CN113376856A - 基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置及制作方法 - Google Patents

基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置及制作方法，所述时域空域联合散斑抑制装置包括：依次堆叠设置的选择分光元件层、分段式半波片以及反射层。一束相干激光从所述选择分光元件层第一表面耦合入所述装置，经所述分段式半波片多次透射，和经所述反射层多次反射，被所述选择分光元件层选择分光，最终形成一组光的能量相同的非相干出射激光束，达到破坏入射激光相干性和抑制散斑的目的。该散斑抑制装置结构紧凑，同时具有体积小、静态、零功耗等优点。

Description

基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置及制作方法
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，更具体地说，涉及一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置及制作方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，激光技术也在不断完善，激光因其亮度高、单色性好等优点被广泛的应用于众多领域，例如激光显示领域，可为人们的生活和工作带来了极大的便利。
但是，当一束激光经过粗糙表面反射或透射时，所反射或透射的光之间会发生干涉现象，并且干涉结果随机分布，呈现的现象为光强分布不均匀的明暗相间的微小光斑，即散斑现象。
由于散斑现象会严重降低激光显示效果，因此散斑现象必须得到抑制。目前抑制散斑的方法主要有：通过移动屏幕抑制散斑、通过旋转散射片抑制散斑、将多个低相干半导体激光器集成在一个壳体内作为光源抑制散斑，等等，这些方法存在能耗高、体积大等问题。
发明内容
有鉴于此，为解决现有散斑抑制技术中能耗高、体积大等问题，本发明提供一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置及制作方法，技术方案如下：
一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置，所述时域空域联合散斑抑制装置包括：
依次堆叠设置的选择分光元件层、分段式半波片以及反射层；
其中，入射激光从所述选择分光元件层的第一表面耦合入所述时域空域联合散斑抑制装置，经所述分段式半波片多次透射，和经所述反射层多次反射，被所述选择分光元件层选择分光，最终形成一组光的能量相同的非相干出射激光束。
优选的，在上述时域空域联合散斑抑制装置中，所述分段式半波片由快轴调制区和快轴固定区构成；
所述快轴调制区和所述快轴固定区交替排列；
其中，所述快轴调制区用于连续改变激光的电磁波矢量振动方向，所述快轴固定区使激光的电磁波矢量振动方向旋转kπ/2，其中k为整数。
优选的，在上述时域空域联合散斑抑制装置中，所述时域空域联合散斑抑制装置还包括：
在所述反射层第二表面设置的反射膜。
优选的，在上述时域空域联合散斑抑制装置中，所述选择分光元件层、所述分段式半波片、所述反射层的总厚度满足破坏入射激光相干性的条件。
优选的，在上述时域空域联合散斑抑制装置中，所述入射激光可为单个或一维阵列的相干激光。
一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置，所述时域空域联合散斑抑制装置包括：两个上述任一项所述的时域空域联合散斑抑制装置；
第一个所述时域空域联合散斑抑制装置与第二个所述时域空域联合散斑抑制装置通过级联的方式组合，第一个所述时域空域联合散斑抑制装置的出射激光束作为第二个所述时域空域联合散斑抑制装置的入射激光束。
一种制作方法，用于制作上述所述的分段式半波片，所述制作方法包括：
将取向层旋涂在第一基底的第一表面上；
固定所述第一基底上的取向层的取向方向；
沿所述第一基底取向层的边缘喷涂预设量的微型间隔子；
将取向层旋涂在第二基底的第二表面上，并依次改变所述取向层的取向方向；
将所述第二基底的第二表面与所述第一基底的第一表面对准并封装；
灌装液晶，密封灌晶口，获得所述分段式半波片。
一种制作方法，用于制作上述所述的分段式半波片，所述制作方法包括：
将取向层旋涂在基底上；
依次改变所述取向层的取向方向；
在所述取向层上旋涂液晶聚合物；
使用非偏振紫外固化工艺进行聚合；
进行后烘处理，获得所述分段式半波片。
本发明提供了一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置包括：依次堆叠设置的选择分光元件层、分段式半波片以及反射层。一束相干激光从所述选择分光元件层第一表面耦合入所述装置，经所述分段式半波片多次透射，和经所述反射层多次反射，被所述选择分光元件层选择分光，最终形成一组光的能量相同的非相干出射激光束，达到破坏入射激光相干性和抑制散斑的目的。该散斑抑制装置结构紧凑，同时具有体积小、静态、零功耗等优点。
附图说明
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置的分光示意图；
图2为本发明实施例提供的一种分段式半波片的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置的分光示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置的分光示意图；
图5为本发明实施例提供的一种制作方法的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种制作方法的流程示意图。
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。
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
当照明光源为多束非相干激光时，散斑对比度Ct的公式可写为：
Figure BDA0003124783660000041
其中，
Figure BDA0003124783660000042
为第u束激光的光能量；M为总的入射激光的个数；u为小于M的正整数。上述散斑对比度公式表明，若要散斑对比度取到最低值，则M束非相干入射激光的光能量需要相同。下面将具体说明如何得到光能量相同的非相干激光。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置的分光示意图。
所述时域空域联合散斑抑制装置包括：
依次堆叠设置的选择分光元件层1、分段式半波片2以及反射层3；
所述分段式半波片2设置在所述反射层3上，所述选择分光元件层1设置在所述分段式半波片2上。
一束具有固定电磁波矢量振动方向的入射激光4从所述选择分光元件层1的第一表面耦合入所述装置，经所述分段式半波片2多次透射，和经所述反射层3多次反射，被所述选择分光元件层1选择分光，最终形成一组光的能量相同的非相干出射激光束，达到破坏入射激光4相干性和抑制散斑的目的。
需要说明的是，所述选择分光元件层1的第一表面为所述选择分光元件层1背离所述分段式半波片2一侧的表面。
需要说明的是，所述选择分光元件层1、所述分段式半波片2、所述反射层3的总厚度满足破坏入射激光相干性的条件。
如图1所示，5.1为第一束分光出射激光束、……、5.j为第j束分光出射激光束、……。
需要说明的是，所述选择分光元件层1选择分光，使电磁波矢量振动方向平行于第一方向的光出射，使电磁波矢量振动方向平行于第二方向的光反射。
还需要说明的是，所述第一方向和所述第二方向垂直。
可选的，在本发明另一实施例中，所述时域空域联合散斑抑制装置还包括：在所述反射层3第二表面设置有反射膜。
其中，所述反射层3的第二表面为所述反射层背离所述分段式半波片2一侧的表面。
需要说明的是，所述反射膜用于反射经过所述选择分光元件层1选择后反射回来的光束。
可选的，在本发明另一实施例中，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种分段式半波片的结构示意图。
所述分段式半波片2由快轴调制区和快轴固定区构成；
所述快轴调制区和所述快轴固定区交替排列；
其中，所述快轴调制区用于连续改变激光的电磁波矢量振动方向，所述快轴固定区使激光的电磁波矢量振动方向旋转kπ/2，其中k为整数。
需要说明的是，所述分段式半波片2的快轴调制区和快轴固定区也可通过对液晶施加不同的直流电场信号来实现。
在该实施例中，如图2所示，所述分段式半波片2包括：快轴固定区2.0、快轴调制区2.1、……、快轴固定区2.0、快轴调制区2.j、……。
第j个所述快轴调制区中快轴取向角度θj满足：
Figure BDA0003124783660000061
其中，M是总的快轴调制区的个数，也是总的出射激光束的个数，j是小于M的正整数。
可选的，所述快轴调制区中快轴取向角度θ从π/2减小至π/4。所述快轴固定区中快轴取向角度是π/4或0，分别使激光的电磁波矢量振动方向旋转π/2或使激光的电磁波矢量振动方向不发生变化。
可选的，在本发明另一实施例中，所述快轴调制区中快轴取向角度θ也可以是：第一个所述快轴调制区中快轴取向角度θ是0至π/4之间的某个值，其余所述快轴调制区中快轴取向角度θ从π/2减小至π/4，其中。所述快轴固定区中快轴取向角度是0，使激光的电磁波矢量振动方向不发生变化。
需要说明的是，经选择分光元件层1选择出射的出射光能量满足马吕斯定律：
Figure BDA0003124783660000062
其中，Ij为第j束分光出射激光束的光能量；I0为入射激光4的光能量；Ii为第i束分光出射激光束的光能量。需要注意的是，i和j取正整数，并且i小于j-1。
在本发明的一个具体实施例中，M＝4，入射激光4是波长为633nm的单纵模激光，所述反射膜为100％反射膜，所述第一方向为x方向，所述第二方向为y方向。
具体的，设定所述快轴调制区2.1中快轴取向角度为θ1＝5π/12、所述快轴调制区2.2中快轴取向角度为θ2＝14.47π/36、所述快轴调制区2.3中快轴取向角度为θ3＝3π/8、所述快轴调制区2.4中快轴取向角度为θ4＝π/4。
那么，第j束分光出射激光束5.j的光能量为：
Figure BDA0003124783660000071
其中，Ip为第p束分光出射激光束光能量；I0为入射激光光能量；Ii为第i束分光出射激光束光能量。需要注意的是，i和j取正整数，并且i小于j-1。
一束电磁波矢量振动方向平行于所述x方向的能量为I0＝1的入射激光4，经过所述选择分光元件层1的第一表面耦合入所述装置。
入射激光4经过所述分段式半波片2的第一个快轴固定区2.0，电磁波矢量振动方向发生旋转，旋转至与所述y方向平行的方向，之后经过所述反射层3，被所述反射膜反射后，经过述分段式半波片2的快轴调制区2.1，激光的电磁波矢量振动方向旋转至与所述x方向夹角为π/3的方向，接着被所述选择分光元件层1选择分光，I1＝1/4能量的光出射，即第一束分光出射激光束5.1，剩余的3/4能量的光发生反射。
该3/4能量的反射光经过所述分段式半波片2的第二个快轴固定区2.0和所述反射层3，被所述反射膜反射后，经过所述分段式半波片2的快轴调制区2.2，激光的电磁波矢量振动方向旋转至与所述x方向夹角为5.47π/18的方向，接着被所述选择分光元件层1选择分光，I2＝1/4能量的光出射，即第二束分光出射激光束5.2，剩余的1/2能量的光发生反射。
该1/2能量的反射光经过所述分段式半波片2的第三个快轴固定区2.0和所述反射层3，被所述反射膜反射后，经过所述分段式半波片2的快轴调制区2.3，激光的电磁波矢量振动方向旋转至与所述x方向夹角为π/4的方向，接着被所述选择分光元件层1选择分光，I3＝1/4能量的光出射，即第三束分光出射激光束5.3，剩余的1/4能量的光发生反射。
该1/4能量的反射光经过所述分段式半波片2的第四个快轴固定区2.0和所述反射层3，被所述反射膜反射后，经过所述分段式半波片2的快轴调制区2.4，激光的电磁波矢量振动方向旋转至与所述x方向夹角为0的方向，接着被所述选择分光元件层1选择分光，I4＝1/4能量的光出射，即第四束分光出射激光束5.4。
其中，每相邻两束所述出射光束之间的光程差大于所述单纵模入射激光4的相干长度LC。
所述单纵模入射激光4的相干长度LC的计算方式如下：
Figure BDA0003124783660000081
其中，λ为所述入射激光4的波长；Δλ为所述入射激光4的发光光谱的线宽。
因此，所述出射光束均为光的能量相同的非相干光，可最大化地破坏激光的相干性，实现最优的散斑抑制。
可选的，在本发明另一实施例中，参考图3，图3为本发明实施例提供的另一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置的分光示意图。
如图3所示，所述入射激光4为一维阵列入射激光4.1和4.2。
在该实施例中，由于所述分段式半波片2具有长条状的像素结构，所以可以增加入射激光4的数量，即可以使用一维阵列激光光源作为入射激光，得到二维阵列的光的能量相同的非相干出射激光束，进而达到扩展分光的效果。
如图3所示，可得到第一束分光出射激光束5.1、……、第八束分光出射激光束5.8。
需要说明的是，所述一维阵列激光光源中激光的数量可以大于等于两个。
还需要说明的是，图3中所示的第三方向z方向与第一方向x方向和第二方向y方向构成了一个空间三维坐标系。
可选的，在本发明另一实施例中，参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置的分光示意图。
所述时域空域联合散斑抑制装置包括：两个上述任一项实施例所述的时域空域联合散斑抑制装置；
第一个所述时域空域联合散斑抑制装置与第二个所述时域空域联合散斑抑制装置通过级联的方式组合，第一个所述时域空域联合散斑抑制装置的出射激光束作为第二个所述时域空域联合散斑抑制装置的入射激光束，可以得到二维阵列的光的能量相同的非相干出射激光束。
在该实施例中，提供了一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置的组合式扩展方案，如图4所示，在第一个所述时域空域联合散斑抑制装置固定好之后，调整第二个所述时域空域联合散斑抑制装置与第一个所述时域空域联合散斑抑制装置之间的角度，以使第一个所述时域空域联合散斑抑制装置的出射激光束以预设角度β入射至第二个所述时域空域联合散斑抑制装置中的选择分光元件层上并耦合入第二个所述时域空域联合散斑抑制装置。
具体的，所述预设角度β与第一个所述时域空域联合散斑抑制装置的入射激光4的入射角度相同。
需要说明的是，在本发明实施例中以β＝45°为例进行说明。
假设第一个和第二个所述时域空域联合散斑抑制装置的分段式半波片2中快轴调制区的个数均为4，一束电磁波矢量振动方向平行于所述x方向的能量为I0＝1的入射激光4，经过第一个所述时域空域联合散斑抑制装置的所述选择分光元件层1的第一表面耦合入所述时域空域联合散斑抑制装置，参考之前实施例中的分光方式，可以得到四束光的能量均为1/4的出射激光束，即第一束分光出射激光束5.1、……、第四束分光出射激光束5.4。
该四束出射激光束作为第二个所述时域空域联合散斑抑制装置的入射激光束，从第二个所述时域空域联合散斑抑制装置的所述选择分光元件层1的第一表面耦合入所述时域空域联合散斑抑制装置，参考之前实施例中的分光方式，每束入射激光束均能分出四束光的能量相同的出射激光束，则可以得到十六束光的能量均为1/16的分光出射激光束，即第一束分光出射激光束的第一束子分光出射激光束5.1.1、……、第四束分光出射激光束的第四束子分光出射激光束5.4.4。
出射的十六束分光光束中，每两束光束之间的光程差大于所述入射激光4的相干长度Lc，因此，所述出射激光束为光的能量相同的二维阵列的非相干出射激光束。
由此可知，两个所述时域空域联合散斑抑制装置通过级联的方式组合后，可以将一束相干入射激光分为(M×M)束光的能量相同的二维阵列的非相干出射激光束。
进一步的，需要说明的是，本发明以上实施例中的一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置采用的是反射型结构，此外还可采用透射型结构，但不可脱离本专利范畴。
可选的，在本发明另一实施例中还提供了一种制作方法，该制作方法用于制作上述实施例中所述的分段式半波片2，参考图5，图5为本发明实施例提供的一种制作方法的流程示意图。
所述制作方法包括：
S101：将取向层旋涂在第一基底的第一表面上；
S102：固定所述第一基底上的取向层的取向方向；
S103：沿所述第一基底取向层的边缘喷涂预设量的微型间隔子(其中，该厚度满足半波调制条件)；
S104：将取向层旋涂在第二基底的第二表面上，并依次改变所述取向层的取向方向；
S105：将所述第二基底的第二表面与所述第一基底的第一表面对准并封装；
S106：灌装液晶，密封灌晶口，获得所述分段式半波片。
在该实施例中，所述取向层选用光致取向材料，将所述光致取向材料的不同区域在偏振方向改变的偏振光下曝光，得到取向方向依次改变的所述取向层；或所述取向层选用聚酰亚胺(PI)膜，通过制备取向方向依次改变的取向模具，使用所述取向模具对所述PI膜软光刻，将所述取向模具上的图案转移至所述PI膜，得到取向方向依次改变的所述取向层。
可选的，在本发明另一实施例中还提供了一种制作方法，该制作方法用于制作上述实施例中所述的分段式半波片2，参考图6，图6为本发明实施例提供的另一种制作方法的流程示意图。
所述制作方法包括：
S10：将取向层旋涂在基底上；
S20：依次改变所述取向层的取向方向；
S30：在所述取向层上旋涂液晶聚合物；
S40：使用非偏振紫外固化工艺进行聚合；
S50：进行后烘处理，获得所述分段式半波片。
在该实施例中，所述取向层选用光致取向材料，将所述光致取向材料的不同区域在偏振方向改变的偏振光下曝光，得到取向方向依次改变的所述取向层；或所述取向层选用PI膜，通过制备取向方向依次改变的取向模具，使用所述取向模具对所述PI膜软光刻，将所述取向模具上的图案转移至所述PI膜，得到取向方向依次改变的所述取向层。
可选的，所述取向层取向方向依次改变的一种实施方式是，所述取向层选用所述光致取向材料，可旋转偏振方向的偏振光源经过光学狭缝对所述光致取向材料进行曝光，通过线性平移平台移动基底，所述光致取向材料不同区域暴露于所述偏振光光源的偏振方向不同，所述光致取向材料的取向方向依次改变，得到取向方向依次改变的所述取向层。
另外，偏振光光源结合像素化的半波片等方法也可以得到取向方向依次改变的所述取向层。
可选的，所述取向层取向方向依次改变的一种实施方式是，所述取向层选用所述PI层，先在取向模具表面涂敷抗蚀剂，再对所述取向模具的不同区域进行不同刻蚀方向的电子束曝光刻蚀，通过显影得到取向方向依次改变的所述取向模具，用所述取向模具对所述PI膜软光刻，将所述取向模具上的图案转移至所述PI膜，得到取向方向依次改变的所述取向层。
另外，通过紫外激光干涉光刻等方法，结合软光刻工艺，也可以得到取向方向依次改变的所述取向层。
优选的，所述第二基底上取向层方向固定的一种实施方式是，对所述取向层进行固定方向的摩擦取向，即可得到取向方向固定的所述取向层。
需要说明的是，也可以通过施加像素化直流电场的方法对经过所述装置的激光光场的电磁波矢量振动方向调制，实现一维或二维光能量相等的分光目的。
以上对本发明所提供的一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置及制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置，其特征在于，所述时域空域联合散斑抑制装置包括：
依次堆叠设置的选择分光元件层、分段式半波片以及反射层；
其中，入射激光从所述选择分光元件层的第一表面耦合入所述时域空域联合散斑抑制装置，经所述分段式半波片多次透射，和经所述反射层多次反射，被所述选择分光元件层选择分光，最终形成一组光的能量相同的非相干出射激光束。
2.根据权利要求1所述的时域空域联合散斑抑制装置，其特征在于，所述分段式半波片由快轴调制区和快轴固定区构成；
所述快轴调制区和所述快轴固定区交替排列；
其中，所述快轴调制区用于连续改变激光的电磁波矢量振动方向，所述快轴固定区使激光的电磁波矢量振动方向旋转kπ/2，其中k为整数。
3.根据权利要求1所述的时域空域联合散斑抑制装置，其特征在于，所述时域空域联合散斑抑制装置还包括：
在所述反射层第二表面设置的反射膜。
4.根据权利要求1所述时域空域联合散斑抑制装置，其特征在于，所述选择分光元件层、所述分段式半波片、所述反射层的总厚度满足破坏入射激光相干性的条件。
5.根据权利要求1所述的时域空域联合散斑抑制装置，其特征在于，所述入射激光可为单个或一维阵列的相干激光。
6.一种基于分段光调制的时域空域联合散斑抑制装置，其特征在于，所述时域空域联合散斑抑制装置包括：两个如权利要求1-5任一项所述的时域空域联合散斑抑制装置；
第一个所述时域空域联合散斑抑制装置与第二个所述时域空域联合散斑抑制装置通过级联的方式组合，第一个所述时域空域联合散斑抑制装置的出射激光束作为第二个所述时域空域联合散斑抑制装置的入射激光束。
7.一种制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1中所述的分段式半波片，所述制作方法包括：
将取向层旋涂在第一基底的第一表面上；
固定所述第一基底上的取向层的取向方向；
沿所述第一基底取向层的边缘喷涂预设量的微型间隔子；
将取向层旋涂在第二基底的第二表面上，并依次改变所述取向层的取向方向；
将所述第二基底的第二表面与所述第一基底的第一表面对准并封装；
灌装液晶，密封灌晶口，获得所述分段式半波片。
8.一种制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1中所述的分段式半波片，所述制作方法包括：
将取向层旋涂在基底上；
依次改变所述取向层的取向方向；
在所述取向层上旋涂液晶聚合物；
使用非偏振紫外固化工艺进行聚合；
进行后烘处理，获得所述分段式半波片。
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