專利名稱：基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以相干光為光源的顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于米氏散射及微擾 (一般指微弱振動(dòng))驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置，主要針對(duì)激光顯示技術(shù)及光學(xué)儀器中存在的光學(xué) 散斑現(xiàn)象。
背景技術(shù)：
以激光為光源照射屏幕時(shí)，由于激光的相干性及屏幕的粗糙，導(dǎo)致人眼看到被散 斑覆蓋的圖像，嚴(yán)重影響圖像顯示質(zhì)量，阻礙觀察者從圖像中提取有用信息。因此，如何消 除散斑一直是以激光為光源的光學(xué)儀器領(lǐng)域和顯示技術(shù)領(lǐng)域中的研發(fā)熱點(diǎn)。而就目前的研 究結(jié)果來(lái)看，為消除散斑所用的方法大致可以分為兩大類一、通過(guò)控制激光光源的時(shí)間相 干性來(lái)降低散斑，其原理是通過(guò)調(diào)整激光波長(zhǎng)(或者頻率)及多波長(zhǎng)光源產(chǎn)生沸騰散斑，目 前通過(guò)控制激光時(shí)間相干性成功消除光斑達(dá)到實(shí)用要求的技術(shù)方案基本上以多光源疊加 為主；二、通過(guò)控制激光光束空間相干性消除散斑，是目前消除散斑的主要方法，基本原理 是調(diào)整激光光束中基元光波的相位分布，從而改變散斑的空間分布，將多個(gè)散斑圖像在人 眼積分時(shí)間內(nèi)相疊加，得到一個(gè)光能分布均勻的圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消除散斑的目的。具體的方 法有采用旋轉(zhuǎn)散射體、振動(dòng)屏幕、振動(dòng)具有Hadamard圖形散射體、高頻振動(dòng)光纖等。上述 方法，或要借助機(jī)械振動(dòng)，甚至需要高頻或大幅振動(dòng)，或要集成多光源，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損 壞、成本高，更主要的是散斑消除效果不佳。也有未借助機(jī)械振動(dòng)的技術(shù)方案，例如專利號(hào)為200820122639. 7的中國(guó)專利公 開了“一種基于散射的消相干勻場(chǎng)裝置”，要求使用含有直徑必須小于入射光波長(zhǎng)十分之一 的顆粒的散射介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射激光形成瑞利散射。專利中利用無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)醇水溶液 (如NaCl、KCl、KNO3或SiSO4水溶液)作為散射介質(zhì)，基于無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)醇水溶液的存在形 式是水合離子或大分子，相對(duì)于激光波長(zhǎng)小很多，會(huì)對(duì)入射激光形成瑞利散射，以此實(shí)現(xiàn)入 射激光分束，并在光導(dǎo)管內(nèi)傳導(dǎo)，以期降低入射激光的相干性來(lái)消除散斑，同時(shí)利用光導(dǎo)管 的混光作用，將上述分束光進(jìn)行勻化來(lái)勻場(chǎng)消相干。但按該申請(qǐng)所述技術(shù)方法進(jìn)行試驗(yàn)，在 室溫下，利用長(zhǎng)度為50mm、充滿飽和NaCl水溶液的光導(dǎo)管消除散斑，結(jié)果如圖1所示，其散 斑對(duì)比度為70%，幾乎沒(méi)有起到降低散斑的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有散斑消除方法存在的消除散斑效果不佳、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易 損壞、成本高等問(wèn)題，提供了一種基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置， 包括其上設(shè)有入射光耦合裝置和透射出射面的光學(xué)反射腔、用于實(shí)現(xiàn)激光入射光學(xué)反射腔 的光學(xué)器件，光學(xué)器件正對(duì)光學(xué)反射腔的入射光耦合裝置設(shè)置；光學(xué)反射腔除透射出射面 內(nèi)壁之外的內(nèi)壁皆為“鏡面”內(nèi)壁(即內(nèi)壁具有高反射率特性，能“全反射”入射于光學(xué)反射 腔內(nèi)的激光光束)，光學(xué)反射腔內(nèi)設(shè)有填滿整個(gè)光學(xué)反射腔的透明物質(zhì)，且透明物質(zhì)內(nèi)散布有其線度能引起入射激光發(fā)生米氏散射的介質(zhì)粒子；光學(xué)反射腔和光學(xué)器件分別或僅其一 配設(shè)有用于敏感外界微擾、并隨動(dòng)改變光束入射光學(xué)反射腔入射光耦合裝置時(shí)的入射狀態(tài) (包括入射角度、入射位置、入射光程等)的微擾敏感裝置。所述外界微擾可以是環(huán)境微擾 (如系統(tǒng)中的散熱風(fēng)扇)，或者由專用設(shè)置的微擾產(chǎn)生裝置(如壓電微震微擾設(shè)備)提供。所述微擾敏感裝置可以采用多種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很容易 的，例如采用懸臂梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、或者微彈簧等；所述光學(xué)器件可以采用反射鏡、掃描微鏡、或者光學(xué)透鏡；所述透明物質(zhì)為對(duì)入射激光無(wú)透射損失的透明固態(tài)物質(zhì)，如高分子凝膠；或者為溶 液或溶膠，所述溶液為有機(jī)溶液或無(wú)機(jī)溶液；所述溶膠為氣溶膠或液溶膠。應(yīng)用時(shí)，如圖4所示，由激光光源發(fā)射的激光光束經(jīng)光學(xué)反射腔上的入射光耦合 裝置入射到光學(xué)反射腔內(nèi)的透明物質(zhì)中，與透明物質(zhì)中散布的介質(zhì)粒子作用發(fā)生米氏散射 (如圖3所示，當(dāng)入射激光101照射介質(zhì)粒子402發(fā)生米氏散射時(shí)，入射激光101散射后的散 射光光強(qiáng)分布于一個(gè)很寬的角度范圍內(nèi)，主要集中于前向散射光104、105、106，一般占總散 射90%以上；后向散射光102只占很小部分，通常小于10% ；沿入射激光前進(jìn)方向的散射光 105光強(qiáng)最強(qiáng)，垂直方向的散射光103、107最弱，因此入射激光經(jīng)介質(zhì)粒子402散射后，分 束成多個(gè)強(qiáng)度不等的散射光，同時(shí)散射光的散射角分布擴(kuò)大)，分束成多個(gè)強(qiáng)度不等的散射 光，或經(jīng)光學(xué)反射腔內(nèi)壁反射，或再次與透明物質(zhì)中散布的介質(zhì)粒子作用發(fā)生米氏散射，散 射光分束為更多的散射光，經(jīng)多次米氏散射后，由光學(xué)反射腔的透射出射面出射；由于微擾 敏感裝置的設(shè)置，使得光學(xué)反射腔和光學(xué)器件能敏感到外界微擾并發(fā)生隨動(dòng)，進(jìn)而引起光 束入射光學(xué)反射腔時(shí)入射狀態(tài)(包括入射角度、入射位置、入射光程等)的連續(xù)改變，使得各 時(shí)刻入射激光的散射光會(huì)隨機(jī)改變?cè)谕该魑镔|(zhì)中傳播方向和路徑，最終在光學(xué)反射腔出射 面出射的散射光的相位分布、散射角分布隨機(jī)變化。而不同時(shí)刻的出射散射光具有不同的 相位分布、散射角分布，經(jīng)投影后，分別會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)散斑圖像；在人眼積分時(shí)間(50ms) 內(nèi)，多個(gè)散斑圖像相疊加，會(huì)得到一個(gè)光能分布均勻的圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了消除散斑現(xiàn)象的目 的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用內(nèi)置透明物質(zhì)的光學(xué)反射腔，在光學(xué)反射腔內(nèi)以透 明物質(zhì)中散布的介質(zhì)粒子引起入射激光發(fā)生米氏散射，進(jìn)行散射分束，并設(shè)置微擾敏感裝 置，使外界微擾能引起光束入射光學(xué)反射腔時(shí)入射狀態(tài)的連續(xù)改變，隨機(jī)改變散射光束在 光學(xué)反射腔中的傳播方向和路徑，降低入射激光空間相干性，使得光學(xué)反射腔出射面在不 同時(shí)間以不同的相位分布和散射角分布出射入射激光的散射光；從而改變投影后產(chǎn)生散斑 的空間分布，使多個(gè)散斑圖像在人眼積分時(shí)間內(nèi)相疊加，得到一個(gè)光能分布均勻的圖像，進(jìn) 而有效消除散斑。且經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，應(yīng)用本發(fā)明所述裝置后，圖像的散斑對(duì)比度可低于4%，如 圖5所示，圖像的散斑對(duì)比度為3. 98%，散斑消除效果極好；其中，外界產(chǎn)生的微米級(jí)擾動(dòng)即 能觸發(fā)微擾敏感裝置，例如普通投影機(jī)風(fēng)扇的震動(dòng)即可滿足觸發(fā)微擾敏感裝置所需的擾 動(dòng)幅度及頻率要求；并可以通過(guò)提高外界微擾強(qiáng)度、透明物質(zhì)中介質(zhì)粒子的濃度來(lái)提高散 斑消除效果；本發(fā)明于光學(xué)反射腔中對(duì)入射激光進(jìn)行“全反射”，入射激光的總體光能損失 甚微，保證了激光的高利用率，并在“全反射”過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了勻光目的；此外，本發(fā)明所用光 學(xué)反射腔結(jié)構(gòu)極為普通，且透明物質(zhì)也無(wú)須選擇特殊材料，具有低造價(jià)的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、緊湊，易實(shí)現(xiàn)，造價(jià)低，散斑消除效果好，激光利用率高，性能穩(wěn)定，安全可靠，并具有勻光功能。


圖1為利用一現(xiàn)有技術(shù)消除散斑獲得的測(cè)試結(jié)果圖； 圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為米氏散射的光強(qiáng)角分布圖； 圖4為本發(fā)明所述裝置內(nèi)光束的傳輸狀態(tài)示意圖； 圖5為利用本發(fā)明所述裝置消除散斑獲得的測(cè)試結(jié)果圖； 圖6為本發(fā)明所述裝置在點(diǎn)掃描顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖； 圖7為本發(fā)明所述裝置在全幀顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖； 圖中:101-入射激光；102、103、104、105、106、107-散射光；300-散斑消除裝置；301-入射光耦合裝置；302-光學(xué)反射腔；303-透射出射面； 304-入射光孔；305、306、307_散斑消除裝置；308-光學(xué)器件； 401-溶液或溶膠；402-介質(zhì)粒子； 501,502,503-激光器；504,505,506-鏡子； 601、602、603_ 信號(hào)源；700-透鏡；701-中繼透鏡；702-光調(diào)制器DLP ；703-TIR棱鏡；704-中繼透鏡； 705-TIR棱鏡；706-光調(diào)制器DLP ；707-中繼透鏡；708-平面鏡；709-TIR棱鏡；710-光調(diào) 制器DLP ；711-棱鏡；712-微掃描鏡； 800-屏幕。
具體實(shí)施例方式如圖2所示，基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置，包括其上設(shè)有入射光耦 合裝置301和透射出射面303的光學(xué)反射腔302、用于實(shí)現(xiàn)激光入射光學(xué)反射腔302的光學(xué) 器件308，光學(xué)器件308正對(duì)光學(xué)反射腔302的入射光耦合裝置301設(shè)置；光學(xué)反射腔302 除透射出射面303內(nèi)壁之外的內(nèi)壁皆為“鏡面”內(nèi)壁(即內(nèi)壁具有高反射率特性，能“全反 射”入射于光學(xué)反射腔302內(nèi)的激光光束)，光學(xué)反射腔302內(nèi)設(shè)有填滿整個(gè)光學(xué)反射腔302 的透明物質(zhì)401，且透明物質(zhì)401內(nèi)散布有其線度能引起入射激光發(fā)生米氏散射的介質(zhì)粒 子402 ；光學(xué)反射腔302和光學(xué)器件308分別或僅其一配設(shè)有用于敏感外界微擾、并隨動(dòng)改 變光束入射光學(xué)反射腔302入射光耦合裝置301時(shí)的入射狀態(tài)(包括入射角度、入射位置、 入射光程等)的微擾敏感裝置(附圖中未專門畫出)。所述微擾敏感裝置可以采用多種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很容易 的，例如采用懸臂梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、或者微彈簧等；所述光學(xué)器件308可以采用反射鏡、掃描微鏡、或者光學(xué)透鏡； 所述透明物質(zhì)402為對(duì)入射激光無(wú)透射損失的透明固態(tài)物質(zhì)，如高分子凝膠；或者為 溶液或溶膠，所述溶液為有機(jī)溶液或無(wú)機(jī)溶液；所述溶膠為氣溶膠或液溶膠；具體實(shí)施時(shí)，所述介質(zhì)粒子402可以采用聚苯乙烯微球、二氧化鈦粒子(TiO2)等介質(zhì)粒 子；所述光學(xué)反射腔302多選用金屬、平面鏡、透明塑料或玻璃加工制作，且其形狀無(wú)需特 別限定，一般多采用管狀腔體；光學(xué)反射腔302的透射出射面303表面多選用透明塑料或玻璃加工制作，且多為矩形平面或圓形平面，且表面設(shè)有與入射激光波段匹配的增透膜；所述光學(xué)反射腔302上的入射光耦合裝置301可以按如下結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)采用透射入射面， 并在表面設(shè)有與入射光束波段匹配的增透膜；或者采用入射光孔結(jié)構(gòu)，如光學(xué)反射腔302 內(nèi)透明物質(zhì)401為溶液或溶膠，則需要在入射光孔304上配設(shè)光學(xué)耦合元件(如透鏡)，以 便形成封閉式光學(xué)反射腔。本發(fā)明所述散斑消除裝置能應(yīng)用于激光投影顯示技術(shù)中，例如如圖6所示，應(yīng)用 于點(diǎn)掃描投影Ouster-Scanned Displays)系統(tǒng)，信號(hào)源601、602、603根據(jù)二維圖像上每 個(gè)像素的信息分別調(diào)制三基色激光器501、502、503輸出功率；三個(gè)入射激光通過(guò)鏡子504、 505,506耦合入射本發(fā)明所述散斑消除裝置300，經(jīng)調(diào)制后于出射面導(dǎo)出，通過(guò)透鏡700和 微掃描鏡Gcan Mirror) 701投影到屏幕800。在電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，微掃描鏡701根據(jù)二維 圖像逐像素掃描到屏幕上。本應(yīng)用實(shí)例適用于點(diǎn)掃描的激光投影儀和激光電視顯示。如圖7所示，應(yīng)用于全幀顯示投影(Full-Frame Displays)系統(tǒng)，三基色激光器 501、502、503輸出恒定功率激光光束，分別耦合導(dǎo)入本發(fā)明所述散斑消除裝置305、306、 307 ；經(jīng)調(diào)制后，由中繼透鏡701、704、707，平面鏡708及TIR棱鏡703、705、709匯聚到光調(diào) 制器DLP 702,706,710 ；光調(diào)制器DLP 702、706、710根據(jù)每幀2維圖像信息調(diào)制生成單色 圖像；三基色圖像經(jīng)棱鏡711融和，由透鏡700投影至屏幕800。本應(yīng)用實(shí)例適用于基于 DMD、LCOS等光調(diào)制器件的激光投影儀和激光電視顯示。
權(quán)利要求
1.一種基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置，其特征在于包括其上設(shè)有入射光 耦合裝置(301)和透射出射面(303)的光學(xué)反射腔(302)、用于實(shí)現(xiàn)激光入射光學(xué)反射腔 (302)的光學(xué)器件(308)，光學(xué)器件(308)正對(duì)光學(xué)反射腔(302)的入射光耦合裝置(301) 設(shè)置；光學(xué)反射腔(302)除透射出射面(303)內(nèi)壁之外的內(nèi)壁皆為“鏡面”內(nèi)壁，光學(xué)反射腔 (302)內(nèi)設(shè)有填滿整個(gè)光學(xué)反射腔(302)的透明物質(zhì)(401)，且透明物質(zhì)(401)內(nèi)散布有其 線度能引起入射激光發(fā)生米氏散射的介質(zhì)粒子(402)；光學(xué)反射腔(302)和光學(xué)器件(308) 分別或僅其一配設(shè)有用于敏感外界微擾、并隨動(dòng)改變光束入射光學(xué)反射腔(302)入射光耦 合裝置(301)時(shí)的入射狀態(tài)的微擾敏感裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置，其特征在于所 述光學(xué)器件(308 )采用反射鏡、或者掃描微鏡、或者光學(xué)透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置，其特征在于所 述透明物質(zhì)(401)為對(duì)入射激光無(wú)透射損失的透明固態(tài)物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置，其特征在于所 述透明物質(zhì)(401)為溶液或溶膠，所述溶液為有機(jī)溶液或無(wú)機(jī)溶液；所述溶膠為氣溶膠或 液溶膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置，其特征在于所 述介質(zhì)粒子(402 )采用聚苯乙烯微球、或者二氧化鈦粒子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置，其特征在于光 學(xué)反射腔(302)的透射出射面(303)表面設(shè)有與入射激光波段匹配的增透膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及以相干光為光源的顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于米氏散射及微擾驅(qū)動(dòng)的散斑消除裝置，解決了現(xiàn)有散斑消除方法存在的消除散斑效果不佳、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損壞、成本高等問(wèn)題，包括其上設(shè)有入射光耦合裝置和透射出射面的光學(xué)反射腔、光學(xué)器件，光學(xué)器件正對(duì)光學(xué)反射腔的入射光耦合裝置設(shè)置；光學(xué)反射腔除透射出射面內(nèi)壁之外的內(nèi)壁皆為“鏡面”內(nèi)壁，光學(xué)反射腔內(nèi)設(shè)有填滿整個(gè)光學(xué)反射腔的透明物質(zhì)，且透明物質(zhì)內(nèi)散布有其線度能引起入射激光發(fā)生米氏散射的介質(zhì)粒子；光學(xué)反射腔和光學(xué)器件分別或僅其一配設(shè)有微擾敏感裝置。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、緊湊，易實(shí)現(xiàn)，造價(jià)低，散斑消除效果好，激光利用率高，性能穩(wěn)定，安全可靠，并具有勻光功能。
文檔編號(hào)G02B27/48GK102053383SQ201110031520
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2011年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月29日
發(fā)明者徐美芳, 石云波, 陳旭遠(yuǎn), 高文宏 申請(qǐng)人:中北大學(xué)