專利名稱：一種激光投影顯示系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光投影顯示領(lǐng)域，特別地涉及一種基于空間相位調(diào)制和 空間偏振調(diào)制而抑制散斑的激光投影顯示系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
以激光作為光源的顯示系統(tǒng)具有色彩分辨率高、色彩飽和度高、色度 三角色域大、高亮度等優(yōu)點，因此能夠?qū)崿F(xiàn)大屏幕和小型便攜投影的高質(zhì) 量圖像顯示，是新一代的顯示技術(shù)的發(fā)展方向。但是由于激光光源的高相 干性，激光投影顯示系統(tǒng)易產(chǎn)生散斑效應(yīng)。散斑的產(chǎn)生原因包括兩個方面， 第一方面是產(chǎn)生于投影光路中光學(xué)表面散射次波的相干疊加，第二方面是 產(chǎn)生于投影屏幕散射的相干光在人眼中形成的主觀散斑。散斑作為噪聲存 在于圖像中，會嚴(yán)重影響圖像的質(zhì)量，造成圖像分辨率下降。
目前消除激光散斑的方法通常是使用相位調(diào)制元件。靜態(tài)的相位調(diào)制 元件對散斑視覺的抑制并不明顯，所以通常通過旋轉(zhuǎn)或者周期性移動這些 相位調(diào)制元件，以產(chǎn)生動態(tài)的散斑，利用散斑效杲平均化來降低散斑視覺。 但是由于相位調(diào)制原件的轉(zhuǎn)動或者振動通常需要高頻電機帶動，因此通常 有系統(tǒng)不穩(wěn)定、產(chǎn)生噪聲、光損耗高等缺點，從而導(dǎo)致消除散斑的效果不 是特別理想。
因此，需要提供一種簡單可控、穩(wěn)定性高、低損耗且無需機械運動、 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的散斑消除裝置從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)高質(zhì)量的激光顯 示。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題之一 ，本發(fā)明提出了 一種使用動態(tài)的空間相位 調(diào)制技術(shù)和空間偏振調(diào)制技術(shù)來抑制散斑的激光投影顯示系統(tǒng)?？臻g相位調(diào)制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的空間相位調(diào)制，實現(xiàn)簡單可控、穩(wěn)定性高，如果耦合技術(shù)提高，能實現(xiàn)光的低損耗?？臻g偏振態(tài)調(diào)制技術(shù)無需機械運動、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠進(jìn)一步減弱散斑。
本發(fā)明提出了一種激光投影顯示系統(tǒng)，包括激光器，用于產(chǎn)生激光；光耦合器件，用于將激光耦合到多個光纖束中；光纖空間相位調(diào)制器，用于為多個光纖中子光束附加不同的、隨時間和空間變化的隨機相位；擴束透鏡組，用于對光束進(jìn)行擴束；整形勻場裝置，用于對光束進(jìn)行整形和勻場，以使光束均勻并具有預(yù)定的形狀；線性空間光調(diào)制器，用于產(chǎn)生圖像；空間偏振調(diào)制器件，用于動態(tài)調(diào)制圖像中各個像素的出射光的偏振態(tài)，以使各個像素的出射光的偏振態(tài)產(chǎn)生快速變化；投影透鏡組件，用于將圖像投影到屏幕上。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述光纖空間相位調(diào)制器包括壓電陶資棒，所述多根光纖束在所述壓電陶瓷棒上纏繞不同的圈數(shù)，以使當(dāng)高頻交流電壓施加到所述壓電陶瓷棒時，所述多根光纖中子光束產(chǎn)生不同的相位變化。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，所述空間偏振調(diào)制器件包括扭轉(zhuǎn)向列型液晶層；該扭轉(zhuǎn)向列型液晶層被施加隨機的、快速變化的電壓，以使圖像的各個像素的偏振態(tài)快速變化。
本發(fā)明還提出了一種激光投影顯示方法，所述方法包括如下步驟由激光器產(chǎn)生激光光源；將激光耦合到多個光纖束中；為多個光纖中子光束附加不同的、隨時間和空間變化的隨機相位；對光束進(jìn)行擴束；對光束進(jìn)行整形和勻場，以使光束均勻并具有預(yù)定的形狀；根據(jù)光纖束產(chǎn)生圖像；動態(tài)調(diào)制圖像中各個像素的出射光的偏振態(tài)，以使各個像素的出射光的偏振態(tài)產(chǎn)生快速變化；將圖像投影到屏幕上。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，其中所述為多個光纖中子光束附加不同的、隨時間和空間變化的隨機相位的步驟包括將所屬多根光纖束以不同的圏數(shù)纏繞在壓電陶瓷棒上，以使當(dāng)高頻交流電壓施加到所述壓電陶資棒時，所述多根光纖束中子光束產(chǎn)生不同的相位變化。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個方面，所述動態(tài)調(diào)制圖像中各個像素的出射光的偏振態(tài)，以使各個像素的出射光的偏振態(tài)產(chǎn)生快速變化的步驟包括在一扭轉(zhuǎn)向列型液晶層上施加空間分布隨機的、快速變化的電壓，以使圖像的各個像素的偏振態(tài)快速變化。
應(yīng)用本發(fā)明的激光投影顯示系統(tǒng)及其顯示方法避免了采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、且可控性差的散斑消除裝置，無需采用機械運動，就可以消除散斑從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)高質(zhì)量的激光顯示。


為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在結(jié)合附圖描述本發(fā)明的具體
實施方式，附圖中相同的參考標(biāo)記代表相似的含義，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的具體實施例的激光投影顯示系統(tǒng)的示意圖2示出了在根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例的激光投影顯示系統(tǒng)中壓電
陶f:作為空間相位調(diào)制器的示意圖3示出了復(fù)眼透鏡作為整形勻場裝置的示意圖4示出了光纖束入射端和出射端的橫截面示意圖5a示出了激光投影顯示系統(tǒng)中空間偏振調(diào)制器件和線性空間光調(diào)制
器的示意圖5b示出了空間偏振調(diào)制器件和LCD作為線性空間光調(diào)制器的示意
圖6示出了激光投影顯示系統(tǒng)中液晶面板作為空間偏振調(diào)制器件調(diào)制各像素出射偏振態(tài)液晶層各像素所加電壓的示意圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另 一 實施例的激光投影顯示系統(tǒng)。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實施方式
。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的激光"t殳影顯示系統(tǒng)，包括激光器ll,用于產(chǎn)生激光光源；光耦合器件12,用于將激光耦合到多個光纖束中；光纖空間相位調(diào)制器13,用于為多個光纖中子光束附加不同的、隨時間和空間變化的隨4幾相位；擴束透鏡組14,用于對光束進(jìn)行擴束；整形勻場裝置15，用于對光束進(jìn)行整形和勻于產(chǎn)生圖像；空間偏振調(diào)制器件22，用于動態(tài)調(diào)制所產(chǎn)生圖像的各個像素出射光的偏振態(tài)，以使各個像素的出射光的偏振態(tài)產(chǎn)生快速變化；投影透鏡組件17,用于將圖像投影到屏幕上。
激光器11可以是多個激光器發(fā)出不同顏色的激光束然后先合束，再經(jīng)過投影系統(tǒng)。也可以是三個激光器，各自產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)圖像后再合并產(chǎn)生彩色圖像。激光器可以是固態(tài)激光器、半導(dǎo)體激光器和氣體激光器中的一種。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光纖空間相位調(diào)制器13的基本結(jié)構(gòu)。其中，使用壓電陶瓷20來進(jìn)行空間相位調(diào)制，多根多模光纖19纏繞在棒狀壓電陶資20上，每根光纖以不同的圈數(shù)纏繞在壓電陶瓷20上，然后壓電陶乾被施加高頻交流電壓。當(dāng)激光被比較均勻地耦合入光纖中后被分為多個子束，由于光纖束在壓電陶瓷上所繞圈^t不同，當(dāng)電壓改變后，隨著壓電陶瓷的形狀隨電壓的變化而產(chǎn)生變化，各個子光束改變了不同的光程，從而得到快速變化的相位分布。
在光纖空間相位調(diào)制器13中使用多模光纖的情況下，多模色散可以一定程度上降低光源的相干性。對于消除光源相干性要求不是太高的系統(tǒng)也可以使用單根粗芯徑多模光纖多圏纏繞在壓電陶瓷上，通過調(diào)節(jié)單根光纖的長度，調(diào)節(jié)其中光場不同模式之間的色散差來產(chǎn)生動態(tài)散斑圖像，達(dá)到抑制散斑的效果。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道，對于本實施例的多模光纖19也可以采用別的類似結(jié)構(gòu)，如波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；壓電陶瓷20也可以采用其它可調(diào)節(jié)光纖長度的器件，這些均不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。
而后，經(jīng)過相位變化的出射光射入擴束透鏡組14，擴束透鏡組可以由兩個焦距不同的透鏡組成，前面透鏡焦距小，后面透鏡焦距大，兩透鏡焦點重合，當(dāng)光線通過時就會產(chǎn)生擴束效果。原始的光束尺寸和面積都較小，不能照射光學(xué)元件的整個表面，特別是用來產(chǎn)生圖像的線性空間光調(diào)制器的表面，擴束后可以解決這個問題。擴束透鏡組此處也可以使用單個透鏡擴束，將光纖空間相位調(diào)制器的出射光表面放置在單個透鏡的前焦面上。
此后，被擴束的出射光射入整形勻場裝置15，整形勻場裝置15除了勻光外還可以進(jìn)一步打亂激光束的相位分布。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，整形勻場裝置15可以是復(fù)眼透鏡，陣列反射透鏡，或者為積分棒、光纖等。通 過該裝置使得光束空間分布重新進(jìn)行調(diào)整，使其比較均勻，并且使光束具有預(yù)
定的形狀，從而提高光利用率。圖3示出了使用復(fù)眼透鏡作為整形勻場裝置的 示意圖，其中29的小透鏡結(jié)構(gòu)即為復(fù)眼透鏡勻場結(jié)構(gòu)，在界面30上得到勻場 后的光場分布。
圖4是光纖束入射端和出射端的橫截面示意圖。多模光纖入射和出射端排 成如圖所示的緊密結(jié)構(gòu)，便于耦合和出射勻場。光纖束的端面也可以做成特殊 的形狀，以增加耦合效率。
圖5 (a)示出了本實施例的激光投影顯示系統(tǒng)中空間偏振調(diào)制器件和線 性空間光調(diào)制器的示意圖。在圖5(a)中21為線性空間光調(diào)制器，線性空間 光調(diào)制器21可以為LCD, DLP, LCoS中的一種。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在線性空間光調(diào)制器21的表面設(shè)置有空間偏 振調(diào)制器件22。空間偏振調(diào)制器件22可以是扭轉(zhuǎn)向列型液晶層。圖5(b)為 線性空間光調(diào)制器21為LCD并且空間偏振調(diào)制器件22為扭轉(zhuǎn)向列型液晶層 22，的情況下的具體結(jié)構(gòu)，如圖所示，線性空間光調(diào)制器21包括偏光膜23,扭 轉(zhuǎn)向列型液晶層24以及偏光膜25。 22，為扭轉(zhuǎn)向列型液晶層。23、 24、 25組 成通常的液晶面板結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生圖像。扭轉(zhuǎn)向列液晶層22，用于調(diào)制各像素 出射光的偏^t展態(tài)。
如圖6所示，為了調(diào)制各個像素出射光的偏振態(tài)，圖6給出了為扭轉(zhuǎn)向列 型液晶層22，各個像素施加電壓控制其偏振態(tài)的示意圖。參考液晶的性質(zhì)，扭 轉(zhuǎn)向列液晶層22，所加電壓在一定范圍內(nèi)變化時，出射光的偏振態(tài)是不斷改變 的，從而可以在該電壓范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生多個電壓加在扭轉(zhuǎn)向列型液晶層22，的 各像素上，并快速地、不斷隨機獨立改變電壓VI、 V2.,.Vn,其中n為假設(shè)的 液晶像素數(shù)目。從而使得圖像的各個像素的偏振態(tài)是隨機的并隨著時間高速變 化，進(jìn)而產(chǎn)生動態(tài)的散斑，當(dāng)散斑的變化快于人眼的響應(yīng)速度( 一般約為30ms) 時，人眼看到的就是動態(tài)散斑的平均效果，從而抑制不同像素之間的相干產(chǎn)生 的散斑。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，空間偏振調(diào)制器件22可以通過以下方式來 實現(xiàn)，即空間偏振調(diào)制器件22可以包括透鏡26和扭轉(zhuǎn)向列液晶層28。如圖7所示，所述透鏡26置于從線性空間光調(diào)制器件的出射的光路中，在透鏡26 成像的像面上放置扭轉(zhuǎn)向列液晶層28。以扭轉(zhuǎn)向列液晶層28所在面作為像面 投射到投影透鏡組。
盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明及其優(yōu)點，但應(yīng)當(dāng)理解，在不背離由所附的權(quán) 利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種變化、替換及改造。 此外，不意味著本申請的范圍限于說明書中描述的工藝、設(shè)備、制造、以及物 質(zhì)組成、手段、方法和步驟的特定實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員從本發(fā)明的公開內(nèi) 容將很容易意識到那些現(xiàn)在存在的或以后發(fā)現(xiàn)的工藝、設(shè)備、制造、物質(zhì)組成、 手段、方法或步驟，其與這里描述的根據(jù)本發(fā)明相應(yīng)實施例所使用的完成基本 上相同的功能或達(dá)到基本上相同的結(jié)果。因此，期望所附的權(quán)利要求將這樣的 工藝、設(shè)備、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包括在它們的范圍內(nèi)。此外， 每個權(quán)利要求構(gòu)成一個單獨的實施例，并且不同權(quán)利要求和實施例的組合也落 入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光投影顯示系統(tǒng)，包括激光器，用于產(chǎn)生激光；光耦合器件，用于將激光耦合到多個光纖束中；光纖空間相位調(diào)制器，用于為多個光纖中子光束附加不同的、隨時間和空間變化的隨機相位；擴束透鏡組，用于對光束進(jìn)行擴束；整形勻場裝置，用于對光束進(jìn)行整形和勻場，以使光束均勻并具有預(yù)定的形狀；線性空間光調(diào)制器，用于產(chǎn)生圖像；空間偏振調(diào)制器件，用于動態(tài)調(diào)制圖像中各個像素的出射光的偏振態(tài)，以使各個像素的出射光的偏振態(tài)產(chǎn)生快速變化；投影透鏡組件，用于將圖像投影到屏幕上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光投影顯示系統(tǒng)，其中所述光纖空間相位 調(diào)制器包括壓電陶瓷棒，所述多根光纖束在所述壓電陶瓷棒上纏繞不同 的圈數(shù)，以使當(dāng)高頻交流電壓施加到所述壓電陶瓷棒時，所述多根光纖束 產(chǎn)生不同的相位變化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光投影顯示系統(tǒng)，其中所述光纖束為多模 光纖或單模光纖集束。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光投影顯示系統(tǒng)，其中所述空間偏振 調(diào)制器件包括扭轉(zhuǎn)向列型液晶層；該扭轉(zhuǎn)向列型液晶層被施加空間分布隨 機的、快速變化的電壓，以使圖像的各個像素的偏振態(tài)快速變化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光投影顯示系統(tǒng)，其中所述線性空間光調(diào) 制器為LCD、 DLP或LCoS中的一種。
6. —種激光投影顯示方法，所述方法包括如下步驟 由激光器產(chǎn)生激光光源；將激光耦合到多個光纖束中；為多個光纖中子光束附加不同的、隨時間和空間變化的隨機相位；對光束進(jìn)行擴束；對光束進(jìn)行整形和勻場，以使光束均勻并具有預(yù)定的形狀； 由線性空間光調(diào)制器對光束進(jìn)行空間調(diào)制產(chǎn)生圖像； 動態(tài)調(diào)制圖像中各個像素的出射光的偏振態(tài)，以使各個像素的出射光 的偏振態(tài)產(chǎn)生快速變化； 將圖像投影到屏幕上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光投影顯示方法，其中所述為多個光纖中 子光束附加不同的、隨時間和空間變化的隨機相位的步驟包括將所屬多 根光纖束以不同的圈數(shù)纏繞在壓電陶瓷棒上，以使當(dāng)高頻交流電壓施加到 所述壓電陶資棒時，所述多根光纖中子光束產(chǎn)生不同的相位變化。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光投影顯示方法，其中所述光纖束為多模 光纖或單模光纖。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的激光投影顯示方法，其中所述動態(tài)調(diào)制 圖像中各個像素的出射光的偏振態(tài)，以使各個像素的出射光的偏振態(tài)產(chǎn)生 快速變化的步驟包括在一扭轉(zhuǎn)向列型液晶層上施加隨機的、快速變化的電 壓，以使圖像的各個像素的偏振態(tài)快速變化。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光投影顯示方法，其中所述光纖束出射 光經(jīng)過線性空間光調(diào)制器產(chǎn)生圖像的步驟包括使用LCD、 DLP或LCoS中 的 一 種作為線性空間光調(diào)制器。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種激光投影顯示系統(tǒng)，包括激光器，用于產(chǎn)生激光；光耦合器件，用于將激光耦合到多個光纖束中；光纖空間相位調(diào)制器，用于為多個光纖中子光束附加不同的、隨時間和空間變化的隨機相位；擴束透鏡組，用于對光束進(jìn)行擴束；整形勻場裝置，用于對光束進(jìn)行整形和勻場，以使光束均勻并具有預(yù)定的形狀；線性空間光調(diào)制器，用于產(chǎn)生圖像；空間偏振調(diào)制器件，用于動態(tài)調(diào)制圖像中各個像素的出射光的偏振態(tài)，以使各個像素的出射光的偏振態(tài)產(chǎn)生快速變化；投影透鏡組件，用于將圖像投影到屏幕上。本發(fā)明同時提供了相應(yīng)的激光投影顯示方法。
文檔編號G03B21/14GK101644880SQ200910170369
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者宏 常, 徐長青, 海 明, 楊福貴, 沛 王, 王安庭, 磊 董 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)