图像产生单元和使用图像产生单元的方法

专利名称：图像产生单元和使用图像产生单元的方法
技术领域：
本发明涉及一种图像产生单^SHOT图像产生单元的方法。本发明尤^^及 樹共^ 和1^王 >能力盼激光照明體，和4顿该驢的图像显示引擎。 背景駄在电子设备和客户设备中M^l变得ffl^S要。因此，i^:赚也集中 在照明、图像生成和據的设备以虹艺。A^F周知的问题是，照明设备和相应 的光源不仅在相应的ilit会产生具有相应轮廓和分布的光，而且往往固都,生 一些寄生噪声。这些噪声在激光光源领域中被称为t^王。在驗系统中经常采用纖阵列(形式通常为卿艮 ^ )，以便均 匀地照亮断象调律徵。如今激^^仪普麟用对应于 ^ R、 G、 B的单个激光 束在屏幕上逐行扫描(二维扫描,仪)来实现。Mil与fi^同^fcfe调制光束强 度在屏幕上产生图像。为了棘的7K平和垂直移动，采用了两个扫職。因为万 一扫描镜发生故障，高3驢的静态Mmimf到屏幕上，所以这類有单扫描 棘盼激^^舰于观絲说是潜在的安全风险。另一种在麟仪中4顿激光航式由GLV (栅^Dfe阀)駄实现。在这 种设备中激光束被扩展以形成一条垂直线，该垂直线被投影到一维图像调制器 (GLV芯片)上。该GLV芯片调制娜光的3艘以产生垂直的图4繊。MM光 被赐到屏幕且-舰{顿一个水平扫^^顿幕_ 其进行扫描。舰与水平扫 職同步地改变GLV芯片的图像内容产生錢的图像。通常通过在光路中的图像形成装置之前激光聚焦的点上^学系统中形成 图像的平面上设置移动随机扩散器或随机相位延迟器来减少激光散斑(参见 TrisnadiinProcSP正4657， 2002)。现在的，仪( 和柳^^仪)普谢OT弧光灯作为光源。这些灯具有 几错点由于这些灯鄉白光，iM^、须4顿滤光器来分离^O^颜色(民0B)，这将给投影系统增加尺寸，m和駄。财卜，损耗了TO基本Mfe的光谱范围内的光，因此陶氐了系统的效率。另一，点是IR和UV辐射的发射。IR辐射产生热而UV辐射在老化期间 会导鄉賊分的,。包含弧光灯电极的 灯泡的工作^^^^5于1000摄KJ度，因此必须由强 劲的气》鹏制荆賴P，这将引起恼人的噪声。由高压弧光灯发出的光是辆及化的，当与极化图像调讳驟如LCD (液晶显示 器)或LCoS (赴液晶)组合f顿时，这是一错点。^^仪的设计中一个M的量是光^t5角性(etendue)(光^TM:)。简^t，光学径角性可以定义为^一^S处皿附i^M积与iM^的光束发散角度的乘积。如果光束被光学元州彦改，如果光学元裕皮很好it^IE贝恍對5 角性被保持，鄉口果光学元件没有被很好:WIE则光学径角性增加。不可會匿扮可种类的光学转， ^棘的光對5角性，除非部^bt束被简单地切割且光丢失的情况下。换句话说，图像的亮^7m不^il光源的亮度。，于设计， 似M^，因为^i^仪中光学元件具铺限的尺寸(这限帝'J1^^纖面)和/ 鹏限的接受角度(这限帝] ^的发鹏度)。例如S^纖具有一定的限制光 束发散角度的微。形卜，图像调帝勝也穀IJ尺寸( )和光束发散角度的限制-, 光束的光束发散角J^^大，戶湖制的图像的对比鹏氏。因此，鄉的光^^角 tfe^、须比赐仪中最受限串啲光学元件的光對圣角性小。为了实现具有良好图像 质量(对比度，^S)的紧凑WS^仪， 的光学径角'腿该尽可魁也小。 現想的具有零光對5角性的，灯一方面是点光源(劉 面，但高光束发散)而另一方面是没有发散的准:t^ (ftM纖面但零光束发散)。事实上，弧 光灯的光学径角性取决于弧的大小。最小可能的弧长度由于电极的热应力而被限制，其严驟响了灯的驗。作为折衷，如错谢顿的弧^:丁具有稍小于lmm 的弧长度以及2000至ij 6000小时之间的^ (取决于功率)。在S^仪中作为光源的LED戯光二极管可以^llh^^啲弧光灯的许 多缺点。LED-固有ilkmt基本颜色(KQB)的波长范围的光。 -不皿UV或IR辐射。-可被动7賴卩，少用低气流7賴口而不会产 ^噪声。5-具有潜想也^^0-可采用脉)4^;驱动用于",的颜色产生。 但其也有一徵点。-LED鄉辆及化光，当与极化图像调伟幡(LCDJX:OS)组合4顿时这是一僧点。-LED具有显著的光学径角性(鄉具有高发麟度的光，通常类似于朗伯 鄉器)。激光光源非常^e于理想的S^光源，因为它们會辦^^有上面^f鹏弧光 灯和LED的缺点。 激光光源-固有i ^单色光(民G或B)。 -不鄉UV或IR繊；-可被动糊超少用低气流糊而不会产^ia噪声。 -具有潜細^^0画可翻脉淋莫式驱动用于JI,的^fe产生。-固有iiaw化光-具有非常低的光對仝角性(^i^于零)。如今激^#仪普 ^对应Wh鹏(民QB)的单个激^m顿幕J^ 行扫描(二维扫描投影仪)来实现。)！31与fi^率同對也调制^^I^CT幕上产生图像。为了光束的7jc平和垂直移动，湖了两个扫職。因为万一扫^S^: 生故障，高纟艘的静态激3t^l^到屏幕上，所以这类具有单扫描舰的激光 職顿于观絲说是潜在的錢风险。另一种在，仪中使用激光的方式由GLV (栅^光阀),实现。在这种设备中激光束被扩展以形成一 直线，该垂直线被,到一1^^隹图像调制器(GLV芯片)上。该GLV芯片调制目光的强度以产生一个垂直的图像线。 鄉光M^到屏幕上且-舰舰一个水平扫職顿幕J^t其进行扫描。舰 与7K平扫臓同步地改变GLV芯片的图像内容而产生趨的图像。在投影仪中使用激光的第三种方法是照亮图像调制面板如LCD (液晶显示 器)或LCoS (ill:液晶)或MEMS (微型机电系统)。在这种情况下图像完全由 图像调制面板产生且激光仪照亮面板的C)孑L径。这与^f顿弧光灯照明的任何标准投影仪非常类似。有几个组织B^提出了这种，盼激;)"^仪，但如今 市场上并没有这种产品。DOEs (衍射光学元件)或折射光学元件如^^阵列被 用于光^ 以照亮面板的娜孔径。但是由于m^的相千性和低光f径角性，当将激^&^到屏幕时可观察到 另一个5嫁激光在娜屏幕上扩M可观察到被称为t^王的寄生噪声。通常通 过在光路中的图像形成设备之前激，焦的点i^6学系统中形成图像的平面上 ^S^动随机扩散器或随机相^E迟器来M^激光t^王(参见Trisnadi in Proc SP正 4657,2002)。所提出的另一个M^散斑的方法^j顿声光，阪(G Basti叫GMM Workshop Mkrooptik in Karlsruhe, 3 A 2005年2月)。描述t^王的量是t^树t饭c.其被定义为c= o /1。(参见J. W Goodman in J. Opt.Soc.麵Vol.66,No.lU976年11月)。其中o是图案的3艘分布的标縫， 且I是图案的平均纟艘。，曹糕的情况下c等于I，这意 图像的噪声最大。 在最好的情况下c等于0，这意OW完全平滑的"=0)图像。用移动或时间变化扩散器来M^t^鹏一MM则是在探测器(AB艮)的积分 时间之内产生尽可能多的不同的tfclE图案。在积分时间内的N个不相关f^王图案 的叠加给出了散萝树比度M^到1/#的平滑的图像(参见J. W. Goodman inJ. Opt. 500.執￥01.66,:^0.11,1976年11月)。例如在一个图像帧(假设50HZ)期间要 求625个不相关的散斑图案以将|^树比度 >到1/25=^5 。这MW必须在 20ms内产生625个不同的且不相关的图案。i) il^假设一个具有50HZ图像帧频斜QHDTV ^fjf率(1920X1080像素) 的2D扫掛激^^仪激皿需要9.6ns扫描一，素。由于^j)贞周期的20ms内 这只出现一次，625个不同的图^1、须在316 ^像素的9.6ns内产生。逸意OW 64.8 GHz的图案频率。u)在1D扫描激光(GLV)的情况下，该激光束扫描一，素行需要近似 10us。在该周期内具有625个不同的图案意味着60MHZ的图案频率。当照亮图像调制器(LCD二CoSAIEMS)时，则该激jfci^卖照亮^K象 素(激光^E冲的情况除外)。泡降中情况下，625个不同的图 1领在20ms的 周期内产生，这意(JW31.25KHZ的图案频率。从i)到iii)的结论是在iii)的瞎况下ilil移动或改变扩散器来M^t^王是 最容易的。另一个M^t^树比度的方法^F行i顿几个激光源，^^激光阵列，其中所 述激光彼lt坏相干。如^JOTN个不相关盼激光器，则t^I的对比度再次被M^ 到1/# (参见J. W. Goodman in J. Opt. Soc. Am^ Vol.66, No. 11,1976年11月)。在EP1328128中公开了一种激^S^显示系统，其包括用于鄉具有相报 度的光束的激光光源用于扩展舰的光束扩展器；空间光调帝勝；用于赠广展 的激光束娜以衝共空间光调库1慨的均匀照明的^ 光学器件，该光束^f多 光学謝袍括一个具有小纖阵列的蝇眼积储；位于激光光源和^ 光学器 件之间的光束中的扩散器；用于修改M的时间和空间相位的电可控的(^E调制 器；以朋于在繊幕上产生空间光调审勝的图像的S^纖。该电可控P錄王调 制器包括具有一系列制虫的调帝離站点的体电光衬底，这些调伟幡站点接TO制信号以向入射光iK共局部的随机相位变化。iffi^fcM电寻址调带勝站点，电可控^^王调制器中的齡站点可以相对B卩鹏点将相^fi弓IAIU舰中。不同的电压或, 时间应用^ ^站点，因itb^光中产生相当于与传播的几个波一样多的相位延迟。^^调串螺站点具有鹏区域，当一束MM输入面iSA体 电光衬底时，fflil该延迟区:l^i^iiii与施力n^顶部电极和底部电^t间的电场有关的时间戯目位延迟，在穿过电光衬底后光束穿过调讳幡，从输出面输出。在 体电光晶体上^f顿底部和顶部电极导致相当M^和困难的生产机制以获得二维的^^王调希徵。发明内容本发明的目的在于皿一种图像生成单殆n—种jOT图像^单元的方法，期每至多可比较的减少的寄生可变噪声弓l入到所产生的劍顿的辐射或光，具有 简单的^可行性和良好的紧凑性。该目的由按照权利要求1的图象产生单元和按照权利要求10的j顿图像产生单元的方M实现。，实施例落入相应的/AM子权利要求的范围内。扩展的激，被分成子皿。所述^6束在图像平面上動n， ^h 光^t间有一定的分离角度，该分离角^^^￡够大以产生不相关的|^王图案。在图像平面上的干扰散斑图案仍具有相同的散梦树比度。为了M^戶，散孩树比度，每付光束的光波相位随时间被與魁也改变，使得在探测器(如AB艮)的积分时间内&F;f述图像平面上产顿可能多的不相关t^通案。在积分时间t内的m个不相关的飾鬼图案将使1^树比度^!>到。 ilil液晶(lc)相位调讳幡对每^ 棘與^fe调制光的相位，由于液晶(LC)相位调库螺的电极位于液晶单元 的表面，主要垂直于子光束的方向，所以很容易涂敷它们以 二维才敝调伟幡。 相位调带徵中的液晶(LC)形成可被电场修改的指向^^布。结果，折射率一以 及因此相位延迟一可以以横向的(iffil不同的电极)和时间的(3MM时间改变 电场)方式而被改变。在按照权利要求2的雌实施例中，戶腐角度^ 为探观!1^ (例如AB艮) 的孔径角9的至4一半以实^^够不相关(相关因^<0.2)的f^王图案。在按照权利要求3的，实施例中，所逾液晶单元包括易于 的向歹喊晶。在按照权利要求4的其他 实施例中，所述液晶单元包括聚^/分散液晶， ，有比向列液晶更决的切换时间。按照权利要求5， ail^ffl第一和第1只分板获得图像平面上光的良好的均 匀性，其中齡积分板由具有娜微的多^H1II片断构成，由雌一积分板的旨这样的 片 31第:^只分板的相133 ^断以及聚^|1^像到图像平面上。按照权利要求6， 7， 8，描述了^^扩fe器的不同的，实施例。 在按照权利要求9的其他雌实施例中，被图像调库螺空间调制以产生图象 的光被投影 投影到图像平面上。将相位调芾膀訪 在^^ 的孔径光阑附近。在这个位置^hT光束的光的相^31相位调库'mi皮斜虫调制并!繊倒图 像面社。


本发明^S于tt^实施例并,附图和示意进fi^释。图1是本发明实施例的示意图和，，面图。图2是液晶单元的示意图禾口禾繊面側舰亂其中包含向歹U液晶。 图3是液晶单元的另一个实施例的示意图和，織面侦舰图，其中包含聚激 分散液晶。图4是阐明按照本发明的相位调库幡的其他实施例的一些,糊繊面縱见图。图5是阐明可以应用于本发明的照明单元的实施例的示意图禾財M面侧视图。图6是可应用于本发明的照明单元的另一实施例的，纖面侦舰图。图7是可应用于本发明的照明单元的另一实施例的，繊面侧视图。图8a是可应用于本发明的照明单元的另一实施例附纖面侧视图。 图8b是可应用于本发明的照明单元的又一实施例糊M面侧视图。 图9是阐明本发明的基本原则的示ffi图。图IOA， 10B是阐明了按照本发明的另一实施例的图像产生单元的示意图和 禾纖面彻舰图。图IIA， 11B是阐明了按照本发明的另一实施例的图像产生单元的^E图和 图12是阐明了按照本发明的另一实施例的图像产生单元的^m图和^^面 图13是阐明了按照本发明的另一实施例的图像产生单元的g图和，t^面 具体实驗式在随后的功能和结构描述中相似或相同的元件结构将由相同的参考符号标 注。W它们出现的顿中情况下重复描述。在图l中其示意地描述了多个相^m^V.,，SN如何在光学成像仪器(这 里是聚:)feM45)的帮助下繊卩至鹏像调伟幡100'。在图像调讳幡100'处的图 像被SM^ 110勝到^^屏幕100" o Slv. "SN的S^光束的角度ot是足斷离的，因此^ ^ Sh.. .,Sn将4^屏幕100"上产生与从其他^^ 产生的散斑图案不相关的不同的慰斑图案。散斑图案取决于，屏幕中的扩散粒 子的波长，大小和密度，S^屏幕上的扩鹏的厚度和探测器(例如AB艮)的位 置和孔径。实翻查际，最小的分离角度Aa大约是探测器(例如AB艮)的孔径 角度6的一半以实m^够不相关(相关因^<0.2)的f^王图案。然而由于图案基 于复数振幅相加，叠加的图案的散斑对比度仍然没有减少。即使所有子光束S,，...,SN的相位按照共同的相位延迟被调制，该f^王图案依然保持不变。为了减小動啲图像平面10o"的t^树比度，Slv. .,SN的光的相位縱相位调审螺30的帮助下随时间被制虫改变，使 f^探测器(如AS艮)的积分时间内产生 尽可能多的不相关t^图案。在积分时间T内的M个不相关的i[f王图割射吏t^ 对比度减少到1/ #。图2是按照本发明的光予Mb理光学元件30淑目位调伟螺30的雌实施例的示意图辆纖面侧视图。对于该实施例的光予^b理光学元件30淑目位调第i藤30 的关歡面在于以夹在一鄉一和第二控制电极32和33的电极布置35之间的液 晶层34的形式衞共液晶元件34'。由液晶元件34'和电极布置35形成的实体形成 光予MS光学元件30淑目位调审勝30的实施例的予贩理部分P。在图2的实施例中，^A口部分E由第一衬底31a^^寸繊31a形舰光输 出部分O由第二衬底31b淑寸繊31b形成。在图2所示的实施例中，直接邻近 于第一衬底板31a的第一控制电极32由设为地电位的单个控制电极32形成。另 一方面，电极布置35的第二控制电极33紧邻于第二衬底板31b且由多^Hte可 控的电极片断33j，或它们的阵列，阵形成，其中」=1,...>1。按照图2的实施例，舰有效折射率neff对外加电场或电压的^^性，直驗絲一和公^g制电极32禾口第二控制电极33的相应电丰肌断33j之间的液晶元件34'部分可以被體为 波阵戰wavefront)掛目位调制的特定值，戶;f^^^性如下式因此，如果以各自的和3te的方式控制电极片断33j的腿，例如随Wk， 按照篇二控制电极33的片断33j的布置可以实J贴目位调制的空间相^^布。图2示出了这个液晶单元附^i面。相位调帝i擺30包括液晶单元。液晶填 充两个衬繊31a， 31b之间的缝隙。在衬底31a上的公共电极32禾口在才树的衬 底31b上的多个电极33i的图案t间施加电场，其中—1,...>1。所有电极^it明 的以M光。液晶层的戶刑胃的指向矢的方向由对准层对准。描述液晶层对准的细 节和电极的电连接的实现并不属于本发明的部分。这^ili^见有技术(例如液晶 显示器的技术)所公知的。用在本发明中的本质在于以下事实液晶层34具有依 赖于层上施加的电压U尸l，...JVl的有效(平均)折射率neff。由于液晶层^J斤射 的，因此 效(平均)折射率neff取决于光的极化方向。tti^i也，液晶层34在 衬底31a和31b之间平4亍)^t准。在这种情况下，如果丰及j七方向是平今亍或垂l:于液 H层34的对駄向，线性极化的极化方向没有改变。3Sii液晶层34的统性极化 光的相位被Eifi^ = 2;r x " x /义，其中d是液晶层34的厚度且义是光的波长。舰^^制虫的电tSM加不同的腿，相位波辦皮橫向干扰。舰随时间 改变腿u奶，相位波 时间上被干扰。结果，在给定的时间段内产生不同的不相关的相位波前图案。例如，如果在一个图像帧的时间段如20ms内产生M个 不同的相位 图案，贝1，图像的1^树比度将被 >到1/ # 。4顿液晶单滅LC单元以调制棘的波阵面以M^或破坏光的相千性，从 而抑帝依产生和赐的图像中t^王的出现。该液晶单減LC单元可以在Hi或两侧包含电极图案，其中針电极可由擀卖的或调制的腿信号^5^驱动以^^液B，层的指向矢图案，由此以空间或时间的方式改变相位鹏以M^S^到屏幕晰寻到的棘的t^树比度。可以平行对准戶;M液晶单元的液sSB层，从而具有辨由的指向矢分布，其具有 沿着非常轴(extraordinaiy ax的的折射率ne和在垂直于非常轴的平面内的折射率 no。光束可以是统性极化且其中所述非常轴平行或垂直于线性极化光束的电场 ^i^准以当ilil液晶层时^f极化^t态不变。所述液晶单元的电极的形状和位置可以与所述第1镜阵列的透镜片断的 皿和位置相一致以控制从Wt^片断制ta彼啦^z:形成的^ ^的相位的 舰。所述液晶单元的电极可以被几付电丰^f割戈，其中它们中的^h舰以独 ^由持续的或调制的^E驱动以进"^减少系统的徵浪树比度。图3示出了作为相位调串幡30的液晶(LC)单元的另一个实施例，其包含 了聚，分散液晶(36)，比图2的配置具有更快的切换时间。图3的略图仅^ 意亂由于两个边界表面之间的距离d是几十um，而液晶滴37的直径大约小于 100nm。然而，电极32， 33的功能如图2所描述。iMi合相位调帝勝30的电极 片断33施加^€调匍湘位。图4示出了按照本发明的光予贩理光学元件30淑目位调伟〖藤30的实施例的 禾纖面辦见图。这里关于光對目位调制昔助于第二控制电极33的电极片断33j具 有液晶层34的液晶元件34'的子分割。在图9的瞎况下其具有矩阵形式的液晶元 件34'的子分割，其中鄉阵形式具有MH歹诉口MV行，满足^j牛M-M"PMV。 液晶元件34'或液晶层34的針片断34^由相应的电极片断33^控制以实现M 于时间的相应的相位调制小hXt)，其中h=l，.. .MH且fI,. . .MV。tti&t也，但并不限制于此电极33b户1,…^M的M和开邻与如图4所示 的透镜阵列40的igl竟片断的M和开^t相一致。也可以增加电极的数量(M〉N)以进~^干扰相位 ^~^—方面一^^电极的数量(M<N)以简化电极的实
mi咜们的^g。
图5， 6和7示出了具有不同的扩展器光学元件20'的实m^;的鄉单元10' 的实施例。
可按照图5实 1^扩展器20。负纖離直,繊广展到一定的角度且 在一超巨离的正 25再次^)t束准直。
可 ，按照图6，可以^顿扩散器22;^i直的光扩離l」一定的锥形角度。 另一个可选方案是^ffi衍射光学元件23 (DOE)以扩展激M。在DOE的情况 下，附加的光束整形是可能的，以使扩展的光束的^^^g镜阵列的皿。 也可以使用负itli和扩散器或DOE的组合扩MJt直盼激光束。
在图7中示出了可由移动透镜24和凸透镜25实5 ;^ 广展器20。
在图8a中示出了本发明的一个实施例。光源IO (激光光源或激舰阵列)， 发出激棘(或激棘阵列)并被光莉广展器20所扩展。该被扩展的棘被积分 板(通常称为蝇目繊)40， 41划分为一組T^Sl…,Sn。綠一积分板40上
的纖片段具有类似图像面板的相同长宽比的娜微。齡这样的^g^片断被 第3只分板41上的相应的片断和聚^M45成像到图像面板涵'上。结果，图
像面板100，被具有均匀光分布的娜^t棘的j^/f照亮。戶;f^液晶相位调审勝
30可OT在积分板之前、之间^t后(如图8所示)，按照#施加的％11與魁也 改变W^光束的光的相位。显示面板100，，其可以是育,的LCD， ^MM的 LOD(LCoS,^i:液晶)、謝喊4m镜的Hl^g阵，产生由&^M^到屏幕上去 的图像。
图8b示出了本发明的另一个实施例。被图像面板湧，空间调制以产生, 的光被S^a 110臓到图像面板100"上。相位调伟(離30非常^fiSM^ 110的孔径光阑方爐。在这个W^T^束的光的相位被LC相位调库i藤30所 制虫调制并!MJJ倒图像面板100"。
为了慰子iiW 本发明，掲示如下技;TfI景
照明光学元件40'被特别i(Mlf共到图像产生单元r，该图像产生单元包括用
于接收主照明光L1的光束的光输入部分40I'，照明光学元件^ig用的且包括装 置30， P，该驢用于3^i也和/跡相关地调制戶; ^接收的主照明光Ll的戶服光 束的多个部分或子光束的波前，相位淑目位关系，以产赵劍予贩理的主照明光Ll，的相应部分或子棘，作为具有木g^彼li^te柳I^相关调制的赫，相位和 /^S位M的第二照明光束L2的相应部分或子光束，其^gffl的且包括用于叠 力口和/驢乡IM述具有相赠皮此3拉和/或不相关调制的波前，相位柳淑目位^t系 的第二照明光束L2的相应部分或子光束的装置，以便产生与戶;M主照明光L1相 比具有 >的1^王噪声属性的第三光束L3,且包括用于掛共戶;f^三照明光L3 作为输出光的 出部分40O'。
戶;f^照明光学元件40，可以^tffl的且可^^g40， 41， 30， P用于将所 ,收的主照明光L1的^^分^^M接收的主照明光L1的戶，光束的戶7M多个 部分或子舰。
S^^照明光学元件40，中，用刊iMSV跡相规调带Wtf，相位殿目
位关系的戶满驢30， p可以适用于将戶;f^接收的主照明光Ll的光戯盼为戶诚 接收的主照明光li的戶; ^^光束的戶 多^分或:？^。
用刊teiWR目关地调带JW，相位淑目位关系的戶;M體30， p可鹏
供为光舰理光学元件30殿敝调 30并且尤其掛共为搬调律,。
戶;i^fe光予M理光学元件30 ^^M相位调制JH可包含^iA口部分E，用于接收 主照明光L1，光予MS部分P，用于 MS^M接收的主照明光Ll以产生予M te照明光Ll'作为第二照明光L2，及，出部分O,用于^f共JM^二照明光
L2，其中所述光予 ^部分P适用且包括用于调制戶;M接收的iM明光Ll的一
个或多4^盼^tr禾p/淑敝关系的體，以产生具有己调制的波前和特别地己
调制相位，的戶腐予M理的主照明光Ll'作为戶/^二照明光L2。
附加鹏可iii也，^^ ^照明光学元件40'中，fM光予MS光学元件30和 特别i妙脱相位调第幡30可包括光学入口部分E，用于接il^f述接收的主照明光 Ll的所述，^^M多WM，光予M理部分P，用于予^bS^a^接收的主照
明光L1的所述光^p;f述光束的所述多^m束以产生予M理的主照明光Li的
相应光束或光束的相应多，分或子M作为第二照明光L2的相应光^6束 的相应多锦分或^ ^，以及光输出部分O，用于M^f職二照明光L2，其 中戶/M光予MS部分P适用且包括用于^^i顿口/^相关地调库iM^接收的主照 明光L1的0MM的所述多，分或子光束的波前、相位淑目位关系的装置，以 产生 M理的主照明光Ll'的戶皿相应部分或子光束作为具有相,彼]^拉和/或 不相关调制的波前，相位和/敬目位关系的所，二照明光L2光束的戶 相应部分或预束。
所述光予MS部分p可包含一个或多个液晶元件34'作为Mr调制禾q/淑敝 调制^^牛或由其 ^成。
所述液晶元件34，可*娜戯板状结构柳或平面结构，特别是液晶层34 0
由戶;M^4a部分e、所述光予ms部分p和戶;M光输出部分o形成的布置
可定义并形iM;轴Z，其中戶;M^液晶元件34，可定义并形成垂直轴，且其中所述光 轴z禾口戶腿垂直轴可被定向为彼此平行。
戶/M液晶元件34，可由第一衬底31a禾口第二衬底31b支持柳鹏造絲一衬 底31a和第二衬底31b之间，特别是以平行的方式，其中第一衬底31a特别鹏 皿少部分戶皿m^部分E，第二衬底31b特别± 皿少部分戶腿光输出部 分O。
戶;M^一禾nM^Mm二衬底31a， 31b可,成为板鹏构。 戶;M光 MS部分p可包含至^"鄉一和第二控制电极32， 33的电极布
置35，用于^^fi^液晶元件34'JJS加电场或腿以在可筋式下體该液晶元
件的光学属性。
戶腐一对第一和第二控制电极32， 33的所鄉一控制电极32可l跡戯单 个和公共的电极32。
戶腿一鄉一和第二控制电极32, 33的所鄉二控制电极33可被形成为独 立可控的单个电极33i的排列或阵列，i=l，.. .M。
戶;Mm二控制电极33的臓te可控的单个电极33i(i=l，...竭的戶繊咧 ^^f述阵列可定义所述液晶元件34，^^F述液晶层34的液晶元件片断34 G= 1,…M)的相应排列淑目应阵列。
所逸照明光学元件40，可包含光学元件，所述光学元件翻且W成为或包 含用于MM述光予M理光学元件30接斷/f^二照明光L2以f生和衝共聚光 的第二照明光L2，作为第三照明^^出光L3的装置40， 41， 45。
相位调带J^30可^S在光学元件40， 41， 45之前，中间叙后的ftf可示出 的位詈X1， X2， X2，， X3处。
戶;MM明光学元件40，可包含纖片断40j (H，…，N)的第^tH阵列40， 期皮布置^^f述光予舰理光学元件30的光输出部洲ij，且其iSffi^fe含，以接 iB^f，二照明光L2且产生和^f共相应M:的N个所，二照明光L2的，束作为所g三照明光L3 ^^雏形。
所逸照明光学元件40，可包含聚^S1;45，其被布置以接iB^Mm二照明光 L2的戶;f^ ^束，且其iiffl于聚焦所述第二照明光L2的所述子光束以产生皿 供所鄉三照明光L3。
所述照明光学元件40，可包含 片断4Qj， (j，-l，.. .，N，)的第1镜阵列41 ， 其被布置^^F述光预处理光学元件30的光输出部分的Hi且^^^Ht^阵 列40和所述聚，镜44之间。
所鄉一和所鄉:^g镜阵列40， 41的戶/Mli片断40j和40j， (j=l，..."，，
j，D)可分别形成并布置为彼此~m并且按照,;Mm—和臓第z^g
镜阵列40, 41的戶; i^g^t断40j， 41j，的Ff^t应，分别地，所皿二照明光 L2的子^^1由戶;^ 阵列40的给^M片断40j形成，并且^&廓成像至U所 職:^t阵列41的相舰应的mTO41j,。
J^f共照明单元l，其包含用于产生和掛共主照明光L1的光源单元10'，和按 照本发明用于接il^Mi照明光Ll OT于产生和衛共fMS的主照明光Ll '作为 第二照明光L2的照明光学元件，当与戶;M主照明光L1相比0tB二照明光L2具 有调制的波前。
所述光予MS光学元件30的液晶元件34'可自并布置为完全Mf^iM明 光L1照抓
所述光源单元10，可包含至^"个才FF^M 10。 所述相T^6源10可以是激光光源。
臓光源单元10,可包含棘扩展器光学元件20，其适用且包含用于扩跡 ^i照明光Ll以^fM光予MS光学单元30的戶;M液晶元件34'可被完全照射的 驢。
按照本发明的又一方面，图像产生单元r包含根据本发明的照明单元i和图
像调制单元100',其M用、布置且包含用于接收照明光L3，产生和掛射樣图像 I的输出光L4的装置。
本发明还描述了光学设置，其可将激光^"激M阵列转换为适用于均匀照 亮图像调制器的齡活动区域的开邻。同时其随抛也干扰光束的相位波前以 > 所，的图像的t^M比度。
描述了一种用于均匀照亮图像调帝職和M^由相干且准直的光源(激光)所弓胞的t^王的方法，包括光菊广展器和/^^ ^或两者的组合，用以将相 ^扩展柳 ^为具有更対 面柳或不同开邻的光束。至^^tit镜阵列 丰體于所述扩展的光束的颠各上，从而产生多付光束，^h所述子光柬照亮图像调讳螺。至^"个液晶单減Lc单元!體于戶;f^扩展的光束的颠各和/^^述子光束的^S各上，其被igffl和/^T置为以横向或时间的方式改变在lc层中的指向矢分布，因此干扰子光束的 并由此 >膨至摒幕时所得到的光束的1^王 对比度。替代的或附加地，可{顿至4"个移动^^转的扩散器，在这种情况下lc单^液晶单^ 上不^^、须的。相T^^r以是彼此不相干的相T^:的阵歹u鄉例，其中所述光莉广展器 禾n/^^^l^Sffl和/赫置以扩膨i^所述阵列的,鹏FP^束。光束扩展器和/或光束整皿可被适用和/^置以将光束形成为与戶; M!t 阵列一致的开邻。光束扩展器和/或光束整職可被适用和/郝置以用均匀的光分布照^^^ 透镜阵列。光束扩展器和/或舰整麟可包含至少一个衍射光学元件以扩展光束称或 对^ 。光束扩展器和/或光束整麟可包含至少一个扩散光学元件以扩展棘称或 对光束娜。doe敏广散光学元件可旋转鄉动以^1>|^树比度。光束扩展器和/^束整皿可包含至少一个衍射光学元件以扩展M和/或 对棘跡。纖阵列可由多4sgn片,賊，^M片断的^K类似图像面板(例如，矩形)，且其中m^t片断的光学功率,于让^h所述子光束照^h^對周 口第二jtl竟阵歹何被4顿，其中^HtH片断可^g用禾口/，置^0fi^^i镜阵列的相应片断作为目标成像在图像调带攤的图像面社。可^!竟阵列和图像调帝螺之间4顿附加光学體，例如聚^ ，以将每 个戶;M子光束動倒图像调库螺上。可 |竟阵歹诉口图像调伟幡之间{顿光学體，例如^ii，以在图像调带滕上形成焦阑光束。可錢~ 阵列之制顿窄角扩散器以抑制干扰伪影，其中以斑中方微 用角度扩散从第"Ht镜阵列上的^tll片断出现的子光束完全充满，但不超 出第^ 阵列上的相^ 片断的 虑。窄角扩散器板可周斯性iM随机移动以进一步^l^^树比度。该移动可以是扭可方向的平移鄉鬼转 任意组合。本发明还描述了一种投影仪的照明单元或用于，仪的照明单元并利用激 光光源，但克服激光公知的缺点t^树比度和对巨鹏的安全隐患。揭示了一种不^OT粗可移动部分而M^t^树t浏E^同时在图像调库幡上实i鹏匀的光分布的方法。下ra详细地参考附图，其示出了^m实施例和执行本发明的;MP方式的细节。图9示出了本发明的一^ffl^面的^E框图。图9中以示意的方^出了按照本发明的图像产生单元r的实施例。该图像 产生单元r由按照本发明的照明单元i的实施例形成，其iSffl于并包括产^^明 光的體，在这里是以第三照明光L3的形式。戶; ^照明光被图像调律幡ioo'所接收，图像调制藤100'又形成4樣要显示的图像I的图像^^光L4。照明单元 1的该实施例包括具有产生主照明光L1的至少一^6源10的光源单元10'。所述 主照明光L1 m^并照谢至啦照本发明的光予MS光学元件30殿目位调带勝30 的实施例,其适用于且包含MM^收的主照明光L1产^m二照明光L2的装置， 戶;Mm二照明光L2是所^i照明光Ll的预处理的形式Ll'。该予MS包括所述 主照明光Ll的 调第,其一^束或多^6束的 "调制以 > 免由于 所駐照明光L1的相千性而产生的寄生光学噪声。按照本发明的光予MS光学元 件30敬目位调伟幡30的实施例包括适用于/A^述光源单元10，接iB^f胜照明光 Ll的光iSA部分E。所述主照明光L1然后MJIf共到^a^执行戶;Mi照明光Ll 的波前调制的预处理部分P以产生予，理的主照明光L1'，主照明光L1'作为第二 照明光L2被^f共到戶鹏光予IM光学元件30敬目位调希離30的光输出部分O。 所述光输出部分O适用于并包括鄉和照谢所述第二照明光且将其衛共至鹏明光 学元件40'的體。^Bff^照明光学元件40'中，《妙; 述接收的第二照明光L2更 均匀并且然后对其，和聚焦用 ~^的处理，例如用于将戶/f^二照明光L2作为聚光的第二照明光L2'衛共到戶脑图像调帝勝单元100'。所述聚光的第二照 明光L2'还被称为第三照明光L3 。图10A是按照本发明的S^产生单元r的 实施例的示意性的，纖面侧视图。在该实施例中，照明单元io'包括由激光光源或激光光源p车列所形成的光源10,且其产生作为戶/^照明光Ll的激^^激舰阵列。该激光被扩展器光学 元件20所接收以扩展i^照明光Ll以实现随后的光予M理光学单元30殿g^调 伟幡30的完全照谢或照明。在图10A的实施例的情况下，^6fMS光学元件30 翻位调律i微30作为娜于隨和时间的相位调帝螺，其作为空间坐标x， y的函数和时间t的函数调制M束的光学相位》或激皿的不同禾M面部分的光学 相位4)。随后的照明光学元件40，包^ 阵列40，其借助于相应的纖片断由 所述相应的N ^m^断^l^广展的和相位调制的一个或多个激j^盼成N个不 同的^6束。借助于随后的聚，镜45作为所述照明光学元件40，的一部分，空 间分离的子光束然后被聚焦到随后的包含相应图像调制器100的图像调制单元 100， 。在图10A中示出的该实施例的所有光学部件髓公共光轴Z抖咧。所述光轴z被排列为与戶;M光予MS鮮元件30淑目位调制滕30，戶;f^t阵列40和所 ^ 45的光学表面垂直^S:^直。激^或 ^阵列10被^T展器光学元件20所扩展。该扩展的M由 igfl阵列40划分成N个空间分离的子M。该^^，^g^ 45聚焦到图像 调讳螺100。相位调库幡30 ^g于扩展光粒内的隨以不相关或随机的方式 千$ 1"的舰的相位，以 ii^所膨的图像的t^树比度。纖阵列40包括N个不同的m片断，其中^Nm^断都具有与图像调帝i勝100相同的长宽比的矩形开娥，以照亮图像调带徵的針t^力区域。在图像调伟幡100的、)^力区耻 得到的照明^^布由N ^T光束的叠加而平滑。图10B的实施例与图IOA类似，除了没有明确的舰扩展器光学元件20， 其功能!炒万述光予1^理光学元件30 ^^ 述相位调帝螺30同时实现。图i a是按照本发明的图像生成单元r的雌实施例的示獻纖面侧视图。 在该实施例中，照明单元io'包含由激光光源或激光光源阵列所形成的光源 io，其因此产生激^^激光束阵列作为戶;^i照明光Li。该激光被扩展器光学元件20所接收以扩展该主照明光L1以实现随后的光予MS光学元件30淑目位调 带腊30的完全照谢或照明。在如图11A的实施例的情况下，光予MS光学元件 30淑目位调审勝30用作^^于健和时间的相位调帝ij^，其作为空间坐标x， y 的函数和时间t的函数调制激光束的光学木敝4)或激M的不同糊ia面部分的 光学相位cl)o随后的照明光学元件40，包^gH阵列40，其借助于相应的纖片 断由所述相应的N 4SmH"断樹广展的和相位调制的一个或多个激光戯吩成N ^h不同的子光束。借助于作为所述照明光学元件40'的一部分的随后的聚j1^ 45，空间分离的T^然后麟焦到随后的包含相应图像调第螺100的图像调制 器单元lOO，。在图11A中示出的实施例的所有的光学部件被再次歸公共形由Z排列。所述光轴z被排列为与戶腐光予MS光学元件30淑目位调带藤30，戶;MM阵列40禾口所繊^M 45的光学表面垂直^S辆直。在图11A中示出的实施例类似于示出在图10A中的实施例。然而，掛共了一 些附加的驢。首先，戶;^照明光学元件40，附加地包括驢;^^^tlt阵列40和戶腐聚^ 45之间的第1^阵列41。第~^|阵列40包^ 片断401,—1,...凡 在图3A中示出的实施例中第Z^gH阵列41也包括N^M片断41i， Hl,...y。 在图3A的特定情况下第^g^阵列40的 片断401和第:= 阵列41的， 片断411被几怖湖咧以实现相互的——对应。这意據由第^tm阵列40的透 镜片断40i产生的T^^^傲卩聚驗第Z^I阵列41的不同且固定的MK" 断41i上。附加地，图像调律幡100，进~^包括在图像调伟幡100之前的i織90以从 产生的具有相应子轮廓的N ^^光束中产生公共焦阑光細于图像调帝藤100。在该又一雌实施例中，l顿第:^itll阵列41以改善图像调帝幡100上的 照明分布。在该瞎况下，以这种方湖刚和/或调整两^Htlt阵列使得如图3A所示两^Mtti阵列^^皮此的焦平面。在这种情况下^m阵列40的健处的光束轮廓l^片断40i (i-l,…，N)的(矩形)开鄉吩为多^ 轮廓。^T轮廓 被相应的纖片断41i (i—,…^N)和聚^tl竟45成像到图像调库幡100，从而叠 加该N付轮廓以在图像调律i徵100的隨上实现均匀的轮廓。进"^mt赃图像调律螺之制顿戶;fi胃的:t繊90以获得大多数图像调制器100要求的焦阑光束。在图像调帝離100的錢的棘的光^g角性由具有雜a'的纖阵列41 的尺寸和聚^tH 45到图像调帝藤100的距离L，定义。光学径角性等于E=ti xAxsin2(9)，其中A是图像调审l徵100的面积且0^arctan(a/L)是在图像调帝徵 100的位置的光束的发散角度。必须注意至卿使激光具有几乎为零光對5角性— 其从光学设计的观点来看具有明显的优点一ilil本发明的，光對5角性被增加 到一定的值。光学径角性的增加对于^1>光束的空间相千性且随后^>1^王的对 比度^i、须的。光對5角性增力啲一个錢的效果在于对于目贜的更高的錄性: 从图像调讳幡出来的光既不相预不能像W;束被再次准直。另一方面，光對5 角性可被光学部件的尺寸和距离控制为一相当低的值，这也是相对于其他鄉如 弧光灯或LED的一馆点。图11B的实施例类似于图11A，除了没有明确的^^扩展器光学元件20，且 ^t力能M^腐光予舰理光学元件30 ^^^相位调帝螺30同时实现。图12是按照本发明的图像产生单元1'的雌实施例的^^纖面侧视图。在该实施例中照明单元10'包含由激光 阵列10所形成的光源10,其因此 产生激光束^t激光束阵列作为戶/^i照明光Ll。该激光被扩展器光学元件20所 接收以扩展駐照明光Ll以实现随后的光予MS光学元件30敬目位调带勝30 的完全照射或照明。在图12戶标的实施例的瞎况下，光予MS光学元件30淑目 位调伟螺30再次作为^^于健和时间的相位调讳幡，其作为空间坐标x， y的 函数和时间t的函数调制激，的光学相位小或激光束的不同糊，面部分的光 学相位小。随后的照明光学元件40，包 Sitl阵列40，其借助于相应的mH"断 由所述相应的N^m^断樹广展的和相位调制的一个或多个激光戯扮成N个 不同的子光束。借助于作为戶; ^照明光学元件40'的^P分的随后的聚^M 45， 空间分离的子光束然后被聚焦到随后的包含相应的图像调带勝腦的图像调伟螺 单元酵。在附图12中示出的实施例的所有的光学部件被g公共光轴Z排列。所述 光轴Z被排列为与所述光予MS光学元件30殿目位调审勝30，戶;fMH阵列40 和所述聚MH45的光学表面垂直 直。这Mff逸照明光学元件40，分别包括第一和第Z^i阵列40和41 ，分别具有 ^^:的纖片断40" 41i。附加地，图像调审勝单元謂，再次包括力織90。在图12的实施例中光源单元10'包括多个激光光源10以实现光予^b理光学 元件30戯目位调葡勝30腿"^图像调审徵单元100'的增加的照明。 图13的实施例^f共同样的方案。使用彼此不相干的多个(n)的单个激光器，具有进一步将t^树比度M^ 到1 优点。4顿激光器阵列(1D或2D)作为光源^i、要的，以超'j足够高的光学输出 功率。在该瞎况下，5fe^r展器20必须按照图12或13^gffi。在图12的情况下光^r展器被以这样的方^u置称皿用^bfc束樹广展以照^tiS镜阵列。在附图13的情况下^M广展器被以这样的方^置禾n/，用^h激皿仪照^ 阵列40的H在图9， IOA， IOB， IIA， IIB， 12和13中、歸光车妨向Z的箭头X J际 光予MS光学元件30^^^相位调讳幡30可會^b于的健Xl， X2， X2，， X3。在图9， IOA， IOB， IIA， UB， 12和13中示出了在齡实施例的情况下照 明光学元件40，的光输A^嚇出部分401，和400，。錄符号1 按照本发明的照明单元r 按照本发明的图像产生单元io 光源，相干光源，激光 io, 光源单元20 扩展器光学元件21 负纖22 扩散器23 衍射光学元件24 旋織25 iBilt30 按照本发明的光予Mb理光学元件，按照本发明的相位调帝'攞31a 第一衬底，第一衬赚31b 第二衬底，第二衬底板32 第一控制电极33 第二控制电极3力 第二控制电极的电极片断34 液晶层 34， 液晶元件35 电极布置40 第1镜阵列 40， 照明光学元件 4。r 光输入部分 400， 糨出部分40i 第HStl阵列40的mH"断41 第，镜阵列4h 第:^tll阵列41的m^断45 聚^SH90 繊100, 图像调制勝100" S^屏幕d 液晶层34的层厚度I 图像Ll 主照明光Ll' 予MS的主照明光，相位调制的主照明光L2 第二照明光L2, 会聚的第二照明光L3 第三照明光W ,光，图像光，输出光LC 液晶1^- 液晶层34的折射率O 光输出部分t 时间Ui 施加于第二控制电极33的片断电极33i的^JEz 光轴，形由的方向入 光的波长(p 由液b，层34弓跑的相位调制舰S,…，Sn 相行光束a 子光束之间的角度
权利要求
1.用于在投影屏幕(100”)处投影图像的图像产生单元(1’)，具有照明单元(1)用于产生多个相干的子光束(S1，…；SN)和用于照亮图像调制器(100’)，该照明单元(1)包括光源(10，10’)，投影透镜(110)用于将每个相干的子光束(S1，…；SN)叠加到投影屏幕平面(100”)，光学设置适于在每两个子光束(S1，…；SN)之间引入角度(α)，其被选择以在投影屏幕平面(100”)上生成步相关的散斑图案，导致干扰散斑图案，相位调制器(30)，包括液晶单元(LC)，适于以横向的方式改变其指向矢分布，因此能够单独地改变每个子光束(S1，…；SN)的光的相位，并且适于以时间的方式单独地改变每个子光束(S1，…；SN)的指向分布，使得所得到的在图像平面(100”)上的干扰散斑图案改变并与之前的不相关，且所述改变很快以致于在探测器的积分时间内，所得到的时间平均的干扰散斑图案的散斑对比度相对于非时间平均的干扰散斑图案减少。
2. 按照权利要求i的图像产生单元(r)，欺寺征在于戶;M角度(a )被 选择为探领TOL径角e的至A一半以探测在^^屏幕(100")处的图像。
3. 按照^i利要求i或2的图像产生单元(r)，期寺征在于戶;M液晶单元(LC)包括向列液晶。
4. 按照权利要求i或2之一的图像产生单元(r)，，征在于戶;f^液晶单元(LC)包括聚激分散液晶。
5. 按照权利要求i到4之一的图像产生单元(r)，欺寺征在于戶;f^光源(10， 10，)包括激光器和舰扩展器(20)以构建由子^^(S1,…;SN)所{ 的扩展的光束，所述光学设置包括第一和第二积分板(40， 41)和聚，镜(45)，由此所 述积分板(40， 41)由具有矩形形伏的多^Hi片断(40h 410构成，由此第一 积分板(40)的針这样的纖片断(400 ffiil第二积分板(41)的相^ 片 断(41i)以及聚ifeig^ (45)成像到图像平面(100，， 100")上。
6. 按照I51利要求5的图像产生单元(l，)，欺寺征在于戶皿光束扩展器(20) 包括凹 (21)和凸itlt (25)的组合。
7. 按照权利要求5的图像产生单元(l，)，期寺征在于所述光束扩展器(20)包括扩散器(22)禾口凸纖(25)的组合。
8. 按照权利要求5的M产生单元(r)，其特征在于所述光束扩展器(20) 包鄉动镜(24)禾口凸纖(25)的组合。
9. 按照权利要求1或2之一的图像产生单元(r)，期f征在于所述相位 调帝藤(30)位于戶;^^ (110)的孔径光阑中微于其P(逝。
10. j顿按照权利要求i的图像产生单元(r)的方法，其中^^鹏子^m(Sh.,.;SN)在图像平面(100")上产生散斑图案且由此 在图像平面(ioo")上构^^膽至啲干JTOS图案，戶/M相位调伟螺(30)以时间駄式^^鹏改变#^16束(81,...^)的指向 分布，使得所得到的在图像平面(100")上的干扰散斑图案 并与之前的不相 关，Sf 述被很快以致于在探测器的积分时间内柳寻到的时间平均的干扰t^王 图案的t^树比度相对于非时间平均的干M^i图案减少。
全文摘要
本发明涉及具有照明单元(1)的图像产生单元(1’)，用于产生多个相干的子光束(S₁，…；S_N)和用于照亮图像调制器(100’)，其包括光源(10，10’)，投影透镜(110)，用于将每个相干的子光束(S₁，…；S_N)叠加到投影屏幕平面(100”)，光学设置，适于在每两个子光束(S1，…；SN)之间引入角度(α)，选择该角度以在投影屏幕平面(100”)上产生不相关散斑图案，导致干扰散斑图案，和相位调制器(30)，其包括液晶单元(LC)，适用于以横向的方式改变其指向矢分布，因此能够单独地改变每个子光束(S1，…；SN)的光的相位。
文档编号G02B27/48GK101238735SQ200680021242
公开日2008年8月6日 申请日期2006年6月14日 优先权日2005年6月14日
发明者M·卡姆, O·里波尔 申请人:索尼德国有限责任公司