散斑减少的激光投影仪的制作方法

散斑减少的激光投影仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于投影仪系统的光源，和操作所述光源和投影仪系统的方法，其提供：i、在图像调制器的表面上的大致均匀亮度，并且ii、在所述图像调制器的表面的每一个点处的、可用角度空间的更均匀填充。本发明的实施方式使用与图像调制器一起使用的激光源（24），该激光源（24）发射至少一种原色的多个波长的光，本发明的实施方式还使用光积分器系统（31-34），其针对所述多个波长中的每一个波长被设置为提供：i、在所述图像调制器的表面上的大致均匀亮度，并且ii、在所述图像调制器的表面的每一个点处的、可用角度空间的更均匀填充。
【专利说明】散斑减少的激光投影仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用激光源的投影仪、用于这种投影仪的集成系统，以及减少由这种投影仪生成的散斑的方法，并且涉及利用这种投影仪的方法、用于这种投影仪的控制器，以及操作这种投影仪的方法。
【背景技术】
[0002]投影仪需要高质量光源。虽然投影仪系统传统上使用了放电灯作为光源，但如今人们感兴趣的是诸如激光的另选光源。激光具有几个优越特性。它们发射高强度光束，并且具有非常长的工作寿命。然而，激光源也具有某些不利的特性。激光源发射窄谱相干光，从而具有激光源的投影系统会遭受称作“散斑”的效应。散斑通常被看作画面上的粒状结构，其劣化了图像质量并且使观看者分心。
[0003]人们希望减少散斑，以便获得来自基于激光的投影系统的可接受图像质量。
[0004]US 2010/0165307A1描述了一种散斑减少的激光图像显示系统。该显示系统包括激光源和光学积分器(integrator)。光源包括:单个红激光器、单个绿激光器以及单个蓝激光器。来自激光器的光经由光束偏转器输出至光学积分器。该光学积分器包括沿其长度的位于中途的漫射光的部件。该系统利用散斑图案的时间平均化从而导致激光束的不同偏转量。该方法的缺点是，通过控制光束偏转器的运动来顺序地生成不同角度。这造成高投影仪亮度下的眼睛安全风险，如在特定时间量下的所有光呈现为源自投影透镜孔径的单个点。而且，当与通过脉冲宽度调制驱动的特定类型光调制器(例如，微镜阵列)一起使用很可能出现负面效应。PWM方案与光束偏转器运动之间的混叠效应可能出现，除非两者同步化。但如果同步化，则仅通过光调制器采样特定偏转角度，从而将实现有限散斑减少。
[0005]US 2009/139865提出了在远场具有交叠圆形高斯光束分布图的激光器阵列光源、单个积分器以及时间光学相移装置的组合。该方法的缺点是，较长的光程长度和为实现交叠远场状态所需的精确对准。
[0006]在Robertsand Company Publishers(2007)出版的 J.W.Goodman 的书籍“Specklephenomena in optics:theory and applications”中，标识了三种基本方法,来减少投影仪内部的散斑。即:角度分集、波长分集以及偏振分集。
[0007]使用光束偏转器或光学相移装置都是通过角度分集来导致散斑减少的。然而，对于实际高端投影系统来说，该方法反而不能提供希望程度的散斑减少。商业光阀的尺寸和可接受角度极限限制了可以引入的角度分集的量。在US 2009/139865中，提出了与偏振分集的组合使用，但已经认识到，对于基于偏振的立体投影来说，该方法无法使用。

【发明内容】

[0008]本发明的一个目的是，提供一种用于投影仪系统的光源，和操作所述光源和投影仪系统的方法，其提供:
[0009]1、在图像调制器的表面上的大致均匀亮度，并且[0010]i1、在所述图像调制器的表面的每一个点处的、可用角度空间的大致均匀填充。[0011 ] 本发明的实施方式使用用于与图像调制器一起使用的激光源(所述光源针对至少一种原色发射具有多个波长的光)，和光积分器系统，其针对所述多个波长中的每一个波长适于提供:
[0012]1、在图像调制器的表面上的大致均匀亮度，并且
[0013]i1、在所述图像调制器的表面的每一个点处的、可用角度空间的大致均匀填充。
[0014]这些状态优选地按每一个时间点满足，或者，如果存在随着时间的变化，则这些按超过人眼可分辨频率的频率出现。
[0015]具体来说，投影仪系统设置有具有至少一种原色的多个波长的激光源，和光积分器系统，所述光积分器系统具有第一和第二积分器，由此，针对所述多个波长中的每一个波长:
[0016]所述第一积分器适于接收来自所述激光源的光，并且在所述积分器的出口的表面上提供大致均匀亮度，来自所述激光源的所述光穿过所述第一积分器，以使光分布变换成填充所述第一积分器的端部的整个截面，从所述第一积分器显现的所述激光处于具有角间距的离散数量的角度下，而所述第二积分器接收来自所述第一积分器的光，并且适于使得填充这些间隙中的至少一些。
[0017]优选的是，填充全部角度空间。所述光可能经历所述第一积分器中的许多离散反射，例如，假设所述第一积分器是棒。
[0018]所述多个波长可以通过多个激光发射器生成，或者，例如，所述多个波长可以通过多个激光器封装体生成。
[0019]优选的是，可用角度空间的均匀亮度和均匀填充的状态按每一个时刻实现，或者，如果存在随着时间的变化，则这些按超过眼睛可分辨频率的频率出现。
[0020]所述图像调制器可以是模拟或数字调制器。所述调制器可以是诸如数字光处理(DLP)或硅上液晶(LCOS)的反射型，诸如液晶板的透射型。所述调制器的单个部件可以接通、断开，还是接通与断开之间某处的值，取决于需要在该像素位置处发射、透射或反射的光的量。当使用通过脉冲宽度调制驱动的图像调制器时，优选的是，随着时间的任何这种变化按壁最高调制频率更高的频率出现。
[0021]在本发明的实施方式中，具有至少一种原色的多个波长的激光源可以按>0.5nm并且<2nm分隔。
[0022]在实施方式中，所述光积分器系统可以是在第一积分器部件与第二积分器部件之间使用至少一个漫射部件(如漫射器或衍射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列或全息部件)的双积分器系统。
[0023]诸如漫射器或衍射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列或全息部件的漫射部件可以固定或者移动。贡献每一个波长的单个激光发射器的数量优选地足够高，以使诸如漫射器或衍射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列或全息部件的漫射部件可以是静止的。
[0024]在实施方式中，所述激光源可以针对至少一种原色发射两个正交偏振，并且所述光积分器系统适于，使得针对每一个偏振方向:
[0025]1、再所述图像调制器的表面上实现大致均匀的亮度，
[0026]i1、在所述图像调制器14的表面的每一个点处，实现可用角度空间的大致均匀填充。
[0027]优选的是，在所述图像调制器的表面上实现大致均匀的亮度，并且在所述图像调制器14的表面的每一个点处，在每一个时间点实现所述可用角度空间的大致均匀填充。
[0028]本发明进一步的实施方式在所附权利要求中进行详细说明。
【专利附图】

【附图说明】
[0029]参照附图，仅通过实施例的方式，对本发明的实施方式进行描述，其中:
[0030]图1示出了根据本发明一实施方式的、包括具有许多不同波长的、同一原色激光器模块阵列的组合的光源装置；
[0031]图2a例示了单个积分器设置的缺点。图2b例示了本发明的、利用蝇眼(fly-eye)积分器的实施方式；
[0032]图3示出了投影系统；
[0033]图4示出了针对利用针对一原色的至少一个激光器或针对每一种原色的激光器阵列的这种投影系统的激光源的细节；
[0034]图5示出了将频谱划分成具有最小波长间隔Λ Amin的区域，和根据按具有这种最小间隔的波长工作的多个激光器获得的典型频谱分布；
[0035]图6例示了可以怎样利用本发明的实施方式来确定均匀度。
[0036]图7例示了棒积分器的尺度。
[0037]图8a示出了根据本发明一实施方式的封装件中的激光发射器的排布结构。图Sb不出了根据本发明一实施方式的封装件中的具有偏振的激光发射器的排布结构。
[0038]图9例示了角度分集。
[0039]图10示出了根据本发明一实施方式的、具有两个积分器部件的光源装置；
[0040]图11示出了根据本发明一实施方式的、空间均匀度和角度均匀度怎样在利用两个积分器部件的不同阶段之间演化；
【具体实施方式】
[0041]本发明参照【具体实施方式】并且参照特定附图进行描述，但本发明不限于此而仅通过权利要求书进行限制。所述附图仅仅是示意性而非限制性的。在图中，出于例示性目的，可以将一些部件的尺寸夸大而不按比例绘制。对于在本描述和权利要求书中使用术语“包括”的情况来说，其不排出其它部件或步骤。而且，本描述和权利要求书中的术语第一、第二、第三等被用于在相似部件之间区分，而不必用于描述顺序或时间先后顺序次序。要明白的是，这样使用的术语在合适情况下可互换，并且与在此描述或例示的顺序相比，在此描述的本发明的实施方式能够按其它顺序操作。
[0042]关于本发明的实施方式，参照图1对光源装置的实施例进行描述。光源24例如通过透镜28将光束25引导至包括积分(integrating)部件31和光漫射部件32的积分器组件30。积分部件31将被称作(预)均化器，因为它提供了具有希望形状(例如，图像调制器的形状)的大致均匀光点。一旦光进入诸如棒或管31的积分部件，其就会由于棒或管的纵向壁部的反射而保持在管的边界之内。不同的波长指示针对同一原色的不同波长。不同的原色可以利用分色镜进行组合。[0043]通过光源输出多个波长λ 1、 λ2、λ 3、λ4…。不同的波长λ 1、λ2、λ 3、λ4…从不
同的激光器封装体递送。例如，每一个封装体都可以包括一发射器阵列，但这些发射器大致按同一波长递送激光。光束组合光学器件28 (例如，透镜)使光束尽可能靠近在一起。光束可以聚焦到同一点中(例如，在第一漫射器部件32处)，但接着将存在角间距。两个激光器封装体之间的最小角间距为βρ在同一波长(例如，λ 1)的封装体之间，该角间距较大-β2。如果考虑均化器31的出口处的点X，则来自均化器31的入口处的焦点的光将在离散次数反射之后到达点X。结果，点X处的光纤将具有角间距θ1。假设均化器31的入口处的漫射器部件32提供足够的角度扩展来生成针对每一个波长的对应入射角，那么所有不同波长都可以按这些离散角度来表示。
[0044]可以利用单个漫射器32和单个积分器棒31来实现散斑减少。然而，棒31的长度L需要非常长，以保证角间距Θ i足够小，以在画面上生成比通过角度分集最大化散斑减少所需的最小间隔要小的角间距。应注意到，在棒出口处的角间距与通过投影仪光学器件和投影透镜确定的投影画面处的角间距之间存在固定缩放比率因子。
[0045]如果该阵列中的所有激光器都具有同一波长，则其在漫射器可以桥接角间距β !的情况下是足够的，但如果使用不同波长，则漫射器需要足够强以至少桥接角间距β2。因而变得无法限定漫射器，致使每一个波长都完全填充投影仪的光学系统的可用角度空间，从而不将任何光溢出该角度空间之外。因此，在最大化去散斑与最大化光学效率之间进行了折中。如果增加距离D，则这些效应可以最小化，但这增加了光学系统的路径长度并且使得对准更加挑剔。
[0046]如果积分器棒31入口处的光点不是点源，而是覆盖了相当大的表面部分，则角间隙ejf减小。不同入口位置处的光线将会在离散次数的反射之后以稍微不同的角度到达点X。
[0047]图2a和2b例示了怎样可以通过本发明的实施方式克服单个积分器设置的缺点。如果积分器31的出口被成像到光调制器上(例如，如60所示)，则光将看上去源自设置在一虚拟平面中的许多表观源。如果图2a的部件60是光调制器，并且如果我们注视光调制器的特定点，则仅离散数量的光线在照明光调制器，并且那些光线之间存在角间隙。积分器棒越长，该虚拟平面中将存在更多表观源，并且角间隙将变得更接近。
[0048]本发明的实施方式提供了针对上述问题的解决方案。根据本发明的实施方式，第二积分部件设置在第一积分器31之后。例如，如图2a所示，第一积分器31的输出指向在本发明的实施方式中是第二漫射器的部件60，并且从那里指向第二积分器。图2b例示了本发明的、利用蝇眼积分器的实施方式，其中，激光束进入第一漫射器32中，接着通过蝇眼积分器去往第二漫射器34，接着从那里去往另一积分部件，如棒或光导管或另一蝇眼积分器。因而，本发明包括两级积分系统，由此，每一个积分器部件都可以是棒、光导管以及蝇眼积分器中的任一者。当使用单个蝇眼积分器系统时，可以进行有关虚拟平面中的离散数量表观源的存在性和照明光调制器的特定点的光线之间的角间隙的考虑。
[0049]根据本发明的实施方式，如果使用不同波长，则诸如漫射器或衍射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列或全息部件的漫射器部件提供足够角度扩展，以至少桥接图1所示的角间隙β2。
[0050]图3示意性地示出了可以与本发明一起使用的投影系统5，包括投影仪10和上面形成图像的显示表面20。该显示表面可以是显示屏或诸如建筑物面或水的某些其它表面。投影仪10可以是任何合适的投影仪。例如，其可以包括:光源装置12、光调制器14以及投影透镜组件16。光源装置12生成光束13来照明光调制器14。光调制器14可以是空间光调制器或光阀，例如，其可以包括光调制部件(还称作光阀部件)的二维阵列。每一个光阀部件都可以对应于要显示图像的像素，并且可以单个地控制以允许相当量的光穿过该部件/从该部件反射。在这种空间光调制器中，每一个光阀部件都可以对应于要显示图像的一个以上像素。例如，光调制器可以例如通过振荡旋转来控制，以允许相当量的光朝着第一和第二方向穿过一像素部件/从一像素部件反射，例如，按不同时间去往一图像的一半中的像素和另一半上的像素。典型地讲，每一个光阀部件都横跨“通”与“断”之间的强度值(例如，256)范围控制，以提供一灰度值范围。这种控制可以包括脉冲宽度调制。光调制器14可以使用诸如液晶板的透射技术，其中，单个部件接通、断开，还是接通与断开之间某处的值，取决于需要在该像素位置处透射的光的量。另选的是，光调制器14可以使用诸如数字光处理(DLP)或硅上液晶(LCOS)的反射技术。
[0051]有利的是，光束13具有横跨光调制器14的表面的强度分布。本发明对于诸如从激光器获得的光束的相干光束来说特定有用。在本发明的实施方式中，光源12包括能够发射一种或更多种原色的高强度光束的至少一个激光源，或能够发射一种或更多种原色的高强度光束的一组激光源。下面将对具体光源12进行详细描述。
[0052]该投影仪还包括控制器18，其控制光源12和光调制器14的操作。该控制器可以作为分离部件提供。
[0053]该投影仪可以包括并联设置的三组或更多组装置10，每一种原色(例如，红色、绿色、蓝色或更多)一组，或者同一组装置10可以被用于顺序地发射每一种原色，即，红色、接着绿色、接着蓝色或更多。为获得特定效果，或者为提供扩展色域，可以使用更多原色。原色的数量可以为三种、四种、五种或更多。
[0054]在实施方式中，提供了多芯片和单芯片实现。在多芯片实现中，部分可以是公共的，而部分可以是每种原色 特有的。有用的组合例如有:
[0055].三个或更多个激光源、一个积分器、一个调制器，并且这些原色按时序投影，
[0056]?三个或更多个激光源、三个或更多个积分器、三个或更多个调制器，
[0057].三个或更多个激光源、一个积分器、三个或更多个调制器。
[0058]例如，在本发明的一个优选实施方式中，提供了三种芯片结构，其中，所有激光被组合成白光束，并且其中，针对所有颜色同时进行均化作用。在这种情况下，使用颜色分解器(color splitter)和组合器，以将光分解至三种不同芯片，并将三个单色图像重新组合成一个三色图像。
[0059]根据本发明的实施方式，散斑减少发生在单个原色内，因为散斑的减少或消除需要通过针对每一种原色平均化不相关的散斑图案来进行。
[0060]图4示意性地示出了光源装置12。在一个实施方式中，例如，所有三种或更多种原色可以组合在单个积分器中。例如，它们可以利用分色镜组合，以使光束交叠而非彼此紧邻。在另一实施方式中，可以每一颜色使用一个积分器。光源装置12提供了三种或更多种原色。在至少一些实施方式中，针对每一种原色存在多个激光波长。针对每一种原色，所述多个波长彼此按波长偏移。图4示出了针对一种原色(红色)的、按红光频带发射X个分离波长的激光源21、针对另一原色(绿色)的、按绿光频带发射Y个分离波长的激光源22以及针对另一原色(蓝色)的、按蓝光频带发射Z个分离波长的激光源23。例如，可以设置X个相对较窄(例如，〈lnm，还参见图5)的波长范围。对于每激光非常窄的谱宽度的情况来说，不同波长之间的间隔优选地不小于一个激光器的频谱的宽度，并且不小于0.5nm。整数X、Y以及Z的值可以相等，但不必相等。插图26示出了 X个波长的组怎样在红光频带内偏移。
[0061]尽管每一个波长被示出为单个垂直线，但其事实上具有围绕中心波长的特定谱分布。主光源21、22、23在图4中被示意性地示出为单个框。每一个光源21、22、23都可以包括多个激光器封装体。这些封装体按阵列设置。每一个封装体都可以按所述多个波长之一(例如，λ P发射光。每一个封装体都可以按同一波长发射多个射束，以增加光强度。为进一步增加光强度，可以添加具有同一波长的多个封装体。为最大化去散斑效果，针对不同波长的光功率优选地大致相等。
[0062]光源装置12被设置成，生成多个不相关(例如，独立)散斑图案，其在按空间和/或时间叠加时减少所观察到的散斑。在光源装置包含针对至少一种原色的多个波长的实施方式中，独立散斑图案使用积分器30来实现，以使针对每一个波长:
[0063]ii1、在图像调制器14的表面上实现大致均匀的亮度，并且
[0064]iv、在图像调制器14的表面的每一个点处，实现可用角度空间的大致均匀填充。
[0065]优选的是，在 图像调制器的表面上实现大致均匀亮度，并且在图像调制器14的表面的每一个点处，在每一个时间点实现可用角度空间的大致均匀填充。
[0066]大致均匀(即，幅度)可以通过具有波长Xi的光的幅度A来限定(参见图6)，假设根据所述表面上的A所达到的其最高值Atl与其最低值A1之差不超出其最高值Atl的30%(即，A^=0.TAci),其将被说成是在诸如积分(integration)棒(具体来说,预均化器)的积分器部件的输出表面上或者在光阀(DLP、LCOS…)上均匀。
[0067]参照图7，如果将W和H命名为积分器棒的宽度和高度(由此，如果积分器棒为锥状，则W和H在出口表面处取得)，则W、H以及L (棒的长度)和r被如下定义:
[0068]如上定义的大致均匀是针对L/W的足够比(r)来获得的。优选的是，比L/W大于
7.5，其允许实现所需均匀度。可以使用其它方式来改进幅度均匀度。例如，在预均化器的输入部处尽可能均匀地分布具有不同Xi的光源(例如，参见图8a或b，针对分布式源阵列)。
[0069]对于蝇眼积分器的情况来说，大致均匀可以通过利用足够大数量的透镜部件来采样光束而获得。优选的是，采样光束的透镜部件的数量大于45。
[0070]在针对每一种原色利用多个激光源的一些实施方式中，通过在积分器30中最优化波长分集和角度分集的组合(例如，通过使用移动漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列)，来实现更多的独立散斑图案，但在本发明的优选实施方式中，当使用大量相干激光发射器时，利用固定的漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列来实现可用角度空间的大致均匀填充。
[0071]在描述积分器的实施方式之前，给出了用于生成独立散斑图案的两种技术的概述:角度分集和波长分集。在立体投影系统中不使用偏振来分隔左眼/右眼图像的情况下，还可以使用第三种技术，偏振分集。稍后对偏振分集进行描述。
[0072]散斑减少可以通过形成多个相互相关光源来实现。每一个源都构成一散斑图案，并且这么多散斑图案在组合(平均化)时，获得了对比度降低的总体散斑图案。如果针对每一个点，不存在两个散斑图案的强度之间的相关性，则这两个散斑图案是独立的。散斑表现为一种统计现象，其意味着N2个独立散斑图案的和的散斑对比度比每一个单个散斑图案的散斑对比度低N倍，假设这些单个散斑图案的平均强度相等的话。可以通过同时叠加几个独立散斑图案，或者通过在眼睛的积分时间内顺序地示出独立散斑图案来实现平均化。
[0073]角度分集
[0074]该技术减少了光源的空间相干性。这样，通过相干发射器(由此通过角度分集)从不同角度照明平面。这可以通过利用彼此相干的激光(具有相同波长)或者通过中断单个激光束的相干性，或者同时利用这两者来实现。实现角度分集的一种方式是在投影仪或具有多个相干激光器的源的照明系统中利用移动漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列，但其它解决方案也是可以的。
[0075]散斑减少可以通过利用大量相干发射器来实现。附加条件是，所有这些光源的屏幕上的投射角度必须充分展开，因为如果不是这样的话，不同发射器生成的散斑图案会彼此相关联。理论计算证明，两个源的最小角间距取决于观看者及其相对于该屏幕的位置。因此，源的角间距应当大于观看者的数值孔径，如在Roberts and Company Publishers(2OO7)Pages 181-185 的 J.W.Goodman 的书籍“Speckle phenomena in optics: theory andapplications”中说明的。这在图9中进行了示出。散斑图案仅在它们来自足够不同的角度时才是独立的:sin ζ≥P/2z~NAimage。NAimage是观察者的眼睛的瞳孔的数值孔径。
[0076]为尽可能多地利用角度分集，应当最大化光抵达屏幕的角度。这对激光投影仪的设计具有某些暗示。投影透镜的孔径限制了可用于散斑抑制的角度空间，并且观看者的数值孔径由观看者与屏幕之间的距离决定，它是取决于应用的固定参数。散斑对比度的最大减少取决于观看者的数值孔径在由投影透镜的孔径所朝向的立体角度内部配合的时间量。同时，屏幕上的角度与光阀芯片上的、由根据投影透镜提供的缩放比率划分的角度有关，因此，也是针对特定应用的固定参数。由此，对于固定屏幕尺寸、观看者与屏幕的固定相对位置、特定光阀尺寸和光阀所接受的最大角度，充分地限定了可通过角度分集最大程度上实现的散斑减少的量。
[0077]只要在利用一种基于角度分集的技术的投影仪中获得了最大散斑减少，那么同一类别的另一技术就没有了效果。假定已经构建了具有单个激光发射器的激光投影仪，并且借助于该照明系统中的移动漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列获得了这种最大散斑抑制。在该情况下，不能通过添加相同波长的更多发射器来进一步减少主观散斑。
[0078]在本发明的实施方式中，通过角度分集进行的散斑抑制通过均匀地或者尽可能均匀地填充由光调制器14和投影仪光学器件(投影仪的集光率UHcndue))接受的可用角度空间，而在该角度空间内最大化。这确保了不同角度分量之间的角间距足够小，以保证针对相对观看者位置的ζ等于或小于上述最小间隔条件。
[0079]波长分集
[0080]该技术通过利用具有宽频谱的源来抑制散斑。两个不同波长(λ-Λ λ/2和λ+Λ λ/2)的单色光源的散斑图案将不同，这减少了散斑。然而，存在获得独立散斑图案的Δ λ 的下限，如在Roberts and Company Publishers(2007)pages 153-160 的 J.W.Goodman的书籍“Speckle phenomena in optics:theory and applications”中说明的。最小间隔Δ λ min取决于λ 2和屏幕的表面高度波动σ h: Δ λ min= λ2/(2 τι V 2 σ h)。Δ λ min取决于屏幕的类型，且Λ λ min针对更长波长而增加。
[0081]对于直流二极管的情况来说，激光器发射可见光，以使激光可以直接用于投影应用。这些激光当前在针对蓝光(<488nm)和红光(>630nm)的高功率和效率下可见。对于直流二极管的情况来说，来自一个激光的频谱已经相对很宽。
[0082]产生直流激光已经在绿光(大约530nm)下实现，然而，这些激光当前仍具有有限的输出功率和效率。在本发明的实施方式中，可以使用针对绿光的倍频激光器。在倍频激光器中，来自一激光器的光被转换成具有初始激光的频率(或一半波长)的两倍的光。倍频是非线性光学处理，其需要单个模式的高峰值强度。这意味着频率转换激光器的典型频谱非常窄。可以考虑两类倍频激光器，例如，二极管泵浦固态激光器，其中，增益介质是晶体；和半导体激光器，其增益介质是电或光泵浦半导体层结构。
[0083]第一类倍频激光器是掺Nd晶体激光器(例如，Nd: YAG)组，其按IR频率产生激光。Nd: YAG激光器仅可以按某些有限波长产生激光，其中，可以使用946nm和1064nm来构建可见激光。这些波长可以分别转换成473nm和532nm。例如针对绿光的其它可能性是1064nm的Nd:YV04，和1047nm或1054nm的Nd:YLF。由于仅可以生成这些明确限定的波长，因而，限制了波长分集。
[0084]第二类型由IR半导体激光器形成，其接着被倍频成可见光。尽管这些激光器中的每一个激光器都具有宽度大约0.1nm的非常窄的频谱，但技术上可能的是，设计这些激光器，使得一个激光器相对于另一激光器的中心波长如通过引用并入于此的US 6975294中所述地移位。
[0085]图5示出了如果中心波长之差大于Λ Amin，则利用具有不同中心波长的多个激光器可以改进散斑减少。在图5中，虚线指示最小间隔△ Xmin，而实线指示每一个激光频谱的频谱形状。
[0086]参数Λ 取决于屏幕的特性。基于针对许多典型屏幕的试验，已经发现相邻波长的间距应当有利地处于0.5nm与2nm之间的范围中，但其也可以大于2nm。激光间距一等于该值△ Xmin，就会获得通过波长分集进行的散斑减少。具有更加宽展度的两个激光还导致同一散斑对比度，但利用针对绿光的当前半导体技术，不容易获得展度>6nm，其次，太宽的展度将导致更少的饱和色，并且不再实现希望散斑减少，如两个波长之间的色差显而易见并且察觉色噪声。
[0087]波长分集被用于改进散斑减少。希望最小化离散波长的数量，最小化装置的成本，以及易于不同波长之间的混合。
[0088]为了最好地利用可以使用所建立激光二极管和倍频技术生成的波长并且为了保持饱和窄频带原色，优选的是，间距不宽于所必需的。
[0089]为了最小化装置的成本，希望最小化离散波长的数量，并由此，不建议使间距显著小于Δ λ—。
[0090]示例性光源使用一组半导体激光器。对于红光频带来说，使用直流二极管，而对于绿光频带和蓝光频带来说，使用倍频半导体激光器。这些激光器的优点是，可以获得分别在6nm和4nm有限范围内的一组波长移位激光。一不例波长组为:
[0091]红光:通过修改结点的温度而按波长移位的、从635nm至637nm的五个激光。
[0092]绿光:529.75nm、530.70nm、531.75nm、532.50nm、533.75nm、534.60nm。[0093]蓝光:464.20nm、456.25nm、466.20nm、467.20nm。
[0094]绿光和蓝光中的波长分集已经通过调谐VBG和PPLN倍增晶体来实现。绿光频带中的Inm间距已经被发现，针对诸如纸的最多增益I的表面提供最佳结果。由于所需间隔取决于屏幕类型，因而，最佳的是，根据所使用屏幕来调谐激光器。在此情况下，这是不可能的，并且必须进行权衡或妥协。例如，即使稍微更大的间隔对于特定屏幕来说更好(例如，
1.25nm或1.5nm),也可以使用波长之间的Inm展度。对于某些屏幕来说，发现直至5nm的更加大的间隔可以是优选的。
[0095]图8a和8b例示了针对生成单个原色的光源的4波长阵列可以怎样排列的实施例。图8a和Sb是图1中的光源的截面。目的是，每一个波长都具有相等数量的源，并且它们的能量在光源的角度空间上充分分布。不同原色的光源的分布不必是规则的。在图8a中，所有源都具有相同偏振。在图8b中，偏振被混合。在两种情况下，混合都是不规则的，并且不跟随规则图案。
[0096]偏振分集
[0097]可以减少散斑的另一技术是偏振分集。干扰不会在两个垂直偏振状态之间发生。许多屏幕材料上的散射将导致输入场的消偏振，这意味着偏振激光器的漫射表面处的反射生成了两个独立散斑图案，由此可以实现的V 2的散斑减少。对于使用非偏振激光源的情况来说，可以获得额外因子V 2，从而导致因子2的散斑抑制。存在必须实现的几个条件，以便实现该因子2。首先，屏幕的特性必须是，使得两种投射偏振状态在屏幕上按不同方式散射。这可能因一个单个表面的散射偏振相干的事实而造成。对于该表面是Lambertian散射体的情况来说，在光离开该表面之前发生了许多散射。这样，似乎存在具有不同表面结构的两个屏幕(每一种偏振状态一个屏幕)。其次，投射在屏幕上的两种偏振状态之间应当没有固定相位关系。这种固定相位关系例如可以因反射表面的消偏振效应而造成，如每一个反射皆导致s偏振状态与P偏振状态之间的相移。尽管线性偏振失去，但光仍是椭圆偏振。当两个条件完全实现时，可以实现因子2的散斑抑制。一旦仅部分地实现该条件之一，则通过偏振分集进行的散斑抑制就将降低。散斑中的两个因子中的该减少因子是可以利用偏振分集实现的最大值。针对屏幕保持偏振的情况，对于非偏振激光源，散斑抑制受限于因子V 2。类似的是，针对该源结合消偏振屏幕地偏振的情况，散斑减少受限于V 2。如果该源的两个偏振状态同时存在并且彼此相关联，则散斑减少也受限于V 2。伴随同一偏振状态的散斑图案因而以幅度为基础而非以统计为基础来添加。最后，如果屏幕结合偏振激光源地保留偏振，则不会实现由偏振分集进行的散斑抑制。在使用基于偏振的3D技术时尤其如此。
[0098]在本发明的实施方式中，光源装置12被设置成，使用多个不同散斑减少技术的组合效果。为了使全部三个技术具有累积效果，针对每一个波长的光的量和每一个偏振必须在光调制器14的表面上均匀，并且光调制器的表面上的每一个点处的角度分布要均匀或者尽可能均匀。
[0099]波长和角度分集实施方式
[0100]图10中示出了本发明一个实施方式。图10示出了包括两个积分器部件31、33和中间或第二漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列34的积分器30。这被称作“双积分器”。积分器30适于尽可能均匀地填充投影仪的集光率，而不会在更大角度上散射光，这不被投影仪光学系统和投影透镜接受(导致光效率降低)。两个积分器部件31、33沿光源24与光调制器14之间的光路顺序地设置。两个积分器未示出为彼此物理接触且其间有中继光学器件，以将积分器31的出口成像到积分器33的入口和漫射器部件34上。然而，如果存在足够高数量的相关激光发射器，以使不再需要漫射器部件34的运动控制，则这两个积分器部件31、33可以被设置成彼此物理连接。
[0101]在一个实施方式中，第一积分器部件31被称作预均化器，并且位置在第一漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列32之前。第一积分器部件31仅必须确保每一个波长以均匀强度分布在出口表面上。角间隙仍可以接受，并且第二漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列34将靠近针对第二积分器部件33的入口的面的每一个点的角间隙。仅需要弱漫射器，以最小化光损耗。第一漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列32仅必须使得能够在预均化器31中空间混合。将在第二积分器部件33的出口处实现完全均匀的亮度和角度分布。在一些实施方式中，提供每一个波长的足够的相关激光发射器，以使漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列34可以是静止的。
[0102]如果按每一个波长的相干激光发射器的数量太小而不能通过角度分集最大化散斑减少，则第二漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列34被使能移动。该移动可以通过移动控制器35来控制。这将进一步引入按不同角度碰撞屏幕的光线之间的随机相位差。漫射器或折射部件32和34优选地被设计为全息漫射器或具有平顶(帽状)圆形漫射外形的折射部件。利用所特殊设计的漫射器的优点是，它们通过避免光在太宽角度上散射来减少光损失。为了最大化角度分集，有利的是，均匀地填充在投影仪孔径上的强度分布，以使圆形帽顶漫射外形特别受到关注。
[0103]激光器24输出的激光束25入射在第一漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列32上，以增加集光率并且引入进行射束均化所必需的角度。因而，来自激光器24的光在第一积分器31中被均化。在一个有利实施方式中，使用积分棒。接着，预均化器31的均匀输出被成像到漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列34上(或将漫射器应用至积分器的输出面)。该第二漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列34被选择成大致桥接出自预均化器的不同反射光线之间的角度空间。在该图中，积分器31和/或积分器33具有沿其长度的均匀截面。在其它实施方式中，积分器31和/或积分器33可以具有沿其长度L的非均匀截面，如锥状(截头圆锥)外形。例如，在出口处更宽的锥化可以被用于第一积分器部件31，如其将进一步确保虚拟源更靠近在一起放置，以减少角间隙。
[0104]有利的是，预均化器31在漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列34上的图像与主积分器33的尺度匹配或者稍微更小以避免光损耗。对于堆叠设置的积分棒的情况来说，第一棒31的尺寸例如可以比第二积分棒33稍小，反之亦然。如果第一棒31是实心积分棒，而第二棒是中空光导管33，则第一棒配合到第二棒中，反之亦然。
[0105]漫射器部件34还是尽可能靠近第二积分器的入口附近放置，以便最小化光损耗。
[0106]在本发明的优选实施方式中，漫射部件32是固定的，而漫射部件34可以固定或者移动，以在入射在漫射部件上的不同位置处的光之间引入随机相位变化。有利的是，这种移动处于与纵轴13或激光束垂直的平面中，并且可以由移动控制器35来控制。
[0107]有利的是，漫射器的漫射表面或折射部件32、34被选择成，使得所得角度分布和强度大致在投影仪的完整集光率上均匀(W/sr)。可以使用特殊设计的漫射器、微透镜阵列、棱镜阵列或其它折射或衍射部件。稍差的均匀分布也可以得到令人满意散斑抑制。
[0108]这两个积分器部件31、33优选地具有不同的形式或比率r，在本发明的实施方式中，可以使用锥状的预均化器，而第二积分器是直棒。当积分器32和33的形式和比率!相同时，漫射部件34的光漫射特性必须被选择成避免将积分器32的入口成像到积分器33的出口上。 [0109]参照图10和11，利用静止的漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列34和单个激光束，在光学积分器的入口处，将存在光按连续角度范围+/-Θ发射的小点。通过光学积分器的第一部分中的许多离散反射，该光分布将被变换成填充漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列34的位置处的、积分器的整个截面，光能量将在该截面上大致均等化，该角度仍处于+/-Θ之间。然而，在任何选择位置处，光将仅按离散数量的角度入射(例如，在由入口处光点的反射数量和尺寸限定的棒积分器的情况下)。对于积分器棒的有限长度来说，该离散角度数量将会相当有限。通过漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列34的漫射操作，这些间隙可以被填充并且整个角度空间被填充。然而，因为所有光线都源自单个激光源，所以不同角度的光线具有固定的相位关系。
[0110]图11示出了积分器组件30的一个实施方式。该积分器组件包括积分器部件31和33以及其间的用于将预均化器31的出口成像到均化器33的入口上的成像光学器件。漫射器优选地定位在任一个或每一个积分器部件前面。例如，第二漫射器34可以可选地移动，第一漫射器32可以是静止的。
[0111]在图11的底部示出了针对沿积分器组件30的不同位置的2个图形。在顶部图形中，例示了光强度怎样横跨积分器组件的截面分布，而下部图形示出了相交的中心点的光的角度分布。顶部图形示出了表示在积分器组件的截面上位置-d与+d之间的不同角度上平均化的总能量的光强度I。底部图形示出了针对+ Θ与-Θ之间的角度的、沿非常具体的角度方向的光强度I。在该情况下，角度+/-Θ表示投影仪光学系统的限制角度可接受角度。该角度Θ由光调制器或光阀所接受的集光率决定。角度Θ与光调制器或光阀所需的相比，可以保持更小，以赶紧光学设计，例如，对比率方面。
[0112]在积分器组件的入口处，入射大量激光束，它们的光斑尺寸非常小，由此强度集中在光学轴周围的小光斑上。这里，按角度间距β示出了三个不同激光束。可以添加更多模块，其具有相同波长，但也可以具有不同波长，如图1所示。在该情况下，β I是相邻模块之间的角间距，而β 2是同一波长的相邻模块之间的角间距。然而，所有模块必须按小于+/-Θ的角度空间中进行组合。
[0113]在缺少第一漫射器32的情况下，预均化器31在完全准直激光束时产生更少均化。沿光轴取向的激光束将笔直前进，另两个光束在离散数量的反射之后，将在限定位置并且以同一角度离开预均化器。第一漫射器32将在很宽的角度范围上分布激光，以使在预均化器中发生更好的均化。理想的是，该漫射器将针对每一个波长大致填充可用角度空间。优选的是，该漫射器具有足以填充同一波长的不同封装体中的激光发射器之间的角间距的帽顶分布和漫射强度。假定所有发射器递送大约相同的亮度，那么，其足以保证针对每一个波长填充全部角度空间。
[0114]这意味着该漫射器的全宽半最大角度大约为β 2。优选的是，在第一漫射器32之后的角度空间与最大可接受角度空间+/-Θ之间仍留有某一角度余量。角度空间填充得越均匀，去散斑将实现得更好，但默认了某些非均匀性甚或小的角间距，这些稍后仍可以通过第二漫射器34来减轻。
[0115]预均化器31现在将混合以不同角度入射的光，并且在预均化器31的出口处，截面上的强度分布是大致均匀的。然而，在该出口的特定点处，仅表示了离散数量角度的光线。预均化器31的长度被确定成，以保证在出口截面上和针对每一个波长的良好亮度均匀性。亮度分布越均匀，通过角度分集实现的去散斑就越好。
[0116]第二漫射器34需要靠近离散角度之间的角间距，如在预均化器的出口看到的。第二漫射器34还减轻某些残留角间距和非均匀性。在第二漫射器34之后，所述角度应当延展更多或更多可用角度空间，而不会将光漫射出该空间(因为该光将会损耗)。理想的是，再次与至少α的全宽度半最大角度一起使用帽顶漫射器。α是图2b中指示的不同源之间的表观角间距(作为源的表观平面)。
[0117]第二漫射器34除了导致预先均化器31之后的某些残留亮度非均匀性之外，很可能还导致某些小规模的亮度变化。第二均化器33进一步混合该光，以保证其出口处更高程度的亮度均匀性。因为该出口被成像到光调制器上，所以亮度均匀性在此应当与所投影图像的希望亮度均匀性一致，并由此在所述平面上应当典型地好于70%。这意味着在该点处，亮度均匀性应当更加好。第二均化器33还按其出口处的大致均匀角度分布，来变换其入口处大致均匀的亮度分布。
[0118]这样，最终积分器系统将在其出口的截面上递送具有均匀强度并且在该截面的每一点中具有均匀角度分布的照明分布。而且，这是对于每一个单个波长来说的。
[0119]重要的是，不同角度的光表现出非相干性。这不仅减少了由投影屏幕引入并且被观看者观看到的散斑，而且不需要引入所谓的主观散斑。由于该条件可以变换成在第二均化器33的入口处的不同位置处的光表现出非相干性的需求，因而足够移动第一漫射器32。仅较小速度的运动就足够保证空间相位关系在解调制器的最短接通时段内充分中断。漫射器增益大小的量级的运动是足够的。
[0120]另一方面，如果碰撞在第一漫射器32上的光已经在不同位置之间充分相干，则第一漫射器32可以保持静止。在将高数量的相互相干发射器用于每一个波长时并且在那些发射器均匀地分布在积分器组件的入口处的可用角度空间上时就是这种情况。
[0121]实现静止的第一漫射器32所需的彼此相干发射器的数量取决于系统角度的可接受角度+/_ Θ、从光调制器至投影屏幕的缩放比例因子、从观看者至投影屏幕的距离以及投影屏幕特性。对于典型投影屏幕来说，在等于屏幕高度的观看距离并且利用具有0.98"对角和12度倾斜角的DLP投影仪，对于将6个波长用于绿原色的情况来说，发现比每波长24个发射器更高数量的发射器足以实现静止的第一漫射器32。
[0122]在上面图4的讨论中，X、Y以及Z分别是针对红光、绿光以及蓝光的不同波长箱块(wavelength bin)。在一封装体内，设置了许多发射器，并且还可以组合同一波长的许多封装体。指定M作为同一波长的发射器的总数量。假定M个发射器全递送大约相同的亮度，那么不再需要每一个发射器都填充投影透镜的完整孔径，而组合的同一波长箱块的M个激光器大致填充投影透镜的完整孔径就足够了。如果将足够高数量的M个相干发射器用于每一个波长，则不再需要漫射器或折射部件的中一个移动，而该漫射器或折射部件可以保持静止。[0123]偏振分集实施方式
[0124]如果不再需要照射到光调制器上的光是偏振的，则还可以通过在光源12中添加偏振分集来实现去散斑。为了实现用于添加至先前去散斑方法的这种效果，用于两个偏振的相干光应当针对投影仪集光率的整个角度空间并且针对每一个波长来实现。偏振分集可以在双积分器系统之前或内部(例如，在第一漫射部件32或第二漫射部件34的位置处)引入。在本发明的优选实施方式中，提出了在双积分器系统的第一漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列32之前或该处引入针对每一个波长的偏振分集。这例如可以通过利用具有正交偏振和针对每一个波长箱块的相等亮度的至少两个相干发射器来实现。其它可能性是，在不保持偏振的位置I处使用漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列32，或者通过在激光束中或者在第一漫射器或折射部件或微透镜阵列或折射棱镜阵列之后弓I入偏振相关随机相位调制，可以使用时变延迟器。
[0125]本发明不限于在此描述的实施方式，其可以在不脱落本发明的范围的情况下进行修改或改变。
【权利要求】
1.一种与具有光调制器的投影仪一起使用的光源装置，该光调制器用于接收多个光束并且用于将所述多个光束朝向显示器投射，该光源装置包括: 激光源，该激光源具有至少一种原色的多个波长，该激光源被设置成输出激光束； 积分器组件，该积分器组件包括: 至少两个积分器部件；和 第一光漫射部件，该第一光漫射部件位于所述两个积分器部件之间，其中，所述第一光漫射部件被设置成接收激光并且以一定角度范围来发出多个光束， 所述积分器组件被设置为使得针对所述多个波长中的每一个波长: 在所述图像调制器的表面上实现大致均匀的亮度，并且 在所述图像调制器的表面的每一个点处，实现可用角度空间的大致均匀填充。
2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述积分器组件被设置为，在所述图像调制器的表面上提供大致均匀的亮度，并且在所述图像调制器的表面的每一个点处，在每一个时间点提供所述可用角度空间的大致均匀填充。
3.根据权利要求1或2所述的光源，其中，所述第一光漫射部件是漫射器、微透镜阵列、衍射部件、折射棱镜阵列或全息部件。
4.根据任一前 述权利要求所述的光源，其中，所述两个积分器部件中的任意一个积分器部件是棒积分器或光导管积分器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光源，其中，所述两个积分器部件中的任意一个积分器部件是蝇眼积分器。
6.根据权利要求4所述的光源装置，其中，所述棒积分器或光导管积分器部件具有沿其纵轴的可变截面。
7.根据权利要求4所述的光源装置，其中，所述棒积分器或光导管积分器部件在至少一个维度上具有沿其纵轴的锥状截面。
8.根据任一前述权利要求所述的光源装置，所述光源装置还包括第二光漫射部件，该第二光漫射部件位于所述第一积分器部件的前面。
9.根据任一前述权利要求所述的光源装置，其中，所述第一光漫射部件是可移动的。
10.根据任一前述权利要求所述的光源装置，其中，所述第一光漫射部件是静止的。
11.根据任一前述权利要求所述的光源装置，其中，所述第一积分器部件与所述第二积分器部件相比，具有不同形式和/或不同长宽比。
12.根据权利要求11所述的光源装置，其中，所述第一积分器部件或所述第二积分器部件具有大于7.5的长宽比。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光源装置，其中，所述第一积分器部件为锥状，而所述第二积分器部件不是锥状，或者所述第二积分器部件为锥状，而所述第一积分器部件不是锥状。
14.根据任一前述权利要求所述的光源装置，其中，所述激光源包括发光器件阵列，并且其中，所述发光器件阵列中的一个发光器件以所述多个波长中的一个波长来输出光束。
15.根据权利要求14所述的光源装置，其中，以同一波长输出光束的多个器件在所述阵列中偏移，并且可选地在所述阵列上均匀分布。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光源装置，其中，所述多个波长具有小于2nm并且可选地大于0.5nm的偏移。
17.根据前述权利要求中任一项所述的光源装置，其中，光束具有两个正交偏振。
18.根据权利要求17所述的光源装置，其中，所述第一漫射器部件或所述第二漫射器部件不保持偏振。
19.根据权利要求17或18所述的光源装置，其中，在所述第一漫射器部件和/或所述第二漫射器部件之后放置有时变延迟器。
20.根据任一前述权利要求所述的光源装置，其中，所述多个波长是由多个激光发射器生成的。
21.根据权利要求1至19中任一项所述的光源装置，其中，所述多个波长是由多个激光器封装体生成的。
22.根据权利要求20或21所述的光源装置，其中，对每一个波长有贡献的各个激光发射器的数量足够高，并且所述第一漫射部件和所述第二漫射部件是静止的。
23.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的光源装置的投影仪。
24.一种投影仪系统，该投影仪系统利用根据权利要求1至22中任一项所述的具有至少一种原色的两个正交偏振的激光源，并且利用光积分器系统，该光积分器系统被设想成使得针对每一个偏振方向: V、在所述图像调制器的表面上实现大致均匀的亮度，并且 v1、在所述图像调制器的表面的每一个点处，实现可用角度空间的大致均匀填充。
25.—种对与具有光调制器的投影仪一起使用的光源进行操作的方法，该光调制器用于接收多个光束并且用于将所述多个光束朝向显示器投射，该方法包括以下步骤: 从具有至少一种原色的多个波长的激光源输出激光束； 对所述激光束进行第一积分，以使针对所述多个波长中的每一个波长，在所述图像调制器的表面上实现大致均匀的亮度，并且 对所述激光束进行漫射，并对所述光束进行第二积分，以使在所述图像调制器的表面的每一个点处，实现可用角度空间的大致均匀填充。
【文档编号】G03B21/00GK103597400SQ201180070475
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2011年4月12日 优先权日:2011年4月12日
【发明者】P·詹森 申请人:巴库股份有限公司