CN111557092B - 图像投影仪 - Google Patents

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Abstract

图像投影仪包括具有像素元素的二维阵列的空间光调制器(SLM)，像素元素能够被控制以调制由像素元素透射或反射的光的属性。照明布置向SLM传送照明。准直布置使来自SLM的照明准直以生成被引导至出射光阑的准直图像。照明布置被配置成对SLM的区域依次照明，每个区域对应于多个像素元素。控制器同步控制像素元素和照明布置，以便投射具有与数字图像对应的像素强度的准直图像。

Description

图像投影仪
技术领域
本发明涉及图像投影仪，并且具体地涉及具有用于对空间光调制器照明的各种配置的图像投影仪。
背景技术
已知，通过对空间光调制器诸如液晶显示器(LCD)或硅基液晶(LCOS)调制器照明以及通过使调制图像准直来投射图像，以输出到用户的眼睛。这种投影仪通常用于近眼显示器，其中，投射图像通常被引入到光导中，该图像通过内反射沿该光导传播直到通常通过部分反射表面或通过衍射元件耦合出到用户的眼睛为止，这可以有助于图像从其被投射向眼睛的有效光学孔径的扩展。
发明内容
本发明是图像投影仪。
根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于经由出射光阑投射准直图像的图像投影仪，该准直图像是数字图像的表示，该图像投影仪包括：(a)空间光调制器，其提供像素元素的二维阵列，像素元素中的每一个能够被控制以调制由像素元素透射或反射的光的属性；(b)照明布置，其向空间光调制器传送照明；(c)控制器，其与空间光调制器和照明布置电子连接；以及(d)至少一个光学元件的准直布置，其被配置成使来自空间光调制器的照明准直以生成被引导至出射光阑的准直图像，其中，照明布置被配置成对空间光调制器的多个区域依次照明，每个区域包含多个像素元素，并且其中，控制器被配置成同步控制像素元素和照明布置，以便投射具有与数字图像对应的像素强度的准直图像。
根据本发明的实施方式的另外的特征，照明布置包括被部署成对跨空间光调制器的二维阵列的照明光束进行扫描的扫描布置。
根据本发明的实施方式的另外的特征，照明光束跨越二维阵列的一个维度，并且其中，扫描布置以一维扫描模式来扫描照明光束。
根据本发明的实施方式的另外的特征，控制器按跨二维阵列扫动的行序列来更新二维阵列的像素元素，并且其中，扫描布置被同步以跟随在行序列的后面，在完成跨二维阵列的更新之前对更新图像的一部分进行照明。
根据本发明的实施方式的另外的特征，照明布置被配置成在不同角位置生成至少两种不同颜色的至少两个同时光束，并且其中，控制器在光束中的第一光束与光束中的第二光束的通过之间更新二维阵列的像素元素。
根据本发明的实施方式的另外的特征，扫描布置以二维扫描模式来扫描照明光束。
根据本发明的实施方式的另外的特征，扫描布置包括光纤的稍端和被部署成用于移置光纤的稍端的致动器。
根据本发明的实施方式的另外的特征，照明布置包括用于对多个区域照明的多个独立可切换照明源。
根据本发明的实施方式的另外的特征，控制器被配置成：(a)确定与二维阵列的区域中的每一个对应的数字图像的一部分中的数字图像的像素的最大需求强度；(b)确定区域中足以生成这些区域内相应的最大需求强度的至少一个区域的降低的照明水平；(c)生成用于至少一个区域内的像素的修改的像素强度图，以用于基于降低的照明水平来生成需求的投射图像强度；以及(d)激励照明布置以对具有降低的照明水平的至少一个区域进行照明，同时根据修改的像素强度图来激励至少一个区域内的像素元素。
根据本发明的实施方式的另外的特征，照明布置传送来自照明光阑的照明，图像投影仪还包括部署在照明光阑与空间光调制器之间的光学路径中的照明光学器件，其中，照明光学器件和准直布置被配置成使得照明光阑的图像基本上落在出射光阑上。
根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于经由出射光阑投射准直图像的图像投影仪，该图像投影仪包括：(a)空间光调制器，其提供像素元素的二维阵列，像素元素中的每一个能够被控制以调制由像素元素透射或反射的光的偏振；(b)照明布置，其传送来自照明光阑的照明；(c)照明光学器件，其部署在照明光阑与空间光调制器之间的光学路径中；以及(d)至少一个光学元件的准直布置，其被配置成使来自空间光调制器的照明准直以生成被引导至出射光阑的准直图像，其中，照明光学器件和准直布置被配置成使得照明光阑的图像基本上落在出射光阑上。
根据本发明的实施方式的另外的特征，照明光学器件和准直布置使用反射光学部件来实现，并且其中，从照明光学器件到出射光阑的光学路径被实现成没有气隙。
根据本发明的实施方式的另外的特征，照明光学器件具有光学轴，并且其中，来自照明布置的光以与光学轴所成的偏移角度到达照明光学器件。
根据本发明的实施方式的另外的特征，从空间光调制器到准直布置通过的照明穿过第一偏振分束器并且在第二偏振分束器处被反射，第二偏振分束器的取向使得相对于第一偏振分束器是P偏振的照明相对于第二偏振分束器是S偏振的。
根据本发明的实施方式的另外的特征，从照明光学器件到空间光调制器通过的照明穿过第一偏振分束器并且在第二偏振分束器处被反射，第二偏振分束器的取向使得相对于第一偏振分束器是P偏振的照明相对于第二偏振分束器是S偏振的。
根据本发明的实施方式的另外的特征，照明光学器件和准直布置使用反射光学部件来实现，并且其中，从照明光阑到出射光阑的光学路径被实现成没有部件间气隙。
根据本发明的实施方式的另外的特征，还提供了部署在照明光阑处的漫射体。
根据本发明的实施方式的另外的特征，漫射体具有基本上线性的强度分布。根据本发明的实施方式的替选特征，漫射体具有矩形强度分布。
根据本发明的实施方式的另外的特征，还提供了一种扫描布置，其被部署成生成在照明光阑处扫描一定范围的角度的照明光束。
根据本发明的实施方式的另外的特征，空间光调制器是反射空间光调制器，并且其中，通过在平行于空间光调制器的平面的表面处内反射，随后通过在被定向成与空间光调制器的平面成基本上30度的角度的分束器处反射，照明被朝空间光调制器引导。
根据本发明的实施方式的另外的特征，还提供了一种光导，该光导形成为具有用于支持投射图像的通过内反射的传播的至少一对平行面的透明材料块，其中，出射光阑是光导的入口。
附图说明
在本文中仅通过示例的方式参照附图描述了本发明，在附图中：
图1是根据本发明的实施方式的教导而构造和操作的图像投影仪的示意呈现；
图2A是根据图1的原理而构造和操作的图像投影仪的第一实现方式的侧视图；
图2B是图2A的图像投影仪的变型实现方式的侧视图；
图3是图2A的图像投影仪的第二变型实现方式的侧视图；
图4是图2A的图像投影仪的第三变型实现方式的示意等距视图；
图5是图2A的图像投影仪的第四变型实现方式的侧视图；
图6是与图3类似的、示出了在不需要部件之间的气隙的情况下在投影仪的组装期间聚焦调节的方式的侧视图；
图7是与图3类似的、示出了准直激光照明系统的使用的图像投影仪的侧视图；
图8示出了用于使激光器的输出准直的多个光学布置；
图9A是与图3类似但采用用于生成扫描照明的扫描布置的图像投影仪的另外的变型实现方式的侧视图；
图9B是图9A的图像投影仪的替选扫描布置的放大图；
图9C是采用扫描照明的、根据本发明的实施方式的教导而构造和操作的图像投影仪的另外的实施方式的侧视图；
图10A至图10C是用于在图9A至图9C的实施方式中实现的三种可能的扫描照明模式的示意图；
图11A至图11C是根据本发明的各种实现方式的图像加载和照明扫描序列的示意呈现；
图12A是用于以多于一种颜色的照明模式同时扫描的多色激光扫描布置的示意性侧视图；
图12B是采用图12A的多色激光扫描布置的图像加载和照明扫描序列的示意呈现；
图13是采用可变强度照明的降低强度的照明方案的示意呈现；
图14是用于操作图9A至图13的图像投影仪的控制器的示意呈现；
图15A是示出了入射光线到来自图2A的图像投影仪的偏振分束器(PBS)的几何结构的光线图；
图15B是示出了来自图15A的介电PBS的透射属性和反射属性的图表；
图16A和图16B是示出了采用浅角度分束器来缩短光学路径长度的、根据本发明的实施方式的教导的两种替选实现方式的图像投影仪的侧视图；
图17是与图1类似但采用经由多个可切换照明元件的选择性照明的图像投影仪的示意呈现；
图18是一般地与图9A类似但采用可切换照明元件而不是机械扫描的图像投影仪的实现方式的侧视图；
图19A和图19B是对空间光调制器采用扫描照明但具有能量次优的照明布置的图像投影仪的示意性侧视图；
图20是图19A至图19B的采用反射准直光学器件的系统的实现方式的侧视图；
图21是与图20类似但采用可切换光源元件的图像投影仪的侧视图；
图22是与图21类似但采用具有可切换光源元件的透射式空间光调制器的图像投影仪的侧视图；
图23A和图23B示出了用于提供可切换光源元件的两种配置；
图24A是基于光纤稍端移置的照明扫描布置的示意性侧视图；以及
图24B是一般地与图9A类似但采用图24A的基于光纤的扫描机构的图像投影仪的侧视图。
具体实施方式
本发明是图像投影仪。
参照附图和所附说明书，可以更好地理解根据本发明的图像投影仪的原理和操作。
通过引入，本发明涉及具有用于对空间光调制器照明的各种布置的图像投影仪。本文中描述的主题在概念上可以细分为本发明的两个主要方面，这些方面各自自身独立存在，但是它们最优选地用于组合优势。本发明的第一方面涉及如下照明配置，其中，输出图像被从其投射的出射光阑基本上对应于从其提供照明的照明光阑的图像。本发明的第二方面涉及对空间光调制器的多个多像素区域依次照明的照明配置。下面将讨论这两个方面的细节以及结合这两个方面的各种实施方式。
现在参照附图，图1示意性地示出了根据本发明的第一方面的用于经由出射光阑5投射准直图像的图像投影仪。该图像由提供像素元素的二维阵列的空间光调制器(SLM)6生成，像素元素中的每一个能够被控制以调制由像素元素透射或反射的光的通常是偏振的属性。透射光SLM的示例是液晶显示器(LCD)，而反射SLM的示例是硅基液晶(LCOS)装置。示意呈现在此示出了从左到右沿光学路径的进程，但是将理解的是，该光学路径可以在各种反射元件处包括在LCOS 6处折叠，如将在下面的示例中举例说明。至少一个光学元件的准直布置4被配置成使来自空间光调制器的照明准直，以生成被引导至出射光阑5的准直图像。
图像投影仪还包括传送来自照明光阑2的照明的照明布置、以及部署在照明光阑2与空间光调制器6之间的光学路径中的照明光学器件3。本发明的第一方面的特定特征是照明光学器件3和准直布置4被配置成使得照明光阑2的图像基本上落在出射光阑5上。这实现了“光瞳成像”，确保从照明光阑2朝SLM引导的照明光线被有效地朝出射光阑5引导。
光可以从任意合适的光源1传送至入射光阑2，并且可以被任意合适的部件无论光学成像部件(透镜、面镜)还是非成像部件(光管、漫射体)聚集。在照明光阑2之后，仅使用成像光学部件，使得实现“光瞳成像”。出射光阑5优选地是进入到将光图像中继给观察者(未示出)的光导的入射口。在完美的光瞳成像的情况下，穿过光阑2并落在照明光学器件3上的任何光线将到达出射光阑5(受到图像调制)并且进入波导，由此实现最大照明效率。实际上，本发明的这个方面的大部分优点可以通过使照明光阑的图像“基本上”落在出射光阑5上来实现，在此被认为意味着离开照明光阑2并到达照明光学器件3的光线中的至少一半，更优选地至少80％，落在出射光阑5上。
穿过出射光阑5到光导的图像必须是经准直的，即，图像中的每个点由均匀地填充光阑5的一组平行光线来表现。这可以使用三种主要的替选方案来实现：
1、扫描：光源1是点光源并且图像通过在光阑2处使用扫描镜被生成。在这种情况下，在6处不需要调制器。
2、空间调制：空间光调制器6放置在准直布置4的焦平面处。调制器可以是例如LCOS或LCD。
3、组合：根据本发明的第二方面的如下所述的光阑2处的扫描和平面6处的空间调制。
现在转到图2A，尽管本发明可以使用折射光学部件和自由空间光学器件来实现，但是在许多情况下认为优选采用在照明光学器件与出射光阑之间、并且最优选地从照明光阑到出射光阑的光学路径中没有气隙的实现方式。具有光学功率的元件优选地实现为反射透镜。在下面描述的某些实现方式中，光学路径可以包括某些部件，诸如激光光源和扫描镜部件，其固有地包括一些内部空气空间。然而，即使在此，这些部件优选地是封装部件，其可以与没有任何“部件间气隙”的光学系统的其余部分集成，即，除封装部件内的内部空间之外没有气隙。没有部件间气隙的架构的使用有助于确保由于环境改变或污垢渗透到系统中而导致的随时间的最小性能劣化。
在图2A中，光源10(等同于1)可以是白色LED、彩色LED阵列或激光器(颜色组合的激光布置，诸如可从日本住友电工商购获得的SLM-RGB-T20-F-2)。光传播通过使光分布聚集且均匀的光管12。该聚光器可以是用于使光分布在平面14上会聚且均匀的任意其他成像(透镜)或非成像(光管、微透镜阵列)部件或这样的多个部件。
平面14(等同于照明光阑2)是可以使用非成像部件的最后一个平面。它可以包括扩散光线的角度分布以对图像调制器26(等同于SLM 6)照明的漫射体。该平面14还是出射光瞳平面40(等同于出射光阑5)的图像，使得孔径(光阑)可以在此安放以防止40的图像之外的光进入系统。过多的光(在图像之外)不会进入波导并使图像质量劣化。
在下面的图中，S偏振示出为虚线箭头，P偏振示出为点虚线箭头，圆偏振示出为点箭头，非偏振示出为实线箭头。为了获得单偏振，某些特别优选的实现方式在平面14处包括透射S偏振的偏振器。
S偏振光从表面14传播到表面16，表面16是偏振分束器(PBS)。PBS可以是反射S偏振但透射P偏振的线栅或介电质。
s偏振光穿过表面18，表面18是将S偏振转换为圆偏振的四分之一波片(“λ/4波片”)。在由反射透镜20(等同于照明光学器件3)反射之后，在第二次穿过四分之一波片18时，光是P偏振的并穿过PBS 16。表面21设置有将P偏振转换为S偏振的半波片(“λ/2延迟器”)，以便S偏振从第二PBS 22反射朝向空间光调制器26(等同于SLM 6)。该图像生成器将(亮像素)的光偏振旋转为P偏振，因此光穿过PBS 22。表面27设置有另一个半波片(λ/2延迟器)，得到被反射朝向四分之一波片30和反射准直光学器件34的S偏振，反射准直光学器件34优选地实现为用于在补偿像差的同时使白光准直的两个双合透镜(由32分隔)。反射准直光在再次穿过四分之一波片30之后是P偏振的，以便穿过PBS 28。根据向其提供投射图像的光学系统的要求，准直图像可以另外穿过消偏振器36，其用于在光穿过耦合棱镜38和孔径40(等同于出射光阑5)进入光导(或“波导”)42之前(通过有源或无源消偏振器)使光消偏振。
图2B示出了执行光瞳成像但照明来自相对于PBS 22的不同取向的等同架构。在该配置中，光从两个方向穿过PBS 22。由于PBS的缺陷，该架构倾向于具有降低的偏振消光比。使用双程PBS的其他架构也是可行的。然而，在以下示例中，为了图像的清晰度和改善的对比度，将架构2A用作优选的基础设计。
图3示出了与图2类似的架构，但是其中PBS 22被实现为诸如线栅的结构偏振器并且被旋转成反射P偏振。因此，省略了λ/2延迟器部件21和27。该配置具有较少的部件，并且因此更易于集成。
可替选地，可以通过将PBS 22实现为反射S偏振的常规PBS而将PBS 16和PBS 28修改成反射p偏振来获得等同结果。
在不需要使用半波延迟器片的情况下，实现通过第一PBS的透射和在第二PBS处的反射的替选实现方式是采用“扭动”架构，其中，第二PBS的取向使得相对于第一偏振分束器是P偏振的照明相对于第二偏振分束器是S偏振的。在图4中示意性地示出了一种这样的架构，光源10具有光学窗口202，其使光透过漫射体、偏振器和孔径204(等同于上面的14和2)。该光现在相对于第一PBS 206(等同于上面的16)是S偏振的，以便被反射朝向反射透镜208(等同于上面的2和20)，该反射透镜208在其表面上另外具有四分之一波片，使得反射光穿过PBS 206并且到达与前一个PBS 206成90度(参照绕图像的中心的光传播轴的旋转)的第二PBS 210。因此，光相对于210 PBS是S偏振的并且被反射朝向LCOS 212(等同于上面的26，并且在此出现在该图像取向中的布置的较近侧)。LCOS 212反射并将亮像素的偏振旋转为P，使得光穿过PBS 210到达PBS 214(等同于上面的28)，PBS 214也绕光传播轴旋转90度，使得图像照明相对于PBS 214是S偏振的并且被反射朝向波片和反射透镜216(等同于上面的元件30、32和34)。然后，与准直图像对应的光穿过PBS 214并且穿过出射光阑218进入波导(等同于上面的元件36、38、40和42)。
应当注意，图4以等距视图示出了仅主要的光学元件和PBS，而省略了填充光学元件之间的空间的大部分棱镜。在此，该实现方式优选地也没有部件间气隙，但是为了清晰呈现光学架构而示出了被移除的大部分透明介质。
图5示出了用于避免对光学器件的照明侧的半波延迟器片的需求的另一可选实现方式。在该情况下，来自照明布置10、14的光以与透镜20的光学轴所成的偏移角度到达照明光学器件的反射透镜20。因此，在不使用分束器的情况下，反射照明被偏移到光学轴的相对侧，足以使得光学路径在几何上分离。因此，该照明可以被引入为相对于PBS 22的S偏振，并且在到达PBS 22之前原则上不需要经历任何偏振修改。实际上，就在PBS 22之前优选地使用偏振器1001来改善调制对比度。在该配置中，在照明光阑14与出射光阑40之间实现的“光瞳成像”受到一定程度的像差的影响，但是在LCOS 26的成像平面处的反射之前的照明侧上的像差不影响投射图像的质量。
为了简化说明，图5的配置在此示出有PBS 22与PBS 28之间的半波长延迟器片27。对于PBS 28和准直光学器件，替选的特别优选的实现方式采用“扭动”几何结构，其中，组装的下部例如在平面27处绕传播方向的中心光线旋转90度，使得PBS 28将来自LCOS的光沿方向引导到如所示的附图的页面中，从而在不需要半波长延迟器片的情况下实现图像的准直。
图6示出了用于实现根据上面的配置之一的装置的聚焦调节的选项。通过在44的顶部沿表面22(如箭头46所示)来滑动棱镜42，可以连续调节图像调制器26与准直反射光学器件34之间的距离。可能需要修改SLM 26的位置(如箭头48所示)。该连续聚焦实现精确的聚焦同时保持无气隙配置。作为实际的组装方法，该结构优选地沿PBS平面用插入在表面之间的UV可固化光学粘合剂来组装。通过沿PBS平面相对于一个棱镜部件来滑动另一个棱镜部件以实现光学布置的聚焦，之后通过施加UV光来处理棱镜之间的光学粘合剂以使粘合剂凝固，从而在组装期间实现聚焦。
最佳照明需要满足两个条件：
1、具有最小的浪费照明“溢出”的孔径40(等同于5)处的均匀空间强度分布。这通过对平面14(等同于2)上的孔径图像均匀地照明来实现。
2、对具有最小“溢出”的图像生成器26均匀地照明。这通过在平面14处生成适当的角度分布来实现。
在图7中示出了满足这两个要求的有利方法。由透镜12B使来自光源10的光准直。该准直光穿过放置在平面14处的结构化漫射体。该漫射体被设计成使准直光漫射成预定义的角度分布，优选为矩形。具有不同形式的角度分布的一系列结构化漫射体可从各种来源诸如可从RPC Photonics(纽约，美国)获得的工程漫射体(ENGINEERED DIFFUSERSTM)系列漫射体商购获得。透镜20(等同于3)将照明光阑14处的该角度分布转换成SLM 26上的相应强度分布(也称为傅里叶变换)。该矩形分布使具有最小“溢出”的26的有源区域交叠。
如果光源10是激光器或窄LED发射器(诸如侧面发光LED)，则在透镜12B处实现最佳准直。图8示出了可以用于使针对两个轴具有不同发散的激光或窄LED准直的几种配置，例如，采用简单的球面透镜70、柱面透镜72和74的组合、或者透镜和棱镜76的各种组合。对于高激光输出，生成的光束可能对人眼有害。然而，在穿过平面14上的漫射体之后，风险基本上降低。如果发生该布置的破坏，即准直的高亮度光束可以向外透射，则存在潜在的风险，从而对眼睛造成危害。因此，根据本发明的这个方面，优选将漫射体放置为准直光学器件本身的一部分而不是放置在表面14处。在图8中，70表示要被除去危险的表面(或其相对的表面)。如果表面72被除去危险，则在透镜之间以一个维度使光束准直。通过将漫射体放置在第一柱面元件74上来实现改善的亮度降低。
如果使用散光棱镜，则优选在透镜表面76上引入漫射体。图8中的所有配置优选地在透镜上使用漫射体而不是在表面14中使用漫射体。因此，光束在其传播到表面14上时扩展。因此，应当使这些元件之间的距离最小化，以使能量损耗最小化。
到目前为止描述的所有配置都被设计成用于由照明源同时对整个图像生成器26(SLM 6)照明。然而，在某些实现方式中，特别是对于增强现实显示器，并非需要所有像素来一直生成图像。由于这个和其他原因，在某些实现方式中允许仅在需要的情况下和/或仅以需要的功率电平的SLM的选择性照明可能是有利的，从而降低功率要求并且可能提供另外的优点，这将在下面描述。
图9A示出了被配置成每次对图像生成器26的仅一部分进行照明的实现方式。光源10，优选激光器，由光学器件12B准直到扫描镜50或其他高速镜(优选MEMS)上。只要对图像生成器26适当地照明，也可以使用非准直。扫描镜50优选地位于出射光瞳40的图像平面(对应于上面的照明光阑2)处。(在该配置中，将相对于先前附图中的相应透镜稍微修改透镜20，以便将图像平面从平面14移动到扫描镜50的位置。)SLM26上的照明光斑被配置成使得与镜50的扫描运动结合，照明覆盖SLM 26的所有有源区域。优选的是，光斑尺寸足够大以覆盖相对大量的像素，通常至少10个、优选至少100个、并且在一些优选情况下至少1000个像素或超过10,000个像素(例如，100x100个像素或更大)，由此降低对镜50的扫描速度的要求。例如，可以通过来自光源10的发射器光束的形状、源准直光学器件12B的光学属性、镜5上的漫射体的部署和/或平面14上的漫射体的部署来修改照明光斑的形状。在使用漫射体的情况下，漫射体优选地是具有特定选择的角度分布的输出光的结构化漫射体，诸如上面提到的可从RPC Photonics(纽约，美国)商购获得的那些漫射体。
图9B示出了用于放置扫描镜50的替选方案。在镜50(其也是40的图像平面)的表面上的垂直入射使得能够以最小气隙在小镜上使用，通常可用作封装部件，以便利于没有任何部件间气隙的实现方式。在图9B中，PBS 1201(与四分之一波片延迟器结合使用)用于便利于这种垂直入射。在该配置中，如提到的，扫描镜优选地独自封装为部件，因此被认为没有气隙。激光器和准直光学器件也优选地设置为封装部件。因此，9B中的集成系统可以被认为在系统级上无气隙，即“没有部件间气隙”。
图9C示出了具有气隙的折射透镜1200代替反射表面20从而也实现到扫描镜50上的垂直入射的另一架构。
在图10A至图10C中示意性地示出了镜50的示例性扫描模式。图10A示出了第一优选实现方式，根据该实现方式，照明60的光束跨越二维像素阵列58的一个维度，并且扫描布置以一维扫描模式来扫描照明的光束。为此目的，在照明布置处使光束有角度地成形的部件(例如，漫射体或上面描述的其他选项，或通过长形的发射器模式的使用，诸如二极管线)优选地生成基本上线性的强度分布。在该上下文中，“基本上线性”用于限定具有至少10:1的长短轴比的角度或空间(取决于其在哪个平面处被采样)强度分布。如此限定的强度分布包括多种选项，诸如例如，长形的椭圆形状。
图10B示出了简单的二维扫描模式的另外的选项，其中，照明区域跨越阵列维度之一的一半，使得通过简单的往复矩形扫描运动能够完全覆盖，并且图10C示出了更复杂的扫描模式。扫描方法之间的主要区别在于扫描仪所要求的复杂性和扫描速度以及相关联的照明光斑图案。应当注意，无论在何情况下参考扫描运动，照明可以在扫动的扫描运动期间是连续的，或者可以是通过机械的扫描机构的步进式运动或通过在通过连续的机械扫描运动的位置序列处触发的照明的较高强度短脉冲的使用实现的步进式照明模式。在使用步进式扫描模式的情况下，所述步进式可以对非交叠区域照明，或者可以对交叠区域照明。
序列彩色投影需要将三个图像(红色、绿色和蓝色)加载到投影仪26上并以快速序列对这三个图像照明。图11A至图11C示出了各种选项，对于这些选项，这可以使用描述的结构化照明有效实现。
对于包括LCOS图像生成器的特别优选的示例的许多图像生成器，控制器通常按跨二维阵列扫动的行序列来更新二维阵列的像素元素，从而使用像素数据的(能够互换地使用的)行或列被依次加载的“卷帘快门”模式来加载图像模式。在彩色序列系统中，这表明照明只有在每个颜色分离的整个图像被加载之后才会被激活。这表明了在每个颜色分离的加载(每帧图像三次)期间没有照明的等待时段，并且因此限制了照明时间和帧速率。
图11A示出了现有系统中的LCOS图像加载和照明的序列。X轴是时间，Y轴是任意单位。在它们加载红色图像时，加载时隙80以三角形形状表示LCOS矩阵的行数。时隙82是红光光源的照明。时隙84和86是针对绿色分离的相应的LCOS图像加载时间和曝光，而88和90是针对蓝色分离的相应的LCOS图像加载时间和曝光。
图11B示出了SLM的图像平面。控制器按跨二维阵列扫动的行序列将图像加载到LCOS矩阵58(平面26)的像素，如向右(由箭头所示)移动的线92所示。根据本发明的实施方式的一方面，控制器还同步操作扫描布置，使得照明模式60跟随在行序列的后面，在完成跨二维阵列的更新之前对更新图像的一部分进行照明。
图11C示出了图11B所示的照明的时间序列。由三角形80表示的红色图像的加载之后紧跟着如图形94所示的镜50的扫描，使得在完成完整图像加载之前开始照明。在时隙96处，镜50快速地回扫到扫描的开始。对绿色(84，98，96)和蓝色(88，100，96)重复相同的序列。
在该配置中，照明几乎是连续的，从而降低了对高瞬时强度光源的要求，并且帧速率可以高于通过图11A的图像加载间照明方案可以实现的帧速率。
彩色图像的序列投影在某些情况下可能引入“色分裂”，其中，图像犹如红色、绿色和蓝色图像不交叠一样被感知。如在此参照图12A至图12B所示，可以根据本发明的另外的可选方面通过几乎同时投射红色、绿色和蓝色图像来改善这个问题。图12A示出了激光器10和扫描仪50的放大示意呈现。R、G和B激光器10由光学器件12B进行准直。其他准直布置也是可行的，诸如微透镜和衍射元件。例如，如果所有颜色都从单个点出射，则使用色散或衍射元件将不同的颜色转向不同的方向。所有三种颜色以稍微不同的角度进行准直，而扫描镜50同时使所有三个激光束方向转向。如前所述，漫射体(在一维扫描仪的情况下为线漫射体)位于扫描仪外部(例如，在平面14处)或位于扫描仪50的反射表面230上。该光学布置将在LCOS 26上生成三个分离的照明模式。在线漫射体的情况下，生成三条分离的线。如图12B所示，线图像应当近似垂直于扫描仪50的扫描方向。
该配置允许同时照明具有不同颜色的二维像素阵列的不同部分，同时控制器在连续颜色的光束的通过之间更新二维阵列的像素元素。图12B示出了图像平面26。蓝色图像被加载到LCOS上作为卷帘快门232，其中，加载非常类似于图11B所述的从左到右。同时以及在其后面，绿色图像被加载为卷帘快门234，并且在其后面，红色图像被加载为236。因此，所有三个彩色图像以最小延迟加载到LCOS上。照明扫描仪与卷帘快门过程同步并且对卷帘快门线中间的LCOS进行照明。蓝线242在232与234之间，绿线在234与236之间，并且红线在236后面。扫描布置50的机械运动的范围应当足以使得光束中的每一个能够穿过整个像素阵列。显然，每个颜色光束仅需要针对其落在像素阵列的区域上的扫描运动的部分被激励。
在该配置中，单帧扫描将以彩色图像投影之间的最小延迟并且从而以最小色分裂来投射所有颜色。
用于生成三种颜色的同时光束的合适光源可从各种提供商诸如由住友电工(日本)以名称RGB-ONETM销售的全色激光模块商购获得。
如上所述，二维像素阵列的不同区域的序列照明允许以各种方式节省照明功率。首先，在不需要图像内容的区域中，不需要激励照明源，从而节省了大量功率。这种应用的示例是增强现实应用，其中，大部分显示区域保持无源，以允许对现实世界的不受干扰的检阅，并且激励显示器的仅所选区域以提供增强现实内容。
在其他情况下，即使在显示器的区域是有源的情况下，仍然可以根据局部最大需求显示强度来节省显示功率。具体地，根据本发明的某些实现方式的另外的方面，显示控制器被配置成：(a)确定与二维阵列的区域中的每一个对应的数字图像的一部分中的数字图像的像素的最大需求强度；(b)确定区域中足以生成这些区域内相应的最大需求强度的至少一个区域的降低的照明水平；(c)生成用于至少一个区域内的像素的修改的像素强度图，以用于基于降低的照明水平来生成需求的投射图像强度；以及(d)激励照明布置以对具有降低的照明水平的至少一个区域进行照明，同时根据修改的像素强度图来激励至少一个区域内的像素元素。
在此参考上面参照图12描述的那类的线扫描扫描模式示出了该特征，但是同样可以针对其他照明模式实现该特征。
图13中的图像300示出了在图像平面像素阵列58上具有可变图像强度的简单模式(出于说明目的)。较暗的图像在此描绘了较高的强度。该图像用于单色，并且三个这样的图像为所有颜色生成每帧。虚线是为了便于参考附图的不同表示之间的特征。
如果要用恒定最大强度处的光束扫描LCOS，则如模式300所示的图像将按原样加载，并且用最大强度的光束的扫描将生成期望的输出图像。作为替选方案，根据本发明的这个方面，图表302示出了图300的每一列的“最大需求强度”。然后，当照明线(例如，60)最近在LCOS上扫描时，该模式用于设置激光强度的相应轮廓，因此要求LCOS 26具有最小的衰减。图像304示出了在LCOS上产生的照明强度。在扫描的开始(覆盖阵列的区域305a)，没有激光照明。对于区域305b，使用中等强度，对应于“降低的照明水平”。用最大强度对区域305c照明，并且在最后部分(区域305d)不需要照明。
图像306对应于修改的像素强度图，使得306的修改的像素强度和来自304的给定列的照明水平的乘积将生成期望的输出图像强度300。因此，通过将需求的图像300除以照明图像304来生成图像306(加载到LCOS的实际图像)。
实际上，照明线具有一定宽度(即，同时覆盖多个列)，并且因此，即使照明输出由阶跃函数驱动，照明图像304仍将随逐渐过渡而平滑，因为当照明线通过时，每一列的照明的总强度将是照明的积分。期望输出图像300除以照明水平304作为加载图像306的计算仍然有效。
尽管到目前为止降低的照明水平被描述为通过照明源的强度的降低来实现，但是可以通过调制扫描运动的运动速率来实现等同的效果，其中，标准扫描速率得到全强度照明，并且提高的扫描运动速率在相应区域中导致降低的扫描驻留时间，从而给出“降低的照明水平”。在某些情况下，可以通过采用较慢的扫描运动或阵列的子区域的重复扫描来提供增强的亮度(超过正常的100％强度水平)。
图14示意性地示出了适用于实现图9A至图13的各种实施方式的控制系统以及特别是要求同步操作LCOS SLM的更新与照明和/或扫描运动的控制系统。在该图中，实线表示数据传输，并且虚线表示同步。“图像生成器”将图像的RGB数据矩阵发送到“照明驱动器”。假设照明模式(线或其他)和图像模式，则该驱动器生成激光器所需的照明模式。该衍生过程优选地使激光器最佳化以在如上所述的每个位置(线)处发送最小功率，通常需要对要加载到LCOS的图像数据进行相应的修改。深色箭头表示从照明驱动器到图像生成器的反馈，以用于这些修改。可以在图像生成器本身中引入“照明驱动器”的一些功能。最终的RGB图像被注入LCOS。LCOS驱动器生成到LCOS、扫描仪驱动器和照明驱动器的同步信号。
图14的描绘是对于某些上述应用的最小限度描绘。应当注意，所描绘的各种驱动器可以以如下多种方式实现，其包括但不限于针对每个部件的专用控制电路系统、作为在具有一个或更多个处理器的处理系统上操作的软件包的一部分的软件驱动器、或者通常具有附加通信或其他输入接口以及数据存储装置的硬件、软件或固件的任意其他组合。所有各种驱动器、控制电路系统和所附部件在本文中统称为“控制器”。
现在转到图15A和图15B，偏振敏感介电涂层的透射随角度而变化。这会使图像质量劣化。图15A示出了包括介电涂层28的来自图2A的系统的光学通路。箭头106示出了从单个像素出射的发散光线以不同角度撞击在介电表面28上，同样来自其他像素的光线以相同角度分布撞击在28上。这种撞击角度的光谱可能导致不同角度的不同反射，并且因此导致出射孔径40的不均匀照明。这种不均匀性将使图像质量劣化，并且对近眼显示系统的观察者造成干扰。因此，根据本发明的某些实现方式，S偏振的反射率优选地被设计成如110所示的最佳，作为优先于P偏振透射的均匀性的设计考虑。
单个像素106的反射光108作为具有相同入射角度的平行光线撞击在28上。然而，来自不同像素的光线将具有不同的入射角度。因此，不同像素(图像场点)将具有如图15B中的108所示的通过28的不同透射。根据本发明的某些优选实现方式，最佳透射被设计成用于场的中心，或者可以被移动以补偿其他系统不均匀性(诸如对于倾斜的孔径40)。边缘处的这种图像变迹通常对于观察者来说是更可接受的，并且可以通过照明输入表面14的适当照明来补偿。
现在转到图16A和图16B，在根据本发明的一方面的替选架构中，当空间光调制器26是反射空间光调制器时，通过在平行于SLM 26的平面的表面处内反射，随后通过在被定向成与空间光调制器的平面成基本上30度的角度的分束器平面处反射，照明被朝SLM 26引导。该上下文中基本上30度是指30度±5度的角度，并且更优选地是30度±3度的角度。
因此，图16A示出了示例性架构，根据该架构，PBS 22的光学路径被缩短。在该配置中，来自光源10的光穿过扩展光管12到平面14上。在该图中，由于该平面是倾斜孔径40的图像，因此该平面是倾斜的。平面14的这种倾斜或平坦取向可以在所有先前的架构中实现。平面14还可以包括透射s偏振的偏振器。
光穿过透镜20B(等同于照明光学器件2)，并且进入棱镜1017。面1025涂有反射涂层，因此光反射到面1020上，其中，光被全内反射(TIR)反射到PBS 22上，并且反射到图像调制器26。如所述，在该配置中，PBS平面相对于先前的架构是浅的近似30度的角度。因此，PBS22的高度更短并且系统的尺寸减小。在该配置中，面1020必须是清洁的并且具有气隙，或者涂有角度选择性涂层。如图4所示，可以通过旋转PBS来去除延迟器27。
在图16B中，棱镜1017被棱镜1040代替。该棱镜不需要反射涂层1025。保留了所有其他光学属性。
在图16B中，PBS 22的降低的高度实现了改善系统的光学性能的透镜1035的引入。
作为照明源的机械扫描的替选方案，本发明的某些实现方式提供了具有用于对多个区域照明的多个独立可切换照明源的照明布置。在图17中示意性地示出了这种布置。在该配置中，如前所述的将光阑5成像到光阑2上，并且光学调制器的图像平面6优选地通过透镜3基本上成像到平面1100。平面1100包括可以分别激活的分布式光源。在该配置中，每个光源对图像生成器6的相应部分照明。各个源的激活的算法本质上等同于关于上述扫描照明实施方式所描述的算法。因此，发送更少的功率，并且不需要移动的部件。
优选地，平面1100当成像到6时稍微漫射以便消除不均匀性。这可以通过小角度漫射体或者通过如图18所示的稍微散焦来实现。
图18示出了等同于图2A的架构(将光阑平面40成像到14)。然而，在该情况下，将图像平面26(等同于6)成像到光源平面10b(等同于1100)。透镜20(等同于3)被修改成使平面26聚焦到10b，其中具有一定偏移以用于不均匀性平滑。光在棱镜1105内传播，使得系统能被实现成没有气隙。
也可以使用另一反射透镜来实现26到10b上的成像。可以使用常规透镜或微透镜阵列来改善来自光源阵列的光聚集。
光源可以是具有带有彩色滤光片的空间光调制器26的白色LED。可替选地，颜色光源可以是交错的(例如拜耳(Bayer)格式)，并且散焦(或稍微消除)会使照明模糊，因此由所有颜色对26上的每个像素照明。
图19A和图19B示出了一种架构，其中，图像调制器的照明是部分的并且被扫描，但是在照明光阑与出射光阑之间没有“光瞳成像”。在该配置中，照明宽度1125必须比所需光阑5的宽度1127更宽。图19A示意性地示出了扫描镜1120被居中以对SLM 6的中心进行照明的架构。来自光源1的光被聚焦在6的中心。
当镜1120被扭动以对SLM 6的下部照明(如图19B所示)时，5上的照明光斑被移动。因此，较宽的照明1125使得在所有调制器照明替选方案上能够有效地照明出射光阑5的整个孔径，但是以光阑处的较高照明损耗为代价。
在图20中描绘了基于这些原理的实现方式的示意呈现，其中，剩余结构本质上类似于图2A的从PBS 22并沿光学路径向前的结构。
图21示出了使用未放置在光瞳图像或焦平面处的光源阵列1100的替选架构。在该布置中，仅“有效”光线(示出)最终会耦合到波导中，而“无效”光线(如箭头所示)则不会耦合到波导中。这是简单的布置，但是也与高功率损耗相关联。
图22示出了另外的简化的布置，其中，图像调制器26是透明空间光调制器，最优选地是LCD，其具有附接到其的分布式光源1100(具有偏振器)。该布置需要仅一个PBS 28。调制器到光学棱镜1150的直接附接实现改善的散热(这对于透明LCD实现方式通常是重大设计挑战)，同时由间隔物24A和/或24B控制聚焦。对于特别简单但具有增加的功率损耗的实现方式，单个照明器可以代替分布式照明器1100。
图23A至图23B示出了用于组合发射器阵列的替选配置。发射器(LED或OLED)1100的矩阵将以宽角度分布发射光，这通常导致更高的照明损耗。在所有先前的配置中，可以使用替选的照明架构1101。该配置包括用于每个发射器的聚光器。发射器通常包括一个白色光源或多个独立的颜色光源(例如，R LED、G LED、B LED)。优选地，为了集成简化，所有光源都放置在一个PCB上。优选地，根据投影仪的光学布置的要求，使聚光器倾斜(如图所示)。例如，对于上面图18中的照明源10b，照明架构1101在该情况下是最佳的。
存在各种方法以生成对图像调制器上的照明的扫描。作为上面讨论的扫描镜布置的替选方案，可以通过弯曲照明光纤的稍端来生成扫描光束。可以使用各种布置来产生柔性光纤稍端的偏转，以便生成对跨空间光调制器的区域的所需的照明模式的扫描。图24仅示意性地示出了通过保持光瞳成像而在照明能量方面被认为特别有利的一种替选方案。
在图24A中，平面2100(等同于图17中的位置1100)是平面6的图像。光纤2105的稍端位于该平面内并在该平面内移动。该运动由装置2110生成，装置2110可以是压电致动器，然而也可以使用其他机电致动器。从光纤出射的光的角度宽度被设置成填充透镜2117之后的孔径2，从而对到波导5的所有入射口照明。透镜3将照明聚焦到成像器平面6上的光斑。如前所述，该光斑很大，以覆盖多个像素，并且通常覆盖成像器的大部分。在图24B中示出了具有最小气隙且基于可移置光纤稍端方法的光学实现方式的非限制性示例。唯一的气隙在光纤稍端附近，该光纤稍端可以有利地与相邻透镜2117结合被封装为封闭部件，从而便利于如前定义的没有任何部件间气隙的实现方式。
将理解的是，以上描述仅旨在用作示例，并且许多其他实施方式可以在所附权利要求中限定的本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种用于经由出射光阑投射准直图像的图像投影仪，所述准直图像是数字图像的表示，所述图像投影仪包括：
(a)空间光调制器，其提供像素元素的二维阵列，所述像素元素中的每一个能够被控制以调制由所述像素元素透射或反射的光的属性；
(b)照明布置，其向所述空间光调制器传送照明；
(c)控制器，其与所述空间光调制器和所述照明布置电子连接；以及
(d)至少一个光学元件的准直布置，其被配置成使来自所述空间光调制器的照明准直以生成被引导至所述出射光阑的准直图像，
其中，所述照明布置被配置成对所述空间光调制器的多个区域依次照明，每个区域包含多个所述像素元素，并且其中，所述控制器被配置成同步控制所述像素元素和所述照明布置，以便投射具有与所述数字图像对应的像素强度的准直图像，其中，所述照明布置传送来自照明光阑的所述照明，所述图像投影仪还包括部署在所述照明光阑与所述空间光调制器之间的光学路径中的照明光学器件，其中，所述照明光学器件和所述准直布置被配置成使得所述照明光阑的图像中的光线的至少一半落在所述出射光阑上。
2.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述照明光学器件和所述准直布置被配置成使得所述照明光阑的图像中的光线的至少80％落在所述出射光阑上。
3.根据权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述照明布置包括被部署成对跨所述空间光调制器的所述二维阵列的照明光束进行扫描的扫描布置。
4.根据权利要求3所述的图像投影仪，其中，所述照明光束跨越所述二维阵列的一个维度，并且其中，所述扫描布置以一维扫描模式来扫描所述照明光束。
5.根据权利要求4所述的图像投影仪，其中，所述控制器按跨所述二维阵列扫动的行序列更新所述二维阵列的像素元素，并且其中，所述扫描布置被同步以跟随在所述行序列的后面，在完成跨所述二维阵列的所述更新之前对更新图像的一部分进行照明。
6.根据权利要求5所述的图像投影仪，其中，所述照明布置被配置成在不同角位置生成至少两种不同颜色的至少两个同时光束，并且其中，所述控制器在所述光束中的第一光束与所述光束中的第二光束的通过之间更新所述二维阵列的像素元素。
7.根据权利要求3所述的图像投影仪，其中，所述扫描布置以二维扫描模式来扫描所述照明光束。
8.根据权利要求3所述的图像投影仪，其中，所述扫描布置包括光纤的稍端和被部署成用于移置所述光纤的所述稍端的致动器。
9.根据权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述照明布置包括用于对所述多个区域照明的多个独立可切换照明源。
10.根据权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述控制器被配置成：
(a)确定与所述二维阵列的所述区域中的每一个对应的所述数字图像的一部分中的数字图像的像素的最大需求强度；
(b)确定用于所述区域中足以生成所述区域内相应的最大需求强度的至少一个区域的降低的照明水平；
(c)生成用于所述至少一个区域内的像素的修改的像素强度图，以用于基于所述降低的照明水平来生成需求的投射图像强度；以及
(d)激励所述照明布置以对具有所述降低的照明水平的至少一个区域进行照明，同时根据所述修改的像素强度图来激励所述至少一个区域内的所述像素元素。
11.根据权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述照明光学器件和所述准直布置使用反射光学部件来实现，并且其中，从所述照明光阑到所述出射光阑的光学路径被实现成没有部件间气隙。
12.根据权利要求1或2所述的图像投影仪，还包括部署在所述照明光阑处的漫射体。
13.根据权利要求1或2所述的图像投影仪，还包括扫描布置，所述扫描布置被部署成生成在所述照明光阑处扫描一定范围的角度的照明光束。
14.根据权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述空间光调制器是反射空间光调制器，并且其中，通过在平行于所述空间光调制器的平面的表面处内反射，随后通过在被定向成与所述空间光调制器的所述平面成基本上30度的角度的分束器处反射，照明被朝所述空间光调制器引导。
15.根据权利要求1或2所述的图像投影仪，还包括光导，所述光导被形成为具有用于支持投射图像的通过内反射的传播的至少一对平行面的透明材料块，其中，所述出射光阑是所述光导的入射口。
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