專利名稱:一種消散斑裝置及使用該消散斑裝置的激光投影儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型屬于激光顯示技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及激光顯示中的消散斑裝置。
背景技術(shù):
激光顯示技術(shù)由于使用激光作為光源,從而具備更寬的顏色再現(xiàn)能力以 實(shí)現(xiàn)更大的色域,并且由于激光的高準(zhǔn)直性以及高的電光轉(zhuǎn)換效率使得激光 顯示技術(shù)更具竟?fàn)幜?。然而,由于該顯示技術(shù)使用的激光屬于相干光源,相 干光束經(jīng)粗糙表面漫反射之后形成散斑。散斑是影響激光顯示成像質(zhì)量的關(guān) 鍵因素,因此在激光顯示技術(shù)中,減弱激光散斑是一項(xiàng)重要的任務(wù),在激光 顯示技術(shù)中,消散斑的技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)。
申請?zhí)枮镴P2004354671的日本專利公開了一種將電動振機(jī)與多模光纖 束相連接,利用電動振機(jī)連續(xù)振動光纖,從而改變激光束在光纖內(nèi)的傳播模 式,由此實(shí)現(xiàn)消散斑的方法;申請?zhí)枮镵R2006081618的韓國專利也是利用 振動光纖來達(dá)到消散斑的方法,其中用于傳導(dǎo)激光的光纖分為光入射端和光 輸出端,快速振動光入射端并同時在光輸出端再連接有多根光纖,由此將一 束光分為多束光傳導(dǎo);申請?zhí)枮閁S20060126184的美國專利首先利用散射元 件將光源分成多束子光束,并使^射元件周期性的移動,然后再利用包含多 根同等長度光纖的光纖束將子光束分為更小的多束子光束,通過此種方法來 減弱激光散斑。
上述申請或是振動光纖或是利用光纖分束,但是電動振機(jī)和散射元件必 須旋轉(zhuǎn)或移動,使得系統(tǒng)噪聲增加;電動振機(jī)連續(xù)進(jìn)行機(jī)械轉(zhuǎn)動對元件的損 耗較大,造成裝置的磨損使得系統(tǒng)可靠性降低、壽命減少;單光束分為多光 束或移動散射元件的方法都造成系統(tǒng)安裝工藝復(fù)雜。
實(shí)用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有消散斑裝置的缺陷,本實(shí)用新型提出一種無噪音、可靠性高、 結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)的減弱散斑的裝置。一方面,本實(shí)用新型提供一種消散斑裝置,包括兩個或兩個以上逆壓 電材料體、光纖和脈沖電源,所述兩個或兩個以上逆壓電材料體為中空體, 且彼此成一定的角度設(shè)置,所述光纖順序纏繞在所述兩個或兩個以上逆壓 電材料體上,用于傳導(dǎo)激光,所述脈沖電源的兩極分別與所述逆壓電材料 體的兩極電連接。
上述的消散斑裝置,其中,所述光纖呈螺旋狀緊貼所述逆壓電材料體 外表面纏繞在所述逆壓電材料體上。
上述的消散斑裝置,其中,纏繞在所述逆壓電材料體上的所述光纖相 對其自身軸線不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。
上述的消散斑裝置,其中,每個所述逆壓電材料體可同時纏繞一根或 一根以上的所述光纖。
上述的消散斑裝置,其中,每個所述逆壓電材料體與一個單獨(dú)的脈沖 電源或者多路輸出脈沖電源的 一路單獨(dú)輸出電連接,各脈沖電源或多路輸 出脈沖電源的各初始輸出頻率不同。
上述的消散斑裝置,其中,所述一個單獨(dú)的脈沖電源或者多路輸出脈 沖電源發(fā)送脈沖方波、三角波或正弦波信號。
上述的消散斑裝置,其中,所述逆壓電材料體的材料為壓電陶瓷、壓 電晶體和有機(jī)壓電材料。
上述的消散斑裝置,其中,所述逆壓電材料體是外表面平滑的中空的 圓柱、橢圓柱或圓臺、橢圓臺。
上述的消散斑裝置,其中,所述逆壓電材料體為四個,四個逆壓電材
料體排列成矩形;或者所述逆壓電材料體為五個,五個逆壓電材料體排列 成五邊形;或者所述逆壓電材料體為八個,八個逆壓電材料體排列成"米" 字形。
另一方面,本實(shí)用新型提供一種激光投影儀,其采用上面所述的消散 斑裝置。
本實(shí)用新型的消散斑裝置在工作過程中不產(chǎn)生噪聲,是一種非常環(huán)保 的裝置;本消散斑裝置沒有機(jī)械運(yùn)動造成的磨損,使得裝置的可靠性高且 壽命較長;本消散斑裝置僅需將光纖纏繞在逆壓電材料體上,因此本裝置 結(jié)構(gòu)簡單且易實(shí)現(xiàn)。
圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例一的消散斑裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖2為纏繞有光纖的壓電陶瓷的縱截面示意圖3 (a)至圖3 (d)為壓電陶資101a、 101b、 101c和101d的縱截面
示意圖4為采用實(shí)施例一的消散斑裝置的三片式DMD激光投影儀的工作 原理示意圖5為采用實(shí)施例一的消散斑裝置的單片式DMD激光投影儀的工作 原理示意圖。
具體實(shí)施方式
下面簡要說明正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的原理。正壓電效應(yīng)是指當(dāng) 電介質(zhì)受到某固定方向外力的作用時,內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在電 介質(zhì)的某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷,當(dāng)外力撤去后,電介質(zhì)又恢復(fù) 到不帶電的狀態(tài),當(dāng)外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變,電介 質(zhì)受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比;逆壓電效應(yīng)是指對電介質(zhì)施 加交變電場引起電介質(zhì)機(jī)械形變的現(xiàn)象。具有逆壓電效應(yīng)的逆壓電材料有 壓電陶瓷、壓電晶體和有機(jī)壓電材料等。
本實(shí)用新型即是利用逆壓電效應(yīng),將光纖纏繞在逆壓電材料體上。當(dāng) 逆壓電材料體發(fā)生逆壓電效應(yīng)時其發(fā)生形變、外徑增加并體積變大對纏繞 在其上的光纖施加作用力,作用力方向垂直于光纖和壓電陶瓷接觸表面的 光纖圓弧的切線方向,并通過光纖的軸心指向光纖的非接觸表面(這里是 指與接觸表面相反方向的表面)。因此,光纖沿自身徑向發(fā)生漸變的彈性 應(yīng)變,基于彈性應(yīng)變光纖的折射率w也發(fā)生改變,光程丄="></也將發(fā)生變 化(w為折射率,/為光經(jīng)歷的路程長度,由于作用力導(dǎo)致的/值的變化量 相對于w的變化量很小,因此忽略不計),故傳播/距離所造成的位相差為
~ = 2冗^ = ,從而改變了光纖內(nèi)傳導(dǎo)光的位相及光束間的光程差,
本實(shí)用新型的消散斑裝置相當(dāng)于是在光纖的同一橫截面內(nèi)從光纖各個方 向?qū)饫w施加作用力,當(dāng)光纖內(nèi)各光束的光程差大于一個相干長度時,就 破壞了各光束之間的相干性,從而達(dá)到減弱激光散斑的目的。下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)的描述本實(shí)用新型。 實(shí)施例一
圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例一的消散斑裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖,圖1所
示的消散斑裝置包括壓電陶瓷組101、光纖102和電源103a、 103b、 103c 和103d。壓電陶資組101包括圓筒形的壓電陶資101a、壓電陶瓷101b、 壓電陶瓷101c和壓電陶瓷101d,壓電陶瓷101a的兩端標(biāo)記為Ai端和A2 端,壓電陶瓷101b的兩端標(biāo)記為Bi端和B2端,同理,壓電陶瓷101c和 101d也具有相應(yīng)的兩個端頭。壓電陶瓷101a、 101b、 101c和101d型號均 相同,四個壓電陶瓷由四個獨(dú)立電源103a、 103b、 103c和103d分別提供 電壓,電源的兩極分別與逆壓電材料對應(yīng)的兩極電連接(圖中僅用一條線 示意性表示),本實(shí)施例中四個電源103a、 103b、 103c和103d所發(fā)射的 脈沖信號的初始頻率分別為lOHz、 90Hz、 70Hz和120Hz, ^f旦是應(yīng)該理解, 四個電源所發(fā)射的脈沖信號的頻率也可以是隨機(jī)變化或周期性變化的,而 且變化范圍從幾赫茲到幾百赫茲均可,當(dāng)然更高的頻率也可以,使用時從 其工作穩(wěn)定性和節(jié)能等方面考慮優(yōu)選百赫茲級別,并盡量保證在任意時刻 四個脈沖信號的頻率不同或脈沖的高低電平交錯開。
壓電陶資組上僅纏繞一根光纖102,光纖102可同時傳導(dǎo)一種或幾種 波長/波段的激光。壓電陶瓷101a、 101b、 101c和101d的外圓的曲率半徑 必須大于所使用的光纖102彎曲損耗的臨界曲率半徑(可根據(jù)光纖的臨界 曲率半徑的計算公式獲得),否則會造成激光在光纖內(nèi)的損耗,并且容易 折斷光纖。如下所述光纖102順序纏繞在各個壓電陶瓷上。如圖1所示, 光纖102沿x軸正向從壓電陶資101a的Ai端開始呈螺旋狀緊密地纏繞在 壓電陶資101a上,相鄰的每一圈光纖段之間相切(即相鄰兩圈光纖并排 緊貼)。當(dāng)光纖102纏繞至壓電陶瓷101a的A2端后,從壓電陶瓷101a的 A2端的內(nèi)側(cè)(相對于壓電陶瓷組矩形的中心)繞至壓電陶瓷101b的Bt端 的外側(cè)(相對于壓電陶瓷組矩形的中心)纏滿壓電陶瓷101b,如圖l所示, 然后以相同方式纏繞壓電陶瓷101c和101d。在整個纏繞過程中要保證光 纖102不發(fā)生相對其自身的軸向扭轉(zhuǎn);并且,光纖102任意一段均貼合在 相應(yīng)的壓電陶資上,以保證當(dāng)各壓電陶資的外徑變化時各壓電陶乾能夠?qū)?光纖102施加作用力。當(dāng)壓電陶瓷膨脹時,壓電陶瓷101a上纏繞的每段 光纖的受力方向如圖2中箭頭所示。
圖3 (a)至圖3 (d)為壓電陶瓷101a、 、 101c和101d的縱截面示意圖,并用箭頭表示出了各壓電陶瓷上的光纖的受力情況。圖3(a)至 圖3 (d)和圖1在同一直角坐標(biāo)系下。本實(shí)施例中,四個電源發(fā)送頻率不 同的脈沖方波電壓信號,四個壓電陶覺受到脈沖方波電壓信號的激勵,圓 筒外徑增大,于是纏繞在各壓電陶瓷上的光纖102受到來自壓電陶瓷的作 用力。
本例中,假設(shè)光纖102內(nèi)傳導(dǎo)的光信號為一個"上"字,如圖3 (a) 所示,光纖102受到壓電陶瓷101a施加的作用力方向指向"上"字的正 方向(規(guī)定"上,,字向上的方向?yàn)槠湔较?。當(dāng)光纖102在壓電陶瓷101a 上纏繞結(jié)束后轉(zhuǎn)到壓電陶覺101b上繼續(xù)纏繞,因?yàn)閴弘娞沾?01b與壓電 陶瓷101a呈負(fù)90度角,并且纏繞過程中光纖102不發(fā)生相對于自身的軸 向扭轉(zhuǎn),所以光纖102內(nèi)傳導(dǎo)的光信號"上"字正方向相對于同一直角坐 標(biāo)系發(fā)生順時針90度的旋轉(zhuǎn),如圖3 (b)所示,此時光纖102受到壓電 陶瓷101b施加的作用力的作用,即作用力方向和光纖102內(nèi)傳導(dǎo)的光信 號"上"字正方向呈負(fù)90度。如圖3 (c)所示,當(dāng)光纖102在壓電陶瓷 101b纏繞結(jié)束后轉(zhuǎn)到壓電陶瓷101c上繼續(xù)纏繞,纏繞的方法與圖1中的 壓電陶乾101a相同,壓電陶資101c與壓電陶瓷101b呈負(fù)90度角,所以 在同一直角坐標(biāo)系下,相對于圖3(b)所示的光纖102內(nèi)傳導(dǎo)的光信號"上" 字正方向又發(fā)生順時針90度的偏轉(zhuǎn),作用力所在的方向和光纖102內(nèi)傳 導(dǎo)的光信號"上"字正方向呈正180度。如圖3(d)所示,光纖102繼續(xù) 纏繞壓電陶資101d,纏繞方法和與圖1中的壓電陶瓷101a中的相同,壓 電陶瓷101d與壓電陶瓷101c呈負(fù)90度角,所以在同一直角坐標(biāo)系下, 相對于圖3(c)所示的光纖102內(nèi)傳導(dǎo)的光信號"上"字正方向又發(fā)生順 時針90度的偏轉(zhuǎn),作用力所在的方向和光纖102內(nèi)傳導(dǎo)的光信號"上" 字正方向呈正90度。雖然要求纏繞光纖102的過程中保證光纖102相對 自身軸線不發(fā)生扭轉(zhuǎn),但在工藝技術(shù)容許的范圍內(nèi)對光束的傳導(dǎo)不產(chǎn)生影 響的微量扭轉(zhuǎn)也是可以的。
工作時,壓電陶瓷在各自電源的激勵下發(fā)生膨脹。光纖102受到壓電 陶瓷101的作用力的作用,光纖102的折射率"發(fā)生變化。光纖102的某 一橫截面內(nèi)每一點(diǎn)折射率"變化的大小與作用力的大小、方向和頻率等因
素有關(guān),位相差為A^^2;r.^,每一點(diǎn)折射率變化量A 不等,這樣光束 間的位相差就被打亂了。當(dāng)光纖102足夠長使得光束間的平均光程差A(yù)Z^Awx/大于一個相干長度時,散斑效應(yīng)得到減弱。又因?yàn)楸緦?shí)施例中光 纖102被四個壓電陶資以不同頻率不同方向施加作用力,使得在任意時間 光纖102各個不同位置(尤其是在不同壓電陶瓷上的光纖之間)的折射率
均發(fā)生變化,打亂了光纖102內(nèi)傳導(dǎo)光的光束的位相,當(dāng)滿足光束間的光 程差大于一個相干長度(通常需要光纖102長度大于等于2米),達(dá)到實(shí) 現(xiàn)減弱激光散斑的目的。并且,各個壓電陶瓷以不同頻率膨脹,從而保證 任 一 時刻壓電陶瓷組對光纖均有作用力,保證了 ;肖散斑在時間上的連續(xù)性。
壓電陶瓷組內(nèi)的壓電陶瓷的根數(shù)及相互之間的角度是可以變化的,壓 電陶資組內(nèi)的壓電陶資數(shù)量越多,壓電陶資相互之間的夾角越小,就相當(dāng) 于是在光纖的橫截面內(nèi)從越多的方向上對光纖施加作用力,光纖內(nèi)傳導(dǎo)的 光束的位相被打亂的程度越嚴(yán)重,此裝置減弱激光散斑的效果就越好。
用壓電陶資外,還可以采用壓電晶體和有機(jī)壓電材料等。逆壓電材料體的 形狀可以為任意合適的中空體,例如,除可以采用橫截面為圓環(huán)形的圓筒 形外,還可以釆用橫截面為圓環(huán)形的圓臺等形體,或橫截面為橢圓形環(huán)的 圓筒、圓臺等形體,或者其他具有平滑外表面的筒等。逆壓電材料的數(shù)量 和組成的形狀均可以改變,例如,五個壓電材料體排列成五邊形,八個逆 壓電材料體排列成"米"字形等,總之要保證逆壓電材料體間均具有一 定的角度,使得在光纖各個部位受到多個方向的不同頻率的作用力,從空 間各個方向改變光纖的折射率,從而改變各個光束的位相,使得各個光束 的位相更加紊亂。
此外,多個逆壓電材料體除各自采用獨(dú)立電源外,也可以共用一個多 路輸出的電源,多路輸出的多脈沖頻率的初始值不等,可以是隨機(jī)變化和 /或周期性變化的,也可以是恒定值,脈沖頻率在百赫茲為宜,但是其取值 范圍不做嚴(yán)格的限定,只要能夠達(dá)到減弱散斑的目的即可;多個逆壓電材 料體的型號可以不相同;脈沖電源除發(fā)送脈沖方波正電壓信號外,也可以 發(fā)送三角波或正弦波等電壓信號。
另外,每個逆壓電材料體上也可以同時纏繞一根或一根以上的光纖, 每根光纖同時傳導(dǎo)一種或一種以上的波長的激光,將兩根以上光纖平行排 列,按照螺旋的方式纏繞在逆壓電材料體上,且纏繞時光纖段之間也可以 存在空隙。實(shí)施例二
圖4為采用實(shí)施例一的消散斑裝置的三片式DMD(Digital Micromirror Device,數(shù)字微鏡裝置)激光投影儀的工作原理示意圖。如圖所示,本實(shí)施 例中的激光投影儀包括紅光激光光源401、綠光激光光源402、藍(lán)光激光 光源403、紅光用全內(nèi)反棱鏡404、綠光用全內(nèi)反棱鏡405、藍(lán)光用全內(nèi)反 棱鏡406、 紅光用DMD407、綠光用DMD408、藍(lán)光用DMD409、 l殳影 透鏡413、 X-cube合色棱鏡414、紅光整形耦合裝置415、綠光整形耦合 裝置416、藍(lán)光整形耦合裝置417、屏幕418、紅光消散斑裝置419、綠光 消散斑裝置420和藍(lán)光消散斑裝置421。紅光消散斑裝置419、綠光消散 斑裝置420和藍(lán)光消散斑裝置421均采用本實(shí)用新型的實(shí)施例一中所述的 消散斑裝置,壓電陶瓷組只纏繞一根光纖,每根光纖只傳導(dǎo)一種顏色的激 光。紅、綠、藍(lán)光激光光源401、 402、 403發(fā)出的紅、綠、藍(lán)光分別凈皮紅 光整形耦合裝置415、綠光整形耦合裝置416、藍(lán)光整形耦合裝置417整 形,將紅光耦合到紅光消散斑裝置419的光纖內(nèi)、綠光耦合到綠光消散斑 裝置420的光纖內(nèi)、藍(lán)光耦合到藍(lán)光消散斑裝置421的光纖內(nèi),紅、綠、 藍(lán)激光經(jīng)過消散斑裝置后又分別經(jīng)全內(nèi)反棱鏡404、 405、 406反射到 DMD407、 DMD408和DMD409上,經(jīng)過DMD407、 DMD408和DMD409 的處理形成數(shù)字圖像再次被反射到全內(nèi)反棱鏡404、 405、 406上,并透射 過全內(nèi)反棱鏡404、 405、 406后被聚焦透射到X-cube合色棱鏡414上進(jìn) 行合色輸出,然后投射到投影透鏡413上,經(jīng)投影透鏡413的處理放大到 屏幕418上。經(jīng)過消散斑裝置419、 420和421的處理,觀眾可以在屏幕 上看到?jīng)]有散斑的清晰的圖像。
實(shí)施例三
圖5為采用實(shí)施例一的消散斑裝置的單片式DMD激光投影儀的工作 原理示意圖,包括紅光激光器501、綠光激光器502、藍(lán)光激光器503、整 形耦合裝置504、消散斑裝置505、 DMD507、全內(nèi)反棱鏡508、投影透鏡 509和屏幕506。其中消散斑裝置505采用實(shí)施例一所述的消散斑裝置, 壓電陶瓷組上同時纏繞三根光纖,每根光纖只傳導(dǎo)一種顏色的激光。紅、 綠、藍(lán)激光光源501、 502、 503發(fā)射的紅、綠、藍(lán)激光經(jīng)整形耦合裝置504 整形耦合到消散斑裝置505的光纖內(nèi),消散斑裝置505經(jīng)電源加以脈沖方波調(diào)制,激光散斑效應(yīng)得到減弱,然后激光入射到全內(nèi)反棱鏡508并入射 到DMD507,經(jīng)過DMD507時分復(fù)用地調(diào)制的紅、綠、藍(lán)激光被沖殳影透鏡 509投射到屏幕506上形成圖像。
最后所應(yīng)說明的是,以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而 非限制。盡管參照實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明,本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換,都不 脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍,其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利 要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種消散斑裝置,其特征在于,包括兩個或兩個以上逆壓電材料體、光纖和脈沖電源,所述兩個或兩個以上逆壓電材料體為中空體,且彼此成一定的角度設(shè)置,所述光纖順序纏繞在所述兩個或兩個以上逆壓電材料體上,用于傳導(dǎo)激光,所述脈沖電源的兩極分別與所述逆壓電材料體的兩極電連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消散斑裝置,其特征在于,所述光纖呈螺
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消散斑裝置,其特征在于,纏繞在所述逆壓 電材料體上的所述光纖相對其自身軸線不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消散斑裝置,其特征在于,每個所述逆壓電 材料體可同時纏繞一根或 一根以上的所述光纖。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消散斑裝置,其特征在于,每個所述逆壓電 材料體與 一個單獨(dú)的脈沖電源或者多路輸出脈沖電源的一路單獨(dú)輸出電 連接,各脈沖電源或多路輸出脈沖電源的各初始輸出頻率不同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的消散斑裝置,其特征在于,所述一個單獨(dú) 的脈沖電源或者多路輸出脈沖電源發(fā)送脈沖方波、三角波或正弦波信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消散斑裝置,其特征在于,所述逆壓電材 料體的材料為壓電陶資、壓電晶體和有機(jī)壓電材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消散斑裝置,其特征在于,所述逆壓電材 料體是外表面平滑的中空的圓柱、橢圓柱或圓臺、橢圓臺。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消散斑裝置,其特征在于,所述逆壓電材 料體為四個,四個逆壓電材料體排列成矩形;或者所述逆壓電材料體為五 個,五個逆壓電材料體排列成五邊形;或者所述逆壓電材料體為八個,八 個逆壓電材料體排列成"米"字形。
10. —種激光投影儀,其特征在于,其采用權(quán)利要求1-9之一所述的 消散斑裝置。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種消散斑裝置,包括兩個或兩個以上逆壓電材料體、光纖和脈沖電源,所述兩個或兩個以上逆壓電材料體為中空體,且彼此成一定的角度設(shè)置,所述光纖順序纏繞在所述多個逆壓電材料體上,用于傳導(dǎo)激光,所述脈沖電源的兩極分別與所述逆壓電材料體的內(nèi)外表面電連接。本實(shí)用新型的消散斑裝置不產(chǎn)生噪聲,可靠性高,結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)。
文檔編號H02N2/00GK201387516SQ20092010588
公開日2010年1月20日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者吳鐵甲, 勇 畢, 斌 王, 褚少偉 申請人:北京中視中科光電技術(shù)有限公司;中國科學(xué)院光電研究院