专利名称：斑纹减少装置和斑纹减少掩模的制作方法
技术领域：
本发明涉及斑纹的减少，特别是用于激光照射，如激光显示系统。
背景技术：
斑纹由从屏幕出现的光干涉引起。如图1中所示，斑纹的存在导致颗粒状图案并且会遮蔽图像形成。此颗粒状图案的来源是在入射(例如光学)波长的尺度上非常粗糙的屏幕表面。 在相干辐射(如激光)的照射下，从这种表面反射的波包括来自许多独立散射区域的成分。 此反射光向远方观测点的传播导致具有相对延迟(可以从数个波长变化至许多波长)的这些各种散射分量的增加。这些相位移后但是相干的小波的干涉导致已知为斑纹(speckle) 的颗粒状图案。具体地，相涨干涉小波导致亮斑；相消干涉小波导致暗斑；部分相涨干涉和部分相消干涉小波导致中间或灰斑。为了改进激光显示系统或者会遇到斑纹的任何其它系统中的图像质量，有必要减少斑纹效果。可以通过对比度(CR)来测量或计算斑纹的量CR= 0/1，其中，I是平均强度，ο是均方根强度波动。可以通过在观看图像的检测器(如人眼)的累积时间 (integration time)内产生若干独立斑纹图案并且使它们达到平均来减少斑纹。可以通过在累积时间内叠加N个独立斑纹图案使斑纹对比度减少至1/#。可以通过使用振动筛来实现斑纹减少。然而，此技术由于需要高功率致动器而不会很实用。也可以例如通过使用诸如激光器阵列或宽带激光器的多个源，在照射源处减少斑纹。然而，特殊设计的激光器阵列会相应地增大成本。US2004/0008399描述了通过使用哈德马(Hadamard)矩阵(HM)相位掩模作为漫射器(位于中间成像平面上)产生N个独立斑纹图案来抑制斑纹的方法。在熔融石英板上蚀刻大HM相位掩模，并且随后使其机械地移动，以在激光束穿过时在屏幕处产生不同斑纹图案。然而，此途径中需要的机械部件限制了技术并且是不实用的，特别是当引入高阶HM以实现更高程度的斑纹减少时。使用机械振动，需要工作频率高、振动距离更大的致动器。因此，需要克服这些问题的斑纹减少技术。
发明内容
根据第一方面，提供了一种斑纹减少装置，其包括辐射路径；以及布置在辐射路径内的掩模，掩模包括被配置成在掩模上形成随时间变化的图案的电可控单元的阵列。每个单元的电控制消除使得不需要通常以与检测器的累积时间相同或比之更快的速率机械地移动掩模，而是改变图案。换言之，掩模可以关于使用的辐射路径保持固定或静止。辐射可以是任何波长的光，包括例如无线电波、微波和紫外线波。具体地，斑纹可以从激光器或其它相干源出现。辐射还可以是声波并且例如是超声成像中使用的超声辐射。优选地，图案可以是相位图案和强度图案中的一个。由于斑纹是相位效应引起的， 所以掩模上的相位图案会是特别有利的。
优选地，掩模可以被布置成关于辐射路径固定。这进一步减少移动部件的需要。可选地，单元的阵列可以包括数目与列数目不同的行。换言之，掩模可以包括任何任意数目的单元并且可以为非正方形。这具有特别的益处，该更灵活的掩模可以利用单元状态的有限步改变来实现更高的理论斑纹抑制(可以由检测器的成像透镜和投影透镜的数值孔径确定)。有利地，该装置还可以包括能够在控制器与掩模中的每个单元之间连接的电极。 可以进行其它类型的电连接。优选地，斑纹减少装置还可以包括将电极连接到控制器的控制总线。可选地，斑纹减少装置还可以包括两个或更多个掩模。例如，可以使用两个、四个、六个、八个或更多个掩模。多个掩模可以形成复合单掩模或者在辐射或光路径中被串联地放置，即，彼此叠加或覆盖(部分地或完全地)。具有两个或更多个掩模可以减少单元的电控制以及电极的需求和数目。这多个掩模可以具有线性阵列或其它图案类型。可选地，掩模可以由第一线性阵列和第二线性阵列形成。这进一步减少电控制以及电极的需求。还可以使用其它线性阵列，包括三个至八个或更多个，并且优选地是四个、 六个或八个阵列。线性阵列可以由紧密压紧的线，或者具体地，之间没有间隙的相同尺寸的相邻线形成。优选地，第一阵列可以包括第一平行线，第二阵列可以包括布置成与第一平行线成非零角的第二平行线。因此，第一平行线将会与第二平行线交叉或相交(在辐射路径中)。非零角可以在从0至90°的任何地方(例如，三个掩模在60°处或四个掩模在45° 处，或者例如任何其它角度或掩模数目)，以形成不同形状的掩模，但是优选地是在90° 处，以形成正方形或矩形掩模。优选地，每个平行线可以被布置成有选择地改变入射辐射的相位。因此，入射辐射遇到的最终相位改变将是每个相位板处相位改变的和。优选地，可以在第一平行线与第二平行线之间的相交处形成电可控单元。优选地，可以将第二平行线布置成基本上与第一平行线垂直。可选地，第二线性阵列可以与第一线性阵列相接触并且叠加在第一线性阵列上。 然而，可以使两个(或更多个)线性阵列分开。替选地，可以存在使线性阵列分开的一个或更多个额外光学元件。优选地，斑纹减少装置还可以包括将第一平行线的每个线连接到控制器的第一控制总线以及将第二平行线的每个线连接到控制器的第二控制总线。替选地，单个控制器可以用于所有线或带。优选地，穿过掩模每个单元的辐射的总体相位改变是0或π弧度。在掩模由两个 (或更多个)分立掩模形成的情况下，在相交或单元处，相位改变将是两个(或更多个)单独相位改变的和。例如，在各自具有η弧度的相位改变的两个线的相交处，所得相位改变将是(最终结果还是0)，或者透射辐射将会与入射辐射在相位上相背。在另一示例中， 水平线可以具有η相位改变，但是与水平线相交的竖直线可以具有0相位改变。在此情形中，最终相位改变将会是η。可选地，掩模可以是透射掩模或反射掩模。优选地，电可控单元的阵列的单元具有两个状态。例如，以0和π弧度相位改变
5来透射或反射。优选地，随时间变化的掩模上的图案包括哈德马矩阵或正交阵列。由于它们比其它图案(特别是随机图案)每(检测器或眼睛的)累积时间需要更少的改变，所以这些是特别有效和有效率的图案。可选地，掩模可以由选自下组的材料形成，该组由陶瓷、顺电材料、石英和玻璃构成。其它材料也可以是合适的。优选地，斑纹减少装置还可以包括布置在辐射路径内的扩束器。优选地，掩模可以基本上位于光学或辐射路径内的中间成像平面或焦点处。具体地，此焦点例如可以在显示系统的投影透镜内。根据第二方面，提供了一种斑纹减少掩模，其包括第一线性阵列，其包括被布置成改变入射辐射的相位的第一平行线；以及第二线性阵列，其包括被布置成改变入射辐射的相位并且还被布置成使得在第一平行线和第二平行线的相交处形成单元的第二平行线。 例如，第一平行线可以与第二平行线成非零角。优选地，每个平行线的相位改变可以是独立且电可控的。优选地，第一平行线可以与第二平行线成90°的角。然而，可以使用其它角度。优选地，穿过掩模每个单元的辐射的总体相位改变可以是0或π弧度中的一个。可选地，单元可被布置成形成从正交阵列生成的相位图案。哈德马矩阵可以是正交阵列的一个特定形式。可选地，第二线性阵列可以与第一线性阵列相接触并且叠加在第一线性阵列上。优选地，斑纹减少掩模还可以包括到每个平行线的电连接。平行线或带的使用相比于具有许多单个单元的二维掩模的需要而言减少了电连接的总需要。根据第三方面，提供了一种斑纹减少掩模，其包括根据如下公式形成的N1XN2单元阵列AAtA = β 5k l,其中，At是A的转置，β是正实常数，S ^是克罗内克符号(Kronecker delta),
N1 Φ N20优选地，能够在两个状态之间控制阵列中的每个单元。优选地，两个状态中的每个状态是入射辐射的相位改变。可选地，单元的阵列可以由两个或更多个线性阵列形成。优选地，斑纹减少掩模可以被布置成形成单元的时间变化图案。例如，这些单元可以在每个线性阵列的线的相交处出现。根据第四方面，提供了具有如上所述掩模的斑纹减少装置。根据第五方面，提供了包括上述斑纹减少装置的激光显示器、激光打印机、激光光刻装置、微波雷达装置或超声成像仪。根据第六方面，提供了设计如上所述斑纹减少装置的方法。其它益处包括改进的尺寸灵活性。可以通过机械地移动或者电驱动掩模中的任何掩模来产生不同斑纹图案。为了电控制掩模的实时改变，可以用提供类似功能的两个(或更多个)一维相位掩模替换二维相位掩模。使用此方法，可以显著减少驱动掩模中的每个单元需要的电极的数目。
在一个示例中，激光显示系统使用数字微镜器件(DMD)作为显示芯片，可以使用正交阵列相位掩模作为斑纹减少漫射器。在这种系统中也可应用其它类型的显示芯片，如硅基液晶(LCoS)、空间光学调制器(SOM)、以及光栅光阀(GLV)。可以以硬件或软件或二者的组合实施掩模内单元的状态的电控制。例如，可以在诸如半导体处理器的合适操作环境中执行软件。虽然已描述了单独的方面，但每个方面的所有特征可自由互换。
参照附图，从作为非限制性示例提供的以下描述优选实施例将会清楚本发明的这些和其它特性，在附图中图1示出了斑纹图案的照片；图2示出了包括斑纹减少掩模的、激光投影器内使用的示例光学几何结构的示意图；图3a示出了图2的斑纹减少掩模的示意图；图北示出了图3a的斑纹减少掩模的一部分的数学表示；图3c示出了第一时间段期间图3a的斑纹减少掩模的一个单元的示意图；图3d示出了第二时间段期间图3a的斑纹减少掩模的一个单元的示意图；图3e示出了第三时间段期间图3a的斑纹减少掩模的一个单元的示意图；图3f示出了第四时间段期间图3a的斑纹减少掩模的一个单元的示意图；图4示出了用来生成图3a的斑纹减少掩模的克罗内克(Kronecker)代数的图形图示；图5示出了用于生成图2的斑纹减少掩模的方法的流程图；图6示出了两个一维正交阵列形式的图3a的斑纹减少掩模的示意图；图7示出了用来控制图2的斑纹减少掩模的、简化形式的电路的示意图；图8a示出了指示图7的电路内电信号的流动的示意图；图8b示出了状态随图8a的电信号的时间而改变的图形表示；图8c示出了当通过图8b的电信号控制时投影到图2的屏幕上的斑纹图像的数值表不；图9a示出了指示图7的电路内电信号的其它流动的示意图；图9b示出了状态随图9a的电信号的时间而改变的图形表示；图9c示出了当通过图9b的电信号控制时投影到图2的屏幕上的斑纹图像的数值表不；图10示出了四个一维正交阵列形式的图2的斑纹减少掩模的示意图；图11示出了指示用来控制图10的四个一维正交阵列的电路内电信号的流动的示意图；图12a示出了指示图11的电信号的示例电配置的示意图；图12b示出了状态随图12a的电信号的时间而改变的图形表示；图13a示出了指示图11的电信号的其它示例电配置的示意图；以及图13b示出了状态随图13a的电信号的时间而改变的图形表示。
具体实施例方式图1示出了从粗糙表面散射开的辐射相干源(如来自激光器的光)生成的斑纹图案。暗区对应于相消干涉，亮斑对应于相涨干涉效应。图2示出了包括投影透镜5、6(作为扩束器)的中间成像平面处的相位漫射器7 的显示系统1。图2中示出的显示系统1可以包括激光源2、作为光调制器的数字微镜器件 (DMD) 3、屏幕9和检测器11。相位漫射器或斑纹减少掩模7可以是被配置成具有参数N” N2, s和t的正交阵列(OA)的二值相位掩模的形式，其中，N1表示次数(rims)，N2表示因素数(factors)，s表示级数(levels)，t表示强度。当在DMD芯片3处扩展并且照射单色激光时，可以在相位漫射器或斑纹减少掩模7上形成全帧单色图像。对于DMD芯片3中的每个像素4，在相位掩模7中存在相应的NhXNv子单元8，其中，NhXNv = N2。当激光束2穿过相位掩模7时，子单元8中每个元素的相位改变可以是0或者π弧度。DMD像素4随后可以投影到具有相应屏幕像素10的屏幕9上并且由光强度检测器11检测。通过机械地振动相位掩模7并保持系统的其它部分稳定和静止，可以在不同时间在屏幕9上产生不同斑纹图案。改变斑纹图案花费的时间被配置成短于或等于检测器(例如观看者的眼睛)的累积时间。例如，在累积时间期间，可以产生或改变N1个斑纹图案。检测器的分辨点(resolution spot)可以是像素10，像素10内元素的数目是队。因此可以通过将这N1个斑纹图案相加在一起来将检测器11中检测的斑纹抑制1/N/2。在 Speckl e Phenomena in Optics :Theory and Applications， Joseph W. Goodman，第6章，第222页，公式(6_66)中，讨论了具有某些正交特性的相位掩模的设计。具体地，此书考虑了一套M个漫射器结构的照射条件以使得
MYjPkim^r =βδκι,,、
m=l( 2 )其中，β是正实常数，Skl是克罗内克符号。相比于随机漫射器，使用OA生成相位掩模7减少了所需的图案改变的数目。替选地，通过使用可以电控制的无运动相位掩模，可以避免相位掩模7的机械振动。换言之，可以通过控制每个单元来改变相位掩模上的图案。然而，由于控制每个元件或单元需要大量的电极(对应于斑纹减少掩模7中要控制的单元的数目)，会难以实施这种布置。为了克服此困难，二维相位掩模7可以被实施为两个一维相位掩模观、29，如图7 中所示。这些可以被称为正交阵列(OA)的克罗内克代数。一维相位掩模观、四可以叠加、 相接触或分开，但是可以被布置成使得激光束穿过两个掩模观、29。一维相位掩模观、四可以被形成为以平行线或带作为穿过它们的列或行。第一掩模的平行线可以与第二掩模的平行线垂直。不是需要单独电极来控制二维掩模中的每个单元，而是仅两个一维相位掩模观、 四中的每个线需要电极。因此，可以减少电极的数目。作为正交阵列的特殊情形，可以通过使用两个一维板来形成借助西尔威斯特 (Sylvester)方法构建的哈德马矩阵。此外，通过使用多于两个的一维相位掩模，可以进一步减少所需电极的数目。从OA获得的相位掩模的应用和构建
一个二维相位掩模的机械振动当设计用于斑纹减少的二值正交漫射器时，OA的正交特性特别有用，即，对于 N1XN2 OA :A具有两个级(-1和1或者π和0相位改变)，所有列均正交，于是可以获得以下关系AtA = β 5k l, (3)其中，β是正实常数，Skl是克罗内克符号。这种特性将使得在二值漫射器之后投影的斑纹图案满足以下关系
权利要求
1.一种斑纹减少装置，包括 辐射路径；以及布置在所述辐射路径内的掩模，所述掩模包括被配置成在所述掩模上形成随时间变化的图案的电可控单元的阵列。
2.如权利要求1所述的斑纹减少装置，其中，所述图案是相位图案和强度图案中的一个。
3.如权利要求1或权利要求2所述的斑纹减少装置，其中，所述掩模被布置成关于所述辐射路径固定。
4.如任一项在前权利要求所述的斑纹减少装置，其中，所述单元的阵列包括数目与列数目不同的行。
5.如任一项在前权利要求所述的斑纹减少装置，还包括能够在控制器与所述掩模中的每个单元之间连接的电极。
6.如权利要求5所述的斑纹减少装置，还包括将所述电极连接到所述控制器的控制总线。
7.如任一项在前权利要求所述的斑纹减少装置，还包括两个或更多个掩模。
8.如任一项在前权利要求所述的斑纹减少装置，其中，所述掩模由第一线性阵列和第二线性阵列形成。
9.如权利要求8所述的斑纹减少装置，其中，所述第一阵列包括第一平行线，所述第二阵列包括被布置成与所述第一平行线成非零角的第二平行线。
10.如权利要求9所述的斑纹减少装置，其中，每个平行线被布置成有选择地改变入射辐射的相位。
11.如权利要求10所述的斑纹减少装置，其中，在所述第一平行线与所述第二平行线之间的相交处形成所述电可控单元。
12.如权利要求9-11中任一项所述的斑纹减少装置，其中，所述第二平行线被布置成基本上与所述第一平行线垂直。
13.如权利要求9-12中任一项所述的斑纹减少装置，其中，所述第二线性阵列与所述第一线性阵列相接触并且叠加在所述第一线性阵列上。
14.如权利要求9-13中任一项所述的斑纹减少装置，还包括将所述第一平行线的每个线连接到控制器的第一控制总线、以及将所述第二平行线的每个线连接到所述控制器的第二控制总线。
15.如权利要求11-14中任一项所述的斑纹减少装置，其中，穿过所述掩模的每个单元的辐射的总体相位改变是0或π弧度。
16.如任一项在前权利要求所述的斑纹减少装置，其中，所述掩模是透射掩模或反射掩模。
17.如任一项在前权利要求所述的斑纹减少装置，其中，所述电可控单元的阵列的单元具有两个状态。
18.如任一项在前权利要求所述的斑纹减少装置，其中，随时间变化的所述掩模上的所述图案包括哈德马矩阵或正交阵列。
19.如任一项在前权利要求所述的斑纹减少装置，其中，所述掩模由选自下组的材料形成，所述组由陶瓷、顺电材料、石英和玻璃构成。
20.如任一项在前权利要求所述的斑纹减少装置，还包括布置在所述辐射路径内的扩束器。
21.如任一项在前权利要求所述的斑纹减少装置，其中，所述掩模基本上位于所述辐射路径内的中间成像平面处。
22.—种斑纹减少掩模，包括第一线性阵列，其包括被布置成改变入射辐射的相位的第一平行线；以及包括第二平行线的第二线性阵列，所述第二平行线被布置成改变入射辐射的相位并且还被布置成使得在所述第一平行线和所述第二平行线的相交处形成单元。
23.如权利要求22所述的斑纹减少掩模，其中，每个平行线的所述相位改变是独立且电可控的。
24.如权利要求22或权利要求23所述的斑纹减少掩模，其中，所述第一平行线与所述第二平行线成90°的角。
25.如权利要求22-24中任一项所述的斑纹减少掩模，其中，穿过所述掩模的每个单元的辐射的总体相位改变是0或π弧度。
26.如权利要求25所述的斑纹减少掩模，其中，所述单元能够被布置成形成从正交阵列生成的相位图案。
27.如权利要求22-26中任一项所述的斑纹减少掩模，其中，所述第二线性阵列与所述第一线性阵列相接触并且叠加在所述第一线性阵列上。
28.如权利要求22-27中任一项所述的斑纹减少掩模，还包括到每个平行线的电连接。
29.—种斑纹减少掩模，包括根据如下公式形成的N1XN2单元阵列A AtA = β δ u，其中，At是A的转置，β是正实常数，δ u是克罗内克符号，N1^Ny
30.如权利要求四所述的斑纹减少掩模，其中，能够在两个状态之间控制所述阵列中的每个单元。
31.如权利要求四所述的斑纹减少掩模，其中，所述两个状态中的每个状态是入射辐射的相位改变。
32.如权利要求四-31中任一项所述的斑纹减少掩模，其中，所述单元的阵列由两个或更多个线性阵列形成。
33.如权利要求22-32中任一项所述的斑纹减少掩模，被布置成形成单元的时间变化图案。
34.如权利要求1-21中任一项所述的斑纹减少装置，其中，所述掩模是如权利要求 22-33中任一项所述的斑纹减少掩模。
35.一种激光显示器、激光打印机、激光光刻装置、微波雷达装置或超声成像仪，包括如权利要求1-21或34中任一项所述的斑纹减少装置。
全文摘要
公开了一种斑纹减少装置和斑纹减少掩模。斑纹减少装置(1)包括辐射路径；以及布置在辐射路径内的掩模(7)，掩模(7)包括被配置成在掩模上形成随时间变化的图案的电可控单元的阵列。斑纹减少掩模(7)包括第一线性阵列，其包括被布置成改变入射辐射的相位的第一平行线；以及包括第二平行线的第二线性阵列，第二平行线被布置成改变入射辐射的相位并且还被布置成使得在第一平行线和第二平行线的相交处形成单元。斑纹减少掩模(7)包括根据公式ATA＝βδk，l形成的N1×N2单元阵列A，其中，AT是A的转置，β是正实常数，δk，l是克罗内克符号，N1≠N2。
文档编号G02B27/48GK102193208SQ20111005485
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月7日 优先权日2010年3月8日
发明者仝召民, 欧阳光敏, 王开鹰, 穆罕默德·纳迪姆·阿克拉姆, 陈旭远, 高文宏 申请人:西福尔德高等学院