基于PPMgOLN綠光微片激光器的散斑抑制

韓 嘯，繆 龍，周 煌，馮新凱，鄒小林，陳懷熹，宋國才，梁萬國

(1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林 長春130022;2.中國科學(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，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、振動多模光纖、使用動態(tài)投影屏幕等方法［2－10］。其中利用多模光纖的方案，由于其操作方法簡單，容易實現(xiàn)應(yīng)用，所以得到了廣泛的使用。在已有的振動多模光纖的方案中，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現(xiàn)，且結(jié)合振動不同長度的多模光纖使得抑制散斑的結(jié)果更加符合實際的應(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］。利用振動多模光纖來抑制散斑，其方法是在屏幕上產(chǎn)生變化的動態(tài)散斑，多組散斑圖樣疊加，產(chǎn)生“沸騰”效果，從而實現(xiàn)散斑的抑制。本文利用多模光纖模間色散來實現(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。對于階躍折射率光纖的長度比模式耦合長度(Lc)大得多的情況，由模間色散導(dǎo)致的時間脈沖展寬表示為［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間差;L為光纖長度;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度可控制，實驗中選用的光纖長度要比光纖模式耦合長度(Lc)短得多。

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

實驗中所選擇的光纖最大長度在10 m。

3 實驗裝置

3.1 綠光激光光源

如圖1所示為本文散斑實驗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 光纖振動平臺

圖2是利用不同長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 激光器實驗裝置圖［1］Fig.1 Schematic of experimental setup of laser

圖2 不同長度光纖抑制散斑的實驗光路圖Fig.2 Experimental setup for speckle suppression via the fiber of different length

4 實驗結(jié)果與分析

如圖2所示，在實驗中使用的是0.7～10 m的5種不同長度的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)域為10.5 cm×15.5 cm。為了準(zhǔn)確測試散斑圖像對比度，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)行散斑對比度分析。

4.1 光纖長度對圖像質(zhì)量的影響

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

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

4.2 不同光纖長度的基礎(chǔ)上結(jié)合振動光纖對圖像的影響

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

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

4.3 不同光纖長度與結(jié)合振動后的實驗數(shù)據(jù)

利用Matlab軟件分析拍攝得到的圖像散斑對比度C，數(shù)據(jù)如表1所示。從數(shù)據(jù)生成的C－L趨勢圖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度以后，屏幕上圖像的激光強(qiáng)度分布波動范圍變小，對應(yīng)散斑對比度的有效減小。

表1 不同光纖長度下的散斑對比度CTab.1 The speckle contrast C of different lengths of fiber

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

圖6 光纖長度在0.7 m時，不振動和振動條件時屏幕上的強(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 光纖長度在10 m時，不振動和振動條件時屏幕上的強(qiáng)度分布圖Fig.7 Intensity distribution map of the fiber without vibrating and with vibrating when length is 10 m

由實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在不振動時，當(dāng)我們將光纖由0.7 m增加到10 m，散斑對比度由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，在測量完光纖長度增加對減弱對比度的趨勢后，又通過加入振動光纖的方法，使得散斑對比度降低至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度Lc在500 m左右，所以所選的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個值。通過增加光纖的長度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間相干性，同時模式色散造成的時間脈沖展寬效果越變得更顯著，以此達(dá)到降低散斑對比度的實驗?zāi)康?。實驗?shù)據(jù)說明，在使用多模光纖的方法來降低激光散斑對比度時，滿足光纖的長度小于光纖本身的耦合長度Lc的條件下，適當(dāng)?shù)脑黾庸饫w長度，可以有效的降低散斑對比度。

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度并結(jié)合振動光纖的方法來抑制散斑的方法，成功的將散斑對比度降低到4.7%左右，滿足視覺的要求。下一步將在此基礎(chǔ)上，對光纖的長度以及更多不同類型的多模光纖進(jìn)行優(yōu)化，同時結(jié)合其他消散斑的方法，爭取未來在激光微型投影儀中取得理想的消散斑效果。

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