專利名稱：使用應(yīng)力雙折射性能標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)成像系統(tǒng)，而且更具體地涉及具有對(duì)由透射光施加的熱負(fù)載導(dǎo)致的對(duì)應(yīng)力雙折射的低靈敏性的成像透鏡。
背景技術(shù)：
投影和電子顯示系統(tǒng)廣泛用于顯示圖像內(nèi)容。在投影系統(tǒng)的情況下，不論是傳統(tǒng)的基于膠卷的系統(tǒng)，還是新型的電子系統(tǒng)，來自光源(通常是燈泡)的光都被引導(dǎo) 至將圖像數(shù)據(jù)傳授給透射光的圖像調(diào)制元件(例如膠卷或一個(gè)或更多個(gè)空間光調(diào)制器)。通常，膠卷或光調(diào)制器陣列隨后被成像到顯示器表面或屏幕上。作為另一方面，對(duì)顯示出三維(3D)的或感知到的立體內(nèi)容以便向消費(fèi)者提供增強(qiáng)的視覺體驗(yàn)的高質(zhì)量投影系統(tǒng)的興趣一直在增長。在歷史上，劇院使用膠卷媒體來投影立體內(nèi)容，例如兩組膠卷被加載到兩個(gè)獨(dú)立的投影設(shè)備中，每個(gè)投影設(shè)備對(duì)應(yīng)于一只眼睛。然后使用偏振光同時(shí)投射左眼圖像和右眼圖像，其中一種偏振被用于呈現(xiàn)給左眼的圖像；而正交偏振的光被用于呈現(xiàn)給右眼的圖像。觀眾佩戴相應(yīng)的正交偏振眼鏡，該正交偏振眼鏡為每只眼睛阻擋一種偏振光圖像，且同時(shí)傳輸正交偏振光圖像。最近，提供立體投影的電子或數(shù)字影院投影儀已經(jīng)商品化。特別地，由德克薩斯州達(dá)拉斯的德州儀器股份有限公司開發(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用在劇院中。DLP裝置在許多專利中都有描述，例如美國專利US 4，441，791，美國專利 US 5，535，047 和美國專利 US 5, 600, 383 (全屬 Hornbeck 所有)。圖IA示出使用DLP空間光調(diào)制器的投影儀100的簡化框圖。光源50 (通常是氙弧燈)提供多色非偏振光到棱鏡組件55，例如Philips棱鏡。以Philips棱鏡示出的棱鏡組件55將該多色光分裂成紅、綠和藍(lán)分量波長段并引導(dǎo)每個(gè)段到相應(yīng)的空間光調(diào)制器(SLM)170r、170g或170b。然后棱鏡組件55重新組合來自空間光調(diào)制器170r、170g和170b的調(diào)制光并提供這種非偏振光到成像透鏡200以便投影到顯示屏或其他適合的表面?；贒LP的投影儀已經(jīng)顯示出為從臺(tái)式計(jì)算機(jī)到大型影院的大多數(shù)投影應(yīng)用提供必需的光產(chǎn)量、對(duì)比度和色域的能力?？商鎿Q地，可以使用通過改變透射光的偏振狀態(tài)來調(diào)制光的液晶裝置(LCD)而非DLP裝置，其帶來的比較好處是更高的分辨率和更大的裝置尺寸，但在傳遞投影圖像的對(duì)比度、對(duì)比度均勻性和顏色均勻性方面具有更大的困難。從這些基于SLM的投影儀(DLP或IXD)形成立體圖像的常規(guī)方法使用兩種主要技術(shù)中的任一種來區(qū)分左眼內(nèi)容和右眼內(nèi)容。例如Dolby實(shí)驗(yàn)室使用的一種較不常用的技術(shù)使用顏色空間分離，例如在Maximus等人的美國專利申請(qǐng)公開2007/0127121中所描述。白光照明系統(tǒng)中使用過濾器來在一部分幀像時(shí)間內(nèi)隨時(shí)封閉每種原色的一部分。然后與每只眼睛相關(guān)的適當(dāng)顏色調(diào)節(jié)的立體內(nèi)容被呈現(xiàn)給針對(duì)該眼睛的每個(gè)調(diào)制器。觀賞者佩戴相應(yīng)的過濾器套件，該套件同樣地只傳輸兩個(gè)三色(RGB)光譜組中的一組。顏色空間分離避免了在屏幕上并通過觀賞者的眼鏡處理來自投影儀的偏振光的問題，但是低光效率和眼鏡的成本也是個(gè)問題。
用于形成立體內(nèi)容的第二種方法使用偏振光。例如Svardal等人的美國專利US6，793，341描述一種方法，其中兩種正交偏振狀態(tài)由分離的空間光調(diào)制器提供并同時(shí)投射到屏幕上，該屏幕通常具有保持反射光的偏振狀態(tài)的特性。觀賞者佩戴偏振眼鏡，其針對(duì)左眼和右眼的偏振穿透軸的方向相互正交。盡管這種布置提供光的有效使用，但它仍是昂貴的配置。由加利福尼亞州Beverly Hills的Real-D公司商用化的另一種方法使用常規(guī)的投影儀，其被改進(jìn)以調(diào)制從一個(gè)狀態(tài)快速切換到另一個(gè)狀態(tài)的交變偏振狀態(tài)。特別地，如圖IA所示，DLP投影儀被改進(jìn)以具有放置在輸出光路中例如圖IA中虛線所示的位置90處的偏光器和偏光器切換裝置。由于DLP投影儀輸出經(jīng)調(diào)制但非偏振的光，所以需要偏振切換器。該輸出是非偏振的，因?yàn)槭褂昧朔瞧窆庠?燈泡)，而且典型的DLP裝置窗口是消偏振的(由于應(yīng)力導(dǎo)致的雙折射)。消色差的偏振切換器(例如Robinson等人的美國專利US 7，528，906中的那種偏振切換器)可以放置在偏光器后面的位置90。這種類型的切換器(ZScreen )在兩個(gè)正交偏振狀態(tài)例如線性偏振狀態(tài)之間交替旋轉(zhuǎn)偏振光，從而允許呈現(xiàn)兩個(gè)不同的圖像，每個(gè)對(duì)應(yīng)一只眼睛，同時(shí)用戶戴著偏振眼鏡觀賞所投射的圖像。
因?yàn)槠馄鞯钠駥?duì)比度規(guī)格是適中的Γ50:1)以折中偏光器效率的提高，左眼圖像和右眼圖像之間可能發(fā)生圖像串?dāng)_。這會(huì)使得觀賞者承受幻影圖像，例如左眼不僅看到一個(gè)明亮的左眼圖像，還能看到一個(gè)暗淡的右眼圖像。Real-D提供多種方案來解決這一問題，包括使用圖像內(nèi)容的實(shí)時(shí)數(shù)字預(yù)處理來減少圖像中的幻影。特別地，數(shù)字處理器應(yīng)用串?dāng)_模型通過比較左眼圖像和右眼圖像來預(yù)測(cè)潛在的幻影，然后它消減所預(yù)測(cè)的幻影圖像。M. Cowan 等人的標(biāo)題為 “Ghost-compensation for improved stereoscopicprojection”的美國專利公開2006/0268104詳細(xì)敘述了這種方案。作為另外一個(gè)示例，在Chen等人的美國專利US 7，518，662中，ZScreen切換器的偏振對(duì)比度用傾斜的偏振補(bǔ)償器來改進(jìn)。由于多種原因，包括提高光效率、擴(kuò)大色域、增加光源壽命以及減少不斷的更換費(fèi)用，在投影儀中，不管是2-D投影儀或3-D投影儀，一直存在用固態(tài)光源(例如激光器或LED)取代傳統(tǒng)燈泡(例如氙弧燈、鎢鹵燈或UHP)的持續(xù)動(dòng)力。然而，至今對(duì)基于激光的投影系統(tǒng)的需求仍未滿足，部分是由于緊湊、耐用、中低成本的可見波長激光技術(shù)尚未以可商用化的形式出現(xiàn)，特別是對(duì)于藍(lán)光和綠光來說。隨著最近出現(xiàn)的藍(lán)光二極管激光器和緊湊的綠光SHG激光器，產(chǎn)自諸如MiciOVision公司的低成本的基于激光的微投影儀即將面向市場(chǎng)。同時(shí)，由于諸如Laser Light Engines (新罕布什爾州Salem)和Necsel (加利福尼亞州Milpitas)等公司已經(jīng)展示了原型機(jī)或早期產(chǎn)品激光裝置，針對(duì)能夠支持?jǐn)?shù)字影院投影的緊湊的高功率可見激光的相似障礙也已經(jīng)開始消失。例如，Necsel (之前被稱為Novalux)提供綠光(532nm)和藍(lán)光(465nm)激光器陣列，每個(gè)激光器可以提供3_5瓦的光學(xué)輸出功率。在這些功率水平下，并且考慮到系統(tǒng)效率損失，用于大型會(huì)議室或家庭影院的中等尺寸的投影儀Γ1500流明輸出)能夠通過每種顏色使用單個(gè)激光裝置來實(shí)現(xiàn)。然而，在電影院的情況下，根據(jù)屏幕尺寸和屏幕增益，屏上亮度需要10，000-40, 000流明或40-170瓦的組合光學(xué)功率(通量)入射到屏幕上。進(jìn)而，考慮到內(nèi)部光學(xué)效率損失，這意味著需要從每個(gè)顏色通道中的激光源發(fā)出40-120瓦的光學(xué)功率。目前，只有通過在光學(xué)上組合每個(gè)顏色通道中的多個(gè)激光器陣列的輸出才能夠?qū)崿F(xiàn)這些功率水平。最終，激光技術(shù)可能進(jìn)步，以使單個(gè)緊湊的激光裝置能夠驅(qū)動(dòng)每種顏色。當(dāng)然，涉及到簡單性、成本以及對(duì)激光故障的敏感性之間的平衡，每種途徑都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。過分簡單化地，可以通過用多個(gè)激光裝置替換圖IA中用作光源50的常規(guī)燈泡來提供數(shù)字影院投影儀。此外，因?yàn)榧す馄鞅旧砭褪瞧窆庠?，?dāng)在位置90處使用偏振切換器時(shí)，無須附隨的偏光器即可提供更有效的3D投影。然而，對(duì)于基于高功率激光的投影應(yīng)用例如數(shù)字影院來說，這種過分簡單化的觀點(diǎn)是不切實(shí)際的。如上所述，在屏幕上提供40-170瓦光功率的投影系統(tǒng)在內(nèi)部承受更高的光水平，其中最高光水平(通量或功率)發(fā)生在光源組件上，而最低光水平可能在投影透鏡的輸出表面上。由于其空間和時(shí)間的相干性，即使通量水平相當(dāng)，較之不相干光源(燈泡)發(fā)出的光線，激光會(huì)聚到更小的體積中且功率密度更高。最高內(nèi)部功率密度發(fā)生在光聚集的地方，例如在積分棒(integrating bar)、空間光調(diào)制器、孔徑光闌或者中間圖像處。當(dāng)然，當(dāng)照明光、成像光或甚至是雜散光照射到內(nèi)表面或材料時(shí)，這些高光水平會(huì)帶來附隨的熱問題。基于常規(guī)燈泡的系統(tǒng)中的強(qiáng)光已經(jīng)引起很多問題，其中一些只有在基于激光的系統(tǒng)中才會(huì)被放大。例如，在基于燈泡的系統(tǒng)中，接收來自燈泡的高強(qiáng)度聚焦光和周圍雜散光 的積分棒的入射孔徑通常被空氣冷卻的散熱片組件包圍。作為另一個(gè)示例，在數(shù)字影院投影系統(tǒng)中，空間光調(diào)制器通常用循環(huán)的冷卻水冷卻。在這種高光水平下，強(qiáng)光(特別是殘余的UV光)也可能影響材料的性能和可靠性，包括光學(xué)粘合劑、接合劑或用在棱鏡元件、雙合棱鏡或液晶裝置中的聚合物。因此，必須精心選擇這些材料以避免熱變化或化學(xué)變化引起的退化。類似地，也必須最小化或管理由光學(xué)元件或其安裝組件的失配熱膨脹系數(shù)引起的機(jī)械應(yīng)力，以避免應(yīng)力、變形或破損。作為一個(gè)特別微妙的結(jié)果，其影響基于偏振的投影系統(tǒng)(包括用于3-D投影的投影系統(tǒng))，小部分的高光強(qiáng)度光可能被光學(xué)材料吸收，從而導(dǎo)致元件的應(yīng)力雙折射。這反過來可能改變透射光的偏振方向，從而影響圖像對(duì)比度、圖像對(duì)比度均勻性、顏色均勻性或降低感知到的屏上圖像質(zhì)量的其他屬性。在空間光調(diào)制器裝置特別是硅基液晶(LCOS)裝置的情況下，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)光在裝置自身內(nèi)部的對(duì)置電極襯底上引起熱負(fù)荷和應(yīng)力雙折射的問題。為了給出進(jìn)一步的背景，圖IB示出了現(xiàn)有技術(shù)的投影儀101，其中入射照明光線140被引入針對(duì)每種顏色的相應(yīng)調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)80中,調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)80是包括偏振分束器60(也被稱為偏振棱鏡)、偏振補(bǔ)償器360和空間光調(diào)制器170g、170b或170r的投影儀子系統(tǒng)。使用X棱鏡65組合來自調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)80的調(diào)制光線，并將其引導(dǎo)至投影透鏡270以便投影到顯示屏(未示出)上。通常，調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)80中的這些部件的偏振行為和特性決定了由投影儀101提供的屏上偏振對(duì)比度。對(duì)置電極襯底(未示出)是薄的光學(xué)玻璃板，其與IXD空間光調(diào)制器170g、170b和170r中的硅襯底平行放置。液晶材料以及像素結(jié)構(gòu)形成在硅內(nèi)部(或上面)，然后填充這些襯底之間的窄縫。對(duì)置電極襯底涂覆有圖案化透明電極(通常是ΙΤ0)，以便使得能夠在襯底之間應(yīng)用電場(chǎng)，從而在逐個(gè)像素基礎(chǔ)上控制液晶分子的取向。這種結(jié)構(gòu)在低光強(qiáng)的情況下效果很好，使得當(dāng)光穿過對(duì)置電極襯底時(shí)可以保持由像素控制的偏振方向，而且所得到的偏振圖像光可以在下游遇到偏振光學(xué)器件，例如偏振分束器、分析器或切換器，其中偏振圖像光具有預(yù)期的方向。然而，在高光強(qiáng)下，穿過對(duì)置電極襯底且被吸收的一部分光會(huì)產(chǎn)生足夠的內(nèi)熱而引起應(yīng)力雙折射,這反過來改變偏振方向。認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題后，Schmidt等人的美國專利US 5，576，854提出一種確認(rèn)能夠用于制造LCOS面板的對(duì)置電極襯底的最佳玻璃的方法。特別地，他們提出一個(gè)用于確認(rèn)備選玻璃的品質(zhì)因數(shù)M，該品質(zhì)因數(shù)由以下乘積給出M=P Ek(I)其中P是熱膨脹系數(shù)(CTE)，K是應(yīng)力光學(xué)系數(shù)，E是彈性模量(E)。Schmidt等人確認(rèn)了兩種特別有價(jià)值的備選玻璃=Schott SF-57 (因?yàn)槠渫ǔ＞哂械蛻?yīng)力光學(xué)系數(shù))和熔融石英(因?yàn)槠渫ǔ＞哂械蜔崤蛎浵禂?shù))。根據(jù)Schmidt等人所述，在熔融石英的情況下，熱量導(dǎo)致玻璃的最小膨脹，這進(jìn)而導(dǎo)致小的熱致應(yīng)力。在SF-57的情況下，熱應(yīng)力系數(shù)本身是非常低的，這意味著很少有熱量直接轉(zhuǎn)化成應(yīng)力雙折射。如前面所提到，目前存在與DLP調(diào)制器的保護(hù)玻璃窗口相關(guān)的相似問題；但是因?yàn)槠谕３制駹顟B(tài)，所以這些裝置一般不用來調(diào)制強(qiáng)偏振光，不管是玻璃的選擇還是玻璃的安裝設(shè)計(jì)都以最小化應(yīng)力雙折射為目的而進(jìn)行。R. Cline等人在“Thermal Stress Birefringence in LCOS Projection Display”一文中討論了投影顯示器中玻璃選擇與熱應(yīng)力雙折射之間的關(guān)系，這篇文章發(fā)表在Displays, Vol. 23，pp. 151-159, 2002中。這篇文章涉及到確認(rèn)適用于投影顯示系統(tǒng)中的偏振分束器60 (圖1B)或Philips棱鏡組件55 (圖1A)的玻璃。特別地，作者引入用于評(píng)估備選玻璃的擴(kuò)展品質(zhì)因數(shù)，其不僅包括熱膨脹系數(shù)(P )、應(yīng)力光學(xué)系數(shù)(K )和彈性模量(E)，還包括玻璃導(dǎo)熱系數(shù)(K)、光吸收(α )和泊松比(μ )M=(2)
MI - μ)Cline等人提出只有Schott SF-57, Ohara PBH56和熔融石英可以用于高功率偏振敏感投影儀(大于1000流明)的棱鏡中，而包括Schott SK5或Schott BK7的更大范圍的玻璃可以用于低功率(< 500流明)投影儀的棱鏡。與此相反,在Aastuen等人的美國專利US 7，357，511中，發(fā)明人指出Cline等人提出的用于滿足低應(yīng)力雙折射的玻璃(例如Schott SK5或Schott BK7)實(shí)際上是不合適的，而且這些預(yù)備玻璃的對(duì)比度退化實(shí)際上非常大。然后Aastuen等人提出一種可替換的調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)80，其中相對(duì)于包括棱鏡的玻璃中的應(yīng)力雙折射(包括熱致應(yīng)力雙折射)，可以通過在偏振分束器60和空間光調(diào)制器170 (參見圖1B)之間提供偏振補(bǔ)償器360來提高偏振分束器60的偏振對(duì)比度。他們證明了具有四分之一波長延遲的偏振補(bǔ)償器360可以對(duì)應(yīng)力雙折射提供足夠的補(bǔ)償，以使棱鏡玻璃的選擇不再受限于低應(yīng)力光學(xué)系數(shù)(K )玻璃，例如 Schott SF-57。還應(yīng)該注意，多余的雙折射已經(jīng)在投影空間以外的區(qū)域(包括在顯微光刻區(qū)域內(nèi))引起圖像質(zhì)量問題。例如，在Allan等人的美國專利US 6，785，051中描述了針對(duì)200nm UV顯微光刻的折射/反射成像系統(tǒng)。在該光譜范圍中，可用光學(xué)材料的極小選擇主要受限于晶體材料，例如表現(xiàn)出顯著的固有雙折射的氟化鈣(CaF2)。為了減小光學(xué)裝置中累積的雙折射或偏振狀態(tài)改變，Allan等人提供同樣由相同類型的固有雙折射材料制成的一個(gè)或多個(gè)校正光學(xué)元件(光板或分束器)。在這種情況下，校正的光彈性雙應(yīng)力由外部施加的應(yīng)力或應(yīng)變(來自拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力或剪切應(yīng)力)提供，該外部施加的應(yīng)力或應(yīng)變是由機(jī)械夾具、壓電致動(dòng)器、熱元件或其他應(yīng)力誘發(fā)器施加給校正元件的。類似地，Brunotte等人的美國專利US 6，879，379也公開了使用包括固有雙折射材料如CaF2的透鏡元件和校正元件的UV顯微光刻成像系統(tǒng)。固有雙折射帶來與位置和角度有關(guān)的多余的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。在這種情況下，校正元件是靠近孔徑光闌定位的光板或透鏡，其也由CaF2制成。然后使用壓電致動(dòng)器以脈沖形式施加機(jī)械應(yīng)力，從而對(duì)補(bǔ)償由固有雙折射引起的依賴角度的偏振效應(yīng)的元件給予應(yīng)力雙折射。盡管有趣，但是Brunotte等人(‘379)和Allan等人(‘051)的解決方案適用于使用一組有限的固有雙折射材料的成像系統(tǒng)。相比之下，Schmidt等人(‘854)、Cline等人和Aastuen等人(‘511)提供的解決方案是在針對(duì)低功率應(yīng)用但可能擴(kuò)展到數(shù)字影院的基于燈泡的投影系統(tǒng)的情況下開發(fā)出來的。然而，這些解決方案只針對(duì)投影儀101的調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)80中的光學(xué)部件(保護(hù)玻璃和棱鏡)。在激光投影系統(tǒng)中，由于激光的相干性或聚焦能力，局部光強(qiáng)度和功率密度可能 明顯高于白光系統(tǒng)，并且可能在光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)部分產(chǎn)生熱效應(yīng)。在極端的情況下，非線性光學(xué)材料中的光學(xué)自聚焦效應(yīng)可以導(dǎo)致光學(xué)損傷或崩潰。在基于激光的數(shù)字影院投影儀的情況下，盡管永久損傷機(jī)制例如自聚焦可能不是有密切關(guān)系的，但是其他熱效應(yīng)例如熱致應(yīng)力雙折射會(huì)影響光學(xué)元件，包括除了那些處于調(diào)制光學(xué)子系統(tǒng)中的部件的部件，例如棱鏡組件、空間光調(diào)制器或保護(hù)玻璃或其中的對(duì)置電極襯底。特別地，包括多個(gè)復(fù)雜的透鏡元件且用于對(duì)強(qiáng)激光成像而無須承受熱致應(yīng)力雙折射和由此帶來的偏振效應(yīng)的成像透鏡組件的設(shè)計(jì)和使用是一個(gè)問題，特別是在比以前管理應(yīng)力雙折射所面對(duì)的功率更高的數(shù)字影院功率水平上。如透鏡設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知，成像透鏡組件使用非平面透鏡元件的組合，其材料、厚度、曲率和相對(duì)布局都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)以提供相對(duì)于色差和衍射而言期望的圖像質(zhì)量。然而，相對(duì)于成像透鏡系統(tǒng)和透鏡組元的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步控制熱致應(yīng)力雙折射所增加的復(fù)雜性是一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)既未教導(dǎo)也未預(yù)期的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種設(shè)計(jì)將物平面成像到像平面的具有減小的熱致應(yīng)力雙折射敏感性的成像透鏡的方法，該成像透鏡具有位于該物平面和該像平面之間的孔徑光闌、位于該孔徑光闌的物平面一側(cè)的第一組透鏡元件以及位于該孔徑光闌的像平面一側(cè)的第二組透鏡元件，所述方法包括定義一組透鏡設(shè)計(jì)屬性，所述透鏡設(shè)計(jì)屬性描述所述透鏡的幾何特性；定義一組透鏡性能標(biāo)準(zhǔn)，其包括一個(gè)或更多個(gè)圖像質(zhì)量性能標(biāo)準(zhǔn)和熱致應(yīng)力雙折射性能標(biāo)準(zhǔn)；定義第一組備選玻璃，其具有以熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)(metric)表征的可忽略的熱應(yīng)力雙折射敏感性；定義第二組備選玻璃，其具有以該熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)表征的高于可忽略的熱應(yīng)力雙折射敏感性，但至多是中度熱應(yīng)力雙折射敏感性；從第一組備選玻璃中選擇用于緊鄰孔徑光闌定位的第一組和第二組透鏡元件中的透鏡元件的玻璃；
從第一組或第二組備選玻璃中選擇用于不緊鄰孔徑光闌定位的第一組和第二組透鏡元件中的透鏡元件；以及使用計(jì)算機(jī)處理器確定用于該成像透鏡的透鏡設(shè)計(jì)，該透鏡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)透鏡設(shè)計(jì)屬性且同時(shí)滿足所定義的透鏡性能標(biāo)準(zhǔn)，其中該透鏡設(shè)計(jì)規(guī)定第一組和第二組透鏡元件中的透鏡元件的厚度、間距、形狀和玻璃。它具有以下優(yōu)點(diǎn)當(dāng)被用于使用偏振光來產(chǎn)生圖像時(shí)，成像透鏡的性能不會(huì)受到由成像光吸收導(dǎo)致的熱變化的顯著影響。它還具有以下優(yōu)點(diǎn)這種成像透鏡可以用于立體投影系統(tǒng)，而不會(huì)因?yàn)閼?yīng)力雙折射誘發(fā)的解偏振而在左眼圖像和右眼圖像之間產(chǎn)生令人不快的串?dāng)_。它具有以下額外的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)減小的雙折射敏感性，同時(shí)達(dá)到可接受的圖像質(zhì)量水平。


根據(jù)下面呈現(xiàn)的示例性實(shí)施例的詳細(xì)說明連同附圖，本發(fā)明將更容易理解，其中圖IA和圖IB示出現(xiàn)有技術(shù)數(shù)字投影系統(tǒng)的一些部分；圖2示出包含本發(fā)明的成像透鏡的投影儀的整體系統(tǒng)架構(gòu)；圖3A和圖3B示出示例性光源組件，其包括用于本發(fā)明的投影系統(tǒng)的多個(gè)激光裝置和激光結(jié)合器；圖4示出本發(fā)明的成像透鏡的整體結(jié)構(gòu)，其包括中繼透鏡和投影透鏡；圖5A示出現(xiàn)有技術(shù)的雙高斯式成像透鏡；圖5B示出玻璃圖表，其繪制出光學(xué)玻璃與其折射率和阿貝數(shù)的關(guān)系；圖6A描述第一示例性投影透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)，其具有中度熱應(yīng)力敏感性和良好的圖像質(zhì)量；圖6B使用MTF圖描述圖6A的投影透鏡的光學(xué)性能；圖6C描述第一示例性中繼透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)，其具有中度熱應(yīng)力敏感性和良好的圖像質(zhì)量；圖6D使用MTF圖描述圖6C的中繼透鏡的光學(xué)性能；圖7A和圖7B示出激光結(jié)合組件發(fā)出的光束的周線和截面射束輪廓；圖7C和圖7D示出入射到空間光調(diào)制器的周線和截面照明輪廓；圖7E示出積分棒后面的遠(yuǎn)心空間中的光強(qiáng)分布；圖7F示出中繼透鏡的孔徑光闌附近的光強(qiáng)分布；圖7G示出投影透鏡的孔徑光闌附近的光強(qiáng)分布；圖8A-8D是顯不光學(xué)玻璃屬性的表格；圖9A是總結(jié)圖6A的第一示例性投影透鏡的熱應(yīng)力雙折射性能的表格；圖9B是總結(jié)圖6C的第一示例性投影透鏡的熱應(yīng)力雙折射性能的表格；圖IOA描述第二示例性投影透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)，其具有低熱應(yīng)力敏感性和較差的圖
像質(zhì)量；圖IOB使用MTF圖描述圖IOA的第二示例性投影透鏡的光學(xué)性能；
圖IOC描述第二示例性中繼透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)，其具有低熱應(yīng)力敏感性和較差的圖
像質(zhì)量；圖IOD使用MTF圖描述圖IOC的第二示例性中繼透鏡的光學(xué)性能；圖IlA是總結(jié)圖IOA的第二示例性投影透鏡的熱應(yīng)力雙折射性能的表格；圖IlB是總結(jié)圖IOC的第二示例性中繼透鏡的熱應(yīng)力雙折射性能的表格；
圖12A描述第三示例性投影透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)，其具有低熱應(yīng)力敏感性和良好的圖
像質(zhì)量；圖12B使用MTF圖描述圖12A的第三示例性投影透鏡的光學(xué)性能；圖12C描述第三示例性中繼透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)，其具有低熱應(yīng)力敏感性和良好的圖
像質(zhì)量；圖12D使用MTF圖描述圖12C的第三示例性中繼透鏡的光學(xué)性能；圖13A是總結(jié)圖12A的第三示例性投影透鏡的熱應(yīng)力雙折射性能的表格；圖13B是總結(jié)圖12C的第三示例性中繼透鏡的熱應(yīng)力雙折射性能的表格；圖14A是規(guī)定圖12A的第三示例性投影透鏡的透鏡設(shè)計(jì)參數(shù)的表格；圖14B是規(guī)定圖12C的第三示例性中繼透鏡的透鏡設(shè)計(jì)參數(shù)的表格；圖15是示出根據(jù)本實(shí)施例的實(shí)施例用于設(shè)計(jì)具有減小的熱應(yīng)力雙折射敏感性的成像透鏡的方法的流程圖；圖16是示出根據(jù)本實(shí)施例的實(shí)施例用于設(shè)計(jì)具有減小的熱應(yīng)力雙折射敏感性的成像透鏡的另一種方法的流程圖；和圖17描述在使用本發(fā)明的投影透鏡的同時(shí)減少軸向顏色的方法。應(yīng)當(dāng)理解，附圖僅為圖示說明本發(fā)明的概念，并且可以不成比例。
具體實(shí)施例方式本說明具體地涉及形成根據(jù)本發(fā)明的裝置的一部分或更直接與該裝置合作的元件。應(yīng)當(dāng)理解，未具體示出或描述的元件可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的各種形式。本發(fā)明包括在此描述的實(shí)施例的組合。提到“一個(gè)特別實(shí)施例”等指的是出現(xiàn)在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中的特征。單獨(dú)提到“一個(gè)實(shí)施例”或“特殊實(shí)施例”等并不一定指的是相同的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例；然而，此類實(shí)施例并不是彼此排斥的，除非這樣指明或?qū)Ρ绢I(lǐng)域技術(shù)人員而言很清楚是這樣。提及“一種方法”或“多個(gè)方法”等時(shí)所用的單數(shù)或復(fù)數(shù)并不是限制性的。應(yīng)當(dāng)注意，除非特別說明或上下文要求，在本公開中以非排他的意義使用詞語“或”。 為了更好地理解本發(fā)明，描述本發(fā)明的裝置和方法可在其中操作的整體背景是有益的。圖2的示意圖示出在本發(fā)明的若干實(shí)施例中所使用的投影儀102的基本布置。示出了三個(gè)照明組件I IOr、110g和110b，每個(gè)提供來自相應(yīng)光源組件115的紅、綠或藍(lán)原色中的一種。光源組件115包括一個(gè)或更多個(gè)光源，特別是激光光源裝置。(激光光源裝置未在圖2中示出，但是在圖3A和圖3B中以代表性的形式示出。)圖3A示出用于組合來自多個(gè)激光器陣列102和120’的光以形成激光結(jié)合組件125的一種途徑，其中激光結(jié)合組件125是光源組件115(圖2)的子部分。數(shù)年前就可輕易在紅光或紅外線區(qū)段獲得幾瓦或更大光學(xué)輸出的高功率半導(dǎo)體(或固態(tài))激光器陣列。這些激光器通常包括單排單模-多模(single mode by multimode)激光發(fā)射器122。然而,高功率緊湊的綠光和藍(lán)光激光器陣列僅現(xiàn)在才變得可用。到目前為止，之前提到的來自Necsel的激光器已顯示出特別大的前景，其為一種IR泵浦的雙頻VECSEL(垂直擴(kuò)展腔表面發(fā)射激光器)激光器。主要因?yàn)殛P(guān)鍵部件的發(fā)熱和封裝問題，當(dāng)前可用的準(zhǔn)商品化的裝置具有受限制的體系架構(gòu)，其提供平行的兩排激光發(fā)射器122 (每排24個(gè)發(fā)射器)。盡管緊密布置來自成分激光器陣列(constituent laser array)的輸出光束在光學(xué)上是有益的，但是也期望將激光器陣列120彼此機(jī)械隔離以減少熱串?dāng)_和集中的熱負(fù)載?？赡芤财谕庠唇M件115 (圖2)以及電子發(fā)送和連接及相關(guān)熱量與熱敏感的光學(xué)投影系統(tǒng)隔開，以允許實(shí)現(xiàn)投影引擎的最佳性能。在圖3A中，一個(gè)或更多個(gè)分散的鏡子160可以被用來使附加激光器陣列120’的光軸與激光器陣列120的光軸成直線，從而提供多個(gè)光束140，每個(gè)光束包含多個(gè)單獨(dú)光束140’，一起被引導(dǎo)至具有相關(guān)孔徑130的照明透鏡150，照明透鏡是各個(gè)照明組件IlOrUlOg和IlOb (圖2)的部件。圖3B描述了根據(jù)可替換實(shí)施例的示例性照明組件110的一部分。該照明組件110 包括給定顏色的光源組件115，其包括兩個(gè)激光結(jié)合組件125。使用這種布置，可以增加功率輸出，從而支持具有更高屏幕流明需求的更大屏幕。在這個(gè)示例中，兩個(gè)激光結(jié)合組件120中的每一個(gè)都使用在每側(cè)都具有窗口棱面和反射棱面(通過全內(nèi)反射來工作)的多面體棱鏡127，以便沿著公共光路重新定向來自激光器陣列120中的激光發(fā)射器122的光束140。來自兩個(gè)激光結(jié)合組件120的輸出光被照明光束結(jié)合器135沿著公共光路引導(dǎo)到例如由照明透鏡150和光學(xué)積分器155所代表的另一個(gè)照明光學(xué)元件。照明光束結(jié)合器135可以通過各種途徑結(jié)合光束140，包括光譜上結(jié)合(針對(duì)激光結(jié)合組件125中的激光器陣列120聚集在中心波長的相反側(cè)上的情況)、空間上結(jié)合或通過偏振結(jié)合。一個(gè)路徑可以具有可選的半波片137。圖2B和圖3B結(jié)合起來考慮，每個(gè)照明組件110r、l IOg和IlOb通常包括一個(gè)或更多個(gè)照明透鏡150、定形并定向透射光束的光學(xué)積分器155 (例如復(fù)眼積分器或積分棒)以及額外的照明透鏡150和鏡子160，其一起引導(dǎo)照明光沿著光軸145到達(dá)相關(guān)聯(lián)的空間光調(diào)制器170。例如，可以使用照明透鏡150將來自光源組件115的入射光引導(dǎo)至光學(xué)積分器155。所產(chǎn)生的均勻光線充滿光學(xué)積分器155的輸出孔徑。然后該輸出孔徑被重新成像到與空間光調(diào)制器170對(duì)準(zhǔn)的光學(xué)平面中的區(qū)域。照明透鏡150和光學(xué)積分器155可以用熔融石英制造，以便減小這些元件中可能由于誘導(dǎo)應(yīng)力雙折射而發(fā)生的任何偏振退化效應(yīng)?？臻g光調(diào)制器170可以是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)裝置，例如DLP或某些其他類型的反射MEMS裝置，包括任何一種通過反射或衍射調(diào)制光的MEMS調(diào)制器?？臻g光調(diào)制器170也可以是LCD類裝置或其他技術(shù)。在LCD類裝置的情況下，調(diào)制提供被引導(dǎo)至顯示器表面的“打開”狀態(tài)光或圖像光以及，和被引導(dǎo)至束流捕集器(未示出)的“關(guān)閉”狀態(tài)光。在投影儀102切換偏振光源的取向以驅(qū)動(dòng)立體圖像投影(3D)的情況下，優(yōu)選“偏振狀態(tài)中性的”調(diào)制器裝置。特別地，空間光調(diào)制器170優(yōu)選不通過調(diào)制像素的偏振狀態(tài)來調(diào)制每個(gè)像素處的光，從而針對(duì)任何像素的入射光的偏振狀態(tài)的任何改變都是可忽略的和小的。這意味著空間光調(diào)制器170將優(yōu)選在逐個(gè)像素的基礎(chǔ)上等同地調(diào)制入射光，而不管與入射光的偏振狀態(tài)如何。因此，推測(cè)觀眾佩戴偏振敏感的眼鏡來觀賞立體圖像或3D圖像。還應(yīng)當(dāng)理解，投影儀102可以提供感知為二維的常規(guī)圖像。
與使用在外部添加到投影儀上的偏振切換附件來提供3D影像的投影儀不同的是，在這種投影儀102中，來自照明組件110的照明光被確定為是偏振的。特別地，光源被布置為提供公共偏振狀態(tài)，以本領(lǐng)域的術(shù)語稱為“s-偏振”或“P-偏振”。照明組件110可以包括各種光學(xué)兀件，包括波片或偏光器(未不出)，以便排列、保持或突出光源本身的偏振狀態(tài)。照明組件Iio還可以包括電光致動(dòng)的或電機(jī)械致動(dòng)的偏振切換器139，以將照亮空間光調(diào)制器170的光的偏振狀態(tài)變成S-偏振狀態(tài)、P-偏振狀態(tài)或?qū)?D圖像投影有益的其他偏振狀態(tài)(例如左圓偏振或右圓偏振)。因此，優(yōu)選的是包括照明透鏡150和光學(xué)積分器155在內(nèi)的各種照明部件是保持偏振的。每個(gè)照明組件IlOrUlOg和IlOb中的光路遵循相同的基本模式，盡管可以存在差異以適應(yīng)一種顏色通道與其他顏色通道相比其光源(激光器)屬性的差異。每個(gè)照明組件110可以各自具有以相互同步的方式操作的偏振切換器139，或者公共偏振切換器139可以用于多個(gè)顏色通道。如圖2所示，通過用一個(gè)或更多個(gè)鏡子160重新定向來將照明光引導(dǎo)到空間光調(diào)制器170上。承載由空間光調(diào)制器170的尋址像素施加到透射光中的圖像信息的經(jīng)調(diào)制的圖像光被結(jié)合以橫貫穿過成像透鏡200的公共光路并投射到顯示器表面190 (例如投影屏幕)。在圖不的實(shí)施例中，二向色結(jié)合器165包括第一結(jié)合器166和第二結(jié)合器167, 二者都 是根據(jù)光的波長選擇性地透射或反射光的具有適當(dāng)薄膜光學(xué)涂層的二向色元件。因?yàn)樵撏队皟x102被設(shè)計(jì)用于使用光學(xué)偏振狀態(tài)的內(nèi)部調(diào)制來提供3D圖像內(nèi)容，二向色結(jié)合器165和成像透鏡20也應(yīng)該是偏振中性的，從而這些元件在效率、偏振對(duì)比度或圖像質(zhì)量上引起很小的差別或無差別。類似地，顯示器表面190優(yōu)選是偏振保持屏幕。應(yīng)當(dāng)理解，鏡子160不必位于光學(xué)系統(tǒng)的平面內(nèi)。因此針對(duì)綠光通道的光路中的鏡子160可以在平面外，并且不阻礙傳輸?shù)酵队巴哥R207的光，如圖2所暗示。另外，雖然二向色結(jié)合器165被顯示為一對(duì)傾斜的玻璃板，但是可以使用其他示例性結(jié)構(gòu)，例如X-棱鏡65 (圖IB) V-棱鏡或Philips (或氧化鉛光導(dǎo)攝像管(Plumbicon))類棱鏡(圖1A)。在其他實(shí)施例中，鏡子160也能夠以棱鏡的形式提供，例如廣泛使用的TIR (全內(nèi)反射)棱鏡，其經(jīng)常與Philips棱鏡和DLP裝置結(jié)合使用。在圖2中，成像透鏡200被描述成包括多個(gè)透鏡元件205的多元件組件，其以高放大倍數(shù)(通常是100倍-400倍)將其各自物平面處的空間光調(diào)制器170r、170g和170b直接成像到像平面(顯不器表面1900)。圖4詳述了成像透鏡200的設(shè)計(jì)，其描述了一個(gè)實(shí)施例，其中成像透鏡200包括兩個(gè)部分，即中繼透鏡250和投影透鏡270，二者均包括以有限共軛操作并組裝在透鏡外殼240中的多個(gè)透鏡元件205。例如，中繼透鏡250被設(shè)計(jì)成采集和成像來自空間光調(diào)制器170的物平面的F/6光以在對(duì)應(yīng)的像平面處形成真實(shí)的空間中間圖像260。然后該中間圖像260成為投影透鏡270的物平面，其提供中間圖像的放大圖像到允許的焦深范圍內(nèi)的遠(yuǎn)處的像平面(顯示器表面190)，即標(biāo)準(zhǔn)像平面。更確切地說，空間光調(diào)制器170是與中間圖像260共軛的圖像，而中間圖像260進(jìn)而是與顯示器表面190共軛的圖像。中繼透鏡優(yōu)選地提供150_200mm或更長的長工作距離245，以便為空間光調(diào)制器170附近的二向色結(jié)合器165和鏡子160 (圖2)提供間隙。示例性中繼透鏡250以I倍或稍微更大的橫向放大率對(duì)空間光調(diào)制器170進(jìn)行成像，提供尺寸可以與一幀35_電影膠卷的成像區(qū)域相比較的真實(shí)的中間圖像260。因此，投影透鏡270可能是設(shè)計(jì)成投射35mm電影圖像的常規(guī)投影透鏡，例如目前由德國Bad Kreuznach的Schneider-Kreuznach生產(chǎn)的投影透鏡。盡管圖4描述的成像透鏡200看起來比圖2的成像透鏡更復(fù)雜，但是實(shí)際上圖4的投影透鏡270和中繼透鏡250更容易設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，因此成本更低，于是現(xiàn)在等效的統(tǒng)一成像透鏡200存在于商用DLP影院投影儀中。部分是因?yàn)橐越麵倍放大率工作比以高放大率工作更容易提供長工作距離245。另外，這種途徑使得能夠通過在中間圖像260處或其附近提供方便插入去斑器180例如移動(dòng)擴(kuò)散器的位置來實(shí)現(xiàn)激光去斑。在此系統(tǒng)中，去斑器180優(yōu)選是包括分散布置的小透鏡的小透鏡陣列，所述小透鏡具有一個(gè)或更多個(gè)成像像素的尺寸。在使用去斑器180時(shí)，投影透鏡270優(yōu)選是比中繼透鏡250更快的透鏡(卞/3)。在此背景下，應(yīng)當(dāng)注意，發(fā)明者已經(jīng)組裝并測(cè)試了具有圖2、圖3A和圖3B所描述的一般結(jié)構(gòu)但是使用圖4的成像透鏡200以及中繼透鏡250、中間圖像260和投影透鏡270的基于激光的實(shí)驗(yàn)性投影儀102。在操作中，系統(tǒng)的一種原型機(jī)型顯示出偏振對(duì)比度的損失，從而當(dāng)投影儀用于低亮度輸出(例如3000流明)時(shí)，藍(lán)光通道偏振對(duì)比度是 400:1或更大， 但是當(dāng)投影儀在高于飛000流明的水平操作時(shí)，無去斑器180的情況下該偏振對(duì)比度退化為 100:1，有去斑器的情況下該偏振對(duì)比度退化為 150:1。特別地，對(duì)于藍(lán)色影像，偏振改變或偏振損失最明顯，因?yàn)樗{(lán)光表現(xiàn)出更高的光吸收水平。對(duì)于佩戴偏振識(shí)別鏡的觀眾，偏振的改變引起所投影立體圖像的可感知的干擾或幻影。盡管使用Real-D提供的幻影校正數(shù)字后期處理方法可以補(bǔ)救這種干擾，但本發(fā)明提供更優(yōu)選的解決方案，其中可以使用內(nèi)部透鏡設(shè)計(jì)校正來消除對(duì)這種校正的需求。特別地，由于偏振對(duì)比度隨著光級(jí)退化，這與問題起源于熱致應(yīng)力雙折射的發(fā)現(xiàn)是一致的。將變得明顯的是，提供一種涉及在中繼透鏡250和投影透鏡270的設(shè)計(jì)中選擇地使用光學(xué)玻璃的解決方案。如圖4的實(shí)施例所描述，這兩種透鏡通常是雙高斯型透鏡。基本高斯透鏡追溯到1800年代，C.F. Gauss和后來的Alvan Clark發(fā)明了原始的形式。首先，C. F. Gauss通過在單個(gè)凸透鏡和凹透鏡設(shè)計(jì)上附加新月形透鏡改進(jìn)了 Fraunhofer望遠(yuǎn)鏡物鏡。后來Alvan Clark將兩個(gè)這種透鏡背靠背放置，從而獲得了雙高斯設(shè)計(jì)。PaulRudolph通過使用雙膠透鏡校正色差而作出進(jìn)一步改進(jìn)，如美國專利US 583, 336中所描述。如Rudolph所演示，雙高斯透鏡由背靠背的兩個(gè)高斯透鏡組成，形成位于孔徑光闌230附近的兩組透鏡元件208，其中這兩組的透鏡元件可以相同。圖5A描述了現(xiàn)有技術(shù)的雙高斯類成像透鏡200，其沿著光軸145將物表面195成像到遠(yuǎn)處的像平面(未示出)。在普通的基本形式中，它由位于孔徑光闌230附近的由火石類玻璃制成的一對(duì)內(nèi)部負(fù)透鏡元件206b和由冕牌玻璃組成的一對(duì)外部正透鏡元件206a組成。在該示例中，孔徑光闌230 (高斯透鏡組件)兩側(cè)的透鏡元件設(shè)計(jì)是不相同的。圖5B所示的玻璃表格210示出了冕牌玻璃和火石玻璃的重要特征，該表是繪制出由Schott Class公司出版的廣泛認(rèn)可的玻璃表格數(shù)據(jù)的“阿貝(Abbe)表”。冕牌玻璃215具有低色散(用高阿貝數(shù)vd > 50表示)并且一般具有低折射率(nd)，而火石玻璃217具有相對(duì)較高的色散(低阿貝數(shù)vd <50)并且一般具有較高的折射率。在中間阿貝數(shù)V廠50附近發(fā)現(xiàn)具有中間色散屬性的弱火石玻璃或冕牌玻璃。在圖5A中，透鏡元件也被確定為用冕牌玻璃215制造的冕牌透鏡元件220或用火石玻璃217制造的火石透鏡元件222。雙高斯設(shè)計(jì)途徑的一般對(duì)稱性和光學(xué)功率分散到許多元件中減小了由透鏡系統(tǒng)帶來的光學(xué)象差。它形成了如今使用中的許多相機(jī)透鏡的基礎(chǔ)，尤其是用于35mm和其他小格式相機(jī)中的大孔徑標(biāo)準(zhǔn)透鏡。完全對(duì)稱的設(shè)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)彗形象差、失真和TCA (橫向色差或橫向顏色)。存在很多設(shè)計(jì)的變體，其中添加了額外的透鏡元件，或具有關(guān)于孔徑光闌230的不對(duì)稱設(shè)計(jì)，其犧牲對(duì)稱性以實(shí)現(xiàn)其他目的。例如，R. Mercado的美國專利US4，704，011描述了雙高斯式攝影物鏡，而W. Reineckle等人的美國專利US 6，795，255描述了用于從膠卷投影圖像的雙高斯式電影透鏡，并且D. DeJager所屬且共同授讓的美國專利US 5，172，275描述了應(yīng)用于電影膠片掃描的復(fù)雜的雙高斯式透鏡。圖6A圖示了具有帶有兩組透鏡元件208的雙高斯透鏡設(shè)計(jì)的第一示例性投影透鏡270的設(shè)計(jì)，其類似于圖4所示的成像透鏡200中的投影透鏡270。投影透鏡270具有位于孔徑光闌230附近的兩個(gè)內(nèi)部負(fù)透鏡元件402和403，其為火石透鏡元件222，其中負(fù)透鏡元件402使用Schott SFl玻璃制造，而負(fù)透鏡元件403使用SF2玻璃制造。投影透鏡270還具有4個(gè)外部正透鏡元件400、401、404和405，其均為冕牌透鏡元件220。最右端的最大的正透鏡元件405使用Ohara S-BSM-10制造，而其他的正透鏡元件400、401和404使用來自O(shè)hara Glass公司的Ohara S-LAM-60制造。這些玻璃具有近似的Schott玻璃等 價(jià)物，其分別為N-SKlO和N-LAF35。沿著穿過投影透鏡270的光線的路徑顯示出光學(xué)射線235。圖6B示出了描述圖6A中的示例性投影透鏡270的廣譜MTF性能的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)圖300。盡管不受衍射所限，還是可以看出MTF在成像區(qū)域內(nèi)50cy/mm處平均達(dá)到大約 65%。圖6C描述了第一示例性中繼透鏡250的設(shè)計(jì)，它是雙高斯透鏡設(shè)計(jì)的伸長版本，類似于圖4所示的中繼透鏡250。具有兩組透鏡元件208加上物鏡(透鏡元件416)的中繼透鏡250被用來形成空間光調(diào)制器170 (其位于物平面處)的中間圖像260 (在像平面處)。該透鏡設(shè)計(jì)包括位于孔徑光闌230附近的一對(duì)負(fù)透鏡元件412和413，其為使用Schott SF4制造的火石透鏡元件222。該中繼透鏡250還包括一組正透鏡元件410、411、414和415，其為冕牌透鏡元件220。正透鏡元件410和411使用Ohara S-BAL35制造。正透鏡元件414使用Ohara S-LAM54制造，而正透鏡元件415使用Ohara S-NSL3制造。中繼透鏡250還包括位于中間圖像260附近的正物鏡元件416，其也使用Ohara S-LAM54制造。也示出由非傾斜平面元件表示的二向色結(jié)合器165。圖6D用MTF圖300描述了圖6C的中繼透鏡250的光學(xué)性能。該光學(xué)性能幾乎是衍射限制的，其在成像區(qū)域內(nèi)50cy/mm處的平均MTF大約是79%。如前所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)為了適度高的屏幕亮度水平(6000-11000流明)而發(fā)射激光到顯示器表面190時(shí)，與低屏幕亮度水平下大約400:1的偏振對(duì)比度相比，包括常規(guī)中繼透鏡250 (即如圖6C所示)和常規(guī)投影透鏡270 (即如圖6A所示)的常規(guī)成像透鏡200將承受藍(lán)光偏振圖像對(duì)比度降至大約150:1或更小和藍(lán)光圖像幻影。當(dāng)不存在成像透鏡組件時(shí)，輸出光的偏振對(duì)比度的單獨(dú)測(cè)量顯示亮度水平幾乎未變化，因此確認(rèn)中繼透鏡250和投影透鏡270是罪魁禍?zhǔn)?。特別地，這些測(cè)量顯示藍(lán)光通道(465nm)偏振對(duì)比度退化至大約100:1，而綠光和紅光對(duì)比度水平仍然較高(大約300:1)。一并考慮，該數(shù)據(jù)有力地顯示出偏振對(duì)比度退化是因?yàn)闊嶂聭?yīng)力雙折射效應(yīng)，該效應(yīng)在更高的功率水平下只會(huì)惡化。由于大多數(shù)光學(xué)玻璃(除了最顯著的熔融石英)承受較高的藍(lán)光吸收，因此藍(lán)光吸收可能更容易地引起應(yīng)力雙折射。因此，應(yīng)力雙折射可能不同程度地影響不同顏色通道中的圖像質(zhì)量。熱致應(yīng)力雙折射是在玻璃中由溫度(T)引起的折射率(Λη ( λ，T ))的變化，而且它在功能上取決于許多參數(shù)，包括波長λ、玻璃的吸收(α )、玻璃的光學(xué)應(yīng)力敏感性(K )和熱膨脹系數(shù)(P )。它還取決于穿過玻璃的光的光強(qiáng)(輻照度)或功率密度(例如，以瓦/平方毫米、流明/平方毫米或勒克斯為單位)的空間-時(shí)間分布。圖7A-7F示出能夠透過圖2、圖3Α、圖3Β和圖4所示的投影儀102的光學(xué)裝置的示例性光強(qiáng)分布。如圖3Α和圖3Β所示，激光結(jié)合組件125可以產(chǎn)生多個(gè)輸出光束140，其結(jié)合以充滿或部分充滿孔徑130。由于激光器陣列120的結(jié)構(gòu)可以具有一個(gè)或更多個(gè)分隔的偏移激光發(fā)射器陣列122，因此在所描述的光束140中獲得多個(gè)個(gè)體光束140’。結(jié)合來自多個(gè)激光器陣列120的光束增加了個(gè)體光束140’的數(shù)量，其中許多光束已經(jīng)橫穿不同的光程長度達(dá)到孔徑130。隨著個(gè)體光束140’傳播，它們?nèi)诤喜⑾嗷ブ丿B。根據(jù)在光學(xué)系統(tǒng)中的位置、各種個(gè)體光束140’橫穿的相對(duì)光程長度以及光線均化器、積分器或擴(kuò)散器的使用，某些光束140’或激光器陣列120的圖像或其結(jié)合可能比其他個(gè)體光束140’或其結(jié)合更可辨識(shí)。根據(jù)在光學(xué)系統(tǒng)中的位置，凈結(jié)果是光強(qiáng)分布的橫斷面可以顯示出不同量的結(jié) 構(gòu)。為了詳細(xì)描述這最后一點(diǎn)，圖7Α示出了光源組件115的孔徑130附近的模擬光強(qiáng)分布320，其中來自最里面的激光器陣列120的個(gè)體光束140’比來自最外面的激光器陣列的光束更散焦。圖7Β示出了圖7Α的光強(qiáng)分布320在切片位置321處的兩個(gè)橫斷面輪廓322。這些光強(qiáng)分布320是高度結(jié)構(gòu)化而非空間均勻的，因?yàn)槎鄠€(gè)光束140’只是部分相互重疊，而且從中心到邊緣的重疊量不同。與圖7Α不出的相似的圖案遍及光學(xué)系統(tǒng)。例如在光積分器155 (圖3Β)的遠(yuǎn)角視場(chǎng)中，出現(xiàn)了如圖7Ε所示的類似圖案化的光強(qiáng)分布326，盡管積分棒內(nèi)的多重反彈使它更復(fù)雜。根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，如圖7C所示的輪廓視圖，積分棒在其輸出面上產(chǎn)生名義上均勻的光強(qiáng)分布323。圖7D示出了對(duì)應(yīng)于圖7C所示的切片位置324的相應(yīng)橫斷面輪廓。然后積分棒的輸出表面上的光強(qiáng)分布323被重新成像以照明該顏色通道的空間光調(diào)制器170。中繼透鏡250 (圖4)對(duì)空間光調(diào)制器170重新成像以形成結(jié)合的白光圖像(取決于圖像內(nèi)容)作為真實(shí)的空間中間圖像260，隨后投影透鏡270將該真實(shí)的空間中間圖像投影到顯示器表面190上。在中繼透鏡250和投影透鏡270的孔徑光闌處或其附近，根據(jù)應(yīng)用在系統(tǒng)上的光散射或角平均，會(huì)出現(xiàn)仿效圖7Ε的光強(qiáng)分布326的高度結(jié)構(gòu)化的光強(qiáng)圖案。例如，圖7F示出了中繼透鏡250的孔徑光闌230附近的示例性模擬光強(qiáng)分布327，而圖7G示出了投影透鏡270的孔徑光闌230附近的示例性模擬光強(qiáng)分布328(沒有包括去斑器180)。應(yīng)當(dāng)注意，去斑器180的使用可能導(dǎo)致傳播光的角度擴(kuò)大，或?qū)е聜鞑ス庠谕队巴哥R中被空間-時(shí)間上平均，或同時(shí)導(dǎo)致兩種效果。因此，投影透鏡270的孔徑光闌230處或附近的光強(qiáng)分布320的微觀結(jié)構(gòu)可能難以清晰地定義，也不是時(shí)間上靜止的。雖然如此，中繼透鏡250和投影透鏡270中的透鏡元件205可以承受具有高光學(xué)功率密度的透射光，特別是在孔徑光闌320附近，此處光強(qiáng)分布326和327可能具有會(huì)聚在光強(qiáng)分布的微觀結(jié)構(gòu)的多個(gè)峰值中的光。這些光能的會(huì)聚可能在所有這些透鏡組件中引起熱致光學(xué)應(yīng)力雙折射，但是在孔徑光闌230附近的透鏡元件205中尤其如此。
為了進(jìn)一步理解雙折射的背景，應(yīng)當(dāng)了解，可以用波動(dòng)方程來描述光的傳播，包括描述作為距離X和時(shí)間t的函數(shù)的平面偏振波ψ (X，t)的方程(3)，其中A(x，t)是振幅函數(shù)，和(p(X，t)是擾動(dòng)的相位
權(quán)利要求
1.一種設(shè)計(jì)將物平面成像到像平面的具有減小的熱致應(yīng)力雙折射敏感性的成像透鏡的方法，所述成像透鏡具有位于所述物平面和所述像平面之間的孔徑光闌、位于所述孔徑光闌的物平面一側(cè)的第一組透鏡元件以及位于所述孔徑光闌的像平面一側(cè)的第二組透鏡元件，所述方法包括 定義一組透鏡設(shè)計(jì)屬性，所述透鏡設(shè)計(jì)屬性描述所述透鏡的幾何特性； 定義一組透鏡性能標(biāo)準(zhǔn)，其包括一個(gè)或更多個(gè)圖像質(zhì)量性能標(biāo)準(zhǔn)和熱致應(yīng)力雙折射性能標(biāo)準(zhǔn)； 定義第一組備選玻璃，其具有以熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)表征的可忽略的熱應(yīng)力雙折射敏感性； 定義第二組備選玻璃，其具有以所述熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)表征的高于可忽略的熱應(yīng)力雙折射敏感性，但至多具有中度熱應(yīng)力雙折射敏感性； 從所述第一組備選玻璃中選擇用于緊鄰所述孔徑光闌定位的所述第一組和第二組透鏡元件中的透鏡元件的玻璃； 從所述第一組或第二組備選玻璃中選擇用于不緊鄰所述孔徑光闌定位的所述第一組和第二組透鏡元件中的透鏡元件；以及 使用計(jì)算機(jī)處理器確定用于所述成像透鏡的透鏡設(shè)計(jì)，所述透鏡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所述透鏡設(shè)計(jì)屬性且同時(shí)滿足所定義的透鏡性能標(biāo)準(zhǔn)，其中所述透鏡設(shè)計(jì)規(guī)定所述第一組和第二組透鏡元件中的透鏡元件的厚度、間距、形狀和玻璃。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)包括與所述玻璃的熱膨脹系數(shù)、所述玻璃的應(yīng)力光學(xué)系數(shù)和所述玻璃的光吸收系數(shù)相關(guān)的因素。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步包括與所述玻璃的彈性模量、所述玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)、所述玻璃的泊松比、所述玻璃中的光學(xué)功率密度、所述透鏡元件的厚度或者所述透鏡元件的光圈尺寸相關(guān)的至少一個(gè)額外因素。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)由下式給出M/ =P K α 其中P是熱膨脹系數(shù)，K是應(yīng)力光學(xué)系數(shù)，α是光吸收系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)由下式給出 M1= P K a E/ (K · (I- μ )) 其中P是熱膨脹系數(shù)，K是應(yīng)力光學(xué)系數(shù)，α是光吸收系數(shù)，E是彈性模量，K是導(dǎo)熱系數(shù)，μ是泊松比。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第一組備選玻璃滿足M1< O. I X IO-6W-1的條件，所述第二組備選玻璃滿足O. IX KT6W4 ^ M1 ^ I. 60 X KT6W4的條件。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中描述所述幾何特性的所述透鏡設(shè)計(jì)屬性包括透鏡焦距、F/#、透鏡放大倍率和透鏡工作距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述圖像質(zhì)量性能標(biāo)準(zhǔn)包括調(diào)制傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)或點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述熱致應(yīng)力雙折射性能標(biāo)準(zhǔn)基于組合了為所述成像透鏡中的每個(gè)透鏡元件確定的強(qiáng)度加權(quán)的熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)的總熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述強(qiáng)度加權(quán)的熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)由下式給出M2=I0LP K a E/(K · (l-μ )) 其中Itl是所述玻璃的光學(xué)功率密度，L是所述透鏡元件的厚度，P是熱膨脹系數(shù)，K是應(yīng)力光學(xué)系數(shù)，α是光吸收系數(shù)，E是彈性模量，K是導(dǎo)熱系數(shù)，μ是泊松比。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中選擇用于所述透鏡元件的玻璃的步驟包括 規(guī)定標(biāo)稱透鏡設(shè)計(jì)，所述標(biāo)稱透鏡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所述透鏡設(shè)計(jì)屬性，但包括使用不在所述第一組和第二組備選玻璃中的玻璃的透鏡元件； 從所述第一組和第二組備選玻璃中識(shí)別最接近地匹配不在所述第一組和第二組備選玻璃中的所述玻璃的折射率和色散特性的玻璃；和 用所識(shí)別的玻璃替換不在所述第一組和第二組備選玻璃中的所述玻璃。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中使用所述計(jì)算機(jī)處理器確定用于所述成像透鏡的透鏡設(shè)計(jì)的步驟包括迭代地調(diào)整所選擇的玻璃并優(yōu)化所述透鏡設(shè)計(jì)直到滿足所定義的性能標(biāo)準(zhǔn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中用于具有最高光學(xué)功率密度的透鏡元件的玻璃是從所述第一組備選玻璃中選擇的。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中用于最薄的透鏡元件的玻璃是從所述第二組備選玻璃中選擇的。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中使用所述計(jì)算機(jī)處理器確定用于所述成像透鏡的透鏡設(shè)計(jì)的步驟包括確定一個(gè)或更多個(gè)所述透鏡元件的非球形表面輪廓或衍射光學(xué)表面輪廓。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述透鏡設(shè)計(jì)包括偏振補(bǔ)償器。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述透鏡設(shè)計(jì)包括具有多層電介質(zhì)涂層的鏡子，所述多層電介質(zhì)涂層有差別地改變不同波長段的路徑長度，從而減小色差。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述成像透鏡被用于對(duì)偏振光進(jìn)行成像。
19.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，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。
20.一種用于設(shè)計(jì)具有減小的熱致應(yīng)力雙折射敏感度的透鏡系統(tǒng)的方法，該方法包括 定義一組透鏡設(shè)計(jì)屬性，所述透鏡設(shè)計(jì)屬性描述所述透鏡的幾何特性； 定義一組透鏡性能標(biāo)準(zhǔn)，包括一個(gè)或更多個(gè)圖像質(zhì)量性能標(biāo)準(zhǔn)和熱致應(yīng)力雙折射性能標(biāo)準(zhǔn)； 定義第一組備選玻璃，其具有以熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)表征的可忽略的熱應(yīng)力雙折射敏感性； 定義第二組備選玻璃，其具有以熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)表征的高于可忽略的熱應(yīng)力雙折射敏感性，但至多具有中度熱應(yīng)力雙折射敏感性； 定義透鏡元件相對(duì)于孔徑光闌的布置，其中所述透鏡元件被布置成至少一組透鏡元件； 從所述第一組備選玻璃中為所述至少一組透鏡元件中承受來自透射光的最高光學(xué)功率密度或位于所述孔徑光闌附近的透鏡元件選擇玻璃； 從所述第一組或第二組備選玻璃中為所述至少一組透鏡元件中的其他透鏡元件選擇玻璃； 使用計(jì)算機(jī)處理器確定用于所述透鏡系統(tǒng)的透鏡設(shè)計(jì)，所述透鏡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所述透鏡設(shè)計(jì)屬性且同時(shí)滿足所定義的透鏡性能標(biāo)準(zhǔn)，其中所述透鏡設(shè)計(jì)規(guī)定所述至少一組透鏡元件中的透鏡元件的厚度、間距、形狀和玻璃。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)包括與所述玻璃的熱膨脹系數(shù)、所述玻璃的應(yīng)力光學(xué)系數(shù)和所述玻璃的光吸收系數(shù)相關(guān)的因素。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)還包括與所述玻璃的彈性模量、所述玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)、所述玻璃的泊松比、所述玻璃中的光學(xué)功率密度、所述透鏡元件的厚度或者所述透鏡元件的光圈尺寸相關(guān)的至少一個(gè)額外因素。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)由下式給出 M1= P K a E/ (K · (I- μ )) 其中P是熱膨脹系數(shù)，K是應(yīng)力光學(xué)系數(shù)，α是光吸收系數(shù)，E是彈性模量，K是導(dǎo)熱系數(shù)，μ是泊松比。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述透鏡設(shè)計(jì)屬性和所述透鏡性能標(biāo)準(zhǔn)中的至少一些在透鏡設(shè)計(jì)優(yōu)值函數(shù)中表達(dá)，所述透鏡設(shè)計(jì)優(yōu)值函數(shù)在透鏡設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中被所述計(jì)算機(jī)處理器使用。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中熱機(jī)械建模被用于評(píng)估由于吸收部分透射光而施加到一個(gè)或更多個(gè)所述透鏡元件的熱負(fù)載，所述熱機(jī)械建?？紤]了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的作用，并且根據(jù)需要包括透鏡系統(tǒng)冷卻。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述熱機(jī)械建模估算在一個(gè)或更多個(gè)透鏡元件中熱致的應(yīng)力雙折射水平。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述玻璃的選擇至少部分基于所述透鏡元件的熱機(jī)械建模的結(jié)果。
28.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述透鏡系統(tǒng)是具有多個(gè)透鏡組的掃描透鏡或變焦透鏡。
29.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中透鏡系統(tǒng)包括位于所述孔徑光闌一側(cè)的第一組透鏡元件以及位于所述孔徑光闌另一側(cè)的第二組透鏡元件。
30.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中基于所述透鏡元件的厚度為所述透鏡系統(tǒng)的至少一個(gè)透鏡元件選擇相對(duì)于熱致應(yīng)力雙折射而言較不限制的玻璃。
31.一種設(shè)計(jì)具有用于將物平面成像到像平面的多個(gè)透鏡元件的成像透鏡的方法，所述成像透鏡具有減小的熱致應(yīng)力雙折射敏感性，所述方法包括 定義一組透鏡設(shè)計(jì)屬性，所述透鏡設(shè)計(jì)屬性描述所述透鏡的幾何特性； 定義優(yōu)值函數(shù)，其包括一個(gè)或更多個(gè)圖像質(zhì)量性能項(xiàng)和熱致應(yīng)力雙折射性能項(xiàng)； 定義第一組備選玻璃，其具有以熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)表征的可忽略的熱應(yīng)力雙折射敏感性； 定義第二組備選玻璃，其具有以熱應(yīng)力雙折射度量標(biāo)準(zhǔn)表征的高于可忽略的熱應(yīng)力雙折射敏感性，但至多具有中度熱應(yīng)力雙折射敏感性；以及使用計(jì)算機(jī)處理器確定用于所述成像透鏡的透鏡設(shè)計(jì)，所述透鏡設(shè)計(jì)通過應(yīng)用響應(yīng)于所述優(yōu)值函數(shù)的優(yōu)化過程來實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的透鏡設(shè)計(jì)屬性，其中所述透鏡設(shè)計(jì)規(guī)定所述透鏡 元件的厚度、間距、形狀和玻璃，并且其中用于所述透鏡元件的玻璃選自所述第一組和第二組備選玻璃，并且其中用于至少一個(gè)所述透鏡元件的玻璃選自所述第一組備選玻璃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種設(shè)計(jì)具有減小的熱致應(yīng)力雙折射敏感性的成像透鏡，該成像透鏡具有位于孔徑光闌兩側(cè)的第一組和第二組透鏡元件，該方法包括定義一組透鏡設(shè)計(jì)屬性；定義包括熱致應(yīng)力雙折射性能標(biāo)準(zhǔn)的一組透鏡性能標(biāo)準(zhǔn)；定義具有可忽略的熱致應(yīng)力雙折射敏感性的第一組備選玻璃和具有至多中度熱致應(yīng)力雙折射敏感性的第二組備選玻璃；從第一組備選玻璃中選擇用于鄰近孔徑光闌定位的透鏡元件的玻璃；從第一組或第二組備選玻璃中選擇用于其余透鏡元件的玻璃；以及使用計(jì)算機(jī)處理器來確定用于成像透鏡的透鏡設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G02B13/16GK102906616SQ201180025303
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者J·R·比爾特雷, A·F·庫爾茨, B·D·西爾弗斯坦, J·馬扎雷拉 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司