（光学工程专业论文）激光扫描显示技术研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 目前，显示技术正朝着大屏幕、高亮度、高对比度、高清晰度的方向发展，各 种显示方式都在为产生高质量的图像而努力开发新技术。与各种显示光源相比，激 光具有很好的单色性和方向性，光束细腻柔和，亮度高，色彩丰富，饱和度高，是 极好的光源。激光扫描显示技术是利用激光的优异特性，将计算机技术、激光技术 和图像处理技术融合在一起，应用于娱乐、广告、电视等领域的一门新技术。激光 扫描显示属于投影显示，其驱动方式与c r t 显示类似，也属于射束驱动 4 8 1 。除了 上述优点以外，与其他显示方式相比，激光扫描显示不需要特制的屏幕，只需要一 个能够产生反射的反射面即可，这大大减小了系统体积和成本。目前的激光扫描显 示有两种方式：矢量扫描和光栅扫描。本文首先对激光扫描显示系统进行概述，并 对两种扫描方式的工作原理及其应用场合进行了比较。然后对c r t 显示技术进行分 析，以更好的服务于激光扫描显示。 在具备了激光这个优质光源后，如何组建激光扫描显示系统，实现高质量的图 像显示就成了下一步的工作重点。科技工作者一直在考虑借鉴电视成像方式，将激 光与电视系统相结合，开发出新型的显示产品。基于此，我们首先对电视系统进行 研究，得出电视成像的一般规律，然后据此进行激光扫描显示系统的设计工作，其 中包括系统所用器件的技术指标和器件的选择、光束扫描同步和消隐的实现、扫描 信号参数、图像清晰度分析、亮度及其对比度分析、几何参数设计、图像信号带宽 计算、光束调制、图像失真分析等问题。最后，在实验室现有条件下组建套双振 镜激光扫描显示系统，设计出两套行、场扫描器驱动信号发生电路，通过得到的实 验数据推导出振镜扫描角度与扫描信号频率和幅度之间的关系，并通过两次不同驱 动信号所形成光栅的对比进行了光栅畸变原因分析。 作者期望本文研究工作能够对激光扫描显示技术起到积极的作用，为激光显示 系统的开发提供参考。 关键词：激光扫描，显示，光栅，电视 论文作者签名： 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e r s c a n n i n gd i s p l a yp o s s e s s e s s e v e r a l h i g hq u a l i t ya s p e c t s d u et ot h ef u l l y s a t u r a t e d c o l o r s ，t h eh i g h - r e s o l u t i o nc a p a b i l i t y o faf o c u s e dl a s e rb e a m ，a n dh i g h l u m i n a n c ea n dc o n t r a s tc a p a b i l i t yo fl a s e r s i th a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nt h e c o m p u t e r , l a s e r t e c h n i q u e s a n d i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e s i t h a sb e e n m o s t l y u s e di n e n t e r t a i n m e n t s ，a d v e r t i s e m e n t sa n dt e l e v i s i o n s a t p r e s e n t ，t h em o d e o fl a s e rs c a n n i n g d i s p l a yi sv e c t o rg r a p h i c ss c a n n i n g t h a t st o s a y , o u t l i n e so fi m a g em u s tb em a d ef i r s t l yb yt h eu s eo fi m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r e ，t h e n ， s o m ek e yp o i n t so ft h eo u t l i n e sa r et a k e no u ta ss c a n n i n gs i g n a l so ft h ei m a g e t h e s c a n n i n gs i g n a l sa r eu s e d t od r i v es c a n n i n g d e f l e c t o r s ，f o r m i n gs c a n n i n gi m a g e s t i l ln o w , t h i sk i n do f s c a n n i n gm o d e i sr a t h e rm a t u r e ，a n di sa p p l i e di nm a n y p l a c e si nt h ew o r l d g e n e r a l l y , i t i s a p p l i e d i n p u b l i c ss u c h a s p a r k s ，s q u a r e s ，e x h i b i t i o n s ，i n f o r m a t i o n a d v e r t i s e m e n t s ，f e s t i v a le v e n i n g s ，e t c i nr e c e n ty e a r s ，r e s e a r c h e r sh a v eb e i n gc o n s i d e r e dh o wt ou s et h ec o n f e r e n c eo ft v s c a n n i n gs y s t e m t or e a l i z el a s e rs c a n n i n gi m a g i n g ，a n de x p l o i tl a s e rt v t i l ln o w , r e p o r t s o nl a s e rt vf i n i s h e dp r o d u c t s b a s e do n t h i s ，w eh a v es t u d i e dt h er a s t e rs c a n n i n gs y s t e m f i r s t l y , w ed i s c u s s e dt h ec h o o s i n gp r i n c i p l e so f i n s t r u m e n t su s e di nt h es y s t e ma n dh o w t oc h o o s et h ei n s t r u m e n t su n d e rt h ep r e s e n tc o n d i t i o n s t h e n ，t h ec o n c l u s i o n so fr a s t e r s c a n n i n gs y s t e mh a v eb e e n s t u d i e d t h ec o n c l u s i o n si n c l u d ec h o i c e s o f m o d u l a t i n gm o d e ， p a r a m e t e r so fs c a n n i n gr a s t e r , a n a l y s i sa n dc o r r e c t i o no fr a s t e rd i s t o r t i o n ，b r i g h t n e s s a n a l y s i s e t c f i l l a l l y , u n d e rt h ea c t u a l c o n d i t i o n so ft h e l a b o r a t o r y , as u i t o fr a s t e r s c a n n i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h es y s t e m ，w eh a v es e v e r a le x p e r i m e n t s ， a c h i e v e de x p e r i m e n t a ld a t a , a n d a n a l y z e d t h ed a t a t h ec o n c l u s i o n si nt h i sp a p e ra r ea c h i e v e df r o m t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s w e h o p e t h a tt h e s ec o n c l u s i o n sa r eu s e f u lt ot h e p r o s p e c t i v el a s e r t v s y s t e m k e y w o r d s ：l a s e r s c a n n i n g ，d i s p l a y , r a s t e rs c a n n i n g ，t e l e v i s i o n 电子科技大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电 子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 签名：e l 期： 年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题研究背景、目的及其意义 自从第一台黑白电视机诞生以来”j ，显示技术得到了长足的发展，各种显示技 术层出不穷，种类十分丰富。目前国内外的显示方式有c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 显示、l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 显示、d l p ( d i g i t a l l i g h tp r o c e s s ) 、 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 显示、p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 显示等。其中符合 显示技术发展趋势、较有发展前景并且在目前的显示领域占重要地位的显示方式是 c r t 、l e g 、l e d 。 c r t 显示即阴极射线管显示，将电子束以扫描方式照射到显示面上，激发荧光 屏上的荧光粉发光实现显示，电子束扫描是通过电磁场的控制而使电子束发生偏转 而实现的1 2 1 。这种显示方式属于直观、台式、发光型显示。c r t 是历史最悠久的显 示方式，至今以其全色化、对比度高、亮度高而占领电视市场。这种显示方式存在 色彩不逼真、行间闪烁等缺陷，另外一个重要的缺点就是不能把画面尺寸做的很大， 限制了它在大屏幕显示方面的应用。 l c d 即液晶显示，它是利用液晶材料的光电效应制成的新型显示器件，本身不 发光，只起调制外来投射光强弱的作用，借助外界光源照射液晶材料而实现显示的 被动显示方式l 。这种显示方式形成的图像亮度、对比度一般，而且易受环境因素 的影响，另外显示速度和视场角也是待解决的问题。图像分辨率高、图像清晰，在 家用电视机以及电脑显示方面发展很快，并且逐渐向大屏幕方向发展。 l e d 显示的屏幕由一个个发光二极管构成| 4 f ，对单色显示屏来说，每个像素只 有一种颜色，根据选用的发光器件不同，通常可以分为绿、红、黄等；对彩色显示 屏，是在每个像素点上安排红、绿、蓝三基色的发光器件形成混合色，产生各种色 彩和灰度。在屏幕上显示。这种显示方式属于发光型显示。l e d 阵列显示是目前唯 一能够满足体育场馆、广场、室外广告、告示牌等用途的大屏幕显示方式。其长处 就是小于2 3 v 的低电压工作特性以及其高亮度、高效率和高可靠性等特点。但由 于l e d 是以集成发光二极管芯片作显示面的，所以不适合于室内用的高清晰度信 息显示l “。 另外，为了实现大屏幕显示，目前多采用投影方式，就是把来自显示器本体内 较小显示体的图像源，通过透镜等光学系统，放大后投影于屏幕的方式。现在实用 的投影式显示主要用c r t 或者液晶平板光阀作图像源。 综合以上各种显示方式可知，虽然各种显示方式的原理各不相同、系统组成也 不相同，但所追求的显示效果都是一样的，那就是实现大屏幕、高亮度、高清晰度、 电子科技大学硕士学位论文 高对比度的显示效果。不过各自的优缺点决定了它们的使用场合有所不同。表1 1 列出了三种显示方式的性能比较。 表1 1 三种显示方式的性能比较 画面尺寸清晰度亮度对比度显示速度视场角 c r t 中等一般高一般快大 l c d中等高一般 一般慢小 l e d 大低中等低快中等 目前，显示技术正朝着大屏幕、高亮度、高分辨率、高对比度方向发展，开发 符合发展趋势的显示产品无疑是显示领域科技工作者的共识。与其它显示光源相 比，激光具有很好的单色性和方向性，光束细腻柔和，亮度高，色彩丰富，饱和度 高，是极好的显示光源。以激光作光源，在激光技术、计算机技术、图像处理技术 辅助下，实现图像显示的技术就是激光扫描显示技术。激光扫描显示技术属于投影 显示，其驱动方式与c r t 显示类似，也属于射束驱动【2 j 。除了上述优点以外，与其 他显示方式相比，激光扫描显示不需要特制的屏幕，只需要一个能够产生反射的反 射面即可，这大大减小了系统体积和成本。在具备了激光这个优质光源后，激光扫 描显示的主要问题就是完成显示的各种器件了，在现有条件下如何充分利用激光的 优异特性，开发性能优良的器件，显示出高质量的图像就成了科技工作者下一步的 任务。所以，研究激光扫描显示具有十分重要的意义。 激光扫描显示方式主要有两种：矢量扫描和光栅扫描。目前比较成熟的是矢量 式扫描，即先通过一般的图形图像处理软件制作出要显示图形的轮廓线，根据失真 度取出轮廓上的关键点，然后利用图形变换技术将各点的坐标x 、y 转换成关于时 间的电信号，作为扫描信号，分别驱动两个相互垂直的扫描器，通过反射将激光投 射在屏幕上”l 。目前这种扫描方式已经相当成熟，在世界上许多地方都有应用，大 多应用在一些公共场合，如公园、广场、展览会、信息广告、节目晚会等。 激光扫描显示的驱动方式和c r t 显示类似，都是射束驱动，所以参考电视扫描 成像方式，将激光扫描显示应用到电视系统中，开发激光电视产品，就成了科技工 作者研究的课题，国内外很多单位正在进行这方面的研究工作。基于此，我们对光 栅式激光扫描显示系统进行设计、研究和分析，得出一些有用的规律，期望对激光 显示产品开发提供参考。 1 2 国内外发展动态及其趋势 自从2 0 世纪6 0 年代激光问世以来，激光技术的发展就十分迅速。由于激光具 有单色性好、方向性好、亮度高等优异特性，十分适合应用在显示方面，所以激光 扫描显示技术就成了科技工作者研究的热点。早在激光出现不久，许多电视厂家就 2 电子科技大学硕士学位论文 考虑到用激光做光源进行显示。但是在以后的三十多年中，激光技术在这一点上并 没有得到太大的进展。到了2 0 世纪9 0 年代中期，半导体激光器和泵浦固体激光器 技术的提高，以及价格的相对降低，才推动了这一领域的进一步发展。 激光扫描显示技术的发展状况和激光器、扫描器件、调制器件的发展是息息相 关的，所以激光器、扫描器件以及调制器件的发展情况决定了激光扫描显示技术的 发展水平。( 1 ) 早期的扫描系统中一般使用氩离子激光器、氦氖激光器，需要水冷 装置，系统存在体积大、效率低、使用不方便等缺点。随着激光技术的发展，半导 体激光器以及半导体激光器泵浦的固体激光器出现，极大地促进了扫描显示技术的 发展，主要表现在系统的体积大大缩小、效率提高、寿命增长等方面。( 2 ) 在扫描 器件方面，目前使用的多是多面转镜、声光偏转器以及检流计式振镜。目前这三种 扫描器件都存在不同程度的缺陷。检流计式振镜被认为是最有发展前景的扫描器 件，目前的扫描速度可以达到2 0 0 0 h z ，还不能满足系统要求。国外很多单位都致 力于高速扫描器件的研究。根据最新报道，c a m b r i d g e t e c h n o l o g y 公司委托m e d i a l a s 公司为6 2 1 0 、6 8 0 0 两个型号的检流计式振镜生产的驱动器，采用了数字d s p 技术， 可以在扫描角度为8 。时扫描频率达到8 0 k h z ，扫描角度为2 0 。时可以达到5 0k h z ： c a t a m p i v 型号的驱动器也可以使扫描频率达到4 0 k h z 7 。，实现了扫描角度和 频率的统一。( 3 ) 在激光调制器方面，目前应用在激光扫描系统中的调制器主要有 电光调制器和声光调制器。这两种调制器的技术指标都可以满足系统要求。 从系统发展来看m l ，第一个激光显示系统是1 9 6 4 年用h e n e 激光器实现的，它 接收电视广播显示出红黑图像，当时利用k d p 电光调制器实现激光束强度调制，而 用声谐振镜作水平扫描器，垂直偏转则由检流计型转镜来实现。 第一个彩色激光电视系统由氩离子激光器提供蓝和绿基色，h e n e 激光器产生 红基色，由多面转镜进行水平和垂直扫描。 1 9 9 8 年韩国三星高等技术学院研制成功了2 0 0 英寸的大屏幕激光投影显示系 统。它采用主波段在6 4 7 n m 、5 3 2 n m 和4 8 8 n m ，功率为4 w 的白色激光器做光源，白 色激光由气体k r a r 离子激光器产生。激光经过二向色镜分解合色，由声光调制器 进行调制，通过扫描技术实现显示。 2 0 0 0 年德国设计研究出了适合产业化的全固态红绿蓝激光器，同用于大屏幕显 示的气体激光器相比，它用于高亮度显示的功率消耗低于3 k w ，远远小于气体激光 器的1 0 0k w 的消耗功率。它产生6 3 2 n m 、5 3 2 n m 和4 4 6 n m 波段的红绿蓝三基色光， 平均输出功率大于1 8 w ，是家庭影院、大屏幕显示的理想光源。德国又于2 0 0 1 年设 计制造出激光输出功率为1 9 w 高功率激光投影系统，同时提出了3 5 w 更高激光输出 功率的设想，并进行了论证与阐述。 2 0 0 1 年美国通过d m d ( 数字微镜器件) 实现了高功率激光数字投影显示，其激 电子科技大学硕士学位论文 光光源输出波段为6 2 8 n m 、5 2 4 n m 和4 4 9 n m ，可获得很好的大屏幕显示效果。 我国在激光显示领域几乎是空白，其研究工作目前还处于理论分析和实验阶段。 2 0 0 0 年中科院物理所与中科院理化所、中科院长春光机所合作完成了红、绿、蓝全 固态激光器的白光配比，在国内首次实现了激光全色显示视频投影。这对于推动我 国全固态激光显示技术研究具有重大意义。 总起来说，激光扫描显示系统的研究工作主要集中在国外。系统的发展瓶颈在 于扫描器件，只要扫描器件的扫描速度和扫描角度达到要求，那么高质量的扫描显 示就可以实现，理想的激光电视产品就可以出现在公众面前。 1 3 本文主要研究内容 本课题主要对光栅式激光扫描显示系统进行研究，具体内容如下： 1 、系统设计。系统设计中我们主要考虑以下问题： ( 1 ) 系统主要器件的技术指标及其选择。系统中的主要器件包括激光器、调制 器、扫描器等。 ( 2 ) 光束扫描同步及其消隐。 ( 3 ) 扫描信号参数。 ( 4 ) 图像清晰度分析。 ( 5 ) 图像几何参数。 ( 6 ) 图像信号带宽计算。 ( 7 ) 屏幕亮度及其对比度。 ( 8 ) 光束调制，包括调制原理、调制方式选择。 ( 9 ) 光束质量改善。 ( 1 0 ) 图像失真分析。 2 、实验。 在现有实验条件下组建一套双振镜激光扫描显示系统，设计出两套扫描振镜驱 动电路，得到一系列试验数据，通过对实验数据的拟合分析，推导出振镜扫描角度 与扫描信号频率和幅度的关系。另外，得到了若干幅扫描光栅，通过对比，对图像 畸变的原因进行了分析。 电子科技大学硕士学位论文 第二章电视图像显示分析 由1 1 节可知，c r t 显示和激光扫描显示具有很多共同点，其中最重要的一点 就是它们的驱动方式相同，都属于射束驱动i “，不同的是电视显示是电子束，激光显 示是激光束。为了更好的借鉴电视成像原理，我们很有必要对电视显示技术作进一 步的分析，以更好的服务于激光扫描显示系统。 2 1 电视图像参数 2 1 1 图像的几何尺寸m 我们知道，人眼视觉最清楚的范围是在水平视角约2 0 。、垂直视角约1 5 。的矩形 面积内。根据这一特点，目前各国电视机屏幕都采用矩形，宽高比大多为4 ：3 。电 视图像的尺寸，常用矩形屏幕的对角线长度来衡量。一般电视机的屏幕对角线尺寸 为3 1 c m 一6 6 c m 。 另外，接收机的电视图像要和发送端景物的形状大小和相对位置保持其比例不 变，即收发两端的图像应有几何上的相似性，否则容易造成几何失真。通常，图像 的几何失真有两种。 1 、扫描锯齿波电流非线性引起的几何失真 设系统传送的是标准方格信号，则扫描锯齿波电流及其对应的几何关系如图2 1 所示。图2 1 ( a ) 是当行、场扫描电流均为线性时的理想情况，此时重现图 像与原图像相似，没有几何失真。当行、场扫描电流非线性时，其重现的方格宽度、 高度就会出现不均匀而呈现几何失真，如图2 1 ( b ) ( c ) 所示。 水平几何失真系数。定义为： n h ：掣掣( 2 - 1 ) a m “十口t m 垂直几何失真系数。定义为： n r ：2 ( ；_ h 一, - _ h m 一) ( 2 - 2 ) h m “+ 疗j o 通常电视机要求n 。 1 7 ，n ， 3 2 3 比较 图3 - 5 单色显示系统框图 ：，7 1 曩 、i 总起来说，这两种扫描显示方式相同点在于，都是利用了激光亮度高、分辨率 高、色彩鲜艳等优点，显示方式都是投影显示。而且图像的质量都取决于扫描器件 的速度和角度。扫描速度和角度越大，则形成的图像质量越好。激光器的质量也对 图像的质量有影响。 不同点在于两种方式的工作原理是不一样的。矢量扫描显示中，图像信号直接 作为扫描器的扫描信号，驱动扫描器工作，激光束不需调制，经反射后投射到屏幕 上成像；光栅扫描方式需要根据图像信号对激光束进行调制，扫描器只负责扫描光 栅的形成。另外h 厕磋澍扫描箍韵速度要求也不同，光栅式扫描要求行扫描速度更 高一些，而对矢量扫描则不要求那么高的速度。当然，扭描速度越高则成像质量越 好，在这一点上是一致的。总结如表l 所示。 电子科技大学硕士学位论文 表2 1 两种扫描方式比较 光束调制扫描器速度应用场合效果 矢光束不需调制，图对行扫描器扫描速度稍低，主要应用在主要表现激 量像信号直接一般达到几k h z ，对场扫描广告业、游乐光光束效果 扫驱动扫描器，控制速度要求低，一般只要求几娱乐、城市光 描光束在屏幕上的十h z彩工程等 落点 光图像信号作为调对行扫描器扫描速度极高，激光电视、家逐行扫描显 栅制信号，一般达n ) l 十k h z ，对场扫庭影院等不 扫通过调制器对光描速度要求低的多，一般只 描束进行调制要求几十h z 2 1 电子科技大学硕士学位论文 第四章系统设计 根据第二、三章的分析，借鉴电视成像原理，我们设计一个单色、逐行激光扫 描显示系统。首先，确定系统的参数，然后对系统的三个主要部件：激光器、光调 制器和扫描器的发展状况及其性能指标进行分析，最后根据系统参数进行系统设计 工作。 4 1 系统参数确定 我们设计一个单色逐行扫米激光扫描显示系统，其技术参数如下： 1 、图像的几何尺寸 宽高比 1 6 ：9 面积 1 m 2 对角线1 5 3 m ( 6 2 4 英寸) 边长1 3 3 m 0 7 5 m 光源到屏幕的距离 3 o 7 5 = 2 2 5 mc k 于三倍图像高度) 2 、清晰度 清晰度是评价一个显示系统的重要质量指标，它反映系统显示图像细节的能 力，通常用分解力来表示。 ( 1 ) 垂直分解力 垂直清晰度是主观感觉到的图像在垂直方向呈现细节的清晰程度，取决于图 像沿垂直方向能分解的象素数，也就是垂直分解力，通常用n 表示，计算公式为 n = k ，( 1 一z ) z( 4 - 1 ) 其中墨为凯尔系数，一般取0 7 ；为场逆程系数，取为0 0 8 ；z 为扫描行 数，z = 7 ，厶为行频，矗为场频。 对于大屏幕显示来说，扫描行数z 一般在1 0 0 0 到1 3 0 0 之间。我们取z = 1 1 2 5 。 则经过计算得到垂直方向分解力为n = 7 2 5 行。 ( 2 ) 水平分解力 根据人眼的视觉特性，人眼垂直分辨力和水平分辨力基本相同，所以我们也取 系统的垂直分辨力等于水平分辨力。由于图像宽高比为1 6 ：9 ，则图像在水平方向所 能分辨的象素数为 肘：删：麟l ( 1 一p ) z ：要7 2 5 ：1 2 8 8 ( 4 - 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 3 、图像信号带宽 图像信号带宽a f 是指信号频谱中的最高频率f m 。和最低频率厶之差，即 厂= 厶。一厂m 。电视图像信号的最低频率厶。接近于o h z ，：最高频率，m 。指传送 一幅全是细节信号的情况，且细节大小相当于一个像素( 即等于一个扫描点大小) 时对应的频率。因l 。* 0h z ，所以最高频率丘即带宽厂。 水平方向所能分解的象素数为m ，则扫描这m 个象素所需要的时间就是扫描行 正程时间，即f = 巧( 1 一甜) 。设每个象素所用时间为r ，则有： m r = ( 1 一口) ( 4 3 ) 这时图像信号的周期为t = 2 r ，即为最小周期，对应最高频率丘。再结合公式 m = 斌( 1 一f 1 ) z 以及z = j 哌，我们可以得到带宽的计算公式为 三丝丝! ! ! 二生! 墨：盘 2 ( 1 一口) ( 4 - 4 ) 根据前面的系数取值，我们可以得到带宽为可= 4 4 6 m h z 。 4 、扫描信号参数 扫描信号分为行、场信号，均为锯齿波。主要参数是行频厶、行周期、行 逆程系数o r 、场频厶、场周期巧、场逆程系数卢。 场频一般取为5 0 h z 或者更高，我们取为5 0 h z 。由公式z = o z ，可得行频为 ，jf 厶= 矾，z = 1 1 2 5 ，所以有矗= 5 0 x 1 1 2 5 = 5 6 2 5 0 h z 。另外可以计算得到 = 1 7 8 , u s ，耳= 2 0 m s 。 逆程系数一般取为口= o 1 8 7 5 ，口= 0 0 8 。 5 、图像亮度、对比度和灰度 我们取图像的最大亮度为1 2 0e d m z ，最低亮度为3 c d m z 。忽略环境亮度，则 对比度为6 0 。灰度的计算可以参考式( 2 9 ) ，带入数值得到灰度约为7 3 。 4 2 系统主要器件的技术指标及其选择 4 ，2 。1 激光器 激光器是激光扫描显示系统的光源，是系统的关键部件。激光器发出激光的质 量，包括激光功率、光束发散角、光束直径等，直接影响到显示效果。另外，激光 器的寿命、工作条件等也会影响到激光显示的商品化。下面我们将会对在激光显示 电子科技大学硕士学位论文 系统中经常使用的激光器做简单介绍。 4 2 1 1 激光器的选择原则 激光显示用的激光器必须满足下列要求 | 2 】： l 、能在可见光谱范围内稳定地以连续波工作 用于激光扫描显示的激光必须是连续激光，所以激光器必须是连续输出的。 2 、输出光最好为单模( t e m o o ) ，单模激光光束质量好。多模激光光强分布图 案复杂，分布范围大，光束发散角大。 3 、输出光波长尽量与标准电视系统的基色相匹配 4 、输出光功率要高 激光功率的大小直接影响到图像的质量，根据使用场合，需要选择不同功 率的激光器。室内使用的激光器要求功率小一些；室外大屏幕投影显示系统所 使用的激光器则要求有较高的功率。 5 、激光光束质量要好 光束质量主要指的是光束发散角、单色性、光束孔径等，发散角越小则光 束质量越好，相干性越好；光束孔径的大d , n 决定着所显示图像豹分辨率。 6 、转换效率要高 转换效率是针对电泵浦的激光器而言，定义为输出光功率与输入电功率之 比。当然是转换效率越高越好。 7 、激光器体积、重量和使用方便程度 激光器的体积当然是越小越好，重量越轻越好：不需要冷却、工作电压低 的激光器是最受欢迎的。 8 、激光器寿命 寿命越长越好，可以节约投入。 4 2 1 2 气体激光器| | _ j | 气体激光器是以气体或者金属蒸汽作为工作物质的激光器，通常采用气体放电 泵浦方式。它利用气体原子、分子、或离子的分离能级进行工作，跃迁谱线和相应 的激光输出波长范围均较宽。常用于激光扫描的气体激光器有氦氖( h e - n e ) 激光 器、氩离子( a r + ) 激光器等。 气体激光器的工作特性如下： 1 、可连续工作 2 、输出光谱较丰富，氦氖激光器输出波长为6 3 2 87 l 的红光，氩离子激光器 可输出5 1 4 5 n m 的绿光和4 8 8 m 的蓝光。 3 、光夷质量好。气体激光器的输出光束质量很好，发散角小，一般在1 0 。弧 2 4 电子科技大学硕士学位论文 度，而且光束质量稳定。 4 、输出功率。气体激光器的输出功率有大有小，氦氖激光器输出功率不大， 为毫瓦量级。每单位长度腔长可发出的激光功率不大，一般为0 1 o 3m 陟r c m 。也 就是说lm 长的氦氖激光器能发出2 0 m w 左右功率的激光束。氩离子激光器连续 输出功率一般为几瓦到几十瓦，单位长度功率大约是氦氖激光器的三倍，最高可达 到1 5 0 瓦以上。 5 、电能转换效率很低，大约在0 0 3 左右，所以，一般适用于不需要很大功 率的场合。功率较大的气体激光器就需要水冷设备，使用不方便。 6 、体积较大，使用不方便。 4 2 ，1 3 固体激光器 在激光器发展史上，固体激光器最早实现了激光输出。自从1 9 6 0 年在世界上第 一次制成红宝石激光器以来，固体激光技术发展十分迅速 1 2 。目前，能实现激光振 荡的固体工作物质多达百余种，激光谱线多达数千种。固体激光器既可以脉冲工作 也可以连续工作，而且输出功率极高。脉冲激光器的最高峰值功率可达几十兆兆瓦， 单根n d 3 ：y a g 连续激光器输出上百瓦，数根串接的激光器输出己达千瓦级水平。中 小型固体激光技术的发展，包括电光q 开关、声光q 开关及其调制器、倍频器、调 频器、锁模技术等装置，均已达到相当成熟的程度。下面介绍固体激光器的工作特 性。 1 、固体激光器输出的稳定性 固体激光器工作一段时间后，输出功率会下降。而且在工作过程中，激光器的 输出功率还会出现时高时低的无规律变化。 2 、激光束的方向性 激光束的方向性一般用远场发散角表示。固体激光器输出的激光方向性不好， 发散角一般为几个毫弧度甚至于十几个毫弧度。 3 、输出功率 连续输出的固体激光器的输出功率有大有小，既可以提供室内使用的小功率激 光器，也可以提供室外使用的大功率激光器。 4 、泵浦方式 泵浦方式为光泵浦，大多数固体激光器使用电光源作为泵浦光，这种泵浦方式 泵浦效率较低，有相当大一部分的泵浦光能量转化成了热，引发激光器输出功率及 其能量转换效率降低，同时也降低了激光器的输出质量。而且，还需要配备降温装 置，增加了激光器的体积和重量。 随着激光技术的发展，用半导体激光器代替电光源泵浦的固体激光器得到了极 大的关注。另外，通过改变半导体激光器有源层的厚度或者改变有源区“组分，以 电子科技大学硕士学位论文 及通过温度控制能够精确控制输出光波长，实现泵浦和吸收光谱匹配”o l 。用半导体 激光器代替电光源泵浦的固体激光器，整机光学部件均为紧凑牢固可模块化的固体 组成，统称为全固态激光器。用l d 泵浦的固体激光器泵浦效率很高，因而激光器 工作时发热小，避免了由于热效应带来的需要冷却的麻烦，而且l d 体积小，可以 大大减小整个激光器的体积。 典型全固态激光器是量子阱材料制成特定波长的大功率l d 或者模块激发特定 的激光晶体产生激光。然后再使用非线性光学晶体变频，获得可见光。常用的半导 体激光泵浦的n d ：y a g 激光器以连续波工作，输出波长为1 0 6 a n 的红外光，用非 线性光学晶体如铌酸钡钠倍频，可变换到它的二次谐波5 3 0 h m l l 7 o 4 2 1 4 半导体激光器 半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡 器和光放大器的总和。1 9 6 2 年美国首先研制成功了最早的半导体激光器一- - g a a s 同质结二极管激光器，它只能在低温下脉冲工作，而且阈值电流非常大。7 0 年代初 由美国贝尔实验室研制出异质结( d h ) 半导体激光器，可以在室温下连续运转，且寿 命和可靠性明显提高。8 0 年代出现的量子阱和超晶格等新型半导体激光器结构，使 半导体激光器的闽值电流降低，电光转换效率提高，输出功率也得到相应的提高。 在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器在9 0 年代取得了突破性 的进展，其标志就是半导体激光器的输出功率显著增加1 1 ”。 半导体激光器的工作特性如下： 1 、输出光波长。目前的可见光半导体激光器的输出波长在6 3 0 n m 附近，尚未见 到绿光和蓝光半导体激光器的报道。 2 、输出功率，可以达到瓦级。 3 、光束质量。半导体激光器的发散角较大，一般( 5 l o ) x 1 0 。弧度，相干性差。 4 、时间响应特性好，可进行内调制，所以使用半导体激光器作扫描光源时， 可以对扫描图像信号进行内调制，由于输出激光强度与注入电流密度成正比，所以 可以通过调制注入电流的方法来调制输出激光的强度。时间响应在室温下只有数毫 微秒，意味着这种内调制频率可达数百兆赫兹i j 。 5 、电光转换效率高。 6 、重量轻、体积小、电能消耗小，工作寿命长。 7 、温度特性差，工作特性与温度有显著的关系，环境温度变化可以引起激射频 率、阈值电流、输出光功率等变化。 4 2 1 5 小结 通过上面所述我们可以看出，l d 泵浦的固体激光器从性能上来讲是现阶段最适 电子科技大学硕士学位论文 合于激光扫描显示系统的激光器。 对半导体激光器而言，由于其体积小、效率高、寿命长、波长范围宽、可直接 调制等优点成为另一种适合激光扫描显示系统的激光器，当然需要对输出光束进行 整形处理。另外，其输出光波长目前只有红光，限制了它在彩色显示中的应用。 氦氖激光器和氲离子激光器由于结构简单、价格低廉，而且输出光束质量极好， 所以在一些场合仍然使用。 4 2 2 扫描器件 激光扫描系统中最重要的部分就是扫描单元。实现光束扫描的方法有很多，目 前在激光扫描显示行业中使用的扫描器件主要有多面转镜、检流计式振镜、声光偏 转器、电光偏转器、磁光偏转器等。实现光束扫描时，主要考虑扫描线性度、扫描 速度、扫描角度、扫描同步、扫描分辨率等问题i2 l 】。下面我们分别介绍以上偏转器 件的工作原理及其性能指标。评价光束偏转器的性能时，不仅要考虑偏转角的大小， 同时还要考虑扫描速度。另外，表示偏转光分辨率的可分辨点数n ，也是一个非常 重要的技术指标，它定义为总偏转角a 0 和光束本身的发散角伊之比，即n ，：竽。 下面我们将会对各种扫描器件做介绍。 4 2 2 1 扫描器件的选择原则 激光扫描显示系统中使用的偏转器件，主要性能要求包括扫描速度、分辨率、 扫描角度、扫描精度等。 ( 1 ) 扫描速度根据用途不同有两种要求：用于行扫描的偏转器必须有很高的 扫描速度，用于激光电视系统，则至少要达到几十千h z ；用于场扫描的偏转器对 扫描速度的要求就低得多，达到5 0 h z 左右就可以满足要求，一般的扫描器都容易 达到。 ( ”扫描角度不管是用于行扫描还是场扫描，都要求有较大的扫描角度。只 有扫描角度大，才可以实现大屏幕投影显示，才能表现出激光显示的特殊效果。 ( 3 ) 分辨率即可分辨点数。可分辨点数越高，则扫描显示的图像越清晰，越 逼真，所以分辨率也是一个非常重要的技术指标。 ( 4 ) 扫描精度扫描精度表示时序电信号和空间光分布之间光、电强度和时、 空位置的正确对应关系。扫描器精度不高会导致扫描运动速度的不均匀性，造成扫 描非线性畸变，这将引起扫描的几何失真。扫描精度对图像的不失真再现是一个重 要的指标吲。 电子科技大学硕士学位论文 4 2 2 2 振镜扫描器 1 、概述 振镜扫描是由g e n e r a ls c a n n i n g 实验室发展起来的一种激光扫描技术，自从 t 9 8 5 年第一个振镜扫描头被发明以来，在扫描精度和频率上有了长足的发展。从目 前的扫描性能上来看，振镜扫描可以算是最好的扫描方式之一。 检流计式振镜扫描器有很高的动态特性：在检流计的任意位置都可以加载正向 或者反向力矩，从而获得所需的转子的角加速度或角减速度；检流计的任意位置都 有相同的动态特性。 为了保证偏转的精度，检流计式振镜采用闭环电路。用传感器精确测量检流计 偏转角，并与控制值进行比较，把比较信号反馈到驱动电路中。带有角度传感器的 闭环控制电路，能获得高精度偏转。传感器的质量决定了扫描器和系统的精度i 】。 满足上述条件的检流计式振镜可以在伺服机构的控制下，实现任意波形的扫描， 而且扫描线性好、速度快。 扫描器由x y 光学扫描头、电子驱动电路模块和光学反射镜组成，两个振镜分 别负责垂直方向和水平方向的扫描。驱动信号发生电路提供的信号通过电子驱动电 路模块驱动光学扫描头，从而在x y 平面控制激光束的偏转。这类似于电视系统中 阴极射线管中对电子束的偏转，所不同的是：光子不是带电粒子，不能像电子束一 样通过磁场或者电场控制| 2 。通常光束扫描使用的光学扫描头是一种检流计式的扫 描头。 为了使激光能量在扫描反射过程中的损失尽可能的降低，一般在镜面上镀上高 反射镀膜以提高反射率。通常镀膜材料如铝、金等都是不错的选择。 决定振镜扫描速度的主要部件是信号驱动模块，也就是伺服控制器。目前生产 驱动模块的公司主要有美国的c a m b r i d g et e c h n o l o g y 公司、g s il u m o n i e s 公司等。 2 、技术指标： ( 1 ) 扫描速度可以达到2 k h z 。 ( 2 ) 扫描角度最大扫描角度达到4 0 。，但是扫描角度和扫描速度有关，并且随 扫描速度的提高而减小，具体可见第七章我们的实验数据。 ( 3 ) 扫描线性度线性度好，可达9 9 9 r ”i 。 3 、优点及缺点 检流计式振镜偏转器偏转角度大且与光波波长无关，精度、线性度、稳定度好， 达到了速度、精度、尺寸的最优化配置，是目前使用较多的偏转器，适用于作场扫 描器件。 电子科技大学硕士学位论文 4 2 2 3 多面转镜 1 、概述 转镜扫描使激光束在宽视场范围内进行高精度、高线性、高速度的扫描。它是 一种机械式高惯量激光扫描。多面转镜主要包括一个多面棱镜、一个驱动马达。马 达可以是电动，也可以是气动，由控制系统来驱动。其主要参数为面数n ( 自然数) 、 转速s ( 单位k r p m ) 、扫描角度a g ( 单位度) 、扫描速度v ( 单位h z ) 等，他们之 间的关系式为矧： v ：s 。n x 1 0 0 0( 4 5 ) 6 0 2 、技术指标 ( 1 ) 扫描角度 扫描角度随多面镜的面数不同而变化，具体关系为口：孪，其中a 0 为扫描 角度，为面数。这个公式很容易理解，因为转镜实际上是一个圆的内接多边形， 每个镜面的张角是3 6 0 。n ，如果转镜随着中心轴转动某个角度，反射光束则偏转 二倍角度。若取2 4 ，则a 0 为3 0 。 ( 2 ) 可分辨点数 根据式，：丝，我们既可以求得转镜扫描的分辨率。我们取口：3 0 。：z 6 ， d p = 1 0 。弧度，带入上式则可以计算得到可分辨点数为n ，“5 2 4 。 ( 3 ) 扫描速度1 2 6 l 通过式矿：s x n 了x _ 1 0 0 0 ，我们可以计算扫描速度。一般可以转速s 可以达到每 o u 分钟几十千转。若取2 4 ，s 取6 0 则y 可达2 4 0 0 0 h z 。也就是说，如果多面转镜 用作行扫描器件，则行频可以达到2 4 0 0 0 h z 。 根据三个公式臼= 罢等，矿= _ _ s x n 1 0 0 0 ，v ，= 竺可知，扫描速度、扫描 | 6 0口 角度和可分辨点数之间是相互制约的。 3 、优缺点 扫描角度大、扫描速度快是其最大的优点。另外，反射面镀有全反射膜，反射 率高，光能损失小，扫描结构简单。 由式( 4 5 ) 可知，扫描速度和面数之间成正比关系，而面数与扫描角度成反 电子科技大学硕士学位论文 比关系，也就是说扫描速度和扫描角度成反比关系，所以扫描速度和角度之间是相 互限制的。片面的追求个量都会引起另一个量的降低。 4 2 2 4 声光偏转器 1 、基本原理 声光偏转器的结构如图4 1 所示，声光偏转器 是基于声光效应的原理来工作的。声光偏转器由声 光介质和换能器两部分组成。 当外加电信号加到驱动源上时，该电信号被调 制到驱动源内部产生的载波上，被调制的信号加到