2d/3d數據投影儀的制作方法

專利名稱：2d/3d數據投影儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過投影顯示圖像的設備。
背景技術：
當前的移動性趨勢驅使用戶的消費需求朝著越來越小的便攜式設備發展，例如，移動電話，便攜式數字助理，音樂和視頻播放器，膝上型電腦，頭戴式顯示器等。由于尺寸變得越來越小，而功能越來越多，存在一個最基礎的問題就是用非常小的設備來顯示足夠大的可見圖像。由于如果不增加設備本身的尺寸，無法增大固定屏幕的尺寸，方便的用小設備提供可見圖像的唯一合理方法就是使用一個數據投影儀對其進行投影。但是，當前的數據投影儀尺寸很大，并且實際應用中效率很低。
商業上可獲得的數據投影儀使用高強度的寬帶光源，例如白熾燈泡或者弧光燈。這些光源本身固有的效率很低，并且會產生熱量，這將消耗大量的能量并且必須一個冷卻系統。還提出使用LED作為數據投影儀的光源。但是，這些解決方案都沒有很好的光學效率。在這些系統中，光源具有較低的外部效率，此外，在校準中損失了大部分的光。其次，這些解決方案在尺寸上仍然很大，并且消耗大量的能量，因此不能應用于廣泛使用的電池技術當中。
在圖像投影中，大多數觀眾感興趣的另一個問題是3維(3D)投影的問題。目前的數據投影儀本身不能顯示完全的彩色3D圖像，并且為此設計的專用設備非常昂貴和稀少。只有支持3D的設備被普遍使用，媒體工業才能增加對3D電影，游戲以及其他娛樂的提供。

發明內容
本發明的目的是提供一種改進的數據投影儀，這種投影儀體積小，價格便宜，耗電量小，并且能夠投影2D和3D圖像。根據本發明的一個方面，提供一種數據投影儀，該數據投影儀包括至少一個微顯示器，其具有將被投射的圖像；至少一個光源單元，包括至少一個光源芯片，所述的光源單元還包括至少一個光束形成元件，所述的至少一個光束形成元件包括多個以三維結構設置的表面，所述多個表面中的至少一個包括微結構光學器件；以及一個用于將微顯示器上的圖像投射到目標上的聚焦光學單元。
在從屬權利要求中描述了本發明的優選實施例。
本發明的方法和系統提供了幾個優點。該數據投影儀具有良好的能量效率，并且投影儀的圖像具有均勻的亮度。該數據投影儀在尺寸上可以做得很小，重量很輕，并且使用壽命較長。該數據投影儀能夠顯示2D和3D的圖像，用戶可以在2D和3D圖像之間自由切換。


下面，將參照優選實施例和伴隨的附圖詳細地描述本發明，其中附圖1A表明了具有傳統的光學配置的微顯示照明光源，附圖1B表明了具有本發明的光學配置的微顯示照明，附圖2A表明了利用傳統的光學配置的光束發散，附圖2B表明了利用本發明的光學配置的光束發散，附圖3A表明了與光源集成在一起的光束形成元件，附圖3B表明了當沒有使用光束形成元件時的射線軌跡，附圖3C表明了與光源集成在一起的光束形成元件的橫截面，附圖3D表明了與光源集成在一起的光束形成元件的橫截面，附圖3E表明了與光源集成在一起的光束形成元件的橫截面，附圖3F表明了與光源集成在一起的光束形成元件的橫截面，附圖3G表明了光束形成元件的另一個實施例，附圖3H和3I表明了附圖3G所示的微結構的實施例，附圖4A表明了具有透射式LCD微顯示器的單彩色投影儀，附圖4B表明了具有反射式DMD微顯示器的單彩色投影儀，附圖4C表明了具有反射式LCoS微顯示器的單彩色投影儀，附圖5表明了一個2D/3D LCD投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖6表明了一個2D/3D LCoS投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖7表明了一個LCD投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖8表明了一個LCoS投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖9A表明了具有分光合色棱鏡(X-cube)光束合成器的彩色投影儀，附圖9B表明了具有一個分色鏡光束合成器的彩色投影儀，附圖10A表明了具有一個光束引導元件以及三個光源單元的彩色投影儀，
附圖10B表明了具有一個光束引導元件以及一個光源單元的彩色投影儀，附圖11表明了具有分光合色棱鏡(X-cube)光束合成器和LCD微顯示器的2D/3D彩色投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖12表明了具有分光合色棱鏡(X-cube)合成器和LCoS微顯示器的2D/3D彩色投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖13表明了具有分光合色棱鏡(X-cube)合成器和LCD微顯示器的彩色投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖14A表明了具有分光合色棱鏡(X-cube)合成器和LCoS微顯示器的彩色投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖14B表明了具有分光合色棱鏡(X-cube)合成器和LCoS微顯示器的2D/3D彩色投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖14C表明了具有分光合色棱鏡(X-cube)合成器和LCoS微顯示器的2D/3D彩色投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖15表明了具有一個光源單元和LCoS微顯示器的彩色投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖16表明了具有分色鏡光束合成器和LCoS微顯示器的彩色投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，附圖17表明了彩色投影儀的一個實施例，其中使用了連續照明，附圖18表明了一個3D彩色投影儀，其中使用了兩種偏振狀態，從而兩種狀態具有分離的圖像，該圖像可以通過對每只眼睛具有垂直偏振濾波器的眼鏡來觀看。
具體實施例方式
投影儀的效率由于損失會退化，損失包括光譜損失(如果使用寬帶光源的話)，由于光源的較差的內部效率引起的損失，由于光源的較差的外部效率引起的損失(例如使用LED)，光匯集損失(校準損失)，集成損失(如果合并幾束光束)，彩色分離損失(在用于將光線分成紅，綠和藍分量的分色鏡中的損失)，偏振損失(如果使用LC微顯示器)，微顯示器本身的反射或傳輸損失，例如由于惡劣的填充因子(像素之間的間隙)所引起的損失，彩色合并損失(例如當使用分光合色棱鏡(X-cube)或者分色鏡時)，以及投影透鏡的損失(透鏡表面上的反射損失)。
在每個方面使光損失最小化非常重要。也期望使光源的內部和外部量子效率最大化。應當把光線僅僅引導到用作空間調制器的微顯示器的有效區域。應該最小化光學分量以及微顯示器中的損失。
當使用白熾燈或者弧光燈作為光源時會發生光譜損失。它們發射的光具有非常寬的波長帶并且大部分電能被轉換成熱。通過使用例如LED(發光二極管)光源，能夠避免這一問題，因為LED光源能夠僅產生需要的波長帶(紅，綠和藍)的光。
LED的總效率取決于內部量子效率，以及外部效率。內部量子效率被定義為流入外部電路的電子數目與設備內所產生的光子數目的比。外部量子效率意味著LED所發出的光子數目與內部生成的光子數目的比。利用特定材料、波長和結構的LED芯片，內部量子效率可以接近100％，例如99％。但是，大部分生成的光線不會從半導體器件發出，而是被吸收到LED芯片本身。這是由于LED芯片和所圍繞的材料之間的折射率相差很大，從而導致大部分光線由于完全內部反射而受限于芯片當中。傳統LED的外部效率比可以低至1/(4n2)≈1/50(其中n＝3.5是半導體的折射率)。大多復雜的LED設計包括允許更多內部光線逃逸的特性。這些特性包括LED上的半球形或圓錐形的半導體圓頂，表面粗加工，透明基板和覆板以及光子再利用。諧振腔LED利用高精微諧振腔中自發發射的量子電動力學增強。這些方法允許至多30％的外部效率，該效率仍遠遠低于最佳的情況。另外一種建議的方法是將半導體芯片切成一個平頭倒金字塔的形狀，這樣能達到55％的外部效率。
與較差的外部效率共同呈現的還有光線匯集損失，這是投影系統中最嚴重的光線損失之一。通過使用凸透鏡或基于完全內部反射的反射器或者噴涂金屬的反射器，能夠校準大多數來自于LED的光線。通常，這形成了一個相對緊密的，圓形對稱的光束。但是，由于微顯示器是矩形的，因此圓形的光束不是理想光束。由于這種形狀差，損失了大部分光線。這些解決方案還可能受光暈的影響，即穿過微顯示器的光線強度不平均。除此之外，通過使用現有的光線匯集和校準技術，無法對于整個光學系統最優化光束的校準。
集成損失，彩色分離損失和彩色合并損失在實際中非常難改善。可以通過仔細選擇分色鏡，分光合色棱鏡(X-cube)和光束分離器來使其達到最小。當使用LCD或LCoS微顯示器時，偏振損失非常顯著，損失會超過50％。可以通過在光源和微顯示器之間使用一個偏振轉換器來避免部分這種損失(JP2003287719)。微顯示器具有內部損失，這取決于微顯示器的類型，調制速率，以及微顯示器本身的反射和散射，例如由于較差的填充因子(像素之間的間隙)所引起的損失。當使用LCD微顯示器時，由于較差的填充因子引起的損失通常在20％-40％。在液晶面板之前或者之后應用一個所謂的微透鏡陣列(MLA)可以降低由于較差的填充因子所引起的損失，所述MLA引導光線通過有效像素區域。LCoS和DMD微顯示器具有充分優于LCD微顯示器的填充因子。
投影透鏡中的損失可以通過使用抗反射層涂敷透鏡來最小化。這涉及到成本的問題，是容忍這種損失還是使用更加昂貴的透鏡。
源芯片本發明中的數據投影儀可以包括一個或者多個窄帶源芯片，其在可見范圍內工作。該源芯片包括例如LED，OLED或者量子井LED芯片，等。每個窄帶源芯片的帶寬都比整個可見光范圍(400nm...750nm)窄，例如帶寬可以從一納米變化到大于150納米，特別是帶寬可以從10nm變化到50nm。數據投影儀可以具有一個或多個源芯片，所有的源芯片發出相同波長帶的光線。在彩色投影儀中，源芯片提供不同帶寬的光。通常，源芯片可以一起提供紅，綠和藍光。
源單元本發明中的投影儀包括一個或者多個源單元。源單元包括一個或者多個源芯片，這些芯片與一個新穎的光束形成元件集成。該光束形成元件的功能是提高源芯片的外部效率，并且提供具有特殊設計的強度分布和發散角的輸出耦合光束。
光束形成元件提供到微顯示器的均勻照射。附圖1A表明了當使用具有傳統的光學配置(附圖1中沒有顯示)的光源102，例如LED時，微顯示器104上的照射光束106。如圖所示，光線106的大部分沒有擊中微顯示器104。此外，照明不是統一的，受到了光暈的干擾(用不同的影線表示)。
附圖1B表明了當使用本發明的源單元108時，微顯示器104上的照射光束110。光束110的形狀接近于矩形，因此其適合于覆蓋微顯示器104。除此之外，微顯示器被均勻照射因此光暈最小。
考慮光學系統中的光損失，光展量(etendue)是一個最重要的參數。對于任意形狀的表面，通常情況下，光展量被定義為(光線來自于具有折射率為n1的材料)E=n12n22∫∫dAe^A·dΩe^Ω]]>其中n1和n2是材料的折射率，dA是表面上的微分面積元素， 是與dA相應的表面法向矢量，dΩ是微分立體角元素， 是與dΩ相應的質心方向矢量。
通過整個光學系統的光展量守恒意味著光學系統是無損的。而且，光展量不會由任何光學結構降低。因此，設計光學系統從而使光展量在特定元件中增加的盡可能少至關重要。
經過表面的整個流量可以這樣計算φ=n12n22∫∫L(r^,e^Ω)dAe^A·dΩe^Ω,]]>其中 是位置在 處，到方向 的表面亮度。
在小型便攜式投影設備中，不得不使用最小的微顯示器，從而獲得足夠小的投影儀。這種限制通常導致微顯示器的對角線在0.5厘米到1.5厘米之間。這些小型微顯示器的光展量相對接近于LED芯片本身的原始光展量。商業上可獲得的用于LED芯片的光線匯集和校準結構不能很好的保持原始LED芯片的光展量，并且大部分光線被損失而不能擊中微顯示器，并且除此之外，剩余的光線具有過寬的開口角度。過寬的開口角度造成光線的損失，這是由于部分光線傳播到光學區域之外，并且隨著開口角度的增加，LCD、LCoS、偏振光束分離器、濾波器等之中的損失增加。在很多投影儀結構中，當開口角度增加時，反差比也會降低。
附圖2A和2B表明了經過仔細設計的光束發散角的分布效果。附圖2A表明了利用現有的光校準結構的典型情況。最高效的投影儀結構需要在源單元202和微顯示器204之間和/或在微顯示器204和聚焦物鏡之間安裝一些光學元件210。如圖2A所示，光束發散造成了大量的損失，如果微顯示器的尺寸和/或物鏡和其它光學元件的尺寸不增加的話，不能避免這種損失。
附圖2B表明了利用本發明中的源單元208的情況。源芯片的光展量保持的好的多。此外，設計了發散角分布從而使得在整個投影儀的長度上損失最小。當光束的開口角度減小時，微顯示器204、偏振元件、分光合色棱鏡(X-cube)、分色鏡、透鏡、衍射元件等的傳輸損失降低。本發明的一個主要優點在于光束的開口角度最小，這使得其他光學元件中的損失小于傳統解決方案下的損失。
本發明中的源單元接近于理想的光展量并且整個流量保持元件使輸入光束的強度和角度分布變形從而滿足微顯示器的要求并且同時使整個光束發散最小。主要的設計原則是盡可能的滿足每個元件的特殊要求，但是盡可能的保持光展量。最優化參數包括在投影儀的每個位置上的面積，光線強度分布，角度，以及光束發散。主要的優點在于“流出投影儀的流量除以光源所消耗的電能”的比值。還存在次要的標準，例如照明均勻性和對比度。前述的等式允許設計中大量的優化可能。
本發明中的源單元包括一個或者多個源芯片，這些源芯片與一個光束形成元件集成在一起。這種源單元的一個例子包括與一個光束形成元件集成在一起的源芯片。源單元的另一個例子包括幾個源芯片，每個源芯片都提供具有相同波長帶的光，并且每個都與其自身的光束形成元件集成在一起。設計光束形成元件從而使光束共同形成期望的光束。這些源子單元都可集成在一個單獨的單元當中，從而構成一個單獨的單元，這在某些設備組件中有用。合成光束的形成元件可以進一步包括一個共同的光束形成元件，該元件提高了整個單元的性能。
源單元的另一個例子包括多于一個窄帶源，它們中的一些或者一個工作在一個不同的狹窄波長帶。通常，源單元包括例如紅，綠和藍LED。每個源與一個光束形成元件集成。設計光束形成元件從而使光束共同形成期望的光束。這些源子單元可以被集成到一個單獨的單元中，從而它們構成一個單獨的單元。例如，源單元可以包括六個LED芯片，從而存在兩組分別具有紅，綠和藍彩色的LED。合并光束的形成元件可以進一步具有共同的光束形成元件，這提高了整個單元的性能。
在本發明的源單元中，源芯片集成到一個光束形成元件。這意味著源芯片被一種基本透明的材料圍繞。根據源芯片的結構，其可以包括具有不同折射率的部分。可以選擇透明材料的折射率使得從芯片和透明材料的邊緣的反射最小，并且從而提高源芯片的外部效率。通常，利用可用材料和制造過程，令透明材料的折射率盡可能地與源芯片的折射率匹配。在本發明的一個實施例中，在源芯片和透明材料之間的源芯片表面上制造了衍射光柵從而進一步提高源芯片的外部效率。
在本發明的一個實施例中，源芯片被安裝在反射金屬表面。金屬層將向下發射的光線向上反射。金屬層的其他功能是傳導熱量。金屬鏡也可以被放置在源芯片的某個部分的表面上從而降低光展量。例如，表面安裝的LED芯片的上表面可以噴涂金屬從而降低光展量。
光束形成元件包括透明材料，其圍繞一個或者多個源芯片，并且其折射率相應匹配。光束形成元件包括至少一個具有微結構光學元件的表面，該光學元件可以是衍射，折射或反射。通常，所有的元件集成在一起，這樣光束形成元件包括一個單獨的單元。光束形成元件的一些元件也可能不與其他元件集成。折射和衍射元件上也可以具有抗反射涂層。光束形成元件可以局部的或者全部的由基本上透明的材料填充。
附圖3A表明了包括一個與光束形成元件集成的源芯片302的源單元的實施例。光束形成元件320包括透明材料306，該透明材料的折射率接近源芯片302的折射率。透明材料的上表面具有特定的形狀和紋理。光束形成元件包括至少一個衍射元件308。其還可選地包括一個反射元件310。源芯片302被安裝在一個反射金屬層304上，其反射向下發射的光線。
附圖3B表明了與附圖3A類似的另一種結構，只是透明材料306是具有直線邊緣的矩形塊狀結構。圖中所示的是沒有衍射和折射元件的情況。目的是獲得有效的光束，該光束從源芯片向上傳播。在附圖3B中，僅有從芯片基本向上發射的光線312能夠避免完全內部反射，這是由于塊材料和空氣之間存在折射率的差。此外，輸出的耦合光束基本上在透明材料和空氣的邊緣發散。畢竟，光源的外部效率非常低，并且輸出的光束顯著的發散。
衍射元件308具有衍射表面圖案。表面包括局部衍射區域，該區域已經被優化從而從源芯片發射到該區域的大多數光線被衍射到期望的方向。例如，通過使用合適的二元或閃耀輪廓(binary or blazedprofile)，可能獲得例如95％的光線衍射到期望的方向。與表面上的點到源芯片的距離相比，源芯片越小，方向性越好。通過合理的設計和使用表面上變化的各種衍射圖案，可以將到來的輸出光束方向設計為預先確定的方向。周期、形狀和圖案、調制深度以及占空因數被設置來最好的滿足期望的功能。通常恰好位于源芯片上方的表面是只折射的，而其他地方的表面是衍射的。
在光束形成元件的另一個實施例中，如圖3C所示，源芯片302陷入一個反射杯(reflector cup)中。附圖3C也表明了透明材料也可以是近似矩形的形狀，其表面包括衍射區域，并且可選地也包括折射區域。
附圖3D表明了光束形成元件也包括反射元件的實施例。從源芯片302發射到側面的光線被鏡314反射到期望的方向。鏡可以是平面鏡，拋物面鏡，雙曲面鏡，球面鏡或者其他形狀。在鏡的表面上可選地存在衍射元件。鏡314和金屬層304可以包括一個單獨的單元。鏡314也可以與透明材料306集成。
附圖3E表明了光束形成元件的另一個實施例，其中在透明材料316的邊緣通過使用完全內部反射構成了反射鏡。反射的光線直接通過表面318到期望的方向。表面318可以包括折射和衍射元件。
附圖3F表明了光束形成元件的另一個實施例。除了頂壁320之外，透鏡材料306的側壁322和鏡化表面314也可以具有衍射和/或折射表面圖案。衍射和/或折射表面圖案根據上述的設計原則被局部優化。側壁322可以定向在垂直方向上，即90度角，或者它們能夠以特定的角度，例如15-35度，向外傾斜。
附圖3G表明了光束形成元件的另一個實施例。LED芯片302被安裝在鏡化基板304上，然后被透明材料306圍繞。透明材料的表面包括折射和/或衍射微結構326，其又被第二透明材料324圍繞。鏡化表面314可以包括折射和/或衍射結構。
附圖3H和3I表明了附圖3G中所示的微結構的實施例。在附圖3H中，利用第一透明材料306和第二透明材料324之間的折射率的差形成微結構326。在附圖3I中，微結構包括位于第一透明材料306和第二透明材料324之間的第三透明材料330。第三透明材料可以是例如空氣，膠水，凝膠，或者任何具有不同于第一和第二透明材料的折射率的材料。在該結構中光線折射兩次，因此比附圖3H中僅折射一次的情況的更大的偏轉角度是可能的。而且，第一和第二透明材料可以具有相同的折射率。
源單元的一個實施例包括分別具有紅、綠和藍顏色的三個源芯片。這三個芯片與相同的光束形成元件集成在一起。包括至少一個衍射元件的光束形成元件通常被針對一種顏色最優化。在該實施例中，針對所有三種顏色同時進行最優化。在下面的一些光學結構中，這種解決方案將提供非常緊湊的設備。
所述的光束形成元件的實施例是非常簡單的例子。所述結構并不僅限于所提出的實施例，而是根據應用情況可能相當復雜。光束形成元件的結構必須根據所述的設計原則，考慮設備的整個光學系統而仔細設計。人們期望光束形成元件能夠簡單的通過已知的批量生成方法大批量的生產。這增加了在設計階段必須考慮的一些約束和限制。
可以通過使用傳統的光學設計方法計算折射和反射元件所需的幾何形狀。在仿真中可以使用諸如Zemax(Zemax DevelopmentCorporation，San Diego，CA，USA)的光學設計軟件或者諸如TracePro(Lambda Research Inc.，Cincinnati，OH，USA)的射線跟蹤軟件。原則上，在非常簡單的情況下，所需的衍射元件的幾何參數可以解析求解。但是，與更快和更簡單的數字模擬相比解析解法過于復雜。衍射光柵的數字模擬可以通過例如使用GSOLVER(Grating SolverDevelopment Company，Allen，Texas，USA)軟件進行。GSOLVER使用完全三維矢量代碼，利用混合的嚴格耦合波分析(Rigorous CoupledWave Analysis)和模式分析(Modal Analysis)求解用于平面波照射的任意光柵結構的衍射效率。除了商業軟件之外，本領域的技術人員也可以使用傳統的編程工具建立其自己的更為復雜的模擬工具。
微顯示器微顯示器可以包括LCD(液晶設備)，DMD(數字微反射鏡設備)或者基于空間調制器的LCoS(硅上液晶)或者其他的可獲得的微顯示器，例如基于MEMS的空間光調制器。LCD或LCoS有時可以僅利用一種偏振態。在LCD微顯示器中，20％-40％的損失是由于有效像素之間的間隙而產生。更好的解決方式是使用一個具有LCD的微透鏡陣列(MLA)，即MLA-LCD。微顯示器之前(也可能之后)的微透鏡陣列引導光線僅通過有效像素區域。LCD或者MLA-LCD必須在透射型微顯示器結構中使用，因為DMD和LCoS微顯示器是反射型的。另一方面，LCD也能夠被應用于反射型結構中，因為可以在LCD屏幕之后安裝一反射鏡。微顯示器可以生成現場的視頻圖像或者沒有移動的靜態圖像。
聚焦單元聚焦單元將一個或者多個微顯示器上的圖像區域成像到目標上。目標(附圖中沒有顯示)可以是用戶期望將圖像投射上去的任何表面，例如，一個墻壁，一張紙，一本書，一個屏幕等。聚焦單元可以包括例如一個單獨的透鏡，一個菲涅爾透鏡，一個單獨的反射鏡，一個衍射光學部件，一個混合折射衍射元件，或者所述元件的組合。聚焦單元最好包括一組透鏡。聚焦單元中的元件可以具有抗反射涂層從而降低反射損失。
在虛擬顯示設備中，一個或者多個微顯示器的圖像區域被成像到一個虛擬平面，該平面可以在微顯示器之前或者之后。例如，在虛擬顯示眼鏡中，投影儀將圖像投射到半反射鏡片上，這樣，圖像不是在鏡片的表面上形成，而是在例如2米之前的虛擬平面上形成。
單色投影儀結構附圖4A表明了一個數據投影儀的實施例，其僅使用一個波長帶。數據投影儀包括上述的具有一個單色的源單元402，一個透射型微顯示器404以及一個聚焦單元406。源單元402提供照射到微顯示器的光線。微顯示器404的圖像通過聚焦單元406被投射到目標。
附圖4B表明了數據投影儀的另一個實施例，其僅使用一個源單元402。數據投影儀包括一個源單元402，一個可選鏡408，該鏡將光束引導向DMD微顯示器410，其通過聚焦單元406將光線反射到目標。
附圖4C表明了數據投影儀的另一個實施例，其僅使用一個源單元402。數據投影儀包括一個源單元402，一個偏振光束分離器414，一個LCoS微顯示器412和一個聚焦單元406。偏振光束分離器將光束的另一種偏振態反射到微顯示器。LCoS微顯示器調制光束的偏振，使得來自于期望像素的光線再次經過偏振光束分離器并且投射到目標上。在偏振光束分離器414和微顯示器412之間可以具有一個四分之一波片416，該波片增加了可獲得的反差比。也可以通過在源單元402和偏振光束分離器414之間使用可選的預偏振器418來改進反差比。
當使用LCD，MLA-LCD或者基于LCoS的微顯示器時，會損失其它的偏振方向的，即50％的光線。在附圖5所示的實施例中避免了這種損失。來自于源單元502的光束被引導到偏振光束分離器504，光束在那里被分成兩個方向，這兩個方向都僅包括一束線性偏振光。兩個光束分別照射分離的LCD微顯示器506，508。使用鏡510，512和第二偏振光束分離器514再次合并光束。微顯示器的圖像通過聚焦單元516被投射到目標上。這個方法兩種偏振態都得到使用。
附圖6表明了先前實施例的另一種變形，其中使用兩個LCoS微顯示器來代替透射型LCD面板。來自于源單元602的光束在偏振光束分離器604被分成兩個光束。這兩束光束從分離的微顯示器606，608反射，并且根據微顯示器的偏振調制，來自于微顯示器的期望像素的光線被引導到聚焦單元610。可以使用可選的四分之一波片612，614來改進反差比。
附圖5和附圖6所示的例子特別有利，因為投影儀在2D和3D模式下都可以工作。這些實施例包括兩個分離的微顯示器，該微顯示器可以用相同的圖像(2D模式)驅動，也可以利用形成一個立體對(3D模式)的兩個分離圖像驅動。
在附圖7和附圖8中表明了保持光線的兩種偏振態的另外的兩個實施例。在附圖7中，來自于源單元702的光束被偏振光束分離器704分成了兩個線性偏振光束。反射光束照射LCD微顯示器706的一半。偏振光束分離器透射的光束被鏡708反射并且通過半波片710傳播到微顯示器706的另外一半。然后使用聚焦單元712將微顯示器上的圖像成像到目標上。半波片710用來將光束的偏振態旋轉90度從而使光束能夠通過微顯示器706。當微顯示器706包括兩個偏振方向彼此垂直的分離的LCD面板時，不需要半波片710。
大體上，附圖8表明了反射型LCoS微顯示器的一個類似實施例。來自于源單元802的光束被第一偏振光束分離器804分成兩個線性偏振光束。如圖4C所示，來自與第一光束分離器的反射光束的偏振被LCoS微顯示器806的第一半調制。來自于微顯示器上的期望像素的光線再次經過光束分離器804，并且傳播到聚焦單元808。從第一偏振光束分離器804透射的光束被第二偏振光束分離器810反射到微顯示器806的第二半。與前述相似，該光線被微顯示器調制并且被投射到目標。由于偏振光束分離器804和810的偏振方向彼此垂直，因此這是可行的。附圖7和附圖8所示的實施例結構非常緊湊，但仍保持光線的兩種偏振態。
彩色投影儀結構通常，在投影中使用三個波帶，即紅，綠和藍。如果使用幾個波帶，不同的波帶就要用不同的微顯示器調制，或者用一個微顯示器的不同區域調制，或者利用同一個的微顯示器但是依次在不同的時間調制，這是由于微顯示器本身是單色的。
彩色投影儀的一個實施例包括三個單色的投影儀，這三個投影儀排列在一起從而在目標上形成一個彩色圖像。該實施例包括三個聚焦單元，聚焦單元是非常昂貴的。一個更好的解決方案是使用三個沒有聚焦單元的單色投影儀，將光束合并在一起，然后將合并的光束照射到一個共同的聚焦單元上。三個光束的合并是通過例如分光合色棱鏡(X-cube)或者分色鏡進行的。
附圖9A表明了一個實施例，其中使用一個分光合色棱鏡(X-cube)組合了三個基于附圖4A所示的實施例的單色投影儀(紅902R，綠902G，藍902B)從而形成一個彩色投影儀。來自于光源單元902R的光線照射LCD微顯示器904。分光合色棱鏡(X-cube)906將三個光束合并成一個，然后通過聚焦單元908將合并的光束投射到目標上。
附圖9B表明了一個類似的實施例，其中使用兩個分色鏡910，912來替代分光合色棱鏡(X-cube)合并光束。
通過合并來自于如附圖4A中所示的三個單色投影儀的光束形成附圖9A和附圖9B中的彩色投影儀。類似的，可以通過合并上述其他形式的三個單色投影儀形成彩色投影儀。例如，附圖4B，4C，5，6，7，8中的單色投影儀能夠用來以相同的方式建立一個彩色投影儀。
在上述的彩色投影儀結構中需要幾個不同的微顯示器(或者同一個微顯示器的不同區域)。附圖10A表明了僅使用一個微顯示器的實施例。三個不同的光源單元1002B，1002G和1002R分別用紅，綠，藍光束照射微顯示器1004。在微顯示器的前面存在一個光束控制元件1006，其將不同顏色的光束引導通過不同的像素。可選的，在微顯示器的后面存在另外的一個光束控制元件1008，降低光束的發散。光束控制元件可以是例如一個微透鏡陣列，一個透鏡狀的(lenticular)片或者一個微棱鏡陣列。光束控制元件可以與微顯示器集成。來自于微顯示器的圖像通過聚焦單元1010投射到目標上。目標上的像素的數量將是微顯示器上的像素數量的三分之一。
附圖10B表明了先前的解決方案的另一個實施例。結構與上述類似，只是由一個源單元1012代替三個分離的源單元1002B，1002G和1002R，源單元1012包括紅，綠和藍源芯片，并且被設計成對于所有的三種顏色都具有良好的效率。本發明的一個實施例結合了附圖10A或附圖10B所表明的結構與附圖5、6、7或8中的偏振保持思想。
如上所述，通過快速連續地每次照射一種顏色可能在彩色投影儀中僅使用一個微顯示器。這種解決方案充分的簡化了設備結構。由于當前屏幕需要至少60赫茲的刷新頻率，在17ms的時間周期內應顯示所有的顏色。當使用三種顏色時，就意味著每種顏色的照明時間是5.7ms。微顯示器必須具有非常短的響應時間。基于DMD的微顯示器具有低于1ms的響應時間，這已經足夠短了。LCoS微顯示器的響應時間是幾毫秒，例如2.2ms，這也足夠短了。商業上可獲得的LCD的響應時間通常是16ms，但是已經研究出了反應時間更快的LCD。人們推測在幾年之內，LCD的反應時間將降低到7ms的范圍內，這也足夠短了。眾所周知，利用相同的平均電功率，當以快速脈沖模式驅動LED時，其總的平均光學輸出功率可以與當其被在DC模式驅動時相等。因此脈沖調制LED既不會負面影響系統的功率效率，也不會負面影響系統的絕對光學功率。
其中所有顏色依次使用同一個微顯示器的彩色投影儀的光學結構與附圖4A、4B、4C、5、6、7、8所表明的單色投影儀結構相同，其中一個三色源單元代替了單色源單元。三色源單元的一個實施例是新穎的包括紅、綠、藍源芯片的源單元，并且其被設計成對于所有的三種顏色都具有良好的效率。三色源單元的另一個實施例包括三個單色源單元，通過使用諸如分光合色棱鏡(X-cube)或者兩個分色鏡合并來自于三個單色源單元的光束。在下面的附圖中將描述幾個根據上述的單色投影儀和三色源的組合的優選實施例。
附圖11表明了彩色投影儀的一個實施例，其中使用了連續照明。來自于三個源單元1102B，1102G，1102R的紅，綠和藍光束在分光合色棱鏡(X-cube)1104中合并。如圖5所示，光束被引導到偏振光束分離器1106，光束在那里被分成兩個方向，這兩個方向都僅包括一個線性偏振的光。兩個光束照射分離的LCD微顯示器1108，1110。使用鏡1112，1114和第二偏振光束分離器1116再次合并光束。微顯示器的圖像通過聚焦單元1118投射到目標上。
附圖12表明了彩色投影儀的另一個實施例，其中使用了連續照明。來自于三個源單元1202B，1202G和1202R的紅，綠和藍光束在分光合色棱鏡(X-cube)1204合并。如圖6所示，偏振光束分離器1206將光束分成兩束。兩個光束分別從分離的LCoS微顯示器1208，1210反射，并且根據微顯示器的偏振調制，來自于微顯示器上的期望像素的光線被引導到聚焦單元1212。附圖11和附圖12所示的實施例提供了一種具有緊湊的設備結構的2D/3D可轉換的彩色投影儀。
附圖13表明了彩色投影儀的另一個實施例，其中使用連續照明。來自于三個源單元1302B，1302G和1302R的紅，綠和藍光束在分光合色棱鏡(X-cube)1304合并。如圖7所示，偏振光束分離器1306將光束分成兩束線形偏振光束。反射光束照射第一LCD微顯示器1308。從偏振光束分離器透射的光束被鏡1310反射到第二LCD微顯示器1312。然后，微顯示器1308，1312通過使用聚焦單元1314在目標上成像。
附圖14A表明了彩色投影儀的另一個實施例，其中使用了連續照明。來自于三個源單元1402B，1402G和1402R的紅，綠和藍光束在分光合色棱鏡(X-cube)1404合并。如圖8所示，第一偏振光束分離器1406將光束分成兩個線性偏振光束。從第一光束分離器1406反射的光束的偏振被LCoS微顯示器1408的第一半調制。來自于微顯示器上的期望像素的光線再次通過光束分離器1406，并且傳播到聚焦單元1410。從第一偏振光束分離器1406透射的光束被第二偏振光束分離器1412反射到微顯示器1408的第二半。類似的，該光線被微顯示器調制并被投射到目標上。由于偏振光束分離器1406和1412的偏振方向彼此垂直，因此這是可行的。
附圖13和14A所示的本發明的實施例僅適用于2D投影。但是，通過利用具有光束分離器的聚焦單元來替換聚焦單元1314和1410，這樣的實施例就能夠適用于2D和3D投影。在附圖14B和14C中表明了這種實例。附圖14B表明了將附圖14A中的例子修改成具有2D和3D投影能力的實施例。在聚焦單元1410之后增加了完全內部反射棱鏡1414，1416。棱鏡將具有彼此垂直的偏振態的兩束光束引導到目標的相同位置上，從而當通過偏振眼鏡觀看時，能夠共同呈現3D圖像。
附圖14C表明了具有聚焦單元的光束分離器的另一個實施例。聚焦單元1410被設置在光束分離器之后的兩個聚焦單元1418，1420代替。利用這種解決方案，投影屏幕的邊緣可能比附圖14B所示的實施例中的邊緣更為尖銳。也可以使用反射鏡來代替棱鏡實現光束分離器。
附圖15表明了具有連續照明的彩色投影儀的一個實施例，其與附圖14中所示的實例相似，只是利用一個包括紅、綠和藍源芯片的源單元1502代替了分光合色棱鏡(X-cube)和三個分離的源單元，源單元1502被設計成對于所有的三種顏色都具有良好的效率。
而附圖16表明了具有連續照明的彩色投影儀的一個實施例，與附圖14所示的例子相似，只是其中利用兩個分色鏡1602，1604代替了分光合色棱鏡(X-cube)。
附圖17表明了使用連續照明的彩色投影儀的實施例。來自于三個源單元1702B，1702G，1702R的紅，綠，藍光束在分光合色棱鏡(X-cube)1704合并。如圖4B所示，可選的反射鏡1706將光束引導到DMD微顯示器1708上，其將光線反射為通過聚焦單元1710到達目標。
盡管在上述的彩色投影儀的實施例中，所使用的顏色都是紅，綠和藍，但是并不局限于這些顏色，其可以是可見范圍內的任何三種顏色。例如另一種顏色選擇可以是青，黃，和絳紅。而且，在某些應用中，兩種顏色就足夠了。在某些情況下，使用四種，甚至更多的顏色會更加生動有效。這種多種顏色的合并可以使用諸如分色鏡來實現。很清楚，可以在本發明的范圍內對上述光學結構作出改變。上述的結構作為可能實施例的例子。根據應用情況，通過在上述的基礎設計內增加光學元件，可能會影響投影的質量。例如，在不改變本發明的基本思想的情況下，可以在很多位置增加反射鏡，衍射元，透鏡，光學濾波器，偏振轉換器，四分之一以及半波片。除此之外，光學元件可以多次被具有相同功能的其他元件所替代，例如，反射鏡可以由全內部反射棱鏡所替代。許多元件可以集成在一起從而使它們組成一個單獨的單元。在一些應用中，最好將所有的元件都集成在一起，例如通過在光學元件之間使用透明材料來集成。上述的微顯示器可以由具有合適功能的其他空間調制器替代。
本發明中的數據投影儀可以使用在多種不同的投射裝置中。最直接的裝置是直接投影，其中投影儀直接將圖像投射到諸如銀幕，墻壁，紙張的表面上。所投射的圖像在相同的所述表面的同一側被觀看和照射。在特定的應用中，使用直接投影到一個半透明的表面上是非常有利的，所述半透明表面可以是一個半反射或散射表面。投影的另一種形式是背投，其中投影儀照射一個半透明的散射表面，然后在與被照射表面相反一側的表面上觀看。投影的另外一種形式是虛擬屏幕投影，其中一個或者多個微顯示器上的圖像被投射到一個虛擬平面。
3D投影在上述的一些實施例中，光束被分成兩個垂直的偏振態，然后分別調制。這樣使得可以通過分別控制微顯示器來投射具有不同圖像的兩種偏振。因此可能利用相同的投影儀來投射2D和3D圖像。當觀看3D圖像時，需要佩戴偏振眼鏡。在上述的直接投影中，在從投影表面的反射中偏振必須保持。這可以通過使用例如噴涂金屬的屏幕來實現。在背投裝置中，保持偏振通常不需要特殊的裝置或者屏幕材料。附圖18表明了一個背投系統，作為3D投影設備的例子。數據投影儀1802將具有不同偏振態的兩個圖像投射到背投屏幕1804上，然后通過偏振眼鏡1806觀看。
電路可以通過包括分離的電子元件的電路板上的硬件實現，也可以通過VLSI元件(超大級別集成電路)，或者FPGA元件(現場可編程門陣列)或者優選通過ASIC電路技術(特殊應用集成電路)來實現。在PC計算機中，或者優選通過在處理器中運行軟件來執行自動數據處理。
根據本發明的投影方法和數據投影儀特別適用于下列應用-作為電視的替代產品-作為計算機監視器的替代產品-作為視頻投影儀-作為幻燈片顯示器/幻燈片投影儀-作為虛擬顯示投影儀本發明的解決方案也可以作為下述設備的附屬設備使用或者集成到下述設備中
-移動電話-DVD-以及其他媒體播放器-視頻可攜式攝像機-數字攝像機-個人數字助理-膝上型電腦-手持和桌上型游戲設備-視頻會議設備-頭戴式顯示器-軍用顯示器-家庭，賓館，飯店，汽車，飛機，輪船，以及其他運輸工具，辦公室，公共建筑(例如，醫院，圖書館等)以及其他地方所使用的多媒體設備-任何上述設備與3D成像軟件和硬件的結合使用，例如用于提供期望對象的3D畫面的射線跟蹤，CAD，3D模擬，支持3D圖像卡，3D電影和游戲-任何其他的低功耗，小型，低價為主要特征的設備總之，本發明將提供與現有設備相比，使用更少的功耗，具有更低的成本，并且提供更長的使用壽命的非常小型的投影儀結構。
盡管上面根據附圖，參照實施例描述了本發明，但是很清楚，本發明并不局限于此，而是可以在附加權利要求的范圍內可以做出各種改變。
權利要求
1.一種數據投影儀包括至少一個微顯示器，其具有將被投射的圖像，至少一個源單元，包括至少一個光源芯片，所述源單元還包括至少一個光束形成元件，所述至少一個光束形成元件包括多個以三維結構設置的表面，所述多個表面中的至少一個包括微結構光學器件，以及一個用于將微顯示器的圖像投射到目標上的聚焦光學單元。
2.如權利要求1所述的數據投影儀，其中該數據投影儀包括至少一個綠LED，至少一個藍LED以及至少一個紅LED作光源。
3.如權利要求1所述的數據投影儀，其中該數據投影儀包括一個LCD、LCoS、DMD、MLA LCD、MLA LCoS顯示器等作為微顯示器。
4.如權利要求1所述的數據投影儀，其中該數據投影儀還包括一個位于光束形成元件和微顯示器之間的光學單元，用于更為有效地引導光輻射，該光學單元是透鏡，反射鏡，菲涅爾透鏡，衍射元件，微透鏡陣列，分光合色棱鏡(X-cube)或者其它的光學元件，或者這些元件的串聯或其它組合。
5.如權利要求1所述的數據投影儀，其中該數據投影儀還包括位于微顯示器和聚焦單元之間的光學單元，用于更為有效地引導光輻射，該光學單元是透鏡，反射鏡，菲涅爾透鏡，衍射元件，微透鏡陣列，分光合色棱鏡(X-cube)，或者其它的光學元件，或者這些元件的串聯或者其它組合。
6.如權利要求1所述的數據投影儀，其中該數據投影儀還包括用于將來自于每個光源的光束分成兩個具有不同偏振的光束的裝置，微顯示器被分成分離的部分，或者使用兩個分離的微顯示器，每個光源的兩個光束中的每一個被指引到兩個分離部分之一。
7.如權利要求6所述的投影儀，其中該數據投影儀還包括用于在微顯示器之后將每個光源的兩個光束組合的裝置。
8.如權利要求1所述的數據投影儀，其中每個光束形成元件中的透明材料的折射率等于或者接近于相應的源芯片的折射率。
9.如權利要求1所述的數據投影儀，其中每個光束形成元件與一個相應的光源芯片集成在一起。
10.如權利要求1所述的數據投影儀，其中圖像是一個視頻圖像。
11.如權利要求1所述的數據投影儀，其中數據投影儀是便攜式電子設備的一部分。
12.如權利要求6所述的數據投影儀，其中使用分離的圖像投射兩個不同的偏振，所述分離的圖像形成能夠用支持三維效果的偏振眼鏡觀看的立體象對(stereo pair)。
13.如權利要求1所述的數據投影儀，其中目標是一個虛擬平面。
14.權利要求1所述的數據投影儀具有以下應用電視，計算機監視器，視頻投影儀，幻燈片展示器/幻燈片投影儀，虛擬顯示投影儀。
15.權利要求1所述的數據投影儀作為一個附件或者被集成到移動電話，DVD或者其它媒體播放器，視頻可攜式攝像機，數碼相機，個人數字助理，膝上電腦，手持或者桌上型游戲設備，視頻會議設備，頭戴式顯示器，家庭，賓館，餐廳，汽車，飛機，輪船和其它交通工具上使用的多媒體設備；辦公室，公共建筑，以及其它地點的多媒體設備；軍用顯示器。
16.如權利要求1所述的數據投影儀，其中所述的至少一個光源單元能夠用于保存光展量(etendue)，最小化光子損失，提供期望的投射形狀，以及在微顯示器上均勻照射。
17.如權利要求1所述的數據投影儀，其中光束形成元件包括一個發光二極管。
18.如權利要求1所述的數據投影儀，其中光束形成元件包括至少一個衍射元件。
19.一種用于數據投射的方法，包括操作用于照射至少一個微顯示器的至少一個源單元的至少一個光源芯片，同時保存光展量，最小化光子損失；其中操作至少一個光源芯片包括使用以三維結構設置的多個表面形成照射光束，從而提供一個期望的投射形狀以及基本上均勻的照明，其中至少一個表面包括微結構光學器件。將微顯示器的照明產生的期望圖像聚焦；并且將聚焦圖像投射到目標上。
20.如權利要求19所述的方法，其中至少一個光源芯片包括一個LED(發光二極管)源。
21.如權利要求19所述的方法，其中至少一個光源芯片的光學輸出具有大約1納米到大約150納米的帶寬。
22.如權利要求19所述的方法，其中至少一個光源芯片的光學輸出具有大約10納米到大約50納米的帶寬。
23.如權利要求19所述的方法，其中至少一個光源芯片安裝在反射表面上。
24.如權利要求19所述的方法，其中至少一個光源芯片安裝在反射金屬表面上從而傳導熱量。
25.如權利要求19所述的方法，其中光束形成元件包括至少一個衍射部件。
26.如權利要求19所述的方法，其中光束形成元件包括折射和反射元件。
27.如權利要求19所述的方法，其中光束形成元件包括一個反射元件。
28.如權利要求19所述的方法，其中至少一個光源單元包括至少三個光源芯片，分別輸出紅、綠和藍光，該至少三個光源芯片與光束形成元件集成在一起，該光束形成元件包括至少一個同時針對紅、綠和藍光優化的衍射元件。
29.如權利要求19所述的方法，其中微顯示器包括LCD(液晶設備)，DMD(數字微反射鏡設備)，基于LCoS(硅上液晶)的空間調制器，以及具有LCD的微透鏡陣列(MLA)的至少一個。
30.如權利要求19所述的方法，其中聚焦包括使用單透鏡，菲涅爾透鏡，單反射鏡，衍射光學元件，以及混合折射-衍射元件中的至少一個。
31.一種光束形成元件，包括多個以三維結構設置的表面，其中多個表面中的至少一個包括微結構光學器件。
全文摘要
本發明涉及一種2D/3D投影儀，包括一個數據投影儀，該數據投影儀包括至少一個微顯示器，圖像將被投射到該微顯示器上；至少一個光源單元，其包括至少一個光源芯片，所述的光源單元還包括至少一個光束形成元件，所述的至少一個光束形成元件包括多個以三維結構設置的表面，所述多個表面中的至少一個包括微結構光學器件；以及一個用于將微顯示器上的圖像投射到目標上的聚焦光學單元。
文檔編號G03B21/14GK1810043SQ200480016965
公開日2006年7月26日 申請日期2004年4月1日 優先權日2003年4月16日
發明者M·P·阿拉薩雷拉, I·A·阿拉薩雷拉 申請人:逆流工程公司