履帶式運(yùn)動柔性衍射光學(xué)器件抑制激光散斑及其耐久性實驗

段祥瑞， 費澳鑫， 盧智易， 彭宇浪， 樂孜純*

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.杭州譜育科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311121）

1 引言

激光光源所具有的單色性、高能效、高亮度、大色域、長壽命等優(yōu)點，使其成為許多科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用的理想光源，例如激光顯示技術(shù)［1-4］、生物和醫(yī)學(xué)成像［5-8］、激光雷達(dá)［9］等。特別是與近年來新興高技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的應(yīng)用，如與虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實相關(guān)的微型投影儀（pico-projectors）［1］；與數(shù)字診療相關(guān)的光學(xué)干涉層析術(shù)（Optical Coherence Tomography， OCT）以 及OCT血 管 顯 影 術(shù)（OCT Angiography）［5-6］、大 視 場 熒 光 顯 微 鏡［7］；與高端測量裝備相關(guān)的激光立體攝影測量術(shù)（Stereo Photogrammetry）［10］、合 成 孔 徑 雷 達(dá) 等等。然而激光的相干性會使其在顯示和成像的過程中形成激光散斑噪聲［11］，進(jìn)而使得圖像的清晰度和分辨率下降。對于顯示技術(shù)而言，激光散斑會造成觀看者的視覺疲勞；對于成像技術(shù)而言，激光散斑會引起的醫(yī)學(xué)診療準(zhǔn)確度下降、測量裝備精度下降，是激光顯示和成像儀器性能劣化的最主要因素，因此激光散斑抑制是相關(guān)科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的共性關(guān)鍵技術(shù)問題。

鑒于激光的相干性是激光散斑產(chǎn)生的原因，抑制激光散斑的技術(shù)方法，一般都從降低激光的相干性出發(fā)，國內(nèi)外研究者已經(jīng)開展了比較多的相關(guān)研究。國內(nèi)研究得比較多是中北大學(xué)陳旭遠(yuǎn)研究組［12-14］和中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所楊懷江研究組［2，15］，另外浙江大學(xué)［16］、國立臺北科技大學(xué)［17-18］、西安交通大學(xué)［19］、山西大學(xué)［20］、北京航空航天大學(xué)［21］、浙江工業(yè)大學(xué)［3，22-23］等單位都有相關(guān)研究報道，研究工作主要側(cè)重在角度分集、衍射光學(xué)器件及其在系統(tǒng)中的運(yùn)動方式，近年來也開展了一些基于電活性聚合物器件方面的研究工作。國際上，德國的研究者最早提出了采用衍射光學(xué)器件（Diffractive Optical Elements， DOE）抑制激光散斑［24］；挪威Vestfold大學(xué)TKT Tran研究組對抑制激光散斑的器件和系統(tǒng)技術(shù)開展了很多研究［25-26］；烏克蘭國家科學(xué)院的Lapchuk研究組進(jìn)一步發(fā)展了基于DOE的激光散斑抑制技術(shù)，開展了深入系統(tǒng)的理論和實驗研究［27-30］。另外美國、加拿大、土耳其的一些大學(xué)，日本、韓國的一些企業(yè)也開展了一些與激光散斑抑制技術(shù)實用化相關(guān)的研究工作［31-36］。此外，比利時布魯塞爾自由大學(xué)S Roelandt研究組從認(rèn)知心理學(xué)角度，研究了散斑對激光顯示技術(shù)的影響及其主觀評價問題［37］。

總結(jié)上述國內(nèi)外已見于報道的激光散斑抑制方法，主要可分為降低激光的空間相干性和降低激光的時間相干性兩類。在空間維度，通過采用波長分集、角度分集、偏振分集來產(chǎn)生不相干的散斑模式，以降低激光的空間相干性。具體而言，波長分集可采用寬帶激光器、陣列激光器、隨機(jī)激 光器、混 沌激光器等［21，32，38］來破 壞激光的 單色性，進(jìn)而降低相干性；角度分集通過使用衍射光學(xué)器件、多模光纖、光導(dǎo)管、光纖束等［1，13，16］來改變光束的入射角，增大光學(xué)擴(kuò)展量；偏振分集利用光學(xué)器件改變偏振特性來降低相干性［4］。雖然上述方法均可以一定程度地降低激光散斑對比度，但卻使色域變窄、能效降低、亮度降低，且大幅度增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。在時間維度，可以通過在光路中放置運(yùn)動的散射體形成隨時間變化的散斑模式，這些隨時間變化的散斑模式在人眼或成像系統(tǒng)的積分時間內(nèi)的平均，能有效降低激光的時間相干性。見于報道的運(yùn)動散射體有依賴機(jī)械運(yùn)動（包括振動、步進(jìn)和旋轉(zhuǎn)）的衍射光學(xué)器件［24-25，27-30］、動態(tài)變形鏡［26］，或不依賴機(jī)械運(yùn)動的電活性聚合物器件［17-18，20］。其中依賴于機(jī)械運(yùn)動的運(yùn)動散射體抑制散斑的主要缺點是使得激光顯示或成像系統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大、運(yùn)動沖擊損傷明顯、成本高、功耗高等。而基于電學(xué)控制的運(yùn)動散射體，雖然近年來隨著材料學(xué)的發(fā)展有了長足進(jìn)步，但目前見于報道的液晶、懸浮物渾濁體等響應(yīng)時間都太長，散斑抑制效果不夠理想。

在實際的激光顯示或成像系統(tǒng)中進(jìn)行激光散斑抑制，降低散斑對比度的同時，低功耗、高能效、小型化是必然的發(fā)展趨勢。激光散斑抑制系統(tǒng)的低功耗和小型化主要取決于系統(tǒng)光路中散射體的運(yùn)動方式。基于新材料（比如電活性聚合物材料）的散射體雖然避免了機(jī)械運(yùn)動，但其散斑對比度，以及對散射體狀態(tài)的控制精度、控制機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度和魯棒性還遠(yuǎn)不能滿足要求，尚需長足發(fā)展，因此技術(shù)突破最有希望在改進(jìn)DOE等散射體的機(jī)械運(yùn)動方式上實現(xiàn)。國內(nèi)外的研究者們嘗試了散射體的多種機(jī)械運(yùn)動方式（包括步進(jìn)方式、振動方式和旋轉(zhuǎn)方式）［15，24，27-29］，但都有各自的缺點，如旋轉(zhuǎn)散射體的散射面利用率低；步進(jìn)方式存在運(yùn)動死點，影響散斑模式的疊加；振動方式能耗高，且對系統(tǒng)的機(jī)械沖擊大，特別是當(dāng)散射體尺寸和重量比較大時，上述缺點更加明顯。本文提出了一種在整個可見光范圍內(nèi)對激光散斑都能夠起到有效抑制作用，且能夠滿足小型化、低功耗要求的新的技術(shù)方案［22-23］，提出并研制了基于光學(xué)熱塑性材料的柔性DOE器件，并將其首尾相連熔接成DOE環(huán)。柔性DOE環(huán)的衍射光學(xué)結(jié)構(gòu)由幾個不同傾斜角的一維DOE組成，每個一維DOE的結(jié)構(gòu)都基于二進(jìn)制偽隨機(jī)序列編碼、且除了相對于DOE環(huán)長邊的傾斜角外具有相同的DOE結(jié)構(gòu)尺寸。激光束照射到DOE環(huán)上并透過重疊的雙面一維DOE，利用電機(jī)驅(qū)動DOE環(huán)進(jìn)行單方向的履帶式運(yùn)動，進(jìn)而使重疊的雙面一維DOE相對運(yùn)動并形成動態(tài)的二維DOE結(jié)構(gòu)。基于上述柔性DOE環(huán)履帶式運(yùn)動的散斑抑制方案，本文把紅綠藍(lán)三色光的散斑對比度都降低至5%以下，并且憑借柔性DOE環(huán)薄膜質(zhì)量輕、尺寸小和運(yùn)動方式簡單的特點實現(xiàn)了散斑抑制系統(tǒng)小型化和低功耗的效果。由于在實際的應(yīng)用中，柔性DOE環(huán)不僅是一個運(yùn)動的器件，且DOE器件與電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)軸直接接觸，因此柔性DOE環(huán)的耐久性顯得尤為重要。本文圍繞柔性DOE環(huán)的耐久性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的實驗研究，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析討論。實驗驗證了聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）兩種材料柔性DOE器件在長期實際使用中都具有良好的耐久性，實驗結(jié)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環(huán)的散斑抑制方法

2.1 工作原理

圖1為柔性DOE環(huán)的示意圖，由具有接近45°傾斜角的3個一維DOE組成，每個一維DOE具有不同傾斜角。一維DOE結(jié)構(gòu)具有寬度為T，周期為T0=NT的N個基本單元（圖1（c））。一維DOE的結(jié)構(gòu)高度h提供相應(yīng)波長激光光束的波前半波長偏移。將如圖1（a）所示包含3個一維DOE結(jié)構(gòu)的柔性DOE器件首尾相連熔接，制成柔性DOE環(huán)。由于柔性DOE環(huán)的履帶式運(yùn)動（圖1（b））使不同的一維DOE結(jié)構(gòu)重疊，由此實現(xiàn)了動態(tài)二維DOE結(jié)構(gòu)，并因此實現(xiàn)了二維激光散斑抑制效果。

圖1 履帶式運(yùn)動柔性DOE環(huán)的示意圖Fig.1 Diagram of a flexible DOE loop with tracked motion

圖2為基于柔性DOE環(huán)的微型投影儀光學(xué)系統(tǒng)。來自紅綠藍(lán)3個激光器的光被單獨準(zhǔn)直并通過二向色光束組合器組合成一個光束，再經(jīng)過擴(kuò)束和準(zhǔn)直，照射在柔性DOE環(huán)上。柔性DOE環(huán)套在兩個旋轉(zhuǎn)軸上，其中一個作為主軸，固定并連接到微型電機(jī)，另一個旋轉(zhuǎn)軸不固定，可沿狹縫導(dǎo)軌移動并連接彈簧，靠彈簧拉力保證柔性DOE環(huán)處于平整拉伸狀態(tài)。柔性DOE環(huán)上的衍射光學(xué)結(jié)構(gòu)位于向外的表面上。從柔性DOE環(huán)出射的激光束通過空間光學(xué)調(diào)制器（SLM）后照射到投影透鏡上，最后投影透鏡將獲得的圖像投影到屏幕上。本文側(cè)重在實驗研究柔性DOE環(huán)在彈簧長期拉伸以及由主軸帶動的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的耐久性能，因此圖2中的光學(xué)系統(tǒng)可以簡化，即選擇使用單色激光來代替組合激光束進(jìn)行實驗。

圖2 基于柔性DOE環(huán)的微型投影儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of optical system of a micro projector based on flexible DOE loop

圖3顯示了由旋轉(zhuǎn)主軸驅(qū)動的柔性DOE環(huán)履帶式運(yùn)動而導(dǎo)致的環(huán)上前后兩面一維DOE結(jié)構(gòu)的重疊。該重疊隨著履帶式運(yùn)動復(fù)合形成了動態(tài)的二維DOE結(jié)構(gòu)。依據(jù)本文的散斑抑制方法，兩兩重疊的一維DOE結(jié)構(gòu)之間的傾斜角不同，因而巧妙地實現(xiàn)了如下效果：盡管履帶式運(yùn)動是單方向的（即沿著X軸運(yùn)動），兩兩重疊的一維DOE結(jié)構(gòu)之間的傾斜角差異，使得所形成的動態(tài)二維DOE結(jié)構(gòu)具有沿Y軸的位移。由此形成的DOE的二維運(yùn)動也展示出了更好的散斑抑制效果［23］。前期研究表明：動態(tài)二維DOE結(jié)構(gòu)的最佳角度可以表示為sinθ≈( 2T0)/(2 2NT0)=12N，而當(dāng)兩個相鄰DOE結(jié)構(gòu)之間的傾斜角度差異接近Δφ=θ/(n-1)時，散斑抑制效果最佳，對于實驗中使用的DOE，Δφ的最佳值在0.46°附近。考慮到其他參數(shù)的優(yōu)化，如為了進(jìn)一步降低DOE履帶式運(yùn)動速度，在實驗中使用的柔性DOE環(huán)中的相鄰一維DOE結(jié)構(gòu)的傾角差設(shè)計為0.6°。此外，由于柔性DOE環(huán)在使用中需要保持在彈簧拉伸的狀態(tài)下，不免會產(chǎn)生形變，長期拉伸的作用也會使得二維DOE結(jié)構(gòu)的傾角角度差進(jìn)一步擴(kuò)大。在接下來的耐久性實驗中，探究了長期拉伸對傾角角度差的影響以及傾角角度差的變化對散斑抑制率的影響。

圖3 履帶式運(yùn)動過程中形成的動態(tài)二維DOE結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Dynamic two-dimensional DOE structure diagram caused by the tracked motion

2.2 柔性DOE環(huán)的制備

柔性DOE環(huán)作為光學(xué)器件，其材料的選擇主要考慮折射率和光透過率。另外，因為制備在柔性薄膜上，其基于熱壓工藝的機(jī)械加工性能也是材料選擇的考慮因素。本文選擇了幾種光學(xué)性能符合要求的熱塑性材料（包括PVC，PP和PET）進(jìn)行了制備實驗，其中PET材料較難從金屬Ni模板上剝離，實際制成了PVC和PP材料的柔性DOE器件，并用于后續(xù)的耐久性實驗中。

整個制備過程為：

（1）根據(jù)DOE設(shè)計參數(shù)制備用于熱壓的金屬Ni模板。

首先使用光致抗蝕劑光刻來制造原始DOE結(jié)構(gòu)，然后在原始DOE結(jié)構(gòu)表面涂敷10 nm厚的金屬Ag薄膜，接著將導(dǎo)電基底在Ni浴中電鍍成型，制成用于熱壓的金屬Ni模板，如圖4（a）所示；

（2）利用金屬Ni模板，采用熱壓技術(shù)制成PVC和PP材料柔性DOE器件。

圖4（b）所示是熱壓實驗中使用的設(shè)備，通過大量實驗，摸索出熱壓工藝條件，包括壓力、溫度、保壓時間、脫模溫度等。實驗中的聚合物材料為聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）；

（3）自制機(jī)械部件制備柔性DOE環(huán)。

圖4（c）所示是為了將柔性DOE器件制成DOE環(huán)而自制的機(jī)械部件，將柔性DOE器件需要熔接的兩端用機(jī)械部件固定，然后加熱熔接或者采用折射率匹配的膠水進(jìn)行粘接。

圖4 柔性DOE環(huán)制作示意圖Fig.4 Diagram of fabricating a flexible DOE loop

3 柔性DOE環(huán)的耐久性實驗

針對制備的PVC材料和PP材料的柔性DOE環(huán)都進(jìn)行了為期一個月的連續(xù)實驗。針對PVC材料柔性DOE環(huán)的實驗在后文中統(tǒng)稱為實驗1；相應(yīng)地，針對PP材料柔性DOE環(huán)的實驗統(tǒng)稱為實驗2。實驗1和實驗2中，都將制成的柔性DOE環(huán)分為2個組，組1為對照組，組2為實驗組。利用圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)，采用單色激光束，每天分別采集對照組和實驗組的散斑圖像，并根據(jù)采集的散斑圖像分析得出其散斑對比度值。對照組和實驗組的區(qū)別在于：每天實驗結(jié)束后，將對照組（組1）的柔性DOE環(huán)從履帶式運(yùn)動裝置上取下保存，而實驗組（組2）的柔性DOE環(huán)在為期一個月的實驗中一直固定在履帶式運(yùn)動裝置上，并保持由彈簧牽引而拉伸的狀態(tài)。在實際應(yīng)用中，柔性DOE環(huán)必須在微型投影儀中長期保持拉伸狀態(tài)，而長期拉伸會使不同材料產(chǎn)生不同程度的形變，設(shè)計該實驗的目的就是通過實驗來檢驗長期拉伸導(dǎo)致柔性DOE環(huán)的形變對其性能的影響情況。在每天實驗前后，各測量一次實驗組（組2）柔性DOE環(huán)的長度。同時，每天實驗中記錄散斑圖像并分析得出散斑對比度值。為了測量散斑對比度，在圖2的光學(xué)系統(tǒng)中配置連接計算機(jī)的照相機(jī)。照相機(jī)采集屏幕上的散斑圖像后，使用imageJ圖像處理軟件分析得出其散斑對比度值。

在實驗1中，采用PVC材料制作的柔性DOE環(huán)，波長為450 nm的藍(lán)色激光器，并在相對較慢的3個運(yùn)動速度（v1=20.45 mm/s，v2=16.22 mm/s，v3=14.10 mm/s）下進(jìn)行實驗；在實驗2中，采用PP材料制作的柔性DOE環(huán)，波長為638 nm的紅色激光器，并在相對較快的3個運(yùn)動速 度（v4=64.34 mm/s，v5=51.82 mm/s，v6=46.53 mm/s）下進(jìn)行實驗。在前期研究中發(fā)現(xiàn)只要柔性DOE環(huán)運(yùn)動速度超過臨界速度，其對散斑抑制效果的影響就會變得很小。本文實驗中選取的所有運(yùn)動速度均超過上述臨界速度，主要目的是為了減少運(yùn)動速度對實驗結(jié)果的影響。在每一個速度值下采集10張圖像，選用其中的5張光斑較為均勻明亮的圖像，并在每張圖像的左、中、右位置各測量一次散斑對比度，計算平均值得到該柔性DOE環(huán)在該速度下的散斑對比度值。

此外，為了驗證柔性DOE環(huán)在紅綠藍(lán)三色激光下均能將散斑對比度降低到5%以下，也實驗測量了PVC材料制作的柔性DOE環(huán)對綠光（波長為520 nm）的散斑對比度值。當(dāng)運(yùn)動速度為82.5 nm/s時，照相機(jī)采集綠光的散斑圖像，并使用imageJ圖像處理軟件分析得出其散斑對比度值為3.75%，如圖5所示。

圖5 實驗測得的散斑圖像和光強(qiáng)分布圖像Fig.5 Speckle image of spot and light intensity distribution

4 實驗結(jié)果和討論

4.1 實驗1結(jié)果分析和討論

圖6給出了在不同運(yùn)動速度下，PVC材料柔性DOE環(huán)對照組（組1）和實驗組（組2）在一個月中的散斑對比度變化情況。從圖6可以看出，在一個月的耐久性實驗中，不同運(yùn)動速度下測量得到的光斑圖像的散斑對比度始終保持在3%～6%之間、且兩組的散斑對比度值變化都不大。其變化呈隨機(jī)特性且非常小，基本可以判斷是由數(shù)據(jù)采集過程的誤差造成的。一個月的持續(xù)拉伸對于柔性DOE環(huán)的散斑抑制效果基本沒有影響。

圖6 實驗1不同運(yùn)動速度下對照組（組1）與實驗組（組2）的散斑對比度折線圖Fig.6 Speckle contrasts of control group （group 1） and experimental group （group 2） at different motion speeds in Experiment 1

圖7給出了實驗1中實驗組（組2）的柔性DOE環(huán)的拉伸長度隨時間的變化圖。圖中數(shù)值較高的點都是在每日實驗進(jìn)行前測量得到的，較低的點都是在每日實驗結(jié)束后得到的。在一天實驗結(jié)束后到第二天實驗進(jìn)行前，實驗組的柔性DOE環(huán)一直保持拉伸狀態(tài)。隨著實驗天數(shù)的增加，DOE環(huán)的拉伸長度呈現(xiàn)緩慢上升、且變化呈現(xiàn)速度越來越慢的趨勢。

圖7 實驗1中每日DOE長度變化折線圖Fig.7 Line chart of daily DOE length change in Experiment 1

圖8是實驗1進(jìn)行到最后一周時采集到的對照組（組1）與實驗組（組2）的光斑圖像。觀察對比圖8中的兩張圖像，可以明顯看到DOE的寬度邊界。在DOE的覆蓋范圍內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)激光的散斑被有效地抑制了，同時可以看到兩張圖片中的散斑覆蓋范圍有明顯差別。長期保持拉伸的組2的柔性DOE環(huán)，其有效寬度相比組1要小。隨著彈簧拉伸導(dǎo)致的DOE環(huán)緩慢變長，其有效寬度在緩慢地變小。在實驗最初的兩周中，肉眼無法觀察到兩組柔性DOE環(huán)有效寬度的差別，當(dāng)實驗進(jìn)行到后半程，這個現(xiàn)象顯現(xiàn)出來。DOE環(huán)的有效寬度雖然變化得非常緩慢，但確實出現(xiàn)了一定程度的縮小。同時，由于DOE環(huán)長度的拉伸，以及有效寬度縮小的共同作用，動態(tài)二維DOE結(jié)構(gòu)的角度θ也發(fā)生了變化。進(jìn)而，相互重疊的兩個一維DOE傾角差Δφ逐漸變大，逐漸偏離最佳的理論值。

圖8 實驗1對照組（組1）與實驗組（組2）的光斑圖像Fig.8 Speckle images of control group （group 1） and experimental group （group 2） in Experiment 1

在實驗1進(jìn)行到第23天時，組2柔性DOE環(huán)的粘連處出現(xiàn)了細(xì)微破損，大小接近粘連截面的1/6，但破損的出現(xiàn)并沒有影響實驗組（組2）DOE環(huán)的散斑抑制效果，只是對組2的柔性DOE環(huán)的運(yùn)動穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定影響，表現(xiàn)為組2的DOE環(huán)容易在轉(zhuǎn)軸上發(fā)生上下移動。

4.2 實驗2結(jié)果分析和討論

圖9給出了在不同速度下，PP材料柔性DOE環(huán)對照組（組1）和實驗組（組2）在一個月中的散斑對比度變化情況。對比實驗1的散斑對比度測量結(jié)果，實驗2的兩組柔性DOE環(huán)，在不同運(yùn)動速度下光斑圖像的散斑對比度始終保持在3%～4%之間，實驗2獲得了更好的實驗結(jié)果。實驗2的對照組（組1）的實驗結(jié)果在大多數(shù)時間里要比實驗組（組2）的結(jié)果更好，且實驗2的散斑抑制效果整體比實驗1好。可以認(rèn)為實驗2取得了比實驗1更好效果的原因主要有：一是PP材料的機(jī)械加工性能比PVC材料好，更適合用于制作柔性DOE器件；另一點是隨著實驗經(jīng)驗的增加，數(shù)據(jù)采集過程中人為操作所帶來的誤差變得相對更小。

圖9 實驗2不同運(yùn)動速度下對照組（組1）與實驗組（組2）的散斑對比度折線圖Fig.9 Speckle contrasts of control group （group 1） and experimental group （group 2） at different motion speeds in Experiment 2

圖10給出了實驗2中實驗組（組2）柔性DOE環(huán)的拉伸長度隨時間的變化圖。圖中高低交替的點分別為每日實驗前與實驗結(jié)束后的DOE環(huán)拉伸長度記錄。在實驗2中，每日實驗組（組2）長期保持拉伸的柔性DOE環(huán)會在對照組（組1）進(jìn)行實驗前被取下，在對照組（組1）實驗結(jié)束后重新放回機(jī)械裝置上保持拉伸狀態(tài)并測量其長度。每次取下再放回的過程，都會使實驗組（組2）柔性DOE環(huán)的長度出現(xiàn)極小幅度的縮短，因此DOE環(huán)的長度變化呈現(xiàn)出波動的狀態(tài)。由于對DOE環(huán)進(jìn)行長度測量是要在彈簧牽引而拉伸的狀態(tài)下進(jìn)行的，所以難以避免地會產(chǎn)生測量誤差。但仍然可以發(fā)現(xiàn)，在第一天的拉伸作用后，柔性DOE環(huán)有0.2 mm左右的拉伸變長。而之后的一個月的實驗時間里，拉伸長度基本上沒有變化，甚至實驗2沒有如實驗1中出現(xiàn)的整體緩慢拉長的趨勢。這表明PP材料抗拉伸性能優(yōu)異，在長度保持穩(wěn)定之后，一個月時間的拉伸也沒有讓DOE環(huán)長度發(fā)生可測量到的變化。

圖10 實驗2中每日DOE長度變化折線圖Fig.10 Line chart of daily DOE length change in Experiment 2

從實驗1和實驗2的結(jié)果可以看出，研制的PVC和PP材料柔性DOE環(huán)總體上具有良好的耐久性，在長期拉伸的狀態(tài)下，依然能夠保持良好的散斑抑制效果。雖然由于長期拉伸的影響，傾斜角會略微偏離最佳值，但根據(jù)之前的研究，目前這種程度的傾斜角變化不會帶來大的影響，實驗中柔性DOE環(huán)的散斑抑制效果并沒有明顯劣化也印證了這一點。并且實驗中彈簧拉伸造成的柔性DOE環(huán)長度變化越來越緩慢，使得傾斜角差的變化更加緩慢，其影響程度很有限。可以認(rèn)為，傾斜角差變化帶來的影響甚至小于測量誤差帶來的影響，對微型投影儀圖像質(zhì)量的影響幾乎可以忽略。

在實驗1中，柔性DOE環(huán)的有效寬度的變窄導(dǎo)致柔性DOE環(huán)無法覆蓋整個激光光斑。此后，增大了DOE的有效寬度設(shè)計值，比如研制的用于實驗2的PP材料柔性DOE環(huán)，能夠保證長期覆蓋整個激光光斑。后續(xù)將綜合考慮激光光源和微型投影儀兩者對柔性DOE環(huán)尺寸的要求，優(yōu)化柔性DOE環(huán)的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，并擬改進(jìn)履帶式運(yùn)動機(jī)械裝置，在旋轉(zhuǎn)軸上下添加兩個限位機(jī)構(gòu)，限制柔性DOE環(huán)的縱向移動，使得柔性DOE環(huán)的運(yùn)動更加平穩(wěn)，進(jìn)而獲得更穩(wěn)定的散斑抑制效果。

實驗1中使用的PVC材料柔性DOE環(huán)雖然在長期拉伸中出現(xiàn)了破損，但破損只是出現(xiàn)在了粘連處，柔性DOE環(huán)本身的質(zhì)量沒有問題。在實驗2中更換了新的柔性材料PP并改進(jìn)了DOE環(huán)連接工藝，得到了更好的實驗結(jié)果。一個月的實驗中，實驗2柔性DOE環(huán)沒有出現(xiàn)任何破損，且散斑對比度的波動幅度比實驗1更小。PP材料在拉伸下的形變程度也更小，基本長期保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)柔性DOE環(huán)長度波動逐漸上升的趨勢。這樣的性能能夠保證柔性DOE環(huán)在微型投影儀中長期穩(wěn)定工作而不需要更換。雖然PVC和PP兩種材料柔性DOE環(huán)都獲得了不錯的散斑抑制效果，但相比較而言，PP材料制作的柔性DOE環(huán)機(jī)械和光學(xué)性能更好。

5 結(jié)論

本文實驗結(jié)果驗證了柔性DOE環(huán)在激光散斑抑制上的有效性和耐久性。提出的具有接近45°傾斜角的3個一維DOE結(jié)構(gòu)通過環(huán)形粘連組成的柔性DOE環(huán)，能夠通過優(yōu)化DOE的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)將紅綠藍(lán)三色光的散斑對比度抑制到5%以內(nèi)，符合激光投影顯示的要求。基于柔性光學(xué)器件和履帶式運(yùn)動的散斑抑制裝置具有尺寸小、功耗低、簡單高效的優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于微型投影儀。本文研發(fā)的柔性DOE環(huán)的制造工藝（即首先利用光刻技術(shù)和電鑄工藝制造金屬模板、再通過熱壓工藝制造柔性DOE器件并彎折連接成環(huán)）可廉價批量制作。研制的柔性DOE器件，特別是PP材料柔性DOE器件具備良好的耐久性能。后續(xù)研究中，擬對柔性DOE環(huán)材料、尺寸與結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，也擬進(jìn)一步改進(jìn)DOE運(yùn)動部件以提高其運(yùn)動控制精度，以期獲得更好的散斑抑制效果和耐久性能。