专利名称：使用阵列光源的光束对准系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种用于投射数字图像的装置，且更具体言之，涉及一种用于对准作为照明光源的固态激光的改良装置和方法。
背景技术：
为了更合适地替换传统的幻灯片条放映机，数字投射系统尤其是多色电影投射系统必须满足对图像质量和性能的需求。在其它特征中，这意味着高分辨率、宽色彩范围、高亮度和超过1000 1的帧顺序对比率。多色彩数字电影投射的最有前途的方案采用两种基本型的空间光调制器(SLM) 之一作为成像设备。第一种类型的空间光调制器是数字光处理器(DLP)数字微镜设备 (DMD)，其由德克萨斯达拉斯的德州仪器公司开发。在众多专利例如第4，441，791号、第 5，535，047号、第5，600，383号美国专利(所有都由Hornbeck发明)和第5，719，695号美国专利(由Heimbuch发明)中都描述了 DLP设备。采用DLP的投射装置光学设计被披露在第5，914，818号美国专利(由Tejada等人发明)、第5，930，050号美国专利(由Dewald发明)、第6，008, 951号美国专利(由Anderson发明)和第6，089，717号美国专利(由Iwai 发明)中。DLP已成功用于数字投射系统中。图1示出了使用DLP空间光调制器的投射器装置10的简化框图。光源12将多色光提供到棱镜组合件14 (诸如飞利浦棱镜)中。棱镜组合件14将多色光分裂成红、绿和蓝组分带，并将每个带指向对应的空间光调制器20r、20g或20b。棱镜组合件14接着重新合成来自每个SLM 20r、20g和20b的调制光，并将此光提供给投射透镜30以投射至显示屏或其他适当的表面上。虽然基于DLP的投射器证明了为从桌上型电脑到大电影院的多数投射应用提供必要的光产出量、对比率和色域的能力，但是仍存在固有的分辨率限制，当前设备仅提供 2148X1080像素。此外，高成分和系统成本对用于高质量数字电影投射设计的DLP具有有限的适合性。而且，飞利浦或其他适合棱镜以及具有亮度所需的长工作距离的快速投射透镜的成本、尺寸、重量和复杂度是固有的限制，会对这些设备的可接受性和可用性产生负面影响。用于数字投射的第二种类型的空间光调制器是IXD(液晶设备)。IXD通过为每个对应的像素选择性地调制入射光的偏振状态而以像素阵列形成图像。LCD看起来拥有针对高质量数字电影投射系统的空间光调制器的优点。这些优点包括相对大的设备尺寸、良好的设备成品率以及制造更高分辨率设备(例如Sony和JVC公司的4096X2160分辨率设备)的能力。利用LCD空间光调制器的电子投射装置的示例被披露在第5，808，795号 (Shimomura等为发明人)美国专利、第5，798，819号(Hattori等为发明人)美国专利、第 5，918，961号^eda为发明人)美国专利、第6，010, 121号(Lee为发明人)美国专利和第 6，062，694号(Oikawa等为发明人)美国专利中。LCOS(硅上液晶)设备尤其被认为对大规模图像投射是有前途的。然而，LCD组件在维持数字电影的高质量需求(尤其相对于色彩和对比度)方面具有困难，这是因为高亮度投射的高热负载会影响材料偏振质量。照明效率持续存在的问题涉及光学扩展量(etendue)或类似地拉格朗日不变量。 如在光学领域中已知的那样，光学扩展量涉及可由光学系统处理的光量。潜在地，光学扩展量越大，图像越亮。在数值上，光学扩展量与两个特征的结果成比例，即，与图像面积和数值孔径的结果成比例。就图2所示的具有光源12、光学构件18和空间光调制器20的简化的光学系统而言，光学扩展量与光源Al的面积和其输出角度θ 1的因素相关，且等于调制器A 的面积及其接收角度θ 2。对于增加的亮度，需要从光源12的区域提供尽可能多的光。作为普遍原理，当光源处的光学扩展量与调制器处的光学扩展量最紧密匹配时，光学设计是有利的。例如数值孔径的增大增加了光学扩展量，以使得光学系统捕获更多光。类似地，增大源图像尺寸，以使得光起源于更大面积上，增大光学扩展量。为了利用照明侧上的增大的光学扩展量，光学扩展量必须大于或等于照明源的光学扩展量。然而，通常图像越大，光学构件和支撑组件的成本越高且尺寸越大。这对诸如LCOS和DLP组件的设备尤其如此，其中硅基板和潜在缺陷会随尺寸而增加。整体言之，增大的光学扩展量会导致更复杂且成本更高的光学设计。使用诸如在第5，907，437号美国专利(Sprotbery等为发明人)中描述的方案，必须为大光学扩展量设计光学系统中的透镜组件。必须通过系统光学构件会聚的光的源像面积(source image area)是红、绿和蓝光路中的空间光调制器的合成面积之和；显然，这是形成的最终多色图像面积的三倍。也就是说，就在第5，907，437号美国专利中披露的构造而言，光学组件处理大尺寸的图像面积，因而处理了高光学扩展量，这是因为红、绿和蓝光路是分离的且必须光学会聚。此外，虽然诸如在第5，907，437号美国专利中披露的构造处理来自形成的最终多色图像面积的三倍的光，但是这个构造不会给予任何增大光亮度的优点，这是因为每个色径仅含有总光级的三分之一。当光源的光学扩展量与空间光调制器的光学扩展量良好匹配时，效率得以改善。 较差匹配的光学扩展量意味着光学系统或者是光缺乏，难以向空间光调制器提供充足的光，或者是效率低，在效率上抛弃了为调制而产生的光的一大部分。因而，以可接受的系统成本向数字电影应用提供充足亮度的目标对LCD和DLP系统的设计者难以捉摸。基于LCD的系统已与对偏振光的要求妥协，降低效率并增大光学扩展量，甚至当使用偏振恢复技术时也是如此。不需要偏振光的DLP设备设计已证明是稍微更有效的，但仍需要昂贵、短寿命的灯和高成本的光学引擎，使得它们太为昂贵而无法与传统的电影投射设备竞争。为了与传统的高端基于胶片的投射系统竞争，并提供已定义的电子或数字电影， 数字投射器必须能够实现与此先前设备相类似的电影亮度级。就一些规模概念而言，典型的剧院需要投射至对角线约为40英尺大小的屏幕上的大约10000流明。无论如何，屏幕区域需要从5000流明上至40000流明。除这个苛求的亮度要求外，这些投射器还必须具备高分辨率0148 X 1080像素)，且提供约2000 1的对比度和宽色域。一些数字电影投射器设计已证明能够具备此性能级。然而，高设备和运行成本已成为障碍。满足这些要求的投射装置的成本通常每者都超过50000美元，且利用必须以 500-2000小时的间隔更换的高瓦特氙弧灯，其典型的更换成本通常超过1000美元。氙气灯的大光学扩展量对成本和复杂度具有相当大的影响，这是因为它需要相对快的光学构件来从这些光源收集并投射光。DLP和LCOS IXD空间光调制器(SLM)的一个共同缺陷在于它们有限的使用固态光源(尤其是激光源)的能力。虽然它们在相对光谱纯度和潜在光亮度级方面比其他类型光源更有优势，但是固态光源需要不同方案以有效地利用这些优势。与先前数字投射器设计一起使用的用于调节、重定向并合成来自色彩源的光的传统方法和设备会限制如何良好地使用激光阵列光源。固态激光器确保了光学扩展量、寿命以及总光谱和亮度稳定性的改善，但是直至最近，仍未能以充足水平并在配合数字电影要求所需的成本内输送可见光。在更近的发展中，VCSEL激光阵列已被商业化，且展示了潜在光源的一些保证。然而，需要来自多达9个单独阵列的合成光，以为每个色彩提供必要的亮度。使用激光阵列的投射装置包括如下实例发明人为Kappel等人的题为“激光照明图像投射系统和使用该系统的方法”的第 5，704，700号美国专利描述了投射器照明中微激光阵列的使用。发明人为Krusctwitz等人共同转让的题为“使用照明区域光阀的有机激光阵列的电子成像系统”的第6，950，454号美国专利描述了使用有机激光向空间光调制器提供激光照明。发明人为Mooradian等人的题为“投射显示装置、系统和方法”的第2006/0023173 号美国专利申请公开描述了使用延伸的腔表面发光半导体激光阵列进行照明。发明人为Glerm的题为“使用固态光源的显示器”的第7，052，145号美国专利描述了采用微激光阵列进行投射器照明的不同显示器的实施例。发明人为Lang等人的题为“优化亮度守恒的激光二极体阵列组合件”的第 6，240, 116号美国专利论述了具有高冷却效率的传统激光条和边缘发光二极体的封装，并描述了使用结合有反射体的透镜以通过消除或减少准直光束之间的间距来减少二维阵列的发散尺寸产物(光学扩展量)。这些类型解决方案中的每一者都具备困难。Kappel的’ 700专利教导使用单片阵列的相干激光用作图像投射中的光源，借此选择激光数量以匹配投射器的流明输出的功率要求。然而，在高流明投射器中，此方案具备许多困难。随着设备数目增大，制造良率降低， 且由于较大规模阵列而使热问题可能更显著。相干性也可形成单片设计的问题。激光源的相干性通常导致诸如光学干涉和光斑的假象。因此，优选使用激光器的阵列，其中相干性、 空间和时间相干性较弱或破裂。虽然从色域改善的立场需要光谱相干性，但是也需要少量扩展的光谱，以去除干涉和光斑的敏感度，同时也减少了单光谱源的色移效果。举例而言， 在具有分离的红、绿和蓝激光源的三色投射系统中会出现此色移。如果单色阵列中的所有激光器捆绑在一起，且具备较窄的波长，而且在工作波长中出现色移，那么整个投射器的白点和色彩可能会不符合规格。另一方面，若阵列在波长上平均变化很小，则总输出中的单色移敏感度会大大减小。虽然会向系统添加组件以像Kappel的专利中论述的那样帮助破坏此相干性，但是优选从成本和简单性角度出发，最好利用来自不同制造商的稍微变化的设备以形成基本上不相干的激光源。另外，优选在光源处减少空间和时间相干性，因为大多数减少超出光源的不相干性的方式都利用诸如扩散器的组件，所述组件增大了光源有效范围 (光学扩展量)，导致额外的光损失，并增加了系统的费用。维持激光的小光学扩展量会使
6得光学链(optical chain)简化，这是非常需要的。对投射应用尤其有利的激光阵列是各种类型的VCSEL(垂直腔面发射激光器)阵列，其包括来自加州森尼韦尔的Novalux的NECSEL(延伸空穴表面发射激光技术，novalux extended cavity surface-emitting laser)装置以及 VECSEL(垂直扩充腔面发射激光器)。但是，利用这些装置的传统方案容易具有许多困难。一个限制涉及装置产率。很大方面由于关键组件的热和封装问题，所以使得商业化的VECSEL阵列在长度上被延长，但是在重量上受到限制；通常，VECSEL阵列仅具有两行发射组件。使用多于两行的发射组件具有使产率明显增加困难的趋势。这种实际限制将难以为例如Glerm的’ 145专利中描述的投射装置提供VECSEL照明系统。当利用Mooradian等人的’ 3173专利中提出的投射方案时，将对亮度产生约束。虽然Krusctwitz等人的’ 454专利和其他专利中描述了利用有机 VCSEL的激光阵列的使用，但是这些有机激光器在商业化方面仍不成功。除了这些问题，传统的VECSEL设计容易在电力连接和散热方面产生困难。这些激光器是高功率的，例如来自 Novalux的频率被加倍成两行装置的单行激光器装置产生出超过3W的可用光。因而，可存在显著的电流要求和来自未使用电流的热负载。寿命和光束质量高度依赖于稳定的温度维持。激光源到投射系统的耦合会产生使用传统方案不能适当解决的其他困难。举例而言，使用Novalux的NECSEL激光器，每种色彩需要接近九个2排M个激光阵列，从而接近大多数剧院10000流明的要求。需要分别安装这些光源，从而提供充分的散热并提供运行电力和控制信号，并允许简化服务和更换的模块化设计。然而，同时，必须合成来自多个光源的激光束，从而形成提供准直光的单光束。覆盖单独光束的解决方案由于光束合成涂层中的低效率而会失去一些生成的光。引入合成处理中的任何角度分量会增大光学扩张量， 且整体上是不当的。重定向多个光束以使得光束间的间距最小是需要的，但是使用传统的光束合成技术不易获得。因而，可以看到需要这样的照明解决方案，这些解决方案利用固态阵列光源的优点且允许有效使用具有DLP和LCOS调制器的固态照明组件。
发明内容
本发明通过提供用于产生对准的二维平行光束阵列的光束对准系统来解决对改善投射显示器亮度的需求，所述光束对准系统包括a)光束对准腔，包含i)底座，沿长度方向延伸的底座具有前边缘、第一侧边缘和第二侧边缘；ii)安装在底座上的多个反射器，每个反射器都具有独立的侧摆和纵摇调节功能； 和b)多个光源阵列，每个光源阵列都产生光束阵列并与对应反射器配对，并设置成将光束引导至其对应的反射器上，且其中，反射器设置成沿光束对准腔的长度引导光束，从而形成对准的二维平行光束阵列。本发明的特征在于，它提供了一种用于激光光束对准的装置和方法，所述装置和方法提供了来自多个光源阵列的二维平行输出光束阵列。本发明的优点在于，它提供了一种用于紧凑封装多个激光阵列、沿输出光路平行对准阵列的装置。本领域技术人员在阅读结合附图的下文详细描述后，将易了解本发明的这些和其他特征和优点，在附图中示出和描述了本发明的示例性实施例。
图1是针对不同色彩光路使用组合棱镜的传统的投射器装置的示意框图；图2是示出光学系统的光学扩展量的示意图；图3A是展示投射器装置的整体布置的示意框图，该投射器装置具有多个色道以及用于图像投射的多组投射光学构件；图IBB是展示投射器装置的整体布置的示意框图，该投射器装置具有组合成使用用于图像投射的单组投射光学构件的多个色道；图4是展示使用反射表面与固态激光阵列光束对准的示意图；图5A是示意性侧视图，其展示了使用用于合成来自多个固态激光阵列的照明的光重定向棱镜；图5B是图7A的光重定向棱镜的透视图；图6是从两个不同侧接收光的光重定向棱镜的示意性侧视图；图7是一个实施例中用于合成来自多个固态激光阵列的光束对准腔的透视图；图8是光束对准腔的透视图，该光束对准腔的顶盖被移除且两侧上的激光阵列光源被示出；图9是光束对准腔的透视图，其示出了安装在底座和盖上的反射器的相对位置；图10是其中一侧和顶盖不可见的光束对准腔的透视图，其示出了一种类型的独立可调节的镜支架；图11是示出了光束对准腔的侧壁的平面图；图12是示出了来自多个对准的激光阵列的输出光束部分的平面图；图13是示出用于安装在顶部的反射器之一和安装在底座上的反射器之一的示意性光路的俯视图；图14是示出了光束对准腔的一部分的相等光学路径长度的俯视图；图15是示出了相等光学路径长度可如何简化用于调节输出光束的光学构件的透视图；图16是一个实施例中具有独立可调节的纵摇(pitch)和侧摆(yaw)的运动学镜支架的透视图；和图17是不具有侧壁的光束对准腔的另一个实施例的透视图。
具体实施例方式本发明尤其针对形成根据本发明的装置的部分或与该装置更直接协作的元件。应了解，未特别示出或描述的元件可采用本领域技术人员熟知的各种形式。本文示出和描述的图用于示出根据本发明的操作原理，且绘图的目的并非示出实际尺寸或比例。因为本发明激光阵列的组件部分的相对尺寸，所以必须进行一些夸大以强调基本结构、形状和操作原理。
本发明的实施例解决了对改善电子图像投射器中每个色道光强度的需求。为了更好地理解本发明，指导性地描述了全部内容，其中本发明的装置和方法可操作。图3A和;3B 的示意图示出了图1中的投射器装置10的两个基本架构。可适当采用本发明的实施例，以作为用于这些基本架构中任一者的照明系统的一部分。首先转向图3A，示出了用于本发明众多实施例的投射器装置10的基本布置。示出了三个光调制器通道40r、40g和40b，每个通道调制来自照明系统42的红、绿和蓝(RGB) 原色之一。在每个光调制通道40r、40g和40b中，光学透镜50可将光定向至可选偏振维持光导52。举例而言，在光导52的输出处，或者从透镜50接收光，透镜M接着引导光穿过积分器51，诸如复眼积分器或积分条(integrating bar)。此光转到空间光调制器60，所述空间光调制器60作为投射器装置10的成像系统的一部分。空间光调制器60通常是微电机系统(MEMS)设备，诸如DLP或其他类型的反射MEMS组件，包括通过反射或通过衍射调制光的任何类型的MEMS调制器组件。这些器件可视为“中立偏振状态”，因为它们不会通过调制像素的偏振状态而调制每个像素处的光；对任何像素入射光偏振状态的任何改变都是无意造成的，该改变是当从像素的MEMS表面反射时其入射角的函数。到MEMS空间光调制器的光入射角可调节成最小化任何不当的偏振效应。由于其许多可能的实施例而在图3A中以虚线整体指示的投射光学构件70接着使调制光被引导至显示表面80。接着转向图;3B，色彩合成器76用于将来自每个色彩光调制通道40r、40g、40b的调制光合成至共用输出轴A上以投射。色彩合成器76可以是电子成像领域中的技术人员都熟悉的二向色表面或棱镜的组件，诸如X立方体或其他合成器件。使用这两个基本成像架构之一，照明系统42的功能都相同合成来自两个或更多激光阵列的光，沿共用照明路径使各自的光束对准。图4示出了一种用于合成多个光源阵列44和44’以形成具有对准的准直光束的较大阵列的方案。一个或多个散布镜46可用于将额外光源阵列44’的光轴布置成与固态光源阵列44 一致。然而，可认识到，热量和间隔要求会限制多少光源阵列44可以以此方式堆叠。另外，光束源之间的间隔也受到此解决方案的限制。图5A的侧视图和5B的透视图示出了一种使用光重定向棱镜48的光束合成的改善方案。这里，照明系统42合成来自四个固态光阵列44的激光，所述激光会聚在比图4的阵列布置更小的区域内。光重定向棱镜48具有接收沿发射方向Dl从光源阵列44发射的光的入射面32，所述光源阵列44包括激光器26。光沿大体上与发射方向Dl垂直的输出方向D2重定向穿过输出面34。光重定向棱镜48具有重定向表面36，该表面36具有光重定向棱面38。光重定向棱面38相对于发射方向Dl成倾斜角度，且对从激光器沈发射的光提供全内反射(TIR)。当如图5A和5B所示交错时，这些特征有助于使此照明的光路变窄，从而提供更窄的光束。如图5B所示，光源阵列44每一者都具有沿长度方向L延伸的多个激光器沈。光重定向棱面38和重定向表面36上的其他棱面也沿方向L延伸。图6的横截面侧视图示出了照明系统42中的光重定向棱镜48的另一个实施例， 该照明系统42提供了比使用光源阵列的图5A和5B所示的实施例更紧凑的照明布置。在此实施例中，光重定向棱镜48具有两个重定向表面36，所述两个重定向表面利用相反的发射方向Dl和D1’从相互面对的光源阵列44接收光。每个重定向表面36具有两种类型的棱面光重定向棱面38以及与来自对应光源阵列44的入射光垂直的入射棱面28。
使用光重定向棱镜48的整体方案提供了对形成准直射线光束的传统方法的改善，但是仍具有一些限制。一个问题涉及对准困难。利用此光合成几何学，每个光源阵列44 都必须非常精确地对准，以使光束适当地瞄准正确方向。这需要每个激光源都精确校准或定制为与棱镜对准，而对激光器安装机械结构产生更高需求。由于高功率激光产生显著热量，所以消除此热量的需求进一步使安装和对准复杂化。虽然这个布置允许一些可量测性措施，但是这会受到光源阵列44可如何紧密安置在一起的限制。另外，光重定向棱镜48会难于安装，且在操作条件下棱镜材料温度的改变可导致不当的双折射和其他问题。适当屏蔽激光的需求会进一步增大复杂度。本发明解决了对改善光源的需求，该光源通过向每个色道提供光束对准腔，而合成来自每个波长的多个激光器的准直光。相对于图3A和:3B，本发明的光束对准腔是每个对应光调制通道40r、40g、40b内的照明系统42的一部分。图7的透视图示出了光束对准腔100，所述光束对准腔100合成并交织若干固态光源阵列诸如激光阵列源的输出光束，从而产生由多个光束形成的复合光束(在此实施例中示出为准直的)，所有光束都平行于沿光束对准腔100的长度方向延伸的照明轴Al。图8、 9、10和11示出了一个实施例中构造的光束对准腔100的各种细节。参照图7-11的不同视图，光束对准腔100具有底座110，该底座110带有前边缘 112和后边缘114以及第一侧边缘116和第二侧边缘118。沿第一侧边缘116和第二侧边缘118分别具有相对的第一侧壁120和第二侧壁122，且第一侧壁120和第二侧壁122沿光束对准腔100的长度延伸，还具有前壁132。侧开口 124设置在侧壁120和122内，以使来自阵列光源140的光束进入光束对准腔100中。离开光束对准腔100的光穿过前壁132中的输出开口 128。多个反射器130相对于侧壁120和122以倾斜角度设置，从而将来自对应的阵列光源140的光束引导成穿过输出开口 1 离开光束对准腔100，而形成对准的二维平行光束的阵列。反射器130安装至底座110，且可选地安装至盖126。每个反射器130具有用于纵摇和侧摆的其各自独立的调节功能，从而允许对来自每个阵列光源140的光束精确对准。图7示出了为此目的设置在盖126中的多个调节实现孔154。一个或多个调节实现孔巧4可沿底座110交替设置。在图7的实施例中，安装在顶部和底座上的反射器的所有纵摇和侧摆调节可从盖126实现。图7-11中示出的光束对准腔100实施例具有模块化构造和方形柱状，其中底座 110的侧边缘116和118与第一侧壁120和第二侧壁122相交。此布置对于其紧凑性和相对简便的安装是有利的。然而，其他侧壁120和122的布置也是可能的。在本发明的另一个实施例中，底座110为某其他形状，诸如三角形，且仅具有一个前边缘以及第一和第二侧边缘。在另一个实施例中，底座110是较大的底盘结构的一部分且延伸超出侧壁120和122。 或者，盖126的功能可由底盘或其他结构的某其他部分提供。图8的透视图示出了光束对准腔100，其组装有十二个阵列光源140，沿每个侧壁 120和122都设置了六个阵列光源。十二个阵列光源140与十二个反射器130配对，所述阵列光源140安装在底座110和盖1 上。来自每个阵列光源140的对准的输出光束接着提供输出光束阵列150，该输出光束阵列150在横截面上观看形成对准的二维光束阵列，其中每个阵列光源140的贡献集中于光束的特定部分上。在本发明的实施例中，从输出开口 1 发射作为输出光束阵列150的输出光具有有利于提供照明光束的模式，其尺寸适合于所使用的空间光调制器(例如图3A、3B中的空间光调制器60)的纵横比。图9的透视图示出了用于图8中的组装的光束对准腔100的安装在盖和安装在底座上的反射器130的位置。图10的透视图示出了下文将更详细描述的使用镜支架200的实施例。图12的平面图示出了来自图8的光束对准腔中的每个固态阵列光源140的对准的光束如何形成输出光束阵列150来作为具有矩形纵横比的对准的二维平行光束阵列。就图7-11中所示的光束对准腔100的实施例而言，与安装在底座上的反射器130配对的阵列光源140形成输出光束阵列150的下部分，其具有六个组成部分，即对准的阵列光束142a、 142b、142c、142d、14&和142f。类似地，与安装在盖上的反射器130配对的阵列光源140 形成输出光束阵列150的上部分，其具有对准的阵列光束IMa、144b、lMc、144d、IMe和 144f。这个使输出照明定形的相同的关系示出于图7和8中。(示出为图7中的输出光束阵列150的输出仅表示从安装在底座上的反射器130提供的输出部分。请注意，在图7中仅在适当位置示出了六个阵列光源140中的三个。)对准的阵列光束14h-142e以及144a_lMe 中的每一者都包括来自对应的阵列光源140的单独光束148的阵列。图13是一个实施例中光束对准腔100的俯视图，其示出了每个阵列光源140都与其对应的反射器130配对以形成输出光束阵列150。阵列光源141a、141b、141c、141d、141e 和141f安装在盖1 上且分别形成图12中的对应的对准阵列光束lMa、144b、lMc、144d、 IMe和144f。类似地，阵列光源140a、140b、140c、140d、140e和140f安装在底座110上， 且分别形成图12中的对应的对准阵列光束142a、l^b、142c、142d、142e和142f。顶部安装的阵列光源141c和底座安装的阵列光源140d的光束路径轨迹如图13所示。阵列光源 140d与安装在底座上的反射器130d配对。类似地，阵列光源141c与安装在盖上的反射器 131c配对。虽然阵列光源140中的激光光源可被准直，但是存在具有显著光束发散的激光类型。通常，激光光源处的光束发散沿正交方向处于不同角度。通常利用安装在激光发射器本身处或附近的小透镜阵列或其他光学元件阵列或柱形透镜元件沿至少一个正交方向校正光束发散。虽然可利用双柱形透镜(具有各自正交曲率的两个串联透镜)校正两个光束发散方向，但是这些透镜是昂贵的且难以正确对准。因此，相对于图12中所示的激光发射器148的线而言，激光阵列处的光束发散可相对于两个轴未被校正，而通常仅沿χ轴方向校正。正交方向的光束发散(沿图12所示的y轴)也需要校正。用于校正y轴光束发散的传统解决方案在于在每个阵列的输出处提供准直柱形透镜。然而，这个解决方案成本高，例如要向图7-11所示的光束对准腔100的组件计数添加十二个额外的透镜。可选地，反射器130的形状可为柱形而非平面形，形成为校正光束发散。然而，这些柱形镜的每一者都比图8-11中描绘的共同平面镜基本上更昂贵。此外，纵摇和侧摆调节由于表面曲率而进一步复杂化。与此问题的传统解决方案的成本和复杂度相比，本发明的实施例通过使每个激光光源的光学路径距离相等，而提供对光束发散的校正，因而允许在输出光束阵列中仅使用一个柱形透镜，这是因为每个光束的发散特性是一致的。参照图14和15，分别示出了光束对准腔100的俯视图和透视图，所述光束对准腔100具有相等的光学路径距离以及单个校正柱形透镜152。在图14和15示出的实施例中，光束路径是交织的，例如使用与13中示出的布置不同的交错式反射器阵列布置而相互穿过。图14示出了阵列光源一部分的相等的光学路径距离。图15示出了沿一组阵列光源141a、141b、141c、141d、141e和141f中每一者的线性阵列的发射器方向的光束发散。当这些发光器具有相同的光学路径距离时，从每个光源入射到柱形透镜152上的光的角度基本上相同。柱形透镜152可接着提供沿发散轴的准直。这样，单独的阵列光源不需要各自的准直光学构件。柱形透镜152仅仅是示意性的构造。大体言之，在对准的光束路径中可存在超过一个的光学元件，且所述光学元件提供输出光的校准。举例而言，交叉柱形透镜可用于校正两个正交轴每一者中的发散。在另一个实施例中，分离的准直透镜(未图示)设置在每个阵列光源140的路径中，以使得从输出开口 1 输出的光被准直，而无需柱形透镜152或如图15所示的其他准直光学构件。光束对准腔100使用多个反射器130，其中所述反射器130的每一者都为了纵摇和侧摆而能够被单独调节。参照图16，示出了安装在底座上的具有此调节能力的镜支架200。 反射元件202具有支撑框架204，该支撑框架204与底座构件210可调节地耦合。使用图16 所示的轴分配绕χ轴进行纵摇调节。绕y轴进行侧摆调节。可认识到，在光束对准腔100 内可使用众多不同的镜支架实施例。本发明的光束对准腔100可用作投射器装置的照明系统组件，该投射器装置诸如具有先前参照图3A和;3B中的投射器装置10描述的基本架构。来自光束对准腔100的光输出可进一步调节，诸如使用积分器条或其他器件均勻化，以为调制提供更均勻的照明光束。 反射器130可沿单个平面安装，诸如图7中所示的安装在底座上的实施例那样，或安装在两个平面中，如图8所示的安装在盖上和安装在底座上的实施例那样。就高效率而言，反射器 130可以是二向色性表面。本发明的光束对准腔的使用允许使来自多个激光阵列的输出光聚集在一起的紧凑封装布置，而不会引入角概念(angular content)，因而有效地增大了投射器装置的照明系统的光学扩展量。光束对准腔是高度模块化的，从而允许更换单独的激光阵列而无需完全重新对准光学路径中的多个组件。在反射器处进行光束对准调节，而非通过重定位或调节激光装置本身来进行光束对准调节。阵列光源140可以以模块化方式封装且直接抵着开口 IM装配在侧壁120和122 中，例如如图7所示。此布置可有助于减少杂散光，且可以是特别有价值的，其中对激光的屏蔽对照明系统设计是重要的。图17中示出了本发明的另一个实施例，其中光束对准腔300是敞开的，且不包括任何壁。光束对准腔300具有沿对应于ζ轴的长度方向延伸的底座310。底座310具有前边缘312、第一侧边缘314和第二侧边缘，所述第二侧边缘在图17中不可见，但是所述第二侧边缘位于底座310的与第一侧边缘314相对的侧部上。多个反射器316使用运动学镜支架318安装在底座310上。镜支架318为反射器316提供独立的侧摆和纵摇调节。设置多个阵列光源(在图17中未图示)，每个阵列光源都与反射器316之一配对。每个阵列光源设置成将阵列光束引导至其对应的反射器316上。图17示出了在第一侧上进入光束对准腔的多个阵列光束3M和在第二侧上进入光束对准腔的多个阵列光束326。反射器316设置成沿光束对准腔的长度引导来自对应的光源阵列的光束，从而形成对准的二维平行光束阵列。镜支架318上的侧摆和纵摇调节用于对准光束以确保它们是平行的。
安置在对准的二维光束阵列的光学路径中的可选柱形透镜330设置成校正对准的二维光束阵列中的光束发散。柱形透镜330的输出是校正的经过准直的对准的二维光束阵列。在此情况下，优选使光源阵列定位，以使得每个光源与柱形透镜之间的光学距离对每个光束而言基本上相等，以使得光束几何学是一致的。如先前论述，其他形式的光学元件也可视情况用于校正光束的发散。举例而言，若光束沿两个不同轴发散，则可使用一对交叉的柱形透镜以独立地相对于每个轴校正发散。图17中示出了可选的盖328。盖3 可为镜支架318提供额外的支撑，从而产生额外的结构稳定性。或者，盖3 可使用隔离物(未图示)而与底座310进一步间隔开。在这种情况下，第二组反射器可安装至盖328，这与之前参照图7-11描述的布置类似。每个安装在盖上的反射器可与对应的光源阵列配对，并设置成沿着光束对准腔的长度引导来自光源的光束，从而与和安装在底座上的反射器相关的光束协作形成对准的二维平行光束阵列。上文已特别参照某些优选实施例详细描述了本发明，但是应了解，在本发明的精神和范畴内能实现变化和修改。举例而言，虽然在详细实施例中描述了激光阵列，但是也可使用其他固态发射组件作为替换。也可向每个光学路径添加支撑透镜和其他光学组件。在投射器内的一个或多个位置处可采用各种类型的传感器，以感测每个色道中的光强度。因而，本发明提供了一种用于对准固态照明光源的装置和方法。附图标号列表
10投射器装置12光源14棱镜组合件18光学构件20、20r、20g、20b空间光调制器26激光器28入射棱面30投射透镜32入射面34输出面36重定向表面38光重定向棱面40r.40g.40b光调制通道42照明系统44、44，、44a、44b 光源阵列46镜48光重定向棱镜50透镜51积分器52光导54透镜0103]60空间光调制器0104]70投射光学构件0105]76色彩合成器0106]80显示表面0107]84二向色性表面0108]100光束对准腔0109]110底座0110]112前边缘0111]114后边缘0112]116第一侧边缘0113]118第二侧边缘0114]120第一侧壁0115]122第二侧壁0116]124侧开口0117]126至 ΓΤΠ0118]128输出开口0119]130反射器0120]130d安装在底座上的反射器0121]131c安装在盖上的反射器0122]132前壁
0123]140、140a、140b、140c、140d、140e、140f 阵列光源
0124]141a、141b、141c、141d、141e、141f阵列光源
0125]150输出光束阵列
0126]142a、142b、142c、142d、142e、142f
0127]144a、144b、144c、144d、144e、144f
对准阵列光束对准阵列光束
0128]148光束0129]150输出光束阵列0130]152柱形透镜0131]154调节实现孔0132]200镜支架0133]202反射元件0134]204框架0135]210底座构件0136]300光束对准腔0137]310底座0138]312前边缘0139]314第一侧边缘0140]316反射器0141]318镜支架
324光束阵列326光束阵列328盖330柱形透镜A、A1轴D1、D1，发射方向D2输出方向x、y、z轴
权利要求
1.一种用于产生对准的二维平行光束阵列的光束对准系统，包括a)光束对准腔，包含i)底座，沿长度方向延伸的所述底座具有前边缘、第一侧边缘和第二侧边缘； )安装在所述底座上的多个反射器，每个反射器都具有独立的侧摆和纵摇调节功能；禾口b)多个光源阵列，每个光源阵列都产生光束阵列并与对应的反射器配对，并设置成将所述光束引导至其对应的反射器上，且其中所述反射器被设置成沿所述光束对准腔的长度引导所述光束，从而形成对准的二维平行光束阵列。
2.如权利要求1所述的光束对准系统，其特征在于，所述光源阵列安装在所述光束对准腔外部，且设置成将光引导入所述光束对准腔中并将光引导至对应的安装在底座上的反射器上。
3.如权利要求2所述的光束对准系统，其特征在于，一些光源阵列安置在所述光束对准腔的第一侧上，且其余的光源阵列安置在与所述光束对准腔的所述第一侧相反的所述光束对准腔的第二侧上。
4.如权利要求1所述的光束对准系统，其特征在于，所述光束对准腔进一步包括与所述底座间隔开的盖以及安装至所述盖的多个反射器，每个安装在盖上的反射器具有独立的侧摆和纵摇调节功能，且其中每个安装在盖上的反射器与产生光束阵列的对应的光源阵列配对，且设置成沿着所述光束对准腔的长度引导所述光束，从而与和所述安装在底座上的反射器相关的光束协作形成所述对准的二维平行光束阵列。
5.如权利要求4所述的光束对准系统，其特征在于，在所述盖中设置调节孔，从而实现所述安装在盖上的反射器和所述安装在底座上的反射器的独立的侧摆和纵摇调节。
6.如权利要求1所述的光束对准系统，其特征在于，进入所述光束对准腔的每个光束相对于至少一个轴未发散校正，且包括设置在所述对准的二维光束阵列的光学路径中的一个或多个光学元件，所述光学元件设置成相对于至少一个轴校正光束发散，且其中所述光源安置成使得每个光源与所述一个或多个光学元件之间的光学距离针对每个所述光束基本上相等。
7.如权利要求6所述的光束对准系统，其特征在于，校正的对准的二维光束阵列被准直。
8.如权利要求6所述的光束对准系统，其特征在于，所述一个或多个光学元件包括相对于一个轴为所述光束发散提供校正的柱形透镜。
9.如权利要求6所述的光束对准系统，其特征在于，所述一个或多个光学元件包括相对于两个轴为所述光束发散提供校正的一对交叉柱形透镜。
10.如权利要求1所述的光束对准系统，其特征在于，进入光束合成腔的每个光束都相对于至少一个轴未发散校正，且其中所述反射器是相对于一个轴校正所述光束发散的柱形反射器。
11.如权利要求1所述的光束对准系统，其特征在于，所述光源是激光光源。
12.如权利要求1所述的光束对准系统，其特征在于，所述光束对准腔是敞开的，不具有与所述底座的所述第一侧边缘或所述底座的所述第二侧边缘连接的侧壁。
13.如权利要求1所述的光束对准系统，其特征在于，所述光束对准腔是敞开的，不具有与所述底座的任何边缘连接的侧壁。
14.如权利要求1所述的光束对准系统，其特征在于，所述光学对准系统是提供用于激光投射系统中的二维平行激光束阵列的激光源系统的组件，且其中所述激光投射系统进一步包括照明系统，其构造成使其接收的激光均勻化； 成像系统，其构造成与均由所述照明系统均勻化的激光相互作用；和投射系统，其构造成将激光图像投射至观看屏上。
全文摘要
一种用于产生对准的二维平行光束阵列的光束对准系统，包括光束对准腔，所述光束对准腔包括沿长度方向延伸的底座和安装在底座上的多个反射器，每个反射器具有独立的侧摆和纵摇调节功能。光束对准系统进一步包括多个光源阵列，每个光源阵列都产生光束阵列且与对应的反射器配对，所述反射器设置成沿着光束对准腔的长度引导光束，从而形成对准的二维平行光束阵列。
文档编号G02B27/14GK102449532SQ201080023290
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月27日 优先权日2009年5月28日
发明者B·D·西尔弗斯坦, J·R·基尔舍, M·A·哈兰 申请人:伊斯曼柯达公司