紧凑型投影系统和相关部件的制作方法

本发明整体涉及光学投影系统，具体地涉及小尺寸的此类系统，例如，尺寸足够小使得投影系统的所有光学部件均可装配在人的手掌内，或使得投影系统可结合到可由使用者佩戴的装置或设备中，诸如头盔、眼镜或其它头带物。本发明还涉及与此类投影系统相关的部件，诸如紧凑型偏振照明器、紧凑型偏振分束器以及相关制品、系统和方法。

背景技术：

投影系统和部件诸如照明器和分束器，包括偏振照明器和偏振分束器，都是已知的。然而，许多此类系统和部件未被设计成在适用于紧凑型应用的小物理尺寸中提供高效率或高亮度，紧凑型应用诸如可佩戴或口袋大小的电光装置。

技术实现要素：

我们已研发出非常适合用于紧凑型应用的新型投影系统及相关部件，诸如偏振照明器和偏振分束器。在一些情况下，通过使用如设置在反射腔或分束器中的折叠光路来实现或促进微型化。在一些情况下，通过使用在投射在空间光调制器上的位置处会聚的照明束来促进微型化。在一些情况下，通过使用包括显著不同大小的相对棱镜的分束器来促进微型化。在一些情况下，通过其倾斜设置的部分反射体限定第一矩形参考空间并且其中光源的至少一部分或投影仪透镜的至少一部分设置在此类第一矩形参考空间内的分束器来促进微型化。在一些情况下，通过其中第一矩形参考空间与第二矩形参考空间的面积比在30％至70％的范围内并且其中第二矩形参考空间恰好足够大以包围投影仪的光学部件的系统来举例说明微型化。在一些情况下，通过使用与空间光调制器相比较小的投影仪透镜来促进微型化，例如，投影仪透镜和/或其单个透镜中的一个或多个的侧向尺寸可能不超过空间光调制器的对应侧向尺寸的30％或50％或70％。

我们公开了例如包括分束器、光源、空间光调制器和投影仪透镜的紧凑型投影仪。分束器包括反射偏振片，该反射偏振片被倾斜地设置以限定第一矩形参考空间的对角线。光源被设置成靠近反射偏振片，并且被构造成朝向反射偏振片发射输入光束。空间光调制器被设置成接收来源于输入光束的输出照明束，空间光调制器适于选择性地反射输出照明束以提供图案化光束，投影仪透镜适于接收图案化光束。分束器、光源、空间光调制器和投影仪透镜被第二矩形参考空间包围。第一矩形参考空间具有面积a1，并且第二矩形参考空间具有面积a2，并且30％<a1/a2<70％。

我们公开了包括反射偏振片、光源、空间光调制器和投影仪透镜的投影仪。反射偏振片被倾斜地设置以限定第一矩形参考空间的对角线。光源被设置成靠近反射偏振片，并且被构造成朝向反射偏振片发射输入光束。空间光调制器被设置成接收来源于输入光束的输出照明束，并且适于选择性地反射输出照明束以提供图案化光束。投影仪透镜适于接收图案化光束。光源的至少一部分或投影仪透镜的至少一部分设置在第一矩形参考空间内。

我们公开了分束器，该分束器包括具有第一棱镜的第一棱镜主体、具有第二棱镜的第二棱镜主体、以及夹置在第一棱镜主体与第二棱镜主体之间的反射偏振片。第一棱镜显著小于第二棱镜。

我们公开了照明器，该照明器包括反射体以及被设置成与反射体一起形成反射腔的反射偏振片。照明器还包括设置在反射腔内的延迟膜，以及被设置成穿过反射体中的孔将偏振输入光束发射到反射腔中的光源。反射体、反射偏振片和延迟膜被构造成从输入光束产生输出照明束，并且输出照明束被偏振。

我们公开了照明器，该照明器包括反射体、相对于反射体倾斜地设置的反射偏振片、以及设置在反射体与反射偏振片之间的延迟膜、以及被设置成穿过反射偏振片朝向反射体发射第一偏振态的输入光束的光源。反射体、反射偏振片和延迟膜被构造成从输入光束产生输出照明束，并且输出照明束具有正交于第一偏振态的第二偏振态。

我们还公开了包括前述照明器的投影仪。

本文还讨论了相关的方法、系统和制品。

本申请的这些方面和其它方面通过下文的具体实施方式将显而易见。然而，在任何情况下都不应将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅由如在审查期间可以进行修改的所附权利要求书限定。

附图说明

现将参考附图描述本发明，其中：

图1为紧凑型投影系统的示意性俯视图；

图2为图1的投影系统中所用反射体的示意性前视图；

图3为图1的投影系统中所用空间光调制器的示意性前视图；

图4为紧凑型投影系统的一部分的示意性侧视图，其中紧凑型照明器包括“实心腔”型反射腔；

图5为紧凑型投影系统的一部分的示意性侧视图，其中紧凑型照明器包括“中空腔”型反射腔；

图6a为用作紧凑型照明器的反射腔的光学主体的示意透视图，并且图6b、6c和6d为该光学主体的示意性后视图、侧视图和俯视图；

图7为另一个紧凑型投影系统的示意性侧视图；

图8为用作紧凑型照明器的反射腔的光学主体的示意性侧视图，其中一个表面被粗糙化以促进光散射并且使输出照明束更加空间均匀；

图9a为辐射度对照明束输出平面处的位置的曲线图，其中表面粗糙度提供0.01度的高斯散射角；

图9b为与图9a类似的曲线图，但其中表面粗糙度提供0.1度的高斯散射角；

图9c为与图9a类似的曲线图，但其中表面粗糙度提供1度的高斯散射角；

图9d为与图9a类似的曲线图，但其中表面粗糙度提供2度的高斯散射角；

图9e为与图9a类似的曲线图，但其中表面粗糙度提供4度的高斯散射角；

图10a为图9c的复制；

图10b为与图9a类似的曲线图，但其中反射腔采用中空腔，并且表面粗糙度提供1度的高斯散射角；

图11为另一个紧凑型投影系统的示意性俯视图或侧视图，此投影仪具有使用显著不同大小的棱镜的偏振分束器的照明器；

图11a为与图11相同的示意图，但具有叠加在投影仪上的两个矩形参考空间；

图11b为与图11相同的示意图，但绘出了具有穿过偏振态的轴向和偏轴成像光线以显示其通过系统的传播；

图11c为与图11相同的示意图，但绘出了具有阻挡偏振态的轴向和偏轴成像光线以显示其通过系统的传播；

图12为另一个紧凑型投影系统的示意性俯视图或侧视图，此投影仪还具有使用显著不同大小的棱镜的偏振分束器的照明器；

图13为另一个紧凑型投影系统的示意性俯视图或侧视图，此投影仪还具有使用显著不同大小的棱镜的偏振分束器的照明器；

图14为另一个紧凑型投影系统的示意性俯视图或侧视图，此投影仪具有使用反射腔和显著不同大小的棱镜的偏振分束器两者的照明器；

图14a为图14中的光学主体的外表面上的反射层和延迟层的放大示意图；

图14b为与图14相同的示意图，但具有叠加在投影仪上的两个矩形参考空间；

图15为另一个紧凑型投影系统的示意性俯视图或侧视图，此投影仪具有使用反射腔和偏振分束器两者的照明器，该投影系统还包括检测器装置；

图15a为与图15相同的示意图，但具有叠加在投影仪上的两个矩形参考空间；并且

图16为另一投影系统的示意性侧视图。

在附图中，类似的附图标号指示类似的元件。

具体实施方式

如上所述，我们已研发出非常适合微型化的新型投影系统及其部件。这些系统和部件可使用以下特征中的一个或多个：折叠的光路，如在反射腔或(例如，偏振)分束器中；照明束，该照明束在投射在空间光调制器上的位置处会聚；分束器，该分束器使用显著不同大小的相对棱镜；分束器，该分束器的倾斜设置的部分反射体限定第一矩形参考空间，并且其中光源的至少一部分或投影仪透镜的至少一部分设置在此类第一矩形参考空间内；系统，在该系统中，第一矩形参考空间与第二矩形参考空间的面积比在30％至70％或40％至70％的范围内，其中第二矩形参考空间恰好足够大以包围投影仪的光学部件，诸如分束器、光源、空间光调制器和投影仪透镜；系统，在该系统中，投影仪透镜比空间光调制器的有效区域小，例如，投影仪透镜和/或其单个透镜中的一个或多个的侧向尺寸可能不超过空间光调制器的对应侧向尺寸的30％或50％或70％；系统，在该系统中，投影仪透镜的收集效率在空间光调制器的面积上基本上均匀。

随后转到图1，我们看到紧凑型投影仪110的示意性俯视图。出于参考目的，投影仪110在笛卡尔xyz坐标系的背景中绘制，其中假设xz平面限定水平平面并且y轴是竖直轴线，但也可使用其它约定。投影仪110包括照明器140、空间光调制器150和投影仪透镜160。假设坐标系的z轴平行于投影仪110及其组成部件的光轴142。照明器140产生投射在空间光调制器150上的输出照明束172。在示例性实施方案中，输出照明束172在此类调制器150的整个有效区域上基本上空间均匀，使得投影图像的亮度也基本上均匀。

常规的电子控制器(未示出)联接到空间光调制器150，并且以成像方式控制单个元件(像素元件)152的状态。像素元件152通常以行和列的网格布置以提供矩形有效区域。给定的像素元件152就单色显示器而言可具有“接通”或“断开”两个状态，或可具有红色、绿色和蓝色子元件以提供全彩图像。还可以想到空间光调制器150的其它常规构造。在图1的实施方案中，空间光调制器150为透射型调制器。因此，空间光调制器150将输出照明束172转换成经透射的图案化光束174，其包含来自电子控制器的成像或空间图案化信息。调制器150可为非偏振透射装置，诸如微电子机械系统(mems)，或可为基于液晶的调制器。在后一种情况下，调制器150选择性地旋转离开像素阵列的光的偏振，并且还在该情况下，在空间光调制器从“断开”像素滤除“接通”像素之后，将偏振片(未示出)插入投影仪110中。

图案化光束174随后被投影仪透镜160拦截以产生投影输出束176。输出束176可产生真实图像，例如可在相对于投影仪110较远设置的实体表面或基底上显示的图像，或该输出束可产生虚拟图像，例如可通过使用者的眼睛直接观察的图像。投影仪透镜160通常但并非在所有情况下为包括串联布置的多个单个透镜的模块。在图1的实施方案中，投影仪透镜160包括单个透镜161,162,163,164和165。这些透镜示意性地绘制，但读者应理解，单个透镜具有曲面、合适的厚度并且由合适的光学玻璃或塑料制成，以提供高质量光学性能。在一个示例性实施方案中，投影仪透镜为五元件模块，包括下文另外提供的表格中列出的五个单个透镜。在替代实施方案中，可通过从参考五元件投影仪透镜省略第五透镜(透镜5)来获得四元件投影仪透镜。投影仪透镜160及其单个透镜各自具有显著小于空间光调制器150的对应侧向尺寸的侧向尺寸(例如，平行于x轴，或平行于y轴，或沿着空间光调制器150的对角线)，从这种意义来说，图1的比例是准确的。这通过输出照明束172为会聚束的事实而变得可能。例如，投影仪透镜160和/或其单个透镜中的一个或多个的侧向尺寸可能不超过空间光调制器150的对应侧向尺寸的30％或50％或70％。在基于下文另外提供的投影仪透镜表格的示例性实施方案中，(五元件)投影仪透镜的侧向尺寸为2.88mm，并且5:4空间光调制器的对角线的长度为6mm，百分比为48％。最靠近空间光调制器的单个透镜的侧向尺寸为2.8mm，百分比为47％。

照明器140的用途是照明空间光调制器150的有效区域，使得可产生光学图像或图案。在许多但并非所有情况下，希望输出照明束172为在投射在空间光调制器150上的位置处的会聚光束，如通过光线144所表明。通常还希望输出照明束172的亮度在空间光调制器150的有效区域上相对均匀。此外，通常希望以较小并且使用高效率的高亮度光源以便保持较少热生成和较小装置尺寸的实体封装实现此照明。对于高效率的高亮度光源，合理的选择是一个或多个离散的固态光源，诸如发光二极管(led)。然而，也可使用其它合适的光源。

就这一点而言，“发光二极管”或“led”是指发光的二极管，不管发出的是可见光、紫外光还是红外光，但在大多数实际实施方案中，发出的光具有例如约400至700nm的可见光谱内的峰值波长。术语led包括作为“led”(不论是常规型还是超辐射型)销售的非相干的封闭或封装的半导体器件、以及相干半导体器件(诸如激光二极管，包括但不限于垂直腔表面发射激光器(vcsel))。“led晶粒”是最基本形式的led，即为通过半导体加工方法制备的单个部件或芯片的形式。例如，led晶粒可由一种或多种iii族元素的组合和一种或多种v族元素的组合形成(iii-v半导体)。部件或芯片可包括适用于施加电力以使装置通电的电触点。示例包括引线结合、卷带式自动接合(tab)或倒装芯片结合技术。部件或芯片的各个层和其它功能元件通常以晶片级形成，并且然后可将加工好的晶片切成单个元件以生产大量的led晶粒。led晶粒可被构造用于表面安装、芯片直接贴装或其它已知的安装配置。一些封装的led通过在led晶粒和相关联的反射杯上形成聚合物封装剂而制成。一些封装的led还包括一种或多种荧光粉材料，所述材料被紫外或短波长可见led晶粒激发，并且在可见光谱内的一个或多个波长下发出荧光。就本专利申请而言，“led”还应被视为包括通常称为oled的有机发光二极管。

照明器140的中心是光源120，其可包括一个或多个led，在一些情况下包括一个或多个激光二极管。可将若干此类led组合以产生期望的光谱分布。例如，可将发红光、绿光和蓝光的led的输出组合以提供标称白光，或可替代地或另外使用发白光的led。或者，可使用具体非白色的一个或多个led产生彩色(非白色)照明，例如，红色或绿色或蓝色照明，在这种情况下，投影图像将为单色的而非全彩的。在图1的示意图中，光源120被绘制为设置在偏振片124后方的单个led晶粒122。假设光源120发白光，与其中led晶粒发蓝光或uv光并且被发黄光或白光的荧光粉的薄涂层(未示出)覆盖的情况相同。偏振片124可为任何合适的偏振片，包括吸收型线性偏振片、多层聚合物反射偏振片或反射型偏振片和吸收型偏振片层合体，该偏振片主要透射仅一种偏振态的光，从而导致由源120发射的光被偏振。在替代实施方案中，可将光导、透镜或合色器插入在led晶粒122与偏振片124之间，从而能够远离偏振片安装led晶粒(或其它有源光源，如果需要的话)。在其它替代实施方案中，可省略偏振片124，使得通过光源120发射的光为非偏振的。在其它情况下，可保留偏振片124，并且可在偏振片124顶部添加延迟膜，诸如四分之一波长延迟片，使得光源120发射旋转偏振(圆偏振或椭圆偏振)的光。然而，在图1中示出的具体实施方案中，光源120发射偏振光，因为在led晶粒122的前部中包括偏振片124。箭头170示意性地表示由光源120发射到反射腔中的输入光束，该反射腔也是照明器140的一部分，并且将在下文进一步讨论。假设输入光束170包括宽带(并且偏振的)白光，并且假设输入光束覆盖传播方向的分布，例如，以光轴142为中心的角度的高斯分布。为了进行示意性的说明，所示的代表性光线144源自光源120并且穿过投影仪110传播。第一光线部分144a是输入光束170的一部分，并且显示为由于偏振片124而具有偏振态p1。

输入光束170发射到由反射偏振片134和反射体132形成的反射腔130中。对于在输入光束170的光谱范围内的光并且对于所有偏振态，反射体132具有高光谱反射率(例如，在一些情况下为至少70％，或至少80％，或至少90％，或至少95％)，并且在一些情况下，反射体还基本上在反射光线中保持入射光线的偏振程度。可使用可提供这些特性的任何已知结构或材料。出于此目的，可使用金属涂层、光学增强的金属涂层、多层界面结构或膜，而不论是交替无机材料的堆叠，还是经适当取向或处理以在一定角度范围内和在所关注光谱范围内针对所有偏振提供高反射率的共挤出聚合物的堆叠。例如，参见美国专利5,882,774(jonza等人)。或者，在一些情况下，可将单一金属涂层诸如铝层或银层用于反射体132。反射偏振片134为在所关注光谱范围内的一种偏振态的光提供高反射率(例如，在一些情况下为至少70％，或至少80％，或至少90％)，同时还为在此光谱范围内的正交偏振态的光提供低反射率(例如，在一些情况下为小于30％，或小于20％，或小于10％)和对应的高透射率。可使用可提供这些特性的任何已知结构或材料。线栅偏振片、胆甾型反射偏振片或多层聚合物反射偏振膜(包括经适当取向或处理来为一种偏振态提供高反射率并且为正交偏振态提供低反射率的共挤出聚合物的干涉堆叠)可用于反射偏振片134。作为具体示例，购自明尼苏达州圣保罗市的3m公司(3mcompany,st.paul,mn)的高级偏振膜(apf)可用于反射偏振片134。给定适合的反射体132和反射偏振片134，一种偏振态的光可在反射腔130内来回反射，如通过光线144所示。在例示的实施方案中，反射偏振片134被取向成为第一偏振态p1的光提供高反射率，并且因此为正交的第二偏振态p2的光提供低反射率和高透射率。

为了使通过光源120发射的偏振光从照明器140出现，偏振态应从第一偏振态p1(被反射偏振片134高度反射)旋转到正交的第二偏振态p2(被反射偏振片134高度透射)。为了实现此旋转，我们将延迟膜136包括在反射腔130中。延迟膜136可位于反射体132附近，并且可与该反射体大致共延，如图所示，但延迟膜136可替代地位于反射腔130中的其它地方。基于穿过延迟膜的代表性光线的次数来选择通过延迟膜136提供的延迟量，以提供期望的偏振态旋转。在所示的实施方案中，光穿过延迟膜两次，这将导致人们为延迟膜136选择四分之一光波长(单程)延迟。因此，参考光线144，在反射偏振片134处反射时，在反射光线部分144b中维持第一偏振态p1。此光线部分144b穿过延迟膜136，并且在反射体132处被反射。所得的反射光线部分144c再次穿过延迟膜136，在这之后，该反射光线部分由于穿过延迟膜两次而获得第二偏振态p2(与状态p1正交)。此光线部分144c因此被反射偏振片134高度透射，并且作为光线部分144d从照明器140出现，从而仍具有第二偏振态p2。光线部分144c是构成上文讨论的输出照明束172的许多光线中的一个。

反射体132和反射偏振片134可具有相同或类似的侧向尺寸，例如，平行于x轴，或平行于y轴，或沿着空间光调制器150的对角线。此外，反射体132和反射偏振片134可成形为具有适合聚焦来自光源的光以产生输出照明束172的凸曲面或凹曲面，该输出照明束在投射在空间光调制器150上的位置处会聚。此曲面的一个示例在图1中示出。曲面可为简单的球形曲面，或可为非球形曲面。在一些情况下，曲面还可为变形的，即，在一个平面(例如，yz平面)上比在正交平面(例如，xz平面)上更加高度地或更强地弯曲。在其它情况下，曲面可围绕光轴142旋转对称。

为了使来自光源120的光进入反射腔130，在反射体132中设置孔138。然而，需注意，在平行于光轴142行进的输入光束170内的光线(以及在以光轴142为中心的窄角锥内的光线)经反射偏振片134反射，但随后将由于在孔138的区域中缺乏反射体132而不被反射体132反射，并且此类光因此也不变成输出照明束172的一部分。这可在输出照明束172中的光轴142的附近在空间光调制器150的位置处产生较暗区域，此类较暗区域大致类似于孔138的阴影。为了减小此遮蔽效应，使孔138以及光源120尽可能小是有益的。

还可在照明器140中包括一个或多个散射元件，以帮助进一步减小遮蔽效应并且使输出照明束172更加空间均匀。此类散射元件的一个示例是被包括作为反射腔130的一部分的沟槽状纹理化或以其它方式粗糙化的表面。到了反射腔130利用透镜或其上施用有各种反射体或膜的其它光学主体的程度，此类光学主体可通过单点金刚石车削制成，其中模具图案产生朝向光轴142散射一部分入射光的一系列沟槽。散射元件的另一个示例是设置在反射腔130内的散射材料层。此类层可例如为或包括膜的微粒填充的胶粘剂层，和/或施用有不同折射率层的微结构化的表面。不论使用哪种散射元件，散射元件都应基本上保持光的偏振态，以免因所述的照明器操作而降低效果。在一些情况下，散射元件可提供空间均匀的散射，即，与作为距光轴142的径向距离的函数相同的散射。在其它情况下，可将散射元件设计成提供空间不均匀的散射，例如，最大量的散射在光轴142处或在其附近，并且散射随距光轴142的径向距离增大而减小。

通过检查图1，人们可以看见，将在反射腔130内传播的光保持在偏振态十分重要，当然，由延迟膜136造成的有意偏振变化除外。如果透镜或其它光学主体基本上填满反射体132与反射偏振片134之间的空间，并且如果此类光学主体由具有残余光学双折射的材料制成，那么此类残余双折射可在给定光线横穿反射腔130时改变该给定光线的偏振态，使得例如光线部分144a基本上不在反射偏振片134被反射，或光线部分144c基本上不在反射偏振片134处被透射。出于此原因，希望用具有极少双折射或不具有双折射的材料或介质来基本上填充反射腔130的体积，使得可维持照明器140的恰当操作。在本文中被称为“实心腔”的一类示例中，腔体积的大部分(在一些情况下，为基本上整个腔体积)包括具有极低双折射的一种或多种固体透光材料，诸如pmma、环状聚烯烃、无机玻璃或硅酮。在本文中被称为“中空腔”的另一类示例中，腔体积的大部分(在一些情况下，为基本上整个腔体积)包括空气或真空。中空腔方法的一些优点包括无可测得的双折射、重量减轻，以及改善的遮蔽效应掩蔽，下文将对此进一步讨论。

在图1的实施方案中，孔138不仅设置在反射体132中，还设置在延迟膜136中。因此，当光线144从光源120行进到空间光调制器150时，其恰好穿过延迟膜136两次。在替代实施方案中，可省略延迟膜136中的孔，使得延迟膜136为完整连续的，没有中心孔。在该情况下，光线144将在光线部分144a中穿过延迟膜136一次，在光线部分144b中再穿过一次，在光线部分144c中再穿过一次，总共穿过延迟膜136三次。此类实施方案的性能可能不是最佳的，但对于一些应用而言可能已足够。将基于代表性光线穿过延迟膜三次来选择此类实施方案中的延迟膜136的单程延迟，以提供期望的偏振态旋转，这将产生略小于光的四分之一波长的结果。

图2从不同的角度说明反射腔130及其组成部分的可能外边界或形状。具体地讲，图2是可能与反射体132相同或类似的反射体232的前视图，反射体232是可能与所述投影仪110相同或类似的投影仪的一部分。孔238设置在反射体232中，孔238同样地与图1中的孔138相同或类似。从图2的角度来看，可以清楚地看见整个孔。孔238通常但不一定必须以反射腔的光轴242为中心。在一些情况下，反射体232可具有圆形(圆周的)外边界或边缘232a，这对于常规圆形透镜是典型情况。在其它情况下，投影仪的大小和重量可通过截断反射体232以具有减小的边界或边缘232b来减小。图2中绘制的边界232b是纵横比为约5:4的矩形。此5:4的纵横比旨在与空间光调制器150的有效区域的纵横比大致匹配，以便照明光学器件与空间光调制器高效匹配，但反射体232的实际长度和宽度尺寸可比空间光调制器的实际长度和宽度尺寸略大。需注意，尽管图2中仅示出反射体232，但反射腔130的其它主要部件，诸如反射偏振片134和延迟膜136，也可具有匹配或大致匹配反射体232的边界或边缘例如边缘232a或边缘232b的边界或边缘。

图3示意性地示出空间光调制器350的前视图，该空间光调制器可与图1中的空间光调制器150相同或类似。或者，空间光调制器350可代表反射型空间光调制器，如将在下面的一些实施方案中所论述。调制器350的有效区域用单个像素元件352的行和列填充，为了简单起见，图3中仅示出一些行和列。有效区域的长度和宽度通常为大致矩形，并且矩形通常具有5:4的长宽纵横比。当然，可使用其它纵横比，但有时希望照明光学器件的相对形状(例如，如通过纵横比所表征)与空间光调制器的相对形状匹配。电子控制器连接到空间光调制器350并且控制所有单个像素的状态，如上所述。空间光调制器350可被构造成使得“接通”像素与“断开”像素之间的差值通过出射光线的偏振旋转和/或出射光线的角度偏转给出。

图4示出包括紧凑型照明器的紧凑型投影系统的一部分，该照明器包括如上所述的“实心腔”型反射腔。因此，在图4中，照明器440包括光源420和反射腔430。光源420包括led晶粒422和偏振片424，但光源420可替代地为或包括上文针对光源120所述的任一个变型形式。照明器440和光源420以及空间光调制器450(具有像素元件452)沿着光轴442布置。光源将输入光束470射入到由反射偏振片434和反射体432限定的反射腔430中。延迟膜436设置在反射腔内。延迟膜436与反射体432相邻定位，并且反射体和延迟膜两者中都具有孔438。来自偏振光源420的光离开反射腔430以作为输出照明束472，从而照明空间光调制器450的有效区域。空间光调制器450将束472转换成经透射的图案化光束474，束474包含成像或空间图案化信息。图4的实施方案的所有上述元件可与上文结合图1所述的对应元件相同或类似，并且图4的实施方案可在与图1的投影仪相同或类似的投影仪中使用。类似地，来自光源420的偏振光在腔430内来回反射以及其偏振被旋转以使得其可作为输出照明束472出现的方式与照明器140的操作相同或类似，因此在此处无需重复。

然而，反射腔430的具体构造值得进一步观察。反射体432与反射偏振片434之间的空间限定腔体积，并且基本上所有腔体积都被一个或多个固态透光材料占据，具体地讲，是被第一光学透镜或主体431和第二光学透镜或主体433占据。主体431,433沿着界面435用合适的光学胶粘剂或其它光学粘结材料粘结在一起。为了便于制造，界面435可为平坦的。主体431,433由上文详述的合适的极低双折射光学材料制成，并且主体可由不同的此类光学材料或相同的光学材料制成。在替代实施方案中，两个光学主体431,433可用其中没有任何界面435但具有相同外表面的单个一体式光学主体替代。光学主体431具有外曲面431a，延迟膜436直接或通过合适的光学粘结材料施用于外曲面。将反射体432施用于延迟膜的顶部，使得延迟膜恰当地定位在反射体432与反射偏振片434之间。继而将反射偏振片434施用于光学主体433的外曲面433a。反射体432和延迟膜436的中心部分经蚀刻、切割或其它方式被移除，以限定针对光源420适当地设定大小的孔438。在孔438处，光学主体431的外表面431a可以暴露。

图5示出类似于图4但针对相反情况的紧凑型投影系统的一部分，在该相反情况下，照明器包括中空腔而非实心腔型反射腔。因此，在图5中，照明器540包括光源520和反射腔530。光源520包括led晶粒522和偏振片524，但光源520可替代地为或包括上文针对光源120所述的任一个变型形式。照明器540和光源520以及空间光调制器550(具有像素元件552)沿着光轴542布置。光源将输入光束570射入到由反射偏振片534和反射体532限定的反射腔530中。延迟膜536设置在反射腔内。延迟膜536与反射体532相邻定位，并且反射体和延迟膜两者中都具有孔538。来自偏振光源520的光离开反射腔530以作为输出照明束，从而照明空间光调制器550的有效区域。空间光调制器550将照明束转换成经透射的图案化光束574，束574包含成像或空间图案化信息。图5的实施方案的所有上述元件可与上文结合图1所述的对应元件相同或类似，并且图5的实施方案可在与图1的投影仪相同或类似的投影仪中使用。类似地，来自光源520的偏振光在腔530内来回反射以及其偏振被旋转以使得其可作为输出照明束出现的方式与照明器140的操作相同或类似，因此在此处无需重复。

然而，反射腔530的具体构造值得进一步观察。反射体532与反射偏振片534之间的空间限定腔体积，并且基本上所有腔体积被空气、真空而非任何固态透光材料占据。这通过将相对的反射体和延迟膜支撑在彼此间隔开的两个光学主体的面向内的主表面上而变得可能。具体地讲，第一光学透镜或主体531具有面向第二光学透镜或主体533的弯曲的主表面531a，并且第二主体533具有面向第一主体531的弯曲的主表面533a。主体531,533可通过附接到主体外边缘的合适基底或框架而牢固稳定地保持其相对位置。主体531,533可由合适的透明光学材料制成，以允许来自光源520的光穿过主体531，并且离开反射腔530的光穿过主体533。主体531,533还可由双折射相对较低的光学材料制成，使得穿过主体531的光的偏振态以及穿过主体533的光的偏振态不明显旋转。但由于穿过主体531,533的光线的光路长度显著短于穿过主体431,433的光线的光路长度，因此在主体531,533中可耐受的双折射量显著大于主体431,433可耐受的双折射量。这一结果得益于能够将主体531,533设计成具有显著小于反射腔530的轴向厚度的厚度(沿着z轴测得的尺寸)。光学主体531具有内曲面531a，延迟膜532直接或通过合适的光学粘结材料施用于内曲面。将反射体536施用于延迟膜的顶部，使得当恰当地安装光学主体531,533时，延迟膜恰当地定位在反射体532与反射偏振片534之间。继而将反射偏振片534施用于光学主体533的内曲面533a。反射体532和延迟膜536的中心部分经蚀刻、切割或其它方式被移除，以限定针对光源520适当地设定大小的孔538。在孔538处，光学主体531的内表面531a可以暴露。

中空腔型照明器的一些优点可包括以下各项中的一个或多个：重量减轻；在反射腔中无可测得的双折射，包括无由热诱发应力引起的双折射，实心光学主体中可能出现这种情况；曲面531a,533a可通过微复制形成于薄基底上，从而减少杂散双折射问题并且减少吸收损耗；以及改善的遮蔽效应掩蔽，即，输出照明束的空间均匀性得到改善，如下文结合图10a和10b所论证。

图6a至6d示出已被证实可用于所公开的紧凑型照明器和投影仪中至少一些的具体光学主体637的不同视图。图6a是光学主体637的透视图，图6b是后视图，图6c是侧视图，并且图6d是顶视图。图6a至6d至少大约关于各种所示特征的相对长度、宽度和厚度进行缩放。光学主体637由沿着平坦界面635附接到第二光学主体633的第一光学主体631构成。主体631,633类似于图4的主体432,433，并且图4的那些光学主体可如此处结合光学主体637所述的那样精确地设计。

假设第一光学主体631和第二光学主体633由双折射极低的光学材料制成，具体地讲，由在550nm的可见波长处折射率为约1.49的经退火的pmma制成。第一光学主体631具有外主凸表面631a，并且第二光学主体633具有外主凹表面633a，这些表面弯曲都沿着光学主体637的同一光轴642取向。这两个表面的弯曲各自也是非球形的，但关于光轴642旋转对称(省略主体637,631,633的矩形外边界或边缘)。

表面631a具有11.156mm的曲率半径、0.11055的二次曲线常数，以及以下多项式非球面系数：

4阶非球面系数：0.00012286；

6阶非球面系数：-1.3845e-06；以及

8阶非球面系数：5.2850e-08，

其中对具有较小量值的数使用指数计数。与表面631a(和633a)的弯曲相关的非球面系数和其它信息在本文中使用lighttools^tm照明设计软件的命名法提供。

表面633a具有58.562mm的近轴曲率半径、29.052的二次曲线常数，以及以下多项式非球面系数：

4阶非球面系数：2.2997e-05；

6阶非球面系数：1.2025e-05；以及

8阶非球面系数：7.0933e-08。

光学主体637及其部件主体631,633的总长度(沿着x轴的尺寸)和宽度(沿着y轴的尺寸)分别为9.2毫米和7.4毫米。9.2mm的长度和7.4mm的宽度大致为5:4的比例。光学主体637的轴向厚度，即，在光轴642处测得的光学主体637的物理厚度(沿着z轴的尺寸)为4.38毫米。

采用光学主体637(在实施方案中类似于图4的光学主体)的紧凑型投影系统的性能用商用光学建模软件来建模。此类建模在下文结合图8和9a至9e论述。

图7是另一个紧凑型投影系统的示意性侧视图，该系统使用具有类似于图5的中空腔型反射腔的照明器。在图7中，投影仪包括紧凑型照明器740、空间光调制器750(具有像素元件752)和投影仪透镜760(具有单个透镜761,762,763,764和765的透镜模块)。照明器740包括光源720和反射腔730。光源720包括led晶粒722和偏振片724，但光源720可替代地为或包括上文针对光源120所述的任一个变型形式。照明器740和光源720以及空间光调制器750和投影仪透镜760沿着光轴742布置。光源将输入光束770射入到由反射偏振片734和反射体732限定的反射腔730中。延迟膜736设置在反射腔内。延迟膜736与反射体732相邻定位，并且反射体和延迟膜两者中都具有孔738。来自偏振光源720的光离开反射腔730以作为输出照明束，从而照明空间光调制器750的有效区域。空间光调制器750将照明束转换成经透射的图案化光束774，束774包含成像或空间图案化信息。图7的实施方案的所有上述元件可与上文结合图1和5所述的对应元件相同或类似。类似地，来自光源720的偏振光在腔730内来回反射以及其偏振被旋转以使得其可作为输出照明束出现的方式与照明器140的操作相同或类似。简单地讲，参考代表性光线744：第一光线部分744a为输入光束770的一部分，其具有偏振态p1；第二光线部分744b通过从反射偏振片734进行反射而产生；第三光线部分744c通过从反射体732进行反射而产生，并且由于光线穿过延迟膜736两次而具有经旋转的第二偏振态p2；第四光线部分744d为输出照明束的一部分，其也具有第二偏振态p2并投射在空间光调制器750上；第五光线部分744e根据光束穿过的具体像素752是处于“接通”还是“断开”状态而由调制器750进行空间调制。如果假设光线部分744e穿过调制器750，那么其将接着被投影仪透镜760捕获并发射到较远表面或使用者。

类似于图5的实施方案，图7的投影仪和照明器采用中空腔型反射腔730。第一光学透镜或主体731具有面向第二光学透镜或主体733的弯曲的主表面731a，并且第二主体733具有面向第一主体731的弯曲的主表面733a。这些主体731,733类似于上文所述的光学主体531,533，不同的是相应主表面的曲率已改变。相对于图5的实施方案，表面731a的曲率减小(曲率半径较大)，并且表面733a的曲率从凸翻转成凹。就这一点而言，在选择形成所公开实施方案中的反射腔(中空腔型和实心腔型两者)的反射体的曲率方面存在较大的设计灵活性，并且可使用甚至非弯曲的或平坦的形状。但在许多情况下，仍希望选择的一组曲率将产生在投射在空间光调制器上的位置处会聚的照明束。

如上所述，采用光学主体637的紧凑型投影系统的性能用商用光学建模软件来建模。作为建模的一部分而被研究的一个添加的特性是将表面粗糙度添加在光学主体的其中一个弯曲外表面上，将在图8中对此大致说明，以引起可控量的光散射。在该图中，光学主体837由第一光学主体831和第二光学主体833构成，这连个光学主体沿着平坦的界面835接合并且沿着光轴842对准。第一光学主体831具有外曲面831a，第二光学主体833具有外曲面833a。为了便于说明，图8省略掉反射体、反射偏振片和延迟膜，但读者应当理解，此类光学元件以与其如上文所述的施用于相应曲面431a,433a相同的方式施用于表面831a,833a，以使用光学主体837形成反射腔。具体地讲，将延迟膜和反射体(具有合适的孔)施用于曲面831a，并且将反射偏振片施用于曲面833a。具有led晶粒822和偏振片824的光源820将输入光束870射到反射腔中，输出照明束872从反射腔的另一侧出现以照明空间光调制器，空间光调制器在图8中用参考标号854示意性地表示。光在反射腔内的来回传播大致如图1中所述。

光学建模能够沿着曲面831a形成可控量的表面粗糙度，同时另外维持该表面的原始标称曲率。相同的可控表面粗糙度还将转移到反射体(参见，例如图4中的反射体432)，假设该反射体施用于此类表面。建模假设上文针对图6的光学主体637所述的曲率、厚度和材料特性。光学建模还假设：

·反射体(再次参考图4中的反射体432)对光的所有偏振都具有100％的反射率；

·反射偏振片(例如，参考图4中的反射偏振片434)对第一偏振态具有100％的反射率，并且对正交的第二偏振态具有0％的反射率(100％透射)；

·孔(例如，参考图4中的孔438)的大小为0.3毫米乘0.5毫米；

·空间光调制器具有5:4的长宽纵横比，并且对角线测得为6.0毫米；

·投影仪透镜模块包括五个串联布置的单个透镜，如下表中所示，其中透镜1是指距空间光调制器最远的单个透镜，并且透镜5是指最靠近空间光调制器的单个透镜，其中负半径(r1,r2)表示凹曲率，正半径表示凸曲率，ct表示中心厚度，r1ch表示r1中心高度，并且dia表示透镜直径：

从表中注意到，投影仪透镜的总侧向尺寸(直径)为仅2.88毫米，并且最靠近空间光调制器的单个透镜(透镜1)的直径为仅2.8mm。

随着通过投影仪透镜成像到远场检测器平面上，光学建模模拟通过输出照明束产生的光分布，并且根据位置计算该远场图像的亮度或强度(辐射度)。针对曲面831a上的不同表面粗糙度大小重复该建模，结果示于图9a至9e中。在图9a、9b、9c、9d和9e中，假设分别对应于0.01度、0.1度、1度、2度和4度高斯漫射角的表面粗糙度。在图中，实曲线902a,902b,902c,902d和902e表示在远场平面中沿着水平或x轴的计算出的辐射度对位置曲线，虚曲线904a,904b,904c,904d和904e表示在远场平面中沿着竖直或y轴的计算出的辐射度对位置曲线。对图9a至9e的研究和比较确认，增大的表面粗糙度和光散射产生更加均匀的辐射度分布并且在图像中心处产生较不明显的暗点或阴影。

随后再次使用光学建模软件在实心腔型照明器与中空腔型照明器之间建立比较。图9a至9e的结果都假设实心腔型照明器。通过以下方式来模拟中空腔型照明器：对建模软件编程以用空气(折射率＝1)替代反射腔内所有经退火的pmma材料，但保持其它参数包括曲率、距离、反射率等不变。针对对应于1度高斯漫射角的表面粗糙度的情况进行此比较。实心腔型系统的结果在图9c中示出，并且为了便于比较在图10a中复制。对应的中空腔型系统的结果在图10b中示出，其中实曲线1002b表示在远场平面中沿着水平或x轴的计算出的辐射度对位置曲线，并且虚曲线1004b表示在远场平面中沿着竖直或y轴的计算出的辐射度对位置曲线。图10a和10b的比较确认如下结论：用于紧凑型照明器的中空腔设计提供输出照明束的改进的遮蔽效应掩蔽和改进的空间均匀性。

现在转到图11，我们在此处看到不同类型的紧凑型照明器和投影仪1110。投影仪1110使用偏振分束器1180而非图1中所示的反射腔构造，并且分束器使用显著不同大小的相对棱镜。投影仪还包括：光源1120，其包括led晶粒1122和偏振片1124；空间光调制器1150(见图11a)，其包括像素元件1152；以及投影仪透镜1160，其包括单个透镜1161,1162,1163,1164。光源、空间光调制器和投影仪透镜可与在前述实施方案中所述的各种光源、空间光调制器和投影仪相同或类似，不同的是投影仪1110中的空间光调制器被设计成以反射而非透射方式操作。因此，空间光调制器1150可例如为或包括硅上液晶(lcos)装置。此类装置可为平坦的(如示意性地图示)，或可包括在一个或多个轴上弯曲的弯曲反射体阵列。

光源1120朝向倾斜设置的反射偏振片1184将偏振输入光束1170发射到分束器1180中。反射偏振片1184可与在前述实施方案中所述的反射偏振片相同或类似，不同的是反射偏振片1184可能(如果需要的话)针对倾斜角性能进行优化并且处于浸没构造(被诸如玻璃或塑料等固态透光光学材料围绕)。反射偏振片夹置在两个相对的棱镜主体之间以形成分束器1180。第一此类棱镜主体1190包括限定相对较小棱镜1192的两个小平面1192a,1192b。输入光束1170穿过小平面1192a进入分束器1180，并且来自空间光调制器(如下文所述)的空间图案化光则穿过小平面1192b离开分束器。出于大小比较目的，可通过将小平面1192a,1192b延伸至反射偏振片1184以分别限定标记点c和b来确定小棱镜1192的边界。第三点a位于小平面1192a,1192b的交汇处，在小棱镜1192的顶点处。因此，可将该组点a、b、c视为限定小棱镜1192的角部。

与第一棱镜主体1190相对的另一个棱镜主体是相对较大的棱镜1195。清楚地看见此棱镜1195的角部为标记点d、e和f。具有弯曲外表面的透镜或其它光学主体附接到棱镜1195的侧表面。在替代实施方案中，这些光学主体中的一个或两个可在一体式棱镜主体中与棱镜1195组合。

反射体1182施用于这些弯曲外表面中的一个，如图11中所示，并且延迟膜1186设置在反射体1182与反射偏振片1184之间。反射体1182可与上文所述的反射体132,232,432,532,732相同或类似，例如，对于在输入光束1170的光谱范围内的光并且针对所有偏振态，反射体1182可具有高光谱反射率(例如，在一些情况下为至少70％，或至少80％，或至少90％，或至少95％)，并且在一些情况下，反射体还基本上在反射光线中保持入射光线的偏振态。延迟膜1186可与在前述实施方案中所述的延迟膜相同或类似。

光源1120结合分束器1180充当照明器。如将针对代表性光线1144所述，来自光源1120的光在分束器1180内传播，直至该光作为输出照明束1172出现。输出照明束1172照明空间光调制器1150的有效区域(见图11a)，使得可产生光学图像或图案。在许多但并非所有情况下，希望输出照明束1172为在投射在空间光调制器1150上的位置处的会聚光束。通常还希望输出照明束1172的亮度在空间光调制器1150的有效区域上相对均匀。

参考光线1144，第一光线部分1144a是穿过小平面1192a进入分束器1180的输入光束1170的一部分。偏振片1124使得光线部分1144a具有第二偏振态p2。反射偏振片1184被构造并且取向成高度透射第二偏振态p2的光，并且高度反射正交的第一偏振态p1的光。因此，在遇到反射偏振片1184之后，光线部分1144a通过反射偏振片1184高度透射到棱镜1195中而变成光线部分1144b，从而仍具有第二偏振态p2。光线随后穿过延迟膜1186而变成光线部分1144c，被反射体1182反射而变成光线部分1144d，然后再次穿过延迟膜1186而变成光线部分1144e。由于两次穿过延迟膜1186，因此光线部分1144e具有正交于初始第二偏振态p2的第一偏振态p1。在遇到反射偏振片1184之后，光线部分1144e被高度反射而变成光线部分1144f，并且最终从照明器的较低曲面出现而作为光线部分1144g，该光线部分可被视为输出照明束1172的一部分。

空间光调制器1150(见图11a)置于在照明器输出处的输出照明束1172中，并且该空间光调制器以成像方式选择性地反射入射光。例如，处于“接通”状态的像素元件1152可能将反射光的偏振态旋转90度，而处于“断开”状态的像素元件1152可能不产生此类偏振旋转，或反之亦然。在任一种情况下，空间光调制器1150将输出照明束1172转换成反射图案化光束174，从而透射穿过同一分束器1180、穿过小平面1192b至投影仪透镜1160，如下文所述。投影仪透镜1160随后将反射图案化光束转化成投影输出束1176，类似于在前述实施方案中所述的投影输出束。

结合分束器1180的操作，人们可以看到，保持在分束器内传播的光的偏振态同样重要，由延迟膜1186造成的有意偏振变化除外。因此，希望构成棱镜1192,1195以及连接到棱镜的其它光学主体的固态透光光学材料由如上文所述的极低双折射材料制成。

投影仪1110的促进微型化的一个设计特征是棱镜1192,1195具有显著的大小差距。通过使棱镜1192显著小于另一个棱镜，可将光源1120和/或投影仪透镜1160更靠近反射偏振片1184，因此减小投影仪的总体大小。然而，还需注意，小棱镜1192不必在大小方面相对于较大棱镜为微小的；相反，小棱镜1192足够大，使得穿过第一棱镜主体1190的光主要或大部分还透射穿过小棱镜1192。相对棱镜的相对大小可以其斜边长度和/或其棱镜高度来表征。可称为hl1的小棱镜1192的斜边长度是点b与c之间的距离，并且可称为hl2的另一个棱镜1195的斜边长度是点d与f之间的距离。可分别称为h1和h2的棱镜1192,1195的棱镜高度在图11中说明为相对于反射偏振片1184测得。为了表征相对棱镜的大小差距，可以规定比值hl1/hl2在40％至70％的范围中，和/或比值h1/h2类似地在40％至70％的范围中。

图11a是图11的基本复制，其中类似的参考标号指代类似的元件，不再另述，不同的是上文所述的反射型空间光调制器1150现在示出为在其合适的位置以拦截输出照明束1172。叠加在图上的是两个矩形参考空间1103,1105。第一参考空间1103是由倾斜取向的反射偏振片1184限定的矩形空间。更具体地讲，参考空间1103是对角线为反射偏振片1184的矩形。这大致对应于由常规分束器占据的矩形空间。另一方面，第二参考空间1105可描述为包围投影仪的光学部件(不包括任何机械安装五金等)的最小矩形空间。对于投影仪1110，那些光学部件是分束器1180、光源1120、空间光调制器1150和投影仪透镜1160。

由于我们在微型化方面的努力，投影仪1110和/或其它所公开的投影仪可满足若干新型关系。

例如，光源1120的至少一部分或投影仪透镜1160的至少一部分设置在第一矩形参考空间1103内。在一些情况下，光源1120的至少一部分和投影仪透镜1160的至少一部分都设置在第一矩形参考空间1103内。在一些情况下，光源的至少一部分或投影仪透镜的至少一部分但并非两者设置在第一矩形参考空间1103内。第一矩形参考空间1103可沿着反射偏振片1184的对角线划分成两个部分。当如此划分时，光源1120的至少一部分或投影仪透镜1160的至少一部分设置在第一矩形参考空间1103的一个此类部分内。此外，光源的至少一部分和投影仪透镜的至少一部分可都设置在第一矩形参考空间1103的此类部分内。如果光源1120包括led晶粒1122，则led晶粒1122可完全设置在第一矩形参考空间1103内。如果投影仪透镜1160包括多个单个透镜1161,1162,1163,1164，则单个透镜中的至少一者可完全设置在第一矩形参考空间1103内。

另外，可将投影仪微型化到一定程度，使得投影仪的光学部件(不包括任何机械安装五金件等)可装配在仅略大于由该投影仪的常规分束器所占据空间的空间内。换句话说，如果a1是第一矩形参考空间1103的面积，并且a2是第二矩形参考空间1105的面积，则a1/a2之比可在30％至70％或40％至70％的范围中。

上述涉及参考空间、此类空间内外元件的位置、此类空间面积的比较等的关系可通过参考图11和11a以合理的精度来确定，尽管这些图本质上为示意性的。尽管为示意性的，但这些图中相关系统部件的相对大小和位置被认为适当地表示此类部件在实际比例图中将呈现的样子。对于下面的至少图14、14b、15和15a也是如此。基于图11a，参考空间1103的面积对参考空间1105的面积的比(a1/a2)为至少60％。

提供图11b和11c以另外说明在输出照明束1172被空间光调制器1150反射之后，光穿过投影仪1110。图11b涵盖被调制器1150的“接通”像素反射的光的情况，图11c则涵盖被调制器的“断开”像素反射的光的情况。另外，在这些图中，与图11和11a中的参考标号类似的参考标号指代类似的元件，无需另外说明。

在图11b中，来自输出照明束1172的光被轴向像素1152a和偏轴像素1152b反射，假设这两个像素都处于“接通”状态，使得反射光具有经旋转的偏振，即，反射光具有第二偏振态p2而非偏振态p1。此偏振态p2的光被反射偏振片1184高度透射。因此，被“接通”像素反射的光透射穿过反射偏振片1184，并且穿过棱镜1192的小平面1192b离开分束器1180，然后被投影仪透镜1160收集以最终形成投影输出束1176。

另一方面，在图11c中，来自输出照明束1172的光同样被轴向像素1152a和偏轴像素1152b反射，但现在假设这些像素处于“断开”状态，使得反射光不具有经旋转的偏振，即，反射光具有第一偏振态p1。此偏振态p1的光被反射偏振片1184高度反射。因此，被“断开”像素反射的光被反射偏振片1184反射，之后被反射体1182朝向分束器1180的左侧反射，在分束器中此类光线可被吸收或以其它方式损失。被“断开”像素反射的光因此不被投影仪透镜1160收集，并且实际上并不贡献于投影输出束1176。

图12和13表示对投影仪1110的修改，其中第一棱镜主体1190被替代的棱镜主体取代。这些取代并不限制改变光在光源、空间光调制器和投影透镜之间传播的方式，因此不针对这些图重复所述描述。

在图12中，投影仪1210使用具有显著不同大小的相对棱镜的偏振分束器1280。投影仪1210还包括光源1220、具有像素元件1252的空间光调制器1250，以及具有单个透镜的投影仪透镜1260，并且所有这些元件都可与投影仪1110中的对应元件相同或类似。

分束器1280包括夹置在两个相对棱镜主体之间的倾斜设置的反射偏振片1284：第一此棱镜主体1290包括用于限定相对较小棱镜1292的两个小平面1292a,1292b，并且另一个棱镜主体是相对较大的棱镜1295。来自光源1220的偏振光穿过小平面1292a进入分束器1280，并且来自空间光调制器1250的空间图案化光则穿过小平面1292b离开分束器。小棱镜1292的边界可通过将小平面1292a,1292b延伸到反射偏振片1284以分别限定标记点c和b来确定，并且第三点a位于小平面1292a,1292b的交汇处。清楚地看见较大棱镜1295的角部为标记点d、e和f。具有弯曲外表面的透镜或其它光学主体附接到棱镜1295的侧表面。反射体1282施用于这些弯曲外表面中的一个，并且延迟膜1286设置在反射体1282与反射偏振片1284之间。反射体1282和延迟膜1286可与投影仪1110的对应元件相同或类似。光源1220结合分束器1280充当照明器。被空间光调制器的“接通”像素反射的光透射穿过反射偏振片1284，并且穿过棱镜1292的小平面1292b离开分束器1280，然后被投影仪透镜1260收集以最终形成投影输出束1276。

在该实施方案中，第一棱镜主体1290覆盖反射偏振片1284的仅一部分，并且第一棱镜主体1290不包括除棱镜1292之外的棱镜。点a、b、c、d、e、f的位置可与投影仪1110中的对应点大致相同，因此，棱镜尺寸h1、h2、hl1、hl2及其各种比值可满足与上文所述相同的条件。

在图13中，投影仪1310使用具有显著不同大小的相对棱镜的偏振分束器1380。投影仪1310还包括光源1320、具有像素元件1352的空间光调制器1350，以及具有单个透镜的投影仪透镜1360，并且所有这些元件都可与投影仪1110中的对应元件相同或类似。

分束器1380包括夹置在两个相对棱镜主体之间的倾斜设置的反射偏振片1384：第一此棱镜主体1390包括用于限定相对较小棱镜1392的两个小平面1392a,1392b，并且另一个棱镜主体是相对较大的棱镜1395。来自光源1320的偏振光穿过小平面1392a进入分束器1380，来自空间光调制器1350的空间图案化光则穿过小平面1392b离开分束器。小棱镜1392的边界可通过将小平面1392a,1392b延伸到反射偏振片1384以分别限定标记点c和b来确定，并且第三点a位于小平面1392a,1392b的交汇处。清楚地看见较大棱镜1395的角部为标记点d、e和f。具有弯曲外表面的透镜或其它光学主体附接到棱镜1395的侧表面。反射体1382施用于这些弯曲外表面中的一个，并且延迟膜1386设置在反射体1382与反射偏振片1384之间。反射体1382和延迟膜1386可与投影仪1110的对应元件相同或类似。光源1320结合分束器1380充当照明器。

在该实施方案中，第一棱镜主体1390覆盖基本上整个反射偏振片1384，并且第一棱镜主体1390包括除棱镜1392之外的两个棱镜，即棱镜390和棱镜396。点a、b、c、d、e、f的位置可与投影仪1110中的对应点大致相同，因此，棱镜尺寸h1、h2、hl1、hl2及其各种比值可满足与上文所述相同的条件。

图14示出另一个紧凑型投影仪1410和照明器。该投影仪结合图1中所示的反射腔构造，并使用具有显著不同大小的相对棱镜的偏振分束器。

在这种情况下，光源1420将输入光束射到由反射体1432和反射偏振片1434形成的反射腔1430中。延迟膜1436设置在腔中，并且反射体1432和延迟膜1436中都具有孔1438。反射体1432、反射偏振片1434和延迟膜1436可如图所示施用于光学透镜或主体1431的外表面，并且可在其它方面与图4中反射腔430的对应部件相同或类似。离开反射腔1430的光进入偏振分束器1480。

分束器1480包括夹置在两个相对棱镜主体之间的倾斜设置的反射偏振片1484：第一此棱镜主体1490包括用于限定相对较小棱镜1492的两个小平面1492a,1492b，并且另一个棱镜主体是相对较大的棱镜1495。离开反射腔1430的偏振光穿过棱镜1495的小平面进入分束器1480，然后被反射偏振片1484反射，使得偏振光离开分束器1480并投射在空间光调制器1450上。其偏振被空间光调制器1450的“接通”像素旋转的光重新进入分束器1480并且现在穿过反射偏振片1484，横穿小棱镜1492，然后穿过小平面1492b离开分束器1480。小棱镜1492的边界可通过将小平面1492a,1492b延伸到反射偏振片1484以分别限定标记点c和b来确定，并且第三点a位于小平面1492a,1492b的交汇处。清楚地看见较大棱镜1495的角部为标记点d、e和f。具有可任选地聚焦或会聚离开照明束的弯曲外表面的透镜或其它光学主体附接到棱镜1495的下部侧表面。在该实施方案中，分束器1480无需包括除反射偏振片1484之外的任何延迟膜或反射体。

如图所示，棱镜1492、1495具有相应的棱镜高度h1和h2，这些参数以及相应的斜边长度hl1和hl2及其各种比值可满足与上文所述相同的条件。

参考代表性光线1444，第一光线部分1444a具有基本上被反射偏振片1434反射的第一偏振态p1，使得反射光线部分1444b穿过延迟膜1436并且被反射体1432反射。此反射产生再次穿过延迟膜1436的光线部分1444c，从而获得被反射偏振片1434高度透射的第二偏振态p2。因此，光线部分1444c穿过反射偏振片1434以提供光线部分1444d，该光线部分进入分束器1480并且被反射偏振片1484反射以产生反射光线部分1444e。此光线离开分束器1480以作为光线部分1444f，从空间光调制器1450的“接通”像素反射(因此将偏振态从p2旋转回到p1)以作为光线部分1444g，重新进入分束器1480以作为光线部分1444h(仍具有偏振态p1)，现在穿过反射偏振片1484，横穿棱镜1492以作为光线部分1444i，然后在至投影仪透镜1460的途中于小平面1492b处离开分束器1480。由投影仪透镜1460收集的此类光最终形成投影仪1410的投影输出束1476。

图14a是在光学主体1431的外表面1431a上的反射体1432和延迟膜1436的放大视图。

图14b是图14的基本复制，其中类似的参考标号指代类似的元件，不再另述，并且其中矩形参考空间1403,1405叠加在图上。第一参考空间1403是由倾斜取向的反射偏振片1484限定的矩形空间。更具体地讲，参考空间1403是对角线为反射偏振片1484的矩形。第二参考空间1405是包围投影仪的光学部件的最小矩形空间，光学部件即分束器1480、光源1420、空间光调制器1450和投影仪透镜1460。上文结合图11所述的针对对应矩形参考空间的关系被认为至少部分也适用于投影仪1410的参考空间1403、1405。具体地讲，参考空间1403的面积对参考空间1405的面积的比(a1/a2)为至少45％。

图15的投影仪1510在也结合图1中所示反射腔构造并使用偏振分束器的范围内类似于图14的投影仪。然而，投影仪1510还通过添加检测器装置来使用分束器的未使用侧，使得投影仪1510也能够用作相机。

光源1520将输入光束射到由反射体1532和反射偏振片1534形成的反射腔1530中。延迟膜1536设置在腔中，并且反射体1532和延迟膜1536中都具有孔1538。反射体1532、反射偏振片1534和延迟膜1536可如图所示施用于光学透镜或主体1531的外表面，并且可在其它方面与图4中反射腔430的对应部件相同或类似。离开反射腔1530的光进入偏振分束器1580。

偏振分束器1580包括夹置在两个相对棱镜主体之间的倾斜设置的反射偏振片1584：第一棱镜主体1590和第二棱镜主体或棱镜1595。离开反射腔1530的偏振光穿过棱镜1595的小平面进入分束器1580，然后被反射偏振片1584反射，使得偏振光离开分束器1580并投射在空间光调制器1550上。其偏振被空间光调制器1550的“接通”像素旋转的光重新进入分束器1480并且现在穿过反射偏振片1584，横穿小棱镜1590，然后在大小适于配合投影仪透镜1560的至少一部分的井凹或孔中离开分束器1580。具有可任选地聚焦或会聚离开照明束的弯曲外表面的透镜或其它光学主体附接到棱镜1595的下部侧表面。在该实施方案中，分束器1580无需包括除反射偏振片1584之外的任何延迟膜或反射体。

参考代表性光线1544，第一光线部分1544a具有基本上被反射偏振片1534反射的第一偏振态p1，使得反射光线部分1544b穿过延迟膜1536并且被反射体1532反射。此反射产生再次穿过延迟膜1536的光线部分1544c，从而获得被反射偏振片1534高度透射的第二偏振态p2。因此，光线部分1544c穿过反射偏振片1534以提供光线部分1544d，该光线部分进入分束器1580并且被反射偏振片1584反射以产生反射光线部分1544e。此光线离开分束器1580以作为光线部分1544f，从空间光调制器1550的“接通”像素反射(因此将偏振态从p2旋转回到p1)以作为光线部分1544g，重新进入分束器1580以作为光线部分1544h(仍具有偏振态p1)，现在穿过反射偏振片1584，横穿棱镜主体1590以作为光线部分1544i，然后在至投影仪透镜1560的途中离开分束器1580。由投影仪透镜1560收集的此类光最终形成投影仪1510的投影输出束。

入射光线1545表示来源于投影仪外部的主体但穿过投影仪透镜1545的光。第一光线部分1545a进入投影仪透镜1560，离开透镜1560以作为光线部分1545b，然后进入分束器1580以作为光线部分1545c。假设光线部分1545a为初始非偏振的，则光线部分1545c将也为非偏振的，并且将包括第一偏振态p1和第二偏振态p2两种组成，如图所示。当光线部分1545c遇到反射偏振片1584时，p1偏振态将被透射成光线部分1545d，并且p2偏振态将被反射成光线部分1545e，该光线部分随后在分束器1580的放置有检测器装置1596的未使用小平面处离开分束器。所示的检测器装置1596为具有检测器元件的阵列，诸如电荷耦合器件(ccd)检测器阵列，但也可使用其它已知检测器阵列或甚至单个检测器元件。通过在投影仪1510中包括检测器装置1596，用于将图像投影到较远位置的同一投影仪透镜1560还可用于从较远位置收集光并且捕获该光以作为相机图像等。此类检测器装置还可通过以下方式结合到图14的投影仪1410中：将相同或类似的阵列置于未使用的小平面1492a处，或置于距其间设置有一个或多个透镜或其它光学元件的此类小平面1492a一定间距的位置处。

图15a是图15的基本复制，其中类似的参考标号指代类似的元件，不再另述，并且其中矩形参考空间1503、1505叠加在图上。第一参考空间1503是由倾斜取向的反射偏振片1584限定的矩形空间。更具体地讲，参考空间1503是对角线为反射偏振片1584的矩形。第二参考空间1505是包围投影仪的光学部件的最小矩形空间，光学部件即分束器1580、光源1520、空间光调制器1550、投影仪透镜1560和检测器装置1596。上文结合图11所述的针对对应矩形参考空间的关系被认为至少部分也适用于投影仪1510的参考空间1503、1505。具体地讲，参考空间1503的面积对参考空间1505的面积的比(a1/a2)为至少40％。

图16示意性地示出另一个投影仪和照明系统。投影仪1610不需要反射腔或分束器。相反，来自光源1620的光，如由代表性光线1644的光线部分1644a表示，简单地由一对透镜l1、l2收集，但可使用超过两个或少于两个透镜。透镜使光聚焦以产生会聚的输出照明束，由光线部分1644b表示。该束投射在透射型空间光调制器1650上，从而产生空间图案化束，如由光线部分1644c表示。空间图案化束随后被投影仪透镜1660收集并投影到较远位置。由于会聚的照明束，投影仪透镜1660或其单个组成透镜中的至少一者可具有最大侧向尺寸ld1(例如，如沿着x轴或沿着y轴或沿着空间光调制器1650的对角线所测得)，该最大侧向尺寸小于空间光调制器1650的对应侧向尺寸ld2或满足关系30％<ld1/ld2<70％。

除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中用来表示数量、特性量度等的所有数字都应被理解为由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则本说明书和权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可以根据本领域内的技术人员利用本专利申请的教导内容想要获得的所需特性而改变。并且不旨在将等同原则的应用限制在权利要求书范围内，至少应该根据所记录的有效数位的数目和通过应用惯常的四舍五入法来解释每个数值参数。虽然给出本发明宽范围的数值范围和参数是近似值，但就任何数值均在本文所述的具体示例中列出来说，这些近似值都是按尽量合理的精确程度记录的。然而，任何数值可以很好地包括与测试或测量限制相关联的误差。

以下为本发明的实施方案。

实施方案1为紧凑型投影仪，包括：包括反射偏振片的分束器，该反射偏振片倾斜地设置以限定第一矩形参考空间的对角线；靠近反射偏振片设置的光源，该光源被构造成朝向反射偏振片发射输入光束；被设置成接收来源于输入光束的输出照明束的空间光调制器，该空间光调制器适于选择性地反射输出照明束以提供图案化光束；以及适于接收图案化光束的投影仪透镜；其中分束器、光源、空间光调制器和投影仪透镜被第二矩形参考空间包围；并且其中第一矩形参考空间具有面积a1，并且第二矩形参考空间具有面积a2，并且其中30％<a1/a2<70％。

实施方案2为实施方案1所述的投影仪，其中40％<a1/a2<70％。

实施方案3为实施方案1所述的投影仪，其中分束器包括设置在反射偏振片的相对侧上的第一棱镜和第二棱镜。

实施方案4为实施方案3所述的投影仪，其中第一棱镜和第二棱镜具有相应的第一斜边长度和第二斜边长度hl1和hl2，并且其中40％<hl1/hl2<70％。

实施方案5为实施方案3所述的投影仪，其中第一棱镜和第二棱镜具有相应的第一棱镜高度和第二棱镜高度h1和h2，并且其中40％<h1/h2<70％。

实施方案6为实施方案1所述的投影仪，其中投影仪透镜具有最大侧向尺寸ld1，并且空间光调制器具有最大侧向尺寸ld2，并且其中ld1小于ld2。

实施方案7为实施方案6所述的投影仪，其中30％<ld1/ld2<70％。

实施方案8为实施方案1所述的投影仪，其中光源包括led晶粒和偏振片，并且其中输入光束被偏振。

实施方案9为实施方案1所述的投影仪，其中投影仪还包括检测器，以接收源自投影仪外部的主体、穿过投影仪透镜的光。

实施方案10为紧凑型投影仪，包括：倾斜地设置以限定第一矩形参考空间的对角线的反射偏振片；靠近反射偏振片设置的光源，该光源被构造成朝向反射偏振片发射输入光束；被设置成接收来源于输入光束的输出照明束的空间光调制器，该空间光调制器适于选择性地反射输出照明束以提供图案化光束；适于接收图案化光束的投影仪透镜；其中光源的至少一部分或投影仪透镜的至少一部分设置在第一矩形参考空间内。

实施方案11为实施方案10所述的投影仪，其中光源的至少一部分和投影仪透镜的至少一部分均设置在第一矩形参考空间内。

实施方案12为实施方案10所述的投影仪，其中光源的至少一部分和投影仪透镜的至少一部分中的仅一者设置在第一矩形参考空间内。

实施方案13为实施方案11所述的投影仪，其中反射偏振片将第一矩形参考空间划分成第一部分和第二部分，并且其中光源的至少一部分或投影仪透镜的至少一部分设置在第一矩形参考空间的第一部分内。

实施方案14为实施方案13所述的投影仪，其中光源的至少一部分和投影仪透镜的至少一部分均设置在第一矩形参考空间的第一部分内。

实施方案15为实施方案10所述的投影仪，其中光源包括led晶粒，并且其中led晶粒完全设置在第一矩形参考空间内。

实施方案16为实施方案10所述的投影仪，其中投影仪透镜包括串联的多个单个透镜，并且其中单个透镜中的至少一者完全设置在第一矩形参考空间内。

实施方案17为实施方案10所述的投影仪，其中反射偏振片是分束器的一部分，分束器还包括设置在反射偏振片的相对侧上的第一棱镜和第二棱镜。

实施方案18为实施方案17所述的投影仪，其中第一棱镜和第二棱镜具有相应的第一斜边长度和第二斜边长度hl1和hl2，并且其中40％<hl1/hl2<70％。

实施方案19为实施方案17所述的投影仪，其中第一棱镜和第二棱镜具有相应的第一棱镜高度和第二棱镜高度h1和h2，并且其中40％<h1/h2<70％。

实施方案20为实施方案10所述的投影仪，其中投影仪透镜具有最大侧向尺寸ld1，并且空间光调制器具有最大侧向尺寸ld2，并且其中ld1小于ld2。

实施方案21为实施方案20所述的投影仪，其中30％<ld1/ld2<70％。

实施方案22为实施方案10所述的投影仪，其中投影仪还包括检测器，以接收源自投影仪外部的主体、穿过投影仪透镜的光。

实施方案23为偏振分束器，包括：包括第一棱镜的第一棱镜主体；包括第二棱镜的第二棱镜主体；以及夹置在第一棱镜主体与第二棱镜主体之间的反射偏振片；其中第一棱镜显著小于第二棱镜。

实施方案24为实施方案23所述的分束器，其中第一棱镜和第二棱镜具有相应的第一斜边长度和第二斜边长度hl1和hl2，并且其中40％<hl1/hl2<70％。

实施方案25为实施方案23所述的分束器，其中第一棱镜和第二棱镜具有相应的第一棱镜高度和第二棱镜高度h1和h2，并且其中40％<h1/h2<70％。

实施方案26为实施方案23所述的分束器，其中分束器被构造成使得穿过第一棱镜主体的光主要穿过第一棱镜。

实施方案27为实施方案26所述的分束器，其中反射偏振片包括面向第一棱镜主体的第一主表面，并且其中第一棱镜主体覆盖第一主表面的大部分。

实施方案28为实施方案27所述的分束器，其中第一棱镜主体覆盖基本上整个第一主表面。

实施方案29为实施方案23所述的分束器，其中第一棱镜主体包括除第一棱镜之外的至少一个棱镜。

实施方案30为实施方案23所述的分束器，其中第一棱镜主体不包括除第一棱镜之外的棱镜。

实施方案31为紧凑型偏振照明器，包括：反射体；被设置成与反射体一起形成反射腔的反射偏振片；设置在反射腔内的延迟膜；以及被设置成穿过反射体中的孔将偏振输入光束发射到反射腔中的光源；其中反射体、反射偏振片和延迟膜被构造成从输入光束产生输出照明束，并且其中输出照明束被偏振。

实施方案32为实施方案31所述的照明器，其中反射体和反射偏振片中的至少一者是弯曲的，并且其中输出照明束是会聚的。

实施方案33为实施方案31所述的照明器，其中光沿着从光源到输出照明束的光路，包括穿过孔、从反射偏振片反射、从反射体反射、穿过反射偏振片，以及穿过延迟膜至少两次。

实施方案34为实施方案31所述的照明器，其中反射腔限定腔体积，并且腔体积的大部分包括至少一种固体透光材料。

实施方案35为实施方案31所述的照明器，其中反射腔限定腔体积，并且腔体积的大部分包括空气或真空。

实施方案36为实施方案31所述的照明器，其中延迟膜靠近反射体，并且孔也在延迟膜中。

实施方案37为实施方案31所述的照明器，其中照明器还包括散射元件，以使输出照明束更加空间均匀。

实施方案38为实施方案37所述的照明器，其中散射元件包括粗糙化表面，并且粗糙化表面是反射腔的一部分。

实施方案39为实施方案37所述的照明器，其中散射元件包括在反射腔内的散射材料层。

实施方案40为实施方案31所述的照明器，其中光源包括led和偏振片。

实施方案41为紧凑型偏振照明器，包括：反射体；相对于反射体倾斜地设置的反射偏振片；设置在反射体与反射偏振片之间的延迟膜；以及被设置成穿过反射偏振片朝向反射体发射第一偏振态的输入光束的光源；其中反射体、反射偏振片和延迟膜被构造成从输入光束产生输出照明束，并且其中输出照明束具有正交于第一偏振态的第二偏振态。

实施方案42为实施方案41所述的照明器，其中反射偏振片是分束器的一部分，分束器还包括设置在反射偏振片的相对侧上的第一棱镜和第二棱镜。

实施方案43为实施方案42所述的照明器，其中第一棱镜和第二棱镜具有相应的第一斜边长度和第二斜边长度hl1和hl2，并且其中40％<hl1/hl2<70％。

实施方案44为实施方案42所述的照明器，其中第一棱镜和第二棱镜具有相应的第一棱镜高度和第二棱镜高度h1和h2，并且其中40％<h1/h2<70％。

实施方案45为投影仪，包括：实施方案31的偏振照明器；被设置成拦截输出照明束以便产生空间图案化束的空间光调制器；以及用于接收空间图案化束的投影仪透镜。

实施方案46为实施方案45所述的投影仪，其中空间光调制器为透射型空间光调制器。

实施方案47为实施方案45所述的投影仪，其中空间光调制器为反射型空间光调制器。

实施方案48为实施方案45所述的投影仪，其中投影仪透镜具有最大侧向尺寸ld1，并且空间光调制器具有最大侧向尺寸ld2，并且其中ld1小于ld2。

实施方案49为实施方案45所述的投影仪，其中投影仪还包括检测器，以接收源自投影仪外部的主体且穿过投影仪透镜的光。

实施方案50为投影仪，包括：实施方案41的偏振照明器；被设置成拦截输出照明束以便产生空间图案化束的空间光调制器；以及用于接收空间图案化束的投影仪透镜。

实施方案51为实施方案50所述的投影仪，其中空间光调制器为反射型空间光调制器。

实施方案52为实施方案50所述的投影仪，其中投影仪透镜具有最大侧向尺寸ld1，并且空间光调制器具有最大侧向尺寸ld2，并且其中ld1小于ld2。

实施方案53为实施方案50所述的投影仪，其中投影仪还包括检测器，以接收源自投影仪外部的主体且穿过投影仪透镜的光。

在不脱离本发明的实质和范围的前提下，对本发明进行的各种修改和更改对于本领域的技术人员来说将显而易见，并且应当理解，本发明不应当限于本文示出的例示性实施方案。除非另外指明，否则读者应该假设一个公开的实施方案的特征也可应用于所有其它公开的实施方案。应当理解，所有本文引用的美国专利、专利申请公开及其它专利和非专利文档都以不与上述公开抵触的程度通过引用的方式并入。