專利名稱：基于激光的投影機內(nèi)的混色柱形積分器的制作方法
基于激光的投影機內(nèi)的混色柱形積分器
本發(fā)明涉及一種用于在基于激光的投影引擎內(nèi)照亮顯示面板的混 色柱形積分器。更特別地，本發(fā)明涉及一種減少了激光散斑同時確保 在激光投影引擎中投影圖像的均勻照明的混色柱形積分器。
目前超高壓(UHP)燈是最公認(rèn)的應(yīng)用于正面和背面投影的光源， 因為它在可接受的成本內(nèi)結(jié)合了高流明功效和高光源亮度，最近幾年 固態(tài)光源技術(shù)進(jìn)步如此之大以致于其被預(yù)期可與UHP技術(shù)竟?fàn)?。這是 因為固態(tài)光源提供一些獨特的優(yōu)勢比如高顏色純度，快速光學(xué)響應(yīng)和 無汞操作?？蓱?yīng)用于顯示器的最成熟的固態(tài)光源技術(shù)是高亮度LED，其 對所有顯示基色可用，并具有低成本、高功效和小形狀因子。然而， 由于LED的光輸出相當(dāng)?shù)鸵约坝捎谄涔鈱W(xué)擴展量可以與UHP燈相比， 基于LED的投影機具有低流明輸出和中等尺寸。因此，這樣的投影機 (還)不能與UHP燈在要求大屏幕尺寸的應(yīng)用上竟?fàn)帯Ｈ欢?，他們?以很好地用于要求低操作功率和緊湊設(shè)計的新應(yīng)用領(lǐng)域比如手持和移 動投影。然而，基于LED的投影機能否跟上對更小尺寸和更高流明輸 出的日益增長的需要仍然是不清楚的。
另一個固態(tài)光源類型(激光)具有結(jié)合了很小光學(xué)擴展量的極高 光源亮度。實際上，它可以被認(rèn)為是一個點光源并且這使得構(gòu)建最小 的光引擎成為可能。它能實現(xiàn)用于手持和移動應(yīng)用的真正便攜式電池 驅(qū)動的微型投影顯示器的設(shè)計和實施。此外，激光在范圍為幾瓦特的 輸出功率中是可用的，從而實現(xiàn)了高流明輸出。基于以上分析，期望 激光成為對于所有類型投影應(yīng)用的最終光源。
然而，有一些問題阻礙了激光在顯示器中的應(yīng)用.這些問題中最 重要的是激光散斑，成本，在綠色和藍(lán)色中的可用性和流明功效。散 斑問題十分嚴(yán)重。雖然可用性和流明功效將可能在可預(yù)見的未來被解 決，但是用于顯示器的激光將在他們學(xué)習(xí)曲線的起點，這意味著來自 激光的每流明的成本仍將很高。因此，在比如商家對商家的正面投影 和背面投影電視的各種應(yīng)用中，與已公認(rèn)的UHP技術(shù)竟?fàn)幨欠浅＠щy 的。反過來，將目標(biāo)瞄準(zhǔn)新型便攜式投影應(yīng)用更加明智。
對于這些類型的應(yīng)用，LED和激光是有吸引力的選擇，并且它們主要在投影機的價格和尺寸上可能會彼此竟?fàn)帯Ｈ缜八?，基于激光的投影機的尺寸明顯小于基于LED的投影機，但是激光產(chǎn)生的每流明的價格在近期要高一個數(shù)量級。此外，即使當(dāng)兩種技術(shù)都已經(jīng)達(dá)到完全成熟，激光還會更昂貴，因為激光的生產(chǎn)流程需要更多的沉積工序， 每一個工序必須在更高水平的工藝控制下實施。
然而，每流明更高的價格不會成為激光在投影顯示方面的應(yīng)用的一個具有殺傷力的瓶頸，因為有許多機會來降低投影機的整個光學(xué)引 擎的成本。第一，采用激光的投影機將有更高的光照效率，其意味著減少了從激光中輸出的所需流明。第二，采用具有二維掃描鏡的結(jié)構(gòu) 避免對于諸如LCoS面板的昂貴光調(diào)制器的需要。然而，這個類型的引擎是否能提供所需的圖像質(zhì)量是有疑問的。降低基于二維光調(diào)制器的 多少有些傳統(tǒng)的投影機的成本也是一個選擇。
最近，還提出了采用光導(dǎo)的光學(xué)結(jié)構(gòu)用于基于HTPS透射和DMD及LcoS的反射投影引擎。提出的這些結(jié)構(gòu)具有的共同點是它們必須結(jié)合發(fā)射白色光的光源。
這意味著光必須被分解為三種或更多基色，并且這個功能可以通過采用三種類型二色性濾光器覆蓋在積分器的出射面而獲得。白色光源的另一個含義是如果不采用運動部件色序操作是不可能的。因此， 這些結(jié)構(gòu)更適合于3-面板結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)上比1-面板結(jié)構(gòu)更昂貴且更不緊湊。
當(dāng)采用了諸如LED或激光的發(fā)射顯示基色光的光源，在單個顯示面板上采用幀順序操作是可能的。在這樣一個結(jié)構(gòu)中只需要單個光導(dǎo)用于所有三種顏色的均勻化。
本發(fā)明提供了一種光學(xué)系統(tǒng)，組件和方法，用于開發(fā)激光光源 高光束質(zhì)量以降低幀順序操作的且基于激光的投影機的成本并減小其 尺寸。采用混色柱形積分器，本發(fā)明均勻化了激光，從而為空間光調(diào) 制器提供了適合的照明圖案。該混色柱形積分器也用于重組至少兩個 基色的光，從而消除了對二色性重組光學(xué)部件的需要。為了這個目的, 所有的光被耦合到同一個積分器的入射面101，參見

圖1。
圖la顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的一種被三個激光源照明的混色柱形積分器；
圖lb顯示了通過鄰近照明在投影機的光學(xué)引擎中混色柱形積分器的使用；
圖lc顯示了通過應(yīng)用中繼光學(xué)元件在投影機的光學(xué)引擎中混色柱形積分器的使用；
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的混色柱形積分器組件的第一替代實施例；
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的器件中具有相關(guān)光通量的柱形積分器組件；
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的混色柱形積分器組件100的透射圖，其為出射面反射率的函數(shù)；和
圖5a和5b顯示了在本發(fā)明中混色柱形積分器的兩個替代實施例。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解下面提供的描述目的是說明而非限制。技術(shù)人員知道在該發(fā)明的精神和附加權(quán)利要求范圍中存在許多變化。已知功能和結(jié)構(gòu)的非必要細(xì)節(jié)可以在當(dāng)前描述中省略以避免使本發(fā)明難以理解。
本發(fā)明提供了一個系統(tǒng)，設(shè)備和方法，其中光導(dǎo)與至少兩種而更 通常為三種類型的激光源相組合，激光源具有高光束質(zhì)量并發(fā)射出顯示基色波長的光。光束通過諸如正透鏡的光學(xué)元件聚焦在入孔處，從而他們在積分器中發(fā)散(參見圖1)。在光導(dǎo)中大多數(shù)射線將撞擊到光導(dǎo)壁，在此通過全內(nèi)反射(TIR)射線被反射。這個機制確保了在光導(dǎo) 的出射面的光分布是均勻的并且可以被用于照明顯示面板。
請注意在圖1中當(dāng)光束進(jìn)入積分器時光束之間的距離非常大。在優(yōu)選的實施例中，該距離盡可能小以避免在紅色，綠色和藍(lán)色的強度分布之間的失配。還要注意光束的方向優(yōu)選垂直于混色柱形積分器100 的入射面101。進(jìn)一步地，一個或多個相同角度的光束或稍有不同角度 的光束有可能使得該光束聚焦在相同的孔。雖然這可以產(chǎn)生正確的圖像，但是當(dāng)光被阻擋在焦點以外時會發(fā)生顏色陰影。
優(yōu)選的實施例以圖lb和lc中說明的兩種替代方法來照明面板。在第一個替代150中，混色柱形積分器100用于顯示面板108的鄰近照明。因為所有光都結(jié)合在單個積分器中，這個照明系統(tǒng)必須與色序操作的顯示面板結(jié)合，比如LC0S面板或數(shù)字微鏡器件(DMD) 108。在 圖lb中說明了第一替代150，即照明LCOS面板。圖lc顯示的第二替代160采用了本發(fā)明的混色柱形積分器100借助于中繼元件109進(jìn)行 照明。進(jìn)一步注意到第二替代160比第一替代體積更大。
對于移動或手持投影機，小型設(shè)備是基本的。然而，為了在光導(dǎo)中擁有足夠的均勻性，多數(shù)光束必須在光導(dǎo)的側(cè)壁上進(jìn)行至少兩次反射。在本發(fā)明中，在混色柱形積分器中反射次數(shù)可以通過增加發(fā)散角e 來增加，這等于采用具有更低f值的光束。然而，發(fā)散角度只能增加到系統(tǒng)投影透鏡可接受的程度。實際上，投影透鏡典型地在空氣中f值為2 (這意味著當(dāng)折射率為1.5時在該光學(xué)積分器中f值為3，對于玻璃或塑料這是典型的)。當(dāng)采用拇指規(guī)則，即積分器的長度和寬度之比必須等于f值的兩倍以獲得足夠均勻的光分布時，結(jié)果是積分器長度為70mm。由于這對于移動投影機是相當(dāng)大的，于是第二實施例提供了積分器的一種替代設(shè)計并在圖2中說明。
在第二實施例200中，部分激光也被允許反射回激光光源。為了這個目的，混色柱形積分器的出射面105被部分反射的涂層204所覆蓋，該涂層在激光光源的波長上是部分反射的，從而入射到其上的光經(jīng)由柱形積分器被部分反射回激光光源。為防止大多數(shù)光返回到光源造成的損失，混色柱形積分器200的入射面101被高反射涂層202所覆蓋，比如銀或多層的電介質(zhì)疊層，以將入射到其上的光反射回混色柱形積分器200的出射面105。在入射面101上的高反射涂層202的反 射系數(shù)優(yōu)選非常高。實際上，優(yōu)選反射系數(shù)至少是98%。優(yōu)選在入射面 101上的高反射涂層202中制作多個孔103，每一個所述的孔103對應(yīng)于至少一個所述激光光源。雖然， 一個孔用于所有三個顏色是可能的，但是這減少了混色柱形積分器200的通過量并且不是優(yōu)選的。所述多 個孔103的每一個具有這樣的直徑，其使得具有極低的光學(xué)擴展量從而可被聚焦到很小的點上的激光能從該孔通過而沒有明顯的光損失或衍射效應(yīng)。
僅僅作為示例，圖la中畫出了激光束，其被聚焦從而以半角θ1/2進(jìn)入混色柱形積分器IOO。具有這種半角的光束可被聚焦到直徑d， d由 下式給出
<formula>see original document page 11</formula>(1)
該孔的直徑優(yōu)選地超過了這個尺寸的至少兩倍以最小化衍射效應(yīng)。
在圖2顯示的實施例中，雖然入射面101上的反射涂層202將大部分入射到其上的光反射回到出射面105，但是一些光將穿過孔103或在系統(tǒng)的其他地方被吸收。在混色柱形積分器之下提出了一個模型來確定損失因數(shù)對積分器200的總光通過量的影響。
在混色柱形積分器200中不同位置的光通量在圖3中表示出來。在圖3中以下符號被定義
Φ0(r)是通過具有相對面積r (即整個面積的一部分)的入射孔301進(jìn)入積分器的光通量。當(dāng)然，該光通量是所述孔半徑的函數(shù)。在積分 器100 200內(nèi)部，自左向右的光通量定義為Φ1,而自右向左的光通量定義為Φ1。最后，離開積分器的光通量定義為Φr。
由于全內(nèi)反射，側(cè)壁(積分器的內(nèi)表面)107的反射系數(shù)被定義為 均勻的，入射面的反射系數(shù)為Ri，出射面的反射系數(shù)為Re，以及出射 面的透射率為Te。
積分器內(nèi)部和外部的不同位置的光通量現(xiàn)在可以描述為以下這組 方程
<formula>see original document page 11</formula> (2)
通過消去病和^計算透射強度為
<formula>see original document page 11</formula> (3)
利用這個公式可以計算出透射效率，其定義為Φr/Φ0。對于通過鄰近照明 照亮0.55" WVGA HTPS透射LCD面板的激光束，該計算結(jié)果如下
出射面的面積大約是8. 4*11.2mm2。
*聚焦在積分器的孔103上的光束的最大F"為5。因此，在此情 況下該(受衍射限制的)光束的光斑直徑最大為60|nm，這意味 著孔直徑應(yīng)為120pm或更大。
* r的值為3.10-4 (于所述顏色的三個孔用)。
*入射面的反射系數(shù)為98%-99%。
圖4顯示了混色柱形積分器200的透射圖，其為出射面反射率的 函數(shù)。
在計算中，可以為應(yīng)用混色柱形積分器來區(qū)分兩個替換方案。
1. 在第一個替換方案中，光束在積分器500里面發(fā)散到這樣的程 度在第一次通過該積分器時它完全覆蓋了積分器的出射面。它恰好 覆蓋出射面的情形在圖5a中示出，更長的積分器(或更低的f值)也 是可能的。可以通過選擇低f值(比如2)來獲得緊湊的積分器。通過 模擬，已經(jīng)確定0. 5的出射面反射系數(shù)和35mm的積分器長度能在出射 面得到均勻的圖案。從圖4可以看出在這種情形下混色柱形積分器500 的透射幾乎是一致的。
2. 在第二個替換方案中，選擇比第一替換方案的積分器500更大 的f值，從而第一次通過混色柱形積分器510導(dǎo)致在出射面上相對小 的光斑。在圖5b中說明了這種情形。如果出射面的反射系數(shù)太小，在 出射面的強度分布顯示一個明亮的"熱斑"，其也出現(xiàn)在投影圖像中。 所以，優(yōu)選反射系數(shù)應(yīng)選擇足夠高但不能太高.通過模擬，已經(jīng)確定 了當(dāng)f值為5且混色柱形積分器長度為20mm時，出射面的反射系數(shù)Re 優(yōu)選至少是95%。在Re-95的情況下，對于R嚴(yán)98X和99%,混色柱形積 分器的通過量分別為72%和83%。在11,95%時通過量主要根據(jù)由于入射 面反射造成的損失來確定。因此，通過例如在入射孔203處放置只允 許正確波長的光在此通過的干涉過濾器來減小r是有好處的。
應(yīng)該注意到用于實施本發(fā)明的混色柱形積分器200的第二替換方 案能夠包括具有更高f值的投影透鏡。這是有好處的，即它降低了成 本且增加了聚焦深度。
在應(yīng)用本發(fā)明的.混色柱形積分器200的兩個替換實施例中，光將 平均通過混色柱形積分器20(M艮多次.如杲通過積分器200不同次數(shù) 的光束的路徑長度差比所使用的光的相干光更大，這些光束不會彼此 干涉。這導(dǎo)致了當(dāng)與只采用單程通過積分器的系統(tǒng)相比時，通過照明系統(tǒng)激光生成的圖像具有減小的散斑對比度。因此，第二替換方案提 供了最佳的散斑減少。
在本發(fā)明中
混色柱形積分器包括光學(xué)積分器和混色器，與其光源一起可被用 作投影引擎中的照明單元。本發(fā)明的混色柱形積分器可以用于鄰 近照明以及用于借助中繼透鏡進(jìn)行照明。根據(jù)本發(fā)明擴大或縮小 光學(xué)成像系統(tǒng)的出射面的尺寸也是可能的。在擴大出射面的情況 下，可以使積分器的f值更小，從而顯示面板上的f值典型地仍為 2。
*被照明的面板可以是二維或一維的空間光調(diào)制器。前一種情況在 前面實施例的討論中進(jìn)行了詳細(xì)描述。在后一種情況中必須使用 一種具有所描述實施例的形狀的平面光導(dǎo)，該光導(dǎo)的厚度比其他 維數(shù)的光導(dǎo)小得多。
*本發(fā)明能用于照明很小的顯示面板(低于0. 55")且不存在由于系 統(tǒng)的有限接收孔徑造成的光損失。使用很小的顯示面板降低了面 板成本，并同時減小了照明光學(xué)元件的尺寸。這是本發(fā)明相對于 基于UHP和LED的系統(tǒng)的一個優(yōu)勢。
在上面討論的本發(fā)明的所有實施例中，使用每個激光器一個顏色。 然而，這是為了簡化討論。使用每個顏色多個激光器也是可能的， 從而在入射面上每個顏色有它自己的孔。每個顏色超過一個光源 的使用增加了成本，但同時降低了散斑對比度。
*應(yīng)該注意如圖lb和lc所描述的照明方案都具有提高系統(tǒng)的光學(xué) 效率的額外優(yōu)點。在關(guān)閉狀態(tài)下像素的光可以重新定向到柱形積 分器。因為積分器出射面和/或入射面的反射系數(shù)十分高，大部分 光可以被回收。快速計算產(chǎn)生了視頻顯示負(fù)載中的峰值亮度增加 到三倍的結(jié)果。這導(dǎo)致了閃爍圖像。
*為了降低圖像中熱斑的影響，積分器的出射面的反射系數(shù)在出射 面的整個表面上不必為常數(shù)。
*本發(fā)明也應(yīng)用于具有超過三個基色的光引擎結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的混色柱形積分器的優(yōu)選實施例已被說明和描述了 ，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解這里所描述的本發(fā)明的實施例是說明性的，并 且可以進(jìn)行各種變化和修改，以及可用等價物替代其元件而不偏離本發(fā)明的真實范圍。另外，可以進(jìn)行許多修改以使本發(fā)明的教導(dǎo)適于特 定的情形而不偏離本發(fā)明的中心范圍。因此，這里的意圖是本發(fā)明不 限于作為考慮用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式所公開的特定實施例，而是 本發(fā)明包括附加權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施例以及所有實現(xiàn)技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于多個顯示基色的激光的多個光束的混色柱形積分器(100)(200)，包括柱形主體(106)，具有讓激光通過的內(nèi)部和對入射到其上的光進(jìn)行反射的內(nèi)表面(107)；入射面(101)，其上覆蓋著第一反射涂層(102)以將入射到其上的光反射回柱形主體(106)的內(nèi)部，并且入射面位于柱形主體的第一端，所述第一反射涂層具有多個孔(103)以使得所述多個孔(103)的每一個允許所述多個光束中至少一個光束的光從該孔穿過進(jìn)入柱形主體(106)的內(nèi)部；出射面(105)，其位于與入射面(101)相對且平行的柱形主體(106)的第二端，所述出射面(105)允許一部分入射到其上的光通過；和用于朝著所述出射面(105)發(fā)散每個所述光束通過所述內(nèi)部的裝置，其中經(jīng)所述孔(103)進(jìn)入所述柱形積分器的部分激光在穿過所述出射面(105)之前被迫幾次通過柱形主體的內(nèi)部，然后從所述出射面(105)射出并被均勻化。
2. 權(quán)利要求1的混色柱(100 ) ( 200 ),其中柱形主體(106)進(jìn)一步包括大于或等于多個激光光束的相干長度的長度從而使得從所述出射面(105)射出的所述均勻化的光中的散斑減少。
3. 權(quán)利要求1的混色柱(100 ) ( 200 )，其中穿過所述出射面(105) 的激光中的散斑減少了至少75%并且其透射率超過85%。
4. 權(quán)利要求1的混色柱形積分器(100 ) ( 200 )，其中所述用于發(fā)散的裝置是位于所述孔的多個光學(xué)元件，從而光束在第一次通過柱形積分器(100 ) ( 200 )末端處的發(fā)散是選自橫跨在整個出射面上(500 ) 的光斑和出射面(550 )上預(yù)定直徑的光斑的發(fā)散。
5. 權(quán)利要求4的混色柱形積分器(100 ) ( 200 )，其中 所述出射面(205 )被部分反射的涂層(204 )覆蓋，其允許一部分入射到其上的光通過并且將一部分入射到其上光朝著所述光源反射回柱形主體(106);和位于所述入射面(101)上的所述反射涂層(102)是一種高反射 性涂層(202 )。
6. 權(quán)利要求5的柱形積分器(100)，其中第一反射涂層(102)是一種選自銀和電介質(zhì)疊層的高反射性材料 (202 )；和所述多個孔(103)的每一個具有使得激光能聚焦進(jìn)入所述孔并且 可以通過該孔而沒有明顯的光損失和衍射效應(yīng)的直徑。
7. 權(quán)利要求6的柱形積分器(100 ) ( 200 ),其中 所述激光在空氣中被聚焦以 <20度的半角進(jìn)入每一個孔(103 );每個所述孔(103)的直徑》2d，這里d由下式?jīng)Q定從而最小化衍射效應(yīng)；和選擇所述第二反射涂層(204 )的尺寸以具有明顯低于50%的透射系數(shù)Te和反射系數(shù)Re-l-Te，從而部分光被透射且部分光被反射回柱形積分器(100 ) ( 200 )，其中，被反射的光返回到入射面(101),在 入射面它幾乎被全部反射從而再一次通過柱形積分器(100 ) ( 200 ), 最后的效果是在出射面(105)離開柱形積分器的光由經(jīng)過柱形積分器(100 ) ( 200 )至少一次的光組成。
8. 權(quán)利要求7的柱形積分器(100 ) ( 200 )，其中在空氣中所述半角O<15度。
9. 一種用于整合多個激光光束的方法，每個光束包括多個顯示基 色之一，所述方法包括提供柱形主體(106 )，該柱形主體包含位于第一端的入射面(101) 和位于與入射面相對且平行的第二端的出射面(105),該柱形主體具 有讓激光光束通過的內(nèi)部和將入射到其上的光反射回柱形主體(106) 內(nèi)部的內(nèi)表面(107);使用第一反射涂層(102 )覆蓋所提供的柱形主體的入射面(101), 所述第一反射涂層具有多個孔(103)以允許所述激光束的光從孔穿過 進(jìn)入柱形主體的內(nèi)部，所述第一反射涂層將入射到其上的光反射回柱 形主體的內(nèi)部(106);和朝著所述出射面(105)發(fā)散每個所述光束來通過所述內(nèi)部，其中 經(jīng)所述孔(103)進(jìn)入所述柱形主體(106)的所述激光束的部分光在 穿過所述出射面(105)之前被迫多次通過柱形主體的內(nèi)部，然后從所 述出射面(105)射出并被均勻化。
10. 權(quán)利要求9的方法，其中所述柱形主體(106)的長度大于或 等于多個激光束的相干長度從而使得從所述出射面(105)射出的所述 光中的散斑減少。
11. 權(quán)利要求9的方法，其中從所述出射面(105)射出的所述光 中的散斑減少了至少75%且其透射率高于85%。
12. 權(quán)利要求11的方法，進(jìn)一步包括提供覆蓋出射面(105)的部 分反射的涂層(204 )，其將一部分入射到其上的光反射回混色柱形積 分器(200 )內(nèi)部并且允許剩余部分入射到其上的光通過；
13. 權(quán)利要求12的方法，其中多個孔(103)中的每個孔具有這 樣的直徑d以致于具有極低光學(xué)擴展量并因而能聚焦在非常小的光斑 的激光束可以通過該孔(103)而沒有明顯的光損失或衍射效應(yīng)。
14. 權(quán)利要求13的方法，其中所述發(fā)散步驟進(jìn)一步包括在所述孔 (103)上提供多個光學(xué)元件的步驟，從而光束在第一次通過柱形積分器(100 ) ( 200 )末端處的發(fā)散是選自橫跨在整個出射面(500 )上的 光斑和出射面(550 )上的預(yù)定直徑的光斑的發(fā)散。
15. 權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括的步驟為 將每個所述光束在空氣中聚焦以半角<formula>see original document page 4</formula>度進(jìn)入所述多個孔(103)中的一個孔；調(diào)整每個所述多個孔(103)的尺寸以使得直徑≥2d，這里d有下 式?jīng)Q定<formula>see original document page 4</formula>從而最小化衍射效應(yīng)；和選擇所述第二反射涂層(104)的尺寸以具有明顯低于50%的透射系數(shù)Te和反射系數(shù)Re=l-Te，從而部分光被透射且部分光被反射回柱形積分器(100 ) ( 200 )的內(nèi)部，其中，被反射的光返回到入射面(101)，在入射面它幾乎被全部反射從而再一次穿過柱形積分器(100) ( 200 )， 最后的效果是在出射面(105)離開柱形積分器的光由經(jīng)過柱形積分器 (100 ) ( 200)至少一次的光組成。
16. 權(quán)利要求15的方法，其中在空氣中所述半角θ1/2<15度。
17. —種投影引擎(160)，包括 混色柱形積分器(100 ) ( 200 )，包括- 柱形主體(106)，具有讓多個顯示基色的激光的多個光束通 過的內(nèi)部和將入射到其上光反射回柱形主體(106)的內(nèi)部的 內(nèi)表面(107),-位于柱形主體(106)的第一端的入射面(101)，其覆蓋著其 中具有多個孔(103)以允許激光束從孔穿過進(jìn)入柱形主體的 內(nèi)部的第一反射涂層(101),所述第一反射涂層將入射到其上 的光反射回柱形主體(106)的內(nèi)部，-用于朝著所述出射面(105)發(fā)散所述多個光束中的每一個來 通過所述內(nèi)部的裝置，所述裝置位于所述多個孔(103)的附 近，和- 出射面(105 )，其位于與入射面(101 )相對且平行的柱形主 體(106)的第二端，其中經(jīng)所述多個孔(103)以給定半角進(jìn)入所述柱形積分器的部分激光光束在穿過所述出射面(105)之前被迫多次通過柱形主體內(nèi)部，然后從所述出射面(105)射出并被均勻化。顯示面板(108)，被配置于所述混色柱形積分器(100 ) ( 200 ) 的所述出射面(105)的附近，從而通過從所述出射面(105)射出的均 勻化的光來照明所述顯示面板(108)。
18. 權(quán)利要求17的引擎(160)，其中所述柱形主體(106)的長 度大于或等于多個激光光束的相干長度從而使得從所述出射面(105) 射出的所述光中的散斑減少。
19. 權(quán)利要求17的引擎(160)，其中從所述出射面(105)射出 的光中的散斑減少了至少75%且其透射率高于85%。
20. 權(quán)利要求17的引擎(150 )，進(jìn)一步包括第二反射涂層(204 )， 其為覆蓋了出射面(105)的部分反射涂層(204 )，其中，通過部分反射涂層(204 )將一部分激光光束反射回光源并讓剩余部分光束從其 射出。
21. 權(quán)利要求20的引擎(150)，其中用于發(fā)散的所述裝置是位于 所述孔的多個光學(xué)元件，從而光束在第一次通過柱形積分器(100)(200 )末端處的發(fā)散是選自橫跨在整個出射面(500 )上的光斑和出 射面(550 )上的預(yù)定直徑的光斑的發(fā)散。
22. 權(quán)利要求21的引擎(150)，其中所述出射面(101)上的所 述第一反射涂層(102)是高反射性涂層(202 )。
23. 權(quán)利要求22的引擎(150)，其中 所述高反射性涂層(202 )是選自銀和電介質(zhì)疊層的材料； 所述多個孔(103)的每一個具有使得每個激光束能聚焦進(jìn)入所述孔之一并且可以通過該孔而沒有明顯的光損失和衍射效應(yīng)。
24. 權(quán)利要求23的引擎(150)，其中 每個所述激光束在空氣中被聚焦以半角θ(1/2)<20度進(jìn)入所述孔(103)之一； 每個所述孔(103)的直徑≥2d，這里d有下式?jīng)Q定<formula>see original document page 6</formula>從而最小化衍射效應(yīng)；和選擇所述第二反射涂層(204)的尺寸以具有明顯低于50%的透射系數(shù)Te和反射系數(shù)Re =1-Te,從而部分光被透射且部分光被反射回柱形積分器(100 ) ( 200 )，其中，被反射的光返回到入射面(101)， 在入射面它幾乎被全部反射從而再一次通過柱形積分器，最后的效杲 是在出射面(105)離開柱形積分器的光由經(jīng)過柱形積分器至少一次的光組成。
25. 權(quán)利要求24的引擎(160)，其中在空氣中所述半角為θ(1/2<15度。
26. 權(quán)利要求24的引擎(160 )，進(jìn)一步包括配置于所述出射面(105 ) 附近的中繼光學(xué)元件(109)以完成對所述顯示面板(108)的照明。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)(150)(160)，設(shè)備(100)(200)和方法，用來開發(fā)激光光源的高光束質(zhì)量以降低色序操作的且基于激光的投影機的成本并減小其尺寸。采用混色柱形積分器(100)(200)(500)(550)，激光被均勻化，從而為空間光調(diào)制器提供了合適照明圖案。該柱形積分器還可用于重組基色光，從而去除了二色性重組光學(xué)元件。為了這個目的，所有的光被耦合到同一柱形積分器的入射面。這樣可以獲得低成本的緊湊的照明系統(tǒng)。通過加入附加反射層到該積分器的入射面(101)(201)和出射面(105)，該積分器的長度減少了且/或系統(tǒng)中的F/#增加了。這實現(xiàn)了真正的便攜式投影機。當(dāng)在帶有反射空間光調(diào)制器的光學(xué)引擎中應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的混色柱形積分器時，該積分器非常適合光循環(huán)，其能將圖像的亮度提高到平均視頻顯示負(fù)載的三倍。
文檔編號G02B27/09GK101346658SQ200680048522
公開日2009年1月14日 申請日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者M·P·C·M·克里恩, O·H·威廉森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司