一种基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法技术

一种基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法，该方法实现系统中，激光器射出的激光束通过所述调制透镜组件进行扩束、整形和校准，正入射所述二元光学衍射元件的平面，所述二元光学衍射元件可水平移动地安装在水平导轨上并与水平面呈夹角，根据数学模型的理论推导计算得到所述二元光学衍射元件运动速度和夹角，按照设定的运动速度和夹角，控制所述二元光学衍射元件运动；本发明专利技术提供一种散斑抑制效果好、结构简单、易于实现、且系统通用性、鲁棒性好、成本低廉的基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法
本专利技术属于激光显示投影领域，尤其涉及一种散斑抑制方法。
技术介绍
激光散斑是当用激光照射漫射体时，在粗糙物体表面观察到的一层颗粒状结构。散斑的本质是一种随机的相干叠加。散斑在成像和信息图像中属于噪声，通常会严重影响图像和信息的质量，因此在激光系统，特别是激光显示投影系统中，需要进行散斑抑制。由于散斑抑制的重要性，前人进行了比较多的理论研究，已经提出的光学投影中散斑抑制的理论方法大致可以分为8种：1.引入偏振多样性；2.引入一个运动屏幕；3.引入专门设计的屏幕，使产生的散斑最小；4.对每种颜色，加宽光源的谱，或用频率稍有不同的多个激光器来获得照明波长的多样性；5.对每种颜色，用空间分离的多个激光器，从而获得照明角度的多样性；6.相对于人眼的分辨率，对光学投影系统进行的散斑容忍度设计；7.将一个具有随机相位元胞的变动漫射体成像到屏幕上；8.将一个具有确定性的正交相位代码的变动漫射体成像到屏幕上。基于上述理论研究，也提出了一些抑制散斑的技术方法，比如：福建中科晶创光电科技有限公司在专利《一种激光消散斑系统》中提出，利用一种激光散斑抑制器的色散特性，激光通过激光散斑抑制器中传播足够长距离后，其时间相干性得以减弱，再通过散射片的运动将激光散斑图样进行时间平均，从而减小激光散斑的影响。再比如，孙鸣捷等人在其论文《一种采用振动混光棒的散斑抑制技术》中提出了一种基于振动混光棒的散斑抑制方法，在保持原光束90％能量的前提下将图像的散斑对比度抑制到6％以下，且无需额外整形透镜光学件。梁传祥等人在其论文《基于硅基液晶实现激光投影显示系统均匀整形和散斑抑制》中提出利用硅基液晶空间光调制器抑制激光散斑。该方法可使照明光斑均匀性从74％提高到92.57％，屏幕上图样散斑对比度由0.991减小为0.2508。然而，上述已有技术存在的共同缺陷是：系统结构十分复杂，实验精度要求很高，系统容错性、鲁棒性、通用性很差，无法将实验系统通用化、仪器化，以满足激光投影显示领域的实际应用需求。另外，上述已有技术的散斑抑制效果也不够理想，需要进一步提高。
技术实现思路
为了克服已有散斑抑制技术和系统结构复杂，实验精度要求高，实现困难，系统容错性、鲁棒性、通用性差，以及散斑抑制效果不够好的不足，本专利技术提供一种散斑抑制效果好、结构简单、易于实现、且系统通用性、鲁棒性好、成本低廉的基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法，该方法实现系统中，激光器射出的激光束通过所述调制透镜组件进行扩束、整形和校准，正入射所述二元光学衍射元件的平面，所述二元光学衍射元件可水平移动地安装在水平导轨上并与水平面呈夹角；所述抑制方法包括如下步骤：1)光学衍射元件的透射率函数设为t(x0,y0)，光学衍射元件后平面P′0光场的复振幅表示为：U′0(x0,y0)＝t(x0,y0)U0(x0,y0)＝t(x0,y0)(1)x0,y0是光学衍射元件前平面P0上的坐标，U0(x0,y0)是光学衍射元件前平面P0光场的振幅，且U0(x0,y0)＝1；2)光束达到聚焦物镜，符合菲涅耳衍射条件，由菲涅耳衍射公式得到平面P1上光场的复振幅为：x1,y1是平面p1上的坐标；3)光束从聚焦物镜的前表面传播到透镜的后表面，此时平面P1′上光场的复振幅为：其中w0为透镜5中心的厚度，f为透镜的焦距，且透镜总是具有一定的尺寸，圆形孔径半径为r0的透镜的孔径函数即光瞳函数P(x1,y1)为：这样有：4)光束从聚焦物镜到观测屏的过程符合菲涅耳衍射条件，由菲涅耳衍射公式得到平面Pi上光场的复振幅为：将(4)式代入(5)式，可得：得到在整个区域内都有P(x1,y1)＝1，将(2)式代入(6)式整理化简得到：其中xi,yi是平面pi上的坐标；将(1)式代入(7)式，并且化简整理得到成像屏幕上的光场分布复振幅为：式中：A表示式中出现的复常数；5)设定算符Q，使得Ui(xi,yi)＝Q[t(x0,y0)]，现在引入CCD相机成像系统的点扩散函数H(xi,yi；xj,yj)，则CCD相机成像平面上的光场分布的复振幅为：其中xj,yj是平面pi上的坐标；6)光学衍射元件于水平方向运动与水平方向成α的倾斜角，将速度分解成引入运动导致在CCD上得到新的光场分布：7)由光场强度公式I(xj,yj)＝|U(xj,yj)|2得到在CCD曝光时间内捕获到的散斑图像强度为:Δt为CCD相机曝光时间，|U(xj,yj)|2表示被测散斑图像在时刻t′∈[t,t+Δt]处的强度分布，则检测到的散斑强度的平均值为：则散斑图像强度的二阶矩表示为：公式中所涉及到的x01,x02,y01,y02,t’,t”是为了计算需要的中间参数；8)根据Goodman的散斑统计理论，被检测到的散斑图像的对比度C为：变量(x0,y0)同时也为透射系数函数的坐标，(xj,yj)为CCD相机曝光屏上的坐标，在同一次的测量过程中看作是定值；只考虑变量vx,vy，设置算符F，使得：将(15)式代入(14)式化简整理得到：其中：v表示二元光学衍射元件的移动速度，α是二元光学衍射元件和水平面的夹角；9)按照设定的运动速度和夹角，控制所述二元光学衍射元件运动。进一步，所述夹角为0.5°-4.4°。再进一步，所述设定的运动速度为1.0-2.5mm/s。当激光束从激光器射出，可近似视为点光源。通过所述透镜阵列进行扩束、整形、校准，将激光束正入射所述二元光学衍射元件平面。所述的二元光学衍射元件镶嵌在水平导轨上并与水平面成一个夹角，当激光束照射到其表面时，该元件开始沿水平导轨进行匀速运动。所述二元光学衍射元件的运动改变了衍射级数的相位和破坏了激光束的空间相干性。由一个数值孔径足够大的凸透镜来接收产生衍射的激光束并将其聚焦成的像投影到显示屏上。人的眼睛中的晶状体可看作一个凸透镜，将显示屏漫射的光束接收成像到视网膜上。本专利技术的技术构思为：通过以按照一定序列来刻蚀微结构的二元光学衍射元件来改变激光光束的相位分布，从而达到散斑抑制效果。进一步，通过改变所述二元光学衍射元件沿水平导轨的运动速度破坏激光光束的空间相干性来对散斑抑制效果进行优化。更进一步，通过改变所述二元光学衍射元件与水平面的夹角来对散斑抑制进行进一步的优化。本专利技术的有益效果主要表现在：1.结构简单、稳定，系统通用性好。2.对于已购买且投入使用的激光投影仪可以直接改装而不必重新购买。3.与市场上现有的散斑抑制装置相比，制作简单，成本低廉，适合大批量生产。4.散斑抑制效果好。5.本专利技术在系统结构不变的情况下，可对红绿蓝三种颜色激光同时进行散斑抑制。附图说明图1是实现激光散斑抑制的系统示意图。图2是数学模型所建立的坐标系示意图。图3是二元光学衍射元件的透射率函数示意图。下面结合附图对本专利技术作进一步描述。图1和图2中1是激光光源；2，3是两个调制透镜；4是二元光学衍射元件；5是聚焦物镜；6是漫射屏幕；7是CCD照相机；8是照相机物镜；9是CCD照相机光电二极管阵列；10表示光斑打到的位置。所述激光器1、调制透镜2、调制透镜3、二元光学衍射元件4、聚焦物镜5同轴布置。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法，其特征在于：该方法实现系统中，激光器射出的激光束通过所述调制透镜组件进行扩束、整形和校准，正入射所述二元光学衍射元件的平面，所述二元光学衍射元件可水平移动地安装在水平导轨上并与水平面呈夹角；所述抑制方法包括如下步骤：1)光学衍射元件的透射率函数设为t(x

【技术特征摘要】
1.一种基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法，其特征在于：该方法实现系统中，激光器射出的激光束通过所述调制透镜组件进行扩束、整形和校准，正入射所述二元光学衍射元件的平面，所述二元光学衍射元件可水平移动地安装在水平导轨上并与水平面呈夹角；所述抑制方法包括如下步骤：1)光学衍射元件的透射率函数设为t(x0,y0)，光学衍射元件后平面P′0光场的复振幅表示为：U′0(x0,y0)＝t(x0,y0)U0(x0,y0)＝t(x0,y0)(1)x0,y0是光学衍射元件前平面P0上的坐标，U0(x0,y0)是光学衍射元件前平面P0光场的振幅，且U0(x0,y0)＝1；2)光束达到聚焦物镜，符合菲涅耳衍射条件，由菲涅耳衍射公式得到平面P1上光场的复振幅为：x1,y1是平面p1上的坐标；3)光束从聚焦物镜的前表面传播到透镜的后表面，此时平面P1′上光场的复振幅为：其中w0为透镜5中心的厚度，f为透镜的焦距，且透镜总是具有一定的尺寸，圆形孔径半径为r0的透镜的孔径函数即光瞳函数P(x1,y1)为：这样有：4)光束从聚焦物镜到观测屏的过程符合菲涅耳衍射条件，由菲涅耳衍射公式得到平面Pi上光场的复振幅为：将(4)式代入(5)式，可得：得到在整个区域内都有P(x1,y1)＝1，将(2)式代入(6)式整理化简得到：其中xi,yi是平面pi上的坐标；将(1)式代入(7)式，并且化简整理得到成像屏幕上的光场分布复振幅为：式中：A表示式中出现的复常数；5)设定算符Q，使得Ui(xi,yi)＝Q[t(x0,y0)],现在引入CCD相机成像系统的点扩散函数H(xi,yi；xj,yj),则CCD相机成像平面上的光场分布的复振幅为：其中xj,yj是平面pi上的坐标；6)光学衍射元件于水平方向运动与水平方向成α的倾斜角，将速度分解成引入运动导致在CCD上得到新的光场分布：7)由光场强度公式I(xj,yj)＝|U(xj,yj)|2得到在CCD曝光时间内捕获到的散斑图像强度为:Δt为CCD相机曝光时间，|U(xj,yj)|2表示被测散斑图像在时刻t′∈[t,t+Δt]处的强度分布，...

【专利技术属性】
技术研发人员：乐孜纯，熊启源，董文，付明磊，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33