專利名稱：一種激光散斑消除裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光顯示領(lǐng)域，特別涉及一種激光散斑消除裝置。
背景技術(shù)：
激光在生物醫(yī)學(xué)、顯示、高密度數(shù)據(jù)存儲、光譜學(xué)、激光打印、水下成像與通訊、探測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在上述領(lǐng)域尤其是激光顯示領(lǐng)域，激光固有的相干性造成的散斑現(xiàn)象已經(jīng)成為困擾廣大技術(shù)工作者的一大難題。本質(zhì)上講，散斑現(xiàn)象是光源的相干性引起的，因此，通過降低光源的時間相干性和空間相干性就能達(dá)到減弱散斑的目的。文獻(xiàn)和專利中報道的減弱散斑的方法可以歸納為以下兩種方法(1)采用時間部分相干光照明，即將光源分為多個多模激光器輸出，采用非相干疊加的方法使得散斑效應(yīng)減弱；(2)降低光束空間相干性，在整個光束范圍內(nèi)產(chǎn)生無規(guī)相位調(diào)制達(dá)到減弱散斑效應(yīng)的目的。實際應(yīng)用中， 多同時運(yùn)用上述兩種方法，達(dá)到更好的散斑減弱效果。目前，國內(nèi)外報道的降低光束空間相干性的方法主要采用(1)在光束內(nèi)插入一個、多個轉(zhuǎn)動或振動的漫射體；(2)在光束內(nèi)插入液晶器件，通過電場激勵使晶體運(yùn)動引起必要的相位調(diào)制；(3)采用帶有轉(zhuǎn)動棱鏡的系統(tǒng)，使相干光束有效的變換為準(zhǔn)單色非相干的環(huán)形光源。上述方法中，(2)對光束偏振性要求高，且光損較高，(1)、(3)對光束要求不高， 但由于采用運(yùn)動器件，會增加系統(tǒng)的噪聲和不可靠性，造成畫面清晰度下降，另外，由于振動、轉(zhuǎn)動的重復(fù)性，散射體的運(yùn)動不能做到完全隨機(jī)，不能更為有效降低光束空間相干性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供激光散斑消除裝置，利用內(nèi)層填充有多孔液體的中空波導(dǎo)傳輸激光，降低光束的空間相干性，最終得到相干性有效降低且照度分布均勻的激光光束。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的激光散斑消除裝置，包括具有密封腔體的中空波導(dǎo)和位于所述中空波導(dǎo)的密封腔體內(nèi)的多孔液體，所述中空波導(dǎo)包括側(cè)壁和光入射面、光出射面，所述側(cè)壁適用于反射激光；所述光入射面和光出射面位于所述中空波導(dǎo)的端面處，適用于透射激光。上述激光散斑消除裝置，所述多孔液體為純液體型多孔液體。上述激光散斑消除裝置，所述純液體型多孔液體為冠醚、杯芳烴和環(huán)糊精中的一種或多種。上述激光散斑消除裝置，所述多孔液體為溶解于位阻溶劑中的空主體分子型多孔液體。上述激光散斑消除裝置，所述溶解于位阻溶劑中的空主體分子型多孔液體是由葫蘆脲、無機(jī)籠狀化合物中的一種或兩種溶于丙酮獲得的液體。上述激光散斑消除裝置，所述多孔液體為分散在位阻溶劑中的框架材料型多孔液體。
上述激光散斑消除裝置，所述分散在位阻溶劑中的框架材料型多孔液體為將分子篩納米微晶溶于丙酮獲得的液體。上述激光散斑消除裝置，所述中空波導(dǎo)為筆直形狀或彎曲形狀。上述激光散斑消除裝置，所述側(cè)壁的折射率小于所述多孔液體的折射率。上述激光散斑消除裝置，所述中空波導(dǎo)的橫截面形狀為矩形或圓形或正多邊形。本發(fā)明的激光散斑消除裝置具有以下有益的技術(shù)效果
(1)多孔液體，即具有永久孔洞的液體，它結(jié)合了微孔固體的大小、形狀選擇性、吸附等特性和液體的快速傳質(zhì)性、流動性和穩(wěn)定的動力學(xué)性能。在多孔液體中，液體分子和孔洞相當(dāng)于大量作布朗運(yùn)動的散射體，其作用結(jié)果是降低光束的空間相干性，采用多孔液體的布朗運(yùn)動作為散斑消除方法優(yōu)勢明顯首先，光場的相關(guān)性質(zhì)是依賴于散射體運(yùn)動的型式的， 作布朗運(yùn)動的液體分子和孔洞，其運(yùn)動是完全隨機(jī)的，其散射光的光譜為Lorentz線型，而對于一個和多個轉(zhuǎn)動或振動的漫射體其運(yùn)動則是完全相關(guān)的；其次，多孔液體的布朗運(yùn)動是微觀運(yùn)動，是分子熱運(yùn)動的表現(xiàn)，不會停止，這相對于宏觀物體靠驅(qū)動力激勵的運(yùn)動可靠性更高；另外，在顯示應(yīng)用中，宏觀散射體的振動、轉(zhuǎn)動，會造成畫面清晰度的下降，而多孔液體分子和孔洞的布朗運(yùn)動則不會影響畫面質(zhì)量。利用多孔液體分子和孔洞布朗運(yùn)動對激光散斑的減弱效應(yīng)，選擇合適的液體和工作溫度，研制集成散斑消除器件，其在激光醫(yī)學(xué)、 激光顯示、激光探測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，將極大促進(jìn)上述領(lǐng)域的發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。(2)本發(fā)明的激光散斑消除裝置可同時實現(xiàn)消相干和勻場功能。所述中空波導(dǎo)對激光具有勻場作用，加上所述多孔液體對入射激光進(jìn)行散射，形成的散射光相對入射激光有所退偏，散射光在波導(dǎo)中傳播經(jīng)過不同的光程出射，因此出射光束的偏振度及相位相對于入射激光已大為改變，其相干度大為減弱。所以，本發(fā)明裝置對激光能同時實現(xiàn)消相干和勻場的功能。激光利用率高。由于散射不吸收光能，再考慮到多孔液體可采用對激光吸收極小的物質(zhì)，且所述波導(dǎo)在傳播激光的過程中，漏光極少，通常可使得激光的利用率高達(dá) 90%。結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。本發(fā)明裝置采用的都是常見的材料和常見的結(jié)構(gòu)，在材料成本和加工成本上都很低，相應(yīng)的，替換成本也很低。無噪音，不耗電。本發(fā)明裝置利用液體分子固有的熱運(yùn)動實現(xiàn)消散斑，無宏觀機(jī)械運(yùn)動，不產(chǎn)生系統(tǒng)噪音，且運(yùn)行過程中不耗電，是一種理想的環(huán)保解決方案。


圖1為本發(fā)明裝置的一個實施例的剖面示意圖。圖2為本發(fā)明裝置的另一個實施例的剖面示意圖。圖3為將實施例1的本發(fā)明裝置用于一種單片式DLP激光投影系統(tǒng)的實施例的示意圖。圖4為將實施例1中的本發(fā)明裝置用于一種三片式DLP激光投影系統(tǒng)的實施例的示意圖。圖5為實施例1中的純液體型多孔液體示意圖。圖6為實施例2中的溶解于位阻溶劑中的空主體分子型多孔液體示意圖。圖7為分散在位阻溶劑中的框架材料型多孔液體示意圖。
圖8為具有非固有孔的傳統(tǒng)液體示意圖。圖中101-側(cè)壁，102-中空波導(dǎo)，103-具有固有孔的分子，104-入射光束，105-光束，106-第一散射光，107-光束，108-光入射面，109-出射光束，110-第二散射光，111-光出射面，113-散射光，201-入射光束，202-波導(dǎo)管，203-光入射面，204-光出射端面， 205-側(cè)壁，206-出射光束，301-紅光激光器，302-綠光激光器，303-藍(lán)光激光器，304-中空波導(dǎo)，305-中繼透鏡，307-TIR棱鏡，308-DMD光閥，309-投影透鏡，310-屏幕，311-紅光整形裝置，404-整形裝置，405-矩形中空波導(dǎo)，406-中繼透鏡，411-X — cube棱鏡，410-綠光 DMD光閥，412-投影透鏡，413-屏幕，501-傳統(tǒng)液體的分子，502-位阻溶劑分子，503-框架材料，504-非固有孔，505-固有孔。實施方式
傳統(tǒng)液體如圖8所示傳統(tǒng)液體的分子501之間的非固有孔504孔隙半徑比典型的分子要小，超過0.15 nm的孔隙非常少，一般介于0. 01 0. 04 nm之間。以此尺寸量級的分子和孔洞尺寸與波長為532nm的激光相互作用，布朗運(yùn)動對激光光場的影響非常有限。純液體型多孔液體如圖5所示液體分子均為具有固有孔的分子103，所述固有孔 505大于0. 3nm，可以為大于50nm的大孔，介于2 50nm之間的介孔，或0. 3 2nm之間的足夠容納其他分子的微孔。純液體型多孔液體的分子存在不會坍塌的內(nèi)部空腔。溶解于位阻溶劑中的空主體分子型多孔液體如圖6所示空主體分子溶解在位阻溶劑分子502中形成，空主體分子為具有固有孔的分子103，固有孔505大于0. 3nm，可以為大于 50nm的大孔，介于2 50nm之間的介孔，或0. 3 2nm之間的足夠容納其他分子的微孔。分散在位阻溶劑中的框架材料型多孔液體如圖7所示框架材料503溶解在位阻溶劑中，空主體分子為具有固有孔的分子103，固有孔505大于0. 3nm，可以為大于50nm的大孔，介于2 50nm之間的介孔，或0. 3 2nm之間的足夠容納其他分子的微孔。與存在于液體分子之間的小的、暫時性的非固有孔504相比，如果液體分子內(nèi)有空置的孔洞，即固有孔505，就會存在真正意義上的多孔液體。在簡單溶液中，通常任何孔隙都會被較小的溶劑分子所占據(jù)；而在多孔液體中，任何溶劑等小分子都會被刻意地在空間上從主體的孔中清除。多孔液體將微孔固體的多種特性，如大小、形狀選擇性吸附等，和液體的快速傳質(zhì)性、流動性和穩(wěn)定的動力學(xué)性能結(jié)合在一起。具有固有孔的分子103可以為分子篩、配位聚合物、共價有機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。在多孔液體中，液體分子和孔洞相當(dāng)于大量作布朗運(yùn)動的散射體，其作用結(jié)果是降低光束的空間相干性。以下通過實施例來詳細(xì)說明如何設(shè)置多孔液體使其達(dá)到消散斑的效果。實施例1
圖1為本發(fā)明裝置的一個實施例的剖面示意圖。如圖1所示，本實施例中的激光散斑消除裝置包括筆直形狀的中空波導(dǎo)102以及填充在其內(nèi)的如圖5所示的純液體型多孔液體，可以是冠醚、杯芳烴和環(huán)糊精中的一種或多種。其中，中空波導(dǎo)102包括側(cè)壁101、光入射面108和光出射面111。因為經(jīng)本發(fā)明裝置處理后的激光通常用于照射矩形光閥，所以中空波導(dǎo)102的橫截面優(yōu)選采用矩形。中空波導(dǎo)102的側(cè)壁101由玻璃或透明塑料(例如聚四氟乙烯)等耐腐蝕且吸收光能較少的材料制成，側(cè)壁101的內(nèi)壁平面度沒有特殊要求，因此不造成加工上的困難。中空波導(dǎo)102的腔內(nèi)填充有純液體型多孔液體，中空波導(dǎo)102兩底面由光入射面108、光出射面111封住，光入射面108和光出射面111由玻璃或透明塑料等透光物質(zhì)制成，其形狀不限，其面積應(yīng)略大于中空波導(dǎo)102的兩底面(能完全覆蓋底面即可)，光入射面108的兩通光面和光出射面111的兩通光面均鍍有針對入射光束104的波長的增透膜。純液體型多孔液體的折射率應(yīng)大于側(cè)壁101的材料的折射率，并且上述兩者折射率的差值越大越好(折射率差值越大，意味著波導(dǎo)的數(shù)值孔徑越大，接收入射光的能力就越強(qiáng)，本實施例中的折射率均指材料在入射光束104的波長處相對于真空的折射率)。入射光束104為具有相干性的可見光波段的激光，其以聚焦形式耦合進(jìn)入中空波導(dǎo)102內(nèi)，并在純液體型多孔液體中向前傳播，一部分光束例如光束105遇到具有固有孔的分子103時發(fā)生散射，產(chǎn)生沿空間各個方向傳播的散射光。其中第一散射光106和沿原方向傳播的光束107在側(cè)壁101上的入射角大于全反射角，而第二散射光110在側(cè)壁101上的入射角小于全反射角，第一散射光106和光束107遇到側(cè)壁101時發(fā)生全反射繼續(xù)向前傳播，第二散射光110 —部分反射回波導(dǎo)繼續(xù)向前傳播形成散射光113，一部分則透射出波導(dǎo)損失掉，損失掉的光能只占入射光束的極小部分，分布于入射光束104的傳播方向附近的大部分散射光在側(cè)壁101上發(fā)生的是全反射。由于純液體型多孔液體中布滿了具有固有孔的分子103，腔內(nèi)的光束不斷遇到具有固有孔的分子103并發(fā)生散射，每發(fā)生一次散射， 光束就被分為若干束子光束向空間各個方向發(fā)散，基于散射原理，當(dāng)散射顆粒為各向異性時，每次散射得到的子光束都有不同程度的退偏或偏振度的改變，這些子光束經(jīng)過不同的光程后在中空波導(dǎo)102的出射端面重新混合，最終形成出射光束109，相比線偏振的入射光束104，出射光束109已經(jīng)有所退偏，上述過程中由于光程不同造成的子光束之間的相位差以及相對于入射光束的退偏都大為減弱了入射光束104的相干性。另一方面，用沒有填充純液體型多孔液體的矩形中空波導(dǎo)102(也可為圓形和正多邊形，實際上是聚光器的一種)傳輸激光本身就可以達(dá)到勻場(即在出射端面得到光照度均勻的激光光束)的效果，加上純液體型多孔液體中具有固有孔的分子103的散射作用，使得在中空波導(dǎo)102中傳輸?shù)墓馐膭驁鲂Ч?，所以采用本實施例中的裝置可以同時完成消相干和勻場兩個功能。本發(fā)明另一顯著的優(yōu)點是對激光的損耗小，由于散射不吸收光能，再考慮到純液體型多孔液體對入射光束104的吸收極小，加上可以忽略的極少量的側(cè)壁透射光，最終出射端面的光束109的能量一般可以達(dá)到入射光束104的90%。當(dāng)然，如果在側(cè)壁101外表面鍍上針對入射光束波段的高反膜，激光的利用率會更高。實施例2
圖2為本發(fā)明裝置的另一個實施例的剖面示意圖，其中密封的中空的波導(dǎo)管202內(nèi)填充有如圖6所示的溶解于位阻溶劑中的空主體分子型多孔液體，是由葫蘆脲(英文名稱 cucurbituril)、無機(jī)籠狀化合物[例如{CpCo (CH3)} 4 (Cp*Ru) 4]中的一種或兩種溶于有機(jī)溶劑如丙酮獲得的液體，波導(dǎo)管202由玻璃或透明塑料一體化制成，波導(dǎo)管202的光入射面 203和光出射面204鍍有針對入射光束201波段的增透膜，波導(dǎo)管202的側(cè)壁205鍍有針對入射光束201波段的高反膜，所有膜均鍍在波導(dǎo)管202的外表面，當(dāng)然也可以鍍在波導(dǎo)管 202的內(nèi)表面，只是這種方式對膜層的耐腐蝕性能有較高要求。光束在波導(dǎo)管202內(nèi)傳播時遇到側(cè)壁205外表面的高反膜發(fā)生反射。波導(dǎo)管202是如圖2所示的來回彎折形狀，其橫截面為圓形，波導(dǎo)管202設(shè)計成來回彎折形狀節(jié)省了空間，波導(dǎo)管202也可以是其它彎折形
6狀，甚至波導(dǎo)管202可以在空間上呈螺旋環(huán)繞或打結(jié)。波導(dǎo)管202橫截面的直徑優(yōu)選為相等，也可以不相等，只要波導(dǎo)管202可以實現(xiàn)導(dǎo)光作用即可。基于與實施例1相同的消相干和勻場原理，在光出射端面204得到相干性極低且光照度均勻分布的出射光束206。另外，實驗表明，本發(fā)明中的波導(dǎo)管適當(dāng)?shù)膹澢鷮ο喔傻男Ч灿幸欢ǖ奶嵘?這是由于波導(dǎo)管的彎曲進(jìn)一步加大了各光束之間的光程差，這些光束在光出射面處的相位關(guān)系比通過實施例1中的筆直形狀波導(dǎo)管處理后更為混亂。由于波導(dǎo)管202的側(cè)壁205的外表面鍍有高反膜，所以不要求溶解于位阻溶劑中的空主體分子型多孔液體的折射率大于外壁材料的折射率，當(dāng)然，在合理范圍內(nèi)，溶解于位阻溶劑中的空主體分子型多孔液體優(yōu)選為高濃度。此外，波導(dǎo)管202內(nèi)還可填充如圖7所示的溶解于位阻溶劑中的框架材料型多孔液體，例如將分子篩納米微晶，在甲苯等有機(jī)溶劑中形成透明的分散體系。實施例3
圖3為將實施例1的本發(fā)明裝置用于一種單片式DLP激光投影系統(tǒng)的實施例的示意圖。其中紅光激光器301經(jīng)過紅光整形裝置311后形成聚焦光束耦合進(jìn)入矩形的中空波導(dǎo) 304的腔內(nèi)，綠光激光器302和藍(lán)光激光器303也分別經(jīng)過各自的整形裝置后形成聚焦光束耦合進(jìn)入中空波導(dǎo)304的腔內(nèi)。中空波導(dǎo)304的腔內(nèi)填充有分散在位阻溶劑中的框架材料型多孔液體，從中空波導(dǎo)304出射的光束相干性極低并且光照度均勻。由于中空波導(dǎo)304 截面為矩形，所以上述出射光束為矩形，與矩形的DMD光閥308的形狀匹配，但其發(fā)散角較大，一般不直接用于照明DMD光閥308，因此需要使用中繼透鏡305將其發(fā)散角壓縮(一種本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的整形技術(shù))，并經(jīng)過IlR棱鏡307后成像于DMD光閥308處，DMD 光閥308配合三基色激光器時分復(fù)用地對入射其上的激光進(jìn)行調(diào)制，其產(chǎn)生的圖像經(jīng)投影透鏡309投射到屏幕310上顯示。實施例4:
圖4為將實施例1中的本發(fā)明裝置用于一種三片式DLP激光投影系統(tǒng)的實施例的示意圖。三基色激光器由紅光激光器301、綠光激光器302和藍(lán)光激光器303組成。其中綠光激光器302經(jīng)過整形裝置404形成聚焦光束耦合進(jìn)入矩形中空波導(dǎo)405的腔內(nèi)，中空波導(dǎo)405 的腔內(nèi)填充有NaCl水溶液，從中空波導(dǎo)405出射的光束相干性極低并且光照度均勻，基于與實施例3中相同的原因，從中空波導(dǎo)405出射的光束需要經(jīng)過中繼透鏡406壓縮發(fā)散角并經(jīng)IlR棱鏡414后成像于綠光DMD光閥410處，紅光和藍(lán)光的上述過程與綠光類似，它們分別經(jīng)過各自的DMD光閥后，在X - cube棱鏡411與綠光合色形成彩色圖像，之后通過投影透鏡412將合成后的彩色圖像投射到屏幕413上。上述用于傳輸激光的中空波導(dǎo)應(yīng)由耐腐蝕、對光吸收少的材料制成，基于材料的易獲得性和成本方面的考慮，上述實施例中的中空波導(dǎo)優(yōu)選采用玻璃或聚四氟乙烯制成。 中空波導(dǎo)內(nèi)填充的溶液不限于純液體型多孔液體和溶解于位阻溶劑中的空主體分子型多孔液體，還可以是分散在位阻溶劑中的框架材料型多孔液體。另外，中空波導(dǎo)的截面形狀優(yōu)選與需要進(jìn)行照明的光閥形狀匹配，因此當(dāng)光閥為其他形狀時，也可以對中空波導(dǎo)的形狀作出相應(yīng)改動，例如對圓形光閥采用圓形波導(dǎo)，最常見的圓形中空波導(dǎo)就是中空的光纖(只有包層、沒有纖芯的光纖)。本發(fā)明裝置工作過程中不產(chǎn)生噪音，也不耗電，是一種理想的靜音環(huán)保的消相干方案。
權(quán)利要求
1.一種激光散斑消除裝置，其特征在于，包括具有密封腔體的中空波導(dǎo)和位于所述中空波導(dǎo)的密封腔體內(nèi)的多孔液體，所述中空波導(dǎo)包括側(cè)壁和光入射面、光出射面，所述側(cè)壁適用于反射激光；所述光入射面和光出射面位于所述中空波導(dǎo)的端面處，適用于透射激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光散斑消除裝置，其特征在于，所述多孔液體為純液體型多孔液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光散斑消除裝置，其特征在于，所述純液體型多孔液體為冠醚、杯芳烴和環(huán)糊精中的一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光散斑消除裝置，其特征在于，所述多孔液體為溶解于位阻溶劑中的空主體分子型多孔液體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光散斑消除裝置，其特征在于，所述溶解于位阻溶劑中的空主體分子型多孔液體是由葫蘆脲、無機(jī)籠狀化合物中的一種或兩種溶于丙酮獲得的液體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光散斑消除裝置，其特征在于，所述多孔液體為分散在位阻溶劑中的框架材料型多孔液體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種激光散斑消除裝置，其特征在于，所述分散在位阻溶劑中的框架材料型多孔液體為將分子篩納米微晶溶于丙酮獲得的液體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一所述的一種激光散斑消除裝置，其特征在于，所述中空波導(dǎo)為筆直形狀或彎曲形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一所述的一種激光散斑消除裝置，其特征在于，所述側(cè)壁的折射率小于所述多孔液體的折射率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一所述的一種激光散斑消除裝置，其特征在于，所述中空波導(dǎo)的橫截面形狀為矩形或圓形或正多邊形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光散斑消除裝置，包括具有密封腔體的中空波導(dǎo)和位于所述中空波導(dǎo)的密封腔體內(nèi)的多孔液體，所述中空波導(dǎo)包括側(cè)壁和光入射面、光出射面，所述側(cè)壁適用于反射激光；所述光入射面和光出射面位于所述中空波導(dǎo)的端面處，適用于透射激光。本發(fā)明的激光散斑消除裝置利用內(nèi)層填充有多孔液體的中空波導(dǎo)傳輸激光，降低光束的空間和時間相干性，從而有效降低相干對比度并提高激光光束的均勻度。
文檔編號G02B27/48GK102298219SQ20101020725
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者畢勇, 王斌 申請人:北京中視中科光電技術(shù)有限公司