减少激光斑点的方法和装置.pdf

优选实施例的详细说明

本发明的显示系统示意地示于图3中。显示系统40包括显示光
学系统42和显示器电子线路44。显示光学系统42包括：激光器46；
照明光学部件48；光栅光阀(GLV)50；纹影光学部件52；波前调制器
54；投影和扫描光学部件56；以及显示屏58。显示器电子线路44连
接到激光源46、GLV 50和投影和扫描光学部件56。

显示器电子线路44为激光器46供电。激光器46发射激光照明。
照明光学部件48将激光照明聚焦到GLV 50上。GLV 50位于第一图
像平面60上。显示器电子线路44控制GLV 50。GLV 50调制激光照
明，形成像素阵列的反射光或衍射光。纹影光学部件52将反射光与
衍射光分离，至少允许正1和负1衍射级通过纹影光学部件52。

纹影光学部件在波前调制器54处形成具有线图像宽度的线图
像。波前调制器54位于第二图像平面62。波前调制器54整个线图
像宽度地调制相位。显示器电子线路44驱动投影和扫描光学部件56
的扫描镜。投影和扫描光学部件56将线图像投影到显示屏58上并在
显示屏58上扫描线图像，在显示屏58上形成二维图像。显示屏58
位于第三图像平面64。

波前调制器54在显示屏58上整个线图像宽度地改变相位。当
所述线图像宽度从显示屏58的这头扫描到那头时，相位变化，于是，
随时间产生多个斑点图形。观看多个斑点图形的人眼或光学系统的
亮度检测器就检测到减少的斑点。

图4和图5中进一步图解说明本发明的显示光学系统42。图4
示出显示光学系统42的平面图。图5是显示器光学的正视图，其显
示光学系统沿光轴70展开。激光器46发射激光照明72。照明光学
部件包括发散透镜74、准直透镜76和柱面透镜78。照明光学部件48
将激光照明72在GLV 50上聚焦成具有聚焦宽度的聚焦线。应当指出，
图4示出照明GLV 50的具有45°的入射角的激光照明72。最理想的
是，入射角是允许激光照明72可照明GLV 50同时允许反射和衍射光
到达纹影光学部件52的最小入射角。对于本专业技术人员来说，容
易明白的是其它照明装置也可用来照明GLV 50。对于本专业技术人
员来说，同样容易明白的是对本发明透镜的叙述不限于单元件的透
镜，任何给定的透镜都可由组合透镜或反射光学元件替代。

GLV 50把激光照明72调制成沿聚焦线的像素线性阵列，形成反
射光R或衍射光，包括每个像素的正1和负1衍射级D₊₁和D_-1。，GLV 50
最好产生1080个像素的线性阵列。或者，GLV 50产生多于或少于1080
个像素。应当指出，为了便于说明，图5示出反射光R和两个像素
的正1和负1衍射级D₊₁和D_-1。如果给定的像素被调制成反射光线，
则反射光R存在，而正1和负1衍射级D₊₁和D_-1不存在。或者，如果
给定的像素被调制成衍射光线，则正1和负1衍射级D₊₁和D_-1存在，
而反射光R不存在。在某些实例中，希望将给定的像素调制成产生
反射光R和正1和负1衍射级D₊₁和D_-1，以降低结果图像中给定的像
素的亮度，从而在结果图像中提供灰度效应。

纹影光学部件52包括位于第一和第二中继透镜82和84之间的
纹影光阑80。纹影光阑80制止反射光R而允许正1和负1衍射级D₊₁
和D_-1通过光阑80。纹影光阑80最好位于第一变换平面85上。或者，
光阑80靠近第一变换平面85。

第一和第二中继透镜82和84将像素的线性阵列成像为第二图
像平面62内的线图像，第二图像平面62最好在波前调制器54内。
或者，第二图像平面62靠近波前调制器54。暗和亮的像素组成线图
像。暗像素对应于在GLV 50处被调制成提供反射光R的像素。亮像
素对应于在GLV 50处被调制成提供包括正1和负1衍射级D₊₁和D_-1
的衍射光的像素。

波前调制器54形成在波前调制器54的整个线图像宽度的波前
空间相位变化。对于激光照明72的波长，空间相位变化最好在0到
2π弧度之间。所述空间相位变化周期最好小于波前调制器54的线
图像宽度但等于或大于投影和扫描光学部件的最小尺寸分辨率。波
前调制器54最好包括透射衍射光栅，所述透射衍射光栅的光栅分布
至少部分地与线图像正交。或者，波前调制器54包括反射衍射光栅，
所述反射衍射光栅的光栅分布至少部分地与线图像正交。对于本专
业技术人员来说，很明显的是使用反射衍射光栅需要重新安排显示
光学系统42，以便将反射衍射光栅考虑在内。对于本专业技术人员
来说，同样明显的是可以使用具有变化的高度的随机分布来代替所
述光栅分布，产生所述波前的整个线图像宽度的空间相位变化。

投影和扫描光学部件56包括投影透镜86和扫描镜88。投影透
镜86通过扫描镜88将线图像90投影到显示屏58上。投影透镜86
还在显示屏58上重新形成具有整个线图像宽度的空间相位变化的波
前。扫描镜88最好位于第二变换平面94附近。

扫描镜88以第一扫描运动A移动，这样以第二扫描运动B在整
个显示屏58上扫描线图像90。第一扫描运动最好是锯齿扫描运动，
其中扫描周期的第一部分照亮显示屏58，扫描周期的第二部分使扫
描镜回到扫描周期的起点。反复扫描显示屏58的线图像90，在显示
屏58上就形成二维图像。对于本专业技术人员来说，很容易明白，
可以使用其他扫描运动在显示屏58上扫描线图像90。对于本专业技
术人员来说，也容易明白的是，诸如具有零屈光度(zero optical power)
的物镜扫描器等透射扫描装置可以代替扫描镜88。

随着线图像90在整个显示屏58上扫描，GLV 50调制像素的线
性阵列，从而产生由像素的矩形阵列组成的二维图像。对于高清晰
度电视(HDTV)格式，当线图像90在显示屏58上展开时，GLV 50调
制1920次。于是，GLV 50最好产生形成HDTV格式的二维图像的1920
乘1080矩形阵列。对于其他图像格式，当线图像90在显示屏58上
展开时，GLV 50的调制次数可大于或小于1920次，取决于显示的是
哪一种其他的图像格式。

随着线图像90在整个显示屏58上扫描，具有空间相位变化的
波前随时间产生多个斑点图形。多个斑点图形减少了由眼睛或光学
系统的亮度检测器检测到的斑点。

图3、4和5所示的显示光学系统42产生单色图像。彩色显示
光学系统包括：显示光学系统42；两个附加的激光器；两个附加的
照明光学部件；两个附加的GLV；以及选色镜组。在彩色显示光学系
统中，红、绿和蓝激光器照亮GLV，产生像素的红、绿和蓝线性阵列。
选色镜组组合来自GLV的反射和衍射光，将反射和衍射光导向纹影
光学部件52。波前调制器54改变波前调制器54处、因而改变显示
屏58上红、绿和蓝波前的整个线图像宽度92的相位。对于彩色显示
光学系统，整个线图像宽度的相位变化对于红、绿和蓝激光照明之
一(例如绿色激光照明)、或者对于所有参与波长的特定平均波长最
好具有最佳幅度。随着线图像90在整个显示屏58上被扫描，红、绿
和蓝波前随时间产生多个斑点图形，于是减少了彩色显示光学系统
的斑点。或者，在彩色显示光学系统中，选色镜组将红、绿和蓝激
光照明组合，顺序地照明单个GLV。

优选的波前调制器54A示于图6A和6B中。优选的波前调制器54A
包括具有宽度、高度和厚度分别为106，108和109而光栅分布为110
的透射衍射光栅。最好，宽度106为大约4mm，高度为大约35mm，
厚度为大约1mm，以便在优选的波前调制器54A中为线图像宽度为
25.5μm的27.5mm线图像提供方便的处理尺寸和冗余。或者，选择
高度108和宽度106为至少是优选的波前调制器54A的线图像尺寸和
线图像宽度，而选择厚度109为至少能提供足够的处理结构的厚度。
应当指出，为了说明的目的，图6A和6B所示的光栅分布110比实际
的大得多。

光栅分布110相对于高度108形成角度C，与27.5mm线图像平
行。光栅分布110在优选的波前调制器54A处至少部分与与27.5mm
线图像正交，所以角度C不是90°。为了优化显示光学系统42(图4
和图5)中的投影透镜86和扫描镜88的光通过量，角度C最好大约
为45°。45°角在显示屏58上提供整个线图像宽度92的空间相位变化，
同时可减小大约位于第二变换平面94(图4和图5)的扫描镜88的光
学印痕(footprint)。光栅分布110、角度C、投影透镜86和扫描镜
88构成显示光学系统42(图4，5，6A和6B)的相互联系的子系统。
对于本专业技术人员来说，很容易明白的是，可以使用不同的光栅
分布、不是45°的角度C、不同的投影透镜和不同的扫描镜来优化所
述相互联系的子系统。

图6C进一步图解说明光栅分布110。光栅分布110包括双间距
光栅分布。对于熔融石英(对于532nm的光其折射率为1.46)的光栅
材料、对于在优选的波前调制器54A处的25.5μm的线图像和对于其
中投影透镜86具有f/2.5感光速度的相互联系的子系统，最佳的优
选光栅分布如下所述：

图6C参考符号              尺寸

D                         4μm

E                         3.5

F                         2

G                         8.5

H                         578nm

尺寸H由H＝λ/[2(n-1)]确定，式中λ是波长，n是光栅材
料的折射率。优选的光栅分布优化了相互联系的子系统的光学印痕，
在所述子系统中扫描镜88包括大约位于显示光学系统42(图4和图
5)的第二变换平面的矩形镜。

最好通过把光刻图形刻蚀到熔融石英中来制造优选的波前调制
器54A。优选的波前调制器54A最好包括抗反射涂层。优选的抗反射
涂层是400-700nm BBAR(宽带抗反射)涂层。

如上所述，当线图像宽度92在整个显示屏58扫描时，具有空
间相位变化的波前随时间产生多个斑点图形。用眼睛检测时，多个
斑点图形可按本发明的斑点减少系数将斑点减少。

本发明的斑点减少系数由下式给出：

斑点减少系数＝(1+θ_proj2/θ_eye)^1/2/(1+θ_proj1/θ_eye)^1/2

式中：θ_proj1＝在扫描方向上投影光所对的第一投影平面角，第
一投影平面角用于没有波前调制器54的显示光学系统42

θ_proj2＝在扫描方向上投影光所对的第二投影平面角，第
一投影平面角用于有波前调制器54的显示光学系统42

θ_eye＝眼睛所对的观看平面角

通过将波前调制器54包括在显示光学系统42中，将第一投影
平面角θ_proj1增加到第二投影平面角θ_proj2。通过将波前调制器54设
计成使投影和扫描光学部件的投影出射光瞳达到最大，使本发明的
斑点减少系数达到最大。

虽然斑点减少系数可以估计本发明的斑点整体减少，但是，了
解一下当线图像宽度92在整个显示屏58上扫描时斑点相对于线图像
宽度是如何减少的也是很有帮助的。

当线图像宽度92在显示屏58上扫描每个像素时，由于光波函
数ψ_total(x，t)随时间而变，所以产生多个斑点图形：

ψ_total(x，t)＝ψ_screen+ψ_beam(x-vt)

式中ψ_screen＝对于静止显示屏的光波函数

    ψ_beam＝构成移动光束的变化的光波函数

    x＝显示屏58上沿扫描方向的位置      

    v＝线图像宽度92的扫描速度

由于扫描运动很快、不到10μs就移过一个像素，所以眼睛看
到的是多个斑点图形的平均效果。

图7A和7B示出说明性实例，显示如何通过第一、第二、第三
和第四散射区和两级波前分布来形成多个斑点图形。从图7A开始，
图7A示出在起始时间t1，显示屏58上的第一、第二、第三和第四
散射区150、152、154和156，两级波前分布158照明第一、第二、
第三和第四散射区150、152、154和156，且由观察者的眼睛来观看
所述两级波前分布158。

第一光波函数ψ(t₁)描述观察者的眼睛观看的光，由下式给出：

    ψ(t₁)＝A₁e^iφ’+A₂e^iφ”+A₃e^iφ

式中A₁＝从第一散射区150漫反射的光的第一振幅

    A₂＝从第二散射区152漫反射的光的第二振幅

    A₃＝从第三散射区154漫反射的光的第三振幅

    φ’＝从第一散射区150漫反射的光的第一相位

    φ”＝从第二散射区152漫反射的光的第二相位

    φ＝从第三散射区154漫反射的光的第三相位

对于所示实例，假定φ’＝π弧度，φ”＝φ＝0。则光波函数
ψ(t₁)由下式给出：

    ψ(t₁)＝-A₁+A₂+A₃

这导出对第一光波函数ψ(t₁)的第一亮度I(t₁)，如下：

    I(t₁)＝ψ(t₁)²＝A₁²+A₂²+A₃²-2A₁A₂-2A₁A₃+2A₂A₃

图7B示出在稍后时间t₂显示屏58上的两级波前分布158，其
中两级波前分布158照明第二、第三和第四散射区152、154和156。

第二光波函数ψ(t₂)描述观察者的眼睛观看的光，由下式给出：

    ψ(t₂)＝A₂e^iφ”+A₃e^iφ+A₄e^iφ””

式中A₄＝从第三散射区156漫反射的光的第三振幅

    φ””＝从第四散射区156漫反射的光的第四相位

对于所述说明性实例，假定φ”＝π弧度，而φ＝φ””＝0。因
此，光波函数ψ(t₂)由下式给出：

    ψ(t₂)＝-A₂+A₃+A₄

这导出如下的关于第二光波函数ψ(t₂)的第二亮度I(t₂)：

    I(t₂)＝ψ(t₂)²＝A₂²+A₃²+A₄²-2A₂A₃-2A₂A₄+2A₃A₄

由于起始时间t₁和稍后时间t₂之间的时间差比观察者眼睛的综
合时间小得多，观察者的眼睛获得第一和第二亮度I(t₁)和I(t₂)的
平均效果。具体地说，比较第一和第二亮度I(t₁)和I(t₂)表明，第
一亮度I(t₁)中的第一截项(+2A₂A₃)被第二亮度I(t₁)中的第二截项(-
2A₂A₃)消掉。正是这种截项的消除减少了观察者眼睛观看到的斑点。

本发明的第一种显示光学系统使用反射光阀的线性阵列。参阅
图4和图5，这种系统用反射光阀的线性阵列代替GLV 50，且不使用
纹影光阑80。在第一种显示光学系统中，特定的反射光阀通过反射
激光照明使其远离第一中继透镜82来产生暗像素。在此第一种显示
光学系统中，所述特定的反射光阀通过将激光照明反射到第一中继
透镜82来产生亮像素。

本发明的第二种显示光学系统使用透射光阀的线性阵列。参阅
图4和图5，这种系统用透射光阀的线性阵列代替GLV 50，且不使用
纹影光阑80。在这第二种显示光学系统中，特定的透射光阀通过不
将激光照明透射到第一中继透镜82来产生暗像素。在这第二种显示
光学系统中，所述特定的透射光阀通过将激光照明透射到第一中继
透镜82来产生亮像素。

本发明的第三种显示光学系统用反射纹影光学部件代替纹影光
学部件。反射纹影光学部件最好使用Offner转像系统(relay)。
Offner转像系统包括凹面镜和凸面镜。凸面镜包括矩形狭缝。反射
光R和包括正1和负1衍射级D+1和D-1的衍射光从凹面镜反射到凸
面镜。反射光R穿过矩形狭缝。正1和负1衍射级D₊₁和D_-1从凸面镜
反射回凹面镜。然后，凹面镜将正1和负1衍射级D₊₁和D_-1反射到波
前调制器54。

另一种波前调制器示于图8。所述波前调制器54B包括第一和第
二光栅表面136和138以及调谐表面139。第二光栅表面138是横过
线140映射的第一光栅表面。调谐表面139包括用于显示光学系统42
的初步对准的平表面(图4，5，和8)。在显示光学系统42的初步对
准中，线图像90被聚焦到调谐表面139上或其附近，以便根据波前
调制器54B的光学厚度来调谐显示光学系统。在初步对准之后，或
者选择第一光栅表面136或者选择第二光栅表面138来产生横过波前
的空间相位变化。这样，可以通过选择第一或第二光栅表面136或138
来减少随后的光学部件中的光学瑕疵，无论哪一个都能提供更好的
图像质量(图4，5，和8)。

对于具有优选光栅分布的优选的波前调制器54A进行了两项测
试以评估其性能。在第一项测试中，没有用波前调制器。在第一项
测试中，对比度为44％。在第二项测试中，有波前调制器。在第二项
测试中，对比度为20％。所以，优选的波前调制器54A产生了2.2斑
点减少系数

虽然已经针对本发明的显示系统40描述了本发明，但是，本发
明适用于在任何激光照明系统中减少激光斑点，在所述系统中、在
整个漫射表面上扫描激光产生的线照明。

对本专业技术人员来说，很明显的是可以对优选实施例进行各
种其他的变动而不背离在所附权利要求书中定义的本发明的精神和
范围。