使用獨立多波長光源的投影機的製作方法

2023-05-06 08:05:56

專利名稱：使用獨立多波長光源的投影機的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及一種用於投影立體數字圖像的設備，且更明確地說，涉及一種 使用獨立多波長來產生用於數字影院投影的立體圖像的經改進設備和方法。
背景技術：
為了被視為對常規膠片投影機的合適替代品，數字投影系統必須滿足對圖像質量 的苛刻要求。對於多色影片投影系統來說情況尤其如此。對常規的影片質量投影機的競爭 性數字投影替代品必須滿足較高的性能標準，提供較高的解析度、較寬的色域、較高的亮度 以及超過1，000 1的幀順序對比率。電影行業已日益地朝產生和顯示3維(3D)或感知的立體內容發展，以便在大型 場所為消費者提供增強的視覺體驗。雖然例如迪斯尼(Disney)等娛樂公司已在其主題公 園中提供此內容許多年了，且巨影(Imax)已為此內容建造了專業電影院，但在那兩種情況 下，膠片已是用於圖像生成的主要媒介。為了產生立體圖像，兩組膠片和投影機同時投影正 交的偏振，每隻眼睛對應一組。觀眾佩戴對應的正交偏振眼鏡，其為每隻眼睛阻擋一個偏振 光圖像，同時透射正交偏振光圖像。在電影行業正在進行的向數字成像的轉變中，一些廠商(例如，巨影)已繼續利用 雙投影系統來提供高質量立體圖像。然而更常見的是，常規的數字投影機已被修改以實現 3D投影。這些針對多色數字影院投影的常規投影解決方案中最有前途的解決方案使 用兩種基本類型的空間光調製器(SLM)中的一者作為圖像形成裝置。第一種類型的 空間光調製器是數字光處理器(DLP)，一種由德克薩斯州達拉斯市的德州儀器公司 (Texaslnstruments, Inc.，Dallas, TX)開發的數字微鏡裝置(DMD)。DLP裝置在許多專利 中描述，例如第4，441，791號；第5，535，047號；第5，600，383號美國專利(全部頒予洪貝 克(Hombeck))；以及第5，719，695號美國專利(西姆巴克(Heimbuch))。使用DLP的投影 設備的光學設計在第5，914，818號(特哈達(Tejada)等人)；第5，930，050號(德瓦爾德 (Dewald))；第 6，008，951 號(安德森(Anderson))和第 6，089，717 號(巖井(Iwai))美國 專利中揭示。DLP已經成功用於數字投影系統中。圖1展示使用DLP空間光調製器的投影機設備10的簡化框圖。光源12將多色未 偏振光提供到稜鏡組合件(例如飛利浦稜鏡(Philips prism)) 14中。稜鏡組合件14將多 色光分為紅、綠和藍分量波長帶，且將每一帶引導到對應的空間光調製器20r、20g或20b。 稜鏡組合件14隨後重組來自每一 SLM 20r、20g和20b的經調製的光，且將此未偏振光提供 給投影透鏡30，以供投影到顯示屏幕或其它合適的表面上。基於DLP的投影機展示了為從桌上型計算機到大型影院的大多數投影應用提供 必要的光通過量、對比率和色域的能力。然而，存在固有的解析度限制，其中現存的裝置通 常提供不超過2148X1080個像素。另外，較高的組件和系統成本已限制了 DLP設計針對較 高質量數字影院投影的適用性。而且，飛利浦或其它合適的組合稜鏡的成本、大小、重量和
4複雜性是顯著的約束條件。另外，因亮度要求而導致的對具有較長工作距離的相對較快的 投影透鏡的需要已對這些裝置的可接受性和可使用性造成不利影響。用於數字投影的第二種類型的空間光調製器是IXD(液晶裝置)。IXD通過針對 每一對應像素選擇性地調製入射光的偏振狀態來將圖像形成為像素陣列。LCD看起來似 乎具有作為用於高質量數字影院投影系統的空間光調製器的優點。這些優點包含相對較 大的裝置大小、有利的裝置產率以及製造較高解析度裝置的能力，例如索尼(Sony)和JVC 公司的4096X2160解析度裝置。利用IXD空間光調製器的電子投影設備的實例揭示於 第5，808，795號美國專利(下村(Shimomura)等人)；第5，798，819號美國專利(服部 (Hattori)等人)；第5，918，961號美國專利(上田(Ueda))；第6，010，121號美國專利(堀 北(Maki)等人)；以及第6，062，694號美國專利(老川(Oikawa)等人)中。LCOS(矽基液 晶)裝置被視為針對大規模圖像投影來說特別有前途。然而，LCD組件難以維持數字影院 的高質量需求，尤其是在色彩、對比度方面，因為高亮度投影的高熱負荷影響材料的偏振質 量。用於從這些常規的基於微顯示器(DLP或LC0S)的投影機形成立體圖像的常規方 法已經基於兩種主要技術。由(例如)杜比實驗室(Dolby Laboratories)利用的較不常 見的技術類似於馬克希姆(Maximus)等人的第2007/0127121號美國專利申請公開案中所 描述的技術，其中使用色彩空間分離區分左眼和右眼內容。白光照明系統中利用濾色鏡來 在幀時間的一部分中短暫地阻擋掉原色中的每一者的多個部分。舉例來說，針對左眼，紅、 藍和綠(RGB)的較低波長譜將在一段時間內被阻擋。這之後將是針對另一隻眼睛阻擋紅、 藍和綠(RGB)的較高波長譜。與每一隻眼睛相關聯的適當的色彩經調整的立體內容被呈 現給用於所述眼睛的每一調製器。觀看者佩戴對應的濾色鏡套組，其類似地透射兩個3色 (RGB)譜集中的僅一者。此系統優於基於偏振的投影系統之處在於其圖像可投影到大多數 屏幕上，而不需要利用定製的偏振維持屏幕。類似的有利之處在於調製器或相關聯的光學 元件的偏振性質在上述方法的性能方面並不重要。然而，不利之處在於濾色眼鏡較昂貴，且 觀看質量可能因角移、頭部運動和傾斜而降低。昂貴的眼鏡還經受劃痕損壞和失竊，從而為 場所擁有者帶來資金困難。另外，對色彩空間的調整可能是困難的，且存在因濾色引起的顯 著光損失，從而導致較高的所需燈輸出或降低的圖像亮度。第二種方法利用偏振光。在頒予斯瓦德爾(Svardal)等人的第6，793，341號美國 專利中，轉讓給俄勒岡州威爾遜維爾市的富可視(InFocus)公司的一種方法利用傳遞到兩 個單獨的空間光調製器的兩個正交偏振狀態中的每一者。來自兩個調製器的偏振光是同時 投影的。觀看者佩戴具有用於左眼和右眼的相對於彼此正交定向的偏振透射軸的偏振眼 鏡。儘管此布置提供光的高效使用，但此布置可能是非常昂貴的配置，尤其是在其中針對每 一色帶需要一空間光調製器的投影機設計中。在使用偏振的另一較常見的方法中，常規的 數字投影機經修改以調製從一者快速切換到另一者的交替偏振狀態。這可例如在DLP投影 機具有放置在光的輸出路徑中(例如圖1中由虛線指示的位置16處)的偏振器的情況下 完成。需要偏振器，因為DLP未被固有地設計為維持輸入光的偏振，因為裝置封裝的窗因應 力引起的雙折射而消偏振。類似於羅賓遜(Robinson)等人的第2006/0291053號美國申請 案中所描述類型的消色差偏振切換器可在偏振器之後的位置16處使用。這種類型的切換 器使偏振光在兩個正交偏振狀態(例如線性偏振狀態)之間交替地旋轉，以允許在用戶佩戴偏振眼鏡時呈現兩種不同的圖像(每隻眼睛一種)。真維(Real-D)系統歷史上已利用左旋和右旋圓偏振光，其中眼鏡由組合式1/4波 延遲器加偏振器製成，以在阻擋一個狀態之前使圓偏振光變回線性偏振光。這顯然對頭部 傾斜較不敏感，且消色差偏振切換器較容易製造。然而，所述眼鏡在僅使用偏振器的實施例 上增加了費用。在任一情況下，顯示屏幕必須大體上維持入射的圖像承載光的偏振狀態，且 因此通常為鍍銀的。鍍銀屏幕成本較高，且展現出對增益的角度敏感性。雖然此系統具有 一定價值，但對於基於MEMS (微機電系統)的系統來說存在顯著的光損失，因為所述基於 MEMS的系統需要偏振，這使輸出減半。類似地，存在來自偏振切換器的額外光損失和增加的 成本。利用此方法的基於LCOS的投影機優於典型的基於MEMS的投影機的有利之處在於輸 出通常已經偏振，以供裝置對其起作用。因此通過使輸出光偏振而不獲得顯著損失。然而 這些投影機通常因難以通過高角度光學元件維持高偏振控制而成本較高。因此效率的任何 增益在某種程度上被其它成本抵消。關於照明效率的後續問題涉及集光率(etendue)，或類似地，涉及拉格朗日不變量 (Lagrange invariant)。如光學技術中眾所周知，集光率涉及可由光學系統處置的光的量。 潛在地，集光率越大，圖像將越亮。在數字上，集光率與兩個因數的乘積成比例，即圖像面積 和數值孔徑。按照圖2中表示的具有光源12、光學元件18和空間光調製器20的簡化光學 系統，集光率是光源Al的面積及其輸出角θ 1的因數，且等於調製器Α2的面積及其接受角 θ 2。為了增加亮度，期望從光源12的區域提供儘可能多的光。作為一般原理，當光源處的 集光率與調製器處的集光率最接近地匹配時，光學設計是有利的。增加(例如)數值孔徑增加了集光率，使得光學系統捕捉到更多的光。類似地，增 加源圖像大小以使得光在較大面積上發源增加了集光率。為了利用照明側上增加的集光 率，所述集光率必須大於或等於照明源的集光率。然而通常，較大的圖像成本較高。例如 LCOS和DLP組件等裝置尤其如此，其中矽襯底和缺陷可能隨大小而增加。作為一般規則，增 加的集光率導致較複雜且成本較高的光學設計。使用例如第5，907，437號美國專利(斯普 勞特貝裡(Sprotbery)等人)中概述的方法，光學系統中的透鏡組件必須經設計以獲得較 大的集光率。用於必須通過系統光學元件會聚的光的源圖像面積是紅、綠和藍光路徑中的 空間光調製器的組合面積的總和；值得注意的是，這是所形成的最終多色圖像的面積的三 倍。也就是說，對於第5，907，437號美國專利中所揭示的配置，光學組件處置相當大的圖像 面積，因此處置高集光率，因為紅、綠和藍色路徑是單獨的且必須在光學上會聚。而且，儘管 例如第5，907，437號美國專利中所揭示的配置等配置處置來自所形成的最終多色圖像的 面積的三倍面積的光，但此配置並不提供增加的亮度的任何益處，因為每一色彩路徑僅含 有總光級的三分之一。在光源的集光率與空間光調製器的集光率良好匹配時，效率改進。不良匹配的集 光率意味著光學系統缺光，不能將足夠的光提供給空間光調製器，或是低效的，從而實際上 丟棄為調製而產生的光的實質部分。以可接受的系統成本為數字影院應用提供充足亮度的目標已使LCD和DLP系統兩 者的設計者困惑。基於LCD的系統已經被對偏振光的要求連累，從而降低效率而增加集光 率，即使在使用偏振恢復技術的情況下也是如此。不需要偏振光的DLP裝置設計已被證實 在某種程度上效率較高，但仍需要昂貴的壽命較短的燈和成本較高的光學引擎，從而使得其過於昂貴而無法與常規的影院投影裝備競爭。為了與常規的高端的基於膠片的投影系統競爭且提供已被稱為電子或數字影院 的投影系統，數字投影機必須能夠實現比得上此較早的裝備的影院亮度級。作為對規模的 一些了解，典型的劇院要求將大約10，000流明投影到在對角線上大小約為40英尺的屏幕 上。屏幕的範圍需要從5，000流明到40，000流明以上的任何值。除了此苛刻的亮度要求 之外，這些投影機還必須傳遞高解析度(2048X1080像素)，且提供約2000 1對比度和寬 色域。一些數字影院投影機設計已被證實能夠具有此性能等級。然而，較高的裝備成本 和操作成本已成為阻礙。滿足這些要求的投影設備每一者的成本通常超過$50，000，且利用 需要以500到2000小時之間的間隔進行更換的高瓦數氙弧光燈，其中典型的更換成本常常 超過$1000。氙燈的大集光率對成本和複雜性具有相當大的影響，因為其使得用以收集和投 影來自這些源的光的相對較快的光學元件成為必要。DLP和LCOS IXD空間光調製器(SLM)兩者共同的一個缺點是其使用固態光源(尤 其是雷射源)的能力有限。儘管DLP和LCOS IXD空間光調製器在相對譜純度和潛在高亮 度級方面優於其它類型的光源，但固態光源需要不同的方法以便有效地使用這些優點。使 用常規的用於調節、重定向和組合來自色彩源的光的方法和裝置(如關於較早的數字投影 機設計所描述)可能約束使用雷射陣列光源的良好程度。固態雷射器保證了集光率、壽命和總體譜和亮度穩定性的改進，但直到最近，仍尚 未能夠以充足的等級且以對數字影院來說可接受的成本來傳遞可見光。在較近的發展中， VCSEL(垂直腔表面發射雷射器)雷射器陣列已經商業化，且顯示出作為潛在光源的一些前 景。然而，亮度本身仍不夠高；需要來自多達9個個別陣列的組合光，以便為每一色彩提供 必要的亮度。使用雷射器陣列的投影設備的實例包含以下各項頒予卡普爾(Kappel)等人的標題為「雷射照明圖像投影系統及其使用方法 (Laserllluminated Image Projection System and Method of Using Same)」 的第 5，704，700號美國專利描述用於投影機照明的微雷射器陣列的用法；頒予克魯施維茨(Kruschwitz)等人的標題為「使用為區域光閥照明的有機激 光器陣列的電子成像系統(Electronic Imaging System Using Organic Laser Array Illuminatingan Area Light Valve) 」的第6，950，454號共同轉讓美國專利描述用於向空 間光調製器提供雷射照明的有機雷射器的用法；頒予穆拉迪安(Mooradian)等人的標題為「投影顯示器設備、系統和方法 (ProjectionDisplay Apparatus, System, and Method) 」 的第 2006/0023173 號美國專利申 請公開案描述用於照明的擴展腔表面發射半導體雷射器陣列的用法；頒予格倫(Glerm)的標題為「使用固態光源的顯示器(Displays Using Solid-State LightSources) 」的第7，052，145號美國專利描述將微雷射器陣列用於投影機 照明的不同顯示器實施例。頒予朗(Lang)等人的標題為「具有經優化的亮度保存的雷射二極體陣列組合 件(Laser Diode Array Assemblies With Optimized Brightness Conservation)，，的第 6，240，116號美國專利論述具有高冷卻效率的常規雷射棒發射二極體和邊緣發射二極體的封裝，且描述使用與反射器組合的透鏡以通過消除或減小準直射束之間的間距來減小2維 陣列的散度_大小乘積(集光率)。這些類型的解決方案中的每一者均存在難題。卡普爾的'700教示用作圖像投影 中的光源的相干雷射器單片陣列的用法，藉此選擇雷射器的數目以與投影機的流明輸出的 功率要求匹配。然而，在高流明投影機中，此方法呈現若干難題。製造合格率隨著裝置數目 增加而下降，且熱問題對於較大規模陣列可能較顯著。相干性也可能對單片設計造成問題。 雷射源的相干性通常導致例如光學幹擾和斑點等假影。因此優選使用其中相干性、空間和 時間相干性較弱或可忽略的雷射器陣列。雖然從經改進的色域的觀點來看光譜相干性是合 意的，但少量的光譜加寬對於減少對幹擾和斑點的敏感性來說也是合意的，且還減少單個 光譜源的色移的影響。此移位可能(例如)會在具有單獨的紅、綠和藍雷射源的三色投影 系統中發生。如果單一色彩陣列中的所有雷射器均連接在一起且具有較窄的波長，且移位 在操作波長中發生，那麼整個投影機的白點和色彩可能在規格之外。另一方面，在陣列以波 長中的小變化平均化的情況下，對總體輸出中的單一色移的敏感性顯著降低。雖然可向系 統添加組件以幫助破壞此相干性(如卡普爾所論述)，但從成本和簡單性的觀點來看，優選 利用來自不同的製造批次的稍微不同的裝置來形成實質上不相干的雷射源。另外，降低源 處的空間和時間相干性是優選的，因為降低越過源的此不相干性的大多數構件均利用例如 擴散器等組件，所述組件增加了源的有效範圍(集光率)，導致額外的光損失，且對系統增 加了費用。維持雷射器的小集光率實現了用於照明的光學系統的簡化，這是極其合意的。對投影應用特別具有吸引力的雷射器陣列是各種類型的VCSEL陣列，包含來自加 利福尼亞州桑尼維爾市的諾瓦盧克斯(Novalux)公司的VECSEL (垂直擴展腔表面發射雷射 器)和NECSEL(諾瓦盧克斯擴展腔表面發射雷射器)裝置。然而，使用這些裝置的常規解 決方案已經趨於出現若干問題。一個限制因素涉及裝置產率。較大程度上歸因於關鍵組件 的熱量和封裝問題，商業化的VECSEL陣列在長度上被延長，但在高度上受限；通常，VECSEL 陣列僅具有兩行發射源。兩個以上行的使用趨向於顯著地增加產率和封裝難題。此實際限 制將使得難以為(例如)格倫的'145的揭示內容中所描述的投影設備提供VECSEL照明系 統。當使用穆拉迪安等人的'3173的揭示內容中所提出的投影解決方案時，亮度將受到限 制。儘管克魯施維茨等人的'454和其它發明描述使用有機VCSEL的雷射器陣列的用法， 但這些有機雷射器尚未成功地商業化。除了這些問題之外，常規的VECSEL設計趨於具有功 率連接和散熱的難題。這些雷射器具有較高功率；例如，來自Novalux的頻率加倍為兩行裝 置的單行雷射器裝置產生超過3W的可使用光。因此，可存在相當大的電流要求和來自未使 用電流的熱負荷。壽命和射束質量高度取決於穩定的溫度維護。雷射源到投影系統的耦合呈現出使用常規方法無法充分解決的另一難題。舉例來 說，使用Novalux NESEL雷射器，針對每一色彩需要大約九個2行乘24雷射器陣列，以便接 近大多數劇院的10，000流明要求。合意的是使這些源以及電子傳遞和連接及相關聯的熱 量與主要的熱敏感光學系統分離，以允許投影引擎的優化性能。其它雷射源是可能的，例如 常規的邊緣發射雷射二極體。然而，這些源較難以陣列形式封裝，且傳統上在較高亮度級下 具有較短的壽命。常規的解決方案沒有充分地解決雷射源與系統的集光率匹配以及使照明源與光 學引擎熱分離的問題。而且，常規的解決方案沒有提出有效地利用雷射器來有效地產生立體數字影院投影系統的方法。因此可見，需要因用於立體數字影院投影系統的多波長雷射 器光源的使用而獲益的照明解決方案。

發明內容
本發明的目標是解決對用例如DLP和LCOS以及相關微顯示器空間光調製器裝置 等數字空間光調製器進行立體成像的需要。為此目標，本發明提供一種用於增加亮度的數 字圖像投影機，其包含(a)第一光源；(b)第二光源，其在光譜上鄰近於所述第一光源；(c) 二向色分束器，其經安置以引導所述第一和第二光源兩者的光；(d)空間光調製器，其接收 來自所述第一和第二光源兩者的光；以及(e)投影光學元件，其用於傳遞來自所述空間光 調製器的成像光。本發明的特徵是其提供照明組件與調製組件之間經改進的集光率匹配的方式。所屬領域的技術人員在閱讀以下結合附圖進行的詳細描述後將明白本發明的這 些和其它目標、特徵和優點，其中展示和描述本發明的說明性實施例。


雖然說明書以特定指出且清楚地主張本發明的標的物的權利要求書結束，但相信 從以下結合附圖進行的描述中將更好地理解本發明，其中圖1是將組合稜鏡用於不同色彩光路徑的常規投影設備的示意性框圖；圖2是展示光學系統的集光率的代表圖；圖3A和圖3B是展示不同的固態光陣列與光導組合的相對填充因數的平面圖；圖3C是說明本發明的光譜上鄰近的帶的曲線圖；圖4是展示將本發明的照明組合器用於立體投影的投影設備的一般布置的示意 性框圖；圖5和圖6分別是說明可如何沿著同一照明路徑提供來自多個固態光陣列的鄰近 光譜光的示意性側視圖和透視圖；圖7A是說明在一個實施例中用於引導來自多個固態光陣列的一個光譜帶的照明 的二向色分束器的用法的示意性側視圖；圖7B是說明在一個實施例中用於引導來自多個固態光陣列的鄰近光譜帶的照明 的二向色分束器的用法的示意性側視圖；圖8是說明用於立體圖像呈現的鄰近光譜帶的交替時序的時序圖；圖9A是說明在一個實施例中用於組合來自多個固態光陣列的照明的光重定向稜 鏡的用法的示意性側視圖；圖9B是圖9A的光重定向稜鏡的透視圖；圖10是替代實施例中的光重定向稜鏡的示意性側視圖；圖11是展示用於提供來自固態光陣列的雙鄰近光譜帶的光的兩個光重定向稜鏡 的用法的示意性側視圖；圖12是展示從兩側接受光的光重定向稜鏡的實施例的用法的示意性側視圖；圖13是將圖12的光重定向稜鏡用於每一鄰近光譜帶的光的照明設備的示意性側 視圖14是結合圖12的光重定向稜鏡而使用雙鄰近光譜帶的投影設備的示意圖；圖15是不具有光導的結合圖12的光重定向稜鏡而使用雙鄰近光譜帶的替代投影 設備的示意圖；圖16是針對每一鄰近光譜帶使用圖12的光重定向稜鏡的照明設備和用以區分照 明光譜的旋轉光學快門的示意性側視圖；以及圖17是針對鄰近光譜帶為半透射且半反射的光學快門的示意性正視圖。
具體實施例方式本描述內容尤其是針對形成根據本發明的設備的一部分或與根據本發明的設備 較直接地協作的元件。將理解，未具體展示或描述的元件可採用所屬領域的技術人員眾所 周知的各種形式。本發明需要使用色光譜光譜上鄰近的波長帶。此術語是指特定色光譜內的實質上 不同的相鄰波長區。舉例來說且參見圖3C，典型的數字顯示器系統常常由三個或三個以上 一般色光譜(界定為藍、綠和紅)組成。這些色光譜可由譜寬度在30nm與IOOnm之間的波 長區組成。在這些色光譜內，可界定較小的鄰近子組。此色光譜的實例將是藍色光譜，其可 在420nm與460nm之間。兩個色光譜光譜上鄰近的帶可由420nm到430nm和440nm到450nm 的譜組成。這兩者均在一般色光譜光譜帶內；然而，這兩者也在光譜上是不同的。通過使用 雷射光源，這些在光譜上鄰近的色彩將可能較窄，因為雷射譜本來就較窄。雷射光源的空間 分離由可用以組合鄰近光譜帶或抑制鄰近光譜帶的任何塗層的要求界定。鄰近光譜帶之間 的此小分離實現色彩空間的最少變化以及投影系統的最寬色域。因此合意的是在能力以內 使這些帶儘可能靠近在一起，以製造合理的濾色鏡，且仍保留在一般色光譜內。提供本文所展示並描述的圖以說明根據本發明的操作的原理，且並未按展示實際 大小或比例的意圖來繪製。由於用於本發明的雷射器陣列的組成部分的相對尺寸，一些誇 大是必要的，以便強調基本結構、形狀和操作原理。本發明的實施例解決了使用鄰近的雙光譜源的立體觀看系統中對改進的亮度的 需要，且提供還可允許照明組合件的容易移除和模塊化更換的解決方案。本發明的實施例 另外提供減少熱效應的特徵，所述熱效應可能原本導致結合基於偏振的投影機而使用的光 學組件中的熱引發應力雙折射。本發明的實施例利用從VECSEL雷射器陣列或其它類型的 固態光陣列發射的光的固有偏振。本發明實施例的用以減少熱負載的一種方法是使用波導結構來使光源與光調製 組件隔離。來自多個固態光源陣列的光耦合到光波導中，光波導將光傳遞到調製裝置。當 此步驟完成時，光源到波導的界面的幾何形狀可經優化以使得波導輸出與空間光調製器的 縱橫比良好地匹配。實際上，這意味著波導孔徑大體上被填滿或稍微未填滿以用於維持最 佳集光率等級。此布置還有助於使對照明光學元件的速度要求減到最小。參看圖3A和圖3B，以橫截面展示光導52的輸入孔徑。將固態光陣列44展示為其 將出現在光導52的輸入孔徑處(如果經適當縮放)。如圖3A所示，所述孔徑未填滿，其無 疑可導致光導52的空間光調製器端的不良集光率匹配。在圖3B中，通過使光導52的輸入 孔徑從其常規圓形形式重新成形，陣列44與光導52的縱橫比良好地匹配。隨後描述組合 多個陣列44的方法。在使用此方法的實施例中，可將光纖用於光導52。在一個實施例中，使用矩形芯光纖。舉例來說，來自芬蘭(Finland)洛赫亞(Lohaja)的雷基(Liekki)公司 的矩形芯光纖已被製造為較好地匹配源縱橫比。為了更好地理解本發明，描述本發明的設備和方法可在其內操作的總體環境是有 益的。圖4的示意圖展示在本發明的若干實施例中使用的投影設備10的基本布置。展示 三個光調製組合件40r、40g和40b，其各自調製來自照明組合器42的紅、綠或藍(RGB)原 色帶中的一者。在每一光調製組合件40r、40g和40b中，任選的透鏡50將光引導到光導 52(例如光纖)中。在光導52的輸出處，透鏡54引導光通過積分器51 (例如，蒼蠅眼積分 器或積分棒)到達空間光調製器60，空間光調製器60可為DLP、LC0S或其它調製組件。為 結合LCOS而使用，優選在使用偏振雷射器時維持光的偏振、高度偏振狀態。在DLP調製器 的情況下，這是不必要的。在圖4中由於許多可能的實施例而以虛線輪廓大體上指示的投 影光學元件70隨後將經調製的光引導到顯示器表面80。圖4所示的總體布置隨後用於本 發明的後續實施例，其具有用於照明組合器42的各種布置。照明組合器42交替地提供鄰 近光譜帶的光，從而快速連續地提供交替的左眼和右眼視圖。圖5展示用於組合多個陣列44和44』以形成較大陣列的一種方法。圖6以透視 圖展示圖5的配置。在圖5中，可使用一個或一個以上散置的反射鏡46來使額外陣列44』 的光軸與陣列44成一直線。然而可了解，熱量和間距要求可能限制可以此方式堆疊的陣列 44的數目。圖5和圖6所示的布置可在某種程度上經修改以允許使用具有不同的或移位的鄰 近光譜內容的光，如圖7A和圖7B中以及圖8的時序圖中所示。圖7A和圖7B說明照明組 合器42，且圖8的時序圖展示在光調製組合件40r、40g和40b中的任一者內，被引導到同 一空間光調製器60 (圖4)的光可如何在兩個鄰近色光譜之間快速地交替，以相應地提供左 眼和右眼圖像。存在兩組雷射器(為實例目的，展示固態雷射器陣列)44a和44b。雷射器 44a和44b提供鄰近光譜帶的光。觀看者隨後佩戴濾色眼鏡以分出且選擇性地透射既定用 於觀看的單一波長帶，同時阻擋既定用於交替眼睛的鄰近波長帶。圖8所示的工作周期對 於每一隻眼睛來說是50%照明。較短的工作周期是可能的，只要每一隻眼睛上的平均功率 密度相同即可。必須根據空間光調製器的操作速度、雷射器裝置的操作速度以及使觀看者 的不舒適感減到最小的必要性來選擇最佳工作周期和頻率速率。120hz刷新率的典型最小 可接受頻率是所要的，同時較高頻率是優選的。在基於3DDLP的數字影院應用中，常常使用 144hz。在一些實例中，針對優質立體成像在所需頻率下以調製方式操作雷射器可能是不 實際的。舉例來說，當以此方式驅動雷射器時，雷射器不穩定性可能發生，進而致使不合意 的或不可控的雷射器功率波動。本發明的一替代實施例是利用與光學快門組合的固定操作 雷射器(可經調製，但不用於立體目的)。圖16和圖17展示光學快門65，其藉助於電動 機66與空間光調製器同步旋轉。圖17說明光學快門65包含反射性部分75和透射性部分 76。當反射性部分75旋轉到來自44a和44b的光的光徑中時，來自44a的光被反射到用於 投影的光學系統中，而來自44b的光被反射到束流收集器67。類似地，當透射性部分76旋 轉到來自44a和44b的光的光徑中時，來自44b的光被透射到用於投影的光學系統中，而來 自44a的光被透射到束流收集器。藉此，部分75和76的旋轉提供了在來自44a和44b的 兩個鄰近色帶之間交替的光學系統照明。在簡化情況下，在對應於允許來自照明源44a的光譜的空間光調製器上的以眼睛為目的地的圖像組的時間的50%內，同時反射來自44a和 44b的光。來自44a的光被反射離開光學快門65，且傳遞到空間光調製器，其隨後投影到屏 幕供佩戴僅允許來自鄰近光譜44a的光的選擇性濾色眼鏡的用戶觀看。來自照明源44b的 光被反射到束流收集器67中。同樣，在所述時間的50%內，光學快門65大體上透射所有照 明44a和44b。在此情況下，來自44a的光終止於束流收集器67，而來自44b的光被傳遞到 調製器，調製器使用於交替眼睛的內容成像。此光經由經設計以僅透射鄰近光譜44b的濾 色眼鏡到達觀看者的適當眼睛。雖然此方法具有比現有實施例多的光損失，但類似於現有技術，此方法較容易實 施。現有技術需要使用色彩選擇性塗層來分離適當的鄰近光譜。這必須同時處置所有三個 波長帶。在此實施例中，可將簡單的反射鏡用於光學快門的一半(反射性部分)，而另一半 可為簡單的窗(透射性部分)。或者，可使用設計有移位邊緣濾色鏡設計的兩個對不同波長 敏感的塗層。因為僅需要一個光譜帶，因此這實質上較容易製造而無需專業塗層類型。在 任一情況下，在襯底上可能需要適當的抗反射塗層來防止導致串擾光的虛反射從不適當的 鄰近光譜帶進入空間光調製器。另外，可能需要允許兩個鄰近光譜帶穿過以增加常規非立 體圖像的亮度。在此情況下，可去除光學快門，且可重新插入二向色分束器。這可由內容選 擇系統自動化。期望使雷射器中的每一者的譜在波長上鄰近，以使每一隻眼睛所需的色移校正減 到最少；相反地，還期望具有足夠的譜移位，使得濾色鏡可經設計以充分地分出來自左眼和 右眼的光，從而使串擾減到最少。這些濾色鏡通常是通過利用基於薄膜的邊緣或帶通濾色 鏡來製造的。這些濾色鏡具有需要成本較高的光學層的若干過渡區，所述過渡區具有在高 透射與阻擋之間的範圍內的波長，通常具有較小的過渡(較陡)。色彩空間與過渡空間之間 的此折衷界定特定合意的波長分離。NESCEL雷射器在為同一光譜帶設計的樣本之間通常具 有約0. 5nm的變化。因此，倘若光學塗層可被設計和製造有足夠的容限以具有從全透射到 Inm內的全阻擋的過渡區，那麼最小譜分離將為lnm。然而更通常的情況是，此塗層將需要 5nm的最小值。因此，塗層製造成本常常是限制因素。在交替的照明循環的一半中，使陣列44a通電，如圖7A所示。此光從二向色分束 器62反射。在交替的照明循環的另一半中，使陣列44b通電，如圖7B所示。此光透射經過 二向色分束器62。對於非立體應用。來自鄰近雷射器44a和44b兩者的光可一起用於提供 較亮的成像器，或以半功率使用以平衡每一雷射源的壽命。此布置有利地將兩個鄰近光譜帶的光置於同一照明軸上。此方法的集光率保持與 早前在圖5中針對單個通道而展示的配置中所示的集光率相同。因此，在其中兩個光譜帶 均被成像的非立體應用中，源的亮度有效地加倍。這使得光學引擎能夠有效地在單個源的 較低集光率下工作，從而提供較慢的光學速度和較高的對比度方面的優點。然而在其中需 要立體的情況下，在一個特定時刻僅利用單個源，因此有效亮度保持與圖5B相同。雖然經 移位的鄰近光譜帶確實增加了總體源帶寬，進而減少可能的色域，但通過使波長保持盡可 能接近，此效應被減少。合意的是選擇左眼光譜帶與隨後右眼光譜帶的組合，使得其白點盡 可能靠近。選定的原色帶(鄰近光譜帶的組合)的總體寬度應遠低於常規氙光源(其中典 型的帶可高達IOOnm)的寬度。在其中使用雷射器的情況下，包含兩個鄰近光譜的總帶可能 僅涵蓋20nm或20nm以下，從而為待製作的非常簡單的光學塗層提供充足的裕度，以及與傳統照明相比實質上較大的色域。圖9A和圖9B分別展示組合來自集中在較小區域內的四個固態光陣列44的雷射 的照明組合器42的實施例的側視圖和正交視圖。光重定向稜鏡30具有入射面32，其在發 射方向Dl上接受從陣列44發射的光。光被重定向到輸出方向D2，輸出方向D2沿著光軸的 方向且大體上與發射方向Dl正交。光重定向稜鏡30具有重定向表面36，其具有光重定向 小面38。光重定向小面38相對於發射方向Dl成一斜角，且對從雷射器26發射的光提供全 內反射(TIR)。當如圖9A和圖9B所示參差排列時，這些特徵有助於使用於此照明的光路徑 變窄，從而提供較窄的光束。如圖9B所示，光陣列44具有在長度方向L上延伸的多個雷射 器26。光重定向小面38和重定向表面36上的其它小面也在方向L上延伸。若干變型是可能的。舉例來說，圖10的橫截面側視圖展示替代實施例，其中光重 定向稜鏡30的光重定向小面38經縮放以一次重定向來自光陣列44上的多行雷射器的光。 入射面32可能相對於發射方向Dl不垂直，從而允許與光陣列44的布置的某一偏移，且需 要考慮光重定向稜鏡30的折射率η。圖11的示意性框圖展示在使用鄰近色帶的實施例中可如何利用多個光重定向稜 鏡30來提供增加的亮度。如早前參見圖7Α和圖7Β所描述，通過二向色分束器62的來自 光陣列44a和44b的交替照明將鄰近色帶的光引導到空間光調製器60以用於提供立體圖像。圖12的橫截面側視圖展示照明組合器42中的光重定向稜鏡30的另一實施例，其 提供甚至比圖9A到圖10中所示的用於使用固態陣列的實施例更緊湊的照明布置。在此實 施例中，光重定向稜鏡30具有彼此面向的接受來自陣列44的光的兩個重定向表面36，其具 有相對的發射方向Dl和D1』。每一重定向表面36具有兩類小面光重定向小面38和入射 小面28，其可垂直於來自對應陣列44的入射光或與法線成某一其它角度而傾斜。這允許通 過來自具有抗反射塗層的面的少量殘餘光向後反射到雷射器的每一者中來容易地使各種 雷射器模塊與光重定向稜鏡30對準。此向後反射可有用地作為產生可能在雷射器中引入 模式不穩定性的精巧外部腔的方法。雖然此模式跳躍在典型應用下可能被視為噪聲，但此 噪聲可通過進一步降低雷射器相干性(和雷射器間相干性)進而減少圖像平面處的視覺斑 點來增加在投影中的價值。另外，通過此雙側方法，雷射器模塊交錯，其中來自不同模塊的 光彼此相鄰，從而當光在光學系統中進一步光學集成時，提供進一步空間混合的源。這又有 助於減少可能的斑點且增加系統均勻性。雖然此光可直接成像到光學積分器51，但可通過 改為引導組合的遠場照明來提供進一步的光學集成和斑點減少。通過此方法，積分器將需 要本質上均勻化高斯射束強度剖面而不是多個光點。近場照明與遠場照明的某種組合可朝 使照明的集光率減到最小且使所傳遞的光的均勻性增至最大而優化。另外，利用較遠場照 明提供了照明源與空間光調製引擎之間的增加的空間分離且因此熱分離。雖然可見圖12所示的稜鏡30到雷射器44的此定向是有利的，但對於組合照明源 來說，不需要相對於輸入或輸出面的垂直入射光。然而，要求在表面34處退出稜鏡30的經 重定向的光束大體上彼此平行。實現此情況需要謹慎考慮若干因素。這些因素包含每一側 上的雷射器44對每一側上的輸入小面的入射角(因為其可能不同)與稜鏡中基於材料的 折射率的折射的組合。另外，必須考慮從每一側離開重定向小面的反射(又，這些可能在每 一側上是不同的)，且所述反射與稜鏡的折射的組合必須協作以使得來自退出面的輸出光
13束平行。圖14的示意性框圖展示遵循相對於圖13而描述的基本布置的在每一色彩通道中 使用光重定向稜鏡30的投影機設備10的實施例。每一光調製組合件40r、40g和40b具有 配置有二向色射束62的一對光重定向稜鏡30。在每一光調製組合件中，來自一個或另一光 重定向稜鏡30的鄰近光譜帶光通過二向色分束器62被引導穿過光導52到達透鏡50和積 分器51。空間光調製器60是數字微鏡、LC0S、調製光的其它裝置。所示實施例經設計以使 用微鏡裝置的角度調製，但也可結合LCOS而使用，其中塗覆有薄膜的表面68經處理以根據 入射光的入射角而反射或透射入射光，使得經調製的光被引導到二向色組合器82。二向色 組合器82具有二向色表面84的布置，二向色表面84根據波長而選擇性地反射或透射光， 通過投影光學元件70將來自每一光調製組合件40r、40g和40b的經調製的光組合到單個 光徑上。光調製組合件40r、40g和40b由雙鄰近光譜帶組成；二向色表面84經設計以類似 地處理這兩個鄰近帶。圖15的示意性框圖展示類似於圖14的實施例但不具有光導52的實施例中的投 影機設備10的替代實施例。此實施例可能是有利的，因為光導52可趨向於使透射光的偏 振降級。對於此實施例，透鏡陣列將提供使照明均勻化的優點，因為偏振狀態得以維持。本發明允許從本文所描述的示範性實施例的若干變化。舉例來說，可將多種雷射 光源用作對VECSEL和其它雷射器陣列的替代物。光引導稜鏡30可由許多高度透射性材料 製成。對於低功率應用，可選擇塑料，其中使用對部件引入極少應力的模製工藝。類似地， 合意的是選擇材料以使得其引入最小的應力或熱引發的雙折射。例如來自瑞翁化學(Zeon Chemicals)的丙烯酸樹脂或環烯烴樹脂(Zeonex)等塑料將是此些材料的實例。這在其中 光引導稜鏡30在基於偏振的光學系統中使用的情況下尤其重要。對於較高功率應用，例如其中需要許多高功率雷射器的數字影院，塑料與光引導 稜鏡30 —起使用可能是不實際的，因為從甚至較小水平的光學吸收積累的熱量也可能最 終損壞材料且使透射降級。在此情況下，玻璃將是優選的。再次，應力雙折射對於基於偏 振的投影機來說可能成問題。在此情況下，可使用具有較低的應力雙折射係數的玻璃，例如 SF57。另一選擇將是使用吸收率非常低的光學玻璃，例如熔凝石英，以防止材料變熱且 因此防止雙折射發生。這些類型的材料可能對產生模製玻璃組件無益，因此需要常規的拋 光和/或組裝多個零件以構成完整的稜鏡。在需要模製的情況下，緩慢的模製工藝將是優 選的，且退火對於減少任何固有應力來說是合意的。可能需要或必需清潔偏振器以消除可 能從任何殘餘雙折射形成的任何旋轉偏振狀態。這主要是效率、組件成本和所需的偏振純 度的折衷。本發明的實施例可有用於修整光源的縱橫比，使得其適合於所使用的空間光調製 器的縱橫比。本發明的實施例可結合具有不同尺寸的光導52而使用，從而允許光導不僅是 柔性的，而且以大體上與調製器的縱橫比相同的縱橫比成形。對於數字影院，此比率將大約 為1.9 1。替代實施例可使用正方形芯纖維。類似地，可利用圓形芯光波導，例如常見的 多模光纖。雖然針對若干實施例展示照明組合器42與積分器51之間的光波導，但通常已知 將照明源中繼到投影光學引擎且使照明源與投影光學引擎分離的其它方法是可能的。如圖15所示以常見的透鏡進行中繼是實現所要的熱和空間分離的一種方法。已特定參考本發明的某些優選實施例詳細描述了本發明，但將了解，可在本發明 的精神和範圍內實現變化和修改。舉例來說，在詳細實施例中描述雷射器陣列的情況下，其 它固態發射性組件可用作替代物。還可將支持透鏡添加到每一光徑。在本文所示的光學組 合件中，在沒有顯著的效果差異的情況下，均勻化或光集成和中繼的次序可顛倒。因此，提供一種使用獨立受控的鄰近光譜帶照明源以獲得增強的亮度或立體數字 影院投影的設備和方法。
權利要求
一種用於增加亮度的數字圖像投影機，其包括(a)第一光源；(b)第二光源，其在光譜上鄰近於所述第一光源；(c)二向色分束器，其經安置以引導所述第一和第二光源兩者的光；(d)空間光調製器，其接收來自所述第一和第二光源兩者的光；以及(e)投影光學元件，其用於傳遞來自所述空間光調製器的成像光。
2.根據權利要求1所述的數字投影機，其進一步包括至少三個色彩通道，所述至少三 個色彩通道各自具有所述第一和第二在光譜上鄰近的光源。
3.根據權利要求1所述的數字圖像投影機，其中每一光源包括至少一個雷射器。
4.根據權利要求1所述的數字圖像投影機，其中每一光源包括至少一個雷射器陣列。
5.根據權利要求1所述的數字圖像投影機，其中每一光源包括在光學上組合的雷射器 陣列。
6.根據權利要求1所述的數字圖像投影機，其中所述光源經偏振。
7.根據權利要求6所述的數字圖像投影機，其中偏振是從所述光源維持到所述空間光調製器。
8.根據權利要求1所述的數字投影機，其中所述空間光調製器是微機電系統裝置。
9.根據權利要求1所述的數字圖像投影機，其中所述空間光調製器是偏振裝置。
10.一種立體數字圖像投影機系統，其包括(a)兩個單獨受控的在光譜上鄰近的光源；(b)二向色分束器，其將來自所述光源的光組合到單個空間區域中；(c)控制器系統，其用以結合來自空間光調製器的對應圖像從每一在光譜上鄰近的光 源交替地提供照明；(d)空間光調製器，其接收交替的照明光；(e)投影光學元件，其用於將來自所述空間光調製器的成像光傳遞到投影區域；以及(f)用於觀看者的濾色眼鏡，其選擇性地將一個鄰近光譜帶狀態透射到每一隻眼睛，同 時抑制第二鄰近光譜帶。
11.根據權利要求10所述的數字投影機，其進一步包括至少三個色彩通道，所述至少 三個色彩通道各自具有第一和第二在光譜上鄰近的光源。
12.根據權利要求10所述的數字圖像投影機，其中每一光源包括至少一個雷射器。
13.根據權利要求10所述的數字圖像投影機，其中所述光源經偏振。
14.根據權利要求13所述的數字圖像投影機，其中偏振是從所述光源維持到所述空間 光調製器。
15.一種立體數字圖像投影機系統，其包括(a)兩個在光譜上鄰近的光源；(b)光學快門，其將所述兩個在光譜上鄰近的光源交替地傳遞到空間區域；(c)空間光調製器，其所述兩個在光譜上鄰近的光源；(d)控制器系統，其用以通過結合來自所述空間光調製器的對應圖像控制所述光學快 門來從每一在光譜上鄰近的光源交替地提供照明；(e)投影光學元件，其用於將來自所述空間光調製器的成像光傳遞到投影表面；(f)用於觀看者的濾色眼鏡，其選擇性地將一個鄰近光譜帶狀態透射到每一隻眼睛，同 時抑制第二鄰近光譜帶。
16.根據權利要求15所述的數字投影機，其進一步包括至少三個色彩通道，所述至少 三個色彩通道各自具有第一和第二在光譜上鄰近的光源。
17.根據權利要求15所述的數字圖像投影機，其中每一光源包括至少一個雷射器。
18.根據權利要求15所述的數字圖像投影機，其中每一光源包括至少一個雷射器陣列。
19.根據權利要求15所述的數字圖像投影機，其中每一光源包括在光學上組合的雷射 器陣列。
20.根據權利要求15所述的數字圖像投影機，其中所述光源經偏振。
21.根據權利要求20所述的數字圖像投影機，其中偏振是從所述光源維持到所述空間光調製器。
22.根據權利要求15所述的數字投影機，其中所述空間光調製器是微機電系統裝置。
23.根據權利要求15所述的數字圖像投影機，其中所述空間光調製器是偏振裝置。
24.根據權利要求15所述的數字圖像投影機，其中所述光學快門是由機械快門、鏡/窗 機構或選擇性二向色鏡製造而成。
25.根據權利要求15所述的數字圖像投影機，其進一步包括用於依據內容是非立體的 還是立體的而在二向色分束器與光學快門組合件之間交替的機構。全文摘要
一種用於增加亮度的數字圖像投影機(10)，其包含第一光源(44、44a)；第二光源(44、44b)，其在光譜上鄰近於所述第一光源；二向色分束器(46、62)，其經安置以引導所述第一和第二光源兩者的光；空間光調製器(60)，其接收來自所述第一和第二光源兩者的光；以及投影光學元件(70)，其用於傳遞來自所述空間光調製器的成像光。
文檔編號G02B27/00GK101889233SQ200880119285
公開日2010年11月17日 申請日期2008年12月11日 優先權日2007年12月14日
發明者巴裡·戴維·西爾弗斯坦 申請人:柯達公司