CN102906624A - 紧凑型照明器 - Google Patents

Abstract

本发明整体涉及光学元件、包括所述光学元件的光投影仪和包括所述光学元件的图像投影仪。具体地讲，所述光学元件通过利用小透镜阵列，例如“蝇眼阵列”(FEA)均化光来提供改善的光均匀度。所述FEA被设置为在所述光被转换成单一偏振态之前来均化非偏振组合光。

Description

紧凑型照明器

相关专利申请

本专利申请涉及以引用方式并入的下述美国专利申请：2010年1月6日提交的名称为“Compact Optical Integrator”（紧凑型光学积分器）的美国序列No.61/292574（代理人案卷号65902US002）；以及另外均与本文同一日提交的“Polarized Projection Illuminator”（偏振式投影照明器）（代理人案卷号66249US002）和“Fly Eye IntegratorPolarization Converter”（蝇眼积分器偏振转换器）（代理人案卷号66247US002）。

背景技术

用于将图像投影到屏幕上的投影系统可使用多色光源，例如发光二极管（LED），其具有不同颜色以生成照明光。在LED和图像显示单元之间设置若干光学元件，用于将来自LED的光组合并转移到图像显示单元。图像显示单元可以使用多种方法来将图像赋予光。例如，如透射型或反射型液晶显示器一样，图像显示单元可以利用偏振。

用于将图像投影到屏幕上的其它投影系统可以使用被构造用于从数字微反射镜(DMM)阵列进行影像反射的白光，该数字微反射镜阵列例如为用于德州仪器(Texas Instruments)的数字光处理器

显示器中的阵列。在

显示器中，数字微镜阵列内的各反射镜表示投射图像的各像素。当对应的反射镜倾斜以使得入射光导向到投影的光路时，显示像素被照明。安置在光路内部的旋转色轮被定时为对来自数字微镜阵列的光进行反射，从而使得反射的白光经过滤来投射与像素对应的颜色。数字微反射镜阵列然后切换到下一个需要的像素颜色，并且这个过程以非常迅速的速度继续进行，从而使得整个投影的显示内容看起来被持续照亮。数字微镜投影系统需要较少的像素化阵列部件，这可形成较小尺寸的投影仪。

图像亮度是投影系统的重要参数。彩色光源的亮度以及将集光、组合光、均质化光及将光递送到图像显示单元的效率均会影响亮度。由于现代投影仪系统的尺寸减小，因此在将彩色光源产生的热保持在低水平（可以在小型投影仪系统中消散）的同时需要保持足够的输出亮度水平。需要以更高效率组合多个彩色光的光组合系统，以提供具有足够亮度水平的输出光，而不会使光源的功耗过大。

此类电子投影仪通常包括用于光学均化光束以提高投影于屏幕上的光的亮度和色均匀度的器件。两种常用的器件为积分隧道和蝇眼匀化器。蝇眼匀化器可非常紧凑，并且为此成为常用器件。积分隧道可在均化上效率更高，但中空通道总体上需要通常为高度或宽度（取较大者）的5倍的长度。实心通道通常由于折射效应(effects of refraction)而比中空隧道长。

微型投影仪(Pico and pocket projectors)对光积分器或匀化器的可用空间有限。然而，来自这些投影仪（例如合色器和偏振转换器）中使用的光学器件的有效和均匀光输出可能需要紧凑和有效的积分器。

发明内容

本发明整体涉及光学元件、包括所述光学元件的光投影仪、和包括所述光学元件的图像投影仪。具体地讲，所述光学元件通过利用小透镜阵列（例如“蝇眼阵列”(FEA)）均化光来提供改善的光均匀度。在一个方面，本发明提供了光学元件，所述光学元件包括第一小透镜阵列，所述第一小透镜阵列具有第一多个透镜，所述第一多个透镜被设置为接收非偏振光并且输出会聚的非偏振光。所述光学元件还包括第二小透镜阵列，所述第二小透镜阵列具有第二多个透镜，所述第二多个透镜被设置为接收会聚的非偏振光并且输出发散的非偏振光。所述光学元件另外还包括偏振转换器，所述偏振转换器被设置为接收发散的非偏振光并且输出偏振光。所述第一小透镜阵列和所述第二小透镜阵列为一体化阵列，并且与所述第一多个透镜的第一透镜的光轴重合的非偏振光线与所述第二多个透镜的第二透镜的光轴重合。

在另一方面，本发明提供了光投影仪，所述光投影仪包括第一非偏振光源和第二非偏振光源、被设置为输出来自所述第一非偏振光源和所述第二非偏振光源的组合的非偏振光的合色器、以及光学元件。所述光学元件包括第一小透镜阵列、第二小透镜阵列和偏振转换器，所述第一小透镜阵列具有被设置为接收组合的非偏振光并且输出会聚的非偏振光的第一多个透镜，所述第二小透镜阵列具有被设置为接收会聚的非偏振光并且输出发散的非偏振光的第二多个透镜，所述偏振转换器被设置为接收发散的非偏振光并且输出偏振光。所述第一小透镜阵列和所述第二小透镜阵列为一体化阵列，并且与所述第一多个透镜的第一透镜的光轴重合的非偏振光线与所述第二多个透镜的第二透镜的光轴重合。

在另一个方面，本发明提供了图像投影仪，所述图像投影仪包括第一非偏振光源和第二非偏振光源、被设置为输出来自所述第一非偏振光源和所述第二非偏振光源的组合的非偏振光的合色器、光学元件、被设置为将图像赋予偏振光的空间光调制器、以及投影光学器件。所述光学元件包括第一小透镜阵列、第二小透镜阵列和偏振转换器，所述第一小透镜阵列具有被设置为接收组合的非偏振光并且输出会聚的非偏振光的第一多个透镜，所述第二小透镜阵列具有被设置为接收会聚的非偏振光并且输出发散的非偏振光的第二多个透镜，所述偏振转换器被设置为接收发散的非偏振光并且输出偏振光。所述第一小透镜阵列和所述第二小透镜阵列为一体化阵列，并且与所述第一多个透镜的第一透镜的光轴重合的非偏振光线与所述第二多个透镜的第二透镜的光轴重合。

上述发明内容并非意图描述本发明的每个公开实施例或每种实施方案。以下附图和具体实施方式更具体地举例说明了示例性实施例。

附图说明

整个说明书中都参考了附图，在附图中，类似的附图标号表示类似的元件，并且其中：

图1示出了图像投影仪的示意图；

图2示出了光学元件的横截面示意图；

图3示出了光学元件的横截面示意图；并且

图4示出了偏振转换器的横截面示意图。

附图未必按比例绘制。附图中所使用的类似标号是指类似部件。然而，应当理解，使用标号来指代给定附图中的部件并非意图限制另一附图中使用相同标号标记的部件。

具体实施方式

本发明整体涉及图像投影仪，尤其是通过小透镜阵列（例如“蝇眼阵列”(FEA)）均化光来改善光均匀度的图像投影仪。在一个具体实施例中，紧凑型偏振照明系统包括偏振转换系统(PCS)和模制一体化蝇眼阵列(FEA)积分器。偏振转换器与一体化FEA相结合可在紧凑系统中同时产生高效率和良好的均匀度。FEA积分器包括模制在两个相对表面上的凸透镜阵列。

基于LCoS的便携式投影系统因可利用低成本和高分辨率的LCoS面板而正变为通用的。LED照明式LCoS投影仪中的元件列表可包括LED光源、任选的合色器、任选的预偏振系统、光中继器件、PBS、LCoS面板和投影透镜单元。对于基于LCoS的投影系统，投影仪的效率和对比度与进入PBS的光的偏振程度直接相关。至少由于此原因，通常需要如下预偏振系统，所述预偏振系统使用反射/循环光学器件或偏振转换光学元件。

采用偏振分束器和二分之一波长延迟片的偏振转换方案为将偏振光提供到PBS内的最有效方式之一。偏转转换光的一个问题在于其可存在空间不均匀度，由此导致所显示图像中的伪影。因此，在具有偏振转换器的系统中，需要均化系统。

在常规投影系统中通常使用FEA来均化光，所述FEA包括由空气间隙间隔开的一对薄玻璃微透镜阵列板。在手持式投影仪中，这种成对的FEA系统通常具有如下缺陷，即具有更大的厚度和更成问题的准直容差。

最近，单元件一体化模制塑料或玻璃FEA单元已被用于极其紧凑的投影系统。然而，这种模制一体化单元通常具有50nm或更大的最大双折射率以及高度变化的延迟量和光轴定向，由此仅用于均化非偏振光。在一些情况下，高效率偏振转换器之后的具有低双折射率的单个一体化元件可同时实现高光学效率、良好的图像均匀度和紧凑的尺寸。

在一个具体实施例中，用于图像投影仪的照明器包括光源，在所述光源中发射的非偏振光被导向到偏振转换器内。所述偏振转换器将光分成两个路径，且每一个偏振态使用一个路径。两个偏振态中的每一个的路径长度为大致相等的，并且偏振光束穿行至一体化FEA积分器。一体化FEA积分器可使得光束发散，并且随后导向光束以用于进一步的处理，例如，通过空间光调制器来将图像赋予光束以及通过投影光学器件来将图像显示到屏幕上。

在一些情况下，光学投影仪使用非偏振光源（例如发光二极管(LED)或放电光源）、偏振选择元件、第一偏振空间调制器和第二偏振选择元件。由于第一偏振选择元件阻隔从非偏振光源发射的光的50%，因此偏振选择性投影仪通常可具有低于非偏振器件的效率。

提高偏振选择性投影仪的效率的一种技术为在光源和第一偏振选择元件之间添加偏振转换器。一般来讲，存在两种方式来设计用于本领域中的偏振转换器。第一种方式为部分地准直从光源发射的光、使部分准直的光束穿过透镜阵列和将偏振转换器的阵列设置在各个焦点处。偏振转换器通常具有偏振分束器，所述偏振分束器具有偏振选择性倾斜膜（例如麦克尼尔偏振器、线栅偏振器或双折射光学膜偏振器），其中反射的偏振被倾斜反射镜反射以使得反射光束的传播平行于通过倾斜偏振选择性膜透射的光束。使偏振光中的一个光束或另一个光束穿过二分之一波长延迟片，以使得这两个光束具有相同的偏振态。

将非偏振光束转换成具有单一偏振态的光束的另一种技术为使整个光束穿过倾斜偏振选择器，并且通过反射镜和二分之一波长延迟片来调解分裂光束以使得发出单一偏振态。利用偏振转换器来直接对偏振选择性空间光调制器照明可导致亮度不均匀和颜色不均匀。

在一些情况下，偏振转换器可设置在照明光离开蝇眼阵列(FEA)均化元件之后。在一些情况下，偏振转换器可设置在FEA均化部件之前，以使得照明光在进入FEA均化部件时为偏振的。后一构型的一个缺陷在于蝇眼阵列需要被制备成不具有双折射率或者至少具有极低的双折射率。可具有挑战性的是，足够精确地控制蝇眼阵列的模制制备过程，以便产生低双折射率材料。当将FEA均化部件设置在照明源之后并且在光偏振之前时，可使用较宽范围的材料，例如，可接受更高双折射率的材料，例如具有约50nm或更高的双折射率的那些材料。

一般来讲，FEA用于均化成像器平面上的偏振照明光。FEA的相对表面上的成对透镜中的每一对均将光传播到成像器表面上，以使得照明光得到有效的混合。由第一FEA表面上的第一小透镜采样的光束被第二FEA表面上的第二小透镜聚焦。光随后重新分配到后续光学器件上以覆盖整个成像器平面，例如LCoS成像器平面。在小透镜对中的每一对的FEA上重复此过程，以使得即使光分布在FEA之前为不均匀，也将进行重新分配以在成像器上形成均匀的光分布。

在一个具体实施例中，偏振转换器可装配蝇眼阵列以均化投影系统中的光。偏振转换器的输入侧包括一体化FEA以均化光。一体化FEA的输入侧和输出侧包括相同数量的透镜，其中输出侧的各个透镜的中心大致位于输入侧的配合透镜的焦点处。透镜可为圆柱形的、双凸的、球形的或非球形的；然而，在多种情况下可优选球面透镜。蝇眼积分器和偏振转换器可显著改善投影仪的亮度和颜色均匀度。

可通过如下方式来制备一体化FEA的透镜：将塑料透镜微复制到第一膜上，随后可进行切割、对准、并且结合至第二膜上的微复制型塑料透镜。另一个替代方式为以由玻璃或塑料形成的单个单元来模制一个或两个小透镜阵列，并且将这些小透镜在不存在居间膜的情况下结合在一起。小透镜阵列可由单轴透镜（例如柱形透镜）或具有双折射轴的透镜（例如球面透镜）制成。一体化FEA的输入和输出表面中的每一个上的透镜数量可在从单个透镜、一维透镜阵列到二维透镜阵列的范围内。在一个具体实施例中，一体化FEA的输入和输出表面中的每一个均可包括球面透镜的矩形阵列，例如大小为从5×5阵列到20×20阵列或更多的方形阵列。一般来讲，较大的透镜阵列可减小阵列之间的间距，以使得投影系统的总体尺寸可得以降低。

在一些情况下，折叠式蝇眼阵列可均化照明光。折叠式蝇眼阵列可由第一小透镜阵列、折叠式反射镜和第二小透镜阵列形成，其中构成第二小透镜阵列的透镜大致位于构成第一小透镜阵列的透镜的焦点处。

图1示出了根据本发明的一个方面的图像投影仪100的示意图。图像投影仪100包括合色器模块110，所述合色器模块110能够将组合输出光124注入到均化偏振转换器模块130内，在所述均化偏振转换器模块130中组合输出光124被转换成均化偏振光145，所述均化偏振光145离开均化偏振转换器模块130并且进入图像生成器模块150。图像生成器模块150输出成像光165以进入投影模块170，在所述投影模块170中成像光165变为投影成像光180。

在一个方面，合色器模块110包括不同波长谱的输入光源112、114、和116，所述输入光源112、114、和116穿过准直光学器件118输入到合色器120中。合色器120产生包括不同波长谱的光的组合输出光124。适用于本发明中的合色器模块110包括描述于（例如）下述专利中的那些：名称为“Light Combiner”（光组合器）的PCT专利公布No.WO2009/085856、名称为“Light Combiner”（光组合器）的No.WO2009/086310、名称为“Optical Element and Color Combiner”（光学元件和合色器）的No.WO2009/139798、名称为“Optical Element andColor Combiner”（光学元件和合色器）的No.WO2009/139799；以及名称为“Polarization Converting Color Combiner”（偏振转换型合色器）的共同未决的PCT专利申请No.US2009/062939、名称为“HighDurability Color Combiner”（高耐久性合色器）的No.US2009/063779、名称为“Color Combiner”（合色器）的No.US2009/064927、和名称为“Polarization Converting Color Combiner”（偏振转换型合色器）的No.US2009/064931。

在一个方面，所接收的输入光源112、114、116为非偏振的，并且组合输出光124也为非偏振的。组合输出光124可为多色组合光，所述多色组合光包括不止一个波长谱的光。组合输出光124可为所接收的光中的每一者的时序输出。在一个方面，不同波长谱的光中的每一者对应于不同的彩色光（例如红色、绿色和蓝色），并且组合输出光为白光或按时间排序的红光、绿光和蓝光。为了在本文进行说明，“彩色光”和“波长谱光”均是指具有与人眼可见的特定颜色相关的波长谱范围的光。更一般的术语“波长谱光”是指可见光和包括例如红外光的其它波长谱的光。

根据一个方面，各个输入光源(112,114,116)包括一个或多个发光二极管(LED)。可结合合适的集光器或反射器来使用各种光源，例如激光器、激光二极管、有机LED(OLED)和诸如超高压(UHP)卤素灯或氙灯之类的非固态光源。可用于本发明中的光源、光准直器、透镜、和光积分器进一步地描述于（例如）已公布的美国专利申请No.US2008/0285129中，该专利申请的公开内容以其全文并入到本文中。

在一个方面，均化偏振转换器模块130包括能够将非偏振组合输出光124转换成均化偏振光145的偏振转换器140。均化偏振转换器模块130还可包括一体化透镜阵列101，例如描述于别处的一体化透镜FEA，所述一体化透镜阵列101可均化和改善组合输出光124的均匀度以作为均化偏振光145离开均化偏振转换器模块130。

在一个方面，图像生成器模块150包括配合以将均化偏振光145转换成成像光165的偏振分束器(PBS)156、代表性的成像光学器件152、154、以及空间光调制器158。合适的空间光调制器（即，图像生成器）此前已在（例如）美国专利No.7,362,507（Duncan等人）、No.7,529,029（Duncan等人）；美国公布No.2008-0285129-A1（Magarill等人）；以及PCT公布No.WO2007/016015（Duncan等人）中有所描述。在一个具体实施例中，均化偏振光145为源自FEA的各个透镜的发散光。在穿过成像光学器件152、154以及PBS 156之后，均化偏振光145变为均匀照射空间光调制器的成像光160。在一个具体实施例中，得自FEA中的每一个透镜的发散光线束中的每一个照射空间光调制器158的大部分以使得各个发散光线束彼此交叠。

在一个方面，投影模块170包括可用于将成像光165投影为投影光180的代表性的投影光学器件172、174、176。合适的投影光学器件172、174、176已在此前有所描述并且对于本领域的技术人员而言为熟知的。

图2示出了根据本发明的一个方面的光学元件200的示意性侧视图。光学元件200可用作如图1所示的图像投影仪100中的均化偏振转换器模块130。光学元件200包括第一小透镜阵列210、第二小透镜阵列230和偏振转换器220。第一小透镜阵列210和第二小透镜阵列230中的每一个均可称为“蝇眼阵列”或FEA，如本领域所知。在一些情况下，第一小透镜阵列210和第二小透镜阵列230中的每一个均可包括会聚（即，正折射）力。第一小透镜阵列210和第二小透镜阵列230一起形成具有厚度“t”的一体化FEA 201，并且可包括位于第一小透镜阵列210和第二小透镜阵列230之间的任选中央基底214。一般来讲，厚度“t”可为约10mm、约6mm、或约4mm或者甚至小于约4mm，这取决于偏振转换器220的总体尺寸。非偏振光250（例如示于图1中的非偏振组合输出光124）进入一体化FEA 201并且以第一发散型p偏振光260b和第二p偏振光260a离开偏振转换器220。一般来讲，非偏振光250的各个偏振态穿过光学元件200的路径长度为基本上相同的，如可从下述论述中可见。

第一小透镜阵列210包括多个透镜中的代表性第一透镜212，所述第一透镜212被设置为接收非偏振光250并且将会聚非偏振光输出到一体化FEA 201中的第二小透镜阵列230的第二透镜232。在一些情况下，第一小透镜阵列210中的每一个透镜均可为（例如）柱形透镜，并且可设置成阵列以使得圆柱体的长轴垂直于图2所示的横截面。在一些情况下，第一小透镜阵列210中的每一个透镜均可为（例如）球面透镜，并且可设置成矩形阵列。第一小透镜阵列210中的每一个透镜均均具有第一光轴211和表面214，所述表面214通常为平表面。第一小透镜阵列210可由玻璃或聚合物形成，并且可包括与表面214重合的基底，或者可改为由单一材料形成的一体化小透镜阵列。

第二小透镜阵列230包括代表性的第二透镜232，所述第二透镜232被设置为使得第一小透镜阵列210和第二小透镜阵列230中的每一个透镜的光轴211为重合的，并且非偏振光250变为由代表性的第一非偏振光252、第二非偏振光254、和非偏振光256示出的发散的非偏振光。在一些情况下，第二小透镜阵列230中的每一个透镜均可为（例如）柱形透镜，并且可设置成阵列以使得圆柱体的长轴垂直于图2所示的横截面。在一些情况下，第二小透镜阵列230中的每一个透镜均可为（例如）球面透镜，并且可设置成矩形阵列。第二小透镜阵列230中的每一个透镜均对准光轴211并且具有表面214，所述表面214通常为平表面。第二小透镜阵列230可由玻璃或聚合物形成，并且可包括与表面214重合的基底，或者可改为由单一材料形成的一体化小透镜阵列。一般来讲，第一小透镜阵列210中的各个透镜（例如，第一透镜212）的焦点位于第二小透镜阵列230的各个透镜（例如，第二透镜232b）的第一主平面处。一般来讲，第一小透镜阵列210和第二小透镜阵列230均可由单一材料制成以形成一体化FEA 201，如在别处所述。

在一些情况下，可将高折射率玻璃用于小透镜阵列。另外，含铅的高折射率玻璃往往会具有低应力光学部件(SOC)，低应力光学部件(SOC)可导致优选的低双折射率。然而，可能难以将小透镜特征模制到玻璃中。因此，小透镜阵列构造优选使用聚合物材料，包括（例如）诸如聚碳酸酯(PC)、环烯烃聚合物(COP)、环烯烃共聚物(COC)、和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之类的聚合物。示例性的聚合物材料包括（例如）环烯烃聚合物材料，例如

（例如，可得自肯塔基州路易维尔市(Louisville,KY)的瑞翁化学公司(Zeon Chemicals L.P.)的E48R、330R、340R、480R等等）；环烯烃共聚物，例如APL5514ML、APL5014DP等等（可得自日本的三井化学公司(Mitsui Chemicals,Inc.)）；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，例如WF 100（可得自日本的三菱丽阳技术公司(Mitsubishi Rayon Technologies)）和VH001（可得自中国广东的广州市宏塑贸易有限公司(Guangzhou Hongsu Trading Co.)）；以及聚碳酸酯、聚酯或聚亚苯基硫化物材料。一般来讲，小于50nm、或小于30nm或甚至小于20nm的双折射率可为优选的（在550nm的标称波长下）。然而，当将FEA均化部件设置在照明源之后并且在光偏振之前时，可使用较宽范围的材料，例如，可接受更高双折射率的材料，例如具有约50nm或更高的双折射率的那些材料，如在别处所述。

偏振转换器220被设置为接收发散的非偏振光（如由代表性的第一非偏振光252、第二非偏振光254、和第三非偏振光256所示）并且输出发散偏振光，如下文所述。偏振转换器220包括具有第一面223和第二面228的第一棱镜222、具有第三面221和第四面227的第二棱镜224、以及具有第二面228（与第一棱镜222共用）、第五面225和对角面229的第三棱镜226。反射型偏振器240设置在第一棱镜222和第二棱镜224之间的对角面上。

反射型偏振器240可为任何已知的反射型偏振器，例如麦克尼尔偏振器、线栅偏振器、多层光学膜偏振器或诸如胆甾液晶偏振器之类的圆偏振器。根据一个实施例，多层光学膜偏振器可优选为反射型偏振器。一般来讲，反射型偏振器240可为笛卡尔反射型偏振器或非笛卡尔反射型偏振器。非笛卡尔反射型偏振器可包括多层无机膜，例如麦克尼尔偏振器，所述多层无机膜例如为通过无机电介质顺序沉积制备的那些薄膜。笛卡尔反射型偏振器具有偏振轴方向，并且包括例线栅偏振器和聚合物多层光学薄膜，所述聚合物多层光学薄膜例如可通过对多层聚合层合物进行挤出并且随后进行拉伸制备。在一个实施例中，反射型偏振器240经对准以使得一个偏振轴平行于第一偏振方向并垂直于第二偏振方向。在一个实施例中，第一偏振方向可为s偏振方向，并且第二偏振方向可为p偏振方向。

笛卡尔反射型偏振膜形成偏振分束器，该偏振分束器能够使没有完全准直以及从中心光束轴发散或偏斜的输入光线通过。笛卡尔反射型偏振膜可包括聚合物型多层光学薄膜，该聚合物型多层光学薄膜包括多层电介质或聚合物材料。使用介电膜的优点在于：低光衰减量、高透光率。多层光学膜可以包括聚合物多层光学膜，例如在美国专利5,962,114（Jonza等人）或美国专利6,721,096（Bruzzone等人）中描述的那些。

偏振转换器220还包括偏振旋转反射器，所述偏振旋转反射器包括设置在第四面227上的四分之一波长延迟片242和宽带反射镜244。偏振旋转反射器论述于别处，例如，论述于PCT公布No.WO2009/085856（English等人）中。偏振旋转反射器反转光的传播方向并改变偏振分量的大小，这取决于偏振旋转反射器中的部件及其定向。偏振旋转反射器通常包括反射器和延迟片。在一个实施例中，反射器可为宽带反射镜，其通过反射来阻挡透射的光。延迟片可提供任何所需的延迟，例如八分之一波长延迟片、四分之一波长延迟片等等。在本文所述的实施例中，使用四分之一波长延迟片和相关的反射器会具有优势。当线偏振光穿过关于光偏振轴成45°角的四分之一波长延迟片时，线偏振光变成圆偏振光。得自反射型偏振器和四分之一波长延迟片/反射器的反射导致得自偏振转换器的有效输出光。相反，随着线偏振光穿过其他延迟片并定向，线偏振光变为在s偏振和p偏振（椭圆或线状）之间的部分偏振态，并且可导致偏振转换器的低效率。

优选的是，四分之一波长延迟片242包括以+/-45°对准到第一偏振方向的四分之一波长偏振方向。在一些实施例中，四分之一波长偏振方向可以任何角度定向对准到第一偏振方向，例如沿逆时针方向的90°到顺时针方向的90°。如所述以大约+/-45°定向四分之一波长延迟片可为有利的，这是因为当线偏振光穿过如此设置偏振方向的四分之一波长延迟片时产生圆偏振光。四分之一波长延迟片的其它定向能够导致反射镜反射时s偏振光没有完全转变成p偏振光，并且p偏振光没有完全转变成s偏振光，从而导致在别处所述的效率降低。

第二宽带反射镜246设置在第三棱镜226的对角面229附近。偏振转换器的部件（包括棱镜、反射型偏振器、四分之一波长延迟片、反射镜、和任何其他部件）可通过合适的光学粘合剂结合在一起。用于将这些部件结合在一起的光学粘合剂的折射率可低于光组合器中采用的棱镜的折射率。完全结合在一起的偏振转换器提供包括在组装、处理和使用期间的对准稳定性的优势。

根据一个具体实施例，棱镜面221、223、225、227、229为接触下述材料的抛光外表面，所述材料的折射率“n₁”小于棱镜222、224、和226的折射率“n₂”。根据另一个实施例，偏振转换器220的所有外表面（包括端面，未示出）为在偏振转换器220内提供斜射光线的TIR的抛光面。这些抛光外表面接触下述材料，所述材料的折射率“n₁”小于棱镜222、224、和226的折射率“n₂”。尤其当引导到偏振转换器220内的光未沿中心轴准直，即入射光为会聚或发散时，TIR会提高偏振转换器220中的光利用率。

与第一透镜212的第一光轴211重合的非偏振光线250穿过一体化FEA 201、变为第一发散的非偏振光线252、通过第二棱镜224的第三面221进入偏振转换器220、并且与反射型偏振器240相交以使其分成第一p偏振的发散光线262和第一s偏振的发散光线253。按照类似的方式，在从第一光轴211分开的位置进入第一透镜212的非偏振光线250的另一者穿过一体化FEA 201、变为第二发散的非偏振光线254、并且分成第二p偏振的发散光线264和第二s偏振的发散光线255。按照另一种类似的方式，在从第一光轴211分开的第二位置进入第一透镜212的非偏振光线250的另一者穿过一体化FEA 201、变为第三会聚的非偏振光线256、并且分成第三p偏振的发散光线266和第三s偏振的发散光线257。

第一、第二、和第三p偏振的发散光线262、264、266穿过反射型偏振器240、从宽带反射镜246反射、通过第三棱镜226的第五面225离开偏振转换器220、并且变为第一p偏振的发散光260b。

第一、第二、和第三s偏振的发散光线253、255、257从反射型偏振器240反射、通过第四面227离开第二棱镜、它们穿过四分之一波长延迟片242时改变成圆偏振的发散光、从宽带反射镜244反射以改变圆偏振的方向、并且在它们再次穿过四分之一波长延迟片242时变为第四、第五、和第六p偏振的发散光263、265、267。第四、第五、和第六p偏振的发散光263、265、267穿过反射型偏振器240、通过第一棱镜222的第一面223离开偏振转换器220、并且变为第二p偏振的发散光260a。第二和第一p偏振的发散光260a和260b穿过图1所述的投影系统的其余部分，由此产生改善的均匀度。

在一些情况下，四分之一波长延迟片242可改为设置在反射型偏振器240附近，宽带反射镜244和反射型偏振器240（未示出）之间，并且相似的光学路径可被跟踪穿过偏振转换器220，如本领域的技术人员所知。在一些情况下，包括四分之一波长延迟片242和宽带反射镜244的偏振旋转反射器可改为设置在第三面221上，并且非偏振输入光线250可通过第四面227进入偏振转换器220，并且相似的光学路径可被跟踪穿过偏振转换器220，如本领域的技术人员所知。

在一个具体实施例中，使可影响穿越蝇眼阵列(FEA)的光束的双折射率作用量最小化包括选择具有低应力光学系数(SOC)且薄的FEA材料。在基底的两个表面已结构化/或模制到匹配小透镜阵列内时，低SOC在FEA的基底中显示出低诱导双折射率。实现低双折射率的第二方面为缩短基底材料中的光学路径。这需要小透镜的短焦距设计。第一小透镜阵列的焦点投射到第二小透镜阵列的主平面上。短焦距使各个小透镜元件具有小曲率半径。因此，通常减小各个小透镜的横向尺寸，以便保持各个小透镜元件的孔径（即，阵列中不具备折射力的非平坦区域）。因此，每个阵列中的所得小透镜数会增加，这可改善光束均化性。

具有小的小透镜横向尺寸需要第一小透镜阵列中的各个小透镜元件的光轴以高精度对准第二小透镜阵列中的相应小透镜光轴。在一个具体实施例中，例如，用于LED照明器中的FEA可具有大约0.6mm×0.9mm的小透镜孔径并且具有30-50um的通常机械定位容差，因未对准造成的光串扰将是严重的。对于低双折射FEA元件的需要促使使用小和薄的小透镜元件设计。小的小透镜元件推动了对整体FEA加工的需求，以保持所需的对准精度。对于在基底中诱导的相同应力量，薄的小透镜基底确保较低的双折射率。

图3示出了根据本发明的一个方面的光学元件400的示意性侧视图。光学元件400可用作如图1所示的图像投影仪100中的均化偏振转换器模块130。光学元件400包括偏振转换器420、第一小透镜阵列410、和第二小透镜阵列430。第一小透镜阵列410和第二小透镜阵列430中的每一个均可称为“蝇眼阵列”或FEA，如本领域所知。第一小透镜阵列410和第二小透镜阵列430一起形成具有厚度“t”的一体化FEA 401，并且可包括位于第一小透镜阵列410和第二小透镜阵列430之间的任选中央基底414。

图3中所示的元件410-446中的每一个对应于图2中所示的此前已描述的类似标记元件210-246。例如，图3的第三棱镜426对应于图2的第三棱镜226，等等。在图3中，反射型偏振器440的相对位置已从图2中的反射型偏振器240的位置有所改变，并且因此在图3所示的构型中，非偏振输入光450的各个分量的路径长度不同，如从图中可见。一般来讲，各个偏振分量的路径长度优选为相同的；然而，光学元件400将充当均化偏振转换器的替代实施例。

与第一透镜412的第一光轴411重合的非偏振光线450穿过一体化FEA 401、变为第一发散的非偏振光线452、通过第二棱镜424的第三棱面421进入偏振转换器420、并且与反射型偏振器440相交以使其分成第一p偏振的发散光线462和第一s偏振的发散光线453。按照类似的方式，在从第一光轴411分开的位置进入第一透镜412的非偏振光线450的另一者穿过一体化FEA 401、变为第二发散的非偏振光线454、并且分成第二p偏振的发散光线464和第二s偏振的发散光线455。按照另一种类似的方式，在从第一光轴411分开的第二位置进入第一透镜412的非偏振光线450的另一者穿过一体化FEA 401、变为第三会聚的非偏振光线456、并且分成第三p偏振的发散光线466和第三s偏振的发散光线457。

第一、第二、和第三p偏振的发散光线462、464、466穿过反射型偏振器440、从宽带反射镜446反射、并且通过第三棱镜426的第五棱面425离开偏振转换器420、穿过二分之一波长延迟片448且变为第四、第五、和第六s偏振的发散光线472、474、476（总体为第二s偏振的发散光460b）。

第一、第二、和第三s偏振的发散光线453、455、457从反射型偏振器440反射、通过第四棱面427离开第二棱镜、并且变为第一s偏振的发散光460a。第一和第二s偏振的发散光460a和460b穿过图1所述的投影系统的其余部分，由此产生改善的均匀度。

图4示出了根据本发明的一个具体实施例的偏振转换器520的横截面示意图。可使用偏振转换器520来取代已描述的偏振转换器中的任何一个，例如，光学元件200中的偏振转换器220和光学元件400中的偏振转换器420。为简洁起见，已从图4中移除小透镜阵列，并且将仅描述通过偏振转换器520的光的路径。然而应当理解，图1的偏振转换器模块130包括偏振转换器520和任何相关的小透镜阵列，这类似于图2-3中所述的那些。

图4中所示的元件520-546中的每一个对应于图2中所示的此前已描述的类似标记元件220-246。例如，图4的第三棱镜526对应于图2的第三棱镜226，等等。在图4中，反射型偏振器540的相对位置已从图2中的反射型偏振器240的位置有所改变，并且因此在图4所示的构型中，非偏振输入光552的各个分量的路径长度不同，如从图中可见。一般来讲，各个偏振分量的路径长度优选为相同的；然而，偏振转换器520将充当均化偏振转换器的替代实施例。

在图4所示的一个具体实施例中，第二棱镜524具有延伸棱面523的长度的任选细长部分“P”。棱面523的延伸长度可用于增加非偏振输入光552的路径长度并且由此增加非偏振输入光552的均化性，如（例如）在2010年1月6日提交的、名称为“Compact Optical Integrator”（紧凑型光积分器）的共同未决的美国专利申请No.61/292574（代理人案卷号65902US002）中有所描述。

在一个具体实施例中，偏振转换器520包括设置在第一棱镜522和第三棱镜526之间的二分之一波长延迟片548，如图4所示。在一个具体实施例中，二分之一波长延迟片548可改为设置在棱面525附近，这种方式类似于图3所示的二分之一波长延迟片448。在一些情况下，可将二分之一波长延迟片设置在透射穿过反射型偏振器540的光的光学路径内的任何位置处，以使得透射光的偏振态改变为反射光的偏振态。在一个具体实施例中，可将二分之一波长延迟片插入到棱镜面523、540、548、525、和529中的任何一者附近。

中央非偏振光束552进入第一棱面521并且与反射型偏振器540相交以使其分成透射的p偏振光束562和反射的第一s偏振光束553。反射的第一s偏振光束553随后通过第二棱面523离开偏振转换器520。透射的p偏振光束562离开第二棱镜522、穿过二分之一波长延迟片548变为第二s偏振光束572、从宽带反射镜546反射、并且通过第五棱面525离开偏振转换器520。

除非另外指明，否则在说明书和权利要求中使用的表示特征的尺寸、数量和物理特性的所有数字应当被理解为由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，否则在上述说明书和所附权利要求中提出的数值参数为近似值，其可根据本领域内的技术人员利用本申请所公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。

本文中所引用的所有参考文献及出版物以引用方式明确地全文并入本文中，但与本发明直接冲突的部分除外。尽管本文示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员应该明白，在不脱离本发明的范围的情况下，大量的替代形式和/或等效实施方式可替换所示和所述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文讨论的特定实施例的任何改动和变型。因此，本发明应该仅仅由权利要求及其等同物进行限定。

Claims (21)

1.一种光学元件，包括：

第一小透镜阵列，所述第一小透镜阵列具有第一多个透镜，所述第一多个透镜被设置为接收非偏振光并且输出会聚的非偏振光；

第二小透镜阵列，所述第二小透镜阵列具有第二多个透镜，所述第二多个透镜被设置为接收所述会聚的非偏振光并且输出发散的非偏振光；和

偏振转换器，所述偏振转换器被设置为接收所述发散的非偏振光并且输出偏振光，

其中所述第一小透镜阵列和所述第二小透镜阵列为一体化阵列，并且与所述第一多个透镜的第一透镜的光轴重合的非偏振光线与所述第二多个透镜的第二透镜的光轴重合。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述一体化阵列包括玻璃、聚合物或硅树脂。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述一体化阵列包括在550nm的标称波长下具有小于约50nm的双折射率的聚合物材料。

4.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述非偏振光线通过所述偏振转换器而分成具有相等光学路径长度的第一偏振光线和第二偏振光线。

5.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述一体化阵列具有在约2mm和约10mm之间的厚度。

6.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一多个透镜中的每一个的焦点位于所述第二多个透镜的第一主平面处。

7.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述一体化阵列还包括设置在所述第一多个透镜和所述第二多个透镜之间的聚合物膜。

8.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一多个透镜和所述第二多个透镜具有一一对应性。

9.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一多个透镜和所述第二多个透镜中的至少一者包括柱形透镜。

10.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一多个透镜和所述第二多个透镜中的至少一者包括双凸透镜、球面透镜或非球面透镜。

11.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一多个透镜中的每一个和所述第二多个透镜中的每一个具有正光焦度。

12.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述偏振转换器包括偏振分束器(PBS)和偏振旋转器。

13.根据权利要求12所述的光学元件，其中所述PBS包括麦克尼尔偏振器、麦克尼尔偏振器的阵列、线栅偏振器、s偏振反射型偏振器或p偏振反射型偏振器。

14.根据权利要求12所述的光学元件，其中所述偏振旋转器包括四分之一波长延迟片、二分之一波长延迟片、液晶或液晶聚合物。

15.根据权利要求12所述的光学元件，还包括宽带反射器。

16.根据权利要求15所述的光学元件，其中所述宽带反射器包括具有全内反射(TIR)表面的棱镜。

17.根据权利要求15所述的光学元件，其中所述宽带反射器包括反射镜。

18.一种光投影仪，包括：

第一非偏振光源和第二非偏振光源；

合色器，所述合色器被设置为输出来自所述第一非偏振光源和所述第二非偏振光源的组合的非偏振光；

光学元件，所述光学元件包括：

第一小透镜阵列，所述第一小透镜阵列具有第一多个透镜，所述第一多个透镜被设置为接收所述组合的非偏振光并且输出会聚的非偏振光；

第二小透镜阵列，所述第二小透镜阵列具有第二多个透镜，所述第二多个透镜被设置为接收所述会聚的非偏振光并且输出发散的非偏振光；和

偏振转换器，所述偏振转换器被设置为接收所述发散的非偏振光并且输出偏振光，

其中所述第一小透镜阵列和所述第二小透镜阵列为一体化阵列，并且与所述第一多个透镜的第一透镜的光轴重合的非偏振光线与所述第二多个透镜的第二透镜的光轴重合。

19.一种图像投影仪，包括：

第一非偏振光源和第二非偏振光源；

合色器，所述合色器被设置为输出来自所述第一非偏振光源和所述第二非偏振光源的组合的非偏振光；

光学元件，包括：

第一小透镜阵列，所述第一小透镜阵列具有第一多个透镜，所述第一多个透镜被设置为接收所述组合的非偏振光并且输出会聚的非偏振光；

第二小透镜阵列，所述第二小透镜阵列具有第二多个透镜，所述第二多个透镜被设置为接收所述会聚的非偏振光并且输出发散的非偏振光；

偏振转换器，所述偏振转换器被设置为接收所述发散的非偏振光并且输出偏振光，

其中所述第一小透镜阵列和所述第二小透镜阵列为一体化阵列，并且与所述第一多个透镜的第一透镜的光轴重合的非偏振光线与所述第二多个透镜的第二透镜的光轴重合；

空间光调制器，所述空间光调制器被设置为将图像赋予所述偏振光；和

投影光学器件。

20.根据权利要求19所述的图像投影仪，其中所述空间光调制器包括硅基液晶(LCoS)成像器或透射型液晶显示器(LCD)。

21.根据权利要求19所述的图像投影仪，其中源自所述第二透镜阵列中的每一个透镜的所述偏振光照射所述空间光调制器的大部分。

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