TW201202834A - Polarized projection illuminator - Google Patents

Description

201202834 六、發明說明： 本申請案與以引用方式併入之以下美國專利申請案相 關：2010年1月6曰申請之「緊湊型光學積分器（Compact Optical Integrator)」，美國序號為61/292574(代理人案號為 65902US002);以及與本申請案在同一日期申請之「緊湊 型照明器（Compact Illuminator)」（代理人案號為66360US002) 及「複眼積分器偏振轉換器（Fly Eye Integrator Polarization Converter)」（代理人案號為 66247US002)。 【先前技術】 用於將影像投影於螢幕上之投影系統可使用具有不同色 彩之多個彩色光源（諸如，發光二極體（LED))產生照明 光。將若干光學元件安置於LED與影像顯示單元之間以組 合來自LED之光且將該光傳遞至影像顯示單元。影像顯示 皁元可使用各種方法將影像強加給光。舉例而言，如同透 射性或反射性液晶顯示器一樣，影像顯示單元可使用偏振 (polarization) 〇 用於將影像投影於螢幕上之另外其他投影系統可使用經 組態而以成影像方式自數位微鏡（DMM)陣列（諸如，Texas Instruments之數位光處理器（DLP®)顯示器中所使用之陣 列）反射之白光。在DLP®顯示器中，數位微鏡陣列内之個 別鏡面表示所投影影像之個別像素。顯示像素在相應鏡面 傾斜時得到照明使得入射光被導引至所投影光徑。置放 於光徑内之旋轉彩色轉盤經定時以反射來自數位微鏡陣列 156200.doc 201202834 之光，使得所反射之白光經濾光以投影對應於像素之色 心。接者將數位微鏡陣列切換至下一所要像素色彩，且以 使整個投影顯示器看上去被連續照明之快速速率繼續此程 序。數位微鏡投影系統需要較少之像素化陣列組件，此可 導致較小尺寸之投影器。 影像亮度為投影系統之重要參數。彩色光源之亮度及對 光進行收集、組合、均勻化及傳遞至影像顯示單元之效率 均影響亮度。隨著現代投影器系統之尺寸減小，需要在將 彩色光源所產生之熱保持在可在小型投影器系統中耗散之 低等級的同時維持足夠等級之輸出亮度。需要—種在光源 不會有過度功率消耗的情況下以增加之效率組合多種彩色 光以提供具有足夠等級之亮度之光輸出的光組合系統。 此等電子投影器常常包括用於以光學方式均勻化光束以 便改良投影於螢幕上之光之亮度及色彩均—性之裝置。兩 個韦見裝置為積分隧道（integrating tunnel)及複眼均化器 (fly's eye h〇m〇genizer)。複眼均化器可非常緊湊且因此 為常用裝置。積分隧道在均勻化方面可可更有效率，但中 空隧道通常需要常常為高度或寬度（其中較大者）之5倍之長 度。歸因於折射效應’實心隧道常常比中空隧道長。 。浚尘及口馱型投景>器具有用於光積分器或均化器之有限 門而，來自此等投影器中所使用之光學褒置 (諸如，色形組合器及偏振轉換器）之有效率且均一的光輸 出可需要緊凑且有效率之積分器。 【發明内容】 1562〇〇.d〇c 201202834 本發明大體而言係關於一種光學元件、一種包括該光學 元件之光投影器及一種包括該光學元件之影像投影器。詳 言之，該光學元件藉由用小透鏡陣列（諸如，「複眼陣列」 (FEA))均勻化光來提供光之經改良均一性。在一態樣中， 本發明提供-種光學元件，其包括一偏振轉換器，該偏振 轉換器經安置以接受一非偏振光且輸出一偏振光。該光學 /0件進一步包括具有第一複數個透鏡之一第一小透鏡陣 列’其經安置以接受該偏振光且輸出一會聚偏振光。該光 學元件更進一步包括具有第二複數個透鏡之一第二小透鏡 陣列’其經安置以#受該會聚偏振光且@出一發散偏振 光。該第一小透鏡陣列及該第二小透鏡陣列為一單片陣 列，且與該第一複數個透鏡中之一第一透鏡之光軸重合之 一偏振光射線與該第二複數個透鏡中之一第二透鏡之光軸 重合。 在另-態樣中，本發明提供—種光投影器，其包括：一 第一非偏振光源及-第二非偏振光源；一色彩組合器，其 經女置以輸出來自該第—非偏振光料該第二非偏振光源 之一組合非偏振光；及—光學元件。該光學元件包括：一 偏振轉換器，其經安置以接受該組合非偏振光且輸出一偏 振光；具有第一複數個透鏡之一第一小透鏡陣列，其經安 置乂接又4偏振光且輸出一會聚偏振光；及具有第二複數 個透鏡之-第二小透鏡陣列’其經安置以接受該會聚偏振 光且輸出-發散偏振光。該第一小透鏡陣列及該第二小透 鏡陣列為m車列’且與該第—複數個透鏡中之一第一 156200.doc 201202834 透鏡之光軸重合之一偏振光射線與該第二複數個透鏡中之 一第二透鏡之光軸重合。 在又一態樣中，本發明提供一種影像投影器，其包括： 一第一非偏振光源及一第二非偏振光源；一色彩組合器， 其經安置以輸出來自該第一非偏振光源及該第二非偏振光 源之一組合非偏振光；一光學元件；一空間光調變器，其 經安置以將一影像賦予該發散偏振光；及投影光學器件。 該光學元件包括：一偏振轉換器，其經安置以接受該組合 非偏振光且輸出一偏振光；具有第一複數個透鏡之一第一 J透鏡陣列’其經女置以接受該偏振光且輸出一會聚偏振 光；及具有第二複數個透鏡之一第二小透鏡陣列，其經安 置以接文該會聚偏振光且輸出一發散偏振光。該第一小透 鏡陣列及該第二!、透鏡陣列為—單片陣列，且與該第一複 數個透鏡中之透鏡之光軸重合之—偏振光射線與該 第二複數個透鏡中之__第二透鏡之光軸重合。 —以上概料欲描述本發明之每—所揭*之實施例或每一 實施。以下諸圖及詳細描述更詳細地舉例說明說明性實施 【實施方式】 其中類似參考數字指 在本說明書全篇中參考隨附圖式， 示類似元件。 圖示未必按比例繪製。圖由 代類 之組 衣圖不中所使用之類似數 似組件。然而，將理解 竹里解，使用一數字指代一特定 件不欲限制另一圖中用& + 力圓甲用相同數字標記之組件。 156200.doc 201202834 本發明大體而言係關於影像投影器，詳言之，影像投影 器藉由用小透鏡陣列（諸如，「複眼陣列」（FEA))均勻化光 來改良光之均一性。在一特定實施例中，一緊湊型偏振照 明系統包括一偏振轉換系統（PCS)及一模製單片複眼陣列 (FEA)積分器。一偏振轉換器與一低雙折射率單片fea之 組合可在緊凑型系統中同時導致高效率與良好均一性。 FE A積为器包括模製於兩個相反表面上之凸透鏡陣列，其 結果為，大於約85%的進入PCS之非偏振光以單偏振狀態 離開FEA。 基於LCoS之攜帶型投影系統歸因於低成本且高解析度 LCoS面板之可用性而變得普遍。LED照明式LC〇s投影器 中之元件之清單可包括LED光源、選用之色彩組合器、選 用之預偏振系統、延遲光學器件、PBS、LCoS面板及投影 透鏡單元。對於基於LCoS之投影系統’投影器之效率及 對比度與進入PBS之光之偏振程度直接相關。至少出於此 原因，常常需要預偏振系統，預偏振系統利用反射/再循 環光學器件或偏振轉換光學元件。 利用偏振光束分光器及半波延遲器之偏振轉換方案為將 偏振光提供至PBS中之最有效方式之一。經偏振轉換之光 之一挑戰為，其可能遭受空間不均一性，從而導致所顯示 影像中之假影。因此，在具有偏振轉換器之系統中，需要 均勻化系統。 在習知投影系統中常常使用由一對由空氣間隙分離之薄 的玻璃微型小透鏡陣列板組成之FEa來均勻化光。在手持 156200.doc 201202834 型投影器中，此成對FEA系統通常具有如下缺點：具有較 大厚度及更有挑戰性的對準容限。 最近’已將單元件單片模製之塑膠或玻璃FEA單元用於 非常緊湊之投影系統。然而，此模製單片單元通常具有 奈米或更大之最大雙折射率且在延遲及光軸定向方面有極 大變化’ J•因而僅用來均句化非偏振光。藉由在高效率偏 振轉換器之後使用具有低雙折射率之單一單片元件，吾人 可同時達成高光學效率、良好影像均一性及緊凑尺寸。 在一特定實施例中，用於影像投影器之照明器包括光 源，其中所發射之非偏振光被導引至偏振轉換器中。偏振 轉換器將光分離成兩個路徑，每一偏振狀態一個路徑。該 兩個偏振狀態中之每一者之路徑長度大致相等，且偏振光 朿通往單片FEA積分器。單片FEA積分器可使光束發散， 且光束接著被導引以便進一步處理（例如，藉由使用空間 光調變器將影像賦予光束，及使用投影光學器件在螢幕上 顯示影像）。 在一些情況下’光學投影器使用非偏振光源（諸如，發 光一極體（LED)或放電燈（discharge light))、偏振選擇元 件、第一偏振空間調變器及第二偏振選擇元件。由於第一 偏振選擇元件渡除50%的自非偏振光源發射之光，故偏振 選擇性投影器常常可具有低於非偏振裝置之效率。 增加偏振選擇性投影器之效率之一種技術為，在光源與 第一偏振選擇元件之間添加偏振轉換器。一般而言，有兩 種方式來設計此項技術中所使用之偏振轉換器。第一種方 156200.doc 201202834 式為.使自光源發射之光部分地準直，使經部分準直之光 通過透鏡陣列，且將一偏振轉換器陣列定位於每一焦 處偏振轉換器通常具有一偏振光束分光器，該偏振光 束刀光器具有偏振選擇性傾斜膜（例如，MacNeille偏振 盗、線栅偏振器或雙折射光學膜偏振器），其中反射偏振 由傾斜之鏡面反身十，以使得反射光束平行於由傾斜之偏 ，選擇ί生膜透射之光束而傳播。使其中任—偏振光束通過 半波延遲器’以使得兩個光束具有相同偏振狀態。 將非偏振光束轉換成具有單偏振狀態之光束之另一種技 術為·使整個光束通過傾斜之偏振選擇器，且藉由鏡面及 半波延遲器調節分裂之光束’以使得發射單偏振狀態。直 接用偏振轉換器照明偏振選擇性空間光調變器可導致照度 及色彩非均一性。 在特疋貫轭例中，偏振轉換器可併有複眼陣列以在投 景:系，中均勻化光。偏振轉換器之輸出側包括用以均勻化 光之單片FEA。單片FEA之輸入侧及輸出側包括相同數目 個透鏡’其中輸出側上之每—透鏡大致以輸人側處之一匹 配透鏡之焦點為中心。透鏡可為柱面、雙凸、球面或非球 面透鏡；然而，在許多情況下，球面透鏡可為較佳的。複 眼積分器及偏振轉換器可顯著改良投影器之照度及色彩均 一性0 可藉由在第一膜上微複製塑膠透鏡來製造單片FEA之透 鏡，該等透鏡可被切割、對準且結合至在第二膜上微複製 之塑膠透鏡。另—替代選擇4 ’用玻璃或塑膠將一個或兩 156200.doc

S 201202834 個小透鏡陣列模製為單個單元，且將彼等陣列以無介入膜 之方式結合在-起。小透鏡陣列可由單軸透鏡（諸如，柱 面透鏡）或具有兩個折射軸之透鏡（諸如，球面透鏡）製成。 單片FEA之輸人表面及輸出表面中之每—者上的透鏡之數 目可在單-透鏡、—維透鏡陣列至二維透鏡陣列的範圍内 變化。在-特定實施例中，單片FEA之輸入表面及輸出表 面中之每一者可包括球面透鏡之矩形陣列，諸如具有在 5x5陣列至20x20陣列或更大陣列的範圍内變化之尺寸之正 方形陣列…般而言’較大的透鏡陣列可減小陣列之間的 間距，使得投影系統之總尺寸可減小。 在-些情況下，摺疊式複眼陣列可均勾化照明光。摺疊 式複眼㈣可H小透鏡陣列 摺疊鏡及-第二小 透鏡陣？]形成’其中組成該第二小透鏡陣列之透鏡大致位 於組成該第一小透鏡陣列之透鏡之焦點處。 圖1展示根據本發明之一態樣之影像投影器丨〇 〇之示意 圖。影像投影器1〇〇包括能夠將組合光輸出124注入至均勻 化偏振轉換器模組13G中之色彩組合器模組⑽，組合光輸 出124在均勻化偏振轉換器模組13〇中得以轉化為離開均勾 化偏振轉換器模組130且進入影像產生器模組15〇之均勻化 的偏振光145。影像產i器模組15〇輸出進入投影模組17〇 之影像光165 ’影像光165在投影模組⑺中變成投影影像 光 180。 在一態樣中，色彩組合器模組11〇包括不同波長光譜之 輸入光源112、114及116 ’該等光源經由準直光學器件118 I56200.doc 201202834 輸入至色彩組合器120。色彩組合器120產生包括該等不同 波長光譜光之組合光輸出124。適合用於本發明中之色彩 組合器模組110包括（例如）在以下各案中所描述之色彩組合 器：題為「光組合器（Light Combiner)」之第WO 2009/ 085856號、題為「光組合器（Light Combiner)」之第WO 2009/086310號、題為「光學元件及光組合器（〇ptical

Element and Color Combiner)」之第 WO 2009/139798號、 通為「光學元件及光組合(Optical Element and Color Combiner)」之第WO 2009/139799號PCT專利公開案中； 以及題為「偏振轉換色彩組合器（p〇larizati〇ri Converting

Color Combiner)」之第 US 2009/062939號、題為「高耐久 性色彩組合器（High Durability Color Combiner)」之第 US 2009/063779號、題為「色彩組合器（c〇l〇r Combiner)」之 第US 2009/064927號及題為「偏振轉換色彩組合器 (Polarization Converting Color Combiner)」之第 US 2009/ 064931號同在申請中之PCT專利申請案。 在一態樣中，所接收之輸入光源112、114、116為非偏 振的’且組合光輸出124亦為非偏振的。組合光輸出124可 為包含一個以上波長光譜光之多色組合光。組合光輸出 124可為所接收光中之每一者之按時間順序輸出。在一態 樣中，不同波長光譜光中之每一者對應於不同色彩之光 (例如，紅光、綠光及藍光），且組合光輸出為白光或按時 間順序之紅光、綠光及藍光。對本文中所提供之描述而 言，「彩色光」及「波長光譜光」均意欲意謂具有可能與 156200.doc

S 201202834 特定色彩（若可為人眼所見）相關之波長光譜範圍之光。更 一般的術語「波長光譜光」指代可見光及其他波長光譜之 光，包括（例如）紅外光。 . 根據一態樣，每一輸入光源（112、114、116)包含一或多 個發光二極體（LED)。可使用各種光源，諸如雷射、雷射 二極體、有機發光二極體（OLED)及非固態光源（諸如具有 適當集光器或反射器之超高壓（UHP)鹵素或氙氣燈）。本發 明中可用之光源、光準直器、透鏡及光積分器進一步描述 於（例如）已公開之美國專利申請案第US 2008/0285 129號， 該申請案之内容之全文包括於本文中。 在一態樣中’均勻化偏振轉換器模組13〇包括能夠將非 偏振組合光輸出124轉換成均勻化的偏振光145之偏振轉換 器140。均勻化偏振轉換器模組130進一步可包括透鏡之單 片陣列101，諸如，在別處描述的可均勻化且改良組合光 輸出124之均一性之透鏡之單片FEA，組合光輸出124作為 均句化的偏振光145而離開均勻化偏振轉換器模組13〇。 在一態樣中’影像產生器模組15〇包括偏振光束分光器 (PBS)156、代表性成像光學器件152、154及空間光調變器 158，上述各者合作將均勻化的偏振光145轉換成影像光 165。合適的空間光調變器（亦即，影像產生器）先前已描述 於（例如）以下各案中：美國專利第7,362,5〇7號（Duncan等 人）、第7,529,029號（Duncan等人）、美國公開案第2〇〇8一 0285129 A1唬（Magarill等人）；以及pCT公開案第 2007/016015號（Duncan等人）。在一特定實施例中，均勻化 156200.doc 13· 201202834 的偏振光145為源於FEA之每一透鏡之發散光。在通過成 像光學器件152、154及PBS 156之後，均勻化的偏振光145 變為均勻地照明該空間光調變器之成像光丨6〇。在一特定 實施例中’來自FEA中之該等透鏡中之每一者的發散光射 線束中之每一者照明該空間光調變器158之主要部分，使 得個別發散光射線束彼此重疊。 在一態樣中，投影模組170包括可用以將影像光165投射 為投射光180之代表性投影光學器件172、ι74、ι76。合適 的投影光學器件172、1 74、1 76先前已描述且係熟習此項 技術者所熟知的。 圖2展示根據本發明之一態樣之光學元件2〇〇之側視示意 圖光學元件2〇〇可用作如圖1所示之影像投影器丨〇〇中之 均勻化偏振轉換器模組130。光學元件2〇〇包括偏振轉換器 220、第一小透鏡陣列21〇及第二小透鏡陣列23〇。如此項 技術中已知的，第一小透鏡陣列210及第二小透鏡陣列23〇 中之每一者可被稱為「複眼陣列」或FEA。在一些情況 下，第一小透鏡陣列210及第二小透鏡陣列23〇中之每一者 可包括會聚（亦#，正）度數。第一小透鏡陣列210及第二小 透鏡陣列230-起形成具有厚度「t」之單片fea 2〇ι，且 可包括在第—小透鏡陣列21G與第二小透鏡陣列23〇之間έ 選用之中央基板214 一般而言’取決於偏振轉換器22〇。 總尺寸，厚度「t」可為約1〇毫米、約6毫米或…毫米 或甚至小於約4毫米。非偏振光25G(諸如，圖1所示之非々 振組合光輸出124)進入偏振轉換器22〇，且作為第一發散 156200.doc

S • 14 - 201202834 偏振光260a及第二發散p偏振光260b而離開單片FEA 201。 一般而言’如自以下論述可看出，非偏振組合光25〇之每 一偏振狀態之路徑長度在光學元件200中基本上相同。 偏振轉換器220經安置以接受非偏振光250且輸出如下文 所描述之第一發散p偏振光260a及第二發散p偏振光26〇b。 偏振轉換器220包括·具有第一面223及第二面228之第一 稜鏡222、具有第三面221及第四面227之第二稜鏡224，及 具有第二面228(與第一稜鏡222共用）、第五面225及對角面 229之第三稜鏡226。反射偏振器24〇安置於第一稜鏡222與 第二稜鏡224之間的對角線上。 反射偏振器240可為任何已知的反射偏振器

MacNeiHe偏振器、線柵偏振器、多層光學膜偏振器或圓 偏振器（諸如膽固醇液晶偏振器）^根據一實施例，多層光 學膜偏振器可為較佳的反射偏振器。一般而言，反射偏振 器240可為笛卡爾（Cartesian)反射偏振器或非笛+爾（繼·

Cartesian)反射偏振器。非笛卡爾反射偏振器可包括多層 無機膜，諸如藉由無機介電質之循序沈積所產生之無機 膜，諸如MacNeille偏振器。笛卡爾反射偏振器具有一個 偏振軸方向’ 2包括線柵偏振器及諸如可藉由多層聚人層 壓板之擠壓及後續拉伸產生之聚合多層光學膜兩者。在一 實施例巾，反射偏振ϋ24_對準讀彳卜㈣振轴平行 於2 一偏振方W垂直於第二偏振方向。在—實施例中， 2偏振方向可為s偏振方向，且第二偏振方向可為ρ偏振 方向。 156200.doc •15· 201202834 笛卡爾反射偏振器膜給偏振光束分光器提供使未完全準 直且自中央光束軸線發散或偏斜之輸入光射線通過之能 力。笛卡爾反射偏振器膜可包含一聚合多層光學膜，該聚 合多層光學膜包含多個介電或聚合材料層。介電膜之使用 可具有使光通過時的光之低衰減及高效率之優點。多層光 學膜可包含聚合多層光學膜，諸如美國專利第5,962，i 14號 (Jonza專人）或美國專利6,721，〇96(Bruzzone等人）中所描述 之聚合多層光學膜。 偏振轉換器220進一步包括一偏振旋轉反射器，該偏振 方疋轉反射器包括安置於第四面227上之四分之一波延遲器 242及寬頻鏡244。在別處’例如，在pCT公開案第w〇 2009/085856號（English等人）中論述偏振旋轉反射器。偏振 旋轉反射器反轉光之傳播方向，且取決於偏振分量 (polarization component)及其在偏振旋轉反射器令之定向 而更改偏振分量之量值。偏振旋轉反射器通常包括反射器 及延遲器。在一實施例中，反射器可為藉由反射來阻斷光 之透射之寬頻鏡。延遲器可提供任何所要延遲，諸如八分 之一波延遲器、四分之一波延遲器及其類似者。在本文中 所描述之實施例中，使用四分之一波延遲器及相關聯之反 射器可能有優點。線性偏振光在其通過相對於光偏振軸以 45°之角度對準之四分之一波延遲器時變為圓偏振光。來 自反射偏振器及四分之一波延遲器/反射器之反射導致來 自偏振轉換器之有效光輸出。相比之下，線性偏振光在其 通過其他延遲器及定向時變成在s偏振與p偏振之間中途的 156200.doc - \β~

S 201202834 偏振狀態（橢圓的或線性的），且可導致偏振轉換器之較低 效率。 較佳地，四分之一波延遲器242包括相對於第—偏振方 向以+/- 45。對準之四分之一波偏振方向。在一些實施例 中’四分之一波偏振方向可相對於第一偏振方向以任何度 數定向（例如’自逆時針方向上之90。至順時針方向上之 90°)對準。以如所描述之大致+/- 45。來定向延遲器可為有 利的’因為在線性偏振光通過與偏振方向如此對準之四分 之一波延遲器時產生圓偏振光。四分之一波延遲器之其他 定向可導致在自鏡面反射後s偏振光未全部轉變成p偏振光 且P偏振光未全部轉變成s偏振光，從而導致如別處所描述 之效率降低。 第二寬頻鏡246係鄰近第三稜鏡226之對角線229而安 置。偏振轉換器之組件（包括稜鏡、反射偏振器 '四分之 一波延遲器、鏡面及任何其他組件）可藉由合適的光學黏 著劑結合在一起。用以將該等組件結合在一起之光學黏著 劑可具有比光組合器中所使用之稜鏡之折射率低的折射 率。完全結合在一起之偏振轉換器提供多種優點，包括在 裝配、處置及使用期間之對準穩定性。 根據一特定實施例，稜鏡面221、223、225、227、229 為與一種具有小於稜鏡222、224及226之折射率「n2」之 折射率「η !」之材料接觸的經研磨外部表面。根據另一實 施例，偏振轉換器220之所有外部面（包括端面，圖中未繪 示）為提供斜射光射線在偏振轉換器22〇内之TIR的經研磨 156200.doc •17 201202834 面。該等經研磨外部表面與-種具有小於稜鏡222、224及 226之折射率「n2」之折射率、」之材料接觸qiR改良 偏振轉換器220中之光利料，特別是當導引至偏振轉換 器220中之光未沿著中央軸線準直（亦即，人射光會聚或發 散）時。 第一小透鏡陣列210包括：該複數個透鏡中之代表性第 一透鏡212b，其經安置以接受第一p偏振光252 ;及該複數 個透鏡中之代表性第一透鏡212a，其經安置以接受第二p 偏振光253。在一些情況下，第一小透鏡陣列21〇之每一透 鏡可為（例如）柱面透鏡，且可配置成陣列，以使得圓柱體 之長軸垂直於圖2中所展示之橫截面。在一些情況下，第 一小透鏡陣列210之每一透鏡可為（例如）球面透鏡且可配置 成矩形陣列。第一小透鏡陣列21〇之每一透鏡具有第一光 軸211及通常為平坦表面之表面214。第一小透鏡陣列21〇 可由玻璃或聚合物形成，且可包括與表面214重合之基 板，或可改為由單一材料形成之單片小透鏡陣列。 第二小透鏡陣列230包括代表性第三透鏡232a及代表性 第四透鏡232b，其安置成使得第一小透鏡陣列及第二小透 鏡陣列230兩者之每一透鏡之光軸211重合。在一些情況 下，第二小透鏡陣列23〇之每一透鏡可為（例如）柱面透鏡， 且可配置成陣列，以使得圓柱體之長軸垂直於圖2中所展 示之橫截面。在一些情況下，第二小透鏡陣列230之每一 透鏡可為（例如）球面透鏡且可配置成矩形陣列。第二小透 鏡陣列230之每一透鏡與光轴211對準且具有通常為平坦表

156200.doc jg S 201202834 面之表面214。第二小透鏡陣列23〇可由玻璃或聚合物形 成，且可包括與表面214重合之基板，或可改為由單一材 料形成之單片小透鏡陣列。一般而言，如別處所描述，第 一小透鏡陣列21 〇及第二小透鏡陣列23〇均可由單一材料形 成，以形成單片FEA 201。一般而言，第一小透鏡陣列2 i 〇 之每一透鏡（例如，第一透鏡212)之焦點定位於第二小透鏡 陣列230之每一透鏡（例如，第二透鏡232)之第一主平面 處。 在些情況下’高指數玻璃可用於小透鏡陣列。又，含 鉛之高指數玻璃傾向於具有低應力光學組件（s〇c)，其可 導致較佳的低雙折射率。然而，可能難以將小的透鏡特徵 模製至玻璃中。因此，聚合材料對小透鏡陣列構造而言為 較佳，该等材料包括（例如）諸如聚碳酸酯（pc)、環烯聚合 物（COP)、環烯共聚物（c〇c)及聚甲基丙烯酸甲酯（pmma) 之聚合物。例示性聚合材料包括（例如）：環烯聚合物材 料’諸如 Zeonex®(例如’可自 Ze〇I1 Chemicals L.p.， Louisville，KY獲得之E48R、330R、340R、480R及其類似 者）’ ％稀共聚物’諸如APL5 514ML、APL5014DP及其類 似者（可自Mitsui Chemicals，Inc. JP獲得）；聚甲基丙烯酸 甲酯（PMMA)材料，諸如 WF100(可自 Mitsubishi Ray〇n

Technologies，JP獲得）及 Acrypet® VH〇(n(可自 Guangzh〇u Hongsu Trading Co·，Guangdong, CN獲得）；及聚碳酸酯、 聚醋或聚笨硫醚。一般而言’小於50奈米或小於3〇奈米或 甚至小於20奈米之雙折射率為較佳（在55〇奈米之標稱波長 156200.doc -19· 201202834 下）。 非偏振光射線250經由第二稜鏡224之第三面221進入偏 振轉換器220’且與反射偏振器24〇相交，在反射偏振器 240中被分裂成第一 p偏振光射線252及第一 s偏振光射線 251。第一p偏振光射線252通過反射偏振器240，自寬頻鏡 246反射’且經由第三稜鏡226之第五面225離開偏振轉換 器220。第一 p偏振光射線252進入第一小透鏡陣列210之第 一透鏡212b，且作為第一p偏振發散光射線260b而離開第 二小透鏡陣列230之第三透鏡232b。 第一 s偏振光射線251自反射偏振器240反射，經由第四 面227離開第二棱鏡’在其通過四分之一波延遲器242時變 為圓偏振會聚光’自寬頻鏡244反射而改變圓偏振之方 向，且在其再次通過四分之一波延遲器242時變為第二p偏 振光253。第二p偏振會聚光253通過反射偏振器240，且經 由第一稜鏡222之第一面223離開偏振轉換器220。第二p偏 振光射線253進入第一小透鏡陣列210之第二透鏡212a，且 作為第二p偏振發散光射線260a而離開第二小透鏡陣列23 0 之第四透鏡232a。 在一些情況下，四分之一波延遲器242可改為鄰近反射 偏振器240而安置於寬頻鏡244與反射偏振器240之間（圖中 未繪示），且經由偏振轉換器220可追蹤到類似光徑，如熟 習此項技術者已知的。在一些情況下，包括四分之一波延 遲器242及寬頻鏡244之偏振旋轉反射器可改為安置於第三 面221上，且非偏振輸入光射線250可經由第四面227進入 156200.doc -20- 201202834 偏振轉換器220，且經由偏振轉換器220可追蹤到類似光 徑’如熟習此項技術者已知的。 在一特定實施例中，將雙折射效應之量減至最小包括選 擇具有低應力光學係數（SOC)且薄的FEA材料，雙折射效 應可能會影響貫穿複眼陣列（FEA)之光束。低SOC表現 為：在FEA之基板之兩個表面已結構化/模製成匹配之小透 鏡陣列之後，該基板中之低的誘發雙折射率。達成低雙折 射率之第二方面為減少基板材料中之光徑。此需要小透鏡 之短焦距設計。第一小透鏡陣列之焦點被投射至第二小透 鏡陣列之主平面上。短焦距促成每一小透鏡元件之小曲率 半徑。因此，每一小透鏡之橫向尺寸通常減小，以便維持 每一小透鏡元件之孔徑（亦即，在無度數之情況下，陣列 無平坦區）。因此，所得的每一陣列之小透鏡數目增加， 此可改良光束均勻化。 具有小的小透鏡橫向尺寸需要第一小透鏡陣列中之每一 小透鏡元件之光軸與第二小透鏡陣列中之相應小透鏡光軸 對齊之高精度。在一特定實施例中，例如，led照明器中 所使用之FEA可具有大約〇‘ 6毫米x〇 9毫米之小透鏡孔徑且 具有30至50微米之典型機械位置容限，由未對準引起之光 串擾將為嚴重的。對低雙折射率FEA元件之需要促成小且 薄的小透鏡元件設計。小的小透鏡元件促成對用於維持所 需對準精度之單# FEA製造之需要。薄的小透鏡基板在基 板中所誘發之相同量之應力情況下確保小的雙折射率。 圖3展示根據本發明之一態樣之光學元件4〇〇之側視示意 156200.doc •21 · 201202834 圖。光學元件400可用作如圖1所示之影像投影器100中之 均勻化偏振轉換器模組130。光學元件4〇〇包括偏振轉換器 420、第一小透鏡陣列410及第二小透鏡陣列430。如此項 技術中已知的，第一小透鏡陣列41〇及第二小透鏡陣列43〇 中之母者了被稱為「複眼陣列」或FEA。第一小透鏡陣 列410及第二小透鏡陣列43〇一起形成具有厚度之單 片FEA 401，且可包括在第一小透鏡陣列41〇與第二小透鏡 陣列430之間的選用之中央基板414。 圖3中所展示之元件41〇至446中之每一者對應於先前已 描述的圖2中所展示之類似編號之元件2〗〇至246。舉例而 言’圖3之第三稜鏡426對應於圖2之第三稜鏡226，等等。 在圖3中，反射偏振器44〇之相對位置已自圖2中反射偏振 器240之位置有所改變，且因此，如圖中可看出，非偏振 輸入光450之每一分量之路徑長度在圖3中所展示之組態中 係不同的。一般而言，每一偏振分量之路徑長度較佳為相 同的；然而’光學元件400將充當均勻化偏振轉換器之替 代實施例。 非偏振光射線450經由第二稜鏡424之第三稜鏡面421進 入偏振轉換器420 ’且與反射偏振器440相交，在反射偏振 器440中被分裂成第一 p偏振光射線452及第一 s偏振光射線 453。第一p偏振光射線452通過反射偏振器440，自寬頻鏡 446反射’且經由第三稜鏡426之第五面425離開偏振轉換 器420。第一p偏振光射線452接著通過半波延遲器448且變 為第二s偏振光射線454。第二s偏振光射線454進入第一小

156200.doc . 22 - S 201202834 透鏡陣列410之第-透鏡412b，且作為第二s偏振發散光射 線460b而離開第二小透鏡陣列43〇之第三透鏡。 第一 s偏振光射線453自反射偏振器44〇反射，且經由第 一:k鏡面423離開第二稜鏡424。第一 s偏振光射線453進入 第一小透鏡陣列410之第二透鏡412a，且作為第一s偏振發 散光射線260a而離開第二小透鏡陣列43〇之第四透鏡 432a。 圖4展示根據本發明之一特定實施例之偏振轉換器52〇之 檢截面不意圖。可使用偏振轉換器52〇以替代已描述之偏 振轉換器中之任一者，例如，光學元件2〇〇中之偏振轉換 器220及光學凡件4〇〇中之偏振轉換器42〇。為簡潔起見， 已自圖5移除小透鏡陣列，且將僅描述穿過偏振轉換器52〇 之光之路徑。然而，應理解，圖i之偏振轉換器模組13〇包 括偏振轉換器520及任何相關聯之小透鏡陣列（類似於圖2 至圖3中所描述之小透鏡陣列）。 圖4中所展示之元件5 2〇至546中之每一者對應於先前已 描述的圖2中所展示之類似編號之元件22〇至246。舉例而 言，圖4之第三稜鏡526對應於圖2之第三稜鏡226，等等。 在圖4中，反射偏振器54〇之相對位置已自圖2中之反射偏 振器240之位置有所改變，且因此，如圖中可看出，非偏 振輸入光552之每一分量之路徑長度在圖4中所展示之組態 中係不同的。一般而言，每一偏振分量之路徑長度較佳為 相同的；然而’偏振轉換器52〇將充當均勻化偏振轉換器 之替代實施例。 156200.doc -23· 201202834 在圖4中所展示之一特定實施例中，第二稜鏡524具有一 選用之延長部分「p」，其延長稜鏡面523之長度。稜鏡面 523之延長長度可用以增加非偏振輸入光552之路徑長度， 且因此，增加非偏振輸入光552之均勻化，如（例如）在20 10 年1月6曰申請之題為「緊湊型光學積分器（Compact Optical Integrator)」的同在申請中之美國專利申請案第61/292574 號（代理人案號為65902US002)中所描述。 在一特定實施例中，偏振轉換器520包括如圖4所示安置 於第一稜鏡522與第三稜鏡526之間的半波延遲器548 ^在 一特定貫施例中，半波延遲器548可改為以類似於圖3中所 展不之半波延遲器448之方式鄰近稜鏡面525而安置。在一 些情況下’半波延遲器548可置放於透射穿過反射偏振器 540之光之光徑内的任何處，以使得透射光之偏振狀態變 為反射光之偏振狀態。在一特定實施例中，該半波延遲器 可鄰近於稜鏡面523、540、548、525及529中之任一者而 插入。 中央非偏振光束552進入第一稜鏡面521且與反射偏振器 540相交，在反射偏振器54〇中被分裂成經透射之p偏振光 束562及經反射之第一3偏振光束553。經反射之第一 s偏振 光束553接著經由第二面523離開偏振轉換器520。經透射 之P偏振光束562離開第二稜鏡522，通過半波延遲器548而 變為第二s偏振光束572，自寬頻反射器546反射，且經由 第五面525離開偏振轉換器520。 除非另有指示，否則說明書及申請專利範圍中所使用之 I56200.doc •24·

S 201202834 表示特徵尺寸、纽物理性質之所有數字應被理解為由術 語「約」+以修正。相應地，除非有相反的指示，否則在 前述說明書及附加之巾請專㈣圍巾所陳狀數值參數為 可取決於熟習此項技術者利用本文中所揭示之教示所設法 獲得之所要性質而改變之近似值。 本文中所引用之所有參考文獻及公開案係以在本發明中 全文引用之方式明確地併入本文中，除非該等參考文獻及 公開案可能與本發明直接抵觸《雖然本文中已說明且描述 特定實施例，但一般熟習此項技術者將暸解，在不脫離本 發明之範疇的情況下’多種替代及/或等效實施可替代所 展示及描述之特定實施例。本申請案意欲涵蓋本文中所論 述之特定實施例之任何調適或變化。因此，希望本發明僅 受申請專利範圍及其等效物限制。 【圖式簡單說明】 圖1展示一影像投影器之示意圖； 圖2展示一光學元件之橫截面示意圖； 圖3展示一光學元件之橫截面示意圖；及 圖4展示一偏振轉換器之橫截面示意圖。 【主要元件符號說明】 100 影像投影器 101 透鏡之單片陣列 110 色彩組合器模組 112 輸入光源 114 輸入光源 156200.doc -25- 201202834 116 輸入光源 118 校準光學器件 120 色彩組合器 124 組合光輸出 130 均勻化偏振轉換器模組 140 偏振轉換器 145 均勻化的偏振光 150 影像產生器模組 152 成像光學器件 154 成像光學器件 156 偏振光束分光器（PBS) 158 空間光調變器 160 成像光 165 影像光 170 投影模組 172 投影光學器件 174 投影光學器件 176 投影光學器件 180 投影影像光 200 光學元件 201 單片複眼陣列（FEA) 210 第一小透鏡陣列 211 第一光轴 212a 第二透鏡 156200.doc -26. 201202834 212b 第一透鏡 214 選用之中央基板 220 偏振轉換器 221 棱鏡面/第三面 222 第一梭鏡 223 棱鏡面/第一面 224 第二稜鏡 225 棱鏡面/第五面 226 第三棱鏡 227 稜鏡面/第四面 228 棱鏡面/第二面 229 稜鏡面/對角面 230 第二小透鏡陣列 232a 第三透鏡 232b 第四透鏡 240 反射偏振器 242 四分之一波延遲i 244 寬頻鏡 246 第二寬頻鏡 250 非偏振光 251 第一 s偏振光射線 252 第一 P偏振光 253 第二p偏振光 260a 第一發散P偏振光 -27- )· 156200.doc 201202834 260b 400 401 410 412a 412b 414 420 421 423 424 425 426 430 432a 432b 440 446 450 452 453 454 460b 520 第二發散p偏振光 光學元件 單片複眼陣列（FEA) 第一小透鏡陣列 第一小透鏡陣列之第二透鏡 第一小透鏡陣列之第一透鏡 選用之中央基板 偏振轉換器 棱鏡面/第三棱鏡面 第三棱鏡面 第二棱鏡 稜鏡面/第五面 第三稜鏡 第二小透鏡陣列 第二小透鏡陣列之第四透鏡 第二小透鏡陣列之第三透鏡 反射偏振器 寬頻鏡 非偏振輸入光 p偏振光射線 s偏振光射線 第s偏振光射線 第二S偏振發散光射線 偏振轉換器 156200.doc -28-

S 201202834 521 第一稜鏡面 522 第一棱鏡 523 棱鏡面 524 第二稜鏡 525 稜鏡面/第五面 526 第三稜鏡 529 稜鏡面 540 反射偏振器 546 寬頻反射器 548 半波延遲器 552 非偏振輸入光

553 562 572 P 經反射之第一 S偏振光束 經透射之p偏振光束 第—S偏振光束 選用之延長部分 單片複眼陣列之厚度 156200.doc -29

Claims (1)

1. 201202834 七、申請專利範圍·· 1. 一種光學元件’其包含： 一偏振轉換器’其經安置以接受一非偏振光且輸出— 偏振光； 具有第一複數個透鏡之一第一小透鏡陣列，其經安置 以接受該偏振光且輸出一會聚偏振光； 具有第二複數個透鏡之一第二小透鏡陣列，其經安置 以接受該會聚偏振光且輸出一發散偏振光； 其中該第一小透鏡陣列及該第二小透鏡陣列為一單片 陣列，且與該第一複數個透鏡中之一第一透鏡之光轴重 合之一偏振光射線與該第二複數個透鏡t之一第二透鏡 之光轴重合。 2·如請求項1之光學元件，其中該單片陣列包含一玻璃、 一塑膠或一聚矽氧。 3·如請求項1之光學元件，其中該單片陣列包含在55〇奈米 之一標稱波長下小於約30奈米之一雙折射率。 4. 如請求項丨之光學元件，其中該偏振光射線包含具有相 等光徑長度之一第一偏振光射線及一第二正交偏振光射 線。 5. 如》月求項1之光學元件，其中該第一複數個透鏡中之每 者之焦點定位於該第二複數個透鏡之一第一主平面 處。 6. 如請求項1之光學元件，其中該單片陣列進一步包含安 置於該第一複數個透鏡與該第二複數個透鏡之間的一聚 156200.doc 201202834 合物臈。 7. 如知求項1之光學元件，奚φ兮笛 一、 具中該第一複數個透鏡及該第 一複數個透鏡具有一對一對應關係。 8. 如請求項1之光學元件，箕中兮筮—、〃批， 再中°玄第—複數個透鏡及該第 二複數個透鏡中之至少—者包含枉面透鏡。 9. 如請求項1之光學元件，其中兮筐 . τ再甲3哀第一複數個透鏡及該第 二複數個透鏡中之至少—老句冬雒 者包含雙凸透鏡、球面透鏡或 非球面透鏡。 10.如請求们之光學元件，纟中該第—複數個透鏡中之每 -者及該第二複數個透鏡中之4一者具有一會聚度數。 u.如請求項1之光學元件，#中該偏振轉換器包含-偏振 光束分光器（PBS)及一偏振旋轉器。 12_如請求項^之光學元件，其中該pBs包含一MacNeine偏 振器、MacNeille偏振器之一陣列、一線柵偏振器、一 s 偏振反射偏振器或一 P偏振反射偏振器。 13.如請求項丨丨之光學元件，其中該偏振旋轉器包含一個四 分之—波延遲器、一半波延遲器、一液晶或一液晶聚合 物。 14. 如請求項〗丨之光學元件’其進一步包含一寬頻反射器。 15. 如請求項14之光學元件，其中該寬頻反射器包含具有一 全内反射（TIR)表面之一棱鏡。 16. 如請求項14之光學元件，其中該寬頻反射器包含一鏡 面。 17. —種光投影器，其包含： 156200.doc .2- S 201202834 一第一非偏振光源及一第二非偏振光源； -色彩組合器’其經安置以輸出來自該第—非偏振光 源及該第二非偏振光源之一組合非偏振光； 一光學元件，其包含： -偏振轉換器’其經安置以接受該組合非偏振光且 輸出一偏振光； 具有第一複數個透鏡之一第一小透鏡陣列，其經安 置以接受該偏振光且輸出一會聚偏振光； 具有第二複數個透鏡之一第二小透鏡陣列，其經安 置以接受該會聚偏振光且輸出一發散偏振光， 其中該第一小透鏡陣列及該第二小透鏡陣列為一單 片陣列，且與該第一複數個透鏡中之一第一透鏡之光 軸重合之一偏振光射線與該第二複數個透鏡中之一第 一透鏡之光轴重合。 18. —種影像投影器，其包含： 一第一非偏振光源及一第二非偏振光源； —色彩組合器’其經安置以輸出來自該第__非偏振光 源及邊第二非偏振光源之一組合非偏振光； 一光學元件，其包含： 一偏振轉換器，其經安置以接受該組合非偏振光且 輸出一偏振光； 具有第一複數個透鏡之一第一小透鏡陣列，其經安 置以接受該偏振光且輸出一會聚偏振光；及 具有第二複數個透鏡之一第二小透鏡陣列，其經安 156200.doc 201202834 置以接受該會聚偏振光且輸出一發散偏振光， 其中該第-小透鏡陣列及該第二小透鏡陣列為一單 片陣列，且與該第一複數個透鏡中之一第一透鏡之光 軸重合之一偏振光射線與該第二複數個透鏡中之一第 二透鏡之光軸重合； 二間光調變器’其經安置以將一影像賦予該發散偏 振光；及 投影光學器件。 19. 20. 如請求項18之影像投影器，其中該空間光調變器包含一 梦基液晶（L CoS)成像器或一透射性液晶顯示器（LCD)。 如請求項18之影像投影器，其中來自該第二透鏡陣列之 每一透鏡之該發散偏振光照明該空間光調變器的一主要 部分。 156200.doc 4-