光转向系统、用于产生经转向的偏振光的照射场的方法及使用其的混合投影仪与流程

本发明涉及一种光转向系统、一种用于产生经转向的偏振光的照射场的方法以及一种使用其的混合投影仪。本发明还涉及一种使用所述混合投影仪产生图像的方法。

背景技术：

1、近年来，光转向已成为一项用于产生视觉逼真的图像的非常重要的技术。真实图像通常具有高峰值亮度及高动态范围。诸如在wo 2017 059537 a1中所示的那种混合投影仪允许通过采用至少一个基础光引擎及用于在成像引擎的入口处提供配准的照射场的至少一个高光引擎来产生视觉逼真的图像，该成像引擎使用分布在照射场中的光在屏幕上产生实际图像。

2、在使用中，基础光引擎及高光引擎连接到一个或多个光源，该一个或多个光源可以是两个引擎的公共光源或每个引擎的分离的光源，并且可以产生白光或不同颜色的光。基础光引擎产生基本均匀的照射场，而高光引擎可以根据需要产生其中一个或多个不同区域比其他区域亮得多的照射场。为此，高光引擎包括至少一个光转向系统，该至少一个光转向系统通常包括多个光学元件，诸如特别是至少一个光转向装置，诸如相位光调制器，其可以产生经转向的光束，即，其允许根据需要将光从光源转向照射场中的一个或多个区域。与空间延伸可以忽略不计的单个光线相比，如本文所使用的光束具有与其传播方向正交的特定空间延伸。

3、然后，转向光的照射场可以由成像元件用来创建具有非常明亮区域的视觉逼真的图像。同样，可以将光转向为远离照射场中的某些区域，这允许在图像中产生较暗的区域。这样，总的光预算得以更高效地使用，可以实现更高的亮度峰值，使黑电平更低，从而产生更高的对比度及更高的动态范围。如果使用相位光调制器作为光转向装置，它可以对入射光进行相位调制，从而在一些区域具有相长干涉，且在其他区域具有相消干涉。

4、一些混合投影仪采用分离的基础光引擎及高光引擎来产生不同颜色（通常是红色、绿色以及蓝色）的照射场，然后在颜色引擎中将其组合。其他混合投影仪通过以时间顺序方式使用不同颜色来产生不同颜色的照射场。在任何情况下，来自基础光引擎的光（所谓的基础光），及来自高光引擎的光（即所谓的高光）必须在进入成像引擎之前进行组合。

5、用于组合基础光及高光的一种常见方法是偏振组合：基础光及高光相对于彼此正交偏振，例如，一个是s偏振式的，另一个是p偏振式的，且两者通过偏振光束组合器组合，所述偏振光束组合器基本上是反向使用的偏振分束器。

6、虽然一些光转向装置在偏振光的情况下工作得最好，但其他设备，特别是基于微机电系统（mems）技术的新一代相位调制器在偏振光或非偏振光的情况下工作。用于高功率系统的一些调制器被气密地密封在玻璃中，在使用中，由于加热以及由此引起的机械应力，其会变成双折射的。因此，即使使用偏振光作为用于产生高光的来源，该高光也可能至少不完全是偏振的。

7、然而，对于一些应用，诸如特别是经由偏振光束组合器组合基础光及高光，即使使用非偏振光作为光转向系统的来源，仍然优选甚至有必要产生转向光的偏振光束。这个问题的一个明显解决方案将是在转向光束上（即在光转向装置的下游）使用偏振器，但由于在一些情况下转向光的偏振状态是不可预测的，这将会阻挡转向光中的至少一些（否则甚至是大部分），并使相应的系统效率较低。

8、us 2004/0240057 a1公开了一种用于lcd成像器的偏振恢复系统，其中将来自来源的非偏振光的光束在45°的角度下引导到偏振分束器上，该偏振分束器透射该光中具有第一偏振的一部分，并将该光中与第一偏振正交的、具有第二偏振的另一部分反射到波片上。波片对反射光束的偏振进行旋转，使其与透射光束的偏振相对应，然后经由反光镜引导反射光束，使其平行于透射光束走向。

9、虽然如在us 2004/0240057 a1中所示的偏振恢复系统可用于lcd成像器，但它不能简单地用于上述类型的光转向系统，因为两个平行光束将不会照射成像引擎的相同入口区域，以致于减少甚至消除了预期的效果。此外，在转向光的情况下，两个光束的光路长度必须基本相同，因为每个光束在一定距离处产生可以被视为“图像”的照射场，并且在拆分光束后，将不可能在两个不同距离处使该图像焦点对准。

10、除了如上所讨论的偏振恢复系统外，其他现有技术文献还涉及投影系统中的光转向及偏振处理的各个方面，但当应用于本文所述的类型的光转向系统时，它们也存在局限性。

11、wo 2022/069727 a1公开了一种具有偏振分束器、偏振旋转器以及反光镜的光转向系统。虽然它描述了将非偏振光束分成两个偏振光束，对一个光束的偏振进行旋转，然后将它们重新组合，但它没有解决在光束拆分发生之前对包含两个正交偏振态的光进行高效调制的挑战。

12、wo 2023/186324 a1描述了一种具有基础光引擎及高光引擎的混合投影仪系统，其使用光转向来产生照射场。尽管它讨论了用于组合不同颜色通道的各种光学布置，但它没有具体解决在光转向过程中对非偏振光或混合偏振光的高效处理。

13、us 2021/168340 a1公开了一种具有光转向装置、偏振分束器以及偏振旋转器的投影系统。然而，它针对不同的偏振态使用分离的光源，并且没有描述一种用于在分束之前在单个光路中高效处理包含两种偏振态的光的方法。此外，us 2021/168340 a1中的基于lcos的相位调制器通常仅对一个偏振方向进行相位调制，有效地充当正交偏振方向的反光镜，从而导致该偏振的零调制能力或零转向能力。相比之下，我们的发明对两种偏振态有效地同时进行调制及转向。

14、us 5,748,379a描述了一种使用偏振来分离并重组光路的光学系统。虽然它讨论了路径长度补偿，但它没有解决与在光转向系统中调制包含两种偏振态的光相关的挑战。

15、us 2022/191440 a1涉及投影系统，并讨论了各种光学布置。然而，它没有具体解决在偏振拆分之前在单个光路中对包含两种正交偏振态的光如何进行高效调制及转向。

16、这些现有技术文献虽然解决了光转向及偏振处理的各个方面，但并没有完全解决在偏振拆分发生之前以保持相等光路长度并确保所得照射场的正确聚焦的方式对包含两个正交偏振态的光进行高效地调制及转向的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述限制，本发明旨在解决以高能效产生经转向的偏振光的照射场的问题。

2、所述问题通过根据权利要求1所述的光转向系统、根据权利要求23所述的用于产生经转向的偏振光的照射场的方法、根据权利请求18所述的混合投影仪以及根据权利要求37所述的用于产生图像的方法来解决。在从属权利要求中定义了有利的实施例。

3、本发明确保在使转向光的光束偏振时基本上没有转向光损失，从而允许以高能效并因此以环境友好的方式产生并使用例如高光照射场。

4、本发明还促进使用非偏振光作为所有在这种光下能良好工作的光转向装置的源光，因为在这种情况下，不再需要使用偏振光以能够将转向光与基础光组合。本发明通过用偏振光束组合器组合两种类型的正交偏振光束，促进将用于照射光转向装置的特定波长的激光二极管的量加倍，而不会使组合光束的最终光束尺寸或最终光束扩展量加倍。因此，在不扩大最小照射点尺寸的情况下，可以显著增加光转向系统的功率。根据一个实施例，光转向系统包括多个光学元件，即至少光转向装置、偏振分束器、偏振旋转器以及一个或多个反光镜，其中所述光转向装置被布置为用于调制入射光束并将其引导到所述偏振分束器上，所述偏振分束器被布置为将所述光束分成具有第一偏振的透射光束及具有不同于所述第一偏振的第二偏振的反射光束，所述偏振旋转器被布置为用于对所述反射光束及所述透射光束中的一个光束的偏振进行旋转，以对应于相应的另一光束的偏振，所述一个或多个反光镜被布置用于反射并引导所述透射光束及所述反射光束中的一个或两个光束，使得a）其中一个光束被反射零次，且另一光束被反射奇数次，或b）其中一个光束被反射偶数次，且另一光束被反射奇数次，并且使得两个光束会聚并在像平面中相汇。这有利地不仅允许在像平面中使用基本上所有的转向光，而且确保反射光束及透射光束具有相同的取向，即它们相对于彼此不呈镜像。换言之：虽然根据定义，反射光束已经被第一次反射，但每个光束经历的反射总次数（包括第一次）必须是a）奇数，或b）偶数，其中包括零（透射光束可能根本不会被反射，但这不是优选的设置，如下面将解释的）。如本文所使用的，术语“像平面”表示会聚的转向光束相汇的平面。像平面为虚拟平面，光束穿过该平面。因此，术语“会聚”涉及以下事实：沿着光束的传播路径看下去，光束不是平行的，而是在它们在像平面中相汇之前朝向彼此会聚。它们之后可能会发散，然而可以用相应中继光学器件来进行处理，如稍后将解释的那样。像平面也可以是图像入口的该入口，使得光可以直接用于产生图像。

5、因此，可以将在像平面中产生的经偏振的转向光的照射场视为中间图像，特别地为第一中间图像，因为取决于光束的进一步处理，可能会创建多个中间图像。

6、本发明中的光转向装置，特别地当被实现为相位光调制器时，能够不加区别地调制入射光束的两个正交偏振态。这意味着所述装置向整个入射光束应用相同的相位调制，而不管其组成光的偏振态如何。结果，当随后通过偏振分束器对经调制的光束进行拆分时，透射光束及反射光束都经历了相同的相位调制。该特性确保了由两个光束形成的转向光图案基本相同，这对于维持最终照射场的完整性及质量至关重要。

7、在一个优选的实施例中，光转向装置包括用于不同颜色的分离的相位调制器，每个调制器被布置为用于针对其相应的颜色不加区别地调制两个正交偏振态。这种配置允许高效地处理多种颜色通道，同时保持针对每种颜色同时调制两种偏振态的能力。通过针对不同颜色使用分离的调制器，所述系统可以独立地优化每个波长的转向及调制，从而有可能改善总体颜色管理及图像质量。此外，这种布置允许针对每种颜色有不同的转向距离，鉴于最佳转向距离可随着波长而变化（如权利要求10（原权利要求9）的公式所述），这可以是有利的。这种方法将颜色特定性优化的益处与在单个装置中针对每种颜色处理两种偏振态的效率相结合，从而形成了多用途且高性能的光转向系统。

8、附加地或备选地，光转向装置可以是不加区别地调制两种偏振态的单个光转向装置。这提供了若干个优点。首先，它允许更紧凑且更具成本效益的系统设计，因为只需要一个调制装置，而不是对于每种偏振态都需要分离的装置。其次，它简化了光转向过程的控制及同步，因为相同的调制模式可以应用于整个入射光束。最后，这种方法确保调制过程中的任何变化或缺陷都会平等地影响两种偏振态，从而有助于维持最终照射场中的一致性。这种与偏振无关的调制（polarization-agnostic modulation）在使用非偏振或混合偏振光源的系统中特别有益，因为它消除了对入射光进行预偏振或单独处理不同偏振态的需要。它还促进了来自来源的整体光预算的有效利用，而不管其偏振特性如何。

9、附加地或备选地，光转向装置可以是基于微机电系统（mems）的相位调制器。这种基于mems的调制器特别适合这种应用，因为它们能够调制光而不管其偏振态如何。可以控制这些mems器件的像素或元件，以跨整个入射光束地创建所需的相位图案，从而平等地影响两种正交偏振态。

10、附加地或备选地，偏振分束器及一个或多个反光镜可以被布置为使反射光束及透射光束各自在像平面上形成照射场，所述照射场彼此交叠并且在尺寸及光分布上基本相同。这些照射场通常为矩形，并且可能已经具有相同的纵横比，甚至在某些情形下与使用高光的成像引擎中的入口具有相同的尺寸。通常，照射场将由一些中继光学器件重新成像，所述中继光学器件可以针对将高光及基线光束加以组合的组合元件（同样使用相同的最小f数）的入口处的两个光束任选地执行一些额外的光学变换，诸如：使光束远心；添加一些漫射器（一个或多个，静态或动态的）以减少散斑同时填补可用的光学扩展量；放大光束尺寸以使得它与基线路径中光棒出口处的光束具有相同的尺寸，其可以用作该基线路径中的均化元件。优选地，照射场因为具有称为点扩散函数的“最小尺寸”特征，会在空间上相对缓慢地变化，所述特征占据了照射区域的重要部分，即所具有的直径为照射外部光束尺寸的5-20%。这允许在具有相同光分布的两个光束之间存在一些由于入射角的差异而造成的失真差异。

11、在这些情况下，在所述像平面中的经偏振的转向光的照射场将是第一中间图像，并且其通过所述中继光学器件的图像将是第二中间图像。

12、附加地或备选地，偏振分束器及一个或多个反光镜可以被布置为使透射光束及反射光束朝向像平面会聚，从而彼此形成不超过20°，优选地小于15°，更优选地小于10°的角度。由于典型的图像引擎接受锥体内半角高达15°乃至以上的入射光束，这种布置因此确保了具有两个不同角视场的透射光束及反射光束的组合将被光学系统完全接受。透射光束及反射光束在像平面上的入射角的差异可在具有相同转向光图案的两个光束中导致不同的局部光学失真及局部光学散焦效应。本领域技术人员理解，在会聚保持低于20°、更优选地15°、甚至更优选10°的情况下，两个转向光束之间的这些局部变化会保持比最小光转向点尺寸的总体范围（也称为点扩散函数，简称psf）低至少一个数量级，从而使得这些变化不会实质上改变光转向系统的照射分布。

13、附加地或备选地，偏振分束器及一个或多个反光镜可以被布置为在非零入射角下从不同方向将反射光束及透射光束各自引导到像平面上，所述入射角基本相同。通过这种布置，由每个光束在像平面上的倾斜入射引起的局部失真（即，梯形失真）及局部散焦效应被理解为变得更加对称及针对彼此平衡（部分自补偿），从而使得经转向的照射轮廓上的局部变化甚至变得更少了。

14、附加地或备选地，偏振分束器及一个或多个反光镜可以被布置为使得反射光束到像平面中光束点的中心点的光路及透射光束到像平面中光束点的中心点的光路具有基本相同的光学长度。这有利地确保了来自反射光束及透射光束的照射场可以焦点对准。为了达成此，反射光束的光路可以包括用于补偿透射光束的焦点偏移的光学元件，特别地是至少一个玻璃板。

15、附加地或备选地，偏振旋转器可以是法拉第旋转器、棱镜旋转器及双折射旋转器中的一种，特别地是四分之一波片或半波片。因此，本领域技术人员可以有利地选择最适合用于相应的用例的旋转器。

16、附加地或备选地，光转向装置可以是相位光调制器，特别地是微机电装置。当相应的光转向系统将用于高质量投影仪，特别地用于电影院等的高动态范围混合投影仪时，这种类型的光转向装置已被证明是特别有用的。

17、如果光转向装置是包括多个像素并具有像素间距（即相邻像素（可以是微反光镜）之间的中心到中心的距离）的相位光调制器，则相位光调制器与像平面之间穿过偏振分束器并沿着透射光束及反射光束的路径中的任一路径的最小光路长度d最小可以被有利地设置为

18、d最小=img_size/tan(sin-1(λ/pp)，

19、其中img_size是要在像平面中形成的照射场的最大维度，λ是入射光束的波长，且pp是像素间距。

20、附加地或备选地，光转向系统可以包括布置在像平面之中或之后的另外的光学元件，例如用于放大在像平面中形成的照射场的元件，以及任选地还用于通过在无穷远处对光转向装置成像来恢复远心度的元件。换句话说，利用这种光学元件，可以形成中继光学器件，该中继光学器件将第一中间图像重新成像到第二中间图像上，以便例如具有所需的尺寸来与基础光组合。另外的光学元件还可以包括一个或多个漫射器，用于去散斑与激光安全目的（如在大多数情况下进行的，光源是激光）。例如，可以在第二中间图像的平面中使用单个漫射器，或使用两个漫射器的组合，一个在第一中间像平面之中或附近，且一个在第二中间图像的平面之中。使用至少两个漫射器增加了激光安全性，以防漫射器中的一个损坏。

21、附加地或备选地，光转向系统可以包括三个分离的布置，每个布置包括光转向装置、偏振分束器以及一个或多个被布置用于使光束转向的反光镜，所述三个分离的布置中的每一个适于将三种不同颜色之一的光朝向所述像平面引导。在这种实施例中，光转向系统还可以包括至少一个光组合元件，所述至少一个光组合元件被布置用于组合不同颜色的光束并将其引导到所述像平面上。这种至少一个光组合元件是二向色棱镜、二向色反光镜或二向色反光镜的组合。在另一优选的实施例中，光转向系统包括一个偏振分束器以及三个分离的均布置有两个二向色反光镜的光转向装置，以将三种不同颜色的光沿着至少部分交叠的光路引导到所述偏振分束器上。在另一任选的优选的实施例中，光转向系统包括一个光转向装置、一个偏振分束器以及包含了一个或多个反光镜及二向色反光镜的、设置在光转向装置及偏振分束器之间的光路长度补偿布置，以允许同时使至少两个不同波长的光转向。这些实施例中的每一个都允许使用不同颜色的高效激光源来根据需要产生经转向的偏振光的照射场。

22、根据本发明的混合投影仪在一个实施例中包括基础光引擎及高光引擎，所述基础光引擎被布置用于在照射平面中产生第一照射场，所述高光引擎被布置用于在所述照射平面中产生与所述第一照射场交叠的第二照射场，其中所述高光引擎包括至少一个如上所述的光转向系统。这种混合投影仪允许产生具有高动态范围的非常逼真的图像。

23、在一优选的实施例中，混合投影仪的至少一个光转向系统被布置为使得像平面在所述照射平面中。这允许投影仪用很少的光学部件得到非常紧凑的设计。然而，在大多数情况下，像平面将布置在所述照射平面的上游。

24、附加地或备选地，混合投影仪可以包括三个分离的均包括基础光引擎及高光引擎的布置，每个布置被布置用于产生三种不同颜色中的一个颜色的第一照射场与第二照射场的交叠，并且还包括光组合元件，所述光组合元件被布置用于组合所述三个分离的布置的第一照射场及第一照射场。

25、根据一个实施例的用于产生经转向的偏振光的照射场的方法包括以下步骤：

26、-将光束引导到光转向装置上，

27、-用所述光转向装置调制所述光束以获得经转向的光的光束，并将所述光引导到偏振分束器上，

28、-用所述偏振分束器将所述光束分成具有第一偏振的透射光束及具有不同于所述第一偏振的第二偏振的反射光束，

29、-对所述反射光束及所述透射光束中的一个的偏振进行旋转以对应于相应的另一光束的偏振，

30、-反射所述透射光束及所述反射光束中的一个或两个光束，使得

31、a）其中一个光束被反射零次，且另一光束被反射奇数次，或

32、b）其中一个光束被反射偶数次，且另一光束被反射奇数次，并且

33、引导所述光束，使得两个光束在像平面中相汇。

34、在一优选的实施例中，调制所述光束包括针对不同颜色使用分离的相位调制器，每个调制器被布置为用于对其相应的颜色不加区别地调制两个正交偏振态。所述方法中的这种方法在维持同时处理两种偏振态的效率的同时允许对每种颜色通道进行精确控制。通过分别调制每种颜色，所述方法可以适应不同波长的特定要求，诸如不同的转向距离或相位调制模式。这可以带来提高的颜色保真度，并且跨整个可见光谱的更准确的光转向。此外，这种方法维持了对于每种颜色进行高效偏振处理的优点，从而有可能减少光损失并提高总体系统效率。这种在仍然处理两种偏振态的同时独立优化针对每种颜色的调制的能力可以产生更灵活且更具适应性的光转向过程，适用于各种范围的高性能的投影及照射应用。

35、附加地或备选地，所述反射光束及所述透射光束可以各自在所述像平面上形成照射场，所述照射场彼此交叠并且在尺寸及光分布上基本相同。

36、在又一优选的实施例中，所述透射光束及所述反射光束朝向所述像平面会聚，彼此形成不超过20°，优选地小于15°，更优选地小于10°的角度。

37、附加地或备选地，所述反射光束及所述透射光束可以各自在非零照射角度下从不同方向被引导到所述像平面上，所述照射角度基本相同。所述不同方向优选地与所述像平面的法线共面。

38、附加地或备选地，所述反射光束及所述透射光束可以被引导到所述像平面，使得它们到所述像平面中的光束点的中心点的光路的长度基本相同。

39、附加地或备选地，调制所述光束可以包括特别地通过使用微机电装置调制形成所述光束的光线的相位。

40、附加地或备选地，可以引导所述光束穿过布置在所述像平面之中或之后的光学元件，诸如特别地是用于放大在所述像平面中形成的照射场的元件及任选地还用于通过在无限远处对光转向装置成像来恢复远心度的元件和/或用于去散斑及激光安全目的的一个或多个漫射器。

41、附加地或备选地，所述方法可以包括经由包含了光转向装置、偏振分束器以及被布置用于使光束转向的一个或多个反光镜的三个分离的布置来将三种不同颜色的光朝向所述像平面引导，所述分离的布置中的每一个适用于三种不同的颜色之一。可以经由至少一个组合元件来组合不同颜色的光束。备选地，经由各自针对三种颜色中的每个颜色的三个分离的光转向装置及至少两个二向色反光镜将三种不同颜色的光沿着至少部分交叠的光路引导到所述偏振分束器上。备选地，经由一个光转向装置、一个偏振分束器以及包含了一个或多个反光镜及二向色反光镜的光路长度补偿布置将三种不同波长的光同时朝向所述像平面引导，所述一个或多个反光镜及所述二向色反光镜布置在所述光转向装置与所述偏振分束器之间。备选地，以时间顺序的方式经由一个光转向装置及一个偏振分束器将三种不同波长的光朝向所述像平面引导。

42、根据一个实施例，一种用于产生图像的方法包括在照射平面中产生第一照射场，在所述照射平面中产生与所述第一照射场交叠的第二照射场，其中所述照射场中的一个是基础光照射场，另一个是用如上所述的方法产生的经转向的偏振光的照射场。通过这种方法，可以产生具有高动态范围的非常逼真的图像。

43、在一优选的实施例中，例如取决于图像内容，临时调制基础光照射场以生成具有动态变化的强度水平的均匀照射场。如果图像不需要很多中等亮度区域，则可以充分使用高光照射来产生高光，从而可以减少基线照射，这导致图像中的黑色区域变得更暗且图像中的整体对比度增加。

44、结合附图，根据以下纯粹示例性且非限制性的详细描述，本发明的进一步细节以及优点将变得显而易见。