專利名稱：一種基于散射的消相干勻場(chǎng)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，具體涉及一種基于散射的消相干勻場(chǎng)裝置。
背景技術(shù)：
由于激光的相干性，造成顯示畫面散斑現(xiàn)象嚴(yán)重，影響觀者感受，這 一問(wèn)題已成為激光顯示領(lǐng)域必須克服的技術(shù)難題。
公開(kāi)號(hào)為CN1879057的發(fā)明專利利用光擴(kuò)散單元中或搖動(dòng)或振動(dòng)或 流動(dòng)的散射顆粒對(duì)激光進(jìn)行作用，使得從光擴(kuò)散單元透射的激光產(chǎn)生的散 斑圖像隨時(shí)間發(fā)生變化，使人眼觀察到疊加的散斑圖像，所以散斑現(xiàn)象不 明顯。但是，該裝置對(duì)激光的利用率很低，其優(yōu)選方案的利用率僅25%左 右；而且該方案對(duì)光源、光擴(kuò)散單元以及光調(diào)制元件之間的空間位置有嚴(yán) 格的限制，對(duì)安裝和維護(hù)均有較高要求；另外，由于需要另設(shè)使散射顆粒 或搖動(dòng)或振動(dòng)或流動(dòng)的裝置，使得整個(gè)方案設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高昂。
公開(kāi)號(hào)為CN101078869的發(fā)明專利在顯示系統(tǒng)屏幕內(nèi)設(shè)置流動(dòng)回路， 并在流動(dòng)回路中填充可對(duì)激光散射的液體或氣體，并使液體或氣體處于流 動(dòng)狀態(tài)，使觀察者看到經(jīng)過(guò)時(shí)間平均化的散斑圖像，達(dá)到消散斑的效果， 但這種方法中的屏幕的制造非常復(fù)雜，成本很高，而且還需要設(shè)置促使所 述液體或氣體流動(dòng)的泵，引入不期望的噪音并增加功耗。

發(fā)明內(nèi)容
因此，為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)消相干和勻 場(chǎng)功能的裝置。
本發(fā)明提供一種用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，包括中空波導(dǎo)和散射媒 質(zhì)，其中，所述散射媒質(zhì)適用于對(duì)所述激光實(shí)行瑞利散射，所述中空波導(dǎo)為 密封腔體以容納所述散射媒質(zhì)并對(duì)所述激光實(shí)行傳導(dǎo)。
上述技術(shù)方案中的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述中空波導(dǎo)包括側(cè)壁和光入 射面、光出射面，所述側(cè)壁適用于反射所述激光；所述光入射面和光出射面 位于所述中空波導(dǎo)的端面處，適用于透射所述激光。
上述技術(shù)方案中的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述中空波導(dǎo)為筆直形狀或彎曲形狀。
上述技術(shù)方案中的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述散射々某質(zhì)為無(wú)機(jī)鹽水溶液 或有機(jī)物醇溶液。
上述技術(shù)方案中的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述側(cè)壁、光入射面和光出射 面由透明塑料或玻璃制成。
上述技術(shù)方案中的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述側(cè)壁的內(nèi)表面或外表面鍍 有針對(duì)所述激光的波段的全反射膜。
上述技術(shù)方案中的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述側(cè)壁的折射率小于所述散 射媒質(zhì)的折射率。
上述技術(shù)方案中的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述光入射面的兩通光面和光
出射面的兩通光面均鍍有針對(duì)所述激光的波段的增透膜。
上述技術(shù)方案中的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述透明塑料為聚四氟乙烯。 上述技術(shù)方案中的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述中空波導(dǎo)的橫截面形狀為
矩形或圓形。
上述技術(shù)方案中的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述散射媒質(zhì)為NaCl、 KC1、 腿03或ZnS04的水溶液。 本發(fā)明的有益效果是
1. 可同時(shí)實(shí)現(xiàn)消相干和勻場(chǎng)功能。所述波導(dǎo)對(duì)激光具有勻場(chǎng)作用，加 上所述散射媒質(zhì)對(duì)入射激光進(jìn)行瑞利散射，形成的散射光相對(duì)入射 激光有所退偏，散射光在波導(dǎo)中傳播經(jīng)過(guò)不同的光程出射，因此出 射光束的偏振度及相位相對(duì)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(duì)激光能同時(shí)實(shí)現(xiàn)消相干和勻場(chǎng)的功能。
2. 激光利用率高。由于瑞利散射不吸收光能，再考慮到散射媒質(zhì)可采 用對(duì)激光吸收極小的物質(zhì)，且所述波導(dǎo)在傳播激光的過(guò)程中，漏光 極少，通?？墒沟眉す獾睦寐矢哌_(dá)90%。
3. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。本發(fā)明裝置采用的都是常見(jiàn)的材料和常見(jiàn)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。
4. 無(wú)噪音，不耗電。本發(fā)明裝置為靜態(tài)調(diào)制，不引入系統(tǒng)噪音，且運(yùn) 行過(guò)程中不耗電，是一種理想的環(huán)保解決方案。


4以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中 圖1為本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施例的剖面示意圖。 圖2為本發(fā)明裝置的另一個(gè)實(shí)施例的剖面示意圖。 圖3為將實(shí)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(shí) 施例的示意圖。
圖4為將實(shí)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(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。 本發(fā)明利用內(nèi)層填充有散射^ 某質(zhì)的中空波導(dǎo)傳輸激光，利用傳播過(guò)程中 散射媒質(zhì)對(duì)激光發(fā)生的瑞利散射將激光分束并利用波導(dǎo)的混光作用將上述 分束光進(jìn)行勻化，最終得到相干性有效降低且照度分布均勻的激光光束。
首先對(duì)瑞利散射的特點(diǎn)作出簡(jiǎn)要說(shuō)明。瑞利散射是由線度小于入射光波 長(zhǎng)十分之一的微粒造成的，瑞利散射不吸收光能，散射光波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)
相同。在與入射光傳播方向成e角的方向上，單位散射^某質(zhì)(包含有散射顆 粒的溶液、煙塵或其他物質(zhì))中散射光強(qiáng)度為
艮F2 ，
其中"表征散射媒質(zhì)的非均勻程度，W。為單位體積散射媒質(zhì)中散射顆粒 的數(shù)目，r為一個(gè)散射顆粒的體積，r為散射顆粒到觀察點(diǎn)的距離，A為入射 光的波長(zhǎng)，/。為入射光的光強(qiáng)。
因此，根據(jù)上述瑞利散射的理論，可以知道散射光的強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng) 的四次方成反比，即在其他條件一定的情況下，短波長(zhǎng)的入射光被散射的程 度更高，而且散射顆粒的密度越大、散射顆粒體積越大(直徑須小于入射光 波長(zhǎng)的十分之一)，則散射媒質(zhì)的散射能力越強(qiáng)(即入射光被散射的光越多， 沿原方向繼續(xù)傳播的光越少)。
從中還可以看出，瑞利散射的散射光在空間的角分布有如下的規(guī)律在 與入射光方向夾角越小的方向上，散射光的強(qiáng)度越大，在與入射光垂直的方 向上，散射光強(qiáng)度達(dá)到最小。因此，大部分散射光集中分布于入射光方向附 近。
5瑞利散射還有一個(gè)特點(diǎn)，即當(dāng)入射光為線偏振光且散射顆粒是各向異性
時(shí)，散射光會(huì)出現(xiàn)退偏現(xiàn)象，即散射光為部分偏振光；當(dāng)入射光為部分偏振 光時(shí)，不同方向上的散射光仍為部分偏振光，但具有與入射光不同的偏振度， 且散射光之間的偏振度互不相同。
實(shí)施例l:
圖l為本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施例的剖面示意圖。如圖l所示，本實(shí)施例中 的消相千勻場(chǎng)裝置包括筆直形狀的中空波導(dǎo)102以及填充在其內(nèi)的NaCl水溶 液。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?yàn)榻?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(méi)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NaCl水溶液(溶劑為 蒸餾水，溶質(zhì)為分析純的NaCl )，中空波導(dǎo)102兩底面由光入射面108、光出 射面lll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(duì)入射 光束104的波長(zhǎng)的增透膜。NaCl水溶液的折射率應(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(shí)施例中的折射率均指材料在 入射光束104的波長(zhǎng)處相對(duì)于真空的折射率)。
入射光束104為具有相干性的可見(jiàn)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NaCl水溶液中向前傳播，Na +離子或Cr離子(統(tǒng)稱 為離子103)的線度均小于10nm,通常入射光束104的波長(zhǎng)處于400 ~ 780nm之 間，顯然離子103的線度小于入射光束104的波長(zhǎng)的十分之一， 一部分光束例 如光束105遇到離子103時(shí)發(fā)生瑞利散射(Rayleigh Scattering),產(chǎn)生沿空 間各個(gè)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(shí)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，由上述瑞利散射的角分布的理論可知，這樣損失 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NaCl水溶液中布滿了離子 103，腔內(nèi)的光束不斷遇到離子103并發(fā)生瑞利散射，每發(fā)生一次瑞利散射， 光束就被分為若千束子光束向空間各個(gè)方向發(fā)散，基于瑞利散射原理，當(dāng)散 射顆粒為各向異性時(shí)，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(guò)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(guò)程中由于光程不同造成的子光束之間的相位差以及相對(duì)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(méi)有填充NaCl水溶液的矩形中空波導(dǎo)102 (實(shí)際上是聚光 器的一種)傳輸激光本身就可以達(dá)到勻場(chǎng)(即在出射端面得到光照度均勻的 激光光束)的效果，加上NaCl水溶液中離子103的散射作用，使得在中空波 導(dǎo)102中傳輸?shù)墓馐膭驁?chǎng)效果更好，所以采用本實(shí)施例中的裝置可以同時(shí) 完成消相干和勻場(chǎng)兩個(gè)功能。
本發(fā)明另一顯著的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)激光的損耗小，由于瑞利散射不吸收光能， 再考慮到NaCl水溶液對(duì)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(duì)入射光束波段的高反膜，激光的 利用率會(huì)更高。
在一定程度上，本發(fā)明裝置中的NaCl水溶液濃度越高，消相干的效果越 好。首先因?yàn)镹aCl水溶液的濃度越高，其折射率也越高，其與側(cè)壁材料的折 射率的差值也越大，使得全反射角越大，在側(cè)壁發(fā)生透射的散射光也越少； 其次NaCl水溶液的濃度越高，溶液中離子的密度越大，根據(jù)瑞利散射的原理， 散射光強(qiáng)度也越大，因此消相干的效果也會(huì)越好。
實(shí)施例2:
圖2為本發(fā)明裝置的另一個(gè)實(shí)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KN03水溶液，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(duì)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(duì)入射光束201波段的高反膜，所有膜 均鍍?cè)诓▽?dǎo)管202的外表面，當(dāng)然也可以鍍?cè)诓▽?dǎo)管202的內(nèi)表面，只是這 種方式對(duì)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(shí)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(lái)回彎折形狀，其橫截面為圓形，波導(dǎo)管202設(shè)計(jì)成來(lái)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)光作用即可?；谂c實(shí)施例1相同的消相干和勻場(chǎng)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(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明中的波導(dǎo)管適當(dāng)?shù)膹澢鷮?duì)消相干的效果也有一 定的提升，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(guò)實(shí)施例l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，所以不要求語(yǔ)03水溶 液的折射率大于外壁材料的折射率，當(dāng)然，在合理范圍內(nèi)，KN03水溶液優(yōu)選 為高濃度。
實(shí)施例3:
圖3為將實(shí)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(shí) 施例的示意圖。其中紅光激光器301經(jīng)過(guò)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(guò)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NaCl水溶液，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(guò)TIR棱鏡307 ( total internal reflection)后成像于DMD光閥308處，DMD光閥308配合三基色激光器時(shí) 分復(fù)用地對(duì)入射其上的激光進(jìn)行調(diào)制，其產(chǎn)生的圖像經(jīng)^L影透鏡309投射到 屏幕310上顯示。
實(shí)施例4:
圖4為將實(shí)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(shí)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(guò)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，
8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(shí)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(guò)中繼透鏡406壓縮發(fā)散角 并經(jīng)TIR棱鏡414后成像于綠光DMD光閥410處，紅光和藍(lán)光的上述過(guò)程與 綠光類似，它們分別經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)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(shí)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NaCl和KN03的水溶液， 還可以是其它種類的水溶液或醇溶液，例如KC1、 ZnSO,之類溶于水的無(wú)機(jī)鹽 類的水溶液，或者是有機(jī)物的乙醇溶液，總之凡是能夠?qū)す鈳?lái)足夠散射 效應(yīng)的散射物質(zhì)均可。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(shí)，也可以對(duì)中空波導(dǎo)的形狀作出相應(yīng) 改動(dòng)，例如對(duì)圓形光閥采用圓形波導(dǎo)，最常見(jiàn)的圓形中空波導(dǎo)就是中空的光 纖(只有包層、沒(méi)有纖芯的光纖)。
本發(fā)明裝置工作過(guò)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。
最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限 制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)4亍了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行^"改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方 案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，包括中空波導(dǎo)和散射媒質(zhì)，其中，所述散射媒質(zhì)適用于對(duì)所述激光實(shí)行瑞利散射，所述中空波導(dǎo)為密封腔體以容納所述散射媒質(zhì)并對(duì)所述激光實(shí)行傳導(dǎo)。
2. 權(quán)利要求1所述的用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述中空波導(dǎo)包 括側(cè)壁和光入射面、光出射面，所述側(cè)壁適用于反射所述激光；所述 光入射面和光出射面位于所述中空波導(dǎo)的端面處，適用于透射所述激 光。
3. 權(quán)利要求1所述的用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述中空波導(dǎo)為 筆直形狀或彎曲形狀。
4. 權(quán)利要求l-3之一所述的用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述散射 J 某質(zhì)為無(wú)才幾鹽水溶液或有機(jī)物醇溶液。
5. 權(quán)利要求2所述的用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述側(cè)壁、光入 射面和光出射面由透明塑料或玻璃制成。
6. 權(quán)利要求2所述的用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述側(cè)壁的內(nèi)表 面或外表面鍍有針對(duì)所述激光的波段的全反射膜。
7. 權(quán)利要求2所述的用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述側(cè)壁的折射 率小于所述散射媒質(zhì)的折射率。
8. 權(quán)利要求2所述的用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述光入射面的 兩通光面和光出射面的兩通光面均鍍有針對(duì)所述激光的波段的增透 膜。
9. 權(quán)利要求5所述的用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述透明塑料為 聚四氟乙烯。
10. 權(quán)利要求1所述的用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述中空波 導(dǎo)的橫截面形狀為矩形或圓形。
11. 權(quán)利要求4所述的用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，其中所述無(wú)機(jī)鹽 水溶液為NaCl、 KC1、 KN03或ZnS04的水溶液。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于激光的消相干勻場(chǎng)裝置，包括中空波導(dǎo)和散射媒質(zhì)，所述中空波導(dǎo)為密封腔體以容納所述散射媒質(zhì)并對(duì)所述激光實(shí)行傳導(dǎo)。本發(fā)明通過(guò)激光在散射媒質(zhì)中的傳播過(guò)程中，通過(guò)散射媒質(zhì)對(duì)激光發(fā)生的瑞利散射將激光分束并利用波導(dǎo)的混光作用將上述分束光進(jìn)行勻化，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)明的裝置可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)消相干和勻場(chǎng)功能，并且激光利用率高、成本低廉、無(wú)噪音、不耗電。
文檔編號(hào)H04N9/31GK101685181SQ200810222590
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月22日
發(fā)明者華 成, 勇 畢, 賈中達(dá), 顏世鵬 申請(qǐng)人:北京中視中科光電技術(shù)有限公司;中國(guó)科學(xué)院光電研究院