基於米氏散射及光學器件的散斑消除裝置的製作方法

2023-06-21 20:15:01

專利名稱：基於米氏散射及光學器件的散斑消除裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及以相干光為光源的顯示技術領域，具體是一種基於米氏散射及光學器件的散斑消除裝置，主要針對雷射顯示技術及光學儀器中存在的光學散斑現象。
背景技術：
以雷射為光源照射屏幕時，由於雷射的相干性及屏幕的粗糙，導致人眼看到被散斑覆蓋的圖像，嚴重影響圖像顯示質量，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雷射為光源的光學儀器領域和顯示技術領域中的研發熱點。而就目前的研究結果來看，為消除散斑所用的方法大致可以分為兩大類一、通過控制雷射光源的時間相干性來降低散斑，其原理是通過調整雷射波長(或者頻率)及多波長光源產生沸騰散斑，目前通過控制雷射時間相干性成功消除光斑達到實用要求的技術方案基本上以多光源疊加為主；二、通過控制雷射光束空間相干性消除散斑，是目前消除散斑的主要方法，基本原理是調整雷射光束中基元光波的相位分布，從而改變散斑的空間分布，將多個散斑圖像在人眼積分時間內相疊加，得到一個光能分布均勻的圖像，進而實現消除散斑的目的。具體的方法有採用旋轉散射體、振動屏幕、振動具有Hadamard圖形散射體、高頻振動光纖等。上述方法，或要藉助機械振動，甚至需要高頻或大幅振動，或要集成多光源，實現結構複雜、易損壞、成本高，更主要的是散斑消除效果不佳。也有未藉助機械振動的技術方案，例如專利號為200820122639. 7的中國專利公開了「一種基於散射的消相干勻場裝置」，要求使用含有直徑必須小於入射光波長十分之一的顆粒的散射介質，以實現對入射雷射形成瑞利散射。專利中利用無機鹽或有機醇水溶液 (如NaCl、KCl、KNO3或SiSO4水溶液)作為散射介質，基於無機鹽或有機醇水溶液的存在形式是水合離子或大分子，相對於雷射波長小很多，會對入射雷射形成瑞利散射，以此實現入射雷射分束，並在光導管內傳導，以期降低入射雷射的相干性來消除散斑，同時利用光導管的混光作用，將上述分束光進行勻化來勻場消相干。但按該申請所述技術方法進行試驗，在室溫下，利用長度為50mm、充滿飽和NaCl水溶液的光導管消除散斑，結果的散斑對比度為 70%,幾乎沒有起到降低散斑的作用。
發明內容本實用新型為了解決現有散斑消除方法存在的消除散斑效果不佳、實現結構複雜、易損壞、成本高等問題，提供了一種基於米氏散射及光學器件的散斑消除裝置。本實用新型是採用如下技術方案實現的基於米氏散射及光學器件的散斑消除裝置，包括其上設有入射光耦合裝置和透射出射面的光學反射腔、正對光學反射腔入射光耦合裝置設置的光學器件；所述光學器件為能改變光束入射光學反射腔入射光耦合裝置時的入射角度的光學器件；光學反射腔除透射出射面內壁之外的內壁皆為「鏡面」內壁(即內壁具有高反射率特性，能「全反射」入射於光學反射腔內的雷射光束)，光學反射腔內設有填滿整個光學反射腔的透明固態物質，且透明固態物質內散布有其線度能引起入射雷射發生米
3氏散射的介質粒子。所述光學器件可以採用掃描微鏡、或者可變焦微透鏡。應用時，如圖4、5、6、7所示，由雷射光源發射的雷射光束經光學器件(掃描微鏡或者可變焦微透鏡)調製後，以不同入射角穿過光學反射腔上入射光耦合裝置入射到光學反射腔內的透明固態物質中，與透明固態物質中散布的介質粒子作用發生米氏散射(如圖3 所示，當入射雷射101照射介質粒子402發生米氏散射時，入射雷射101散射後的散射光光強分布於一個很寬的角度範圍內，主要集中於前向散射光104、105、106，一般佔總散射90% 以上；後向散射光102隻佔很小部分，通常小於10% ；沿入射雷射前進方向的散射光105光強最強，垂直方向的散射光103、107最弱，因此入射雷射經介質粒子402散射後，分束成多個強度不等的散射光，同時散射光散射角分布擴大)，分束成多個強度不等的散射光，或經光學反射腔內壁反射，或再次與透明固態物質中散布的介質粒子作用發生米氏散射，散射光分束為更多的散射光，經多次米氏散射後，由光學反射腔的透射出射面出射；而光學器件使雷射光束入射光學反射腔時的入射角連續變化，導致各時刻入射雷射光束經散射得到的散射光在透明固態物質中傳播方向、路徑變化，最終在光學反射腔出射面出射的散射光的相位分布、散射角分布隨機變化。而不同時刻的出射散射光具有不同的相位分布、散射角分布，經投影后，分別會對應產生一個散斑圖像；在人眼積分時間(50ms)內，多個散斑圖像相疊加，會得到一個光能分布均勻的圖像，進而實現了消除散斑現象的目的。與現有技術相比，本實用新型設置光學反射腔，於光學反射腔內對入射雷射進行米氏散射，進行散射分束，並以光學器件連續改變雷射入射光學反射腔的角度，進而隨機改變散射光束在光學反射腔中的傳播方向和路徑，使得光學反射腔出射面在不同時間以不同的相位分布和散射角分布出射入射雷射的散射光；從而改變投影后產生散斑的空間分布， 使多個散斑圖像在人眼積分時間內相疊加，得到一個光能分布均勻的圖像，進而有效消除散斑。且經試驗測試，應用本實用新型所述裝置後，圖像的散斑對比度可低於4%，圖像的散斑對比度分別達到3. 7 和3. 91%，散斑消除效果極好；並可以通過提高透明固態物質中的介質粒子濃度及光學器件的調製狀態(如掃描微鏡角度變化幅度、可變焦微透鏡焦距變化幅度)來提高散斑消除效果；本實用新型於光學反射腔中對入射雷射進行「全反射」，入射雷射的總體光能損失甚微，保證了雷射的高利用率，並在「全反射」過程中實現了勻光目的； 本實用新型所述裝置的各組成部分均為固態，不存在液體洩漏、懸浮液沉降等問題，性能穩定，安全可靠。本實用新型結構合理、緊湊，散斑消除效果好，雷射利用率高，性能穩定，安全可靠，並具有勻光功能。

圖1為本實用新型的一種結構示意圖；圖2為本實用新型的另一種結構示意圖；圖3為米氏散射的光強角分布圖；圖4為掃描微鏡以某一角度入射雷射時本實用新型所述裝置的狀態示意圖；圖5為掃描微鏡改變入射雷射入射角後本實用新型所述裝置的狀態示意圖；圖6為可變焦微透鏡以某一焦距入射雷射時本實用新型所述裝置的狀態示意4[0016]圖7為可變焦微透鏡變焦距入射雷射後本實用新型所述裝置的狀態示意圖；圖8為採用圖1所示裝置在點掃描顯示系統中的應用示意圖；圖9為採用圖2所示裝置在全幀顯示系統中的應用示意圖；圖中:101-入射雷射；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-光學器件；401-透明固態物質；402-介質粒子；501,502,503-雷射器；504,505,506-鏡子；601、602、603-信號源；700-透鏡；701-中繼透鏡；702-光調製器DLP ；703-TIR稜鏡；704-中繼透鏡； 705-TIR稜鏡；706-光調製器DLP ；707-中繼透鏡；708-平面鏡；709-TIR稜鏡；710-光調製器DLP ；711-稜鏡；712-微掃描鏡；800-屏幕。
具體實施方式
如圖1、2所示，基於米氏散射及光學器件的散斑消除裝置，包括其上設有入射光耦合裝置301和透射出射面303的光學反射腔302、正對光學反射腔302入射光耦合裝置 301設置的光學器件308 ；所述光學器件308為能改變光束入射光學反射腔302入射光耦合裝置301時的入射角度的光學器件；光學反射腔302除透射出射面301內壁之外的內壁皆為「鏡面」內壁(即內壁具有高反射率特性，能「全反射」入射於光學反射腔內的雷射光束)， 光學反射腔302內設有填滿整個光學反射腔302的透明固態物質401，且透明固態物質401 內散布有其線度能引起入射雷射發生米氏散射的介質粒子402。所述光學器件308可以採用掃描微鏡、或者可變焦微透鏡。具體實施時，所述掃描微鏡採用一維掃描微鏡、或者二維掃描微鏡皆可；所述可變焦微透鏡採用可變焦凸透鏡、或者可變焦凹透鏡皆可；所述透明固態物質401應為對入射雷射無透射損失的透明固態物質，如高分子凝膠等；所述介質粒子402可以採用聚苯乙烯微球、二氧化鈦粒子(TiO2)等介質粒子；所述光學反射腔302多選用金屬、平面鏡、透明塑料或玻璃加工製作，且其形狀無需特別限定，一般多採用管狀腔體；光學反射腔302的透射出射面303多選用透明塑料或玻璃加工製作，且多為矩形平面，且表面設有與入射光束波段匹配的增透膜。所述光學反射腔302上的入射光耦合裝置301可以按如下結構實現採用透射入射面，並在表面設有與入射光束波段匹配的增透膜；或者採用入射光孔結構，亦可在入射光孔304上配設有光學耦合元件，如透鏡。本實用新型所述散斑消除裝置能應用於雷射投影顯示技術中，例如如圖8所示， 應用於點掃描投影(feister-Scarmed Displays)系統，信號源601、602、603根據二維圖像上每個像素的信息分別調製三基色雷射器501、502、503輸出功率；三個入射雷射通過鏡子 504、505、506耦合入射本實用新型所述散斑消除裝置300，經調製後於出射面導出，通過透鏡700和微掃描鏡(kan Mirror) 701投影到屏幕800。在電信號的驅動下，微掃描鏡701 根據二維圖像逐像素掃描到屏幕上。本應用實例適用於點掃描的雷射投影儀和雷射電視顯
7J\ ο
5[0029] 如圖9所示，應用於全幀顯示投影(Full-Frame Displays)系統，三基色雷射器 501、502、503輸出恆定功率雷射光束，分別耦合導入本實用新型所述散斑消除裝置305、 306,307 ；經調製後，由中繼透鏡701、704、707，平面鏡708及TIR稜鏡703、705、709匯聚到光調製器DLP 702,706,710 ；光調製器DLP 702,706,710根據每幀2維圖像信息調製生成單色圖像；三基色圖像經稜鏡711融和，由透鏡700投影至屏幕800。本應用實例適用於基於DMD，LCOS等光調製器件的雷射投影儀和雷射電視顯示。
權利要求1.一種基於米氏散射及光學器件的散斑消除裝置，其特徵在於包括其上設有入射光耦合裝置(301)和透射出射面(303)的光學反射腔(302)、正對光學反射腔(302)入射光耦合裝置(301)設置的光學器件(308)；所述光學器件(308)為能改變光束入射光學反射腔(302)入射光耦合裝置(301)時的入射角度的光學器件；光學反射腔(302)除透射出射面(301)內壁之外的內壁皆為「鏡面」內壁，光學反射腔(302)內設有填滿整個光學反射腔 (302)的透明固態物質(401)，且透明固態物質(401)內散布有其線度能引起入射雷射發生米氏散射的介質粒子(402)。
2.根據權利要求1所述的基於米氏散射及掃描微鏡的散斑消除裝置，其特徵在於光學反射腔(302)的透射出射面(303)表面設有與入射光束波段匹配的增透膜。
3.根據權利要求1所述的基於米氏散射及掃描微鏡的散斑消除裝置，其特徵在於所述光學器件(308)可以採用掃描微鏡、或者可變焦微透鏡。
4.根據權利要求1所述的基於米氏散射及掃描微鏡的散斑消除裝置，其特徵在於所述透明固態物質(401)為對入射雷射無透射損失的透明固態物質。
5.根據權利要求1所述的基於米氏散射及掃描微鏡的散斑消除裝置，其特徵在於所述介質粒子(402)採用聚苯乙烯微球或者二氧化鈦粒子。
專利摘要本實用新型涉及以相干光為光源的顯示技術領域，具體是一種基於米氏散射及光學器件的散斑消除裝置，解決了現有散斑消除方法存在的消除散斑效果不佳、實現結構複雜、易損壞、成本高等問題，包括其上設有入射光耦合裝置和透射出射面的光學反射腔、正對光學反射腔入射光耦合裝置設置的光學器件；所述光學器件為能改變光束入射光學反射腔入射光耦合裝置時的入射角度的光學器件；光學反射腔除透射出射面內壁之外的內壁皆為「鏡面」內壁，光學反射腔內設有填滿整個光學反射腔的透明固態物質，且透明固態物質內散布有其線度能引起入射雷射發生米氏散射的介質粒子。結構合理、緊湊，散斑消除效果好，雷射利用率高，性能穩定，安全可靠，並具有勻光功能。
文檔編號G02B27/48GK202075495SQ201120030740
公開日2011年12月14日 申請日期2011年1月29日 優先權日2011年1月29日
發明者張文棟, 石雲波, 陳旭遠, 高文宏 申請人:中北大學