[發明專利]一種散斑抑制裝置、光學設備及激光顯示系統

在審

• 申請號: 201911255768.2
• 申請日: 2019-12-09
• 公開（公告）號: CN113031295A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 馬宏
• 申請（專利權）人: 覺芯電子（無錫）有限公司
• 主分類號: G02B27/48
• 分類號: G02B27/48
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;賈允

一種散斑抑制裝置、光學設備及激光顯示系統。本發明提供一種散斑抑制裝置，所述散斑抑制裝置包括至少一個菲涅爾透鏡陣列和聚光透鏡，所述菲涅爾透鏡陣列和所述聚光透鏡沿光路依次間隔設置。一種光學設備，包含順序設置激光光源、合束器、所述散斑抑制裝置和微鏡裝置，所述激光光源用于發出至少一種顏色的激光光束；所述合束器用于將激光光束形成合束光；所述散斑抑制裝置用于對所述合束光進行擴束、分束和勻束等操作，產生由若干子光束構成的出射光束；所述微鏡裝置用于將出射光束反射成掃描光束。本發明光學設備通過菲涅爾透鏡陣列與其他光學元件組合使用，以實現激光散斑抑制，該光學設備結構簡單、尺寸小、功耗低且適合集成在各種相干光掃描顯示模組中。

技術領域

本發明涉及光學顯示領域，特別涉及一種散斑抑制裝置、光學設備及激光顯示系統。

背景技術

散斑是相干光源如激光光源，照射光學粗糙表面或通過不均勻媒質時出現的強度隨機分布的顆粒狀斑紋。相干光束，如激光，在光學粗糙表面發生漫反射，在空間內形成隨機分布的具有相位差的光。漫反射產生的光與入射光頻率相同，在空間相遇后發生干涉，導致光強在空間內隨機分布，形成散斑。

在不同的應用和領域中，散斑具有不同的意義。在相干光的顯示系統中，如激光顯示系統，散斑會導致顯示的圖像信息部分缺少，降低顯示的分辨率，因而散斑對相干光的顯示系統是有害的。在激光投影顯示系統中，衡量散斑的主要參數是散斑對比度，它定義為均勻照明屏幕上光強的標準方差與均值的比值。當散斑現象比較明顯時，C值較大；反之，C將趨于零。要想讓人眼感覺不到圖像中散斑的存在，散斑對比度值應低于4％。根據相關研究，當散斑對比度被抑制到4％以下時，人類的視覺系統便無法在投影的圖像中識別散斑。

從散斑的成因分析，形成散斑的根本原因是照射光束具有極好的相干性。因此，散斑抑制的根本方法在于降低照射光束的相干性。現有的眾多散斑抑制技術大體可分為三類：通過驅動多激光器形成低相干激光光源或平均形成的散斑亮度、通過振動的投影屏幕在人類視覺上進行彌補、通過在光路中添加具有特定功能的光學元件從時間和/或空間上影響激光光束的光學性質。其中，由于激光器的發光特性，總輸出光功率一定，驅動多激光器的功耗大于驅動單一激光器的功耗。同時，激光器增多，生產成本也隨之增加。而通過使投影屏幕振動實現散斑抑制的技術在實際應用時存在過多制約。因此，進行散斑抑制時，通過在光路中添加具有特定功能的光學元件，在現階段具有最廣闊的應用前景。

在散斑抑制技術中，現有技術中主要使用的光學元件包括各類散射片、衍射光學元件，微透鏡陣列以及表面粗糙化的MEMS微鏡。

其中，散射片在靜止狀態下散斑抑制效果相當有限，需要通過驅動系統進行驅動，光束透過旋轉和/或振動的散射片后形成具有時變性隨機相位的子光束。子光束形成的散斑效果小且相互重合后使整體效果降低。然而，在激光顯示系統中增加額外的驅動系統，既有可能對精密光學系統的可靠性造成不利影響，又有可能產生如噪聲之類的負面效果，同時也不利于系統模組集成化、小型化，制約了系統模組的商業應用價值。

衍射光學元件在靜止狀態下即可對透過的光束進行分束，由于衍射光學元件具有微納結構，分束后的子光束具有隨機的相位，且子光束形成的散斑效果小且相互重合后使整體效果降低。但是，特定的衍射光學元件只能對特定波長的相干光光束進行分束，所以使用時存在一定的限制。

微透鏡陣列是指一定數量微納尺度的球面或自由曲面透鏡的排列組合。微透鏡陣列的周期尺寸一般為500nm-50μm。微透鏡陣列也可以在靜止狀態下對光束進行分束，且相較于衍射光學元件具有更好的分束與勻束效果。通常，微透鏡陣列通常需要兩個陣列一起組合使用。因為單個微透鏡陣列的勻束效果不如微透鏡陣列組的勻束效果，所以勻束后光斑內亮度分布不均，散斑抑制效果不佳。然而，使用多個微透鏡陣列會增加模組尺寸。

表面粗糙化的MEMS微鏡通過在一個或多個維度內振動，使反射光束獲得具有時變性的相位。但是，在激光顯示系統中加入額外的MEMS微鏡系統，會導致功耗增加，模組尺寸增大，且集成復雜度增大。