履带式运动柔性衍射光学器件抑制激光散斑及其耐久性实验

段祥瑞， 费澳鑫， 卢智易， 彭宇浪， 乐孜纯*

（1.浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023；2.杭州谱育科技发展有限公司，浙江 杭州 311121）

1 引言

激光光源所具有的单色性、高能效、高亮度、大色域、长寿命等优点，使其成为许多科学和工业应用的理想光源，例如激光显示技术［1-4］、生物和医学成像［5-8］、激光雷达［9］等。特别是与近年来新兴高技术领域相关的应用，如与虚拟/增强现实相关的微型投影仪（pico-projectors）［1］；与数字诊疗相关的光学干涉层析术（Optical Coherence Tomography， OCT）以 及OCT血 管 显 影 术（OCT Angiography）［5-6］、大 视 场 荧 光 显 微 镜［7］；与高端测量装备相关的激光立体摄影测量术（Stereo Photogrammetry）［10］、合 成 孔 径 雷 达 等等。然而激光的相干性会使其在显示和成像的过程中形成激光散斑噪声［11］，进而使得图像的清晰度和分辨率下降。对于显示技术而言，激光散斑会造成观看者的视觉疲劳；对于成像技术而言，激光散斑会引起的医学诊疗准确度下降、测量装备精度下降，是激光显示和成像仪器性能劣化的最主要因素，因此激光散斑抑制是相关科学和工业应用领域亟待解决的共性关键技术问题。

鉴于激光的相干性是激光散斑产生的原因，抑制激光散斑的技术方法，一般都从降低激光的相干性出发，国内外研究者已经开展了比较多的相关研究。国内研究得比较多是中北大学陈旭远研究组［12-14］和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所杨怀江研究组［2，15］，另外浙江大学［16］、国立台北科技大学［17-18］、西安交通大学［19］、山西大学［20］、北京航空航天大学［21］、浙江工业大学［3，22-23］等单位都有相关研究报道，研究工作主要侧重在角度分集、衍射光学器件及其在系统中的运动方式，近年来也开展了一些基于电活性聚合物器件方面的研究工作。国际上，德国的研究者最早提出了采用衍射光学器件（Diffractive Optical Elements， DOE）抑制激光散斑［24］；挪威Vestfold大学TKT Tran研究组对抑制激光散斑的器件和系统技术开展了很多研究［25-26］；乌克兰国家科学院的Lapchuk研究组进一步发展了基于DOE的激光散斑抑制技术，开展了深入系统的理论和实验研究［27-30］。另外美国、加拿大、土耳其的一些大学，日本、韩国的一些企业也开展了一些与激光散斑抑制技术实用化相关的研究工作［31-36］。此外，比利时布鲁塞尔自由大学S Roelandt研究组从认知心理学角度，研究了散斑对激光显示技术的影响及其主观评价问题［37］。

总结上述国内外已见于报道的激光散斑抑制方法，主要可分为降低激光的空间相干性和降低激光的时间相干性两类。在空间维度，通过采用波长分集、角度分集、偏振分集来产生不相干的散斑模式，以降低激光的空间相干性。具体而言，波长分集可采用宽带激光器、阵列激光器、随机激 光器、混 沌激光器等［21，32，38］来破 坏激光的 单色性，进而降低相干性；角度分集通过使用衍射光学器件、多模光纤、光导管、光纤束等［1，13，16］来改变光束的入射角，增大光学扩展量；偏振分集利用光学器件改变偏振特性来降低相干性［4］。虽然上述方法均可以一定程度地降低激光散斑对比度，但却使色域变窄、能效降低、亮度降低，且大幅度增加了系统的复杂度和成本。在时间维度，可以通过在光路中放置运动的散射体形成随时间变化的散斑模式，这些随时间变化的散斑模式在人眼或成像系统的积分时间内的平均，能有效降低激光的时间相干性。见于报道的运动散射体有依赖机械运动（包括振动、步进和旋转）的衍射光学器件［24-25，27-30］、动态变形镜［26］，或不依赖机械运动的电活性聚合物器件［17-18，20］。其中依赖于机械运动的运动散射体抑制散斑的主要缺点是使得激光显示或成像系统机构复杂、尺寸庞大、运动冲击损伤明显、成本高、功耗高等。而基于电学控制的运动散射体，虽然近年来随着材料学的发展有了长足进步，但目前见于报道的液晶、悬浮物浑浊体等响应时间都太长，散斑抑制效果不够理想。

在实际的激光显示或成像系统中进行激光散斑抑制，降低散斑对比度的同时，低功耗、高能效、小型化是必然的发展趋势。激光散斑抑制系统的低功耗和小型化主要取决于系统光路中散射体的运动方式。基于新材料（比如电活性聚合物材料）的散射体虽然避免了机械运动，但其散斑对比度，以及对散射体状态的控制精度、控制机构的复杂度和鲁棒性还远不能满足要求，尚需长足发展，因此技术突破最有希望在改进DOE等散射体的机械运动方式上实现。国内外的研究者们尝试了散射体的多种机械运动方式（包括步进方式、振动方式和旋转方式）［15，24，27-29］，但都有各自的缺点，如旋转散射体的散射面利用率低；步进方式存在运动死点，影响散斑模式的叠加；振动方式能耗高，且对系统的机械冲击大，特别是当散射体尺寸和重量比较大时，上述缺点更加明显。本文提出了一种在整个可见光范围内对激光散斑都能够起到有效抑制作用，且能够满足小型化、低功耗要求的新的技术方案［22-23］，提出并研制了基于光学热塑性材料的柔性DOE器件，并将其首尾相连熔接成DOE环。柔性DOE环的衍射光学结构由几个不同倾斜角的一维DOE组成，每个一维DOE的结构都基于二进制伪随机序列编码、且除了相对于DOE环长边的倾斜角外具有相同的DOE结构尺寸。激光束照射到DOE环上并透过重叠的双面一维DOE，利用电机驱动DOE环进行单方向的履带式运动，进而使重叠的双面一维DOE相对运动并形成动态的二维DOE结构。基于上述柔性DOE环履带式运动的散斑抑制方案，本文把红绿蓝三色光的散斑对比度都降低至5%以下，并且凭借柔性DOE环薄膜质量轻、尺寸小和运动方式简单的特点实现了散斑抑制系统小型化和低功耗的效果。由于在实际的应用中，柔性DOE环不仅是一个运动的器件，且DOE器件与电机驱动的转轴直接接触，因此柔性DOE环的耐久性显得尤为重要。本文围绕柔性DOE环的耐久性进行了深入系统的实验研究，并对实验结果进行了分析讨论。实验验证了聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）两种材料柔性DOE器件在长期实际使用中都具有良好的耐久性，实验结果表明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环的散斑抑制方法

2.1 工作原理

图1为柔性DOE环的示意图，由具有接近45°倾斜角的3个一维DOE组成，每个一维DOE具有不同倾斜角。一维DOE结构具有宽度为T，周期为T0=NT的N个基本单元（图1（c））。一维DOE的结构高度h提供相应波长激光光束的波前半波长偏移。将如图1（a）所示包含3个一维DOE结构的柔性DOE器件首尾相连熔接，制成柔性DOE环。由于柔性DOE环的履带式运动（图1（b））使不同的一维DOE结构重叠，由此实现了动态二维DOE结构，并因此实现了二维激光散斑抑制效果。

图1 履带式运动柔性DOE环的示意图Fig.1 Diagram of a flexible DOE loop with tracked motion

图2为基于柔性DOE环的微型投影仪光学系统。来自红绿蓝3个激光器的光被单独准直并通过二向色光束组合器组合成一个光束，再经过扩束和准直，照射在柔性DOE环上。柔性DOE环套在两个旋转轴上，其中一个作为主轴，固定并连接到微型电机，另一个旋转轴不固定，可沿狭缝导轨移动并连接弹簧，靠弹簧拉力保证柔性DOE环处于平整拉伸状态。柔性DOE环上的衍射光学结构位于向外的表面上。从柔性DOE环出射的激光束通过空间光学调制器（SLM）后照射到投影透镜上，最后投影透镜将获得的图像投影到屏幕上。本文侧重在实验研究柔性DOE环在弹簧长期拉伸以及由主轴带动的旋转状态下的耐久性能，因此图2中的光学系统可以简化，即选择使用单色激光来代替组合激光束进行实验。

图2 基于柔性DOE环的微型投影仪光学系统示意图Fig.2 Diagram of optical system of a micro projector based on flexible DOE loop

图3显示了由旋转主轴驱动的柔性DOE环履带式运动而导致的环上前后两面一维DOE结构的重叠。该重叠随着履带式运动复合形成了动态的二维DOE结构。依据本文的散斑抑制方法，两两重叠的一维DOE结构之间的倾斜角不同，因而巧妙地实现了如下效果：尽管履带式运动是单方向的（即沿着X轴运动），两两重叠的一维DOE结构之间的倾斜角差异，使得所形成的动态二维DOE结构具有沿Y轴的位移。由此形成的DOE的二维运动也展示出了更好的散斑抑制效果［23］。前期研究表明：动态二维DOE结构的最佳角度可以表示为sinθ≈( 2T0)/(2 2NT0)=12N，而当两个相邻DOE结构之间的倾斜角度差异接近Δφ=θ/(n-1)时，散斑抑制效果最佳，对于实验中使用的DOE，Δφ的最佳值在0.46°附近。考虑到其他参数的优化，如为了进一步降低DOE履带式运动速度，在实验中使用的柔性DOE环中的相邻一维DOE结构的倾角差设计为0.6°。此外，由于柔性DOE环在使用中需要保持在弹簧拉伸的状态下，不免会产生形变，长期拉伸的作用也会使得二维DOE结构的倾角角度差进一步扩大。在接下来的耐久性实验中，探究了长期拉伸对倾角角度差的影响以及倾角角度差的变化对散斑抑制率的影响。

图3 履带式运动过程中形成的动态二维DOE结构示意图Fig.3 Dynamic two-dimensional DOE structure diagram caused by the tracked motion

2.2 柔性DOE环的制备

柔性DOE环作为光学器件，其材料的选择主要考虑折射率和光透过率。另外，因为制备在柔性薄膜上，其基于热压工艺的机械加工性能也是材料选择的考虑因素。本文选择了几种光学性能符合要求的热塑性材料（包括PVC，PP和PET）进行了制备实验，其中PET材料较难从金属Ni模板上剥离，实际制成了PVC和PP材料的柔性DOE器件，并用于后续的耐久性实验中。

整个制备过程为：

（1）根据DOE设计参数制备用于热压的金属Ni模板。

首先使用光致抗蚀剂光刻来制造原始DOE结构，然后在原始DOE结构表面涂敷10 nm厚的金属Ag薄膜，接着将导电基底在Ni浴中电镀成型，制成用于热压的金属Ni模板，如图4（a）所示；

（2）利用金属Ni模板，采用热压技术制成PVC和PP材料柔性DOE器件。

图4（b）所示是热压实验中使用的设备，通过大量实验，摸索出热压工艺条件，包括压力、温度、保压时间、脱模温度等。实验中的聚合物材料为聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）；

（3）自制机械部件制备柔性DOE环。

图4（c）所示是为了将柔性DOE器件制成DOE环而自制的机械部件，将柔性DOE器件需要熔接的两端用机械部件固定，然后加热熔接或者采用折射率匹配的胶水进行粘接。

图4 柔性DOE环制作示意图Fig.4 Diagram of fabricating a flexible DOE loop

3 柔性DOE环的耐久性实验

针对制备的PVC材料和PP材料的柔性DOE环都进行了为期一个月的连续实验。针对PVC材料柔性DOE环的实验在后文中统称为实验1；相应地，针对PP材料柔性DOE环的实验统称为实验2。实验1和实验2中，都将制成的柔性DOE环分为2个组，组1为对照组，组2为实验组。利用图2所示的光学系统，采用单色激光束，每天分别采集对照组和实验组的散斑图像，并根据采集的散斑图像分析得出其散斑对比度值。对照组和实验组的区别在于：每天实验结束后，将对照组（组1）的柔性DOE环从履带式运动装置上取下保存，而实验组（组2）的柔性DOE环在为期一个月的实验中一直固定在履带式运动装置上，并保持由弹簧牵引而拉伸的状态。在实际应用中，柔性DOE环必须在微型投影仪中长期保持拉伸状态，而长期拉伸会使不同材料产生不同程度的形变，设计该实验的目的就是通过实验来检验长期拉伸导致柔性DOE环的形变对其性能的影响情况。在每天实验前后，各测量一次实验组（组2）柔性DOE环的长度。同时，每天实验中记录散斑图像并分析得出散斑对比度值。为了测量散斑对比度，在图2的光学系统中配置连接计算机的照相机。照相机采集屏幕上的散斑图像后，使用imageJ图像处理软件分析得出其散斑对比度值。

在实验1中，采用PVC材料制作的柔性DOE环，波长为450 nm的蓝色激光器，并在相对较慢的3个运动速度（v1=20.45 mm/s，v2=16.22 mm/s，v3=14.10 mm/s）下进行实验；在实验2中，采用PP材料制作的柔性DOE环，波长为638 nm的红色激光器，并在相对较快的3个运动速 度（v4=64.34 mm/s，v5=51.82 mm/s，v6=46.53 mm/s）下进行实验。在前期研究中发现只要柔性DOE环运动速度超过临界速度，其对散斑抑制效果的影响就会变得很小。本文实验中选取的所有运动速度均超过上述临界速度，主要目的是为了减少运动速度对实验结果的影响。在每一个速度值下采集10张图像，选用其中的5张光斑较为均匀明亮的图像，并在每张图像的左、中、右位置各测量一次散斑对比度，计算平均值得到该柔性DOE环在该速度下的散斑对比度值。

此外，为了验证柔性DOE环在红绿蓝三色激光下均能将散斑对比度降低到5%以下，也实验测量了PVC材料制作的柔性DOE环对绿光（波长为520 nm）的散斑对比度值。当运动速度为82.5 nm/s时，照相机采集绿光的散斑图像，并使用imageJ图像处理软件分析得出其散斑对比度值为3.75%，如图5所示。

图5 实验测得的散斑图像和光强分布图像Fig.5 Speckle image of spot and light intensity distribution

4 实验结果和讨论

4.1 实验1结果分析和讨论

图6给出了在不同运动速度下，PVC材料柔性DOE环对照组（组1）和实验组（组2）在一个月中的散斑对比度变化情况。从图6可以看出，在一个月的耐久性实验中，不同运动速度下测量得到的光斑图像的散斑对比度始终保持在3%～6%之间、且两组的散斑对比度值变化都不大。其变化呈随机特性且非常小，基本可以判断是由数据采集过程的误差造成的。一个月的持续拉伸对于柔性DOE环的散斑抑制效果基本没有影响。

图6 实验1不同运动速度下对照组（组1）与实验组（组2）的散斑对比度折线图Fig.6 Speckle contrasts of control group （group 1） and experimental group （group 2） at different motion speeds in Experiment 1

图7给出了实验1中实验组（组2）的柔性DOE环的拉伸长度随时间的变化图。图中数值较高的点都是在每日实验进行前测量得到的，较低的点都是在每日实验结束后得到的。在一天实验结束后到第二天实验进行前，实验组的柔性DOE环一直保持拉伸状态。随着实验天数的增加，DOE环的拉伸长度呈现缓慢上升、且变化呈现速度越来越慢的趋势。

图7 实验1中每日DOE长度变化折线图Fig.7 Line chart of daily DOE length change in Experiment 1

图8是实验1进行到最后一周时采集到的对照组（组1）与实验组（组2）的光斑图像。观察对比图8中的两张图像，可以明显看到DOE的宽度边界。在DOE的覆盖范围内，可以发现激光的散斑被有效地抑制了，同时可以看到两张图片中的散斑覆盖范围有明显差别。长期保持拉伸的组2的柔性DOE环，其有效宽度相比组1要小。随着弹簧拉伸导致的DOE环缓慢变长，其有效宽度在缓慢地变小。在实验最初的两周中，肉眼无法观察到两组柔性DOE环有效宽度的差别，当实验进行到后半程，这个现象显现出来。DOE环的有效宽度虽然变化得非常缓慢，但确实出现了一定程度的缩小。同时，由于DOE环长度的拉伸，以及有效宽度缩小的共同作用，动态二维DOE结构的角度θ也发生了变化。进而，相互重叠的两个一维DOE倾角差Δφ逐渐变大，逐渐偏离最佳的理论值。

图8 实验1对照组（组1）与实验组（组2）的光斑图像Fig.8 Speckle images of control group （group 1） and experimental group （group 2） in Experiment 1

在实验1进行到第23天时，组2柔性DOE环的粘连处出现了细微破损，大小接近粘连截面的1/6，但破损的出现并没有影响实验组（组2）DOE环的散斑抑制效果，只是对组2的柔性DOE环的运动稳定性产生了一定影响，表现为组2的DOE环容易在转轴上发生上下移动。

4.2 实验2结果分析和讨论

图9给出了在不同速度下，PP材料柔性DOE环对照组（组1）和实验组（组2）在一个月中的散斑对比度变化情况。对比实验1的散斑对比度测量结果，实验2的两组柔性DOE环，在不同运动速度下光斑图像的散斑对比度始终保持在3%～4%之间，实验2获得了更好的实验结果。实验2的对照组（组1）的实验结果在大多数时间里要比实验组（组2）的结果更好，且实验2的散斑抑制效果整体比实验1好。可以认为实验2取得了比实验1更好效果的原因主要有：一是PP材料的机械加工性能比PVC材料好，更适合用于制作柔性DOE器件；另一点是随着实验经验的增加，数据采集过程中人为操作所带来的误差变得相对更小。

图9 实验2不同运动速度下对照组（组1）与实验组（组2）的散斑对比度折线图Fig.9 Speckle contrasts of control group （group 1） and experimental group （group 2） at different motion speeds in Experiment 2

图10给出了实验2中实验组（组2）柔性DOE环的拉伸长度随时间的变化图。图中高低交替的点分别为每日实验前与实验结束后的DOE环拉伸长度记录。在实验2中，每日实验组（组2）长期保持拉伸的柔性DOE环会在对照组（组1）进行实验前被取下，在对照组（组1）实验结束后重新放回机械装置上保持拉伸状态并测量其长度。每次取下再放回的过程，都会使实验组（组2）柔性DOE环的长度出现极小幅度的缩短，因此DOE环的长度变化呈现出波动的状态。由于对DOE环进行长度测量是要在弹簧牵引而拉伸的状态下进行的，所以难以避免地会产生测量误差。但仍然可以发现，在第一天的拉伸作用后，柔性DOE环有0.2 mm左右的拉伸变长。而之后的一个月的实验时间里，拉伸长度基本上没有变化，甚至实验2没有如实验1中出现的整体缓慢拉长的趋势。这表明PP材料抗拉伸性能优异，在长度保持稳定之后，一个月时间的拉伸也没有让DOE环长度发生可测量到的变化。

图10 实验2中每日DOE长度变化折线图Fig.10 Line chart of daily DOE length change in Experiment 2

从实验1和实验2的结果可以看出，研制的PVC和PP材料柔性DOE环总体上具有良好的耐久性，在长期拉伸的状态下，依然能够保持良好的散斑抑制效果。虽然由于长期拉伸的影响，倾斜角会略微偏离最佳值，但根据之前的研究，目前这种程度的倾斜角变化不会带来大的影响，实验中柔性DOE环的散斑抑制效果并没有明显劣化也印证了这一点。并且实验中弹簧拉伸造成的柔性DOE环长度变化越来越缓慢，使得倾斜角差的变化更加缓慢，其影响程度很有限。可以认为，倾斜角差变化带来的影响甚至小于测量误差带来的影响，对微型投影仪图像质量的影响几乎可以忽略。

在实验1中，柔性DOE环的有效宽度的变窄导致柔性DOE环无法覆盖整个激光光斑。此后，增大了DOE的有效宽度设计值，比如研制的用于实验2的PP材料柔性DOE环，能够保证长期覆盖整个激光光斑。后续将综合考虑激光光源和微型投影仪两者对柔性DOE环尺寸的要求，优化柔性DOE环的结构和工艺参数，并拟改进履带式运动机械装置，在旋转轴上下添加两个限位机构，限制柔性DOE环的纵向移动，使得柔性DOE环的运动更加平稳，进而获得更稳定的散斑抑制效果。

实验1中使用的PVC材料柔性DOE环虽然在长期拉伸中出现了破损，但破损只是出现在了粘连处，柔性DOE环本身的质量没有问题。在实验2中更换了新的柔性材料PP并改进了DOE环连接工艺，得到了更好的实验结果。一个月的实验中，实验2柔性DOE环没有出现任何破损，且散斑对比度的波动幅度比实验1更小。PP材料在拉伸下的形变程度也更小，基本长期保持稳定，没有出现柔性DOE环长度波动逐渐上升的趋势。这样的性能能够保证柔性DOE环在微型投影仪中长期稳定工作而不需要更换。虽然PVC和PP两种材料柔性DOE环都获得了不错的散斑抑制效果，但相比较而言，PP材料制作的柔性DOE环机械和光学性能更好。

5 结论

本文实验结果验证了柔性DOE环在激光散斑抑制上的有效性和耐久性。提出的具有接近45°倾斜角的3个一维DOE结构通过环形粘连组成的柔性DOE环，能够通过优化DOE的结构参数和运动参数将红绿蓝三色光的散斑对比度抑制到5%以内，符合激光投影显示的要求。基于柔性光学器件和履带式运动的散斑抑制装置具有尺寸小、功耗低、简单高效的优点，非常适合应用于微型投影仪。本文研发的柔性DOE环的制造工艺（即首先利用光刻技术和电铸工艺制造金属模板、再通过热压工艺制造柔性DOE器件并弯折连接成环）可廉价批量制作。研制的柔性DOE器件，特别是PP材料柔性DOE器件具备良好的耐久性能。后续研究中，拟对柔性DOE环材料、尺寸与结构进行进一步优化，也拟进一步改进DOE运动部件以提高其运动控制精度，以期获得更好的散斑抑制效果和耐久性能。