立体投影装置的制作方法

专利名称：立体投影装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于投影立体数字图像的装置，并且更特别地涉及使用偏振固 态激光器来创建用于数字电影投影的立体图像的改进装置和方法。
背景技术：
为了将数字投影系统看作传统胶片投影仪的适当的代替物，该数字投影系统必须 满足对图像质量的苛刻要求。这对多色电影投影系统来说就更是如此。对传统电影质量的 投影仪的竞争性数字投影替代方案必须满足高性能标准，提供高分辨率、宽色域、高亮度以 及超过1，000 1的帧顺序对比率。电影产业已日渐向产生及显示三维(3D)或感知的立体内容发展，以便向顾客提 供大型场地中的增强的视觉体验。尽管多年来诸如Disney的娱乐公司已在其主题公园中 提供了该内容并且Imax已针对这样的内容创建了特殊的影院，但是在这两种情况下胶片 已成为用于图像创建的主要媒介。为了创建立体图像，两组胶片和投影仪同时投影正交偏 振，每组针对一只眼睛。观众成员戴上相应的正交偏振眼镜，所述正交偏振眼镜为每只眼睛 阻挡一个偏振光图像同时透射所述正交偏振光图像。在正在进行的电影产业向数字成像的转变中，一些供应商(诸如Imax)继续利用 双投影系统来提供高质量的立体图像。然而，更普遍地，传统的投影仪已被修改为能够进行 3D投影。多色数字电影投影的这些传统投影解决方案中的最有前景的方案采用两种基本 类型的空间光调制器(SLM)之一作为图像形成器件。第一种类型的空间光调制器是由德克 萨斯州的达拉斯市的Texas仪器有限公司开发的数字光处理器(DLP)，是一种数字微镜器 件(DMD)。图1示出了使用DLP空间光调制器的投影仪装置10的简化框图。光源12将多 色未偏振的光提供到棱镜组件14中，所述棱镜组件14诸如例如Philips棱镜。棱镜组件 14将该多色光分成红色、绿色和蓝色分量波长带并且将每个带引导至相应的空间光调制器 20r、20g或20b。然后，棱镜14将来自每个SLM 20r、20g和20b的经过调制的光重新组合， 并且将该未偏振的光提供给投影透镜30，以供投影至显示屏或其他适合的表面上。基于DLP的投影仪展示出为从桌面到大电影院的大多数投影应用提供必需的光 吞吐量、对比率以及色域的能力。然而，存在固有的分辨率限制，其中现有设备通常提供不 超过2148X 1080像素。此外，高部件和系统成本已限制用于更高质量的数字电影投影的 DLP设计的适用性。此外，Philips或其他适合的组合棱镜的成本、大小、重量以及复杂性是 重要的约束。用于数字投影的第二类型的空间光调制器是IXD (液晶器件)。该IXD通过针对每 一个对应像素选择性地调制入射光的偏振状态来形成作为像素阵列的图像。作为用于高质 量数字电影投影系统的空间光调制器，LCD看起来具有一些优点。LCOS(硅基液晶)器件被 认为在大型图像投影中特别有前景。然而，LCD部件在保持数字电影的高质量要求、特别是色彩、对比度方面有困难，因为高亮度投影的高热负载影响材料的偏振质量。用于从这些传统的基于微型显示器(DLP或LC0S)的投影仪形成立体图像的传统 方法基于两种主要技术。例如被Dolby实验室所利用的不常见的技术类似于Maximus等人 在美国专利申请公开No. 2007/0127121中所描述的技术，其中使用颜色空间分离来在左眼 内容和右眼内容之间进行区分。在白光照明系统中利用滤光器来短暂地阻挡每种原色部分 达一部分帧时间。例如，对于左眼，将阻挡红色、蓝色和绿色(RGB)的较低波长光谱达一段 时间。在这之后，将对于另一只眼阻挡红色、蓝色和绿色(RGB)的较高波长光谱。将与每只 眼相关联的已调整适当颜色的立体内容呈现给用于该眼的每个调制器。观众戴上相应的滤 光器组件，所述滤光器组件类似地仅透射两个三色(RGB)光谱组中的一个。该系统相对于 基于偏振的投影系统来说是有优势的，在该基于偏振的投影系统中，可以将其图像投影到 大多数屏幕上而不需要利用定制的保持偏振的屏幕。然而，缺点在于，滤光眼镜很昂贵，并 且由于角度偏移、头部运动和倾斜观看质量会降低。此外，颜色空间的调整会很困难，并且 由于滤光存在着显著的光损失，从而导致更高要求的灯输出或降低的图像亮度。第二种方法利用偏振光。Svardal等人的美国专利No. 6，793，341中的受让于俄 勒冈州威尔逊维市的InFocus公司的一种方法利用递送给两个分离的空间光调制器的两 个正交偏振状态中的每一个。同时投影来自这两个调制器的偏振光。观众戴上偏振眼镜， 其具有用于左眼和右眼的彼此正交地被定向的偏振透射轴。尽管该布置提供对光的有效使 用，但是它会是非常昂贵的配置，特别是在每个色带均需要空间光调制器的投影仪设计中。 在另一种方法中，传统的投影仪被修改以调制从一个状态迅速切换到另一个状态的交替偏 振状态。例如，在DLP投影仪具有放置在光的输出路径中的偏振器(诸如由图1中的虚线 所指示的位置16处)的情况下，可以实现该方法。由于DLP没有被固有地设计成保持输入 光的偏振(这是因为该器件封装的窗口会因应力所导致的双折射而去偏振)，所以需要所 述偏振器。在该偏振器之后，可以在位置16处使用类似于在Robinson等人的美国专利申 请公开No. 2006/0291053中所描述的类型的消色差偏振切换器。这种类型的切换器使偏振 光在两个正交偏振状态(诸如线性偏振状态)之间交替旋转，以在用户戴上偏振眼镜的时 候允许呈现两个不同的图像，即对每一只眼呈现一个图像。在过去，Real-D系统利用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，其中眼镜由1/4波延迟 器加上偏振器的组合而制成，以在阻挡一个状态之前将圆偏振光改变回到线性偏振光。显 然，这对头部倾斜较不敏感并且该消色差偏振切换器更易于制造。然而，相对于仅仅使用偏 振器的实施例来说，该眼镜增加了花费。在任何一种情况下，显示屏必须基本上保持入射 图像承载光的偏振状态，并且因此其通常被镀银。镀银屏幕更昂贵并且对增益呈现角度敏 感性。虽然该系统具有一定价值，但是基于MEMS的系统因为其需要偏振而存在显著的光损 失，这使输出减少了一半。类似地，由于偏振切换器，存在额外的光损失以及增加的成本。基 于LC0S的投影仪的优点在于，在大多数配置中输出通常已经是偏振的。由于通过高角度光 学器件来保持高偏振控制很困难，所以这些投影仪一般更昂贵。因此，其他成本抵消了效率 方面的任何增益。照明效率的连续问题与光展量(etendue)或者类似地与拉格朗日(Lagrange)不 变量有关。如在光学领域中熟知的，光展量与光学系统可以处理的光量有关。潜在可能的 是，光展量越大，图像越亮。从数值上而言，光展量与两个因子、即图像面积和数值孔径的乘积成比例。就图2中所示的简化光学系统(其具有光源12、光学器件18以及空间光调制 器20)而言，光展量是光源面积A1与其输出角度0 1的因子并且等于调制器的面积A2与 其接受角度9 2。为了增大亮度，期望从光源12的面积提供尽可能多的光。作为一般原理， 当光源处的光展量与调制器处的光展量最接近地相匹配时，该光学设计是有利的。例如，增大数值孔径会增大光展量，从而使得光学系统捕获更多的光。类似地，增 大源图像大小(从而使得光源于更大的区域)会增大光展量。为了利用照明侧增大的光展 量，该光展量必须大于或等于照明源的光展量。然而，典型地，图像越大，成本就越高。对于 诸如LC0S和DLP部件的器件来说尤其是这样，在这些器件中硅基底和潜在缺陷随着大小而 增加。一般来说，增大的光展量导致更复杂并且更昂贵的光学设计。当光源的光展量与空间光调制器的光展量很好地匹配时，效率得以改善。较差匹 配的光展量意味着该光学系统或者光缺乏从而不能向空间光调制器提供充足的光，或者效 率低从而实际上丢弃了为调制而生成的光的很大一部分。以可接受的系统成本为数字电影应用提供足够的亮度的目的已避开了 LCD和DLP 系统二者的设计者。基于LCD的系统已受到对偏振光的要求、降低的效率和增大的光展量 的连累，甚至在使用偏振恢复技术的情况下也是如此。不需要偏振光的DLP器件设计已证 实在某种程度上更有效，但是仍需要昂贵的、寿命短的灯以及成本很高的光学引擎，这使得 它们太昂贵而不能与传统的电影投影设备竞争。为了与基于胶片的传统高端投影系统进行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前的这种设备相当的电影亮度等级。作为某范围理念，典型的 影院需要将10，000左右的流明投影到对角为40英尺左右的屏幕大小上。在屏幕范围的任 何位置处均需要5，000流明到40，000流明以上。除了该苛刻的亮度要求之外，这些投影仪 还必须递送高分辨率(2048X1080像素)并且提供大约2000 1的对比度以及宽色域。一些数字电影投影仪设计已证实能够实现这样的性能等级。然而，高设备成本和 操作成本已成为障碍。满足这些要求的投影装置通常其成本均超过$50，000并且利用高瓦 数的氙弧灯，所述氙弧灯需要以500到2000小时之间的间隔进行替换，其中一般的替换成 本通常超过$1000。氙灯的大光展量对成本和复杂性有相当大的影响，因为它需要相对快的 光学器件来从这些源收集和投影光。DLP和LCOS IXD空间光调制器(SLM) 二者共有的一个缺点是它们的使用固态光 源、特别是激光源的有限能力。尽管在相对光谱纯度和潜在的高亮度等级方面它们比其它 类型的光源占有优势，但是固态光源需要不同的方法以便有效地利用这些优点。与早期的 数字投影仪设计一起使用的用于调节、重定向以及组合来自色彩源的光的传统的方法和器 件会约束使用激光器阵列光源的程度。固态激光器保证在光展量、寿命以及整体光谱和亮度稳定性方面的改进，但是到 目前为止，其仍不能以数字电源可接受的足够等级和成本来递送可见光。在最近的开发中， VCSEL(垂直腔面发射激光器)激光器阵列已经商品化并且示出一些作为可能的光源的希 望。然而，亮度仍不够高；为了为每种颜色提供必要的亮度需要来自九个之多的分离的阵列 的组合光。使用固态阵列用于数字投影仪的传统方法存在其它困难。可以使用相干激光器 的单片阵列，例如诸如在Kappel等人的标题为“Laserllluminated Image ProjectionSystem and Method of Using Same”的美国专利No. 5，704，700中所描述的微激光器阵列。 利用这种类型的方法，将激光器的数目选择为与投影仪的流明输出的功率要求相匹配。然 而，在高流明投影仪中，这种方法存在许多困难。随着器件数目的增加，制造产量下降，并且 热问题对更大规模的阵列来说是显著的。相干性还会对单片设计产生问题。激光源的相干 性通常引起伪像，诸如光学干扰和斑点。因此，优选地使用相干性、即空间和时间相干性较 弱或可忽略的激光器阵列。虽然从改进色域的观点出发光谱相干性是合乎期望的，但是，对 于降低对干扰和斑点的敏感性来说，少量的光谱加宽也是合乎期望的，并且其还减轻单个 光谱源的色偏移的影响。该偏移可能在例如已分离红色、绿色和蓝色激光源的三色投影系 统中发生。如果单个颜色阵列中的所有激光器被连接在一起且它们具有窄波长，并且在该 工作波长中出现偏移，则整个投影仪的白点和颜色可能会落在规格之外。另一方面，当以波 长的小变化平均该阵列时，会大大降低对整个输出中的单个色偏移的敏感性。虽然可以向 该系统添加部件来帮助减轻相干性，但是除了光源之外用于降低相干性的大多数装置利用 提高光源的有效范围(光展量)的部件，诸如扩散器。这可以导致额外的光损失并且增加 系统的费用。保持激光器的小光展量实现了用于照明的光具组的简化，这是高度合乎期望 的。用于投影应用的特别关注的激光器阵列是各种类型的VCSEL阵列，其包括 来自加利福尼亚州桑尼维尔市的Novalux的VECSEL (垂直外延腔面发射激光器)和 NECSEL(Novalux外延腔面发射激光器)器件。然而，使用这些器件的传统解决方案容易出 现很多问题。一个限制与器件的生产有关。主要由于关键部件的热和封装问题，商业化的 VECSEL阵列在长度上被延伸但是在高度上受到限制；典型地，VECSEL阵列仅具有两行发射 部件。使用两个以上的行趋于显著地增加生产困难。这样的实际限制将使得难以为投影装 置提供VECSEL照明系统。除了这些问题之外，传统的VECSEL设计易于产生功率连接和散 热困难。这些激光器具有高功率；例如，频率为来自Novalux的双行器件的两倍的单行激光 器器件产生超过3W的可用光。因此，可能存在显著的电流需求和来自未使用的电流的热负 载。寿命和光束质量主要取决于稳定的温度保持。将激光源耦合到投影系统存在使用传统的方法不能完全解决的另一困难。例如， 当使用Novalux NESEL激光器时，每种颜色需要大约九个2行乘以24的激光器阵列，以便 接近大多数影院的10，000流明要求。期望从主要的热敏感光学系统分离这些光源以及相 关热量和电子递送及连接以允许投影引擎的最佳性能。其他激光源也是可行的，诸如传统 的边缘发射激光二极管。然而，这些激光源更难以以阵列的形式封装并且传统上在较高的 亮度等级下具有较短的寿命。传统的解决方案不能完全解决激光源与系统的光展量匹配问题，以及从光学引擎 热分离照明源的问题。此外，传统的解决方案不能提供更有效地使用来自激光器件的偏振 光的方式。因此，可以看出，存在对将偏振激光光源的优点用于立体数字电影投射系统的照 明解决方案的需要。

发明内容
本发明的一个目的是解决对利用数字空间光调制器(诸如DLP和LC0S)的立体成像以及相关的微显示空间光调制器设备的需要。考虑到这一目的，本发明提供一种数字图 像投影仪，其包括第一偏振光源；第二偏振光源，其偏振状态与所述第一偏振光源正交； 偏振分束器，其被设置成沿着共同的照明轴引导具有所述第一或第二偏振的光；MEMS空间 光调制器；以及投影光学器件，其用于递送来自所述MEMS空间光调制器的成像光。本发明的特征是它提供用于改进照明和调制部件之间的光展量匹配的方式。在结合附图阅读了下面详细的描述之后，本发明的这些和其他目的、特征和优点 对于本领域技术人员将变得显而易见，在所述附图中示出并描述了本发明的说明性实施 例。


尽管以权利要求结束的说明书特别指出并且明确要求保护本发明的主题，但是要 相信在结合附图时从下面的描述将会更好地理解本发明，其中图1是使用用于不同的色彩光路径的组合棱镜的传统投影装置的示意性框图；图2是示出光学系统的光展量的代表性图；图3A和3B是示出不同固态光阵列-光导组合的相对填充因数的平面图；图4是示出一些实施例中的投影装置的一般布置的示意性框图；图5A是示出用于沿着相同的照明路径组合来自多个固态光阵列的光的一种方法 的示意性侧视图；图5B是示出用于沿着相同的照明路径组合来自多个固态光阵列的光的可替换方 法的示意性侧视图；图6是图5A中示出的用于组合光的配置的透视图；图7A是示出在一个实施例中使用偏振分束器来引导来自多个固态光阵列的具有 一种偏振状态的照明的示意性侧视图；图7B是示出在一个实施例中使用偏振分束器来引导来自多个固态光阵列的具有 正交的偏振状态的照明的示意性侧视图；图8是示出用于立体图像表示的偏振状态的交替时序的时序图；图9A是示出在一个实施例中使用光重定向棱镜来组合来自多个固态光阵列的照 明的示意性侧视图；图9B是图9A的光重定向棱镜的透视图；图10是可替换实施例中的光重定向棱镜的示意性侧视图；图11是示出使用两个光重定向棱镜来提供来自固态光阵列的正交偏振光的示意 性侧视图；图12是示出使用接受来自两侧的光的光重定向棱镜的实施例的示意性侧视图；图13是针对具有每种偏振的光使用图12的光重定向棱镜的照明装置的示意性侧 视图；图14是使用利用图12的光重定向棱镜的偏振照明的投影装置的示意图；图15是使用利用图12的光重定向棱镜的偏振照明的可替换投影装置的示意图， 但是其没有光导；以及图16是示出单个像素调制器及其旋转轴的透视图。
具体实施例方式本描述特别针对形成根据本发明的装置的部分或者与根据本发明的装置更直接 地协作的元件。应当理解的是，未具体示出或者描述的元件可以采用本领域技术人员所公 知的各种形式。在此所示出和描述的图被提供以说明根据本发明的工作原理，并且其不是以示出 实际大小或尺度的意图而被绘制的。因为本发明的激光器阵列的部件部分具有相对的尺 寸，所以一定的放大是必须的，以便强调基本结构、形状和工作原理。本发明可以与基于微机电结构(MEMS)的调制器一起使用，因为这些调制器不会 以单个像素为基础改变入射光的偏振。MEMS器件包括微镜结构(诸如Texas仪器的DLP)、 光栅光阀器件(诸如Kodak GEM)以及光快门器件(诸如Unipixel Opcuity结构)。本发明的实施例使用独立寻址的偏振激光光源解决了对立体观看系统中的改进 的亮度的需要，并且提供还可以允许激光器组件的容易移除和模块替换的解决方案。本发 明的实施例额外提供降低热效应的特征，否则该热效应可能会在与基于偏振的投影仪一起 使用的光学部件中引起热致应力双折射。本发明的实施例利用了从VECSEL激光器阵列或 其他类型的固态光阵列发射的光的固有偏振。参考图3A和3B，以横截面的方式示出了固态光阵列44的纵横比(相对于任意孔 径)。如图3A所示，孔径未被填充满，这会容易地引起空间光调制器处的较差的光展量匹 配。在图3B中，光源的纵横比使用组合阵列44和44’来实现与所示出的圆形孔径的更好 的匹配。随后描述组合多个阵列44的方法。本发明的实施例的用于减少热负载的一种方法是使用波导结构将光源从光调制 部件隔离。来自多个固态光源阵列的光被耦合光波导中，所述光波导将光递送到调制器件。 当这被实现时，光源-波导界面的几何形状可以得以优化以便波导输出与空间光调制器的 纵横比很好地匹配。实际上，这意味着，波导孔径基本上被填充满或者稍微未填充满，以便 保持最佳的光展量等级。该布置还有助于使照明光学器件的速度要求最小化。为了更好地理解本发明，描述在其中本发明的装置和方法可以工作的整个背景是 有益的。图4的示意图示出了在本发明的多个实施例中使用的投影装置10的基本布置。示 出了三个光调制组件40r、40g和40b，每个光调制组件调制来自照明组合器42的红色、绿色 或蓝色(RGB)原色中的一种。在每个光调制组件40r、40g和40b中，光学透镜50将光引导 到偏振保持光导52中。在光导52的输出端处，透镜54引导光通过积分器51 (诸如例如蝇 眼积分器或积分棒)，到达空间光调制器60，所述空间光调制器60可以是DLP或其他MEMS 空间光调制器部件。在本发明的装置中，这样的调制器必须接受具有两种正交的输入偏振 状态的入射光并且必须保持该偏振差，从而提供作为具有对应于各自的输入状态的两种正 交偏振状态的输出光。然而，可以相对于输入状态旋转输出偏振状态。然后，因为许多可行 的实施例而在图4中以虚线轮廓一般地指示的投影光学器件70将经过调制的光引导到显 示表面80。观众所戴的偏振眼镜58具有偏振器76和78，它们具有允许独立地观看左眼和 右眼图像的正交的偏振轴。在图4中示出的整个布置是用于本发明的后续实施例的基本模 型，其具有用于照明组合器42的各种布置。图5A示出用于组合多个阵列44和44’以形成更大的阵列的一种方法。图6以透视图的方式示出图5A的配置。在图5A中，可以使用一个或多个散置的反射镜46来将额外 的阵列44’的光轴布置成与阵列44成一条直线，从而提供在图3B的横截面中示出的布置。 在图5B中示出了使用组合阵列44的更直接的示例。然而，可以认识到，热和间距要求会限 制以该方式可以堆叠多少个阵列44。在图5A、5B和6中示出的布置可以在某种程度上被修改以允许使用具有不同偏振 状态的偏振光，如在图7A和7B以及图8的时序图中所示出的那样。图7A和7B示出用于组合多个阵列44a和44b以便形成更大的阵列的方法。图7A 示出将光引导到朝着透镜50反射具有一种偏振状态的光的偏振分束器(PBS)的固态光阵 列44a。图7B示出将光引导通过半波片64由此改变发射光的初始偏振状态的固态光阵列 44b。该光透射通过偏振分束器62。逻辑控制器56控制固态光阵列44a和44b的时序。图8的时序图示出在光调制组件40r、40g和40b的任何一个光调制组件中，如何 可以使被引导到相同的空间光调制器60(图4)的光在两个正交偏振状态之间快速交替以 相应地提供左眼和右眼图像。在本文中，存在被示出为固态激光器阵列44a和44b的两组 偏振激光器。例如通过对这些阵列组中的一个使用半波片64，阵列44a和44b处的偏振激 光器提供具有正交的偏振状态的光。如图7A所示，在交替照明周期的一半期间，对阵列44a 供电。该光从偏振分束器62反射。如图7B所示，在交替照明周期的另一半中，对阵列44b 供电。该光透射通过偏振分束器62。对于非立体应用来说，来自两个偏振激光器44a和44b 的光可以一起使用以提供更亮的图像，或者以一半功率使用以平衡每个激光源的寿命。该布置有利地将具有任一偏振的光置于相同的照明轴上。对于图5B中的单个通 道来说，利用该方法的光展量保持与此前示出的配置中相同。因此，在其中两个偏振状态都 被成像的非立体应用中，光源的亮度被有效地加倍。然而，在需要立体成像的情况下，在时 间上的一个特定时刻仅利用单个光源，从而使得有效亮度保持与图5B的布置相同。图9A和9B分别示出将来自四个固态光阵列44的激光组合使其集中在较小的区 域内的照明组合器42的实施例的侧视图和正交视图。光重定向棱镜30具有输入面32，其 接受以发射方向Dl从阵列44发射的光。光被重定向到输出方向D2，所述输出方向D2与发 射方向Dl基本上正交。光重定向棱镜30具有重定向表面36，重定向表面36具有光重定向 小面38。光重定向小面38相对于发射方向Dl成一斜角，并且向从激光器26发射的光提供 全内反射(TIR)。当如图9A和9B那样交错时，这些特征有助于使该照明的光路径变窄，从 而提供更窄的光束。如图9B所示，光阵列44具有在长度方向L上延伸的多个激光器26。 重定向表面36上的光重定向小面38和其他小面也在方向L上延伸。许多种变形是可能的。例如，图10的横截面侧视图示出可替换的实施例，在该可 替换的实施例中光重定向棱镜30的光定向小面38被缩放以一次重定向来自多行激光器26 的光。入射面32相对于发射方向Dl可以是不垂直的，从而允许光阵列44的布置的一定偏 移并且需要将光重定向棱镜30的折射率η考虑进去。图11的示意性框图示出在使用交替偏振状态的实施例中如何可以利用多个光重 定向棱镜30来提供增大的亮度。如此前参考图7Α和7Β所描述的那样，来自光阵列44a和 44b的交替照明通过偏振分束器62，将具有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的横截面侧视图示出照明组合器42中的光重定向棱镜30的另一个实施例，其针对使用固态阵列提供比图9A到图10所示出的实施例甚至更紧凑的照明布置。在该实 施例中，光重定向棱镜具有两个重定向表面36，这两个重定向表面36接受来自彼此面对且 具有相反的发射方向D1和D1’的阵列44的光。每个重定向表面36具有两种类型的小面 光重定向小面38和与来自相应的阵列44的入射光垂直的入射小面28。这使得通过使来自 抗反射涂敷面的少量剩余光向后反射回到每个激光器中实现了各激光器模块与光重定向 棱镜30的更容易的对准。这样的向后反射可以用作创建细微外部腔的装置，其会导致激光 器中的模式不稳定。尽管这样的模式跳跃在典型应用下可能被认为是噪声，但是该噪声可 以通过进一步减小激光相干性(以及激光器间的相干性)、从而减少图像平面处的视觉斑 点来增加投影值。此外，利用这样的双侧方法，激光器模块与来自彼此相邻的不同模块的光 交错，从而在光被进一步光学积分到光学系统中时提供进一步空间混合的源。这同样有助 于减少可能的斑点并且提高系统均勻性。尽管可以看出，棱镜30对于激光器44的该定向是优选的，但是相对于输入面或输 出面的垂直入射光对于组合照明源来说并不是必需的。然而，必需的是，在(一个或多个) 表面34处离开棱镜30的重定向光束基本上彼此平行。实现这一目的需要仔细考虑多个因 素。这些因素包括每侧的激光器44到每侧的输入小面的入射角的组合(因为这些角度可 能是不同的)以及基于材料的折射率的棱镜中的折射。此外，必须考虑来自每侧的光重定 向小面38的反射(同样，在每侧上这些可能是不同的)，并且其与棱镜的折射的组合必须协 作以使得从(一个或多个)出射面的输出光束是平行的。图14的示意性框图示出在每个颜色通道中使用光重定向棱镜30的投影仪装置10 的实施例。每个光调制组件40r、40g和40b都具有一对光重定向棱镜30，所述光重定向棱 镜30具有与图13所描述的偏振定向部件相似的布置。在每个光调制组件中，将来自一个 或另一个光重定向棱镜30的偏振光通过偏振保持光导52引导到透镜50以及通过偏振分 束器62引导到积分器51。空间光调制器60是数字微镜或调制光的其它器件，其保持输出 光相对于输入光的正交定向的两个正交定向。在所示出的被设计成使用微镜器件的角度调 制的实施例中，薄膜涂敷表面68被处理成根据入射光的入射角来反射或透射入射光，从而 使得经过调制的光被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，其根据波长选择性地反射或透射光，从而将来自每个光调制组件40r、40g和40b的经过 调制的光通过投影光学器件70组合到单个光路上。图15的示意性框图示出类似于图14的实施例的实施例中的投影仪装置10的可 替换实施例，但是其没有光导52。该实施例可以是有利的，因为光导52易于使透射光的偏 振劣化。对于这样的实施例，因为要保持偏振状态，所以小透镜阵列将提供均勻化照明的优 点。然而，这种类型的实施例不能享有光导52提供的优点，诸如改进的散热。在任一个实 施例中，可以在近场条件下或在远场条件下使用激光，其中提供光的预混合来降低可能的 斑点并且进一步改进进入积分器51的均勻光学器件中的光的均勻性。通过微镜或其它微机电器件来调制偏振光。大多数微机电结构(MEMS)(诸如DLP 器件)使用通常由铝形成的金属反射器。在处理来自斜交角的光时，金属镜在反射时产生 非常小的相移。优选的偏振定向具有与微镜的铰链枢轴倾斜成一条直线或者正交的偏振 轴，其中DLP器件保持反射之后的偏振状态，如图15所示。轴A(见图16)指示DLP微镜的 铰链枢轴线。然而，相对于微镜的平面沿着其它轴定向的偏振状态可以用于剩余偏振的最小化效应。本发明允许本文所描述的示例性实施例的多个变形。例如，多种偏振激光光源可 以用作VECSEL和其它激光器阵列的代替物。光重定向棱镜30可以由多种高透射性材料 制成。对于低功率应用来说，可以选择塑胶，其中使用对该部件导致非常小的应力的模制 处理。类似地，期望使材料被选定为使得它们导致最小的应力或者热致双折射。诸如来自 Zeon Chemicals的Zeonex或丙烯酸之类的塑胶是这样的材料的示例。在光重定向棱镜30 用于基于偏振的光学系统中的情况下，这尤其重要。对于更高功率的应用，诸如其中需要多个高功率激光器的数字电影，塑胶与光重 定向棱镜30 —起使用并不现实，因为来自甚至小等级的光学吸收的热积累都会最终损坏 该材料并且使透射劣化。在这种情况下，玻璃是优选的。同样，对于基于偏振的投影仪来 说，应力双折射也会是问题。在这种情况下，可以使用具有低双折射应力系数的玻璃，诸如 SF57。另一种选择是使用非常低吸收的光学玻璃，诸如熔融硅石，以防止加热材料并且 因此防止发生双折射。这些类型的材料可能并不有助于产生模制玻璃部件，因此需要传统 的抛光以及/或者多个零件的组件以组成完整的棱镜。在需要模制的情况下，优选进行缓 慢的模制过程，并且需要退火以减小任何固有的应力。可能需要或者必需干净的偏振器来 移除可能是由于任何剩余的双折射而产生的任何旋转的偏振状态。这主要是对效率、部件 成本和所需的偏振纯度之间的折衷。本发明的实施例可以用于修整光源的纵横比，以使得它适合于所使用的空间光调 制器的纵横比。关于覆盖板密闭封装，需要对当前的DLP封装进行修改。当前的封装被设计成提 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，激光焊接和热熔融窗口到机 械框架中的过程将显著的且不一致的双折射引入到每个封装中。在样本器件上已观察到超 过3nm的延迟变化。这将负面地影响该器件外的偏振状态的保持。因此，新的窗口封装将 是必需的，以便适当地使用DLP器件和偏振光。可以通过利用具有低系数应力或热致双折 射的玻璃(诸如SF57)来改进封装。可替换的方法是提供窗口到窗口框架的无应力安装， 例如使用RTV来将窗口接合在适当的位置处。进一步隔离以使得窗口框架的机械元件相对 于窗口为刚性、但是相对于芯片框架的接合表面为挠性也是有利的。同样，该方法反之亦 可。此外，如果以小心控制的芯片操作温度来执行以便避免来自操作和封装温度差的应力， 则用于将窗口接合到框架并且将框架接合到芯片托架的过程将是有益的。本发明的实施例可以与不同尺寸的光导52 —起使用，从而允许光导不仅具有挠 性，而且还被成形为具有与调制器的纵横比基本上相同的纵横比。对于数字电影来说，该比 将近似于1.9 1。可替换的实施例可使用方芯纤维。类似地，可以利用圆芯光波导，诸如 常见的多模光纤。尽管示出了用于多个实施例的照明组合器42和积分器51之间的光波导，但是众 所周知，将照明源从投影光学引擎分离和中继的其它方法也是可行的。如图15所示的利用 常见透镜的中继是实现期望的热和空间分离的一种方法。诸如DLP器件之类的大多数微电机结构(MEMS)使用通常由铝制成的金属反射器。 在处理来自斜交角的光时，金属镜在反射时产生非常小的相移，其中平面偏振光从入射平面内或者与其垂直的平面内振动偏离。优选的偏振定向(其中DLP器件保持反射之后的偏 振状态)具有与微镜74的铰链枢轴倾斜成一条直线或者正交的偏振轴(其中偏振平面(s 或P)是在对该镜的垂直入射处)，如图16所示。轴A指示DLP微镜的铰链枢轴线。然而， 相对于微镜的平面沿着其它轴定向的偏振状态可以用于剩余偏振的最小化效应。这样的剩 余(residual)椭圆率导致两个偏振状态之间的串扰。偏振激光光源的使用为立体成像的投影提供了显著的优点。此前讨论的优于传统 照明源的效率增益允许投影仪更容易地递送具有与传统二维投影等值的亮度的图像。已特别参考本发明的某些优选实施例详细描述了本发明，但是应当理解的是，在 本发明的精神和范围内可以实现变化和修改。例如，在激光器阵列在详细的实施例中被描 述的情况下，也可以将其它固态发射部件用作代替物。还可以将支持透镜添加到每个光路。 在本文所示出的光学组件中，可以颠倒均勻化或光积分和中继的顺序，而不会有显著的效
果差异。
因此，提供了一种使用偏振照明来增强亮度或立体·〔字电影投影的装置和方法,
部件列表
10投影仪装置
12光源
14棱镜组件
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
30光重定向棱镜(投影透镜-图1)
32入射面
34表面
36重定向表面
38光重定向小面
40r、40g、40b光调制组件
42照明组合器
44、44’、44a、44b固态光阵列
46反射镜
50透镜
51积分器
52光导
54透镜
56逻辑控制器
58偏振眼镜
60空间光调制器
62偏振分束器
64半波片68膜涂敷表面70投影光学器件74微镜76、78偏振器80显示表面82二向色组合器84二向色表面A.轴A1光源A2调制器D1、D1，发射方向D2输出方向L长度方向6 1输出角0 2接受角
权利要求
一种数字图像投影仪，包括第一偏振光源；第二偏振光源，其偏振状态与所述第一偏振光源正交；偏振分束器，其被设置成沿着共同的照明轴引导具有所述第一或第二偏振的光；MEMS空间光调制器；以及投影光学器件，其用于递送来自所述MEMS空间光调制器的成像光。
2.根据权利要求1所述的数字图像投影仪，其中所述第一或第二偏振光源是垂直腔器件。
3.根据权利要求1所述的投影装置，其中所述空间光调制器是数字微镜器件。
4.根据权利要求1所述的投影装置，其中所述投影光学器件递送成像光以提供彩色图像。
5.根据权利要求1所述的投影装置，其中所述MEMS空间光调制器包括微镜阵列，每个 微镜均具有旋转轴，并且其中入射到至少一个微镜上的偏振光的偏振轴与该微镜的旋转轴 基本上正交或平行。
6.一种立体数字图像投影仪，包括 照明系统，其包括第一和第二偏振光源，其中所述第一和第二偏振光源具有正交设置的偏振轴； 偏振分束器，其被设置成沿着共同的照明轴引导具有所述第一或第二偏振的光； 控制器系统，其交替地为所述第一和第二偏振光源供电以每次提供具有一种偏振的照明；MEMS空间光调制器；投影光学器件，其在来自所述MEMS空间光调制器的经过调制的光的路径中并且将所 述光引导到显示表面上；以及滤光眼镜，其用于选择性地观看在所述显示表面上形成的立体图像。
7.根据权利要求6所述的立体数字图像投影仪，其中所述照明系统是第一照明系统， 其中所述偏振分束器是第一偏振分束器，其中共同的照明轴是第一共同照明轴，其中所述 MEMS空间光调制器是第一 MEMS空间光调制器，并且其中所述立体数字图像投影仪还包括至少第二照明系统，其包括第三和第四偏振光源，其中所述第三和第四偏振光源具有正交设置的偏振轴； 第二偏振分束器，其被设置成沿着第二共同照明轴引导具有所述第三或第四偏振的 光；以及第二 MEMS空间光调制器；以及 其中所述投影光学器件提供彩色图像。
8.根据权利要求6所述的投影装置，其中所述MEMS空间光调制器包括反射性的金属结 构，并且其中入射到所述金属结构上的线偏振光的偏振平面基本上垂直于反射器的平面。
9.根据权利要求6所述的投影装置，其中所述MEMS空间光调制器包括反射结构，并且 其中平面偏振光在所述反射结构的入射平面或垂直平面中振动。
10.一种用于数字图像投影仪的照明装置，所述照明装置包括 a)第一偏振光源，其包括(i)两个或更多固态激光器阵列，其在第一发射方向上提供具有第一偏振的光， 其中每个激光器包括在第一长度方向上延伸的多个激光器；以及(ii)第一光重定向棱镜，其包括第一入射表面，其被设置成接收以所述第一发射方向入射的光； 第一重定向表面，其具有多个光重定向小面，每个光重定向小面在所述长度方向上延 伸并且被定向成相对于所述第一发射方向成斜角，其中所述斜角定向为入射光提供反射表输出表面，其用于提供来自所述光重定向小面的具有第一偏振的重定向的光；b)第二偏振光源，其包括(i)两个或更多固态激光器阵列，其被设置成在第二发射方向上提供具有第一偏振的光，其中每个激光器阵列包括在第二长度方向上延伸的多个激光器；(ii)偏振器，其用于调节来自所述第二偏振光源的光以提供具有与所述第一偏振正交 的第二偏振的光；以及(iii)第二光重定向棱镜，其包括第二入射表面，其被设置成接收以所述第二发射方向入射的光； 第二重定向表面，其具有多个光重定向小面，每个光重定向小面在所述第二长度方向 上延伸并且被定向成相对于所述第二发射方向成斜角，其中所述斜角定向为入射光提供反 射表面；输出表面，其用于提供来自所述光重定向小面的具有第二偏振的重定向的光；以及c)偏振分束器，其被设置成沿着共同的照明轴引导具有所述第一或第二偏振的光。
11.根据权利要求10所述的照明装置，还包括光导，其被设置成接受沿着所述照明轴 被引导的光。
12.根据权利要求10所述的照明装置，其中所述第一偏振光源还包括在所述第一长度 方向上延伸并且被设置成在与所述第一发射方向基本上相反的第三发射方向上提供具有 第一偏振的光的两个或更多个额外的固态激光器阵列，其中所述第一光重定向棱镜还包括 第三入射表面，其被设置成接收以所述第三发射方向入射的光。
13.一种彩色投影装置，包括用于数字图像投影仪的两个或更多光调制组件，每个光调制组件提供预定波长带的光 并且包括(i)第一偏振光源，其包括两个或更多固态激光器阵列，其被设置成在第一发射方向上提供具有第一偏振的光， 其中每个激光器阵列包括在第一长度方向上延伸的多个激光器；以及 第一光重定向棱镜，其包括第一入射表面，其被设置成接收以所述第一发射方向入射的光； 第一重定向表面，其具有多个光重定向小面，每个光重定向小面在所述长度方向上延 伸并且被定向成相对于所述第一发射方向成斜角，其中所述斜角定向为入射光提供反射表输出表面，其用于提供来自所述光重定向小面的具有第一偏振的重定向的光；(ii)第二偏振光源，其包括两个或更多固态激光器阵列，其被设置成在第二发射方向上提供具有第一偏振的光，其中每个激光器阵列包括在第二长度方向上延伸的多个激光器；偏振器，其用于调节来自所述第二偏振光源的光以提供具有与所述第一偏振正交的第 二偏振的光；以及第二光重定向棱镜，其包括第二入射表面，其被设置成接收以所述第二发射方向入射的光；第二重定向表面，其具有多个光重定向小面，每个光重定向小面在所述第二长度方向 上延伸并且被定向成相对于所述第二发射方向成斜角，其中所述斜角定向为入射光提供反 射表面；输出表面，其用于提供来自所述光重定向小面的具有第二偏振的重定向的光；(iii)偏振分束器，其被设置成沿着共同的照明轴引导具有所述第一或第二偏振的光 作为照明；(iv)空间光调制器，其设置成接受照明并且提供经过调制的光输出；色彩组合器，其被设置成接受来自两个或更多光调制组件中的每一个的经过调制的光 输出并且将所述经过调制的光引导到输出轴上；以及投影透镜，其被设置成朝向显示表面引导所述经过调制的光。
14.根据权利要求13所述的彩色投影装置，还包括光导，其被设置成将来自所述共同 的照明轴的光导引朝向所述空间光调制器。
15.根据权利要求13所述的彩色投影装置，其中所述波导元件与所述空间光调制器的 比例基本上相匹配。
16.根据权利要求13所述的彩色投影装置，其中所述波导元件大体是所述空间光调制 器的比例的一半。
17.根据权利要求13所述的彩色投影装置，其中所述波导元件基本上保持入射照明光 的偏振特性。
18.根据权利要求13所述的彩色投影装置，其中所述空间光调制器是数字微镜器件。
全文摘要
一种数字图像投影仪包括第一偏振光源；第二偏振光源，其偏振状态与所述第一偏振光源正交；偏振分束器，其被设置成沿着共同的照明轴引导具有所述第一或第二偏振的光；MEMS空间光调制器；以及投影光学器件，其用于递送来自所述MEMS空间光调制器的成像光。
文档编号G02B27/26GK101878655SQ200880118398
公开日2010年11月3日 申请日期2008年11月21日 优先权日2007年11月30日
发明者B·D·席渥斯坦, R·P·柯瑞 申请人:伊斯曼柯达公司