激光投影显示系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光投影显示系统和方法，属于激光领域。该系统包括：激光光源、光调制元件、第一定向散射元件、光阀、投影镜头和显示屏幕，该光调制元件、该第一定向散射元件、该光阀、该投影镜头和该显示屏幕依次设置在该激光光源的光路上；该激光光源，用于产生激光组束；该光调制元件，用于将该激光组束分成多个独立的子光束；该第一定向散射元件，用于对该多个独立的子光束进行散射；该光阀，用于对散射后的子光束进行调制，得到包含图像信息的子光束；该投影镜头，用于将该包含图像信息的子光束投射至该显示屏幕；该显示屏幕，用于显示该图像信息。本发明复合使用多种散斑抑制技术，可使抑制散斑的效果更加明显，能够有效改善投影图像质量。
【专利说明】激光投影显示系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光领域，特别涉及一种激光投影显示系统和方法。
【背景技术】
[0002]激光显示技术和传统的显示技术相比，在色彩还原能力上有着卓越的表现，解决了显示【技术领域】长期以来悬而未决的大色域色彩再现的难题。激光显示技术能够最完美地再现自然色彩，在投影显示领域有无与伦比的技术优越性，然而同时也带来了令人烦恼的散斑问题。散斑效应出现在几乎所有的激光应用领域中，当激光入射到粗糙物体表面经反射后，来自粗糙表面各个小面元反射来的基元光波在空间相互干涉形成振幅、强度和位相随机分布的呈颗粒状图样的斑纹，即激光散斑。而这种由于激光的高相干性在空间及成像系统(如人眼)内产生的散斑问题，严重影响了画面质量和人的视觉感受，引起分辨率下降和人眼不适。由激光相干性引起的散斑效应已经成为制约激光投影显示技术发展的关键问题之一。
[0003]一直以来，针对散斑抑制技术国内外都开展了广泛的研究，目前实际采用的散斑抑制方法主要包括利用不同波长的光源照明来降低激光相干性，利用脉冲激光的叠加、移动散射体、移动孔径光阑、振动屏幕等方法来抑制散斑。这些方法从原理上来讲可归纳为降低光束的时间/空间相干性；产生动态散斑图样，使得散斑在人眼积分时间内得到平均；控制散射屏上成像镜头分辨单元内散射波有效相干面元数目使斑纹减弱等。这些方法虽能在一定程度上起到抑制散斑的目的，但效果并不十分明显，这影响了激光显示的画面质量，给人眼造成不适。
【发明内容】
[0004]为了解决激光显示中图像的质量问题，本发明实施例提供了一种能够有效抑制散斑的激光投影显示系统和方法。所述技术方案如下:
[0005]—种激光投影显不系统，所述系统包括:激光光源、光调制兀件、第一定向散射兀件、光阀、投影镜头和显示屏幕，所述光调制元件、所述第一定向散射元件、所述光阀、所述投影镜头和所述显示屏幕依次设置在所述激光光源的光路上；
[0006]所述激光光源，用于产生激光组束；
[0007]所述光调制元件，用于将所述激光组束分成多个独立的子光束；
[0008]所述第一定向散射元件，用于对所述多个独立的子光束进行散射；
[0009]所述光阀，用于对散射后的子光束进行调制，得到包含图像信息的子光束；
[0010]所述投影镜头，用于将包含图像信息的子光束投射至所述显示屏幕；
[0011]所述显示屏幕，用于显示所述图像信息。
[0012]所述系统还包括:
[0013]匀场装置，用于对所述第一定向散射元件的输出光束进行整形，所述匀场装置设置在所述激光光源的光路上，位于所述第一定向散射兀件和所述光阀之间。[0014]所述系统还包括:
[0015]第二定向散射元件，用于对经过所述匀场装置整形后的光束进行散射；所述第二定向散射元件设置在所述激光光源的光路上，位于所述匀场装置和所述光阀之间。
[0016]所述系统还包括:
[0017]光纤阵列，用于传输所述激光组束，所述光纤阵列设置在所述激光光源的光路上，位于所述激光光源和所述光调制元件之间。
[0018]所述系统还包括:
[0019]耦合器，用于控制所述光纤阵列输出的激光组束的出射角度，使得成像均匀。
[0020]所述系统还包括:
[0021]电机，用于驱动所述光调制元件运动。
[0022]一种激光投影显示方法，包括:
[0023]所述激光光源产生激光组束，并将所述激光组束入射至所述光调制元件；
[0024]所述光调制元件对所述激光组束进行分光处理，得到多个独立的子光束，将所述多个独立的子光束入射至所述第一定向散射元件；
[0025]所述第一定向散射元件对所述多个独立的子光束进行散射处理，得到散射后的子光束，将所述散射后的子光束入射至所述光阀；
[0026]所述光阀对所述散射后的子光束进行调制，得到包含图像信息的子光束，并将所述包含图像信息的子光束入射至所述投影镜头；
[0027]所述投影镜头将所述包含图像信息的子光束投射至所述显示屏幕；
[0028]所述显示屏幕显示所述图像信息。
[0029]所述第一定向散射元件对所述多个独立的子光束进行散射处理，得到散射后的子光束，将所述散射后的子光束入射至所述光阀，包括:
[0030]所述第一定向散射元件对所述多个独立的子光束进行散射处理，得到散射后的子光束，将所述散射后的子光束入射至匀场装置，通过所述匀场装置的整形，入射至所述光阀。
[0031]所述第一定向散射元件对所述多个独立的子光束进行散射处理，得到散射后的子光束，将所述散射后的子光束入射至所述光阀，包括:
[0032]所述第一定向散射元件对所述多个独立的子光束进行散射处理，得到散射后的子光束，将所述散射后的子光束入射至所述匀场装置，通过所述匀场装置的整形，将整形后的光束入射至第二定向散射元件，所述第二定向散射元件对所述整形后的光束进行散射，并入射至所述光阀。
[0033]所述激光光源产生激光组束，并将所述激光组束入射至所述光调制元件，包括:
[0034]所述激光光源产生激光组束，并将所述激光组束入射至光纤阵列；所述激光组束经过所述光纤阵列的传输，入射至所述光调制元件。
[0035]所述激光光源产生激光组束，并将所述激光组束入射至所述光纤阵列；所述激光组束经过所述光纤阵列的传输，入射至所述光调制元件，包括:
[0036]所述激光光源产生激光组束，并将所述激光组束入射至所述光纤阵列；所述激光组束经过所述光纤阵列的传输，入射至耦合器，通过所述耦合器对所述光纤阵列输出的光的出射角度的控制，入射至所述光调制元件。[0037]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0038]通过激光光源采用非相干激光组束技术，以使输出激光的同时具有照明的波长多样性，以达到抑制散斑效应的目的，并通过光调制元件和第一定向散射元件进行散斑图样时间平均，进一步减弱显示时的散斑效应，复合使用多种散斑抑制技术可使抑制散斑的效果更加明显，能够有效改善投影图像质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]图1是本发明实施例提供的一种激光投影显示系统的结构示意图；
[0041]图2是本发明实施例提供的一种激光投影显示系统的结构示意图；
[0042]图3是本发明实施例提供的激光投影显示方法的流程图。
【具体实施方式】
[0043]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0044]图1是本发明实施例提供的一种激光投影显示系统的结构示意图。参见图1，该系统包括:激光光源101、光调制兀件104、第一定向散射兀件106、光阀109、投影镜头110和显示屏幕111，所述光调制元件104、所述第一定向散射元件106、所述光阀109、所述投影镜头110和所述显示屏幕111依次设置在所述激光光源101的光路上。
[0045]激光光源101，用于产生激光组束。
[0046]具体地，该激光光源101包括红光光源、绿光光源、蓝光光源，其中红光光源、绿光光源和蓝光光源均可以包含多个激光器(图中未示出)，所述各基色激光器的数量由所需的视觉白平衡功率配比和单台各基色半导体激光器的功率决定。
[0047]该激光光源101可以是任何单波长或多波长光源，在输出激光的同时具有照明的波长多样性。优选地，激光光源101可以包括多个激光器，激光器可以是RGB激光器。该激光光源101产生的激光组束出射后，入射至光调制元件104。
[0048]光调制元件104，用于将所述激光组束分成多个独立的子光束；
[0049]具体地，光调制元件104对入射的激光组束进行分光，分成多个独立的子光束。
[0050]可选地，该系统还包括电机105，用于驱动光调制元件104运动，以使光调制元件104的输出光形成独立的散斑图样。需要说明的是，电机105不在激光光源101的光路上，其位置对激光投影显示系统不会造成影响。另外，用于控制光调制元件104运动的传动方式可为多种，不一定仅依靠电机，也可为现有技术中的其它传动方式，本发明实施例不赘述。
[0051]第一定向散射兀件106,用于对所述多个独立的子光束进行散射。
[0052]处在运动环境中的光调制元件104和第一定向散射元件106是散斑图样时间平均元件。散斑图样时间平均是通过变化的漫射体在屏幕上形成变化的多个独立的散斑图样，从而在人眼积分时间内平均抑制散斑效应。光调制元件104表面的微结构可将初始的入射光束分成多个独立的子光束，这些子光束具有小的光斑尺寸和不同的出射角度，该多个独立的子光束照射到第一定向散射元件106的不同位置的随机表面后，经过光路，在显示屏幕上形成多个独立的散斑图样，由M.Goodman散斑对比度公式C= (M+K-1/MK)172可知，其中C为散斑对比度，M为独立的散斑图样实现的数目，K为屏幕上单个眼睛分辨单元内投影镜头分辨基元的数目，当M > > K (M远远大于K)时，散斑对比度将下降至1/K，达到了减弱显示时散斑效应的目的，M、K均为正整数。
[0053]光阀109，用于对散射后的子光束进行调制，得到包含图像信息的子光束；
[0054]该光阀109 可以是 LCD (Liquid Crystal Display,液晶显不屏)、LCOS (LiquidCrystal on Silicon,娃基液晶)、DLP (Digital Light Procession,数字光处理)等图像引擎。该光阀109对散射后的子光束进行调制，得到的子光束中包含有要显示的图像信息，其配合照明系统，以达到成像的目的。该光阀109所作的调制为本领域技术人员所公知，在此不做赘述。
[0055]投影镜头110，用于将包含图像信息的子光束投射至所述显示屏幕；
[0056]包含图像信息的子光束经过投影镜头110的投射，在显示屏幕上形成多个独立的散斑图样，由前述的M.Goodman散斑对比度公式C= (M+K-1/MK)172可知，其中C为散斑对比度，M为独立的散斑图样实现的数目，K为屏幕上单个眼睛分辨单元内投影镜头分辨基元的数目，当M>>K(M远远大于K)时，散斑对比度将下降至1/K，达到了减弱显示时散斑效应的目的，M、K均为正整数。因此，根据上述原理，可以设置投影镜头110，使K值增加，则散斑对比度将减小，进一步减弱显示时的散斑效应。
[0057]显示屏幕111，用于显示所述图像信息。
[0058]该投影镜头110和显示屏幕111与现有技术中一致，在此不再赘述。
[0059]激光光源101产生并发射激光组束，该激光组束入射至由电机105驱动的光调制元件104。入射至光调制元件104的激光组束被光调制元件104分成多个独立的子光束，该多个独立的子光束照射到第一定向散射元件106的随机表面上，经过光路，在显示屏幕上形成多个独立的散斑。而后，该多个独立的子光束经过第一定向散射元件106的散射后，入射至光阀109，经由光阀109的调制，得到包含图像信息的子光束，并将包含图像信息的子光束入射到投影镜头110上，由投影镜头110将包含图像信息的子光束投射至显示屏幕111。
[0060]本实施例提供的系统，其激光光源为多个独立的激光器的组合，其中激光器采用RGB三种颜色，构成非相干激光光源，以使输出激光的同时具有照明的波长多样性，以达到抑制散斑效应的目的，并通过光调制元件和第一定向散射元件进行散斑图样时间平均，进一步减弱显示时的散斑效应，复合使用多种散斑抑制技术可使抑制散斑的效果更加明显，能够有效改善投影图像质量。
[0061]图2是本发明实施例提供的一种激光投影显示系统的结构示意图。
[0062]进一步地,在图1所示的实施例的基础上，参见图2,该系统还包括:
[0063]勻场装置107,用于对第一定向散射兀件106的输出光束进行整形。
[0064]所述匀场装置107设置在所述激光光源101的光路上，位于所述第一定向散射元件106和所述光阀109之间，对射入的激光进行匀光整形。该匀场装置107还可以替换成其他用于对光束进行整形的元件，如光棒或积分棒、复眼透镜等。
[0065]进一步地，该系统还包括:
[0066]第二定向散射元件108，用于对经过匀场装置107整形后的光束进行散射。
[0067]具体地，所述第二定向散射元件108设置在所述激光光源101的光路上，位于所述匀场装置107和所述光阀109之间，用于降低匀场装置107对独立散斑图样的破坏。
[0068]进一步地,在图1所示的实施例的基础上，参见图2,该系统还包括:光纤阵列102,
[0069]光纤阵列102，用于传输激光光源101输出的所述激光组束，所述光纤阵列102设置在所述激光光源101的光路上，位于所述激光光源101和所述光调制元件104之间。
[0070]本发明的光纤阵列102采用规则化排布方式，其中，光纤阵列102的主要参数包括光纤出光点间距，合理配置该参数可以使入射的激光组束出射时满足角度多样性条件、热分布以及亮度的均匀，进一步抑制散斑效应。该光纤出光点间距d可以根据Θ确定，其中，Θ为经过光纤阵列102照射到另一光学元件的子光束之间的夹角，所述另一光学元件位于光纤阵列102的出射光路上，并紧邻光纤阵列102 ;为了抑制散斑效应，Θ需大于等效换算的人眼瞳孔张角，Θ确定d的过程为现有技术，此处不再赘述。
[0071]本实施例中需要说明的是，激光光源101与光纤阵列102组合，采用了非相干激光组束技术，所产生的激光组束为非相干激光组束。具体地，激光光源101为多个独立的激光器的组合，其中激光器采用RGB三种颜色，构成非相干激光光源；激光光源101中的每个激光器的输出光经过光纤阵列102传输,在光纤阵列102的输出端进行集成输出。
[0072]在本实施例中，激光光源101产生并发射激光组束，该激光组束入射光纤阵列102，并经过的传输，入射至光调制元件`104。光调制元件104将光纤阵列102输出的激光组束分成多个独立的子光束，该多个独立`的子光束照射到第一定向散射元件106的随机表面上，经过光路，在显示屏幕上形成多个独立的散斑。而后，该多个独立的子光束经过第一定向散射元件106的散射后，入射至光阀109，经由光阀109的调制，将包含图像信息的子光束入射到投影镜头110上，并由投影镜头110将包含图像信息的子光束投射至显示屏幕111。
[0073]需要说明的是，光纤阵列102可以替换为其他光学器件，该器件耦合传输激光光源101输出的激光组束。
[0074]本实施例提供的系统中，采用多波长的非相干激光光源101，采用光纤阵列102实现激光组束出射时满足角度多样性，采用光调制元件104调制子光束从而抑制散斑效应，当多个抑制散斑的方法之间相互独立时，其共同作用后的散斑对比度能够达到的最低值，是每个方法单独作用后的散斑对比度的乘积，在本实施例中可以表示为:
[0075]
【权利要求】
1.一种激光投影显示系统，其特征在于，所述系统包括:激光光源、光调制元件、第一定向散射元件、光阀、投影镜头和显示屏幕，所述光调制元件、所述第一定向散射元件、所述光阀、所述投影镜头和所述显示屏幕依次设置在所述激光光源的光路上； 所述激光光源，用于产生激光组束； 所述光调制元件，用于将所述激光组束分成多个独立的子光束； 所述第一定向散射元件，用于对所述多个独立的子光束进行散射； 所述光阀，用于对散射后的子光束进行调制，得到包含图像信息的子光束； 所述投影镜头，用于将包含图像信息的子光束投射至所述显示屏幕； 所述显示屏幕，用于显示所述图像信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 匀场装置，用于对所述第一定向散射元件的输出光束进行整形，所述匀场装置设置在所述激光光源的光路上，位于所述第一定向散射元件和所述光阀之间。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 第二定向散射元件，用于对经过所述匀场装置整形后的光束进行散射；所述第二定向散射元件设置在所述激光光源的光路上，位于所述匀场装置和所述光阀之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 光纤阵列，用于传输所述激光组束，所述光纤阵列设置在所述激光光源的光路上，位于所述激光光源和所述光调制元件之`间。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 耦合器，用于控制所述光纤阵列输出的激光组束的出射角度，使得成像均匀。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 电机，用于驱动所述光调制元件运动。
7.一种基于权利要求1的系统的激光投影显示方法，其特征在于，包括: 所述激光光源产生激光组束，并将所述激光组束入射至所述光调制元件； 所述光调制元件对所述激光组束进行分光处理，得到多个独立的子光束，将所述多个独立的子光束入射至所述第一定向散射元件； 所述第一定向散射元件对所述多个独立的子光束进行散射处理，得到散射后的子光束，将所述散射后的子光束入射至所述光阀； 所述光阀对所述散射后的子光束进行调制，得到包含图像信息的子光束，并将所述包含图像信息的子光束入射至所述投影镜头； 所述投影镜头将所述包含图像信息的子光束投射至所述显示屏幕； 所述显示屏幕显示所述图像信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一定向散射元件对所述多个独立的子光束进行散射处理，得到散射后的子光束，将所述散射后的子光束入射至所述光阀，包括: 所述第一定向散射元件对所述多个独立的子光束进行散射处理，得到散射后的子光束，将所述散射后的子光束入射至匀场装置，通过所述匀场装置的整形，入射至所述光阀。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一定向散射元件对所述多个独立的子光束进行散射处理，得到散射后的子光束，将所述散射后的子光束入射至所述光阀，包括: 所述第一定向散射元件对所述多个独立的子光束进行散射处理，得到散射后的子光束，将所述散射后的子光束入射至所述匀场装置，通过所述匀场装置的整形，将整形后的光束入射至第二定向散射元件，所述第二定向散射元件对所述整形后的光束进行散射，并入射至所述光阀。
10.根据权利要求7-9任一项所述的方法，其特征在于，所述激光光源产生激光组束，并将所述激光组束入射至所述光调制元件，包括: 所述激光光源产生激光组束，并将所述激光组束入射至光纤阵列；所述激光组束经过所述光纤阵列的传输，入射至所述光调制元件。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述激光光源产生激光组束，并将所述激光组束入射至所述光纤阵列；所述激光组束经过所述光纤阵列的传输，入射至所述光调制元件，包括: 所述激光光源产生激光组束，并将所述激光组束入射至所述光纤阵列；所述激光组束经过所述光纤阵列的传输，入射至耦合器，通过所述耦合器对所述光纤阵列输出的光的出射角度的控制，入射至所述光调制元件。
【文档编号】G02B27/09GK103777365SQ201210411792
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月24日 优先权日:2012年10月24日
【发明者】房涛, 毕勇, 孙敏远, 王斌, 王延伟 申请人:中国科学院光电研究院