專(zhuān)利名稱(chēng)：激光光束勻光整形消散斑裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于激光投影顯示和激光照明、能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光光束勻光整形消散斑的裝置，屬于激光顯示和照明領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光具有亮度高、單色性(相干性)與方向性好等特點(diǎn)，在科學(xué)研究、工程技術(shù)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要和廣泛的應(yīng)用；激光投影顯示和紅外激光夜視是其中的兩個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。激光投影顯示采用激光器替代現(xiàn)有投影顯示系統(tǒng)中的傳統(tǒng)光源(如超高壓汞燈等)，具有亮度高、色域范圍大、色純度與飽和度高等優(yōu)點(diǎn)，目前有關(guān)激光投影顯示技術(shù)的研究方興未艾，許多發(fā)達(dá)國(guó)家的研究單位和大型公司都在大力研發(fā)激光投影顯示技術(shù)和裝置。采用紅外激光作為主動(dòng)照明光源的紅外激光夜視技術(shù)在軍事、公安和安防等方面具有重要應(yīng)用。激光投影顯示和主動(dòng)照明紅外激光夜視都需要均勻化的激光束照明，為實(shí)現(xiàn)均勻化激光照明，需要解決兩大難題(一)是激光光束的勻光整形，就是把激光器出射的單模或多模高斯光束轉(zhuǎn)換成特定形狀(如矩形或方形等)且強(qiáng)度盡量均勻的光束；(二)是盡量減少或消除因激光高單色性(相干性)由干涉和衍射形成的散斑和條紋。目前用于普通光源的光束勻光整形方法與裝置是基于光線反射或折射原理的，主要有積分棒和透鏡陣列兩大類(lèi)。目前市場(chǎng)上的投影儀和背投電視中大都采用這兩種方法及相應(yīng)裝置?；谕瑯拥脑?，通過(guò)設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)，有些研究單位或公司提出了用于激光光束勻光整形的方法和裝置，如中國(guó)專(zhuān)利CN1658054A公開(kāi)的《激光勻光器》、中國(guó)專(zhuān)利 CN201287242公開(kāi)的《激光光束整形裝置》、中國(guó)專(zhuān)利CN101377557公開(kāi)的《激光勻光消相干裝置》等。從原理上講基于反射或折射原理的方法與裝置對(duì)于激光光束也能起到一定的勻光整形作用，但由于它們對(duì)干涉和衍射效應(yīng)考慮較少，所以當(dāng)用于激光時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定的散斑和背景條紋；且一般來(lái)說(shuō)該類(lèi)裝置的制作工藝復(fù)雜、體積較大，不利于光機(jī)電集成與小型化。激光的相干性好，容易產(chǎn)生散斑和背景條紋，這是采用普通非相干光源時(shí)所沒(méi)有的。有關(guān)降低或消除散斑和背景條紋的原理和方法，文獻(xiàn)中已有多種論述，如采用多波長(zhǎng)激光或脈沖激光疊加等方法以降低時(shí)間相干性，采用激光器陣列、光纖束、旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)散射體、振動(dòng)光纖、振動(dòng)屏幕或超聲光柵等方法以降低空間相干性。中國(guó)專(zhuān)利 CN201340489Y公開(kāi)的《激光消散斑裝置》采用電磁振動(dòng)裝置使光纖束產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)；中國(guó)專(zhuān)利CN201387516Y公開(kāi)號(hào)《一種消散斑裝置及使用該消散斑裝置的激光投影儀》中采用脈沖電源與逆壓電材料體，使環(huán)繞在逆壓電材料體上的光纖束產(chǎn)生無(wú)規(guī)伸縮；中國(guó)專(zhuān)利 CN101425656公開(kāi)的《一種減少激光散斑效應(yīng)的方法》利用壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)及標(biāo)準(zhǔn)具快速改變激光器腔長(zhǎng)，使激光輸出波長(zhǎng)快速變化或躍變，從而達(dá)到降低激光的時(shí)間相干性、降低散斑效應(yīng)的目的。此外，中國(guó)專(zhuān)利CN1727938A公開(kāi)的《激光投影電視照明系統(tǒng)中的光束均勻化裝置》采用衍射光學(xué)器件把擴(kuò)束后的圓形或環(huán)形或橢圓形激光束轉(zhuǎn)換為方形照明光束，經(jīng)過(guò)對(duì)所用衍射光學(xué)器件進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，該裝置在實(shí)現(xiàn)光束整形的同時(shí)具有一定的勻光效果，但由于其中的器件是固定不動(dòng)的，因此難以降低或消除系統(tǒng)中由其它器件所引起的散斑與條紋。純相位衍射光學(xué)器件的設(shè)計(jì)基于光波干涉與衍射原理，其制作可采用光學(xué)微加工等工藝，具有體積小、效率高等特點(diǎn)，非常適合于光機(jī)電集成與小型化，已在許多領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用，如光學(xué)折衍混合成像系統(tǒng)、光學(xué)檢測(cè)、激光加工及激光顯示等領(lǐng)域。近年來(lái)，純相位衍射光學(xué)器件的設(shè)計(jì)理論、算法和制作工藝已比較成熟。當(dāng)把純相位衍射光學(xué)器件用于激光投影顯示或紅外激光夜視的照明系統(tǒng)中時(shí)，就該器件本身來(lái)說(shuō)，可以獲得較好的均勻照明效果，但系統(tǒng)中其它光學(xué)器件上的灰塵、劃痕及前后表面的多次反射，仍然會(huì)造成較為明顯的散斑與背景干涉衍射條紋，這將會(huì)嚴(yán)重影響視頻圖像的成像質(zhì)量(如成像清晰度、 圖像分辨率等)，尤其是當(dāng)采用三基色激光實(shí)現(xiàn)彩色顯示或成像時(shí)，散斑和條紋的存在會(huì)形成無(wú)規(guī)則的顏色閃爍現(xiàn)象，不利于色域管理，造成畫(huà)面色彩失真或變差，還容易造成人眼疲勞。實(shí)現(xiàn)激光光束整形，并盡量降低或消除散斑和背景條紋，一直是激光投影顯示及紅外激光夜視等領(lǐng)域中的技術(shù)難題，也是限制其實(shí)用化的瓶頸之一。若能夠?qū)⒍咭惑w化、 做到結(jié)構(gòu)緊湊小型化，將具有更重要意義和實(shí)用價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有光束勻光整形與消散斑技術(shù)存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、集光束勻光整形與消散斑于一個(gè)器件上、具有保偏功能、能提高光能利用率的激光光束勻光整形消散斑裝置。本實(shí)用新型的激光光束勻光整形消散斑裝置采用以下技術(shù)方案該激光光束勻光整形消散斑裝置，包括機(jī)械框架、勻光整形消散斑器件和傅里葉變換透鏡，勻光整形消散斑器件和傅里葉變換透鏡分別安裝在機(jī)械框架的前部和后部，勻光整形消散斑器件包括純相位衍射器件和電磁振動(dòng)裝置，純相位衍射器件固定在電磁振動(dòng)裝置上。電磁振動(dòng)裝置帶動(dòng)純相位衍射器件做高速振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)勻光整形與消散斑。機(jī)械框架由前后兩個(gè)固定支撐板和支柱組成，后部的固定支撐板上設(shè)有中心開(kāi)孔，中心開(kāi)孔內(nèi)安裝傅里葉變換透鏡，勻光整形消散斑器件固定連接在前部的固定支撐板上。電磁振動(dòng)裝置由第一電磁鐵、第二電磁鐵、第一彈簧、第二彈簧、永磁體和固定框架組成，永磁體安裝在固定框架的內(nèi)部，固定框架的兩側(cè)分別安裝有第一電磁鐵和第二電磁鐵，第一電磁鐵和第二電磁鐵與永磁體之間分別連接有第一彈簧和第二彈簧。純相位衍射器件是一個(gè)依據(jù)光波干涉衍射原理設(shè)計(jì)、在硬質(zhì)透明光學(xué)雙折射基底材料上用光學(xué)微加工工藝制作的薄片形器件，其表面刻蝕有經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)，具有保偏功能。傅里葉變換透鏡為凸透鏡。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊、能同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束勻光整形與消散斑，而且還可以充分利用激光本身所固有的線偏振特性，從而大大提高光能利用率，具有體積小、輕薄、成本低、易于復(fù)制及批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
圖1是本實(shí)用新型激光光束勻光整形消散斑裝置的結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本實(shí)用新型中勻光整形消散斑器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實(shí)用新型中純相位衍射器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實(shí)用新型中電磁振動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、機(jī)械框架，2、勻光整形消散斑器件，3、傅里葉變換透鏡，201、純相位衍射器件，202、電磁振動(dòng)裝置，2021、第一電磁鐵，2022、第二電磁鐵，2023、第一彈簧，20M、第二彈簧，2025、永磁體，2026、固定框架。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型激光光束勻光整形消散斑裝置，包括機(jī)械框架1、勻光整形消散斑器件2和傅里葉變換透鏡3。勻光整形消散斑器件2和傅里葉變換透鏡3分別安裝在機(jī)械框架1的前部和后部。勻光整形消散斑器件2包括純相位衍射器件201和電磁振動(dòng)裝置202。純相位衍射器件201固定在電磁振動(dòng)裝置202上，在電磁振動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)下高速振動(dòng)實(shí)現(xiàn)勻光整形與消散斑功能。機(jī)械框架1由前后兩個(gè)固定支撐板和支柱組成。勻光整形消散斑器件2固定連接前面的固定支撐板上。后面的固定支撐板上設(shè)有中心開(kāi)孔，中心開(kāi)孔內(nèi)安裝傅里葉變換透 ^Mi 3 ο勻光整形消散斑器件2的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括純相位衍射器件201和電磁振動(dòng)裝置202。電磁振動(dòng)裝置202的中心位置有一個(gè)開(kāi)孔，純相位衍射器件201安裝固定在電磁振動(dòng)裝置202的中心開(kāi)孔內(nèi)。純相位衍射器件201既具有光束整形和一定勻光作用，又可在電磁振動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)下高速振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)消散斑功能。勻光整形消散斑器件2將勻光整形與消散斑功能集成在一起。純相位衍射器件201如圖3所示，是一個(gè)依據(jù)光波干涉衍射原理設(shè)計(jì)、在硬質(zhì)透明光學(xué)基底材料上用光學(xué)微加工工藝制作的薄片形器件，其表面刻蝕有經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)將圓形或橢圓形高斯或準(zhǔn)高斯光束轉(zhuǎn)換成正方形或矩形等多種形狀的均勻化光束。自身具有勻光整形和一定消散斑功能。但不能消除系統(tǒng)中其它器件因灰塵與劃痕的衍射及前后面多次反射干涉造成的散斑與條紋。需要將其固定在電磁振動(dòng)裝置202上，在電磁振動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)下高速振動(dòng)，使多個(gè)非相干光場(chǎng)在視覺(jué)積分時(shí)間內(nèi)的疊加，形成一個(gè)平均視覺(jué)效果，從而實(shí)現(xiàn)消散斑與條紋的功能。制作純相位衍射器件201的基底材料可以根據(jù)具體應(yīng)用中激光的強(qiáng)弱選擇不同的材質(zhì)，如光學(xué)玻璃或聚合物塑料等；可采用雙折射材料作為基底，并經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)與加工制作，可使純相位衍射器件201具有保偏功能。電磁振動(dòng)裝置202的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由第一電磁鐵2021、第二電磁鐵2022、第一彈簧2023、第二彈簧20M、永磁體2025和固定框架20 組成。永磁體2025安裝在固定框架20 的內(nèi)部，固定框架20 的兩側(cè)分別安裝有第一電磁鐵2021和第二電磁鐵2022，第一電磁鐵2021和第二電磁鐵2022與永磁體2025之間分別連接有第一彈簧2023和第二彈簧20M。第一電磁鐵2021和第二電磁鐵通電后，可使兩個(gè)電磁鐵高速振動(dòng)，從而帶動(dòng)永磁體2025隨之在其本身所在平面內(nèi)振動(dòng)，改變電流大小可改變兩個(gè)電磁鐵的磁力大小，改變電流方向可改變兩個(gè)電磁鐵的極性，從而可調(diào)控整個(gè)電磁裝置的振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度及振動(dòng)方向。傅里葉變換透鏡3為凸透鏡，其焦距和孔徑可根據(jù)具體應(yīng)用要求而定，其主要作用是使經(jīng)過(guò)純相位衍射器件201的光束在其后焦面上形成所需形狀的均勻化光斑。光斑的形狀由所述純相位衍射器件201的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，光斑的大小由純相位衍射器件201的參數(shù)及傅里葉變換透鏡3的參數(shù)共同決定。由于傅里葉變換透鏡后焦面上的光場(chǎng)分布相當(dāng)于衍射屏遠(yuǎn)場(chǎng)處的衍射光場(chǎng)分布，所以在某些應(yīng)用場(chǎng)合如紅外激光夜視系統(tǒng)中，可以省去所述裝置中的傅里葉變換透鏡。本實(shí)用新型的工作原理如圖1所示(結(jié)合圖2、圖3和圖4來(lái)說(shuō)明)，來(lái)自激光器的入射光束沿光軸入射到純相位衍射器件201上，純相位衍射器件201實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的衍射透射，實(shí)現(xiàn)光束整形和初步的消散斑功能。純相位衍射器件201在電磁振動(dòng)裝置202的驅(qū)動(dòng)下高速振動(dòng)，使多個(gè)不相干的衍射場(chǎng)在視覺(jué)積分時(shí)間內(nèi)高速疊加并在視覺(jué)上形成平均效果，達(dá)到進(jìn)一步降低或消除散斑與條紋的目的。從純相位衍射器件201出射的光場(chǎng)入射到傅里葉變換透鏡3上。經(jīng)純相位衍射器件201和傅里葉變換透鏡3共同作用，在傅里葉變換透鏡3的后焦面上形成所需形狀的均勻化光斑。若采用傅里葉變換透鏡3，則在傅里葉變換透鏡3的后焦面上得到特定形狀的均勻化光斑，若不采用傅里葉變換透鏡3，則遠(yuǎn)場(chǎng)得到特定形狀的均勻化光斑。根據(jù)不同應(yīng)用要求來(lái)確定是否采用傅里葉變換透鏡3，例如當(dāng)本實(shí)用新型的裝置用于激光投影顯示系統(tǒng)時(shí)，一般需要傅里葉變換透鏡3，當(dāng)用于紅外激光夜視系統(tǒng)時(shí)，一般不需要傅里葉變換透鏡3。入射光束是來(lái)自激光器的待處理光束，可以是會(huì)聚或發(fā)散光束，也可以是經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直的光束。出射光束在特定位置如傅里葉變換透鏡3的后焦面或遠(yuǎn)場(chǎng)處產(chǎn)生整形和消散斑后的均勻化光斑。在彩色激光投影顯示系統(tǒng)中，若三基色激光的光路是分離的，所述裝置需要用于三基色激光光路的每一路。均勻化出射光束可以作為照明光束直接(或經(jīng)過(guò)光學(xué)成像延遲系統(tǒng))照明激光投影顯示系統(tǒng)中的光調(diào)制器； 也可作為紅外激光夜視系統(tǒng)中的照明光束照明目標(biāo)物。上述激光光束勻光整形消散斑裝置，不僅結(jié)構(gòu)緊湊、能同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束勻光整形與消散斑，而且還可以充分利用激光本身所固有的線偏振特性，從而大大提高光能利用率。傳統(tǒng)光源如超高壓汞燈或鹵素?zé)舭l(fā)出的光多為非偏振光，而投影顯示中的光調(diào)制器(如LCD 或LCOS等)需要線偏振光照明，為了適應(yīng)這一需求，傳統(tǒng)投影顯示系統(tǒng)中一般是在光路中采用多個(gè)線偏振器件，這必然會(huì)損失掉大量光能。而激光器出射的光一般為線偏振光，對(duì)于采用激光光源的投影顯示系統(tǒng)，最好是直接且充分利用激光本身的線偏振特性，在系統(tǒng)中不用或盡量少用線偏振器件。在本實(shí)用新型所述方法與裝置中，通過(guò)選取特殊的雙折射基底材料和設(shè)計(jì)方法與參數(shù)，可以加工制作出具有保偏作用的純相位衍射器件201，實(shí)現(xiàn)充分利用激光的線偏振特性從而大大提高光能利用率的目的。本實(shí)用新型具有以下有益效果1.將光束整形和消散斑統(tǒng)一考慮，集光束整形和消散斑功能于一個(gè)薄片形衍射光學(xué)器件上，實(shí)現(xiàn)了二者的集成化，可使光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，更有利于實(shí)現(xiàn)光機(jī)電集成化和系統(tǒng)小型化；2.勻光整形消散斑器件基于光波干涉衍射原理設(shè)計(jì)、采用光學(xué)微加工工藝制作， 是高度透明的衍射器件，衍射效率高，可提高系統(tǒng)的光能利用率；3.勻光整形消散斑器件通過(guò)選取特殊的雙折射基底材料、設(shè)計(jì)方法與參數(shù)，可制作成保偏器件，可充分利用激光的線偏振特性從而進(jìn)一步提高光能利用率；4.勻光整形消散斑器件是一個(gè)薄片形光學(xué)器件，具有體積小、輕薄、易于復(fù)制及批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格便宜、成本低；5.可廣泛應(yīng)用于如激光投影顯示、紅外激光夜視及需要激光照明的其它領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)緊湊，更加適合于光機(jī)電集成與小型化。
權(quán)利要求1.一種激光光束勻光整形消散斑裝置，其特征是包括機(jī)械框架、勻光整形消散斑器件和傅里葉變換透鏡，勻光整形消散斑器件和傅里葉變換透鏡分別安裝在機(jī)械框架的前部和后部，勻光整形消散斑器件包括純相位衍射器件和電磁振動(dòng)裝置，純相位衍射器件固定在電磁振動(dòng)裝置上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束勻光整形消散斑裝置，其特征是所述純相位衍射器件是一個(gè)依據(jù)光波干涉衍射原理設(shè)計(jì)、在硬質(zhì)透明光學(xué)雙折射基底材料上用光學(xué)微加工工藝制作的薄片形器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束勻光整形消散斑裝置，其特征是所述機(jī)械框架由前后兩個(gè)固定支撐板和支柱組成，后部的固定支撐板上設(shè)有中心開(kāi)孔，中心開(kāi)孔內(nèi)安裝傅里葉變換透鏡，勻光整形消散斑器件固定連接在前部的固定支撐板上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束勻光整形消散斑裝置，其特征是所述電磁振動(dòng)裝置由第一電磁鐵、第二電磁鐵、第一彈簧、第二彈簧、永磁體和固定框架組成，永磁體安裝在固定框架的內(nèi)部，固定框架的兩側(cè)分別安裝有第一電磁鐵和第二電磁鐵，第一電磁鐵和第二電磁鐵與永磁體之間分別連接有第一彈簧和第二彈簧。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種激光光束勻光整形消散斑裝置，包括機(jī)械框架、勻光整形消散斑器件和傅里葉變換透鏡。勻光整形消散斑器件和傅里葉變換透鏡分別安裝在機(jī)械框架的前部和后部，勻光整形消散斑器件包括純相位衍射器件和電磁振動(dòng)裝置，純相位衍射器件固定在電磁振動(dòng)裝置上。純相位衍射器件在電磁振動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下同時(shí)完成勻光整形和消散斑兩個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)功能的集成化。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊、能同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束勻光整形與消散斑，而且還可以充分利用激光本身所固有的線偏振特性，從而大大提高光能利用率，具有體積小、輕薄、成本低、易于復(fù)制及批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/09GK201993525SQ20112008337
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月27日
發(fā)明者萬(wàn)強(qiáng), 周玉法, 孫玉寶, 宋剛, 張行愚, 朱杰, 王洪君, 王玉榮, 連潔 申請(qǐng)人:山東大學(xué)