激光消散斑装置、激光消散斑方法及激光投影设备与流程
本发明涉及投影技术领域，特别涉及一种激光消散斑装置、激光消散斑方法及激光投影设备。
背景技术：
随着投影显示技术的发展，人们对显示的要求也日益提高，高亮度、高饱和度、宽领域显示已经成为显示的基本要求。激光具有高亮度和单色性好等特点，使得激光作为下一代投影显示的潜在光源。但是激光具有高相干性，在显示过程中会产生散射现象，从而形成激光散斑。由于激光散斑的存在，严重影响了激光显示的图像的质量。因此，如何改善激光散斑是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种激光消散斑装置、激光消散斑方法及激光投影设备，用以改善激光散斑。
因此，本发明实施例提供了一种激光消散斑装置，包括：具有纤芯和包层的光纤；所述包层包括：折射率调节材料和用于承载所述折射率调节材料的承载基材；
所述激光消散斑装置还包括：折射率调控部件；所述折射率调控部件用于控制所述折射率调节材料的折射率随时间变化，使所述包层的等效折射率随所述折射率调节材料的折射率变化而变化；其中，所述等效折射率与所述折射率调节材料的折射率和所述承载基材的折射率相关。
可选地，在本发明实施例中，所述承载基材具有填充空隙；所述折射率调节材料封装于所述填充空隙中。
可选地，在本发明实施例中，所述光纤包括：全内反射式光子晶体光纤；所述承载基材为所述全内反射式光子晶体光纤的包层结构。
可选地，在本发明实施例中，所述纤芯为单根石英纤芯，所述承载基材为毛细管。
可选地，在本发明实施例中，所述折射率调节材料包括：磁流体；所述折射率调控部件用于产生磁感应强度随时间变化的磁场，并通过产生的磁场控制所述折射率调节材料的折射率进行变化；或者，
所述折射率调节材料包括：液晶或电解液；所述折射率调控部件用于产生加载于所述折射率调节材料上的随时间变化的电压，并通过所述电压产生的电场控制所述折射率调节材料的折射率进行变化。
相应地，本发明实施例还提供了一种激光投影设备，包括：本发明实施例提供的激光消散斑装置。
可选地，在本发明实施例中，所述激光投影设备还包括：位于所述激光消散斑装置入光侧的激光光源装置，位于所述激光消散斑装置出光侧的光阀调制部件，以及位于所述光阀调制部件出光侧的投影镜头。
相应地，本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的激光消散斑装置的激光消散斑方法，包括：
驱动所述折射率调控部件控制所述折射率调节材料的折射率随时间变化，使所述包层的等效折射率随所述折射率调节材料的折射率变化而变化。
可选地，在本发明实施例中，所述折射率调节材料包括：磁流体；所述驱动所述折射率调控部件控制所述折射率调节材料的折射率随时间变化，具体包括：驱动所述折射率调控部件产生磁感应强度随时间变化的磁场，通过产生的磁场控制所述折射率调节材料的折射率进行变化；或者，
所述折射率调节材料包括：液晶或电解液；所述驱动所述折射率调控部件控制所述折射率调节材料的折射率随时间变化，具体包括：驱动所述折射率调控部件产生加载于所述折射率调节材料上的随时间变化的电压，通过所述电压产生的电场控制所述折射率调节材料的折射率进行变化。
可选地，在本发明实施例中，所述驱动所述折射率调控部件产生磁感应强度不同的磁场，具体包括：
在第一预设循环周期内，驱动所述折射率调控部件产生磁感应强度依次递增的磁场；
所述驱动所述折射率调控部件产生加载于所述折射率调节材料上的随时间变化的电压，具体包括：
在第二预设循环周期内，驱动所述折射率调控部件产生依次递增或依次递减的电压。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的激光消散斑装置、激光消散斑方法及激光投影设备，通过使包层包括折射率调节材料和用于承载折射率调节材料的承载基材，并通过折射率调控部件调控折射率调节材料的折射率，以使折射率调节材料的折射率随时间变化，从而可以使包层的等效折射率也随时间变化。由于包层的等效折射率变化，从而使光纤的传输模式和模式数也变化，这样可以使光纤输出端输出随时间变化的多个不同的独立散斑图像。由于人眼的视觉暂留效应，这些独立的散斑图像在人眼响应范围内进行叠加，从而可以达到抑制散斑的效果。
附图说明
图1a为现有的光纤的结构示意图；
图1b为图1a所示的光纤传输光的示意图；
图2a为包层折射率为1.435时，对光纤出射的光的光场分布进行模拟的示意图；
图2b为包层折射率为1.436时，对光纤出射的光的光场分布进行模拟的示意图；
图2c为包层折射率为1.437时，对光纤出射的光的光场分布进行模拟的示意图；
图3为本发明实施例提供的激光消散斑装置的结构示意图；
图4a为图3所示的沿aa’方向的横截面的结构示意图之一；
图4b为图3所示的沿aa’方向的横截面的结构示意图之二；
图5为本发明实施例提供的激光消散斑装置的具体结构示意图；
图6a为磁感应强度为0gs时，对散斑进行模拟的示意图；
图6b为磁感应强度为469gs时，对散斑进行模拟的示意图；
图7为本发明实施例提供的激光投影设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发明实施例提供的激光消散斑装置、激光消散斑方法及激光投影设备的具体实施方式进行详细地说明。应当理解，下面所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要注意的是，附图中各图形的大小和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
当一束相干激光打在一个粗糙表面时，在该粗糙表面反射或透射的光之间会发生光的干涉现象，这样表现出的是光强分布明暗不均匀的颗粒状的点，称之为散斑。在激光显示中，散斑的存在将会降低图像质量，因而必须被抑制。
实施例一
如图1a与图1b所示，一般光纤通常包括：纤芯01和包层02。为了使入射到纤芯01中的光线l1可以通过全反射进行传输，因此，纤芯01的折射率n01大于包层02的折射率n02。根据全反射原理，光纤存在光纤端面入射临界角(简称入射临界角)θmax，当入射光线l1的入射角θi1<θmax时，相应的光线将在纤芯01与包层02的交界面发生全内反射而返回纤芯01，并以折线的形式进行传播(如光线l1’)。当入射光线l2的入射角θi2>θmax时，相应的光线会出射到包层中，不能在光纤中进行传播(如光线l2’)。
光纤的包层的折射率变化会影响光纤的归一化频率v，而光纤的传输模式一般由光纤的归一化频率v决定，因此归一化频率v的变化会影响多模光纤的传输模式的模式数m。多模阶跃光纤的传输模式的模式数m满足公式：
一般在包层的材料较多时，包层的折射率可近似认为是该包层的等效折射率，包层的等效折射率n0可以满足公式：
基于此，如图3至图4b所示，本发明实施例提供了一种激光消散斑装置，可以包括：具有纤芯11和包层12的光纤10；其中，包层12可以包括：折射率调节材料121和用于承载折射率调节材料的承载基材122。激光消散斑装置还可以包括：折射率调控部件20；折射率调控部件20用于控制折射率调节材料121的折射率随时间变化，使包层12的等效折射率随折射率调节材料121的折射率变化而变化；其中，等效折射率与折射率调节材料的折射率和承载基材的折射率相关。具体地，等效折射率n0与折射率调节材料121的折射率n1以及承载基材122的折射率n2满足公式：
本发明实施例提供的激光消散斑装置，通过使包层包括折射率调节材料和用于承载折射率调节材料的承载基材，并通过折射率调控部件调控折射率调节材料的折射率，以使折射率调节材料的折射率随时间变化，从而可以使包层的等效折射率也随时间变化。由于包层的等效折射率变化，从而使光纤的传输模式和模式数也变化，这样可以使光纤输出端输出随时间变化的多个不同的独立散斑图像。由于人眼的视觉暂留效应，这些独立的散斑图像在人眼响应范围内进行叠加，从而可以达到抑制散斑的效果。
在具体实施时，为了实现全反射，可以使纤芯的折射率n1大于包层的等效折射率n0，并且，为了保证光纤中光的耦合效率和传输效率，需要使n1与n0相差1％～2％。
在具体实施时，如图4a与图4b所示，承载基材具有填充空隙；折射率调节材料121封装于填充空隙中。具体地，该填充空隙在未填充折射率调节材料121时可以是由光纤的输入端延伸至其输出端且设置在包层中的微结构空气孔或填充孔。或者，也可以是设置在包层中的封闭的填充孔，在此不作限定。
在一种可能的实施方式中，全内反射式光子晶体光纤的包层结构具有多个周期性的气孔结构，因此在具体实施时，如图4a所示，光纤可以包括：全内反射式光子晶体光纤；承载基材为全内反射式光子晶体光纤的包层结构。这样可以将折射率调节材料封装于全内反射式光子晶体光纤的包层结构的气孔结构中。其中，全内反射式光子晶体光纤中的纤芯直径可以为7μm，气孔结构的直接可以为2.57μm，纤芯和包层结构的材料可以分别为sio2，纤芯和包层结构的折射率可以分别为1.456。并且，在实际应用中，全内反射式光子晶体光纤与现有技术中的基本相同，为本领域的普通技术人员应该理解具有的，在此不做赘述。
在另一种可能的实施方式中，毛细管具有空隙，在具体实施时，如图4b所示，纤芯可以设置为单根石英纤芯，承载基材也可以为毛细管。这样可以将折射率调节材料封装于毛细管与纤芯的空隙中，可以使组合而成的光纤形成多模光纤。其中，纤芯和毛细管的材料可以分别为sio2，纤芯和毛细管的折射率可以分别为1.456。并且，在实际应用中，毛细管与现有技术中的基本相同，为本领域的普通技术人员应该理解具有的，在此不做赘述。
在一种可能的实施方式中，磁流体又称磁性液体、铁磁流体或磁液，其既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。并且，磁流体是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。磁流体在外加磁场作用时，才表现出磁性。从而在外加磁场的磁感应强度变化时，可以使磁流体的折射率进行变化。在具体实施时，折射率调节材料可以包括：磁流体。并且，折射率调控部件可以用于产生磁感应强度随时间变化的磁场，并通过产生的磁场控制折射率调节材料的折射率进行变化。以全内反射式光子晶体光纤为例，将磁流体封装于全内反射式光子晶体光纤的包层结构的气孔结构中，通过控制折射率调控部件产生合适的磁场，以使光纤设置于折射率调控部件产生的磁场中，从而在折射率调控部件产生的磁场的磁感应强度随时间变化时，使磁流体的折射率也随时间变化，进而可以使包层结构的等效折射率变化。并且，磁流体与基载液的体积比浓度会影响磁流体的折射率，其体积比浓度越低，折射率越低。因此需要根据n1与n0相差1％～2％的条件，设置合适的磁流体液体积比浓度，使磁流体的折射率小于纤芯折射率。
需要说明的是，在实际应用中，折射率调控部件可以为能够产生随时间变化的磁场的装置，例如磁场产生装置、电磁感应装置，其可以与现有技术中的结构相同，在此不作赘述。
在另一种可能的实施方式中，液晶或电解液在施加于其的电场的电场强度变化时，其折射率也会变化。在具体实施时，折射率调节材料也可以包括：液晶或电解液。并且，折射率调控部件可以用于产生加载于折射率调节材料上的随时间变化的电压，并通过该电压产生的电场控制折射率调节材料的折射率进行变化。具体地，以折射率调节材料为液晶且承载基材为全内反射式光子晶体光纤的包层结构为例，如图4a所示，这样将液晶填充并封装于全内反射式光子晶体光纤的包层结构的气孔结构中。通过控制折射率调控部件20产生合适的电压，使该电压产生相应的电场，以使包层的等效折射率n0和纤芯的折射率n1满足相差1％～2％的条件，并将光纤10设置于折射率调控部件20产生的电场中，在折射率调控部件20产生的电场的电场强度变化时，液晶的折射率进行变化。这样根据公式
本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的激光消散斑装置的激光消散斑方法，可以包括：驱动折射率调控部件控制折射率调节材料的折射率随时间变化，使包层的等效折射率随折射率调节材料的折射率变化而变化。
在具体实施时，折射率调节材料包括：磁流体。在本发明实施例中，驱动折射率调控部件控制折射率调节材料的折射率随时间变化，具体可以包括：
驱动折射率调控部件产生磁感应强度随时间变化的磁场，通过产生的磁场控制折射率调节材料的折射率进行变化。
进一步地，在具体实施时，驱动折射率调控部件产生磁感应强度不同的磁场，具体可以包括：
在第一预设循环周期内，驱动折射率调控部件产生磁感应强度依次递增的磁场。这样可以循环控制磁场的磁感应强度依次递增，即在第一个第一预设循环周期内控制磁场的磁感应强度从初始值依次递增，在第二个第一预设循环周期内控制磁场的磁感应强度再次从初始值依次递增，其余以此类推，在此不作限定。进一步地，人眼接收事物需要一定的时间，第一预设循环周期的时长可以为人眼接收时间。具体地，人眼接收时间可以为1/24秒或更短时间。
在一种可能的实施方式中，可以根据以下参数控制折射率调控部件工作：在纤芯的直径为16μm，纤芯的折射率为1.5时，控制折射率调控部件在每0.4ms步进7gs或频率为24hz的调制电压的条件下工作，以在第一个第一预设循环周期内，驱动折射率调控部件产生磁感应强度从0gs到700gs依次递增的磁场，以使磁感应强度以步进7gs进行调制，从而使磁流体的折射率从1.46变化到1.48，进而使光纤的传输模式的模式数随着磁流体的折射率增加而增加。这样可以使光纤输出端输出的独立散斑图像的数量增加。由于人眼的视觉暂留效应，这些独立的散斑图像在人眼响应范围内进行叠加，进而可以达到抑制散斑的效果。在第二个第一预设循环周期内，根据上述参数使折射率调控部件产生磁感应强度再次从0gs到700gs依次递增的磁场，以使磁感应强度以步进7gs进行调制，从而使磁流体的折射率从1.46变化到1.48，进而使光纤的传输模式的模式数随着磁流体的折射率增加而增加。这样可以使光纤输出端输出的独立散斑图像的数量增加。由于人眼的视觉暂留效应，这些独立的散斑图像在人眼响应范围内进行叠加，进而可以达到抑制散斑的效果。当然，在实际应用中，由于对磁感应强度的步进和大小的需求不同，因此可以根据实际应用环境来设计确定上述参数，在此不作限定。
下面以承载基材为全内反射式光子晶体光纤的包层结构为例，将磁流体封装于承载基材中，光纤10的纤芯11的折射率为1.450，激光光源的波长为671nm，光纤的半径为62.5μm，磁流体在20℃无磁场的环境中的折射率为1.44714为例，如图5所示，控制折射率调控部件20产生合适的磁场，以使包层的等效折射率n0和纤芯的折射率n1满足相差1％～2％的条件，并将光纤10设置于折射率调控部件20产生的磁场中，在折射率调控部件20产生的磁场的磁感应强度随时间变化时，磁流体的折射率也随时间变化。通过激光光源装置向光纤的入光面射入激光，并检测磁感应强度对光纤传输模式的模式数的影响，如表1所示，从表1中可以看出，随着磁感应强度的增加，磁流体的折射率变小，这样根据公式
表1
并且，针对承载基材为全内反射式光子晶体光纤的包层结构，将磁流体封装于该承载基材中的激光消散斑装置，其纤芯直接为62.5nm，纤芯的折射率为1.456。如图5所示，通过激光光源向纤芯11的入光面发送光l3，分别在磁感应强度为0gs和469gs的磁场作用下，对激光消散斑装置产生的散斑进行模拟，如图6a和图6b所示。其中，图6a为磁感应强度为0gs时，对散斑进行模拟的示意图，图6b为磁感应强度为469gs时，对散斑进行模拟的示意图。从图6a和图6b可知，不同磁感应强度下，散斑图像不同。并且通过实验测试可知，散斑对比度可降至4％以下，能够符合激光投影画面显示要求。
在具体实施时，折射率调节材料包括：液晶或电解液。在本发明实施例中，驱动折射率调控部件控制折射率调节材料的折射率随时间变化，具体包括：
驱动折射率调控部件产生加载于折射率调节材料上的随时间变化的电压，通过电压产生的电场控制折射率调节材料的折射率进行变化。
进一步地，在具体实施时，驱动折射率调控部件产生加载于折射率调节材料上的随时间变化的电压，具体可以包括：
在第二预设循环周期内，驱动折射率调控部件产生依次递增或依次递减的电压。这样可以循环控制电压依次递增或递减，从而使产生的电场随时间变化。以循环控制电压依次递增为例，在第一个第二预设循环周期内控制电压从初始值依次递增，在第二个第一预设循环周期内控制电压再次从初始值依次递增，其余以此类推，在此不作限定。进一步地，人眼接收事物需要一定的时间，第二预设循环周期的时长可以为人眼接收时间。具体地，人眼接收时间可以为1/24秒或更短时间。这样可以使电场强度进行调制，从而使液晶的折射率进行变化，进而使光纤的传输模式的和模式数随着液晶的折射率变化而变化。这样可以使光纤输出端输出的独立散斑图像的数量变化。由于人眼的视觉暂留效应，这些独立的散斑图像在人眼响应范围内进行叠加，进而可以达到抑制散斑的效果。
实施例二
本发明实施例还提供了一种激光投影设备，包括：本发明实施例提供的激光消散斑装置100。该激光消散斑装置100的具体结构参见实施例一，在此不作赘述。
在具体实施时，如图7所示，激光投影设备还可以包括：激光消散斑装置100、位于激光消散斑装置100入光侧的激光光源装置200、位于激光消散斑装置100出光侧的光阀调制部件300，以及位于光阀调制部件300出光侧的投影镜头400。
在具体实施时，激光光源装置200出射多基色激光并耦合到激光消散斑装置100的光纤10的入射面，以形成入射到纤芯11的入射光。通过激光消散斑装置100的作用可以使入射光在纤芯11的传输模式数变化并出射，之后该出射的光入射至光阀调制部件300，再通过光阀调制部件300对不同颜色入射光的调制后进入投影镜头400，使得投影镜头400成像出的图像满足需要。
在具体实施时，光阀调制部件300可为数字微镜芯片(digitalmicromirrordevice，简称dmd)。本发明实施例提供的上述激光投影设备可以采用数字光处理构架(digitallightprocessing，简称dlp)，通过把影像信号数字化处理，使激光光源装置时序性地出射的不同颜色光线投射在dmd芯片上，由dmd芯片根据数字化信号对光线进行调制后反射，最后经过投影镜头在投影屏幕上成像。
一般，光阀调制部件中还设置有照明光路，以对入射的光束进行压缩整形处理。在具体实施时，激光消散斑装置可以设置在激光光源装置中，也可以设置在光阀调制部件的照明光路中，均可以实现激光光束的消散斑。
需要说明的是，对于激光投影设备的其它必不可少的组成部分均为本领域的普通技术人员应该理解具有的，在此不做赘述，也不应作为对本发明的限制。
本发明实施例提供的激光消散斑装置、激光消散斑方法及激光投影设备，通过使包层包括折射率调节材料和用于承载折射率调节材料的承载基材，并通过折射率调控部件调控折射率调节材料的折射率，以使折射率调节材料的折射率随时间变化，从而可以使包层的等效折射率也随时间变化。由于包层的等效折射率变化，从而使光纤的传输模式和模式数也变化，这样可以使光纤输出端输出随时间变化的多个不同的独立散斑图像。由于人眼的视觉暂留效应，这些独立的散斑图像在人眼响应范围内进行叠加，从而可以达到抑制散斑的效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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