投影照明系统的制作方法

本发明涉及一种投影照明系统以及操作或制造投影照明系统的方法。

背景

归因于基于激光的投影系统的高使用寿命、饱和的色彩、稳定的光输出等，基于激光的投影系统被认为是有发展前途的用于(高端)投影的技术。该领域中的两个关注点是如何增加效率和如何处理散斑现象。例如，本申请人名下的国际专利申请公开WO2012/139634 A1描述了如何通过使用增加的漫射能力来减少散斑特性的影响。

基于激光的投影系统涉及可以提供主要光束或主要颜色的不同的红、绿和蓝光源。主要的聚簇光束可以包括多个单独的光束。存在与聚簇光束相关联的角度和空间分布。角度分布是各个体光束在角度或方向方面的展度，而空间分布是各个体光束在空间上的体积分布。

在超过某个水平的角度和空间展度的情况下，色彩和亮度伪像可被观看者注意到。例如，如果系统受到朝向图像角的晕影的影响，且各主要颜色的光在角度分布方面存在巨大差异，则一种颜色的光可以朝向这些角落变得更被截短，从而导致总体色彩分布方面的偏移。而且，各主要颜色之间角度和空间分布的大展度将降低稍后在该系统中对基于漫射的去散斑技术的任何使用的效率。

现有技术展现了对使得系统中的光束的集光率(etendue)最小化以便减少光损耗的兴趣。由若干光源组成的光束的集光率与光束可被定位得彼此多靠近有关。基于光纤耦合的激光源通常用于这个目的，因为它可以提供激光的密集的光包。然而，存在与光纤耦合技术相关联的不期望的光损耗。而且，基于光纤的解决方案需要用于每个激光的光导纤维，这增加了成本和复杂性。

US 8,066,389公开了用于减少集光率的光束对准室，但是它没有示教出如何匹配要在组合杆中被组合和/或被混合的若干聚簇光束的集光率。

发明概述

本发明的目的在于提供一种替代的投影照明系统、操作或制造投影照明系统的方法。

本发明寻求使用自由空间耦合或直接耦合获得一种具有增加的效率和减少的散斑效应的经混合激光束(例如供在照明或投影系统中使用的白色聚簇光束)。这通过以下方式来获得：匹配主聚簇光束之间的角度和空间展度，即使得不同主光束的角度和空间强度分布尽可能的接近。本发明还将使得有可能具有更集成化的设计。

不同的激光束占据了小的集光率空间，并允许使用更加强大的漫射器来实现角度去散斑。

通过配置在聚簇光束中的激光源的光栅完成匹配，使得所需的功率被平均分布在聚簇光束中。而且，不同的聚簇的聚簇光束具有相同的发散度和光束大小。个体光束可以具有不同的光束发散度，但是选择提供相对一致的角展度的源是优选的。对于更加发散的个体光束，对应的光栅可以被减少且光束扩展器可以被用于将其聚簇光束与其它聚簇光束进行匹配。

相同波长(范围)的聚簇光束可以借助改变极性来组合，同时不同波长(范围)的聚簇光束可以同样被组合。

如果经混合的光束将进入集成的杆(integrating rod)，它可能不能填满整个可用空间。随后，接着第一个光束可以使用一个或多个经混合的光束。

根据本发明的一方面，提供了一种光束投影布置，包括：被安排为提供具有第一集光率的第一光束聚簇的第一光源聚簇和被安排为提供具有第二集光率的第二光束聚簇的第二光源聚簇，以及用于改变第一光束聚簇和/或第二光束聚簇的方向的装置；其中所述光源被安排为使得第一光束聚簇的总集光率基本上等于第二光束聚簇的集光率；并且其中用于改变方向的装置被安排为使得所述光束聚簇变为具有与第一集光率和第二集光率中较大的一者具有基本上相同的集光率的经组合聚簇光束。

本发明的优点在于它有效地提供了具有受限集光率和减少的散斑的高功率聚簇光束。

在根据本发明的光束投影布置的一个实施例中，光源聚簇被安排为使得它们各自的光束聚簇通过光偏移系统，该系统改变一个或若干个体光束的方向以便所述个体光束被定位成彼此更靠近，并且对应的光束聚簇的集光率被减少。

该实施例基于发明人的以下有创造性的见解：个体光束可以被有利地操作以改善聚簇光束的集光率。

在一个特定实施例中，光束偏移系统包括反射镜系统，所述反射镜系统具有反射镜基底，该反射镜基底的被选择区域上沉积有涂层，使得所述反射镜改变选择的个体光束的方向。

该实施例的优点在于它有效地改变个体光束的方向并将它们组合。

在根据本发明的光束投影布置的实施例中，光源被安排成使得它们的对应光束通过光束扩展器。

该实施例的优点在于它有效地调整聚簇光束的空间范围。

在根据本发明的光束投影布置的实施例中，第一光束聚簇中的光束的极化不同于第二光束聚簇中的光束的极化。

一个优点在于可以在无需冒干扰影响风险的情况下组合光束，因为具有不同极化的光束将不会干扰。

在根据本发明的光束投影布置的实施例中，通过旋转对应的光源来改变光束之一的极化。

这是一种获得各个光束的正交(非干扰)极化方向的尤其有利的方式。可选地，例如通过旋转其中包括光源聚簇的外壳可以每聚簇地旋转光源。

在根据本发明的光束投影布置的实施例中，一个光束聚簇内的各光束的极化可以彼此不同。

在没有干扰的情况下组合光束的优点可以在聚簇将被组合的聚簇的级别和将被组合在聚簇内的个体光束的级别两者上被有利地利用。

在根据本发明的光束投影布置的实施例中，一个光束集包括围绕一个或多个波长范围的光。

在一个实施例中，根据本发明的光束投影布置还包括被安排为提供第三光束聚簇的第三光源聚簇，其中第一光束聚簇包括红色光束，其中第二光束聚簇包括蓝色光束，其中第三光束聚簇包括绿色光束，并且其中所述第一、第二和第三光束聚簇被混合，以便经混合的光束表现为白色。

该布置在照明或投影应用中尤其有用，其中白光是可视化不同颜色的基础。

根据本发明的一方面，提供了一种包括如上所述的光束投影布置的投影系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种供与被安排成提供具有第一集光率的第一光束聚簇的第一光源聚簇以及被安排成提供具有第二集光率的第二光束聚簇的第二光源聚簇一起使用的光导布置，所述光导布置包括：用于改变所述第一光束聚簇和/或第二光束聚簇的方向的装置；用于将所述光源安排为使得所述第一光束聚簇的总集光率基本上等于所述第二光束聚簇的集光率的装置；并且其中用于改变所述方向的装置被安排成使得所述光束聚簇变为具有与所述第一集光率和所述第二集光率中较大的一者基本上相同的集光率的经组合聚簇光束。

在一个实施例中，根据本发明的光导布置还包括适用于接收来自光源聚簇的相应的光束聚簇的光偏移系统，所述光偏移系统适用于改变一个或若干个体光束的方向，以便所述个体光束被定位成彼此更靠近并且对应的光束聚簇的集光率被减少。

在一个特定实施例中，光束偏移系统包括反射镜系统，所述反射镜系统具有反射镜基底，反射镜基底的被选择区域上沉积有涂层，使得所述反射镜改变选择的个体光束的方向。

在一个实施例中，根据本发明的光导布置还包括适用于接收光源的对应的光束的光束扩展器。

在一个实施例中，根据本发明的光导布置还包括用于使得第一光束聚簇中的光束的极化不同于第二光束聚簇中的光束的极化的装置。

在一个实施例中，根据本发明的光导布置还包括适用于旋转相应的光源聚簇以改变光束之一的极化的装置。

在一个实施例中，根据本发明的光导布置还包括用于将一个光束聚簇内的光束的极化设置为彼此不同的装置。

在一个实施例中，根据本发明的光导布置适用于供与包括围绕一个或多个波长范围的光的光束聚簇一起使用。

根据本发明的一个方面，提供了一种投影光束的方法，包括：提供具有第一集光率的第一光束聚簇；提供具有第二集光率的第二光束聚簇；以及改变所述第一光束聚簇和/或所述第二光束聚簇的方向；其中所述第一光束聚簇的总集光率基本上等于所述第二光束聚簇的集光率；并且其中所述光束聚簇变为具有与第一集光率和第二集光率中较大的一者基本上相同的集光率的经组合聚簇光束。

在一个实施例中，根据本发明的投影光束的方法还包括改变一个或若干个体光束的方向，使得所述个体光束被定位成彼此更靠近并且对应的光束聚簇的集光率被减少。

在根据本发明的投影光束的方法的实施例中，第一光束聚簇中的光束的极化不同于第二光束聚簇中的光束的极化。

在一个实施例中，根据本发明的投影光束的方法还包括改变光束之一的极化。

在根据本发明的投影光束的方法的实施例中，一个光束聚簇内的各光束的极化彼此不同。

在根据本发明的的投影光束的方法的实施例中，一个光束聚簇包括围绕一个或多个波长范围的光。

在一个实施例中，根据本发明的投影光束的方法还包括提供第三光束聚簇，其中所述第一光束聚簇包括红色光束，其中所述第二光束聚簇包括蓝色光束，其中所述第三光束聚簇包括绿色光束，并且其中所述第一、第二和第三聚簇被混合，以便经混合的光束表现为白色。

根据本发明的光导布置和方法的实施例的技术效果和优点经过必要修改后对应于根据本发明的光束投影布置的对应实施例的那些技术效果和优点。

附图简述

本发明的实施例的这些以及其他技术效果和优点现在将参考附图更详细地描述，其中：

图1示出本发明的在其中两个聚簇光束被匹配的实施例。

图2示出本发明的其中使用了若干聚簇的系统实现的实施例。

图3示出本发明的其中两个白色光束被组合成光学分量的实施例。

图4示出本发明的其中使用相同颜色的不同极化的实施例。

图5示出在本发明的实施例中实现的滤波器的透射和反射光谱。

图6示出本发明的实施例的在通过漫射组件之前和之后的聚簇光束透射。

图7示出本发明的实施例的两种类型的聚簇光束。

图8、9和10示出本发明的实施例的激光和反射镜配置。

详细描述

图1示出本发明的实施例的一个示例，其中具有用于改变光束的方向的两个聚簇光束1和2以及双色镜3和4。光束的三维性质使得诸如图1的二维快照中可见光束的数目取决于光束分布和该二维视图的角度。个体聚簇光束1的集光率可以不同于个体光束集2的集光率。然而，至关重要的是聚簇光束1和2的集光率以及离开反射镜4的最终光束的集光率是相同的。该集光率的二维投影在图1中由5指示。

图2示出本发明的实施例的概览。

在系统配置中呈现光束1和2，其中1和2可以例如是蓝光和绿光。添加第三光束10；这可以例如是红光。1、2和10对左子系统15有贡献。对于每个光源1、2和10，存在相同颜色的第二光源11、12、13，其中光的极化被旋转到相对于第一光源正交的位置。这可以通过物理旋转光源(单独地或作为聚簇地)来完成。通过旋转光源的聚簇的外壳，可能针对这两个极化方向使用同一外壳。这种模块结构对于生产和维护来说是有益的。

如果还存在未使用的系统集光率，还可以添加第二子系统16。在此，光束17、18和19由光束20、21和22来补充，后一组光束具有与第一组光束不同的极化。添加具有正交极化的光不增加集光率，但由于正交极化的光束不能彼此干扰，在极化中的这种附加扩展减少了散斑效应。不同波长的光(可能在小的波长带内的)之间的角展度还是应该尽可能靠近。波长可以驻留在足够小而不会引起人类眼睛可辨别出的色彩效果但其将降低散斑效应的波长带内。子系统15的所有个体光束通过聚透镜7被聚焦并进入到光束组合器14。存在子系统16的对应聚透镜(在图2中未示出)。光束组合器14可以是棱镜或双色镜等等。光学组件9不是专门针对本发明的；它可以例如是匀光杆或增加漫射能力的另一个组件，或任何方便的光学组件。

图2中的系统提供了减少的散斑效应、改善的色彩均匀性和高效率。

通过为相同波长的光束引入极化差异，减少了散斑效应。围绕每个目标波长的小波长带的引入是打破可能导致散斑的对称性的另一种手段。

源自所有聚簇光束的个体光束的改善的色彩均匀性被均匀地全部分布在光束的包络上。由于光束的包络由其集光率确定，因此不同聚簇光束的集光率尽可能地接近相同是至关重要的。而且，不同的聚簇光束的角展度也必须彼此接近。当光束被放大并因此导致非均匀光束分布时，角展度方面的差异将被转换成空间差异。对于经混合的光束，这将表现为色偏移。

本发明使得增加整个系统的效率成为可能。在一个方面中，当光在光束组合器14之后进入校正光学器件时将不存在光损耗。因为经混合光束具有不同波长的均匀分布，它可以处理更高的漫射能力以减少散斑效应，例如由国际专利公开WO2012/139634 A1所述的那样。而且，代替将校正施加到每个单独的聚簇光束，一组校正光学器件(从部件9开始)是足够的。这减少了光损耗、成本和系统复杂度。

图3示出本发明的在其中光学组件9是匀光杆的实施例的示例。如果这种匀光杆的长宽比是约2:1，就可能将两个光束聚焦到匀光杆上。133和134是聚光镜。

图4示出本发明的在其中6个个体光束被组合成一个白色聚簇光束的实施例。个体光束1、2和10被s极化22，而光束11、12和13被p极化21。光束13和10是在其中每个光束包含具有不同的极化的两个波长带的特殊情况。在各种特殊情况中，具有较短波长的带被s极化，而具有较长波长的带被p极化。因此，反射镜或滤波器29需要在这两个波长范围之间的间隙中的急剧转变，参见图5c)。图5a)和b)示出滤波器或反射镜27和28。

每个主聚簇的两个独立极化使得利用极化分集成为可能，较大的波长范围(是例如来自直接半导体激光器的其不连续的波长或更加连续的光谱)使用极化分集的效应，同时在小的集光率中的若干离散激光源的组合允许使用角分集。

图6a)示出本发明的其中来自单独激光束的点30以及它们之间的间隙31是可见的实施例。这可以是来自白色波束或单个颜色的光。图6b)示出在漫射之后的同一系统。个体激光束点30不再可见。

本发明首先创建准直(白色)光束。然而，这也可以针对被聚焦到小点的个体颜色(例如激光荧光粉)来完成。这创建了多个角度，因为离散的激光束的位置被转换成一个角度。该结果是具有角热点的角分布，即仅离散角处有光，而在这些角度之间没有光，如在图6中。通过使用漫射器，角度分布可以变得更加均匀。然而，存在在投影系统的漫射能力和生产量之间的折衷。投影系统被设计为针对某个f数(并且因此为集光率)，落在这个集光率空间之外的任何光将丢失。另一方面，更强的漫射器将导致更加均匀的角度分布和更好的散斑性能。因此，将白色激光束的集光率保持得尽可能小的原因是允许更强的漫射器，而没有光损耗。

在组合投影系统的两种或更多的不同光源中的困难在于在波束大小和/或波束发散度中的差异可能引起不期望的颜色和亮度均匀性问题。例如，在数码影院中，对于基于数字光处理的系统，数字微镜设备的中心的f值是f2.5，其中在边缘处，其为f4.5。如果在不同的颜色上的孔径填充中存在差异，色偏移将朝向边缘而变得显著。这种差异可以源自系统的开始集光率方面的差异或甚至仅源自不同的光束大小或光束发散度。在参数中的足够大的差异将导致在成像器的平面处的激光源之间的不同的空间和角度均匀性。

例如，在使用如在WO2012/139634所述的双重积分器的情况下，如果一个光束具有比另一个光束更小的光束大小，则这将意味着在(第一)积分器上的聚焦点将具有比较小光束更小的角度范围。这将在双重积分器的出口处导致较少的反射(并因此可能导致减少的均匀性)。而且，这两个光束的孔径填充可以是不同的，这可以引起屏上的色差。

因此，本发明的目的是在亮度和色彩均匀性方面对成像器上的主光束具有相同的响应。通过具有这样的相同属性的光束开始，有可能对起作用的颜色使用朝着几何效率的目标优化的公共照明路径。

图7示出本发明的一实施例，其中个体光束a)是具有一个波长的点52的单色和b)包含不同的波长的点52和53。同样在这种情况中，在成像系统上具有相同的角度和亮度均匀性是重要的。在本发明中，在每个聚簇光束2中采用了不同的波长带(并在每个波长带中，采用了2个较小波长范围中的最小一个)。聚簇光束内的这些波长带中的每一个可以被独立看作一个光束，这可以要求这些波束符合相同的要求，就好像该光束会被看作单色一样。当在单色光束的情况下，在较大波束中的个体激光束之间的间隔(其在聚焦镜之后转换成角度分隔)必须小于或等于充分利用照明路径中的总漫射能力将所需的间隔，以便实现期望的f数和孔径均匀性。这可以进而被转换成屏上的颜色和亮度均匀性。这意味着在聚焦镜之后的2个光束之间的角度必须足够小，以便在照明路径中的漫射和均匀化元件之后，个体激光源不能再被区分，如在图6b)中。激光也在光束剖面上对称分布，这允许应付故障情况(例如如果一个激光发生故障，则它可以通过其对称的配对物来进行补偿)。在光束中的激光的整体分布应该是如此的：通过总的漫射能力的组合，所得到的孔径对于所有构成波长都尽可能被均匀地填充。

由于目标之一是最小化白色光束的初始集光率，我们还需要最小化个体光束的集光率。通常，激光束之一将是限制因素，因为它无法超过某个限制地被减少。进而，进一步超过那个限制地减少其它光束的集光率是没有意义的。在图2的实施例中，这是波束2和12。在这个示范实施例中，激光分组是相对大的并且每个激光有发射的光束。图8示出所谓的交叉道反射镜67和68(cross-walk mirror)。它们是通过每行2个激光的2行63和64实现的。第一激光行63的光使用标准反射镜67折叠并瞄准在第二行64的两个激光光束之间的空间中。通过制造交替补偿高透射性和高反射性的反射镜68，行63和64的激光束可以被组合。通过这种技术，创建了如图6a)和7中的紧密填充的孔径。图9示出了如何将4个单元60放置在一起以产生分布90。

对于图2中的光束10和13，情况是不同的，因为这些激光分组的大小允许更加紧密的分组，但它们的发散度是更高的。所述解决方案最小化了聚簇光束的初始大小，并随后使用光束扩展器与其它聚簇光束匹配。图10示出三个激光器101、102和103以及它们各自的光束104、105和106。反射镜107和108折叠光束106，以便它在光束104和105之间结束。

一旦每个颜色的两个聚簇借助于极化被组合，低通二向性滤光片，例如图2中的双色镜3、4和6，被用于首先创建青色随后是白色光束。

尽管在此已参照特定实施例对本发明进行了描述，然而这种说明是进行解释而非限制本发明。本领域技术人员将理解在不背离所附权利要求所限定的范围的情况下对所描述的实施例的各种修改是可能的。