段祥瑞， 費(fèi)澳鑫， 盧智易， 彭宇浪， 樂(lè)孜純*

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.杭州譜育科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311121）

1 引言

激光光源所具有的單色性、高能效、高亮度、大色域、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，使其成為許多科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用的理想光源，例如激光顯示技術(shù)［1-4］、生物和醫(yī)學(xué)成像［5-8］、激光雷達(dá)［9］等。特別是與近年來(lái)新興高技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的應(yīng)用，如與虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相關(guān)的微型投影儀（pico-projectors）［1］；與數(shù)字診療相關(guān)的光學(xué)干涉層析術(shù)（Optical Coherence Tomography， OCT）以 及OCT血 管 顯 影 術(shù)（OCT Angiography）［5-6］、大 視 場(chǎng) 熒 光 顯 微 鏡［7］；與高端測(cè)量裝備相關(guān)的激光立體攝影測(cè)量術(shù)（Stereo Photogrammetry）［10］、合 成 孔 徑 雷 達(dá) 等等。然而激光的相干性會(huì)使其在顯示和成像的過(guò)程中形成激光散斑噪聲［11］，進(jìn)而使得圖像的清晰度和分辨率下降。對(duì)于顯示技術(shù)而言，激光散斑會(huì)造成觀看者的視覺(jué)疲勞；對(duì)于成像技術(shù)而言，激光散斑會(huì)引起的醫(yī)學(xué)診療準(zhǔn)確度下降、測(cè)量裝備精度下降，是激光顯示和成像儀器性能劣化的最主要因素，因此激光散斑抑制是相關(guān)科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的共性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

鑒于激光的相干性是激光散斑產(chǎn)生的原因，抑制激光散斑的技術(shù)方法，一般都從降低激光的相干性出發(fā)，國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)開展了比較多的相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)研究得比較多是中北大學(xué)陳旭遠(yuǎn)研究組［12-14］和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所楊懷江研究組［2，15］，另外浙江大學(xué)［16］、國(guó)立臺(tái)北科技大學(xué)［17-18］、西安交通大學(xué)［19］、山西大學(xué)［20］、北京航空航天大學(xué)［21］、浙江工業(yè)大學(xué)［3，22-23］等單位都有相關(guān)研究報(bào)道，研究工作主要側(cè)重在角度分集、衍射光學(xué)器件及其在系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)方式，近年來(lái)也開展了一些基于電活性聚合物器件方面的研究工作。國(guó)際上，德國(guó)的研究者最早提出了采用衍射光學(xué)器件（Diffractive Optical Elements， DOE）抑制激光散斑［24］；挪威Vestfold大學(xué)TKT Tran研究組對(duì)抑制激光散斑的器件和系統(tǒng)技術(shù)開展了很多研究［25-26］；烏克蘭國(guó)家科學(xué)院的Lapchuk研究組進(jìn)一步發(fā)展了基于DOE的激光散斑抑制技術(shù)，開展了深入系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究［27-30］。另外美國(guó)、加拿大、土耳其的一些大學(xué)，日本、韓國(guó)的一些企業(yè)也開展了一些與激光散斑抑制技術(shù)實(shí)用化相關(guān)的研究工作［31-36］。此外，比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)S Roelandt研究組從認(rèn)知心理學(xué)角度，研究了散斑對(duì)激光顯示技術(shù)的影響及其主觀評(píng)價(jià)問(wèn)題［37］。

總結(jié)上述國(guó)內(nèi)外已見于報(bào)道的激光散斑抑制方法，主要可分為降低激光的空間相干性和降低激光的時(shí)間相干性兩類。在空間維度，通過(guò)采用波長(zhǎng)分集、角度分集、偏振分集來(lái)產(chǎn)生不相干的散斑模式，以降低激光的空間相干性。具體而言，波長(zhǎng)分集可采用寬帶激光器、陣列激光器、隨機(jī)激 光器、混 沌激光器等［21，32，38］來(lái)破 壞激光的 單色性，進(jìn)而降低相干性；角度分集通過(guò)使用衍射光學(xué)器件、多模光纖、光導(dǎo)管、光纖束等［1，13，16］來(lái)改變光束的入射角，增大光學(xué)擴(kuò)展量；偏振分集利用光學(xué)器件改變偏振特性來(lái)降低相干性［4］。雖然上述方法均可以一定程度地降低激光散斑對(duì)比度，但卻使色域變窄、能效降低、亮度降低，且大幅度增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。在時(shí)間維度，可以通過(guò)在光路中放置運(yùn)動(dòng)的散射體形成隨時(shí)間變化的散斑模式，這些隨時(shí)間變化的散斑模式在人眼或成像系統(tǒng)的積分時(shí)間內(nèi)的平均，能有效降低激光的時(shí)間相干性。見于報(bào)道的運(yùn)動(dòng)散射體有依賴機(jī)械運(yùn)動(dòng)（包括振動(dòng)、步進(jìn)和旋轉(zhuǎn)）的衍射光學(xué)器件［24-25，27-30］、動(dòng)態(tài)變形鏡［26］，或不依賴機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電活性聚合物器件［17-18，20］。其中依賴于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)散射體抑制散斑的主要缺點(diǎn)是使得激光顯示或成像系統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大、運(yùn)動(dòng)沖擊損傷明顯、成本高、功耗高等。而基于電學(xué)控制的運(yùn)動(dòng)散射體，雖然近年來(lái)隨著材料學(xué)的發(fā)展有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但目前見于報(bào)道的液晶、懸浮物渾濁體等響應(yīng)時(shí)間都太長(zhǎng)，散斑抑制效果不夠理想。

在實(shí)際的激光顯示或成像系統(tǒng)中進(jìn)行激光散斑抑制，降低散斑對(duì)比度的同時(shí)，低功耗、高能效、小型化是必然的發(fā)展趨勢(shì)。激光散斑抑制系統(tǒng)的低功耗和小型化主要取決于系統(tǒng)光路中散射體的運(yùn)動(dòng)方式?；谛虏牧希ū热珉娀钚跃酆衔锊牧希┑纳⑸潴w雖然避免了機(jī)械運(yùn)動(dòng)，但其散斑對(duì)比度，以及對(duì)散射體狀態(tài)的控制精度、控制機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度和魯棒性還遠(yuǎn)不能滿足要求，尚需長(zhǎng)足發(fā)展，因此技術(shù)突破最有希望在改進(jìn)DOE等散射體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式上實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外的研究者們嘗試了散射體的多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式（包括步進(jìn)方式、振動(dòng)方式和旋轉(zhuǎn)方式）［15，24，27-29］，但都有各自的缺點(diǎn)，如旋轉(zhuǎn)散射體的散射面利用率低；步進(jìn)方式存在運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)，影響散斑模式的疊加；振動(dòng)方式能耗高，且對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械沖擊大，特別是當(dāng)散射體尺寸和重量比較大時(shí)，上述缺點(diǎn)更加明顯。本文提出了一種在整個(gè)可見光范圍內(nèi)對(duì)激光散斑都能夠起到有效抑制作用，且能夠滿足小型化、低功耗要求的新的技術(shù)方案［22-23］，提出并研制了基于光學(xué)熱塑性材料的柔性DOE器件，并將其首尾相連熔接成DOE環(huán)。柔性DOE環(huán)的衍射光學(xué)結(jié)構(gòu)由幾個(gè)不同傾斜角的一維DOE組成，每個(gè)一維DOE的結(jié)構(gòu)都基于二進(jìn)制偽隨機(jī)序列編碼、且除了相對(duì)于DOE環(huán)長(zhǎng)邊的傾斜角外具有相同的DOE結(jié)構(gòu)尺寸。激光束照射到DOE環(huán)上并透過(guò)重疊的雙面一維DOE，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)DOE環(huán)進(jìn)行單方向的履帶式運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使重疊的雙面一維DOE相對(duì)運(yùn)動(dòng)并形成動(dòng)態(tài)的二維DOE結(jié)構(gòu)?；谏鲜鋈嵝訢OE環(huán)履帶式運(yùn)動(dòng)的散斑抑制方案，本文把紅綠藍(lán)三色光的散斑對(duì)比度都降低至5%以下，并且憑借柔性DOE環(huán)薄膜質(zhì)量輕、尺寸小和運(yùn)動(dòng)方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了散斑抑制系統(tǒng)小型化和低功耗的效果。由于在實(shí)際的應(yīng)用中，柔性DOE環(huán)不僅是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的器件，且DOE器件與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸直接接觸，因此柔性DOE環(huán)的耐久性顯得尤為重要。本文圍繞柔性DOE環(huán)的耐久性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）兩種材料柔性DOE器件在長(zhǎng)期實(shí)際使用中都具有良好的耐久性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PP材料的柔性DOE器件具有更好的耐久性和散斑抑制效果。

2 基于柔性DOE環(huán)的散斑抑制方法

2.1 工作原理

圖1為柔性DOE環(huán)的示意圖，由具有接近45°傾斜角的3個(gè)一維DOE組成，每個(gè)一維DOE具有不同傾斜角。一維DOE結(jié)構(gòu)具有寬度為T，周期為T0=NT的N個(gè)基本單元（圖1（c））。一維DOE的結(jié)構(gòu)高度h提供相應(yīng)波長(zhǎng)激光光束的波前半波長(zhǎng)偏移。將如圖1（a）所示包含3個(gè)一維DOE結(jié)構(gòu)的柔性DOE器件首尾相連熔接，制成柔性DOE環(huán)。由于柔性DOE環(huán)的履帶式運(yùn)動(dòng)（圖1（b））使不同的一維DOE結(jié)構(gòu)重疊，由此實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)二維DOE結(jié)構(gòu)，并因此實(shí)現(xiàn)了二維激光散斑抑制效果。

圖1 履帶式運(yùn)動(dòng)柔性DOE環(huán)的示意圖Fig.1 Diagram of a flexible DOE loop with tracked motion

圖2為基于柔性DOE環(huán)的微型投影儀光學(xué)系統(tǒng)。來(lái)自紅綠藍(lán)3個(gè)激光器的光被單獨(dú)準(zhǔn)直并通過(guò)二向色光束組合器組合成一個(gè)光束，再經(jīng)過(guò)擴(kuò)束和準(zhǔn)直，照射在柔性DOE環(huán)上。柔性DOE環(huán)套在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，其中一個(gè)作為主軸，固定并連接到微型電機(jī)，另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸不固定，可沿狹縫導(dǎo)軌移動(dòng)并連接彈簧，靠彈簧拉力保證柔性DOE環(huán)處于平整拉伸狀態(tài)。柔性DOE環(huán)上的衍射光學(xué)結(jié)構(gòu)位于向外的表面上。從柔性DOE環(huán)出射的激光束通過(guò)空間光學(xué)調(diào)制器（SLM）后照射到投影透鏡上，最后投影透鏡將獲得的圖像投影到屏幕上。本文側(cè)重在實(shí)驗(yàn)研究柔性DOE環(huán)在彈簧長(zhǎng)期拉伸以及由主軸帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的耐久性能，因此圖2中的光學(xué)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化，即選擇使用單色激光來(lái)代替組合激光束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 基于柔性DOE環(huán)的微型投影儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of optical system of a micro projector based on flexible DOE loop

圖3顯示了由旋轉(zhuǎn)主軸驅(qū)動(dòng)的柔性DOE環(huán)履帶式運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的環(huán)上前后兩面一維DOE結(jié)構(gòu)的重疊。該重疊隨著履帶式運(yùn)動(dòng)復(fù)合形成了動(dòng)態(tài)的二維DOE結(jié)構(gòu)。依據(jù)本文的散斑抑制方法，兩兩重疊的一維DOE結(jié)構(gòu)之間的傾斜角不同，因而巧妙地實(shí)現(xiàn)了如下效果：盡管履帶式運(yùn)動(dòng)是單方向的（即沿著X軸運(yùn)動(dòng)），兩兩重疊的一維DOE結(jié)構(gòu)之間的傾斜角差異，使得所形成的動(dòng)態(tài)二維DOE結(jié)構(gòu)具有沿Y軸的位移。由此形成的DOE的二維運(yùn)動(dòng)也展示出了更好的散斑抑制效果［23］。前期研究表明：動(dòng)態(tài)二維DOE結(jié)構(gòu)的最佳角度可以表示為sinθ≈( 2T0)/(2 2NT0)=12N，而當(dāng)兩個(gè)相鄰DOE結(jié)構(gòu)之間的傾斜角度差異接近Δφ=θ/(n-1)時(shí)，散斑抑制效果最佳，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中使用的DOE，Δφ的最佳值在0.46°附近?？紤]到其他參數(shù)的優(yōu)化，如為了進(jìn)一步降低DOE履帶式運(yùn)動(dòng)速度，在實(shí)驗(yàn)中使用的柔性DOE環(huán)中的相鄰一維DOE結(jié)構(gòu)的傾角差設(shè)計(jì)為0.6°。此外，由于柔性DOE環(huán)在使用中需要保持在彈簧拉伸的狀態(tài)下，不免會(huì)產(chǎn)生形變，長(zhǎng)期拉伸的作用也會(huì)使得二維DOE結(jié)構(gòu)的傾角角度差進(jìn)一步擴(kuò)大。在接下來(lái)的耐久性實(shí)驗(yàn)中，探究了長(zhǎng)期拉伸對(duì)傾角角度差的影響以及傾角角度差的變化對(duì)散斑抑制率的影響。

圖3 履帶式運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形成的動(dòng)態(tài)二維DOE結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Dynamic two-dimensional DOE structure diagram caused by the tracked motion

2.2 柔性DOE環(huán)的制備

柔性DOE環(huán)作為光學(xué)器件，其材料的選擇主要考慮折射率和光透過(guò)率。另外，因?yàn)橹苽湓谌嵝员∧ど?，其基于熱壓工藝的機(jī)械加工性能也是材料選擇的考慮因素。本文選擇了幾種光學(xué)性能符合要求的熱塑性材料（包括PVC，PP和PET）進(jìn)行了制備實(shí)驗(yàn)，其中PET材料較難從金屬Ni模板上剝離，實(shí)際制成了PVC和PP材料的柔性DOE器件，并用于后續(xù)的耐久性實(shí)驗(yàn)中。

整個(gè)制備過(guò)程為：

（1）根據(jù)DOE設(shè)計(jì)參數(shù)制備用于熱壓的金屬Ni模板。

首先使用光致抗蝕劑光刻來(lái)制造原始DOE結(jié)構(gòu)，然后在原始DOE結(jié)構(gòu)表面涂敷10 nm厚的金屬Ag薄膜，接著將導(dǎo)電基底在Ni浴中電鍍成型，制成用于熱壓的金屬Ni模板，如圖4（a）所示；

（2）利用金屬Ni模板，采用熱壓技術(shù)制成PVC和PP材料柔性DOE器件。

圖4（b）所示是熱壓實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，摸索出熱壓工藝條件，包括壓力、溫度、保壓時(shí)間、脫模溫度等。實(shí)驗(yàn)中的聚合物材料為聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）；

（3）自制機(jī)械部件制備柔性DOE環(huán)。

圖4（c）所示是為了將柔性DOE器件制成DOE環(huán)而自制的機(jī)械部件，將柔性DOE器件需要熔接的兩端用機(jī)械部件固定，然后加熱熔接或者采用折射率匹配的膠水進(jìn)行粘接。

圖4 柔性DOE環(huán)制作示意圖Fig.4 Diagram of fabricating a flexible DOE loop

3 柔性DOE環(huán)的耐久性實(shí)驗(yàn)

針對(duì)制備的PVC材料和PP材料的柔性DOE環(huán)都進(jìn)行了為期一個(gè)月的連續(xù)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)PVC材料柔性DOE環(huán)的實(shí)驗(yàn)在后文中統(tǒng)稱為實(shí)驗(yàn)1；相應(yīng)地，針對(duì)PP材料柔性DOE環(huán)的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)稱為實(shí)驗(yàn)2。實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中，都將制成的柔性DOE環(huán)分為2個(gè)組，組1為對(duì)照組，組2為實(shí)驗(yàn)組。利用圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)，采用單色激光束，每天分別采集對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的散斑圖像，并根據(jù)采集的散斑圖像分析得出其散斑對(duì)比度值。對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的區(qū)別在于：每天實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將對(duì)照組（組1）的柔性DOE環(huán)從履帶式運(yùn)動(dòng)裝置上取下保存，而實(shí)驗(yàn)組（組2）的柔性DOE環(huán)在為期一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中一直固定在履帶式運(yùn)動(dòng)裝置上，并保持由彈簧牽引而拉伸的狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，柔性DOE環(huán)必須在微型投影儀中長(zhǎng)期保持拉伸狀態(tài)，而長(zhǎng)期拉伸會(huì)使不同材料產(chǎn)生不同程度的形變，設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的目的就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)長(zhǎng)期拉伸導(dǎo)致柔性DOE環(huán)的形變對(duì)其性能的影響情況。在每天實(shí)驗(yàn)前后，各測(cè)量一次實(shí)驗(yàn)組（組2）柔性DOE環(huán)的長(zhǎng)度。同時(shí)，每天實(shí)驗(yàn)中記錄散斑圖像并分析得出散斑對(duì)比度值。為了測(cè)量散斑對(duì)比度，在圖2的光學(xué)系統(tǒng)中配置連接計(jì)算機(jī)的照相機(jī)。照相機(jī)采集屏幕上的散斑圖像后，使用imageJ圖像處理軟件分析得出其散斑對(duì)比度值。

在實(shí)驗(yàn)1中，采用PVC材料制作的柔性DOE環(huán)，波長(zhǎng)為450 nm的藍(lán)色激光器，并在相對(duì)較慢的3個(gè)運(yùn)動(dòng)速度（v1=20.45 mm/s，v2=16.22 mm/s，v3=14.10 mm/s）下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)2中，采用PP材料制作的柔性DOE環(huán)，波長(zhǎng)為638 nm的紅色激光器，并在相對(duì)較快的3個(gè)運(yùn)動(dòng)速 度（v4=64.34 mm/s，v5=51.82 mm/s，v6=46.53 mm/s）下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在前期研究中發(fā)現(xiàn)只要柔性DOE環(huán)運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)臨界速度，其對(duì)散斑抑制效果的影響就會(huì)變得很小。本文實(shí)驗(yàn)中選取的所有運(yùn)動(dòng)速度均超過(guò)上述臨界速度，主要目的是為了減少運(yùn)動(dòng)速度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在每一個(gè)速度值下采集10張圖像，選用其中的5張光斑較為均勻明亮的圖像，并在每張圖像的左、中、右位置各測(cè)量一次散斑對(duì)比度，計(jì)算平均值得到該柔性DOE環(huán)在該速度下的散斑對(duì)比度值。

此外，為了驗(yàn)證柔性DOE環(huán)在紅綠藍(lán)三色激光下均能將散斑對(duì)比度降低到5%以下，也實(shí)驗(yàn)測(cè)量了PVC材料制作的柔性DOE環(huán)對(duì)綠光（波長(zhǎng)為520 nm）的散斑對(duì)比度值。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度為82.5 nm/s時(shí)，照相機(jī)采集綠光的散斑圖像，并使用imageJ圖像處理軟件分析得出其散斑對(duì)比度值為3.75%，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的散斑圖像和光強(qiáng)分布圖像Fig.5 Speckle image of spot and light intensity distribution

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

4.1 實(shí)驗(yàn)1結(jié)果分析和討論

圖6給出了在不同運(yùn)動(dòng)速度下，PVC材料柔性DOE環(huán)對(duì)照組（組1）和實(shí)驗(yàn)組（組2）在一個(gè)月中的散斑對(duì)比度變化情況。從圖6可以看出，在一個(gè)月的耐久性實(shí)驗(yàn)中，不同運(yùn)動(dòng)速度下測(cè)量得到的光斑圖像的散斑對(duì)比度始終保持在3%～6%之間、且兩組的散斑對(duì)比度值變化都不大。其變化呈隨機(jī)特性且非常小，基本可以判斷是由數(shù)據(jù)采集過(guò)程的誤差造成的。一個(gè)月的持續(xù)拉伸對(duì)于柔性DOE環(huán)的散斑抑制效果基本沒(méi)有影響。

圖6 實(shí)驗(yàn)1不同運(yùn)動(dòng)速度下對(duì)照組（組1）與實(shí)驗(yàn)組（組2）的散斑對(duì)比度折線圖Fig.6 Speckle contrasts of control group （group 1） and experimental group （group 2） at different motion speeds in Experiment 1

圖7給出了實(shí)驗(yàn)1中實(shí)驗(yàn)組（組2）的柔性DOE環(huán)的拉伸長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化圖。圖中數(shù)值較高的點(diǎn)都是在每日實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前測(cè)量得到的，較低的點(diǎn)都是在每日實(shí)驗(yàn)結(jié)束后得到的。在一天實(shí)驗(yàn)結(jié)束后到第二天實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，實(shí)驗(yàn)組的柔性DOE環(huán)一直保持拉伸狀態(tài)。隨著實(shí)驗(yàn)天數(shù)的增加，DOE環(huán)的拉伸長(zhǎng)度呈現(xiàn)緩慢上升、且變化呈現(xiàn)速度越來(lái)越慢的趨勢(shì)。

圖7 實(shí)驗(yàn)1中每日DOE長(zhǎng)度變化折線圖Fig.7 Line chart of daily DOE length change in Experiment 1

圖8是實(shí)驗(yàn)1進(jìn)行到最后一周時(shí)采集到的對(duì)照組（組1）與實(shí)驗(yàn)組（組2）的光斑圖像。觀察對(duì)比圖8中的兩張圖像，可以明顯看到DOE的寬度邊界。在DOE的覆蓋范圍內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)激光的散斑被有效地抑制了，同時(shí)可以看到兩張圖片中的散斑覆蓋范圍有明顯差別。長(zhǎng)期保持拉伸的組2的柔性DOE環(huán)，其有效寬度相比組1要小。隨著彈簧拉伸導(dǎo)致的DOE環(huán)緩慢變長(zhǎng)，其有效寬度在緩慢地變小。在實(shí)驗(yàn)最初的兩周中，肉眼無(wú)法觀察到兩組柔性DOE環(huán)有效寬度的差別，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到后半程，這個(gè)現(xiàn)象顯現(xiàn)出來(lái)。DOE環(huán)的有效寬度雖然變化得非常緩慢，但確實(shí)出現(xiàn)了一定程度的縮小。同時(shí)，由于DOE環(huán)長(zhǎng)度的拉伸，以及有效寬度縮小的共同作用，動(dòng)態(tài)二維DOE結(jié)構(gòu)的角度θ也發(fā)生了變化。進(jìn)而，相互重疊的兩個(gè)一維DOE傾角差Δφ逐漸變大，逐漸偏離最佳的理論值。

圖8 實(shí)驗(yàn)1對(duì)照組（組1）與實(shí)驗(yàn)組（組2）的光斑圖像Fig.8 Speckle images of control group （group 1） and experimental group （group 2） in Experiment 1

在實(shí)驗(yàn)1進(jìn)行到第23天時(shí)，組2柔性DOE環(huán)的粘連處出現(xiàn)了細(xì)微破損，大小接近粘連截面的1/6，但破損的出現(xiàn)并沒(méi)有影響實(shí)驗(yàn)組（組2）DOE環(huán)的散斑抑制效果，只是對(duì)組2的柔性DOE環(huán)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定影響，表現(xiàn)為組2的DOE環(huán)容易在轉(zhuǎn)軸上發(fā)生上下移動(dòng)。

4.2 實(shí)驗(yàn)2結(jié)果分析和討論

圖9給出了在不同速度下，PP材料柔性DOE環(huán)對(duì)照組（組1）和實(shí)驗(yàn)組（組2）在一個(gè)月中的散斑對(duì)比度變化情況。對(duì)比實(shí)驗(yàn)1的散斑對(duì)比度測(cè)量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)2的兩組柔性DOE環(huán)，在不同運(yùn)動(dòng)速度下光斑圖像的散斑對(duì)比度始終保持在3%～4%之間，實(shí)驗(yàn)2獲得了更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)2的對(duì)照組（組1）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在大多數(shù)時(shí)間里要比實(shí)驗(yàn)組（組2）的結(jié)果更好，且實(shí)驗(yàn)2的散斑抑制效果整體比實(shí)驗(yàn)1好?？梢哉J(rèn)為實(shí)驗(yàn)2取得了比實(shí)驗(yàn)1更好效果的原因主要有：一是PP材料的機(jī)械加工性能比PVC材料好，更適合用于制作柔性DOE器件；另一點(diǎn)是隨著實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的增加，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中人為操作所帶來(lái)的誤差變得相對(duì)更小。

圖9 實(shí)驗(yàn)2不同運(yùn)動(dòng)速度下對(duì)照組（組1）與實(shí)驗(yàn)組（組2）的散斑對(duì)比度折線圖Fig.9 Speckle contrasts of control group （group 1） and experimental group （group 2） at different motion speeds in Experiment 2

圖10給出了實(shí)驗(yàn)2中實(shí)驗(yàn)組（組2）柔性DOE環(huán)的拉伸長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化圖。圖中高低交替的點(diǎn)分別為每日實(shí)驗(yàn)前與實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的DOE環(huán)拉伸長(zhǎng)度記錄。在實(shí)驗(yàn)2中，每日實(shí)驗(yàn)組（組2）長(zhǎng)期保持拉伸的柔性DOE環(huán)會(huì)在對(duì)照組（組1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前被取下，在對(duì)照組（組1）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后重新放回機(jī)械裝置上保持拉伸狀態(tài)并測(cè)量其長(zhǎng)度。每次取下再放回的過(guò)程，都會(huì)使實(shí)驗(yàn)組（組2）柔性DOE環(huán)的長(zhǎng)度出現(xiàn)極小幅度的縮短，因此DOE環(huán)的長(zhǎng)度變化呈現(xiàn)出波動(dòng)的狀態(tài)。由于對(duì)DOE環(huán)進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量是要在彈簧牽引而拉伸的狀態(tài)下進(jìn)行的，所以難以避免地會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。但仍然可以發(fā)現(xiàn)，在第一天的拉伸作用后，柔性DOE環(huán)有0.2 mm左右的拉伸變長(zhǎng)。而之后的一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)時(shí)間里，拉伸長(zhǎng)度基本上沒(méi)有變化，甚至實(shí)驗(yàn)2沒(méi)有如實(shí)驗(yàn)1中出現(xiàn)的整體緩慢拉長(zhǎng)的趨勢(shì)。這表明PP材料抗拉伸性能優(yōu)異，在長(zhǎng)度保持穩(wěn)定之后，一個(gè)月時(shí)間的拉伸也沒(méi)有讓DOE環(huán)長(zhǎng)度發(fā)生可測(cè)量到的變化。

圖10 實(shí)驗(yàn)2中每日DOE長(zhǎng)度變化折線圖Fig.10 Line chart of daily DOE length change in Experiment 2

從實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果可以看出，研制的PVC和PP材料柔性DOE環(huán)總體上具有良好的耐久性，在長(zhǎng)期拉伸的狀態(tài)下，依然能夠保持良好的散斑抑制效果。雖然由于長(zhǎng)期拉伸的影響，傾斜角會(huì)略微偏離最佳值，但根據(jù)之前的研究，目前這種程度的傾斜角變化不會(huì)帶來(lái)大的影響，實(shí)驗(yàn)中柔性DOE環(huán)的散斑抑制效果并沒(méi)有明顯劣化也印證了這一點(diǎn)。并且實(shí)驗(yàn)中彈簧拉伸造成的柔性DOE環(huán)長(zhǎng)度變化越來(lái)越緩慢，使得傾斜角差的變化更加緩慢，其影響程度很有限?？梢哉J(rèn)為，傾斜角差變化帶來(lái)的影響甚至小于測(cè)量誤差帶來(lái)的影響，對(duì)微型投影儀圖像質(zhì)量的影響幾乎可以忽略。

在實(shí)驗(yàn)1中，柔性DOE環(huán)的有效寬度的變窄導(dǎo)致柔性DOE環(huán)無(wú)法覆蓋整個(gè)激光光斑。此后，增大了DOE的有效寬度設(shè)計(jì)值，比如研制的用于實(shí)驗(yàn)2的PP材料柔性DOE環(huán)，能夠保證長(zhǎng)期覆蓋整個(gè)激光光斑。后續(xù)將綜合考慮激光光源和微型投影儀兩者對(duì)柔性DOE環(huán)尺寸的要求，優(yōu)化柔性DOE環(huán)的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，并擬改進(jìn)履帶式運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置，在旋轉(zhuǎn)軸上下添加兩個(gè)限位機(jī)構(gòu)，限制柔性DOE環(huán)的縱向移動(dòng)，使得柔性DOE環(huán)的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，進(jìn)而獲得更穩(wěn)定的散斑抑制效果。

實(shí)驗(yàn)1中使用的PVC材料柔性DOE環(huán)雖然在長(zhǎng)期拉伸中出現(xiàn)了破損，但破損只是出現(xiàn)在了粘連處，柔性DOE環(huán)本身的質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)2中更換了新的柔性材料PP并改進(jìn)了DOE環(huán)連接工藝，得到了更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)2柔性DOE環(huán)沒(méi)有出現(xiàn)任何破損，且散斑對(duì)比度的波動(dòng)幅度比實(shí)驗(yàn)1更小。PP材料在拉伸下的形變程度也更小，基本長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)柔性DOE環(huán)長(zhǎng)度波動(dòng)逐漸上升的趨勢(shì)。這樣的性能能夠保證柔性DOE環(huán)在微型投影儀中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作而不需要更換。雖然PVC和PP兩種材料柔性DOE環(huán)都獲得了不錯(cuò)的散斑抑制效果，但相比較而言，PP材料制作的柔性DOE環(huán)機(jī)械和光學(xué)性能更好。

5 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了柔性DOE環(huán)在激光散斑抑制上的有效性和耐久性。提出的具有接近45°傾斜角的3個(gè)一維DOE結(jié)構(gòu)通過(guò)環(huán)形粘連組成的柔性DOE環(huán)，能夠通過(guò)優(yōu)化DOE的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)將紅綠藍(lán)三色光的散斑對(duì)比度抑制到5%以內(nèi)，符合激光投影顯示的要求。基于柔性光學(xué)器件和履帶式運(yùn)動(dòng)的散斑抑制裝置具有尺寸小、功耗低、簡(jiǎn)單高效的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于微型投影儀。本文研發(fā)的柔性DOE環(huán)的制造工藝（即首先利用光刻技術(shù)和電鑄工藝制造金屬模板、再通過(guò)熱壓工藝制造柔性DOE器件并彎折連接成環(huán)）可廉價(jià)批量制作。研制的柔性DOE器件，特別是PP材料柔性DOE器件具備良好的耐久性能。后續(xù)研究中，擬對(duì)柔性DOE環(huán)材料、尺寸與結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，也擬進(jìn)一步改進(jìn)DOE運(yùn)動(dòng)部件以提高其運(yùn)動(dòng)控制精度，以期獲得更好的散斑抑制效果和耐久性能。