CN102227679A - 激光扫描仪投影系统中的光斑减轻 - Google Patents

Abstract

提供减少扫描激光图像中的光斑出现的激光扫描仪投影系统。该激光投影系统包括可见光源，该可见光源具有至少一个激光器、扫描元件和系统控制器。该系统控制器被编程以产生经扫描的激光图像。该系统还包括将经扫描的输出光束聚焦到中间图像上的第一透镜以及将中间图像投射到投影表面上的第二透镜。具有大致等于或大于经扫描的输出光束的束腰直径的周期的周期性相位掩模被定位在中间激光图像处。周期性相位掩模的周期使经扫描的输出光束的投影从一个像素至另一像素渐进地跳跃，由此减小经扫描的激光图像中的光斑对比度。

Description

激光扫描仪投影系统中的光斑减轻

优先权

本申请要求2008年11月6日提交的题为“Speckle Mitigation In Laser Scanner Projector System(激光扫描仪投影系统中的光斑减轻)”的美国专利申请No.12/266,139的优先权。

背景技术

发明领域

本发明的实施例涉及激光扫描仪投影系统。更具体地，本发明的实施例涉及通过使用周期性相位掩模减少在激光投影图像中可见的光斑的出现的激光投影系统以及相关的方法。

背景技术

每当相干光源用来照亮例如屏幕的粗糙表面或产生漫反射或漫射透光的任何其它物体时，光斑可能产生。具体地，屏幕或其它反射物体的许多小区域将光散射成许多反射光束，这些反射光束具有不同的始发点和不同的传播方向。光斑造成投影图像中的高空间频率噪声。在观察点，例如在观察者的眼睛里或者在照相机的传感器处，这些光束相长地干涉来形成亮点，或者相消地干涉来形成暗点，产生随机的粒状强度图案，称作光斑。

光斑可以由粒度大小和对比度来表征，所述对比度通常定义为在观测平面内标准差与平均光强度的比率。对于一个足够大的照亮区域和一个足够小的单独散射点尺寸，光斑将被“充分地显影”，其具有100％的亮度标准差。如果使用激光束将图像形成在屏幕上，该粒状结构将代表画质的噪声或严重劣化。尽管该噪声当投影仪用来显示图像时可能不是重大问题，然而当投影仪用来显示例如文本的高空间频率内容时，它可能会是严重的问题。

使用散射体最小化光斑的一般理念包括：将中间激光图像投影到小尺寸散射表面上，并使用投影光学器件来将中间激光图像再次成像至最终屏幕上。通过迅速地移动散射体，电场的相位随时间被置乱，这改变了观察到的光斑图案。如果散射体足够快地移动或振动，则观察到的光斑图案也以高频变化并且这类图案变化将被眼睛作时间平均。为了高效率地工作，需要在眼睛的整合时间内形成多个光斑帧，该整合时间通常以50Hz数量级出现。

尽管快速移动散射体可提供光斑减少，然而它需要昂贵和复杂的机构从而以相对高速横向地移动相位掩模。

发明内容

与背景技术相反，需要无需移动散射体的光斑减少系统和方法。根据本发明的一个实施例，提供一种激光投影系统。该激光投影系统包括可见光源，该可见光源进一步包括至少一个激光器、扫描元件和系统控制器。系统控制器被编程以通过操作激光器光发射经编码的图像数据并控制扫描元件跨多个图像像素扫描可见光源的输出光束来产生经扫描的激光图像。

系统还包括聚焦经扫描的输出光束以形成中间激光图像的第一透镜。第二透镜将中间图像投影和再次成像到投影表面上。周期性相位掩模位于中间激光图像处。周期性相位掩模具有大致等于或大于经扫描的输出光束在中间激光图像处的束腰直径的周期。周期性相位掩模的周期使扫描输出光束的投影从一像素向另一像素渐进地跳跃，由此产生由眼睛或传感器平均化的不同的光斑图案。换句话说，随着输出光束在周期性相位掩模上扫描，光束在屏幕上的形状由于相位掩模所产生的快速强度调制而剧烈改变。激光投影系统也可包括光瞳相位掩模，该光瞳相位掩模被配置成在第二透镜的光瞳附近引入相位变化。

根据另一实施例，提供一种激光投影系统。该系统包括可见光源、扫描元件、系统控制器和周期性相位掩模。系统控制器被编程以通过操作激光器光发射经编码的图像数据来产生中间激光图像，并控制扫描元件跨多个图像像素扫描可见光源的输出光束。周期性相位掩模具有大致等于或大于经扫描的输出光束在中间激光图像处的束腰直径的周期。

一种减少激光投影系统的经投影图像中的光斑的方法，包括：使包含经编码图像数据的扫描激光束通过第一透镜，该第一透镜聚焦激光束以形成中间激光图像；使包含中间激光图像的扫描激光束通过周期性相位掩模，该周期性相位掩模具有等于或大于扫描激光束在中间激光图像处的束腰直径的周期；产生扫描激光束的多个衍射级；将中间激光图像投影通过第二透镜并随后通过光瞳相位掩模以在一表面上形成经投影的图像，其中经投影的中间激光图像包括从一像素向另一像素渐进地跳跃以减小投影图像中的光斑对比度的投影扫描输出光束。

附图简述

以下对本发明的特定实施例的详细描述可在结合下列附图阅读时得到最好的理解，其中相同的结构使用相同的附图标记表示，在附图中：

图1是根据一个或多个实施例的示例性激光投影系统的示意图；

图2a-e是根据一个或多个实施例聚焦在周期性相位掩模上的示例性输出光束的示意图；以及

图3a-e是根据一个或多个实施例的作为可见光源的输出光束跨投影表面扫描的示例性束斑的示意图。

具体实施方式

可以激光投影系统为背景描述具体实施例，该激光投影系统配置成跨投影表面扫描输出信号或光束以产生二维图像(例如光栅扫描)。通过迅速地在投影表面上形成许多不同的光斑图案，可减少光斑在经扫描的激光图像中的出现。人眼或传感器整合和平均化不同的光斑图案，并因此减少了光斑的出现。

根据一些实施例，周期性相位掩模位于通过投影光学器件形成的中间激光图像附近，并配置成通过在光束投影到屏幕或表面上之前快速改变光束的形状和尺寸而减少光斑在屏幕或表面中的出现。相位掩模的周期大致等于或大于用来在中间图像平面形成中间图像的激光束的束腰直径。随着光束跨周期性相位掩模扫描，所选的周期在输出光束经过掩模时使输出光束改变。具体地说，当光束被聚焦在相位掩模内的特定周期的中央部分上时，产生单个子光束，并且当输出光束在特定周期之间聚焦时，产生两个或更多个子光束。在经过周期性相位掩模后，光束经由透镜投射到最终屏幕上，以使相位掩模的相位调制在屏幕位置转换成高空间频率强度调制。

改变的子光束由此照亮投影表面上的不同区域。随着光束扫描，投射到投影表面的单束斑因此逐渐变形成两个或更多束斑，并随后回归成另一个单束斑。如本文中详细描述的，快速变化的束斑和相修正导致可被眼睛或传感器平均化的多个光斑图案的产生，由此减轻图像中光斑的出现。

参见图1，一种示例性激光扫描仪投影系统100包括：可见光源20；扫描元件30，例如能沿至少一个水平和垂直方向扫描的扫描镜；以及系统控制器10。具体地说，可见光源20可包括一个或多个激光器，例如半导体激光器、光泵运固态激光器、光纤激光器或任何类似的激光器，并配置成产生一个或多个输出光束22(例如配置成发出红、蓝或绿色输出光束的激光器)。系统控制器10可配置成控制一个或多个激光器20和扫描元件30。

可实现为微控制器或其它类似器件的系统控制器10能控制一个或多个激光器20以发出经编码的图像数据的光发射，所述经编码的图像数据可用来形成投影图像。此外，系统控制器10控制扫描元件30以使输出光束可跨例如投影仪屏幕的投影平面80上的多个像素被扫描(例如光栅化)。因此，系统控制器10、激光器20和扫描元件30配合以在投影表面80上产生二维扫描激光图像。

根据图1所示的实施例，激光扫描仪投影系统100包括第一和第二透镜40、70、周期性相位掩模60和光瞳相位掩模72。第一透镜40聚焦经扫描的输出光束22并在周期性相位掩模60附近位置的中间平面形成中间激光图像50。周期性相位掩模60的周期近似地等于或大于输出光束22在中间激光图像50处的束腰直径(即该周期使光束随着扫描而改变)。输出光束22产生跨周期性相位掩模60扫描的束斑。第二透镜70随后将叠加至相位掩模的中间激光图像50再次成像到投影表面80上。示例的周期性相位掩模60可包括透镜阵列、全息分束器、正弦光栅等。另外，如下面本文描述的那样，可通过第二相位掩模72或通过引入到第二透镜70中的散焦或像差元件在投影透镜后引入相位变化。第二相位掩模72可以是光瞳相位掩模。

图1所示实施例的周期性相位掩模60配置成与其它系统元件一起照亮投影表面80上的束斑，该束斑随着输出光束22跨掩模60扫描而从一像素向另一像素渐进地跳跃。随着输出光束22经过掩模60，周期性相位掩模60形成多个衍射级。尽管这对于实现静态周期性相位掩模60来说是合需的，然而一些实施例也可实现侧向移动或振动的周期性相位掩模60。周期性相位掩模60可以是周期等于聚焦在掩模上的束斑尺寸的任何类型掩模。

图2a-e示出其中周期性相位掩模60配置成二维透镜阵列的实施例。特定附图描述聚焦在透镜阵列60不同位置上的输出光束22。第一透镜40(如图1所示)和透镜阵列60设计成使阵列60中的透镜的直径等于或大于阵列60水平(例如中间激光图像50)上的束腰直径。

在图2a中，输出光束22居中在透镜65b上，即阵列60中的一个特定透镜。如图所示，在通过第二透镜70(图1所示)再次成像后，全部光投影到投影表面上的单个束斑90a上。在这个位置，平均照射角是垂直入射角。

现在参见图2b，随着输出光束22向下扫描周期性相位掩模60(即所示实施例的透镜阵列60)，输出光束22移动至透镜65b和65c之间的一个位置。由于输出光束22聚焦在两透镜之间，因此输出光束22被分成两个子光束，这两个子光束聚焦在投影表面80上并形成以某一入射角照射的两个更小束斑90b和92a。由于一部分输出光束22随着光束扫描而跳跃进入束斑92a，图2a中的束斑90a现在是图2b中的更小的照射束斑90b。换句话说，当输出光束22在两透镜之间时，照亮两个更小的束斑。

随着输出光束22继续扫描，束斑90b变得更小而束斑92a变得更大，直到如图2c所示输出光束22在透镜65b、65c之间均等地分束为止，这产生两个相等尺寸的束斑90c、92b。随着输出光束22进一步向下扫描周期性相位掩模60，在某一入射角照亮两个束斑90d、92c(图2d)。束斑90d小于束斑90c，而束斑92c大于束斑92b。最后，图2e示出当输出光束22居中在透镜65c上时，输出光束22的所有光聚焦在束斑92d上并且束斑90(即束斑90a-d)如今已被消灭。

如此，透镜阵列的周期和第一透镜40的客观特性使经扫描的输出光束22的投影从一像素向另一像素渐进地跳跃。照亮屏幕上每个束斑的入射角以时间为函数恒定地变化，由此导致光斑的大量减少。尽管图2a-d示出透镜阵列实施例，具有必备周期的其它周期性相位掩模产生相同或相似的结果。

图3提供根据一些实施例在时间间隔T₁-T₅照射两个像素时周期性相位掩模60的渐进效果的解说。不是仅将单束斑投影到被线性扫描的投影表面80上，而是周期性相位掩模60提供束斑从一像素向另一像素渐进地跳跃。要注意，图3仅示出5个周期，并且该具体实施例随着输出光束22跨周期性相位掩模60扫描可具有更多或更少的时间周期。像素区82、84是在投影表面80上的多个照射像素区的示例性采样，所述投影表面80可以是屏幕、墙或其它表面。正方形像素区82、84只是图形表达，因为投影表面80可以具有定义的像素区也可以不那样。此外，投影表面80可包括平坦或基本平坦表面，例如显示屏或墙，或者投影表面可包括带轮廓的表面。尽管束斑图示为处于固定、静止位置，但在实际布置中，一些实施例的束斑可随着输出光束22跨周期性相位掩模60扫描而具有一些移动。

在T₁，束斑90a照射整个像素区82，由于输出光束22居中在周期性相位掩模60的一个周期上，所述周期性相位掩模60可以是透镜阵列、全息分束器、正弦光栅等。像素区84在T₁不由输出光束22照射。在T₂，输出光束22已移动以使其部分地位于周期性相位掩模60的两个周期之间，并因此已被分割成两个子光束。结果，一部分输出光束22已作为束斑92a跳跃而照射像素区84，并且束斑90a(在T₂如今为90b)略小于它在T₁时的大小。两个束斑90b、92a以某一入射角照射投影表面80。根据其它实施例，周期性相位掩模60也可配置成将输出光束22分成两个以上的子光束以在投影表面80上照射两个以上的束斑。

在T₃，输出光束22均等地位于周期性相位掩模60的两个周期之间，结果束斑90c和92b具有相等尺寸。在T₄，随着束斑90继续变形成束斑92，束斑90d小于束斑92c，直到最终束斑92d完全照亮像素区84并且束斑90在T₅消失为止。

再次参见图1，根据一些实施例，在投影透镜70之后引入第二相位掩模72以进一步减少光斑的出现。包含多个像素的该第二相位掩模可被称为光瞳相位掩模72，它与周期性相位掩模60相对。光瞳相位掩模72配置成通过引入相位修正而改变周期性相位掩模60在屏幕80上成像的方式。光瞳相位掩模72的一个理想位置是第二透镜的傅立叶平面，其中周期性相位掩模60的衍射级是空间分离的，如图1示意性解说的那样。光瞳相位掩模72优选地配置成使衍射级的相位相等，由此导致屏幕上光斑直径的减小。根据一些实施例，光瞳相位掩模72可以要么是静态相位掩模要么是作为时间的函数调制的动态相位掩模。

根据另一实施例，光瞳相位掩模的作用也可通过将像差或相位变化引入第二透镜70来获得。这可例如通过略微偏离第二透镜70的焦点(例如使投影图像散焦)或通过将例如散焦或球面像差的受控像差引入透镜设计来实现。根据该实施例，经修正的第二透镜70通过改变由周期性相位掩模60产生的衍射级的相对相位来实现光瞳相位掩模72的功能。

各实施例不局限于图1描述的系统并可包括附加组件，例如使输出光束22的天然波长加倍的波长转换器件(例如二次谐波发生晶体)。另外，为了进一步减小光斑的幅度，可采用具有与由光瞳相位掩模72或第二透镜70提供的衍射级数那样多的像素的调相器(未示出)来动态地改变衍射级的相对相位。这可导致在屏幕上形成高空间频率干涉带，其形状作为时间的函数而改变。

不同区域的照度、束斑的尺寸或形状的变化以及投影表面上变化的照射入射角形成被肉眼或传感器平均化的不同光斑图案。对于实质的光斑减小结果，周期性相位掩模60应当提供大于视角广度(即在观察距离上的眼瞳孔直径)的入射角变化。此外，如果周期性相位掩模60被配置成透镜阵列，则透镜阵列的间距乘以第二透镜70的放大倍数应当小于人眼的分辨率(即人眼分辨单元)以使观察者当观察经扫描的激光图像时无法感测个别的像素。

激光扫描投影仪的一些实施例可包括跨投影表面的快速扫描方向，用来形成图像的行(例如水平方向)，以及较慢扫描方向，用来形成多个行(例如垂直方向)。例如，一旦激光器完成跨快速扫描方向的一次扫描，则激光器被关闭以允许重置扫描镜30的位置。一般来说，为了保持要求的图像分辨率，输出光束22沿慢轴方向的位置在每帧基础的帧上保持恒定。结果是输出光束22与周期性相位掩模60在每个帧在慢轴帧内的相同位置与周期性相位掩模60相交。扫描镜30的角可基于逐帧地略微偏离于慢轴方向以改变各个行相对于周期性相位掩模60的位置。如果该图像变换的幅度小于相位掩模60的周期，则光斑对比度可进一步降低而不会显著损害图像分辨率。例如，扫描镜可平移周期性相位掩模60的周期的四分之一或一半。

为了描述和定义本发明，注意在本文中采用术语“近似”来表示可归因于任何定量比较、数值、测量值、或其它表示的固有不确定程度。本文还采用术语“近似”来表示一定量表示从规定参考值的变化程度，该变化程度不会导致所讨论发明主题的基本功能改变。

还要注意，在这里对本发明的组件以特定方式“编程为”、“配置”或“编程”来使特定属性具体化、或者以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，而与期望用途的叙述不同。更具体地，这里组件被“编程”或“配置”的方式的引用指该组件的已有物理条件，并且同样地被作为该组件的结构特征的明确叙述。

已详细地并参照其具体实施例描述了本发明，显然在不背离所附权利要求书中所限定的本发明范围的情况下多种修改和变化是可能的。更具体地，尽管本发明的某些方面在此可被认为是优选的或尤为有利的，但应预见到本发明不一定限于本发明的这些优选方面。

Claims (22)

1.一种激光投影系统，包括：

包含至少一个激光器的可见光源；

系统控制器，所述系统控制器被编程以通过操纵激光器光发射经编码的图像数据并控制扫描元件跨多个图像像素扫描可见光源的输出光束来产生经扫描的激光图像；

第一透镜，所述第一透镜配置成聚焦经扫描的输出光束以形成中间激光图像；

第二透镜，所述第二透镜配置成将所述中间激光图像投影到投影表面上；

周期性相位掩模，所述周期性相位掩模位于比第一和第二透镜更靠近中间激光图像的位置并包括近似等于或大于中间激光图像处的经扫描输出光束的束腰直径的周期，其中所述周期性相位掩模产生多个衍射级；以及

光瞳相位掩模，所述光瞳相位掩模包括位于所述第二透镜之后的光路上并配置成修正由所述周期性相位掩模产生的衍射级的相对相位的多个像素，

其中所述经扫描的输出光束的投影从一个像素至另一个像素渐进地跳跃，由此降低投射到投影表面上的经扫描激光图像的光斑对比度。

2.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，当所述经扫描输出光束聚焦在周期性相位掩模的各周期的中央部分时，所述周期性相位掩模产生单个子光束，并当经扫描的输出光束聚焦在所述周期性相位掩模的至少两个周期之间时形成至少两个子光束。

3.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，投射到投影表面上的平均入射角随着经扫描的输出光束扫描周期性相位掩模而变化。

4.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述第一透镜配置成聚焦经扫描的输出光束以使所述束腰直径小于或等于中间激光图像处的周期性相位掩模的周期。

5.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述周期性相位掩模包括透镜阵列，每个透镜具有近似等于或大于中间激光图像处的经扫描输出光束的束腰直径的直径。

6.如权利要求5所述的激光投影系统，其特征在于，所述透镜阵列的间距乘以所述第二透镜的放大倍数小于或近似等于人眼分辨单元。

7.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述周期性相位掩模包括至少一个全息分束器。

8.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述周期性相位掩模包括正弦光栅。

9.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述光瞳相位掩模包括位于所述第二透镜的傅立叶平面内的静态相位掩模，并配置成改变由所述周期性相位掩模产生的衍射级的相对相位以使多个衍射级的相位相等。

10.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述光瞳相位掩模包括位于所述第二透镜的傅立叶平面内的动态相位掩模，并被调制以使所述动态相位掩模的每个像素因变于时间改变每个衍射级的相位。

11.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述光瞳相位掩模包含在所述第二透镜中。

12.如权利要求11所述的激光投影系统，其特征在于，所述第二透镜配置成修正由所述周期性相位掩模产生的衍射级的相对相位。

13.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述系统控制器被编程以：

控制所述扫描元件以使所述扫描元件在快速扫描方向工作以形成经扫描的激光图像的行，并以慢扫描方向工作以形成经扫描激光图像的多个行；以及

在逐帧频率下使所述扫描元件的角度偏移，由此使沿慢轴方向的经扫描激光图像平移小于周期性相位掩模的周期的幅度。

14.一种激光投影系统，包括：

包含至少一个激光器的可见光源；

系统控制器，所述系统控制器被编程以通过操纵激光器光发射经编码的图像数据并控制扫描元件跨多个图像像素扫描可见光源的输出光束而在中间平面上形成中间激光图像；以及

周期性相位掩模，所述周期性相位掩模位于中间平面，所述中间平面包括近似等于或大于在中间平面的经扫描输出光束的束腰直径的周期，所述周期性相位掩模配置成产生多个衍射级。

15.如权利要求14所述的激光投影系统，其特征在于，当所述经扫描输出光束聚焦在周期性相位掩模的各周期的中央部分时，所述周期性相位掩模产生单个子光束，并当经扫描的输出光束聚焦在所述周期性相位掩模的至少两个周期之间时形成至少两个子光束。

16.如权利要求14所述的激光投影系统，其特征在于，所述周期性相位掩模包括全息分束器或正弦光栅。

17.如权利要求14所述的激光投影系统，其特征在于，所述激光投影系统还包括：

第一透镜，所述第一透镜配置成聚焦经扫描的输出光束以形成中间激光图像；以及

第二透镜，所述第二透镜配置成将所述中间激光图像投影到投影表面上。

18.如权利要求17所述的激光投影系统，其特征在于，所述经扫描的输出光束的投影从一像素至另一像素渐进地跳跃，由此形成多个光斑图案。

19.如权利要求17所述的激光投影系统，其特征在于，所述第二透镜配置成修正由所述周期性相位掩模产生的衍射级的相对相位。

20.如权利要求19所述的激光投影系统，其特征在于，所述第二透镜配置成将投射到投影表面上的经扫描激光图像散焦。

21.一种激光投影系统，包括：

包含至少一个激光器的可见光源；

系统控制器，所述系统控制器被编程以通过操纵激光器光发射经编码的图像数据并控制扫描元件跨多个图像像素扫描可见光源的输出光束而在中间平面上形成中间激光图像；以及

位于中间平面的周期性相位掩模，所述周期性相位掩模配置成当所述经扫描输出光束聚焦在周期性相位掩模的各周期的中央部分时产生单个子光束，并当经扫描的输出光束聚焦在所述周期性相位掩模的至少两个周期之间时形成至少两个子光束。

22.一种减小激光扫描仪投影系统的投影图像中的光斑的方法，所述方法包括：

使包含经编码图像数据的扫描激光束经过第一透镜，所述第一透镜聚焦所述激光束以形成中间激光图像；

使包含中间激光图像的扫描激光束经过周期性相位掩模，所述周期性相位掩模具有等于或大于中间激光图像处的扫描激光束的束腰直径的周期；

产生所述扫描激光束的多个衍射级；

使所述中间激光图像透过第二透镜投影并随后透过光瞳相位掩模以在表面上形成经投影的图像，其中

所述经投影的中间激光图像包括从一个像素至另一像素渐进地跳跃以减小投影图像中的光斑对比度的经投影的扫描输出光束。

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