專利名稱：激光投影系統(tǒng)中的斑點(diǎn)圖案置亂的制作方法
激光投影系統(tǒng)中的斑點(diǎn)圖案置亂本申請要求2010年2月沈日提交的S/m2/714，048美國申請的優(yōu)先權(quán)。相關(guān)領(lǐng)域本發(fā)明涉及激光投影系統(tǒng)，尤其涉及被配置成清除投影的激光圖像中的斑點(diǎn)圖案的激光投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)從圖像投影屏幕散射的相干光與自身相長或相消地干涉時(shí)，在激光投影系統(tǒng)中就會出現(xiàn)圖像斑點(diǎn)。這種干涉產(chǎn)生被稱為圖像斑點(diǎn)的顆粒狀強(qiáng)度圖案。在激光投影系統(tǒng)中，斑點(diǎn)圖案和圖像斑點(diǎn)的出現(xiàn)通常會增大噪聲并屏蔽圖像信息。本公開給出減小激光投影中的圖像斑點(diǎn)的有害效果的系統(tǒng)和方法。本文公開的的系統(tǒng)和方法尤其適于要求將緊湊型綠光激光器用作高分辨率2D掃描式便攜投影儀的綠光源的應(yīng)用場合。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種激光投影系統(tǒng)，它包括光源、相位延遲元件和光束掃描元件。光源包括至少一個(gè)頻率變換的激光源，該頻率變換的激光源包括波長可調(diào)的激光二極管和波長變換器件。相位延遲元件被配置成將頻率變換的激光束的偏振分解成兩個(gè)正交的線性偏振分量，以使一個(gè)偏振分量相對于另一偏振分量相位延遲。2D圖像幀中頻率變換激光束的偏振是各偏振分量相對彼此延遲的程度的函數(shù)，并隨著波長可調(diào)激光二極管的輸出中的波長變化而變化。2D圖像幀中的頻率變換激光束的偏振變化足以跨2D圖像幀置亂(scramble)圖像斑點(diǎn)圖案。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，這里提供一種激光投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括含相位控制部分的波長可調(diào)激光二極管。激光投影系統(tǒng)被編程以將抖動信號施加于相位控制部分，并且該抖動信號將波長變化引入到波長可調(diào)激光二極管的輸出中。波長可調(diào)激光二極管輸出中的波長變化落在波長變換器件的FWHM變換帶寬內(nèi)，并具有足以跨2D圖像幀置亂針對像素的偏振和圖像斑點(diǎn)圖案的速率。還提供用于操作激光投影系統(tǒng)的方法。


結(jié)合附圖，能夠更好地理解下文中對本發(fā)明特定實(shí)施例的詳細(xì)描述，其中用相似的附圖標(biāo)記來指示相似的結(jié)構(gòu)，其中圖1是激光投影系統(tǒng)的某些組件的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光源、相位延遲元件和投影屏幕的示意圖；圖3和圖4是根據(jù)本發(fā)明附加實(shí)施例的光源、空間消偏振元件、相位延遲元件、投影屏幕的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的折疊路徑的頻率變換激光源的示意圖；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明的替代性頻率變換激光源的示意圖。
具體實(shí)施例方式首先參見圖1，圖中示出含光源10和光束掃描元件20的激光投影系統(tǒng)100。光束掃描元件20被配置成跨投影屏幕25的2D圖像幀掃描從光源10發(fā)出的光束。光源10可包括單光源組件，例如紅光、綠光或藍(lán)光激光源，或多個(gè)光源組件，例如多色RGB源。激光掃描投影儀一般需要很高程度的空間相干性以獲得必要的圖像分辨率。為了高空間相干性， 對于投影中使用的每種顏色，例如紅、綠和藍(lán)，通常需要獨(dú)立的激光源。對于綠色激光，光源通常利用非線性頻率變換方法。根據(jù)這些方法，在較短或較長波長下發(fā)射的激光通過例如二次諧波產(chǎn)生(SHG)、光學(xué)參數(shù)振蕩(OPO)或混頻的頻率變換方法變換至所需的波長。在二次諧波產(chǎn)生(SHG)的背景下，可在非線性晶體上圖案化波導(dǎo)， 并將單模頂激光器的輸出耦合到波導(dǎo)中，并將其變換成相干單模綠光激光輸出。從波導(dǎo)發(fā)出的綠光模式在空間域和時(shí)域中相干性都很強(qiáng)。高空間域和時(shí)域相干性導(dǎo)致投影圖像中相對大量的圖像斑點(diǎn)。起因于光束與其本身光學(xué)干涉的斑點(diǎn)被觀察為圖像噪聲。前述干涉取決于光束的偏振狀態(tài)以及SHG晶體和其它類型波長變換器件的輸出具有高程度的偏振。由于斑點(diǎn)場和圖案將隨偏振而變化，因此可通過置亂源自例如SHG晶體的波長變換器件的光束偏振而減少可察覺的斑點(diǎn)圖案。本發(fā)明的特定方面著眼于通過將相位延遲元件設(shè)置在頻率變換激光源的光路上來進(jìn)行偏振置亂。總的來說，相位延遲元件通過使一個(gè)正交偏振的光路長度不同于另一個(gè)而控制偏振光。例如，在1/4波延遲器的情況下，如果兩正交分量大致相等，則其中一個(gè)分量的相移將導(dǎo)致圓偏光。更具體地說，當(dāng)四分之一波片的快軸被設(shè)置成與入射偏振面成45°時(shí)，1/4 波延遲器具有將橢圓偏振光變成線偏光或?qū)⒕€偏光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏光的獨(dú)特屬性。這是使用具有兩個(gè)不同折射率的雙折射、單軸材料來完成的。沿較小折射率方向偏振的光行進(jìn)較快，因此將該軸稱為快軸。將另一軸稱為慢軸。產(chǎn)生λ/2相移的延遲器被稱為半波延遲器。半波延遲器能將線偏光的偏振旋轉(zhuǎn)延遲器快軸和偏振面之間的夾角的兩倍。將半波延遲器的快軸設(shè)置成與偏振面成45°會導(dǎo)致90°的偏振旋轉(zhuǎn)。作為示例而非限定，相位延遲元件可包括具有相對較高的雙折射率的固定波片，它定義了位于與頻率變換激光束偏振面成將約 45°的快軸。例如，根據(jù)圖2所示的實(shí)施例，其中示出頻率變換激光源30并且激光源30包括波長可調(diào)激光二極管40和波長變換器件50。還示出相位延遲元件15。頻率變換激光源30 通常用來產(chǎn)生綠光譜中的頻率變換激光束。在這種情形下，激光二極管40工作在光譜的頂部分而波長變換器件50包括非線性光學(xué)晶體，例如摻雜Mg-O的周期極化的鈮酸鋰(PPLN) 晶體，并用來將激光二極管40的紅外光發(fā)射變換成可見的綠光。應(yīng)該意識到，本發(fā)明的各實(shí)施例可適用于通過各種激光二極管以及包括二階或更高階諧波產(chǎn)生的波長變換配置產(chǎn)生的各種發(fā)射波長。相對于進(jìn)入波長變換器件50的輸入的輸入激光束的偏振度，從波長變換器件50 的輸出沿光軸發(fā)射的經(jīng)頻率變換的激光束將具有高偏振度。相位延遲元件15將經(jīng)頻率變換的激光束的偏振分解成兩個(gè)正交的線偏分量，以使其中一個(gè)偏振分量相對于另一個(gè)相位滯后。發(fā)明人已認(rèn)識到，經(jīng)頻率變換的激光束在投影屏幕25處的偏振是各偏振分量相對于彼此滯后的程度的函數(shù)并隨激光二極管40輸出的波長變化。發(fā)明人還認(rèn)識到，如果特定像素或像素組的偏振是逐幀變化的，則觀察者看到的斑點(diǎn)圖案會更不容易辨識。因此，可使用激光二極管輸出的波長變化來生成2D圖像幀內(nèi)的偏振變化并跨2D圖像幀置亂圖像斑點(diǎn)圖案。盡管存在多種方法來改變特定激光源的波長，然而應(yīng)該意識到，波長可調(diào)激光二極管40可包括波長選擇部分、相位控制部分或兩者兼有，就像具有兩個(gè)或三個(gè)部分的DBR激光二極管的情形那樣，其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)可從本領(lǐng)域中多個(gè)出版物中搜集，例如US 2010/0002736A1和US 2009/0252187A1，其相關(guān)部分通過引用結(jié)合于此。在波長可調(diào)激光二極管40包含相位控制部分的情形下，激光投影系統(tǒng)100可被編程以將相移信號(如 US 2009-0U9414A1 (其相關(guān)公開通過引用結(jié)合于此)所描述的那樣)、擾相信號(如US 7，420，997 (其相關(guān)公開通過引用結(jié)合于此)所描述的那樣)、或某些其它類型的相位抖動信號施加于相位控制部分。這些類型的抖動信號通常間隔小于大約Inm并能用來將波長變化引入到波長可調(diào)激光二極管40的輸出中，該波長變化足以跨2D圖像幀引入上述偏振變化。替代地，在波長可調(diào)激光二極管40包含波長選擇部分的情形下，激光投影系統(tǒng) 100可被編程以將抖動信號施加于波長選擇部分。抖動信號可被配置成將波長變化引入到波長可調(diào)激光二極管40的輸出中，該波長變化足以跨2D圖像幀引入上述偏振變化。優(yōu)選地，盡管不是必須如此，波長可調(diào)激光二極管40輸出中的波長變化以一速率引入，該速率足以跨連續(xù)2D圖像幀置亂針對像素的偏振以使特定像素的偏振逐幀變化。為了加強(qiáng)置亂，較佳地確保波長可調(diào)激光二極管40輸出中的波長變化被選擇成落在波長變換器件50的半峰全寬(FWHM)變換帶寬內(nèi)。應(yīng)該意識到，當(dāng)對于跨多個(gè)連續(xù)圖像幀的針對像素的偏振沒有可辨的梯度、周期性或圖案時(shí)，則實(shí)現(xiàn)了充分的置亂。不管將波長變化引入到波長可調(diào)激光二極管40輸出的方式如何，由相位延遲元件15引入的相位滯后可描述為包括作為波長可調(diào)激光二極管輸出中的波長變化的函數(shù)的 “抖動”分量。相位滯后的抖動分量可定義如下Δ φ = 2 π Δη /λ Jid Δ φ =— 2^ntdλ
λ因此，對于跨2D圖像幀的相位延遲的2 π變化來說，
γ πλ2t=-
And λ其中Δ φ代表相位滯后的抖動分量，Δ η代表相位延遲元件的雙折射，t代表相位延遲元件的光路厚度，而λ代表頻率變換激光束的波長。常見地，相位延遲元件15的雙折射和厚度被選擇成使相位滯后的抖動分量計(jì)入了跨2D圖像幀的相位滯后的至少2 π變化。 例如，應(yīng)該意識到，波長可調(diào)激光二極管40輸出中小于0. Inm的波長變化就足以使相位延遲元件將至少2 π的變化引入到跨2D圖像幀的相位滯后中。比較圖2和圖3，應(yīng)該意識到，要么相位延遲元件15要么將空間消偏振元件55可被配置成定義跨頻率變換激光束的光束孔徑變化的光路厚度。變化的光路將跨頻率變換激光束的光束孔徑改變偏振。作為示例而非限定，相位延遲元件15可設(shè)有固定的楔形橫截面。作為替代，如圖3中示意地示出那樣，限定跨頻率變換激光束的光束孔徑變化的光路厚度的空間消偏振元件55可設(shè)置在頻率變換激光源30的下游和相位延遲元件15的上游。在任何一種情形下，應(yīng)該意識到，跨頻率變換激光束的光束孔徑的偏振變化應(yīng)當(dāng)足以計(jì)入跨頻率變換激光束的孔徑的相位滯后的2π變化。這種變化可定義如下
權(quán)利要求
1.一種激光投影系統(tǒng)，包括光源、相位延遲元件和光束掃描元件，其中 所述光束掃描元件被配置成跨2D圖像幀掃描從所述光源射出的光束；所述光源包括至少一個(gè)頻率變換激光源，所述頻率變換激光源包括波長可調(diào)激光二極管和波長變換器件；所述頻率變換激光源的波長變換器件配置成從所述波長變換器件的輸出沿光軸射出的頻率變換激光束由與進(jìn)入所述波長變換器件的輸入的輸入激光束的偏振度相比的高偏振度來表征，以及在所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中的波長變化表現(xiàn)為所述頻率變換激光束的頻率變換波長變化；所述相位延遲元件被進(jìn)一步配置成將所述頻率變換激光束的偏振分解成兩個(gè)正交線偏分量，以使一個(gè)偏振分量相對于另一個(gè)偏振分量相位滯后；所述2D圖像幀內(nèi)的頻率變換激光束偏振是各偏振分量相對彼此滯后的程度的函數(shù)， 并隨所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中的波長變化而變化；并且所述2D圖像幀內(nèi)的頻率變換激光束的偏振變化足以跨2D圖像幀置亂圖像斑點(diǎn)圖案。
2.如權(quán)利要求1所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，由所述相位延遲元件引入的相位滯后包括作為所述波長可調(diào)激光二極管輸出中波長變化的函數(shù)的抖動分量。
3.如權(quán)利要求2所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述相位延遲元件被配置成使所述相位滯后的抖動分量定義如下Δ φ = Δη /λ 且dA Φλ因此，對于跨2D圖像幀的相位滯后的2 π變化， λ2t=-And λ其中△ Φ代表所述相位滯后的抖動分量，Δη代表所述相位延遲元件的雙折射，t代表所述相位延遲元件的光路厚度，而λ代表所述頻率變換激光束的波長。
4.如權(quán)利要求2所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述相位滯后的抖動分量計(jì)入了跨2D圖像幀的相位滯后的至少2 π變化。
5.如權(quán)利要求4所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述相位延遲元件被配置成使所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中小于0. Inm的波長變化足以使所述相位延遲元件將至少 2 π變化引入到跨2D圖像幀的相位滯后中。
6.如權(quán)利要求5所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述相位延遲元件包括液晶波片或偏振維持光纖。
7.如權(quán)利要求1所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述激光投影系統(tǒng)的相位延遲元件或空間消偏振元件限定一光路厚度，所述光路厚度跨所述頻率變換激光束的光束孔徑變化以改變跨所述頻率變換激光束的光束孔徑的偏振。
8.如權(quán)利要求7所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于 所述相位延遲元件設(shè)有固定楔形橫截面；以及所述變化的光路厚度可歸因于所述相位延遲元件的固定楔形橫截面。
9.如權(quán)利要求7所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在所述頻率變換的激光源下游和所述相位延遲元件上游的空間消偏振元件，所述激光投影系統(tǒng)的空間消偏振元件限定跨所述頻率變換激光束的光束孔徑變化的光路厚度。
10.如權(quán)利要求7所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，跨所述頻率變換激光束的光束孔徑的偏振變化計(jì)入了跨頻率變換激光束的孔徑的相位滯后的至少2π變化，并定義如下,., 2 πAn , Δ φ = —-dt入因此，對于跨頻率變化激光束的孔徑的相位滯后的2 π變化， λdt =— Δη其中△ Φ代表所述相位滯后的抖動分量，Δη代表所述相位延遲元件或所述空間消偏振元件的雙折射，dt代表所述相位延遲元件或所述空間消偏振元件跨所述頻率變換激光束的光束孔徑的光路厚度變化，而λ代表頻率變換激光束的波長。
11.如權(quán)利要求1所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述相位延遲元件包括相對于所述頻率變換激光束偏振面約45°取向的快軸。
12.如權(quán)利要求1所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述相位延遲元件包括固定的波片，所述波片由足夠高以通過小于約IOmm的波片厚度將2 π變化引入到相位滯后中的雙折射來表征。
13.如權(quán)利要求1所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述波長可調(diào)激光二極管包括波長選擇部分、相位控制部分或兩者兼有。
14.如權(quán)利要求1所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于 所述波長可調(diào)激光二極管包括相位控制部分；所述激光投影系統(tǒng)被編程以將抖動信號施加于所述相位控制部分；以及所述抖動信號將波長變化引入到所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中，所述變化足以使通過所述相位延遲元件引入的相位滯后包含計(jì)入了跨2D圖像幀的相位滯后的至少2 π變化的抖動分量。
15.如權(quán)利要求1所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于 所述波長可調(diào)激光二極管包括波長選擇部分；所述激光投影系統(tǒng)被編程以將抖動信號施加于所述波長選擇部分；以及所述抖動信號將波長變化引入到所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中，所述波長變化足以使通過所述相位延遲元件引入的相位滯后包含計(jì)入了跨2D圖像幀的相位滯后的至少 2 π變化的抖動分量。
16.如權(quán)利要求1所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述波長可調(diào)二極管的輸出中的波長變化的速率足以跨連續(xù)2D圖像幀置亂針對像素的偏振。
17.如權(quán)利要求1所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中的波長變化落在所述波長變換器件的FWHM變換帶寬內(nèi)。
18.如權(quán)利要求1所述的激光投影系統(tǒng)，其特征在于，所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中的波長變化小于約lnm。
19.一種激光投影系統(tǒng)，包括光源、相位延遲元件和光束掃描元件，其中 所述光束掃描元件被配置成跨2D圖像幀掃描從所述光源射出的光束；所述光源包括至少一個(gè)頻率變換激光源，所述頻率變換激光源包括波長可調(diào)激光二極管和波長變換器件；所述波長可調(diào)激光二極管包括相位控制部分且所述激光投影系統(tǒng)被編程以將抖動信號施加于所述相位控制部分；所述抖動信號將波長變化引入到所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中； 所述頻率變換激光源的波長變換器件被配置成從所述波長變換器件的輸出沿光軸射出的頻率變換激光束由與進(jìn)入所述波長變換器件的輸入的輸入激光束的偏振度相比的高偏振度來表征，以及在所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中的波長變化表現(xiàn)為所述頻率變換激光束的頻率變換波長變化；所述相位延遲元件配置成將所述頻率變換激光束的偏振分解成兩個(gè)正交的線偏分量， 以使一個(gè)偏振分量相對于另一個(gè)偏振分量相位滯后；所述2D圖像幀內(nèi)的頻率變換激光束偏振是各偏振分量相對彼此滯后的程度的函數(shù)， 并隨所述波長可調(diào)激光二極管輸出中的波長變化而變化；所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中的波長變化落在所述波長變換器件的FWHM變換帶寬內(nèi)并具有足以跨2D圖像幀置亂針對像素的偏振和圖像斑點(diǎn)圖案的速率。
20. 一種操作包含光源、相位延遲元件和光束掃描元件的激光投影系統(tǒng)的方法，其中所述方法包括操作所述光源和所述光束掃描元件以跨過2D圖像幀掃描從光源射出的光束，其中所述光源包括至少一個(gè)頻率變換激光源，所述頻率變換激光源包括用于產(chǎn)生輸入激光束的波長可調(diào)激光二極管以及波長變換器件， 所述頻率變換激光源的波長變換器件被配置成使從所述波長變換器件的輸出沿光軸射出的頻率變換激光束由與進(jìn)入所述波長變換器件的輸入的輸入激光束的偏振度相比的高偏振度來表征，并且所述相位延遲元件被進(jìn)一步配置成將所述頻率變換激光束的偏振分解為兩個(gè)正交線偏分量以使一個(gè)偏振分量相對于另一個(gè)偏振分量相位滯后；將波長變化引入到所述輸入激光束以使所述波長變化表現(xiàn)為所述頻率變換激光束中的頻率變換波長變化，其中所述2D圖像幀中的頻率變化激光束偏振是各偏振分量相對于彼此滯后的程度的函數(shù)，并隨所述波長可調(diào)激光二極管的輸出中的波長變化而變化，以及所述2D圖像幀中的頻率變換激光束的偏振變化足以跨2D圖像幀置亂圖像斑點(diǎn)圖案。
全文摘要
提供一種激光投影系統(tǒng)，該激光投影系統(tǒng)包括光源、相位延遲元件和光束掃描元件。光源包括至少一個(gè)頻率變換激光源，該激光源包括波長可調(diào)激光二極管和波長變換器件。相位延遲元件被配置成將頻率變換激光束的偏振分解成兩個(gè)正交的線偏分量以使一個(gè)偏振分量相對于另一個(gè)相位滯后。2D圖像幀內(nèi)的頻率變換激光束偏振是各偏振分量相對于彼此滯后的程度的函數(shù)并隨波長可調(diào)激光二極管的輸出中的波長變化而變化。2D圖像幀中的頻率變換激光束的偏振變化足以跨2D圖像幀置亂圖像斑點(diǎn)圖案。
文檔編號G02B27/18GK102169239SQ20111005052
公開日2011年8月31日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者A·S·鮑科 申請人:康寧股份有限公司