偏振转换的发光系统 【技术领域】
本发明涉及供偏振转换象素化面板之间的发光系统，尤其涉及采用偏振转换的发光系统。
背景技术
正如在本领域中所熟知的，采用偏振转换象素化面板(例如，采用诸如LCoS(硅上液晶)液晶技术的透射或反射的象素化面板)的投影系统，需要偏振的输入光。但是，通常用于投影系统的光源产生随着偏振的光。处理这事实的一个方法就是从光源过滤该光，使它成为单一偏振光。但是，这样的过滤损耗了50％的输出光源。
对付随着偏振问题的另一方法是把由光源产生的光分离为两束具有不同偏振的光(例如，一束P偏振光和一束S偏振光)，然后把这两束光中的一束光的偏振转换到与另一束匹配的偏振(例如，把S偏振光转换到P偏转)。由于它利用了光源更多的输出，所以它比过滤光的方向更为可取。本发明与这样地偏振转换有关，尤其是，把集成功与经济一体的偏振转换进入用于在投影屏幕上产生高质量光学图像的完整光学系统之内。
已经在专利文献中揭示的偏振转换系统的几个例子包括那些美国专利第4,913,529，5,884,991和6,139,157号，它们的有关部分通过此用结合在此。
【发明内容】
图1示出根据本发明构筑的一个光学系统的一般结构。正如在此所示，这系统总的目的是从灯10取光，由一块或多块象素货面板12(例如，分别用红，绿和蓝光的三块面板)来调制该光，然后把已调制好的光显示在屏幕14上。在灯与象素化面板(或多块面板)之间是光综合器(均质器)16，而在象素化面板(或多块面板)与屏幕之间则是投影透镜18。光综合器可以是一种示于图5的呈锥台的管道型式，而这样一种用灯10的管道的综合效率可根据在Simon Magarill的“First Order Property of Illumination System，”NovelOptical Systems Design and Optimization，Proc，SPIE，vol 4768，pp57-64，September，2002中讨论的方法使其最佳化。
本发明光学系统的一个重要方面是光孔处理以便取得经过该系统有最大的光传输，而又要提供该系统各种部件需要的双重目的。尤其是，当采用具有焦阑或近焦阑光孔的发光系统和投影透镜时，通常，偏振转换象素化面板(例如LCoS面板)，完成得较好。在此所使用的“近光阑”指的是光孔离象化面板(或多块面板)的距离至少为一米。
根据本发明，即使这系统对偏振转换光(例如，转换成P-偏振光的原来的S-偏振光)和非偏振转换光(例如，仍为P-偏振光的原来的P-偏振光)具有不同长度的光路，也能获得这较佳的光孔位置。
本发明通过图1中偏振转换中继器的结构和操作才获得这个结果。
如图2所示，中继器和偏振转换系统13包括：(1)示于图2中的第一透镜单元，包括两个一起具有主平面PP1的透镜元件L1和L2；(2)偏振分离器在图中所示的是栅格起偏振器(GP)；(3)折合平面镜(FM)；(4)偏振转换器如图中所示它包括半波片(HWP)；(5)硬光圈孔径；以及(6)第二透镜单元，如图中所示它包括单一透镜元件L3且具有主平面PP2。
第一和第二透镜单元一同起着中继器的功能，由于它们使来自光综合器16输出端的光成象于象素化面板(或多块面板)12上。因此，由于这些单元的结果，光综合器的输出端和象素化面板的表面是光学共轭的。但是，因为中继器系统执行偏振转换，所以对偏振转换(PC)光的光路长度和对非偏振转换(N-PC)光的光路长度并不相同(例如，如图2所示，对PC光的光路比对N-PC光的光路长)。
考虑到在光路长度上的这个差异又仍要在光综合器的输出端和像素化面板(或多块面板)之间获得共轭关系，则第一透镜单元，要这样来放置，是使它的后焦平面基本上在光综合器的输出端处。这样，中继器系统是远焦的并可提供对PC和N-PC光的路径长度的差异。考查另一情况，第一透镜在无穷远处产生光综合器输出端的中间图像，因此，当第二透镜单元使该中间图像成象于象素化面板(或几块面板)上时，任何由不同路径长度造成的散焦效应抹去了。
转向中继器的偏振转换功能，如图2所示，这个功能通过偏振分离器，折合平面镜，和偏转换器来完成。
平面镜和偏振转换器是标准结构。适合的折合平面镜的非限制例子包括直角棱镜，五棱镜，和Dove棱镜。适合的偏振转换器的非限制例子包括半波片和棱镜偏振旋转器。
偏振分离器较佳的是一种由Orem，Utal的MOXTEK以PROFLUX商标出售的栅格起偏振器的型式。与一种立方型偏振光分解器相比，它也能使用但不太令人满意的，栅格起偏振器具有一些优点，包括：较高的总效率；对入射角的灵敏度较低，即栅格起偏振器能较好地处理总是存在于即使是已被准直的延伸光源中的不交轴光线，在两个通道中都有不仅改善反差，还使转换效率和信息通过量更高的较高偏振纯度；以及较低的成本。除了立方型偏振光分解器和栅格起偏振器之外，也可由，例如，Foster棱镜或其它采用双折射晶体的偏振分解器棱镜来完成。
如图2所示，偏振转换导致总的不对称(偏心的)的光学系统。它也导致对通道1的光(N-PC光)和通道2的光(PC光)的不同的光孔位置。尤其是，灯/光综合器组合的输出光孔典型地是在无穷远处，而第一透镜单元使该光孔成象于离PP1距离为f1处的前焦平面(象素化的面板一侧)上。但是，因为偏振分离器把来自灯/光综合器组合的光分离为两个部分，又因为对这两个部分的光路是不同的，所以结果是两个光孔在不同的位置，如图2中的虚线所示。
为解决这问题，本发明的偏振转换中继器要做两件事：首先，光圈孔径引入到该系统，以及其次，把该系统的第二透镜单元放在使这硬光圈孔径基本上在这单元的后(朝向光源)焦平面的位置上，这样，这中继器系统再限定了正如从象素化的面板(或多块面板)这来看的总系统的焦阑度，它因此解决了由两个光孔位置造成的焦阑断开的问题。在这样做的时候，通过提供象素化面板(或在多块面板)和具有正规孔径的限定，它改善了系统的反差。
如图2所示，第一和第二通道较佳的是从第二透镜单元的光轴偏心一个相同的量，即距离“D”。而且，较佳的是D与硬光圈孔径的f-数(f/#)通过下面的关系相联系。
D＝f2/ (4·f/#)
此处f2是第二透镜单元的焦距。对硬光圈孔径f/#的典型值是～2.8。
除了形成硬光圈孔径(即，焦阑的或近焦阑的光孔)的焦阑图像(或近焦阑图象)之外，如上面所讨论的，第二透镜单元也使光综合器16的输出端的中间图像也成象于象素化的面板(或多块面板)12上。供象素化的面板之用的光机通常在极接近于象素化的面板(或多块面板)的地方(见，例如，在图3和4中的参考数字20)包括各种各样的光学元件(例如，PBS立方块)。这对发射光和成象光这两者都在机反同一侧的反射象素化面板特别是如此，但是对透镜面板也是正确的。
要对这些元件提供合适的间隙，第二透镜单元较佳的是一弱的单元，就是说，它较佳的是具有比较长的焦距，使得光综合器输出端的图像位于离第二透镜单元长的距离的位置上。更确切地说，第二透镜单元(因此全盘加以考虑偏振转换中继器)需要有长的前(即，在面板的方向)焦距(FFL)来提供在第二透镜单元的光输出端和象素化面板(或多块面板)表面之间的合适间隙。尤其是，避免在象素化的面板(或多块面板)的附近象在美国专利第6,139,157号中所做的场透镜的使用是重要的，由于这样的透镜增加了系统的复杂性并仅次于面板浪费了宝贵的间隙。
作为合适的f2和FFL值的一个例子，对表1中的规定，f2是105.0毫米和在空气中FFL是101毫米。更一般地说，用“L”来表示在投影系统中所使用的象素化面板(或向块面板)对角线的长度，则f2较佳的是大于或等于2L，更佳的是大于或等于3L，而最佳的是大于或等于4L。类似地，FFL较佳的是大于或等于2L，更佳的是大于或等于3L，而最佳的是大于或等于4L。作为参考，用于表1象素为面板的L是21.15毫米。
为使从灯到象素化面板光的转移为最大，f2对f1的比率较佳的是2。更一般地说，这比率应在下面的范围中：
1.5≤f2/f1≤2.5
已经发现这个焦距比把对氙弧灯的近场和远场的截断减为最小，因此使从灯到象素化面板(或多块面板)的光产出量成为最大。对其它类型的灯，在这范围内之外的比率可能是合适的。
如图2所示，第一透镜单元由两个透镜元件L1和L2组成，而第二透镜单元由单个透镜元件L3组成。由于它把该系统的成本和复杂性减到最小，所以这对中继器是一较佳的结构，当然，其它的结构可用于本发明的实践中，例如，单一透镜元件可用于第一透镜单元。
较佳的是，相同的材料用于所有的中继透镜，例如，对用于图2实施例的透镜元件L1，L2和L3。尤其是，较佳的是采用诸如BK7的一种不贵的皇冠玻璃。在实践中，已经发现即使采用这种类型的玻璃，当采用呈锥台管道综合器时，该综合器提供具有沿矩形象素化面板长轴的低发散大的视野，通过红，绿和蓝光一致重心的测量时，该系统呈现出横向颜色比较低的水平。尤其是，对表1的系统，已经发现红，绿和蓝光的重心在18.43mm×10.37mm象素化面板的边缘处重合在几个微米之内。这种横向颜色的低水平不仅对采用红，绿和蓝光三个各别的象素化面板系统有利，而且也意味着本发明的发光系统可用于成旋涡形的彩色系统中，在这系统中，彩色图像被顺序地产生并应用到一共用的象素化面板，而不是分离面板上。
如果即使想要进一步的色彩校正和/或使余下的球面象差减为最小，则第二透镜单元也可以是用色彩校正双合透镜的形式或可包括提供色彩校正的衍射表面，例如，L3可在它的两侧中的一侧包括衍射表面。
在随后的详细描述中，会陈述本发明另外的特点和优点，描述或通过实践本发明的认可，如本文所描述的，对在本技术领域中的技术人员容易理解其中的部分。要知道，前面的一般描述和下面的详细描述这两者，都仅是本发明示范性的例子，而企图为理解本发明的本质和特性提供综述或框架。
附图简述
图1是本发明投影系统的基本光学部件的方框图；
图2是本发明一个偏振转换中继器实施例的示意图；
图3是通过管道光综合器的小孔径(高发散)平面所取的本发明投影系统实施例的横截面示意图。这也是矩形象素化诸面板的小尺寸平面。
图4是通过管道光综合器的呈锥台的孔径(低发散)平面所取的本发明投影系统实施例的横截面示意视图。这也是矩形象素化诸面板的大尺寸平面，且就是在其中偏振被偏振转换系统(PCS)转换的平面；
图5是图3和4的管道光综合器的透视图。
被结合进并构成本说明书部分的前面诸图，说明了本发明的几个较佳实施例，并与描述在一起，起了解释本发明原理的作用。当然，要知道这附图和描述这两者都仅是说明性的，而对本发明不是限制性的。
【具体实施方式】
如上面所讨论的，本发明提供一种用于使用一块或几块偏振转换的象素化面板(例如，一块或几块LCoS反射面板)的投影系统的偏振转换中继器。该偏振转换中继器包括硬孔径光圈来解决对于当偏振分离和转换时，两束偏振光产生的不同光孔位置的问题。
如图2所示，该硬孔径光圈，对两个光路中的一个较短光路(在图2中的通道1)可以是与光孔位置是一致的，而对较长的光路(图2中的通道2)则与光孔位置是不一致的。尤其是，在图2中，该硬孔径光圈，对较长光路，是在光孔的象素化面板一侧。换一方法，且是较佳的，该硬孔径光圈与两个光孔的位置都不一致，而是位于它们之间。这就是表1的中继器例子。如果想要除了上面的两个例子之外，则可在本发明的实践中采用硬孔径光圈的其它位置。在所有的场合下，硬孔径光圈不会与由偏振转换系统产生的两个光孔中的至少一个光孔相一致。
这孔径光圈称之为“硬”孔径光圈(或换一种说法为“硬”光圈孔径)，因为它被故意地包括在偏振转换中继器中。它可由在本技术领域中熟知的任何标准方法来制作，例如，它可以是对中继器的一个或多个其它光学部件机械装置的其中一部分，或它可以是一分离部件。
也如上面所讨论的，偏振转换中继器的第二透镜单元是这样来放置的，使得该单元的后(朝向灯)和前(朝向面板)焦平面分别与硬孔径光圈和象素化的面板(或多块面板)基本一致。因此，第二透镜单元基本上在硬孔径光圈和象素化面板(或多块面板)之间是光学等距的。当在第二透镜单元和象素化面板(或多块面板)之间有平面玻璃元件(例如，PBS立方体)出现时，在第二透镜单元和象素化面板(或多块面板)的物理距离(与光学系统不同)将大于在第二透镜单元和硬孔径光圈之间的物理距离。尤其是，对每个平面玻璃元件，物理距离将增加t*(n-1)/n，此处t是这元件的厚度，而n则是它的折射率。
在没有用任何方式来企图限制它的情况下，通过表1和图3-5的专门例子更全面地描述本发明。从采用由聚点软件有限公司(Focus Software Inc.Tucson，Arizona)出售的ZEMEX光学设计程序的表1的规定来制备图3和4。在表中给出的所有尺寸的单位是毫米。清晰的孔径之值，对圆形孔径是半径值，而对矩形孔径则是全宽值。
这例子采用了具有内部表面装有平面镜的呈锥台的综合器管道。尤其是，这管道具有5.7mm×6.07mm的输入面和5.7mm×9.9mm的输出面。这锥台在象素化面板(或多块面板)长轴方向减少了发光的发散性。这样，反过来又减少了在象素化面板(或多块面板)处的横向颜色，使得这中继器恰好由三个透镜元件组成，所有这些元件都由不贵的玻璃制成，例如，BK7。除了具有低横向颜色外，采用不贵的BK7玻璃的中继器还具有低纵向颜色。
与只采用一个由发光灯产生的随意偏振光的偏振发光系统相比，通过完成偏振转换，表1的中继器系统，在光产出量方面获得约25～35％的提高。
虽在本文已描述了本发明较佳的和其它实施例，但是在不背离本发明的实质范围的情况下，在本技术领域中的技术人员可能会理解另外一些实施例。
表 1 项目名称 半径 厚度 玻璃 C.A(mm)或全宽 器 45 平面镜 5.7×6.07 RotxDecy 43,683(th1) 空气 5.7×9.9 透镜(L1) Inf 9.913 BK7 38+10.142 -52.3512 1.1 AIR 38+10.142 透镜(L2) 74.1752 9.913 BK7 38+10.142 -213.476 25.700(th2) AIR 38+10.142 栅格起偏振器 0.75 BK7 40×25.6 45度+9.08 (非偏振变换)通道(通道1) 栅格起偏光圈 11.4 空气 光圈 35.2 光圈L3 101.3(th3) 空气 (偏振转换)通道(通道2) 栅格起偏振器 折合平面镜 20.285 空气 (沿Y偏心) FM 平面镜 40×26 45度-10.142 折合平面镜光圈 11.4 空气 半段片 40×20.3-10.142 光圈L3 101.3(th3) 空气 透镜(L3) 108.2851 11 BK7 56 -106，6912 0 56 52.187 空气 PBS (累加厚度) 无穷远 47 SF2 26×36 无穷远 26×36 0.001 空气 BK7 (累加厚度) 无穷远 10.5 BK7 26×26 7 空气 26×26 LCOS平面 D 18.43×10.37