CN101622568A - 激光投影仪图像中散斑减少 - Google Patents

Abstract

一种激光投影仪，具有可配置的空间光调制器(SLM)，所述SLM适于显示各种空间调制图案并将来自激光器的照射重定向，以在观察屏上形成图像。该激光投影仪驱动SLM来以一定速率改变空间调制图案，使投影图像的相应序列合并，以消减在产生的合并图像中出现的散斑。SLM可以被设计为使用来自所显示的空间调制图案的光的衍射或镜面反射来将照射重定向。在一个实施例中，SLM是具有支撑于基板上的单独可寻址的反射镜阵列的MEMS器件，并适于相对于基板移动(例如，平移和/或旋转)。

Description

激光投影仪图像中散斑减少

相关申请的交叉参考

本申请的主题涉及全部与相关美国专利申请同一天提交的以下专利申请：(i)Gang Chen、Ronen Rapaport和Michael Schabel的题为“COLOR MIXING LIGHT SOURCE AND COLOR CONTROL DATASYSTEM”的美国专利申请No.11/713,483(案号：Chen7-7-6)；(ii)RandyC.Giles、Omar D.Lopez和Roland Ryf的题为“DIRECT OPTICALIMAGE PROJECTORS”的美国专利申请No.11/713,207(案号：Giles81-13-15)；以及(iii)Vladimir A.Aksyuk、Robert E.Frahm、Omar D.Lopez和Roland Ryf的题为“HOLOGRAPHIC MEMS OPERATED OPTICALPROJECTORS”的美国专利申请No.11/713,155(案号：Aksyuk45-10-12-14)。上述三个美国专利申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及激光投影系统。

背景技术

在投影系统中使用激光使得能够创建对传统(非激光)光源而言很难实现的具有广泛颜色覆盖的鲜艳图像。激光图像投影的一个显著障碍是散斑现象。当具有有限孔径(例如，瞳孔)的强度检测器(例如，人眼)检测到从粗糙表面(如屏幕)散射的相干光时，会出现散斑。有限孔径限定了检测器的空间分辨率，并导致所检测的图像量化成点的镶嵌图，点的镶嵌图的大小由空间分辨率限定。例如，如果从屏幕上的点散射的光在检测器的孔径处相消干涉，则在所检测的图像中该点表现为相对暗的点。另一方面，如果从点散射的光在检测器的孔径处相长干涉，则在所检测的图像中该点表现为相对亮的点。即使当屏幕被均匀照亮时，所检测到的该明显的点到点强度变化也称为散斑。由于散斑在感知图像上叠加了粒状结构，不但劣化了图像的锐度并且还烦扰观察者，因此散斑减少是高度令人期望的。

发明内容

根据一个实施例，本发明是一种装置，包括：(i)可配置的空间光调制器(SLM)，利用多个空间图案来重定向来自激光器的照射，使得重定向的照射在观察屏上投影图像；以及(ii)控制器，适于驱动SLM来显示从所述多个空间图案中选择的空间图案的时间序列，以消减投影图像中的散斑。

根据另一实施例，本发明是一种减少散斑的方法，所述方法包括：(i)利用可配置的SLM所显示的多个空间图案来重定向来自激光器的照射，使得重定向的照射在观察屏上投影图像；以及(ii)驱动所述SLM来显示从所述多个空间图案中选择的空间图案的时间序列，以消减投影图像中的散斑的出现。

附图说明

根据以下详细描述、所附权利要求和附图，本发明的其他方面、特征和优点将变得更加清楚显明，在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的激光投影系统的框图；

图2示出了根据本发明一个实施例的阵列MEMS器件的三维部分剖面透视图，阵列MEMS器件可以用作图1所示系统中的空间光调制器；

图3以图形的方式示出了根据本发明一个实施例的在由图1的系统所投影的图像中减少散斑出现的方法；

图4示出了根据本发明另一实施例的激光投影系统的框图；以及

图5示出了根据本发明又一实施例的激光投影系统的框图。

具体实施方式

一般地，散斑减少是基于对检测器(如人眼)的空间和/或时间分辨率内的两个或多个独立散斑配置进行平均。对于人眼，可以从被称作闪光融合阈值或闪光融合率的生理参数来推断出平均时间。更具体地，人们将以低于闪光融合率的速率脉动的光感知为闪烁。相反，以高于闪光融合率的速率脉动的光被感知为是稳定的。闪光融合率因人而异，并且还取决于个人的疲劳程度、光源的亮度和用于观察光源的视网膜的面积。极少数人以高于大约75Hz的速率感知闪烁。在电影和电视中，对于大多数人而言，正常使用20和60Hz之间(例如30Hz)的帧传输率，这些速率高于闪光融合率。

可以使用照射激光束的相位、传播角、偏振和/或波长的分集(diversification)来产生独立的散斑配置。实现角分集的一个方法是使用时变(例如振动)漫射体，使投影光学装置以高于闪光融合率的速率顺序地照射检测分辨点内的子分辨区域。顺序照射有效地破坏了分辨点中子分辨区域之间的空间干涉，减少了分辨点内的干涉效应并减小了散斑对比度。例如，可以通过使用呈现良好消偏特性的投影屏来实现偏振分集。入射在消偏表面上的偏振激光束由于多个光散射经历了消偏。可以将产生的散斑图案分解成与两个正交偏振态相对应的两个图案。由于正交偏振态彼此独立，自动产生了

的散斑对比度减小。波长分集减小了散斑对比度，这是因为散斑是取决于照射光的波长的干涉现象。例如，如果波长相差人眼不可区分量的两个激光器产生相同的图像，则该图像具有两个独立散斑配置的重叠，并且总的散斑对比度将减小。由于相位、角度、偏振和波长分集彼此独立，可以将这些技术进行组合并同时和/或互补地使用。于是，产生的散斑对比度减小因子可以与所采用的单个分集的单个散斑对比度减小因子的乘积一样大。

图1示出了根据本发明一个实施例的激光投影系统100的框图。系统100具有通过透镜120照射空间光调制器(SLM)130的激光器110。SLM 130被配置为显示对待投影的图像进行编码的空间调制图案132。例如，图案132可以用作对入射光进行衍射以产生衍射光束的全息图。将衍射光束投射到屏幕140上，以产生与图案132相对应的图像142。根据SLM 130的衍射效率，系统100还可以包括空间光束滤波器或掩模(未示出)，其被配置为拒绝镜像反射光并仅可以通过衍射光。

图案132经由空间傅立叶变换与图像142相关。因此，为了产生由图像数据148指定的图像142，控制器150产生针对图像的光振幅分布的傅立叶变换，并输出相应控制信号152，以将SLM 130配置为显示近似(以离散、空间量化形式)真实数学傅立叶变换的图案132。然后，光衍射的处理产生图案132的傅立叶逆变换，实现由控制器150施加的傅立叶变换的反向变换，并且在衍射光束中创建由图像数据148指定的图像142。

在一些实施例中，系统100可以产生被感知为多色的图像。在这样的实施例中，用不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的激光束的时间序列来照射SLM 130。为了产生不同光颜色的时间序列，激光器110可以：(i)具有三个或更多个被适当集成的激光光源(未示出)，每个激光光源分别具有固定波长，或(ii)是可调谐激光器。图像数据148指定具有两个、三个或更多个图像数据子集的多色图像，每个子集指定相应单色子图像。当以高于闪光融合率的速率将单个单色子图像顺序地投影到屏幕140上，观察者的眼睛合并了单色子图像的序列，以形成相应感知的多色图像。

系统100可以具有优于传统图像投影系统的许多显著优点。首先，系统100可以产生图像142，图像142在实质上离SLM 130任何距离处聚焦。此外，由于可以适当地修改图案132以解决在弯曲表面上投影的问题，因此投影表面(如屏140)不需要是平坦的。其次，由于系统100不需要复杂的成像光学装置，因此可以有效地使系统100小型化。最后，与那些在传统投影系统中发生的光损耗相比，系统100的衍射特性可以显著地减小系统中的光损耗，那些传统投影系统有选择地阻挡或漫射产生图像的光。例如，利用大约25mW光功率的系统100可以产生具有与由利用大约100mW光功率的传统投影仪产生的图像的亮度相同的图像。

图2示出了根据本发明一个实施例的可以用作SLM 130的阵列MEMS器件200的三维部分剖面透视图。一般地，阵列器件200类似于共有美国专利申请公开文本No.2006/0126151中公开的片段式MEMS反射镜，其全部内容通过引用合并于此。器件200具有多个器件202，每个器件202具有耦合至各自的机电致动器的板250。每个机电致动器具有(i)附着至基板的固定电极210，和(ii)连接至支撑柱230的可动电极220，该支撑柱230通过附着在两个锚280之间的弹簧(柔性梁)260支撑在基板上。当在固定电极210和可动电极220之间施加压差时，在电极之间产生的静电引力使可动电极向着固定电极移动。可动电极220的移动(i)使弹簧260变形，从而产生抵消弹簧力，并且(ii)经由柱230传递至板250。当去除压差时，变形弹簧260的弹簧力使可动电极220和板250返回到其初始位置。

在器件200中排列器件202，使得属于不同器件202的板250形成实质上邻近的片段式反射镜204，并且每个器件202可以独立于任何其他器件202进行操作。因此，当适当地对不同器件202的致动器加偏置以产生相应的板位移时，片段式反射镜204采用期望的形状，例如由控制信号152(见图1)所指定的形状。单个器件202的特性响应时间典型地在10μs的量级。同样，片段式反射镜204可以被重新配置为每秒显示大约Y个不同的空间调制图案。板250可以具有适当小的尺寸，以使片段式反射镜204能够用作适合在系统中产生空间调制图案132的可配置的相位掩模或全息图。可以在上述’151专利申请公开文本中找到适合用作SLM 130的阵列器件200的各个附加实施例的详细描述。

图3以图形的方式示意了根据本发明一个实施例的在图像142中减少散斑呈现的方法。一般地，通过空间光强图案来在观察屏上限定感知的图像142。然而，仅空间相位图案不同的空间光图案一般被感知为相同的图像。此外，具有线性尺寸小于光检测器(例如，眼睛)的分辨率的不同特征的两个光图案一般被感知为实质上形成相同的图像。如果图像142是离散或量化的(例如，由于有限分辨率)，则一般地通过多于一个全息图132对感知上类似的图像142进行编码，其中产生类似感知图像的全息图132的数目取决于图像142和全息图132的相应分辨率。此后，产生类似感知图像142的这种不同图案132称为冗余图案。那些冗余图案中的每一个在图像本身实质上保持不变的同时可以在图像中创建不同散斑配置。如果在短于或等于闪光融合率倒数的时间间隔内，将多个冗余图案132投影在观察屏上，则一般会在眼睛中发生散斑配置平均，从而实现散斑对比度减小。

图3中的水平轴示出了短于或等于闪光融合率的倒数的时间间隔T₀。在时间间隔T₀期间，系统100使用N个不同的冗余图案132，来投影相同单色静止帧的N个不同拷贝(由图像数据148的相应数据块指定)。更具体地，控制器150基于图像数据148计算与单个感知单色投影图像相对应的N个冗余图案132。每个冗余图案132在图3的顶部被分配标识号，每个冗余图案由相应的水平线332-j表示，其中，j是标识号。在每个冗余图案132的持续时间(图3中每条线331-1至332-N的长度)中，SLM 130通过将该冗余图案132的像素保持在该冗余图案132的相应的稳定状态来显示该冗余图案。例如，参照图2，稳定状态意味着片段式反射镜204作为整体并且其单个板250实质上是固定不动的。在图3的顶部中的每条斜线334表示转移过程，在转移过程期间，SLM130的像素被重新配置为从显示冗余图案132-j到显示冗余图案132-(j+1)。参照图2，转移过程意味着片段式反射镜204的至少一些板250从一个固定位置转移至另一固定位置。

图3的底部示出了相对于顶部中所指示的SLM 130的状态，由激光器110产生的光脉冲302的时序。更具体地，当SLM 130保持在相应冗余图案132的稳定状态中时，由激光器110发出每个脉冲302。注意，当SLM从一个冗余图案132转移至下个冗余图案时，激光器110不会照射SLM 130。如上所述，每个冗余图案132的照射导致实质上相同感知图像的各自拷贝的投影，不同的冗余图案132产生不同散斑图案。当激光脉冲率高于闪光融合率时(如图3所示的情况)，观察者的眼睛合并不同的散斑图案，导致相应散斑对比度减小。

本领域技术人员将理解，对于多色图像的投影，图3中以图形的方式示出的投影方法适用于被投影以产生感知的多色图像的一系列单色图像(例如红、绿、蓝)中的每一个。如本领域所知，可以适当地交织具有不同颜色的激光脉冲，其中，对于每个激光脉冲，SLM 130适当地被配置为保持与相应单色投影图像相对应的相应冗余图案132。同样，通过投影适当的静止图像序列，系统100的一些实施例可以用于投影移动画面，如电影或电视节目。

图4示出了根据本发明另一实施例的激光投影系统400的框图。与图1中使用光的衍射光束和全息成像原理投影图像的系统100不同，系统400的单个反射镜对入射光进行镜面反射来成像。例如，偏振分束器(PBS)434将激光器(未示出)产生的光定向至SLM 430。基于图像数据448，控制器450配置SLM 430来显示相应的空间调制图案432。图案432对入射光进行空间调制，并且向PBS 434反射回产生的空间调制光束，PBS 434向中继光学装置436传递该空间调制光束。中继光学装置436将接收到的光束投影到屏440上，以在其上形成相应的投影图像442。

由于系统400被设计为执行直接成像，图案432的像素和图像442的像素之间的关系是相对直接和简单的。例如，如果图案432的像素实质上不反射光，则屏幕440上图像442的相应像素是相对暗的。类似地，如果图案432的像素非常高效地发射光，则图像442的相应像素是相对亮的。

在一个实施例中，阵列MEMS器件200(图2)用作SLM 430。更具体地，反射镜204被封装成逻辑像素，每个逻辑像素具有n×k块板250，其中n和k是正整数，并且n和k中至少一个大于1。出于示意目的，考虑n＝1和k＝2的情况，在这种情况下，每个逻辑像素具有两个板250。假设这两个板250的机电致动器都没有被偏置，并且板彼此对准，即，位于距离基板平面(具有固定电极210的平面，见图2)相同的位置。在远场中(例如，在屏幕440处)，从如此定位的两个板250镜面反射的光在与两个板相对应的图像442的图像像素上相长干涉，使得相对亮地照射图像像素。现在假设向两个板250之一的机电致动器加偏置，使得该板相对另一板移位了λ/4，其中λ是光束412的波长。现在，在远场中(例如，在屏幕440处)，从两个板镜面反射的光相消干涉，使得相对不佳地照射与两个板相对应的图像442的像素，即，该像素是相对暗的。本领域技术人员将理解，通过使两个板彼此偏移适当距离(例如，零和λ/4之间的距离)，可以获得最小(暗)和最大(亮)值之间的任何中间亮度。因此，通过控制逻辑像素中板250的相对位置，可以控制图像442中相应像素的亮度。

当反射镜204的逻辑像素具有相对多的板250(例如，4×4块板250)时，并且图像442中的相应像素的期望亮度是中间亮度(例如，大于零但比系统400中可实现的最大亮度暗)，可以以许多不同方式来配置逻辑像素(定位它的板250)以产生期望亮度。因此，存在多个不同图案432，可以在系统400中使用每个图案432，以将相同图像442的拷贝投影在屏幕440上。此后，表示相同图像442的这些不同的适合图案432被称作冗余图案。本领域技术人员将理解，尽管以不同方式产生，但系统400中的冗余图案432类似于系统100中的冗余图案132。类似于冗余图案132，冗余图案432彼此独立。同样，冗余图案432中的每一个在图像本身实质上保持不变的同时将在图像442中创建不同散斑配置。如果在小于或等于闪光融合率的倒数的时间间隔内将多个冗余图案432投影在观察屏上，则在眼睛中将发生相应散斑配置平均，从而实现散斑对比度减小。

在给出冗余图案132和432之间相似性的上述解释的情况下，根据本发明的另一实施例，图3中以图形方式示意的减少散斑的方法可以用来减少图像442中的散斑。更具体地，基于指定静止帧的图像数据448，控制器450对与该静止帧相对应的N个冗余图案432进行计算。在每个冗余图案432的持续时间(图3中线332的持续时间)中，SLM 430通过将冗余图案的像素保持在相应稳定状态中来显示冗余图案。在保持每个冗余图案432时，SLM 430从光束412接收相应激光脉冲302(图3)。如上所述，由于与不同冗余图案432相对应的图像442的不同拷贝具有不同的散斑图案，观察者的眼睛将那些图像拷贝合并成与任何单个图像拷贝相比具有更小的散斑对比度值的单个图像。

在另一实施例中，具有倾斜或旋转反射镜的阵列MEMS器件可以用作SLM 430。例如，在共有美国专利No.7,099,063、6,984,917和6,876,484中公开了合适的阵列MEMS器件，其全部内容通过引用合并于此。类似于反射镜204(图2)，将旋转反射镜阵列封装成逻辑像素，每个逻辑像素具有多个单独可寻址反射镜。当逻辑像素具有相对多数量的单独可寻址反射镜时，可以通过旋转逻辑像素中的一些反射镜以使光偏离屏幕440，同时确定逻辑像素中的其他反射镜的方向以将光定向至屏幕，来实现图像442中相应像素的期望亮度。本领域技术人员将理解，可以以许多不同方式来配置每个逻辑像素(例如确定其单个反射镜的方向)，以在图像442的相应像素中实质上产生相同的亮度。因此，类似于具有活塞式反射镜的上述实施例，在具有旋转反射镜的实施例中可以存在多个不同的冗余图案432，每个冗余图案可以用来将相同的感知图像442投影在屏幕440上。如上所述，如果在小于或等于闪光融合率的倒数的时间间隔内将多个冗余图案432投影到观察屏上，则在眼睛中将发生相应散斑配置平均，从而影响散斑对比度减小。

图5示出了根据本发明另一实施例的激光投影系统500的框图。类似于系统400(图4)，系统500使用其空间光调制器530作为振幅(强度)调制器。更具体地，由一个或多个激光器510r、510g和510b产生的光通过光束组合器516、成像透镜520和PBS 534照射SLM，投影透镜536将SLM 530的每个像素直接成像在屏幕540上。照明光学装置(即激光器516和SLM530之间的光路)中引入的相位和角度分集实现了系统500的散斑消减。例如，示意性地示作位于光束组合器518和透镜520之间的光学元件518的漫射器、小透镜阵列或相位掩模在光束上引入畸变。光学元件518以周期性或非周期性的方式移动，使定向至SLM 530的光束的光波前变形。通过在光束中引入光程差从而产生以不同角度入射到SLM 530上的彼此不相干的光束，来实现散斑减少。在优选实施例中，光学元件518引入长于激光器510的相干长度的可逆光程差。这些光程差产生实质上不相干的光束，从而不需要SLM 530内或SLM530的其他机械移动。具体地，激光器510可以被设计或配置为具有相对短的相干长度。例如，通过施加特定操作条件或在时间上对驱动电流进行调制，来减小相干长度。

尽管已参照示意实施例描述了本发明，但本描述并不意在在限制情况下进行解释。尽管已参照阵列器件200(图2)描述了本发明的特定实施例，但本发明还可以利用其他适合的空间光调制器来实现，例如采用了LCD技术的光调制器。尽管已参照N个不同冗余图案132或432的连续显示描述图3的方法，但可以以任何所选顺序，在时间间隔T₀期间多次显示一些或所有冗余图案，所述顺序包括通过循环一些或所有冗余图案而产生的顺序。本发明的散斑减少的实施例以分离地使用，或适当地与其他散斑减少方法(例如采用角度、偏振和/或波长分集的方法)相组合而使用。对本发明所属领域技术人员而言清楚显明的所描述的实施例的各种修改以及本发明的其他实施例落在所附权利要求表述的本发明的原理和范围之内。

本发明的特定实施例可以使用平移或摇动模式的运动来使SLM作为整体进行振动。可选地，相对大的反射镜可以用来将光从激光器510定向至SLM 530。本领域技术人员将理解，通过振动相对大的反射镜，可以产生实质上类似于作为整体的SLM的振动所产生的散斑减少效果。

出于本说明书的目的，MEMS器件是具有适于彼此相对移动的两个或更多个部分的电控机械器件，其中由机械、电和/或磁交互作用来产生移动。可以使用微或小制造技术(包括毫微制造技术)来制造MEMS器件，所述微或小制造技术可以包括但不必限于：(1)自组装技术，采用例如自组装单层、与期望的化学物质具有高度亲和力的化学覆层，以及悬化学键的产生和饱和，以及(2)晶片/材料处理技术，采用例如材料的光刻技术、化学气相沉积、图案形成和选择刻蚀，以及表面的处理、修正、电镀和织构。MEMS器件的示例可以包括但不限于，NEMS(毫微机电系统)器件和/或MOEMS(微光机电系统)器件。

尽管在实现微MEMS器件的上下文中描述了本发明，但本发明在理论上可以以任何尺度来实现，包括大于微尺度的尺度，例如大于10μm。

除非明确说明，否则这里的每个数量值和范围应该视为近似，如同在值或范围之前使用词语“大于”或“近似”一样。

还将理解，在不背离根据所附权利要求表述的本发明范围的前提下，本领域技术人员可以对为了解释本发明属性而描述并示意的部分的细节、材料和布置进行各种改变。

应当理解，不需要以所述的顺序来执行这里所提出的示例方法的步骤，并且这样的方法的步骤的顺序应当理解为仅是示例性的。同样，附加的步骤可以包括在这样的方法中，并且根据本发明的各个实施例，在方法中可以省略或组合特定步骤。

这里“一个实施例”或“实施例”的引用意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不必全部指代相同实施例，也不一定是需要与其他实施例互斥的独立或备选实施例。术语“实现方式”也是如此。

在整个说明书中，未按比例示出的附图仅是示意性的并用于解释而不是限制本发明。

Claims (10)

1、一种装置，包括：

可配置的空间光调制器SLM，利用多个空间图案来重定向来自激光器的照射，使得重定向的照射在观察屏上投影图像；以及

控制器，适于驱动SLM来显示从所述多个空间图案中选择的空间图案的时间序列，以消减投影图像中的散斑。

2、根据权利要求1所述的装置，其中：

所述SLM包括支撑于基板上的单独可寻址的MEMS控制反射镜的阵列；以及

所述SLM适于响应于来自控制器的信号来平移或旋转所述反射镜中所选的反射镜，以改变所显示的空间图案。

3、根据权利要求2所述的装置，其中，所述反射镜适于经由衍射或镜面反射来重定向所述照射。

4、根据权利要求1所述的装置，其中，所述SLM适于相对于屏幕机械振动。

5、根据权利要求1所述的装置，还包括光学元件，适于(i)将来自激光器的光束定向至SLM，以及(ii)振动以使所述光束相对于所述SLM振动。

6、根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器适于以大约20Hz或更大速率来改变空间图案。

7、根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个空间图案包括两个或更多个冗余空间调制图案，使所述SLM产生具有不同散斑图案的实质上类似的图像。

8、根据权利要求1所述的装置，其中：

激光器适于产生至少两种不同颜色的光，以产生多色图像；以及

所述装置被配置为产生不同颜色的图像交替出现的序列。

9、根据权利要求1所述的装置，其中：

激光器适于产生脉冲光；以及

响应于控制器，所述SLM适于：

在相应的激光脉冲期间，将相应显示的空间图案保持稳定；以及

在激光脉冲之间的时间段内，改变显示的空间图案。

10、一种减少散斑的方法，包括：

利用可配置的空间光调制器SLM所显示的多个空间图案来重定向来自激光器的照射，使得重定向的照射在观察屏上投影图像；以及

驱动所述SLM来显示从所述多个空间图案中选择的空间图案的时间序列，以消减投影图像中的散斑。

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