专利名称：用于均匀照射图像生成微显示器的方法和照射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及照射困像生成微显示器的照射装置.本发明还分别涉 及困像发生装置、均匀照射图像生成微显示器的方法以及计算机程序产品a背景技术显示装置在电子设备和定制装置中变得越来越重要.因此，技术 发展也集中于照射、图像发生和投影的工艺和装置.在当前照射系统中，光被引导和成形以均匀且静态地照射图像形 成装置.通常，这些照射系统包含许多光学产品以成形和均匀化从非 均匀光源发射的光，此外，使用相干光的照射系统导致的斑紋和其它 干涉破坏了图像质量，出现非均匀性.发明内容本发明的目的是解决这些问題.该目的分别通过如权利要求l、 13、 14和20所述的照射装置、图 像发生装置、方法及计算机程序产品来达成. 另外的实施例定义于从属权利要求.通过考虑附图及随后的说明书，本发明的更多细节将显而易见.
图1示出用于均匀地照射困像生成微显示器的照射装置；困2示出根据本发明另一实施例的步稞；图3A示出衍射光学元件的原理工作功能；图3B示出衍射光学元件导致的不同衍射级数；图4示出哈达马德图案(Hadamard pattern)序列；图5为说明照射像平面的示意图；图6示出照射装置的另一实施例；图7示出全息图案序列中移动光栅的序列；图8A示出图像发生装置的实施例；图8B示出图像发生装置的另一实施例；图8C示出困像发生装置的另一实施例；困9示出图像发生装置的另一实施例；图IO示出困像发生装置的另一实施例；以及图ll示出闺像发生装置的另一实施例.具体实施方式
在下文中描述本发明的实施例.重要的是，注意，在下文中所有 所述实施例可以按任意方式组合，即，不存在特定所述实施例不能与 其它实施例组合的限制.在图1描述照射装置100的第一实施例，该照射装置100包括相 干光源102、以及位于相干光源102和困像生成微显示器108之间的光 路106上的束成形和斑紋减少元件104，其中所述束成形和斑紋减少元 件104包括由处理器112控制的动态衍射光学元件110，使得不同全息 图案的序列生成于所述动态衍射光学元件110上，且所述不同全息困 案彼此不相关联.该全息图案也可称为"计算机生成全息图(CGH)"，并用于改变 由所述相干光源102发射的相干光束的照射特性使得在图像生成微显 示器108的有源区域内被均匀地照射，使得具有相干光束114的截面A 的光剖面适合于图像生成微显示器108的有源表面区城.当在动态衍射光学元件110上使用不相关联全息困案序列时，不 同斑紋图案生成于图像生成微显示器108的有源表面区域上.由于斑 紋图案随变化的全息困案而改变，困像生成微显示器的有源区被不同 斑纹图案賅射，使得在全息困案序列上方，入射光的强度更加均匀地 分布在图像生成微显示器108的有源表面区域上.这种图像生成微显示器108可包括但不限于反射或透射式液晶装 置(LCD)微显示器、硅上液晶(LCOS)微显示器、透射式高温多晶 硅TFT (薄膜晶体管)LCD微显示器.采用该实施例，照射装置100 内不存在移动的光学元件，否则该移动的光学元件将成为噪声源或者 机械稳定性较低.在另一实施例中，所迷束成形和斑紋减少元件104包含分离的静态衍射光学元件，其配置成生成成形的相干光束114，使得所述成形的 相干光束114的截面尺寸A适合于所述图像生成微显示器108的有源 区116的尺寸.在该实施例内，该静态衍射光学元件用于成形相干光 束114的外部轮廊，而动态衍射光学元件与处理器112 —起用于减少斑 紋，根据另一实施例，该动态衍射光学元件由处理器112控制，使得 所述不同全息困案生成成形的相干光束114，使得所述成形的相干光束 114的截面尺寸A适合于所述困像生成微显示器108的有源区116的尺 寸.在该实施例内，仅使用一个衍射光学元件，即，动态衍射光学元 件IIO被用于束成形以及用于减少斑紋.根据另一实施例，通过将一个全息图案橫向地平移跨过所述动态 衍射光学元件110的表面，由此生成不同的全息困案，全息困案的这 种平移容易地由处理器112控制.全息闺案可用于成形相干光束114， 使得所述成形的相干光束114的截面尺寸A适合于所述困像生成微显 示器108的有源区116的尺寸.根据另一实施例，所述不同全息困案为不同的哈达马德图案，所 述哈达马德图案为具有彼此不相关联的部分的图案.在另一实施例中，该处理器配置成以比探测器的积分时间更快地 改变所述序列内的所述不同全息图案，该探测器考虑置于所述图像生 成微显示器108的位置.由于更快的变化，该探测器在不同斑紋困案 上积分，由此被更均匀地照射.在另一实施例中，该探测器为人眼. 在该实施例内，从困像生成微显示器108生成的困像的人观察者不再 受到由于使用相千光束114而引起的斑紋困案的干扰.根据另外实施例，所述动态衍射光学元件可以是透射或反射式微 显示器.在另一实施例中，该相干光源包括激光器.在使用有色光照射困 像生成微显示器108的照射装置中，可以使用用于不同颜色的三个激 光器，所述照射装置包括光学组合元件例如组合棱镜，使得组合光束 生成并导向束成形和斑故减少元件104.根据另一实施例，彩色照射装置设置有至少两个束成形和斑故减 少装置与光学组合元件，该光学组合元件位于所述束成形和斑紋减少 装置和所述图像生成微显示器之间的光路上，所迷光学组合元件配置成将来自所迷至少两个束成形和斑紋减少装置的入射光一起组合到所 述图像生成微显示器的有源表面上.在另一实施例中，提供了一种图像生成装置，其包括如上所述的 照射装置、闺像生成微显示器和投影透镜，其中所述困像生成微显示 器位于所述照射装置和所述投影透镜之间的光路上.采用该实施例， 由所述图像生成微显示器生成的图像可以被投影到屏幕上而没有干扰 的斑紋图案，使得所生成闺像的观察者不会受到由于所迷斑紋困案引 起的噪声的干扰.在图2,描述根据另一实施例的方法步築.在第一步骤S200，使用相干光照射束成形和斑故减少元件104. 所述相干光例如从激光源发射.在第二步骤S202，在至少一部分所述束成形和斑紋减少装置上生 成不同全息图案的序列，其中所述不同全息困案彼此不相关联.在第 三步骤S204,从所述束成形和斑紋减少元件104发射的光114重新导 向至图像生成微显示器108.在另一实施例中，提供了一种包括程序代码的计算机程序产品， 该计算机程序产品在栽入处理器时配置成在动态衍射光学元件上生成 不同全息图案的序列，其中所述不同全息困案彼此不相关联.如上所 述，动态衍射光学元件104上的该不同全息图案的序列可以用于减少 图像生成微显示器上的斑紋图案.在图3A和3B,描述衍射光学元件300的原理功能.在该衍射光 学元件300上，静态或动态地生成困案，在图3A中用包括笫一区域302 和第二区域304的结构来示意性描述该图案，该第一区域302和第二 区域304影响在此描述成入射平面波306的入射光，使得平面波306 在经过衍射光学元件300之后其幅值和/或相位被第一区域302和第二 区域304调制.在图3B，示意性描述了入射波306衍射到不同方向310、311、312、 313和314，其中该方向之一为零级衍射(方向312)，另外的方向311、 313为一级衍射，且再另外的方向310、 314为二级衍射，在图4，描述全息图案401的序列400，其中序列400包含m个不 同全息图案.每个全息图案具有不同区域402、 404,其中在图4中第 一区域402可视为描迷成白色，第二区域404可视为描述成黑色.所述笫一区域402和所述笫二区域404之间的差异可以是穿过相应区域 的光的不同相位和/或幅值调制.通过从处理器112控制动态衍射光学 元件110而获得不同的图案401.所描述的全息图案401具有方形外部形状，序列400内的每个全 息图案401通过该方形内第一区域402和笫二区域404的不同分布而不 同于其它全息图案.通过使用第一区域402和笫二区域404在方形内 的4x4矩阵中分布概率，序列400内的每个全息图案401与序列400 内的其它全息闺案401不相关联.如图4所描述的这种不相关联闺案的序列也可以称为"哈达马德" 图案.该哈达马德图案是基于二进制值.4x4图案是由(H16)哈达马 德矩阵来构图，该哈达马德矩阵由MxM不相关联单元组成.在全息图 案序列400生成于动态衍射光学元件IIO上之后，序列400可以重新开 始，或者序列400内全息图案的级数也可以改变.在图5，示意性描述了即使使用如图4所示的哈达马德困案，图 像生成微显示器的整个有源区116可以被均匀地照射，因为当相应地 构建束成形和斑紋减少装置时，束成形和斑故减少元件104的平面506 的每个点502或504可以照射图像生成微显示器108的整个有源区116. 因此即使在全息图案的序列400内使用幅值调制，第一区域402不是 透射式且第二区域404为透射式时，仍可以获得图像生成微显示器108 的有源区116的均勻照射.在图6,描述照射单元100的另一实施例，该照射单元100在束成 形和斑紋减少元件104内包含静态衍射光学元件600.该静态衍射光学 元件600在其表面上具有静态全息图案，该静态全息图案用于成形相 干光束114的光剖面以将其适合于困像生成微显示器108的有源表面. 在该实施例中，由处理器112控制的动态衍射光学元件IIO通过比探测 器的积分时间更快地改变例如图4所示的全息图案，从而用于减小斑 紋图案，其中该探测器视为置于图像生成微显示器108的位置.当在 该探测器的积分时间内使用M个不相关联图案时，斑紋噪声可以减小 序列400内不相关联全息困案数目的平方根倒数lWM，其中该探测器 可以是人眼.在图7,描述了用于改变序列内全息图案的另一实施例.在不同 时间tl、 t2和t3,在动态衍射光学元件110上生成不同全息图案700、702和704.每个全息图案700、 702和704适合于成形相干光束114， 使得其光剖面适合于困像生成微显示器108的有源表面区域.通过将 光栅706横向平移跨过动态衍射光学元件表面预定距离d，由此生成这 些不同的全息田案700、 702和704.该距离d可以与相互跟随的不同 全息图案之间的距离相同或不同.采用该实施例，实现了一种移动光 栅，而不在照射单元内实际移动装置.除了移动光栅之外，还可以相 应地使用移动漫射结构来减小困像生成微显示器上的斑紋噪声.在图8A，描述图像生成装置800的实施例.由相干光源102发射 的相干光束114被束扩展器802扩展并照射透射式微显示器804，该透 射式微显示器804用作束成形和斑紋减少元件104.所发射的光均匀地 照射透射式图像生成微显示器806，且从困像生成微显示器806发射的 光通过投影透镜808投射到屏幕(未示出).在图8B所示的另一实施例中，闺像生成装置800包含相干光源 102、束扩展器802、作为束成形和斑紋减少装置的透射式微显示器804、 以及将照射光从透射式微显示器804导向反射式困像生成微显示器810 的棱镜812.从反射式困像生成微显示器810发射的光经过棱镜812并 被投影透镜808投射到屏幕(未示出)。在图8C示出图像生成装置800的另 一 实施例.该实施例包含相干 光源102、束扩展器802、以及用作束成形和斑紋减少元件104的反射 式微显示器814.从反射式微显示器814发射的光被引导朝向透射式困 像生成微显示器806，且随后被投影透镜808投射到屏幕.在图9至11，描述用于提供彩色照射至图像生成微显示器的不同 实施例.在图9的图像生成装置800的另一实施例中，三个激光器，例如 绿色激光器卯0、红色激光器902和蓝色激光器904按其间成90。角的 方式布置，且其相应光被束扩展器906、 908和910扩展并被光学组合 元件912组合，组合的光发射朝向束成形和斑紋减少元件104，在本实 施例中该束成形和斑纹减少元件104包括动态衍射光学元件110和静 态衍射光学元件600.从束成形和斑紋减少元件104发射的光被引导朝 向与棱镜812相对的反射困像生成微显示器110,且随后被投影透镜808 投射到屏幕.在图IO所示的另外实施例中，使用与困9所示相同的结构，不过束成形和斑紋减少元件104仅包括由处理器112控制的动态衍射光学 元件110，使得动态衍射光学元件IIO上的全息困案被用于减小斑紋噪 声，并同时用于成形相干光束114的光剖面.在图11描述彩色图像生成装置1100的另一实施例.在本实施例 中，在成形和斑紋减少的束通过光学组合元件912被组合，通过棱镜 812引导至图像生成微显示器810并被投影透镜808投射到屏幕(未示 出)之前，三个激光器900、 902和904分别使用其相应发射光束照射 分离的束成形和斑紋减少元件104、 1102和1104.下述说明可帮助本领域技术人员更好地理解本发明.所提出的照射装置包括激光源，其可以是单色(单波长)或者 可以具有多种颜色(波长)；扩展透镜；微显示器，作为相位调制器； 一个或多个微显示器，用于生成图像；以及投影透镜.激光的特征在 于其是相干性高(光波长是同相的)的非常窄波段的发射源.对于投 影系统，通常使用红、蓝和绿三种颜色来再现有色困像，激光随后被 单个透镜扩展到笫 一快速切换微显示器上，该第 一快速切换微显示器 使用计算机生成全息图(CGH)通过光的相位来调制该光.换言之， 第一微显示器用作动态衍射光学元件(DOE).被该微显示器调制的激 光将改变与该微显示器提供的衍射元件的特征相关联的光分布特性.通过调制笫一微显示器(DOE)，不同困案将生成于笫二微显示器， 由于变化图案的高帧速率，在人眼看来该光均匀地分布在笫二微显示 器，该第二微显示器包含将投射在屏幕上的图像信息.斑紋通过对困像施加粒状结构而降低图像质量.粒化意味着非常 暗和非常亮的点或多或少随机地分布在观察到的困像上.通过施加具 有不同相位信息的不同图案，这导致在像平面形成不同斑紋图案，由 此可以减小斑紋对比度(噪声).时间顺序生成的不同斑紋困案的平均 值减小斑紋对比度.这意味着斑紋(粒化)被平滑，这样改善了图像 质量.因此，在短时间内需要大量的不同斑紋图案.快速切换微显示器 用作相位调制器以改变波前相位.该效果也可以使用移动漫射器来达 成，不过漫射器通常效率低(光损失)且另外目标照射困形的形状变 为模糊(褪色)边缘，这导致进一步光减少.为了获得相位差别足够大(直至一个波长)的大量图案，需要生成特殊图案.斑故困案必须彼此不相关联和相互独立，以减小斑故对 比度并且平滑困像.例如，哈达马德困案可以帮助生成不相关联相位困案.这些哈达马德图案是基于二进制值.4x4困案是由(H16)哈达马德矩阵构困， 该哈达马德矩阵是由MxM不相关联单元组成.斑故减少是由1A/M决 定.对于任意其它不相关联相位图案的序列，也可以获得相应的斑紋 减少.这些不相关联相位困案仅减小斑紋，另外使用漫射器或重新构 围类型的静态衍射光学元件用于束成形.另一实施例示出使用一个动态衍射光学元件用于束成形和斑紋减 少.这种情况下，困案生成于动态衍射光学元件，该动态衍射光学元 件为用作相位调制器的第一微显示器，该动态衍射光学元件为具有周 期性结构的光栅/漫射器类型衍射光学元件.对于漫射器类型，输入(第 一微显示器)和输出(像平面)元件通过傅立叶变换被连接，输入面 的每个点对输出面的所有点有贡献.通常，具有周期性结构的衍射光 学元件沿与光轴垂直的一个或两个方向移动，通过沿该光轴保持其位 置以减小斑故对比度.通过使用微显示器作为动态衍射光学元件，可 以通过在微显示器有源区上方平移该衍射结构来模拟该运动.如果该 运动快于人眼所能辦别，则可以获得成像器的无闪烁的照射.使用所提出的照射装置和照射方法，通过使用更少数目的光学元 件实现了用于照射微显示器的简单光学装置.单一元件实现了用于显 示器照射的束成形以及干涉(斑紋)抑制.没有使用例如旋转或振动 漫射器的移动部件来减小斑紋困案的可视性.更少的光学元件以及没 有移动的漫射部件增强了系统效率.使用由微显示器提供的计算机生 成全息图，这提供了不依赖于待照射的显示器尺寸、形状和纵橫比的 用于多种照射应用的高的设计自由度.
权利要求
1.一种用于均匀地照射图像生成微显示器(108)的照射装置(100)，包括相干光源(102)；束成形和斑纹减少装置(104)，位于所述相干光源(102)和所述图像生成微显示器(108)之间的光路(106)上，其中所述束成形和斑纹减少装置(104)包括动态衍射光学元件(110)；以及处理器(112)，所述处理器(112)配置成控制所述动态衍射光学元件(110)，使得不同全息图案的序列(400)生成于所述动态衍射光学元件(110)上，所述不同全息图案彼此不相关联。
2. 如权利要求I所述的照射装置(IOO)，其中所述束成形和斑紋减 少装置(104)还包括静态衍射光学元件(600),所述静态衍射光学元件(600)配置成生 成成形的相干光束(114)，其中所述成形的相干光束(114)的截面尺寸 (A)适合于所述图像生成微显示器(108)的有源区(116)的尺寸。
3. 如权利要求I所述的照射装置(IOO)，其中所述处理器(112)配 置成控制所述动态衍射光学元件(110)，使得所述不同全息闺案生成成 形的相干光束(114)，其中所述成形的相干光束(114)的截面尺寸(A) 适合于所述闺像生成微显示器(108)的有源区(116)的尺寸，
4. 如权利要求3所述的照射装置(100)，其中所述处理器U12)配 置成控制所述动态衍射光学元件(110)，使得通过将一个全息图案横向 平移跨过所迷动态衍射光学元件(110)的表面来生成所述不同全息图案.
5. 如权利要求1至4任意一项所述的照射装置(100)，其中所述不 同全息图案为不同哈达马德困案.
6. 如权利要求1至5任意一项所述的照射装置(100),其中所述处 理器(112)配置成比探测器的积分时间更快地改变所述序列(400)内 的所述不同全息图案，所述探测器位于所迷困像生成微显示器(108) 的位置.
7. 如权利要求6所述的照射装置(100),其中所述探测器为人眼.
8. 如权利要求1至7任意一项所述的照射装置(100)，其中所述动 态衍射光学元件为透射式微显示器(804).
9. 如权利要求1至7任意一项所述的照射装置(100),其中所述动态衍射光学元件为反射式微显示器(814).
10. 如权利要求1至9任意一项所迷的照射装置(100),其中所述 相干光源(102)包含激光器.
11. 如权利要求IO所述的照射装置(IOO)，其中所述相干光源(102) 包含用于不同颜色的三个激光器(卯O、 902、 904);所述照射装置(IOO) 还包含光学组合元件(912 )，所述光学组合元件(912)配置成组合所述 三个激光器(900、 902、卯4)的发射光以生成组合光束，且所述光学组 合元件(912)沿所述束成形和斑紋减少装置(104)的方向发射所述组 合光束.
12. —种使用不同颜色均匀地照射图像生成微显示器(810)的彩色 照射装置(100 )，包括至少两个如权利要求1至IO任意一项所述的照射装置(100);以及 光学组合元件(912)，位于所述束成形和斑故减少装置(104)和所述图像生成微显示器(108)之间的光路(106)上，所述光学组合元件 (912)配置成将来自所述至少两个束成形和斑紋减少装置(104、 1102、1104)的发射光一起组合到所述图像生成微显示器(108)的有源表面上.
13. —种图像生成装置(800)，包括 如权利要求1至12任意一项所述的照射装置(100); 图像生成微显示器(108);以及投影透镜(808),其中所述困像生成微显示器(108)位于所述照射 装置(100)和所述投影透镜(808)之间的光路(106)上.
14. 一种均匀照射困像生成微显示器(108)的方法，包括 使用相干光照射束成形和斑紋减少装置(104); 在至少一部分所述束成形和斑纹减少装置(104)上生成不同全息图案的序列(400)，其中所述不同全息图案彼此不相关联；以及将从所述束成形和斑紋减少装置(104)发射的光引导至所述图像 生成微显示器(108).
15. 如权利要求14所述的方法，其中选择所述不同全息图案以生 成所述相干光束(114)的成形束，其中所述成形的相干光束(114)的 截面尺寸(A)适合于所述图像生成微显示器(108)的有源区(116)的 尺寸.
16. 如权利要求15所述的方法，还包括通过将一个全息困案横向平移跨过动态衍射光学元件(110)的表面来生成所述不同全息困案.
17. 如权利要求14或15所述的方法，其中所述不同全息田案为 彼此不相关联的不同哈达马德困案或者不同相位困案.
18. 如权利要求14至17任意一项所述的方法，还包括 比探测器的积分时间更快地改变所述序列(400)内的所述全息图案，所述探测器位于所述图像生成微显示器(108)的位置.
19. 如权利要求18所述的方法，其中所述探测器为人眼.
20. —种包括程序代码的计算机程序产品，所述计算机程序产品 在栽入处理器(112)时配置成在动态衍射光学元件(110)上生成不同全 息图案的序列(400)，其中所述不同全息困案彼此不相关联.
全文摘要
本发明涉及用于均匀照射图像生成微显示器的方法和照射装置。一种用于均匀地照射图像生成微显示器(108)的照射装置(100)，包括相干光源(102)；束成形和斑纹减少装置(104)，位于所述相干光源(102)和所述图像生成微显示器(108)之间的光路(106)上，其中所述束成形和斑纹减少装置(104)包括动态衍射光学元件(110)；以及处理器(112)，所述处理器(112)配置成控制所述动态衍射光学元件(110)，使得不同全息图案的序列(400)生成于所述动态衍射光学元件(110)上，所述不同全息图案彼此不相关联。
文档编号G03H1/32GK101276198SQ200810088488
公开日2008年10月1日 申请日期2008年3月31日 优先权日2007年3月31日
发明者Z·法西厄斯 申请人:索尼德国有限责任公司