一种用于激光显示的激光相位调制方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于激光显示的激光相位调制方法。

背景技术

在激光显示技术中一般采用三基色或者多基色激光作为光源。由于激光具有单色性好的特点，激光显示的色域较传统显示方式有了极大的提高，可以实现160％全国电视系统委员会制式(National Television System Committee，NTSC)或者更高的色域覆盖率，提高了显示画面的画质。但是由于激光光源存在高相干性，干涉会降低显示画面的亮度均匀性与色度均匀性，影响了激光显示的画质。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于激光显示的激光相位调制方法，该激光相位调制方法可实现散斑抑制、定向衍射屏幕、光束合成等多种功能，能够提高激光显示设备的成像质量，具有广阔应用场景。

根据本发明的一方面，提供了一种用于激光显示的激光相位调制方法，包括：

提供全息记录材料；

利用激光显示中的同种光束对所述全息记录材料进行曝光，形成相位调制器件；

将所述相位调制器件设置在激光显示设备的光路中，以实现对激光显示光源出射光线的相位调制。

可选地，利用激光显示中的同种光束对所述全息记录材料进行曝光，形成相位调制器件，包括：

利用波长相同、方向呈预设夹角的两束相干光束在所述全息记录材料位置处进行干涉曝光，形成体全息光栅；

其中，两束相干光束包括参考光束和物光束，第一光束入射至所述体全息光栅时，衍射输出第二光束，所述第一光束与所述参考光束方向相同且波长相同，所述第二光束与所述物光束方向相同且波长相同，或者所述第一光束与所述物光束方向相同且波长相同，所述第二光束与参考光束方向相同且波长相同。

可选地，所述体全息光栅用于使所述激光显示设备中各个基色光源输出的光束合成为白光光束。

可选地，利用激光显示中的同种光束对所述全息记录材料进行曝光，形成相位调制器件，包括：

利用平面波的参考光束和球面波的物光束在所述全息记录材料位置处进行干涉曝光，形成曲面光栅。

可选地，所述曲面光栅用于激光显示的菲涅尔屏幕中。

可选地，在对所述全息记录材料进行干涉曝光时，在所述参考光束或物光束的光路上设置光调制器件，形成任意折射率分布的折射率调制器件。

可选地，利用激光显示中的同种光束对所述全息记录材料进行曝光，形成相位调制器件，包括：

利用光调制器件调制一束光直接对所述全息记录材料进行曝光，形成折射率调制器件。

可选地，所述折射率调制器件设置在所述激光显示设备的出光面或屏幕上，用于减弱激光显示的散斑效应。

可选地，所述全息记录材料包括光致聚合物、卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光降解高分子材料、光导热塑性材料、光致异构化材料、光折变材料和超表面材料的至少一种。

可选地，所述全息记录材料包括光致聚合物，所述光致聚合物由光敏染料、引发剂、链转移剂、单体、成膜树脂和增塑剂组成，其中所述单体与所述成膜树脂的折射率不同，利用光照使所述单体聚合后因浓度差异发生扩散与所述成膜树脂形成折射率调制的相位型全息光栅来实现全息记录。

本发明实施例提供的一种用于激光显示的激光相位调制方法，激光显示设备的光源发射光束，对光束进行扩束后，得到与全息记录材料尺寸相同的平行光，平行光通过偏振分光分为两束，其中一束光直接照射至全息记录材料上，另一束通过光强调制后照射至全息记录材料上。两束光在全息记录材料处发生干涉后形成特定的强度分布并对全息记录材料进行曝光，全息记录材料在光强的变化下，折射率发生变化，形成具有特定折射率分布的相位调制器件，相位调制器件对激光显示光源出射的光线进行相位调制，可实现散斑抑制、定向衍射屏幕、光束合成等多种功能，能够提高激光显示设备的成像质量，具有广阔应用场景。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的第一种用于激光显示的激光相位调制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的第二种用于激光显示的激光相位调制方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的第一种全息记录材料曝光过程的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种全息记录材料合束光线的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第三种用于激光显示的激光相位调制方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的第二种全息记录材料曝光过程的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的第四种用于激光显示的激光相位调制方法的流程图；

图8为本发明实施例提供的第三种全息记录材料曝光过程的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的第四种全息记录材料曝光过程的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的第五种全息记录材料曝光过程的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的数字微镜器件的光强分布示意图；

图12为本发明实施例提供的全息记录材料的相位调制幅度分布示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

图1为本发明实施例提供的第一种用于激光显示的激光相位调制方法的流程图，参考图1，该激光相位调制方法包括：

S110、提供全息记录材料。

其中，全息记录材料是用于记录和重建全息技术中的信息的材料。全息技术是利用光的干涉原理，以全息图的形式将信息记录在全息材料内，并在读出光满足衍射匹配条件下，以衍射成像的形式恢复所有存储的信息。全息记录材料的特性是在光照下随光强的不同，其内部的结构或成分发生相应的改变，从而引起折射率的变化，形成折射率的调制。全息记录材料包括光致聚合物、卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光降解高分子材料、光导热塑性材料、光致异构化材料、光折变材料和超表面材料的至少一种。全息记录材料还可以为其他可记录全息技术信息的材料，全息材料的种类可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不做具体限制。

可选地，全息记录材料包括光致聚合物，光致聚合物由光敏染料、引发剂、链转移剂、单体、成膜树脂和增塑剂组成，其中单体与成膜树脂的折射率不同，利用光照使单体聚合后因浓度差异发生扩散与成膜树脂形成折射率调制的相位型全息光栅来实现全息记录。

光致聚合物的原理为：光敏染料决定了材料的感光光谱范围，其在吸收光子能量后可以将能量转移给引发剂。引发剂通过裂解或夺氢反应生成反应活性物种(自由基或阴阳离子)从而引发单体聚合。链转移剂的作用是使体积大、活性低的自由基(包括链增长自由基)发生自由基转移反应，产生体积小、活性高的自由基，快速引发单体聚合。单体是光致聚合物的主体成分，具有不饱和基团或环氧基团，在自由基或阴阳离子的作用下发生聚合反应。成膜树脂主要起到成形和支撑的作用，为材料提供一定的机械稳定性。增塑剂的作用是减弱聚合物分子间的次价键，增加聚合物的可塑性和柔韧性，以利于单体的迁移。曝光时，处于干涉条纹亮区中的光敏染料吸收光子并通过电子转移或能量传递激活光引发剂产生活性物种，进而引发单体发生聚合反应。随着亮区单体发生聚合浓度逐渐降低，而暗区单体几乎不被消耗，明暗区域单体浓度的差异促使暗区的单体开始向亮区迁移，同时亮区的基底成膜树脂被挤压至暗区，最终亮区的折射率接近于聚合物的折射率，暗区的折射率接近于成膜树脂的折射率，从而形成具有折射率调制的位相型体全息光栅。

S120、利用激光显示中的同种光束对全息记录材料进行曝光，形成相位调制器件。

其中，激光显示中的同种光束为激光显示设备中的激光显示光源出射的光束，光束可以为三基色或者多基色激光，光束的数量和种类可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作限制。光源出射的光束进行扩束后，得到与全息记录材料尺寸相同的平行光，平行光通过偏振分光分为两束，其中一束光直接照射至全息记录材料上，另一束通过光强调制后照射至全息记录材料上。两束光在全息记录材料处发生干涉后形成特定的强度分布并对全息记录材料进行曝光，全息记录材料在光强的变化下，折射率发生变化，形成具有特定折射率分布的相位调制器件。

S130、将相位调制器件设置在激光显示设备的光路中，以实现对激光显示光源出射光线的相位调制。

其中，激光显示光源具有高相干性，通过对光源出射的光线进行相位调制，可实现散斑抑制、定向衍射屏幕、光束合成等多种功能，具有广阔应用场景，提高激光显示设备的成像质量。

本发明实施例提供的用于激光显示的激光相位调制方法，激光显示设备的光源发射光束，对光束进行扩束后，得到与全息记录材料尺寸相同的平行光，平行光通过偏振分光分为两束，其中一束光直接照射至全息记录材料上，另一束通过光强调制后照射至全息记录材料上。两束光在全息记录材料处发生干涉后形成特定的强度分布并对全息记录材料进行曝光，全息记录材料在光强的变化下，折射率发生变化，形成具有特定折射率分布的相位调制器件，相位调制器件对激光显示光源出射的光线进行相位调制，可实现散斑抑制、定向衍射屏幕、光束合成等多种功能，能够提高激光显示设备的成像质量，具有广阔应用场景。

实施例二

在上述实施例的基础上，图2为本发明实施例提供的第二种用于激光显示的激光相位调制方法的流程图，参考图2，本发明实施例提供的激光相位调制方法包括：

S210、提供全息记录材料。

S220、利用波长相同、方向呈预设夹角的两束相干光束在全息记录材料位置处进行干涉曝光，形成体全息光栅。

其中，两束相干光束包括参考光束和物光束，参考光束直接照射至全息记录材料上，物光束通过光强调节后照射在全息记录材料上，参考光束与物光束为相干光束，在全息记录材料位置处干涉曝光时，互相叠加的部分会干涉形成光场强度周期变化的条纹状光场分布，全息记录材料在该光场下形成与干涉光场强度变化相一致的折射率变化，从而形成体全息光栅。体全息光栅曝光时，第一光束入射至体全息光栅时，衍射输出第二光束，第一光束与参考光束方向相同且波长相同，第二光束与物光束方向相同且波长相同，或者第一光束与物光束方向相同且波长相同，第二光束与参考光束方向相同且波长相同。

在一实施例中，参考光束和物光束方向的夹角可以根据实际需求进行设置，物光束与参考光束的夹角大于180°时，则形成的体全息光栅为反射式光栅；物光束与参考光束的夹角小于180°时，则形成的体全息光栅为透射式光栅，本发明实施例对此不作限制。

在一实施例中，可以使得仅有物光束或参考光束照射到全息记录材料上，通过测量衍射形成的物光束或参考光束的光强度可以获取曝光形成的相位调制器件的衍射效率。

在一实施例中，在对全息记录材料进行干涉曝光时，在参考光束或物光束的光路上设置光调制器件，形成任意折射率分布的折射率调制器件。其中，光调制器件可以为空间光调制器，也可以为数字微镜器件，光调制器件的种类可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作限制。

示例性地，体全息光栅的周期、形状、尺寸等参数可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作限制。

图3为本发明实施例提供的第一种全息记录材料曝光过程的结构示意图，参考图3，激光器10发射相干光并经过扩束器20扩束后变为与全息记录材料90尺寸相同的平行光，平行光经过第一偏振分光棱镜30起偏变为线偏振光，线偏振光通过第一半波片40和第二偏振分光棱镜50组成的光强调节组件后被分为两束光束，其中参考光束照射至全息记录材料90上，物光束经过第二半波片60和第三偏振分光棱镜70组成的光强调节组件后被分为两束，其中一束被反射镜80反射后照射至全息记录材料90。物光束与参考光束干涉后形成干涉条纹图样并全息记录材料90进行干涉曝光。

图4为本发明实施例提供的一种全息记录材料合束光线的结构示意图，参考图4，第一激光器101、第二激光器102和第三激光器103发射不同颜色的光束，第二激光器102发射的激光被第一全息记录材料901衍射后方向变为与第一激光器101发射光方向相同，位置相同的光束，从而完成第一激光器101与第二激光器102发射光线的合束过程。在第三激光器103发射光线与合成光线交汇处设置第二全息记录材料902，第二全息记录材料902的波长与第三激光器103发射激光的波长相同，则第二全息记录材料902可将第三激光器103发射光线衍射为与合束光方向相同，位置相同的光线，从而完成合束过程。具体实施时，第一激光器101、第二激光器102和第三激光器103可以分别发射红、绿、蓝三种颜色的光束，三色光束合束为白光，应用在激光显示设备中。

S230、将相位调制器件设置在激光显示设备的光路中，以实现对激光显示光源出射光线的相位调制。

其中，体全息光栅用于使激光显示设备中各个基色光源输出的光束合成为白光光束。

示例性地，相位调制器件设置在激光显示设备的出光面或屏幕上，对激光显示光源出射的光线进行相位调制，用于减弱激光显示的散斑效应，提高激光显示设备的成像质量。

本发明实施例提供的用于激光显示的激光相位调制方法，利用波长相同、方向呈预设夹角的两束相干光束在全息记录材料位置处进行干涉曝光，互相叠加的部分会干涉形成光场强度周期变化的条纹状光场分布，全息记录材料在该光场下形成与干涉光场强度变化相一致的折射率变化，从而形成体全息光栅。体全息光栅对激光显示的多色光源出射的光线进行合束，形成白光。

实施例三

在上述实施例的基础上，图5为本发明实施例提供的第三种用于激光显示的激光相位调制方法的流程图，参考图5，本发明实施例提供的激光相位调制方法包括：

S310、提供全息记录材料。

S320、利用平面波的参考光束和球面波的物光束在全息记录材料位置处进行干涉曝光，形成曲面光栅。

其中，参考光束直接照射至全息记录材料上，参考光束为平面波，在物光束的光路中加入曲面透镜或反射镜，可以将物光束调制为球面波或曲面光波，在全息记录材料位置处干涉曝光时，两束相干光干涉后形成明暗相间的干涉条纹分布并对全息记录材料进行曝光，可以在全息记录材料中形成曲面光栅。曲面光栅曝光时，第一光束入射至曲面光栅时，衍射输出第二光束，第一光束与参考光束方向相同且波长相同，第二光束与物光束方向相同且波长相同，或者第一光束与物光束方向相同且波长相同，第二光束与参考光束方向相同且波长相同。

进一步的，可以在参考光束的光路中加入曲面透镜或反射镜，将参考光束也由平面光波转变为曲面光波，则可在全息记录材料中形成曲面更为复杂的曲面光栅。

在一实施例中，在对全息记录材料进行干涉曝光时，在参考光束或物光束的光路上设置光调制器件，形成任意折射率分布的折射率调制器件。其中，光调制器件可以为空间光调制器，也可以为数字微镜器件，光调制器件的种类可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作限制。

示例性地，曲面光栅的周期、形状、尺寸等参数可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作限制。

图6为本发明实施例提供的第二种全息记录材料曝光过程的结构示意图，参考图6，激光器10发射相干光并经过扩束器20扩束后变为与全息记录材料90尺寸相同的平行光，平行光经过第一偏振分光棱镜30起偏变为线偏振光，线偏振光通过第一半波片40和第二偏振分光棱镜50组成的光强调节组件后被分为两束光束，其中参考光束照射至全息记录材料90上，物光束经过第二半波片60和第三偏振分光棱镜70组成的光强调节组件后被分为两束，其中一束被球面反射镜100反射后形成发散的球面波，照射至全息记录材料90。两束相干光干涉后形成明暗相间的干涉条纹分布并对全息记录材料90进行曝光，可以在全息记录材料90中形成曲面光栅。

S330、将相位调制器件设置在激光显示设备的光路中，以实现对激光显示光源出射光线的相位调制。

其中，曲面光栅用于激光显示的菲涅尔屏幕中。

示例性地，相位调制器件设置在激光显示设备的出光面或屏幕上，对激光显示光源出射的光线进行相位调制，用于减弱激光显示的散斑效应，提高激光显示设备的成像质量。

本发明实施例提供的用于激光显示的激光相位调制方法，利用平面波的参考光束和球面波的物光束在全息记录材料位置处进行干涉曝光，两束相干光干涉后形成明暗相间的干涉条纹分布并对全息记录材料进行曝光，可以在全息记录材料中形成曲面光栅。曲面光栅用于菲涅尔屏幕对激光显示光源出射的光线进行相位调制，提高激光显示设备的成像质量。

实施例四

在上述实施例的基础上，图7为本发明实施例提供的第四种用于激光显示的激光相位调制方法的流程图，参考图7，本发明实施例提供的激光相位调制方法包括：

S410、提供全息记录材料。

S420、利用光调制器件调制一束光直接对全息记录材料进行曝光，形成折射率调制器件。

其中，激光光源出射的光束进行扩束后，得到与全息记录材料尺寸相同的平行光，平行光经过偏振分光镜形成线偏振光，经过光强调节后，利用光调制器件调制后的光线形成调制的光强分布并照射在全息记录材料上，形成折射率调制器件。光调制器件可以为空间光调制器，也可以为数字微镜器件，光调制器件的种类可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作限制。

图8为本发明实施例提供的第三种全息记录材料曝光过程的结构示意图，参考图8，激光器10发射相干光并经过扩束器20扩束后变为与全息记录材料90尺寸相同的平行光，平行光经过第一偏振分光棱镜30起偏变为线偏振光，线偏振光通过第一半波片40和第二偏振分光棱镜50组成的光强调节组件后被分为两束光束，其中参考光束照射至全息记录材料90上，物光束经过第二半波片60和第三偏振分光棱镜70组成的光强调节组件后被分为两束，其中一束被光调制器件110调制后照射至全息记录材料90。两束相干光通过干涉曝光的方法在全息记录材料90中记录任意的折射率分布，形成特定功能的折射率调制器件。

图9为本发明实施例提供的第四种全息记录材料曝光过程的结构示意图，参考图9，激光器10发射相干光并经过扩束器20扩束后变为与全息记录材料90尺寸相同的平行光，平行光通过第一半波片40和第一偏振分光棱镜30组成的光强调节组件进行光强调节，经过第二偏振分光棱镜50起偏变为线偏振光后，照射在光调制器件110上，调制后的反射光形成调制的光强分布并照射在全息记录材料90上，直接形成折射率调制器件。

进一步的，图10为本发明实施例提供的第五种全息记录材料曝光过程的结构示意图，参考图10，可以在全息记录材料与光调制器件之间加入4f光学系统120，实现光调制器件表面光场分布到全息记录材料的传播。

示例性地，图11为本发明实施例提供的数字微镜器件的光强分布示意图，图12为本发明实施例提供的全息记录材料的相位调制幅度分布示意图，参考图11，光调制器件为数字微镜器件，数字微镜器件上每四个像素为一个单元，一个单元11中1、4号像素光强为0，2、3号像素光强为I，激光光源出射的光束经过准直与扩束后照射在光调制器件上，并经过光调制器件调制后照射在全息记录材料上，经过一段时间的曝光，可以在全息记录材料上形成如图12所示的折射率调制幅度分布，一个单元21中1、4号像素处对应相位调制幅度为π，2、3号像素对应相位调制幅度为0，则形成了可以对光进行二维衍射的折射率调制器件。

S430、将相位调制器件设置在激光显示设备的光路中，以实现对激光显示光源出射光线的相位调制。

其中，折射率调制器件设置在激光显示设备的出光面或屏幕上，对激光显示光源出射的光线进行相位调制，用于减弱激光显示的散斑效应，提高激光显示设备的成像质量。

本发明实施例提供的用于激光显示的激光相位调制方法，激光光源出射的光束进行扩束后，得到与全息记录材料尺寸相同的平行光，平行光经过偏振分光镜形成线偏振光，经过光强调节后，利用光调制器件调制后的光线形成调制的光强分布并照射在全息记录材料上，形成折射率调制器件。折射率调制器件对激光显示光源出射的光线进行相位调制，用于减弱激光显示的散斑效应，提高激光显示设备的成像质量。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。