CN102906625A - 蝇眼积分器偏振转换器 - Google Patents

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贠智省
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Abstract

本发明整体上涉及一种光学元件、包括所述光学元件的光投影仪以及包括所述光学元件的图像投影仪。具体地讲，所述光学元件通过用小透镜阵列，例如“蝇眼阵列”(FEA)匀化光来提高光的均匀度。第一FEA被设置为在非偏振组合光被转换为单一偏振态之前拦截并会聚所述光，第二FEA被设置为拦截并发散具有单一偏振态的会聚光。

Description

蝇眼积分器偏振转换器
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：“CompactOptical Integrator”，美国序列号为61/292574(代理人案卷号：65902US002)，提交于2010年1月6日；以及“Compact Illuminator”(代理人案卷号：66360US002)和“Polarized Projection Illuminator”(代理人案卷号：66249US002)，其均与本文同一日提交。
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的光混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施加到光上。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。
用于将图像投影在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)阵列中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
Figure BDA00002426258100011
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影图像的各像素。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影与像素对应的颜色。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（诸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
本发明通常涉及一种光学元件、包括该光学元件的光投影仪以及包括该光学元件的图像投影仪。具体地讲，所述光学元件通过用小透镜阵列，例如“蝇眼阵列”(FEA)匀化光来提高光均匀度。在一个方面，本发明提供一种光学元件，其包括具有第一多个透镜的第一小透镜阵列，所述透镜被设置为接收非偏振光并输出会聚非偏振光。光学元件还包括偏振转换器，其被设置为接收所述会聚非偏振光并输出会聚偏振光。光学元件还包括具有第二多个透镜的第二小透镜阵列，所述透镜被设置为接收所述会聚偏振光并输出发散偏振光。与所述第一多个透镜中的第一透镜的光轴重合的非偏振光线穿过所述偏振转换器，并变成第一偏振光线和第二偏振光线，并且所述第一偏振光线与所述第二多个透镜中的第二透镜的光轴重合，并且所述第二偏振光线与所述第二多个透镜中的第三透镜的光轴重合。
在另一方面，本发明提供一种光投影仪，其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非偏振光的合色器、以及光学元件。所述光学元件包括：具有第一多个透镜的第一小透镜阵列，所述透镜被设置为接收所述组合非偏振光并输出会聚非偏振光；偏振转换器，其被设置为接收所述会聚非偏振光并输出会聚偏振光；具有第二多个透镜的第二小透镜阵列，所述透镜被设置为接收所述会聚偏振光并输出发散偏振光。与所述第一多个透镜中的第一透镜的光轴重合的非偏振光线穿过所述偏振转换器，并变成第一偏振光线和第二偏振光线，并且所述第一偏振光线与所述第二多个透镜中的第二透镜的光轴重合，并且所述第二偏振光线与所述第二多个透镜中的第三透镜的光轴重合。
在另一方面，本发明提供一种图像投影仪，其包括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非偏振光的合色器、光学元件、被设置为将图像赋予所述发散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：具有第一多个透镜的第一小透镜阵列，所述透镜被设置为接收所述组合非偏振光并输出会聚非偏振光；偏振转换器，其被设置为接收所述会聚非偏振光并输出会聚偏振光；具有第二多个透镜的第二小透镜阵列，所述透镜被设置为接收所述会聚偏振光并输出发散偏振光。与所述第一多个透镜中的第一透镜的光轴重合的非偏振光线穿过所述偏振转换器，并变成第一偏振光线和第二偏振光线，并且所述第一偏振光线与所述第二多个透镜中的第二透镜的光轴重合，并且所述第二偏振光线与所述第二多个透镜中的第三透镜的光轴重合。
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示出图像投影仪的示意图；
图2示出光学元件的横截面示意图；
图3示出光学元件的横截面示意图；
图4示出光学元件的横截面示意图；和
图5示出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，具体地讲，涉及通过用小透镜阵列，例如“蝇眼阵列”(FEA)匀化光来提高光均匀度的图像投影仪。在一个具体实施例中，用于图像投影仪的照明器包括光源，其中发射的非偏振光被引导到透镜阵列中，所述透镜阵列将所述光聚焦。所述光可在至少一个轴线上聚焦，来自小透镜阵列的会聚光束被传输到偏振转换器中。偏振转换器将光分离到两个路径中，每一路径一种偏振态。两个偏振态中每一个的路径长度近似相等，会聚光束到达靠近第二透镜阵列的焦点。第二透镜阵列可使得光束发散，然后光束被引导以(例如)利用赋予光束图像的空间光调制器以及在屏幕上显示图像的投影光学器件来进一步处理。
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)或放电灯)、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50%的光，偏振选择型投影仪的效率常常会低于非偏振装置。
增大偏振选择型投影仪的效率的一种技术是在光源和第一偏振选择元件之间增加偏振转换器。通常有两种方式来设计本领域中所用的偏振转换器。第一种方式是将从光源发射的光部分准直，使部分准直的光束穿过透镜阵列，并将偏振转换器阵列定位于每一焦点处。偏振转换器通常具有偏振分束器，其具有偏振选择型倾斜膜(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，使得反射光束平行于倾斜偏振选择膜所透射的光束传播。任一偏振光束穿过半波延迟器，使得光束均具有相同的偏振态。
另一种将非偏振光束转换为具有单种偏振态的光束的技术是使整个光束穿过倾斜偏振选择器，分裂的光束通过反射镜和半波延迟器来调节，使得发射单种偏振态。用偏振转换器直接对偏振选择型空间光调制器进行照明会导致照度和颜色的不均匀。
在一个具体实施例中，偏振转换器可采用蝇眼阵列以匀化投影系统中的光。偏振转换器的输入侧包括一个或多个透镜以聚焦入射光。偏振转换器的输出侧所包括的透镜数量是输入侧的两倍，其中输出侧的每一透镜近似以输入侧的匹配透镜的焦点为中心。透镜可为圆柱形、双凸形、球形或非球形。在一些情况下，球面透镜可能是优选的；然而，在许多情况下，可使用柱形透镜。蝇眼积分器和偏振转换器可显著提高投影仪的照度和颜色均匀度。
透镜和小透镜阵列可与偏振转换器输入和输出表面相邻设置，或者可粘结至棱镜。作为另外一种选择，透镜可通过在膜上微复制塑料透镜加工而成，所述膜可被切割，对齐并粘结到偏振转换器。另一种替代形式是以透镜作为单一单元用玻璃或塑料模制一个或多个棱镜，并将其粘结至反射型偏振器、四分之一波片和反射膜。对于需要半波延迟器以将一种偏振态转换为另一种偏振态的那些情况，半波延迟器可粘结至偏振转换器的输出侧，或粘结至诸如会聚透镜或偏振分束器(PBS)的其他光学元件。
偏振转换器的输入和输出面上所使用的小透镜阵列可由单轴透镜(例如，柱形透镜)或具有两条折射轴的透镜(例如，球面透镜)制成。输入面上的透镜数量可涵盖从单个透镜，单维透镜阵列，至二维透镜阵列。
在一些情况下，折叠型蝇眼阵列可匀化照明光。折叠型蝇眼阵列可由第一小透镜阵列、折叠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近似位于构成第一小透镜阵列的透镜的焦点处。
图1示出根据本发明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，其能够将组合光输出124注入到匀化偏振转换器模块130中，在该匀化偏振转换器模块处组合光输出124被转换成匀化偏振光145，该偏振光从匀化偏振转换器模块130出射并进入图像生成器模块150。图像生成器模块150输出成像光165，该成像光进入投影模块170，在该投影模块处成像光165变成投影成像光180。
在一个方面，合色器模块110包括不同波长光谱的输入光源112、114和116，其通过准直光学器件118输入至合色器120。合色器120生成包括所述不同波长光谱光的组合光输出124。适用于本发明的合色器模块110包括(例如)PCT专利公布WO2009/085856(标题为“LightCombiner”)、WO2009/086310(标题为“Light Combiner”)、WO2009/139798(标题为“Optical Element and Color Combiner”)、WO2009/139799(标题为“Optical Element and Color Combiner”)；以及共同待审的PCT专利申请US2009/062939(标题为“PolarizationConverting Color Combiner”)、US2009/063779(标题为“High DurabilityColor Combiner”)、US2009/064927(标题为“Color Combiner”)和US2009/064931(标题为“Polarization Converting Color Combiner”)中所述的那些。
在一个方面，接收的输入光源112、114、116是非偏振的，组合光输出124也是非偏振的。组合光输出124可为包括不止一个波长光谱光的多色组合光。组合光输出124可以是每一接收光的按时间排序的输出。在一个方面，每一不同波长光谱光对应于不同的彩色光（例如红色、绿色和蓝色），并且组合光输出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“波长光谱光”均是指具有与人眼可见的特定颜色相关的波长光谱范围的光。更一般的术语“波长光谱光”是指可见光和包括例如红外光的其它波长光谱光。
根据一个方面，每一输入光源(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。可用于本发明的光源、光准直器、透镜和光积分器进一步地描述于（例如）公开的美国专利申请US 2008/0285129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，匀化偏振转换器模块130包括偏振转换器140，其能够将非偏振组合光输出124转换为匀化偏振光145。匀化偏振转换器模块130还可包括第一多个透镜101和第二多个透镜102(均在别处描述)，其可匀化并提高从匀化偏振转换器模块130出射成为匀化偏振光145的组合光输出124的均匀度。
在一个方面，图像生成器模块150包括偏振分束器(PBS)156、代表性成像光学器件152、154以及空间光调制器158，其协作以将匀化偏振光145转换为像光165。合适的空间光调制器(即，图像生成器)先前已在(例如)美国专利No.7,362,507(Duncan等人)、7,529,029(Duncan等人)；美国专利公布No.2008-0285129-A1(Magarill等人)；和PCT专利公布WO2007/016015(Duncan等人)中有所描述。在一个具体实施例中，匀化偏振光145是源自FEA的每一透镜的发散光。在经过成像光学器件152、154和PBS 156之后，匀化偏振光145变成成像光160，所述成像光对空间光调制器均匀照明。在一个具体实施例中，来自FEA中的每一透镜的每一发散光线束照射空间光调制器158的大部分，以使得各个发散光线束彼此重叠。
在一个方面，投影模块170包括代表性投影光学器件172、174、176，其可用于将成像光165投影为投影光180。合适的投影光学器件172、174、176先前已描述，对于本领域技术人员而言是熟知的。
图2示出根据本发明一个方面的光学元件200的侧视示意图。光学元件200可用作图1所示图像投影仪100中的匀化偏振转换器模块130。光学元件200包括第一小透镜阵列210、偏振转换器220和第二小透镜阵列230。第一小透镜阵列210和第二小透镜阵列230中的每一个可称为“蝇眼阵列”或FEA，如本领域已知的。在一些情况下，第一小透镜阵列210和第二小透镜阵列230中的每一个可包括会聚(即，正)光焦度。非偏振光250(例如，图1所示非偏振组合光输出124)进入第一小透镜阵列210，经过偏振转换器220，并从第二小透镜阵列230出射，成为发散p偏振光260a和260b。通常，非偏振组合光250的每一偏振态的路径长度通过光学元件200而基本上相同，这可从下面的说明中看出。
第一小透镜阵列210包括多个透镜中的代表性第一透镜212，其被设置为接收非偏振光250并输出会聚非偏振光，例如代表性第一非偏振光252、第二非偏振光254和第三非偏振光256所示。在一些情况下，第一小透镜阵列210中的每一透镜可为(例如)柱形透镜，并且可排列成阵列，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中的每一透镜可为(例如)球面透镜，并且可排列成矩形阵列。第一小透镜阵列210中的每一透镜具有第一光轴211和出射表面214，所述出射表面通常为平坦表面。第一小透镜阵列210可由玻璃或聚合物形成，并且可包括与出射表面214重合的基底，或者可以是由单一材料形成的整体小透镜阵列取代。
在一些情况下，高折射率玻璃可用于小透镜阵列。另外，含铅的高折射率玻璃往往具有低应力光学成分(SOC)，其可带来优选的低双折射率。然而，会难以在玻璃中模制小的透镜特征。结果，小透镜阵列构造优选聚合物材料，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)的聚合物。示例性聚合物材料包括(例如)：环烯烃聚合物材料，例如(如，E48R、330R、340R、480R等，可得自肯塔基州路易维尔的瑞翁公司(ZeonChemicals L.P.,Louisville,KY))；环烯烃共聚物，例如APL5514ML、APL5014DP等(可得自日本三井化学公司(Mitsui Chemicals,Inc.JP))；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，例如WF100(可得自日本三菱丽阳技术(Mitsubishi Rayon Technologies,JP))和
Figure BDA00002426258100092
VH001(可得自中国广东广州市宏塑贸易有限公司)；以及聚碳酸酯、聚酯或聚苯硫醚材料。通常，小于50nm、或小于30nm、或甚至小于20nm的双折射率是优选的(550nm的标称波长下)。在一些情况下，可使用更广范围的材料，例如，在第一小透镜阵列210设置在光学元件200中时，当FEA匀化部件设置在照明源之后，光偏振之前，例如更高双折射率的材料变得可接受，例如双折射率为约50nm或更大的那些材料。
偏振转换器220被设置为接收会聚非偏振光(例如代表性第一非偏振光252、第二非偏振光254和第三非偏振光256所示)，并输出会聚偏振光，如下所述。偏振转换器220包括：第一棱镜222，其具有第一面223和第二面228；第二棱镜224，其具有第三面221和第四面227；以及第三棱镜226，其具有第二面228(与第一棱镜222共用)、第五面225和对角面229。反射型偏振器240设置在第一棱镜222和第二棱镜224之间的对角线上。
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型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为优选反射型偏振器。通常，反射型偏振器240可以是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经对齐，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，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，其包括设置在第四面227上的四分之一波长延迟器242和宽带反射镜244。偏振旋转反射器在别处有所描述，例如在PCT公布WO2009/085856(English等人)中。偏振旋转反射器将光的传播方向反向，并根据偏振旋转反射器中的分量及其取向来改变偏振分量的大小。偏振旋转反射器通常包括反射器和延迟器。在一个实施例中，反射器可以是宽带反射镜，其通过反射来阻挡光的透射。延迟器可提供任何所需的延迟，例如八分之一波长延迟器、四分之一波长延迟器等等。在本文所述的实施例中，使用四分之一波长延迟器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器时，线偏振光变成圆偏振光。从反射型偏振器和四分之一波长延迟器/反射器的反射导致从偏振转换器的有效光输出。相反，当其穿过其他延迟器和取向时，线偏振光改变为s偏振和p偏振中间的偏振态(椭圆偏振或线偏振)，并可造成偏振转换器的低效率。
优选地，四分之一波长延迟器242包括与第一偏振方向成+/-45°对齐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与第一偏振方向成任意角度取向对齐，例如从逆时针方向90°到顺时针方向90°。如所述使延迟器成大约+/-45°取向是有利的，这是因为当线偏振光穿过如此对齐至偏振方向的四分之一波长延迟器时产生圆偏振光。四分之一波长延迟器的其它取向可导致当从反射镜反射时，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，从而导致如别处所述的效率降低。
第二宽带反射镜246与第三棱镜226的对角线229相邻设置。偏振转换器的部件，包括棱镜、反射型偏振器、四分之一波长延迟器、反射镜以及任何其他部件，都可通过合适的光学粘合剂粘结在一起。用于将这些部件粘结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。完全粘结在一起的偏振转换器的优点包括：组装、处理和使用过程中的对齐稳定性。
根据一个具体实施例，棱镜面221、223、225、227、229为抛光外表面，其与折射率“n1”小于棱镜222、224和226的折射率“n2”的材料接触。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)是在偏振转换器220内提供斜射光线的TIR的抛光面。这些抛光外表面与折射率“n1”小于棱镜222、224和226的折射率“n2”的材料接触。尤其在导入偏振转换器220中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。
第二小透镜阵列230包括代表性第二透镜232a和第三透镜232b，其被设置为接收会聚偏振光(例如代表性第一至第六会聚p偏振光262-267所示)，并输出发散p偏振光260a和260b。在一些情况下，第二小透镜阵列230中的每一透镜可为(例如)柱形透镜，并且可排列成阵列，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中的每一透镜可为(例如)球面透镜，并且可排列成矩形阵列。第二小透镜阵列230中的每一透镜具有第二光轴231和入射表面234，所述入射表面通常为平坦表面。第二小透镜阵列230可由玻璃或聚合物形成，并且可包括与入射表面234重合的基底，或者可以是由单一材料形成的整体小透镜阵列取代。
与第一透镜212的第一光轴211重合的非偏振光线250变成第一会聚非偏振光线252，通过第二棱镜224的第三面221进入偏振转换器220，并与反射型偏振器240相交，在那里其分裂成第一p偏振会聚光线262和第一s偏振会聚光线253。以类似方式，在与第一光轴211分离的位置进入第一透镜212的另一非偏振光线250变成第二会聚非偏振光线254，并分裂成第二p偏振会聚光线264和第二s偏振会聚光线255。以另一类似方式，在与第一光轴211分离的第二位置进入第一透镜212的另一非偏振光线250变成第三会聚非偏振光线256，并分裂成第三p偏振会聚光线266和第三s偏振会聚光线257。
第一、第二和第三p偏振会聚光线262、264、266穿过反射型偏振器240，从宽带反射镜246反射，并通过第三棱镜226的第五面225从偏振转换器220出射。第一、第二和第三p偏振会聚光线262、264、266的焦点位于第二小透镜阵列230附近，使得与第一透镜212的第一光轴211重合的第一非偏振光线252变成与第二透镜232b的第二光轴231重合的第一p偏振会聚光线262。通常，第一小透镜阵列210的每一透镜(例如，第一透镜212)的焦点位于第二小透镜阵列230的每一透镜(例如，第二透镜232b)的第一主平面处。总体上，代表性第一、第二和第三p偏振会聚光线262、264、266在其穿过第二小透镜阵列230的第二透镜232b时变成第一p偏振发散光260b。
第一、第二和第三s偏振会聚光线253、255、257从反射型偏振器240反射，通过第四面227从第二棱镜出射，在其穿过四分之一波长延迟器242时改变为圆偏振会聚光，从宽带反射镜244反射从而改变圆偏振的方向，并在其再次穿过四分之一波长延迟器242时变成第四、第五和第六p偏振会聚光263、265、267。第四、第五和第六p偏振会聚光263、265、267穿过反射型偏振器240，通过第一棱镜222的第一面223从偏振转换器220出射。第四、第五和第六p偏振会聚光线263、265、267的焦点设置在第二小透镜阵列230附近，使得与第一透镜212的第一光轴211重合的第一非偏振光线252变成与第二小透镜阵列230的第三透镜232a的第二光轴231重合的第四p偏振会聚光线263。通常，第一小透镜阵列210的每一透镜(例如，第一透镜212)的焦点设置在第二小透镜阵列230的每一透镜(例如，第三透镜232a)的第一主平面上。总体上，代表性第四、第五和第六p偏振会聚光线263、265、267在其穿过第二小透镜阵列230的第三透镜232a时变成第二p偏振发散光260a。P偏振发散光260a和260b穿过图1所示投影系统的剩余部分，均匀度提高。
在一些情况下，四分之一波长延迟器242可改为与反射型偏振器240相邻地设置在宽带反射镜244和反射型偏振器240(未示出)之间，并且可穿过偏振转换器220追踪类似的光路，如本领域技术人员已知的。在一些情况下，包括四分之一波长延迟器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，并且可穿过偏振转换器220追踪类似的光路，如本领域技术人员已知的。
在一个具体实施例中，将会影响穿越蝇眼阵列(FEA)的光束的双折射效应的量最小化包括选择具有低应力光学系数(SOC)且薄的FEA材料。低SOC表现为在基底的两个表面结构化/模制成匹配小透镜阵列之后，FEA的基底中引起的双折射率低。实现低双折射率的第二方面在于减小基底材料中的光路。这需要小透镜具有短焦距设计。第一小透镜阵列的焦点投射到第二小透镜阵列的主表面上。短焦距使得每一小透镜元件的曲率半径较小。结果，每一小透镜的横向尺寸通常减小，以便保持每一小透镜元件的孔径(即，阵列无平坦区域，没有光焦度)。因此，所得每阵列的小透镜的数量增加，这可改善光束匀化性。
小透镜横向尺寸较小需要第一小透镜阵列中的每一小透镜元件的光轴与第二小透镜阵列中的对应小透镜光轴高精度对准。在一个具体实施例中，例如，LED照明器中所用的FEA可具有大约0.6mm×0.9mm的小透镜孔径，对于30-50um的典型机械定位公差，源自未对齐的光串扰将很严重。对低双折射FEA元件的需求促成了小且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，以保持所需的对齐精度。较薄的小透镜基底确保对于基底中引起的相同量的应力，双折射极少。
图3示出根据本发明一个方面的光学元件300的侧视示意图。光学元件300可用作图1所示图像投影仪100中的匀化偏振转换器模块130。光学元件300包括第一小透镜阵列210、偏振转换器220和第二小透镜阵列230。图3中所示的元件210-263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210-263。在图3中，第一小透镜阵列210紧邻第二棱镜224设置，使得第一小透镜阵列210的出射表面214和第二棱镜224的第三面221重合。以类似方式，第二小透镜阵列230紧邻第一棱镜222设置，使得第二小透镜阵列230的平坦表面234和第二棱镜224的第一面223重合(另外，第二小透镜阵列230的平坦表面234和第三棱镜226的第五面225也重合)。
在一个具体实施例中，第一小透镜阵列210和第二小透镜阵列230可利用本领域已知的光学粘合剂附着到其相应的棱镜面。在一个具体实施例中，第一小透镜阵列210和第二小透镜阵列230可通过以下方式直接模制到其相应的棱镜面上，例如：利用模具以与相应的小透镜阵列同时形成棱镜；利用模具以在已经形成的棱镜上形成小透镜阵列，如用热塑性或热固性聚合物；或者通过加热在形成的棱镜上压印小透镜阵列；等。
在图3中示出穿过偏振转换器220追踪的与第一光轴211重合的单个非偏振光线252。本领域技术人员将理解，图2中对应绘制的各种会聚和发散光线以类似方式穿过图3所示实施例。然而，由于相比于图2所示，小透镜阵列与其相应棱镜面之间的间距改变，所以如本领域技术人员所知，每一透镜的焦距也会不同。这样，进入光学元件300的非偏振光350作为第一p偏振发散光360b和第二p偏振发散光360a离开。应该理解，第一和第二小透镜阵列210、230中的任一者或两者可紧邻相应的棱镜面。
图4示出根据本发明一个方面的光学元件300的侧视示意图。光学元件400可用作图1所示图像投影仪100中的匀化偏振转换器模块130。光学元件400包括第一小透镜阵列410、偏振转换器420和第二小透镜阵列430。图4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4中的第三棱镜426对应于图2中的第三棱镜226，等等。在图4中，与图2中的反射型偏振器240的位置相比，反射型偏振器440的相对位置改变，结果，在图4所示构型中非偏振输入光450的每一分量的路径长度不同，这可从图中看出。通常，每一偏振分量的路径长度优选为相同的；然而，光学元件400将用作匀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变成第一会聚非偏振光线452，通过第二棱镜424的第三棱镜面421进入偏振转换器420，并与反射型偏振器440相交，在该处其分裂成第一p偏振会聚光线462和第一s偏振会聚光线453。以类似方式，在与第一光轴411分离的位置进入第一透镜412的另一非偏振光线450变成第二会聚非偏振光线454，并分裂成第二p偏振会聚光线464和第二s偏振会聚光线455。以另一类似方式，在与第一光轴411分离的第二位置进入第一透镜412的另一非偏振光线450变成第三会聚非偏振光线456，并分裂成第三p偏振会聚光线466和第三s偏振会聚光线457。
第一、第二和第三p偏振会聚光线462、464、466穿过反射型偏振器440，从宽带反射镜446反射，并通过第三棱镜426的第五棱镜面425从偏振转换器420出射。然后，第一、第二和第三p偏振会聚光线462、464、466穿过半波延迟器448，并改变为第四、第五和第六s偏振会聚光线472、474、476。第四、第五和第六s偏振会聚光线472、474、476的焦点位于第二小透镜阵列430附近，使得与第一透镜412的第一光轴411重合的第一非偏振光线452变成与第二透镜432b的第二光轴431重合的第四s偏振会聚光线472。通常，第一小透镜阵列410的每一透镜(例如，第一透镜412)的焦点位于第二小透镜阵列430的每一透镜(例如，第二透镜432b)的第一主平面处。总体上，代表性第四、第五和第六s偏振会聚光线472、474、476在其穿过第二小透镜阵列430的第二透镜432b时变成第一s偏振发散光460b。
第一、第二和第三s偏振会聚光线453、455、457从反射型偏振器440反射，并通过第三棱镜面423从第二棱镜424出射。第一、第二和第三s偏振会聚光线453、455、457的焦点位于第二小透镜阵列430附近，使得与第一透镜412的第一光轴411重合的第一非偏振光线452变成与第二小透镜阵列430的第三透镜432a的第二光轴431重合的第三s偏振会聚光线453。通常，第一小透镜阵列410的每一透镜(例如，第一透镜412)的焦点位于第二小透镜阵列430的每一透镜(例如，第三透镜432a)的第一主平面处。总体上，代表性第一、第二和第三s偏振会聚光线453、455、457在其穿过第二小透镜阵列430的第三透镜432a时变成第二s偏振发散光460a。
应当理解，第一小透镜阵列410和第二小透镜阵列430中的每一个可以与图3所示类似的方式紧邻相应的棱镜面(或者作为另外一种选择，紧邻设置于棱镜面和第二小透镜阵列430之间的半波延迟器，如图4所示)设置。
图5示出根据本发明一个具体实施例的偏振转换器520的横截面示意图。偏振转换器520可取代已经描述的任何偏振转换器来使用，例如，光学元件200中的偏振转换器220；光学元件400中的偏振转换器420；以及如光学元件300中所述，其中偏振转换器可包括一体的小透镜阵列。为了简明起见，小透镜阵列已从图5移除，将仅描述穿过偏振转换器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(类似于图2-4所描述的那些)。
图5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5的第三棱镜526对应于图2的第三棱镜226，等等。在图5中，与图2中的反射型偏振器240的位置相比，反射型偏振器540的相对位置改变，结果，在图5所示构型中非偏振输入光552的每一分量的路径长度不同，这可从图中看出。通常，每一偏振分量的路径长度优选为相同的；然而，偏振转换器520将用作匀化偏振转换器的替代实施例。
在图5所示的一个具体实施例中，第二棱镜524具有可选的延伸棱镜面523的长度的细长部分“P”。棱镜面523的延伸长度可用于增加非偏振输入光552的路径长度，结果，增加了非偏振输入光552的匀化，如例如共同待审的美国专利申请No.61/292574(提交于2010年1月6日，标题为“Compact Optical Integrator”(代理人案卷号：65902US002))中所述。
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之间的半波延迟器548，如图5所示。在一个具体实施例中，半波延迟器548可以改为与图4所示半波延迟器448类似的方式与棱镜面525相邻设置。在一些情况下，半波延迟器可设置在透射穿过反射型偏振器540的光的光路内的任何地方，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，相反，半波延迟器可与棱镜面523、540、548、525和529中的任一个相邻。
中心非偏振光束552进入第一棱镜面521并与反射型偏振器540相交，在该处其分裂成透射p偏振光束562和反射第一s偏振光束553。然后，反射第一s偏振光束553通过第二棱镜面523从偏振转换器520出射。透射p偏振光束562从第二棱镜522出射，穿过半波延迟器548从而改变为第二s偏振光束572，从宽带反射器546反射，然后通过第五棱镜面525从偏振转换器520出射。
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：
具有第一多个透镜的第一小透镜阵列，所述第一多个透镜被设置为接收非偏振光并输出会聚非偏振光；
偏振转换器，被设置为接收所述会聚非偏振光并输出会聚偏振光；和
具有第二多个透镜的第二小透镜阵列，所述第二多个透镜被设置为接收所述会聚偏振光并输出发散偏振光，
其中与所述第一多个透镜中的第一透镜的光轴重合的非偏振光线穿过所述偏振转换器，并变成第一偏振光线和第二偏振光线，
并且其中所述第一偏振光线与所述第二多个透镜中的第二透镜的光轴重合，并且所述第二偏振光线与所述第二多个透镜中的第三透镜的光轴重合。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一小透镜阵列的第一横截面积为所述第二小透镜阵列的第二横截面积的1/2。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第二多个透镜所包括的透镜是所述第一多个透镜的两倍。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一偏振光线和所述第二偏振光线具有相等的光路长度。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第二多个透镜包括在550nm的标称波长下双折射率小于约30nm的材料。
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，其中所述第一多个透镜和所述第二多个透镜中的至少一者分别附着到所述偏振转换器的输入表面和输出表面。
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中的至少一者分别集成到所述偏振转换器的输入表面和输出表面。
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器、半波延迟器、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，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非偏振光；
光学元件，包括：
具有第一多个透镜的第一小透镜阵列，所述第一多个透镜被设置为接收所述组合非偏振光并输出会聚非偏振光；
偏振转换器，被设置为接收所述会聚非偏振光并输出会聚偏振光；
具有第二多个透镜的第二小透镜阵列，所述第二多个透镜被设置为接收所述会聚偏振光并输出发散偏振光，
其中与所述第一多个透镜中的第一透镜的光轴重合的非偏振光线穿过所述偏振转换器，并变成第一偏振光线和第二偏振光线，
并且其中所述第一偏振光线与所述第二多个透镜中的第二透镜的光轴重合，并且所述第二偏振光线与所述第二多个透镜中的第三透镜的光轴重合。
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，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非偏振光；
光学元件，包括：
具有第一多个透镜的第一小透镜阵列，所述第一多个透镜被设置为接收所述组合非偏振光并输出会聚非偏振光；
偏振转换器，被设置为接收所述会聚非偏振光并输出会聚偏振光；
具有第二多个透镜的第二小透镜阵列，所述第二多个透镜被设置为接收所述会聚偏振光并输出发散偏振光，
其中与所述第一多个透镜中的第一透镜的光轴重合的非偏振光线穿过所述偏振转换器，并变成第一偏振光线和第二偏振光线，
并且其中所述第一偏振光线与所述第二多个透镜中的第二透镜的光轴重合，并且所述第二偏振光线与所述第二多个透镜中的第三透镜的光轴重合；
空间光调制器，被设置为将图像赋予所述发散偏振光；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，其中来自所述第二透镜阵列的每一透镜的发散偏振光照射所述空间光调制器的大部分。
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