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CN101375234B - 用于扫描采用荧光屏的光束显示系统的光学设计 - Google Patents

用于扫描采用荧光屏的光束显示系统的光学设计 Download PDF

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CN101375234B CN2006800487622A CN200680048762A CN101375234B CN 101375234 B CN101375234 B CN 101375234B CN 2006800487622 A CN2006800487622 A CN 2006800487622A CN 200680048762 A CN200680048762 A CN 200680048762A CN 101375234 B CN101375234 B CN 101375234B
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Abstract

基于在荧光屏上扫描光的扫描光束显示系统。屏幕可包括荧光材料，在扫描光的激发下，荧光材料发出可见光以用所发出的可见光形成图像。为了提高显示亮度，多个激光器可用来同时扫描多条激光束以照明屏幕。例如，多条激光束可每次照明一个屏幕并连续地扫描多个屏幕段以完成全屏幕。多种扫描技术可在描述的扫描光束显示器中实施，包括检流计反射镜和多边形扫描器以及全息扫描器的结合。

Description

用于扫描采用荧光屏的光束显示系统的光学设计
本PCT申请要求下列在先专利申请的优先权：
1.2005年10月25日提交的题为“基于可UV激发的磷光体显示屏以及全息光束扫描器的高清晰度显示投影仪”的第60/730,401号美国临时申请；
2.2006年8月24日提交的题为“用于扫描采用荧光屏的显示系统的光学设计”的第11/510,495号美国申请；
3.2006年1月19日提交的题为“具有光学荧光材料的显示屏”的第11/337,170号美国专利申请；
4.2006年5月2日提交的题为“具有包含光学荧光材料的屏幕的显示系统和装置”的第10/578,038号美国专利申请；
5.2006年3月3日提交的题为“采用扫描光并通过图像透镜组件的光学失真的电子校正的显示系统”的第60/779,261号美国临时专利申请；
6.2006年5月15日提交的题为“采用包括具有棱镜层的荧光屏的显示系统”的第60/800,870号美国临时专利申请；
7.2006年3月31日提交的题为“具有包含光学荧光材料的屏幕的显示系统”的PCT专利申请No.PCT/US 2006/11757。
上述申请的全部内容通过引用而并入本申请中，以作为本申请说明书的一部分。
背景技术
本申请涉及采用具有荧光材料的屏幕而在光学激发条件下发射彩色光的显示系统，例如基于激光的图像和视频显示器以及用于这些显示器的屏幕设计。
许多图像和视频显示器被设计用来直接产生不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)的彩色图像，然后再将所述彩色图像投射在屏幕上。这种系统经常被称作“投影显示器”，其中屏幕只是使彩色图像对于观察者可见的表面。这种投影显示器可使用白光光源，其中白光光束被过滤和调制，以产生红色、绿色和蓝色图像。可选地，可使用红、绿和蓝三种光源来直接产生红色、绿色和蓝色三种光束，并对三种光束进行调制以产生红色、绿色和蓝色图像。这种投影显示器的示例包括数字光处理(DLP)显示器、硅基液晶(LCoS)显示器和光栅光阀(GLV)显示器。特别地，GLV显示器分别采用三个光栅光阀来调制红、绿和蓝色激光束，并采用激光扫描仪在屏幕上产生彩色图像。在题为“用于图像投影的方法和装置”的第5,920,361号美国专利中描述了基于激光的投影显示器的另一示例。投影显示器采用光学透镜系统将彩色图像成像并投影到屏幕上。
一些其他图像和视频显示器采用的是“直接”配置，其中屏幕本身包括光产生的(light-producing)彩色像素，以便在屏幕中直接形成彩色图像。这种直接显示器去除了用于对图像进行投影的光学透镜系统，因此能够比具有同样屏幕尺寸的投影显示器相对更小。直接显示系统的示例包括等离子显示器、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器(例如有机LED显示器)、以及场发射显示器(FED)。这种直接显示器中的每个彩色像素包括三个相邻的彩色像素，其通过像在LED显示器和FED中那样直接发射彩色光或者通过像在LCD中那样过滤白光而分别产生红、绿和蓝色光。
这些和其他显示器正在取代自出现以来已支配显示器市场数十年的阴极射线管(CRT)显示器。CRT显示器采用真空管中的扫描电子束来激发屏幕上的红、绿和蓝色磷光体以发出彩色光，从而产生彩色图像。虽然CRT显示装置能够产生高分辨率的色彩鲜亮的图像，但是阴极射线管的使用给CRT显示器带来严格的技术限制，并导致近几年CRT显示器的需求急剧下降。
发明内容
其中，本申请的说明书描述了基于在荧光屏上扫描光的扫描光束显示系统。所述屏幕可包括荧光材料，在扫描光的激发下，所述荧光材料发出可见光以用所发出的可见光形成图像。为了提高显示亮度，多个激光器可用来同时扫描多条激光束以照明所述屏幕。例如，所述多条激光束可每次照明一个屏幕并连续地扫描多个屏幕段以完成全屏幕。
例如，本说明书中描述的一个扫描光束显示系统可包括：形成激光器阵列的激光器，以分别传输多条激光束；扫描模块，设置在所述激光束的光路中以在两个正交的方向上扫描激光束；以及无焦光学中继模块，其具有多个透镜并设置在所述激光器和所述扫描模块之间，以减小激光束中两个相邻激光束之间的间距并使所述激光束在所述扫描模块处重叠。在无焦光学中继模块的一个实施中，所述无焦光学中继模块可包括：第一透镜，其具有第一焦距以接收并聚焦来自所述激光器的激光束；第二透镜，其具有比所述第一焦距短的第二焦距，并且与所述第一透镜分开的距离为所述第一焦距，以聚焦来自所述第一透镜的激光束；以及第三透镜，其具有比所述第二焦距长的第三焦距，并且与所述第二透镜分开的距离为所述第三焦距，以将来自所述第二透镜的激光束聚焦并引导至所述扫描模块。在扫描模块的一个实施中，所述扫描模块包括：检流计反射镜，其被设置以接收来自所述第三透镜的激光束并沿第一扫描方向扫描所接收的激光束；以及多边形扫描器，其被设置以接收来自所述检流计反射镜的激光束，并可操作以沿垂直于所述第一扫描方向的第二扫描方向扫描所接收的激光束。其中所述系统进一步包括光学成像透镜模块，其设置在所述检流计反射镜和所述多边形扫描器之间以将所述检流计反射镜成像到所述多边形扫描器上。
例如，一种显示系统可包括：形成激光器阵列的激光器，以分别产生多条激光束；扫描模块，设置在所述多条激光束的光路中以在两个正交的方向上扫描激光束；屏幕，其包括荧光材料，当所述荧光材料由所述多条激光束照明时，发出可见光从而用所发出的光形成图像；扫描透镜，其被设置以接收来自所述扫描模块的激光束并将所述激光束投射到所述屏幕上；以及第一和第二光学反射器，其反射激光束。所述第一光学反射器被设置以将来自所述扫描透镜的激光束反射至所述第二光学反射器，所述第二光学反射器被设置以将来自所述第一光学反射器的扫描激光束反射至所述屏幕，并且所述第一和第二光学反射器被设置以将光路从所述扫描透镜折叠至所述屏幕，从而减小所述扫描透镜和所述屏幕之间的距离。
本申请的说明书也描述了一种用于将光扫描到屏幕上以显示图像的方法示例。所述方法包括：对光进行调制以使其包括携带待显示的图像的光学脉冲；在两个正交扫描方向上扫描所述光；以及使用扫描透镜将经扫描的光投射在屏幕上，从而显示所述图像。其中对所述光进行调制以使其携带所述图像的失真形式，从而包括图像失真，当在所述屏幕上显示时，所述图像失真消除由所述扫描透镜引起的失真。在所述方法的一个实施中，对第一扫描方向上的光学脉冲的时间进行控制，从而当在所述屏幕上显示时，消除一部分由所述扫描透镜引起的失真。
作为另一示例，描述了一种显示系统，其包括：光源，其产生至少一个激发光束，所述激发光被调制以携带图像；扫描模块，其在两个正交的方向上扫描所述激发光束；荧光屏，其接收所述扫描激发光束，当由所述扫描激发光束照明时，所述荧光屏发出可见光，从而用所述发出的可见光形成所述图像；以及二维平场聚焦透镜扫描透镜，其被设置以接收来自所述扫描模块的扫描激发光束并将所述扫描激发光束投射到所述屏幕上。所述系统也可包括信号调制控制器，其与所述光源通信以提供所述图像的图像数据，从而对调制所述激发光束的所述光源进行控制。所述信号调制控制器提供具有图像失真的图像数据，当在所述屏幕上显示时，所述图像失真消除所述二维平场聚焦透镜扫描透镜的光学失真。
在基于在荧光屏上扫描光的扫描光束显示系统的各种实施中，全息光束扫描器可用来扫描至少一个激光束。例如，全息光束扫描器可用来扫描在所述荧光屏上扫描的UV激光激发光束，所述荧光屏吸收所述UV激光以产生所期望的颜色和图像。例如，一种显示系统可包括：屏幕，包括多个平行的荧光体条纹，每一所述荧光体条纹均吸收激发波长的光，从而发出可见彩色光；以及激光器模块，其将所述激发波长的激光束投射并扫描到所述屏幕上，以通过光学调制将由所述激光束携带的图像转变为由所述屏幕上的所述荧光体条纹产生的彩色图像。所述激光器模块包括全息光束扫描器，以在至少一个方向上扫描所述激光束。适当的全息扫描器可以有多种配置。例如，在一个设计中，所述全息光束扫描器包括全息盘，所述全息盘记录有全息图案并被旋转以反射用于扫描的入射光束。在本申请描述的某些示例中，全息光束扫描器可用来代替多边形光束扫描器，以提供屏幕上的“水平”扫描，同时检流计反射镜或另一光束扫描装置用来通过屏幕上的“竖直”扫描。在另一实施中，两个单独的全息扫描器可用来分别通过水平光束扫描和竖直光束扫描。在另一实施中，单个全息扫描器可通过具有单个转动全息盘而用来提供水平方向和竖直方向上的二维扫描，所述转动全息盘记录有用于扫描水平方向上的光束的第一全息图案以及用于扫描竖直方向上的光束的第二全息图案。
上述以及其它示例和实施在附图、具体实施方式以及权利要求中详细描述。
附图说明
图1示出了具有荧光屏的扫描结构显示系统的示例，该荧光屏由在扫描激光束的激发下发出彩色光的可激光激发的荧光体制成，该扫描激光束携带待显示的图像信息；
图2A和2B示出了屏幕结构以及图1中屏幕上的颜色像素的结构的一个示例；
图2C示出了具有荧光条纹的荧光屏的另一示例，该荧光条纹通过在均匀的荧光层上设置平行的光学滤波器而形成，该均匀的荧光层在光学激发下发出白光；
图3示出了图1中激光器模块的实施示例，其具有多个引导屏幕上多条激光束的多个激光器；
图4示出了同时扫描具有多条扫描激光束的多个屏幕段的一个示例；
图5A和5B示出了具有激光器阵列的激光器模块的示例，为了实施图3中的显示系统，该激光器阵列将不同的扫描光束产生到屏幕上；
图6、7、8和9示出了具有激光器致动器的激光器的示例，该激光器致动器控制激光束的竖直方向；
图10示出了用于实施图3中的扫描激光器模块的激光器模块的光学布局图；
图11示出了具有三个透镜元件的二维平场聚焦透镜(f-theta)的示例；
图12示出了图10中无焦中继器的可选设计；
图13示出了在检流计反射镜和多边形扫描器之间的无焦中继器的示例，该无焦中继器将该检流计反射镜成像到该多边形扫描器的反射面上；
图14示出了由基于图3中激光器模块的扫描显示系统中的扫描透镜引起的弓形失真；
图15示出了在屏幕上所测量的失真的示例，该失真由基于图3中设计的扫描系统中的扫描透镜引起；
图16A和16B示出了折叠光路的两个示例，该折叠光路用于将扫描激光束引导至在扫描光束背投系统中具有荧光体的屏幕上；
图17A和17B示出了采用荧光屏的扫描光束显示器，其中多边形扫描器沿激发光束的传播方向设置在检流计反射镜的上游；
图18A和18B示出了可用来构成全息扫描器的全息盘的示例；以及
图19、20、21和22示出了采用了在图18A和18B中示出的全息盘的全息盘扫描器的示例。
具体实施方式
本申请描述了采用具有荧光材料的屏幕在光学激发条件下发光以产生图像的扫描光束显示系统，包括激光矢量扫描显示装置和激光视频显示装置，这些装置采用激光可激发荧光屏，通过吸收激发激光并发出彩色光来产生图像。本文描述了具有荧光材料的显示屏设计的各种示例。具有磷光材料(由一条或多条扫描激发激光束激发)的显示屏在本文中得到详细描述，并且作为本申请中各种系统和装置的实施例中的光学激发荧光材料的具体实施例。
在一种实施中，例如，受到激光束的光学激发以分别产生适于形成彩色图像的红、绿、蓝色光的、三种不同颜色的磷光体，可在显示屏上形成为像素点或平行的重复的红色、绿色和蓝色磷光体条纹。本申请中描述的各种实施例采用具有平行的彩色磷光体条纹(用于发出红色、绿色和蓝色光)的显示屏，以说明基于激光的显示器的各种特征。磷光材料是一种荧光材料。在采用磷光体作为荧光材料的实施例中描述的各种系统、装置和特征适用于具有由其他光学可激发、发光、无磷荧光材料制成的屏幕的显示器。
例如，量子点(quantum dot)材料在适当的光学激发下发光，因而可用作本申请中的系统和装置的荧光材料。更具体地说，半导体化合物，例如CdSe和PbS等，可以制成粒子形式以便发光，其中该粒子的直径接近于作为量子点材料的化合物的激子波尔(Bohr)半径。为了产生不同颜色的光，具有不同能量带隙结构的不同的量子点材料可用来在同一激发光下发出不同的颜色。某些量子点的大小在2至10纳米之间，并且大约包括几十个原子，例如10到50个原子。量子点可扩散和混合到各种材料中，以形成液态溶液、粉末、胶状矩阵材料以及固体(例如固态溶液)。量子点薄膜或薄膜条纹可形成在作为本申请中的系统或装置显示屏的基底上。在一种实施中，例如三种不同的量子点材料可被设计成可以由作为光学泵浦的扫描激光束来光学激发，以发出适于形成彩色图像的红色、绿色和蓝色光。这种量子点可作为以平行线(例如，重复的连续红色像素点线、绿色像素点线和蓝色像素点线)排列的像素点而形成于显示屏上。
在此描述的扫描光束显示系统的某些示例，采用至少一条扫描激光束来激发沉积在显示屏上的彩色发光材料以产生彩色图像。所述扫描激光束被调制成携带红色、绿色和蓝色或其他可见光颜色的图像，并且以如下方式对其进行控制，即激光束激发分别具有红色、绿色和蓝色图像的红色、绿色和蓝色的彩色发光材料。因而，所述扫描激光束携带图像但不直接产生观察者所看到的可见光。相反，显示屏上的彩色发光荧光材料吸收扫描激光束的能量并发出红色、绿色和蓝色或其他颜色的可见光，从而产生观察者所看到的实际的彩色图像。
采用其能量足以使荧光材料发光或发冷光的一条或多条激光束对荧光材料进行激光激发，是多种光学激发形式中的一种。在其他实施中，光学激发可通过能量充沛且足以激发显示屏中所采用的荧光材料的非激光光源来产生。非激光激发光源的示例包括各种发光二极管(LED)、灯和其他光源，这些非激光激发光源所产生的波长或光谱带内的光能够激发将高能量的光转换成可见光范围的低能量的光的荧光材料。激发显示屏上的荧光材料的激发光束的频率或光谱范围可高于所述荧光材料所发出的可见光的频率。因此，所述激发光束可以在紫光光谱范围内和紫外(UV)光谱范围内，例如波长在420nm以下。在下面描述的实施例中，UV光或UV激光束用作磷光材料或其他荧光材料的激发光的示例，并且可以是其他波长的光。
图1示出了基于激光的显示系统的示例，其采用具有彩色磷光体条纹的显示屏。可选地，彩色磷光体的点还可用来限定显示屏上的图像像素。该系统包括激光器模块110，用于产生至少一条扫描激光束120并将其投影到显示屏101上。显示屏101在竖直方向具有平行的彩色磷光体条纹，其中红色磷光体吸收激光而发出红色光，绿色磷光体吸收激光而发出绿色光，蓝色磷光体吸收激光而发出蓝色光。相邻的三个彩色磷光体条纹具有三种不同颜色。图1示出的条纹的一个特定空间颜色序列为红色、绿色和蓝色。也可以采用其他的颜色序列。激光束120的波长在彩色磷光体的光学吸收带宽内，并且通常小于用于彩色图像的可见的蓝色、绿色和红色光的波长。作为示例，彩色磷光体可以是吸收光谱范围在约380nm到约420nm内的UV光以发出期望的红色、绿色和蓝色光的磷光体。激光器模块110可包括用以产生光束120的一个或多个例如UV二极管激光器的激光器、用以水平和竖直扫描光束120以便在显示屏101上一次提供一个图像帧的光束扫描机构、以及用以调制光束120以携带红色、绿色和蓝色图像信道的信息的信号调制机构。这种显示系统可以被配置成背投影系统，其中观察者和激光器模块110位于显示屏101的相对侧。可选地，这种显示系统也可以被配置成前投影系统，其中观察者和激光器模块110与显示屏101位于同一侧。
图2A示出了图1中的显示屏101的一种示例性的设计。显示屏101可以包括背部基底201，其对于扫描激光束120是透明的，并且面向激光器模块110以接收扫描激光束120。第二基底202相对于背部基底201是固定的，并且在背投影配置中面向观察者。彩色磷光体条纹层203位于基底201和202之间并且包括磷光体条纹。用于发出红色、绿色和蓝色的彩色磷光体条纹分别由“R”、“G”、“B”表示。前基底202对于磷光体条纹所发出的红色、绿色和蓝色光是透明的。基底201和202可由多种材料制成，其中包括玻璃或塑料板。每个彩色像素在水平方向上包括三个相邻的彩色磷光体条纹的一部分，并且其竖直尺寸由竖直方向的激光束120的光束分散来限定。同样，每个颜色像素均包括三种不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的三个子像素。激光器模块110一次扫描一条水平线上的激光束120，例如从左向右和从上到下扫描以实现对显示屏101全屏的扫描。激光器模块110相对于显示屏101固定于适当位置，以便可以预定的方式控制光束120的扫描，以确保激光束120与显示屏101上的各像素位置间的正确对准。
在图2A中，扫描激光束120被引导至像素内的绿色磷光体条纹处，以便产生用于该像素的绿色光。图2B以沿着垂直于显示屏101表面的方向B-B的视图进一步示出了显示屏101的操作。由于每个颜色条纹的形状是纵向的，因此光束120的横截面可以成形为沿着条纹的方向伸长，以使像素的每个颜色条纹内的光束的填充因数最大。可以通过在激光器模块110中采用光束成形光学元件来实现这一点。用来产生激发显示屏上磷光材料的扫描激光束的激光光源，可以是单模激光或多模激光。所述激光还可以是沿着垂直于磷光体条纹的伸长方向的单模激光，以便具有由每个磷光体条纹的宽度所限制的、较小的光束分散。沿着磷光体条纹的伸长方向，该激光束可具有多个模式，以便比在穿过磷光体条纹方向分散的光束能够覆盖更大的面积。在一个方向使用具有单一模式的激光束以便在屏幕上具有较小的覆盖区，以及在垂直方向使用具有多个模式的激光束以便在屏幕上具有较大的覆盖区，使得光束成形为适合屏幕上的伸长的颜色子像素，并通过多个模式在光束中提供足够的激光功率，以便确保足够的屏幕亮度。
图2C示出了荧光屏设计的另一示例，其具有邻近的且均匀的混合磷光体层220。混合磷光体层220被设计并构造为在激发光120的光学激发下发射白光。混合磷光体层220中的混合磷光体能以多种方式设计，并且用于发射白光的混合磷光体的多种组合物是公知的并有文献证明。特别地，颜色滤波器层210，例如红色-传输、绿色-传输和蓝色-传输滤波器的条纹，设置在混合磷光体层220的观察者一侧，以过滤白光并产生彩色的输出光。层210和220可夹在基底201和202之间。颜色滤波器能以多种配置来实施，包括与在彩色LCD面板中采用的颜色滤波器类似的设计。在每个颜色滤波器中，例如红色-传输滤波器，该滤波器传输红光并吸收其它颜色的光，包括绿光和蓝光。层210中的每个滤波器都可以是多层结构，其实现具有所需传输带的带通干涉滤波器。多种设计和技术可用于设计和构造这种滤波器。例如，题为“Three color LCD with a black matrix and red and/or blue filters onone substrate and with green filters and red and/or blue filters on theopposite substrate(三色液晶显示器，其在一个基底上具有黑色矩阵和红色和/或蓝色滤波器，且在相对的基底上具有绿色滤波器以及红色和/或蓝色滤波器)”的第5,587,818号美国专利，和题为“Color Liquidcrystal display having a color filter composed of multilayer thin films (具有由多层薄膜组成的彩色滤波器的彩色液晶显示器)”的第5,684,552号美国专利，描述了可用于图2C中的设计的红色、绿色和蓝色滤波器。因此，在本申请描述的各种示例中的荧光屏101中的荧光条纹是这样一种荧光条纹，即，其在光学激发下发出指定的颜色，并且可以由发出图2A中指定的颜色的具体荧光材料形成，或者是图2C中条纹颜色滤波器和白色荧光层的结合。
图3示出了图1中激光模块的示例性实施。具有多个激光器的激光器阵列310用来产生多条激光束312，以为了增强显示器亮度而同时扫描屏幕101。信号调制控制器320被提供以控制并调制激光器阵列310中的激光器，以使得将激光束312调制为携带待在屏幕101上显示的图像。信号调制控制器320可包括数字图像处理器和激光器驱动器电路，该数字图像处理器产生用于三种不同颜色通道的数字图像信号，该激光器驱动器电路传输携带该数字图像信号的激光控制信号。然后，所述激光控制信号用于调制激光器阵列310中的激光器，例如，用于激光二极管的电流。
光束扫描通过使用用于竖直扫描的扫描镜340(例如检流计反射镜)和用于水平扫描的多面体的多边形扫描器350来实现。扫描透镜360用来将来自多边形扫描器350的扫描光束投射到屏幕101上。扫描透镜360被设计为将激光阵列310中的各个激光器成像到屏幕101上。多边形扫描器350的每个不同的反射面都同时扫描N条水平线，其中N是激光器的数量。在示出的示例中，激光束首先导向检流计反射镜340，然后从检流计反射镜340导向多边形扫描器350。输出的光束120然后投射到屏幕101上。中继光学模块330设置在激光束312的光路中，以修正激光束312的空间性质并产生用于通过检流计反射镜340和多边形扫描器350来扫描的紧密聚集的光束332，作为投射到屏幕101上的光束120，以激发磷光体并且通过由该磷光体发出的彩色光产生图像。
贯穿屏幕101对激光束120进行空间扫描，以便在不同时间撞击不同颜色的像素。因此，每个经调制的光束120携带在不同时间用于每个像素的红色、绿色和蓝色图像信号，以及在不同时间用于不同像素的红色、绿色和蓝色图像信号。因而，通过信号调制控制器320利用不同时间用于不同像素的图像信息来对光束120进行编码。因而光束扫描将光束120中的时域编码的图像信号映射为屏幕101上的空间像素。例如，经调制的激光束120可将每个彩色像素时间平均分割成三个连续时隙，该三个连续时隙用于三个颜色信道的三个子像素。光束120的调制可采用脉冲调制技术以便在每个颜色、每个像素的适当的颜色组合以及期望的图像亮度中产生期望的灰度级。
在一个实施中，多条光束120被引导至屏幕101上不同的且相邻的直位置，且两个相邻的光束在屏幕101上沿竖直方向、由屏幕101的一个水平线相互分开。对于检流计反射镜340的给定位置和多边形扫描器350的给定位置来说，光束120可在屏幕101上沿竖直方向未相互对准，并可沿水平方向处于屏幕101上的不同位置。光束120仅能覆盖一部分屏幕101。在检流计反射镜340的固定的角坐标处，多边形扫描器350的旋转使得来自激光器阵列310中的N个激光器的光束120扫描屏幕101上的N个相邻水平线的一个屏幕段。在一个屏幕段上的每个水平扫描的末尾，检流计反射镜340被调整至不同的固定角坐标，以使得所有N个光束120的竖直位置被调整以扫描下一相邻屏幕段的N个水平线。该过程一直重复，直到整个屏幕101被扫描以产生全屏显示。
图4示出了上述的每次以多条扫描激光束同时扫描一个屏幕段以及顺序扫描连续的屏幕段。在视觉上，光束120的作用如同漆刷，其每次“涂刷”贯穿屏幕101的一个厚的水平面以覆盖一个屏幕段，然后接着“涂刷”另一个厚的水平面以覆盖相邻的竖直移动的屏幕段。假设激光器阵列310具有36个激光器，则对于全部扫描，屏幕101的1080-线的顺序扫描将需要30个竖直屏幕段。因此，这种配置在效果上沿竖直方向将屏幕101分为多个屏幕段，以使得所述N个扫描光束每次扫描一个屏幕段，每个扫描光束仅在屏幕段中扫描一条线且不同的光束在该屏幕段中扫描不同连续的线。在扫描过一个屏幕段之后，所述N个扫描光束同时移动以扫描下一相邻的屏幕段。
在上述具有多条激光束的设计中，每条扫描激光束仅沿竖直方向扫描贯穿整个屏幕的多条线，该多条线的数量等于屏幕段的数量。因此，用于水平扫描的多边形扫描器能以低于单光束设计所需的速度运行，在该单光束设计中，单条光束扫描整个屏幕的每条线。对于屏幕上给定数量的总水平线(例如，在HDTV中的1080条线)，当激光器的数量增加时，屏幕段的数量减少。因此，当具有36个激光器时，检流计反射镜340和多边形扫描器350每帧扫描30条线，而当仅有10个激光器时，每帧总计扫描108条线。因此，使用多个激光器可提高基本上与使用的激光器数量成正比的图像亮度，同时，还可有利地降低扫描系统的响应速度。
为了产生高质量图像，竖直光束指向精确度被控制在某一阈值内。当使用多条扫描光束来扫描多个子屏幕或屏幕段时，应该控制竖直光束的指向精度以避免或尽量减少两个相邻子屏幕间的重叠，因为这种竖直方向上的重叠会严重影响图像质量。在实施中，竖直光束的指向精度应该小于一条水平线的宽度。
这种两个相邻屏幕段之间的失准可由信号调制控制器320，通过激光束312的调制来进行数字校正。屏幕的每个段可利用能够产生比该段中显示所实际需要的更多的水平行(例如4行额外的行)的扫描引擎来驱动。在完全对准的情况下，系统的光束扫描可被配置成在用于每个屏幕段的段图像的上方和下方具有相等数量的额外的(未使用的)行。如果存在垂直失准，则信号调制控制器320中的控制电子装置可通过利用这些额外的行来取代常规的行以向上或向下平移段图像。例如，如果图像需要向上移动一行，控制器320利用常规图像上方的额外的行之一并在底部增加额外未使用的行而进行操作，以使每一行向上移动至前一行。如果希望在系统的启动或正常操作过程中自动进行调整，则光学传感器可用来实时提供反馈。这种光学传感器可以是位于待控制的屏幕段的可视区域一侧的位置传感光电二极管。在需要时所述行被过扫描到该传感器上。可选地，光学分束器可用来在扫描的可视部分提供反馈。上述用于垂直对准不同屏幕段的方法的一个优点在于减少或简化了对于精确的光学对准的要求，因为适当地实行电子调整实现起来更简便，并且可降低装置系统的成本。
上述方法允许利用沿竖直方向只有一行的分辨率进行调整。为了完成沿竖直方向的子行(子像素)调整，用于扫描激发光束的扫描引擎可略微转动。这样便产生了略微倾斜的水平扫描行。相邻的屏幕段将具有在相反方向略微转动的扫描引擎。在这种情况下，为了产生直的水平行，根据转动量来使用至少两个扫描行的一部分。这样可以在两个相邻屏幕段之间产生较不明显的接合。
图5A和5B示出了激光器模块500的示例，其用于基于图3和图4中的设计、使用激光器520的阵列310以产生多重扫描光束的扫描光束显示系统。激光器模块500包括基座510，在基座510上其它组件都安装于预定的固定位置。安装在基座501的一端上的激光器塔510作为激光器模块500的光源。激光器塔510包括激光器阵列安装架512，激光器阵列安装架512支承激光器阵列310的多个激光器520，为了得到所期望的显示亮度，激光器阵列310产生多重激光束并将足够量的总激光功率传输至荧光屏101。激光器塔510包括激光器塔箱514以及激光束的光路部分，激光器塔箱514覆盖部分激光器塔510并形成用于支承激光器阵列安装架512的部分外壳。
激光器阵列安装架512具有这样的结构，即，用来在沿竖直方向的不同位置以及基座501上的不同水平位置支承激光器520。如图所示，激光器520能够在不同的竖直阵列被支承，该竖直阵列在平行于基座501的平面中，沿两个正交方向相对于彼此地空间偏移或交错。例如，一个竖直激光器阵列521在图5A中示出，两个相邻交错的竖直激光器阵列521和522在图5B中示出。每个竖直阵列中的激光器520都通过激光器阵列安装架512的设计来定向，以扇形结构的形式分别引导各自的激光束，以使其会聚为一点以指向在基座501上的检流计反射镜底座530上安装的检流计反射镜340。检流计反射镜底座530可包括用于操作并控制多边形扫描器350的驱动器电路。
图5B示出了沿图5A中示出的B-B方向的激光器模块500的俯视图。激光束的折叠光束路径用来减小激光器模块500的尺寸。特别地，激光器520沿激光束方向而空间地交错，以形成三维阵列并产生了导向检流计反射镜340的锥形的会聚激光束。该交错的设置使得两个相邻的竖直阵列(例如竖直阵列512和522)在空间上相互靠近，阵列-至-阵列的间隔小于设置在同一平面上的两个激光器之间的间隔。两个竖直阵列512和522在空间中交错以距离扫描模块不同的距离，该扫描模块具有检流计反射镜340和多边形扫描器350。如图3所示，会聚激光束被引导通过中继光学模块330并在到达检流计反射镜340之前转变为一束紧密聚集的光束。检流计反射镜340扫描并将该束紧密聚集的光束反射至多边形扫描器350。基座501上的多边形底座502被设置用来支承多边形扫描器350，并且多边形底座502包括用于旋转多边形扫描器350的引擎、电源以及多边形控制电路。基座501上的透镜底座550用来支承扫描透镜组件540，以接收来自多边形扫描器350的扫描激光束并且将所接收的扫描光束投射到屏幕上。
以下部分描述激光器模块中的各种光学组件的实施示例和细节。
激光器阵列安装架512可被设计以于各个位置和方向支承激光器520，以使得每条激光束都在适当的方向上引导向中继光学模块330和检流计反射镜340。由于在加工激光器阵列安装架512时的差异和公差、结构的老化、热起伏以及其它因素，因而通过激光器阵列安装架512来安装激光器是近似准确的，并且每个激光器520都可能部分地偏离所期望的光学对准。激光器模块500可包括一个或多个控制每条激光束方向的机械装置，从而为了最优化操作而光学地分配每条光束。
图6示出了具有控制激光束方向的激光器致动器的一个激光器520的示例。激光器520包括激光二极管或基于半导体的激光器610，相对于激光二极管610固定的激光准直器630，以及激光器位置致动器640，激光器位置致动器640接合至激光二极管610和激光准直器630构成的组件。激光二极管610包括导体引线620，该导体引线620连接至激光器驱动器电路以接收经调制的电流，该经调制的电流产生并调制激光束以携带图像数据。激光器架601用作基座，以支承上述组件并将激光器520安装至激光器阵列安装架512。因为该设计中的激光二极管610和激光准直器630彼此固定为一体的组件，因此激光器位置致动器640可用来对激光二极管610与激光准直器630构成的组件相对于激光器架601的方向进行倾斜，而不改变激光二极管610与激光准直器630的相对位置或方向。激光二极管610与激光准直器630构成的组件可沿单轴，例如，平行于检流计反射镜340的水平转动轴的水平轴倾斜。激光器致动器640可以是采用压电材料的柔性致动器，并且可用于精确控制屏幕上每一激光束的竖直光束位置。
图7、8和9示出了用于控制光束指向的其它设计。每个设计均在激光器处包括光束控制致动器以控制光束的指向，而接近多面体的检流计反射镜被用于控制竖直光束扫描。这种竖直光束控制致动器以及图6中的上述控制的实施允许对于每一激光器的静态和动态的光束指向进行软件控制。
在图7中，例如二极管激光器的激光器710用来产生扫描激光束，该扫描激光束的波长可在UV或紫光波段。在激光二极管710前面的准直透镜720被安装至透镜位置致动器730并用于对激光进行校准。透镜位置致动器730可被操作用来在垂直于激光束的方向上将激光二极管710和准直透镜720作为一个单元而移动，以改变激光束在竖直方向上的指向。透镜位置致动器830的竖直调整引起屏幕上激光束的竖直位移。设计并控制透镜位置致动器730，以产生屏幕上的竖直位移，其精度远小于一个水平扫描线的宽度。
透镜位置致动器730可以以各种结构实现。例如，可以采用与用于DVD驱动光学摄像管单元的透镜致动器类似的透镜位置致动器。这种透镜致动器可包括，例如，焦点致动器和集成激光二极管，并能以低成本大量生产。所述DVD透镜致动器的尺寸紧凑并且其动态响应适合于本申请中显示系统的竖直调整。某些透镜致动器能够产生约1mm的位移。可控制激光束以使其绕着位于多面体扫描器350的每个多面体表面上的枢轴倾斜，以消除或尽量减少多面体面上的光束位移。
图8示出了另一实施，其中将透镜旋转致动器810接合于激光二极管710和准直透镜720以使激光束倾斜，而无需改变激光器710和准直透镜720的相对位置。这种具有激光器710和准直透镜720的、已准直的激光二极管组件的倾斜或旋转，将改变屏幕上的竖直光束指向并因而造成屏幕上的竖直位移。将透镜旋转致动器820设计并控制用来产生屏幕上的竖直位移，其精度远小于一个水平扫描线的宽度。多种轴承设计可用来对激光器组件进行倾斜或旋转，包括弯曲、球轴承、宝石轴承等等。同样，也可采用多种致动器技术，包括音圈电机，镍钛合金丝致动器，压电致动器，电约束致动器，以及其它的机电致动器和电磁致动器。具有这种设计的光束聚焦基本上为固定的，并且不受竖直位移致动器的影响。激光束可被控制为绕着位于多面体面上的枢轴倾斜，以消除或尽量减少多面体面上的光束位移。
球面轴承822可用来改变屏幕上的竖直光束指向。激光二极管710与准直透镜720构成的组件作为一个整体可移动地接合至球面轴承822，并且致动器820操作以使得该组件沿球面轴承822移动。球面轴承822的半径可被设计为与从激光二极管710与准直透镜720构成的组件到多面体面的距离相等，以使其绕着该多面体面旋转。可采用其它的机械装置(例如连杆)来模拟球面轴承的运动路径。
图9进一步示出了一种设计，其中透镜位置致动器910接合至准直透镜720，以沿垂直于激光束的路径改变准直透镜相对于激光二极管710的位置。该控制可用来控制激光束的对准以及光束在屏幕上沿竖直方向的位置。
在实施用于同时扫描的多个激光器时，一个技术挑战在于将多个激光器在空间上相互紧密地聚集，以在由屏幕上来自两个同时扫描的激光束产生的两个相邻水平线之间产生单像素间隔。由于包括激光二极管和准直透镜的每一激光器的横向尺寸，因而当激光器的大阵列设置为二维阵列时，其产生“覆盖面”较大的一束激光束，两个相邻激光器之间的间隔大于屏幕上一个像素的尺寸。为了减小两个相邻激光器之间的间隔并为了减小该激光器阵列的尺寸，激光器可在如图5A和5B中的示例所示出的三维阵列中交错。然而，在该交错的三维激光器阵列中，在屏幕上的相邻光束间得到一个像素的间隔仍旧很困难。解决该技术问题的一个方法是设计中继光学模块330，以控制两个沿竖直方向的相邻光束之间的间隔等于屏幕101上的一个像素。
图10示出了作为图3中的中继光学模块330的无焦(afocal)中继器1001的一个示例。无焦中继器1001设置在从图3的激光器阵列310中的激光器发出的激光束312的光路中。激光器阵列310中的每个激光器都可实施为激光二极管与激光准直透镜的组合，例如图6中的激光二极管610和激光准直器630以及图7-9中的激光二极管710和准直透镜720。无焦中继器1001包括三个光学正透镜：焦距为f1的第一透镜1010(L1)、焦距为f2的第二透镜1020(L2)以及焦距为f3的第三透镜1030(L3)。第一透镜1010是会聚透镜，其孔径较大以接收光束-至-光束间隔较大的光束312并与第二透镜1020(物镜)分开的间隔等于或接近其自身焦距f1。第二透镜1020的焦距f2小于第一透镜1010的焦距f1。
在操作时，第一透镜1010将接收的光束312聚焦至第二透镜1020，并且第一和第二透镜1010和1020共同减小每条光束的光束尺寸以及光束-至-光束的角间距。焦距f1和f2被选择以实现以下目的，即，按期望地减小每条光束的光束贯穿部分以及位于无焦中继器1001的输出处的光束-至-光束间隔。第三透镜1030的焦距f3大于焦距f2并且与第二透镜1020的间距等于其焦距f3。在这种设计中，第三透镜1030对来自第二透镜1020的发散光束进行较准，并控制出射光瞳的位置，即，输出光束完全相互重叠的平面。在本系统中，出射光瞳被设计为位于检流计反射镜340处。作为示例，对于在激光器阵列310中使用的一组给定的准直透镜720或630，无焦中继器1001中的三个透镜1010、1020和1030的焦距可以分别是100mm、5.128mm和200mm。在这种特殊的设计中，无焦中继器1001的总放大率是2，以使得离开第三透镜1030的每一输出光束的直径是由第一透镜1010接收的每一输入光束的直径的两倍。可选地，无焦中继器1001可被配置以具有不同于1∶2的放大系数，例如1∶1的放大率。
图10进一步示出了在检流计反射镜340和多边形扫描器350之间的光路中的无焦中继器1002，无焦中继器1002将检流计反射镜340的反射面的表面成像到多边形面上，该多边形面当前将光束反射至屏幕101。该成像有效地使得检流计反射镜340与当前反射的多边形面一致，该多边形面则与扫描透镜340的入射光瞳一致。因此，扫描透镜340的入射光瞳是用于引导至扫描透镜360的扫描光束的枢轴点。当输入光束绕单个入射光瞳转动时，扫描透镜360的运行最好；因此会减少光学失真，否则该光学失真会在以不同的竖直角度离开检流计反射镜240的连续的水平扫描线之间出现。第二无焦中继器1002可由不同的成像透镜系统实施并可包括，例如，如所示出的那样，在放大率为1的4f成像配置中的两个透镜1041(L4)和1042(L5)。
扫描透镜360被设计以将激光器520成像到屏幕101上。在一个实施中，扫描透镜360可以是二维平场聚焦(f-theta)透镜，当输入光束绕垂直于扫描透镜的光轴的两个直角轴中的每一个扫描时，该f-theta透镜可以具有在屏幕上的焦斑位置和输入扫描角(theta)之间的线性关系。这种扫描透镜不同于传统的成像透镜，在传统的成像透镜中，屏幕上焦斑的位置是输入扫描角(theta)的正切函数。一定f-theta透镜的某些技术特征可在例如第4,401,362号美国专利以及Warren J.Smith(McGraw-Hill，1992)的“现代透镜设计”中的第22章中得到。
图11示出了用于扫描透镜360的二维f-theta透镜的一个设计的示例。在该示例中，扫描透镜具有三个透镜元件：透镜1、透镜2和透镜3。表1示出了图11中的二维扫描透镜的三个透镜元件参数的规定。
表1
  表面号码   描述   曲率半径(mm)   厚度(mm)   折射率   通光孔径(mm)
  1   入射光瞳   n/a   51.000   10.0
  2   透镜1表面1   -129.17   9.000   1.58558   92.1
  3   透镜1表面2   ∞   9.120   102.6
  4   透镜2表面1   -1543.30   15.000   1.49858   122.2
  5   透镜2表面2   -182.00   1.500   142.1
  6   透镜3表面1   -1867.12   19.000   1.52981   145.6
  7   透镜3表面2   ∞   181.500   167.0
  8   焦平面   n/a   1299.500
在图10的无焦中继器1001中，第一透镜1010(L1)(会聚透镜)是具有大孔径的单个透镜，以容纳来自激光器阵列的大束的光束。这种大的会聚透镜1010会较为昂贵并因而会增加系统的成本。图12示出了可选的实施，其中单个第一透镜1010由单独的小会聚透镜1210代替，该透镜1210在不同的方向上倾斜以接收来自激光器的不同的输入激光束，以使得由小透镜1210折射的光束输出跟随由单个透镜1010产生的经折射的光束路径。每个激光器均包括激光器二极管1101和激光准直器透镜1202。因此，无焦中继器1001的设计(例如，无焦中继器1001的放大系数)可随激光准直器透镜1202的设计参数而改变。因为每个小会聚透镜1110都只接收并聚焦单条光束，因此小会聚透镜1110的孔径可比单个透镜1010小得多。此外，可将小会聚透镜1010对准以使用其中心来分别接收输入激光束，不同的光束入射角度引起的透镜失真，以及在远离小会聚透镜1210上的透镜中心的不同入射位置引起的透镜失真所产生的问题，小于使用单个透镜1010来接收不同光束所产生的问题。因此，对于透镜1210来说，孔径较小的相对廉价的透镜可足够了。
表2提供了图12中无焦中继器1001的具体设计示例。在该示例中，无焦中继器1001是1∶2的无焦系统。每一透镜1210均为具有两个表面(第一和第二表面)的单个透镜，透镜1020具有两个透镜，该两个透镜具有四个表面(第一、第二、第三和第四表面)，透镜1030为具有两个表面(第一和第二表面)的单个透镜。
表2
  表面号码   描述   曲率半径(mm)   厚度(mm)   折射率   通光孔径(mm)
  1   透镜1110(L1)表面1   52.972   2.000   6.0
  2   透镜1110(L1)表面2   ∞   94.495   1.52972   6.0
  3   透镜1020(L2)表面1   -16.306   4.545   1.71793   2.6
  4   透镜1020(L2)表面2   -2.000   2.198   2.6
  5   透镜1020   4.666   6.000   1.71793   3.4
  (L2)表面3
  6   透镜1020(L2)表面4   -95.497   181.500   3.4
  7   透镜1030(L3)表面1   ∞   3.000   1.46958   15.0
  8   透镜1030(L3)表面2   -88.477   200.000   15.0
  出射光瞳   n/a   n/a   10.0
在其它实施中，用于每一输入激光束的每一激光准直器透镜1201的对准功能以及各个小会聚透镜1101的会聚功能可结合至单个透镜单元中，以消除以下要求，即，来自每个激光器的每条输入光束均需要两个分开的透镜1201和1210。例如，单个透镜单元可设置在每个激光二极管的前面以代替图12中的激光准直器透镜1210和各个透镜1210。当这种激光二极管1201设置为距离物镜1020(L2)相同的距离时，该单个透镜单元对于激光二极管1201可以是相同的。当两个激光二极管1201设置为距离物镜1020(L2)不同的距离时，用于两个激光二极管1201的两个单独的透镜单元可以是不同的，以使得透镜1020(L2)和1030(L3)将不同光束的出射光瞳设置于同一平面，即，检流计反射镜340。
在图12中的具有多个倾斜的小透镜1210的透镜阵列设计中，每一小透镜1210都可接合至透镜致动器，从而被轴向地调整以进行聚焦校正，并且被横向地调整以倾斜每条入射至物镜1020(L2)的激光束。在激光准直器透镜1202和透镜1210结合为在每个激光二极管1201前面的单个透镜单元的实施中，透镜致动器也可用来对该单个透镜单元进行轴向调整以控制光束聚焦，并进行横向调整以控制光束倾斜。
表3
  表面号码   描述   曲率半径(mm)   厚度(mm)   折射率   通光孔径直径   圆锥常数
  (mm)
  1   入射光瞳   n/a   35.00   10
  2   透镜1041(L4)表面1   -23.045   3.000   1.52972   32
  3   透镜1041(L4)表面2   -97.509   13.157   39
  4   透镜1041(L4)表面3   -126.950   12.000   1.75165   55
  5   透镜1041(L4)表面4   -37.713   1.000   57   -.2398
  6   透镜1041(L4)表面5   122.452   10.000   1.75165   66
  7   透镜1041(L4)表面6   -1079.800   199.362   66
  8   透镜1042(L5)表面1   1079.800   10.000   1.75165   66
  9   透镜1042(L5)表面2   -122.452   1.000   66
  10   透镜1042(L5)表面3   37.713   12.000   1.75165   57   -.2398
  11   透镜1042(L5)表面4   126.950   13.157   55
  12   透镜1042(L5)表面5   97.509   3.000   1.52972   39
  13   透镜1042(L5)表面5   23.045   35.000   33
  14   出射光瞳   n/a   10
图13进一步示出了在图10中示出的1∶1的无焦中继器1002的一个具体设计示例。在该示例中，透镜1041(L4)具有包含六个透镜表面的三个透镜，透镜1042(L5)也具有包含六个透镜表面的三个透镜。表3列出了用于该设计的示例性透镜参数。
参见图3、5A、5B和10，可包括多个透镜的扫描透镜360本质上会具有光学失真，该光学失真随着扫描透镜360的入口处的扫描光束的入射角度和入射位置而改变。扫描光沿水平方向例如由水平扫描器(例如多边形扫描器)扫描，并且沿竖直方向例如由竖直扫描器(例如检流计反射镜)扫描。扫描透镜360中的光学失真可引起屏幕101上的光束位置的轨迹为曲线而非直的水平扫描线。这通常称为水平弓形失真。类似地，扫描透镜360中的光学失真可引起屏幕101上的光束位置(其理想上形成直的竖直线)形成弯曲的竖直线。成像透镜组件的该部分光学失真也称为竖直弓形失真。
特别地，由于检流计反射镜340和多边形扫描器350以两个垂直轴的方向实现的两个镜扫描产生混合角，因此，即使扫描透镜360为二维f-theta透镜时，扫描透镜360也可产生失真的图像。沿水平方向和竖直方向，由扫描透镜360引起的失真都存在。该失真使得显示的图像劣化，因而是不期望的。
图14示出了通过二维f-theta扫描透镜的竖直和水平弓形失真的示例，该二维f-theta扫描透镜位于在扫描光学模块(例如多边形350和检流计反射镜340)与屏幕101之间的光路中。如图所示，当射向扫描透镜的光的入射角增大时，每个方向上的弓形失真都从屏幕中心朝向屏幕边缘增大。
一个解决弓形失真问题的方法为以这样一种方式设计扫描透镜，即，其将失真减少在可接受的范围内。该光学方法可需要具有多个透镜元件的复杂透镜组件配置。该复杂的多个透镜元件可引起最终的透镜组件偏离所期望的f-theta条件并因此能够损害光学扫描性能。当对于失真的容限降低时，组件中透镜元件的数量通常增大。因此，在水平和竖直方向上具有可接受的弓形失真的透镜组件可包括具有复杂几何形状的多个透镜元件。因为弓形失真存在于两个方向上，因此透镜元件必须在两个方向上都适当地成形。由于存在多个透镜以及每个透镜的形状复杂，因而制造这种具有复杂的多个透镜元件的扫描透镜会较为昂贵。
图15示出了荧光屏上经测量的图像像素位置的映射示例。由扫描透镜组件引起的竖直和水平弓形失真的效应可被测量。给定扫描透镜组件的竖直和水平弓形失真基本上是固定的并且可以测量。
认识到通过采用扫描透镜的复杂多透镜设计以减少弓形失真存在的限制，以下将描述数字或电子失真校正技术。根据该技术，调制到扫描光束上的图像信号基于扫描透镜经测量的弓形失真而被数字或电子地变形，从而当图像在屏幕上显示时，消除了扫描透镜的弓形失真。
扫描透镜的竖直弓形失真的数字校正，可通过在每一水平扫描期间控制扫描光束中的激光脉冲时间来实现。这是因为屏幕101上的激光脉冲的水平位置可通过每一水平扫描期间的激光脉冲时间来控制。脉冲时间的时间延迟可引起屏幕上激光脉冲的相应位置在空间上沿水平扫描方向向下游移动。相反，脉冲时间的提前可引起屏幕上激光脉冲的相应位置在空间上沿水平扫描方向向上游移动。在屏幕上水平方向的激光脉冲的位置可通过控制扫描光束中光脉冲的时间来进行电子地或数字地控制。特别地，竖直弓形失真可视为像素在水平方向的位置的移动。因此，可控制扫描光束中脉冲的时间以将每一光学脉冲引导至这样的位置，即，其减少或弥补由扫描透镜的竖直弓形失真引起的光束水平位移。
水平弓形失真能够以不同的数字控制来校正。如图15中的示例所示，对于给定的扫描系统，可以测量屏幕上的图像失真映射。用于该测量的图像失真映射的数据可以存储在数字控制器的存储器中、或者存储在激光器模块110中信号调制控制器的扫描引擎中。该数字处理可被编程以使用该测量的图像失真映射来计算图像扭曲。基于所计算的图像扭曲，对于理想的且无失真的扫描透镜而产生的输入图像数据，从初始的图像位置处重新映射到位于不同像素位置处的预失真的图像数据中，以使得当为了显示而读取该重新映射的图像数据时，像素亮度出现在屏幕上的校正位置处。这种图像数据基于像素的重新映射可通过多种图像扭曲技术实现，例如，通过使用线之间的线性亮度内插法以在屏幕上产生最小的视觉噪音。像素的重新映射在校正水平弓形失真时可以比较有效。
上述的数字校正方法基本上生成了用于屏幕上扭曲图像的新图像数据，该新图像数据消除了扫描系统中的光学失真，包括由扫描透镜360引起的失真。然后，用修改的图像数据将激光束调制以在屏幕上显示图像。由于修改的图像数据中的固有失真，屏幕上最终图像中的光学失真被消除或者减到最小。
基于图3、5A、5B和10的扫描光束显示系统，可以采用用于将扫描光束从激光器模块110引导至荧光屏101的折叠的光路来实施，以减小激光器模块110和荧光屏101之间的物理间隔。图16A和16B示出了两个折叠的光学设计，其用于将输出扫描激光束从激光器模块110引导至采用背部投影配置的至荧光屏101。至少两个反射器1610和1620用来将扫描光束沿折叠的光路引导到屏幕101上。反射器1610和1620可以是多种几何形状和配置。该折叠的设计减小了扫描显示系统的物理尺寸。在一个实施中，反射器1610和1620中的至少一个可具有弯曲表面以具有预定量的光功率。例如，反射器1610和1620的光功率可连同扫描透镜360的光功率而选择，以减少从扫描透镜360到屏幕101的光路长度。
本申请中描述的扫描光束显示系统可在屏幕101前面采用焦阑型透镜，例如菲涅耳透镜，以将入射扫描激发光束120重新引导为位于屏幕101的法线处。该特征可用来提高屏幕的亮度。
在图3中，光束扫描通过采用用于竖直扫描的检流计反射镜340来实现，以将激发光束引导至多边形扫描器350，多边形扫描器350则将该激发光束引导到屏幕101上。可选地，多边形扫描器350可用来将激发光束扫描到检流计反射镜350上，检流计反射镜350进一步将该光束引导到屏幕101上。图17A和17B两个这种扫描光束显示系统的示例，其中多边形扫描器350和检流计反射镜340的次序与图3中的次序相反。图17B中的显示器采用N个声波光学调制器1710来分别调制来自激光器阵列310的N个CW激发激光束312，以产生携带图像数据的经调制的激光束332。其它的光学调制器也可用来取代声波光学调制器1710。
在上述示例中，激光激发光束的扫描通过采用用于在一个方向上(例如竖直方向)扫描的检流计反射镜和在另一方向上(例如水平方向)的旋转多边形镜来实现。作为对这种用于光束扫描的、由检流计反射镜和多边形镜构成的组合的代替，全息光束扫描器可用来扫描在用于显示的两个扫描方向中的至少一个中的激光束。例如，全息光束扫描器可用来扫描UV激光激发光束，该UV激光激发光束在吸收UV激光以产生所期望的颜色和图像的荧光屏101上扫描。适于本申请的全息扫描器可以采用多种配置。在一个设计中，例如，该全息扫描器可包括全息盘，该全息盘以全息图案记录并旋转以反射用于扫描的入射光束。作为对多边形扫描器的替代、采用全息盘的扫描器的示例在多种文献中描述，包括David M.Rowe的题为“基于全息扫描器设计的发展”的文章，Proc.SPIE Vol.3131，p.52-58，光学扫描系统：设计和应用，Leo Beiser；Stephen F.Sagan；Eds.(1997)。该文章通过引用而并入为本申请说明书的一部分。Clay的题为“具有旋转反射器全息摄影的扫描器系统”第4,923,262号美国专利、以及Clay和Rowe的题为“全息记录和扫描系统及方法”第5,182,659号美国专利，描述了采用全息盘的全息扫描器的具体示例，其通过引用而并入为本申请说明书的一部分。
本申请中描述的扫描光束显示系统的一方面在于采用一个或多个激发波长给定的扫描激发光束，例如，在紫或UV光谱范围内。激发光是仅存在于该显示系统的光学组件中导向荧光屏101的光。可见光颜色仅在荧光屏101上产生，荧光屏101将部分激发光转换为可见光颜色。因此，在屏幕101的荧光之前，该显示系统的光学组件是光学上单色的。全息元件公知为分散的并且通常可于单一波长上操作。因此，与扫描不同颜色的光束的其它全色显示系统不同，本申请中描述的扫描光束显示系统仅将单一激发波长的单条或多条激发光束扫描到荧光屏101上。至少由于该原因，全息扫描器虽然不适于在其它全色显示系统中使用，但可足以用来扫描一条或多条激发光束。
全息扫描器可用来得到扫描应用中的多种优点。例如，当全息反射器在输入角和衍射角相等的布拉格方法下操作时，对发动机轴的灵敏度可明显地降低例如大于1000倍。该特征可简化扫描器的光学设计。同多边形扫描器相比，由于扫描盘的空气动力学特性，全息盘扫描器可具有减小的扫描器偏差，并因此可于高于多边形扫描器的扫描速率进行操作。全息盘扫描器可以是光学透射的，因而与在其反射面反射光的多边形扫描器相比，全息盘扫描器对发动机扫描振动的灵敏度降低。该特征允许使用相对廉价的球轴承发动机来替代通常在多边形扫描器中使用的、相对昂贵且大体积的空气轴承发动机。这些和其它优点使得全息扫描器在某些应用中优于多边形扫描器。全息扫描器由色散本质引起的一个通常公知的限制在于，全息扫描器的使用通常限制于基于激光的单色装置中的单个波长。然而，因为激发波长在选择的波长处为单色的，因此所述限制在本扫描光束显示系统中并不是问题。
图18A和18B示出了在第4,923,262号专利中描述的示例性全息盘扫描器10。该扫描器被设计为，当全息盘扫描器10在对于输入光束16适当的入射条件下、绕其轴在方向11上旋转时，该扫描器在屏幕20上产生线性的扫描线30。为了将全息扫描器配置为对于p和s平面极化均产生较高的效率，采用约二十三度的入射角。例如参见的1977年10月出版的应用光学(16卷，No.10)第2717页的图32，其示出了在2度范围内的23度的角度，p和s曲线基本相等并接近其最高效率。然而，具有对于二十三度入射角最优化的光栅常数的线性光栅，产生严重弯曲的扫描线，因此对于大多数扫描应用是不适合的。因此，不是线性光栅的全息照相可采用约为二十三度的入射角，以通过应用根据系统要求而成形的散射场来校正直线-弓形。例如，直线-弓形的校正可通过记录具有边缘形状和空间分布的全息盘部分来完成(给定其透镜属性)。如果将这些段的数量记录在盘上，那么入射光束将被聚焦，并且由于盘的转动而从每一部分聚焦的斑将产生斑轨迹，该斑轨迹在焦平面中为圆弓形。焦平面中的扫描轨迹将穿过该段的轴。
在图18A的设计中，经全息记录的盘10的中心从半径26未变的光轴移开，假定经全息记录的透镜作用如同具有桶形失真的透镜，那么可以改变该线段的曲率。全息图34和盘10间的几何关系在图18A中示出。边缘形状为圆形线36的全息图34的中心38定向为使得全息轴32在直线路径中引导至扫描轨迹40。记录在盘10上的全息图的结构在图18B中详细示出，其中在盘10上记录了多个全息段34。作为示例，盘10的外周在具有线36的八个段60中包括八个全息段34(只详细示出了其中的三个)，线36的间隔随距离图2中示出的点38的半径增加而增大。根据具体应用的需要，可形成更多或更少的段60。
如果盘10被设计以具有桶形失真，那么由盘10产生的曲率便减去由转动该盘而产生的曲率。如果经全息记录的透镜被设计以产生与由转动该盘而产生的曲率相等的曲率，那么线将基本上为直线。线曲率的程度直接随着给定桶形失真的透镜的光线高度而改变。因此，透镜偏移量被调整以得到所需的直线曲率，该直线曲率用于抵消由于盘转动而产生的曲率。
形成在全息盘10中的全息透镜具有两个重要的性质，第一，其校正线曲率；第二，其将入射光束聚焦至焦平面上的点，并因而可用来消除对于单独的聚焦透镜的需要。然而，全息透镜部分的第二性质的实际有效性较为有限，因为像差必然由这种设置产生。在某些情况下，尤其是在不需要有限的衍射分辨率以及较小的扫描角便可满足的情况下，全息透镜段可代替扫描透镜。对于高分辨率和/或宽角度的应用，扫描器盘10可设计以通过分散全息图和辅助扫描透镜之间的聚焦功率来利用该第二性质。
图19示出了采用图18A和18B中示出的全息盘10的扫描器系统。图中示出了经准直的光束70(例如用于激发荧光屏101的激发激光束)在盘10的外周入射到盘10上，该外周包括记录在段60上的全息图34。图中示出了光束70以某一角度β入射到段60上，该角度的值使得p和s平面极化的振幅基本上相等。通过采用该角度，提高了对极化依赖的免疫性。光束70通过扫描透镜72折射到焦平面20上。在没有扫描透镜72的情况下，焦点将位于不同的位置74。
图20、21和22示出了基于图19中设计的全息扫描器的三个示例。图20中的扫描器包括全息盘扫描器10和多元件的f-theta扫描透镜360，以将扫描光束投射到位于f-theta透镜360的焦平面的屏幕101上。该系统可用在图3中示出的扫描光束显示系统中，其中多边形扫描器350由全息盘扫描器10替代。因此，来自检流计反射镜340的光束由该全息盘扫描器引导并扫描，以通过f-theta透镜360投射到屏幕101上。
多元件的f-theta扫描透镜360可能较为昂贵。图21和22中的设计旨在除去f-theta扫描透镜360，这通过采用更廉价的弯曲反射器来为所代替的f-theta扫描透镜360提供光学聚焦功率。图21和22中的弯曲镜可被配置以提供一个或多个功能，包括线弓形校正、像场平直和线性校正。弯曲镜也可使得扫描为光学远心的。在某些实施中，该弯曲反射面可以非球面或圆柱形的。特别地，弯曲镜仅具有单个光学反射面，而不是在多种多元件的f-theta透镜设计中的四个或更多表面，因而提供了降低成本的机会。该弯曲镜可通过多种工艺制造。例如，气体辅助/压缩喷射模塑工艺可用来形成硬的轻质结构，这通过排出核心塑料材料、使模具中的结构凝固并采用压缩以将镜面形成到塑料中。在另一示例中，喷射模塑和冷挤压都可用来形成弯曲镜，其中弯曲的空白基底通过喷射模塑形成，并且然后镜面采用冷挤压复制工艺而形成在该基底上。弯曲镜的光学表面可通过转动铝基底或其它基底材料的钻石形成。为了进一步提高光学反射面的质量，复制工艺可用来采用传统抛光的光学模具而将高质量的光学表面涂覆到该钻石上。该复制技术可用来除去不期望的钻石转动标记，该转动标记散射在焦平面上产生光学噪声的光。
图22中的全息扫描器设计包括这样一种机制，其被动地校正由于扫描光束的光波长的变化而引起的光束位置劣化以及屏幕101上空间分辨率的损耗，该扫描光束的光波长变化例如由于光源波长的漂移而引起。该被动校正通过除去f-theta透镜组件、并且用以下元件取代f-theta透镜组件来完成，包括：设置在全息扫描盘(反射器)10前面的预扫描全息光学元件(HOE)、在该扫描盘后面的弯曲镜以及在该弯曲镜与焦平面或屏幕101之间的预扫描HOE。为了补偿除去的f-theta透镜的光功率的损耗，之前由f-theta透镜提供的光功率可被设计为预扫描HOE、预扫描HOE和弯曲镜。第5,182,659号美国专利提供了图22中被动校正机械装置的额外细节。
这些和其它的全息扫描器可用来在本申请描述的扫描光束显示器中提供扫描。全息扫描器可用在多种配置的扫描光束显示器中。在一个实施中，全息光束扫描器可用来在本申请描述的某些示例中代替多边形光束扫描器，以提供屏幕上的“水平”扫描，同时检流计反射镜或另一光束扫描装置用来提供屏幕上的“竖直”扫描。在另一实施中，两个单独的全息扫描器用来分别提供水平光束扫描和竖直光束扫描。在另一实施中，单个全息扫描器可通过具有单个转动全息盘而用来提供水平方向和竖直方向上的二维扫描，该转动全息盘记录有用于扫描水平方向上的光束的第一全息图案以及用于扫描竖直方向上的光束的第二全息图案。
尽管本申请的说明书包含了很多细节，但是不应将其视为对任何发明或权利要求范围的限制，而应视为具体实施方式的具体特征的描述。在本说明书中，在不同实施方式中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反地，在单个实施方式中描述的多个特征也可在多个实施方式中分开实施或以任何适当的部分组合实施。此外，尽管上述某些特征以某些特定的组合方式工作并甚至最初如此进行权利要求，但在某些情况下，权利要求的组合的一个或多个特征可从该组合中分出来，并可将权利要求的组合分为部分组合及其变体。
本申请只公开了部分实施。然而，可以理解本申请可进行各种变化和改进。

Claims (23)

1.一种显示系统，包括：
多个激光器，形成激光器阵列以分别产生多个激光束；
扫描模块，设置在所述激光束的光路中以在两个正交的方向上扫描激光束；以及
无焦光学中继模块，其具有多个透镜，并设置在所述激光器和所述扫描模块之间，以减小激光阵列中两个相邻激光束之间的间距，并使所述激光束在所述扫描模块处重叠，其中，所述无焦光学中继模块包括：多个第一透镜；第二透镜；以及第三透镜，其中，
所述多个第一透镜具有第一焦距并分别设置在激光束的光路中，所述多个第一透镜中的每一个接收所述激光束中的各自的激光束并且聚焦所述各自的激光束，所述多个第一透镜中的每一个折射所述各自的激光束以使得所述多个激光束在被折射后朝向所述第二透镜会聚；
所述第二透镜具有比所述第一焦距短的第二焦距，并且与所述第一透镜分开的距离为所述第一焦距以聚焦来自所述第一透镜的激光束；以及
所述第三透镜具有比所述第二焦距长的第三焦距，并且与所述第二透镜分开的距离为所述第三焦距，以将来自所述第二透镜的激光束聚焦并引导至所述扫描模块。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述扫描模块包括：
检流计反射镜，其被设置以接收来自所述第三透镜的激光束并沿第一扫描方向扫描所接收的激光束，以及
多边形扫描器，其被设置以接收来自所述检流计反射镜的激光束，并可操作以沿垂直于所述第一扫描方向的第二扫描方向扫描所接收的激光束；以及
其中所述系统进一步包括光学成像透镜模块，其设置在所述检流计反射镜和所述多边形扫描器之间以将所述检流计反射镜成像到所述多边形扫描器上。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述光学成像透镜模块包括第一透镜单元和第二透镜单元以产生单一图像放大率。
4.如权利要求1所述的系统，进一步包括分别接合至所述第一透镜的多个透镜致动器，每一透镜致动器均可操作以调整各自的第一透镜。
5.如权利要求1所述的系统，进一步包括：
屏幕；以及
扫描透镜，其被设置以接收来自所述扫描模块的激光束，并通过将激光成像到所述屏幕上来将所述激光束投射到所述屏幕上。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述扫描透镜是二维平场聚焦透镜。
7.如权利要求5所述的系统，进一步包括菲涅耳透镜，其设置在所述屏幕之前以将来自所述扫描透镜的光以正入射角引导到所述屏幕中。
8.如权利要求5所述的系统，其中所述屏幕包括荧光材料，当所述荧光材料由所述激光束照明时，其发出可见光以用所发出的光形成图像。
9.如权利要求5所述的系统，进一步包括：
信号调制控制器，其与激光器通信以提供图像数据来控制所述激光器，所述图像数据分别调制所述激光束，以携带待在所述屏幕上显示的图像，
其中，所述信号调制控制器具有包含图像失真的图像数据，当在所述屏幕上显示时，所述图像失真抵消所述扫描透镜的光学失真。
10.如权利要求5所述的系统，进一步包括：
第一和第二光学反射器，其反射所述激光束，其中所述第一光学反射器被设置以将来自所述扫描透镜的激光束反射至所述第二光学反射器，所述第二光学反射器被设置以将来自所述第一光学反射器的扫描激光束反射至所述屏幕，
其中所述第一和第二光学反射器被设置以将光路从所述扫描透镜折叠至所述屏幕，从而减小所述扫描透镜和所述屏幕之间的距离。
11.如权利要求1所述的系统，进一步包括多个激光器致动器，所述多个激光器致动器中的每一个均接合至各自激光器并可操作以调整由所述激光器产生的各自激光束的方向。
12.如权利要求11所述的系统，其中每一激光器致动器均绕所述扫描模块上的枢轴点转动由所述激光器产生的各自激光束。
13.如权利要求1所述的系统，进一步包括：
激光器阵列安装架，其以三维阵列的形式支承激光器。
14.如权利要求1所述的系统，进一步包括：
激光器阵列安装架，其以多个子激光器阵列的形式支承激光器，其中不同的子激光器阵列在空间上相互偏移，以使其到所述扫描模块的距离不同。
15.如权利要求13所述的系统，其中每一子激光器阵列中的激光器均定向为以朝向所述扫描模块会聚的扇形配置形式引导各自激光束。
16.一种显示系统，包括：
多个激光器，形成激光器阵列以分别产生多个激光束；
扫描模块，设置在所述多个激光束的光路中以在两个正交的方向上扫描激光束；
无焦光学中继模块，设置在所述激光器和所述扫描模块之间，以减小激光阵列中两个相邻激光束之间的间距，并使所述激光束在所述扫描模块处重叠；
屏幕，其包括荧光材料，当所述荧光材料由所述多个激光束照明时，发出可见光从而用所发出的光形成图像；
扫描透镜，其被设置以接收来自所述扫描模块的激光束并将所述激光束投射到所述屏幕上；以及
第一和第二光学反射器，其反射激光束，其中所述第一光学反射器被设置以将来自所述扫描透镜的激光束反射至所述第二光学反射器，所述第二光学反射器被设置以将来自所述第一光学反射器的扫描激光束反射至所述屏幕，
其中所述第一和第二光学反射器被设置以将光路从所述扫描透镜折叠至所述屏幕，从而减小所述扫描透镜和所述屏幕之间的距离，以及
其中，所述无焦光学中继模块包括：多个第一透镜；第二透镜；以及第三透镜，其中，
所述多个第一透镜具有第一焦距并分别设置在激光束的光路中，所述多个第一透镜中的每一个接收所述激光束中的各自的激光束并且聚焦所述各自的激光束，所述多个第一透镜中的每一个折射所述各自的激光束以使得所述多个激光束在被折射后朝向所述第二透镜会聚；
所述第二透镜具有比所述第一焦距短的第二焦距，并且与所述第一透镜分开的距离为所述第一焦距以聚焦来自所述第一透镜的激光束；以及
所述第三透镜具有比所述第二焦距长的第三焦距，并且与所述第二透镜分开的距离为所述第三焦距，以将来自所述第二透镜的激光束聚焦并引导至所述扫描模块。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述扫描模块包括：
检流计反射镜，其被设置以接收来自所述第三透镜的激光束并沿第一扫描方向扫描所接收的激光束，以及
多边形扫描器，其被设置以接收来自所述检流计反射镜的激光束，并可操作以沿垂直于所述第一扫描方向的第二扫描方向扫描所接收的激光束；并且
其中所述系统进一步包括成像光学装置，其设置在所述检流计反射镜和所述多边形扫描器之间以将所述检流计反射镜成像到所述多边形扫描器上。
18.如权利要求16所述的系统，其中所述扫描透镜是二维平场聚焦透镜。
19.如权利要求16所述的系统，进一步包括：
激光器阵列安装架，其以三维阵列的形式支承激光器。
20.如权利要求16所述的系统，进一步包括：
激光器阵列安装架，其以多个子激光器阵列的形式支承激光器，其中不同的子激光器阵列在空间上相互偏移，以使其到所述扫描模块的距离不同。
21.如权利要求20所述的系统，其中每一子激光器阵列中的激光器定向为以朝向所述扫描模块会聚的扇形配置形式引导各自激光束。
22.一种显示系统，包括：
光源，其产生多个激发光束，所述激发光被调制以携带图像；
扫描模块，其在两个正交的方向上扫描所述多个激发光束；
无焦光学中继模块，其具有多个透镜，并设置在所述光源和所述扫描模块之间，以减小所述多个激发光束中两个相邻激发光束之间的间距，并使所述激发光束在所述扫描模块处重叠，其中，所述无焦光学中继模块包括：多个第一透镜；第二透镜；以及第三透镜，其中，所述多个第一透镜具有第一焦距并分别设置在激发光束的光路中，所述多个第一透镜中的每一个接收所述激发光束中的各自的激发光束并且聚焦所述各自的激发光束，所述多个第一透镜中的每一个折射所述各自的激发光束以使得所述多个激发光束在被折射后朝向所述第二透镜会聚；所述第二透镜具有比所述第一焦距短的第二焦距，并且与所述第一透镜分开的距离为所述第一焦距以聚焦来自所述第一透镜的激发光束；以及所述第三透镜具有比所述第二焦距长的第三焦距，并且与所述第二透镜分开的距离为所述第三焦距，以将来自所述第二透镜的激发光束聚焦并引导至所述扫描模块；
荧光屏，其接收所述扫描激发光束，当由所述扫描激发光束照明时，所述荧光屏发出可见光，从而用所述发出的可见光形成所述图像；以及
二维平场聚焦透镜扫描透镜，其被设置以接收来自所述扫描模块的扫描激发光束并将所述扫描激发光束投射到所述屏幕上。
23.如权利要求22所述的系统，进一步包括：
信号调制控制器，其与所述光源通信以提供所述图像的图像数据，从而对调制所述激发光束的所述光源进行控制，其中所述信号调制控制器提供具有图像失真的图像数据，当在所述屏幕上显示时，所述图像失真消除所述二维平场聚焦透镜扫描透镜的光学失真。
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