CN102414583A - 使用阵列光源的数字投影仪 - Google Patents

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Abstract

一种沿长度方向延伸的束对准腔，包括：基部，该基部具有前边缘和两个侧边缘；相对的第一侧壁和第二侧壁，该相对的第一侧壁和第二侧壁连接到基部并且沿着基部的长度方向延伸；前壁，该前壁位于基部的前边缘处并且具有输出开口。该束对准腔还包括：多个光源阵列，该多个光源阵列被设置为将光束指向为穿过第一侧壁或第二侧壁；以及多个反射器，该多个反射器被安装在基部上，每个反射器具有独立的偏转和俯仰调节装置，每个反射器与相应的光源阵列相配对，安装在基部上的反射器被设置为将光束指向为沿着束对准腔的长度方向通过输出开口，形成对准的二维平行光束阵列。

Description

使用阵列光源的数字投影仪
技术领域
本发明一般地涉及一种用于投影数字图像的装置，尤其涉及一种用于对准作为照明源的固态激光器的改进的装置和方法。
背景技术
为了被认为是适合于取代传统的胶片投影仪，数字投影系统特别是多色电影投影系统必须满足对图像质量与性能的苛刻要求。这在其它特征中意味着高分辨率、广色域、高亮度和超过1,000∶1的帧连续对比率。
对于多色数字电影投影的最有前景的方案采用两种基本类型的空间光调制器(SLM，spatial light modulator)之一作为成像设备。第一类型的空间光调制器是由德克萨斯州的达拉斯的德克萨斯仪器有限公司(Texas Instruments，Inc.)开发的数字光处理器(DLP，Digital LightProcessor)——一种数字微镜设备(DMD，digital micromirror device)。在许多专利中描述了DLP设备，例如美国专利4,441,791号、5,535,047号、5,600,383号(全部属于Hornbeck)、以及美国专利5,719,695号(Heimbuch)。在美国专利5,914,818号(Tejada等人)、5,930,050号(Dewald)、6,008,951号(Anderson)和6,089,717号(Iwai)中公开了针对采用DLP的投影装置的光学设计。DLP已成功地应用于数字投影系统中。
图1示出使用DLP空间光调制器的投影仪装置10的简化框图。光源12将多色光提供到棱镜组件14(例如，诸如飞利浦棱镜)中。棱镜组件14将多色光分为红色、绿色和蓝色成分的波段，并将每个波段引向相应的空间光调制器20r、20g或20b。棱镜组件14然后重新合成来自每个SLM20r、20g和20b的调制后的光，并将该光提供给投影透镜30以投影到显示屏或其它合适的表面上。
尽管基于DLP的投影仪证明了为从桌面电脑到大型电影的大多数投影应用提供需要的光吞吐量、对比率和色域的能力，但由于当前设备仅提供2148×1080的像素，故存在固有分辨率限制。另外，部件和系统的高成本限制了DLP设计对更高质量数字电影投影的适合性。此外，飞利浦棱镜或其它合适的棱镜以及具有亮度所需的长工作距离的快速投影透镜的成本、尺寸、重量及复杂性是对这些设备的可接受性和可用性有负面影响的固有约束。
用于数字投影的第二类型的空间光调制器是LCD(液晶设备)。LCD通过为每个相应像素选择性地调制入射光的偏振态来形成作为像素阵列的图像。LCD作为用于高质量数字电影投影系统的空间光调制器，显示出具有多种优势。这些优势包括相对大的设备尺寸、良好的设备产量以及制造更高分辨率设备(例如Sony和JVC公司的4096×2160分辨率设备)的能力。在利用LCD空间光调制器的电子投影装置的示例中，有公开于5,808,795号美国专利(Shimomura等人)、5,798，819号美国专利(Hattori等人)、5,918,961号美国专利(Ueda)、6,010,121号美国专利(Maki等人)和6,062,694号美国专利(Oikawa等人)中的那些示例。LCOS(LiquidCrystal On Silicon，硅基液晶)设备被认为在大规模图像投影方面是特别有前景的。然而，LCD部件难以维持数字电影的、特别是有关于颜色和对比度的高质量要求，这是因为高亮度投影的高热负荷影响材料的偏振质量。
照明效率的持续问题涉及光展量(etendue)，或相类似地，涉及拉格朗日不变量。如在光学领域所熟知的，光展量涉及可以由光学系统所处理的光量。潜在地，光展量越大，图像越明亮。数值上，光展量与两种特性即图像面积和数值孔径的乘积成比例。就图2中所表示的具有光源12、光学系统18和空间光调制器20的简化光学系统而论，光展量是光源A1的面积与光源A1的输出角θ1的因子，并且等于调制器A2的面积与调制器A2的接收角θ2。为了增加的亮度，期望从光源12的区域提供尽可能多的光。作为普遍原理，当在光源处的光展量与调制器处的光展量最大程度地紧密匹配时，将有利于光学设计。
例如，增加数值孔径使光展量增加，使得光学系统捕获更多光。相似地，增加源图像尺寸，使得光产生自更大区域，这增加光展量。为了在照明侧利用增加的光展量，该光展量必须大于或等于照明源的光展量。然而，通常，图像越大，光学元件和支撑部件成本更高且尺寸更大。这对于诸如LCOS和DLP部件的设备尤其如此，其中硅衬底和缺陷势随着尺寸增加。作为普遍规则，增加的光展量导致更复杂且成本更高的光学设计。使用诸如在5,907,437号美国专利(Sprotbery等人)中概述的方法作为示例，必须针对大的光展量来设计光学系统中的透镜部件。必须通过系统光学元件来被会聚的光的源图像区域是红光路、绿光路和蓝光路中的空间光调制器的合成区域的总和；显著地，这是所形成的最终多色图像面积的三倍。即，对于5,907,437号美国专利中公开的配置，光学部件处理了相当大的图像区域，由于红色光路、绿色光路和蓝色光路是分隔的并且必须被光学地会聚，因此有高光展量。此外，尽管诸如在5,907,437号美国专利中公开的配置中处理了来自所形成的最终多色图像三倍面积的光，但这种配置并不能提供对所增加亮度的任何益处，这是因为每个颜色路径仅包含总光能级的三分之一。
当光源的光展量与空间光调制器的光展量良好地匹配时，效率提高。较差匹配的光展量意味着光学系统是光饥饿的(不能为空间光调制器提供足够的光)，或者光学系统是效率低的(实际上丢弃大部分所产生的用于调制的光)。
到目前为止，已证明了以可接受的系统成本为数字电影应用提供充足亮度的目的对于LCD系统和DLP系统的设计者是难以掌握的。基于LCD的系统被对偏振光的需求而连累，即使是在使用了偏振恢复技术的情况下，仍降低了效率并增加了光展量。已证明，不需要偏振光的DLP设备设计是稍微更有效的，但仍需要昂贵的、短寿命的灯和高成本的光学引擎，这使得其太昂贵而不能与传统的电影投影装置相竞争。
为了与传统高端、基于胶片的投影系统竞争，并提供被称为电子的或数字的电影的东西，数字投影仪必须能够实现比得上该较早设备的电影亮度等级。作为比例的一些概念，通常的剧院需要10,000流明量级被投影到对角线大约为40英尺量级的屏幕尺寸上。屏幕的范围需要任何位置从5,000流明到40,000流明以上。除了这种苛刻的亮度要求，这些投影仪还必须递送高分辨率(2048×1080像素)并提供约2000∶1的对比度和广色域。
已证明，一些数字电影投影仪设计能够实现这种性能等级。然而，高的设备和运行成本已成为障碍。满足这些要求的投影装置通常每套花费超过50,000美元，并利用每隔500至2000小时需要替换的高瓦特氙弧灯，其替换成本通常超过1000美元。氙灯的大光展量对成本和复杂度有相当大的影响，这是由于其需要相对快速的光学元件，以从这些源处采集光并投影光。
DLP和LCOS LCD空间光调制器(SLM)二者的一个共同缺点是其使用固态光源特别是激光源的有限能力。尽管对于相对光谱纯度和潜在高亮度等级来说这些光源优于其它类型的光源，但固态光源需要不同的方法，以便有效使用这些优点。与较早的数字投影仪设计一起使用的、用于对来自颜色源的光进行调节、重定向及结合的传统方法和设备可能抑制使用激光器阵列光源的良好程度。
固态激光器允诺在光展量、寿命、以及总光谱和亮度稳定性上的改进，但是，直到最近，也未能够以足够能级并在所需成本范围内递送可见光以满足数字电影要求。在更近期的发展中，VCSEL激光器阵列已被商业化，并显示出一些作为潜在的光源的前途。然而，需要来自9个之多的独立阵列的合成光，以便为每个颜色提供需要的亮度。
使用激光器阵列的投影装置的示例包括如下：
Kappel等人的题为“Laser Illuminated Image Projection System andMethod of Using Same”的5,704,700号美国专利，描述了微激光器阵列用于投影仪照明的使用。
Kruschwitz等人共同受让的题为“Electronic Imaging System UsingOrganic Laser Array Illuminating an Area Light Valve”的6,590,454号美国专利，描述了有机激光器用于向空间光调制器提供激光照明的使用。
Mooradian等人的题为“Projection Display Apparatus，System，andMethod”的2006/0023173号美国专利公开，描述了延伸腔表面发光半导体激光器阵列用于照明的使用；Glenn的题为“Displays Using Solid-StateLight Sources”的7,052,145号美国专利，描述了采用微激光器阵列用于投影仪照明的不同显示器实施例。
Lang等人的题为“Laser Diode Array Assemblies With OptimizedBrightness Conservation”的6,240,116号美国专利，讨论了传统激光棒发射二极管及激光边缘发射二极管的具有高冷却效率的封装，并描述了使用结合有反射器的透镜以通过除去或减少准直光束间的间隔来减少二维阵列的发散-尺寸乘积(光展量)。
这些类型的方案中的每个都具有难点。Kappel的700教导了相干激光器的单片阵列用作图像投影中的光源的使用，由此对激光器的数量进行选择以对投影仪的流明输出的功率需求进行匹配。然而，在高流明投影仪中，这种方法显示出大量困难。生产成品率随着设备数量的增加而下降，并且更大规模的阵列的热问题可能是显著的。对于单片集成设计，相干性也可能产生问题。激光源的相干性通常引起假象，诸如光学干扰和光斑。因此，优选地使用相干性、空间和时间相干性弱或被破坏的激光器阵列。尽管从改进色域的立场上讲光谱相干性是被期望的，但是光谱的少量扩展对于除去对光斑及干扰的灵敏度也是期望的，光谱的少量扩展也减轻了单一光谱源的色位移效应。例如，这种位移可能发生在三色投影系统中，该三色系统具有分隔的红、绿和蓝激光源。如果单一颜色阵列中的所有激光源结合在一起且具有狭窄波长，并且在工作波长中产生位移，则整个投影仪的白点和颜色将超出规格。另一方面，在用波长的小变化来使阵列平均的情况下，总输出中的单一色位移的灵敏度被大大降低。尽管如Kappel所讨论的，可以将部件添加到系统以帮助打破这种相干性，但从成本和简单的立场来说，优选的是利用与不同的制造组稍有不同的设备来形成基本上不相干的激光源。另外，优选的是在源处减少空间的和时间的相干性，如减少在源之外的这种不相干的大多数装置使用了诸如扩散器的部件，扩散器增加了源的有效广度(光展量)，引起额外的光损耗，并增加了系统的费用。维持激光器的小的光展量使得能够简化光学系列，这是高度期望的。
对于投影应用有特别影响的激光器阵列是各种类型的VCSEL(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)阵列，包括加州森尼维耳市Novalux公司的VECSEL(Vertical Extended CavitySurface-Emitting Laser，垂直延伸腔面发射激光器)和NECSEL(NovaluxExtended Cavity Surface-Emitting Laser，Novalux延伸腔面发射激光器)设备。然而，使用这些设备的传统方案容易产生大量问题。一种限制涉及设备成品率。很大程度上地由于关键部件的热问题和封装问题，商业化的VECSEL阵列沿着长度延伸，但在高度上受限；通常，VECSEL阵列仅具有两行照明部件。超过两行的使用趋向于显著地增加成品率困难。这种实际限制将使得为投影装置提供VECSEL照明系统变得困难，例如如7,052,145号美国专利中所描述的。当使用在2006/0023173号美国专利公开中所提出的投影方案时，亮度将会受到限制。尽管Kruschwitz等人的6,950,454号美国专利及其它专利描述了使用有机VCSEL的激光器阵列的使用，但这些有机激光器并没被有成功地商业化。除了这些问题，传统的VECSEL设计易于产生功率连接和散热的困难。这些激光器是高功率的，例如，频率加倍到来自Novalux公司的两行设备中的单行激光器设备产生超过3W可用光。因此，可能具有重要的电流需求和来自未使用电流的热负荷。寿命和束质量高度依赖于稳定的温度维持。
将激光源耦合到投影系统会呈现出使用传统方法不能充分解决的其它困难。例如，使用Novalux的NECSEL激光器，每个颜色大约需要九个2行×24的激光器阵列，以便接近大多数剧院的大约10,000流明的要求。期望的是分离地装配这些光源，以便提供足够的热耗散，以及用于运行功率和控制信号并允许使维修及替换变得简化的模块化设计。然而，同时，必须要合成来自多个光源的激光束，以便形成提供准直光的单一光束。由于覆盖单独光束的方案在合成光束覆盖层是无效的，因而会损失一部分生成光。引入到合成处理中的任意有角部件都会增加光展量并且通常是不期望的。期望的是对光束之间具有最小间隔的多个光束进行重定向，但使用传统的合成光束技术不易实现。
因此，可以看出有对下述照明方案的需要：该照明方案利用固态阵列光源的优点并允许通过DLP和LCOS调制器来有效使用固态照明部件。
发明内容
本发明通过提供沿长度方向延伸的束对准腔，解决了投影显示对提高的亮度的需要，该束对准腔包括：
基部，其具有前边缘和两个侧边缘；
相对的第一侧壁和第二侧壁，该相对的第一侧壁和第二侧壁连接到基部并且沿着基部的长度延伸；
前壁，该前壁位于基部的前边缘处并且具有输出开口；
多个光源阵列，该多个光源阵列被设置为将光束指向为穿过第一侧壁或第二侧壁；以及
多个反射器，该多个反射器被安装在基部上，每个反射器具有独立的偏转和俯仰调节装置，每个反射器与相应的光源阵列相配对，安装在基部上的反射器被设置为将光束指向为沿着束对准腔的长度方向通过输出开口，形成对准的二维平行光束阵列。
本发明的特征是提供了一种用于下述激光束对准的装置和方法，该激光对准提供来自多个光源阵列的二维平行输出光束阵列。
本发明的优点是提供了一种用于对多个激光阵列紧凑封装的、沿着输出光路对平行阵列进行对准的装置。
对于本领域的普通技术人员，在结合附图阅读以下详细的描述时，本发明的这些及其它特征和优点将变得明显，在附图中，示出并描述了本发明的示例性实施例。
附图说明
图1是使用用于不同颜色光路的组合棱镜的传统投影装置的示意框图；
图2是示出光学系统的光展量的表示图；
图3A是示出具有用于图像投影的多个颜色通道和多组投影光学元件的投影装置的总体布置的示意框图；
图3B是示出这样的投影装置的总体布置的示意框图，该投影装置使多个颜色通道结合起来以将单一组投影光学元件用于图像投影；
图4示意性地示出使用反射表面的、具有固态激光器阵列的束对准；
图5A是示出使用光重定向棱镜以用于组合来自多个固态激光器阵列的照明的示意侧视图；
图5B是图7A的光重定向棱镜的透视图；
图6是接受来自两个不同侧的光的光重定向棱镜的示意侧视图；
图7是一个实施例中用于组合来自多个固态激光器阵列的光的束对准腔的透视图；
图8是束对准腔的透视图，其中顶盖被移去并且示出两侧的激光器阵列源；
图9是束对准腔的透视图，其中，示出安装在基部和盖子上的反射器的相对位置；
图10是示出一种类型的独立可调的反射镜架的束对准腔的透视图，其中，看不到一侧和顶盖；
图11是示出束对准腔的侧壁的平面图；
图12是示出来自多个对准的激光器阵列的输出束部分的平面图；
图13是示出顶上安装的反射器之一和基部上安装的反射器之一的代表性光路的顶视图；
图14是示出束对准腔的一部分的均衡的光路长度的俯视图；
图15是示出均衡的光路长度可以如何用于简化光学元件以调整输出光束的透视图；以及
图16是一个实施例中的具有独立可调俯仰和偏转的运动反射镜架的透视图。
具体实施方式
本说明书特别致力于下述元件，该元件形成了根据本发明的装置的一部分，或更直接地与根据本发明的装置相协作。要理解：没有具体示出或描述的元件可以采用本领域普通技术人员熟知的各种形式。
此处所描述并示出的附图用于说明根据本发明的工作原理，并且绘制该附图并不打算示出实际尺寸或比例。由于本发明的激光器阵列的部件部分的相对尺寸，故一些放大是必需的，以便强调基本结构、形状和工作原理。
本发明的实施例解决为电子图像投影仪中的每个颜色通道提高光强度的需求。为了更好的理解本发明，对本发明的装置和方法可以工作的全部背景的描述是有指导意义的。图3A和图3B的示意图示出了图1中投影装置10的两种基本体系结构。本发明的实施例可以合适地用作这些基本体系结构中任意一个的照明系统的一部分。
首先转向图3A，示出了在本发明的多个实施例中所使用的投影装置10的基本布置。示出了三个光调制通道40r、40g和40b，每个光调制通道对来自照明系统42的初级(primary)红、绿或蓝(RGB)颜色之一进行调制。在各个光调制通道40r、40g和40b中，可选透镜50可以将光指向到可选偏振保持光导52中。在光导52的输出，或者在以其它方式接收到来自透镜50的光时，透镜54然后将光线指向为通过积分器51，例如诸如复眼积分器或积分棒(integrating bar)。该光去往空间光调制器60，空间光调制器60是投影仪装置10的成像系统的一部分。空间光调制器60通常是微机电系统(MEMS，micro-electromechanical systems)设备，诸如DLP部件或其它类型的反射MEMS部件，包括任意类型的通过反射或者通过衍射对光进行调制的MEMS调制器部件。这些设备可以被看作是“偏振态中性的(polarization state neutral)”，这是因为这些设备不是通过调制像素的偏振态来调制每个像素处的光；对于任意像素，入射光的偏振态的任意改变——针对该像素的当入射光从MEMS的表面反射时的入射角的函数——是不被注意的。可以调整光对于MEMS空间光调制器的入射角，以将任意不理想的偏振影响最小化。由于其许多可能的实施例而在图3A中总体上由虚线表示的投影光学元件70然后将调制后的光指向到显示面80。
接下来转到图3B，颜色合成器76用于将来自每个颜色光调制通道40r、40g、40b的已调制光合成到共同输出轴A上用于投影。颜色合成器76可以是棱镜组件或二色性表面(dichroic surface)组件，诸如电子成像领域的普通技术人员所熟知的X-cube或其它合成设备。
使用这两种基本成像体系结构中的任一种的情况下，照明系统42的功能都是相同的：合成来自两个或更多激光器阵列的光，沿着共同的照明路径对准(align)各个光束。图4示出一种用于结合多个光源阵列44和44’以形成具有对准的准直光束的更大阵列的方法。一个或更多散布反射镜46可以用于使另外的光源阵列44’的光轴与固态光源阵列44的相一致。然而，可以认识到，热和间隔要求可能会限制可以以这种方式堆叠的光源阵列44的数量。另外，光束源之间的间隔也受到这种方案的约束。
图5A和图5B中的侧视图和透视图示出一种使用光重定向棱镜48进行光束合成的改进方法。此处，照明系统42合成了来自四个固态光阵列44的激光，使其集中在甚至比图4的阵列布置的区域更小的区域内。光重定向棱镜48具有入射面32，该入射面32接受从包括有激光器26的光源阵列44沿发射方向D1发出的光。光被重定向成沿着基本上垂直于发射方向D1的输出方向D2来通过输出面34。光重定向棱镜48具有重定向表面36，该重定向表面36具有光重定向小平面38。光重定向小平面38相对于发射方向D1成斜角，并且光重定向小平面38为从激光器26发出的光提供全内反射(TIR，Total Internal Reflection)。这些特征当交错成如图5A和图5B所示的情况下会帮助使该照明的光路变窄，提供更窄的光束。如图5B所示，光源阵列44各自具有沿长度方向L延伸的多个激光器26。重定向表面36上的光重定向小平面38和其它小平面同样沿方向L延伸。
图6中的横截面侧视图示出照明系统42中光重定向棱镜48的另一实施例，与图5A和图5B中所示的用于使用光源阵列的实施例相比，本实施例提供了更加紧凑的照明布置。在该实施例中，光重定向棱镜48具有两个重定向表面36，以在相对的发射方向D1和D1’上接受来自相互面对的光源阵列44的光。每个重定向表面36具有两种类型的小平面：光重定向小平面38和与来自相应的光源阵列44的入射光垂直的入射小平面28。
使用光重定向棱镜48的总方法提供对用于形成准直射线束的光束的传统方法的改进，但其存在一些限制。一个问题涉及到对准困难。利用该光合成几何学，必须非常准确地对准每个光源阵列44，以便适当地将光束瞄准适当的方向。这需要将每个激光源准确配准(register)或定制对准到棱镜，这对激光器安装机构有很高的要求。由于高功率激光器产生明显的热，故要将这种热移除的需要会进一步使安装和对准变得复杂。虽然这种布置允许一些具有可伸缩性的尺寸，但这受到光源阵列44可以在一起放置得多近的限制。另外，光重定向棱镜48可能会不易安装，并且在工作情况下改变棱镜材料的温度可能会引起不想要的双折射及其它问题。适当屏蔽激光的需求增加了另外的复杂因素。
本发明解决了对于这样的改善的光源的需求，其中，本发明通过为每个颜色通道提供束对准腔从来合成来自具有各个波长的多个激光器的准直光。对于图3A和图3B，本发明的束对准腔是每个相应的光调制通道40r、40g、40b内的照明系统42的一部分。
图7的透视图示出束对准腔100，该束对准腔100合成并交替多个固态光源阵列(诸如激光器阵列源)的输出光束，以便产生由多个光束形成的复合光束，在本实施例中示出为准直光束，所有这些光束与沿束对准腔100的长度方向延伸的照明轴A1平行。图8、图9、图10和图11示出一个实施例中的束对准腔100配置的各个细节。
参照图7到图11的不同视图，束对准腔100具有这样的基部110：该基部110具有前边缘112和后边缘114、以及第一侧边缘116和第二侧边缘118。沿着第一侧边缘116和第二侧边缘118分别有相对的第一侧壁120和第二侧壁122，并且第一侧壁120和第二侧壁122沿着束对准腔100的长度方向延伸；并且有前壁132。侧开口124设置在侧壁120和122内，用于使来自阵列光源140的光束进入束对准腔100。离开束对准腔100的光穿过前壁132的输出开口128。多个反射器130以相对于侧壁120和122一定斜角被设置，以将来自相应阵列光源140的光束指向为使其通过输出开口128离开束对准腔100，形成对准的二维平行光束阵列。反射器130安装到基部110，并且可选地安装到盖子126。每个反射器130具有其自己的用于俯仰和偏转的独立调节装置，允许对来自每个阵列光源140的光束的准确对准。图7示出为此目的设置在盖子126中的多个调节装置接入孔154。一个或更多调节装置接入孔154可以可替代地沿着基部110设置。在图7的实施例中，可以从盖子126实现对盖子上安装的反射器和基部上安装的反射器二者的所有俯仰和偏转调节装置。
图7到图11种所示的束对准腔100的实施例具有模块化结构以及正方柱体形状，其基部110的侧边缘116和118与第一侧壁120和第二侧壁122相交。这种布置对其紧凑性有利并且利于相对容易的安装。然而，其它侧壁120和侧壁122的布置也是可能的。在本发明的可替代实施例中，基部110例如是其它形状，诸如三角形，并且基部110仅具有前边缘及第一侧边缘和第二侧边缘。在另一实施例中，基部110是更大的底盘结构的一部分，并且延伸出侧壁120和侧壁122。盖子126的功能可以由底盘的某些其它部分或其它结构可替代地提供。
图8的透视图示出束对准腔100，该束对准腔100板上组装(populate)有十二个阵列源140，沿着每一个侧壁120和侧壁122各有六个。这十二个阵列源140与安装在基部110和盖子126二者上的十二个反射器130配对。然后，对准的来自每个阵列源140的输出光束提供这样的输出光束阵列150：在横截面上考虑，该输出光束阵列150形成对准的二维光束阵列，其中，每个阵列源140的作用都集中在光束的特定部分上。在本发明的实施例中，从输出开口128发出的作为输出光束阵列150的输出光具有利于提供照明束的模式(pattern)，其尺寸适合于所使用的空间光调制器(例如图3A和图3B中的空间光调制器160)的宽高比。
图9的透视图示出用于图8的板上组装的束对准腔100的盖子上安装的反射器和基部上安装的反射器130的位置。图10的透视图示出使用反射镜架200的实施例，随后将对其进行更详细地描述。
图12的平面图示出来自图8中的束对准腔的各个固态光阵列源140的对准光束如何将输出光束阵列150形成为对准的具有矩形宽高比的二维平行光束阵列。对于图7到图11中所示的束对准腔100的实施例，与基部上安装的反射器130相互配对的阵列光源140形成输出光束阵列150的下部，该下部具有六个合成部——对准的阵列光束142a、142b、142c、142d、142e和142f。同样地，与盖上安装的反射器130相互配对的阵列光源140形成输出光束阵列150的上部，该上部具有对准的阵列束144a、144b、144c、144d、144e和144f。用于对输出照明进行定形的这种相同的关系在图7和图8中示出。(图7中示出作为输出光束阵列150的输出仅表示由基部上安装的反射器130所提供的那部分输出。注意六个阵列光源140中仅有三个在图7中的适当位置示出。)对准阵列源142a-142e和144a-144e中的每个均包括来自相应阵列光源140的各个光束148的阵列。
图13是示出在一个实施例中每个阵列源140与其相应的反射器130相互配对以用于形成输出光束阵列150的束对准腔100的顶视图。阵列光源141a、141b、141c、141d、141e和141f安装在盖子126上，并分别形成图12的相应的对准阵列束144a、144b、144c、144d、144e和144f。类似地，阵列光源140a、140b、140c、140d、140e和140f安装在基部110上，并分别形成图12的相应的对准阵列束142a、142b、142c、142d、142e和142f。图13中描绘(trace)了顶部安装的阵列源141c和底部安装的阵列源140d的光束路径。阵列源140d与基部上安装的反射器130d相互配对。类似地，阵列源141c与盖上安装的反射器131c相互配对。
尽管可以使阵列光源140中的激光源被准直，但仍有一些具有明显的光束发散的激光类型。通常，激光源处的光束发散沿正交方向有不同角度。通常，使用安装在激光发射器自身的输出处的或邻近激光发射器自身的输出处的圆柱形透镜元件、或小透镜阵列、或其它光学元件，以使光束发散在至少一个正交方向上被校正。尽管可以使用双圆柱形透镜(串联的各自具有正交曲率的两个透镜)来校正两个光束发散方向，但这些透镜是昂贵的并且难于适当地对准。因此，相对于图12中的一行激光发射器148，激光器阵列处的光束发散可能不能相对于两条轴都被校正，而是通常仅在x轴方向上被校正。沿着图12中所示的y轴的正交方向上的光束发散也需要校正。
用于校正y轴光束发散的传统方案是在每个阵列的输出处提供准直的圆柱形透镜。然而，这种方案是昂贵的，例如，为图7到图11中的束对准腔100的部件增加十二个附加的透镜。可选地，反射器130可以形成为圆柱的形状而不是平面的，以校正光束发散。然而，这些圆柱镜中的每个基本上将会比图8至图11中所描绘的普通平面镜更贵。此外，平面曲度会使俯仰和偏转的调节装置更复杂。
与针对这个问题的传统方法的成本及复杂性相比较，本发明的实施例通过使每个激光源的光程相等来提供对光束发散的校正，由此，由于每个光束的发散特性会一致，从而允许在输出光束阵列中仅使用单一圆柱形透镜。参照图14和图15，分别示出了具有相等光程和单一校正圆柱形透镜152的束对准腔100的俯视图和透视图。在图14和图15所示的实施例中，光束路径是交替的，例如，使用与图13所示不相同的交错反射器的阵列布置而使光束路径相互穿过。图14示出了一部分阵列源的均衡光程。图15示出了一组阵列光源141a、141b、141c、141d、141e和141f中的每个光源沿着发射器的线性阵列方向的光束发散。当这些光发射器具有相等的光程时，从每个光源发出的入射到圆柱形透镜152的光的角度基本相同。圆柱形透镜152然后可以提供沿着发散轴的准直。以此方式，每个单独阵列光源不需要独立的准直光学元件。
圆柱形透镜152仅是一种代表性配置。通常，可以有多于一种光学元件在对准光束的路径中并为输出光提供准直。例如，交叉的圆柱形透镜可以用于校正在两个正交轴中的每条轴上的发散。在可替代实施例中，在每个阵列源140的路径中设置有独立的准直透镜(未示出)，使得从输出开口128输出的光在无需图15中所示的圆柱形透镜152或其它准直光学元件的情况下被准直。
束对准腔100使用了多个反射器130，可以对这些反射器130中的每个分别调整俯仰和偏转。参照图16，示出了具有这种调节能力的底部安装的反射镜架200。反射元件202具有可调节地偶接到基件210的支撑框架204。在使用图16中所示的轴分配的情况下，俯仰调节装置是绕着x轴的。偏转调节装置是绕着y轴的。可以理解：多个不同的反射镜架实施例可以用于在束对准腔100内使用。
本发明的束对准腔100可以用作投影仪装置的照明系统部件，该投影仪装置诸如前面参照图3A和图3B中的投影仪装置10所描述的具有基本体系结构的装置。从束对准腔100输出的光可以进一步被调节，诸如使用积分器棒或其它设备使其均匀化，从而为调制提供更均匀的照明光束。反射器130可以沿着单一平面安装，诸如在图7中所示的底部安装的实施例中的情况下，或者反射器130可以安装于两个平面中，如在图8所示的顶部安装和底部安装的实施例中。为了高的效率，反射器130可以是二色性表面。
对本发明的束对准腔的使用允许了下述紧凑的封装布置，该布置用于将来自多个激光阵列的输出光聚集起来，而不引入角度内容，并因此有效地增加了用于投影仪装置的照明系统的光展量。束对准腔被高度模块化，允许在无需对光路径中的多个部件全部重对准的情况下对单独的激光器阵列进行替换。在反射器处形成了对光束对准的调节装置，而不是通过对激光装置自身的重新调节或以其它方式重新配置来产生对光束对准的调节。
例如如图7所示，阵列光源140可以以模块化方式被封装并被安装成直接对着侧壁120和侧壁122中的开口124。这种布置可以有助于减少杂散光，并且在对于照明系统的设计来说屏蔽激光是重要的情况下可能有特定的价值。
特别参照了本发明的特定优选实施例对本发明进行了详细描述，但是会理解的是：在本发明的精神和范围内可以实施各种变型和改进。例如，在详细的实施例中描述激光器阵列时，其它固态发射性部件可用作替代。支撑透镜和其它光学部件也可以添加到每个光路径。各种类型的传感器可以配置在投影仪内的一个或更多个位置处，以便感测每个颜色通道中光强度。因此，提供了一种用于对准固态照明源的装置和方法。
部件列表
10.投影仪装置
12.光源
14.棱镜组件
18.光学元件
20、20r、20g、20b.空间光调制器
26.激光器
28.入射小平面
30.投影透镜
32.入射面
34.出射面
36.重定向表面
38.光重定向小平面
40r、40g、40b.光调制通道
42.照明系统
44、44’、44a、44b.光源阵列
46.反射镜
48.光重定向棱镜
50.透镜
51.积分器
52.光导
54.透镜
60.空间光调制器
70.投影光学元件
76.颜色合成器
80.显示表面
84.二色性表面
100.束对准腔
110.基部
112.前边缘
114.后边缘
116.第一侧边缘
118.第二侧边缘
120.第一侧壁
122.第二侧壁
124.侧开口
126.盖子
128.输出开口
130.反射器
130d.基部上安装的反射器
131c.盖子上安装的反射器
132.前壁
140、140a、140b、140c、140d、140e、140f.阵列光源
141a、141b、141c、141d、141e、141f.阵列光源
150.输出光束阵列
142a、142b、142c、142d、142e、142f.对准阵列束
144a、144b、144c、144d、144e、144f.对准阵列束
148.光束
150.输出光束阵列
152.圆柱形透镜
154.调节装置接入孔
200.反射镜架
202.反射元件
204.框架
210.基件
A、A1.轴
D1、D1’.发射方向
D2.输出方向
X、y.轴

Claims (14)

1.一种沿长度方向延伸的束对准腔，包括：
基部，所述基部具有前边缘和两个侧边缘；
相对的第一侧壁和第二侧壁，所述相对的第一侧壁和第二侧壁连接到所述基部并且沿所述基部的长度方向延伸；
前壁，所述前壁位于所述基部的前边缘处并且具有输出开口；
多个光源阵列，所述多个光源阵列被设置为将光束指向为穿过所述第一侧壁或所述第二侧壁；以及
多个反射器，所述多个反射器安装在所述基部上，每个反射器具有独立的偏转和俯仰调节装置，每个反射器与相应的光源阵列相配对，安装在基部上的所述反射器被设置为将所述光束指向为沿着所述束对准腔的长度方向通过所述输出开口，形成对准的二维平行光束阵列。
2.根据权利要求1所述的束对准腔，其中，所述光源阵列被设置为将光指向为穿过所述第一侧壁和所述第二侧壁二者。
3.根据权利要求1所述的束对准腔，还包括：与所述基部间隔开并连接到所述第一侧壁和所述第二侧壁的盖子，以及安装到所述盖子上的多个反射器，每个反射器具有独立的偏转和俯仰调节装置，每个反射器与相应的一维光源阵列相配对，所述盖子上安装的反射器被设置为将所述光束指向为沿着所述束对准腔的长度方向通过所述输出开口，所述光束和与所述安装在基部上的反射器相关联的光束一起形成所述对准的二维平行光束阵列。
4.根据权利要求3所述的束对准腔，其中，调节孔被设置在所述盖子中，以通到安装到盖子上的反射器和安装到基部上的反射器二者的所述独立的偏转和俯仰调节装置。
5.根据权利要求1所述的束对准腔，其中，对于所述光束中的每个光束，每个光源和所述输出开口之间的光程基本相等。
6.根据权利要求5所述的束对准腔，其中，进入束合成腔的每个光束关于至少一个轴没有进行发散校正，并且所述束对准腔还包括位于所述对准的二维光束阵列的光路中的一个或更多光学元件，所述一个或更多光学元件被设置为关于至少一个轴校正所述束发散。
7.根据权利要求6所述的束对准腔，其中，所校正的对准的二维光束阵列被校准。
8.根据权利要求6所述的束对准腔，其中，所述一个或更多光学元件包括圆柱形透镜，所述圆柱形透镜提供关于一个轴对所述束发散的校正。
9.根据权利要求6所述的束对准腔，其中，所述一个或更多光学元件包括一对交叉圆柱形透镜，所述一对交叉圆柱形透镜提供关于两个轴对所述束发散的校正。
10.根据权利要求1所述的束对准腔，其中，进入所述束合成腔的每个光束关于至少一个轴没有进行发散校正，以及其中，所述反射器是关于一个轴校正所述束发散的圆柱形反射器。
11.根据权利要求1所述的束对准腔，其中，所述光源是激光源。
12.根据权利要求1所述的束对准腔，其中，所述束对准腔是激光源系统的部件，所述激光源系统提供二维平行激光束阵列以用于激光投影系统中，以及其中，所述激光投影系统还包括：
照明系统，被配置为使所述照明系统接收到的激光均匀化；
成像系统，被配置为与由所述照明系统均匀化的激光交互作用；以及
投影系统，被配置为将激光图像投影到显示屏上。
13.一种用于对准多个光束的方法，包括：
形成在从基部伸出的相对的至少第一侧壁和第二侧壁之间并且具有输出部的腔；
沿着所述基部、在所述第一侧壁和所述第二侧壁之间相间隔地安装多个反射器，其中，每个反射器具有独立的偏转和俯仰调节装置，并且每个反射器相对于所述侧壁成斜角地设置；以及
提供多个光源阵列，每个光源阵列产生光束阵列并与相应的反射器相配对，所述反射器被设置为将来自所配对的光源阵列的光束阵列朝向所述腔的所述输出部反射。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：为所述腔提供盖子，并沿着所述盖子、在所述第一侧壁和所述第二侧壁之间相间隔地安装一个或更多个附加的反射器，以及提供多个附加的光源阵列，每个附加的光源阵列产生光束阵列并与相应的附加反射器相配对，所述附加的反射器被设置为将来自配对的附加光源阵列的所述光束阵列朝向所述腔的所述输出部反射。
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