CN1211689C - 减少激光斑点的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于减少激光照明系统中的激光斑点的方法和装置，其中，在最好被包括在显示装置中的整个漫射表面上扫描由激光产生的线照明，并且在显示屏上产生二维图像。显示装置包括：光调制器；波前调制器；以及投影/扫描光学装置。光调制器调制激光照明，形成由像素的线阵列构成的线图像。波前调制器改变整个线图像宽度上的空间相位、从而形成相位调制的波前。投影/扫描光学装置将线图像投影到显示屏上并在显示屏上扫描线图像。相位调制的波前产生多个斑点图形，在扫描线图像时获得所述多个斑点图形的平均效果，因而减少了激光斑点。

Description

减少激光斑点的方法和装置
技术领域
本发明涉及激光照明系统领域。更具体地说，本发明涉及在漫射表面上对激光产生的线照明进行扫描的激光照明系统领域。
背景技术
对粗糙表面照明的相干光会产生斑点。从所述粗糙表面的反射称为漫反射。通过粗糙表面的透射称为漫透射。在漫反射或漫透射时，光向各个方向散射。通过漫反射或通过漫透射散射的相干光在远离粗糙表面的空间形成干涉图形。如果用人眼观看，眼睛会看见暗或亮的“粒状”图形。这种“粒状”图形称为斑点。如果光学系统观看用相干光照明的粗糙表面，所述光学系统的亮度检测器将检测到所述斑点。
图1示出先有技术的斑点演示装置。斑点演示装置1包括演示激光器2、发散透镜4和显示屏6，它们都位于第一光轴8上。演示激光器2发射激光束10。发散透镜4将激光束10转变为发散激光束12。发散激光束12照亮显示屏6的大面积14。显示屏6将发散激光束12漫反射，形成干涉图形。位于第二光轴18上的观察平面16捕获干涉图形。观察平面16是空间中眼睛或光学系统聚焦在其上的视场。如果眼睛或光学系统聚焦在观看屏6，则观察平面16就位于显示屏6。应当指出，发散透镜4有助于演示斑点，但并不需要产生斑点。
图2是先有技术的典型斑点的照片，示出在观察平面16处观看到的斑点。从显示屏6漫反射的发散激光束12的相长干涉产生观察平面16上的亮斑。相消干涉产生亮斑之间的暗斑。显示屏6的漫反射具有随机性，故亮斑和暗斑在整个观察平面16上变化。
斑点的量度是对比度(C)。以百分数表示的对比度以C＝100*IRMS/I表示，式中I为平均亮度，IRMS是围绕平均亮度的均方根亮度波动。
Goodman在“Some fundamental properties of speckle”J.Opt.Soc.A.，Vol.66，No.11，Nov.1976，pp 1145-1150中提出用叠加N个不相关斑点图形的方法可以减少斑点。如果N个不相关斑点图形具有相等的平均亮度和亮度，那么，就会使对比度按照斑点减少系数√N下降。如果N个不相关斑点图形具有不相等的平均亮度和不相等的亮度，那么，斑点减少系数就会小于√N。于是，斑点减少系数√N对N个不相关斑点图形来说是斑点减少的最佳情况。Goodman还提出，所述不相关斑点图形可以用时间、空间、频率或偏振等方法来获得。
先有技术的一种斑点减少方法是通过使显示屏6以摆动19的方式运动来产生多个斑点图形，采用的是Goodman提出的时间方法。摆动19通常沿着围绕光轴8的小圆或椭圆进行。这使斑点图形相对于观看显示屏6的眼睛或光学系统位移，从而形成随时间而变的多个斑点图形。虽然在任何瞬间斑点的数量不变，但是，如果摆动的速度大于阈速度，那么，眼睛感觉到减少的斑点。如果曝光时间足够长、使斑点图形移动相当长的距离，则光学系统的亮度检测器也检测到减少的斑点。
在激光照明显示系统技术领域中，众所周知可以把有源漫射体加到激光照明成像系统中来减少激光斑点。有源漫射体设置在中间图像平面上或所述中间图像平面附近。有源漫射体在中间图像平面上以围绕显示系统的光轴旋转或环形图形的方式移动以便在显示屏上产生移动相位。移动相位产生关于时间的不相关斑点图形，因此采用Goodman提出的时间方法。
Wang等人在“Speckle reduction in laser projection systemsby diffractive optical elements”，Applied Physics，Vol.37，No.10，Apr.1998，pp 1770-1775中提出一种在诸如激光电视系统等激光投影系统中减少激光斑点的方法。在激光投影系统中激光点通过光栅扫描在显示屏上形成图像，和电子束在CRT(阴极射线管)中形成图像相类似。Wang等人提出的方法是这样实现的：先扩展激光束，在扩展的激光束中设置衍射光学元件，形成多个小激光束，然后聚焦小激光束，在显示屏上形成激光点。在显示屏上形成每个像素时，多个小激光束略有位移。这样就提供了随时间变化的斑点图形，结果斑点减少。Wang等人还提出使衍射光学元件旋转可略微改善一些斑点的减少。
Bloom等人在1999年11月9日授予的美国专利No.5982553(所述专利作为参考包括在本文中)中提出一种显示系统，它包括：光栅光阀(GLV)；红、绿和蓝激光器；各种透镜装置；扫描镜；显示屏；以及电子线路部分。电子线路部分控制GLV、激光器和扫描镜，在显示屏上形成二维图像。
在Bloom等人提出的显示系统中，GLV在显示屏上形成由像素的线性阵列组成的线图像。在GLV调制像素的线性阵列的同时，扫描镜在与线图像垂直的方向上反复扫描显示屏上的线图像，从而形成二维图像。
由于Bloom等人提出的二维图像由激光照明形成，所以，此二维图像呈现激光斑点，所述激光斑点降低了图像质量。最好通过减少激光斑点来改进图像质量。
所需要的是在通过扫描线图像而形成二维图像的显示系统中减少激光斑点的方法。
所需要的是在漫射表面上对激光所产生的线照明进行扫描的光学系统中减少激光斑点的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种在显示屏上显示二维图像的显示装置，它包括：
a.光调制器，它位于第一图像平面、由电子装置驱动并由激光器照明，所述光调制器形成像素的线性阵列，所述像素的线性阵列构成线图像；
b.波前调制器，它位于第二图像平面，所述波前调制器改变所述线图像的整个宽度上的空间相位，从而形成相位调制的波前；以及
c.投影/扫描光学装置，它由电子装置驱动、将所述线图像投影到所述显示屏上并在所述显示屏上扫描所述线图像、以便在所述显示屏上形成二维图像并且使得所述相位调制波前减少激光斑点。
根据本发明的另一个方面，一种在显示屏上显示二维图像的显示装置，它包括：
a.激光源，它由电子装置控制并提供激光输出；
b.第一光学装置，它柱面形地将所述激光输出聚焦成聚焦线，所述聚焦线具有聚焦宽度并位于第一图像平面；
c.光阀阵列，它由所述电子装置调制、位于所述第一图像平面并且配置成产生像素的线性阵列，所述像素的线性阵列形成线图像；
d.第二光学装置，用于柱面形地将所述具有聚焦宽度的聚焦线聚焦到第二图像平面；
e.波前调制器，它位于所述第二图像平面并且调制整个所述聚焦宽度上的空间相位、以便在整个线图像宽度上形成相位调制的波前；以及
f.第三光学装置，它由所述电子装置驱动，所述第三光学装置将所述线图像投影到所述显示屏上并且在所述显示屏上扫描所述线图像、以便在所述显示屏上形成二维图像并且使得所述相位调制波前减少激光斑点。
根据本发明的又一个方面，一种在显示屏上显示二维图像的显示装置，它包括：
a.激光源，它由电子装置控制并提供激光输出；
b.第一光学装置，它柱面形地将所述激光输出聚焦成聚焦线，所述聚焦线具有聚焦宽度并位于第一图像平面内；
c.光栅光阀，它位于所述第一图像平面、由所述聚焦线照明并且所述电子装置调制，所述光栅光阀产生排列成像素线性阵列的衍射光和反射光的组合，所述像素线性阵列中的衍射部分形成线图像；
d.第二光学装置，它将所述衍射部分从所述衍射光和所述反射光的所述组合中分离出来，所述第二光学装置将所述线图像成像在第二图像平面上；
e.波前调制器，它位于所述第二图像平面内并且调制整个线图像宽度上的空间相位从而形成相位调制的线图像；
f.投影透镜，它投影所述相位调制的线图像从而形成投影的线图像；以及
g.扫描镜组件，它由所述电子装置驱动并且在所述显示屏上扫描所述投影的线图像、以便在所述显示屏上形成二维图像并且使得所述相位调制的线图像减少激光斑点。
根据本发明的再一个方面，一种减少激光照明的显示系统中的激光斑点的方法，所述方法包括以下步骤：
a.将激光输出聚焦成具有宽度的线；
b.沿所述线调制所述激光输出以便产生像素的线性阵列，所述像素的线性阵列形成具有线图像宽度的线图像；
c.在整个所述线图像宽度上调制空间相位、以便产生相位调制的波前；
d.将所述线图像投影到所述显示屏上；以及
e.在所述显示屏上反复扫描所述线图像、以便在所述显示屏上形成二维图像并且使得所述相位调制的线图像减少所述激光斑点。根据本发明的别的一个方面，一种用于照明漫射表面上的区域的装置，它包括：
a.波前调制器，它由激光照明并且位于第二图像平面，所述激光照明在所述波前调制器处形成具有线照明宽度的线照明，所述波前调制器改变整个所述线照明宽度的空间相位、从而形成相位调制的波前；以及
b.投影/扫描光学装置，它由电子装置驱动、将所述线照明投影到所述漫射表面上并且在所述漫射表面上扫描所述线照明、以便照明所述区域并且使得所述相位调制的波前减少激光斑点。
根据本发明的还有一个方面，一种减少激光斑点的方法，它包括以下步骤：
a.将激光输出聚焦成具有线照明宽度的线照明；
b.在整个所述线照明宽度上调制空间相位、以便产生相位调制波前；
c.将所述线照明投影到漫射表面上；以及
d.在所述漫射表面上扫描所述线照明、使得区域被照明并且使得所述相位调制的波前减少激光斑点。
本发明是用于显示通过扫描显示屏上的线图像而形成的二维图像的方法和装置，显示屏上的二维图像呈现减少的激光斑点。显示装置包括：光调制器；波前调制器；以及投影/扫描光学装置。光调制器调制激光照明，形成由像素的线阵列组成的线图像。波前调制器在线图像的宽度范围内改变空间相位，从而形成相位调制的波前。投影/扫描光学装置将线图像投影到显示屏上并横跨显示屏扫描所述线图像。当在显示屏上扫描所述线图像时，相位调制的波前产生多个斑点图形，这样，最终减少了激光斑点。
或者，本发明适合于在横跨漫射表面扫描由激光产生的线照明的任何激光照明系统中减少激光斑点。
附图说明
图1示出先有技术的演示激光斑点的装置。
图2是先有技术的典型激光斑点图形的照片。
图3是本发明的显示装置的示意图。
图4是本发明的显示光学系统的平面图。
图5是本发明的显示光学系统沿光轴展开的正视图。
图6A，6B和6C示出本发明的优选的波前调制器。
图7A和7B图解说明在横跨本发明的显示屏扫描线图像时波前的渐进。
图8示出本发明的另一种波前调制器。
具体实施方式
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(第一光学装置)48；光栅光阀(GLV)50；纹影光学部件(第二光学装置)52；波前调制器54；投影和扫描光学部件(第三光学装置)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1 08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+θproj2/θeye)1/2/(1+θproj1/θeye)1/2
式中：θproj1＝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
θproj2＝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
θeye＝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θproj1增加到第二投影平面角θproj2。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ψtotal(x，t)随时间而变，所以产生多个斑点图形：
ψtotal(x，t)＝ψscreen+ψbeam(x-vt)
式中ψscreen＝对于静止显示屏的光波函数
    ψbeam＝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)＝A1eiφ’+A2eiφ”+A3eiφ_
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＝A1 2+A2 2+A3 2-2A1A2-2A1A3+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)＝A2eiφ”+A3eiφ_+A4eiφ””
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＝A2 2+A3 2+A4 2-2A2A3-2A2A4+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(√N)。
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。

Claims (22)

1.一种在显示屏上显示二维图像的显示装置，它包括：
a.光调制器，它位于第一图像平面、由电子装置驱动并由激光器照明，所述光调制器形成像素的线性阵列，所述像素的线性阵列构成线图像；
b.波前调制器，它位于第二图像平面，所述波前调制器改变所述线图像的整个宽度上的空间相位，从而形成相位调制的波前；以及
c.投影/扫描光学装置，它由电子装置驱动、将所述线图像投影到所述显示屏上并在所述显示屏上扫描所述线图像、以便在所述显示屏上形成二维图像并且使得所述相位调制波前减少激光斑点。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述光调制器包括衍射光阀阵列。
3.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于：所述衍射光阀阵列包括光栅光阀。
4.如权利要求3所述的显示装置，其特征在于：所述第二图像平面光学上位于所述第一图像平面和所述投影/扫描光学装置之间。
5.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述光调制器包括反射光阀阵列。
6.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述光调制器包括透射光阀阵列。
7.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述波前调制器包括衍射元件。
8.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述波前调制器包括反射元件。
9.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述波前调制器包括衍射光栅。
10.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于：所述衍射光栅包括双间距衍射光栅。
11.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于：所述投影/扫描光学装置包括投影透镜和扫描镜，并且所述投影透镜、所述扫描镜和所述衍射光栅配置成使光通过量最大。
12.一种在显示屏上显示二维图像的显示装置，它包括：
a.激光源，它由电子装置控制并提供激光输出；
b.第一光学装置，它柱面形地将所述激光输出聚焦成聚焦线，所述聚焦线具有聚焦宽度并位于第一图像平面；
c.光阀阵列，它由所述电子装置调制、位于所述第一图像平面并且配置成产生像素的线性阵列，所述像素的线性阵列形成线图像；
d.第二光学装置，用于柱面形地将所述具有聚焦宽度的聚焦线聚焦到第二图像平面；
e.波前调制器，它位于所述第二图像平面并且调制整个所述聚焦宽度上的空间相位、以便在整个线图像宽度上形成相位调制的波前；以及
f.第三光学装置，它由所述电子装置驱动，所述第三光学装置将所述线图像投影到所述显示屏上并且在所述显示屏上扫描所述线图像、以便在所述显示屏上形成二维图像并且使得所述相位调制波前减少激光斑点。
13.如权利要求12所述的显示装置，其特征在于：所述光阀阵列包括衍射光阀阵列。
14.如权利要求13所述的显示装置，其特征在于：所述衍射光阀阵列包括光栅光阀并且所述第三光学装置包括将衍射部分从衍射光和反射光的组合中分离出来的装置，所述衍射部分是所述衍射光的一部分。
15.如权利要求14所述的显示装置，其特征在于：所述衍射部分包括正1衍射级和负1衍射级。
16.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于：所述衍射光形成线图像。
17.如权利要求12所述的显示装置，其特征在于：所述光阀阵列是反射光阀阵列。
18.如权利要求12所述的显示装置，其特征在于：所述光阀阵列是透射光阀阵列。
19.一种在显示屏上显示二维图像的显示装置，它包括：
a.激光源，它由电子装置控制并提供激光输出；
b.第一光学装置，它柱面形地将所述激光输出聚焦成聚焦线，所述聚焦线具有聚焦宽度并位于第一图像平面内；
c.光栅光阀，它位于所述第一图像平面、由所述聚焦线照明并且所述电子装置调制，所述光栅光阀产生排列成像素线性阵列的衍射光和反射光的组合，所述像素线性阵列中的衍射部分形成线图像；
d.第二光学装置，它将所述衍射部分从所述衍射光和所述反射光的所述组合中分离出来，所述第二光学装置将所述线图像成像在第二图像平面上；
e.波前调制器，它位于所述第二图像平面内并且调制整个线图像宽度上的空间相位从而形成相位调制的线图像；
f.投影透镜，它投影所述相位调制的线图像从而形成投影的线图像；以及
g.扫描镜组件，它由所述电子装置驱动并且在所述显示屏上扫描所述投影的线图像、以便在所述显示屏上形成二维图像并且使得所述相位调制的线图像减少激光斑点。
20.一种减少激光照明的显示系统中的激光斑点的方法，所述方法包括以下步骤：
a.将激光输出聚焦成具有宽度的线；
b.沿所述线调制所述激光输出以便产生像素的线性阵列，所述像素的线性阵列形成具有线图像宽度的线图像；
c.在整个所述线图像宽度上调制空间相位、以便产生相位调制的波前；
d.将所述线图像投影到所述显示屏上；以及
e.在所述显示屏上反复扫描所述线图像、以便在所述显示屏上形成二维图像并且使得所述相位调制的线图像减少所述激光斑点。
21.一种用于照明漫射表面上的区域的装置，它包括：
a.波前调制器，它由激光照明并且位于第二图像平面，所述激光照明在所述波前调制器处形成具有线照明宽度的线照明，所述波前调制器改变整个所述线照明宽度的空间相位、从而形成相位调制的波前；以及
b.投影/扫描光学装置，它由电子装置驱动、将所述线照明投影到所述漫射表面上并且在所述漫射表面上扫描所述线照明、以便照明所述区域并且使得所述相位调制的波前减少激光斑点。
22.一种减少激光斑点的方法，它包括以下步骤：
a.将激光输出聚焦成具有线照明宽度的线照明；
b.在整个所述线照明宽度上调制空间相位、以便产生相位调制波前；
c.将所述线照明投影到漫射表面上；以及
d.在所述漫射表面上扫描所述线照明、使得区域被照明并且使得所述相位调制的波前减少激光斑点。
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