CN101341759A - 通过对激光投影显示器的角度扫描减小斑点 - Google Patents

Abstract

本发明提供在投影机的光引擎中通过应用移动的反射镜(202)减小斑点的系统(200)、(300)、(700)、(800)和方法。通过成像反射镜表面到多模式波导(204)的入口端面，束以随时间变化的角度进入波导(204)。当使用这个波导(204)照射显示板时，壁上的投影图像具有随时间变化的斑点图案。由于反射镜的周期完全小于眼睛的积累时间，所以感受到的斑点强度降低了。使用波导(204)还减小了由于模式扰动引起的斑点强度。

Description

通过对激光投影显示器的角度扫描减小斑点

技术领域

本发明涉及激光斑点可见度的减小。更加具体地说，本发明涉及提供用于通过调节图像投影到屏幕的角度但又不使图像模糊来减小激光斑点可见度的系统、设备、和方法。

背景技术

在实现激光投影显示器当中，最富挑战性的问题之一就是减小由所谓斑点引起的图像分辨率。如果或多或少的相干光受到一个粗糙表面的散射，就会产生斑点(见图1)。在各个光线之间这个表面引起了路程差，从而导致一个印记(imprinted)相位差。如果这些光线重新组合，这个印记相位差将要导致干涉(光线的干涉是建设性还是破坏性的，只取决于该相位差)。如果一个观察者正在观看由激光照射的屏幕，经过散射的激光将要在视网膜上产生干涉图形，干涉图形取决于屏幕的表面结构和人眼的光学参数，例如虹膜的直径、以及眼透镜的状态(焦距以及眼透镜和视网膜之间的距离)。观察者会注意到亮区和暗区，如果眼的空间位置发生变化，亮区和暗区就会改变。如果观察者的头分别发生向前或向后的移动，光点将会变得越来越小或越来越大。眼的慢速横向移动可导致斑点图形的极其快速的移动。这种斑点效应使得激光投影图像产生不受干扰的视觉成为不可能的事情。

减小斑点外观的方法在一般情况下有两种。

第一种方法是减小激光束的空间或时间的相干性，这种相干性是由所谓的相干长度确定的。相干长度定义为一个路径长度，在此路径长度之后，两束单独的光线失去了它们的明显不同的相位关系，并且不能再发生任何干涉现象。如果减小激光束的相干长度，使其小于屏幕结构的表面粗糙程度，那么，光线就不会在观察者的视网膜上发生干涉现象。这种效应会使激光图像完全消去斑点。因为激光源使用的是受激发射来产生光，所以激光具有极长的相干长度。比较一下：太阳光具有约为1微米的相干长度，激光二极管的发射范围是500微米到1毫米，而高度稳定的气体激光器具有几百米的相干长度。因此，将激光辐射的相干性减小到不发生干涉的程度是困难的。通过几种方法可以充分减小空间或时间的相干性。例如，可以使用移动的扩散体来产生随机的相位差，使用大量的光纤来产生路径差或模式扰动，模式扰动在极多模式的光学波导中发生。

减小斑点的第二种方法是使用眼睛的自然积累时间。人眼在一个图像上要积累约50毫秒。如果以高于20赫兹的频率改变斑点图形，眼睛可能会积累略显不同的斑点图形，这会减小斑点的反差。达到这个目的一种简单的方法是振动所述的屏幕。

对于一个(移动的)激光投影显示器，斑点减小机构应该是重量轻、小型、和廉价。进而，它应该包含很少的机械部分，具有低的功耗，并且消去投影图像的斑点以便不被观察者感觉到。可以很容易地认识到，减小激光束的相干性的大多数机构并不满足这些实际的边界条件。使用移动的漫射体的斑点减小设备例如包括许多光学部件并且使用复杂的移动机械元件。这样就产生了大型的、笨重的、昂贵的、和不可靠的设备。另一方面，使用一束具有不同光纤长度的光纤会导致相当庞大的设备、较低水平的斑点减小效果、高阻尼引起的光损耗、和插入损耗。

在考虑振动屏幕时，为了利用人眼的积累效果，需要用于大屏幕的复杂机械设备，进而，移动的投影系统不可能满足专用屏幕的需要。

发明内容

本发明提供用于通过调节图像投影到屏幕的角度但又不使图像模糊来减小激光斑点可见度的系统、设备、和方法。

包括一个准直的激光束的设备的第一优选实施例包括：激光发射源，通过振荡反射镜扫描所述的激光发射源；将反射镜表面成像到图像平面的透镜，在图像平面上图像是静止的；放在图像平面中以便具有与波导的良好耦合的多模式波导的入口小面；来自波导的均匀光输出，通过二维的光调制板和投影透镜使光调制平面成像到一个屏幕上。

如图3所示，将激光束成像到光纤入口小面上，代表到波导的直接耦合，在全内反射的临界角下的耦合301和303，按正弦方式扫描301-303，从而，由于在波导内的多次反射和各个模式的不同过渡转换速度(transition velocity)，光束路径发生折叠，于是这个设备作为正常的均衡器在工作，其中的激光束的各个光线扫描波导的端面。

在第一实施例中，设备包括一个反射镜，反射镜的扫描入射角具有振荡频率，使得来自一个目标点的每个光线都在一个图像点上成像，其中当扫描入射角(在光线和透镜203之间)发生变化的时候，透镜203的折射率也发生了变化(随着到透镜轴的距离的变化而变化)，结果产生了一个稳定的图像平面。

图7表示设备的第二优选实施例，所说设备包括：耦合透镜702，将准直的激光辐射耦合到多模式波导703；振荡反射镜704，扫描离开波导到第一透镜表面的中继光学装置705的加宽和均匀的激光束；中继光学装置705，将像差效应减至最小，并将单个扫描光线成像到二维光调制器板706；投影透镜707，定位在二维光调制器板和屏幕708之间，投影透镜707将光调制器板706成像到屏幕708上，以便将角度扫描印记到图像上并且消去图像的斑点。

图8表示设备的第三优选实施例，包括：振荡反射镜802，向透镜的表面(在这种情况下是中继光学装置803)扫描准直的激光束；中继光学装置803，将振荡反射镜802的反射镜表面成像到二维光调制板804；投影透镜805，设置在二维光调制板和屏幕806之间，投影透镜805将光调制板804成像到屏幕806，以便将角度扫描印记到图像上并且消去图像的斑点。

附图说明

图1表示由一个结构表面反射的光线。在层1、2、和3，相交的光线发生干涉并产生斑点图案，其中每一层的斑点图案是变化的；

图2表示按照本发明的设备的第一优选实施例；

图2A表示使用远心照射将图2光导的端面成像到显示板上的可替换的第一优选实施例；

图3表示将一个光束耦合到波导上以便单独的光线扫描波导端面；

图4表示一个透镜，其中当光线和透镜的扫描入射角发生变化时，透镜的折射本领改变并且产生一个稳定图像平面；

图5表示离开波导的光线正在进行角度扫描；

图6表示在多模式波导中几个透射模式的传播；

图7表示按照本发明的设备的第二优选实施例；

图8表示按照本发明的设备的一个优选实施例。

具体实施方式

本发明提供用于通过利用人眼的相当长的积累时间来减小激光成像系统的斑点的可见度的系统、设备、和方法。

图2表示设备200的第一优选实施例。这个优选的设备包括：准直的激光源(如激光二极管或DPSS激光器)201，用于产生准直的激光束；振荡反射镜202；透镜203；多模式波导(例如聚合物光纤(POF)或矩形/圆形波导)204；一维或两维的光调制板(如两维的液晶显示器板或箔条调制器(foil bar modulator)205)；和投影透镜206。振荡反射镜向透镜203的一个表面扫描准直的激光束。图2A表示图2设备的一个可替换实施例，其中的远心照射208(如中继光学装置208)用于向显示板205成像光导204的一个端面。透镜203在图像平面上成像振荡反射镜202的一个表面，其中的反射镜图像是不移动的，即是静止的，参见图4。多模式波导204的入口小面设在这个静止的图像平面上，并且将准直的激光束(通过振荡反射镜202扫描和通过透镜203在图像平面内成像为静止图像)耦合到多模式波导204的可透射波导模式的范围内，如图3所示。

由于激光束击中透镜203的入射角和位置是随时间变化的，所以光束耦合到波导204的角度也是随某个频率变化的，这个频率等于振荡反射镜202的频率。因此，光束耦合的透射模式随时间变化，并且由于多次其内部反射使光束的光线路径发生折叠。光束的单个光线扫描波导的端面502，因此可将波导端面502看作是第二光源，第二光源包括无限多个小的锥形光源501，小的锥形光源501按角度地扫描波导端面502，参见图5。即，利用角度扫描来印记光束。

此外，同时实现了光束的均匀化。

光束离开波导204以后，穿过光调制板205，并且通过投影透镜206成像到屏幕207上，从而使光束保持其印记的角度扫描。在通过投影透镜206成像时，单个光线击中屏幕207的角度发生了改变(角度扫描)，并且最终的斑点图案也发生了改变。反射镜的高频率的正弦振荡导致最终的斑点图案的快速调制，所述斑点图案是由人眼积累的。这就大大减小了观察者对于最终的激光斑点的感受。

减小斑点反差的另一个效果是在多模式波导204中出现的所谓模式扰动，参见图6。当将光耦合到多模式波导204时，激发几种透射模式。最快的模式603直接穿过，并且透射最高的功率，因为损耗和阻尼是较低的。最慢的模式601仍旧要满足全内反射的条件，与前一种模式相比，必须行进很长的路径。由于多次反射和较高的阻尼，这个最慢的模式601传输较少的光学功率。在这两个极端的情况之间，激发了大量的透射模式602。所激发的模式601-603的数目取决于波导204的构成，例如取决于基板和周围物质的折射率、波导的尺寸。最慢的模式601和最快的模式603的不同行进时间的计算是很容易的。利用路径差来校正最终的时间差，这将使成像的光束的相干长度减小。因此，通过扰动辐射的空间相干性可激发多个透射模式601-603，从而使斑点反差进一步减小。

图7表示设备的第二优选实施例。通过可选的第一透镜702将准直的激光束耦合到多模式波导703。振荡反射镜704扫描均匀的加宽的激光束，该激光束离开波导703到达第二透镜705的表面之上(在此例的情况下，使用中继光学装置来减小像差并获得远心照射705)，这使反射镜表面成像到光调制板706。投影透镜707使光调制板706成像到屏幕708上。成像的光线保持其印记的角度扫描，并且如以上所述减小了斑点反差。

第二实施例设备的一个缺点是，需要较大的光学装置来成像最终加宽的激光束。此外，扫描反射镜不可能接近激光源701。因此，在反射镜704上的成像的强度图案有点变大，并且具拖尾边缘。

使用角度扫描来减小斑点的另一种方法是设备的第三优选实施例，如图8所示。在这个第三实施例中，振荡反射镜802从准直的激光源801向透镜表面803(在这种情况下是中继光学装置803，从而可以减小像差，获得远心照射，并且加宽束)扫描激光束。透镜803使扫描激光束在光调制板804上成像，所述的光调制板804是放在静止的图像平面上的。投影透镜805使横向的扫描光束向屏幕806上的一个稳定的图像平面成像，其中的光束不进行横向扫描，而是角度扫描。如以上所述，实现了斑点减小。

在第一和第二实施例中，可以按照类似的方式移动所述的波导，以便构成另外的可替换实施例。

在上述设备中使用的光调制器板最好是一维或二维的光调制板(如液晶显示器板)。所用的多模式波导最好是从下面的组中选择出来的：矩形波导、圆形波导、和聚合物光纤(POF)。应当说明的是，第一实施例可以给出并未达到最佳标准的画面性能，因为成像光板，但光板并不一定是角度扫描的枢轴点。枢轴点是波导的端面。为了得到完美的画面性能，在波导的端面和光板之间可以放置成对的透镜(lens doublet)。按这种方式，将波导的端面成像到光板上，两者都是角度扫描的枢轴点。

在具有和不具有引向结构的条件下，都可以使用以上给出的设备的所有实施例，以便实现它们的可替换实施例。当使用波导时，在一个步骤中就同时实现了设备的最小化和束的均匀化。此外，没有使用波导的设备具有较小的临界焦深。虽然这是移动投影机的缺点，但仍可使用没有波导的这些后者的实施例来产生高度灵敏的自动聚焦系统。

虽然在设备的优选实施例的上述例中使用了准直的激光源，但也可以使用发散的光源。

以上提供了设备的一系列实施例，从而可以实现上述的激光斑点减小技术，其中的第二实施例是最为优选的，但本领域的普通技术人员应该理解，本发明在这里描述的设备的这些实施例都是说明性的，可以进行各种不同的变化和改进，可以用等效物替换它们的元件而不会偏离本发明的真实范围。此外，可以进行许多改进使本发明的技术适应特定的情况而不会偏离这个中心范围。因此期望，本发明不限于这里公开的特定实施例，期望这些实施例只是实现本发明的最佳方式，但是本发明包括落入所附的权利要求书的范围内的所有实施例以及所有的实施技术。

Claims (31)

1、用于在一个表面(708)上显示两维图像的显示设备(700)，包括：

多模式波导(703)，用于接收来自激光源(701)的激光束作为输入，并且输出均匀的和加宽的激光束；

振荡反射镜(704)，用于扫描均匀的和加宽的激光束，由此对于激光束进行角度扫描；

具有一个表面的光调制板(706)，用于接收所述反射镜表面的图像，使所述的角度扫描印记在所述的图像上，所述的板(706)调制反射镜表面的所述的图像的每个像素的强度；

第二透镜(705)，振荡反射镜(704)在第二透镜(705)上扫描反射镜表面的图像，所述的第二透镜(705)将反射镜表面成像在光调制板(706)的表面上，以使反射镜表面的图像在所述的光调制板(706)上是稳定的；和

投影透镜(707)，将光板(706)的表面投影到表面(708)上，以使光板和透镜的投影表面保持其上印记的角度扫描；

其中减小了投影的图像中的激光斑点的可见度。

2、权利要求1的显示设备(700)，进一步还包括：第一透镜(702)，用于将激光束从激光源(701)耦合到多模式波导(703)的输入小面。

3、权利要求1的显示设备(700)，其中：激光斑点的可见度的减小量大于10％。

4、权利要求1的显示设备(700)，其中：第二透镜是中继光学装置(705)，该中继光学装置(705)减小像差并且提供远心照射。

5、权利要求4的显示设备(700)，其中：所述的多模式波导(703)接收多个透射模式(601)-(603)，由此扰动光束的空间相干性，并且减小激光斑点的反差。

6、权利要求4的显示设备(700)，其中：所述的多模式波导(703)是从以下的组中选择出来的：聚合物光纤(POF)、矩形波导、和圆形波导。

7、权利要求4的显示设备(700)，其中：所述的光调制板(706)是一维的光调制板再加上附加的扫描反射镜和二维的光调制板之一。

8、权利要求7的显示设备(700)，其中：所述的光调制板(706)是从以下的组中选择出来的：二维的液晶显示器板、二维的DMD、箔条调制器、和光栅光阀。

9、权利要求8的显示设备(700)，其中：所述的多模式波导(703)是从下面的组中选择出来的：聚合物光纤(POF)、矩形波导、和圆形波导。

10、权利要求9的显示设备(700)，其中：所述的多模式波导(703)接收多个透射模式(601)-(603)，由此扰动光束的空间相干性，并且减小激光斑点的反差。

11、权利要求10的显示设备(700)，其中：所述的第二透镜是中继光学装置(705)，中继光学装置(705)减小像差和提供远心照射。

12、用于在一个表面(207)上显示二维图像的显示设备(200)，包括：

透镜(203)，将激光束作为静止图像成像在图像平面内；

振荡反射镜(202)，将激光束作为它的表面的图像扫描到透镜(203)的一个表面；

具有入口小面的多模式波导(204)，入口小面放在所述的图像平面，用于与之进行耦合，并且输出均匀的光束，所述的光束具有在其上印记的角度扫描；

光调制板(205)，用于调制每个像素的强度；和

投影透镜(206)，用于将光板成像到屏幕(207)，从而使光束保持在其上印记的角度扫描；

其中减小了投影的图像上的激光斑点的可见度。

13、权利要求12的显示设备(200)，其中：激光斑点的可见度的减小量大于10％。

14、权利要求12的显示设备(200)，进一步包括中继光学装置(208)，中继光学装置(208)在多模式波导(204)的端部小面和光调制板(205)之间，用于减小像差并且提供远心照射。

15、权利要求12的显示设备(200)，其中：所述的多模式波导接收多个透射模式(601)-(603)，由此扰动光束的空间相干性，并且减小激光斑点的反差。

16、权利要求12的显示设备(200)，其中：所述的多模式波导是从以下的组中选择出来的：聚合物光纤(POF)、矩形波导、和圆形波导。

17、权利要求12的显示设备(200)，其中：所述的光调制板是一维的光调制板再加上附加的扫描反射镜和二维的光调制板之一。

18、权利要求12的显示设备(200)，其中：所述的光调制板是从以下的组中选择出来的：二维的液晶显示器板、二维的DMD、箔条调制器、和光栅光阀。

19、权利要求18的显示设备(200)，其中：所述的多模式波导是从下面的组中选择出来的：聚合物光纤(POF)、矩形波导、和圆形波导。

20、权利要求19的显示设备(200)，其中：所述的多模式波导激发多个透射模式(601)-(603)，由此扰动光束的空间相干性，并且减小激光斑点的反差。

21、用于在显示屏幕(806)上显示二维图像的显示设备(800)，包括：

扫描激光束的振荡反射镜(802)，所述激光束作为反射镜表面的一个图像，从而在其上印记角度扫描；

透镜(803)，振荡反射镜(802)在所述的透镜(803)上扫描反射镜表面的图像，所述的透镜(803)成像具有其上印记角度扫描的反射镜表面；

光调制板(804)，所述的透镜(803)在所述的光调制板(804)上成像具有其上印记角度扫描的反射镜表面，所述的光调制板(804)调制反射镜表面的图像的每个像素的强度，以输出保持所述的角度扫描的调制的激光束；以及

投影透镜(805)，用于将光调制板(804)的表面投影到屏幕(806)上，从而使调制的激光束保持其上印记的角度扫描，并且使投影的图像是稳定的；

其中减小了投影的图像上的激光斑点的可见度。

22、权利要求21的显示设备，其中：激光斑点的可见度的减小量大于10％。

23、权利要求21的显示设备(800)，其中：透镜(803)是中继光学装置，用于减小像差并且提供远心照射。

24、权利要求21的显示设备(800)，其中：所述的光调制板(804)是一维的光调制板再加上附加的扫描反射镜和二维的光调制板之一。

25、权利要求24的显示设备(800)，其中：所述的光调制板(804)是从以下的组中选择出来的：二维的液晶显示器板、二维的DMD、箔条调制器、和光栅光阀。

26、权利要求24的显示设备(800)，其中：所述的透镜(803)是中继光学装置，用于减小像差并且提供远心照射。

27、用于在显示屏幕(806)上显示二维图像的方法，包括：

使用振荡反射镜(802)向透镜(803)扫描激光束，作为反射镜表面的图像，借此在其上印记角度扫描；

通过所述的透镜(803)向光调制板(804)成像具有其上印记角度扫描的反射镜表面的图像；

光调制板(804)调制每个像素的强度；和

向屏幕(806)投影光调制板(804)的表面，以使调制的激光束保持其上印记的角度扫描，投影的图像是稳定的；

其中减小了在投影的图像中的激光斑点的可见度。

28、权利要求27的方法，其中：激光斑点的可见度的减小量大于10％。

29、权利要求27的方法，其中：透镜(803)是中继光学装置，用于减小像差并且提供远心照射。

30、权利要求29的方法，其中：所述的光调制板(804)是一维的光调制板再加上附加的扫描反射镜和二维的光调制板之一。

31、权利要求30的方法，其中：所述的光调制板(804)是从以下的组中选择出来的：二维的液晶显示器板、二维的DMD、箔条调制器、和光栅光阀。

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