多雷射器光源的製作方法

2023-05-15 05:46:12

本申請要求於2014年8月14日提交的美國申請No.62/037543的優先權。出於美國的目的，本申請按照35U.S.C.§119要求於2014年8月14日提交的題為MULTIPLE-LASER LIGHT SOURCE的美國申請No.62/037543的權益，上述美國申請的內容出於各種目的通過引用合併到本文中。

技術領域

本發明涉及光投影器。一些實施方式可以應用於對圖像進行投影以用於觀看。其他實施方式可以應用於產生結構光以用於照明或其他目的。實施方式示例性應用於：數字影院；TV和家庭影院；可攜式個人投影(軍事的、移動的等)；室內和室外個人以及大屏幕廣告和信息傳播；指示牌/廣告/布告/室外廣告；大型場地和現場表演；醫學成像；虛擬實境；計算機遊戲；辦公室演示和協同工作；汽車和其他交通工具中的平視顯示；智能照明例如自適應汽車頭燈、劇院聚光燈、安全/建築照明、高對比度天文投影器、室內和室外通用照明系統、街道照明、道路照明、航空照明系統；高對比度模擬顯示例如飛行模擬器以及用於2D和3D列印的小尺度結構化照明；以及雷射微加工。

背景技術：

存在期望產生具有指定亮度分布的光場的許多情形。光投影系統具有從建築照明到逼真圖像顯示的非常廣泛的應用。所投影的光圖案可以是動態的(例如視頻)、靜態的(用於靜態圖像或靜態應用，比如典型汽車頭燈的光束通過由任意形狀的光學表面形成的透鏡被投射到道路上等)。光可以被投影到寬範圍的屏幕以及可以是平坦的或彎曲的其他表面上。這樣的表面可以是完全反射性的(如在影院、牆壁或建築中使用的帆布)或者部分反射性的(例如車輛的擋風玻璃)。屏幕可以為低增益或高增益的、朗伯的或高度方向性的、高對比度或對比度低的。光可以被投射到固態物體上或被投射到具有一定體積的介質(例如霧)上。

光投影器的市場和應用包括數字影院、室內和室外廣告、醫學成像(均用於圖像的顯示，並且由智能光源捕獲)、大型場地和現場活動或表演、汽車平視顯示、汽車頭燈和尾燈、汽車娛樂和信息顯示、家庭影院、可攜式商業投影、用於消費者應用的電視和顯示、軍事應用、航空應用(如座艙顯示、智能著陸輔助、個人乘客娛樂顯示)、用於工業應用的結構光源、汽車頭燈和其他應用。結構光還可以用於高精度應用，如使用於2D或3D列印的油墨或其他材料固化或者對用於雷射微加工的光進行導向。

可以使用各種裝置在空間上對光進行調製。這些裝置可以稱為空間光調製器(SLM)。大多數SLM提供獨立且單獨可尋址像素的2D陣列。SLM的一些示例為：反射性SLM例如數字微鏡裝置(digital micro-mirror device，DMD)、矽基液晶(LCoS)裝置；以及透射性SLM例如LCD面板、透射性LCD晶片例如高溫多晶矽(HTPS)或低溫多晶矽(LTPS)；以及部分反射性/部分透射性SLM例如基於微機電系統(MEMS)的系統，在該系統中，一些入射光被透射並且一些入射光被反射。大多數現成的空間光調製技術是消減性的。這些SLM技術通過吸收或去除不期望的光來操作。

其他類型的裝置可以使用並非主要是消減性的技術來可控地改變光的性質和/或分布。例如，光重分布器可以採用電磁波(光)的幹擾，以通過控制光的相位特性來調製光的分布和/或調製光的頻率，以改變光的表觀色。這些示例均示出了可以如何在不通過吸收光而將來自光的能量轉換成廢熱的情況下改變光。

動態可尋址聚焦元件的示例包括：可控液晶艙的透射性2D陣列，該艙具有以下性質，可以被控制以選擇性地延遲光的相位的性質以有效地產生光程長度的變化。可以可控地調製不同區域的光的相位的裝置稱為相位調製裝置(PMD)。PMD可以是透射性或反射性的。一些PMD可以分別地控制由大量像素構成的2D陣列中的相位。動態可尋址聚焦元件還可以影響光的偏振。一些裝置可以同時改變若干個光性質。

其他類型的動態可尋址聚焦元件包括：一個或更多個掃描鏡，例如2D或3D微機電系統(MEMS)；和/或一個或更多個可變形透鏡或鏡或其他光學元件。動態可尋址聚焦元件還可以是一個或更多個光學開關或者在替選方式中包括一個或更多個光學開關。

各種源可以用於照射SLM、PMD、成像晶片或包括孤光燈、發光二極體(LED)、LED加螢光體、雷射器、雷射器加螢光體的任何其他的光重分布裝置。每個光源可以發射不同形狀、強度和分布的光。將多個光源組合成單個較高功率的源的傳統方法包括：將光耦合至光纖中；將刀刃鏡光束組合、轉發到整合棒或者其他的一些光平均裝置中。

然而，在一些情況下，在使用傳統方法被組合時各個低功率光源的有用特性未被保留，並且較高功率單發射器不是不可用，就是具有過高的每瓦特光的成本。例如，當來自多個雷射二極體的光被組合時，被影響的一些特性為：

●相干性：當將來自多個分離雷射二極體或雷射二極體線陣的光耦合至多模光纖，或者使用刀刃鏡陣列加透鏡將多個雷射束組合成單個光束時，相干性丟失。

●偏振：由於在多模光纖的輸出處的光不再被偏振，所以一些偏振恢復技術必須用於需要偏振光的應用。

需要有效地組合來自多個光源的光的光源和投影器。特別需要其中來自多個光源的光可以被操縱以產生具有期望光學特性的期望光圖案的有成本效益的光源和投影器。

技術實現要素：

本發明具有多個方面。一個方面提供了一種光源，所述光源組合了來自多個低功率光發射器的光(低功率光發射器在一些非限制性實施方式中包括雷射二極體或其他雷射光源並且在其他實施方式中包括非雷射光源，非雷射光源在一些實施方式中為固態光源)。所述光源可以發射離散的經準直化的非交疊的光斑陣列形式的光。在一些實施方式中，由所述光源提供的光路使各個光斑具有期望的光學特性例如期望的偏振和/或相干性。另一方面提供了一種用於照射動態可尋址聚焦元件的方法。另一方面提供了一種包括如本文所述的光源的光投影器。

在附圖中示出和/或在以下描述中描述了其他方面和示例實施方式。

附圖說明

附圖示出了本發明的非限制性示例實施方式。

圖1A和圖1B示出了包括具有多個鏡的固定二極體陣列的光源。

圖2A和圖2B示出了包括光纖耦合二極體陣列的光源。

圖3A至圖3C示出了包括「聖誕樹形」鏡的光源。

圖3D至圖3F示出了包括拋物面鏡的光源。

圖4A和圖4B示出了光分布調節。

圖5A和圖5B示出了將來自若干個光源的光束的陣列組合以產生較大的光束陣列。

圖6示出了用於對來自具有快軸和慢軸的光發射器的光束進行準直化的示例光學布置。

圖7示出了利用多個鏡的光程長度均等化。

圖8示出了DMD控制方案。

圖9A和圖9B示出了異步的光源調製和DMD操作的可能影響。

圖10A和圖10B示出了在光源以相對於DMD的翻轉時間的高頻率被調製的情況下的異步的光源調製和DMD操作。

圖11示出了異步的光源調製和DMD操作。

圖12示出了用於通過分析由DMD轉儲的光來生成DMD同步信號的示例設備的框圖。

圖13示出了光發射器相對於DMD周期的示例性交錯的開始。

圖14A和圖14B示意性地示出了用於控制動態可尋址聚焦元件來顯示圖像的不同的可能模式。

圖15是示出示例投影器的框圖。

圖16A和圖16B示意性地示出了可能的彩色成像模式以及在投影器中增大或減小光功率的方式。

具體實施方式

貫穿以下描述，闡述了具體細節以提供對本發明的更透徹的理解。然而，可以在沒有這些詳情的情況下實踐本發明。在其他實例中，未詳細示出或描述公知元件以避免不必要地使本發明不清晰。因此，說明書和附圖應當被視為示例性而不是限制性意義。

已經構思了若干個新穎的方法來以平行的準直化的方式對來自多個源的光進行平鋪。在一些應用中有利的是，所平鋪的光斑彼此具有最小的交疊。在這些方法中的任一方法中，可以將光斑在動態可尋址聚焦元件如相位調製器(PMD)的表面上陣列化。

可調二極體陣列、固定鏡

可以使用刀刃鏡的二級陣列將低功率光源例如LED或雷射二極體的二維陣列進行平鋪，以用離散非交疊的光斑覆蓋成像晶片的有效區域。每個離散雷射二極體(或其他光發射器)被安裝在具有內置的X、Y和角度調節以及用於捕獲光並對光進行準直化的透鏡的支持器中。支持器每個均包括兩軸級，並且在一些實施方式中支持器具有端/傾斜調節。

由於上述限制了光源布置的緊湊度，所以使用彼此成90度取向的兩個刀刃鏡陣列。圖1A和圖1B示出了應用該類型的方法的示例光源100。光源100包括光發射器102、透鏡103、刀刃鏡104A和104B。鏡104A和104B被布置成彼此成90度。

如果空間或設計約束要求更複雜的幾何機構，則可以將兩個刀刃陣列在其他方向上進行組合以實現緊密間隔的平行光束。

刀刃鏡用於減小各個光束的間隔，並且修剪邊緣以使交疊最小化並且使覆蓋最大化。由於每個光束可以沿長軸和短軸略微發散不同的角度，所以鏡組件保持緊湊。從鏡組件的輸出至成像晶片的距離被保持為儘可能小。

具有可調鏡的固定二極體陣列

在另一示例實施方式中，光發射器(例如，雷射二極體)的2維網格適用於被加工成具有緊密的製造容限的固定底座，其中，光發射器具有內置的準直透鏡。由光發射器陣列發射的光束被定向在兩級刀緣鏡陣列處。在該實施方式中，光發射器保持固定並且通過移動鏡來實現對準。一旦實現對準，則可以將鏡永久地設定，使得光機械系統的輸出是二維的離散非交疊的光斑陣列。該實施方式還可以與圖1A和圖1B中所示的實施方式非常相似或相同。

該調節可以通過將每個鏡安裝在樞轉接頭上來實現，該樞轉接頭可以在一旦被調節時用粘合劑來設置或者可以是可以被填充就位的柔性結構。

在一些實施方式中，利用各個端傾斜控制，針對每個源將刀刃鏡分段。這有助於從行或列對各個源進行去耦合。可以對可調段進行調節以對各個光束的方向或發散施加任何校正。

一些實施方式提供了對光發射器102的位置和/或取向以及對鏡104的角度的調節。

對每個二極體進行光纖耦合

圖2A和圖2B示出了另一實施方式，在該實施方式中，由光纖203來引導雷射二極體102或其他光發射器的輸出以產生期望的光斑陣列。例如，可以將光斑在動態可尋址聚焦元件例如相位調製器(PMD)的表面上陣列化。在該設計中，光發射器102的陣列每個均具有捕獲所發射的光並將其耦合到單模光纖203中的關聯透鏡103。光纖203是成束的，並且光纖束的輸出被轉發到成像晶片(例如，PMD)上。該方法可以用於將源陣列轉換成任何形狀、間隔或配置。單模光纖將保持雷射的偏振和相干性，但是該相同方法可以用多模光纖來實現，該多模光纖具有用於增大耦合效率的最佳直徑和幾何結構而沒有相干性或過度發散的顯著損失。

「聖誕樹形」鏡安裝

代替例如在圖1A和圖2A中所示將光斑平鋪成矩形圖案，可以通過使用具有大致錐形的「聖誕樹形」設計的鏡來實現光斑的放射狀圖案，在圖3A至圖3C中示出了一個潛在配置300。在該實施方式中，光發射器102徑向地向內朝著聖誕樹形鏡304被安裝。在所示實施方式中，鏡304包括多個大致錐形的軸向間隔開的鏡表面304A和304B。還可以通過在單個步驟中將透鏡弧度加工成鏡表面304A和304B以對光束進行準直化、減小間隔並且將光束孔徑化來擴展通過圖3A至圖3C例示的方法。

可以使用大的源間隔以光機械系統的總體尺寸為代價來改進對準。

如果需要一致的偏振，則可以在每個光束入射到成像晶片或其他目的地時考慮角度以保持每個光束的一致偏振。

用於組合徑向光束的拋物面鏡

圖3D、圖3E和圖3F示出了布置300A，布置300A與布置300相似但是使用拋物面透鏡304A以將來自徑向布置的光發射器102A、102B的光束偏轉成平行的緊密間隔的布置。在所示的實施方式中，發射器包括光發射器102A和光發射器102B，光發射器102A將鏡304A處的光束定向在與鏡304A的對稱軸成第一角度的方向上，並且光發射器102B將鏡304A處的光束定向在與鏡304的對稱軸成第二角度的方向上。該構思與圖3A至圖3C中所示的「聖誕樹形」方法類似，但是不具有對鏡邊緣的孔徑化效果。

過大光束網格的縮微

目標照明區域例如成像晶片、SLM或PMD與源陣列相比可以較小。可以使用包括參照圖1A和圖1B所描述的刀刃鏡方法的以上方法中的任一方法來產生在尺寸上比目標區域大的非交疊光斑的平鋪圖案(即，平行光束陣列)。在一些實施方式中，光斑的尺寸是目標區域的2倍或更多倍(例如，在一些實施方式中光斑覆蓋了目標區域的面積的4倍或更多倍)。可以使用光學系統通過對光束進行縮微來減小所產生的光束簇的面積以使得光斑陣列被調節至所需的尺寸。

在圖4A和圖4B中示出了示例布置400。光學系統401(例如上述的系統中的任何系統)產生光束陣列402。在該示例中包括透鏡404A和404B的光學系統404對光束陣列進行縮微。

由於可以在平行光束之間保持間隙，所以可以避免在縮微的光分布中的發散或失真。

對刀刃鏡級進行級聯

在一些實施方式中，可以產生每個均包括多個如上所述的光發射器的各個模塊，所述各個模塊具有每個均產生光斑陣列的配置(例如3×3或3×2配置)。如上所述(例如，使用如圖1A所示所布置的可傾斜鏡的陣列)，可以如圖4A和圖4B所示對由這樣的模塊中的兩個或更多個模塊輸出的光束進行縮微，並且使用可調鏡技術來平鋪所述光束。

圖5示出了示例系統500，在示例系統500中，通過鏡502對由三個模塊401輸出的光進行偏轉以形成光斑陣列503。可以以此方式來組合來自任何適當數目的模塊401的光。如所示的，陣列503可以以線性方式組合來自模塊401的陣列，或者可以組合來自模塊401的陣列以產生輸出陣列503，輸出陣列503在二維中的每個維度上比來自各個模塊401的光斑陣列大。例如，來自模塊401的光斑陣列可以被布置成產生具有來自各個模塊401的多行和多列的複合陣列。

光發射器

在上述實施方式中可以使用多種光發射器中的任何光發射器。例如，光發射器可以包括雷射器。固態雷射器如雷射二極體對於一系列應用是實用的。光發射器的其他示例包括：固態光發射器如發光二極體(LED)；等離子體光發射器；冷陰極光發射器；燈等。在一些實施方式中，光發射器發射相干光。在一些實施方式中，光發射器發射偏振光。

光發射器可以以分立器件的形式提供或者可以被一起封裝在組合多個光發射器的封裝包中。例如，可以使用包括具有合適的發射器數目和間隔的多個光發射器例如二極體線陣的系統來提供在如上所述的實施方式中的光發射器。這樣的實施方式可以有利於減少光源中獨立安裝的部件的數目。

一些光發射器可以發射被有利地校正成產生具有期望屬性的光束(例如，被良好的準直化並且被定向在期望方向上的光束)的形式的光。在一些實施方式中可以提供定製光學器件用於針對光束路徑的光束進行調節和校正。

圖6示出了示例設備600，示例設備600包括邊緣發射二極體陣列602，邊緣發射二極體陣列602提供多個獨立的光發射器102C。每個光發射器102C具有快軸和慢軸。設備600包括準直光學器件605，準直光學器件605包括用於沿一個軸準直化的透鏡605A和用於沿第二軸準直化以產生一排經準直化的輸出光束的多個透鏡605B。可以將兩組或更多組設備600堆疊以提供二維的發射器陣列。

特別是在將現成的二極體線陣用於陣列602時，在發射器陣列具有一些弧度的情況下可以在光學系統中提供某些調節和「微小的校正」。可以提供孔徑化或反向刀刃化以增大光束之間的間隔。這可以有助於基本上消除相鄰光束之間的交疊。

處理光程長度和發散

大多數光發射器不發射完全準直化的光束。來自光發射器的光束一般將表現出一些發散。期望的是減少這樣的發散的影響。在可以基本上消除來自不同發射器的光束的發散的情況下，光斑輸出陣列可以具有彼此間隔非常緊密而彼此之間不具有任何顯著交疊的光斑。一些光發射器發射在不同方向上不同程度地發散的光。發散度大的方向可以稱為快軸。發散度較小的方向可以稱為慢軸。在光發射器具有快軸和慢軸的情況下，單個對稱透鏡可以沿快軸或慢軸對來自光發射器的光束進行近似準直化，但是光束將在其他軸上繼續發散。

用於固定光程長度的鏡對

一些實施方式將從光發射器至目標區域處的相應光斑的光程長度均等化。使光程長度對於所有光束相等是有利的，這至少部分地是因為光束髮散對於不同光程長度可能是不同的。在光程長度相等時，所有光束的發散可以近似相等。

如圖7的設備700中所示，可以使用鏡來摺疊光路以使所有光束的光程長度均等化。使用多個鏡級，在沒有複雜幾何結構的情況下每個光束的光程長度可以相同。設備7包括光發射器102，光發射器102發射光束103-1、103-2和103-3。每個光束與摺疊其路徑的鏡對相互作用。鏡被間隔開以使得從每個光發射器102至輸出光束703的光程長度相等。設備700包括：對光束103-1起作用的鏡對701A-1和701B-1；對光束103-2起作用的鏡對701A-2和701B-2；以及對光束103-3起作用的鏡對701A-3和701B-3。

不對稱透鏡

源光束的光分布在形狀上或者在發散率上可能不是徑向對稱的。例如，雷射二極體的快軸和慢軸具有不同的發散率。這可以通過在光路中引入在光束方向上不是圓形對稱的透鏡(例如，柱面透鏡)來校正。

一些實施方式提供柱面透鏡的陣列來校正來自多個光發射器例如雷射二極體的光束沿慢軸的發散。該方法良好地適用於二極體線陣或二極體線陣堆提供光發射器的情況。該方法還可以適用於獨立二極體或其他光發射器的陣列。在圖6中示出了示例。

用於校正具有快軸和慢軸的光束的發散的各種可能的光學布置包括：針對每個軸使用成對的柱面透鏡；針對每個軸使用單個共享的球面透鏡和柱面透鏡等。

長几何結構

如上所述，可以通過以下操作來抑制發散的影響：將源陣列設計成使得從源陣列至將光引導成平行光束的鏡(例如，如圖1A中所示的刀刃鏡)的距離相對於刀刃鏡與目標區域(例如，動態可尋址聚焦元件或其他成像晶片)之間的距離而言較大。在一些實施方式中，從光發射器至鏡之間的距離是從鏡至成像晶片的距離的至少3、5、10或18倍。

利用該方法，增大從光發射器至鏡的距離使得針對不同光束的光程長度的任何相對差異較小。鏡可以與成像晶片足夠靠近以使得鏡與成像晶片之間的發散量小，從而使得在成像晶片處不發生不期望的交疊。

使用相位和幅度調製的自由空間雷射投影器的期望光源特性

在傳統數字投影器中，重要的是對經由投影透鏡被成像到投影屏幕上的幅度SLM(DLP、LCD、LCoS)均勻地照射。

在一些實施方式中，光源不均勻地照射動態可尋址聚焦元件。在這樣的實施方式中，可以控制動態可尋址聚焦元件(例如，相位調製器)以提供對幅度SLM的結構化照明(其以已知的方式隨位置而變化)。在均勻地照射相位調製器(當平坦相位被尋址或者在相位SLM失效的情況下SLM上的平穩熱發散、均勻光分布)保持有益的同時，可以考慮相位SLM上的強度變化並且可以調節透鏡圖案以對所述強度變化進行「校正」(例如在需要時對幅度SLM提供均勻照明)。

對準示例

用於特定應用的光源理想地實現了針對簡單且緊湊的封裝包中的光束質量以及穩定性的應用所需的規格。理想地，光源可以被安裝為單個模塊，所述單個模塊可以在製造時使用有助於快速精確對準的調節(例如，正交調節，使得一個光束屬性的調節不改變其他光束屬性)來對準。

在一些實施方式中，以「自下而上」法來執行對準，在該方法中，使來自各個光發射器的光束集中並且準直化，將光發射器被組裝成排，對光束的對準進行調節，然後調節光束收縮光學器件以將輸出光傳遞至期望的目標區域(在一些實施方式中目標區域是每側數mm，例如12×7mm)。在每個對準步驟之後，可以使用可固化材料例如合適的環氧樹脂、粘合物、焊錫等來固定該調節。

表1提供了三組示例設計規格。在一些實施方式中實現這些規格中的一些規格。在一些實施方式中實現這些規格組中的一個或更多個組。

示例光源塊

在該示例中，八個雷射二極體——每個具有相應的準直透鏡——以10mm的間隔距離被定位在陣列中。每個二極體被壓入具有集成冷卻片和附接特徵的銅塊中。八個透鏡被安裝在具有10mm間隔的固定塊中。夾具保持固定透鏡陣列相對於在遠場中的相距某個任意大的距離的對準圖案而靜止。該對準圖案包括指示期望光束位置的參考線，所述光束位置具有10mm的間隔。

單個二極體塊保持在三軸、四軸、五軸或六軸定位級，並且被定位成使得發射器以相應透鏡為中心，輸出光束被準直化(在遠場中既不發散也不會聚)、被定向成使得偏振與光源規格一致，並且被定向成使得光束與對準圖案上指示的相應位置一致。

二極體發射器的z軸位置(與光束方向平行)控制光束的發散。二極體發射器的x軸位置和y軸位置控制雷射光斑在對準圖案上的x位置和y位置。繞z軸的旋轉控制偏振方向。可以調節二極體發射器的x軸位置和y軸位置以校正光束形狀的失真。

當二極體被適當地定位時，二極體被固定至透鏡塊。該機械連接可以以例如以下多種方式來實現：

1.二極體塊具有被焊接至透鏡塊上的焊盤的標籤；

2.二極體塊保持在夾具中，應用粘合物例如環氧樹脂或合適的UV固化粘合物或合適的熱固化粘合物來固定二極體位置；

3.二極體塊被點焊至透鏡塊；

4.二極體塊初始地被粗略地對準並且在夾具中精確地形變以進行精細的對準。

用於提高對準精確度的技術

利用所描述的示例系統上的印製對準掩碼，準直化和平行化精度被限制於在3m距離處的+/-1mm的量級或0.015度。

為了提高精度，可以實現更先進的技術。一些示例為：

1.衍射光柵可以被定位在光路中以利用衍射成像產生較大的對準圖案，並且針對提高的測量準確度來放大衍射光柵；

●可以調節準直化以實現達到高得多的精確度的最佳點擴展函數；

●可以通過將兩個對準圖案配準而不是試圖將模糊的光束點視覺地置於對準網格的中心來提高平行光束對準精確度。

2.還可以使用動態衍射光學元件例如純相位空間光調製器，通過針對多步驟對準方法來動態地改變衍射對準圖案來提高對準精確度。

●可以通過以粗略圖案開始並且逐漸移動至較精細的對準來生成對準圖案組；

●不同圖案可以較好地適於實現不同方面的對準。例如，用於XZ面對準的水平線、用於YZ面對準的垂直線、用於準直化調節或者用於優化關於光學軸的光束角度的合適的水平和垂直對稱圖案等。

光源對準的自動化

使用計算機控制的4軸、5軸或6軸對準級或者使用面向屏幕的機器視覺相機，或者通過將輸出光束轉發至光學傳感器例如CCD或CMOS上，可以逐二極體地使對準過程自動化。以下是可以應用於自動化或半自動化對準的示例算法。該算法開始於將固定的透鏡塊安裝至對準夾具。對於對準過程的持續時間，透鏡陣列可以相對於除二極體以外的所有其他元件來保持固定。對準夾具保持透鏡陣列塊指向動態衍射光學元件(例如，相位調製器)。使用標準光學器件來調節從相位調製器輸出的光，並且將其轉發至光學傳感器上，或者將其投影到屏幕上並且由機器視覺相機所捕獲。衍射光學元件和屏幕或光學傳感器被置於與固定陣列中的透鏡的焦距相比而非常大的距離處。

1.開始

2.將光發射器(例如，雷射二極體)定位成與相應透鏡近似對準並且將雷射發射器夾持在夾具中，以提供4軸、5軸或6軸微定位。夾具可以包括臺架和保持裝置。

3.繼續自動化對準過程：

a.將平坦相位圖案應用於動態衍射光學元件，並且通過移動光發射器來調節焦距使得光束既不會聚也不發散。這可以通過以下操作來實現：沿光學軸在若干個距離處採樣光束分布並且調節雷射二極體與透鏡之間的距離直到所有樣本為相同寬度為止。這還可以使用光束分割器和相位傳感器並且調節雷射發射器的位置直到光束分布是最大平坦為止來實現。

b.將偏振器插入光路中(如果動態衍射光學元件不被偏振，或者如果動態衍射光學元件不沿期望方向被偏振)。調節光發射器關於光學軸的角度，以保持所有其他調節恆定，直到光束達到最大亮度為止。

c.將對準圖案應用於動態衍射元件並且調節光發射器的位置直到圖案被最佳地配準為止。該處理可以針對包括XZ面平行化、YZ面平行化、繞X軸或Y軸旋轉的對準的各個方面來重複。

d.該對準過程可以在從粗略對準至精細對準的多個步驟中重複。

4.當針對光發射器透鏡對來實現足夠精確的對準時，使用上述方法之一將光發射器固定至透鏡塊。

5.針對每個另外的光發射器來重複以上步驟，針對以上光束特性來調節並且還確保光束與被添加至塊的先前對準的光發射器平行。

組合系統

一旦光發射器-透鏡對的塊已經被對準以產生具有相同的偏振取向的準直化的平行光束，則可以將該塊與其他元件組合，所述其他元件用於產生更緊湊的光束陣列，並且對所組合的光分布進行整形和調節以覆蓋成像晶片。這樣的系統可以包括：

●用於保持二極體-透鏡對陣列的底座；

●被布置成減小相鄰光束之間的間隔的刀刃鏡陣列；

●用於擴展或收縮光束以適應期望應用的一個或更多個透鏡或鏡；

●用於摺疊光路以實現緊湊佔用面積和/或將光程長度或不同光束均等化的鏡；

●用於發熱元件的冷卻元件(例如，合適的散熱器和/或主動冷卻器例如珀爾帖(Peltier)元件)；以及

●用於光發射器的控制電子器件。

一些實施方式還包括：監視傳感器，例如被附接以測量光發射器和/或其他元件的操作溫度的溫度傳感器；和/或可以評估光束分布的測量埠。

在示例實施方式中，光發射器包括500mW雷射二極體例如三菱電機生產的ML501P73型號的雷射二極體。這些雷射二極體輸出638nm的光。示例顯示器包括6至20個這樣的雷射二極體。

控制電子器件

由於一些圖像不包含大量的光，所以並非總是期望使光發射器以完全亮度運行。可以將不需要的光引導至轉儲區域(例如，通過對動態可尋址聚焦元件的適當控制)，但是更理想的是減少光發射器的光輸出並且減少能量消耗和熱輸出。針對較暗的圖像減少光發射器的輸出還可以通過減少散射光來改善黑暗水平。

可以通過以足夠快從而不能被人類觀測者注意到的速度來減少傳遞通過雷射二極體的電流量或者將雷射二極體關閉和開啟——稱為脈衝寬度調製(PWM)——來使雷射二極體變暗。通過控制電流與通過PWM相比，較難以實現精確的強度控制。

當使用PWM時，控制佔空比(光發射器為開啟的時間的％)可以被視為控制輸出光強度。例如，實現對光強度的8位控制的方法是以256xPWM頻率對計數器進行計數使得輸出被保持在與光發射器為開啟的狀態下直到計數器值達到8位強度值為止。在每個PWM周期期間的其他時間處，輸出將處於與光發射器為開啟對應的狀態。

在一些投影器中，使用數字光處理(DLP)裝置來產生最終圖像。期望的是提供與下遊DLP裝置兼容的如本文所述的光源。在DLP裝置中，二元調製器將微鏡在將光發送至屏幕的「開啟」狀態與將光發送至「轉儲」區域的「關閉」狀態之間來回翻轉。每個像素具有相應的微鏡。DLP通過快速地來回翻轉微鏡來產生灰度。控制微鏡以在「開啟」狀態下花費較多的時間以產生較亮的像素或者在「關閉」狀態下花費較多的時間以使像素較暗。

在示例DLP驅動方案中，每個像素具有每視頻幀(通常為60fps)的8位(或更多位)灰度級驅動值，這些被轉換成8個鏡翻轉時段，其中每位具有一個時段。與最低有效位對應的時段短。針對每個位，時段加倍，並且針對最高有效位，時段是最長的。

位被設置為0還是1可以確定鏡被翻轉至相應時段的「開啟」位置還是「關閉」位置。圖8示出了鏡可以處於「開啟」狀態或「關閉」狀態的最短時段為最低階位(b0)。該最短時段可以稱為「翻轉時段」。

異步光脈衝

如果使用脈衝光源(例如以產生最大水平的50％的光)，則如果光發射器的「關閉」和「開啟」脈衝與鏡翻轉是異步的，將發生閃爍，並且由於針對光狀態的低脈衝頻率，在靜態圖像上，「關閉」和「開啟」的時段在幀與幀之間顯著不同。

慢異步光脈衝

這在圖9A和圖9B中示出。在圖9A的幀1中，觀看者在DMD發送光的時間期間感知到兩個光脈衝。在圖9B的幀2中，觀看者在相同的DMD開啟時段期間感知到三個光脈衝。光強度的50％的變化是由於光脈衝與鏡翻轉異步。

快異步光脈衝

如果「關閉」和「開啟」光源時段相對於「鏡翻轉」時段而較短，則靜態幀之間的「關閉」時段與「開啟」時段之間的差異應當被急劇減少並且應當是人眼不可感知的。例如，圖10A和圖10B示出了其中光發射器被調製成顯著地比DLP翻轉時段快的示例。

在圖10A和圖10B中，僅示出描繪驅動值1的單個最小寬度鏡翻轉。觀看者感知到與圖10A中的27/54對應以及與圖10B中的28/54對應的光強度。該解決方案的缺點是可能通過非常快地關閉和開啟強雷射器而產生大量的電磁幹擾(EMI)。而且，電路需要較緊湊的定時容限來使雷射器之間的佔空比失真最小化。

同步光脈衝

如果光發射器「關閉」和「開啟」時段與鏡翻轉同步，則實際上在靜態幀之間應當無差異，並且光源脈衝發生器僅需要在鏡翻轉時段處運行，從而大大減少了所生成的EMI並且允許鬆散的定時考慮。圖11示出了其中從光發射器輸出的光與DLP翻轉周期同步的示例實施方式。

當新的幀到達時，可以經由雙緩衝方案(或者在需要時在塊中從上到下)來同步地更新所有像素的鏡翻轉邏輯。

將光源與DLP同步

一些DLP驅動器晶片提供指示鏡翻轉周期(mirror flip cycle)的開始的「觸發」引腳。在不存在上述「觸發」引腳時，可以構造獨立的「鏡定時恢復」電路。當鏡處於「關閉」狀態時，鏡將光發送至「轉儲」區域。將感光器置於轉儲區域中會當鏡翻轉至「關閉」狀態時將電壓發送回電路。在「訓練模式」期間，雷射器持續開啟並且DLP僅將最低有效位發送至轉儲區域(即，具有8位控制的DLP的驅動水平254)。使用高速參考時鐘和計數器，可以確定最短鏡翻轉的時段，並且可以預測隨後的鏡翻轉的定時。在電信應用中使用類似的方法以用於時鐘和從單線串行數據流的數據恢復。可以根據恢復系統中的誤差量來提供抖動衰減器。

利用所恢復的鏡翻轉時段，光源可以針對光發射器將PWM與鏡翻轉時段同步，以使得可以針對最短鏡翻轉時段(以及所有的較長時段)產生確定性光強度。在較長鏡翻轉時段期間，PWM周期可以簡單地重複(針對位1為兩次，針對位2為四次，針對位3為8次等)，或者為了進一步減少EMI，PWM周期時段可以針對每位而加長。

圖12示出了示例系統1200，在該示例系統120中，光源102通過光學系統(其例如可以如在本文討論的任何實施方式中所描述的光學系統)照射PWD 1204，由PMD 1204引導光1205以照射DMD(或DLP)1206的有效區域。DMD 1206的像素可操作成將光定向至屏幕1208或光轉儲區1210。感光器1212測量在光轉儲區1210處入射的光。由於該光在DMD 1206的微鏡翻轉時為開啟和關閉狀態，因此感光器1212的輸出信號被調製。感光器1212的輸出信號被提供給定時恢復電路1214，定時恢復電路1214還接收參考時鐘信號1214A。定時恢復電路通過對來自感光器1212的信號的分析來確定DMD鏡翻轉周期的定時並且生成同步信號1215，同步信號1215被提供給PWM發生器1218。PWM發生器1218接收光發射器驅動值1219並且生成PWM信號以使光發射器驅動器1220在合適的水平處驅動光源102。PWM發生器1218將PWM信號與同步信號1215同步。

可以減少從雷射器電源汲取的最大電流並且稍微減少EMI而添加的進一步增強是略微地縮短PWM時段並且使不同光發射器的開啟時間錯開。

錯開雷射器開啟時間需要來自雷射器電源的較小的最大電流容量，這是因為在任何給定時間處僅一個雷射器開啟。這還應當減少由電源產生的EMI。圖13示出了與DMD鏡翻轉同步的錯開的雷射器開啟時間。

光發射器溫度控制

雷射二極體的溫度影響所產生的波長和效率(流明/瓦特)。如果雷射器輸出在擴展時段內被衰減至低水平，則雷射器可能過度地冷卻並且流明輸出可能劣化。更槽糕地，光輸出可以變得相對於PWM驅動水平而不確定。為了校正該情況，光源可以被配置成在它們被冷卻時較強地驅動雷射器並且將過量的光引導至轉儲區域以使雷射器升溫。替選地，可以使用珀爾帖(Peltier)元件(和或另外的加熱器)來加熱或冷卻在期望溫度範圍以外操作的雷射器。可以實現光學反饋路徑以檢測光束的一部分中的光強度以相對於雷射器驅動水平和溫度來測量流明輸出的準確度。

示例應用

可以使用本發明的實施方式來對上述的任何應用或市場提供照明。由平鋪的基本上不交疊的相干的偏振雷射的光斑構成的光分布具有多個潛在的應用。示例應用使用相位調製裝置(PMD)提供照明以產生光場。在需要時可以個體地調製雷射器的輸出。在一些實施方式中，光斑的偏振被定向成與由PMD優先傳遞的偏振匹配。

示例相位調製裝置包括：

●空間光調製(SLM)，例如1D或2D像素陣列，其中，在像素處被尋址的驅動水平關聯至被施加於照射到該像素上的光的相位延遲，例如，0與65535之間的驅動水平可以對應於0與2π弧度(光的波長的一個周期)之間的相位延遲的範圍。

●這樣的空間調製器可以同步地改變光的偏振狀態(示例為透射性液晶顯示器或者反射性矽基液晶顯示器)。替選地，這樣的SLM可以被設計成影響該像素的相位延遲，而不影響像素的偏振。

●聲光調製器(AOM；也稱為布拉格單元)可以影響入射光的偏轉角、其相位、頻率和偏振特性。

●光柵光閥(GLV)；目前，這些裝置為1D可尋址陣列，其中，每個像素或元件可以通過機械地改變光程長度來改變入射光的相位。

●可變形鏡；使用具有控制點陣列的連續可變形鏡表面或者離散的單獨調製的反射性像素陣列。

可以使用相位調製裝置來產生期望的光場。在典型意義上的透鏡是可變厚度的透明材料片例如將通過透鏡表面的入射光的相位不同地延遲的玻璃，以根據透鏡的曲率或形狀來產生聚焦光點或非聚焦光點。通過使用相位調製裝置(PMD)來延遲入射光的相位來實現類似的效果。例如，可以通過對PMD上的變化的相位圖案進行尋址來實現透鏡的效果，其中，在PMD的中心具有例如2π相位延遲，在PMD的邊緣上下降至0相位延遲。可以通過控制PMD以提供如菲涅爾透鏡的圖案的相位調製(即，通過對用於驅動PWD像素的值進行相位疊加)，來實現更強的透鏡(具有更短焦距的透鏡)。

可以控制PMD以類似方式——例如通過在PWD上沿一個方向施加慢變化相位延遲量——來模擬例如稜鏡和光柵的其他光學元件的效果。

可以將不同效果組合在PMD上。示例是聚焦並且轉換入射光分布的相位圖案。這可以通過控制PMD來改變光的相位的圖案來實現，所述改變為針對透鏡和稜鏡疊加(添加)相應相位延遲圖案。

並排或疊加在PMD上的若干個透鏡可以粗略地對圖像進行近似。通過適當的控制PMD來模擬多個透鏡的動作，可以產生以下情形：圖像或圖像的一部分聚焦在沿光傳播方向的任何地方，例如在若干個平面中。

可以控制PMD來產生任何極其寬的輸出光場範圍。可以以多種方式完成確定使用哪些數據來驅動PMD產生特定期望的輸出光場。在計算上較昂貴但較為精確的模式下，可以應用由整個光學系統(包括PMD)提供的逆變換的數學模型來以期望的輸出光場開始並且計算與期望輸出光場對應的PMD像素設置。計算上較不密集但較不精確的模式包括：針對可以通過PMD模擬以產生近似目標光圖案的輸出光圖案的一個或更多個分立光學元件(透鏡、稜鏡等)來設置參數。參數例如可以包括尺寸、位置和光強度。

在公開為WO2015054797；PCTCA2015000324；PCTCA2015050515；和PCTCA2015050730的PCTCA2014051013中描述了用於控制PMD以產生期望圖像或要顯示的其他光圖案的各種方法，上述申請中的所有申請的公開內容出於各種目的通過引用合併到本文中。

基於混合GS的成像：

在示例實施方式中，使用修正的Gerchberg-Saxton算法在PMD上生成圖案以產生遠場中的圖像。Gerchberg-Saxton算法是用於恢復光場對的相位的迭代方法。給定某個目標照明分布以及良好表徵的輸入光分布，可以使用迭代方法來收斂於相位圖案上，該相位圖案當被應用於PMD時將近似為遠場中的目標分布。

平行光束陣列被轉發至PMD的有效區域上，每個陣列覆蓋有效區域的片段，並且提供光以在遠場中形成子圖像。這在圖14A中示出。由光束的不完全平行化引起的未對準可以通過以下操作來校正：將稜鏡疊加在應用於PMD的相應區域的調製圖案上以將與該區域對應的子圖像轉換為對準，使得每個子圖像被準確地疊加在圖像位置處。

分段方法

在該方法中，針對其中圖像被劃分成與入射束對應的片段的PMD來計算相位圖案。可以使用與上述方法類似的方法來計算該圖案。如圖14B中所示，在該方法中，使用PMD的光場重分布被限制成圖像片段內的局部重分布，使得來自單個光束的光僅在相應圖像片段內被重新定向。如上所述，可以根據需要將稜鏡疊加在每個圖像片段中的相位圖案上，以用於精細的對準調節。

透鏡

可以控制PMD來模擬其他光學元件例如類似形式的稜鏡和光柵的效果，例如，可以通過在PMD上在一個方向上施加慢變化的相位延遲量來提供稜鏡。

可以在PMD上組合不同的效果。示例是聚焦並且轉換入射光分布的相位圖案。這可以通過控制PMD來改變在針對透鏡和稜鏡疊加(添加)了相應相位延遲圖案的圖案中的光相位來實現。

可以與由平鋪的非疊加光斑構成的輸入光場結合地使用該方法，以轉換和縮放各個光斑或小部分光斑以近似圖像。

自由形狀的透鏡

並排或疊加在PMD上的若干個透鏡可以粗略地近似圖像。通過控制PMD來呈現在PMD的區域上連續變化的相位調節從而可以實現更複雜的圖像或照明分布。這樣的相位分布可以通過迭代優化方法來實現，在該方法中，當前解決方案與目標圖像之間的差異被迭代地最小化直到滿足完成準則為止。

優化器基於正向模型或其逆向模型來發現一種使用最小化或優化方法的解決方案。可以利用光重分布方案的初始猜想以及正則項在較少的迭代中朝向合適的解收斂。還可以提供系統約束。現有度量例如最大迭代次數、殘差或感知度量，確定程序何時停止並且輸出光重分布方案形式的當前解。

在入射光是平行光束的2D陣列形式時可以應用優化方法。輸入光分布可以被表徵和提供為算法的輸入，並且必須計算將輸入光分布轉換成焦平面內的期望圖像的透鏡表面。

無透鏡算法

另一方法計算相位圖案，該相位圖案在距PMD的一定距離的指定焦平面中而不是在遠場中產生目標光場。該算法可以產生期望的輸出光圖案，而在光路中沒有附加的透鏡。這樣的無透鏡算法可以與良好表徵的平鋪的非交疊光束陣列一起使用。可以基於入射光分布來生成要提供在PMD上的相位圖案。

轉移至轉儲區以用於局部暗化

通過脈衝化或者通過動態地改變電流來對包括雷射二極體或LED的一些光源的動態暗化可能會負面地影響光源穩定性和壽命。如果場景需要，則可以使用用於在算法上校正光束對準的動態轉移方法將整個光束轉移至光束轉儲區以實現總體暗化效果，而不對源輸入功率進行脈衝化或修改。

針對失真抑制的二極體屬性差異

策略上將具有不同屬性的光源組合可以用於使某些不理想的失真的出現最小化。例如當使用相干單色光顯示圖像時，可能發生諸如斑點的失真。與利用單個源的成像相比，組合多個光束以形成總體圖像可以使算法噪聲、圖像斑點和屏幕斑點減少。另外，如果光源被選擇成具有略微不同的波長或者被配置成改變輸入角度，則平均效果可以使某些圖像失真的出現最小化。

投影系統中的示例應用

圖15示出了根據示例實施方式的光投影系統1500。來自光源陣列102的光束在1502處被組合成非交疊的平行的準直化光束的2D陣列，並且由轉發光學器件1504轉發到空間光調製器1505上。計算機將控制信號發送至空間光調製器，空間光調製器改變入射光場以實現目標照明分布。該空間光調製器的輸出然後通過投影光學器件1506被轉發，並且被聚焦至在該情況下為投影屏幕1507的表面上。

立體光刻的示例應用

立體光刻3D印表機使用UV、IR或可見光對樹脂進行固化。這樣的系統可以包括樹脂缸和每次對一個層(Z軸)進行固化的2D掃描雷射束。在每個層完成時，部分完成的模型降低一步而進入缸中，並且下一層被「寫入」。該處理通常佔用一些時間來完成，例如每層為10分鐘或者整個3D模型為6小時。

一些方法用UV光源取代投影系統內的可見光源，則立刻暴露整個層，替代了以2D方式掃描來產生層。使用該技術存在兩個限制：首先，限制了典型投影器可以產生的強度，因此該層需要被暴露較長的時間；其次，限制了典型投影器的對比度，因此其中不打算對樹脂進行固化的區域將接收少量的光，這可能足以對樹脂進行固化並且有效地限制模型可以被列印的解析度。

使用例如本文討論的光重定向投影方法對光進行投影以在3D印表機中成像地暴露層，可以產生較高的列印速度(由於局部強度較高)以及較高的準確性(由於存在有限的光洩露或不存在光洩露)的改進。

示例實施方式

圖16A和圖16B提供了如何將本文所述的實施方式應用於顯示彩色圖像或其他光圖案以及如何放大光功率(通過改變在一個投影器內或者在不同投影器之間的模式)的說明。一些實施方式通過生成和調製三種顏色(例如，紅色、綠色和藍色)的光來執行彩色成像。這些顏色可以並行地被生成和調製(例如，使用不同PMD)或者以時間復用方式被顯示(例如，相同的PMD可以在不同時段中調製不同顏色的光)。

不同顏色的光發射器可以具有不同的光功率輸出。而且，某些成像或照明應用可能針對不同顏色需要不同的光功率水平。可以以各種方式來兼顧使用可能具有不同光功率輸出的不同顏色的光發射器的期望和或針對某些應用的不同顏色的不同光功率水平的需要。在一些實施方式中，不同顏色的光發射器的數目不同。針對每種顏色的光學系統可以用與用於該顏色的光源的數目對應的數目的光斑來平鋪PMD或者其他動態可尋址聚焦元件的有效區域。另外，光斑的布置可以在不同顏色之間不同。例如，對於一些顏色，PMD的有效區域可以被光斑的單行或單列所覆蓋，而對於其他顏色，PMD的有效區域可以由具有多行和多列的光斑或陣列所覆蓋。

此外，可以通過增加光發射器的數目來增大總體的可用光功率。這可以針對單色投影器或針對多色投影器中的任一種或更多種顏色來完成。圖16A和圖16B示出了兩個可能布置，一個布置(圖16A)針對較低功率投影器，另一布置(圖16B)針對較高功率投影器。在該非限制性示例實施方式中，在圖16B中紅色光發射器和綠色光發射器的數目被加倍。相同數目的藍色光發射器在兩個實施方式中提供相等的光功率(當然如果需要，也可以增加藍色光發射器的數目)。圖16A和圖16B可以表示不同投影器或單個投影器的不同操作模式。

在一些如圖16A和圖16B的示例實施方式中，由雷射二極體提供光，雷射二極體的快軸被準直化。光束沿慢軸發散以填充PMD的有效區域。在其他實施方式中，共同地對PMD的有效區域照射的光斑可以是不同形狀的或者可以被布置成提供對PMD有效區域的不同平鋪。

術語的解釋

除非上下文清楚要求，否則，貫穿本說明書和權力要求：

●「包括」、「包含」等要解釋成與排他性或窮盡性意義相反的包括性意義，也就是說，要解釋為「包括但不限於」的意義；

●「連接的」、「耦接的」或其任何變型意指兩個或更多個元件之間的直接或間接的任何連接或耦接；元件之間的耦接或連接可以是物理的、邏輯的或其組合。

●「本文中」、「以上」、「以下」以及類似引入的詞語，當被用於描述本說明書時，應當指代該說明書全部，而不是該說明書的任何特定部分；

●「或者」，在引用兩個或更多個項的列表時，覆蓋詞語的以下解釋中的全部解釋：列表中的項中的任一項、列表中的項中的所有項以及列表中的項的任何組合；

●單數形式「一」、「一個」和「該」還包括任何適當的複數形式的意義。

例如「垂直」、「橫向」、「水平」、「向上」、「向下」、「向前」、「向後」、「向裡」、「向外」、「垂直」、橫向」、「左」、「右」、「前」、「後」、「頂」、「底」、「以下」、「以上」、「下」等的指示方向的詞語被用在本說明書和任何所附權力要求(在存在的情況下)中時，取決於所描述和示出的設備的具體方向。本文所描述的主題可以採用各種替選方向。因此，這些方向術語不被嚴格地定義並且不應當被狹隘地解釋。

雖然以給定順序表示過程或塊，但是替選示例可以執行具有不同順序的步驟的例程或者採用具有不同順序的塊的系統，並且可以刪除、去除、添加、再劃分、組合和/或修改一些過程或塊以提供替選方式或子組合。這些過程或塊中的每一個可以以各種不同方式來實現。而且，雖然有時過程或塊被示出為順序地(連續地)執行，但是作為替代，這些過程或塊可以並行地執行或者可以在不同時間處執行。

當在上文中引用部件(例如，光發射器、鏡、透鏡、組件、裝置、電路等)時，除非另外指出，否則對該部件的引用(包括對「裝置」的引用)應當解釋為包括執行上述部件的功能的任何部件的等同物(即，功能上等同)，包括與執行本發明的所示示例性實施方式中的功能的所公開的結構在結構上不等同的部件。

在本文中已經出於示出目的描述了系統、方法和設備的具體示例。這些僅是示例。本文中提供的技術可以應用於除上述示例系統以外的系統。許多變型、修改、添加、省略和置換在本發明的實踐內是可能的。本發明包括對於技術人員而言明顯的對所描述的實施方式的變型，包括通過以下操作獲得的變型：利用等同特徵、元件和/或動作來替換特徵、元件和/或動作；對來自不同實施方式的特徵、元件和/或動作進行混合和匹配；將來自本文所述的實施方式的特徵、元件和/或動作與其他技術的特徵、元件和/或動作組合；和/或省略組合來自所描述的實施方式的特徵、元件和/或動作。

因而意在：以下所附權利要求以及之後引入的權利要求被解釋為包括可以合理推斷的所有這樣的修改、置換、添加、省略和子組合。權利要求的範圍不應當通過示例中闡述的優選實施方式來限制，而應當被給出與說明書整體一致的最寬解釋。