CN202075496U - 基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置 - Google Patents

基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置 Download PDF

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陈旭远
高文宏
石云波
唐国先
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本实用新型涉及以相干光为光源的显示技术领域，具体是一种基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置，解决了现有散斑消除方法存在的消除散斑效果不佳、实现结构复杂、易损坏、成本高等问题，基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置，包括其上设有入射光耦合装置和透射出射面的封闭式光学反射腔，封闭式光学反射腔除透射出射面内壁之外的内壁皆为“镜面”内壁，封闭式光学反射腔内填有充满整个封闭式光学反射腔的溶液或溶胶，且溶液或溶胶内散布有其线度能引起入射激光发生米氏散射的介质粒子。本实用新型结构合理、紧凑，易实现，造价低，散斑消除效果好，激光利用率高，性能稳定，安全可靠，并具有匀光功能。

Description

基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置
技术领域
本实用新型涉及以相干光为光源的显示技术领域，具体是一种基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置，主要针对激光显示技术及光学仪器中存在的光学散斑现象。 
背景技术
以激光为光源照射屏幕时，由于激光的相干性及屏幕的粗糙，导致人眼看到被散斑覆盖的图像，严重影响图像显示质量，阻碍观察者从图像中提取有用信息。因此，如何消除散斑一直是以激光为光源的光学仪器领域和显示技术领域中的研发热点。而就目前的研究结果来看，为消除散斑所用的方法大致可以分为两大类：一、通过控制激光光源的时间相干性来降低散斑，其原理是通过调整激光波长(或者频率)及多波长光源产生沸腾散斑，目前通过控制激光时间相干性成功消除光斑达到实用要求的技术方案基本上以多光源叠加为主；二、通过控制激光光束空间相干性消除散斑，是目前消除散斑的主要方法，基本原理是调整激光光束中基元光波的相位分布，从而改变散斑的空间分布，将多个散斑图像在人眼积分时间内相叠加，得到一个光能分布均匀的图像，进而实现消除散斑的目的。具体的方法有：采用旋转散射体、振动屏幕、振动具有Hadamard图形散射体、高频振动光纤等。上述方法，或要借助机械振动，甚至需要高频或大幅振动，或要集成多光源，实现结构复杂、易损坏、成本高，更主要的是散斑消除效果不佳。 
也有未借助机械振动的技术方案，例如：专利号为200820122639.7的中国专利公开了“一种基于散射的消相干匀场装置”，要求使用含有直径必须小于入射光波长十分之一的颗粒的散射介质，以实现对入射激光形成瑞利散射。专利中利用无机盐或有机醇水溶液(如NaCl、KCl、KNO3或ZnSO4水溶液)作为散射介质，基于无机盐或有机醇水溶液的存在形式是水合离子或大分子，相对于激光波长小很多，会对入射激光形成瑞利散射，以此实现入射激光分束，并在光导管内传导，以期降低入射激光的相干性来消除散斑，同时利用光导管的混光作用，将上述分束光进行匀化来匀场消相干。但按该申请所述技术方法进行试验，在室温下，利用长度为50mm、充满饱和NaCl水溶液的光导管消除散斑，结果的散斑对比度为70%，几乎没有起到降低散斑的作用。 
发明内容
本实用新型为了解决现有散斑消除方法存在的消除散斑效果不佳、实现结构复杂、易损坏、成本高等问题，提供了一种基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置。 
本实用新型是采用如下技术方案实现的：基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置，包括其上设有入射光耦合装置和透射出射面的封闭式光学反射腔，封闭式光学反射腔除透射出射面内壁之外的内壁皆为“镜面”内壁（即内壁具有高反射率特性，能“全反射”入射于光学反射腔内的激光光束），封闭式光学反射腔内填有充满整个封闭式光学反射腔的溶液或溶胶，且溶液或溶胶内散布有其线度能引起入射激光发生米氏散射的介质粒子。 
应用时，如图3所示，由激光光源发射的激光光束经光学反射腔上的入射光耦合装置入射到光学反射腔内的溶液或溶胶中，与溶液或溶胶中散布的介质粒子作用发生米氏散射（如图2所示，当入射激光101照射介质粒子402发生米氏散射时，入射激光101散射后的散射光光强分布于一个很宽的角度范围内，主要集中于前向散射光104、105、106，一般占总散射90%以上；后向散射光102只占很小部分，通常小于10%；沿入射激光前进方向的散射光105光强最强，垂直方向的散射光103、107最弱，因此入射激光经介质粒子402散射后，分束成多个强度不等的散射光，同时散射光的散射角分布扩大），分束成多个强度不等的散射光，或经光学反射腔内壁反射，或再次与溶液或溶胶中散布的介质粒子作用发生米氏散射，散射光分束为更多的散射光，经多次米氏散射后，由光学反射腔的透射出射面出射；由于溶液或溶胶中介质粒子一直在做无规律的布朗运动，入射激光会与溶液或溶胶中运动的介质粒子随机作用发生米氏散射，使得各时刻入射激光的散射光会随机改变在溶液或溶胶中传播方向和路径，最终在光学反射腔出射面出射的散射光的相位分布、散射角分布随机变化。而不同时刻的出射散射光具有不同的相位分布、散射角分布，经投影后，分别会对应产生一个散斑图像；在人眼积分时间（50ms）内，多个散斑图像相叠加，会得到一个光能分布均匀的图像，进而实现了消除散斑现象的目的。 
与现有技术相比，本实用新型设置充满溶液或溶胶的光学反射腔，在光学反射腔内以溶液或溶胶中散布的介质粒子引起入射激光发生米氏散射，进行散射分束，并基于介质粒子在溶液或溶胶内的无规则布朗运动，随机改变散射光束在光学反射腔中的传播方向和路径，使得光学反射腔出射面在不同时间以不同的相位分布和散射角分布出射入射激光的散射光；从而改变投影后产生散斑的空间分布，使多个散斑图像在人眼积分时间内相叠加，得到一个光能分布均匀的图像，进而有效消除散斑。且经试验测试，应用本实用新型所述装置后，图像的散斑对比度可低于4%，图像的散斑对比度已低至2.78%，散斑消除效果极好；并可以通过提高溶液或溶胶的温度、溶液或溶胶中的介质粒子浓度来提高散斑消除效果；而且本实用新型依据的溶液或溶胶中介质粒子的无规则布朗运动属于自发性运动现象，无需外界能量的驱动，使得本实用新型所述装置的整体结构处于静止状态，相比于现有技术更具优势；本实用新型于光学反射腔中对入射激光进行“全反射”，入射激光的总体光能损失甚微，保证了激光的高利用率，并在“全反射”过程中实现了匀光目的；此外，本实用新型所用光学反射腔结构极为普通，且溶液、溶胶也无须选择特殊材料，具有低造价的优势。 
本实用新型结构合理、紧凑，易实现，造价低，散斑消除效果好，激光利用率高，性能稳定，安全可靠，并具有匀光功能。 
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图； 
图2为米氏散射的光强角分布图；
图3为本实用新型所述装置内光束的传输状态示意图；
图4为本实用新型所述装置在点扫描显示系统中的应用示意图；
图5为本实用新型所述装置在全帧显示系统中的应用示意图；
图中：101-入射激光；102、103、104、105、106、107-散射光；
300-散斑消除装置；301-入射光耦合装置；302-封闭式光学反射腔；303-透射出射面；304-入射光孔；305、306、307-散斑消除装置；
401-溶液或溶胶；402-介质粒子；
501、502、503-激光器；
601、602、603-信号源；
700-透镜；701-中继透镜；702-光调制器DLP；703-TIR棱镜； 704-中继透镜；705-TIR棱镜；706-光调制器DLP；707-中继透镜；708-平面镜；709-TIR棱镜；710-光调制器DLP；711-棱镜；712-微扫描镜；
800-屏幕。
具体实施方式
如图1所示，基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置，包括其上设有入射光耦合装置301和透射出射面303的封闭式光学反射腔302，封闭式光学反射腔302除透射出射面303内壁之外的内壁皆为“镜面”内壁（即内壁具有高反射率特性，能“全反射”入射于光学反射腔内的激光光束），封闭式光学反射腔302内填有充满整个封闭式光学反射腔302的溶液或溶胶401，且溶液或溶胶401内散布有其线度能引起入射激光101发生米氏散射的介质粒子402。 
具体实施时，所述溶液为有机溶液或无机溶液；所述溶胶为气溶胶或液溶胶；所述介质粒子402可以采用聚苯乙烯微球、二氧化钛粒子（TiO2）等介质粒子；所述封闭式光学反射腔302多选用金属、平面镜、透明塑料或玻璃加工制作，且其形状无需特别限定，一般多采用管状腔体；封闭式光学反射腔302的透射出射面303表面多选用透明塑料或玻璃加工制作，且多为矩形平面或圆形平面，且表面设有与入射激光101波段匹配的增透膜； 
所述封闭式光学反射腔302上的入射光耦合装置301可以按如下结构实现：采用透射入射面，并在表面设有与入射激光101波段匹配的增透膜；或者采用入射光孔结构，并在入射光孔304上配设有光学耦合元件，如：透镜。
本实用新型所述散斑消除装置能应用于激光投影显示技术中，例如：如图4所示，应用于点扫描投影(Raster-Scanned Displays)系统，信号源601、602、603根据二维图像上每个像素的信息分别调制三基色激光器501、502、503输出功率；三个入射激光同时耦合入射本实用新型所述散斑消除装置300，经调制后于出射面导出，通过透镜700和微扫描镜(Scan Mirror)712投影到屏幕800。在电信号的驱动下，微扫描镜712根据二维图像逐像素扫描到屏幕上。本应用实例适用于点扫描的激光投影仪和激光电视显示。 
如图5所示，应用于全帧显示投影(Full-Frame Displays)系统，三基色激光器501、502、503输出恒定功率激光光束，分别耦合导入本实用新型所述散斑消除装置305、306、307；经调制后，由中继透镜701、704、707，平面镜708及TIR棱镜703、705、709汇聚到光调制器DLP 702、706、710；光调制器DLP 702、706、710根据每帧2维图像信息调制生成单色图像；三基色图像经棱镜711融和，由透镜700投影至屏幕800。本应用实例适用于基于DMD、LCOS 等光调制器件的激光投影仪和激光电视显示。 

Claims (5)

1.一种基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置，其特征在于：包括其上设有入射光耦合装置（301）和透射出射面（303）的封闭式光学反射腔（302），封闭式光学反射腔（302）除透射出射面（303）内壁之外的内壁皆为“镜面”内壁，封闭式光学反射腔（302）内填有充满整个封闭式光学反射腔（302）的溶液或溶胶（401），且溶液或溶胶（401）内散布有其线度能引起入射激光（101）发生米氏散射的介质粒子（402）。
2.根据权利要求1所述的基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置，其特征在于：所述溶液为有机溶液或无机溶液。
3.根据权利要求1所述的基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置，其特征在于：所述溶胶为气溶胶或液溶胶。
4.根据权利要求1所述的基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置，其特征在于：所述介质粒子（402）采用聚苯乙烯微球、或者二氧化钛粒子。
5.根据权利要求1所述的基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置，其特征在于：封闭式光学反射腔（302）的透射出射面（303）表面设有与入射激光（101）波段匹配的增透膜。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012100640A1 (zh) * 2011-01-29 2012-08-02 中北大学 基于米氏散射及布朗运动的散斑消除装置
CN108508626A (zh) * 2018-03-16 2018-09-07 山西大学 一种运动散射颗粒的静态散射片及消散斑方法

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