带有色域优化的散斑减少激光投影的制作方法
相关申请
本申请要求于2018年5月28日提交的美国临时申请s/n.62/677,124的权益，该申请的全部内容通过引用其整体结合于此。
本公开涉及激光投影，且具体地涉及与激光投影一起使用的散斑减少色域优化。
背景技术：
美国专利no.6,445,487声称公开了一种用于减少或消除激光成像系统的散斑强度分布的系统和方法。在本发明的一个实施例中，射频(rf)信号被注入投影系统(10)的半导体激光源(12)以创建在投影表面(19)上混合在一起的不同散斑图案。在本发明的另一实施例中，光学反馈被用来致使投影系统(10)的激光源创建在投影表面(19)上混合在一起的不同散斑图案。在本发明的又一实施例中，激光源波长经受多普勒频移以产生不同散斑图案。在本发明的又一实施例中，偏转装置被用来在方向上移动光束以减少注意得到的散斑。因为眼睛对水平和垂直边缘非常敏感，但对水平和垂直边缘之间的角度较不敏感，所以约45度的光束移动可使水平和垂直方向上的调制传递函数(mtf)的损失最小化。
美国专利no.7,457,330声称公开了一种用于基于从大量独立纵模生成的非相关散斑图案的时间平均使用腔内光束组合及和频混合来降低单片微芯片激光器的散斑噪声的方法，所述方法包括各个方案，包括：选择增益介质和非线性光学材料以支持宽带和频混合；采用增益共轭和/或啁啾镜来用于平顶光谱和/或模相多样化；由rf调制引入的多模激光操作；以及在以无退化和收窄/不均匀间隔为特征的混频过程中将各源模式相乘。基于该发明方法开发了一种用于生成适用于彩色显示系统的低散斑噪声红、绿、蓝激光的设备和装置。
美国专利no.7,959,297声称公开了一种数字图像投影仪，包括配置成从至少一个激光阵列光源沿光路投影光的光组装件，所投影的光在光路的远场照明部分中具有交叠远场照明；配置成处于光路中的时变光学相移设备；配置成处于光路中的光学积分器；在光路中位于时变光学相移设备和光学积分器下游的空间调光器，该空间调光器被配置成位于光路的远场照明部分中；以及在光路中位于空间调光器的下游的投影光学器件，该投影光学器件被配置成将来自空间调光器的基本上无散斑的光朝向显示表面定向。
美国专利no.8,226,241声称公开了一种具有被设计成经由波长多样化来减少所投影的图像中的散斑出现的一个或多个宽带激光器的图像投影仪。在一个实施例中，宽带激光器具有有源光学元件和非线性光学元件，这两者都位于激光腔内部。宽带激光器生成由约10nm频谱扩展来表征且具有与腔的不同空间模式相对应的多个谱线的输出光谱。不同的个体谱线实际上产生了各个独立的散斑结构，这在所投影的图像中变成在强度上叠加，从而造成对应的散斑对比降低。
美国专利no.9,065,254声称公开了一种具有用于发出照明光束的光源的照明器，其中该光源进一步包括一组垂直腔面发射激光器(vcsel)，包含具有第一激光发射波长的第一vcsel和具有不同于第一激光发射波长的第二激光发射波长的第二vcsel。因而，通过改变vcsel阵列中的各vcsel的激光发射波长，本发明的各实施例产生了低对比散斑，并且没有限制主照明系统的成像能力。在本发明的一些实施例中，垂直外腔面发射激光器(vecsel)被用来产生上述变化的激光发射波长。
技术实现要素：
在第一方面，本发明的一些实施例提供了一种图像投影方法，包括：选择投影系统的一组所需色度坐标，所述投影系统包括多个激光源；确定预期工作环境的一组工作参数，所述一组工作参数包括投影表面的表面高度波动的标准差、入射角以及观察角；以及配置每一激光源的功率比和功率谱密度函数，所述多个功率比和功率谱密度函数生成所述投影系统的经归一化的功率谱密度函数，所述经归一化的功率谱密度函数在所述预期工作环境中具有所述一组所需色度坐标和至少为2的波长分集因子。
在一些实施例中，所述投影系统具有在所述多个激光源之间延伸到投影透镜的投影路径，所述投影路径包括至少一个同质化组件。
在一些实施例中，所述至少一个同质化组件包括漫射器以及导光管和/或透镜阵列对中的至少一者。
在一些实施例中，所述投影路径包括所述多个激光源与所述至少一个同质化组件之间的至少一个耦合元件。
在一些实施例中，所述耦合元件是光纤束和镜中的至少一者。
在一些实施例中，所述投影路径包括所述至少一个同质化组件和所述投影透镜之间的空间调光器以及所述至少一个同质化组件与所述空间调光器之间的至少一个中间光学元件。
在一些实施例中，所述多个激光源包括用于产生所述一组所需色度坐标中的绿色度坐标的绿通道激光源群、用于产生所述一组所需色度坐标中的红色度坐标的红通道激光源群、以及用于产生所述一组所需色度坐标中的蓝色度坐标的蓝通道激光源群。
在一些实施例中，所述一组所需色度坐标是一组rec.2020色度坐标。
在一些实施例中，所述绿通道激光源群包括一组至少一个半导体激光二极管和一组至少一个二极管泵浦固态激光器，所述至少一个半导体激光二极管具有0.2的功率比且所述至少一个二极管泵浦固态激光器具有0.8的功率比。
在一些实施例中，所述一组至少一个半导体激光二极管包括具有至少1.5nm的波长差的至少两个半导体激光二极管，并且所述一组至少一个二极管泵浦固态激光器包括具有至少0.7nm的波长差的至少两个二极管泵浦固态激光器。
在第二方面，本发明的一些实施例提供了一种投影系统，包括：配置成接收一组所需色度坐标和预期工作环境的一组工作参数的输入设备，所述一组工作参数包括投影表面的表面高度波动的标准差、入射角以及观察角；多个激光源，每一激光源具有能独立地配置的功率比和能独立地配置的功率谱密度函数；至少一个处理器，所述至少一个处理器耦合到所述输入设备以接收所述一组所需色度坐标和所述一组工作参数，所述至少一个处理器耦合到所述多个激光源以设置所述多个功率比和所述多个功率谱密度函数以生成所述投影系统的经归一化的功率谱密度函数，所述经归一化的功率谱密度函数在所述预期工作环境中产生所述一组所需色度坐标和至少为2的波长分集因子；以及在所述多个激光源与投影透镜之间延伸的投影路径。
在一些实施例中，所述投影系统在所述投影路径中包括至少一个同质化组件。
在一些实施例中，所述至少一个同质化组件包括漫射器以及导光管和/或透镜阵列对中的至少一者。
在一些实施例中，所述投影路径包括所述多个激光源与所述至少一个同质化组件之间的至少一个耦合元件。
在一些实施例中，所述耦合元件是光纤束和镜中的至少一者。
在一些实施例中，所述投影路径包括所述至少一个同质化组件和所述投影透镜之间的空间调光器以及所述至少一个同质化组件与所述空间调光器之间的至少一个中间光学元件。
在一些实施例中，所述多个激光源包括用于产生所述一组所需色度坐标中的绿色度坐标的绿通道激光源群、用于产生所述一组所需色度坐标中的红色度坐标的红通道激光源群、以及用于产生所述一组所需色度坐标中的蓝色度坐标的蓝通道激光源群。
在一些实施例中，所述一组所需色度坐标是一组rec.2020色度坐标。
在一些实施例中，所述绿通道激光源群包括一组至少一个半导体激光二极管和一组至少一个二极管泵浦固态激光器，所述至少一个半导体激光二极管具有0.2的功率比且所述至少一个二极管泵浦固态激光器具有0.8的功率比。
在一些实施例中，所述一组至少一个半导体激光二极管包括具有至少1.5nm的波长差的至少两个半导体激光二极管，并且所述一组至少一个二极管泵浦固态激光器包括具有至少0.7nm的波长差的至少两个二极管泵浦固态激光器。
附图说明
在此包括的附图用于解说本说明书的系统、方法、以及装置的各示例。在附图中：
图1是激光投影系统的框图；
图2是具有理想单色频谱的两个激光器的激光投影系统的仿真散斑对比比率的标绘图；
图3是具有带1.2nm线宽的高斯轮廓的两个激光的激光投影系统的仿真散斑对比比率的标绘图；
图4是对照激光线宽来标绘的在两个激光之间达成最大波长分集所需的仿真最小波长间隔的标绘图；
图5a是混合在一起的三个波长的仿真波长分集因子的标绘图；
图5b是混合在一起的五个波长的仿真波长分集因子的标绘图；
图6是具有半导体激光二极管的一实施例的仿真波长混合频谱的图表；
图7是具有二极管泵浦固态激光器的一实施例的仿真波长混合频谱的图表；
图8是具有半导体激光二极管和二极管泵浦固态激光器两者的一实施例的仿真波长混合频谱的图表；
图9是色度图的图表；
图10a是在投影路径中包括光纤和导光管的一实施例的示意图；
图10b是在投影路径中包括光纤和透镜阵列对的一实施例的示意图；
图11a是在投影路径中包括镜和导光管的一实施例的示意图；
图11b是在投影路径中包括镜和透镜阵列对的一实施例的示意图；
图12是优化波长混合的方法的流程图；
图13是图像投影方法的流程图；以及
图14是在操作环境中的投影系统的示意图。
具体实施方式
下面将描述各种系统、方法和装置。下面描述的实施例都没有限制任何要求保护的实施例，并且任何要求保护的实施例可以涵盖与下面描述的那些实施例不同的系统、方法和/或装置。所要求保护的实施例不限于具有下面描述的任何一个系统、方法或装置的所有特征的系统、方法或装置，也不限于下面描述的多个或所有系统、方法或装置共有的特征。
在此描述许多具体细节以提供对各示例实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解无需这些具体细节就可实践本文描述的各实施例。在其他情况下，众所周知的方法、规程和组件并未进行详细描述，以便不混淆本文一般地描述的各实施例。
图1是示例性投影系统的示意图。投影系统100包括激光源110、消相干组件120、同质化组件130、中间光学元件140、空间调光器150、以及投影透镜160。系统100的各组件是示例组件，并且在该实施例中，投影系统可包括组件的其他布置。例如，在一些实施例中，投影系统只包括以上的子集，诸如投影系统只包括激光源。在一些实施例中，投影系统包括一个或多个其他组件，诸如投影屏。
激光源可以是激光束，包括一个或多个激光器或一个或多个激光器群(每一激光器群包括至少一个激光器)。例如，激光源可包括一个或多个半导体激光二极管、一个或多个二极管泵浦固态激光器、和/或一个或多个垂直腔面发射激光器。
作为用于投影的光源的激光器具有宽色域、高亮度、长寿命、以及高效率。然而，在激光被粗糙表面反射或透射时，来自反射光或透射光的随机干扰将生成称为散斑的随机颗粒图案。在激光扫描应用中，散斑可造成检测错误。在显示应用中，散斑可造成图像噪声。
散斑水平可由散斑对比比率(scr)来表示，其被定义为强度波动σ除以平均强度<i>的标准差，如式(1)所示：
scr＝σ/i式(1)
5％或更少的scr一般处于人眼不可感知的水平；它低于人眼的感知阈值。然而，在一些情形中，感知阈值可能更低或更高。例如，人眼可能对某些波长的光更敏感，且该阈值可能相应地更低。
在激光投影系统中，该系统的scr可被如下表达：
r＝rλrσrω式(2)
scr＝1/r式(3)
rλ是波长分集，rσ是极化分集，且rω是空间分集。极化分集一般由诸如去极化屏幕等组件生成。空间分集一般由诸如消相干组件和同质化组件等组件生成。在一些实施例中，投影系统被配置成使用波长分集来减少散斑，依赖或不依赖极化分集和空间分集。然而，投影系统100被配置成使用波长分集连同得自消相干组件120和同质化组件130的空间分集来减少散斑。
投影系统100使用激光源110中的多个激光器群来产生波长分集以减少散斑，每一激光器群包括至少一个激光器。每一激光具有波长并生成散斑图案。如果第一激光的散斑图案在统计上与第二激光的散斑图案无关，则在这两个散斑图案交叠时，它们生成具有减少散斑的光场。
混合源的散斑减少效果受各种因素的影响，包括激光源的数目、激光源之间的波长差、以及激光源的线宽。例如，如果激光源的波长彼此过于接近，则散斑减少效果将被极大地限制，因为各激光源将生成相关的散斑图案，从而在它们交叠时提供很少散斑减少。在一极限示例中，具有相同波长、相同线宽并且以相同角度照亮屏幕的两个激光源将导致没有散斑减少效果。
利用多个激光源的激光投影仪的波长分集可影响投影仪的色域的大小和位置。例如，投影仪的主色可被移位。对于许多应用，所需色域由公知的标准来限定。显示设备的色域标准的一个示例是国际电信联盟超高清标准，更普遍地称为rec.2020。在一些实施例中，调整投影仪的各激光源之间的功率比和/或波长间隔允许优化该投影仪的所得色域。在一些实施例中，每一激光器群的功率比和/或波长间隔可被调整，同时维持足够波长分集以维持散斑水平低于不可感知水平。
对于具有“n”个激光源的散斑减少系统，gi(v)是第i激光器的功率谱密度函数，且第i激光器的经归一化功率谱密度函数可使用式4来表示：
整个系统的经归一化功率谱密度函数可使用式5来表示：
波长分集因子rλ可使用下式来表达：
μ表示两个散斑光场的复相关系数。
通过使用随机高度屏幕模型，μ(δν)可被表达如下：
μ(δv)＝mh(δqz)式(8)
mh表示表面高度波动的一阶特征函数，且
对于具有粗糙表面的物体，其表面高度波动遵循高斯分布：
σh是表面高度波动的标准差。对于常规显示屏，σh是约100μm。
将显而易见的是，混合激光光源(诸如投影仪系统100的光源110)的波长分集因子rλ可使用上式来计算得到。使用该系统的经归一化的功率谱密度函数和屏幕表面粗糙度的标准差，不同波长之间的scr和最优功率比可被计算得到。
如图2到4的示例中所示，波长分集一般不与激光源的各激光器之间的波长差线性相关。超出特定波长差，波长分集没有显著增加。
图2是将scr示出为具有理想单色频谱的两个激光器之间的波长差的函数的图表，这是使用以上各式在极化分集和空间分集被设置成1的情况下来计算得到的。这两个激光器被设置成具有相等功率，这给出了c1＝c2＝0.5。σh是100μm。如可看到的，在波长间隙接近0时，散斑减少受到限制，因为不同激光器所生成的散斑图案被相关且它们在屏幕上的交叠将不提供多的散斑减少。在波长间隙大于0.7nm时，scr几乎达到最小水平，在这种情形中是约71％。这是因为在波长间隔大于0.7nm时不同激光器所生成的散斑图案被完全去相关。相应地，在一些实施例中，各单色激光器的不同波长之间的波长间隔应当大于0.7nm以便达到接近最大的散斑减少，但大于0.7nm的差没有显著改进散斑减少。
一般而言，具有较大线宽使得最大波长分集是可获得的。图3是将scr示出为具有高斯轮廓的带1.2nm线宽的两个激光器之间的波长差的函数的图表，这是使用以上各式在极化分集和空间分集被设置成1的情况下来计算得到的。1.2nm是半导体激光二极管的典型线宽。如图所示，超出1.5nm的波长差，预期scr没有显著增加。
图4是示出达到最大散斑减少(它是理论最大散斑减少的99％)所需的最小波长差的图表，这是在极化分集和空间分集被设置成1的情况下作为激光器线宽的函数来绘制的。如图所示，所需波长差随激光器线宽的增加而增加。
在一些实施例中，确定所需的最小波长分集涉及确定或估计空间分集和极化分集。对于许多应用，空间分集和极化分集可预期提供作为10的散斑减少系数。因此，在此类应用中，为了达到小于5％的scr，光源(诸如光源110)的波长分集因子rλ应当至少是2。在其他应用中，需要较大波长分集因子来维持散斑水平低于不可感知的水平，诸如在使用比人眼更敏感的图像接受器时或在极化分集因子是1时。
归因于波长分集而计算得到的scr的示例在图5a和5b中示出。
图5a示出了在激光源中具有三个激光器群的混合激光源的计算得到的波长分集。x轴是不同群之间的波长差，且y轴是计算得到的波长分集
图5b示出了具有五个激光器群的混合激光源的计算得到的波长分集。x轴是不同群之间的波长差，且y轴是计算得到的波长分集
给定足够波长差，产生大于2的波长分集因子的激光源的频谱的示例在图6到8中示出。
图6示出了具有半导体激光二极管的激光源的频谱，每一半导体激光二极管具有1.2nm的线宽。波长间隙被设置成1.5nm。使用三个激光器群，每一者具有一个激光器。尽管使用了绿波长，但将显而易见的是，波长差要求和激光器数量要求也适用于投影仪的红和蓝通道。
图7示出了具有二极管泵浦固态激光器的激光源的频谱，每一激光器具有0.1nm的线宽。波长间隙被设置成0.7nm。使用了五个激光器群，每一者具有一个激光器。将显而易见的是，激光器波长在532nm周围均匀扩展，从而满足rec.2020的绿通道波长要求。同样，尽管使用了绿波长，但将显而易见的是，波长差要求和激光器数量要求也适用于投影仪的红和蓝通道。
图8示出了具有带1.2nm线宽的半导体激光二极管和带0.1nm线宽的二极管泵浦固态激光器两者的激光源的频谱。三个激光器群被混合在一起。第一群具有带1.2nm线宽的激光器，并且其余两个群各自具有带0.1nm线宽的激光器。同样，尽管使用了绿波长，但将显而易见的是，波长差要求和激光器数量要求也适用于投影仪的红和蓝通道。
投影仪100被配置成投影与所需色域相匹配的色域。激光源110中的不同激光器群之间的功率比被设置成允许投影所需色域。投影仪的色域可通过计算红、绿、蓝主色的色度坐标来确定。红、绿、蓝主色的对应点所形成的三角形是投影仪的色域。
图9描绘了cie1931色度图210。三角形220与rec.709的色域相对应。三角形230与dci.p3的色域相对应。三角形240与rec.2020的色域相对应。点a与带515nm波长和1.2nm线宽的半导体激光二极管的色彩坐标相对应。点b与带532nm波长和0.1nm线宽的二极管泵浦固态激光器的色彩坐标相对应。
在其中至少一个半导体激光二极管的群与至少一个二极管泵浦固态激光器的群相混合的实施例中，这两个群之间的功率比可被调整，以调整投影仪沿点a和点b之间的线的绿主色的色度坐标。可针对形成红和绿的色彩坐标(这出于简明起见分别示为点d和e)的激光器作出类似调整。
在这一实施例中，在二极管泵浦固态激光器的数目非常小时，色域三角形将接近三角形aed，这将造成580nm周围的黄色的缺失。为了避免黄色缺失，功率比必须被调整以便来自激光源的经混合绿光的色度坐标在点b和点c之间的线上，其中线cd与dcp-p3的色域的右上边界相交叠。为了留在点b和点c之间的线上，如果使用具有515nm中心波长(点a)的一个激光二极管和具有532nm中心波长(点b)的一个二极管泵浦固态激光器，则功率比p(半导体激光二极管):p(二极管泵浦固态激光器)＝0.2:0.8或更小。在具有不同数目的激光源以及不同中心波长的激光二极管和二极管泵浦固态激光器的其他情形中，它们之间的功率比可被相应地改变以满足所需色度坐标。例如，为了覆盖rec.2020色域，点b可被移位到较长波长，诸如543nm，以便点c可被定位得接近532nm。红和蓝通道的功率比可被类似地设置以限定对色域的红和蓝角落的调整。
在所需波长分集的限制内，如上所述，激光源(诸如光源110)可被调整以形成产生适当色彩坐标的功率比。
图10a到10b示出了包括配置成提供不可感知的散斑和所需色域的激光源的投影系统的示例。
图10a和10b描绘了投影系统302和304。包括激光器312、314和316的激光源310各自经由耦合元件332、334、336将光定向到对应多模光纤322、324、326。多模光纤在发射端被组合成光纤束328。激光器和光纤的数目可随散斑减少系统的设计和工作参数而变化，诸如归因于照明要求和激光器性能事实。
光从光纤束328被朝向同质化组件定向。图10a的同质化组件包括漫射器352(它可以是活动或静止的)和导光管354。图10b中的同质化组件包括漫射器352(它可以是活动或静止的)和透镜阵列对356。
使用中间光学元件360来从同质化组件收集经细化的经调整光。空间调光器370被使用来从中间光学元件360接收经细化的经调整光并调制该经细化的经调整光以形成图像。采用投影透镜380来将图像投影到屏幕390上。
图11a和11b描绘了投影系统306和308。系统306类似于系统302，然而使用镜340而非多模光纤和耦合元件来将激光源310的输出耦合到同质化组件。系统308类似于系统304，然而同样使用镜340而非多模光纤和耦合元件。
投影系统302、304、306和308使用被设置成将scr降至不可感知的水平所需的波长和功率比并产生与所需色域相匹配的色域的激光源310。
优化波长混合以用于激光器散斑减少的方法在图12中示出。在方法400的步骤410，测量屏幕表面粗糙度以计算σh。不同屏幕将具有不同σh。对于常规打印纸，σh约为100μm。在步骤420，确定可用激光器的线宽信息。例如，半导体激光二极管通常具有约1.2nm的线宽，而二极管泵浦固态激光器通常具有约0.1nm的线宽。在步骤430，计算可接受的波长分集所需的波长间隔。在步骤440，调整激光器以获得所需波长间隔。例如，激光二极管可以使用不同增益材料来改变中心波长。中心波长也可通过改变激光二极管的工作温度来被调整。
图像投影方法在图13中示出。在方法500的步骤510，接收包括多个激光源的投影系统。在步骤520，选择所需色域。在步骤530，确定该投影系统维持散斑水平低于不可感知的水平的最小波长分集。在步骤540，确定多个激光源中的每一激光源的功率比和波长，以允许投影系统产生所需色域，同时至少维持最小波长分集。在步骤550，调整多个激光源中的每一激光源以具有所确定的功率比和波长，以便可达到最佳色彩和最小散斑对比比率。
在一些实施例中，一种系统可包括输入设备和至少一个处理器。例如，输入设备可包括触摸屏界面、一组传感器、和/或键盘。输入设备被配置成接收预期工作环境的一组工作参数，该组工作参数包括投影表面的表面高度波动的标准差、入射角以及观察角。该至少一个处理器耦合到输入设备以接收该组所需色度坐标和该组工作参数。该至少一个处理器还耦合到多个激光源以设置多个功率比和多个功率谱密度函数，以生成投影仪系统的经归一化的功率谱密度函数。例如，经归一化的功率谱密度函数可被设置以在预期工作环境中产生该组所需色度坐标和至少为2的波长分集因子。
图14中描绘了在工作环境中的投影系统610。投影系统610包含多个激光源，每一激光源具有可独立地调整的功率比和可独立地调整的功率谱密度函数。投影系统610还包含输入触摸屏620和耦合到输入触摸屏620以接收来自触摸屏620的输入的处理器630。处理器630在操作上耦合到投影系统610的该组激光源以调整每一激光源的功率比和功率谱密度函数。投影系统610被设立以沿入射轴640投影到投影屏650上，入射轴640形成与投影屏650的入射角642。观察相机660被设立以沿观察轴670观察屏幕650，观察轴670形成与投影屏650的观察角672。投影屏650具有造成散斑产生的表面高度波动的标准差。来自观察相机660的数据(诸如观察角672)可被用作处理器630的输入。
在此仅通过示例描述了本发明。可对各示例性实施例作出各种修改和变更而不背离本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求书来限定。
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