用于光信号的偏振调制的系统和方法

摘要

提供一种操作激光源的方法。该激光源包括被配置成产生光信号的激光器以及耦合至该光信号的偏振分割和延迟单元。该偏振分割和延迟单元被配置成将光信号分割为第一和第二正交偏振分量，从而产生第一和第二正交偏振分量之间的光程差ΔL，并将第一和第二正交偏振分量组合成一组合信号。该方法包括通过将波长调制信号施加于激光器来调制光信号，以使经调制光信号至少包括第一波长λ1和第二波长λ2，其中第一波长λ1和第二波长λ2分隔开波长差Δλ。该波长差Δλ和光程差ΔL使第一和第二正交偏振分量从同相状态至异相状态来回振荡。

权利要求

1.一种在激光投影系统中操作激光源的方法，其特征在于：所述激光源包括：

激光器，配置成产生光信号；以及

耦合至所述光信号的偏振分割和延迟单元，所述偏振分割和延迟单元被配置成：将所述光信号分割为第一和第二正交偏振分量；

产生所述第一和第二正交偏振分量之间的光程长度差ΔL；以及将所述第一和第二正交偏振分量组合为组合信号，其中，所述第一和第二正交偏振分量具有彼此正交的偏振状态；以及所述方法包括：

通过将波长调制信号施加于激光器来调制光信号，以使所调制的光信号至少包括第一波长λ1和第二波长λ2，第一波长λ1和第二波长λ2分隔开波长差Δλ；以及所述波长差Δλ和所述光程长度差ΔL使所述第一正交偏振分量和所述第二正交偏振分量从同相状态至异相状态来回振荡，其中同相状态是指所述第一和第二正交偏振分量近似同相，其中异相状态是指所述第一和第二正交偏振分量近似异相。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一和第二正交偏振分量具有近似相等的功率；以及所述偏振状态包括正交线性偏振状态或者左手和右手圆偏振状态。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述偏振分割和延迟单元包括至少一个偏振分束器和包括位于所述至少一个偏振分束器周围的多个自由空间反射镜。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述偏振分割和延迟单元包括至少一个偏振分束器和多个反射表面；

所述第一正交偏振分量被所述偏振分束器反射，而所述第二正交偏振分量透射通过所述偏振分束器；以及所述第一或第二正交偏振分量被所述多个反射表面反射。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述偏振分割和延迟单元包括至少一个偏振分束器和多个反射表面；以及所述偏振分割和延迟单元包括一个或多个分束棱镜，其具有多个棱镜壁作为多个反射表面。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述一个或多个分束棱镜包括具有立方体形状并具有三个反射面的棱镜，所述光程长度差ΔL由 定义，其中a为所述立方体一侧的长度，n为所述偏振分割和延迟单元的折射率。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述偏振分割和延迟单元包括偏振分束器以及与第二四分之一波板平行放置的第一四分之一波板；

所述第一正交偏振分量由偏振分束器向所述第一四分之一波板反射，而所述第二正交偏振分量透射通过所述偏振分束器；以及所述第一四分之一波板将所述第一正交偏振分量从第一偏振状态切换到第二偏振状态，并将所述第一正交偏振分量反射朝向所述第二四分之一波板通过所述偏振分束器；

所述第二四分之一波板将所述第一正交偏振分量从第二偏振状态切换到第一偏振状态，并将所述第一正交偏振分量向所述偏振分束器反射；以及所述第一正交偏振分量被所述偏振分束器反射，并与所述第二正交偏振分量组合。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波长差Δλ被选择为使得：其中m为正整数，而λ1为所述光信号的波长。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组合信号以两个正交状态交替发射。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述组合信号耦合至去偏振屏幕。

说明书

用于光信号的偏振调制的系统和方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求2007年12月31日提交的美国临时专利申请No.61/018,114和2008年2月26日提交的美国非临时专利申请No.12/072,426的权益。

[0003] 发明背景

[0004] 本发明涉及用于光信号的偏振调制的系统和方法。更特别地，本发明涉及用以减少在激光投影图像中可能可见的光斑的存在的激光源和激光投影系统的设计和操作方法。在相干光源用于照亮例如屏幕或者其它产生漫反射或透射的物体的粗糙表面的任何时候，光斑就会产生。

[0005] 特别地，屏幕或者其它反射物体的多个小区域将光散射成具有不同起始点和不同传播方向的多个反射光束。在观测点，例如在观测者的眼睛里或者在照相机的传感器处，这些光束相长地干涉来形成亮点，或者相消地干涉来形成暗点，从而产生随机粒度强度图案，称作光斑。光斑可由颗粒大小和对比度来表征，该对比度通常定义为观测平面中标准偏差与平均光强的比率。对于足够大的照亮区域和足够小的单独散射点尺寸，光斑将被“充分形成”为具有100％的亮度标准偏差。作为例子而非限制，如果使用激光束在表面屏幕上形成图像，则这种粒度结构将代表噪声或者图像质量的严重下降。发明概要

[0006] 根据本发明的一个实施例，提供一种操作激光源的方法。该激光源包括被配置成产生光信号的激光器以及耦合至该光信号的偏振分割和延迟单元。该偏振分割和延迟单元被配置成将光信号分割为具有正交偏振的第一和第二分量，产生第一和第二分量之间的光程差ΔL，并将第一和第二分量组合成一组合信号。该方法包括通过将波长调制信号施加于激光器来调制光信号，以使经调制光信号至少包括第一波长λ1和第二波长λ2，其中第一波长λ1和第二波长λ2分隔开波长差Δλ。波长差Δλ和光程差ΔL使第一分量和第二分量从同相状态到异相状态地来回振荡，在同相状态中第一和第二分量近似同相(具有近似π的偶数倍的相差)，在异相状态中第一和第二分量近似异相(具有近似π的奇数倍的相差)。

[0007] 根据本发明的另一个实施例，提供一种激光投影系统，其包括激光源、激光器驱动器以及系统控制器。该激光源包括被配置成产生光信号的激光器以及耦合至该光信号的偏振分割和延迟单元。该系统控制器被编程为通过将波长调制信号施加于激光器来调制光信号，以使经调制光信号至少包括第一波长λ1和第二波长λ2，其中第一波长λ1和第二波长λ2分隔开波长差Δλ。

[0008] 附图简述

[0009] 本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时得到最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标号指示，且其中：

[0010] 图1是根据本发明的一个实施例的激光投影系统的图示；

[0011] 图2是根据本发明的一个实施例的偏振分割和延迟单元的图示；

[0012] 图3是根据本发明的一个实施例的偏振分割和延迟单元的图示；

[0013] 图4是根据本发明的一个实施例的偏振分割和延迟单元的图示；

[0014] 图5是根据本发明的一个实施例的偏振分割和延迟单元的图示；以及

[0015] 图6是根据本发明的一个实施例的偏振分割和延迟单元的图示。

[0016] 详细描述

[0017] 首先参照图1，本发明的特定实施例可在激光投影系统100的上下文中描述，该激光投影系统100包括激光器30、激光器驱动器20、激光投影光学器件40、系统控制器10和投影图像平面50。系统控制器可控制激光器驱动器20和投影光学器件40。激光器30可包括半导体激光器、光泵浦固态激光器、光纤激光器或者任何其它类型的能进行小波长调制的激光器。图1示出其中激光投影系统100被配置成作为扫描投影仪操作的示例性情形，其中激光器30通过频率转换产生一个或者多个光束(例如绿色激光束)和/或一个或者多个来自半导体激光器的光束(例如红色和蓝色激光束)。

[0018] 尽管激光扫描系统是可应用本发明的一种特定应用，但是应该理解这个概念也可应用到其它类型的激光投影系统，诸如帧投影仪、线段投影仪或者全息投影仪。用于这些投影仪的激光投影光学器件40可包括一维(1D)或者二维(2D)空间光调制器。例如，帧投影仪是其中2D(全帧)空间光调制器由激光器30照亮的投影仪，而线段投影仪利用1D(一线段)空间光调制器。线段投影仪利用(1D)空间光调制器来产生线段，其然后由激光器30照亮、由放大反射镜放大、并用扫描反射镜在屏幕上扫描，来产生所投影图像的帧。空间光调制器在ON或OFF状态(包括其间的任何状态，例如一范围的反射和透射状态)之间改变帧或线段内单独像素的强度。然后，可包括一个或多个放大透镜(未示出)的投影光学器件40在帧投影的情况下可用来将帧重新成像在屏幕50上，或者在线段投影的情况下可用来垂直地扫描该线段图像。当使用偏振不敏感的空间光调制器时，诸如类似于美国德州仪器公司的 芯片的数字反射镜器件(DMD)，可直接使用激光偏振调制来减少光斑而不影响图像的质量。

[0019] 在其它技术中，诸如LCD或者硅基液晶(LCOS)偏振不敏感的空间光调制器，像素通过旋转线性偏振并使用分析仪来调制。由于像素偏振，在使用LCD或者LCOS投影仪时调制激光器30的偏振会破坏图像。一种解决方案是在逐帧基础上使激光器偏振在两个正交线性状态之间切换，并取决于激光器的偏振以帧产生频率的一半使图像反相。作为使用8位调制器的一个例子，如果LCD或者LCOS调制器期待p偏振光束，且激光器30被调制成发射当前帧的s偏振光束，则通过对256减去各像素的值取绝对值来将图像反相(例如，如果调制器上的像素具有256的值，则该像素的反相值为0)。

[0020] 在光栅扫描投影图像的情况下，激光投影光学器件40还可包括扫描反射镜。利用由原始激光信号或者通过频率转换产生的信号所形成的光束，光学元件协作以在投影屏幕上或者投影图像平面50上产生二维的扫描激光图像。激光器30，诸如倍频半导体激光器，可发射具有第一分量和第二分量的光信号111。例如，第一分量可以为s偏振激光束，第二分量可以为p偏振激光束。第一或第二分量之一可在偏振分割和延迟单元内延迟。由激光器30发射的光信号111可被调制成在两个或者更多个波长之间交替或者连续扫频，从而产生波长差Δλ。在光信号111离开偏振分割和延迟单元110之后，所得的组合信号120被重定向并由扫描反射镜40扫描。经扫描的光信号122然后被定向至投影图像表面。

[0021] 根据本发明，偏振调制可用来减少光斑，而不降低光栅扫描投影系统中的光束质量。本发明也可在其它类型的投影仪中利用，如上所述。如果光信号111的偏振在两个正交偏振状态之间快速切换或者振荡(比眼睛的响应时间还快)，则光斑对比度可减少因子假定没有其它光斑减少特征，该光斑可通过首先考虑完全形成光斑具有接近100％的对比度来确定。第二方面是大多数漫反射表面(例如屏幕)去偏振光，因此发射两个独立的光斑图案，每一个光斑图案与具有两种偏振状态中的一种的散射光相对应。结果，在除偏振外没有任何光斑减少特征的情况下，该光斑对比度预计为 添加本发明的其它偏振干扰系统和方法能将光斑减少附加因子 从而最终的光斑对比度为大约50％。然而，即使是50％的对比度减少可能也不足以在一些应用中使光斑变得不显著。这样，这里所描述的系统和方法可结合其它用于减少光斑的措施和技术使用，从而产生复合效果。

[0022] 通常，本发明的实施例将由激光器30产生的在两个输出波长之间快速地振荡或者切换的光信号111分割成为具有相等功率和正交偏振的两个分量，将分量之一延迟预定的量来产生光程长度差ΔL，并将两个分量组合来产生组合信号120。正交偏振并不限于以90度偏振的光或者线性偏振。偏振是正交的，其中两个偏振状态没有彼此干扰。例如，左手和右手圆偏振是正交偏振。为了最佳地减少光斑，如这里所讨论的，光程长度差ΔL和波长差Δλ必须足够大，以使两个偏振光束在同相状态和异(即反)相状态之间振荡)，从而组合信号120也在两种正交状态之间振荡。同相可以被定义为分量具有近似π的偶数倍的相差。相反地，异相可以被定义为分量具有近似π的奇数倍的相差。在例如不纳入波长调制的情况下，超过相干长度所需的延迟的量会需要过大的光程，以至于不能被纳入紧凑封装中。作为示例而非限制，倍频半导体激光器的光谱线宽通常低于1GHz，因此其相干向度长于30cm。因此，将需要尺寸至少为7×7cm的玻璃块来执行足够的光延迟，其不适合于半导体激光器30最有可能找到其用途的紧凑投影仪。

[0023] 这里所描述的纳入波长调制极大地减少了必需的光程长度差ΔL，从而允许使用紧凑封装。本发明非常紧凑并在没有改变光信号质量的情况下实现光斑对比度降低，本发明因此适合于微型光栅扫描激光投影仪。另外，偏振调制可以以与扫描激光图像的像素比率相当或者更大的频率极快地执行，并因此与其它较慢的光斑对比度降低措施相兼容。

[0024] 更特别地，参照图2-6，偏振分割和延迟单元110将输入光信号111分割成具有近似相等能量和正交偏振状态的两个分量。偏振分割和延迟单元110可包括一个或者多个偏振分束器112，其可用来将光信号111分割成具有正交偏振的两个光束。偏振分束器112的一个具体示例是格兰-泰勒棱镜(Glan-Taylorprism)，其通常包括两个直角方解石(或者其它类似的双折射材料)棱镜，其在它们的长表面上在112处以气隙分隔开，其中方解石晶体的光轴平行于反射平面对准。具有平行于入射/反射平面的电场矢量的传入光信号111的分量(称为p偏振)透射通过偏振分束器112，而具有垂直于入射/反射平面的电场矢量的分量(称为s偏振)经历全内反射并以直角偏转。如果光信号111以45度角偏振至入射/反射平面，其将被分割成为近似相等功率和正交偏振的p与s分量，一个被透射而另一个被反射。

[0025] 如图2所示，偏振分割和延迟单元110可包括两个直角棱镜115、119，这些棱镜115、119对准以在112处形成分束表面，其中一个棱镜具有立方体115的形状。立方体棱镜
115具有三个壁114、116和118，这三个壁114、116和118背离偏振分束器112，其为了p偏振光的近似100％反射而涂覆过。作为示例而非限制，如果传入光信号111以45度角偏振至入射平面(其可通过例如物理地旋转激光器30或者使用半波板来实现)，则其将在棱镜之间的边界处被分割成为两个相等功率的分量。s偏振分量将从偏振分束器112反射，并立即离开偏振分割和延迟单元110。p偏振分量将经历从棱镜壁114、116和118的三个反射，然后透射通过分束器112，并与s偏振分量相组合形成组合信号120。图2中所示的用于这个构造的s和p分量之间的光程长度差ΔL等于 其中a是立方体一侧的长度，而n
是材料的折射系数。

[0026] 存在多种其它的偏振分割和延迟单元110构造，其会有效地将光信号111分割成为两个正交偏振分量，以及延迟其中一个分量。如图3的示例性实施例中所示，两个偏振分束器112、113可通过在棱镜117和119之间产生两个边界来形成。s偏振分量以由第一偏振分束器112反射，而p偏振分量透射通过第一偏振分束器112和第二偏振分束器113两者。棱镜117的两壁130、132可被涂覆以供例如近似100％的s偏振光的反射，从而导致s偏振光在偏振分束器113的反射并与p偏振分量重新组合成组合信号120的形式之前被反射两次。

[0027] 偏振分束器112和在外表面涂覆有近似100％的反射膜的两个平行的四分之一波板134和136也可以用作如图4中所示的偏振分割和延迟单元110。在这个示例性的结构中，第一分量(在这个例子中被配置为s偏振光)被偏振分束器112反射，而p偏振光透射通过该偏振分束器112。在s偏振分量被偏振分束器112反射之后，其被重定向至将s偏振分量改变为p偏振分量的第一四分之一波板134。P偏振光束于是被第一四分之一波板134反射，并通过偏振分束器112向第二四分之一波板136透射。第二四分之一波板136然后将第一分量的偏振从p偏振改变为s偏振，然后向第二偏振分束器113反射s偏振光。第二偏振分束器113反射现在为s偏振的分量，并与p偏振的第二分量组合。组合信号120具有p偏振分量和延迟的s偏振分量，且光程长度差ΔL等于2an，其中a是分束立方体的壁，而n是材料的折射率。

[0028] 如图5和6所示，多个自由空间反射镜可将光信号111的正交偏振分量重定向，以提供光程长度差ΔL。例如，在图5的示例性实施例中，偏振分束器140被配置为偏振反射镜，其透射p偏振分量，该p偏振分量然后被两个自由空间反射镜142和144重定向，而s偏振分量被偏振分束器140反射。在图6中，s偏振分量由三个自由空间反射镜围绕分束立方体150路由，然后与p偏振分量组合，从而形成组合信号120。可采用任何数目的自由空间反射镜来达到所需光程长度差ΔL。其它设计选择可包括通过诸如光线电缆路由延迟分量。

[0029] 只要光信号111的两个分量的偏振状态是正交的、在被混合在一起之前传输不同的路径、并且获得了光程长度差ΔL，用于偏振分割和延迟单元110的设计的一特定选择对于本发明的正确作用并不重要。传入光信号111可圆偏振，偏转能以不同于90度的角度进行，或者两个分量能以不同的角度在棱镜内透射。延迟分量在双折射材料(而不是空气)中传输的构造由于材料的折射率通常大于1而在尺寸上具有轻微优势，并且因为不需要对准反射镜而可更容易地封装。

[0030] 激光器30的光信号111以波长差Δλ快速地振荡，或者在第一波长λ1和第二波长λ2之间切换，第一波长λ1和第二波长λ2分隔开波长差Δλ，从而：

[0031]

[0032] 其中m是正整数。

[0033] 可以使用不同的方法来产生所需要的波长调制或者切换，且该方法可取决于所使用激光器的类型。例如，激光器30可以是生530nm(绿色)输出的倍率1060nm二极管激光器，而二极管激光器芯片可以是具有相位区段、DBR(或者波长选择)区段和增益区段的三区段式DBR设计。本发明人意识到，通过以可变偏压的形式对DBR和/或相位调节区段施加波长调制信号同时保持增益区段的偏压不变，这种DBR激光器的输出波长可连续地或者等于自由光谱区(纵模间隔)地分步改变。本发明人还意识到，当将激光器增益区段电流快速重置为零时，DBR激光器将随机地选择不同的纵腔模，由此在多个波长之间振荡该激光器。波长调制信号可以为任何形式的信号，包括但不限于方波信号、正弦波信号和随机信号，以使光信号111在两个分隔开Δλ的波长之间切换。

[0034] 可由系统控制器10控制的激光器驱动器20可被配置成将波长调制信号施加于激光器30。例如，激光器驱动器20可以是被配置成产生期望波长调制信号的电路系统。通常，将高频交流偏压施加于相位区段将导致具有取决于偏置电压(或电流)的幅度的输出波长的快速连续调制(扫频)。将交流偏压施加于DBR区段将导致激光器在与腔模(称为模跳变的现象)相对应的两个或者更多离散波长之间快速地切换，尽管这种行为会取决于特定芯片设计。例如，假定芯片长度为3mm，纵模的间隔为14.3GHz或者在1060nm时为0.054nm。在倍频之后，这与绿光中0.027nm的波长间隔相对应。

[0035] 在采用倍频的应用中，确保波长调制或者切换不会因为倍频效率的降低而造成显著输出功率的变化是重要的。通地，周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体被用于功率相对较低的红外(IR)激光源的倍频。然而，当PPLN晶体与波长调制一起使用时，其会导致倍频效率的降低。因此，会需要使用更短的晶体或者某个非均匀极化版本，来在实践本发明时将功率波动降至可接受值之下。

[0036] 如以下方程(1)，如果对于源波长λ1由延迟引起的光信号111的两个分量之间的相位差为 则对于源波长λ1+Δλ，该相位差为 对于源波长λ，离开偏振分割和延迟单元110的组合信号120的偏振状态与对于源波长λ1+Δλ的偏振状态正交。为了例示这个，假定对于源波长λ1组合信号120的s和p分量是同相的。所得的组合信号
120偏振将和与分束器的入射/反射平面成+45度定向的电场矢量成线性关系。对于源波长λ1+Δλ，s和p分量将获得(2m-1)π的相差或者将异相。组合信号120的偏振仍然是线性的，但是电场矢量定向成与入射/反射平面成-45度。因此，具有Δλ幅度的连续波长调制或者具有间隔Δλ的两个离散波长之间的切换将导致两个正交状态之间的偏振的调制。如果这样的组合信号120用于例如将图像投影到屏幕上，光斑对比度将相对于不改变偏振情形降低30％～50％。

[0037] 当纳入波长调制时，偏振分割和延迟单元110在尺寸上会非常小，并因此适合于例如纳入微型投影仪中。作为示例而非限制，在倍频之后考虑具有Δλ1＝0.027nm的半导体DBR激光器。根据方程(1)并假定m＝1且n＝1.5，获得5.2mm的光程长度差ΔL。对于图1中所示的偏振分割和延迟单元110设计， 从而导致所需的立方体形状
的棱镜，其必须具有小至1.23mm的壁面或侧面。这对于容纳经准直的激光器光束会太小。
然而，对于相同类型的激光器，解决方案可以是使用更大的光程长度差ΔL和更小的波长间隔Δλ，其可通过调整对DBR区段的调制幅度来实现。如果优选在两个纵模之间切换，则仍然可实现更大的延迟单元。例如，对于方程(1)中m＝2，所需立方体应该具有大于m＝
1的三倍的侧面，即3.68mm。

[0038] 根据本发明的激光器30的波长调制可非常快地以纳秒量级地执行。对于DBR激光器的例子，DBR区段或者相位区段可以接近甚至超过1GHz的频率被调制。例如，当将本发明纳入具有XVGA图像(1024×768像素)和60Hz帧速率的图像投影系统100中时，“像素率”为47.2MHz。因此，通过应用在此公开的本发明，组合信号120的偏振状态能够在与单个像素的显示时间相对应的时间周期中改变几次。结果，本发明可与用于光斑对比度降低的其它方法相组合来达到复合的效果，这些其它方法依赖于在眼睛的响应时间内作平均，但是以较低的速率工作。作为另一例子，像素在屏幕50上的位置可在连续的帧之间被轻微地改变，从而产生不同的光斑图案。由于眼睛不是足够地快来以60Hz速率记录单独的帧，光斑对比度会降低 其中因子2是因为偏振扰频(假定去偏振屏幕)，k是所投影的不同像素位置的数目。例如，假定k＝3，所观测到的总体光斑对比度将降至原始的29％。

[0039] 本发明人认识到，用于产生极快波长波动的一种方法包括使用激光二极管啁啾。当激光二极管切换到ON时，由于在激光器达到其固定状态之前发生载流子密度的波动，波长以纳秒量级的速度波动。因此，通过以几纳秒的周期持续地切换ON和OFF，激光的波长以高于像素频率的频率恒定地振荡。

[0040] 注意，类似“优选”、“共同”、“常常”和“通常”之类的术语如果在本文中被采用，不应该解读为限制要求保护发明的范围或者暗示某些特征是关键的、必要的、或者甚至比要求保护发明的结构或功能更重要。相反，这些术语仅旨在突出可或可不在本发明的具体实施例中采用的替换的或附加的特征。

[0041] 为了描述和定义本发明，注意在本文中采用术语“近似”来表示可归因于任何数量的比较、数值、测量值、或其它表示的固有不确定程度。还在此采用术语“近似”来表示数量表征可不同于规定参考值，而不在此问题上导致本主题的基本功能改变。

[0042] 注意，在这里对本发明的组件以特定方式“编程为”、“配置”或“编程”来使特定属性具体化、或者以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，而与期望用途的叙述不同。更特别地，这里组件被“编程”或“配置”的方式的引用指该分量的存在物理条件，并且同样地被作为该组件的结构特征的明确叙述。

[0043] 已详细地描述了本发明并引用了其具体实施例，显然在不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下多种修改和变化是可能的。更具体地，虽然本发明的一些方面在此被鉴别为优选的或特别有益的，但可以构想，本发明并非必然限于本发明的这些优选方面。