TWI468736B - 集光率維持偏光切換系統及其相關方法 - Google Patents

Description

集光率維持偏光切換系統及其相關方法

本發明係關於維持集光率之光學系統。

參考圖1描述一種現有的光學系統45。在系統45中，由光束組合器30組合來自一個或多個大體上偏振之固態光源44a、44b的光。隨後由延遲板64旋轉來自源44a之組合光，使得其偏光與來自源44b之組合光正交。來自源44a與44b之正交偏振組合光接著撞擊旋轉圓盤65，該旋轉圓盤65含有至少一透射光之片段及一反射光之片段。在一案例下，旋轉圓盤65使得反射片段遇上來自源44a與44b之組合光，藉此來自源44a之組合光將被直接反射至光學軸3上，且經引導朝向透鏡50以用於光學整合(未顯示)或剩餘光學系統之照明(未顯示)。然而，來自源44b之組合光經重引導至反射表面72且進一步行進穿過延遲板64，該延遲板64將偏光旋轉至大體上相同於來自源44a之組合光的狀態。自該延遲板64射出之光大體上經引導至來自源44a之組合光的類似光學路徑上且經發送穿過透鏡50。

在替代案例中，旋轉圓盤65使得透射片段處於來自源44a與44b之組合光的路徑中，藉此顛倒情形使得來自源44a之組合光經重引導且旋轉至來自源44b之組合光的偏光狀態，其後將該二者發送至透鏡50。在此案例中，旋轉片段圓盤65交替傳輸兩種正交偏光狀態至透鏡50以用於一光學系統。

然而，系統45展現增加之集光率2，在特定應用中此可能並非較佳的。因此，此項技術需要一種展現得以維持之集光率的光學系統，諸如系統45。

藉由一種根據本發明之多種實施例的集光率維持偏光切換系統及相關方法，而在此項技術中解決上述問題及達成技術解決方案。在一些實施例中，集光率維持偏光切換系統包含沿一第一光路徑提供偏振光之一雷射照明系統。該系統亦包含安置於該第一光路徑中之一可樞轉的反射元件，該反射元件在一旋轉裝置及一驅動裝置之控制下，交替地沿至少一第二光路徑及一第三光路徑引導該第一光路徑中之偏振光而無需改變該偏振光之偏光。安置於該第二光路徑中之一延遲器將該偏振光改變為沿該第二光路徑具有一不同偏光之光。在一些實施例中，在該第三光路徑中該偏光組合裝置之上游安置一反射元件。一偏光組合裝置將來自該第三光路徑之光與來自該第二光路徑中延遲器之具有不同偏光的光組合為一單一光束，該單一光束展現相同於或大體上相同於該第一光路徑之集光率。

在一些實施例中，一旋轉裝置與一驅動裝置共同引起該可樞轉之反射元件的樞轉。在一些此等實施例中，該驅動裝置對該旋轉裝置提供一驅動信號，該驅動信號引起該旋轉裝置樞轉該可樞轉的反射元件。在一些實施例中，該驅動信號經組態以包含雜訊(隨機或其他)。此雜訊可經組態以減少雷射斑點。

在一些實施例中，該可樞轉之反射元件包含一光學表面，當該旋轉裝置及該驅動裝置移動該反射元件時，該光學表面輕微變形。當由該旋轉裝置及該驅動裝置移動該反射元件時，由於加速、減速或兩者而發生此變形。此一變形光學表面可經組態以減少斑點，補充或代替使用雜訊以減少斑點。

本發明之一些實施例包含安置於該第三光路徑中之一反射延遲系統，相對於在其他一些實施例中使用在該第二光路徑中之一延遲器。該反射延遲系統將該偏振光改變為具有一不同偏光之光，且沿該第三光路徑反射該具有不同偏光之光。

在一些實施例中，根據本發明之任何該等集光率維持偏光切換系統可包含於一投影系統中。此投影系統是否為經組態以產生立體影像之立體投影系統均可。在一些此等實施例中，該投影系統包含支援該集光率維持偏光切換系統之光學器件、及一投影總成。

除上述實施例外，藉由參考圖式及研究以下詳細描述將瞭解其他實施例。

從下文結合附圖呈現之例示性實施例的詳細描述中，將更容易瞭解本發明。

本發明之多種實施例係關於偏光切換同時維持集光率。根據一些實施例，運用在兩個位置之間快速轉變的一鏡而發生偏光切換。具有均勻偏光之光係透射至該鏡。自處於兩個位置中之一者的該鏡反射之光改變其偏光，而自處於兩個位置中之另一者的該鏡反射之光維持其偏光。其後，改變偏光之光與維持偏光之光可容易地以一集光率維持方式重組。由於經重組之光包含兩種不同之偏光狀態，因此可產生立體影像。

本發明包含本文所描述之實施例的組合。提及「一特定實施例」及類似物時係指稱在本發明之至少一個實施例中呈現之特徵。分開提及「一實施例」或「特定實施例」或類似物時未必指稱該或該等相同實施例；然而，此等實施例並不互相排斥，除非如此指示或對熟習此項技術者係顯而易見的。提及「該方法」或「該等方法」時使用單數或複數及類似物並非限制性的。

此外，應注意的是除非另外明確指出或上下文需要，否則此揭示內容中使用單詞「或」並非具排它含義。此外，雖然此描述通常使用術語「光」，但熟習此項技術者應瞭解在本發明之多種實施例中可使用其他形式之輻射。

圖2根據本發明之一實施例繪示一集光率維持偏光切換系統47。在圖2中，系統47包含一雷射照明系統27，該雷射照明系統27含有將偏振光沿第一光路徑28引導至樞轉鏡49的一個或多個雷射源。雖然本文中之描述通常將照明系統27稱為雷射照明系統，但可使用任何低角度發散(在約10度以下)之大體上偏振的光源。樞轉鏡49可為任何類型之可樞轉的反射元件，諸如普通鏡、波長調諧鏡、或薄膜、線柵、或其他類型之偏光分光鏡。一偏光分光鏡可有利的，因為可有效使用此表面以增強該等雷射源之偏光率。普通雷射源發射約100:1之偏光率。若需要較高之消光，則可使用偏光分光鏡以透射洩漏偏光狀態，而反射幾乎所有的較高比率之偏振光。

鏡49可安裝於一旋轉裝置63上，該旋轉裝置63可為(例如)：一電流計，諸如由Cambridge Technologies Inc,Lexington,MA.提供；一樞軸裝置，由一馬達上之凸輪機構驅動；一樞軸軸承，由語音線圈、壓電馬達或其他線性或旋轉馬達驅動。可由一驅動裝置62驅動旋轉裝置63，該驅動裝置62提供(例如)電流以引起旋轉裝置63中之一馬達操作且因此移動鏡49。在此點上，旋轉裝置63之主要目的係引起鏡49圍繞一支點58旋轉至兩個或多個大體上固定之位置(例如，a(t1)、b(t2))，且在該等固定位置之間具有最小轉變時間(增量t)。

在圖2之實例中，在時間t1下之鏡位置a(t1)引導偏振光束至含有光學延遲器64及隨後之偏光分光鏡57之第二光路徑(a)。光學延遲器64經組態以改變來自雷射照明系統27之偏振光的偏光。在需要雷射光之偏光切換為正交之情況下，光學延遲器64將提供大體上一半波旋轉。偏光分光鏡57係一偏光組合裝置之一實例，其經設計以透射來自延遲器64之具有不同偏光(例如，正交偏光)的光。然而，應注意的是偏光分光鏡57或在其位置中使用之其他任何偏光組合裝置可替代地經設計以替代地反射具有該不同偏光(例如，正交偏光)之光。在與圖2之顯示相對之此情況下，鏡53(下文討論)可替代地為引起沿路徑(b)之光的半波旋轉之一裝置。

回到圖2所表示之實施例，在鏡處於位置a(t1)後，在最小之時間增量t期間，旋轉裝置63將鏡49轉變至位置b(t2)。在此點上，可由電子命令或馬達時序驅動旋轉裝置63。一旦鏡49處於位置b(t2)，則鏡49重引導來自雷射照明系統27之光至一第三路徑(b)。沿路徑(b)之光行進至一鏡53。鏡53可為一習知的鏡、調諧鏡或偏光分光鏡，恰類似於鏡49。鏡53引導雷射光至偏光分光鏡57以組合為相同於或大體上相同於來自路徑28及(a)之雷射光的光學路徑。換言之，來自偏光分光鏡57之組合光束展現相同於或大體上相同於由沿路徑28及(a)之光展現的集光率之集光率。應注意的是：來自從(a)至(b)重定位的鏡49之組合角度連同鏡53之角度位置，經由反射引導雷射光，使得在自分光鏡57反射後，路徑(a)及路徑(b)之光束在角度及空間意義之兩者上大體上一致。然而，可能需要保持路徑長度為較短，使得較小之雷射發散不會引起兩個光學路徑之間的明顯大小差異，儘管兩者並不相等。在此情況下，大體上維持系統之集光率。

在為立體成像實現正交偏光狀態之一實施例中，偏光分光鏡將傳輸在(t1)下之一偏光狀態及在(t2)下之一正交偏光狀態至一光學系統，該光學系統將為觀看者大體上維持此等偏光狀態。觀看者隨後透過每隻眼睛在由正交偏振濾光器在(t1)與(t2)下顯示之不同影像之間進行鑑別。期望減少轉變時間增量t以在錯誤影像信號發送至相反眼睛時減少偏光狀態之任一串擾。同樣地，當影像空白時(在轉變時間期間未使用影像)，丟失最小量之光。

圖3根據本發明之一實施例繪示一集光率維持偏光切換系統48。系統48類似於由圖2繪示之系統47，以下除外：系統48未包含圖2之光學延遲器64，且由一反射延遲系統55取代圖2之鏡53，該反射延遲系統55兼反射與旋轉光之偏光狀態。反射延遲系統55可為一單元反射延遲器(如圖3所示)(此項技術中已知)，可為串聯之一反射器及一延遲器(圖3未顯示)，或可為其他任何等效裝置或若干裝置之組合。

在圖3之實例中，偏光分光鏡57b透射原始雷射偏光狀態，並自路徑(b)反射旋轉偏光狀態。應注意的是若集光率維持非所關注，則鏡53可以一方式傾斜(未顯示)，其方式致使以平行於路徑(a)之方向反射路徑(b)之下游部分。

圖4根據本發明之一實施例繪示一投影系統100，該投影系統100併入圖2之集光率維持偏光切換系統47(47r、47g、47b)以用於各個色彩通道(例如，分別為紅、綠、藍)。應注意的是雖然使用圖2之系統47來顯示系統100，但熟習此項技術者應瞭解系統100可代以包含圖3之系統48或來自本發明之其他實施例的系統。此外，雖然圖4之實例涉及紅、綠及藍色通道，但熟習此項技術者應瞭解可使用不同數量及類型之色彩通道。

支援的光學器件51r、51g、51b係分別與各個切換系統47r、47g、47b相關。各組支援的光學器件51包含一整合條52、一空間光調變器60及多種透鏡54，該等透鏡54經組態以將光耦合進入整合條52中，且隨後將均勻化之照明重新調整大小並成像使其自整合條射出至空間光調變器60上。利用二向分光板84將來自切換系統47r、47g、47b與支援的光學器件51r、51g、51b之彩色光分別組合(此項技術中已知)。來自二向分光板84之組合光係由一投影總成70投影，該投影總成70包含屬此項技術中已知組態的若干透鏡。

圖5根據本發明之諸實施例繪示一旋轉鏡之角度位置的有意引起之變動。作為本發明之多種實施例(諸如圖2、圖3、圖4之實施例)的額外特徵，鏡49可被引起振動以減少雷射斑點(此項技術中已知)。在此點上，圖5顯示：可由來自驅動裝置62之一隨機雜訊輸入信號(相對於圖5所示之「乾淨輸入信號」)來驅動旋轉裝置63，該隨機雜訊輸入信號引起鏡49之輕微角度移動。由圖5之「每隨機雜訊信號之角度位置」圖形來繪示此輕微角度移動。然而，由驅動裝置62施加至驅動旋轉裝置63的信號之雜訊未必為完全隨機的。例如，可由驅動裝置62提供經排序之雜訊至旋轉裝置63。

可利用有意之角度雜訊或振動以提供雷射照明光束之較小時間偏移至空間光調變器，藉此引起雷射斑點較少。期望之頻域係使得由眼睛在不同位置處將斑點圖案平均化。

補充或代替在旋轉裝置63之驅動信號中提供雜訊以引起自鏡49反射之光的振動以減少斑點，可以如下方式製造或安裝鏡49：當鏡49移動以引起照明路徑之較小光學路徑差異時，使鏡49之光學表面輕微變形。換言之，當鏡49移動將引起或促進自鏡49反射之光的振動以減少雷射斑點時，引起鏡49之光學表面的輕微變形。再者，調諧此振動之頻域使得眼睛平均化斑點圖案之變動以降低可觀看斑點之強度。當鏡49自一個位置轉變至另一位置時(例如，見圖2)，可使用鏡49之加速與減速動作以提供引起鏡49之光學表面輕微變形的力。通常在電流計中，此效應係稱為響鈴且在圖5之頂列所繪示。在此情況下，作為減少斑點之方式，響鈴可為一期望之屬性。

除了引起鏡49或鏡49之光學表面或兩者之振動外，鏡可含有一漫射表面以進一步增強雷射斑點之減少。

應瞭解例示性實施例係僅為繪示本發明，且在不脫離本發明之範疇下，熟習此項技術者可設計上述實施例的許多變動。因此所有此等變動意欲包含於下述請求項及其等之等效物的範疇內。

27．．．雷射照明系統

28．．．第一光路徑

47．．．集光率維持偏光切換系統

47b．．．切換系統

47g．．．切換系統

47r．．．切換系統

48．．．集光率維持偏光切換系統

49．．．樞轉鏡

51．．．支援光學器件

51b．．．支援光學器件

51g．．．支援光學器件

51r．．．支援光學器件

52．．．整合條

53．．．鏡

54．．．多種透鏡

55．．．反射延遲系統

57．．．偏光分光鏡

57b．．．偏光分光鏡

58．．．支點

60．．．空間光調變器

62．．．驅動裝置

63．．．旋轉裝置

64．．．光學延遲器

70．．．投影總成

84．．．二向分光板

100．．．投影系統

圖1繪示集光率增加之一現有光學系統；

圖2根據本發明之一實施例繪示一集光率維持偏光切換系統；

圖3根據本發明之一實施例繪示另一集光率維持偏光切換系統；

圖4根據本發明之一實施例繪示併入圖2之集光率維持偏光切換系統的投影系統；及

圖5根據本發明之諸實施例繪示一旋轉鏡之角度位置的有意引起之變動。

應瞭解附圖係為繪示本發明之概念且可不按比例。

28．．．第一光路徑

47．．．集光率維持偏光切換系統

49．．．樞轉鏡

53．．．鏡

57．．．偏光分光鏡

58．．．支點

62．．．驅動裝置

63．．．旋轉裝置

64．．．光學延遲器

Claims (15)

1. 一種集光率維持偏光切換(etendue maintaining polarization switching)系統，其包括：一雷射照明系統，其經組態以沿一第一光路徑提供偏振光(polarized light)；一可樞轉(pivoted)之反射元件，其係安置於該第一光路徑中，該可樞轉之反射元件係可致動的以可控地及交替地沿至少一第二光路徑及一第三光路徑引導該第一光路徑中之該偏振光而不改變該偏振光之偏光(polarization)；一旋轉裝置及一驅動裝置，其共同經組態以樞轉該可樞轉之反射元件，該驅動裝置經組態以對該旋轉裝置提供一驅動信號，該驅動信號經組態以使該旋轉裝置樞轉該可樞轉的反射元件，其中該驅動信號經組態以包含雜訊；一延遲器(retarder)，其係安置於該第二光路徑中，該延遲器經組態以將該偏振光改變為沿該第二光路徑具有一不同偏光之光；及一偏光組合裝置，其經組態以將來自該第三光路徑之光與來自該第二光路徑中的該延遲器之具有不同偏光的光組合為一單一光束，該單一光束展現一相同於或實質上一相同於該第一光路徑之集光率。
2. 如請求項1之系統，其中該雜訊係隨機的。
3. 如請求項1之系統，其中該雜訊係經排序的。
4. 如請求項1之系統，其中該可樞轉之反射元件包含一光學表面，該光學表面經組態以在該旋轉裝置及該驅動裝置移動該反射元件時輕微變形。
5. 如請求項4之系統，其中該光學表面經組態以：在由該旋轉裝置及該驅動裝置移動該反射元件時，由於加速、減速或兩者而輕微變形。
6. 如請求項1之系統，其進一步包括安置於該第三光路徑中該偏光組合裝置上游之一反射元件。
7. 一種集光率維持偏光切換系統，其包括：一雷射照明系統，其經組態以沿一第一光路徑提供偏振光；一可樞轉之反射元件，其係安置於該第一光路徑中，該可樞轉之反射元件係可致動的以可控地及交替地沿至少一第二光路徑及一第三光路徑引導該第一光路徑中之該偏振光而不改變該偏振光之偏光；一旋轉裝置及一驅動裝置，其共同經組態以樞轉該可樞轉之反射元件，該驅動裝置經組態以對該旋轉裝置提供一驅動信號，該驅動信號經組態以使該旋轉裝置樞轉該可樞轉的反射元件，其中該驅動信號經組態以包含雜訊；一反射延遲系統，其係安置於該第三光路徑中，該反射延遲系統經組態以將該偏振光改變為具有一不同偏光之光，且沿該第三光路徑反射該具有不同偏光之光；及一偏光組合裝置，其經組態以將來自該第二光路徑之 光與來自該第三光路徑中的該反射延遲系統之具有不同偏光的光組合為一單一光束，該單一光束展現一相同於或實質上一相同於該第一光路徑之集光率。
8. 如請求項7之系統，其中該反射延遲系統包括一反射延遲器。
9. 如請求項7之系統，其中該反射延遲系統包括串聯之一反射器及一延遲器。
10. 如請求項7之系統，其中該可樞轉之反射元件包含一光學表面，該光學表面經組態以在該旋轉裝置及該驅動裝置移動該反射元件時輕微變形。
11. 如請求項10之系統，其中該光學表面經組態以：在由該旋轉裝置及該驅動裝置移動該反射元件時，由於加速、減速或兩者而輕微變形。
12. 如請求項7之系統，其進一步包括安置於該第三光路徑中該偏光組合裝置上游之一反射元件。
13. 一種投影系統，其包括：如請求項1之集光率維持偏光切換系統；支援該集光率維持偏光切換系統之光學器件(optics)；及一投影總成。
14. 一種投影系統，其包括：如請求項7之集光率維持偏光切換系統；支援該集光率維持偏光切換系統之光學器件；及一投影總成。
15. 一種偏光切換系統，其包括：一雷射照明系統，其經組態以沿一第一光路徑提供偏振光；一可樞轉之反射元件，其係安置於該第一光路徑中，該可樞轉之反射元件係可致動的以可控地及交替地沿至少一第二光路徑及一第三光路徑引導該第一光路徑中之該偏振光而不改變該偏振光之偏光；及一旋轉裝置及一驅動裝置，其共同經組態以樞轉該可樞轉之反射元件，該驅動裝置經組態以對該旋轉裝置提供一驅動信號，該驅動信號經組態以使該旋轉裝置樞轉該可樞轉的反射元件，其中該驅動信號經組態以包含雜訊；一反射延遲系統，其係安置於該第三光路徑中，該反射延遲系統經組態以將該偏振光改變為具有一不同偏光之光，且沿該第三光路徑反射該具有不同偏光之光。