针对调制器衍射效应优化的投影仪的制作方法
本申请是国际申请号为pct/us2013/032088、国际申请日为2013年3月15日、进入中国国家阶段日期为2015年9月11日、中国国家申请号为201380074568.1、发明名称为“针对调制器衍射效应优化的投影仪”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本公开涉及与本申请同时提交的、名称为“colordependentaperturestop(颜色相关的孔径光阑)”的国际专利申请no.pct/us2013/032067。
本公开总体涉及数字图像投影，并且更具体地涉及为了与表现出衍射效应的微镜阵列空间光调制器一起使用而优化的相干光投影系统。
背景技术：
目前，电影产业正从传统的基于胶片的投影仪向数字或电子电影转变。由于三维(3d)电影的流行，该趋势正在加速。正当主要基于数字光投影(dlp)技术的使用的数字电影投影已经成熟和成功时，光源和dmd调制器一直在演变。在激光器的情况下，大功率紧凑型可见光激光器变得日益成熟并且成本有竞争力，从而使激光器数字电影投影仪的发展成为可能。一种这样的系统在b.silverstein等人的文章“alaser-baseddigitalcinemaprojector(基于激光器的数字电影投影仪)”(sidsymposiumdigest，第42卷，326-329页，2011)中描述。
在由德州仪器开发的dlp技术的核心是数字微镜器件(dmd)，该器件是包括微镜阵列的空间光调制器。dmd空间光调制器已经成功地在包括满足dc2k数字电影分辨率标准的数字电影设备的数字投影系统中使用。已经在使用dc2k芯片的这种系统上进行了效率测量并且发现效率优化原理有效；然而，发现该原理对采用新dc4k芯片的系统不是也有效。
在dmd器件技术发展的早期，个体微镜55或者像素相对较大，在约30平方微米。随后，随着像素的逐渐更小，从20世纪90年代末期的约17平方微米演变到2k数字电影投影仪(2005)的13.8x13.8μm，并且最近利用dc4k器件(2011)达到7.5μmx7.5μm的像素，设备的分辨率已经改善。由silverstein等人描述的投影仪使用2k分辨率的dmd器件以用于图像光调制，并且考虑了dmd器件行为的各个方面。作为另一个示例，在g.zheng等人在显示技术杂志(journalofdisplaytechnology)，第4卷(2008)发表的文章“laserdigitalcinemaprojector(激光器数字电影投影仪)”中，也描述了使用dmd器件的dc2k版本然而具有包括tir和飞利浦棱镜组件的常规dlp投影光学器件的激光器投影仪。值得注意的是，silverstein等人和zheng等人描述了使用dmd器件的dc2k版本的投影仪，意味着他们服从dci数字电影投影规范并且提供“2k”水平分辨率。
然而，如上面所注意到的，最近发布的dc4k器件具有小多了的像素来支持更高的水平分辨率标准。随着微镜尺寸的减小，衍射效应变的越来越重要并且微镜阵列可以被视为可编程的闪耀光栅。当激光与这些小像素以及子像素特征相互作用时，衍射变成甚至更大的担忧。实质上，由于一些光被引向其他衍射阶(闪耀随后部分地还原这些衍射阶)，衍射效应会引起相对于平面镜面的效率损失。
dmd器件的衍射行为的一些方面已经在文献中考虑到。具体地，德州仪器在它们的出版物titechnotetidn2509927，2008年9月的“usinglaserswith
总之，随着诸如dmd器件的微镜阵列空间调制器已经迁移到更小的像素尺寸并且激光器投影系统已经变的越来越可行，激光与作为动态衍射结构的微镜的相互作用的细节变的更加重要。因此，存在更好地理解微镜阵列衍射行为的细微之处并且相应地优化投影仪设计的机会。
技术实现要素：
在某些方面，一种光学系统能够提供入射光束的调制。光学系统包括照明源、微镜阵列光学调制器以及光学元件。照明源能够提供具有定义的窄光谱带宽的入射光束。微镜阵列光学调制器能够基于到一个或多个微镜的开启状态(on-state)或关闭(off-state)状态的命令选择性地调制入射光束以将数据编码在其上。微镜阵列光学调制器能够通过衍射和反射对光进行重定向以提供输出调制光束，该输出调制光束表现为衍射偏手性相关的，该衍射偏手性通过部分取决于入射在其上的光的窄光谱带宽衍射阶的排列来描述。光学元件具有用于定义调制光束的被阻挡的部分以及被透射的剩余部分优化的限制性孔径。通过光学元件获得的光学传输的调制光束的开启状态效率和关闭状态对比度能够取决于与优化的限制性孔径的尺寸和形状相关的输出调制光束的衍射偏手性。
提及的这些解释性的方面不是为了限制或定义本公开，而是为了提供示例来帮助理解本公开。附加的方面和特征在具体的描述中描述并且提供了进一步的描述。通过研究本说明书或通过实践一个或多个呈现出的方面或特征可以进一步理解一个或多个由各个方面和特征提供的优点。
附图说明
图1描绘了根据一个方面的dmd微镜空间光调制器阵列的操作的多个方面。
图2描绘了根据一个方面的用于投影系统的示例系统架构的一部分。
图3a描绘了根据一个方面的来自dmd微镜阵列的光反射和衍射的示例。
图3b描绘了根据一个方面的来自微镜阵列器件的衍射阶的出现的示例。
图4描绘了根据一个方面的来自微镜阵列器件的衍射阶的二维排列的示例。
图5a至图5f描绘了根据某些方面的来自微镜阵列器件的开启状态的衍射图案的特写图像。
图6a至图6f描绘了根据某些方面的来自微镜阵列器件的开启状态的衍射图案的横截面轮廓的特写图像。
图7a描绘了根据一个方面的覆盖有光学孔径的示例开启状态的衍射图案。
图7b至图7e描绘了根据某些方面的收集效率或对比度的图表。
图8描绘了根据一个方面的颜色相关的孔径的示例。
图9描绘了根据一个方面的效率变化相对跨微镜阵列器件扫描的f数的图表。
图10描绘了根据一个方面的投影透镜mtf相对f数的图表。
具体实施方式
dmd光学调制器器件的示例的基本操作在图1中描绘，其中入射光束20与包括形成在衬底70上的微镜55的微镜阵列50相互作用。衬底70通常是图案化有电子器件以及微机电子结构(例如，铰链)的硅晶片，该微机电子结构引起给定的微镜55(或者像素)当施加信号时可控地倾斜。这些信号命令一个或多个微镜到达对应于开启状态或关闭状态的反射镜位置。图1描绘了处于三种不同状态下的微镜55，“开启状态”60、“关闭状态”65以及无动力状态62。入射光从微镜55的前表面反射离开，名义上，使得反射与表面法线的角度等于入射角度。对于处于无动力状态62下的微镜55，出射光束25看起来名义上反射好像它从平行于衬底70的前表面的平面镜反射。在工作的投影仪中，入射光几乎不施加到处于无动力状态62下的微镜阵列。对于处于开启状态60下的微镜55，入射光被重定向以提供与开启状态光或图像光对应的出射光束25，该光束传输至具有孔径85和光轴140的光学仪器80。光学仪器80是具有限制性孔径的光学元件，通常是透镜或透镜组件。对于处于关闭状态65下的微镜55，入射光被重定向为用于关闭状态光的出射光束25，该光束通常由光束捕集器67捕获并吸收。dmd光学调制器器件通常针对像素缺陷进行分类，其中具有更少像素缺陷的器件并且尤其是在器件的中间部分中像素缺陷更少的器件被用于绿色或红色成像通道而不是用于蓝色成像通道。
作为衍射光栅，衍射方向性由光栅等式mλ＝d(sinθi±sinθm)建模并且m是衍射阶、d是光栅间距、θi是入射角以及θm是输出衍射光角。然后闪耀光栅具有常规光栅的间距d，而且也有将光学通量引向特定阶的倾斜表面，从而在减小到其他阶(尤其是第零阶)的剩余功率的同时，增了它的效率。对于处于开启状态60下的微镜55，入射光55仍然名义上被重定向为在由镜面反射指示的方向上的开启状态光，然而具有通过衍射改变了的效率。
在其中照明源在给定颜色通道中具有光谱带宽δλ的投影仪的情况中，对于给定的阶m，衍射光通道的角方向θm改变。同样地，随着入射角度θi改变，像如果是会聚光而不是准直光被引向微镜阵列处则可能发生的那样，输出衍射角θm也变化。微镜55的反射镜表面的剩余表面粗糙度也能够影响反射的衍射的开启状态60或者关闭状态62的光的方向性。因为这些原因，也因为入射光束20经常以复合角度被引入微镜阵列50的事实并且因此经历二维衍射光栅结构，精确地预测或建模衍射行为是困难的。也注意到随着微镜55的尺寸已经减少并且特征尺寸已经变的更小，诸如在设备中的dmd微镜55中的反射镜倾斜度变化的问题在设备制造期间已经变得更加显著并且更难以控制。反射镜倾斜度变化可能对设备衍射特性有影响。
图2中的示意图示出对可以用在多个方面和特征中的投影仪100的布置。三个照射组件110r、110g和110b被示出，每个配置成用于从相应的光源组件115提供原色红色、绿色或蓝色(rgb)中的一种。光源组件115包括可以是激光器光源设备的一个或多个光源(未示出)，该光源的每个可以具有有限的带宽(δλ)并且总的来说该光源可以具有有限颜色通道带宽(δλc)。取决于底层技术，在颜色通道里的特定激光器可以具有01.-1nm的光谱带宽。在颜色通道里激光器的全体因此能够组合以提供约2-7nm宽的窄总体光谱带宽δλc。每个照射组件110r、110g和110b能够包括一个或多个照明透镜120、对传输的光束进行成形和引导的光积分器125(例如，诸如蝇眼积分器或积分条)和另一照明透镜120以及反射镜130，它们一起将照明光沿着光轴140引导至关联的空间光调制器150。例如，使用照明透镜120能够将来自光源组件115的入射光引向光积分器125。得到的均匀光填充光积分器125的输出孔径。接下来输出孔径能够再成像到空间光调制器150与其对准的光学平面中的区域。
激光器光源可以包括来自日亚化学(日本德岛)和necsel(加利福尼亚米尔皮塔斯)的激光器设备。例如necsel(以前被称为novalux)供应绿色(532nm)激光器阵列和蓝色(465nm)激光器阵列，每个提供3-5瓦特的光学输出功率。在这些功率级并且考虑系统效率的损失，用于大会议室或家庭影院的尺寸适中的投影仪(约1500流明输出)可以使用每种颜色单个激光器设备来实现。然而，在电影院的情况下，取决于屏幕的尺寸和屏幕增益，屏幕上的亮度可以涉及入射到屏幕上的10000-60000流明或者40-240瓦特的组合光学功率(通量)。考虑到内部光学效率损失，这可以意味着在每个颜色通道中来自激光源的40-240瓦特的光学功率被使用。目前，这些功率级能够通过光学地组合在每个颜色通道中的多个激光器阵列的输出实现。
空间光调制器150可以是诸如dmd或反射性微镜阵列50的其他类型之类的微机电系统(mems)设备。在dlp类型设备的情况下，调制可以提供被引向显示器表面的开启状态光或者图像光和被引向光束捕集器(未示出)的关闭状态光。投影仪100可以是“三芯片”系统--为每个颜色通道提供空间光调制器150：红色150r、绿色150g和蓝色150b。这些调制器器件可能经受供应商测试以标识适合特定颜色通道的特定设备。例如，由于人眼对蓝色感知有最低的成像分辨率，蓝色特定的设备(空间光调制器150b)可以具有最多像素缺陷(例如，死的或者无反应的微镜55)。承载通过空间光调制器150的被寻址像素施加到传输的光中的图像数据的调制图像光可以组合以沿着光轴140穿过公共光学路径，从而经过成像透镜170并且到远处的显示器表面190(诸如投影屏幕)上。在图示的示例中，二向色组合器包括第一组合器166以及第二组合器167，组合器的每个可以是具有合适的薄膜光学涂层的二向色元件，该薄膜光学涂层根据光的波长选择性地传输或反射光。
反射镜130可以不位于光学系统的平面内。如由图2可能另外暗示的，用于绿色通道的光学路径中的反射镜130可以在平面外并且不阻挡传递到投影透镜170的光。此外，虽然二向色组合器165作为一对倾斜的玻璃板示出，但是可以使用包括x-棱镜、v-棱镜或者飞利浦(或氧化铅摄像管)类型棱镜其他结构。在其他方面，反射镜130可以以诸如与飞利浦棱镜和dmd器件组合使用的tir(全内反射)棱镜之类的棱镜形式提供。
在图2中，成像透镜170作为包括多个透镜元件175的多元件组件描绘，多个透镜元件175能够将在它们相应的物体平面处的空间光调制器150r、150g和150b直接以高放大倍数(通常100倍-400倍)成像到图像平面(显示表面190)上。成像透镜170包括孔径180，孔径180可以是限制由成像光学器件支持的f数或数值孔径(na)的孔径光阑。例如，孔径180可以包括可变光阑或在外边缘处阻挡光以定义限制性的光学孔径的固定直径环。成像透镜170是示例，并且诸如反射性光学器件、反射折射性(反射性以及折射性)光学器件或者中继光学器件和投影光学器件的组合之类的其他光学器件可以备选地使用。投影仪100也可以包括一种或多种去斑光学器件(未示出)以减少激光器散斑噪声的影响。
图3a至图3b更详细地描绘了来自微镜阵列50的一部分的光反射和衍射的方面。图3a提供了来自当作为闪耀衍射光栅考虑时的dmd的衍射的几何形状的示例。入射光束20可以以相对于设备法线的角度θi入射到微镜阵列50。微镜阵列55的一部分可以激活以倾斜到开启状态，其中反射镜倾斜角度(例如12°)与光栅闪耀角度θb等效。作为衍射光栅，衍射方向性可以通过光栅等式mλ＝d(sinθi±sinθm)建模，其中m是衍射阶、d是光栅间距、θi是入射角以及θm是输出衍射光角。闪耀光栅可以具有常规光栅的间距d，但也具有将光学通量引向特定阶中的倾斜表面，从而在减小到其他阶(尤其是第零阶)的剩余功率的同时，增了它的效率。对于处于开启状态60下的微镜55，入射光可以在由镜面反射指示的方向上名义上重定向成开启状态光，但是具有通过衍射改变了的效率。由于一些光被引向其他衍射阶(闪耀随后部分地还原这些衍射阶)，衍射效应能够引起相对于平面镜面的效率损失。
如在图3b中所示，可以产生多种出射光束25或输出衍射阶(m)，包括对应于处于无动力状态下的反射光方向的零阶束(m0)。图3b图示了一组6个衍射阶的示例，其中三个阶(m＝2、3、4)可以变成通过光学器件80的孔径85收集的开启状态光60的圆锥体。
来自可以是可变二维光栅结构的微镜阵列50的衍射可能比图3b提出的更复杂。例如，衍射可以在两个维度而不是在平面中出现。图4描绘了衍射图案200的图像，衍射图案200是通过将准直激光束引向微镜阵列50的开启状态像素处产生的二维衍射斑点阵列，从而产生了开启状态衍射光60、弱无动力状态光62(零阶)、弱关闭状态光65以及众多的其他衍射阶。虽然衍射阶的基本位置可以通过光栅等式预测，但是当会聚光或发散光被引导在设备处时，代表可能有用的收集的光的有效开启状态衍射光60可以横跨更大的区域(衍射图案200a)。因为衍射效率和输出方向作为入射光(δλc)的波长和带宽、由于使会聚光束(例如在f/6)聚焦在微镜阵列50上而引起的入射角(θi)的变化、微镜55的倾斜度变化和表面质量变化以及众多其他的因素的函数变化，该可能收集的衍射图案200a可能更加复杂。结果，方向性、效率以及朝向孔径85的大体方向的衍射光的整体光的轮廓可能难以预见。此外，对闪耀衍射光栅可用的发表的理论和实验数据几乎都专门针对特定情况：littrow配置，其中闪耀角度被选择以使得衍射角度和入射角度相同并且衍射光束实质上溯源反射到入射光束上。m.bottema在spieproc.第240卷第171-176页(1980)发表的文章echelleefficiencyandblazecharacteristics(分级光栅效率以及闪耀特性)为分级式闪耀光栅的衍射效率提供了模型，但是作为从littrow情况的偏离。然而在投影仪中微镜55并没有以接近littrow情况的定向使用，并且它们远比在玻璃中蚀刻的固定光栅结构更复杂。
鉴于预测来自如在投影系统中使用的微镜阵列50的衍射的细节的困难，可以替代地采取几个dmd器件的详尽的实验室测试(bench-test)实验性测量。作为第一个示例，图5a描绘了在开启状态下用4k分辨率dmd光生成的衍射图案，该dmd光由以约24°的复合入射角入射到设备的小部分上的绿色543nm激光的会聚f/6光束照射。在该情况下，发生左手性衍射图案210，其中主要的第二衍射阶235和第三衍射阶240排列在从第一衍射阶230向左和向下并且被定位成更靠近对于无动力状态62的衍射阶(零阶)。图6a描绘了关联的沿着图5a的轴a-a扫描的横截面衍射轮廓250，该轮廓具有约±5°宽的显著的衍射峰255以及向左侧变小的明显的衍射尾260。作为第二个示例，对于入射到第二4k分辨率dmd器件的绿色543nm激光的f/6光束，图5b描绘了衍射图案并且图6a描绘了关联的衍射轮廓250。在该第二种情况下，发生右手性衍射图案220，其中主要的第二衍射阶235和第三衍射阶240排列在从第一衍射阶230向右和向上并且被定向为远离对于无动力状态62的衍射阶(零阶)。衍射的手性可以是可见的或者在一个平面内的衍射阶的排列的空间描述，但是开启状态阶的集合可以描述复杂形状的光束或远离调制器传播的光的圆锥体。图6a和图6b的图像从彩色图像转换成灰度等级，并且在纸上的表观密度可能不能精确地显示光强度。
关于图4的衍射图案200，左手性衍射轮廓210和右手性衍射轮廓220是衍射图案200的示例部分(200a)，该衍射图案200的示例部分(200a)对具有会聚入射光而不是准直光的开启状态60经历的成像是潜在地可收集的。在图4的上下文中，左手性衍射图案210具有更接近无动力状态62的第二和第三衍射阶并且右手性衍射图案220具有更远离无动力状态62的第二和第三衍射阶。
左手性衍射图案和右手性衍射图案的存在可以使收集光学仪器的限制性孔径相对于它能够支持的数值孔径或f数难以优化，尤其由于可能需要高透射率和关闭状态漏光的抑制的高对比度二者。为了相对于透射率和对比度优化单个限制性孔径以支持对给定入射光谱带宽具有给定衍射偏手性的光的收集，可以理解衍射偏手性的特征尺寸和形状。dmd式微镜阵列可以表现出当施加不同照明光谱带宽时，在尺寸和形状上变化显著的衍射偏手性。优化孔径以为多个传输的光谱带宽提供可接受的对比度和效率可能是困难的。
图7a描绘了利用两个光学孔径85覆盖的图5a的示例绿色左手性衍射图案210。图5a的绿色左手性衍射图案210能够代表复杂光束或从微镜阵列表面传播出并且击中孔径85所属的平面的光的圆锥体，其中一些光被透射并且其他光被阻挡。小的光学孔径可以具有支持名义上只允许第一衍射阶230到下游光学器件80(例如投影透镜70)内的f数(或f#，例如f/6)或者数字孔径(na)的半径。备选地，它可以具有支持更小f数(例如，f/3)或更大na的尺寸，对于其，第二衍射阶235的至少一部分以及或许更高衍射阶的一部分(例如，第三衍射阶240)被收集到光学孔径85中。孔径85描绘成圆形，但是可以使用椭圆形或更复杂的形状。图7b，针对提供图5a左手性衍射图案210的设备的绿色激光测试描绘了光收集效率相对f数，示出随着f数的降低，到收集孔径85的光收集效率(左手性效率270)增加。该效率测量可以通过保持照明f数在恒定f/6并且改变收集f数来完成。类似地，图7c针对在绿色光下的左手性对比度280示出了示例数据，说明当设备处于关闭状态时，随着f数增加，对于到收集孔径85中的光的泄露的关闭状态对比度增加。总结该数据，更大的f数能够提供更好的对比度，但向孔径85提供更少的收集效率。
可以针对提供绿色左手性衍射图案220或右手性衍射图案220的微镜阵列50检查效率和对比度。例如，图7b针对提供图5b右手性衍射图案220的设备的绿色激光测试描绘了效率相对f数，示出随着收集f#的降低(对应于更大的孔径85)，绿色激光收集效率(左手性效率270)增加。对于左手性衍射图案210在f/6处约62％的左手性收集效率270比对于右手性衍射图案220的约57％的右手性衍射效率275更高。一般地，该差异对更大的f数(更小的孔径85)能够保持，但是对于f/3孔径两条曲线会聚到接近相同的效率(约71％)。跨设备组，对于衍射的f/6绿色照明光的f/6收集的效率的范围在56-65％之间。
关于图7c，对于更大的f数，对于具有图5b的绿色右手性衍射图案220的设备的关闭状态泄露右手性对比度285也增加，但是该对比度比左手性的情况(280)经历的更低。因而，在任一情况下，针对光效率(例如在f/3)优化f数可以降低与圆形孔径85的对比度，并且针对对比度(例如在f/6)优化f数会降低效率。
已经检查了dmd微镜阵列50的适中尺寸的样本组并且左手性衍射的设备或右手性衍射的设备的数量看起来差不多相同，但是其中数据一致地示出左手性设备在绿光下比右手性设备在绿光下表现出更高的收集效率和更高的对比度结果。这表明4kdmd微镜光学调制器阵列可以针对绿色光性能进行测试和分类，其中表现出左手性衍射的设备能够提供明显更高的效率和对比度。
在具有7.5μm像素间距以及以约24°的复合入射角入射在543处的绿色光的4kdmd微镜阵列50的情况下，参数的组合基本上可以满足闪耀条件，从而最大化到一个阶(第一阶230)中的光，其中会聚入射光的存在增加了向其他衍射阶中的传播。通过比较，去往4kdmd器件的在630-640nm范围内的入射红色光可能不处于闪耀条件，并且比用绿色光看到的更多的光可能分布在第一衍射阶220以外。
特别地，当暴露于绿色激光、红色激光或蓝色激光时，4kdmd微镜阵列50的样本组中的设备可以针对衍射、光收集以及对比度性能进行测试。图5c描绘了在开启状态下用4k分辨率dmd光产生的衍射图案，该dmd光利用以约24°的复合入射角入射到设备的小部分的红色632nm激光的会聚f/6光束照明。在该情况下，可以发生右手性衍射图案220，其中主要的第二衍射阶235和第三衍射阶240排列在从第一衍射阶230向右和向上。图6c描绘了关联的沿着图5c的轴a-a扫描的横截面衍射轮廓250，其中衍射峰255和衍射尾260比在绿光下看到的更宽。作为入射红色632nm激光的f/6光束的第二个示例，图5d描绘了衍射图案，并且图6d针对不同的微镜阵列50描绘了关联的衍射轮廓250。在该第二种情况下，发生左手性衍射图案210，其中主要的第二衍射阶235和第三衍射阶240分布在从第一衍射阶230向左和向下。图5c至图5d的红色衍射图案比图5a至图5b的绿色衍射图案更大并且更复杂，部分因为按比例更多的光存在于第二衍射阶235和第三衍射阶240中并且因为更多的光存在于交叉阶245中，因此提供了与图5a至图5b的更整洁的那些相比“杂乱的”衍射图案。
与绿色激光测试一样，可以针对等效于在f/6到f/3范围内的不同f数的不同大小的孔径85而针对入射会聚红色激光测量对于关闭状态泄露的收集效率和对比度。图7d描绘了光收集效率相对f数，并且示出了在大f数(例如f/6)下，表现出红色右手性衍射的设备具有的右手性收集效率270(约44％)比表现出红色左手性衍射的设备具有的左手性收集效率275(约41％效率)更高。与绿色激光测试一样，左手性曲线和右手性曲线在f/3处会聚到相同的近似效率(约70％)。对于整个设备组，f/6衍射照明红色激光的f/6收集的效率结果可能比在绿色光下看到的更低(39-47％)。对于该设备组，红色右手性设备可以具有比红色左手性设备更高的光效率，尽管两个组可能十分接近以致在f/6处看到的效率的范围有点重叠。
可以针对红色左手性设备和红色右手性设备检查对比度。在图7c中描绘了在红光下是左手性的微镜阵列的对比度的示例曲线，作为左手性红色对比度287。在红光下，与在绿光下一样，对比度随着f数的增加而增加，尽管红光对比度一般比绿光对比度更低。提供红光右手性衍射的设备趋向于具有比具有红色左手性衍射的设备更高的红光对比度。尽管图7c未示出红光右手性对比度曲线，但是红色右手性对比度能够满足或超过在图中示出的绿色右手性对比度285。在红光下提供右手性衍射的微镜阵列器件可能表现出比在红光下提供左手性衍射的设备更高的光效率和更高的对比度。但是，该差异可能较小，并且组发生重叠，其中一些红色左手性设备具有比一些红色右手性设备更高的对比度和效率。在543nm绿色下是左手性的微镜阵列器件在632nm红色下可以是右手性的，意味着表现最好的给定设备在绿色和红色下都倾向于这样做。虽然这可能造成设备选择冲突，但是左手性相对右手性的差异可能在绿光下更明显，而在红光下不那么明显，表明在选择用于红光使用的设备时有更大的余地。
同一组dmd微镜阵列50可以通过暴露于蓝色464nm激光来测试。如在图5e和图6e中所示，在蓝色激光下看到的左手性衍射图案210和衍射轮廓250可以与在绿色激光下看到的衍射图案(图5a、图5b)相似。然而，图5f和图6f描绘了与在红光下看到的那些相似的蓝光右手性衍射图案220和衍射轮廓250。这些相似性在图7e中反映，其中收集效率与蓝色偏手性映射，其中蓝色左手性设备具有约62％的对于衍射蓝色f/6照明光的f/6左手性收集效率270，与绿色左手性设备相似；而蓝色右手性设备可以具有约45％的右手性收集效率275，与红色右手性设备相似。未表现出蓝光左手性反而表现出蓝光右手性的微镜阵列50可以表现出比在红光或者绿光下看到的更大的衍射光分布范围。特别地，不明显是蓝光左手性的设备可以是如图6f所描绘的蓝光右手性设备，或者可以具有其中衍射阶的排列提供接近对称的衍射光分布(至少沿着两个轴)的中间偏手性，。
在蓝光下可以针对这些设备检查对比度。尽管蓝色对比度的曲线未在图7c中示出，但是具有蓝色左手性的设备可以具有比具有蓝色右手性的设备更高的对比度(约1.5倍)；然而最好的蓝光对比度可能比红光或绿光下获得的更低。尽管这是不期望的并且在实际的投影仪中可能发生或可能不发生，人眼对蓝光对比度可以比对红光对比度或绿光对比度的敏感度更低并且该差异是可接受的。
对蓝色激光是左手性的并且具有最优蓝光效率性能的微镜阵列50可以是在绿光下是右手性的并且具有最差绿光效率性能的同一设备。尽管左手性衍射微镜阵列器件在绿光和蓝光下都是有利的，但是该两组可以是相互排斥的并且不针对同一设备竞争。通过比较，由于偏手性偏向在红色下看起来较弱，用于红色设备的其他选择标准(例如，像素缺陷)可以具有更高的优先级。
在用红光(632nm)、绿光(543nm)或蓝光(464nm)曝光的变化设备中，左衍射偏手性或右衍射偏手性、收集效率和对比度可以是波长相关的。可以由光束捕集器67收集的代表关闭状态光65的光的有角度地传播的“圆锥体”的尺寸和形状也可以在尺寸和形状上变化，取决于激光器照明的微镜阵列50的偏手性。衍射偏手性可以在一种颜色内变化。例如，设备可以在448nm的蓝光下测试。对于同一设备，在448nm处可以获得与464nm处相似的收集效率，但是衍射偏手性发生切换，其中在464nm处给出左手性衍射的设备具有更高效率，在448nm处成为也可以具有比其他设备更高效率的右手性衍射设备。在该示例中，颜色通道可以是不重叠的，这些测试源之间具有约18nm的光谱间隔δλs。如果两个源具有足够大的光谱带宽(δλc)以跨过该间隔带宽，那么可能出现两个衍射偏手性并且同时和显著地相互抵消。
作为另一个示例，可以针对备选的红色激光波长：664nm替代632nm检查衍射偏手性。波长之间的大光谱间隔(δλs＝32nm)在一种颜色内可以提供不同的偏手性。在该情况下，受测试的微镜阵列50可以表现出红色右手性衍射，但是一些设备可以提供杂乱的左手性衍射图案(与图5c相似)，而其他设备可以提供使得对角阶趋缓的更整洁的右手性衍射轮廓(与图5b相似)。在632nm处(例如图5d)提供杂乱的右手性轮廓的设备可以包括在664nm处具有整洁衍射轮廓的设备。
在考虑图7b、图7d、图7e的效率图表时，可以看出峰值效率在接近f/3，而与曝光波长、红色、绿色或蓝色或者针对该波长经历的衍射偏手性无关。此外，在f/3处，针对波长的峰值效率会聚到相似的窄范围(约69-72％)，而不管在更高f数处看到的效率测量的较宽的范围。在考虑时，图7c的对比度曲线，在高f数处经历峰值对比度。该趋势对于左手性或者右手性可能成立，但是获得的实际对比度数可能在比集中的峰值收集效率获得的对比度数大得多的范围上变化。在后者的情况下，少量的杂散光可以在对比度测量中产生差异，使得结果对令人担忧的测量噪声敏感。结果，相对于传输的光的衍射偏手性的光学孔径或收集f数的优化可以取决于是收集效率还是图像对比度具有更高的优先级还是平衡的优先级可以驱动中间值(例如，f/4.5)。根据哪些光将被用于成像(投影)以及哪些光被拒绝(阻挡)以减少杂散光并且提供图像对比度，光学孔径能够确定衍射光的什么部分在光学上是有用的。
然而可能有其他因素影响该决定。例如，由于铰链变化或其他原因，微镜55的倾斜度可能跨微镜阵列50而变化。对于4k分辨率dmd，通过偏移到更小的微镜尺寸该问题可能已经恶化。作为这些反射镜倾斜度变化的结果，该变化可以在平均反射镜倾斜角度(±12°)附近平均±0.1°，衍射光的方向从像素到像素可能变化，尽管该变化跨设备可以是逐渐的而不是突然的。在图5a至图5f的衍射图案200的情况下，衍射图案可以相对于固定的收集孔径85偏移。扩大孔径可以减小该收集效率变化。然而，如果收集变化效率是适度的、缓慢地变化的并且优选地在时间上是恒定的，则在投影仪100中的统一校正机制可以可靠地补偿该差异。为了图示该问题，图9描绘了使用红色643nm光的f/7照明跨dmd微镜阵列50按位置扫描的光效率变化的示例图表。该图表示出f/6效率295的曲线，其在整个设备上平均是约48％并且在约47％-51％之间变化。使用f/3.5收集孔径，f/3效率290更高(约66.5％)并且变化降低(跨设备<0.5％)。在使用f/5收集的中间情况下，f/5的效率292跨该设备平均是约57％，具有仅±1.0％的变化。尽管在跨样本微镜阵列器件扫描照射光的会聚点时光学效率可能变化，但是衍射偏手性可能跨设备不随着位置变化。设备的衍射偏手性可能不随着变化的入射角变化，尽管照明入射角的调整可以修改衍射光的方向性。入射光是聚焦在微镜表面上还是在这些表面之前还是在这些表面之后也可能对偏手性或效率没有影响。衍射偏手性可能不取决于入射光的极性，尽管收集效率可以是极性相关的。
由于系统光效率和对比度可以依赖于衍射偏手性并且偏手性可以随着入射光谱带宽变化，所以可以实施一种流程以测试和分类设备。具有标称照明f数的光的会聚束可以被引向微镜阵列50的一部分处。该会聚束可以聚焦以照明代表1mm2或更少的区域或者最多几千像素。接下来衍射阶的结果排列可以通过视觉或使用机器视觉系统分类成左手性的、右手性的、中间的或其他。每个设备可以在一个或多个标称波长下测试，以为该设备确定一个或多个特征偏手性或提供它的更详细的数据。在诸如如图2中所示的三基色系统中，其可以是可管理的，但是在六基色(6p)立体系统的情况下，由于每个眼睛接收唯一的波长组(例如r1g1b1和r2g2b2)，可以执行许多的测试。
备选地，该示例方法可以用于在统计上使不同用途的光谱与衍射偏手性和平均设备微镜倾斜度相关，并且然后可以使用测量的反射镜倾斜度数据将设备至少初步地分类。衍射偏手性可以具有一些相关性。例如，在543nm绿色下测试出左手性的设备可能在464nm蓝色下是左手性的或在632nm红色下是右手性的或在448nm蓝色下是右手性的。备选地，与664nm测试一样，偏手性对所有设备可以是恒定的，但是衍射图案和效率相对于交叉阶的强度可能在每个设备的基础上变化。结果，使用单个激光颜色的单个测试可以针对一系列的照明波长情况确定偏手性，并且使大部分的设备能够快速的分类用于使用。另一方面，在543nm绿色下测试出右手性的设备可以产生在其他波长中的更宽范围的衍射偏手性响应，并且更具体的测试可以是为了适当地分类这种设备。用于针对衍射偏手性分类设备的该类型的测试也可以包括光收集效率和对比度的快速测量，以提供另外的特征数据。
作为针对衍射偏手性快速分类设备的另一补充方法，在dmd微镜阵列的情况下，衍射偏手性可以与跨设备的平均反射镜倾斜度相关。随着包括从dc2k到dc4k器件的微镜尺寸已经减小，德州仪器制造满足给定目标开启状态反射镜倾斜度的给定设备或从一个设备到另一个设备提供同样的平均反射镜倾斜度已经变得越来越困难。这些成问题的反射镜倾斜度变化也可以是与使用光刻步骤工艺以图案化大dc4k器件有关的工艺问题。这些反射镜倾斜度变化可能比前几代设备见到的大(>10倍)。例如，具有约11.8°的平均微镜倾斜度的设备可以针对在543nm的绿色提供左手性衍射图案或者针对在632nm的红色提供右手性衍射图案，并且与针对在543nm的绿色给出右手性衍射图案或者针对在632nm的红色给出左手性衍射图案的设备相比，可以提供更有利的效率和对比度结果。这些在543nm和632nm可以提供较差结果的并且可以具有约12.7°的平均微镜倾斜度的后者设备可以是在464nm处是左手性并且提供更高的效率和对比度结果的相同设备。如果通过使用在统计上对设备有效的取样针对特定波长或光谱带宽提前测试确定了优选的衍射偏手性，则随后dmd微镜可以基于测量的反射镜倾斜角分类，其中不同的平均反射镜倾斜角对于不同光谱是优选的，因为它们提供了特征偏手性。具有中间反射镜倾斜度(约12.3°-12.4°)的设备也可以证明对某些光谱有利。平均反射镜倾斜度可能比反射镜倾斜度变化更重要，由于具有±0.05°到±0.20°的平均反射镜倾斜度变化的4kdmd器件可能不会遭受跨设备的显著的偏手性变化并且可以提供跨设备的统一的高效率。平均反射镜倾斜度和反射镜倾斜度变化可以通过将准直光束引导在设备处并且查看出射光的方向性变化来测量。注意到一些dmd微镜阵列可能遭受多达约0.5-1.0°的更大的峰值反射镜倾斜度变化，这可能影响跨设备的偏手性或效率。
总之，两个不相关的技术的演变中的会聚已经引入影响投影系统设计的新问题。一方面，在诸如dc4kdmd器件的微镜阵列中的像素正在被制造成比之前看到的显著更小的微镜。转而，控制设备的制造工艺以限制设备内部或设备之间的像素到像素的变化已经变得更加困难。更小的像素或微镜尺寸，现在在尺寸上在10-20个可见光波长的量级上，固有地比之前产生更多的衍射效应。当这种设备用多色光(例如，来自灯泡的白光)照明时，这些效应大部分被隐藏。然而当诸如来自激光器的窄带宽光被引导在设备处时，显示出了来自这些设备的作为可编程闪耀衍射光栅的衍射。出乎意料地，激光器照明也显示了显著地改变通过孔径收集的光的光效率和关闭状态对比度性能的衍射偏手性效应。此外，取决于哪个给定的光谱带宽被引导在设备处以及该设备的反射镜倾斜度变化，对于任何给定设备，衍射偏手性、效率和对比度都显著地变化，如由在各种激光波长处看到的差异所证实的那样。在使用窄带宽源设计诸如激光投影仪的光学系统时，在不将限制孔径调整到在给定光谱带宽或波长处由给定设备提供的衍射偏手性的情况下，优化光学系统的光效率和对比度性能随后变得困难。本发明解决的正是该问题。此外，本发明也提供了基于在感兴趣的光谱带宽处针对该设备的衍射偏手性将给定的限制性孔径与给定的微镜阵列器件匹配。
如通过调制传输函数(mtf)测量的图像质量可以随着f数变化，由透镜像差和透镜衍射进行缓和。在那方面，图10描绘了针对支持恒定场的投影透镜描绘了mtf300相对于f数的示例曲线，但是针对每个f数针对成像性能进行了再优化。在该图表中，峰值mtf可以在f/5-f/6范围内获得，并且最低的mtf可以在f/2.5处获得。相对于mtf相对收集效率的权衡，在f/3到f/4范围内的f数可以是良好的折衷。
相对于系统f数将各种因素一起考虑，包括mtf、反射镜倾斜度变化、微镜效率和微镜对比度，支持f/3.5到f/5范围内的f数的优化的孔径85可以是好的折衷，其中使用f/4-f/4.5范围的f数。然而，该优化的孔径可以是效率和对比度的折衷，这可以通过相对于入射激光针对微镜阵列50的衍射偏手性进行筛选和选择而获利。可以针对一组微镜阵列器件而不是针对另一组确定与透射的最大f数相关的不同的优化孔径，即便当使用同一组照明光谱时。如果使用两个投影仪来支持6p立体，每个具有它自己的具有互相不同波长的光谱基色组而不是两个投影仪可能不具有相同尺寸的优化孔径。可以相对于入射激光针对衍射左手性选择设备。该过程可以用于蓝色激光通道和绿色激光通道，其中对左手性衍射的偏好可能较强，并且左手性相对右手性的确定可能不冲突。该衍射偏手性可以通过给定设备的标称平均微镜倾斜度的测量或者通过使用具有合适光谱带宽的曝光源的直接测量来至少部分地确定。
如果使用颜色相关的孔径310，则例如在f/3.5-f/4范围内的具有更小f数的更大的光学孔径85的可接受的。例如，如在图8中所示，颜色相关的孔径310可以具有策略性地放置在孔径85附近以帮助增强关闭状态对比度的光阻挡元件320。这些光阻挡元件320可以包括二向色滤光片、光吸收滤光片(例如，使用染料或颜料)、挡板或不透明区域或者它们的组合。这样，光阻挡元件320可以提供选择性的光谱透射和选择性的光谱吸收。例如，诸如在图5e中所示的，光阻挡元件可以有利地放置和成形以阻挡在孔径85的临近包括蓝色左手性衍射图案210的第一衍射阶230和第二衍射阶235的部分内的蓝色杂散光。光阻挡元件320也可以拒绝来自不需要的衍射阶的光或来自交叉阶245的残余光。该阻挡元件的一个可能的目标可以是在对蓝色透射光仅仅有轻微影响的同时，增加针对蓝光的对比度。如果诸如在图5a中所示的绿色左手性衍射图案210大量地叠加在蓝色衍射图案上，则为了增强绿色对比度，阻挡元件320也可以阻挡绿光。然而，由于这些左手性衍射图案是相似的但不相同，阻挡元件可以在不同的位置不同地阻挡或透射蓝光或绿光。在具有632nm光的红色激光的示例中，图5c、图5d的红色衍射图案比绿光的那些更大并且更杂乱。因此，更大的孔径85可以用于红光以支持更可比的透射性。图8中所示的一个或多个光阻挡区域320可以用于透射红光而阻挡绿光和/或蓝光。那么，光阻挡元件可以是至少阻挡蓝光或绿光而透射红光的二向色滤光片或光吸收滤光片。用于这些光阻挡区域320的滤光片可以是通常在玻璃基底上沉积的图案化的薄膜涂层或者图案化的吸收性着色剂。
图8的示例孔径85可以具有可以产生复杂孔径形状的伴随的光阻挡元件320，其能够透射可以光谱地变化的光束或具有复杂外形的圆锥体。孔径85也可以具有更简单的形状以及是如在图7a中所描绘的圆形。在该情况下，孔径可以调整尺寸以允许最大光谱光束(诸如针对图5c至图5d的红色衍射图案的光束)的一部分通过，而经受更少衍射传播的光束(例如，针对图5a至图5b的绿色衍射图案的光束)可以底部填充孔径85。在后者的情况下，可以不均匀地底部填充孔径，从而提供与通过第一(红色)光谱经历的不同的有效f数的不均匀的f数。因此，对于衍射光谱带宽，参考最大的f数、最小的f数或平均f数可以是合适的。那么，例如，针对不同的颜色通道，平均f数可以基于所使用的微镜阵列和针对所使用的光谱由该设备提供的衍射偏手性和衍射轮廓变化。
尽管在图2中所示的示例投影仪是具有红色、绿色和蓝色空间光调制器150或微镜阵列50的三芯片系统，但是可以使用其他投影仪架构。例如，在单个芯片的情况下，彩色顺序投影仪，调制器器件可以针对三种相关光谱带宽针对衍射偏手性进行表征，并且照明光束可以针对特定颜色的衍射特性进行优化。尽管光源已经被描述成激光，但是也可以使用诸如经滤光的led光源或超辐射发光二极管的其他窄带光谱光源。尽管光源已经被描述成可见光源，但是也可以使用无论是紫外还是红外的非可见光源。在这些其他光谱范围内的“窄”光谱带宽可以与在可见光谱范围内的窄光谱带宽不同。
尽管方法已经应用到微镜阵列并且特定地应用到dmd微镜阵列光学调制器，但是在原理上，该方法可以与用于投影和其他目的的其他空间光调制器技术一起使用。随着激光在具有空间光调制器的成像系统中越来越多地使用并且这些调制器器件的像素和子像素特征变得越来越小，光学衍射可能具有越来越大的影响。在设备和光谱频带间发生诸如偏手性或它的等价的衍射图案差异的环境中，可以再次应用颜色相关的孔径的方法。
已经呈现的前文描述的特征，包括图示的特征仅仅是为了图示和描述的目的，并且不意在穷举或者将本发明限制到公开的精确的形式。在不脱离本发明范围的情况下，众多的修改、调整、组合、子组合以及它的使用对本领域技术人员是显而易见的。
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