CN1297828C - 使用具有机电光栅装置的垂直腔面激光阵列的光调制装置 - Google Patents

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Abstract

一种用来提供调制光的装置，包括：一VCSEL阵列，从VCSEL阵列中的多个发射元件中产生照明光束；一机电光栅装置线性阵列，调制照明光束并且产生多个衍射级；一遮挡元件，遮挡多个衍射级中的至少一个；以及调节照明光束的装置，提供照射到机电光栅装置线性阵列上合适的纵横比，和/或除去不需要的空间内容。

Description

使用具有机电光栅装置的 垂直腔面激光阵列的光调制装置
发明领域
本发明涉及成像和其他光调制装置，具体涉及一种光学装置，调制来自VCSEL阵列和机电光栅装置(electromechnical grating devices)阵列的光。
背景技术
近来在数字成像方面的发展，包括利用作为一维空间光调制器的线性阵列。使用线性阵列形成的图像每次生成一行，然后将其在一表面上扫描以供显示或者打印之用。线性阵列已经被认为具有一些内在的优点，而优于使用面空间光调制器的二维液晶显示装置(LCD)和数字微镜显示装置(DMD)，其中包括获得更高分辨率，降低成本，以及简化照明光学部件的能力。特别地，在强调高颜色饱和度，优化的颜色色域，和良好的光强度的场合，机电光栅装置线性阵列是特别适合与激光光源共同使用，并且被认为在许多方面都优于其用来调制激光的二维相应装置。举例来说，光栅光阀(GLV)线性阵列，记述在Bloom等人的美国专利No.5311360中，于1994年5月10日公开，题目为“Method AndApparatus For Modulating A Light Beam”(“调制光束的方法和装置”)，是一种较早的线性阵列，为使用激光源的高亮度成像提供可用的解决方式。Bloom等人的美国专利No.5982553，于1999年11月9日公开，题目为“Display DeviceIncorporating One-Dimensional Grating Light-Valve Array”(“采用一维光栅光阀阵列的显示装置”)，公开了一种显示装置，其通过使用机电光栅装置的衍射线性光阀阵列来调制光。
最近，Kowarz于2001年10月23日公开、题目为“Spatial Light Modulator WithConformal Grating Device”(“有共形光栅装置的空间光调制器”)的美国专利No.6307663中描述了一种机电共形(conformal)光栅装置，包括通过中间支撑物的周期序列悬挂在一衬底之上的带状元件，机电共形光栅装置由静电激励操作，使得带状元件与支撑子结构相适应，从而形成光栅。’663装置作为一种共形GEMS装置在最近一段时间内已为人们所知，GEMS代表光栅机电系统。共形GEMS装置具有许多有吸引力的特征。它提供具有高对比度和高效率的高速数字光调制。另外，在共形GEMS装置的线性阵列中，有效区域相对大并且光栅周期取向为垂直于阵列的方向。光栅周期的这种定向引起了衍射光束在与线性阵列靠得很近的地方分开，并且在整个光学系统的大部分中保持空间上分离。在和激光源一同使用时，GEMS装置提供出色的亮度，速度和对比度，并且能够提供比使用面或者二维空间光调制器更高的分辨率。一个使用GEMS调制的显示系统的例子在美国专利No.6411425中披露，于2002年6月25日公开，题目为“Electromechanical Grating Display System With Spatially SeparatedLight Beams”(“使用空间分离光束的机电光栅显示系统”)，由Kowarz等人提出。
随着更低成本激光装置的出现，在显示和打印应用中使用激光具有相当大的兴趣。正如诸多例子中的几个：Tang的美国专利No.6128131，于2000年10月3日公开，题目为“Scaleable Tiled Flat-Panel Projection Color Display”(“可缩放倾斜平板投影彩色显示器”)，披露了一种使用激光源的倾斜投影彩色显示器；Narayan等的美国专利No.6031561，于2000年2月29日公开，题目为“PrinterSystem Having A Plurality Of Light Sources Of Different Wavelengths”(“具有多个不同波长光源的打印系统”)，披露了一种使用激光来曝光感光媒质的打印装置。预计在低成本半导体和固态激光器方面的不断发展，将使人们对利用激光作为光源的诸如扫描、记录等这些成像应用的兴趣更高。
尽管在激光器性能上具有一些有前途的发展，然而认为还具有相当大的发展空间。在显示应用中，举例来说，在使用三个或更多具有不同波长的光源形成图象的情况下，具有许多实际的限制。具有用于显示应用的适当波长的激光器，特别是在蓝和绿光谱区域，很难获得或花费很高。在打印应用中，根据感光媒质的感光响应特性，需要不同的波长组。打印应用一般比显示或投影应用中需要更高的分辨率和整体均匀性。
为了适应对具有产生宽波长范围能力的低成本激光源的需要，使用有机材料的激光阵列已有发展。美国专利No.6111902，于2000年8月29日公开，题目为“Organic Semiconductor Laser”(有机半导体激光器”)，由Kozlov等提出；美国专利No.6160828，于2000年12月12日公开，题目为“Organic Vertical-CavitySurface-Emitting Laser”(“有机垂直腔面发射激光”)，由Kozlov等提出；美国专利No.6396860，于2002年5月28日公开，题目为“Organic SemiconductorLasers”(“有机半导体激光器”)，由Kozlov等提出，以及美国专利No.6330262，于2001年12月11日公开，题目为“Organic Semiconductor Lasers”(“有机半导体激光器”)，由Burrows等提出，以上文献披露了使用有机材料的垂直腔面发射激光(VCSEL)的类型。共同未决的Kahen等的美国专利公开No.0171088，于2002年11月21日出版，题目为“Incoherent Light-Emitting Device Apparatus ForDriving Vertical Laser Cavity”(“驱动垂直激光腔的非相干光发射装置”)，和2003年1月23日由Kahen申请的欧洲专利申请No.03075214.1，题目为“OrganicVertical Cavity Phase-Locked Laser Array Device”(“有机垂直腔锁相激光阵列装置”)，也披露了具有基于有机的增益材料并在可见波长范围内发射的VCSEL。当与需要高结晶度的增益材料(有机或无机材料)相比时，基于有机(organic-based)的增益材料由于其典型的非晶形而具有更低成本的优点。另外，以有机非晶形增益材料为基础的激光器能够大面积的生成，而无需产生大单晶材料区域；因此，有机VCSEL阵列可以缩放到任意的大小。由于它们的非晶性，有机VCSEL阵列可以制作在多种不同的便宜的衬底上，比如玻璃，软塑料，以及硅，并且比传统的半导体激光更容易检测。值得注意地，有机VCSEL阵列能够在整个可见范围上发射。使用轻易就能利用的低成本非相干光源就能完成光的泵浦，比如LED。
在将其应用在成像应用中时，许多有机VCSEL阵列的性质会造成问题，特别是使用了线性空间光调制器的地方。举例来说，实际中，高能量有机VCSEL阵列的纵横比，普遍呈矩形，而不是线性。因此，需要更高光通量之处，就需要非球面照明光学装置为线性空间光调制器适当地整形照明光束。
一个更加重要的问题与从VCSEL发射的光束的空间特性有关。输出光束特性很大程度上依赖于使用两种结构中的哪一种。参照图1a，示出一种称作“异相位结构”的第一种结构。图1a的平面图中，展现了VCSEL阵列100的有代表性的部分，包括各VCSEL发射元件102和103的排列。在异相位结构中，交错的VCSEL发射元件102具有一种相位；与之相邻的VCSEL发射元件103，用阴影表示，具有相反的相位。作为对比，图1b表示VCSEL阵列100的另一种结构“锁相”结构。在这种锁相结构中，每VCSEL单元都具有相同相位。图1a和1b中的VCSEL发射元件102和103安置在VCSEL阵列100内部，所以对称轴就是水平轴和垂直轴。在实际中对称轴可以是任意的轴。
参照图2a，示出了图1a中的异相位结构中的VCSEL阵列100发射的光的空间结构。这里，取代了由于希望光学调制组件处理简化而提供单束光，VCSEL阵列100发射四个一阶波瓣110a，110b，110c，和110d。波瓣110a-110d具有不相等的高-宽比，在图2a中近似示出；每个波瓣110a-110d的高大约相当于图1a中所示的VCSEL阵列100的长度L。每个波瓣110a-110d都赋予了一对坐标作为参考。另外，高阶波瓣也被发射；然而，这些高阶波瓣中仅包含一小部分发射光，对于一阶近似可以被忽略掉。在接近VCSEL阵列100的某一距离d处，波瓣110a和110c重叠，如由阴影重叠区域112a示出。参照图2b，示出了与图2a中出现的相同光束的空间排列，但是在距VCSEL阵列100距离2d处。这里，波瓣110a-110d已经分离得更远了，不重叠了，并且纵横比稍稍变得更圆。可以轻易地认识到，将发射光分成波瓣110a-110d需要在成像装置的图象调制机构中定制光束定型光学装置。
与异相位结构的波瓣排列相对比，锁相结构提供更传统的激光束。参照图3a，中心波瓣110e目前包含发射的光的相对高比率，在一阶波瓣110a-110d中包含附加光并且在更高阶的波瓣中仅有很小量光(未示出)。在距VCSEL阵列100很短的距离上，中心波瓣110e在重叠区域112a与一阶波瓣110a和110c都重叠，并且分别与一阶波瓣110a和110c重叠在重叠区域112b和112c上。在距VCSEL阵列100两倍距离上，如图3b所示，重叠区域112b和112c面积减小了并且可能消失。
因此，尽管VCSEL阵列作为被机电光栅装置调制的光源出现了一些希望，但认为还有相当大的障碍。如上所述，VCSEL阵列能够提供高能量的纵横比范围，一般与照明机电光栅装置所需要的纵横比不同，有必要进行一定的权衡。更值得注意地，根据采用的是异相位还是锁相操作模式，调制光束的空间特性可能相对复杂和不同。这些不同把VCSEL激光阵列从传统的半导体激光光源区别开来，因此需要一种解决办法来应付在异相位或锁相模式下，VCSEL激光阵列发射的照明光束的纵横比和空间内容。
发明内容
根据本发明，提供一种使用具有机电光栅装置的VCSEL阵列进行光调制的装置和方法，就满足了这种需要。一方面，本发明提供一种能供应调制光的装置包括：一VCSEL阵列用以从VCSEL阵列中的多个发射元件中产生照明光束；一机电光栅装置的线性阵列用以调制照明光束产生多个衍射级；一阻隔元件用以阻隔多个衍射级中的至少一个；以及调节照明光束的装置以提供一个合适的照射到机电光栅线性阵列的纵横比，和/或除去不想要的空间内容。
另一方面，本发明提出了一种形成调制光的方法，包括：从具有发射元件的VCSEL阵列生成一照明光束；在机电光栅装置的线性阵列调制该照明光束以形成多个衍射阶；阻隔多个衍射级中的至少一个以形成调制光束；以及调节照明光束以提供一个合适的照射到机电光栅装置线性阵列的纵横比，和/或除去不想要的空间含量。
举例来说，本发明的光学装置能被用作在显示设备中进行光调制，比如前面或背面投影应用中，在感光媒质上形成图象的打印设备中，或在一些需要调制光的其他种类的设备中，比如记录或扫描设备。
本发明的一个特征在于能每次形成一道单独的调制光，能够通过在一区域上扫描连续的单独线而形成一幅二维图象。
本发明的优点是允许使用低成本的VCSEL阵列作为机电光栅装置的光源，因此提供了设计低成本成像设备的可能性。对于显示应用，本发明利用了有机VCSEL阵列可以发射可见范围内波长的能力。
本发明利用机电光栅装置内在的性能调制出具有更好的光强度，高对比度和高分辨率的光。
本发明的这些和其他目的，特征和优点通过下面结合附图的详细描述将会更加清晰的呈现给本领域技术人员，在其中将会展示并描述本发明的一个具体
实施方式。
附图说明
尽管说明书以权利要求书特别指出并明确要求本发明保护主题，但相信能够通过下面结合附图的详细描述会更好的理解发明，其中：
图1a和1b是现有技术VCSEL阵列的一小部分的平面图，分别用异相位和锁相结构表示；
图2a和2b是现有技术VCSEL阵列，当工作于异相位结构时，在距该阵列短距离和两倍于该距离处的发射光分布的前视图；
图3a和3b是现有技术VCSEL阵列，当工作于锁相结构时，在距该阵列短距离和两倍于该距离处发射光分布的前视图；
图4是一种光源的示意图，该光源使用了VCSEL阵列，具有从照明路径中除去不需要的一阶发射的空间滤波器。
图5a和5b分别是根据本发明，异相位和锁相VCSEL激光装置的空间滤波器的平面图；
图6是根据本发明，在成像装置中操作的光学部件的顶视示意图；
图7是根据本发明的多色结构的示意图，使用了多个VCSEL阵列，每一个对应一种颜色，被沿着一个单独照明轴传导；
图8是根据本发明的多色成像设备的示意图，每种颜色使用单独的调制路径；
图9是根据本发明的另一种多色成像设备的示意图，在该设备中，在每个颜色路径上，紧接着光调制进行空间滤光；
图10是根据本发明的空间滤波器的结构示意图，应用在图9的设备中；
图11是根据本发明，校正从VCSEL阵列发射的光的纵横比的光学组件的结构示意图；
图12a和12b示出了根据本发明，在光束经过图11中的装置整形前后的VCSEL波瓣；以及，
图13a和13b示出了根据本发明，图11中的作为微镜变换器的微镜阵列的一个示例。
具体实施方式
目前的详细说明涉及本发明设备的组成各部分的元件或者更直接地与该设备相配合的元件。需要理解的是，没有特别地示出或描述的元件，可以采用本领域技术人员所熟知的多种形式。
对于以下的说明，单色光路径中特有的组件，能够通过在该组件号码旁附加一个字母被更具体地识别。所用之处，字母与颜色路径相对应一致；举例来说，红色附加“r”，蓝色附加“b”，绿色为“g”。
在最概括的实施方式中，本发明的装置提供调制光，每次一行，其光源是VCSEL阵列并且光调制器为机电光栅装置。在本部分随后的描述中，主要针对诸如在打印和显示设备中进行成像的实施方式。然而，值得注意的是本发明的装置也可用在其他类型的成像装置中，以及利用调制激光实现多种功能的其他装置，比如信号传感或者记录功能。
在一个实施例中，本发明的设备是在某表面成像的成像设备的一部分，该表面可以是感光媒质或者投影屏幕，投影屏幕可以是前投射或背投射式。认识到在显示和打印应用之间有显著的不同是有益的。投影装置被优化以向屏幕提供最大照明通量，其次强调在打印中的重要特征，如感光反应和分辨率。投影仪和显示应用中的光学系统根据人眼的响应而设计，当观看显示器时，由于显示图象连续刷新并且是从一定距离观看，人眼对图象的伪迹和象差以及图象的不均匀性相对不敏感。然而，当观看高分辨率打印系统的打印输出时，由于光学响应的不规则在打印输出中能波更轻易地看到并令人讨厌，人眼就几乎不能“放过”伪迹和象差以及图象的不均匀性。更加值得注意的是在分辨率需求上的不同。为适应于人眼，通常优化投影和显示系统，采用比打印设备更低的分辨率进行观察。举例来说，照相打印设备的分辨率，应该优选地大大高于显示目的所需要的分辨率，以能够产生本质上连续色调质量的图象。以显示为目的，所使用的源色对色域有显著的影响。然而，以在感光媒质上打印为目的，所使用的波长最好应与媒质自身的感光特性相一致；理想的波长可以是也可以不是在可见范围内。亮暗区域的对比度在显示环境中是应优先考虑的，其需要的对比度为1000∶1或更高。然而，在某些打印应用中，由于获得了可接受的感光响应，曝光所使用的对比度低至10∶1通常也是能够接受的。
参照图6，示出了根据本发明，在表面90上形成图象的成像设备10。调制组件120包括光源20，调节光束的柱面透镜74，一能转向的转镜82，以及一机电光栅光调制器85。光源20沿光轴O提供照明光束109，该光束经过柱面透镜74调节，形成照射到机电光栅光调制器85上合适的纵横比。光源20包括工作于锁相结构的VCSEL阵列100，如上面参照图1b所述。沿着轴O的照明光束109通过转动面镜82入射到机电光栅光调制器85中。从机电光栅光调制器85出射的调制光被衍射过转镜82并通过透镜75导向到扫描镜77。转镜82作为从机电光栅调制器85的零级反射光的遮挡元件。
当扫描镜77转动，从机电光栅光调制器85出射的各调制线图象在表面90上形成一个二维图象。逻辑控制处理器80根据扫描镜77的位置，向机电光栅光调制器85，一行一行地提供图象调制数据。任选地，光源20的控制也可以由控制逻辑处理器80提供。为了获得高光学效率和高对比度，表面90上形成的图象的投射线，最好是由机电光栅光调制器85出射的调制光中的两个或更多衍射级构成。
在一个特定的具体实施中，机电光栅光调制器85是一GEMS装置，但也可为GLV装置，并将组件进行必要的重新排列。举例来说，基于GLV的系统需要在投影透镜75的傅立叶平面安放转镜82，如美国专利No.6411425中的背景描述中所披露的那样。表面90在特定的具体实施中是前投影屏幕；然而，类似的结构和操作也能应用在背投显示屏幕或其他观察表面。或者，表面90也可以是感光媒质，举例比如照相胶片或相纸。其他类型的照相媒质，电照相媒质，或热媒质也可以应用。透镜75作为投影或打印透镜；在一实际的成像设备10中透镜75的位置上，使用包括许多透镜元件的透镜组件。可选择的交叉级(cross-order)滤波器160安置在透镜75的傅立叶(焦)平面附近，以使调制光中不希望的衍射交叉级的投射减到最小。
光源20的组成
参照图4，其中示出了本发明中光源20组件的结构示意图。VCSEL阵列100包括多个发射元件102和103，向傅立叶变换透镜122提供源光束105。傅立叶变换透镜122将源光束105导入一照明空间滤波器130中，该空间滤波器调节源光束105以去除不需要的空间内容。经过调节的源光束107继而在形成照明光束109之前由透镜124准直。图4中示出的焦距f1和f2，表示出了优选地沿着光轴各组件间的空间位置关系。其中若焦距f1和f2是相等的，按照图4的结构则对VCSEL阵列按1∶1比例成像。放大率依赖于焦距f1和f2的比值。
图5a和5b示出了根据本发明，照明空间滤波器130的可能结构。如在本应用的背景部分提到的，VCSEL阵列100可以在异相位模式或配置工作，如参考图1a中的VCSEL发射元件102和103，和图2a和2b中的光束空间分布的描述的那样。异相位模式下，图5a的平面凸示出了照明空间滤波器130的结构，该滤波器上特意地设有孔132以使波瓣110a-110d能够通过。照明空间滤波器130的阴影区将具有不需要的空间组分的光遮挡。与之相似地，图5b示出了锁相模式下照明空间滤波器130的结构，与图1b的排列和图3a、3b中的光束空间分布一致。在图5b中，一个单独的孔132通过来自中心波瓣110e的光。
参照图7，示出了光源20组件的一种结构，以一次提供本发明中三种颜色中的每一个颜色的照明光束。红色VCSEL阵列100r，绿色VCSEL阵列100g，和蓝色VCSEL阵列100b向颜色合成元件73提供光。颜色合成元件73然后沿着一共同输出光轴O将光线导入傅立叶变换透镜122，照明空间滤波器130，最后是准直透镜124并供给照明光束。颜色合成元件73的一个具体例子是一个X立方体(X-cube)，但也可为Philips棱镜或是在光学设计技术中公知的二向色性表面的适当排列。
颜色同步成像的具体实施方式
参照图8，示出了根据本发明的成像设备10的结构，以用在锁相模式之下颜色同步成像，举例比如可以在全彩色显示设备中使用。提供了单个光源20r，20g和20b，每个光源分别对应红，绿和蓝调制组件120r，120g和120b中。每个光源20r，20g和20b的光学组件更好是具有图4示出的基本结构。红光源20r被导入红色机电光栅光调制器85r；绿光源20g被导入绿色机电光栅光调制器85g；蓝光源20b被导入蓝色机电光栅光调制器85b。如在每个调制组件120r，120g，或120b中表示的那样，为了成象可采集并且导引一个或更多的衍射级。
图9示出了根据本发明，一种可供选择的多颜色，颜色同步成像设置，该装置既可用在以上根据图1a，2a和2b所描述的异相位模式，也可以用在以上根据图1b，3a和3b描述的锁相模式。在图9的设置中，在每个光调制组件120r，120g和120b中的机电光栅光调制器85r，85g，和85b，都相对于相应的光源20r，20g和20b以倾斜角度放置。这样放置就能够除去将照明光分别导向机电光栅光调制器85r，85g和85b的转镜82。图9也示出了可能的最简单的光源20组件的设置，其光源20r，20g和20b仅仅含有VCSEL阵列100；这样理解，举例来说，在绿色调制组件120g中，其绿色光源20g仅仅包含绿色VCSEL阵列100g。空间滤光应该最好是在光路中的某点进行，或者可以在调制之前或者也可以在调制之后。为了光源照明的空间滤光，每个光源20r，20g和20b可以使用如根据图4，5a，5b和7描述的那样的照明空间滤波器130。然而，最佳的设置是，如图9所示的，在每条调制光路上设置调制光空间滤波器134。在每个调制组件120r，120g和120b中，透镜组件126分别在相应的机电光栅光调制器85r，85g和85b上，特别地形成相应的VCSEL阵列100的变形放大图象。
图10示出了调制光空间滤波器134的一种结构，根据本发明，其光源20内的源VCSEL阵列100，工作在根据图1a，2a和2b所描述的异相位结构中。应该注意的是，调制光空间滤波器134的结构是根据使用异相位模式或锁相模式而不同的。图2b中的波瓣110a-110d的位置是与图10中示出的零级反射光束210a，210b，210c和210d相对应的。因此，在图9的结构中，每个颜色路径上的调制光空间滤波器134遮挡了各零级反射光束210a-210d，使之不能入射到图8中所示的颜色合成元件73中。调制光另一方面是从机电光栅光调制器85衍射出的，并且以成对调制的衍射级210a+/210a-，210b+/210b-，210c+/210c-，和210d+/210d-的形式出现，如图10所示。那就是，衍射级对210a+和210a-包含一级衍射光，该衍射光由机电光栅光调制器85的调制波瓣110a而生成。类似地，衍射级210b+和210b-包含与波瓣110b相对应的一级衍射光；衍射级210c+和210c-包含与波瓣110c相对应的一级衍射光；衍射级210d+和210d-包含与波瓣110d相对应的一级衍射光。孔136和138如图所示，其大小和间隔设计成，使衍射级210a+，210a-，210b+，210b-，210c+，210c-，210d+和210d-通过。值得注意的是，图10中示出的调制光空间滤波器134仅使用一级衍射光。如使用更高级的衍射光，调制光空间滤波器134的结构还会更加复杂。
反射光模式(Reflected light mode)
调制光空间滤波器134所用的孔136和138的结构，适合于使衍射级210a+，210a-，210b+，210b-，210c+，210c-，210d+和210d-通过。然而，相反地，反射光成像模式也是可供选择使用的，该模式中孔136和138被不透明的光阑取代，并且调制光空间滤波器134的不透明部分也都被透明的取代。(这大体上相当于利用照明空间滤波器130，该滤波器原本设计为，以图5a中示出的设置安放在照明光路中，而代替置于调制光路中)以这样一种替代方式设置，只有从机电光栅光调制器85发射的零级光导向到表面90。非零衍射级被遮挡。以这种方式成像，调制光路径中不包括衍射到±1或者更高级的光；在反射光模式中，仅使用反射的，零级光。由于对比度的要求，虽然反射光成像模式不能适应一些类型的成像装置，然而对于低对比度成像的应用，在成像设备10中可以使用反射光成像模式。适当的利用反射光成像模式举例来说，包括一些打印应用中要求高效率而仅仅要求低等至中等对比度的情形。异相位结构下，图9中示出的组件的结构可以容易地被利用为反射光成像操作，调制光空间滤波器134具有与图10中示出的相反的结构。若在替换的锁相结构下的反射光成像操作，可以使用整个图9的结构，具有改为只有单中心孔的空间滤波器134。
校正VCSEL发射的纵横比
机电光栅光调制器85具有较高的高-宽比，并且要求入射照明光束具有大体上相等的纵横比。由于在应用中需要有相对低的光通量的入射照明的应用，VCSEL阵列100可制成具有较高的高-宽比。在这样的应用中，传统的球形光学装置可以用来将VCSEL阵列100以适当的放大率成像在机电光栅光调制器85上。然而，如在上面背景部分提到的，当更接近于矩形纵横比时，VCSEL阵列100就会提供更高的光通量。为了提供更高通量的照明，在VCSEL阵列100成像在机电光栅光调制器85的同时，变形光学装置被用来对VCSEL阵列进行纵横比的转变。举例来说，柱面透镜可以为此目的使用。使用成像技术中公知的传统技术能使变形放大率上升到10∶1的范围。
在一些应用中，甚至需要达到更大的有效变形放大率。参照图11，示出了一种光源20的另一种结构，能提供附加的变形放大率测量。从VCSEL阵列100中发射的光由傅立叶变换透镜122导入微透镜转换器140。输入到微透镜转换器140的光具有图12a中示出的110a-110d波瓣的整体结构。微透镜转换器140包括柱面透镜阵列141a和准直透镜阵列141b，二者共同作用改变发射光的纵横比。透镜142将光导入机电光栅光调制器85。傅立叶变换透镜122和透镜142的焦距f1和f2如图示。以这种设置方式，微透镜转换器140安放在傅立叶变换透镜122的傅立叶平面上。正如光学技术中所公知的，在傅立叶平面位置，对发射图案(emission pattern)进行有效校正是可能的。
图13a和13b示出了本发明图11的微透镜转换器140中，柱面透镜阵列141a和准直透镜阵列141b各自结构的局部透视图。参照图13a，柱面透镜阵列141a包括柱面微透镜元件144以最适合调整纵横比的方式排列。虚线表示柱面微透镜元件144配置在每个波瓣110a-110d的空间位置上。参照图13b，准直透镜阵列141b包括与柱面透镜阵列141a中使用的柱面微透镜元件144相对应的位置放置的准直微透镜元件146的排列。柱面微透镜元件144和准直微透镜元件146的组合，与发射光的每个波瓣110a-110d相对应，调节如图12a示出的波瓣110a-110d的纵横比，达到具有更加线状的纵横比的调节波瓣110a’，110b’，110c’，和110d’，如图12b中所示。
本发明已经通过特别参照某些具体实施例进行了详细描述，但能理解的是如以上的描述以及所附的权利要求书，在本发明范围内本领域普通技术人员可进行改变和修改，但改变和修改都未背离本发明的范围。举例来说，成像设备10可以是某些VCSEL阵列100在异相位结构下工作而其他VCSEL阵列100则是在锁相结构下工作。此外，尽管以上的具体实施例中已经关于VCSEL阵列100对称轴特定取向进行了描述，然而可以相对于成像设备10的改变而使用不同的取向。虽然在一具体实施例中使用了有机VCSEL阵列100，但是传统的无机VCSEL100也可使用。成像设备10可以使用传统成像，即调制衍射光照射到表面90，或者反射光成像，即从机电光栅光调制器85反射的零级反射光形成图象。可以使用多于三个VCSEL阵列100彩色光源提高色域。
扫描镜77在具体实施例中作为扫描元件。然而，可以使用其他适合的扫描元件，举例来说包括不同类型的棱镜，旋转多面体镜，以及光电光束偏转装置。作为一种可供选择的形成扫描二维显示图象的设置，可以使用平面光波导，比如在美国专利No.5381502，于1995年1月10日由Veligdan提出，题目为“FlatOr Curved Thin optical Display Panel”(“平坦或弯曲的薄光学显示板”)中描述的，当中扫描面镜77可以设置为一个旋转多面体镜。打印设备中，媒质传送机构被用来在调制光路径上以合适的速率扫描并且推进媒质，以形成二维图象。
图6，8和9示出了根据本发明，在具体实施方式中的组件的排列，其机电光栅光调制器85是GEMS装置。若利用这些配置与GLV装置一起使用，就需要重新排列各组件，GLV装置是使用了在光学设计技术中公知的工艺方法，并且在美国专利No.6411425的背景材料部分也有描述。关于图9，举例来说，可以将一单独空间滤波器134安放在投影透镜75的傅立叶平面上，而并非在每个颜色调制路径上安放空间滤波器134。在图6中，举例来说，使用GLV调制，转动面镜82可以安放在投影透镜75的傅立叶平面上。图8在投影透镜75的傅立叶平面上，也需要一单独转镜82，并将包含复杂的光路，其预先组合的光入射到转镜82，在颜色组合部件73被分为成分颜色，然后进行调制，继而又被组合起来成为其衍射级投射通过转镜82到扫描面镜77上。
本发明中已经描述了为成象应用提供调制光的装置和方法，比如打印机，投影仪和显示装置等设备中使用。然而需要着重指出的是，本发明的设备能在其他类型的成像装置中使用，又能够在其他利用调制光能量实现各种各样功能的设备中使用，比如信号传感或记录功能。
在一表面上形成图象的成像设备包括：(a)一个光源，包含具有发射元件的至少一个第一VCSEL阵列，以沿着照明轴提供照明光束；(b)一机电光栅装置的线性阵列，用以根据图象数据调制照明光束，并提供包含多个衍射级的调制光束；(c)一遮挡元件，遮挡调制光束中多个衍射级中的至少一个；(d)调节照明光束的装置，以提供照射到机电光栅装置线性阵列上合适的纵横比，和/或除去不需要的空间内容；以及(e)一投影透镜，与扫描元件协同工作以便于向表面投射调制光，因此在表面上形成线图象。
在一表面上形成图象的设备，其中第一VCSEL阵列是有机VCSEL阵列。
在一表面上形成图象的设备，其中第一VCSEL阵列被光学泵浦(opticallypumped)。
在一表面上形成图象的设备，其中第一VCSEL阵列每个发射元件发射的光具有相同相位。
在一表面上形成图象的设备，其中从VCSEL阵列的一个发射元件发射的光和其相邻发射元件发射的光具有相反的相位。
在一表面上形成图象的设备，其中机电光栅装置线性阵列是一光栅光阀。
在一表面上形成图象的设备，其中机电光栅装置线性阵列是一共形(conformal)GEMS装置。
在一表面上形成图象的设备，其中遮挡元件也向机电光栅装置线性阵列导入照明光束。
在一表面上形成图象的设备，其中遮挡元件遮挡零级光束。
在一表面上形成图象的设备，其中遮挡元件遮挡了至少一束一级光束。
在一表面上形成图象的设备，其中遮挡元件遮挡了至少一束非零级光束。
在一表面上形成图象的设备，还包括一透镜，将第一VCSEL阵列成像在机电光栅装置线性阵列上。
在一表面上形成图象的设备，其中投影透镜调节第一VCSEL阵列的纵横比。
在一表面上形成图象的设备，其中扫描元件可以从一组元件中选出，包括转镜，多面体镜，棱镜，电光光束偏转元件，以及媒质传送装置。
在一表面上形成图象的成像设备，其中表面是前投影屏幕(front projection)。
在一表面上形成图象的成像设备，其中表面是背投影屏幕(rear projection)。
在一表面上形成图象的成像设备，其中表面包含平面光波导。
在一表面上形成图象的成像设备，其中表面是感光媒质。
在一表面上形成图象的成像设备，其中感光媒质可以从一组媒质中选出，包括照相媒质，电照相媒质，和热媒质。
在一表面上形成图象的成像设备，还包括：(e)一逻辑控制处理器，根据扫描元件的位置向机电光栅装置线性阵列提供图象数据。
在一表面上形成图象的成像设备，其中调节照明光束的装置包括一照明空间滤波器。
在一表面上形成图象的成像设备，其中光源还包括一傅立叶变换透镜，将光从第一VCSEL阵列导入到照明空间滤波器。
在一表面上形成图象的成像设备，其中第一VCSEL阵列发射一具有至少一个波瓣的源光束，并且其中光源还包括：(i)一傅立叶变换透镜，将源光束投向安放在傅立叶变换透镜的傅立叶平面附近的一转换器元件，转换器元件将至少一个波瓣的纵横比修正，以提供修正的源光束；以及(ii)一透镜，供给修正的源光束作为照明光束。
在一表面上形成图象的成像设备，其中第一VCSEL阵列发射具有第一颜色的第一源光束，且光源还包括：(a)一第二VCSEL阵列，发射具有第二颜色的第二源光束；(b)一第三VCSEL阵列，发射具有第三颜色的第三源光束；(c)一颜色合成元件，将第一，第二和第三源光束导入照明轴上。
在一表面上形成图象的成像设备，其中光源还包括一傅立叶变换透镜，将在照明轴上的光导向照明空间滤波器。
在一表面上形成图象的成像设备，其中转换器元件包括微透镜阵列。
在一表面上形成图象的一成像设备包括：(a)第一，第二和第三颜色调制组件，每个调制组件分别提供具有第一，第二和第三颜色的成像光束，每个调制组件包括：(i)一VCSEL阵列，从VCSEL阵列中的多个发射元件中生成照明光束；(ii)一机电光栅装置的线性阵列，根据图象数据调制照明光束，并提供包括多个衍射级的调制光束；(iii)一遮挡元件，遮挡调制光束中多个衍射级中的至少一个，并提供成像光束；(iv)调节照明光束装置，提供照射到机电光栅装置阵列上合适的纵横比，和/或除去不需要的空间内容；(b)一颜色合成元件，沿着单一输出轴，将第一，第二，和第三颜色的成像光束合成以形成一束多色的调制光束；(c)一透镜元件，与扫描元件协同工作并向表面投射多色调制光，因此在表面上形成多色线图象。
在一表面上形成图象的设备，其中VCSEL阵列是一有机VCSEL阵列。
在一表面上形成图象的设备，其中VCSEL阵列被光学泵浦(opticallypumped)。
在一表面上形成图象的设备，其中VCSEL阵列中多个发射元件中的每一个发射的光具有相同相位。
在一表面上形成图象的设备，其中从VCSEL阵列的一个发射元件发射的光和其相邻的发射元件发射的光具有相反的相位。
在一表面上形成图象的设备，其中机电光栅装置线性阵列是一共形(conformal)GEMS装置。
设备中的遮挡元件也将照明光束导向机电光栅装置线性阵列。
在一表面上形成图象的设备，其中遮挡元件遮挡了零级光束。
在一表面上形成图象的设备，其中遮挡元件遮挡了至少一个非零级光束。
在一表面上形成图象的设备，其中遮挡元件遮挡了至少一个一级光束。
在一表面上形成图象的设备，调节照明光束的装置中包括一透镜，将VCSEL阵列成像在机电光栅装置线性阵列上。
在一表面上形成图象的设备，其中透镜调节VCSEL阵列的纵横比。
在一表面上形成图象的设备，其中扫描元件可以从一组元件中选出，包括转镜，多面体镜，棱镜，电光光束偏转元件，以及媒质传送装置。
在一表面上形成图象的成像设备，其中表面是前投影屏幕(front projection)。
在一表面上形成图象的成像设备，其中表面是背投影屏幕(rear projection)。
在一表面上形成图象的成像设备，其中表面包含平面光波导。
在一表面上形成图象的成像设备，其中表面是感光媒质。
在一表面上形成图象的成像设备，其中感光媒质可以从一组媒质中选出，包括照相媒质，电照相媒质，和热媒质。
在一表面上形成图象的成像设备，还包括：(e)一逻辑控制处理器，根据扫描元件的位置向每个机电光栅装置线性阵列提供图象数据。
在一表面上形成图象的成像设备，其中颜色调制组件包括一照明空间滤波器以调节照明光束。
在一表面上形成图象的成像设备，其中颜色调制组件还包括一傅立叶变换透镜将光从VCSEL阵列导入照明空间滤波器。
成像设备中颜色调制组件发射具有至少一个波瓣的源光束，颜色调制组件还包括：(i)一傅立叶变换透镜，将源光束投向安放在傅立叶变换透镜的傅立叶平面附近的一转换器元件，所述转换器元件将至少一个波瓣的纵横比修正，以提供修正的源光束；以及(ii)一透镜，供给修正的源光束作为照明光束。
成像设备中的颜色合成元件可以从一组元件中选出，包括X立方体(X-cube)和Philips棱镜。
在一表面上形成图象的成像设备，其中颜色合成元件包括二向色性表面的设置。
在一表面上形成图象的成像设备，其中转换器元件包括微透镜阵列。
一种提供调制光束的方法包括：(a)从一VCSEL阵列中生成照明光束，VCSEL阵列中具有多个发射元件；(b)在机电光栅装置处线性阵列调制照明光束，以提供多个衍射级；(c)遮挡多个衍射级中的至少一个，形成调制光束；(d)调节照明光束，提供照射到机电光栅装置阵列上合适的纵横比，和/或除去不需要的空间内容。
提供调制光束的方法，其中VCSEL阵列是有机VCSEL阵列。
提供调制光束的方法，其中生成照明光束的步骤包括光学泵浦VCSEL阵列的步骤。
提供调制光束的方法，其中从VCSEL阵列生成照明光束的步骤包括激励VCSEL阵列中的相邻发射元件以相同的相位发射。
提供调制光束的方法，其中从VCSEL阵列生成照明光束的步骤包括激励VCSEL阵列中的相邻发射元件以相反的相位发射。
提供调制光束的方法，其中机电光栅装置线性阵列是一光栅光阀。
提供调制光束的方法，其中机电光栅装置线性阵列是一共形(conformal)GEMS装置。
提供调制光束的方法，其中遮挡多个衍射级中至少一个的步骤包括遮挡零级衍射的步骤。
提供调制光束的方法，其中遮挡多个衍射级中至少一个的步骤包括遮挡至少一个非零衍射级的步骤。
提供调制光束的方法，其中遮挡多个衍射级中至少一个的步骤包括遮挡一个第一衍射级的步骤。
提供调制光束的方法，其中调节照明光束的步骤还包括提供一照明空间滤波器，将VCSEL阵列中发射的光形成一组波瓣作为照明光束的步骤。
提供调制光束的方法，其中生成照明光束的步骤包括将VCSEL阵列成像在机电光栅装置线性阵列上的步骤。
提供调制光束的方法，其中将VCSEL阵列成像的步骤还包括变形放大VCSEL阵列的步骤。
一种在一表面形成图象的方法，包括以下步骤：(a)从VCSEL阵列中提供一照明光束，该VCSEL阵列在阵列内有多个发射元件，其中VCSEL阵列由源光束激励；(b)调节源光束以去除不需要的空间内容；(c)根据图象数据在机电光栅装置线性阵列中调制照明光束，以提供多个衍射级；(d)遮挡多个衍射级中的至少一个，以形成成像光束；(e)向表面投射成像光束。
形成图象的方法，其中调节源光束的步骤还包括过滤源光束以去除不需要的空间内容的步骤。
形成图象的方法，其中投射成像光束的步骤还包括将成像光束导向一扫描元件的步骤。
形成图象的方法，其中VCSEL阵列是有机VCSEL阵列。
形成图象的方法，其中提供照明光束的步骤还包括光学泵浦VCSEL阵列的步骤。
形成图象的方法，其中从VCSEL阵列提供照明光束的步骤包括激励VCSEL阵列上相邻发射元件以相同相位发射。
形成图象的方法，其中从VCSEL阵列提供照明光束的步骤包括激励VCSEL阵列上相邻发射元件以相反相位发射。
形成图象的方法，其中机电光栅装置线性阵列是光栅光阀。
形成图象的方法，其中机电光栅装置线性阵列是共形(conformal)GEMS装置。
形成图象的方法，其中遮挡多个衍射级中至少一个的步骤包括遮挡零级衍射的步骤。
形成图象的方法，其中遮挡多个衍射级中至少一个的步骤包括遮挡至少一个非零衍射级的步骤。
形成图象的方法，其中遮挡多个衍射级中至少一个的步骤包括遮挡一个第一衍射级的步骤。
形成图象的方法，其中过滤源光束的步骤包括提供一照明空间滤波器，将VCSEL阵列中发射的形成一组波瓣作为照明光束的步骤。
形成图象的方法，还包括安放一傅立叶变换透镜以将光线从VCSEL阵列导向照明空间滤波器的步骤。
形成图象的方法，其中提供照明光束的步骤包括将VCSEL阵列成像在机电光栅装置线性阵列上的步骤。
形成图象的方法，其中将VCSEL阵列成像的步骤还包括变形放大VCSEL阵列的步骤。
形成图象的方法，其中表面可以从一组表面中选出，包括前投影屏幕，背投影屏幕，以及平面光波导。
形成图象的方法，其中表面是感光媒质。
形成图象的方法，还包括在成像光束路径上传送感光媒质的步骤。
形成图象的方法，其中从VCSEL阵列提供照明光束的步骤包括将发射光穿过一颜色合成元件的步骤。
至此，提供了一种装置，通过一机电光栅装置，调制从VCSEL激光光源发出的光束，并且将光束的一个或更多衍射级扫描到表面上。

Claims (17)

1.一种提供调制光的装置，包括：
(a)VCSEL阵列，用于从VCSEL阵列中的多个发射元件中产生照明光束；
(b)机电光栅装置线性阵列，用于调制照明光束以提供多个衍射级；
(c)遮挡元件，用于阻挡多个衍射级中的至少一个；以及
(d)照明光学子系统，用于从照明光束中过滤不需要的空间容量，以及还用于调节照明光束，以提供照射到机电光栅装置线性阵列上合适的纵横比。
2.如权利要求1所述的装置，其中VCSEL阵列是有机VCSEL阵列。
3.如权利要求1所述的装置，其中VCSEL阵列是光学泵浦的。
4.如权利要求1所述的装置，其中从VCSEL阵列中多个发射元件中的每一个发射的光具有相同相位。
5.如权利要求1所述的装置，其中从VCSEL阵列中一个发射元件中发射的光和从与之相邻的发射元件发射的光具有相反的相位。
6.如权利要求1所述的装置，其中机电光栅装置线性阵列是光栅光阀。
7.如权利要求1所述的装置，其中机电光栅装置线性阵列是共形GEMS装置。
8.如权利要求1所述的装置，其中遮挡元件也将照明光束导向机电光栅装置线性阵列。
9.如权利要求1所述的装置，其中遮挡元件阻挡零级光束。
10.如权利要求1所述的装置，其中遮挡元件阻挡至少一个非零级光束。
11.如权利要求10所述的装置，其中遮挡元件阻挡至少一个一级光束。
12.如权利要求1所述的装置，其中照明光束调节装置包括一照明空间滤波器，将VCSEL阵列发射的光的一组波瓣提供为照明光束。
13.如权利要求1所述的装置，其中用于调节照明光束的装置包括透镜，该透镜将VCSEL阵列成像在机电光栅装置线性阵列上。
14.如权利要求1所述的装置，其中遮挡元件阻挡从机电光栅装置线性阵列产生的两个或更多第零衍射级光束。
15.一种提供调制光束的方法，包括以下步骤：
(a)从VCSEL阵列产生照明光束，该VCSEL阵列中具有多个发射元件；
(b)从照明光束中过滤不需要的空间容量，并且调节照明光束以提供照射到机电光栅装置线性阵列上合适的纵横比；
(c)在机电光栅装置线性阵列处调制该照明光束以提供多个衍射级；以及
(d)阻挡该多个衍射级中的至少一个，以形成所述调制光束。
16.如权利要求15所述的提供调制光束的方法，其中所述机电光栅装置的线性阵列是共形GEMS装置。
17.如权利要求15所述的提供调制光束的方法，其中阻挡多个衍射级中的至少一个的步骤包括阻挡第零衍射级的步骤。
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