CN103052899B - 旋光器以及基于旋光器的激光散斑抑制装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种激光散斑抑制装置，包括线偏振光产生器（501）、用于将线偏振光投影显示的成像显示***（502）、连接在线偏振光产生器（501）和成像显示***（502）之间的旋光器（201）、以及用于向旋光器（201）提供调制脉冲电压的调制电源（202）。旋光器（201）在调制脉冲电压所产生的磁力驱动下将输入线偏振光转换为正交的输出线偏振光。

Description

旋光器以及基于旋光器的激光散斑抑制装置与方法

技术领域

本发明涉及激光显示技术领域，特别涉及一种旋光器以及基于旋光器的激光散斑抑制装置与方法。

背景技术

激光显示被认为是下一代显示技术，具有广阔的市场前景。激光显示技术与其它显示技术相比，具有可实现大色域显示、颜色饱和度高、功耗低等优点。但是，由于激光具有高度相干性，当激光光束经投影显示光学***中投影屏的散射后，在空间产生干涉斑纹，称为散斑。散斑是激光显示中不可避免的一种噪声，是影响画面质量最大的因素，会给观看者不适的感觉，所以在激光显示产品中抑制散斑技术是不可缺少的一个环节。

人眼对散斑的感受可以由散斑对比度这个参数来衡量。散斑对比度越大则人眼对散斑的感觉越明显，对于显示效果的主观感受越差；反之，散斑对比度越小，则人眼对散斑的感觉会减弱，对于显示效果的主观感受越好。散斑对比度C的定义是：C＝所有像素光强的标准差/所有像素光强的平均值。

同行业中，不少科研工作者曾提出抑制散斑的很多方法，如移动散射体、振动屏幕、利用不同波长的光源、利用脉冲激光的叠加等方法来抑制散斑。如日本三菱公司的激光电视用的就是振动屏幕的方法来抑制散斑，其屏幕以一定的线速度做整体圆周运动，当运动量足够大时，屏幕的运动产生了类似的散斑运动，和眼睛所截取的散斑图样的变化，其净效应就是所谓的散斑的“沸腾”，沸腾的散斑的时间积分使散斑对比度下降，由于人眼积分效应，观察到散斑得到了一定的抑制，画面的颗粒感会得到较大程度的减弱。

在利用其他散斑抑制技术以后，还可以利用偏振的多样性来进一步抑制散斑。偏振的多样性是指，激光所产生的偏振光有多种形态，如线偏振光、圆偏振光以及椭圆偏振光等等，激光晶体所产生的偏振光形态是随机的。

理论上，采用偏振多样性来抑制散斑最多可以使散斑对比度降低1/2。现有技术利用偏振的多样性来抑制散斑，其方案主要是通过大量随机偏振态的光叠加来抑制散斑，由于偏振态的随机性，很难实现散斑对比度降低1/2。并且，现有技术利用偏振多样性来抑制散斑的方案需添加较多的偏振光学器件，其光效率不高且光路稍显复杂。

在如下的文献中，还可以发现更多与上述技术方案相关的信息：[1]Joseph W.Goodman，光学中的散斑现象-理论与应用，曹其智等译，北京：科学出版社，2009；[2]申请号为200910111106.8的中国发明专利申请文件；[3]申请号为200910176017.1的中国发明专利申请文件；[4]申请号为200910131359.1的中国发明专利申请文件。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明实施例提出了一种旋光器以及基于旋光器的激光散斑抑制装置与方法，本发明实施例的技术方案利用磁控的旋光器对线偏振光的偏振角度进行可控的旋转，使旋光器输出的线偏振光与输入的线偏振光呈正交特性，该技术方案不仅结构简单，而且能够实现散斑对比度降低1/2。

一方面，在一个实施例中，提供了一种旋光器，连接调制电源；所述旋光器接收线偏振光；在调制电源为所述旋光器提供调制脉冲电压所产生的磁力驱动下，将所述线偏振光的偏振方向进行旋转，得到与输入的线偏振光正交的输出线偏振光。

另一方面，在一个实施例中，提供了一种激光散斑抑制装置，所述装置包括：线偏振光产生器，用于产生线偏振光；旋光器，连接所述线偏振光产生器和一调制电源，用于在所述调制电源的调制脉冲电压所产生的磁力驱动下，将所述线偏振光产生器传来的线偏振光的偏振方向进行旋转，以得到与输入的线偏振光正交的输出线偏振光；所述调制电源，连接所述旋光器，用于为所述旋光器提供所述调制脉冲电压；成像显示***，用于将所述旋光器输出的线偏振光投影显示。

又一方面，在另一个实施例中，提供了一种激光散斑抑制方法，所述方法包括：产生线偏振光；提供为所述线偏振光旋转所需的调制脉冲电压；在所述调制脉冲电压产生的磁力驱动下，采用旋光器将所述线偏振光的偏振方向进行旋转，以得到与输入的线偏振光正交的输出线偏振光；将旋光器输出的线偏振光进行投影成像处理并显示。

本发明实施例的技术方案，利用的是光的偏振的多样性来抑制散斑，具体地，该技术方案采用旋光器来对线偏振光的偏振方向进行旋转，使旋光器输出的线偏振光与输入的线偏振光呈正交特性；将未经旋转的线偏振光产生的散斑图样和旋转后的正交线偏振光产生的散斑图样在人眼的积分时间内进行叠加，使散斑对比度降低一半。本发明实施例的技术方案与其他诸如振动屏幕，增加线宽，角度多样化，移动散射体等消散斑技术相比，具有结构简单、调制灵活方便、应用范围广等优点，可与其他消散斑技术配合使用，从而达到更好的抑制散斑的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为用作光隔离器的旋光器工作原理图；

图2为本发明实施例的旋光器工作原理图；

图3为本发明实施例的调制电源104处于低电平时，旋光器的输入输出示意图；

图4为本发明实施例的调制电源104处于高电平时，旋光器的输入输出示意图；

图5为本发明实施例的装置原理图之一；

图5a为本发明实施例的装置原理图之二；

图6为本发明实施例的装置原理图之三；

图7为本发明实施例的装置原理图之四；

图8为本发明实施例的技术方案和现有技术方案所实现的散斑抑制情况对比图；

图9为本发明实施例的激光散斑抑制方法流程图；

图10为现有的振动屏幕消散斑技术和本发明实施例的消散斑技术结合应用的原理图。

具体实施方式

本发明实施例提出了一种旋光器以及基于旋光器的激光散斑抑制装置与方法，该技术方案利用偏振光的多样性来抑制散斑。具体地，该技术方案采用旋光器来对线偏振光的偏振方向进行旋转，使旋转后的线偏振光与旋转前的线偏振光正交；将旋转前的线偏振光产生的散斑图样和旋转后的线偏振光产生的散斑图样在人眼的积分时间内进行叠加，使散斑得到了有效抑制。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

当线偏振光受到粗糙的表面(如屏幕)散射时，散斑对比度由下式给出

$C=\sqrt{\frac{1+P^2}{2}}---\left(1\right)$

其中：P为散射光偏振度，且0≤P≤1(P＝0时为非偏振光，P＝1时为线偏振光)。由于线偏振光通过粗糙的面(如屏幕)散射后一般会退偏(变成散射光)，所以P一般都可以认为等于0。因此，线偏振光通过粗糙的面(如屏幕)散射后，散斑对比度可降至原来的此时观察到的散斑会有一定程度的减弱。

由于线偏振光通过粗糙的面(如屏幕)散射后一般会退偏成散射光，而散射光(非偏振光)相当于两个正交线偏振光分量的和，它产生两个等强度且独立的散斑图样，此时散斑对比度降到若入射的线偏振光的偏振方向在人眼积分时间内旋转了90度，该旋转后的线偏振光通过粗糙的面(如屏幕)散射后变成的散射光，同样也会产生两个等强度且独立的散斑图样，加上未偏转的线偏振光产生的两个散斑图样，那么在人眼的积分时间内将会产生4个独立的散斑图样，这时散斑对比度会降到

本发明实施例的方法与装置正是利用了上述原理来设计的。本发明实施例的实现首先需要选择一种可以对线偏振光的偏振方向进行旋转的设备，本发明实施例通过受磁力控制的旋光器来实现对线偏振光的偏振方向进行旋转。能使线偏振光偏振方向发生旋转的物质叫做旋光物质，旋光器由能够实现旋光效应的物质组成。

一种旋光效应的原理是：当线偏振光通过某些晶体传播时，其振动平面会相对原方向转过一个角度。这种旋光效应的优势是，不需要外加磁场的作用就能实现旋光；其缺点是，线偏振光的偏振方向所旋转的角度不可控制。

另一种旋光效应的原理是：在磁场的作用下，本不具有旋光性的物质也产生了旋光性，而且其旋光的角度可以根据磁场的大小进行精确控制。一般采用外加调制电源的方式来产生磁场，当调制电源处于低电平时，不产生旋光效应；当调制电源处于高电平时，会对该物质施加对应于偏振光旋转角度的电压，使偏振光旋转对应的角度。如对应于偏振方向旋转90度的电压称为λ/2电压，对应于偏振方向旋转180度的电压称为λ电压，其中λ为偏振光的波长。基于电源调制的磁控旋光器的线偏振光旋转角度可控，因此这种旋光器的应用更广泛，鉴于此，下文所描述的旋光器都是基于电源调制的磁控旋光器。

旋光器的一种常见的应用是在光路中起光隔离的作用，也即，使光只沿一个方向传播，不可逆行。这种作为光隔离器的旋光器的工作原理如图1所示，其中偏振片103和104的偏振轴互成45°角，调制电源102给旋光器101以特定方向的λ/4的调制信号，当通过偏振片103的光信号经过旋光器101后，其偏振方向与偏振片104的偏振轴一致，此时光信号可以畅通无阻的通过偏振片104；相反，若光从反方向返回，由于旋光器101与光传播方向无关，所以经偏振片104和旋光器101后，其偏振方向将会与偏振片103的偏振轴垂直，因而不能通过偏振片103而被反射出光路，这样就起到了隔离反向光的目的。

和这种主流的旋光器不同，本发明实施例提供一种旋光器，该旋光器用于对激光散斑进行抑制。具体地，本发明实施例利用调制电源的高电平电压对旋光器进行调制，利用旋光器的旋光特性使线偏振光的偏振方向进行旋转，使旋转后的线偏振光的方向与旋转前的线偏振光的偏振方向呈现正交特性；利用调制电源的调制脉冲信号时间间隔对旋光器进行调制，使这种调制脉冲时间间隔小于人眼积分时间。此时，根据上述散斑对比度的原理可知，散斑对比度会降1/2，从而散斑得到了进一步的抑制。

图2为本发明实施例所提供的旋光器工作原理图。如图2所示，本发明实施例的旋光器201，连接调制电源202；该旋光器201接收线偏振光；在调制电源202为该旋光器201提供调制脉冲电压所产生的磁力驱动下，将线偏振光的偏振方向进行旋转，得到与输入的线偏振光正交的输出线偏振光。

可选地，当调制电源202处于低电平时，旋光器201不对输入的线偏振光的偏振方向进行旋转；当调制电源202处于高电平时，旋光器201将输入的线偏振光的偏振方向进行旋转，以获得与输入的线偏振光正交的输出线偏振光。

图3为调制电源202处于低电平时，旋光器201的输入输出示意图；从图3可以看出，线偏振光的偏振方向未发生改变。图4为调制电源202处于高电平时，旋光器201的输入输出示意图，从图4可以看出，输出线偏振光的偏振方向与输入线偏振光的偏振方向为正交。

可选地，本发明实施例中调制电源202的调制脉冲电压的电压值对应于线偏振光旋转的角度，如当电压值为λ/2，输出线偏振光的方向旋转90度，该电压值还可以是能够导致输入与输出线偏振光正交的其他电压值；本发明实施例的调制脉冲电压的调制脉冲时间大于线偏振光的相干时间，小于人眼积分时间。

本发明实施例的旋光器201与常规的旋光器101相比，具有以下特点和有益效果：1、不需要偏振片103和偏振片104的辅助，只要入射到磁光晶体的光为线偏振光即可；2、调制电源102给旋光器101提供的是λ/4的连续信号，而本发明实施例的调制电源202给旋光器201提供的是λ/2的脉冲信号；3、常规的旋光器101一般起光隔离作用，而本发明实施例是利用旋光器201在相干时间与人眼积分时间之间产生两束互相正交的线偏振光，从而抑制激光散斑。

本发明实施例还提供一激光散斑抑制装置，该装置包含了前述实施例所描述的旋光器201和调制电源202。图5为本发明实施例的装置原理图。如图5所示，本发明实施例的激光散斑抑制装置包括：线偏振光产生器501，用于产生线偏振光；旋光器201，连接线偏振光产生器501和一调制电源202，用于在调制电源202的调制脉冲电压所产生的磁力驱动下，将线偏振光产生器501传来的线偏振光的偏振方向进行旋转，以得到与输入的线偏振光正交的输出线偏振光；调制电源202，连接旋光器201，用于为旋光器201提供调制脉冲电压；成像显示***502，用于将旋光器201输出的线偏振光投影显示。

图5a为图5的一细化原理图。如图5a所示，具体地，成像显示***502包括：投影成像***5021，连接旋光器201，用于将旋光器201输出的线偏振光进行投影成像处理；屏幕5022，连接投影成像***5021，用于呈现处理后的投影图像。

优选地，本实施例的调制脉冲电压的电压值对应于线偏振光旋转的角度，调制脉冲电压的调制脉冲时间大于线偏振光的相干时间，小于人眼积分时间。

优选地，本实施例线偏振光的旋转角度为±90度；调制电源的调制脉冲电压值为对应于±90度的电压值。

优选地，旋光器201，用于当调制电源处于低电平时，不对输入的线偏振光的偏振方向进行旋转；当调制电源处于高电平时，将输入的线偏振光的偏振方向进行旋转，以获得与输入的线偏振光正交的输出线偏振光。

在一实际产品中，本发明实施例的线偏振光产生器包括：激光器，用于产生多种偏振态的偏振光；偏振片，连接激光器，用于对激光器产生的偏振光进行过滤，得到线偏振光。图6为对应于该实际产品的激光散斑抑制装置原理图。

如图6所示，该装置包括：激光器601，用于产生多种偏振态的偏振光；偏振片602，连接激光器601，用于对激光器601产生的偏振光进行过滤，得到线偏振光；旋光器201，连接偏振片602和一调制电源202，用于在调制电源202所产生的磁力驱动下，将偏振片602传来的线偏振光的偏振方向进行旋转，以得到与输入的线偏振光正交的输出线偏振光；调制电源202，连接旋光器201，用于为旋光器201提供调制脉冲电压；投影成像***5021，连接旋光器201，用于将旋光器201输出的线偏振光进行投影成像处理；屏幕5022，连接投影成像***5021，用于呈现处理后的投影图像。

在另一实际产品中，本发明实施例的线偏振光产生器为仅产生线偏振光的激光器。图7为对应于该实际产品的激光散斑抑制装置原理图。

如图7所示，该装置包括：激光器701，用于产生线偏振光；旋光器201，连接激光器701和一调制电源202，用于在调制电源202的调制脉冲电压所产生的磁力驱动下，将激光器701传来的线偏振光的偏振方向进行旋转，以得到与输入的线偏振光正交的输出线偏振光；调制电源202，连接旋光器201，用于为旋光器201提供调制脉冲电压；投影成像***5021，连接旋光器201，用于将旋光器201输出的线偏振光进行投影成像处理；屏幕5022，连接投影成像***5021，用于呈现处理后的投影图像。

以图6为例，当旋光器旋转角度为90度时，本发明实施例装置的工作原理是：激光器601发出的光束通过偏振片602后变成线偏振光；当调制电源202处于低电平时，线偏振光通过旋光器201和投影成像***5021后投到屏幕5022上，偏振方向不发生改变，此时旋光器201不起作用；当调制电源104处于高电平时，会给旋光器201以λ/2电压，此时线偏振光通过旋光器201时其偏振方向会旋转90度，然后再通过投影成像***5021投到屏幕5022上。

设调制信号的时间间隔为Δt，线偏振光的相干时间为t1，人眼积分时间为t2，若满足t1＜Δt＜t1，则投到屏幕5022上的散斑对比度会降1/2，散斑得到了进一步的抑制。例如，波长为532nm，功率为1W的固体激光器，其典型相干时间t1＝1μs，人眼积分时间t2＝50ms，若让旋光器201的调制信号时间间隔Δt满足1μs＜Δt＜50ms，则屏幕5022上的散斑对比度会降1/2，散斑会得到进一步的抑制。图8为本发明实施例的技术方案和现有技术方案所实现的散斑抑制情况对比图，如图8所示，当偏振度P＝0时，采用本发明实施例技术方案的散斑对比度能够降低1/2。

需要说明的是，旋转90度只是本发明的一种实施方式，只要满足从旋光器输出的线偏振光的偏振方向与输入旋光器的线偏振光的偏振方向为正交即可，如旋转角度还可以是负90度，或者其他角度。

本发明实施例还提供一种激光散斑抑制方法，该方法由前述实施例的散板抑制装置来实现，图9为该方法的流程图，如图9所示，本实施例的激光散斑抑制方法包括：

S901、产生线偏振光；该步骤可以由线偏振光产生器501完成，或者由激光器601和偏振片602完成，或者由激光器701完成。

S902、提供为线偏振光旋转所需的调制脉冲电压；该步骤由调制电源202完成。

S903、在调制脉冲电压产生的磁力驱动下，采用旋光器201将线偏振光的偏振方向进行旋转，以得到与输入的线偏振光正交的输出线偏振光；该步骤由旋光器201完成。

S904、将旋光器201输出的线偏振光进行投影成像并显示。

可选地，S904包括：将旋光器201输出的线偏振光进行投影成像处理，该步骤由投影成像***5021完成；以及呈现处理后的投影图像，投影图像呈现在屏幕5022上。

优选地，调制脉冲电压的电压值对应于线偏振光旋转的角度，调制脉冲电压的调制脉冲时间大于线偏振光的相干时间，小于人眼积分时间。

优选地，线偏振光的旋转角度为±90度；调制脉冲电压值为对应于±90度的电压值。

优选地，S703具体包括：当调制脉冲电压处于低电平时，旋光器不对输入的线偏振光的偏振方向进行旋转；当调制脉冲电压处于高电平时，旋光器将输入的线偏振光的偏振方向旋转，以获得与输入的线偏振光正交的输入线偏振光。

本发明实施例的技术方案可与其他消散斑技术配合使用。如振动屏幕消散斑技术或者随机相位消散斑技术等现有的消散斑技术可让散斑对比度降至10％-15％，若配合本技术一起使用可将散斑对比度降至5％-8％，这时人眼基本上看不见散斑，从而进一步抑制了散斑噪声，增强了画面质量。

下面以振动屏幕的方式与本发明实施例的方式结合来进行说明。需要指出的是，虽然下面的例子将振动屏幕的方式和本发明实施例的消散斑方式进行结合来进行说明，但是这种结合方式仅用于对本实施例的工作原理进行解释，而非用于对权利要求的保护范围进行限定，本领域普通技术人员基于本发明实施例所公开的消散斑方式与现有的其他消散斑技术的结合都在权利要求的保护范围之内。

图10为现有的振动屏幕消散斑技术和本发明实施例的消散斑技术结合应用的原理图，如图10所示，此技术方案结合了偏振多样性和振动屏幕两种消散斑方案，屏幕5022在传动装置1001的驱动下做线性振动，其运动轨迹可以是直线和圆周。如果仅用振动屏幕的方法来抑制散斑，较好的结果是散斑对比度会降到15％-20％，若配合本发明的利用偏振多样性的方法一起使用，散斑对比度会进一步降到8％-10％。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述的实施例仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种激光散斑抑制装置，其特征在于，所述装置包括：

线偏振光产生器，用于产生线偏振光；

旋光器，连接所述线偏振光产生器和一调制电源，用于在所述调制电源的调制脉冲电压所产生的磁力驱动下，将所述线偏振光产生器传来的线偏振光的偏振方向进行旋转，以得到与输入的线偏振光正交的输出线偏振光；

所述调制电源，连接所述旋光器，用于为所述旋光器提供所述调制脉冲电压；

成像显示***，用于将所述旋光器输出的线偏振光投影显示。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制脉冲电压的电压值对应于线偏振光旋转的角度，所述调制脉冲电压的调制脉冲时间大于线偏振光的相干时间，小于人眼积分时间。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线偏振光的旋转角度为±90度；所述调制电源的调制脉冲电压值为对应于所述±90度的电压值。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述旋光器，用于当调制电源处于低电平时，不对输入的线偏振光的偏振方向进行旋转；当调制电源处于高电平时，将输入的线偏振光的偏振方向进行旋转，以获得与输入的线偏振光正交的输出线偏振光。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线偏振光产生器为仅产生线偏振光的激光器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线偏振光产生器包括：

激光器，用于产生多种偏振态的偏振光；

偏振片，连接所述激光器，用于对所述激光器产生的偏振光进行过滤，得到线偏振光。

7.根据权利要求1-6中任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述成像显示***，包括：

投影成像***，连接所述旋光器，用于将旋光器201输出的线偏振光进行投影成像处理；

屏幕，连接所述投影成像***，用于呈现处理后的投影图像。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

传动装置，连接所述屏幕，用于驱动所述屏幕进行线性振动。

9.一种激光散斑抑制方法，其特征在于，所述方法包括：

产生线偏振光；

提供为所述线偏振光旋转所需的调制脉冲电压；

在所述调制脉冲电压产生的磁力驱动下，采用旋光器将所述线偏振光的偏振方向进行旋转，以得到与输入的线偏振光正交的输出线偏振光；

将旋光器输出的线偏振光进行投影成像并显示。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调制脉冲电压的电压值对应于线偏振光旋转的角度，所述调制脉冲电压的调制脉冲时间大于线偏振光的相干时间，小于人眼积分时间。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述线偏振光的旋转角度为±90度；所述调制脉冲电压值为对应于所述±90度的电压值。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

当所述调制脉冲电压处于低电平时，所述旋光器不对输入的线偏振光的偏振方向进行旋转；

当所述调制脉冲电压处于高电平时，所述旋光器将输入的线偏振光的偏振方向旋转，以获得与输入的线偏振光正交的输入线偏振光。