CN108873392A - 一种减小调制器调制频率的调制系统及成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减小调制器调制频率的调制系统，包括由多个沿激光光路依次设置的调制器构成的调制器阵列，每个调制器均具有开启和关闭两个状态，通过控制各个调制器的开启或关闭调节激光通过调制器阵列后的出射能量。本发明通过调整处于开启状态调制器和处于关闭状态调制器的不同组合获得调制器阵列对激光的目标透过率，在实现多灰阶调制的同时可以有效减少每个调制器的调制频率。
Description
技术领域
本发明涉及激光调制技术领域，尤其涉及一种减小调制器调制频率的调制系统。
背景技术
激光调制技术根据调制方式分为内调制和外调制/数字调制和模拟调制，根据调制原理分为声光调制，偏振调制，电光调制等。现有的激光扫描显示调制技术可采用内调制，通常要求激光光源调制带宽在100M左右，对应分辨率(1280*720)，外调制的调制频率在2.5GHZ左右，前者采用模拟调制，后者采用数字调制，调制频率比模拟调制大很多，但是高频调制的器件成本较高。
同时，在调制层面，灰阶调制在激光显示领域中也是难点之一，针对激光显示，单次调制只能实现单一的灰阶调制。在数字光处理技术(Digital Lighting Processing，DLP)系统中，光调制装置为数字微镜装置；一般是将数字微镜装置的调制周期(其时长等于基色光图像的周期)分割成对应于不同灰阶的多个调制时段，而每个灰阶对应于不同的灰阶亮度；本方法存在切换时间无法与高灰阶显示时的调制时段时长兼容的问题。
此外，电润湿显示是一种近年来新出现的显示技术，电润湿显示的原理利用外加电场操控像素内极性液体表面张力或接触角，进而推动油墨铺展和收缩，实现光学开关和灰阶控制的新型反射式显示技术。2010年，美国辛辛那提大学提出一种双层立体通道双稳态电润湿显示结构(Yang S.,Zhou K.,Kreit E.,et al.,High reflectivityelectrowetting pixels with zero-power grayscale operation.,Applied physicsletters,2010,97(14):143501.)，通过严苛的通道对称性获得和保持流体界面形态的稳定性。通过施加电压来控制流体界面的移动和定位，达到多稳态操作的效果。该结构可实现较快的响应速度，且大幅提高电润湿显示反射率和开口率。然而，该结构必须保持上下通道高度一致，否则严重影响该显示技术的灰阶调制效果。因此导致制造工艺精度要求过高，难以实现产业化。
此外，光源的平均亮度由脉冲数量来决定。如在Ernstoff等人于1999年5月11日题为“FULL COLOR SEQUENTIAL IMAGE PROJECTION SYSTEM INCORPORATING TIME MODULATEDILLUMINATION”(结合有时间调制照明的全色顺序图象投影系统)的美国专利号5,903,323中所说明，一个补充方法采用对光源的直接强度调制来获取多级亮度。上述所说明的发明利用光源效率换取改善的灰度级或降低的电子的速度要求。在现有技术中所说明的显示系统通过将入射到空间光调制器的平均光功率降低一段时间获得精细的灰度级控制，因此产生对应于所减小强度的多个照明级。所述多个照明级降低了空间光调制器和其相关电子设备的速度要求。然而，这个方法的严重技术缺陷是它浪费了在较低的照明间隔期间从光源可获得的光功率。
发明内容
本发明实施例提供一种减小调制器调制频率的调制系统，用以实现降低激光显示中数字调制器的调制频率的要求，同时实现多灰阶调制。
为了实现上述发明目的，本发明一方面提供一种减小调制器调制频率的调制系统，用于降低激光显示中调制器的调制频率，其包括由多个沿激光光路依次设置的调制器构成的调制器阵列，每个调制器均具有开启和关闭两个状态，通过控制各个调制器的开启或关闭调节激光通过调制器阵列后的出射能量。
各调制器在开启状态下对激光的透过率为一个固定值，不同调制器在开启状态下的对激光的透过率可以相同，也可以不同，控制系统记录每个调制器开启状态下的对激光的透过率，然后通过调整处于开启状态调制器和处于关闭状态调制器的不同组合获得调制器阵列对激光的目标透过率。
具体来说，每个调制器均具有开启和关闭两个状态，开启状态下的各调制器对激光的透过率为X，0≤X＜100％，关闭状态下的各调制器对激光的透过率均为100％。
从而，根据调制器阵列对激光的目标透过率调节所需开启的调制器至开启状态、并关闭剩余的调制器，即可获得调制器阵列对激光的目标透过率，从而在实现多灰阶调制的同时可以有效减少每个调制器的调制频率。
优选的，沿激光光路的第m个调制器开启状态下对激光的透过率为n为调制器阵列中调制器的个数。以调制器阵列的激光入射侧为前，从而使得当沿激光光路的前m个调制器均处于开启状态时，前m个调制器中每个调制器对激光能量的衰减量均为入射至调制器阵列的激光总能量的1/n，从而当仅开启沿激光光路的前m个调制器，而关闭后面(n-m)个调制器时，调制器阵列的透光率为
具体来说，沿激光光路的各调制器在开启状态下的对激光的透过率依次为为0，当打开前m个调制器时，而关闭后面(n-m)个调制器时，激光通过调制器阵列后能量衰减为通过调制器阵列前能量的
从而，进一步优选的，所述的调制器的数量与图像的灰阶级数相同，通过控制前m个调制器开启(1≤m≤n)、后面(n-m)个调制器关闭，即可得到该状态下相对应的灰阶(1≤灰阶级数≤n)。实际应用所述的减小调制器调制频率的调制系统时，以8bit的图像、256灰阶为例，则采用256个调制器组成调制器阵列，各调制器均处于开启状态下时，各单个光调制器对激光的衰减量为总能量的1/256，在各调制器均处于开启状态下入射激光依次经过每个调制器后出射能量为输入总能量的255/256,254/256…1/256,0。在调制器全关的状态下，输出激光能量等于输入激光能量。从而通过调整前面调制器的开启数量、并关闭剩余的调制器，即可实现对输出激光能量的控制，采用此种方式即可实现256图像灰阶的控制，对于实现720P图像，每个数字调制器只需要100M左右的调制频率，很容易得到实现。
也可以优选的，调制器阵列中的各调制器开启状态下的对激光的透过率分别为0、1/n、2/n、3/n…(n-1)/n，n为调制器阵列中调制器的个数。从而每次仅打开某个特定的调制器并关闭其余调制器，就可以获得调制器阵列对激光的目标透过率，通过更改打开的调制器，可以实现n级灰阶显示。
所述的调制器包括光电调制器、声光调制器、液晶调制器和偏振调制器中的任意一种。
本发明另一方面提供一种采用上述减小调制器调制频率的调制系统的成像装置，包括出射激光的激光光源、以及沿光路依次设置的上述调制系统和扫描器。
激光光源出射的激光经过调制系统的调制器阵列进行调制，其中调制器阵列单个调制器采用数字调制，通过控制各个调制器的开启或关闭调节激光通过调制器阵列后的出射能量，从而调制激光显示图像的灰度。
所述的激光光源包括半导体激光器、固体激光器、光纤激光器和LED光源中的任意一种。
进一步可选的，所述的激光光源包括多个单色半导体激光器、对各半导体激光器的出射光束进行准直的准直透镜和对准直后的光束进行合光的合光器件。
进一步可选的，所述的激光光源包括多个单色半导体激光器、合束器、第二光纤和准直透镜，各单色半导体激光器分别通过第一光纤连接合束器输入端，合束器的输出端连接第二光纤，准直透镜对第二光纤出射的光束进行准直。
所述的扫描器可为MEMS扫描器。调制系统的出射光束通过自由空间或光纤入射进入MEMS扫描器，MEMS扫描器的扫描镜转动，扫描出二维图像。输出可以通过投影屏幕接收。
所述的扫描器也可以为光纤扫描器，调制系统的出射光束通过光耦合进入扫描光纤，扫描光纤在压电器件的驱动下扫描光纤的输出端振动，实现二维图像的输出。
本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
本发明为了减少对光调制器频率的要求，采用n个仅具有开闭两个状态的光调制器，然后通过调整处于开启状态调制器和处于关闭状态调制器的不同组合获得调制器阵列对激光的目标透过率，实现了降低激光显示中数字调制器调制频率的要求，同时实现多灰阶调制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为激光光源的一种实施例结构图；
图3为激光光源的另一种实施例结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例一方面提供一种减小调制器调制频率的调制系统，用于降低激光显示中调制器的调制频率，结合图1所示，其包括由多个沿激光光路依次设置的调制器1构成的调制器阵列，每个调制器1均具有开启和关闭两个状态，通过控制各调制器1的开启或关闭调节激光通过调制器阵列后的出射能量。
各调制器在开启状态下对激光的透过率为一个固定值，不同调制器在开启状态下的对激光的透过率可以相同，也可以不同，控制系统记录每个调制器开启状态下的对激光的透过率，然后通过调整处于开启状态调制器和处于关闭状态调制器的不同组合获得调制器阵列对激光的目标透过率。
具体来说，每个调制器均具有开启和关闭两个状态，开启状态下的各调制器对激光的透过率为X，0≤X＜100％，关闭状态下的各调制器对激光的透过率均为100％。
从而，根据调制器阵列对激光的目标透过率调节所需开启的调制器1至开启状态、并关闭剩余的调制器，即可获得调制器阵列对激光的目标透过率，从而在实现多灰阶调制的同时可以有效减少每个调制器的调制频率。
优选的，沿激光光路的第m个调制器开启状态下对激光的透过率为n为调制器阵列中调制器的个数。以调制器阵列的激光入射侧为前，从而使得当沿激光光路的前m个调制器均处于开启状态时，前m个调制器中每个调制器对激光能量的衰减量均为入射至调制器阵列的激光总能量的1/n，从而当仅开启沿激光光路的前m个调制器，而关闭后面(n-m)个调制器时，调制器阵列的透光率为
具体来说，沿激光光路的各调制器在开启状态下的对激光的透过率依次为为0，当打开前m个调制器时，而关闭后面(n-m)个调制器时，激光通过调制器阵列后能量衰减为通过调制器阵列前能量的
从而，进一步优选的，所述的调制器的数量与图像的灰阶级数相同，通过控制前m个调制器开启(1≤m≤n)、后面(n-m)个调制器关闭，即可得到该状态下相对应的灰阶(1≤灰阶级数≤n)。
实际应用所述的减小调制器调制频率的调制系统时，以8bit的图像、256灰阶为例，则采用256个调制器组成调制器阵列，各调制器均处于开启状态下时，各单个光调制器对激光的衰减量为总能量的1/256，在各调制器均处于开启状态下入射激光依次经过每个调制器后出射能量为输入总能量的255/256,254/256…1/256,0。在调制器全关的状态下，输出激光能量等于输入激光能量。从而通过调整前面调制器的开启数量、并关闭剩余的调制器，即可实现对输出激光能量的控制，采用此种方式即可实现256图像灰阶的控制，对于实现720P图像，每个数字调制器只需要100M左右的调制频率，很容易得到实现。
也可以优选的，调制器阵列中的各调制器开启状态下的对激光的透过率分别为0、1/n、2/n、3/n…(n-1)/n、n为调制器阵列中调制器的个数。从而每次仅打开某个特定的调制器并关闭其余调制器，就可以获得调制器阵列对激光的目标透过率，通过更改打开的调制器，可以实现n级灰阶显示。
所述的调制器1包括光电调制器、声光调制器、液晶调制器和偏振调制器中的任意一种。
本发明另一方面提供一种采用上述减小调制器调制频率的调制系统的成像装置，包括出射激光的激光光源2、以及沿光路依次设置的上述调制系统和扫描器3。
激光光源出射的激光经过调制系统的调制器阵列进行调制，其中调制器阵列单个调制器采用数字调制，每个调制器1对光的透过率进行调制，以控制最终光束的出射能量，从而调制激光显示图像的灰度。
所述的激光光源2包括半导体激光器、固体激光器、光纤激光器和LED光源中的任意一种。
进一步可选的，如图2所示，所述的激光光源包括多个单色半导体激光器201、合束器203、第二光纤204和准直透镜205，各单色半导体激光器201分别通过第一光纤202连接合束器203的输入端，合束器203的输出端连接第二光纤204，准直透镜205对第二光纤出射的光束进行准直。
进一步可选的，如图3所示，所述的激光光源包括多个单色半导体激光器211、对各半导体激光器211的出射光束进行准直的准直透镜212和对准直后的光束进行合光的合光器件213。
激光光源出射的光束直接射入调制系统或通过光纤射入调制系统。
调制系统的出射光束直接射入扫描器或通过光纤射入扫描器。
可选的，所述的扫描器3为MEMS扫描器。调制系统的出射光束通过自由空间或光纤入射进入MEMS扫描器，MEMS扫描器的扫描镜转动，扫描出二维图像。输出可以通过投影屏幕接收。
所述的扫描器也可以为光纤扫描器，调制系统的出射光束通过光耦合进入扫描光纤，扫描光纤在压电器件的驱动下扫描光纤的输出端振动，实现二维图像的输出。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。
本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
现有技术中激光扫描显示的单个像素点的时间在1us以下，实现单个灰阶调制，单个光调制器的调制频率对应要求在100M左右，要实现n阶灰阶调制，则单个光调制器至少需要n*100(M)的调制频率。
本发明通过采用n个仅具有开闭两个状态的光调制器，然后通过调整处于开启状态调制器和处于关闭状态调制器的不同组合获得调制器阵列对激光的目标透过率，实现了降低激光显示中数字调制器调制频率的要求，同时实现多灰阶调制。
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种减小调制器调制频率的调制系统，其特征在于，包括由多个沿激光光路依次设置的调制器构成的调制器阵列，每个调制器均具有开启和关闭两个状态，通过控制各个调制器的开启或关闭调节激光通过调制器阵列后的出射能量。
2.如权利要求1所述的一种减小调制器调制频率的调制系统，其特征在于，开启状态下的各调制器对激光的透过率为X，0≤X＜100％，关闭状态下的各调制器对激光的透过率均为100％。
3.如权利要求1或2所述的一种减小调制器调制频率的调制系统，其特征在于，沿激光光路的第m个调制器开启状态下对激光的透过率为 n为调制器阵列中调制器的个数。
4.如权利要求1或2所述的一种减小调制器调制频率的调制系统，其特征在于，调制器阵列中的各调制器开启状态下的对激光的透过率分别为0、1/n、2/n、3/n…(n-1)/n，n为调制器阵列中调制器的个数。
5.如权利要求1所述的一种减小调制器调制频率的调制系统，其特征在于，所述的调制器包括光电调制器、声光调制器、液晶调制器和偏振调制器中的任意一种。
6.一种成像装置，其特征在于，包括出射激光的激光光源、以及沿光路依次设置的如权利要求1-5中任意一项所述的调制系统和扫描器。
7.如权利要求6所述的成像装置，其特征在于，激光光源出射的激光经过调制系统的调制器阵列进行调制，以控制最终光束的出射能量，从而调制激光显示图像的灰度。
8.如权利要求6所述的成像装置，其特征在于，所述的激光光源包括半导体激光器、固体激光器、光纤激光器和LED光源中的任意一种。
9.如权利要求6所述的成像装置，其特征在于，所述的扫描器包括MEMS扫描器或光纤扫描器。
10.如权利要求6-9中任意一项所述的成像装置，其特征在于，所述的激光光源包括多个单色半导体激光器、对各半导体激光器的出射光束进行准直的准直透镜和对准直后的光束进行合光的合光器件，
或，所述的激光光源包括多个单色半导体激光器、合束器、第二光纤和准直透镜，各单色半导体激光器分别通过第一光纤连接合束器输入端，合束器的输出端连接第二光纤，准直透镜用于对第二光纤出射的光束进行准直。
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