CN102169239A - 激光投影系统中的斑点图案置乱 - Google Patents

Abstract

提供一种激光投影系统，该激光投影系统包括光源、相位延迟元件和光束扫描元件。光源包括至少一个频率变换激光源，该激光源包括波长可调激光二极管和波长变换器件。相位延迟元件被配置成将频率变换激光束的偏振分解成两个正交的线偏分量以使一个偏振分量相对于另一个相位滞后。2D图像帧内的频率变换激光束偏振是各偏振分量相对于彼此滞后的程度的函数并随波长可调激光二极管的输出中的波长变化而变化。2D图像帧中的频率变换激光束的偏振变化足以跨2D图像帧置乱图像斑点图案。

Description

激光投影系统中的斑点图案置乱

本申请要求2010年2月26日提交的S/N12/714,048美国申请的优先权。

相关领域

本发明涉及激光投影系统，尤其涉及被配置成清除投影的激光图像中的斑点图案的激光投影系统。

背景技术当从图像投影屏幕散射的相干光与自身相长或相消地干涉时，在激光投影系统中就会出现图像斑点。这种干涉产生被称为图像斑点的颗粒状强度图案。在激光投影系统中，斑点图案和图像斑点的出现通常会增大噪声并屏蔽图像信息。本公开给出减小激光投影中的图像斑点的有害效果的系统和方法。本文公开的的系统和方法尤其适于要求将紧凑型绿光激光器用作高分辨率2D扫描式便携投影仪的绿光源的应用场合。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供一种激光投影系统，它包括光源、相位延迟元件和光束扫描元件。光源包括至少一个频率变换的激光源，该频率变换的激光源包括波长可调的激光二极管和波长变换器件。相位延迟元件被配置成将频率变换的激光束的偏振分解成两个正交的线性偏振分量，以使一个偏振分量相对于另一偏振分量相位延迟。2D图像帧中频率变换激光束的偏振是各偏振分量相对彼此延迟的程度的函数，并随着波长可调激光二极管的输出中的波长变化而变化。2D图像帧中的频率变换激光束的偏振变化足以跨2D图像帧置乱(scramble)图像斑点图案。

根据本发明的另一实施例，这里提供一种激光投影系统，该系统包括含相位控制部分的波长可调激光二极管。激光投影系统被编程以将抖动信号施加于相位控制部分，并且该抖动信号将波长变化引入到波长可调激光二极管的输出中。波长可调激光二极管输出中的波长变化落在波长变换器件的FWHM变换带宽内，并具有足以跨2D图像帧置乱针对像素的偏振和图像斑点图案的速率。

还提供用于操作激光投影系统的方法。

附图说明

结合附图，能够更好地理解下文中对本发明特定实施例的详细描述，其中用相似的附图标记来指示相似的结构，其中：

图1是激光投影系统的某些组件的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的光源、相位延迟元件和投影屏幕的示意图；

图3和图4是根据本发明附加实施例的光源、空间消偏振元件、相位延迟元件、投影屏幕的示意图；

图5是根据本发明的折叠路径的频率变换激光源的示意图；以及

图6是根据本发明的替代性频率变换激光源的示意图。

具体实施方式

首先参见图1，图中示出含光源10和光束扫描元件20的激光投影系统100。光束扫描元件20被配置成跨投影屏幕25的2D图像帧扫描从光源10发出的光束。光源10可包括单光源组件，例如红光、绿光或蓝光激光源，或多个光源组件，例如多色RGB源。激光扫描投影仪一般需要很高程度的空间相干性以获得必要的图像分辨率。为了高空间相干性，对于投影中使用的每种颜色，例如红、绿和蓝，通常需要独立的激光源。

对于绿色激光，光源通常利用非线性频率变换方法。根据这些方法，在较短或较长波长下发射的激光通过例如二次谐波产生(SHG)、光学参数振荡(OPO)或混频的频率变换方法变换至所需的波长。在二次谐波产生(SHG)的背景下，可在非线性晶体上图案化波导，并将单模IR激光器的输出耦合到波导中，并将其变换成相干单模绿光激光输出。从波导发出的绿光模式在空间域和时域中相干性都很强。高空间域和时域相干性导致投影图像中相对大量的图像斑点。起因于光束与其本身光学干涉的斑点被观察为图像噪声。

前述干涉取决于光束的偏振状态以及SHG晶体和其它类型波长变换器件的输出具有高程度的偏振。由于斑点场和图案将随偏振而变化，因此可通过置乱源自例如SHG晶体的波长变换器件的光束偏振而减少可察觉的斑点图案。本发明的特定方面着眼于通过将相位延迟元件设置在频率变换激光源的光路上来进行偏振置乱。

总的来说，相位延迟元件通过使一个正交偏振的光路长度不同于另一个而控制偏振光。例如，在1/4波延迟器的情况下，如果两正交分量大致相等，则其中一个分量的相移将导致圆偏光。更具体地说，当四分之一波片的快轴被设置成与入射偏振面成45°时，1/4波延迟器具有将椭圆偏振光变成线偏光或将线偏光转变为圆偏光的独特属性。这是使用具有两个不同折射率的双折射、单轴材料来完成的。沿较小折射率方向偏振的光行进较快，因此将该轴称为快轴。将另一轴称为慢轴。产生λ/2相移的延迟器被称为半波延迟器。半波延迟器能将线偏光的偏振旋转延迟器快轴和偏振面之间的夹角的两倍。将半波延迟器的快轴设置成与偏振面成45°会导致90°的偏振旋转。作为示例而非限定，相位延迟元件可包括具有相对较高的双折射率的固定波片，它定义了位于与频率变换激光束偏振面成将约45°的快轴。

例如，根据图2所示的实施例，其中示出频率变换激光源30并且激光源30包括波长可调激光二极管40和波长变换器件50。还示出相位延迟元件15。频率变换激光源30通常用来产生绿光谱中的频率变换激光束。在这种情形下，激光二极管40工作在光谱的IR部分而波长变换器件50包括非线性光学晶体，例如掺杂Mg-O的周期极化的铌酸锂(PPLN)晶体，并用来将激光二极管40的红外光发射变换成可见的绿光。应该意识到，本发明的各实施例可适用于通过各种激光二极管以及包括二阶或更高阶谐波产生的波长变换配置产生的各种发射波长。

相对于进入波长变换器件50的输入的输入激光束的偏振度，从波长变换器件50的输出沿光轴发射的经频率变换的激光束将具有高偏振度。相位延迟元件15将经频率变换的激光束的偏振分解成两个正交的线偏分量，以使其中一个偏振分量相对于另一个相位滞后。发明人已认识到，经频率变换的激光束在投影屏幕25处的偏振是各偏振分量相对于彼此滞后的程度的函数并随激光二极管40输出的波长变化。发明人还认识到，如果特定像素或像素组的偏振是逐帧变化的，则观察者看到的斑点图案会更不容易辨识。因此，可使用激光二极管输出的波长变化来生成2D图像帧内的偏振变化并跨2D图像帧置乱图像斑点图案。

尽管存在多种方法来改变特定激光源的波长，然而应该意识到，波长可调激光二极管40可包括波长选择部分、相位控制部分或两者兼有，就像具有两个或三个部分的DBR激光二极管的情形那样，其结构细节可从本领域中多个出版物中搜集，例如US 2010/0002736A1和US 2009/0252187A1，其相关部分通过引用结合于此。在波长可调激光二极管40包含相位控制部分的情形下，激光投影系统100可被编程以将相移信号(如US 2009-0129414A1(其相关公开通过引用结合于此)所描述的那样)、扰相信号(如US 7,420,997(其相关公开通过引用结合于此)所描述的那样)、或某些其它类型的相位抖动信号施加于相位控制部分。这些类型的抖动信号通常间隔小于大约1nm并能用来将波长变化引入到波长可调激光二极管40的输出中，该波长变化足以跨2D图像帧引入上述偏振变化。

替代地，在波长可调激光二极管40包含波长选择部分的情形下，激光投影系统100可被编程以将抖动信号施加于波长选择部分。抖动信号可被配置成将波长变化引入到波长可调激光二极管40的输出中，该波长变化足以跨2D图像帧引入上述偏振变化。

优选地，尽管不是必须如此，波长可调激光二极管40输出中的波长变化以一速率引入，该速率足以跨连续2D图像帧置乱针对像素的偏振以使特定像素的偏振逐帧变化。为了加强置乱，较佳地确保波长可调激光二极管40输出中的波长变化被选择成落在波长变换器件50的半峰全宽(FWHM)变换带宽内。应该意识到，当对于跨多个连续图像帧的针对像素的偏振没有可辨的梯度、周期性或图案时，则实现了充分的置乱。

不管将波长变化引入到波长可调激光二极管40输出的方式如何，由相位延迟元件15引入的相位滞后可描述为包括作为波长可调激光二极管输出中的波长变化的函数的“抖动”分量。相位滞后的抖动分量可定义如下：

Δφ＝2πΔnt/λ且

因此，对于跨2D图像帧的相位延迟的2π变化来说，

$t=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\Δnd\λ}}$

其中Δφ代表相位滞后的抖动分量，Δn代表相位延迟元件的双折射，t代表相位延迟元件的光路厚度，而λ代表频率变换激光束的波长。常见地，相位延迟元件15的双折射和厚度被选择成使相位滞后的抖动分量计入了跨2D图像帧的相位滞后的至少2π变化。例如，应该意识到，波长可调激光二极管40输出中小于0.1nm的波长变化就足以使相位延迟元件将至少2π的变化引入到跨2D图像帧的相位滞后中。

比较图2和图3，应该意识到，要么相位延迟元件15要么将空间消偏振元件55可被配置成定义跨频率变换激光束的光束孔径变化的光路厚度。变化的光路将跨频率变换激光束的光束孔径改变偏振。作为示例而非限定，相位延迟元件15可设有固定的楔形横截面。作为替代，如图3中示意地示出那样，限定跨频率变换激光束的光束孔径变化的光路厚度的空间消偏振元件55可设置在频率变换激光源30的下游和相位延迟元件15的上游。

在任何一种情形下，应该意识到，跨频率变换激光束的光束孔径的偏振变化应当足以计入跨频率变换激光束的孔径的相位滞后的2π变化。这种变化可定义如下：

$\mathrm{d\Δ\φ}=-\frac{2\mathrm{\π\Δn}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{dt}$

因此，对于跨频率变化激光束的孔径的相位滞后的2π变化来说，

$\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δn}}$

其中Δφ代表相位滞后的抖动分量，Δn代表相位延迟元件或空间消偏振元件的双折射，dt代表相位延迟元件或空间消偏振元件跨频率变换激光束的光束孔径的光路厚度变化，而λ代表经频率变换的激光束的波长。

在相对紧凑的光学封装为优选的实施例中，相位延迟元件15的特征在于双折射率足够高以通过小于约10mm的波片厚度将前述2π变化引入到相位滞后中。例如，应该理解，在这一方面可以使用包含异硫代氰氧基联苯-双(二苯乙炔)液晶或其它线性共轭分子的波片。替代地，如图4所示，应该理解，相位延迟元件15’可采取偏振维持光纤的形式，这种光纤具有相对强的内建双折射率并尤为适用于紧凑型光学封装，因为即使该光圈弯曲或卷绕到紧凑型封装中也能保持偏振。

参见图5和图6，频率变换激光源30和相关相位延迟元件15示出在折叠的光学配置(见图5)和单向光学配置(见图6)中。在每种情形下，频率变换激光源30包括波长可调的激光二极管40和波长变换器件50。图中还示出相位延迟元件15和准直透镜60。在图5中，频率变换激光源30包括耦合光学器件70，该光学器件70在折叠路径激光源30的背景下包括透镜组件72和反射表面74，它们共同限定从激光二极管40延伸至波长变换器件50的折叠光路。在操作中，折叠表面74可由适当的致动器来控制，以控制光斑在波长变换器件50的输入面上的位置。在图3中，耦合光学器件70’包括一个或多个透镜组件72’、74’，它们沿从激光二极管40延伸至波长变换器件50的单向光路定位。在任何情形下，不管提供什么光学组件，激光源30、30′通常还包括适应性光学组合件，该适应性光学组合件被配置成通过改变光学组件之一在光路中的位置而改变从激光二极管40延伸至波长变换器件50的光路。

为了描述和定义本发明，要注意，本文中对作为一参数或另一变量的“函数”的变量的引述不旨在表示该变量排他地作为所列出参数或变量的函数。相反，本文中对作为所列出参数的“函数”的变量的引述是开放式的，因此该变量可以是单个参数或多个参数的函数。

要注意，本文中对“至少一个”组件、元件等的引述不应当用来产生一种结论，即冠词“一”或“一个”的替代性使用应当局限于单个组件、元件等。

要注意，本文中将本发明的组件引述为以某种特定方式“编程”，“配置”或“编程”用来表现特定属性或以特定方式的发挥功能，这些都是结构性引述，而不是对用途的引述。更具体地，本文中对组件被“编程”或“配置”的方式的引用表示组件的已有物理状态并同样理解为对组件结构性特征的有限引述。

要注意，当本文中用到类似“优选地”、“普通地”和“常见地”的术语时，它们不用来限定本发明要求保护的范围或暗示某些特征对于本发明要求保护的结构或功能来说是关键的、必需的或非常重要的。相反，这些术语仅旨在标识本发明的实施例的特定方面或强调在本发明的特定实施例中可采用或不可采用的替代或附加特征。

为了描述和限定本发明，要注意术语“大约”在本文中用来表示可能归因于任何定量比较、值、测量或其它表示的固有不确定度。术语“大约”在本文中也用来表示定量表征可偏离于所宣告的基准而不导致所讨论主题的基本功能改变的程度。

已详细描述本发明的主题并参照其特定实施例，要注意本文中披露的各种细节不应当被视为暗示了这些细节涉及作为本文描述的各实施例的必要组成的要素，即使某些要素在本说明书附图的每一个中都被示出。相反，所附权利要求书应当视为本发明的广度和本文描述的诸个发明的相应范围的单独表征。此外，显然可在不脱离所附权利要求书中定义的本发明范围的情形下作出多种修改与变化。更具体地说，尽管本发明的某些方面在本文中表示为优选的或尤为有利的，然而应该意识到，本发明不一定局限于这些方面。

要注意，所附一个或多个权利要求利用术语“其中”作为过渡词。为了限定本发明，要注意该术语作为开放式过渡词引入到权利要求中，以用来引入一系列结构特征的表述并应当以与更常用的开放式导言术语“包括”相似的方式解释。

Claims (20)

1.一种激光投影系统，包括光源、相位延迟元件和光束扫描元件，其中：

所述光束扫描元件被配置成跨2D图像帧扫描从所述光源射出的光束；

所述光源包括至少一个频率变换激光源，所述频率变换激光源包括波长可调激光二极管和波长变换器件；

所述频率变换激光源的波长变换器件配置成：

从所述波长变换器件的输出沿光轴射出的频率变换激光束由与进入所述波长变换器件的输入的输入激光束的偏振度相比的高偏振度来表征，以及

在所述波长可调激光二极管的输出中的波长变化表现为所述频率

变换激光束的频率变换波长变化；

所述相位延迟元件被进一步配置成将所述频率变换激光束的偏振分解成两个正交线偏分量，以使一个偏振分量相对于另一个偏振分量相位滞后；

所述2D图像帧内的频率变换激光束偏振是各偏振分量相对彼此滞后的程度的函数，并随所述波长可调激光二极管的输出中的波长变化而变化；并且

所述2D图像帧内的频率变换激光束的偏振变化足以跨2D图像帧置乱图像斑点图案。

2.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，由所述相位延迟元件引入的相位滞后包括作为所述波长可调激光二极管输出中波长变化的函数的抖动分量。

3.如权利要求2所述的激光投影系统，其特征在于，所述相位延迟元件被配置成使所述相位滞后的抖动分量定义如下：

Δφ＝2πΔnt/λ且

因此，对于跨2D图像帧的相位滞后的2π变化，

$t=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\Δnd\λ}}$

其中Δφ代表所述相位滞后的抖动分量，Δn代表所述相位延迟元件的双折射，t代表所述相位延迟元件的光路厚度，而λ代表所述频率变换激光束的波长。

4.如权利要求2所述的激光投影系统，其特征在于，所述相位滞后的抖动分量计入了跨2D图像帧的相位滞后的至少2π变化。

5.如权利要求4所述的激光投影系统，其特征在于，所述相位延迟元件被配置成使所述波长可调激光二极管的输出中小于0.1nm的波长变化足以使所述相位延迟元件将至少2π变化引入到跨2D图像帧的相位滞后中。

6.如权利要求5所述的激光投影系统，其特征在于，所述相位延迟元件包括液晶波片或偏振维持光纤。

7.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述激光投影系统的相位延迟元件或空间消偏振元件限定一光路厚度，所述光路厚度跨所述频率变换激光束的光束孔径变化以改变跨所述频率变换激光束的光束孔径的偏振。

8.如权利要求7所述的激光投影系统，其特征在于：

所述相位延迟元件设有固定楔形横截面；以及

所述变化的光路厚度可归因于所述相位延迟元件的固定楔形横截面。

9.如权利要求7所述的激光投影系统，其特征在于，还包括设置在所述频率变换的激光源下游和所述相位延迟元件上游的空间消偏振元件，所述激光投影系统的空间消偏振元件限定跨所述频率变换激光束的光束孔径变化的光路厚度。

10.如权利要求7所述的激光投影系统，其特征在于，跨所述频率变换激光束的光束孔径的偏振变化计入了跨频率变换激光束的孔径的相位滞后的至少2π变化，并定义如下：

$\mathrm{d\Δ\φ}=-\frac{2\mathrm{\π\Δn}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{dt}$

因此，对于跨频率变化激光束的孔径的相位滞后的2π变化，

$\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δn}}$

其中Δφ代表所述相位滞后的抖动分量，Δn代表所述相位延迟元件或所述空间消偏振元件的双折射，dt代表所述相位延迟元件或所述空间消偏振元件跨所述频率变换激光束的光束孔径的光路厚度变化，而λ代表频率变换激光束的波长。

11.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述相位延迟元件包括相对于所述频率变换激光束偏振面约45°取向的快轴。

12.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述相位延迟元件包括固定的波片，所述波片由足够高以通过小于约10mm的波片厚度将2π变化引入到相位滞后中的双折射来表征。

13.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述波长可调激光二极管包括波长选择部分、相位控制部分或两者兼有。

14.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于：

所述波长可调激光二极管包括相位控制部分；

所述激光投影系统被编程以将抖动信号施加于所述相位控制部分；以及

所述抖动信号将波长变化引入到所述波长可调激光二极管的输出中，所述变化足以使通过所述相位延迟元件引入的相位滞后包含计入了跨2D图像帧的相位滞后的至少2π变化的抖动分量。

15.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于：

所述波长可调激光二极管包括波长选择部分；

所述激光投影系统被编程以将抖动信号施加于所述波长选择部分；以及

所述抖动信号将波长变化引入到所述波长可调激光二极管的输出中，所述波长变化足以使通过所述相位延迟元件引入的相位滞后包含计入了跨2D图像帧的相位滞后的至少2π变化的抖动分量。

16.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述波长可调二极管的输出中的波长变化的速率足以跨连续2D图像帧置乱针对像素的偏振。

17.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述波长可调激光二极管的输出中的波长变化落在所述波长变换器件的FWHM变换带宽内。

18.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述波长可调激光二极管的输出中的波长变化小于约1nm。

19.一种激光投影系统，包括光源、相位延迟元件和光束扫描元件，其中：

所述光束扫描元件被配置成跨2D图像帧扫描从所述光源射出的光束；

所述光源包括至少一个频率变换激光源，所述频率变换激光源包括波长可调激光二极管和波长变换器件；

所述波长可调激光二极管包括相位控制部分且所述激光投影系统被编程以将抖动信号施加于所述相位控制部分；

所述抖动信号将波长变化引入到所述波长可调激光二极管的输出中；

所述频率变换激光源的波长变换器件被配置成：

从所述波长变换器件的输出沿光轴射出的频率变换激光束由与进入所述波长变换器件的输入的输入激光束的偏振度相比的高偏振度来表征，以及

在所述波长可调激光二极管的输出中的波长变化表现为所述频率变换激光束的频率变换波长变化；

所述相位延迟元件配置成将所述频率变换激光束的偏振分解成两个正交的线偏分量，以使一个偏振分量相对于另一个偏振分量相位滞后；

所述2D图像帧内的频率变换激光束偏振是各偏振分量相对彼此滞后的程度的函数，并随所述波长可调激光二极管输出中的波长变化而变化；

所述波长可调激光二极管的输出中的波长变化落在所述波长变换器件的FWHM变换带宽内并具有足以跨2D图像帧置乱针对像素的偏振和图像斑点图案的速率。

20.一种操作包含光源、相位延迟元件和光束扫描元件的激光投影系统的方法，其中所述方法包括：

操作所述光源和所述光束扫描元件以跨过2D图像帧扫描从光源射出的光束，其中

所述光源包括至少一个频率变换激光源，所述频率变换激光

源包括用于产生输入激光束的波长可调激光二极管以及波长变换器件，

所述频率变换激光源的波长变换器件被配置成：使从所述波长变换器件的输出沿光轴射出的频率变换激光束由与进入所述波长变换器件的输入的输入激光束的偏振度相比的高偏振度来表征，并且

所述相位延迟元件被进一步配置成将所述频率变换激光束的偏振分解为两个正交线偏分量以使一个偏振分量相对于另一个偏振分量相位滞后；

将波长变化引入到所述输入激光束以使所述波长变化表现为所述频率变换激光束中的频率变换波长变化，其中

所述2D图像帧中的频率变化激光束偏振是各偏振分量相对于彼此滞后的程度的函数，并随所述波长可调激光二极管的输出中的波长变化而变化，以及

所述2D图像帧中的频率变换激光束的偏振变化足以跨2D图像帧置乱图像斑点图案。

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