[发明专利]一种散斑抑制装置、光学设备及激光显示系统

说明书

一种散斑抑制装置、光学设备及激光显示系统。本发明提供一种散斑抑制装置，所述散斑抑制装置包括至少一个菲涅尔透镜阵列和聚光透镜，所述菲涅尔透镜阵列和所述聚光透镜沿光路依次间隔设置。一种光学设备，包含顺序设置激光光源、合束器、所述散斑抑制装置和微镜装置，所述激光光源用于发出至少一种颜色的激光光束；所述合束器用于将激光光束形成合束光；所述散斑抑制装置用于对所述合束光进行扩束、分束和匀束等操作，产生由若干子光束构成的出射光束；所述微镜装置用于将出射光束反射成扫描光束。本发明光学设备通过菲涅尔透镜阵列与其他光学元件组合使用，以实现激光散斑抑制，该光学设备结构简单、尺寸小、功耗低且适合集成在各种相干光扫描显示模组中。

技术领域

本发明涉及光学显示领域，特别涉及一种散斑抑制装置、光学设备及激光显示系统。

背景技术

散斑是相干光源如激光光源，照射光学粗糙表面或通过不均匀媒质时出现的强度随机分布的颗粒状斑纹。相干光束，如激光，在光学粗糙表面发生漫反射，在空间内形成随机分布的具有相位差的光。漫反射产生的光与入射光频率相同，在空间相遇后发生干涉，导致光强在空间内随机分布，形成散斑。

在不同的应用和领域中，散斑具有不同的意义。在相干光的显示系统中，如激光显示系统，散斑会导致显示的图像信息部分缺少，降低显示的分辨率，因而散斑对相干光的显示系统是有害的。在激光投影显示系统中，衡量散斑的主要参数是散斑对比度，它定义为均匀照明屏幕上光强的标准方差与均值的比值。当散斑现象比较明显时，C值较大；反之，C将趋于零。要想让人眼感觉不到图像中散斑的存在，散斑对比度值应低于4％。根据相关研究，当散斑对比度被抑制到4％以下时，人类的视觉系统便无法在投影的图像中识别散斑。

从散斑的成因分析，形成散斑的根本原因是照射光束具有极好的相干性。因此，散斑抑制的根本方法在于降低照射光束的相干性。现有的众多散斑抑制技术大体可分为三类：通过驱动多激光器形成低相干激光光源或平均形成的散斑亮度、通过振动的投影屏幕在人类视觉上进行弥补、通过在光路中添加具有特定功能的光学元件从时间和/或空间上影响激光光束的光学性质。其中，由于激光器的发光特性，总输出光功率一定，驱动多激光器的功耗大于驱动单一激光器的功耗。同时，激光器增多，生产成本也随之增加。而通过使投影屏幕振动实现散斑抑制的技术在实际应用时存在过多制约。因此，进行散斑抑制时，通过在光路中添加具有特定功能的光学元件，在现阶段具有最广阔的应用前景。

在散斑抑制技术中，现有技术中主要使用的光学元件包括各类散射片、衍射光学元件，微透镜阵列以及表面粗糙化的MEMS微镜。

其中，散射片在静止状态下散斑抑制效果相当有限，需要通过驱动系统进行驱动，光束透过旋转和/或振动的散射片后形成具有时变性随机相位的子光束。子光束形成的散斑效果小且相互重合后使整体效果降低。然而，在激光显示系统中增加额外的驱动系统，既有可能对精密光学系统的可靠性造成不利影响，又有可能产生如噪声之类的负面效果，同时也不利于系统模组集成化、小型化，制约了系统模组的商业应用价值。

衍射光学元件在静止状态下即可对透过的光束进行分束，由于衍射光学元件具有微纳结构，分束后的子光束具有随机的相位，且子光束形成的散斑效果小且相互重合后使整体效果降低。但是，特定的衍射光学元件只能对特定波长的相干光光束进行分束，所以使用时存在一定的限制。

微透镜阵列是指一定数量微纳尺度的球面或自由曲面透镜的排列组合。微透镜阵列的周期尺寸一般为500nm-50μm。微透镜阵列也可以在静止状态下对光束进行分束，且相较于衍射光学元件具有更好的分束与匀束效果。通常，微透镜阵列通常需要两个阵列一起组合使用。因为单个微透镜阵列的匀束效果不如微透镜阵列组的匀束效果，所以匀束后光斑内亮度分布不均，散斑抑制效果不佳。然而，使用多个微透镜阵列会增加模组尺寸。

表面粗糙化的MEMS微镜通过在一个或多个维度内振动，使反射光束获得具有时变性的相位。但是，在激光显示系统中加入额外的MEMS微镜系统，会导致功耗增加，模组尺寸增大，且集成复杂度增大。