用于散斑减少的系统和方法
阅读：412发布：2023-02-27
专利汇可以提供用于散斑减少的系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种操作激 光源 的方法。该方法通过产生多个统计无关的散斑图案来减少所投影图像中的散斑 对比度 。该方法包括产生限定光学模式的多个子束。该方法进一步包括控制 选定 子束的 相位 ，以使激光源按顺序连续通过多个 正交 光学模式。多个正交模式产生相应数量的统计无关散斑图案，从而通过时间取平均降低利用激光源投影的图像中的散斑对比度。，下面是用于散斑减少的系统和方法专利的具体信息内容。
1.一种操作激光源的方法，所述方法包括：
产生限定光学模式的多个子束，其中所述多个子束传输共同的投影数据；以及控制所述子束中选定的数个子束的相位，以使所述激光源按顺序连续通过多个正交光学模式，从而降低利用所述激光源投影的图像中的散斑对比度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个子束被投影以在公共像场像素中产生多个相应的束斑，所述公共像场像素的面积小于或等于肉眼分辨元。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
一组所述多个束斑在公共像场像素中形成照射区；
以扫描方向在所述公共像场像素上扫描所述多个子束，从而产生多个照射区；以及在每个照射区使所述激光源按顺序通过所述多个正交光学模式。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多个束斑垂直于所述扫描方向排列。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器按顺序通过的所述正交光学模式的数量等于针对每个模式所产生的子束数量。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，光学模式m下的选定子束s的相位被控制成：
其中：
是光学模式m下的选定子束s的相位，
是所述子束的起始相位，
M是光学模式的总数，
s是从1到S的正整数，其中S是束斑的总数，以及
m是从0到M-1的正整数。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光源包括被配置成产生光信号的激光器，且所述多个正交光学模式通过以下步骤产生：
将所述光信号分束成多个子束，
在各个子束之间产生光程长差l，以及
在包括λ0+mΔλ的一组调制波长上调制所述光信号的波长，其中：
λ0是所述光信号的原始波长，
m是从0到M-1的正整数，其中M是正交光学模式的总数，以及
Δλ是每个调制波长之间的波长差。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光信号在所述调制波长处离散地交替发射，或在所述调制波长上来回连续扫频。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述波长差Δλ由下式确定：
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：
以图像像素率在多个图像像素上扫描所述多个子束；
将所述多个图像像素安排成限定以图像帧率在投影表面上出现的图像帧；以及以大于或等于图像帧率除以模式数量M的商的频率调制所述光信号的波长，以使用不同模式投影每个连续帧。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，以大于或等于图像像素率乘以模式数量M的积的频率调制所述光信号的波长，以使所述光信号在每个像素中在M个模式中变化。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于：
所述激光器包括相控区、波长选择区以及增益区；以及
通过向所述激光器的相控区或波长选择区施加波长调制信号来调制所述光信号的波长。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光源包括：
激光器，被配置成产生至少一个光信号；以及
至少一个分束和延迟单元，被配置成将所述光信号分束成多个子束，并在各个子束之间产生光程长差l。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述光程长差l由l×n限定，其中l是所述分束和延迟单元中的一个来回行程的物理长度，且n是所述分束和延迟单元的折射率。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括，通过调节光信号入射在分束表面上的位置或角度来调节毗邻子束之间的间距。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述分束和延迟单元包括至少一个分束器和至少一个反射表面，以使所述光信号的一部分从所述分束器反射，且所述光信号的一部分透过所述分束器并从所述反射表面反射。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：
所述至少一个分束器包括第一和第二偏振分束表面，该第一和第二偏振分束表面被配置成透射具有第一偏振状态的光信号的一部分，且反射具有第二偏振状态的光信号的一部分；
所述至少一个反射表面包括第一和第二反射镜；
所述反射部分由第一偏振分束表面、第一和第二反射镜以及第二偏振分束表面反射；以及
将所述第一和第二反射镜偏移，以使所述光信号的透射和反射部分离开所述分束和延时单元成为之间具有间距的两个平行子束。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述间距小于所述两个平行子束的直径。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述分束和延迟单元包括平面平行板。
20.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述分束和延迟单元包括具有至少一个分束表面和多个反射棱镜壁的一个或多个分束棱镜。
21.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述分束和延迟单元进一步被配置成梯形横截面棱镜，该棱镜包括被配置用于部分反射的分束表面和被配置用于全反射的至少两个棱镜壁。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述多个子束包括从所述分束表面反射的光信号的一部分，以及在所述分束和延迟单元中行进多个来回行程的光信号的部分。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述分束和延迟单元进一步包括毗邻分束表面定位的三角形横截面棱镜。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述分束和延迟单元进一步包括所述分束表面上的薄膜涂层。
25.一种包括激光源和系统控制器的激光投影系统，其特征在于：
所述激光源包括产生限定光学模式的多个子束的激光器，其中所述多个子束传输共同的投影数据；以及
所述系统控制器被编程为控制所述子束中选定的数个子束的相位，以使所述激光源按顺序连续通过多个正交光学模式，从而降低利用所述激光源投影的图像中的散斑对比度。
用于散斑减少的系统和方法
[0001] 优先权
[0002] 本申请要求2008年8月29日提交的题为“用于散斑减少的系统和方法(Systems and Methods for Speckle Reduction)”的美国专利申请No.12/200,963的优先权。
[0003] 相关申请的交叉引用
[0004] 本申请要求2008年1月30日提交的题为“用于散斑减少的系统和方法(Systems and Methods for Speckle Reduction)”的美国临时专利申请S/N61/024,802的权益。 本申请还与共同待审和共同转让的2008年2月26日提交的题为“用于光学信号的偏振调制的系统和方法(Systems and Methods for Polarization Modulation of an Optical Signal)”的美国专利申请S/N12/072,426相关，但不要求其优先权。
[0005] 发明背景
[0006] 本发明的实施例涉及用于光学信号调制的系统和方法。 更具体地，本发明的实施例涉及用于减少激光投影图像中可见的散斑存在的激光源和激光投影系统的设计和操作方法。 只要使用相干光源来照射例如屏幕的粗糙表面或产生漫反射或透射的任何其他物体，就会产生散斑。
[0007] 具体地，屏幕或其他反射对象的大量小区域将光散射成起点不同且传播方向不同的大量反射光束。 在观测点，例如在观测者眼中或在摄像机的传感器处，这些光束建设性地干涉以形成亮斑或破坏性地干涉以形成暗斑，从而产生称为散斑的随机颗粒强度图案。 散斑可通过粒度和对比度来表征，对比度通常被定义为观测面中的标准差与平均光强之比。 对于足够大的被照射区域和足够小的个体散射点大小，该散斑将是“完全显影的”，具有100％的亮度标准差。如果利用激光束在屏幕上形成图像，则此类颗粒结构将呈现噪声或图像质量的严重降级。发明概要
[0008] 根据本发明的一个实施例，提供了一种操作激光源的方法。 根据该方法，产生了传输普通投影数据的定义光学模式的多个子束。 通过使激光源按顺序连续通过多个正交光学模式以控制子束的相位，利用激光源投影的图像中的散斑对比度得以降低。
[0010] 本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，而且在附图中：
[0011] 图1是根据本发明的一个或多个实施例的激光投影系统的示图；
[0012] 图2是根据本发明的一个或多个实施例的分束和延迟单元的示图；
[0013] 图3是根据本发明的一个或多个实施例的分束和延迟单元的示图；
[0014] 图4是根据本发明的一个或多个实施例的分束和延迟单元的示图；
[0015] 图5是根据本发明的一个或多个实施例的分束和延迟单元的示图；
[0016] 图6是根据本发明的一个或多个实施例的分束和延迟单元的示图；
[0017] 图7a是根据本发明的一个或多个实施例的分束和延迟单元的示图；
[0018] 图7b是根据本发明的一个或多个实施例的分束和延迟单元的实现方式的示图；
[0019] 图7c是根据本发明的一个或多个实施例的分束和延迟单元的实现方式的示图；
[0020] 图7d是根据本发明的一个或多个实施例的分束和延迟单元的实现方式的示图；
[0021] 图8是根据本发明的一个或多个实施例的在一区域上扫描的两个子束的示图；以及
[0022] 图9是根据本发明的一个或多个实施例的在一区域上扫描的三个子束的示图。
[0023] 详细描述
[0024] 首先参照图1，本发明的具体实施例可在激光投影系统100的背景下进行描述，该激光投影系统100包括激光器30、激光驱动电路20、激光投影光学装置40、系统控制器10以及投影像面50。 激光器30可包括半导体激光器、光泵浦固态激光器、光纤激光器或能进行小波长调制的任何其他类型的激光器。 图1示出激光投影系统100被配置成作为扫描投影仪工作的特殊情况，其中激光器30通过频率转换产生例如绿色激光束的一个或多个光束，和/或原始来自半导体激光器的例如红色和蓝色激光束的一个或多个光束。
[0025] 通过使激光源产生的光信号按顺序通过多个正交光学模式，激光投影系统所产生的图像中存在的散斑对比度可被降低。 光学模式可被定义为具有几乎相同波长和特定相对光学相位的两个或多个平行子束的集合。 子束被投影到投影表面上，在该处它们产生排列成特定图案的光斑(对于平行光束，光斑将共线排列，即连接光斑中心的直线为直线)。 肉眼分辨元被定义为屏幕上的强度变化细节无法被给定观测距离处的肉眼或照相机分辨的面积。 为了获得良好感知的图像质量，通常选择图像中的像素数量和图像大小以使单个像素大小与肉眼分辨面积可比拟或比肉眼分辨面积小。 为了本发明的最优操作，需要多个光斑的组合面积小于肉眼分辨元的面积，从而使肉眼或照相机将所有光斑视作仅一个光斑。因此，光斑的组合面积通常也将小于单个像素的面积。 散斑减少通过时间平均来实现。 因为每个正交模式产生自身的统计无关散斑图案，如果模式定序在比肉眼的存留时间或照相机的积分时间更长的时间段内完成，则眼睛或照相机将平均化两个或多个统计无关的散斑图案，从而散斑看起来将较不明显。
[0026] 根据本发明，可利用波长调制、分束以及光延迟使激光源在多个正交模式中循环，以减少光栅扫描系统中的散斑而不会降低束质量。 如下文详细讨论，如果光信号被分束成多个平行的子束，这些子束之间具有光程长差l，且该激光源被调制以使光信号在间距为波长差Δλ的多个波长之间迅速切换或振荡，则可产生具有固定光相差的多个平行子束。 具有一个固定光相差的多个子束在此被定义为单个光学模式。 在子束为静态(即未在屏幕上扫描或移动)，且使激光源按顺序通过多个正交模式的情况下，可实现的散斑对比度减少，其中S是由子束在屏幕上产生的总光斑数量。 然而，在其它实施例中，可在屏幕上扫描这些子束以照射像素内的k照射区域。 照射区域可被定义为静态平行子束所产生的一组光斑，或通过在时间上的固定时刻扫描子束所产生的一组光斑。 这些子束循环在被扫描或移动至下一照射区域之前在每个照射区域处循环每个正交模式。 在该非静态实施例中，可实现 的散斑对比度降低。
[0027] 引入如本文中所描述的波长调制显著减少了必需的光程长差l，从而能使用紧凑投影系统100封装。在不引入波长调制的情况下，例如，超过相干长度所需的延迟量(导致子束之间的随机相差从而导致投影到屏幕上的光学模式的随机排序)可能需要向紧凑封装中纳入过大的光程。 本发明可非常紧凑，且可在光信号强度无显著改变的情况下实现散斑对比度降低。因此，引入微型光栅扫描激光投影仪是合适的。 此外，在频率与扫描激光图像的像素率可比拟或更大时，可极快地执行波长调制。 同样，本发明与其它较慢的散斑对比度降低方法相容，且可与其它此类方法结合使用。
[0028] 再次参照图1，激光器30和激光投影光学装置40协作，以利用激光源的原始光信号或通过频率转换(例如通过使用倍频晶体)产生的信号在投影屏或投影像面50上产生二维扫描激光图像。激光投影光学装置40可包括但不限于扫描反射镜。例如倍频半导体激光器的激光器30可发射光信号101。 如图1所示，一些实施例可使用分束和延迟单元110来将该光信号分束成多个子束，并在每两个毗邻子束之间创建光程长差l。为了最优图像质量和散斑减少的目的，子束通常应当平行。一旦进入分束和延迟单元110，光信号101就可被分离成至少两个平行子束(例如子束A和子束B)。 在此使用两个平行子束仅为了说明目的，因为可产生任意数量的子束。 子束A和子束B在分束和延迟单元110中行进两个不同的路径，以使这两个子束之间存在光程长差l。 激光器30发射的光信号101可被调制成在两个或多个波长之间交替或连续扫频，这些波长相距波长差Δλ。 根据一些实施例，在子束A和子束B离开分束和延迟单元110之后，子束A和子束B由扫描反射镜40重导向和扫描。 这些子束然后被导向至投影像面50。
[0029] 分束和延迟单元110的具体设计选择对于本发明正确起作用并不重要，只要两个或多个平行子束产生并行进不同的路径以获得光程长差l。存在将光信号101有效地分束成两个或多个平行子束以及将这些子束中的一个或多个延迟的许多种分束和延迟单元110配置。 参照图2-6，分束和延迟单元110将进入光信号101分束成具有几乎相等功率的至少两个子束。 分束和延迟单元110可包括一个或多个分束器，分束器可用于将光信号101分束成两个或多个子束。
[0030] 如图2所示，分束和延迟单元110可包括诸如50/50分束器的分束器102，以及诸如全反射镜的反射表面104。进入光信号101的一部分从分束器102反射以形成第一子束A。 进入光信号101的一部分通过分束器102透射，并从全反射镜104反射以形成第二子束B。 因为子束B行进的光程比子束A行进的光程长，所以在这两个子束之间存在光程长差l。根据该示例性实施例，通过调节进入光束的入射角来调节两个子束之间的间距是可能的。
[0031] 图3示出利用平面平行板106作为分束和延迟单元110的示例性实施例。 平面平行板106可提供多个平行子束(子束A-E)。 进入光信号101入射到平面平行板106的分束面108上，其中进入光信号101的一部分被反射以形成子束A。 进入光信号101的一部分也透过分束面108，然后从反射后壁107反射。 该反射子束的一部分透过分束面108以形成子束B。 因为子束B行进的距离比子束A更长，所以在这两个子束之间存在光程长差l。如图3中所示，沿平面平行板106重复该过程，其中另外的子束以相同方式形成(子束C、D以及E)。 在每个毗邻子束之间存在光程长差l(例如子束A与子束B之间、子束B与子束C之间等)。
[0032] 图4示出示例性的分束和延迟单元110，该分束和延迟单元110包括梯形横截面棱镜115和三角形横截面棱镜119。三角形横截面棱镜119的两个朝外侧涂有抗反射层，而梯形横截面棱镜115的两个侧壁114和116涂有全反射层。 在分束表面112处相互毗邻的三角形横截面棱镜119和梯形横截面棱镜115的侧面被涂覆成使光信号101束功率的一部分被反射，且光信号101束功率的一部分透射。 图4中所示的示例性实施例的许多其他变型是可能的。 例如，三角形横截面棱镜119是不需要的，且可由分束表面112上的具有部分束反射性质的薄膜涂层替代。 梯形横截面棱镜115也可以不是梯形，而是允许光束在返回分束表面112之前反射两次的任何形状。
[0033] 如图4中所示的示例性分束和延迟单元110所示，进入光信号101可在位置113a处入射到分束表面112上，以使两个子束中的至少一个将在棱镜115内行进至少一个来回行程。 当光信号101到达分束表面112时，光信号101的一部分在点113a处被反射以形成第一子束A。光信号101的一部分也透过分束表面112，并行进第一来回行程部分，该第一来回行程部分由点113b处的反射侧壁114、点113c处的反射侧壁116以及向点113d处的分束表面112的返回所定义。这里，第一透射部分的一部分在点113d处透过分束表面112以形成第二子束B。 因此，子束B包括在行进第一来回行程部分之后在点113a处透过分束表面112的光信号101的一部分。
[0034] 接着，在第一来回行程之后，光信号101的另一部分在点113d处从分束表面112反射，并行进第二来回行程，该第二来回行程由点113e处侧壁114的反射、点113f处侧壁116的反射以及点113a处向分束表面112的返回所限定。 该信号的一部分然后透过分束表面加入子束A。 这些反射重复，以使子束A包括光信号101的反射部分和多个第二来回行程部分，且子束B包括多个第一来回行程部分。 通过将分束和延迟单元115向上平移或向下平移以使入射点113a的位置沿分束表面112变化，可调节子束A与子束B之间的间距。
[0035] 可计算并修改每个子束的功率。在点113a处的第一次反射时，光信号101的功率的一部分(通过x表示)将被反射到子束A中。 在第一来回行程之后，(1-x)(1-x)部分将透射到子束B中，且在第二来回行程之后，x(1-x)(1-x)部分将被透射到子束A中，等等。 假定在横截面棱镜115中的反射或传输上无损耗，且所有子束同相相加，则子束A中的总功率将可定义为：
[0036]
[0037] 根据相同的假定，子束B中的总功率可定义为：
[0038]
[0039] 为实现最大散斑对比度降低，所感知的每个子束的强度应当相等。 可求解这两个方程以确保子束A和子束B具有相等功率(即，如果该实施例将光信号101分束成两个子束，则等于原始光信号101功率的约一半)。根据图4中所示的示例性实施例，反射功率x应当为1/3或33.3％，且因此应当相应地配置分束表面112。 为适应分束和延迟单元110中存在的任何损耗，可稍微调节最优第一反射强度以在两个子束中产生相等功率。 在本实施例中，因为子束在不同于空气的材料中行进，所以在每次连续来回行程和反射之后离开的子束A与子束B之间的光程长差l等于梯形横截面棱镜内的来回行程的物理长度l乘以棱镜材料的折射率n，因此l＝l×n。
[0040] 其他实施例可包括产生两个以上平行子束的分束和延迟单元110。图5中所示的示例性实施例是包括棱镜120的分束和延迟单元110，其中光信号101通过分束表面123和反射表面122透射和反射，分束表面123和反射表面122被定位和配置成产生平行子束A、B以及C。 图6的示例性实施例包括三角形横截面124棱镜和半矩形横截面棱镜125。光信号101的一部分从分束表面126反射以形成子束A，同时光信号的一部分透过分束表面126并在到达分束表面之前从涂有反射涂层的侧壁128、130以及132反射。 该束的一部分透过分束表面126以形成子束B，同时该束的一部分从分束表面126反射并从涂有反射涂层的侧壁128、130以及132反射。 然后光信号的该部分离开该单元作为子束C。
[0041] 图5和6的实施例可通过将分束和延迟单元110相对于光信号101向左或向右平移来产生更多或更少子束。 通过在分束和延迟单元110的各表面上使用可变强度的反射涂层，可实现子束A、B以及C的子束强度相等。 例如，如果在图5和6的示例性分束和延迟单元中未使用可变强度涂层，则该信号的38.2％首先从分束表面反射，子束A、B以及C将分别具有原始束功率的0.382、0.382以及0.236。
[0042] 激光投影系统可能需要允许一个或多个光信号(即输入光束)被分束、延迟以及重新组合成一对或多对平行偏移光束的分束和延迟单元，这一对或多对平行偏移光束具有小于子束所产生的束斑的直径的间距，诸如在离射束腰部一些距离的扩展束下工作的激光投影系统。 图7a的实施例示出了偏振分束和延迟单元110，该单元110利用两个棱镜160、166来创建第一和第二分束表面162、164。 第一分束表面162将具有一种偏振状态(例如S偏振状态)的光信号101的一部分反射和延迟，并透射具有另一种偏振状态(例如P偏振状态)的光信号的一部分。 被反射和延迟的子束B然后被反射，并与透过第二分束表面164的子束A重新组合。输入偏振应当在偏振状态之间提供相等功率。 只要该屏幕是去偏振的，子束的偏振状态就可以不同甚至正交，而不会影响散斑减少。
[0043] 该偏振分束和延迟单元可包括两个反射镜表面168和169，这些反射镜表面168和169可被偏置以在P和S子束离开分束和延迟单元110时在它们之间提供横向偏移。更具体地，两个反射镜表面168和169从可提供两个束以完美中心对准进行重新组合的位置偏移。还可根据子束之间的所需偏移来修改反射镜的偏移。 此外，可在能与束直径比拟的任何大小的偏移下实现该重新组合。 本实施例允许这些束被投影和聚焦，以使它们可在投影表面处分离，且本实施例还提供良好的几何形状和任意小的偏移，而不会阻挡任何束。
[0044] 该偏振分离和延迟单元110可用于产生两个以上子束。例如，图7b示出偏振分离和延迟单元110的实现方式，其中两个光信号101a和101b入射到偏振分离和延迟单元110上。在通过偏振分离和延迟单元110之后，两个输入束101a和101b分别被分离成子束101a′、101a″以及101b′、101b″。 光信号和子束在图7b-d中被描绘为圆圈，它们最终在投影表面上产生束斑。 如上且如图7a中所述，如果分束和延时单元110被实现成扫描激光投影系统，则该实现方式产生与扫描线方向垂直的一组垂直子束。
[0045] 图7c示出偏振分束和延时单元110的另一实现方式，其中两个光信号101a和101b入射到第一分束表面162上。 在该实现方式中，两个光信号101a和101b并排地入射到偏振分束和延时单元110上，该分束和延时单元110相对于图7a中所示的位置转动
90°。 因此，光信号101a被分束成水平排列的两个子束101a′和101a″，或如果实现成扫描激光投影系统则被分束成与扫描线方向平行的排列。同样，光信号101b也被分束成两个子束101b′和101b″。 因此，可实现图7c的正方形子束排列。
90°。 因此，光信号101a被分束成水平排列的两个子束101a′和101a″，或如果实现成扫描激光投影系统则被分束成与扫描线方向平行的排列。同样，光信号101b也被分束成两个子束101b′和101b″。 因此，可实现图7c的正方形子束排列。
[0046] 可使用两个偏振分束和延时单元从单个光信号101产生图7c的四子束排列。 图7d示出利用两个偏振分束和延时单元110a、110b从单个光学信号101获得四个束的实施例。 光信号101入射在第一偏振分束和延时单元110a上，在该处被分束成子束101a和
101b，如图7a中所示和所描述。 子束101a和101b然后入射到第二偏振分束和延时单元
110b上，该第二单元110b如图7c所描述和说明地转动。 第二偏振分束和延时单元110b将子束101a分束成子束101a′和101a″，且将子束101b分束成子束101b′和101b″。
注意，第二偏振分束的偏振轴与第一偏振分束的偏振轴成45°。 该过程可在偏振分束器的适当安排下无限继续，从而使每个偏振分束器处的子束数量倍增。
101b，如图7a中所示和所描述。 子束101a和101b然后入射到第二偏振分束和延时单元
110b上，该第二单元110b如图7c所描述和说明地转动。 第二偏振分束和延时单元110b将子束101a分束成子束101a′和101a″，且将子束101b分束成子束101b′和101b″。
注意，第二偏振分束的偏振轴与第一偏振分束的偏振轴成45°。 该过程可在偏振分束器的适当安排下无限继续，从而使每个偏振分束器处的子束数量倍增。
[0047] 为了产生上述散斑减少所需的正交光学模式，激光器30的光信号101被调制成在一组波长λm＝λ0+mΔλ中按顺序变化，其中m是从0到M-1的正整数(M是所产生的模式的总数)，且λ0是所产生的一组波长的第一波长。每个波长与毗邻波长相距波长差Δλ，该波长差Δλ被选择成使
[0048]
[0049] 在按顺序的每个波长下产生新的正交光学模式。 为实现最大散斑减少，以这样的方式产生的每个正交光学模式应当持续相等时间量，且在所产生的所有光学模式中循环的组合时间应当小于照相机的积分时间或肉眼的存留时间。
[0050] 可利用不同的方法来产生所需波长调制或切换，且该方法可取决于激光投影系统100中所使用的激光器30的类型。 例如，系统控制器10可被编程为通过对激光器30施加波长调制信号来调制光信号101。例如，激光器30可以是产生530nm(绿色)输出的倍频1060nm二极管激光器，且二极管激光器芯片可以是具有相区、DBR(或波长选择)区和增益区的三段式DBR设计。 本发明人已经认识到，通过向此类DBR和/或调相区施加可变偏置形式的波长调制信号同时保持增益区偏置恒定，可使此类DBR激光器的输出波长连续变化，或以与自由光谱区相等的幅度变化。 本发明人已经认识到，当周期性地将激光器增益区电流迅速重置为零再返回至工作点时，DBR激光器随机地选择不同的纵腔模，从而使激光器在多个波长之间振荡。 波长调制信号可以是任何类型的信号，包括但不限于方波信号、锯齿波信号、正弦波信号以及随机信号，以使光信号101在间距为Δλ的多个波长λm之间切换或振荡。 可构想，通过在比最小范围MΔλ更大的范围上调制激光器波长(即该波长可被调制MΔλ的倍数)，也可实现散斑减少。
[0051] 更具体地，可由系统控制器10控制的激光器驱动电路20可被配置成向激光器30施加波长调制信号。例如，激光器驱动电路20可以是被配置成产生所需波长调制信号的电路系统。 通常，向相区施加高频AC(交流)偏置将导致输出波长的快速连续调制(扫频)，其调制幅度取决于偏置电压(或电流)。 向DBR区施加AC偏置将导致激光器30在与腔模对应的两个或多个分立波长之间迅速切换(已知为模式跳变的现象)，虽然该行为可能取决于具体芯片设计。 如果代替在M个值之间顺序地改变(切换)波长能实现相同或几乎相同的散斑减少，则该波长在包括所有波长λm的范围内以正弦或锯齿方式来回连续扫频(振荡)。
[0052] 根据本发明的激光器30的波长调制可在纳秒级别上非常迅速地执行。对于DBR激光器的示例，可在接近甚至超过1GHz的速率下调制DBR区或相区。 作为示例而非限制，当将本发明纳入具有XVGA图像(1024×768像素)和60Hz帧率的图像投影系统中时，“像素率”为47.2MHz。 因此，通过应用本文中公开的本发明，在对应于单个像素的显示时间的时间段期间，平行子束的相位可改变若干次。 激光投影系统100所产生的像素可形成以帧产生频率产生的帧。波长调制也可大于或等于帧产生频率。作为快速波长调制的结果，本发明可与依赖于对眼睛或传感器的响应时间取平均的用于散斑对比度减少的其他方法组合，但以较慢的速率工作，以获得混合的效果。 例如，用于投影的激光束的偏振状态可周期性地改变，且去偏振屏幕可用作图像投影表面50。
[0053] 当纳入波长调制时，分束和延迟单元110的大小可以非常小，因此例如适合于纳入微型投影仪中。 为了实现大小仅几毫米的分束和延迟单元110，所需的Δλ可以是数百纳米量级。 如果在本申请中使用倍频晶体，则该大小的波长调制正好在倍频晶体的典型光谱接受带宽内，且因此将不会在二次谐波转换效率与激光器30输出功率中引起显著变化。
[0054] 再次参照用于两个子束示例的图4，假定当波长为λ0(m＝0)时梯形棱镜115内部的一个来回行程的光程长刚好等于λ0的整数倍，且可忽略有助于子束A和第二子束B的第一与第二来回行程长度之间的小差别，如上所述。 对于λ0，离开分束和延迟单元110的所有来回行程部分同相，且因此子束A和子束B同相且具有相等功率。 然而，当光信号101的波长改变且等于λ0+Δλ(即当m＝1时为λ1)时，光在每个来回行程上被延迟半波。 因此，有助于子束A的所有第二来回行程部分同相地相加，有助第二子束B的所有第一来回行程部分同样如此。 因此，子束A和子束B具有相等功率，但相互具有π相差。
[0055] 图8示出等价于投影到屏幕50上的一个像素140的区域，该区域小于肉眼分辨元。 本发明的实施例可被配置成产生两个静态束斑142、143的集合，这两个静态束斑142、143被定位于像素140内以形成照射区域144。 在其他实施例中，该组子束以扫描线方向141在该像素上扫描，以产生与扫描线方向141垂直定位的两个束斑142、143(即垂直于扫描线方向141的连接两个束斑142、143的中心的虚线)。 在这种情况下，当子束在像素140上扫描时，第一照射区域144形成，接着包括束斑142′和143′的第二照射区域145产生。 在所示实施例中，照射区域144、145应当是肉眼分辨元的一半或更少。 当两束横越像素140的区域时，将产生四个独立的散斑图案：两个散斑图案位于照射区域144，其中子束首先同相然后具有相差π；以及两个散斑图案位于照射区域145，其中子束首先同相然后具有相差π。
[0056] 如本文所述，因为两个或多个散斑图案之间的变化在比肉眼的响应时间快很多的时间级别上出现，所以对于静态两子束实施例，可实现约 的平均散斑对比度降低。 然而，当在像素140上扫描这些子束以形成两个照射区域(k＝2)时，两个位置和两个正交光学模式等同于总计四个散斑图案。 散斑对比度减少量可表示为 因此，在图8中所示实施例中，对比度将被降低1/2。为获得最大的散斑对比度降低，对于离屏幕的给定距离，平行子束照射的组合面积应当小于肉眼分辨力(诸如肉眼或传感器的分辨力)，从而对肉眼而言这些独立光斑呈现为一个照射斑。
[0057] 为了散斑减少最大，所产生的光学模式必须是正交的。 如此处所定义的正交状态意味着这些模式在照射屏幕上的同一区域时产生统计无关的散斑图案。 如下文所示，正交要求形成光学模式的平行子束之间存在与子束数量相关的特定相差，并确定所需的波长差Δλ和相应的光程长差l。 通过在适合于子束的相的组中循环，可实现 的散斑对比度减少，其中S是子束的总数或子束所产生的光斑总数。 每组相组成不同的正交光学模式。 每个子束数量s(s是从1到S的整数)将在肉眼处产生 的散斑幅值，其中 是模数m的子束数s的相位(m是从0到M-1的整数，其中M是模式的数量)。 当被照射的全部区域在一个像素中时——即在一个投影肉眼分辨区中时，可对来自所有子束S的幅值求和以给出该像素的感知强度：
[0058]
[0059] 展开方程(4)获得下式：
[0060]
[0061] 因为子束相位可迅速地被重新配置，所以大量的不同相位组(每个相位组表示一个光学模式)可在肉眼的存留时间或照相机传感器的积分时间内按顺序排列，且假定所有相位组(模式)持续相同时间长度，平均感知强度可表示如下：
[0062]
[0063] 通过假定相位 可被选择成使(6)中的第二项在理想情况下为零，可简化上述方程。 在该情况下，感知强度被表示为：
[0064]
[0065] 此外，通过假定子束数s所产生的任何光斑的屏幕表面粗糙度函数与任何其他光斑的屏幕粗糙度函数无关联，平均(感知)强度是具有同一平均值的S个独立强度的平均值。因此散斑对比度被降低 注意，方程(7)不要求每个光斑的平均幅值相等。 然而，散斑对比度的完全降低仅在每个光斑的平均幅值相等时适用。
[0066] 如果子束S的总数小于或等于光学模式M的总数，则可通过选择相位使方程(6)中的第二项等于零，以使：
[0067]
[0068] 子束S的总数不能超过模式M的总数，因为这样对于s和s+M， 将相等。在相位的这种选择的情况下，方程(6)中的第二项中的和变成：
[0069]
[0070] 这里“cc”表示复共轭。 聚焦于(9)的和的特定元素：
[0071]
[0072] 方程(10)中的M zm是1的M次根，从而：
[0073]
[0074] 因为方程(11)的右边的展开式中的线性项为零，则这M个根必须与零相加。注意，对于k＜M也如此：
[0075]
[0076] 因此，在对方程(7)中的模数m的相位和子束数s 的指定选择的情况下，散斑对比度可被降低 方程(8)指定了与多个延迟束的产生一致的一组相位。 该束的相位延迟将与波长成比例，从而如果通过在一组波长λm＝λ0+mΔλ中循环来产生这些模式，且子束s之间存在光程长差s×l，则可获得以下相位：
[0077]
[0078] 为了与方程(8)保持一致以使方程(6)的第二项为零，所需的光程长差可通过下式确定：
[0079]
[0080] 因此，通过产生相位被无关地改变以覆盖一组正交光学模式的子束排列，可降低投影系统的散斑对比度。 对于S个子束，在所有光斑的照射强度相等的实施例中，散斑对比度降低可高达 仅一个照射区域产生，且模式m的子束s的相位为虽然在本文中描述了按顺序的相位循环，但通过随机而非确定地改变子束
的相位(即例如，通过对激光器系统施加随机噪声，m被随机改变而不是递增地改变)，可实现相等的散斑降低水平。
的相位(即例如，通过对激光器系统施加随机噪声，m被随机改变而不是递增地改变)，可实现相等的散斑降低水平。
[0081] 作为示例且再次参照图8，产生束斑142和143的两个子束对于第一光学模式同相，且对于第二光学模式具有相差π。 当沿扫描线扫描(移动)这些子束时，相同的这两个模式将被投影到像素中的新的区域，并照射光斑142′和143′。因此，如上所述，当这些束在像素140上扫描时，四个统计无关的散斑图案产生，且可实现约 或1/2的平均散斑对比度降低。
[0082] 同样，如图9中所示，例如，通过使用图5和6的分束和延迟单元110，可产生一组三个平行子束。 该组将在屏幕上的像素区中产生三个束斑146、147和148，从而形成第一照射区150。 当三子束照射第一照射区150时，使激光源在三个正交光学模式(M＝3)中循环。该循环实现 的散斑对比度降低。应用正交条件 产生三个束斑的实施例表现出：第一正交光学模式的子束之间的相差为0π，第二正交光学模式的子束之间的相差为2π/3，以及第三正交光学模式的子束之间的相差为4π/3。
更具体地，作为示例，相应地，产生束斑146(s＝1)、147(s＝2)以及148(s＝3)的子束的相位在第一光学模式(m＝0)被投影的时间期间为 以及 在第二光学模式(m
＝1)被投影的时间期间为 以及 以及在第三光学模式(m＝
2)被投影的时间期间为 以及
更具体地，作为示例，相应地，产生束斑146(s＝1)、147(s＝2)以及148(s＝3)的子束的相位在第一光学模式(m＝0)被投影的时间期间为 以及 在第二光学模式(m
＝1)被投影的时间期间为 以及 以及在第三光学模式(m＝
2)被投影的时间期间为 以及
[0083] 通过扫描相应的子束以形成照射区152和154，这些束斑可沿扫描线方向141横越像素140。通过扫描这些子束以获得 或1/3的总散斑对比度降低，可实现 的附加散斑对比度降低，其中三个模式循环的子束的强度相等。 在假定从左到右扫描的情况下，该循环时间与从像素的左侧扫描至中心、或从中心扫描至右侧的时间相比必须短。扫描方向141可以是任何方向，且并不只是如图示的从左至右。 根据该实施例，单个照射区150、152以及154的大小应当是肉眼分辨力的1/3或更少。 这些光斑可被定位成使它们部分相互交迭。 然而，因为利用子束产生的具有与正交光学模式相对应的相差的散斑图案将不会完全无关，所以交迭会减少散斑对比度降低量。
[0084] 在光栅扫描激光投影应用中，例如，可实现显著的散斑对比度降低量。 通过微反射镜输出以垂直和水平方向扫描的红色、绿色以及蓝色激光束的投影仪被准直以在离投影仪一定距离(例如0.5米)处具有最小射束腰部大小。在较大的距离处，射束腰部大小将增大，但其增大的速率比投影图像的总大小增大的速率慢。 因此，对于定位成离投影仪0.5米到更大距离的屏幕，所投影的图像将看上去完美地准确对焦而无需调整。 因此，分束和延迟单元110所产生的平行子束和波长调制信号将保持原始光学信号101的准直性质，且可保持焦点的几乎无限深度。 当子束按顺序通过正交光学模式时，子束将照射屏幕上的不同区域从而照射不同且统计无关的散斑图案。
[0085] 注意，类似“通常”和“典型”之类的术语在本文中采用时不旨在限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至对要求保护的本发明的结构或功能而言重要。 相反，这些术语仅旨在突出在本发明的具体实施例中可采用或可不采用的替换的或附加的特征。
[0086] 为了描述和限定本发明，注意在本文中采用术语“约”来表示可归因于任何量化比较、值、测量、或其它表示的固有不确定程度。 在本文中还采用术语“基本上”来表示量化表示不同于规定参考值但在此问题上不导致对象的基本功能改变的程度。
[0087] 此外，本文中对本发明的部件按照特定方式“被编程”、“被配置”或“被编程为”以特定方式实现具体性质或功能的陈述是相对于期望用途的陈述的结构陈述。 更具体地，本文对部件“被编程”或“被配置”的方式的引用表示该部件的现有物理状态，因此，它应被理解为部件的结构特性的明确陈述。
[0088] 已详细地并参照其具体实施例描述了本发明，显然在不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下多种修改和变化是可能的。 更具体地，虽然本发明的某些方面在此可被标识为优选的或特别有优势的，但应构想到本发明不一定限于本发明的这些优选方面。
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