CN113495410A - 一种激光投影装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种激光投影装置，激光投影装置至少包括激光光源、合光装置、准直装置、至少一个相位调制装置和空间光调制装置，激光光源产生的激光经过合光装置和准直系统照射到相位调制装置上，相位调制装置用于对激光进行相位调制，空间光调制装置用于对相位调制后的激光进行光信号空间分布的调制；其中，一个空间光调制像素被至少两个相位调制像素覆盖。本申请增加相位调制装置，对激光光源产生的激光光束进行相位调制，同时一个空间光调制像素被至少两个相位调制像素覆盖，使空间光调制装置同一像素受多个相位调制装置像素相位的影响，实现平均光强，降低散斑对比度。

Description

一种激光投影装置
技术领域
本申请涉及激光显示领域，特别是涉及一种激光投影装置。
背景技术
激光投影显示凭借其高亮度、大色域等优势，越来越受到观众欢迎。但是激光投影是相干光源，会产生散斑现象，即明暗起伏的颗粒状图案，影响观众的观看体验。现有技术中使用分波长、转动平均、降低时间相干性等方法降低散斑对比度，但是分波长法对光源的波长选择要求比较苛刻，会大大提高产品成本；转动平均法中使用的转动元件普遍体积较大，并且需要电机驱动，导致投影机体积增大，容易产生噪音；降低时间相干性使用体扩散等材料，会降低投影机的光效。
发明内容
本申请提供一种激光投影装置，以解决现有技术中的问题。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案书：提供一种激光投影装置，其特征在于，激光投影装置至少包括激光光源、合光装置、准直装置、至少一个相位调制装置和空间光调制装置，激光光源产生的激光经过合光装置和准直系统照射到相位调制装置上，相位调制装置用于对激光进行相位调制，空间光调制装置用于对相位调制后的激光进行光信号空间分布调制；其中，一个空间光调制像素被至少两个相位调制像素覆盖。
本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请增加相位调制装置，对激光光源产生的激光光束进行相位调制，同时一个空间光调制像素被至少两个相位调制像素覆盖，以使空间光调制装置同一像素受多个相位调制装置像素相位的影响，实现平均在视网膜上形成的光强分布，降低散斑对比度。只增加相位调制装置，不需要考虑光源波长的影响，同时不会影响投影机的光效。常用相位调制装置为透射式液晶、LCOS或者GLV等小型调制元件，无需额外增加激光投影装置的体积，能够降低生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请激光投影装置第一实施例的结构示意图；
图2是图1中空间光调制像素与相位调制像素位置关系的第一结构示意图；
图3是图1中空间光调制像素与相位调制像素位置关系的第二结构示意图；
图4是本申请激光投影装置第二实施例的结构示意图；
图5是图4中相位调制装置电压调制的结果示意图；
图6是本申请激光投影装置第三实施例的结构示意图；
图7是图6中第一相位调制像素与第二相位调制像素位置关系的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对发明所提供的激光投影装置做进一步详细描述。
请参阅图1，图1是本申请激光投影装置第一实施例的结构示意图。激光投影装置1包括激光光源10、合光装置20、准直装置30、至少一个相位调制装置40、空间光调制装置50和投影镜头60。
激光光源10为RGB三色激光，产生激光光束照射于合光装置20上，激光光束包括红激光、蓝激光和绿激光。可选地，激光光源10还可以为单激光或双激光等。激光光束经合光装置20进行合光作用、准直装置30进行准直作用、相位调制装置40进行相位调制以及空间光调制装置50进行光强调制后，照射于投影镜头60上，通过投影镜头60投射画面。
相位调制装置40对激光进行相位调制后获得相位调制像素，相位调制像素为激光经相位调制装置40相位调制后成像显示的像素区域，空间光调制装置50对激光经进行光信号空间分布调制后获得空间光调制像素，空间光调制像素为激光经空间光调制装置50光信号空间分布调制后成像显示的像素区域。在不增加相位调制装置40进行相位调制的情况下，通过投影镜头60投射出的人眼可分辨的最小画面光斑的波前相位最初相位均为0。也就是说，人眼可分辨的最小画面光斑为单个空间光像素。经过投影镜头60粗糙表面微结构进行相位调制后，在进入人眼之前的相位分布为
Figure BDA0002416788240000031
其电场矢量表达如公式(1)：
Figure BDA0002416788240000032
其中，A为电场矢量的振幅。
经过眼睛的相位调制后，该最小可分辨光斑的电场矢量E'0(x,y)聚焦到视网膜上，如公式(2)所示：
Figure BDA0002416788240000033
其中
Figure BDA0002416788240000034
为眼睛对光波前的相位调制。
在视网膜平面上(u，v平面)，根据标量衍射理论，电场矢量分布为Ef(u,v)，定义如公式(3)所示：
Figure BDA0002416788240000035
其中λ为单色光波长，f为人眼等效焦距。Ef(u,v)是众多矢量的和，不仅和电场矢量的振幅A有关，还和扩散结构对光斑的相位调制
Figure BDA0002416788240000041
相关。人眼只对光的电场强度I有相应，而无法感应光波相位，所以公式(3)中积分号前的相位因子可以被忽略，从而得到电场强度I的关系式如公式(4)所示：
Figure BDA0002416788240000042
从公式(4)可以看出，最终人眼对该最小可分辨光斑的光强或亮度响应，不仅依赖于光波电场的振幅A，还依赖于表面微结构对其波前的相位调制
Figure BDA0002416788240000043
由于投影画面不同区域的散射微结构不同，相位调制程度不同，所以在视网膜上形成的光强分布If(u,v)会有随机涨落。
此时，如果将相位调制装置40设置于空间光调制装置50之前，将最小分辨光斑分成两份或更多份，也就是说，至少两个相位调制像素将单个空间光调制像素分成两份或更多份，分别调制其相位
Figure BDA0002416788240000044
以使光斑内相位分布如公式(5)所示：
Figure BDA0002416788240000045
其中Pn(x,y)表示把最小分辨光斑分为N份，t为不同时刻。把
Figure BDA0002416788240000046
带入公式(4)中，可以得到If(u,v)也随时间变化。从而，在人眼积分时间内，不同的If(u,v)的叠加，可以平均光强，起到降低散斑对比度C的作用。平均M个互相独立的散斑图案可以降低散斑对比度C，降低程度是从1到
Figure BDA0002416788240000047
进一步参阅图2，图2是图1中空间光调制像素与相位调制像素位置关系的第一结构示意图。如图2所示，相位调制像素将空间光调制像素进行分区处理，实现将最小分辨光斑分成两份或更多份。可选地，一个空间光调制像素的大小可以为一个相位调制像素的整数倍。优选地，一个空间光调制像素的大小可以为一个相位调制像素的二次幂倍。
如图2(A)所示，相位调制像素将空间光调制像素分割为大小相同的2等份，相位调制像素密度与空间光调制像素密度之比为2：1。也就是说，一个空间光调制像素被两个相位调制像素覆盖；如图2(B)所示，相位调制像素将空间光调制像素分割为大小相同的4等份，相位调制像素密度与空间光调制像素密度之比为4：1。也就是说，一个空间光调制像素被四个相位调制像素覆盖；如图2(C)所示，相位调制像素将空间光调制像素分割为大小相同的9等份，相位调制像素密度与空间光调制像素密度之比为9：1。也就是说，一个空间光调制像素被就九个相位调制像素覆盖。
如图2所示，相位调制像素将空间光调制像素分割为大小相同的n个区域，相位调制像素密度与空间光调制像素密度之比为n，且n大于1，即一个空间光调制像素被就n个相位调制像素覆盖。
进一步参阅图3，图3是是图1中空间光调制像素与相位调制像素位置关系的第二结构示意图。如图3所示，单个相位调制像素的大小可以大于单个空间光调制像素，此时相位调制像素错位覆盖空间光调制像素，以使单个相位调制像素错位覆盖至少两个空间光调制像素，同时多个相位调制像素错位覆盖单个空间光调制像素。
本实施例通过在空间光调制装置50之前设置相位调制装置40，将最小分辨光斑分为n份，即将空间光调制像素分割为大小不同的n个区域，增加空间光调制像素密度，以使单个空间光调制像素受多个相位调制像素相位的影响，增加随意相位变化，实现降低散斑对比度。
进一步参阅图4，图4是本申请激光投影装置第二实施例的结构示意图。合光装置20包括第一双色镜21和第二双色镜22，第一双色镜21用于将激光光源10发出的绿激光和蓝激光进行合光，第二双色镜22用于将经第一双色镜21合光后输出的激光与激光光源10发出的红激光进行合光。
准直装置30包括透镜组31，透镜组31可由多个凸透镜或凹透镜组合而成。透镜组31将第二双色镜22输出的激光进行准直，以使激光能够均匀照射在相位调制装置40上。
相位调制装置40为相位调制液晶，相位调制液晶为透射型液晶面板，只改变激光的相位，不改变其偏振方向，实现对激光的相位调制。其中，相位调制液晶的相位调节能力与其驱动电压相关。可选地，相位调制液晶的驱动电压为0V-5V。可选地，相位调制装置40还可为LCOS或者GLV等相位调制元件。
空间光调制装置50为数字微反射镜(DMD芯片)，用于对相位调制后的激光进行光强调制。优选地，DMD芯片为DLP Automotive DMD。DMD芯片的分辨率为864*480，小于预设的图像显示的分辨率。可选地，预设的分辨率可为2K。透射型液晶面板的分辨率为1920*1080，保证单个空间光调制像素被多个相位调制像素拆分为大小相同的4份，如图2(B)所示。相位调制装置40中相邻的每四个相位调制像素为一组，并且对应的驱动电压随时间周期变化。
进一步参阅图5，图5是图4中相位调制装置电压调制的结果示意图。相位调制装置40中相邻的四个相位调制像素分别为LC1、LC2、LC3和LC4，LC1、LC2、LC3和LC4对应的相位变化为
Figure BDA0002416788240000061
和
Figure BDA0002416788240000062
如图5所示，LC1驱动电压变化的时间周期为两帧，LC2驱动电压变化的时间周期为一帧，LC3驱动电压变化的时间周期为二分之一帧，LC4驱动电压变化的时间周期为三分之一帧。
随着时间t的变化，LC1、LC2、LC3和LC4的相位也不停地变化，以使LC1、LC2、LC3和LC4对应的单个空间光调制像素在一帧时间内不停地变化。也就是说，
Figure BDA0002416788240000063
随时间快速变化，不同时刻的
Figure BDA0002416788240000064
互相独立，使人眼积分时间内观看这一空间光调制像素的亮度被平均，进而实现消除散斑的效果。当随意相位变化越快时，散斑对比度降低程度越大。
请参阅图6，图6是本申请激光投影装置第三实施例的结构示意图。激光投影装置1进一步包括第一相位调制装置41和第二相位调制装置42，第一相位调制装置41为相位调制液晶，第二相位调制装置42为相位调制LCOS。可选地，第一相位调制装置41还可为LCOS或者GLV等相位调制元件，第二相位调制装置42还可为相位调制液晶或者GLV等相位调制元件。空间光调制装置50为LCOS空间光调制芯片。
第二相位调制装置42设置于透镜组31和第一相位调制装置41之间，第一相位调制装置41与第二相位调制装置42错位设置，以使第一相位调制像素与第二相位调制像素共同将空间光调制像素分割为大小相同的4等分，实现将最小分辨光斑分成四份。
为了有效地降低散斑对比度，相位调制像素密度应为空间光调制像素密度的两倍以上，即单个空间光调制像素被两个相位调制像素覆盖。当空间光调制装置50的分辨率大于预设的图像显示的分辨率时，单片相位调制装置40的分辨率难以达到空间光调制装置50的分辨率的两倍。LCOS空间光调制芯片的分辨率为1920*1080，相位调制液晶与相位调制LCOS的分辨率均为480*320，将相位调制液晶与相位调制LCOS组合使用，实现相位调制装置40的分辨率为空间光调制器50像素密度的两倍以上。
进一步参阅图7，图7是图6中第一相位调制像素与第二相位调制像素位置关系的结构示意图。第一相位调制像素为激光经第一相位调制装置41相位调制后成像显示的像素区域，第二相位调制像素为激光经第二相位调制装置42相位调制后成像显示的像素区域。
当第一相位调制像素与第二相位调制像素对位时，分别沿着第一方向Ⅰ和第二方向Ⅱ错开一半像素大小的位置，以使第一相位调制像素与第二相位调制像素的重合区域拥有不同相位分布的虚拟相位调制像素数量增加为四倍，即相位调制装置40的分辨率为1920*1280。以重合区域内相邻的四个虚拟相位调制像素为一组，四个虚拟相位调制像素对应的驱动电压随时间周期变化，不同虚拟相位调制像素驱动电压的时间周期不同。
Figure BDA0002416788240000071
随时间快速变化，不同时刻的
Figure BDA0002416788240000072
互相独立，以使人眼积分时间内观看重合区域相邻的四个虚拟相位调制像素对应的空间光调制像素的亮度被平均，实现消除散斑的效果。
以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光投影装置，其特征在于，所述激光投影装置至少包括激光光源、合光装置、准直装置、至少一个相位调制装置和空间光调制装置，所述激光光源产生的激光经过所述合光装置和所述准直系统照射到所述相位调制装置上，所述相位调制装置用于对所述激光进行相位调制，所述空间光调制装置用于对相位调制后的激光进行光信号空间分布调制；
其中，一个空间光调制像素被至少两个相位调制像素覆盖。
2.根据权利要求1所述激光投影装置，其特征在于，所述相位调制像素为所述激光经所述相位调制装置相位调制后成像显示的像素区域，所述空间光调制像素为所述激光经所述空间光调制装置光信号空间分布调制后成像显示的像素区域，一个所述空间光调制像素的大小为一个所述相位调制像素的整数倍，一个所述空间光调制像素包含至少两个所述相位调制像素。
3.根据权利要求1所述激光投影装置，其特征在于，所述相位调制像素为所述激光经所述相位调制装置相位调制后成像显示的像素区域，所述空间光调制像素为所述激光经所述空间光调制装置光信号空间分布调制后成像显示的像素区域，一个所述空间光调制像素小于一个所述相位调制像素，一个所述相位调制像素错位覆盖至少两个所述空间光调制像素。
4.根据权利要求1所述激光投影装置，其特征在于，所述空间光调制装置的分辨率小于预设的图像显示的分辨率，所述至少一个相位调制装置为相位调制液晶。
5.根据权利要求4所述激光投影装置，其特征在于，所述激光光源用于产生红激光、蓝激光和绿激光；
所述合光装置包括第一双色镜和第二双色镜，所述第一双色镜用于将所述绿激光和所述蓝激光进行合光，所述第二双色镜用于将所述第一双色镜输出的激光与所述红激光进行合光；
所述准直装置包括透镜组，所述第二双色镜射出的激光通过所述透镜组进行所述相位调制液晶，所述相位调制液晶对所述激光的进行相位调制；
所述空间光调制装置为数字微反射镜，用于对相位调制后的激光进行光信号空间分布调制。
6.根据权利要求5所述激光投影装置，其特征在于，所述空间光调制装置的分辨率大于或等于预设的图像显示的分辨率，所述至少一个相位调制装置还包括相位调制LCOS。
7.根据权利要求6所述激光投影装置，其特征在于，所述相位调制LCOS设置在所述透镜组和所述相位调制液晶之间，且所述相位调制LCOS的像素与所述相位调制液晶的像素错位设置。
8.根据权利要求4所述激光投影装置，其特征在于，所述相位调制液晶将四个相邻的像素划分成一组，所述四个相邻的像素对应的驱动电压随时间周期变化。
9.根据权利要求8所述激光投影装置，其特征在于，所述四个像素对应的驱动电压的时间周期不同。
10.根据权利要求8所述激光投影装置，其特征在于，每个所述相位调制像素的相位值满足以下公式：
Figure FDA0002416788230000021
其中，Pn(x,y)表示把最小分辨光斑分为N份，t为不同时刻，所述最小分辨光斑为单个所述空间光调制像素；
将所述相位调制像素的相位值积分得到单个所述相位调制像素的电场强度：
Figure FDA0002416788230000022
所述电场强度随时间变化，积分时间内多个所述电场强度叠加，平均所述积分时间内激光的电场强度。
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