專利名稱：基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及以相干光為光源的顯示技術領域，具體是一種基于場致形變類聚 合物的散斑消除裝置，主要針對激光顯示技術及光學儀器中存在的光學散斑現(xiàn)象。
背景技術：
以激光為光源照射屏幕時，由于激光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(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儀器領域和顯示技術領域中的研發(fā)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、通過控制激光光源的時間相 干性來降低散斑，其原理是通過調(diào)整激光波長(或者頻率)及多波長光源產(chǎn)生沸騰散斑， 目前通過控制激光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；目前通過控制激光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，將多個散斑 圖像在人眼積分時間內(nèi)相疊加，得到一個光能分布均勻的圖像，進而實現(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，或要借助機械振動，甚至需要高頻或大幅振動，或要集成多光源，實現(xiàn)結構復 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“一種基于散射的消相干勻場裝置”，要求使用含有直徑必須小于入射光波長的十分之 一的顆粒的散射媒體，以實現(xiàn)對入射激光形成瑞利散射。專利中利用無機鹽或有機醇水溶 液(如NaCl、KCl、KNO3或SiSO4水溶液)作為散射媒質(zhì)，基于無機鹽或有機醇水溶液的存 在形式是水合離子或大分子，相對于激光波長小很多，會對入射激光形成瑞利散射，以此實 現(xiàn)入射激光分束，并在光導管內(nèi)傳導，以期降低入射激光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，利用長度僅為50mm、充滿飽和NaCl水溶液的光導管消除散斑，結果如圖1所 示，其散斑對比度為70%，幾乎沒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、實現(xiàn)結構復雜、易 損壞、成本高等問題，提供了一種基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置。本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，包 括內(nèi)壁為反射鏡面的導光管、設置于導光管內(nèi)的場致形變類聚合物(該類聚合物在相應外 場驅(qū)動下，會發(fā)生形變，所述外場一般指電場和磁場)、用于產(chǎn)生驅(qū)動管內(nèi)聚合物形變所需 外場的致動裝置；場致形變類聚合物與導光管內(nèi)壁間留有空隙；所述致動裝置包含至少兩 個設置于導光管內(nèi)或管外的外場施加組件。
所述場致形變類聚合物為電致形變類聚合物，相應致動裝置為電場發(fā)生裝置，電 場發(fā)生裝置的外場施加組件-成對設置的電極板設置于導光管內(nèi)或管外；置于導光管內(nèi)的電極板采用“鏡面”電極板(即電極板表面具有高反射率特性，能“全反 射”入射于導光管內(nèi)的激光光束)，沿導光管內(nèi)壁固定設置；所述場致形變類聚合物為磁致形變類聚合物，相應致動裝置為磁場發(fā)生裝置，磁場發(fā) 生器的外場施加組件-電磁鐵設置于導光管外；應用時，如圖2、3所示，將激光光束經(jīng)光學透鏡擴束，并由導光管一端入射管內(nèi)，部分 透射聚合物，在導光管內(nèi)壁反射，再入射聚合物；部分在聚合物表面內(nèi)反射，分束成多束強 度不等的光束，經(jīng)多次反射、透射后，由導光管另一端出射；在激光光束于導光管內(nèi)傳輸?shù)?過程中，由致動裝置產(chǎn)生相應外場，并控制其外場施加組件產(chǎn)生外場的順序和強度大小，驅(qū) 動導光管內(nèi)的場致形變類聚合物發(fā)生豐富多樣的連續(xù)形變，進而改變?nèi)肷浼す夥质笤趯?光管內(nèi)的傳播方向和路徑，使出射光的相位分布、出射角分布隨機變化。經(jīng)投影后，不同相 位分布、出射角分布的出射光分別會對應產(chǎn)生一個散斑圖像；在人眼積分時間(50ms)內(nèi)， 多個散斑圖像相疊加，就會得到一個光能分布均勻的圖像，進而實現(xiàn)了消除散斑現(xiàn)象的目 的。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明以內(nèi)置有場致形變類聚合物的導光管傳輸激光，以聚合 物形變以及聚合物與導光管內(nèi)壁間空隙的存在使得激光在傳輸過程中發(fā)生分束，并通過相 應致動裝置產(chǎn)生驅(qū)動場致形變類聚合物形變的外場，使場致形變類聚合物連續(xù)形變，引起 場致形變類聚合物表面形狀、及其與導光管內(nèi)壁間空隙大小的變化，進而隨機改變分束后 的激光在導光管中的傳播方向和路徑，使得入射導光管的激光在不同時間以不同的相位分 布和散射角分布出射；從而改變投影后產(chǎn)生散斑的空間分布，使多個散斑圖像在人眼積分 時間內(nèi)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(jīng)試驗測試，應用 本發(fā)明所述裝置后，圖像的散斑對比度可低于4%，如圖4所示，圖像的散斑對比度已低至 3. 16%，散斑消除效果極好；并可以通過對致動裝置的控制，來增大場致形變類聚合物的形 變量、形變頻率，來提高散斑消除效果；另外，因?qū)Ч夤軆?nèi)壁為反射鏡面，具有高反射率，使 得入射激光的總體光能損失甚微，保證了激光的高利用率，并在激光的傳輸過程中實現(xiàn)了 勻光目的；本發(fā)明所述裝置的各組成部分均為固態(tài)，不存在液體泄漏、懸浮液沉降等問題， 性能穩(wěn)定，安全可靠。此外，本發(fā)明所用導光管結構極為普通，場致形變類聚合物也極易獲 得，且對應致動裝置也極易制作，因此具有低造價的優(yōu)勢。本發(fā)明結構合理、緊湊，散斑消除效果好，易實現(xiàn)，造價低，激光利用率高，性 能穩(wěn)定，安全可靠，并具有勻光功能。


圖1為本發(fā)明的一具體結構示意圖；圖2為場致形變類聚合物未發(fā)生形變時本發(fā)明所述裝置內(nèi)光束的傳輸狀態(tài)示意圖； 圖3為場致形變類聚合物發(fā)生形變時本發(fā)明所述裝置內(nèi)光束的傳輸狀態(tài)示意圖； 圖4為利用本發(fā)明所述裝置消除散斑獲得的測試結果圖； 圖5為利用一現(xiàn)有技術消除散斑獲得的測試結果圖； 圖6為本發(fā)明所述裝置在點掃描顯示系統(tǒng)中的應用示意圖；圖7為本發(fā)明所述裝置在全幀顯示系統(tǒng)中的應用示意圖； 圖中101-入射激光； 200-外場施加組件；300-散斑消除裝置；301-導光管；302-空隙；303-擴散透鏡；304、305、306_散斑消除裝置；400-場致形變類聚合物； 501,502,503-激光器；504,505,506-鏡子； 601、602、603_ 信號源；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；713,714,715-擴散透鏡； 800-屏幕。
具體實施例方式如圖1所示，基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，包括內(nèi)壁為反射鏡面的導 光管301、設置于導光管301內(nèi)的場致形變類聚合物400 (該類聚合物在相應外場驅(qū)動下， 會發(fā)生形變，所述外場一般指電場和磁場)、用于產(chǎn)生驅(qū)動管內(nèi)聚合物形變所需外場的致動 裝置；場致形變類聚合物400與導光管301內(nèi)壁間留有空隙302 ；所述致動裝置包含至少兩 個設置于導光管301內(nèi)或管外的外場施加組件200。所述場致形變類聚合物400為電致形變類聚合物，相應致動裝置為電場發(fā)生裝 置，電場發(fā)生裝置的外場施加組件200-成對設置的電極板設置于導光管301內(nèi)或管外；所 述電極板采用ITO電極、或者金屬電極、或者以MEMS技術加工獲得的格柵式致動電極。置于導光管301內(nèi)的電極板采用“鏡面”電極板(即電極板表面具有高反射率特 性，能“全反射”入射于導光管內(nèi)的激光光束)，沿導光管內(nèi)壁固定設置。所述場致形變類聚合物400為磁致形變類聚合物，相應致動裝置為磁場發(fā)生裝 置，磁場發(fā)生器的外場施加組件200-電磁鐵設置于導光管外。具體實施時，所述場致形變類聚合物400應選擇對入射激光波段沒有吸收的高分 子聚合物，例如PDMS (polydimethylsiloxane)凝膠。為有效降低激光散斑對比度，提高 激光散斑消除效果，可以在所述場致形變類聚合物中摻雜增強其形變能力的顆粒，例如摻 雜有二氧化鈦粒子的PDMS凝膠一用作電致形變類聚合物，摻雜有二氧化硅磁性微球、或者 聚苯乙烯磁性微球、或者四氧化三鐵磁性微球、或者三氧化二鐵磁性微球的PDMS凝膠一用 作磁致形變類聚合物；此外，摻雜顆粒的另一好處如摻雜顆粒的線度能引起入射激光發(fā) 生米氏散射，進行散射分束，散射光束同樣因外場對場致形變類聚合物的影響，而隨機改變 其在導光管中的傳播方向和路徑，使散射光出射時的相位分布、出射角分布隨機變化，更利 于消除散斑現(xiàn)象。本發(fā)明所述散斑消除裝置能應用于激光投影顯示技術中，例如可應用于點掃描 投影(Raster-Scanned Displays)系統(tǒng)，如圖6所示。信號源601、602、603根據(jù)二維圖像 上每個像素的信息分別調(diào)制三基色激光器501、502、503輸出功率。三基色激光光束經(jīng)鏡子 504、505、506和擴散透鏡303同時耦合入射本發(fā)明所述散斑消除裝置300，經(jīng)調(diào)制后于投射出射面導出，通過透鏡700和微掃描鏡(kan Mirror) 712投影到屏幕800。在電信號的驅(qū) 動下，微掃描鏡712根據(jù)二維圖像逐像素掃描到屏幕800上。本應用實例適用于點掃描的 激光投影儀和激光電視顯示。 如圖7所示，可應用于全幀顯示投影(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，分別經(jīng)擴散透鏡714、713、715耦合導入本發(fā)明所述 散斑消除裝置305、306、304。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。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。本應用實例 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。
權利要求
1.一種基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征在于包括內(nèi)壁為反射鏡面 的導光管(301)、設置于導光管(301)內(nèi)的場致形變類聚合物(400)、用于產(chǎn)生驅(qū)動管內(nèi)聚 合物形變所需外場的致動裝置；場致形變類聚合物(400)與導光管(301)內(nèi)壁間留有空隙 (302)；所述致動裝置包含至少兩個設置于導光管(301)內(nèi)或管外的外場施加組件(200)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征在于所述 場致形變類聚合物(400)為電致形變類聚合物，相應致動裝置為電場發(fā)生裝置，電場發(fā)生裝 置的外場施加組件(200 )-成對設置的電極板設置于導光管內(nèi)或管外。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征在于所述 電極板采用ITO電極、或者金屬電極、或者以MEMS技術加工獲得的格柵式致動電極。
4.根據(jù)權利要求2所述的基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征在于置于 導光管(301)內(nèi)的電極板采用“鏡面”電極板，沿導光管內(nèi)壁固定設置。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征在于所述 場致形變類聚合物(400)為磁致形變類聚合物，相應致動裝置為磁場發(fā)生裝置，磁場發(fā)生器 的外場施加組件-電磁鐵設置于導光管外。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征在于所述 場致形變類聚合物(400)為對入射激光波段沒有吸收的高分子聚合物，并摻雜有增強其形 變能力的顆粒。
7.根據(jù)權利要求5所述的基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征在于所述 磁致形變類聚合物采用摻雜有二氧化硅磁性微球、或者聚苯乙烯磁性微球、或者四氧化三 鐵磁性微球、或者三氧化二鐵磁性微球的PDMS凝膠。
8.根據(jù)權利要求2所述的基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征在于所述 電致形變類聚合物采用摻雜有二氧化鈦粒子的PDMS凝膠。
全文摘要
本發(fā)明涉及以相干光為光源的顯示技術領域，具體是一種基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，解決了現(xiàn)有散斑消除方法存在的消除散斑效果不佳、實現(xiàn)結構復雜、易損壞、成本高等問題，基于場致形變類聚合物的散斑消除裝置，包括內(nèi)壁為反射鏡面的導光管、設置于導光管內(nèi)的場致形變類聚合物、用于產(chǎn)生驅(qū)動管內(nèi)聚合物形變所需外場的致動裝置；場致形變類聚合物與導光管內(nèi)壁間留有空隙；所述致動裝置包含至少兩個設置于導光管內(nèi)或管外的外場施加組件。本發(fā)明結構合理、緊湊，散斑消除效果好，易實現(xiàn)，造價低，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G02B27/48GK102053384SQ20111003155
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月29日 優(yōu)先權日2011年1月29日
發(fā)明者張文棟, 石云波, 陳旭遠, 高文宏 申請人:中北大學