專利名稱：基于米氏散射及布朗運(yùn)動(dòng)的散斑消除裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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布朗運(yùn)動(dòng)的散斑消除裝置，主要針對(duì)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(zhǎng)(或者頻率)及多波長(zhǎng)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(guó)專利公開了“一種基于散射的消相干勻場(chǎng)裝置”，要求使用含有直徑必須小于入射光波長(zhǎng)十分之一的顆粒的散射介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)于激光波長(zhǎng)小很多，會(huì)對(duì)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(chǎng)消相干。但按該申請(qǐng)所述技術(shù)方法進(jìn)行試驗(yàn)，在室溫下，利用長(zhǎng)度為50mm、充滿飽和NaCl水溶液的光導(dǎo)管消除散斑，結(jié)果的散斑對(duì)比度為 70%,幾乎沒有起到降低散斑的作用。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決現(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布朗運(yùn)動(dòng)的散斑消除裝置。本實(shí)用新型是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的基于米氏散射及布朗運(yùn)動(dòng)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封閉式光學(xué)反射腔，封閉式光學(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)，封閉式光學(xué)反射腔內(nèi)填有充滿整個(gè)封閉式光學(xué)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(zhì)粒子。應(yīng)用時(shí)，如圖3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
3裝置入射到光學(xué)反射腔內(nèi)的溶液或溶膠中，與溶液或溶膠中散布的介質(zhì)粒子作用發(fā)生米氏散射(如圖2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，或再次與溶液或溶膠中散布的介質(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；由于溶液或溶膠中介質(zhì)粒子一直在做無規(guī)律的布朗運(yùn)動(dòng)，入射激光會(huì)與溶液或溶膠中運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)粒子隨機(jī)作用發(fā)生米氏散射，使得各時(shí)刻入射激光的散射光會(huì)隨機(jī)改變?cè)谌芤夯蛉苣z中傳播方向和路徑，最終在光學(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(duì)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，本實(shí)用新型設(shè)置充滿溶液或溶膠的光學(xué)反射腔，在光學(xué)反射腔內(nèi)以溶液或溶膠中散布的介質(zhì)粒子引起入射激光發(fā)生米氏散射，進(jìn)行散射分束，并基于介質(zhì)粒子在溶液或溶膠內(nèi)的無規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)，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(cè)試，應(yīng)用本實(shí)用新型所述裝置后，圖像的散斑對(duì)比度可低于4%，圖像的散斑對(duì)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(zhì)粒子濃度來提高散斑消除效果；而且本實(shí)用新型依據(jù)的溶液或溶膠中介質(zhì)粒子的無規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)屬于自發(fā)性運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，無需外界能量的驅(qū)動(dòng)，使得本實(shí)用新型所述裝置的整體結(jié)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，相比于現(xiàn)有技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)；本實(shí)用新型于光學(xué)反射腔中對(duì)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；此外，本實(shí)用新型所用光學(xué)反射腔結(jié)構(gòu)極為普通，且溶液、溶膠也無須選擇特殊材料，具有低造價(jià)的優(yōu)勢(shì)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)合理、緊湊，易實(shí)現(xiàn)，造價(jià)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為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為米氏散射的光強(qiáng)角分布圖；圖3為本實(shí)用新型所述裝置內(nèi)光束的傳輸狀態(tài)示意圖；圖4為本實(shí)用新型所述裝置在點(diǎn)掃描顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖；圖5為本實(shí)用新型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-封閉式光學(xué)反射腔；303-透射出
4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(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-I1R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)施方式
如圖1所示，基于米氏散射及布朗運(yùn)動(dòng)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的封閉式光學(xué)反射腔302，封閉式光學(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)，封閉式光學(xué)反射腔302內(nèi)填有充滿整個(gè)封閉式光學(xué)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(zhì)粒子402。具體實(shí)施時(shí)，所述溶液為有機(jī)溶液或無機(jī)溶液；所述溶膠為氣溶膠或液溶膠；所述介質(zhì)粒子402可以采用聚苯乙烯微球、二氧化鈦粒子(TiO2)等介質(zhì)粒子；所述封閉式光學(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；封閉式光學(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)有與入射激光101波段匹配的增透膜；所述封閉式光學(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，如透鏡。本實(shí)用新型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4所示， 應(yīng)用于點(diǎn)掃描投影(feister-Scarmed 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)入射激光同時(shí)耦合入射本實(shí)用新型所述散斑消除裝置300，經(jīng)調(diào)制后于出射面導(dǎo)出，通過透鏡700和微掃描鏡 (Scan Mirror) 712投影到屏幕800。在電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，微掃描鏡712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5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)入本實(shí)用新型所述散斑消除裝置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布朗運(yùn)動(dòng)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)的封閉式光學(xué)反射腔(302)，封閉式光學(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，封閉式光學(xué)反射腔(302)內(nèi)填有充滿整個(gè)封閉式光學(xué)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(zhì)粒子(402)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及布朗運(yùn)動(dòng)的散斑消除裝置，其特征在于所述溶液為有機(jī)溶液或無機(jī)溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及布朗運(yùn)動(dòng)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(quán)利要求1所述的基于米氏散射及布朗運(yùn)動(dòng)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米氏散射及布朗運(yùn)動(dòng)的散斑消除裝置，其特征在于封閉式光學(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。
專利摘要本實(shí)用新型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布朗運(yùn)動(dòng)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，基于米氏散射及布朗運(yùn)動(dòng)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封閉式光學(xué)反射腔，封閉式光學(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，封閉式光學(xué)反射腔內(nèi)填有充滿整個(gè)封閉式光學(xué)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(zhì)粒子。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)合理、緊湊，易實(shí)現(xiàn)，造價(jià)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(hào)G02B27/48GK202075496SQ20112003074
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月29日
發(fā)明者唐國(guó)先, 石云波, 陳旭遠(yuǎn), 高文宏 申請(qǐng)人:中北大學(xué)