专利名称：一种基于电光偏转散斑抑制的激光显示系统及显示方法
技术领域：
本发明涉及激光显示领域，特别涉及ー种基于电光偏转抑制散斑的激光显示系统及显示方法。
背景技术：
以激光为光源的显示系统具有色彩分辨率高、色彩饱和度好、色度三角区域大、高亮度等优点，因此能实现大屏幕和小型便携投影的高质量图像显示，是新一代的显示技术的发展方向。但是由于激光的高相干性，激光投影显示系统易产生散斑效应。散斑的产生包括两个方面第一方面是产生于投影光路中光学表面散射次波的相干叠加，第二方面是产生于投影屏幕的散射的相干光在人眼中形成的主观散斑。散斑作为噪声存在于图像中，会严重影响图像的质量，造成图像分辨率下降。目前消除激光散斑的方法通常是利用在人眼积分时间内产生的多幅不相关散斑图样的平均效应。静态的调制元件对散斑视觉的抑制并不明显，所以通常采用旋转或者周期性移动这些调制元件，以产生动态的散斑，利用散斑效果平均化来降低散斑视觉。但是由于调制元件的转动或者振动通常需要高频电机带动，因此通常有系统不稳定、产生噪声、光损耗高、需要空间大等缺点，从而导致散斑抑制效果并不是特别理想，而且随着投影仪微型化的趋势，传统的散斑抑制方法越来越不能满足需要。
发明内容
本发明技术解决问题克服现有技术的不足，提供ー种简单可控、稳定性高、低损耗以及无需机械运动、结构稳定的基于电光偏转散斑抑制的激光显示系统及显示方法，实现高质量的激光显示。本发明技术解决方案一种基于电光偏转散斑抑制的激光显不系统，包括激光器，用于产生激光束；起偏器，对激光器产生的激光束进行起偏，以产生沿e光偏振方向的线偏光,进入电光偏转器；电光偏转器，由电光材料构成，在控制电路的交变电场作用下，线偏光通过电光材料的折射率不断发生变化，使得出射光束在人眼积分时间内产生来回扫描的平均效应；长焦距会聚透镜，将经过电光偏转器的光束会聚到散射板上；散射板，用于散射会聚光束，进ー步降低光场相干性；匀光模块，对散射会聚后的光束进行收集、整形、准直、均匀，以减少光场能量的损失;线性空间光调制器，对经过匀光模块后的光束进行空间调制产生图像；投影透镜组件，将产生的图像投影到屏幕上。所述电光材料是电光晶体或电光聚合物材料。所述电光晶体为铌酸锂晶体或钛酸钡晶体。、
所述线性空间光调制器为IXD、DLP或LCoS中的ー种。所述匀光模块依次由ー块微透镜阵列、光通管和会聚透镜顺序构成。一种基于电光偏转散斑抑制的激光显示方法，其特征在于步骤如下(I)对激光光束进行起偏，以产生沿e光偏振方向的线偏光；(2)在控制电路的交变电场作用下，对线偏光进行电光偏转，通过电光材料的折射率不断发生变化，使得出射光束在人眼积分时间内产生来回扫描的平均效应；(3)对电光偏转后的光束散射会聚,进ー步降低光场相干性； (4)对散射会聚后的光束进行均光，经过收集、整形、准直、均匀，以减少光场能量的损失；(5)对经过匀光后的光束进行空间调制产生图像，再将产生的图像投影到屏幕上。本发明的原理由激光器产生激光光束；对激光光束进行起偏，以使光束具有预定的偏振方向；光束照射在电光偏转器上，通过电光效应使得出射光角度不断发生变化；再对出射的激光光束进行散射并匀场，进一歩降低光场的相干性并产生強度均匀的光场；利用线性空间光调制器产生图像，再通过投影镜头将图像投影在屏幕上。本发明与现有技术相比的优点在于(I)本发明避免了采用结构复杂且可控性差的散斑消除装置，无需采用机械运动，可以消除散斑从而克服现有技术的不足，且简单可控、稳定性高、低损耗(损耗可以低至只有10%，一般的散射结构是达不到这个数值的)，实现了高质量的激光显示，而且特别适用于微型系统中。( 2 )本发明使用电光效应进行散斑抑制，结构上来说就是加入了电光偏转器，通过电光效应达到通常情况下使用机械转轮(或者其他机械振动的结构)达到的效果，其好处就在于采用电光效应来抑制散斑，避免了机械振动，避免了散射带来的光损。
图I是根据本发明的具体实施实例的激光投影显示系统的示意图；图2a示意性的给出了激光投影显示中匀场准直器件与线性空间光调制器的示意图；图2b示意性的给出了 LCoS作为线性空间光调制器与匀场准直器件的示意图；图3是使用铌酸锂晶体作为电光偏转器的实例图，其中a主要示意铌酸锂晶体的切割方向和交变电场的方向(X，Y，Z是晶体主轴)，b是这种电光偏转器的俯视图。
具体实施例方式下面将结合附图详细描述本发明的具体实施方式
。如图I所示，根据本发明的第一实施例的激光投影显示系统，包括激光器11，用于产生激光光束，作为照明光源；起偏器12，用于产生偏振沿晶体Z轴方向的线偏光(在图I中光束经过起偏器12后偏振是垂直于纸面)；电光偏转器13,用于偏转光束,通过电光效应使得光束出射角不断变化，在本实例中，将给出一种以铌酸锂晶体作为电光偏转器的例子；长焦距会聚透镜14，用于将光束会聚到散射板15上，长焦距会聚透镜14的作用在于增强光束来回扫描的幅度；散射板15，用于散射会聚光束，进ー步降低光场相干性；匀光模块16，由ー块微透镜阵列、光通管和会聚透镜共同构成，用于收集发散的光场，并整形匀光；线性空间光调制器17，用于产生图像；投影透镜组件18，用于将图像投影到屏幕上。激光器11可以是多个激光器发出不同顔色的激光束然后先合束，再经过投影系统。也可以是三个激光器，各自产生红、绿、蓝图像后再合并产生彩色图像。激光器可以是固态激光器、半导体激光器、气体激光器中的ー种。由于本发明实例中使用的电光偏转器材料是铌酸锂晶体，所以在激光器11后插入一块起偏器12。光束进入起偏器12，偏振方向沿铌酸锂晶体的Z轴方向(Z轴具体方向參照图3所示)，由于激光光束本身就是线偏光，所以在通过起偏器12后仍然保持线偏。线偏振的激光光束入射到电光偏转器13,本实例中的电光偏转器13由一块银酸锂楔形棱镜和交变电场控制电路构成，具体如图3a、b所示，交变电场沿晶体光轴的Z轴，由于入射光偏振也是Z方向,在电光效应下，nz将会随交变电场发生变化,具体形式为其中112是偏振沿Z方向的光场的折射率，116是材料的非寻常光折射率，Y33是材料的电光系数，ne与Y33与材料类型有关，一旦确定所使用的电光材料，ne与Y33就是常数，Ez是所加的交变电场。交变电场的控制电路如图3b所示，电极贴在电光材料的两侧，所加的交变电信号频率是200Hz，这样可以在人眼积分时间内产生多次平均的效果。入射光如图3a所示的方式的进入电光材料，本实例中所用的电光材料是铌酸锂晶体，入射光由于起偏器12的作用偏振方向沿着晶体的Z轴方向。光在晶体中传播吋，由于nz的周期变化，导致出射角发生周期变化，类似于产生ー个不断做微小振动的光源，如果振动频率足够高，就会在人眼积分时间内产生平均效应。为了改善光斑质量，本发明实施例使用ー块长焦距会聚透镜14，光束经过长焦距会聚透镜14之后将被会聚，可以大大改善光斑质量，长焦距会聚透镜14的作用在于尽量增强光束偏转扫描的振幅。光束继续入射进入散射板15，散射板15会把会聚的激光光束散射，光场的相关性进ー步得到抑制，同时大大増加光束的尺寸，起到扩束的作用。散射光进入匀光模块16，由微透镜阵列、光通管和会聚透镜构成，可以收集发散的散射光，同时勻光，出射光场为平行光，同时光场强度分布为较理想的平顶型分布。如本领域的技术人员所熟知的，匀光模块16中的微透镜阵列还可以是复眼透镜、阵列反射镜、光纤或者随机位相板等。线性空间光调制器17，投影透镜组件18用于产生图像，并将图像投影到显示屏幕上。图2a给出了本实施例的激光投影显示系统中线性空间调制器的ー种示意图，即包括起偏器21和空间光调制器22，其中起偏器21的作用是产生特定方向的线偏振光，空间光调制器22可以为IXD，DLP, LCOS中的ー种，其作用是对光场强度进行调制，产生所需要的图像。图2b所示的空间光调制器22为LCoS。其中是PBS半透半反镜23起到筛选偏振光场的作用。尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化、替换及改造。此外，不意味着本申请的范围限定于说明书中描述的エ艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤的特、定实施例。本领域技术人员从本发明的公开内容将很容易意识到那些现在存在或以后发现的エ艺设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤，其与这里描述的根据本发明相应实例所使用的完成基本上相同的功能或达到基本上相同的結果。因此，期望所附的权利要求将这样的エ艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤包括在它们的范围内。此外，每个权利要求构成ー个单独的实施例，并且不同的权利要求和实施例的组合也落入本发明的保护范围内。权利要求
1.一种基于电光偏转散斑抑制的激光显不系统，其特征在于包括 激光器，用于产生激光束； 起偏器，对激光器产生的激光束进行起偏，以产生沿e光偏振方向的线偏光,进入电光偏转器； 电光偏转器，由电光材料制成，在控制电路的交变电场作用下，线偏光通过电光材料的折射率不断发生变化，使得线偏光的出射角不断发生变化，产生不断做微小振动的光源，光场中的光束在人眼积分时间内产生来回扫描的平均效应； 长焦距会聚透镜，将经过电光偏转器的光束会聚到散射板上； 散射板，用于散射会聚光束，进ー步降低光场相干性； 匀光模块，对散射会聚后的光束进行收集、整形、准直、均匀，以减少光场能量的损失； 线性空间光调制器，对经过匀光模块后的光束进行空间调制产生图像； 投影透镜组件，将产生的图像投影到屏幕上。
2.根据权利要求I所述的基于电光偏转散斑抑制的激光显不系统，其特征在于所述电光材料是电光晶体或电光聚合物材料。
3.根据权利要求2所述的基于电光偏转散斑抑制的激光显不系统,其特征在于所述电光晶体为铌酸锂晶体或钛酸钡晶体。
4.根据权利要求I所述的基于电光偏转散斑抑制的激光显不系统，其特征在于所述线性空间光调制器为IXD、DLP或LCoS中的ー种。
5.根据权利要求I所述的基于电光偏转散斑抑制的激光显不系统，其特征在于所述匀光模块依次由ー块微透镜阵列、光通管和会聚透镜顺序构成。
6.一种基于电光偏转散斑抑制的激光显不方法，其特征在于步骤如下 (1)对激光光束进行起偏，以产生沿e光偏振方向的线偏光； (2)在控制电路的交变电场作用下，对线偏光进行电光偏转，通过电光材料的折射率不断发生变化，使得出射光束在人眼积分时间内产生来回扫描的平均效应； (3)对电光偏转后的光束散射会聚,进ー步降低光场相干性； (4)对散射会聚后的光束进行均光，经过收集、整形、准直、均匀，以减少光场能量的损失; (5)对经过匀光后的光束进行空间调制产生图像，再将产生的图像投影到屏幕上。
全文摘要
一种基于电光偏转散斑抑制的激光显示系统及显示方法，包括激光器，用于产生激光；起偏器，用于产生特定偏振方向的线偏光；电光偏转器，利用电光调制偏转光束；长焦距会聚透镜，用于将光束会聚；散射板，用于散射会聚光束，进一步降低光场相干性；匀光模块，由一块微透镜阵列、光通管和会聚透镜共同构成，用于收集发散的光场，并整形匀光；线性空间光调制器，用于产生图像；投影透镜组件，用于将图像投影到屏幕上。本发明简单可控、稳定性高、低损耗以及无需机械运动、结构稳定，实现了高质量的激光显示。
文档编号G02B27/48GK102662294SQ20121015079
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者崔哲, 明海, 杨福桂, 王安廷, 董磊 申请人:中国科学技术大学