CN114740683B - 一种抑制激光散斑的投影屏幕 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制激光散斑的投影屏幕，所述投影屏幕包含依次设置的电泳匀光层、菲涅尔结构层以及柱状透镜。所述的投影屏幕的电泳匀光层设置在所述投影屏幕光线入射一侧，所述的菲涅尔结构层位于所述的电泳匀光层的光出射侧，所述的柱状透镜层位于所述菲涅尔结构层的光出射侧。本发明中，电泳匀光层两侧的电极不断释放和改变电场，控制介质中的电泳粒子分布变化。当激光入射到该层时，会在该层发生多次散射，达到匀光效果，然后经过该层的散射片进一步匀光。不同时刻出射的散射光具有不同的相位和散射角，分别形成不相干的激光散斑。在人眼的积分周期内，多个散斑图像叠加，降低了散斑的对比度，成功抑制激光散斑。
Description
技术领域
本发明涉及投影屏幕领域，具体涉及一种抑制激光散斑的投影屏幕。
背景技术
自上世纪六十年代激光器发明以来，激光显示技术不断发展，上世纪八十年代末以后，激光投影技术更是进入了快速发展阶段。相比传统的显示技术，激光显示技术有几个无可比拟的优点：窄光谱激光光源带来的高饱和度、大色域显示；光源良好的方向性带来的高亮度显示；以及相比传统光源的长寿命时间。激光显示技术的色域覆盖率可以达到人眼所能识别色彩空间的90％以上，能够更加真实、细致的表现客观世界，给观者更大的震撼。
在以激光为光源的应用中，由于激光具有很高的时间相干性和空间相干性，当激光照射在粗糙的表面时，这种粗糙表面的随机起伏会引起光相位的随机变化，最终形成一种随机分布的颗粒状斑点，即为激光散斑。激光散斑会严重影响显示画面质量和人们观看感受，因此如何减弱激光散斑是激光显示技术中一个重要课题，制约着激光显示技术的发展。目前抑制激光散斑的方法大体可以分为三类。
第一类是减弱光源的时间相干性，如对光源的光谱宽度进行展宽，通常会使用电光晶体等。但是提高光谱宽度会影响激光的单色性，减少激光显示的色域范围，无法发挥出激光显示技术的优势。中国专利CN101656394B公开的《减少散斑的激光器》通过变周期极化倍频晶体来增大激光光源线宽，减少激光散斑。
第二类是减弱光源的空间相干性，通常使用阵列激光器或者使用随机激光器。在阵列激光器中，为了减少激光的相干性，相邻两个激光器有最小距离限制，因此阵列激光器难以在保证散热和显示效果的基础上做到小型化，在体积上有所制约。随机激光器是基于高度无序增益物质的一种微腔激光器，其中的随机结构在微米级乃至纳米级，因此产生的激光能量很低，距离大规模实用化仍有一段距离。中国专利CN104693345B公开的《一种用于消除激光散斑得到光源系统》利用蓝色LD光源组合红色LD光源组消除激光散斑。
第三类是在光路中引入动态原件，利用动态原件产生多幅不相关的散斑图像，通过图像的叠加来减弱散斑的对比度。一般采用振动、旋转光学元件，例如散射片、积分方棒等。为了达到人眼对散斑对比度的需求，需要在记分周期内产生至少600幅图像。因此原件需要高速振动或者旋转，系统的稳定性和可靠性随之下降。中国专利CN106526882B公开的《一种消除激光散斑的方法及装置》利用光路中毛玻璃棒的旋转减少激光的相干性。
中国专利CN200910311684.6公开的《电泳显示装置及其屏幕矫正方法》所展示的电泳显示技术(EPD)是利用有颜色的带电球，在外加电场的控制下，于液体中移动，根据距离显示屏的距离，呈现出不同的图案。电泳显示技术(EPD)是利用电场控制屏幕中的颗粒进行垂直于屏幕的漂移。利用电泳显示技术的屏幕内包含大量微胶囊，胶囊中存在一些电泳粒子，一般采用黑白双粒子，通过黑色和白色粒子的混合来实现不同灰度等级，这也导致了它分辨率普遍不高。该技术并不需要内置光源，通常采用反射外界的光来显示图案，属于反射式显示技术，因此不属于激光投影系统，也就不存在激光散斑现象。该装置利用电泳粒子呈现画面内容，粒子分布的改变会导致画面内容改变。且由于显示依赖电泳粒子的移动，因此用于显示的开关时间非常长，长达几百毫秒，只能展示静态画面，无法应用于视频播放。本专利与电泳显示技术不同，主要在于本专利将电泳技术应用于光路中，并不利用电泳技术成像，电泳粒子的作用是散射激光以减少激光的相干性,因此本专利与上述专利不同。
综上所述，现有技术存在结构复杂，元器件较多，体积较大，成本较高等缺点。
发明内容
本发明提供了一种抑制激光散斑的投影屏幕。
本发明中使用的电泳技术是利用电场控制颗粒进行平行于屏幕的漂移，主要是目的为了改变溶液中的粒子分布。激光穿过该层时，不同的粒子分布会随机改变激光的散射情况，因此出射的散射光在不同时刻具有不同的相位角和散射角，分别对应不相干的散斑图样，在人眼的积分时间内，多个散斑图样叠加，可以减小散斑对比度，从而抑制激光散斑。该装置应用于投影屏幕，本身并不参与显示，粒子分布改变不影响投影的内容，只提高投影画面的清晰度。
一种抑制激光散斑的投影屏幕，所述投影屏幕包含依次设置的电泳匀光层、菲涅尔结构层以及柱状透镜。
所述的投影屏幕的电泳匀光层设置在所述投影屏幕光线入射一侧，所述的菲涅尔结构层位于所述的电泳匀光层的光出射侧，所述的柱状透镜层位于所述菲涅尔结构层的光出射侧。
所述的电泳匀光层的厚度为2～10mm，优选为3～5mm，最优选为4mm左右。
电泳粒子可以选择聚甲基丙烯酸甲酯PMMA微球、二氧化硅纳米颗粒或者二氧化钛颗粒，透明介质可以选择为甘油或者去离子水。采用不同的电泳粒子或者同一电泳粒子的不同浓度均会影响匀光层的透光率，因此需要结合匀光层的厚度来确定电泳粒子及其浓度。例如当匀光层的厚度约为4mm时，可以采用粒子浓度为20cm-3的二氧化钛颗粒。
所述的电泳匀光层包括：透明介质、电泳粒子、电极、透明玻璃板和散射玻璃板，所述的透明玻璃板和散射玻璃板形成夹层，在夹层两端加上两个电极，夹层中填充所述透明介质和所述电泳粒子。
所述的电泳匀光层的透明玻璃板位于投影屏幕入射光一侧，所述的散射玻璃板位于透明玻璃板光出射一侧。
所述的散射玻璃片的散射面位于光线出射的一侧。
所述的电泳匀光层中电极在电泳匀光层的两侧，可以产生均匀电场和非均匀电场，需要根据电泳匀光层中的介质决定。
当介质中的电泳粒子带正电或者负电时，电极产生均匀电场，当介质中的电泳粒子不带电时，电极产生非均匀电场。
所述的电泳匀光层，所述的介质为透明介质，折射率为n2，其中的电泳粒子可以是二氧化钛颗粒(半径为205nm，粒子浓度为2×10cm-3)或其他可以散射激光的粒子。
所述的玻璃板和透明介质，两块玻璃板的折射率n1应当与介质折射率n2匹配，即n1＝n2。
所述的电泳匀光层，周围有一圈高反射率银反射膜，用于减少激光的损耗，增加光能利用率。
所述的投影屏幕，其特征在于所述的菲涅尔结构层的节距和厚度等针对屏幕不同大小根据《DLP、CRT、LCOS及LCD投影电视屏幕中的菲涅尔透镜》规定实行。
所述的投影屏幕，所述的柱状透镜层的节距与菲涅尔结构层的节距相关，菲涅尔透镜节距和柱状透镜节距的比值为0.1505-0.1545或者0.1760-0.181。
所述的柱状透镜，位于入射光一侧，有黑色素层，可以吸收环境中的杂散光。
所述的电泳匀光层抑制激光散斑的方法，其步骤是：
该层两侧的电极不断释放和改变电场，控制介质中的电泳粒子分布变化。当激光入射到该层时，会在该层发生多次散射，达到匀光效果，然后经过该层的散射片进一步匀光。不同时刻出射的散射光具有不同的相位和散射角，分别形成不相干的激光散斑。在人眼的积分周期内，多个散斑图像叠加，降低了散斑的对比度，成功抑制激光散斑。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明中，电泳匀光层两侧的电极不断释放和改变电场，控制介质中的电泳粒子分布变化。当激光入射到该层时，会在该层发生多次散射，达到匀光效果，然后经过该层的散射片进一步匀光。不同时刻出射的散射光具有不同的相位和散射角，分别形成不相干的激光散斑。在人眼的积分周期内，多个散斑图像叠加，降低了散斑的对比度，成功抑制激光散斑。
附图说明
图1为激光投影屏幕结构图；
图2为电泳现象示意图；
图3为电泳匀光层结构图；
图4为体散射示意图；
图5为电泳粒子散射物理模型；
图6为菲涅尔透镜；
图7为菲涅尔透镜的同心棱镜折射结构；
图8为柱状透镜结构示意图。
具体实施方式
本发明背投式激光投影屏幕，包括匀光层1、菲涅尔透镜2和柱状透镜3。
1整体结构设计
本发明一种新型的背投投影屏幕，如图1所示，该系统包括匀光层1、菲涅尔透镜2和柱状透镜3。该方案中，激光光源发出的光线通过两片反射镜的反射后进入投影屏幕中，经过脉冲电泳匀光层1，该层能让激光随机散射，减弱激光散斑的对比度，提升观看体验。然后通过菲涅尔镜2将光束准直称为垂直于屏幕的光进入柱状透镜3，最后通过柱状透镜3出射。
(1)脉冲电泳匀光层
如图2和图3所示，该匀光层1包括一种可以散射激光的透明液体4、电泳粒子5、电极6、透明玻璃板7和散射玻璃板8。两块玻璃(透明玻璃板7和散射玻璃板8)形成夹层，在两端分别加上两个金属电极6，其中填充透明液体4和电泳粒子5，并且在匀光层的四周涂上高反射介质9，提高光能利用率。电泳现象是空间匀强电场作用下，分散粒子在流体中发生移动的现象，经过一段时间以后，溶液中的离子分布就会发生改变，体现在两极的离子浓度高，中间离子浓度低。当光入射时就会产生不规则的散射现象，如图2所示。当阴极和阳极的位置不断交换时，溶液中的粒子就会做往复运动，不断改变溶液中粒子的浓度。
电泳粒子5是一种可以散射激光的颗粒，如果是离子团，则需要溶液中阴离子和阳离子数目不相同，如果电泳粒子5是不溶于溶液的，例如纳米SiO2，则需要将电泳装置改变为介电泳装置，两侧电场不再均匀。
在研究光散射理论时，当颗粒群的浓度较大时，在一定体积的空间内，颗粒数量很大，间距相对较小，如图4所示，入射光通过颗粒群，首次照射到颗粒，经过颗粒的吸收和散射，散射光再次照射到其他颗粒，再次进行吸收和散射过程，如果此时假设入射光照射到颗粒只发生两次散射，称为二重散射；如果散射光继续照射到其他颗粒，再次进行吸收和散射过程，如此循环，此时的散射成为多重散射。经过多次散射和吸收后，使得总的散射光不再是单个散射光的叠加之和并且多重散射的建模很复杂，因此为了简化计算，假定光入射后只发生一次散射且散射光之间不会产生相互干扰。由于散射越多则最终产生的图像越多，激光散斑的抑制程度越好，因此最终实验获得效果会比简化计算得到的效果好。我们可以通过计算获得加入该装置以后的散斑对比度。
我们可以建立模型，假设电泳粒子为球形，则电泳粒子的表面可以分解为若干个部分，如图5所示。
其中θ表示圆心角，N(θ)表示在角度为θ的区域内一共有多少光子被吸收。通常我们认为，在某一区域内的光子数量可以表示为该区域的光强，因此我们可以得到该区域内的光强分布。我们以θ＝π的光子数作为基准，定义一个分布函数为：
F(θ)＝N(θ)/N(π) (1)
当光入射不均匀介质时，会发生散射现象。从微观上来说，光子遇到溶液中的颗粒时，改变了原来的传播方向，这就是散射现象。反照率α是光子发生散射的概率，可以表示为：
ρ＝σsac/σabs
其中σsac是散射效率，σabs是吸收效率，ρ的值在[0,1]之间，接近0表示大部分光线被吸收。
米氏(Mie)散射理论可以用来精确计算任何颗粒(不收形状和尺寸的限制)的散射，它是光散射的重要组成部分。求解Mie散射结果过程复杂，需要有很大的计算量，因此在本专利中只讨论球形颗粒。在颗粒光强度的计算中，通常不会直接采用颗粒的直径或者半径进行计算，一般引入无量纲颗粒半径α，可以定义为：
其中m'表示环境的折射率，d是颗粒的直径，λ是真空中光的波长。总的散射光强是垂直与散射面的光强与平行于散射面的光强之和。
其中I0是入射光强度，l是从观察点到粒子位置的距离，是入射光振动平面和散射平面之间的夹角。垂直振动平面s1(θ)和水平振动平面s2(θ)可以描述为：
其中an和bn是散射参数，是关于α和m的函数，对于耗散介质来说，折射率m为复数。an和bn可以描述为
其中ψn(α)为半整数阶贝塞尔函数，ξn(α)是第二类汉克尔函数，即
Pn(cosθ)和Pn (1)(cosθ)分别是关于cosθ的勒让德函数及其一阶关联形式。
当照射区存在n粒径为d的颗粒时，总光强分布为单个粒子光强分布的n倍，其总强度表示为
当光不断经过匀光层散射，产生了N幅不相关的散射图样，其总强度的表达方式为
显然总强度的平均值为
其中，是每一幅独立散斑图样自身的强度均值。总强度的二阶矩为：
当m≠n时，In与Im相互独立。因为单个分量强度都各自服从付支书概率分布，也就是说对于每一幅独立的散斑图样，其强度满足
将该式子带入总强度的二阶矩得到总强度的方差为：
所以可以得出通过匀光层以后总强度的对比度为
由于激光投影会产生大量的热量，该层可以通过液体增加投影屏幕的散热作用，增加使用寿命。
2菲涅尔透镜
如图6所示的是菲涅尔透镜称为螺纹透镜或者阶梯透镜，具有重量轻、材料来源丰富、成本低、制造方便、口径大、厚度薄等特点。用于制造菲涅尔透镜的材料通常是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，也称为有机玻璃。通常采用浇铸法、注射成形法或者挤压成形法预先形成菲涅尔透镜的基板，然后对基板进行热压获得菲涅尔透镜的结构。
如图7所示，菲涅尔透镜是循环同心棱镜折射结构，可以看作一个凸透镜，有工作面10和干扰面11，工作面10和干扰面11之间的距离为节距12。这些棱镜的表面结构的设计是为了能够折射光线，通过改变传统透镜的曲面为几乎坍塌成平面，通过这种方式，菲涅尔透镜的厚度大大降低。它会聚投影光线并以正确角度传送至正面的UCS立体透镜。
菲涅尔镜的厚度、节距、焦距等要求均按照国家现行的《DLP、CRT、LCOS及LCD投影电视屏幕中的菲涅尔透镜》规定即可
3柱状透镜
如图8所示，柱状透镜表面覆盖了一层有色层13，柱状的镜头能接收投影机的光线，并传送到观看者，而面对观看者的屏幕表面则是平滑哑光的。
这种屏幕具有超高的对比度和极佳的亮度均匀性。当菲涅尔透镜和柱状透镜配合使用时，由于菲涅尔透镜和柱状透镜都是周期性的微细结构，两者配合使用不可避免地出现莫尔条纹。选择合适的菲涅尔透镜节距和柱状透镜的节距比值可以大大减轻莫尔条纹的现象，一般菲涅尔透镜的节距设计得比柱状透镜的节距小。菲涅尔透镜节距和柱状透镜节距的比值为0.1505-0.1545或者0.1760-0.181。
Claims (4)
1.一种抑制激光散斑的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕包含依次设置的电泳匀光层、菲涅尔结构层以及柱状透镜；
所述的电泳匀光层设置在所述投影屏幕光线入射一侧，所述的菲涅尔结构层位于所述的电泳匀光层的光出射侧，所述的柱状透镜层位于所述菲涅尔结构层的光出射侧；
所述的电泳匀光层包括：透明介质、电泳粒子、电极、透明玻璃板和散射玻璃板，所述的透明玻璃板和散射玻璃板形成夹层，在夹层两端加上两个电极，夹层中填充所述透明介质和所述电泳粒子；
所述的电泳匀光层的透明玻璃板位于所述投影屏幕入射光一侧，所述的散射玻璃板位于透明玻璃板光出射一侧，所述的散射玻璃片的散射面位于光线出射的一侧；
电泳粒子为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA微球、二氧化硅纳米颗粒或者二氧化钛颗粒其中的电泳粒子；
所述的电泳匀光层中的透明介质的折射率为n2，所述的透明玻璃板和散射玻璃板两块玻璃板的折射率n1与透明介质折射率n2匹配；
所述的电泳匀光层，周围有一圈反射介质。
2.根据权利要求1所述的抑制激光散斑的投影屏幕，其特征在于，所述的电泳匀光层的厚度为2~10mm。
3.根据权利要求1所述的抑制激光散斑的投影屏幕，其特征在于，所述的柱状透镜层的节距与菲涅尔结构层的节距相关，菲涅尔透镜节距和柱状透镜节距的比值为0.1505-0.1545或者0.1760-0.181。
4.根据权利要求1所述的抑制激光散斑的投影屏幕，其特征在于，所述的柱状透镜，位于入射光一侧，有黑色素层。
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