CN113557453A - 用于光束的空间和角度均匀化的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种成像投影系统，该系统可以将均匀的照明投影到调光器上，同时保持点扩散函数较小。傅立叶光学系统可以插入在两个均匀化结构之间，使得当光通过该系统时，光的输出在空间上的空间和角度的空间上都是均匀的。

Description

用于光束的空间和角度均匀化的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于光束的空间和/或角度均匀化的方法和/或系统。

背景技术

在成像投影领域，现有的投影仪通常基于调光器技术，例如各种类型的空间调光器，如光阀(LCD、DLP或LCOS)或微镜器件(DMD)。整个调制器，诸如光阀，被尽可能均匀地照亮，并在不需要的地方阻挡光线。这样做的缺点可能是：

1/对于普通视频信号，由于调制器将抛弃图像不需要的所有光，因此浪费了大量光能。

2/遮光的能力并不完美，并且当图像应该是黑色的时候，仍然有少量的光泄漏通过图像。这可能会降低对比度，因为完全为黑色的图像的显示并不是完美的黑色(纯黑色)。

目前，存在对包括投影显示器的显示器的期望是能够产生更宽的对比度动态范围。这意味着更暗的黑色水平和更高的峰值亮度水平，这可以使更多的细节在图像的较暗的区域或黑色的区域中能够被区分，并且能够更充分地表示非常明亮的图像高光。然而，并不期望平均图像亮度水平大幅度提高，因为这将主要迫使眼睛适应更高的水平(这可能是痛苦的)，而不会获得感知的动态范围方面的益处。

通常，在增加峰值亮度水平时，也会增加黑色或最暗的照明水平。在典型的图像中，在这个水平附近，有更多的信息进行编码，因此以这种方式丢失细节是非常不期望的。替代地，在US5978142中提出了两个调光器的级联。尽管这种方法有效地降低黑色漏光，但是由于第一调光器(例如成像光学器件、(反射)镜等)中的损耗很容易将峰值亮度水平降低50％，因此它将会显著影响通光效率。

此外，在典型的高动态范围信号中，峰值亮度水平与平均亮度水平之间的比变得更大，因此会阻挡更大量的光能。

一种HDR投影仪的更高效的实现方式可以是其中仅第二调光器是光阀型的，并且其中第一调光器仅在需要的地方分配光或使光转向。对于相同量的照明光输入，这样的方案既能提供更暗的黑色水平，又能提供更亮的峰值白色水平。WO2015054797提出了这样一种方法，其中第一调光器是基于相位调制的LCOS装置。

Hoskinson和Stoeber在2008年发表于美国光学学会(Optical Society ofAmerica)的论文中描述了一种使用模拟MEMs装置作为第一调光器的方法：“使用辅助MEMS镜阵列的高动态范围图像投射(High-dynamic range image projection usingauxiliary MEMS mirror array)”。

在光转向投影仪中，在第一调光器的位置处的任何光分布都可以转换为在第二调光器处的期望的光分布。然而，仍然希望光在第一调光器上的分布是均匀的。这将分散第一调光器上的热负载，并最佳地利用器件的分辨率和光学扩展量(集光度)。

对于具有高斯轮廓的圆形光束，第一调光器上的峰值功率照明负载可以是具有顶帽(top-hat)状均匀矩形照明轮廓的峰值功率照明负载的倍数。图1A)示出了表示具有高斯轮廓的圆形光束的投影的圆，该圆形适配到均匀的16：9矩形中。光束圆仅覆盖矩形的总面积的44％。这可能会使局部温度远远超出器件的正常工作范围和/或显著缩短使用寿命。如果圆形光束的光均匀分布在矩形内，如图1B)中所示的那样，则将是优选的。

尽管在计算所需的光转向时可以校准和考虑不均匀的照明轮廓，但是轮廓的稳定性将是至关重要的。例如，如果将多个离散的激光源组合以照亮第一调光器，则可能的是，在离散的激光源之间的温差效应或老化效应导致在器件的寿命期间难以预测的、改变的照明轮廓。

因此，优选地，来自多个离散的激光源的光束被适当地混合，使得每个光源都对第一调光器上的所有位置的贡献相等且均匀。另一个优点是，这将最大限度地减少图像中的激光散斑效应，特别是如果对于各个原色结合来自略微不同波长的激光。

此外，照明光束的角度扩展会影响性能(表现)。在理想的情形下，激光光束被完美地准直，使光束的所有部分在同一方向上传播。然后，光学系统可以将光束聚焦到单个焦点上。然而，现实生活中的激光源不能提供完全准直的光束，而可能有一定程度的发散，或围绕传播轴或光轴的角度扩展。因此，当试图聚焦光束时，这种光传播将作为光轴周围的模糊的点而可见。这种扩展可以被称为系统点扩散函数(PSF)。

在光转向系统中，焦点可以位于中间图像平面，例如位于距离第一调光器一段距离处的静止或移动的扩散器处。由于光束发散，中间图像平面处的光斑将具有有限的尺寸。然后，在中间图像处(并且因此在最终图像中)的光转向束斑的最小尺寸可以是根据第一调光器位置处的角度扩展和第一调光器与中间图像平面之间的距离的。在典型构造中，第一调光器的照明的角度扩展可以小于+/-0.1°。系统PSF还可以在用于计算中间图像处的真实亮度水平轮廓的校准步骤中使用。对于多个光源，温度差或老化差可能改变激光或光能在角度空间中的分布方式，从而使点扩散函数中的亮度分布将会发生变化。因此，由于校准步骤的稳定性取决于照明光的角度扩展的稳定性，因此，期望最小化诸如温度和老化之类的特性的差值的影响。

图2示出了具有角度扩展21的、未完全准直的光或激光束20。其被调光器22反射以在位于中间平面24处的移动扩散器23上形成中间图像。移动扩散器23上的光束斑具有围绕理想焦点26(在光轴处)的扩展(扩散)25。扩展25可以用点扩展函数来描述。图2还包括入射光束27、28，上述入射光束27、28具有类似的角度扩展，因此促成大致相同的PSF。

图3示出了如何通过准直(实线箭头)或成像(虚线箭头)来改变角度和空间光分布。如果光经由光纤传送并且来自光纤的光准直到第一调光器上，则由光纤发射的光的角度亮度轮廓31决定相位调制器上的空间光分布32。由光纤发射的光的空间分布30在相位调制器上转化为角度光分布33，并且因此可以直接地与点扩散函数的形状相关联。如果将光纤出口处的光成像到相位调制器上，则光的空间均匀性30将决定投射在相位调制器上的光的空间均匀性32。光的角度均匀性31决定了投射在相位调制器上的光的角度均匀性33，从而决定点扩散函数的形状。

在两种情况下，光纤出口处的光的空间和角度分布都是关键参数。

当照明角度轮廓是平滑的时(例如，高斯)，则可以改善成像投影系统的校准。另一方面，如果照明角度轮廓是非常不规则的，则实际PSF位置与假定PSF位置之间的对准的微小差异可能产生实际调光器照明与设想调光器照明之间的大差异。最后，这会在最终图像中产生较大的误差。图4A示出了平滑亮度水平轮廓的示例，且图4B示出了其中亮度水平随角度突变的不规则亮度水平轮廓的示例。这些只是横截面，对于亮度水平随角度平滑变化的要求在二维上应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于光束的空间和/或角度均匀化的方法和/或系统。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种用于与光源一起使用的提供均匀光束的系统。该系统可以包括至少两个均匀化结构，例如第一和第二均匀化结构或至少第一和第二均匀化结构。任何或所有的均匀化结构可以是例如光纤，各均匀化结构具有输入(部)和出口、即各具有输入平面和出口平面。该系统还可以包括具有第一焦点和第二焦点的傅立叶光学系统。光源、第一均匀化结构、傅立叶光学系统和第二均匀化结构可以彼此紧接且连续地放置。傅立叶光学系统可以被定位成使得第一均匀化结构的出口(或出口平面)可以与傅立叶光学系统的第一焦点重合，并且第二均匀化结构的输入(例如，输入平面)可以与第二焦点重合。

附加地或替代地，两个第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个可以包括具有矩形形状的横截面区域。

附加地或替代地，第一和第二均匀化结构中的至少一个可以具有横截面区域，而调光器可以具有图像区域，第一和第二均匀化结构中的至少一个的横截面区域的长宽比可以与调光器的区域的长宽比相同。调光器可以是空间调光器或光阀，空间调光器或光阀中的任一个可以是透射型或者反射型。

附加地或替代地，第一均匀化结构可以以一弯曲半径弯曲。附加地或替代地，第一均匀化结构可以在不同的时间点采用不同的弯曲半径。

附加地或替代地，第一和第二均匀化结构中的至少一个可以是常规的积分器。该至少第一和第二均匀化结构可以是常规的积分器。附加地，该系统可以包括扩散器，扩散器可以位于可以放置光源的位置和第一均匀化结构之间。

在本发明的另一个实施方式中，提供了一种与光源一起使用并提供均匀光束的方法，该方法利用例如为光纤的至少两个均匀化结构，每个均匀化结构具有输入(部)和出口、例如输入平面和出口平面，以及具有傅立叶光学系统，该傅立叶光学系统具有第一焦点和第二焦点。该方法可以包括将光源、第一均匀化结构、傅立叶光学系统和第二均匀化结构彼此紧接且连续地放置。还可以包括将傅立叶光学系统定位成使得第一均匀化结构的出口(或出口平面)与傅立叶光学系统的第一焦点重合，并且第二均匀化结构的输入(例如，输入平面)与傅立叶光学系统的第二焦点重合。

附加地或替代地，第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个可以具有横截面区域，并且该方法可以包括将上述区域构造成矩形形状。

附加地或替代地，第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个具有横截面区域，并且调光器可具有图像区域，其中该方法可包括将至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个的横截面区域的长宽比构造成与调光器的区域的长宽比相同。

附加地或替代地，该方法可以包括以一弯曲半径来弯曲第一均匀化结构。附加地或替代地，弯曲半径可以随一频率变化(即，沿第一均匀化结构周期性地变化)。

附加地或替代地，该方法可以包括将至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个实现为常规积分器。附加地，可以有扩散器，且该方法可以包括将扩散器置于用于光源的位置和第一均匀化结构之间。

在本发明的另一个实施方式中，提供了一种与光源一起使用并用于提供均匀光束的光学组件。该系统可以包括例如光纤的至少两个均匀化结构，每个均匀化结构具有输入(部)和出口、例如输入平面和出口平面。该系统还可以包括具有第一焦点和第二焦点的傅立叶光学系统。并且光源、第一均匀化结构、傅立叶光学系统和第二均匀化结构可以彼此紧接且连续地放置。傅立叶光学系统可以定位成使得第一均匀化结构的出口(例如，出口平面)与傅立叶光学系统的第一焦点重合，并且第二均匀化结构的输入(例如，输入平面)与傅立叶光学系统的第二焦点重合。

附加地或替代地，至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个可以包括具有矩形形状的横截面区域。

附加地或替代地，至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个具有横截面区域，并且调光器可具有图像区域，该至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个的横截面区域的长宽比与所述调光器的区域的长宽比相同。

附加地或替代地，第一均匀化结构可以以一弯曲半径弯曲。附加地或替代地，第一均匀化结构可以在不同的时间点采用不同的弯曲半径。

附加地或替代地，该至少第一和第二均匀化结构中的至少一个可以是常规的积分器。附加地或替代地，光学组件可以包括扩散器，并且扩散器可以放置在用于光源的位置与第一均匀化结构之间。

在涉及本发明的一个独立方面的另一组实施方式中，提供了一种与光源一起使用的图像投影系统，上述图像投影系统包括调光器和均匀化结构，上述均匀化结构具有细长的形状，并且适于从光源接收光并将光引导到调光器上，其中，均匀化结构具有矩形结构、例如矩形横截面和一个或多个弯曲(部)。

均匀化结构可以包括具有最短边的横截面区域，并且每个弯曲半径比所述横截面区域的最短长度大至少200到1000倍。

均匀化结构可以具有横截面区域，该横截面区域是矩形的。

均匀化结构可以包括具有角部的横截面区域，其中，每个角部的形状以一曲率半径进行倒圆。

均匀化结构可以具有横截面区域，并且调光器可以具有图像区域，并且上述均匀化结构的横截面区域的长宽比与上述调光器的图像区域的长宽比相同。

在另一方面，本发明提供了一种与光源一起使用并在图像投影系统中扩散光的方法，上述图像投影系统包括调光器和均匀化结构，上述均匀化结构具有细长的形状，并且适于从光源接收并将光引导光到调光器上，其中该方法包括在一个或多个位置中弯曲均匀化结构。

均匀化结构可以包括具有最短边的横截面区域，并且上述方法包括将每个弯曲半径构造成比横截面区域的最短长度大至少200到1000倍的步骤。

均匀化结构可以具有横截面区域，并且上述方法包括将横截面区域构造成矩形。

均匀化结构可以包括具有角部的横截面区域，上述方法包括将每个角部构造成限定曲率半径的倒圆的形状。

均匀化结构可以具有横截面区域，并且调光器可以具有图像区域，该方法包括将均匀化结构的横截面区域的长宽比构造为与上述调光器的图像区域的长宽比相同。

附图说明

图1A和图1B示出了照明光束的横截面。

图2示出了具有围绕光轴的空间扩展和角度扩展的非理想准直的照明光束。

图3示出了光束的准直或直接成像如何影响其角度和空间光分布。

图4示出了平滑的和不规则的亮度分布轮廓。

图5示出了进入均匀化结构的四个子光源。

图6A和图6B至图8A和图8B示出了本发明的包括空间和角度光分布图表的实施例。

图9A和图9B示出了本发明的包括角度光分布图表的实施例。

图10示出了本发明的包括角度光分布图表的实施例。

图11示出了本发明的包括空间和角度光分布图的实施例。

图12至图14示出了本发明的包括双极均匀化结构系统的实施例。

图15示出了本发明的包括用于双级均匀化结构系统的空间和角度光分布图表的实施例。

定义

“点扩散函数”(PSF，point spread function)描述了由于光束发散而在光束的表面上在焦点附近的光的扩展或模糊。PSF的空间分布可以对光在其上在物理表面上扩展的区域进行描述。角度光分布可以描述光束撞击(照射)在物理表面上的不同角度。

“光纤”可以是由透明材料、诸如玻璃、二氧化硅或塑料制成的柔性纤维。光纤的直径通常在亚毫米范围内。

“光学扩散器”或“扩散器”可以是能够在任意方向上散射光的光学部件。

“调光器”可以是能够调制撞击(照射)于其上的光束的光学部件。一种调光器可以被称为“幅度调制器”，其可以调制入射光的幅度。这可以通过诸如液晶显示(LCD)、数字光处理(DLP)或硅基液晶(LCoS)、数字微镜器件(DMD)或任何其他可以引入光束的可控幅度变化的技术来实现。另一种调光器可以被称为“相位调制器”，其可以调制入射光的相位。这可以通过诸如LCoS、微机电系统(MEMS)之类的技术，或者可以引入光束的受控相移的任何其他技术来实现。

“均匀化结构”是能够对光束进行均匀化的光学部件。其通常是细长的，有入口或输入和出口或输出。当光束被插入或输入到均匀化结构中时，其在均匀化结构的内壁上反射。均匀化结构的反射特性取决于其几何形状和其制造材料。例如，由熔融石英或玻璃制成的积分棒通常具有正方形或圆形横截面。替代地，其可以是具有高折射率芯的光纤，其具有被低折射率包壳材料包围的矩形、正方形或六边形横截面。

“均匀”：对于空间光分布，如果在每个位置上亮度水平都优于光束横截面上的平均亮度水平的70％、优选地优于80％，则可以说亮度水平是均匀的。

对于角度光分布，如果其是恒定的或平滑的(单调的，没有局部最大值)，则从该范围内的不同角度观察到的亮度是均匀的。例如，这可以是具有在最边缘附近的斜升和斜降的高斯分布或是顶帽状分布。分布的中间的波纹优选小于5％，或更优选小于2％。

“傅立叶变换光学系统”是能够根据傅立叶变换对光束进行变换的光学部件的系统。例如，如果线性空间中的光的分布进入在傅立叶系统中，则输出可以描述为类似的光在例如频率空间或角空间的分布。

具体实施方式

将参考特定实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求书限制。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。当在本说明书和权利要求书中使用术语“包括”时，它并不排除其它元件或步骤。此外，说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等用于在相似的元件之间进行区分，而并不一定用于描述一个序列或时间顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中描述的本发明的实施例能够以不同于本文中描述或说明的顺序的其他顺序操作。

根据本发明的实施方式，光转向系统可以具有用提供均匀矩形光斑且具有平滑角度光分布的光束照明的第一光调制器。在光源包括多个离散的激光源的情况下，这些光源优选地适当地混合。在理想的情况下，每个光源对第一调光器上的每个位置都有均匀的贡献，同时对整个角度范围也有均匀的贡献。这样，系统可以变得对单个光源的光功率降低(或故障)不那么敏感。另外，如果叠加具有多个波长的光束，则可以借助波长分集来减少散斑图案。

照明的空间分布可以决定光能在图像的不同高光区域上如何分布。如果该空间照明轮廓发生变化，则不同高光上的光分布将波动、例如一些高光区域将变得更亮，而其他区域则变得更暗。可以对光转向束使用相位算法，以降低对不均匀和/或变化的输入照明光束的灵敏度，上述相位算法可以包括来自不同位置混合光。如果每个高光区域从面板上的每个位置获得光，则可以在很大程度上消除相位面板的照明的不均匀性。然而，更高效的相位算法(参见WO2015184549)试图最小化转向角并将，例如，优选地将相位面板上的右上角的光送往中间图像中右上角中的高光。为了能够使用这些更高效的算法，重要的是要保证相位面板上均匀且稳定的照明。

如图3所示，角度光分布确定由中间图像处的点扩散函数描述的照明光的形状(其等于最小聚焦高光的形状)。如果角度光分布轮廓发生变化，则点扩散函数内的照明光的分布也会发生变化。这可能导致高频亮度水平的变化，并从而导致RGB全色系统中的颜色变化。

优选在空间域和角度域两者中向第一调光器传送稳定的光轮廓的照明光的适当均匀化。理想情况下，不考虑其入口处的光的特征，均匀化结构提供这种均匀性。如果在其入口处耦合多个激光源，则每个激光源将优选地对相位调制器处的每个位置和每个角度相等地贡献，从而消除温差和老化效应，并将激光散斑最小化。

WO 2012139634中公开了改善单个激光源的阵列的空间和角度均匀性的方法，其公开了包括两个积分器级的系统。两个积分器级可以分别有扩散器在前，并且第一积分器级的输出可以成像到在第二积分器级的前方的扩散器上。

对于光转向投影系统，期望将点扩散函数保持得小，因为这使得可以解决(表达)图像中的小高光特征。因此，入射在第一调光器上的照明光束的角度扩展优选地保持得较小。但是，常规的均匀化结构、诸如实心棒积分器或空心光管，只有当光束具有足够的角度扩展和/或积分器或管很长时，才能适当地混合进入的光束。因此，常规的棒积分器或光管可能不适用于光转向的投影系统。

然而，如果常规长度的积分棒的横截面足够小，就可以用其获得可行的角度扩展。例如，它可以比第一调光器的尺寸小约100倍。然后，在第一调光器处的+/-0.1°的扩展角可以在积分器棒处转换为+/-10°的扩展角，这可以足以在有限的长度上提供良好的积分。例如，该长度可以是积分器棒高度的50-100倍。假设第一调光器的高度为1cm左右，那么积分棒的高度为100μm(最小长度可以是5至10mm)。

具有上述小横截面的积分棒可以使用例如具有矩形、正方形或六边形横截面的熔融石英芯的光纤来实现。例如，莱尼(Leoni)提供多模特种光纤(https://www.leoni-fiber-optics.com/en/products-and-services/fibers/multimode-sp ecial-optical-fibers/)。可以生产定制的横截面。

这些光纤在其输出(部)处传递顶帽强状度分布。输出可以被成像到第一调光器上，并且可以实现(整个)第一调光器上的均匀亮度分布(如果光纤具有与调制器相同的形状)。

理想矩形光纤(即具有矩形横截面的光纤)将在水平和垂直方向上反映(反射)其输入处的角度光分布，但不会发生角度均匀化。如果多个光源以来自不同角度的输入耦合，则输出的图像可能包括离散的(光)源之间的角度间隙。

实施方式一，光纤

图5示出了光源，该光源包括四个子光源50，它们在与本发明的各实施方式一起使用的光纤52的入口处从4个不同的角度(例如，相对于法线或光轴51呈三度)耦合。子光源光束在输入(平面)53处叠加。子光源光束跨+/-1.5度的角度，因此，在角度空间中存在间隙。输入处的光分布既不是空间均匀的也不是角度均匀的。基于上述测量，模拟了空间和角度辐射图。该结果可以用空间和角度辐射分布图表来表示，其中，x轴和y轴各自在线性空间和角度空间中延伸。右手侧的强度级别代表了辐射度。

在输入53处，光源50传递不均匀的照明光斑，如图6A中的空间分布图表所示。具有上述尺寸的光斑的直径约为20μm。图6B示出了对应的角度光分布，其包括角度空间中的间隙，即在这些角度或方向上没有辐射。

图5和图6的光束可以输入矩形光纤，其横截面例如为160×90μm，长度为20cm。图7A和图7B各自示出了在光纤的输出平面处的空间和角度辐射分布。因此，图7A中的空间分布呈现良好的均匀性。然而，图7B中的角度辐射分布显示非均匀的角度光分布仍然是非均匀的。然而，由于矩形光纤在水平方向和垂直方向上都反射(镜像)了角度光分布，因此其在角度空间中混合了四个子光源。这意味着，如果其中一个子光源会失效，则角度轮廓至少会保持稳定。

实施方式二，不对称性

在输入处的子光或激光源可以布置成不对称的角度构造。这可以导致在输出(部)处的四个角度轮廓(或辐射分布)的叠加：

-没有反射(镜像)的输入轮廓

-只有水平反射(镜像)的输入轮廓

-只有垂直反射(镜像)的输入轮廓

-具有水平和垂直反射(镜像)的输入轮廓

通过考虑这种反射(镜像)效应，可以减小或消除在输出处的角度空间中的间隙。还应注意避免产生大面积的重叠。

图5的子光源可以以四个离散角度耦合到矩形光纤中，该四个离散角度围绕法向方向不对称地分布。角度光分布图表中的间隙可以选择为在尺寸上与每个输入源的角度覆盖范围相似。在图8A中可以看到在输入处得到的角度光分布。图8B示出了在输出处的角度光分布。不同的子图像包括图8A中的输入角度光分布以及水平和/或垂直反射(镜像)的图像的角度光分布。所得到的角度光分布是没有间隙的。一些重叠仍然对某些角度产生较高的强度。

然而，由于镜像图像现在具有最小的重叠，四个光源不再在角度空间中混合。每个(光)源都有自己的四个输出点，温差或老化效应将导致角度光分布的变化。

实施方式三，弯曲

本发明的实施例可以是有益的，因为它们引入可控的扩散量以获得光束的混合。光纤的弯曲可与本发明的其他实施例一起使用，但其涉及本发明的一独立的、孤立的实施例。

由于光纤积分棒的横截面很小，常规的扩散器已不再能使用。扩散器的晶粒尺寸需要比光纤的横截面小得多，并且扩散器需要非常接近光纤入口，以免散出任何光。更复杂的是极大的功率密度。

发明人已发现通过稍微弯曲光纤可以在其中引入受控的扩散。由于镜像(反射)效应，沿一方向的弯曲将导致角度空间中的分布的对称增加。因此，最终的角度光分布将是进入的角度光分布+/-几度。

通过将矩形光纤布置成三维的S形，可以在角度空间中沿x轴和y轴增加扩散。围绕水平轴的扩散的量可以选择为与围绕垂直轴的扩散的量一致或不同。

图9A示出了上述示例性光纤已如何在水平和垂直方向上以弯曲半径10cm弯曲。此外，使用四个如图5中所示的子光源，输出处的角度光分布不呈现间隙，见图9B。空间光分布(此处未示出)也保持均匀。此外，弯曲可以随时间变化(即，振动)，以产生与移动的扩散器等同的效果。这可以减少输出图像中的光散斑效应。

每当光纤改变其弯曲方向时，扩散角就增大。所增加的扩散的量是根据弯曲半径的。与普通高斯扩散器的级联一样，其效果不是累加的，而是由扩散角度的二次方之和的平方根给出的，如公式1所示。

图10示出了本发明的一示例性实施方式，其包括(例如矩形的)光纤100，其中各角度在光纤的一维垂直S形弯曲上逐渐演变。示出了在光纤上从左到右的七个点(标记为“1”至“7”)的角度光分布101至107。在点1处的直光纤部分之后，初始角度光分布101与在光纤入口处发射的角度光分布相同。在点2处的第一弯曲的开始处，光线从直光纤部分过渡到弯曲光纤部分，使得反射角增大，并且角度光分布102开始沿一个方向扩张。当光沿着具有恒定弯曲半径和弯曲方向的光纤继续传播时，由在光纤的一侧反弹(反射)的光引起的角度增加由在光纤的另一侧反弹(反射)的光引起的角度减小补偿，并且总角度分布不再扩张。然而，通过垂直间隙开始被填充，可以看到点103上的垂直镜像效果。在点104中，镜像(反射)操作完成(垂直间隙被填充)。每当弯曲方向改变时，都会重复此效应，并且结果与增加附加的扩散器的结果对应。从点5到点6再到点7，可以逐渐看到垂直扩散的增强的效应。但是由于公式(1)的平方根定律，点7处的第四次弯曲的影响相对较小。相同类型的S形弯曲也可以在另一个方向上应用，以获得水平扩散。

有人观察到，每当光纤从直部段过渡到弯曲部段时，就会增加一定量的一维扩散。扩散的量可以与弯曲半径有关。以相同的弯曲半径和弯曲方向继续前进将不再影响角度光分布。但是将光纤弯曲回直的形状，然后将它沿相反的方向弯曲可以进一步增加扩散的量(尽管不是以线性的方式)。因此，通过控制光纤的轨迹和弯曲半径，可以定制出所需的扩散的量。

光纤的弯曲半径可以是比其高度大200到1000倍，例如对于0.1mm光纤高度为100mm弯曲半径。第一弯曲(点4)之后的角度可以扩张大约+/-0.75度。在全S曲线(点7处)之后的角度可以扩张大约+/-1.5度。

实施方式四，倒圆的横截面角部

目前的光纤生产工艺可能导致光纤具有倒圆的横截面角部，因此这些角部具有曲率半径。因此，可能需要过量填充以将倒圆的横截面角部保持在第一调光器的有效区域之外，这将导致光损耗。可以期望最小化光纤横截面角部的倒圆，以最小化这种光损耗。

然而，横截面角部的倒圆可以在角度空间中引入径向混合的效果。因此，可以不再需要在水平和垂直方向上应用弯曲来产生充分的扩散效果。在任意方向上引入弯曲可以是足够的，并且倒圆的横截面角部将提供径向混合。例如，横截面角部的倒圆半径可以优选地小于光纤宽度的5％，以使过量填充最少化。但是优选地，半径仍然足够大，例如大于光纤宽度的1％，以在1-2米的有限长度上引入足够的径向混合。

具有角部倒圆的单根矩形光纤可以在三个层次上引入混合：

1/在矩形横截面上的空间均匀混合，在输出处提供均匀的矩形(可能具有倒圆的角部)。

2/通过弯曲光纤来进行的轴向角度均匀混合。弯曲的量应最小化到足以闭合相邻的激光二极管之间的轴向距离。

3/由于倒圆的横截面角部而可能导致的径向角度均匀混合，从而消除了沿径向方向相邻的二极管之间的角度空间中的间隙。

实施方式五，直光纤

在一个示例性的实施例中，提供了一种直光纤，例如，横截面为315×166μm，具有半径为例如50μm的角部倒圆，且长度为1米。

点光源、诸如在水平和垂直方向上具有+/-6.5度的正方形角度轮廓的激光器定位成将光投射到光纤中。点光源可以位于光纤入口前300μm的距离处，使得在入口处有缩小的区域，例如，只有66×66μm的区域被照亮。

图11示出了本发明的一个实施方式，该实施方式包括上述光纤110和分别在各个点1至7处演变的空间光分布轮廓111至117和角度光分布轮廓121至127。点1到7分别位于光纤入口处、距离光纤入口1cm、5cm、10cm、20cm、50cm、100cm处。表1中汇总了各个位置的成员(情况)。

在1cm之后的点1处的空间均匀性112尚不完善。以及在角度光分布122中说明的对应的径向混合也是不完整的。在5cm之后的点3处，空间均匀性几乎是完美的，并且在10cm之后的点4处，如在角度光分布124中所见，径向混合也几乎完成以完全覆盖。。

在本示例中，横截面角部倒圆相对大(半径为光纤宽度的15％)。然而，由于径向混合量预计与半径/宽度比成比例，而且我们看到在10cm之后有适当的角度混合，即使比例小10倍(例如半径是光纤宽度的1.5％)，光纤也预计在1米的长度上提供足够的径向混合。

表1

实施方式七，双级均匀化，准直器

附加地或替代地，在本发明的另一个实施方式中，可以通过实施包括“光纤”或“积分器棒”以及“傅立叶变换光学器件”或仅“傅立叶光学器件”的双级均匀化方案来改善空间和角度均匀性。这种傅立叶光学器件可以用作角度空间与线性空间之间的“转换器”。傅立叶光学器件可以定位成使得第一均匀化结构的出口与傅立叶光学器件的第一焦点重合，并且第二均匀化结构的输入与傅立叶光学器件的第二焦点重合。在第一阶段的出口处，可以获得良好的空间均匀性，但角度均匀性可能还不是最佳。傅立叶光学器件可以将在第一均匀化级的出口处的角度光分布转换成第二均匀化级的入口处的空间分布；并且，反之亦然(第一均匀化级的出口处的空间分布转换成第二均匀化级的输入处的角度光分布)。第二级固定了空间分布中的不均匀性，并且提供了空间上均匀的出口。这还维持了在其入口处呈现的均匀角度光分布，假设该分布的形状为正方形或矩形，并且角部足够锐利。因此，在双极系统的出口处，空间和角度均匀性两者被充分保证并且实际上与输入特征无关。多个(光)源在空间和角度上适当地混合，消除了温差或老化效应的问题，并且提供了最佳的降斑。在大多数情况下，(一个或多个)激光束的自然发散将足以在第一光纤级的合理长度上实现良好的混合。并且将不需要引入额外的扩散，该扩散会不必要地增加激光束的光学扩展量。如果激光束的束质量太好，则通过第一光纤级的受控弯曲、或通过在第一积分器棒前放置扩散器引入的小水平的扩散将足以在几厘米的合理光学长度上实现良好的混合。

傅立叶光学器件可以用例如光学透镜系统来实现。

专利申请WO2012139634公开了一种双均匀化结构方案。然而，在两级之间的光学透镜系统构造成将第一级的出口成像到第二级的入口上，并且在每级之前放置扩散器。

图12示出了本发明的一个实施方式，该实施方式包括具有双均匀化结构方案的系统130和傅立叶透镜131。在该实施方式中，来自第二均匀化结构136的输出可以被扩张并准直到调光器138上。源自光源132的光束(未示出)、例如激光，可以是方形并且具有子光源139，并且在其进入第一均匀化结构135、例如矩形积分棒或光纤之前穿过聚焦透镜133和静态或移动扩散器134。扩散器可以具有相当低的角度扩展，并且在这方面优选地适于与第一均匀化结构135、例如矩形积分棒或光纤一起工作。在第一均匀化结构135的出口处有傅立叶光学部件、例如傅立叶透镜131，然后光束在被准直透镜137准直到调光器138上之前，可以进入第二均匀化结构136、例如正方形积分棒或光纤。

系统130可以是光转向系统，其中调光器138是两个(或更多个)调光器中的第一调光器。替代地，系统130可以是常规的单调光器系统，其中调光器138是仅有的调光器。

如果第一均匀化结构135是矩形积分棒或光纤，其横截面的长宽比可以决定第二级的出口处的水平与垂直角度之比。在双极积分器(或均匀化系统)之后的准直透镜137可以在调制器138处将水平和垂直角度转化或转换成均匀的矩形点。在这种情况下，第一均匀化结构135优选为矩形，其长宽比与调制器138的长宽比相同。第二均匀化结构136的出口处的空间均匀性决定了准直之后的角度光分布。第二均匀化结构136可以是正方形，以在光转向系统中创建对称PSF。对于单调光器系统，正方形的均匀化结构136可以在光学路径中创建并近似圆形孔。

所需的第二均匀化结构的最小横截面由在第一光纤中发射的光源的角距(angular subtense)确定。在光转向系统中，该横截面优选地保持得尽可能小，以将点扩展散数维持得尽可能小。

尽管圆形或六边形点扩散函数可能更为优选，但不可能对第二均匀化结构使用圆形或六边形横截面几何形状，因为只有矩形或正方形光纤将维持第一级产生的角度光分布。此外，圆形横截面的几何形状也将不会产生所需的空间均匀性。

在用光纤实现第二均匀化结构的情况下，在横截面角部中的倒圆是不期望的，因为径向混合将干扰维持在该级的输入处呈现的水平和垂直角度光分布的要求。因此，希望将角部倒圆限制为可达到的最小限度，并将第二级的长度限制为获得足够的空间混合所需的最小长度。

实施方式七，双级均匀化，成像

图13示出了本发明的另一个实施方式，其中第二均匀化结构146可以是矩形，而第一均匀化结构145可以是正方形。源自光源142的光束(未示出)、例如激光可以是矩形的，并且具有子光源149，并且在其进入第一均匀化结构之前穿过聚焦透镜143和静态或移动扩散器134。静态或移动扩散器134可以具有低角度扩展，并且优选地适于与第一均匀化结构一起工作。在该实施方式中，来自第二均匀化结构146的输出可以借助成像透镜147直接成像到调光器148上。

对于具有光控的系统(包括至少两个调光器)，第一均匀化结构145然后可以确定中间图像中的点扩散函数的形状。对于单调光器系统，第一均匀化结构145可以在光学路径中创建和近似圆形孔。第一均匀化结构145优选为正方形或六边形形状。

第二均匀化结构可以提供径向(角度光分布)混合，上述第二均匀化结构包括具有横截面角部倒圆的光纤。其还可以将正方形或六边形的角度光分布转换为更期望的圆形分布。

如果光源阵列为例如圆形或正方形，则可以容忍第一均匀化结构中的横截面角部倒圆。然后，在第二均匀化结构的入口处将存在圆形(光)斑，该(光)斑可以与第二均匀化结构的形状(例如矩形)相匹配，但是会导致未使用的系统光学扩展量。

替代地，激光阵列可以具有矩形形状和适合调光器的长宽比的长宽比。为了维持矩形角度分布轮廓，第一均匀化结构应优选是正方形的，并且角部倒圆的角度和光纤长度应最小化。

实施方式八，双级常规均匀化结构

在本发明的另一个实施方式中，提供了一种两级均匀化或积分(均匀)系统，其包括两个常规积分器、例如熔融石英棒或空心光管(“积分器”)，在其之前是扩散部件(或“扩散器”)、以及包括中间成像(傅立叶)光学器件和调光器。“积分器”可以是“均匀化结构”。该设置可以类似于图12或13所示的设置。

常规的积分器的示例可以是空心光隧道https://materion.com/-/media/files/ precision-optics/data-sheets-2012/light-tunnel-data-sheet.pdf？la＝en&hash＝1 B2EE007DE55470622DCA2D0A90842D6EDD0C01A，或实心棒https://www.newport.com/f/ light-pipe-homogenizer。

激光源的阵列可以聚焦到第一正方形积分器中。第二积分器可以具有与调光器的横截面长宽比相匹配的矩形横截面长宽比。傅立叶光学器件可以放置在积分器之间，以将第一均匀化结构的输出处的角度光分布转化成第二均匀化结构的入口处的空间光分布(并且同样，第一均匀化结构的出口处的均匀空间光分布可以转化为第二均匀化结构的入口处的均匀角度光分布)。

为了利用第二均匀化结构的入口的所有可用的光学扩展量，来自激光阵列的光耦合所处的角度理想地也是非对称分布。如果激光阵列布置成与调光器具有相同横截面长宽比的矩形，并且如果第一均匀化结构为正方形，则可以实现这一点。以这种方式，维持了发射入其中的光的角度光分布，而对于例如六边形棒则不是这样的情况。

此外，静态或移动扩散器可以放置在第一均匀化结构之前，从而能够以最小的棒长度进行良好的混合。静态或移动扩散器可以具有低角度扩展，并且优选地适于与第一均匀化结构一起工作。然而，在第二均匀化结构之前不需要扩散器。

第一均匀化结构的横截面可以决定系统孔，在此该系统孔变为正方形而不是圆形。如果照明系统或投影透镜中的物理孔是圆形的，则上述系统正方形孔应适配于该圆形孔中。由未使用的光学扩展量引起的光损耗可以通过光束在积分器棒入口处的改善的适配和通过第二扩散器的消除来补偿。总体而言，光学扩展量得到了更好的利用，并且可以将更多的激光二极管耦合到系统中，或者可以增加系统的焦距比数(光圈数)，这进一步有利于投影仪的对比度并减小了光学部件的尺寸。

在优选实施例中，照明系统和投影透镜中的物理系统孔也是正方形的。

有利的是，阵列中的各个光源、例如激光二极管的混合在空间域和角度域两者中都是几乎完美的。例如，可以通过对每个波长仅使用一个光源、例如激光二极管来实现用于降斑的波长分集。通过WO 2012139634的方法，少数的光源、例如激光二极管将导致需要非常强的扩散器，以封闭具有相同波长的光源、例如激光二极管之间的角度间隙。强扩散器将增加PSF直径，这在光转向系统中是不期望的。需要注意的是，为了经由角度分集也能实现最佳降斑，建议使位于第一均匀化结构之前的扩散器移动或振动。

实施方式九，双极、光纤均匀化结构

图14示出了本发明的一实施方式，包括系统150，该系统具有第一均匀化结构151，例如矩形光纤，其横截面例如为160×90μm。系统150可以进一步包括第二均匀化结构152，例如，正方形光纤，其例如具有例如175×175μm的横截面。傅立叶透镜153位于两个均匀化结构之间，该傅立叶透镜153例如熔融石英球透镜，例如具有0.5mm的直径。两个光纤的长度都可以是例如30mm。

图15分别示出了相应的空间光分布161至165和角度光分布171至175。光源180可以是如图5所示的四光源设置。进一步示出了第一均匀化结构190的入口181和出口182。进一步示出了第二均匀化结构191的入口184和出口185。

在第一均匀化结构190的入口181处，空间分布161是例如40μm的方形照明点，其并没有完全充满矩形光纤的横截面。对应的角度光分布171示出与四(光)源相关的四个离散角度。

在第一均匀化结构190的出口182处，空间分布162是与矩形光纤横截面对应的均匀填充。然而，对应的角度光分布172保持为四个离散角度。这是因为对称的角度轮廓保持水平，而垂直镜像没有影响。

当光已通过球透镜183时，如箭头所示，空间和角度轮廓具有“切换位置”(带有一些轻微的失真和模糊)。因此，在第二均匀化结构191的入口184处，空间分布163现在在四个离散位置上扩展，并且对应的角度光分布173在一个填充的矩形中是均质的。

在第二均匀化结构191的出口185处，空间分布164是均匀的正方形轮廓，并且角度光分布174是与入口角度分布173相同的填充的矩形(因为没有水平和垂直镜像(反射额)的影响)。在第二均匀化结构是具有倒圆横截面角部的光纤的情况下，最终的空间和角度分布将各自表示为165和175。

因此，在输入处存在的角度轮廓中的间隙在不引入任何扩散的情况下闭合。由于傅立叶透镜的球面像差，在边缘附近可能观察到一些模糊。

即使四个光源中只有一个被激活(工作)，角度和空间输出分布仍然保持不变。当修改单个光源的耦合所处的角度时，情况也是如此。因此，即使在输入处的空间和/或角度光分布改变，图15中描述的设置也可以提供稳定的角度和空间分布轮廓。

因此，如果来自光源的不同原色的输入不同，则本发明可以提供每个调光器的均匀照明和每个原色相同的均匀点扩散函数。可以实现的最佳共同点扩散函数受具有最大光学扩展量的原色限制。

尽管已在上文中参照特定实施例描述了本发明，但是这是为了阐明本发明而非限制本发明而进行的。本领域技术人员将会理解，在不偏离本发明的范围的情况下，各种调整和对所公开的特征的不同的组合是可能的。

Claims (35)

1.一种与光源一起使用的提供均匀光束的系统，所述系统包括：

至少第一均匀化结构和第二均匀化结构，各个均匀化结构具有输入和出口，

傅立叶光学系统，所述傅立叶光学系统具有第一焦点和第二焦点，

所述光源、所述第一均匀化结构、所述傅立叶光学系统和所述第二均匀化结构彼此紧接地且连续地定位，

其中，所述傅立叶光学系统定位成使得所述第一均匀化结构的所述出口与所述傅立叶光学系统的所述第一焦点重合，并且所述第二均匀化结构的所述输入与所述傅立叶光学系统的所述第二焦点重合。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述均匀化结构是光纤。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一均匀化结构和所述第二均匀化结构中的至少一个包括具有矩形形状的横截面区域。

4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个具有横截面区域，并且调光器具有图像区域，所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个的所述横截面区域的长宽比与所述调光器的所述区域的长宽比相同。

5.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一均匀化结构以弯曲半径弯曲。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一均匀化结构在不同时间点采用不同的弯曲半径。

7.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构是常规积分器。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，包括扩散器，所述扩散器放置在所述光源与所述第一均匀化结构之间。

9.一种用于与光源一起使用并提供均匀光束的方法，包括：

至少第一均匀化结构和第二均匀化结构，各个均匀化结构具有输入和出口，

傅立叶光学系统，所述傅立叶光学系统具有第一焦点和第二焦点，

所述方法包括将所述光源、所述第一均匀化结构、所述傅立叶光学系统和所述第二均匀化结构彼此紧接且连续地放置，

以及将所述傅立叶光学系统定位成使得所述第一均匀化结构的所述出口与所述傅立叶光学系统的所述第一焦点重合，并且所述第二均匀化结构的所述输入与所述傅立叶光学系统的所述第二焦点重合。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括将所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构实现为光纤。

11.如权利要求9或10中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个具有横截面区域，所述方法包括将所述区域构造成矩形形状。

12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个具有横截面区域，并且调光器具有图像区域，所述方法包括将所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个的所述横截面区域的长宽比构造成与所述调光器的所述区域的长宽比相同。

13.如权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，包括将所述第一均匀化结构以弯曲半径弯曲。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述弯曲半径以一频率变化。

15.如权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，包括将所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构实施为常规积分器。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，包括扩散器，并且所述方法包括将所述扩散器放置在所述光源与所述第一均匀化结构之间。

17.一种用于与光源一起使用且提供均匀光束的光学组件，系统包括：

至少第一均匀化结构和第二均匀化结构，各个均匀化结构具有输入和出口，

傅立叶光学系统，所述傅立叶光学系统具有第一焦点和第二焦点，

所述光源、所述第一均匀化结构、所述傅立叶光学系统和所述第二均匀化结构彼此紧接地且连续地定位，

其中，所述傅立叶光学系统定位成使得所述第一均匀化结构的所述出口与所述傅立叶光学系统的所述第一焦点重合，并且所述第二均匀化结构的所述输入与所述傅立叶光学系统的所述第二焦点重合。

18.如权利要求17所述的光学组件，其特征在于，所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构是光纤。

19.如权利要求17或18所述的光学组件系统，其特征在于，所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个包括具有矩形形状的横截面区域。

20.如权利要求17至19中任一项所述的光学组件，其特征在于，所述第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个具有横截面区域，并且调光器具有图像区域，所述第一均匀化结构和第二均匀化结构中的至少一个的所述横截面区域的长宽比与所述调光器的所述图像区域的长宽比相同。

21.如权利要求17至20中任一项所述的光学组件，其特征在于，所述第一均匀化结构以弯曲半径弯曲。

22.如权利要求21所述的光学组件，其特征在于，所述第一均匀化结构在不同时间点采用不同的弯曲半径。

23.如权利要求17至22中任一项所述的光学组件，其特征在于，所述至少第一均匀化结构和第二均匀化结构是常规积分器。

24.如权利要求23所述的光学组件，其特征在于，包括扩散器，所述扩散器放置在所述光源的位置与所述第一均匀化结构之间。

25.一种用于与光源一起使用的图像投影系统，所述图像投影系统包括调光器和均匀化结构，所述均匀化结构具有细长形状，并且适于从光源接收光并将所述光引导到所述调光器上，其中，所述均匀化结构具有矩形结构和一个或多个弯曲。

26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述均匀化结构具有矩形横截面。

27.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述均匀化结构包括横截面区域，所述横截面区域具有最短边，并且各弯曲半径比所述横截面区域的最短长度至少大200到1000倍。

28.如权利要求25或27所述的系统，其特征在于，所述均匀化结构具有矩形的横截面区域。

29.如权利要求25至28中任一项所述的系统，其特征在于，所述均匀化结构包括具有角部的横截面区域，其中各个所述角部的形状是以曲率半径进行倒圆的。

30.如权利要求25至29中任一项所述的系统，其特征在于，所述均匀化结构具有横截面区域，并且所述调光器具有图像区域，所述均匀化结构的所述横截面区域的长宽比与所述调光器的所述图像区域的长宽比相同。

31.一种用于与光源一起使用并在图像投影系统中扩散光的方法，所述图像投影系统包括调光器和均匀化结构，所述均匀化结构具有细长的形状，并且适于从光源接收光并将所述光引导到所述调光器上，其中所述方法包括在一个或多个位置中弯曲所述均匀化结构。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述均匀化结构包括横截面区域，所述横截面区域具有最短边，并且所述方法包括将每个弯曲半径构造成比所述横截面区域的最短长度大至少200到1000倍的步骤。

33.如权利要求31或32所述的方法，其特征在于，所述均匀化结构具有横截面区域，并且所述方法包括将所述横截面区域构造成矩形。

34.如权利要求31至33中任一项所述的方法，其特征在于，所述均匀化结构包括具有角部的横截面区域，并且所述方法包括将各个角部构造成限定曲率半径的倒圆的形状。

35.如权利要求31至34中任一项所述的方法，其特征在于，所述均匀化结构具有横截面区域，并且所述调光器具有图像区域，所述方法包括将所述均匀化结构的所述横截面区域的长宽比构造为与所述调光器的所述图像区域的长宽比相同。

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