專利名稱：激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于激光投影顯示和激光照明、能夠同時實現(xiàn)激光光束勻光整形 與消散斑的一體化的裝置，屬于激光顯示和照明領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光具有亮度高、單色性(相干性)與方向性好等特點，在科學(xué)研究、工程技術(shù)及 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要和廣泛的應(yīng)用；激光投影顯示和紅外激光夜視是其中的兩個重 要應(yīng)用領(lǐng)域。激光投影顯示采用激光器替代現(xiàn)有投影顯示系統(tǒng)中的傳統(tǒng)光源(如超高壓汞 燈等)，具有亮度高、色域范圍大、色純度與飽和度高等優(yōu)點，目前有關(guān)激光投影顯示技術(shù)的 研究方興未艾，許多發(fā)達國家的研究單位和大型公司都在大力研發(fā)激光投影顯示技術(shù)和裝 置。采用紅外激光作為主動照明光源的紅外激光夜視技術(shù)在軍事、公安和安防等方面具有 重要應(yīng)用。激光投影顯示和主動照明紅外激光夜視都需要均勻化的激光束照明，為實現(xiàn)均 勻化激光照明，需要解決兩大難題(一)是激光光束的勻光整形，就是把激光器出射的單 模或多模高斯光束轉(zhuǎn)換成特定形狀(如矩形或方形)且強度盡量均勻的光束；(二)是盡 量減少或消除因激光高單色性(相干性)由干涉和衍射形成的散斑和條紋。目前用于普通光源的光束勻光整形方法與裝置是基于光線反射或折射原理的，主 要有積分棒和透鏡陣列兩大類。目前市場上的投影儀和背投電視中大都采用這兩種方法 及相應(yīng)裝置。基于同樣的原理，通過設(shè)計和工藝改進，有些研究單位或公司提出了用于激 光光束勻光整形的方法和裝置，如中國專利CN1658054A公開的《激光勻光器》、中國專利 CN201287242公開的《激光光束整形裝置》、中國專利CN101377557公開的《激光勻光消相干 裝置》等。從原理上講基于反射或折射原理的方法與裝置對于激光光束也能起到一定的勻 光整形作用，但由于它們對干涉和衍射效應(yīng)考慮較少，所以當(dāng)用于激光時還會產(chǎn)生一定的 散斑和背景條紋；且一般來說該類裝置的制作工藝復(fù)雜、體積較大，不利于光機電集成與小 型化。激光的相干性好，容易產(chǎn)生散斑和背景條紋，這是采用普通非相干光源時所沒 有的。有關(guān)降低或消除散斑和背景條紋的原理和方法，文獻中已有多種論述，如采用 多波長激光或脈沖激光疊加等方法以降低時間相干性，采用激光器陣列、光纖束、旋轉(zhuǎn) 或振動散射體、振動光纖、振動屏幕或超聲光柵等方法以降低空間相干性。中國專利 CN201340489Y公開的《激光消散斑裝置》采用電磁振動裝置使光纖束產(chǎn)生隨機振動；中 國專利CN201387516Y公開號《一種消散斑裝置及使用該消散斑裝置的激光投影儀》中采 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；中國專利 CN101425656公開的《一種減少激光散斑效應(yīng)的方法》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，使激光輸出波長快速變化或躍變，從而達到降低激光的時間 相干性、降低散斑效應(yīng)的目的。此外，中國專利CN1727938A公開的《激光投影電視照明系統(tǒng) 中的光束均勻化裝置》采用衍射光學(xué)器件把擴束后的圓形或環(huán)形或橢圓形激光束轉(zhuǎn)換為方 形照明光束，經(jīng)過對所用衍射光學(xué)器件進行特殊設(shè)計，該裝置在實現(xiàn)光束整形的同時具有一定的勻光效果，但由于其中的器件是固定不動的，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。純相位衍射光學(xué)器件的設(shè)計基于光波干涉與衍射原理，其制作可采用光學(xué)微加工 等工藝，具有體積小、效率高等特點，非常適合于光機電集成與小型化，已在許多領(lǐng)域獲得 重要應(yīng)用，如光學(xué)折衍混合成像系統(tǒng)、光學(xué)檢測、激光加工及激光顯示等領(lǐng)域。近年來，純相 位衍射光學(xué)器件的設(shè)計理論、算法和制作工藝已比較成熟。當(dāng)把純相位衍射光學(xué)器件用于 激光投影顯示或紅外激光夜視的照明系統(tǒng)中時，就該器件本身來說，可以獲得較好的均勻 照明效果，但系統(tǒng)中其它光學(xué)器件上的灰塵、劃痕及前后表面的多次反射，仍然會造成較為 明顯的散斑與背景干涉衍射條紋，這將會嚴(yán)重影響視頻圖像的成像質(zhì)量(如成像清晰度、 圖像分辨率等)，尤其是當(dāng)采用三基色激光實現(xiàn)彩色顯示或成像時，散斑和條紋的存在會形 成無規(guī)則的顏色閃爍現(xiàn)象，不利于色域管理，造成畫面色彩失真或變差，還容易造成人眼疲 勞。實現(xiàn)激光光束整形，并盡量降低或消除散斑和背景條紋，一直是激光投影顯示及 紅外激光夜視等領(lǐng)域中的技術(shù)難題，也是限制其實用化的瓶頸之一。若能夠?qū)⒍咭惑w化、 做到結(jié)構(gòu)緊湊小型化，將具有更重要意義和實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有光束勻光整形與消散斑技術(shù)存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、集 光束勻光整形與消散斑于一體的激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置。本發(fā)明的激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置采用以下技術(shù)方案該激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置，包括機械框架、微型直流電機、全息散 射器件、純相位衍射器件和傅里葉變換透鏡，微型直流電機固定在機械框架上，全息散射器 件安裝在微型直流電機上；純相位衍射器件固定在機械框架上并位于全息散射器件的后 方，傅里葉變換透鏡固定在機械框架上并位于純相位衍射器件的后方，純相位衍射器件和 傅里葉變換透鏡的光軸與入射光束共軸，把全息散射器件與純相位衍射器件通過機械框架 固定連接在一起，將光束整形和消散斑集成為一體，入射光束入射到全息散射器件上，全息 散射器件在微型直流電機的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對入射光束的散射并透射，使不相干的散 射場在積分時間內(nèi)隨機高速疊加并在視覺上形成平均效果，達到降低或消除散斑與條紋的 目的，從全息散射器件出射的光場入射到純相位衍射器件上，經(jīng)衍射與透射再入射到傅里 葉變換透鏡上，經(jīng)純相位衍射器件和傅里葉變換透鏡共同作用，在傅里葉變換透鏡的后焦 面上形成所需形狀的均勻化光斑。機械框架是由前中后三個固定支撐板及連接支柱組成，三個固定支撐板上均設(shè)有 一個中心開孔，三個中心開孔必須是共軸的，前固定支撐板上除有一個中心開孔外，還有一 個偏心開孔，其中心開孔用于通過入射光束，偏心開孔用于安裝固定微型直流電機，中間固 定支撐板上的中心開孔用于安裝固定純相位衍射器件，后固定支撐板上的中心開孔用于安 裝固定傅里葉變換透鏡。微型直流電機安裝固定時要保證其電機軸與機械框架的中心軸盡量平行，微型直 流電機的電機軸與機械框架中心軸的最大夾角小于5度。全息散射器件是一個依據(jù)光學(xué)全息原理設(shè)計、在硬質(zhì)透明光學(xué)基底材料上用光學(xué)微加工工藝制作的圓片形器件，其表面刻蝕有多種微結(jié)構(gòu)，散射角小于2度。純相位衍射器件是一個依據(jù)光波衍射原理設(shè)計、在硬質(zhì)透明光學(xué)雙折射基底材料 上用光學(xué)微加工工藝制作的圓片形器件，其表面刻蝕有微結(jié)構(gòu)，具有保偏功能。傅里葉變換透鏡為凸透鏡。本發(fā)明將光束整形和消散斑統(tǒng)一考慮，不僅結(jié)構(gòu)緊湊的、能同時實現(xiàn)光束勻光整 形與消散斑的一體化，而且還可以充分利用激光本身所固有的線偏振特性，從而大大提高 光能利用率，具有體積小、輕薄、易于復(fù)制及批量生產(chǎn)等優(yōu)點，價格便宜、成本低的特點，非 常適合于光機電集成與小型化。


圖1是本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中機械框架的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、機械框架，2、微型直流電機，3、全息散射器件，4、純相位衍射器件，5、傅里 葉變換透鏡，6、偏心開孔，7、中心開孔，8、前固定支撐板，9、支柱，10、中間固定支撐板，11、 后固定支撐板。
具體實施例方式本發(fā)明激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括 用于連接和固定各個器件的機械框架1、微型直流電機2、全息散射器件3、純相位衍射器件 4和傅里葉變換透鏡5。微型直流電機2固定在機械框架1上。全息散射器件3安裝在微 型直流電機上2，在微型直流電機2的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，用于消除散斑。純相位衍射器件4 固定在機械框架1上，并位于全息散射器件3的后方，用于光束勻光整形。傅里葉變換透鏡 5固定在機械框架1上，并位于純相位衍射器件4的后方，可與純相位衍射器件結(jié)合，在傅里 葉變換透鏡5的后焦面上產(chǎn)生特定形狀的均勻化光斑。純相位衍射器件4和傅里葉變換透 鏡5的中心線與入射光束的中心線為同一直線(即共軸)。機械框架1的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括前固定支撐板8、中間固定支撐板10、后固定 支撐板11三個固定支撐板和四個支柱9，三個固定支撐板自前而后連接在四個支柱上。前 固定支撐板8的設(shè)有一個中心開孔7，中心開孔7 —側(cè)設(shè)有一個偏心開孔6，入射激光束從 中心開孔7進入，微型直流電機2固定在偏心開孔6上。中間固定支撐板10上設(shè)有一個中 心開孔，用來固定純相位衍射器件4。后面固定支撐板上設(shè)有一個中心開孔，用來固定傅里 葉變換透鏡5。機械框架1中的前中后三個固定支撐板上的中心開孔必須共軸的，即三個中 心開孔的中心線為同一直線。微型直流電機2可長時間高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在幾百至幾千轉(zhuǎn)每秒之間可控，且振動 和噪聲低。安裝固定時保證微型直流電機的電機軸與機械框架中心軸盡量平行，最大夾角 要小于5度。全息散射器件3是一個依據(jù)光學(xué)全息原理設(shè)計、在硬質(zhì)透明光學(xué)基底材料上用光 學(xué)微加工工藝制作的圓片形器件，其表面刻蝕有多種微結(jié)構(gòu)，對光具有散射作用，散射角控 制在2度之內(nèi)；其中心設(shè)有用于固定在微型直流電機2的電機軸上的固定小孔。全息散射 器在微電機驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，達到降低或消除散斑與背景條紋的效果。制作全息散射器件3的基底材料可以根據(jù)具體應(yīng)用中激光束的強弱選擇不同的材質(zhì)，如光學(xué)玻璃或聚合物塑 料等。采用雙折射材料作為基底，并經(jīng)過設(shè)計與加工制作，可使全息散射器件3具有保偏功 能。純相位衍射器件4是一個依據(jù)光波衍射原理設(shè)計、在硬質(zhì)透明光學(xué)雙折射基底材 料上用光學(xué)微加工工藝制作的圓片形器件，其表面刻蝕有經(jīng)特殊設(shè)計的微結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)將 圓形或橢圓形高斯或準(zhǔn)高斯光束轉(zhuǎn)換成正方形或矩形等多種形狀的均勻化光束。純相位衍 射器件4的設(shè)計原理與算法在文獻資料中已有很多論述，有多種，如基于傅立葉變換的迭 代算法及其各種改進算法、基于搜索極值的優(yōu)化算法、基于傅立葉變換迭代和搜索極值相 結(jié)合的各種算法等。制作所述4純相位衍射器件的基底材料可以根據(jù)具體應(yīng)用中激光束的 強弱選擇不同的材質(zhì)，如光學(xué)玻璃或聚合物塑料等。采用雙折射材料作為基底，并經(jīng)過設(shè)計 與加工制作，可使純相位衍射器件4具有保偏功能。傅里葉變換透鏡5為凸透鏡，其焦距和孔徑可根據(jù)具體應(yīng)用要求而定，其主要作 用是使經(jīng)過純相位衍射器件4的光束在其后焦面上形成所需形狀的均勻化光斑。光斑的形 狀由純相位衍射器件4的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，光斑的大小由純相位衍射器件4的參數(shù)及傅里葉 變換透鏡5的參數(shù)共同決定。由于傅里葉變換透鏡5后焦面上的光場分布相當(dāng)于衍射屏遠 場處的衍射光場分布，所以在某些應(yīng)用場合如紅外激光夜視系統(tǒng)中，可以省去所述裝置中 的傅里葉變換透鏡。圖中入射光束是來自激光器的待處理光束，可以是會聚或發(fā)散光束，也可以是經(jīng) 過準(zhǔn)直的光束。來自激光器的入射光束從框架1的第一個固定支撐板上的中心孔入射，入 射到全息散射器件3上，全息散射器件3實現(xiàn)對入射光束的散射并透射。全息散射器件3 在微型直流電機2的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，使多個不相干的散射場在積分時間內(nèi)隨機高速疊加 并在視覺上形成平均效果，達到降低或消除散斑與條紋的目的。從全息散射器件3出射的 光場入射到純相位衍射器件4上，經(jīng)衍射與透射再入射到傅里葉變換透鏡5上。經(jīng)純相位 衍射器件4和傅里葉變換透鏡5共同作用，在傅里葉變換透鏡5的后焦面上形成所需形狀 的均勻化光斑。若不采用傅里葉變換透鏡5，則可在遠場處得到所需形狀的均勻化光斑。所 述裝置的均勻化出射光束可以作為照明光束直接(或經(jīng)過光學(xué)成像延遲系統(tǒng))照明激光投 影顯示系統(tǒng)中的光調(diào)制器；也可作為紅外激光夜視系統(tǒng)中的照明光束照明目標(biāo)物，此時因 目標(biāo)物一般較遠，一般可不用傅里葉變換透鏡5。圖1中的出射光束在特定位置(如傅里葉變換透鏡5的后焦面)上產(chǎn)生整形和消 散斑后的均勻化光斑。在某些應(yīng)用場合如紅外激光夜視系統(tǒng)中，可以省去裝置中的傅里葉 變換透鏡5。在彩色激光投影顯示系統(tǒng)中，若三基色激光的光路是分離的，所述裝置需要用 于三基色激光光路的每一路。本發(fā)明的裝置，不僅結(jié)構(gòu)緊湊的、能同時實現(xiàn)光束勻光整形與消散斑的一體化，而 且還可以充分利用激光本身所固有的線偏振特性，從而大大提高光能利用率。傳統(tǒng)光源如 超高壓汞燈或鹵素?zé)舭l(fā)出的光多為非偏振光，而投影顯示中的光調(diào)制器(如LCD或LCOS 等)需要線偏振光照明，為了適應(yīng)這一需求，傳統(tǒng)投影顯示系統(tǒng)中一般是在光路中采用多 個線偏振器件，這必然會損失掉大量光能。而激光器出射的光一般為線偏振光，對于采用激 光光源的投影顯示系統(tǒng)，最好是直接且充分利用激光本身的線偏振特性，在系統(tǒng)中不用或 盡量少用線偏振器件。
本發(fā)明的具有有益效果1.將光束整形和消散斑統(tǒng)一考慮，實現(xiàn)了勻光整形與消散斑一體化，可使光學(xué)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，有利于實現(xiàn)小型化及光機電集成化；2.用于消散斑的全息散射器件和用于勻光整形的純相位衍射器件，都是基于光波 干涉衍射原理設(shè)計、采用光學(xué)微加工工藝制作，都是高度透明的衍射器件，衍射效率高，可 提高系統(tǒng)的光能利用率；3.用于消散斑的全息散射器件和用于勻光整形的純相位衍射器件，若選取特殊的 雙折射基底材料、設(shè)計方法與參數(shù)，可制作成保偏器件，還可充分利用激光的線偏振特性從 而進一步提高光能利用率。4.用于消散斑的全息散射器件和用于勻光整形的純相位型衍射器件，具有體積 小、輕薄、易于復(fù)制及批量生產(chǎn)等優(yōu)點，價格便宜、成本低。5.可廣泛應(yīng)用于如激光投影顯示、紅外激光夜視及需要激光照明的其它領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置，包括機械框架、微型直流電機、全息散 射器件、純相位衍射器件和傅里葉變換透鏡，其特征是微型直流電機固定在機械框架上， 全息散射器件安裝在微型直流電機上；純相位衍射器件固定在機械框架上并位于全息散射 器件的后方，傅里葉變換透鏡固定在機械框架上并位于純相位衍射器件的后方，純相位衍 射器件和傅里葉變換透鏡的光軸與入射光束共軸，把全息散射器件與純相位衍射器件通過 機械框架固定連接在一起，將光束整形和消散斑集成為一體，入射光束入射到全息散射器 件上，全息散射器件在微型直流電機的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對入射光束的散射并透射，使 不相干的散射場在積分時間內(nèi)隨機高速疊加并在視覺上形成平均效果，達到降低或消除散 斑與條紋的目的，從全息散射器件出射的光場入射到純相位衍射器件上，經(jīng)衍射與透射再 入射到傅里葉變換透鏡上，經(jīng)純相位衍射器件和傅里葉變換透鏡共同作用，在傅里葉變換 透鏡的后焦面上形成所需形狀的均勻化光斑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置，其特征在于所述 機械框架是由前中后三個固定支撐板及連接支柱組成，三個固定支撐板上均設(shè)有一個中心 開孔，三個中心開孔必須是共軸的，前固定支撐板上除有一個中心開孔外，還有一個偏心開 孔，其中心開孔用于通過入射光束，偏心開孔用于安裝固定微型直流電機，中間固定支撐板 上的中心開孔用于安裝固定純相位衍射器件，后固定支撐板上的中心開孔用于安裝固定傅 里葉變換透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置，其特征在于所述 全息散射器件是一個依據(jù)光學(xué)全息原理設(shè)計、在硬質(zhì)透明光學(xué)基底材料上用光學(xué)微加工工 藝制作的圓片形器件，其表面刻蝕有多種微結(jié)構(gòu)，散射角小于2度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置，其特征在于所述 純相位衍射器件是一個依據(jù)光波衍射原理設(shè)計、在硬質(zhì)透明光學(xué)雙折射基底材料上用光學(xué) 微加工工藝制作的圓片形器件，其表面刻蝕有微結(jié)構(gòu)，具有保偏功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置，其特征在于所述 微型直流電機的電機軸與機械框架中心軸的夾角小于5度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種激光光束勻光整形與消散斑一體化裝置，屬于激光顯示和照明領(lǐng)域，尤其涉及激光投影顯示和紅外激光夜視領(lǐng)域。該裝置將光束勻光整形與消散斑統(tǒng)一考慮，采用旋轉(zhuǎn)全息散射器實現(xiàn)消散斑，采用純相位衍射器件實現(xiàn)勻光整形，通過機械框架將全息散射器件、微型直流電機、純相位衍射器件及傅里葉變換透鏡連接固定成一個結(jié)構(gòu)緊湊的整體，達到同時實現(xiàn)光束勻光整形與消散斑的目的。其中的全息散射器件和純相位衍射器件均為薄片形衍射光學(xué)器件，體積小、輕薄，易于實現(xiàn)光機電集成與小型化；而且通過設(shè)計并采用雙折射材料加工制作可使其具有保偏性能、充分利用激光本身固有的線偏振特性，進一步提高光能利用率。
文檔編號G02B5/18GK102103270SQ20111007419
公開日2011年6月22日 申請日期2011年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月27日
發(fā)明者萬強, 周玉法, 孫玉寶, 宋剛, 張行愚, 朱杰, 王洪君, 王玉榮, 連潔 申請人:山東大學(xué)