專利名稱：復(fù)合偏振分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對光進(jìn)行有效地偏振分解的光學(xué)裝置(光學(xué)單元)。所述裝置可用與于硅器件(LCoS器件)上的反光液晶等一起使用。
更具體地，本發(fā)明涉及稱作偏振分束器(在本領(lǐng)域亦簡稱“PBS”)的偏振分光裝置，特別涉及用于影像投映系統(tǒng)的偏振分束器，所述影像投映系統(tǒng)采用一個或多個反光的偏振-調(diào)制成像裝置。
背景技術(shù)：
A.影像投映系統(tǒng)影像投映系統(tǒng)用來在視屏如顯示屏上形成物體的影像。這種系統(tǒng)可以分前投映型和后投映型，劃分依據(jù)是觀察者和物體是在屏的同一邊(前投映)還是在相對的兩邊(后投映)。


圖1簡要示出了影像投映系統(tǒng)77的基本部件，該系統(tǒng)可用于微顯示成像裝置(在本領(lǐng)域亦稱“數(shù)字光閥”或“像素化成像裝置”)。在此圖中，70是光照系統(tǒng)，包含光源71和將部分光從光源轉(zhuǎn)向屏的照明光學(xué)元件72，73是成像裝置，74是投映透鏡，它能在視屏75上形成成像裝置的放大像。
為方便敘述，圖1所示系統(tǒng)的部件呈直線排列。對于本發(fā)明所涉及的反射型成像裝置，光照系統(tǒng)的位置可以使光照系統(tǒng)發(fā)出的光從成像裝置反射回來，即光投射在成像裝置前面，而不是圖1中那樣投射在成像裝置背后。同樣，如圖2和3所示，對于通過調(diào)制(改變)照明光局部偏振來操作的反射成像裝置(這里稱為“反射偏振調(diào)制成像裝置”)，偏振分束器(PBS)位于成像裝置前面，從光照系統(tǒng)接受照明光11，例如S-偏振光，然后向投映透鏡提供成像光12，例如P-偏振光。
對于前投映系統(tǒng)，觀察者位于圖1中屏幕75的左側(cè)，而對于后投映系統(tǒng)，觀察者位于屏幕右側(cè)。對于裝在盒子里的后投映系統(tǒng)，常常在投映透鏡和屏幕之間用一個或多個鏡子使光路偏折，從而減少了系統(tǒng)的整體尺寸。
成像投映系統(tǒng)宜采用單個投映透鏡，它形成的像來自(1)單一成像裝置，該裝置能依次或同時形成最終像的紅、綠、藍(lán)部分；或者(2)三個成像裝置，一個發(fā)紅光，一個發(fā)綠光，還有一個發(fā)藍(lán)光。有些成像投映系統(tǒng)不采用單個或三個成像裝置，而是采用2個或多達(dá)6個成像裝置。此外，在某些應(yīng)用，例如大成像后投映系統(tǒng)，可以采用多投映透鏡，每個透鏡及其相關(guān)成像裝置產(chǎn)生整個像的一部分。
B.偏振分束器圖2所示為采用MacNeille立方型偏振分束器60的成像投映系統(tǒng)的布置圖。例如，可參見E.Stupp和M.Brennesholtz的“反射偏振技術(shù)”，投映顯示器，1999，p.129-133。如圖所示，偏振分束器(PBS)包含兩個光學(xué)膠粘在一起的直角三棱鏡61和62。分束器的對角線63上有一個介電涂層，它能反射S-偏振光而透過P-偏振光。
從圖2中可以看出，在MacNeille型PBS的對角線上反射光線后，從光照系統(tǒng)發(fā)出的S-偏振光到達(dá)反射成像裝置10，例如LCoS裝置，光在此裝置上得到偏振調(diào)制。調(diào)制光15是P-偏振光，然后通過對角線63到達(dá)投映棱鏡上，形成所需像。仍為S-偏振光的非調(diào)制光(圖2中未示出)在對角線處發(fā)生反射，并回到光照系統(tǒng)。
在成像投映系統(tǒng)中采用MacNeille型PBS的主要問題，是斜線效應(yīng)引起透射光發(fā)生去偏振現(xiàn)象。這是個純幾何現(xiàn)象，見述于Miyatake的美國專利5327270，發(fā)布于1994年7月5日，題目是“偏振分束裝置和光閥成像投映系統(tǒng)”。
這種去偏振光降低了系統(tǒng)的對比度。根據(jù)Miyatake的專利，補(bǔ)償斜線去偏振需要額外的1/4波片(即圖2中的片64)，這增加了成本，要求精確對準(zhǔn)，限制了操作溫度的范圍。在采用反射偏振調(diào)制成像裝置的投映系統(tǒng)中使用補(bǔ)償片的其他例子見述于Ootaki的美國專利5459593、Schmidt等人的美國專利5576854和Bryars的美國專利5986815。
另一種類型的PBS是線柵偏振器。例如，可參見Perkins等的美國專利6122103，發(fā)布于2000年9月19日，題目是“用于可見光的寬帶線柵偏振器”。此光學(xué)部件不存在斜線去偏振問題，而且有極高的偏振消光比。此外，該部件能在較大溫度范圍內(nèi)工作，可耐高的光強(qiáng)線柵偏振器13a可用于反射偏振調(diào)制成像裝置，例如LCoS裝置，部件布置簡圖見圖3A和3B。遺憾的是，這兩種布置都存在光學(xué)問題。
圖3A所示布置的光學(xué)問題，是在成像光路中存在一個傾斜放置的兩面平行的板。該板是支撐線柵結(jié)構(gòu)的玻璃基底(厚度大于0.5mm)。目前，線柵結(jié)構(gòu)的制造工藝中存在的技術(shù)限制使薄基底的使用困難。厚0.5mm、傾斜45度的玻璃基底產(chǎn)生了-0.135mm的散光。見Warren J.Smith的《現(xiàn)代光學(xué)工程》，第2版，McGraw-Hill，Inc.，New York，1990，第99頁。LCoS裝置中所用投映透鏡的焦距的典型深度是+/-0.025mm[f數(shù)(FNo)為2.8]。因此，圖3A所示結(jié)構(gòu)的成像質(zhì)量非常糟糕，因為散光是焦距深度的2.5-3倍。
在圖3B所示布置圖中，光沿著光路通過傾斜的玻璃基底，此時散光不明顯。在這種情況下，在成像光路中的成像質(zhì)量取決于線柵基底的平整度。要得到可接受的成像質(zhì)量，要求表面平整度約為1條干擾條紋/英寸或者更好。目前最好的線柵偏振器的平整度約為3條干擾條紋/英寸。圖3B所示結(jié)構(gòu)還有另外兩個問題(1)溫度變形和(2)線柵結(jié)構(gòu)保護(hù)。
一般情況下，LCoS投映儀在室溫下組裝并對準(zhǔn)，但LCoS區(qū)(線柵PBS所在區(qū)域)的操作溫度為45-55℃。溫度升高會使線柵基底產(chǎn)生變形，這將使屏幕上的成像質(zhì)量下降。
至于保護(hù)問題，必須要防止線柵結(jié)構(gòu)受到環(huán)境中的灰塵、濕氣、機(jī)械刮傷等損害，這些損害會削弱PBS的偏振性質(zhì)。但是，在圖3B所示線柵結(jié)構(gòu)的前方安裝任何類型的保護(hù)窗，差不多都相當(dāng)于在成像光路中再引入一個兩面平行的板，這就會產(chǎn)生上面所討論的散光現(xiàn)象。
另一個已知類型的PBS是多層反射偏振器。例如，可參見Jonza等人的美國專利5965247。還可參見《投映顯示專項報告》第7卷，第11號，2001年7月20日，第6-8頁。
象線柵偏振器一樣，多層反射偏振器可歸入笛卡兒偏振器這一大類，因為各光束的偏振是相對于偏振器的恒定主軸(通常為直角)的，而MacNeille型PBS中，各光束的偏振基本上與光束入射角無關(guān)。見Bruzzone等的美國專利6486997。
圖3C簡要示出了采用多層反射偏振器13b的結(jié)構(gòu)，它包含反射偏振調(diào)制成像裝置10，例如LCoS裝置。多層反射偏振器是較厚的部件，如圖3C所示，其傾斜角度為45度。
此部件的厚度以及該部件與周圍玻璃棱鏡51和52之間的折射指數(shù)差異會產(chǎn)生散光，這將降低顯示器的成像質(zhì)量。例如，多層反射偏振器的厚度和折射指數(shù)可分別為0.25毫米和1.54，而棱鏡51和52由PBH-56玻璃構(gòu)成時，其折射指數(shù)約為1.85。當(dāng)傾斜45°時，這種結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生約0.2mm的散光。為矯正這種散光，可在多層反射偏振器旁邊安置一個折射指數(shù)較高(例如，對于PBH-71玻璃為1.93)的兩面平行的板50(散光矯正器)，如圖3C所示。但是，使用這種散射光矯正器顯著提高了PBS的成本。
發(fā)明概述鑒于前述情況，本領(lǐng)域需要一種偏振分束器，它具有下列性質(zhì)中的一部分，較好具有下列全部性質(zhì)(1)PBS容易制造，不需要薄的基底，也不需要超平的基底；(2)PBS不受環(huán)境損壞；(3)PBS在升高的溫度下不會變形；(4)PBS幾乎不會在成像光引入散光。
作為第5條性質(zhì)，成像光通過PBS的光路宜較短，形成最終像的投映透鏡可具有一個較短的后焦距，因而具有更簡單、成本更低的結(jié)構(gòu)。
為滿足本領(lǐng)域的這種需要，本發(fā)明提供了一種偏振分束器，可用來具有上述五個特征中的某些部分、較好也可包括全部特征的反射偏振調(diào)制成像板。
具體地，本發(fā)明一方面提供了一種成像投映系統(tǒng)(77)，它包括(I)光照系統(tǒng)(70)，它產(chǎn)生具有第一偏振方向(宜為S-偏振)的偏振照明光(11)；(II)反射成像裝置(10)，它接收偏振照明光(11)，通過改變接收光選定部分的偏振方向產(chǎn)生具有第二個偏振方向(宜為P-偏振)的調(diào)制反射光；(III)投映透鏡(74)；(IV)棱鏡裝置(33)，它包括輸入棱鏡(20)、輸出棱鏡(30)和輸入棱鏡(20)與輸出棱鏡(30)之間的偏振器(13)，其中(A)輸入棱鏡(20)包含(i)第一表面(21)，它接收來自光照系統(tǒng)(70)的偏振照明光(11)；(ii)第二表面(22)，它為成像裝置(10)提供偏振照明光(11)，并從成像裝置(10)接收調(diào)制反射光；(iii)第三表面(23)，它面向輸出棱鏡(30)；
(B)輸出棱鏡(30)包含(i)第一表面(31)，它面向輸入棱鏡(20)，平行于輸入棱鏡(20)的第三表面(23)；(ii)第二表面(32)，它為投映透鏡(74)提供光線，形成投映像；(C)偏振器(13)(i)位于輸入棱鏡(20)的第三表面(23)與輸出棱鏡(30)的第一表面(31)之間，(ii)反射具有第一偏振方向的光，透射具有第二偏振方向的光；其中偏振照明光(11)的光路包含(i)向內(nèi)透過輸入棱鏡(20)的第一表面(21)；(ii)在輸入棱鏡(20)的第二表面(22)上全反射；(iii)向外透過輸入棱鏡(20)的第三表面(23)；(iv)自偏振器(13)反射；(v)向內(nèi)透過輸入棱鏡(20)的第三表面(23)；(vi)向外透過輸入棱鏡(20)的第二表面(22)。
本發(fā)明第二方面提供了棱鏡裝置(33)，它包含輸入棱鏡(20)、輸出棱鏡(30)以及輸入棱鏡(20)與輸出棱鏡(30)之間的偏振器(13)，其中(A)輸入棱鏡(20)包含(i)第一表面(21)，它在結(jié)構(gòu)和位置上適合接收來自光照系統(tǒng)(70)的偏振照明光(11)；(ii)第二表面(22)，它在結(jié)構(gòu)和位置上適合為成像裝置(10)提供偏振照明光(11)，并從成像裝置(10)接收調(diào)制反射光；(iii)第三表面(23)，它面向輸出棱鏡(30)；(B)輸出棱鏡(30)包含(i)第一表面(31)，它面向輸入棱鏡(20)，平行于輸入棱鏡(20)的第三表面(23)；(ii)第二表面(32)，它在結(jié)構(gòu)和位置上適合為投映透鏡(74)提供光線，形成投映像；(C)偏振器(13)(i)位于輸入棱鏡(20)的第三表面(23)與輸出棱鏡(30)的第一表面(31)之間，(ii)反射具有第一偏振方向的光，透射具有第二偏振方向的光；
其中偏振照明光(11)的光路包含(i)向內(nèi)透過輸入棱鏡(20)的第一表面(21)；(ii)在輸入棱鏡(20)的第二表面(22)上全內(nèi)反射；(iii)向外透過輸入棱鏡(20)的第三表面(23)；(iv)自偏振器(13)反射；(v)向內(nèi)透過輸入棱鏡(20)的第三表面(23)；(vi)向外透過輸入棱鏡(20)的第二表面(22)。
本發(fā)明第三方面提供了用偏振器(13)成像的方法，所述偏振器反射具有第一偏振方向的光(宜為S-偏振光)，透射具有第二偏振方向的光(宜為P-偏振光)，所述方法依次包含(1)提供具有第一偏振方向的偏振照明光(11)(宜為S-偏振光)；(2)將偏振照明光引入具有許多表面(21、22、23)的棱鏡(20)；(3)通過棱鏡一個表面(22)上的全內(nèi)反射改變偏振光的方向；(4)反射來自偏振器(13)的偏振照明光；(5)在反射成像裝置(10)上通過改變選定部分光的偏振方向?qū)⑵裾彰鞴庹{(diào)制成第二偏振方向，所述選定部分的光包含成像的光；(6)使選定部分的光透過偏振器(13)和投映棱鏡(74)，形成像。
本發(fā)明第四方面提供了用偏振器(13)成像的方法，所述偏振器反射具有第一偏振方向的光(宜為S-偏振光)，透射具有第二偏振方向的光(宜為P-偏振光)，所述方法依次包含(1)提供具有第二偏振方向的偏振照明光(例如沿圖6所示相反方向傳播的成像光12)；(2)使偏振照明光透過偏振器(13)；(3)在反射成像裝置(10)上通過改變選定部分光的偏振方向?qū)⑵裾彰鞴庹{(diào)制成第一偏振方向，所述選定部分的光包含成像的光；(4)反射來自偏振器(13)具有第一偏振方向的選定部分的光，形成成像光(例如，沿圖6所示相反方向傳播的照明光11)；(5)將成像光引入具有許多表面(21、22、23)的棱鏡(20)；(6)通過在棱鏡一個表面(22)上的全內(nèi)反射改變成像光的方向；(7)將成像光透射到投映透鏡(74)上，形成像。
根據(jù)本發(fā)明的每一個方面，偏振器宜為線柵偏振器(13a)或多層反射偏振器(13b)。
在綜述本發(fā)明各個方面的時候上面所用的標(biāo)識數(shù)字只是為了方便讀者，無意、也不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明范圍的限制。更一般地說，應(yīng)當(dāng)理解，前面的總述和下面的詳述都只是通過實例來闡釋本發(fā)明，意在為理解本發(fā)明的特點(diǎn)提供概覽或框架。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在以下詳述中體現(xiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員借助這種介紹或通過實踐本發(fā)明，不難理解其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)。附圖是為了進(jìn)一步幫助理解本發(fā)明，包含在本發(fā)明中，并構(gòu)成本說明書的一部分。
附圖簡介圖1所示為采用微顯示成像裝置的成像投映系統(tǒng)的基本部件簡圖。
圖2所示為采用反射偏振調(diào)制成像裝置和傳統(tǒng)MacNeille立方型PBS的成像投映系統(tǒng)的光學(xué)布置簡圖。
圖3A所示為采用反射偏振調(diào)制成像裝置和線柵PBS的成像投映系統(tǒng)的第一種光學(xué)布置簡圖。
圖3B所示為采用反射偏振調(diào)制成像裝置和線柵PBS的成像投映系統(tǒng)的第二種光學(xué)布置簡圖。
圖3C所示為采用反射偏振調(diào)制成像裝置和多層反射偏振器的成像投映系統(tǒng)的光學(xué)布置簡圖。
圖4所示為本發(fā)明復(fù)合偏振分束器(PBS)裝置簡圖。
圖5A所示為位于圖4所示復(fù)合PBS裝置中第一位置的線柵偏振器簡圖。
圖5B所示為位于圖4所示復(fù)合PBS裝置中第二位置的線柵偏振器簡圖。
圖6所示為光線已經(jīng)通過圖4所示復(fù)合PBS裝置的簡圖。
圖7所示為光線已經(jīng)通過本發(fā)明復(fù)合PBS裝置的簡圖，它除圖4所示結(jié)構(gòu)外，在光路中還有一個折鏡。
圖8所示為計算βmin的示意圖。
圖9所示為計算βmax的示意圖。
在以上各圖中，相同的標(biāo)識數(shù)字代表相同或相應(yīng)的部分。標(biāo)識數(shù)字與各元件對應(yīng)的一般情況列于表1。
優(yōu)選實施方式詳述如以上所討論的，本發(fā)明涉及一種棱鏡裝置，它采用了笛卡兒偏振器的優(yōu)異偏振性質(zhì)，包括線柵偏振器和多層反射偏振器，可用于(例如)基于LCoS的投映系統(tǒng)，且具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)對線柵基底沒有特殊要求，具體是沒有厚度限制，不需要超平整度；(2)對線柵結(jié)構(gòu)提供了完整的環(huán)境保護(hù)；(3)偏振器在溫度升高的情況下沒有變形的危險；(4)對于多層反射偏振器，該系統(tǒng)的散光性明顯降低，因而減少或消除了對散光矯正器的需求；(5)棱鏡裝置內(nèi)的成像光路長度與傳統(tǒng)PBS相比縮短了。
在最廣泛的意義上，本發(fā)明涉及由兩個棱鏡20和30(例如兩個玻璃棱鏡)、一個偏振器13(例如線柵偏振器或多層反射偏振器)組成的復(fù)合棱鏡，如圖4所示。
先討論線柵偏振器。如圖5A所示，線柵偏振器13a可以膠粘到輸出棱鏡30的長面31(即第一表面)上，柵結(jié)構(gòu)背離棱鏡30。然后安裝輸出棱鏡30，使輸入棱鏡20的表面23(即第三表面)與線柵結(jié)構(gòu)之間存在小的氣隙。這可以通過在線柵與表面23之間插入薄間隔物來實現(xiàn)，保證所需透明度。
表面23與線柵結(jié)構(gòu)之間的氣隙宜小于100微米，這樣它就足夠小，使得它引起的散光不至于降低成像質(zhì)量。氣隙最好小于50微米。產(chǎn)生這種氣隙的間隔物可以是雙面膠膜或真空沉積的材料層或任何其他類型的機(jī)械層，形成均勻厚度，以便用于形成此間隙。懸浮在膠粘劑中的玻璃珠也可以用作間隔物。間隔物可以連續(xù)存在于線柵偏振器的所有邊緣，以便為氣隙提供絕緣環(huán)境(隔離)。或者，也可以沿氣隙在復(fù)合棱鏡外表面上涂漆或放置機(jī)械膜，以此提供絕緣環(huán)境(隔離)。
光線通過復(fù)合棱鏡的路徑如圖6所示。來自光照系統(tǒng)的偏振光11(S-偏振)穿過輸入棱鏡20的表面21(第一表面)進(jìn)入棱鏡裝置33，在該棱鏡的表面22(第二表面)上發(fā)生全內(nèi)反射(TIR)，然后到達(dá)偏振器。線柵結(jié)構(gòu)將S偏振光反射到LCoS(或其他偏振反射像素化成像裝置)上，如圖所示。從LCoS的“off”像素反射過來的光具有相同的偏振方向，回到光照系統(tǒng)。從“on”像素反射過來的光經(jīng)反射后改變了偏振方向，經(jīng)過偏振器進(jìn)入投映透鏡。對于本發(fā)明下面要討論的多層反射偏振器實施方式，光路和偏振方向的改變與此相同。
為了最大程度減少散射和/或反射，輸入和/或輸出棱鏡的非光學(xué)表面可以做成傾斜的和/或自它們的位置向外推移，如圖6所示。例如，圖6中輸出棱鏡30的左面可以順時針旋轉(zhuǎn)，向外移動并超出表面31，從而最大程度減少通過此棱鏡的成像光發(fā)生的散射和/或散射。
參見圖8和9，棱鏡20的角β應(yīng)當(dāng)選擇在βmin和βmax之間，它們通過以下方法確定(1)角βmin應(yīng)當(dāng)使來自指定范圍的所有光線都在棱鏡20的表面22上發(fā)生全內(nèi)反射。圖8所示為在棱鏡20的表面22上具有最小入射角的臨界光線。如果這條光線發(fā)生全內(nèi)反射，則意味著±γ范圍內(nèi)的所有光線都能發(fā)生TIR。從圖8可以得到β＝0.5·(γ+α)其中γ＝sin-1(1/(2·n1·FNo))，α＝sin-1(1/n1)，n1是棱鏡20的折射指數(shù)，F(xiàn)No是投映透鏡的f數(shù)。
因此，如果β≥0.5·(γ+α)，則±γ范圍內(nèi)的所有光線都能在表面22上發(fā)生全內(nèi)反射。
(2)選擇的角βmax要避免在指定孔徑內(nèi)的所有光線在棱鏡20的表面23上發(fā)生全內(nèi)反射。需要考慮的臨界光線示于圖9。如果(β+γ)小于TIR角，則指定孔徑內(nèi)的所有光線都將通過表面23，并與偏振器的線柵結(jié)構(gòu)相互作用。因此，為避免±γ孔徑內(nèi)的所有光線在表面23上發(fā)生全內(nèi)反射，必須滿足以下關(guān)系β≤α-γ。
以下通過具體實例說明βmin和βmax的計算，其中棱鏡采用代表性材料，投映透鏡f數(shù)為代表性數(shù)值(1)棱鏡材料玻璃SF2，n＝1.65222，TIR角＝37.25°；(2)空氣中的孔徑為±10°，相當(dāng)于玻璃中γ＝±6.3°；(3)當(dāng)α等于TIR角時，角βmin的最小值為βmin＝0.5×(6.03+37.25)＝21.64°(4)當(dāng)(β+γ)等于TIR角時，βmax的最大值為
βmax＝37.25-6.02＝31.22°從實踐角度考慮，角β最好小一些，因為當(dāng)采用折射指數(shù)比棱鏡20和30低的多層反射偏振器時，散光程度就較小(見下文)。
在上面的計算中，空氣中±10°的孔徑角是相對于采用LCoS裝置的光學(xué)系統(tǒng)的典型f數(shù)(2.8)而言的。當(dāng)然，LCoS系統(tǒng)也可以采用其他孔徑角。類似地，其他采用偏振反射像素化成像裝置而不是LCoS裝置的系統(tǒng)可以采用相同或不同的孔徑角。
重要的一點(diǎn)是要理解，棱鏡20的表面21(見圖4)是表面23關(guān)于表面22的鏡面反射。在光路中，棱鏡20起兩面平行板的作用，不會使照射光束產(chǎn)生任何變形。也很重要的一點(diǎn)是要理解，表面32和22彼此平行，這樣在成像光路中就不會引起光束變形。這些情況同樣適用于下面要討論的本發(fā)明多層反射偏振器實施方式。
棱鏡20宜用低雙折射材料制造，為的是維持系統(tǒng)的偏振對比度?？梢允褂霉鈴椥猿?shù)低的特種玻璃(例如SF57、PBH56)，也可以用較便宜的玻璃(如SF2)，但要經(jīng)過退火處理，以減少內(nèi)應(yīng)力。棱鏡30也可由特種玻璃或退火玻璃制造，但如果需要，也可以用其他較便宜的玻璃制造，因為通過此棱鏡的光線的偏振態(tài)不重要。同樣，這些情況也適用于下面要討論的本發(fā)明多層反射偏振器實施方式。
制備一棱鏡裝置，其線柵偏振器如圖5A所示那樣安置，經(jīng)測定，對比度約為200∶1。為獲得更高的對比度，表面23上可施涂相控制/抗反射涂層，以補(bǔ)償光的去偏振和這種傾斜玻璃/空氣界面上產(chǎn)生的相關(guān)相偏移。前面已經(jīng)介紹了這種涂層結(jié)合Philips型棱鏡使用的情況，該棱鏡用于LCoS成像器。例如，可參見Yamamoto等人的美國專利5594591。還可參見Keens的美國專利4948228和Thin Film Center，Tucson，Arizona生產(chǎn)的Essential Macleod軟件程序。
對比度也可以通過在TIR表面22上施涂相控制涂層來改善。同樣，這些涂層可以是前面提到的用于Philips型棱鏡的涂層類型。表2列出了用于PBH-56玻璃(基底)和β角為21°的合適相控制涂層的折射指數(shù)和厚度。
除了這些涂層之外，可以通過將線柵偏振器13a移向棱鏡20的表面23來提高對比度，如圖5B所示。這種情況下的線柵結(jié)構(gòu)面向氣隙40，它靠近棱鏡30，而不是靠近圖5A中的棱鏡20。上面結(jié)合圖5所討論的方法同樣可用于產(chǎn)生圖5B所示結(jié)構(gòu)中的氣隙40，而且一旦形成后，就將氣隙從環(huán)境中隔離出來。
通過在線柵偏振器13a的基底與棱鏡20之間使用折射指數(shù)相匹配的光學(xué)膠粘劑，可使圖5B所示實施方式中的偏振器與棱鏡20之間的界面透明。這樣就避免了偏振光通過傾斜界面時出現(xiàn)去偏振現(xiàn)象。即使線柵基底中存在殘余應(yīng)力也不要緊，因為這種基底薄，由殘余應(yīng)力引起的雙折射不大。應(yīng)當(dāng)指出，如果偏振器與棱鏡之間的界面不透明，此界面上有關(guān)TIR的各種考慮，即計算βmax時的各種考慮不再適用，因此β只需要大于或等于0.5·(γ+α)。但是，如上面所討論的，β越小越好，例如稍高于βmin。
盡管前面的討論是就線柵偏振器而言，應(yīng)當(dāng)說明的是，本發(fā)明的復(fù)合棱鏡結(jié)構(gòu)可用于其他類型的偏振器。具體是，復(fù)合棱鏡結(jié)構(gòu)可以使用偏振雙折射膜，如3M公司生產(chǎn)的那些膜。采用這種膜的偏振分束器的例子見述于美國專利6486997、美國公開專利2003 0016334、PCT公開專利WO 02/102087、美國專利申請09/878559和美國專利申請10/159694中。
當(dāng)采用這種多層反射偏振器時，它可以取代線柵及其基底。更具體地，將膜安裝在圖4所示棱鏡20和棱鏡30之間。對于這種實施方式，圖5所示氣隙40可以不用，因此膜(或用于安裝膜的光學(xué)膠粘劑)接觸棱鏡20的表面23和棱鏡30的表面31。由于沒有氣隙，在此實施方式中，光照系統(tǒng)和投映透鏡的位置可方便地交換(見發(fā)明概述中介紹的本發(fā)明第四個方面)。如上面所討論的，光照系統(tǒng)較好產(chǎn)生S偏振光，這樣對于線柵和偏振膜這兩種實施方式，線柵或膜在其實際取向上就可反射來自光照系統(tǒng)的S偏振光，即它們的安裝取向產(chǎn)生了圖6所示S偏振照射光11的光路。
對于線柵偏振器實施方式，可用光學(xué)膠粘劑將多層反射偏振器安裝在棱鏡20和30上。如果棱鏡玻璃的折射指數(shù)與構(gòu)成多層反射偏振器的聚合物膜的折射指數(shù)存在顯著差異，則棱鏡20和棱鏡30的對角面上應(yīng)當(dāng)有相匹配的抗反射(AR)涂層，以最大程度減少Fresnel反射。
對于線柵偏振器實施方式，TIR表面22上較好有相控制涂層，用以補(bǔ)償偏振光發(fā)生全內(nèi)反射時出現(xiàn)的相偏移。對于圖5B所示本發(fā)明線柵實施方式，只有βmin的限制范圍適用于多層反射偏振器實施方式，因為多層反射偏振器與棱鏡20之間的界面宜做成光學(xué)透明的。
β值應(yīng)盡可能小，以最大程度減少多層反射偏振器引起的散光效應(yīng)，該值計算方法示例如下
棱鏡20和30的材料-PBH-56(nd＝1.8414)；多層反射偏振器-3M笛卡兒偏振膜(nd＝1.545，厚度0.37mm)；LCoS成像儀尺寸-10.55×18.76mm；投映透鏡的有效f數(shù)-2.0。
表3示出了折射指數(shù)為1.545的傾斜平行板在折射指數(shù)為1.8414的周圍介質(zhì)中產(chǎn)生的軸向散光情況。表中最后一行是棱鏡對角面具有指定角度時沿成像光路的最小厚度，最后一列是具有45°對角面的傳統(tǒng)PBS的參考數(shù)據(jù)。
從此表可以看出，對角面傾斜度越小，即β越小，軸向散光越小。雖然β越小，最小厚度也在某種程度上增加，但它仍然小于使用傳統(tǒng)45°PBS時所要求的厚度。
某些偏振器，包括多層反射偏振器所能獲得的對比度取決于入射光在偏振器上投射的角度。如果入射角太小，對比度會下降到低于可接受程度，例如低于1000∶1。對比度的下降一般取決于顏色，例如，對比度下降最大的是短波光，即藍(lán)光。因此，雖然β值宜較小，但它也不能太小，以至于系統(tǒng)的對比度不可接受。β應(yīng)滿足如下關(guān)系β≥γ+θ，其中γ定義如上，θ是提供1000∶1對比度的最小入射角。
為了補(bǔ)償復(fù)合棱鏡的傾斜介質(zhì)，即包含偏振器和位于棱鏡20、30之間的任何其他材料的材料所帶來的殘余散光，棱鏡30的表面32和/或棱鏡20的表面22可具有圓柱形狀。
圖7所示為本發(fā)明的另一個實施方式，其中復(fù)合棱鏡可具有另一個反射表面24(第四表面)，以折射照射光束。在此情況下，第一表面21是第二表面22的一部分，如圖7所示。或者，如果入射光束在成像裝置平面內(nèi)且垂直于成像光束，則可以額外安排一個折鏡，其方向正交于圖7所示平面。
雖然本發(fā)明的具體實施方式
已經(jīng)得到介紹和闡釋，但應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員從前面的介紹中不難看出各種變化形式，只要它們不偏離本表1
表2
表權(quán)利要求
1.一種成像投映系統(tǒng)，它包括(I)光照系統(tǒng)，它產(chǎn)生具有第一偏振方向的偏振照明光；(II)反射成像裝置，它接收偏振照明光，通過改變接收光選定部分的偏振方向產(chǎn)生具有第二個偏振方向的調(diào)制反射光；(III)投映透鏡；(IV)棱鏡裝置，它包括輸入棱鏡、輸出棱鏡和輸入棱鏡與輸出棱鏡(30)之間的偏振器，其中(A)輸入棱鏡包含(i)第一表面，它接收來自光照系統(tǒng)的偏振照明光；(ii)第二表面，它為成像裝置提供偏振照明光，并從成像裝置接收調(diào)制反射光；(iii)第三表面，它面向輸出棱鏡；(B)輸出棱鏡包含(i)第一表面，它面向輸入棱鏡，平行于輸入棱鏡的第三表面；(ii)第二表面，它為投映透鏡提供光線，形成投映像；(C)偏振器(i)位于輸入棱鏡的第三表面與輸出棱鏡的第一表面之間，(ii)反射具有第一偏振方向的光，透射具有第二偏振方向的光；其中偏振照明光的光路包含(i)向內(nèi)透過輸入棱鏡的第一表面；(ii)在輸入棱鏡的第二表面上全內(nèi)反射；(iii)向外透過輸入棱鏡第三表面；(iv)自偏振器反射；(v)向內(nèi)透過輸入棱鏡的第三表面；(vi)向外透過輸入棱鏡的第二表面。
2.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于(i)投映透鏡具有f數(shù)FNo；(ii)輸入棱鏡由折射指數(shù)為n1的材料組成；(iii)輸入棱鏡的第二表面與第三表面的相交內(nèi)角β滿足以下關(guān)系β≥0.5·(γ+α)其中γ＝sin-1(1/(2·n1· FNo))，α＝sin-1(1/n1)。
3.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于(i)投映透鏡具有f數(shù)FNo；(ii)輸入棱鏡由折射指數(shù)為n1的材料組成；(iii)輸入棱鏡的第二表面與第三表面的相交內(nèi)角β滿足以下關(guān)系β≤α-γ其中γ＝sin-1(1/(2·n1·FNo))，α＝sin-1(1/n1)。
4.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于(i)投映透鏡具有f數(shù)FNo；(ii)輸入棱鏡由折射指數(shù)為n1的材料組成；(iii)輸入棱鏡的第二表面與第三表面的相交內(nèi)角β滿足以下關(guān)系α-γ≥β≥0.5·(γ+α)其中γ＝sin-1(1/(2·n1·FNo))，α＝sin-1(1/n1)。
5.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于(i)投映透鏡具有f數(shù)FNo；(ii)輸入棱鏡由折射指數(shù)為n1的材料組成；(iii)輸入棱鏡的第二表面與第三表面的相交內(nèi)角β滿足以下關(guān)系β≥γ+θ其中θ為光入射到能提供1000∶1對比度的偏振器上的最小入射角，且γ＝sin-1(1/(2·n1·FNo))。
6.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于輸入棱鏡的第二和第三表面的相交內(nèi)角小于45°。
7.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于輸入棱鏡的第一、二、三表面如此安置，使得第一表面是第三表面關(guān)于第二表面的鏡面反射。
8.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于輸入棱鏡和輸出棱鏡的第二表面平行。
9.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于所述偏振器是笛卡兒偏振器。
10.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于所述偏振器是線柵偏振器。
11.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于所述偏振器是多層反射偏振器。
12.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)在偏振器與輸入棱鏡的第三表面之間包含一個折射指數(shù)相匹配的層。
13.權(quán)利要求12所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于所述指數(shù)匹配層是光學(xué)膠粘劑。
14.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)在偏振器與輸出棱鏡的第一表面之間包含一個指數(shù)匹配層。
15.權(quán)利要求14所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于所述指數(shù)匹配層是光學(xué)膠粘劑。
16.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于輸入透鏡的第二表面上有一層涂層，用來補(bǔ)償偏振照明光由于在第二表面上發(fā)生全內(nèi)反射而發(fā)生的相改變。
17.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于所述偏振器與輸入棱鏡的第三表面之間通過空氣隔離，所述第三表面上有一層涂層，用來補(bǔ)償偏振光由于在第二表面上發(fā)生全內(nèi)反射而發(fā)生的相改變。
18.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于輸出棱鏡的第二表面和/或輸入棱鏡的第二表面具有圓柱形狀，它能補(bǔ)償成像光通過輸入棱鏡與輸出棱鏡之間的材料時引入投映像的散光，所述材料包含偏振器和任何其他材料。
19.權(quán)利要求1所述成像投映系統(tǒng)，其特征在于第一表面包含第二表面一部分，輸入棱鏡包含第四表面，偏振照明光在第二表面上發(fā)生全內(nèi)反射以前在此表面上發(fā)生反射。
20.一種棱鏡裝置，它包含輸入棱鏡、輸出棱鏡以及輸入棱鏡與輸出棱鏡之間的偏振器，其中(A)輸入棱鏡包含(i)第一表面，它在結(jié)構(gòu)和位置上適合接收來自光照系統(tǒng)的偏振照明明光；(ii)第二表面，它在結(jié)構(gòu)和位置上適合為成像裝置提供偏振光，并從成像裝置接收調(diào)制反射光；(iii)第三表面，它面向輸出棱鏡；(B)輸出棱鏡包含(i)第一表面，它面向輸入棱鏡，平行于輸入棱鏡的第三表面；(ii)第二表面，它在結(jié)構(gòu)和位置上適合為投映透鏡提供光線，形成投映像；(C)偏振器(i)位于輸入棱鏡的第三表面與輸出棱鏡的第一表面之間，(ii)反射具有第一偏振方向的光，透射具有第二偏振方向的光；其中偏振照明光的光路包含(i)向內(nèi)透過輸入棱鏡的第一表面；(ii)在輸入棱鏡的第二表面上全反射；(iii)向外透過輸入棱鏡的第三表面；(iv)自偏振器反射；(v)向內(nèi)透過輸入棱鏡的第三表面；(vi)向外透過輸入棱鏡的第二表面。
21.用偏振器成像的方法，所述偏振器反射具有第一偏振方向的光，透射具有第二偏振方向的光，所述方法依次包含(1)提供具有第一偏振方向的偏振照明光；(2)將偏振照明光引入具有許多表面的棱鏡；(3)通過棱鏡一個表面上的全內(nèi)反射改變偏振光的方向；(4)反射來自偏振器的偏振照明光；(5)在反射成像裝置上通過改變選定部分光的偏振方向?qū)⑵裾彰鞴庹{(diào)制成第二偏振方向，所述選定部分的光包含成像的光；(6)使選定部分的光透過偏振器至投映棱鏡，形成像。
22.用偏振器成像的方法，所述偏振器反射具有第一偏振方向的光，透射具有第二偏振方向的光，所述方法依次包含(1)提供具有第二偏振方向的偏振照明光；(2)使偏振照明光透過偏振器；(3)在反射成像裝置上通過改變選定部分光的偏振方向?qū)⑵裾彰鞴庹{(diào)制成第一偏振方向，所述選定部分的光包含成像的光；(4)反射來自偏振器具有第一偏振方向的選定部分的光，形成成像光；(5)將成像光引入具有許多表面的棱鏡；(6)通過棱鏡的一個表面上的全內(nèi)反射改變成像光的方向；(7)將成像光透射到投映透鏡上，形成像。
全文摘要
提供了一種用于反射偏振調(diào)制成像裝置(10)，例如LCoS裝置的復(fù)合偏振分束器(33)。復(fù)合PBS具有(a)輸入棱鏡(20)；(b)輸出棱鏡(30)；(c)位于這兩個棱鏡(20、30)之間的偏振器(13)，它可以是線柵偏振器(13a)，也可以是多層反射偏振器(13b)。偏振照射光(11)經(jīng)過第一表面(21)進(jìn)入輸入棱鏡(20)，在第二表面(22)上發(fā)生全內(nèi)反射，然后自偏振器(13)反射，并在成像裝置(10)上接受偏振調(diào)制。偏振器的傾角(β)小于45°，這可減少散光，縮短該系統(tǒng)的投映透鏡(74)所需的后焦距。
文檔編號G02B27/28GK1639612SQ03804687
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月28日
發(fā)明者S·馬加里爾, C·L·布魯澤恩, S·K·艾克哈特, R·E·小英格里希, E·G·弗爾克森, 馬家穎, T·S·盧舍福德 申請人:3M創(chuàng)新有限公司