TW201640212A - 小型投影系統及相關組件 - Google Patents

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智省 貟
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Abstract

本文揭示一種適用於小型化之投影系統及其組件。此等系統及組件可使用下列特徵之一或多者：在一反射腔或一分光器中的一折疊式光學路徑；一照明光束，其在照射到空間光調變器的位置之處會聚；一分光器，其使用實質上不同尺寸的相對稜鏡；一分光器，其傾斜設置的部分反射器界定一第一矩形參考空間，且其中該光源之至少一部分或該投影機鏡頭之至少一部分係設置於此第一矩形參考空間之內；一系統，其中該第一矩形參考空間及一第二矩形參考空間之面積比係在一指定的範圍內，其中該第二矩形參考空間剛好大到足以包圍該投影機的光學組件；一系統，其中投影機鏡頭係小於該空間光調變器。

Description

小型投影系統及相關組件
本發明大體上關於光學投影系統，其特別應用於小尺寸的此種系統，例如，小到足以使投影系統的所有光學組件能夠適配於一手掌內，或者小到足以使投影系統可以併入可由一使用者穿戴的一裝置或用具中，如一安全帽、眼睛佩戴物、或其他頭戴物。本發明亦關於與此種投影系統有關的組件，如小型偏光照明器、小型偏光分光器，以及相關的物件、系統、及方法。
已知如照明器及分光器之投影系統及組件係包括偏光照明器及偏光分光器。然而，許多此種系統及組件並非設計以在適用於小型應用的小尺寸(如穿戴式或口袋型電光裝置)中提供高效能或高亮度。
吾等開發出可高度適用於小型應用中的新系列投影系統及相關組件，如偏光照明器(polarized illuminator)及偏光分光器(polarizing beamsplitter)。在一些情況下，藉由使用經提供在一反射腔或一分光器中的一折疊式光學路徑而致能或促成小型化(miniaturization)。在一些情況下，藉由使用在其照射到空間光調變器 (spatial light modulator)之位置處會聚的一照明光束而促成小型化。在一些情況下，藉由使用一包含實質上不同尺寸之相對稜鏡的分光器而促成小型化。在一些情況下，藉由符合條件的分光器而促成小型化：其傾斜設置的部分反射器界定一第一矩形參考空間，且其中一光源之至少一部分或一投影機鏡頭之至少一部分係設置於此第一矩形參考空間之中。在一些情況下，藉由其中第一矩形參考空間及第二矩形參考空間之面積比係在30%至70%之範圍內的系統例示小型化，其中第二矩形參考空間剛好大到足以包圍投影機的光學組件。在一些情況下，藉由使用比空間光調變器要小的投影機鏡頭而促成小型化，例如該投影機鏡頭的一橫向尺寸，及/或其個別鏡片之一或多者的一橫向尺寸可係不大於該空間光調變器之相對應橫向尺寸的30%、50%或70%。
本文例如揭示小型投影機，其包括一分光器、一光源、一空間光調變器、以及一投影機鏡頭。該分光器包括一反射偏光器，該反射偏光器係經傾斜設置以界定一第一矩形參考空間的一對角線。該光源係經設置成近接該反射偏光器，且經組態以朝向該反射偏光器發射一輸入光束。該空間光調變器係設置以接收一由該輸入光束衍生出的輸出照明光束，該空間光調變器係調適以選擇性地反射該輸出照明光束，以提供由該投影機鏡頭經調適以接收的一圖案化光束。該分光器、該光源、該空間光調變器、以及該投影機鏡頭係由一第二矩形參考空間所包圍。該第一矩形參考空間具有一面積A1，而該第二矩形參考空間具有一面積A2，且30%<A1/A2<70%。
本文所揭示之投影機包括一反射偏光器、一光源、一空間光調變器、以及一投影機鏡頭。該反射偏光器係經傾斜設置以界定一第一矩形參考空間的一對角線。該光源係經設置成近接該反射偏光器，且經組態以朝向該反射偏光器發射一輸入光束。該空間光調變器係經設置以接收一由該輸入光束衍生出的輸出照明光束，且係調適以選擇性地反射該輸出照明光束，以提供一圖案化光束。該投影機鏡頭係經調適以接收該圖案化光束。該光源之至少一部分或該投影機鏡頭之至少一部分係設置在該第一矩形參考空間之內。
本文所揭示之分光器包括一第一稜柱體，其包含一第一稜鏡；一第二稜柱體，其包含一第二稜鏡；以及一反射偏光器，其夾在該第一稜柱體與該第二稜柱體之間。該第一稜鏡係實質上小於該第二稜鏡。
本文所揭示之照明器包括一反射器及一反射偏光器，該反射偏光器係經設置以與該反射器形成一反射腔。該等照明器亦包括一延遲膜，其係設置在該反射腔之內；以及一光源，其係經設置以朝向該反射器發射一通過該反射偏光器的第一偏振狀態之輸入光束。該反射器、該反射偏光器、及該延遲膜係經組態以自該輸入光束產生一輸出照明光束，且該輸出照明光束係經偏振。
本文所揭示之照明器包括一反射器；一反射偏光器，其係相對於該反射器傾斜設置；以及一延遲膜，其係設置在該反射器與該反射偏光器之間；以及一光源，其係經設置以朝向該反射器發射一通過該反射偏光器的第一偏振狀態之輸入光束。該反射器、該反射偏 光器、及該延遲膜係經組態以自該輸入光束產生一輸出照明光束，且該輸出照明光束具有一正交於該第一偏振狀態的第二偏振狀態。
本文亦揭示包括前述照明器之投影機。
本文亦討論相關方法、系統、及文獻。
從下文實施方式將可容易明白本申請案之此等及其他態樣。然而，在任何情況下皆不應將上述發明內容視為對所主張之標的之限制，該標的僅由隨附申請專利範圍單獨定義，並且可在審查期間進行修訂。
110‧‧‧投影機
120‧‧‧光源
122‧‧‧LED晶粒
124‧‧‧偏光器
130‧‧‧反射腔
132‧‧‧反射器
134‧‧‧反射偏光器
136‧‧‧延遲膜
138‧‧‧孔
140‧‧‧照明器
142‧‧‧光學軸
144‧‧‧光線
144a‧‧‧射線部分
144b‧‧‧射線部分
144c‧‧‧射線部分
144d‧‧‧射線部分
150‧‧‧空間光調變器
152‧‧‧像素元件
160‧‧‧投影機鏡頭
161、162、163、164、165‧‧‧個別鏡頭
170‧‧‧箭頭；輸入光束
172‧‧‧輸出照明光束
174‧‧‧圖案化光束
176‧‧‧(投影)輸出光束
232‧‧‧反射器
232a‧‧‧邊界或邊緣
232b‧‧‧邊界或邊緣
238‧‧‧孔
242‧‧‧光學軸
350‧‧‧空間光調變器；調變器
352‧‧‧像素元件
420‧‧‧光源
422‧‧‧LED晶粒
424‧‧‧偏光器
430‧‧‧反射腔
431‧‧‧第一光學鏡片或光學體
431a‧‧‧外部曲面；外部表面；曲面
432‧‧‧反射器
433‧‧‧第二光學鏡片或光學體
433a‧‧‧外部曲面；曲面
434‧‧‧反射偏光器
435‧‧‧介面
436‧‧‧延遲膜
438‧‧‧孔
440‧‧‧照明器
442‧‧‧光學軸
450‧‧‧空間光調變器
452‧‧‧像素元件
470‧‧‧輸入光束
472‧‧‧輸出照明光束；光束
474‧‧‧透射圖案化光束
520‧‧‧光源
522‧‧‧LED晶粒
524‧‧‧偏光器
530‧‧‧反射腔
531‧‧‧第一光學鏡片或光學體
531a‧‧‧主要曲面；內部曲面；內部表面；曲面
532‧‧‧反射器
533‧‧‧第二光學鏡片或光學體
533a‧‧‧主要曲面；內部曲面；曲面
534‧‧‧反射偏光器
536‧‧‧延遲膜
538‧‧‧孔
540‧‧‧照明器
542‧‧‧光學軸
550‧‧‧空間光調變器
552‧‧‧像素元件
570‧‧‧輸入光束
574‧‧‧透射圖案化光束；光束
631‧‧‧第一光學體；光學體
631a‧‧‧主要外部凸表面；表面
633‧‧‧第二光學體；光學體
633a‧‧‧主要外部凹表面；表面
635‧‧‧平面介面
637‧‧‧光學體
642‧‧‧光學軸
720‧‧‧光源
722‧‧‧LED晶粒
724‧‧‧偏光器
730‧‧‧反射腔
731‧‧‧第一光學鏡片或光學體
731a‧‧‧主要曲面；表面
732‧‧‧反射器
733‧‧‧第二光學鏡片或光學體
733a‧‧‧主要曲面；表面
734‧‧‧反射偏光器
736‧‧‧延遲膜
738‧‧‧孔
740‧‧‧(小型)照明器
742‧‧‧光學軸
744‧‧‧代表性光線
744a‧‧‧第一射線部分
744b‧‧‧第二射線部分
744c‧‧‧第三射線部分
744d‧‧‧第四射線部分
744e‧‧‧第五射線部分
750‧‧‧空間光調變器
752‧‧‧像素元件
760‧‧‧投影機鏡頭
761、762、763、764、765‧‧‧個別鏡頭
770‧‧‧輸入光束
774‧‧‧透射圖案化光束；光束
820‧‧‧光源
822‧‧‧LED晶粒
824‧‧‧偏光器
831‧‧‧第一光學體
831a‧‧‧外部曲面；曲面；表面
833‧‧‧第二光學體
833a‧‧‧外部曲面；曲面；表面
835‧‧‧平面介面
837‧‧‧光學體
842‧‧‧光學軸
854‧‧‧空間光調變器
870‧‧‧輸入光束
872‧‧‧輸出照明光束
902a、902b、902c、902d、902e‧‧‧實曲線
904a、904b、904c、904d、904e‧‧‧虛曲線
1002b‧‧‧實曲線
1004b‧‧‧虛曲線
1103‧‧‧第一矩形參考空間；參考空間
1105‧‧‧第二矩形參考空間；參考空間；矩形參考空間
1110‧‧‧投影機
1120‧‧‧光源
1122‧‧‧LED晶粒
1124‧‧‧偏光器
1144‧‧‧代表性光線
1144a‧‧‧第一射線部分
1144b‧‧‧射線部分
1144c‧‧‧射線部分
1144d‧‧‧射線部分
1144e‧‧‧射線部分
1144f‧‧‧射線部分
1144g‧‧‧射線部分
1150‧‧‧空間光調變器
1152‧‧‧像素元件
1152a‧‧‧軸上像素
1152b‧‧‧離軸像素
1160‧‧‧投影機鏡頭
1161、1162、1163、1164‧‧‧個別鏡片
1170‧‧‧偏振輸入光束；輸入光束
1172‧‧‧輸出照明光束
1176‧‧‧投影輸出光束
1180‧‧‧偏光分光器；分光器
1182‧‧‧反射器
1184‧‧‧反射偏光器
1186‧‧‧延遲膜
1190‧‧‧第一稜柱體
1192‧‧‧稜鏡
1192a、1192b‧‧‧刻面
1195‧‧‧稜鏡
1210‧‧‧投影機
1220‧‧‧光源
1250‧‧‧空間光調變器
1252‧‧‧像素元件
1260‧‧‧投影機鏡頭
1276‧‧‧投影輸出光束
1280‧‧‧偏光分光器；分光器
1282‧‧‧反射器
1284‧‧‧反射偏光器
1286‧‧‧延遲膜
1290‧‧‧第一稜柱體
1292‧‧‧稜鏡
1292a、1292b‧‧‧刻面
1295‧‧‧稜鏡
1310‧‧‧投影機
1320‧‧‧光源
1350‧‧‧空間光調變器
1352‧‧‧像素元件
1360‧‧‧投影機鏡頭
1380‧‧‧偏光分光器
1382‧‧‧反射器
1384‧‧‧反射偏光器
1386‧‧‧延遲膜
1390‧‧‧第一稜柱體
1392‧‧‧稜鏡
1392a、1392b‧‧‧刻面
1395‧‧‧稜鏡
1403‧‧‧第一矩形參考空間；參考空間；矩型參考空間
1405‧‧‧第二矩形參考空間；參考空間；矩型參考空間
1410‧‧‧投影機
1420‧‧‧光源
1430‧‧‧反射腔
1431‧‧‧光學鏡片或光學體
1431a‧‧‧外部表面
1432‧‧‧反射器
1434‧‧‧反射偏光器
1436‧‧‧延遲膜
1438‧‧‧孔
1444‧‧‧代表性光線
1444a‧‧‧第一射線部分
1444b‧‧‧反射射線部分
1444c‧‧‧射線部分
1444d‧‧‧射線部分
1444e‧‧‧反射射線部分
1444f‧‧‧射線部分
1444g‧‧‧射線部分
1444h‧‧‧射線部分
1444i‧‧‧射線部分
1450‧‧‧空間光調變器
1460‧‧‧投影機鏡頭
1476‧‧‧投影輸出光束
1480‧‧‧偏光分光器；分光器
1484‧‧‧反射偏光器
1490‧‧‧第一稜柱體
1492‧‧‧稜鏡
1492a、1492b‧‧‧刻面
1495‧‧‧稜鏡
1503‧‧‧第一矩形參考空間；參考空間；矩型參考空間
1505‧‧‧第二矩形參考空間；參考空間；矩型參考空間
1510‧‧‧投影機
1520‧‧‧光源
1530‧‧‧反射腔
1531‧‧‧光學鏡片或光學體
1532‧‧‧反射器
1534‧‧‧反射偏光器
1536‧‧‧延遲膜
1538‧‧‧孔
1544‧‧‧代表性光線
1544a‧‧‧第一射線部分
1544b‧‧‧反射射線部分
1544c‧‧‧射線部分
1544d‧‧‧射線部分
1544e‧‧‧反射射線部分
1544f‧‧‧射線部分
1544g‧‧‧射線部分
1544h‧‧‧射線部分
1544i‧‧‧射線部分
1545‧‧‧傳入的光線
1545a‧‧‧第一射線部分；射線部分
1545b‧‧‧射線部分
1545c‧‧‧射線部分
1545d‧‧‧射線部分
1545e‧‧‧射線部分
1550‧‧‧空間光調變器
1560‧‧‧投影機鏡頭
1580‧‧‧偏光分光器；分光器
1584‧‧‧反射偏光器
1590‧‧‧第一稜柱體；稜柱體
1595‧‧‧第二稜柱體或稜鏡
1596‧‧‧偵測器裝置
1610‧‧‧投影機
1620‧‧‧光源
1644‧‧‧代表性光線
1644a‧‧‧射線部分
1644b‧‧‧射線部分
1644c‧‧‧射線部分
1650‧‧‧(透射型)空間光調變器
1660‧‧‧投影機鏡頭
a、b、c、d、e、f‧‧‧點
H1、H2‧‧‧稜鏡高度
HL1、HL2‧‧‧斜邊長度
L1‧‧‧鏡片
L2‧‧‧鏡片
P1‧‧‧第一偏振狀態
P2‧‧‧第二偏振狀態
現將參考下列圖式描述本發明，其中：圖1係一小型投影系統之示意俯視圖；圖2係在圖1之投影系統中所使用之一反射器之示意前視圖；圖3係在圖1之投影系統中所使用之一空間光調變器之示意前視圖；圖4係一小型投影系統之一部分之示意側視圖，其中小型照明器包含一「固態腔(solid cavity)」類型反射腔；圖5係一小型投影系統之一部分之示意側視圖，其中小型照明器包含一「空心腔(hollow cavity)_」類型的反射腔；圖6A係用作一小型照明器之一反射腔之一光學體之示意透視圖；而圖6B、圖6C、及圖6D係該光學體之示意後視圖、側視圖、及俯視圖；圖7係另一小型投影系統之示意側視圖； 圖8係用作一小型照明器之一反射腔之一光學體之示意側視圖，其中一表面係粗糙化以促成光散射，且使得輸出照明光束在空間中更加均勻；圖9A係該照明光束之輸出平面處之照射度與位置的圖表，其中表面粗糙度提供0.01度的一高斯散射角；圖9B係類似於圖9A的圖表，但其中表面粗糙度提供0.1度的一高斯散射角；圖9C係類似於圖9A的圖表，但其中表面粗糙度提供1度的一高斯散射角；圖9D係類似於圖9A的圖表，但其中表面粗糙度提供2度的一高斯散射角；圖9E係類似於圖9A的圖表，但其中表面粗糙度提供4度的一高斯散射角；圖10A係圖9C的複本；圖10B係類似於圖9A的圖表，但其中反射腔運用一空心腔，且表面粗糙度提供1度的一高斯散射角；圖11係另一小型投影系統之示意俯視圖或側視圖，此投影機具有一照明器，該照明器使用實質上不同稜鏡尺寸的一偏光分光器；圖11A係與圖11相同的示意圖，但在該投影機上疊有兩個矩形參考空間； 圖11B係與圖11相同的示意圖，但繪出通過偏振狀態(pass polarization state)之軸上及離軸影像射線，以顯示射線通過該系統的傳播；圖11C係與圖11相同的示意圖，但繪出阻隔偏振狀態(block polarization state)之軸上及離軸影像射線，以顯示射線通過該系統的傳播；圖12係另一小型投影系統之示意俯視圖或側視圖，此投影機亦具有一照明器，該照明器使用實質上不同稜鏡尺寸的一偏光分光器；圖13係另一小型投影系統之示意俯視圖或側視圖，此投影機亦具有一照明器，該照明器使用實質上不同稜鏡尺寸的一偏光分光器；圖14係另一小型投影系統之示意俯視圖或側視圖，此投影機具有一照明器，該照明器使用一反射腔以及實質上不同稜鏡尺寸的一偏光分光器；圖14A係圖14之光學體之外部表面上之反射層及延遲層之放大示意圖；圖14B係與圖14相同的示意圖，但在該投影機上疊有兩個矩形參考空間；圖15係另一小型投影系統之示意俯視圖或側視圖，此投影機具有一照明器，該照明器使用一反射腔以及一偏光分光器，該投影系統亦包括一偵測器裝置； 圖15A係與圖15相同的示意圖，但在該投影機上疊有兩個矩形參考空間；且圖16係另一投影系統之示意側視圖。
圖式中，相似元件符號指代相似元件。
如前所述，吾等開發出非常適用於小型化的新系列投影系統及其相關組件。這些系統及組件可使用下列特徵之一或多者：在一反射腔或一分光器(例如偏光分光器)中的一折疊式光學路徑；一照明光束，其在照射到空間光調變器的位置之處會聚；一分光器，其使用實質上不同尺寸的相對稜鏡；一分光器，其傾斜設置的部分反射器界定一第一矩形參考空間，且其中該光源之至少一部分或該投影機鏡頭之至少一部分係設置於此第一矩形參考空間之內；一系統，其中第一矩形參考空間及一第二矩形參考空間之面積比係在30%至70%或40%至70%之範圍內，其中第二矩形參考空間剛好大到足以包圍投影機的光學組件，如分光器、光源、空間光調變器、及投影機鏡頭；一系統，其中投影機鏡頭係小於空間光調變器的作用區域，例如該投影機鏡頭的一橫向尺寸，及/或其個別鏡片之一或多者的一橫向尺寸可係不大於該空間光調變器之相對應橫向尺寸的30%、50%或70%；一系統，其中投影機鏡頭的收集效率在空間光調變器區域係實質上均勻。
接著，參照圖1，其係一小型投影機110之示意俯視圖。為了參考目的，該投影機110係以笛卡爾x-y-z座標系(Cartesian x-y-z coordinate system)繪製，其中假設x-z平面界定一水平面，及y 軸係一垂直軸，亦可使用其他慣例。該投影機110包括一照明器140、一空間光調變器150、及一投影機鏡頭160。假設座標系z軸係與該投影機110及其組件零件之一光學軸142平行。該照明器140產生一輸出照明光束172，其照射在該空間光調變器150上。在例示性實施例中，該輸出照明光束172在此調變器150之整個作用區域上係空間上實質上均勻，使得投影影像的亮度亦係實質上均勻。
一習知的電子控制器(未顯示)與該空間光調變器150耦合，且以影像化(image-wise)的方式控制個別元件(像素元件)152的狀態。該等像素元件152通常係配置成行與列的柵(grid)，以提供一矩形作用區域。一給定的像素元件152在一單色顯示器的情況下可具有兩個狀態：「開啟(on)」或「關閉(off)」，或者其可具有紅色、綠色、及藍色子元件以提供一完整的彩色影像。亦可考慮空間光調變器150的其他習知組態。在圖1的實施例中，該空間光調變器150係一透射型調變器。該空間光調變器150因而將輸出照明光束172轉變成經透射圖案化光束174，該光束含有來自電子控制器之影像化或空間上圖案化的資訊。該調變器150可係一非偏光透射裝置，如一微機電系統(MEMS)，或可係一液晶型調變器。在後者情況中，該調變器150選擇性地旋轉離開像素陣列之光的偏振，且進一步在此情況之下，一偏光器(未顯示)係於該投影機110中插入於該空間光調變器後，以從「關閉」像素中過濾出「開啟」像素。
該圖案化光束174接著係由該投影機鏡頭160所攔截，以產生一投影輸出光束176。輸出光束176可產生一真實影像，例如 可顯示在相對於投影機110遠距離設置之一實體表面或基板的一影像，或者該輸出光束可產生一虛擬影像，例如可由使用者眼睛直接觀看的一影像。一般而言(不代表在所有情況下)，該投影機鏡頭160係一模組，其包括依序配置的複數個個別鏡片。在圖1之實施例中，該投影機鏡頭160包括個別鏡片161、162、163、164、及165。這些鏡片係示意性繪製，讀者應理解該等個別鏡片具有曲面、適當的厚度且由合適的光學玻璃或塑膠所組成，以提供高品質光學表現。在一例示性實施例中，該投影機鏡頭係一五元件模組，其含有五個個別鏡片，將進一步於下文的表格提出。在一替代實施例中，可藉由在所提及的五元件投影機鏡頭省略第五個鏡頭(鏡頭5)獲得一四元件投影機鏡頭。圖1的比例以投影機鏡頭160及其個別鏡片來說係精確的，其各具有一橫向尺寸(例如與x軸平行、或與y軸平行、或沿著空間光調變器150之對角線)，且該橫向尺寸實質上小於空間光調變器150之一相對應橫向尺寸。輸出照明光束172係一會聚光束使此成為可能。例如，該投影機鏡頭160的橫向尺寸、及/或其個別鏡片之一或多者的橫向尺寸可係不大於該空間光調變器150之相對應橫向尺寸的30%、50%或70%。在根據下文進一步提供的投影機鏡頭表格的一例示性實施例中，該(五元件)投影機鏡頭之橫向尺寸係2.88mm，且該5：4空間光調變器之對角線長度係6mm，百分比為48%。最接近該空間光調變器之個別鏡頭的橫向尺寸係2.8mm，百分比為47%。
照明器140的目的係在於照明空間光調變器150之作用區域，使得可產生一光學影像或圖案。在許多(但並非所有)情況 下，希望輸出照明光束172係在照射到空間光調變器150之位置處的一會聚光束，如光線144所顯示。通常也希望輸出照明光束172在空間光調變器150之作用區域上的亮度可相對地均勻。再者，通常希望在實體體積小的封裝中達到此一照明，且使用高效率、高亮度光源，以保持低熱量產生及小尺寸裝置。高效率、高亮度光源的一合理選項係一或多個分散的固態光源，如發光二極體(LED)。然而，亦可使用其他合適的光源。
在此方面，「發光二極體」或「LED」係指發光(無論可見光、紫外光或紅外光)之二極體，雖然在最實際的實施例中，該發射光具有在可見光譜中的峰值波長，例如從約400至700nm。用語LED包括：以「LED」為名銷售之非同調經包裝或囊封的半導體裝置，無論習用或超級輻射種系(super radiant variety)；及同調半導體裝置，例如雷射二極體，包括但不限於垂直腔表面發光雷射(VCSEL)。「LED晶粒」係LED的最基本形式，即，藉由半導體加工程序製作之一個別組件或晶片之形式。例如，LED晶粒可由一或多種III族元素及一或多種V族元素之一組合(III-V半導體)所形成。組件或晶片可包括適用於施加電力以供能量給裝置的電接點。實例包括線接合、捲帶式自動接合(TAB)或覆晶接合。一般在晶圓級形成組件或晶片之個別層及其他功能性元件，且接著可將成品晶圓切割成單個零件，以產出多個LED晶粒。LED晶粒可經組態用於表面安裝、直裝電路板(chip-on-board)或其他已知的安裝組態。一些封裝LED是藉由在LED晶粒及相關聯反射器罩杯上形成聚合物封裝材料來製作。一些封裝 LED亦包括由一紫外光或短波長可見LED晶粒激發的一或多個磷光材料，且在可見光譜之一或多個波長處發出螢光。作為本應用目的之「LED」亦應視為包括有機發光二極體，通常被稱為OLED。
在照明器140的中心點係一光源120，其可包括一或多個LED，在一些情況中包括一或多個雷射二極體。可合併數個此種LED以產生一所欲光的光譜分布。例如，可合併紅色、綠色、及藍色發光LED之輸出以產生標稱白光(nominally white light)，或者可使用或額外地使用白色發光LED。或者，可使用一特定非白色之一或多個LED來產生有色(非白色)的照明，例如紅色、或綠色、或藍色照明，其中投影影像將係單色而非全彩色。在圖1之示意圖中，光源120係繪製成單一LED晶粒122，其係設置於一偏光器124之後。如在該LED晶粒發出藍色或UV光且該光源覆蓋有一黃色或白色發光磷光體之薄塗層(未顯示)的情況下，則假設光源120係發出白光。偏光器124，其可係任何合適的偏光器，包括一吸收線性偏光器、一多層聚合反射偏光器、或一反射偏光器及一吸收偏光器的層壓體，其主要地僅透射光的一種偏振狀態，致使由光源120所發出的光係經偏振。在替代實施例中，一光導、鏡頭或顏色組合器可插入在LED晶粒122與偏光器124之間，以允許該LED晶粒(必要時，或其他主動光源)可遠離該偏光器安裝。在其他替代實施例中，可省略該偏光器124，使得由光源120發出的光係非經偏振。在其他情況下，可保有該偏光器124，且可在偏光器124上添加一延遲膜(如一四分之一波延遲器)，使得光源120發射旋轉式偏振(圓形或橢圓形偏振)光。然 而，在圖1所示之具體實施例中，光源120發射偏振光，因為偏光器124係包括在LED晶粒122的前方。箭頭170示意性表示由光源120發射至一反射腔內的一輸入光束，該反射腔亦係照明器140的部分，將進一步於下文闡明。輸入光束170假設包含寬頻帶(及經偏振)白光，且輸入光束假設涵蓋傳播方向的一分布，例如在圍繞光學軸142為中心之角度的一高斯分布。為了闡明目的，一代表性光線144係顯示源自光源120且傳播通過投影機110。一第一射線部分144a係輸入光束170的部分，且由於偏光器124而顯示具有一偏振狀態P1。
輸入光束170係發射至一反射腔130內，該反射腔係由一反射偏光器134及一反射器132形成。對於輸入光束170之光譜範圍內的光及對於所有偏振狀態而言，反射器132具有一鏡面反射率(例如，在一些情況下至少係70%、或至少80%、或至少90%、或至少95%)，且在一些情況下，該反射器亦在反射射線中實質上保存一入射光線的偏光程度。可使用可提供這些特性的任何已知結構或材料。為此目的，可使用適當地定向或處理的金屬塗層、光學增強金屬塗層、多層干涉結構或薄膜，無論是否係無機材料交替堆疊物、或者共擠式聚合物堆疊物，以在角度範圍或受關注光譜範圍中及針對所有偏光作用提供一高反射率。請參見例如美國專利案第5,882,774號(Jonza等人)。或者，在一些情況下，一簡單金屬塗層(如一鋁層、或一銀層)可用於反射器132。對於受關注之光譜範圍內的光之一種偏振狀態而言，反射偏光器134提供一高反射率(例如，在一些情況下，至少係70%、或至少80%、或至少90%)，同時對在此一光譜範 圍內的一正交偏振狀態的光亦提供一低反射率(例如，在一些情況下，低於30%、或低於20%、或低於10%)及相對應高透光率。可使用可提供這些特性的任何已知結構或材料。一線柵偏光器、膽固醇型反射偏光器、或多層聚合反射偏光膜(包含共擠式聚合物的一干涉堆疊，其係適當地定向或處理以針對一種偏振狀態提供一高反射率，及針對一正交偏振狀態提供一低反射率)可用於反射偏光器134。作為一特定實例，可購自3M Company,St.Paul,MN的高級偏光膜(Advanced Polarizer Film，APF)可用於反射偏光器134。給定一適當的反射器132及反射偏光器134，一種偏振狀態的光可在反射腔130內來回反射，如光線144所繪示。在所繪示之實施例中，反射偏光器134係定向以針對第一偏振狀態P1的光提供高反射率，且因此將針對一正交的第二偏振狀態P2的光提供低反射率及高透光率。
為了使光源120發出的偏振光從照明器140中出射，偏振狀態應可從第一偏振狀態P1(其係被反射偏光器134高度反射)旋轉至正交的第二偏振狀態P2(其係被反射偏光器134高度透射)。為了達成此旋轉，本揭露包括一延遲膜136在反射腔130中。如圖所示，延遲膜136可位在接近反射器132且可實質上與該反射器共同延伸，但是延遲膜136也可替代地位在反射腔130中的其他位置。以一代表性光線穿過該延遲膜的次數來選擇由延遲膜136提供的延遲量，以提供該偏振狀態之所欲旋轉。在所繪示之實施例中，光穿過該延遲膜兩次，將會導致選擇用於該延遲膜136的光之四分之一波的一(單趟)延遲。因此，參考光線144，一旦在反射偏光器134反射，第一 偏振狀態P1即會維持在反射射線部分144b中。此射線部分144b會穿過延遲膜136，且會在反射器132處被反射。所得的反射射線部分144c會再次穿過延遲膜136，之後獲取第二偏振狀態P2(正交於狀態P1)，其為穿過延遲膜兩次的結果。此射線部分144c因此會被反射偏光器134高度透射，且會從照明器140出射為射線部分144d，其仍具有第二偏振狀態P2。射線部分144c係構成輸出照明光束172之許多光線之一，如上所述。
反射器132與反射偏光器134可具有例如與x軸平行、或與y軸平行、或沿著空間光調變器150之一對角線的相同或類似的橫向尺寸。此外，反射器132與反射偏光器134可係定形狀以適當地具有凸面曲度或凹面曲度，以聚焦來自光源的光，產生在其照射到空間光調變器150的位置之處會聚的一輸出照明光束172。圖1繪示此種曲度之一實例。該等曲度可係簡單球面曲度，或者可係非球面。在一些情況下，該等曲度亦可係變形(anamorphic)的，意即，一平面(例如y-z平面)比一正交平面(例如x-z平面)更為高度或強烈彎曲。在其他情況中，該等曲度可係繞著光學軸142旋轉地對稱。
為了使來自光源120的光進入反射腔130，在反射器132中提供一孔138。然而請注意，輸入光束170內平行光學軸142而行進的光線(以及繞著光學軸142為中心之一窄角錐形內的光線)將會被反射偏光器134反射，但是接下來不會由反射器132所反射，因為孔138的區中沒有反射器132，且此光因此亦不會變成輸出照明光束172的部分。此會造成輸出照明光束172中光學軸142附近的一 變暗區域(在空間光調變器150的位置)，此變暗區域約略類同於孔138的一陰影。為了減少此陰影效應，讓孔138以及光源120盡可能的小將很有幫助。
亦可在照明器140中包括一或多個散射元件，以協助進一步減少陰影效應，且使得輸出照明光束172在空間中更加均勻。此一散射元件之一個實例係一溝槽式、紋理化表面，或是包括作為反射腔130之部分的粗糙化表面。在反射腔130利用鏡片或其他光學體(其中可應用各種反射器或薄膜)的情況之下，此光學體可由單點鑽石切削(single point diamond turning)製成，其中工具製造圖案(tooling pattern)產生一系列溝漕，其散射入射光的一部分朝向光學軸142。一散射元件之另一實例係一層散射材料，其設置在反射腔130內。此一層例如可為或包含一微粒填充黏著層膜，及/或塗有一層不同折射率之微結構化表面。無論所使用的散射元件為何種類型，其或其等都應實質上保存光的偏振狀態，使得不會減損照明器操作即可，如前所述。在一些情況下，散射元件可提供一空間上均勻的散射，意即，等若隨光學軸142的徑向距離變動的一散射。在其他情況下，(若干)散射元件可經設計以提供一空間上非均勻的散射，例如，在處於或接近光學軸142處的最大散射量，以及距光學軸142之增量徑向距離處的減少散射。
從圖1中可得知，重要的係保存在反射腔130內傳播的光之偏振狀態，當然除了由延遲膜136所致之偏振狀態的刻意改變除外。若一鏡片或其他光學體實質上填充反射器132與反射偏光器134 之間的空間，且若此光學體係由具有一殘留光學雙折射(residual optical birefringence)的一材料製成，則在一給定光線穿越過反射腔130時，此殘留雙折射會改變該給定光線的偏振狀態，致使(例如)射線部分144a不會在反射偏光器134處實質上反射，或者射線部分144c不會在反射偏光器134處實質上透射。針對此原因，需要以具有少許或無雙折射的一材料或介質來實質上填充反射腔130的體積，致使可維持照明器140的適當運作。在其一種類的實例中，本文稱作「固態腔」，腔體積的大部分，及在一些情況中實質上全部的腔體積包含一或多個固態透光材料，其具有很低的雙折射，如PMMA、環聚烯烴、無機玻璃或聚矽氧。在另一種類的實例中，本文稱作「空心腔」，腔體積的大部分，及在一些情況中實質上全部的腔體積包含空氣或真空。空心腔方案的一些優點包括：無可量測的雙折射、減輕的重量、以及改善陰影效應的遮罩，如下進一步所述。
在圖1的實施例中，不僅在反射器132中提供孔138，亦在延遲膜136中提供。因此，當光線144係從光源120行進到空間光調變器150，其會穿過延遲膜136正好兩次。在一替代實施例中，可省略延遲膜136中的孔，使得延遲膜136係完整無缺且連續不斷，不具有中央孔洞。在此情況下，光線144會在射線部分144a穿過延遲膜136一次，而且會在射線部分144b再穿過一次，然後在射線部分144c再穿過一次，總計會穿過延遲膜136三次。此一實施例的表現可能並非最理想的，但是其足以用於一些應用中。在此實施例中之延遲膜136的單程延遲係基於一代表性光線穿過該延遲膜三次而選擇的， 以提供該偏振狀態之所欲旋轉，其結果會得出一稍微小於光的四分之一波。
圖2採取不同的視角來說明反射腔130及其構成部分的可能外邊界或形狀。具體來說，圖2係一反射器232的前視圖，其可相同於或類似於反射器132，反射器232可係一投影機的一部分，該投影機可相同於或類似於先前所述之投影機110。在反射器232中提供一孔238，同樣地，孔238可相同於或類似於圖1之孔138。由圖2的視角，可清楚看到整個孔。孔238一般而言(但非必要地)係在反射腔之光學軸242的正中央。在一些情況下，反射器232可具有一圓的(圓形)外邊界或邊緣232a，如對於一習知圓鏡片而言為典型者。在其他情況下，可藉由截斷反射器232使其具有一縮減邊界或邊緣232b，來減小投影機的尺寸及重量。圖2所示之邊界232b係一矩形，其長寬比約係5：4。此5：4長寬比係意欲實質上符合空間光調變器150之作用區域的長寬比，用於照明光學件與空間光調變器的有效匹配，雖然反射器232的實際長度及寬度尺寸可稍大於空間光調變器的實際長度及寬度尺寸。請注意，雖然圖2僅繪示出反射器232，但是反射腔130的其他主要組件，如反射偏光器134及延遲膜136，可具有符合或實質上符合反射器232的邊界或邊緣(例如邊緣232a或邊緣232b)。
圖3示意性繪示一空間光調變器350之一前視圖，其可相同於或類似於圖1之空間光調變器150。或者，空間光調變器350可表示一反射型空間光調變器，如下文所討論的一些實施例。調變器 350的作用區域係填充有個別像素元件352的行與列，為了簡化之故，圖3僅顯示一些行與列。作用區域的長度及寬度一般實質上係矩形，且該矩形通常具有一5：4的長度對寬度之長寬比。當然，亦可使用其他長寬比，但是有時候希望以符合照明光學件及空間光調變器的相對形狀(例如，其特徵在於一長寬比)。一電子控制器耦合至空間光調變器350，且控制所有個別像素之狀態，如上所述。空間光調變器350可經組態，使得「開啟」像素與「關閉」像素之間的差異係由射出光線之偏振的一旋轉，及/或射出光線的角偏轉所決定。
圖4繪示一小型投影系統之一部分，其包括一小型照明器，該照明器包含一如前述之「固態腔」類型的反射腔。因此，於圖4中，一照明器440包括一光源420及一反射腔430。光源420包括一LED晶粒422及一偏光器424，但是光源420亦可替代地係或包含相關於上述光源120所討論之任何變化。照明器440及光源420、以及一空間光調變器450(具有像素元件452)係沿著一光學軸442配置。該光源將一輸入光束470注入反射腔430內，該反射腔係由一反射偏光器434及一反射器432界定。一延遲膜436係設置在該反射腔內。延遲膜436係定位在鄰近於反射器432處，且在該反射器及該延遲膜兩者中提供一孔438。來自偏振光源420的光離開反射腔430，成為輸出照明光束472，其照明空間光調變器450的作用區域。空間光調變器450將光束472轉變成一透射圖案化光束474，光束474含有影像化或空間上圖案化的資訊。圖4之實施例中的所有上述元件可相同於或類似於如上用圖1所述之相對應元件，且圖4之實施例可使 用於一投影機中，其可相同於或類似於圖1的投影機。同樣地，來自光源420的偏振光在反射腔430內來回反射的方式，及其偏振經旋轉以使其出射為輸出照明光束472的方式，可相同於或類似於照明器140的運作，此處無需贅述。
然而，反射腔430之具體結構值得額外觀察。在反射器432及反射偏光器434之間的空間界定一腔體積，且實質上整個的腔體積係由一或多個固態透光材料所佔據，具體來說，係由一第一光學鏡片或光學體431及一第二光學鏡片或光學體433所佔據。光學體431、433係以一合適的光學黏著劑或其他光學接合材料沿著一介面435膠合在一起。為便於製造，介面435可係平面。光學體431、433係由合適的極低雙折射光學材料(前文已詳加說明討論)所組成，且其可由不同的此種光學材料或相同的光學材料所組成。在一替代實施例中，可用一單一單式光學體取代兩個光學體431、433，其不具有任何介面435於其中，但是具有相同的外部表面。光學體431具有一外部曲面431a，延遲膜436係直接地或藉由一合適的光學接合材料施加至該外部曲面。在該延遲膜之上施加反射器432，致使該延遲膜係適當地位於反射器432及反射偏光器434之間。接著，將反射偏光器434施加至光學體433的一外部曲面433a。反射器432及延遲膜436的中央部分係蝕刻、切除或者省略，以界定孔438，其相對於光源420經適當地定大小。在孔438之處，可曝露出光學體431的外部表面431a。
圖5繪示一類似於圖4之小型投影系統之一部分，但是為相對情況，其中的照明器包含一空心腔類型的反射腔而非固態腔。因此，於圖5中，一照明器540包括一光源520及一反射腔530。光源520包括一LED晶粒522及一偏光器524，但是光源520亦可替代地係或包含相關於上述光源120所討論之任何變化。照明器540及光源520、以及一空間光調變器550(具有像素元件552)係沿著一光學軸542配置。該光源將一輸入光束570注入反射腔530內，該反射腔係由一反射偏光器534及一反射器532界定。一延遲膜536係設置在該反射腔內。延遲膜536係定位在鄰近於反射器532處，且在該反射器及該延遲膜兩者中提供一孔538。來自偏振光源520的光離開反射腔530，成為輸出照明光束，其照明空間光調變器550的作用區域。空間光調變器550將照明光束轉變成一透射圖案化光束574，光束574含有影像化或空間上圖案化的資訊。圖5之實施例中的所有上述元件可相同於或類似於如上用圖1所述之相對應元件，且圖5之實施例可使用於一投影機中，其可相同於或類似於圖1的投影機。同樣地，來自光源520的偏振光在反射腔530內來回反射的方式，及其偏振經旋轉以使其出射為輸出照明光束的方式，可相同於或類似於照明器140的運作，此處無需贅述。
然而，反射腔530之具體結構值得額外觀察。在反射器532及反射偏光器534之間的空間界定一腔體積，且實質上整個腔體積係由空氣或真空、而非由任何固態透光材料所佔據。藉由支撐兩光學體(其彼此間隔開)之向內主表面上的相對之反射器及延遲膜，從 而使此為可能。具體來說，一第一光學鏡片或光學體531具有一主要曲面531a，其面向一第二光學鏡片或光學體533，且第二光學體533具有一面向第一光學體531的主要曲面533a。可藉由一附接至該等光學體之外邊緣的合適基板或框架將光學體531、533穩固且穩定的固持在其相對位置中。光學體531、533係由合適的透明光學材料所組成，以允許來自光源520的光穿過光學體531，且允許離開反射腔530的光穿過光學體533。光學體531、533亦可由相對較低的雙折射光學材料所組成，使得穿過光學體531之光的偏振狀態以及穿過光學體533之光的偏振狀態不會顯著地旋轉。但是因為穿過光學體531、533之光線的光學路徑長度實質上要比穿過光學體431、433之光線的光學路徑長度還要短，所以光學體531、533可容許的雙折射量明顯地大於光學體431、433可容許的雙折射量。此導致能設計出光學體531、533具有之厚度(沿著Z軸所量測的尺寸)實質上小於反射腔530之軸上厚度。光學體531具有一內部曲面531a，反射器532係直接地或藉由一合適的光學接合材料施加至該曲面。當光學體531、533適當地安裝時，在該延遲膜之上施加延遲膜536，致使該延遲膜係適當地位於反射器532及反射偏光器534之間。接著，將反射偏光器534施加至光學體533的一內部曲面533a。反射器532及延遲膜536的中央部分係蝕刻、切除或者省略，以界定孔538，其相對於光源520經適當地定大小。在孔538處，可曝露出光學體531的內部表面531a。
空心腔類型的照明器的一些優點可包括以下一或多者：重量減輕；在反射腔中無可量測的雙折射，包括熱致應力導致之雙折 射(此會發生在固態光學體中)；曲面531a、533a可藉由微複製技術在薄基板中形成，減少雜散雙折射顧慮，並減少任何吸收損失；以及改善陰影效應的遮罩，意即，改善輸出照明光束的空間均勻度，如下用圖10A及圖10B所述。
圖6A至圖6D繪示一特定光學體637的各種視圖，已發現其有用於已揭示之小型照明器及投影機之至少一些。圖6A係光學體637的透視圖，圖6B係後視圖，圖6C係側視圖，且圖6D係俯視圖。就各種已繪示的特徵之相對長度、寬度、及厚度而言，圖6A至圖6D係至少大約合乎比例。光學體637係由沿著一平面介面635附著於一第二光學體633上的一第一光學體631所組成。光學體631、633係類同於圖4的光學體432、433，而圖4之彼等光學體可如本文所闡述針對光學體637精確地設計。
假設第一光學體631及第二光學體633係由相同的非常低的雙折射光學材料製成，具體來說係經退火的(annealed)PMMA，其在550nm的可見波長處具有一約1.49的折射率。第一光學體631具有一主要外部凸表面631a，及第二光學體633具有一主要外部凹表面633a，且此等表面兩者之曲度皆係沿著光學體637的相同光學軸642所定向。這兩個表面曲度各者亦係非球面但是皆會繞著光學軸642旋轉對稱(忽略光學體637、631、633之矩形外邊界或邊緣)。
表面631a具有一11.156mm的曲率半徑、一0.11055的圓錐常數、以及下列多項式非球面係數：第四階非球面係數：0.00012286； 第六階非球面係數：-1.3845E-06；以及第八階非球面係數：5.2850E-08；其中，指數記號係用於非常小數值的數字。本文所提供之相關於表面631a(及表面633a)之曲度的非球面係數及其他資訊係使用LightToolsTM照明設計軟體之命名法。
表面633a具有一58.562mm的近軸曲率半徑、一29.052的圓錐常數、以及下列多項式非球面係數：第四階非球面係數：2.2997E-05；第六階非球面係數：1.2025E-05；以及第八階非球面係數：7.0933E-08。
光學體637及其組件光學體631、633的整體長度(沿著x軸的尺寸)及寬度(沿著y軸的尺寸)分別係9.2毫米及7.4毫米。長度9.2mm及寬度7.4mm實質上係5：4的比例。光學體637的軸向厚度，即在光學軸642量測光學體637的實體厚度(沿著z軸的尺寸)係4.38毫米。
在類似於圖4之實施例的一實施例中，以商用光學建模軟體(optical modeling software)來建模運用光學體637之一小型投影系統的表現。將在下文用圖8及圖9A至圖9E說明此建模。
圖7係另一小型投影系統之示意側視圖，此一小型投影系統係使用具有類似於圖5之空心腔類型的反射腔的一照明器。於圖7中，一投影機包括一小型照明器740、一空間光調變器750(具有像素元件752)、及一投影機鏡頭760(一鏡頭模組，其具有個別鏡片 761、762、763、764、及765)。照明器740包括一光源720及一反射腔730。光源720包括一LED晶粒722及一偏光器724，但是光源720亦可替代地係或包含相關於上述光源120所討論之任何變化。照明器740及光源720及空間光調變器750與投影機鏡頭760係沿著一光學軸742配置。該光源將一輸入光束770注入反射腔730內，該反射腔係由一反射偏光器734及一反射器732界定。一延遲膜736係設置在該反射腔內。延遲膜736係定位在鄰近於反射器732處，且在該反射器及該延遲膜兩者中提供一孔738。來自偏振光源720的光離開反射腔730，成為輸出照明光束，其照明空間光調變器750的作用區域。空間光調變器750將照明光束轉變成一透射圖案化光束774，光束774含有影像化或空間上圖案化的資訊。圖7之實施例中的所有上述元件可相同於或類似於如上用圖1及圖5所述之相對應元件。同樣地，來自光源720的偏振光在反射腔730內來回反射的方式，及其偏振經旋轉以使其出射為輸出照明光束的方式，可相同於或類似於照明器140的運作。簡言之，參考代表性光線744：一第一射線部分744a，其係輸入光束770的部分，具有一偏振狀態P1；一第二射線部分744b，其藉由反射偏光器734的反射所產生；一第三射線部分744c，其藉由反射器732的反射所產生，且由於光線穿過延遲膜736兩次而具有一經旋轉之第二偏振狀態P2；一第四射線部分744d，其係輸出照明光束的部分，亦具有第二偏振狀態P2且照射在空間光調變器750上；一第五射線部分744e，根據該光束所穿過之特定像素752係處於一「開啟」或「關閉」狀態而由調變器750在空間上調變第五 射線部分744e。若此處假設射線部分744e係藉由調變器750傳遞，則其接著前進而會由投影機鏡頭760擷取且發射至一遠端表面或使用者。
類似於圖5之實施例，圖7之投影機及照明器運用一空心腔類型的反射腔730。一第一光學鏡片或光學體731具有一主要曲面731a，其面向一第二光學鏡片或光學體733，且第二光學體733具有一面向第一光學體731的主要曲面733a。這些光學體731、733係類同於上述之光學體531、533，除了各別的主要表面的曲度已經改變。相對於圖5的實施例而言，表面731a的曲度已經減小(大於曲率半徑)，且表面733a的曲度從凸面轉變成凹面。針對此，在選擇形成所揭示之實施例中的反射腔(空心腔類型或固態腔類型二者皆可)的反射器之曲度有實質的設計靈活性，甚至可使用非曲形或者平面的形狀。但是在許多情況下，仍然需要可選擇一組曲度，其將會產生在照明光束照射到空間光調變器的位置之處會聚的照明光束。
如上所述，以商用光學建模軟體來建模運用光學體637之一小型投影系統的表現。建模時已調查出一額外的特徵係在光學體之外部曲面之一者上添加了表面粗糙度，如圖8大體上所述，而導出經控制的光散射量。在此圖中，一光學體837係由一第一光學體831及一第二光學體833所組成，該等光學體係沿著一平面介面835結合在一起且沿著一光學軸842對準。第一光學體831具有一外部曲面831a，而第二光學體833具有一外部曲面833a。為了便於說明，圖8省略一反射器、一反射偏光器、及一延遲膜，但讀者將理解此種光學 元件施加至表面831a、833a的方式與其等施加至各別曲面431a、433a的方式(如上所述)係相同的，以形成一使用光學體837的反射腔。明確言之，延遲膜及反射器(具有合適孔)係施加至曲面831a，而反射偏光器係施加至曲面833a。一光源820(具有一LED晶粒822及一偏光器824)將一輸入光束870注入反射腔中，一輸出照明光束872自該反射腔之另一側出射，以照明該空間光調變器(其在圖8由參考數字854示意性表示)。在反射腔內來回傳播的光實質上如圖1中所述。
該光學建模能夠產生沿著曲面831a之表面粗糙度的經控制量，同時以其他方式維持該表面原來的標稱曲度(nominal curvature)。假設該反射器(請參見例如圖4的反射器432)係施加至此表面，相同的經控制表面粗糙度在反射器中亦可推算出。該建模假設上述之曲度、厚度、及材料性質係針對圖6的光學體637。該光學建模亦假設：˙反射器(此處再次指圖4的反射器432)針對光的所有偏振具有一100%的反射率；˙反射偏光器(指例如圖4的反射偏光器434)針對一第一偏振狀態具有一100%的反射率，及針對一正交的第二偏振狀態具有0%的反射率(100%透光率)；˙孔的大小(指例如圖4的孔438)係0.3乘以0.5毫米；˙一空間光調變器具有長度對寬度係5：4的長寬比，及6.0毫米的對角線； ˙一投影機鏡頭模組，包括依序配置的五個個別鏡片，如下列表格所示，其中鏡片1代表離空間光調變器最遠的個別鏡片，而鏡片5代表離空間光調變器最近的個別鏡片，其中一負值半徑(R1、R2)表示一凹面曲度，一正值半徑表示一凸面曲度，CT表示中心厚度，R1CH表示R1中心高度，且DIA表示鏡片直徑： 請注意，上表的投影機鏡頭的整體橫向尺寸(直徑)只係2.88毫米，及最接近空間光調變器的個別鏡片(鏡片1)的直徑只係2.8mm。
該光學建模模擬了由輸出照明光束所產生的光分布，如同投影機鏡頭成像在遠場偵測器平面上，且該光學建模計算出該遠場影像根據位置而變動的亮度或強度(照射度)。針對曲面831a上表面粗糙度的不同量來重複建模，結果顯示於圖9A至圖9E中。於圖9A、圖9B、圖9C、圖9D、及圖9E中，分別假設對應於高斯擴散角為0.01度、0.1度、1度、2度、及4度的表面粗糙度。在圖中，實曲線902a、902b、902c、902d、及902e表示遠場平面中沿水平或x軸計算的照射度對位置(irradiance-versus-position)的曲線，而且虛曲線904a、904b、904c、904d、及904e表示遠場平面中沿垂直或y軸計 算的照射度對位置的曲線。圖9A至圖9E的檢查與比較證實出，表面粗糙度的增加量及光散射在影像中央處產生了一更加均勻的照射度分布及較不明顯的黑點或陰影。
接著再次使用該光學建模軟體，以建立一固態腔類型照明器及一空心腔類型照明器之間的比較。圖9A至圖9E的結果全假設一固態腔類型照明器。本文藉由程式化該建模軟體模擬一空心腔類型照明器，以用空氣(折射率=1)取代反射腔內所有的經退火PMMA材料，其他所有條件維持不變，包括曲度、距離、反射率等等。在對應於1度高斯擴散角的表面粗糙度的情況中完成此比較。圖9C顯示固態腔類型系統的結果，且在圖10A中重製以便於比較。圖10B顯示對應的空心腔類型系統的結果，其中實曲線1002b表示遠場平面中沿水平或x軸計算的照射度對位置的曲線，而且虛曲線1004b表示遠場平面中沿垂直或y軸計算的照射度對位置的曲線。比較圖10A及圖10B證實出下列結論：用於小型照明器之一空心腔設計提供改善陰影效應的遮罩及改善輸出照明光束的空間均勻度。
接著現在參照圖11，見到有一不同類型的小型照明器及投影機1110。投影機1110使用一偏光分光器(polarizing beamsplitter)1180，而非使用如圖1所繪示之反射腔組態，且該分光器使用實質上不同尺寸的相對稜鏡。該投影機亦包含一光源1120，其包括一LED晶粒1122及偏光器1124；一空間光調變器1150(請參見圖11A)，其包括像素元件1152；及投影機鏡頭1160，其包括個別鏡片1161、1162、1163、1164。該光源、空間光調變器、及投影機鏡頭 可為相同於或類似於前述實施例所述之各種光源、空間光調變器、及投影機，除了投影機1110的空間光調變器係設計以操作反射而非透光率之外。因此，空間光調變器1150例如可係或包含一矽基液晶(LCoS)裝置。此裝置可係平的(如示意性說明)或可包括在一或多軸中彎曲的一曲形反射器陣列。
光源1120朝一傾斜設置的反射偏光器1184發射一偏振輸入光束1170至分光器1180。反射偏光器1184可相同於或類似於前述實施例中所述的反射偏光器，除了必要時反射偏光器1184可針對傾斜角效能最佳化並呈一浸沒組態(由固態透光的光學材料，如玻璃或塑膠所圍繞)。該反射偏光器係夾在兩個相對稜柱體之間，以形成分光器1180。一第一此種稜柱體1190含有兩個刻面1192a、1192b，其界定一相對較小的稜鏡1192。輸入光束1170通過刻面1192a進入分光器1180，且來自該空間光調變器的空間上圖案化光(如下文所述)通過刻面1192b離開該分光器。針對尺寸比較的目的，可藉由將刻面1192a、1192b延伸至反射偏光器1184以分別界定標示點c及b，來確定小稜鏡1192的邊界。第三點a在刻面1192a、1192b的相交處，其在小稜鏡1192的頂端。因此，可考慮用一組點a、b、c來界定小稜鏡1192的角。
相對於第一稜柱體1190的另一稜柱體係相對較大的稜鏡1195。可清楚看到此稜鏡1195的角係標示點d、e、及f。在稜鏡1195之側表面附接有具有外部曲面的鏡片或其他光學體。在替代實施例中，此等光學體之一或兩者可與稜鏡1195結合在一單式稜柱體中。
一反射器1182係施加至此等外部曲面之一者，如圖11所示，且一延遲膜1186係設置在反射器1182及反射偏光器1184之間。反射器1182可係相同於或類似於如上所述之反射器132、232、432、532、732，例如，對於輸入光束1170之光譜範圍內的光及對於所有偏振狀態而言，反射器1182可具有一鏡面反射率(例如，在一些情況下至少係70%、或至少80%、或至少90%、或至少95%)，且在一些情況下，該反射器亦在反射射線中實質上保存一入射光線的偏振狀態。延遲膜1186可係相同於或類似於前述實施例所述之該等延遲膜。
光源1120與分光器1180結合，當作一照明器。以下將參考一代表性光線1144作出說明，來自光源1120的光在分光器1180內傳播，直到其出射為一輸出照明光束1172為止。輸出照明光束1172照明空間光調變器1150之作用區域(請參見圖11A)，使得可產生一光學影像或圖案。在許多(但並非所有)情況下，希望輸出照明光束1172在其照射到空間光調變器1150之位置處成為一會聚光束。通常也希望輸出照明光束1172在空間光調變器1150之作用區域上的亮度可相對地均勻。
請參考光線1144，一第一射線部分1144a係輸入光束1170的部分，其通過刻面1192a進入分光器1180。射線部分1144a由於偏光器1124的關係而具有一第二偏振狀態P2。反射偏光器1184係經組態且定向以高度透射第二偏振狀態P2的光，且高度反射正交的第一偏振狀態P1的光。因此，一旦碰到反射偏光器1184，射線部分 1144a會高度透射通過反射偏光器1184至稜鏡1195中，變成射線部分1144b，且仍具有第二偏振狀態P2。該射線接著會穿過延遲膜1186變成射線部分1144c，其會由反射器1182反射變成射線部分1144d，然後再度穿過延遲膜1186變成射線部分1144e。由於二次穿過延遲膜1186，射線部分1144e具有正交於原本第二偏振狀態P2的第一偏振狀態P1。一旦碰到反射偏光器1184，射線部分1144e會高度反射變成射線部分1144f，然後最終會從照明器的較低曲面出射為射線部分1144g，其可被視為輸出照明光束1172的部分。
空間光調變器1150(請參見圖11A)在該照明器之輸出處經放置在輸出照明光束1172中，且選擇性地以影像化的方式反射入射光。例如，「開啟」狀態中的像素元件1152可旋轉反射光的偏振狀態90度，而「關閉」狀態中的像素元件1152不會產生此種偏振旋轉，反之亦然。在任一情況下，空間光調變器1150將輸出照明光束1172轉換成經反射圖案化光束174，其會透射通過相同分光器1180、刻面1192b，至投影機鏡頭1160，如下所解釋。投影機鏡頭1160接著將該經反射圖案化光束轉變成一投影輸出光束1176，類同於前述實施例中所述之投影輸出光束。
可得知，以分光器1180操作，重要的是再次保存在分光器內傳播的光之偏振狀態，除了由延遲膜1186所導致之偏振狀態的刻意改變除外。因此，需要構成稜鏡1192、1195及連接至其之其他光學體的固態透光光學材料係由非常低雙折射的材料所製成，如上所述。
有助小型化應用之投影機1110的一種設計特徵係稜鏡1192、1195的實質差異。藉由使稜鏡1192實質上小於另一個稜鏡，光源1120及/或投影機鏡頭1160可靠近反射偏光器1184，因而縮少投影機的整體尺寸。然而亦注意，小稜鏡1192相對於大稜鏡而言，於尺寸上不需係微觀的；而是，小稜鏡1192係夠大，使得穿過第一稜柱體1190的光係主要地或絕大部分地亦透射通過小稜鏡1192。相對稜鏡的相對尺寸的特徵在於其斜邊長度及/或其稜鏡高度。小稜鏡1192的斜邊長度在此可稱作HL1，係點b及c之間的距離，而另一稜鏡1195的斜邊長度在此可稱作HL2，係點d及f之間的距離。稜鏡1192、1195的稜鏡高度在此可分別稱作H1及H2(如圖11中繪示)，係相對於反射偏光器1184所量測得出。為了特徵化相對稜鏡的相異尺寸，此處指定HL1/HL2的比例在40%至70%的範圍中，及/或H1/H2的比例係類似地在40%至70%的範圍中。
圖11A係圖11的實質複本，其中相同的參考數字指定相同的元件，無進一步論述需要，除了上文已描述的反射型空間光調變器1150係顯示在其適當位置中以攔截輸出照明光束1172。兩個矩形參考空間1103、1105疊加於該圖上。第一參考空間1103係由傾斜定向的反射偏光器1184所界定的矩形空間。更明確言之，參考空間1103係一矩形，其之對角線係反射偏光器1184。此約略對應於由一習知分光器所佔據的矩形空間。換句話說，第二參考空間1105可描述成包圍投影機之光學組件(不包括任何機械安裝硬體或其類似者)的最 小矩形空間。對於投影機1110而言，此等光學組件係分光器1180、光源1120、空間光調變器1150、及投影機鏡頭1160。
由於本文的小型化成果，藉由投影機1110及/或其他揭示之投影機滿足數個嶄新關係。
例如，光源1120之至少一部分或投影機鏡頭1160之至少一部分係設置在第一矩形參考空間1103之內。在一些情況下，光源1120之至少一部分及投影機鏡頭1160之至少一部分兩者皆係設置在第一矩形參考空間1103之內。在一些情況下，該光源之至少一部分或該投影機鏡頭之至少一部分(並非兩者)係設置在第一矩形參考空間1103之內。第一矩形參考空間1103可沿著反射偏光器1184的對角線分成兩個部分。當第一矩形參考空間被分成二部分時，光源1120之至少一部分或投影機鏡頭1160之至少一部分係設置在第一矩形參考空間1103的此一部分之內。再者，該光源之至少一部分及該投影機鏡頭之至少一部分兩者皆可係設置在第一矩形參考空間1103的此部分之內。若光源1120包含一LED晶粒1122，則LED晶粒1122可整個設置在第一矩形參考空間1103之內。若投影機鏡頭1160包含複數個個別鏡片1161、1162、1163、1164，則該等個別鏡片之至少一者可整個設置在第一矩形參考空間1103之內。
同樣，小型化該投影機的程度可使得該投影機的光學組件(不包括任何機械安裝硬體或其類似者)可適配在僅稍稍大於由一用於該投影機之習知分光器佔據之空間的一空間之內。另一種說法是，若A1係第一矩形參考空間1103的面積而A2係第二矩形參考空 間1105的面積，則A1/A2的比例可在30%至70%或40%至70%的範圍內。
藉由參考圖11及圖11A(僅管此些圖皆為示意性說明)，可以合理的精確度來確定關於參考空間的前述關係、在此類空間之內或之外的元件位置、此類空間的面積比較等等。咸信此些圖式中的相關系統組件的相對尺寸及位置雖然為示意性說明，但是合理性地表示了此等組件在實際比例圖的樣子。此在至少下文之圖14、圖14B、圖15、及圖15A中說明。根據圖11A，參考空間1103與參考空間1105的面積比(A1/A2)係至少60%。
提供圖11B及圖11C以進一步繪示出，在輸出照明光束1172由空間光調變器1150反射之後，光穿過投影機1110的路線。圖11B涵蓋由調變器1150之「開啟」像素反射之光的情況，而圖11C涵蓋由調變器之「關閉」像素反射之光的情況。同時在此等圖式中，與圖11及圖11A相同的數字代表相同元件，不需進一步說明。
於圖11B中，來自輸出照明光束1172的光係由一軸上像素1152a及一離軸像素1152b反射，兩者像素皆假設係在「開啟」狀態中，使得反射光具有一經旋轉的偏振，意即，該反射光具有第二偏振狀態P2而非偏振狀態P1。此偏振狀態P2的光會由反射偏光器1184高度透射。因此，由「開啟」像素反射的光係透射通過反射偏光器1184，然後通過稜鏡1192之刻面1192b離開分光器1180，然後由投影機鏡頭1160收集，最終形成投影輸出光束1176。
另一方面，於圖11C中，來自輸出照明光束1172的光再次由軸上像素1152a及離軸像素1152b反射，但是現在彼等像素皆假設係在「關閉」狀態中，使得反射光不具有一旋轉的偏振，意即，該反射光具有第一偏振狀態P1。此偏振狀態P1的光會由反射偏光器1184高度反射。因此，由「關閉」像素反射的光會由反射偏光器1184反射，然後再由反射器1182朝向分光器1180的左側反射，其中此射線可被吸收或者消失。由「關閉」像素反射的光因而不會由投影機鏡頭1160收集，且不會對投影輸出光束1176有實質上的貢獻。
圖12及圖13表示投影機1110的修改，其中第一稜柱體1190係由替代性稜柱體取代。此些替代不會實質上改變在光源、空間光調變器、及投影鏡頭之間光傳播的方式，且因此本描述不會針對此些圖重述。
在圖12中，一投影機1210使用一偏光分光器1280，其具有實質上不同尺寸的相對稜鏡。投影機1210亦包含一光源1220、一空間光調變器1250(其包括像素元件1252)、及一投影機鏡頭1260(其包括個別鏡片)，且所有此等元件可相同於或類似於投影機1110中的相對應元件。
分光器1280包括一傾斜設置的反射偏光器1284，其夾在兩個相對稜柱體之間：一第一此種稜柱體1290含有兩個刻面1292a、1292b，其界定一相對較小的稜鏡1292；及另一稜柱體係一相對較大的稜鏡1295。來自光源1220的偏振光通過刻面1292a進入分光器1280，且來自空間光調變器1250的空間上圖案化光通過刻面 1292b離開該分光器。可藉由將刻面1292a、1292b延伸至反射偏光器1284分別界定標示點c及b，來確定小稜鏡1292的邊界，而第三點a在刻面1292a、1292b的相交處。可清楚看到此較大稜鏡1295的邊角係標示點d、e、及f。在稜鏡1295之側表面附接有具有外部曲面的鏡片或其他光學體。一反射器1282係施加至此等外部曲面之其一者，及一延遲膜1286係設置在反射器1282及反射偏光器1284之間。反射器1282及延遲膜1286可係相同於或類似於投影機1110的相對應元件。光源1220與分光器1280結合，當作一照明器。由空間光調變器之「開啟」像素反射的光係透射通過反射偏光器1284，通過稜鏡1292之刻面1292b離開分光器1280，且由投影機鏡頭1260收集，最終形成投影輸出光束1276。
在此實施例中，第一稜柱體1290僅涵蓋了反射偏光器1284的一部分，且第一稜柱體1290只有包含稜鏡1292，沒有包括其他任何稜鏡。點a、b、c、d、e、f的位置可實質上相同於投影機1110的相對應點，因此，稜鏡尺寸H1、H2、HL1、及HL2及其各種比例可滿足如上所述的相同條件。
在圖13中，一投影機1310使用一偏光分光器1380，其具有實質上不同尺寸的相對稜鏡。投影機1310亦包含一光源1320、一空間光調變器1350(其包括像素元件1352)、及一投影機鏡頭1360(其包括個別鏡片)，且所有此等元件可相同於或類似於投影機1110中的相對應元件。
分光器1380包括一傾斜設置的反射偏光器1384，其夾在兩個相對稜柱體之間：一第一此種稜柱體1390含有兩個刻面1392a、1392b，其界定一相對較小的稜鏡1392，及另一稜柱體係一相對較大的稜鏡1395。來自光源1320的偏振光通過刻面1392a進入分光器1380，且來自空間光調變器1350的空間上圖案化光通過刻面1392b離開該分光器。可藉由將刻面1392a、1392b延伸至反射偏光器1384分別界定標示點c及b，來確定小稜鏡1392的邊界，而第三點a在刻面1392a、1392b的相交處。可清楚看到此較大稜鏡1395的邊角係標示點d、e、及f。在稜鏡1395之側表面附接有具有外部曲面的鏡片或其他光學體。一反射器1382係施加至此等外部曲面之其一者，及一延遲膜1386係設置在反射器1382及反射偏光器1384之間。反射器1382及延遲膜1386可係相同於或類似於投影機1110的相對應元件。光源1320與分光器1380結合，當作一照明器。
在此實施例中，第一稜柱體1390實質上涵蓋了反射偏光器1384的全部，且第一稜柱體1390除了包含稜鏡1392之外還包含兩個稜鏡：稜鏡390及稜鏡396。點a、b、c、d、e、f的位置可實質上相同於投影機1110的相對應點，因此，稜鏡尺寸H1、H2、HL1、及HL2及其各種比例可滿足如上所述的相同條件。
圖14繪示另一小型投影機1410及照明器。此投影機結合圖1所示之反射腔組態及一偏光分光器的使用(其具有實質上不同尺寸的相對稜鏡)。
在此情況中，一光源1420將一輸入光束注入至一反射腔1430中，該反射腔係由一反射器1432及一反射偏光器1434形成。一延遲膜1436係設置於該反射腔中，且在反射器1432及延遲膜1436中提供一孔1438。反射器1432、反射偏光器1434、及延遲膜1436可施加至一光學鏡片或光學體1431之外部表面，如圖所示，且可相同於或類似於圖4之反射腔430的相對應組件。離開反射腔1430的光進入一偏光分光器1480。
偏光分光器1480包括一傾斜設置的反射偏光器1484，其夾在兩個相對稜柱體之間：一第一此種稜柱體1490含有兩個刻面1492a、1492b，其界定一相對較小的稜鏡1492，及另一稜柱體係一相對較大的稜鏡1495。離開反射腔1430的偏振光通過稜鏡1495的一刻面進入分光器1480，且接著由反射偏光器1484反射，使得該偏振光離開分光器1480且照射到空間光調變器1450上。由空間光調變器1450之「開啟」像素旋轉而偏振的光再次進入分光器1480，然後在此時穿過反射偏光器1484，穿越該小稜鏡1492，且藉由刻面1492b離開分光器1480。可藉由將刻面1492a、1492b延伸至反射偏光器1484分別界定標示點c及b，來確定小稜鏡1492的邊界，而第三點a在刻面1492a、1492b的相交處。可清楚看到此較大稜鏡1495的邊角係標示點d、e、及f。在稜鏡1495的下方側表面附接有具有外部曲面的鏡片或其他光學體，用於該離開照明光束的選擇性聚焦或會聚。在此實施例中，分光器1480不需要含有任何延遲膜或反射器，只含有反射偏光器1484。
稜鏡1492、1495具有各別稜鏡高度H1及H2，如所示，且此些參數以及各別斜邊高度HL1及HL2，及其各種比例可滿足如上所述之相同條件。
參考代表性光線1444，一第一射線部分1444a具有一第一偏振狀態P1，其實質上係由反射偏光器1434反射，使得反射射線部分1444b穿過延遲膜1436，且由反射器1432反射。此反射造成射線部分1444c，其再次穿過延遲膜1436，於是因此獲取第二偏振狀態P2，其係由反射偏光器1434高度透射。因此，射線部分1444c穿過反射偏光器1434，以提供射線部分1444d，其進入分光器1480且會由反射偏光器1484反射，產生反射射線部分1444e。離開分光器1480的此射線成為射線部分1444f，其從空間光調變器1450的一「開啟」像素反射(因此，偏振狀態從P2旋轉回至P1)成為射線部分1444g，再次進入分光器1480成為射線部分1444h(偏振狀態仍為P1)，然後在此時穿過反射偏光器1484，穿越稜鏡1492成為射線部分1444i，並在刻面1492b離開分光器1480一直行進直到投影機鏡頭1460。由投影機鏡頭1460收集到的此光最終形成投影機1410之投影輸出光束1476。
圖14A係光學體1431之外部表面1431a上之反射器1432及延遲膜1436之放大圖。
圖14B係圖14的實質複本，其中相同的參考數字指定相同的元件，無進一步論述需要，且其中兩個矩形參考空間1403、1405疊加在該圖上。一第一參考空間1403係由傾斜定向的反射偏光 器1484所界定的矩形空間。更明確言之，參考空間1403係一矩形，其之對角線係反射偏光器1484。一第二參考空間1405係包圍投影機之光學組件(即，分光器1480、光源1420、空間光調變器1450、及投影機鏡頭1460)的最小矩形空間。以圖11可見，上述對於相對應矩形參考空間所述之關係亦可至少部分應用在投影機1410的參考空間1403、1405中。具體來說，參考空間1403與參考空間1405的面積比(A1/A2)係至少45%。
圖15的投影機1510係類似於圖14的投影機，只要其亦結合圖1所繪示之反射腔組態及一偏光分光器的使用。然而，投影機1510亦藉由添加一偵測器裝置來使用分光器的未使用側，致使投影機1510亦能夠如一照相機運作。
一光源1520將一輸入光束注入至一反射腔1530中，該反射腔係由一反射器1532及一反射偏光器1534形成。一延遲膜1536係設置於該反射腔中，且在反射器1532及延遲膜1536中提供一孔1538。反射器1532、反射偏光器1534、及延遲膜1536可施加至一光學鏡片或光學體1531之外部表面，如圖所示，且可相同於或類似於圖4之反射腔430的相對應組件。離開反射腔1530的光進入一偏光分光器1580。
偏光分光器1580包括一傾斜設置的反射偏光器1584，其係夾在兩個相對稜柱體之間：一第一稜柱體1590及一第二稜柱體或稜鏡1595。離開反射腔1530的偏振光通過稜鏡1595的一刻面進入分光器1580，且接著由反射偏光器1584反射，使得該偏振光離開分光 器1580且照射到空間光調變器1550上。由空間光調變器1550之「開啟」像素旋轉而偏振的光再次進入分光器1480，然後在此時穿過反射偏光器1584，穿越稜柱體1590，且在一井或一孔洞(其經定大小以適配投影機鏡頭1560之至少一部分)中離開分光器1580。在稜鏡1595的下方側表面附接有具有外部曲面的鏡片或其他光學體，用於該離開照明光束的選擇性聚焦或會聚。在此實施例中，分光器1580不需要含有任何延遲膜或反射器，只含有反射偏光器1584。
參考代表性光線1544，一第一射線部分1544a具有一第一偏振狀態P1，其實質上係由反射偏光器1534反射，使得反射射線部分1544b穿過延遲膜1536，且由反射器1532反射。此反射導致射線部分1544c再次穿過延遲膜1536，於是因此獲取第二偏振狀態P2，其係由反射偏光器1534高度透射。因此，射線部分1544c會穿過反射偏光器1534，以提供射線部分1544d，其進入分光器1580且會由反射偏光器1584反射，產生反射射線部分1544e。離開分光器1580的射線成為射線部分1544f，其從空間光調變器1550的一「開啟」像素反射(因此，偏振狀態從P2旋轉回至P1)成為射線部分1544g，再次進入分光器1580成為射線部分1544h(偏振狀態仍為P1)，此時穿過反射偏光器1584，穿越稜柱體1590成為射線部分1544i，並且離開分光器1580一直行進直到投影機鏡頭1560。由投影機鏡頭1560收集到的此光最終形成投影機1510之投影輸出光束。
傳入的光線1545代表源自該投影機外之一主體的光，但穿過投影機鏡頭1545。一第一射線部分1545a進入投影機鏡頭 1560，離開鏡頭1560成為射線部分1545b，且進入分光器1580成為射線部分1545c。假設射線部分1545a原本係非偏振光，則射線部分1545c亦係非偏振光，且會含有第一偏振狀態P1及第二偏振狀態P2的兩者組分，如所示。當射線部分1545c碰到反射偏光器1584時，偏振狀態P1將會透射而成一射線部分1545d，而偏振狀態P2將會反射而成一射線部分1545e，射線部分1545e接著在分光器1580的未使用刻面(置放有一偵測器裝置1596)處離開分光器。所示之偵測器裝置1596具有偵測器元件之一陣列，例如電荷耦合裝置(CCD)偵測器陣列，亦可使用其他已知的偵測器陣列或者甚至一個別的偵測器元件。藉由在投影機1510中包括偵測器裝置1596，用於投影一影像至一遠端位置的相同投影機鏡頭1560亦可用來收集來自該遠端位置的光，而且捕獲彼光當作一照相機影像或類似者。亦可藉由在未使用刻面1492a、或離此刻面1492a的一間隔距離(其間設置有一或多個鏡片或其他光學元件)之處放置相同或類似陣列，將此一偵測器裝置併入圖14的投影機1410中。
圖15A係圖15的實質複本，其中相同的參考數字指定相同的元件，無進一步論述需要，且其中兩個矩形參考空間1503、1505疊加在該圖上。一第一參考空間1503係由傾斜定向的反射偏光器1584所界定的矩形空間。更明確言之，參考空間1503係一矩形，其之對角線係反射偏光器1584。一第二參考空間1505係包圍投影機之光學組件(亦即，分光器1580、光源1520、空間光調變器1550、投影機鏡頭1560、及偵測器裝置1596)的最小矩形空間。以圖11可 見，上述對於相對應矩形參考空間所述之關係亦可至少部分應用在投影機1510的參考空間1503、1505中。具體來說，參考空間1503與參考空間1505的面積比(A1/A2)係至少40%。
圖16示意性繪示另一投影機及照明系統。投影機1610不需要反射腔或分光器。確切來說，來自光源1620的光(由一代表性光線1644的射線部分1644a表示)單純地僅由一對鏡片L1、L2所收集，但可使用比兩個鏡片更多或更少的鏡片。該等鏡片聚焦該光，以產生一會聚輸出照明光束，其由射線部分1644b表示。此光束照射到一透射型空間光調變器1650之上，產生一空間上圖案化光束，如射線部分1644c表示。該空間上圖案化光束接著由一投影機鏡頭1660收集及投影至一遠端位置。由於該會聚照明光束，投影機鏡頭1660、或其個別組件鏡片之至少一者可具有一最大橫向尺寸LD1(例如沿著x軸測量、或沿著y軸測量、或沿著空間光調變器1650的一對角線測量)，其小於空間光調變器1650的相對應橫向尺寸LD2，或者其替代地滿足30%<LD1/LD2<70%的關係。
除非另外指示，否則在說明書與申請專利範圍中所使用之表達數量的全部數字、特性之量度等等皆被理解為以用語「約(about)」所修飾。因此，除非另有相反的指示，否則在該說明書與申請專利範圍中所陳述的數值參數係近似值，其係可依據在所屬技術領域中具有通常知識者利用本申請案教示所欲獲得的所欲特性而有所不同。並非意圖限制申請專利範圍的範疇之均等物的應用，每一個數值參數應至少鑑於所報告的有效位數之數目並藉由應用一般捨入計數來 加以詮釋。雖然本發明之廣泛範疇內提出之數值範圍及參數係近似值，但盡可能地合理準確地報告在特定實例中提出之任何數值。然而，任何數值可含有與測試或量測限制相關的誤差。
下列為本發明之實施例。
實施例1係一小型投影機，其包含：一分光器，其包含一反射偏光器，該反射偏光器係傾斜設置以界定一第一矩形參考空間的一對角線；一光源，其係經設置成近接該反射偏光器，該光源係經組態以朝向該反射偏光器發射一輸入光束；一空間光調變器，其係經設置以接收一由該輸入光束衍生出的輸出照明光束，該空間光調變器係經調適以選擇性地反射該輸出照明光束，以提供一圖案化光束；以及一投影機鏡頭，其係經調適以接收該圖案化光束；其中該分光器、該光源、該空間光調變器、以及該投影機鏡頭係由一第二矩形參考空間所包圍；以及其中該第一矩形參考空間具有一面積A1，而該第二矩形參考空間具有一面積A2，且其中30%<A1/A2<70%。
實施例2係實施例1之投影機，其中40%<A1/A2<70%。
實施例3係實施例1之投影機，其中該分光器包含一第一稜鏡及一第二稜鏡，其係設置在該反射偏光器的相對側上。
實施例4係實施例3之投影機，其中該第一稜鏡與該第二稜鏡具有各別的第一及第二斜邊長度HL1及HL2，且其中40%<HL1/HL2<70%。
實施例5係實施例3之投影機，其中該第一稜鏡與該第二稜鏡具有各別的第一及第二稜鏡高度H1及H2，且其中40%<H1/H2<70%。
實施例6係實施例1之投影機，其中該投影機鏡頭具有一最大橫向尺寸LD1，且該空間光調變器具有一最大橫向尺寸LD2，且其中LD1係小於LD2。
實施例7係實施例6之投影機，其中30%<LD1/LD2<70%。
實施例8係實施例1之投影機，其中該光源包含一LED晶粒及一偏光器，且其中該輸入光束係經偏振。
實施例9係實施例1之投影機，其中該投影機進一步包含一偵測器，以接收源自於該投影機之外的一主體、通過該投影機鏡頭的光。
實施例10係一小型投影機，其包含：一反射偏光器，其係傾斜設置以界定一第一矩形參考空間的一對角線；一光源，其係經設置成近接該反射偏光器，該光源係經組態以朝向該反射偏光器發射一輸入光束；一空間光調變器，其係經設置以接收一由該輸入光束衍生出的輸出照明光束，該空間光調變器係經調適以選擇性地反射該輸出照明光束，以提供一圖案化光束；一投影機鏡頭，其係經調適以接收該圖案化光束；其中該光源之至少一部分或該投影機鏡頭之至少一部分係設置在該第一矩形參考空間之內。
實施例11係實施例10之投影機，其中該光源之至少一部分及該投影機鏡頭之至少一部分兩者皆係設置在該第一矩形參考空間之內。
實施例12係實施例10之投影機，其中該光源之至少一部分及該投影機鏡頭之至少一部分之僅有一者係設置在該第一矩形參考空間之內。
實施例13係實施例11之投影機，其中該反射偏光器將該第一矩形參考空間分成一第一部分及一第二部分，且其中該光源之該至少一部分或該投影機鏡頭之該至少一部分係設置在該第一矩形參考空間的該第一部分之內。
實施例14係實施例13之投影機，其中該光源之至少一部分及該投影機鏡頭之至少一部分皆係設置在該第一矩形參考空間的該第一部分之內。
實施例15係實施例10之投影機，其中該光源包含一LED晶粒，且其中該LED晶粒係整個設置在該第一矩形參考空間之內。
實施例16係實施例10之投影機，其中該投影機鏡頭包含複數個依序的個別鏡片，且其中該等個別鏡片之至少一者係整個設置在該第一矩形參考空間之內。
實施例17係實施例10之投影機，其中該反射偏光器係一分光器的部分，該分光器亦包括一第一稜鏡及一第二稜鏡，其係設置在該反射偏光器的相對側上。
實施例18係實施例17之投影機，其中該第一稜鏡與該第二稜鏡具有各別的第一及第二斜邊長度HL1及HL2，且其中40%<HL1/HL2<70%。
實施例19係實施例17之投影機，其中該第一稜鏡與該第二稜鏡具有各別的第一及第二稜鏡高度H1及H2，且其中40%<H1/H2<70%。
實施例20係實施例10之投影機，其中該投影機鏡頭具有一最大橫向尺寸LD1，且該空間光調變器具有一最大橫向尺寸LD2，且其中LD1係小於LD2。
實施例21係實施例20之投影機，其中30%<LD1/LD2<70%。
實施例22係實施例10之投影機，其中該投影機進一步包含一偵測器，以接收源自於該投影機之外的一主體、通過該投影機鏡頭的光。
實施例23係一偏光分光器，其包含：一第一稜柱體，其包含一第一稜鏡；一第二稜柱體，其包含一第二稜鏡；以及一反射偏光器，其夾在該第一稜柱體與該第二稜柱體之間；其中該第一稜鏡係實質上小於該第二稜鏡。
實施例24係實施例23之分光器，其中該第一稜鏡與該第二稜鏡具有各別的第一及第二斜邊長度HL1及HL2，且其中40%<HL1/HL2<70%。
實施例25係實施例23之分光器，其中該第一稜鏡與該第二稜鏡具有各別的第一及第二稜鏡高度H1及H2，且其中40%<H1/H2<70%。
實施例26係實施例23之分光器，其中該分光器係經組態以使得穿過該第一稜柱體的光會主要地穿過該第一稜鏡。
實施例27係實施例26之分光器，其中該反射偏光器包含一第一主要表面，其面向該第一稜柱體，且其中該第一稜柱體涵蓋大部分第一主要表面。
實施例28係實施例27之分光器，其中該第一稜柱體實質上涵蓋所有第一主要表面。
實施例29係實施例23之分光器，其中該第一稜柱體包含除了該第一稜鏡以外的至少一稜鏡。
實施例30係實施例23之分光器，其中該第一稜柱體除了第一稜鏡不包含其他稜鏡。
實施例31係一小型偏光照明器，其包含：一反射器；一反射偏光器，其係經設置以與該反射器形成一反射腔；一延遲膜，其係設置在該反射腔之內；以及一光源，其係經設置以發射通過該反射器中之一孔、進入至該反射腔內的一偏振輸入光束；其中該反射器、該反射偏光器、及該延遲膜係經組態以自該輸入光束產生一輸出照明光束，且其中該輸出照明光束係經偏振。
實施例32係實施例31之照明器，其中該反射器及該反射偏光器之至少一者係彎曲，且其中該輸出照明光束係會聚。
實施例33係實施例31之照明器，其中光係跟隨著自該光源至該輸出照明光束的一路徑，該路徑包括穿過該孔、自該反射偏光器反射、自該反射器反射、穿過該反射偏光器、及穿過該延遲膜至少兩次。
實施例34係實施例31之照明器，其中該反射腔界定一腔體積，且腔體積的大部份包含至少一固態透光材料。
實施例35係實施例31之照明器，其中該反射腔界定一腔體積，且腔體積的大部份包含空氣或真空。
實施例36係實施例31之照明器，其中該延遲膜係近接該反射器，且該孔亦在該延遲膜中。
實施例37係實施例31之照明器，其中該照明器進一步包含一散射元件，以使該輸出照明光束在空間中更加均勻。
實施例38係實施例37之照明器，其中該散射元件包含一粗糙化表面，且該粗糙化表面係該反射腔的部分。
實施例39係實施例37之照明器，其中該散射元件包含一層散射材料，且位於該反射腔內。
實施例40為實施例31之照明器，其中該光源包含一LED及一偏光器。
實施例41係一小型偏光照明器，其包含：一反射器；一反射偏光器，其係相對於該反射器而傾斜設置；一延遲膜，其係設置在該反射器及該反射偏光器之間；以及一光源，其係經設置以朝向該反射器發射一通過該反射偏光器的一第一偏振狀態之輸入光束；其 中該反射器、該反射偏光器、及該延遲膜係經組態以自該輸入光束產生一輸出照明光束，且其中該輸出照明光束具有一正交於該第一偏振狀態的第二偏振狀態。
實施例42係實施例41之照明器，其中該反射偏光器係一分光器的部分，該分光器亦包括一第一稜鏡及一第二稜鏡，其係設置在該反射偏光器的相對側上。
實施例43係實施例42之照明器，其中該第一稜鏡與該第二稜鏡具有各別的第一及第二斜邊長度HL1及HL2，且其中40%<HL1/HL2<70%。
實施例44係實施例42之照明器，其中該第一稜鏡與該第二稜鏡具有各別的第一及第二稜鏡高度H1及H2，且其中40%<H1/H2<70%。
實施例45係一投影機，其包含：實施例31之偏光照明器；一空間光調變器，其係經設置以攔截輸出照明光束，以產生一空間上圖案化光束；以及一投影機鏡頭，以接收該空間上圖案化光束。
實施例46係實施例45之投影機，其中該空間光調變器係一透射型空間光調變器。
實施例47係實施例45之投影機，其中該空間光調變器係一反射型空間光調變器。
實施例48係實施例45之投影機，其中該投影機鏡頭具有一最大橫向尺寸LD1，且該空間光調變器具有一最大橫向尺寸LD2，且其中LD1係小於LD2。
實施例49係實施例45之投影機，其中該投影機進一步包含一偵測器，以接收源自於該投影機之外的一主體、通過該投影機鏡頭的光。
實施例50係一投影機，其包含：實施例41之偏光照明器；一空間光調變器，其係經設置以攔截輸出照明光束，以產生一空間上圖案化光束；以及一投影機鏡頭，以接收該空間上圖案化光束。
實施例51係實施例50之投影機，其中該空間光調變器係一反射型空間光調變器。
實施例52係實施例50之投影機，其中該投影機鏡頭具有一最大橫向尺寸LD1，且該空間光調變器具有一最大橫向尺寸LD2，且其中LD1係小於LD2。
實施例53係實施例50之投影機，其中該投影機進一步包含一偵測器，以接收源自於該投影機之外的一主體、通過該投影機鏡頭的光。
本發明中的各種修改及變更對於所屬技術領域中具有通常知識者而言將顯而易知而未背離本發明的精神及範圍，並且應理解的是，本發明不限於本文中所陳述的說明性實施例。。除非另有指示，讀者應假設一項揭示之實施例的特徵亦可應用於全部其他揭示之實施例。亦應理解，在不抵觸前述揭示內容的情況之下，本文提及之所有美國專利案、專利申請公告案、及其他專利與非專利文件，係以引用的方式併入於此。
110‧‧‧投影機
120‧‧‧光源
122‧‧‧LED晶粒
124‧‧‧偏光器
130‧‧‧反射腔
132‧‧‧反射器
134‧‧‧反射偏光器
136‧‧‧延遲膜
138‧‧‧孔
140‧‧‧照明器
142‧‧‧光學軸
144‧‧‧光線
144a‧‧‧射線部分
144b‧‧‧射線部分
144c‧‧‧射線部分
144d‧‧‧射線部分
150‧‧‧空間光調變器
152‧‧‧像素元件
160‧‧‧投影機鏡頭
161、162、163、164、165‧‧‧個別鏡頭
170‧‧‧箭頭；輸入光束
172‧‧‧輸出照明光束
174‧‧‧圖案化光束
176‧‧‧(投影)輸出光束
P1‧‧‧第一偏振狀態
P2‧‧‧第二偏振狀態

Claims (10)

  1. 一種小型投影機，其包含：一分光器，其包含一反射偏光器，該反射偏光器係傾斜設置以界定一第一矩形參考空間的一對角線；一光源，其係經設置成近接該反射偏光器，該光源係經組態以朝向該反射偏光器發射一輸入光束；一空間光調變器，其係經設置以接收一由該輸入光束衍生出的輸出照明光束，該空間光調變器係經調適以選擇性地反射該輸出照明光束，以提供一圖案化光束；以及一投影機鏡頭，其係經調適以接收該圖案化光束；其中該分光器、該光源、該空間光調變器、以及該投影機鏡頭係由一第二矩形參考空間所包圍；而且其中，該第一矩形參考空間具有一面積A1，而該第二矩形參考空間具有一面積A2，且其中30%<A1/A2<70%。
  2. 如請求項1之投影機，其中該投影機鏡頭具有一最大橫向尺寸LD1，而該空間光調變器具有一最大橫向尺寸LD2，且其中LD1係小於LD2。
  3. 如請求項1之投影機，其中該投影機進一步包含一偵測器，以接收源自於該投影機之外的一主體、通過該投影機鏡頭的光。
  4. 一種偏光分光器，其包含：一第一稜柱體，其包含一第一稜鏡；一第二稜柱體，其包含一第二稜鏡；以及一反射偏光器，其夾在該第一稜柱體與該第二稜柱體之間；其中該第一稜鏡係實質上小於該第二稜鏡。
  5. 如請求項4之分光器，其中該第一稜鏡與該第二稜鏡具有各別的 第一及第二斜邊長度HL1及HL2，且其中40%<HL1/HL2<70%。
  6. 如請求項4之分光器，其中該第一稜柱體包含除了該第一稜鏡以外的至少一稜鏡。
  7. 一種小型偏光照明器，其包含：一反射器；一反射偏光器，其係經設置以與該反射器形成一反射腔；一延遲膜，其係設置在該反射腔之內；以及一光源，其係經設置以發射通過該反射器中之一孔、進入至該反射腔內的一偏振輸入光束；其中該反射器、該反射偏光器、及該延遲膜係經組態以自該輸入光束產生一輸出照明光束，且其中該輸出照明光束係經偏振。
  8. 如請求項7之照明器，其中該反射器及該反射偏光器之至少一者係彎曲，且其中該輸出照明光束係會聚。
  9. 如請求項7之照明器，其中光係跟隨著自該光源至該輸出照明光束的一光路徑，該路徑包括穿過該孔、自該反射偏光器反射、自該反射器反射、穿過該反射偏光器、及穿過該延遲膜至少兩次。
  10. 如請求項7之照明器，其中該反射腔界定一腔體積，且該腔體積的大部份係包含空氣或真空。
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