TW201447385A - 抑制雷射光斑之裝置及方法 - Google Patents

Abstract

一種抑制雷射光斑之裝置及方法，配合一雷射光源使用，該裝置包含有一光導管以及一與該光導管連接之振動件，該光導管包含有一對應於該雷射光源之輸入部、一遠離該雷射光源之輸出部，以及一供該雷射光源輸出之一雷射光束進行全反射傳輸的腔體；該振動件連接於該光導管之輸入部以及該輸出部之間，並以非平行於該光導管軸心的方向對該光導管進行往復振動。透過振動件控制該光導管進行快速且微小的往復振動，破壞該雷射光束之同調性，使雷射光束輸出分佈更加的均勻化，避免光干涉現象而產生的雷射光斑問題。

Description

抑制雷射光斑之裝置及方法

本發明係有關一種雷射裝置，尤指一種抑制雷射光斑之裝置及方法。

隨著環保意識逐漸的抬頭，以雷射光源做為背光源已成為趨勢，雷射光源有不含鉛及汞等環保優勢、容易瞬間點亮、低電壓、快速反應時間及低溫啟動等良好特性，且雷射更具有高指向性同調光，其發光頻譜半高寬(FWHM)不到1奈米，遠窄於LED的50奈米，在色彩的表現上，雷射光源色純度較佳，比LED更加銳利飽滿，隨著紅綠藍(RGB)光三原色的到齊，預期將掀起雷射顯示的熱潮。
雷射光源為良好的同調性光源，其為波長一致、相位一致、單一頻率且導向性佳的高能量光束，當其被應用為背光源時，將會伴隨產生雷射光斑的現象。當以雷射做為光源時，難以避免雷射光在傳遞過程中，空氣裡的塵埃及所照射到的物體表面本身不規則的粗糙度，因為粗糙度，會讓雷射光產生互相干涉的現象，在經過反射到達人眼或是接收器，將會形成光強度隨機分佈的亮暗斑點，亮斑是由建設性干涉所造成、暗斑是由破壞性干涉所造成，這些明暗散亂性的光斑，即是對影像觀賞上的最大缺點。
抑制雷射光斑的方式，其中之一是利用光學擴散片的方式，主要是根據通過一任意分佈的表面，利用表面的粗糙度，破壞雷射光束的波前及空間同調性，光學擴散片的表面呈不規則狀分佈，初始的相位通過光學擴散片後會變成任意的相位分佈，其中如美國專利公開第20070097371號之「LASER SENSING APPARATUS AND METHOD」與美國專利公告第6594090號之「Laser projection display system」，皆闡述一種光學擴散片的應用，來抑制雷射光斑問題。但光學擴散片因其表面粗糙度高，導致雷射光源的光強度通過光學擴散片後會發生大幅衰減的問題。
除此之外，亦可透過微透鏡陣列而達到抑制雷射光斑的問題，微透鏡陣列屬於規則狀分佈，初始的相位通過微透鏡陣列後會呈規則的相位分佈，藉由陣列排列方式的差異，形成較為均勻的散射光。其中如美國專利公開第20120081786號之「LASER SPECKLE REDUCTION ELEMENT」與美國專利第6081381號之「Apparatus and method for reducing spatial coherence and for improving uniformity of a light beam emitted from a coherent light source」，分別闡述微透鏡陣列的應用以抑制雷射光斑，微透鏡陣列的構造及表面粗糙度，因製程的方式不同，沒辦法像光學擴散片一樣粗糙，導致抑制雷射光斑的效果不如光學擴散片。且其架構亦較為複雜，亦須付出較高之製作成本。因此如何採用較為簡便且低成本的裝置與方法，來抑制雷射光斑，仍是當前急需努力的議題。

本發明之主要目的，在於解決光學擴散片造成雷射光強度衰減嚴重的問題，並解決習知抑制雷射光斑裝置結構複雜的缺點。
為達上述目的，本發明提供一種抑制雷射光斑之裝置，其係配合一雷射光源使用，該抑制雷射光斑之裝置包含有一光導管以及一與該光導管連接之振動件。該光導管包含有一對應於該雷射光源之輸入部、一遠離該雷射光源之輸出部，以及一供該雷射光源輸出之一雷射光束進行全反射傳輸的腔體；該振動件連接於該光導管之輸入部以及該輸出部之間，並以非平行於該光導管軸心的方向對該光導管進行往復振動。
除此之外，本發明亦揭露一種抑制雷射光斑之方法，其係配合一雷射光源使用，包含有以下步驟：
S1：將一光導管之一輸入部對應至該雷射光源，使該雷射光源產生之一雷射光束耦合至該光導管中；
S2：該雷射光束於該光導管之腔體內進行全反射，並往該光導管遠離該輸入部之一側移動；
S3：藉由一與該光導管連接之振動件對該光導管產生振動，且該振動件係以非平行於該光導管軸心的方向對該光導管進行往復振動；以及
S4：於該光導管遠離該輸入部之一輸出部取得一均勻化雷射光束。
據此，本發明具有下列特點：
一、利用光導管與振動件之搭配設置，使進入該光導管之雷射光束在以非固定路徑進行全反射，達到破壞雷射光束之同調性之效果。
二、僅利用光導管與振動件便可解決雷射光斑之問題，具有結構簡單、成本低廉之優點。

10．．．雷射光源

20．．．光導管

21．．．輸入部

22．．．輸出部

23．．．腔體

231．．．光傳輸介質體

232．．．包覆層

30．．．振動件

40．．．光耦合件

61．．．第一實驗組曲線

62．．．第二實驗組曲線

圖1，為本發明第一實施例之結構示意圖。
圖2，為本發明第二實施例之結構示意圖。
圖3，為本發明之腔體剖面示意圖。
圖4，為本發明之步驟流程示意圖。
圖5，為本發明之雷射光斑變化曲線示意圖。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖示說明如下：
請參閱「圖1」所示，本發明係為一種抑制雷射光斑之裝置，其係配合一雷射光源10使用，該抑制雷射光斑之裝置包含有一光導管20以及一與該光導管20連接之振動件30。該光導管20包含有一對應於該雷射光源10之輸入部21、一遠離該雷射光源10之輸出部22，以及一供該雷射光源10輸出之一雷射光束進行全反射傳輸的腔體23；該振動件30連接於該光導管20之輸入部21以及該輸出部22之間，並以非平行於該光導管20軸心的方向對該光導管20進行往復振動。其中，該振動件30的振動頻率不小於10Hz，且該振動件30的振動幅度不小於0.1釐米。其係由於人眼的分辨極限角為一分，當物體對人眼的視角小於一分時，人對物體的細節就不能分辨了，看起來就是一點，這時物體在視網膜上的像剛好是一個感光細胞的大小，人眼的明視距離為25mm，因此人眼可分辨明視距最小線距離約為0.1釐米。由上述說明，調整該振動件30的振動頻率使之不小於10Hz之頻率振動、振動幅度不小於0.1mm做振動。
而更進一步的說明，當該振動件30對該光導管20進行振動時，皆需固定輸入部21與輸出部22，以避免影響雷射光束進入輸入部21時的入射位置，而導致輸出部22輸出光源時多餘的光強度損耗。由該雷射光源10產生的雷射光束於該光導管20中的腔體23進行全反射，並且同時，該振動件30對該光導管20進行往復的振動，使該光導管20進行些微的位移，因而改變了雷射光束於該光導管20內的反射角度，使得該雷射光束於該光導管20內的路徑隨著振動而呈現隨機的改變，達到破壞雷射光束同調性的效果。當雷射光束的同調性被破壞後，便不會再產生干涉現象，有效達到抑制雷射光斑的效果。
為了更進一步的加強該雷射光束於該光導管20內全反射的次數，以加強均勻化的效果，請配合參閱「圖2」所示，本發明更可於該雷射光源10與該光導管20之輸入部21之間設置一光耦合件40，以將該雷射光束以更接近該光導管20臨界角的角度射入該光導管20內，又或是增加光導管20的長度，藉此增加該雷射光束於該光導管20內的全反射次數。除此之外，請配合參閱「圖3」所示，該光導管20之腔體23包含有一光傳輸介質體231以及一罩覆於該光傳輸介質體231外的包覆層232，該光傳輸介質體231之材質為複合成分玻璃，而該包覆層232則為軟式不銹鋼材質製成的套管。
除此之外，本發明亦揭露一種抑制雷射光斑之方法，其係配合雷射光源10使用，請配合參閱「圖3」所示，該方法包含有以下步驟：
S1：雷射光束耦合，將光導管20之輸入部21對應至該雷射光源10，使該雷射光源10產生之雷射光束耦合至該光導管20中，除了直接進行雷射光束的耦合之外，亦可將光耦合件40設置於該雷射光源10與該光導管20之間，使該雷射光束經過該光耦合件40後耦合至該光導管20中，藉此增加該雷射光束進入該光導管20之角度；
S2：全反射位移，該雷射光束於該光導管20之腔體23內進行全反射，並往該光導管20遠離該輸入部21之一側移動，若加裝了該光耦合件40，則該雷射光束與該光導管20之軸心方向之間的角度便會增加，因而可增加全反射的次數，亦或是增加光導管20長度，也可使全反射次數增加，藉此達到更加均勻化的目的；
S3：振動控制，藉由與該光導管20連接之振動件30對該光導管20產生振動，且該振動件30係以非平行於該光導管20軸心的方向對該光導管20進行往復振動，其中該振動件30之振動頻率不小於10Hz，且該振動件30之振動幅度不小於0.1釐米；以及
S4：取得均勻化的雷射光束，於該光導管20遠離該輸入部21之一輸出部22取得一均勻化雷射光束。
請再配合參閱「圖5」所示，其係調整該光耦合件40之光擴散角度為23.57度的第一實驗組曲線61以及光擴散角度為40.54度的第二實驗組曲線62，經過光耦合件40後的雷射光束全數耦合至該光導管20中，經過量測，而仍可於該輸出端取得72.55％的雷射光束強度，該光導管20係以400mm長，入射端直徑與輸出端直徑為6mm，並且在該雷射光束輸出後，進行數據的分析比對。於實驗中，控制該振動件30之振動頻率由0至143.5Hz，並且隨著振動頻率的增加，振幅會跟著由0mm增加至0.26mm，比較其雷射光斑對比度的結果，其中，雷射光斑對比度越高，表示雷射光斑的影響越嚴重，如「圖5」所示，光擴散角度較小的第一實驗組曲線61的雷射光斑對比度便大於該第二實驗組曲線62的雷射光斑對比度，其係由於該第二實驗組曲線62的擴散角度較大，而使該雷射光束具有較多次的全反射，而可具有較高的雷射光束同調性破壞能力，取得較均勻化的雷射光束，而減少雷射光斑現象的產生。除此之外，隨著振動頻率的增加，該第一實驗組曲線61及該第二實驗組曲線62的雷射光斑對比度皆有顯著的增加，代表隨著振動頻率的增加，該雷射光束於該光導管20內進行全反射的隨機化程度也跟著振動頻率增加，進而取得較為均勻的抑制光斑能力。並且，當振動頻率大於140 Hz之後，該第一實驗組曲線61與該第二實驗組曲線62的雷射光斑對比度已相當接近，並且變化都趨於平緩，代表振動頻率即使再增加，也不會有太大的變化。並且，透過「圖5」所示，當如該第二實驗組的振動頻率為143.5Hz時，雷射光斑對比度降低至3.46%，有效降低至人眼無法分辨的範圍內，符合使用需求。
綜上所述，本發明具有下列特點：
一、利用光導管與振動件之搭配設置，使進入該光導管之雷射光束在以非固定路徑進行全反射，達到破壞雷射光束之同調性之效果。
二、僅利用光導管與振動件便可解決雷射光斑之問題，具有結構簡單、成本低廉之優點。
三、利用該光耦合件的設置，提高該雷射光束進入該輸入部的角度，而增加該雷射光束於該光導管內的全反射次數，進而提高該雷射光束同調性的破壞能力，增加雷射光束的均勻化。
因此本發明極具進步性及符合申請發明專利之要件，爰依法提出申請，祈鈞局早日賜准專利，實感德便。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明之一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。

10．．．雷射光源

20．．．光導管

21．．．輸入部

22．．．輸出部

23．．．腔體

30．．．振動件

Claims (9)

1. 一種抑制雷射光斑之裝置，其係配合一雷射光源使用，該抑制雷射光斑之裝置包含有：
   一光導管，包含有一對應於該雷射光源之輸入部、一遠離該雷射光源之輸出部，以及一供該雷射光源輸出之一雷射光束進行全反射傳輸的腔體；以及
   一與該光導管連接之振動件，該振動件連接於該光導管之輸入部以及該輸出部之間，並以非平行於該光導管軸心的方向對該光導管進行往復振動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之抑制雷射光斑之裝置，其中該振動件的振動頻率不小於10Hz，且該振動件的振動幅度不小於0.1釐米。
3. 如申請專利範圍第1項所述之抑制雷射光斑之裝置，其中更具有一將該雷射光束進行耦合的光耦合件，該光耦合件設置於該雷射光源與該光導管之輸入部之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之抑制雷射光斑之裝置，其中該腔體包含有一光傳輸介質體以及一罩覆於該光傳輸介質體外的包覆層。
5. 如申請專利範圍第4項所述之抑制雷射光斑之裝置，其中該光傳輸介質體之材質為複合成分玻璃，該包覆層為軟式不銹鋼材質製成的套管。
6. 一種抑制雷射光斑之方法，其係配合一雷射光源使用，包含有以下步驟：
   S1：將一光導管之一輸入部對應至該雷射光源，使該雷射光源產生之一雷射光束耦合至該光導管中；
   S2：該雷射光束於該光導管之腔體內進行全反射，並往該光導管遠離該輸入部之一側移動；
   S3：藉由一與該光導管連接之振動件對該光導管產生振動，且該振動件係以非平行於該光導管軸心的方向對該光導管進行往復振動；以及
   S4：於該光導管遠離該輸入部之一輸出部取得一均勻化雷射光束。
7. 如申請專利範圍第6項所述之抑制雷射光斑之方法，其中於步驟S3中，該振動件之振動幅度不小於0.1釐米。
8. 如申請專利範圍第6項所述之抑制雷射光斑之方法，其中該振動件之振動頻率不小於10Hz。
9. 如申請專利範圍第6項所述之抑制雷射光斑之方法，其中於步驟S1中，係將一光耦合件設置於該雷射光源與該光導管之間，使該雷射光束經過該光耦合件後耦合至該光導管中。