專利名稱：使用散斑抑制元件上的小透鏡排列的光學(xué)投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及數(shù)字圖像投影，更特別地，涉及一種提供散斑補(bǔ)償(speckle compensation)的相干光投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
常規(guī)的用于將圖像投影到顯示面上的投影透鏡(projection lens)被設(shè)計成相對快速的光學(xué)器件。這一點(diǎn)對于影院投影尤其適用，傳統(tǒng)的膠片投影透鏡可以快至 f/1. 8， 在數(shù)字影院的新興技術(shù)中，透鏡常常為 f/2. 5。這些低"#值和相應(yīng)的高角度的光很大程度上歸因于所使用的大集光率(etendue)的光源(例如各種類型的很亮的弧光燈以及類似的光源)并且希望盡可能地利用這種光。在數(shù)字影院投影的情況下，通過像素化的空間光調(diào)制器來提供圖像內(nèi)容，所述空間光調(diào)制器例如可以是LCD和LCOS調(diào)制器，數(shù)字微鏡器件(DMD)，特別是位于德克薩斯州達(dá)拉斯的德州儀器公司所生產(chǎn)的DLP (數(shù)字光處理器)。基于像素尋址來調(diào)制這些電子光調(diào)制器件的各個像素，以將圖像數(shù)據(jù)賦予通過的光束。為了實(shí)現(xiàn)影院投影，當(dāng)與用于影院投影的大集光率的氙燈光源一同使用時，使用具有 400-600mm2的有效面積的大型器件，以便能夠兼容并且有效利用光。但是，我們已經(jīng)確定，這些大集光率的光源會以各種不利的方式影響投影機(jī)設(shè)計，包括光學(xué)部件的尺寸和成本、這些部件上的熱負(fù)荷和應(yīng)力以及光學(xué)器件所提供的光學(xué)成像性能和圖像質(zhì)量。例如，入射通過空間光調(diào)制器器件的高角度光及其關(guān)聯(lián)的偏振光學(xué)器件(polarization optics)不利地影響投影的圖像質(zhì)量，產(chǎn)生峰值對比度和對比度一致的缺陷。更詳細(xì)而言，數(shù)字投影系統(tǒng)的照明子系統(tǒng)和投影子系統(tǒng)通常比它們在傳統(tǒng)的基于膠片的系統(tǒng)中的等效物更加復(fù)雜。特別地，在數(shù)字系統(tǒng)中，與常規(guī)的投影光學(xué)器件相比，投影透鏡系統(tǒng)通常擔(dān)負(fù)不同的額外要求。作為一個示例，用于數(shù)字系統(tǒng)的投影透鏡通常需要提供長后焦距或工作距離，即最后的透鏡表面與空間光調(diào)制器之間的距離。大多數(shù)情況下需要超過透鏡焦距2倍的工作距離，以便容納許多的光學(xué)部件，這些光學(xué)部件用于將來自不同顏色路徑的調(diào)制光合并到公共光軸上并且根據(jù)所使用的空間光調(diào)制器的類型來提供偏振、濾波以及光的其他調(diào)節(jié)和引導(dǎo)。光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠非常了解，長后焦距和速度要求(低F#)合起來共同推動了使用大元件的復(fù)雜透鏡設(shè)計。作為結(jié)果，用于大型場所和數(shù)字影院投影系統(tǒng)的投影透鏡是十分昂貴的，特別是當(dāng)與常規(guī)的投影透鏡(例如基于膠片的投影機(jī)中所使用的投影透鏡)相比時更是如此。作為降低這種問題的嚴(yán)重程度的一種嘗試，如CcAb的名稱為“Projection Apparatus Using Spatial Light Modulator”屬于同一受讓人的美國專利6，808，269 中所描述的系統(tǒng)使用了成像中繼透鏡。通過中繼透鏡對每個調(diào)制器成像，以在組合器棱鏡的出射面附近產(chǎn)生實(shí)空間放大中間像。調(diào)制器平面處的大數(shù)值孔徑(NA)下降例如兩倍，F(xiàn)#相應(yīng)地增加兩倍。通過棱鏡合成三色圖像，并由公共投影透鏡將該三色圖像成像到屏幕上。盡管整個系統(tǒng)的復(fù)雜度由于三次成像中繼而有所增加，但是所增加的復(fù)雜度和成本不止彌補(bǔ)工作在較大的F#而沒有工作距離的要求的投影透鏡的簡單性。作為另一種方法，與常規(guī)光源相比具有有利地小集光率的可見激光器的使用提供了簡化系統(tǒng)光學(xué)器件的機(jī)會，例如通過使投影透鏡像用于基于膠片的投影的透鏡那樣具有類似的適中復(fù)雜程度來實(shí)現(xiàn)。近年來，可見激光光源已在成本、復(fù)雜性和性能方面得到改進(jìn)，從而在包括用于影院的投影中使用變得更加可行。激光器可以為圖像投影提供許多優(yōu)點(diǎn)，包括擴(kuò)大的色域，不過它們的小集光率對于基于LCD、DLP以及其他類型的光學(xué)調(diào)制器的數(shù)字系統(tǒng)而言是特別有利的，可以使用透鏡元件的值在f/8范圍內(nèi)或更慢的更小、更慢、 更便宜的透鏡元件，同時仍為影院應(yīng)用以及其他投影應(yīng)用提供足夠的可見通量的光。應(yīng)注意，激光器還使得投影可以使用其他的調(diào)制器類型，例如光柵機(jī)電(GEMQ調(diào)制器，其為使用衍射以產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)并且需要小集光率的線性陣列器件。激光器為投影系統(tǒng)提供了許多潛在的重要優(yōu)點(diǎn)，包括大大擴(kuò)大的色域、潛在的長壽命的光源以及簡化的光學(xué)設(shè)計。但是，激光器也引入作為來自顯示屏幕的散射表面的局部反射的相干干涉的結(jié)果而出現(xiàn)的散斑。散斑是會使圖像質(zhì)量顯著惡化的高對比度顆粒狀噪聲源。在成像領(lǐng)域中已知的是，能夠以很多方式來抑制散斑，例如通過疊加許多不相關(guān)的散斑圖樣，或者采用頻率或者偏振的變化。Jos^h W. Goodman所著的“Speckle Phenomena in Optics =Theory and Applications”中公開了許多這些方法。作為適合投影的散斑抑制方法的一個示例，顯示屏幕通過振蕩運(yùn)動快速移動，通常是沿著圍繞光軸的小圓或者橢圓來移動。當(dāng)屏幕移動時，由于屏幕運(yùn)動改變了具有散射特征的激光的局部相互作用，散斑發(fā)生變化。當(dāng)該振蕩運(yùn)動足夠快時，通過時間和空間平均降低散斑可見度，對于觀察者而言， 散斑能夠變得無法察覺。另一種散斑抑制策略是在投影機(jī)內(nèi)部的中間像平面處在投影透鏡之前放置光學(xué)漫射器。于是漫射器的振蕩具有降低觀察者對散斑的感知的作用。包括磨砂玻璃、體積、全息和基于小透鏡的器件在內(nèi)的多種光學(xué)漫射器已用于激光投影散斑抑制。作為一個示例，Trsnadi的名稱為“Method，Apparatus, and Diffuser for Reducing Laser Speckle”的美國專利6，747，781所公開的設(shè)備使用以阿達(dá)瑪矩陣 (Hadamard matrix)為圖案的漫射器協(xié)同衍射線性陣列調(diào)制器(GLV)為調(diào)制光的掃描線的中間像提供時間相位變化。該漫射器是由漫射相位單元(diffusing phase cell)的陣列構(gòu)造而成的，每個漫射相位單元分成N個單元分區(qū)，通過阿達(dá)瑪矩陣計算來確定單元分區(qū)的圖案。一個示意性的單元可以是Mym的正方形，包括N = 64個3 μ m正方形的單元分區(qū)。 單元分區(qū)要么是基面的區(qū)域，要么是Pi(Ji)很高的凸起的臺面狀區(qū)域。如果漫射器運(yùn)動和單元圖案所提供的時間相位變化是適當(dāng)?shù)?，則通過的激光束的相位變化被去相關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)散斑抑制。于是需要特殊設(shè)計的投影和掃描光學(xué)器件，以便將每行受調(diào)節(jié)的光投影到顯示屏幕上。典型地，用于這種行掃描設(shè)備的投影透鏡具有2.5的f/#。盡管Trisnadi提供了有效的投影散斑抑制，但是散斑抑制僅為激光投影系統(tǒng)的設(shè)計的一個方面。通過位于之后成像到屏幕上的內(nèi)部中間像平面處的運(yùn)動漫射器來提供的散斑抑制引入各種其他問題， 包括降低圖像質(zhì)量(分辨率或MTF)、來自于漫射(散射或衍射)的光損失以及需要較快的成像光學(xué)器件來收集漫射光。盡管存在許多諸如此類的散斑抑制技術(shù)，但是仍然持續(xù)地需要能夠在抑制對投影圖像的散斑感知的同時還實(shí)現(xiàn)激光投影系統(tǒng)的有利的設(shè)計和系統(tǒng)性能的改進(jìn)技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施例，通過一種用于相干光投影的系統(tǒng)和方法，解決了上述問題，并且獲得了本領(lǐng)域中的技術(shù)方案。在本發(fā)明的實(shí)施例中，相干光源系統(tǒng)發(fā)射相干光。 圖像形成系統(tǒng)以符合圖像數(shù)據(jù)的方式與相干光相互作用。中繼系統(tǒng)從所述圖像形成系統(tǒng)輸出的相干光在中間像平面處形成中間像。所述中間像為空間實(shí)像。散斑抑制元件位于或基本位于所述中間像平面處。當(dāng)所述中間像通過所述散斑抑制元件傳遞或者通過所述散斑抑制元件時，運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)移動所述散斑抑制元件，投影子系統(tǒng)投影所述中間像。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述中繼系統(tǒng)具有第一 f數(shù)，所述投影子系統(tǒng)具有小于所述第一 f數(shù)的第二 f數(shù)。在這些實(shí)施例的某一些中，所述第二 f數(shù)為所述第一 f數(shù)的至少一半。例如，所述第一 f數(shù)可以是f/6或更大，所述第二 f數(shù)可以是f/3或更小。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述中繼系統(tǒng)具有第一工作距離，所述投影子系統(tǒng)具有小于所述第一工作距離的第二工作距離。在這些實(shí)施例的某一些中，所述第二工作距離為所述第一工作距離的至少一半。例如，所述第一工作距離可以是IOOmm或更大，所述第二工作距離可以是50mm或更小。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述圖像形成系統(tǒng)投影具有第一尺寸的初始圖像，在所述中間像平面處，中間像具有大于或等于所述第一尺寸的第二尺寸。在這些實(shí)施例的某一些中，所述第二尺寸符合16mm、35mm或70mm的膠片格式。同樣在這些實(shí)施例的某一些中， 所述投影子系統(tǒng)校正膠片彎曲效應(yīng)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述散斑抑制元件具有通過其來傳遞所述中間像的彎曲表面。在這些實(shí)施例的某一些中，所述投影子系統(tǒng)校正膠片彎曲效應(yīng)，所述彎曲表面補(bǔ)償所述投影子系統(tǒng)的膠片彎曲效應(yīng)校正。所述彎曲表面可以是所述散斑抑制元件通過其來接收所述中間像的表面或者是所述中間像通過其從所述散斑抑制元件出射的表面。所述散斑抑制元件的彎曲表面可以是蝕刻的或拋光的表面，其可以包括隨機(jī)或基本隨機(jī)分布的表面結(jié)構(gòu)，例如小透鏡。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述散斑抑制元件包括形成在所述散斑抑制元件的表面上的小透鏡排列(lenslet arrangement)，所述小透鏡排列包括小透鏡，每個小透鏡具有孔徑。全部或基本全部的小透鏡孔徑中的每一個均大于或等于所述中間像平面處的所述中間像的像素的尺寸。所述小透鏡排列可以具有隨機(jī)或基本隨機(jī)的小透鏡分布。所述小透鏡可以呈現(xiàn)或基本呈現(xiàn)六邊形、直線或?qū)蔷€圖案。以及，所述小透鏡可以是毗連的或者是非毗連的。如果所述小透鏡是非毗連的，則所述小透鏡之間的間隔可以足夠大或者基本上足夠大，以允許從所述間隔的漫射通過并進(jìn)入投影透鏡的接收孔徑。所述小透鏡之間的間隔可以大于或等于所述中間像平面處的所述中間像的像素的尺寸。在一些實(shí)施例中，所述運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)在平面內(nèi)將所述散斑抑制元件移動大于或等于小透鏡重復(fù)周期的距離。在一些實(shí)施例中，所述投影子系統(tǒng)中的透鏡的接收孔徑捕捉由所述小透鏡之間的間隔或者由毗連的小透鏡之間的低谷所導(dǎo)致的漫射。在一些實(shí)施例中，所述投影子系統(tǒng)中的透鏡的接收孔徑捕捉所述散斑抑制圖像的第四級能量或者更低。在一些實(shí)施例中，所述小透鏡排列使散斑抑制圖像的第四級能量或更低級的能量進(jìn)入所述投影子系統(tǒng)的接收孔徑。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)引起所述散斑抑制元件在與所述散斑抑制元件的光軸平行的方向上的運(yùn)動。在這些實(shí)施例的某一些中，該運(yùn)動處于所述投影子系統(tǒng)的焦深以內(nèi)。同樣在這些實(shí)施例的某一些中，該運(yùn)動處于所述中繼系統(tǒng)的焦深以內(nèi)。 運(yùn)動可以進(jìn)一步包括在與所述散斑抑制元件的光軸垂直的方向上的運(yùn)動。本發(fā)明的各個實(shí)施例特別適合于空間光調(diào)制器，例如調(diào)制來自于激光器或其他具有相干性的高亮度光源的光的DLP器件。本發(fā)明的各個實(shí)施例提供的光學(xué)系統(tǒng)能夠使用常規(guī)類型的投影透鏡元件，并且利用了能夠使用激光獲得的高亮度。結(jié)合附圖，閱讀下面的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求，將更加清楚地理解和了解本發(fā)明的上述和其他方面、目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。


結(jié)合附圖考慮下文所介紹的示意性實(shí)施例的詳細(xì)描述，將更容易理解本發(fā)明，其中圖1是顯示本發(fā)明的實(shí)施例中使用的一些共同的部件的圖示；圖2是顯示本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備的圖示，其用于數(shù)字圖像投影，具有抑制的散斑；圖3是顯示本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備的圖示，其具有近似的f#和接收孔徑關(guān)系；圖4是顯示本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備的圖示，其包括具有曲面的散斑抑制元件；圖fe和圖恥分別顯示了內(nèi)部系統(tǒng)圖像，包括中間像和漫射像；圖5c顯示了常規(guī)的基于膠片的投影系統(tǒng)中所發(fā)生的膠片彎曲和膠片成像；圖6a是使用稀疏微透鏡的散斑抑制元件的實(shí)施例的圖示；以及圖6b顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在通過投影透鏡成像的增大的角度差異 (angular diversity)中使用散斑抑制元件。
具體實(shí)施例方式對于接下來的具體描述，應(yīng)理解的是，未具體顯示或描述的元件可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的各種形式。本文所顯示和描述的附圖是為了顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的操作原理以及沿其各自光路的部件關(guān)系，并且可以不顯示實(shí)際的尺寸或比例。為了強(qiáng)調(diào)基本的結(jié)構(gòu)關(guān)系或者操作原理，一些夸大是必要的。為了更加清楚地描述投影光學(xué)器件的操作，在某些情況下不顯示通常位于投影設(shè)備的光路中的部件。本發(fā)明包括本文所描述的實(shí)施例的組合。提及特殊實(shí)施例等等時指的是在本發(fā)明的至少一個實(shí)施例中出現(xiàn)的特征。分別提及“實(shí)施例”或“特殊實(shí)施例”等等時不一定是指相同的實(shí)施例；但是，這種實(shí)施例并不是互相排斥的，除非是這樣指出或者是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易看出的。提到“方法”等等時使用單數(shù)和/或復(fù)數(shù)并不是限制性的。本公開中所使用的術(shù)語“f數(shù)”或f/#具有焦距與接收孔徑直徑之比的常規(guī)含義。 此外，除非上下文明確指出或者要求，詞語“或”在本公開中用作非排他的意義。圖1顯示了本發(fā)明的各個實(shí)施例中所使用的幾個共同的相干光投影系統(tǒng)部件的簡化示意圖。后面的圖和接下來的描述引入添加到圖1所示的公共部件的額外部件。就這一點(diǎn)而言，圖1顯示了具有發(fā)射高度相干的光的相干光源系統(tǒng)的相干光投影系統(tǒng)10。在圖 1的情況下，相干光系統(tǒng)包括分別用于紅色通道、綠色通道和藍(lán)色通道的中每一個的相干光源16r、16g和16b。但是，也可以使用其他的顏色通道。同樣是在圖1的情況下，相干光源
716r、16g、16b是激光源，例如直接發(fā)射二極管激光器陣列、光纖激光器或頂泵浦諧波變頻激光器。不過，可以使用任何具有足夠的亮度和光束質(zhì)量的相干或部分相干的光源。例如， 可以使用可見波長超發(fā)光二極管(SLED)。從相干光源16r、16g、16b發(fā)出的光被圖像形成系統(tǒng)接收，在圖1的情況下，圖像形成系統(tǒng)包括空間光調(diào)制器12r、12g、12b (例如DLP (數(shù)字微鏡)器件)和組合元件(例如二向色組合器14)。每個光調(diào)制器12r、12g、12b分別位于投影系統(tǒng)(在該情形中，投影子系統(tǒng) 20的成像透鏡20a)的物平面5r、5gjb處。另外，每個空間光調(diào)制器12r、12g、12b與屏幕所在的顯示面30處的顯示像平面7像共軛。這種布置可以用于IXD或其他類型的光調(diào)制器。
在相干光投影系統(tǒng)10的操作過程中，光調(diào)制器12r、12g、12b以符合圖像數(shù)據(jù)(例如代表電影中的圖像幀的圖像數(shù)據(jù))的方式與從光源16r、16g、16b發(fā)出的相干光相互作用。就這一點(diǎn)而言，通過諸如控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(未顯示)向光調(diào)制器12r、12g、12b 提供控制信號，所述控制系統(tǒng)使用本領(lǐng)域已知的技術(shù)和設(shè)備以符合圖像數(shù)據(jù)的方式控制光調(diào)制器12r、12g、12b。特別地，光調(diào)制器12包括根據(jù)圖像數(shù)據(jù)信號來調(diào)制入射光的可尋址調(diào)制器像素(未顯示)的二維陣列?？梢酝ㄟ^包括基于傾斜微鏡(DLP)、偏振面旋轉(zhuǎn)(LC0S 或LCD)、光散射、吸收或衍射的重定向在內(nèi)的多種方式來提供光調(diào)制。在二向色組合器14處將來自光調(diào)制器12r、12g、12b的調(diào)制光合并到同一光路，光軸0。通過組合器14合并的光最終到達(dá)投影子系統(tǒng)20，在這種情況下，投影子系統(tǒng)20包括將圖像內(nèi)容的圖像投影到顯示面30上的一對例證性的透鏡20a、20b?？紤]圖1的簡化示意圖，可以更好地了解光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計者所面臨的一些問題。在系統(tǒng)10中，由于來自多個光調(diào)制器12r、12g、12b的光在被投影子系統(tǒng)20投影到顯示面30 之前通過組合器14進(jìn)行合并，因此需要長的工作距離。此外，有利的是，令投影子系統(tǒng)20 在物空間中的大的f#(例如f/6或更高)下工作，從而更容易地和低成本地獲得長的工作距離。另外，通過不捕捉大角度的光，投影子系統(tǒng)20將不會拾取可能從附近的表面結(jié)構(gòu)散射的多余的雜散光。例如，諸如MEMS器件(例如DLP調(diào)制器)的部件、透鏡元件邊緣和缺陷以及其他結(jié)構(gòu)可能散射成像系統(tǒng)內(nèi)的光。這種散射光或閃爍光可能經(jīng)過透鏡到達(dá)屏幕， 并且既會降低大面積圖像對比度(ANSI對比度)，又會降低局部或圖像細(xì)節(jié)對比度，從而影響到明顯的黑屏和可分辨的細(xì)節(jié)。另一方面，為了從相干光源投影子系統(tǒng)20降低散斑可見度，優(yōu)選的是，(大數(shù)值孔徑(“NA”))將會聚光以大角寬提供到顯示面30上。但是，假設(shè)投影子系統(tǒng)20具有恒定的放大倍率，這意味著位于調(diào)制器側(cè)的光的角寬也是大的，例如， 具有低f# (例如f/3或更低)。因此，希望降低潛在的散斑可見度與需要降低透鏡復(fù)雜度和成本是矛盾的，并且使內(nèi)部散射光的收集最小化。圖2的示意性框圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的相干光投影系統(tǒng)50，該實(shí)施例改變了圖1的基本設(shè)計，以便降低散斑可見度。特別地，引導(dǎo)通過組合器14的光通過中繼系統(tǒng)，在這種情況下為中繼透鏡18。包括至少一個中繼透鏡元件Ll的中繼透鏡18被布置成使得每個光調(diào)制器12r、12g和12b作為與在中間像平面21處形成的中間像22像共軛的物。中間像22是通過中繼系統(tǒng)(例如中繼透鏡Li)和其他上游光學(xué)器件在中間像平面21 處形成的空間實(shí)像?？臻g實(shí)像是位于如果將屏幕或其他顯示結(jié)構(gòu)放在相應(yīng)的像平面(在這種情況下為中間像平面21)處則可以看到的空間中的像。在這種情況下，圖fe中顯示的空間中間像22包括中間像像素(intermediate image pixel) 23的陣列，其中中間像像素為調(diào)制器像素的像素圖像。特別地，中間像像素23包括來自于紅色、綠色和藍(lán)色調(diào)制器(12r， 12g，12b)的相應(yīng)像素圖像的重疊和對齊的圖像。優(yōu)選地，相應(yīng)的成像調(diào)制器像素在中間像平面21處的整個中間像22上共同相對齊在1/4像素誤差內(nèi)或者更好。中間像平面21位于或基本位于散斑抑制系統(tǒng)內(nèi)，散斑抑制系統(tǒng)在這種情況下包括散斑抑制元件40和移動散斑抑制元件40的運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)(在這種情況下為致動器49)。當(dāng)轉(zhuǎn)移或通過散斑抑制元件40時，中間像22被投影子系統(tǒng)20投影。中繼透鏡18具有約為150mm的相對較長的工作距離Wa(見圖3)以及約為f/6的相對較慢的透鏡。在一些實(shí)施例中，中繼透鏡18在面對光調(diào)制器12那一側(cè)是遠(yuǎn)心的。圖3顯示了其中的中繼透鏡18具有大于(例如大約兩倍)投影子系統(tǒng)20的f#(即圖3中的第二 f把4)的f#(即圖3中的第一 f#19)的實(shí)施例。換言之，中繼透鏡18的出射角大約為投影子系統(tǒng)20的接收角的一半。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，中繼透鏡18具有f/6 或更大的f數(shù)，投影子系統(tǒng)20具有f/3或更小的f數(shù)。如上文所述，中繼透鏡18可以具有可能需要用來容納從不同的成像通道合并的光束的長的第一工作距離Wa?；蛘撸队白酉到y(tǒng)20具有可能基本小于第一工作距離Wa的第二工作距離Wb。盡管投影子系統(tǒng)20需要容納散斑抑制系統(tǒng)的光學(xué)器件(例如散斑抑制元件40)，并且可能具有場透鏡(field lens)，但是與容納組合器14相比，所需要的空間要小得多。在一些實(shí)施例中，第一工作距離為150mm 或更大，第二工作距離為50mm或更小。由于投影子系統(tǒng)20在光學(xué)上是較快的，但是可能具有更短的工作距離，因此其變得比目前的數(shù)字影院投影透鏡常用的既快速又需要長的工作距離的透鏡更加容易設(shè)計和制造。同樣地，中繼透鏡18的設(shè)計是有利的，因?yàn)槠涔ぷ髟谛〉姆糯蟊堵?lx-2x)。盡管中繼透鏡18仍然提供長的工作距離Wa，但是與常規(guī)的數(shù)字影院投影透鏡相比，該透鏡在光學(xué)上是較慢的，因此中繼透鏡18的制造和設(shè)計不太昂貴。此外，由于光學(xué)組合器14現(xiàn)在是在光路的相對較慢的部分中，因此其中的光學(xué)涂層設(shè)計和制造起來變得容易得多，因?yàn)槠渲恍枰谳^小的角度上進(jìn)行合并。在基于輸入光和輸出光的角度差來區(qū)分輸入光和輸出光的MEM空間光調(diào)制器的情況下，提高了對比度比值。這些f數(shù)和工作距離關(guān)系優(yōu)化了有效成像性能，以提供低成本的光學(xué)設(shè)計簡化、更簡單的光學(xué)涂層以及高對比度比值的高圖像質(zhì)量參數(shù)以及通過下文所述的增加角度差異來進(jìn)行散斑抑制?；氐綀D3，中繼透鏡18引導(dǎo)其光錐，以在散斑抑制系統(tǒng)附近的中間像平面21處形成中間像22，在這種情況下，散斑抑制系統(tǒng)包括被致動器49移動的散斑抑制元件40。散斑抑制元件40通過在時間上改變顯示面30的反射的相干干涉，以降低投影圖像中的散斑可見度的方式(例如通過相位變化、角度變化或兩者)，改變中間像22或者改變來自中間像處的光傳播。運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)(例如圖4中顯示的致動器49)可以是散斑抑制系統(tǒng)的一部分。運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)在中間像通過它的同時對散斑抑制元件40提供振動、轉(zhuǎn)動或其他的重復(fù)或隨機(jī)運(yùn)動，以便抑制散斑。在一個實(shí)施例中，散斑抑制元件40是光學(xué)漫射器，例如體積或表面凹凸漫射器 (例如全息漫射器(holographic diffuser)).在這種情況下，運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)包括本領(lǐng)域中已知的致動器49，以往復(fù)地或者在漫射器的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動地產(chǎn)生漫射器的面內(nèi)運(yùn)動，從而漫射器保持在中間像平面21處或其附近。換言之，“面內(nèi)運(yùn)動”意為例如與散斑抑制元件40 的光軸(在圖2的示例中為軸0)垂直的方向上的運(yùn)動。已知當(dāng)用作散斑抑制元件40時，漫射器改變與每個形成漫射像像素23’的中間像像素23關(guān)聯(lián)的圖像光的隨機(jī)相位，如圖恥所示。該配置中實(shí)際的來自運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)的散斑抑制取決于幾個因素，包括漫射器特征(或結(jié)構(gòu))的屬性(尺寸、形狀和分布)、漫射器運(yùn)動的特性(速度和范圍)、顯示面30上的投影透鏡分辨率元件(projection lens resolution element)(圖像像素)的數(shù)目以及屏幕(顯示面30)上的散射特征的特性。由于散斑抑制元件(漫射器)40的運(yùn)動改變與中間像像素關(guān)聯(lián)的圖像光的相位結(jié)構(gòu)，因此也略微改變了在顯示面30上的入射相位和位置，從而改變了與顯示面微結(jié)構(gòu)的相互作用以及反射光中的散斑干涉。觀察者的有效肉眼分辨率(由觀察者到屏幕的距離以及觀察者的個人視敏度 (例如20-20)所決定)同樣影響散斑可見度。當(dāng)漫射器特征的數(shù)目和顯示面30上的圖像像素增加時，散斑可見度下降，但是最終被限制在非零值。應(yīng)注意的是，盡管光學(xué)漫射器可以用于散斑抑制元件40，但其也以幾種方式影響通過系統(tǒng)50的光傳播。作為一個示例，由于增加了光的角度范圍(或NA)，將漫射器放置在中間像平面21處或其附近本質(zhì)上在系統(tǒng)50內(nèi)定義了新的物，即圖恥中顯示的漫射像22’。 角度范圍的變化可以被建模為光漫射輪廓和入射光分布(中繼透鏡F#(19))的卷積。當(dāng)然，同樣也增加了投影透鏡需要容納的有效集光率。作為第二個影響，增加了中間像平面21 處的中間像像素23的有效尺寸，因?yàn)槁淦魈卣骱吐淦鬟\(yùn)動引入了模糊和對比度損失， 產(chǎn)生了漫射像像素23’。當(dāng)通過投影子系統(tǒng)50將這個新的圖像對象，即具有其漫射像像素 23’的漫射像22’成像到顯示面30時，相對于分辨率(或MTF)而言降低了投影圖像質(zhì)量。再次考慮圖2，中繼透鏡18包括至少一個中繼透鏡元件Li，并且可以包括可選的場透鏡L2，場透鏡L2可以沿光軸0與散斑抑制元件40相鄰，在場透鏡L2與散斑抑制元件 40之間沒有介入的透鏡。在圖2的情況下，場透鏡L2位于散斑抑制元件40與中繼透鏡元件Ll之間，并且以使來自于所得到的漫射像22’的漫射像光進(jìn)入投影子系統(tǒng)20的接收孔徑的方式幫助中間像22定向到散斑抑制元件40中。在其他實(shí)施例中，場透鏡L2可以位于散斑抑制元件40的下游，同時仍位于投影子系統(tǒng)20之前。散斑抑制元件40的輸出是被投影子系統(tǒng)20投影到顯示面30上的相位變化圖像(圖2中未顯示)。盡管中間像平面21處的中間像22的圖像尺寸可以等于、小于或大于光調(diào)制器12 的面積，但是在許多情況下，希望圖像面積等于或大于調(diào)制器12的面積，因?yàn)橥队巴哥R50 所收集的NA可能有所降低。就這一點(diǎn)而言，圖像形成系統(tǒng)(例如光調(diào)制器12r、12b、12g和組合器14)可以朝向中繼系統(tǒng)(例如中繼透鏡18)投影合成初始圖像，初始圖像具有與光調(diào)制器的尺寸相對應(yīng)的第一尺寸。然后，中繼系統(tǒng)(例如中繼透鏡18)可以形成具有大于或等于第一尺寸的第二尺寸的中間像22。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二尺寸，即中間像平面21處的中間像22的尺寸被中繼系統(tǒng)(例如中繼透鏡18)放大到符合電影膠片尺寸(例如16mm、35mm或70mm的膠片格式)。對于16mm、35mm和70mm的膠片格式，這些電影膠片尺寸分別具有13. 73mm、25. 81mm 和52. 80mm的對角線。具有這些電影膠片尺寸的中間像22使得可以在投影子系統(tǒng)20中使用常規(guī)膠片投影透鏡，例如為常規(guī)的16mm、35mm或70mm的膠片投影機(jī)設(shè)計并使用的透鏡， 從而降低成本并且簡化設(shè)計。
特別地，提供從M到IOOmm的近30種不同焦距的一系列基于膠片的投影透鏡，例如德國的khneider Kreuznach所銷售的透鏡，以便適應(yīng)電影工業(yè)中存在的各種各樣的屏幕距離和對角線。這些各種各樣的透鏡使得電影院工作者能夠選擇用于他們的特殊場所的最佳方案。一些諸如可變定焦透鏡(Variable Prime lens)的透鏡還被設(shè)計成處理不同的膠片格式比1 137至1 1.85，而其他的透鏡使用畸變光學(xué)器件來提供1 2. 39格式的寬格式立體聲寬銀幕電影內(nèi)容。相比于更加昂貴和受限的常規(guī)數(shù)字影院透鏡，這種廣泛適用性和格式靈活性提供了顯著的優(yōu)點(diǎn)。Schneider只提供了用于數(shù)字影院的十二個固定透鏡。或許更為重要的是，這些常見的膠片投影透鏡的f數(shù)的范圍典型地在f/1. 7至f/2. 8之間。與常見的漫射器的較常見的隨機(jī)相位移動相反，這一低f數(shù)范圍特別適合于通過使用時間平均角度差異抑制來自相干光源的散斑。但是，這些透鏡只具有30-57mm范圍內(nèi)的后工作距離，其可能太小，以至于無法適用于數(shù)字投影機(jī)屬性，例如從三個顏色來合成光束。 在使用常規(guī)膠片投影透鏡時，也增加了改變格式尺寸的可能性和容易程度。也能夠使用常見的畸變透鏡來切換到如用于特別寬范圍觀看的視野的格式。將常規(guī)膠片投影透鏡用于數(shù)字影院用途中的一個考慮是許多較高質(zhì)量的常規(guī)膠片投影透鏡被設(shè)計成用來補(bǔ)償圖5c中所顯示的膠片曲率或“彎曲”。當(dāng)照射膠片60的圖像區(qū)域時，膠片感光乳劑根據(jù)圖像內(nèi)容來吸收光。所產(chǎn)生的熱導(dǎo)致彈性聚合物片狀材料的膠片從平面彎曲或凸出某一距離“d”。圖像區(qū)域通過片門裝置(aperture plate)62相對于周圍的用于聲軌、穿孔和分幀線的未照射區(qū)域的不均勻照射和不均勻加熱使得這種效應(yīng)更加復(fù)雜。照射區(qū)域擴(kuò)大，而固定區(qū)域不擴(kuò)大，迫使成像區(qū)域在光軸方向上移位，從而引入朝向照射源彎曲的高達(dá)d 150-400 μ m的膠片表面曲率。因此，對于投影透鏡20而言，膠片 60現(xiàn)在是成像到屏幕30的彎曲的物。最便宜的膠片投影透鏡常常被設(shè)計成用于平直像平面，因此在成像區(qū)域的外緣導(dǎo)致散焦(假設(shè)放映員將焦點(diǎn)設(shè)定在圖像中心的話)。如果這些透鏡的性能特性合適的話，將這些透鏡與數(shù)字空間光調(diào)制器12聯(lián)用可能是理想的，這樣像平面在投影過程中保持平直。 另一方面，提供最佳投影圖像質(zhì)量的較昂貴的膠片投影透鏡20也被設(shè)計成用于使在a 1 英寸寬的區(qū)域上具有膠片彎曲深度d 100-200μπι的凹陷的彎曲的物(膠片60)最優(yōu)地成像，以補(bǔ)償膠片彎曲效應(yīng)，例如由于照射系統(tǒng)加熱所引起的膠片平面偏差。對于用于數(shù)字投影的本發(fā)明而言，可以幾種方式調(diào)節(jié)將成像平面(平坦)光調(diào)制器12與共同對齊到膠片型投影透鏡所期望的彎曲的物平面的中間像平面21的不太可能的組合?？紤]圖2，中繼透鏡18與投影子系統(tǒng)20相比是相對較慢的。在中繼透鏡Ll的情況下，由于透鏡Ll的焦距較大，因此校正100-200 μ m的小的像平面凹陷不是那么重要?；脽羝琭e中顯示了焦深(DOF)，由下式來定義焦深(DOF)
Φ
DOF = 士-TTT2 * tan(arcsin -)其中Φ =模糊圈直徑。為了可以分辨，呈現(xiàn)到中間像平面21上的中間像像素23 的尺寸將約等于模糊圈直徑，如果不是更大的話。例如，如果空間光調(diào)制器12包括以1. 2x 放大倍率成像到中間像平面21上的10 μ m像素的陣列，則所得到的12 μ m的中間像像素在尺寸上應(yīng)該能夠與模糊圈直徑(Φ)相比較，或者大2-3x。焦深是Z方向上的距離，在Z方向上，模糊斑點(diǎn)(blurred spot)的尺寸增加視為能夠容忍的某個確定的量。衍射、像差或散焦或其組合可能會不同程度地導(dǎo)致斑點(diǎn)模糊。例如，瑞利(Rayleigh)的四分之一波長判斷標(biāo)準(zhǔn)是成像系統(tǒng)中常用的衡量標(biāo)準(zhǔn)。使用上式，并且給定f/6中繼透鏡18，中間像平面 21處的焦深將為大約120 μ m，其與標(biāo)準(zhǔn)膠片投影透鏡曲率相似。因此，在這種情況下，中繼透鏡18在焦深內(nèi)大致上適應(yīng)于像平面曲率，而不需要明顯的校正。名義上，中繼透鏡18沿光軸0軸向放置，從而中繼透鏡18所提供的最佳質(zhì)量圖像位置(最佳MTF)與投影透鏡20 的最佳物共軛平面位置基本重疊。中繼透鏡18還可以被設(shè)計成為膠片型投影透鏡20呈現(xiàn)調(diào)制器12的具有適當(dāng)?shù)那实膹澢?。另一方面，?dāng)這些投影透鏡的焦深(DOF)是相對較小的時候，可能容易忘記校正被設(shè)計成使彎曲的物最優(yōu)成像的投影透鏡20與平面中間像之間的不匹配。例如，使用 12 μ m的中間像像素尺寸和f/1. 7的投影子系統(tǒng)20，焦深僅為大約36 μ m。這一小焦深證明需要使膠片型投影透鏡20的彎曲最佳成像面與中間像22及散斑抑制元件40的表面相匹配。在圖4中顯示的一個實(shí)施例中，散斑抑制元件40具有彎曲表面43，通過該彎曲表面43來接收中間像22。在其他實(shí)施例(未顯示)中，散斑抑制元件40具有彎曲表面，漫射像22’或中間像22通過該彎曲表面出射以被投影透鏡20成像。在每種情況中，曲率可以是凸的或凹的。無論怎樣，彎曲表面具有與這些商業(yè)上可獲得的膠片型投影透鏡被校正的膠片彎曲曲率匹配或基本匹配的曲率?？梢砸噪S機(jī)或規(guī)則的圖案在彎曲表面43上設(shè)置表面結(jié)構(gòu)。在一個實(shí)施例中，在一般的彎曲的頂部形成小透鏡。在一替代實(shí)施例中，表面結(jié)構(gòu)可以是通過蝕刻、拋光或模制的相位深度。在使用蝕刻或拋光工藝來制造散斑抑制元件40 的彎曲表面43的情況下，器件制造可以是相對簡單的。相比而言，制造光刻彎曲散斑抑制元件40的表面特征可能是困難的，因?yàn)檫@種工藝主要是對平的晶片有效?？梢栽谄降囊r底上形成散斑抑制元件40的表面特征的光刻圖案，然后通過復(fù)制和模制工藝來制造柔性或彎曲的散斑抑制元件40。例如，然后可以使用柔性原版來將散斑抑制表面特征鑄造到球面平面底部或具有包含光功率(optical power)的第二表面的平面上。因此，可以制造具有對彎曲像平面的光學(xué)校正的便宜的復(fù)制散斑抑制元件40。作為在散斑抑制元件40上產(chǎn)生彎曲表面的替代，一種替代方法是加入校正透鏡系統(tǒng)(圖2中的L2可被配置作為這種校正透鏡)，以校正商業(yè)可獲得的膠片投影透鏡的這種預(yù)先存在的像彎曲。與散斑抑制元件40分開的該校正透鏡系統(tǒng)只需要是置于中繼透鏡元件Ll和常規(guī)的投影子系統(tǒng)20之間的具有非常小的光功率的簡單的校正透鏡。就這一點(diǎn)而言，校正透鏡系統(tǒng)(例如L2)可以位于散斑抑制元件40的上游或下游，并且可以在光軸0 的方向上與散斑抑制元件40相鄰，在校正透鏡系統(tǒng)與散斑抑制元件40之間沒有介入的透鏡。另外，校正透鏡系統(tǒng)可以包括只有一側(cè)彎曲或兩側(cè)都彎曲的透鏡，取決于設(shè)計選擇，這種彎曲可以是凸的或凹的?；蛘?，正如所有的透鏡系統(tǒng)那樣，可以使用不止一個透鏡。因此， 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，本發(fā)明不限于校正透鏡系統(tǒng)的任何特殊實(shí)施方式，只要其補(bǔ)償上文所討論的標(biāo)準(zhǔn)影院膠片型投影透鏡的膠片彎曲校正即可。此外，取決于所選擇的特殊的商業(yè)可獲得的透鏡，對于投影系統(tǒng)20而言，該校正透鏡系統(tǒng)可以是標(biāo)準(zhǔn)的或者是可選的?；氐疥P(guān)于散斑抑制元件40的一般討論上，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，不管膠片彎曲校正，也不依賴于所使用的中繼和投影透鏡的類型，這種元件40位于或基本位于中間像平面21處。此外，不管膠片彎曲校正，也不依賴于所使用的中繼和投影透鏡的類型，散斑抑制元件40可以是漫射性的，例如通過包括漫射器來實(shí)現(xiàn)，或者是折射性的，例如通過在其上包括小透鏡排列44來實(shí)現(xiàn)，如下文所述。在散斑抑制元件40為漫射性的實(shí)施例中，這種元件40提供中間像22的相移和衍射。如上文所述，由于致動器49的作用，這種移動是在時間的基礎(chǔ)上發(fā)生的，從而投影子系統(tǒng)20的光輸出的有效的空間相干被眼睛平均，以有效地減少觀察者所感知到的散斑。散斑抑制元件40可以是能夠用許多不同的材料(例如玻璃、熔融石英、塑料或環(huán)氧樹脂)制造的衍射元件。對于基于高光度偏振的光學(xué)系統(tǒng)而言，重要的是材料不吸收光，從而產(chǎn)生由應(yīng)力雙折射所引起的熱量。類似地，可以使用各種各樣的方法來制造散斑抑制元件40，例如蝕刻、拋光、模制、光刻和全息照相。此外，對于偏振敏感系統(tǒng)而言，需要不引起應(yīng)力雙折射的方法。可以用隨機(jī)或周期性的圖案制造這些漫射器，以使散斑最小化。如上文所述，關(guān)于圖fe和圖5b，漫射器的使用可能導(dǎo)致圖像模糊和分辨率的損失。另外，常規(guī)的漫射器所引入的增大的角展度(angular spread)盡管對減小散斑效應(yīng)有益，但是也會增大有效的系統(tǒng)Lagrange，并因此增大收集全部的漫射光所需要的圓錐角 (或數(shù)值孔徑(NA))。投影透鏡20 的這種下降能夠增加透鏡制造的成本和難度。例如，常見的磨砂玻璃漫射器本質(zhì)上表現(xiàn)為朗伯(Lambertian)方式，大量的光55逸散到投影子系統(tǒng)20的收集〖數(shù)對以外，如圖3所示。即使是最新的全息漫射器，也可能顯著增加角度范圍，增加溢散光55、光效率損失、投影透鏡孔徑和圖像模糊。光漫射或散射的發(fā)生來自于折射和衍射作用的組合，其可以是體積相關(guān)或表面相關(guān)的。從散斑抑制元件40的表面的衍射導(dǎo)致包含較低級(角度)和較高級(角度)內(nèi)容的角展度。普遍已知的是，對于來自于圓形孔徑的衍射而言，來自于衍射光的大概99%的能量落在孔徑所形成艾里斑(Airy disk)圖案的第4個暗環(huán)以內(nèi)?？赡苄枰獙⒙浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計成使得衍射的角展度大部分處于投影子系統(tǒng)20的接收孔徑(F#24)以內(nèi)。例如，在一些實(shí)施例中，散斑抑制元件40是顯著地衍射性的，散斑抑制元件40將來自第4級及更低級的能量引向投影子系統(tǒng)20的接收孔徑中。需要更低f數(shù)的投影透鏡中的能量收集存在報酬遞減。盡管漫射散斑抑制元件40減少感知到的散斑是有效的，但是由于可能溢出投影系統(tǒng)20的衍射，從中間像22產(chǎn)生漫射像22’的表面處理和結(jié)構(gòu)類型常常產(chǎn)生能量損失。該漫射像22’本質(zhì)上成為相對于投影子系統(tǒng)20而言的物，具有新的波前和圖像質(zhì)量參數(shù)。來自于中繼透鏡18的像差被傳給了漫射像22’的漫射像像素23’的像素結(jié)構(gòu)、尺寸和形狀， 但是由于漫射散斑抑制元件40丟失了原始的相位(波前)內(nèi)容，因此無法優(yōu)化投影子系統(tǒng) 20，以對其進(jìn)行校正。使用漫射散斑抑制元件40的散斑抑制的一種替代方法是使用折射散斑抑制元件 40，在對中間像22進(jìn)行角位移的同時保留至少一些原始相位內(nèi)容。和前面一樣，可以將折射散斑抑制元件40放置在中繼系統(tǒng)(中繼透鏡18)和其他上游光學(xué)器件形成中間像22的中間像平面21處。與漫射散斑抑制元件40所產(chǎn)生的漫射像22’不同，置于或基本置于中間像平面21處的折射散斑抑制元件40在傳遞中間像22的同時，保留了中繼透鏡18所投影的重要的波前數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，這種折射散斑抑制元件40是包括小透鏡排列(圖3、圖6a和圖
136b中的44)的結(jié)構(gòu)化的窗口元件45，所述小透鏡排列如上文關(guān)于漫射散斑抑制元件40所描述的那樣在時間上移動。與產(chǎn)生隨機(jī)相位移動的漫射散斑抑制元件40不同，這種結(jié)構(gòu)化的窗口元件產(chǎn)生時間變化的角度差異，其改變?nèi)肷涔馀c顯示面30的微結(jié)構(gòu)的相互作用，因此改變反射光干涉，從而抑制散斑。如圖6a所示，結(jié)構(gòu)化的窗口元件45可以由形成在襯底46上的小透鏡41構(gòu)造而成，每個小透鏡41具有孔徑A。因此，如圖6b所示，每個小透鏡41充當(dāng)子孔徑場透鏡，當(dāng)致動器49移動結(jié)構(gòu)化的窗口元件50時，子孔徑場透鏡使投影透鏡20所收集到的成像光繞投影透鏡的接收孔徑偏轉(zhuǎn)。小透鏡41對通過中繼透鏡18形成的至少一個中間像像素23 進(jìn)行采樣，然后在時間變化的基礎(chǔ)上，協(xié)同這種結(jié)構(gòu)化的窗口元件45被運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)(例如致動器49)導(dǎo)致的運(yùn)動，使與給定的中間像像素23關(guān)聯(lián)的光的角度范圍(圓錐角或立體角25)的方向改變到投影子系統(tǒng)20的相對較大的接收孔徑(捕捉的立體角沈)的不同部分(偏轉(zhuǎn)的立體角25’)中。因此，當(dāng)通過散斑抑制元件的小透鏡41的排列傳遞中間像22 時，運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)使中間像22的成像光轉(zhuǎn)向到到投影子系統(tǒng)20的接收孔徑中。然后當(dāng)通過移動的散斑抑制元件傳遞到顯示屏幕上時，投影子系統(tǒng)20將中間像的轉(zhuǎn)向成像光投影， 顯示屏幕反射散斑減少的圖像。由于小透鏡41主要提供光束轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)，而不是漫射的機(jī)構(gòu)，因此對于給定的場點(diǎn)(給定的中間像像素23)而言，取決于時間上距給定點(diǎn)處的給定像素最近的小透鏡的位置，無論成像光是被向上偏轉(zhuǎn)、或是向下偏轉(zhuǎn)、或是向側(cè)面偏轉(zhuǎn)、或是最低限度地偏轉(zhuǎn)、或是根本不偏轉(zhuǎn)，都在與顯示面30上基本相同的位置形成相應(yīng)的屏上圖像。因此，通過每個移動小透鏡41與投影子系統(tǒng)20的組合，以最小的圖像質(zhì)量損失發(fā)生提供到圖像投影面30(圖1中顯示的)的角度轉(zhuǎn)向控制。任何的圖像質(zhì)量損失都將是至少部分地由于每個小透鏡41所提供的光功率的小的變化而引起的。殘余的漫射效應(yīng)也可能增加從中間像像素23收集的立體角，或者降低圖像質(zhì)量。如上文所述，折射散斑抑制元件40可以是具有小透鏡41的結(jié)構(gòu)化的窗口元件45， 每個小透鏡41具有孔徑A，如圖6a所示。該孔徑的尺寸與常見的漫射器表面(如刻花玻璃)的表面結(jié)構(gòu)相比是相對較大的。盡管小透鏡孔徑A可以是圓的、正方形的或其他形狀的，理解如下性質(zhì)是有益的提供像素尺寸的適當(dāng)采樣以抑制散斑，并且將大多數(shù)的光傳遞到顯示面30。用于圓形孔徑的衍射方程顯示，小透鏡直徑(孔徑A)與第4個暗環(huán)的角展度之間的關(guān)系由下式給出A = 4. 24* λ / α其中A=小透鏡直徑或孔徑α=角展度(弧度)λ =興趣波長例如，如果透鏡20a為f/2. 8透鏡，則其具有大約0. 18弧度的接收角α。對于波長為0.000550mm的光而言，最小的小透鏡尺寸(直徑A)為大約13μπι。該尺寸與空間光調(diào)制器像素(5-15 μ m)或者其圖像(例如中間像像素)相似。在基本小于大約13 μ m的尺寸，大量的光被衍射或散射并且損失掉。因此，一種方案中具有的每個小透鏡對中間像平面 21處的中間像22的一個或多個中間像像素23進(jìn)行采樣。換言之，每個或者全部或者基本全部的小透鏡孔徑A大于或等于中間像平面21處的中間像像素23的尺寸。在一些實(shí)施例中，有利的是令小透鏡孔徑A大于中間像平面21處的中間像的N2個中間像像素的尺寸。在一些實(shí)施例中，N為 2-4。由于小透鏡孔徑A對于中間像像素23的尺寸而言是相對較大的，因此像素23本質(zhì)上將小透鏡41有效地視為窗口。理解小透鏡結(jié)構(gòu)之間的間隙42(如果有的話)的參數(shù)也是有用的。就這一點(diǎn)而言， 可以使用狹縫孔徑衍射模型，其中小透鏡41是直接相鄰的，以提供簡化的分析。就這一點(diǎn)而言，狹縫孔徑表現(xiàn)為與圓形孔徑類似的方式。83. 8%的能量發(fā)生在第一暗環(huán)的內(nèi)部，在該示例中第一暗環(huán)為大約4 μ m，如下式所示Ag = 1. 22*λ / α特定的亮紋內(nèi)的能量的百分比如下所示
權(quán)利要求
1.一種相干光投影系統(tǒng)，包括相干光源系統(tǒng)，其至少被配置為發(fā)射相干光；圖像形成系統(tǒng)，其至少被配置為以符合圖像數(shù)據(jù)的方式與相干光相互作用； 中繼系統(tǒng)，其至少被配置為從來自于所述圖像形成系統(tǒng)的相干光輸出在中間像平面處形成中間像，所述中間像為空間實(shí)像；散斑抑制元件，其位于或基本位于所述中間像平面處，所述散斑抑制元件包括形成在所述散斑抑制元件的表面上的小透鏡排列，所述小透鏡排列包括小透鏡，每個小透鏡具有孔徑，其中全部或基本全部的小透鏡孔徑中的每一個均大于或等于所述中間像平面處的所述中間像的像素的尺寸；運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)，其至少配置為當(dāng)所述中間像通過所述散斑抑制元件的所述小透鏡排列傳遞時移動所述散斑抑制元件并且使所述中間像的成像光轉(zhuǎn)向；以及投影子系統(tǒng)，其至少被配置為當(dāng)所述中間像通過移動的散斑抑制元件傳遞時投影所述中間像的轉(zhuǎn)向的成像光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述小透鏡排列包括隨機(jī)或基本隨機(jī)的小透鏡分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述小透鏡排列包括呈現(xiàn)或基本呈現(xiàn)六邊形、直線或?qū)蔷€圖案的小透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述小透鏡排列完全或者近乎完全地包括毗連的小透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述小透鏡排列完全或者近乎完全地包括非毗連或稀疏分布的小透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述小透鏡之間的間隔足夠大或者基本上足夠大，以允許從所述間隔的漫射通過并進(jìn)入投影透鏡的接收孔徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述小透鏡之間的間隔大于或等于所述中間像平面處的所述中間像的像素的尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)至少被配置為在平面內(nèi)將所述散斑抑制元件移動大于或等于小透鏡重復(fù)周期的距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述投影子系統(tǒng)中的透鏡的接收孔徑進(jìn)一步被配置為捕捉由所述小透鏡之間的間隔或者由毗連的小透鏡之間的低谷所導(dǎo)致的漫射。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)所述中間像通過所述散斑抑制元件傳遞時，所述投影子系統(tǒng)中的透鏡的接收孔徑捕捉所述中間像的第四級能量或者更低。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)所述中間像通過所述散斑抑制元件傳遞時，所述小透鏡排列至少被配置為使所述中間像的第四級能量或更低級的能量進(jìn)入所述投影子系統(tǒng)的接收孔徑中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述圖像形成系統(tǒng)包括光調(diào)制器以及將來自于所述相干光源系統(tǒng)的多個顏色通道對準(zhǔn)到公共軸的二向色組合器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)至少被配置為引起所述散斑抑制元件在與所述散斑抑制元件的光軸平行的方向上的運(yùn)動。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中平行于所述光軸的運(yùn)動處于所述投影子系統(tǒng)的焦深以內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中平行于所述光軸的運(yùn)動處于所述中繼系統(tǒng)的焦深以內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)進(jìn)一步至少被配置為引起所述散斑抑制元件在與所述散斑抑制元件的光軸垂直的方向上的運(yùn)動。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述圖像形成系統(tǒng)進(jìn)一步被配置為投影具有第一尺寸的初始圖像，其中所述中間像具有大于或等于所述第一尺寸的第二尺寸。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述第二尺寸符合16mm、35mm或70mm的膠片格式。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述投影子系統(tǒng)進(jìn)一步被配置為校正膠片彎曲效應(yīng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述投影子系統(tǒng)進(jìn)一步被配置為校正膠片彎曲效應(yīng)，其中所述散斑抑制元件具有彎曲表面，所述彎曲表面至少被配置為補(bǔ)償所述投影子系統(tǒng)的膠片彎曲效應(yīng)的校正。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述彎曲表面是通過其來接收所述中間像的表
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述彎曲表面是所述中間像通過其從所述散斑抑制元件出射的表面。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述中繼系統(tǒng)具有第一f數(shù)，所述投影子系統(tǒng)具有小于所述第一 f數(shù)的第二 f數(shù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述第二f數(shù)為所述第一 f數(shù)的至少一半。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述中繼系統(tǒng)具有第一工作距離，所述投影子系統(tǒng)具有小于所述第一工作距離的第二工作距離。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述第二工作距離為所述第一工作距離的至少一半。
27.一種投影光的方法，包括從相干光源系統(tǒng)產(chǎn)生相干光；使用圖像形成系統(tǒng)至少通過以符合圖像數(shù)據(jù)的方式與相干光相互作用來形成圖像；至少從來自于所述圖像形成系統(tǒng)的相干光輸出在中間像平面處形成中間像，所述中間像是使用中繼系統(tǒng)形成的空間實(shí)像；通過位于或者基本位于所述中間像平面處的散斑抑制元件來傳遞所述中間像，所述散斑抑制元件包括形成在所述散斑抑制元件的表面上的小透鏡排列，所述小透鏡排列包括小透鏡，每個小透鏡具有孔徑，其中全部或基本全部的小透鏡孔徑中的每一個均大于或等于所述中間像平面處的所述中間像的像素的尺寸；當(dāng)所述中間像通過所述散斑抑制元件傳遞時，使用運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)來移動所述散斑抑制元件；以及當(dāng)所述中間像通過散斑抑制元件傳遞時，使用投影子系統(tǒng)來投影所述中間像。
全文摘要
在一種包括圖像形成系統(tǒng)(12)、中繼系統(tǒng)(18)、散斑抑制元件(40)和投影子系統(tǒng)(20)的相干光投影系統(tǒng)中，中繼系統(tǒng)可以具有第一f數(shù)，投影子系統(tǒng)可以具有小于第一f數(shù)的第二f數(shù)。中繼系統(tǒng)可以具有第一工作距離(Wa)，投影子系統(tǒng)可以具有小于第一工作距離的第二工作距離(Wb)。圖像形成系統(tǒng)可以投影具有第一尺寸的初始圖像，中間像可以具有大于或等于第一尺寸的第二尺寸。散斑抑制元件可以具有通過其來傳遞中間像的彎曲表面。散斑抑制元件可以包括形成在其表面上的小透鏡排列(44)。散斑抑制元件可以在與散斑抑制元件的光軸平行的方向上移動。
文檔編號G02B27/48GK102428402SQ201080021416
公開日2012年4月25日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日
發(fā)明者A·F·庫爾茨, B·D·西爾弗斯坦, G·E·諾特哈德, J·R·比耶特里, R·梅茨格爾 申請人:伊斯曼柯達(dá)公司