一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束整形勻光與消散斑的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束整形勻光與消散斑的裝置和方法，屬于激光顯示的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]激光具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等特點(diǎn)，采用激光作為顯示光源具有色域?qū)?、顏色飽和度高、亮度高、適合大屏幕顯示等優(yōu)點(diǎn)。近年來，激光顯示技術(shù)的研宄和開發(fā)應(yīng)用發(fā)展十分迅速，激光顯示正成為繼黑白、彩色和數(shù)字高清之后的第四代顯示技術(shù)。但是，激光所具有的良好單色性(相干性)使激光光束在通過顯示系統(tǒng)時(shí)會(huì)因反射、折射、干涉、衍射及散射等效應(yīng)形成嚴(yán)重的散斑噪聲。散斑噪聲會(huì)嚴(yán)重影響激光顯示的圖像質(zhì)量，因此，抑制或消除散斑噪聲成為激光顯示中迫切需要解決的技術(shù)問題之一。同時(shí)，為了提高顯示系統(tǒng)的光能利用率和顯示圖像的均勻性，要求照明圖像顯示芯片的激光光束在橫截面內(nèi)的強(qiáng)度是均勻分布、并且其尺寸和形狀與圖像顯示芯片相匹配，因此，需要對(duì)激光光束進(jìn)行整形勾光。
[0003]消除散斑噪聲的方法可以分為兩大類:第一類是通過降低激光光源的相干性和通過多幅獨(dú)立非相關(guān)的散斑圖樣的動(dòng)態(tài)疊加實(shí)現(xiàn)散斑的消除；散斑噪聲是散射光相干疊加造成的，所以可以通過降低激光的相干性來抑制散斑噪聲的產(chǎn)生，此類方法主要是從激光的波長(zhǎng)、角度方面來降低激光的時(shí)間相干性和空間相干性。第二類是通過改變半導(dǎo)體激光器的諧振腔的長(zhǎng)度或者改變高頻調(diào)制位相的方法來實(shí)現(xiàn)激光光源線寬的增加，或者通過采用波長(zhǎng)稍有不同的多個(gè)激光器照明來獲得波長(zhǎng)的多樣性從而降低激光光源的時(shí)間相干性，進(jìn)而減少激光的散斑噪聲；通過將激光光束分為子光束，不同的子光束引入不同的光程差，超過激光光源的相干長(zhǎng)度后合束來作為照明光源，此種方法同樣削弱了激光的相干性從而達(dá)到了抑制散斑的效果；或者也可采用空間分開的多個(gè)激光器組成激光陣列來實(shí)現(xiàn)照明角度的多樣性進(jìn)行散斑的抑制。
[0004]其中，通過多幅獨(dú)立非相關(guān)的散斑圖樣的動(dòng)態(tài)疊加實(shí)現(xiàn)散斑的抑制是利用了人眼的特性，人眼對(duì)圖像的響應(yīng)時(shí)間大約是30ms，在這段時(shí)間內(nèi)人眼接收到的圖像就會(huì)進(jìn)行疊加，當(dāng)多幅獨(dú)立非相關(guān)的散斑圖樣在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生疊加時(shí)就會(huì)達(dá)到視覺平均的作用從而減少了人眼觀察到的散斑。獨(dú)立非相關(guān)散斑圖樣的動(dòng)態(tài)疊加可以通過動(dòng)態(tài)改變光源入射角、改變光源偏振態(tài)以及在光路中加入動(dòng)態(tài)散射器件或隨機(jī)相位板等方式來實(shí)現(xiàn)。
[0005]中國(guó)專利CN201340489Y公開了一種激光消散斑裝置，該裝置采用電磁振動(dòng)裝置使光纖束產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)；中國(guó)專利CN201387516Y公開了一種消散斑裝置及使用該消散斑裝置的激光投影儀，該投影儀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)生無規(guī)伸縮；中國(guó)專利CN101425656公開了一種減少激光散斑效應(yīng)的方法，該方法利用壓電效應(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)專利CN1727938A公開了一種激光投影電視照明系統(tǒng)中的光束均勻化裝置，該裝置采用衍射光學(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。
[0006]在整形勻光方面，目前常用的方法有三類，一是采用光管或光積分棒，二是采用復(fù)合透鏡陣列，三是采用相位型衍射光學(xué)元件。三種方法各有特點(diǎn)，需要根據(jù)所用光源的特點(diǎn)和顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求來選擇。
[0007]在目前的激光顯示系統(tǒng)中，消散斑和整形勻光一般是采用多個(gè)分立光學(xué)元件分別實(shí)現(xiàn)；每個(gè)光學(xué)元件都有其前后表面的反射和內(nèi)部材料的吸收，都需要支撐固定或驅(qū)動(dòng)，都需要相應(yīng)的放置空間。其主要缺點(diǎn)有:(I)采用器件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，不利于系統(tǒng)小型或微型化；(2)光能損耗增加、利用率降低，同樣的顯示畫面尺寸和亮度，需要更大功率的激光光源；(3)系統(tǒng)的成本和功耗高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束整形勻光與消散斑的裝置。本發(fā)明所述可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束整形勻光與消散斑的裝置，該裝置在相機(jī)曝光時(shí)間或者人眼積分時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立非相關(guān)的散斑圖樣的疊加從而達(dá)到消除散斑的目的，同時(shí)激光光束的輸出形狀不會(huì)發(fā)生變化，滿足照射物體的光束要求；集兩種功能于一體，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)整形勻光和消散斑；該裝置用于激光顯示系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和光能利用率，降低系統(tǒng)復(fù)雜度、功耗和成本低，利于系統(tǒng)的小型化和微型化。
[0009]本發(fā)明還提供一種利用上述裝置進(jìn)行光束整形勻光與消散斑的方法。
[0010]發(fā)明概述:
[0011]該裝置基于光波波前相位重建原理和算法，通過設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)整形勻光的衍射/散射微結(jié)構(gòu)；以平板型透明光學(xué)材料為基底，將平板型基底表面區(qū)域分為按一定陣列形式分布的子區(qū)域，在每個(gè)子區(qū)域上采用上所述衍射/散射微結(jié)構(gòu)，得到可同時(shí)實(shí)現(xiàn)整形勻光和消散斑功能的衍射/散射器件；每一個(gè)子區(qū)域上的微結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)整形勻光，各個(gè)子區(qū)域所對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu)各自具有不同的結(jié)構(gòu)形式，相互之間隨機(jī)分布、統(tǒng)計(jì)無關(guān)；所述衍射/散射器件放置在顯示系統(tǒng)照明光路中并使其表面垂直于激光光束，在驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)下按一定頻率做面內(nèi)平移振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)；在該衍射/散射器件平移或轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，激光光束依次通過不同的子區(qū)域，通過不同的子區(qū)域時(shí)得到的整形勻光光束在形狀尺寸和強(qiáng)度分布上相同，但其相位分布相互獨(dú)立、統(tǒng)計(jì)無關(guān)；該衍射/散射器件的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率足夠大且適當(dāng)，在人眼或探測(cè)器積分時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大量獨(dú)立非相關(guān)散斑圖像的隨機(jī)疊加，從而達(dá)到降低或消除散斑的目的。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0013]一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束整形勻光與消散斑的裝置，包括驅(qū)動(dòng)裝置和位相片；所述位相片為相位型衍射/散射微結(jié)構(gòu)，位相片包括多個(gè)子區(qū)域，所述的每個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)的相位值隨機(jī)排布；所述位相片受驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)在其平面轉(zhuǎn)動(dòng)或平面震動(dòng)。每個(gè)子區(qū)域設(shè)置有隨機(jī)的微結(jié)構(gòu)，使每個(gè)子區(qū)域相位值相互之間隨機(jī)分布、統(tǒng)計(jì)無關(guān)，每一個(gè)子區(qū)域上的微結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)整形勻光。
[0014]優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0015]優(yōu)選的，所述子區(qū)域的形狀相同，所述子區(qū)域的形狀為矩形或者扇形。
[0016]優(yōu)選的，所述子區(qū)域的個(gè)數(shù)大于50個(gè)。
[0017]一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束整形勻光與消散斑的方法，包括步驟如下:
[0018]I)對(duì)透明平板基底加工為相位型衍射/散射微結(jié)構(gòu)，形成位相片；
[0019]2)激光光束擴(kuò)束準(zhǔn)直；
[0020]3)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)所述位相片沿著所在平面進(jìn)行平面震動(dòng)或者平面轉(zhuǎn)動(dòng)，使擴(kuò)束準(zhǔn)直后的激光光束入射到所述位相片表面；所述相位型衍射/散射