CN108369367B - 包括光学自由形态表面的投影设备和投影方法 - Google Patents

Abstract

示出了具有至少一个光源4和光通道阵列6、6a、6b的投影设备2。每个通道包括第一折射光学自由形态表面8a、8b和第二折射光学自由形态表面10a、10b以及投影光学器件12。第一折射光学自由形态表面8和第二折射光学自由形态表面10布置在光源4和投影光学器件12之间，并且实现通过对象光图案13a、13b、13a′、13b′、13a″、13b″对投影光学器件12的柯勒照明，得到要被投影到投影光学器件12的成像表面上的图像14a、14b，其中光通道阵列6的图像彼此叠加。

Description

包括光学自由形态表面的投影设备和投影方法

技术领域

本发明涉及一种具有折射光学自由形态表面的投影设备和投影方法。实施例呈现自由形态阵列投影。根据实施例，自由形态表面产生通过对象光图案(pattern)对投影设备的投影光学器件的柯勒照明。

背景技术

当在许多应用领域中产生任何结构化照明(例如，一般照明中的背景和强调照明，针对汽车应用产生轮廓分明的辐射外形，用于测量目的在对象上产生光图案)时，可以采用光束成形器/投影单元。可以以光学方式使信息可视化，其中这可以通过对真实目标进行照明以及通过产生眼睛可见的虚拟图像来完成。

为了能够客观地在不同的解决方案方法之间进行比较，下面将简要地概括这种光束成形器/投影单元的一些相关表征量。以下表征量与照明和投影任务中的大多数应用相关：

(A)确保足够大的光通量/光功率

(B)紧凑型小型化光学器件，其中主要重点在于光学器件厚度

(C)透射通过光学器件的高功率/功率效率

(D)产生极其不同光分布的方式：

-粗糙的、平滑的、微弱变化的分布

-具有高分辨率的精细的高度图案化的光分布(例如，作品中的高分辨率图像等)

-从小对比度变化到非常高的对比度(例如，照明范围内的目标区域与无光区域内的目标区域)

-任何边缘几何形状

-组合极其不同的要求

(E)针对空间源不均匀性(特别是针对源位置和源布置)的均匀化效果，特别是颜色混合的方式、足够的容差

(i)具有单通道宏观投影仪的光分布的图案化照明和投影是众所周知的[Malacara]。可以在目标上产生任何期望的光分布(D)。然而，例如，光因为吸收性滑动件或动态成像器而衰減，这会导致功率效率(C)的相当大的损失。通常，将应用柯勒照明原理，这意味着将源空间域变换为目标射线域(E)，但是必须例如通过使用蜂窝聚光器[Pan]来特别引入进一步的光混合。当对单通道投影仪[Pan，US 2006/0285078 A1]进行小型化(B)(即，减小光学器件高度)时，光学器件面积或表面必须同时减小，这牵涉减小透射光通量(A)。

(ii)为了产生非常高功率效率(C)的任何期望的图案化照明图案，可以使用折射或反射照明自由形态[Ries，Oliker]。这种自由形态的照明基于折射或反射光重新分布，并且大部分不需要任何吸收或衰減结构。通常，无需附加的投影单元将源光(source light)传送到目标。作为应用示例提及了产生用于测量目的的带状图案[DE 102011014779 A1]。然而，应用这种类型的自由形态重新分布呈现相当大的缺陷。在光重新分布时，撞击在自由形态上的光分布(即，源分布或由主要光学器件修改的源分布)必须是众所周知的，并且不得经历改变，这意味着***是相对不宽容的(E)。在这种情况下，不存在均匀化和光混合效果以及柯勒照明等。类似于上述的宏观投影仪，在此也存在小型化和光通量问题(A，B)。然而，从很大程度来讲，对于现实源分布来说，最大的缺陷是光分布产生中的有限分辨率[Zwick]。例如，只有在源分布可以被近似地描述为波前(即，具有非常良好的准直源辐射或非常小的源区域)的情况下，才能在目标上产生非常精细的光分布图案。否则，结果将是相对强的模糊或斑点效果，这样的结果一方面必须在光学设计时考虑进去[Wu]，并且另一方面使得无法产生精细的目标图案。出于这个原因，重新分布自由形态的最常见的实际应用是产生非常平滑或均匀的照明[Luo，Wu，Zhao]。

(iii)当将投影和自由形态光学元件结合时，基本上可以观察到两种趋势。一方面，如上所述的重新分布自由形态用于滑动件或成像器或光混合器的良好均匀照明[Zhao，Minano]。另一方面，成像自由形态(即，投影仪的光学照明路径中的自由形态元件)可以得到更高成像质量的更紧凑的光学器件[Rico，US 8717671 B2，US 8616711，US 2015/0205099 A1]。然而，如(i)中所述的缺陷并未因此而减少。

(iv)通过所谓的阵列投影仪消除了如(i)中所述的当减小光学器件高度时导致的低光通量(即，目标上的低亮度)的缺陷[DE102009024894A1，DE102011076083A1，Sieler]。通过使用具有至少一个聚光器微透镜的多个光通道(针对每个光通道，都有要被成像的对象图案和至少一个投影微透镜)，光学器件高度被减小并且高的光通量也被确保。这里可以找到均匀化和光混合效果、柯勒照明原理和相对于源分布的容差。然而，潜在的低功率效率或***透射的问题仍然存在。通过吸收或衰减光来形成要被成像的对象图案，会出现相当大的透射损失。例如，当产生具有较强照射强度最大值的灰度分布图时、当在背景照明较不明亮或者甚至缺乏背景照明的情况下形成窄的光图案特征时、或当产生要被照明的真实或虚拟区域的非细小边界时，都会产生相当大的损失。

因此，众所周知的单通道投影仪或照明配置呈现这样的缺点：投影仪/照明配置的小型化导致可透射的光通量减少。此外，具有自由形态光重新分布的当前照明配置在真实输入光分布的情况下呈现出相当大的缺陷，并且仅可以与接近准直的输入光或小的源区一起使用，以产生空间高频照明图案。否则，结果可能是相对较强的斑点或模糊效果，从而不能在投影图像中产生精细的图案。此外，这样的***在光学上不耐受。此外，投影仪中的孔径可能大大减少投影仪的输入光通量，结果是大大降低功率透射。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于投影图像或用于图案化照明的改进构思。

该目的是通过独立权利要求的主题来实现的。从属权利要求中限定了其它创造性的实现方式。

实施例示出了包括至少一个光源和光通道阵列的投影设备，其中每个通道包括第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面以及投影光学器件。第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面布置在光源和投影光学器件之间，并且实现通过对象光图案对投影光学器件的柯勒照明，得到要被投影在投影光学器件的成像表面上的图像，其中光通道阵列的图像彼此叠加。因此，通过叠加光通道的图像可以实现总体光分布或总体成像或总体图像。被投影光学器件成像的光图案被认为是对象光图案。换言之，对象光图案是成像时的对象，其中，与常规的阵列投影仪相比，不使用滑动件而是使用光分布。

本发明的基本思想是使用柯勒照明，以便借助于布置在光通道中的两个折射光学自由形态表面获得光源的光的光重新分布和其角度分布的改变，由此产生对象光图案，所述对象光图案可以借助于投影光学器件以投影图像来表示。对象光图案可以是真实的也可以是虚拟的。入射光既可以是准直的，也可以是发散的。换言之，目标光图案可以引起投影光学器件中的光分布，使得投影光学器件使用该光分布来投影图像。使用折射光学自由形态表面允许至少在完全抗反射表面的情况下将光输入功率完全透射到投影图像或照明目标上。因此，可以减小总体光学功率的损失，并且投影或成像出更亮或光强更强的照明图像，即增加目标或成像平面上的照射度。术语照射度和强度将随后用作同义词，其中这两个术语都涉及准直的和非准直的或发散的光。特别地，术语强度不专有地限于准直光。

通过组合自由形态光分布和对投影光学器件的柯勒照明，可以大大改善上述原理。柯勒照明意味着空间源图案以像差方式成像到投影光学器件的入射光瞳。换言之，通过柯勒照明将光源成像到投影光学器件的平面或(弯曲)表面。所述平面或表面是投影光学器件的入射光瞳，即入射光瞳中的空间光分布由源图案确定。然而，由于自由形态光重新分布，入射光瞳中的角度分布信息由要被实现的照明分布来确定。投影设备中的在投影光学器件的入射光瞳后面的结果是由投影光学器件成像到目标上的空间对象光图案。对象光图案位于光源和投影光学器件之间。靠近自由形态表面的对象光图案(第一自由形态表面前方的虚拟对象光图案、两个自由形态表面上或之间的虚拟对象光图案、第二自由形态表面后面的真实对象光图案)可以包含特别大量的空间高频信息，且与入射光是发散的或者非准直的无关，即可以产生具有清晰的空间高频光分布内容的对象光图案。在通过投影光学器件拾取这种对象光图案的情况下，尽管使用空间延伸的光源的发散的或非准直的光，仍可以在目标上产生没有任何模糊效果或叠加虚影的照明图案，或者产生具有减少的模糊效果或叠加虚影的照明图案。与没有实现对投影光学器件的柯勒照明的常规自由形态照明构思相比，模糊效果的明显减小允许图像清晰度提高至少20％、至少40％或至少60％。

根据实施例，投影设备可以包括透射调制结构，透射调制结构被配置为将空间高频图案施加到光图案上，以便产生要被投影在投影光学器件的成像平面中的清晰图像。因此，例如，图像可以基于包括更清晰的边缘或更精细的结构的对象光图案来成像，而且与没有透射调制结构时产生的映射相比，图像也具有高度变化的平滑强度分布或照射度。例如，透射调制结构可以是孔径、滑动件、掩模或成像器，透射调制结构包括针对光的不同透射度的区域，或者被调制为使得该结构的一些区域(主要地)透射光并且该结构的其它区域(主要地)反射和/或吸收光。换言之，撞击在透射调制结构上的光基本上或专有地透射或透过透光区域，其中撞击在透射调制结构的非透光区域中的光被(基本上)反射或吸收，由此不透射或透过该结构。因此，透射调制结构可以对光进行强度调制，其中术语强度调制在此可以应用于准直光和发散光，并且特别地不限于准直光。

根据其它实施例，第一折射光学自由形态表面和/或第二折射光学自由形态表面可以被配置为：使从光源发射出的光更多地照射到透射调制结构的透光区域中，以便实现与透射调制结构的非透光区域上的照射度相比，透射调制结构的透光区域中的照射度更大。换言之，两个折射光学自由形态表面可以执行在透射调制结构(即，例如孔径、滑动件或掩模)的透射区域或透光区域中的光分布(以及光的角度分布)。这是有利的，因为降低了透射调制结构吸收的或不让通过的光的部分，因此可以使用增大的光强度或更大的照射度来投影图像。因此，有可能以更高的亮度或照射度来投影图像。

在该布置中，透射调制结构可以形成(最终)对象光图案，所述对象光图案是已经由第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面预成形的。因此，投影光学器件可以包括位于或至少靠近透射调制结构的对象平面或对象区域，以便获得对象光图案在投影光学器件的图像区域中的照明。对于远场照明(即，无限远处的照明目标)，投影光学器件的左侧(即，面向光源的)焦平面将至少靠近透射调制结构。在对与投影设备相距有限距离的(真实/虚拟)目标进行照明的情况下，将应用经典成像法则[Born-Wolf]，以便使投影光学器件的对象平面或对象区域靠近透射调制结构。另外的折射光学自由形态表面执行光重新分布，以便在透射调制结构的平面中获得与目标光图案类似的光图案。该光图案与对象光图案的相似性涉及识别主题或至少涉及识别匹配的粗结构或至少识别位置。因此，对象光图案可以包括更清晰的轮廓或者广义地更高的空间频率，然而，在该光图案中已经可以识别要被投影的图像的图案或者粗糙形状或者至少位置。然后，借助于透射调制结构形成提供用于成像的对象光图案。此外，本实施例中的折射光学自由形态表面还以一方式使入射光的角度分布发生改变，使得实现通过对象光图案对投影光学器件的柯勒照明。

根据其它实施例，第一折射光学自由形态表面可以被配置为执行空间光重新分布和/或对由光源发射的光线的射线角度执行控制。作为替代或补充，第二折射光学自由形态表面可以被配置为根据柯勒照明以会聚方式将光线重新定向到投影光学器件，其中第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面彼此影响。特别地，从数学角度来看，第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面可以通过求解耦合微分方程式来获得，以便得到对投影光学器件的柯勒照明和空间光重新分布二者，从而可以基于新提供的光分布来产生期望的对象光图案。

其它实施例示出了第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面，它们基于真实光图案在光通道中在光源和第二折射光学自由形态表面之间产生虚拟对象光图案，其中虚拟对象光图案是要被投影的图像的映射，并且其中真实光图案在透射通过第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面之后形成。换言之，这里第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面产生位于第二折射光学自由形态表面前面的虚拟对象光图案。用比喻的方式表达，可以通过延伸在第二折射光学自由形态表面的后面的真实光图案的光束来获得相同的结果。虚拟对象光图案是用于说明如何将投影光学器件中的真实光图案表示为要被投影的图像的辅助表示。因此，投影光学器件可以使用与虚拟对象光图案所在的平面或表面靠近的对象光图案，并最终将该对象光图案成像到目标上。换言之，投影光学器件的对象平面被置于靠近获得虚拟对象光图案的表面或者置于获得虚拟对象光图案的表面中。此外，具有最小模糊效果(或者具有最大或最清晰信息内容)的虚拟对象光图案可以采取不位于平面内的复杂形式。在这种情况下，由于具有最小模糊的虚拟对象光图案和对象平面可能不一致，因此可以将投影光学器件的对象平面置于该虚拟对象光图案的中心位置中且因此靠近该虚拟对象光图案。然而，这里的对象平面可以至少近似(部分地)处于所瞄准的虚拟对象光图案中。为了能够以改进的或更清晰的方式对具有复杂形状的这种对象光图案成像，可以使用另外的自由形态来实现投影光学器件，使得投影光学器件的对象区域更好地匹配对象光图案的形状。如果对象光图案具有(平的)平面形状，则投影光学器件的对象平面将处于示有对象光图案的平面中。否则，不是所瞄准的对象光图案将被成像，而是相邻光图案(非瞄准的)将被成像，该相邻光图案将成为对象光图案。

其它实施例示出了投影光学器件被配置成将要被投影的图像成像到真实的或虚拟的投影表面上，其中光通道阵列的投影光学器件被配置为将要被投影的图像叠加到真实的或者虚拟的投影表面上。这是有利的，因为投影光学器件可以将要被投影的图像成像到诸如墙壁之类的真实投影区域或表面(目标)上。作为替代或补充，投影设备也可以投影虚拟图像，理论上对虚拟图像进行投影将仅导致无限远的真实图像，但是，可以使用另外的透镜(如眼睛)将虚拟图像成像到真实投影表面上。在这种情况下，眼睛将被调整到无限距离。类似地，投影设备还可以在距离元件有限距离处产生虚拟图像，以及使用另外的光学器件(像眼睛)可以将该图像引至真实的投影表面。在这种情况下，眼睛将被调整到有限对象距离。这意味着光通道阵列的各个通道可以被配置为将具有相同主题的各个图像叠加在真实的或虚拟的投影表面上。这是有利的，因为根据该实施例，每个通道产生具有相同主题的图像，这些图像可以例如在亮度分布或波长范围上有所不同(即，示例性地包括不同的基色)，并且将来自不同通道的图像进行叠加导致投影表面上的改善的光分布。这在非均匀源分布的情况下实现了光分布均匀化。此外，通过这种方式可以实现色源布置的颜色混合改进。最后，***对于源布置或光学器件制造不精确的容差增大。因此，总体成像的主题可以由光通道的投影的(个体)图像组成，其中光通道的图像各自包括不同的主题。例如，各个图像被布置在投影表面上，使得两个通道的图像示例性地重叠一半或四分之一，以避免图像过渡时的不连续性。换言之，投影的(个体)图像中的图像误差(例如由生产不精确性引起)可能例如呈现出不均匀的亮度分布，该缺点通过叠加其它图像形成总体图像得到了补偿。备选地，各个通道或通道组可以被配置为在真实或虚拟的投影表面上产生不同图像，其中借助于将不同图像至少部分地彼此叠加来产生在真实或虚拟的投影表面上的总体图像。这是有利的，因为可以根据通道的各个投影图像来产生复合总体图像，该复合总体图像在大小上与个体图像相同，可以被示出为仅显著增加复杂性。例如，这在投影光学器件的大发射角度有利于照射或照明投影表面时可能发生。

其它实施例呈现至少两个通道或两个通道组，所述至少两个通道或两个通道组被配置为处理不同的波长范围，其中第一通道或第一通道组在第一波长范围减少成像误差，并且其中第二通道或第二通道组在第二波长范围内减少成像误差。因此，不同的光通道可以针对不同的波区域进行优化，从而可以提供更精确的投影，例如在通道已经优化的波长范围内的投影更清晰或色像差更小。此外，这里的投影设备可以包括不同波长范围的多个滤色片或多个光源，其中，所述多个滤色片或所述多个光源被配置为将所述第一波长范围内的光引导到第一通道或第一通道组中，以及将第二波长范围内的光引导到第二通道或第二通道组中。因此，优选地，可以针对三基色(例如，红色、绿色和蓝色)中每个颜色优化阵列中的一个通道或一个通道组。通过将光学结构调谐或调整到各个波长范围，可以减少图像误差，从而在投影图像时将各个颜色的图像进行叠加，以形成总体图像，该总体图像例如与由被调谐到白光的通道产生的总体图像相比包括提高的清晰度或后减少的伪影或像差(如彩色条纹)。

根据其它实施例，光通道阵列的所有通道的光学结构布置在平的基底上和/或平面中。这是有利的，因为这种布置不需要增加制造的复杂性，因此可以廉价生产。这里的光学结构概述了对光通道中的光分布有影响的全部元件，例如第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面、以及可选的另外的折射光学自由形态表面、投影光学器件和可选地另外的投影透镜和透射调制结构。

根据其它实施例，至少一个光学结构可以被配置为在投影光学器件的成像平面中产生不对称的光分布，其中所述光学结构布置在倾斜平面上，以便减少相邻的光通道的相互相邻的光学结构之间的不连续性，并且其中投影光学器件被配置为基于不对称的光分布来投影图像。如果期望投影图像中的光分布不对称，则折射光学自由形态表面例如包括斜的或棱镜表面形的部分，其产生不对称性光分布。当在平面内布置光学结构时，将在相邻通道的光学结构彼此相邻的表面处产生跳跃或不连续性，所述跳跃或不连续性可以例如在投影图像中引起伪影。通过将光学结构布置在倾斜平面上，减小了相邻光学结构之间的不连续程度或跳跃程度，其中这里的伪影也减少了。根据另一实施例，第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面两者中的每一个以及投影光学器件可以至少布置在弯曲表面上的光通道中，其中光通道的主辐射角度被调整，以便减少或避免在叠加图像时产生投影伪影和/或光学非活性区域和/或阵列通道之间的死区。例如，当光通道阵列的所有通道被布置在公共包络面上时，这种布置是有利的，因为各个通道的主辐射角度可以被单独地调整，以便最小化上述效果，并且从数学角度来看在叠加投影图像之后获得最佳总体成像的可能性较高。

此外，实施例示出了投影设备，后面其也将被称为光束成形器/投影单元或自由形态阵列投影仪，所述投影设备包括至少一个光源和可选的主光学器件以及相邻的光通道。每个光通道包含至少两个折射自由形态表面、投影透镜/光学器件以及一个或若干个透射调制结构。布置在入射侧的光学自由形态表面引起空间光重新分布和对辐射角度的控制，从而一方面形成空间的真实或虚拟的光图案，另一方面允许对下游投影透镜/光学器件的柯勒照明。投影透镜/光学器件将通过自由形态光重新分布并通过透射调制单元产生的光图案传送到一个或若干个真实或虚拟的目标上，其中通过叠加各个通道的各个光分布形成总体光分布。

在阵列投影仪中简单地使用光重新分布的自由形态表面几乎没有用处。此外，使用在效果上耦接的至少两个自由形态表面是有利的。

根据实施例，光束成形器/投影单元是具有大的光通量(B)的紧凑型超薄光学器件(A)。可以通过自由形态光重新分布来产生平滑/粗图案化的光分布，并且可以通过组合自由形态光重新分布和透射调制结构(D)来产生几乎具有任何期望对比度的非常精细的高分辨率光图案。通过应用自由形态光重新分布，光学器件的功率透射可以大大提高(C)。在非常精细的高分辨率目标光图案的情况下，光学器件内的真实图案通过被非常好的适配于透射调制结构(如孔径)的自由形态光重新分布来产生，并因此大大减少了光的衰减损耗。在不怎么精细的目标光分布的情况下，可以专有地应用无损自由形态光重新分布，透射调制结构相当适用于散射光和杂散光最小化。这里必须特别强调的是，在(ii)中描述的在常规自由形态光重新分布中的图案斑点/模糊可以通过我们的新颖的光学器件来大大减小。通过两个自由形态表面的共同作用，光学元件内的结果是模糊程度很小的对象光图案，该对象光图案通过投影透镜/光学元件被传送到目标上。在这种情况下，虚拟对象光图案被频繁使用，该虚拟对象光图案必须由成像投影透镜/光学器件拾取。在最简单的情况下，成像投影光学器件可以是单个微透镜。多表面光学器件也可以用于提高成像质量。对于非细小分布的“对象光图案”以及非琐碎的目标形状，在成像投影光学器件中设置另外的自由形态表面是有利的。除了使用类型极其不同的目标光图案之外，光学器件还应用柯勒照明原理，以使源区域中的空间不均匀性在目标(E)上不可见。将各个通道的光分布叠加在目标上得到总体光分布。在至少一些通道各自以“准相等”光“子分布”(quasi-equal light sub-distributions)来服务相等目标区域的情况下，结果是光学器件(E)的光混合和均匀化效果。

根据本发明的有利实现，下述情况是有利的：将在效果上耦接的至少两个自由形态表面布置在光通道中，以便执行光重新分布和对光的角度分布进行适配。

附图说明

之后将参考附图详细描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是投影设备的示意图；

图2是光束成形器/投影单元或投影设备的发明实施例的示意图；

图3是光束成形器/投影单元中的单个通道(此处没有通道倾斜)的示意图，其使用具有三个折射表面和孔径结构的实施例来说明效果原理；

图4是使用单个通道通过专有自由形态光束重新分布来使得结构模糊程度最小化而得到的虚拟对象图案平面的示意图；

图5是使用简化模型和与常规阵列投影仪的区别来示出的能够进行专有光重新分布的自由形态阵列投影仪的一些特性的示意图；

图6是两个自由形态表面的示意图，该示例图用于说明同时设计两个自由形态表面以获得空间光图案和控制光束的角度分布的基本思想，其中图6a示出了自由形态激光束成形以便将准直的输入强度重新分布为某个成束的输出强度的图，其中自由形态表面被分解成多组椭圆体/圆锥体对，其中相关焦点置于形成对应物的基本元件处，其中图6b示意性地示出了根据具有某种输入光强度图案或某种输入光强度结构的成束的源光产生具有某种光强度分布的理想会聚射线束，其中两个自由形态表面被分解为多组由输入椭圆体和输出卵形线(笛卡尔卵形线)组成的对，并且其中图6c示意性地示出了根据具有某种输入光强度的成束的源光产生具有某种光强度图案或某种光强度结构的特定角度分布的会聚射线束，其中两个自由形态表面被分解成多组由输入椭圆体和输出处的广义笛卡尔卵形线组成的对；

图7是不具有透射调制结构(如吸收孔径等)的投影设备(或自由形态阵列投影仪)的示意图，这样的投影设备被认为是常规蜂窝式聚光器的一般化，其中右侧插图示出了光学器件通道中的两个照明自由形态的表面外形；

图8是自由形态阵列投影仪的示意图，该示意图用于说明柯勒照明和当存在一个或若干个、均匀的或结构化的、单色、多色或白色辐射光源(在此情况下，示例性地为多芯片RGGB源)时的混合和均匀化效果；

图9是根据实施例的自由形态阵列投影仪的示意图，该自由形态阵列投影仪用于通过自有形态光重新分布、吸收/折射光衰减和成像的协作来产生具有非常高空间频率和高***透射率两者的目标图案，其中，右侧插图示出了对于一个通道来说的两个照明自由形态的吸收孔径的表面外形，并且左侧插图示出了作为光重新分布的结果，光束优选地传播通过孔径开口；

图10是投影设备的示意图，该投影设备用于通过折射光重新分布来产生与图7相比的对比度状况颠倒的目标光图案；

图11是具有附加孔径结构(孔径层/孔径壁)的自由形态阵列投影仪的示意图，附加孔径结构用于使得由于潜在的不连续通道过渡、伪边缘、盲区、输入光线准直不足等原因导致的发散光和杂散光最小化；

图12是自由形态阵列投影仪的示意图，该自由形态阵列投影仪用于在目标上产生具有矩形背景照明的明亮三角形图案，其中向目标应用了不同通道叠加，左图：全部的通道以准相等的单通道照明方式服务目标的相同区域，右图：不同通道组以不同的单通道照明方式服务目标的不同区域，其中插图示出了光学器件通道的两个照明自由形态的表面外形；

图13是自由形态阵列投影仪的示意图，该自由形态阵列投影仪具有用于使各个通道的主要辐射方向适配所需的目标分布的、对于全部/一些通道来说是公共的下游和上游附加光学表面/自由形态表面；

图14是投影设备的示意图，该投影设备用于通过自由形态重新分布产生没有附加背景照明的三角形目标分布，其中功率分布的强不对称性通过自由形态的显著的闪耀特性(棱镜形状)来实现，然而，这样的特性导致不同通道之间的过渡处的光学器件表面强的不连续，并且需要用于使杂散光最小化的孔径结构；

图15示出了图14的投影设备具有在输入侧的前两个自由形态表面之间的孔径；

图16是自由形态阵列投影仪的示意图，其中输入侧的前两个自由形态阵列布置在倾斜平面上，并且投影透镜阵列布置在阶梯形结构上；这样的设置使得不对称光分布所需的、自由形态阵列的通道之间的不连续/陡峭过渡显著最小化，使得制造相当容易；

图17示出了图16的投影设备具有位于倾斜平面上的投影透镜阵列以及用于使杂散光最小化而在第一基底上附加引入的孔径；

图18示出了图17的投影设备具有附加倾斜源单元(准直光学器件和/或源的倾斜)；

图19是具有光学器件通道在弯曲表面上的布置的自由形态阵列投影仪的示意图，其中这里的各个通道的主辐射角度可以借助于光折射而适配于源和目标分布，同时，可以减少或防止通道之间的不连续/陡峭的过渡/死区/光学非活性区域；

图20是用于光通道的布置的平铺或密铺的类型的不同示例的示意图；

图21是自由形态阵列投影仪的示意图，该自由形态阵列投影仪的不同通道区域内有不同的滤色片，使得各个通道通过光学器件结构适配来实现色彩操作校正；以及

图22示出了用于投影图像的方法的示意性框图。

具体实施方式

在下面对附图的描述中，相同的元件或者具有相同效果的元件将被赋予相同的附图标记，使得对于这样的元件的描述可以在不同的实施例之间可相互交换。

根据实施例，本发明的目的是提供一种超薄高效光学元件，该超薄高效光学元件用于产生图案化照明或用于具有潜在大光通量的投影，其中附加地发生源辐射的均匀化效果/颜色混合。可以在真实和/或虚拟目标上形成具有极其不同的结构化特征的光分布(如高分辨率、高对比度的精细的图案等)。

图1示出了投影设备2的示意性框图，投影设备2包括至少一个光源4和光通道阵列6、6a、6b。每个通道包括第一折射光学自由形态表面8a、8b和第二折射光学自由形态表面10a、10b以及投影光学器件12。第一折射光学自由形态表面8和第二折射光学自由形态表面10布置在光源4和投影光学器件12之间，通过对象光图案12(真实对象光图案13a、13b和虚拟对象光图案13a′、13a′′、13b′、13b′′两者)实现对投影光学器件12的柯勒照明，以在投影光学器件12的图像区域中形成要被投影的图像14a、14b，其中光通道6的阵列的图像彼此叠加。光源4被配置用于发射光16a、16b，根据实施例，光16a、16b可以是发散的或准直的光、非相干或相干的或者部分相干的光、单色、多色或白光(即，具有某种光谱分布的光)，并且用于将光16a、16b引导到光通道6。此处，光16首先撞击在第一光学自由形态表面8上，随后撞击在第二光学自由形态表面10上。第二折射光学自由形态表面10可以相应地布置在折射光学自由形态表面8的后面，其中“在...前面”和“在...后面”之间的空间关系指的是光16传播或撞击到相应元件上的方向。

根据实施例，折射光学自由形态表面可以产生真实对象光图案13a、13b和虚拟对象光图案13a′、13b′、13a′′、13b′′。投影光学器件通过将投影光学器件的对象平面放置在所选择的对象光图案处，来将目标对象光图案成像到目标上。在虚拟对象光图案的情况下，投影光学器件12呈现由折射光学自由形态表面形成的真实光图案，然而投影光学器件12的对象平面/对象表面布置在光源4与第二折射光学自由形态表面10之间，使得投影光学器件与折射光学自由形态表面的真实光图案相对应地在对象平面中成像虚拟光图案。

由投影光学器件成像的光图案被认为是对象光图案。换言之，对象光图案是使用投影光学器件进行成像时所得到的对象，其中与常规的阵列投影仪相比，不使用滑动件(slide)而是使用光分布。

光的(当前)空间分布也被认为是光图案或光分布。在提供光分布以用于成像的情况下，光图案将变成对象光图案。这种可以包含特别大量空间高频信息在内的光图案(如清晰边缘、高对比度、陡峭边缘、大亮度调制)可以被认为是特别重要的对象光图案。因此，这样的光图案呈现小的模糊和斑点效果。一方面，当光从真实对象发出时，光图案可以形成。光束将从每个对象点发出。结果是辐射位置和角度之间的相关性。例如，当辐射通过吸收性滑动件时，结果是空间光分布在很大程度上与辐射角度无关(即，对于全部辐射角度来说，都存在准相等的空间分布)，空间光分布的叠加可以例如通过成像产生清晰的图案。通过光重新分布和光束控制，可以产生与真实对象(如，滑动件)无关、而与辐射位置和角度中任择其一有特殊依赖关系的相似光图案，并且这样的光图案允许空间高频照明图案。这些具有最小模糊效果的对象光图案特别重要，因为就这一点而言可以以高效率产生空间高频照明图案。

图2附加地示出了真实投影表面和区域18，可以在真实投影表面和区域18上叠加图像14a、14b，以形成总体光分布或总体成像或总体图像。然而，根据备选实施例，投影光学器件也可以将图像14a、14b成像在虚拟目标上，使得将仅在无限远处或使用其它光学器件形成真实的总体图像。

本发明的投影设备2(随后将频繁地被称为自由形态阵列投影仪或光束成形器/投影单元)表示新颖的光学构思，该构思允许非常平坦的光学器件同时具有高光通量和高***透射/功率效率，其中在真实或虚拟目标上产生具有高分辨率要求的任何光分布，并且同时可以应用柯勒照明原理和光源均匀化。图2中的示例性实现示意性地示出了光源4或光源单元(包括光源和可能的主光学器件)，光16从光源4或光源单元发射并且撞击在具有两个照明自由形态的阵列上，每个阵列位于每个阵列通道中。在这里考虑的实现中，输入侧第一自由形态表面位于光学基底/元件的终端侧上，并且输入侧第二自由形态表面位于随后的第二光学基底/元件的输入侧上。优选地，为此使用透明折射材料。每个通道的两个自由形态的表面图案被实现为使得：一方面，通过光折射在光学器件内产生真实的或虚拟的光对象分布；另一方面，光撞击到与柯勒照明相对应的相应投影透镜/光学器件上。

换言之，第一折射光学自由形态表面8和第二折射光学自由形态表面10可以被实现为：基于真实光图案13a，在光通道6a至6i中、在光源4和第二折射光学自由形态表面10之间产生虚拟对象光图案13a′，其中虚拟对象光图案是要被投影的图像的成像，并且其中在辐射通过第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面之后，真实光图案形成。

图2的插图8i、10h示例性地示出了两个表面外形。很容易识别与字母“IOF”相关联的表面变形。这些表面变形借助于纯折射光重新分布产生有限分辨率的光学器件内部光图案。借助于随后的投影透镜阵列12，通过光学成像将这些光图案传送到目标18。将在目标上产生在黑暗的背景场上的明亮的字母序列“IOF”。尽管以上提及了模糊效果最小化，但是目标上的字母可能包括不清晰的结构边缘。为了在目标上产生更精细的光图案，附加地使用透射调制结构20。在所示的实施例中，使用了在第二光学基底/元件上的、具有波线的孔径结构。由于仍有模糊效果，因此目前还未实现通过专有自由形态光重新分布来产生这种精细的目标分布。然而，可以借助于自由形态的光重新分布以合适的方式照明孔径结构，使得可以使功率损失最小化。在实施例中，每个通道的两个照明自由形态在孔径的透射区域的区中产生更大的照明强度。借助于通道的相应投影透镜，将形成在孔径后面、通过衰减和光重新分布两者形成的真实光图案以某一或足够的成像清晰度成像在目标18上。在实现示例中，针对字母序列“IOF”的最清晰的对象光图案的位置与在滑动件平面不同。由于这个原因，投影光学器件的对象平面置于可能最清晰的“IOF”对象光图案和滑动件平面之间。这里接受字母序列模糊增加。滑动件的图像也发生了散焦。在所示的自由形态阵列投影仪2的实施例中，所有通道以准相等的各个光分布来照明相同的目标区，即，这允许最大程度的光源均匀化。例如，可以借助于前两个输入侧自由形态内的折射光偏转效果来实现通道叠加。也可以在此应用对象产生结构和投影透镜的常规偏移以及弯曲表面上的通道布置(参见下文)。为了清楚起见，在图2中没有示出每个通道应用柯勒照明原理，但将在以下附图中进行说明。

图3示出了分解为三个折射表面和孔径结构20a的效果的单个通道6a(这里没有通道倾斜)的功能模式。从准直源发出的光16a撞击在第一折射自由形态表面8a上。这里，该自由形态表面位于光学元件22的出射侧(如光学基底的出射侧)。该自由形态表面通过光重新分布产生空间强度图案或照明图案，即，光合适地折射重新定向，以使得产生与目标分布相对应的强度调制光分布。在理想情况下(当忽略菲涅耳损失时)，光以100％的效率进行折射重新定向而产生强度调制光分布。在图3a中，在用于竖直的准直入射光和倾斜的准直入射光两者的第一自由形态表面后面的近距离处检测到该光分布14a′(参见顶部处的灰度图像)。检测器位置24由第一自由形态表面后面的近距离处的粗线示出。光分布通过以下操作来完成的：将对应的光束方向改变，使得最初被理想地准直为沿着光轴方向的入射光现在在自由形态之后呈现为某一光束角度光谱(参见图3a的左图)。除了光重新分布之外，附加地，第一自由形态表面还将总是必须产生大致的光会聚，以使得入射光向光轴倾斜，来使得光专有地且不串扰地撞击到相同光通道的第二自由形态表面上，由此导致自由形态区。然而，单个自由形态不能保证强度调制或透射调制的光分布完全击中针对通道设置的投影透镜。图3a的右图中示出了这样的情况。然而，相对于光轴的倾斜程度较大的准直的入射光最终将部分地位于针对投影仪透镜12a设置的空间区的外部。因此，只有在角度光谱的倾斜程度有限的情况下才能避免投影微透镜的区域中有串扰。

为了使得光以定义的方式投影到投影透镜/投影光学器件上，需要第二自由形态表面。在实施例中，第二自由形态表面位于第二光学元件26的输入侧(如光学基底的宽度方向的入射表面，参见图3b)。这里有利的变化是：光源16a是以与柯勒照明原理相对应的像差方式成像到投影光学器件12a的输入光瞳(pupil)的(参见图3b、图3c)。第二自由形态表面必须以合适的方式将强度图案化光分布的光束方向进行重新定向。

在两个自由形态表面之后放置投影光学器件12a(在图3的实施例中，仅一个投影透镜)的效果可以以两种不同的方式来说明。前两个自由形态表面产生强度结构化的光分布，同时还影响辐射角度。尽管入射光是发散的，但是通过两个自由形态表面的共同效果形成了最低限度模糊的对象光图案。在这种情况下，所形成的对象光图案是靠近第二自由形态表面的虚拟对象图案。在图4和图5可以看到最佳的对象图案的更精确的说明。投影透镜将该虚拟对象图案成像到目标上。第二种说明方式在图3b、图3c中示出。对于准直输入光沿着通道的光轴(或者在光轴难以定义的情况下的中心轴)的情况，通过两个输入自由形态在目标上产生期望的光图案14a′′。这里，不需要投影透镜12a(参见图3b中的左图和右图)。对于准直光是倾斜的且没有投影透镜的情况，将产生有像差但偏移更明显的目标图像14″′(参见图4c的右图)。一方面，投影透镜防止目标图像偏移(参见图4b)(即，将斑点图案化照明分布的主要影响因素减少)，另一方面，像差减小了。此外，像差可能会进一步加剧，导致完全不能弱化光分布的模糊效果。图3d和图3e示出了随着入射光的角度发散加剧，目标光分布的斑点也加剧。这里，投影光学器件被设计为数值孔径为大约+/-7°。在输入光束发散角度为+/-4.5°的情况下(参见图3d)，投影透镜尚未完全充满光，即光学器件的光学扩展量仍大幅增加。光分布图案几乎不模糊(参见图3b和3d中的右图)。在没有投影光学器件的情况下，目标上的光分布模糊将是极其严重的(参见图3d的左图)，因此在这种情况下，不可能再仅通过纯粹的折射效果来产生好的结构分辨率。随着输入发散角度增加到大约+/-6°而靠近可达到的最大角度限制+/-7°(光学扩展量守恒)，可以看到像差引起的模糊效果明显(图3e)。尽管如此，与常规的单区域或双区域自由形态光束成形[Zwick，Feng，Ries，Oliker]相比，这些图案斑点效果还是小了几个数量级。因此，两个折射自由形态元件和投影透镜的协作导致模糊效果极大降低。以下将参考图4和图5进一步讨论剩余结构模糊的主要原因的详细讨论。

为了产生清晰的照明图案，附加地可以使用透射调制结构20a(如吸收/反射孔径、灰度滤光片等)(参见图3f)。在图3f中，投影光学器件被调整为使得用于投影成像的理想对象平面位于前两个自由形态表面之间。因此，在图3f的左图中，孔径结构20a位于投影光学器件/投影透镜的理想对象平面的外部，这样的布置由于散焦而导致孔径结构模糊成像。相反，在前两个自由形态透镜之间的孔径结构更清晰地成像在目标平面上。更多孔径结构可以用于使伪光和杂散光最小化(参见下面的图9、图14至图18)。由于折射自由形态光束成形和透射调制结构的协作，可以在目标上实现清晰的同时具有高效率的光图案。自由形态光束成形可以产生透射调制结构的适配照明，使得透射调制结构衰减的光量仅是很少的。

在最简单的情况下，投影光学器件12包括球面的、圆锥的或非球面的单个投影透镜，该单个投影透镜以足够的成像质量将(由自由形态光束成形或孔径结构产生的)对象光分布传送到目标。如果例如由于所需的数值孔径较大或颜色误差而使得成像质量不够好，则也可以应用多表面投影物镜。在“对象光图案”以复杂方式分布、并且目标形状是非细小(non-trivial)的情况下，成像投影光学器件中也有自由形态表面是有利的(参见图5e)。

图4示例性地示出了单通道6a的自由形态光束成形中的有效虚拟对象图案平面的位置。发散程度相对剧烈的光16a(参见图4中底部处的箭头，几乎与考虑的阵列投影仪的、导致光学扩展量守恒的最大角度光谱相对应)撞击在光学元件上，并且被前两个输入侧自由形态表面8a、10a重新分布(参见图4中的自由形态表面，其中没有示出光束成形器/投影仪单元的剩余元件)。当考虑紧接在由虚线包围的平面15a中的输入侧第二自由形态表面之后的真实光分布13a时，可以认识到内容是极其模糊而难以辨认的光图案(参见由虚线包围的最顶部平面15a的灰度图像13a)光模糊表示光束的发散角度大。从该真实光图案开始，全部光束沿与其光束方向相反的方向延伸，即虚拟光图案13a′、13a′′的特征将在下面检查。然后，(使用投影光学器件的设置或形状)选择对象光图案13a′、13a′′来作为用于成像的光图案。在该示例中，可以观察到的事实是：尽管输入光发散程度较强，但是随着对象位置越靠近输入侧第一自由形态表面，虚拟对象光图案的模糊程度越弱。

利用光重新分布和常规成像变换(从对象平面到成像平面的成像)将高虚拟的最小限度模糊的对象图案平面成像到目标，可以形成最清晰的光图案。最佳的对象图案平面的位置可以通过特定的设计来控制。

图5示出了使用目标在无限远处(远场)的***的自由形态阵列投影仪的一些基本特性。借助于简化模型指示表征量的粗略近似，并且将示出与常规阵列投影仪[DE02009024894A1、DE 02011076083A1，Sieler]的区别。关于自由形态阵列投影仪2，将专有地考虑折射光重新分布处理(不使用透射调制结构)。此外，考虑将限于轴旁近似，对应地也仅限于适度的光重新分布处理。当然，自由形态阵列投影仪的这个应用领域也可以在这些近似值之外找到。

图5a示出了常规阵列投影仪的单个通道的基本设置，该单个通道具有右侧聚光器透镜30、随后的滑动件结构32和最终投影透镜34。微透镜包括自由孔径CA，并且位于具有厚度为~H_sub 17f的基底上。光倾斜度为δθ_col的准直输入光撞击在聚光器透镜上。聚光器透镜根据柯勒照明原理操作，并且将源分布近似成像到投影光学器件的输入光瞳。针对图5中所示的该特殊情况，轴旁近似意味着基底材料中的右侧聚光器焦距大小F′_cond近似地与基底厚度H_sub，F′_cond～-H_sub相匹配(惯例：参见[Born-Wolf])。该结果是对准直光学器件的要求。为防止各个投影仪通道之间的串扰，一定不能超过最大输入发散角度

和F_condn_subH_sub (1)

n_sub是基底折射率。为了在目标上产生预定照射强度分布E(x，y)，通常在聚光器微透镜30之后的不远处***滑动件结构。借助于投影微透镜，将滑动件结构清晰地成像到目标上。对于这里考虑的目标在远场中的特殊情况，投影光学器件的左侧焦距必须与基底厚度相匹配F_pro～H_sub。成像时的常规像差

会导致目标上的光分布出现图像误差/模糊：

在单个投影透镜的像差太强的情况下，原则上可以使用多透镜布置，然而这样的布置会导致复杂的多的光学器件。

完全开放(opened)的阵列投影仪(即，没有透射调制结构)将基本上产生恒定照射强度

(适度的视场角度、忽略适度的照射强度降低)。在理想情况下，对于照明而言，存在的功率

完全重新分布到期望的图案照射强度分布E_ideal(x，y)将是理想的，当接近能量守恒时，两者之间的关系为：

A_targ是目标表面或区域的大小。由于期望的光图案不是仅通过衰减光能就能产生的，因此使用常规的阵列投影仪不能实现这种功率重新分布。最大照射强度只能是

该值与完全光透射相对应。因此，常规阵列投影仪的如方程式(3)一样的拓扑结构的照射强度将通过

给出。该结果是图案照明的相应最大功率效率的近似值：

非常窄的、高强度的光图案特征指示在功率归一化照射强度分布中的非常大的最大值max(E_ideal)，并且导致非常小的可能的功率效率。这些精细的高强度的光图案例如通过具有非常小的孔径开口B的多个阵列通道或通过更大、更强的灰度滤光片的吸收区域来实现。然而，全部可能的通道的光学器件的最大接收角度(即，所需的光准直

)将保持相等，即方程式(1)不依赖于期望的光图案分布。

在这里将要提出的自由形态阵列投影仪2中，每个阵列通道6a中的聚光器微透镜被两个相应的自由形态结构替代(参见图5b、图5c、图5d)。在图5中，这些自由形态位于两个基底的输出侧和输入侧。根据柯勒照明原理，在入射光是沿着投影光学器件的光轴的理想准直入射光的情况下，这两个自由形态表面都产生会聚光束(参见图5b)。借助于会聚总体光束内的功率重新分布(参见图5c、图5d)，也可以在此处的目标上(或孔径平面上)执行照射强度分布。在考虑光束角度的同时，可以通过修改对应的自由形态设计方法来实现光重新分布[Michaelis，Feng，Rubinstein]。除了数学上更复杂的设计方法之外，简化的模型考虑一方面可以帮助对自由形态阵列投影仪的功能模式的进一步理解，并且另一方面有助于估计表征量。

为了在目标上产生光部分强的结构，将入射光16a从某个入射范围(参见图5c中的I₂ 16a′′)压缩到小输出角度

相反，要产生较小照射强度的区域，就将入射子光束(参见图5d中的I₁ 16a′)在角度为

的相应输出光锥中延伸。通常，这样的光重新分布区域将呈现无穷小的大小。为了简单起见，图5c和图5d中的两种情况均被示出为光束正好在光学器件通道的中央区域中。由于两个自由形态表面的作用，与局部主平面(

17c，17d)相对应的局部焦距(

17a，17b)可以与每个(无穷小的)重新分布束相关联。随后，为了简化陈述，可以忽略这样的事实：在不同的束截面平面中可以出现不同焦距。通过进行光压缩而形成的光重新分布区域(即，照明强度增加)将包括更大的有效焦距，并且到投影透镜的距离更大(参见

17a和图5c中的

17c)。这对于通过光束延伸而形成的光重新分布区域(即，照明强度降低)来说是相反的(参见

17b和图5d中的

17d)。因此，两个自由形态表面的作用对应于产生不同强度的子光束，子光束的输出光锥

19a、19b的束方向和大小是通过不同局部主平面位置17c、17d来确定的(备注：为了简单起见，此处仅考虑右侧主平面)。不同主平面/焦距的分布可以通过以下方程式粗略估计：

K(x，y)是光重新分布的测量。与平均值

相比的照射强度增加/减小以值K＞1/K＜1来表示。对于均匀照明

结果是焦距

类似于常规阵列投影仪。在

方面，考虑到：根据图5b，整个光束从第一自由形态8a就开始会聚(即，通常从更大的有效焦距开始)。

是基于第一光学区域和第二光学区域处有光折射而没有光重新分布而根据传统折射定律来计算的。此处的光学器件被实现为：

基本上由基底厚度H_sub 17f和第一折射光学自由形态表面与第二折射光学自由形态表面的距离D 17g构成。为了估计(5)应用了多个近似/理想化，其中，除此之外，不考虑不同束截面平面(主截面)可以出现不同焦距的情况。

类似于常规的阵列投影仪(参见方程式(1))，可以借助于方程式(5)来导出最大允许输入发散角度的估计。由于通过自由形态重新分布，不同光强区域具有不同的有效焦距和主平面位置，因此具有倾斜的准直辐射的相应光束将在投影光学器件上经受不同的大的偏转

图5c示出了具有较大照明强度的子光束被更强地偏转。通常为了避免串扰，具有最大照明强度(K_max)的光束的偏转不得超过自由孔径。因此，光重新分布将总是与允许减小的输入发散角度

19c相关，如以下方程式所述：

这表示光学扩展量守恒。对于所考虑的小角度近似，目标上的光重新分布K(x，y)的测量也近似地与自由形态透镜的区域中的光重新分布相对应(可忽略投影、成像引起的改变)。根据雅可比矩阵

[Oliker，Sulman]，光重新分布可以被认为是将原始横向坐标(x₁，y₁)映射到畸变坐标(x₂，y₂)。由于相空间体积的守恒dx_idy_idp_idq_i＝const[Winston]，束向量的相应横向分量(p_i，q_i)将表现如下：

压缩位置坐标中的相位空间还与光束向量分量中的延伸相关。因此，使用光学扩展量守恒，可以得到如方程式(6)中所示的那样的类似表达式。

通过光重新分布产生的具有不同功率密度含量的光束开始于第一自由形态表面8a的入射面上。因此，正好在第一自由形态上的每个无穷小光束间隔可以被认为是相应光束的输入孔径。入射光将以不同的入射方向δθ_col撞击到该输入孔径上。用相应的有效局部焦距

对该输入孔径进行成像产生最大限度清晰的局部光对象子图案，即，对于每个重新分布间隔，全部光束角度的光看起来都是源于有效光对象子图案。在图5中，这些光对象子图案已用醒目的点19表征。当对有效输入孔径成像时，可以通过相应的成像方程式来估计具有最小模糊的全部光对象子图案的位置。从投影光学器件的输入光瞳测量，所得到的距离为

每个光对象子图案的位置取决于光重新分布K的测量。

由光重新分布产生的虚拟对象图案将由投影透镜成像到相应目标(真实的或虚拟的)。在常规成像的情况下，对象平面(外壳)通常被传送到成像平面(外壳)。然而，具有最小模糊的最佳对象图案通常包括由于局部变化的焦距而引起的沿纵向方向的延伸(参见等式(5))，在轴旁近似时，对于远场成像来说可能最佳的投影焦距17e将由合适的平均值产生：

<.>表征相对应的适配的求平均过程。使用方程式(7)，可以估计用于自由形态重新分布光学器件的目标光图案模糊的主部分的减少。

当使用独特的或常规的自由形态光学器件来产生图案化照明时[Ries，Olikef，Michaelis，Rubinstein，Feng，Wu，Luo，Zhao]，对于准直光入射，模糊效果主要由输入光的剩余光束发散δθ_col引起，即目标分布模糊的主部分将处于剩余输入光束发散的数量级

然而，通过此处提出的光学器件布置显著减少了该原始模糊的主要部分。图5c、图5d示出了目标分布斑点的剩余部分。由于不同强度的虚拟对象部分位于与投影光学器件焦距相差不同距离的位置处，因此不同的输入角度会导致输出角度变化：δθ_col(|L_Obj|-F_proj)/F_proj，即靠近投影仪光学器件焦距的虚拟对象图案部分将呈现目标上的模糊的显著减少。

此外，在所描述的光学器件***中，例如，在通过倾斜的准直入射光来使第二自由形态的照明移位时，可以发生进一步的模糊效果。

下面将比较常规阵列投影仪的粗略估计方程式和自由形态阵列投影仪的粗略估计方程式。

在常规阵列投影仪中，由于光衰减，因此在许多应用情况下没有功率效率(参见(IV)项中的右边的等式)，而在使用自由形态阵列投影仪时，由于光重新分布，因此原则上可以预期高***透射。在能够进行专有光重新分布的特殊情况下，***透射率可以是靠近100％(参见(IV)中的左侧的数值)。然而，由光重新分布

产生的图案化照射强度是以对入射光的角度发散的所需限制为代价的(参见(III))。因此，在光重新分布的情况下，必须将入射光准直为好于当使用常规阵列投影仪时的准直光。只有在光学器件有更大的横向延伸时，才能获得改进的准直。这对应于光学扩展量守恒。这意味着：增大光学器件表面不仅导致光通量增加，还使得功率效率增加。

在常规阵列投影仪中，具有预定的固定对象位置的对象结构(如滑动件)通过投影透镜成像到目标上。然而，对于光重新分布图案，不同的照明强度似乎来自不同的纵向位置或对象位置(参见(I))。这意味着：在(对象平面(外壳))常规成像到成像平面(外壳)的情况下，必须应用最合适的平均对象宽度(参见(II))。结果是：与常规自由形态光重新分布[Ries，Oliker，Michaelis，Rubinstein，Feng，Wu，Luo，Zhao]相比，获得了图案模糊效果的减少但不是消除(参见(V))。

通过调整投影光学器件的成像特性可以实现进一步减少图案模糊效果。由于有效对象光图案包括沿纵向方向的非细小的延伸(即，位于自由形态表面38上)(参见图5e)，因此为了在目标上获取清晰的成像，投影光学器件12a必须要具有一个或若干个自由形态表面12a′、12a′′。换言之，投影光学器件12a可以包括被配置为校正投影图像中的成像误差(如模糊效果)的至少一个另外的折射光学自由形态表面12a′、12a′′。例如，成像误差可以是这样的事实引起的：对象光图案不位于平面中，而是位于自由形态表面38上，因此(在没有另外的自由形态表面的情况下)可以被投影光学器件的对象平面(平均而言)最多置于自由形态表面38或靠近对象光图案。

新照明构思的关键要素是两个耦接的折射自由形态表面的阵列，其中辐射强度分布(或照明强度分布)和光束方向都受到控制。在文献中，典型的解决方案方法是例如使用变化问题来确定合适的射线映射，随后使用所述映射计算自由形态表面的表面[Rubinstein，Feng]。

下面将提出一种备选的、相对容易的方法，该方法基于自由形态表面的笛卡尔卵形线表示，并且适配Oliker提出的充分已知的解决方法“支持抛物面”的一些思想。在该方法中，单个自由形态由离散的笛卡尔卵形线段(segment)集合表示，其中共同焦点位于源结构上。其它笛卡尔卵形线焦点分布到照明目标(投影表面)，即这些焦点用于离散目标分布。这就是为什么全部表面或区域段的焦点参数都已建立。每个段还包括自由参数-光路长度的参数，该参数是源点与元件之间距离的测量或元件厚度的测量。这些参数的改变会导致目标位置处的功率分布发生改变。由于事实是路径长度参数是确定的，因此可以使用单个自由形态表面来实现某些目标分布。光路长度的这些参数可以使用Oliker[Oliker]建议的算法来确定。

为了附加地控制光束方向，需要第二自由形态。激光束成形可以被认为是这种自由形态光重新分布[Shealy]的最著名的示例之一。在这种情况下，在使用两个自由形态表面时，具有某种输入强度分布的以理想方式准直的激光束可以变换成具有期望目标强度的准直输出光束。可以如下那样的说明光重新分布。第一自由形态精确地在第二自由形态表面上产生期望的输出强度图案。当然，撞击光束不能在第二自由形态表面被准直，因为光束重新分布需要光束方向改变。因此，第二自由形态以合适的方式借助于折射来改变光束方向。现在将这些说明与笛卡尔卵形线表示法相组合。为了在第二自由形态处产生期望的强度分布，第一自由形态表面必须被分解成椭圆体/圆锥体，其中相关的焦点精确地位于第二自由形态处。为了准直由每个输入段收集的功率，在第二自由形态表面处使用第二椭圆/圆锥段。相关联的焦点必须精确地置于对应的第一自由形态处。因此，入射表面和出射表面两者被分解成离散的椭圆体/圆锥体61、63a集合，其中单独的输入段与某一的输出段相关联，并且相应的焦点位于其相应的相关联的对应物处(参见图6a)。双自由形态元件的特定形状取决于每个段对的波长参数。这些参数是迭代确定的。以对于第二自由形态的形状的第一假设开始。之后，如同单个自由形态的情况那样，获得输入段61的路径长度参数。每个段对的总体路径长度现在将彼此不同。该信息可以用于改变输出段63a的路径长度参数。结果是第二输出自由形态的新形状。这个过程将会重复，直到会聚为止。通过改变离散基本元件的类型，可以实现角度分布的不同情况。如果输入表面处的椭圆体表示维持不变，并且输出表面上的椭圆体被替代为常规笛卡尔卵形线63b，则结果将是以会聚光束形成的辐射强度分布(或照明强度分布)(参见图6b)。光束方向的非细小的分布可以使用广义卵形线63c来获得(参见图6c)。使用足够多的离散元件产生平滑的自由形态表面。

换言之，第一折射光学自由形态表面8可以被实现为执行空间光重新分布和/或对由光源发射的光束的光束角度控制。作为替代或补充，第二折射光学自由形态面可以被配置为根据柯勒照明以会聚方式将光束引导到投影光学器件12，其中第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面彼此影响。

图7示出了根据图2的自由形态阵列投影仪2的示意部分，然而没有透射调制结构(如吸收孔径等)。这样的光学器件也可以被认为是蜂窝式聚光器[WAKO]的一般化，其中聚光器阵列表面被替代为两个自由形态阵列表面。产生目标光图案是通过以下操作而专有地完成的：折射自由形态将光重新分布、以在通道内产生图案化的通常虚拟的光分布、并且通过投影透镜将该虚拟的光分布成像到目标上。这种布置的优点在于：在理想的情况下，对于完全反射的表面来说，可以获得100％的透射率。此外，光学器件以接近光学扩展量守恒的方式进行操作。然而，即使当使用高分辨率的投影光学器件时，由于折射产生的光分布包括像差，因此也不能在目标上产生非常清晰的光分布。这种像差引起的模糊通常随着输入发散角度的增加而增加，即，当输入发射角度近似于可以允许的最大角度限制时，可以近似于光学扩展量守恒(参见图3d、图3e)。此外，利用这种布置，在各个通道之间的过渡处也可能形成杂散光(例如，由制造引起的形状偏差引起)。因此，这种自由形态阵列投影仪或自由形态蜂巢式聚光器用于在具有某一杂散光容差的情况下，产生相对平滑的目标图像。

图8示意性地示出了图5的自由形态阵列投影仪的混合和均匀化效果(源光均匀化/颜色混合等)。源光16可以源自一个或若干个、均匀的或结构化的、单色、多色或白色辐射光源。非常频繁地，源在空间上高度图案化，但是在角度空间中呈现相当连续的光分布。由于这个原因，优选地采用柯勒照明原理，其中源角度分布被传送到空间目标位置。图8中的粗实线箭头40示例性地示出了这种功能模式。类似地，柯勒照明原理在图3中很容易看到。由于阵列特性，总的所考虑的源发散角度被附加地划分成叠加在目标表面上的多个子间隔(参见图8中的虚线箭头42)。这允许实现进一步的光混合。对于自由形态阵列投影仪，这种布置还有其它含义。为了产生足够好的折射光重新分布，输入光分布必须是众所周知的。对于小角度间隔，这种分布可以被认为是准均匀的。

为了获得具有非常高空间频率和高光学***透射率两者的目标图案，可以组合折射自由形态光束成形和吸收/反射光衰减。图9示出了这种光学元件的功能模式。这里，折射自由形态光束成形用于将大部分光传播通过孔径结构，并且附加地将光传送到投影透镜上(例如，根据柯勒照明原理)。因此，两个照明自由形态产生适配于孔径的真实空间光图案，并且同时控制光束角度以确保柯勒照明原理。图9的左插图27的粗箭头16示出了光束优选地被引导通过孔径结构。孔径结构位于投影光学器件的理想对象平面/对象空间中，并且因此将清晰地成像到目标上，即与图7相反，将形成具有非常清晰结构边缘的字母序列。换言之，透射调制结构20可以基于透射调制结构20的透光区域29a中的增加的照明强度来形成对象光图案。因此，透射调制结构和自由形态光重新分布的协作可以形成对象光图案。此外，投影光学器件12可以对来自透射调制结构的对象光图案进行成像，以获得对象光图案在投影光学器件的成像表面中的照明。

图10示出了：与图2相比，可以通过纯粹的折射效果来产生光亮度颠倒的图案。这里，通过折射自由形态光束成形和随后的投影在明亮的背景上产生黑暗的字母序列。插图8i和8i′以及10h和10h′的凹进和凸起在这里交换。

各个阵列通道之间的制造导致的非理想过渡区域(如伪边缘、盲区等)可以导致杂散光和散射光。此外，光准直不足也可能与阵列光学器件的接收角度区域外的杂散光和散射光相关，导致各个光通道之间串扰，并因此导致在目标照明附近有重影图像。为了使这种伪效果最小化，可以引入另外的吸收/反射结构。这些吸收/反射结构可以是在各个通道之间的孔径层和绝缘孔径壁。图11示例性地示出特别简单的孔径布置。第一自由形态阵列前面的孔径44可以用于覆盖各个通道之间的非理想过渡区域。特别地，这样的孔径对于理想光学器件表面的不连续或不连续可辨过渡非常有用。类似的情况适用于在两个自由形态阵列之间的或在第二自由形态阵列之后不远处的孔径46、48。然而，当投影成像光学器件的对象平面靠近孔径时，这些孔径也可以呈现双重功能。在这种情况下，可以通过相同的孔径结构来实现杂散光最小化和使得目标图案细节清晰化。相反，投影阵列与第二自由形态阵列之间的孔径可以用于最小化通道串扰。换言之，投影设备可以包括抑制杂散光和/或散射光的至少一个另外的透射调制结构44、46、48。

将所有通道的全部光分布彼此叠加导致期望的目标光分布。可选地，所有通道可以产生相同的目标光分布(参见图2、图8至图11和图12的左图)，并因此允许最大程度的均匀化。然而，不同类型的通道也可以导致不同的目标照明50a、50b(参见图12的右图)，并且仅将全部光分布叠加在目标上将产生期望的最终分布形状。当需要非常大的发射角度来完全照亮目标时，这是特别实用的。具有较小数值孔径的不同类型的通道可以覆盖目标的不同区域。不同的光学器件区域将包括在拓扑结构上不同的透射调制结构和照明自由形态。例如，为了考虑虚拟对象光图案的高度不同的成像方向或者定性上不同的位置，也可以出现与区域相关的定性地不同的成像光学器件。借助于技术上成熟的通道叠加，可以放宽对各个通道、特别是对照明自由形态的要求。

图13示出了根据实施例的投影设备2的示意图，该投影设备2包括在光源4和第一折射光学自由形态面之间的另外的光学结构以及在投影光学器件之后的另外的光学结构。由至少两个通道构成的光通道阵列包括在光源4与第一折射光学自由形态表面8之间和/或在投影光学器件12之后的公共折射光学结构52、54，所述公共折射光学结构52、54被配置为主要通过光重新分布来设置光通道的主光束角度分布。使得光分布占主导地位，借助于光重新分布来使得主光束角度分布占至少50％、至少65％或至少80％、直到100％，其中剩余部分示例性地借助于衰减来获得。为了使各个通道的主要辐射方向分别地适配所需的目标分布，可以将至少一些通道中的具有相同效果的附加光学表面/自由形态表面52、54置于自由形态表面投影仪的上游和/或下游。这些附加的光学表面/自由形态表面52、54可以是平滑的光学器件或菲涅耳结构。附加的光学器件将被配置为使得目标分布主要通过光重新分布来实现，并且由于有损耗的光衰减而仅能使光重新分布达到有限程度。这里通常需要自由形态光学器件。使用简单示例来说明附加光学器件的自由形态特性。为了简单起见，将考虑自由形态阵列投影仪下游的光学器件。类似于上面提到的，(x，y)是具有沿z方向的法线的平的目标的横向坐标。将实现目标功率分布dP/(dxdy)。对于具有位于位置(x_P，y_p，z＝const)处的各个投影仪的自由形态阵列投影仪，为了简单起见，将考虑具有横向辐射方向余弦(α，β)的专有主波束。此外，投影仪坐标应被理解为连续变量。可以通过功率密度π(x_p，y_p，α，β)＝dP_pro/(dxdydαdβ)以近似的方式来描述投影仪。假设附加光学器件产生以下类型的变换：(x，y)＝F(x_p，y_p，α，β)或者(x_p，y_p)＝G(x，y，α，β).目标功率密度可以被表示为：

通常，自由形态通过对应于雅可比

的所需映射来描述。

下面将描述图14至图18。图14示出了投影设备2，投影设备2具有：棱镜折射光学自由形态表面8、10；以及，在第二折射光学自由形态表面10和投影光学器件20之间的平面中的透射调制结构20。图15示出了图14的投影设备，其中孔径结构20布置在第一折射光学自由形态表面8和第二折射光学自由形态表面10之间的平面中。图16示出了投影设备2，其中光通道阵列中的光学结构(第一折射光学自由形态表面8和第二折射光学自由形态表面10、孔径20和投影光学器件12)布置在倾斜平面上，其中投影设备的倾斜平面包括台阶。图17示出了图16的投影设备2，其中投影光学器件的倾斜平面包括连续结构而非台阶。图18示出了图17的投影设备，其中光源4也布置在倾斜平面上。

在图12中，在目标上产生亮度较低的矩形背景上的亮三角形。两个输入侧自由形态至少近似地包括变形的矩形边缘形状(从矩形输入分布到矩形输出分布的映射)。然而，如果通过具有矩形微透镜布置的纯自由形态光束成形努力在目标上产生没有背景照明的三角形分布，则对应的自由形态边缘将反映源和目标分布的拓扑结构。在这种情况下，这意味着来自变形的准矩形输入自由形态的光被传送到变形的三角形自由形态(参见图14)。然而，除了输入和输出分布的形式在拓扑上不同之外，功率分布中还会出现高度不对称性。然而，对于输入光，可以假设每个阵列通道的分布是均匀的，由于输出分布的三角形式，因此每个阵列通道中的光必然分布地极其不对称。这是通过自由形态8、10的显著的闪耀特性(棱镜形状)完成的。输入侧第一自由形态必须将大量光引至三角形底面的方位中，而输入侧第二自由形态使得光束部分后倾，以用于光束角度校正。然而，自由形态的这种闪耀特性导致在不同通道之间的过渡处的光学器件表面中的高度不连续性。这些闪耀后边缘(backedge)一方面会导致杂散光，另一方面在制造结构时会有困难。通过引入孔径结构20(参见图14)，可以再次实现杂散光最小化。这里，必须针对极其不同的孔径位置和形状(参见图14、图15)来执行杂散光分析。

通常，在细小平的阵列通道布置(参见图2至图15)维持不变的情况下，功率重新分布中的任何不对称将可能导致结构不连续性加剧。通过适配的通道布置可以实现不连续性显著最小化、甚至在一定程度上消除。实现这样的修改的简单方法是在倾斜平面上布置通道(参见图16、图17)。非常频繁地，自由形态阵列投影仪的有效焦距(参见图5)(微型光学器件)和横向延伸比光学器件到目标的距离小一倍。在这种情况下，目标图案可以被理解为远场分布，其中通道至目标的距离的小变化不起重要作用。功率分布不对称导致所有通道过渡中存在类似的不连续关系。借助于类似的平均不连续高度差(这里是两个维度)来使得通道纵向移位，结果是倾斜平面上的阵列的不连续性显著减小(参见图16、图17)。当然，模拟策略可以适用于近似的限定情况，但光学器件到目标的距离也不能太小。例如，通过准直的、倾斜的源单元4(具有主光学器件的源，参见图18)或者通过与图13相对应的附加变换光学器件提供适配的输入分布在这里会是有利的。换言之，至少一个光学结构可以被配置为在投影光学器件的成像平面中产生不对称的光分布，其中光学结构布置在倾斜平面上，以便减少邻近的光通道6的相互相邻光学结构之间的不连续性，并且其中投影光学器件12被配置为基于不对称的光分布来投影图像。光学结构可以是第一折射光学自由形态表面或第二折射光学自由形态表面或另外的折射光学自由形态表面、透射调制结构或甚至光源。

在光学器件到目标的距离是有限的或者各个通道的主光束倾斜分布不是细小的(类似于图12的用于叠加的光学器件)情况下，为了最小化不连续的通道过渡，将需要纵向通道逐通道地移位变化。因此，各个通道将被布置在弯曲的包络面65a、65b、65c上(参见图19)。这意味着阵列包络(即，光学器件粗结构)将借助于折射(参见例如图19中的箭头)检查通道的主光束。相反，各个通道的照射强度分布是通过通道精细结构和透射调制单元产生的。因此，借助于弯曲表面上的通道布置，与图13对应的附加光学器件的功能一方面可以由自由形态阵列投影仪本身来执行，另一方面通道之间的不连续/死区同时被最小化。如果通道边缘是由邻近通道的截面曲线确定的，则可以完全避免不连续性/死区。光学器件形态是通过形成各个通道结构的极端(类似于[Michaelis])产生的。换言之，相互相邻的光通道的第一折射光学自由形态表面和/或第二折射光学自由形态表面和/或投影光学器件可以布置在公共的弯曲包络面65a、65b、65c上，其中相互相邻的光通道的主辐射角度67a、67b、67c被适配，以便完全避免或者至少相当多地减少在叠加图像时产生的投影伪影和/或阵列通道之间的光学非活性区域和/或不连续性。此外，包络面可以用作为另外的(折射)光学器件，或者可以起到具有相同效果的光学自由形态表面52、54的功能(参见图13)。因此，即使在没有光学活性的自由形态表面的情况下，目标分布可以很大程度上借助于光重新分布来实现，并且由于有损耗的光衰减而仅能使光分布达到有限程度。例如，死区可以是光学非活性区域，其可以特别发生在邻近光通道之间的过渡区域或光通道的边缘区域中。因此，为了减少投影伪影，不产生在通道之间衰减大量光的死区或光学非活性区域。由此，投影设备的透光率被最大化。

通道布置中可以应用类型极其不同的平铺或密铺。在图1至图18中，为了简单起见，应用了矩形布置方案。图20示例性地示出了光通道阵列中的光通道的六种示例性布置，其中示例性地示出了六种不同类型的平铺。针对平铺的类型，存在不同的选择准则。将实现完全平铺(即，小的死区、小的未使用区域、很少的衰减)，其中光学效果将被实现为尽可能简单。后者意味着：优选地，努力实现自由形态重新分布过程精简。一方面，这导致更简单的光学表面。另一方面，根据光学扩展量守恒(参见图5)，光束角度谱受到较小程度的影响。出于效率的原因，具有光学活性区域的输入侧自由形态阵列的完全平铺是期望的。在效率要被最大化的情况下，(每个通道的)输入侧第二自由形态表面的边缘形状通过通道的所提供的目标照明几何结构来粗略确定。为了尽可能容易地实现光重新分布，输入侧第一自由形态表面和输入侧第二自由形态表面的边缘/大小相似将是有利的。根据这一点可以确定合适的平铺类型。也应考虑适用于保护透镜/光学器件的平铺方法。一方面，输入光瞳的照明由源形状确定(柯勒照明)。另一方面，制造方面也需要考虑。例如，为了产生高质量的成像微透镜，回流方法和UV成形可能是实用的。在这种情况下，通常只会呈现圆形的透镜边缘，这似乎使六边形平铺变得切实可行。换言之，光通道可以包括六边形、矩形、带状变形的规则的、不规则的或随机的平铺。

相反，对于具有较高连贯性的光源，周期性排列可以导致令人烦乱的网格效果。在这种情况下，随机布置将是相对实用的。

自由形态阵列投影仪可能呈现色像差。可以对使用不同光学材料而导致的色差进行典型像差校正，但这会导致更复杂的光学器件。这里的补救措施是各个通道只能提供有限的波长光谱，并且能够直接对波长进行校正。这可以通过仅通过不同颜色源60照亮不同的通道组来实现。另一种方法是将滤色片集成到光通道中(见图21)。换言之，光通道阵列中的两个通道或两个通道组可以被配置为处理不同的波长区域，其中第一通道或第一通道组在第一波长范围内减少成像误差，并且其中第二通道或第二通道组在第二波长范围内减少成像误差。为了将第一波长范围内的光引导至第一通道或第一通道组以及将第二波长范围内的光引导至第二通道或第二通道组，保护设备可以包括多个滤色片或多个彼此不同波长范围的光源。

图22示出了使用具有至少一个光源和光通道阵列的投影设备来进行投影的方法2100的示意性流程图。所述方法包括：步骤2105，在光源和投影光学器件之间布置第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面；步骤2110，使用第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面，实现通过对象光图案对投影光学器件的柯勒照明，使得图像将被投影在投影光学器件的成像表面中；以及步骤2115，将光通道阵列的图像彼此叠加。

本发明的其它实施例涉及以下示例：

(1)光束成形器或投影单元，其具有至少一个光源和可选的由邻近的光通道组成的主光学器件，

-其中，每个通道由至少两个折射光学自由形态表面和投影透镜/光学器件以及一个或若干个强度调制结构组成

-其中，布置在输入侧上的光学自由形态表面引起空间光重新分布和光束角度控制两者，使得一方面形成真实和/或虚拟的空间光图案，另一方面允许对下游投影透镜/光学器件的柯勒照明

-其中，投影透镜/光学器件以期望的方式将通过自由形态光重新分布和强度调制单元产生的光图案引至一个或若干个真实或虚拟的目标

-其中，将所有通道的各个光分布叠加在一个或若干个真实和/或虚拟的目标上，得到期望的总体光分布。

(2)根据示例1所述的但没有强度调制单元的光束成形器或投影单元，其中，在每个通道中，两个输入侧光学自由形态表面根据源光分布通过空间重新分布和光束角度影响来产生具有最小程度模糊效果的按通道分的(channel-wise)期望的虚拟对象光图案，并且下游投影透镜/光学器件以尽可能最佳的方式将这些虚拟对象光图案成像到一个或若干个真实的和/或虚拟的目标上。

(3)根据前述示例中任一项所述的光束成形器或投影单元，其中，投影光学器件包含一个或若干个自由形态表面，以便将由于两个输入侧自由形态表面形成的复杂虚拟对象图案的像差最小化。

(4)根据示例1所述的光束成形器或投影单元，其中，在每个通道中，两个输入侧光学自由形态表面通过空间重新分布和光束角度影响来将源光引导通过强度调制单元且使得源光损失极小，并且下游投影透镜/光学器件以尽可能最佳的方式将所形成的光图案成像到一个或若干个真实的和/或虚拟的目标上。

(5)根据前述示例中任一项所述的光束成形器或投影单元，其中，几乎全部的光通道产生近似相同的目标光分布，并且因此实现最大程度的均匀化或潜在的颜色混合。

(6)根据前述示例中任一项所述的光束成形器或投影单元，其中全部光通道或光通道组在可能不同的目标位置处产生不同的目标光分布，并且目标上的总体光分布通过叠加全部光通道来形成。

(7)根据前述示例中任一项所述的光束成形器或投影单元，其具有对全部/一些通道而言公共的附加的下游和/或上游光学表面/自由形态表面，该公共的附加的下游和/或上游光学表面/自由形态表面使各个通道的主光束角度分布适配所需的源和目标分布，使得期望的目标分布主要借助于光重新分布实现而仅有有限程度是借助光吸收实现的。

(8)根据前述示例中任一项所述的光束成形器或投影单元，其具有不同的另外的强度调制结构(如孔径层)，用于抑制和最小化由潜在的光学非活性区域、通道布置和光学器件形态(死区、伪边缘、通道过渡区域等)引起的以及由入射光在光学器件的接收角度区域的外部引起的杂散光和散射光，所述通道布置和光学器件形态是由于制造时制造的瑕疵产生的，例如各个通道之间的非理想结构过渡或粗糙/结构形态偏差。

(9)根据前述示例中任一项所述的光束成形器或投影单元，其中，所有通道的全部光学结构(即，照明自由形态表面、投影透镜/光学器件和强度调制结构)各自位于平的基底上或布置在平面中。

(10)根据前述示例中任一项所述的光束成形器或投影单元，其中，至少一些光学结构布置在倾斜平面上，其中相邻通道的光学器件结构之间的不连续性/陡峭的过渡可以通过不对称的光分布来最小化。

(11)根据前述示例中任一项所述的光束成形器或投影单元，其中，至少一些光学结构布置在弯曲的自由形态表面上，其中通过这样的布置可以适配各个通道的主辐射角度，同时，可以减少或防止光通道之间的不连续性/陡峭的过渡/死区/光学非活性区域。

(12)根据前述示例中任一项所述的光束成形器或投影单元，其中，可以存在光通道的不同的布置或平铺拓扑结构(如六边形、矩形、带状布置)，甚至可以应用变形的规则的和不规则的布置直至随机平铺。

(13)根据前述示例中任一项所述的光束成形器或投影单元，其中，由于通道内的附加的不同的滤色片或者由于不同的相关联的色源单元，不同的光通道/通道区域仅服务于有限的波长光谱，并且因此可以确保通过按通道分的光学器件结构适配实现按通道分的色相差校正。

尽管已经结合设备描述了一些方面，但是应该理解的是，这些方面也表示相应方法的描述，使得设备的块或元件将被理解为也是对应方法步骤或方法步骤的特征。类似地，已经结合方法步骤描述的或被描述为方法步骤的方面也表示对应设备的对应块或细节或特征的描述。

上述实施例仅表示本发明的原理。应当理解，本文所述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员将是明显的。因此，本发明旨在仅由以下权利要求的保护范围来限制，而不是通过使用实施例的描述和讨论而在此处呈现的具体细节来限制。

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Claims (18)

1.一种投影设备(2)，包括至少一个光源(4)和光通道阵列(6，6a，6b，6c)，其中每个光通道包括：

第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面(8，8a，8b，10，10a，10b)和投影光学器件(12，12a，12b)；

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面(8，10)布置在所述至少一个光源(4)和所述投影光学器件(12)之间，并且实现通过对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)对所述投影光学器件(12)的柯勒照明，通过将所述阵列的光通道的图像叠加在所述投影光学器件(12)的成像表面上得到要被投影的图像(14)，其中所述对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)是要由所述投影光学器件(12)成像的光图案并且包括光分布，

其中，所述第一折射光学自由形态表面被配置为：执行对由所述光源发射的光线的空间光重新分布和/或对其射线方向角度的控制；以及/或者

其中，所述第二折射光学自由形态表面被配置为：根据柯勒照明以会聚方式将光线引导到所述投影光学器件(12)上；

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面彼此影响。

2.根据权利要求1所述的投影设备(2)，包括透射调制结构(20，20a，20h)，所述透射调制结构被配置为：与在没有透射调制结构的情况下进行成像相比，将空间高频图案施加到所述对象光图案(13a，13b)上，以便产生要被投影在所述投影光学器件(12)的成像平面中的图像。

3.根据权利要求1所述的投影设备(2)，

其中，所述投影光学器件(12)被配置为将要被投影的图像成像到真实或虚拟的投影表面(18)上；或者

其中，所述光通道阵列的投影光学器件被配置为将要被投影的图像叠加在真实或虚拟的投影表面(18)上。

4.根据权利要求1所述的投影设备(2)，其中，所述光通道阵列的各个通道被配置为将具有相同主题的图像叠加在真实或虚拟的投影表面上。

5.根据权利要求1所述的投影设备(2)，其中，所述光通道阵列的各个通道或通道组被配置为在真实或虚拟投影表面(18)上产生相互不同的图像，其中借助于至少部分叠加不同的图像而在所述真实或虚拟的投影表面(18)上产生总体图像(50)。

6.根据权利要求1所述的投影设备(2)，其中，所述光通道阵列的所有通道的光学结构被布置在平的基底上和/或平面中。

7.根据权利要求1所述的投影设备(2)，其中，所述投影设备包括抑制散射光和/或杂散光的至少一个另外的透射调制结构(44，46，48)。

8.根据权利要求1所述的投影设备(2)，其中，所述光通道(6)包括六边形、矩形、带状、变形的规则的、不规则的或随机的平铺。

9.一种投影设备(2)，包括至少一个光源(4)和光通道阵列(6，6a，6b，6c)，其中每个光通道包括：

第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面(8，8a，8b，10，10a，10b)和投影光学器件(12，12a，12b)，其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面(8，10)布置在所述至少一个光源(4)和所述投影光学器件(12)之间，并且实现通过对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)对所述投影光学器件(12)的柯勒照明，通过将所述阵列的光通道的图像叠加在所述投影光学器件(12)的成像表面上得到要被投影的图像(14)，其中所述对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)是要由所述投影光学器件(12)成像的光图案并且包括光分布；以及

其中，所述投影设备包括透射调制结构，所述透射调制结构被配置为：与在没有透射调制结构的情况下进行成像相比，将空间高频图案施加到所述对象光图案(13a，13b)上，以便产生要被投影在所述投影光学器件(12)的成像平面中的图像，

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面(8，10)被配置为：使从所述光源(4)发射出的光(16)在所述透射调制结构的透光区域中的照射度增大，以便实现与所述透射调制结构的非透光区域上的照射度相比，所述透射调制结构的透光区域(29a)中的照射度更大。

10.根据权利要求9所述的投影设备(2)，其中，所述透射调制结构基于所述透射调制结构的所述透光区域中的增大的照射度来形成所述对象光图案，并且其中所述投影光学器件(12)被配置为对来自所述透射调制结构的对象光图案进行成像，以获得通过所述对象光图案(13)在所述投影光学器件(12)的成像表面中的照明。

11.一种投影设备(2)，包括至少一个光源(4)和光通道阵列(6，6a，6b，6c)，其中每个光通道包括：

第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面(8，8a，8b，10，l0a，10b)和投影光学器件(12，12a，12b)；

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面(8，10)布置在所述至少一个光源(4)和所述投影光学器件(12)之间，并且实现通过对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)对所述投影光学器件(12)的柯勒照明，通过将所述阵列的光通道的图像叠加在所述投影光学器件(12)的成像表面上得到要被投影的图像(14)，其中所述对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)是要由所述投影光学器件(12)成像的光图案并且包括光分布，

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面(8、10)被配置为：基于真实光图案(13a)在所述光通道(6a)中在所述光源(4)和所述第二折射光学自由形态表面(10)之间产生虚拟对象光图案(13a′/13a″)，其中所述虚拟对象光图案是通过对要被投影的图像进行成像而产生的，并且其中所述真实光图案是在透射通过所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面之后形成的。

12.一种投影设备(2)，包括至少一个光源(4)和光通道阵列(6，6a，6b，6c)，其中每个光通道包括：

第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面(8，8a，8b，10，10a，10b)和投影光学器件(12，12a，12b)；

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面(8，10)布置在所述至少一个光源(4)和所述投影光学器件(12)之间，并且实现通过对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)对所述投影光学器件(12)的柯勒照明，通过将所述阵列的光通道的图像叠加在所述投影光学器件(12)的成像表面上得到要被投影的图像(14)，其中所述对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)是要由所述投影光学器件(12)成像的光图案并且包括光分布，

其中，所述光通道阵列的两个通道或两个通道组被配置为处理不同的波长范围，其中第一通道或第一通道组在第一波长范围内减少成像误差，并且其中第二通道或第二通道组在第二波长范围内减少成像误差。

13.根据权利要求12所述的投影设备(2)，其中，所述投影设备包括不同波长范围的多个滤色片或多个光源，其中，所述多个滤色片或所述多个光源被配置为将第一波长范围内的光引导到第一通道或第一通道组，以及将第二波长范围内的光引导到第二通道或第二通道组。

14.一种投影设备(2)，包括至少一个光源(4)和光通道阵列(6，6a，6b，6c)，其中每个光通道包括：

第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面(8，8a，8b，10，10a，10b)和投影光学器件(12，12a，12b)；

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面(8，10)布置在所述至少一个光源(4)和所述投影光学器件(12)之间，并且实现通过对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)对所述投影光学器件(12)的柯勒照明，通过将所述阵列的光通道的图像叠加在所述投影光学器件(12)的成像表面上得到要被投影的图像(14)，其中所述对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)是要由所述投影光学器件(12)成像的光图案并且包括光分布，

其中，由至少两个通道构成的光通道阵列在所述光源(4)与所述第一折射光学自由形态表面(8)之间和/或在所述投影光学器件(12)之后包括公共折射光学结构(52、54)，所述公共折射光学结构(52、54)被配置为主要借助于光重新分布来设置光通道的主射线角度分布。

15.一种投影设备(2)，包括至少一个光源(4)和光通道阵列(6，6a，6b，6c)，其中每个光通道包括：

第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面(8，8a，8b，10，10a，10b)和投影光学器件(12，12a，12b)；

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面(8，10)布置在所述至少一个光源(4)和所述投影光学器件(12)之间，并且实现通过对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)对所述投影光学器件(12)的柯勒照明，通过将所述阵列的光通道的图像叠加在所述投影光学器件(12)的成像表面上得到要被投影的图像(14)，其中所述对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)是要由所述投影光学器件(12)成像的光图案并且包括光分布，

根据权利要求1所述的投影设备(2)，其中，所述投影光学器件(12)包括被配置为校正投影图像中的一个成像误差或多个成像误差的至少一个其它折射光学自由形态表面(12a′，12a″)。

16.一种投影设备(2)，包括至少一个光源(4)和光通道阵列(6，6a，6b，6c)，其中每个光通道包括：

第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面(8，8a，8b，10，10a，10b)和投影光学器件(12，12a，12b)；

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面(8，10)布置在所述至少一个光源(4)和所述投影光学器件(12)之间，并且实现通过对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)对所述投影光学器件(12)的柯勒照明，通过将所述阵列的光通道的图像叠加在所述投影光学器件(12)的成像表面上得到要被投影的图像(14)，其中所述对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)是要由所述投影光学器件(12)成像的光图案并且包括光分布，

其中，至少一个光学结构被配置为在投影光学器件的成像平面中产生不对称的光分布，其中所述光学结构(8，10，12，20)布置在倾斜平面上，以便减少相邻的光通道(6)的相互相邻的光学结构之间的不连续性，并且其中所述投影光学器件(12)被配置为基于所述不对称的光分布来投影图像。

17.一种投影设备(2)，包括至少一个光源(4)和光通道阵列(6，6a，6b，6c)，其中每个光通道包括：

第一折射光学自由形态表面和第二折射光学自由形态表面(8，8a，8b，10，10a，10b)和投影光学器件(12，12a，12b)；

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面(8，10)布置在所述至少一个光源(4)和所述投影光学器件(12)之间，并且实现通过对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)对所述投影光学器件(12)的柯勒照明，通过将所述阵列的光通道的图像叠加在所述投影光学器件(12)的成像表面上得到要被投影的图像(14)，其中所述对象光图案(13，13a，13b，13a′，13a″)是要由所述投影光学器件(12)成像的光图案并且包括光分布，

其中，相互相邻的光通道的第一折射光学自由形态表面和/或第二折射光学自由形态表面和/或投影光学器件各自布置在公共弯曲包络面(65a，65b，65c)上，其中，所述相互相邻的光通道的主射线方向角度(67a，67b，67c)被适配，以便避免在叠加图像时产生投影伪影和/或光学非活性区域和/或在阵列通道之间的不连续性。

18.一种使用投影设备来进行投影的方法(2100)，所述投影设备包括至少一个光源和光通道阵列，所述方法包括步骤：

在所述光源和投影光学器件之间布置(2105)第一折射光学自由形态表面或第二折射光学自由形态表面；

使用所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面，实现通过对象光图案对所述投影光学器件的柯勒照明，其中所述对象光图案是要由所述投影光学器件成像的光图案并且包括光分布；以及

将所述光通道阵列的图像彼此叠加(2115)在所述投影光学器件的成像表面中，以得到要被投影的图像，

其中，所述第一折射光学自由形态表面被配置为：执行对由所述光源发射的光线的空间光重新分布和/或对其射线方向角度的控制；以及/或者

其中，所述第二折射光学自由形态表面被配置为：根据柯勒照明以会聚方式将光线引导到所述投影光学器件上；

其中，所述第一折射光学自由形态表面和所述第二折射光学自由形态表面彼此影响。

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