專利名稱：基于米氏散射及場致形變類聚合物的散斑消除裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以相干光為光源的顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于米氏散射及場致形 變類聚合物的散斑消除裝置，主要針對激光顯示技術(shù)及光學(xué)儀器中存在的光學(xué)散斑現(xiàn)象。
背景技術(shù)：
以激光為光源照射屏幕時(shí)，由于激光的相干性及屏幕的粗糙，導(dǎo)致人眼看到被散 斑覆蓋的圖像，嚴(yán)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(xué)儀器領(lǐng)域和顯示技術(shù)領(lǐng)域中的研發(fā)熱點(diǎn)。而就目前的研 究結(jié)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(shí)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(shí)間相干性成功消除光斑達(dá)到實(shí)用要求的技術(shù)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(gè)散斑圖像在人 眼積分時(shí)間內(nèi)相疊加，得到一個(gè)光能分布均勻的圖像，進(jìn)而實(shí)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(dòng)屏幕、振動(dòng)具有Hadamard圖形散射體、高頻振動(dòng)光纖等。上述 方法，或要借助機(jī)械振動(dòng)，甚至需要高頻或大幅振動(dòng)，或要集成多光源，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)械振動(dòng)的技術(shù)方案，例如專利號(hào)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(zhì)，以實(shí)現(xiàn)對入射激光形成瑞利散射。專利中利用無機(jī)鹽或有機(jī)醇水溶液 (如NaCl、KCl、KNO3或SiSO4水溶液)作為散射介質(zhì)，基于無機(jī)鹽或有機(jī)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(huì)對入射激光形成瑞利散射，以此實(shí)現(xiàn)入 射激光分束，并在光導(dǎo)管內(nèi)傳導(dǎo)，以期降低入射激光的相干性來消除散斑，同時(shí)利用光導(dǎo)管 的混光作用，將上述分束光進(jìn)行勻化來勻場消相干。但按該申請所述技術(shù)方法進(jìn)行試驗(yàn)，在 室溫下，利用長度為50mm、充滿飽和NaCl水溶液的光導(dǎo)管消除散斑，結(jié)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易 損壞、成本高等問題，提供了一種基于米氏散射及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(shù)方案實(shí)現(xiàn)的基于米氏散射及場致形變類聚合物的散斑消 除裝置，包括其上設(shè)有入射光耦合裝置和透射出射面的光學(xué)反射腔，光學(xué)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(xué)反射腔內(nèi)的激光光束)，光學(xué)反射腔內(nèi)設(shè)有填滿整個(gè)光學(xué)反射腔的透明固態(tài)物質(zhì)，且透明 固態(tài)物質(zhì)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(zhì)粒子，所述透明固態(tài)物質(zhì)為 場致形變類聚合物(該類聚合物在相應(yīng)外場驅(qū)動(dòng)下，會(huì)發(fā)生形變，所述外場一般指電場和磁場)，光學(xué)反射腔配設(shè)有用以產(chǎn)生腔內(nèi)聚合物所需外場的致動(dòng)裝置。所述場致形變類聚合物為電致形變類聚合物，相應(yīng)致動(dòng)裝置為電場發(fā)生裝置，且 電場發(fā)生裝置的電極板成對設(shè)置于光學(xué)反射腔內(nèi)或腔外；
置于光學(xué)反射腔內(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”入射于光學(xué)反射腔內(nèi)的激光光束)，沿光學(xué)反射腔內(nèi)壁固定設(shè)置；
所述場致形變類聚合物為磁致形變類聚合物，相應(yīng)致動(dòng)裝置為磁場發(fā)生裝置，且磁場 發(fā)生器的電磁鐵設(shè)置于光學(xué)反射腔外；
應(yīng)用時(shí)，如圖4、5所示，由激光光源發(fā)射的激光光束經(jīng)光學(xué)反射腔上的入射光耦合裝 置入射于光學(xué)反射腔內(nèi)，與光學(xué)反射腔內(nèi)場致形變類聚合物中散布的介質(zhì)粒子作用發(fā)生米 氏散射(如圖3所示，當(dāng)入射激光101照射介質(zhì)粒子402發(fā)生米氏散射時(shí)，入射激光101散 射后的散射光光強(qiáng)分布于一個(gè)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(jìn)方向 的散射光105光強(qiáng)最強(qiáng)，垂直方向的散射光103、107最弱，因此入射激光經(jīng)介質(zhì)粒子402散 射后，分束成多個(gè)強(qiáng)度不等的散射光，同時(shí)散射光的散射角分布擴(kuò)大)，分束成多個(gè)強(qiáng)度不 等的散射光，或經(jīng)光學(xué)反射腔內(nèi)壁反射，或再次與場致形變類聚合物中散布的介質(zhì)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(xué)反射腔的透射出 射面出射；而在致動(dòng)裝置產(chǎn)生的相應(yīng)外場驅(qū)動(dòng)下，光學(xué)反射腔內(nèi)的場致形變類聚合物會(huì)發(fā) 生連續(xù)形變，其內(nèi)介質(zhì)粒子的位置產(chǎn)生相對位移變化，進(jìn)而會(huì)改變各時(shí)刻入射激光對應(yīng)散 射光在場致形變類聚合物中的傳播方向和路徑，最終光學(xué)反射腔出射面出射的散射光的相 位分布、散射角分布隨機(jī)變化。而不同時(shí)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(huì)對應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)散斑圖像；在人眼積分時(shí)間(50ms)內(nèi)，多個(gè)散斑圖像相 疊加，會(huì)得到一個(gè)光能分布均勻的圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了消除散斑現(xiàn)象的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明設(shè)置光學(xué)反射腔，在光學(xué)反射腔內(nèi)填充場致形變類聚合 物，以場致形變類聚合物中散布的介質(zhì)粒子引起入射激光發(fā)生米氏散射，進(jìn)行散射分束， 并通過相應(yīng)致動(dòng)裝置產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)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內(nèi)介質(zhì)粒子產(chǎn)生相對位移，進(jìn)而隨機(jī)改變散射光束在光學(xué)反射 腔中的傳播方向和路徑，使得光學(xué)反射腔出射面在不同時(shí)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(gè)散斑圖像在人眼 積分時(shí)間內(nèi)相疊加，得到一個(gè)光能分布均勻的圖像，進(jìn)而有效消除散斑。且經(jīng)試驗(yàn)測試，應(yīng) 用本發(fā)明所述裝置后，圖像的散斑對比度可低于4%，如圖6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(dòng)裝置的控制，來增大場致形變類聚合物的形 變量，來提高散斑消除效果；本發(fā)明于光學(xué)反射腔中對入射激光進(jìn)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(shí)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)明所用光學(xué)反射腔結(jié)構(gòu)極為普通，場致形變類聚合物也極易獲得，且對應(yīng)致 動(dòng)裝置也極易制作，因此具有低造價(jià)的優(yōu)勢。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、緊湊，散斑消除效果好，易實(shí)現(xiàn)，造價(jià)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為利用一現(xiàn)有技術(shù)消除散斑獲得的測試結(jié)果圖； 圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖3為米氏散射的光強(qiáng)角分布圖4為電致形變類聚合物未發(fā)生形變時(shí)本發(fā)明所述裝置內(nèi)光束的傳輸狀態(tài)示意圖； 圖5為電致形變類聚合物發(fā)生形變時(shí)本發(fā)明所述裝置內(nèi)光束的傳輸狀態(tài)示意圖； 圖6為利用本發(fā)明所述裝置消除散斑獲得的測試結(jié)果圖； 圖7為本發(fā)明所述裝置在點(diǎn)掃描顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖； 圖8為本發(fā)明所述裝置在全幀顯示系統(tǒng)中的應(yīng)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-光學(xué)反射腔；303-透射出射面； 304-入射光孔；305、306、307_散斑消除裝置；308-電極板； 401-透明固態(tài)物質(zhì)；402-介質(zhì)粒子； 501、502、503_ 激光器； 601、602、603_ 信號(hào)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(shí)施例方式如圖2所示，基于米氏散射及場致形變類聚合物的散斑消除裝置，包括其上設(shè)有 入射光耦合裝置301和透射出射面303的光學(xué)反射腔302，光學(xué)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(xué) 反射腔內(nèi)的激光光束)，光學(xué)反射腔302內(nèi)設(shè)有填滿整個(gè)光學(xué)反射腔302的透明固態(tài)物質(zhì) 401，且透明固態(tài)物質(zhì)401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(zhì)粒子402， 所述透明固態(tài)物質(zhì)401為場致形變類聚合物(該類聚合物在相應(yīng)外場驅(qū)動(dòng)下，會(huì)發(fā)生形變， 所述外場一般指電場和磁場)，光學(xué)反射腔302配設(shè)有用以產(chǎn)生腔內(nèi)聚合物所需外場的致動(dòng)裝置。所述場致形變類聚合物為電致形變類聚合物，相應(yīng)致動(dòng)裝置為電場發(fā)生裝置，且 電場發(fā)生裝置的電極板308成對設(shè)置于光學(xué)反射腔302內(nèi)或腔外；
置于光學(xué)反射腔302內(nèi)的電極板308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”入射于光學(xué)反射腔內(nèi)的激光光束)，沿光學(xué)反射腔302內(nèi)壁固定設(shè)置；
所述場致形變類聚合物為磁致形變類聚合物，相應(yīng)致動(dòng)裝置為磁場發(fā)生裝置，且磁場 發(fā)生器的電磁鐵設(shè)置于光學(xué)反射腔302外；
具體實(shí)施時(shí)，所述介質(zhì)粒子402可以采用聚苯乙烯微球或者二氧化鈦粒子(Ti02)； 所述場致形變類聚合物的種類很多，例如電致形變類聚合物-摻雜有二氧化鈦粒子的 PDMS (polydimethylsiloxane)凝膠；磁致形變類聚合物-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(polydimethylsiloxane)凝膠，而在選擇時(shí)，應(yīng)以對入射激光無透射損失為第一選擇條件； 所述光學(xué)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；光學(xué)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(shè)有與入射光束波段匹配的增透膜。所述光學(xué)反射腔302上的入射光耦合裝置301可以按如下結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)采用透射入 射面，并在表面設(shè)有與入射激光101波段匹配的增透膜；或者采用入射光孔結(jié)構(gòu)，并在入射 光孔304上配設(shè)有光學(xué)耦合元件，如光學(xué)透鏡。本發(fā)明所述散斑消除裝置能應(yīng)用于激光投影顯示技術(shù)中，例如如圖7所示，應(yīng)用 于點(diǎn)掃描投影Ouster-Scanned Displays)系統(tǒng)，信號(hào)源601、602、603根據(jù)二維圖像上每 個(gè)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(gè)入射激光通過鏡子504、 505,506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(dǎo)出，通過透鏡700和 微掃描鏡Gcan Mirror) 701投影到屏幕800。在電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，微掃描鏡701根據(jù)二維 圖像逐像素掃描到屏幕上。本應(yīng)用實(shí)例適用于點(diǎn)掃描的激光投影儀和激光電視顯示。如圖8所示，應(yīng)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(dǎo)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(yīng)用實(shí)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(quán)利要求
1.一種基于米氏散射及場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征在于包括其上設(shè) 有入射光耦合裝置(301)和透射出射面(303)的光學(xué)反射腔(302)，光學(xué)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，光學(xué)反射腔(302)內(nèi)設(shè)有填滿整個(gè)光學(xué) 反射腔(302)的透明固態(tài)物質(zhì)(401)，且透明固態(tài)物質(zhì)(401)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(zhì)粒子(402)，所述透明固態(tài)物質(zhì)(401)為場致形變類聚合物，光學(xué)反 射腔(302)配設(shè)有用以產(chǎn)生腔內(nèi)聚合物所需外場的致動(dòng)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及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為電致形變類聚合物，相應(yīng)致動(dòng)裝置為電場發(fā)生裝置，且電場 發(fā)生裝置的電極板(308 )成對設(shè)置于光學(xué)反射腔(302 )內(nèi)或腔外。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于米氏散射及場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征 在于置于光學(xué)反射腔(302)內(nèi)的電極板(308)采用“鏡面”電極板，沿光學(xué)反射腔(302)內(nèi) 壁固定設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及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為磁致形變類聚合物，相應(yīng)致動(dòng)裝置為磁場發(fā)生裝置，且磁場 發(fā)生器的電磁鐵設(shè)置于光學(xué)反射腔(302)外。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及場致形變類聚合物的散斑消除裝置，其特征 在于所述介質(zhì)粒子(402)采用聚苯乙烯微球或者二氧化鈦粒子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及外場感應(yīng)型形變類聚合物的散斑消除裝置， 其特征在于光學(xué)反射腔(302)的透射出射面(303)表面設(shè)有與入射激光(101)波段匹配的 增透膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于米氏散射及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為摻雜有二氧化鈦粒子的PDMS凝膠。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于米氏散射及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為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。
全文摘要
本發(fā)明涉及以相干光為光源的顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于米氏散射及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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損壞、成本高等問題。包括其上設(shè)有入射光耦合裝置和透射出射面的光學(xué)反射腔，光學(xué)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，光學(xué)反射腔內(nèi)設(shè)有填滿整個(gè)光學(xué)反射腔的透明固態(tài)物質(zhì)，且透明固態(tài)物質(zhì)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(zhì)粒子，所述透明固態(tài)物質(zhì)為場致形變類聚合物，光學(xué)反射腔配設(shè)有用以產(chǎn)生腔內(nèi)聚合物所需外場的致動(dòng)裝置。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、緊湊，散斑消除效果好，易實(shí)現(xiàn)，造價(jià)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(hào)G02B27/48GK102073146SQ20111003151
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月29日
發(fā)明者張文棟, 石云波, 陳旭遠(yuǎn), 高文宏 申請人:中北大學(xué)