CN101855902A

CN101855902A - 微投影仪

Info

Publication number: CN101855902A
Application number: CN200880115536A
Authority: CN
Inventors: 兹维·尼扎尼; 梅厄·阿洛尼; 西蒙·亚洛夫; 乌兹·拉赫姆; 雅各布·兰德
Original assignee: Explay Ltd
Current assignee: Explay Ltd
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-10-06
Also published as: US20110037953A1; WO2009040822A2; JP2010541001A; EP2193657A2; WO2009040822A3

Abstract

本发明提供了一种投影显示器，该投影显示器包括：照明系统，其包括至少一个激光源单元，并且被构造为和可用于产生一个或更多个光束；空间光调制(SLM)系统，其设置在所述照明系统的输出端，并且包括用于根据图像数据对入射到其上的光进行调制的一个或更多个SLM单元；以及光投影光学器件，其用于将调制光成像在投影表面上。所述照明系统包括至少一个光束成形单元，所述照明系统包括至少一个光束成形单元，所述光束成形单元包括由前、后微透镜阵列MLA所形成的双微透镜阵列DMLA结构，所述前、后微透镜阵列MLA位于沿着光朝向所述SLM单元传播的光路间隔开的前、后平行平面中。所述DMLA结构被设置为，使得所述DMLA的每个小透镜都能将入射到其上的光引导到所述SLM单元的整个有效表面上，每个小透镜都具有与所述SLM单元的所述有效表面的宽高比相对应的几何宽高比。

Description

微投影仪

技术领域

本发明涉及投影显示系统，具体来讲，涉及一种与便携式电子装置兼容的紧凑移动投影显示系统。

背景技术

传统上，投影显示系统被用于在出于娱乐目的会议中、个人和汽车应用等中显示放大的图像。近年来，投影显示系统进入了具有图像/视频和网上冲浪应用的手持移动装置的领域，所述手持移动装置例如是移动电话、PDA、便携式媒体播放器、紧凑存储装置、配套装置、通信网络设备、膝上型计算机和口袋个人计算机、GPS导航仪。然而，用在手持装置中的小尺寸显示屏幕对于这类应用一直存在瓶颈。例如，图形HTML页面或高分辨率图像/视频由于这些显示屏幕尺寸小而不能正确显示在其上。数字图片数据实际上是在移动手持装置内捕获的。因此，为了真实地欣赏高分辨率图像/视频的品质，或者为了进行有效的网上冲浪，用户将会优选较大的显示器，可以通过使用投影显示系统来实现这种较大的显示器。投影显示系统中的屏幕尺寸不受移动装置尺寸的限制，可以达到几英寸至几十英寸的尺寸。

通常，投影显示系统包括与聚光(light collection)光学器件相关联的主照明源(通常是红绿蓝(RGB))、将不同颜色的光组合在一起并且将光转送到空间光调制器(SLM)的一些光递送系统(light deliveryscheme)，以及投影透镜单元。SLM根据输入的视频信号对照射它的光进行空间调制。在一些构造中，使用公共SLM来调制多个通道(多个颜色)的光。在其它构造中，每个通道都与其自身的SLM相关联。空间光调制器(SLM)或成像仪(imager)都被用于对光进行调制，无论是通过光透射还是通过光反射。SLM是N×M像素的矩阵，被电调制成与光源脉冲同步地传送(透射/反射)或阻挡光。对来自照明系统的光的调制是根据产生子帧序列中的某个图像所需的图像数据来进行的，每个子帧均包含N×M个像素，每个像素均具有几十或几百甚至几千个灰度级。为此，SLM由对应的图像相关信号来操作。投影显示系统中使用的SLM类型中的一种是基于液晶层对每个像素的偏振态进行控制，使之在穿过分析偏振器之后将电信号显示为正确的空间调制图像。透射型液晶微显示器(LCD)、硅上液晶(LCOS)、透射型LCOS(T-LCOS)是液晶SLM的最广泛使用的实例。另一种SLM类型是数字微镜器件(DMD)，其控制每个像素处的微镜的位置，以将光导向投影透镜或者导向吸收屏(absorbing screen)。空间调制图像被投影透镜放大并且投影在远距离表面上。

照明源例如可以是钨-卤灯、高密度放电(HID)灯或诸如发光二极管(LED)和激光器的固态照明源，包括激光二极管、垂直腔表面发射激光器(VECSEL)和二极管泵浦固态(DPSS)激光器。红色谱带中的单模激光源是公知的并且在DVD产业中产量很高，但是应该以阵列方式使用以提供足够的输出功率。至于绿色激光源，绿色激光二极管尚未商用，但是频率加倍的二极管泵浦固态(DPSS)激光器已经达到了超过50mW的峰功率。蓝色激光二极管正在逐步在市场上商用。

基于高功率灯、LED或其它非相关源的投影仪系统的特征可能在于高光学扩展量(etendue)(即，源表面上的方形束发散的产物)，这会造成由于照明系统和投影透镜的有限光圈数而导致的投影仪光学系统的低会聚效率。结果，照明源处需要大量的功耗，以得到投影图像的足够亮度。另外，紧凑SLM上的高均匀度的LED或灯照明的设计不是微不足道的。因此，仅基于高功率灯的投影仪系统或者其它非相干源的体积非常大，难以操纵、其活动性受限，因此不可能被缩小为非常紧凑的便携式手持投影装置。

在WO07060666、WO05036211、WO03005733、WO04084534、WO04064410中已经开发并且公开了一些能够实现投影显示系统小型化并且提供高品质性能的通用解决方案，所有这些专利都转让给了本申请的受让人。

发明内容

移动手持型投影显示器对系统设计、构造和技术施加了相当多的限制。对于移动投影显示器的一般要求包括电池操作、被动散热、小质量和尺寸(包括对于紧凑光学尺寸的要求)和相对低的成本，并且仍旧保持投影图像的高亮度和高品质。这些要求尤其导致对于光源和光学器件的特别选择。选择具有高空间相干性的光源需要特别注意粒度和散斑减少。

本发明提供了一种新型的紧凑投影显示器(有时称作“微投影仪”、“nano投影仪”、“pico投影仪”)，其能够用于(例如，并入到)移动手持电子装置。

根据本发明的一个广泛方面，所述投影显示器包括：照明系统，其包括至少一个激光源，并且被构造为和可用于产生一个或更多个光束；空间光调制(SLM)系统，其设置在所述照明系统的输出端，并且包括用于根据图像数据对入射到其上的光进行调制的一个或更多个SLM单元；以及光投影光学器件，其用于将调制光成像在投影表面上。所述照明系统包括至少一个(优选地是远心的)光束成形单元，所述光束成形单元包括由沿着光朝向所述SLM单元传播的光路间隔开的前、后平行平面所形成的双微透镜阵列(DMLA)结构。所述DMLA结构被设置为，使得所述DMLA的每个小透镜都能将入射到其上的光引导到所述SLM单元的整个有效表面上，每个小透镜都具有与所述SLM单元的所述有效表面的宽高比相对应的几何宽高比。

优选地，所述DMLA的小透镜限定了矩形孔径。

小透镜的宽高比与SLM的有效表面的宽高比之间的匹配优化了照明系统的效率。应该注意的是，照明系统的优化效率以光学单元的有限功耗、小占用空间(最大25×25mm)和体积(3-5cc)提供了足够亮的图像。

还应该注意的是，本文使用的光束成形是指对光束的光学处理，使得在期望的光束截面内提供空间均匀的光强，其目的在于提供对SLM有效表面/区域的均匀照明。光束成形单元可以被构造为衍射型光学元件、折射型微光学元件或者这类元件的阵列。光束成形单元被构造为包括双微透镜阵列(DMLA)，该DMLA具有前、后(共对准)微透镜阵列(MLA)。这类前后MLA可以位于预定厚度的单个基底的两侧，或者彼此间隔开预定的气隙。优选地，前MLA的焦平面与后MLA的主平面一致。

本发明的投影显示器的小尺寸是通过如下步骤实现的：显著缩短装置内的光的光路以及减小照明和投影路径中涉及的光束的截面。投影的照明系统被构造为将光源单元产生的大部分功率导向空间光调制器(SLM)，使其具有如下特性：高空间均匀性、有限的数值孔径和SLM有效表面的尺寸内光线的优选远心结构、近场和远场散斑效应显著减少。

照明系统包括一个或更多个激光源并且可选地还包括LED源。在一个实施方式中，使用了由两个激光源和一个LED提供的三原色光。

在另一个实施方式中，使用了提供三原色光的三个激光源。激光源的使用提供了单色光，单色光在传播方向上得到了良好的限定并且使得能够制造出非常紧凑的装置。然而，激光源需要特殊的光束成形技术和散斑减少技术。当相干光束穿过光学系统时，在屏幕表面上可以观察到主散斑图案的生成。主散斑图案是由投影的相干光的不同光束之间的随机干扰造成的，由此降低了图像质量。本发明的投影显示器被构造用于通过使用去散斑单元来消除或者至少显著地减少散斑效应，并且将一组多个光束叠加到SLM上，其中每个光束都照明了SLM的全部有效表面。具体来讲，该照明系统被构造用于减少激光中的散斑效应。该照明系统可以包括至少一个去散斑单元，该去散斑单元设置在DMLA结构上游的至少一个激光束的光路中。去散斑单元基于散斑图案的时间平均概念来减少散斑，而光散射元件(扩散器)产生了在空间和时间上都随机变化的光散射图案，由此减少了散斑效应。该扩散器(也被称作“光瞳扩散器”)位于光束成形DMLA结构上游的至少一个激光束的光路中、投影显示器的照明系统内。

在一些实施方式中，去散斑单元包括可连续更换扩散器。该可连续移置扩散器可以包括可旋转的散射表面。扩散器可以被构造为和能够用限定扩散角度，使得入射到扩散器上的光的发散角(divergence)和扩散器的扩散角度之和小于小透镜的数值孔径NA所限定的角度的两倍，即2arcsin(NA)。

可移置扩散器可以位于从激光源单元向着DMLA结构传播的光的光路中，与DMLA隔开某一选定距离，以避免扩散器的散射表面成像到DMLA上。

在一些实施方式中，该照明系统包括位于所述至少一个激光源的输出端的至少一个准直器，所述可连续移置扩散器位于准直光的光路中。

可移置扩散器可以包括以下之一：音圈扩散器、旋转振动的扩散器、旋转盘扩散器和管状旋转扩散器。

在一些实施方式中，激光源单元、去散斑单元和DMLA被一起构造和操作，使得去散斑单元上的光斑的截面尺寸小于SLM有效表面的尺寸。

DMLA可以被构造为并且能够对散斑减少效果有所贡献。

去散斑单元和优选远心光束成形单元可以由原色通道中的全部或一部分来共享。另选的是，原色通道可以具有其自身的这类单元。为了缩短装置内的光的光路，可以在激光照明通道内使用透镜的远摄设计。因此，该照明系统可以包括远摄负透镜，使得投影显示器内的光的光路缩短，而投影显示器的有效焦距得以保持。

根据本发明的一些实施方式，以颜色顺序方案来构造投影显示器，该方案对每个颜色的光束单独地进行时间调制和空间组合，并且单个SLM与多个波长照明通道相关联，因此单个扩散器和单个DMLA对于所有的照明通道来说是公用的。在组合光束之前和/或之后，可以执行光束成形。

在一些实施方式中，前MLA的每个小透镜都在后MLA上产生单独的聚焦光束，从而输出各自平行的光束。后MLA被构造为并能够用作物镜，该物镜对入射到其上的每个光束的主传播进行校正。选择DMLA的厚度，使得前MLA的焦点基本上位于后MLA的表面上。

激光源单元可以包括与准直光学器件相关联的光源阵列，使得光源阵列发射的多个光束被准直成一个准直光束；准直光学器件首先对准直光束的慢轴，然后对准直光束的快轴进行准直。

此外，投影显示器具有紧凑的特征，其中，穿过投影显示器的光传播路径基本上没有超过几十毫米。

在一些实施方式中，该投影显示器包括朝向相反方向定位的一组基本上相同的聚光器透镜和物镜，使得聚光器透镜位于DMLA附近而物镜位于聚光器透镜的后焦平面上，该后焦平面紧邻SLM。

光束成形单元可以包括圆化装置(circulizer)，该圆化装置相对于向着SLM的光传播方向位于DMLA的上游。圆化装置可以包括至少一个棱镜。另选的是，圆化装置可以包括填充扩散器和位于填充扩散器的输出端的准直填充透镜。

本发明的投影显示器还可以包括颜色传感器，该颜色传感器被构造为并且能够监视和校正激光源单元的白平衡。颜色传感器可以位于合束器的无源输出(passive output)处，该合束器对至少两个光通道进行组合。

附图说明

为了理解本发明并且明白可以如何在实践中执行，现在将参照附图，仅以示例性的方式来描述优选实施方式。

图1A示出了本发明的投影显示器的总体框图；

图1B表示该投影显示器的照明系统的示意性框图；

图2示出了投影显示器的实例的示意图；

图3示出了双微透镜阵列(DMLA)的前视图；

图4示出了DMLA内的光束传播方案；

图5示出了DMLA表面上的入射光的光斑位置；

图6示出了DMLA内部的光束传播方案的细节；

图7示出了投影显示器的DMLA照明单元的局部视图的实例；

图8示出了被构造为音圈振动扩散器的去散斑单元的总体机械布局；

图9示出了被构造为旋转振动扩散器的去散斑单元的总体机械布局；

图10示出了被构造为旋转盘扩散器的去散斑单元的总体机械布局；

图11A和图11B示出了被构造为管状旋转扩散器的去散斑单元的总体机械布局；

图12示出了远摄原理；

图13示出了与DMLA和透射型LCD面板相关联的远摄光学结构；

图14表示绿色光源，该绿色光源被构造为与射束放大器(beamexpander)机械组装的二极管泵浦固态激光器；

图15示出1绿色照明通道；

图16表示激光二极管光源的阵列的实例；

图17示出1具有激光源阵列的照明通道的实例；

图18示出1由两个单独的激光器组合而成的激光源的实例；

图19示出1由两个单独的激光器组合而成的激光源的另一种构造；

图20A和图20B表示单个高功率LED型光通道；

图21表示与LCOS型SLM相关联的投影器显示系统的单色激光通道的实例；

图22示出了本发明的组合了激光器和LED光源的LCD投影显示系统；

图23示出了本发明的组合了激光器和LED光源的基于LCOS的投影显示器，其中红色激光源是具有反射型潜望镜的成对红色激光器；

图24示出了包括棱柱型光束圆化装置的投影显示器的实例的剖视图；

图25A至25C示出了棱柱型光束圆化装置的三种不同构造；

图26至28示出了投影显示器中的棱柱型光束圆化装置的三种不同实现方式；

图29示出了被构造为填充扩散器的圆化装置；

图30至31示出了包括填充扩散器的投影显示器的两种不同构造；

图32示出了填充透镜的样品；而

图33A至33B示出了在投影显示器中靠近二色性合束器(33A)和靠近PBS(33B)并入了颜色传感器。

具体实施方式

参照图1A，图1A示出了本发明的紧凑投影显示器100的实例的示意性表示。该投影显示器包括：照明系统102，用于产生一个或多个光束，例如不同波长的多个光束，通常是原色(RGB)或YRGB或更广泛的颜色集合；空间光调制器(SLM)系统104，其可以被构造为LCD、T-LCOS、LCOS或DMD面板；以及投影光学器件，通常为透镜单元106。应该注意的是，该投影显示器可以包括用于每个光照明通道的单独SLM或用于至少两个通道的公共SLM。

为了便于理解，使用相同的标号来标识在所有实例中公共的一些部件。

参照图1B，图1B示出了照明系统102的框图，该照明系统102包括：光源单元108，在本实例中，光源单元108具有限定若干原色通道的多个光源；去散斑单元110；和光束成形单元113。

设置去散斑单元110是与以下内容相关联的：虽然可以将激光源优化用于投影显示器照明和成像系统，但是它们的特征在于高度的空间相干性和随之而来的存在散斑的问题。散斑产生了随机的斑点和纹理，显著降低了屏幕上图像的视觉质量。因此，对于采用激光器的投影显示器而言，需要显著减少散斑的对比度。为此，光源108的激光光束被导至去散斑单元110上，该去散斑单元110产生随时间和空间变化的光图案，由此减小散斑效应。

参照图2，图2示出了根据本发明实例的全激光投影显示系统120的示意图。投影显示系统120包括照明系统，该照明系统包括在本实例中由三个激光源108A、108B和108C形成的光源单元108，这三个激光源108A、108B和108C产生不同原色波长的三种光束(在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中)。在本实例中，多个光通道与公共的时序SLM系统104相关联。因此，来自光源108A、108B和108C的三种光束被导向由三个单独的聚光器111A、111B和111C形成的聚光单元111以及准直器112A、112B和112C，使得经会聚和准直的光束向着合束器109传播。聚光单元111和准直器单元112被构造用于会聚和准直来自激光光源单元108的光，并且与具有高数值孔径(NA)的圆柱形、球形或环形透镜相关联。合束器109包括两个规则反射器(反射镜)109A和109D以及两个波长选择性元件(二向色性反射镜)109B和109C。波长选择性元件可以被实现为基板表面上的二向色性涂层，该二向色性涂层可以被构造为板或立方体元件。

在该非限制性实例中，来自激光器108A的光为绿色并且通过聚光单元111A和准直器112A被导向反射镜109A。反射镜109A将准直的绿色光束向着红色二向色性反射镜109B反射。同时，来自红色激光器108B的红色光束通过聚光单元111B和准直器112B被导向红色二向色性反射镜109B。因此，二向色性反射镜109B接收绿色光束和红色光束，并且以透射模式和反射模式将它们导向蓝色二向色性反射镜109C。蓝色光束通过聚光单元111C和准直器112C被导向二向色性反射镜109C。因此，二向色性反射镜109C接收绿色、红色和蓝色光束并将它们导向反射镜109D(对于绿色、红色光束是采用透射模式，而对于蓝色光束是采用反射模式)。

组合光经反射镜109D向着去散斑单元110和光束成形单元113反射。从光束成形单元输出的光优选地穿过聚束透镜(condenser lens)115，并且还优选地穿过透镜单元116(其构造和操作将在下面进一步描述)。另外在该投影显示器中可选地设置有位于透射型SLM 104上游的偏振器902和物镜420。经SLM空间调制的输出光穿过分析器904然后穿过投影透镜106，这样就在屏幕上提供了必要的放大比例。应该注意的是，光源和二向色性反射镜的次序可以发生变化，并且SLM可以包括偏振光学器件，例如偏振器、分析器和可选的相位补偿延迟器。

另外，使用偏振光学器件通常是可选的，这类单元可以用作单独的单元或者可以是照明系统102和/或SLM系统104的一部分。

应该注意的是，虽然在本发明的实例中示出了透射型SLM，但是本发明也可以用于反射型LCOS或DMD器件。

光束成形单元113可以被构造为双微透镜阵列(DMLA)，即相对表面被构图以限定两个共对齐的小透镜阵列的基板。图3示出了包括微透镜(小透镜)的矩形矩阵的一个DMLA的表面。每个微透镜沿着垂直方向或水平方向的光圈数(F#)都是微透镜焦距与其高度或宽度的比率。DMLA的小透镜的数值孔径NA被定义为从焦点看去小透镜所对向的半值角的正弦，即透镜孔径的一半的角度。NA可以大致被定义为1/2F#。小透镜的NA的特征在于是DMLA的会聚角的一半且与相邻小透镜之间没有串扰。NA沿着垂直方向和水平方向可以是不同的，这是由DMLA小透镜的矩形形状造成的。

DMLA结构包括前后两个共对齐的微透镜(MLA)的阵列集合，并且被构造成对要入射到SLM上的光提供所需的均匀度和准直程度。DMLA的每个小透镜都优选地具有矩形剖面，且宽高比对应于SLM有效表面的宽高比。

根据本发明，去散斑单元110包括光扩散表面110A，该表面110A被构造成提供随着时间和空间随机变化的光散射效应，如以下将进一步更具体描述的。本发明的发明人已经发现，在DMLA的上游放置光扩散元件能够进一步减少来自扩散器的屏幕上投影图像的任何不希望的粒状和散斑结构。采用这类构造可进一步减少粒状和散斑结构，这是由于由不同的DMLA小透镜(每个都为矩形形式)造成在SLM上产生的光的矩形斑点的叠置效应。

为了避免由去散斑单元的扩散器造成的光损失，应该使DMLA参数、光源的扩散角度和照明角度的正确组合匹配。从激光源发射的光是高准直光束的形式，具有非常小的残余发散角θ_source。去散斑单元的扩散器的扩散角为θ_diff，并且从去散斑单元发射的光具有大致被估算为θ_max＝θ_source+θ_diff(均方根之和)的扩散角。为了避免沿着DMLA的垂直方向和水平方向中的每个方向的光损失，必须满足以下条件：NA＞sin(θ_max/2)，其中，θ_max是从去散斑单元发射的射线束的最大角。最大角θ_max的值因此应当低于2arcsin(NA)的限值。另一方面，角度值θ_max越接近数值孔径NA的值，光瞳填充(pupil fill)就越好并且图像质量就越佳。

参照图4，图4示出了穿过DMLA的光束传播方案。如图所示，前MLA 10的每个小透镜都在后MLA 10′上生成单独的聚焦光束，后MLA10′输出各自平行的光束。因此选定DMLA的厚度，使得前MLA 10的焦点精确地落在后MLA 10′的表面上。后者用作物镜的阵列，用于校正每个光束的主要传播方向。

参照图5，图5示出了入射到DMLA表面上的光斑。由水平线和垂直线组成的栅格示出了微透镜阵列前侧的小透镜的边界。带阴影的圆示出了从三种不同的光源入射到DMLA上的三种光斑的覆盖区(投影)。为了使到达SLM的高度准直的光束的入射角小并且为了使投影器的尺寸小(即，光路短)，需要DMLA上的光束的小剖面(直径)。另外，光束的小直径允许将去散斑单元的扩散器的尺寸(直径)最小化。然而，减小DMLA上的斑点尺寸导致由光束斑点尺寸覆盖的小透镜的数量减少，因此SLM上的光强的均匀性变差。具体来讲，当光束直径小于DMLA的透镜阵列的4-5个间距时，SLM上的斑点均匀性会变差。因此，增加光束成形单元上的光斑提供了较高的均匀性。然而，另一方面，增加光束成形单元上的光斑将需要更长的聚光器透镜焦距，这会影响给定SLM照明角度下的整个投影显示尺寸。光束成形单元上的光斑优选地使得能够实现均匀性鱼系统紧凑性之间的最佳折衷，例如在1-5mm的范围内。被考虑的DMLA的另一个设计参数是MLA间距。对于给定的斑点尺寸，较小的MLA间距会提供越多的被斑点所覆盖的小透镜的数量，但是会导致在MLA的小透镜之间的“死区(dead zone)”上的光功率损失。应该注意的是，死区是位于MLA的边界之间的窄带，它是由MLA构造工艺造成的并且提供了不正确的光学性能。较小的MLA间距还会在MLA小透镜的边缘上得到不期望的衍射效应。投影仪的适当设计的实例是覆盖5个至高达100个小透镜的光斑(针对间隔为50μm至高达1000μm的MLA间距)。参照图6，图6示出了DMLA 113内部的光束传播方案的细节，DMLA 113由限制在前MLA阵列10和后MLA阵列10′之间的光学材料(例如，玻璃、塑料、晶体、溶胶-凝胶等)制成。前表面10和后表面10′均由小透镜形成。入射光束以不同的入射角撞击到DMLA 113的间隔开的点11、12、13上。对于聚焦特性而言，所有的入射光线斗是相对于其方向来考虑的，而不管它们的横向位置。具体来讲，在图中，将入射光束中的法向入射光线(平行于光轴)2、5、8、下边界光线3、6、9和上边界光线1、4、7描绘为实线、点线和虚线。DMLA 113的前表面10提供光束聚焦效应，使得平行的射线束2、5、8；3、6、9和1、4、7被变形为球形射线束2′、5′、8′；3′、6′、9′和1′、4′、7′。应该注意的是，在穿过前MLA表面之后，每个球形束(5′、6′、4′)的中心射束斗处于相对于光轴倾斜的位置。为了校正中央光线的倾斜位置，光束进一步被后MLA表面10′变形。DMLA被构造为，使得平行入射光线的会聚点14、15、16精确地位于DMLA的后表面10′上。具体来讲，法向入射射线束的焦点15位于表面10′处的小透镜的中心，而倾斜的平行入射射线束的会聚点14和16位于表面10′处的小透镜的边缘，于是后者便充当物镜。因此，如实线、点线和虚线所描绘的，球形射线束2′、5′、8′；3′、6′、9′和1′、4′、7′被变形成球形射线束2″、5″、8″；1″、4″、7″和3″、6″、9″，它们均具有平行于光轴的中心射线。这类平行于光轴的中心光线提供了最佳的可获得的光束准直，DMLA将所述光束成形为均匀的光斑(矩形)。

返回到图2，应该注意的是，光束成形单元113可以被操作为蝇眼积分器，该积分器包括DMLA和聚焦聚光器透镜115。SLM平面处得到的强度为DMLA的输入侧施加到小透镜上的缩放强度：

其中i、j是小透镜数量而k是DMLA小透镜的尺寸和SLM尺寸之间的缩放系数，M、N是DMLA的沿着x方向和y方向被光斑覆盖的小透镜的数量。被光束覆盖的小透镜的数量越大，SLM平面的均匀性就越好。如果DMLA被发散角为2ω_DMLA＜d_ll/f_ll的远心光束照明，则DMLA蝇眼积分器没有增加单个小透镜所提供的尺寸上的照明光束的几何程度，其中d_ll和f_ll是小透镜的尺寸和焦距。

在将物镜420放置在SLM附近时，聚光器透镜115可以被构造为单组或者分离的透镜。该构造提供了对SLM的远心照明，并且由于常规投影透镜的入射光瞳在其内部，因此如果在SLM和投影透镜之间再添加一个物镜，则可以实现照明与投影光瞳之间的最佳匹配。就LCoS SLM的情况而言，物镜在照明路径和投影路径衷其作用，从而同时提供对SLM的远心照明和光瞳匹配。

参照图7，图7示出了具有蝇眼积分器的本发明的投影显示器的DMLA照明单元的局部视图的实例。在该具体实例中，SLM系统104是透射型LCD面板，但是本发明同样适用于LCOS和DMD面板。DMLA 411对从去散斑单元410发出的光束进行会聚和成形。可以由聚光器透镜412和物镜420来对光进一步执行变形和传播。对于投影仪构造，在该实施方式中，聚光器透镜412优选地被构造为简单的双凸正透镜，其有效焦距(EFL)大致等于其后焦距。相应地，在该实施方式中，物镜420优选地被构造为简单的双凸正透镜，其EFL大致等于其后焦距，其后焦距等于聚光器透镜412的焦距。需要聚光器透镜412和物镜420一起来实现正确地会聚来自DMLA 411的光并且将DMLA 411成像为SLM系统104上的均匀矩形光斑。此外，聚光器透镜412和物镜420使照明光的角度范围减小，这是由于LCD(或LCOS或DMD)面板的对比度随着角度减小而增大，从而得到长焦距透镜。DMLA 411之后的光束穿过聚光器透镜412，该聚光器透镜412会聚来自DMLA 411的所有微透镜的光线，并且将所有主要光线引导成聚焦在SLM(LCD面板)104的中心。因此，透镜412提供了对来自DMLA小透镜的矩形光斑的完全且均匀的叠置，从而造成在由来自所有小透镜的光线形成的SLM有效表面上生成了矩形斑点。这实际上表示对多个光组件进行平均的效应，由此进一步减少了散斑效应。物镜420对入射到每个SLM点上的射线束的方向进行校正。SLM有效表面上的矩形斑点的尺寸等于DMLA视场

(d是沿着对应方向的微透镜尺寸兵而f是小透镜焦距)与聚光焦距的乘积。入射到SLM有效表面的光线的最大角度(弧度)是DMLA上的斑点尺寸与聚光器焦距之比。应该注意的是，SLM 104处于聚光器透镜412的焦点处，因此图7中的照明光学结构的总路径(即，机械长度)必须与聚光器透镜的焦距相等。

返回图1B，应该注意的是，照明系统102可以提供单个照明光束，该光束包括向着公共SLM(如图2所示范出的)传播的多个波长的光部分。另选地或者另外地，照明系统102可以被构造用于生成和组合相干(激光)和/或非相干(LED型)光源，使得每个光源通道都具有其自身的SLM单元，或者两个或更多个光通道与一个公共SLM相关联。因此，来自激光源的光可以穿过照明系统102的所有元件(因此经历了去散斑和成形处理)，而来自LED光源的光前进至系统的连续块，并没有按图1B中虚线剪头所示那样前行。

因此，本发明的投影显示器能够使用LED和激光器的组合。光源单元108可以包括两个激光源(例如，红色和绿色的原色)和LED(例如，蓝色的原色)，从而产生三种不同波长的光束。使用红色和绿色激光器能够使得投影显示器100照明的功耗低，而优选地使用蓝色LED来避免当前可用的蓝色激光器的高成本。也可以使用激光器和LED的其它组合，例如：(a)红色和蓝色激光器以及绿色LED；以及(b)绿色激光器以及蓝色和红色LED。另选地，光源单元108可以包括三个激光源(例如，红色、绿色和蓝色的原色)。

如上所述，设置去散斑单元是与相干光(激光源)的操作相关联的。去散斑单元110被构造成并可用于使撞击在其上的光发生散射，且全扩散角小于上限θ，该上限θ可以被限定在从0.1度至高达10度的区间内。如上所述，将光扩散元件设置在投影显示器中会使屏幕上出现投影图像的不需要的粒状结构。该粒状结构比散斑要粗，但是会显著降低图像质量。为了避免粒状结构并且显著减少散斑效应，优选地在光源与光束成形单元之间的光路中与光束成形单元有一小段距离处放置光散射元件，以避免光散射元件的散射表面成像在DMLA上。本申请的发明人已经通过实验证实，将扩散器放置在DMLA之前实际上使散斑显著减少而并没有另外的粒状结构。如上所述，去散斑单元被构造成并且可用于提供随时间和空间而随机变化的散射效应。为此，去散斑单元被构造为可连续移置扩散器(散射表面)，其在机械形状和运动类型方面可以有不同的构造。去散斑单元可以包括以下至少一个：音圈扩散器、旋转振动扩散器、旋转盘扩散器和管状旋转扩散器或者MEMS激活扩散器。另外，在本发明的其它实施方式中，可移置扩散器的电光实施方式(如同扩散型液晶面板)或声光调制器也是可行的。

扩散器的每个位置都在观察者眼中产生散斑，而其对比度取决于激光束的相干性和整个光学系统的参数。扩散器在移动时会生成各种不相关的散斑图案，通过其平均(感知)时间(～0.1s)由眼对这些散斑图案求平均。

参照图8，图8示出了音圈振动扩散器单元的总体机械布局，该扩散器单元包括光散射表面3和因此包括线圈1和磁体2的移置机构，所有这些元件都安装在固定框架4上。使用音圈的优点之一在于其紧凑性。

扩散器可以进行直线运动。通过在线圈上施加不同频率不同幅值的AC电流，产生了周期性的直线运动。当对应于机械结构的固有谐振频率以相同的频率施加AC电流时，可以以最小的电功率来实现直线振动。

参照图9，图9示出了旋转振动扩散器的总体机械布局。该振动扩散器包括由安装在电机支架2上的DC电机1驱动的光散射表面3。该DC电机由AC电流来驱动。通过电机使扩散器3在周期性改变的方向上以小角度围绕它的轴来回旋转。

参照图10，图10示出了旋转扩散器单元的总体机械布局，该扩散器单元包括由扩散材料制成的盘1，盘1限定了附接到电机2的光散射表面3。电机2进行运转使得散射表面3连续旋转。光斑4入射到盘的外围。因此，散射表面的通光孔径(clear aperture)优选地为圆形，其尺寸是光束横截面的至少两倍，其中，仅可选地使用盘的外围(环状)部分。旋转扩散器的通光孔径的尺寸优选地由于旋转扩散器上的光束的横截面4的光学缩小(聚焦)而被最小化。旋转扩散器的特征在于功耗低、可用旋转速度高、噪声低以及由此而来的高效散斑减少。

参照图11A至图11B，图11A至图11B示出了旋转扩散器1的总体机械布局的又一个实例。在该具体实例中，示出的管状扩散器的形状为圆柱体并且其表面(例如，内表面、外表面或者两者)被制成光散射表面，例如形成有光扩散槽的表面。该圆柱体被安装用于在(例如，借助连接器4通过柔性线缆2)与电源相连接的电机3上旋转。电机3运行以提供圆柱体的连续旋转。管状扩散器1的圆柱体是垂直于光传播的光轴来组装的，如图11B所示。管状扩散器1的光散射表面(例如，光扩散槽)可以直接构造在圆柱体表面的内部、外部或者二者上。另选的是，可以将具有光扩散槽的柔性塑料片材放置在圆柱体中，这是通过附着该片材的相对边缘来实现的。为了补偿附着边缘上的光扩散效应，可以通过随机地改变电机的驱动电压来实现电机旋转速度的随机变化。管状扩散器在光束的所有横截面部分提供了相同的直线速度。管状扩散器构造在宽度和高度方面都是紧凑的，并且由于连续的旋转方式造成其特征在于省电。此外，光束在沿着与圆柱体的轴基本垂直的轴(或者相对于圆柱体的轴大体倾斜)传播时两次穿过扩散器，由此改善了散斑减少。

如上参照图2中的透镜单元116所述的，通过添加负透镜116在照明通道中使用远摄原理(即，使用正透镜和负透镜的组合)，可以缩短投影显示器装置内光的光路。在这方面，参照图12，图12更具体地示出了远摄原理，在该远摄原理中，光学系统的总路径缩短而有效焦距(EFL)得以保持。在该具体的实例中，使用了正负透镜(117和116)的远摄组合，该正负透镜具有相同的20mm的EFL。光学系统的总路径是12.5mm，该值明显小于EFL。

在本发明中，远摄原理应用于照明系统，其益处在于照明系统的总路径、机械尺寸、体积较小并且质量较轻，并且其益处在于整体的投影仪显示器。应该注意的是，根据聚光器透镜和物镜的焦距，在SLM平面的光束准直程度与系统的总路径之间存在折衷。较短的焦距和光路的距离对于使投影仪显示器的机械尺寸最小化是有用的。相反，较长的焦距和距离对于实现入射到SLM上的准直照明光束的较小剩余发散角是优选的。为了减小所述折衷的影响，可以使用远摄原理。在这种照明系统中，聚光器透镜与物镜之间添加了负透镜，这是为了实现均匀的强度和高准直的照明并且实现照明系统的相对较短的光学总路径。

在这方面，参照图13，图13示出了与DMLA和透射型LCD面板相关联的远摄光学结构。DMLA 411对从去散斑单元410发出的光束进行会聚和成形。通过正聚光器透镜(例如，双凸非球面镜)412、负透镜(例如，双凹球面镜)414和物镜420对光执行进一步的变形和传播。因此，远摄构思利用一个额外的负透镜414并且实现了照明系统的总路径的显著缩短。将图13的构造与图7的构造进行比较，图13中的远摄照明系统的长度L1比图7中示出的照明系统缩短了37％。

在其它实施方式中，远摄光学结构可以与DMLA和反射型SLM(例如，LCOS面板)相关联。在这种情况下，必须在SLM的输入端添加分束器/合束器(通常是偏振分束器(PBS)元件)。可以在PBS和SLM之间放置物镜。

在一些实施方式中，光源、扩散器和DMLA被构造和一起工作，使得扩散器上的光斑的横截面尺寸小于SLM有效表面的尺寸(即，SLM有效表面处的孔的对角尺寸)。应该注意的是，SLM有效表面是指由SLM像素结构形成的SLM单元的表面，并且是被包围在基板(例如，玻璃)与合适的间隔体之间的SLM的内表面。这类像素结构包括有效单元(例如，液晶单元)的两维阵列，每个有效单元均用作图像的像素并且受不透明的SLM孔的限制。在非限制性实例中，扩散器上的光斑的横截面可以在1mm直至5mm的范围内，于是扩散器的尺寸(约为光斑尺寸的两倍)仍然与紧凑投影显示器相兼容。扩散器优选地被构造为表面起伏的扩散器，其全光扩散角在0.1°直至5°的范围内。

返回光源的细节，投影显示器的照明系统包括红色、绿色和蓝色光源，这些光源包括激光器和/或LED。使用本发明的投影仪显示器作为紧凑装置对RGB(红色、绿色、蓝色)光源的要求非常严格：在每个RGB波长处均具有几百毫瓦的相对高功率的光输出；工作温度小于50℃而没有主动散热；高光学效率；光束几何长度短；有可能高顶光束成形并且照明角度范围有限；批量生产的成本低。参照图14，图14部分示例性示出了绿色光通道构造，该构造包括二极管泵浦固态(DPSS)激光器，其与扩束器机械组装在一起，扩束器既用作聚光单元又用作准直器。应该注意的是，扩束器能够提供近似等于或接近红色和蓝色光束在其快轴上的尺寸的绿色光束直径。DPSS激光器单元包括三角形支架501、泵浦激光二极管502(LD)、非线性晶体组件503、扩束器504-505。三角形支架501用作散热器，其具有针对25℃-50℃的环境投影器工作温度范围(OTR)内的最佳散热性能设计的质量、材料和结构。会与可选的内置热敏电阻相关联的泵浦LD 502被设计成在对于装置而言典型的约40℃-50℃的工作温度下发射约807-809纳米范围内的波长的辐射。可以用导热胶(thermal heat conducting glue)将LD粘到三角形支架501上。LD的电子器件/驱动器可以控制用于在移动投影仪装置的时间帧内发射辐射的驱动电流和占空比。将LD优选地粘到光学接触件，例如，使用UV胶粘到非线性晶体组件上。非线性晶体组件503可以包括频率转换晶体(优选为Nd:YVO4)和倍频(发射激光)晶体(优选地为KTP)，其发射波长为532纳米且直径为(例如)70-200微米的偏振激光。非线性晶体组件优选地机械附接到扩束器的外壳。扩束器可以由有效焦距分别为EFL1、EFL2(因此，扩束比为EFL2/EFL1)的负透镜和正透镜制成。扩束器将窄的激光束转换成扩大且准直的且在约532纳米的波长处(例如)直径为1-5毫米的绿色光束。

在一些实施方式中，扩束器包括第一透镜504(例如，双凹柱)和第二透镜505。

参照图15，图15示出了绿色照明通道的实例。在该具体实例中，绿色照明通道包括：DPSS激光器单元400；由双凹负透镜408和准直器正透镜409形成的扩束器；旋转电机501，用于使旋转盘扩散器110旋转，以充当去散斑单元；二向色性镜109B，其透射绿光而反射红光；DMLA411；聚光器透镜412；二向色性镜109C，其透射绿光和红光而反射蓝光；准直器透镜112。如此组合的光撞击到LCD面板104上，而经调制的光传播到投影透镜106。

应该注意的是，具有适于便携式投影显示器的可见波长的激光源的实现方式遇到了一些技术问题，这些技术问题与尺寸、功耗、光电效应和高且可变的操作温度方面的严格限制有关。通常的情形是，可用的激光器提供了非常有限的几十毫瓦的输出功率，这对于在屏幕上需要约10-50流明的光通量的移动投影仪显示系统来说是不够的。

根据本发明的一个方面，将一组几个激光器组合成封装级的阵列，以满足温度稳定性、散热性和发射激光发射功率方面的要求。参照图16，图16表示了与会聚单元和准直器相关联的激光器阵列光源700，使得多个光束被组合成一个基本准直光束。光源700包括激光二极管阵列600，该阵列600设置在几个激光器封装的基底上(用于有效的被动热管理)并且设置在具有先慢后快的轴准直光学器件的组件中。在该非限制性实例中，激光器阵列600包括以1mm的间距组装从而所有的发射器都成行布置的六个激光二极管602。尽管整个阵列600具有几毫米的相对较大的总空间范围，但是每个激光器都具有几微米的小发射器尺寸，因此以小的剩余发散度被有效准直。因此，激光器阵列600的特征在于低光学扩展量(即，在光束发散度范围内的光束几何长度的平方乘积)和多个输出功率，这是本发明的投影仪显示系统的发展所特别需要的。使用交叉的圆柱形微透镜阵列来实现激光器阵列600的准直，以使得能够对每个激光器进行单独寻址。应该注意的是，交叉的圆柱形微透镜阵列通常限定了沿着一个方向延伸的圆柱形微透镜的第一阵列和沿着垂直方向延伸的位于第一阵列下游的圆柱形微透镜的第二阵列。这两个阵列的焦距可以是不同的，并且匹配激光二极管的慢轴和快轴发散度。

应该注意的是，激光棒(laser bar)准直模块的标准方法是用非球面圆柱形透镜首先准直快轴，然后用圆柱形透镜的透镜阵列来准直慢轴。所得的准直光束表现出了由几个小斑点构造成的拉长的直线结构。然而，该方法不适应小型投影仪的需要。准直器的要求是用合理数量的光学组件来执行以下步骤：对阵列中的每个激光器的光束进行准直；并且产生在x方向和y方向上都有几毫米宽度的斑点。

参照图17，图17示出了具有二极管激光器阵列的照明通道，该阵列包括透镜状微透镜阵列702(用于慢轴准直)和圆柱形透镜703(用于快轴准直)，这两个轴具有与各自的光源(在本例中是激光二极管)的发射器表面一致的公共焦平面。每个激光二极管的快轴都首先自然地发散光束，直到斑点尺寸达到激光器阵列的整个尺寸(例如，3-6mm)为止。因此，慢轴发散直到约1mm的阵列间距，以避免阵列中不同激光束的交叠。可以使用传统的模制技术来生产这类准直器。仿真和测量表示，从红色二极管激光器阵列600投影到0.25″SLM上的整个光束的角度发散没有超过±4°并且聚光效率在75％-85％的范围内。另外，添加了缩束器单元，用于将激光器阵列之后的准直输出光束的大斑点与尺寸根据去散斑单元和DMLA的需要的较小最佳光斑相匹配。缩束器使用包括正透镜405和负透镜407的倒置Galileo型望远镜，其保持准直但是减小了外部光束尺寸。Galileo型缩束器可以包括正透镜和负透镜，或者也可以包括两个正透镜。

参照图18，图18示出了激光源的另一个实施方式，该激光源包括一对激光二极管(其特征在于功率输出增强)和基于反射型表面结构的合束器。两个单独的激光二极管中的每个激光二极管的光束都被准直，并且被引导成通过由具有反射涂层的两个45°的表面反射的方式以相邻且平行的光路传播。具体来讲，激光器802和802′的光束被单非球面透镜804和804′准直，被两个镜面806和806′反射并且穿过可选的偏振旋转器808，该偏振旋转器808被构造为轴与激光器的偏振方向成45°的半波片。镜面806和806′可以被制造为塑料或玻璃材料的棱镜，然后涂覆了铝、银、铬或另外的高反射性涂层，从而优化了光谱的红色区域中的反射系数。

参照图19，图19示出了激光源的另一个实施方式，该激光源包括具有增强功率输出的一对激光二极管和基于反射型潜望镜的合束器。两个单独的激光二极管中的每个激光二极管的光束都被准直并且经过45°倾斜取向的两个反射镜反射的方式以相邻且平行的光路来传播。具体来讲，激光二极管802和802′的光束被透镜804和804′准直，被两个镜810和801′反射接着以小的横向移位在平行的光路上传播。镜810和801′可以由塑料或玻璃材料制成，然后涂覆了铝、银、铬或另外的高反射性涂层，从而优化了光谱的红色区域中的反射系数。

参照图20A和图20B，图20A和图20B表示了根据本发明而构造的单个高功率LED型光通道(例如，蓝色光通道)。LED(例如，蓝色)光通道与激光器(例如，绿色和红色)通道不同，这是由于LED是辐射的发散度非常高，即光学扩展量(即，在光束发散度的范围内的光束几何长度的平方乘积)大的延伸光源。因此，LED光的有效会聚和准直是具有挑战性的科学和工程任务。通常，LED发射的光束的角度从±90°减小至大约±10°，而LED发射区域变为基本上均匀的矩形光斑，且SLM有效表面为几毫米的尺寸。LED光通道可以包括发射表面108C；用LED封装的内置会聚透镜202(例如，半球)；准直器非球面透镜203；以及与一个或更多个其它通道共有的另外的光学部分。该光学部分包括二向色性镜109C和SLM表面104，该二向色性镜109C反射LED光(例如，蓝色)并透射其它原色(例如，红色和绿色)的光。可以通过使用具有内置透镜202及两个正透镜203和205的LED来确定SLM表面上的斑点尺寸和角度。由于LED发射器108C放置在蓝色通道光学链的焦平面中，因此它聚焦在投影透镜的光瞳上，从而即使LED发射表面108C不具有均匀的图案，也会在像平面上生成均匀的图像。

参照图21，图21示出了与LCOS型SLM和可选的远摄照明通道相关联的投影仪显示系统的典型的单色激光通道。可以用二向色性X-cube109来组合其它RGB或者不同的颜色通道。二向色性X-cube的构造和操作对于本领域的技术人员来说是已知的，并且因此不需要描述细节。来自激光器108的光被准直器透镜804(例如，非球面)准直，穿过X-cube合束器109。完全组合的准直后红色、绿色和蓝色光束穿过去散斑单元110和光束成形单元(优选地是DMLA)113、聚光器透镜412、可选的负(优选地是双凹)远摄透镜116、物镜420，这些元件一起将光强度分布转换成LCOS有效表面上的矩形斑点。聚光器透镜412和物镜420可以是相同的非球面透镜，而负远摄透镜116可以是优选地由高折射率的玻璃构制成的平凹透镜。经偏振器902而线性偏振的光穿过偏振分束cube(PBS)416和被构造为偏振波片的延迟器或延迟器堆叠116，这些元件改变入射光的偏振状态，以改进SLM反射系数和对比度。PBS cube的尺寸例如是7×7×7mm。被LCOS SLM反射且偏振状态被部分调制的输出光向后穿过延迟器116并且由PBS 416反射，穿过分析器904并且由目标远心投影透镜106成像，由此在屏幕上提供了必要的放大比例。投影透镜可以包括直径高达8mm的五个球形透镜，校正由偏振分束cube造成的像差，其特征在于NA为0.167且LCOS有效表面为3×4mm。在该具体构造中，投影仪的总长度为36mm。应该注意的是，光源和二向色性镜的次序可以互换，并且SLM可以包括另外的偏振光学器件，例如偏振器、分析器和可选的相位补偿延迟器或四分之一波片。

参照图22，图22示出了与组合的激光器和LED光源单元相关联的LCD投影显示系统140的具体而非限制性实例，其中，红色激光源是六个激光二极管的阵列。具体来讲，绿色和红色光源是激光器类型的，而蓝色光源是LED类型的。在该实例中，绿色光源包括绿色DPSS激光器，红色光源108B是由以1mm间距布置的多个元件(二极管)制成的红色激光二极管阵列的形式，而蓝色光源108C被构造为蓝色LED。绿色光源108A包括被构造为Galileo类型的绿色激光扩束器，其包括负透镜408和正透镜409。激光二极管阵列108B与透镜单元相关联，该透镜单元包括：透镜微透镜阵列702，例如六个圆柱形透镜的阵列；以及圆柱形透镜703，其被构造成准直激光二极管阵列108A的快轴。

在本发明的一个实施方式中，使用倒置的望远镜(405、407)，望远镜(405、407)保持准直但是减小了DMLA上的光束尺寸。因此，这两个激光束沿着公共的光路向着去散斑单元110和DMLA 113传播，接着穿过聚光器透镜412，并且向着二向色性镜109C行进。蓝色LED 108C可以具有附接到其封装壳体上的半球聚光器透镜202和准直透镜203，该准直透镜203用于将LED的发散角从90°减小为大致40°，由此产生直径等于SLM有效表面的对角的斑点。从透镜409出来的准直绿色光束被红色二向色性镜109B透射。从透镜409出来的准直绿色光束被红色二向色性镜109B反射。因此，二向色性镜109B采用透射模式和反射模式将绿色光束和红色光束组合起来。组合的光沿着公共光路向着去散斑单元110和DMLA113传播，接着穿过聚光器透镜412并且向着二向色性镜109C行进。后者反射蓝光并透射绿光和红光，由此产生完全组合的红色、绿色和蓝色光束，这些光束通过物镜420和偏振器902传播到透射型SLM104上。物镜420对该组合光进行准直，减小了撞击SLM 104的光的入射角，以改进SLM透射率和对比度。

参照图23，图23示出了包括组合的激光器和LED光源单元的LCOS投影显示系统150的构造的具体而非限制性实例，其中，红色激光源被构造为与如图19所示的反射型潜望镜相关联的一对红色激光器。具体来讲，绿色和红色光源是激光器类型的，蓝色光源是LED类型的。在该实例中，光源单元包括由绿色激光器形成的绿色光源、被构造为与潜望镜光学布置组合的一对红色激光二极管的红色光源108B和108B′，以及被构造为蓝色LED的蓝色光源108C。绿色光源108A包括被构造为Galileo类型的绿色激光扩束器，其包括负透镜408和正透镜409。这对红色激光器108B和108B′的光束被透镜804和804′准直，被两个镜810和810′反射，接着以小的横向移位在平行的光路上传播。蓝色LED 108C具有附接到其封装壳体上的聚光器透镜202(例如，半球)和准直透镜203，该准直透镜203用于将LED的发散角从90°减小为40°，由此产生直径等于SLM有效表面的对角的斑点。从透镜409出来的准直绿色光束由镜109A向着红色二向色性镜109B反射。二向色性镜109B采用透射模式和反射模式来组合绿色光束和红色光束，并且将它们引导至镜109D。镜109D将组合的准直绿色光束和红色光束向着去散斑单元110反射。组合的光沿着公共的光路向着去散斑单元110和DMLA 113传播，穿过聚光器透镜412并且向着二向色性镜109C行进。二向色性镜109C反射蓝光而透射绿光和红光，因此产生了完全组合的准直红色、绿色和蓝色光束，这些光束穿过偏振器902并且从偏振分束cube(PBS)416向着物镜420反射。物镜420对该组合光进行准直，减小了撞击反射型LCOS 104的光的入射角。被构造为偏振波片的可选的延迟器或延迟器堆叠116改变入射光的偏振状态，以改进SLM反射系数和对比度。经SLM反射且偏振状态被空间调制的输出光向后穿过延迟器116、物镜420，透射过PBS 416、穿过分析器904并由投影透镜106成像，由此在屏幕上提供了必要的放大比例。

应该注意的是，通常，激光二极管发射的光束具有基本上不同的发散角并且在快轴和慢轴上具有不同尺寸的椭圆形剖面。这些光束通常被准直透镜(球面或非球面)准直。在快方向和慢方向上，椭圆形光束的直径都为D，从而D＝2f.NA，其中，f是准直器焦距，而NA是对应方向上的会聚数值孔径。准直光束的全发散度为

其中a是发射器尺寸。

准直激光二极管光束的椭圆形光束斑点的宽高比(即，长短轴之比)在3∶1至6∶1的范围内。因此，在DMLA处被椭圆形光斑覆盖的DMLA小透镜的数量可能不足，这会导致SLM有效区域内的SLM平面的空间均匀性低。由于最小的小透镜尺寸受MLA构造技术和基础衍射现象的限制，因此DMLA处的短光斑尺寸应该超过小透镜尺寸的几倍。另一方面，在DMLA处具有大宽高比的长光斑尺寸应该有个上限，这是由投影仪显示器的小体积和紧凑性的要求导致的。因此，激光束应该优选地被圆形化，即在与DMLA相互作用之前将宽高比设置为接近1∶1。本发明教导了投影显示系统的几个实施方式，其采用了圆柱形透镜、棱镜和特定的扩散器对椭圆形激光二极管光束进行圆形化。

参照图24，图24示出了本发明的投影显示器的构造实例的剖视图。这里，投影显示器(具体来讲，其照明系统)包括采用圆柱形透镜的光束圆形化装置。该照明系统被构造成限定用于分别产生和传播红色、绿色和蓝色光束的三个光通道CH-1、CH-2和CH-3。然后，由二向色分束器/合束器109来组合这些光通道。组合后的光束被与其驱动254相关联的旋转盘110随机散射，接着穿过包括DMLA 411和聚光器透镜420的光束成形单元。从透镜420输出的光被PBS 252反射，经过包括物镜412的另一透镜组件，然后被导向反射型SLM 104。调制光经PBS 252引导而穿过投影透镜单元106。在该实例中，两个光通道CH-1和CH-3利用位于各自光源的输出处的准直器112和另外的扩束器250。这与由这些光源产生的光束具有椭圆形剖面是相关联的。椭圆形光束可以因此被准直器透镜112预准直(例如，轴向对称)，直到快轴尺寸等于DMLA平面处所需的光束直径。然后，准直椭圆形光束被圆形化装置250圆形化，该圆形化装置250(例如)被构造为包括圆柱形透镜的倒置Kepler或Gllileo望远镜253。

该圆形化装置可以包括替代圆柱形透镜的环形元件，其能够减小元件的总数量并且能够实现较高质量的圆形化和准直。

应该注意的是，如图24所示，可以使用具有矩形远场图案的扩散器来通过使用扩散器110优化光瞳填充，该扩散器110具有垂直于光轴的旋转轴。由于小透镜的形状为矩形并且前MLA将扩散器的远场聚焦在后MLA上，因此扩散器的最佳远场图案为矩形形状。此外，由于该照明系统的孔径光阑接近DMLA，因此DMLA后表面的较好填充提高了投影仪显示器的图像质量。

如上所述，在该实例中，使用与PBS 252装配的反射型SLM 104，该PBS 252用于照明SLM显示器并且将来自SLM的光透射到投影透镜106。在所提议的构造中可以使用涂覆的介电薄膜或线栅(wire grid)PBS。

远心光线追踪可以被导向偏振分束器(PBS)，从而造成最大的对比度，但是也造成聚光器透镜和投影透镜复杂并且尺寸增大。另选的是，非远心光线追踪可以被导向PBS，从而得到设计简单和紧凑性，但是降低了对比度。

圆形化装置可以被构造为棱镜圆形化装置，其基本上改变了沿着一个方向的光束尺寸，而没有改变沿着垂直方向的光束尺寸。图25A-25C中示出了棱镜圆形化装置的三种可能的实施方式。在图25A中，圆形化装置250为两个棱镜250A和250B的形式；当穿过棱镜250A时，输入光束Lin被沿着垂直轴扩大，但是相对于其初始方向改变了方向，并且光通过棱镜250B导致沿着相同轴的进一步扩大，与此同时使输出光束Lout平行于输入光束传播。图25B和图25C以自我说明的方式示出了圆形化装置的另外两个实例，分别包括单个棱镜圆形化装置和两个棱镜250A-250B圆形化装置(其具有内置的输出光束的90°折叠)。

参照图26-27，图26-27示出了基于激光二极管光源和棱镜圆形化装置利用三种光通道R-G-B的本发明的投影显示器的两个实例。在图26和图27的实例中，红色通道和蓝色通道均利用两个棱镜成形器对发射的光进行准直并且对各自的光束进行圆形化(成形)。在图26的实例中，蓝色和红色光束由二向色性镜组合，然后该组合光束被进一步与绿色光束组合。在图27的实例中，绿色光束首先与蓝色光束组合，然后它们再与红色光束组合。在这两个实例中，RGB组合光都被DLMA和聚光器透镜随机扩散、成形，被公共反射型SLM调制，然后调制光再穿过投影透镜。

参照图28，图28示出了使用具有内置光束折叠的光束圆形化装置的另一投影显示器结构。红色和蓝色光束被准直器透镜准直。准直的椭圆光束被棱镜折叠扩束器(例如，变形棱镜)圆形化，该扩束器具有内置的输出光束的90°折叠。然后，红色和蓝色准直圆形光束被二向色性组合器组合。然后，该组合光束进一步与平行的绿色光束组合。用Galileo或Kepler望远镜对绿色光束进行预扩大。

参照图29，图29示出了光束圆形化装置的构造的又一个实例，其利用了激光束的扩散和准直。如图所示，该圆形化装置包括填充扩散器(例如，衍射型和全息型)260。填充扩散器260设置在与其准直器相关联的激光源的输出端。扩散器260被构造并且可操作用于向入射的准直光束中引入一定的发散。填充扩散器260具有圆形的远场角度图案，由此产生了圆形的剖面光束。填充扩散器优选地被放置在填充透镜262的前焦平面处，而(去散斑单元的)旋转扩散器110被放置在填充透镜262的后焦平面处。结果，在光瞳扩散器110上获得了具有远心照明的圆形斑点。

在为填充扩散器260选择扩散角度时，尤其就使用具有高顶远场轮廓的衍射型扩散器的情况而言，应该进行特殊考虑。由于所得的角度图案是输入图案与扩散器图案的卷积，因此，需要扩散角度与入射光束发散的比率尽可能大以使功率的最大部分位于限定角度内。由于扩散器仅是在光束从激光器到显示器的路径上增加了它的几何长度的元件，因此需要最佳地预算这个因素。

如果衍射型扩散器被用于填充扩散器260和光瞳扩散器110二者并且空间高顶轮廓的关键在于对于照明系统光瞳的平面和SLM的平面有相同的比例，则可以根据以下过程来计算扩散角度：

·计算显示平面和激光二极管光束的几何大小之比

其中，A_D是显示器尺寸，NA_D是照明NA；a_LD是对应方向的激光二极管发射器尺寸；而NA_LD是经准直器透镜会聚的光束的数值孔径或者在某些强度水平下用作参考。

·对于每个扩散器，按照

来计算输出光束角度与入射角度之比。

·针对DMLA(光瞳尺寸)上所选择的斑点尺寸来定义DMLA角

对于最佳光瞳填充，其必须等于光瞳扩散器之后的输出角度P。

·按照

来计算扩散角度。

·使用相同的方法来定义填充扩散器的角度。

参照图30，图30示出了利用上述圆形化装置的构造(即，具有填充扩散器)的投影显示器。在该实例中，红色和蓝色光束由激光源产生因此使用填充扩散器圆形化装置，而绿色光束由DPSS源产生，使用填充透镜作为扩束器的正元件和另外的负透镜250将光束扩大。蓝色光束首先与红色光束组合，该组合光束穿过公共的圆形化装置(填充扩散器)260，然后与绿色光束组合。填充透镜262被实现为公共模块，该公共模块对于红色和蓝色通道充当填充透镜准直器而在绿色通道中充当扩束器的正元件。由于填充扩散器260的扩散角度取决于波长，所以如果使用衍射型扩散器，则针对红色通道和蓝色通道使用公共的扩散器260不会导致相同的发散角。如图所示，由此将另外的扩散器260′添加到蓝色通道中，以使经过红色通道和蓝色通道二者的填充扩散器之后的光束发散相等。

图31中示出了投影显示器中的光传播方案的另选结构。在该构造中，红色和蓝色通道在通道内具有其自身的填充扩散器260。填充扩散器262被构造为远摄透镜，用于相比焦距缩短其机械长度。将另外的正元件264添加在填充透镜262的输出端，以在像侧提供远心光瞳，这对于DMLA是至关重要的。

图32中示出了针对蓝色通道光路而例示的填充透镜的设计实例。针对30mm焦距的填充透镜进行该设计，而填充扩散器260和光瞳扩散器110之间沿光轴的距离为23mm，并且在光瞳扩散器侧设置了远心光线追踪。从填充扩散器260出来的光经过镜261校正并穿过二向色性合束器263，该二向色性合束器263透射蓝光而反射红光和绿光。正透镜和负透镜可充当远摄透镜265，而添加后面的镜267是为了缩短系统尺寸并且设计出所需的投影显示器形状。单个正透镜269被添加作为物镜，用于提供光瞳扩散器和DMLA的远心照明。

参照图33A和图33B，图33A和图33B例示了投影显示器中的光传播方案的一部分，示出了投影显示器中并入了颜色传感器。颜色传感器270被一体化到投影显示器中，用于监视和校正(如果需要的话)由于不同颜色的激光功率的变化(与温度变化和长期功率衰减有关)而导致的白平衡。如图33A所示，传感器270可以位于二向色性合束器109(会聚所有光通道的最后一个)的附近，并且被定位成会聚来自合束器109的多通道光输出。合束器一直具有所谓的“主动输出”和所谓的“被动输出”，“主动输出”是大部分组合能量被沿着期望方向引导而通过的输出，“被动输出”与不可避免的“能量损失”的传播相关联。因此，如图所示，颜色传感器270被相对于合束器109定位成，在组合器109的被动输出处会聚光，而将合束器的主动输出引导至光束成形器(例如，DMLA)113。颜色传感器的另一个可选位置是在PBS 252附近，如图33B中所示。颜色传感器270可以被如下构造：其包括具有三个对应的红色、蓝色和绿色滤波器的三个检测器；具有光栅的三个检测器；具有色散元件(棱镜或其它)的三个检测器；分光计；或者以上元件的任意组合。可以在组合了彩色光束之后的任意点设置颜色传感器。

因此，由于针对一个或多个通道的相对较短的光路，本发明能够得到小投影装置。本发明的移动投影显示器的常规机械外部尺寸(WxLxH)在25×15×6mm³至120×60×30mm³的范围内。本发明的投影显示系统可以提供适合6″-20″屏幕的6-25流明的RGB光通量。

Claims

1.一种投影显示器，该投影显示器包括：照明系统，其包括至少一个激光源单元，并且被构造为和可用于产生一个或更多个光束；空间光调制SLM系统，其设置在所述照明系统的输出端，并且包括用于根据图像数据对入射到其上的光进行调制的一个或更多个SLM单元；以及光投影光学器件，其用于将调制光成像在投影表面上；所述照明系统包括至少一个光束成形单元，所述光束成形单元包括由前、后微透镜阵列MLA形成的双微透镜阵列DMLA结构，所述前、后微透镜阵列MLA位于沿着光朝向所述SLM单元传播的光路间隔开的前、后平行平面中，所述DMLA结构被设置为，使得所述DMLA的每个小透镜都能将入射到其上的光引导至所述SLM单元的整个有效表面上，每个小透镜都具有与所述SLM单元的所述有效表面的宽高比相对应的几何宽高比。

2.根据权利要求1所述的投影显示器，其中，所述DMLA的每个透镜都限定了大致矩形的孔径。

3.根据权利要求1所述的投影显示器，其中，所述照明系统被构造为减少所述激光中的散斑效应。

4.根据权利要求1所述的投影显示器，其中，所述照明系统包括设置在所述DMLA结构上游的至少一个激光束的光路中的至少一个去散斑单元。

5.根据权利要求4所述的投影显示器，其中，所述去散斑单元被构造并可用于产生随着时间和空间而随机变化的光散射图案。

6.根据权利要求5所述的投影显示器，其中，所述去散斑单元包括可连续移置扩散器。

7.根据权利要求6所述的投影显示器，其中，所述可连续移置扩散器包括可旋转散射表面。

8.根据权利要求6或7所述的投影显示器，其中，所述扩散器被构造并可用于限定扩散角度，使得入射到所述扩散器上的光的发散角和所述扩散器的扩散角度之和小于由所述小透镜的数值孔径NA限定的角度的两倍。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的投影显示器，其中，所述可移置扩散器位于从所述激光源单元向着所述DMLA结构传播的光的光路中，与所述DMLA分隔开选定的某一距离，以避免所述扩散器的散射表面成像到所述DMLA上。

10.根据权利要求9所述的投影显示器，其中，所述照明系统包括位于所述至少一个激光源的输出端的至少一个准直器，所述可连续移置扩散器位于准直光的光路中。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的投影显示器，其中，所述可移置扩散器包括以下之一：音圈扩散器、旋转振动扩散器、旋转盘扩散器和管状旋转扩散器。

12.根据权利要求4所述的投影显示器，其中，所述激光源单元、所述去散斑单元和所述DMLA被一起构造和操作，使得所述去散斑单元上的光斑的截面尺寸小于所述SLM有效表面的尺寸。

13.根据权利要求3所述的投影显示器，其中，所述DMLA被构造为并可充当去散斑单元。

14.根据权利要求1所述的投影显示器，其中，所述照明系统包括远摄负透镜，使得所述投影显示器内的光的光路被缩短，而所述投影显示器的有效焦距得以保持。

15.根据权利要求1所述的投影显示器，其中，所述前MLA中的每个小透镜都在所述后MLA上产生单独的聚焦光束，所述后MLA输出相应的平行光束。

16.根据权利要求1所述的投影显示器，其中，所述后MLA被构造为并且可充当物镜，所述物镜对入射到其上的每个光束的主传播进行校正。

17.根据权利要求15或16所述的投影显示器，其中，选择所述DMLA的厚度，使得所述前MLA的焦点基本上位于所述后MLA的表面上。

18.根据权利要求1所述的投影显示器，其中，所述激光源单元包括与准直光学器件相关联的光源阵列，使得由所述光源阵列发射的多个光束被准直成一个准直光束；所述准直光学器件首先准直所述准直光束的慢轴，然后准直所述准直光束的快轴。

19.根据前述权利要求中任一项所述的投影显示器，其中，经过所述投影显示器的光传播路径基本上没有超过几十毫米。

20.根据前述权利要求中任一项所述的投影显示器，其中，所述照明系统包括LED源。

21.根据权利要求1所述的投影显示器，其中，所述投影显示器包括被定向为相反方向的一组基本上相同的聚光器透镜和物镜，使得所述聚光器透镜位于所述DMLA的附近而所述物镜位于所述聚光器透镜的后焦平面，该后焦平面紧邻所述SLM。

22.根据权利要求1所述的投影显示器，其中，所述至少一个光束成形单元包括圆化装置，该圆化装置相对于向着所述SLM的光传播方向位于所述DMLA的上游。

23.根据权利要求22所述的投影显示器，其中，所述圆化装置包括至少一个棱镜。

24.根据权利要求22所述的投影显示器，其中，所述圆化装置包括填充扩散器和位于所述填充扩散器的输出端的准直填充透镜。

25.根据前述权利要求中任一项所述的投影显示器，该投影显示器包括颜色传感器，所述颜色传感器被构造为并可用于监视和校正所述激光源单元的白平衡。

26.根据权利要求25所述的投影显示器，其中，所述颜色传感器位于合束器的被动输出端，所述合束器组合了至少两个光通道。