针对调制器衍射效应优化的投影仪的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本公开涉及与本申请同时提交的、名称为"Color Dependent Aperture Stop (颜 色相关的孔径光阑）"的国际专利申请No. PCT/US2013/032067。
技术领域
[0003] 本公开总体涉及数字图像投影，并且更具体地涉及为了与表现出衍射效应的微镜 阵列空间光调制器一起使用而优化的相干光投影系统。
【背景技术】
[0004] 目前，电影产业正从传统的基于胶片的投影仪向数字或电子电影转变。由于三维 (3D)电影的流行，该趋势正在加速。正当主要基于数字光投影（DLP)技术的使用的数字电 影投影已经成熟和成功时，光源和DMD调制器一直在演变。在激光器的情况下，大功率紧凑 型可见光激光器变得日益成熟并且成本有竞争力，从而使激光器数字电影投影仪的发展成 为可能。一种这样的系统在B. Silverstein等人的文章 "A Laser-Based Digital Cinema Projector (基于激光器的数字电影投影仪）"（SID Symposium Digest，第42卷，326-329 页，2011)中描述。
[0005] 在由德州仪器开发的DLP技术的核心是数字微镜器件（DMD)，该器件是包括微镜 阵列的空间光调制器。DMD空间光调制器已经成功地在包括满足DC2K数字电影分辨率标 准的数字电影设备的数字投影系统中使用。已经在使用DC2K芯片的这种系统上进行了效 率测量并且发现效率优化原理有效；然而，发现该原理对采用新DC4K芯片的系统不是也有 效。
[0006] 在DMD器件技术发展的早期，个体微镜55或者像素相对较大，在约30平方微米。 随后，随着像素的逐渐更小，从20世纪90年代末期的约17平方微米演变到2K数字电影投 影仪（2005)的13. 8x13. 8μπι，并且最近利用DC4K器件（2011)达到7. 5μπι X 7. 5μπι的像 素，设备的分辨率已经改善。由Silverstein等人描述的投影仪使用2Κ分辨率的DMD器件 以用于图像光调制，并且考虑了 DMD器件行为的各个方面。作为另一个示例，在G. Zheng等 人在显示技术杂志（Journal of Display Technology)，第4卷（2008)发表的文章 "Laser Digital Cinema Projector (激光器数字电影投影仪）"中，也描述了使用DMD器件的DC2K 版本然而具有包括TIR和飞利浦棱镜组件的常规DLP投影光学器件的激光器投影仪。值得 注意的是，Silverstein等人和Zheng等人描述了使用DMD器件的DC2K版本的投影仪，意 味着他们服从DCI数字电影投影规范并且提供"2K"水平分辨率。
[0007] 然而，如上面所注意到的，最近发布的DC4K器件具有小多了的像素来支持更高的 水平分辨率标准。随着微镜尺寸的减小，衍射效应变的越来越重要并且微镜阵列可以被视 为可编程的闪耀光栅。当激光与这些小像素以及子像素特征相互作用时，衍射变成甚至更 大的担忧。实质上，由于一些光被引向其他衍射阶（闪耀随后部分地还原这些衍射阶），衍 射效应会引起相对于平面镜面的效率损失。
[0008] DMD器件的衍射行为的一些方面已经在文献中考虑到。具体地，德州仪器在它们 的出版物 TI Tech Note TI DN 2509927, 2008年9月的"Using Lasers with DMD technology (和DLP⑧DMD技术一起使用激光器）"中提供了关于激光相互作用的一些指 导。然而，还需要辅助投影仪设计的关于衍射行为的附加的实践指导。随后J.P. Rice等人 在 SPIE Proc，第7210卷（2009)发表的文章 "DMD diffraction measurements to support design of projectors for test and evaluation of multispectral and hyperspectral imaging sensors (用于多光谱以及超光谱成像传感器的测试和评估以支持投影仪的设计 的DMD衍射测量）"提供了用于IR优化的2K分辨率DMD器件的红外线（IR)光衍射效率测 量。然而，该文章没有讨论无论是在IR或是在其他光谱范围内的衍射光的光学传播行为以 及该行为如何可能影响投影仪设计。
[0009] 总之，随着诸如DMD器件的微镜阵列空间调制器已经迀移到更小的像素尺寸并且 激光器投影系统已经变的越来越可行，激光与作为动态衍射结构的微镜的相互作用的细节 变的更加重要。因此，存在更好地理解微镜阵列衍射行为的细微之处并且相应地优化投影 仪设计的机会。
【发明内容】
[0010] 在某些方面，一种光学系统能够提供入射光束的调制。光学系统包括照明源、微镜 阵列光学调制器以及光学元件。照明源能够提供具有定义的窄光谱带宽的入射光束。微镜 阵列光学调制器能够基于到一个或多个微镜的开启状态（ON-State)或关闭（OFF-State) 状态的命令选择性地调制入射光束以将数据编码在其上。微镜阵列光学调制器能够通过 衍射和反射对光进行重定向以提供输出调制光束，该输出调制光束表现为衍射偏手性相关 的，该衍射偏手性通过部分取决于入射在其上的光的窄光谱带宽衍射阶的排列来描述。光 学元件具有用于定义调制光束的被阻挡的部分以及被透射的剩余部分优化的限制性孔径。 通过光学元件获得的光学传输的调制光束的开启状态效率和关闭状态对比度能够取决于 与优化的限制性孔径的尺寸和形状相关的输出调制光束的衍射偏手性。
[0011] 提及的这些解释性的方面不是为了限制或定义本公开，而是为了提供示例来帮助 理解本公开。附加的方面和特征在具体的描述中描述并且提供了进一步的描述。通过研究 本说明书或通过实践一个或多个呈现出的方面或特征可以进一步理解一个或多个由各个 方面和特征提供的优点。
【附图说明】
[0012] 图1描绘了根据一个方面的DMD微镜空间光调制器阵列的操作的多个方面。
[0013] 图2描绘了根据一个方面的用于投影系统的示例系统架构的一部分。
[0014] 图3a描绘了根据一个方面的来自DMD微镜阵列的光反射和衍射的不例。
[0015] 图3b描绘了根据一个方面的来自微镜阵列器件的衍射阶的出现的示例。
[0016] 图4描绘了根据一个方面的来自微镜阵列器件的衍射阶的二维排列的示例。
[0017] 图5a至图5f描绘了根据某些方面的来自微镜阵列器件的开启状态的衍射图案的 特写图像。
[0018] 图6a至图6f描绘了根据某些方面的来自微镜阵列器件的开启状态的衍射图案的 横截面轮廓的特写图像。
[0019] 图7a描绘了根据一个方面的覆盖有光学孔径的示例开启状态的衍射图案。
[0020] 图7b至图7e描绘了根据某些方面的收集效率或对比度的图表。
[0021] 图8描绘了根据一个方面的颜色相关的孔径的示例。
[0022] 图9描绘了根据一个方面的效率变化相对跨微镜阵列器件扫描的f数的图表。
[0023] 图10描绘了根据一个方面的投影透镜MTF相对f数的图表。
【具体实施方式】
[0024] DMD光学调制器器件的示例的基本操作在图1中描绘，其中入射光束20与包括形 成在衬底70上的微镜55的微镜阵列50相互作用。衬底70通常是图案化有电子器件以及 微机电子结构（例如，铰链）的硅晶片，该微机电子结构引起给定的微镜55(或者像素）当 施加信号时可控地倾斜。这些信号命令一个或多个微镜到达对应于开启状态或关闭状态的 反射镜位置。图1描绘了处于三种不同状态下的微镜55，"开启状态"60、"关闭状态"65以 及无动力状态62。入射光从微镜55的前表面反射离开，名义上，使得反射与表面法线的角 度等于入射角度。对于处于无动力状态62下的微镜55,出射光束25看起来名义上反射好 像它从平行于衬底70的前表面的平面镜反射。在工作的投影仪中，入射光几乎不施加到处 于无动力状态62下的微镜阵列。对于处于开启状态60下的微镜55,入射光被重定向以提 供与开启状态光或图像光对应的出射光束25,该光束传输至具有孔径85和光轴140的光学 仪器80。光学仪器80是具有限制性孔径的光学元件，通常是透镜或透镜组件。对于处于关 闭状态65下的微镜55,入射光被重定向为用于关闭状态光的出射光束25,该光束通常由光 束捕集器67捕获并吸收。DMD光学调制器器件通常针对像素缺陷进行分类，其中具有更少 像素缺陷的器件并且尤其是在器件的中间部分中像素缺陷更少的器件被用于绿色或红色 成像通道而不是用于蓝色成像通道。
[0025] 作为衍射光栅，衍射方向性由光栅等式ηιλ = d(sin Θ iisin Θ J建模并且m是衍 射阶、d是光栅间距、Q1是入射角以及Θ |〇是输出衍射光角。然后闪耀光栅具有常规光栅 的间距d，而且也有将光学通量引向特定阶的倾斜表面，从而在减小到其他阶（尤其是第零 阶）的剩余功率的同时，增了它的效率。对于处于开启状态60下的微镜55,入射光55仍然 名义上被重定向为在由镜面反射指示的方向上的开启状态光，然而具有通过衍射改变了的 效率。
[0026] 在其中照明源在给定颜色通道中具有光谱带宽△ λ的投影仪的情况中，对于给 定的阶m，衍射光通道的角方向θη改变。同样地，随着入射角度Θ i改变，像如果是会聚光 而不是准直光被引向微镜阵列处则可能发生的那样，输出