用于图像投影仪的高对比度分立输入棱镜的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年10月12日提交的第62/240,287号美国专利申请、于2015年8月3日提交的第62/200,417号美国专利申请、以及于2014年12月31日提交的第62/099,054号美国临时专利申请的优先权，上述每个专利申请的全部内容通过引用并入本文中。

本发明涉及投影仪系统，并且具体涉及用于基于激光的图像投影系统的改进的棱镜系统。

背景技术：

现在正在通过改进动态范围来构建投影仪系统。在激光投影系统领域中存在许多这些类型的改进。一些这样的激光投影系统也可以包括双调制器投影仪显示系统和多调制器投影仪显示系统。可以期望的是，改进这些改进的图像投影系统的性能。

常规的高性能数字光处理(dlp)投影仪使用三通道棱镜组件，该三通道棱镜组件具有双向通过颜色棱镜的公共光路，其中，白光被分为红色、绿色和蓝色并且然后重新合并成全色(白光)图像。在将输入的白光分离成三种颜色之后，这些颜色被专用的dlp芯片单独地调制，并且通过相同的颜色棱镜被发回，以将调制后的光重新合并成全色图像。

这样的常规棱镜的示例可以在以下专利中找到：

(1)于1972年5月2日发布的tan的第3,659,918号美国专利，题目为“colorseparatingprismsystem”；

(2)于2010年2月23日发布的penn的第7,665,850号美国专利，题目为“prismforhighcontrastprojection”；以及

(3)于2011年8月9日发布的penn的第7,993,014号美国专利，题目为“prismforhighcontrastprojection”，

——上述专利的全部内容通过引用并入本文中。

技术实现要素：

在本文中的投影仪显示系统的棱镜组件的许多实施方式中，棱镜输入是离散颜色通道(例如红色通道、绿色通道和蓝色通道)——与所描述的常规棱镜组件的白光输入相反，但是可以仍以类似的方式来合并经调制的光。由于许多原因，这是所期望的。首先，来自红色dlp调制、绿色dlp调制和蓝色dlp调制的“关闭状态(offstate)”光被反射离开棱镜中的打开状态(on-state)光路，从而倾向于避免不受控制的散射。第二，可以使用飞利浦型(philips-style)棱镜(如下面的相关专利中)对光进行重新合并，但是使用显著简化的涂层，这是与该棱镜一起使用的窄带、单向离散的红/绿/蓝照明光源所允许的。第三，通过针对棱镜路径长度的大部分使颜色保持分离，功率水平可以在典型的失效点(failurepoints)处显著地降低。这在棱镜中允许更多的光功率处理能力。以及最后，当使用离散光源例如led和激光器时，通过去除通常在典型的三通道棱镜设计中存在的额外的红色、绿色和蓝色分离和重新合并损耗，可以显著地提高光效率。通常，本文中的许多实施方式优化了各个光路，以使散射、损耗和热负荷最小化，以便在3芯片dlp投影仪中提供改进的效率、对比度和功率处理。

可以对合并光的ar涂层和二向色涂层(dichroiccoatings)进行涂层优化。输入支路上的ar涂层可以根据颜色(例如由于每条支路可以看到单个颜色)和角度(假设使用较高的f/#psf中继)进行优化。这种优化可以产生更好的透射(在每个分立路径中存在7个表面的情况下，每个表面大约0.2％)。二向色涂层可以针对窄带光(假设非灯光源)而被优化，与更宽的带涂层相比，该二向色涂层可以具有改进的反射率和透射率，并且二向色涂层还可以针对较小的角度(将根据窄带波长选择而变化)而被优化。二向色涂层的改进对于对比度而言也可以是至关重要的，这是因为光控制对于对比度而言至关重要，并且非预期的反射可能会降低对比度。在其他实施方式中，该设计也可以应用于具有单色或彩色顺序操作的单芯片dlp投影仪。

在许多实施方式中，棱镜能够从离散颜色激光源接收离散照明输入(例如这可以趋向于有助于效率)。此外，许多实施方式可以倾向于以高功率良好地执行，并且倾向于减少热负荷和热应力以改进功率处理和可靠性。

在一个实施方式中，公开了一种用于图像投影仪显示系统的棱镜组件，该棱镜组件包括：多个离散颜色光输入；对于每个离散颜色光输入而言，用于接收离散颜色光输入的棱镜元件；并且其中，进一步地，相比于如果棱镜元件接收全光谱照明，每个所述棱镜元件的热负荷更小。

当结合本申请中所给出的附图进行阅读时，以下在详细描述中给出本系统的其他特征和优点。

附图说明

在附图中所参照的图中示出了示例性实施方式。其目的在于：本文中所公开的实施方式和附图应当被认为是说明性的而非限制性的。

图1描绘了可以适合于使用本申请的改进的棱镜输入实施方式的图像投影仪显示系统的一个示意性实施方式。

图2描绘了满足本申请的目的的投影仪系统的一个实施方式。

图3描绘了满足本申请的目的的投影仪系统的另一实施方式。

图4a至图4c描绘了本领域已知的常规棱镜输入系统。

图5a至图5d示出了在图4a至图4c的常规棱镜输入系统的操作期间的各种光路。

图6a至图6d示出了根据本申请的原理制造的高对比度分立输入棱镜的一个实施方式。

图7a至图7d示出了在图6a至图6d的常规棱镜输入系统的操作期间的各种光路。

图8描绘了在处理投影仪系统的全光功率时如图4a至图4c所示的常规棱镜的热负荷的一个示意图。

图9描绘了在处理投影仪系统的全光功率时如图6a至6d所示的高对比度分立输入棱镜的热负荷的一个示意图。

具体实施方式

如本文所使用，术语“部件”、“系统”、“接口”等旨在指代与计算机相关的实体，即硬件、软件(例如执行中的)、和/或固件。例如，部件可以是在处理器上运行的过程、处理器、对象、可执行文件、程序、和/或计算机。通过说明，在服务器上运行的应用和服务器二者均可以是部件。一个或更多个部件可以驻留在过程内，并且部件可以定位在一个计算机上和/或分布在两个或更多个计算机之间。部件还可以意图指代与通信有关的实体，即硬件、软件(例如执行中的)和/或固件，并且还可以包括影响通信的足够的有线或无线硬件。

通过下面的描述阐述了具体细节，以便为本领域技术人员提供更透彻的理解。然而，为了避免不必要地使本公开内容模糊，可能未示出或详细描述公知的元件。因此，应该认为描述和附图是说明性的而不是限制性的。

介绍

在投影仪和其他显示系统的领域中，期望的是，改进图像呈现性能和系统效率。本申请的几个实施方式描述了通过对双调制或多调制显示系统采用光场建模来影响这些改进的系统、方法和技术。在一个实施方式中，开发了光源模型并将其用于有益的效果。可以对已知输入图像的显示图像的摄像机图片进行评估以改进光模型。在一些实施方式中，迭代处理可以对改进进行累积。在一些实施方式中，这些技术可以用于运动图像以进行实时调节来改进图像呈现性能。

在下述共有专利和专利申请中已经描述了双调制投影和显示系统，这些共有专利和专利申请包括：

(1)于2012年2月28日发布的ward等人的第8,125,702号美国专利，题目为“serialmodulationdisplayhavingbinarylightmodulationstage”；

(2)于2013年6月13日公开的whitehead等人的美国专利申请20130148037，题目为“projectiondisplays”；

(3)于2011年9月22日公开的wallener的美国专利申请20110227900，题目为“custompsfsusingclusteredlightsources”；

(4)于2013年5月2日公开的shields等人的美国专利申请20130106923，题目为“systemsandmethodsforaccuratelyrepresentinghighcontrastimageryonhighdynamicrangedisplaysystems”；

(5)于2011年11月17日公开的erinjippurath等人的美国专利申请20110279749，题目为“highdynamicrangedisplaysusingfilterlesslcd(s)forincreasingcontrastandresolution”；以及

(6)于2012年5月31日公开的kwong的美国专利申请20120133689，题目为“reflectorswithspatiallyvaryingreflectance/absorptiongradientsforcolorandluminancecompensation”，

——上述共有专利和专利申请的全部内容通过引用并入本文中。

一个示例性物理架构

图1示出了适当的图像投影仪显示系统的一种可能的实施方式。在该实施方式中，投影仪显示系统被构造成双调制器/多调制器投影仪显示系统100，该投影仪显示系统100可以满足本申请的目的。投影仪系统100采用光源102，该光源102向投影仪系统提供期望的照明，使得对于投影图像的预期观看者而言最终投影图像足够亮。光源102可以包括可能的任何适当的光源，包括但不限于：氙气灯、激光器、相干光源、部分相干光源。由于光源是整个投影仪系统的功率和/或能量的主要来源，因此期望的是，有利地使用和/或重新使用光，以在其操作过程中节省功率和/或能量。

光104可以照射第一调制器106，第一调制器106进而可以经由一组可选的光学部件108照射第二调制器110。来自第二调制器110的光可以被投影透镜112(或其他适当的光学部件)投影，以在屏幕114上形成最终投影图像。第一调制器和第二调制器可以由控制器116控制，该控制器116可以接收输入的图像和/或视频数据。控制器116可以对输入的图像/视频数据执行某些图像处理算法、色域映射算法或其他这样适当的处理，并且将控制/数据信号输出至第一调制器和第二调制器，以便实现期望的最终投影图像114。此外，在一些投影仪系统中，可以根据光源来调制光源102(控制线未示出)，以实现对最终投影图像的图像质量的另外控制。

在图1中，光回收模块103被描绘为虚线框，如下面将要讨论的，该光回收模块103可以放置在从光源102到第一调制器106的光路中。虽然在这种布置的环境中给出本讨论，但是应当理解的是，在投影仪系统中，光回收可以插入在投影仪系统中的各个点处。例如，光回收可以放置在第一调制器与第二调制器之间。此外，光回收可以被放置在显示系统的光路中的多于一个点处。虽然这样的实施方式可能由于部件数目的增加而更昂贵，但是由于多个点的光回收，这种增加可以与能量成本的节省相平衡。

尽管在双调制、多调制投影系统的环境中呈现图1的实施方式，应当理解的是，本申请的技术和方法将在单调制或其他双调制、多调制显示系统中得到应用。例如，包括背光、第一调制器(例如lcd等)和第二调制器(例如lcd等)的双调制显示系统可以采用适当的模糊光学部件以及图像处理方法和技术来影响本文中在投影系统的环境中所讨论的性能和效率。

还应当理解的是，即使图1描绘了两级或双调制器显示系统，本申请的方法和技术也可以在仅具有一个调制器的显示系统或具有三个或更多个调制器的显示系统(多调制器显示系统)中得到应用。本申请的范围包括这些各种替代实施方式。

一个光回收实施方式

图2描绘了可以适用于本申请的目的的投影仪系统的一个实施方式。光导管(conduit)子系统/模块(例如包括一个或更多个部件201至216)可以在投影仪系统中被主要置于光源102与第一调制器221之间。来自光源102的光可以经由积分棒/管/盒(integratingrod/tube/box)202输入至光路。在一个实施方式中，积分棒/管/盒202可以包括在其内部的基本为反射的表面，使得入射在其表面上的光可以被反射(例如可能多次)，直至光离开其最右端203为止。一旦光离开积分棒/管/盒，光可以被置于由一组光学元件(例如透镜204、214和216)以及一组滤光器和/或偏振器206、208、210和212所限定的光路中。如果对该投影仪系统的设计而言是需要的，则本实施方式还可以被构造成执行光回收。

第一调制器221可以包括若干个棱镜218a、218b和反射器220。反射器220可以包括反射器的数字微镜器件(dmd)阵列，或微机电系统(mems)阵列，或者可以在至少两条或更多条路径中反射光的可能的任何其他适当的反射器组。在图2中描绘了一条这样的路径。如可以看到的，反射器220将光引导到棱镜218a和218b的界面上，使得光因此被反射到透镜组件222中，并且之后被反射到第二调制器229(例如包括透镜组件224、棱镜226和230以及反射器228)。可以采用这些光来形成最终投影图像以供观众观看。

然而，在呈现最终投影图像期间的某个时间处，可能不需要光源102的全部功率/能量。如果不可以调制光源102的功率，则可以期望的是，回收来自光源102的光。此外，可以期望的是，增大图像中的“高亮”的亮度，并且在投影仪系统中回收的光可以提供另外的功率。在这种情况下，如可以在图2中看到的，可以将反射器220从其如图所示的当前位置(即，在该位置，光被引导成沿着向下至第二调制器的路径行进)对准到以下位置：在该位置，光将基本上被反射回到积分棒/管/盒202，在从右向左的方向上行进时沿着与所描述的基本上相同的路径。

在另一实施方式中，第三可选路径(未示出)允许反射器将来自光源的光引导到光“收集器(dump)”，即，投影仪系统中的吸收光的部分。在这种情况下，光作为从投影仪系统散发出去的热量而被浪费。因此，当涉及根据需要来引导光时，投影仪系统可以具有多个自由度。

图3是投影仪系统300的一部分的又一个实施方式，投影仪系统300的一部分可以用于从至少一个激光器和/或部分相干彩色光源和端口(例如通过光纤发射装置302、准直器304、扩散器306)发射光。来自这样的光源的光可以穿过第一光学子系统/扩散器中继308，以调节要被输入到积分棒312中的光，该积分棒312可以包括反射近端310(例如回收镜)。第二光学子系统/回收中继314还可以在输入到第一调制器316中之前根据需要进一步调节光。如上述图2所示，系统300的第一支路可以影响所讨论的光回收模式。

在第一调制之后，光可以在输入到第二调制器320中之前穿过第三光学子系统/点扩散函数(psf)中继318，该第二调制器320对穿过投影仪光学子系统322的光进行调制以投影最终图像以供观看。继续参照图3，图3示出了被置于第一调制器316(例如预调制器)与第二调制器320(例如主调制器/九块棱镜)之间的中继光学系统318。可以期望这样的中继光学系统既减少图像处理时的伪像的量，并且又增大投影图像的对比度。

如本文中在一个实施方式的环境中所讨论的，可以期望的是，第一调制器/预调制器基于图像数据值(例如半色调图像)来产生模糊和/或散焦图像。在许多实施方式中，可以期望的是，具有中继光学系统，该中继光学系统倾向于从预调制器到主调制器产生均匀的模糊/散焦图像。此外，对于本实施方式，可以期望的是，具有期望的散焦的光斑形状。

在许多实施方式中，中继光学系统可以包括以下透镜或其他光学元件：所述透镜或其他光学元件有效地移动焦平面，校正任何彗差(coma)，并且调节扩散(例如，通过产生散焦/模糊，并且添加达到某个期望的量的球面像差)。

改进的棱镜实施方式

如上面所讨论的，可以期望的是，在能量效率和/或成本效率两方面改进这些投影仪系统的效率。可以在例如与空间光调制器(slm)(例如本文中所描述的dmd和/或mems阵列)一起使用的输入棱镜组件的区域中实现用于改进的一个这样的区域。

图4a至图4c分别描绘了常规棱镜组件的正视图、俯视图和侧视图。在操作时，图5a至图5d描绘了棱镜组件可以如何与输入光束相互作用，在dmd反射器的打开(on)状态取向、关闭(off)状态取向和水平(flat)状态取向下将光束反射离开dmd。

如可以在图4a至图4c以及图5a至图5d所看到的，输入光束502可以穿过第一棱镜408并且在与第二棱镜406的界面处全内反射(tir)，穿过光学玻璃404和400，该光学玻璃404和400被布置在dmd阵列500的附近(被描绘为光束504)。

如图5b所描绘的，当dmd反射器被设置成打开状态时，反射光束506可以返回穿过光学元件400、404、408和406，以提供用于进一步调制和/或投影的光。图5c描绘了当dmd反射器被设置成关闭状态时可以被反射的光束508，例如光束508可以被引导到光收集器(未示出)以被吸收和/或处理，以免影响显示器的动态范围。图5d描绘了当dmd反射器处于水平状态取向时的光束510。与在关闭状态下从dmd反射的光一样，在水平状态期间反射的光应该类似地被引导离开可能包括进一步调制和/或投影的可操作的下游光路。

当光源是高功率的，例如高功率白光(例如氙气灯等)或高功率彩色激光时，热量可能呈现不期望的热效应，该热效应本身可能表现为不期望的成像效果和/或机械元件劣化。不期望的效果可能包括随着时间和热循环的、从预调制器到主调制器的psf形状和/或尺寸的变化以及图像的位置漂移。

图6a至图6d分别示出了根据本申请的原理制造的棱镜组件的一个实施方式，并且图6a至图6d分别给出正视图、俯视图、侧视图和底视图。可以看出，本棱镜组件包括光学元件600、602、604、606、608、610、612、614和616。在本实施方式中，可以采用光学元件以在一个或更多个颜色通道上操作，从而针对由棱镜组件接收的每个分立颜色光产生分立颜色通道棱镜路径。

例如，在作为分立颜色通道棱镜路径之一的绿色通道中，光学元件602是绿色收集楔形物(dumpwedge)，光学元件612是绿色楔形物，以及光学元件600是绿色输入楔形物。在蓝色通道中，光学元件608是蓝色输入楔形物，光学元件610是蓝色收集楔形物，以及光学元件616是蓝色楔形物。在红色通道中，光学元件606是红色收集楔形物，光学元件614是红色楔形物，以及光学元件604是红色输入楔形物。应当注意，每个颜色通道具有针对彩色光输入的处理而布置的多个光学元件。

应当理解的是，尽管一个实施方式可以采用分立彩色光输入(例如来自激光器、led、部分相干光源等)，但其他实施方式可以采用白光输入(例如来自氙气灯等)。在这样的实施方式中，可以在棱镜组件之前将各种颜色分量从白光中分离(例如使用另一最初的棱镜组件等)，然后使用根据本申请的原理制造的棱镜组件处理分立颜色分量。

在操作时，图7a至图7d描绘了由本申请的棱镜组件对输入光束进行处理的方式。图7a描绘了将绿光束(例如来自白光、绿色激光和/或部分相干绿光)输入到系统(作为光束702)的情况。光束702如图所示地反射离开楔形物600的表面，并且透射到dmd反射器700(作为光束704)。

图7b描绘了当dmd反射器被设置成打开状态时的反射光束708。光束708穿过绿色楔形物612，以用于进一步调制和/或投影。图7c描绘了当dmd反射器被设置成关闭状态时的反射光束708。光束708穿过绿色收集楔形物602，以防止进一步调制和/或投影。图7d描绘了当dmd反射器被设置成水平状态时的反射光束708。光束708再次穿过绿色收集楔形物602，以再次防止进一步调制和/或投影。

改进的热分布

如上面所提及的，现今的投影仪系统被较高功率的光源照亮。这样的光源可以包括氙气白灯、高功率彩色激光器和/或高功率部分相干光源。由于许多原因，在高功率的图像投影仪显示系统中，这种现有技术的棱镜设计的性能可能是不期望的。仅作为一个示例，图8描绘了常规棱镜(例如，与图4a至图4c所示的相同棱镜或相似棱镜)的热负荷。

如可以看出的，图例中的热负荷从最低到最高为：1x(802)、2x(804)、3x(806)、4x(808)和6x(810)。如可以看出的，现有技术的棱镜在完全照明下意图具有许多高热负荷的区域，如所标记的。

相比而言，图9描绘了图6a至图6d的9块棱镜布置的热负荷，以及根据本申请的原理制造的其他实施方式的热负荷。在该实施方式中，由于棱镜组件可以输入照明的分立的离散颜色通道，所以可以看到，该棱镜组件的热负荷更好地分布。

替代实施方式

如本文中所讨论的，若干个替代实施方式可以包括：

(1)显著简化的二向色涂层

(2)与当前的3片棱镜不同，单个标称角度的单个通过。(例如，通过楔形物/涂层，在以不同的角度进入时其不能穿过颜色棱镜。)

(3)f/4.5具有显著更小的角扩展

(4)每个元件上的2倍至3倍热吸收裕量

(5)由于降低的散射，自然更高的对比度

(6)减少/消除来自照明路径的后向散射(例如，由于较少通过二向色涂层和一些ar涂层)。

(7)减少/消除来自颜色棱镜中的关闭状态光路的前向散射。(例如，由于较少通过二向色涂层和一些ar涂层)。

(8)更短的颜色棱镜以降低成本

(9)去除了当前的双-6块棱镜设计上的激光源的颜色合并/分离损耗

(10)每种颜色的分立光收集器，以用于更高功率和/或改进的热管理

在许多实施方式中，f/#的以下范围可以满足要求：针对非激光照明的f/2至f/3，以及针对激光照明的f/4至f/8。对于一些优选实施方式而言，范围可以是针对非激光照明的f/2.4至f/3，以及针对激光照明的f/4至f/5。特定示例可以包括针对典型氙气的f/2.4，以及针对典型激光的f/4.5。

可以对合并光的抗反射(ar)涂层和二向色涂层进行涂层优化。输入支路上的ar涂层可以根据颜色(例如，由于每条支路可以看到单个颜色)和角度(假设使用较高的f/#psf中继)进行优化。这种优化可以产生更好的透射(在每个离散路径中存在7个表面的情况下，每个表面大约0.2％)。在某些情况下，角度是关于“入射角”，其中，在较低角度的某些情况下，会更容易获得更好的涂层透射。二向色涂层可以针对窄带光(假设非灯光源)而被优化，与更宽的带涂层相比其可以具有改进的反射率和透射率，并且二向色涂层还可以针对较窄角度(将根据窄带波长选择而变化)而被优化。在一些实施方式中，可以在棱镜组件中的各种界面处涂敷涂层。例如，在图6d中，可以在612与614之间的界面处涂敷红色反射/绿色透射二向色涂层。可以在614与616之间的界面处涂敷蓝色反射/绿色和红色透射二向色涂层。由于输入光不是整体穿过涂层，所以倾向于避免散射或部分反射的机会。

二向色涂层的改进对于对比度而言也是有用的，这是因为光控制对于对比度而言是期望的，并且任何非预期的反射可能会降低对比度。在其他实施方式中，这种设计也可以应用于具有单色或颜色顺序操作的单芯片dlp投影仪。

现在已经给出了示出本发明原理的、与附图一起阅读的本发明的一个或多个实施方式的详细描述。应当理解的是，虽然结合这样的实施方式描述本发明，但是本发明并不限于任何实施方式。本发明的范围仅由权利要求所限制，并且本发明包括许多替换、修改以及等同方式。在本描述中已经阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的来提供这些细节，并且本发明可以在没有这些具体细节中的一些具体细节或所有具体细节的情况下根据权利要求来实践。出于清楚的目的，未详细描述本技术领域中已知的与本发明有关的技术材料，以使得不会不必要地使本发明难以理解。