[发明专利]通过对激光投影显示器的角度扫描减小斑点

说明书

技术领域

本发明涉及激光斑点可见度的减小。更加具体地说，本发明涉及提供用于通过调节图像投影到屏幕的角度但又不使图像模糊来减小激光斑点可见度的系统、设备、和方法。

背景技术

在实现激光投影显示器当中，最富挑战性的问题之一就是减小由所谓斑点引起的图像分辨率。如果或多或少的相干光受到一个粗糙表面的散射，就会产生斑点(见图1)。在各个光线之间这个表面引起了路程差，从而导致一个印记(imprinted)相位差。如果这些光线重新组合，这个印记相位差将要导致干涉(光线的干涉是建设性还是破坏性的，只取决于该相位差)。如果一个观察者正在观看由激光照射的屏幕，经过散射的激光将要在视网膜上产生干涉图形，干涉图形取决于屏幕的表面结构和人眼的光学参数，例如虹膜的直径、以及眼透镜的状态(焦距以及眼透镜和视网膜之间的距离)。观察者会注意到亮区和暗区，如果眼的空间位置发生变化，亮区和暗区就会改变。如果观察者的头分别发生向前或向后的移动，光点将会变得越来越小或越来越大。眼的慢速横向移动可导致斑点图形的极其快速的移动。这种斑点效应使得激光投影图像产生不受干扰的视觉成为不可能的事情。

减小斑点外观的方法在一般情况下有两种。

第一种方法是减小激光束的空间或时间的相干性，这种相干性是由所谓的相干长度确定的。相干长度定义为一个路径长度，在此路径长度之后，两束单独的光线失去了它们的明显不同的相位关系，并且不能再发生任何干涉现象。如果减小激光束的相干长度，使其小于屏幕结构的表面粗糙程度，那么，光线就不会在观察者的视网膜上发生干涉现象。这种效应会使激光图像完全消去斑点。因为激光源使用的是受激发射来产生光，所以激光具有极长的相干长度。比较一下：太阳光具有约为1微米的相干长度，激光二极管的发射范围是500微米到1毫米，而高度稳定的气体激光器具有几百米的相干长度。因此，将激光辐射的相干性减小到不发生干涉的程度是困难的。通过几种方法可以充分减小空间或时间的相干性。例如，可以使用移动的扩散体来产生随机的相位差，使用大量的光纤来产生路径差或模式扰动，模式扰动在极多模式的光学波导中发生。

减小斑点的第二种方法是使用眼睛的自然积累时间。人眼在一个图像上要积累约50毫秒。如果以高于20赫兹的频率改变斑点图形，眼睛可能会积累略显不同的斑点图形，这会减小斑点的反差。达到这个目的一种简单的方法是振动所述的屏幕。

对于一个(移动的)激光投影显示器，斑点减小机构应该是重量轻、小型、和廉价。进而，它应该包含很少的机械部分，具有低的功耗，并且消去投影图像的斑点以便不被观察者感觉到。可以很容易地认识到，减小激光束的相干性的大多数机构并不满足这些实际的边界条件。使用移动的漫射体的斑点减小设备例如包括许多光学部件并且使用复杂的移动机械元件。这样就产生了大型的、笨重的、昂贵的、和不可靠的设备。另一方面，使用一束具有不同光纤长度的光纤会导致相当庞大的设备、较低水平的斑点减小效果、高阻尼引起的光损耗、和插入损耗。

在考虑振动屏幕时，为了利用人眼的积累效果，需要用于大屏幕的复杂机械设备，进而，移动的投影系统不可能满足专用屏幕的需要。

发明内容

本发明提供用于通过调节图像投影到屏幕的角度但又不使图像模糊来减小激光斑点可见度的系统、设备、和方法。

包括一个准直的激光束的设备的第一优选实施例包括：激光发射源，通过振荡反射镜扫描所述的激光发射源；将反射镜表面成像到图像平面的透镜，在图像平面上图像是静止的；放在图像平面中以便具有与波导的良好耦合的多模式波导的入口小面；来自波导的均匀光输出，通过二维的光调制板和投影透镜使光调制平面成像到一个屏幕上。

如图3所示，将激光束成像到光纤入口小面上，代表到波导的直接耦合，在全内反射的临界角下的耦合301和303，按正弦方式扫描301-303，从而，由于在波导内的多次反射和各个模式的不同过渡转换速度(transition velocity)，光束路径发生折叠，于是这个设备作为正常的均衡器在工作，其中的激光束的各个光线扫描波导的端面。

在第一实施例中，设备包括一个反射镜，反射镜的扫描入射角具有振荡频率，使得来自一个目标点的每个光线都在一个图像点上成像，其中当扫描入射角(在光线和透镜203之间)发生变化的时候，透镜203的折射率也发生了变化(随着到透镜轴的距离的变化而变化)，结果产生了一个稳定的图像平面。