韓 嘯，繆 龍，周 煌，馮新凱，鄒小林，陳懷熹，宋國(guó)才，梁萬國(guó)

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022;2.中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，福建 福州350002)

1 引言

激光投影顯示主要由三基色激光光源分別經(jīng)過擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形勻光、消散斑后入射到圖像顯示模塊上經(jīng)調(diào)制后通過X棱鏡合色入射到投影物鏡，最后經(jīng)投影物鏡投射到屏幕上，得到激光顯示圖像。目前，在三種基色的LD中，綠光LD技術(shù)還不夠成熟。本文所使用的PPLN綠光微片激光器是我們自主研發(fā)的［1］，具有轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成等優(yōu)勢(shì)，能很好地適合微型激光投影儀的使用要求。在激光顯示產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，激光散斑的問題是亟需解決的問題，它嚴(yán)重影響了屏幕成像的質(zhì)量，導(dǎo)致圖像的清晰度和對(duì)比度都有所下降。目前抑制激光散斑主要是通過降低光源相干性、旋轉(zhuǎn)隨機(jī)位相片、振動(dòng)多模光纖、使用動(dòng)態(tài)投影屏幕等方法［2－10］。其中利用多模光纖的方案，由于其操作方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，所以得到了廣泛的使用。在已有的振動(dòng)多模光纖的方案中，消散斑效果比較明顯。在此基礎(chǔ)上，提出了一種通過改變光纖長(zhǎng)度的新方案來進(jìn)行優(yōu)化，使得消散斑的效果有所提升。這種方法不僅比較容易實(shí)現(xiàn)，且結(jié)合振動(dòng)不同長(zhǎng)度的多模光纖使得抑制散斑的結(jié)果更加符合實(shí)際的應(yīng)用要求。

2 理論分析

在激光投影顯示系統(tǒng)中，由于激光光源的單色性好、相干長(zhǎng)度較大，屏幕表面粗糙的原因，導(dǎo)致激光投影系統(tǒng)的各個(gè)光學(xué)表面產(chǎn)生干涉效應(yīng)，形成了大量的背景雜散干涉條紋和散斑噪聲［11］。利用振動(dòng)多模光纖來抑制散斑，其方法是在屏幕上產(chǎn)生變化的動(dòng)態(tài)散斑，多組散斑圖樣疊加，產(chǎn)生“沸騰”效果，從而實(shí)現(xiàn)散斑的抑制。本文利用多模光纖模間色散來實(shí)現(xiàn)散斑的抑制［12］。光纖色散特性包括材料色散、波導(dǎo)色散、模間色散，而這些影響因素中，在我們使用的光源經(jīng)過光纖后，只有模間色散能把對(duì)比度降低到可使用的范圍。通常階躍折射率光纖的模間色散要遠(yuǎn)大于漸變折射率光纖。對(duì)于階躍折射率光纖的長(zhǎng)度比模式耦合長(zhǎng)度(Lc)大得多的情況，由模間色散導(dǎo)致的時(shí)間脈沖展寬表示為［12］:

其中，δτ為沿著光纖傳播的最先和最遲到達(dá)光纖末端的兩部分光的時(shí)間差;L為光纖長(zhǎng)度;n1為光纖纖芯及包層折射率;c為真空中的光速，NA=n1(2Δ)0.5為光纖數(shù)值孔徑。為了減少傳播過程中的損耗，并且使多模光纖的長(zhǎng)度可控制，實(shí)驗(yàn)中選用的光纖長(zhǎng)度要比光纖模式耦合長(zhǎng)度(Lc)短得多。

對(duì)于玻璃光纖，其模式耦合長(zhǎng)度Lc在500 m左右［13］，實(shí)驗(yàn)所使用的光纖長(zhǎng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)值。根據(jù)式(1)及文獻(xiàn)［12］，對(duì)于相同類型的光纖，其他因素一致，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，由于模式色散造成的時(shí)間脈沖展寬效果越顯著，對(duì)于散斑的抑制效果越明顯。

實(shí)驗(yàn)中所選擇的光纖最大長(zhǎng)度在10 m。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 綠光激光光源

如圖1所示為本文散斑實(shí)驗(yàn)所使用的綠光激光器的結(jié)構(gòu)原理圖。該激光器為光膠微片激光器，其中倍頻晶體采用PPMgOLN，PPMgOLN晶體與KTP晶體的綜合性能十分接近，并且比LBO晶體的綜合性能高50多倍，然而，KTP晶體的灰跡效應(yīng)限制了它的廣泛使用，因而PPMgOLN晶體是綠光光源中制作倍頻器件的最佳選擇［1］。

3.2 光纖振動(dòng)平臺(tái)

圖2是利用不同長(zhǎng)度的光纖抑制散斑的光路圖。綠光微片激光器發(fā)出的光，通過短焦距透鏡(len)耦合進(jìn)不同長(zhǎng)度的光纖，從光纖出射光經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直后投射到復(fù)眼透鏡上，經(jīng)復(fù)眼透鏡勻光后，投射在白色打印紙的屏幕上成像。

圖1 激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖［1］Fig.1 Schematic of experimental setup of laser

圖2 不同長(zhǎng)度光纖抑制散斑的實(shí)驗(yàn)光路圖Fig.2 Experimental setup for speckle suppression via the fiber of different length

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)中使用的是0.7～10 m的5種不同長(zhǎng)度的105μm芯徑多模光纖，NA為0.22。把經(jīng)過復(fù)眼后的功率控制在200 mW，根據(jù)CCD成像效果，把成像鏡頭F數(shù)定為8。在屏幕上成像區(qū)域?yàn)?0.5 cm×15.5 cm。為了準(zhǔn)確測(cè)試散斑圖像對(duì)比度，待投射到白紙上的圖像穩(wěn)定后，再由CCD拍攝采集屏幕上的圖像。拍攝后的圖像由Matlab圖像分析軟件進(jìn)行散斑對(duì)比度分析。

4.1 光纖長(zhǎng)度對(duì)圖像質(zhì)量的影響

圖3為不同多模光纖長(zhǎng)度下，光纖靜止時(shí)，CCD拍到的圖像。從圖中可以看出來在多模光纖不振動(dòng)的狀態(tài)下，光纖長(zhǎng)度對(duì)散斑對(duì)比度的影響情況。光纖長(zhǎng)度越大，圖像中的散斑顆粒越少，圖像越清晰。

圖3 不同長(zhǎng)度光纖不振動(dòng)狀態(tài)下得到的散斑圖像Fig.3 Speckle image of the fiber(without vibrating)via different length

4.2 不同光纖長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上結(jié)合振動(dòng)光纖對(duì)圖像的影響

圖4 為在不同光纖長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上添加了振動(dòng)光纖裝置得到的實(shí)驗(yàn)圖片。從圖中可以看出在不同長(zhǎng)度光纖下添加振動(dòng)裝置，抑制散斑效果變得更加明顯。

圖4 不同長(zhǎng)度光纖振動(dòng)狀態(tài)下得到的散斑圖像Fig.4 Speckle image of the fiber(vibrating)via different length

4.3 不同光纖長(zhǎng)度與結(jié)合振動(dòng)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用Matlab軟件分析拍攝得到的圖像散斑對(duì)比度C，數(shù)據(jù)如表1所示。從數(shù)據(jù)生成的C－L趨勢(shì)圖5以及圖像的光強(qiáng)度分布圖6、圖7，很好地說明了在增加光纖長(zhǎng)度以后，屏幕上圖像的激光強(qiáng)度分布波動(dòng)范圍變小，對(duì)應(yīng)散斑對(duì)比度的有效減小。

表1 不同光纖長(zhǎng)度下的散斑對(duì)比度CTab.1 The speckle contrast C of different lengths of fiber

圖5 光纖在不振動(dòng)和振動(dòng)狀態(tài)下對(duì)比度C和光纖長(zhǎng)度L的關(guān)系Fig.5 Speckle contrast of the fiber vs fiber length without vibrating and with vibrating

圖6 光纖長(zhǎng)度在0.7 m時(shí)，不振動(dòng)和振動(dòng)條件時(shí)屏幕上的強(qiáng)度分布圖Fig.6 Intensity distribution map of the fiber without vibrating and with vibrating when length is 0．7 m

圖7 光纖長(zhǎng)度在10 m時(shí)，不振動(dòng)和振動(dòng)條件時(shí)屏幕上的強(qiáng)度分布圖Fig.7 Intensity distribution map of the fiber without vibrating and with vibrating when length is 10 m

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在不振動(dòng)時(shí)，當(dāng)我們將光纖由0.7 m增加到10 m，散斑對(duì)比度由7.722%降低到5.4%左右，并沒有達(dá)到人眼觀察要求的5%以下。如圖5所示，在測(cè)量完光纖長(zhǎng)度增加對(duì)減弱對(duì)比度的趨勢(shì)后，又通過加入振動(dòng)光纖的方法，使得散斑對(duì)比度降低至4.691%，達(dá)到人眼觀察的要求。由文獻(xiàn)［13］可知，所使用的光纖的模式耦合長(zhǎng)度Lc在500 m左右，所以所選的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)值。通過增加光纖的長(zhǎng)度L，從而增加光纖中不同路徑傳播光束的光程差ΔL，破壞了激光整體的時(shí)間相干性，同時(shí)模式色散造成的時(shí)間脈沖展寬效果越變得更顯著，以此達(dá)到降低散斑對(duì)比度的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，在使用多模光纖的方法來降低激光散斑對(duì)比度時(shí)，滿足光纖的長(zhǎng)度小于光纖本身的耦合長(zhǎng)度Lc的條件下，適當(dāng)?shù)脑黾庸饫w長(zhǎng)度，可以有效的降低散斑對(duì)比度。

5 總結(jié)

本文利用自主研發(fā)的基于PPMgOLN晶體的高效緊湊型微片綠光激光器作為激光光源，提出了一種將激光耦合入多模光纖后，利用改變多模光纖長(zhǎng)度并結(jié)合振動(dòng)光纖的方法來抑制散斑的方法，成功的將散斑對(duì)比度降低到4.7%左右，滿足視覺的要求。下一步將在此基礎(chǔ)上，對(duì)光纖的長(zhǎng)度以及更多不同類型的多模光纖進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合其他消散斑的方法，爭(zhēng)取未來在激光微型投影儀中取得理想的消散斑效果。

［1］ ZHOU Huang，ZOU Xiaolin，LIANG Wanguo，et al．Intracavity frequency-doubled microchip laser based on PPMgOLN［J］．Acta Optica Sinica，2013，33(s1):s114010．(in Chinese)周煌，鄒小林，梁萬國(guó)，等．基于PPMgOLN的內(nèi)腔倍頻微片激光器［J］．光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(s1):s114010．

［2］ H Ambar，Y Aoki，N Takai，et al．Mechanism of speckle reduction in laser-microscope images using a rotating optical fiber［J］．Appl．Phys．B，1985，38:71－78．

［3］ Woosung Ha，Sejin Lee，Yongmin Jung，et al．Acousto-optic control of speckle contrast in multimode fibers with a cylindrical piezoelectric transducer oscillating in the radial direction［J］．Optics Express，2009，17(20):17536－17546．

［4］ Sung Chul Shin，Sin Sung Yoo，Sang Yeon Lee，et al．Removal of hot spot speckle on laser projection screen using both the running screen and the rotating diffuser［J］．Displays，2006，27:91－96．

［5］ Shigeo Kubota，Joseph W．Goodman very efficient speckle contrast reduction realized by moving diffuser device［J］．Applied Optics，2010，49(23):4385－4391．

［6］ Sigbjrn Vindenes Egge，M Nadeem Akram，Vladimir Kartashov，et al．Sinusoidal rotating grating for speckle reduction in laser projectors:feasibility study［J］．Optical Engineering，2011，50(8):083202．

［7］ Dalip Singh Mehta，Dinesh N Naik，Rakesh Kumar Singh，et al．Laser speckle reduction by multimode optical fiber bundle with combined temporal，spatial，and angular diversity［J］．Applied Optics，2012，51(12):1894－1904．

［8］ HAO Li，ZHANG Yue，LIU Weiqi，et al．Speckle suppression in laser display［J］．Laser＆Infrared，2006，36(10):927－930．(in Chinese)郝麗，張?jiān)?，劉偉奇，等．激光顯示中散斑的抑制［J］．激光與紅外，2006，36(10):927－930．

［9］ SUN Rong，LUO Zhenkun，ZHAO Yingxue，et al．Study of two methods to average the laser energy based on speckle interferometry［J］．Laser＆Infrared，2010，40(5):455－458．(in Chinese)孫嶸，羅振坤，趙映雪，等．兩種激光散斑均化方法研究［J］．激光與紅外，2010，40(5):455－458．

［10］JIANG Lihui，ZHAO Chunhui，WANGQi．Study and comparison of speckle noise suppressing algorithms［J］．Laser＆Infrared，2002，32(6):431－434．(in Chinese)蔣立輝，趙春暉，王騏．散斑噪聲抑制算法比較研究［J］．激光與紅外，2002，32(6):431－434．

［11］WANG Lijuan．The analysis of speckle reduction by the vibrating fiber and related problems［D］．Fuzhou:Fujian Normal University，2011，1－65．(in Chinese)王麗娟．利用振動(dòng)光纖減弱激光散斑及其相關(guān)問題的研究［D］．福州:福建師范大學(xué)，2011，1－65．

［12］Jeffrey G Manni，Joseph W．Goodman Versatile method for achieving 1% speckle contrast in large-venue laser projection displays using a stationary multimode optical fiber［J］．Optics Express，2012，20(10):11289－11315．

［13］SSavovic'，A Djordjevich．Optical power flow in plasticclad silica fibers［J］．Applied Optics，2002，41(36):7588－7591．