用于图像投影仪的改进的积分棒组件的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年3月2日递交的美国专利申请第62/127,105号和2014年12月31日递交的美国临时专利申请第62/099,071号的优先权，该美国专利申请和美国临时专利申请中的每一个的全部内容通过引用合并于此。

本发明涉及投影仪系统，尤其涉及用于基于激光的图像投影系统的改进的光导管。

背景技术：

目前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。一些这种激光投影系统还可包括双调制器和多调制器投影仪显示系统。可以希望改进这些改进的图像投影系统的性能。

技术实现要素：

公开了积分棒模块，所述积分棒模块包括通过套带配合在一起的多个单独的和/或实心的积分棒。这种模块倾向于包括比所述单独的和/或实心的积分棒更大的长度，并为调制器提供良好的照明，其中来自光源的光通过所述积分棒模块被传输到所述调制器。所述套带可以包括具有与积分棒基本上相同或相似的热特性的材料(例如，玻璃)。所述套带可以通过胶粘剂被粘合到所述积分棒，以免干扰所述棒的内部反射，其中所述胶粘剂具有与所述积分棒基本上不同(例如，更低)的折射率。可通过支架来加强所述套带，所述支架可以允许所述积分棒模块以基本上不同于水平的角度被设置在投影显示系统内。

在一个实施方式中，公开了积分棒模块，所述积分棒模块包括：第一积分棒；第二积分棒；套带，所述套带机械配合到所述第一积分棒和所述第二积分棒，使得所述第一积分棒的端部接近所述第二积分棒的端部；进一步地，其中所述套带被粘合到所述第一积分棒和所述第二积分棒。

在另一实施方式中，公开了图像投影显示系统，所述图像投影显示系统包括：光源；调制器；积分棒模块，所述积分棒模块将光从所述光源传输到所述调制器；并且其中所述积分棒模块还包括：第一积分棒；第二积分棒；套带，所述套带机械配合到所述第一积分棒和所述第二积分棒，使得所述第一积分棒的端部接近所述第二积分棒的端部；进一步地，其中所述套带被粘合到所述第一积分棒和所述第二积分棒。

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说明了示例性实施方式。其目的在于：本文公开的实施方式和附图应当被视为说明性而非限制性的。

图1描绘了可以适合于本申请的改进的积分棒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光导管模块的一个实施方式。

图3描绘了可以满足本申请的目的的光导管模块的另一实施方式。

图4描绘了双调制器/多调制器投影仪系统的另一实施方式，其中根据本申请的原理执行光回收是可能的和/或希望的。

图5描绘了投影仪系统的又一实施方式，其中根据本申请的原理光回收是可能的和/或希望的。

图6描绘了根据本申请的原理制造的改进的积分棒600的一个实施方式。

图7a、图7b和图7c描绘了根据本申请的原理制造的改进的积分棒的各种实施方式。

图8描绘了多个积分棒的机械配合的一个实施方式。

图9描绘了套带处的机械配合基本上不应干扰临界角，并允许内部反射没有实质损失地进行。

图10a、图10b和图10c描绘了将积分棒模块机械配合到投影显示系统的一组支架的各种透视图。

图11、图12和图13描绘了意在示出根据胶粘剂层的厚度而变化的棒/胶粘剂/套带交界处的性能特性的三张图。

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)投射，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。虽然在这种放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光导管子系统和/或模块200的一个实施方式。如上面所讨论的，该光导管子系统/模块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可以包括多个棱镜218a、218b和反射器220。反射器220可以包括反射器的dmd阵列，或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(或如果难以调制，或如果存在着节省光的另外机会)，则可以期望的是，回收来自光源102的光。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(可选的)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是光导管模块300的又一个实施方式，光导管模块300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。如图3中所示，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，模块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/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(例如本文中所提及的半色调图像)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)。

其他投影仪系统实施方式

图4描绘了双调制器/多调制器投影仪系统400的另一实施方式，在本实施方式中可能和/或期望的是执行光回收。从图4可以看出，投影仪系统400可以包括一个或多个光源(例如，402a和/或402b或者其他另外的光源)。在本实施方式中，光源402a将光提供到积分子系统/盒404a中，该积分子系统/盒404a可以类似于图2的实施方式。来自402a的光可以最终到达第一调制器406，其中第一调制器406可以以与图1和/或图2基本相同的方式来构造(即，具有可以将光反射回积分子系统/盒404a的反射器)。然后光可以行进到光学子系统408、第二调制器410，之后到投影仪透镜412，并且可以在屏幕414上形成最终投影图像。

然而，光回收的另一个机会可以与另一个(或者在其他实施方式中为多个)光源402b一起出现。在一个实施方式中，可以采用光源402b作为另一个主光源(即，在大量时间为最终图像提供大量的光)。在本实施方式中，来自402b的光可以被反射器403进一步反射，使得该光可以在分束器405处与来自402a的光合并，并且合并后的光束在大量时间形成最终图像。

在另一实施方式中，为了在图像的一部分内提供高光照明，可以以较少量的时间使用光源402b。应当理解，反射器403可以是可移动的单个镜(例如，将光引导到收集器或者另一回收子系统)。可替代地，反射器403可以是反射器(例如，mems、dmd等)组和/或阵列，以提供对来自402b的额外光的更精细的控制。

在另一实施方式中，光源402b可以是可选的，并且积分子系统/盒404b可以在光源402b可以到达的近端处具有全反射表面。在本实施方式中，光可以具有对光进行回收的另一路径(例如在盒404b内以及在盒404a内)。在另一实施方式中，针对405可以使用单向镜。在这种情况下，反射器403将只是可以将光重定向到404b的可控镜，因此反射器403可能仅需要“折叠”用于回收的系统。在这样的实施方式中，可能不需要在404a中回收光，而是可以在404中回收光。这可能是期望的，因为其中不具有用于光输入的孔的回收反射器使其成为更高效的回收器。

图5是可能的和/或期望的光回收的又一实施方式。如前所述，投影仪系统500可以包括光源502和积分子系统/盒504。偏振器505可以是可控偏振器例如lcd，偏振器505在一个取向上使光的可选择部分偏振。分束器506可以是偏振分束器，分束器506使得一个取向上的光作为均匀光场514直线通过，以使用516合并到主调制器518。在另一个取向上偏振的光被506重新定向为508。取决于系统的设计，镜510可以是用于折叠系统并且使光照射到预调制器或高光调制器512的镜。

来自512的非均匀光场随后通过使用516而与514合并以照射518。当512是预调制器时，可以使用光束514为图像522的非常暗的部分提供一些基本水平的照明(小于512的第一步骤)以脱离黑暗。可替代地，当512是高光调制器时，514被用于在由512产生的非均匀光场中不会有光线的区域中提供图像522所需的均匀光照水平。

在其它实施方式中，可以将回收型积分棒(类似于图3中描述的积分棒)放置在510与512之间(或者506与510之间)，并且将非回收版本的积分棒(例如，不具有后反射器的积分棒)放置在506与516之间。在这样的实施方式中，可以期望的是在502之后移除504，以将光保持为密集光束(tightbeam)。

改进的积分棒实施方式

如上面讨论的，可以期望在能量效率方面和/或成本效率方面都改进这些投影仪系统的效率。

一个这种改进可以在积分棒中进行。可以期望的是，增加放置在投影仪系统的光路中的积分棒的长度，例如以改进图像的均匀性。为了增加积分棒的长度，可以以最终加长的积分棒的性能表现良好的方式将多个常规积分棒放置并固定在一起。

如本文中进一步讨论的，这样改进的积分棒可以在给定的投影仪系统内被定向为多个潜在的不同取向。由于不牢固的保持方法，这样的不同取向可能不实用于标准的实心积分棒。可以使用空心棒，但是由于功率处理限制和光反射损耗，空心棒可能不实用。因此，许多现有实施方式可能倾向于将空心棒的坚固的安装选项与实心棒的效率相结合。在一些实施方式中，套带(strap)可以被牢固地机械地约束，而不干扰光路。这样的套带也可以应用于更多的标准积分棒，但允许坚固的安装。套带还可以增强多个棒组件的结构完整性，该多个棒组件被对接接合(buttjoined)，以创建更长的整合长度，和/或该多个棒组件被纵向接合(joinedlengthwise)，以组合多个小的积分棒。在一些实施方式中，相比于单个较大横截面的积分棒，小横截面的棒可以沿长度上产生更多的反弹。粘合线厚度和胶粘剂的指标对于不干扰积分棒的全内反射(tir)是至关重要的。在一些实施方式中，这些改进可以不单独限于激光照明，但是激光器系统的高f/#可能倾向于缓解对于由粘合线厚度和胶粘剂指标实现的临界角度的要求。

图6描绘了根据本申请的原理制造的改进的积分棒模块600的一个实施方式。积分棒600可以包括多个较小的单独积分棒例如602a和602b，该多个较小的单独积分棒通过一个或更多个接合部分(又称“套带”)例如604a、605b和604c而保持在一起。应当理解的是，如投影仪系统的最终设计所期望的，积分棒的数量可以多于两个。积分棒600可以用于本文中所提及的各种实施方式中(例如在图3中的312处、图2中的202处、或其他投影仪显示系统中，例如单调制系统或多调制系统)。

图7a、图7b和图7c描绘了各种积分棒及其构造。在图7a中，示出了单个积分棒702被置于两个套带704a与704b之间。在图7b中，示出了两个单个积分棒702a和702b通过套带704a接合在一起。由于这两个积分棒彼此进行光学通信，所以如本文进一步讨论的，接口706提供这样的光学通信。图7c描绘了另一个实施方式，其中，多个小横截面的棒(例如708a、708b、708c和708d)被接合在一起，以形成较大的积分棒708。示出了套带710，提供机械稳定性并且帮助棒的各个部分之间的光学通信以及在界面706处的光学通信。这样的界面可以是产生基本上无缝粘合的胶粘剂粘合面。替代地，这样的界面可以通过光学接触来实现。

本文中所示的改进的积分棒比单个常规积分棒具有累加的更大长度。例如，如所期望的，加长的积分棒可以具有各种长度，例如从150mm长到450mm长或更长。这可能是期望的，以便为光学系统提供适当的f数，例如以便在棒中提供期望的光反弹次数，以用于积分棒远端的调制器的良好均匀照明。仅作为一个示例(并且参照图3)，一些示例性f数可以是针对扩散器中继308的f/5、针对积分棒312的f/2.5、针对主调制器316的f/3.8以及针对第二调制器320的f/4/5。

在一些情况下，从制造容易性和成本的观点来看，通过将多个棒配合/胶结在一起而构造的改进的积分棒(而不是制成一个长棒)可能是期望的。此外，当用于激光照明时，使用较长的棒(然而，是构造的)可能是期望的，这是因为激光器允许高的f/#，这使得更好的对比度和透射性，并且更长的棒可以倾向于实现足够的均匀性。

在制造期间，单个较长的棒可能不适合于用于涂覆积分棒的端面的常规真空腔室。该涂覆是吞吐量和回收效率所需要的。定制的腔室可以用来处理较长的棒，但可能在第三方供应商处使用更大的资本投资。因此，使用多个棒进行制造以制造更长的棒(例如将棒尺寸限制为标准尺寸)可以倾向于允许供应商通过用于阻断(blocking)、抛光和涂覆的正常方法来处理棒。最后的额外组合步骤倾向于与用于组装棱镜的方法相适应。

另外的实施方式

在图6、图7a至图7c的附图中，示出了用于为改进的、加长的积分棒提供机械配合/粘合/附接/连通/稳定性等的套带。

套带可以包括本领域中通常已知的材料，例如不锈钢、其他金属等。在一个实施方式中，套带可以包括玻璃和/或一些其他适当的材料，其可以是包括积分棒和/或其部分的材料的热膨胀性能/行为的合理匹配。例如，积分棒可以包括玻璃或一些其他适当的透射/透明材料。在激光(或一些其他高功率光源)图像投影仪系统的环境中，积分棒可能存在于极端热的环境中，并且因此，可以期望的是，具有包括材料(例如玻璃、熔融二氧化硅等)的套带，其可以与积分棒可能经历的热膨胀相匹配。

图8描绘了多个积分棒(802a，802b)的机械配合(800)的一个实施方式。如图所示，在第一积分棒的近端804处，可以施加抗反射(ar)涂层。在套带806a和806b处，可以基本上沿着套带/棒接口808的长度施加胶粘剂。可以期望的是，该胶粘剂与积分棒的玻璃的折射率不匹配(例如，该胶粘剂可能具有低折射率，这可以在诺兰德制造有限公司提供的市售noa133粘合剂中发现)。这种不匹配倾向于不干扰由积分棒提供的全内反射。如果存在这样的干扰，则可能会在光学系统中引入光损失和其他不期望的影响/误差。低折射率粘合剂改变相对于空气的tir角度，但是在激光器的高f/#的情况下，低折射率粘合剂倾向于产生可接受的结果。

在套带806b处，可以看到，两个积分棒配合就位以保持光学完整性。在接口810处，可以施加另一(例如不同的)胶粘剂以有助于光学系统的机械完整性/稳定性。在一些实施方式中，胶粘剂可以被选择为具有与包括积分棒的材料的折射率的基本匹配。图9描绘了套带(806)处的机械配合基本上不应当干扰临界角(812)，并且允许进行内部反射而没有实质损失。

图10a、图10b和图10c给出了用于改进的积分棒的额外机械支承件的一个实施方式的立体图、立体剖切图和前视剖切图。

如这些图中所看到的，如本文中所讨论的，积分棒1002a和1002b可以通过套带1006机械配合。可以利用一组托架/支架1004、1006和1008将这些套带和积分棒在投影仪系统内进一步保持就位，该组托架/支架可以给予与投影仪系统的其余部分的进一步机械配合。

由于积分棒与套带的改进配合(以及可能还有套带与支架和托架的配合)，积分棒的取向可以被保持成与水平基本不同的角度。这可以倾向于给出用于构建投影仪系统的重要设计选项。

其他实施方式

如上所述，将积分棒粘接至套带可能倾向于对积分棒提供良好的机械稳定性，并且允许积分棒被放置成多个不同的取向。如上所述，可以期望的是，施加具有与包括积分棒的材料不匹配的折射率的胶粘剂。

这样的粘合的另一个考虑因素是施加到套带的该胶粘剂层的量和/或厚度。图11、图12和图13给出了用于描绘在以不同厚度施加时的胶粘剂的潜在性能的图。例如，图11旨在示出针对厚度约为0.5微米的胶粘剂层，通过棒、胶粘剂(例如noa133)层以及进入套带的可能的电场强度和各种偏振。如可以看到的，电场可以基本上通过这个厚度级别的胶粘剂，这可能是不期望的。

图12和图13分别描绘了约为1微米和10微米的胶粘剂厚度的可能的反射率相比(vs.)角度性能。如可以看到的，对于约1微米而言，可能存在着可以透过胶粘剂/粘合剂的小于临界角度的大量的光。对于约10微米而言，可能存在着可以在胶粘剂/粘合剂层内形成的相长干涉和相消干涉的区域。总的来说，胶粘剂的厚度应该比传输的光的波长厚几倍。

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。