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激光器发明以后,在过去的50年里激光显示技术得到了迅速的发展并在商业产品中释放了大量的市场,紧凑的激光系统,比如边沿发射二极管激光器、垂直腔表面发射激光器和光学泵浦半导体激光器都非常适合激光显示系统,由于激光广泛的颜色特性、高效率和耐用性久而被目前人们认为激光是投影显示中最理想的光源,可以用于背投投影电视和投影器。 如今,激光显示为作为新一代显示技术的代表,正在推动国际显示产业的变革。但由于其光源高度相干性而产生的激光散斑,严重影响了成像质量,降低了图像的分辨率和对比度。这个问题始终是限制激光显示技术进步和推广的关键因素之一。因此,对激光散斑以及各类散斑减弱方法的研究,具有十分重要的意义。 散斑现象阻碍了用于信息显示的激光器应用,在过去30年里人们发展了许多方法去减弱散斑,目前这些方法主要分两类: 1)用具有不同波长或宽连续波的激光器控制时间相干。 2)调整激光光束的空间相干或匀化空间特性,即通过在整个光束范围内产生无规相位调制达到减弱散斑效应的目的。 本研究发现,激光散斑场是非交叉光谱纯的,即激光散斑场的时间相干性和空间相干性是相关的,这与传统光场存在的本质区别。因此在激光显示的应用中,解决散斑问题,首先要解决激光散斑场的相关性。交叉光谱纯会带来时间相干性和空间相干性的分离,同时会使散斑对比度发生变化。本论文创新地提出采用动态衍射光学元件(DOE)破坏散斑场的时空相关性,从而从根本上解决散斑问题。 衍射光学元件(DOE)由于其具有微型光学组件能产生期望分布的灵活性,所以能广泛应用在相干光学,典型地,通过在透明基层上的一侧蚀刻高低起伏的表面,DOE可作为相位调制组件来实现其应有功能。应用DOE能够人为的动态控制变换光波场实现减弱散斑的目的。DOE元件同时兼有振幅调制和相位调制功能,然而纯相位型调制元件的使用不会引起光能被吸收而损失掉,从而有可能获得很高的衍射效率。另一方面,DOE通常要求相位分布取值是分等级量化的。 本文通过动态散斑强度时空交叉相关函数,当计算散斑横向尺寸大于波长时,可不考虑光波的偏振性,使用衍射标量理论能够合理的应用于衍射光学元件的设计上来满足要求。为了实现波前调制和消除时空相干性的目的,我们使用两个铌酸锂(LN)晶体透射光栅做往复反向运动实现散斑减弱,在夫琅禾费衍射条件下,我们分析了动态散斑场并对其进行模拟,以此建立散斑减弱的动态DOE模型,对激光投影显示中DOE散斑减弱对比度计算的进行了理论计算。使用ZEMAX仿真了基于光栅方向可变模型散斑减弱图样,并提出结合动态光栅频率使用具有两个光栅的DOE实验表明散斑被抑制了5096,这一仿真结果与理论分析一致,对DOE参数进行一些修正,根据理论散斑噪声被减弱到2%。 通过Labview平台,对有无DOE和上下运动散斑对比度进行测试,并给出了实验中的散斑图样分析,同时对DOE运动频率及两DOE光栅距离对散斑对比度减弱程度进一步标定,对其运动幅度与散斑尺寸大小进行了分析,发现DOE运动后散斑对比度达到2%以下并有了明显的改善,对未来进一步工作提供了基础。