CN1726415B - 光学系统和图像投影系统 - Google Patents

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Abstract

利用误差检测和校正系统将光耦合到光导中的方法和装置。矩形光导与X轴光纤和Y轴光纤紧密配合。X轴光检测器检测从光导耦合到X轴光纤中的光，而Y轴光检测器检测从光导耦合到Y轴光纤中的光。误差检测器比较X轴和Y轴光检测器的输出以产生取决于X轴、Y轴和Z轴位置误差的误差信号。将该误差信号提供给误差校正系统，该系统可以调整光导与引导到该光导上的光的相对位置。

Description

光学系统和图像投影系统
本发明涉及传输光的光导。更具体的是，本发明涉及具有生成光的光源的图像投影系统，该光可有效地耦合到光导中。
一些彩色图像投影系统使用白光源，其光束可分成基色成分(通常为红、蓝和绿)，然后根据来自所输入的显示信号的相应颜色信息来单独地调制这些基色成分。随后，将所调制的颜色成分重新组合，从而产生了投影到所观看的屏幕上的全色图像。
通常为每种基色成分利用分立的电-光光调制器来进行该基色成分的调制，典型的光调制器是液晶显示(LCD)面板。另一种彩色图像投影系统与其相似，但是仅仅使用了一个LCD面板来调制这些基色成分。其是通过将基色成分定形为带状截面来实现的，这些截面在根据正在滚动的颜色成分调制的LCD面板上连续滚动。还已知的其它类型的光调制器，例如基于微机械反射镜(MEMS)的调制器。
上述图像投影系统需要光源、不同的光学元件，例如棱镜、偏振片和透镜，电子子系统以及一个或多个调制器。尽管这种图像投影系统通常是成功的，但是它们相对较大。由于市场的需求更多侧重较轻并更紧凑的系统，所以这成为一个问题。因此，希望减少图像投影系统的尺寸和重量。应当注意的是，较小的图像投影系统趋向使用较小的光学元件，这比较大的光学元件便宜很多。
尽管减小图像投影系统的尺寸在许多方面是有益的，但是较小的图像投影系统容易受到许多问题的影响。例如，尺寸减小的图像投影系统受益于使用光导来在内部将光传输到各个光学组件。尽管这本身不是问题，但是将光有效地耦合到光导中，尤其是横截面小的光导中会非常难以实现。特别是随着时间、温度和对图象投影系统产生的物理影响变化时更是如此。实际上，光源所发射的光的移动能够显著地影响光源与光导之间的光耦合效率，例如电弧相对于光源输入电极的位置变化。
在1994年6月7日公开的Jones等人的美国专利5319195中公开了将光源光耦合到光导的相似问题。该专利教导了将激光束耦合到光纤中。Jones的图1和2及其支持段落教导了测量在传输激光束的光纤中传播的光功率的传感器。而图3和5及其支持段落教导了使用这些传感器来确定激光器与光纤之间的未对准，并且建议使用所确定的未对准来将光纤的输入端与激光器对准。
尽管有益，但是Jones的教导本身是有局限性的。例如，仅使用具有一个输入端的传感器来检测光纤与激光器之间的未对准。因此，关于未对准的方向信息不是没有就是很有限。因此，Jones没有建议关于多方向对准误差或焦点误差的确定和校正。
确保光源与光导之间的有效光耦合的一个难点是确定耦合何时无效。因此，检测光源发出的光何时没有有效地耦合到光导中的误差检测系统是有用的。有利的是，该误差检测系统将提供足够的信息来确定耦合误差的程度和一个或多个方向。然后，将来自该误差检测系统的信息用于调整光导与引导到该光导中的光之间的相对位置，从而实现有效耦合。这种误差校正系统尤其可用于图像投影系统中，以自动地确保光源发出的光有效地耦合到光导中，典型的光源是电弧灯。由于这种图像投影系统可以自对准，所以起始对准该系统会更容易，这是因为仅仅需要粗略的起始设定。
因此，考虑到上述问题，希望提供一种误差检测系统，其可以检测光源发出的光何时没有有效地耦合到光导中。由此，本文公开了一种误差检测系统，其使用了矩形(包括正方形)光导。第一(X轴)光纤纤芯配合到光导的一侧，而第二(Y轴)光纤配合到另一(垂直)侧。第一(X轴)光检测器检测从光导耦合到第一(X轴)光纤中的光，而第二(Y轴)光检测器检测从光导耦合到第二(Y轴)光纤中的光。应当注意，在限定范围内，随着光源与光导之间耦合效率的降低，耦合到光纤中的光增加。
然后，由电子误差检测器比较第一与第二光检测器的输出，以确定光源发出的光束是否有效地耦合到光导中。有益的是，该电子误差检测器生成X轴、Y轴和Z轴的位置误差。同样有益的是，该误差检测系统提供足够的信息来确定耦合误差的程度和一个或多个方向。
然后，该误差校正系统可以利用误差检测系统的输出来调整光导与引导到该光导中的光的相对位置，从而实现有效耦合。误差校正系统可以通过组合多种不同的相对运动引发设备来调整该相对位置，该设备具体包括电动机、压电折弯机、光电调制器、光电光阀、衍射光栅以及机电设备，例如螺线管和音圈配置。
上述的误差检测系统和误差校正系统也可以用于图像投影系统中，以自动地确保光源发出的光有效地耦合到光导中，典型的光源为电弧灯。由于可以自动实施精确对准，因此更易于起始对准这种图像投影系统。
可以理解，前面的一般说明和以下的详细说明都仅仅是示例性和解释性的。对于本领域的技术人员来讲，本发明的其它实施例、实施例的变型和等价物以及其它方面、目的和优点是显而易见的，并且可以通过研究附图、说明书和权利要求来获得，或者可以通过实施本发明来了解。
在附图中：
图1示出了根据本发明原理的一般彩色图像投影系统；
图2示出了适用于图1的图像投影系统中的误差检测系统；和
图3示出了适用于图1的图像投影系统中的误差校正系统。
现在，将更加详细地讨论本发明的实施例，其实例表示在附图中。
图1示出了根据本发明原理的图像投影系统10。应当理解，该图像投影仪10表示一种适于解释本发明原理并且用于说明这些原理通常如何有助于图像投影系统的一般图像投影仪。
图像投影系统10的目的是将所调制的光束12投影到表面14上，从而生成需要的图像。这些图像是根据在端口16上输入的输入信号生成的，例如电视信号、计算机生成的信号或者其它类型的数字或模拟信号。
图像投影系统10包括照明单元18，其包括光源20和反射镜/透镜系统22。实际上，通常将电弧灯用作光源。反射镜/透镜系统22将光输入到矩形(包括正方形)的光导24中。将光导24中的光传输到颜色分离器26，该分离器将光源20发出的白光分成其红、绿和蓝色成分(或者其它基色成分)。通过光导28将红色成分施加到红色调制器40。通过光导34将绿色成分施加到绿色调制器36，以及通过光导38将蓝色成分施加到蓝色调制器30。
仍然参照图1，将端口16上输入的信号施加到电子子系统42。该子系统从输入信号中提取红、绿和蓝色信息，以生成红、绿和蓝色调制信号。通过红色信号线46将红色调制信号施加到红色调制器40，通过绿色信号线48将绿色调制信号施加到绿色调制器36，通过蓝色信号线50将蓝色调制信号施加到蓝色调制器30。红、绿和蓝色调制器(40、36和30)根据调制信号调制颜色成分。
然后将经调制的颜色成分施加到光学处理器56，其将所调制的红、绿和蓝色颜色成分组合以生成光束12。该光束12穿过一组投影光学元件57以在表面14上产生需要的图像。
图像投影系统10使用了大量的光导(光导24、28、34和38)来在内部传输光。尽管使用光导是有益的，但是实际上重要的是确保光可以有效地耦合到不同光导中。为此，图像投影系统10包括至少一个误差检测电路和至少一个误差校正系统。
现在参照图2和3，误差检测电路包括Y轴光纤102和X轴光纤104。每个光纤具有被包层108围绕的纤芯106(参见图3)。通常，保护纤芯106和包层108并且提供机械强度的缓冲层和外套围绕该包层108。Y轴和X轴光纤102和104与矩形光导紧密配合，所述矩形光导在图2和3中标为光导110。应当理解，光导110通常表示图1所示的一个或多个光导。
如图3所示，光导110包括被外部包层114围绕的纤芯112。部分地去除Y轴和X轴光纤102和104的外部包层108，从而使其纤芯106接触外部包层114。有益的是，该外部包层114与纤芯106具有相似的折射率。这可以使外部包层114中的光耦合到纤芯106中。
现在参照图2和3，光源(为了说明方便，假设为光源20)发出的光142会有效地耦合到光导110中。如图所示，光142穿过反射镜/透镜22的透镜部分在光导110上生成光点。理想情况是，该光点仅照射纤芯112。然而，如图3所示，不会总是这样。当光142与包层114重叠时，一部分光142传递到包层114中并且耦合到光纤的纤芯106中。图3示出了在Y轴光纤102下照射包层114的光142。
现在参照图2，Y轴光检测器150检测耦合到Y轴光纤102中的光。类似的是，X轴光检测器152检测耦合到X轴光纤104中的光。将光检测器150和152的输出施加到电子误差检测器154。该电子误差检测器154处理来自光检测器150和152的信息，从而在线156上生成X轴校正信号，在线158上生成Y轴校正信号，以及在线159上生成Z轴校正信号。应当注意，电子误差检测器154可以包括放大器、微控制器、存储器电路、比较器、A/D和D/A转换器等等。
X轴校正信号主要由X轴光检测器152的输出获得，而Y轴校正信号主要由Y轴光检测器150的输出获得。然而，Z轴校正信号是由X轴光检测器152以及Y轴光检测器150的输出获得的。主要参照图2，Z轴校正信号与光142在光导110上的焦点有关。如果该光点过大，则表示聚焦不良，那么X轴光检测器152与Y轴光检测器150的输出增大。当这些信号的和最小时，获得是最佳聚焦。
现在参照图3，将线156上的X轴校正信号施加到X轴相对运动引发设备160，而将线158上的Y轴校正信号施加到Y轴相对运动引发设备162。如果电子误差检测器154确定了光142在X方向上偏离了中心，则会生成X轴校正信号使得X轴相对运动引发设备160将光142生成的光点沿着X轴向纤芯112的中心移动。同样，如果电子误差检测器154确定了光点在Y方向上偏离中心，则会生成Y轴校正信号使得Y轴相对运动引发设备162将该光点沿着Y轴向纤芯112的中心移动。现在参照图2，此外，将线159上的Z轴校正信号施加到Z轴运动引发设备161。Z轴运动引发设备161改变光142在光导110上的焦点。因此，图像投影系统10包括自动调整光142的位置和焦点使得光142有效地耦合到光导110中的闭环、误差控制反馈网络。
应当理解，相对运动引发设备160、161和162不必物理接触光导110或者光源20。实际上，它们可以移动将光142引导到光导110中的透镜、反射镜、棱镜或其它任意元件。图2示出了反射镜/透镜22的可能的运动170以及光源20的可能的运动172。此外，相对运动引发设备160、161和162实际上不必引发物理运动。例如，相对运动引发设备可以是光电定位元件，例如光阀或调制器。因此，合适的相对运动引发设备160、161和162包括例如电动机、螺线管、电磁元件、压电折弯机、光阀、衍射光栅和调制器。
本文中提出的实施例和实例用于解释本发明及其实际应用，从而能够使本领域技术人员制造和利用本发明。然而，本领域的技术人员会认识到前面的说明书和实例仅仅用于说明和示例。本发明的其它变型和修改对于本领域技术人员来讲是显而易见的。因此，意在由所附的权利要求来限定本发明的范围，从而对各方面的等价物给出全面的认识。

Claims (14)

1.一种光学系统，包括：
具有内部纤芯和外部包层的矩形光导；
光学耦合到外部包层的第一侧的第一光纤，该第一光纤配置成检测在外部包层的第一侧内传播的光；
光学耦合到外部包层的第二侧的第二光纤，该第二光纤配置成检测在外部包层的第二侧内传播的光；
用于检测耦合到第一光纤中的光的第一光检测器；
用于检测耦合到第二光纤中的光的第二光检测器；
耦合到第一光检测器和第二光检测器的误差检测系统，该误差检测系统用于根据由第一光检测器和第二光检测器检测到的光来产生Z轴误差校正信号。
2.根据权利要求1所述的光学系统，该误差检测系统还用于根据由第一光检测器和第二光检测器检测到的光来产生X轴误差校正信号和Y轴误差校正信号。
3.根据权利要求2所述的光学系统，还包括用于响应X轴误差校正信号将光束相对于内部纤芯移动的X轴相对运动引发设备。
4.根据权利要求3所述的光学系统，还包括用于响应Y轴误差校正信号将光束相对于内部纤芯移动的Y轴相对运动引发设备。
5.根据权利要求1所述的光学系统，还包括用于响应Z轴误差校正信号将光束相对于内部纤芯移动的Z轴相对运动引发设备。
6.根据权利要求1所述的光学系统，还包括用于产生被引导到光导中的光束的光源。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中第一光纤包括第一纤芯和第一包层，其中部分除去第一包层，使得第一纤芯光学接触所述外部包层。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中第一纤芯和外部包层具有相似的折射率，使得外部包层中的光耦合到第一纤芯中。
9.一种图像投影系统，包括：
具有内部纤芯和外部包层的矩形光导；
用于将光束投影到光导中的光源；
光学耦合到外部包层的第一侧的第一光纤，该第一光纤配置成检测在外部包层的第一侧内传播的光；
光学耦合到外部包层的第二侧的第二光纤，该第二光纤配置成检测在外部包层的第二侧内传播的光；
用于检测耦合到第一光纤中的光的第一光检测器；和
用于检测耦合到第二光纤中的光的第二光检测器；
耦合到第一光检测器和第二光检测器的误差检测系统，该误差检测系统用于根据由第一光检测器和第二光检测器检测到的光来产生X轴误差校正信号、Y轴误差校正信号和Z轴误差校正信号。
10.根据权利要求9所述的图像投影系统，还包括用于响应X轴误差校正信号将光束相对于内部纤芯移动的X轴相对运动引发设备，用于响应Y轴误差校正信号将光束相对于内部纤芯移动的Y轴相对运动引发设备，和用于响应Z轴误差校正信号而聚焦光束的Z轴相对运动引发设备。
11.根据权利要求10所述的图像投影系统，还包括颜色分离器，其将光源发出的光分成基色成分。
12.根据权利要求11所述的图像投影系统，还包括根据调制信号来调制基色成分的调制器系统。
13.根据权利要求12所述的图像投影系统，还包括组合所调制的基色成分以产生图像光束的光学处理器。
14.根据权利要求9所述的图像投影系统，其中第一光纤包括第一纤芯和第一包层，其中部分除去第一包层，使得第一纤芯光学接触矩形光导的外部包层，并且其中第一纤芯和外部包层具有相似的折射率，使得外部包层中的光耦合到第一纤芯中。
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