專利名稱：低熱應力雙折射成像透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學成像系統(tǒng)，并且更加具體地涉及對穿越光所給予的熱負荷所誘導的應力雙折射具有低靈敏度的成像透鏡。
背景技術(shù)：
投影和電子顯示系統(tǒng)被廣泛用來顯示圖像內(nèi)容。在投影系統(tǒng)的情況下，無論是傳統(tǒng)的基于膠片的系統(tǒng)，還是較新的電子系統(tǒng)，來自光源(典型地為燈)的光都被引向?qū)D像數(shù)據(jù)給予穿越光的圖像調(diào)制元件(諸如膠片或者一個或多個空間光調(diào)制器)。典型地，膠片或光調(diào)制器陣列然后被成像到顯示表面或屏幕。作為另一方面，對于高質(zhì)量投影系統(tǒng)的興趣正在增長，所述高質(zhì)量投影系統(tǒng)顯示3維(3D)或感知的立體內(nèi)容，以便向消費者提供增強的視覺體驗。在歷史上，立體內(nèi)容在使 用膠片介質(zhì)的劇院中放映，使得兩組膠片被加載到兩個分開的投影設(shè)備，每個眼睛一個。然后使用偏振光同時投影左眼圖像和右眼圖像，其中一個偏振用于呈現(xiàn)給左眼的圖像；然后正交偏振的光用于呈現(xiàn)給右眼的圖像。觀眾成員佩戴相應的正交偏振眼鏡，所述正交偏振眼鏡針對每個眼睛阻擋一個偏振光圖像，同時傳送正交偏振光圖像。近來，提供立體投影的電子或數(shù)字電影投影儀已被商業(yè)化。具體地，由TexasInstruments, Inc.，Dallas, TX開發(fā)的基于數(shù)字光處理器(DLP)或數(shù)字微鏡裝置(DMD)的投影儀以立體和非立體版本兩者在劇院中使用。在若干專利例如美國專利4，441，791、美國專利5，535，047和美國專利5，600，383 (全都屬于Hornbeck)中描述了 DLP裝置。圖IA示出了使用DLP空間光調(diào)制器的投影儀100的簡化框圖。光源50 (典型地為氙弧燈)將多色非偏振光提供到比如像Philips棱鏡之類的棱鏡組件55中。被示出為Philips棱鏡的棱鏡組件55將多色光分裂成紅色、綠色和藍色成分波長帶，并且將每個帶引向相應的空間光調(diào)制器(SLM) 170r、170g或170b。棱鏡組件55然后將來自空間光調(diào)制器170r、170g和170b的調(diào)制光重新組合，并且將這個非偏振光提供給成像透鏡200，以便投影到顯示屏或其它合適的表面上。基于DLP的投影儀針對從桌面到大電影院的大多數(shù)投影應用已展示了提供必要光通量、對比率和色域的能力。另一方面，通過變更穿越光的偏振狀態(tài)來對光進行調(diào)制的液晶裝置(LCD)可以用來代替DLP裝置，具有更高分辨率和更大裝置尺寸的相當益處，但是在針對投影圖像的遞送對比、對比均勻性和顏色均勻性方面具有更大困難。用于從這些基于SLM的投影儀(DLP或IXD)中形成立體圖像的傳統(tǒng)方法使用兩種主要技術(shù)中的任一種在左眼內(nèi)容和右眼內(nèi)容之間進行區(qū)分。例如由杜比實驗室(DolbyLaboratories)使用的一種較不常用的技術(shù)使用顏色空間分離，如Maximus等人在美國專利申請公布2007/0127121中描述的那樣。在白光照明系統(tǒng)中使用濾光器，以在一部分巾貞時間內(nèi)瞬間遮蔽原色中的每一個的一部分。與每個眼睛相關(guān)聯(lián)的適當?shù)念伾{(diào)整的立體內(nèi)容然后被呈現(xiàn)給用于眼睛的每個調(diào)制器。觀察者佩戴相應的濾光器組，該濾光器組類似地僅傳送兩個3色(RGB)光譜集中的一個。顏色空間分離避免了在屏幕處以及使用觀察者的眼鏡處理來自投影儀的偏振光的問題，但是光效率低以及眼鏡的成本是有問題的。用于形成立體圖像的第二種方法使用偏振光。例如Svardal等人的美國專利6，793，341描述了這樣一種方法，在所述方法中，兩個正交偏振狀態(tài)由分開的空間光調(diào)制器提供，并且同時投影到屏幕上，所述屏幕典型地具有保存反射光的偏振狀態(tài)的性質(zhì)。觀察者佩戴具有相對于彼此正交取向的針對左右眼的偏振傳送軸的偏振眼鏡。盡管這種布置提供了對光的有效使用，但可能是昂貴的配置。由Real-D, Beverly Hills, CA商業(yè)化的另一種方法使用了傳統(tǒng)的投影儀,該投影儀被修改，以調(diào)制從一個向另一個快速切換的交替偏振狀態(tài)。具體地，如圖IA所示，DLP投影儀被修改以具有偏振器和偏振器切換裝置，它們放置在光的輸出路徑中，如圖IA中的虛線所指示的位置90處那樣。偏振切換器是需要的，因為DLP投影儀輸出調(diào)制的但非偏振的光。這個輸出是非偏振的，因為使用了非偏振的光源(燈)，并且典型的DLP裝置窗口是消偏振的(由于應力誘導的雙折射)。如屬于Robinson等人的美國專利7，528，906中那樣的消色差偏振切換器可以放置在偏振器之后的位置90處。這種類型(ZScreen )的切換器在諸如線性偏振狀態(tài)之類的兩個正交偏振狀態(tài)之間交替地旋轉(zhuǎn)偏振光，以便在用戶使用偏振眼 鏡觀看投影圖像的同時，允許呈現(xiàn)兩個截然不同的圖像，每個眼睛一個。因為針對偏振器的偏振對比規(guī)范作為對提升偏振器效率的折中是適度的Γ50:1)，所以可能發(fā)生左眼圖像和右眼圖像之間的圖像串擾。這可能使觀察者體驗到幻影圖像，例如使得左眼不僅看到明亮的左眼圖像，而且還看到暗淡的右眼圖像。Real-D針對這個問題提供了多種方案，包括使用對圖像內(nèi)容的實時數(shù)字預處理以減少圖像中的幻影。特別地，數(shù)字處理器應用串擾模型以通過比較左眼圖像和右眼圖像來預測潛在的幻影，然后減去預測的幻影圖像。名稱為“Ghost-compensation for improvedstereoscopicprojection”的屬于M. Cowan等人的美國專利公布2006/0268104詳細敘述了這種方法。作為另一個例子，在屬于Chen等人的美國專利7，518，662中，使用傾斜的偏振補償器來改進ZScreen切換器的偏振對比。因為多種原因，包括改進光效率、擴展色域、增加光源壽命和減少正在進行的更換成本，在投影儀(無論是2D還是3D)中存在持續(xù)的動力用固態(tài)光源(諸如激光或LED)來替換傳統(tǒng)的燈(諸如氙弧、鎢鹵素或UHP)。然而迄今為止，對于基于激光的投影系統(tǒng)的期望尚未履行，部分是因為緊致的、穩(wěn)固的、低到中成本的、可見波長激光技術(shù)尚未以商業(yè)化的形式出現(xiàn)，特別是對綠色和藍色而言。隨著近來藍色二極管激光器和緊致綠色SHG激光器的出現(xiàn)，來自諸如Microvision之類的公司的低成本的、基于激光的皮可投影儀(pico-projector)正在面市。同時，針對能夠支持數(shù)字電影院投影的緊致高功率可見激光的類似障礙也已開始消失，因為諸如 Laser Light Engines (Salem, NH)和 Necsel (Milpitas, CA)之類的公司已展示了原型或早期產(chǎn)品激光裝置。例如，Necsel(以前稱之為Novalux)提供了綠色(532nm)和藍色(465nm)激光陣列，其中的每一個提供了 3_5瓦的光輸出功率。在這些功率等級，并且考慮到系統(tǒng)效率損失，使用每種顏色單個激光裝置可以實現(xiàn)用于大會議室或家庭影院的尺寸適中的投影儀Γ1500流明輸出)。然而，在電影院的情況下，取決于屏幕尺寸和屏幕增益，屏幕上亮度需要10，000-40，000流明或40-170瓦的組合光功率(通量)入射到屏幕。依次地，考慮到內(nèi)部光效率損失，這意味著在每個顏色信道中從激光源需要40-120瓦的光功率。目前，這些功率等級只能通過在每個顏色信道中光學組合多個激光陣列的輸出來實現(xiàn)。最終，激光技術(shù)可能進步以使得單個緊致激光裝置可以驅(qū)動每種顏色。當然，相對于簡單化、成本和敏感度對激光故障的折中，每種方法都有其優(yōu)點和缺點。簡單地，通過使用多個激光裝置來替換用于圖IA的光源50的傳統(tǒng)的燈，可以提供數(shù)字電影院投影儀。此外，因為激光是固有偏振的光源，所以可以提供更有效率的3D投影，因為在位置90處使用偏振切換器而沒有伴隨的偏振器。然而，這種簡化的視圖對于諸如數(shù)字電影院之類的高功率的基于激光的投影應用而言是不現(xiàn)實的。如剛才建議的那樣，在屏幕上提供40-170光瓦的投影系統(tǒng)在內(nèi)部經(jīng)受高得多的光等級，其中最高光等級(以通量或瓦計)發(fā)生在光源組件處，而最低光等級則可能發(fā)生在投影透鏡的輸出表面處。因為空間和時間相干性，即使當通量等級可比較時，與來自不相干的(燈)源的光束相比，激光以更高的功率密度聚焦到更小的體積中。最高內(nèi)部功率密度發(fā)生在光集中的地方，比如在集成條、空間光調(diào)制器、孔徑光闌或中間圖像處。當然，隨著照明光、成像光乃至雜散光遭遇內(nèi)部表面或材料，這些高光等級可能帶來伴隨的熱問題。 在傳統(tǒng)的基于燈的系統(tǒng)中已經(jīng)存在由強光造成的眾多問題，其中的一些在基于激光的系統(tǒng)中只會被放大。例如，在基于燈的系統(tǒng)中，從燈接收高強度聚焦光和周圍雜散光的集成條的輸入孔徑典型地用空氣冷卻的散熱器組件包圍。作為另一個例子，在數(shù)字電影院投影系統(tǒng)中，空間光調(diào)制器典型地用循環(huán)冷卻水進行冷卻。在這樣的高光等級下，強光(尤其是剩余UV光)也可能影響棱鏡元件、雙合透鏡或液晶裝置中使用的包括光粘合劑、結(jié)合劑或聚合物的材料的性能或可靠性。結(jié)果，必須認真地選擇這些材料以避免從熱或化學變化誘導的降級。同樣地，從光學元件或它們的安裝組件的熱膨脹的失配系數(shù)誘導的機械應力也必須被最小化或管理以避免應力、變形或破壞。作為影響了包括用于3D投影的基于偏振的投影系統(tǒng)的一個具體銳敏效應，小部分的高光強度光可以被光學材料吸收，從而用元件誘導應力雙折射。這又可以改變穿越光的偏振取向，從而影響圖像對比度、圖像對比均勻性、顏色均勻性或其它屬性，這降低了感知的屏幕上圖像質(zhì)量。在空間光調(diào)制器裝置尤其是硅上液晶(LCOS)裝置的情況下，可能發(fā)生如下問題強光在裝置自身內(nèi)部的反電極基板中造成熱負荷和應力雙折射。為了給出進一步的上下文，圖IB圖示了現(xiàn)有技術(shù)的投影儀101，在該投影儀101中，入射照明光束140被引導到用于每種顏色的各個調(diào)制光學系統(tǒng)80中，所述調(diào)制光學系統(tǒng)80是投影儀子系統(tǒng)，包括偏振分束器60 (也被稱為偏振棱鏡)、偏振補償器360和空間光調(diào)制器170g、170b或170r。來自調(diào)制光學系統(tǒng)80的調(diào)制束使用X棱鏡65而被組合，并且被引導到投影透鏡270，以便投影到顯示屏(未示出)上。典型地，調(diào)制光學系統(tǒng)80之內(nèi)的這些部件的偏振行為和性質(zhì)確定了投影儀101提供的屏幕上偏振對比度。反電極基板(未示出)是光學玻璃的薄板，其放置得平行于LCD空間光調(diào)制器170g、170b和170r之內(nèi)的硅基板。液晶材料以及形成到硅中(或上)的像素結(jié)構(gòu)然后填充這些基板之間的間隙。反電極基板涂敷有圖案化的透明電極(典型地為ΙΤ0)，以使得電場能夠施加在基板之間，以在逐個像素的基礎(chǔ)上控制液晶分子的取向。這種結(jié)構(gòu)在低光強度下工作良好，使得像素命令的偏振取向在光穿越反電極基板時得以維持，并且在偏振的圖像光具有想要的取向的情況下，作為結(jié)果的偏振圖像光然后可以遇到下游偏振光學器件如偏振分束器、分析器或開關(guān)。然而，在高光強度下，被吸收的穿越反電極基板的光的部分可能造成足夠的內(nèi)部加熱以誘導應力雙折射，這又改變了偏振取向。認識到這個問題，屬于Schmidt等人的美國專利5，576，854提議了一種用于識別優(yōu)化玻璃的方法，所述優(yōu)化玻璃可以被用來制作LCOS面板的反電極基板。具體地，他們提議了通過以下乘積給出的用于識別候選玻璃的指標M的圖M=PEk(I)其中，P是熱膨脹系數(shù)(CTE)，K是應力光學系數(shù)，并且E是彈性模數(shù)(E)。Schmidt等人識別了兩種玻璃作為特別有價值的候選SchottSF-57，因為其異常低的應力光學系數(shù)；以及熔融硅石，因為其異常低的熱膨脹系數(shù)。根據(jù)Schmidt等人的說法，在熔融硅石的情況下，加熱造成最小化的玻璃膨脹，這又造成了很小的熱誘導應力。在SF-57的情況下，熱應力系數(shù)自身非常低，這意味著很少的熱直接轉(zhuǎn)化成應力雙折射。如較早前提到的那樣，使用用于DLP調(diào)制器的蓋玻璃窗目前存在類似的問題；但是因為這些裝置尚未一般·地被用來在期望維持偏振狀態(tài)的情況下調(diào)制強烈的偏振光，所以在使應力雙折射最小化的目標下既未采取玻璃選擇也未采取玻璃安裝設(shè)計。投影顯示器中的玻璃選擇和熱應力雙折射的關(guān)系也由R. Cline等人在論文“Thermal Stress Birefringence in LCOS Projection Displays” 中進行了探索,該論文發(fā)表在Displays, Vol. 23，pp. 151-159，2002。這篇論文牽涉到識別適合于在投影顯示系統(tǒng)中的偏振分束器60 (圖1B)或Philips棱鏡組件(圖1A)中使用的玻璃。具體地，作者引入了用于評估候選玻璃的指標的擴展圖，該指標不僅包括熱膨脹系數(shù)(P )、應力光學系數(shù)(K )和彈性模數(shù)(E)，而且還包括玻璃熱導率(K)、光吸收(α )和泊松(Poisson)比(μ ):
Μ-αΡΕκΜ - τ,/λ 、
Κ(1 - μ)(2)Cline等人提議只有Schott SF-57, Ohara PBH56和熔融硅石可以在用于高功率偏振靈敏投影儀(1000+流明)的棱鏡中使用，而較寬范圍的玻璃包括Schott SK5或SchottBK7可以用于低功率(< 500流明)投影儀中的棱鏡。與此形成對照，在屬于Aastuen等人的美國專利7，357，511中，發(fā)明人提出由Cline等人提議的用于令人滿意的低應力雙折射的玻璃(諸如Schott SK5或Schott BK7)實際上是不足的，并且來自這些代替玻璃的對比度降級實際上太大。Aastuen等人于是提議了一種代替的調(diào)制光學系統(tǒng)80，其中，通過在偏振分束器60和空間光調(diào)制器170之間提供偏振補償器360,相對于包括棱鏡的玻璃中的應力雙折射,包括熱誘導的應力雙折射，可以改進偏振分束器60的偏振對比度(參見圖IB )。他們提供了證據(jù)表明，具有四分之一波長遲緩的偏振補償器360可以為應力雙折射提供足夠的補償，使得棱鏡玻璃選擇不再限于低應力光學系數(shù)(K )玻璃如Schott SF-57。還要注意的是，不想要的雙折射已在投影空間之外的領(lǐng)域中(包括在微平版印刷的區(qū)域中)造成了圖像質(zhì)量問題。例如，在屬于Allan等人的美國專利6，785，051中，描述了指向200nm UV微平版印刷的折射/反射成像系統(tǒng)。在該頻譜范圍內(nèi)，對可用光學材料的非常小的選擇由展示了顯著固有雙折射的諸如氟化鈣(CaF2)之類的晶體材料支配。為了減少光學器件中的累積雙折射或偏振狀態(tài)變化，Allan等人提供了一個或多個校正光學元件(光板或分束器)，它們也由相同類型的固有雙折射材料制作。在這種情況下，校正光彈性雙折射由外部施加的應力或張力(來自拉伸的、壓縮的或剪切的應力)提供，所述應力或張力通過機械固定、壓電激勵器、熱元件或其它應力誘導器被給予校正元件。同樣地,屬于Brunotte等人的美國專利6，879，379也公開了一種UV微平版印刷成像系統(tǒng)，其使用透鏡元件，所述透鏡元件包括固有雙折射材料如CaF2和校正元件。固有雙折射給予了不想要的具有位置和角度的偏振旋轉(zhuǎn)效應。在這種情況下，校正元件是光板或透鏡，其位于孔徑光闌附近，并且也由CaF2制成。然后使用壓電激勵器以脈沖的方式施加機械應力，以便向針對固有雙折射所造成的角度依賴偏振效應進行補償?shù)脑o予應力雙折射。令人感興趣的是,Brunotte等人C，379)和Allan等人C，051)的方案使用有限集合的固有雙折射材料應用于成像系統(tǒng)。通過比較，由Schmidt等人(’ 854)、Cline等人和Aastuen等人(’ 511)提供的方案在以低功率應用為目標的基于燈的投影系統(tǒng)的環(huán)境中開發(fā)，但是潛在地可延伸到數(shù)字電影院。然而，這些方案狹窄地瞄準在用于投影儀101的調(diào)制 光學系統(tǒng)80之內(nèi)的光學部件(蓋玻璃和棱鏡)。由于激光的相干性或聚焦功率，與白光系統(tǒng)相比較，在激光投影系統(tǒng)中局部的光強度和功率密度可能比較高，并且貫穿光學系統(tǒng)可能誘導熱效應。在極端情況下，非線性光學材料中的光學自聚焦效應可能造成光學破壞或故障。在基于激光的數(shù)字電影院投影儀的情況下，雖然永久破壞機制如自聚焦可能沒有密切關(guān)系，但是其它熱效應如熱誘導的應力雙折射可能影響光學元件，包括除了駐留在調(diào)制光學子系統(tǒng)中的那些之外的部件如棱鏡組件、空間光調(diào)制器或其中的蓋板或反電極基板。特別地，尤其是在與針對應力雙折射以前所管理的相比要高得多的數(shù)字電影院功率等級下，對成像透鏡組件的設(shè)計和使用受到關(guān)注，所述成像透鏡組件包括復雜的許多透鏡元件，并且任務是對強激光進行成像，同時不遭受熱誘導的應力雙折射和作為結(jié)果的偏振效應。如透鏡設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員所知道的那樣，成像透鏡組件使用非平面透鏡元件的布置，這些非平面透鏡元件的材料、厚度、曲率和相對位置被仔細地設(shè)計，以相對于像差和衍射提供期望的圖像質(zhì)量。然而，相對于成像透鏡系統(tǒng)和構(gòu)成透鏡元件的設(shè)計，添加的進一步控制熱誘導的應力雙折射的復雜性成為在現(xiàn)有技術(shù)中既未教導也未預料的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明表示了一種用于將對象平面成像到圖像平面的對于熱誘導的應力雙折射具有減少的敏感度的成像透鏡，包括孔徑光闌，其安置在所述對象平面和所述圖像平面之間；第一組透鏡元件，其位于所述孔徑光闌的對象平面?zhèn)龋灰约暗诙M透鏡元件，其位于所述孔徑光闌的圖像平面?zhèn)龋渲?，使用熱應力雙折射規(guī)格所表征的對于熱應力雙折射具有可忽略的敏感度的玻璃來制造在對象平面?zhèn)群蛨D像平面?zhèn)戎苯酉噜徲谒隹讖焦怅@的透鏡元件，并且其中，使用所述熱應力雙折射規(guī)格所表征的對于熱應力雙折射至多具有中等敏感度的玻璃來制造所述第一組透鏡元件或所述第二組透鏡元件中的并非直接相鄰于所述孔徑光闌的透鏡元件的其它透鏡元件。它具有如下優(yōu)點成像透鏡在它們被用來使用偏振光產(chǎn)生圖像時的性能不會受到由成像光的吸收導致的熱變化的顯著影響。它具有進一步的如下優(yōu)點這樣的成像透鏡可以用于立體投影系統(tǒng)，而不會產(chǎn)生由應力雙折射誘導的消偏振引起的左眼圖像和右眼圖像之間的有害串擾。它具有另外的如下優(yōu)點在實現(xiàn)可接受的圖像質(zhì)量水平的同時實現(xiàn)了減少的雙折射敏感度。


從結(jié)合附圖考慮的以下呈現(xiàn)的示例性實施例的詳細描述中，將會更加容易地理解本發(fā)明，在附圖中·
圖IA和IB圖示了現(xiàn)有技術(shù)數(shù)字投影系統(tǒng)的部分；圖2圖示了用于結(jié)合了本發(fā)明的成像透鏡的投影儀的總體系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；圖3A和3B圖示了如本發(fā)明的投影系統(tǒng)中使用的包括多個激光裝置和激光組合器的示例性光源組件；圖4圖示了包括中繼透鏡和投影透鏡的本發(fā)明的成像透鏡的一般構(gòu)造；圖5A描繪了現(xiàn)有技術(shù)雙高斯型成像透鏡；圖5B描繪了玻璃圖表，相對于它們的折射率和阿貝數(shù)標繪了光學玻璃；圖6A描繪了具有中等熱應力敏感度和良好圖像質(zhì)量的第一示例性投影透鏡的光學設(shè)計；圖6B使用MTF繪圖描繪了圖6A的投影透鏡的光學性能；圖6C描繪了具有中等熱應力敏感度和良好圖像質(zhì)量的第一示例性中繼透鏡的光學設(shè)計；圖6D使用MTF繪圖描繪了圖6C的中繼透鏡的光學性能；圖7A和7B圖示了從激光組合組件發(fā)出的光束的輪廓和橫截面射束剖面圖；圖7C和7D圖示了入射到空間光調(diào)制器的輪廓和橫截面照射剖面圖；圖7E圖示了跟隨集成條的焦闌空間中的光強度分布；圖7F圖示了中繼透鏡的孔徑光闌附近的光強度分布；圖7G圖示了投影透鏡的孔徑光闌附近的光強度分布；圖8A-8D是示出光學玻璃性質(zhì)的表格；圖9A是概述圖6A的第一示例性投影透鏡的熱應力雙折射性能的表格；圖9B是概述圖6C的第一示例性中繼透鏡的熱應力雙折射性能的表格；圖IOA描繪了具有低熱應力敏感度和不良圖像質(zhì)量的第二示例性投影透鏡的光學設(shè)計；圖IOB使用MTF繪圖描繪了圖IOA的第二示例性投影透鏡的光學性能；圖IOC描繪了具有低熱應力敏感度和不良圖像質(zhì)量的第二示例性中繼透鏡的光學設(shè)計；圖IOD使用MTF繪圖描繪了圖IOC的第二示例性中繼透鏡的光學性能；圖IlA是概述圖IOA的第二示例性投影透鏡的熱應力雙折射性能的表格；
圖IlB是概述圖IOC的第二示例性中繼透鏡的熱應力雙折射性能的表格；圖12A描繪了具有低熱應力敏感度和良好圖像質(zhì)量的第三示例性投影透鏡的光學設(shè)計；
圖12B使用MTF繪圖描繪了圖12A的第三示例性投影透鏡的光學性能；圖12C描繪了具有低熱應力敏感度和良好圖像質(zhì)量的第三示例性中繼透鏡的光學設(shè)計；圖12D使用MTF繪圖描繪了圖12C的第三示例性中繼透鏡的光學性能；圖13A是概述圖12A的第三示例性投影透鏡的熱應力雙折射性能的表格；圖13B是概述圖12C的第三示例性中繼透鏡的熱應力雙折射性能的表格；圖14A是指定用于圖12A的第三示例性投影透鏡的透鏡設(shè)計參數(shù)的表格；圖14B是指定用于圖12C的第三示例性中繼透鏡的透鏡設(shè)計參數(shù)的表格；圖15是圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于設(shè)計具有減少的熱應力雙折射敏感度的成像透鏡的方法的流程圖；圖16是圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于設(shè)計具有減少的熱應力雙折射敏感度的成像透鏡的另一個方法的流程圖；以及圖17描繪了用于在使用本發(fā)明的投影透鏡的同時減少軸向顏色的方法。要理解的是，附圖的目的是為了圖示本發(fā)明的概念，并且可能不是按比例繪制的。
具體實施例方式當前的描述特別針對的是這樣的元件，所述元件形成根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一部分，或者更加直接地與根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備合作。要理解的是，沒有具體示出或描述的元件可以采取本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的各種形式。本發(fā)明包括在此描述的實施例的組合。對“具體實施例”等的引用指的是存在于本發(fā)明的至少一個實施例中的特征。對“實施例”或“具體實施例”等的分開引用并不一定指的是相同的一個或多個實施例；然而，這樣的實施例并不相互排斥，除非這樣指明或者如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言非常明顯的那樣。在引用“一種方法”或“多種方法”等時對單數(shù)或復數(shù)的使用并沒有限制。應當注意的是，除非另外明確地注明或者上下文要求，在非排他的意義上在本公開中使用措辭“或者”。為了更好地理解本發(fā)明，有益的是描述這樣一種總體環(huán)境，在所述總體環(huán)境之內(nèi)，本發(fā)明的設(shè)備和方法可以是可操作的。圖2的示意圖示出了用于在本發(fā)明的若干實施例中使用的投影儀102的基本布置。示出了三個照射組件IlOrUlOg和110b，每個從相應的光源組件115提供初級紅、綠或藍(RGB)色中之一。光源組件115包括一個或多個光源，其特別地為激光源裝置。(激光源裝置沒有示出在圖2中，但是以代表性的方式示出在圖3A和3B 中。)圖3A示出了一種用于對來自多個激光陣列120和120’的光進行組合以形成激光組合組件125的方法，所述激光組合組件125是光源組件115 (圖2)的分部。許多年來在紅色和紅外(IR)范圍內(nèi)幾個瓦特或更多光學輸出的高功率半導體(或固態(tài))激光陣列已容易得到。這些激光器典型地包括通過多模激光發(fā)射器122進行的單排單模式。然而，高功率緊致綠色和藍色激光陣列只是現(xiàn)在才變得可用。迄今，以前提到的來自Necsel的激光器，其為IR泵送的、頻率加倍的、垂直擴展空腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)激光器的類型，已表明了特別的承諾。很大程度上由于針對關(guān)鍵性部件的發(fā)熱和封裝問題，當前可用的預商業(yè)化裝置具有受約束的體系結(jié)構(gòu)，其提供了兩個并排的激光發(fā)射器122 (每排24個發(fā)射器)。雖然緊密地布置從構(gòu)成激光陣列輸出的光束在光學上是有益的，但是同樣希望使激光陣列120彼此機械地分開，以減少熱串擾和集中的熱負荷。還可能希望將光源組件115(圖2)以及電子遞送和連接和相關(guān)聯(lián)的熱與熱敏的光學投影系統(tǒng)分開，以允許投影引擎的最優(yōu)性能。在圖3A中，一個或多個散布的反射鏡160可以被用來將另外的激光陣列120’的光軸放置成與激光陣列120成直線以提供多個光束140，所述光束140每個包括多個單獨的光束140’，一起指向具有相關(guān)聯(lián)的孔徑130的照射透鏡150，所述照射透鏡150是相應照射組件IlOrUlOg和Ilb (圖2)的部件。圖3B然后描繪了根據(jù)代替實施例的示例性照射組件110的一部分。照射組件110包括用于給定顏色的光源組件115，所述光源組件115包括兩個激光組合組件125。使用這樣的布置，功率輸出可以增加，以支持具有更高流明要求的更大屏幕。在這個例子中，兩個 激光組合組件125中的每一個利用了在每一側(cè)具有窗面和反射面(其通過全內(nèi)反射進行工作)的多面棱鏡127，以沿著公共光路重定向來自激光陣列120中的激光發(fā)射器122的光束140。來自兩個激光組合組件125的輸出光由照射束組合器135沿著公共光路指向如通過照射透鏡150和光學積分器155表示的其它照射光學器件。照射束組合器135可以通過多種方法來組合光束140，包括光譜上的方法(針對其中激光組合組件125中的激光陣列120簇集在中心波長的相對側(cè)的情況)、空間上的方法，或者通過偏振。一條路徑可以具有可選的半波片137。聯(lián)合考慮圖2和3B，每個照射組件110r、l IOg和IlOb典型地包括一個或多個照射透鏡150 ;光學積分器155 (比如像蠅眼積分器或集成條)，其對穿越的光束進行成形和指引；以及進一步的照射透鏡150和反射鏡160，它們一起將沿著光軸145的照射光指向相關(guān)聯(lián)的空間光調(diào)制器170。例如，使用照射透鏡150，可以將來自光源組件115的引入光指引到光學積分器155中。作為結(jié)果的均質(zhì)光填充光學積分器155的輸出孔徑。輸出孔徑然后被重新成像到空間光調(diào)制器170與其對準的光學平面中的區(qū)域。可以使用熔融硅石來制造照射透鏡150和光學積分器155，以便減少可能由于這些元件中的誘導的應力雙折射而發(fā)生的任何偏振降級效應。空間光調(diào)制器170可以是微型機電系統(tǒng)(MEMS)裝置如DLP或某種其它類型的反射式MEMS裝置，包括通過反射或者通過衍射來對光進行調(diào)制的任何類型的MEMS調(diào)制器?？臻g光調(diào)制器170也可以是LCD類型的裝置或其它技術(shù)類型的裝置。在DLP類型的裝置的情況下，調(diào)制提供指向顯示表面的“接通”狀態(tài)或圖像光，以及被指引到射束收集器(未示出)中的“斷開”狀態(tài)光。在投影儀102切換偏振光源的取向以驅(qū)動立體圖像投影(3D)的情況下，那么“偏振狀態(tài)中性”的調(diào)制器裝置是優(yōu)選的。特別地，空間光調(diào)制器170優(yōu)選的是不通過調(diào)制像素的偏振狀態(tài)在每個像素處對光進行調(diào)制，使得針對任何像素的入射光的偏振狀態(tài)的任何變化都被忽略并且很小。這意味著空間光調(diào)制器170將會優(yōu)選地基于逐個像素等同地調(diào)制入射光，而不管入射光的偏振狀態(tài)。因此，假定觀眾成員正在佩戴偏振敏感眼鏡以便觀看立體或3D圖像。還應當理解的是，投影儀102可以提供被感知為二維的傳統(tǒng)圖像。與在偏振切換附件外部添加到投影儀的情況下提供3D圖像的投影儀不同，在這個投影儀102中，來自照射組件110的照射光旨在被偏振。特別地，光源被布置成提供公共偏振狀態(tài)，用本領(lǐng)域的語言稱之為“s偏振”或“p偏振”。照射組件110可以包括多種光學器件，包括波片或偏振器(未示出)以對準、保持或增強光源的本地偏振狀態(tài)。照射組件110還可以包括偏振開關(guān)139，其可以被電光或機電致動，以將照射空間光調(diào)制器170的光的偏振狀態(tài)改變?yōu)閟偏振、P偏振或?qū)τ?D圖像投影有用的其它偏振狀態(tài)(諸如左圓形或右圓形)。結(jié)果，優(yōu)選的是包括照射透鏡150和光學積分器155的各種照射部件是偏振保持的。每個照射組件I IOr、I IOg和I IOb之內(nèi)的光路遵循相同的基本格局，盡管可能存在不同以容納與另一個相比來自一個顏色通道的光源(激光)性質(zhì)方面的不同。每個照射組件110可以具有它自己的偏振開關(guān)139，其可以以彼此同步的方式進行操作，或者可以具有可以用于多個顏色通道的公共偏振開關(guān)139。如圖2所示，通過使用一個或多個反射鏡160進行重定向，將照射光指引到空間光調(diào)制器170上。承載了通過空間光調(diào)制器170的尋址像素而給予到穿越光中的圖像數(shù)據(jù)的調(diào)制圖像光被組合以穿過經(jīng)過成像透鏡200的公共光路并到達顯示表面190 (諸如投影屏幕)上。在圖示的實施例中，分色組合器165包括第一組合器166和第二組合器167，其中的每一個是分色元件，所述分色元件具有根據(jù)其波長對光進行選擇性地傳送或反射的適當薄膜光學涂層。因為這個投影儀102被設(shè)計成使用光學偏振狀態(tài)的內(nèi)部調(diào)制來提供3D圖像內(nèi)容，所以分色組合器165和成像透鏡200也應當是偏振中性的，使得這些元件誘導效率、偏振對比度或圖像質(zhì)量方面的很少不同或沒有不同。同樣地，顯示表面190優(yōu)選地是偏振保持屏眷。應當理解的是，反射鏡160不需要位于光學系統(tǒng)的平面內(nèi)。這樣一來用于綠色通道的光路中的反射鏡160就可以處于平面外，并且不妨礙光傳遞到投影透鏡270，如否則可由圖2所暗示的那樣。另外，雖然分色組合器165被示出為成對的傾斜玻璃片，但是可以使用其它的示例性構(gòu)造，包括X棱鏡65 (圖1B)、V棱鏡或Philips (或Plumbicon)類型的棱鏡(圖1A)。在其它實施例中，反射鏡160也可以以棱鏡的形式提供，諸如廣泛使用的全內(nèi)反射(TIR)棱鏡，其通常結(jié)合Philips棱鏡和DLP裝置使用。在圖2中，成像透鏡200被描繪為包括多個透鏡元件205的多元件組件，其以高放大率(典型地為100 X-400 X )將它們相應對象平面處的空間光調(diào)制器170r、170g和170b直接成像到圖像平面(顯示表面190)上。圖4對成像透鏡200的設(shè)計進行了展開，描繪了這樣一個實施例，其中，成像透鏡200包括兩個部分——中繼透鏡250和投影透鏡270，其中的每一個包括多個透鏡元件205，所述多個透鏡元件205以有限共軛操作并且裝配到透鏡殼體240中。例如，中繼透鏡250被設(shè)計成收集并成像來自空間光調(diào)制器170的對象平面的F/6光，以在相應的圖像平面處形成真實空中中間圖像260。這個中間圖像260然后是用于投影透鏡270的對象平面，所述投影透鏡270將中間圖像的放大圖像提供到允許焦深之內(nèi)的作為標稱圖像平面的遠距離圖像平面(顯示表面190)。亦即，空間光調(diào)制器170是共軛于中間圖像260的圖像，所述中間圖像260又是共軛于顯示表面190的圖像。中繼透鏡250優(yōu)選地提供150-200mm或更多的長工作距離245，以在空間光調(diào)制器170附近為分色組合器165和反射鏡160 (圖2)提供間隙。示例性的中繼透鏡250以I X或略微更大的橫向放大率對空間光調(diào)制器170進行成像，提供真實的中間圖像260，它的尺寸可與35mm電影膠片的幀的圖像區(qū)域相比較。結(jié)果，投影透鏡270可以潛在地成為被設(shè)計成投影35mm膠片圖像的傳統(tǒng)投影透鏡,如德國Bad Kreuznach的Schneider-Kreuznach當前所制造的投影透鏡那樣。雖然圖4中描繪的成像透鏡200可能看起來比圖2更加復雜，但是實際上圖4的中繼透鏡250和投影透鏡270更容易設(shè)計和生產(chǎn)，并且因此具有較低的成本，于是等效統(tǒng)一的成像透鏡200今天存在于商業(yè)化的DLP電影院投影儀中。部分地這是因為與以高放大率工作時相比，當在IX放大率附近工作時更容易提供長工作距離245。另外，通過在中間圖像260處或其附近為諸如移動擴散器之類的去斑器180的插入提供方便的位置，這種方法使得激光去斑成為可能。在這個系統(tǒng)中，去斑器180優(yōu)選地是小透鏡陣列，其包括具有一個或多個成像像素大小的尺度的稀疏布置的小透鏡。在去斑器180工作的情況下，投影透鏡270優(yōu)選地是比中繼透鏡250更快的透鏡(卞/3)。給定這個背景，要注意的是，具有圖2、3A和3B中描繪的一般配置但是利用了具有中繼透鏡250、中間圖像260和投影透鏡270的圖4的成像透鏡200的實驗性基于激光的 投影儀102已由發(fā)明人裝配并測試。在操作中，系統(tǒng)的一個原型版本展示了偏振對比度的損失，使得藍色通道偏振對比度在針對低流明輸出(例如在3000流明)來操作投影儀時為 400:1或更大，但是當在沒有去斑器180的情況下以飛000流明以上的水平來操作投影儀時降級到 100:1，并且在去斑器180工作的情況下降級到 150: I。特別地，偏振變化或損失對于藍色成像最明顯，因為藍光經(jīng)歷較高的光吸收水平。偏振變化造成了佩戴偏振區(qū)別眼鏡的觀察者對于投影的立體圖像的可察覺的串擾或幻影。雖然使用Real-D提供的幻影校正數(shù)字后處理方法可以矯正這種串擾，但是本發(fā)明提供了優(yōu)選的方案，其中內(nèi)部透鏡設(shè)計校正可以被用來消除對這種校正的需要。特別地，隨著偏振對比度以高水平降級，這與以下發(fā)現(xiàn)相一致問題因為熱誘導的應力雙折射而發(fā)生。如將會變得明顯的那樣，提供了一種方案，該方案涉及在中繼透鏡250和投影透鏡270的設(shè)計中對光學玻璃的選擇性使用。如圖4的實施例中描繪的那樣，這兩個透鏡都是一般雙高斯類型的透鏡?；倦p高斯透鏡可以回溯到19世紀，其中C. F. Gauss并且然后是Alvan Clark開發(fā)了原始的形式。首先，通過將彎月形透鏡添加到它的單個凸凹透鏡設(shè)計，C. F. Gauss針對Fraunhofer望遠鏡物鏡進行了改進。Alvan Clark然后取出這些透鏡中的兩個，并且將它們背靠背地放置，以獲得雙高斯設(shè)計。Paul Rudolph進一步對此進行了改進，其中使用雙膠合透鏡來針對色差進行校正，如美國專利583，336中描述的那樣。雙高斯透鏡由背靠背的兩個高斯透鏡組成，形成關(guān)于孔徑光闌230安置的兩組透鏡元件208，其中這兩組的透鏡元件可以等同，如Rudolph所表明的那樣。圖5A描繪了現(xiàn)有技術(shù)的雙高斯類型的成像透鏡200，其將對象表面195沿著光軸145成像到遠距離的圖像平面(未示出)。在普通的基本形式中，它包括關(guān)于孔徑光闌230安置的燧石類型玻璃的內(nèi)部成對的負透鏡元件206b ;以及包括冠頂類型玻璃的外部配對的正透鏡元件206a。在這個例子中，孔徑光闌230任一側(cè)的透鏡元件設(shè)計(高斯透鏡組件)并不等同。通過圖5B所示的玻璃圖表210展示了冠頂和燧石玻璃的重要性，該玻璃圖表210是繪制了由Schott Glass, Inc公布的廣泛認可的玻璃圖表數(shù)據(jù)的“阿貝圖”。冠頂玻璃215具有低的色散(由高阿貝數(shù)vd > 50指示)并且一般具有低的折射率(nd)，而燧石玻璃217則具有比較高的色散(低阿貝數(shù)Vd <50)并且一般具有較高的折射率。具有中間色散特性的弱燧石或弱冠頂被發(fā)現(xiàn)處于中間阿貝數(shù)附近，V廠50。在圖5A中，透鏡元件也被標識為使用冠頂玻璃215制成的冠頂透鏡元件220或者由燧石玻璃217制成的燧石透鏡元件222。雙高斯設(shè)計方法的一般對稱和將光功率分裂成許多元素減少了透鏡系統(tǒng)所給予的光學像差。它形成了針對如今使用中的許多攝影機透鏡的基礎(chǔ)，尤其是35mm和其它小格式攝影機上使用的寬孔徑標準透鏡。完全對稱的設(shè)計免于彗差、失真和TCA (橫向色差或橫向色)。存在設(shè)計的許多變體，其中額外透鏡元件被添加，或者其中關(guān)于孔徑光闌230進行非對稱設(shè)計，其中對稱被犧牲以實現(xiàn)其它目的。作為例子，屬于R. Mercado的美國專利4，704，011描述了雙高斯類型的照相物鏡，而屬于I Reinecke等人的美國專利6，795，255則描述了用于從膠片投影圖像的雙高斯類型的電影透鏡，并且屬于D. DeJager的共同賦予的美國專利5，172，275描述了可適用于電影膠片掃描的復雜雙高斯類型的透鏡。圖6A圖示了具有雙高斯透鏡設(shè)計的第一示例性投影透鏡270的設(shè)計，所述雙高斯透鏡設(shè)計具有兩組透鏡元件208，其類似于圖4所示的成像透鏡200之內(nèi)的投影透鏡270。投影透鏡270具有關(guān)于孔徑光闌230安置的兩個內(nèi)負透鏡元件402和403，它們是燧石透鏡元件222，使用SchottSFl玻璃來制造負透鏡元件402，并且使用SF2玻璃來制造負透鏡元·件403。投影透鏡270還具有4個外正透鏡元件400、401、404和405，它們?nèi)慷际枪陧斖哥R兀件220。使用來自O(shè)hara Glass Inc的Ohara S-BSM-10來制造最右方的最大正透鏡兀件405，而使用Ohara S-LAM-60來制造全部的其它正透鏡元件400、401和404。這些玻璃具有接近的Schott玻璃等價物，它們分別是N-SK 10和N-LAF 35。光線235被示出，對光線通過投影透鏡270的路徑進行示蹤。圖6B示出了調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)繪圖300，其描繪了圖6A中的示例性投影透鏡270的廣譜MTF性能。雖然沒有衍射限制，但是可以看到的是，MTF在成像場之上的50cy/mm處平均為 65%。圖6C描繪了第一示例性中繼透鏡250的設(shè)計，其為雙高斯透鏡設(shè)計的拉伸版本，類似于圖4所示的中繼透鏡250。具有兩組透鏡元件208加上場透鏡(透鏡元件416)的中繼透鏡250被用來形成空間光調(diào)制器170 (其安置在對象平面處)的中間圖像260 (在圖像平面處)。這個透鏡設(shè)計包括安置在孔徑光闌230周圍的一對負透鏡元件412和413，它們是使用Schott SF4玻璃來制造的燧石透鏡元件222。中繼透鏡250還包括正透鏡元件410、411、414和415的集合，它們是冠頂透鏡元件220。使用Ohara S-BAL 35來制造正透鏡元件410和411。使用Ohara S-LAM 54來制造正透鏡元件414，并且使用Ohara S-NSL 3來制造正透鏡元件415。中繼透鏡250還包括安置在中間圖像260附近的正場透鏡元件416，其也使用Ohara S-LAM 54來制造。分色組合器165也被示出，通過非傾斜的平坦元件來表達。圖6D使用MTF繪圖300描繪了來自圖6C的中繼透鏡250的光學性能。光學性能幾乎衍射受限，具有成像場之上的50cy/mm處的 79%的平均MTF。如以前提到的那樣，與低屏幕流明水平下的 400:1的偏振對比度相比，當針對適度高屏幕亮度水平(6，000-11, 000流明)將激光傳送到顯示表面190時，包括傳統(tǒng)中繼透鏡250 (亦即圖6C中示出的那個)和傳統(tǒng)投影透鏡270 (亦即圖6A中示出的那個)的組合的傳統(tǒng)成像透鏡200被發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了在藍光偏振圖像對比度方面至 150:1或以下的下降以及藍色圖像幻影。當成像透鏡組件不存在時進行的輸出光的偏振對比度的分開測量表明了照度水平的很小變化，從而確認了中繼透鏡250和投影透鏡270是主要肇因。特別地，這些測量結(jié)果表明藍色通道(465nm)偏振對比度降級到 100:1，而綠色和紅色對比度水平則保持較高Γ300:1)。合起來看，這個數(shù)據(jù)強烈地暗示偏振對比度是由于熱誘導的應力雙折射效應而降級，這在仍然更高的功率水平下只會更壞。因為大多數(shù)光學玻璃(除了最顯著的熔融硅石之外)經(jīng)歷較高的藍色吸收，所以通過藍光吸收可以更加容易地誘導應力雙折射。結(jié)果，應力雙折射可能在變化的程度上影響不同顏色通道中的圖像質(zhì)量。熱誘導的應力雙折射是具有溫度(T)的玻璃中誘導的折射率的變化(Λη( λ，T))，并且它在函數(shù)上取決于許多參數(shù)，包括波長λ、玻璃的吸收率(α)、玻璃的光學應力敏感度(K )和熱膨脹系數(shù)(P )。它還取決于針對穿越玻璃的光的光強(輻照度)或功率密度(例如以W/mm2、流明/mm2或勒克斯為單位)的時空分布。圖7A-7F圖示了可以穿越圖2、3A、3B和4中描繪的投影儀102的光學器件的示例性光強分布。如圖3A和3B中描繪的那樣，激光組合組件125可以產(chǎn)生多個輸出光束140，所述輸出光束140進行組合以填充或部分填充孔徑130。因為可以具有一個或多個隔開陣 列的偏移激光發(fā)射器122的激光陣列120的結(jié)構(gòu)，獲得了描繪的光束140之內(nèi)的多個單獨的光束140’。對來自多個激光陣列120的射束進行組合增加了多個單獨的光束140’，其中的許多在到達孔徑130時已穿過了不同的光路長度。隨著單獨的光束140’傳播，它們彼此融合并交迭。取決于光學系統(tǒng)中的位置、不同單獨光束140’所穿過的相對光路長度以及光均質(zhì)器、積分器或擴散器的使用，與其它單獨光束140’或其組合相比，激光陣列120的某些光束140’或圖像或其組合可能更加可區(qū)別。最終結(jié)果是，取決于光學系統(tǒng)之內(nèi)的位置，光強分布的橫截面可以示出結(jié)構(gòu)的變化量。為了在這最后一點上進行擴展，圖7A圖示了光源組件115的孔徑130附近的模型光強分布320，其中，與來自最外的激光陣列的光束相比，來自最內(nèi)的激光陣列120的單獨光束140’更加散焦。圖7B圖示了在切片位置321處通過圖7A的光強分布320的兩個橫截面剖面322。這些光強分布320是高度結(jié)構(gòu)化的，而不是空間均勻的，因為多個光束140’只是部分彼此交迭，并且交迭量從中心到邊緣不同。與圖7A所示相類似的圖案遍及光學系統(tǒng)重復發(fā)生。例如，在光學積分器155 (圖3B)的角遠場中，類似圖案化的光強分布326如圖7E所示地顯現(xiàn)，盡管集成條之內(nèi)的多個彈跳已使其更加復雜。根據(jù)設(shè)計意圖，集成條在它的輸出面產(chǎn)生名義上均勻的光強分布323，如圖7C的輪廓圖中示出的那樣。圖7D示出了與圖7C所示的切片位置324相對應的相應橫截面剖面325。集成條的輸出面處的光強分布323然后被重新成像以照射該顏色通道的空間光調(diào)制器170。中繼透鏡250 (圖4)對空間光調(diào)制器170進行重新成像以形成組合的白光圖像(取決于圖像內(nèi)容)作為真實空中中間圖像260，投影透鏡270隨后將所述真實空中中間圖像260重新成像到顯示表面190上。在中繼透鏡250和投影透鏡270的孔徑光闌230處或其附近，重復圖7E的光強分布326的高度結(jié)構(gòu)化的光強圖案可以取決于系統(tǒng)中應用的光擴散或角平均而出現(xiàn)。例如，圖7F圖示了中繼透鏡250的孔徑光闌230附近的示例性模型光強分布327，而圖7G則圖示了投影透鏡270 (沒有包括去斑器180)的孔徑光闌230附近的不例性模型光強分布328。
要注意的是，去斑器180的使用可以使傳播的光在投影透鏡之內(nèi)被時空平均化或角度拓寬，或者造成這兩者。結(jié)果，投影透鏡270的孔徑光闌230處或其附近的光強分布320的微結(jié)構(gòu)可能不會如清晰限定的那樣，也不會在時間上固定。但是，中繼透鏡250和投影透鏡270之內(nèi)的透鏡元件205可能經(jīng)歷具有高光功率密度的穿越光，尤其是在孔徑光闌230附近，其中光強分布326和327可能具有在光強分布的微結(jié)構(gòu)中以眾多峰值集中的光。遍及這些透鏡組件，但尤其是在孔徑光闌230附近的透鏡元件205中，這些光能量的集中可能造成熱誘導的光學應力雙折射。作為理解雙折射的進一步的背景，已知的是光的傳播可以通過包括方程(3)的波動方程來描述，所述方程(3)描述了作為距離X和時間t的函數(shù)的平面偏振波Ψ (X，t)，其中，A(x，t)是振幅函數(shù)，并且Φ (x, t)是擾動的相位Ψ(χ, t) = A(x, t)ei$(x,t)(3)傳播波的相位可以書寫如下
φ (X，t) = ω t-kx = ω (t_x/v)(4)其中，ω是相位隨時間的變化率，k是相位隨距離的變化率，并且V是波速。值ω也被稱為角頻率，其中ω =2 Ji/V，并且值k也被稱為傳播數(shù)，其中k=2 /λ μ自由空間中的光的頻率V和波長λ ο通過光速C= λ V V相關(guān)聯(lián)。隨著光進入并穿過光學材料，取決于入射角、入射光相對于介質(zhì)的偏振取向、光學材料的折射率η以及材料的厚度，光可能經(jīng)歷可變的反射率和相變△ Φ。對表面反射或傳輸進行建模的菲涅爾方程影響方程(3)的振幅項。材料或介質(zhì)中的折射率η基本上是光在真空中的速度c與在介質(zhì)中的速度V的比率(n=c/v)。代入到方程(4)中依據(jù)折射率使相位Φ (X, t) = ω t_(2 π η/λ 0) X(5)甚至在恒定折射率的各向同性材料中，跨越不同的射束傳播角度也可能發(fā)生差動相變△ Φ，因為材料中的光路長度(d/n)從一個角度到另一個角度而變化，其中d是材料的厚度。然而，在諸如雙折射材料之類的復合結(jié)構(gòu)的情況下，可能在穿越光中誘導差動旋轉(zhuǎn)量和橢圓率。這樣一來，就可能取決于入射光的角度和偏振狀態(tài)而發(fā)生差動相變A Φ(Δ φ = Δ Φ3Ρ=ΦΡ-ΦΡ)0在這個術(shù)語中，“ s”和“P”指示光的電場矢量是垂直于入射平面(s偏振)振蕩至表面，還是P偏振光，其中電場矢量在入射角度的整個范圍之上平行于入射平面振蕩。雙折射材料相對于偏振是非各向同性的材料。亦即，雙折射是折射率的定向變異(Ansp=ns-np=nx-ny)，并且它可以通過固有材料性質(zhì)提供，通過形成雙折射子波長結(jié)構(gòu)提供，或者通過誘導的機械應力提供。遲滯是被表達為距離的作為結(jié)果的相變Δ φ (R= Δ φ λ ),其中相變Δ φ (X，d, λ )=2 (1(Δη/λ )。例如通過適當取向的具有四分之一波長λ /4遲滯(其在550nm處等于 138nm遲滯)的雙折射元件(波片)可以提供π /2(或90° )相變Λ φ。特別地，由于元件和/或安裝材料之間的熱膨脹系數(shù)的不匹配，均勻溫度的施加產(chǎn)生了諸如膠合元件之類的光學部件的機械應力σ的變化。溫度梯度，如可以與以前討論的光強分布微結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的那樣，也誘導了單個均質(zhì)元件中的應力。在制造或制作過程期間給予的剩余應力，或者來自壓力、慣性或振動負載的應力的狀態(tài)，可能造成光學元件中的雙折射。實質(zhì)上，無論是機械誘導的還是剩余的應力的影響都會改變光學材料的折射率。在這種情況下，投影儀102的中繼和投影透鏡元件之內(nèi)的足夠溫度的施加(尤其是在局部區(qū)域中)造成熱誘導的光學應力雙折射。誘導的雙折射差直接成比例于誘導的兩個空間接近位置之間的主機械應力或應力張量之差Δ σ 1;2=( σ Jx，y，ζ)-σ 2 (χ, y, z)),如通過方程(4)給出的那樣；Δη = Δ nh2 (x, y, z) = κ Δ σ h2(6)其中，κ是以mm2/N為單位給出的材料的應力光學系數(shù)，并且誘導的機械應力σ典型地以N/mm2 (或MPa)給出。誘導的應力σ，或者等效地誘導的應力雙折射Λη，可以依據(jù)通過加熱誘導的材料溫度變化來寫出Δη ^ P ΕΔΤ κ /(l-μ )(7)其中，AT是誘導的溫度變化。在這個方程中，P是熱膨脹系數(shù)(CTE)，其針對室·溫范圍玻璃典型地以10_6/° K為單位給出。變量E是楊氏模量，其為各向同性彈性材料的剛度的度量，并且常常以N/mm2為單位給出。泊松比——不含單位的變量μ——是用于材料對應變(拉伸或收縮)的正交響應的度量。誘導的溫度變化ΛΤ可以與光吸收率相關(guān)。振幅函數(shù)A(x，t)可以被擴展以表明它對光吸收率α的依賴A(x, t) =A(x) = A0e_ax/2(8)其中，Atl是初始振幅。這導致比爾定律，其描述了光吸收率的指數(shù)函數(shù)性質(zhì)I (χ) = I 0e-ax(9)其中，I(x)是以W/m2為單位的光強度(或輻照度)，并且Itl是初始光強度。作為光強度I(X)和內(nèi)透射比\或吸收系數(shù)a的函數(shù)，來自材料的厚度χ之內(nèi)吸收的光的以W/m3為單位的體積熱生成Q(x)為Q(x) = I (χ) (l-tj) /χ = I (χ) (l_e_ax) /χ (10)一維形式的熱傳導定律或傅里葉定律通過qx=_K dT/dx給出，其中，qx是以W/m2為單位局部熱通量，并且K是熱導率(以為單位)。要注意的是，雖然熱傳遞與平衡(穩(wěn)態(tài))取決于熱傳導、對流和輻射，但是對于光學結(jié)構(gòu)，傳導是確定溫度梯度或變化時最重要的因素。而且，包括玻璃的大多數(shù)材料的熱導率K在寬范圍或溫度之上相當恒定。傅里葉定律可以被積分以導出影響來自光吸收率的區(qū)域的溫度變化AT :I0Lx a /4K(11)其中，L是光學元件的軸向厚度。將方程(11)代入到方程(7)中使應力誘導的雙折射鏈接到入射光強度和材料吸收率
, τ τ ρ κ a EΔη I0 Lx —— -
4Κ(1-μ ) (12)這個方程暗示了可用于本發(fā)明的幾個品質(zhì)因數(shù)或規(guī)格。第一個熱應力雙折射規(guī)格
ρ κ oc EM1 ---
MJ-μ)(13)
是材料(玻璃)僅只應力雙折射規(guī)格，其在選擇候選玻璃時可用。第二強度加權(quán)熱應力雙折射規(guī)格
權(quán)利要求
1.一種用于將對象平面成像到圖像平面的對于熱誘導的應力雙折射具有減少的敏感度的成像透鏡，包括 孔徑光闌，其安置在所述對象平面和所述圖像平面之間； 第一組透鏡元件，其位于所述孔徑光闌的對象平面?zhèn)?；以? 第二組透鏡元件，其位于所述孔徑光闌的圖像平面?zhèn)龋? 其中，使用熱應力雙折射規(guī)格所表征的對于熱應力雙折射具有可忽略的敏感度的玻璃來制造在對象平面?zhèn)群蛨D像平面?zhèn)戎苯酉噜徲谒隹讖焦怅@的透鏡元件，并且 其中，使用所述熱應力雙折射規(guī)格所表征的對于熱應力雙折射至多具有中等敏感度的玻璃來制造所述第一組透鏡元件或所述第二組透鏡元件中的并非直接相鄰于所述孔徑光闌的透鏡元件的其它透鏡元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像透鏡，其中，所述熱應力雙折射規(guī)格包括與玻璃的熱膨脹系數(shù)、玻璃的應力光學系數(shù)和玻璃的光吸收系數(shù)相關(guān)的因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像透鏡，其中，所述熱應力雙折射規(guī)格進一步包括與玻璃的彈性模數(shù)、玻璃的熱導率、玻璃的泊松比、玻璃中的光功率密度、透鏡元件的厚度或透鏡 元件的通光孔徑尺寸相關(guān)的至少一個另外的因子。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像透鏡，其中，所述熱應力雙折射規(guī)格通過M/=PK α給出，其中，P是熱膨脹系數(shù)，K是應力光學系數(shù)，并且α是光吸收系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像透鏡，其中，所述熱應力雙折射規(guī)格通過M/=PK αΕ/(Κ·(1_μ))給出，其中，P是熱膨脹系數(shù)，K是應力光學系數(shù)，α是光吸收系數(shù)，E是彈性模數(shù)，K是熱導率，并且μ是泊松比。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的成像透鏡，其中，對于熱應力雙折射具有可忽略的敏感度的玻璃滿足條件M1 ( O. I X KT6W'并且對于熱應力雙折射至多具有中等敏感度的玻璃滿足條件 M1 彡 I. 60X10、'
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的成像透鏡，其中，全部的透鏡元件都滿足條件M1 ( O. 80 X IO-V10
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的成像透鏡，其中，透鏡元件中的至少一個是使用其中O. 80 X KTfrT1彡M1彡I. 60 X KTfrT1的玻璃制造的。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像透鏡，其中，所述熱應力雙折射規(guī)格通SM2=IciLP K αΕ/(Κ· (l-μ))給出，其中，Itl是玻璃中的光功率密度，L是透鏡元件的厚度，P是熱膨脹系數(shù)，K是應力光學系數(shù)，α是光吸收系數(shù)，E是彈性模數(shù)，K是熱導率，并且μ是泊松比。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像透鏡，其中，還針對包括折射率和色散性質(zhì)在內(nèi)的與實現(xiàn)足夠圖像質(zhì)量性能相關(guān)的性質(zhì)來選擇用于制造透鏡元件的玻璃。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像透鏡，其中，一個或多個透鏡元件的一個或多個表面具有非球面表面剖面。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像透鏡，其中，所述成像透鏡進一步包括衍射光學元件或偏振補償器。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像透鏡，其中，所述成像透鏡進一步包括具有多層介電涂層的反射鏡，其針對不同的波長帶不同地改變路徑長度，從而減少色差。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像透鏡，其中，所述成像透鏡具有經(jīng)典雙高斯透鏡的形式。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像透鏡，其中，所述成像透鏡具有經(jīng)典雙高斯透鏡的形式，但是其中相鄰于所述孔徑光闌的透鏡元件中之一是使用冠頂玻璃制造的。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像透鏡，其中，所述成像透鏡被用來對偏振光進行成像。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像透鏡，其中，所述成像透鏡是用于數(shù)字投影系統(tǒng)的中繼透鏡或投影透鏡。
18.一種用于將對象平面成像到圖像平面的對于熱誘導的應力雙折射具有減少的敏感度的透鏡系統(tǒng)，包括 孔徑光闌，其安置在所述對象平面和所述圖像平面之間；以及 多個透鏡兀件， 其中，使用熱應力雙折射規(guī)格所表征的對于熱應力雙折射具有可忽略的敏感度的玻璃來制造至少當所述成像透鏡被用來將所述對象平面成像到所述圖像平面時經(jīng)歷來自穿越光的最高光功率密度的透鏡元件，并且 其中，使用所述熱應力雙折射規(guī)格所表征的對于熱應力雙折射至多具有中等敏感度的玻璃來制造其它透鏡兀件。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的透鏡系統(tǒng)，其中，所述熱應力雙折射規(guī)格通過札=P K αΕ/(Κ·(1_μ))給出，其中，P是熱膨脹系數(shù)，K是應力光學系數(shù)，α是光吸收系數(shù)，E是彈性模數(shù)，K是熱導率，并且μ是泊松比。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的透鏡系統(tǒng)，其中，對于熱應力雙折射具有可忽略的敏感度的玻璃滿足條件M1 ( O. I X KT6W'并且對于熱應力雙折射至多具有中等敏感度的玻璃滿足條件 M1 ^ I. 60X10、'
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的透鏡系統(tǒng)，其中，以所述孔徑光闌的每一側(cè)至少一個透鏡組的方式，將所述透鏡元件布置成至少兩個透鏡組。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的透鏡系統(tǒng)，其中，使用所述熱應力雙折射規(guī)格所表征的對于熱應力雙折射至多具有中等敏感度的玻璃來制造任一透鏡組中最接近所述孔徑光闌的透鏡元件。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的透鏡系統(tǒng)，其中，所述透鏡元件中的一個或多個被裝配到至少一個殼體中，并且其中透鏡元件殼體或所述透鏡元件中的至少一個被冷卻，以改變通過施加的光功率誘導的所述至少一個透鏡元件上的熱負荷。
全文摘要
一種用于將對象平面成像到圖像平面的對于熱誘導的應力雙折射具有減少的敏感度的成像透鏡，包括孔徑光闌，其安置在所述對象平面和所述圖像平面之間；第一組透鏡元件，其位于所述孔徑光闌的對象平面?zhèn)龋灰约暗诙M透鏡元件，其位于所述孔徑光闌的圖像平面?zhèn)龋渲?，使用熱應力雙折射規(guī)格所表征的對于熱應力雙折射具有可忽略的敏感度的玻璃來制造直接相鄰于所述孔徑光闌的透鏡元件，并且其中，使用所述熱應力雙折射規(guī)格所表征的對于熱應力雙折射至多具有中等敏感度的玻璃來制造所述第一組透鏡元件或所述第二組透鏡元件中的其它透鏡元件。
文檔編號G02B13/16GK102918442SQ201180024845
公開日2013年2月6日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者安德魯·弗雷德里克·庫爾茨, 約瑟夫·雷蒙德·比耶特里, 巴里·D·西爾弗斯坦 申請人:伊斯曼柯達公司