CN102414599A - 提供发散校正的光束校准腔室 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光束校准腔室，其包含：基底、连接到该基底的第一和第二侧壁和位于该基底的前边缘且具有输出开口的前壁。该光束校准腔室进一步包括多个光源，经放置从而引导光束穿过第一或者第二侧壁；多个反射器，安装在基底上，每个具有独立的偏转和俯仰调整装置，每个反射器经放置从而引导来自相应光源的光束沿着光束校准腔室的长度通过输出开口形成校准的平行光束阵列；和一个或更多光学元件，位于校准的光束阵列的光程中，经放置从而关于至少一个轴校正光束发散。

Description

提供发散校正的光束校准腔室
技术领域
本发明通常涉及用于投影数字图像的仪器，并且更具体地涉及用于校准固态激光作为照明源的改进仪器及方法。
背景技术
为了考虑适合替代常规的电影放映机、数字投影***、尤其是多***投影***，必须满足图像质量和性能的必要条件的需要。在其他特征中，这意味着高分辨率、广色域、高亮度、和超过1000∶1的帧连续对比度。
大多数用于多色数字电影投影的可行的解决方法使用两个基本类型的空间光调制器(SLM)中的一种作为图像形成装置。第一种类型的空间光调制器是由德克萨斯州达拉斯的Texas Instruments公司研发的数字光处理器(DLP)数字微镜装置(DMD)。在许多专利中描述了DLP装置，例如美国专利No.4441791；No.5535047；No.5600383(全部为Hornbeck)；和美国专利No.5719695(Heimbuch)。用于采用DLPs的投影仪器的光学设计公开于美国专利No.5914818(Tejada等)；5930050(Dewald)；6008951(Anderson)；和6089717(Iwai)。DLPs已经成功地用于数字投影***。
图1示出使用DLP空间光调制器的投影机仪器的简化的方框图。光源12提供多色光进入棱镜组件14，例如Philips棱镜。棱镜组件14将多色光分为红色、绿色、和蓝色分波段，并且将每个波段导入相应的空间光调制器20r、20g、或者20b。然后，棱镜组件14将来自每个SLM20r、20g、和20b的调制光重新组合，并且将这个光提供到投影棱镜30，以便在显示屏或者其他适合的表面上投影。
尽管基于DLP的投影机显示了为大多数从桌面到大型电影的投影应用提供必需的光通过率、对比度、和色域的能力，但是存在固有的分辨率限制，现有装置仅提供2148×1080像素。此外，高元件和***成本限制了用于高质量数字电影投影的DPL设计的适合性。而且，Philips或其他适合的棱镜以及具有亮度所需要的长工作距离的快速投影透镜，这些的成本、尺寸、重量、和复杂性是固有限制，对这些装置的可接受性和适用性具有负面的影响。
用于数字投影的第二种类型的空间光调制器是LCD(液晶装置)。通过有选择地为每个相应的像素调制入射光的偏振态，LCD将图像形成作为像素阵列。对于高质量数字电影投影***，LCD似乎具有作为空间光调制器的优点。这些优点包括相对大的装置尺寸，良好的装置产量和制造较高的分辩率装置的能力，例如Sony和JVC公司的4096×2160分辩率装置。在美国专利No.5808795(Shimomura等人)；美国专利No.5798819(Hattori等人)；美国专利No.5918961(Ueda)；美国专利No.6010121(Maki等人)；和美国专利No.6062694(Oikawa等人)中公开了利用空间光调制器的电子投影仪的实例。LCOS(硅基液晶)装置被认为对于大规模图像投影特别有前景的。然而，由于高亮度投影的高热负荷影响材料的偏振质量，LCD元件很难维持数字电影的高质量需求，特别是关于彩色和对比度。
照明效率的连续问题涉及集光率(etendue)或者类似地Lagrange不变量(Lagrange invariant)。在光学领域众所周知，集光率涉及可以由光学***处理的光的量。潜在地，集光率越大，图像越亮。在数值上，集光率与两个特性的乘积成比例，即图像面积和数值孔径的乘积成比例。就图2中表示的简化的光学***来说，该光学***具有光源12、光学装置18、和空间光调制器20，集光率是光源A1的面积和它的输出角θ1的乘数，并且等于调制器A2的面积和它的接近角θ2。为了增加的亮度，希望从光源12的面积提供尽可能多的光。如一般原理，当在光源的集光率最接近地匹配在调制器集光率时，这种光学设计是有利的。
增加数值孔径例如增加集光率，以便光学***获取更多光。类似地，增加源图像尺寸，以便光源自较大的面积，从而增加集光率。为了利用在照明侧上增加的集光率，该集光率必须大于或等于照明源的集光率。然而，通常，该图像越大，该光学装置和支撑元件的成本越高并且尺寸越大。这对例如LCOS和DLP元件的装置尤其成立，其中硅基底和缺陷随尺寸可能增加。按一般规律，增加的集光率导致更复杂且更昂贵的光学设计。使用例如美国专利No.5907437(Sprotbery等人)中概述的方法，该光学***中的透镜元件必须设计成大的集光率。必须通过***光学装置汇聚的光的源图像面积是空间光调制器在红色、绿色、和蓝色光路的组合的面积的总和；值得注意地是，这是最后形成的多色图像的面积的三倍。也就是说，对于美国专利No.5907437中公开的构造，由于红色、绿色、和蓝色颜色路径是分开的，并且必须在光学上汇聚，所以光学元件处理相当大的图像面积，由此处理高集光率。此外，尽管例如在美国专利No.5907437中公开的构造处理来自最后形成的多色图像的三倍面积的光，但是由于每个彩色路径只含有总光级的三分之一，这个构造对增加亮度没有任何好处。
当光源的集光率很好地匹配空间光调制器的集光率时，效率提高了。较差匹配的集光率意思指光学***缺少光，即不能提供充分的光到空间光调制器，或者效率低，即有效地丢弃产生用于调制的光的实质部分。
到现在为止对于LCD和DLP***两者的设计者来说，证明为在可接受的***成本的数字电影应用提供充分的亮度的目标是难以捉摸的。即使使用偏振恢复技术，LCD基***也已经受偏振光、减少效率和增加集光率的必要条件影响。虽然不需要偏振光的DLP装置设计已经证明某种程度上更有效，但是仍旧需要昂贵的、寿命短的灯以及成本高的光学发动机，这使其过于昂贵，以至于无法与普通电影放映设备竞争。
为了与普通的高端影片基投影***竞争并且提供所谓的电子或者数字电影，数字投影机必须能够获得可与这些较早设备相比的电影亮度级。由于一些比例的概念，一般影院需要在相当于对角线40英尺的屏幕尺寸上投影相当于10000流明。屏幕的范围需要从5000流明直到40000流明的任何。除了这个需求的亮度必要条件之外，这些投影机也必须传送高分辨率(2048×1080像素)，并且提供大约2000∶1的对比度和广色域。
一些数字电影投影机的设计已经证明能够具有这一水平的性能。然而，高设备和运行成本已经成为障碍。满足这些必要条件的投影仪通常每个成本超过$50000，并且利用高瓦数的氙弧灯，该氙弧灯需要在每隔500至2000小时的间隔替换，一般的替换成本通常超过$1000。由于氙灯需要相对快速光学装置，从而收集并且投影来自这些源的光，所以其集光率对成本和复杂性具有相当大的影响。
DLP和LCOS LCD空间光调制器(SLM)两者的一个共同缺点在于，其使用固态光源，尤其是激光源的有限能力。尽管固态光源关于相对的光谱纯度和潜在地高亮度级优于其他类型的光源，但是为了有效地使用这些优点，固态光源需要不同的方法。以较早的数字投影机设计使用的用于调节、重定向、和组合来自彩色源的光的普通的方法和装置，可限制激光阵列光源良好使用。
固态激光有可能改善集光率、寿命、和总体光谱和亮度的稳定性，但是直到最近仍不能在适合数字电影的必要条件需要的成本内以充分的水平传送可见光。在更近期的发展中，VCSEL激光阵列已经商业化，并且示出作为潜在光源的一些可能性。然而，为了为每个颜色提供必要的亮度，需要来自九个单独阵列的组合光。
使用激光阵列的投影仪的实例包括：
Kappel等人的题为“Laser Illuminated Image Projection System andMethod of Using Same”的美国专利No.5704700，描述了用于投影机照明的微激光阵列的使用。
Kruschwitz等人共同的题为“Electronic Imaging System Using OrganicLaser Array Illuminating an Area Light Valve”的美国专利No.6950454，描述了用于提供激光照射到空间光调制器的有机激光器的使用。
Mooradian等人的题为“Projection Display Apparatus，System andMethod”的美国专利公开No.2006/0023173，描述了用于照明的延伸腔表面发射半导体激光器阵列的使用；Glenn的题为“Displays UsingSolid-State Light Sources”的美国专利No.7052145，描述了采用用于投影机照明的微激光阵列的不同的显示器实施例。
Lang等人的题为“Laser Diode Array Assemblies With OptimizedBrightness Conservation”的美国专利No.6240116，讨论具有高冷却效率的常规激光条和边缘发光二极管的包装，并且描述了通过使用用反射器组合的透镜除去或者减少平行光束之间的距离从而减少二维阵列的发散-尺寸乘数(集光率)。
这些类型的解决方法每个都存在困难。Kappel’700教示了在图像投影中用作光源的相干激光器的单片阵列的使用，由此选择激光器的数目，从而匹配投影机的流明输出的功率需要。然而，在高流明投影机中，这个方法出现许多困难。制造产量随着装置数目的增加而下降，并且热量问题随着较大规模阵列可以是显著的。相干性也能够为单片设计创造问题。激光源的相干性通常引起例如光学干涉和斑点的假象。因此，优选地使用相干性即空间和时间相干性弱或者被破坏的激光器阵列。当从改进的色域的角度要求光谱相干性时，也希望光谱的少量加宽，其用于移除对干涉和斑点的灵敏度，并且光谱的少量加宽也减轻了单个光谱源色移的影响。这个移位可以发生在例如具有分开的红色、绿色和蓝色激光源的三色投影***中。如果在单个颜色阵列中的所有激光器绑在一起并且都具有狭窄波长，并且在工作波长中发生位移，那么整个投影机的白点和颜色可能超出说明书。另一方面，由于该阵列被用波长中的小变量平均，在总体输出中的单个色移的灵敏度被大大减小。当可能增加元件到***，从而帮助破坏如Kappel所讨论的这个相干性时，从成本和简单性的角度优选地是利用来自不同制造批次的略微变化装置，从而形成大体上不相干的激光源。另外，优选在光源处减少空间和时间相干性，由于大多数减少这一超过光源的不相干性的方式都利用例如扩散器的构件，其增加了光源的有效范围(集光率)，引起额外的光损失，并且增加了***的费用。维持激光器的小的集光率使得光学***能够简单化，这是非常希望的。
特别关注投影应用的激光器阵列是各种类型的VECSEL(竖直腔表面发射激光器)阵列，其包括来自加利福尼亚州森尼维尔Novalux的VECSEL(竖直延伸腔表面发射激光器)和NECSEL(Novalux延伸腔表面发射激光器)装置。然而，使用这些装置的常规解决方法易于出现许多问题。一个限制涉及了装置产量。主要由于关键元件的热量和包装问题，商业化的VECSEL阵列长度上延伸，但是在高度上受限制；通常，VECSEL阵列只具有两列发射元件。使用多于两列的元件会很难显著增加产量。这个实际的限制会使得很难为如例如美国专利No.7052145中所述的投影仪提供VECSEL照明***。当使用美国专利公开No.2006/0023173中提出的投影解决方法时，亮度会被限制。尽管Kruschwitz等人、美国专利No.6950454及其他描述了使用有机VCSEL的激光器阵列的使用，但是这些有机激光器并没有成功地商业化。除了这些问题，常规VECSEL设计易于具有功率连接和散热的困难。这些激光器具有高功率；例如，频率被加倍为两列来自Novalux的单列激光器装置产生超过3W的可用光。因此，可能存在显著的电流必需条件和来自未使用的电流的热负荷。寿命和光束质量高度取决于稳定的温度维持。
激光源到投影***的耦合出现了使用常规方法没有充分解决的困难。例如，使用Novalux NECSEL激光器，为了接近大多数影院的10000流明的必要条件，每个颜色近似需要九个2列×24个的激光器。期望分开安装这些激光源，以便充分散热和运转功率，并且控制信号和允许简化维修和替换的模块化设计。然而，同时，为了形成提供准直光的单一光束，需要组合来自多个源的激光束。由于在光束组合覆层中低效率，覆盖个别光束的解决方法丢失一些产生的光。在组合过程中引入的任何角度分量都增加集光率，并且通常是不希望的。期望的是用光束之间的小间隔重定向多个光束，但是使用常规光束组合技术不容易得到。
因此，可以看到，需要这样的照明解决方法，其利用固态阵列光源的优点，并且允许具有DLP和LCOS调制器的固态照明构件的有效使用。
发明内容
本发明通过提供在长度方向延伸的光束校准腔室(beam alignmentchamber)，解决了对于投影显示的提高亮度的需要，该光束校准腔室包含：
基底，具有前边缘和两侧边缘；
第一和第二侧壁，连接到基底，并且沿着光束校准腔室的长度延伸；
前壁，位于基底前边缘，具有输出开口；
多个光源，经放置从而引导光束通过第一或第二侧壁，每个光束关于至少一个轴的发散未校正；
多个反射器，安装在基底上，每个反射器具有独立的偏转和俯仰调整装置(yaw and pitch adjustment)，每个都与至少一个相应光源配对，基底安装的反射器经放置从而引导来自相应光源的光束，沿着光束校准腔室的长度，通过输出开口形成校准的平行光束阵列，每个光源和输出开口之间的光学距离对于每个光束都大体上相等；和
一个或更多光学元件，位于校准的光束阵列的光程中，其中所述光学元件经放置从而关于至少一个轴校正光束发散。
本发明的特征是，其提供了用于从多个光源阵列提供二维平行输出光束阵列的激光束校准的仪器和方法。
本发明的优点是，其提供了用于多个激光阵列的紧凑包装(compact packaging)的仪器，该仪器校准该阵列沿着输出光路平行。
本领域技术人员通过阅读下列详细描述，连同其中示出并描述本发明的说明性实施例的附图，本发明的这些及其他特征和优点会变得显而易见。
附图说明
图1是为不同颜色光路使用组合棱镜的普通投影仪的示意的方框图；
图2是示出光学20***的激光率的典型图表；
图3A是示出具有多个颜色通道和多组投影光学装置的投影仪用于图像投影的常用设置的示意的方框图；
图3B是示出具有多个颜色通道组合从而使用单组投影光学装置的投影仪用于图像投影的常用设置的示意的方框图；
图4是示出用使用反射面的固态激光器阵列的光束校准的示意图。
图5A是示出用于组合来自多个固态激光器光阵列的照明的光重定向棱镜的使用的示意的侧视图表；
图5B是图7A的光重定向棱镜的透视图；
图6是从两个不同侧面接收光德尔光重定向棱镜的示意的侧视图；
图7是在一个实施例中用于组合来自多个固态激光器的光的光束校准腔室的透视图；
图8是光束校准腔室的透视图，顶部盖体移除并且示出在两侧的激光阵列源；
图9是光束校准腔室的透视图，示出反射镜安装在基底和盖体上的相对位置；
图10是看不见一个侧面和顶盖的光束校准腔室的透视图，示出一种类型的独立可调整镜面固定架；
图11是示出光束校准腔室的侧壁的平面图；
图12是示出来自多个校准的激光阵列的输出光束部分的平面图；
图13是示出用于顶部安装的一个反射镜和基底安装的一个反射镜的典型光路的顶视图；
图14是示出用于一部分光束校准腔室的相等的光程长度的顶视图；
图15是示出相等的光程长度如何可用于简化用于调节输出光束的光学装置的透视图；和
图16是在一个实施例中具有独立可调节偏转和俯仰的运动的镜面固定架的透视图。
具体实施方式
本描述特别针对按照本发明形成仪器的部分的元件或者更直接与仪器合作的元件。应当理解，没有具体示出或描述的元件可能采取本领域技术人员众所周知的各种形式。
这里示出并描述的附图提供用于说明根据本发明的工作原理，并非意图示出实际尺寸或者比例绘制。因为用于本发明激光阵列的组件部分的相对尺寸，为了强调基本结构、形状、和工作原理，所以需要一些放大。
本发明的实施例解决在电子图像投影机中为每个彩色通道提高光强度的需要。为了更好地理解本发明，描述本发明的仪器和方法能够工作的总体背景是有益的。图3A和3B的示意图示出用于图1的投影仪10的两个基本构造。本发明的实施例可以合适地被采用作为用于这些基本构造的任何一种的照明***部分。
首先转到图3A，示出用于本发明许多实施例的投影仪10的基本设置。示出三个光调制通道40r、40g、和40b，每个通道调制来自照明***42的原色红色、绿色、或者蓝色颜色(RGB)中的一个。在每个光调制通道40r、40g、和40b中，可选透镜50可能引导光进入可选保偏光导(polarization maintaining light guide)52。在光导52的输出端，或者相反从透镜50接收光的透镜54引导光穿过积分器51，例如蝇眼积分器(fly′seye integrator)或者积分棒(integrating bar)。这个光进入用于投影机仪器10的图像形成***的部分的空间光调制器60。空间光调制器60通常是微机电***(MEMS)装置，例如DLP或者其他类型的反射MEMS构件，包括通过反射或者折射调制光的任何类型的调制器构件。这些装置可以被认为是“偏振态中性(polarization state neutral)”，因为其在每个像素不通过调制像素的偏振态调制光；为从该像素的MEMS表面反射时其入射角的函数，对于任何像素对入射光的偏振态的任何变化都是无意的。光到MEMS空间光调制器的入射角可以调整从而最小化任何不想要的偏振影响。由于其许多可能的实施例，图3A中通常以虚线外框指示的投影光学装置70，然后引导经调制的光到显示器表面80。
下面转到图3B，颜色组合器76用于将来自每个颜色光调制通道40r、40g、40b的经调制光组合到用于投影的普通输出轴A上。颜色组合器76可能是电子成像领域技术人员所熟知的棱镜或者二向色表面组件，例如X-cube或者其他组合装置。
使用这两种基本成像构造的任何一种，照明***42的功能是相同的：组合来自两个或更多激光阵列的光，沿着普通照明路径校准别光束。图4示出用于组合多个光源阵列44和44’从而形成较大的具有校准的准直光束的阵列。一个或更多散置的镜面46可能用于放置与固态光源阵列44对准的附加光源阵列44’的光轴。然而，可以理解，热量和间隔必要条件可能限制以这个方式可以层叠多少光源阵列44。此外，光束源之间的间隔也对这个解决方法约束。
图5A和5B的侧视图和透视图示出使用光重定向棱镜48的提高光束组合的方法。这里，照明***42组合来自四个固态光阵列44的激光，集中在比图4的阵列设置更小的面积内。光重定向棱镜48具有入射面32，其接收从由激光器26组成的光源阵列44在发射方向D1上发出的光。光在大体上与发射方向D1成直角的输出方向D2上通过输出面34重定向。光重定向棱镜48具有有光重定向小平面(facet)38的重定向表面36。光重定向小平面38相对于发射方向D1成斜角，并且向从激光器26发出的光提供全内反射(TIR)。当如图5A和5B所示交错设置时，这些特征有助于使这个照明的光路变窄，提供较窄的光束。如图5B所示，光源阵列44每个都具有多个在长度方向L上延伸的激光器26。光重定向小平面38及重定向表面36上的其他小平面也在方向L上延伸。
图6的横截面侧视图示出照明***42中光重定向棱镜48的另一个实施例，其提供了比图5A和5B中所示的实施例更为紧凑的用于使用光源阵列的照明设置。在这个实施例中，光重定向棱镜48具有两个重定向表面36，接收来自具有相反的发射方向D1和D1’的彼此相对的光源阵列44的光。每个重定向表面36具有两种类型的小平面：光重定向小平面38和垂直于来自相应光源阵列44的入射光的入射小平面28。
使用重定向棱镜48的总体方法对用于形成准直射线的光束的常规方法提供了改进，但是具有一些限制。一个问题涉及对准困难。使用这一光组合几何形状，为了在适当方向上适当地瞄准光束，每个光源阵列44都必须是非常准确地校准。这要求每个激光源准确地对齐或者自定义校准到棱镜，对激光器安装机构有大量要求。由于高功率激光器产生显著的热量，对于移除这一热量的需要进一步地使安装和校准复杂。虽然这一设置允许一些可缩放性的测量，但是这受光源阵列44可以怎样紧密放置到一起所限制。此外，光重定向棱镜48可以很难安装，并且在工作情况下变换棱镜材料的温度能够引起不想要的双折射及其他问题。对于适当遮蔽激光的需要增加了进一步的复杂化。
本发明通过为每个颜色通道提供光束校准腔室，解决对改进的光源的需要，该光源组合来自每个波长的多个激光器的准直光。参考图3A和3B，本发明的光束校准腔室是每个相应的光调制通道40r、40g、40b内部的照明***42的部分。
图7的透视图示出光束校准腔室100，其组合并交错几个例如激光阵列源的固态光源阵列的输出光束，以便产生由多个光束形成的合成光束，这个实施例中示出合成光束是准直的，并且全部平行于在光束校准腔室100的长度方向上延伸的照明轴A1。图8、9、10、和11以一个实施例示出光束校准腔室100构造的各种细节。
参考图7至11的不同视图，光束校准腔室100具有有前边缘112和后边缘114的基底110、和第一和第二侧边缘116和118。沿着第一和第二侧边缘116和118分别存在相对的第一和第二侧壁120和122和前壁132，第一和第二侧壁沿着光束校准腔室100的长度延伸。侧开口124在侧壁120和122内，提供用于来自阵列光源140的光束进入光束校准腔室100。光束校准腔室100出来的光穿过前壁132上的输出开口128。多个反射器130关于侧壁120和122成斜角放置，从而引导来自相应阵列光源140的光束通过输出开口128出光束校准腔室100，形成校准的平行光束二维阵列。反射器130安装到基底110，并且可选择地安装到盖体126。每个反射器130具有其本身用于俯仰和偏转的独立调整装置，允许来自每个阵列光源140的光束精确校准。图7示出为这个目的提用于盖体126的调整进入孔154。一个或更多调整进入孔154可以沿着基底110交替提供。在图7的实施例中，可以从盖体126进入用于顶部和基底安装的反射器的所有俯仰和偏转调整装置。
图7至11中示出的光束校准腔室100的实施例具有模块化构造和正方柱面形状，基底110的侧边缘116和118与第一和第二侧壁120和122相交。这个设置有利于其紧凑性和相对易于安装。然而，其他的侧壁120和122的设置也是有可能的。在本发明替换的实施例中，基底110是例如三角形的其它形状，并且只具有前边缘和第一和第二侧边缘。在另一个实施例中，基底110是较大的底盘结构的部分，并且延伸超过侧壁120和122。盖体126的功能可能替换地是由底盘或者其他结构的一些其他部分提供。
图8的透视图示出填充有十二个阵列源140的光束校准腔室100，六个阵列源沿着每个侧壁120和122。十二个阵列源140与十二个反射器130配对，安装在基底110和盖体126上。然后，来自每个阵列源140的校准的输出光束提供输出光束阵列150，在横截面中输出光束阵列150被认为形成校准的二维光束阵列，其中每个阵列源140的贡献集中在光束特定部分的上方。在本发明的实施例中，作为输出光束阵列150从输出开口128发出的输出光具有图案，该图案有利于提供照明光束，维数适合于所使用的空间光调制器(例如，图3A、3B中的空间光调制器60)的长宽比。
图9的透视图示出用于图8的填充的光束校准腔室100的盖体安装和基底安装的反射器130的位置。图10的透视图示出使用镜面固定架200的实施例，下面更详细地描述。
图12的平面图示出，来自图8的光束校准腔室100中的每个固态光阵列源140的校准光束怎样形成输出光束阵列150作为具有矩形长宽比的校准平行光束的二维阵列。对于图7至11中所示的光束校准腔室100的实施例，与基底安装的反射器130配对的阵列光源140形成输出光束阵列150的下部分，具有六个合成部分，即校准的阵列光束142a、142b、142c、142d、142e和142f。类似地，与盖体安装的反射器130配对的阵列光源140形成输出光束阵列150的上部分，具有校准的阵列光束144a、144b、144c、144d、144e和144f。图7和8中示出用于使输出照明成形的相同关系。(图7中示出为输出光束阵列150的输出只表示基底安装反射器130提供的输出部分。注意图7中在适当位置只示出六个阵列源140中的三个。每个校准的阵列光束142a至142e和144a至142e包含来自相应阵列光源140的个别光束的阵列。
图13是光束校准腔室100的顶视图，示出用于在一个实施例中形成输出光束阵列150的每个阵列源140和其相应的反射器130的配对。阵列光源141a、141b、141c、141d、141e和141f安装在盖体126上，并且分别形成图12的相应校准阵列光束144a、144b、144c、144d、144e、和144f。类似地，阵列光源140a、140b、140c、140d、140e和140f安装在基底110上，并且分别形成图12的相应校准阵列光束142a、142b、142c、142d、142e、和142f。图13中描绘了用于顶部安装阵列源141c和基底安装阵列源140d的光束路径。阵列源140d与基底安装的反射器130d配对。类似地，阵列源141c与盖体安装的反射器131c配对。
尽管阵列光源140中的激光源可能是准直的，但是存在一些激光器类型具有显著的光束发散。通常，在激光源处的光束发散是在正交方向的不同角度。光束发散经常使用安装在激光发射体本身的输出处或者附近的柱面透镜元件或者小透镜(lenslets)阵列或者其他光学元件在至少一个正交方向上校正。虽然两个光束发散方向可能用双柱面透镜、两个具有分别的正交曲率的串联透镜校正，这些透镜是昂贵的，并且很难适当地校准。因此，关于图12中激光发射体148的线，在激光阵列处的光束发散可能关于两个轴没有校正，但是通常只在x轴的方向上校正。在沿着图12中所示y轴的正交方向上光束发散也需要校正。
用于校正y轴光束发散的常规解决方法是，在每个阵列的输出端提供准直柱面透镜。然而，这种解决方法成本高，例如，图7至11中示出的用于光束校准腔室100的构件数量增加了十二个额外透镜。可选择地，反射器130的形状可以是柱面，而不是平面，形成用于校正光束发散。然而，每个这种柱面镜面都会大体上比图8至11所示的普通平面镜贵。而且，用于俯仰和偏转的调整装置会由于表面曲率进一步复杂。
与针对这个问题的常规方法的成本和复杂性相反，由于每个光束的发散特性会是一致的，本发明的实施例通过使用于每个激光源的光程距离相等为束发散提供校正，因此允许在输出光束阵列中只利用单个柱面透镜。参考图14和15，分别示出具有相等光程距离和单个校正柱面透镜152的光束校准腔室100的顶视图和透视图。在图14和15中所示的实施例中，光束路径是交错的，使用不同于图13中所示的交错的反射器的阵列设置彼此穿过。图14示出用于阵列源的一部分的均等的光程距离。图15示出一组阵列光源141a、141b、141c、141d、141e和141f的每个在线性发射体的阵列方向上的光束发散。当这些光发射体具有相等的光程距离时，从每个源入射到柱面透镜152上的光的角度大体上相同。圆柱透镜152或者其他适合的光学元件，例如适当弯曲的反射器，能够提供沿着发散轴的准直。以这个方式，对于每个单独阵列光源，分开的准直光学装置是不需要的。
圆柱透镜152只是代表性的构造。通常，在校准的光束路径中可以有不止一个光学元件，并且为输出光提供准直。例如，交叉的柱面透镜可以用于修正两个正交轴的每个中的发散。在替换的实施例中，在每个阵列源140的路径中提供分开的准直透镜(未示出)，以便从输出开口128输出的光是准直的，而不需要柱面透镜152或者图15中所示的其他准直光学装置。
光束校准腔室100使用多个反射器130，每个都可以分开地调整俯仰和偏转。参考图16，示出具有这个调整能力的基底安装的镜面固定架200。反射元件202具有支撑框架204，其可调节耦合到基底组件210。俯仰是使用图16中所示的轴配置关于x轴的调整。偏转调整是关于y轴的。可以理解，许多不同的镜面固定架实施例可能用于在光束校准腔室100内部使用。
本发明的光束校准腔室100可以用作投影机仪器的照明***构件，例如具有先前参考图3A和3B中的投影机仪器描述的基本构造的仪器。从光束校准腔室100输出的光可以进一步地调节，例如使用积分棒或者其他装置使其均匀化，从而为调制提供更均匀的照明光束。反射器130可以沿着单个平面安装，例如在图7中所示的基底安装实施例中，或者在两个平面安装，如图8中所示的盖体安装和基底安装实施例中。为了高效率，反射器130可以是二向色表面。
使用本发明的光束校准腔室，允许用于将来自多个激光阵列的输出光集中到一起的紧凑包装设置，而没有引入角度内容，并且因此，有效地增加了用于投影仪的照明***的集光率。光束校准腔室是高度模块化的，允许替换个别激光阵列，而不需要在光程中完全重新校准多个构件。用于光束校准的调整在反射器处作出，而不是通过复位或相反调整激光器本身。
如图7所示，例如，阵列光源140可以以模块化方式包装，并且直接地靠着侧壁120和122上的开口124装配。这一设置可以帮助减少散射光，并且可能对于照明***的设计重要的遮蔽激光特别有价值。
本发明已经特别参考某些其优选实施例详细描述，但是应当理解，在本发明的精神和范围内可以作出变化或变形。例如，虽然其中在详细的实施例中描述激光阵列，但是其他固态发射构件也可以用作替换。支撑透镜及其他光学构件也可能被添加到每个光程。为了感测每个颜色通道中的光强度，可以在投影机内部的一个或更多位置配置各种类型的传感器。因此，提供了用于校准固态照明源的仪器及方法。
部件符号说明
10.投影机仪器
12.光源
14.棱镜组件
18.光学装置
20、20r、20g、20b.空间光调制器
26.激光器
28.入射小平面
30.投影透镜
32.入射面
34.输出面
36.重定向表面
38.光重定向小平面
40r、40g、40b.光调制通道
42.照明***
44、44′、44a、44b.光源阵列
46.镜面
48.光重定向棱镜
50.透镜
51.积分器
52.光导
54.透镜
60.空间光调制器
70.投影光学装置
76.颜色组合器
80.显示表面
84.二向色表面
100.光束校准腔室
110.基底
112.前边缘
114.后边缘
116.第一侧边缘
118.第二侧边缘
120.第一侧壁
122.第二侧壁
124.侧开口
126.盖体
128.输出开口
130.反射器
130d.基底安装的反射器
131c.盖体安装的反射器
132.前壁
140、140a、140b、140c、140d、140e、140f.阵列光源
141a、141b、141c、141d、141e、141f.阵列光源
150.输出光束阵列
142a、142b、142c、142d、142e、142f.校准阵列光束
144a、144b、144c、144d、144e、144f.校准阵列光束
148.光束
150.输出光束阵列
152.柱面透镜
154.调整进入孔
200.镜面固定架
202.反射元件
204.框架
210.基底部件
A、A1.轴
D1、D1′.发射方向
D2.输出方向
x、y.轴

Claims (11)

1.一种在长度方向上延伸的光束校准腔室，包含：
基底，具有前边缘和两个侧边缘；
第一侧壁和第二侧壁，连接到所述基底，并且沿着所述光束校准腔室的长度延伸；
前壁，位于所述基底前边缘，具有输出开口；
多个光源，经放置从而引导光束通过所述第一侧壁或所述第二侧壁，每个光束关于至少一个轴对于发散是未校正的；
多个反射器，安装在所述基底上，每个反射器具有独立的偏转和俯仰调整装置，每个反射器都与至少一个相应光源配对，所述基底安装的反射器经放置从而引导来自所述相应光源的光束，沿着所述光束校准腔室的长度，穿过所述输出开口形成校准的平行光束阵列，每个光源和所述输出开口之间的光学距离对于每个所述光束都大体上相等；和
一个或更多个光学元件，位于所述校准的光束阵列的光程中，其经放置从而关于至少一个轴校正光束发散。
2.根据权利要求1所述的光束校准腔室，其中每个基底安装的反射器与一维光源阵列配对，并且其中所述校准的光束阵列是二维光束阵列。
3.根据权利要求1所述的光束校准腔室，其中所述光源经放置从而引导光穿过所述第一和第二侧壁两者。
4.根据权利要求1所述的光束校准腔室，进一步包括与所述基底隔一定距离并且连接到所述第一和第二侧壁的盖体，多个反射器一起安装在所述盖体上，每个反射器都具有独立的偏转和俯仰调整装置，每个反射器与至少一个相应光源配对，所述盖体安装的反射器经放置从而引导来自所述相应光源的光束沿着所述光束校准腔室的长度穿过所述输出开口，并且和与基底安装的反射器关联的光束一起形成所述校准的平行光束阵列。
5.根据权利要求4所述的光束校准腔室，其中调整孔提供于所述盖体中，从而进入用于所述盖体安装和基底安装的反射器两者的独立的偏转和俯仰调整装置。
6.根据权利要求1所述的光束校准腔室，其中所述一个或更多个光学元件包含提供关于一个轴的所述光束发散的校正的圆柱透镜。
7.根据权利要求1所述的光束校准腔室，其中所述一个或更多个光学元件包含提供关于两个轴的所述光束发散的校正的一对交叉柱面透镜。
8.根据权利要求1所述的光束校准腔室，其中校正的校准光束阵列是准直的。
9.根据权利要求1所述的光束校准腔室，其中所述光源是激光源。
10.根据权利要求1所述的光束校准腔室，其中所述光束校准腔室是激光源***的构件，所述激光源***提供用于在激光投影***中使用的平行激光束阵列，并且其中所述激光投影***进一步地包含：
照明***，经配置从而使其接收的激光均匀化；
图像形成***，经配置从而与已由所述照明***均匀化的激光相互影响；和
投影***，经配置从而将所述激光图像投影到观看屏幕上。
11.一种用于校准多个光束的方法，包含：
在至少相对的第一侧壁和第二侧壁之间形成从基底延伸并且具有输出端的腔室；
沿着所述基底安装多个反射器，在所述第一侧壁和所述第二侧壁之间隔开一定距离，其中每个反射器都具有独立的偏转和俯仰调整装置，并且相对于所述侧壁在斜角放置；
提供多个光源阵列，每个光源阵列产生光束阵列，并且与相应的反射器配对，所述反射器经放置从而向所述腔室的输出端反射来自所配对光源阵列的光束阵列，产生校准的光束阵列；和
在所述校准的光束阵列的光程中定位校正的光学元件，并且距离每个所述光源阵列具有所述相同的光程距离，所述校正的光学元件经放置从而关于至少一个轴校正光束发散。
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