CN201993525U - 激光光束匀光整形消散斑装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光光束匀光整形消散斑装置，包括机械框架、匀光整形消散斑器件和傅里叶变换透镜。匀光整形消散斑器件和傅里叶变换透镜分别安装在机械框架的前部和后部，匀光整形消散斑器件包括纯相位衍射器件和电磁振动装置，纯相位衍射器件固定在电磁振动装置上。纯相位衍射器件在电磁振动装置的驱动下同时完成匀光整形和消散斑两个功能，实现了两个功能的集成化。本实用新型结构紧凑、能同时实现光束匀光整形与消散斑，而且还可以充分利用激光本身所固有的线偏振特性，从而大大提高光能利用率，具有体积小、轻薄、成本低、易于复制及批量生产等优点。

Description

激光光束匀光整形消散斑装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于激光投影显示和激光照明、能够同时实现激光光束匀光整形消散斑的装置，属于激光显示和照明领域。

背景技术

激光具有亮度高、单色性(相干性)与方向性好等特点，在科学研究、工程技术及工农业生产中具有十分重要和广泛的应用；激光投影显示和红外激光夜视是其中的两个重要应用领域。激光投影显示采用激光器替代现有投影显示系统中的传统光源(如超高压汞灯等)，具有亮度高、色域范围大、色纯度与饱和度高等优点，目前有关激光投影显示技术的研究方兴未艾，许多发达国家的研究单位和大型公司都在大力研发激光投影显示技术和装置。采用红外激光作为主动照明光源的红外激光夜视技术在军事、公安和安防等方面具有重要应用。激光投影显示和主动照明红外激光夜视都需要均匀化的激光束照明，为实现均匀化激光照明，需要解决两大难题：(一)是激光光束的匀光整形，就是把激光器出射的单模或多模高斯光束转换成特定形状(如矩形或方形等)且强度尽量均匀的光束；(二)是尽量减少或消除因激光高单色性(相干性)由干涉和衍射形成的散斑和条纹。

目前用于普通光源的光束匀光整形方法与装置是基于光线反射或折射原理的，主要有积分棒和透镜阵列两大类。目前市场上的投影仪和背投电视中大都采用这两种方法及相应装置。基于同样的原理，通过设计和工艺改进，有些研究单位或公司提出了用于激光光束匀光整形的方法和装置，如：中国专利CN1658054A公开的《激光匀光器》、中国专利CN201287242公开的《激光光束整形装置》、中国专利CN101377557公开的《激光匀光消相干装置》等。从原理上讲基于反射或折射原理的方法与装置对于激光光束也能起到一定的匀光整形作用，但由于它们对干涉和衍射效应考虑较少，所以当用于激光时还会产生一定的散斑和背景条纹；且一般来说该类装置的制作工艺复杂、体积较大，不利于光机电集成与小型化。

激光的相干性好，容易产生散斑和背景条纹，这是采用普通非相干光源时所没有的。有关降低或消除散斑和背景条纹的原理和方法，文献中已有多种论述，如：采用多波长激光或脉冲激光叠加等方法以降低时间相干性，采用激光器阵列、光纤束、旋转或振动散射体、振动光纤、振动屏幕或超声光栅等方法以降低空间相干性。中国专利CN201340489Y公开的《激光消散斑装置》采用电磁振动装置使光纤束产生随机振动；中国专利CN201387516Y公开号《一种消散斑装置及使用该消散斑装置的激光投影仪》中采用脉冲电源与逆压电材料体，使环绕在逆压电材料体上的光纤束产生无规伸缩；中国专利CN101425656公开的《一种减少激光散斑效应的方法》利用压电效应、电光效应、声光效应及标准具快速改变激光器腔长，使激光输出波长快速变化或跃变，从而达到降低激光的时间相干性、降低散斑效应的目的。此外，中国专利CN1727938A公开的《激光投影电视照明系统中的光束均匀化装置》采用衍射光学器件把扩束后的圆形或环形或椭圆形激光束转换为方形照明光束，经过对所用衍射光学器件进行特殊设计，该装置在实现光束整形的同时具有一定的匀光效果，但由于其中的器件是固定不动的，因此难以降低或消除系统中由其它器件所引起的散斑与条纹。

纯相位衍射光学器件的设计基于光波干涉与衍射原理，其制作可采用光学微加工等工艺，具有体积小、效率高等特点，非常适合于光机电集成与小型化，已在许多领域获得重要应用，如光学折衍混合成像系统、光学检测、激光加工及激光显示等领域。近年来，纯相位衍射光学器件的设计理论、算法和制作工艺已比较成熟。当把纯相位衍射光学器件用于激光投影显示或红外激光夜视的照明系统中时，就该器件本身来说，可以获得较好的均匀照明效果，但系统中其它光学器件上的灰尘、划痕及前后表面的多次反射，仍然会造成较为明显的散斑与背景干涉衍射条纹，这将会严重影响视频图像的成像质量(如成像清晰度、图像分辨率等)，尤其是当采用三基色激光实现彩色显示或成像时，散斑和条纹的存在会形成无规则的颜色闪烁现象，不利于色域管理，造成画面色彩失真或变差，还容易造成人眼疲劳。

实现激光光束整形，并尽量降低或消除散斑和背景条纹，一直是激光投影显示及红外激光夜视等领域中的技术难题，也是限制其实用化的瓶颈之一。若能够将二者一体化、做到结构紧凑小型化，将具有更重要意义和实用价值。

发明内容

本实用新型针对现有光束匀光整形与消散斑技术存在的不足，提供一种结构紧凑、集光束匀光整形与消散斑于一个器件上、具有保偏功能、能提高光能利用率的激光光束匀光整形消散斑装置。

本实用新型的激光光束匀光整形消散斑装置采用以下技术方案：

该激光光束匀光整形消散斑装置，包括机械框架、匀光整形消散斑器件和傅里叶变换透镜，匀光整形消散斑器件和傅里叶变换透镜分别安装在机械框架的前部和后部，匀光整形消散斑器件包括纯相位衍射器件和电磁振动装置，纯相位衍射器件固定在电磁振动装置上。电磁振动装置带动纯相位衍射器件做高速振动，从而实现匀光整形与消散斑。

机械框架由前后两个固定支撑板和支柱组成，后部的固定支撑板上设有中心开孔，中心开孔内安装傅里叶变换透镜，匀光整形消散斑器件固定连接在前部的固定支撑板上。

电磁振动装置由第一电磁铁、第二电磁铁、第一弹簧、第二弹簧、永磁体和固定框架组成，永磁体安装在固定框架的内部，固定框架的两侧分别安装有第一电磁铁和第二电磁铁，第一电磁铁和第二电磁铁与永磁体之间分别连接有第一弹簧和第二弹簧。

纯相位衍射器件是一个依据光波干涉衍射原理设计、在硬质透明光学双折射基底材料上用光学微加工工艺制作的薄片形器件，其表面刻蚀有经特殊设计的微结构，具有保偏功能。

傅里叶变换透镜为凸透镜。

本实用新型结构紧凑、能同时实现光束匀光整形与消散斑，而且还可以充分利用激光本身所固有的线偏振特性，从而大大提高光能利用率，具有体积小、轻薄、成本低、易于复制及批量生产等优点。

附图说明

图1是本实用新型激光光束匀光整形消散斑装置的结构示意图

图2是本实用新型中匀光整形消散斑器件的结构示意图。

图3是本实用新型中纯相位衍射器件的结构示意图。

图4是本实用新型中电磁振动装置的结构示意图。

其中：1、机械框架，2、匀光整形消散斑器件，3、傅里叶变换透镜，201、纯相位衍射器件，202、电磁振动装置，2021、第一电磁铁，2022、第二电磁铁，2023、第一弹簧，2024、第二弹簧，2025、永磁体，2026、固定框架。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型激光光束匀光整形消散斑装置，包括机械框架1、匀光整形消散斑器件2和傅里叶变换透镜3。匀光整形消散斑器件2和傅里叶变换透镜3分别安装在机械框架1的前部和后部。匀光整形消散斑器件2包括纯相位衍射器件201和电磁振动装置202。纯相位衍射器件201固定在电磁振动装置202上，在电磁振动装置驱动下高速振动实现匀光整形与消散斑功能。

机械框架1由前后两个固定支撑板和支柱组成。匀光整形消散斑器件2固定连接前面的固定支撑板上。后面的固定支撑板上设有中心开孔，中心开孔内安装傅里叶变换透镜3。

匀光整形消散斑器件2的结构如图2所示，包括纯相位衍射器件201和电磁振动装置202。电磁振动装置202的中心位置有一个开孔，纯相位衍射器件201安装固定在电磁振动装置202的中心开孔内。纯相位衍射器件201既具有光束整形和一定匀光作用，又可在电磁振动装置驱动下高速振动，从而实现消散斑功能。匀光整形消散斑器件2将匀光整形与消散斑功能集成在一起。

纯相位衍射器件201如图3所示，是一个依据光波干涉衍射原理设计、在硬质透明光学基底材料上用光学微加工工艺制作的薄片形器件，其表面刻蚀有经特殊设计的微结构，可实现将圆形或椭圆形高斯或准高斯光束转换成正方形或矩形等多种形状的均匀化光束。自身具有匀光整形和一定消散斑功能。但不能消除系统中其它器件因灰尘与划痕的衍射及前后面多次反射干涉造成的散斑与条纹。需要将其固定在电磁振动装置202上，在电磁振动装置驱动下高速振动，使多个非相干光场在视觉积分时间内的叠加，形成一个平均视觉效果，从而实现消散斑与条纹的功能。制作纯相位衍射器件201的基底材料可以根据具体应用中激光的强弱选择不同的材质，如光学玻璃或聚合物塑料等；可采用双折射材料作为基底，并经过设计与加工制作，可使纯相位衍射器件201具有保偏功能。

电磁振动装置202的结构如图4所示，由第一电磁铁2021、第二电磁铁2022、第一弹簧2023、第二弹簧2024、永磁体2025和固定框架2026组成。永磁体2025安装在固定框架2026的内部，固定框架2026的两侧分别安装有第一电磁铁2021和第二电磁铁2022，第一电磁铁2021和第二电磁铁2022与永磁体2025之间分别连接有第一弹簧2023和第二弹簧2024。第一电磁铁2021和第二电磁铁通电后，可使两个电磁铁高速振动，从而带动永磁体2025随之在其本身所在平面内振动，改变电流大小可改变两个电磁铁的磁力大小，改变电流方向可改变两个电磁铁的极性，从而可调控整个电磁装置的振动频率、振动幅度及振动方向。

傅里叶变换透镜3为凸透镜，其焦距和孔径可根据具体应用要求而定，其主要作用是使经过纯相位衍射器件201的光束在其后焦面上形成所需形状的均匀化光斑。光斑的形状由所述纯相位衍射器件201的结构参数决定，光斑的大小由纯相位衍射器件201的参数及傅里叶变换透镜3的参数共同决定。由于傅里叶变换透镜后焦面上的光场分布相当于衍射屏远场处的衍射光场分布，所以在某些应用场合如红外激光夜视系统中，可以省去所述装置中的傅里叶变换透镜。

本实用新型的工作原理如图1所示(结合图2、图3和图4来说明)，来自激光器的入射光束沿光轴入射到纯相位衍射器件201上，纯相位衍射器件201实现对入射光束的衍射透射，实现光束整形和初步的消散斑功能。纯相位衍射器件201在电磁振动装置202的驱动下高速振动，使多个不相干的衍射场在视觉积分时间内高速叠加并在视觉上形成平均效果，达到进一步降低或消除散斑与条纹的目的。从纯相位衍射器件201出射的光场入射到傅里叶变换透镜3上。经纯相位衍射器件201和傅里叶变换透镜3共同作用，在傅里叶变换透镜3的后焦面上形成所需形状的均匀化光斑。若采用傅里叶变换透镜3，则在傅里叶变换透镜3的后焦面上得到特定形状的均匀化光斑，若不采用傅里叶变换透镜3，则远场得到特定形状的均匀化光斑。根据不同应用要求来确定是否采用傅里叶变换透镜3，例如：当本实用新型的装置用于激光投影显示系统时，一般需要傅里叶变换透镜3，当用于红外激光夜视系统时，一般不需要傅里叶变换透镜3。入射光束是来自激光器的待处理光束，可以是会聚或发散光束，也可以是经过准直的光束。出射光束在特定位置如傅里叶变换透镜3的后焦面或远场处产生整形和消散斑后的均匀化光斑。在彩色激光投影显示系统中，若三基色激光的光路是分离的，所述装置需要用于三基色激光光路的每一路。均匀化出射光束可以作为照明光束直接(或经过光学成像延迟系统)照明激光投影显示系统中的光调制器；也可作为红外激光夜视系统中的照明光束照明目标物。

上述激光光束匀光整形消散斑装置，不仅结构紧凑、能同时实现光束匀光整形与消散斑，而且还可以充分利用激光本身所固有的线偏振特性，从而大大提高光能利用率。传统光源如超高压汞灯或卤素灯发出的光多为非偏振光，而投影显示中的光调制器(如LCD或LCOS等)需要线偏振光照明，为了适应这一需求，传统投影显示系统中一般是在光路中采用多个线偏振器件，这必然会损失掉大量光能。而激光器出射的光一般为线偏振光，对于采用激光光源的投影显示系统，最好是直接且充分利用激光本身的线偏振特性，在系统中不用或尽量少用线偏振器件。在本实用新型所述方法与装置中，通过选取特殊的双折射基底材料和设计方法与参数，可以加工制作出具有保偏作用的纯相位衍射器件201，实现充分利用激光的线偏振特性从而大大提高光能利用率的目的。

本实用新型具有以下有益效果：

1.将光束整形和消散斑统一考虑，集光束整形和消散斑功能于一个薄片形衍射光学器件上，实现了二者的集成化，可使光学系统结构更紧凑，更有利于实现光机电集成化和系统小型化；

2.匀光整形消散斑器件基于光波干涉衍射原理设计、采用光学微加工工艺制作，是高度透明的衍射器件，衍射效率高，可提高系统的光能利用率；

3.匀光整形消散斑器件通过选取特殊的双折射基底材料、设计方法与参数，可制作成保偏器件，可充分利用激光的线偏振特性从而进一步提高光能利用率；

4.匀光整形消散斑器件是一个薄片形光学器件，具有体积小、轻薄、易于复制及批量生产等优点，价格便宜、成本低；

5.可广泛应用于如激光投影显示、红外激光夜视及需要激光照明的其它领域。结构紧凑，更加适合于光机电集成与小型化。

Claims (4)

1.一种激光光束匀光整形消散斑装置，其特征是：包括机械框架、匀光整形消散斑器件和傅里叶变换透镜，匀光整形消散斑器件和傅里叶变换透镜分别安装在机械框架的前部和后部，匀光整形消散斑器件包括纯相位衍射器件和电磁振动装置，纯相位衍射器件固定在电磁振动装置上。

2.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形消散斑装置，其特征是：所述纯相位衍射器件是一个依据光波干涉衍射原理设计、在硬质透明光学双折射基底材料上用光学微加工工艺制作的薄片形器件。

3.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形消散斑装置，其特征是：所述机械框架由前后两个固定支撑板和支柱组成，后部的固定支撑板上设有中心开孔，中心开孔内安装傅里叶变换透镜，匀光整形消散斑器件固定连接在前部的固定支撑板上。

4.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形消散斑装置，其特征是：所述电磁振动装置由第一电磁铁、第二电磁铁、第一弹簧、第二弹簧、永磁体和固定框架组成，永磁体安装在固定框架的内部，固定框架的两侧分别安装有第一电磁铁和第二电磁铁，第一电磁铁和第二电磁铁与永磁体之间分别连接有第一弹簧和第二弹簧。

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