專利名稱：用于激光照射系統(tǒng)的基于延遲器的去散斑器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及散斑抑制(speckle reduction)，尤其是涉及用于在激光照射系統(tǒng)中抑制散斑的基于延遲器的方法和裝置。
背景技術(shù)：
激光照射系統(tǒng)通常被用在投影顯示中，以提供高功率照射和飽和色。然而，雖然激光器提供具有良好色澤的明亮圖像，但是圖像質(zhì)量可能由于散斑而降低。
散斑在相干光從粗糙或積滿灰塵的表面反射時產(chǎn)生，或通過具有隨機折射率變化的介質(zhì)傳播。更具體地，它在反射光在探測器(例如，人眼或平方律光電探測器)處干涉時產(chǎn)生，該反射光包括具有大于光波長的微分時滯的多個光束。該干涉提供通常被稱為散斑圖樣的不均勻、隨機、波動的光強度。
在投影顯示中，散斑通常在光從顯示屏反射時引起，該顯示屏一般具有大于激光波長的四分之一的表面粗糙度。因而形成的被反射的激光的隨機空間干涉產(chǎn)生明顯降低圖像質(zhì)量(例如，使它呈現(xiàn)為粒狀和/或較不清楚)的散斑圖樣。此外，根據(jù)視點，散斑圖樣可由于在給定方向上相對相位延遲的不同特性而變化。作為結(jié)果，被觀察的圖像隨著視點變化，且光學(xué)系統(tǒng)不能可靠地再現(xiàn)高保真圖像。
散斑一般由散斑對比度量化?，F(xiàn)有技術(shù)描述了用于抑制散斑和/或抑制散斑對比度的各種技術(shù)。例如，一種方法是增加激光縱模的數(shù)量，以便來自多個波長的散斑圖樣平均成平滑的分布。另一方法是平鋪顯示(tile)相干激光二極管(LD)的陣列，以提供在空間上非相干的照射。不幸的是，該方法昂貴，且并不總是實際可行的，因為很多微型投影儀依賴于單LD芯片來輸出數(shù)十個閾限的照射。又一方法是在激光照射中產(chǎn)生偏振分集。例如，一個激光束可分成兩個偏振，第一偏振被允許通過偏振分束器(PBS)，而第二偏振被延遲了大于激光的相干長度的量(例如，見美國專利號3,633,999和4,511,220)。通常，該方法龐大且具有有限的散斑對比度抑制。此外，這種方法在激光相干長度非常長的情況下不是理想的。
除了改變LD布置(空間)或操縱激光器件特性(偏振和縱模)來減少激光束的空間和時間相干以外，另一方法是產(chǎn)生很多變化的沸騰散斑(boiling speckle)圖樣，這些沸騰散斑圖樣允許時間平均(例如，通過人眼或光電探測器)來減少強度非均勻性。例如，一種方法是使顯示屏振動。不幸的是，對于大投影屏，這不是很實際。因此，更普遍的方法是使用外部光學(xué)元件，例如擴散器(例如見J.W.Goodman等人的“Specklereduction by a moving diffuser in laser projection displays”，Annual Meeting of the OpticalSociety of America，Rhode Island，2000)、相位板(例如見美國專利號US Pat.Nos.6,323,984和6,747,781)、或隨機衍射光學(xué)元件(例如見L.Wang等人的“Speckle reductionin laser projection systems by diffractive optical element，”Appl.Opt.37，pp.177-1775，1998)，該光學(xué)外部元件被振動或旋轉(zhuǎn)，以隨著時間的過去產(chǎn)生多個相位延遲。在另一方法中，超聲調(diào)制器被用于移動干涉條紋。
雖然產(chǎn)生很多變化的沸騰散斑圖樣來提供時間平均的更普遍使用的方法在抑制光譜對比度時相當(dāng)成功，但它們通常被現(xiàn)有技術(shù)擴散器/相位板中物理蝕刻/模壓的表面圖樣所限制。例如，這些凸起的表面圖樣被證實明顯降低激光束的質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及使用可操作的波片元件來產(chǎn)生很多變化的沸騰散斑圖樣的方法。在一個實施方式中，沸騰散斑圖樣連同從光學(xué)元件的折射率不均勻性和/或投影屏粗糙度產(chǎn)生的靜態(tài)/可變散斑圖樣一起隨著時間的過去在圖像平面處被顯示給探測器(例如，人眼、光電探測器)。這些不相關(guān)的或部分相關(guān)的散斑圖樣在探測器積分區(qū)間內(nèi)被不相干地求和(例如，被時間平均)。這些時間平均的散斑圖樣通過在沒有散斑時從所需的圖像強度減少任何觀察像素的偏移來抑制散斑對比度。
可操作的波片元件通過提供由近半波光學(xué)延遲器的機械攪動和/或電子切換產(chǎn)生的可變相位調(diào)制來產(chǎn)生變化的散斑圖樣。更具體地，具有在空間上變化的慢軸的近半波光學(xué)延遲器的機械攪動和/或電子切換對激光束的不同區(qū)域引入幾何相移。
[10]根據(jù)一個實施方式，可操作的波片元件是包括兩個或多個級的波片組件。在第一級中，單層四分之一波片(QWP)或多層消色差的(A)QWP被定向成使得其光軸(也是慢軸，SA)在±π/4(45度)方位角偏移處對準(zhǔn)從激光源輸出的偏振光。作為結(jié)果，從激光器輸出的線偏振光從第一線偏振轉(zhuǎn)換成圓偏振的第一旋向。在第二級中，近半波片(HWP)元件將第一圓偏振(即，具有第一旋向)轉(zhuǎn)換成第二圓偏振(即，具有第二相反的旋向)。近HWP具有變化的慢軸分布(即，慢軸方向在以預(yù)定的或隨機的圖樣的光學(xué)延遲器的整個平面內(nèi)變化)。在第三光學(xué)級中，第二QWP或AQWP將第二圓偏振轉(zhuǎn)換成第二線偏振。如果第一級QWP和第三級QWP的延遲器軸平行地對齊，則第二線偏振平行于第一線偏振。然而，如果這兩個QWP級沿交叉軸對齊，則第一線偏振與第二線偏振垂直。如果省略第三級QWP，則圓偏振被輸出并傳遞到適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)調(diào)制器(例如，具體多個微鏡)。值得注意的是，該偏振轉(zhuǎn)換在邦加球(PoincareSphere)上形成閉環(huán)軌跡，以引入依賴于第二級近HWP的光軸方向的幾何相移。因為近HWP包括變化的光軸分布，該波片組件起去散斑器件的作用，該去散斑器件強加于相干激光束以空間上和/或時間上變化的相位掩模，因而抑制所察覺的散斑，同時仍然以所需的輸出偏振態(tài)維持高程度的輸入功率。
[11]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了在激光照射系統(tǒng)中抑制散斑的方法，該方法包括在光束中插入去散斑器件，光束包括從激光照射系統(tǒng)中的相干激光器發(fā)射的光，去散斑器件包括用于為從相干激光器發(fā)射的光提供實質(zhì)上半波延遲的奇數(shù)倍的光學(xué)延遲器，該光學(xué)延遲器具有實質(zhì)上不變的延遲和在空間上變化的慢軸，該在空間上變化的慢軸用于對光束強加相位掩模，該相位掩模用于對探測器上的分辨光斑提供光學(xué)亞分辨相位調(diào)制；以及啟動光學(xué)延遲器，使得光學(xué)亞分辨相位調(diào)制在所述探測器的積分時間內(nèi)變化，且使得從一個被探測的分辨光斑到另一個分辨光斑的強度不均勻性減小。
[12]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了在激光照射系統(tǒng)中抑制散斑的裝置，該裝置包括去散斑器件，其包括用于為從激光照射系統(tǒng)中的相干激光器發(fā)射的光提供實質(zhì)上半波延遲的奇數(shù)倍的光學(xué)延遲器，該光學(xué)延遲器具有實質(zhì)上不變的延遲和在空間上變化的慢軸，該在空間上變化的慢軸用于對光束強加相位掩模，激光束包括從相干激光器發(fā)射的光，相位掩模用于對探測器上的分辨光斑提供光學(xué)亞分辨率相位調(diào)制；以及致動器，其用于啟動光學(xué)延遲器，使得光學(xué)亞分辨率相位調(diào)制在探測器的積分時間內(nèi)變化，且使得從一個被探測的分辨光斑到另一個分辨光斑的強度不均勻性減小。
[13]結(jié)合附圖理解，從下面的詳細(xì)描述中本發(fā)明的進一步的特征和優(yōu)點將變得明顯，其中 [14]圖1是包括有去散斑器件的基于激光器的投影顯示器的示意圖； [15]圖2是探測器的分辨光斑內(nèi)的單元的示意圖，其示出具有變化的相位值的單元分區(qū)； [16]圖3是基線投影系統(tǒng)的示意圖； [17]圖4(a)示出具有三級調(diào)制的物體強度圖的例子； [18]圖4(b)示出被探測的強度圖像的例子，其中由于高達±π的隨機相位調(diào)制所造成的散斑被應(yīng)用于物體波陣面； [19]圖5是示出產(chǎn)生沸騰散斑圖樣以使強度變化最終達到平衡的示意圖； [20]圖6是示出3級Pancharatnam相位調(diào)制的示意圖； [21]圖7示出由Q/H/Q波片偏振轉(zhuǎn)換獲得的Pancharatnam相移； [22]圖8示出使用Q/H(θ)/Q3級偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的多個幾何相移； [23]圖9A和圖9B示出為以引發(fā)Pancharatnam相移的Q/H(θ)/Q3級偏振轉(zhuǎn)操的示意性布局； [24]圖10(a)示出在460nm波長通過Q/H(θ)/Q波片的偏振轉(zhuǎn)換； [25]圖10(b)示出在520nm波長通過Q/H(θ)/Q波片的偏振轉(zhuǎn)換； [26]圖10(c)示出在635nm波長通過Q/H(θ)/Q波片的偏振轉(zhuǎn)換； [27]圖11是示出從3級Q/H(θ)/Q器件的多個XY位置獲得的計算出的幾何相移的曲線圖，所述3級Q/H(θ)/Q器件具有HWP慢軸方向在±π之間的整個范圍； [28]圖12是示出在3級Q/H(θ)/Q器件的多個XY位置處沿著輸入線偏振(H偏振)的計算出的強度組分的曲線圖，所述3級Q/H(θ)/Q器件具有HWP慢軸方向在±π之間的整個范圍； [29]圖13是示出在3級Q/H(θ)/Q器件的多個XY位置處計算出的橢圓偏振長軸角和橢圓角的曲線圖，所述3級Q/H(θ)/Q器件具有HWP慢軸方向在±π之間的整個范圍； [30]圖14是示出在垂直入射時雙層AQWP設(shè)計的計算出的單程延遲特性的曲線； [31]圖15是示出在垂直入射時雙層AQWP設(shè)計的計算出的雙程延遲特性的曲線； [32]圖16(a)示出在460nm波長通過H/Q/H(θ)/Q/H波片的偏振轉(zhuǎn)換； [33]圖16(b)示出在520nm波長通過H/Q/H(θ)/Q/H波片的偏振轉(zhuǎn)換； [34]圖16(c)示出在635nm波長通過H/Q/H(θ)/Q/H波片的偏振轉(zhuǎn)換； [35]圖17是示出從5級H/Q/H(θ)/Q/H器件的多個XY位置獲得的計算出的幾何相移的曲線圖，所述5級H/Q/H(θ)/Q/H器件具有HWP慢軸方向在±π之間的整個范圍； [36]圖18是示出在5級H/Q/H(θ)/Q/H器件的多個XY位置處沿著輸入線偏振(H偏振)的計算出的強度組分的曲線圖，所述5級H/Q/H(θ)/Q/H器件具有HWP慢軸方向在±π之間的整個范圍； [37]圖19是示出在5級H/Q/H(θ)/Q/H器件的多個XY位置處的計算出的橢圓偏振長軸角和橢圓角的曲線，所述5級H/Q/H(θ)/Q/H器件具有HWP慢軸方向在±π之間的整個范圍； [38]圖20(a)是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的去散斑器件的示意圖，該去散斑器件包括可電子切換的HWP和兩個QWP； [39]圖20(b)是圖20(a)中所示的去散斑器件的分解圖，其示出可電子切換的HWP和兩個QWP的慢軸方向(為了清楚起見而省略了基底)； [40]圖20(c)是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的去散斑器件的示意圖，該去散斑器件包括可電子切換的HWP； [41]圖20(d)是圖20(c)中所示的去散斑器件的分解圖，其示出可電子切換的HWP的慢軸方向(為了清楚起見而省略了基底)； [42]圖21(a)是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的去散斑器件的示意圖，該去散斑器件包括具有固定的在空間上變化的慢軸的近HWP和兩個QWP； [43]圖21(b)是圖21(a)中所示的去散斑器件的分解圖，其示出所述兩個QWP的慢軸方向； [44]圖21(c)是示出本發(fā)明的一個實施方式的示意圖，其中圖21(a)中所示的近HWP被旋轉(zhuǎn)以在探測器積分區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生可變的相位調(diào)制； [45]圖21(d)是示出本發(fā)明的一個實施方式的示意圖，其中圖21(a)中所示的近HWP被振動以提供1D(a)或2D(b)線性轉(zhuǎn)換，以在探測器積分區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生可變的相位調(diào)制； [46]圖22(a)是示出當(dāng)近HWP包括LCP時第一、第二和第三級波片組件的光軸方向的示意圖； [47]圖22(b)示出局部LCP位置的隨機方向； [48]圖23是隨機定向的LCP半波片的交叉偏振器微觀強度圖像； [49]圖24示出當(dāng)m＝+1和m＝+1旋渦進行相互作用時LC指向矢(director)分布的模型； [50]圖25示出當(dāng)m＝-1和m＝-1旋渦進行相互作用時LC指向矢分布的模型； [51]圖26示出當(dāng)m＝-1和m＝+1旋渦進行相互作用時LC指向矢分布的模型； [52]圖27是示出使用B類工藝制造的LCPHWP的消偏振光譜的曲線； [53]圖28(a)是示出靜態(tài)粗糙屏幕散斑和靜態(tài)去散斑的被探測的圖像； [54]圖28(b)是示出靜態(tài)粗糙屏幕散斑和由去散斑器件所提供的10個隨機相位掩模產(chǎn)生的散斑的被探測的圖像； [55]圖28(c)是示出靜態(tài)粗糙屏幕散斑和由去散斑器件所提供的100個隨機相位掩模產(chǎn)生的散斑的被探測的圖像； [56]圖28(d)是示出靜態(tài)粗糙屏幕散斑和由去散斑器件所提供的160個隨機相位掩模產(chǎn)生的散斑的被探測的圖像； [57]圖29是作為沸騰散斑圖樣的數(shù)量的函數(shù)的模擬散斑對比度曲線；以及 [58]圖30是示出每個亞分辨光斑的分區(qū)與顯示面板像素尺寸之間的關(guān)系的示意圖。
[59]應(yīng)注意，在全部附圖中，相似的部件由相似的參考數(shù)字標(biāo)識。
具體實施例方式 [60]在圖1中示出基于激光器的投影儀(PJ)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)100中，來自光源110的輸出光被光學(xué)元件120均勻化并成形，以便以所需的高寬比在顯示面板150上形成均勻照射的矩形。在本實施方式中，光源110包括一個聯(lián)合封裝的紅綠藍(RGB)激光二極管(LD)模塊。在其它實施方式中，光源包括三個離散地耦合的RGB LD。如果顯示面板150使用偏振調(diào)制(例如，基于液晶的顯示器)，則光束成形光學(xué)元件120一般也包括偏振轉(zhuǎn)換和/或恢復(fù)光學(xué)元件，在一個實施方式中，光束成形光學(xué)元件120包括高性能光導(dǎo)管、準(zhǔn)直透鏡或蠅眼陣列。在其它實施方式(例如，對于限制空間的毫微/皮可投影儀(nano/pico-projectors))中，光束成形光學(xué)元件120包括用于使照射臂中的矩形均勻化和成形的衍射/折射扁平光學(xué)元件。在該實施方式中，顯示面板150被示為可透射顯示面板(例如，扭曲向列(TN)LCD面板)。在其它實施方式中，顯示面板150是反射的顯示面板(例如，數(shù)字微鏡(DMD)或硅基液晶(LCoS)面板)。在使用反射顯示面板的實施方式中，一般提供偏振分束器(PBS)來分離照射和投影光學(xué)鏈。投影光學(xué)元件160一般包括將調(diào)制光投影到顯示屏170上的投影透鏡。從顯示屏170反射的光在探測器180處被觀察到。
[61]如上討論的，光源110的內(nèi)在的相干性、各種光學(xué)部件120的折射率不均勻性和/或顯示屏170的粗糙度，引起導(dǎo)致光干涉的隨機相位波動，光干涉對于觀察者則顯現(xiàn)為明亮和黑暗的圖像斑點。此斑點到斑點的強度波動(例如，散斑圖樣)具有與探測器180分辨光斑的尺寸相同的特征顆粒尺寸。散斑圖樣使圖像質(zhì)量對于大多數(shù)成像應(yīng)用來說是不可接受的。
[62]因此，去散斑器件140被插入到光路中，以消除或抑制散斑噪聲。在該實施方式中，去散斑器件140被置于顯示系統(tǒng)的照射臂中(比如，被置于光源110和顯示面板150之間)，以便不會因為去散斑器件的不希望的散射和/或消偏振而劣化光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞功能。在其它實施方式中，去散斑器件140被插入到顯示系統(tǒng)的投影臂中(例如，在顯示面板150和投影屏170之間)。
[63]去散斑器件140通過產(chǎn)生多個散斑圖樣來抑制散斑噪聲，這些散斑圖樣在人眼或電子探測器180的一個探測區(qū)間內(nèi)被各種光學(xué)部件的折射率不均勻性和/或顯示屏的粗糙度產(chǎn)生的靜態(tài)散斑圖樣所平均化。雖然去散斑器件140不抑制激光源的相干性，但它卻會抑制散斑圖樣的被察覺的效應(yīng)和/或抑制散斑對比度。
[64]對于使用具有織紋表面的有源擴散器/可變相位板的現(xiàn)有技術(shù)去散斑器件，產(chǎn)生多個散斑圖樣來抑制散斑對比度的方法已經(jīng)被研究。根據(jù)J.W.Goodman，“Somefundamental properties of speckles，”J.Opt.Soc.Amer.A，66，pp.1145-1150，1976，激光照射的散斑對比度比率可通過疊加N個不相關(guān)的散斑圖樣來減小。散斑對比度比率被定義為不均勻圖像的均方根(rms)強度偏離與中間/平均圖像強度包絡(luò)的比率。對于完整的解相關(guān)組，減小的量是√N的因子。不相關(guān)的散斑圖樣可從時間、空間、頻率(波長)和偏振獲得。如果N組散斑圖樣不是不相關(guān)的，則減小因子較小。
[65]根據(jù)J.I.Trisnadi，“Speckle contrast reduction in laser projection displays，”在Projection Displays VIII，Proc.SPIE 4657，M H Wu，Editor(Soc.Photo-Opt.Instru.Engrs.，Bellingham，WA，2002)，pp.131-137中，抑制散斑對比度的一種方法是將一個相應(yīng)于強度探測器(即，人眼或電子光電探測器)的分辨光斑的單元分為多個單元分區(qū)，并將時間相位變化應(yīng)用于單元分區(qū)。在圖2中示出探測器的分辨光斑內(nèi)的單元的示意圖。
[66]在美國專利號6,747,781中，Trisnadi教導(dǎo)，最佳散斑對比度抑制要求必須消除在探測器處的光場的相干求和的交叉項。例如，如果有源擴散器/相位板包括分成2x2分區(qū)的單元，則原始未變化的被探測的強度由下式給出 S0＝|A11+A12+A21+A22|2 ＝|A11|2+|A12|2+|A21|2+|A22|2 (1) +2A11A12+2A11A21+2A11A22 +2A12A21+2A12A22+2A21A22 其中Aij是有源擴散器的單元內(nèi)的各個單元分區(qū)的復(fù)振幅透射或反射。有源擴散器的單個單元相應(yīng)于探測器分辨光斑尺寸。在這里，術(shù)語有源擴散器與有源相位板可交替地使用。從有源擴散器的特性必須在探測器積分區(qū)間內(nèi)變化的意義上來說，有源擴散器是有源的。
[67]如果2x2單元被配置為Hadamard 2x2矩陣并通過探測器積分時間的4個子區(qū)間被轉(zhuǎn)換，則交叉項(即，兩個或多個單元分區(qū)的復(fù)振幅的乘積)被證明為被消除。期望的照射結(jié)果接著由下式給出 S5＝|A11|2+|A12|2+|A21|2+|A22|2(2) 因此，到達任何粗糙表面或任何折射率調(diào)制的光學(xué)部件的可探測的強度是各個單元分區(qū)強度的純粹的不相干的和。導(dǎo)致散斑的相干干涉不出現(xiàn)。
[68]在上面描述的方法中，使用實質(zhì)上相等的透射的Hadamard矩陣和在亞分辨光斑水平的0和π相位變化。Hadamard矩陣的維度越大，散斑對比度抑制的增益就越高。然而，必須依賴于蝕刻表面浮凸結(jié)構(gòu)來提供0和π相位掩模限制了單元分區(qū)所可達到的尺寸。此外，由于小橫向轉(zhuǎn)換要求，很難嚴(yán)格地增大相應(yīng)于分辨光斑的部分的每個相位分區(qū)的相等的采樣區(qū)間。例如，如果微顯示面板具有大約10μm像素截距，則2x2分區(qū)要求對于探測器的1/4積分區(qū)間的每個2.5x2.5μm相位分區(qū)準(zhǔn)確地被轉(zhuǎn)換成微顯示像素的部分。
[69]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，去散斑器件140是基于延遲器的。基于延遲器的去散斑器件140通過在各個單元分區(qū)(或更一般地，照射橫截面的每個XY位置)處提供變化量的光學(xué)相移來減少探測器中交叉項的份額，同時在時間和/或空間域內(nèi)保持光場的振幅恒定。
[70]通常，基于延遲器的去散斑器件140使用具有在空間上變化的慢軸的光學(xué)延遲器產(chǎn)生變化量的光學(xué)相移。在一個實施方式中，具有在空間上變化的慢軸的光學(xué)延遲器在探測積分時間內(nèi)移動(例如，振動或旋轉(zhuǎn))，以改變通過每個單元分區(qū)(或更一般地，照射橫截面的每個XY位置)透射的波陣面，使得相位調(diào)制被提供給在亞分辨光斑處的探測器。在另一實施方式中，具有在空間上變化的慢軸的光學(xué)延遲器被電子地啟動，以提供相位調(diào)制。在這些實施方式中，基于延遲器的去散斑器件140通過由一個或多個光學(xué)延遲器(即，包括具有在空間上變化的慢軸方向的光學(xué)延遲器)提供的偏振轉(zhuǎn)換來提供光學(xué)相移。
[71]有利地，由于光學(xué)相移由光學(xué)延遲器而不是織紋表面提供，因此激光束的質(zhì)量被維持。此外，在光學(xué)延遲器的在空間上變化的軸方向以連續(xù)的方式變化的實施方式中，可給探測器提供增加數(shù)量的相位掩模，因而允許偽隨機相位編碼。在這種情況下，相對于具有織紋表面的現(xiàn)有技術(shù)擴散器/相位板所經(jīng)歷的分辨光斑限制，本發(fā)明的去散斑器件140沒有被相位分區(qū)排列所限制。
[72]進一步參考圖3描述基于延遲器的去散斑器件的功能，圖3示出基線投影儀系統(tǒng)105。在該基線系統(tǒng)中，光束成形光學(xué)元件被示為理想透鏡121，且省略了顯示面板150，因為額外的逐像素光學(xué)調(diào)制對2D探測圖像增加了復(fù)雜性。
[73]激光源110發(fā)射一系列不同地成角的光線，其中每個光線都是相干的(即，同相并具有相同的光學(xué)頻率)。透鏡121使來自激光源110的單個點光源準(zhǔn)直到平坦的相平面145。更具體地，透鏡121將焦點位置移動到在某個預(yù)定距離處的位置后面，在平坦的相平面產(chǎn)生準(zhǔn)直的束腰。穿過該平坦的相平面的所有波陣面彼此同相地到達。來自該平坦的相平面的照射被投影到屏幕170上，其中照射通過屏幕的粗糙表面來調(diào)制。因此，由于采用不同的光路長度并到達任何給定的探測器像素(在這里，探測器像素與眼的分辨光斑交替地使用)的多個光線的干涉，觀察者180看到不均勻的強度分布(例如，散斑圖樣)。
[74]圖4(a)和4(b)示出圖像上的散斑的效應(yīng)。圖4(a)示出被表示為三區(qū)(例如，0.1、0.5或1單位)強度圖的物體。圖4(b)示出同一物體的由于模擬散斑圖樣而劣化的圖像。在模擬中，成像系統(tǒng)被模擬成包括在512x512計算柵格上產(chǎn)生的直到±π的正常分布的隨機相位分布。該模型假定有產(chǎn)生隨機相位分布的通過表面的透射。該表面代表投影儀系統(tǒng)中所有的散斑源，其中大部分由顯示屏的表面粗糙度引起。物體波陣面和由于散斑源產(chǎn)生的波陣面在復(fù)振幅空間中相乘并向前傳播。該傳播場接著被圓形孔徑乘，以在成像系統(tǒng)的出瞳處產(chǎn)生場。圖像平面分布是具有出瞳分布的付利葉變換對(Fourier Transform pair)，并被用數(shù)字計算。在探測器平面，由于多個光線路徑的建設(shè)性和破壞性干涉而獲得不均勻圖像。注意，該計算產(chǎn)生超過50％的散斑比率。一些探測器像素比平均圖像亮度亮得多，而其它探測器像素比平均圖像亮度暗得多。
[75]基于延遲器的去散斑器件140通過對去散斑器件的一系列空間和/或時間變化而產(chǎn)生一系列散斑圖樣。與從其它光學(xué)元件(即，除了去散斑器件)產(chǎn)生的散斑圖樣不相關(guān)的這些散斑圖樣在一個積分區(qū)間內(nèi)被傳送到具有由其它光學(xué)元件產(chǎn)生的散斑圖樣的探測器180，以便減少被察覺的散斑的數(shù)量。使用在探測器180積分區(qū)間內(nèi)提供的一系列相位調(diào)制的模型可模擬由去散斑器件140產(chǎn)生的一系列散斑圖樣。在顯示屏170處，去散斑器件140的相位調(diào)制被原始散斑的相位圖乘。因而形成的波陣面接著被傳播到探測器平面。這產(chǎn)生在積分區(qū)間內(nèi)眼睛(或探測器)融合的一系列沸騰散斑圖樣。在此模擬中，假定1∶1成像放大率。此外，假定由于去散斑器件和投影屏產(chǎn)生的相位掩模本質(zhì)上是無損的(即，給出一個單位復(fù)振幅場的純相位調(diào)制)，使得因而形成的波陣面具有作為兩個組成的相位圖的和的相位調(diào)制。
[76]在過分簡單化的分析中，在給定分辨光斑內(nèi)的瞬時探測的強度是落到探測器上的所有復(fù)振幅光線的相干和。相干和在每個探測器像素處產(chǎn)生瞬時圖像強度。在探測器積分區(qū)間內(nèi)，被察覺的圖像強度是所有這些圖像的非相干平均。在Δt區(qū)間內(nèi)的平均強度是 其中(3)
是具有常數(shù)B的振幅和φij瞬時相位項的(i，j)光流的瞬時復(fù)振幅；相位項通常是(x，y)相關(guān)的和/或可隨著時間的過去而變化；Δt是探測器積分時間。對于人眼，積分時間大約為20ms(即，每秒50幀)。
[77]本質(zhì)上，給探測器180提供一系列強度圖像，這些強度圖像從去散斑器件140所提供的相位掩模的復(fù)振幅調(diào)制和投影屏光路長度調(diào)制產(chǎn)生。在探測器積分時間內(nèi)每個組成的圖像都是散斑圖樣。這些由觀察者積分，如圖5所示。值得注意的是，如果由去散斑器件產(chǎn)生的散斑相應(yīng)于不相關(guān)的圖像，則不均勻的強度圖像(例如散斑)將表現(xiàn)為被抑制得最多。因為系統(tǒng)散斑源(例如，從顯示屏產(chǎn)生)是靜態(tài)的，去散斑器件在探測器積分時間內(nèi)改變散斑圖像是優(yōu)選的。
[78]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，去散斑器件140產(chǎn)生一系列相位調(diào)制，以使用光路幾何調(diào)制來產(chǎn)生不相關(guān)散斑圖樣的系列。通常，相移可使用光路長度調(diào)制或光路幾何調(diào)制來產(chǎn)生。前者是熟知的技術(shù)，其一般涉及改變折射率或折射度或物理厚度，以便改變光路長度。后者較不普遍。它依賴于具有相同的光路長度，但變化路徑的幾何結(jié)構(gòu)。幾何相位是當(dāng)量子態(tài)在參數(shù)空間或狀態(tài)矢量空間中受到閉環(huán)絕熱處理時提供給所需的相移的一般項。在光學(xué)中，此現(xiàn)象適用于至少兩個重要的情況圓偏振光子遷移沿著螺旋狀路徑的旋轉(zhuǎn)-改向相移以及偏振轉(zhuǎn)換沿著閉環(huán)的Pancharatnam相位。前者使用一個單位旋轉(zhuǎn)的旋量，而后者將偏振轉(zhuǎn)換映射在具有一半旋轉(zhuǎn)單位的邦加球(PS)上。作為結(jié)果，旋轉(zhuǎn)方向引入相應(yīng)于被封閉的立體角的大小的幾何相移，且閉環(huán)偏振轉(zhuǎn)換只產(chǎn)生被封閉的立體角的大小的幾何相移的一半。
[79]例如，考慮線性水平偏振，其由至少兩個線延遲器元件轉(zhuǎn)換，以便最終偏振再次為水平的(例如，包括在π/3和2π/3調(diào)準(zhǔn)的中間線偏振態(tài)的系統(tǒng))。使用在PS球上的三個點，測地三角形可通過沿著球的表面沿著最短路徑連接點來形成。于是測地環(huán)所對向的立體角是2π(球的4π立體角的一半)。在此之后，幾何相移是π(在Pancharatnam相位的情況下的立體角的一半)。如果使具有線性水平偏振的參考光束與也是水平偏振但通過偏振轉(zhuǎn)換獲得π相移的另一光束干涉，則這兩個光束提供破壞性干涉。
[80]在這里采用的相位約定中，對光場E的時間干擾具有正號，而空間干擾具有負(fù)號， E(t，z)＝Re A exp[j(ωt-kz)](5) [81]上述內(nèi)容包括光以直角入射到僅僅各向同性的膜上的假定?？捎镁仃嚪椒ㄌ幚聿徽：碗p折射層。為了定義相位約定的目的，兩個正交的線性場部件由下式給出 Ex＝Ax cos(ωt-kz) Ey＝Ay cos(ωt-kz+α)(6) 其中振幅和相差的比率分別是 α＝φ(Ey)-φ(Ex)(7) 這些角的范圍是 0≤β≤π/2 and-π≤α≤π (8) [82](β，α)的組合允許描述一般的橢圓偏振平面波。通過降低隱時間和空間相位相關(guān)性，偏振矢量可用更簡潔的形式寫出 [83]偏振橢圓的長軸的方位角γ及其橢圓角χ也容易從瓊斯矢量(Jones vector)(β，α)角量獲得 以及(10) sin(2χ)＝sin(2β)sin(α)， [84]如從方程(11)明顯的，橢圓角的符號由sin(α)(例如，因為始終sin(2β)≥0)的符號唯一地確定。對于sin(α)＞0或(0＜α＜π)，橢圓率為正，且橢圓根據(jù)自然術(shù)語具有左旋向。對于sin(α)＜0，橢圓率為負(fù)，且橢圓具有右旋向。對于sin(α)＝0或(α＝±π)，橢圓率為零，且光是線偏振的。
[85]在上面的表達式中，(wt-kz)被稱為動態(tài)相位。當(dāng)使光線穿過包括一系列雙折射部件的系統(tǒng)時，幾何相位影響相對相位，而不改變偏振。也就是說，它在x分量和y分量電場矢量上施加相同的相移。因此，接著方程(9)，輸出電場由下式充分描述 其中Φ是幾何相移。對于使用分立的偏振敏感元件(例如偏轉(zhuǎn)器和延遲器)的、導(dǎo)致閉環(huán)路徑的一系列偏振轉(zhuǎn)換，幾何相位通常被稱為Pancharatnam相移。該相移等于封閉的立體角的一半，Φ＝-Ψ/2。注意，對于一個單位弧度的球體，立體角等于曲面上的面積，Ψ＝Ω，其中Ψ是立體角，而Ω是表面積。
[86]在基于激光器的照射系統(tǒng)中，LD的輸出是線偏振的。該線偏振可相對于光學(xué)系統(tǒng)的XY幾何結(jié)構(gòu)按需要被任意排列。因此，α相差為0或π。因此，輸入線偏振被描述為 [87]其中Ax和Ay為實數(shù)。在線偏振在閉環(huán)周圍轉(zhuǎn)換時，輸出光場獲得額外的幾何相位Φ [88]從Pancharatnam的分析得出，閉環(huán)偏振轉(zhuǎn)換產(chǎn)生幾何相位，而不改變輸出偏振。為了產(chǎn)生Pancharatnam相移，需要至少兩個延遲器部件。進一步地，如果使用只有線性或圓延遲器部件(即，沒有橢圓延遲器)，則需要用于影響偏振轉(zhuǎn)換的至少三個部件。對于線延遲器級聯(lián)，相對于其部分厚度，每個延遲器元件具有統(tǒng)一的軸方向。來自兩個連續(xù)的部件的線延遲器軸(快軸和慢軸)不應(yīng)被彼此平行地對齊。
[89]圖6示出用于引入Pancharatnam相移的相位調(diào)制器器件。相位調(diào)制器器件200使用第一波片組件(WP1)將來自激光二極管的第一線偏振輸出轉(zhuǎn)換成第一圓偏振，利用第二波片組件(WP2)將第一圓偏振轉(zhuǎn)換成第二正交的圓偏振，并使用第三波片組件(WP3)將第二圓偏振輸出轉(zhuǎn)換成第二線偏振。此三級波片配置被提議來產(chǎn)生可變相移。
[90]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，去散斑器件140使用類似于圖6所示的相位調(diào)制器器件的波片組件。特別是，在一個實施方式中，去散斑器件140包括具有相對于第一線偏振軸在±π/4處對齊的有效光軸的第一單層QWP或多層AQWP、具有作為在HWP上的XY位置的函數(shù)而變化和/或在被照射的橫截面的給定XY位置處的一個探測器積分區(qū)間內(nèi)變化的光軸分布的HWP、以及具有相對于第二線偏振軸在±π/4處對齊的有效光軸的第二單層QWP或多層AQWP。注意，如果光軸平行的第一和第二QWP組件被對齊，則第一和第二線偏振也是平行的。相反，如果它們垂直地對齊，則第一和第二線偏振是正交的。在任一情況下，第二QWP組件相對于期望的線偏振輸出在±π/4處與其光軸對齊。第二線偏振輸出可為水平的、垂直的或其間的任何其它線性狀態(tài)?？瑟毩⒌孬@得第二線偏振，而與第一線偏振無關(guān)。然而，如早些時候陳述的，除非第一和第二線偏振態(tài)平行，否則獲得開環(huán)偏振轉(zhuǎn)換。實際相移受幾何相移和動態(tài)相移影響。引入可變幾何相移的上述3級偏振轉(zhuǎn)換波片組件稱為Q/H(θ)/Q(即，QWP/HWP/QWP)器件，其中θ是中間級波片組件相對于參考角的方位角。
[91]Q/H(θ)/Q轉(zhuǎn)換的例子由圖7中的PS描述。還參考圖6，點A由具有在π/4的SA的QWP映射到RHC的點B處(‘.’曲線)。具有在θ-π/4的SA方向的QWP將點B映射到點C(‘o’曲線)，在2θ方向穿過赤道。最后，點C被使用具有在π/4的SA的另一QWP再次映射到點A(‘x’曲線)。封閉的PS球的薄層是角范圍中2θ弧度。因此，封閉的立體角是4θ(即，2θ/2π×4π)。幾何相位是這個值的一半，被給定為Φ＝-2θ。HWP SA僅僅被唯一地限定在±π/2范圍內(nèi)。因此，在給定的總共為2π的范圍中，最大的幾何相移是±π。
[92]已規(guī)定，幾何相移是無限制的。這意味著對相移的數(shù)量沒有限制，這些相移可通過偏振轉(zhuǎn)換從PS上的閉環(huán)得到。這暗示如果以Q/H(θ)/Q方式利用具有變化的SA方向的高級別HWP，則總相位調(diào)制可大于2π。然而，重要的是具有HWP光軸變化的相位相關(guān)性。
[93]如上討論的，HWP的慢軸(SA)越過照射橫截面的不同XY位置和/或在不同的時間間隔內(nèi)變化。作為結(jié)果，一系列測地閉環(huán)在如圖8所示的PS上產(chǎn)生，相應(yīng)于不同量的相位調(diào)制。起始點是線水平偏振，其位于赤道處的PS上。兩個中間點位于相對的極，且根據(jù)HWP的SA，HWP偏振轉(zhuǎn)換的軌跡從一極到另一極遵循沿著PS表面的其中一條縱向線。從HWP獲得的每個路徑(由‘o’、‘x’和‘+’曲線示出)包圍閉環(huán)。由于每個往返偏振轉(zhuǎn)換，結(jié)果是封閉的區(qū)域。3級光學(xué)延遲器的所有轉(zhuǎn)換遵循測地路線。幾何相移再次由每個封閉的立體角的一半給出。
[94]在需要第一和第二線偏振為平行的情況下，兩個QWP的光軸也平行。在這種情況下，仍然有首先將輸入線偏振轉(zhuǎn)換到RHC或LCH的選擇，每個都要求QWP軸與π/4偏離(符號不同)對齊。QWP對齊的兩種情況在圖9(a)和圖9(b)中給出。
[95]對于接下來的計算，我們使用相應(yīng)于B、G和R激光峰值輻射的中心的一組藍(B)、綠(G)和紅(R)波長。例如，利用GaN材料系統(tǒng)，B和G中心波長分別大約為460和520nm。假定利用GaAs/InGaAs材料系統(tǒng)的傳統(tǒng)R激光二極管具有635nm的中心波長。進一步地，假定單層QWP的自然材料色散具有大約分別為1.057和0.937的Δn(B)/Δn(G)和Δn(R)/Δn(G)的雙折射比率。使用基于LC的波片容易得到這些雙折射比率。通過包括波長差異的效應(yīng)，在G波長處具有π/2延遲的QWP在B和R波長處分別產(chǎn)生大約1.195X和0.819X的延遲。使用在B、G和R波長處的延遲值的這些輸入并固定在1115度(θ＝-70度)處的HWP和具有在π/4處對齊的慢軸的QWP，在圖10(a)、(b)和(c)中分別對B、G和R波長描述通過Q/H(θ)/Q波片系統(tǒng)的斯托克司矢量(Stokesvector)演變。
[96]從圖10(b)所示的PS圖中很明顯，兩個QWP按需要在G設(shè)計波長處將線偏振轉(zhuǎn)換成圓偏振，反之亦然。HWP將一個圓偏振轉(zhuǎn)換成正交的圓偏振，其也由在設(shè)計波長處的π延遲給出。因此，閉環(huán)測地路徑ABCA在G波長處的幾何相移由-2θ或140度給出。
[97]相反，在圖10(a)中示出B波長的偏振軌跡越過PS上南極位置，而R波長的偏振軌跡(例如圖10(c))不到達南極位置。作為延遲高于QWP中所需的π/2和HWP中的π的結(jié)果，在B波長處，通過第三波片透射的光的偏振的轉(zhuǎn)換在點D結(jié)束，而不是使點A處的環(huán)閉合。從幾何相移的理論中，仍然可通過以到預(yù)期點A的假想測地路徑使環(huán)閉合來提取相位因子。因為偏振沒有被保持，動態(tài)相位以及幾何相位都對藍波輸出的瞬時相位起作用。然而，在基于偏振的顯示中，為高偏振純度照射必須被清理。因此，偏振器一般以其透射軸平行于原始的激光輸出偏振(例如，圖6中的水平偏振)的方式被插入。由于在點D處的橢圓偏振態(tài)，通過只采用水平偏振分量而產(chǎn)生損耗。點D接著轉(zhuǎn)換到具有減小的長度電場矢量的點E。假定水平偏振器是理想的并完全阻止正交的線偏振(例如，垂直偏振)。此外，假定偏振器不引入常見的透射損耗或相對相差(即，不是雙折射的)。類似的處理被應(yīng)用于在635nm波長處的偏振輸出。
[98]為了在計算的每個波長處提取幾何相位相關(guān)性，執(zhí)行下列計算。首先，使用下式計算在給定波長和HWP角θ處的瓊斯矢量 [99]假定輸入偏振是線性水平的。在需要的波長和慢軸方向評估QWP和HWP的延遲、ΓQ和ΓH。通常，電場矢量的X和Y分量兩者都獲得由下式給出的一些相位因子 [100]使用理想的偏振器假定，獲得瓊斯矢量輸出的點積，得到 [101]因此，來自PS上的偏振轉(zhuǎn)換的任意焦點的幾何相移可通過瓊斯演算獲得，而不必評估在PS上封閉的表面積。因而形成的電矢量現(xiàn)在有Ax長度，而不是單位元素。
[102]在HWP具有固定的在空間上變化的慢軸的實施方式中，對多個連續(xù)變化的方向計算幾何相移。當(dāng)HWP以旋轉(zhuǎn)運動繞著某個垂直軸旋轉(zhuǎn)時取所有可能的HWP慢軸方向，通過提取輸出瓊斯矢量的相位因子來計算幾何相移，因而計算在每個局部XY位置處的激光束的相位調(diào)制。這些相位相關(guān)性結(jié)果在圖11中示出。G通道幾何相位確切地為-2θ，因為QWP和HWP兩者在計算波長處都理想地是π/2和π延遲。B和R波長相對于HWP慢軸的相位調(diào)制中也大致是線性的。雖然通過Q/H(θ)/Q器件中的幾何相移效應(yīng)的相位調(diào)制大致與工作波長無關(guān)，通過理想偏振器的透射功率計算揭示了在B和R波長處的功率損耗。在圖12中示出在水平線偏振態(tài)中剩余的光的被計算的強度。HWP SA在計算中變化了全部±π。如曲線所示，功率對HWP SA方向的第一個±20度接近于統(tǒng)一。G通道功率被維持，因為偏振總是在應(yīng)用偏振器之前恢復(fù)到線偏振。B和R通道可在極端θ＝π/2方向引起高達33％和29％的功率損耗。
[103]在電子啟動HWP(即，慢軸是可轉(zhuǎn)換的)的實施方式中，SA變化一般被限制到±π/4，且所有三個通道都被預(yù)期維持大約90％的功率組分(在Q/H(θ)/Q器件中忽略AR損耗、吸收等)。較接近地看在理想偏振器之前橢圓偏振輸出的長軸揭示了輸出偏振在長軸中僅僅稍微偏離輸入偏振。經(jīng)計算的γ角度是在±π/2之間的整體范圍中的±26度之內(nèi)。因此，作為結(jié)果，沒有輸出偏振垂直于輸入偏振并被檢偏器阻擋的風(fēng)險。然而，橢圓角在極端HWP SA方向上接近±35度。這些結(jié)果在圖13中示出。
[104]增加QWP設(shè)計的光譜帶寬的一種方法是使用兩個或多個雙折射層。例如，在一個實施方式中，兩層消色差A(yù)QWP設(shè)計以從輸入光側(cè)開始的順序包括在給定軸處對齊的第一HWP層和在第二角處對齊的第二QWP。因而形成的波片是兩個延遲器的不同類級聯(lián)。圓延遲以及線延遲可在所需的波長帶兩端被最優(yōu)化，以便將線偏振轉(zhuǎn)換成圓偏振，反之亦然。因而形成的線延遲器慢軸大致平分組成的HWP和QWP元件的慢軸。對于偏振轉(zhuǎn)換，組成的HWP和QWP慢軸從大約±π/4對稱地偏離。例如，在一個實施方式中，AQWP在λ＝510nm處由級聯(lián)的HWP和QWP形成，其光軸在58度方位角處偏離。對單程的計算的線延遲幅度(a)、線延遲方向(b)和圓延遲(c)在圖14中示出。在510nm的設(shè)計波長處，線延遲大約為107度，且慢軸大約為16度。圓延遲在設(shè)計波長處大約為97度。這些延遲特征組合，以提供將線偏振(即，水平偏振或垂直偏振)轉(zhuǎn)換成圓偏振輸出的寬波段AQWP。對不均勻延遲器的雙程的計算的線延遲幅度(a)、線延遲方向(b)和圓延遲(c)在圖15中示出。從這些結(jié)果很明顯，在雙程中的凈延遲大約為180度，且慢軸大約為-45度。圓延遲幾乎為零。該組合將水平偏振光轉(zhuǎn)換成垂直偏振，反之亦然。所示的有效慢軸指反射RH-XYZ坐標(biāo)，其中X軸被反轉(zhuǎn)。因此，單程AQWP必須也在整個可見光波段內(nèi)將線偏振有效地轉(zhuǎn)換成圓偏振。
[105]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，去散斑器件140使用類似于圖6所示的相位調(diào)制器件的波片組件，其中WP1和WP3是AQWP，而WP2是HWP，其光軸分布作為HWP兩端的XY位置的函數(shù)變化和/或在一個探測器積分區(qū)間內(nèi)在照射橫截面的給定的XY位置處變化。在2層AQWP的上述設(shè)計之后，因而形成的三級可變幾何相位調(diào)制器件被配置為H/Q/H(θ)/Q/H，其中H和Q是在設(shè)計波長處的HWP和QWP的統(tǒng)一軸，這在所需的B、G和R激光波長處提供消色差線偏振到圓偏振轉(zhuǎn)換。H和Q慢軸是固定的。具有在空間上變化的慢軸的HWP可在G激光波長處或附近被調(diào)整以適應(yīng)真π延遲。在PS球上應(yīng)用斯托克司矢量轉(zhuǎn)換并指定可變軸HWP的SA為-70度(即，θ為從-π/4偏離-70度)以及將Q和H波片的慢軸布置為從π/4軸對稱地偏離±29度，分別在圖16(a)、(b)和(c)中示出在B、G和R波長處的偏振轉(zhuǎn)換。首先參考G通道轉(zhuǎn)換，第一固定的H波片將點A處的水平線偏振輸入映射到赤道附近的點B(‘.’曲線)，第一Q波片將點B映射到南極附近的點C(‘o’曲線)，在-115度SA對準(zhǔn)相對于X軸的變量H(θ)將南極附近(幾乎是RHC)的點C映射到北極附近(幾乎是LHC)的點D(‘x’曲線)，第二Q波片將點D映射到赤道附近的點E(‘+’曲線)，以及最后第二H波片將點E映射到大致是原始的輸入線偏振的點F(‘□’曲線)。因此，具有5個延遲器層的3級器件形成ABCDEF的偏振軌跡。點F理想地與輸入線性水平偏振相同。
[106]在利用偏振圖像調(diào)制的顯示系統(tǒng)中，偏振器采用平行于輸入光束偏振的光的分量。因此，點F轉(zhuǎn)換到點G，點G具有與點A相同的偏振，但具有減小的長度電場矢量。通過假定在3級器件之后的理想偏振器，得到閉環(huán)偏振轉(zhuǎn)換。在這里，不直接計算封閉的表面積，以便提取在每個所需的波長處且對于每個變化的HWP軸的幾何相移。如可在圖16(a)和(c)中看到的，B和R通道的輸入偏振被轉(zhuǎn)換成具有相當(dāng)大的橢圓率和長軸角相對于理想線性平行偏振輸出的失調(diào)的輸出。
[107]當(dāng)HWP以旋轉(zhuǎn)運動繞著某個軸旋轉(zhuǎn)時再次取所有可能的H(θ)慢軸方向，通過提取輸出瓊斯矢量的相位因子來計算幾何相移，因而計算在照射橫截面的每個局部XY位置處的激光束的相位調(diào)制。RGB通道結(jié)果的這些相位相關(guān)性在圖17中示出。
[108]在WP3的一個配置中，組成的固定方向QWP和HWP的方位角偏移產(chǎn)生WP1中相應(yīng)的QWP和HWP的角偏移的負(fù)號。兩個波片組件都從H和V偏振方向的相同的標(biāo)稱平分線軸偏移。在這種情況下，所引起的幾何相位抵消了兩堆AQWP的恒定相移?？傁嘁剖?且θ＝0。對于從0到±π/2變化的軸H(θ)，總幾何相移再次為±π。
[109]對于WP3具有與WP1相同的HWP和QWP角偏移符號的可選AQWP配置，對具有5個延遲器層的3級器件獲得總的恒定幾何相移(在這里沒有示出結(jié)果)。由于HWP軸θ＝0度，對G通道的所引起的幾何相位大約為-118度。在從-π/4軸變化到±π/2H(θ)軸期間，可變幾何相位范圍從62度到-298度?？勺儙缀蜗嘁拼_切地為-2θ，且最大相位調(diào)制對±π/2θ范圍的最大值為±π。在θ＝0度處的額外相移有助于幾何相移的無限制性質(zhì)和3級H/Q/H(θ)/Q/H器件中額外的波片的使用。對可選配置的B和R波長在相位調(diào)制與HWP慢軸的關(guān)系曲線中也大致是線性的。由于波片的色散效應(yīng)，在θ＝0處的相移不同于G通道相移。這再次表明，在H/Q/H(θ)/Q/H器件中通過幾何相移效應(yīng)的相位調(diào)制大致與工作波長無關(guān)。
[110]在圖18中示出在水平線偏振態(tài)中剩余的光在通過H/Q/H(θ)/Q/H器件的被計算的強度。通過理想偏振器的透射功率揭示了在B和R波長處少得多的強度損耗。HWPSA在計算中變化了整個±π。如在曲線中示出的，G通道對水平偏振光維持至少99％的強度，而B和R通道產(chǎn)生水平偏振光的在88％和94％之間的輸入強度。具有5個延遲器層的3級器件提供了以大θ旋轉(zhuǎn)的提高的功率。使用具有5個延遲器層的3級器件設(shè)計，使理想偏振器之前的橢圓偏振輸出的長軸和橢圓角更接近于線性平行輸入偏振的特征。對于在±π/2之間的θ的全部范圍和對于所有三個通道，被計算的γ角在±20度內(nèi)。橢圓角對所有SA方向小于±20度。這些結(jié)果在圖19中示出。
[111]參考圖20(a)和20(b)，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的去散斑器件300。在該實施方式中，去散斑器件300包括由有源LC延遲器組成的近HWP 310。LC延遲器310包括共面轉(zhuǎn)換(IPS)材料312，例如夾在兩個平行板314、316之間的平面排列向列LC。在器件的輸入側(cè)上，第一QW層(或多層AQWP)324耦合到第一平行板314，其有效光軸325相對于輸入激光的線偏振軸在π/4處對齊。在器件的輸出側(cè)上，第二QW層(或多層AQWP)326耦合到第二平行板316，使得其有效光軸327相對于輸入激光的線偏振軸在π/4處對齊。在一個實施方式中，外部QWP延遲器層324、326使用沉積技術(shù)被覆蓋在LC單元基底314、316上。在其它實施方式中，通過有機箔材料的疊層提供外部QWP延遲器層324、326。近半波延遲器310是可操縱的，以有在空間上和在時間上變化的光軸(例如，光軸或慢軸越過延遲器和/或照射橫截面的XY位置的函數(shù)變化)。更具體地，近半波延遲器310包括被獨立地控制以提供可變慢軸的多個單元分區(qū)或像素。多個LC像素形成圖案以相對于探測器和/或圖像形成器件(未示出)的分辨率獲得亞分辨光斑分區(qū)。
[112]致動器320被設(shè)置成在一個探測器積分區(qū)間內(nèi)積極地改變以隨機或預(yù)定圖案的每個LC像素的慢軸(例如，以在光學(xué)延遲器的平面內(nèi)轉(zhuǎn)換慢軸的方向)。在一個實施方式中，致動器320通過將電壓施加到布置在基底314和防護玻璃罩316上的多個ITO電極來電子地控制各個LC像素。更具體地，致動器320包括界定LC像素的像素化的透明電極基底。例如，在一個實施方式中，LC通過邊緣場轉(zhuǎn)換來轉(zhuǎn)換。在另一實施方式中，LC是鐵電LC(FLC)。在這些實施方式中，有源HWP的慢軸將在-π/4和+π/4之間或在+π/4和3π/4之間連續(xù)轉(zhuǎn)換。π/2的范圍由于市場上可買得到的共面轉(zhuǎn)換LC材料的當(dāng)前限制而被引用。例如，F(xiàn)LC例如CHISSO 2004可在LC器件的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)π/2。通過橫向電極轉(zhuǎn)換的向列IPS LC類似地被限制到π/2旋轉(zhuǎn)角。
[113]在操作中，激光輸入光束(例如，水平偏振)穿過其中它變成圓偏振(例如，具有第一旋向)的第一QW層324，穿過其中旋向改變?yōu)橄喾吹姆较?例如，具有第二相反的旋向)的HWP310，并穿過其中它再次變成線偏振(例如，水平偏振，因為QWP慢軸是平行的)的第二QW層326。注意，HWP 310的每個像素將為所有啟動的狀態(tài)(例如，不管是否它轉(zhuǎn)換到-π/4或+π/4)提供閉環(huán)偏振轉(zhuǎn)換。如上討論的，該閉環(huán)偏振轉(zhuǎn)換提供用于產(chǎn)生相位調(diào)制的幾何相移，該相位調(diào)制產(chǎn)生不相關(guān)的散斑圖樣。由于轉(zhuǎn)換范圍被限制到π/2，由可電子地轉(zhuǎn)換的HWP和兩個共同操作的QWP獲得的最大幾何相位調(diào)制深度是π(最大為2θ＝2*π/2或π)。
[114]參考圖20(c)和20(d)，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的去散斑器件300a。在該實施方式中，去散斑器件300a包括由有源LC延遲器組成的近HWP 310a。LC延遲器包括共面轉(zhuǎn)換(IPS)材料312a，例如夾在兩個平行板314a、316a之間的平面排列向列LC。近半波延遲器310a是可被操縱的，以有作為XY位置的函數(shù)變化的可變光軸分布。更具體地，近半波延遲器310a包括多個單元分區(qū)或像素，其慢軸是可獨立地被控制的。多個LC像素形成圖案以相對于探測器和/或圖像形成器件(未示出)的分辨率提供亞分辨光斑分區(qū)。
[115]致動器320a設(shè)置成在一個探測器積分區(qū)間內(nèi)積極地改變以隨機或預(yù)定圖案的每個LC像素的慢軸(例如，以在光學(xué)延遲器的平面內(nèi)轉(zhuǎn)換慢軸的方向)。在一個實施方式中，致動器320a通過將電壓施加到布置在基底314a和防護玻璃罩316a上的多個ITO電極來電子地控制各個LC像素。更具體地，致動器320a包括界定LC像素的像素化的透明電極基底。例如，在一個實施方式中，LC通過邊緣場轉(zhuǎn)換來轉(zhuǎn)換。在另一實施方式中，LC是鐵電LC(FLC)。通常，慢軸將在0和π之間或在0和-π之間轉(zhuǎn)換(例如，相對于線偏振輸入光)。
[116]在操作中，激光輸入光束(例如，水平偏振)穿過HWP 310a。如果LC像素被操縱，以使其慢軸平行于水平輸入，則穿過其的光將旋轉(zhuǎn)180度(例如，水平偏振)。如果LC像素被操縱，以使其慢軸垂直于水平輸入，則穿過其的光將旋轉(zhuǎn)0度(例如，水平偏振)。換句話說，雙態(tài)轉(zhuǎn)換LC軸強加0或π相位調(diào)制，同時維持相同的線偏振輸出。
[117]有利地，關(guān)于圖20(a)和20(c)討論的實施方式不需要可變HWP的機械擾動，因而對抑制散斑對比度提供低噪聲和緊湊的解決方案(例如，這對嵌入式便攜式器件中的基于激光器的投影儀非常有用)。
[118]進一步有利地，上面討論的LC延遲器310、310a利用共面轉(zhuǎn)換材料。因此，LC器件調(diào)節(jié)光軸的方位角，同時保持傾角固定在離器件平面的0度處或附近。這與僅相位調(diào)制器相反，其使用LC延遲器材料，通過調(diào)節(jié)LC的傾角來操作，同時保持方位角固定。除了提供上述幾何相移以外，共面轉(zhuǎn)換LC器件還提供快速的轉(zhuǎn)換時間。
[119]參考圖21(a)和21(b)，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的去散斑器件400。在該實施方式中，去散斑器件400包括機械擾動的近半波延遲器410。更具體地，去散斑器件400包括布置在近半波延遲器410的輸入側(cè)上的第一QWP(或多層AQWP)424，其有效光軸425相對于輸入激光的線偏振軸在π/4處對齊，以及布置在近半波延遲器410的輸出側(cè)上的第二QWP(或多層AQWP)426，其有效光軸427相對于輸入激光的線偏振軸在π/4處對齊。在該實施方式中，近半波延遲器410是半波片或多級半波片，其在所關(guān)心的波長處提供實質(zhì)上半波延遲(例如，1HW、3HW、5HW等)的奇數(shù)倍。近半波延遲器410具有在空間上變化的慢軸，其在一個實施方式中包括平行于半波片的表面的多個慢軸方向。更具體地，近半波延遲器具有作為XY位置的函數(shù)變化(例如，慢軸方向在光學(xué)延遲器的整個平面內(nèi)以預(yù)定或隨機圖案變化)的慢軸分布。通常，慢軸變化設(shè)計成使得近半波延遲器的子截面展示局部一致的延遲器軸(例如，在微觀水平)，該子截面比去散斑平面上的相應(yīng)分辨光斑小得多。
[120]致動器420提供近半波延遲器410的機械擾動，同時保持QWP424、426固定。在一個實施方式中，致動器包括用于使近半波片繞著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的電機。例如，在圖21(c)所示的實施方式中，近HWP410被安裝成從光束軸偏移。在另一實施方式中，致動器包括用于提供線性平移(即，使近半波片振動)的壓電制動器。例如，參考圖21(d)，致動器410可提供一維(1D)或兩維(2D)平移。有利地，包括提供1D或2D線性平移的致動器的去散斑器件不要求近HWP與包括提供旋轉(zhuǎn)平移的致動器的去散斑器件一樣大。例如，包括提供1D或2D線性平移的致動器的去散斑器件只要求近HWP比照射區(qū)域(例如，其在使用傳統(tǒng)光管的情況下為大約7x4.4mm)稍微大一點，而使用提供旋轉(zhuǎn)平移的致動器的去散斑器件長達超過兩倍。
[121]在操作中，激光輸入光束(例如，水平偏振)穿過其中它變成圓偏振(例如，具有第一旋向)的第一QW層424，并接著穿過近HWP410和第二QWP426。如果光穿過具有接近于π/4或-π/4的局部慢軸方向的近HWP410上(例如，如圖21(b)所示)的區(qū)域，則圓偏振光將改變旋向并作為具有π的相移(即，閉環(huán)偏振轉(zhuǎn)換)的線偏振光從第二QWP傳輸。如果光穿過具有不是π/4或-π/4的局部慢軸方向的近HWP410上的區(qū)域，則相移將小于π。換句話說，相移依賴于局部慢軸方向。多個局部慢軸方向(例如，平行于延遲器的表面延伸的慢軸方向)提供產(chǎn)生靜態(tài)散斑圖樣的相位掩模。
[122]致動器420移動近HWP410，使得激光束的橫截面的子截面(即，其小于去散斑平面上的分辨光斑)將在給定時間間隔內(nèi)對不同的慢軸方向采樣。換句話說，移動(例如旋轉(zhuǎn)/振動)近HWP410改變在照射橫截面的每個XY位置處的相移，使得在每個子像素分辨光斑處的干涉條件隨著時間的過去而變化。因此，去散斑圖樣隨著時間的過去并在分辨光斑上變化，結(jié)果是被抑制的散斑對比度，如在一個探測器積分區(qū)間內(nèi)探測到的。
[123]在一個實施方式中，近半波片410包括具有隨機定向的慢軸分布的液晶聚合物(LCP)，如在圖22(a)中示意性示出的。在同一附圖中還示出的是表示一致的第一和第三級波片光軸方向的(a)和(c)圖。通常，分布圖樣設(shè)計成使得在激光照射系統(tǒng)中入射光束的橫截面的每個子截面(例如，XY位置)將對局部一致的延遲器軸(在微觀水平)和實質(zhì)上相似的z軸采樣。
[124]圖22(b)示出由光束的部分采樣的局部一致的延遲器軸。圖22(b)是局部LCP位置的LC指向矢圖，局部LCP位置小于顯示系統(tǒng)的分辨光斑尺寸。在給定的XY位置，局部排列的LC分子相對于給定器件XY坐標(biāo)系在θ(x，y)處定向。因為幾個相鄰的局部LCP位置形成顯示系統(tǒng)的分辨光斑尺寸，近HWP410將可變量的幾何相移引入照射中。
[125]在一個實施方式中，近半波片410包括如下用光固化LCP材料制成的LCP。向列型LCP先驅(qū)體(例如，ROF-5151，Rolic Technologies，Basel，CH)被覆蓋在透射或反射基底(例如，玻璃、聚合物、單晶等)上?？蛇x地，基底是首先用底漆層覆蓋，以促進LCP先驅(qū)體覆層的粘附和/或濕潤。如果可選的底漆層是線性可聚合的聚合物(LPP)材料，則它不被用作取向?qū)?alignment layer)。換句話說，不使用摩擦取向或光取向工藝步驟?？蛇x地，利用使用取向?qū)拥碾S機或準(zhǔn)隨機取向。當(dāng)在基底上覆蓋LCP先驅(qū)體膜時，LCP材料是向列相位中的液晶。在微觀水平?jīng)]有全局優(yōu)選的方向(例如，指向矢方向)，然而，在微觀水平，LCP先驅(qū)體膜將展示在不使用取向?qū)拥那闆r下以隨機方式連續(xù)變化的慢軸方向，或在使用取向?qū)拥那闆r下遵循取向?qū)拥碾S機或準(zhǔn)隨機取向。除了在這樣的小空間維度上的方向上從空間變化產(chǎn)生的很多奇點(漩渦)以外，在所有空間位置存在有限的方向。
[126]雖然LCP先驅(qū)體膜處于液態(tài)，如果沒有提供取向?qū)樱瑒t在微觀尺度的在空間上變化的慢軸方向?qū)㈦S著時間的過去不斷地變動。為了將膜設(shè)置成固態(tài)，LCP一般通過UV固化工藝被交聯(lián)。這使上述微觀地連續(xù)變化的方向和漩渦持久。
[127]為了控制LCP膜中方向變化的尺度(平均空間變化率或每單位面積的漩渦密度)，使用兩種方法 [128](類型A)為了產(chǎn)生低漩渦密度，LCP先驅(qū)體膜被制造成有相對高的溶劑含量，且它在接近于但小于其向列-各向同性相轉(zhuǎn)變的溫度處退火。這些條件允許類似方向的較大區(qū)域發(fā)展，且允許一些漩渦在彼此相遇時合并。在期望數(shù)量的退火時間之后，膜快速交聯(lián)，或快速冷卻并接著交聯(lián)，以固定結(jié)構(gòu)。可選地，固化膜接著被后烘，以移除殘留的溶劑。
[129](類型B)為了產(chǎn)生高漩渦密度，LCP先驅(qū)體膜被制造成有相對低的溶劑含量，接著它被升高到高于其向列-各向同性相轉(zhuǎn)變的溫度，在該溫度它變成各向同性的。膜接著被快速冷卻回到室溫。當(dāng)它冷卻一直到各向同性-向列相轉(zhuǎn)變溫度時，方向突然以高空間變化率在微觀水平發(fā)展，且存在高密度的漩渦。交聯(lián)過程立即被應(yīng)用，以使該結(jié)構(gòu)持久。固化膜接著可選地被后烘，以移除殘留的溶劑。
[130]圖23中示出具有高漩渦密度的隨機定向的LCP近半波片(即，未對齊的LCP)的圖像。該圖像是具有1單位＝25微米的刻線標(biāo)度的交叉的偏振器微觀密度圖像。黑粒相應(yīng)于平行于偏振器或交叉軸檢偏器排列的LCP指向矢。黑粒之間的連續(xù)陰影代表連續(xù)的LCP指向矢變化。很清楚，未對齊的HWP的在空間上變化的慢軸將向探測器上的分辨光斑提供亞分辨光學(xué)相位調(diào)制(例如，如果顯示器件具有大約10微米的像素寬度)。更具體地，亞分辨光學(xué)相位調(diào)制將在探測器提供亞分辨強度變化(例如，靜態(tài)散斑圖樣)。
[131]在膜中觀察到的漩渦可被描述為m＝+1和m＝-1型漩渦，然而，它們通常是失真的。漩渦的m＝+/-1性質(zhì)是明顯的，因為有從每個漩渦出現(xiàn)的兩個相對的暗條紋和兩個相對的亮條紋。m＝+1和m＝-1漩渦的分布通常相等并良好地分散。沒有觀察到高級漩渦，雖然可以想象它們可能是存在的?？赏ㄟ^在樣本在交叉偏振器之間旋轉(zhuǎn)時觀察條紋在哪個方向旋轉(zhuǎn)來區(qū)分開m＝+1和m＝-1。條紋旋轉(zhuǎn)對m＝+1是在樣本旋轉(zhuǎn)的相反方向上，而對于m＝-1是在樣本旋轉(zhuǎn)的相同方向上。
[132]一些簡單的數(shù)學(xué)模型被用于描述當(dāng)兩個漩渦相互作用時LCP指向矢的方向分布。其結(jié)果在圖24、25和26中示出，這些圖示出LCP指向矢如何分別在兩個附近的m＝+1漩渦、兩個附近的m＝-1漩渦和附近的m＝+1和m＝-1漩渦周圍表現(xiàn)。
[133]有利地，上述未對齊的LCP制造技術(shù)提供了具有在空間上變化的慢軸的HWP，其中慢軸變化是連續(xù)的而不是分立的。因此，LCP HWP不被分立的步驟限制，這些分立的步驟與具有透明的像素化電極結(jié)構(gòu)的電子處理的LC和/或具有織紋表面的現(xiàn)有技術(shù)擴散器相關(guān)。此外，因為LCP HWP的連續(xù)變化的慢軸是隨機或準(zhǔn)隨機分布的(例如，LCP在被固化之前在隨機排列或未對齊的取向?qū)由媳桓采w)，制造不需要符合某些目標(biāo)，且作為結(jié)果LCP近HWP比現(xiàn)有技術(shù)擴散器更容易制造。而且，LCP HWP比具有織紋表面的現(xiàn)有技術(shù)擴散器損耗少。
[134]進一步有利地，未對齊的LCP制造技術(shù)允許位于近HWP的XY平面內(nèi)的局部慢軸在比系統(tǒng)的一個分辨光斑尺寸的等效物(即，在HWP被插入的地方附近)小得多的規(guī)模上變化。例如，如果近半波片位于接近于微顯示器面板，則一個分辨光斑尺寸大約相應(yīng)于一個LC像素尺寸。SAVG和1080p微顯示器面板可具有小于10微米的像素截距。注意，在圖23中刻線尺寸的一個單位之間，出現(xiàn)-π/2到π/2相對指向矢方向的一些完整的演變?？叹€尺寸相應(yīng)于在一般微顯示器面板中的大約2到3個像素寬度。這意味著，結(jié)合光學(xué)線性由可變地對齊的HWP對圓偏振轉(zhuǎn)換器強加的相位可變調(diào)制出現(xiàn)在像素寬度的非常小的部分處。因為由LCP HWP提供的在空間上變化的相位掩模具有比微顯示器像素小得多的顆粒尺寸，預(yù)期有改善的散斑抑制。
[135]進一步有利地，發(fā)現(xiàn)LCP HWP不使輸入線偏振激光混雜。對于后者，高漩渦LCP HWP漩渦的一些樣本以Mueller矩陣偏振計為特征。在這些實驗中，大約2mm寬度的光束以垂直入射被入射在樣本上。樣本的完整的Mueller矩陣數(shù)據(jù)在整個波長光譜中被收集。
[136]參考圖27，示出了作為波長的函數(shù)的消偏振指數(shù)的曲線。消偏振指數(shù)(Dep指數(shù))如下定義 其中M是樣本的Mueller矩陣，mij是在(i-行，j-列)的M的矩陣元素，i和j范圍都是從0到3。在這里的定義中，零單位的Dep(M)相當(dāng)于未消偏振的Mueller矩陣，且一個單位相當(dāng)于理想的消偏振器。
[137]圖27中的其它曲線示出對于給定輸入偏振消偏振(DOdP)度的結(jié)果。消偏振度被定義為給定斯托克司矢量S的偏振度的分量 (19) 為了對一些已知的偏振計算消偏振度，所測量的樣本Mueller矩陣用輸入斯托克司矢量乘。曲線中的標(biāo)號“H”、“V”、“P”、“M”、“L”和“R”分別相應(yīng)于線性水平、線性垂直、線性π/4、線性-π/4、左旋圓和右旋圓輸入偏振。使用下列表達式對所收集的樣本數(shù)據(jù)應(yīng)用該矩陣操作 Sout＝M(sample)×Sin Sin＝SH＝[1，1，0，0]T or SV＝[1，-1，0，0]T or SP＝[1，0，1，0]T or (20) SM＝[1，0-1，0]T or SL＝[1，0，0，1]T or SR＝[1，0，0，-1]T [138]在圖27所示的結(jié)果中，消偏振指數(shù)大約是平均消偏振度，假定在輸入光束中存在所有的偏振態(tài)。注意，具有在空間上變化的慢軸的被制造的HWP對在設(shè)計波長處的圓偏振輸入的兩個旋向顯示很少或沒有消偏振。由于前面級QWP偏振轉(zhuǎn)換，在去散斑器件中滿足該圓偏振輸入條件。因此，已經(jīng)表明，當(dāng)對一個光線輸入進行閉環(huán)偏振轉(zhuǎn)換時不僅LCP HWP保持輸入線偏振，而且也不使輸入偏振與照射直徑為幾毫米的區(qū)域的一束光線混雜。
[139]為了證明通過在空間上改變HWP光軸方向產(chǎn)生的一系列相位掩模在抑制所察覺的散斑噪聲時是有效的，執(zhí)行一系列數(shù)值模擬。在包括去散斑器件和粗糙屏的基線系統(tǒng)中，照射通過去散斑器件的調(diào)制進一步在粗糙屏上通過光路調(diào)制來調(diào)節(jié)。在進一步包括顯示器面板的全投影系統(tǒng)中，攜帶去散斑器件的相位掩模的物體波陣面進一步在振幅、相位、偏振或其組合上在顯示器面板像素處被調(diào)制。該波陣面接著由粗糙屏的相位圖調(diào)制。凈調(diào)制圖被投影到探測器。沒有預(yù)期微顯示器為相干照射激光波長的幾倍的隨機光路長度調(diào)制的源，因此沒有預(yù)期微顯示器產(chǎn)生散斑。微顯示器由于像素化的結(jié)構(gòu)一般包括柵格圖案，該像素化結(jié)構(gòu)將在利用相干激光源的投影儀系統(tǒng)中引起衍射效應(yīng)。在這里沒有模擬該效應(yīng)。
[140]早些時候描述的散斑成像模型更改為包括512x512個柵格點的額外的隨即相位掩模。該模擬假定靜態(tài)的但隨機的相位掩模在探測器積分區(qū)間內(nèi)由粗糙投影屏促成。在每個計算區(qū)間，產(chǎn)生另一相位掩模，表示去散斑器件的功能。這兩個掩模乘在一起以在探測器產(chǎn)生有效的復(fù)振幅光場。相位掩模轉(zhuǎn)換成復(fù)振幅調(diào)制，并與3區(qū)域面板調(diào)制相乘。在圖28(a)到圖28(d)中為在積分區(qū)間內(nèi)通過去散斑器件的多達160組ZY隨機相位調(diào)制示出在積分區(qū)間內(nèi)被探測的圖像。參考圖28(a)，很清楚，靜態(tài)相位掩模在其由于屏幕與靜態(tài)散斑圖樣相互作用之后無論如何都不幫助抑制所察覺的散斑。參考圖28(b)、(c)和(d)，很清楚，當(dāng)相位掩模的數(shù)量從10增加到分別100、160時，散斑顆粒變得更小，且從平均探測的強度的偏離減小了。
[141]使用一直到±π的隨機相位掩模(使用具有π的一個σ的統(tǒng)一分布或正常(高斯)分布)，每個因而產(chǎn)生的瞬時圖像產(chǎn)生大約50％的散斑對比度比率。通過對多個非相干圖像求和，散斑比率開始降低。散斑對比度比率對所產(chǎn)生的散斑圖像的相關(guān)性在圖29中示出。對于給前10個圖像積分的每個額外的圖像，散斑對比度的降低是急劇的。對于在50圖像之后積分的額外的圖像，散斑對比度開始穩(wěn)定。注意，對于保持比率＜10％和8％的一般要求，該模型建議需要在100和160之間的完全不相關(guān)的散斑圖樣。如果相位調(diào)制僅僅是部分不相關(guān)的，則對樣本察覺的散斑比率相位掩模的數(shù)量增加。
[142]在上述的每個實施方式中，具有在空間上變化的慢軸的近半波延遲器(例如310、310a、410)被制造成使得在空間上變化的慢軸對穿過其的光強加相位掩模。用于使用相應(yīng)于非相干散斑圖樣的空間干涉圖樣對光束編碼的該相位掩模一般具有相位單元尺寸(即，具有恒定相位或局部一致的延遲器軸的不同區(qū)域的尺寸)，該相位單元尺寸比探測器的分辨光斑的尺寸(例如平方律或人眼)小得多和/或比顯示器面板中的像素的尺寸小得多。通常，當(dāng)具有在空間上變化的慢軸的HWP延遲器是可電子處理時，相位掩模被像素化，而當(dāng)具有在空間上變化的慢軸的HWP延遲器是基于LCP的時，在相位掩模中的相位單元將被隨機分布和/或不規(guī)則地成形。在每種情況下，相位掩模都可提供在0和π之間的相移的連續(xù)性(例如，對于可電子處理的HWP，中間相移在轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn)，而對于在空間上變化的慢軸，是基于LCP的HWP)；或可主要提供0和π相移(例如，對于轉(zhuǎn)換時間比在端點狀態(tài)的像素的駐留時間小得多的可電子處理的HWP，且其中所有的像素同時可選地以周期性時間間隔轉(zhuǎn)換)。在每種情況下，如果相位單元尺寸比激光照射系統(tǒng)的分辨光斑的尺寸小得多(比探測器的分辨光斑小得多和/或幣顯示器面板中的像素的尺寸小得多)，則散斑對比度抑制得最多。
[143]為了估計探測器的分辨光斑，我們假定去散斑器件定位成鄰近微顯示器面板。不管投影儀光學(xué)元件的放大率如何，觀察者一般都能夠辨別由微顯示器調(diào)制的圖像的像素。透射和/或反射型的大部分高分辨率微顯示器面板都是基于LC的，并產(chǎn)生大約5到10像素截距。由于對在每個像素處的微機械致動器的需要，基于DMD的微顯示器一般擁有較大的像素截距。
[144]參考圖31，去散斑器件140上的照射區(qū)域的覆蓋區(qū)分成微顯示器面板的假想的行x列分辨率。照射的橫截面具有假想的I行和J列。相應(yīng)于一個微顯示器像素的區(qū)域被放大，以顯示所需的相位分區(qū)。為了對沸騰散斑圖樣取平均，在每個分區(qū)內(nèi)的相位值應(yīng)在探測器積分區(qū)間內(nèi)快速變化。
[145]通常，人眼的積分時間在大約20ms和50ms之間(例如，人眼探測變化的時間為至少20ms)。因此，如果具有在空間上變化的慢軸的近HW延遲器是基于LC的，則在探測器積分區(qū)間內(nèi)的快速相位調(diào)制通過選擇以適當(dāng)高的速率電子轉(zhuǎn)換來獲得。如果具有在空間上變化的慢軸的近HW延遲器是基于LCP的，則在探測器積分區(qū)間內(nèi)的快速相位調(diào)制通過以適當(dāng)高的速率平移近HWP來獲得。
[146]例如，考慮圖21(c)所示的旋轉(zhuǎn)的近半波片。通常，入射相干光束照射從旋轉(zhuǎn)軸(例如旋轉(zhuǎn)中心)偏離的近HWP的小區(qū)域，使得最近的照射邊緣離旋轉(zhuǎn)軸距離為l，并使得最遠的照射邊緣離旋轉(zhuǎn)軸距離為L。假定每個顯示器像素截距d等于10微米，以及在去散斑器件平面上的最大分辨光斑是10微米，最小旋轉(zhuǎn)速度可如下計算。如果探測器具有以120Hz的雙倍速率的積分區(qū)間(例如，Δt等于1/120s或8.33msec)，且如果160組相位圖在一個積分區(qū)間內(nèi)被平均以提供＜8％的被察覺的散斑對比度比率，則每個相位圖的時間間隔Δt1將為大約52μsec。從v＝d/Δt1計算的最小線速度因此等于10μm/52μsec或192mm/sec。假定離軸的最小線距離l等于6mm，最小角速度ω＝v/l將等于192mm/sec/6mm或32rads/sec。根據(jù)每秒在轉(zhuǎn)數(shù)(rps)，這轉(zhuǎn)換成大約5rps或306rps的角速度。注意，角速度可在整個照射區(qū)域內(nèi)是恒定的，局部線速度與離軸位置的距離成比例。如果照射區(qū)域的最小距離降低，則速度必須增加，以便維持被探測圖像中所需的散斑比率。
[147]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，上面討論的一個去散斑器件(例如300、300a、400)用作圖1所示的去散斑器件140，以便抑制從探測器180的有限孔徑和有限積分時間產(chǎn)生的散斑效應(yīng)。在一個實施方式中，去散斑器件(例如300、300a、400)被插入照射臂中。在另一實施方式中，去散斑器件(例如300、300a、400)被插入投影臂中。通常，在去散斑器件處整個激光照射平面中產(chǎn)生在空間上變化的和/或隨機相位調(diào)制的具有在空間上變化的慢軸的近HW延遲器(例如310、310a、410)具有慢軸變化，該慢軸變化以比分辨光斑的等效物小得多空間域尺寸沿著去散斑器件被插入的地方的平面變化。如果去散斑器件定位成極接近微顯示器面板150，則可假定相位調(diào)制平面上的分辨光斑大約與微顯示器面板150的像素尺寸相同。在這種情況下，具有在空間上變化的慢軸的近HW延遲器(例如310、310a、410)的顆粒尺寸(即，一個分區(qū)或一個相位單元)將小于微顯示器面板的像素尺寸。
[148]在關(guān)于圖20(a)和21(a)討論的實施方式中，去散斑器件300、400被示為包括第一QWP(或多層AQWP)324、424，其有效光軸相對于輸入激光的線偏振軸在π/4處對齊，以及第二QWP(或多層AQWP)326、426，其有效光軸也相對于輸入激光的線偏振軸在π/4處對齊，使得輸出光的偏振平行于輸入光的偏振。在其它實施方式中，第二QWP(或多層AQWP)的有效光軸相對于輸入激光的線偏振軸在-π/4處對齊，使得輸出光的偏振垂直于輸入光的偏振。在其它實施方式中，第二QWP(或多層AQWP)的有效光軸相對于輸入激光的線偏振軸在某個其它角處對齊。在每種情況下，第一和第二QWP或AQWP有利地保持系統(tǒng)的線偏振，因而對增加基于偏振的顯示系統(tǒng)的亮度非常有用。在其它實施方式中，省略了第二QWP。事實上，雖然第二QWP對顯示器面板是基于偏振的(例如，LCD微顯示器面板)實施方式有用，但它對顯示器面板不是基于偏振的情況(例如，可變形的微鏡器件(DMS))則用處就沒那么大了。
[149]當(dāng)然，上面的實施方式僅作為例子提供。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，將使用各種更改、替換配置和/或等效形式，而不偏離本發(fā)明的范圍。例如，雖然上面討論的實施方式被描述為包括具有在空間上變化的慢軸的基于LC的近HWP(例如，電子啟動的或LCP)，而在本發(fā)明的其它實施方式中，具有在空間上變化的慢軸的近HWP基于其它雙折射材料。例如，在一個實施方式中，具有在空間上變化的慢軸的近HWP包括有機拉伸的聚合箔或非一致排列液晶波片。此外，雖然具有在空間上變化的慢軸的近HWP被描述為單個元件，具有在空間上變化的慢軸的近HWP耦合到其它元件也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，在本發(fā)明的一個實施方式中，近HWP和/或QWP覆蓋有提高波片的角譜寬度的形狀雙折射電介薄膜涂層(例如，提供作為入射角的函數(shù)變化的相位延遲)。因此，本發(fā)明的范圍因此被規(guī)定為完全由所附權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種在激光照射系統(tǒng)中抑制散斑的方法，其包括
在光束中插入去散斑器件，所述光束包括從所述激光照射系統(tǒng)中的相干激光器發(fā)射的光，所述去散斑器件包括用于為從所述相干激光器發(fā)射的光提供實質(zhì)上半波延遲的奇數(shù)倍的光學(xué)延遲器，所述光學(xué)延遲器具有實質(zhì)上不變的延遲和在空間上變化的慢軸，所述在空間上變化的慢軸用于對所述光束強加相位掩模，所述相位掩模用于對探測器上的分辨光斑提供光學(xué)亞分辨相位調(diào)制；
以及啟動所述光學(xué)延遲器，使得所述光學(xué)亞分辨相位調(diào)制在所述探測器的積分時間內(nèi)變化，并使得從一個被探測的分辨光斑到另一個被探測的分辨光斑的強度不均勻性減小。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中啟動所述光學(xué)延遲器的所述步驟包括旋轉(zhuǎn)或振動所述光學(xué)延遲器，使得所述光束的橫截面的子截面在所述探測器的所述積分時間內(nèi)對所述相位掩模的多個區(qū)域采樣。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中啟動所述光學(xué)延遲器的所述步驟包括電子地啟動液晶單元，使得所述單元內(nèi)的局部慢軸方向在所述探測器的所述積分時間內(nèi)在所述單元的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
4.一種用于在激光照射系統(tǒng)中抑制散斑的裝置，所述裝置包括
去散斑器件，其包括用于為從所述激光照射系統(tǒng)中的相干激光器發(fā)射的光提供實質(zhì)上半波延遲的奇數(shù)倍的光學(xué)延遲器，所述光學(xué)延遲器具有實質(zhì)上不變的延遲和在空間上變化的慢軸，所述在空間上變化的慢軸用于對所述光束強加相位掩模，所述光束包括從所述相干激光器發(fā)射的光，所述相位掩模用于對探測器上的分辨光斑提供光學(xué)亞分辨率相位調(diào)制；以及
致動器，其用于啟動所述光學(xué)延遲器，使得所述光學(xué)亞分辨率相位調(diào)制在所述探測器的積分時間內(nèi)變化，并使得從一個被探測的分辨光斑到另一個被探測的分辨光斑的強度不均勻性減小。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述去散斑器件包括布置在所述光學(xué)延遲器的第一側(cè)上的第一四分之一波片，用于將光束從具有第一偏振的線偏振光轉(zhuǎn)換成具有第一旋向的圓偏振光，所述第一四分之一波片相對于所述第一偏振在實質(zhì)上±45度處軸定向。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述去散斑器件包括布置在所述光學(xué)延遲器的第二相對側(cè)上的第二四分之一波片，用于將具有第二相反旋向的圓偏振光轉(zhuǎn)換成具有第二偏振的線偏振光，所述第二四分之一波片相對于所述第一偏振在實質(zhì)上±45度處軸定向，所述第二偏振為垂直于或平行于所述第一偏振，由此具有在空間上變化的慢軸的所述光學(xué)延遲器根據(jù)所述光學(xué)延遲器的局部慢軸方向?qū)⒕哂械谝恍虻膱A偏振光轉(zhuǎn)換成具有第二旋向的圓偏振光，使得所述光學(xué)亞分辨相位調(diào)制是幾何相位調(diào)制。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一四分之一波片和第二四分之一波片是消色差四分之一波片。
8.如權(quán)利要求4到7中任一項所述的裝置，其中所述光學(xué)延遲器包括被置于第一板和第二板之間的液晶，且其中所述致動器包括用于在所述液晶的區(qū)域橫穿施加電壓的多個壓花電極，所施加的電壓用于在其中的平面中旋轉(zhuǎn)所述液晶的局部慢軸方向并提供變化的光學(xué)亞分辨相位調(diào)制。
9.如權(quán)利要求4到7中任一項所述的裝置，其中所述在空間上變化的慢軸是固定的，且其中所述致動器包括用于移動所述光學(xué)延遲器的電機，使得所述光束的橫截面的子截面對所述相位掩模的多個區(qū)域采樣，并提供變化的光學(xué)亞分辨相位調(diào)制。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述電機提供所述光學(xué)延遲器的線性平移或旋轉(zhuǎn)平移。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述光學(xué)延遲器包括液晶聚合物。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述液晶聚合物被涂覆在取向?qū)由希鋈∠驅(qū)訛槲磳R的、隨機排列的和準(zhǔn)隨機排列的取向?qū)拥钠渲幸环N。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述取向?qū)影ň€性可聚合的聚合物。
14.如權(quán)利要求4到7中任一項所述的裝置，其中所述在空間上變化的慢軸包括多個慢軸方向，每個慢軸方向?qū)嵸|(zhì)上平行于所述光學(xué)延遲器的平面。
全文摘要
本發(fā)明提供用于在激光照射系統(tǒng)中抑制散斑的方法和裝置，其中使用去散斑器件，該去散斑器件包括為從激光照射系統(tǒng)中的相干激光器發(fā)射的光提供實質(zhì)上半波延遲的奇數(shù)倍的光學(xué)延遲器，近半波光學(xué)延遲器具有實質(zhì)上不變的延遲和在空間上變化的慢軸。在空間上變化的慢軸對光束強加相位掩模，該相位掩模對探測器上的分辨光斑提供光學(xué)亞分辨相位調(diào)制。近半波光學(xué)延遲器被機械或電子地啟動，以在探測器的積分時間內(nèi)改變亞分辨光學(xué)相位調(diào)制。
文檔編號G02B5/30GK101592786SQ200910131359
公開日2009年12月2日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月15日
發(fā)明者譚金龍, 大衛(wèi)·M.·西蒙, 斯科特·邁克爾東尼 申請人:Jds尤尼弗思公司