CN104423034A

CN104423034A - 用于减少光斑的方法以及用于所述方法的光源

Info

Publication number: CN104423034A
Application number: CN201310517987.XA
Authority: CN
Inventors: X·陈; 仝召民; M·N·阿克拉姆
Original assignee: Lemoptix SA
Current assignee: North Limited
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2015-03-18

Abstract

用于减少光斑的方法以及用于所述方法的光源。一种用于减小在显示表面上所显示的投影图像中的光斑效应的方法，包括步骤：将入射光束分成一个参考光束和一个调制光束；用调制单元调制所述调制光束以便产生经调制的光束；将经调制的光束和参考光束重组到扩散器上；使经重组的光束偏转以便将所述图像投影到所述显示表面上。

Description

用于减少光斑的方法以及用于所述方法的光源

技术领域

本发明涉及一种用于减少光斑的方法，并且尤其但不排他性地涉及一种通过引入利用光调制装置暂时改变干涉条纹来减少投影系统中的光斑的方法。

背景技术

光斑图案是由一组波前的相互干涉产生的强度图案。在使用激光器的图像投影系统中，光斑图案是由在粗糙显示表面所产生的相干光干涉所引起的。光斑使得投影图像的质量降低，因为投影图像的每个像素将具有不均匀的强度；对于投影图像的每个像素而言，像素的某些区域将会比该像素的其他区域显现得更亮。在该技术领域中，将由光斑图像所引起的像素的不均匀强度称作“光斑效应”。

为了减小投影系统中的光斑效应，已知的是为每个像素和／或每个图像帧产生多个光斑图像；将该多个光斑图像排列成部分相互重叠，从而减小跨像素的亮度的变化。为每个像素和／或每个图像帧产生的光斑图像越多，可以实现的跨像素和／或图像帧的亮度变化的减小就越大。

该解决方案的困难之一是为了实现跨像素和／或图像帧的亮度变化的减小，多个光斑图像必须不能完全相互重叠(多个光斑图像必须每个部分相互重叠)；而同时该多个光斑图像的每一个必须被投影在该像素和／或图像帧的预定的区域内，否则该像素和／或图像将会显现得模糊。要确保多个像素图案的每一个都投影在该像素和／或图像帧的预定的区域内并且还不完全相互重叠是很困难的。

本发明的目的是消除或者减弱上述缺点中的至少一部分。

发明内容

根据本发明的一个方面，通过使用干涉条纹来减小投影系统中的光斑效应。干涉条纹是由光的干涉和衍射所产生的亮带和暗带。

根据一个方面，通过自动地在显示表面上产生干涉条纹来减小在显示表面上所显示的投影图像中的光斑效应，从而减小光斑的对比度。

该方法优选地包括步骤：

将入射光束分成一个参考光束和一个调制光束；

利用调制单元调制所述调制光束以便产生经调制的光束；

将该经调制的光束和该参考光束重组到扩散器上；

使经重组的光束偏转从而将所述图像投影到所述显示表面上。

相干光束可由相干光源产生。该方法可以包括利用透镜对所述相干光束进行整形(校准、聚焦和／或改变发散角)的步骤，从而产生所述入射光束。

该方法可以包括利用聚光透镜对所述经调制的光束进行聚光的步骤。因此，通过该调制单元偏离到不同方向的光线被聚光到单个的点上，从而增加干涉条纹之间的对比度。

扩散器可以包括被动扩散器，诸如例如标准光学扩散器。在一个实施方式中，该扩散器是类似于用在平视显示应用中为了产生eyebox(眼睛盒)的扩散器，从而使用者即使整个地移动其视点也能看到图像的全部。

该扩散器可以包括主动扩散器，即包括移动部分的扩散器。该扩散器可以是偏转设备的一部分。该扩散器可以包括一个或若干个部分。

经调制的光束和参考光束可在扩散器处重组。

经调制的光刻和参考光束可在扩散器之前重组，并且结果得到当到达扩散器时已重组的经重组的光束。

可利用基于mems的数字微镜设备使该经重组的光束偏转。

该经重组的光束可利用一个二维mems扫描镜和／或利用两个独立的一维扫描镜被偏转。

经重组的光束可利用基于液晶的设备被偏转。

可利用旋转设备、例如振荡的旋转反射镜来进行调制。

可利用振动的设备进行调制。

可利用电光设备进行调制。

干涉条纹在显示表面上的宽度优选地包括在10^-6和10^-3m之间，以便不会或者几乎不会被人眼察觉。

入射光束可以是RGB光束源，诸如经调制的RGM光束源，其中每个颜色的强度是时间调制的以便产生每个颜色成份的强度随时间变化的入射光束。

该方法可包括为三个颜色光束中的每一个单独产生干涉条纹，并在调制之后组合单独调制的光束。

入射光可以是时间调制的，从而改变投影到所述显示表面的不同部分上的经重组光束的强度。

附图说明

利用以示例的方式所给出的和通过附图所图解的实施方式的描述将会更好地理解本发明，在附图中：

图1是根据第一个实施方式的光源的框图，该光源包括测量系统。

图2是根据第二个实施方式的光源的框图。

图3是根据第三个实施方式的光源的框图。

图4是根据第四个实施方式的光源的框图。

图5A至5C是能够用在本发明的不同实施方式中的各种调制单元的框图。

图6是根据第三个实施方式并且包括基于mems的数字微镜设备作为偏离单元的光源的框图。

具体实施方式

根据本发明的一些方面，该方法包括将光分为两个细光束并在显示表面将这些细光束重组。当重组这些细光束时，由于细光束之间的相长干涉和相消干涉而产生干涉条纹。干涉条纹减少光斑，因为每个单个的干涉条纹在观察者的分辨点内产生单独的光斑图案。观察者的分辨点是观察者在特定距离处在屏幕上能够区分的最小特征尺寸。在该分辨点内的多个光斑图案不重叠而是独立的，因而该多个光斑图案被观察者的眼睛平均化，并且光斑对比度也减小。

图1和2示出光源的第一个和第二个实施方式。该光源包括激光源8，这样的单个波长波源或RGB源产生相干光束9(入射光束1)，其中若干波长、诸如RGB波长已经合并在一起。该入射光束被分束器13分为参考光束2和调制光束3。该分束器具有例如50／50功能(50％透射／50％反射)。

用于光斑测量的照相机系统11由成像透镜110和CCD照相机111组成。

参考光束被反射镜14、诸如固定的高平整度表面的反射镜反射，并且经由分束器13到达扩散器5。线性偏振器15可位于参考光束2的路径中。

调制光束3被调制单元反射成经调制的光束4，该经调制的光束4经由分束器13到达扩散器5。线性偏振器15可位于调制光束3和／或经调制的光束4的路径中。调制单元可以包括移动或振荡的高平整度表面反射镜。

将经调制的光束和参考光束重组到扩散器5上，由此产生干涉条纹。第三个线性偏振器17可在扩散器前面的光束路径中被提供。该第三个线性偏振器17的目的是为了保持照亮扩散器5的两个光束的偏振方向。

设置偏振器15、16和17是为了明确参考光束2和／或经调制的光束4在减少光斑上的效果(分离或组合)。所述偏振器15、16和17通常在投影系统中不需要，并且可被取消以增加亮度。

调制单元7的效应是为了改变调制光束和经调制的光束的路径的长度，以便移动干涉条纹。可替换地，或者此外，该调制单元可以改变经调制的光束4的方向，这也导致移动干涉条纹。因此，借助调制单元7的振动，在作为测量系统11的一部分的CCD照相机111的曝光时间期间，不同的干涉条纹和光斑图案在强度基础上相加在一起。参考标记110表示作为测量系统的一部分的校准透镜。

这导致相加的光斑图像具有较低的光斑对比度。由测量系统的CCD照相机进行的测量证明这种方法具有减小光斑的效果。在重组调制光束和参考光束之后，所获得的光斑对比度是0.66，这低于通过仅仅使用调制光束将会达到的0.77的光斑对比度。因此，引入干涉条纹有助于减少光斑。

与现有技术中已知的其他减少方式相比，引入参考光束2加强了光斑减少的效果。通过光束照明角度之间的角度差有可能获得额外程度的光斑减少。

干涉条纹的宽度或者周期优选地与光斑直径相当，以及有可能与照相机透镜111的横向分辨率或人眼相当。因此，光斑可替换地将被用暗条纹或亮条纹覆盖，这在累计超过比振荡周期长的时期时减小所述光斑的对比度。在一个实施方式中，显示表面上的干涉条纹的宽度被包括在10^-6到10^-2m之间，以便不会或者几乎不会被人眼察觉。

调制单元可以包括移动反射表面，例如振荡反射表面7。振荡频率优选地足够高以便人眼(或者CCD照相机)整合干涉条纹的不同位置。在一个优选的实施方式中，调制单元的振荡频率是这样的，使得条纹的位置在高于25、优选高于40的振荡频率下振荡。

图5A至5C示出了调制单元7的例子。在图5A的实施方式中，调制单元包括旋转设备7A，例如旋转反射镜。该反射镜可以包括若干个面并且总是在相同的方向上旋转，或者优选地包括一个单个的、围绕旋转轴振荡的平面。该调制单元改变经调制的光束的方向。该反射镜可由基于mems的电磁致动器驱动。

在图5B的实施方式中，该调制单元包括振动设备7B，诸如振动反射镜。反射表面可由压电致动器或者由基于mems的电磁致动器移动。

在图5C的实施方式中，该调制单元包括光电致动器，诸如例如基于下电极71C和上电极72C之间的电活性聚合物70C的致动器。应用在两个电极之间的电信号引起一个电极以及连接到该电极的反射镜的位移。

扩散器5可以是被动扩散器，诸如例如标准的光学扩散器。在一个实施方式中，该扩散器是类似于用在平视显示应用中为了产生eyebox的扩散器，从而使用者即使整个地移动其视点也能看到图像的全部。

扩散器5也可以是主动扩散器，即通过部件的位移产生光的扩散的设备。在一个实施方式中，该扩散器是或者包括移动反射镜或者移动反射镜的矩阵(DMD)。该扩散器可包括或者是将光投影到显示表面上的投影系统的一部分。在一个实施方式中，该扩散器包括或者是微镜投影系统的一部分。在这种情况下，参考光束和经调制的光束被重组到微镜投影系统的部件上。

扩散器5也可以是像液晶单元或者液晶单元的矩阵(LCOS或LCD)那样的光扩散装置。

图3示出另一个实施方式，其中聚光透镜6被提供在经调制的光束4的路径中以便校准光束4、4’，所述光束4、4’被调制单元在不同的方向上偏转到单一的共同方向上。

图4示出另一个实施方式，其中提供了中继透镜以便减少在扩散器5上产生的干涉条纹的宽度。参考标记100是中间图像平面。

图6示出另一个系统，该系统包括与结合图4所描述的光源类似的光源20，尽管根据本发明可以使用光源的其他实施方式。参考标记21表示使由光源20产生的光束偏转的偏转单元，以便扫描显示表面并投影所显示的图像。该偏转单元21可以是微投影器，并且可以包括棒形积分器51、反射镜52、中继透镜53、棱镜54、投影透镜55和偏转镜50。

偏转镜50可包括MEMS反射镜。在一个实施方式中，该偏转镜50是DMD-数字微镜设备。

偏转镜50配置为围绕振荡轴振荡以在1维中扫描光束。可以理解的是该偏转镜50可替换地可以配置为围绕两个正交的振荡轴振荡，以在2维中扫描输入光束。可提供两个独立的反射镜，每个反射镜在1维中扫描光束。可选地，该偏转镜50可具有弯曲的轮廓。

在图中，应该理解的是MEMS反射镜50可以是任何类型的反射部件，诸如数字微镜(DMD)的阵列或者硅上液晶单元(LCOS)的阵列或者液晶显示单元(LCD)。

在光源20的输出端，参考光束2和经调制的光束4可例如重组到被动扩散器表面5上，和／或重组到偏转单元21的任何表面上，例如重组到充当主动扩散器的偏转镜50上。

可替换地，扩散器可包括或在于基于液晶的显示器，诸如LCD(液晶显示器)或者LCOS(硅上液晶)。

系统可包括单个的相干光源8，例如在可见、红外或者紫外范围中以单个波长进行发射的光源。可替换地，相干光源8可包括以不同波长——诸如R、G、B——进行发射的若干光源，以便产生这些波长相组合的彩色入射波长。可替换地，系统可包括三个根据图1至4之一的光源20，以便以不同的波长产生三个可输入到光投影器的无光斑的光束。

由激光源或光源8所产生的光的强度可被调制，以便改变投影到投影表面的不同部分的每个波长的光的强度。

光源20可构建为模块。偏转单元21可构建为模块。部件20和21都可构建为单个的模块，或者构建为合作的两个独立模块。每个模块可包括机械安装部分、光学部件、电子部件、以及有可能包括MEMS部件。

应该理解的是，上面所描述的方法和投影系统可用在不同的应用中；例如光学相干断层成像术、平视显示器、头戴显示器、显透镜阵列、用于电影院的激光投影系统、背面投影显示器、光刻、DMD或者LCOS或者GLV光学引擎、激光照明(显微镜，全息)、以及LIDAR。

对本发明所描述的实施方式进行的各种修改和变化将对于本领域技术人员来说是显而易见的，而没有偏离本发明的由所附权利要求所限定的范围。尽管已经结合特定的优选实施方式对本发明进行了描述，但是应该理解的是，所要求保护的本发明不应该被不恰当地局限于这样的特定实施方式。

参考标记

1 入射光束

2 参考光束

3 调制光束

4 经调制的光束

5 扩散器

6 聚光透镜

7 调制单元

7A 作为调制单元的一部分的旋转设备

7B 作为调制单元的一部分的振动设备

7C 作为调制单元的一部分的光电设备

8 相干光源，诸如激光源

9 相干光束

10 光束整形器(透镜)

11 测量系统

12 经重组的光束

110 透镜

111 CCD

13 分束器

14 反射镜(固定反射镜)

15 线性偏振器

16 线性偏振器

17 线性偏振器

18 中间图像平面

19 中继透镜

20 光源

21 偏转单元

70C 光电材料

71C 下电极

72C 上电极

50 数字微镜设备

51 棒形积分器

52 反射镜

53 中继透镜

54 棱镜

55 投影透镜

56 显示表面(屏幕)

57 检测器(人眼或照相机)。

Claims

1.一种用于减小在显示表面上所显示的投影图像中的光斑效应的方法，包括步骤：

将入射光束分成一个参考光束和一个调制光束；

用调制单元调制所述调制光束以便产生经调制的光束；

将经调制的光束和参考光束重组到扩散器上；

使经重组的光束偏转以便将所述图像投影到所述显示表面上。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

利用相关光源产生相干光束；

利用透镜校准、聚焦和／或改变所述相干光束的发散角以便产生所述入射光束。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

利用聚光透镜对所述经调制的光束进行聚光。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述扩散器包括被动扩散器。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述扩散器包括主动扩散器。

6.根据权利要求1所述的方法，所述使经重组的光束偏转的步骤包括利用基于mems的数字微镜设备使所述光束偏转。

7.根据权利要求1所述的方法，所述使经重组的光束偏转的步骤包括利用一个二维mems扫描镜或者利用两个独立的一维扫描镜使所述光束偏转。

8.根据权利要求1所述的方法，所述使经重组的光束偏转的步骤包括将所述光束偏转到基于液晶的设备上。

9.根据权利要求1所述的方法，所述调制步骤包括利用旋转设备、例如振荡的旋转反射镜使所述调制光束偏转。

10.根据权利要求1所述的方法，所述调制步骤包括利用振动设备使所述调制光束偏转。

11.根据权利要求1所述的方法，所述调制步骤包括利用光电设备、诸如例如电活性聚合物使所述调制光束偏转。

12.根据权利要求1所述的方法，其中显示表面上的所述干涉条纹的宽度包括在10^-6到10^-2m之间，以便不会或者几乎不会被人眼察觉。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述入射光束是RGB光束源。

14.根据权利要求1所述的方法，独立地应用于三个具有不同波长的所述入射光束。

15.根据权利要求1所述的方法，包括时间调制所述入射光束的步骤，以便改变投影到所述显示表面的不同部分上的经重组的光束的强度。

16.一种光源包括：

激光源，用于产生入射光束；

分束器，用于将所述入射光束分成一个参考光束和一个调制光束；

调制单元，用于调制所述调制光束以便产生经调制的光束；

扩散器，其被设置为使得经调制的光束和参考光束被重组到所述扩散器上；

偏转单元，用于使经重组的光束偏转以便将无光斑图像投影到显示表面上。

17.根据权利要求16所述的光源，进一步包括：

用于校准、聚焦和／或改变由所述激光源产生的相干光束的发散角以产生所述入射光束的光束整形器。

18.根据权利要求16所述的光源，进一步包括：

用于对所述经调制的光束进行聚光的聚光透镜。

19.根据权利要求16所述的光源，所述扩散器包括被动扩散器。

20.根据权利要求16所述的光源，所述扩散器包括主动扩散器。

21.根据权利要求16所述的光源，所述偏转单元包括基于mems的数字微镜设备。

22.根据权利要求16所述的光源，所述偏转单元包括一个二维mems扫描镜或者两个独立的一维扫描镜。

23.根据权利要求16所述的光源，所述偏转单元包括基于液晶的设备。

24.根据权利要求16所述的光源，所述调制单元包括旋转设备，例如振荡的旋转反射镜。

25.根据权利要求16所述的光源，所述调制单元包括振动设备。

26.根据权利要求16所述的光源，所述调制单元包括光电设备。

27.根据权利要求16所述的光源，其被设置用于在显示表面上产生干涉条纹，所述干涉条纹具有包括在10^-6到10^-2m之间的宽度，以便不会或者几乎不会被人眼察觉。

28.根据权利要求16所述的光源，所述激光源是RGB光束源。

29.根据权利要求16所述的光源，所述激光源是时间调制的，以便改变经重组的光束的强度。

30.一种设备，包括根据权利要求17所述的光源，每个光源具有不同的波长。