CN202033529U - 激光光束匀光整形与消散斑一体化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种激光光束匀光整形与消散斑一体化装置，属于激光显示和照明领域，尤其涉及激光投影显示和红外激光夜视领域。该装置将光束匀光整形与消散斑统一考虑，采用旋转全息散射器实现消散斑，采用纯相位衍射器件实现匀光整形，通过机械框架将全息散射器件、微型直流电机、纯相位衍射器件及傅里叶变换透镜连接固定成一个结构紧凑的整体，达到同时实现光束匀光整形与消散斑的目的。其中的全息散射器件和纯相位衍射器件均为薄片形衍射光学器件，体积小、轻薄，易于实现光机电集成与小型化；而且通过设计并采用双折射材料加工制作可使其具有保偏性能、充分利用激光本身固有的线偏振特性，进一步提高光能利用率。

Description

激光光束匀光整形与消散斑一体化装置

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与消散斑的一体化的装置，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)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体的激光光束匀光整形与消散斑一体化装置。

本实用新型的激光光束匀光整形与消散斑一体化装置采用以下技术方案：

该激光光束匀光整形与消散斑一体化装置，包括机械框架、微型直流电机、全息散射器件、纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜，微型直流电机固定在机械框架上，全息散射器件安装在微型直流电机上；纯相位衍射器件固定在机械框架上并位于全息散射器件的后方，傅里叶变换透镜固定在机械框架上并位于纯相位衍射器件的后方，纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜的光轴与入射光束共轴。把全息散射器件与纯相位衍射器件通过机械框架固定连接在一起，将光束整形和消散斑集成为一体，入射光束入射到全息散射器件上，全息散射器件在微型直流电机的驱动下高速旋转实现对入射光束的散射并透射，使不相干的散射场在积分时间内随机高速叠加并在视觉上形成平均效果，达到降低或消除散斑与条纹的目的，从全息散射器件出射的光场入射到纯相位衍射器件上，经衍射与透射再入射到傅里叶变换透镜上，经纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜共同作用，在傅里叶变换透镜的后焦面上形成所需形状的均匀化光斑。

机械框架是由前中后三个固定支撑板及连接支柱组成，三个固定支撑板上均设有一个中心开孔，三个中心开孔必须是共轴的，前固定支撑板上除有一个中心开孔外，还有一个偏心开孔，其中心开孔用于通过入射光束，偏心开孔用于安装固定微型直流电机，中间固定支撑板上的中心开孔用于安装固定纯相位衍射器件，后固定支撑板上的中心开孔用于安装固定傅里叶变换透镜。

微型直流电机安装固定时要保证其电机轴与机械框架的中心轴尽量平行，微型直流电机的电机轴与机械框架中心轴的最大夹角小于5度。

全息散射器件是一个依据光学全息原理设计、在硬质透明光学基底材料上用光学微加工工艺制作的圆片形器件，其表面刻蚀有多种微结构，散射角小于2度。

纯相位衍射器件是一个依据光波衍射原理设计、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圆片形器件，其表面刻蚀有微结构，具有保偏功能。

傅里叶变换透镜为凸透镜。

本实用新型将光束整形和消散斑统一考虑，不仅结构紧凑的、能同时实现光束匀光整形与消散斑的一体化，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、易于复制及批量生产等优点，价格便宜、成本低的特点，非常适合于光机电集成与小型化。

附图说明

图1是本实用新型所述装置的结构示意图。

图2是本实用新型中机械框架的结构示意图。

其中：1、机械框架，2、微型直流电机，3、全息散射器件，4、纯相位衍射器件，5、傅里叶变换透镜，6、偏心开孔，7、中心开孔，8、前固定支撑板，9、支柱，10、中间固定支撑板，11、后固定支撑板。

具体实施方式

本实用新型激光光束匀光整形与消散斑一体化装置的整体结构如图1所示，主要包括用于连接和固定各个器件的机械框架1、微型直流电机2、全息散射器件3、纯相位衍射器件4和傅里叶变换透镜5。微型直流电机2固定在机械框架1上。全息散射器件3安装在微型直流电机上2，在微型直流电机2的驱动下高速旋转，用于消除散斑。纯相位衍射器件4固定在机械框架1上，并位于全息散射器件3的后方，用于光束匀光整形。傅里叶变换透镜5固定在机械框架1上，并位于纯相位衍射器件4的后方，可与纯相位衍射器件结合，在傅里叶变换透镜5的后焦面上产生特定形状的均匀化光斑。纯相位衍射器件4和傅里叶变换透镜5的中心线与入射光束的中心线为同一直线(即共轴)。

机械框架1的结构如图2所示，包括前固定支撑板8、中间固定支撑板10、后固定支撑板11三个固定支撑板和四个支柱9，三个固定支撑板自前而后连接在四个支柱上。前固定支撑板8的设有一个中心开孔7，中心开孔7一侧设有一个偏心开孔6，入射激光束从中心开孔7进入，微型直流电机2固定在偏心开孔6上。中间固定支撑板10上设有一个中心开孔，用来固定纯相位衍射器件4。后面固定支撑板上设有一个中心开孔，用来固定傅里叶变换透镜5。机械框架1中的前中后三个固定支撑板上的中心开孔必须共轴的，即三个中心开孔的中心线为同一直线。

微型直流电机2可长时间高速旋转，转速在几百至几千转每秒之间可控，且振动和噪声低。安装固定时保证微型直流电机的电机轴与机械框架中心轴尽量平行，最大夹角要小于5度。

全息散射器件3是一个依据光学全息原理设计、在硬质透明光学基底材料上用光学微加工工艺制作的圆片形器件，其表面刻蚀有多种微结构，对光具有散射作用，散射角控制在2度之内；其中心设有用于固定在微型直流电机2的电机轴上的固定小孔。全息散射器在微电机驱动下高速旋转，达到降低或消除散斑与背景条纹的效果。制作全息散射器件3的基底材料可以根据具体应用中激光束的强弱选择不同的材质，如光学玻璃或聚合物塑料等。采用双折射材料作为基底，并经过设计与加工制作，可使全息散射器件3具有保偏功能。

纯相位衍射器件4是一个依据光波衍射原理设计、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圆片形器件，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。纯相位衍射器件4的设计原理与算法在文献资料中已有很多论述，有多种，如基于傅立叶变换的迭代算法及其各种改进算法、基于搜索极值的优化算法、基于傅立叶变换迭代和搜索极值相结合的各种算法等。制作所述4纯相位衍射器件的基底材料可以根据具体应用中激光束的强弱选择不同的材质，如光学玻璃或聚合物塑料等。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4具有保偏功能。

傅里叶变换透镜5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4的光束在其后焦面上形成所需形状的均匀化光斑。光斑的形状由纯相位衍射器件4的结构参数决定，光斑的大小由纯相位衍射器件4的参数及傅里叶变换透镜5的参数共同决定。由于傅里叶变换透镜5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。

图中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。来自激光器的入射光束从框架1的第一个固定支撑板上的中心孔入射，入射到全息散射器件3上，全息散射器件3实现对入射光束的散射并透射。全息散射器件3在微型直流电机2的驱动下高速旋转，使多个不相干的散射场在积分时间内随机高速叠加并在视觉上形成平均效果，达到降低或消除散斑与条纹的目的。从全息散射器件3出射的光场入射到纯相位衍射器件4上，经衍射与透射再入射到傅里叶变换透镜5上。经纯相位衍射器件4和傅里叶变换透镜5共同作用，在傅里叶变换透镜5的后焦面上形成所需形状的均匀化光斑。若不采用傅里叶变换透镜5，则可在远场处得到所需形状的均匀化光斑。所述装置的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，此时因目标物一般较远，一般可不用傅里叶变换透镜5。

图1中的出射光束在特定位置(如傅里叶变换透镜5的后焦面)上产生整形和消散斑后的均匀化光斑。在某些应用场合如红外激光夜视系统中，可以省去装置中的傅里叶变换透镜5。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。

本实用新型的装置，不仅结构紧凑的、能同时实现光束匀光整形与消散斑的一体化，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。

本实用新型的具有有益效果：

1.将光束整形和消散斑统一考虑，实现了匀光整形与消散斑一体化，可使光学系统结构更紧凑，有利于实现小型化及光机电集成化；

2.用于消散斑的全息散射器件和用于匀光整形的纯相位衍射器件，都是基于光波干涉衍射原理设计、采用光学微加工工艺制作，都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.用于消散斑的全息散射器件和用于匀光整形的纯相位衍射器件，若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，还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.用于消散斑的全息散射器件和用于匀光整形的纯相位型衍射器件，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。

Claims (5)

1.一种激光光束匀光整形与消散斑一体化装置，包括机械框架、微型直流电机、全息散射器件、纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜，其特征是：微型直流电机固定在机械框架上，全息散射器件安装在微型直流电机上；纯相位衍射器件固定在机械框架上并位于全息散射器件的后方，傅里叶变换透镜固定在机械框架上并位于纯相位衍射器件的后方，纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜的光轴与入射光束共轴。

2.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形与消散斑一体化装置，其特征在于：所述机械框架是由前中后三个固定支撑板及连接支柱组成，三个固定支撑板上均设有一个中心开孔，三个中心开孔必须是共轴的，前固定支撑板上除有一个中心开孔外，还有一个偏心开孔，其中心开孔用于通过入射光束，偏心开孔用于安装固定微型直流电机，中间固定支撑板上的中心开孔用于安装固定纯相位衍射器件，后固定支撑板上的中心开孔用于安装固定傅里叶变换透镜。

3.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形与消散斑一体化装置，其特征在于：所述全息散射器件是一个依据光学全息原理设计、在硬质透明光学基底材料上用光学微加工工艺制作的圆片形器件，其表面刻蚀有多种微结构，散射角小于2度。

4.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形与消散斑一体化装置，其特征在于：所述纯相位衍射器件是一个依据光波衍射原理设计、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圆片形器件。

5.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形与消散斑一体化装置，其特征在于：所述微型直流电机的电机轴与机械框架中心轴的夹角小于5度。

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