專利名稱：基于米氏散射及布朗運動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，具體是一種基于米氏散射及布朗運 動的散斑消除裝置，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；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十分之一 的顆粒的散射介質，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)作為散射介質，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，提供了一種基于米氏散射及布朗運動的散斑消除裝置。本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的基于米氏散射及布朗運動的散斑消除裝置， 包括其上設有入射光耦合裝置和透射出射面的封閉式光學反射腔，封閉式光學反射腔除透 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 光學反射腔內(nèi)的激光光束)，封閉式光學反射腔內(nèi)填有充滿整個封閉式光學反射腔的溶液 或溶膠，且溶液或溶膠內(nèi)散布有其線度能引起入射激光發(fā)生米氏散射的介質粒子。應用時，如圖4所示，由激光光源發(fā)射的激光光束經(jīng)光學反射腔上的入射光耦合
3裝置入射到光學反射腔內(nèi)的溶液或溶膠中，與溶液或溶膠中散布的介質粒子作用發(fā)生米氏 散射(如圖3所示，當入射激光101照射介質粒子402發(fā)生米氏散射時，入射激光101散射 后的散射光光強分布于一個很寬的角度范圍內(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，因此入射激光經(jīng)介質粒子402散 射后，分束成多個強度不等的散射光，同時散射光的散射角分布擴大)，分束成多個強度不 等的散射光，或經(jīng)光學反射腔內(nèi)壁反射，或再次與溶液或溶膠中散布的介質粒子作用發(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，由光學反射腔的透射出射面出 射；由于溶液或溶膠中介質粒子一直在做無規(guī)律的布朗運動，入射激光會與溶液或溶膠中 運動的介質粒子隨機作用發(fā)生米氏散射，使得各時刻入射激光的散射光會隨機改變在溶液 或溶膠中傳播方向和路徑，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(jīng)投影后，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，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)明設置充滿溶液或溶膠的光學反射腔，在光學反射腔內(nèi)以 溶液或溶膠中散布的介質粒子引起入射激光發(fā)生米氏散射，進行散射分束，并基于介質粒 子在溶液或溶膠內(nèi)的無規(guī)則布朗運動，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5所示，圖像的散斑對比度已低至2. 78%，散斑消除效果 極好；并可以通過提高溶液或溶膠的溫度、溶液或溶膠中的介質粒子濃度來提高散斑消除 效果；而且本發(fā)明依據(jù)的溶液或溶膠中介質粒子的無規(guī)則布朗運動屬于自發(fā)性運動現(xiàn)象， 無需外界能量的驅動，使得本發(fā)明所述裝置的整體結構處于靜止狀態(tài)，相比于現(xiàn)有技術更 具優(yōu)勢；本發(fā)明于光學反射腔中對入射激光進行“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”過程中實現(xiàn)了勻光目的；此外，本發(fā)明所用光學反射 腔結構極為普通，且溶液、溶膠也無須選擇特殊材料，具有低造價的優(yōu)勢。本發(fā)明結構合理、緊湊，易實現(xiàn)，造價低，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)有技術消除散斑獲得的測試結果圖； 圖2為本發(fā)明的結構示意圖3為米氏散射的光強角分布圖； 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；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-封閉式光學反射腔；303-透射出射 面；304-入射光孔；305、306、307-散斑消除裝置； 401-溶液或溶膠；402-介質粒子； 501、502、503_ 激光器； 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； 800-屏幕。
具體實施例方式如圖2所示，基于米氏散射及布朗運動的散斑消除裝置，包括其上設有入射光耦 合裝置301和透射出射面303的封閉式光學反射腔302，封閉式光學反射腔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 學反射腔內(nèi)的激光光束)，封閉式光學反射腔302內(nèi)填有充滿整個封閉式光學反射腔302的 溶液或溶膠401，且溶液或溶膠401內(nèi)散布有其線度能引起入射激光101發(fā)生米氏散射的介 質粒子402。具體實施時，所述溶液為有機溶液或無機溶液；所述溶膠為氣溶膠或液溶膠；所 述介質粒子402可以采用聚苯乙烯微球、二氧化鈦粒子(TiO2)等介質粒子；所述封閉式光 學反射腔302多選用金屬、平面鏡、透明塑料或玻璃加工制作，且其形狀無需特別限定，一 般多采用管狀腔體；封閉式光學反射腔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，且表面設有與入射激光101波段匹配的增透膜；
所述封閉式光學反射腔302上的入射光耦合裝置301可以按如下結構實現(xiàn)采用透射 入射面，并在表面設有與入射激光101波段匹配的增透膜；或者采用入射光孔結構，并在入 射光孔304上配設有光學耦合元件，如透鏡。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，例如如圖6所示，應用 于點掃描投影Ouster-Scanned Displays)系統(tǒng)，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；三個入射激光同時耦合入 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。在電信號的驅動下，微掃描鏡712根據(jù)二維圖像逐像素掃描 到屏幕上。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，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，分別耦合導入本發(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
1.一種基于米氏散射及布朗運動的散斑消除裝置，其特征在于包括其上設有入射光 耦合裝置(301)和透射出射面(303)的封閉式光學反射腔(302)，封閉式光學反射腔(302) 除透射出射面(303)內(nèi)壁之外的內(nèi)壁皆為“鏡面”內(nèi)壁，封閉式光學反射腔(302)內(nèi)填有充 滿整個封閉式光學反射腔(302)的溶液或溶膠(401)，且溶液或溶膠(401)內(nèi)散布有其線度 能引起入射激光(101)發(fā)生米氏散射的介質粒子(402)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于米氏散射及布朗運動的散斑消除裝置，其特征在于所 述溶液為有機溶液或無機溶液。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于米氏散射及布朗運動的散斑消除裝置，其特征在于所 述溶膠為氣溶膠或液溶膠。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于米氏散射及布朗運動的散斑消除裝置，其特征在于所 述介質粒子(402 )采用聚苯乙烯微球、或者二氧化鈦粒子。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于米氏散射及布朗運動的散斑消除裝置，其特征在于封 閉式光學反射腔(302)的透射出射面(303)表面設有與入射激光(101)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領域，具體是一種基于米氏散射及布朗運動的散斑消除裝置，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，基于米氏散射及布朗運動的散斑消除裝置，包括其上設有入射光耦合裝置和透射出射面的封閉式光學反射腔，封閉式光學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，封閉式光學反射腔內(nèi)填有充滿整個封閉式光學反射腔的溶液或溶膠，且溶液或溶膠內(nèi)散布有其線度能引起入射激光發(fā)生米氏散射的介質粒子。本發(fā)明結構合理、緊湊，易實現(xiàn)，造價低，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G02B27/48GK102073145SQ201110031499
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月29日 優(yōu)先權日2011年1月29日
發(fā)明者唐國先, 石云波, 陳旭遠, 高文宏 申請人:中北大學