同，有效地降低了通过各个压电层后的激光之间的相干性，从而达到消除激光散斑的效果；且本发明的结构简单稳定，无需额外的机械辅助结构，有效地降低了产品的尺寸。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。
图1为逆压电效应的原理示意图；
图2为本发明激光散斑消除装置实施例一的结构示意图；
图3为本发明中的压电层组成结构示意图；
图4为本发明激光散斑消除装置中红绿蓝三基色激光的相位差与电压之间的关系图；
图5为本发明激光散斑消除装置实施例二的结构示意图；
图6为未采用激光散斑消除装置的显示效果图；
图7为采用了本发明激光散斑消除装置的显示效果图。
标号说明：10、压电层；11、压电材料；12、前端面；20、电极；30、黏合剂。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的激光散斑消除装置是基于压电材料的逆压电效应而设计，其中，逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失；具体参照图1所示。
实施例一
请参阅图2至图4，下面对本发明的一种激光散斑消除装置进行具体描述，其包括：
四个叠放的压电层10，所述压电层10由压电材料11构成，所述压电材料11为锆钛铅酸镧压电陶瓷(PLZT)，每个所述压电层10的长度均不相同，压电层10由下到上的尺寸分别为4mm×5mm、4mm×4mm、4mm×3mm、4mm×2mm，四个压电层10层叠为阶梯形状；其中，该压电层10可以采用矩形结构，故在不施加电压的情况下，该激光散斑消除装置本身就具有一定的从空间上减弱相干性的能力；每个压电层10的两侧面上分别设有电极20，所述电极20与电源相导通；所述电源上设有电源输出控制器，所述电源输出控制器用于控制所述电源在相同时刻下向每个压电层上的电极输出相同的电压，使得通电后的各个压电层的长度互不相同；激光从所述压电层10的前端面12进入至所述压电层10的内部，并所述压电层10的后端面射出。在本实施例中，从发光器件射出的激光激光束垂直入射至所有压电层10的前端面12，其将单束激光分为多束非相干光，在空间上破坏了激光的相干性；并在通过电源在压电材料11的极化方向上施加电场，且该电源所输入的电压采用脉冲电压的形式，可以是周期性的或随机的，使得各个压电层10发生不同的形变量，空间上使激光产生光程差，打乱激光的相干性；而输入电压随时间的变化，使压电材料11组随时间的形变量不同，使激光在时间上的相干性被破坏，导致激光在压电材料11中传输的光程存在差异，这就会使激光的相位产生无序的分布，从而减弱了激光的相干性，使激光光源在应用过程中散斑效应减弱，有效消除激光散斑。本发明通过时间相干性和空间相干性的结合，使激光散斑现象得到抑制，达到比较好的激光光源散斑消除效果。
其中，逆压电效应中对压电材料11所加电场与材料产生的形变关系具体为：
当对压电材料11所加电场不是很强的情况下，一级近似下由电场引起的应变电场强度的关系是线性的，即为：
Sjk＝dijkEi(i，j，k＝1，2，3) (1)
若应力很大，或电场很强时，由电场引起的应变电场之间还存在非线性的关系，即
Sjk＝dijkEi+γiljkEiEl(i，j，k，l＝1，2，3) (2)
其中dijk为逆压电系数张量，表示材料极化方向；i＝1，2，3分别表示沿X，Y，Z轴方向施加的单向力，单向力的符号规定拉力为正，压力为负；k＝1，2，3分别表示绕X，Y，Z轴方向作用的剪切力(即yz，xz，xy平面)。
逆压电效应的非线性部分，即式(2)中的最后一项代表电致伸缩效应，γiljk为电致伸缩系数，其数值大小与压电系数比一般小数个数量级，如果电场较弱，电致伸缩效应对应于应变的贡献很小，一般会被忽略。
压电材料11是弹性体，在力学效应上服从胡克定律，应变与形变之间服从如下关系：
S＝Δl/l (3)
其中S为应变，Δl为形变量，l是材料本身的长度。
进而在电场不是很强的情况下，可以直接推导出压电材料11形变量与所加电场的关系：
Δl＝dijEil (4)
通过控制材料形变量的大小来使激光在元件中的光程发生改变，减轻激光光源的相干性，从而减弱由于相干性带来的激光散斑现象，达到消除激光散斑的效果。
在本实施例中，所有所述压电层10的前端面12均设置于同一水平面上，所有压电层10的前端面12构成了激光散斑消除装置的进光平面，其有利于将激光散斑消除装置与发光器件进行对接，且利于激光垂直进入至各个压电层10中。
在本实施例中，每个所述压电层10均由两块以上的等大的压电材料11黏合构成。激光入射到同一压电层10后，被分为两束以上的激光束；下面以同一压电层10在时间上减弱相干性为例，得出光程差与外加电压的关系。激光光束通光方向上压电层10的长度为I，两个电极20间的距离为D，则外加电压V＝E*D时，从压电层10出射的两束光的光程差为ΔL，只要压电材料11确定之后，光程差ΔL的大小就取决于外加电压V，其具体为：
其中d＝750×10-12m/V。对于原长5mm的PLZT而言，当外加电压达到50V时，变化量为0.0375um，由于PLZT具有较大的折射率约为2.16，入射光为450nm蓝光时，所带来的相位差为1.1304rad；外加电压100V时变化量为0.075um，所带来的相位差为2.2608rad。
实施例二
请参看图5，下面对本发明的一种激光散斑消除装置进行具体描述，其包括：
四个叠放的压电层10，所述压电层10由压电材料11构成，所述压电材料11为锆钛铅酸镧压电陶瓷，每个压电层10的长度均相同，其生产工艺简单，并且易于器件安装。如：每个压电层10均采用正方形结构，各压电层10的尺寸均为4mm×4mm，厚度均为1mm，每个压电层10的两侧面上分别设有电极20，所述电极20与电源相导通；所述电源上设有电源输出控制器，所述电源输出控制器用于控制所述电源在相同时刻下向每个压电层上的电极输出不相同的电压，使得通电后的各个压电层的长度互不相同；激光从所述压电层10的前端面12进入至所述压电层10的内部，并所述压电层10的后端面射出。
在PLZT压电陶瓷处于机械自由的状态时，压电应变常数d有如下定义：
由式(6)可知，可以通过适当增加压电材料11在光传播方向上的长度l，减小两个金属电极20间的距离D，从而在输入电压相同时，增大压电陶瓷长度的变化量Δl。而锆钛酸铅镧压电陶瓷的压电应变常数d＝750×10-12m/V，l＝4mm，D＝4mm，可以得出压电效应所引起的PLZT长度上的变化与电压之间的关系为：
Δl＝750×10-12U (7)
计算得到的红绿蓝三基色激光的相位差与电压之间的关系如图4所示。在实际应用过程中，考虑到元件的尺寸和产生的效果，长度范围在4mm-10mm，两金属电极20间的厚度范围1mm-4mm，外加电压控制在50V-300V，可以实现相位差较大范围内的变化，达到较为理想的消散斑效果。
在本实施例中，两个相叠放的所述压电层10之间填涂有透明黏合剂30。
在本实施例中，所述电源的数量与所述压电层10的数量相一致，每个压电层10的输入电压均由一个独立的电源提供，其可以根据实际的使用需要，对每个压电层10的输入电压进行单独调整，使其具有更好的效果。
在本实施例中，所述压电材料11还包括：铌酸锂晶体、掺铝氧化锌晶体(ZAO)。上述压电材料11对可见光波段有较高透过率，激光在通过上述压电材料11后，其对激光的吸收率较低，不影响激光的质量。优选地，所述压电材料11为：锆钛酸铅镧压电陶瓷，由于锆钛酸铅镧压电陶瓷具有能耗低，响应快，刚度大，易于控制等优点，并且具有最大的压电系数，压电效应显著；且目前锆钛酸铅镧的生产工艺已较为成熟，故其成本相对较低。虽然铌酸锂晶体具有相对较大的压电系数，并且铌酸锂晶体同时还是较好的电光材料，在相位调制的效果上比较理想；但是铌酸锂有明显的各向异性力学性能，较为脆弱，并且热冲击性能差，使其使用受到限制。而掺铝氧化锌晶体是一种化学稳定性较好的材料，具有很好的压电性，并且机电耦合系数大，温度稳定性高，可见光透过率高，但目前市面上多以薄膜的形式存在，生长为一定体积的晶体成本较高，且其压电性能依赖于生长的方法和各种参数。综合上述因素，故在本实施例中，该压电材料11优先采用：锆钛酸铅镧压电陶瓷。
在本实施例中，所述电极20由金属材料或氧化铟锡透明导电薄膜构成，其中，所述的金属材包括金、银或铝；且该电极20的厚度为500nm-1000nm。
下面以一个实施例对本发明的一种激光显示设备进行描述，其包括：
发光器件和如上所述的激光散斑消除装置，所述发光器件与所述激光散斑消除装置的前端面12相对准，所述发光器件所发射的激光从所述激光散斑消除装置的前端面12进入至所述激光散斑消除装置中，并从所述激光散斑消除装置的后端面射出。发光器件所发出的激光垂直进入至激光散斑消除装置后，由于逆压电效应，使得通过激光散斑消除装置中的各激光束的光程不一样，从而破坏了多束激光间的相干性，使其显示效果更加清晰。
下面以一个实施例对本发明进行描述，当发光器件射出的激光为632nm的红光，电源所施加的电压达到300V时，锆钛酸铅镧压电陶瓷长度变化量为0.25um，引入相位差4.8292rad，可以实现较大的相位变化，在此电压范围内可以有效消除激光散斑。并且可以通过适当增加锆钛酸铅镧压电陶瓷沿管光束传播方向的长度I，适当减小两电极间的距离D来增大由于逆压电效应产生的形变量Δl，进而增大光程差ΔL。并且外加电压在0-300V时，光程差与外加电压成线性关系。图5和图6分别表示了未使用本发明和使用本发明激光散斑消除装置的激光显示设备所示的激光散斑效果图。人眼可明显看出散斑消除效果。其能将激光显示设备的散斑对比度降至4％以下，满足了激光显示设备的显示要求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激光散斑消除装置，其特征在于，包括：两个以上叠放的压电层，所述压电层由压电材料构成；每个压电层的两侧面上分别设有电极，所述电极与电源相导通，所述电源上设有电源输出控制器，所述电源输出控制器用于控制所述电源向每个压电层上的电极输出变化的电压，使得通电后的各个压电层的长度互不相同；激光从所述压电层的前端面进入至所述压电层的内部，并所述压电层的后端面射出。
2.根据权利要求1所述的激光散斑消除装置，其特征在于，每个所述压电层的长度均不相同，所述电源输出控制器控制所述电源在每个时刻中输出至每个压电层上的电极电压均相同。
3.根据权利要求1所述的激光散斑消除装置，其特征在于，每个所述压电层的长度均相同，所述电源输出控制器控制所述电源在每个时刻中输出至每个压电层上的电极电压均不相同。
4.根据权利要求2或3所述的激光散斑消除装置，其特征在于，所述压电材料包括：锆钛酸铅镧压电陶瓷、铌酸锂晶体、掺铝氧化锌晶体。
5.根据权利要求4所述的激光散斑消除装置，其特征在于，所述电极由金属材料或氧化铟锡透明导电薄膜构成。
6.根据权利要求5所述的激光散斑消除装置，其特征在于，每个所述压电层均由两块以上的等大的压电材料黏合构成。
7.根据权利要求6所述的激光散斑消除装置，其特征在于，两个相叠放的所述压电层之间填涂有透明黏合剂。
8.一种激光显示设备，其特征在于，包括：发光器件和如权利要求1至7任意一项所述的激光散斑消除装置，所述发光器件与所述激光散斑消除装置的前端面相对准，所述发光器件所发射的激光从所述激光散斑消除装置的前端面进入至所述激光散斑消除装置中，并从所述激光散斑消除装置的后端面射出。
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