專利名稱：一種基于電光偏轉散斑抑制的激光顯示系統及顯示方法
技術領域：
本發明涉及激光顯示領域，特別涉及ー種基于電光偏轉抑制散斑的激光顯示系統及顯示方法。
背景技術：
以激光為光源的顯示系統具有色彩分辨率高、色彩飽和度好、色度三角區域大、高亮度等優點，因此能實現大屏幕和小型便攜投影的高質量圖像顯示，是新一代的顯示技術的發展方向。但是由于激光的高相干性，激光投影顯示系統易產生散斑效應。散斑的產生包括兩個方面第一方面是產生于投影光路中光學表面散射次波的相干疊加，第二方面是產生于投影屏幕的散射的相干光在人眼中形成的主觀散斑。散斑作為噪聲存在于圖像中，會嚴重影響圖像的質量，造成圖像分辨率下降。目前消除激光散斑的方法通常是利用在人眼積分時間內產生的多幅不相關散斑圖樣的平均效應。靜態的調制元件對散斑視覺的抑制并不明顯，所以通常采用旋轉或者周期性移動這些調制元件，以產生動態的散斑，利用散斑效果平均化來降低散斑視覺。但是由于調制元件的轉動或者振動通常需要高頻電機帶動，因此通常有系統不穩定、產生噪聲、光損耗高、需要空間大等缺點，從而導致散斑抑制效果并不是特別理想，而且隨著投影儀微型化的趨勢，傳統的散斑抑制方法越來越不能滿足需要。

發明內容
本發明技術解決問題克服現有技術的不足，提供ー種簡單可控、穩定性高、低損耗以及無需機械運動、結構穩定的基于電光偏轉散斑抑制的激光顯示系統及顯示方法，實現高質量的激光顯示。本發明技術解決方案一種基于電光偏轉散斑抑制的激光顯不系統，包括激光器，用于產生激光束；起偏器，對激光器產生的激光束進行起偏，以產生沿e光偏振方向的線偏光,進入電光偏轉器；電光偏轉器，由電光材料構成，在控制電路的交變電場作用下，線偏光通過電光材料的折射率不斷發生變化，使得出射光束在人眼積分時間內產生來回掃描的平均效應；長焦距會聚透鏡，將經過電光偏轉器的光束會聚到散射板上；散射板，用于散射會聚光束，進ー步降低光場相干性；勻光模塊，對散射會聚后的光束進行收集、整形、準直、均勻，以減少光場能量的損失;線性空間光調制器，對經過勻光模塊后的光束進行空間調制產生圖像；投影透鏡組件，將產生的圖像投影到屏幕上。所述電光材料是電光晶體或電光聚合物材料。所述電光晶體為鈮酸鋰晶體或鈦酸鋇晶體。、
所述線性空間光調制器為IXD、DLP或LCoS中的ー種。所述勻光模塊依次由ー塊微透鏡陣列、光通管和會聚透鏡順序構成。一種基于電光偏轉散斑抑制的激光顯示方法，其特征在于步驟如下(I)對激光光束進行起偏，以產生沿e光偏振方向的線偏光；(2)在控制電路的交變電場作用下，對線偏光進行電光偏轉，通過電光材料的折射率不斷發生變化，使得出射光束在人眼積分時間內產生來回掃描的平均效應；(3)對電光偏轉后的光束散射會聚,進ー步降低光場相干性； (4)對散射會聚后的光束進行均光，經過收集、整形、準直、均勻，以減少光場能量的損失；(5)對經過勻光后的光束進行空間調制產生圖像，再將產生的圖像投影到屏幕上。本發明的原理由激光器產生激光光束；對激光光束進行起偏，以使光束具有預定的偏振方向；光束照射在電光偏轉器上，通過電光效應使得出射光角度不斷發生變化；再對出射的激光光束進行散射并勻場，進一歩降低光場的相干性并產生強度均勻的光場；利用線性空間光調制器產生圖像，再通過投影鏡頭將圖像投影在屏幕上。本發明與現有技術相比的優點在于(I)本發明避免了采用結構復雜且可控性差的散斑消除裝置，無需采用機械運動，可以消除散斑從而克服現有技術的不足，且簡單可控、穩定性高、低損耗(損耗可以低至只有10%，一般的散射結構是達不到這個數值的)，實現了高質量的激光顯示，而且特別適用于微型系統中。( 2 )本發明使用電光效應進行散斑抑制，結構上來說就是加入了電光偏轉器，通過電光效應達到通常情況下使用機械轉輪(或者其他機械振動的結構)達到的效果，其好處就在于采用電光效應來抑制散斑，避免了機械振動，避免了散射帶來的光損。


圖I是根據本發明的具體實施實例的激光投影顯示系統的示意圖；圖2a示意性的給出了激光投影顯示中勻場準直器件與線性空間光調制器的示意圖；圖2b示意性的給出了 LCoS作為線性空間光調制器與勻場準直器件的示意圖；圖3是使用鈮酸鋰晶體作為電光偏轉器的實例圖，其中a主要示意鈮酸鋰晶體的切割方向和交變電場的方向(X，Y，Z是晶體主軸)，b是這種電光偏轉器的俯視圖。
具體實施例方式下面將結合附圖詳細描述本發明的具體實施方式
。如圖I所示，根據本發明的第一實施例的激光投影顯示系統，包括激光器11，用于產生激光光束，作為照明光源；起偏器12，用于產生偏振沿晶體Z軸方向的線偏光(在圖I中光束經過起偏器12后偏振是垂直于紙面)；電光偏轉器13,用于偏轉光束,通過電光效應使得光束出射角不斷變化，在本實例中，將給出一種以鈮酸鋰晶體作為電光偏轉器的例子；長焦距會聚透鏡14，用于將光束會聚到散射板15上，長焦距會聚透鏡14的作用在于增強光束來回掃描的幅度；散射板15，用于散射會聚光束，進ー步降低光場相干性；勻光模塊16，由ー塊微透鏡陣列、光通管和會聚透鏡共同構成，用于收集發散的光場，并整形勻光；線性空間光調制器17，用于產生圖像；投影透鏡組件18，用于將圖像投影到屏幕上。激光器11可以是多個激光器發出不同顔色的激光束然后先合束，再經過投影系統。也可以是三個激光器，各自產生紅、綠、藍圖像后再合并產生彩色圖像。激光器可以是固態激光器、半導體激光器、氣體激光器中的ー種。由于本發明實例中使用的電光偏轉器材料是鈮酸鋰晶體，所以在激光器11后插入一塊起偏器12。光束進入起偏器12，偏振方向沿鈮酸鋰晶體的Z軸方向(Z軸具體方向參照圖3所示)，由于激光光束本身就是線偏光，所以在通過起偏器12后仍然保持線偏。線偏振的激光光束入射到電光偏轉器13,本實例中的電光偏轉器13由一塊銀酸鋰楔形棱鏡和交變電場控制電路構成，具體如圖3a、b所示，交變電場沿晶體光軸的Z軸，由于入射光偏振也是Z方向,在電光效應下，nz將會隨交變電場發生變化,具體形式為其中112是偏振沿Z方向的光場的折射率，116是材料的非尋常光折射率，Y33是材料的電光系數，ne與Y33與材料類型有關，一旦確定所使用的電光材料，ne與Y33就是常數，Ez是所加的交變電場。交變電場的控制電路如圖3b所示，電極貼在電光材料的兩側，所加的交變電信號頻率是200Hz，這樣可以在人眼積分時間內產生多次平均的效果。入射光如圖3a所示的方式的進入電光材料，本實例中所用的電光材料是鈮酸鋰晶體，入射光由于起偏器12的作用偏振方向沿著晶體的Z軸方向。光在晶體中傳播吋，由于nz的周期變化，導致出射角發生周期變化，類似于產生ー個不斷做微小振動的光源，如果振動頻率足夠高，就會在人眼積分時間內產生平均效應。為了改善光斑質量，本發明實施例使用ー塊長焦距會聚透鏡14，光束經過長焦距會聚透鏡14之后將被會聚，可以大大改善光斑質量，長焦距會聚透鏡14的作用在于盡量增強光束偏轉掃描的振幅。光束繼續入射進入散射板15，散射板15會把會聚的激光光束散射，光場的相關性進ー步得到抑制，同時大大増加光束的尺寸，起到擴束的作用。散射光進入勻光模塊16，由微透鏡陣列、光通管和會聚透鏡構成，可以收集發散的散射光，同時勻光，出射光場為平行光，同時光場強度分布為較理想的平頂型分布。如本領域的技術人員所熟知的，勻光模塊16中的微透鏡陣列還可以是復眼透鏡、陣列反射鏡、光纖或者隨機位相板等。線性空間光調制器17，投影透鏡組件18用于產生圖像，并將圖像投影到顯示屏幕上。圖2a給出了本實施例的激光投影顯示系統中線性空間調制器的ー種示意圖，即包括起偏器21和空間光調制器22，其中起偏器21的作用是產生特定方向的線偏振光，空間光調制器22可以為IXD，DLP, LCOS中的ー種，其作用是對光場強度進行調制，產生所需要的圖像。圖2b所示的空間光調制器22為LCoS。其中是PBS半透半反鏡23起到篩選偏振光場的作用。盡管已經詳細描述了本發明及其優點，但應當理解，在不背離由所附的權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以進行各種變化、替換及改造。此外，不意味著本申請的范圍限定于說明書中描述的エ藝、設備、制造、以及物質組成、手段、方法和步驟的特、定實施例。本領域技術人員從本發明的公開內容將很容易意識到那些現在存在或以后發現的エ藝設備、制造、以及物質組成、手段、方法和步驟，其與這里描述的根據本發明相應實例所使用的完成基本上相同的功能或達到基本上相同的結果。因此，期望所附的權利要求將這樣的エ藝、設備、制造、以及物質組成、手段、方法和步驟包括在它們的范圍內。此外，每個權利要求構成ー個單獨的實施例，并且不同的權利要求和實施例的組合也落入本發明的保護范圍內。權利要求
1.一種基于電光偏轉散斑抑制的激光顯不系統，其特征在于包括 激光器，用于產生激光束； 起偏器，對激光器產生的激光束進行起偏，以產生沿e光偏振方向的線偏光,進入電光偏轉器； 電光偏轉器，由電光材料制成，在控制電路的交變電場作用下，線偏光通過電光材料的折射率不斷發生變化，使得線偏光的出射角不斷發生變化，產生不斷做微小振動的光源，光場中的光束在人眼積分時間內產生來回掃描的平均效應； 長焦距會聚透鏡，將經過電光偏轉器的光束會聚到散射板上； 散射板，用于散射會聚光束，進ー步降低光場相干性； 勻光模塊，對散射會聚后的光束進行收集、整形、準直、均勻，以減少光場能量的損失； 線性空間光調制器，對經過勻光模塊后的光束進行空間調制產生圖像； 投影透鏡組件，將產生的圖像投影到屏幕上。
2.根據權利要求I所述的基于電光偏轉散斑抑制的激光顯不系統，其特征在于所述電光材料是電光晶體或電光聚合物材料。
3.根據權利要求2所述的基于電光偏轉散斑抑制的激光顯不系統,其特征在于所述電光晶體為鈮酸鋰晶體或鈦酸鋇晶體。
4.根據權利要求I所述的基于電光偏轉散斑抑制的激光顯不系統，其特征在于所述線性空間光調制器為IXD、DLP或LCoS中的ー種。
5.根據權利要求I所述的基于電光偏轉散斑抑制的激光顯不系統，其特征在于所述勻光模塊依次由ー塊微透鏡陣列、光通管和會聚透鏡順序構成。
6.一種基于電光偏轉散斑抑制的激光顯不方法，其特征在于步驟如下 (1)對激光光束進行起偏，以產生沿e光偏振方向的線偏光； (2)在控制電路的交變電場作用下，對線偏光進行電光偏轉，通過電光材料的折射率不斷發生變化，使得出射光束在人眼積分時間內產生來回掃描的平均效應； (3)對電光偏轉后的光束散射會聚,進ー步降低光場相干性； (4)對散射會聚后的光束進行均光，經過收集、整形、準直、均勻，以減少光場能量的損失; (5)對經過勻光后的光束進行空間調制產生圖像，再將產生的圖像投影到屏幕上。
全文摘要
一種基于電光偏轉散斑抑制的激光顯示系統及顯示方法，包括激光器，用于產生激光；起偏器，用于產生特定偏振方向的線偏光；電光偏轉器，利用電光調制偏轉光束；長焦距會聚透鏡，用于將光束會聚；散射板，用于散射會聚光束，進一步降低光場相干性；勻光模塊，由一塊微透鏡陣列、光通管和會聚透鏡共同構成，用于收集發散的光場，并整形勻光；線性空間光調制器，用于產生圖像；投影透鏡組件，用于將圖像投影到屏幕上。本發明簡單可控、穩定性高、低損耗以及無需機械運動、結構穩定，實現了高質量的激光顯示。
文檔編號G02B27/48GK102662294SQ20121015079
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月15日
發明者崔哲, 明海, 楊福桂, 王安廷, 董磊 申請人:中國科學技術大學