CN101470311A - 使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置及方法，其中该显示装置包括：从输入的视频信号分离出行扫描信号、场扫描信号及每行/列的各像素的灰度等级的信号处理电路；根据各像素的灰度等级输出对应的模拟控制电压的驱动电路；输出相互独立的三色激光光源的激光器；将三色光源整形成条形光并耦合至平面光波导阵列的激光整形和输入耦合单元；对三色激光作相位控制和光强调制处理的平面光波导阵列；将对应于每行/列的视频信号对应的三色激光合成为一个光束的激光输出耦合单元；由场扫描信号控制将对应于视频信号每行/列的光束按顺序逐行/列反射输出的激光输出控制单元。本发明尤其适合于对高清视频信号获得高分辨率的激光显示。
Description
技术领域
本发明涉及激光显示技术，尤其是涉及一种使用平面光波导阵列作为一维平面结构的光调制器的激光显示装置及方法。
背景技术
激光由于其色饱和度高和方向性好，非常适合用于彩色显示，这方面的尝试也一直在进行。早期的装置都采用直接扫描型的结构，用二个转镜分别在水平和垂直方向转动，使激光束在屏幕上扫描形成一幅完整的图像，如图1所示。但对于高清晰度数字电视而言，直接扫描激光显示的水平转镜要求的转速太高，目前的转动系统还无法满足其机械特性的要求。
目前比较成熟的技术是各种微显示器件，如DLP、LCD和LCoS等二维光强调制阵列，每个像素单独调制，不需要扫描。但这些器件存在制造工艺复杂、成本较高的缺点。
因此有人又提出了一维结构的光强调制器，如由美国硅光机公司(Silicon LightMachines)发明的带状结构的栅状光阀(Grating Light Valve，GLV)所构成的激光显示系统，其可以一次成像一行或一列，然后单一方向扫描形成一幅图像，这样可以兼顾家用投影电视所要求的高分辨率和低成本。这是一种利用光的衍射效应的MEMS器件，需要用到三维微细加工工艺，可能会遇到生产效率和良品率的问题。
因此，如何设计一种结构简单、成本较低且制造效率较高的激光显示装置，以适合目前诸如高清数字电视等高分辨率图像显示的需要，成为当前急需解决的技术难题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置及方法，将激光通讯领域的平面光波导引入激光显示领域，以获得高分辨率和低成本及高生产效率的激光显示装置。
为解决本发明的技术问题，本发明公开一种使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置，包括：
信号处理电路：用于从输入的视频信号分离出行扫描信号和场扫描信号，以及每行/列周期内对应行/列的各像素(包括红、绿、蓝三个子像素)的灰度等级；
驱动电路：用于按顺序逐行/列扫描视频信号每行/列的各像素(包括红、绿、蓝三个子像素)的灰度等级，输出对应于各像素(包括红、绿、蓝三个子像素)灰度等级的模拟控制电压；
激光器：用于输出相互独立的R、G、B三色激光光源；
激光整形和输入偶合单元：用于分别将激光器输出为光斑的三色光源整形成条形光并耦合至平面光波导阵列；
平面光波导阵列：用于根据驱动电路输出的模拟控制电压分别对R、G、B三色激光作相位控制和光强调制处理；
激光输出耦合单元：用于将对应于每行/列的视频信号且经过光强调制处理的R、G、B三色激光合成为一个光束；
激光输出控制单元：用于根据信号处理电路从视频信号中分离出的场扫描信号的控制，将激光输出耦合单元输出对应于视频信号每行/列的光束按顺序逐行/列反射输出。
较优的，所述激光输出控制单元包括：
扫描控制单元，包括：电机以及用于根据视频信号的场扫描信号控制匀速地转动电机的电机控制电路；
其转轴连接电机的扫描转镜，用于由电机带动匀速转动，将激光输出耦合单元输出对应于视频信号每行的光束按顺序逐行反射输出。
较优的，所述扫描转镜为平面反射镜。
较优的，所述平面光波导阵列包括平行设置且用于对一行或一列视频信号对应的激光信号作同时光强调制处理的若干个光调制器，所述光调制器为马赫-曾德尔干涉仪型调制器、定向耦合器或电吸收调制器。
较优的，所述马赫-曾德尔干涉仪型调制器的结构包括：
激光输入接口；
将输入的激光信号一分为二的分束器；
两个干涉臂，单个或每个干涉臂设置控制电极，由控制电极根据驱动电路输出的模拟控制电压控制干涉臂分别对两路激光信号作相位控制和光强调制处理；
将经过干涉臂作调制处理的两路激光信号合二为一的合束器；
将激光信号输出的激光输出接口。
较优的，所述平面光波导阵列包括采用埋藏式、脊梁式或扩散型的铌酸锂渡钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、绝缘层上镀硅光波导或聚合物光波导。
较优的，所述激光整形和输入偶合单元包括：
将激光器输出为光斑的R、G、B三色光源整形成条形光的柱面镜；
采用光纤耦合或端面直接耦合方式将R、G、B三色条形光分别耦合至平面光波导阵列的激光耦合器。
另外，本发明还公开一种使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示方法，包括：
对输入的视频信号进行处理，分离出行扫描信号和场扫描信号，以及每行列周期内对应行的各像素(包括红、绿、蓝三个子像素)的灰度等级，并按顺序逐行/列输出每行/列像素(包括红、绿、蓝三个子像素)灰度等级对应的模拟控制电压；
将相互独立输出的R、G、B三色激光光源整形成条形光并耦合至平面光波导阵列，由平面光波导阵列根据每行像素的R、G、B信号强度对应的模拟控制电压分别对R、G、B三色激光作相位控制和光强调制处理；
将对应于每行/列的视频信号且经过光强调制处理的R、G、B三色激光合成为一个光束，并根据从视频信号中分离出的场扫描信号的控制，将对应于视频信号每行/列的光束按顺序逐行/列反射输出。
较优的，所述平面光波导阵列包括采用埋藏式、脊梁式或扩散型的铌酸锂渡钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、绝缘层上镀硅光波导或聚合物光波导。
较优的，所述平面光波导阵列包括平行设置且用于对一行或一列视频信号对应的激光信号作同时光强调制处理的若干个光调制器，所述光调制器为马赫-曾德尔干涉仪、定向耦合器或电吸收调制器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明是将激光通讯领域的平面光波导引入激光显示领域，使用一维平面结构的平面光波导阵列作为激光信号的光强度调制器件，从而获得高分辨率和低成本及高生产效率的激光显示装置。本发明尤其适合于对高清视频信号获得高分辨率的激光显示。
附图说明
图1是本发明一个具体实施例的结构示意图；
图2是本发明中单个马赫-曾德尔干涉仪型调制器一个具体实施例的结构示意图；
图3是本发明中信号处理电路输出到驱动电路的信号时序图。
具体实施方式
本发明是将激光通讯领域的平面光波导引入激光显示领域，使用一维平面结构的平面光波导阵列作为激光信号的光强度调制器件，以此获得高分辨率和低成本及高生产效率的激光显示装置。
光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输，最典型的应用是光通讯用的光纤。平面波导型光器件，又称为光子集成器件。其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合。建立在平面光波导技术之上的光器件，具有成本低、体积小、便于批量生产、稳定性好及易于与其它器件集成等优点。
请参考图1所示，是本发明一个具体实施例的结构示意图。本实施例的激光显示装置包括：激光器110、激光整形和输入偶合单元120、平面光波导阵列130、激光输出耦合单元140、信号处理电路150、驱动电路160、由扫描控制单元171和扫描转镜172组成的激光输出控制单元、激光显示单元180。
其中，激光器110用于输出相互独立的红(R)、绿(G)、蓝(B)三色激光光源；激光器110可以为半导体激光器，也可以为固体激光器。
激光整形和输入偶合单元120包括：将激光器110输出为光斑的R、G、B三色光源整形成条形光的柱面镜；采用光纤耦合或端面直接耦合方式将R、G、B三色条形光分别耦合至平面光波导阵列130的激光耦合器。偶合方式可以是光纤偶合，也可以采用端面直接偶合。
平面光波导阵列130作为光强调制器，包括但不限于铌酸锂渡钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、绝缘层上镀硅(SOI)光波导和聚合物光波导，包括埋藏式、脊梁式和扩散型等光波导。调制方式一般采用电光调制，也可以是热光调制。
平面光波导阵列130包括平行设置且用于对一行或一列视频信号对应的激光信号作同时光强调制处理的若干个光调制器，每个光调制器结构可以是马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪或定向耦合器等，对光的相位进行控制，利用干涉效应实现对光强的调制；也可以是电吸收调制(EA)，利用载流子注入改变吸收系数实现对光强的调制。
结合图2所示，为单个马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪型调制器一个较佳实施例的结构示意图，包括：激光输入接口131；将输入的激光信号一分为二的分束器132；两个干涉臂133，单个或每个干涉臂上设置的控制电极134，由控制电极134根据驱动电路160输出的模拟控制电压控制干涉臂133分别对两路激光信号作相位控制和光强调制处理；将经过干涉臂133作调制处理的两路激光信号合二为一的合束器135；将激光信号输出的激光输出接口136。其中，分束器132和合束器135可以是Y分枝器或多模干涉(MMI)分枝器；在两个干涉臂133上都加控制电极134是为了提高消光比(对比度)；也可采用两个及以上马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪型调制器相串联的结构。
对n(n>1000)行/列的高清显示，平面光波导阵列130的长度对于制造设备或工艺以及激光整形系统可能带来困难，可以用m(m＝1，2，3，...)个含n/m个光调制器的阵列平叠，并在激光输出耦合单元140中再重新拼接成一个完整的行/列。
因此，本发明的平面光波导阵列130，完全通过成熟的平面薄膜工艺制造，可以达到高的生产效率和良品率，实现大批量生产和低成本。
请参见图3所示，信号处理电路150用于从输入的视频信号分离出行扫描信号(HSYNC)和场扫描信号(VSYNC)，以及每行周期内对应行的各像素的R、G、B信号强度。其中，CLK表示时钟信号。
而驱动电路160用于按顺序逐行扫描视频信号每行的各像素的R、G、B信号强度(即每个像素的灰度等级)，输出对应于各像素的R、G、B信号强度的模拟控制电压。下面为了说明方便，以马赫-曾德尔干涉仪型调制器为例，说明在按行显示的情况下，驱动电路160的工作原理及过程。
假设分束器132将入射光分成光强为I1、I2的两束光，通过两条干涉臂133所产生的相位差为ΔΦ，则合束后的输出光强Iout表达式为：
若分束器133为理想的1/2分束器，则I1＝I2＝Iin/2，上式变为：
Iout＝Iin/2+Iin/2×cos(ΔΦ) (2)
假定在某个干涉臂两侧的电极加上电压V，对TE10波，两干涉臂间的相位差为：
ΔΦ＝4ne 3γ33LV/(λd)。 (3)
其中ne、γ33分别为波导材料的异常波折射率和电光系数，L为电极长度，λ为光波长，d为电极间距。改变电极上所加电压的大小，ΔΦ可以从0变到π，使输出光强Iout在输入光强Iin和0之间变化。
在视频信号的场周期内，驱动电路160从第1行开始按顺序逐行将扫描到的每行的R、G、B各像素加上对应的电压；其中，视频信号可表示的灰度等级由R、G、B的位(bit)数决定，比如对R、G、B各8位的信号，可实现256(28＝256)级灰度。输入到驱动电路160的第n行的R、G、B各位信号(图中列出了R信号的第I位)按时钟信号CLK同步，驱动电路160对此8位的R、G、B信号做数/模变换，输出一个模拟电压到对应列的马赫-曾德尔干涉仪型调制器的驱动电极134，所加电压的大小要满足式(2)中的Iout的相对大小与对应像素的R、G、B信号所表达的灰度等级相同，这样就实现了对视频信号对应的激光信号的光强调制处理。
激光输出耦合单元140将经过调制的红、绿、蓝三色激光合成为一个光束，若平面光波导阵列130将一行/列信号分成了几段，还需要通过光纤耦合的方式将它们重新拼接成一个完整的行/列，然后再投射到扫描转镜172上。
激光输出控制单元由扫描控制单元171和扫描转镜172组成，其中扫描控制单元171包括：电机以及用于根据视频信号的场扫描信号控制匀速地转动电机的电机控制电路。并且，扫描转镜172的转轴连接电机，由电机带动匀速转动，将激光输出耦合单元输出对应于视频信号每行的光束按顺序逐行反射输出至激光显示单元180。其中，激光显示单元180可以为一个显示屏幕。
综上，本发明是使用一维平面结构的平面光波导阵列作为激光信号的光强度调制器件，利用光波导具有成本低、体积小、便于批量生产、稳定性好及易于与其它器件集成等优点，使本发明的激光显示装置具有低成本及高生产效率；另外，本发明使用平面光波导阵列可以同时处理视频信号的一行或一列信号对应激光信号的光调制，尤其适合于对高清视频信号获得高分辨率的激光显示。
Claims (10)
1、一种使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置，其特征在于，包括：
信号处理电路：用于从输入的视频信号分离出行扫描信号、场扫描信号和每行/列周期内对应行/列的各像素的灰度等级；
驱动电路：用于按顺序逐行/列扫描视频信号每行/列的各像素的灰度等级，并输出对应于各像素灰度等级的模拟控制电压；
激光器：用于输出相互独立的R、G、B三色激光光源；
激光整形和输入偶合单元：用于分别将激光器输出为光斑的三色光源整形成条形光并耦合至平面光波导阵列；
平面光波导阵列：用于根据驱动电路输出的模拟控制电压分别对R、G、B三色激光作相位控制和光强调制处理；
激光输出耦合单元：用于将对应于每行/列的视频信号且经过光强调制处理的R、G、B三色激光合成为一个光束；
激光输出控制单元：用于根据信号处理电路从视频信号中分离出的场扫描信号的控制，将激光输出耦合单元输出对应于视频信号每行/列的光束按顺序逐行/列反射输出。
2、根据权利要求1所述的使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置，其特征在于，所述激光输出控制单元包括：
扫描控制单元，包括：电机以及用于根据视频信号的场扫描信号控制匀速地转动电机的电机控制电路；
其转轴连接电机的扫描转镜，用于由电机带动匀速转动，将激光输出耦合单元输出对应于视频信号每行/列的光束按顺序逐行/列反射输出。
3、根据权利要求2所述的使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置，其特征在于，所述扫描转镜为平面反射镜。
4、根据权利要求1所述的使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置，其特征在于，所述平面光波导阵列包括平行设置且用于对一行或一列视频信号对应的激光信号作同时光强调制处理的若干个光调制器，所述光调制器为马赫-曾德尔干涉仪型调制器、定向耦合器或电吸收调制器。
5、根据权利要求4所述的使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪型调制器的结构包括：
激光输入接口；
将输入的激光信号一分为二的分束器；
两个干涉臂，单个或每个干涉臂上设置控制电极，由控制电极根据驱动电路输出的模拟控制电压控制干涉臂分别对两路激光信号作相位控制和光强调制处理；
将经过干涉臂作调制处理的两路激光信号合二为一的合束器；
将激光信号输出的激光输出接口。
6、根据权利要求1所述的使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置，其特征在于，所述平面光波导阵列包括采用埋藏式、脊梁式或扩散型的铌酸锂渡钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、绝缘层上镀硅光波导或聚合物光波导。
7、根据权利要求1所述的使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示装置，其特征在于，所述激光整形和输入偶合单元包括：
将激光器输出为光斑的R、G、B三色光源整形成条形光的柱面镜；
采用光纤耦合或端面直接耦合方式将R、G、B三色条形光分别耦合至平面光波导阵列的激光耦合器。
8、一种使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示方法，其特征在于，包括：
对输入的视频信号进行处理，分离出行扫描信号、场扫描信号和每行/列周期内对应行的各像素的灰度等级，并按顺序逐行/列输出每行/列像素灰度等级对应的模拟控制电压；
将相互独立输出的R、G、B三色激光光源整形成条形光并耦合至平面光波导阵列，由平面光波导阵列根据每行像素的R、G、B信号强度对应的模拟控制电压分别对R、G、B三色激光作相位控制和光强调制处理；
将对应于每行/列的视频信号且经过光强调制处理的R、G、B三色激光合成为一个光束，并根据从视频信号中分离出的场扫描信号的控制，将对应于视频信号每行/列的光束按顺序逐行/列反射输出。
9、根据权利要求8所述的使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示方法，其特征在于，所述平面光波导阵列包括采用埋藏式、脊梁式或扩散型的铌酸锂渡钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、绝缘层上镀硅光波导或聚合物光波导。
10、根据权利要求8所述的使用平面光波导阵列作为光调制器的激光显示方法，其特征在于，所述平面光波导阵列包括平行设置且用于对一行或一列视频信号对应的激光信号作同时光强调制处理的若干个光调制器，所述光调制器为马赫-曾德尔干涉仪、定向耦合器或电吸收调制器。
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Open date: 20090701 |