CN102906630A - 使用漫射面来减少光斑的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种激光投影系统包括光源、光学扫描器件、聚焦器件、光斑减少漫射面和光准直器件。光源可包括构造成发射输出光束的至少一个激光器。聚焦器件将输出光束聚焦在第一焦点处。光斑减少漫射面在第一焦点处选择性地被引入光学路径内。光准直器件将输出光束准直到光扫描器件上。通过操作用于对经编码图像数据进行光学发射的激光器并控制光学扫描器件以扫描输出光束，以在投影面上产生经扫描的激光图像的至少一部分。当光斑减少漫射面位于光学路径内时，光准直器件构造成使第一焦点在投影面处的第二焦点处成像。

Description

使用漫射面来减少光斑的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年5月21日提交的美国临时申请第61/346,956号的优先权权益。

背景技术

技术领域

本发明的实施例涉及激光投影系统，并更具体地涉及减少经扫描的激光图像中光斑的出现的激光投影系统。

技术背景

每当相干光源用于照亮例如屏幕、墙壁的粗糙表面或产生漫反射或漫射透光的任何其它物体时，会产生光斑。特别是，屏幕上的大量小区域或其它反射物体将光散射成具有不同起始点和不同传播方向的多个衍射光束。光斑引起投影图像中较大的空间频率噪声。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，产生随机的粒状的强度图案，这被称作光斑。光斑可以由粒度大小和对比度来表征，对比度通常定义为在观测平面内标准差与平均光强度之比。对于足够大的照亮区域和足够小的单独的散射点尺寸来说，光斑将被“完全地显影”，如果漫射体不是偏振光，则其具有的亮度标准偏差为100％，当漫射体是偏振光时，亮度标准偏差为75％。如果采用诸如激光束之类的相干光源将图像形成于屏幕上，该粒状结构将代表画质的噪声或严重劣化。该噪声是个严峻的问题，特别是当投影仪用于显示诸如文本之类的高空间频率内容时。

可以通过将一些移动漫射面插入经扫描的激光束的光学路径内以加扰碰到屏幕的光的相位来减少光斑。移动漫射面根据时间来修改光斑图案的形状，并且如果漫射面移动得足够快，所有这些光斑图案被平均化，这是因为人类对图像的整合（intergrate）通常是在50微秒量级的持续时间内。

尽管快速移动漫射体使光斑减少，但这需要昂贵和复杂的机构来以相对较高的速度侧向移动相位掩模。此外，移动漫射体需要采用具有大数值孔径和大视野的聚焦机构以及镜头，这将对系统增加明显的复杂度、成本和尺寸。因此，当在小尺寸的投影仪中实施这种方法时，使用移动漫射体具有显著的缺点。

发明内容

在一个实施例中，激光投影系统包括光源、光学扫描器件、聚焦器件、光斑减少漫射面和光准直器件。光源可包括构造成发射输出光束的至少一个激光器。聚焦器件定位在由光源发射的输出光束的光学路径内，并将输出光束聚焦在位于光学扫描器件前面的第一焦点处。光斑减少漫射面可操作成在位于光学扫描器件前面的第一焦点处选择性地引入输出光束的光学路径内。光准直器件定位在聚焦器件后面的输出光束的光学路径内，并可操作成将输出光束至少几乎准直到光学扫描器件上。激光投影系统被编程为，通过操作用于对经编码的图像数据进行光学发射的激光器并控制光学扫描器件以跨多个图像像素来扫描输出光束，以在投影面上产生经扫描的激光图像的至少一部分。光准直器件构造成，当将光斑减少漫射面引入输出光束的光学路径内时，使第一焦点在投影面处的第二焦点处成像。

在另一实施例中，激光投影系统包括光源、光学扫描器件、聚焦器件、光斑减少漫射面和光准直器件。光源包括构造成发射输出光束的至少一个激光器。聚焦器件定位在由光源发射的输出光束的光学路径内，并将输出光束聚焦在位于光学扫描器件前面的第一焦点处。光准直器件定位在聚焦器件后面的输出光束的光学路径内，并可操作成将输出光束至少几乎准直到光学扫描器件上。光斑减少漫射面操作成在光斑减少操作模式期间在光学扫描器件前面的第一焦点处被引入输出光束的光学路径内，并可操作成在无限景深模式的操作期间从输出光束的光学路径移除。光斑减少漫射面关于与由输出光束的光学路径限定的光学轴线垂直的轴线以聚焦角来定向，并产生输出光束的漫射角，因而，当将光斑减少漫射面引入输出光束的光学路径内时，输出光束在光学扫描装置上具有约1.5毫米到约4毫米之间的直径。聚焦器件和光准直器件构造成，当光斑减少漫射面没有被引入输出光束的光学路径时，使输出光束在光学扫描装置上的直径为约0.4毫米到约1毫米之间。激光投影系统被编程为，通过操作用于对经编码的图像数据进行光学发射的激光器并控制光学扫描器件以跨多个图像像素来扫描输出光束，以在投影面上产生经扫描的激光图像的至少一部分，并使光斑减少漫射面沿第一轴线方向平移，以使第一焦点在投影面处的第二焦点处成像。

附图说明

在结合以下附图阅读以后就会很好地理解本发明的各具体实施例的以下详细说明，其中相同的结构用相同的标号来表示，且其中：

图1示出根据一个或多个实施例的、在无限景深模式下操作的激光投影系统的示意图；

图2示出根据一个或多个实施例的、在光斑减少模式下操作的激光投影系统的示意图；

图3示出根据一个或多个实施例的、表面射束点尺寸（半最大全宽）和投影面上的像素尺寸对投影距离D的曲线图；

图4示出根据一个或多个实施例的、光斑对比度对1/e²输出光束直径的曲线图；以及

图5示出根据一个或多个实施例的、光斑减少漫射面和输出光束的三个焦点的示意图。

具体实施方式

本发明的具体实施例可以在激光投影系统的情境下作描述，该激光投影系统跨投影面而扫描输出光束，以产生二维图像。然而，实施例不仅可以在激光投影系统中实施，还可以在期望减少光斑的情况下与扫描机构结合利用相干光源的其它光学系统中实施。总地来说，如图1和2中所示，可通过如下方式来减少出现扫描的激光图像中的光斑，即，提供对入射在投影面（例如，屏幕）上的电场的相位进行高空间频率调制，并根据时间来修改相位调制的形状，以在人类眼睛的整合时间内产生许多不同的光斑图案。眼睛将这许多不同的光斑图案平均化，并由此减弱光斑的出现。在此所述的实施例通过沿由相干光源产生的输出光束的光学路径引入光斑减少漫射面来减少光斑。光斑减少漫射面定位在光学扫描器件的前面，该光学扫描器件二维扫描输出光束。

现参照图1，示出激光投影系统100的一个实施例的示意图。示例性的激光投影系统100构造成激光扫描投影系统，该激光扫描投影系统编程为二维扫描由光源110产生的输出光束120，并由光学扫描器件126反射（或透射）以在诸如墙壁或投影仪屏幕之类的给定投影面130处形成二维图像。如下文更详细所述，一些实施例可包括偏振干扰装置129。激光投影系统100可用于显示静态图像（例如，文本）、移动图像（例如，视频），或两者均可。该系统可以是紧凑的，以使该系统可包含到相对较小的装置内，诸如是手持式投影仪、蜂窝电话、个人数据助理、笔记本计算机或其它类似装置。

光源110可包括一个或多个激光器。图1和2中所示的实施例包括三个激光器111a、111b和111c，这三个激光器可操作成发射不同波长的相干光束。作为示例，可采用镜子或分色镜来将这三个发射光束114a、114b和114c结合成一个单发射光束120。例如，光源110可包括能分别发射红色、蓝色和绿色波长光束的三个激光器。根据一些实施例，输出光束120由几乎准直的绿、红和蓝光束构成。例如，第一激光器111a可发射波长在绿色光谱范围内的光束114a，第二激光器111b可发射波长在红色光谱范围内的光束114b，而第三激光器111c可发射波长在蓝色光谱范围内的光束114c。其它实施例可利用发射更多或更少准直的激光束和/或波长不是绿色、红色或蓝色的光束的光源110。例如，输出光束120可以是波长在绿色光谱范围内的单输出光束。

光源110可包括诸如分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射器（DBR）激光器、垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、二极管泵固态激光器（DPSS）、天然绿色激光器、直外空腔表面发射激光器(VECSEL)或法布里-佩罗特激光器之类的一个或多个单波长激光器。此外，为了产生绿色光束，一些实施例的光源110还可包括波长转换器件（未示出），诸如是二次谐波发生（SHG）晶体或更高次谐波发生晶体，以使具有在红外频带内的天然波长的激光束的频率加倍。例如，可使用SHG晶体，通过将1060纳米DBR或DFB激光器的波长转换成530纳米来产生绿光，该SHG晶体诸如是MgO掺杂的周期性极化铌酸锂（PPLN）晶体。光源110还可包括不是单波长激光器的激光器，诸如能发生多波长的激光器。在其它实施例中，光源110可包括能在不使用波长转换器件的情况下发出天然绿色激光的激光器。

光源110还可包括光源透镜112a-112c，这些光源透镜定位在由激光器111a-111c产生的每个光束的光学路径内。光源透镜可提供离开光源110的、几乎准直的光束114a-114c。在其它实施例中，光源110可以不包括光源透镜，且光束可以不准直的状态离开光源110。在一个实施例中，激光投影系统100还包括反射面116a-116c，这些反射面定位成并构造成将由三个激光器111a-111c产生的三个光束114a-114c反射并结合成输出光束120。输出光束120可以是包括激光束114a-114c的单光束，或者它可以是包括激光束114a-114c的三个光束。例如，激光束114a-114c可以在空间上分离，并不结合成单输出光束120，如下面更详细所述。在利用仅一个激光器的实施例中，激光投影系统100可以不采用反射面。此外，应理解到可以采用其它光束结合器件。

激光投影系统100可编程为执行文中公开的许多控制功能。系统100可以许多方式来编程，包括传统的或仍待开发的编程方法。文中讨论的对系统100进行编程的方法不意在将实施例限制于任何特定的编程方式。

在一些实施例中，激光投影系统100可包括诸如微控制器之类的一个或多个系统控制器（未示出），将系统控制器编程为控制光源110以产生单色或多色图像数据流。系统控制器连同本领域内已知的图像投影软件和相关电子器件可向光源提供载有图像数据的一个或多个图像数据信号（例如，激光驱动电流）。为了产生期望的图像，光源110则可以输出光束120的增益或强度变化的形式发射经编码的图像数据。然而，一些实施例可利用其它控制器或编程装置来产生经扫描的激光图像。

聚焦光学器件122可以定位在输出光束120的光学路径内，因而，输出光束120首先经过聚焦光学器件122。如下文更详细讨论的，光斑减少漫射面128可以在聚焦光学器件之后并在光学扫描器件126之前选择性地被引入输出光束120的光学路径内。聚焦光学器件122具有在激光投影系统100内部的位置P1处产生输出光束120的第一焦点（即，光束114a-114c的单输出光束，或者三个焦点）的焦距。然后，由源自P1的输出光束120提供的光123经由准直器件124和光学扫描器件126作为会聚光束121重新成像于投影面130上的位置P2处的第二焦点上。当将漫射面插入光学路径内时，该漫射面应较佳地接近于第一焦点P1定位。

光学扫描器件126在聚焦器件122的后面定位在输出光束120的光学路径内。光学扫描器件126可包括一个或多个可控和可动微型光机电系统(MOEMS)或微型电子机械系统(MEMS)，这些系统构造成朝向投影面130对输出光束120进行二维扫描，以照明多个像素，这些像素以图像帧率形成图像帧。还可使用诸如旋转多面棱镜、共振镜或电流测定镜之类的其它扫描器件。经扫描的输出光束在图1和2中示出为会聚的输出光束121。相继的图像帧形成经扫描的激光图像。还设想MOEMS或MEMS可操作地联接于镜子或棱镜，该镜子或棱镜构造成相应地使输出光束120改向。聚焦器件122将输出光束120聚焦于光学扫描器件126上。

图1示出在无限景深模式（即，非光斑减少模式）下操作的系统100。聚焦光学器件122和准直器件124的光学特性为：使碰到投影面的会聚的输出光束121的会聚角小到足以使在投影面上出现的图像保持清晰，而与投影距离无关，并且不需要在激光投影系统100内部进行任何调焦。此外，聚焦光学器件122和准直器件124的光学特性为：使投影面130上的射束点尺寸小到足以满足图像分辨率要求。通常，投影面130上的射束点应与图像像素尺寸大致相等。如图1中所示，当在无限景深模式下操作时，不将光斑减少漫射面128引入到输出光束120的光学路径内。当激光投影系统100在无限景深模式下操作时，景深非常大，并因此不需要调焦来在投影面130上实现聚焦的扫描激光图像。为了满足该条件，会聚的输出光束121的会聚角应相对较小，由此使该光束在光学扫描器件126上的光束直径相对较小。然而，较小的会聚角造成光斑减少得不多。

图2示出在光斑减少模式下操作的激光投影系统100。如图2中所示，光斑减少漫射面128在靠近第一焦点的位置P1处被引入聚焦的输出光束120的光学路径内。光斑减少漫射面128可通过例如致动装置机械地移入和移出光学路径。在由光斑减少漫射面128透射之后，源自位置P1处的第一焦点的光123’经由准直器件124和光学扫描器件126重新成像于投影面130（即，投影屏幕）上的位置P2处的第二焦点上。会聚的输出光束121’照亮位置P2处的第二焦点。由于第一焦点在投影面上的位置P2处的第二焦点处成像，会聚的输出光束121在投影面130上的幅度形状（amplitude profile）并未明显改变，这意味着射束点尺寸相对于图1中所述和所示的先前投影仪构造未变化。换言之，由于光斑减少漫射面128定位在光学扫描器件126前面并靠近第一焦点P1，而该第一焦点重新成像于投影面130上的第二焦点位置P2处，引入光斑减少漫射面128并不影响投影面130上的清晰图像。现在，由于光斑减少漫射面128在投影面130上成像，将对电场的相位的某种高空间频率调制添加到投影面130上的射束点。当光学扫描器件126扫描会聚的输出光束121’时，由光斑减少漫射面128提供的相位调制位置在输出光束被光学扫描器件126快速地扫描时跟随输出光束，由此造成使相位调制相对于投影仪130快速移动。结果对于观察者来说减少了光斑的出现。

图2还示出源自第一焦点位置P1的输出光束的会聚度随着光斑减少漫射面128的插入而增大，这致使会聚的输出光束121’的会聚角相应地增大。因此，根据会聚角，会不可能与激光投影系统100到投影面130的距离无关地保持清晰的图像。由此，根据会聚角，可以采用聚焦机构来确保会聚的输出光束121聚焦于投影面130处。在一个实施例中，准直器件124可以沿Z轴平移，以对于许多投影距离使光斑减少漫射面128适当地成像于投影面130上。在另一实施例中，光斑减少漫射面128可绕X轴倾斜，以使光斑减少漫射面128相对于Y轴成角度。通过使光斑减少漫射面128沿Y轴平移来提供调焦。由于光斑减少漫射面128的倾斜，沿Y轴的运动导致光斑减少漫射面128的有效表面（即，光斑减少漫射面128被输出光束照射到的部分）沿Z轴移动，这等效于改变激光投影系统100的焦点。应理解到文中所述的各种轴仅出于示意的目的，并且不意在对定向作具体的限制。

激光投影系统的参数应作优化，以在图1中所示的非光斑减少模式下实现适当的图像分辨率以及无限景深，并在图2中所示的光斑减少模式下实现期望的光斑减少。无限景深可通过如下方式来分析，即，假定激光束近似高斯光束并根据传统的高斯光束传播定律传播到投影面130。为了示出如何实现无限的景深，假定如下情形，即一个方向上的图像分辨率是沿图像的一个方向为800像素（即，经扫描的激光图像的图像线包括800像素）且扫描装置的偏转角是沿相同方向的40度。在一级近似中，投影面上的图像像素尺寸可由如下给出：

像素=2*D*tg(θ/2)/R,方程(1),

其中：

像素是像素尺寸，

D是投影距离，

θ是激光投影系统的投影角（40度），以及

R是激光投影系统的沿一个方向的先天分辨率（800像素）。

由于像素尺寸等于投影距离的0.9E-3倍，0.9mRd的角度可与像素相关联，这被称为像素的角延展。为了实现800像素的分辨率，可以示出由准直输出光束（半最大全宽（FWHM））照亮的投影面上的射束点尺寸应粗略地等于图像像素尺寸，以获得在最宽范围的投影距离D内的最高分辨率。然后，可应用高斯光束传播定则来根据投影距离D计算射束点尺寸。

图4示出描绘表面射束点FWHM的尺寸和像素尺寸（y-轴线）对投影距离D（x－轴线）的曲线图140。曲线142表示根据投影距离D的图像像素的尺寸。曲线144示出在假定上述光学器件已构造成产生离激光投影系统0.4米远的情况下非常小的光束的表面射束点尺寸。如由曲线图140可见，表面射束点尺寸扩大得比像素尺寸快，并且在约1米之后，光束变得大于图像像素，从而造成图像分辨率的降低。对于由曲线148所描绘的情况，光束会聚度设定成小得多，从而导致产生在离激光投影系统400毫米远处较大的光束尺寸。在此情况下，仅在距离大于0.7米的情况下实现适当的图像分辨率。曲线146更接近于高斯光束的会聚角设定成等于像素角延展的理想状况。如曲线图140中所示，高斯光束的会聚角设定成等于像素角度延展的情况提供实现图像分辨率（即，表面射束点尺寸小于图像像素尺寸）的最宽范围的投影距离。在上述数值示例中，这对应于光学扫描器件上的0.4到0.5毫米量级的光束直径（FWHM）。

可以示出可以实现的光斑减少的程度取决于许多参数。本发明人已意识到，当投影面是体积散射面时，可采用入射到光学扫描器件（即，MEMS扫描镜）上的、小于6毫米的输出光束直径来实现衰减光斑。体积漫射投影面是光渗透到投影面的材料内传播一定距离而不是在表面上散射的投影面。体积漫射投影面材料可包括但不限于纸、涂漆面、卡纸板和织物。当采用这种类型的屏幕材料时，发明人意识到在不需要为扫描器件采用非常大尺寸的情况下，光斑可明显减小。由于光学扫描器件上的输出光束直径相对较小，光学扫描器件可转动得快到足以产生经扫描的激光图像，并且可以提高景深。

为了量化与实际投影仪材料相比、光学扫描器件上的光束尺寸对光斑的作用，构造由大型慢速MEMS扫描镜构成的试验设备。下面的示例仅出于示意的目的，并不意在限制。根据入射到MEMS扫描镜上的输出光束直径来测量光斑。假定投影距离D设定为0.5米，将观察者至投影面的距离也设定为0.5米，且观察者眼睛瞳孔直径在暗室照明条件下为6毫米。MEMS扫描镜的直径为3.6x3.2毫米，而帧率为1赫兹，因此使图像对于人类眼睛来说是不可见的。所得的扫描图像用眼睛模拟器来测量，该眼睛模拟器具有设定为1秒的整合时间和12mRd的光收集角（例如，类似于位于离屏幕0.5米远处的6毫米眼睛瞳孔）。图像线之间的距离小于表面射束点，因此，图像线被完全重叠。MEMS扫描镜上的光束尺寸通过采用激光光源的液体镜头和准直镜头来变化，并用CCD照相机来测量。还采用由如下所构成的模型来推导出理论结果：在投影面上产生高斯射束点以及对高斯射束点在投影面上的每个位置计算光斑图案。通过对根据高斯射束点位置计算的图像强度求和来获得模型的最终图像。将图像线之间的行间距离设定成等于高斯光束FWHM。该模型假定投影面是具有随机粗糙表面的表面散射材料，该粗糙表面具有在光束波长量级上的粗糙深度。

图4示出绘制出采用粗糙金属屏幕作为表面散射投影面（曲线152）以及用纸屏幕作为体积散射投影面（曲线156）的、由上述试验设备获得的试验数据的曲线图150。y-轴是光斑对比度，而x-轴是MEMS扫描镜上的输出光束的1/e²光束直径。1/e²光束直径是在边缘分布（marginal distribution）上强度值为最大强度值的1/e²=0.135倍的两点之间的距离。曲线154示出由光斑对比度理论模型推导出的理论结果。粗糙金属屏幕紧随模型预测，这表示上述模型和试验设备是有效的。应注意到曲线154已校正，以将用于测量曲线154的金属表面未使光去偏振这一事实考虑在内。用于曲线154的试验数据除以

以能与投影面对光去偏振的曲线156直接进行对比。如曲线图150中所示，在纸屏幕上测定的光斑比理论预期（曲线154）和粗糙金属屏幕（曲线152）下降快得多。在MEMS扫描镜上约2.2毫米的1/e²光束直径的情况下，纸屏幕达到约42％的光斑对比度。与此相对，粗糙金属屏幕数据未接近于40％光斑对比度。通过外推曲线172，可以在1/e²光束直径大于6毫米的情况下实现40％的光斑对比度。因此，在将扫描激光图像投影在体积漫射投影面上时，可使用小得多的光学扫描器件126来实现有效的光斑对比度削弱。例如，光学扫描器件126的直径可以略大于输出光束直径。在上述试验中，直径大于2.2毫米的光学扫描器件可用于扫描图像。然而，直径不应过大而减慢光学扫描器件的转动。较小的直径（例如，在约2.2毫米和约3.5毫米之间）能使较小的光学扫描器件128的由MEMS致动的镜子以图像帧率（例如，大于20赫兹）转动，而不落在该图像帧率以下。

由此，在大多数现有的投影面材料的情况下，可借助例如3.5毫米的合理的光学扫描器件直径来实现诸如37％的相对较小光斑幅度。但对观察者来说，37％的光斑幅度却并不小到足以消除光斑的出现，文中所述的实施例可与诸如光谱加宽和/或偏振干扰之类的其它光斑减少技术结合使用。

作为对激光投影系统可如何构造以满足在非光斑减少模式下的无限景深和在光斑减少模式下的光斑减少的条件的距离但并非限制性的说明，假定光源110的一个激光器（例如，激光器111a）以FWHM发射具有8度会聚度的单模式高斯光束。激光准直器件124的焦距可以是2毫米，以产生0.28毫米FWHM准直光束121。另两个镜头（122和124）的焦距可以分别是4毫米和7毫米，以在扫描镜上产生0.5毫米（FWHM）左右的光束直径，并在光斑减少漫射面128没有被插入光学路径时满足无限景深的条件。同样，准直器件124被调焦成使光束束腰P1在约400毫米的标称屏幕距离处成像。

当将光斑减少漫射面128插入光学路径内时，光斑减少漫射面上的光束直径与光斑减少漫射面的漫射角直接相关：

sin(θ/2)=Φ_MEMS/2/f₂,方程(2),

其中：

θ是光斑减少漫射面的漫射角，

Φ_MEMS是扫描器件上的输出光束直径，以及

F₂是准直透镜的焦距。

在上述数值示例中，f₂为约7毫米。因此，为了获得对应于37％的光斑幅度的3.5毫米光束直径，光斑减少漫射面128的漫射角约在33度左右的量级上（全角）。光学扫描器件的直径应为至少3.5毫米，以避免光束渐晕。

在一个实施例中，光斑减少漫射面128产生期望的漫射角（例如，在上述示例中所示的33度）内的均匀的角能量分布。在另一实施例中，光斑减少漫射面128可以构造成使输出光束轮廓包括许多点的网格。这可以例如通过使用至少一个全息分束器来实现。在又一实施例中，由光斑减少漫射面128发射的角能量分布可以是环状的。光斑减少漫射面128可通过使用全息发散器或计算机产生的全息图来获得。光斑减少漫射面128应构造成衍射效率尽可能高（例如，大于90％）且大多数的能量（例如，大于90％）以一阶衍射来进行衍射，以使能量不以寄生阶（parasitic orders）衍射而被浪费。为了实现高衍射效率，光斑减少漫射面128可设定成相对于入射光束呈规定角度，该角度被称为布拉格角。同样，光斑减少漫射面128可以是如图1和2中所示的透射器件，或者还可以构造成反射的漫射器件。

发明人已意识到，在光源110包括多色激光器（例如，激光器111a-111c）的实施例中，光斑减少漫射面128会难以同时满足对于全部色彩的所有要求，这是因为诸如漫射角、衍射效率和布拉格角之类的参数是激光束波长的函数。在一个实施例中，激光束114a-114c于输出光束120内在角度上分离，从而致使光束在靠近聚焦器件的焦点平面的P1水平处在空间上分离。参照图5，激光束示出为在光斑减少漫射面128的离开部分上。激光束通过聚焦器件122聚焦，以在光斑减少漫射面128处产生沿X轴分开的三个不同焦点125a、125b和125c。图5中所示的光斑减少漫射面128包括三个空间上分离的区域129a、129b和129c。每个空间上分离的区域129a-129c的漫射特性可针对与焦点125a-125c相关的对应激光束波长来优化。对于特定颜色的波长，光斑对比度会不是显著的问题。例如蓝色的光斑通常对于观察者来说是不可见的，因此，与蓝色激光束相关的区域（例如，空间上分离的区域129b）可以是透明的，没有或具有极少漫射。

可以例如通过如下方式来实现将激光束在空间上分离，即，使光源透镜112a-112c沿X轴方向移动，因而，几乎准直的输出光束120的光束并不精确地指向相同的方向。还可以通过使反射面116a-116c的反射角略微地不对准来实现在空间上的分离。然而，由于焦点125a-125c重新成像在投影面上，三种颜色还将在投影面上空间分离，这会造成图像分辨率问题。为了补偿射束点在投影面上的空间上间隔，激光投影系统可编程为对激光器114a-114c引入时间延迟，因而，当输出光束120被光学扫描器件126扫描时，射束点照亮相同区域以产生期望的像素。

此外，尽管光斑出现但观察者认为图像质量是可接受的典型感知水平是约20％-30％光斑对比度。为了实现20％到30％的光斑对比度，会需要非常大的光学扫描器件，这会是不实际的。因此，会期望与诸如调节输出光束的偏振状态的偏振干扰装置之类的其它光斑减少技术结合地利用文中所述的实施例。再次参照图2，激光投影系统100的实施例还可包括偏振干扰装置129，该偏振干扰装置在光斑减少漫射面128之后定位在输出光束的光学路径内。作为示例，如美国专利第7,653,097号中所述的偏振分割和延迟单元可用于偏振调制，以使输出光束的偏振以光斑减少频率（例如，以图像帧率）转动，该专利的全部内容以参见的方式纳入本文。偏振分割和延迟单元可以在准直器件124之后和在光学扫描器件126之前定位在光学路径内。

在另一实施例中，偏振干扰装置129可包括诸如单个液晶单元之类的偏振调制器，该偏振调制器可插入输出光束的光学路径内。然后，该偏振调制器可以如下方式来调制，即，激光束的偏振在两个正交的偏振状态之间切换（诸如S和P线性偏振或左圆和右圆偏振）。偏振转动的频率可以例如设定成使偏振在每个投影图像帧的结尾从一个状态切换到另一个。

输出光束的光谱加宽还可用于实现光斑对比度减少。例如，绿色光谱范围内的输出光束可具有大于约0.5纳米波长的光谱宽度，以有效地减少光斑。光谱加宽和/或偏振干扰可与上述漫射体实施例结合地用来将光斑对比度水平减小到30％以下。

作为示例而不是限制，25％量级上的光斑对比度水平可通过如下方式来实现，即，与偏振干扰结合地借助光斑减少漫射面来照射入射到光学扫描器件上的3.5毫米光束直径。作为另一示例，可与偏振干扰结合地借助光斑减少漫射面来在光学扫描器件上照射1.5毫米输出光束直径，而输出光束的光谱宽度对于绿色输出光束来说为至少0.6纳米。

发明人还意识到根据激光分类规则，增大光学扫描器件上的光束直径允许二类激光器发射更大的功率。作为示例，具有1毫米光学扫描器件的光束直径的激光扫描投影仪可限于10流明的亮度，以归为二类激光器。通过将光束直径增大到3毫米，投影仪可以例如发射三倍的更多功率，并仍是二类激光器。因此，激光扫描投影仪可构造成，当在光斑减少模式下操作投影仪时，激光器以较大的电流驱动，以产生仍符合激光分类规则的更亮的图像。

为了描述和限定本发明的实施例的目的，应注意到术语“基本上”用于表示可归因于任何定量比较、数值、测量值、或其它表达式的固有不确定程度。

注意到对组件以特定方式“编程为”、“配置”或“编程为”使特定属性或功能具体化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。

还应注意到在描述特定器件或元件时采用词组“至少一个”并不意味着在描述其它器件或元件时采用术语“一”排除采用一个以上特定的器件或元件。更具体地，尽管可使用“一”来描述器件，但不应理解为将器件限制为仅一个。

尽管已说明并描述了具体实施例，但应理解的是，可在不偏离所要求主题的精神和范围的条件下对其进行各种更改和改型。更确切地说，虽然在此将所述实施例的一些方面认定为较佳的或尤其有利的，但可设想的是，要求权利的主题不必局限于这些较佳方面。

Claims (24)

1.一种激光投影系统，所述激光投影系统包括光源、光学扫描器件、聚焦器件、光斑减少漫射面和光准直器件，其中：

所述光源包括构造成发射输出光束的至少一个激光器；

所述聚焦器件定位在由所述光源发射的所述输出光束的光学路径内，并将所述输出光束聚焦在位于所述光学扫描器件前面的第一焦点处；

所述光斑减少漫射面操作成在位于所述光学扫描器件前面的所述第一焦点处选择性地被引入所述输出光束的所述光学路径内；

所述光准直器件在所述聚焦器件后面定位在所述输出光束的所述光学路径内，并且操作成将所述输出光束至少几乎准直到所述光学扫描器件上；

将所述激光投影系统编程为，通过操作用于对经编码的图像数据进行光学发射的激光器并控制所述光学扫描器件以跨多个图像像素扫描所述输出光束，以在投影面上产生经扫描的激光图像的至少一部分；以及

所述光准直器件构造成，当所述光斑减少漫射面被引入所述输出光束的所述光学路径内时，使所述第一焦点在投影面处的第二焦点处成像。

2.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，当所述光斑减少漫射面没有被引入到所述输出光束的所述光学路径内时，所述激光投影系统在无限景深模式下操作。

3.如权利要求2所述的激光投影系统，其特征在于，所述聚焦器件和光准直器件构造成，当所述光斑减少漫射面没有被引入所述输出光束的所述光学路径时，所述输出光束在所述光学扫描装置上的直径为约0.4毫米到约1毫米之间。

4.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，当所述光斑减少漫射面被引入到所述输出光束的所述光学路径内时，所述激光投影系统在光斑减少模式下操作。

5.如权利要求4所述的激光投影系统，其特征在于，所述光斑减少漫射面产生所述输出光束的漫射角，因而，当所述光斑减少漫射面被引入到所述输出光束的所述光学路径内时，所述输出光束在所述光学扫描器件上具有约1.5毫米到4毫米之间的直径。

6.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述光斑减少漫射面提供所述输出光束的基本上均匀的角能量分布。

7.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述光斑减少漫射面构造成使由所述光斑减少漫射面提供的所述输出光束的角能量分布是包括多个点的网格。

8.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述光斑减少漫射面构造成使由所述光斑减少漫射面提供的所述输出光束的角能量分布是环形发射轮廓。

9.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述光斑减少漫射面构造成衍射光学元件。

10.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述光斑减少漫射面构造成计算机产生的全息图。

11.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于：

所述光源包括多个激光器，每个激光器发射具有不同波长的输出光束；以及

所述聚焦器件构造成将每个输出光束聚焦在所述光学扫描器件前面的多个第一焦点处，因而，所述第一焦点在空间上分离。

12.如权利要求11所述的激光投影系统，其特征在于，所述光斑减少漫射面包括具有不同漫射特性的多个空间上分离的区域，所述空间上分离的区域构造成与所述第一焦点对准。

13.如权利要求12所述的激光投影系统，其特征在于，所述空间上分离的区域中的至少一个区域具有基本上透明的漫射特性。

14.如权利要求13所述的激光投影系统，其特征在于：

所述激光器中的至少一个构造成发射波长在蓝色或红色光谱范围内的输出光束；以及

所述光斑减少漫射面设置成，具有基本上透明的漫射特性的空间上分离的区域与波长在蓝色或红色光谱范围内的所述输出光束对准。

15.如权利要求11所述的激光投影系统，其特征在于，所述激光投影系统被进一步编程为对应用于所述激光器中的一个或多个的控制信号引入时间延迟，以补偿多个第二焦点在所述投影面上的空间上的分离。

16.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述光准直器件的焦距是可调的。

17.如权利要求16所述的激光投影系统，其特征在于，所述光准直器件包括液体镜头，并操作成根据所述激光投影系统至所述投影面的投影距离来改变第二焦点在所述投影面上的聚焦。

18.如权利要求16所述的激光投影系统，其特征在于：

所述光斑减少漫射面相对于与由所述输出光束的所述光学路径限定的光学轴线垂直的轴线以聚焦角来定向；以及

所述激光投影系统进一步被编程为使所述光斑减少漫射面沿垂直于所述光学路径的第一轴线平移，以使所述第一焦点在所述投影面处的第二焦点处成像。

19.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于：

所述光斑减少漫射面产生所述输出光束的漫射角度，因而，所述输出光束具有大于约3毫米的直径；

所述激光投影系统还包括偏振干扰装置，所述偏振干扰装置被引入所述输出光束的所述光学路径内；以及

所述偏振干扰装置操作成对所述输出光束的偏振状态进行调制。

20.如权利要求19所述的激光投影系统，其特征在于，所述偏振干扰装置包括偏振分割和延迟单元。

21.如权利要求19所述的激光投影系统，其特征在于，所述偏振干扰装置包括液晶调制器，所述液晶调制器操作成以帧率在两个正交的偏振状态之间变化偏振状态。

22.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于：

所述光斑减少漫射面产生所述输出光束的漫射角度，因而，所述输出光束具有大于约1.5毫米的直径；

所述激光投影系统还包括偏振干扰装置，所述偏振干扰装置被引入所述输出光束的所述光学路径内，并操作成对所述输出光束的偏振状态进行调制；以及

所述至少一个激光器中的至少一个的光谱宽度大于约0.6纳米。

23.如权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于，所述激光投影系统进一步被编程为在无限景深模式下或光斑减少模式下操作，并将所述光源控制成使由所述光源发射的功率为：所述激光投影系统作为二类激光器在无限景深模式下或光斑减少模式下操作。

24.一种激光投影系统，所述激光投影系统包括光源、光学扫描器件、聚焦器件、光斑减少漫射面和光准直器件，其中：

所述光源包括构造成发射输出光束的至少一个激光器；

所述聚焦器件定位在由所述光源发射的所述输出光束的光学路径内，并将所述输出光束聚焦在位于所述光学扫描器件前面的第一焦点处；

光斑减少漫射面操作成在光斑减少操作模式期间在光学扫描器件前面的第一焦点处被引入所述输出光束的光学路径内，并且操作成在无限景深操作模式期间从所述输出光束的光学路径移除；

所述光斑减少漫射面以相对于与由所述输出光束的所述光学路径限定的光学轴线垂直的轴线的聚焦角来定向；

所述光准直器件在所述聚焦器件后面定位于所述输出光束的所述光学路径内，并且操作成将所述输出光束至少几乎准直到所述光学扫描器件上；

所述光斑减少漫射面产生所述输出光束的漫射角，因而，当所述光斑减少漫射面被引入到所述输出光束的所述光学路径内时，所述输出光束在所述光学扫描器件上具有约1.5毫米到4毫米之间的直径；

所述聚焦器件和所述光准直器件构造成，当所述光斑减少漫射面没有被引入所述输出光束的所述光学路径时，使所述输出光束在所述光学扫描器件上的直径为约0.4毫米到约1毫米之间；以及

所述激光投影系统被编程为，通过操作用于对经编码的图像数据进行光学发射的激光器并控制所述光学扫描器件以跨多个图像像素来扫描所述输出光束，以在投影面上产生经扫描的激光图像的至少一部分，并使所述光斑减少漫射面沿垂直于所述光学路径的第一轴线方向平移，以使所述第一焦点在所述投影面处的第二焦点处成像。

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