偏振转换的发光系统技术方案

提供一种偏振转换发光系统，在这系统中，来自光源（例如，灯（１０）和光综合器（１６）的非偏振光被偏振转换中继器（１３）分成第一和第二两个部分（例如，Ｓ－偏振和Ｐ－偏振光），且两个部分中的一个部分的偏振被转换成另一部分的偏振（例如，Ｓ－偏振光转换成Ｐ－偏振光）。然后把已转换的和未转换的部分用于照亮一物体，诸如，偏振转换象素化面板（１２）。较佳的是，偏振转换中继器（１３）具有通过位于中继器（１３）光输出端处，基本上在透镜单元（Ｌ３）的后焦平面放一硬孔经光圈形成的焦阑或近焦阑的输出光孔。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术与这样的偏振转换有关，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。
技术实现思路
附图说明图1示出根据本专利技术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。本专利技术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。根据本专利技术，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。本专利技术通过图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，本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从光源接收非偏振光并把偏振光传输到待照亮物体的偏振转换中继器，所述中继器，其特征在于，包括：（ａ）偏振分离器，用于分离来自光源的非偏振光成为根据偏振的第一第二部分；以及（ｂ）偏振转换器，用于转换那些部分中的一个偏振； 其中（ｉ）第一和第二部分沿着有不同长度的光路经过中继器通过，以及（ｉｉ）该中继器具有输出孔径，它是焦阑的或近焦阑的。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PR德斯坦恩，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]