履带式运动柔性衍射光学器件抑制激光散斑及其耐久性实验_段祥瑞.pdf

第 31 卷 第 4 期2023 年 2 月Vol.31 No.4Feb.2023光学 精密工程 Optics and Precision Engineering履带式运动柔性衍射光学器件抑制激光散斑及其耐久性实验段祥瑞1，费澳鑫1，卢智易2，彭宇浪1，乐孜纯1*（1.浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023；2.杭州谱育科技发展有限公司，浙江 杭州 311121）摘要：为了有效抑制激光散斑，真正实现激光显示和成像系统的大色域、高亮度和超优画质，提出了基于履带式运动柔性衍射光学器件（Diffractive Optical Elements，DOE）的散斑抑制方法，对柔性衍射光学器件的设计、制造、耐久性和散斑抑制效果进行了研究。首先设计了柔性衍射光学器件的光学结构，并描述了履带式运动柔性衍射光学器件形成动态二维衍射编码的机理；接下来介绍了柔性衍射光学器件的模板制备、热压成型、连接成环的工艺方法；之后搭建激光投影显示系统对所研制的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）和聚丙烯（Polypropylene，PP）两种材料的柔性衍射光学器件的散斑对比度和耐久性进行实验研究。实验结果表明，提出的基于履带式运动柔性衍射光学器件的激光散斑抑制方法，可将红绿蓝三色激光的散斑对比度降低到 5%以下，同时系统具有小型化、低功耗的优点。在长达三十天的耐久性实验中，聚氯乙烯和聚丙烯两种材料的柔性衍射光学器件都没有明显形变和散斑抑制效果的衰减，且 PP 材料柔性 DOE 比PVC 材料柔性 DOE 散斑抑制效果更明显、耐久性也更好。满足大色域、高亮度、超优画质的要求，并具有小型化、低功耗、高可靠的优点。关键词：激光散斑抑制；衍射光学器件；耐久性；散斑对比度；聚丙烯中图分类号：O439 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233104.0459Tracked motion flexible diffractive optical elements suppressing laser speckle and its durability testDUAN Xiangrui1，FEI Aoxin1，LU Zhiyi2，PENG Yulang1，LE Zichun1*（1.College of Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China；2.Hangzhou PuYu Technology Development Co.，Ltd，Hangzhou 311121，China）*Corresponding author，E-mail：Abstract：To effectively suppress laser speckle and truly achieve a large color gamut，high brightness，and excellent picture quality of laser display and imaging systems，a speckle suppression method based on tracked motion flexible diffractive optical elements（DOEs）is proposed and demonstrated.The design，manufacture，durability，and speckle suppression effect of the flexible DOE loop are studied.First，the optical structure design of the flexible DOE is presented，and the mechanism of dynamic two-dimensional diffraction encoding by the tracked moving flexible DOE loop is described.Next，the preparation of the working stamper，hot pressing，and ring-joining processes of the flexible DOE loop are introduced.A la文章编号 1004-924X（2023）04-0459-11收稿日期：2022-08-17；修订日期：2022-10-30.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.61975183）第 31 卷光学 精密工程ser projection system was set up to test speckle contrast and durability of flexible DOEs composed of polyvinyl chloride（PVC）and polypropylene（PP）.The experimental results show that the proposed laser speckle suppression method based on a flexible DOE loop with tracked motion has the advantages of lower speckle contrast，smaller size，and lower power consumption.The speckle contrast can be reduced to less than 5%for red，green，and blue lasers.During the 30 day experiments，the PVC and PP flexible DOE loops did not have evident deformation and attenuation of the speckle suppression effect.Furthermore，the PP flexible DOE loop had a more apparent and improved durability compared with the PVC flexible DOE loop.The proposed method satisfies the requirements of large color gamut，high brightness，and excellent picture quality and has the advantages of miniaturization，low power consumption，and high reliability.Key words：laser speckle suppression；Diffractive Optical Elements（DOE）；durability；speckle contrast；Polypropylene（PP）1 引 言激光光源所具有的单色性、高能效、高亮度、大色域、长寿命等优点，使其成为许多科学和工业应用的理想光源，例如激光显示技术1-4、生物和医学成像5-8、激光雷达9等。特别是与近年来新兴高技术领域相关的应用，如与虚拟/增强现实相关的微型投影仪（pico-projectors）1；与数字诊疗相关的光学干涉层析术（Optical Coherence Tomography，OCT）以 及 OCT 血 管 显 影 术（OCT Angiography）5-6、大视场荧光显微镜7；与高端测量装备相关的激光立体摄影测量术（Stereo Photogrammetry）10、合 成 孔 径 雷 达 等等。然而激光的相干性会使其在显示和成像的过程中形成激光散斑噪声11，进而使得图像的清晰度和分辨率下降。对于显示技术而言，激光散斑会造成观看者的视觉疲劳；对于成像技术而言，激光散斑会引起的医学诊疗准确度下降、测量装备精度下降，是激光显示和成像仪器性能劣化的最主要因素，因此激光散斑抑制是相关科学和工业应用领域亟待解决的共性关键技术问题。鉴于激光的相干性是激光散斑产生的原因，抑制激光散斑的技术方法，一般都从降低激光的相干性出发，国内外研究者已经开展了比较多的相关研究。国内研究得比较多是中北大学陈旭远研究组12-14和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所杨怀江研究组2，15，另外浙江大学16、国立台北科技大学17-18、西安交通大学19、山西大学20、北京航空航天大学21、浙江工业大学3，22-23等单位都有相关研究报道，研究工作主要侧重在角度分集、衍射光学器件及其在系统中的运动方式，近年来也开展了一些基于电活性聚合物器件方面的研究工作。国际上，德国的研究者最早提出了采用衍射光学器件（Diffractive Optical Elements，DOE）抑制激光散斑24；挪威 Vestfold 大学 TKT Tran研究组对抑制激光散斑的器件和系统技术开展了很多研究25-26；乌克兰国家科学院的 Lapchuk 研究组进一步发展了基于 DOE 的激光散斑抑制技术，开展了深入系统的理论和实验研究27-30。另外美国、加拿大、土耳其的一些大学，日本、韩国的一些企业也开展了一些与激光散斑抑制技术实用化相关的研究工作31-36。此外，比利时布鲁塞尔自由大学 S Roelandt研究组从认知心理学角度，研究了散斑对激光显示技术的影响及其主观评价问题37。总结上述国内外已见于报道的激光散斑抑制方法，主要可分为降低激光的空间相干性和降低激光的时间相干性两类。在空间维度，通过采用波长分集、角度分集、偏振分集来产生不相干的散斑模式，以降低激光的空间相干性。具体而言，波长分集可采用宽带激光器、阵列激光器、随机激光器、混沌激光器等21，32，38来破坏激光的单色性，进而降低相干性；角度分集通过使用衍射460第 4 期段祥瑞，等：履带式运动柔性衍射光学器件抑制激光散斑及其耐久性实验光学器件、多模光纤、光导管、光纤束等1，13，16来改变光束的入射角，增大光学扩展量；偏振分集利用光学器件改变偏振特性来降低相干性4。虽然上述方法均可以一定程度地降低激光散斑对比度，但却使色域变窄、能效降低、亮度降低，且大幅度增加了系统的复杂度和成本。在时间维度，可以通过在光路中放置运动的散射体形成随时间变化的散斑模式，这些随时间变化的散斑模式在人眼或成像系统的积分时间内的平均，能有效降低激光的时间相干性。见于报道的运动散射体有依赖机械运动（包括振动、步进和旋转）的衍射光学器件24-25，27-30、动态变形镜26，或不依赖机械运动的电活性聚合物器件17-18，20。其中依赖于机械运动的运动散射体抑制散斑的主要缺点是使得激光显示或成像系统机构复杂、尺寸庞大、运动冲击损伤明显、成本高、功耗高等。而基于电学控制的运动散射体，虽然近年来随着材料学的发展有了长足进步，但目前见于报道的液晶、悬浮物浑浊体等响应时间都太长，散斑抑制效果不够理想。在实际的激光显示或成像系统中进行激光散斑抑制，降低散斑对比度的同时，低功耗、高能效、小型化是必然的发展趋势。激光散斑抑制系统的低功耗和小型化主要取决于系统光路中散射体的运动方式。基于新材料（比如电活性聚合物材料）的散射体虽然避免了机械运动，但其散斑对比度，以及对散射体状态的控制精度、控制机构的复杂度和鲁棒性还远不能满足要求，尚需长足发展，因此技术突破最有希望在改进 DOE等散射体的机械运动方式上实现。国内外的研究者们尝试了散射体的多种机械运动方式（包括步进方式、振动方式和旋转方式）15，24，27-29，但都有各自的缺点，如旋转散射体的散射面利用率低；步进方式存在运动死点，影响散斑模式的叠加；振动方式能耗高，且对系统的机械冲击大，特别是当散射体尺寸和重量比较大时，上述缺点更加明显。本文提出了一种在整个可见光范围内对激光散斑都能够起到