基于运动漫射体的激光投影散斑抑制方法研究

As the projector with laser sources has the advantages of large colour gamut, high brightness and long life, it has been developed for next generation display technology. Laser speckle is one of major obstacles for laser projection industrialization. Laser speckle reduction by moving diffuser is a simple and effective method. Although the spatial coherence of moving diffuser decreases to some degree, the moving diffuser can't be simply considered as uncorrelation. Because the magnification of projector's lens is between a few and several hundred times. The variety laws from the light of moving diffuser to projector screen will be analyzed by the mutual function and the point spread function, which can be used to design the device with varying phase. While the spatial coherence of moving diffuser decreases, the beam loss increases because of the large angle of moving diffuser. On the premise of beam energy, the optical eigenfunction is used in the analysis of beam properties in the laser projection display. The degree of freedom of moving diffuser, display chip and projector's lens should be better to be matched. Then the design method for this kind of projector's lens is discussed with the software simulation of ZEMAX. Finally, a measurement system for evaluating the speckle in eyes is presented, including its optical parameters and CCD settings. It can give positive advices to specify criterions for laser speckle reduction.

由于采用激光光源的投影仪在色彩、亮度和长寿命方面的优势，已成为下一代显示技术重点发展的方向。激光散斑是激光投影走向产业化的主要难题之一，运动漫射体是抑制散斑最简单有效的技术手段。运动漫射体虽然会降低激光的空间相干性，但是考虑到投影镜头几十至几百倍的放大，激光通过运动漫射体出射场并不能简单视为不相关，利用互相干函数和点扩展函数分析运动漫射体出射场至投影屏幕散斑相干性的变化，为漫射体设计提供理论依据。当运动漫射体造成出射场相干性下降的同时也会带来由于散射角度增大所带来的光能损耗，利用光学本征函数理论分析，在保证最大光能利用率的前提下，运动漫射体出射场、显示芯片和投影镜头自由度应该相互匹配，然后采用ZEMAX软件探索这类投影镜头的设计思路和原则。最后提出反映人眼观测散斑效果的检测系统，并探索其合理的光学参数、CCD参数，为制定散斑抑制评价标准提供参考。

由于采用激光光源的投影仪在色彩、亮度和长寿命方面的优势，已成为下一代显示技术重点发展的方向。激光散斑是激光投影走向产业化的主要难题之一，运动漫射体是抑制散斑最简单有效的技术手段。本项目主要围绕运动漫射体抑制散斑所涉及的激光相干性理论、散斑传输理论和散斑检测展开研究，主要完成的内容有以下几个方面：. （1）结合光学本征函数和自由度理论，分析了运动漫射体出射场相关特性。在此基础上，设计一款便于DIY的激光投影仪，由于采用了扩散片与整形片相结合方式，降低了对入射光的装配要求，同时采用大面积光源照射的方式，更有利于激光散斑的消除。根据系统自由度分析进行各个模块的相互匹配，充分考虑了消散斑与光能利用率。在这部分研究当中采用的光束整形元件能够大大降低光路调整难度，即使是非光学专业人员也可以实现安装并实现DIY，价格低廉。. （2）分析了基模激光经过多模光纤的相干性变化情况，推导出多模光纤出射场的散斑衬比度表达式和出射场的相干性表达式，为多模光纤时间与空间相干性变化的应用研究提供了理论基础，实验已验证这些主要的假设。这部分内容为有关多模光纤激光相干性传输的应用和散斑抑制提供了必要的理论研究基础与实验验证。. （3）根据散斑的传播规律和测量的统计特性，完成散斑检测条件对散斑检测结果的影响的实验研究。详细分析了人眼分辨率、芯片像素大小、芯片尺寸和镜头参数之间的关系，设计了一款针对较低分辨率芯片的球面镜头和另一款高的空间分辨率的非球面检测镜头。这部分研究成果为散斑检测提供参考。. （4）为了进一步扩展激光散斑抑制的应用，开始关注光学相干偏振成像当中散斑问题。搭建了偏振型光学相干层析成像系统，利用时分复用原理，完成了样品的琼斯矩阵正交分量的成像研究。