包括復曲面的光學元件及其製備方法

2023-11-06 00:50:42 1

專利名稱：包括復曲面的光學元件及其製備方法
包括復曲面的光學元件及其製備方法
背景技術：
光學投影儀用於將圖像投影到表面上，以供人們觀看。光學投影儀包括光學投影 子系統，其包括鏡頭、濾光器、偏振器、光源、成像設備等。前後固定的電子投影儀用於教學、 家庭影院和商務會議是已知的。已知的光源包括黑體燈、氣體放電燈和固態光源，例如雷射 器、發光二極體(LED)和有機發光二極體(OLED)。頭盔式顯示器供個人使用是已知的。對 於移動應用，人們期望能縮小光學投影儀的體積和厚度，以使其功率效率高同時保持低功 耗、低成本和高圖像質量。然而，現有的光學投影子系統的大尺寸和高功耗卻限制了人們制 造出一種真正可攜式的投影儀。所以需要一種體積小且效率高的光學投影子系統及製備子 系統的方法，從而以高性價比投影高質量的圖像。

發明內容
在一個實施例中，一種成像系統包括提供光束的光源和變形折射光學元件。變形 元件包括面向光源的第一外表面和入射表面。第一外表面包括復曲面。變形元件配置為使 得光束入射到第一外表面上，然後入射到入射表面上。該系統還包括成像裝置，其中，變形 光學元件將光束導向成像裝置。在另一個實施例中，照明系統包括提供光束的光源和變形折射光學元件。該變形 元件包括面向光源的第一外表面。該第一外表面包括復曲面以及第一小平面切面。在另一個實施例中，一種製備照明系統的變形元件的方法包括提供具有邊緣表面 的透鏡材料的一部分，圍繞第一旋轉軸旋轉該透鏡材料的部分，並且在該部分旋轉的同時， 切割邊緣表面以形成復曲面。該方法還包括在該復曲面中切割出第一小平面切面的步驟。本發明內容旨在以簡化形式引入構思的選擇，在下文的具體實施方式
中對此做進 一步描述。本明內容並非意圖為了鑑別要求保護的主題的關鍵特徵或基本特徵，並非意圖 為了要求保護的主題的每個公開的實施例或每種實施方式，也並非意圖用於幫助確定要求 保護的主題的範圍。許多其他的優點、特徵和關係將隨著進行下面的說明而變得顯而易見。 隨後的附圖和說明更具體地舉例說明了示例性實施例。


將參照附圖進一步說明本發明所公開的主題，其中，在多個附圖中，用類似的附圖 標記表示類似的結構或系統元件。圖1是移動投影系統的一個實施例的俯視圖，該移動投影系統包括在其入射面上 具有復曲面的小平面化的光學元件。圖2是圖1中的光學元件的俯視圖。圖3是圖2中的光學元件的透視圖。圖4是光學元件的一個實施例的側視圖，該光學元件具有復曲面。圖5是在製造圖2中的光學元件的過程中以媒介形式存在的具有復曲面的光學元 件的透視圖。
圖6是沿圖5中的6-6線的圖5中的光學元件的剖視圖。圖7是在製造圖2中的光學元件的過程中以另一媒介形式存在的光學元件的透視 圖，該光學元件包括具有圓柱形小平面切面的復曲面。圖8是圖7中的元件的另一個透視圖。圖9是在本發明的一個實施例中的2 %軸車床的示意圖，該車床用於製造包括具 有添加的圓柱形小平面的復曲面的透鏡。圖10是移動投影系統的一個實施例的俯視圖，該移動投影系統包括數字微鏡成 像器並包括具有復曲面的光學元件。圖11是移動投影系統的一個實施例的俯視圖，該移動投影系統包括透射型偏振 成像器並包括具有復曲面的光學元件。圖12是移動投影系統的俯視圖，該移動投影系統包括在偏振分束器的入射面之 前包括雙圓柱形透鏡。圖13是移動投影系統的俯視圖，該移動投影系統包括被當成偏振分束器的入射 面的圓柱形透鏡。圖14是包括三個顏色通道的投影系統的俯視圖。雖然上述附圖示出了本發明所公開的主題的一個或多個實施例，但是還可以想到 其它的實施例，如本發明中所指出的那樣。在所有情況下，本發明以示例性而非限制性的方 式表示本發明所公開的主題。應當立即，對於本技術領域的技術人員來說，在不脫離本發明 範圍和精神的前提下，還可以設計出許多其他變化和實施例。
具體實施例方式本發明適用於成像系統的領域。本發明尤其適用的領域的一個實例是投影系統， 特別是移動投影系統。投影系統可以有多個不同的配置，但許多配置的共同點在於都是將光束從光源導 向包括成像面板的反射型或透射型成像裝置。這些不同的成像裝置通常使用變形光學元件 將來自光源的具有第一長寬比的光束轉化成配合成像面板的具有第二長寬比的光束。通常 來講，光源具有1 1的正方形長寬比。在各種實施例中，該成像面板具有16 9或4 3 的矩形長寬比或其它矩形長寬比。為了實現經改變的長寬比，該變形元件通常沿著一個方向壓縮光束。圖1中示出 了在成像系統100的情況下用於此目的的示例性變形折射光學元件。折射光學元件110包 括面向光源114的第一外表面112。該第一外表面112包括復曲面部分118。發現復曲面 尤其可用於將光從光源導向元件的中心。特別是，如同圖1所定位的，撞擊第一外表面112 的頂部和底部的光將被導向中心。復曲面是圓環的表面，此圓環是通過曲線或線條圍繞外部線條旋轉形成的形狀， 該外部線條與所述線條位於同一平面。一個普通的圓環是通過圓形物的旋轉而生成的圓環 形。然而，術語「圓環」是指任何由圓錐的旋轉而生成的形狀。圓錐是通過由直圓錐與平面 交叉而形成的曲線或非直線，包括橢圓，拋物線和雙曲線。因為術語「圓環」和「超環面」用 於本專利申請，所以用於產生環面的曲線可以用多項式進行描述，就如同在上述附圖中示 出的實例一樣。在對使用變形元件的投影系統做出說明以後，本文中將進一步說明第一外表面的其他方面。用於得到矩形長寬比的折射光學元件用於許多不同類型的投影系統。反射型成像 裝置的一個實例是使用矽基液晶(LCoS)的成像面板。光從LCoS成像面板反射出，形成成 像光束。反射型成像面板的另一個實例是由顯微鏡的矩陣構成的數字微鏡裝置(DMD)，其 中每個顯微鏡代表投影圖像裡的一個或多個像素。這些顯微鏡可以迅速地從其反射光的工 作位置移動到其將光束導向吸光元件的非工作位置。一些透射型系統使用打開或關閉的光 閘，從而對於各個像素而言，使光穿過或者阻擋光。透射型系統的另一個實例是高溫多晶矽 液晶裝置(HIPS-LCD)成像器。圖1示出了在反射型投影系統110的實例的情況下的變形折射光學元件110，所述 投影系統110例如是具有LCoS面板的系統。首先將對該系統進行描述以便了解折射光學 元件110的運行。光源114提供光束122並且包括固態光發射器126、集光透鏡128和準直 儀130。固態光發射器126接收電能131並且傳熱地連接到散熱器(未示出)。在一個實 例中，光束122包括非相干光。在另一個實例中，固態光發射器126包括一個或多個發光二 極管(LED)。在一個實例中，集光透鏡128是如在美國專利公布No. 2007/0152231中教導的 超半球球透鏡。在該實例中，準直儀13包括組裝了第一菲涅耳透鏡的聚焦單元，所述第一菲涅耳 透鏡具有用於接收第一非準直光束的第一非小平面化的面和用於發射準直光束的第一小 平面化的面。準直儀130將光束122導向折射元件110。該折射元件110的第一外表面112面 向光源。在圖1的實例中，入射表面132包括偏振濾波器134，用於形成具有被導向成像面 板140的第一偏振組件的偏振光束136。在該實例中，變形元件110用作偏振分束器(PBS)。 在這樣的配置中，折射元件110是可以用作偏振元件以及透鏡並且用作變形元件的多功能 光學組件。這種功能的組合防止了原本在提供這些功能的獨立元件之間的空氣界面處會出 現的損失。在各種實施例中，偏振濾波器是吸收型偏振器或反射型偏振器，例如，線柵偏振 器，雙折射偏振器或薄膜偏振器。如圖1所示的配置，偏振濾波器134是反射偏振層，其將主 要包括第一偏振光的偏振光束136導向成像面板140。第二偏振分量穿過偏振濾波器134。 偏振光束136通過第二外表面144從折射元件射出。在一個實例中，第二外表面144具有 非零透鏡光學能並且是彎曲的透鏡表面，例如凸形表面。該第二外表面是圖1的實例中的 非球面凸透鏡。成像面板140接收來自於電輸入總線146的圖像數據和電能。偏振光束136入射 到根據圖像數據來反射光的面板140上。由面板140反射改性光束142，此時，根據圖像數 據，光束142的偏振狀態被相對於偏振光束136的偏振按逐個像素來改變。針對圖像是亮 的像素，改變偏振狀態，但對於面板中圖像是暗的區域則不改變偏振狀態。成像光束150是 由穿過折射元件110和穿過偏振濾波器134的改性光束142的偏振組件構成的。折射元件110緊鄰透鏡元件154，透鏡元件154具有第一外表面156。在圖1的實 例中，折射元件110與透鏡元件154之間沒有空氣間隙。成像光束150穿過透鏡元件154到 達投影透鏡組件160。該投影透鏡組件160提供適於觀看的成像投影光束162。2007年7月 31日申請的代理人案卷號為No. 63281US002、申請號為No. 11/831，307的名稱為"OpticalProjection System」(光學投影系統)的共同擁有並且共同待審的專利申請提供了關於示 例性投影系統的許多方面的另外的細節，在該示例性投影系統中，可以利用具有復曲面的 折射元件。在一些實施例中，使用色序(例如通過色輪的作用)將顏色賦予投影光束。另外， 可以使用三個均以三原色被照明的成像面板。或者，濾色器可以被組裝到成像面板140的 有效像素(picture element)中。現在將進一步詳細描述第一外表面112。圖2是側視圖，圖3是具有復曲面部分 118的折射元件110的透視圖。與第一外表面的圓柱面形狀相比，復曲面提供了附加的光混 合和更有效的系統。如果提供了純圓柱形的表面，則如圖1中的定位，光沿著垂直方向更遠 地傳播。如圖1中的定位，復曲面部分118能更有效地將光從第一外表面112的頂部和底 部導向入射表面132的中心。現參照圖2-圖3，第一外表面112包括由小平面切面200、210、300和310構成的 復曲面部分118。在可供選擇的實施例中，第一外表面設置有一個、兩個、三個、五個、六個或 者其他數量的小平面切面。在一個實施例中，一個或多個小平面切面具有圓柱面。在一個 實施例中，一個圓柱形小平面切面的半徑不同於至少一個其他的圓柱形小平面切面。在如 圖3的實施例中，第一小平面切面具有兩個部分第一頂部小平面切面部分200和第二底部 小平面切面部分210，這兩個切面部分是半徑相同的圓柱面。第二小平面切面也具有兩部 分第一左部小平面切面部分300和第二右部小平面切面部分310，這兩個切面部分也是彼 此半徑相同的圓柱面，但它們的半徑與第一和第二小平面切面的半徑不同。圖4是折射元 件110的仰視圖，其中圓柱形的第二底部小平面切面部分210的邊緣是可見的。據了解，本 專利申請中的方位參考(例如，頂、底、左、右)是指正討論的附圖中示出的方位。當系統處 於使用狀態時，這些方位不是必需的也不是非常精確的。圖5-圖8是折射元件110在其形成過程的不同階段的視圖。通過描述第一外表 面112的示例性形成方法來提供關於示例性的第一外表面112的更多細節。在一個示例性 的方法中，初始地，設置元件或透鏡材料的一部分。在採用該示例性成型方法(優選地使用 工具機加工)將材料部分旋轉的同時將其成型。在一個實施例中，折射元件的材料是塑料樹 脂材料。美國公布的專利申請2007/0030456提供了關於變形折射元件110可用的材料和 成型方法的另外的細節。在一個實施例中材料部分被設置為盤形，並且通過工具機圍繞盤的 軸旋轉。或者，材料部分的另一種形狀的使用和提供是連同用於使該材料部分圍繞軸旋轉 的夾具進行的。接著，該材料部分圍繞第一軸旋轉。在該部分旋轉的同時，對邊緣表面進行 切割從而形成復曲面。在各種實施例中，從旋轉軸到材料部分邊緣的距離大於20mm、大於 30mm、小於 40mm、小於 35mm、32mm 或者 32. 25mm。圖5的透視圖和圖6的剖視圖中示出了材料部分502中所得的切面復曲面500。 平坦表面510和512用於將材料部分502固定在夾持器中。該實施例中的復曲面500是通 過旋轉由多項式方程所描述的直線或曲線而形成的。圖6中的剖視圖示出了用於產生復曲面500的曲線或輪廓600。該輪廓被描述為ζ = —τ""「— 2 2 /2 +Dy4+ Ey6 + Fyi + Gyxo + Hyn + Iyu. ·.其中，y軸和ζ軸如圖6所示，ζ軸和y軸的值用毫米表示，此方程中的其他變量具
7有下列值
該方程為如光學設計中常用項的多項式方程。變量c為復曲面的中心部分的y-z 平面內的曲率半徑。在該實例中，c是與該輪廓的中心部分處的凹面相關的負值。變量k 表示用於產生超環面的主要形狀的圓錐剖面是什麼類型，其中，0表示圓，1表示拋物線並 且-1表示雙曲線。在以上方程所描述的示例性輪廓中，變量k是0，即表示該組件的主要輪 廓是圓形。方程裡除第一項之外的項改進以上實例中的圓形。該級數能以更高冪的項一直 繼續下去。對於附圖所示的實例，將該級數在第10次項截斷。圖6示出了圓環面的旋轉軸 602，並且該旋轉軸垂直於圖1所示的成像面板140的平面。一旦產生了復曲面500，接下來，就生成第一小平面切面200和第二小平面切面 210。小平面是與相鄰表面相比成一角度的表面的不同部分。圖5所示的材料件502圍繞 旋轉軸旋轉，並且工具機用於將圓柱面切割成復曲面500。在一些實施例中，只在復曲面500 中製成一個圓柱形小平面切面。在圖7、圖8的實施例中，示出了包括部分200和210的第 一小平面切面，以使復曲面部分720位於其間。第一小平面切面部分200和210包括圓柱 面。在一個實施例中，圓柱形的軸線與復曲面軸線602相同。在各種實施例中，第一和第二 小平面切面的圓柱面的半徑大於20mm、大於30mm、小於40mm、小於35mm、32mm或32. 25mm。與沒有小平面切面的相比，小平面切面200、210在所需的長寬比內提供了額外的 光混合效果和更均勻的照明。圖5中沒有小平面切面的復曲面500造成了具有一些亮帶的 光分布。圖5和圖6中的復曲面500包括第一脊514和第二脊516，第一脊514和第二脊 516的輪廓包括曲線輪廓518和520。脊514和516使得與入射表面132的中線分隔地存 在較亮的帶。為了消除這些亮帶並且更均勻地分布光，設置了第一小平面切面200和第二 小平面切面210。下一個步驟是選取圖7和圖8中的材料部分702並且製備如圖3所示的額外的小 平面切面300和310。該第二小平面切面包括部分300和310，其用於進一步消除光分布並 且產生比沒有該小平面切面時更均勻的光分布。至於成型方法，如果該第一小平面切面200和第二小平面切面210是形成在圓盤 形材料件上，楔形的折射元件110則被切割成非圓盤狀從而形成了如同材料部分702的材 料部分。圖7中的材料件702圍繞旋轉軸旋轉，並且工具機用於將圓柱面切割成復曲面720以 及第一小平面切面200和第二小平面切面210。在圖3中的實施例中，製備第二小平面切面 300和310，使得剩餘的復曲面部分118位於它們之間。第二小平面切面300和310具有圓 柱面。在一個實施例中，第二外表面的圓柱面的半徑等於或小於第一小平面切面的圓柱面 的半徑。在各種實施例中，第二小平面切面的圓柱面的半徑大於2mm、大於8mm、小於20mm、 小於 15mm、IOmm 或 Ilmm0可以用2軸工具機製造圖3所示的折射元件110而不必更複雜的工具機來進行製造。 圖9是用於製造折射元件110的示例性工具機900的示意圖。在該工具機中，頭座902使錠子904旋轉。待切割的工件906被固定到錠子904上，使得工件906在切割工程中能圍繞旋轉 軸旋轉。將工件906固定到錠子904上或者使用夾具將其附著。尾座908給夾具或工件的 一側提供支撐。如箭頭912所示，該尾座可以沿著軌道910朝著和遠離工件移動，以給工件 906提供支撐。切削工具914沿著工件設置在刀架915上。如箭頭916所示，該切削工具可 以朝著和遠離工件移動，也可以相對工件左右移動。如箭頭916所示，因為切削工具可以沿 2個軸移動，所以工具機900是指一個2軸工具機。有時候，該工具機的型號也指2 %軸工具機或者 2軸工具機，其中，1/2軸或3軸是指工件的旋轉。構造更加複雜的5軸工具機，使得切削工具也 能相對於圖9中的平面上下移動並且能夠傾斜。當切割圖5所示的復曲面500時，切削工具沿著材料盤的徑向邊緣移動或沿著保 持在夾具裡的材料部分的圓柱面移動，從而形成復曲面的形狀。因此，所述材料或工件的一 開始面向切削工具的表面是圓柱形。在切割復曲面500時，切削工具從工件522的第一邊 緣開始切割材料，在脊514之上背離材料盤移動，然後移動到邊緣中心處的材料做更深的 切割。然後，切削工具再次在脊516之上背離材料盤移動，接著當其接近邊緣526時向著盤 移動。可以用成型工藝(例如，注模成型)來複製變形折射元件110。也可以使用金剛石 車削工藝或者玻璃澆鑄工藝。雖然示出的是變形折射光學元件與(例如)偏振分束器或者 TIR稜鏡一體成型時，但是本領域的技術人員將認識到，變形折射光學元件可以單獨成型並 且對準偏振分束器或者TIR稜鏡。例如，變形折射光學元件可用光學粘合劑粘附到PBS或 者TIR稜鏡，或可對準PBS或者TIR稜鏡，並且在變形折射光學元件與後面的PBS或者TIR 稜鏡之間存在空氣。圖1示出了用作成像面板的LCoS面板常用的投影系統配置中的變形折射元件。具 有復曲面的變形折射元件也可以用於許多其他類型的投影系統。圖10是將數字微鏡器件 (DMD)用作其成像面板1040並還具有變形元件1010的投影系統1000的俯視圖，其中，第一 外表面1012具有復曲面部分1018。合適的DMD面板的實例包括可從Texas公司(Plano， TX)商購獲得的商品名為數字光處理器(DLP)的產品。DMD投影系統的許多其他配置具有 變形復曲面元件也是可能的，並且圖10正好提供了一種這樣的實例。圖10中的系統1000 包括將光引導通過色輪1019然後通過積分柱1020的光源1014。摺疊鏡1021將光束1022 導向變形折射元件1010的第一外表面1012。變形折射元件1010將來自具有第一長寬比的光源的光束1022轉化為具有配合具 有第二長寬比的DMD成像面板1040的光束。通常，光源具有1 1的正方形長寬比，但是 光源也有可能具有不同的長寬比。在各種實施例中，成像面板具有16 9或4 3的矩形 長寬比或其他矩形長寬比。採用以上所討論的用於變形元件110的方式相同的方式來操作 變形元件1010，該變形元件1010能夠具有以上所討論的用於變形元件110的各種配置，包 括具有如圖3所示的第一小平面切面和第二小平面切面，其都具有兩個部分。再參見圖10，具有矩形長寬比的光束被全內反射(TIR)稜鏡1042引導，影響包含 微小的傾斜鏡陣列的成像面板1040。每一個傾斜鏡的傾斜分別通過加載到與每個鏡子相 關的存儲單元中的數據來控制，從而使傾斜鏡控制反射光和並將視頻數據的像素空間映射 到投影屏的像素上。在接通(ON)狀態下被鏡反射的光穿過投影透鏡組件1060並投影到觀 測表面上產生明視場。另一方面，在斷開(OFF)狀態下被鏡反射的光沒有穿過投影透鏡組件1060從而產生暗視場。沒有使用單個DMD成像面板1040和色輪作用下的色序，而是可 以使用三個均被三原色照明的DMD成像面板。成像裝置的另一個類型是高溫多晶矽液晶裝置(HTPS-IXD)。HTPS-IXD還包括液 晶層，在該液晶層中，可漸進式(逐一按像素)控制取向，這是由對應於視頻信號的數據所 確定的。液晶層夾在包括透明電極陣列的兩個玻璃基板之間，由此適於透射方面的操作。 在每個HTPS-IXD像素的拐角處都有微小的薄膜電晶體。同時還存在非HTPS透射型液晶顯 示裝置。圖11是投影系統1100的一個實施例的俯視圖，該投影系統1100具有透射型IXD 成像面板1140並包括具有復曲面1118的變形光學元件1110。具有透射型成像面板的投 影系統的其他配置具有變形復曲面元件也是可能的，圖11正好提供了一種這樣的實例。圖 11中的系統1100包括提供了光束1122並且包括固態光發射器1126、集光透鏡1128和準 直儀1130的光源1114。固態光發射器1126接收電源1131並且傳熱地連接到散熱器(未 示出)。在一個實例中，光束1122包括非相干光。又如，固態光發射器126包括一個或多個 發光二極體(LED)。在一個實例中，集光透鏡128是在美國專利公布No. 2007/0152231中教 導的超半球球透鏡。光源114將光束1122導向變形折射元件1110的第一外表面1112。變形折射元件1110將來自具有第一長寬比的光源的光束1122轉化為與具有第二 長寬比的成像面板1140配合的光束。通常，光源具有1 1的正方形長寬比。在各種實例 中，成像面板具有16 9、4 3的矩形長寬比或者其他矩形長寬比。採用以上所討論的用 於變形元件110的方式相同的方式來操作變形元件1010，該變形元件1010能夠具有以上所 討論的用於變形元件110的各種配置，包括具有如圖3所示的第一小平面切面和第二小平 面切面，其都具有兩個部分。第二外表面1124是將所需的照明配置提供給成像面板1140 所需的任何形狀。偏振濾波器1132使具有將透射到成像面板1140的第一偏振分量的光。成像面板 1140接收來自於電輸入總線1146的圖像數據和電能。根據圖像數據，偏振光入射到面板 1140上並且光透射穿過圖像面板，然後穿過用作檢偏器的第二偏振濾波器1134。成像光束 1150由面板1140和偏振器132和1134透射，然後到達投影透鏡組件1160。圖11中示出了照明系統1170，該照明系統1170採用光源1114和變形元件1110， 它們可以用於需要均勻地照明矩形區域的許多不同的應用環境下。在比如醫療和牙科背景 以及許多其他情形下是理想的。根據特定的用途，這種照明系統可包括其他組件。對於參照圖1、10和11所描述的投影系統和照明系統存在許多替代形式。例如， 一個照明系統具有三個獨立的光源。每個獨立的光源都發射不同的原色。該系統可以與合 色器元件聯合使用，所述合色器元件例如是十字二向色組合器(例如由塗覆有二向色塗層 的直角稜鏡構成的公知組合器)。在一個實例中，來自於各個獨立色源的每個光束都被弓I導 穿過超半球球透鏡，然後穿過菲涅耳元件，接著到達合色器。在一個替代形式中，使用色彩 排序器(color sequencer)使得合色器發出所需的顏色。在另一個替代形式中，從合色器 發出混合的白光，然後白光被導向變形元件，然後被導向成像面板，此時對於所使用的特定 成像面板，根據需要來合併偏振器。在該實施例中，濾色器用於光路中或者用於成像面板的 有效像素中。然後，光被引導穿過變形元件，穿過成像面板並且穿過投影光學器件，這符合 對於不同類型的成像面板的圖1、10和11中所示的布置。在圖14中示出的另一個實施例中，三通道投影系統1400包括將光導向三個不同的反射型成像面板(例如，LCoS成像面板)的三個光發射器。紅光發射器1402存在於光源 1412中，綠光發射器1404存在於光源1414中並且藍光源1406存在於光源1416中。光源 1412、1414和1416的組件類似於圖1中的針對光源114所討論的那些組件。每個光源的輸 出被導向變形元件1408、1409和1410，這些變形元件還用作依次將光導向成像面板1142、 1444和1446的偏振分束器。變形元件1408、1409和1410以及成像面板1442、1444和1446 的操作和細節都類似於參照圖1所討論的內容。來自於各個組件1410、1420和1430的成 像光束1447、1448和1449被導向合色器1440，例如，十字二向色組合器(例如由塗覆二向 色塗層的直角稜鏡構成的公知組合器)。該組合的成像光束1450接著被導向投影透鏡組件 1460。圖14所示的在組件1410、1420和1430與合色器1440之間的空間是可任選的並且 通常是不存在的。在組件1410、1420和1430緊靠合色器1440的實施例中，透鏡或光學表 面設置在合色器1440的出射面上。應當理解，圖14中使用反射型成像面板的三通道配置 可適用於其他類型的成像系統，例如圖10中的數字微鏡成像系統和圖11中的透射型成像 系統。 圖12和13示出了在投影系統中針對變形元件的兩種可供選擇的設計方案，其中， 圖12和13中的變形元件沒有復曲面。圖1、12和13中的系統的各種特徵經受以實驗為依 據的測試，並且使用可得自 Lambda Research Corporation of Littleton,Massachusetts 的TracePro 光學建模軟體來模擬。如表格1中所示，比較三個系統的不同特性。表1-圖1、12和13的配置比較
配置採用矽基液晶時 的模擬效率模擬 RI@95% 場照明路徑 長度屏幕處測量 到的效率測量到的 RI@90% 場圖1233. 7%34%32. 9mm6. 56%18. 2%圖1328. 1%49. 2%34.3mm5. 7%35%圖131. 0%48. 2%26. 8mm6. 75%37. 8% 與圖12和13的配置相比，圖1中的照明路徑長度和整個配置的體積減少。另夕卜， 被構建和測量的圖1中的配置實現更高的效率和更好的相對照明度。圖12是移動投影系統1200的俯視圖，該投影系統1200包括雙圓柱形透鏡，其用 作偏振分束器(PBS) 1227的入射面之前的變形元件。光源1214包括將光束導向圓柱形透 鏡1209的發射器1226，它將光依次地導向具有表面1211的交叉的第二圓柱形透鏡1208。 PBS 1227包括凸起入射面1229和入射表面1232上的反射型偏振層1234。反射型偏振層 1234將光導向LCoS成像面板1240，它將成像光束導回，依次穿過PBS 1227並穿過投影透 鏡組件1260。圖13是類似於圖12中的系統的移動投影系統1300的俯視圖，但是不同於雙圓柱 形透鏡1208，是將圓柱形透鏡1308合併到PBS 1327的入射面1309中。圖1中的經過以實驗為依據的測試和光學建模的系統包括固態光發射器，該固態 光發射器為由藍色InGaN模具製成的白色LED (其產品型號為C450-EZ1000-S30000)加上由Cree公司(4600Silicon Drive, Durham, NC 27703)所生產的共形的黃色螢光粉。在美 國專利公布US2007/0152231中描述了集光透鏡以及它與LED的連接。準直儀是包含用於接 收非準直光束的非小平面化的面和用於發射準直光束的小平面化的面的菲涅爾透鏡。對於 經過經驗測試的系統，使用塑料材料製成變形元件110，並且第一外表面是用車床加工成型 的。在PBS內的反射偏振膜是由3M公司(St. Paul，麗55144)生產的以「VIKUITI」為商品 名的高級偏振膜(APF)。成像裝置是具有紅、綠和藍濾色器的LCoS微型顯示器，其產品型號 為HX7007ATBFA，由Himax Display公司(臺灣，臺南縣74445，新市，樹山谷園區，智聯路，2 樓，26 號(2F，No. 26，Zih Lian Road,Tree Valley Park, Sinshih,Tainan County 74445， Taiwan))生產。該系統的解析度為640像素X480像素，成像面板的長寬比為4 3。如表1的第二列和第三列中所示，LCoS面板的模擬效率值和在95%場的模擬相對 照明度(RI)是用TracePro 光學建模軟體確定的。LCoS成像面板的模擬效率是LCoS面板 處接收到的光同光源輸出的光的比率。在95%場的模擬相對照明度是在第一點上所選取的 照明度與在LCoS面板的中心上的照明度的比率。如果從LCoS面板的中心到角落畫上一條 線，那麼第一點位於沿著該線從中心到角落的距離的95%處。對沿著被畫到每個角落的線 的四個點進行以上的計算，並對這些結果取平均值。類似的計算方式用於在90%場處測量 到的相對照明度。在以實驗為依據的測量中，全白的圖像投影到屏幕表面上。圖像的對角 線尺寸為23英尺。使用Minolta CL-200測光儀進行測量。對於本技術領域的技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發明範圍和精神的情 況下還可以對本發明做出各種修改和更改，應當理解，本發明並不限於本文闡述的示例性 實施例。
權利要求
一種成像系統，包括光源，所述光源提供光束；變形折射光學元件，所述變形折射光學元件包括用於面向光源和入射表面的第一外表面，其中所述第一外表面包括復曲面，其中變形折射光學元件配置為使得光束入射到第一外表面上然後入射到入射表面上；以及成像裝置；其中變形折射光學元件將光束導向成像裝置。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括與入射表面相鄰設置的反射型偏振層。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述成像裝置是矽基液晶(LCoS)成像面板。
4.根據權利要求1所述的系統，其中所述成像裝置由矽基液晶(LCoS)成像面板、透射 型液晶顯示器(LCD)、高溫多晶矽(HTPS)成像器以及數字微鏡成像器中的一者構成。
5.根據權利要求1所述的系統，其中所述復曲面是通過旋轉由多項式所描述的曲線而 生成的。
6.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一外表面還包括第一小平面切面。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述第一小平面切面是圓柱面。
8.根據權利要求6所述的系統，其中所述第一外表面還包括第二小平面切面。
9.根據權利要求8所述的系統，其中所述第一小平面切面和第二小平面切面是圓柱
10.根據權利要求9所述的系統，其中所述第一小平面切面具有第一圓柱直徑，所述第 二小平面切面具有與第一圓柱直徑不同的第二圓柱直徑。
11.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一外表面包括光焦度不同的多個小平面。
12.根據權利要求1所述的系統，其中在觀測表面測量到的成像系統的相對效率至少 為約5%，而在觀測表面測量到的成像系統的相對照明度至少為約30%。
13.一種照明系統，包括 光源，所述光源提供光束；以及變形折射光學元件，所述變形折射光學元件包括面向所述光源的第一外表面，其中所 述第一外表面包括復曲面和第一小平面切面。
14.根據權利要求13所述的系統，其中所述第一小平面切面是圓柱面。
15.根據權利要求13所述的系統，其中所述第一外表面還包括第二小平面切面。
16.根據權利要求15所述的系統，其中所述第一小平面切面和第二小平面切面是圓柱
17.根據權利要求16所述的系統，其中所述第一小平面切面具有第一圓柱直徑，而第 二小平面切面具有與第一圓柱直徑不同的第二圓柱直徑。
18.根據權利要求17所述的系統，其中所述第一小平面切面包括設置在復曲面的相對 側的第一部分和第二部分，並且其中所述第二小平面切面包括設置在復曲面的相對側的第 一部分和第二部分。
19.根據權利要求13所述的系統，其中所述第一外表面包括光焦度不同的多個小平
20. 一種製備照明系統的變形元件的方法，包括:提供具有邊緣表面的透鏡材料的一部分；使所述透鏡材料的所述部分圍繞第一旋轉軸旋轉；在所述部分旋轉的同時，切割所述邊緣表面，以形成復曲面；以及在所述復曲面中切割出第一小平面切面。
21.根據權利要求20所述的方法，還包括在所述復曲面中切割出第二小平面切面。
22.根據權利要求20所述的方法，其中所述復曲面是通過旋轉由多項式所描述的線來 限定的。
23.根據權利要求20所述的方法，還包括步驟從所述透鏡材料的所述部分切割出稜 柱形的形狀。
24.根據權利要求20所述的方法，還包括與不同於所述復曲面的透鏡材料的入射表面 相鄰地設置反射偏振膜。
全文摘要
本發明提供了一種成像系統(100)，其包括提供光束的光源(126)和變形折射光學元件(110)。變形元件的第一外表面(112)面向該光源並包括復曲面(118)。光束(122)入射到第一外表面上，然後入射到變形元件的入射表面(132)上。變形元件將光束導向成像裝置(140)。本發明還提供了一種照明系統，其中變形元件包括復曲面和小平面。
文檔編號G02B27/09GK101884001SQ200880118671
公開日2010年11月10日 申請日期2008年11月13日 優先權日2007年11月30日
發明者威廉·E·菲利普斯三世 申請人:3M創新有限公司