LCOS微型投影光引擎杂散光分析与抑制

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LCOS技术原理及应用优势解析LCOS投影技术是2000年以后发展起来的最新投影技术，是一种新型的反射式投影技术，与穿透式LCD 和DLP相比，LCOS具有利用光效率高、体积小、开口率高、制造技术较成熟等特点，它可以很容易的实现高分辨率和充分的色彩表现。

LCOS技术在日后大屏幕显示应用领域具有很大优势，其没有晶元模式，且具有开放的架构和低成本的潜力。

近几年来，在LCD业界出现了许多新技术，其中较热门的LCOS技术的最大优点是解析度很高，在携带型资讯设备的应用这个优点是其他技术无法与之看齐的。

LCOS投影技术示意图此外，LCOS投影机在高分辨率投影方面非常具有潜力。

目前市场上的LCOS投影机通常都是SXGA （1365×1024）或更高。

由于LCOS的晶体管及驱动线路都制作于硅基板内，位于反射面之下，不占表面面积，所以仅有像素间隙占用开口面积。

而在穿透式LCD投影机中，作为像素点开关控制的晶体管被做在液晶板上相应位置上，在光源透射过程中，晶体管本身将阻挡部分光线，因此采用透射式液晶技术的投影机的光源利用效率不高，仅有3%～10％。

故理论上LCOS不论分辨率或开口率都会比穿透式LCD高，画面上像素栅格结构几乎不可见，光的利用效率可达40％以上，从而达到更大的光输出和更充分的色彩体现。

相对于DLP微镜带来的锐利的数字画面，LCOS投影机的像素边缘显得更加平滑，有效消除了图像的锯齿现象，适合喜欢自然、柔和画面的用户。

LCOS投影色彩较量完胜LCDLCOS投影机工作原理目前业界普遍认可：在显示器市场20吋以下以LCD为主流，PDP可应用于30吋- 60吋产品，但价格昂贵，投影显示器适用于30吋- 60吋以上的产品，具有解析度高，价格适中等优势。

LCOS投影显示技术则是落于上述投影显示器市场；另外亦可作为直视元件，应用在HMD中。

事实上，LCOS技术也比较复杂，因为它是结合了DLP和LCD两种技术的优势而来的，所以要弄懂LCOS 技术就必须要对DLP和LCD有足够的了解，DLP是一种反射投影技术，LCD（液晶）则是一种透射型技术，LCOS就是在液晶层下面加入反射技术，从而大幅提高性能。

电子投影机测量方法(1)

目次前言 (II)引言 (III)1 范围 ............................................................................... 1 2 规范性引用文件 (1)4.4 视频测试信号（测试图） (4)4.5 测量前的调整 (5)4.6 正常工作状态 (5)5 常温性能测量方法 (5)5.1 白色坐标 (5)5.2 光输出 (6)5.3 照度均匀性 (6)5.4 对比度 (6)5.5 通断比 (7)5.6 分辨力 (7)5.7 清晰度 (7)5.8 输入格式兼容性 (7)5.9 调焦距离与成像大小 ............................................................... 8 5.10 色度误差 (8)5.11 基色不均匀性 (8)5.12 白色不均匀性 (9)5.13 色域覆盖率 ...................................................................... 9 5.14 工作噪声 ....................................................................... 10 5.15 重合误差 .. (10)5.16 象素缺陷点 (10)5.17 梯形校正能力 (10)5.18 整机消耗功率 ................................................................... 11 5.19 待机消耗功率 . (11)5.20 电网电源适应性 (11)5.21 遥控距离 (11)5.22 受控角 (11)5.23 整机质量 (12)附录A （资料性附录）复合测试图示例 (13)附录B （资料性附录） 1976均匀色空间与1931色空间的换算公式 (16)附录C （资料性附录）数字电视接收设备功能和性能测试方法标准工作组 (18)参考文献 ............................................................................. 19 ICS 33.160.25M 74 备案号：电子投影机测量方法Methods of measurement for electronic projectors （IEC 61947-1:2002，Electronic projection--Measurement and documentation of key performance criteria-Part 1:Fixed resolutionprojectors ，NEQ ）中华人民共和国信息产业部发布SJ前言本标准非等效采用IEC 61947-1：2002《电子投影—关键性能判定的测量和表述—第1部分：固定分辨力投影机》（2002 年英文版）。

光学系统杂散光分析

近日，完成了成像和非成像方面完整的杂散光实例分析，并总结如下。

下文仅是一家之言，仅供大家参考。

谢绝转载。

杂散光（Stray light）是光学系统中不受欢迎的光线。

成像系统和非成像系统都存在杂散光问题，甚至人眼都有这个问题。

杂散光主要表现形式有：鬼像（Ghost）：由光学表面的多次反射光形成。

散射光线。

来源自光学元件，机械表面（主要来源）：镜头外壳，固定支架，遮光罩，拦光挡片等。

遮光罩使用不当出现的漏光。

杂散光的其它来源：衍射：由遮光罩边缘引起的衍射；另外，由于衍射元件通常只处理一阶衍射，其余阶就成为杂散光的来源了。

Lyout光栏是天文望远镜中消除衍射效应的典型器件。

热效应：探测器因环境因素，或机械结构和系统硬件引起的热效应而产生杂散信号。

杂光（Veiling Glare）是到达成像系统传感器的杂散光，会导致成像系统性能的衰减。

杂光主要有两种成分：散射光和鬼像。

一次反射鬼像影响最大的是高功率激光系统，二次反射鬼像主要影响成像系统和红外系统。

鬼像又分鬼像焦点像（ghost focus images）和鬼像光瞳像（Ghost pupil images）。

前者是由物面形成的，后者由光瞳形成的。

由于光瞳是系统全视场能量积分处，所以其影响可能也会很大。

对于高功率激光系统而言，除了要避免成像光路形成的内焦点，还要避免鬼像光路形成的鬼像内焦点。

鬼像分析可分为轴上点近轴光路分析和照明方式的分析。

前者就是用成像软件进行鬼像光路分析完成。

照明方式分析，实际就是采用商用照明软件所使用的“二叉树”（分裂光线）方法完成。

一般而言，应用成像软件进行鬼像光路分析，还可以优化光学系统结构，比如：ZEMAX、CODE V；照明可以完成杂光系数分析，当然，有一些照明软件也可以优化机械结构，比如LT、ASAP。

几种消杂光的办法如下：1、更改光学类型，优化系统结构，或优化机械结构2、增加消杂光光栏3、用螺纹消杂光4、对镜筒内壁采用无光发黑氧化，或者喷无光漆，或贴消光绒毛。

CF-LCoS投影光引擎杂散光分析、散热设计及测试的开题报告

CF-LCoS投影光引擎杂散光分析、散热设计及测试的开题报告一、选题背景CF-LCoS（Color Filter Liquid Crystal on Silicon）技术是目前投影仪市场上广泛应用的光学技术之一。

CF-LCoS光引擎是由光学引擎，液晶模组，光学传感器，驱动电路和散热系统等组成的。

CF-LCoS技术在实际应用中会产生杂散光，影响成像质量，同时高功率LED光源的过热问题也会影响投影仪的稳定性和寿命。

因此，对CF-LCoS投影光引擎的杂散光分析、散热设计及测试研究具有重要意义。

二、研究内容和意义1.杂散光分析通过实验测试和数值模拟手段分析CF-LCoS光引擎中产生的各种杂散光，如球差、像差、散射、色散等，了解其规律和产生机理，找出影响光引擎成像质量的因素，为光引擎的优化设计提供理论基础。

2.散热设计针对CF-LCoS光引擎中高功率LED光源的散热问题，设计和改进光学引擎和散热系统，提高其散热性能，保证投影仪的稳定性和寿命。

3.测试验证通过实验测试和模拟验证对光引擎的改进和优化效果，并得到可靠的散热性能测试数据，为产品设计和性能评估提供有效依据。

本研究将通过理论分析、实验测试和数值模拟手段对CF-LCoS投影光引擎的杂散光、散热设计等问题进行深入研究，为提高光引擎的成像质量和增强其稳定性提供技术支撑，具有重要意义。

三、研究方法1.杂散光分析采用Zernike多项式理论分析CF-LCoS光引擎中产生的球差、像差等各种杂散光，建立数学模型并进行仿真计算，得到光引擎的杂散光分布和对光学性能的影响规律。

2.散热设计采用FLUENT软件模拟CF-LCoS光引擎的散热性能，分析散热系统中散热结构和材料的热传导性质和流体力学特性，改进光学引擎和散热系统的结构和布局，提高散热性能，保证光引擎的稳定性。

3.测试验证采用热像仪等测试仪器对CF-LCoS光引擎的散热性能进行实验测试，验证散热性能的可靠性，同时对优化后的光引擎进行成像性能测试和稳定性测试，确定其优化效果和性能指标。

热电偶温度传感器

热电偶温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。

热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。

热电阻广泛用于测量—200～+850°C范围内的温度，少数情况下，低温可测至1K，高温达1000°C。

热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表构成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度转换为标准电流信号输出。

用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，输出呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。

目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。

目录工作方式优点选型资料影响测量的因素工作方式热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机掌控装置或者其它一次仪表上。

工业用热电阻安装在生产现场，与掌控室之间存在肯定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。

国标热电阻的引线重要有三种方式1二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必定存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合2三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的除去引线电阻的影响，是工业过程掌控中的最常用的。

3四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻供给恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。

可见这种引线方式可完全除去引线的电阻影响，重要用于高精度的温度检测。

热电阻采纳三线制接法。

采纳三线制是为了除去连接导线电阻引起的测量误差。

这是由于测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。

热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。

同步辐射=XAFS？

同步辐射=XAFS?
同步辐射≠XAFS! ！同步辐射（SR）和X射线吸收精细结构（XAFS）是两个相关但不同的概念。

不少用户在做测试时，误认为同步辐射就是XAFS。

这里作简要介绍。

同步辐射：同步辐射是电磁辐射，通常是指接近光速的运动电子或正电子在磁场中弯转时放出的光。

最初在同步加速器上观察到，因此得名。

它覆盖从远红外到X光范围内的连续光谱，具有高强度、高准直、高极化和可精准控制的优异性能。

XAFS：XAFS是一种基于同步辐射的X射线吸收技术，通过检测透射或散射的X射线来获取样品的吸收光谱。

它可以提供原子的氧化态、化学配位以及其紧邻原子的配位数、种类、距离等信息。

图1 基于同步辐射的表征手段
可以简单理解为同步辐射是为XAFS提供光源。

基于同步辐射的XAFS测试一直都是珍贵紧俏的资源，原因之一是作为大科学装置的同步辐射光源，造价昂贵。

可以使用同步辐射光源的还有小角散射线站（SAXS）、广角略入射X射线衍射（GIWAXS）、配对分布函数（PDF）、同步辐射的XRD、高压XRD、原位拉伸压缩、X射线荧光光谱（XRF）、X射线光电子能谱（XPS）等。

下表总结了各种表征的测试内容。

基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计

基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计李维善;陈琛;张禹;刘宵婵【摘要】A wide-angle digital mini-projection lens applied to 0. 5\"digital light processing(DLP) projectors was designed with ZEMAX. The structure is composed of 8 lenses. It is characterized by simlicity, compactness, low cost and easy processing. The effective focal lenth of the lens is 8. 25 mm, F number is 2. 2, field of view (FOV) is 80. 5°, the maximum diameter is less than 24 mm,the optical total track is 40mm and the back working distance is 24mm. Its modulated transfer function (MTF) in all fields is higher than 0.45 at 66 1p/mm. The absolute value of the full FOV distortion is less than 0. 7%. The lateral chromatic aberration is less than 0. 5 pixel . The image quality of the lens is very good.%利用ZEMAX光学软件设计出了一款适用于0.55″单片DLP微型投影机的广角数字微型投影镜头.镜头结构由6组8片镜片组成,具有结构简单、体形小、易加工、成本低等特点.镜头的有效焦距为8.25 mm,相对孔径为1/2.2,全视场角为80.5°,最大口径小于24 mm,光学总长控制在40 mm,后工作距离为24 mm.镜头有较好的成像质量,在镜头的分辨率66 Ip/mm处,所有视场的MTF值均大于0.45,全视场畸变量的绝对值小于0.7％,垂轴色差小于0.5个像元大小.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2011(032)006【总页数】5页(P1121-1125)【关键词】光学设计;微型投影镜头;ZEMAX;MTF;畸变;垂轴色差【作者】李维善;陈琛;张禹;刘宵婵【作者单位】秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000;秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000;秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000;秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000【正文语种】中文【中图分类】TN202;O439引言从历史上第一台投影仪到后来的光学投影仪，再到今天的数字投影机，投影技术发展到今天，已经不单是放映清晰高效的影像效果如此简单的要求了。

三片式LCOS投影系统光引擎的成像对比度研究

三片式LCOS投影系统光引擎的成像对比度研究【摘要】LCOS投影系统的核心部件是光引擎，而成像对比度则是光引擎系统的一个重要的性能参数。

本文以被广泛使用的三片式LCOS光引擎为例，分析了ColorQuadTM结构光引擎的主要结构，研究了光引擎中分光合光部分各元器件的作用和工作过程，并以此为基础，根据影响系统对比度的主要因素，给出了系统成像对比度的经验公式，并对三片式LCOS光引擎系统的对比度进行了分析和估算。

【关键词】硅基液晶;光引擎;分光合光;对比度Abstract：Light engine is the core technology of LCOS projection，and the image contrast is an important performance parameter of LCOS light engine. Three-chiped LCOS light engine is chosen as an example in this article. Main structure of light engine of ColorQuad structure is analyzed. Analysis and research on the device，principle and working process of the composition component in the light engine were made in detail in this article. On this basis，according to the main factors of influence to the image contrast，Empirical formula of contrast is introduced，and the image contrast of light engine in three-chiped LCOS is analyzed and estimated.Keywords：LCOS;light engine;distribution and composition of light;image contrast1.三片式ColorQuadTM结构LCOS光引擎光引擎也被称为投影机，是LCOS投影系统的核心部件。

光谱仪杂散光抑制

光谱仪杂散光抑制是光谱分析中的重要环节，对于提高测量精度和减小误差具有重要意义。

杂散光是指光谱仪中除目标光谱外的其他光谱成分，它们可能来源于仪器内部、样品本身或外部环境。

杂散光会影响目标光谱的测量结果，导致测量误差增大。

为了抑制杂散光，可以采取以下措施：
1.提高仪器制造精度：通过提高仪器制造精度，减少内部反射和散射，从而降低杂散光。

2.选择合适的样品处理方法：对于某些样品，可能需要进行预处理以减少杂散光。

例如，对于含有颗粒物的样品，可以通过研磨或过滤等方法去除颗粒物。

3.优化实验条件：通过调整实验条件，如光源、光学元件的位置和角度等，以减少杂散光。

4.采用适当的算法：采用适当的算法对测量数据进行处理，以减小杂散光对测量结果的影响。

例如，可以采用背景消除法或最小二乘法等方法。

总之，光谱仪杂散光抑制是提高测量精度和减小误差的关键环节。

通过采取一系列措施，可以有效地抑制杂散光，提高光谱分析的准确性和可靠性。

硅基液晶（LCOS）技术及其特点

硅基液晶（LCOS）技术及其特点曾经被很多业内人士视为一朵奇葩，但因为制造困难和成品率问题而屡遭挫折。

不过，LCoS（硅基液晶）还是凭借其出色的显示特性在平板显示领域、尤其是投影和高清电视领域占有了一席之地。

显示新兵履历硅基液晶（LCoS）是一项相对新颖、而又相对鲜为人知的显示技术，如今正大举进入高清电视市场。

真正给人深刻印象的是，与传统上先以表现平平的性能占据底层市场，而后追求上佳图像质量不同，LCoS一开始就在图像质量方面立足于高起点。

LCoS在所有显示技术当中提供最高的分辨率、最高的非CRT 对比度以及最小失真的图像。

对于图像闪烁及视觉疲劳的人来说，LCoS拥有最高的刷新率（120Hz），可获得画面最流畅、闪烁现象最少的图像。

当然，LCoS事实上不是全新技术，因为这项技术开发已有十多年; 而自1998年以来，日本的JVC公司其实一直在交付采用该技术的高端、专业前投式投影仪，不过到目前为止规模仍然较小。

LCoS技术设计制造非常困难，为数不少的公司已经放弃或者宣告失败: RCA旗下的汤姆逊公司在2001年生产出了第一款商用的LCoS高清电视，随后东芝（采用日立的LCoS芯片）和飞利浦公司亦步亦趋，不过到2004年10月所有这些厂商都中途退出; 2004年1月，英特尔宣布将开始生产LCoS面板，这让整个业界大跌眼镜，不过随后它在2004年10月终止了项目，根本没有交付任何产品。

因而，LCoS的未来遭到了许多分析师的质疑，不过现在情况已经发生了变化。

JVC在2004年7月发布了第一款背投式1280×720高清电视，这标志着第二代LCoS开始问世。

随后索尼在2005年1月加入了这一行列，推出了高端的1920×1080 Qualia设备。

Brillian紧随其后，开始在2005年年中交付其1280×720产品。

到目前为止，全球可以购买的LCoS高清电视只有寥寥几款。

不过，JVC和索尼最近宣布推出各自的第二代高清电视，LG公司宣布推出第一代产品（采用SpatiaLight公司的LCoS面板）。

光电子器件在智能眼镜与头戴显示的应用考核试卷

A.凸透镜
B.凹透镜
C.棱镜
D.微型透镜阵列
4.下列哪种材料在光电子器件中通常用于制造波导？（）
A.玻璃
B.塑料
C.硅
D.光子晶体
5.在头戴显示设备中，哪种显示技术可以提供更广的视角？（)
A. OLED
B. LCD
C. DLP
D. LCoS
6.下列哪个部件不是智能眼镜中光电子器件的一部分？（）
A.显示屏
B.光源
C.麦克风
D.光学传感器
7.以下哪种现象在光电子器件设计中需要特别考虑以避免？（）
A.光散射
B.光吸收
C.光发射
D.光反射
8.用于智能眼镜的光电器件需要具备以下哪个特点？（）
A.高功耗
B.低亮度
C.大体积
D.耐候性强
9.以下哪种技术常用于实现智能眼镜中的眼球追踪功能？（）
A.红外成像
B.激光雷达
9.在智能眼镜中，采用高刷新率的显示屏可以完全消除运动模糊。（√）
10.智能眼镜的所有光学元件都可以使用同一种材料制造。（×）
（注：请考生自行在答题括号内填写答案。）
五、主观题（本题共4小题，每题5分，共20分）
1.请简述智能眼镜中光电子器件的主要功能，并说明这些功能如何提升用户体验。
2.描述智能眼镜光学设计中需要考虑的关键因素，并解释为什么这些因素对设备的性能至关重要。
1.以下哪种技术在智能眼镜的光学显示中起到了关键作用？（）
A.光学镀膜技术
B.纳米压印技术
C.硅基液晶技术
D.光子晶体技术
2.在光电子器件中，以下哪一项通常用于提高显示亮度和对比度？（）
A.反射式显示技术
B.透射式显示技术

基于旋转散射片实现激光散斑抑制的理论分析和实验研究

D O I :10.3969/j.i s s n .1001-5337.2023.3.054 *收稿日期:2022-06-08基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(J A T 201264).作者简介:黄艳,女,1983-,副教授,硕士;研究方向:激光投影显示中散斑抑制;E -m a i l :h u a n g ya n _013@126.c o m.基于旋转散射片实现激光散斑抑制的理论分析和实验研究*黄艳(漳州职业技术学院电子信息学院,363000,福建省漳州市) 摘要:基于光学信息理论分析法,对激光投影显示成像系统中投影光学系统数值孔径尺寸和随机位相片照明光斑大小对散斑衬比度的影响进行了系统分析.分析表明,当投影系统数值孔径较小时,散斑衬比度影响因素主要由投影光学系统自由度数N D O F 决定,即此时投影系统数值孔径大小的改变对散斑场衬比度的影响较大;当随机位相片在入射光束光斑直径较小时,散斑衬比度取决于物面光自由度K ,此时增大投影系统数值孔径对散斑场衬比度的影响不大.在简化投影系统中,通过系统实验分析了投影镜头孔径大小和位相片上照射光斑大小对散斑抑制的影响.实验结果表明,当投影镜头孔径大小一定时,随着位相片上照射光斑直径的增加,散斑场的衬比度下降率逐渐下降;当位相片入射光斑大小一定时,随着投影系统数值孔径增加散斑衬比度下降率越来越小.实验结果证明了理论分析,位相片出射物面光自由度需要和投影镜头自由度相匹配.该结论可为设计以旋转随机位相片降低激光散斑的投影显示系统提供参考.关键词:激光光学;散斑抑制;信息光学理论;自由度;激光投影;散斑衬比度中图分类号:O 436 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2023)03-0054-050 引言使用激光光源的投影显示具有体积小㊁重量轻㊁宽色域和更高的能量利用率而备受关注.然而由于激光单色性好,具有较长的相干性,当激光在屏幕上漫射时将引起一种称为散斑噪声的干涉图案,从而降低成像质量,这严重阻碍了激光投影显示的发展,抑制散斑目前成为实现激光投影显示产业化的迫切需要.目前,抑制散斑主要原理都是基于叠加不相关和统计独立散斑图样的散斑抑制原理,在光强的基础上进行时间或空间的平均实现抑制散斑的目的.例如:G e o r g e 和J a i n 以及E l b a u m 等提出用几个不同的波长来照明,降低照明的时间相干性从而达到减弱斑纹的作用[1-2];A r s e n a u l t 和L o w e n t h a l 以及J o ye u x 等提出通过插入单个运动的漫射体,以便在整个光束范围产生无规相位调制,来降低相干光束的空间相干性,从而达到减弱散斑的目的[3-4];插入超声位相调制器,在投影屏幕上就会形成沸腾的散斑图样,考虑到人眼的视觉暂留特性,散斑在人眼中得到均匀化,从而达到降低斑纹的目的[5-6];利用激光器发出的相干光会聚进入具有多个不同长度的光纤组成的光纤束,经其调制后光束的相干性降低,从而达到消除散斑的目的[7-8],此外还有采用光反馈效应调节激光;移动孔径光阑;屏幕振动等方法[9-10],或是将以上方法结合起来使用以达到最佳的降低散斑对比度的目的[11].遗憾的是,这些方法的技术评价指标皆是通过激光非投影系统测试所得.在实际激光投影显示系统中,散斑的形成还与投影镜头的参数有关.本文基于信息光学理论分析了激光投影显示成像系统的自由度数问题,并讨论随机位相片在不同尺寸光斑照明条件下和不同投影系统数值孔径条件下对成像图像散斑衬比度的影响.搭建简化的激光投影系统,保留关键的光学器件,通过系统实验研究了投影系统位相片上照明光斑大小与投影系统数值孔径这两个参数对散斑衬比度的影响,为设计投影镜头提供参考方向. 第49卷第3期2023年7月曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t yV o l .49 N o .3J u l y 2023 Copyright ©博看网. All Rights Reserved.1旋转散射片对散斑抑制的理论分析匀光扩束后的激光束照射到一旋转位相片上,经激光投影镜头成像于距离z1处的显示屏上,由距离屏幕z2处的成像镜头成像于观察面C C D上.图1使用旋转位相片抑制激光散斑投影成像系统光路简图设激光照射在旋转位相片后出射光场为部分相干光,这里我们求部分相干光经投影系统后在屏幕上的复相干度.设位相片出射平面为O(x(o),y(o)),投影平面为I(x(i),y(i)),投影系统的点扩展函数为h(x(i),y(i);x(o),y(o)),由傅里叶光学理论知其与投影镜头光瞳函数互为傅里叶变换[12],即h(x(i),y(i);x(o),y(o))=F[P(ξ,η)],(1)式中,P(ξ,η)为投影镜头光瞳函数.根据光学本征函数理论,投影系统的点扩展函数的本征方程可表示为∬A s'h(x(i),y(i);x(o),y(o))φn(S W;x(o),y(o)x)d x(o)d y(o)=μnφn(S W;x(i),y(i)),(2)式中A s'为位相片上照明面积,φn(S W;x(i),y(i))是投影系统积分算子的本征函数,μn为对应的本征值,表征系统传递本征态的能力,S W为投影系统的空间带宽积,由系统的结构参数决定.根据光学本征函数理论,点扩展函数可表示为以下正则形式h(x(i),y(i);x(o),y(o))=ðN n=1μnφn(S W;x(i),y(i))φ*n(S W;x(o),y(o)),(3)式中求和上限N为不为零的μn的个数,它说明携带信息从位相片出射面传递到屏幕面上的,波函数φn(S W;x(i),y(i))不是无限多个,其数量由有限个不为零的μn的个数决定.由广义的范西特-泽尼克定理,屏幕上散斑场的归一化振幅相关函数(即复相干度)μ(x(i)1,y(i)1; x(i)2,y(i)2)与投影镜头光曈函数互为傅里叶变换[13],即μ(x(i)1,y(i)1;x(i)2,y(i)2)=F[P(ξ,η)].(4)由式(1)和(4)可知,屏幕上复相干度和投影系统的点扩展函数具有相同的形式,根据本征函数理论,二者具有共同的本征函数,因此,屏幕上复相干度本征方程可写为∬A sμ(x(i)1,y(i)1;x(i)2,y(i)2)φn S W;x(i)1,y(i)1()d x(i)1d y(i)1=I(i)nI0φn(S W;x(i)2,y(i)2),(5)式中A s为屏幕上投影像面积,I(i)n是屏幕上复相干度对应的本征值,I0为屏幕上总光强.屏幕上复相干度亦可写成如式(3)的正则形式,即μ(x(i)1,y(i)1;x(i)2,y(i)2)=ðN n=1I(i)n I0φn(S W;x(i)1,y(i)1)φ*n(S W;x(i)2,y(i)2),(6)其中,求和上限N为屏幕上散射光互相独立的相干模式数(非零本征值I(i)n的个数),意义同式(3)中的N.屏幕上散射光的相干性可以用屏幕上互相独立的相干模式数N的大小来表征,N=1表示相干光. N数量越大,则相干模式数越多,光的相干性越差.从减弱散斑衬比度方面考虑应尽可能的增大互相独立的相干模式数N.设位相片出射面光为部分相干光,有K个独立的相干模式数,则屏幕上散射光的独立相干模式数N可表示为[14]N=K(2N D O F-1)-K(K-1).(7)投影屏幕上散射光的独立相干模式数N再经成像系统传递到C C D探测面时,起作用的个数也是有限的.设探测面上探测到的光波自由度数为M,其依赖于屏幕上散射光的相干模式个数N和探测器系统的传递能力即探测器的参数.由于在实际投影中探测器均为人眼,在观测距离一定情况下,探测性能一定.因此这里我们重点讨论决定屏幕上散射光的独立相干模式个数N的因素.从式(7)可见投影屏幕上的独立相干模式个数N由位相片调制后的出射面上独立相干模式数K和投影光学系统传递能力N D O F共同决定.投影光学系统传递能力N D O F由投影光学系统结构参数决定,称为投影光学系统自由度.(1)当K>N D O F时,由于受到光学系统参量的限制,受到系统制约的I(i)n趋于零,此时投影屏幕上55第3期黄艳:基于旋转散射片实现激光散斑抑制的理论分析和实验研究Copyright©博看网. All Rights Reserved.独立相干模式个数N由投影光学系统自由度N D O F 决定.(2)当K<N D O F时,屏幕上的独立相干模式数N将不受投影光学系统影响,仅由位相片调制后的出射面上的自由度数K决定.从信息光学对成像的物理过程分析,根据广义范西特-泽尼克定理,屏幕上的复相干度是投影系统光瞳面上强度的傅里叶变换,而光瞳面上强度的角分布是位相片出射光场复相干度的傅里叶变换,所以当位相片出射光的相干面积足够大(物面自由度数K少),以致光能无损地通过光瞳时,屏幕上光的相干性与位相片出射光场相同;反之,当位相片出射面上光的相干面积足够小(物面自由度数K足够多),从而导致光瞳对发散光束起衍射限制时(投影系统点扩展函数对光束传输的限制),就会使K> N D O F,导致屏幕上光场的相干面积增大.增大光学系统的数值孔径,意味着系统传递能力增强,增加到一定程度后导致K<N D O F,此时屏幕面上自由度数就仅取决于位相片调制后出射光束的特性.因此,从理论上说,当K>N D O F时,当增大投影光学系统的数值孔径(或减小F数)是降低照射于屏上光场相干性的有效方法.但并非投影系统数值孔径越大越好,经上面分析知,当K>N D O F时,增大投影光学系统的数值孔径(或减小F数)是降低照射于屏上光场相干性的有效方法;但是当K<N D O F时,屏幕上的独立相干模式数N将不受光学系统影响,仅由照明物面自由度数K决定.这意味着投影系统的上限带宽不应超过照明物面的自由度数,即使超过也是无意义的,我们不能企望由此进一步得到更多的相干模式个数而达到减弱散斑的目的.对于投影仪镜头设计而言,数值孔径大的镜头设计和加工难度越大,我们可在保证其自由度能够大于投影物自由度,让物光能无损地通过投影镜头光瞳即可.2实验平台为验证以上散斑抑制理论,搭建简化激光散斑探测实验平台如图2所示.光源采用波长为532n m 半导体泵浦倍频激光器,经扩束镜扩束后照射在电机带动下快速旋转30ʎ发散角的随机位相片上,用于在投影屏幕上产生沸腾的散斑图样,照射在随机位相片上的光斑大小可通过调整扩束镜进行控制,其后放置投影镜头用于收集散射片透射的散射光,并进行投影成像在屏幕上.屏幕采用普通白色A4打印纸,其上的散斑图像由改装后的显微镜头和C C D获取.调整C C D物镜放大倍率为10X,数值孔径0.25,曝光时间1/20s,并调整C C D的光敏面于散斑成像面上.图2激光散斑探测实验装置示意图3结果分析与讨论实验中,首先保持投影光学系统数值孔径不变,即N D O F一定的情况下,调整扩束镜改变位相片上照明光斑大小,即改变物面光自由度数K,调整激光入射光功率使得C C D曝光时间一致,测量不同投影光学系统数值孔径下投影屏幕上的散斑图样.将所记录的散斑图样利用M a t l a b软件转化为灰度图,从灰度图各像素点的灰度级分布来反应原散斑图像的光强分布,再利用散斑衬比度定义式C=σI/I-来计算记录的散斑图样衬比度.光斑直径大小与散斑衬比度之间关系如图3所示,图3中不同曲线代表不同探测距离下的测量结果.图3不同观测距离下,光斑直径d与散斑衬比度C的函数关系从图3可见,当位相片上光斑直径d较小时,位相片出射光场的独立散斑面元数较少,即此时物65曲阜师范大学学报(自然科学版)2023年Copyright©博看网. All Rights Reserved.面自由度数K较小,满足K<N D O F,此时探测到的散斑衬比度由物面光性质决定.随着照射光斑直径增加,物面光自由度数K逐渐增大即独立散斑元越多,此时探测到的散斑场衬比度逐渐减小;然后从图3我们可以看出随着光斑直径d的增加,散斑场衬比度减小趋势越来越小,这是因为当照射在位相片上光斑增大到一定时,位相片出射光场自由度K> N D O F,此时探测到的散斑衬比度由投影光学系统传输能力N D O F决定,因此这是当光斑直径d增加到一定大小后散斑场的衬比度却趋于不变的原因,这很好印证了之前的理论分析.接下来研究保持位相片上照射光斑大小一定的情况下,研究光学系统数值孔径对散斑衬比度的影响.实验中保持位相片上照明光斑直径为1mm,即物面光自由度K一定,改变投影镜头孔径D大小(即改变投影系统自由度N D O F),同样调整入射激光功率,使得C C D曝光时间一致,得到的投影镜头孔径大小D与散斑图样衬比度关系曲线如图4所示.图4不同观测距离下,投影镜头孔径D与散斑衬比度C的函数关系从图4可见,在探测距离一定的情况下,当D较小时,N D O F<K,此时投影系统数值孔径大小的改变对散斑场衬比度的影响较大,即投影系统光曈对发散光束起衍射限制作用,散斑衬比度影响因素主要由投影光学系统N D O F决定;当随着D的增大,此时投影系统自由度N D O F也增大,即系统的传递能力不断增强,当N D O F>K后,以致物面上的光能无损通过投影系统光曈,此时散斑场衬比度主要由物面光自由度K 决定,当投影光学系统投影镜头直径D增大到一定大小后,散斑场衬比度下降率显著下降.4结论基于光学信息理论分析了激光投影显示中可通过调节投影系统光曈孔径D和成像系统光曈孔径P及投影距离z1和观测距离z2来调节散斑衬比度大小.但并非投影系统数值孔径越大越好,增大数值孔径抑制激光散斑仅仅在激光投影系统自由度小于照明物面自由度数情况下才有效,设计投影镜头时应考虑二者的匹配问题.在简化投影系统中,通过系统实验比较了同一投影光学系统数值孔径下,随机位相片入射光斑大小的变化对散斑抑制的影响,以及随机位相片入射光斑大小一定的情况下,投影光学系统数值孔径变化对散斑抑制的影响.实验结果证实了理论分析,这表明在一定条件下增大投影系统数值孔径确实可以减弱成像画面的散斑影响,但随着投影系统数值孔径的增加散斑衬比度下降率越来越小,同时也不利于激光投影系统的小型化.最佳方案是从位相片出射的物面光自由度与投影镜头自由度相匹配,该结论可为以旋转随机位相片降低激光投影成像散斑的系统设计提供参考.参考文献:[1]G E O R G E N,J A I N A.S p e c k l e i n m i c r o s c o p y[J].O p tC o mm u n,1972,6(3):253-257.[2]E L B A UM M,G R E E N B A UM M,K I N G M.A w a v e-l e n g t hd i v e r s i t y t e c h n i q u ef o rr e d u c t i o no fs p e c k l es i z e[J].O p tC o mm u n,1972,5(3):171-174.[3]L OW E N T HA LS,J O Y E U XD,A R E S E N A U L T H.R e-l a t i o nb e t w e e n t h e f i n i t e d i p l a c e m e n t o f am o v i n g d i f f u s-e r,l i t b y l a s e r l i g h t,a n dt h es i g n a l t on o i s er a t i o i nt h e o b s e r v e d i l l u m i n a n c e a t a f i n i t ed i s t a n c eo r i na n i m a g e p l a n e[J].O p tC o mm u n,1970,2(4):184-188.[4]A R E S E N A U L T H,L OW E N T HA L S.P a r t i a lc o h e r-e n c e i nt h ei m a g eo fa no b j e c t i l l u m i n a t e d w i t hl a s e rl i g h tt h r o u g h a m o v i n g d i f f u s e r[J].O p t C o mm u n, 1970,1(9):451-453.[5]WA N GLL,T S C HU D IT,B O E D D I N G HA U S M,e t a l. 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