使用漫射面來減少光斑的系統和方法

2023-04-24 01:24:56 1

專利名稱：使用漫射面來減少光斑的系統和方法
技術領域：
本發明的實施例涉及雷射投影系統，並更具體地涉及減少經掃描的雷射圖像中光斑的出現的雷射投影系統。·
背景技術：
每當相干光源用於照亮例如屏幕、牆壁的粗糙表面或產生漫反射或漫射透光的任何其它物體時，會產生光斑。特別是，屏幕上的大量小區域或其它反射物體將光散射成具有不同起始點和不同傳播方向的多個衍射光束。光斑引起投影圖像中較大的空間頻率噪聲。在觀察點，例如在觀察者的眼睛裡或者在照相機的傳感器處，這些光束相長地幹涉來形成亮點，或者相消地幹涉來形成暗點，產生隨機的粒狀的強度圖案，這被稱作光斑。光斑可以由粒度大小和對比度來表徵，對比度通常定義為在觀測平面內標準差與平均光強度之比。對於足夠大的照亮區域和足夠小的單獨的散射點尺寸來說，光斑將被「完全地顯影」，如果漫射體不是偏振光，則其具有的亮度標準偏差為100%，當漫射體是偏振光時，亮度標準偏差為75%。如果採用諸如雷射束之類的相干光源將圖像形成於屏幕上，該粒狀結構將代表畫質的噪聲或嚴重劣化。該噪聲是個嚴峻的問題，特別是當投影儀用於顯示諸如文本之類的高空間頻率內容時。可以通過將一些移動漫射面插入經掃描的雷射束的光學路徑內以加擾碰到屏幕的光的相位來減少光斑。移動漫射面根據時間來修改光斑圖案的形狀，並且如果漫射面移動得足夠快，所有這些光斑圖案被平均化，這是因為人類對圖像的整合(intergrate)通常是在50微秒量級的持續時間內。儘管快速移動漫射體使光斑減少，但這需要昂貴和複雜的機構來以相對較高的速度側向移動相位掩模。此外，移動漫射體需要採用具有大數值孔徑和大視野的聚焦機構以及鏡頭，這將對系統增加明顯的複雜度、成本和尺寸。因此，當在小尺寸的投影儀中實施這種方法時，使用移動漫射體具有顯著的缺點。

發明內容
在一個實施例中，雷射投影系統包括光源、光學掃描器件、聚焦器件、光斑減少漫射面和光準直器件。光源可包括構造成發射輸出光束的至少一個雷射器。聚焦器件定位在由光源發射的輸出光束的光學路徑內，並將輸出光束聚焦在位於光學掃描器件前面的第一焦點處。光斑減少漫射面可操作成在位於光學掃描器件前面的第一焦點處選擇性地引入輸出光束的光學路徑內。光準直器件定位在聚焦器件後面的輸出光束的光學路徑內，並可操作成將輸出光束至少幾乎準直到光學掃描器件上。雷射投影系統被編程為，通過操作用於對經編碼的圖像數據進行光學發射的雷射器並控制光學掃描器件以跨多個圖像像素來掃描輸出光束，以在投影面上產生經掃描的雷射圖像的至少一部分。光準直器件構造成，當將光斑減少漫射面引入輸出光束的光學路徑內時，使第一焦點在投影面處的第二焦點處成像。在另一實施例中，雷射投影系統包括光源、光學掃描器件、聚焦器件、光斑減少漫射面和光準直器件。光源包括構造成發射輸出光束的至少一個雷射器。聚焦器件定位在由光源發射的輸出光束的光學路徑內，並將輸出光束聚焦在位於光學掃描器件前面的第一焦點處。光準直器件定位在聚焦器件後面的輸出光束的光學路徑內，並可操作成將輸出光束至少幾乎準直到光學掃描器件上。光斑減少漫射面操作成在光斑減少操作模式期間在光學掃描器件前面的第一焦點處被引入輸出光束的光學路徑內，並可操作成在無限景深模式的操作期間從輸出光束的光學路徑移除。光斑減少漫射面關於與由輸出光束的光學路徑限定的光學軸線垂直的軸線以聚焦角來定向，並產生輸出光束的漫射角，因而，當將光斑減少漫射面引入輸出光束的光學路徑內時，輸出光束在光學掃描裝置上具有約I. 5毫米到約4毫 米之間的直徑。聚焦器件和光準直器件構造成，當光斑減少漫射面沒有被引入輸出光束的光學路徑時，使輸出光束在光學掃描裝置上的直徑為約O. 4毫米到約I毫米之間。雷射投影系統被編程為，通過操作用於對經編碼的圖像數據進行光學發射的雷射器並控制光學掃描器件以跨多個圖像像素來掃描輸出光束，以在投影面上產生經掃描的雷射圖像的至少一部分，並使光斑減少漫射面沿第一軸線方向平移，以使第一焦點在投影面處的第二焦點處成像。


在結合以下附圖閱讀以後就會很好地理解本發明的各具體實施例的以下詳細說明，其中相同的結構用相同的標號來表示，且其中圖I示出根據一個或多個實施例的、在無限景深模式下操作的雷射投影系統的示意圖；圖2示出根據一個或多個實施例的、在光斑減少模式下操作的雷射投影系統的示意圖；圖3示出根據一個或多個實施例的、表面射束點尺寸(半最大全寬)和投影面上的像素尺寸對投影距離D的曲線圖；圖4示出根據一個或多個實施例的、光斑對比度對Ι/e2輸出光束直徑的曲線圖；以及圖5不出根據一個或多個實施例的、光斑減少漫射面和輸出光束的三個焦點的不意圖。
具體實施例方式本發明的具體實施例可以在雷射投影系統的情境下作描述，該雷射投影系統跨投影面而掃描輸出光束，以產生二維圖像。然而，實施例不僅可以在雷射投影系統中實施，還可以在期望減少光斑的情況下與掃描機構結合利用相干光源的其它光學系統中實施。總地來說，如圖I和2中所示，可通過如下方式來減少出現掃描的雷射圖像中的光斑，S卩，提供對入射在投影面(例如，屏幕)上的電場的相位進行高空間頻率調製，並根據時間來修改相位調製的形狀，以在人類眼睛的整合時間內產生許多不同的光斑圖案。眼睛將這許多不同的光斑圖案平均化，並由此減弱光斑的出現。在此所述的實施例通過沿由相干光源產生的輸出光束的光學路徑引入光斑減少漫射面來減少光斑。光斑減少漫射面定位在光學掃描器件的前面，該光學掃描器件二維掃描輸出光束。現參照圖1，示出雷射投影系統100的一個實施例的示意圖。示例性的雷射投影系統100構造成雷射掃描投影系統，該雷射掃描投影系統編程為二維掃描由光源110產生的輸出光束120，並由光學掃描器件126反射(或透射)以在諸如牆壁或投影儀屏幕之類的給定投影面130處形成二維圖像。如下文更詳細所述，一些實施例可包括偏振幹擾裝置129。雷射投影系統100可用於顯示靜態圖像(例如，文本)、移動圖像(例如，視頻)，或兩者均可。該系統可以是緊湊的，以使該系統可包含到相對較小的裝置內，諸如是手持式投影儀、蜂窩電話、個人數據助理、筆記本計算機或其它類似裝置。
光源110可包括一個或多個雷射器。圖I和2中所示的實施例包括三個雷射器IllaUllb和111c，這三個雷射器可操作成發射不同波長的相干光束。作為示例，可採用鏡子或分色鏡來將這三個發射光束114a、114b和114c結合成一個單發射光束120。例如，光源110可包括能分別發射紅色、藍色和綠色波長光束的三個雷射器。根據一些實施例，輸出光束120由幾乎準直的綠、紅和藍光束構成。例如，第一雷射器Illa可發射波長在綠色光譜範圍內的光束114a，第二雷射器11 Ib可發射波長在紅色光譜範圍內的光束114b，而第三雷射器Illc可發射波長在藍色光譜範圍內的光束114c。其它實施例可利用發射更多或更少準直的雷射束和/或波長不是綠色、紅色或藍色的光束的光源110。例如，輸出光束120可以是波長在綠色光譜範圍內的單輸出光束。光源110可包括諸如分布式反饋(DFB)雷射器、分布式布拉格反射器(DBR)雷射器、垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)、二極體泵固態雷射器(DPSS)、天然綠色雷射器、直外空腔表面發射雷射器(VECSEL)或法布裡-佩羅特雷射器之類的一個或多個單波長雷射器。此外，為了產生綠色光束，一些實施例的光源110還可包括波長轉換器件(未示出)，諸如是二次諧波發生(SHG)晶體或更高次諧波發生晶體，以使具有在紅外頻帶內的天然波長的雷射束的頻率加倍。例如，可使用SHG晶體，通過將1060納米DBR或DFB雷射器的波長轉換成530納米來產生綠光，該SHG晶體諸如是MgO摻雜的周期性極化鈮酸鋰(PPLN)晶體。光源110還可包括不是單波長雷射器的雷射器，諸如能發生多波長的雷射器。在其它實施例中，光源110可包括能在不使用波長轉換器件的情況下發出天然綠色雷射的雷射器。光源110還可包括光源透鏡112a_112c，這些光源透鏡定位在由雷射器Illa-Illc產生的每個光束的光學路徑內。光源透鏡可提供離開光源110的、幾乎準直的光束114a-114c。在其它實施例中，光源110可以不包括光源透鏡，且光束可以不準直的狀態離開光源110。在一個實施例中，雷射投影系統100還包括反射面116a_116c,這些反射面定位成並構造成將由三個雷射器11 la-1 Ilc產生的三個光束114a-114c反射並結合成輸出光束120。輸出光束120可以是包括雷射束114a-114c的單光束，或者它可以是包括雷射束114a-114c的三個光束。例如，雷射束114a_114c可以在空間上分離，並不結合成單輸出光束120，如下面更詳細所述。在利用僅一個雷射器的實施例中，雷射投影系統100可以不採用反射面。此外，應理解到可以採用其它光束結合器件。雷射投影系統100可編程為執行文中公開的許多控制功能。系統100可以許多方式來編程，包括傳統的或仍待開發的編程方法。文中討論的對系統100進行編程的方法不意在將實施例限制於任何特定的編程方式。在一些實施例中，雷射投影系統100可包括諸如微控制器之類的一個或多個系統控制器(未示出)，將系統控制器編程為控制光源110以產生單色或多色圖像數據流。系統控制器連同本領域內已知的圖像投影軟體和相關電子器件可向光源提供載有圖像數據的一個或多個圖像數據信號(例如，雷射驅動電流)。為了產生期望的圖像，光源110則可以輸出光束120的增益或強度變化的形式發射經編碼的圖像數據。然而，一些實施例可利用其它控制器或編程裝置來產生經掃描的雷射圖像。聚焦光學器件122可以定位在輸出光束120的光學路徑內，因而，輸出光束120首先經過聚焦光學器件122。如下文更詳細討論的，光斑減少漫射面128可以在聚焦光學器件之後並在光學掃描器件126之前選擇性地被引入輸出光束120的光學路徑內。聚焦光學器 件122具有在雷射投影系統100內部的位置Pl處產生輸出光束120的第一焦點(即，光束114a-114c的單輸出光束，或者三個焦點)的焦距。然後，由源自Pl的輸出光束120提供的光123經由準直器件124和光學掃描器件126作為會聚光束121重新成像於投影面130上的位置P2處的第二焦點上。當將漫射面插入光學路徑內時，該漫射面應較佳地接近於第一焦點Pl定位。光學掃描器件126在聚焦器件122的後面定位在輸出光束120的光學路徑內。光學掃描器件126可包括一個或多個可控和可動微型光機電系統(MOEMS)或微型電子機械系統(MEMS)，這些系統構造成朝向投影面130對輸出光束120進行二維掃描，以照明多個像素，這些像素以圖像幀率形成圖像幀。還可使用諸如旋轉多面稜鏡、共振鏡或電流測定鏡之類的其它掃描器件。經掃描的輸出光束在圖I和2中不出為會聚的輸出光束121。相繼的圖像幀形成經掃描的雷射圖像。還設想MOEMS或MEMS可操作地聯接於鏡子或稜鏡，該鏡子或稜鏡構造成相應地使輸出光束120改向。聚焦器件122將輸出光束120聚焦於光學掃描器件126上。圖I示出在無限景深模式(即，非光斑減少模式)下操作的系統100。聚焦光學器件122和準直器件124的光學特性為使碰到投影面的會聚的輸出光束121的會聚角小到足以使在投影面上出現的圖像保持清晰，而與投影距離無關，並且不需要在雷射投影系統100內部進行任何調焦。此外，聚焦光學器件122和準直器件124的光學特性為使投影面130上的射束點尺寸小到足以滿足圖像解析度要求。通常，投影面130上的射束點應與圖像像素尺寸大致相等。如圖I中所示，當在無限景深模式下操作時，不將光斑減少漫射面128引入到輸出光束120的光學路徑內。當雷射投影系統100在無限景深模式下操作時，景深非常大，並因此不需要調焦來在投影面130上實現聚焦的掃描雷射圖像。為了滿足該條件，會聚的輸出光束121的會聚角應相對較小，由此使該光束在光學掃描器件126上的光束直徑相對較小。然而，較小的會聚角造成光斑減少得不多。圖2示出在光斑減少模式下操作的雷射投影系統100。如圖2中所示，光斑減少漫射面128在靠近第一焦點的位置Pl處被引入聚焦的輸出光束120的光學路徑內。光斑減少漫射面128可通過例如致動裝置機械地移入和移出光學路徑。在由光斑減少漫射面128透射之後，源自位置Pl處的第一焦點的光123』經由準直器件124和光學掃描器件126重新成像於投影面130 (即，投影屏幕)上的位置P2處的第二焦點上。會聚的輸出光束121』照亮位置P2處的第二焦點。由於第一焦點在投影面上的位置P2處的第二焦點處成像，會聚的輸出光束121在投影面130上的幅度形狀(amplitude profile)並未明顯改變,這意味著射束點尺寸相對於圖I中所述和所示的先前投影儀構造未變化。換言之，由於光斑減少漫射面128定位在光學掃描器件126前面並靠近第一焦點P1，而該第一焦點重新成像於投影面130上的第二焦點位置P2處，引入光斑減少漫射面128並不影響投影面130上的清晰圖像。現在，由於光斑減少漫射面128在投影面130上成像，將對電場的相位的某種高空間頻率調製添加到投影面130上的射束點。當光學掃描器件126掃描會聚的輸出光束121』時，由光斑減少漫射面128提供的相位調製位置在輸出光束被光學掃描器件126快速地掃描時跟隨輸出光束，由此造成使相位調製相對於投影儀130快速移動。結果對於觀察者來說減少了光斑的出現。圖2還示出源自第一焦點位置Pl的輸出光束的會聚度隨著光斑減少漫射面128的插入而增大，這致使會聚的輸出光束121』的會聚角相應地增大。因此，根據會聚角，會不 可能與雷射投影系統100到投影面130的距離無關地保持清晰的圖像。由此，根據會聚角，可以採用聚焦機構來確保會聚的輸出光束121聚焦於投影面130處。在一個實施例中，準直器件124可以沿Z軸平移，以對於許多投影距離使光斑減少漫射面128適當地成像於投影面130上。在另一實施例中，光斑減少漫射面128可繞X軸傾斜，以使光斑減少漫射面128相對於Y軸成角度。通過使光斑減少漫射面128沿Y軸平移來提供調焦。由於光斑減少漫射面128的傾斜，沿Y軸的運動導致光斑減少漫射面128的有效表面(即，光斑減少漫射面128被輸出光束照射到的部分)沿Z軸移動，這等效於改變雷射投影系統100的焦點。應理解到文中所述的各種軸僅出於示意的目的，並且不意在對定向作具體的限制。雷射投影系統的參數應作優化，以在圖I中所示的非光斑減少模式下實現適當的圖像解析度以及無限景深，並在圖2中所示的光斑減少模式下實現期望的光斑減少。無限景深可通過如下方式來分析，即，假定雷射束近似高斯光束並根據傳統的高斯光束傳播定律傳播到投影面130。為了示出如何實現無限的景深，假定如下情形，即一個方向上的圖像解析度是沿圖像的一個方向為800像素(即，經掃描的雷射圖像的圖像線包括800像素)且掃描裝置的偏轉角是沿相同方向的40度。在一級近似中，投影面上的圖像像素尺寸可由如下給出像素=2*D*tg( Θ /2) /R,方程(I)，其中像素是像素尺寸，D是投影距離，Θ是雷射投影系統的投影角(40度)，以及R是雷射投影系統的沿一個方向的先天解析度(800像素)。由於像素尺寸等於投影距離的O. 9E-3倍，O. 9mRd的角度可與像素相關聯，這被稱為像素的角延展。為了實現800像素的解析度，可以示出由準直輸出光束(半最大全寬(FffHM))照亮的投影面上的射束點尺寸應粗略地等於圖像像素尺寸，以獲得在最寬範圍的投影距離D內的最高解析度。然後，可應用高斯光束傳播定則來根據投影距離D計算射束點尺寸。圖4示出描繪表面射束點FWHM的尺寸和像素尺寸(y_軸線)對投影距離D (x —軸線)的曲線圖140。曲線142表示根據投影距離D的圖像像素的尺寸。曲線144示出在假定上述光學器件已構造成產生離雷射投影系統O. 4米遠的情況下非常小的光束的表面射束點尺寸。如由曲線圖140可見，表面射束點尺寸擴大得比像素尺寸快，並且在約I米之後，光束變得大於圖像像素，從而造成圖像解析度的降低。對於由曲線148所描繪的情況，光束會聚度設定成小得多，從而導致產生在離雷射投影系統400毫米遠處較大的光束尺寸。在此情況下，僅在距離大於O. 7米的情況下實現適當的圖像解析度。曲線146更接近於高斯光束的會聚角設定成等於像素角延展的理想狀況。如曲線圖140中所示，高斯光束的會聚角設定成等於像素角度延展的情況提供實現圖像解析度(即，表面射束點尺寸小於圖像像素尺寸)的最寬範圍的投影距離。在上述數值示例中，這對應於光學掃描器件上的O. 4到
O.5毫米量級的光束直徑(FWHM)。
可以示出可以實現的光斑減少的程度取決於許多參數。本發明人已意識到，當投影面是體積散射面時，可採用入射到光學掃描器件(即，MEMS掃描鏡)上的、小於6毫米的輸出光束直徑來實現衰減光斑。體積漫射投影面是光滲透到投影面的材料內傳播一定距離而不是在表面上散射的投影面。體積漫射投影面材料可包括但不限於紙、塗漆面、卡紙板和織物。當採用這種類型的屏幕材料時，發明人意識到在不需要為掃描器件採用非常大尺寸的情況下，光斑可明顯減小。由於光學掃描器件上的輸出光束直徑相對較小，光學掃描器件可轉動得快到足以產生經掃描的雷射圖像，並且可以提高景深。為了量化與實際投影儀材料相比、光學掃描器件上的光束尺寸對光斑的作用，構造由大型慢速MEMS掃描鏡構成的試驗設備。下面的示例僅出於示意的目的，並不意在限制。根據入射到MEMS掃描鏡上的輸出光束直徑來測量光斑。假定投影距離D設定為O. 5米，將觀察者至投影面的距離也設定為O. 5米，且觀察者眼睛瞳孔直徑在暗室照明條件下為6毫米。MEMS掃描鏡的直徑為3. 6x3. 2毫米，而幀率為I赫茲，因此使圖像對於人類眼睛來說是不可見的。所得的掃描圖像用眼睛模擬器來測量，該眼睛模擬器具有設定為I秒的整合時間和12mRd的光收集角(例如，類似於位於離屏幕O. 5米遠處的6毫米眼睛瞳孔)。圖像線之間的距離小於表面射束點，因此，圖像線被完全重疊。MEMS掃描鏡上的光束尺寸通過採用雷射光源的液體鏡頭和準直鏡頭來變化，並用CCD照相機來測量。還採用由如下所構成的模型來推導出理論結果在投影面上產生高斯射束點以及對高斯射束點在投影面上的每個位置計算光斑圖案。通過對根據高斯射束點位置計算的圖像強度求和來獲得模型的最終圖像。將圖像線之間的行間距離設定成等於高斯光束FWHM。該模型假定投影面是具有隨機粗糙表面的表面散射材料，該粗糙表面具有在光束波長量級上的粗糙深度。圖4示出繪製出採用粗糙金屬屏幕作為表面散射投影面(曲線152)以及用紙屏幕作為體積散射投影面(曲線156)的、由上述試驗設備獲得的試驗數據的曲線圖150。y-軸是光斑對比度，而X-軸是MEMS掃描鏡上的輸出光束的Ι/e2光束直徑。Ι/e2光束直徑是在邊緣分布(marginal distribution)上強度值為最大強度值的l/e2=0. 135倍的兩點之間的距離。曲線154示出由光斑對比度理論模型推導出的理論結果。粗糙金屬屏幕緊隨模型預測，這表示上述模型和試驗設備是有效的。應注意到曲線154已校正，以將用於測量曲線154的金屬表面未使光去偏振這一事實考慮在內。用於曲線154的試驗數據除以力以能與投影面對光去偏振的曲線156直接進行對比。如曲線圖150中所示，在紙屏幕上測定的光斑比理論預期(曲線154)和粗糙金屬屏幕(曲線152)下降快得多。在MEMS掃描鏡上約2. 2毫米的Ι/e2光束直徑的情況下，紙屏幕達到約42%的光斑對比度。與此相對，粗糙金屬屏幕數據未接近於40%光斑對比度。通過外推曲線172，可以在Ι/e2光束直徑大於6毫米的情況下實現40%的光斑對比度。因此，在將掃描雷射圖像投影在體積漫射投影面上時，可使用小得多的光學掃描器件126來實現有效的光斑對比度削弱。例如，光學掃描器件126的直徑可以略大於輸出光束直徑。在上述試驗中，直徑大於2. 2毫米的光學掃描器件可用於掃描圖像。然而，直徑不應 過大而減慢光學掃描器件的轉動。較小的直徑(例如，在約
2.2毫米和約3. 5毫米之間)能使較小的光學掃描器件128的由MEMS致動的鏡子以圖像幀率(例如，大於20赫茲)轉動，而不落在該圖像幀率以下。由此，在大多數現有的投影面材料的情況下，可藉助例如3. 5毫米的合理的光學掃描器件直徑來實現諸如37%的相對較小光斑幅度。但對觀察者來說，37%的光斑幅度卻並不小到足以消除光斑的出現，文中所述的實施例可與諸如光譜加寬和/或偏振幹擾之類的其它光斑減少技術結合使用。作為對雷射投影系統可如何構造以滿足在非光斑減少模式下的無限景深和在光斑減少模式下的光斑減少的條件的距離但並非限制性的說明，假定光源110的一個雷射器(例如，雷射器Illa)以FWHM發射具有8度會聚度的單模式高斯光束。雷射準直器件124的焦距可以是2毫米，以產生O. 28毫米FWHM準直光束121。另兩個鏡頭(122和124)的焦距可以分別是4毫米和7毫米，以在掃描鏡上產生O. 5毫米(FWHM)左右的光束直徑，並在光斑減少漫射面128沒有被插入光學路徑時滿足無限景深的條件。同樣，準直器件124被調焦成使光束束腰Pl在約400毫米的標稱屏幕距離處成像。當將光斑減少漫射面128插入光學路徑內時，光斑減少漫射面上的光束直徑與光斑減少漫射面的漫射角直接相關sin ( Θ /2) =Φ腿s/2/f2，方程(2)，其中Θ是光斑減少漫射面的漫射角，ΦJ1ems是掃描器件上的輸出光束直徑，以及F2是準直透鏡的焦距。在上述數值示例中，f2為約7毫米。因此，為了獲得對應於37%的光斑幅度的3. 5毫米光束直徑，光斑減少漫射面128的漫射角約在33度左右的量級上(全形)。光學掃描器件的直徑應為至少3. 5毫米，以避免光束漸暈。在一個實施例中，光斑減少漫射面128產生期望的漫射角(例如，在上述示例中所示的33度)內的均勻的角能量分布。在另一實施例中，光斑減少漫射面128可以構造成使輸出光束輪廓包括許多點的網格。這可以例如通過使用至少一個全息分束器來實現。在又一實施例中，由光斑減少漫射面128發射的角能量分布可以是環狀的。光斑減少漫射面128可通過使用全息發散器或計算機產生的全息圖來獲得。光斑減少漫射面128應構造成衍射效率儘可能高(例如，大於90%)且大多數的能量(例如，大於90%)以一階衍射來進行衍射，以使能量不以寄生階(parasitic orders)衍射而被浪費。為了實現高衍射效率，光斑減少漫射面128可設定成相對於入射光束呈規定角度，該角度被稱為布拉格角。同樣，光斑減少漫射面128可以是如圖I和2中所示的透射器件，或者還可以構造成反射的漫射器件。發明人已意識到，在光源110包括多色雷射器(例如，雷射器llla-lllc)的實施例中，光斑減少漫射面128會難以同時滿足對於全部色彩的所有要求，這是因為諸如漫射角、衍射效率和布拉格角之類的參數是雷射束波長的函數。在一個實施例中，雷射束114a-l 14c於輸出光束120內在角度上分離，從而致使光束在靠近聚焦器件的焦點平面的Pl水平處在空間上分離。參照圖5，雷射束示出為在光斑減少漫射面128的離開部分上。雷射束通過聚焦器件122聚焦，以在光斑減少漫射面128處產生沿X軸分開的三個不同焦點125a、125b和125c。圖5中所示的光斑減少漫射面128包括三個空間上分離的區域129a、129b和129c。每個空間上分離的區域129a-129c的漫射特性可針對與焦點125a_125c相關的對應雷射束波長來優化。對於特定顏色的波長，光斑對比度會不是顯著的問題。例如藍色的光斑通常對於觀察者來說是不可見的，因此，與藍色雷射束相關的區域(例如，空間上分離的區域129b)可以是透明的，沒有或具有極少漫射。
可以例如通過如下方式來實現將雷射束在空間上分離，即，使光源透鏡112a_112c沿X軸方向移動，因而，幾乎準直的輸出光束120的光束並不精確地指向相同的方向。還可以通過使反射面116a-116c的反射角略微地不對準來實現在空間上的分離。然而，由於焦點125a-125c重新成像在投影面上，三種顏色還將在投影面上空間分離，這會造成圖像解析度問題。為了補償射束點在投影面上的空間上間隔，雷射投影系統可編程為對雷射器114a-l 14c引入時間延遲，因而，當輸出光束120被光學掃描器件126掃描時，射束點照亮相同區域以產生期望的像素。此外，儘管光斑出現但觀察者認為圖像質量是可接受的典型感知水平是約20% -30%光斑對比度。為了實現20%到30%的光斑對比度，會需要非常大的光學掃描器件，這會是不實際的。因此，會期望與諸如調節輸出光束的偏振狀態的偏振幹擾裝置之類的其它光斑減少技術結合地利用文中所述的實施例。再次參照圖2，雷射投影系統100的實施例還可包括偏振幹擾裝置129，該偏振幹擾裝置在光斑減少漫射面128之後定位在輸出光束的光學路徑內。作為示例，如美國專利第7，653，097號中所述的偏振分割和延遲單元可用於偏振調製，以使輸出光束的偏振以光斑減少頻率(例如，以圖像幀率)轉動，該專利的全部內容以參見的方式納入本文。偏振分割和延遲單元可以在準直器件124之後和在光學掃描器件126之前定位在光學路徑內。在另一實施例中，偏振幹擾裝置129可包括諸如單個液晶單元之類的偏振調製器，該偏振調製器可插入輸出光束的光學路徑內。然後，該偏振調製器可以如下方式來調製，即，雷射束的偏振在兩個正交的偏振狀態之間切換(諸如S和P線性偏振或左圓和右圓偏振)。偏振轉動的頻率可以例如設定成使偏振在每個投影圖像幀的結尾從一個狀態切換到另一個。輸出光束的光譜加寬還可用於實現光斑對比度減少。例如，綠色光譜範圍內的輸出光束可具有大於約O. 5納米波長的光譜寬度，以有效地減少光斑。光譜加寬和/或偏振幹擾可與上述漫射體實施例結合地用來將光斑對比度水平減小到30%以下。作為示例而不是限制，25%量級上的光斑對比度水平可通過如下方式來實現，即，與偏振幹擾結合地藉助光斑減少漫射面來照射入射到光學掃描器件上的3. 5毫米光束直徑。作為另一示例，可與偏振幹擾結合地藉助光斑減少漫射面來在光學掃描器件上照射I. 5毫米輸出光束直徑，而輸出光束的光譜寬度對於綠色輸出光束來說為至少O. 6納米。發明人還意識到根據雷射分類規則，增大光學掃描器件上的光束直徑允許二類雷射器發射更大的功率。作為示例，具有I毫米光學掃描器件的光束直徑的雷射掃描投影儀可限於10流明的亮度，以歸為二類雷射器。通過將光束直徑增大到3毫米，投影儀可以例如發射三倍的更多功率，並仍是二類雷射器。因此，雷射掃描投影儀可構造成，當在光斑減少模式下操作投影儀時，雷射器以較大的電流驅動，以產生仍符合雷射分類規則的更亮的圖像。為了描述和限定本發明的實施例的目的，應注意到術語「基本上」用於表示可歸因於任何定量比較、數值、測量值、或其它表達式的固有不確定程度。注意到對組件以特定方式「編程為」、「配置」或「編程為」使特定屬性或功能具體化的敘述都是結構性的敘述，而與期望用途的敘述不同。更具體地，這裡組件被「編程」或「配置」的方式的引用指該組件的已有物理條件，並且同樣地被作為該組件的結構特徵的明確敘述。·還應注意到在描述特定器件或元件時採用詞組「至少一個」並不意味著在描述其它器件或元件時採用術語「一」排除採用一個以上特定的器件或元件。更具體地，儘管可使用「一」來描述器件，但不應理解為將器件限制為僅一個。儘管已說明並描述了具體實施例，但應理解的是，可在不偏離所要求主題的精神和範圍的條件下對其進行各種更改和改型。更確切地說，雖然在此將所述實施例的一些方面認定為較佳的或尤其有利的，但可設想的是，要求權利的主題不必局限於這些較佳方面。
權利要求
1.一種雷射投影系統，所述雷射投影系統包括光源、光學掃描器件、聚焦器件、光斑減少漫射面和光準直器件，其中 所述光源包括構造成發射輸出光束的至少一個雷射器； 所述聚焦器件定位在由所述光源發射的所述輸出光束的光學路徑內，並將所述輸出光束聚焦在位於所述光學掃描器件前面的第一焦點處； 所述光斑減少漫射面操作成在位於所述光學掃描器件前面的所述第一焦點處選擇性地被引入所述輸出光束的所述光學路徑內； 所述光準直器件在所述聚焦器件後面定位在所述輸出光束的所述光學路徑內，並且操作成將所述輸出光束至少幾乎準直到所述光學掃描器件上； 將所述雷射投影系統編程為，通過操作用於對經編碼的圖像數據進行光學發射的雷射器並控制所述光學掃描器件以跨多個圖像像素掃描所述輸出光束，以在投影面上產生經掃描的雷射圖像的至少一部分；以及 所述光準直器件構造成，當所述光斑減少漫射面被引入所述輸出光束的所述光學路徑內時，使所述第一焦點在投影面處的第二焦點處成像。
2.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於，當所述光斑減少漫射面沒有被引入到所述輸出光束的所述光學路徑內時，所述雷射投影系統在無限景深模式下操作。
3.如權利要求2所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述聚焦器件和光準直器件構造成，當所述光斑減少漫射面沒有被引入所述輸出光束的所述光學路徑時，所述輸出光束在所述光學掃描裝置上的直徑為約O. 4毫米到約I毫米之間。
4.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於，當所述光斑減少漫射面被引入到所述輸出光束的所述光學路徑內時，所述雷射投影系統在光斑減少模式下操作。
5.如權利要求4所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述光斑減少漫射面產生所述輸出光束的漫射角，因而，當所述光斑減少漫射面被引入到所述輸出光束的所述光學路徑內時，所述輸出光束在所述光學掃描器件上具有約I. 5毫米到4毫米之間的直徑。
6.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述光斑減少漫射面提供所述輸出光束的基本上均勻的角能量分布。
7.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述光斑減少漫射面構造成使由所述光斑減少漫射面提供的所述輸出光束的角能量分布是包括多個點的網格。
8.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述光斑減少漫射面構造成使由所述光斑減少漫射面提供的所述輸出光束的角能量分布是環形發射輪廓。
9.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述光斑減少漫射面構造成衍射光學兀件。
10.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述光斑減少漫射面構造成計算機產生的全息圖。
11.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於 所述光源包括多個雷射器，每個雷射器發射具有不同波長的輸出光束；以及 所述聚焦器件構造成將每個輸出光束聚焦在所述光學掃描器件前面的多個第一焦點處，因而，所述第一焦點在空間上分離。
12.如權利要求11所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述光斑減少漫射面包括具有不同漫射特性的多個空間上分離的區域，所述空間上分離的區域構造成與所述第一焦點對準。
13.如權利要求12所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述空間上分離的區域中的至少一個區域具有基本上透明的漫射特性。
14.如權利要求13所述的雷射投影系統，其特徵在於 所述雷射器中的至少一個構造成發射波長在藍色或紅色光譜範圍內的輸出光束；以及 所述光斑減少漫射面設置成，具有基本上透明的漫射特性的空間上分離的區域與波長在藍色或紅色光譜範圍內的所述輸出光束對準。
15.如權利要求11所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述雷射投影系統被進一步編程為對應用於所述雷射器中的一個或多個的控制信號引入時間延遲，以補償多個第二焦點在所述投影面上的空間上的分離。
16.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述光準直器件的焦距是可調的。
17.如權利要求16所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述光準直器件包括液體鏡頭，並操作成根據所述雷射投影系統至所述投影面的投影距離來改變第二焦點在所述投影面上的聚焦。
18.如權利要求16所述的雷射投影系統，其特徵在於 所述光斑減少漫射面相對於與由所述輸出光束的所述光學路徑限定的光學軸線垂直的軸線以聚焦角來定向；以及 所述雷射投影系統進一步被編程為使所述光斑減少漫射面沿垂直於所述光學路徑的第一軸線平移，以使所述第一焦點在所述投影面處的第二焦點處成像。
19.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於 所述光斑減少漫射面產生所述輸出光束的漫射角度，因而，所述輸出光束具有大於約3毫米的直徑； 所述雷射投影系統還包括偏振幹擾裝置，所述偏振幹擾裝置被引入所述輸出光束的所述光學路徑內；以及 所述偏振幹擾裝置操作成對所述輸出光束的偏振狀態進行調製。
20.如權利要求19所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述偏振幹擾裝置包括偏振分割和延遲單元。
21.如權利要求19所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述偏振幹擾裝置包括液晶調製器，所述液晶調製器操作成以幀率在兩個正交的偏振狀態之間變化偏振狀態。
22.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於 所述光斑減少漫射面產生所述輸出光束的漫射角度，因而，所述輸出光束具有大於約I.5暈米的直徑； 所述雷射投影系統還包括偏振幹擾裝置，所述偏振幹擾裝置被引入所述輸出光束的所述光學路徑內，並操作成對所述輸出光束的偏振狀態進行調製；以及 所述至少一個雷射器中的至少一個的光譜寬度大於約O. 6納米。
23.如權利要求I所述的雷射投影系統，其特徵在於，所述雷射投影系統進一步被編程為在無限景深模式下或光斑減少模式下操作，並將所述光源控制成使由所述光源發射的功率為所述雷射投影系統作為二類雷射器在無限景深模式下或光斑減少模式下操作。
24.一種雷射投影系統，所述雷射投影系統包括光源、光學掃描器件、聚焦器件、光斑減少漫射面和光準直器件，其中 所述光源包括構造成發射輸出光 束的至少一個雷射器； 所述聚焦器件定位在由所述光源發射的所述輸出光束的光學路徑內，並將所述輸出光束聚焦在位於所述光學掃描器件前面的第一焦點處； 光斑減少漫射面操作成在光斑減少操作模式期間在光學掃描器件前面的第一焦點處被引入所述輸出光束的光學路徑內，並且操作成在無限景深操作模式期間從所述輸出光束的光學路徑移除； 所述光斑減少漫射面以相對於與由所述輸出光束的所述光學路徑限定的光學軸線垂直的軸線的聚焦角來定向； 所述光準直器件在所述聚焦器件後面定位於所述輸出光束的所述光學路徑內，並且操作成將所述輸出光束至少幾乎準直到所述光學掃描器件上； 所述光斑減少漫射面產生所述輸出光束的漫射角，因而，當所述光斑減少漫射面被引入到所述輸出光束的所述光學路徑內時，所述輸出光束在所述光學掃描器件上具有約I. 5毫米到4毫米之間的直徑； 所述聚焦器件和所述光準直器件構造成，當所述光斑減少漫射面沒有被引入所述輸出光束的所述光學路徑時，使所述輸出光束在所述光學掃描器件上的直徑為約O. 4毫米到約I毫米之間；以及 所述雷射投影系統被編程為，通過操作用於對經編碼的圖像數據進行光學發射的雷射器並控制所述光學掃描器件以跨多個圖像像素來掃描所述輸出光束，以在投影面上產生經掃描的雷射圖像的至少一部分，並使所述光斑減少漫射面沿垂直於所述光學路徑的第一軸線方向平移，以使所述第一焦點在所述投影面處的第二焦點處成像。
全文摘要
一種雷射投影系統包括光源、光學掃描器件、聚焦器件、光斑減少漫射面和光準直器件。光源可包括構造成發射輸出光束的至少一個雷射器。聚焦器件將輸出光束聚焦在第一焦點處。光斑減少漫射面在第一焦點處選擇性地被引入光學路徑內。光準直器件將輸出光束準直到光掃描器件上。通過操作用於對經編碼圖像數據進行光學發射的雷射器並控制光學掃描器件以掃描輸出光束，以在投影面上產生經掃描的雷射圖像的至少一部分。當光斑減少漫射面位於光學路徑內時，光準直器件構造成使第一焦點在投影面處的第二焦點處成像。
文檔編號G02B27/48GK102906630SQ201180025320
公開日2013年1月30日 申請日期2011年5月16日 優先權日2010年5月21日
發明者J·高裡爾 申請人:康寧股份有限公司