专利名称：激光投影装置以及制造激光投影装置的方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种激光投影装置。进一步的实施例涉及用于制造激光投影装置的方法。
背景技术：
在投影仪的设计中有两个主要的目的一方面减小部件的尺寸和成本，另一方面应该提高流明输出。因此，投影仪中的光源发射出具有极高亮度的光。这允许使用小的图像生成器和设计小的投射光学元件。因而，投影透镜的出射光瞳小并且发射具有高亮度的光，当眼睛凝视投影透镜时，这对眼睛可能有危害。
激光器被认为是用于投影仪的理想光源，因为它们几乎类似点光源那样起作用并因此目的在于具有极高亮度的光。然而，使用激光器光源的投影仪必须根据激光安全标准IEC60825-1进行分类，并且根据现有光学结构的状况，不可能实现既具有足够的流明输出(例如，输出为1000流明)又满足激光安全等级1条件的投影仪。因此，激光投影仪目前在日常使用中并不普及。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种激光投影装置，其满足激光安全等级1的条件。
该目的通过根据权利要求1的激光投影装置以及根据权利要求12的用于制造激光投影装置的方法予以实现。
进一步的实施例在从属权利要求中被限定。本发明的进一步的细节可以通过附图和相关的描述而变得明显。
将附图包含进来以提供对实施例的进一步理解并且囊括进来构成本说明书的一部分。附图示出了实施例并且与具体实施方式
一起阐述了实施例的原理。通过参考下面的详细描述，其它的实施例和实施例的诸多预期优点可以被容易地理解，因为它们将变得更好理解。附图中的部件不必是按彼此的实际比例绘制的。类似的附图标记用于表示相对应的相似部件。
图1示意性示出了根据本发明的实施例的激光投影装置。
图2a和2b示出了在2个不同比例下的扩散器的截面图。
图2c也示出了该扩散器的截面图。
图2d示出了根据本发明的另一实施例的具有双微结构的扩散器的截面图。
图3示出了如图1中所示的垂直于光轴的扩散器的x-y平面。
图4a示出了对于不同F-数F/#依赖于扩散器的尺寸的可接受的发射(AE)。
图4b示出了对于1000lm和2000lm输出的情况，依赖于扩散器的尺寸的可接受的发射。
图5示出了通过扩散器后的光束的角度分布。
图6示出了根据本发明的另一实施例的使用3个微显示器和再结合单元的图像生成单元。
图7示出了干涉图案。
图8示意性示出了根据本发明的实施例的制造激光投影装置的方法。
具体实施例方式 下面描述本发明的实施例。重要的是要注意，下列所描述的所有实施例可以以任何方式进行组合，即，不存在某些所描述的实施例不能够和其它实施例进行组合的限制。进一步的，需要注意的是，全部附图中的相同附图标记用于表示相同或相似的部件。
可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，也可以利用其它的实施例并且作出结构上的或者逻辑上的改变。因此，随后的详细描述不应被理解为限制意义，并且本发明的范围应该由所附的权利要求来限定。
图1示出了沿光轴500设置的图像生成单元100，中间成像光学元件200，扩散器300和投影透镜400。
该图像生成单元100可包括微显示器，该微显示器生成典型尺寸为对角线小于2.54cm(其对应于1英寸)的小图像。该图像生成单元可包括透射或者反射液晶显示器(LCD)或者微机电系统(MEMS)。
1000-2000lm等级的投影仪中的典型微显示器具有在1.27和2.03cm(其对应于0.5-0.8英寸)之间的对角线。具有如此小的微显示器以及1000lm或者更高输出的投影仪不能够满足激光安全等级1。
该图像生成单元100可以进一步包括激光照明光学元件，例如包括激光光源和例如另外的透镜。
由微显示器生成的图像通过中间成像光学元件200被投射为位于扩散器300的位置处的图像。
该中间成像光学元件200可包括常规成像透镜光学元件，其在扩散器300的位置生成小图像的放大图像。这可以通过具有两个共轭焦平面的透镜系统来实现。第一焦平面，其是中间成像光学元件200的物平面，位于显示板的位置。第二焦平面，其是中间成像光学元件200的像方焦平面，位于扩散器300的位置。该透镜系统被改装以便将来自第一焦平面的图像的放大图像生成到第二焦平面上。
换而言之，扩散器300位于中间成像光学元件200的聚焦像平面的位置处，使得在扩散器300处呈现实像。
该透镜系统优选是远心的，并且激光照明光学元件和中间成像光学元件200都被光学设计用于高F-数。这保证了高的图像对比度并且使得光学部件更小型、更简单。
可选的，该中间成像光学元件200的透镜系统可以被设计为具有具有可变的放大系数的变焦功能，这生成可调节大小的中间图像。优选的，将变焦功能集成到中间成像光学元件200中而不是将变焦功能集成到投影透镜400中，后者预计会更昂贵。
该扩散器300接收来自中间成像光学元件200的光并且生成具有增加的角展度(angular spread)的投影光束，因此使F-数减小。
该扩散器300包括玻璃或者塑料的透明基板330和位于基板330的至少一侧上的微结构层310，如图2b所示。
微结构层310应当被修改以使得入射光束均匀地分布成放大的圆锥角，因此在扩散器300的出口处具有减小的F-数。微结构层310由组成部分311形成，例如规则分布的，由此形成微结构图案。该图案可具有这样的形状，在该形状中在组成部分311之间不存在空余空间，从而实现更好的分布和填充因子。
该扩散器300位于中间成像光学元件200的像方焦平面210内。组成部分311的深度312应当比中间成像光学元件200的焦深要小，因为，如果不这样，那么由中间成像光学元件200在该中间成像光学元件200的像方焦平面210处生成的实像会变得模糊不清。
换而言之，入射光被微结构层310扩散为更宽的圆锥角，因此减小了F-数。该微结构层310的组成部分311的尺寸应当比微显示器120的放大的像素尺寸小，其中放大的像素尺寸的放大系数由中间成像光学元件300的放大率确定，从而在像素水平上减小F-数。
该微结构层310可包括微透镜作为具有方形或者六边形形状的组成部分311，或者其可以包括通过折射来传播光的任何随机的或者周期性表面轮廓。可替换地，其可以包含通过衍射来传播光的形状或微图案。
该微结构层310的表面位于中间成像光学元件200的像方焦平面210和投影透镜400的物方焦平面410内。
此外，该微结构层310的组成部分311的深度312应当同时小于中间成像光学元件200的焦深和位于中间平面的位置处的投影透镜400的焦深，其中焦深是可接受的锐度的深度的测量值。焦深也可以被称为聚焦范围(focus region)。
在将具有一定的焦距f的凸透镜作为组成部分311的微结构层310的情形下，如图2c所示，如果长度2f的通道在投影透镜400的聚焦范围内，那么其是足够的。
在任何情况下，该微结构层310都需要位于中间成像光学元件200的聚焦范围内。
中间图像的尺寸和位于扩散器300的出口处的F-数被调整以便满足标准IEC60825-1的激光安全等级1、2、3r或者3b条件。
在该扩散器300的另一个实施例中，存在第二微结构层320，其设置在基板330的相反侧，其也由图2d示出由于当用相干光照射时，仅具有单一微结构层310的扩散器300可能生成干涉图案，如图7所示，因此具有第二微结构层320的这个实施例将抑制该干涉图案。第二微结构层320由组成部分321形成，并且在两个微结构层(310，320)之间的距离小-通常为50μm到100μm。第二微结构层320位于第一微结构层310的组成部分311(例如微透镜)的焦平面内。
由于在基板330的两侧难以制造这些微结构层(310，320)，因此建议将具有被放置在相反侧的微结构层的两个基板组合在一起，并用高折射率(n＝1.6-1.7，当基板具有n＝1.45-1.50时)的树脂填充基板的相邻侧之间的间隙340。该间隙340适于与树脂内的微结构层的焦距匹配。
如图1所示的投影透镜400将中间图像投射到屏幕上，并且该投影透镜被光学设计用于低F-数，以便捕获从扩散器300发射的所有光。
传统的投影透镜400适应于穿过扩散器300的光的F-数。投影透镜400的焦深应比扩散器300的结构的深度大。
如图2a和2b所示的扩散器300的截面，说明扩散器300的功能具有高F-数(对应于低角度发散)的准直光被微结构层310(只在图2b和2c中示出，其具有更大的比例)传播为具有更低F-数的光束，其对应于高角度发散。
上面已经解释的扩散器300的进一步优选的实施例如图2c所示由于被相干光照射时，仅具有单一微结构层310的扩散器300可能生成干涉图案(如图7所示)，因此该扩散器300包括第二微结构层320。
由于将扩散器300在平行于微结构层的平面的平面内移动(例如，摇动)是更加有利的，该平面垂直于光轴500，以便消除微结构的图案的可见性并且避免莫尔条纹(Moirépattern)，因此图3示出扩散器300在垂直于光轴500的平面内的移动。
图4a示出了根据激光安全标准IEC60825-1的辐射的可接受的发射(AE)，其被设置用于提供将人眼可接受的辐射值分为不同的安全等级的标准。等级1的辐射被认为是安全的，而等级2的辐射被认为只有看到光束不超过0.25s才是安全的。该实例被说明用于具有1000lm输出的投影系统在距投影透镜400的出射光瞳100mm的距离，其中投影透镜400被设计为在2m的距离投射尺寸为152.4cm(对应于60英寸)的图像。三个不同的曲线代表不同的F-数。
如果F-数足够小或者中间图像的尺寸足够大，那么可以实现激光等级1。在2000lm的情形下，可接受的发射极限线将会低于图4a的对于1000lm的可接受的发射极限线，因此对于每一个F-数，满足激光安全等级1所必需的中间图像的对角线不得不变得更大。
特别地，中间图像尺寸d1和F-数之间的比率必须超过一定的极限，以便实现激光等级1条件。该比值根据下面的公式与投影透镜的光瞳尺寸dp相关 其中，s′是光瞳和屏幕之间的距离，ds是位于屏幕处的图像的直径。在该特定实例中，如果光瞳尺寸超过大约20mm的直径，那么实现了激光等级1。
在本实例中，光瞳内部的光分布被假定为均匀的(如下面图5所解释的“平顶”分布)。对于光瞳内部不均匀的光分布，激光等级1的限制会更严格。在这种情形下，为了实现激光等级1，需要更大的光瞳尺寸。
图4b示出了对于1000lm和2000lm输出的情况，依赖于扩散器300的尺寸的可接受的发射。
图5的曲线示出了通过扩散器300之后的光束的角度分布，且 实现高的激光安全性的分布是均匀分布350，由具有“平顶”的实线标记。另外，非均匀分布360(如点线)容易对眼镜更有伤害。
图6示出了具有图像三个显示板120、121、122的图像生成单元100，用于生成3个图像-每一个是三原色红绿蓝中的一个。在三个显示板的情况下，图像生成单元100将包括用于将来自不同图像的光再结合到公共光路中的附加的再结合单元130。所述显示板被具有高F-数的照明光学元件照射。在高F-数的情况下，部件的尺寸可以被减小并且可以改善图像对比度。
图7示出了如果仅具有单一微结构层310的扩散器300被相干光照射时可能出现的干涉图案。
图8示意性示出了制造激光投影装置的方法，根据本发明的实施例该方法具有如下步骤 -设置图像生成单元(100)，该图像生成单元包括激光照明光学元件和微显示器(120) -设置中间成像光学元件(200)，该中间成像光学元件被构造为在像方焦平面(210)处生成中间图像 -设置扩散器(300)，该扩散器包括由组成部分(311)形成的第一微结构层(310)，所述组成部分规则地分布在第一微结构层(310)内，并且 以扩散器(300)位于像方焦平面(210)和物方焦平面(410)之内的设置方式来设置具有物方焦平面(410)的投影透镜(400)。
权利要求
1.激光投影装置，包括
包括激光照明光学元件和微显示器的图像生成单元；
中间成像光学元件，其被配置为在像方焦平面处生成中间图像；
扩散器；和
具有物方焦平面的投影透镜；
其中该扩散器被设置在像方焦平面内和物方焦平面内并且包括由组成部分形成的第一微结构层，所述组成部分分布在该第一微结构层内，
其中该激光照明光学元件和该中间成像光学元件被光学设计用于比投影透镜的F-数高的F-数。
2.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该扩散器被设置为提高投射光束的角展度，从而减小F-数。
3.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该微结构层的组成部分的深度比中间成像光学元件的焦深和位于中间平面的位置处的投影透镜的焦深都小。
4.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该微结构层被修改以便使入射光束均匀地分布成放大的圆锥角。
5.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，由所述组成部分形成的微结构图案具有在所述组成部分之间不存在空余空间的形状。
6.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该微结构层包括具有方形或者六边形的孔径的微透镜作为组成部分。
7.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该微结构层包括随机的表面轮廓，其通过折射来传播光。
8.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该微结构层包括周期性表面轮廓，其通过折射来传播光。
9.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该微结构层包括通过衍射来传播光的形状或者微图案。
10.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该微结构层包括具有凸曲率的微透镜作为组成部分。
11.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，中间图像的尺寸和位于扩散器出口处的F-数被调节以满足激光安全等级1条件。
12.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，中间图像的尺寸和位于扩散器出口处的F-数被调节以满足激光安全等级2条件。
13.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，中间图像的尺寸和位于扩散器出口处的F-数被调节以满足激光安全等级3r或3b条件。
14.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该扩散器包括由组成部分形成的第二微结构层。
15.根据权利要求14所述的激光投影装置，其中，第一和第二层之间的距离与所述组成部分的焦距相等。
16.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，所述组成部分是凸起的。
17.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，所述组成部分在微结构层内是六边形的。
18.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，在微结构层内的所述组成部分的尺寸小于微显示器的放大的像素尺寸，
其中该放大的像素尺寸的放大系数由中间成像光学元件的放大率确定。
19.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，在微结构层内的所述组成部分的尺寸小于20μm。
20.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，所述组成部分在垂直于微结构层的方向上的深度与中间成像光学元件的焦深相比要小。
21.根据权利要求1所述的激光投影装置，进一步包括移动单元，其被配置为在平行于微结构层的平面内移动该扩散器。
22.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该中间成像光学元件被配置为具有集成的具有可变放大系数的变焦功能，其被修改以生成可调尺寸的中间图像。
23.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该图像生成单元包括
另外一个微显示器，其中该另外一个微显示器被配置为根据时间顺序生成红绿蓝三原色中的第一和第二颜色的图像，并且第一微显示器生成三原色中的第三颜色的图像，以及
再结合单元，用于将来自两个不同图像的光再结合到公共光路中。
24.根据权利要求1所述的激光投影装置，其中，该图像生成单元包括另外两个微显示器和再结合单元，其中三个微显示器中的每一个被配置为生成红绿蓝三原色中的一个的图像，所述再结合单元用于将来自三个不同图像的光再结合到公共光路中。
25.制造激光投影装置的方法，包括设置
包括激光照明光学元件和微显示器的图像生成单元；
中间图像光学元件，其被配置为在像方焦平面处生成中间图像；
扩散器，其包括由组成部分形成的第一微结构层，所述组成部分分布在该第一微结构层内；和
具有物方焦平面的投影透镜；
其中该扩散器位于像方焦平面和物方焦平面内，并且
其中该激光照明光学元件和该中间成像光学元件被光学设计用于比投影透镜的F-数高的F-数。
26.根据权利要求25所述的制造激光投影装置的方法，其中，该扩散器包括由组成部分形成的第二微结构层，其中第一和第二层之间的距离与所述组成部分的焦距相等。
27.根据权利要求25所述的制造激光投影装置的方法，其中，通过在两个基板之间的间隙中填充高折射率树脂将两个基板结合在一起来形成该扩散器，其中每一个基板具有一个微结构层。
28.根据权利要求25所述的制造激光投影装置的方法，其中，所述组成部分
是凸起的；
在微结构层内是六边形的；
在微结构层内的尺寸小于微显示器的放大的像素尺寸，其中该放大的像素尺寸的放大系数由中间成像光学元件的放大率确定；并且
在垂直于微结构层的方向上的尺寸与中间成像光学元件的焦深相比要小。
全文摘要
激光投影装置以及制造激光投影装置的方法。激光投影装置包括图像生成单元、被配置为在像方焦平面(210)处生成中间图像的中间成像光学元件、图像扩散元件(300)、和具有物方焦平面(410)的投影透镜(400)，其中图像扩散元件(300)被设置在像方焦平面(210)和物方焦平面(410)内并且包括由组成部分(311)形成的叠加的微结构(310)，所述组成部分规则地分布在图像扩散元件(300)的表面平面(320)内。
文档编号G03B21/14GK101762959SQ20091025844
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月4日 优先权日2008年12月5日
发明者Z·法西厄斯, M·赫林, M·卡姆, M·曼茨 申请人:索尼株式会社