專利名稱：一種基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯示系統(tǒng)及顯示方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光顯示領域，特別涉及ー種基于電光偏轉(zhuǎn)抑制散斑的激光顯示系統(tǒng)及顯示方法。
背景技術：
以激光為光源的顯示系統(tǒng)具有色彩分辨率高、色彩飽和度好、色度三角區(qū)域大、高亮度等優(yōu)點，因此能實現(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的發(fā)展方向。但是由于激光的高相干性，激光投影顯示系統(tǒng)易產(chǎn)生散斑效應。散斑的產(chǎn)生包括兩個方面第一方面是產(chǎn)生于投影光路中光學表面散射次波的相干疊加，第二方面是產(chǎn)生于投影屏幕的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利用在人眼積分時間內(nèi)產(chǎn)生的多幅不相關散斑圖樣的平均效應。靜態(tài)的調(diào)制元件對散斑視覺的抑制并不明顯，所以通常采用旋轉(zhuǎn)或者周期性移動這些調(diào)制元件，以產(chǎn)生動態(tài)的散斑，利用散斑效果平均化來降低散斑視覺。但是由于調(diào)制元件的轉(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、需要空間大等缺點，從而導致散斑抑制效果并不是特別理想，而且隨著投影儀微型化的趨勢，傳統(tǒng)的散斑抑制方法越來越不能滿足需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供ー種簡單可控、穩(wěn)定性高、低損耗以及無需機械運動、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯示系統(tǒng)及顯示方法，實現(xiàn)高質(zhì)量的激光顯示。本發(fā)明技術解決方案一種基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯不系統(tǒng)，包括激光器，用于產(chǎn)生激光束；起偏器，對激光器產(chǎn)生的激光束進行起偏，以產(chǎn)生沿e光偏振方向的線偏光,進入電光偏轉(zhuǎn)器；電光偏轉(zhuǎn)器，由電光材料構(gòu)成，在控制電路的交變電場作用下，線偏光通過電光材料的折射率不斷發(fā)生變化，使得出射光束在人眼積分時間內(nèi)產(chǎn)生來回掃描的平均效應；長焦距會聚透鏡，將經(jīng)過電光偏轉(zhuǎn)器的光束會聚到散射板上；散射板，用于散射會聚光束，進ー步降低光場相干性；勻光模塊，對散射會聚后的光束進行收集、整形、準直、均勻，以減少光場能量的損失;線性空間光調(diào)制器，對經(jīng)過勻光模塊后的光束進行空間調(diào)制產(chǎn)生圖像；投影透鏡組件，將產(chǎn)生的圖像投影到屏幕上。所述電光材料是電光晶體或電光聚合物材料。所述電光晶體為鈮酸鋰晶體或鈦酸鋇晶體。、
所述線性空間光調(diào)制器為IXD、DLP或LCoS中的ー種。所述勻光模塊依次由ー塊微透鏡陣列、光通管和會聚透鏡順序構(gòu)成。一種基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯示方法，其特征在于步驟如下(I)對激光光束進行起偏，以產(chǎn)生沿e光偏振方向的線偏光；(2)在控制電路的交變電場作用下，對線偏光進行電光偏轉(zhuǎn)，通過電光材料的折射率不斷發(fā)生變化，使得出射光束在人眼積分時間內(nèi)產(chǎn)生來回掃描的平均效應；(3)對電光偏轉(zhuǎn)后的光束散射會聚,進ー步降低光場相干性； (4)對散射會聚后的光束進行均光，經(jīng)過收集、整形、準直、均勻，以減少光場能量的損失；(5)對經(jīng)過勻光后的光束進行空間調(diào)制產(chǎn)生圖像，再將產(chǎn)生的圖像投影到屏幕上。本發(fā)明的原理由激光器產(chǎn)生激光光束；對激光光束進行起偏，以使光束具有預定的偏振方向；光束照射在電光偏轉(zhuǎn)器上，通過電光效應使得出射光角度不斷發(fā)生變化；再對出射的激光光束進行散射并勻場，進一歩降低光場的相干性并產(chǎn)生強度均勻的光場；利用線性空間光調(diào)制器產(chǎn)生圖像，再通過投影鏡頭將圖像投影在屏幕上。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明避免了采用結(jié)構(gòu)復雜且可控性差的散斑消除裝置，無需采用機械運動，可以消除散斑從而克服現(xiàn)有技術的不足，且簡單可控、穩(wěn)定性高、低損耗(損耗可以低至只有10%，一般的散射結(jié)構(gòu)是達不到這個數(shù)值的)，實現(xiàn)了高質(zhì)量的激光顯示，而且特別適用于微型系統(tǒng)中。( 2 )本發(fā)明使用電光效應進行散斑抑制，結(jié)構(gòu)上來說就是加入了電光偏轉(zhuǎn)器，通過電光效應達到通常情況下使用機械轉(zhuǎn)輪(或者其他機械振動的結(jié)構(gòu))達到的效果，其好處就在于采用電光效應來抑制散斑，避免了機械振動，避免了散射帶來的光損。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的具體實施實例的激光投影顯示系統(tǒng)的示意圖；圖2a示意性的給出了激光投影顯示中勻場準直器件與線性空間光調(diào)制器的示意圖；圖2b示意性的給出了 LCoS作為線性空間光調(diào)制器與勻場準直器件的示意圖；圖3是使用鈮酸鋰晶體作為電光偏轉(zhuǎn)器的實例圖，其中a主要示意鈮酸鋰晶體的切割方向和交變電場的方向(X，Y，Z是晶體主軸)，b是這種電光偏轉(zhuǎn)器的俯視圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的具體實施方式
。如圖I所示，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的激光投影顯示系統(tǒng)，包括激光器11，用于產(chǎn)生激光光束，作為照明光源；起偏器12，用于產(chǎn)生偏振沿晶體Z軸方向的線偏光(在圖I中光束經(jīng)過起偏器12后偏振是垂直于紙面)；電光偏轉(zhuǎn)器13,用于偏轉(zhuǎn)光束,通過電光效應使得光束出射角不斷變化，在本實例中，將給出一種以鈮酸鋰晶體作為電光偏轉(zhuǎn)器的例子；長焦距會聚透鏡14，用于將光束會聚到散射板15上，長焦距會聚透鏡14的作用在于增強光束來回掃描的幅度；散射板15，用于散射會聚光束，進ー步降低光場相干性；勻光模塊16，由ー塊微透鏡陣列、光通管和會聚透鏡共同構(gòu)成，用于收集發(fā)散的光場，并整形勻光；線性空間光調(diào)制器17，用于產(chǎn)生圖像；投影透鏡組件18，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)出不同顔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、半導體激光器、氣體激光器中的ー種。由于本發(fā)明實例中使用的電光偏轉(zhuǎn)器材料是鈮酸鋰晶體，所以在激光器11后插入一塊起偏器12。光束進入起偏器12，偏振方向沿鈮酸鋰晶體的Z軸方向(Z軸具體方向參照圖3所示)，由于激光光束本身就是線偏光，所以在通過起偏器12后仍然保持線偏。線偏振的激光光束入射到電光偏轉(zhuǎn)器13,本實例中的電光偏轉(zhuǎn)器13由一塊銀酸鋰楔形棱鏡和交變電場控制電路構(gòu)成，具體如圖3a、b所示，交變電場沿晶體光軸的Z軸，由于入射光偏振也是Z方向,在電光效應下，nz將會隨交變電場發(fā)生變化,具體形式為其中112是偏振沿Z方向的光場的折射率，116是材料的非尋常光折射率，Y33是材料的電光系數(shù)，ne與Y33與材料類型有關，一旦確定所使用的電光材料，ne與Y33就是常數(shù)，Ez是所加的交變電場。交變電場的控制電路如圖3b所示，電極貼在電光材料的兩側(cè)，所加的交變電信號頻率是200Hz，這樣可以在人眼積分時間內(nèi)產(chǎn)生多次平均的效果。入射光如圖3a所示的方式的進入電光材料，本實例中所用的電光材料是鈮酸鋰晶體，入射光由于起偏器12的作用偏振方向沿著晶體的Z軸方向。光在晶體中傳播吋，由于nz的周期變化，導致出射角發(fā)生周期變化，類似于產(chǎn)生ー個不斷做微小振動的光源，如果振動頻率足夠高，就會在人眼積分時間內(nèi)產(chǎn)生平均效應。為了改善光斑質(zhì)量，本發(fā)明實施例使用ー塊長焦距會聚透鏡14，光束經(jīng)過長焦距會聚透鏡14之后將被會聚，可以大大改善光斑質(zhì)量，長焦距會聚透鏡14的作用在于盡量增強光束偏轉(zhuǎn)掃描的振幅。光束繼續(xù)入射進入散射板15，散射板15會把會聚的激光光束散射，光場的相關性進ー步得到抑制，同時大大増加光束的尺寸，起到擴束的作用。散射光進入勻光模塊16，由微透鏡陣列、光通管和會聚透鏡構(gòu)成，可以收集發(fā)散的散射光，同時勻光，出射光場為平行光，同時光場強度分布為較理想的平頂型分布。如本領域的技術人員所熟知的，勻光模塊16中的微透鏡陣列還可以是復眼透鏡、陣列反射鏡、光纖或者隨機位相板等。線性空間光調(diào)制器17，投影透鏡組件18用于產(chǎn)生圖像，并將圖像投影到顯示屏幕上。圖2a給出了本實施例的激光投影顯示系統(tǒng)中線性空間調(diào)制器的ー種示意圖，即包括起偏器21和空間光調(diào)制器22，其中起偏器21的作用是產(chǎn)生特定方向的線偏振光，空間光調(diào)制器22可以為IXD，DLP, LCOS中的ー種，其作用是對光場強度進行調(diào)制，產(chǎn)生所需要的圖像。圖2b所示的空間光調(diào)制器22為LCoS。其中是PBS半透半反鏡23起到篩選偏振光場的作用。盡管已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明及其優(yōu)點，但應當理解，在不背離由所附的權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種變化、替換及改造。此外，不意味著本申請的范圍限定于說明書中描述的エ藝、設備、制造、以及物質(zhì)組成、手段、方法和步驟的特、定實施例。本領域技術人員從本發(fā)明的公開內(nèi)容將很容易意識到那些現(xiàn)在存在或以后發(fā)現(xiàn)的エ藝設備、制造、以及物質(zhì)組成、手段、方法和步驟，其與這里描述的根據(jù)本發(fā)明相應實例所使用的完成基本上相同的功能或達到基本上相同的結(jié)果。因此，期望所附的權利要求將這樣的エ藝、設備、制造、以及物質(zhì)組成、手段、方法和步驟包括在它們的范圍內(nèi)。此外，每個權利要求構(gòu)成ー個單獨的實施例，并且不同的權利要求和實施例的組合也落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。權利要求
1.一種基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯不系統(tǒng)，其特征在于包括 激光器，用于產(chǎn)生激光束； 起偏器，對激光器產(chǎn)生的激光束進行起偏，以產(chǎn)生沿e光偏振方向的線偏光,進入電光偏轉(zhuǎn)器； 電光偏轉(zhuǎn)器，由電光材料制成，在控制電路的交變電場作用下，線偏光通過電光材料的折射率不斷發(fā)生變化，使得線偏光的出射角不斷發(fā)生變化，產(chǎn)生不斷做微小振動的光源，光場中的光束在人眼積分時間內(nèi)產(chǎn)生來回掃描的平均效應； 長焦距會聚透鏡，將經(jīng)過電光偏轉(zhuǎn)器的光束會聚到散射板上； 散射板，用于散射會聚光束，進ー步降低光場相干性； 勻光模塊，對散射會聚后的光束進行收集、整形、準直、均勻，以減少光場能量的損失； 線性空間光調(diào)制器，對經(jīng)過勻光模塊后的光束進行空間調(diào)制產(chǎn)生圖像； 投影透鏡組件，將產(chǎn)生的圖像投影到屏幕上。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯不系統(tǒng)，其特征在于所述電光材料是電光晶體或電光聚合物材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯不系統(tǒng),其特征在于所述電光晶體為鈮酸鋰晶體或鈦酸鋇晶體。
4.根據(jù)權利要求I所述的基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯不系統(tǒng)，其特征在于所述線性空間光調(diào)制器為IXD、DLP或LCoS中的ー種。
5.根據(jù)權利要求I所述的基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯不系統(tǒng)，其特征在于所述勻光模塊依次由ー塊微透鏡陣列、光通管和會聚透鏡順序構(gòu)成。
6.一種基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯不方法，其特征在于步驟如下 (1)對激光光束進行起偏，以產(chǎn)生沿e光偏振方向的線偏光； (2)在控制電路的交變電場作用下，對線偏光進行電光偏轉(zhuǎn)，通過電光材料的折射率不斷發(fā)生變化，使得出射光束在人眼積分時間內(nèi)產(chǎn)生來回掃描的平均效應； (3)對電光偏轉(zhuǎn)后的光束散射會聚,進ー步降低光場相干性； (4)對散射會聚后的光束進行均光，經(jīng)過收集、整形、準直、均勻，以減少光場能量的損失; (5)對經(jīng)過勻光后的光束進行空間調(diào)制產(chǎn)生圖像，再將產(chǎn)生的圖像投影到屏幕上。
全文摘要
一種基于電光偏轉(zhuǎn)散斑抑制的激光顯示系統(tǒng)及顯示方法，包括激光器，用于產(chǎn)生激光；起偏器，用于產(chǎn)生特定偏振方向的線偏光；電光偏轉(zhuǎn)器，利用電光調(diào)制偏轉(zhuǎn)光束；長焦距會聚透鏡，用于將光束會聚；散射板，用于散射會聚光束，進一步降低光場相干性；勻光模塊，由一塊微透鏡陣列、光通管和會聚透鏡共同構(gòu)成，用于收集發(fā)散的光場，并整形勻光；線性空間光調(diào)制器，用于產(chǎn)生圖像；投影透鏡組件，用于將圖像投影到屏幕上。本發(fā)明簡單可控、穩(wěn)定性高、低損耗以及無需機械運動、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實現(xiàn)了高質(zhì)量的激光顯示。
文檔編號G02B27/48GK102662294SQ20121015079
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月15日 優(yōu)先權日2012年5月15日
發(fā)明者崔哲, 明海, 楊福桂, 王安廷, 董磊 申請人:中國科學技術大學