消散斑LSR中斑点对比度的计算

激光的相干性在许多科学系统中被广泛应用，但这种干涉过程在光学检测器应用来说是一种缺点。在粗糙的光学表面上，例如电影屏幕，会出现局部的干扰，例如照相机或人眼可以观察到颗粒状的光斑图案。这种光斑图案降低了测量系统的分辨率，也导致投影图像的噪音。图1是斑点图案和斑点中心测量的强度曲线，这种非均匀的强度分布对表现出局部饱和点的光检测器造成了很大的限制，此外，这种图案可能会干扰人眼。减少斑点会提高激光投影的质量，因为任何斑点都会严重降低投影图像的质量。使用激光散斑衰减器可以有效的抑制斑点。

图1 (a) CCD相机上的斑点图案的图像，(b) 通过斑点中心的水平轴上测量的强度曲线。

斑点对比度

斑点对比度S被定义为某一区域内强度的标准偏差，并以其平均值Imean为标准，其平均值Imean，如下所示。

散斑对比度取决于0和1，其中零代表没有斑点的均质光束。使用激光散斑减少器（LSR）所产生的斑点对比度会降低。

斑点对比度的减少效率

在微观层面上，斑点的减少取决于：

- 激光的波长和带宽

- 激光的偏振状态

这两个参数由激光器很好地定义，并与被照射表面的质量一起，对斑点过程做出贡献。在一个固定的波长和偏振状态下，可以通过提高表面的质量来减少斑点对比度。

在宏观层面上，斑点的减少取决于：

- LSR的扩散角

- 探测系统的数值孔径

在这种情况下，通过角度多样性的潜在减少系数等于√（ø/Ω）是激光散斑减少器LSR的扩散角，Ω是探测系统的数值孔径，比较使用LSR的斑点对比度（SLSR）,与没有使用LSR的斑点对比度（S），减少效率被定义如下：

R[dB]=10㏒₁₀(S/S_LSR)

举一个例子，将斑点对比度从0.5降低到0.2，可提供4dB的降低效率。

组合扩散器：

消散斑镜片LSR由一个或两个后续扩散器组成，分别标记为LSR- 3000-XS和LSR3000-XD。一般情况下，第一个扩散器是振荡的，而第二个扩散器是静态的，这就减少了生成的随机图案的相关长度。我们建议使用两个扩散器，因为减少斑点的效果更好，如果两个扩散器结合使用，总的扩散角的计算方法是：

∅组合角=√（ø1²+ ø2²）

斑点减少的测量

图2参考装置

图2显示了测量斑点减少的实验装置方案，激光被扩大到d3=5毫米的光束直径，由扩束器准直光束。在扩束器的输入端有一个消散斑镜片LSR，控制激光功率。同样，在扩束器的输出端也可以使用一个光圈d4，以精确控制照明。扩束器来精确控制LSR的照明光束大小，并尽量减少屏幕上的杂散光。在工作台的最末端。LSR被放置在光圈后的准直光束中，屏幕上的激光光斑图像被摄像机记录下来。图3中的面板显示了典型的斑点图像，这些图像是在没有任何LSR的情况下获得的（a），LSR处于静态模式（b），以及动态模式下的LSR（c）。彩色的线条显示了水平切割面， 图4中描述了测量的强度曲线。

图3斑点图

图4：在图3中描述的水平平面上测量斑点对比度，红色为无任何LSR，黄色为静态LSR，蓝色为动态LSR。

使用LSR-3000系列的标准产品的结果如下，LSR-3005-24D，5毫米孔径，24°扩散角，两个扩散器的平均结构尺寸为3𝜇m，降低效率R=15dB。

图5：强度曲线的测量红色为无LSR（纯激光），蓝色为有LSR-3005-24D。

LSR-3005-12D，5毫米孔径，12°扩散角，两个扩散器的平均结构尺寸为20𝜇m，降低效率R=12dB。

图6：强度曲线的测量，红色为无LSR（纯激光），蓝色为有LSR-3005-12D。

LSR-3005-1D，5毫米孔径，1°扩散角，两个扩散器的平均结构尺寸为100𝜇m，降低效率R=6dB。

图7：强度曲线的测量，红色为无LSR（纯激光），蓝色为有LSR-3005-1D

斑点减少的关键因素

所产生的斑点减少取决于许多参数，包括：

- 扩散器的运动速度

- 扩散器的结构

- 观察者/摄像机的曝光时间

- 光学系统的布局（光束直径、LSR的位置、额外的光学器件）

1.扩散器的运动速度

扩散器沿圆（或椭圆）移动，定义驱动的主要参数是：

-运动幅度（路径周长L = 2π ∙ r)

-机械驱动频率f

扩散器的运动速度v = L∙f，如LSR3005的例子：r=200μm, f=300Hz → v=377mm/s。扩散器的运动速度越高，在观察者的曝光时间内重叠的图案就越多。运动速度可以根据客户的设计进行优化，但在运动幅度、频率和速度之间需要进行权衡。

图8（a）不同运动幅度和固定频率下的位移振幅测量，(b) 说明位移振幅与机械驱动频率的关系

2.扩散器结构

图9不同扩散器的结构a100μm，b50μm，c20μm和d3μm

斑点减少效率R与曝光时间内通过某点的结构数量成正比。增加N个不相关的斑点图案会导致斑点减少，对比度减少1N。因此，我们的目标是创造尽可能多的不相关斑点图案。使用较小的结构，还原效率会更好，但要注意较小的结构尺寸会导致较大的扩散角。

3.曝光时间

最佳性能的激光散斑衰减器可以通过在每一帧相机中记录尽可能多的不同斑点图案来实现，可以最大限度地延长相机的曝光时间。从图10可以看出减少斑点的方法已经出现，曝光时间为3.3ms时，已经实现了非常好的斑点减少。对于更大的曝光时间斑点对比度的减少并不明显，因为独立斑点图案的数量并没有增加。LSR-3000系列在曝光时间为1ms的情况下，可以显示小于3%的斑点对比。如果相机的曝光时间小于1ms，斑点减少过程的效率就会降低。

图10LSR-3005-24D在1ms至10ms的不同时间内获得的斑点对比。