技术领域
本发明的实施例涉及一种照明装置，其呈现降低的相干度以及由此呈现低的斑点噪声对比度。其他实施例也被描述。
背景技术：
已知的是，在照明表面上的照射相干光生成了也称为斑点的闪烁照明图案。例如，如图1中图示的，斑点图案起因于在来自相干光源的入射波前和来自照明表面的散射波前之间生成的局部干涉。更具体地说，斑点图案可以起源于起因于照明表面中的贡献点的随机离散波前的叠加。
在多模波导的特定情况下，也已知的是，波导的芯中相干光的传播生成了强度的强烈斑点分布。在波导端部处的斑点图案可以通过各种传播模式之间的随机干涉来产生。
在许多应用(例如，检验照明)中，这些照明系统的产生的随机强度图案是一个缺点，其中投射的斑点被转变为成像噪声。
用于消减照明表面上的斑点噪声的技术包括动态地去相关相干光源的斑点(见图2A)，即通过时变以下参数的一个或所有：相干光源的偏振、相位、以及波长。
另一方法是动态地去相关由照明表面或者光学投射系统生成的投射斑点(图2B)。通常，移动光学元件(例如，散射体)位于相干光源和照明表面之间的光路内。该光学元件的动态移动整体地降低了入射相干光的空间相干性并且因此实现总体斑点对比度的降低。然而，在这种情况下，需要明显的移动幅度，并且通常通过例如折射元件的机械旋转(美国专利申请公开号2007/0223091，PCT专利申请公开号WO2009133111，以及美国专利号6,081,381)、平面散射体的机械振动或位移(美国专利申请公开号2007/0251916，以及美国专利申请公开号2011/0267680)、屏幕振动(美国专利申请公开号2013/0010356A1)或者使用分节镜(美国专利号7,502,160B2)来提供明显的移动幅度。
另一方法是通过在光路内使用至少两个连续的光学元件以动态地去相关投射斑点，以及将这些元件的一个相对于另一个光学元件整体地移动(图2C)。在这种情况下，需要更小得多的移动幅度来实现对最终照明表面的总体斑点对比度的相同消减(″SpeckleRemovalbyaSlowlyMovingDiffuserassociatedwithamotionlessdiffuser，J.Opt.Soc.Am.，61，pp.847-851，1971)。两个光学元件可以例如是折射、衍射或者散射光学元件。
这些方法中的一些方法需要大的、不同的光学元件或者包括光学元件的整体移动，其可能难以直接集成至激光波导照明系统，诸如例如(美国专利号7,437,035和PCT专利申请公开号WO2012146960A1)，其中斑点图案可以遍布在细长的表面。包括相干光源的去相关的其它解决方案可能不适于某些应用。
技术实现要素：
本发明的实施例是具有低斑点噪声的照明装置或系统。装置采用传输相干光(例如，激光)的波导，具有对波导外部的相干光再分配的在波导内部的散射结构。波导的涂层内部的第二散射结构将主要从波导的芯向外耦合的光散射至波导外部。每个这些元件(即，波导、波导内部的第一散射结构和波导的涂层内部的第二散射结构)限定了不同的斑点图案。在一个实施例中，这些不同的斑点图案的静态叠加有利地允许由装置产生的“最终”照明光的空间相干性的总体降低。在另一实施例中，促使这些斑点图案的一个相对于另一个斑点图案的移动(振动)，能够使由照明装置产生的总体斑点噪声明显消减。用于获得在波导照明系统内部的移动的若干集成机制也被描述。
在一个实施例中，连续斑点图案的静态或动态叠加发生在单一波导的范围内。单独的斑点源可以是以下的一个或多个：波导本身(例如，多模波导)、集成在波导中的散射结构、以及集成在波导的涂层中的散射结构。用于获得这些斑点源中的一个相对于另一个斑点源或者相对于一组其他斑点源之间的移动的方法被描述，该方法可能能够消减最终照明方案的斑点噪声。用于获得这样的移动的示例包括光学元件的变形，以及改变相干光源到波导的光耦合。
上述概要不包括本发明的所有方面的详细清单。预期的是，本发明包括可以从以上概述的各种方面、以及在以下具体实施方式中公开的和在与本申请一起提交的权利要求中特别指出的那些方面的所有适当组合来实践的所有系统和方法。这样的组合具有未在上述概要中特别列举的特定优点。
附图说明
本发明的实施例在附图的图中通过示例的方式而非限制的方式被说明，其中同样的标记指示类似的元件。应当注意的是，在本公开中对本发明的“一”或者“一个”实施例的参考不一定是相同的实施例，并且它们表示至少一个。而且，为了简洁，给定的图可以用来图示本发明的多于一个实施例或者本发明的多于一个式样的特征，并且并非图中的所有元件对于给定的实施例式样都是必需的。
图1图示斑点的形成。
图2A描绘在光源的生成中使用时变参数以减轻斑点。
图2B图示如何移动光学元件可以减轻斑点的示例。
图2C示出光学元件相对于另一光学元件的小的移动以减轻斑点的另一示例。
图3A是根据本发明的实施例的具有斑点消减器的相干光波导装置的剖视图。
图3B示出根据本发明的另一实施例的示例斑点消减器，其依赖于光源和波导之间的相对移动。
图4A和图4B是根据本发明的又一个实施例的具有斑点消减器的相干光波导装置的剖视图。
图5A和图5B是具有斑点消减的另一个相干光波导装置的剖视图。
图6A和6B是相干光波导装置的剖视图，该相干光波导装置的波导涂层分别具有大的尺寸和小的尺寸的散射中心。
具体实施方式
现在参考附图对本发明的若干实施例进行解释。每当在实施例中描述的部件的形状、相对位置以及其他方面不被明确地限定时，本发明的范围不仅仅被限制到所示出的部件，其仅仅为了说明的目的。而且，虽然许多细节被阐述，但是应当理解的是本发明的一些实施例可以在没有这些细节的情况下被实践。在其他实例中，公知的电路、结构以及技术没有被详细地示出以便不使对本描述的理解模糊不清。
参照图3A、3B、4A、4B、5A、5B、6A以及6B，来说明照明装置的若干实施例，其中每个实施例都使用与具有芯100和包层101的波导耦合的相干光源，从而产生了主光105，其沿着波导传播直至其被波导内部的第一散射结构或散射区域103向外耦合。向外耦合的光然后被涂层102经由其中的集成散射中心或区域104散射到波导外面。通过特定散射区域(103或104)散射的光呈现不同的斑点图案。因此，被散射到波导外部的照明光107呈现是起因于第一散射区域103的第一斑点图案和起因于第二散射区域104的第二斑点图案的叠加的斑点图案。
产生主光105的光源可以是相干或者部分相干光源，诸如激光器或者超发光光源。本发明不限于特定波长或者频谱宽度，并且例如可以位于从深紫外到远红外波长范围。相干光源可以由多个单一波长相干源(例如发射红、绿和蓝光(R，G，B)的激光器)组成。
主光105被耦合到波导中并且被波导引导。波导可以是光管。可替换地，波导可以由覆盖有包层或覆层101的芯或者芯层100组成，如这里在附图中示出的那样。芯介质与包层介质接触，并且这些被设计为使得主光105可以例如经由全内反射(如例如在多模光纤中)在芯中以所示的方向并且沿着波导的纵轴传播。波导可以是任何适当的波导(诸如光纤)，并且可以是单包层光纤、多包层光纤、或者光子晶体或微结构波导。
波导如示出的那样具有形成在其中的一个或多个散射结构103，其用来重定向传播的主光105至波导的侧面外部，从而产生所谓的散射或者向外耦合光106。换句话说，传播的光被重定向至相对于波导的纵向或光传播轴的期望的非零角度(例如，横向或者大约90度)，这里被称为散射或者向外耦合光106。
散射结构可以是在波导的制造期间(例如，在光纤的拉制期间)直接集成的颗粒或杂质。
散射结构可以是激光诱发的结构；这些结构可以通过将外部强激光施加至波导中的选定位置来形成。通过使外部处理激光的焦点、强度以及位置适配，可以选择散射结构在波导中沿着并且跨(横向于)光传播方向(纵轴)的位置、形状、尺寸、散射强度、倾斜或者方位，以及周期性。特别地，根据本发明的实施例，这些参数可被适配以在向外耦合光106中获得期望的第一斑点图案。
仍然参照图3A，波导装置具有其中形成一个或多个光散射区域104的涂层102。涂层102可以由与设计成与向外耦合光106相互作用的光散射颗粒混合的硅酮或者其他适当的材料(诸如环氧树脂)或者聚合物基体的混合物制成。根据本发明的实施例，颗粒可以是透明的、半透明的和/或可以呈现光致发光。散射颗粒的折射率、尺寸和形状以及它们在诸如环氧树脂基体的介质内部的密度和分散，可以被适配以获得期望的第二斑点图案，以便降低装置外部的最终照明上的总体斑点对比度，并且有可能在照明光107中也获得期望的照明角度α(阿尔法)，见图6A和6B中的剖视图，其中“12点钟”的辐射位置处具有径向扩散角度α的定向辐射图案被示出。其他径向扩散角度和径向位置当然是可能的。
在图3A、6A和6B的实施例中，涂层102被示出为形成在波导的外表面上，并且特别地形成在包层101的外表面上。可能存在一个或多个中间材料层，其夹在涂层102和波导的外表面之间。在另一实施例中，涂层102以这样的方式被形成，使得其一个或多个截面例如通过空气间隙与波导的外表面间隔开，并且因此不与波导的外表面接触。
在一个实施例中，涂层102和其中的散射区域104可以由呈现电活性特性并且包含散射颗粒的材料的混合物制成。电活性材料是呈现通过施加电场的变形或者形状改变的材料。在这种情况下，并且现在参考图5A和图5B，中间电极113-114可被实施在电活性材料层115的内表面和外表面中，其形成了涂层102的部分。下面将结合动态消减技术进一步描述该实施例。
在另一实施例中，涂层102可以由平坦涂层(非电活性)制成，并且其中其外表面或者内表面被结构化或被纹理化(例如，表面起伏)。在那种情况下，在涂层内部可能不需要散射颗粒。这样的涂层的表面处的结构的尺寸和周期性可被适配以获得期望的第二斑点图案。表面起伏可以通过例如化学蚀刻或者例如通过激光烧蚀形成。
为了消减照明光107中的斑点噪声，可以使用如下所述的动态和静态方法(其中这样的技术也可以与纹理化的涂层102结合)。
动态消减
用动态消减将小量的移动施加在斑点源中的一个相对于其它斑点源之间，并且其可以通过在下文描述的不同方法获得。移动是“小的”，在于其幅度和频率仅需要当从装置出现的照明光107照亮附近表面时足以导致在总体斑点对比度中期望的消减。在一个实施例中，最小移动量值应该是散射区域的大约颗粒尺寸和/或大约纳米结构图案。因此，在一些情况下，几微米至几百微米的移动可能是足够的。然而，应该注意的是，如果使用非常小的颗粒，则更小的移动幅度可能也是足够的。至于移动的频率，其可以取决于检查构件。例如，如果观察者是人眼，则大约60Hz可以是足够的。然而，如果观察者是机器视觉(摄像机)，则该频率可以更高并且可以取决于使用的曝光积分时间。
a)光学地改变在波导内部调节的模式(图3B)
在波导的一个端部处的主光105的光耦合是相干光源相对于波导的位置和倾斜的函数f(x，y，z，θ或q)，并且可被动态地改变，即作为时间的函数，(x+dx(t)，y+dy(t)，z+dz(t)，θ+dθ(t))。根据本发明的该实施例，现在参考图3B，与波导耦合的光斑相对于波导随着时间横向地(在(x)或者(y)方向上)，纵向地在(z)方向上，或者成角度地(θ)移位或者倾斜(或者振动)。在另一实施例中，光斑的焦点可被动态地改变，其中动态改变的构件可以包括，例如a)可移动焦点的透镜，主光105通过该透镜进入波导以产生光斑，以及b)机电致动装置，其被耦合以来回移动透镜，从而动态改变所产生的光斑的焦点。
动态改变主光105的光耦合(包括振动的幅度及其频率)可能导致具有不同空间分布的传播模式的激励，从而在波导芯100内部以及因此在波导芯外部生成不同的斑点图案。振动的幅度和频率可被调谐以适应特定观察者，例如人眼，摄像机。该移动的斑点图案与散射区域103重叠，从而提供波导芯外部的第一斑点图案的有力消减。涂层102内部的第二散射结构104可能因此在这种情况下不出现，或者它们可以存在以便进一步提高照明光107中的总体斑点消减。
光斑的动态改变或者主光105的光耦合可以通过相对于波导振动相干光源或者光源本身的机械耦合来实现。可替换地，与其中散射结构103所定位的截面间隔开的波导的截面可被振动。在这种情况下，移动中的波导截面可被定位在散射结构103的“上游”(相对于来自源105的主光的传播方向)。振动构件可以例如是被电子电路驱动的任何适当的机电致动装置。
b)波导的轴向伸展和/或压缩
动态轴向应变可被施加至波导。在传播方向(z)上生成的推/拉动态应变可以改变第一斑点图案(通过波导内部的散射区域103生成)并且还改变第二斑点图案(通过涂层102内部的散射区域104生成)，因此降低了照明光107中的总体斑点对比度。
应变可以通过诸如步进电机、磁性致动装置或者压电致动装置的不同种类的致动装置生成。图4A和4B示出集成压电致动装置的实施例。在这种情况下，波导可被一个或多个压电陶瓷盘或者环109涂覆或者围绕，一个或多个压电陶瓷盘或者环109被夹在两个或更多个金属电极110-111之间并且被定位远离散射结构103和104。陶瓷盘可被陶瓷的任何连续的或者间断的部分代替，只要其呈现与波导(例如，光纤)的至少一个触点(或者接触该波导)，并且呈现与支架112的至少一个触点(或者接触支架112)。例如，其可以是盘的一半或者四分之一，或者定位接近光纤的一个或多个单一陶瓷棍或者棒。
光纤被定位在一个或多个支架(例如，套管或者柱)108和112之间。光纤可被夹紧到至少一个支架，其可以被固定并且自由地移动穿过至少另一个支架。光纤可以被固定在其两个端部处，使得伸展和压缩力两者都可通过致动装置被施加在其上。
当变化的电压(例如，在V＝0和V≠0之间切换)被施加至电极110-111时，其可能导致盘或者环109中的压电材料的动态轴向变形，见图4B。压电材料可以是陶瓷(例如ZnO)或者呈现压电特性的任何其他适当的材料。在一个实例中，轴向移动被支架112阻挡在一个端部上，并且因此在盘109中创建的力可被转移为波导的动态伸展或者压缩。
该伸展或者压缩导致第一斑点图案和第二斑点图案的动态叠加，其中第一斑点图案起因于第一散射结构103并且由于沿着结构103的波导芯100的轴向伸展和/或压缩而改变(在图4B中用虚线描绘在向外耦合光106内)，并且第二斑点图案起因于第二散射结构104，从而实现了最终照明光107的总体斑点对比度的降低。
c)涂层的横向伸展和/或压缩
在又一个实施例中，动态横向应变可被施加至波导的涂层102。如图5A和5B见到的，例如在横向方向(y)上生成推/拉移动可能改变由涂层102内部的散射区域104生成的斑点图案，因此降低了照明光107的总体斑点对比度。
可以通过使用电活性材料作为涂层102的部分来生成应变。电活性材料可以例如是聚合物或者介电弹性体。如例如在图5A中见到的，波导可涂覆有一层或者几层的电活性材料115，其被堆叠在要激励的电活性材料层115的部分的外表面和内表面上的一对(或者多于一对)电极113，114所夹。波导(例如，光纤)被定位在一个或多个支架(诸如，套管或者柱)108和112之间。光纤可被夹紧到至少一个支架。
当电压被施加以驱动一对电极113-114时，电极之间的静电力可能导致直接在电极之间的电活性材料115的厚度的减少或者增加。
因为光纤被夹紧在两个支架之间，所以直接出现在一对电极下的厚度减少Δy导致远离电极的位置中的厚度增加，如图5B图示的那样。该后者的厚度增加改变了被定位在向外耦合光106的光路中的散射中心104的分布，并且因此动态地改变了向外耦合光106的斑点图案。
这导致了起因于第一散射结构103(在向外耦合光106中)的第一斑点图案和起因于第二散射结构104的第二斑点图案的动态叠加，从而导致最终照明光107的总体斑点对比度降低。
静态消减
根据本发明的另一个实施例，可以通过下述设计一种具有照明光107中的消减的斑点噪声的照明装置：使形成在波导的涂层102内部的第二散射区域104的散射颗粒的尺寸、折射率和浓度，或/和第一散射区域103的尺寸、折射率和浓度适配，使得多个斑点图案和偏振态被生成在这些散射区域的一个内部。这被称为“静态”解决方案，因为其在照明装置的操作期间不需要斑点源之间的任何相对移动。在一个实施例中，第二散射区域、第一散射区域或者两者的颗粒尺寸可以在1至30微米的范围内，并且浓度按体积计算在10％之下。在另一实施例中，第二散射区域的颗粒尺寸可以为大约微米高达数百微米，并且浓度按体积计算在30％之下。其他颗粒尺寸和浓度可以是可能的。
图6A和6B示出其中涂层102在其中集成有小尺寸的散射中心(图6B)和大尺寸的散射中心(图6A)的两个不同的实施例。在小尺寸的散射中心(图6B)的情况下，向外耦合光106在其光路中遇到更大数目的散射中心(更高浓度的散射中心)。去极化效应可能因此更强烈并且多个斑点图案的叠加可能有助于降低的斑点对比度。作为片面结果，使用更小尺寸的散射中心(图6B)相对于其中使用更大尺寸的散射中心(图6A)的情况可能导致更大的散射角度α(阿尔法)。
使分散在涂层102的材料中的颗粒的尺寸、它们的密度和折射率(形成散射区域104)适配，涂层102的总体折射率以及涂层102的厚度，能够实现控制照明光107的角度α和斑点对比度两者(如图6A和图6B中图示的那样)。
虽然某些实施例已经被描述并且示出在附图中，但是要理解的是，这样的实施例仅仅是说明性的，并且不限制广泛的发明，而且本发明不限于所示出和描述的特定构造和布置，因为本领域普通技术人员可以想到各种其他的修改。例如，在所提到的所有图中，波导内部的散射区域或者中心103被表示为倾斜光栅并且通过颗粒表示涂层中的散射区域或者中心104。然而，本发明不限于散射中心的这些类型或者组合。因此描述要被认为是说明性的而不是限制性的。