2d/3d数据投影仪的制作方法

专利名称：2d/3d数据投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过投影显示图像的设备。
背景技术：
当前的移动性趋势驱使用户的消费需求朝着越来越小的便携式设备发展，例如，移动电话，便携式数字助理，音乐和视频播放器，膝上型电脑，头戴式显示器等。由于尺寸变得越来越小，而功能越来越多，存在一个最基础的问题就是用非常小的设备来显示足够大的可见图像。由于如果不增加设备本身的尺寸，无法增大固定屏幕的尺寸，方便的用小设备提供可见图像的唯一合理方法就是使用一个数据投影仪对其进行投影。但是，当前的数据投影仪尺寸很大，并且实际应用中效率很低。
商业上可获得的数据投影仪使用高强度的宽带光源，例如白炽灯泡或者弧光灯。这些光源本身固有的效率很低，并且会产生热量，这将消耗大量的能量并且必须一个冷却系统。还提出使用LED作为数据投影仪的光源。但是，这些解决方案都没有很好的光学效率。在这些系统中，光源具有较低的外部效率，此外，在校准中损失了大部分的光。其次，这些解决方案在尺寸上仍然很大，并且消耗大量的能量，因此不能应用于广泛使用的电池技术当中。
在图像投影中，大多数观众感兴趣的另一个问题是3维(3D)投影的问题。目前的数据投影仪本身不能显示完全的彩色3D图像，并且为此设计的专用设备非常昂贵和稀少。只有支持3D的设备被普遍使用，媒体工业才能增加对3D电影，游戏以及其他娱乐的提供。

发明内容
本发明的目的是提供一种改进的数据投影仪，这种投影仪体积小，价格便宜，耗电量小，并且能够投影2D和3D图像。根据本发明的一个方面，提供一种数据投影仪，该数据投影仪包括至少一个微显示器，其具有将被投射的图像；至少一个光源单元，包括至少一个光源芯片，所述的光源单元还包括至少一个光束形成元件，所述的至少一个光束形成元件包括多个以三维结构设置的表面，所述多个表面中的至少一个包括微结构光学器件；以及一个用于将微显示器上的图像投射到目标上的聚焦光学单元。
在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。
本发明的方法和系统提供了几个优点。该数据投影仪具有良好的能量效率，并且投影仪的图像具有均匀的亮度。该数据投影仪在尺寸上可以做得很小，重量很轻，并且使用寿命较长。该数据投影仪能够显示2D和3D的图像，用户可以在2D和3D图像之间自由切换。


下面，将参照优选实施例和伴随的附图详细地描述本发明，其中附图1A表明了具有传统的光学配置的微显示照明光源，附图1B表明了具有本发明的光学配置的微显示照明，附图2A表明了利用传统的光学配置的光束发散，附图2B表明了利用本发明的光学配置的光束发散，附图3A表明了与光源集成在一起的光束形成元件，附图3B表明了当没有使用光束形成元件时的射线轨迹，附图3C表明了与光源集成在一起的光束形成元件的横截面，附图3D表明了与光源集成在一起的光束形成元件的横截面，附图3E表明了与光源集成在一起的光束形成元件的横截面，附图3F表明了与光源集成在一起的光束形成元件的横截面，附图3G表明了光束形成元件的另一个实施例，附图3H和3I表明了附图3G所示的微结构的实施例，附图4A表明了具有透射式LCD微显示器的单彩色投影仪，附图4B表明了具有反射式DMD微显示器的单彩色投影仪，附图4C表明了具有反射式LCoS微显示器的单彩色投影仪，附图5表明了一个2D/3D LCD投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图6表明了一个2D/3D LCoS投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图7表明了一个LCD投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图8表明了一个LCoS投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图9A表明了具有分光合色棱镜(X-cube)光束合成器的彩色投影仪，附图9B表明了具有一个分色镜光束合成器的彩色投影仪，附图10A表明了具有一个光束引导元件以及三个光源单元的彩色投影仪，
附图10B表明了具有一个光束引导元件以及一个光源单元的彩色投影仪，附图11表明了具有分光合色棱镜(X-cube)光束合成器和LCD微显示器的2D/3D彩色投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图12表明了具有分光合色棱镜(X-cube)合成器和LCoS微显示器的2D/3D彩色投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图13表明了具有分光合色棱镜(X-cube)合成器和LCD微显示器的彩色投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图14A表明了具有分光合色棱镜(X-cube)合成器和LCoS微显示器的彩色投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图14B表明了具有分光合色棱镜(X-cube)合成器和LCoS微显示器的2D/3D彩色投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图14C表明了具有分光合色棱镜(X-cube)合成器和LCoS微显示器的2D/3D彩色投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图15表明了具有一个光源单元和LCoS微显示器的彩色投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图16表明了具有分色镜光束合成器和LCoS微显示器的彩色投影仪，其中使用了两种偏振状态，附图17表明了彩色投影仪的一个实施例，其中使用了连续照明，附图18表明了一个3D彩色投影仪，其中使用了两种偏振状态，从而两种状态具有分离的图像，该图像可以通过对每只眼睛具有垂直偏振滤波器的眼镜来观看。
具体实施例方式
投影仪的效率由于损失会退化，损失包括光谱损失(如果使用宽带光源的话)，由于光源的较差的内部效率引起的损失，由于光源的较差的外部效率引起的损失(例如使用LED)，光汇集损失(校准损失)，集成损失(如果合并几束光束)，彩色分离损失(在用于将光线分成红，绿和蓝分量的分色镜中的损失)，偏振损失(如果使用LC微显示器)，微显示器本身的反射或传输损失，例如由于恶劣的填充因子(像素之间的间隙)所引起的损失，彩色合并损失(例如当使用分光合色棱镜(X-cube)或者分色镜时)，以及投影透镜的损失(透镜表面上的反射损失)。
在每个方面使光损失最小化非常重要。也期望使光源的内部和外部量子效率最大化。应当把光线仅仅引导到用作空间调制器的微显示器的有效区域。应该最小化光学分量以及微显示器中的损失。
当使用白炽灯或者弧光灯作为光源时会发生光谱损失。它们发射的光具有非常宽的波长带并且大部分电能被转换成热。通过使用例如LED(发光二极管)光源，能够避免这一问题，因为LED光源能够仅产生需要的波长带(红，绿和蓝)的光。
LED的总效率取决于内部量子效率，以及外部效率。内部量子效率被定义为流入外部电路的电子数目与设备内所产生的光子数目的比。外部量子效率意味着LED所发出的光子数目与内部生成的光子数目的比。利用特定材料、波长和结构的LED芯片，内部量子效率可以接近100％，例如99％。但是，大部分生成的光线不会从半导体器件发出，而是被吸收到LED芯片本身。这是由于LED芯片和所围绕的材料之间的折射率相差很大，从而导致大部分光线由于完全内部反射而受限于芯片当中。传统LED的外部效率比可以低至1/(4n2)≈1/50(其中n＝3.5是半导体的折射率)。大多复杂的LED设计包括允许更多内部光线逃逸的特性。这些特性包括LED上的半球形或圆锥形的半导体圆顶，表面粗加工，透明基板和覆板以及光子再利用。谐振腔LED利用高精微谐振腔中自发发射的量子电动力学增强。这些方法允许至多30％的外部效率，该效率仍远远低于最佳的情况。另外一种建议的方法是将半导体芯片切成一个平头倒金字塔的形状，这样能达到55％的外部效率。
与较差的外部效率共同呈现的还有光线汇集损失，这是投影系统中最严重的光线损失之一。通过使用凸透镜或基于完全内部反射的反射器或者喷涂金属的反射器，能够校准大多数来自于LED的光线。通常，这形成了一个相对紧密的，圆形对称的光束。但是，由于微显示器是矩形的，因此圆形的光束不是理想光束。由于这种形状差，损失了大部分光线。这些解决方案还可能受光晕的影响，即穿过微显示器的光线强度不平均。除此之外，通过使用现有的光线汇集和校准技术，无法对于整个光学系统最优化光束的校准。
集成损失，彩色分离损失和彩色合并损失在实际中非常难改善。可以通过仔细选择分色镜，分光合色棱镜(X-cube)和光束分离器来使其达到最小。当使用LCD或LCoS微显示器时，偏振损失非常显著，损失会超过50％。可以通过在光源和微显示器之间使用一个偏振转换器来避免部分这种损失(JP2003287719)。微显示器具有内部损失，这取决于微显示器的类型，调制速率，以及微显示器本身的反射和散射，例如由于较差的填充因子(像素之间的间隙)所引起的损失。当使用LCD微显示器时，由于较差的填充因子引起的损失通常在20％-40％。在液晶面板之前或者之后应用一个所谓的微透镜阵列(MLA)可以降低由于较差的填充因子所引起的损失，所述MLA引导光线通过有效像素区域。LCoS和DMD微显示器具有充分优于LCD微显示器的填充因子。
投影透镜中的损失可以通过使用抗反射层涂敷透镜来最小化。这涉及到成本的问题，是容忍这种损失还是使用更加昂贵的透镜。
源芯片本发明中的数据投影仪可以包括一个或者多个窄带源芯片，其在可见范围内工作。该源芯片包括例如LED，OLED或者量子井LED芯片，等。每个窄带源芯片的带宽都比整个可见光范围(400nm...750nm)窄，例如带宽可以从一纳米变化到大于150纳米，特别是带宽可以从10nm变化到50nm。数据投影仪可以具有一个或多个源芯片，所有的源芯片发出相同波长带的光线。在彩色投影仪中，源芯片提供不同带宽的光。通常，源芯片可以一起提供红，绿和蓝光。
源单元本发明中的投影仪包括一个或者多个源单元。源单元包括一个或者多个源芯片，这些芯片与一个新颖的光束形成元件集成。该光束形成元件的功能是提高源芯片的外部效率，并且提供具有特殊设计的强度分布和发散角的输出耦合光束。
光束形成元件提供到微显示器的均匀照射。附图1A表明了当使用具有传统的光学配置(附图1中没有显示)的光源102，例如LED时，微显示器104上的照射光束106。如图所示，光线106的大部分没有击中微显示器104。此外，照明不是统一的，受到了光晕的干扰(用不同的影线表示)。
附图1B表明了当使用本发明的源单元108时，微显示器104上的照射光束110。光束110的形状接近于矩形，因此其适合于覆盖微显示器104。除此之外，微显示器被均匀照射因此光晕最小。
考虑光学系统中的光损失，光展量(etendue)是一个最重要的参数。对于任意形状的表面，通常情况下，光展量被定义为(光线来自于具有折射率为n1的材料)E=n12n22∫∫dAe^A·dΩe^Ω]]>其中n1和n2是材料的折射率，dA是表面上的微分面积元素， 是与dA相应的表面法向矢量，dΩ是微分立体角元素， 是与dΩ相应的质心方向矢量。
通过整个光学系统的光展量守恒意味着光学系统是无损的。而且，光展量不会由任何光学结构降低。因此，设计光学系统从而使光展量在特定元件中增加的尽可能少至关重要。
经过表面的整个流量可以这样计算φ=n12n22∫∫L(r^,e^Ω)dAe^A·dΩe^Ω,]]>其中 是位置在 处，到方向 的表面亮度。
在小型便携式投影设备中，不得不使用最小的微显示器，从而获得足够小的投影仪。这种限制通常导致微显示器的对角线在0.5厘米到1.5厘米之间。这些小型微显示器的光展量相对接近于LED芯片本身的原始光展量。商业上可获得的用于LED芯片的光线汇集和校准结构不能很好的保持原始LED芯片的光展量，并且大部分光线被损失而不能击中微显示器，并且除此之外，剩余的光线具有过宽的开口角度。过宽的开口角度造成光线的损失，这是由于部分光线传播到光学区域之外，并且随着开口角度的增加，LCD、LCoS、偏振光束分离器、滤波器等之中的损失增加。在很多投影仪结构中，当开口角度增加时，反差比也会降低。
附图2A和2B表明了经过仔细设计的光束发散角的分布效果。附图2A表明了利用现有的光校准结构的典型情况。最高效的投影仪结构需要在源单元202和微显示器204之间和/或在微显示器204和聚焦物镜之间安装一些光学元件210。如图2A所示，光束发散造成了大量的损失，如果微显示器的尺寸和/或物镜和其它光学元件的尺寸不增加的话，不能避免这种损失。
附图2B表明了利用本发明中的源单元208的情况。源芯片的光展量保持的好的多。此外，设计了发散角分布从而使得在整个投影仪的长度上损失最小。当光束的开口角度减小时，微显示器204、偏振元件、分光合色棱镜(X-cube)、分色镜、透镜、衍射元件等的传输损失降低。本发明的一个主要优点在于光束的开口角度最小，这使得其他光学元件中的损失小于传统解决方案下的损失。
本发明中的源单元接近于理想的光展量并且整个流量保持元件使输入光束的强度和角度分布变形从而满足微显示器的要求并且同时使整个光束发散最小。主要的设计原则是尽可能的满足每个元件的特殊要求，但是尽可能的保持光展量。最优化参数包括在投影仪的每个位置上的面积，光线强度分布，角度，以及光束发散。主要的优点在于“流出投影仪的流量除以光源所消耗的电能”的比值。还存在次要的标准，例如照明均匀性和对比度。前述的等式允许设计中大量的优化可能。
本发明中的源单元包括一个或者多个源芯片，这些源芯片与一个光束形成元件集成在一起。这种源单元的一个例子包括与一个光束形成元件集成在一起的源芯片。源单元的另一个例子包括几个源芯片，每个源芯片都提供具有相同波长带的光，并且每个都与其自身的光束形成元件集成在一起。设计光束形成元件从而使光束共同形成期望的光束。这些源子单元都可集成在一个单独的单元当中，从而构成一个单独的单元，这在某些设备组件中有用。合成光束的形成元件可以进一步包括一个共同的光束形成元件，该元件提高了整个单元的性能。
源单元的另一个例子包括多于一个窄带源，它们中的一些或者一个工作在一个不同的狭窄波长带。通常，源单元包括例如红，绿和蓝LED。每个源与一个光束形成元件集成。设计光束形成元件从而使光束共同形成期望的光束。这些源子单元可以被集成到一个单独的单元中，从而它们构成一个单独的单元。例如，源单元可以包括六个LED芯片，从而存在两组分别具有红，绿和蓝彩色的LED。合并光束的形成元件可以进一步具有共同的光束形成元件，这提高了整个单元的性能。
在本发明的源单元中，源芯片集成到一个光束形成元件。这意味着源芯片被一种基本透明的材料围绕。根据源芯片的结构，其可以包括具有不同折射率的部分。可以选择透明材料的折射率使得从芯片和透明材料的边缘的反射最小，并且从而提高源芯片的外部效率。通常，利用可用材料和制造过程，令透明材料的折射率尽可能地与源芯片的折射率匹配。在本发明的一个实施例中，在源芯片和透明材料之间的源芯片表面上制造了衍射光栅从而进一步提高源芯片的外部效率。
在本发明的一个实施例中，源芯片被安装在反射金属表面。金属层将向下发射的光线向上反射。金属层的其他功能是传导热量。金属镜也可以被放置在源芯片的某个部分的表面上从而降低光展量。例如，表面安装的LED芯片的上表面可以喷涂金属从而降低光展量。
光束形成元件包括透明材料，其围绕一个或者多个源芯片，并且其折射率相应匹配。光束形成元件包括至少一个具有微结构光学元件的表面，该光学元件可以是衍射，折射或反射。通常，所有的元件集成在一起，这样光束形成元件包括一个单独的单元。光束形成元件的一些元件也可能不与其他元件集成。折射和衍射元件上也可以具有抗反射涂层。光束形成元件可以局部的或者全部的由基本上透明的材料填充。
附图3A表明了包括一个与光束形成元件集成的源芯片302的源单元的实施例。光束形成元件320包括透明材料306，该透明材料的折射率接近源芯片302的折射率。透明材料的上表面具有特定的形状和纹理。光束形成元件包括至少一个衍射元件308。其还可选地包括一个反射元件310。源芯片302被安装在一个反射金属层304上，其反射向下发射的光线。
附图3B表明了与附图3A类似的另一种结构，只是透明材料306是具有直线边缘的矩形块状结构。图中所示的是没有衍射和折射元件的情况。目的是获得有效的光束，该光束从源芯片向上传播。在附图3B中，仅有从芯片基本向上发射的光线312能够避免完全内部反射，这是由于块材料和空气之间存在折射率的差。此外，输出的耦合光束基本上在透明材料和空气的边缘发散。毕竟，光源的外部效率非常低，并且输出的光束显著的发散。
衍射元件308具有衍射表面图案。表面包括局部衍射区域，该区域已经被优化从而从源芯片发射到该区域的大多数光线被衍射到期望的方向。例如，通过使用合适的二元或闪耀轮廓(binary or blazedprofile)，可能获得例如95％的光线衍射到期望的方向。与表面上的点到源芯片的距离相比，源芯片越小，方向性越好。通过合理的设计和使用表面上变化的各种衍射图案，可以将到来的输出光束方向设计为预先确定的方向。周期、形状和图案、调制深度以及占空因数被设置来最好的满足期望的功能。通常恰好位于源芯片上方的表面是只折射的，而其他地方的表面是衍射的。
在光束形成元件的另一个实施例中，如图3C所示，源芯片302陷入一个反射杯(reflector cup)中。附图3C也表明了透明材料也可以是近似矩形的形状，其表面包括衍射区域，并且可选地也包括折射区域。
附图3D表明了光束形成元件也包括反射元件的实施例。从源芯片302发射到侧面的光线被镜314反射到期望的方向。镜可以是平面镜，抛物面镜，双曲面镜，球面镜或者其他形状。在镜的表面上可选地存在衍射元件。镜314和金属层304可以包括一个单独的单元。镜314也可以与透明材料306集成。
附图3E表明了光束形成元件的另一个实施例，其中在透明材料316的边缘通过使用完全内部反射构成了反射镜。反射的光线直接通过表面318到期望的方向。表面318可以包括折射和衍射元件。
附图3F表明了光束形成元件的另一个实施例。除了顶壁320之外，透镜材料306的侧壁322和镜化表面314也可以具有衍射和/或折射表面图案。衍射和/或折射表面图案根据上述的设计原则被局部优化。侧壁322可以定向在垂直方向上，即90度角，或者它们能够以特定的角度，例如15-35度，向外倾斜。
附图3G表明了光束形成元件的另一个实施例。LED芯片302被安装在镜化基板304上，然后被透明材料306围绕。透明材料的表面包括折射和/或衍射微结构326，其又被第二透明材料324围绕。镜化表面314可以包括折射和/或衍射结构。
附图3H和3I表明了附图3G中所示的微结构的实施例。在附图3H中，利用第一透明材料306和第二透明材料324之间的折射率的差形成微结构326。在附图3I中，微结构包括位于第一透明材料306和第二透明材料324之间的第三透明材料330。第三透明材料可以是例如空气，胶水，凝胶，或者任何具有不同于第一和第二透明材料的折射率的材料。在该结构中光线折射两次，因此比附图3H中仅折射一次的情况的更大的偏转角度是可能的。而且，第一和第二透明材料可以具有相同的折射率。
源单元的一个实施例包括分别具有红、绿和蓝颜色的三个源芯片。这三个芯片与相同的光束形成元件集成在一起。包括至少一个衍射元件的光束形成元件通常被针对一种颜色最优化。在该实施例中，针对所有三种颜色同时进行最优化。在下面的一些光学结构中，这种解决方案将提供非常紧凑的设备。
所述的光束形成元件的实施例是非常简单的例子。所述结构并不仅限于所提出的实施例，而是根据应用情况可能相当复杂。光束形成元件的结构必须根据所述的设计原则，考虑设备的整个光学系统而仔细设计。人们期望光束形成元件能够简单的通过已知的批量生成方法大批量的生产。这增加了在设计阶段必须考虑的一些约束和限制。
可以通过使用传统的光学设计方法计算折射和反射元件所需的几何形状。在仿真中可以使用诸如Zemax(Zemax DevelopmentCorporation，San Diego，CA，USA)的光学设计软件或者诸如TracePro(Lambda Research Inc.，Cincinnati，OH，USA)的射线跟踪软件。原则上，在非常简单的情况下，所需的衍射元件的几何参数可以解析求解。但是，与更快和更简单的数字模拟相比解析解法过于复杂。衍射光栅的数字模拟可以通过例如使用GSOLVER(Grating SolverDevelopment Company，Allen，Texas，USA)软件进行。GSOLVER使用完全三维矢量代码，利用混合的严格耦合波分析(Rigorous CoupledWave Analysis)和模式分析(Modal Analysis)求解用于平面波照射的任意光栅结构的衍射效率。除了商业软件之外，本领域的技术人员也可以使用传统的编程工具建立其自己的更为复杂的模拟工具。
微显示器微显示器可以包括LCD(液晶设备)，DMD(数字微反射镜设备)或者基于空间调制器的LCoS(硅上液晶)或者其他的可获得的微显示器，例如基于MEMS的空间光调制器。LCD或LCoS有时可以仅利用一种偏振态。在LCD微显示器中，20％-40％的损失是由于有效像素之间的间隙而产生。更好的解决方式是使用一个具有LCD的微透镜阵列(MLA)，即MLA-LCD。微显示器之前(也可能之后)的微透镜阵列引导光线仅通过有效像素区域。LCD或者MLA-LCD必须在透射型微显示器结构中使用，因为DMD和LCoS微显示器是反射型的。另一方面，LCD也能够被应用于反射型结构中，因为可以在LCD屏幕之后安装一反射镜。微显示器可以生成现场的视频图像或者没有移动的静态图像。
聚焦单元聚焦单元将一个或者多个微显示器上的图像区域成像到目标上。目标(附图中没有显示)可以是用户期望将图像投射上去的任何表面，例如，一个墙壁，一张纸，一本书，一个屏幕等。聚焦单元可以包括例如一个单独的透镜，一个菲涅尔透镜，一个单独的反射镜，一个衍射光学部件，一个混合折射衍射元件，或者所述元件的组合。聚焦单元最好包括一组透镜。聚焦单元中的元件可以具有抗反射涂层从而降低反射损失。
在虚拟显示设备中，一个或者多个微显示器的图像区域被成像到一个虚拟平面，该平面可以在微显示器之前或者之后。例如，在虚拟显示眼镜中，投影仪将图像投射到半反射镜片上，这样，图像不是在镜片的表面上形成，而是在例如2米之前的虚拟平面上形成。
单色投影仪结构附图4A表明了一个数据投影仪的实施例，其仅使用一个波长带。数据投影仪包括上述的具有一个单色的源单元402，一个透射型微显示器404以及一个聚焦单元406。源单元402提供照射到微显示器的光线。微显示器404的图像通过聚焦单元406被投射到目标。
附图4B表明了数据投影仪的另一个实施例，其仅使用一个源单元402。数据投影仪包括一个源单元402，一个可选镜408，该镜将光束引导向DMD微显示器410，其通过聚焦单元406将光线反射到目标。
附图4C表明了数据投影仪的另一个实施例，其仅使用一个源单元402。数据投影仪包括一个源单元402，一个偏振光束分离器414，一个LCoS微显示器412和一个聚焦单元406。偏振光束分离器将光束的另一种偏振态反射到微显示器。LCoS微显示器调制光束的偏振，使得来自于期望像素的光线再次经过偏振光束分离器并且投射到目标上。在偏振光束分离器414和微显示器412之间可以具有一个四分之一波片416，该波片增加了可获得的反差比。也可以通过在源单元402和偏振光束分离器414之间使用可选的预偏振器418来改进反差比。
当使用LCD，MLA-LCD或者基于LCoS的微显示器时，会损失其它的偏振方向的，即50％的光线。在附图5所示的实施例中避免了这种损失。来自于源单元502的光束被引导到偏振光束分离器504，光束在那里被分成两个方向，这两个方向都仅包括一束线性偏振光。两个光束分别照射分离的LCD微显示器506，508。使用镜510，512和第二偏振光束分离器514再次合并光束。微显示器的图像通过聚焦单元516被投射到目标上。这个方法两种偏振态都得到使用。
附图6表明了先前实施例的另一种变形，其中使用两个LCoS微显示器来代替透射型LCD面板。来自于源单元602的光束在偏振光束分离器604被分成两个光束。这两束光束从分离的微显示器606，608反射，并且根据微显示器的偏振调制，来自于微显示器的期望像素的光线被引导到聚焦单元610。可以使用可选的四分之一波片612，614来改进反差比。
附图5和附图6所示的例子特别有利，因为投影仪在2D和3D模式下都可以工作。这些实施例包括两个分离的微显示器，该微显示器可以用相同的图像(2D模式)驱动，也可以利用形成一个立体对(3D模式)的两个分离图像驱动。
在附图7和附图8中表明了保持光线的两种偏振态的另外的两个实施例。在附图7中，来自于源单元702的光束被偏振光束分离器704分成了两个线性偏振光束。反射光束照射LCD微显示器706的一半。偏振光束分离器透射的光束被镜708反射并且通过半波片710传播到微显示器706的另外一半。然后使用聚焦单元712将微显示器上的图像成像到目标上。半波片710用来将光束的偏振态旋转90度从而使光束能够通过微显示器706。当微显示器706包括两个偏振方向彼此垂直的分离的LCD面板时，不需要半波片710。
大体上，附图8表明了反射型LCoS微显示器的一个类似实施例。来自于源单元802的光束被第一偏振光束分离器804分成两个线性偏振光束。如图4C所示，来自与第一光束分离器的反射光束的偏振被LCoS微显示器806的第一半调制。来自于微显示器上的期望像素的光线再次经过光束分离器804，并且传播到聚焦单元808。从第一偏振光束分离器804透射的光束被第二偏振光束分离器810反射到微显示器806的第二半。与前述相似，该光线被微显示器调制并且被投射到目标。由于偏振光束分离器804和810的偏振方向彼此垂直，因此这是可行的。附图7和附图8所示的实施例结构非常紧凑，但仍保持光线的两种偏振态。
彩色投影仪结构通常，在投影中使用三个波带，即红，绿和蓝。如果使用几个波带，不同的波带就要用不同的微显示器调制，或者用一个微显示器的不同区域调制，或者利用同一个的微显示器但是依次在不同的时间调制，这是由于微显示器本身是单色的。
彩色投影仪的一个实施例包括三个单色的投影仪，这三个投影仪排列在一起从而在目标上形成一个彩色图像。该实施例包括三个聚焦单元，聚焦单元是非常昂贵的。一个更好的解决方案是使用三个没有聚焦单元的单色投影仪，将光束合并在一起，然后将合并的光束照射到一个共同的聚焦单元上。三个光束的合并是通过例如分光合色棱镜(X-cube)或者分色镜进行的。
附图9A表明了一个实施例，其中使用一个分光合色棱镜(X-cube)组合了三个基于附图4A所示的实施例的单色投影仪(红902R，绿902G，蓝902B)从而形成一个彩色投影仪。来自于光源单元902R的光线照射LCD微显示器904。分光合色棱镜(X-cube)906将三个光束合并成一个，然后通过聚焦单元908将合并的光束投射到目标上。
附图9B表明了一个类似的实施例，其中使用两个分色镜910，912来替代分光合色棱镜(X-cube)合并光束。
通过合并来自于如附图4A中所示的三个单色投影仪的光束形成附图9A和附图9B中的彩色投影仪。类似的，可以通过合并上述其他形式的三个单色投影仪形成彩色投影仪。例如，附图4B，4C，5，6，7，8中的单色投影仪能够用来以相同的方式建立一个彩色投影仪。
在上述的彩色投影仪结构中需要几个不同的微显示器(或者同一个微显示器的不同区域)。附图10A表明了仅使用一个微显示器的实施例。三个不同的光源单元1002B，1002G和1002R分别用红，绿，蓝光束照射微显示器1004。在微显示器的前面存在一个光束控制元件1006，其将不同颜色的光束引导通过不同的像素。可选的，在微显示器的后面存在另外的一个光束控制元件1008，降低光束的发散。光束控制元件可以是例如一个微透镜阵列，一个透镜状的(lenticular)片或者一个微棱镜阵列。光束控制元件可以与微显示器集成。来自于微显示器的图像通过聚焦单元1010投射到目标上。目标上的像素的数量将是微显示器上的像素数量的三分之一。
附图10B表明了先前的解决方案的另一个实施例。结构与上述类似，只是由一个源单元1012代替三个分离的源单元1002B，1002G和1002R，源单元1012包括红，绿和蓝源芯片，并且被设计成对于所有的三种颜色都具有良好的效率。本发明的一个实施例结合了附图10A或附图10B所表明的结构与附图5、6、7或8中的偏振保持思想。
如上所述，通过快速连续地每次照射一种颜色可能在彩色投影仪中仅使用一个微显示器。这种解决方案充分的简化了设备结构。由于当前屏幕需要至少60赫兹的刷新频率，在17ms的时间周期内应显示所有的颜色。当使用三种颜色时，就意味着每种颜色的照明时间是5.7ms。微显示器必须具有非常短的响应时间。基于DMD的微显示器具有低于1ms的响应时间，这已经足够短了。LCoS微显示器的响应时间是几毫秒，例如2.2ms，这也足够短了。商业上可获得的LCD的响应时间通常是16ms，但是已经研究出了反应时间更快的LCD。人们推测在几年之内，LCD的反应时间将降低到7ms的范围内，这也足够短了。众所周知，利用相同的平均电功率，当以快速脉冲模式驱动LED时，其总的平均光学输出功率可以与当其被在DC模式驱动时相等。因此脉冲调制LED既不会负面影响系统的功率效率，也不会负面影响系统的绝对光学功率。
其中所有颜色依次使用同一个微显示器的彩色投影仪的光学结构与附图4A、4B、4C、5、6、7、8所表明的单色投影仪结构相同，其中一个三色源单元代替了单色源单元。三色源单元的一个实施例是新颖的包括红、绿、蓝源芯片的源单元，并且其被设计成对于所有的三种颜色都具有良好的效率。三色源单元的另一个实施例包括三个单色源单元，通过使用诸如分光合色棱镜(X-cube)或者两个分色镜合并来自于三个单色源单元的光束。在下面的附图中将描述几个根据上述的单色投影仪和三色源的组合的优选实施例。
附图11表明了彩色投影仪的一个实施例，其中使用了连续照明。来自于三个源单元1102B，1102G，1102R的红，绿和蓝光束在分光合色棱镜(X-cube)1104中合并。如图5所示，光束被引导到偏振光束分离器1106，光束在那里被分成两个方向，这两个方向都仅包括一个线性偏振的光。两个光束照射分离的LCD微显示器1108，1110。使用镜1112，1114和第二偏振光束分离器1116再次合并光束。微显示器的图像通过聚焦单元1118投射到目标上。
附图12表明了彩色投影仪的另一个实施例，其中使用了连续照明。来自于三个源单元1202B，1202G和1202R的红，绿和蓝光束在分光合色棱镜(X-cube)1204合并。如图6所示，偏振光束分离器1206将光束分成两束。两个光束分别从分离的LCoS微显示器1208，1210反射，并且根据微显示器的偏振调制，来自于微显示器上的期望像素的光线被引导到聚焦单元1212。附图11和附图12所示的实施例提供了一种具有紧凑的设备结构的2D/3D可转换的彩色投影仪。
附图13表明了彩色投影仪的另一个实施例，其中使用连续照明。来自于三个源单元1302B，1302G和1302R的红，绿和蓝光束在分光合色棱镜(X-cube)1304合并。如图7所示，偏振光束分离器1306将光束分成两束线形偏振光束。反射光束照射第一LCD微显示器1308。从偏振光束分离器透射的光束被镜1310反射到第二LCD微显示器1312。然后，微显示器1308，1312通过使用聚焦单元1314在目标上成像。
附图14A表明了彩色投影仪的另一个实施例，其中使用了连续照明。来自于三个源单元1402B，1402G和1402R的红，绿和蓝光束在分光合色棱镜(X-cube)1404合并。如图8所示，第一偏振光束分离器1406将光束分成两个线性偏振光束。从第一光束分离器1406反射的光束的偏振被LCoS微显示器1408的第一半调制。来自于微显示器上的期望像素的光线再次通过光束分离器1406，并且传播到聚焦单元1410。从第一偏振光束分离器1406透射的光束被第二偏振光束分离器1412反射到微显示器1408的第二半。类似的，该光线被微显示器调制并被投射到目标上。由于偏振光束分离器1406和1412的偏振方向彼此垂直，因此这是可行的。
附图13和14A所示的本发明的实施例仅适用于2D投影。但是，通过利用具有光束分离器的聚焦单元来替换聚焦单元1314和1410，这样的实施例就能够适用于2D和3D投影。在附图14B和14C中表明了这种实例。附图14B表明了将附图14A中的例子修改成具有2D和3D投影能力的实施例。在聚焦单元1410之后增加了完全内部反射棱镜1414，1416。棱镜将具有彼此垂直的偏振态的两束光束引导到目标的相同位置上，从而当通过偏振眼镜观看时，能够共同呈现3D图像。
附图14C表明了具有聚焦单元的光束分离器的另一个实施例。聚焦单元1410被设置在光束分离器之后的两个聚焦单元1418，1420代替。利用这种解决方案，投影屏幕的边缘可能比附图14B所示的实施例中的边缘更为尖锐。也可以使用反射镜来代替棱镜实现光束分离器。
附图15表明了具有连续照明的彩色投影仪的一个实施例，其与附图14中所示的实例相似，只是利用一个包括红、绿和蓝源芯片的源单元1502代替了分光合色棱镜(X-cube)和三个分离的源单元，源单元1502被设计成对于所有的三种颜色都具有良好的效率。
而附图16表明了具有连续照明的彩色投影仪的一个实施例，与附图14所示的例子相似，只是其中利用两个分色镜1602，1604代替了分光合色棱镜(X-cube)。
附图17表明了使用连续照明的彩色投影仪的实施例。来自于三个源单元1702B，1702G，1702R的红，绿，蓝光束在分光合色棱镜(X-cube)1704合并。如图4B所示，可选的反射镜1706将光束引导到DMD微显示器1708上，其将光线反射为通过聚焦单元1710到达目标。
尽管在上述的彩色投影仪的实施例中，所使用的颜色都是红，绿和蓝，但是并不局限于这些颜色，其可以是可见范围内的任何三种颜色。例如另一种颜色选择可以是青，黄，和绛红。而且，在某些应用中，两种颜色就足够了。在某些情况下，使用四种，甚至更多的颜色会更加生动有效。这种多种颜色的合并可以使用诸如分色镜来实现。很清楚，可以在本发明的范围内对上述光学结构作出改变。上述的结构作为可能实施例的例子。根据应用情况，通过在上述的基础设计内增加光学元件，可能会影响投影的质量。例如，在不改变本发明的基本思想的情况下，可以在很多位置增加反射镜，衍射元，透镜，光学滤波器，偏振转换器，四分之一以及半波片。除此之外，光学元件可以多次被具有相同功能的其他元件所替代，例如，反射镜可以由全内部反射棱镜所替代。许多元件可以集成在一起从而使它们组成一个单独的单元。在一些应用中，最好将所有的元件都集成在一起，例如通过在光学元件之间使用透明材料来集成。上述的微显示器可以由具有合适功能的其他空间调制器替代。
本发明中的数据投影仪可以使用在多种不同的投射装置中。最直接的装置是直接投影，其中投影仪直接将图像投射到诸如银幕，墙壁，纸张的表面上。所投射的图像在相同的所述表面的同一侧被观看和照射。在特定的应用中，使用直接投影到一个半透明的表面上是非常有利的，所述半透明表面可以是一个半反射或散射表面。投影的另一种形式是背投，其中投影仪照射一个半透明的散射表面，然后在与被照射表面相反一侧的表面上观看。投影的另外一种形式是虚拟屏幕投影，其中一个或者多个微显示器上的图像被投射到一个虚拟平面。
3D投影在上述的一些实施例中，光束被分成两个垂直的偏振态，然后分别调制。这样使得可以通过分别控制微显示器来投射具有不同图像的两种偏振。因此可能利用相同的投影仪来投射2D和3D图像。当观看3D图像时，需要佩戴偏振眼镜。在上述的直接投影中，在从投影表面的反射中偏振必须保持。这可以通过使用例如喷涂金属的屏幕来实现。在背投装置中，保持偏振通常不需要特殊的装置或者屏幕材料。附图18表明了一个背投系统，作为3D投影设备的例子。数据投影仪1802将具有不同偏振态的两个图像投射到背投屏幕1804上，然后通过偏振眼镜1806观看。
电路可以通过包括分离的电子元件的电路板上的硬件实现，也可以通过VLSI元件(超大级别集成电路)，或者FPGA元件(现场可编程门阵列)或者优选通过ASIC电路技术(特殊应用集成电路)来实现。在PC计算机中，或者优选通过在处理器中运行软件来执行自动数据处理。
根据本发明的投影方法和数据投影仪特别适用于下列应用-作为电视的替代产品-作为计算机监视器的替代产品-作为视频投影仪-作为幻灯片显示器/幻灯片投影仪-作为虚拟显示投影仪本发明的解决方案也可以作为下述设备的附属设备使用或者集成到下述设备中
-移动电话-DVD-以及其他媒体播放器-视频可携式摄像机-数字摄像机-个人数字助理-膝上型电脑-手持和桌上型游戏设备-视频会议设备-头戴式显示器-军用显示器-家庭，宾馆，饭店，汽车，飞机，轮船，以及其他运输工具，办公室，公共建筑(例如，医院，图书馆等)以及其他地方所使用的多媒体设备-任何上述设备与3D成像软件和硬件的结合使用，例如用于提供期望对象的3D画面的射线跟踪，CAD，3D模拟，支持3D图像卡，3D电影和游戏-任何其他的低功耗，小型，低价为主要特征的设备总之，本发明将提供与现有设备相比，使用更少的功耗，具有更低的成本，并且提供更长的使用寿命的非常小型的投影仪结构。
尽管上面根据附图，参照实施例描述了本发明，但是很清楚，本发明并不局限于此，而是可以在附加权利要求的范围内可以做出各种改变。
权利要求
1.一种数据投影仪包括至少一个微显示器，其具有将被投射的图像，至少一个源单元，包括至少一个光源芯片，所述源单元还包括至少一个光束形成元件，所述至少一个光束形成元件包括多个以三维结构设置的表面，所述多个表面中的至少一个包括微结构光学器件，以及一个用于将微显示器的图像投射到目标上的聚焦光学单元。
2.如权利要求1所述的数据投影仪，其中该数据投影仪包括至少一个绿LED，至少一个蓝LED以及至少一个红LED作光源。
3.如权利要求1所述的数据投影仪，其中该数据投影仪包括一个LCD、LCoS、DMD、MLA LCD、MLA LCoS显示器等作为微显示器。
4.如权利要求1所述的数据投影仪，其中该数据投影仪还包括一个位于光束形成元件和微显示器之间的光学单元，用于更为有效地引导光辐射，该光学单元是透镜，反射镜，菲涅尔透镜，衍射元件，微透镜阵列，分光合色棱镜(X-cube)或者其它的光学元件，或者这些元件的串联或其它组合。
5.如权利要求1所述的数据投影仪，其中该数据投影仪还包括位于微显示器和聚焦单元之间的光学单元，用于更为有效地引导光辐射，该光学单元是透镜，反射镜，菲涅尔透镜，衍射元件，微透镜阵列，分光合色棱镜(X-cube)，或者其它的光学元件，或者这些元件的串联或者其它组合。
6.如权利要求1所述的数据投影仪，其中该数据投影仪还包括用于将来自于每个光源的光束分成两个具有不同偏振的光束的装置，微显示器被分成分离的部分，或者使用两个分离的微显示器，每个光源的两个光束中的每一个被指引到两个分离部分之一。
7.如权利要求6所述的投影仪，其中该数据投影仪还包括用于在微显示器之后将每个光源的两个光束组合的装置。
8.如权利要求1所述的数据投影仪，其中每个光束形成元件中的透明材料的折射率等于或者接近于相应的源芯片的折射率。
9.如权利要求1所述的数据投影仪，其中每个光束形成元件与一个相应的光源芯片集成在一起。
10.如权利要求1所述的数据投影仪，其中图像是一个视频图像。
11.如权利要求1所述的数据投影仪，其中数据投影仪是便携式电子设备的一部分。
12.如权利要求6所述的数据投影仪，其中使用分离的图像投射两个不同的偏振，所述分离的图像形成能够用支持三维效果的偏振眼镜观看的立体象对(stereo pair)。
13.如权利要求1所述的数据投影仪，其中目标是一个虚拟平面。
14.权利要求1所述的数据投影仪具有以下应用电视，计算机监视器，视频投影仪，幻灯片展示器/幻灯片投影仪，虚拟显示投影仪。
15.权利要求1所述的数据投影仪作为一个附件或者被集成到移动电话，DVD或者其它媒体播放器，视频可携式摄像机，数码相机，个人数字助理，膝上电脑，手持或者桌上型游戏设备，视频会议设备，头戴式显示器，家庭，宾馆，餐厅，汽车，飞机，轮船和其它交通工具上使用的多媒体设备；办公室，公共建筑，以及其它地点的多媒体设备；军用显示器。
16.如权利要求1所述的数据投影仪，其中所述的至少一个光源单元能够用于保存光展量(etendue)，最小化光子损失，提供期望的投射形状，以及在微显示器上均匀照射。
17.如权利要求1所述的数据投影仪，其中光束形成元件包括一个发光二极管。
18.如权利要求1所述的数据投影仪，其中光束形成元件包括至少一个衍射元件。
19.一种用于数据投射的方法，包括操作用于照射至少一个微显示器的至少一个源单元的至少一个光源芯片，同时保存光展量，最小化光子损失；其中操作至少一个光源芯片包括使用以三维结构设置的多个表面形成照射光束，从而提供一个期望的投射形状以及基本上均匀的照明，其中至少一个表面包括微结构光学器件。将微显示器的照明产生的期望图像聚焦；并且将聚焦图像投射到目标上。
20.如权利要求19所述的方法，其中至少一个光源芯片包括一个LED(发光二极管)源。
21.如权利要求19所述的方法，其中至少一个光源芯片的光学输出具有大约1纳米到大约150纳米的带宽。
22.如权利要求19所述的方法，其中至少一个光源芯片的光学输出具有大约10纳米到大约50纳米的带宽。
23.如权利要求19所述的方法，其中至少一个光源芯片安装在反射表面上。
24.如权利要求19所述的方法，其中至少一个光源芯片安装在反射金属表面上从而传导热量。
25.如权利要求19所述的方法，其中光束形成元件包括至少一个衍射部件。
26.如权利要求19所述的方法，其中光束形成元件包括折射和反射元件。
27.如权利要求19所述的方法，其中光束形成元件包括一个反射元件。
28.如权利要求19所述的方法，其中至少一个光源单元包括至少三个光源芯片，分别输出红、绿和蓝光，该至少三个光源芯片与光束形成元件集成在一起，该光束形成元件包括至少一个同时针对红、绿和蓝光优化的衍射元件。
29.如权利要求19所述的方法，其中微显示器包括LCD(液晶设备)，DMD(数字微反射镜设备)，基于LCoS(硅上液晶)的空间调制器，以及具有LCD的微透镜阵列(MLA)的至少一个。
30.如权利要求19所述的方法，其中聚焦包括使用单透镜，菲涅尔透镜，单反射镜，衍射光学元件，以及混合折射-衍射元件中的至少一个。
31.一种光束形成元件，包括多个以三维结构设置的表面，其中多个表面中的至少一个包括微结构光学器件。
全文摘要
本发明涉及一种2D/3D投影仪，包括一个数据投影仪，该数据投影仪包括至少一个微显示器，图像将被投射到该微显示器上；至少一个光源单元，其包括至少一个光源芯片，所述的光源单元还包括至少一个光束形成元件，所述的至少一个光束形成元件包括多个以三维结构设置的表面，所述多个表面中的至少一个包括微结构光学器件；以及一个用于将微显示器上的图像投射到目标上的聚焦光学单元。
文档编号G03B21/14GK1810043SQ200480016965
公开日2006年7月26日 申请日期2004年4月1日 优先权日2003年4月16日
发明者M·P·阿拉萨雷拉, I·A·阿拉萨雷拉 申请人:逆流工程公司