專利名稱：具有旋轉(zhuǎn)分段盤的立體投影機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于投影立體數(shù)字圖像的裝置，更具體地涉及采用偏振固態(tài)激光器以產(chǎn)生用于數(shù)字電影投影的立體圖像的改進裝置和方法。
背景技術(shù)：
目前對于顯示三維(3D)或感受立體內(nèi)容以對大型場館中的消費者提供增強視覺體驗的高質(zhì)量投影系統(tǒng)存在越來越大的需求。盡管許多娛樂公司已經(jīng)在劇院、主題公園和其他場館提供了立體內(nèi)容，然而這些公司主要使用電影媒介用于立體圖像演示。為了產(chǎn)生立體圖像，將兩組電影加載到兩個分離的投影裝置，每個投影裝置對應(yīng)一只眼睛。隨后使用偏振光同時投影左右眼圖像。一個偏振用于呈現(xiàn)給左眼的圖像；而正交偏振的光用于呈現(xiàn)給右眼的圖像。觀眾佩戴相應(yīng)的正交偏振眼鏡，該正交偏振眼鏡對于每只眼睛阻擋一個偏振光圖像，同時透射正交偏振光圖像。在電影業(yè)向數(shù)字成像的轉(zhuǎn)變中，一些供應(yīng)商，例如Imax仍然繼續(xù)利用兩個投影系統(tǒng)來提供高質(zhì)量的立體圖像。然而，更普遍的是，傳統(tǒng)的投影機已經(jīng)被修改為能夠進行3D 投影。對于多色數(shù)字電影投影的這些傳統(tǒng)投影解決方案中最有前景的方案是使用兩個基本類型的其中一種的空間光調(diào)制器(SLM)作為圖像形成設(shè)備。第一類型的空間光調(diào)制器是由位于德克薩斯的達拉斯的德州儀器公司(Texas Instruments)研發(fā)的數(shù)字光處理器(DLP)，即數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)。DLP已成功地應(yīng)用在數(shù)字投影系統(tǒng)中。DLP設(shè)備已在多個專利中描述，例如美國專利No. 4441791 ；No. 5535047 ；No. 5600383 (均屬于霍恩貝克 (Hornbeck))。圖1示出使用DLP空間光調(diào)制器的投影機裝置10的簡化框圖。例如，光源12提供多色非偏振光進入諸如飛利浦棱鏡的棱鏡組件14。棱鏡組件14將多色光分成紅色、綠色以及藍色組分波段并將每個波段導向相應(yīng)的空間光調(diào)制器20r、20g或20b。隨后，棱鏡組件14重新組合來自每個空間光調(diào)整器20r、20g或20b的調(diào)制光并將該非偏振光提供給投影透鏡四，用以投影在顯示屏幕或其他適合的表面上。對于從桌面到大電影院的絕大部分投影應(yīng)用而言，基于DLP的投影機表現(xiàn)出提供必需的通光效率(light throughput)、對比度以及顏色范圍(color gamut)的能力。然而， 在現(xiàn)有設(shè)備通常提供不高于2148X1080像素的情況下，存在固有的分辨率限制。另外，組件和系統(tǒng)的高成本已經(jīng)限制了 DLP設(shè)計對于更高質(zhì)量的數(shù)字電影投影的適用性。而且，飛利浦棱鏡或其它合適的組合棱鏡的成本、尺寸、重量以及復(fù)雜度是顯著的限制。此外，由于亮度要求，對于具有長工作距離的相對快的投影透鏡的需求也負面地影響了這些設(shè)備的可接受性和可使用性。用于數(shù)字投影的第二類型的空間光調(diào)制器是IXD (液晶設(shè)備)。IXD通過針對每個相應(yīng)的像素選擇性地調(diào)制入射光的偏振態(tài)來形成作為像素陣列的圖像。看起來LCD作為用于高質(zhì)量數(shù)字電影投影系統(tǒng)的空間光調(diào)制器具有某些優(yōu)點。這些優(yōu)點包括相對大的設(shè)備尺寸、良好的設(shè)備產(chǎn)量以及制造出更高分辨率設(shè)備的能力，例如可從索尼和JVC公司獲得的4096X2160分辨率設(shè)備。采用LCD空間光調(diào)制器的電子投影裝置的示例已在美國專利 No. 5808795 (Shimomura等)和其它處公開。LCOS (硅上液晶)設(shè)備被認為是尤其有希望用于大幅圖像投影。然而，采用LCD組件會難以保持數(shù)字電影尤其是對于顏色和對比度的高質(zhì)量要求，因為高亮度投影的高熱負荷會影響這些設(shè)備的偏振質(zhì)量。由這些基于傳統(tǒng)微顯示器(DLP或LC0S)的投影機形成立體圖像的傳統(tǒng)方法使用兩種主要技術(shù)中的任一種來區(qū)分左右眼內(nèi)容。一個例如由杜比實驗室使用的不太常見的技術(shù)使用顏色空間分離，如在Maximus等的美國專利申請公開No. 2007/0127121和其它地方所描述的。在白光輻照系統(tǒng)中利用濾光器以在一部分幀時間內(nèi)暫時阻擋每個原色的部分。 例如，對于左眼，紅、藍和綠(RGB)的較低波長光譜被阻擋一段時間。這與針對另一只眼睛阻擋紅、藍和綠(RGB)的較高波長光譜相互交替。與每只眼睛相關(guān)聯(lián)的合適的顏色已調(diào)整的立體內(nèi)容隨后提供給用于該眼睛的相應(yīng)調(diào)制器。觀看者佩戴類似地透射兩個三色(RGB) 光譜組中的僅僅一個的相應(yīng)的濾光器組。顏色分離方法相對于基于偏振的投影方法具有某些優(yōu)點。例如，可以將圖像投影到絕大多數(shù)屏幕上，而不需要使用更昂貴的偏振保持屏幕。 然而，也存在不利之處。所需要的眼鏡昂貴。觀看質(zhì)量會由于正常的角度偏移、頭部運動以及傾斜而下降。而且，顏色空間的調(diào)節(jié)困難，并且由于濾光會存在顯著的光損失。因此，會需要較高的燈輸出，否則輸出圖像的亮度會降低。用于形成立體圖像的第二方法使用偏振光。在Svardal等的美國專利No. 6793341 以及其它地方的示例性實施例中，將兩個正交偏振態(tài)中的每一個提供給兩個分離的空間光調(diào)制器中的相應(yīng)一個。隨后，同時投影來自兩個調(diào)制器的偏振光。觀看者佩戴具有對于左右眼相對于彼此正交取向的偏振傳輸軸的偏振眼鏡。盡管該設(shè)置可以有效使用光，然而其是昂貴的配置。這在對于每個色帶需要一個空間光調(diào)制器的投影機設(shè)計中尤其如此。由位于加州的貝弗利山的Real-D商業(yè)化的另一個方法使用被修改成調(diào)制從一個到另一個快速切換的交替偏振態(tài)的傳統(tǒng)投影機。這是能夠?qū)崿F(xiàn)的，例如，其中DLP投影機具有放置在光的輸出路徑的偏振器，例如圖1中由虛線示出的位置16處。需要偏振器的原因在于DLP本身并非設(shè)計成保持輸入光的偏振，輸入光在設(shè)備封裝的窗口由于應(yīng)力誘生雙折射而造成去偏時通常是非偏振的。仿照該偏振器，可以將類似于Robinson等人的美國申請2006/(^91053中所描述類型的消色差偏振開關(guān)設(shè)置在位置16處。在用戶使用偏振眼鏡觀看投影圖像時，該類型的開關(guān)將偏振光在兩個諸如線偏振態(tài)的正交偏振態(tài)之間交替地旋轉(zhuǎn)，以將兩個不同的圖像各自呈現(xiàn)給各只眼睛。Real-D系統(tǒng)歷史上已利用左右圓偏振光，其中眼鏡由1/4波長延遲器加偏振器的組合制成，以在阻擋一個狀態(tài)前將圓偏振光改變回到線偏振光。該設(shè)置看起來對于頭部傾斜不太敏感并且消色差偏振開關(guān)較容易制造。然而，該眼鏡相對于僅使用偏振器的實施例而言增加了花費。在任一情況下，顯示屏幕必須基本上保持入射載像光的偏振態(tài)，并且因此通常是鍍銀的。采用這樣的基于MEMS的系統(tǒng)，由于需要使用偏振光而存在顯著的光損失， 這會比傳統(tǒng)的非立體設(shè)計減少一半的輸出光。由于大偏振開關(guān)以及對準特征并且安裝到投影系統(tǒng)的前方，從而造成附加的成本。為了兼容各種可能被更新的投影機，該系統(tǒng)必須是靈活的。偏振開關(guān)設(shè)計也更加復(fù)雜的原因在于它必須基本上處理整個可見光譜帶、不論波長而同等程度地對該光進行延遲。沒有適當?shù)貙崿F(xiàn)該性能會產(chǎn)生不可接受的串擾，從而將圖像導向錯誤的眼睛并且降低立體效果的質(zhì)量。在一些情況下，該類型的串擾效應(yīng)甚至會對觀看者造成生理上的困擾。因此，比較而言，基于LCOS的投影機的優(yōu)點在于在大部分配置中輸出通常已經(jīng)被偏振。關(guān)于輻照效率的長期存在的問題涉及光學擴展量(etendue)或，類似于涉及拉格朗日不變量。如在光學領(lǐng)域公知的，光學擴展量涉及能夠由光學系統(tǒng)處理的光量。潛在地， 光學擴展量越大，圖像越亮。在數(shù)值上，光學擴展量與兩個因數(shù)，即圖像面積與數(shù)值孔徑的乘積成比例。根據(jù)圖2中示出的具有光源12、光學器件18以及空間光調(diào)制器20的簡化光學系統(tǒng)，光學擴展量是光源面積Al與其輸出角θ 1的乘積，并且在匹配良好的光學系統(tǒng)中， 這等于調(diào)制器面積Α2與其接收角θ 2的乘積。為了增加亮度，期望從光源12的面積提供盡可能多的光。作為一般原則，當光源處的光學擴展量與調(diào)制器處的光學擴展量最接近匹配時，光學設(shè)計是有利的。例如，通過增加數(shù)值孔徑來增大光學擴展量以使得光學系統(tǒng)捕獲更多光。類似地， 通過增加源圖像尺寸以使得光來自于更大的面積，從而增大光學擴展量。為了利用輻照側(cè)增大的光學擴展量，該光學擴展量必須大于或等于輻照源的光學擴展量。然而圖像尺寸越大，通常導致系統(tǒng)越昂貴。這對于其中硅襯底和潛在的缺陷隨著尺寸而增加的諸如LCOS和 DLP組件的設(shè)備尤其如此。作為一般規(guī)則，增大的光學擴展量導致更復(fù)雜并且更昂貴的光學設(shè)計。例如，采用諸如在美國專利No. 5907437 (Sprotbery等)中概述的傳統(tǒng)方法，光學系統(tǒng)中的透鏡組件必須針對大光學擴展量進行設(shè)計。對于必須通過系統(tǒng)光學器件會聚的光的源圖像面積是在紅、綠、藍光路徑中空間光調(diào)制器的組合面積之和；特別地，這是最終所形成的多色圖像的面積的三倍。即，對于在這樣的傳統(tǒng)方法中公開的配置，因為紅色、綠色以及藍色路徑是分開的并且必須被光學地會聚，所以光學組件處理相當大的圖像面積，因此高的光學擴展量。而且，盡管例如在Sprotbery等的No. 5907437中公開的配置處理來自三倍于最終所形成的多色圖像的面積的光，但是由于每個顏色路徑僅包含整個光級別的三分之一，因此該配置無法提供增加亮度的任何益處。在光源的光學擴展量與空間光調(diào)制器的光學擴展量良好匹配時，效率提高。匹配差的光學擴展量意味著光學系統(tǒng)或者是光不足，不能向空間光調(diào)制器提供足夠的光，或者是低效的，基本上丟失了大部分生成用于調(diào)制的光。LCD和DLP系統(tǒng)兩者的設(shè)計人員均難以實現(xiàn)以可接受的系統(tǒng)成本為數(shù)字電影應(yīng)用提供足夠亮度的目標。由于需要偏振光，減少效率和增加光學擴展量、甚至其中使用偏振恢復(fù)技術(shù)，基于IXD的系統(tǒng)已經(jīng)難以被采用。不需要偏振光的DLP設(shè)備設(shè)計已經(jīng)被證實多少是更高效的，但仍然需要昂貴的、壽命短的燈以及昂貴的光學引擎，使得它們太昂貴以至于無法與傳統(tǒng)電影投影設(shè)備競爭。為了與傳統(tǒng)的高端的基于膠片的投影系統(tǒng)競爭并且提供所謂的電子或數(shù)字電影， 數(shù)字投影機必須能夠相對于該早期設(shè)備實現(xiàn)相當?shù)碾娪傲炼燃墶Ｒ话愣裕湫偷碾娪霸盒枰獙?0000流明數(shù)量級投影到對角線40英尺數(shù)量級的屏幕尺寸上。屏幕范圍內(nèi)的任何地方需要從5000流明到40000流明以上。除了該苛刻的亮度需求以外，這些投影機還必須提供高分辨率(2048X 1080像素)并且提供大約2000 1的對比度以及寬的顏色范圍。某些數(shù)字電影投影機設(shè)計已經(jīng)證實能夠達到這一性能水平。然而，高設(shè)備成本和操作成本已經(jīng)成為障礙。滿足這些需求的投影裝置的成本通常均超過$50000，并且該投影裝置使用需要以500-2000小時之間的間隔更換的高功率氙弧燈，其中通常更換的成本常常超過$1000。氙氣燈的大光學擴展量對于成本和復(fù)雜度具有相當大的影響，因為氙氣燈必需配備相對快的光學器件來采集和投影來自這些源的光。DLP和LCOS IXD空間光調(diào)制器(SLM)兩者的共同缺點是它們使用固態(tài)光源，尤其是激光源的有限能力。盡管固態(tài)光源相對于其它類型的光源在相對光譜純度和潛在的高亮度水平方面具有優(yōu)勢，然而固態(tài)光源需要不同的方法以便有效地利用這些優(yōu)勢。與早期的數(shù)字投影機設(shè)計一起使用的用于調(diào)節(jié)、重新導向和組合來自顏色源的光的傳統(tǒng)方法和設(shè)備會限制激光源的良好使用。固態(tài)激光器有望在光學擴展量、壽命以及總體光譜和亮度穩(wěn)定性方面獲得改進， 但是直到最近，仍然不能以足夠的水平和可接受的成本為數(shù)字電影提供可見光。在更近的發(fā)展中，激光器陣列已經(jīng)商業(yè)化，并且顯示出有望作為潛在的光源。然而，亮度本身仍然不是足夠高；需要來自多達九個單獨陣列的組合光來為每個顏色提供必需的亮度。用于投影應(yīng)用的特別感興趣的激光器陣列包括各種類型的VCSEL陣列，該VCSEL 陣列包括來自加州Sunnyvale的Novalux的VECSEL (垂直擴展腔面發(fā)射激光器)和 NECESL(Novalux擴展腔面發(fā)射激光器)設(shè)備。然而，使用這些設(shè)備的傳統(tǒng)解決方案易于出現(xiàn)許多問題。一個限制在于設(shè)備產(chǎn)量。主要由于關(guān)鍵組件的熱量以及封裝問題，商業(yè)化的 VECSEL陣列在長度上延伸，但在高度上受限；通常，VECSEL陣列僅有兩行發(fā)射組件。多于兩行的使用往往會急劇地增加產(chǎn)量上的難度。而且，傳統(tǒng)的VECSEL設(shè)計易于在功率連接和散熱方面出現(xiàn)困難。這些激光器具有高功率；例如，來自Novalux的頻率兩倍于兩行設(shè)備的單行激光設(shè)備產(chǎn)生3W以上的可用光。因此，存在顯著的電流需求和來自未使用電流的熱負荷。壽命和束質(zhì)量極大地取決于穩(wěn)定的溫度保持。激光源與投影系統(tǒng)的耦合提出了另一個使用傳統(tǒng)方法不足以解決的困難。例如， 使用Novalux的NESEL激光器，對于每個顏色需要大約9個2行X M的激光器陣列來滿足大多數(shù)電影院10000流明的需求。期望將這些光源以及電子傳輸和連接以及相關(guān)的熱與主要的熱敏感的光學系統(tǒng)分開，以實現(xiàn)投影引擎的最佳性能。諸如傳統(tǒng)的邊緣發(fā)射激光二極管的其它激光源是可能的。然而，它們更加難以封裝成陣列形式，并且傳統(tǒng)上在越高的亮度水平下具有越短的壽命。如前所述，增大的光學擴展量導致更加復(fù)雜和更加昂貴的光學設(shè)計。一般來說，在光學擴展量小并且光學擴展量在輻照光學器件和光調(diào)制器之間是良好匹配時，獲得最好的性能和最低的成本。使用偏振光的傳統(tǒng)立體投影系統(tǒng)往往將光學擴展量加倍，以在同一光路上投射兩個偏振態(tài)的光。提供使用偏振光來區(qū)分左右眼圖像，但是采用相對于先前設(shè)計減小的光學擴展量的立體投影機將是有益的。因此，能夠看出，使用傳統(tǒng)的方法無法滿足提供具有電影或接近電影的性能和亮度的立體顏色投影系統(tǒng)的需求。需要采用固態(tài)光源提供減少的光學擴展量并提高的亮度的立體投影機。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于滿足對于使用諸如DLP的基于MEMS的數(shù)字空間光調(diào)制器和相關(guān)的微型顯示空間光調(diào)制設(shè)備進行立體成像的需要。根據(jù)所意圖的目的，本發(fā)明提供一種
7立體數(shù)字成像投影系統(tǒng)，包括光源系統(tǒng)，可激勵為用于提供具有第一偏振態(tài)的偏振輻照(illumination)；包括旋轉(zhuǎn)分段盤的分束系統(tǒng)，該旋轉(zhuǎn)分段盤設(shè)置在所述偏振輻照的路徑中并且由所述偏振輻照交替地生成第一光束和第二光束，所述旋轉(zhuǎn)分段盤包括交替為透射和非透射的外部分段以及與所述外部分段沿徑向?qū)R并且各交替為反射和透射的內(nèi)部分段，其中所述內(nèi)部反射分段與所述外部透射分段相對應(yīng)；偏振旋轉(zhuǎn)器，定位于所述第一光束或者第二光束的路徑中并且將所述第一偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)至與所述第一偏振態(tài)正交或基本正交的第二偏振態(tài)；組合系統(tǒng)，將所述第一光束和第二光束組合為組合光束；空間光調(diào)制器，以與立體圖像數(shù)據(jù)一致的方式調(diào)制所述組合光束，以由所述組合光束中具有所述第一偏振態(tài)的輻照形成第一調(diào)制圖像并且由所述組合光束中具有所述第二偏振態(tài)的輻照形成第二調(diào)制圖像；以及投影光學器件，配置為將所述第一調(diào)至圖像和第二調(diào)制圖像投影到顯示表面上。本發(fā)明的特征在于提供用于改進輻照與調(diào)制組件之間的光學擴展量(etendue) 匹配的方法。本發(fā)明的優(yōu)點在于能夠使用單個光源來提供交替的偏振態(tài)，從而消除了對于重復(fù)使光源開和關(guān)的需要。其他優(yōu)點在于提供了用于平衡兩個偏振態(tài)的光輸出的方便機構(gòu)。而且，本發(fā)明提供了減少兩個偏振態(tài)之間的轉(zhuǎn)變時間的優(yōu)點。進一步的優(yōu)點在于提供具有減小的光學擴展量的光學系統(tǒng)用于立體投影裝置，該立體投影裝置使用偏振態(tài)來區(qū)分左右眼圖像。本發(fā)明的另一優(yōu)點在于關(guān)鍵系統(tǒng)組件的熱負荷較低。本發(fā)明實施例的其它優(yōu)點包括減小的熱負荷、減小的鬼像(ghosting)以及提高的亮度和對比度。通過閱讀以下詳細描述，結(jié)合示出并描述本發(fā)明說明性實施例的附圖，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明這些和其它目的、特征以及優(yōu)點將明顯。


雖然申請文件以權(quán)利要求書具體地指出和清楚地聲明了本發(fā)明的主題，但是相信根據(jù)以下描述在結(jié)合附圖時將更好地理解本發(fā)明，其中圖1是使用用于不同顏色光路徑的組合棱鏡的傳統(tǒng)投影裝置的示意性框圖；圖2是示出光學系統(tǒng)的光學擴展量的典型圖；圖3A和圖IBB是示出不同固態(tài)光陣列和光組合器配置的相對的填充因數(shù)的平面圖；圖4是示出使用用于立體圖像投影的輻照組合器的投影裝置的一般配置的示意性框圖；圖5是示出沿著相同的輻照路徑如何能夠提供來自多個固態(tài)光陣列的偏振光的示意性側(cè)視圖；圖6是圖5的光組合設(shè)置的透視圖7A是在一個實施例中使用偏振分束器的示意性側(cè)視圖，該偏振分束器用于引導來自多個固態(tài)光陣列的一個偏振態(tài)的輻照；圖7B是在一個實施例中使用偏振分束器的示意性側(cè)視圖，該偏振分束器用于引導來自多個固態(tài)光陣列的正交偏振態(tài)的輻照；圖8是示出用于立體圖像顯示的偏振態(tài)的交替時序的時序圖；圖9A是示出在一個實施例中使用光重新導向棱鏡用于組合來自多個固態(tài)光陣列的輻照的示意性側(cè)視圖；圖9B是圖9A的光重新導向棱鏡的透視圖；圖10是在可替換的實施例中光重新導向棱鏡的示意性側(cè)視圖；圖11是示出使用兩個光重新導向棱鏡的示意性側(cè)視圖，每個光重新導向棱鏡均提供來自固態(tài)光陣列的光，每個光重新導向棱鏡具有不同偏振；圖12是示出使用從兩側(cè)接收光的光重新導向棱鏡的實施例的示意性側(cè)視圖；圖13是使用圖12的光重新導向棱鏡用于每個偏振的輻照裝置的示意性側(cè)視圖；圖14是具有圖12的光重新導向棱鏡而沒有光導的使用偏振輻照的替換投影裝置的示意圖；圖15是使用與寬帶電子偏振旋轉(zhuǎn)設(shè)備相結(jié)合的圖14的配置的立體投影裝置的示意圖；圖16是使用與單獨的色帶電子偏振旋轉(zhuǎn)設(shè)備相結(jié)合的圖14的配置的立體投影裝置的示意圖；圖17是示出單個像素調(diào)制器及其旋轉(zhuǎn)軸的透視圖；圖18是交替選擇每個正交偏振光的快門系統(tǒng)的示意圖；圖19A和圖19B分別示出用于從一側(cè)反射光并通過另一側(cè)透射光的快門的正視圖和側(cè)視圖；圖20是交替地將光轉(zhuǎn)換為兩個正交偏振態(tài)的循環(huán)輻照系統(tǒng)的實施例的示意圖；圖21是圖20中示出的循環(huán)輻照系統(tǒng)的替換實施例；圖22是使用由圖21中描述的輻照系統(tǒng)提供的交替正交偏振態(tài)的立體投影裝置的示意圖；圖23示出具有透射和非透射段的交替模式的快門盤；圖M是示出在一個半周期期間分束系統(tǒng)中光處理的示意圖；圖25是示出在交替的半周期期間分束系統(tǒng)中光處理的示意圖；圖沈是示出使用分束系統(tǒng)的光輸出狀態(tài)的時序圖；圖27是示出一個實施例中立體投影系統(tǒng)的示意圖；圖28A和28B示出用于提供兩個偏振態(tài)的光的具有光吸收元件的分段盤的實施例；以及圖四示出本發(fā)明的可替換實施例，其中反射元件執(zhí)行束組合系統(tǒng)的功能。
具體實施例方式本說明書特別涉及形成根據(jù)本發(fā)明的裝置的一部分的元件，或與根據(jù)本發(fā)明的裝置更直接地協(xié)作的元件。應(yīng)當理解，沒有具體示出或描述的元件可以采用各種本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的形式。在此提供的所描述和所示附圖用于說明根據(jù)本發(fā)明的操作的原理，并且所繪制的附圖并非顯示實際尺寸和比例。因為本發(fā)明的激光器陣列的組件部分的相對尺寸，為了強調(diào)基本結(jié)構(gòu)、形狀以及操作原理進行了必要的放大。在各實施例中用于描述組件的術(shù)語第一、第二等等并非表示任何特定的順序或重要性，而是更一般地用于區(qū)分一個元件與另一個元件。在以下公開內(nèi)容中，短語“左眼圖像”表示由立體顯示裝置形成并且意圖由觀看者的左眼觀看的圖像。同樣的，短語“右眼圖像”指的是意圖由觀看者的右眼觀看的圖像。類似的，對于雙觀看者成像裝置，“第一觀看者圖像”和“第二觀看者圖像”分別是第一和第二組觀看者的單獨圖像。本發(fā)明的實施例解決了在使用偏振態(tài)以區(qū)分左右眼圖像的立體投影裝置中減少光學擴展量的需要。本發(fā)明的實施例利用從VECSEL激光器陣列或其它類型的固態(tài)光陣列發(fā)出的光的固有偏振。本發(fā)明的實施例的其它優(yōu)點包括減少的熱負荷以及提高的亮度。根據(jù)本發(fā)明實施例的用于減少熱負荷的一個方法是使用波導結(jié)構(gòu)將光源與光調(diào)制組件隔離。將來自多個固態(tài)光源陣列的光耦合到將光提供給調(diào)制設(shè)備的偏振保持光波導。當這實現(xiàn)時，光源至波導界面的幾何結(jié)構(gòu)可以被最優(yōu)化，以使得波導輸出與空間光調(diào)制器的長寬比良好匹配。在實踐中，這意味著為了保持最佳光學擴展量水平，波導孔徑被基本上填滿或略低于填滿。該設(shè)置也有助于最小化輻照光學器件的速度需求。參考圖3A和圖 3B，在橫截面中示出光導52的輸入孔徑。如果正確縮放，固態(tài)光陣列44所示為其將出現(xiàn)在光導52的輸入孔徑處。如圖3A所示，該孔徑未填滿，這會容易在光導52的空間光調(diào)制器端造成差的光學擴展量匹配。在圖3B中，通過將光導52的輸入孔徑從其傳統(tǒng)的圓形重新改變形狀，陣列44和光導52的長寬比被良好匹配。在圖3A或圖;3B中未示出的其它設(shè)置中，可以組合多個陣列44以有效地形成更大的陣列。隨后將更詳細地描述多個陣列44的組合方法。在使用該方法的實施例中，能夠使用光纖用于光導52。在一個實施例中，使用矩形芯的光纖。例如，來自Lohaja的Liekki的矩形芯光纖，已經(jīng)制造了 Finland以更好地匹配源的長寬比。為了更好理解本發(fā)明，描述本發(fā)明的裝置和方法能夠可操作的整個背景是有益的。圖4的示意圖示出在本發(fā)明的多個實施例中使用的投影裝置10的基本設(shè)置。示出三個光調(diào)制組件40r、40g以及40b，每一個光調(diào)制組件調(diào)制來自輻照組合器42的紅、綠或藍 (RGB)原色。在每個光調(diào)制組件40r、40g以及40b中，可選透鏡50可以將光導入可選的偏振保持光導52中。隨后，透鏡M在光導52的輸出處，或者以其它方式從透鏡50接收光并將光導向通過積分器51，積分器51例如為復(fù)眼積分器或積分條(bar)。該光到達空間光調(diào)制器60。空間光調(diào)制器60是諸如DLP或其它類型的反射MEMS組件的微機電系統(tǒng)(MEMS) 設(shè)備，其包括任意類型的通過反射或衍射調(diào)制光的MEMS調(diào)制器組件。這些設(shè)備可以被認為是“偏振態(tài)中性(neutral) ”，因為它們并未通過調(diào)制像素的偏振態(tài)調(diào)制每個像素處的光； 對于任一像素的入射光的偏振態(tài)的任何改變均是無意(inadvertent)的，該改變?yōu)樵撓袼氐娜肷涔鈴腗EMS表面反射時入射角度的函數(shù)。如隨后描述的，能夠調(diào)節(jié)光進入MEMS空間光調(diào)制器的入射角以最小化任何不想要的偏振效應(yīng)。對于本發(fā)明的實施例，調(diào)制器必須獲取兩個正交輸入偏振態(tài)的光和對應(yīng)于各自輸入態(tài)的兩個正交偏振態(tài)的輸出光。然而，輸出偏振態(tài)可以相對于輸入態(tài)旋轉(zhuǎn)。由于投影光學器件70有許多可能的實施例，因此在圖4中大致以虛線輪廓中示出投影光學器件70，該投影光學器件70將調(diào)制圖像導向顯示表面80。接著，在圖4中示出的整個配置用于本發(fā)明的后續(xù)實施例，其中各種設(shè)置用于輻照組合器42。在一些實施例中， 可以將來自任意光調(diào)制組件40r、40g以及40b的輻照導向積分器51而不使用光導52。隨后，光調(diào)制組件40r、40g以及40b將偏振光提供給偏振態(tài)中性空間光調(diào)制器60并且隨后提供給投影透鏡70。圖5示出一種用于組合多個固態(tài)光陣列44和44’以形成更大陣列的方法。圖6 示出圖5的配置的透視圖。在圖5和圖6中，一個或多個散布的反射鏡46用于按照陣列44 的光軸布置附加陣列44’的光軸，以提供導向可選透鏡50的組合的光陣列。然而，可以理解，熱量和空間要求會限制能夠以該方式堆疊陣列44的數(shù)量?？梢月晕⑿薷膱D5和圖6所示的設(shè)置以允許使用具有不同偏振態(tài)的偏振光，如在圖7A和圖7B中以及圖8的時序圖中所示。圖8的時序圖示出在任意一個光調(diào)制組件40r、 40g以及40b中，使用兩組偏振激光器，被導向同一空間光調(diào)制器60(圖4)的光如何能夠在兩個正交偏振態(tài)之間快速交替以由此提供左右眼圖像。對于該示例，使用固態(tài)激光器陣列 44a和44b。如圖7A和圖7B所示，偏振固態(tài)激光器陣列4 和44b例如對于該組陣列的其中之一使用半波片64以提供正交偏振態(tài)光。如圖7A所示，在交替輻照周期的一半中，激勵固態(tài)激光器陣列44a。該偏振光從偏振分束器62反射。如圖7B所示，在交替輻照周期的另一半中，激勵固態(tài)激光器陣列44b。該光的偏振被旋轉(zhuǎn)，以透射通過偏振分束器62。隨后將偏振光束導向可選透鏡50。對于非立體應(yīng)用，來自偏振激光器4 和44b的光可以一起用于提供更亮的圖像，或以半功率使用從而均衡每個激光源的壽命。該設(shè)置有利地將任一偏振的光布置在相同的輻照軸上。使用該方法的光學擴展量與圖5中用于單個通道的早期示出的配置中的光學擴展量保持相同。因此在非立體應(yīng)用中，其中兩個偏振態(tài)被成像，源的亮度有效地加倍。然而，在期望立體顯示的情況下，在一個特定的時刻僅利用單個光源，因此有效的亮度與圖5中的保持相同。盡管該設(shè)置因為其簡單而是優(yōu)選的并且該設(shè)置向空間光調(diào)制器60提供交替的正交偏振態(tài)，然而其需要激光器在所需的頻率范圍內(nèi)一致地操作，以使每個正交組合激光器陣列開啟和關(guān)閉。對于數(shù)字電影應(yīng)用而言，目前，以120hz還是144hz，這取決于設(shè)置。然而，許多激光器會表現(xiàn)出熱穩(wěn)定性方面的困難，從而造成該頻域中不穩(wěn)定的功率波動。因此，在一些情況中，需要或者在調(diào)制器處，或者隨后接著的調(diào)制處，間接地交替光的正交態(tài)(即，不通過源調(diào)制)。圖9A和圖9B分別示出輻照組合器42的實施例的側(cè)視圖和正交視圖，該輻照組合器組合來自集中在較小面積內(nèi)的四個固態(tài)光陣列44的激光。如圖9B所示，固態(tài)光陣列44 具有在長度方向L上延伸的多個激光器26。光重新導向棱鏡30具有入射面32，該入射面接收從固態(tài)光陣列44沿發(fā)射方向Dl發(fā)射的光。光經(jīng)由輸出面34重新定向到與發(fā)射方向 Dl基本正交的輸出方向D2。光重新導向棱鏡30具有重新導向表面36，該重新導向表面具有光重新導向小平面38。在重新導向表面36上的光重新導向小平面38和其他小平面在長度方向L上延伸。光重新導向小平面38具有相對于發(fā)射方向Dl的傾斜角并且對從激光器 26發(fā)出的光進行全內(nèi)反射(TIR)。在如圖9A和圖9B中所示設(shè)置時，這些特征有助于變窄用于該輻照的光路徑，以提供較窄的光束。多個變型是可能的。例如，圖10的橫截面?zhèn)纫晥D示出可替換實施例，其中光重新導向棱鏡30的光導向小平面38被改變尺寸以同時重新導向來自多行激光器沈的光。入射面32可以不相對于發(fā)射方向Dl垂直，允許相對于光陣列44的設(shè)置存在一定偏移并且需要考慮光重新導向棱鏡30的折射率η。圖11的示意性框圖示出在使用交替偏振態(tài)的輻照組合器42的實施例中如何使用多個光重新導向棱鏡30以提供增加的亮度。如參考圖7Α和圖7Β在前描述的，來自光陣列 44a和44b的交替輻照與半波片64和偏振分束器62相結(jié)合將正交偏振態(tài)的光導向可選透鏡50以及空間光調(diào)制器60(圖4)上用于提供立體圖像。圖12的橫截面?zhèn)纫晥D示出輻照組合器42中的光重新導向棱鏡30的另一實施例， 該輻照組合器42提供比圖9A-圖10所示實施例甚至更加緊湊的輻照設(shè)置以使用固態(tài)光陣列。在該實施例中，光重新導向棱鏡30具有兩個重新導向表面36，該重新導向表面接收來自彼此面對的固態(tài)光陣列44并沿相對發(fā)射方向Dl和D1’的光。每個固態(tài)光陣列44由激光器26構(gòu)成。每個重新導向表面36具有兩種類型的小平面光重新導向小平面38和與來自相應(yīng)的固態(tài)光陣列44的入射光正交的入射小平面28。光重新導向小平面38將光束重新導向至輸出方向D2。圖12的配置通過將少量殘余光從防反射涂層面向后反射回到每個激光器，使得更容易將各種激光器模塊與光重新導向棱鏡30對準。該向后反射可以用作產(chǎn)生可以導致激光器模式不穩(wěn)定的敏感外部腔的手段。盡管在典型應(yīng)用中這樣的模式跳躍會被認為是噪聲，然而該噪聲可以通過進一步減少激光相干性(和激光之間的相干性)，從而減少圖像平面的視覺散斑(speckle)，來有助于該投影。而且，采用該雙側(cè)方法，激光器模塊與來自彼此鄰近的不同模塊的光交錯，當光在光學系統(tǒng)中進一步光學積分時提供進一步的空間混合源。這再一次有助于減少可能的散斑并且增加系統(tǒng)一致性。圖13示出采用半波片64和偏振分束器62，可以如何使用圖12所示類型的一對棱鏡30將來自兩組固體激光器陣列4 和44b的正交偏振態(tài)的光導向透鏡50。同時可以看出圖12中棱鏡30對于固態(tài)光陣列44的取向?qū)τ谠S多應(yīng)用而言是方便的，為了組合輻照源，光束并不需要相對于輸入或輸出面的正交入射。然而，通常有利的是，在棱鏡30的輸出面34出射的重新導向光束基本上彼此平行。為此需要仔細考慮多項因素。這些因素包括每一側(cè)的固態(tài)光陣列44(當它們是不同的)到每一側(cè)的入射小平面洲的入射角和光重新導向棱鏡30中基于材料折射率的折射的結(jié)合。而且，必須考慮每一側(cè)的光重新導向小平面38 (它們在每一側(cè)上也可以不同)的反射，并且其與光重新導向棱鏡30 的折射的結(jié)合必須相配合以使得來自輸出面34的輸出光束平行。圖14的示意性框圖示出投影機裝置10的實施例，該投影機裝置使用具有光重新導向棱鏡30的輻照組合器42，用于三個獨立的紅色、綠色以及藍色通道。每個光調(diào)制組件 40r、40g以及40b具有一對光重新導向棱鏡30，該光重新導向棱鏡30具有與如圖13所示類似的偏振導向組件設(shè)置。在每個光調(diào)制組件中，將來自一個或另一個光重新導向棱鏡30 的偏振光，經(jīng)由偏振分束器62導引至透鏡50和積分器51并到空間光調(diào)制器60上，以形成調(diào)制圖像?？臻g光調(diào)制器60是數(shù)字微鏡或其它MEMS設(shè)備，其調(diào)制相對于輸入光的正交方向保持輸出光的兩個正交方向的光。在所示的實施例中，設(shè)計為使用微鏡設(shè)備的角度調(diào)制，薄膜涂層二向色表面68被處理為根據(jù)其入射角反射或透射入射光，以將調(diào)制光導向至二向色組合器82。二向色組合器82具有根據(jù)波長可選擇地反射或透射光的二向色表面84 的設(shè)置，將來自每個光調(diào)制組件40r、40g以及40b的調(diào)制光組合到單個光路上，從而通過投影光學器件70。雖然在激光器與調(diào)制器之間可以使用光導，但是由于這樣的光導會使得透射光的偏振降級，因此本實施例還是有利的。對于這樣的實施例，小透鏡陣列將有利于使輻照均勻化，因為偏振態(tài)被保持。然而，這類實施例無法獲得由光導(未圖示)提供的優(yōu)點， 例如，激光器輻照部分與調(diào)制器投影光學器件部分之間改善的熱分離。在任一實施例中，激光可以使用在近場條件或遠場條件下，其中提供光的預(yù)混合以減少可能的散斑并且進一步改進提供給積分器51的光的均勻性。通過使用被組合形成單個輻照源的獨立激光器的設(shè)置以及使用如小透鏡陣列的均勻化光學器件來進一步的減少激光散斑。本發(fā)明允許根據(jù)在此描述的示意性實施例得到多個變型。例如，多個偏振激光源可以用于替代VECSEL和其它激光器陣列。光重新導向棱鏡30可以由許多高透射材料制成。 對于低功率應(yīng)用，可以選擇塑料。對于較高功率應(yīng)用，玻璃更加適宜的。使用激光器的重要優(yōu)點之一是它們小的光學擴展量，從而使得具有更高效率、更簡單的光學系統(tǒng)。遺憾的是，如前所述，在用于基于數(shù)字電影的系統(tǒng)時，小光學擴展量也意味著組件上相對高的能量密度。在激光器不能直接調(diào)制以產(chǎn)生交替正交偏振的系統(tǒng)中，必需通過替代手段旋轉(zhuǎn)偏振態(tài)或阻擋正交偏振態(tài)的其中之一。這樣做的一個方法是使用電子偏振旋轉(zhuǎn)器或快門，例如液晶延遲器或液晶快門。圖15示出立體實施例，其中寬帶電子偏振旋轉(zhuǎn)器75用于連續(xù)在用于左右眼圖像的兩個輸出偏振態(tài)之間切換。偏振旋轉(zhuǎn)器75位于組合調(diào)制束的束組合器82之后的光路中。 電子偏振旋轉(zhuǎn)器75被認為是寬帶的原因在于它必須能夠在由組合光源生成的可見光譜內(nèi)同等地旋轉(zhuǎn)偏振態(tài)。因為投影束尺寸相對較大，所以該位置是有利的。因此，對于組合束而言，電子偏振旋轉(zhuǎn)器75上的能量密度接近最低。取決于對偏振特性的選擇，可選的四分之一波片76可以直接放置在偏振旋轉(zhuǎn)器75之前或之后。在該情況下，期望來自所有光源的所有激光具有相同的偏振方向?？梢匝刂饴窂绞褂冒氩ㄆ蝾伾x擇延遲器以正確地取向偏振態(tài)。而且，在電子偏振旋轉(zhuǎn)器75之前，可以使用偏振器以阻擋或反射任何偽偏振態(tài)。液晶可變延遲器作為電子偏振旋轉(zhuǎn)器75的示例更加容易制成為具有在輸入偏振態(tài)為圓形時相對于波長的相對均勻的延遲。對于這一設(shè)備類型，優(yōu)選在束組合器82之后并且在電子偏振旋轉(zhuǎn)器75之前直接放置四分之一波片76?？商鎿Q地，四分之一波片可以放置在每個原色路徑中，然而這需要多個元件。因此，通過與液晶旋轉(zhuǎn)器75同步地對意圖用于每只眼睛的相應(yīng)圖像內(nèi)容進行定時來產(chǎn)生立體成像。而且，使用偏振保持顯示表面并且提供觀看者偏振眼鏡，以便于每只眼睛僅僅接收所意圖的正交偏振態(tài)的光。盡管圖15的實施例使組合圖像的能量密度最小化，然而該能量密度仍然可能不會低到足以防止對偏振旋轉(zhuǎn)器造成損害。在許多情況下，更簡單的是針對窄帶光構(gòu)造電子偏振旋轉(zhuǎn)器。圖16中所示的可替換實施例在輻照部分40r、40g、40b的每個支路中具有窄帶偏振旋轉(zhuǎn)組件75r、75g、75b。在該情況下，電子控制偏振旋轉(zhuǎn)器僅需要對于Inm量級的單個顏色帶的窄光譜執(zhí)行基本上半波旋轉(zhuǎn)。在電子偏振旋轉(zhuǎn)器屬于基于液晶的電子延遲器的情況下，這大大簡化了該結(jié)構(gòu)并且在線偏振光時工作良好。因此減少了這些旋轉(zhuǎn)器中每一個的成本和復(fù)雜度。將偏振延遲器放置在積分器51之后消除可能由更直接的激光照射而發(fā)生的潛在的更高能量密度“熱點”。該均衡的光/熱負荷改進了設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。 而且，因為該設(shè)備僅使用并且僅保持單個帶而不需要調(diào)制，因此相比于圖15所示以及在前描述的實施例能夠提供更一致并且更低的能量密度。如前所述，可選的四分之一波片延遲器可以用于每個顏色帶，或者如圖15所示，在系統(tǒng)中的顏色組合器之后。類似的，可以在電子偏振旋轉(zhuǎn)器之前使用偏振器以提供最佳偏振態(tài)?？梢匀鐖D14所示利用多個激光組合器，其中每個組合器具有不同的正交偏振態(tài)以及與其相關(guān)聯(lián)的相鄰波長光譜。例如，輻照單元40b可以包括具有線性ρ-偏振態(tài)的第一組合器和具有S-偏振態(tài)的第二組合器。第一組合器的主光譜相對于第二組合器偏移 15-25nm?？梢允褂闷穹质?2將兩組激光組合在一起。隨后，可以在偏振分束器62之后的路徑中使用顏色可選偏振延遲器以僅旋轉(zhuǎn)兩個組合器光譜波長之一 90度，從而使其偏振態(tài)與來自交替組合器的相鄰光譜的偏振態(tài)一致。以這種方式，在系統(tǒng)中光學擴展量沒有增加，并且可以利用來自圖15的電子偏振旋轉(zhuǎn)器75以正交旋轉(zhuǎn)單個偏振態(tài)，從而產(chǎn)生用于成像到每只相應(yīng)眼睛的光。用于產(chǎn)生交替的正交偏振以生成立體視覺體驗的另一個方法是在如圖18中所示的兩個正交態(tài)之間機械地切換。在輻照組合器43中，將激光器44b進行組合以生成第一線偏振態(tài)，而激光器4 與半波片64相結(jié)合生成與第一線偏振態(tài)正交的第二線偏振態(tài)的光。(也可以通過簡單地旋轉(zhuǎn)一組激光器以使得輸出偏振是正交的，從而形成兩個正交偏振態(tài)。)用于第一和第二正交偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)快門盤65放置在光軸的路徑中，并且產(chǎn)生合并的光軸。通過控制電機66的控制邏輯處理器90來控制旋轉(zhuǎn)快門盤65的旋轉(zhuǎn)位置。在圖19A和圖19B的平面圖和側(cè)視圖中分別示出的旋轉(zhuǎn)快門盤65優(yōu)選具有包括至少兩個分段的玻璃盤。第一透明分段6 設(shè)計為基本上透射所有入射到其上的光。 第二反射分段6 設(shè)計為基本上反射所有入射到其上的光。在透明分段6 沿著光軸定位時，來自激光器44b的光透射至下游的系統(tǒng)組件，而來自激光器44a的光被束流收集器 (beamdump)69吸收?？商鎿Q地，在反射分段6 沿著光軸定位時，來自激光器4 的光反射到下游的系統(tǒng)組件，而來自激光器44b的光導向束流收集器69。以這種方式，通過與在空間光調(diào)制器上形成立體圖像同步地旋轉(zhuǎn)快門盤65，將交替正交偏振光提供給空間光調(diào)制器以產(chǎn)生立體圖像。應(yīng)該注意，如圖19A中所示，在偏振態(tài)之間存在轉(zhuǎn)變區(qū)73，其中光束跨越透明分段6 和反射分段6 之間的邊界。這里，輻照光67跨越透明分段6 和反射分段6 之間的邊界。在這種情況下，將兩個偏振態(tài)無意地提供給空間光調(diào)制器。這種狀況造成兩眼圖像之間串擾，也稱作鬼像，這也會降低對比度。一定量的串擾是可接受的。然而，如果串擾過量，則空間光調(diào)制器在該轉(zhuǎn)變時段期間會轉(zhuǎn)向關(guān)閉(off)狀態(tài)，從而以損失一些光的代價來消除串擾。因此，期望最小化該轉(zhuǎn)變區(qū)。這可以通過最小化輻照光的光點尺寸或者通過擴大快門輪，實踐上將輻照光盡量朝向外徑放置來實現(xiàn)。在圖18的實施例用于交替導向至空間光調(diào)制器的光的偏振態(tài)時，超過50%的光損失于束流收集器69。這基本將系統(tǒng)效率減少至傳統(tǒng)方法的系統(tǒng)效率。圖20所示的另一實施例擴展了快門盤65的功能以恢復(fù)先前提供給束流收集器69的光。在輻照組合器45 中，束流收集器路徑中先前的光具有由半波片64’轉(zhuǎn)換的偏振態(tài)。這將光轉(zhuǎn)換到由快門盤 65直接提供給空間光調(diào)制器的同一偏振態(tài)。隨后，該偏振轉(zhuǎn)換光由反射鏡71導向至與直接來自于快門盤65的光相鄰的路徑?，F(xiàn)在具有相同偏振態(tài)的兩個激光器陣列的組合光提供給均勻化光學器件并且提供給空間光調(diào)制器。此外，通過使用電機66旋轉(zhuǎn)快門盤65，將光交替地以正交偏振態(tài)提供。對于圖20的實施例，可以看出光源的光學擴展量相對于圖18中提供的狀態(tài)已經(jīng)加倍?？梢詫⒃摴鈱W擴展量提供給具有雙倍面積的均勻化光學器件，其中原始的和所轉(zhuǎn)換的束是并排的并且在相同的角度空間。可替換地，來自每個激光源的光可以具有一定的重疊量。由于投影透鏡通常是遠心的，因此更加期望角度重疊，因為通過在該空間中混合以實現(xiàn)對于所有像素的均勻輻照將更加容易。雖然沿著輻照路徑的光學器件需要處理這一大的光學擴展量以更加高效時，但是由于激光源的低起點的光學擴展量的特性，這不是非常困難的問題。圖21示出也使用所恢復(fù)的偏振光而需要較少組件的可替換實施例。在這個情況中，使用反射棱鏡72對先前由束流收集器69捕獲的光重新導向，并且透過旋轉(zhuǎn)該偏振的半波片64’。圖22示出結(jié)合均具有圖21中示出類型的三個輻照組合器45r、45g以及45b的投影系統(tǒng)。輻照組合器45r、45g以及4 均產(chǎn)生交替的正交偏振并且直接輻照用于每個顏色通道的相應(yīng)的空間光調(diào)制器60。隨后，束與二向色板84組合并且通過投影光學器件70 投射。這個相同的方法也適用于非立體投影，即使在轉(zhuǎn)變區(qū)期間也沒有額外的光損失。 因此，與傳統(tǒng)解決方案不同，不必為了提高通光效率而移除快門輪或偏振開關(guān)，以利用投影系統(tǒng)用于傳統(tǒng)的非立體成像。在這種情況下，當投影系統(tǒng)用于傳統(tǒng)的非立體成像時，可以關(guān)閉電機66以節(jié)省壽命或功耗，優(yōu)選使快門的透射區(qū)域在光路中以最小化不必要的涂層損壞和熱量累積。圖19A和圖19B的旋轉(zhuǎn)快門機構(gòu)除了提供交替的正交偏振特性以外還提供了散斑減少的附加功能。先前討論的散斑是對于激光投影的潛在問題。雖然多個激光器的使用往往減少激光的一般相干性從而實質(zhì)上減少了散斑，然而會具有殘留的相干性，特別是在使用較少的激光器的小屏幕的情況下。為了減少散斑假象(artifact)，可以將相干性阻斷涂層涂覆于快門的一側(cè)或兩側(cè)。而且，使用與由于快門襯底的波前偏差而導致的光路的變化相結(jié)合地在空間上或者角度上混合光的均勻化光學器件，基本上減少了任何殘余的相干性，并因此減少了散斑。圖19B示出具有一個漫射側(cè)65c和一個拋光側(cè)65d的快門盤65。漫射側(cè)65c以毛砂面(ground surface)制成，而拋光側(cè)65d以拋光面制成。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，拋光側(cè)65d在一個分段中具有防反射涂層并且在交替的分段中具有反射鏡涂層。漫射側(cè)65c 的表面粗糙度應(yīng)該高到足以消除可視散斑，但低到不足以實質(zhì)上增加源的角度范圍。使用這個相對粗糙的表面并結(jié)合由旋轉(zhuǎn)輪提供的空間運動能夠減少或消除任何來自系統(tǒng)的殘余散斑假象。可替換地，如在前描述的，可以將快門盤65的兩側(cè)拋光。然而，在這種情況下，表面不應(yīng)該是光學平坦的，以在旋轉(zhuǎn)快門盤時，將多個波的光程差引入光束。該配置相對于使用漫射表面的優(yōu)點在于它并沒有實質(zhì)上增加輻照光的角度范圍并為此增加光學擴展量。本發(fā)明的優(yōu)選實施例使用旋轉(zhuǎn)元件，例如旋轉(zhuǎn)分段快門盤，作為光束分離裝置的一部分，用以從單個偏振光束交替地生成分離的第一和第二光束，以使得該束的其中之一可以隨后使其偏振旋轉(zhuǎn)到不同的偏振態(tài)。參照圖23，示出配置為分束系統(tǒng)的一部分的分段盤122的平面圖和示意性側(cè)視圖，該分束系統(tǒng)與偏振旋轉(zhuǎn)器協(xié)作用以由單個光源提供交替偏振態(tài)。分段盤122具有交替設(shè)置的內(nèi)部反射分段IM和外部非透射分段125以及內(nèi)部和外部透射分段126a和1 ，從而提供用于生成交替光束的機構(gòu)。相應(yīng)的內(nèi)部分段IM和 126a與外部分段126b和125沿徑向?qū)R，以使得外部非透射分段125對應(yīng)于內(nèi)部透射分段 126a并且是內(nèi)部透射分段126a的外圍。類似地，外部透射分段126b對應(yīng)于內(nèi)部反射分段 124并且是內(nèi)部反射分段124的外圍。應(yīng)該注意，圖23的實施例僅具有兩個內(nèi)部分段124 和126a以及兩個外部分段126b和125?？梢蕴鎿Q地使用具有多于兩個外部-內(nèi)部分段對的實施例。外部非透射分段125可以是反射的或，可替換地是光吸收的。為了更好理解分段盤122以交替的方式生成第一和第二光束的作用，并且為了更好理解本發(fā)明的可替換實施例的多個改進，考慮該設(shè)備如何有助于提供用于立體圖像投影的輻照是有用的。參照圖M和圖25，分束系統(tǒng)120接收來自光源系統(tǒng)110的偏振輻照。光源系統(tǒng)110可以使用如在前描述的光重新導向棱鏡30及其支持組件，或使用一些其他偏振輻照源。分束系統(tǒng)120包括分段盤122。與在前示出的基本上將準直光導向旋轉(zhuǎn)的快門盤的快門盤設(shè)置不同，諸如透鏡或反射鏡的可選的會聚光學元件112將偏振輻照會聚成分段盤122上減小的光束直徑。束組合系統(tǒng)130配置成將不同偏振態(tài)的各自的光束引導到同一光路上。束組合系統(tǒng)130的配置包括支撐反射鏡、反射元件1 和129、偏振旋轉(zhuǎn)器134以及偏振束組合器132。電機或其它致動器(未圖示)提供實現(xiàn)分段盤122提供分離束的旋轉(zhuǎn)運動。諸如線柵、薄膜板或立體偏振分束器、或布魯斯特角束組合元件的偏振分束器可以交替地用于反射元件1 和129。薄膜板通作為反射元件1 和1 常是成本較低的解決方案并且能夠提供可接受的性能。圖M示出在旋轉(zhuǎn)分段盤122定位為使得從分段盤122的內(nèi)部反射分段IM朝向用作轉(zhuǎn)向反射鏡的反射元件1 反射偏振輻照時半周期期間的光路。該光透射通過外部透射分段126b，并且通過諸如改變輻照的偏振態(tài)的半波片、反射延遲器、或電子延遲器的偏振旋轉(zhuǎn)器134。在圖M所示的示例中，來自光源系統(tǒng)110的光是S-偏振的，而由偏振旋轉(zhuǎn)器 134發(fā)出的光是正交的，或P-偏振的?？梢岳斫馄渌渲靡彩强赡艿?，包括不使用半波片， 以使得來自偏振旋轉(zhuǎn)器134的光的各自偏振態(tài)不必正交于從光源系統(tǒng)110發(fā)射的光的偏振態(tài)的實施例。在一個實施例中，來自偏振旋轉(zhuǎn)器134的光的正交偏振態(tài)是相反的圓偏振態(tài)。在另一實施例中，通過使用反射延遲器作為反射元件128，將反射元件1 和偏振旋轉(zhuǎn)器134的功能進行組合。仍參照圖M，束組合系統(tǒng)130中的偏振束組合器132隨后透射該偏振態(tài)的光以提供用于調(diào)制的第一光束104。偏振束組合器132可以是諸如線柵、薄膜板或立體偏振分束器、或布魯斯特角束組合元件的偏振分束器。薄膜板作為偏振束組合器132通常是成本較低的解決方案并且能夠提供可接受的性能。圖25示出在旋轉(zhuǎn)分段盤122定位為使得偏振輻照透射通過分段盤122的內(nèi)部透射分段126a并且朝向反射元件129時的交替半周期期間的光路。反射元件1 用作轉(zhuǎn)向反射鏡并且將光以其原始偏振態(tài)，重新導向到偏振束組合器132。隨后，偏振束組合器132 反射該光作為第二光束106。第二光束106所處的偏振態(tài)實質(zhì)上正交于第一光束104的偏振態(tài)(在這個示例中，第二光束106是S-偏振的)。以這種方式，將第一光束104和第二光束106兩者沿著相同的光路交替地導入作為組合光束。在單獨的時間段期間提供每個光束104和106以使得組合光束的偏振態(tài)在兩個實質(zhì)上正交的偏振態(tài)之間反復(fù)交替。返回來參照圖23中的分段盤122的平面圖，可以理解，在入射輻照束的一部分被透射并且在同一時間其他部分被反射的分段盤122的旋轉(zhuǎn)期間，存在某個轉(zhuǎn)變間隔。相對于分段盤122的整個周期時間，該周期時間的“轉(zhuǎn)變的”間隔是不可用的，因為所有的輻照在該間隔期間沒有相同的偏振態(tài)。因此，所具有的優(yōu)點在于減少了輻照束寬度以使得束直徑小并且在其恰好入射到分段盤122上之后的某點處具有最小尺寸。因為分段盤122接收來自光源系統(tǒng)110的會聚光，入射在分段盤122上的束寬度被顯著減少，從而減少了轉(zhuǎn)變間隔的時間，有效地增加了可用于調(diào)制的輻照量。分段盤122上的入射光的束寬度對于透射光和反射光兩者均是相同的。在一個使用基本準直光的實施例中，在第一光束經(jīng)過透射內(nèi)部分段126a時該第一光束的第一束直徑等于或基本等于在第二光束經(jīng)過透射外部分段 126b時該第二光束的第二束直徑。在另一實施例中，由分束系統(tǒng)120提供的第一和第二光束可以會聚在組合系統(tǒng)130中的空間光調(diào)制器處或光積分器元件處，例如積分條或小透鏡陣列，或一些其它組件。可以調(diào)節(jié)分段盤122或其它束分離設(shè)備的角度和位置，以產(chǎn)生對于從束組合系統(tǒng) 130輸出的第一光束104和第二光束106的光輸出強度的基本匹配。可替換地，可以有意地調(diào)節(jié)分段盤122或偏振旋轉(zhuǎn)器134的角度、位置以及光學參數(shù)以針對光學系統(tǒng)中其它位置的條件進行校正，包括定位偏振束組合器，以使得其提供小于最大的偏振旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的分束系統(tǒng)120的另一個優(yōu)點在于消除了對于兩個偏振態(tài)中的每一個偏振態(tài)使用單獨光源的需要以及消除了對于重復(fù)使光源開和關(guān)的需要。代替地，本發(fā)明的實施例使用相同的光源系統(tǒng)110以提供用于兩個偏振態(tài)的光。而且，普遍已知交替偏振用于提供來自相干光源的減少到一定水平的散斑。(即使對于數(shù)字投影系統(tǒng)沒有用于立體投影， 而是根據(jù)本發(fā)明的方法使用交替偏振以傳統(tǒng)視頻序列顯示圖像的情況，也是如此。)對于投影機可以提供在此沒有示出或特別描述的、但對于電子圖像投影領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的感測和控制邏輯，以使分段盤122的相對時序與提供給多個顏色通道中的每一個顏色通道內(nèi)的空間光調(diào)制器的信號相協(xié)調(diào)。圖26的簡化時序圖示出在此是固態(tài)光陣列44b的光源持續(xù)地處于“開”位置，同時交替改變光輸出的偏振態(tài)。如前所述，采用會聚光學元件112所提供的會聚光路，將減小未在圖沈的時序中示出的偏振態(tài)之間的轉(zhuǎn)變間隔。圖27的示意圖示出圖像投影系統(tǒng)100，該圖像投影系統(tǒng)采用本發(fā)明的輻照裝置以將交替偏振態(tài)的輻照提供給在此顯示為紅色通道140r、綠色通道140g以及藍色通道140b 的每個顏色通道中的空間光調(diào)制器60。每個顏色通道包括其自己的光源系統(tǒng)110、分束系統(tǒng)120以及束組合系統(tǒng)130。在每個顏色通道中，空間光調(diào)制器60以與立體圖像數(shù)據(jù)一致的方式調(diào)制來自其相應(yīng)的束組合系統(tǒng)130的組合光束，以由組合光束中具有第一偏振態(tài)的輻照形成第一調(diào)制圖像，并且由組合光束中具有第二偏振態(tài)的輻照形成第二調(diào)制圖像。圖像投影系統(tǒng)100還包括用于組合來自每個顏色通道的光的所需組件(在該實施例中為二向色表面84)和用于在顯示表面上形成立體圖像的投影光學器件70。參照圖23-圖沈描述的束分離方法的一個優(yōu)點在于每個偏振半周期內(nèi)光的特性。 因為在光源系統(tǒng)110中使用相同源的光，組合光束的空間和角度的特性在交替偏振態(tài)之間是基本等同的。第一和第二光束的光路中的組件的厚度、入射角以及折射率方面可以配置成支持等同或基本等同的空間和角度特性。
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在使用分段盤122時，由于無意地反射或透射的雜散光會造成引起左右眼圖像之間串擾的鬼像效應(yīng)。用于減少可檢測的鬼像效應(yīng)的可能性的一種方法是將分段盤122制造得盡可能薄。其它方法包括在分段盤122的前方或入射光表面或者相對的后表面上使用各種光吸收材料。例如，非透射分段125可以是光吸收的。圖^A的示意性側(cè)視圖示出應(yīng)用于分段盤122的后表面并在非透射分段125背面的光吸收元件136。從透射分段126a的前表面反射并且沒有由非透射分段125吸收或者反射回去的雜散光116在光吸收元件136處被吸收。圖^B的示意性側(cè)視圖示出應(yīng)用于分段盤122的后表面并在反射分段IM背面的光吸收元件136’，減少了透射通過反射分段124的雜散光的可能性?？梢圆捎酶鞣N方法來處理分段盤122的前后表面中的任一個或兩個，或者它們分段中的任一個，以影響光處理。例如，外部非透射分段125可以是反射的、吸收的、散射的或這些或其他特性的某種組合，例如吸收和散射兩者。可以在分段盤122的至少一些部分上提供紋理化(texturing)，用以減少相干假象或其它問題。還可以包括可選的均勻化元件作為輻照系統(tǒng)的一部分。圖M和圖25示出來自光源系統(tǒng)Iio的偏振光束的路徑中的一個可能位置處可選的均勻化系統(tǒng)138。圖M和圖25 還示出組合光束的路徑中的可替換位置處的可選的均勻化系統(tǒng)138’。例如，可以使用任意多個類型的均勻化元件，諸如積分條或小透鏡陣列。如上所述，使用會聚光學元件112可以將光會聚到均勻化系統(tǒng)138’上。在圖四中示出本發(fā)明的替換實施例。在這種情況下，取消了偏振束組合器，并且反射元件1 設(shè)置為執(zhí)行束組合系統(tǒng)130的功能。在圖四中，分段盤122定位為使得來自光源系統(tǒng)的光束從內(nèi)部反射分段1 反射，接著從反射元件1 反射，透射通過外部透射分段1 ，隨后通過偏振旋轉(zhuǎn)器134以形成第一光束104。在旋轉(zhuǎn)分段盤122時，來自光源系統(tǒng)的光束交替地透射通過內(nèi)部透射分段126a以形成第二光束106。反射元件1 適當?shù)貎A斜以將第一光束104和第二光束106會聚到空間光調(diào)制器60上。該設(shè)置減少了所需的光學組件的數(shù)量，盡管它具有增大入射到空間光調(diào)制器上的光的光學擴展量的折衷?？商鎿Q地，第一和第二光束可以會聚在諸如積分條或小透鏡陣列的均勻化系統(tǒng)上。在這種情況下， 均勻化系統(tǒng)可以被認為是束組合系統(tǒng)的組件。諸如DLP設(shè)備的大多數(shù)微機電結(jié)構(gòu)(MEMS)使用通常由鋁形成的金屬反射器。金屬反射鏡在處理來自傾斜角度的光時產(chǎn)生在反射上非常小的相位偏移。如圖17所示，DLP 設(shè)備在反射之后保持偏振態(tài)的優(yōu)選偏振方向具有或者與微反射鏡74的鉸鏈樞軸傾斜一致或者正交于微反射鏡的鉸鏈樞軸傾斜的偏振軸。軸A表示DLP微反射鏡的鉸鏈樞軸線。然而，在對于殘余偏振(residual polarization)的影響最小的情況下，也可以使用沿著相對于微反射鏡的平面的其他軸取向的偏振態(tài)。優(yōu)選地，對于傳統(tǒng)的DLP封裝的修改用于蓋板密封封裝。傳統(tǒng)的封裝設(shè)計成提供密封環(huán)境以及無缺陷表面，以防止散射影響圖像質(zhì)量。由此，激光焊接處理以及熱熔成機械框架的窗口對每個封裝造成顯著且不一致的雙折射。已經(jīng)觀察到樣本設(shè)備超過3nm的延遲變化。這將不利地影響設(shè)備外的偏振態(tài)的保持。因此，為了以偏振光合適地利用DLP設(shè)備，新的窗口封裝將是有用的。可以通過利用具有低應(yīng)力系數(shù)或的熱致雙折射的玻璃，諸如 SF57來改善封裝。替換方法將是向窗口框架提供窗口的無應(yīng)力安裝，例如使用RTV在適當?shù)奈恢谜辰哟翱?。期望進一步的隔絕以使得窗口框架的結(jié)構(gòu)相對于窗口是剛性的，但相對于至芯片框架的粘接表面是柔性的。同樣的，該方法可以顛倒。而且，如果用于將窗口粘接到框架并且將框架固定到芯片底座的工序在小心控制的芯片操作溫度下執(zhí)行，以避免來自操作和封裝溫度差異的應(yīng)力，則會是有益的。使用偏振激光光源對于立體成像的投影具有顯著優(yōu)點。在前論述的相對于傳統(tǒng)輻照源的效率提高使得投影機更容易提供具有與傳統(tǒng)2D投影相當?shù)牧炼鹊膱D像。具體參照某些優(yōu)選實施例已詳細地描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解，可以在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)實施變型和修改。例如，雖然在詳細的實施例中描述了激光器陣列，但是也可以使用其它固態(tài)發(fā)射組件作為替代。支撐透鏡和其它光學組件也可以增添到每個光路。在此所示的光學組件中，均勻化或光積分和中繼的順序可以顛倒，而沒有效果上的顯著差異。因此，提供一種使用偏振輻照的裝置和方法，用于具有增強亮度和提高的對比度的立體數(shù)字電影投影。部件列表10、投影機裝置12、光源14、棱鏡組件16、位置18、光學器件20、20r、20g、20b.空間光調(diào)制器26、激光器28、入射小平面29、投影透鏡30、光重新導向棱鏡32、入射面34、輸出面36、重新導向表面38、光重新導向小平面40r、40g、40b.光調(diào)制組件42、輻照組合器43、輻照組合器44,44'.固態(tài)光陣列44a、44b.固態(tài)激光器陣列45、45r、45g、45b.輻照組合器46、反射鏡50、透鏡51、積分器52、光導54、透鏡60、空間光調(diào)制器62、偏振分束器
64,64'.半波片65、快門盤65a、透明分段65b、反射分段65c、漫射側(cè)65d、拋光側(cè)66、電機67、輻照光68、二向色表面69、束流收集器70、投影光學器件71、反射鏡72、反射棱鏡73、轉(zhuǎn)變區(qū)74、微反射鏡75、電子偏振旋轉(zhuǎn)器75r、75g、75b.窄帶偏振旋轉(zhuǎn)組件76、四分之一波片80、顯示表面82、二向色組合器84、二向色表面90、控制邏輯處理器100、圖像投影系統(tǒng)104、第一光束106、第二光束110、光源系統(tǒng)112、會聚光學元件116、雜散光120、分束系統(tǒng)122、分段盤124、反射分段125、非透射分段126aU26b.透射分段128、129.反射元件130、束組合系統(tǒng)132、偏振束組合器134、偏振旋轉(zhuǎn)器136、136，.光吸收元件138、138’ .均勻化系統(tǒng)
140r、紅色通道140 g、綠色通道140b、藍色通道A、軸Al、光源面積A2、調(diào)制器面積D1、D1，.發(fā)射方向D2、輸出方向L、長度方向θ 1、輸出角θ 2、接收角S、P.偏振態(tài)
權(quán)利要求
1.一種立體數(shù)字圖像投影系統(tǒng)，包括光源系統(tǒng)，可激勵為用于提供具有第一偏振態(tài)的偏振輻照；包括旋轉(zhuǎn)分段盤的分束系統(tǒng)，所述旋轉(zhuǎn)分段盤設(shè)置在所述偏振輻照的路徑中并且由所述偏振輻照交替地生成第一光束和第二光束，所述旋轉(zhuǎn)分段盤包括交替為透射和非透射的外部分段以及與所述外部分段沿徑向?qū)R并且各交替為反射和透射的內(nèi)部分段，其中所述內(nèi)部反射分段與所述外部透射分段相對應(yīng)；偏振旋轉(zhuǎn)器，定位于所述第一光束或者所述第二光束的路徑中，并且將所述第一偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)至與所述第一偏振態(tài)正交或基本正交的第二偏振態(tài)；組合系統(tǒng)，將所述第一光束和所述第二光束組合為組合光束；空間光調(diào)制器，以與立體圖像數(shù)據(jù)一致的方式調(diào)制所述組合光束，以由所述組合光束中具有所述第一偏振態(tài)的輻照形成第一調(diào)制圖像，并且由所述組合光束中具有所述第二偏振態(tài)的輻照形成第二調(diào)制圖像；以及投影光學器件，配置為將所述第一調(diào)制圖像和所述第二調(diào)制圖像投影至顯示表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中在所述偏振輻照透射通過透射內(nèi)部分段時生成所述第一光束，并且在所述偏振輻照從反射內(nèi)部分段反射并透射通過透射外部分段時生成所述第二光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括會聚光學元件，所述會聚光學元件將所述偏振輻照會聚成所述分束系統(tǒng)處減小的光束直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述會聚光學元件是透鏡或反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述會聚光學元件會聚所述偏振輻照，以使得所述第二光束的最小束直徑出現(xiàn)于所述第二光束從所述反射內(nèi)部分段反射之后并且透射通過所述透射外部分段之前的點。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中在所述第一光束通過所述透射內(nèi)部分段時所述第一光束的第一束直徑等于或基本等于在所述第二光束通過所述透射外部分段時所述第二光束的第二束直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述分束系統(tǒng)還包括反射鏡，所述反射鏡將從所述內(nèi)部反射分段反射的光導向通過所述外部透射分段。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述反射鏡被適當?shù)貎A斜以會聚所述第一光束和所述第二光束，從而用作所述組合系統(tǒng)的組件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第一光束和所述第二光束被會聚于所述調(diào)制ο
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第一光束和所述第二光束被會聚于積分條或小透鏡陣列。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述反射鏡是執(zhí)行所述偏振旋轉(zhuǎn)器的功能的反射延遲器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述外部非透射分段是光吸收的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述外部非透射分段是反射的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述外部反射分段的后表面是光吸收、散射或者吸收和散射兩者的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)分段盤僅包括兩個外部分段和兩個內(nèi)部分段。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)分段盤的至少一部分以減少相干假象的方式被紋理化。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述組合系統(tǒng)包括偏振分束器、積分條或小透鏡陣列。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)器包括半波片或反射延遲器或電子延遲器。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述組合系統(tǒng)包括偏振束組合器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述偏振束組合器是薄膜板、薄膜立方體、線柵或布魯斯特角元件。
全文摘要
一種立體數(shù)字圖像投影系統(tǒng)包括提供具有第一偏振態(tài)的偏振輻照的光源系統(tǒng)；以及分束系統(tǒng)，具有位于輻照中的旋轉(zhuǎn)分段盤，以交替生成第一和第二光束，該旋轉(zhuǎn)分段盤具有交替為透射和非透射的外部分段和與外部分段沿徑向?qū)R并且交替為反射和透射的內(nèi)部分段。在第一光束或者第二光束的路徑中的偏振旋轉(zhuǎn)器將第一偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)到與第一偏振態(tài)正交的第二偏振態(tài)。組合系統(tǒng)將第一和第二光束組合為組合光束。空間光調(diào)制器以與立體圖像數(shù)據(jù)一致的方式調(diào)制組合光束，以形成具有基本正交偏振態(tài)的第一和第二調(diào)制圖像。投影光學器件將調(diào)制圖像投影到顯示表面上。
文檔編號H04N13/00GK102472957SQ201080031468
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者B·D·西爾弗斯坦, J·R·基爾舍, J·R·比耶特里, R·梅茨格 申請人:伊斯曼柯達公司