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申请/专利权人：浙江工业大学

摘要：一种基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，包括带有衍射光学微结构的柔性薄膜和同步带轮立柱，所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜包括柔性变角度阵列衍射光学微结构和传动段，所述传动段与所述柔性变角度阵列衍射光学微结构联动，所述传动段为具有梯形齿或弧齿的单面同步带结构，所述传动段套在左右两个所述同步带轮立柱上，所述传动段与所述同步带轮立柱啮合，其中一个同步带轮立柱与用于带动同步带轮旋转的驱动装置连接，另外一个同步带轮立柱安装在机架上。本发明提高传动效率、减少旋转立柱对薄膜的磨损、提高系统的稳定性、延长带有衍射光学微结构的柔性薄膜的使用寿命、改善激光散斑抑制效果的基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置。

主权项：1.一种基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，其特征在于：所述装置包括带有衍射光学微结构的柔性薄膜和同步带轮立柱，所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜包括柔性变角度阵列衍射光学微结构和传动段，所述传动段与所述柔性变角度阵列衍射光学微结构联动，所述传动段为具有梯形齿或弧齿的单面同步带结构，所述传动段套在左右两个所述同步带轮立柱上，所述传动段与所述同步带轮立柱啮合，其中一个同步带轮立柱与用于带动同步带轮旋转的驱动装置连接，另外一个同步带轮立柱安装在机架上；将柔性薄膜材料分为上、中、下三段，中间透明的一段制作柔性变角度阵列衍射光学微结构，上段和下段为具有梯形齿或弧齿的单面同步带结构，作为传动机构的一部分，所述的柔性薄膜材料以同步带结构向内的方向首尾相连，套在两根由电机驱动旋转的同步带立柱上组成单向循环的运动结构；所述柔性薄膜材料的三段结构是同一种薄膜材料划分成三个区域分别加工制成，或者是相同长度的不同薄膜材料分别制造衍射光学段和传动段再连接制成，所述三段结构连接和薄膜首尾相连的方式均不改变光学薄膜的透明、柔性可弯折的特性；所述薄膜材料的厚度在0.05毫米至0.5毫米范围；薄膜上的同步带结构为具有梯形齿或弧齿的传动结构，齿距和齿的深度应与齿轮立柱适配，齿距在0.1毫米至2毫米范围，齿的深度在0.1毫米至1毫米范围。

全文数据：基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置技术领域本发明属于激光显示投影领域，尤其涉及使用衍射光学器件进行激光散班抑制的适配运动装置。背景技术随着激光、通信与计算机技术的发展，人类进入了信息时代。激光光源由于其亮度高、耗能低、方向性好等特性，正成为诸多领域的首选光源。但由于激光的高相干性，当其在粗糙表面反射或透射时，不可避免地会在散射体表面产生一种无规则分布的斑点，我们称之为散斑。散斑的存在降低了图像质量，限制了其在显示成像等领域的应用。因此，研究激光散斑的抑制技术和器件十分重要。在已有的研究中，解决散斑造成的成像缺陷的方式有以下几类型：1在空间维度上改变光源的入射角、波长或偏振态等参数，破坏激光的相干性；2在光路中添加快速变化的散射片，在时间维度上抑制散斑；3使用宽带激光器。其中最常用的方法是基于运动的衍射光学器件，包括周期性光栅结构，基于伪随机编码、M序列编码、Barker码、Hadamard矩阵的微光学结构等等；同时，为了形成动态变化的衍射光场的叠加，需要对衍射光学器件进行震动、线性位移、旋转运动等机械运动方式。已有技术基于履带式运动的散斑抑制技术专利号：201710998312.X，是与本发明最接近的已有技术。其使用带有衍射光学微结构的柔性薄膜首尾相连套在两根立柱上形成履带式运动结构。我们发现这种运动结构在长期使用时会出现薄膜打滑，光学结构磨损、变形、位移等问题，降低衍射光学微结构的精确性和柔性薄膜的使用寿命，且使用便利性差，并进而影响激光散斑的抑制效果。因此亟须对器件的传动结构进行改进，提高传动效率，减少旋转立柱对薄膜的磨损，提高系统的稳定性，延长带有衍射光学微结构的柔性薄膜的使用寿命，改善激光散斑抑制效果。发明内容为了克服已有基于履带式运动的散斑抑制方式的传动效率较低、磨损较大、稳定性较低、激光散斑抑制效果较差的不足，本发明提供一种提高传动效率、减少旋转立柱对薄膜的磨损、提高系统的稳定性、延长带有衍射光学微结构的柔性薄膜的使用寿命、改善激光散斑抑制效果的基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，包括带有衍射光学微结构的柔性薄膜和同步带轮立柱，所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜包括柔性变角度阵列衍射光学微结构和传动段，所述传动段与所述柔性变角度阵列衍射光学微结构联动，所述传动段为具有梯形齿或弧齿的单面同步带结构，所述传动段套在左右两个所述同步带轮立柱上，所述传动段与所述同步带轮立柱啮合，其中一个同步带轮立柱与用于带动同步带轮旋转的驱动装置连接，另外一个同步带轮立柱安装在机架上。进一步，将柔性薄膜材料分为上、中、下三段，中间透明的一段制作柔性变角度阵列衍射光学微结构，上段和下段为具有梯形齿或弧齿的单面同步带结构，作为传动机构的一部分，所述的柔性薄膜材料以同步带结构向内的方向首尾相连，套在两根由电机驱动旋转的同步带立柱上组成单向循环的运动结构。这是优选的一种方案，实现了所述传动段与所述柔性变角度阵列衍射光学微结构的联动。再进一步，所述柔性薄膜材料的三段结构是同一种薄膜材料划分成三个区域分别加工制成，或者是相同长度的不同薄膜材料分别制造衍射光学段和传动段再连接制成。所述三段结构连接和薄膜首尾相连的方式均不改变光学薄膜的透明、柔性可弯折的特性。更进一步，所述薄膜材料的厚度在0.05毫米至0.5毫米范围；薄膜上的同步带结构为具有梯形齿或弧齿的传动结构，齿距和齿的深度应与齿轮立柱适配，齿距在0.1毫米至2毫米范围，齿的深度在0.1毫米至1毫米范围。所述同步带轮立柱为一体结构，对应所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜被划分为上中下三段，同步带轮立柱带动所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜的上中下三段一起同速转动；所述同步带轮立柱上中下三段尺寸的划分与所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜材料相适配；所述同步带轮立柱中间一段的直径小于上下两段。一个同步带轮立柱通过弹簧与机架相连，另一个同步带轮立柱与电机相连。所述同步带轮立柱的上段结构之上和下段结构之下分别设置止动件。所述止动件是与同步带轮立柱同轴但直径较大的圆柱型结构，所述立柱下段结构之下的止动件为固定件，所述立柱上段结构之上的止动件为活动件，通过螺纹结构与同步带轮立柱连接。本发明的技术构思为：通过带有衍射光学微结构的柔性薄膜材料的履带式运动，产生动态变化的衍射光学结构，改变激光光束的相位分布，破坏激光的空间相干性，达到抑制散斑的效果。进一步地，一种基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，采用带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力，传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比。同时，拉伸柔性薄膜材料的力保持恒定，避免了衍射光学结构的形变。同步带轮立柱上下两端的止动结构限制了柔性薄膜材料在履带运动过程中的上下移动。更进一步，带有衍射光学微结构的柔性薄膜被上下段齿状同步带带动旋转而没有直接接触立柱，消除了运动装置对衍射光学微结构的磨损。本发明的有益效果主要表现在：1采用带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力，消除了立柱对衍射光学微结构的磨损，延长了带有衍射光学微结构的柔性薄膜的使用寿命。2带齿转动有恒定的传动比，柔性薄膜材料不会出现打滑，系统稳定性好。3维护保养方便，不需润滑，维护成本低。4传动段同步带材料有一定韧性且不易被拉长，在系统运动的过程中可以减少抖动，提高稳定性。5方便现有履带式运动装置的升级改装。附图说明图1是使用本发明实现激光散斑抑制的系统示意图，其中，1是激光器；2是平凸透镜；3是光阑；4是本发明一种基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置；5是成像透镜；6是投影屏幕；7是CCD相机及其计算机处理系统。图2是本发明一种基于衍射光学元件的散斑抑制的运动装置的示意图，其中，21是与电机相连的立柱；22是与弹簧相连的立柱，23是柔性薄膜，24是连接电机的齿轮，25是两根用于拉紧柔性薄膜的弹簧，26是控制本发明一种基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置的电学控制模块；27是激光照射光斑。弧形箭头表示电机带动下立柱的旋转。图3是本发明柔性薄膜结构示意图。其中，31是同步带，32是衍射光学微结构，T0为齿距，T1为齿深，H为薄膜厚度，T为光学微结构最小单元宽度。a正视图，b衍射光学结构细节图，c同步带细节图。图4是本发明的同步带轮立柱示意图。其中，41是同步带轮，42是止动结构，43是同步带齿结构。a正视图，b俯视剖面图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述。参照图1～图4，一种基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，包括带有衍射光学微结构的柔性薄膜和同步带轮立柱；所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜：将柔性薄膜材料分为上、中、下三段。中间透明的一段制作柔性变角度阵列衍射光学微结构以实现激光散斑抑制功能。上段和下段为具有梯形齿或弧齿的单面同步带结构，作为传动机构的一部分。所述的柔性薄膜材料以同步带结构向内的方向首尾相连，套在两根由电机驱动旋转的同步带立柱上组成单向循环的运动结构。所述柔性薄膜材料的三段结构可以是同一种薄膜材料划分成三个区域分别加工制成，也可以是相同长度的不同薄膜材料分别制造衍射光学段和传动段再连接制成。所述三段结构连接和薄膜首尾相连的方式均不改变光学薄膜的透明、柔性可弯折的特性。进一步地，所描述薄膜材料上的衍射光学微结构为一系列沟壑微结构。所述微结构的深度应满足半波长漂移的条件。根据光学材料的折射率与工作波长的不同，深度在250纳米至500纳米范围。所述衍射光学微结构可以是基于伪随机序列的光学微结构、基于M序列的光学微结构、基于Barker码的光学微结构等。所述衍射光学微结构的覆盖面积应大于激光光束的光斑尺寸。所述的衍射光学段的薄膜材料应是具有良好光学特性的柔性材料，透光性好。为了使得履带式运动时前后两片薄膜之间的距离尽量小，薄膜材料的厚度在0.05毫米至0.5毫米范围。再进一步，薄膜上的同步带结构为具有梯形齿或弧齿的传动结构。齿距和齿的深度应与齿轮立柱适配，齿距在0.1毫米至2毫米范围。同时为了保证履带式运动时前后两片薄膜距离小且稳定，齿的深度在0.1毫米至1毫米范围。更进一步，所述传动段的薄膜材料为胡克系数小、不易拉伸变形的柔性材料，以钢丝绳或玻璃纤维等材料为强力层，并覆盖聚氨酯或氯丁橡胶，厚度在0.15毫米至1毫米范围。所述同步带轮立柱：同步带轮立柱结构为一体结构，对应所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜被划分为上中下三段。同步带轮立柱带动所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜的上中下三段一起同速转动。所述同步带轮立柱上中下三段尺寸的划分与所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜材料相适配。所述同步带轮立柱中间一段的直径小于上下两段。所述同步带轮立柱包括两根，其机械结构相同，其中一根同步带轮立柱与弹簧相连，另一根同步带轮立柱与电机相连。所述与弹簧相连的同步带轮立柱为被动运动方式，所述与电机相连的同步带轮立柱为主动运动方式。所述弹簧与立柱相连仅作为拉紧柔性薄膜材料的功能，并不影响立柱的转动。所述同步带轮立柱结构的上下两段为传动段，带有与柔性薄膜材料上相匹配的梯形齿或弧形齿，并通过齿轮传动方式带动柔性薄膜材料进行履带式运动。所述同步带轮立柱的上段结构之上和下段结构之下分别设置止动件。所述止动件是与同步带轮立柱同轴但直径略大的圆柱型结构。所述立柱下段结构之下的止动件为固定件，所述立柱上段结构之上的止动件为活动件，通过螺纹结构与同步带轮立柱连接。参照图2，应用于激光散斑抑制的运动装置的示意图，包括与电机相连和与弹簧相连的同步带轮立柱，柔性薄膜，拉紧弹簧，控制本发明柔性变角度阵列衍射光学器件运动的电学控制模块。激光器射出的激光光束通过所述调制透镜组件进行扩束、整形和校准，正入射到本发明一种基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置上，所述的光学薄膜安装在由步进电机驱动的同步带轮传送装置上运动。所述投影屏幕记录激光投影成像并直接进行目视观察。所述CCD相机记录投影屏幕上的激光投影成像并输入计算机进行后续数据处理。在使用前需将连接弹簧的立柱向中间靠拢，将光学薄膜套在两根立柱上。保证薄膜同步带与同步带轮上的齿正确啮合后，再分开立柱保证柔性薄膜是拉紧的。调整激光入射在该装置的位置，保证激光光斑处在柔性薄膜上的衍射光学结构范围内。驱动电机带动同步带轮转动时，通过同步带上的齿与同步带轮上的齿槽相啮合来传递动力。同步带带动衍射光学结构一同运动，因此前后两层衍射光学微结构以相同的运动速度、向相反方向运动，使原本的一维衍射光学微结构叠加成了二维衍射光学微结构，同时二维衍射光学微结构还具有动态变化的特性。所述的衍射光学微结构可以是基于伪随机序列的光学微结构、基于M序列的光学微结构或基于Barker码的光学微结构，微结构与底边的夹角接近45°。所述运动的衍射光学结构在人眼或CCD相机的曝光时间内改变了衍射级数的相位，进而破坏了激光束的空间相干性，从而达到了散斑抑制的效果。

权利要求：1.一种基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，其特征在于：所述装置包括带有衍射光学微结构的柔性薄膜和同步带轮立柱，所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜包括柔性变角度阵列衍射光学微结构和传动段，所述传动段与所述柔性变角度阵列衍射光学微结构联动，所述传动段为具有梯形齿或弧齿的单面同步带结构，所述传动段套在左右两个所述同步带轮立柱上，所述传动段与所述同步带轮立柱啮合，其中一个同步带轮立柱与用于带动同步带轮旋转的驱动装置连接，另外一个同步带轮立柱安装在机架上。2.如权利要求1所述的基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，其特征在于：将柔性薄膜材料分为上、中、下三段，中间透明的一段制作柔性变角度阵列衍射光学微结构，上段和下段为具有梯形齿或弧齿的单面同步带结构，作为传动机构的一部分，所述的柔性薄膜材料以同步带结构向内的方向首尾相连，套在两根由电机驱动旋转的同步带立柱上组成单向循环的运动结构。3.如权利要求2所述的基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，其特征在于：所述柔性薄膜材料的三段结构是同一种薄膜材料划分成三个区域分别加工制成，或者是相同长度的不同薄膜材料分别制造衍射光学段和传动段再连接制成，所述三段结构连接和薄膜首尾相连的方式均不改变光学薄膜的透明、柔性可弯折的特性。4.如权利要求3所述的基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，其特征在于：所述薄膜材料的厚度在0.05毫米至0.5毫米范围；薄膜上的同步带结构为具有梯形齿或弧齿的传动结构，齿距和齿的深度应与齿轮立柱适配，齿距在0.1毫米至2毫米范围，齿的深度在0.1毫米至1毫米范围。5.如权利要求2～4之一所述的基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，其特征在于：所述同步带轮立柱为一体结构，对应所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜被划分为上中下三段，同步带轮立柱带动所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜的上中下三段一起同速转动；所述同步带轮立柱上中下三段尺寸的划分与所述带有衍射光学微结构的柔性薄膜材料相适配；所述同步带轮立柱中间一段的直径小于上下两段。6.如权利要求5所述的基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，其特征在于：一个同步带轮立柱通过弹簧与机架相连，另一个同步带轮立柱与电机相连。7.如权利要求5所述的基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，其特征在于：所述同步带轮立柱的上段结构之上和下段结构之下分别设置止动件。8.如权利要求7所述的基于衍射光学元件的散斑抑制运动装置，其特征在于：所述止动件是与同步带轮立柱同轴但直径较大的圆柱型结构，所述立柱下段结构之下的止动件为固定件，所述立柱上段结构之上的止动件为活动件，通过螺纹结构与同步带轮立柱连接。

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