使用经偏振固态光源的立体投影的制作方法

专利名称：使用经偏振固态光源的立体投影的制作方法
技术领域：
本发明大体来说涉及一种用于投射立体数字图像的设备，且更特定来说涉及一种 使用经偏振固态激光器来形成立体图像以供数字电影投影的经改进设备及方法。
背景技术：
人们越来越关注显示三维(3D)或所感知的立体内容以在大型场所为消费者提供 增强的视觉体验的高质量投影系统。虽然若干娱乐公司已在电影院、主题公园及其它场所 提供立体内容，但这些公司已主要采用胶片媒体来进行立体图像呈现。为了形成立体图像， 将两组胶片载入到两个单独的投影设备，每一只眼睛对一个投影设备。接着，使用经偏振光 同时投射左眼图像及右眼图像。一个偏振用于呈现到左眼的图像；接着，正交偏振的光用于 呈现到右眼的图像。观众成员佩戴针对每一只眼睛阻挡一个偏振光图像而透射正交经偏振 光图像的对应正交经偏振眼镜。在正在进行的动画产业到数字成像的转变中，一些商家(例如爱麦克斯(Imax)) 已不断利用双投影系统来提供高质量立体图像。然而，更通常地，已修改常规投影仪来实现 3D投影。用于多色数字电影投影的这些常规投影解决方案中最有希望的解决方案采用两 种基本类型的空间光调制器(SLM)中的一种作为图像形成装置。第一种类型的空间光调 制器是由德克萨斯州达拉斯市(Dallas，TX)的德克萨斯州仪器公司(Texas Instruments, Inc.)所开发的数字光处理器(DLP)，其为数字微镜装置(DMD)。DLP已成功地用于数字投影 系统中。DLP装置描述于多个专利中，例如第4，441，791号、第5，535，047号、第5，600，383 号美国专利(均为霍恩贝克(Hornbeck)所拥有)。图1显示使用DLP空间光调制器的投影仪设备10的简化框图。光源12将多色未 经偏振光提供到棱镜组合件14 (举例来说，如飞利浦棱镜)中。棱镜组合件14将多色光分 裂成红色、绿色及蓝色分量波长带并将每一带引导到对应的空间光调制器20r、20g或20b。 接着，棱镜组合件14重组来自每一 SLM 20r、20g及20b的经调制光，并将此未经偏振光提 供到投影透镜29以供投射到显示屏幕或其它合适表面上。基于DLP的投影仪展现出为从桌上型计算机到大型电影的大多数投影应用提供 必要的光通量、对比度及色域的能力。然而，存在固有的分辨率限制，因为现有装置通常提 供不超过2148x1080像素。另外，高组件及系统成本已限制DLP设计对较高质量数字电影 投影的适合性。此外，飞利浦棱镜或其它适合组合棱镜的成本、大小、重量及复杂性是显著 的约束条件。另外，因亮度要求而对具有长工作距离的相对快速投影透镜的需要负面地影 响这些装置的可接受性及可用性。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而以像素阵列形式形成图像。作为高质量 数字电影投影系统的空间光调制器，LCD似乎具有一些优点。这些优点包含相对大的装置 大小、有利的装置良率及制作较高分辨率装置(例如，可从索尼(Sony)及JVC公司购得的4096x2160分辨率装置)的能力。利用LCD空间光调制器的电子投影设备的实例中有第 5，808，795号美国专利(下村(Shimomura)等人)中及别处所揭示的那些电子投影设备。 LCOS(硅上液晶)装置被认为尤其有希望用于大规模图像投影。然而，借助IXD组件，可能 难以维持数字电影的高质量需求，尤其在色彩及对比方面，这是因为高亮度投影的高热负 载影响这些装置的偏振质量。用于由这些基于常规微显示器(DLP或LC0S)的投影仪形成立体图像的常规方法 使用两种主要技术中的任一种来区分左眼与右眼内容。一种例如由杜比(Dolby)实验室利 用的不太常见的技术使用色彩空间分离，如马克西姆斯(Maximus)等人的第2007/0127121 号美国专利申请公开案中及别处所述。在白色光照射系统中利用滤光器暂时阻断三原色中 的每一者的若干部分达帧时间的一部分。举例来说，针对左眼，阻挡红色、蓝色及绿色(RGB) 的较低波长光谱达一时间周期。此与针对另一只眼睛阻挡红色、蓝色及绿色(RGB)的较高 波长光谱交替。接着，将与每一只眼睛相关联的经适当色彩调整的立体内容呈现到针对所 述眼睛的每一调制器。观看者佩戴以类似方式透射两个3色(RGB)光谱组中的仅一者的对 应滤光器组。色彩分离方法享有胜过基于偏振的投影方法的一些优点。举例来说，可将图 像投射到大多数屏幕上而无需使用较昂贵的偏振维持屏幕。然而，也存在缺点。所需的眼 镜是昂贵的。观看质量可因正常角移位、头部运动及倾斜而降低。另外，色彩空间的调整可 为困难的且可因滤光而存在显著光损失。因此，可能需要更高的灯输出，否则输出图像亮度 降低。用于形成立体图像的第二种方法使用经偏振光。在颁予斯沃德(Svardal)等人 的第6，793，341号美国专利的实例性实施例中及别处，将两个正交偏振状态中的每一者递 送到两个单独的空间光调制器中的对应空间光调制器。接着，同时投射来自两个调制器的 经偏振光。观看者佩戴其中针对左眼及右眼的偏振透射轴相对于彼此正交定向的经偏振眼 镜。虽然此布置提供对光的有效利用，但其可能是昂贵的配置。在针对每一色带需要一空 间光调制器的投影仪设计中，可能尤其如此。另一种方法(其由加利福尼州贝佛利山庄(Beverly Hills, Ca)的Real-D公司 商业化)使用经修改以调制从一者快速切换到另一者的交替偏振状态的常规投影仪。此可 (例如)在DLP投影仪具有放置于光的输出路径中的偏振器的地方(例如在由图1中的虚 线所指示的位置16处)完成。需要所述偏振器，这是因为DLP并非固有地设计为维持输入 光的偏振，所述输入光通常为未经偏振的，因为装置封装的窗口因应力诱发双折射而去偏 振。消色差偏振切换器(类似于罗宾逊(Robinson)等人的美国申请案2006/0291053中所 述的类型)可在所述偏振器之后安置于位置16处。此类型的切换器在两个正交偏振状态 (例如线性偏振状态)之间交替地旋转经偏振光，以允许在用户借助偏振眼镜观看时呈现 两个不同的图像，每一只眼睛一个图像。历史上，Real-D系统已利用左及右圆经偏振光，其中眼镜由组合1/4波延迟器加 上偏振器制成以在阻挡一个状态之前将圆经偏振光改变回到线性经偏振光。此布置似乎 对头部倾斜不太敏感且消色差偏振切换器较容易制作。然而，所述眼镜相对仅使用偏振器 的实施例增加费用。在任一情况下，显示屏幕必须大致维持入射载像光的偏振状态且因此 通常为镀银的。借助此类基于MEMS的系统，可存在因需要使用经偏振光而产生的显著光损 失，使用经偏振光可相对常规非立体设计使输出光减少一半。存在因大偏振切换器以及对准特征及安装到投影系统的前部而所致的额外成本。此系统必须为挠性的以便适应可改型 的各种投影仪。所述偏振切换器设计也较复杂，因为其基本上必须处置整个可见光谱带，从 而等量地延迟光而不管波长如何。不能适当地实现此性能可产生不可接受的串扰，从而将 图像引导到错误的眼睛并降低立体效应的质量。在一些情况下，此类型的串扰效应甚至可 令观看者在身体上感到烦扰。因此，比较起来，基于LCOS的投影仪是有利的，因为在大多数配置中输出通常已 为经偏振的。关于照射效率的持续问题与集光率或类似地与拉格朗日不变量相关。如在光学技 术中所所众所周知，集光率与可由光学系统处置的光量相关。可能地，集光率越大，图像就 越亮。在数值上，集光率与两个因数(即图像面积及数值孔径)的乘积成比例。就图2中 所表示的具有光源12、光学器件18及空间光调制器20的简化光学系统来说，集光率是光 源Al的面积与其输出角θ 1的乘积，且在经良好匹配的光学系统中，此等于调制器Α2的面 积与其接受角θ 2的乘积。为增加亮度，需要从光源12的区域提供尽可能多的光。一般来 说，当光源处的集光率与调制器处的集光率最密切地匹配时，光学设计是有利的。举例来说，增加数值孔径会增加集光率，使得光学系统捕获更多光。类似地，增加 源图像大小以使得光起源于较大区域上会增加集光率。为利用照射侧上的增加的集光率， 所述集光率必须大于或等于照射源的集光率。然而，较大的图像大小通常导致较昂贵的系 统。对于例如其中硅衬底及缺陷可能性随大小而增加的LCOS及DLP组件的装置，尤其如 此。一般来说，增加的集光率导致较复杂且较昂贵的光学设计。举例来说，如果使用例如第 5，907，437号美国专利(斯布罗特贝里(Sprotbery)等人)中所概述的方法，那么必须针 对大的集光率来设计光学系统中的透镜组件。必须通过系统光学器件会聚的光的源图像面 积是红色、绿色及蓝色光路径中空间光调制器的组合面积的和；值得注意的是，此为所形成 的最终多色图像的面积的三倍。换句话说，对于此常规方法中所揭示的配置，光学组件处置 可观的图像面积，因此必须光学会聚高集光率，这是由于红色、绿色及蓝色色彩路径是分离 的。此外，虽然如斯布罗特贝里等人的‘437揭示内容中所揭示的配置处置来自三倍于所形 成的最终多色图像的面积的光，但此配置不提供增加的亮度的任何益处，这是因为每一色 彩路径仅含有总光级的三分之一。当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。匹配不良的集 光率意味着光学系统或是光馈乏的，不能向空间光调制器提供足够的光，或是效率低的，实 际上丢弃产生用于调制的光的实质部分。以可接受系统成本为数字电影应用提供足够的亮度的目标已使LCD与DLP系统两 者的设计者感到困惑。即使在使用偏振恢复技术的地方，基于LCD的系统也已因需要经偏 振光而受到损害，从而降低效率且增加集光率。不需要经偏振光的DLP装置设计已证明为 稍微更有效，但仍需要昂贵的、短寿命的灯及昂贵的光学引擎，从而使得其太昂贵以致无法 与常规电影投影设备竞争。为与常规高端、基于胶片的投影系统竞争并提供所谓的电子或数字电影，数字投 影仪必须能够实现与此早期设备相当的电影亮度级。作为比例缩放的某种概念，典型的电 影院需要将大约10，000流明投射到对角线为大约40英尺的屏幕大小上。屏幕范围需要从 5，000流明到40，000流明以上不等。除此苛刻亮度要求以外，这些投影仪还必须递送高分辨率(2048x1080像素)并提供大约2000 1的对比及宽色域。一些数字电影投影仪设计已证明能具有此性能等级。然而，高设备成本及操作成 本已成为障碍。满足这些要求的投影设备单价通常超过$50，000并利用高瓦数氙弧灯， 所述高瓦数氙弧灯需要以500到2000小时之间的间隔更换，而典型的更换成本通常超过 $1000。氙灯的大集光率对成本及复杂性具有相当大的影响，这是因为其需要有相对快速的 光学器件以收集并投射来自这些源的光。为DLP及LCOS IXD空间光调制器(SLM)两者所共有的一个缺点一直是其使用固 态光源，特别是激光源的有限能力。虽然固态光源在相对光谱纯度及可能高的亮度级方面 优于其它类型的光源，但其需要不同方法来有效地使用这些优点。与早期数字投影仪设计 一起使用的调节、重新引导及组合来自色彩源的光的常规方法及装置可约束使用激光光源 的适当程度。固态激光器有希望对集光率、寿命及总体光谱与亮度稳定性进行改进，但直到最 近，尚未能够以足够等级及以数字电影可接受的成本来递送可见光。在更近的开发中，激光 器阵列已得到商业化且显示有一定希望作为可能光源。然而，亮度本身还不足够高；需要来 自多达9个个别阵列的组合光来为每一色彩提供必要的亮度。对于投影应用受特别关注的激光器阵列包含各种类型的VCSEL阵列，包含 VECSEL (垂直延伸腔表面发射激光器)及来自加利福尼亚州桑尼维尔市(Sunnyvale，CA)的 Novalux的NECSEL(Novalux延伸腔表面发射激光器)装置。然而，使用这些装置的常规解 决方案一直易于出现若干问题。一个限制与装置良率相关。在很大程度上因关键组件的热 及封装问题，商业化的VECSEL阵列在长度上得到延伸，但在高度上受到限制；通常，VECSEL 阵列仅具有两行发射组件。使用多于两个行往往急剧地增加良率困难。另外，常规VECSEL 设计易于出现关于电力连接及散热的困难。这些激光器具有高功率；举例来说，由Novalux 提供的倍频成两行装置的单行激光器装置产生高于3W的可用光。因此，可存在显著的电流 要求及来自未使用电流的热负荷。寿命及束质量高度取决于稳定的温度维持。将激光源耦合到投影系统呈现使用常规方法尚未充分解决的另一困难。举例来 说，使用Novalux NESEL激光器，每种色彩需要大约九个2行x24激光器阵列以接近大多数 电影院的10，000流明要求。需要将这些源以及电子递送及连接及相关联的热与主要热敏 感光学系统分离开以允许投影引擎的最优性能。可能有其它激光源，例如常规边缘发射激 光二极体。然而，这些激光源较难于以阵列形式封装且传统上具有处于较高亮度级下的较 短寿命。因此，可看出，尚未使用常规方法来迎接提供具有电影或接近电影性能及亮度的 立体彩色投影系统的挑战。因此，需要一种照射解决方案，其使得能够提供经偏振光以用于 在高端投影系统所需的亮度级下进行立体调制。

发明内容
本发明的目标是借助例如DLP及相关微显示空间光调制器装置的基于MEMS的数 字空间光调制器来解决对立体成像的需要。鉴于此目标，本发明提供一种立体数字图像投 影仪，其包括(a)多个光调制组合件，每一光调制组合件包括(i)至少一个固态光源，其 可激励以提供具有第一偏振轴的照射；(ii)偏振旋转器，其安置于来自所述固态光源的经偏振照射的路径中且可致动以将来自所述固态光源的所述偏振轴以可控方式旋转到第二 偏振轴；(iii)微机电空间光调制器，其位于所述经偏振照射的所述路径中且可激励以调 制所述经偏振照射以由第一偏振状态的照射形成第一经调制光并由第二偏振状态的照射 形成第二经调制光；及(b)同步构件，其用以在时间上控制偏振旋转以匹配所述空间光调 制器上的适当图像数据；及(c)投影光学器件，其用于朝向显示表面引导所述第一及第二 经调制光。本发明的特征在于其提供用于改进照射与调制组件之间的集光率匹配的方式。在结合图式阅读其中显示并描述本发明的说明性实施例的以下详细说明之后，所 属领域的技术人员将明了本发明的这些及其它目标、特征及优点。


尽管本说明书是通过特别指出并明确主张本发明标的物的权利要求书得出结论， 但据信，结合附图并依据以下说明将更好地理解本发明，附图中图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是显示光学系统的集光率的代表图；图3A及3B是显示不同固态光阵列与光组合器布置的相关填充因数的平面图；图4是显示将照射组合器用于立体图像投影的投影设备的大体布置的示意性框 图；图5及6是显示可如何沿相同照射路径提供来自多个固态光阵列的经偏振光的示 意性侧视图；图7A是显示在一个实施例中使用偏振束分裂器来引导来自多个固态光阵列的一 个偏振状态的照射的示意性侧视图；图7B是显示在一个实施例中使用偏振束分裂器来引导来自多个固态光阵列的正 交偏振状态的照射的示意性侧视图；图8是显示用于立体图像呈现的偏振状态的交替定时的定时图；图9A是显示在一个实施例中使用光重新引导棱镜来组合来自多个固态光阵列的 照射的示意性侧视图；图9B是图9A的光重新引导棱镜的透视图；图10是替代实施例中的光重新引导棱镜的示意性侧视图；图11是显示使用两个光重新引导棱镜的示意性侧视图，每一光重新引导棱镜提 供来自各自具有不同偏振的固态光阵列的光；图12是显示使用从两个侧接受光的光重新引导棱镜的实施例的示意性侧视图；图13是将图12的光重新引导棱镜用于每一偏振的光的照射设备的示意性侧视 图；图14是在无光导的情况下将经偏振照射与图12的光重新引导棱镜一起使用的替 代投影设备的示意图；图15是结合个别色带电子偏振旋转装置使用图14的配置的立体投影设备的示意 图；图16是结合宽带电子偏振旋转装置使用图14的配置的立体投影设备的示意图17是显示单个像素调制器及其旋转轴的透视图；图18是交替地选择每一正交偏振的光的快门系统的示意图；图19A及19B分别显示反射来自一个侧的光并透射来自另一侧的光的快门的正视 图及侧视图；图20是将光交替地转换成两个正交偏振状态的再循环照射系统的实施例的示意 图；图21是图20中所示的循环照射系统的替代实施例；且图22是使用由图21中所描述的照射系统所提供的交替正交偏振状态的立体投影 设备的示意图。
具体实施例方式本说明特定来说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更 直接协作的元件。应理解，未具体显示或描述的元件可采取所属领域的技术人员熟知的各 种形式。提供本文中所示及所述的各图旨在图解说明根据本发明的操作原理，且绘制所述 各图并非意图显示实际大小或比例。由于本发明的激光器阵列的组成部分的相对尺寸，某 一放大是必要的以强调基本结构、形状及操作原理。本发明的实施例使用交替照射的正交经偏振激光光源来解决对改进立体观看系 统中的亮度的需要并提供还可允许激光器组合件的容易移除及模块化替换的解决方案。本 发明的实施例另外提供降低原本可导致与基于偏振的投影仪一起使用的光学组件中的热 诱发应力双折射的热效应的特征。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。一种由本发明的实施例用来降低热负载的方法是使用波导结构将光源与光调制 组件隔离。来自多个固态光源阵列的光耦合到将光递送到调制装置的偏振维持光学波导 中。当此完成时，可优化光源到波导界面的几何形状，使得波导输出与空间光调制器的宽高 比良好匹配。实际上，此意味着波导孔径经实质填充或略微填充不足以维持最优集光率级。 此布置还有助于最小化照射光学器件的速度要求。参照图3A及3B，其以横截面显示光导 52的输入孔径。固态光阵列44显示为如果经适当按比例缩放那么其将出现在光导52的输 入孔径处。如图3A中所示，所述孔径填充不足，此可容易导致光导52的空间光调制器端处 的不良集光率匹配。在图3B中，通过将光导52的输入孔径从其常规圆形形式重新成形而 使阵列44与光导52的宽高比良好匹配。在未显示于图3A或3B中的又一些布置中，可组 合多个阵列44以有效地形成较大阵列。随后更详细地描述组合多个阵列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，已制作较好地匹配源宽高比的矩形芯纤维，其来自芬兰Lohaja的Liekki。为了更好地理解本发明，描述其中可操作本发明的设备及方法的总体背景是有启 发的。图4的示意图显示用于本发明的若干实施例中的投影设备10的基本布置。显示三个 光调制组合件40r、40g及40b，每一光调制组合件调制来自照射组合器42的三原色红色、绿 色或蓝色(RGB)中的一者。在每一光调制组合件40r、40g及40b中，光学透镜50可将光引 导到任选偏振维持光导52中。在光导52的输出处(或者以其它方式接收来自透镜50的光)，透镜54接着将光引导穿过积分器51，例如，蝇眼积分器或积分棒。此光行进到空间光 调制器60。空间光调制器60为微机电系统(MEMS)装置，例如DLP或其它类型的反射MEMS 组件，包含通过反射或通过衍射来调制光的MEMS调制器组件类型中的任一者。可将这些装 置视为“偏振状态中性”，这是因为其不通过调制每一像素的偏振状态来调制所述像素处的 光；任何像素的入射光的偏振状态的任何变化均为非有意的，其随其在所述彼像素的MEMS 表面被反射时的入射角而变。可调整到MEMS空间光调制器的光的入射角以最小化任何不 想要的偏振效应，如随后所述。对于本发明的实施例，调制器必须接受两个正交输入偏振状 态的光并输出对应于相应输入状态的两个正交偏振状态的光。然而，可相对于输入状态旋 转输出偏振状态。接着，投影光学器件70(因其许多可能的实施例而在图4中大体以虚线轮廓指示) 将经调制光引导到显示表面80。接着，图4中所示的总体布置与用于照射组合器42的各种 布置一起用于本发明的后续实施例。在一些实施例中，可在不使用光导52的情况下将来自 光调制组合件40r、40g及40b中的任一者的照射引导到积分器51。光调制组合件40r、40g 及40b接着将经偏振光递送到偏振状态中性空间光调制器60并接着递送到投影透镜70。图5显示一种用于组合多个阵列44及44’以形成较大阵列的方法。图6以透视 图显示图5的配置。在图5中，可使用一个或一个以上散置镜46将额外阵列44’的光学轴 与阵列44成直线放置以提供在图3b中以横截面显示的布置。然而，应了解，热及间隔要求 可能会限制可以此方式堆叠多少个阵列44。图5及6中所示的布置可稍加修改以允许使用具有不同偏振状态的经偏振光，如 图7A及7B中以及图8的定时图中所示。图8的定时图显示在光调制组合件40r、40g及 40b中的任何一者内可如何使引导到相同空间光调制器60(图4)的光在两个正交偏振状 态之间快速地交替以相应地提供左眼及右眼图像。此处，存在两个经偏振激光器排。对于 此实例，使用固态激光器阵列44a及44b。经偏振激光器阵列44a及44b (例如)将半波片 64用于这些阵列排来提供正交偏振状态的光，如图7A及7B中所示。在交替照射循环的一 半中，激励阵列44a，如图7A中所示。此光从偏振束分裂器62反射。在交替照射循环的另 一半中，激励阵列44b，如图7B中所示。此光被透射穿过偏振束分裂器62。对于非立体应 用，来自经偏振激光器44a及44b两者的光可共同用来提供较亮的图像，或在半功率下用来 平衡每一激光源的寿命。此布置有利地将任一偏振的光放到相同照射轴上。使用此方法的集光率保持与 较早针对图5中的单个通道所示的配置相同。因此，在其中成像两个偏振状态的非立体应 用中，源的亮度有效地加倍。然而，在其中需要立体显示的情况下，在一个特定时刻仅利用 单个源，使得有效亮度保持与在图5中相同。尽管此布置因其简单性而为优选的且向空间 光调制器60提供交替正交偏振状态，但其需要激光器在所需的频率范围上一致地操作，以 便将每一正交组合激光器阵列接通及关断。对于数字电影应用，当前此取决于设置而处于 120hz或144hz下。然而，许多激光器可展示出热稳定困难，从而导致此频域中的不稳定功 率波动。因此，在一些情况下，需要间接地(也就是说，不通过源调制)使光的正交状态交 替以到达调制器或在调制器之后随后更改此状态。图9A及9B分别显示照射组合器42的实施例的侧视图及正交图，所述组合器组合 来自集中于较小区域内的四个固态光阵列44的激光光。光重新引导棱镜30具有入射面32，所述入射面接受从阵列44沿发射方向Dl发射的光。将光重新引导成大致正交于发射 方向Dl的输出方向D2。光重新引导稜镜30具有重新引导表面36，所述重新引导表面具有 光重新引导小面38。光重新引导小面38相对于发射方向Dl成斜角并提供对从激光器26 发射的光的全内反射(TIR)。当如图9A及9B中所示的那样错开时，这些特征有助于使此照 射的光路径变窄，从而提供较窄的光束。如图9B显示，光阵列44具有沿长度方向L延伸的 多个激光器26。重新引导表面36上的光重新引导小面38及其它小面也沿方向L延伸。可能有若干变化形式。举例来说，图10的横截面侧视图显示其中光重新引导棱镜 30的光重新引导小面38经按比例缩放以同时重新引导来自多行激光器26的光。入射面 32可不与发射方向Dl垂直，从而允许与光阵列44的布置有某一偏移且需要考虑到光重新 引导棱镜30的折射率η。图11的示意性框图显示在使用交替偏振状态的实施例中可如何利用多个光重新 引导棱镜30来提供增加的亮度。如较早参照图7Α及7Β所述，从光阵列44a及44b穿过偏 振束分裂器62的交替照射将正交偏振状态的光引导到空间光调制器60以提供立体图像。图12的横截面侧视图显示照射组合器42中的光重新引导棱镜30的另一实施例， 其提供比图9A到10中所示的使用固态阵列的实施例更紧凑的照射布置。在此实施例中，光 重新引导棱镜30具有接受来自彼此面对且具有相反发射方向Dl及D1’的阵列44的光的 两个重新引导表面36。每一重新引导表面36具有两种类型的小面光重新引导小面38及 垂直于来自对应阵列44的入射光的入射小面28。此允许通过将来自抗反射经涂覆面的小 残余光向后反射回到激光器26中的每一者中而较容易将各个激光器模块44与重新引导棱 镜30对准。此向后反射可用作形成可诱发激光器中的模式不稳定性的细小外部腔的手段。 尽管在典型应用下此模式跳跃可视为噪声，但此噪声可因进一步降低激光相干性(及激光 间相干性)从而減少图像平面处的视觉散斑而增加投影价值。另外，对于此双侧方法，激光 器模块与来自彼此相邻的不同模块的光交错，从而当在光学系统中进一步对所述光进行光 学积分时提供进一步空间混合的源。此同样有助于减少可能的散斑并增加系统均勻度。图 13显示可如何使用一对棱镜30将正交偏振状态的光从束分裂器62朝向透镜50引导。尽管可看出棱镜30到激光器44的此定向为优选的，但组合照射源并不需要相对 于输入面或输出面的垂直入射光。然而，需要在输出面或表面34处射出棱镜30的经重新 引导光束彼此大致平行。实现此需要仔细考虑若干因数。这些因数包含每一侧上的激光器 44(因为其可能不同)到每一侧上的输入小面的入射角与棱镜中基于材料的折射率的折射 的组合。另外，必须考虑从来自每一侧的重新引导小面(同样，这些重新引导小面可在每一 侧上不同)的反射且其与棱镜的折射的组合必须协作使得来自射出面的输出光束平行。图14的示意性框图显示在每一色彩通道中使用光重新引导棱镜30的投影仪设备 10的实施例。每一光调制组合件40r、40g及40b具有一对光重新引导棱镜30，所述对的光 重新引导棱镜具有类似于针对图13所述的偏振引导组件布置的偏振引导组件布置。在每 一光调制组合件中，通过偏振束分裂器62将来自一个或另一个光重新引导棱镜30的经偏 振光引导穿过偏振维持光导52(图14中未显示)到透镜50及积分器51。空间光调制器 60为数字微镜或调制光以维持与输入光的正交定向相关的输出光的两个正交定向的其它 MEMS装置。在所示的经设计以使用微镜装置的角调制的实施例中，薄膜涂覆表面68经处 理以根据入射光的入射角来反射或透射所述入射光，使得将经调制光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，所述二向色表面根据波长选择性地反射 或透射光，从而将来自每一光调制组合件40r、40g及40b的经调制光组合到穿过投影光学 器件70的单个光学路径上。尽管可在激光器与调制器之间使用光导，但此实施例可为有利 的，这是因为此类光导可使所透射光的偏振降级。对于此实施例，小透镜阵列将提供使照射 均勻的优点，这是因为偏振状态得以维持。然而，此类型的实施例不享有光导(未显示)所 提供的优点，例如激光器照射区段与调制器投影光学器件区段之间的经改进的热分离。在 任一实施例中，可在近场条件下或在远场条件下使用激光光，其中提供光的预混合以减少 可能的散斑并进一步改进提供到积分器51的光的均勻度。通过使用经组合以形成单个照 射源的独立激光器的布置以及使用类似于小透镜阵列的均勻光学器件来进一步减少激光 散斑。本发明允许本文中所述的实例性实施例有若干变化形式。举例来说，可使用各种 经偏振激光光源作为VECSEL及其它激光器阵列的替代方案。光重新引导棱镜30可由许多 高透射性材料制成。对于低功率应用，可选择塑料。对于较高功率应用，玻璃可能更适合。激光器的显著优点之一是其小集光率，从而实现较高的效率、较简单的光学系统。 遗憾地，如刚才所论述，小集光率还意味着当用于基于数字电影的系统中时组件上具有相 对高的能量密度。在其中无法直接调制激光以形成交替正交偏振的系统中，有必要旋转偏 振状态或通过替代手段来阻挡所述正交偏振状态中的一者。一种进行此的方法是利用电子 偏振旋转器或快门，例如液晶延迟器或液晶快门。图16显示其中使用宽带电子偏振旋转器75在针对左眼及右眼图像的两个输出偏 振状态之间相继切换。在束组合器82组合经调制束之后，在光学路径中于所述经调制束的 组合之后定位偏振旋转器75。将偏振旋转器75视为宽带，因为其必须能够在由组合的光源 形成的可见光谱上同等地旋转所述偏振状态。此定位是一优点，这是因为所投射的束大小 是相对大的。因此，对于组合的束，延迟元件上的能量密度接近其最低值。可将任选1/4波 片76直接放置于偏振旋转器75之前或之后，此视对偏振性质的偏好而定。在此情况下，需 要使来自所有源的所有激光光呈相同定向。可沿光路径使用半波延迟板延迟器或选色延迟 器以正确地定向偏振状态。另外，可在电子偏振旋转器75之前使用偏振器来阻挡或反射任 何假偏振状态。作为电子偏振旋转器75的实例，液晶可变延迟器较容易制作成在输入偏振状态 为圆形时具有相对均勻的延迟对波长。接着，对于此装置类型，可优选地将1/4波片76直 接定位于束组合器82之后及电子偏振旋转器75之前。或者，可将1/4波片放置于原色路 径中的每一者中，然而此需要多个元件。因此，通过将既定用于每一只眼睛的对应图像内容 定时成与液晶旋转器75同步来形成立体成像。另外，使用偏振维持显示表面并提供观看者 偏振眼镜，使得每一只眼睛仅接收既定正交偏振状态的光。尽管图16的实施例最小化组合的图像的能量密度，但此能量密度可能仍然未低 到足以防止对偏振旋转器的损害。在许多情况下，针对窄光带形成电子偏振旋转器也是较 简单的。图15中所示的替代实施例在照射区段40r、40g、40b的每一分支中具有窄带偏振 旋转组件75r、75g、75b。在此情况下，电子控制的偏振旋转器仅需要针对大约Inm的单个 色带的窄光谱执行大致半波旋转。在其中电子偏振旋转器为基于液晶的电子延迟器的情况 下，此大大简化了结构且适用于线性经偏振光。因此，降低了这些旋转器中的每一者的成本及复杂性。将偏振延迟器放置于积分器51之后消除可因较直接激光器照射而出现的可能 较高能量密度“热点”。此经平衡光/热负载改进装置的稳定性及性能。另外，在仅使用单 个带并在不调制的情况下将其维持于装置上时，可递送与较早所述并显示于图16中的实 施例相比更一致且更低的能量密度。如前所述，可在色带中的每一者上或如在图16中在系 统中的色彩组合器之后使用任选1/4波片延迟器。类似地，可在电子偏振旋转器之前使用 偏振器以提供最优偏振状态。可例如在图14中那样使用多个激光组合器，其中每一组合器具有不同的正交偏 振状态及与其相关联的邻近波长光谱。举例来说，照射单元40b可由具有线性ρ偏振的组 合器及具有s偏振状态的第二组合器构成。可将第一组合器的一级光谱从第二组合器移位 15到25nm。可使用偏振束分裂器62将各组激光组合在一起。随后，可在束分裂器62之后 的路径中使用选色偏振延迟器来将两个组合器光谱波长中的仅一者旋转90度以将其偏振 状态与邻近光谱的偏振状态对准从而形成替代组合器。以此方式，在所述系统中得不到集 光率且可利用来自图15的电子偏振旋转器75来正交旋转单偏振状态以形成用于成像到每 一只相应眼睛的光。用于形成交替正交偏振以产生立体观看体验的另一种方法是在两个正交状态之 间以机械方式对组合的激光器组合件进行快门操作，如图18中所示。在照射组合器43中， 组合激光器44b以产生线性偏振状态，而激光器44a与1/2波片64结合形成正交于44b 的偏振状态的线性偏振状态的光。将旋转快门65放置于合并于正交偏振状态之间的光学 轴的路径中。旋转快门65的位置由控制电动机66的控制逻辑处理器90控制。旋转快门 65 (分别以平面图及侧视图显示于图19A及19B中)优选地具有带有最少两个段的玻璃圆 盘。第一段65a经设计以大致透射入射于其上的所有光。交替段65b经设计以大致反射入 射于其上的所有光。当透射段65a沿光学轴摆放时，激光44b透射穿过到系统，而激光44a 由束转储器69 (如图18中所示)吸收。或者，当反射段65b沿着所述光学轴时，来自激光 器44a的光被反射穿过到所述系统，而来自44b的光被弓I导到束转储器69。以此方式，将交 替正交偏振的光递送到空间光调制器以通过旋转由电动机66致动的快门65形成与空间光 调制器上的立体图像同步的立体图像。应注意，偏振状态之间存在转变区73，如图19A中所 示。此处，照射光67可位于两个区65a与65b之间。在此情况下，两个状态的偏振无意地 被递送到空间光调制器。此状况导致两只眼睛的图像之间的串扰(也称为形成幻影)。可 接受某一串扰量。如果串扰过度，那么可在此转变周期期间将空间光调制器转动到关断状 态，从而以某一损失的光为代价消除串扰。因此，需要最小化此转变区。此可通过以下方式 来实现最小化照射光的点大小或扩大快门轮，从而根据实际将照射光尽可能远地朝向外 径放置。尽管图18的实施例用于使引导到空间光调制器的光的偏振状态交替，但超过 50%的光损耗到束转储器69。此实质上使系统效率降低到常规方法的效率。图20中所示 的另一实施例延伸快门65的用途以恢复先前曾递送到束转储器69的光。在照射组合器45 中，原先位于此路径中的光使其偏振状态由1/2波片64转换。也可通过仅旋转两个照射源 中的每一者使得输出为正交的来使所述源成为正交偏振状态。在任一情况下，此将光转换 成相同偏振状态，所述相同偏振状态通过快门65直接递送到空间光调制器。接着，此经转 换光通过镜71引导到邻近于来自快门65的光的路径。将现在具有相同偏振状态的两个激光器阵列的组合的光递送到积分器51并递送到空间光调制器。同样，通过使用电动机66 来旋转快门轮65，以正交偏振状态交替地递送光。对于图20的实施例，可观测到，已使光源的集光率加倍(与其在图18中递送时的 状态相比)。此集光率可提供给具有两倍面积的均勻光学器件，其中原始及经转换束并排且 处于同一角空间中。或者，所述光可具备来自每一激光源的某一重叠量。角重叠可为较合 意的，这是因为通过在此空间中混合来实现对所有像素的均勻照射将为较容易的，因为投 影透镜通常是远心的。尽管顺着照射路径的光学器件需要处置此大集光率以便有效，但此 因激光源的低开始集光率的性质而并非是非常困难的问题。图21显示使用此经恢复的经偏振光但需要较少组件的替代实施例。用棱镜72或 镜(未显示)替换图20中所示的实施例中的镜71。棱镜72放置在非常接近于快门圆盘 65处以简化光学折叠并最小化两个光路径之间的间隔。图22显示并入有图21中所示的交 替正交偏振照射系统45r、45g、45b的投影系统，所述交替正交偏振照射系统直接照射位于 每一色彩通道中且与将由透镜组合件70投射的二向色板84重组的空间光调制器60。此相同方法也适用于非立体投影而无额外光损失，即使在转变区期间。因此，不同 于常规解决方案，不必移除快门轮或偏振开关来改进常规成像的通量效率。在此情况下，可 在非立体成像期间关闭电动机66以节省寿命或功率消耗，优选地使快门的透射区处于光 学路径中以便可最小化不必要的涂层损害及热积累。除提供交替正交偏振方法以外，图19A及19B的旋转快门机构还可起到减少添加 的散斑的功能。较早将散斑论述为激光投影的可能问题。尽管使用多个激光器往往会降低 激光器的一般相干性从而实质减少散斑，但可存在残余相干性，尤其是在其中使用较少激 光器的小屏幕的情况下。可向快门的一个侧或两个侧施加相干性破坏涂层。另外，结合相 对于快门衬底中的波前偏差的可变光学路径变化使用在空间上或在角度上混合光的均勻 光学器件实质减少任何剩余相干性且因此减少散斑。图19B显示快门65，其中一个侧65c制作有接地表面，而相对侧65d含有在一个段 中具有抗反射涂层且在交替段中具有镜涂层的经抛光表面。表面粗糙度应高到足以消除视 觉散斑，但低到足以不实质增加源的角度范围。此相对粗糙表面与旋转轮(空间运动)结 合还可减少或消除来自系统的任何残余散斑。或者，如较早所述，两个侧65c及65d均可经 抛光，然而，所述表面可能不是光学平坦的使得在以旋转频率变化的光束中诱发光学路径 差的多个波。此优选的是在未经抛光表面上，因为其并不实质增加照射光的角度范围且因 此增加集光率。例如DLP装置的大多数微机电结构(MEMS)使用通常由铝形成的金属反射器。在 处置来自斜交角的光时一旦反射，金属镜就形成极小相移。其中DLP装置在反射之后维持 偏振状态的优选偏振定向具有与微镜74的铰链枢轴倾斜成直线或正交的偏振轴，如图17 中所示。轴A指示DLP微镜的铰链枢轴线。然而，可使用沿关于微镜74的其它轴定向的偏 振状态以对剩余偏振具有最小效应。关于盖板气密封装将需要对当前DLP封装的修改。当前封装经设计以提供环境密 封以及无缺陷表面以防止散射影响图像质量。因此，将窗口激光焊接并热熔合到机械框架 中的过程在每一封装中诱发显著且不一致的双折射。已跨越样本装置观测到超过3nm的延 迟变化。此将负面地影响对退出装置的偏振状态的维持。因此，为正确地利用具有经偏振光的DLP装置，新的窗口封装将为有用的。可通过利用具有低系数应力或热诱发双折射的 玻璃(例如SF57)来改进封装。替代方法将是提供窗口到窗口框架的无应力安装，例如使 用RTV将窗口接合在适当位置中。将需要进一步隔离以使得窗口框架的机械性质相对于窗 口是刚性的，但相对于到芯片框架的接合表面是挠性的。同样地，可颠倒此方法。此外，如 果所述方法在仔细控制的芯片操作温度下执行，那么其将有益于窗口到框架的接合及框架 到芯片安装的程序，以避免因操作及封装温度差所致的应力。使用经偏振激光光源为立体成像的投影提供显著优点。较早所述的相对于常规照 射源的效率增益允许投影仪较容易地递送具有与常规2D投影的亮度相当的亮度的图像。尽管已特别参照本发明的某些优选实施例详细描述了本发明，但应理解，可在本 发明范围内实施各种变化及修改形式。举例来说，当在详细实施例中描述激光器阵列时，也 可使用其它固态发射组件作为替代方案。也可向每一光学路径添加支持透镜及其它光学组 件。在本文中所示的光学组合件中，可颠倒均勻或光积分及中继的次序而无显著效应差异。因此，提供一种将经偏振照射用于立体数及方法。
部件列表
10.投影仪设备
12.光源
14.棱镜组合件
16.位置
18.光学器件
20、20r、20g、20b.空间光调制器
26.激光器
28.入射小面
29.投影透镜
30.光重新导引棱镜
32.入射面
34.输出面
36.重新导引表面
38.光重新导引小面
40r、40g、40b.光调制组合件
42.照射组合器
43.具有快门组合件的照射组合器
44、44，、44a、44b.固态光(激光器)阵列
45、45r、45g、45b.照射组合器
46.散置镜
50.光学透镜
51.积分器
52.光导
54.透镜0110]60.空间光调制器
0111]62.偏振束分裂器
0112]64. 64.半波片
0113]65. 65.旋转快门
0114]65a.透明段(第一)
0115]65b.反射段(交替的)
0116]65c.漫射侧(制作而成)
0117]65d.经抛光侧(涂覆而成)
0118]66.电动机
0119]67.照射光
0120]68. 二向色表面
0121]69.束转储器
0122]70.投影光学器件(透镜)
0123]71.镜
0124]72.棱镜
0125]73.转变区
0126]74.微镜
0127]75、75r、75g、75b.电子偏振旋转器
0128]76.四分之一波片
0129]80.显示表面
0130]82. 二向色组合器
0131]84. 二向色表面
0132]90.控制逻辑处理器
0133]A.轴
0134]D1、D1，·发射方向
0135]D2.输出方向
0136]Al.光源
0137]A2.调制器
0138]θ 1.输出角
0139]θ2.接受角0140]R.红色0141]G.绿色0142]B.蓝色0143]L.长度方向
权利要求
一种立体数字图像投影仪，其包括a)多个光调制组合件，每一光调制组合件包括至少一个固态光源，其可激励以提供具有第一偏振轴的照射；偏振旋转器，其安置于来自所述固态光源的经偏振照射的路径中且可致动以将来自所述固态光源的所述偏振轴以可控方式旋转到第二偏振轴；及微机电空间光调制器，其位于所述经偏振照射的所述路径中且可激励以调制所述经偏振照射以由第一偏振状态的照射形成第一经调制光并由第二偏振状态的照射形成第二经调制光；b)同步构件，其用以在时间上控制所述偏振旋转以匹配所述空间光调制器上的适当图像数据；及c)投影光学器件，其用于朝向显示表面引导所述第一及第二经调制光。
2.根据权利要求1所述的投影仪，其中正交辐射的两个邻近光谱带固态光源是使用偏 振束分裂器组合的且来自所述两个邻近光谱带中的一者的所述偏振轴随后由选色延迟构 件旋转以匹配另一者的所述偏振轴。
3.根据权利要求1所述的投影仪，其中所述空间光调制器为微镜装置。
4.根据权利要求1所述的投影仪，其中所述偏振旋转器为液晶装置。
5.根据权利要求1所述的投影仪，其中所述第一固态光源包括激光器阵列。
6.一种立体数字图像投影仪，其包括a)多个光调制组合件，每一光调制组合件包括第一固态光源，其可激励以提供具有第一偏振轴的照射；第二固态光源，其可激励以提供具有正交于所述第一偏振轴的第二偏振轴的照射；旋转元件，其安置于来自第一及第二固态光源两者的经偏振照射的路径中且可致动以 沿光学轴将来自所述第一及第二固态光源的光以可控方式及以交替方式引导为两个在时 间上交替的正交经偏振状态的照射；及微机电空间光调制器，其位于所述经偏振照射的所述路径中且可激励以调制所述经偏 振照射以由所述第一偏振轴的照射形成第一经调制光并由所述第二偏振轴的照射形成第 二经调制光；b)同步构件，其用以在时间上控制所述偏振旋转以匹配所述空间光调制器上的适当图 像数据；及c)投影光学器件，其用于朝向显示表面引导所述第一及第二经调制光。
7.根据权利要求6所述的投影仪，其中所述第一固态光源包括激光器阵列。
8.根据权利要求6所述的投影仪，其中所述空间光调制器为微镜装置。
9.根据权利要求6所述的投影仪，其中所述旋转元件为具有至少一个反射段及一个透 射段的分段式圆盘。
10.根据权利要求6所述的投影仪，其中所述旋转元件被赋予减少激光散斑的性质。
11.一种立体数字图像投影仪，其包括a)多个光调制组合件，每一光调制组合件包括第一固态光源，其可激励以提供具有第一偏振轴的照射；第二固态光源，其可激励以提供具有正交于所述第一偏振轴的第二偏振轴的照射；旋转元件，其安置于来自第一及第二固态光源两者的经偏振照射的路径中以将来自一 个固态光源的经偏振光以交替方式递送到照射区段；延迟构件，其用以旋转另一经正交偏振固态光源使得其偏振状态与递送到所述照射区 段的偏振状态匹配；重新引导构件，其用于递送此新匹配的经偏振光以在所述照射区段处组合； 光学积分构件，其用于在不去偏振的情况下混合所述两个固态光源的所述光；及 微机电空间光调制器，其位于所述经偏振照射的所述路径中且可激励以调制所述经偏 振照射以由所述第一偏振轴的照射形成第一经调制光并由所述第二偏振轴的照射形成第 二经调制光；b)同步构件，其用以在时间上控制所述偏振旋转以匹配所述空间光调制器上的适当图 像数据；及c)投影光学器件，其用于朝向显示表面引导所述第一及第二经调制光。
12.根据权利要求11所述的投影仪，其中所述旋转元件为具有至少一个反射段及一个 透射段的分段式圆盘。
13.根据权利要求11所述的投影仪，其中所述光学积分构件由若干小透镜阵列构成。
14.根据权利要求11所述的投影仪，其中所述旋转元件被赋予减少激光散斑的性质。
15.根据权利要求11所述的投影仪，其中所述第一固态光源包括激光器阵列。
16.一种立体数字图像投影仪，其包括a)多个光调制组合件，每一光调制组合件包括 第一固态光源，其可激励以提供具有第一偏振轴的照射；第二固态光源，其可激励以提供具有正交于所述第一偏振轴的第二偏振轴的照射； 交替偏振转换构件，其用以将所述第一或第二固态光源以交替方式旋转到另一源的匹 配偏振状态；递送构件，其用于沿优选定向递送从作为单个照射源的两个固态光源组合的单偏振状 态光以最小化空间光调制器上的偏振改变；及空间光调制器，其位于经偏振照射的路径中且可激励以调制所述偏振照射以由所述第 一偏振轴的照射形成第一经调制光并由所述第二偏振轴的照射形成第二经调制光；b)同步构件，其用以在时间上控制所述偏振旋转以匹配所述空间光调制器上的适当图 像数据；及c)投影光学器件，其用于朝向显示表面引导所述第一及第二经调制光。
17.根据权利要求16所述的投影仪，其中所述偏振转换构件由具有至少一个反射段及 一个透射段的分段式旋转圆盘与位于反射路径或透射路径中的半波延迟器构成。
18.根据权利要求16所述的投影仪，其中束递送路径包括至少一个小透镜阵列。
19.根据权利要求16所述的投影仪，其中旋转元件被赋予减少激光散斑的性质。
20.根据权利要求16所述的投影仪，其中光是通过对以下方法中的一者的选择而在所 述递送构件中组合的空间重叠、角度重叠、或空间重叠与角度重叠的组合。
21.—种立体数字图像投影仪，其包括a)多个光调制组合件，每一光调制组合件包括至少一个固态光源，其可激励以提供具有第一偏振轴的照射；至少一个窄带偏振旋转器，其安置于来自所述固态光源的经偏振照射的路径中且用以 在将图像数据提供到每一调制器的情况下依序将来自所述固态光源的所述偏振轴以可控 方式旋转到第二偏振轴；及空间光调制器，其位于所述偏振照射的所述路径中且可激励以调制所述经偏振照射以 由所述第一偏振轴的照射形成第一经调制光并由所述第二偏振轴的照射形成第二经调制 光；及b)投影光学器件，其用于朝向显示表面引导所述第一及第二经调制光。
22.根据权利要求21所述的投影仪，其中正交辐射的两个邻近光谱带固态光源是使用 偏振束分裂器组合的且来自所述两个邻近光谱带中的一者的所述偏振轴随后由选色延迟 构件旋转以匹配另一者的所述偏振轴。
23.根据权利要求21所述的投影仪，其中所述空间光调制器为微镜装置。
24.根据权利要求21所述的投影仪，其中所述偏振旋转器为液晶装置。
25.根据权利要求21所述的投影仪，其中所述第一固态光源包括激光器阵列。
全文摘要
本发明涉及一种立体数字图像投影仪，其包含(a)多个光调制组合件，每一光调制组合件包括(i)至少一个固态光源，其可激励以提供具有第一偏振轴的照射；(ii)偏振旋转器，其安置于来自所述固态光源的经偏振照射的路径中且可致动以将来自所述固态光源的所述偏振轴以可控方式旋转到第二偏振轴；(iii)微机电空间光调制器，其位于所述经偏振照射的所述路径中且可激励以调制所述经偏振照射以由第一偏振状态的照射形成第一经调制光并由第二偏振状态的照射形成第二经调制光；及(b)同步构件，其用以在时间上控制所述偏振旋转以匹配所述空间光调制器上的适当图像数据；及(c)投影光学器件，其用于朝向显示表面引导所述第一及第二经调制光。
文档编号H04N13/00GK101946522SQ200980105441
公开日2011年1月12日 申请日期2009年2月9日 优先权日2008年2月25日
发明者巴里·戴维·西尔弗斯坦, 约瑟夫·雷蒙德·比耶特里, 罗伯特·梅茨格, 詹姆斯·罗伯特·基尔舍 申请人:柯达公司