一种基于角度多样性的空间分布紧凑型散斑抑制装置

1.本实用新型涉及基于激光光源的显示及成像领域，特别涉及一种基于角度多样性的空间分布紧凑型散斑抑制装置。


背景技术：

2.激光投影显示具有色域空间大、色饱和度高、屏幕尺寸灵活、光源寿命长以及节能环保等显著优点，被视作新一代显示技术的突破口。激光投影显示的初始研究主力以日本的索尼、三菱，韩国的三星、lg和比利时的巴可等国外传统显示巨头为代表。目前，我国在激光显示领域也已经取得了“百花齐放”的大好局面，全球激光投影显示也已逐步交由海信、小米、视美乐、长虹等中国企业主导。
3.然而，当高相干的激光光源照射在光学粗糙的表面上时，会引起光强的随机分布，表现为屏幕上无规则的亮点和暗点。这种随机分布的颗粒状图案即为激光散斑。激光散斑会严重降低画面的质量，增加观众的视疲劳。因此，激光散斑的抑制是破除制约和阻碍激光显示快速发展以及市场化的关键技术。
4.激光散斑的抑制主要通过非相干散斑的动态叠加实现。非相干散斑的产生既可以通过激光光源的波长、角度及偏振多样性实现，也可以通过在光路中加入运动的散射介质实现。其中波长多样性方法不适用于激光光源，偏振多样性方法产生效果有限，角度多样性方法旨在通过引入满足角度多样性原理的多个非相干光束叠加实现散斑抑制，是较好的选择。但角度多样性带来了光束数量多且空间分离、装置空间占有较大的问题，不利于激光投影设备小型化。
5.因此，寻找一种结构简单、能够实现散斑抑制且空间分布紧凑的装置具有重大的意义。专利cn2020112191645公开了一种基于角度多样性的散斑抑制及焦深拓展装置，但是该装置存在以下问题：由于光线投射到光线汇聚装置上的镜向位置不同，为实现光线严格汇聚到同一点，不能使用通常的透镜进行光线汇聚，需要对汇聚装置进行特殊处理方能到达预想效果；装置要求两反射镜严格平行，但该装置存在处于动态的旋转反射镜，旋转过程中的晃动易引起光路的偏移，导致光束无法正常从出光口出射，降低光的利用率。因此，该装置的空间利用率有限，导致散斑抑制稳定性较差。


技术实现要素：

6.为克服上述现有技术所存在的不足，本实用新型提供一种基于角度多样性的空间分布紧凑型散斑抑制装置，旨在提高散斑抑制率。
7.本实用新型为解决技术问题，采用如下技术方案：
8.一种基于角度多样性的空间分布紧凑型散斑抑制装置，其特点在于：所述装置设置在激光光源之后，包括：平行且间隔设置的两块立体反射板，用于激光光束的定向高效反射；旋转取光装置，用于实现激光光束的时序选择及空间分离；支撑装置，用于固定立体反射板并带动旋转取光装置旋转；光束汇聚装置，用于将空间分离光束进行汇聚及时序叠加。
其中：
9.两块立体反射板垂直于所述激光光源所发出光束的方向设置；靠近所述激光光源的立体反射板为第一立体反射板、另一个为第二立体反射板，在第一立体反射板上设置有入射孔；
10.在两个所述立体反射板的相对面上皆设计有周期性排列的倾斜反射平面，用于实现光在两立体反射板之间的折返传播，且使得光从第一立体反射板到第二立体反射板的传播方向与激光光源所发出光束的方向平行、光从第二立体反射板到第一立体反射板的传播方向与激光光源所发出光束的方向不平行；
11.两个所述立体反射板中心的连线构成装置的中轴线；所述旋转取光装置是由两个反射镜构成的潜望镜结构，第一反射镜设置在两立体反射板之间，第二反射镜设置在两立体反射板所构成的区域之外；所述旋转取光装置可围绕中轴线进行旋转，且随着旋转取光装置的旋转，由第一立体反射板到第二立体反射板的光经旋转取光装置的两次反射，以平行方向取出至两立体反射板所构成的区域之外，并照射到光束汇聚装置，实现光束在空间上的分离以及在时序上的切换；
12.所述支撑装置用于固定两块立体反射板，并带动旋转取光装置旋转；
13.所述光束汇聚装置设置在两个所述立体反射板的后方，且所述光束汇聚装置的焦点位于装置中轴线上，用于将旋转取光装置所取出的光汇聚至焦点处，实现空间分离光束的汇聚及时序叠加。
14.进一步地：所述倾斜反射平面是以所述立体反射板的中心为圆点呈射状均布的若干斜切面。斜切面的倾斜角度、数量以及两立体发射板之间的间距相互配合，使光在两立体发射板之间的折返方向满足：光从第一立体反射板到第二立体反射板的传播方向与激光光源所发出光束的方向平行、光从第二立体反射板到第一立体反射板的传播方向与激光光源所发出光束的方向不平行。
15.进一步地，所述光束汇聚装置的参数(包括装置的半径和装置的焦距)满足：经旋转取光装置在旋转一周的时序内所导出的任意两条空间上分离的光束，在经过所述的光束汇聚装置汇聚后，两光束的夹角满足角度多样性原理，并且时序叠加在所述的光束汇聚装置的焦点处。
16.进一步地，装置使用过程中，所述立体反射板相对于光源处于相对静止状态，所述旋转取光装置由支撑装置带动旋转。
17.进一步地，所述旋转取光装置的旋转周期应小于探测器或人眼的积分时间。
18.与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：
19.1、利用本实用新型的装置，使得激光光源所发出的光束在立体反射板的反射下，由旋转取光装置通过旋转在不同位置处取出，并通过光束汇聚装置以满足角度多样性的若干光线汇聚至同一焦点处，实现高效率的散斑抑制效果。且经旋转取光装置旋转一周所取出的光线，位于以装置中轴线为中轴的同一圆柱面上，可以有效提高空间利用率。
20.2、本实用新型的装置中，立体反射板相对于光源处于相对静止状态，通过旋转取光装置饶中轴线的旋转来取光，使得两立体反射板之间的光路位置固定，从而使装置具有较高的稳定性。
附图说明
21.图1为本实用新型散斑抑制装置的结构示意图；
22.图2为本实用新型的散斑抑制装置中立体反射板的结构示意图；
23.图3为本实用新型实施例中利用散斑抑制装置对光进行处理的光路图；
24.图中标号：1为激光光源，2为立体反射板，2-1为入射孔，2-2为倾斜反射平面，3为旋转取光装置，4为支撑装置，5为光束汇聚装置。
具体实施方式
25.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
26.实施例1
27.如图1和图2所示，本实施例公开了一种基于角度多样性的空间分布紧凑型散斑抑制装置，其设置在激光光源1之后，包括：平行且间隔设置的两块立体反射板2，旋转取光装置3，支撑装置4以及光束汇聚装置5，其中：
28.两块立体反射板2垂直于激光光源1所发出光束的方向设置；靠近激光光源1的立体反射板2为第一立体反射板、另一个为第二立体反射板，在第一立体反射板上设置有入射孔2-1；
29.在两个立体反射板2的相对面上皆设计有周期性排列的倾斜反射平面2-2，用于实现光在两立体反射板之间的折返传播，且使得光从第一立体反射板到第二立体反射板的传播方向与激光光源1所发出光束的方向平行、光从第二立体反射板到第一立体反射板的传播方向与激光光源1所发出光束的方向不平行；
30.两个立体反射板2中心的连线构成装置的中轴线；旋转取光装置3是由两个反射镜构成的潜望镜结构，第一反射镜设置在两立体反射板2之间，第二反射镜设置在两立体反射板2 所构成的区域之外；旋转取光装置3可围绕中轴线进行旋转，且随着旋转取光装置3的旋转，由第一立体反射板到第二立体反射板的光经旋转取光装置的两次反射，以平行方向取出至两立体反射板2所构成的区域之外，并照射到光束汇聚装置，实现光束在空间上的分离以及在时序上的切换；
31.支撑装置4用于固定两块立体反射板2，并带动旋转取光装置3旋转；
32.光束汇聚装置5设置在两个立体反射板2的后方，且光束汇聚装置5的焦点位于装置中轴线上，用于将旋转取光装置所取出的光汇聚至一个位于装置中轴线上的焦点处，实现空间分离光束的汇聚及时序叠加。
33.如图2所示，倾斜反射平面2-2是以立体反射板2的中心为圆点呈射状均布的若干斜切面。此结构可认为是将圆形反射面斜切并沿半径方向扭转实现，呈旋转对称的空间结构。斜切面的倾斜角度、数量以及两立体发射板之间的间距相互配合，使光在两立体发射板之间的折返方向满足：光从第一立体反射板到第二立体反射板的传播方向与激光光源所发出光束的方向平行、光从第二立体反射板到第一立体反射板的传播方向与激光光源所发出光束的方向不平行。
34.光束汇聚装置5的参数满足：经旋转取光装置3在旋转一周的时序内所导出的任意两条空间上分离的光束，在经过的光束汇聚装置5汇聚后，两光束的夹角满足角度多样性原
理，并且时序叠加在光束汇聚装置5的焦点处。
35.装置使用过程中，立体反射板2相对于光源1处于相对静止状态，旋转取光装置3由支撑装置4带动旋转。
36.旋转取光装置3的旋转周期应小于探测器或人眼的积分时间。
37.具体实施中，立体反射板可采用高反射镜加工而成；旋转取光装置也可两个高反射镜构成。
38.具体实施中，支撑装置可采用任意结构，只需能够实现“固定两块立体反射板2，并带动旋转取光装置3旋转”的作用，如：支撑装置可包括连接在两立体反射板之间的空心圆柱管，管外壁套有轴承，轴承外壁通过棒状结构与旋转取光装置相连。装置若设置外壳或与其它结构连接，可将相应结构设置于第一立体反射板上，这样可以避免遮挡光路。优选的，为保证结构稳定性，可将空心圆柱管在保证不影响光路的前提下尽可能取较大直径，这也可以使得连接轴承与旋转取光装置的棒状结构尽可能短，进而提高稳定性。同时，可采用对称设置两个相同的旋转取光装置的方法提高结构在旋转过程中的稳定性。可采用任意驱动方式，如将旋转取光装置连接于外壳上的机械驱动；或在连接两立体反射板的空心圆柱内部设置线圈，并在轴承外侧设置磁性结构的电磁驱动方式。
39.具体实施中，光束汇聚装置可采用透镜实现。
40.本实施例具体设置参数如下：激光光源1所产生的光斑直径为2mm；立体反射板2上入射孔2-1的直径设置为2mm，且位置与激光光源1所发出的光束位置相匹配；两立体反射板 2的直径为62mm，入射孔中心到立体反射板面中心的距离为60mm，两立体反射板相距 40mm；每个立体反射板2上均匀分布有6个倾斜反射平面2-2，其倾斜角度为18.5
°
；旋转取光装置3的两个反射镜之间的距离为6mm，第一反射镜的反射面与装置中轴线的距离与入射孔与装置中轴线的距离匹配；光束汇聚装置5的焦距为40mm，半径为35mm。旋转取光装置 3的转动周期为15ms。所实现的光路如图3所示。当光从激光光源1发出后，从入射孔2-1 进入到两立体反射板2之间，经两立体反射板2上的倾斜反射平面2-2不断折返；旋转取光装置3饶中轴线不断旋转运动，且随着其运动，由第一立体反射板到第二立体反射板的光不断被取出，且任意时刻仅一条光束出射，从而实现了6条光线空间上的分离和时序上的选择。所取出的光束通过光束汇聚装置汇聚，相邻两个光束的夹角为37.11
°
，满足角度多样性原理，任意两条光束都是非相干的。由此，利用6条非相干光束的时序叠加，实现散斑的抑制。该情况下，散斑可降低为原来的40.8％。进一步地，在上述立体反射板2的直径为62mm的条件下，可设置倾斜反射平面的数量为100个(倾斜角度为1.483428444
°
)，此时经光束汇聚装置汇聚后相邻两个光束的夹角为0.080796232
°
，仍能满足角度多样性的条件，此时散斑可降低为原来的10％。
41.至此，已对本实用新型的一种基于角度多样性的散斑抑制及焦深拓展装置进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、步骤和形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
42.(1)各光学器件还可采用其他类型的元件，只要能实现相同的功能即可；
43.(2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而
是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；
44.(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围；
45.(4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
46.综上所述，本实用新型是基于角度多样性的空间分布紧凑型散斑抑制装置，结构简单，易于实现，通过设计立体反射板、旋转取光装置和光束汇聚装置之间位置关系的配合，可以产生符合角度多样性原理的非相干光束。进一步地，利用这些非相干光束，可以实现基于激光光源的显示领域中的散斑抑制。两块立体反射板的使用降低了光损耗，提高了光能的使用效率。
47.以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。