CN102545037A - 激光投影显示器的散斑减弱 - Google Patents

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Abstract

一种激光投影显示器的散斑减弱。本发明的各种实施例涉及激光驱动器，并且更具体地，涉及向激光调制电流施加低电流脉冲以减弱投影图像上的散斑噪声的系统、装置和方法。

Description

激光投影显示器的散斑减弱
相关专利申请的交叉引用：本专利申请要求于2010年12月6日提交的、名称为“Speckle Reduction for Laser Projection Displays”(激光投影显示器的散斑减弱)的美国临时专利申请No.61/420,212的优先权，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及激光照明系统领域，并且更具体地，涉及采用脉冲驱动电流来驱动激光器并且减弱投影图像上的散斑噪声的系统、装置和方法。
背景技术
与诸如超高压(UHP)灯、高强度气体放电(HID)灯和氙气灯之类的传统光源相比，用于投影显示器的激光光源已表现出优势。激光光源提供具有窄光谱的宽色彩表现。基于红色、绿色和蓝色(RGB)激光器的光源的色域可以容易地扩展至超出NTSC的色域(例如，166％)，而灯投影仪的色域小于NTSC的色域。此外，激光光源具有更长的寿命，需要更短的响应时间，不需要热机时间(warm-up time)，产生较少的噪声，消耗较少的电能并且导致更高的对比度。具体地，由半导体二极管制成的激光光源由于紧凑(compactness)且效率高，因此对于投影显示器而言是合乎期望的。然而，为了实现激光照明系统，激光散斑是需要解决的问题。
当相干激光源由粗糙的显示器表面散射并且穿过观众的眼镜、具有有限孔径的光学系统以形成图像时，出现激光散斑。略有不同的相位被引入由粗糙表面上的不同位置所散射的相干光。光的光学干涉表现为观众所接收的图像中的散斑。散斑的大小和很多因素有关，比如，光的波长、激光束的大小以及观众与显示器表面之间的距离。通常用散斑对比度来量化激光散斑。由于存在散斑，导致图像质量劣化(degrade)，并且激光散斑作为一种噪声应该被减弱到最小水平。
减弱散斑噪声等同于降低散斑图案的对比度。需要在视网膜/光接收器上引入和叠加更多单独的散斑图案以求平均。已采用了多种方法来达到这个目的。在激光源的近场中，通过使用不同波长的激光、移动的漫射器、移动的孔径或孔径平均来实现激光散斑的减弱。在激光源的远场中，通过使用振动屏幕、具有不同长度、折射率的光学纤维或光学纤维束、衍射型光学元件或进行二维扫描的旋转多面镜，来实现激光散斑的减弱。然而，所有这些方法都涉及在光学系统中添加更多的组件，并且会急剧增加显示系统的复杂度、大小和成本。
对于投影显示器而言，期望的激光光源是基于分别产生蓝色激光、红色激光和绿色激光的三个半导体二极管。图1是常规基于激光的投影显示器的框图。由激光驱动器108驱动RGB激光器102、104和106，并且合束器110将所产生的光导向扫描仪112，而扫描仪112将图像投影到表面114。激光驱动器108和扫描仪112都受同步视频数据的控制。如图2中一样，激光器102、104和106的发光功率与注入到二极管中的激光电流ILASER相关。ITH是激光阈值电流。如果激光电流低于ITH，则发光功率太小，以致不能触发可见光，并且激光电流被表征为偏置电流IBIAS。如果激光电流高于ITH，则发光功率大致与二极管电流ILASER成线性比例关系，二极管电流ILASER被表征为调制电流IMOD。实时地，需要调制电流IMOD达到IOP的水平，以产生期望的发射功率POP。调制电流IMOD随着时间而变化，以传递不同的发光功率POP并且进而传递不同的图像亮度。
除了光学系统调节之外，用于减弱投影显示器中的散斑噪声的替代方法是使用正弦电流来驱动激光器。每当激光电流接近最小值(即等于或略低于阈值电流ITH)时，激光照明终止。每当激光进行切换时，激光波长略有变化，并且散斑噪声可能会被加强。然而，如果最小值高于ITH，则散斑减弱并不明显，而如果最小值远低于ITH，则激光器可能由于常规的接电或断电而受损。
图3A图示说明激光驱动器300，其采用射频(RF)调制来减弱散斑，并且图3B图示说明示例性的电流波形350。激光驱动器300包括三个电流源304、306和308。第一电流源304产生高于阈值电流ITH的调制电流IMOD，以传递期望的发射功率POP。第二电流源306产生低于阈值电流ITH的偏置电流IBIAS。第三电流源308尤其用于通过产生高频正弦激光电流IRF来减弱散斑噪声。调制电流IMOD和偏置电流IBIAS限定指明正弦激光电流IRF的峰和谷的包络线。调制电流IMOD的频率低于激光电流IRF的频率。为了避免水平远高于或远低于ITH，根据IMOD以恒定方式调节IRF的幅值。由于等效的50％占空比是固定的，导致峰值激光电流(调制电流)是目标平均电流的两倍，并且发射功率和所感知的图像亮度是由调制电流确定的。
发明内容
本发明的各种实施例涉及向激光调制电流施加低电流脉冲以减弱投影图像上的散斑噪声的激光驱动系统、装置和方法。
用于减弱散斑的激光驱动器的某些实施方案包括控制器、脉冲停止控制、两个电流源和两个串联模拟开关。控制器将输入的视频数据转换成经处理的视频数据，脉冲停止控制使用该经处理的视频数据来产生用于在特定瞬间切换模拟开关的模拟控制。在一个电流源提供使激光器发光的调制电流的情况下，引入低偏置电流的脉冲，以将激光断成短脉冲并且减少激光相干性。通过叠加与在人眼的一个采样/积分周期内的短激光脉冲相关联的多个图案，将散斑噪声平均化。除了调制电流之外，占空比也牵涉其中作为得到目标平均电流的另一个变量。该系统因此可以被简化成各种水平。在一个实施方案中，调制电流和偏置电流可以是恒定的，并且目标平均电流仅由占空比来确定。
在本发明内容部分中已经总体上描述了本发明的某些特征和优点；然而，本文呈现了额外的特征、优点和实施方案，或者鉴于本发明的附图、说明书和权利要求书，对于本领域的普通技术人员来说，这些额外的特征、优点和实施方案将是明显的。因此，应该理解，本发明的范围不应该受本发明内容部分所公开的特定实施方案限制。
附图说明
将参照本发明的实施方案，这些实施方案的实例会在附图中被图示说明。这些附图旨在是示例性的，不是限制性的。虽然总体上在这些实施方案的背景下描述了本发明，但是应该理解，并不旨在将本发明的范围限于这些特定的实施方案。
图1图示说明基于激光的投影显示器的框图；
图2图示说明发光功率和激光二极管电流之间的关系；
图3A图示说明使用RF调制来减弱散斑噪声的激光驱动器；
图3B图示说明由RF调制产生的激光电流波形；
图4图示说明根据本发明的各种实施方案以脉冲波形驱动激光二极管的激光驱动器的框图；
图5A图示说明根据本发明的各种实施方案的示例性脉冲激光电流波形；
图5B图示说明根据本发明的各种实施方案的另一个示例性脉冲激光电流波形；以及
图6图示说明根据本发明的各种实施方案的数字脉冲激光电流波形。
具体实施方式
本发明的实施方案提供了在基于激光的投影显示器中采用脉冲驱动电流来驱动激光器并且减弱投影图像上的散斑噪声的系统、装置和方法。具体地，在调制电流中引入短的启动脉冲(light-off pulse)来驱动激光器，而没有使用RF调制。在下面的描述中，为了进行说明，阐明具体细节以提供对本发明的理解。然而，对本领域的技术人员而言将会是明显的是，可以在不具有这些细节的情况下实践本发明。本领域的技术人员将认识到，可以按多种方式并使用各种结构来实现下述的本发明的实施方案。本领域的技术人员还将认识到，在本发明的范围内存在附加的修改形式、应用方式和实施方案，如本发明在其中可以发挥效用的附加领域一样。因此，下述的实施方案是本发明的特定实施方案的示例，而旨在避免使本发明模糊不清。
在说明书中引用“一个实施方案”或“实施方案”意味着在本发明的至少一个实施方案中包括结合该实施方案描述的特定特征、结构、特性或功能。在说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方案中”、“在实施方案中”等不必都是指同一个实施方案。
为了减弱散斑噪声，将低偏置电流的脉冲施加到驱动激光器的初始的连续调制电流。在这些脉冲期间，暂时中止激光照明。调制电流、脉冲偏置电流、脉冲频率和脉冲宽度是这样的变量，其可以根据不同应用的需求被调节，以产生目标平均电流。
图4图示说明以脉冲波形驱动激光二极管的激光驱动器的框图400。激光驱动器包括第一电流源402、第二电流源404、第一模拟开关406、第二模拟开关408、脉冲停止控制电路410和控制器412。第一电流源402与第一模拟开关406串联并且受第一模拟开关406的控制，并且类似地，第二电流源404与第二模拟开关408串联并且受第二模拟开关408的控制。一旦第一模拟开关406导通，第一电流源402就与激光二极管420连接并且注入调制电流IMOD，从而激光二极管发光。一旦第二模拟开关408导通，第二电流源404就与激光二极管420连接并且注入等于或小于ITH的偏置电流IBIAS，从而激光二极管关断。在一个实施方案中，第一电流源402大多数时间被连接，用于为激光二极管420提供恒定的电流驱动，而第二电流源404被连接，用于引入低电流脉冲来关断激光器。在某一个实施方案中，IMOD和IBIAS的电流水平二者都随着时间而变化，并且由输入的视频数据来确定其时间依从性(temporal dependence)。两个模拟开关406和408可以同时导通，以允许电流源402和404二者都与激光器连接。
在一个实施方案中，电流源402和404被实现为数-模转换器(DAC)。这些转换器的动态范围分别由最大调制电流和偏置电流确定，并且这些转换器的分辨率与所感知的图像亮度的分辨率需求相关。通常使用的是12b分辨率。控制器412将输入的视频数据转换成并行或串行数据430和440，这些数据分别用于识别电流源402和404的电流幅值。
脉冲停止控制电路410控制模拟开关406和408的开关时间和持续时间。控制器412根据启动脉冲的频率和占空比来识别特定的开关瞬间。控制器412接收输入的视频数据，并且产生经处理的视频数据，该经处理的视频数据是用于指明这些开关瞬间的数字控制。脉冲停止控制电路410还将经处理的视频数据转换成模拟控制电压414和416，用于分别控制模拟开关406和408。在某一个实施方案中，使用传统的电平转换器来产生所需的模拟控制电压414和416。脉冲停止控制电路410还需要在脉冲沿上引入三态时间。三态时间通常只持续几纳秒，在此期间，两个电流源都断开，以避免如果开关电流源的时间间隔太密而可能出现的直流电流。
所感知的图像亮度和颜色是所有三种RGB激光器的调制电流水平和占空比的函数，而脉冲频率和偏置电流水平并没有影响。双眼以周期方式对投影到视网膜上的图像的信息进行采样，并且然后信息被积分，从而物体看起来是稳定的或者平稳地移动。眼睛所感知的颜色强度是眼睛的采样/积分时间(通常是10-100毫秒)内的平均颜色强度。优选地，以比眼睛中进行采样/积分更频繁地来产生启动脉冲。这些脉冲将相干激光波断为若干激光波，并且每个持续很短的时间，此时双眼将所有这些波积分以在视网膜中生成一个图案。尽管每个单个波是高度相干的，但是这些波彼此不相干，并且这些波的波长也会略有变化。因此，与每个波相关联的散斑略有移动，并且在进行积分时被求平均。在这些启动脉冲的作用下，散斑噪声被大大减弱。
为了产生特定亮度的特定颜色，控制器412首先确定每个RGB激光器所需的强度，并且然后将该强度转换成经处理的视频数据，供脉冲停止控制电路410用于各RGB激光器。所得的发光功率(强度)是占空比和眼睛的采样/积分时间内的瞬时发光功率(强度)的函数。目标平均电流IOP与所预期的发光功率相关，并且其应该由占空比和调制电流IMOD来确定。
图5A图示说明由脉冲停止激光驱动器的某些实施方案产生的示例性脉冲激光电流波形500。高端调制电流IMOD随时间而变化，并且在脉冲停止的持续时间内，将低端偏置电流IBIAS控制在一恒定值，所述恒定值等于或略低于激光阈值电流ITH 502。低端偏置电流IBIAS足以使发光停止，同时避免驱动电流降为0和造成激光可靠性长期劣化的问题。在该实施方案中，电流源402仍然依赖于视频数据来确定其随时间的变化特征，然而，电流源404只需要提供恒定的偏置电流IBIAS。在一个实施方案中，电流源404被永久地编程以产生固定的电流水平，并且可以大大简化电路构造。在另一个实施方案中，电流源404能够产生可变的偏置电流IBIAS，并且预设控制以在启动脉冲期间产生固定的低偏置电流。即使电流源404没有被简化，电流控制过程也是直接进行的并且没有涉及数据刷新。
图5B图示说明由脉冲停止激光驱动器的某些实施方案产生的另一个示例性脉冲激光电流波形550。高端调制电流IMOD随时间而变化，并且在脉冲停止的持续时间内，将低端偏置电流IBIAS控制在一随机变化的值，所述随机变化的值等于或略低于激光阈值电流ITH504。该实施方案要求电流源404能够产生可变的偏置电流IBIAS并且必须针对每个启动脉冲对偏置电流水平进行调节。
在图5A和图5B二者中，所感知的激光强度与在眼睛的采样/积分时间内积分的目标平均电流506和508相关。如果控制启动脉冲的持续时间使其很短，则激光电流的占空比可以明显大于50％，并且目标平均电流可以非常接近高端调制电流IMOD。例如，如果占空比为90％，则瞬态调制电流IMOD是目标平均电流的1.05倍。在使用RF调制的现有技术中，等效的占空比仅为50％，所以调制电流可以达到目标平均电流的两倍。结果，脉冲停止散斑减弱技术使激光二极管中的峰值电流减小，放宽了电流源402的电流要求，因此改善了驱动器电子器件的成本效益和功耗。
在图5A和图5B的实施方案中，主要由调制电流IMOD的水平来确定目标平均电流506和508。占空比是可调的，然而，其贡献不及调制电流IMOD大。因此，需要电流源402保持实时调节调制电流IMOD的能力。
图6图示说明数字脉冲激光电流波形。高端调制电流IMOD被固定于某个值，并且在脉冲停止期间，低端偏置电流IBIAS也被固定于等于或略低于激光阈值电流ITH的另一个值。电流源402和404只需要产生一个特定电流或有限数量的电流，所以在12b分辨率下通过避免覆盖整个动态范围，可以显著降低复杂度。在某个实施方案中，通过调节占空比，得到目标平均电流。在给定调制电流IMOD的情况下，占空比与目标平均电流成比例。最大的目标平均电流将永远不会超过调制电流IMOD，而最小的目标平均电流将高于低端偏置电流IBIAS。
在控制器412中调节占空比，并且应该精确控制占空比，直至到达系统时钟。如果系统时钟是100MHz并且16个相位被使得是可用的，则脉冲宽度的精度为0.625纳秒。假定脉冲停止频率为100MHz，则占空比被控制在625ppm内并且与高达4位的平均电流分辨率相关联。占空比控制基于数字电路并且可以被更容易地实现。
与RF调制相比，在脉冲停止散斑减弱方法中，控制得到大大简化。再一个变量，占空比，被引入以有效地得到目标平均电流。通过积分更多的这些占空比的数字控制，激光电流的模拟控制被减少。在某一个实施方案中，调制电流和偏置电流二者都是固定的，并且只通过占空比来调节目标平均电流。本领域的技术人员将认识到，图5A、图5B和图6旨在作为使用脉冲停止散斑减弱方法的三个实施方案，并且对于实现其他变形形式、等同形式和替代形式，所述电路结构是开放性的。
虽然本发明容许各种修改形式和替代形式，但是在附图中已示出其特定实施例，并且在本文中详细描述了这些实施例。然而，应该理解，本发明不限于所公开的特定形式，而是相反地，本发明将要涵盖落入本发明范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。

Claims (20)

1.一种用脉冲调制电流驱动激光二极管的激光驱动器，所述激光驱动器包括：
控制器，所述控制器被耦合来接收并且处理视频数据；
脉冲停止控制模块，所述脉冲停止控制模块被耦合到所述控制器，所述脉冲停止控制模块产生第一模拟控制电压；
第一电流源，所述第一电流源被耦合来驱动所述激光二极管，所述第一电流源产生高于激光阈值电流的调制电流；
第一模拟开关，所述第一模拟开关被耦合到所述脉冲停止控制模块，所述第一模拟开关与所述第一电流源串联，以在多个启动脉冲期间截断所述调制电流，从而产生所述脉冲调制电流以驱动所述激光二极管，并且
其中，所述激光阈值电流是使所述激光二极管开始发光的临界电流，并且高于所述激光阈值电流，则所述光的功率基本上与驱动所述激光二极管的电流成线性比例关系。
2.根据权利要求1所述的激光驱动器，其中，在人眼的一个积分周期内，所述第一模拟开关是有规律地被截断的。
3.根据权利要求1所述的激光驱动器，其中，所述第一电流源被耦合到所述控制器，并且根据所述视频数据来调节所述调制电流的幅值。
4.根据权利要求1所述的激光驱动器，其中，所述调制电流具有固定的幅值，并且根据所述视频数据通过所述第一模拟控制电压来调节所述脉冲调制电流的占空比。
5.根据权利要求1所述的激光驱动器，其中，在所述多个启动脉冲期间，所述第一电流源从传递所述调制电流和驱动所述激光二极管被禁用。
6.根据权利要求1所述的激光驱动器，其中，所述第一电流源还包括数-模转换器。
7.根据权利要求1所述的激光驱动器，还包括：
第二电流源，所述第二电流源被耦合到所述激光二极管，所述第二电流源产生偏置电流；以及
第二模拟开关，所述第二模拟开关被耦合到所述脉冲停止控制模块，所述第二模拟开关被设置成与所述第二电流源串联，并且用于在所述启动脉冲期间导通所述偏置电流，从而所述偏置电流能够驱动所述激光二极管。
8.根据权利要求7所述的激光驱动器，其中，所述偏置电流非常小以使从所述激光二极管的光发射停止，同时避免驱动电流经过所述激光二极管而降低至0并且对所述激光二极管造成长期的劣化。
9.根据权利要求7所述的激光驱动器，其中，所述偏置电流被控制在一随机变化的值，所述随机变化的值等于或略低于所述激光阈值电流的值。
10.根据权利要求7所述的激光驱动器，其中，所述偏置电流被控制在一恒定值，所述恒定值等于或略低于所述激光阈值电流的值。
11.一种用脉冲调制电流驱动激光二极管的激光驱动器，所述激光驱动器包括：
控制器，所述控制器被耦合来接收并且处理视频数据；
脉冲停止控制模块，所述脉冲停止控制模块被耦合到所述控制器，所述脉冲停止控制模块产生第一模拟控制电压；
第一电流源，所述第一电流源被耦合来驱动所述激光二极管，所述第一电流源产生高于阈值电流的调制电流；
第二电流源，所述第二电流源被耦合来驱动所述激光二极管，所述第二电流源产生等于或略低于所述阈值电流的偏置电流；以及
第一模拟开关，所述第一模拟开关被耦合到所述脉冲停止控制模块，所述第一模拟开关被设置成与所述第一电流源串联，以在多个启动脉冲期间截断所述调制电流，从而产生所述脉冲调制电流以驱动所述激光二极管。
12.根据权利要求11所述的激光驱动器，还包括：
第二模拟开关，所述第二模拟开关被耦合到所述脉冲停止控制模块，所述第二模拟开关被设置成与所述第二电流源串联，并且被用来控制所述偏置电流。
13.根据权利要求11所述的激光驱动器，其中，所述调制电流和所述偏置电流都具有各自固定的幅值，并且根据所述视频数据通过所述第一模拟控制电压来调节所述脉冲调制电流的占空比。
14.根据权利要求11所述的激光驱动器，其中，所述第一电流源和所述第二电流源还包括各自的数-模转换器。
15.一种激光驱动方法，所述方法包括以下步骤：
接收输入视频数据；
根据所述输入视频数据来产生调制电流，所述调制电流高于激光阈值电流；
在多个启动脉冲期间，禁用所述调制电流；
在所述多个启动脉冲期间，产生等于或略低于所述激光阈值电流的偏置电流；
用所述调制电流和所述偏置电流来驱动激光二极管，所述调制电流和所述偏置电流彼此同步，并且
其中，所述激光阈值电流是使所述激光二极管开始发光的临界电流，并且高于所述激光阈值电流，则所述光的功率基本上与驱动所述激光二极管的电流成线性比例关系。
16.根据权利要求15所述的激光驱动方法，其中，在人眼的一个积分周期内，包括多于一个的启动脉冲。
17.根据权利要求15所述的激光驱动方法，其中，所述调制电流具有固定的幅值，并且根据所述输入视频数据来调节所述启动脉冲的宽度。
18.根据权利要求15所述的激光驱动方法，其中，数-模转换器被耦合来根据所述输入视频数据产生所述调制电流。
19.根据权利要求15所述的激光驱动方法，其中，所述偏置电流被控制在一随机变化值，所述随机变化值等于或略低于所述激光阈值电流的值。
20.根据权利要求15所述的激光驱动方法，其中，所述偏置电流被控制在一恒定值。
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