[发明专利]具有弯曲的散斑减少元件表面的光学投影系统

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种数字图像投影，并且更具体地涉及一种提供散斑(speckle)补偿的相干光投影系统。 

背景技术

用于将图像投影到显示表面上的传统投影透镜被设计为具有相对较快的光学元件。对于影院投影尤其如此，其中传统的胶片投影透镜可以达到～f/1.8那么快，并且在新兴的数字影院技术中，透镜通常为～f/2.5。这些低f/#值以及相应的大角度的光在很大程度上是由于所使用的大集光率光源(例如，各种类型的非常亮的弧光灯和类似的光源)，同时又期望尽可能多地利用这种光。 

在数字影院投影中，通过像素化的空间光调制器，例如LCD和LCOS调制器、数字微镜器件(DMD)、尤其是由德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司提供的DLP(数字光处理器)来提供图像内容。以像素寻址的方式来调制(modulate)这些电子光调制装置的各个像素，以将图像数据赋予经过的光束。为了实现影院投影，使用具有～400-600mm²的有效面积的大型(large version)装置，以在与用于影院投影的大集光率氙气灯光源使用时这些装置能够兼容并且光学高效。然而，我们已经确定：这些大集光率光源以各种不利的方式影响投影仪的设计，包括光学部件的尺寸和成本、对这些部件的热载荷和应力，以及由光学元件提供的光学成像性能和图像质量。例如，传输大角度光入射的空间光调制器装置及其相关的偏振光学元件将不利地影响投影图像的质量，具有峰值对比度和对比度一致性缺陷。 

更详细地，数字投影系统的照明和投影子系统通常比其在传统的基于胶片的系统中的等效装置更复杂。特别地，在数字系统中，相比于传统投影光学元件，投影透镜系统通常担负不同的附加要求。作为一个示例，用于数字系统的投影透镜一般需要提供长的后焦距或焦点距离，即，最后的透镜表面与空间光调制器之间的距离。在大多数情况下，需要焦点距离超过透镜焦距的2倍，以容纳用来将来自不同颜色路径的经调制的光组合到公共光轴上的多个光学部件，并且根据所使用的空间光调制器的类型来提供光的偏振、滤光以及其他调节和引导。结合在一起，如光学设计领域技术人员所熟知的，长的后焦距与速度要求(低F#)组合起来促使了使用大的元件的复杂透镜设计。结果，用于大会场或数字影院投影系统的投影透镜非常昂贵，特别是当与诸如在基于胶片的投影仪中使用的传统投影透镜相比时。 

作为减小该问题的程度的一种尝试，如在共同转让给Cobb的题为“使用空间光调制器的投影装置(Projection Apparatus Using Spatial Light Modulator)”的美国专利No.6,808,269中描述的系统使用成像中继(relay)透镜。通过中继透镜对每个调制器进行成像，以在组合棱镜的出射面附近创建实际的空中放大的中间图像。调制器平面处的大的数值孔径(NA)减小，例如减小一半，从而使F#相应地增大一倍。通过棱镜组合三色图像，然后通过公共投影透镜将该三色图像成像到屏幕上。尽管具有三个成像中继器的整个系统的复杂性增加了，但投影透镜的简化大大弥补了复杂性和成本的增大，其中投影透镜以较大的F#工作，没有焦点距离要求。 

作为另一种方法，相比于传统光源，具有有利的小集光率的可见激光的使用提出了提供简化的系统光学元件的机会，例如通过使投影透镜能够具有与用于基于胶片的投影的透镜相似等级的适度复杂性。近年来，可见激光光源在成本、复杂性和性能方面得到了改进，从而对于在包括用于影院的投影中使用变得更可行。激光可以为图像投影提供大量优点，包括扩展的色域，但其较小的集光率对于基于LCD、DLP和其他类型的光调制器以及更小、更慢和更便宜的透镜元件的数字系统是特别有利的，其中可以使用在f/8范围内或更慢的值，同时仍为影院应用以及其他投影应用提供具有足够可见光通量的光。应当注意，激光还使得其他调制器类型(例如光栅机电(GEMS)调制器)能够用于投影，该光栅机电调制器是利用衍射来生成图像数据的线性阵列器件，且其需要小集光率。