使用独立多波长光源的投影机的制作方法

专利名称：使用独立多波长光源的投影机的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种用于投影立体数字图像的设备，且更明确地说，涉及一种 使用独立多波长来产生用于数字影院投影的立体图像的经改进设备和方法。
背景技术：
为了被视为对常规胶片投影机的合适替代品，数字投影系统必须满足对图像质量 的苛刻要求。对于多色影片投影系统来说情况尤其如此。对常规的影片质量投影机的竞争 性数字投影替代品必须满足较高的性能标准，提供较高的分辨率、较宽的色域、较高的亮度 以及超过1，000 1的帧顺序对比率。电影行业已日益地朝产生和显示3维(3D)或感知的立体内容发展，以便在大型 场所为消费者提供增强的视觉体验。虽然例如迪斯尼(Disney)等娱乐公司已在其主题公 园中提供此内容许多年了，且巨影(Imax)已为此内容建造了专业电影院，但在那两种情况 下，胶片已是用于图像生成的主要媒介。为了产生立体图像，两组胶片和投影机同时投影正 交的偏振，每只眼睛对应一组。观众佩戴对应的正交偏振眼镜，其为每只眼睛阻挡一个偏振 光图像，同时透射正交偏振光图像。在电影行业正在进行的向数字成像的转变中，一些厂商(例如，巨影)已继续利用 双投影系统来提供高质量立体图像。然而更常见的是，常规的数字投影机已被修改以实现 3D投影。这些针对多色数字影院投影的常规投影解决方案中最有前途的解决方案使 用两种基本类型的空间光调制器(SLM)中的一者作为图像形成装置。第一种类型的 空间光调制器是数字光处理器(DLP)，一种由得克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司 (Texaslnstruments, Inc.，Dallas, TX)开发的数字微镜装置(DMD)。DLP装置在许多专利 中描述，例如第4，441，791号；第5，535，047号；第5，600，383号美国专利(全部颁予洪贝 克(Hombeck))；以及第5，719，695号美国专利(西姆巴克(Heimbuch))。使用DLP的投影 设备的光学设计在第5，914，818号(特哈达(Tejada)等人)；第5，930，050号(德瓦尔德 (Dewald))；第 6，008，951 号(安德森(Anderson))和第 6，089，717 号(岩井(Iwai))美国 专利中揭示。DLP已经成功用于数字投影系统中。图1展示使用DLP空间光调制器的投影机设备10的简化框图。光源12将多色未 偏振光提供到棱镜组合件(例如飞利浦棱镜(Philips prism)) 14中。棱镜组合件14将多 色光分为红、绿和蓝分量波长带，且将每一带引导到对应的空间光调制器20r、20g或20b。 棱镜组合件14随后重组来自每一 SLM 20r、20g和20b的经调制的光，且将此未偏振光提供 给投影透镜30，以供投影到显示屏幕或其它合适的表面上。基于DLP的投影机展示了为从桌上型计算机到大型影院的大多数投影应用提供 必要的光通过量、对比率和色域的能力。然而，存在固有的分辨率限制，其中现存的装置通 常提供不超过2148X1080个像素。另外，较高的组件和系统成本已限制了 DLP设计针对较 高质量数字影院投影的适用性。而且，飞利浦或其它合适的组合棱镜的成本、大小、重量和
4复杂性是显著的约束条件。另外，因亮度要求而导致的对具有较长工作距离的相对较快的 投影透镜的需要已对这些装置的可接受性和可使用性造成不利影响。用于数字投影的第二种类型的空间光调制器是IXD(液晶装置)。IXD通过针对 每一对应像素选择性地调制入射光的偏振状态来将图像形成为像素阵列。LCD看起来似 乎具有作为用于高质量数字影院投影系统的空间光调制器的优点。这些优点包含相对较 大的装置大小、有利的装置产率以及制造较高分辨率装置的能力，例如索尼(Sony)和JVC 公司的4096X2160分辨率装置。利用IXD空间光调制器的电子投影设备的实例揭示于 第5，808，795号美国专利(下村(Shimomura)等人)；第5，798，819号美国专利(服部 (Hattori)等人)；第5，918，961号美国专利(上田(Ueda))；第6，010，121号美国专利(堀 北(Maki)等人)；以及第6，062，694号美国专利(老川(Oikawa)等人)中。LCOS(硅基液 晶)装置被视为针对大规模图像投影来说特别有前途。然而，LCD组件难以维持数字影院 的高质量需求，尤其是在色彩、对比度方面，因为高亮度投影的高热负荷影响材料的偏振质 量。用于从这些常规的基于微显示器(DLP或LC0S)的投影机形成立体图像的常规方 法已经基于两种主要技术。由(例如)杜比实验室(Dolby Laboratories)利用的较不常 见的技术类似于马克希姆(Maximus)等人的第2007/0127121号美国专利申请公开案中所 描述的技术，其中使用色彩空间分离区分左眼和右眼内容。白光照明系统中利用滤色镜来 在帧时间的一部分中短暂地阻挡掉原色中的每一者的多个部分。举例来说，针对左眼，红、 蓝和绿(RGB)的较低波长谱将在一段时间内被阻挡。这之后将是针对另一只眼睛阻挡红、 蓝和绿(RGB)的较高波长谱。与每一只眼睛相关联的适当的色彩经调整的立体内容被呈 现给用于所述眼睛的每一调制器。观看者佩戴对应的滤色镜套组，其类似地透射两个3色 (RGB)谱集中的仅一者。此系统优于基于偏振的投影系统之处在于其图像可投影到大多数 屏幕上，而不需要利用定制的偏振维持屏幕。类似的有利之处在于调制器或相关联的光学 元件的偏振性质在上述方法的性能方面并不重要。然而，不利之处在于滤色眼镜较昂贵，且 观看质量可能因角移、头部运动和倾斜而降低。昂贵的眼镜还经受划痕损坏和失窃，从而为 场所拥有者带来资金困难。另外，对色彩空间的调整可能是困难的，且存在因滤色引起的显 著光损失，从而导致较高的所需灯输出或降低的图像亮度。第二种方法利用偏振光。在颁予斯瓦德尔(Svardal)等人的第6，793，341号美国 专利中，转让给俄勒冈州威尔逊维尔市的富可视(InFocus)公司的一种方法利用传递到两 个单独的空间光调制器的两个正交偏振状态中的每一者。来自两个调制器的偏振光是同时 投影的。观看者佩戴具有用于左眼和右眼的相对于彼此正交定向的偏振透射轴的偏振眼 镜。尽管此布置提供光的高效使用，但此布置可能是非常昂贵的配置，尤其是在其中针对每 一色带需要一空间光调制器的投影机设计中。在使用偏振的另一较常见的方法中，常规的 数字投影机经修改以调制从一者快速切换到另一者的交替偏振状态。这可例如在DLP投影 机具有放置在光的输出路径中(例如图1中由虚线指示的位置16处)的偏振器的情况下 完成。需要偏振器，因为DLP未被固有地设计为维持输入光的偏振，因为装置封装的窗因应 力引起的双折射而消偏振。类似于罗宾逊(Robinson)等人的第2006/0291053号美国申请 案中所描述类型的消色差偏振切换器可在偏振器之后的位置16处使用。这种类型的切换 器使偏振光在两个正交偏振状态(例如线性偏振状态)之间交替地旋转，以允许在用户佩戴偏振眼镜时呈现两种不同的图像(每只眼睛一种)。真维(Real-D)系统历史上已利用左旋和右旋圆偏振光，其中眼镜由组合式1/4波 延迟器加偏振器制成，以在阻挡一个状态之前使圆偏振光变回线性偏振光。这显然对头部 倾斜较不敏感，且消色差偏振切换器较容易制造。然而，所述眼镜在仅使用偏振器的实施例 上增加了费用。在任一情况下，显示屏幕必须大体上维持入射的图像承载光的偏振状态，且 因此通常为镀银的。镀银屏幕成本较高，且展现出对增益的角度敏感性。虽然此系统具有 一定价值，但对于基于MEMS (微机电系统)的系统来说存在显著的光损失，因为所述基于 MEMS的系统需要偏振，这使输出减半。类似地，存在来自偏振切换器的额外光损失和增加的 成本。利用此方法的基于LCOS的投影机优于典型的基于MEMS的投影机的有利之处在于输 出通常已经偏振，以供装置对其起作用。因此通过使输出光偏振而不获得显著损失。然而 这些投影机通常因难以通过高角度光学元件维持高偏振控制而成本较高。因此效率的任何 增益在某种程度上被其它成本抵消。关于照明效率的后续问题涉及集光率(etendue)，或类似地，涉及拉格朗日不变量 (Lagrange invariant)。如光学技术中众所周知，集光率涉及可由光学系统处置的光的量。 潜在地，集光率越大，图像将越亮。在数字上，集光率与两个因数的乘积成比例，即图像面积 和数值孔径。按照图2中表示的具有光源12、光学元件18和空间光调制器20的简化光学 系统，集光率是光源Al的面积及其输出角θ 1的因数，且等于调制器Α2的面积及其接受角 θ 2。为了增加亮度，期望从光源12的区域提供尽可能多的光。作为一般原理，当光源处的 集光率与调制器处的集光率最接近地匹配时，光学设计是有利的。增加(例如)数值孔径增加了集光率，使得光学系统捕捉到更多的光。类似地，增 加源图像大小以使得光在较大面积上发源增加了集光率。为了利用照明侧上增加的集光 率，所述集光率必须大于或等于照明源的集光率。然而通常，较大的图像成本较高。例如 LCOS和DLP组件等装置尤其如此，其中硅衬底和缺陷可能随大小而增加。作为一般规则，增 加的集光率导致较复杂且成本较高的光学设计。使用例如第5，907，437号美国专利(斯普 劳特贝里(Sprotbery)等人)中概述的方法，光学系统中的透镜组件必须经设计以获得较 大的集光率。用于必须通过系统光学元件会聚的光的源图像面积是红、绿和蓝光路径中的 空间光调制器的组合面积的总和；值得注意的是，这是所形成的最终多色图像的面积的三 倍。也就是说，对于第5，907，437号美国专利中所揭示的配置，光学组件处置相当大的图像 面积，因此处置高集光率，因为红、绿和蓝色路径是单独的且必须在光学上会聚。而且，尽管 例如第5，907，437号美国专利中所揭示的配置等配置处置来自所形成的最终多色图像的 面积的三倍面积的光，但此配置并不提供增加的亮度的任何益处，因为每一色彩路径仅含 有总光级的三分之一。在光源的集光率与空间光调制器的集光率良好匹配时，效率改进。不良匹配的集 光率意味着光学系统缺光，不能将足够的光提供给空间光调制器，或是低效的，从而实际上 丢弃为调制而产生的光的实质部分。以可接受的系统成本为数字影院应用提供充足亮度的目标已使LCD和DLP系统两 者的设计者困惑。基于LCD的系统已经被对偏振光的要求连累，从而降低效率而增加集光 率，即使在使用偏振恢复技术的情况下也是如此。不需要偏振光的DLP装置设计已被证实 在某种程度上效率较高，但仍需要昂贵的寿命较短的灯和成本较高的光学引擎，从而使得其过于昂贵而无法与常规的影院投影装备竞争。为了与常规的高端的基于胶片的投影系统竞争且提供已被称为电子或数字影院 的投影系统，数字投影机必须能够实现比得上此较早的装备的影院亮度级。作为对规模的 一些了解，典型的剧院要求将大约10，000流明投影到在对角线上大小约为40英尺的屏幕 上。屏幕的范围需要从5，000流明到40，000流明以上的任何值。除了此苛刻的亮度要求 之外，这些投影机还必须传递高分辨率(2048X1080像素)，且提供约2000 1对比度和宽 色域。一些数字影院投影机设计已被证实能够具有此性能等级。然而，较高的装备成本 和操作成本已成为阻碍。满足这些要求的投影设备每一者的成本通常超过$50，000，且利用 需要以500到2000小时之间的间隔进行更换的高瓦数氙弧光灯，其中典型的更换成本常常 超过$1000。氙灯的大集光率对成本和复杂性具有相当大的影响，因为其使得用以收集和投 影来自这些源的光的相对较快的光学元件成为必要。DLP和LCOS IXD空间光调制器(SLM)两者共同的一个缺点是其使用固态光源(尤 其是激光源)的能力有限。尽管DLP和LCOS IXD空间光调制器在相对谱纯度和潜在高亮 度级方面优于其它类型的光源，但固态光源需要不同的方法以便有效地使用这些优点。使 用常规的用于调节、重定向和组合来自色彩源的光的方法和装置(如关于较早的数字投影 机设计所描述)可能约束使用激光阵列光源的良好程度。固态激光器保证了集光率、寿命和总体谱和亮度稳定性的改进，但直到最近，仍尚 未能够以充足的等级且以对数字影院来说可接受的成本来传递可见光。在较近的发展中， VCSEL(垂直腔表面发射激光器)激光器阵列已经商业化，且显示出作为潜在光源的一些前 景。然而，亮度本身仍不够高；需要来自多达9个个别阵列的组合光，以便为每一色彩提供 必要的亮度。使用激光器阵列的投影设备的实例包含以下各项颁予卡普尔(Kappel)等人的标题为“激光照明图像投影系统及其使用方法 (Laserllluminated Image Projection System and Method of Using Same)” 的第 5，704，700号美国专利描述用于投影机照明的微激光器阵列的用法；颁予克鲁施维茨(Kruschwitz)等人的标题为“使用为区域光阀照明的有机激 光器阵列的电子成像系统(Electronic Imaging System Using Organic Laser Array Illuminatingan Area Light Valve) ”的第6，950，454号共同转让美国专利描述用于向空 间光调制器提供激光照明的有机激光器的用法；颁予穆拉迪安(Mooradian)等人的标题为“投影显示器设备、系统和方法 (ProjectionDisplay Apparatus, System, and Method) ” 的第 2006/0023173 号美国专利申 请公开案描述用于照明的扩展腔表面发射半导体激光器阵列的用法；颁予格伦(Glerm)的标题为“使用固态光源的显示器(Displays Using Solid-State LightSources) ”的第7，052，145号美国专利描述将微激光器阵列用于投影机 照明的不同显示器实施例。颁予朗(Lang)等人的标题为“具有经优化的亮度保存的激光二极管阵列组合 件(Laser Diode Array Assemblies With Optimized Brightness Conservation)，，的第 6，240，116号美国专利论述具有高冷却效率的常规激光棒发射二极管和边缘发射二极管的封装，且描述使用与反射器组合的透镜以通过消除或减小准直射束之间的间距来减小2维 阵列的散度_大小乘积(集光率)。这些类型的解决方案中的每一者均存在难题。卡普尔的'700教示用作图像投影 中的光源的相干激光器单片阵列的用法，藉此选择激光器的数目以与投影机的流明输出的 功率要求匹配。然而，在高流明投影机中，此方法呈现若干难题。制造合格率随着装置数目 增加而下降，且热问题对于较大规模阵列可能较显著。相干性也可能对单片设计造成问题。 激光源的相干性通常导致例如光学干扰和斑点等假影。因此优选使用其中相干性、空间和 时间相干性较弱或可忽略的激光器阵列。虽然从经改进的色域的观点来看光谱相干性是合 意的，但少量的光谱加宽对于减少对干扰和斑点的敏感性来说也是合意的，且还减少单个 光谱源的色移的影响。此移位可能(例如)会在具有单独的红、绿和蓝激光源的三色投影 系统中发生。如果单一色彩阵列中的所有激光器均连接在一起且具有较窄的波长，且移位 在操作波长中发生，那么整个投影机的白点和色彩可能在规格之外。另一方面，在阵列以波 长中的小变化平均化的情况下，对总体输出中的单一色移的敏感性显著降低。虽然可向系 统添加组件以帮助破坏此相干性(如卡普尔所论述)，但从成本和简单性的观点来看，优选 利用来自不同的制造批次的稍微不同的装置来形成实质上不相干的激光源。另外，降低源 处的空间和时间相干性是优选的，因为降低越过源的此不相干性的大多数构件均利用例如 扩散器等组件，所述组件增加了源的有效范围(集光率)，导致额外的光损失，且对系统增 加了费用。维持激光器的小集光率实现了用于照明的光学系统的简化，这是极其合意的。对投影应用特别具有吸引力的激光器阵列是各种类型的VCSEL阵列，包含来自加 利福尼亚州桑尼维尔市的诺瓦卢克斯(Novalux)公司的VECSEL (垂直扩展腔表面发射激光 器)和NECSEL(诺瓦卢克斯扩展腔表面发射激光器)装置。然而，使用这些装置的常规解 决方案已经趋于出现若干问题。一个限制因素涉及装置产率。较大程度上归因于关键组件 的热量和封装问题，商业化的VECSEL阵列在长度上被延长，但在高度上受限；通常，VECSEL 阵列仅具有两行发射源。两个以上行的使用趋向于显著地增加产率和封装难题。此实际限 制将使得难以为(例如)格伦的'145的揭示内容中所描述的投影设备提供VECSEL照明系 统。当使用穆拉迪安等人的'3173的揭示内容中所提出的投影解决方案时，亮度将受到限 制。尽管克鲁施维茨等人的'454和其它发明描述使用有机VCSEL的激光器阵列的用法， 但这些有机激光器尚未成功地商业化。除了这些问题之外，常规的VECSEL设计趋于具有功 率连接和散热的难题。这些激光器具有较高功率；例如，来自Novalux的频率加倍为两行装 置的单行激光器装置产生超过3W的可使用光。因此，可存在相当大的电流要求和来自未使 用电流的热负荷。寿命和射束质量高度取决于稳定的温度维护。激光源到投影系统的耦合呈现出使用常规方法无法充分解决的另一难题。举例来 说，使用Novalux NESEL激光器，针对每一色彩需要大约九个2行乘24激光器阵列，以便接 近大多数剧院的10，000流明要求。合意的是使这些源以及电子传递和连接及相关联的热 量与主要的热敏感光学系统分离，以允许投影引擎的优化性能。其它激光源是可能的，例如 常规的边缘发射激光二极管。然而，这些源较难以阵列形式封装，且传统上在较高亮度级下 具有较短的寿命。常规的解决方案没有充分地解决激光源与系统的集光率匹配以及使照明源与光 学引擎热分离的问题。而且，常规的解决方案没有提出有效地利用激光器来有效地产生立体数字影院投影系统的方法。因此可见，需要因用于立体数字影院投影系统的多波长激光 器光源的使用而获益的照明解决方案。

发明内容
本发明的目标是解决对用例如DLP和LCOS以及相关微显示器空间光调制器装置 等数字空间光调制器进行立体成像的需要。为此目标，本发明提供一种用于增加亮度的数 字图像投影机，其包含(a)第一光源；(b)第二光源，其在光谱上邻近于所述第一光源；(c) 二向色分束器，其经安置以引导所述第一和第二光源两者的光；(d)空间光调制器，其接收 来自所述第一和第二光源两者的光；以及(e)投影光学元件，其用于传递来自所述空间光 调制器的成像光。本发明的特征是其提供照明组件与调制组件之间经改进的集光率匹配的方式。所属领域的技术人员在阅读以下结合附图进行的详细描述后将明白本发明的这 些和其它目标、特征和优点，其中展示和描述本发明的说明性实施例。


虽然说明书以特定指出且清楚地主张本发明的标的物的权利要求书结束，但相信 从以下结合附图进行的描述中将更好地理解本发明，其中图1是将组合棱镜用于不同色彩光路径的常规投影设备的示意性框图；图2是展示光学系统的集光率的代表图；图3A和图3B是展示不同的固态光阵列与光导组合的相对填充因数的平面图；图3C是说明本发明的光谱上邻近的带的曲线图；图4是展示将本发明的照明组合器用于立体投影的投影设备的一般布置的示意 性框图；图5和图6分别是说明可如何沿着同一照明路径提供来自多个固态光阵列的邻近 光谱光的示意性侧视图和透视图；图7A是说明在一个实施例中用于引导来自多个固态光阵列的一个光谱带的照明 的二向色分束器的用法的示意性侧视图；图7B是说明在一个实施例中用于引导来自多个固态光阵列的邻近光谱带的照明 的二向色分束器的用法的示意性侧视图；图8是说明用于立体图像呈现的邻近光谱带的交替时序的时序图；图9A是说明在一个实施例中用于组合来自多个固态光阵列的照明的光重定向棱 镜的用法的示意性侧视图；图9B是图9A的光重定向棱镜的透视图；图10是替代实施例中的光重定向棱镜的示意性侧视图；图11是展示用于提供来自固态光阵列的双邻近光谱带的光的两个光重定向棱镜 的用法的示意性侧视图；图12是展示从两侧接受光的光重定向棱镜的实施例的用法的示意性侧视图；图13是将图12的光重定向棱镜用于每一邻近光谱带的光的照明设备的示意性侧 视图14是结合图12的光重定向棱镜而使用双邻近光谱带的投影设备的示意图；图15是不具有光导的结合图12的光重定向棱镜而使用双邻近光谱带的替代投影 设备的示意图；图16是针对每一邻近光谱带使用图12的光重定向棱镜的照明设备和用以区分照 明光谱的旋转光学快门的示意性侧视图；以及图17是针对邻近光谱带为半透射且半反射的光学快门的示意性正视图。
具体实施例方式本描述内容尤其是针对形成根据本发明的设备的一部分或与根据本发明的设备 较直接地协作的元件。将理解，未具体展示或描述的元件可采用所属领域的技术人员众所 周知的各种形式。本发明需要使用色光谱光谱上邻近的波长带。此术语是指特定色光谱内的实质上 不同的相邻波长区。举例来说且参见图3C，典型的数字显示器系统常常由三个或三个以上 一般色光谱(界定为蓝、绿和红)组成。这些色光谱可由谱宽度在30nm与IOOnm之间的波 长区组成。在这些色光谱内，可界定较小的邻近子组。此色光谱的实例将是蓝色光谱，其可 在420nm与460nm之间。两个色光谱光谱上邻近的带可由420nm到430nm和440nm到450nm 的谱组成。这两者均在一般色光谱光谱带内；然而，这两者也在光谱上是不同的。通过使用 激光光源，这些在光谱上邻近的色彩将可能较窄，因为激光谱本来就较窄。激光光源的空间 分离由可用以组合邻近光谱带或抑制邻近光谱带的任何涂层的要求界定。邻近光谱带之间 的此小分离实现色彩空间的最少变化以及投影系统的最宽色域。因此合意的是在能力以内 使这些带尽可能靠近在一起，以制造合理的滤色镜，且仍保留在一般色光谱内。提供本文所展示并描述的图以说明根据本发明的操作的原理，且并未按展示实际 大小或比例的意图来绘制。由于用于本发明的激光器阵列的组成部分的相对尺寸，一些夸 大是必要的，以便强调基本结构、形状和操作原理。本发明的实施例解决了使用邻近的双光谱源的立体观看系统中对改进的亮度的 需要，且提供还可允许照明组合件的容易移除和模块化更换的解决方案。本发明的实施例 另外提供减少热效应的特征，所述热效应可能原本导致结合基于偏振的投影机而使用的光 学组件中的热引发应力双折射。本发明的实施例利用从VECSEL激光器阵列或其它类型的 固态光阵列发射的光的固有偏振。本发明实施例的用以减少热负载的一种方法是使用波导结构来使光源与光调制 组件隔离。来自多个固态光源阵列的光耦合到光波导中，光波导将光传递到调制装置。当 此步骤完成时，光源到波导的界面的几何形状可经优化以使得波导输出与空间光调制器的 纵横比良好地匹配。实际上，这意味着波导孔径大体上被填满或稍微未填满以用于维持最 佳集光率等级。此布置还有助于使对照明光学元件的速度要求减到最小。参看图3A和图3B，以横截面展示光导52的输入孔径。将固态光阵列44展示为其 将出现在光导52的输入孔径处(如果经适当缩放)。如图3A所示，所述孔径未填满，其无 疑可导致光导52的空间光调制器端的不良集光率匹配。在图3B中，通过使光导52的输入 孔径从其常规圆形形式重新成形，阵列44与光导52的纵横比良好地匹配。随后描述组合 多个阵列44的方法。在使用此方法的实施例中，可将光纤用于光导52。在一个实施例中，使用矩形芯光纤。举例来说，来自芬兰(Finland)洛赫亚(Lohaja)的雷基(Liekki)公司 的矩形芯光纤已被制造为较好地匹配源纵横比。为了更好地理解本发明，描述本发明的设备和方法可在其内操作的总体环境是有 益的。图4的示意图展示在本发明的若干实施例中使用的投影设备10的基本布置。展示 三个光调制组合件40r、40g和40b，其各自调制来自照明组合器42的红、绿或蓝(RGB)原 色带中的一者。在每一光调制组合件40r、40g和40b中，任选的透镜50将光引导到光导 52(例如光纤)中。在光导52的输出处，透镜54引导光通过积分器51 (例如，苍蝇眼积分 器或积分棒)到达空间光调制器60，空间光调制器60可为DLP、LC0S或其它调制组件。为 结合LCOS而使用，优选在使用偏振激光器时维持光的偏振、高度偏振状态。在DLP调制器 的情况下，这是不必要的。在图4中由于许多可能的实施例而以虚线轮廓大体上指示的投 影光学元件70随后将经调制的光引导到显示器表面80。图4所示的总体布置随后用于本 发明的后续实施例，其具有用于照明组合器42的各种布置。照明组合器42交替地提供邻 近光谱带的光，从而快速连续地提供交替的左眼和右眼视图。图5展示用于组合多个阵列44和44’以形成较大阵列的一种方法。图6以透视 图展示图5的配置。在图5中，可使用一个或一个以上散置的反射镜46来使额外阵列44’ 的光轴与阵列44成一直线。然而可了解，热量和间距要求可能限制可以此方式堆叠的阵列 44的数目。图5和图6所示的布置可在某种程度上经修改以允许使用具有不同的或移位的邻 近光谱内容的光，如图7A和图7B中以及图8的时序图中所示。图7A和图7B说明照明组 合器42，且图8的时序图展示在光调制组合件40r、40g和40b中的任一者内，被引导到同 一空间光调制器60 (图4)的光可如何在两个邻近色光谱之间快速地交替，以相应地提供左 眼和右眼图像。存在两组激光器(为实例目的，展示固态激光器阵列)44a和44b。激光器 44a和44b提供邻近光谱带的光。观看者随后佩戴滤色眼镜以分出且选择性地透射既定用 于观看的单一波长带，同时阻挡既定用于交替眼睛的邻近波长带。图8所示的工作周期对 于每一只眼睛来说是50%照明。较短的工作周期是可能的，只要每一只眼睛上的平均功率 密度相同即可。必须根据空间光调制器的操作速度、激光器装置的操作速度以及使观看者 的不舒适感减到最小的必要性来选择最佳工作周期和频率速率。120hz刷新率的典型最小 可接受频率是所要的，同时较高频率是优选的。在基于3DDLP的数字影院应用中，常常使用 144hz。在一些实例中，针对优质立体成像在所需频率下以调制方式操作激光器可能是不 实际的。举例来说，当以此方式驱动激光器时，激光器不稳定性可能发生，进而致使不合意 的或不可控的激光器功率波动。本发明的一替代实施例是利用与光学快门组合的固定操作 激光器(可经调制，但不用于立体目的)。图16和图17展示光学快门65，其借助于电动 机66与空间光调制器同步旋转。图17说明光学快门65包含反射性部分75和透射性部分 76。当反射性部分75旋转到来自44a和44b的光的光径中时，来自44a的光被反射到用于 投影的光学系统中，而来自44b的光被反射到束流收集器67。类似地，当透射性部分76旋 转到来自44a和44b的光的光径中时，来自44b的光被透射到用于投影的光学系统中，而来 自44a的光被透射到束流收集器。借此，部分75和76的旋转提供了在来自44a和44b的 两个邻近色带之间交替的光学系统照明。在简化情况下，在对应于允许来自照明源44a的光谱的空间光调制器上的以眼睛为目的地的图像组的时间的50%内，同时反射来自44a和 44b的光。来自44a的光被反射离开光学快门65，且传递到空间光调制器，其随后投影到屏 幕供佩戴仅允许来自邻近光谱44a的光的选择性滤色眼镜的用户观看。来自照明源44b的 光被反射到束流收集器67中。同样，在所述时间的50%内，光学快门65大体上透射所有照 明44a和44b。在此情况下，来自44a的光终止于束流收集器67，而来自44b的光被传递到 调制器，调制器使用于交替眼睛的内容成像。此光经由经设计以仅透射邻近光谱44b的滤 色眼镜到达观看者的适当眼睛。虽然此方法具有比现有实施例多的光损失，但类似于现有技术，此方法较容易实 施。现有技术需要使用色彩选择性涂层来分离适当的邻近光谱。这必须同时处置所有三个 波长带。在此实施例中，可将简单的反射镜用于光学快门的一半(反射性部分)，而另一半 可为简单的窗(透射性部分)。或者，可使用设计有移位边缘滤色镜设计的两个对不同波长 敏感的涂层。因为仅需要一个光谱带，因此这实质上较容易制造而无需专业涂层类型。在 任一情况下，在衬底上可能需要适当的抗反射涂层来防止导致串扰光的虚反射从不适当的 邻近光谱带进入空间光调制器。另外，可能需要允许两个邻近光谱带穿过以增加常规非立 体图像的亮度。在此情况下，可去除光学快门，且可重新插入二向色分束器。这可由内容选 择系统自动化。期望使激光器中的每一者的谱在波长上邻近，以使每一只眼睛所需的色移校正减 到最少；相反地，还期望具有足够的谱移位，使得滤色镜可经设计以充分地分出来自左眼和 右眼的光，从而使串扰减到最少。这些滤色镜通常是通过利用基于薄膜的边缘或带通滤色 镜来制造的。这些滤色镜具有需要成本较高的光学层的若干过渡区，所述过渡区具有在高 透射与阻挡之间的范围内的波长，通常具有较小的过渡(较陡)。色彩空间与过渡空间之间 的此折衷界定特定合意的波长分离。NESCEL激光器在为同一光谱带设计的样本之间通常具 有约0. 5nm的变化。因此，倘若光学涂层可被设计和制造有足够的容限以具有从全透射到 Inm内的全阻挡的过渡区，那么最小谱分离将为lnm。然而更通常的情况是，此涂层将需要 5nm的最小值。因此，涂层制造成本常常是限制因素。在交替的照明循环的一半中，使阵列44a通电，如图7A所示。此光从二向色分束 器62反射。在交替的照明循环的另一半中，使阵列44b通电，如图7B所示。此光透射经过 二向色分束器62。对于非立体应用。来自邻近激光器44a和44b两者的光可一起用于提供 较亮的成像器，或以半功率使用以平衡每一激光源的寿命。此布置有利地将两个邻近光谱带的光置于同一照明轴上。此方法的集光率保持与 早前在图5中针对单个通道而展示的配置中所示的集光率相同。因此，在其中两个光谱带 均被成像的非立体应用中，源的亮度有效地加倍。这使得光学引擎能够有效地在单个源的 较低集光率下工作，从而提供较慢的光学速度和较高的对比度方面的优点。然而在其中需 要立体的情况下，在一个特定时刻仅利用单个源，因此有效亮度保持与图5B相同。虽然经 移位的邻近光谱带确实增加了总体源带宽，进而减少可能的色域，但通过使波长保持尽可 能接近，此效应被减少。合意的是选择左眼光谱带与随后右眼光谱带的组合，使得其白点尽 可能靠近。选定的原色带(邻近光谱带的组合)的总体宽度应远低于常规氙光源(其中典 型的带可高达IOOnm)的宽度。在其中使用激光器的情况下，包含两个邻近光谱的总带可能 仅涵盖20nm或20nm以下，从而为待制作的非常简单的光学涂层提供充足的裕度，以及与传统照明相比实质上较大的色域。图9A和图9B分别展示组合来自集中在较小区域内的四个固态光阵列44的激光 的照明组合器42的实施例的侧视图和正交视图。光重定向棱镜30具有入射面32，其在发 射方向Dl上接受从阵列44发射的光。光被重定向到输出方向D2，输出方向D2沿着光轴的 方向且大体上与发射方向Dl正交。光重定向棱镜30具有重定向表面36，其具有光重定向 小面38。光重定向小面38相对于发射方向Dl成一斜角，且对从激光器26发射的光提供全 内反射(TIR)。当如图9A和图9B所示参差排列时，这些特征有助于使用于此照明的光路径 变窄，从而提供较窄的光束。如图9B所示，光阵列44具有在长度方向L上延伸的多个激光 器26。光重定向小面38和重定向表面36上的其它小面也在方向L上延伸。若干变型是可能的。举例来说，图10的横截面侧视图展示替代实施例，其中光重 定向棱镜30的光重定向小面38经缩放以一次重定向来自光阵列44上的多行激光器的光。 入射面32可能相对于发射方向Dl不垂直，从而允许与光阵列44的布置的某一偏移，且需 要考虑光重定向棱镜30的折射率η。图11的示意性框图展示在使用邻近色带的实施例中可如何利用多个光重定向棱 镜30来提供增加的亮度。如早前参见图7Α和图7Β所描述，通过二向色分束器62的来自 光阵列44a和44b的交替照明将邻近色带的光引导到空间光调制器60以用于提供立体图像。图12的横截面侧视图展示照明组合器42中的光重定向棱镜30的另一实施例，其 提供甚至比图9A到图10中所示的用于使用固态阵列的实施例更紧凑的照明布置。在此实 施例中，光重定向棱镜30具有彼此面向的接受来自阵列44的光的两个重定向表面36，其具 有相对的发射方向Dl和D1’。每一重定向表面36具有两类小面光重定向小面38和入射 小面28，其可垂直于来自对应阵列44的入射光或与法线成某一其它角度而倾斜。这允许通 过来自具有抗反射涂层的面的少量残余光向后反射到激光器的每一者中来容易地使各种 激光器模块与光重定向棱镜30对准。此向后反射可有用地作为产生可能在激光器中引入 模式不稳定性的精巧外部腔的方法。虽然此模式跳跃在典型应用下可能被视为噪声，但此 噪声可通过进一步降低激光器相干性(和激光器间相干性)进而减少图像平面处的视觉斑 点来增加在投影中的价值。另外，通过此双侧方法，激光器模块交错，其中来自不同模块的 光彼此相邻，从而当光在光学系统中进一步光学集成时，提供进一步空间混合的源。这又有 助于减少可能的斑点且增加系统均勻性。虽然此光可直接成像到光学积分器51，但可通过 改为引导组合的远场照明来提供进一步的光学集成和斑点减少。通过此方法，积分器将需 要本质上均勻化高斯射束强度剖面而不是多个光点。近场照明与远场照明的某种组合可朝 使照明的集光率减到最小且使所传递的光的均勻性增至最大而优化。另外，利用较远场照 明提供了照明源与空间光调制引擎之间的增加的空间分离且因此热分离。虽然可见图12所示的棱镜30到激光器44的此定向是有利的，但对于组合照明源 来说，不需要相对于输入或输出面的垂直入射光。然而，要求在表面34处退出棱镜30的经 重定向的光束大体上彼此平行。实现此情况需要谨慎考虑若干因素。这些因素包含每一侧 上的激光器44对每一侧上的输入小面的入射角(因为其可能不同)与棱镜中基于材料的 折射率的折射的组合。另外，必须考虑从每一侧离开重定向小面的反射(又，这些可能在每 一侧上是不同的)，且所述反射与棱镜的折射的组合必须协作以使得来自退出面的输出光
13束平行。图14的示意性框图展示遵循相对于图13而描述的基本布置的在每一色彩通道中 使用光重定向棱镜30的投影机设备10的实施例。每一光调制组合件40r、40g和40b具有 配置有二向色射束62的一对光重定向棱镜30。在每一光调制组合件中，来自一个或另一光 重定向棱镜30的邻近光谱带光通过二向色分束器62被引导穿过光导52到达透镜50和积 分器51。空间光调制器60是数字微镜、LC0S、调制光的其它装置。所示实施例经设计以使 用微镜装置的角度调制，但也可结合LCOS而使用，其中涂覆有薄膜的表面68经处理以根据 入射光的入射角而反射或透射入射光，使得经调制的光被引导到二向色组合器82。二向色 组合器82具有二向色表面84的布置，二向色表面84根据波长而选择性地反射或透射光， 通过投影光学元件70将来自每一光调制组合件40r、40g和40b的经调制的光组合到单个 光径上。光调制组合件40r、40g和40b由双邻近光谱带组成；二向色表面84经设计以类似 地处理这两个邻近带。图15的示意性框图展示类似于图14的实施例但不具有光导52的实施例中的投 影机设备10的替代实施例。此实施例可能是有利的，因为光导52可趋向于使透射光的偏 振降级。对于此实施例，透镜阵列将提供使照明均勻化的优点，因为偏振状态得以维持。本发明允许从本文所描述的示范性实施例的若干变化。举例来说，可将多种激光 光源用作对VECSEL和其它激光器阵列的替代物。光引导棱镜30可由许多高度透射性材料 制成。对于低功率应用，可选择塑料，其中使用对部件引入极少应力的模制工艺。类似地， 合意的是选择材料以使得其引入最小的应力或热引发的双折射。例如来自瑞翁化学(Zeon Chemicals)的丙烯酸树脂或环烯烃树脂(Zeonex)等塑料将是此些材料的实例。这在其中 光引导棱镜30在基于偏振的光学系统中使用的情况下尤其重要。对于较高功率应用，例如其中需要许多高功率激光器的数字影院，塑料与光引导 棱镜30 —起使用可能是不实际的，因为从甚至较小水平的光学吸收积累的热量也可能最 终损坏材料且使透射降级。在此情况下，玻璃将是优选的。再次，应力双折射对于基于偏 振的投影机来说可能成问题。在此情况下，可使用具有较低的应力双折射系数的玻璃，例如 SF57。另一选择将是使用吸收率非常低的光学玻璃，例如熔凝石英，以防止材料变热且 因此防止双折射发生。这些类型的材料可能对产生模制玻璃组件无益，因此需要常规的抛 光和/或组装多个零件以构成完整的棱镜。在需要模制的情况下，缓慢的模制工艺将是优 选的，且退火对于减少任何固有应力来说是合意的。可能需要或必需清洁偏振器以消除可 能从任何残余双折射形成的任何旋转偏振状态。这主要是效率、组件成本和所需的偏振纯 度的折衷。本发明的实施例可有用于修整光源的纵横比，使得其适合于所使用的空间光调制 器的纵横比。本发明的实施例可结合具有不同尺寸的光导52而使用，从而允许光导不仅是 柔性的，而且以大体上与调制器的纵横比相同的纵横比成形。对于数字影院，此比率将大约 为1.9 1。替代实施例可使用正方形芯纤维。类似地，可利用圆形芯光波导，例如常见的 多模光纤。虽然针对若干实施例展示照明组合器42与积分器51之间的光波导，但通常已知 将照明源中继到投影光学引擎且使照明源与投影光学引擎分离的其它方法是可能的。如图15所示以常见的透镜进行中继是实现所要的热和空间分离的一种方法。已特定参考本发明的某些优选实施例详细描述了本发明，但将了解，可在本发明 的精神和范围内实现变化和修改。举例来说，在详细实施例中描述激光器阵列的情况下，其 它固态发射性组件可用作替代物。还可将支持透镜添加到每一光径。在本文所示的光学组 合件中，在没有显著的效果差异的情况下，均勻化或光集成和中继的次序可颠倒。因此，提供一种使用独立受控的邻近光谱带照明源以获得增强的亮度或立体数字 影院投影的设备和方法。
权利要求
一种用于增加亮度的数字图像投影机，其包括(a)第一光源；(b)第二光源，其在光谱上邻近于所述第一光源；(c)二向色分束器，其经安置以引导所述第一和第二光源两者的光；(d)空间光调制器，其接收来自所述第一和第二光源两者的光；以及(e)投影光学元件，其用于传递来自所述空间光调制器的成像光。
2.根据权利要求1所述的数字投影机，其进一步包括至少三个色彩通道，所述至少三 个色彩通道各自具有所述第一和第二在光谱上邻近的光源。
3.根据权利要求1所述的数字图像投影机，其中每一光源包括至少一个激光器。
4.根据权利要求1所述的数字图像投影机，其中每一光源包括至少一个激光器阵列。
5.根据权利要求1所述的数字图像投影机，其中每一光源包括在光学上组合的激光器 阵列。
6.根据权利要求1所述的数字图像投影机，其中所述光源经偏振。
7.根据权利要求6所述的数字图像投影机，其中偏振是从所述光源维持到所述空间光调制器。
8.根据权利要求1所述的数字投影机，其中所述空间光调制器是微机电系统装置。
9.根据权利要求1所述的数字图像投影机，其中所述空间光调制器是偏振装置。
10.一种立体数字图像投影机系统，其包括(a)两个单独受控的在光谱上邻近的光源；(b)二向色分束器，其将来自所述光源的光组合到单个空间区域中；(c)控制器系统，其用以结合来自空间光调制器的对应图像从每一在光谱上邻近的光 源交替地提供照明；(d)空间光调制器，其接收交替的照明光；(e)投影光学元件，其用于将来自所述空间光调制器的成像光传递到投影区域；以及(f)用于观看者的滤色眼镜，其选择性地将一个邻近光谱带状态透射到每一只眼睛，同 时抑制第二邻近光谱带。
11.根据权利要求10所述的数字投影机，其进一步包括至少三个色彩通道，所述至少 三个色彩通道各自具有第一和第二在光谱上邻近的光源。
12.根据权利要求10所述的数字图像投影机，其中每一光源包括至少一个激光器。
13.根据权利要求10所述的数字图像投影机，其中所述光源经偏振。
14.根据权利要求13所述的数字图像投影机，其中偏振是从所述光源维持到所述空间 光调制器。
15.一种立体数字图像投影机系统，其包括(a)两个在光谱上邻近的光源；(b)光学快门，其将所述两个在光谱上邻近的光源交替地传递到空间区域；(c)空间光调制器，其所述两个在光谱上邻近的光源；(d)控制器系统，其用以通过结合来自所述空间光调制器的对应图像控制所述光学快 门来从每一在光谱上邻近的光源交替地提供照明；(e)投影光学元件，其用于将来自所述空间光调制器的成像光传递到投影表面；(f)用于观看者的滤色眼镜，其选择性地将一个邻近光谱带状态透射到每一只眼睛，同 时抑制第二邻近光谱带。
16.根据权利要求15所述的数字投影机，其进一步包括至少三个色彩通道，所述至少 三个色彩通道各自具有第一和第二在光谱上邻近的光源。
17.根据权利要求15所述的数字图像投影机，其中每一光源包括至少一个激光器。
18.根据权利要求15所述的数字图像投影机，其中每一光源包括至少一个激光器阵列。
19.根据权利要求15所述的数字图像投影机，其中每一光源包括在光学上组合的激光 器阵列。
20.根据权利要求15所述的数字图像投影机，其中所述光源经偏振。
21.根据权利要求20所述的数字图像投影机，其中偏振是从所述光源维持到所述空间光调制器。
22.根据权利要求15所述的数字投影机，其中所述空间光调制器是微机电系统装置。
23.根据权利要求15所述的数字图像投影机，其中所述空间光调制器是偏振装置。
24.根据权利要求15所述的数字图像投影机，其中所述光学快门是由机械快门、镜/窗 机构或选择性二向色镜制造而成。
25.根据权利要求15所述的数字图像投影机，其进一步包括用于依据内容是非立体的 还是立体的而在二向色分束器与光学快门组合件之间交替的机构。全文摘要
一种用于增加亮度的数字图像投影机(10)，其包含第一光源(44、44a)；第二光源(44、44b)，其在光谱上邻近于所述第一光源；二向色分束器(46、62)，其经安置以引导所述第一和第二光源两者的光；空间光调制器(60)，其接收来自所述第一和第二光源两者的光；以及投影光学元件(70)，其用于传递来自所述空间光调制器的成像光。
文档编号G02B27/00GK101889233SQ200880119285
公开日2010年11月17日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月14日
发明者巴里·戴维·西尔弗斯坦 申请人:柯达公司