CN116047783A - 一种激光散斑抑制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光散斑抑制装置及方法，属于光学技术领域，由激光光源、准直透镜、半透半反镜、分光膜层阵列、探测器组成，激光光源输出相干激光；准直透镜对激光光束准直后，再由半透半反镜垂直射入分光膜层阵列；分光膜层阵列将入射光束分为多束非相干且光强相等的子光束。本发明为静态散斑抑制装置，不需要电源和驱动，装置结构紧凑，体积小，能耗低，使用寿命长；此装置结构简单，对散斑抑制效果好，可以将激光光束分为N束光强相等的非相干光，最多将激光的散斑对比度降低到原来的1/N1/2。

Description

一种激光散斑抑制装置及方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，更具体的说是涉及一种激光散斑抑制装置及方法。
背景技术
激光具有单色性好、方向性强、亮度高、寿命长和集成度高的优点，可以被广泛应用于各个领域。当应用于显示领域时，激光作为光源具有独特的优势，其色彩饱和度高，谱线丰富，亮度高，可以实现高亮度、大屏幕的显示，并提高能量利用率。但是，激光光源的单色性好也导致其相干性强，当激光投影到粗糙的屏幕时，就会产生散斑。人眼看到的图像是散斑覆盖后的图像，散斑的存在降低了图像成像质量，使得人眼难以提取到图像中的有用信息。因此，如何抑制散斑一直是激光投影与激光技术领域的研究热点。
为了进行激光散斑的抑制，可以引入波长多样性、角度多样性和偏振多样性等方法。波长多样性方法是通过引入多个单波长光源或者单个宽带光源来快速改变激光波长，从而实现散斑抑制，但是这种方式进行散斑抑制的效果有限，并且不适用于激光显示等领域。角度多样性的方法是通过快速改变光源的照明角度或者观察角度进行散斑抑制，如使用不同角度的光源阵列，但是这种方式的缺点是，只有光束重叠区域才能进行散斑抑制，其他区域的光能不能利用，光能利用率非常低。偏振多样性是通过引入呈正交的两束偏振光束的叠加实现散斑抑制，这种方式的缺点是最多只能将散斑对比度降低到原来的一半。
因此，提供一种能够提高光能利用率、降低散斑对比度的激光散斑抑制装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光散斑抑制装置及方法，采用破坏空间相干性的方法进行散斑抑制，通过将光源分成N束光强相等且非相干的子光束阵列，让每一束子光束之间都存在一定的时间延时，当时间延时大于或者等于相干时间时，整个光源的空间相干性就会被破坏。采用此种方法时，将光源分成N束光强相等且非相干的子光束，最多可以将散斑对比度降低到原来的1/N1/2。
为了实现上述目的，本发明提供一种激光散斑抑制装置，包括依次设置的激光光源、准直透镜、半透半反镜、分光膜层阵列、探测器；
所述激光光源用于输出相干激光束；
所述准直透镜用于将所述激光光源输出的相干激光束整形为准直光束；
所述半透半反镜用于将所述准直光束垂直入射到所述分光膜层阵列中，并将经过所述分光膜层阵列处理后输出的若干个子光束反射到探测器中；
所述分光膜层阵列用于将入射光束分为若干个非相干且光强相等的子光束。
优选的，所述激光光源为半导体激光器，工作波段为可见光波段或者近红外波段。
优选的，所述分光膜层阵列由若干个分光膜层组成，光束经过分光膜层后被分成若干个子光束，子光束的数量与分光膜层的数量相一致。为了保证分束后的子光束光强相等，所述若干个分光膜层的透反比不同，且分光阵列中每个分光膜层的透反比都是特定的设计。
优选的，相邻分光膜层之间的距离大于所述激光光源的相干长度的一半。相邻的分光膜层之间存在一定的间距，使得光束通过不同分光膜层时的时间延时大于或者等于激光的相干长度，从而破坏激光光束的空间相干性，达到抑制散斑的目的。经过本方案设计的激光散斑抑制装置后，激光光源的光束被分为N束光强相等的子光束，最多可以将激光光源的散斑对比度降低到原来的1/N1/2。
优选的，所述分光膜层由介质薄膜层和基底材料组成，所述介质薄膜层由单层介质薄膜或多层介质薄膜组成，所述介质薄膜的材料为SiO2膜、TiO2膜、Ta2O5膜、TiO2/SiO2膜系等。其透反比由所用膜层材料的折射率与膜层的厚度决定。
另一方面，本发明提供了一种激光散斑抑制方法，包括：
由激光光源输出的入射激光光束经过准直透镜准直后，再由半透半反镜后垂直入射到分光膜层阵列中；
所述入射激光光束经过所述分光膜层阵列的反射和透射作用分成若干个光强相等的非相干子光束；最多可以将激光的散斑对比度降低到原来的1/N1/2。
所述子光束再由所述半透半反镜反射到探测器中，激光光束经过所述分光膜层阵列分光后，各个子光束经过半透半反镜后同轴出射，出射光束的准直性好，能量利用率高。
优选的，所述入射激光光束经过所述分光膜层阵列的反射和透射作用分成若干个光强相等的非相干子光束，包括：
经过处理的所述入射激光光束垂直入射到分光膜层阵列中，所述分光膜层阵列包括若干个依次排列的分光膜层，所述入射激光光束经过首个分光膜层时分离出第一子光束，所述第一子光束返回至所述半透半反镜，剩余入射激光光束通过所述首个分光膜层透射至相邻分光膜层；
所述相邻分光膜层将所述剩余入射激光光束分成第二子光束及剩余激光光束，所述第二子光束通过所述首个分光膜层返回至所述半透半反镜，依次类推至最后一个分光膜层后返回，得到多个光强相等的非相干子光束。
优选的，所述若干个分光膜层的透反比均不相同，且相邻分光膜层之间的距离大于所述激光光束的相干长度的一半。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种激光散斑抑制装置及方法，其为静态散斑抑制装置，不需要电源和驱动，装置结构紧凑，体积小，能耗低，使用寿命长；本发明中采用分光膜层阵列对激光光束进行分光，分光膜层阵列中含有不同透反比的分光膜层，可以将激光光束分为若干个光强相等的子光束；子光束经过相邻分光膜层产生的光程差大于或者等于激光光束的相干长度，可以破坏激光的时间相干性；分光后的各个子光束是同轴出射的，出射光束具有良好的准直性和能量利用率；此装置结构简单，对散斑抑制效果好，可以将激光光束分为N束光强相等的非相干光，最多将激光的散斑对比度降低到原来的1/N1/2。
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是本发明公开的激光散斑抑制装置的整体结构示意图。
图2是本发明公开的激光散斑抑制装置中分光膜层阵列产生光强相同子光束的原理图。
图3是本发明公开的激光散斑抑制装置中相邻分光膜层距离设定的示意图。
图4是本发明公开的激光散斑抑制装置中分光膜层镀单层膜时光束入射的光路示意图。
图5是本发明公开的激光散斑抑制装置中分光膜层镀多层膜时光束入射的光路示意图。
附图标记
1-激光光源，2-准直透镜，3-半透半反镜，4-分光膜层阵列，5-分光膜层，6-入射激光光束，7-子激光束，8-探测器，9-基底材料，10-介质薄膜，11-介质薄膜层。
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。
本发明实施例公开了一种激光散斑抑制装置，如图1所示，该激光散斑抑制装置包括激光光源1、准直透镜2、半透半反镜3、分光膜层阵列4、分光膜层5、入射激光光束6、子激光束7、探测器8。
激光光源1为半导体激光器，输出相干的入射激光光束6；准直透镜2对激光光源1输出的入射激光光束6整形为准直光束；再经过半透半反镜3后垂直入射到分光膜层阵列4中；分光膜层阵列4由若干个不同透反比的分光膜层5组成，用于将入射激光光束6分为多束非相干且光强相等的子光束7；
在激光散斑抑制装置中，分光膜层可以通过镀单层膜或者多层膜实现，其透反比由所用膜层材料的折射率与膜层的厚度决定，所用膜层材料可以是SiO2膜、TiO2膜、Ta2O5膜、TiO2/SiO2膜系等。相邻分光膜层之间的距离设定为大于或者等于激光光源的相干长度，从而破坏分光后子光束之间的相干性。
本发明实施例还公开了一种激光散斑抑制方法，如图1所示，一束入射激光光束6由激光光源1出射，并经过准直透镜2准直后，再经过半透半反镜3后垂直入射到分光膜层阵列4中。分光膜层阵列4由若干个透反比不同的分光膜层5组成，入射激光6在分光膜层阵列4中经过多个分光膜层5的反射和透射作用，生成若干个子激光束，若干个子激光束经过半透半反镜3后从激光散斑抑制装置的一侧出射，并由探测器8接收。出射光束7是由若干个分光后的子光束组成的，这些子光束是共光轴的。相邻分光膜层之间的距离不小于激光光源的相干长度的一半，使得光束通过不同分光膜层时的时间延时大于或者等于激光的相干长度，从而破坏了入射激光光束的相干性并且出射的多个子激光束光强相等。
当光源分为多束非相干激光时，激光的散斑对比度Ct的计算公式可以通过如下的公式计算：
Figure BDA0004086189190000051
其中，In为第n束激光的光强；N为总的分束的激光个数；n为小于N的正整数。
依据上述公式，当各分束后的激光光强相同时，散斑对比度会取得最小值，其最小值为
Figure BDA0004086189190000052
下面具体阐述如何用本发明申请的激光散斑抑制装置获得多束光强相等的非相干激光。
具体的，当入射激光垂直入射到分光膜层阵列中，进入第一个分光膜层后，入射光束一部分被反射，一部分被透射。透射过去的光，经过第二个分光膜层时，也是一部分被反射，一部分被透射。依次类推，当入射光束经过最后一个分光膜层后返回时，入射光束已经被划分为若干束子激光束，且这些子光束是共光轴的。
分光膜层阵列中的每一个分光膜层的透反比均不同，目的是出射的子激光束光强相同。相邻分光膜层之间的距离大于或者等于激光的相干长度的一半，目的是破坏子光束之间的相干性。
如图2所示，6表示入射激光光束，7-1、7-2、......、7-n-1、7-n分别表示经过第1个分光膜层、第2个分光膜层、......、第n-1个分光膜层、第n个分光膜层分光后的子光束。图2中各个分光后的子激光束是共光轴的，为了示意方便，将他们分开画出。
设定入射激光光束的初始光强为I0，经过分光膜层阵列后，光束被分为N束，则出射的子激光束的光强应该为I0/N。
当入射光束垂直照射到第1个分光膜层时，设其透过率为T1，反射率为R1，透射的光能量为ET1，反射的光能量为ER1。不考虑分光膜层材料的吸收，则T1+R1＝1。出射的子激光束的光强为I0/N，则可以得出第1个分光膜层的反射率、透射率、透射光能量、反射光能量分别为：
Figure BDA0004086189190000061
Figure BDA0004086189190000062
Figure BDA0004086189190000063
Figure BDA0004086189190000064
当入射光束垂直照射经过第1个分光膜层到第2个分光膜层时，设其透过率为T2，反射率为R2，透射的光能量为ET2，反射的光能量为ER2。不考虑分光膜层材料的吸收，则T2+R2＝1。出射的子激光束的光强为I0/N，则可以得出第2个分光膜层的反射率、透射率、透射光能量、反射光能量分别为：
Figure BDA0004086189190000071
Figure BDA0004086189190000072
Figure BDA0004086189190000073
Figure BDA0004086189190000074
依次类推，当入射光束垂直照射经过第n-1个分光膜层到第n个分光膜层时，设其透过率为Tn，反射率为Rn，透射的光能量为ETn，反射的光能量为ERn。不考虑分光膜层材料的吸收，则Tn+Rn＝1。出射的子激光束的光强为I0/N，则可以得出第n个分光膜层的反射率、透射率、透射光能量、反射光能量分别为：
Figure BDA0004086189190000075
Figure BDA0004086189190000076
Figure BDA0004086189190000077
Figure BDA0004086189190000078
依据上述设计方法，将分光膜层阵列中的不同分光膜层的反射率和透射率按照上述公式进行计算，即可得到N束光强相等的子激光束。
如图3所示，5-1、5-2、......、5-n-1、5-n分别表示第1个分光膜层、第2个分光膜层、......、第n-1个分光膜层、第n个分光膜层。两个分光膜层之间的间距为d。为了破坏分束后子激光束之间的相干性，应使两个分光膜层之间的距离大于等于激光相干长度的一半。激光的相干长度为
Figure BDA0004086189190000079
其中，λ表示激光的波长，则两个分光膜层之间的间距d应为：2d≥L，即
Figure BDA00040861891900000710
在确定分光膜层阵列中各个分光膜层的反射率和透射率后，可以通过进行镀膜的方式确定其反射率和透射率。镀膜方式可以选择镀单层膜或者镀多层薄膜。
如图4所示的分光膜层镀单层膜的示意图，单层膜主要由介质薄膜10和基底材料9组成。设入射介质的折射率为n0，介质薄膜的折射率为n1，基底材料的折射率为ng，膜层的几何厚度为d，则镀单层薄膜后光学元件表面的反射率可以表示为：
Figure BDA0004086189190000081
由上述公式可以得出，选定不同折射率的膜层材料和设定不同的膜层几何厚度，即可获取想要的分光膜层的反射率和透过率。
如图5所示的分光膜层镀多层薄膜的示意图，多层薄膜结构由介质薄膜层11和基底材料9组成。介质薄膜层11由N个介质薄膜组成，其介质薄膜的折射率分别为n1、n2、n3、......、nj、nj+1、......、nN-1、nN，膜层的几何厚度分别为d1、d2、d3、......、dj、dj+1、......、dN-1、dN。设入射介质的折射率为n0，基底材料的折射率为ng，则镀多层薄膜结构后整个膜系的特征矩阵可以表示为：
Figure BDA0004086189190000082
多层薄膜和基底材料的组合导纳Y＝B/C，其中，B表示多层薄膜的导纳，C表示基底材料的导纳。则整个多层介质薄膜的反射系数和反射率可以表示为：
Figure BDA0004086189190000083
对于无吸收介质膜，其透过率为，T＝1-R。
由上述公式可以得出，选定不同折射率的膜层材料、不同的膜层数量和设定不同的膜层几何厚度，即可获取想要的分光膜层的反射率和透过率。
本说明书中各个实施例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。
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)

1.一种激光散斑抑制装置，其特征在于，包括依次设置的激光光源、准直透镜、半透半反镜、分光膜层阵列、探测器；
所述激光光源用于输出相干激光束；
所述准直透镜用于将所述激光光源输出的相干激光束整形为准直光束；
所述半透半反镜用于将所述准直光束垂直入射到所述分光膜层阵列中，并将经过所述分光膜层阵列处理后输出的若干个子光束反射到所述探测器中；
所述分光膜层阵列用于将入射光束分为若干个非相干且光强相等的子光束。
2.根据权利要求1所述的一种激光散斑抑制装置，其特征在于，所述激光光源为半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种激光散斑抑制装置，其特征在于，所述分光膜层阵列由若干个分光膜层组成，所述若干个分光膜层的透反比不同。
4.根据权利要求3所述的一种激光散斑抑制装置，其特征在于，相邻分光膜层之间的距离大于所述激光光源的相干长度的一半。
5.根据权利要求3所述的一种激光散斑抑制装置，其特征在于，所述分光膜层由介质薄膜层和基底材料组成，所述介质薄膜层由单层介质薄膜或多层介质薄膜组成。
6.一种激光散斑抑制方法，其特征在于，包括：
由激光光源输出的入射激光光束经过准直透镜准直后，再由半透半反镜垂直入射到分光膜层阵列中；
所述入射激光光束经过所述分光膜层阵列的反射和透射作用分成若干个光强相等的非相干子光束；
所述非相干子光束再由所述半透半反镜同轴反射到探测器中。
7.根据权利要求6所述的一种激光散斑抑制方法，其特征在于，所述入射激光光束经过所述分光膜层阵列的反射和透射作用分成若干个光强相等的非相干子光束，包括：
经过处理的所述入射激光光束垂直入射到分光膜层阵列中，所述分光膜层阵列包括若干个依次排列的分光膜层，所述入射激光光束经过首个分光膜层时分离出第一子光束，所述第一子光束返回至所述半透半反镜，剩余入射激光光束通过所述首个分光膜层透射至相邻分光膜层；
所述相邻分光膜层将所述剩余入射激光光束分成第二子光束及剩余激光光束，所述第二子光束通过所述首个分光膜层返回至所述半透半反镜，依次类推至最后一个分光膜层后返回，得到多个光强相等的非相干子光束。
8.根据权利要求7所述的一种激光散斑抑制方法，其特征在于，所述若干个分光膜层的透反比均不相同，且相邻分光膜层之间的距离大于所述激光光束的相干长度的一半。
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