CN112099248B - 一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置及方法，装置包括激光二极管模组、激光投影模组和支承部，激光二极管模组上有多个激光二极管，支承部设于激光二极管模组和激光投影模组之间，支承部上设有与激光二极管位置对应的多个透光部，出射激光穿过透光部后到达激光投影模组，透光部设于磁场中，磁场方向平行于激光方向，相邻透光部沿激光出射方向的长度不相同，使得相邻透光部的激光出射面处的激光偏振方向不相同；还包括应用该装置的方法。本发明提供的装置及方法使得投影画面在人眼视网膜的一个积分周期内是大量朝着各个方向偏振的激光光波的叠加，降低投影屏幕上的散斑对比度，达到削弱激光散斑的目的。

Description

一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置及方法

技术领域

本发明属于激光领域，具体涉及一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置及方法。

背景技术

从目前的市场分析来看，激光显示设备使用RGB三色纯激光光源取代传统激光+荧光光源已经成为一种必然的趋势。激光纯色光源具有宽广的色域范围，输出彩色图像的艳丽程度是荧光光源所远不能及的。然而由于激光本身具有极佳的单色性和高度的偏振性，导致投影到屏幕上的激光光波很容易干涉叠加形成散斑图样，投射出的画面会掺杂大量散斑噪声，严重影响人眼观看画面时提取图像细节的能力，并且长时间观看可能会引起部分人眼部不适的感觉。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置及方法，来解决传统激光光源投影易形成散斑图样、影响人眼观看的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置，包括激光二极管模组、激光投影模组和支承部，所述激光二极管模组上分布有多个激光二极管，所述支承部设于所述激光二极管模组和激光投影模组之间，所述支承部上设有与激光二极管位置对应的多个透光部，所述激光二极管模组出射的激光穿过所述透光部后到达所述激光投影模组，所述透光部设于磁场中，且磁场方向平行于所述激光二极管模组的激光出射方向，相邻透光部沿激光出射方向的长度不相同，使得相邻透光部的激光出射面处的激光偏振方向不相同。

优选地，所述透光部上激光出射的一侧设有多个凸台，各凸台沿激光出射方向的长度不一，所述激光二极管模组上的出射激光依次通过所述透光部和凸台后到达所述激光投影模组。

优选地，所述支承部上的多个透光部沿激光出射方向的长度均不相同，使得各透光部的激光出射面处的激光偏振方向均不相同。

优选地，所述电源为能随时间调节电流强度的随机电流发生装置。

优选地，所述支承部为玻璃圆柱或玻璃圆管，其外侧缠绕设有线圈，所述线圈连通电源，所述透光部固定于所述支承部的端部。

优选地，还包括匀强磁场发生器，所述透光部设于所述匀强磁场发生器产生的匀强磁场中。

一种应用上述任意一项所述激光散斑削弱装置的方法，包括以下步骤：

S1、向透光部施加磁场，并使该磁场的磁场方向平行于激光二极管模组的激光出射方向；

S2、打开激光二极管模组，让其所发出的激光光波通过带有磁场的透光部后到达激光投影模组。

优选地，步骤S2中，支承部外侧缠绕设有线圈，线圈连通随机电流发生装置，打开该随机电流发生装置，使输出电流随时间随机变化。

与现有技术比较，本发明所述的一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置及方法的有益效果为：本发明提供的装置及方法基于磁致旋光效应来破坏激光光源偏振性，在使用带有本发明装置的激光显示设备时，屏幕上所出现的画面在人眼视网膜的一个积分周期内是大量朝着各个方向偏振的激光光波的叠加，统计规律在每个振动方向上都不占优势，因此，产生了激光退偏振的效果，从而大幅度降低投影屏幕上的散斑对比度，达到削弱激光散斑的目的。本发明装置结构简单，成本低廉且能量利用率高，具有大规模应用的前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中的整体结构示意图；

图2是本发明实施例1中支承部入射激光的振动方向示意图；

图3是本发明实施例1中透光部出射激光的振动方向示意图；

图4是本发明实施例1中透光部的入射激光与出射激光的振动方向示意图；

图5是本发明实施例1中不同时刻透光部出射激光的振动方向示意图；

图6是本发明实施例1中人眼积分周期内激光光波叠加的示意图；

图7是本发明实施例1中凸台的结构示意图；

图8是本发明实施例2中的整体结构示意图。

图中，1、激光二极管模组；2、激光投影模组；3、支承部；4、透光部；5、凸台；6、线圈；7、匀强磁场发生器。

图2-图6中，箭头方向为激光光波振动方向。

具体实施方式

实施例1：

如图1-7所示，一种基于磁致旋光效应来匀化激光光波偏振方向的激光散斑削弱装置，包括激光二极管模组1、激光投影模组2和支承部3，激光二极管模组1包括呈阵列式分布的多个激光二极管。支承部3为透明玻璃圆柱或玻璃圆管，支承部3设于激光二极管模组1和激光投影模组2之间，激光二极管模组1发出的偏振光会沿支承部3轴向穿过整个支承部3。支承部3的端部(具体选择支承部3的出光端)设有多个高度不同的透光部4，且每个透光部4所处的位置对应于激光二极管模组1中每个激光二极管的位置，激光二极管模组1上的出射激光依次通过支承部3和透光部4后到达激光投影模组2。支承部3的外侧沿轴向延伸缠绕有纯铜导线圈6，线圈6两端连通电源，打开电源在线圈6中加载电流，使得支承部3和透光部4内部产生磁场，该磁场方向平行于激光二极管模组1的激光出射方向。

根据磁致旋光效应，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度与磁感应强度和光穿越介质的长度的乘积成正比。通过上述结构设计，可以使得每一个透光部4的光出射面处的激光偏振角度均不同，出射光再经过空气中的自然偏振或者在磁场干扰下偏振后，到达激光投影模组2后各束激光的偏振角度即会随机分布。则人眼接收的画面是朝着各个方向偏振的激光光波的叠加，统计规律在每个振动方向上都不占优势，达到激光退偏振的效果，从而削弱激光散斑。

本实施例中使用螺旋铜导线缠绕玻璃圆柱的方法产生近似的匀强磁场，匀强磁场能够使得每一个激光二极管出射激光的偏振角度不受磁场大小干扰，仅需控制各透光部4长度就能控制出射激光的偏振角度，同时保证本装置能准确削弱激光散斑。并且，提供磁场的方式不限于上述手段，使用其他类型磁场发生器在支承部3内部产生轴向(匀强)磁场也可以达到同样目的。

电源选择能随时间调节电流强度的随机电流发生装置(具体可选择电流发生器)，即电流随时间随机变化，磁场强度也随时间随机变化，根据磁致旋光效应，激光光波在透光部4内的偏振角度也随时间而变化，使得出射激光的偏振方向更均匀。

一种应用上述任意一项激光散斑削弱装置的方法，包括以下步骤：

S1、首先在线圈6中载入电流，使其在透明玻璃圆柱和透光部4内部产生沿轴向方向的匀强磁场B，并使该匀强磁场的磁场方向平行于激光二极管模组1的激光出射方向；

S2、打开激光二极管模组1，让其所发出的激光光波通过带有磁场的支承部3和透光部4后到达激光投影模组2；

S3、设置线圈6的电源，让电源输出电流随时间随机变化。

上述削弱激光散斑的装置及方法的具体工作原理如下：

在线圈6中没有电流通过的时候，入射进支承部3的激光光波与从支承部3(或透光部4)另一端出射的激光光波偏振状态一致，即激光光波的偏振状态没有发生改变；当在导线中加载一个电流I时，由于电磁感应效应，将会在支承部3周围产生一个磁场B，根据磁致旋光效应，这个磁场B将会使入射的线偏振激光光波的振动方向发生旋转，旋转的角度θ由下式决定：

(1)θ＝VBd

其中V是旋光介质的旋光系数，B是旋光介质周围磁场的磁感应强度，d是旋光介质的长度。支承部3后端加工成对应于每个激光二极管高度均不同的透光部4，本实施例中透光部4材质与支承部3材质相同，也即每个激光二极管对应的长度d均为支承部3长度和对应透光部4长度之和，即d都不同。根据以上公式，每个激光二极管所发出光波偏振方向旋转的角度θ都不同，因此，具有相同振动方向入射进支承部3的激光光波出射透光部4时其偏振方向都不相同，即：

(2)θ(x,y)＝VBd(x,y)

其中，d(x,y)表示不同x,y坐标位置的支承部3长度d，θ(x,y)表示对应坐标位置激光二极管偏振方向所旋转的角度。根据上述原理，支承部3入射激光光波的偏振状态如图2所示，出射激光光波的偏振状态如图3所示，出射激光光波与入射激光光波相比偏振方向所改变的角度如图4所示。图4中虚线箭头方向为激光入射光波振动方向，实线箭头方向为激光出射光波振动方向。需说明的是，当透光部4材质与支承部3材质不同时，透光部4和支承部3的旋光系数V不相同，则激光在支承部3部分的旋转角度相同，在透光部4中的旋转角度不同，仍能使得具有相同振动方向入射进支承部3的激光光波出射透光部4时其偏振方向都不相同。

另外，磁场的磁感应强度B的大小受到通电电流I强度的影响，相关的关系如下式：

(3)B＝μNI

其中，μ是磁导率，N是线圈匝数，I是通电电流，即磁感应强度B正比于通电电流I。基于上述原理，本实施例中使用可随时间调制电流强度的随机电流发生装置给铜导线供电，即电流大小I随时间t变化，也即磁感应强度B也随时间t变化，因此，上式可写成：

(4)B(t)＝μNI(t)

由于磁感应强度B随时间变化，所以，每个激光二极管所发出的激光光波偏振方向在支承部3入射端和出射端之间所旋转的角度θ也随时间而变化，因此，式(1)又可以写成如下形式：

(5)θ(x,y,t)＝VB(t)d(x,y)

即不同激光二极管所发出的激光光波入射到支承部3前端时具有相同的偏振方向，而从透光部4后端出射时已各具有不同的偏振方向，并且随着时间的推移，每一时刻整个激光二极管模组1所发出的激光光波的偏振方向都与上一时刻不同。如图5所示，图中虚线箭头方向为t1时刻光波振动方向，实线箭头方向为t2时刻光波振动方向，可以看出不同时刻每个激光二极管所发出的激光光波偏振角度改变情况不同。

破坏激光的单色性或者偏振特性都可以降低图像的散斑对比度，本发明中通过破坏激光偏振特性的手段降低图像的散斑对比度。在使用带有本发明装置的激光显示设备时，屏幕上所出现的画面在人眼视网膜的一个积分周期内是大量朝着各个方向偏振的激光光波的叠加，人眼积分周期内激光光波叠加的情况如图6所示。统计规律在每个振动方向上都不占优势，因此，产生了激光退偏振的效果，从而大幅度降低投影屏幕上的散斑对比度，达到削弱激光散斑的目的。

本发明中为了清晰明了地展示其原理，选择性地让激光二极管模组1中所有二极管所发出的激光光波均为沿同一方向的线偏振光，而实际情况也有可能是每个二极管所发出的激光光波是偏振方向均不同的线偏振光，也有可能是部分或全部二极管发出的激光光波是圆偏振光或椭圆偏振光。但是，本发明是基于时间上和空间上同时随机改变入射光波的偏振状态，入射光波的初始偏振状态并不改变其随机性结果。因此，上述情况所描述的所有入射激光光波的偏振状态依然适用于本发明，所产生的效果与本发明图例中的情形一致。也由于上述原理，本发明不需要使用起偏器等器件筛选入射激光光波的偏振状态，即入射激光光波能量可以全部进入本发明提供的装置，该装置具有极高的光能量利用率。

如图7所示，透光部4出射激光的端部表面可以加工成一系类高低不平的凸台5，激光二极管模组1上的出射激光依次通过支承部3、透光部4和凸台5后到达激光投影模组2。凸台5的效果是将每个激光二极管所发出的激光光波分割成若干子波，每个子波之间的偏振方向也不相同，并且每个子波到达投影屏幕时相位也不同，具有不同相位的光波在屏幕上叠加也可以增强本装置削弱散斑的效果。

实施例2：

如图8所示，与实施例1的不同之处在于，包括匀强磁场发生器7(也可为普通磁场发生器，只要保证磁场方向平行于激光出射方向即可)，匀强磁场发生器7具体为平行板电容器，支承部3和透光部4均处于匀强磁场发生器7产生的匀强磁场中。使用匀强磁场发生器7，能够产生稳定可控的匀强磁场，在匀强磁场中，通过控制支承部3和透光部4长度就能控制出射激光的偏振角度，保证削弱激光散斑的效果良好。

一种应用上述激光散斑削弱装置的方法，包括以下步骤：

S1、打开匀强磁场发生器7，向支承部3和透光部4施加匀强磁场，并使该匀强磁场的磁场方向平行于激光二极管模组1的激光出射方向；

S2、打开激光二极管模组1，让其所发出的激光光波通过带有磁场的支承部3和透光部4后到达激光投影模组2。激光投影模组2上所出现的画面是大量朝着各个方向偏振的激光光波的叠加，可以大幅度降低投影屏幕上的散斑对比度，达到削弱激光散斑的目的。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置，其特征在于：包括激光二极管模组(1)、激光投影模组(2)和支承部(3)，所述激光二极管模组(1)上分布有多个激光二极管，所述支承部(3)设于所述激光二极管模组(1)和激光投影模组(2)之间，所述支承部(3)上设有与激光二极管位置对应的多个透光部(4)，所述激光二极管模组(1)出射的激光穿过所述透光部(4)后到达所述激光投影模组(2)，所述透光部(4)设于磁场中，且磁场方向平行于所述激光二极管模组(1)的激光出射方向，相邻透光部(4)沿激光出射方向的长度不相同，使得相邻透光部(4)的激光出射面处的激光偏振方向不相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置，其特征在于：所述透光部(4)上激光出射的一侧设有多个凸台(5)，各凸台(5)沿激光出射方向的长度不一，所述激光二极管模组(1)上的出射激光依次通过所述透光部(4)和凸台(5)后到达所述激光投影模组(2)。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置，其特征在于：所述支承部(3)上的多个透光部(4)沿激光出射方向的长度均不相同，使得各透光部(4)的激光出射面处的激光偏振方向均不相同。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置，其特征在于：所述支承部(3)为玻璃圆柱或玻璃圆管，其外侧缠绕设有线圈(6)，所述线圈(6)连通电源，所述透光部(4)固定于所述支承部(3)的端部。

5.根据权利要求4所述的一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置，其特征在于：所述电源为能随时间调节电流强度的随机电流发生装置。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于磁光效应退偏振的激光散斑削弱装置，其特征在于：还包括匀强磁场发生器(7)，所述透光部(4)设于所述匀强磁场发生器(7)产生的匀强磁场中。

7.一种应用权利要求1-6中任意一项所述激光散斑削弱装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、向透光部(4)施加磁场，并使该磁场的磁场方向平行于激光二极管模组(1)的激光出射方向；

S2、打开激光二极管模组(1)，让其所发出的激光光波通过带有磁场的透光部(4)后到达激光投影模组(2)。

8.根据权利要求7所述的激光散斑削弱装置的方法，其特征在于：步骤S2中，支承部(3)外侧缠绕设有线圈(6)，线圈(6)连通随机电流发生装置，打开该随机电流发生装置，使输出电流随时间随机变化。