本发明专利技术提供了一种激光光束匀光整形与消散斑一体化装置，属于激光显示和照明领域，尤其涉及激光投影显示和红外激光夜视领域。该装置将光束匀光整形与消散斑统一考虑，采用旋转全息散射器实现消散斑，采用纯相位衍射器件实现匀光整形，通过机械框架将全息散射器件、微型直流电机、纯相位衍射器件及傅里叶变换透镜连接固定成一个结构紧凑的整体，达到同时实现光束匀光整形与消散斑的目的。其中的全息散射器件和纯相位衍射器件均为薄片形衍射光学器件，体积小、轻薄，易于实现光机电集成与小型化；而且通过设计并采用双折射材料加工制作可使其具有保偏性能、充分利用激光本身固有的线偏振特性，进一步提高光能利用率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于激光投影显示和激光照明、能够同时实现激光光束勻光整形 与消散斑的一体化的装置，属于激光显示和照明领域。
技术介绍
激光具有亮度高、单色性(相干性)与方向性好等特点，在科学研究、工程技术及 工农业生产中具有十分重要和广泛的应用；激光投影显示和红外激光夜视是其中的两个重 要应用领域。激光投影显示采用激光器替代现有投影显示系统中的传统光源(如超高压汞 灯等)，具有亮度高、色域范围大、色纯度与饱和度高等优点，目前有关激光投影显示技术的 研究方兴未艾，许多发达国家的研究单位和大型公司都在大力研发激光投影显示技术和装 置。采用红外激光作为主动照明光源的红外激光夜视技术在军事、公安和安防等方面具有 重要应用。激光投影显示和主动照明红外激光夜视都需要均勻化的激光束照明，为实现均 勻化激光照明，需要解决两大难题(一)是激光光束的勻光整形，就是把激光器出射的单 模或多模高斯光束转换成特定形状(如矩形或方形)且强度尽量均勻的光束；(二)是尽 量减少或消除因激光高单色性(相干性)由干涉和衍射形成的散斑和条纹。目前用于普通光源的光束勻光整形方法与装置是基于光线反射或折射原理的，主 要有积分棒和透镜阵列两大类。目前市场上的投影仪和背投电视中大都采用这两种方法 及相应装置。基于同样的原理，通过设计和工艺改进，有些研究单位或公司提出了用于激 光光束勻光整形的方法和装置，如中国专利CN1658054A公开的《激光勻光器》、中国专利 CN201287242公开的《激光光束整形装置》、中国专利CN101377557公开的《激光勻光消相干 装置》等。从原理上讲基于反射或折射原理的方法与装置对于激光光束也能起到一定的勻 光整形作用，但由于它们对干涉和衍射效应考虑较少，所以当用于激光时还会产生一定的 散斑和背景条纹；且一般来说该类装置的制作工艺复杂、体积较大，不利于光机电集成与小 型化。激光的相干性好，容易产生散斑和背景条纹，这是采用普通非相干光源时所没 有的。有关降低或消除散斑和背景条纹的原理和方法，文献中已有多种论述，如采用 多波长激光或脉冲激光叠加等方法以降低时间相干性，采用激光器阵列、光纤束、旋转 或振动散射体、振动光纤、振动屏幕或超声光栅等方法以降低空间相干性。中国专利 CN201340489Y公开的《激光消散斑装置》采用电磁振动装置使光纤束产生随机振动；中 国专利CN201387516Y公开号《一种消散斑装置及使用该消散斑装置的激光投影仪》中采 用脉冲电源与逆压电材料体，使环绕在逆压电材料体上的光纤束产生无规伸缩；中国专利 CN101425656公开的《一种减少激光散斑效应的方法》利用压电效应、电光效应、声光效应及 标准具快速改变激光器腔长，使激光输出波长快速变化或跃变，从而达到降低激光的时间 相干性、降低散斑效应的目的。此外，中国专利CN1727938A公开的《激光投影电视照明系统 中的光束均勻化装置》采用衍射光学器件把扩束后的圆形或环形或椭圆形激光束转换为方 形照明光束，经过对所用衍射光学器件进行特殊设计，该装置在实现光束整形的同时具有一定的勻光效果，但由于其中的器件是固定不动的，因此难以降低或消除系统中由其它器 件所引起的散斑与条纹。纯相位衍射光学器件的设计基于光波干涉与衍射原理，其制作可采用光学微加工 等工艺，具有体积小、效率高等特点，非常适合于光机电集成与小型化，已在许多领域获得 重要应用，如光学折衍混合成像系统、光学检测、激光加工及激光显示等领域。近年来，纯相 位衍射光学器件的设计理论、算法和制作工艺已比较成熟。当把纯相位衍射光学器件用于 激光投影显示或红外激光夜视的照明系统中时，就该器件本身来说，可以获得较好的均勻 照明效果，但系统中其它光学器件上的灰尘、划痕及前后表面的多次反射，仍然会造成较为 明显的散斑与背景干涉衍射条纹，这将会严重影响视频图像的成像质量(如成像清晰度、 图像分辨率等)，尤其是当采用三基色激光实现彩色显示或成像时，散斑和条纹的存在会形 成无规则的颜色闪烁现象，不利于色域管理，造成画面色彩失真或变差，还容易造成人眼疲 劳。实现激光光束整形，并尽量降低或消除散斑和背景条纹，一直是激光投影显示及 红外激光夜视等领域中的技术难题，也是限制其实用化的瓶颈之一。若能够将二者一体化、 做到结构紧凑小型化，将具有更重要意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术针对现有光束勻光整形与消散斑技术存在的不足，提供一种结构紧凑、集 光束勻光整形与消散斑于一体的激光光束勻光整形与消散斑一体化装置。本专利技术的激光光束勻光整形与消散斑一体化装置采用以下技术方案该激光光束勻光整形与消散斑一体化装置，包括机械框架、微型直流电机、全息散 射器件、纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜，微型直流电机固定在机械框架上，全息散射器 件安装在微型直流电机上；纯相位衍射器件固定在机械框架上并位于全息散射器件的后 方，傅里叶变换透镜固定在机械框架上并位于纯相位衍射器件的后方，纯相位衍射器件和 傅里叶变换透镜的光轴与入射光束共轴，把全息散射器件与纯相位衍射器件通过机械框架 固定连接在一起，将光束整形和消散斑集成为一体，入射光束入射到全息散射器件上，全息 散射器件在微型直流电机的驱动下高速旋转实现对入射光束的散射并透射，使不相干的散 射场在积分时间内随机高速叠加并在视觉上形成平均效果，达到降低或消除散斑与条纹的 目的，从全息散射器件出射的光场入射到纯相位衍射器件上，经衍射与透射再入射到傅里 叶变换透镜上，经纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜共同作用，在傅里叶变换透镜的后焦 面上形成所需形状的均勻化光斑。机械框架是由前中后三个固定支撑板及连接支柱组成，三个固定支撑板上均设有 一个中心开孔，三个中心开孔必须是共轴的，前固定支撑板上除有一个中心开孔外，还有一 个偏心开孔，其中心开孔用于通过入射光束，偏心开孔用于安装固定微型直流电机，中间固 定支撑板上的中心开孔用于安装固定纯相位衍射器件，后固定支撑板上的中心开孔用于安 装固定傅里叶变换透镜。微型直流电机安装固定时要保证其电机轴与机械框架的中心轴尽量平行，微型直 流电机的电机轴与机械框架中心轴的最大夹角小于5度。全息散射器件是一个依据光学全息原理设计、在硬质透明光学基底材料上用光学微加工工艺制作的圆片形器件，其表面刻蚀有多种微结构，散射角小于2度。纯相位衍射器件是一个依据光波衍射原理设计、在硬质透明光学双折射基底材料 上用光学微加工工艺制作的圆片形器件，其表面刻蚀有微结构，具有保偏功能。傅里叶变换透镜为凸透镜。本专利技术将光束整形和消散斑统一考虑，不仅结构紧凑的、能同时实现光束勻光整 形与消散斑的一体化，而且还可以充分利用激光本身所固有的线偏振特性，从而大大提高 光能利用率，具有体积小、轻薄、易于复制及批量生产等优点，价格便宜、成本低的特点，非 常适合于光机电集成与小型化。附图说明图1是本专利技术所述装置的结构示意图。图2是本专利技术中机械框架的结构示意图。其中1、机械框架，2、微型直流电机，3、全息散射器件，4、纯相位衍射器件，5、傅里 叶变换透镜，6、偏心开孔，7、中心开孔，8、前固定支撑板，9、支柱，10、中间固定支撑板，11、 后固定支撑板。具体实施例方式本专利技术激光光束勻光整形与消散斑一体化装置的整体本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种激光光束匀光整形与消散斑一体化装置，包括机械框架、微型直流电机、全息散射器件、纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜，其特征是：微型直流电机固定在机械框架上，全息散射器件安装在微型直流电机上；纯相位衍射器件固定在机械框架上并位于全息散射器件的后方，傅里叶变换透镜固定在机械框架上并位于纯相位衍射器件的后方，纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜的光轴与入射光束共轴，把全息散射器件与纯相位衍射器件通过机械框架固定连接在一起，将光束整形和消散斑集成为一体，入射光束入射到全息散射器件上，全息散射器件在微型直流电机的驱动下高速旋转实现对入射光束的散射并透射，使不相干的散射场在积分时间内随机高速叠加并在视觉上形成平均效果，达到降低或消除散斑与条纹的目的，从全息散射器件出射的光场入射到纯相位衍射器件上，经衍射与透射再入射到傅里叶变换透镜上，经纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜共同作用，在傅里叶变换透镜的后焦面上形成所需形状的均匀化光斑。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王玉荣，朱杰，孙玉宝，宋刚，王洪君，张行愚，连洁，周玉法，万强，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88
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