使用陣列光源的光束對準系統的製作方法

2023-12-01 21:12:21

專利名稱：使用陣列光源的光束對準系統的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及一種用於投射數字圖像的裝置，且更具體言之，涉及一種用於對準作為照明光源的固態雷射的改良裝置和方法。
背景技術：
為了更合適地替換傳統的幻燈片條放映機，數字投射系統尤其是多色電影投射系統必須滿足對圖像質量和性能的需求。在其它特徵中，這意味著高解析度、寬色彩範圍、高亮度和超過1000 1的幀順序對比率。多色彩數字電影投射的最有前途的方案採用兩種基本型的空間光調製器(SLM) 之一作為成像設備。第一種類型的空間光調製器是數字光處理器(DLP)數字微鏡設備 (DMD)，其由德克薩斯達拉斯的德州儀器公司開發。在眾多專利例如第4，441，791號、第 5，535，047號、第5，600，383號美國專利(所有都由Hornbeck發明)和第5，719，695號美國專利(由Heimbuch發明)中都描述了 DLP設備。採用DLP的投射裝置光學設計被披露在第5，914，818號美國專利(由Tejada等人發明)、第5，930，050號美國專利(由Dewald發明)、第6，008, 951號美國專利(由Anderson發明)和第6，089，717號美國專利(由Iwai 發明)中。DLP已成功用於數字投射系統中。圖1示出了使用DLP空間光調製器的投射器裝置10的簡化框圖。光源12將多色光提供到稜鏡組合件14 (諸如飛利浦稜鏡)中。稜鏡組合件14將多色光分裂成紅、綠和藍組分帶，並將每個帶指向對應的空間光調製器20r、20g或20b。稜鏡組合件14接著重新合成來自每個SLM 20r、20g和20b的調製光，並將此光提供給投射透鏡30以投射至顯示屏或其他適當的表面上。雖然基於DLP的投射器證明了為從桌上型電腦到大電影院的多數投射應用提供必要的光產出量、對比率和色域的能力，但是仍存在固有的解析度限制，當前設備僅提供 2148X1080像素。此外，高成分和系統成本對用於高質量數字電影投射設計的DLP具有有限的適合性。而且，飛利浦或其他適合稜鏡以及具有亮度所需的長工作距離的快速投射透鏡的成本、尺寸、重量和複雜度是固有的限制，會對這些設備的可接受性和可用性產生負面影響。用於數字投射的第二種類型的空間光調製器是IXD(液晶設備)。IXD通過為每個對應的像素選擇性地調製入射光的偏振狀態而以像素陣列形成圖像。LCD看起來擁有針對高質量數字電影投射系統的空間光調製器的優點。這些優點包括相對大的設備尺寸、良好的設備成品率以及製造更高解析度設備(例如Sony和JVC公司的4096X2160解析度設備)的能力。利用LCD空間光調製器的電子投射裝置的示例被披露在第5，808，795號 (Shimomura等為發明人)美國專利、第5，798，819號(Hattori等為發明人)美國專利、第 5，918，961號^eda為發明人)美國專利、第6，010, 121號(Lee為發明人)美國專利和第 6，062，694號(Oikawa等為發明人)美國專利中。LCOS(矽上液晶)設備尤其被認為對大規模圖像投射是有前途的。然而，LCD組件在維持數字電影的高質量需求(尤其相對於色彩和對比度)方面具有困難，這是因為高亮度投射的高熱負載會影響材料偏振質量。照明效率持續存在的問題涉及光學擴展量(etendue)或類似地拉格朗日不變量。 如在光學領域中已知的那樣，光學擴展量涉及可由光學系統處理的光量。潛在地，光學擴展量越大，圖像越亮。在數值上，光學擴展量與兩個特徵的結果成比例，即，與圖像面積和數值孔徑的結果成比例。就圖2所示的具有光源12、光學構件18和空間光調製器20的簡化的光學系統而言，光學擴展量與光源Al的面積和其輸出角度θ 1的因素相關，且等於調製器A 的面積及其接收角度θ 2。對於增加的亮度，需要從光源12的區域提供儘可能多的光。作為普遍原理，當光源處的光學擴展量與調製器處的光學擴展量最緊密匹配時，光學設計是有利的。例如數值孔徑的增大增加了光學擴展量，以使得光學系統捕獲更多光。類似地，增大源圖像尺寸，以使得光起源於更大面積上，增大光學擴展量。為了利用照明側上的增大的光學擴展量，光學擴展量必須大於或等於照明源的光學擴展量。然而，通常圖像越大，光學構件和支撐組件的成本越高且尺寸越大。這對諸如LCOS和DLP組件的設備尤其如此，其中矽基板和潛在缺陷會隨尺寸而增加。整體言之，增大的光學擴展量會導致更複雜且成本更高的光學設計。使用諸如在第5，907，437號美國專利(Sprotbery等為發明人)中描述的方案，必須為大光學擴展量設計光學系統中的透鏡組件。必須通過系統光學構件會聚的光的源像面積(source image area)是紅、綠和藍光路中的空間光調製器的合成面積之和；顯然，這是形成的最終多色圖像面積的三倍。也就是說，就在第5，907，437號美國專利中披露的構造而言，光學組件處理大尺寸的圖像面積，因而處理了高光學擴展量，這是因為紅、綠和藍光路是分離的且必須光學會聚。此外，雖然諸如在第5，907，437號美國專利中披露的構造處理來自形成的最終多色圖像面積的三倍的光，但是這個構造不會給予任何增大光亮度的優點，這是因為每個色徑僅含有總光級的三分之一。當光源的光學擴展量與空間光調製器的光學擴展量良好匹配時，效率得以改善。 較差匹配的光學擴展量意味著光學系統或者是光缺乏，難以向空間光調製器提供充足的光，或者是效率低，在效率上拋棄了為調製而產生的光的一大部分。因而，以可接受的系統成本向數字電影應用提供充足亮度的目標對LCD和DLP系統的設計者難以捉摸。基於LCD的系統已與對偏振光的要求妥協，降低效率並增大光學擴展量，甚至當使用偏振恢復技術時也是如此。不需要偏振光的DLP設備設計已證明是稍微更有效的，但仍需要昂貴、短壽命的燈和高成本的光學引擎，使得它們太為昂貴而無法與傳統的電影投射設備競爭。為了與傳統的高端基於膠片的投射系統競爭，並提供已定義的電子或數字電影， 數字投射器必須能夠實現與此先前設備相類似的電影亮度級。就一些規模概念而言，典型的劇院需要投射至對角線約為40英尺大小的屏幕上的大約10000流明。無論如何，屏幕區域需要從5000流明上至40000流明。除這個苛求的亮度要求外，這些投射器還必須具備高解析度0148 X 1080像素)，且提供約2000 1的對比度和寬色域。一些數字電影投射器設計已證明能夠具備此性能級。然而，高設備和運行成本已成為障礙。滿足這些要求的投射裝置的成本通常每者都超過50000美元，且利用必須以 500-2000小時的間隔更換的高瓦特氙弧燈，其典型的更換成本通常超過1000美元。氙氣燈的大光學擴展量對成本和複雜度具有相當大的影響，這是因為它需要相對快的光學構件來從這些光源收集並投射光。DLP和LCOS IXD空間光調製器(SLM)的一個共同缺陷在於它們有限的使用固態光源(尤其是雷射源)的能力。雖然它們在相對光譜純度和潛在光亮度級方面比其他類型光源更有優勢，但是固態光源需要不同方案以有效地利用這些優勢。與先前數字投射器設計一起使用的用於調節、重定向併合成來自色彩源的光的傳統方法和設備會限制如何良好地使用雷射陣列光源。固態雷射器確保了光學擴展量、壽命以及總光譜和亮度穩定性的改善，但是直至最近，仍未能以充足水平並在配合數字電影要求所需的成本內輸送可見光。在更近的發展中，VCSEL雷射陣列已被商業化，且展示了潛在光源的一些保證。然而，需要來自多達9個單獨陣列的合成光，以為每個色彩提供必要的亮度。使用雷射陣列的投射裝置包括如下實例發明人為Kappel等人的題為「雷射照明圖像投射系統和使用該系統的方法」的第 5，704，700號美國專利描述了投射器照明中微雷射陣列的使用。發明人為Krusctwitz等人共同轉讓的題為「使用照明區域光閥的有機雷射陣列的電子成像系統」的第6，950，454號美國專利描述了使用有機雷射向空間光調製器提供雷射照明。發明人為Mooradian等人的題為「投射顯示裝置、系統和方法」的第2006/0023173 號美國專利申請公開描述了使用延伸的腔表面發光半導體雷射陣列進行照明。發明人為Glerm的題為「使用固態光源的顯示器」的第7，052，145號美國專利描述了採用微雷射陣列進行投射器照明的不同顯示器的實施例。發明人為Lang等人的題為「優化亮度守恆的雷射二極體陣列組合件」的第 6，240, 116號美國專利論述了具有高冷卻效率的傳統雷射條和邊緣發光二極體的封裝，並描述了使用結合有反射體的透鏡以通過消除或減少準直光束之間的間距來減少二維陣列的發散尺寸產物(光學擴展量)。這些類型解決方案中的每一者都具備困難。Kappel的』 700專利教導使用單片陣列的相干雷射用作圖像投射中的光源，藉此選擇雷射數量以匹配投射器的流明輸出的功率要求。然而，在高流明投射器中，此方案具備許多困難。隨著設備數目增大，製造良率降低， 且由於較大規模陣列而使熱問題可能更顯著。相干性也可形成單片設計的問題。雷射源的相干性通常導致諸如光學幹涉和光斑的假象。因此，優選使用雷射器的陣列，其中相干性、 空間和時間相干性較弱或破裂。雖然從色域改善的立場需要光譜相干性，但是也需要少量擴展的光譜，以去除幹涉和光斑的敏感度，同時也減少了單光譜源的色移效果。舉例而言， 在具有分離的紅、綠和藍雷射源的三色投射系統中會出現此色移。如果單色陣列中的所有雷射器捆綁在一起，且具備較窄的波長，而且在工作波長中出現色移，那麼整個投射器的白點和色彩可能會不符合規格。另一方面，若陣列在波長上平均變化很小，則總輸出中的單色移敏感度會大大減小。雖然會向系統添加組件以像Kappel的專利中論述的那樣幫助破壞此相干性，但是優選從成本和簡單性角度出發，最好利用來自不同製造商的稍微變化的設備以形成基本上不相干的雷射源。另外，優選在光源處減少空間和時間相干性，因為大多數減少超出光源的不相干性的方式都利用諸如擴散器的組件，所述組件增大了光源有效範圍 (光學擴展量)，導致額外的光損失，並增加了系統的費用。維持雷射的小光學擴展量會使
6得光學鏈(optical chain)簡化，這是非常需要的。對投射應用尤其有利的雷射陣列是各種類型的VCSEL(垂直腔面發射雷射器)陣列，其包括來自加州森尼韋爾的Novalux的NECSEL(延伸空穴表面發射雷射技術，novalux extended cavity surface-emitting laser)裝置以及 VECSEL(垂直擴充腔面發射雷射器)。但是，利用這些裝置的傳統方案容易具有許多困難。一個限制涉及裝置產率。很大方面由於關鍵組件的熱和封裝問題，所以使得商業化的VECSEL陣列在長度上被延長，但是在重量上受到限制；通常，VECSEL陣列僅具有兩行發射組件。使用多於兩行的發射組件具有使產率明顯增加困難的趨勢。這種實際限制將難以為例如Glerm的』 145專利中描述的投射裝置提供VECSEL照明系統。當利用Mooradian等人的』 3173專利中提出的投射方案時，將對亮度產生約束。雖然Krusctwitz等人的』 454專利和其他專利中描述了利用有機 VCSEL的雷射陣列的使用，但是這些有機雷射器在商業化方面仍不成功。除了這些問題，傳統的VECSEL設計容易在電力連接和散熱方面產生困難。這些雷射器是高功率的，例如來自 Novalux的頻率被加倍成兩行裝置的單行雷射器裝置產生出超過3W的可用光。因而，可存在顯著的電流要求和來自未使用電流的熱負載。壽命和光束質量高度依賴於穩定的溫度維持。雷射源到投射系統的耦合會產生使用傳統方案不能適當解決的其他困難。舉例而言，使用Novalux的NECSEL雷射器，每種色彩需要接近九個2排M個雷射陣列，從而接近大多數劇院10000流明的要求。需要分別安裝這些光源，從而提供充分的散熱並提供運行電力和控制信號，並允許簡化服務和更換的模塊化設計。然而，同時，必須合成來自多個光源的雷射束，從而形成提供準直光的單光束。覆蓋單獨光束的解決方案由於光束合成塗層中的低效率而會失去一些生成的光。引入合成處理中的任何角度分量會增大光學擴張量， 且整體上是不當的。重定向多個光束以使得光束間的間距最小是需要的，但是使用傳統的光束合成技術不易獲得。因而，可以看到需要這樣的照明解決方案，這些解決方案利用固態陣列光源的優點且允許有效使用具有DLP和LCOS調製器的固態照明組件。

發明內容
本發明通過提供用於產生對準的二維平行光束陣列的光束對準系統來解決對改善投射顯示器亮度的需求，所述光束對準系統包括a)光束對準腔，包含i)底座，沿長度方向延伸的底座具有前邊緣、第一側邊緣和第二側邊緣；ii)安裝在底座上的多個反射器，每個反射器都具有獨立的側擺和縱搖調節功能； 和b)多個光源陣列，每個光源陣列都產生光束陣列並與對應反射器配對，並設置成將光束引導至其對應的反射器上，且其中，反射器設置成沿光束對準腔的長度引導光束，從而形成對準的二維平行光束陣列。本發明的特徵在於，它提供了一種用於雷射光束對準的裝置和方法，所述裝置和方法提供了來自多個光源陣列的二維平行輸出光束陣列。本發明的優點在於，它提供了一種用於緊湊封裝多個雷射陣列、沿輸出光路平行對準陣列的裝置。本領域技術人員在閱讀結合附圖的下文詳細描述後，將易了解本發明的這些和其他特徵和優點，在附圖中示出和描述了本發明的示例性實施例。


圖1是針對不同色彩光路使用組合稜鏡的傳統的投射器裝置的示意框圖；圖2是示出光學系統的光學擴展量的示意圖；圖3A是展示投射器裝置的整體布置的示意框圖，該投射器裝置具有多個色道以及用於圖像投射的多組投射光學構件；圖IBB是展示投射器裝置的整體布置的示意框圖，該投射器裝置具有組合成使用用於圖像投射的單組投射光學構件的多個色道；圖4是展示使用反射表面與固態雷射陣列光束對準的示意圖；圖5A是示意性側視圖，其展示了使用用於合成來自多個固態雷射陣列的照明的光重定向稜鏡；圖5B是圖7A的光重定向稜鏡的透視圖；圖6是從兩個不同側接收光的光重定向稜鏡的示意性側視圖；圖7是一個實施例中用於合成來自多個固態雷射陣列的光束對準腔的透視圖；圖8是光束對準腔的透視圖，該光束對準腔的頂蓋被移除且兩側上的雷射陣列光源被示出；圖9是光束對準腔的透視圖，其示出了安裝在底座和蓋上的反射器的相對位置；圖10是其中一側和頂蓋不可見的光束對準腔的透視圖，其示出了一種類型的獨立可調節的鏡支架；圖11是示出了光束對準腔的側壁的平面圖；圖12是示出了來自多個對準的雷射陣列的輸出光束部分的平面圖；圖13是示出用於安裝在頂部的反射器之一和安裝在底座上的反射器之一的示意性光路的俯視圖；圖14是示出了光束對準腔的一部分的相等光學路徑長度的俯視圖；圖15是示出了相等光學路徑長度可如何簡化用於調節輸出光束的光學構件的透視圖；圖16是一個實施例中具有獨立可調節的縱搖(pitch)和側擺(yaw)的運動學鏡支架的透視圖；和圖17是不具有側壁的光束對準腔的另一個實施例的透視圖。
具體實施例方式本發明尤其針對形成根據本發明的裝置的部分或與該裝置更直接協作的元件。應了解，未特別示出或描述的元件可採用本領域技術人員熟知的各種形式。本文示出和描述的圖用於示出根據本發明的操作原理，且繪圖的目的並非示出實際尺寸或比例。因為本發明雷射陣列的組件部分的相對尺寸，所以必須進行一些誇大以強調基本結構、形狀和操作原理。
本發明的實施例解決了對改善電子圖像投射器中每個色道光強度的需求。為了更好地理解本發明，指導性地描述了全部內容，其中本發明的裝置和方法可操作。圖3A和;3B 的示意圖示出了圖1中的投射器裝置10的兩個基本架構。可適當採用本發明的實施例，以作為用於這些基本架構中任一者的照明系統的一部分。首先轉向圖3A，示出了用於本發明眾多實施例的投射器裝置10的基本布置。示出了三個光調製器通道40r、40g和40b，每個通道調製來自照明系統42的紅、綠和藍(RGB) 原色之一。在每個光調製通道40r、40g和40b中，光學透鏡50可將光定向至可選偏振維持光導52。舉例而言，在光導52的輸出處，或者從透鏡50接收光，透鏡M接著引導光穿過積分器51，諸如複眼積分器或積分條(integrating bar)。此光轉到空間光調製器60，所述空間光調製器60作為投射器裝置10的成像系統的一部分。空間光調製器60通常是微電機系統(MEMS)設備，諸如DLP或其他類型的反射MEMS組件，包括通過反射或通過衍射調製光的任何類型的MEMS調製器組件。這些器件可視為「中立偏振狀態」，因為它們不會通過調製像素的偏振狀態而調製每個像素處的光；對任何像素入射光偏振狀態的任何改變都是無意造成的，該改變是當從像素的MEMS表面反射時其入射角的函數。到MEMS空間光調製器的光入射角可調節成最小化任何不當的偏振效應。由於其許多可能的實施例而在圖3A中以虛線整體指示的投射光學構件70接著使調製光被引導至顯示表面80。接著轉向圖;3B，色彩合成器76用於將來自每個色彩光調製通道40r、40g、40b的調製光合成至共用輸出軸A上以投射。色彩合成器76可以是電子成像領域中的技術人員都熟悉的二向色表面或稜鏡的組件，諸如X立方體或其他合成器件。使用這兩個基本成像架構之一，照明系統42的功能都相同合成來自兩個或更多雷射陣列的光，沿共用照明路徑使各自的光束對準。圖4示出了一種用於合成多個光源陣列44和44』以形成具有對準的準直光束的較大陣列的方案。一個或多個散布鏡46可用於將額外光源陣列44』的光軸布置成與固態光源陣列44 一致。然而，可認識到，熱量和間隔要求會限制多少光源陣列44可以以此方式堆疊。另外，光束源之間的間隔也受到此解決方案的限制。圖5A的側視圖和5B的透視圖示出了一種使用光重定向稜鏡48的光束合成的改善方案。這裡，照明系統42合成來自四個固態光陣列44的雷射，所述雷射會聚在比圖4的陣列布置更小的區域內。光重定向稜鏡48具有接收沿發射方向Dl從光源陣列44發射的光的入射面32，所述光源陣列44包括雷射器26。光沿大體上與發射方向Dl垂直的輸出方向D2重定向穿過輸出面34。光重定向稜鏡48具有重定向表面36，該表面36具有光重定向稜面38。光重定向稜面38相對於發射方向Dl成傾斜角度，且對從雷射器沈發射的光提供全內反射(TIR)。當如圖5A和5B所示交錯時，這些特徵有助於使此照明的光路變窄，從而提供更窄的光束。如圖5B所示，光源陣列44每一者都具有沿長度方向L延伸的多個雷射器沈。光重定向稜面38和重定向表面36上的其他稜面也沿方向L延伸。圖6的橫截面側視圖示出了照明系統42中的光重定向稜鏡48的另一個實施例， 該照明系統42提供了比使用光源陣列的圖5A和5B所示的實施例更緊湊的照明布置。在此實施例中，光重定向稜鏡48具有兩個重定向表面36，所述兩個重定向表面利用相反的發射方向Dl和D1』從相互面對的光源陣列44接收光。每個重定向表面36具有兩種類型的稜面光重定向稜面38以及與來自對應光源陣列44的入射光垂直的入射稜面28。
使用光重定向稜鏡48的整體方案提供了對形成準直射線光束的傳統方法的改善，但是仍具有一些限制。一個問題涉及對準困難。利用此光合成幾何學，每個光源陣列44 都必須非常精確地對準，以使光束適當地瞄準正確方向。這需要每個雷射源都精確校準或定製為與稜鏡對準，而對雷射器安裝機械結構產生更高需求。由於高功率雷射產生顯著熱量，所以消除此熱量的需求進一步使安裝和對準複雜化。雖然這個布置允許一些可量測性措施，但是這會受到光源陣列44可如何緊密安置在一起的限制。另外，光重定向稜鏡48會難於安裝，且在操作條件下稜鏡材料溫度的改變可導致不當的雙折射和其他問題。適當屏蔽雷射的需求會進一步增大複雜度。本發明解決了對改善光源的需求，該光源通過向每個色道提供光束對準腔，而合成來自每個波長的多個雷射器的準直光。相對於圖3A和:3B，本發明的光束對準腔是每個對應光調製通道40r、40g、40b內的照明系統42的一部分。圖7的透視圖示出了光束對準腔100，所述光束對準腔100合成並交織若干固態光源陣列諸如雷射陣列源的輸出光束，從而產生由多個光束形成的複合光束(在此實施例中示出為準直的)，所有光束都平行於沿光束對準腔100的長度方向延伸的照明軸Al。圖8、 9、10和11示出了一個實施例中構造的光束對準腔100的各種細節。參照圖7-11的不同視圖，光束對準腔100具有底座110，該底座110帶有前邊緣 112和後邊緣114以及第一側邊緣116和第二側邊緣118。沿第一側邊緣116和第二側邊緣118分別具有相對的第一側壁120和第二側壁122，且第一側壁120和第二側壁122沿光束對準腔100的長度延伸，還具有前壁132。側開口 124設置在側壁120和122內，以使來自陣列光源140的光束進入光束對準腔100中。離開光束對準腔100的光穿過前壁132中的輸出開口 128。多個反射器130相對於側壁120和122以傾斜角度設置，從而將來自對應的陣列光源140的光束引導成穿過輸出開口 1 離開光束對準腔100，而形成對準的二維平行光束的陣列。反射器130安裝至底座110，且可選地安裝至蓋126。每個反射器130具有用於縱搖和側擺的其各自獨立的調節功能，從而允許對來自每個陣列光源140的光束精確對準。圖7示出了為此目的設置在蓋126中的多個調節實現孔154。一個或多個調節實現孔巧4可沿底座110交替設置。在圖7的實施例中，安裝在頂部和底座上的反射器的所有縱搖和側擺調節可從蓋126實現。圖7-11中示出的光束對準腔100實施例具有模塊化構造和方形柱狀，其中底座 110的側邊緣116和118與第一側壁120和第二側壁122相交。此布置對於其緊湊性和相對簡便的安裝是有利的。然而，其他側壁120和122的布置也是可能的。在本發明的另一個實施例中，底座110為某其他形狀，諸如三角形，且僅具有一個前邊緣以及第一和第二側邊緣。在另一個實施例中，底座110是較大的底盤結構的一部分且延伸超出側壁120和122。 或者，蓋126的功能可由底盤或其他結構的某其他部分提供。圖8的透視圖示出了光束對準腔100，其組裝有十二個陣列光源140，沿每個側壁 120和122都設置了六個陣列光源。十二個陣列光源140與十二個反射器130配對，所述陣列光源140安裝在底座110和蓋1 上。來自每個陣列光源140的對準的輸出光束接著提供輸出光束陣列150，該輸出光束陣列150在橫截面上觀看形成對準的二維光束陣列，其中每個陣列光源140的貢獻集中於光束的特定部分上。在本發明的實施例中，從輸出開口 1 發射作為輸出光束陣列150的輸出光具有有利於提供照明光束的模式，其尺寸適合於所使用的空間光調製器(例如圖3A、3B中的空間光調製器60)的縱橫比。圖9的透視圖示出了用於圖8中的組裝的光束對準腔100的安裝在蓋和安裝在底座上的反射器130的位置。圖10的透視圖示出了下文將更詳細描述的使用鏡支架200的實施例。圖12的平面圖示出了來自圖8的光束對準腔中的每個固態陣列光源140的對準的光束如何形成輸出光束陣列150來作為具有矩形縱橫比的對準的二維平行光束陣列。就圖7-11中所示的光束對準腔100的實施例而言，與安裝在底座上的反射器130配對的陣列光源140形成輸出光束陣列150的下部分，其具有六個組成部分，即對準的陣列光束142a、 142b、142c、142d、14&和142f。類似地，與安裝在蓋上的反射器130配對的陣列光源140 形成輸出光束陣列150的上部分，其具有對準的陣列光束IMa、144b、lMc、144d、IMe和 144f。這個使輸出照明定形的相同的關係示出於圖7和8中。(示出為圖7中的輸出光束陣列150的輸出僅表示從安裝在底座上的反射器130提供的輸出部分。請注意，在圖7中僅在適當位置示出了六個陣列光源140中的三個。)對準的陣列光束14h-142e以及144a_lMe 中的每一者都包括來自對應的陣列光源140的單獨光束148的陣列。圖13是一個實施例中光束對準腔100的俯視圖，其示出了每個陣列光源140都與其對應的反射器130配對以形成輸出光束陣列150。陣列光源141a、141b、141c、141d、141e 和141f安裝在蓋1 上且分別形成圖12中的對應的對準陣列光束lMa、144b、lMc、144d、 IMe和144f。類似地，陣列光源140a、140b、140c、140d、140e和140f安裝在底座110上， 且分別形成圖12中的對應的對準陣列光束142a、l^b、142c、142d、142e和142f。頂部安裝的陣列光源141c和底座安裝的陣列光源140d的光束路徑軌跡如圖13所示。陣列光源 140d與安裝在底座上的反射器130d配對。類似地，陣列光源141c與安裝在蓋上的反射器 131c配對。雖然陣列光源140中的雷射光源可被準直，但是存在具有顯著光束髮散的雷射類型。通常，雷射光源處的光束髮散沿正交方向處於不同角度。通常利用安裝在雷射發射器本身處或附近的小透鏡陣列或其他光學元件陣列或柱形透鏡元件沿至少一個正交方向校正光束髮散。雖然可利用雙柱形透鏡(具有各自正交曲率的兩個串聯透鏡)校正兩個光束髮散方向，但是這些透鏡是昂貴的且難以正確對準。因此，相對於圖12中所示的雷射發射器148的線而言，雷射陣列處的光束髮散可相對於兩個軸未被校正，而通常僅沿χ軸方向校正。正交方向的光束髮散(沿圖12所示的y軸)也需要校正。用於校正y軸光束髮散的傳統解決方案在於在每個陣列的輸出處提供準直柱形透鏡。然而，這個解決方案成本高，例如要向圖7-11所示的光束對準腔100的組件計數添加十二個額外的透鏡。可選地，反射器130的形狀可為柱形而非平面形，形成為校正光束髮散。然而，這些柱形鏡的每一者都比圖8-11中描繪的共同平面鏡基本上更昂貴。此外，縱搖和側擺調節由於表面曲率而進一步複雜化。與此問題的傳統解決方案的成本和複雜度相比，本發明的實施例通過使每個雷射光源的光學路徑距離相等，而提供對光束髮散的校正，因而允許在輸出光束陣列中僅使用一個柱形透鏡，這是因為每個光束的發散特性是一致的。參照圖14和15，分別示出了光束對準腔100的俯視圖和透視圖，所述光束對準腔100具有相等的光學路徑距離以及單個校正柱形透鏡152。在圖14和15示出的實施例中，光束路徑是交織的，例如使用與13中示出的布置不同的交錯式反射器陣列布置而相互穿過。圖14示出了陣列光源一部分的相等的光學路徑距離。圖15示出了沿一組陣列光源141a、141b、141c、141d、141e和141f中每一者的線性陣列的發射器方向的光束髮散。當這些發光器具有相同的光學路徑距離時，從每個光源入射到柱形透鏡152上的光的角度基本上相同。柱形透鏡152可接著提供沿發散軸的準直。這樣，單獨的陣列光源不需要各自的準直光學構件。柱形透鏡152僅僅是示意性的構造。大體言之，在對準的光束路徑中可存在超過一個的光學元件，且所述光學元件提供輸出光的校準。舉例而言，交叉柱形透鏡可用於校正兩個正交軸每一者中的發散。在另一個實施例中，分離的準直透鏡(未圖示)設置在每個陣列光源140的路徑中，以使得從輸出開口 1 輸出的光被準直，而無需柱形透鏡152或如圖15所示的其他準直光學構件。光束對準腔100使用多個反射器130，其中所述反射器130的每一者都為了縱搖和側擺而能夠被單獨調節。參照圖16，示出了安裝在底座上的具有此調節能力的鏡支架200。 反射元件202具有支撐框架204，該支撐框架204與底座構件210可調節地耦合。使用圖16 所示的軸分配繞χ軸進行縱搖調節。繞y軸進行側擺調節。可認識到，在光束對準腔100 內可使用眾多不同的鏡支架實施例。本發明的光束對準腔100可用作投射器裝置的照明系統組件，該投射器裝置諸如具有先前參照圖3A和;3B中的投射器裝置10描述的基本架構。來自光束對準腔100的光輸出可進一步調節，諸如使用積分器條或其他器件均勻化，以為調製提供更均勻的照明光束。 反射器130可沿單個平面安裝，諸如圖7中所示的安裝在底座上的實施例那樣，或安裝在兩個平面中，如圖8所示的安裝在蓋上和安裝在底座上的實施例那樣。就高效率而言，反射器 130可以是二向色性表面。本發明的光束對準腔的使用允許使來自多個雷射陣列的輸出光聚集在一起的緊湊封裝布置，而不會引入角概念(angular content)，因而有效地增大了投射器裝置的照明系統的光學擴展量。光束對準腔是高度模塊化的，從而允許更換單獨的雷射陣列而無需完全重新對準光學路徑中的多個組件。在反射器處進行光束對準調節，而非通過重定位或調節雷射裝置本身來進行光束對準調節。陣列光源140可以以模塊化方式封裝且直接抵著開口 IM裝配在側壁120和122 中，例如如圖7所示。此布置可有助於減少雜散光，且可以是特別有價值的，其中對雷射的屏蔽對照明系統設計是重要的。圖17中示出了本發明的另一個實施例，其中光束對準腔300是敞開的，且不包括任何壁。光束對準腔300具有沿對應於ζ軸的長度方向延伸的底座310。底座310具有前邊緣312、第一側邊緣314和第二側邊緣，所述第二側邊緣在圖17中不可見，但是所述第二側邊緣位於底座310的與第一側邊緣314相對的側部上。多個反射器316使用運動學鏡支架318安裝在底座310上。鏡支架318為反射器316提供獨立的側擺和縱搖調節。設置多個陣列光源(在圖17中未圖示)，每個陣列光源都與反射器316之一配對。每個陣列光源設置成將陣列光束引導至其對應的反射器316上。圖17示出了在第一側上進入光束對準腔的多個陣列光束3M和在第二側上進入光束對準腔的多個陣列光束326。反射器316設置成沿光束對準腔的長度引導來自對應的光源陣列的光束，從而形成對準的二維平行光束陣列。鏡支架318上的側擺和縱搖調節用於對準光束以確保它們是平行的。
安置在對準的二維光束陣列的光學路徑中的可選柱形透鏡330設置成校正對準的二維光束陣列中的光束髮散。柱形透鏡330的輸出是校正的經過準直的對準的二維光束陣列。在此情況下，優選使光源陣列定位，以使得每個光源與柱形透鏡之間的光學距離對每個光束而言基本上相等，以使得光束幾何學是一致的。如先前論述，其他形式的光學元件也可視情況用於校正光束的發散。舉例而言，若光束沿兩個不同軸發散，則可使用一對交叉的柱形透鏡以獨立地相對於每個軸校正發散。圖17中示出了可選的蓋328。蓋3 可為鏡支架318提供額外的支撐，從而產生額外的結構穩定性。或者，蓋3 可使用隔離物(未圖示)而與底座310進一步間隔開。在這種情況下，第二組反射器可安裝至蓋328，這與之前參照圖7-11描述的布置類似。每個安裝在蓋上的反射器可與對應的光源陣列配對，並設置成沿著光束對準腔的長度引導來自光源的光束，從而與和安裝在底座上的反射器相關的光束協作形成對準的二維平行光束陣列。上文已特別參照某些優選實施例詳細描述了本發明，但是應了解，在本發明的精神和範疇內能實現變化和修改。舉例而言，雖然在詳細實施例中描述了雷射陣列，但是也可使用其他固態發射組件作為替換。也可向每個光學路徑添加支撐透鏡和其他光學組件。在投射器內的一個或多個位置處可採用各種類型的傳感器，以感測每個色道中的光強度。因而，本發明提供了一種用於對準固態照明光源的裝置和方法。附圖標號列表

10投射器裝置12光源14稜鏡組合件18光學構件20、20r、20g、20b空間光調製器26雷射器28入射稜面30投射透鏡32入射面34輸出面36重定向表面38光重定向稜面40r.40g.40b光調製通道42照明系統44、44，、44a、44b 光源陣列46鏡48光重定向稜鏡50透鏡51積分器52光導54透鏡0103]60空間光調製器0104]70投射光學構件0105]76色彩合成器0106]80顯示表面0107]84二向色性表面0108]100光束對準腔0109]110底座0110]112前邊緣0111]114後邊緣0112]116第一側邊緣0113]118第二側邊緣0114]120第一側壁0115]122第二側壁0116]124側開口0117]126至 ΓΤΠ0118]128輸出開口0119]130反射器0120]130d安裝在底座上的反射器0121]131c安裝在蓋上的反射器0122]132前壁
0123]140、140a、140b、140c、140d、140e、140f 陣列光源
0124]141a、141b、141c、141d、141e、141f陣列光源
0125]150輸出光束陣列
0126]142a、142b、142c、142d、142e、142f
0127]144a、144b、144c、144d、144e、144f
對準陣列光束對準陣列光束
0128]148光束0129]150輸出光束陣列0130]152柱形透鏡0131]154調節實現孔0132]200鏡支架0133]202反射元件0134]204框架0135]210底座構件0136]300光束對準腔0137]310底座0138]312前邊緣0139]314第一側邊緣0140]316反射器0141]318鏡支架
324光束陣列326光束陣列328蓋330柱形透鏡A、A1軸D1、D1，發射方向D2輸出方向x、y、z軸
權利要求
1.一種用於產生對準的二維平行光束陣列的光束對準系統，包括a)光束對準腔，包含i)底座，沿長度方向延伸的所述底座具有前邊緣、第一側邊緣和第二側邊緣； )安裝在所述底座上的多個反射器，每個反射器都具有獨立的側擺和縱搖調節功能；禾口b)多個光源陣列，每個光源陣列都產生光束陣列並與對應的反射器配對，並設置成將所述光束引導至其對應的反射器上，且其中所述反射器被設置成沿所述光束對準腔的長度引導所述光束，從而形成對準的二維平行光束陣列。
2.如權利要求1所述的光束對準系統，其特徵在於，所述光源陣列安裝在所述光束對準腔外部，且設置成將光引導入所述光束對準腔中並將光引導至對應的安裝在底座上的反射器上。
3.如權利要求2所述的光束對準系統，其特徵在於，一些光源陣列安置在所述光束對準腔的第一側上，且其餘的光源陣列安置在與所述光束對準腔的所述第一側相反的所述光束對準腔的第二側上。
4.如權利要求1所述的光束對準系統，其特徵在於，所述光束對準腔進一步包括與所述底座間隔開的蓋以及安裝至所述蓋的多個反射器，每個安裝在蓋上的反射器具有獨立的側擺和縱搖調節功能，且其中每個安裝在蓋上的反射器與產生光束陣列的對應的光源陣列配對，且設置成沿著所述光束對準腔的長度引導所述光束，從而與和所述安裝在底座上的反射器相關的光束協作形成所述對準的二維平行光束陣列。
5.如權利要求4所述的光束對準系統，其特徵在於，在所述蓋中設置調節孔，從而實現所述安裝在蓋上的反射器和所述安裝在底座上的反射器的獨立的側擺和縱搖調節。
6.如權利要求1所述的光束對準系統，其特徵在於，進入所述光束對準腔的每個光束相對於至少一個軸未發散校正，且包括設置在所述對準的二維光束陣列的光學路徑中的一個或多個光學元件，所述光學元件設置成相對於至少一個軸校正光束髮散，且其中所述光源安置成使得每個光源與所述一個或多個光學元件之間的光學距離針對每個所述光束基本上相等。
7.如權利要求6所述的光束對準系統，其特徵在於，校正的對準的二維光束陣列被準直。
8.如權利要求6所述的光束對準系統，其特徵在於，所述一個或多個光學元件包括相對於一個軸為所述光束髮散提供校正的柱形透鏡。
9.如權利要求6所述的光束對準系統，其特徵在於，所述一個或多個光學元件包括相對於兩個軸為所述光束髮散提供校正的一對交叉柱形透鏡。
10.如權利要求1所述的光束對準系統，其特徵在於，進入光束合成腔的每個光束都相對於至少一個軸未發散校正，且其中所述反射器是相對於一個軸校正所述光束髮散的柱形反射器。
11.如權利要求1所述的光束對準系統，其特徵在於，所述光源是雷射光源。
12.如權利要求1所述的光束對準系統，其特徵在於，所述光束對準腔是敞開的，不具有與所述底座的所述第一側邊緣或所述底座的所述第二側邊緣連接的側壁。
13.如權利要求1所述的光束對準系統，其特徵在於，所述光束對準腔是敞開的，不具有與所述底座的任何邊緣連接的側壁。
14.如權利要求1所述的光束對準系統，其特徵在於，所述光學對準系統是提供用於雷射投射系統中的二維平行雷射束陣列的雷射源系統的組件，且其中所述雷射投射系統進一步包括照明系統，其構造成使其接收的雷射均勻化； 成像系統，其構造成與均由所述照明系統均勻化的雷射相互作用；和投射系統，其構造成將雷射圖像投射至觀看屏上。
全文摘要
一種用於產生對準的二維平行光束陣列的光束對準系統，包括光束對準腔，所述光束對準腔包括沿長度方向延伸的底座和安裝在底座上的多個反射器，每個反射器具有獨立的側擺和縱搖調節功能。光束對準系統進一步包括多個光源陣列，每個光源陣列都產生光束陣列且與對應的反射器配對，所述反射器設置成沿著光束對準腔的長度引導光束，從而形成對準的二維平行光束陣列。
文檔編號G02B27/14GK102449532SQ201080023290
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月27日 優先權日2009年5月28日
發明者B·D·西爾弗斯坦, J·R·基爾舍, M·A·哈蘭 申請人:伊斯曼柯達公司