本發(fā)明屬于激光顯示投影領(lǐng)域，尤其涉及一種散斑抑制的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光散斑是當(dāng)用激光照射漫射體時(shí)，在粗糙物體表面觀察到的一層顆粒狀結(jié)構(gòu)。散斑的本質(zhì)是一種隨機(jī)的相干疊加。散斑在成像和信息圖像中屬于噪聲，通常會(huì)嚴(yán)重影響圖像和信息的質(zhì)量，因此在激光系統(tǒng)，特別是激光顯示投影系統(tǒng)中，需要進(jìn)行散斑抑制。

由于散斑抑制的重要性，前人進(jìn)行了比較多的理論研究，已經(jīng)提出的光學(xué)投影中散斑抑制的理論方法大致可以分為8種：1.引入偏振多樣性；2.引入一個(gè)運(yùn)動(dòng)屏幕；3.引入專門設(shè)計(jì)的屏幕，使產(chǎn)生的散斑最小；4.對每種顏色，加寬光源的譜，或用頻率稍有不同的多個(gè)激光器來獲得照明波長的多樣性；5.對每種顏色，用空間分離的多個(gè)激光器，從而獲得照明角度的多樣性；6.相對于人眼的分辨率，對光學(xué)投影系統(tǒng)進(jìn)行的散斑容忍度設(shè)計(jì)；7.將一個(gè)具有隨機(jī)相位元胞的變動(dòng)漫射體成像到屏幕上；8.將一個(gè)具有確定性的正交相位代碼的變動(dòng)漫射體成像到屏幕上?；谏鲜隼碚撗芯浚蔡岢隽艘恍┮种粕叩募夹g(shù)方法，比如：福建中科晶創(chuàng)光電科技有限公司在專利《一種激光消散斑系統(tǒng)》中提出，利用一種激光散斑抑制器的色散特性，激光通過激光散斑抑制器中傳播足夠長距離后，其時(shí)間相干性得以減弱，再通過散射片的運(yùn)動(dòng)將激光散斑圖樣進(jìn)行時(shí)間平均，從而減小激光散斑的影響。再比如，孫鳴捷等人在其論文《一種采用振動(dòng)混光棒的散斑抑制技術(shù)》中提出了一種基于振動(dòng)混光棒的散斑抑制方法，在保持原光束90％能量的前提下將圖像的散斑對比度抑制到6％以下，且無需額外整形透鏡光學(xué)件。梁傳祥等人在其論文《基于硅基液晶實(shí)現(xiàn)激光投影顯示系統(tǒng)均勻整形和散斑抑制》中提出利用硅基液晶空間光調(diào)制器抑制激光散斑。該方法可使照明光斑均勻性從74％提高到92.57％，屏幕上圖樣散斑對比度由0.991減小為0.2508。

然而，上述已有技術(shù)存在的共同缺陷是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)精度要求很高，系統(tǒng)容錯(cuò)性、魯棒性、通用性很差，無法將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通用化、儀器化，以滿足激光投影顯示領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求。另外，上述已有技術(shù)的散斑抑制效果也不夠理想，需要進(jìn)一步提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有散斑抑制技術(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)精度要求高，實(shí)現(xiàn)困難，系統(tǒng)容錯(cuò)性、魯棒性、通用性差，以及散斑抑制效果不夠好的不足，本發(fā)明提供一種散斑抑制效果好、結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、且系統(tǒng)通用性、魯棒性好、成本低廉的基于光學(xué)衍射元件的激光散斑抑制的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于光學(xué)衍射元件的激光散斑抑制的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，包括光學(xué)模塊和電學(xué)控制模塊，所述光學(xué)模塊包括調(diào)制透鏡組件、二元光學(xué)衍射元件和聚焦物鏡，所述調(diào)制透鏡組件、二元光學(xué)衍射元件和聚焦物鏡位于同一光軸上，激光器射出的激光束通過所述調(diào)制透鏡組件進(jìn)行擴(kuò)束、整形和校準(zhǔn)，正入射所述二元光學(xué)衍射元件的平面，所述二元光學(xué)衍射元件可水平移動(dòng)地安裝在水平導(dǎo)軌上并與水平面呈夾角；所述電學(xué)控制模塊，用以控制二元光學(xué)衍射元件以設(shè)定的運(yùn)動(dòng)速度和夾角水平移動(dòng)。

進(jìn)一步，所述夾角為0.5°-4.4°。

再進(jìn)一步，所述設(shè)定的運(yùn)動(dòng)速度為1.0-2.5mm/s。

所述調(diào)制透鏡組件包括并排布置的兩個(gè)調(diào)制透鏡，所述激光器、兩個(gè)調(diào)制透鏡、二元光學(xué)衍射元件和聚焦物鏡同軸布置。

所述電學(xué)控制模塊還包括用于計(jì)算獲得運(yùn)動(dòng)速度和夾角的激光散斑抑制控制單元，計(jì)算過程如下：

1)光學(xué)衍射元件的透射率函數(shù)設(shè)為t(x₀,y₀)，光學(xué)衍射元件后平面P₀′

光場的復(fù)振幅表示為：

U′₀(x₀,y₀)＝t(x₀,y₀)U₀(x₀,y₀)＝t(x₀,y₀) (1)

x₀,y₀是光學(xué)衍射元件前平面P₀上的坐標(biāo)，U₀(x₀,y₀)是光學(xué)衍射

元件前平面P₀光場的振幅，且U₀(x₀,y₀)＝1；

2)光束達(dá)到聚焦物鏡，符合菲涅耳衍射條件，由菲涅耳衍射公式得到平面P₁上光場的復(fù)振幅為：

x₁,y₁是平面p₁上的坐標(biāo)；

3)光束從聚焦物鏡的前表面?zhèn)鞑サ酵哥R的后表面，此時(shí)平面P₁′上光場的復(fù)振幅為：

其中w₀為透鏡5中心的厚度，f為透鏡的焦距，且透鏡總是具有一定的尺寸，圓形孔徑半徑為r₀的透鏡的孔徑函數(shù)即光瞳函數(shù)P(x₁,y₁)為：

這樣有：

4)光束從聚焦物鏡到觀測屏的過程符合菲涅耳衍射條件，由菲涅耳衍射公式得到平面P_i上光場的復(fù)振幅為：

將(4)式代入(5)式，可得：

得到在整個(gè)區(qū)域內(nèi)都有P(x₁,y₁)＝1，將(2)式代入(6)式整理化簡得到：

其中x_i,y_i是平面p_i上的坐標(biāo)；

將(1)式代入(7)式，并且化簡整理得到成像屏幕上的光場分布復(fù)振幅為：

式中：A表示式中出現(xiàn)的復(fù)常數(shù)；

5)設(shè)定算符Q，使得U_i(x_i,y_i)＝Q[t(x₀,y₀)]，現(xiàn)在引入CCD相機(jī)成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)H(x_i,y_i；x_j,y_j)，則CCD相機(jī)成像平面上的光場分布的復(fù)振幅為：

其中x_j，y_j是平面p_i上的坐標(biāo)；

6)光學(xué)衍射元件于水平方向運(yùn)動(dòng)與水平方向成a的傾斜角，將速度分解成引入運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致在CCD上得到新的光場分布：

7)由光場強(qiáng)度公式I(x_j,y_j)＝|U(x_j,y_j)|²得到在CCD曝光時(shí)間內(nèi)捕獲到的散斑圖像強(qiáng)度為:

Δt為CCD相機(jī)曝光時(shí)間，|U(x_j,y_j)|²表示被測散斑圖像在時(shí)刻t′∈[t,t+Δt]處的強(qiáng)度分布，則檢測到的散斑強(qiáng)度的平均值為：

則散斑圖像強(qiáng)度的二階矩表示為：

公式中所涉及到的x₀₁,x₀₂，y₀₁，y₀₂,t’,t”是為了計(jì)算需要的中間參數(shù)；

8)根據(jù)Goodman的散斑統(tǒng)計(jì)理論，被檢測到的散斑圖像的對比度C為：

變量(x₀,y₀)同時(shí)也為透射系數(shù)函數(shù)的坐標(biāo)，(x_j,y_j)為CCD相機(jī)曝光屏上的坐標(biāo)，在同一次的測量過程中看作是定值；只考慮變量v_x,v_y，設(shè)置算符F,使得：

將(15)式代入(14)式化簡整理得到：

其中：v表示二元光學(xué)衍射元件的移動(dòng)速度，a是二元光學(xué)衍射元件和水平面的夾角。

當(dāng)激光束從激光器射出，可近似視為點(diǎn)光源。通過所述透鏡陣列進(jìn)行擴(kuò)束、整形、校準(zhǔn)，將激光束正入射所述二元光學(xué)衍射元件平面。所述的二元光學(xué)衍射元件鑲嵌在水平導(dǎo)軌上并與水平面成一個(gè)夾角，當(dāng)激光束照射到其表面時(shí)，該元件開始沿水平導(dǎo)軌進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)。所述二元光學(xué)衍射元件的運(yùn)動(dòng)改變了衍射級(jí)數(shù)的相位和破壞了激光束的空間相干性。由一個(gè)數(shù)值孔徑足夠大的凸透鏡來接收產(chǎn)生衍射的激光束并將其聚焦成的像投影到顯示屏上。人的眼睛中的晶狀體可看作一個(gè)凸透鏡，將顯示屏漫射的光束接收成像到視網(wǎng)膜上。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：通過以按照一定序列來刻蝕微結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)衍射元件來改變激光光束的相位分布，從而達(dá)到散斑抑制效果。

進(jìn)一步，通過改變所述二元光學(xué)衍射元件沿水平導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)速度破壞激光光束的空間相干性來對散斑抑制效果進(jìn)行的優(yōu)化。

更進(jìn)一步，通過改變所述二元光學(xué)衍射元件與水平面的夾角來對散斑抑制進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1.結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，系統(tǒng)通用性好。2.對于已購買且投入使用的激光投影儀可以直接改裝而不必重新購買。3.與市場上現(xiàn)有的散斑抑制裝置相比，制作簡單，成本低廉，適合大批量生產(chǎn)。4.散斑抑制效果好。5.本發(fā)明在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變的情況下，可對紅綠藍(lán)三種顏色激光同時(shí)進(jìn)行散斑抑制。

附圖說明

圖1是實(shí)現(xiàn)激光散斑抑制的系統(tǒng)示意圖。

圖2是數(shù)學(xué)模型所建立的坐標(biāo)系示意圖。

圖3是二元光學(xué)衍射元件的透射率函數(shù)示意圖。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

圖1和圖2中1是激光光源；2，3是兩個(gè)調(diào)制透鏡；4是二元光學(xué)衍射元件；5是聚焦物鏡；6是漫射屏幕；7是CCD照相機(jī)；8是照相機(jī)物鏡；9是CCD照相機(jī)光電二極管陣列；10表示光斑打到的位置。所述激光器1、調(diào)制透鏡2、調(diào)制透鏡3、二元光學(xué)衍射元件4、聚焦物鏡5同軸布置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖3，一種基于光學(xué)衍射元件的激光散斑抑制的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，包括光學(xué)模塊和電學(xué)控制模塊，所述光學(xué)模塊包括調(diào)制透鏡組件、二元光學(xué)衍射元件和聚焦物鏡，所述調(diào)制透鏡組件、二元光學(xué)衍射元件和聚焦物鏡位于同一光軸上，激光器射出的激光束通過所述調(diào)制透鏡組件進(jìn)行擴(kuò)束、整形和校準(zhǔn)，正入射所述二元光學(xué)衍射元件的平面，所述二元光學(xué)衍射元件可水平移動(dòng)地安裝在水平導(dǎo)軌上并與水平面呈夾角；所述電學(xué)控制模塊，用以控制二元光學(xué)衍射元件以設(shè)定的運(yùn)動(dòng)速度和夾角水平移動(dòng)。

進(jìn)一步，所述夾角為0.5°-4.4°。

再進(jìn)一步，所述設(shè)定的運(yùn)動(dòng)速度為1.0-2.5mm/s。

所述調(diào)制透鏡組件包括并排布置的兩個(gè)調(diào)制透鏡，所述激光器、兩個(gè)調(diào)制透鏡、二元光學(xué)衍射元件和聚焦物鏡同軸布置。

如圖1所示，一束激光光束通過透鏡2、透鏡3進(jìn)行擴(kuò)束、整形、校準(zhǔn)，此時(shí)激光光束可以近似看作是垂直射入系統(tǒng)的平行光線。光束通過沿水平方向以1.0-2.5mm/s速度運(yùn)動(dòng)的二元光學(xué)衍射元件(與衍射元件水平運(yùn)動(dòng)方向成0.5°-4.4°的傾斜角)后所形成的衍射光束，再通過一個(gè)數(shù)值孔徑足夠大(NA＝R/L>λ/T，R是該透鏡的半徑，L是該透鏡到光學(xué)衍射元件的距離，λ是激光光束的波長，T是光學(xué)衍射元件的基本單元的長度)的透鏡，成像在粗糙散射屏幕上。照相機(jī)的物鏡把屏幕上成的像投影到照相機(jī)的光電二極管矩陣上。照相機(jī)的輸入孔徑應(yīng)該足夠小。

所謂激光散斑由物理量散斑對比度C來衡量。由Goodman的散斑統(tǒng)計(jì)理論可得到：其中I為平均光強(qiáng)分布，σ為光強(qiáng)分布的標(biāo)準(zhǔn)差，并由此得到二元光學(xué)衍射元件有效抑制散斑的理論基礎(chǔ)。

下面是數(shù)學(xué)模型的理論推導(dǎo)：

坐標(biāo)系的建立如圖2所示，且該數(shù)學(xué)模型忽略物的厚度。

1)為了簡化計(jì)算，假設(shè)經(jīng)過透鏡2和透鏡3后的激光光束可近似看作垂直于光學(xué)衍射元件入射，且復(fù)振幅為1。

光學(xué)衍射元件的透射率函數(shù)設(shè)為t(x₀,y₀)，具體函數(shù)如圖3所示，則

光學(xué)衍射元件后平面P₀′光場的復(fù)振幅表示為：

U′₀(x₀,y₀)＝t(x₀,y₀)U₀(x₀,y₀)＝t(x₀,y₀) (1)

x₀,y₀是光學(xué)衍射元件前平面P₀上的坐標(biāo)，U₀(x₀,y₀)是光學(xué)衍射元件前平面P₀光場的振幅，且U₀(x₀,y₀)＝1。

2)光束達(dá)到透鏡5，符合菲涅耳衍射條件，由菲涅耳衍射公式得到平面P₁上光場的復(fù)振幅為：

x₁,y₁是平面p₁上的坐標(biāo)。

3)光束從透鏡5的前表面?zhèn)鞑サ酵哥R的后表面，此時(shí)平面P₁′上光場的復(fù)振幅為：

其中w₀為透鏡5中心的厚度，f為透鏡的焦距，且透鏡總是具有一定的尺寸，圓形孔徑半徑為r₀的透鏡的孔徑函數(shù)即光瞳函數(shù)P(x₁,y₁)為：

這樣有：

4)光束從透鏡5到觀測屏6的過程符合菲涅耳衍射條件，由菲涅耳衍射公式得到平面P_i上光場的復(fù)振幅為：

將(4)式代入(5)式，可得：

這里假設(shè)透鏡5的數(shù)值孔徑足夠大(不考慮對入射場的影響)，則忽略光瞳的影響，就可以得到在整個(gè)區(qū)域內(nèi)都有P(x₁,y₁)＝1，將(2)式代入(6)式整理化簡得到：

其中x_i,y_i是平面p_i上的坐標(biāo)。

將(1)式代入(7)式，并且化簡整理得到成像屏幕上的光場分布復(fù)振幅為：

式中：A表示式中出現(xiàn)的復(fù)常數(shù)。

5)由于(8)式較為復(fù)雜，為了簡化計(jì)算設(shè)定算符Q，使得U_i(x_i,y_i)＝Q[t(x₀,y₀)]，引入CCD相機(jī)成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)H(x_i，y_i；x_j,y_j)，則CCD相機(jī)成像平面上的光場分布的復(fù)振幅為：

其中x_j，y_j是平面p_i上的坐標(biāo)。

6)該技術(shù)方案中需要光學(xué)衍射元件于水平方向運(yùn)動(dòng)與水平方向成a的傾斜角，現(xiàn)為了方便計(jì)算將速度分解成引入運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致在CCD上得到新的光場分布：

7)由光場強(qiáng)度公式I(x_j,y_j)＝|U(x_j,y_j)|²可以得到在CCD曝光時(shí)間內(nèi)捕獲到的散斑圖像強(qiáng)度為:

Δt為CCD相機(jī)曝光時(shí)間，|U(x_j,y_j)|²表示被測散斑圖像在時(shí)刻t′∈[t,t+Δt]處的強(qiáng)度分布，則檢測到的散斑強(qiáng)度的平均值為：

則散斑圖像強(qiáng)度的二階矩可以表示為：

公式中所涉及到的x₀₁,x₀₂，y₀₁，y₀₂,t’,t”是為了計(jì)算需要，沒有任何實(shí)際意義。

8)根據(jù)Goodman的散斑統(tǒng)計(jì)理論，被檢測到的散斑圖像的對比度C為：

變量(x₀,y₀)同時(shí)也為透射系數(shù)函數(shù)的坐標(biāo)，(x_j，y_j)為CCD相機(jī)曝光屏上的坐標(biāo)，在同一次的測量過程中可以看作是定值。所以這里為了簡化計(jì)算只考慮變量v_x,v_y，設(shè)置算符F，使得：

將(15)式代入(14)式化簡整理得到：

其中：v表示二元光學(xué)衍射元件的移動(dòng)速度，a是二元光學(xué)衍射元件和水平面的夾角。

進(jìn)一步，將二元光學(xué)衍射元件以安裝在繪圖機(jī)上，使其沿X軸做勻速運(yùn)動(dòng)，并用軟件控制其傾斜角度和移動(dòng)速度。

再進(jìn)一步，使用上述方法得到以下表1、表2、表3數(shù)據(jù)。

表1

表2

表3

其中表1是激光光束為紅光(622nm)時(shí)所得到的數(shù)據(jù)；表2是激光光束為綠光(532nm)時(shí)所得到的數(shù)據(jù)；表3是激光光束為藍(lán)光(435nm)所得到的數(shù)據(jù)。三原色理論上可以合成任何顏色的可見光。所以由表1、表2、表3得到在傾斜角為4.0°，運(yùn)動(dòng)速度為2.5mm/s時(shí)，三種顏色激光的散斑抑制效果均接近于最佳，因此相應(yīng)的激光投影效果達(dá)到最佳。