CN103033953A

CN103033953A - 二维被动式二元相位调制器

Info

Publication number: CN103033953A
Application number: CN2012104746106A
Authority: CN
Inventors: 仝召民; 陈旭远; 高文宏; 石云波
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: CN103033953B

Abstract

本发明涉及激光显示技术领域，具体为一种用于激光散斑抑制的二维被动式二元相位调制器，解决了现有的二元相位调制器进行精确校准极为困难，不利于光学系统应用于实践中的问题。一种二维被动式二元相位调制器，包括透明的电光材料层，所述电光材料层的上表面布置有平行的第一组透明电极，所述第一组透明电极内的每个第一电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，电光材料层的下表面布置有平行的第二组透明电极，所述第二组透明电极内的每个第二电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，所述第一组透明电极和第二组透明电极在空间非零角度相交处形成相位单元。本发明设计合理，有效抑制了激光散斑。

Description

二维被动式二元相位调制器

技术领域

本发明涉及激光显示技术领域，具体为一种用于激光散斑抑制的二维被动式二元相位调制器。

背景技术

当一束相干光（例如激光）透射过粗糙散射体或被粗糙散射体所反射时，在该散射体的粗糙表面会发生光波的干涉现象：即散斑，所表现出的是颗粒状的明暗非均匀光强分布。在激光显示中，散斑的存在将会降低图像质量，因而必须被抑制。

在‘Speckle Phenomena in Optics: Theory and Application’一书中，Joseph W. Goodman对激光显示投影中的散斑抑制方法和装置进行了总结和分析，其中的一种方法为振动二元相位散射屏。该方法通过对投影到屏幕上的二元相位散射屏光场的二元相位调制，使屏幕上随机散斑光场的时域积分为光强叠加而非幅值叠加，进而可以有效地降低散斑对比度和达到抑制散斑的目的。基于上述理论，CN102193208A公开了一种用二元正交数组编码的二元相位调制器。如图5所示，是基于二元相位调制器的激光显示系统1，包括：激光光源2、显示面板（例如数字微镜器件）3、聚光透镜5、投影镜6和二元相位调制器7。所述二元相位调制器7位于聚光透镜5和投影镜6的中间像平面上。显示面板3上生成的图像信息首先成像于二元相位调制器7上，然后通过投影镜6被投影于屏幕9上并被光探测成像元件11（例如人眼）所扑捉。该二元相位调制器有两个相位调制状态：‘0’相位态和‘π’相位态，它们分别对应于正交数组的‘1’和‘-1’元素值。

但是，上述二元相位调制器在具体实践中存在缺点是，该二元相位调制器是由两个或多个一维二元相位散射屏叠加后所组成，并且这些一维二元相位散射屏彼此平行且距离非常接近。将这些彼此平行且距离非常接近的一维二元相位散射屏进行精确校准很困难，如果这些一维二元相位散射屏不能够精确校准，必然会影响到激光显示系统的散斑消除效果，所以现有的二元相位调制器不利于光学系统应用于实践。

因此，有必要发明一种新型的二元相位调制器。

发明内容

本发明为了解决将由多个一维二元相位散射屏叠加而成的二元相位调制器进行精确校准极为困难，不利于光学系统应用于实践中的问题，提供了一种纵向和横向的二维被动式二元相位调制器。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种纵向二维被动式二元相位调制器，包括透明的电光材料层，所述电光材料层的上表面布置有平行的第一组透明电极，所述第一组透明电极内的每个第一电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，电光材料层的下表面布置有平行的第二组透明电极，所述第二组透明电极内的每个第二电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，所述第一组透明电极和第二组透明电极在空间非零角度相交处形成相位单元；当外部显示面板上的图像信息成像于所述电光材料层上时，所述显示面板上的每一像素单元均对应于电光材料层上相应的固定区域，所述固定区域内包含有阵列为N₁×N₂的相位单元组，即显示面板上的每一像素单元在所述电光材料层上被相同地分割成阵列为N₁×N₂的相位单元组，所述N₁表示相位单元组内对应的第一电极的数量，所述N₂表示相位单元组内对应的第二电极的数量，所述N₁、N₂是非零的正整数；在所述每个阵列为N₁×N₂的相位单元组内，N₁个第一电极和N₂个第二电极在各自电压信号源提供的随机变化电压信号控制下，使得入射于其上的每个相位单元的相干光的相位发生改变。

工作时，在透射纵向二维被动式二元相位调制器的实现方式上，可通过对电极施加电信号改变电光材料的折射率进而来调制相干光，例如激光，的相位。仅仅作为一个例子，如图1所示，是基于透明电光材料（如PLZT）的纵向二维被动式二元相位调制器。这里，纵向指的是激光透射方向和施加电场方向相同。所述PLZT（锆钛酸铅镧陶瓷）是属于PZT锆钛酸铅系压电陶瓷。Haertling G.H.在1970年用球磨和热压烧结工艺制备了透明的PLZT铁电陶瓷电光材料，其光学特性可通过施加电场而改变，被用于各种电光存储器和显示设备中。通入第一组透明电极和第二组透明电极的信号源可以是随机变化的电压控制信号，使得在人眼积分时间内，每个N₁×N₂的相位单元组随机地改变相干激光的相位，这样达到消除散斑的目的。

优选地，所述第一组透明电极和第二组透明电极正交，即成90°的夹角。所述N₁＝N₂。在所述每个阵列为N₁×N₂的相位单元组内，通入N₁个第一电极和N₂个第二电极的电压信号为由二元正交数组控制的周期方波电压信号。

具体工作时，作为一个例子，如图1、5所示，当外部显示面板上的图像信息成像于所述电光材料层上时，显示面板上的每个像素单元对应地在电光材料层上均被分割成阵列为3×3的相位单元组。垂直方向排列的第一组透明电极即列电极组（包括13.1、13.2、13.3电极）内的每个第一电极对应连接有一个信号源（即13.1、13.2、13.3电极与列信号总线C1、C2、C3一一对应连接）；水平方向排列的第二组透明电极即行电极组（包括12.1、12.2、12.3电极）内的每个第二电极对应连接有一个信号源（即12.1、12.2、12.3电极与行信号总线R1、R2、R3一一对应连接），进而每个像素单元可以通过对应的3×3的相位单元组实现实时编码。如图2所示，表示行信号的总线R1、R2、R3和列信号的总线C1、C2、C3在人眼的积分时间内的通入由二元正交数组控制的周期方波电压信号的变化情况。本发明所述相位调制器的工作机理如下：仅仅作为一个3×3的相位单元组的方波控制信号的例子，列信号总线C1、C2、C3由4×3二元正交数组C[公式（1）中等号左侧的第二个数组]的行作为控制信号，行信号总线R1、R2、R3由4×3二元正交数组B[公式（1）中等号左侧的第一个数组]的行作为控制信号。这样，行信号总线R1、R2、R3和列信号总线C1、C2、C3分别对应于4×3二元正交数组B和C的行元素，二元正交数组B和C的克罗内克积（Kronecker Product）可生成如下公式（1）所示的16×9二元正交数组D：

（1）

上述二元正交数组D的每行正好对应于各个3×3的相位单元组在人眼的积分时间内产生的多个二元相位掩膜。所述二元相位掩膜每变化一次，即对通过其的激光进行一次相位调制。在人眼的积分时间内，所述3×3的相位单元组可以对激光进行16次独立的相位调制。具体为，在人眼积分时间内的某一时刻，二元正交数组B的第i行和二元正交数组C的第x行被用来作为行信号总线R1、R2、R3和列信号总线C1、C2、C3的控制信号，分别对行电极组（包括12.1、12.2、12.3电极）和列电极组（包括13.1、13.2、13.3电极）进行编码。正交数组的元素值和控制信号呈如下的一种对应关系：‘-1’对应于低电势（V = V_Low，如V = 0）和‘1’对应于高电势（V = V_High，如V = V_π，V_π为半波调制电压）。当3×3的相位单元组中的某一相位单元对应的上下电极正交数组元素值分别为‘1’和‘-1’或者‘-1’和‘1’时，偏置电压V_Bias=V_High–V_Low=V_π存在于该相位单元内并快速调节该相位单元，从而实现对激光的‘π’相位态调制；否则，当上下电极对应的正交数组元素均为‘1’或‘-1’时，存在于该相位单元内的偏置电压V_Bias为零，通过的激光光束无相位调制（即‘0’相位态）。如图3所示，表示一个3×3的相位单元组在人眼积分时间内的第t₆-t₇时刻，相位调制器中一个相位单元组（如图中虚线方框内所示）在实现激光相位调制过程中的工作状态。图3中黑色部分表示偏置电压存在于该相位单元内，白色部分表示该相位单元内偏置电压为零。信号控制过程如下：将4×3的二元正交数组B的第i=2行和4×3的二元正交数组C的第x=3行分别作为工作电压对行信号总线R1、R2和R3和列信号总线C1、C2和C3进行编码，从而实现第7个二元相位掩膜。所以，在人眼的积分时间内，此二元相位调制器中每个3×3的相位单元组可以产生16个不同的二元相位掩膜，即对于二元相位调制器整体而言，在人眼的积分时间内，可以对通过其的激光进行16次独立的相位调制，使得入射相干光的相位分布互不相关，从而使得随机散斑光场在人眼积分时间内为光强叠加而非幅值叠加，进而可以有效地降低激光散斑对比度，也就有效地抑制了激光散斑。

上述例子中，通入第一组透明电极和第二组透明电极内由二元正交数组B和C的行元素控制的周期方波电压信号，其优点在于使得入射阵列为N₁×N₂的相位单元组内每个相位单元的相干光（例如激光）的总体相位改变是0或π弧度、且每个相位单元规律地改变相干激光的相位，即在人眼积分时间内的每个N₁×N₂的相位单元组，根据由第一电极和第二电极各自的信号源所提供的随时间规律变化的周期控制信号，产生的16种二元正交掩膜中任意两个掩膜变化均使得相干激光被调制后的相位分布互不相关，也就使得相干光的相位分布在整体上互不相关，这样激光散斑消除效果最好。

如果将外部显示面板上的一个像素单元对应地在相位调制器上分割成3×3的相位单元组，那么对于一个具有1920×1080像素的显示面板，本发明所述相位调制器需要的电极数仅为（1920+1080）×3=9000，其中独立电极为3+3=6；当然，也可以将一个像素分割成4×4相位单元组、5×5相位单元组、20×20相位单元组或者5×4相位单元组、4×7相位单元组等，那么对于一个具有1920×1080像素的显示面板，本发明所述的相位调制器需要的电极数分别为（1920+1080）×4（其中独立电极为4+4=8）、（1920+1080）×5（其中独立电极为5+5=10）、（1920+1080）×20（其中独立电极为20+20=40）、1920×5+1080×4（其中独立电极为5+4=9）、1920×4+1080×7（其中独立电极为4+7=11）等。但是，如果将一个像素分割成3×3相位单元组，用电极来单独调节相位调制器上的每一个相位单元，需要的独立电极数则是1920×1080×9=18662400，这是一个庞大的数量。可知，本发明同时也大大节约了电极的使用数量。

除此之外，也可以采用一种横向二维被动式二元相位调制器。所述横向二维被动式二元相位调制器包括透明的电光材料层，所述电光材料层内嵌入有平行的第一组电极，所述第一组电极内的每个第一电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，所述电光材料层的下表面布置有平行的第二组电极，所述第二组电极内的每个第二电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，所述电光材料层内还嵌入有与第二电极数量相等的若干组第三电极，所述每组第三电极成排布置、且与相应的同一第二电极连接，所述每个第一电极均与第三电极位置正对地置于每组第三电极中相邻的两个第三电极之间；所述每组第三电极中相邻的两个第三电极与置于其中的第一电极形成相位单元；当外部显示面板上的图像信息成像于所述电光材料层上时，所述显示面板上的每一像素单元均对应于电光材料层上相应的固定区域，所述固定区域内包含有阵列为N₁×N₂的相位单元组，即显示面板上的每一像素单元在所述电光材料层上被相同地分割成阵列为N₁×N₂的相位单元组，所述N₁表示相位单元组内对应的第一电极的数量，所述N₂表示相位单元组内对应的第二电极的数量，所述N₁、N₂是非零的正整数；在所述每个阵列为N₁×N₂的相位单元组内，N₁个第一电极和N₂个第二电极在各自电压信号源提供的随机变化电压信号控制下，使得入射于其上的每个相位单元的相干光的相位发生改变。

优选地，所述第一组电极和第二组电极正交，即成90°的夹角。所述N₁＝N₂。所述置于第一电极两侧的第三电极均呈直线排列。在所述每个阵列为N₁×N₂的相位单元组内，通入N₁个第一电极和N₂个第二电极的电压信号为由二元正交数组控制的周期方波电压信号。

所述横向二维被动式二元相位调制器对相干光（例如激光）相位的调制机理与纵向二维被动式二元相位调制器对相干光（例如激光）的相位调制机理相同。二者的区别仅在于：在横向二维被动式二元相位调制器中，激光的透射方向和施加电场方向正交（即垂直），所以是横向。

基于上述过程，本发明不存在将一个二元相位调制器由两个或多个一维二元相位散射屏叠加构成，也就不存在将其精确校准的问题。该二维被动式二元相位调制器由两组独立电极驱动，通过对驱动端口的高速实时编码，可生成正交的二维二元相位掩膜，在光探测成像元件（例如人眼）的积分时间内，相位调制器产生的多个正交的二维二元相位掩膜被投影到随机散斑光场上进行时域积分，由于该积分为散斑光场的光强叠加而非幅值叠加，从而有效降低了积分图片的散斑对比度，也就有效地消除了激光散斑。

本发明设计合理，克服了将二元相位散射拆解为两个或多个一维散射屏后进行精确校准极为困难，不利于光学系统应用于实践中的问题，同时，有效消除了激光散斑。

附图说明

图1是本发明所述的纵向二维被动式二元相位调制器的结构示意图。

图2是图1中所示例的3×3相位单元组的控制信号。

图3是图1中所示例的3×3相位单元组在t₆-t₇时刻的工作状态示意图。

图4是本发明所述的横向二维被动式二元相位调制器的结构示意图。

图5是基于二元相位调制器的激光显示系统。

图中，1-激光显示系统，2-激光光源，3-显示面板，4-一个像素，5-聚光透镜，6-投影镜，7-二元相位调制器，8-相位单元组，9-屏幕，10-对应像素，11-光探测成像元件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种纵向二维被动式二元相位调制器，包括透明的电光材料层，所述电光材料层的上表面布置有平行的第一组透明电极，所述第一组透明电极内的每个第一电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，电光材料层的下表面布置有平行的第二组透明电极，所述第二组透明电极内的每个第二电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，所述第一组透明电极和第二组透明电极在空间非零角度相交处形成相位单元；当外部显示面板上的图像信息成像于所述电光材料层上时，所述显示面板上的每一像素单元均对应于电光材料层上相应的固定区域，所述固定区域内包含有阵列为N₁×N₂的相位单元组，即显示面板上的每一像素单元在所述电光材料层上被相同地分割成阵列为N₁×N₂的相位单元组，所述N₁表示相位单元组内对应的第一电极的数量，所述N₂表示相位单元组内对应的第二电极的数量，所述N₁、N₂是非零的正整数；在所述每个阵列为N₁×N₂的相位单元组内，N₁个第一电极和N₂个第二电极在各自电压信号源提供的随机变化电压信号控制下，使得入射于其上的每个相位单元的相干光的相位发生改变。

实施时，还包括透明的介电材料层，所述布置有第一组透明电极和第二组透明电极的电光材料层置于所述介电材料层之上。

实施例2

如图4所示，一种横向二维被动式二元相位调制器，包括透明的电光材料层，所述电光材料层内嵌入有平行的第一组电极，所述第一组电极内的每个第一电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，所述电光材料层的下表面布置有平行的第二组电极，所述第二组电极内的每个第二电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，所述电光材料层内还嵌入有与第二电极数量相等的若干组第三电极，所述每组第三电极成排布置、且与相应的同一第二电极连接，所述每个第一电极均与第三电极位置正对地置于每组第三电极中相邻的两个第三电极之间；所述每组第三电极中相邻的两个第三电极与置于其中的第一电极形成相位单元；当外部显示面板上的图像信息成像于所述电光材料层上时，所述显示面板上的每一像素单元均对应于电光材料层上相应的固定区域，所述固定区域内包含有阵列为N₁×N₂的相位单元组，即显示面板上的每一像素单元在所述电光材料层上被相同地分割成阵列为N₁×N₂的相位单元组，所述N₁表示相位单元组内对应的第一电极的数量，所述N₂表示相位单元组内对应的第二电极的数量，所述N₁、N₂是非零的正整数；在所述每个阵列为N₁×N₂的相位单元组内，N₁个第一电极和N₂个第二电极在各自电压信号源提供的随机变化电压信号控制下，使得入射于其上的每个相位单元的相干光的相位发生改变。

实施时，还包括透明的介电材料层，所述布置有第一组电极、第二组电极和第三电极的电光材料层置于所述介电材料层上。

实施时，无论是横向还是纵向二维被动式二元相位调制器，其介电材料层可以选用透明玻璃。另外，所述透明的电光材料层可以由透明的液晶材料层替换。

具体实施时，如图5所示，是基于横向或者纵向二维被动式二元相位调制器的激光显示系统1，包括：激光光源2、显示面板（例如数字微镜器件）3、聚光透镜5、投影镜6和二维被动式二元相位调制器7。所述二维被动式二元相位调制器7位于聚光透镜5和投影镜6的中间像平面上。显示面板3生成的图像信息首先成像于二维被动式二元相位调制器7上，然后通过投影镜6被投影于屏幕9上并被光探测成像元件11（例如人眼）所扑捉。例如，显示面板3的一个像素4被二维被动式二元相位调制器7上的相位单元组8（例如3×3相位单元组、4×4相位单元组等等）所分割和编码，并最终投影于屏幕9的对应像素10上。

具体工作时，在光探测成像元件（例如人眼）的积分时间内，相位调制器上产生不断变化的多个正交的二维二元相位掩膜被投影到随机散斑光场上进行时域积分，由于该积分为散斑光场的光强叠加而非幅值叠加，从而有效降低了积分图片的散斑对比度，也就消除了激光散斑。

另外，对于横向二维被动式二元相位调制器，作为一个例子，如图4所示，为了获得较小尺寸，必须降低上下电极的边缘效应和串扰。因而，在器件加工上，可以采用溶胶-凝胶法，如Tsuyoshi Fujii, et al. Japanese Journal of Applied Physics, vol. 45, no. 9B, 2006, pp. 7520-7524。可首先在透明绝缘玻璃衬底上溅射一层薄金属层，例如镍，并图形化和刻蚀该金属层，形成第二电极组即行电极组（包括14.1、14.2、14.3电极）；之后淀积一层薄的透明介电材料层到第二电极组和透明绝缘玻璃衬底上，抛光得到光滑的表面，图形化和刻蚀该透明介电材料层后，第二电极组（包括14.1、14.2、14.3电极）和第三电极16互联的通孔被加工出来；然后，通过溅射、刻蚀和电镀工艺，得到高各向异性的第三电极16和第一电极组即列电极组（包括15.1、15.2、15.3电极）；最后，通过溶胶-凝胶电光材料（如PLZT），完成该横向二维被动式二元相位调制器的加工。

Claims

1.一种二维被动式二元相位调制器，其特征在于：包括透明的电光材料层，所述电光材料层的上表面布置有平行的第一组透明电极，所述第一组透明电极内的每个第一电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，电光材料层的下表面布置有平行的第二组透明电极，所述第二组透明电极内的每个第二电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，所述第一组透明电极和第二组透明电极在空间非零角度相交处形成相位单元；当外部显示面板上的图像信息成像于所述电光材料层上时，所述显示面板上的每一像素单元均对应于电光材料层上相应的固定区域，所述固定区域内包含有阵列为N₁×N₂的相位单元组，即显示面板上的每一像素单元在所述电光材料层上被相同地分割成阵列为N₁×N₂的相位单元组，所述N₁表示相位单元组内对应的第一电极的数量，所述N₂表示相位单元组内对应的第二电极的数量，所述N₁、N₂是非零的正整数；在所述每个阵列为N₁×N₂的相位单元组内，N₁个第一电极和N₂个第二电极在各自电压信号源提供的随机变化电压信号控制下，使得入射于其上的每个相位单元的相干光的相位发生改变。

2.根据权利要求1所述的二维被动式二元相位调制器，其特征在于：所述第一组透明电极和第二组透明电极正交，所述N₁＝N₂。

3.根据权利要求1或2所述的二维被动式二元相位调制器，其特征在于：在所述每个阵列为N₁×N₂的相位单元组内，通入N₁个第一电极和N₂个第二电极的电压信号为由二元正交数组控制的周期方波电压信号。

4.根据权利要求3所述的二维被动式二元相位调制器，其特征在于：还包括透明的介电材料层，所述布置有第一组透明电极和第二组透明电极的电光材料层置于所述介电材料层之上。

5.根据权利要求1所述的二维被动式二元相位调制器，其特征在于：所述透明的电光材料层由透明的液晶材料层替换。

6.一种二维被动式二元相位调制器，其特征在于：包括透明的电光材料层，所述电光材料层内嵌入有平行的第一组电极，所述第一组电极内的每个第一电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，所述电光材料层的下表面布置有平行的第二组电极，所述第二电极组内的每个第二电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接，所述电光材料层内还嵌入有与第二电极数量相等的若干组第三电极，所述每组第三电极成排布置、且与相应的同一第二电极连接，所述每个第一电极均与第三电极位置正对地置于每组第三电极中相邻的两个第三电极之间；所述每组第三电极中相邻的两个第三电极与置于其中的第一电极形成相位单元；当外部显示面板上的图像信息成像于所述电光材料层上时，所述显示面板上的每一像素单元均对应于电光材料层上相应的固定区域，所述固定区域内包含有阵列为N₁×N₂的相位单元组，即显示面板上的每一像素单元在所述电光材料层上被相同地分割成阵列为N₁×N₂的相位单元组，所述N₁表示相位单元组内对应的第一电极的数量，所述N₂表示相位单元组内对应的第二电极的数量，所述N₁、N₂是非零的正整数；在所述每个阵列为N₁×N₂的相位单元组内，N₁个第一电极和N₂个第二电极在各自电压信号源提供的随机变化电压信号控制下，使得入射于其上的每个相位单元的相干光的相位发生改变。

7.根据权利要求6所述的二维被动式二元相位调制器，其特征在于：所述第一组电极和第二组电极正交；所述N₁＝N₂；所述置于第一电极两侧的第三电极均呈直线排列。

8.根据权利要求6或7所述的二维被动式二元相位调制器，其特征在于：在所述每个阵列为N₁×N₂的相位单元组内，通入N₁个第一电极和N₂个第二电极的电压信号为由二元正交数组控制的周期方波电压信号。

9.根据权利要求8所述的二维被动式二元相位调制器，其特征在于：还包括透明的介电材料层，所述布置有第一组电极、第二组电极和第三电极的电光材料层置于所述介电材料层上。

10.根据权利要求6所述的二维被动式二元相位调制器，其特征在于：所述透明的电光材料层由透明的液晶材料层替换。