專利名稱：相位補(bǔ)償薄膜光束組合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及由多層薄膜光學(xué)涂層形成的波長選擇光學(xué)系統(tǒng)，更具體而言涉及光學(xué)涂層的布置和提供能更均勻地響應(yīng)具有不同偏振狀態(tài)的光的ー組光學(xué)涂層的方法。
背景技術(shù)：
使用各種調(diào)制技術(shù)的電子投影系統(tǒng)已經(jīng)很成熟或已商業(yè)化。所使用的各種光調(diào)制方法包括例如偏轉(zhuǎn)、衍射、阻斷或吸收、散射和偏振狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)。例如，使用液晶裝置(LCD)的成像裝置在每ー個(gè)顔色通道內(nèi)以逐個(gè)像素的方式直接調(diào)制入射光的偏振狀態(tài)。使用數(shù)字微鏡裝置的成像裝置包括例如德克薩斯州達(dá)拉斯市德克薩斯儀器公司的數(shù)字光處理(DLP)裝置，該數(shù)字光處理裝置由以逐個(gè)像素的方式偏轉(zhuǎn)光的微鏡陣列組成。甸一種特定的光調(diào)制技術(shù)均具有特有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，在調(diào)制偏振的系統(tǒng)中， 可能因無意的相移、偏斜光線或大角度串?dāng)_、或者應(yīng)カ雙折射而在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間出現(xiàn)污染。在通過偏轉(zhuǎn)或衍射來調(diào)制光的替代系統(tǒng)中，角散射可以使光束重定向至成像路徑。通常，一種光調(diào)制所特有的缺點(diǎn)與另ー種光調(diào)制無關(guān)。然而，偏振效應(yīng)對很多光調(diào)制方法都有影響。例如，在高端的基于DLP的系統(tǒng)中使用偏振來實(shí)現(xiàn)3D或立體投影。適于使用Real-D (加利福尼亞州的貝弗利希爾斯市)技術(shù)的立體投影的DLP投影儀，使用偏振旋轉(zhuǎn)器來在由佩戴偏振辨識眼鏡的觀察者所感知的右眼圖像和左眼圖像的偏振狀態(tài)之間進(jìn)行切換。在基于DLP的系統(tǒng)中3D投影所需的偏振對比度相對適中Γ400:1)，但如果對比度太低則會出現(xiàn)假象。諸如可見光發(fā)射激光器等偏振光源也用于帶或不帶3D投影的圖像投影系統(tǒng)?？傊?，即使在光調(diào)制部件本身對偏振比較遲鈍的情形下，投影儀的偏振靈敏度相對于顏色或?qū)Ρ葌斡?artifact)，較之現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)有所増加。顏色組合器，以及用于分離和重組光譜分量并且對投影裝置內(nèi)的光進(jìn)行重定向和調(diào)整的其它類型的光學(xué)部件，通常依賴于多層薄膜光學(xué)涂層。常規(guī)涂層設(shè)計(jì)提供在所選波長上具有所需反射率或透射率水平的多種光譜濾波片。然而，常規(guī)多層涂層設(shè)計(jì)不能很均勻地響應(yīng)具有不同偏振狀態(tài)的光。例如，在常規(guī)反射型多層涂層的情形中，在入射角的整個(gè)范圍內(nèi)，相對于電場矢量平行于入射平面振動的P偏振光的反射率，電場矢量垂直于入射平面振動(S偏振)的光的反射率更高。P偏振光的反射率在特定層的布儒斯特角處達(dá)到最小。結(jié)果，S偏振光和P偏振光的振幅可能出現(xiàn)明顯分離，尤其在布儒斯特角附近的區(qū)域中。角度更小時(shí)，對于生成在軸線上的光(spanning on-axis light)、鏡面光、全域光或偏斜光，光效率隨偏振和角度而變化。作為另ー個(gè)示例，如果圓偏振光落在由薄膜涂層形成的常規(guī)、傾斜放置的偏轉(zhuǎn)鏡上，則反射之后光的P分量比光的s分量衰減得更多。在具有諸如MacNeille棱鏡或線柵偏振器等偏振分析器的偏振敏感投影儀中，這些光效率差異可能引入明顯的對比度或色差誤差。另ー方面，在缺少偏振分析器的名義上的偏振敏感系統(tǒng)中，來自這些偏振效率差異的圖像偽影可能大部分不被察覺。顏色組合器或其它類型的二色性濾波片也可能引入每ー個(gè)偏振的相位變化(Λ φ3和Λ Φρ)，以及各個(gè)偏振方向之間的相對相位差(Λ φ3ρ=Δ φ3-Δ Φρ)，從而意味著傳輸中的光根據(jù)偏振和角度而具有不同的旋轉(zhuǎn)量。結(jié)果，輸出的光的偏振狀態(tài)與輸入的偏振狀態(tài)不同。這些效果可以在使偏振光多次反射的光學(xué)系統(tǒng)中組合，從而甚至多個(gè)表面中的每ー個(gè)表面上的偏振光的輕微相移也可能具有相加效應(yīng)。當(dāng)光接著傳輸至下游光學(xué)系統(tǒng)吋，線偏振光可容易地變成圓或橢圓偏振，從而改變偏振響應(yīng)。例如，對于設(shè)計(jì)有最佳光譜效率性能的常規(guī)光束組合器，S偏振光與P偏振光之間的相位差△ cKp常常超過±20度或更多。在邊緣過渡附近常常能夠測到高達(dá)±100度或更大的相位差Λ φ3ρ。相比之下，為了維持偏振，在不損害圖像質(zhì)量或亮度同時(shí)達(dá)到相位性能的情形下，相位差Λ Φ3Ρ在O度或其附近或者至少不超過約±10度時(shí)將獲得最佳性能。其中薄膜表面不同地控制P偏振光和s偏振光，數(shù)字成像系統(tǒng)的有效對比度可能因漏光而有所折衷，相應(yīng)地吞吐量亦因此受到損害。在立體(3D)成像中使用左右眼圖像分離的偏振光的系統(tǒng)時(shí)，因偏振光的非均勻控制而引起的漏光可能導(dǎo)致串?dāng)_，從而降低立體觀看效果。已經(jīng)提出了多種方案來補(bǔ)償已知的涂層響應(yīng)s偏振光和P偏振光時(shí)的程度差異。例如，已經(jīng)提到，在圖像投影系統(tǒng)中使用多種補(bǔ)償部件，諸如四分之一波延遲器來校正薄膜 表面的消偏振。對于本來依靠偏振操作的投影或顯示系統(tǒng)，諸如基于IXD或LCOS (硅上液晶)的系統(tǒng)，問題更突出，因?yàn)椴黄谕钠癫町惡退a(chǎn)生的光漏可能直接引起圖像偽影。當(dāng)然，IXD以逐個(gè)像素(pixel-wise)的方式在時(shí)間和空間上調(diào)制偏振方向，這意味著圖像質(zhì)量取決于偏振精確度。偏振直接影響圖像對比度(對于數(shù)字電影，>2000:1)、對比度均勻性和顔色的對比度均勻性。提高LCD的偏振性能的偏振補(bǔ)償器的實(shí)例有很多，包括設(shè)計(jì)成豎直對齊的或向列的LCD的偏振補(bǔ)償器。這些補(bǔ)償器一般使用高分子膜，以提供以空間變化的方式構(gòu)造的角度變化雙折射，從而影響傳輸中光束在局部(即，在某些空間和角度區(qū)域內(nèi))上的偏振狀態(tài)，而不影響光束其它部分上的偏振狀態(tài)。雙折射是折射率的定向變化(An=ns-np=nx-ny)，其可以通過固有材料特性或通過形成雙折射次波長結(jié)構(gòu)來提供。延遲是以距離表示的相位變化Λ Φ，其中相位變化Λ Φ (X，t，λ ) =2 π t ( Λη/λ )。例如，π /2(或90° )相位變化Λ φ可以通過適當(dāng)定向的具有四分之一波λ/4延遲的補(bǔ)償器來提供，該延遲在550nm處為 138nm的延遲。作為ー個(gè)實(shí)例，Clerc等人的美國專利No. 4，701，028描述了設(shè)計(jì)成厚度受限的豎直對齊IXD的雙折射補(bǔ)償。Hirose等人的美國專利No. 5，298，199描述了，在具有交叉偏振層板的封裝中，使用雙軸膜補(bǔ)償器來校正LCD中的光學(xué)雙折射誤差，其中LCD暗態(tài)具有非零電壓(偏壓)。另外，Koch等人的美國專利No. 5，619，352描述了可與扭曲向列型IXD—起使用的補(bǔ)償裝置，其中補(bǔ)償器具有根據(jù)需要使用A板、C板和O板的組合的多層結(jié)構(gòu)。同樣，在該系統(tǒng)中，補(bǔ)償器還開發(fā)來単獨(dú)地或與IXD—起校正其它部件，諸如偏振光束分離器或分析器的偏振性能變化。例如，Schmidt等人的美國專利No. 5，576，854描述了構(gòu)造成用在投影裝置中的補(bǔ)償器，所述投影裝置使用具有常規(guī)MacNeille棱鏡式偏振光束分離器的し⑶。Schmidt補(bǔ)償器提供O. 27波長(λ ’ s)的補(bǔ)償，其中O. 25 λ ’ s補(bǔ)償MacNeille棱鏡，而O. 02 λ ’s的延遲(Α板)補(bǔ)償IXD的對電極基板中的熱感應(yīng)應(yīng)カ雙折射。在基于投影儀設(shè)計(jì)的ー些IXD中，顏色組合器或分離器的涂層位于IXD面板和偏振光束分離器之間。進(jìn)而，這意味著系統(tǒng)偏振性能與這些部件的設(shè)計(jì)和制造有夫。A. E. Rosenbluth 等人的“Correction of Contrast in Projection Systems By Meansof Phase-Controlled Prism Coatings and Band-Shifted Twist Compensators (通過相位控制棱鏡涂層和帶移扭曲補(bǔ)償器來校正投影系統(tǒng)的對比度)” (SPIE Proc, Vol. 3954,pp. 63-90, 2000)中給出了該問題的詳細(xì)分析。Rosenbluth等人描述了常規(guī)投影結(jié)構(gòu)，其中將“氧化鉛攝像管”或“飛利浦(Philips)”棱鏡用在雙通構(gòu)造中，以同時(shí)提供顔色分離和重組。所述投影儀使用扭曲向列型LC面板。DeLang的美國專利No. 3，202，039中所述的“氧化鉛攝像管”三棱鏡最初開發(fā)來分離電視攝影機(jī)中的光。Rosenbluth等人發(fā)現(xiàn)，傾斜的二色性元件通常偏振，原因在于它們在反射和透射時(shí)出現(xiàn)差分相移(Λ φΡ3=δ φρ-δ φ3)，這使傳輸中光束出現(xiàn)偏振混合或者復(fù)合角消偏振。具體而言，當(dāng)傾斜或偏斜的光橫穿顔色分離涂層(其往往較厚)吋，S分量與P分量的有效穿透厚度之間通常不同，從而使兩個(gè)偏振之間的涂層具有差分相位變化Λ φρ3θ Rosenbluth等人發(fā)現(xiàn)，傾斜的二色性涂層通常是帶邊緣處的強(qiáng)振幅偏振器，進(jìn)而，該二色性涂層因?qū)⑾嘁婆c強(qiáng)度性能聯(lián)系起來的色散積分而在整個(gè)帶上施加較強(qiáng)的差分相移。從而，當(dāng)s偏振和P、偏振以復(fù)合入射角傳輸過涂層時(shí)，它們具有不同的振幅和相位響應(yīng)。當(dāng)偏斜光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的傾斜分束涂層吋，出現(xiàn)最明顯的偏振串?dāng)_。Rosenbluth等人試圖通過設(shè)計(jì)棱鏡涂層以整體消除消偏振的旋轉(zhuǎn)分量而非通過將涂層設(shè)計(jì)成分別無相移，來防止三棱鏡組件的涂層的消偏振。當(dāng)色散積分將相位性能與光吞吐率聯(lián)系在一起時(shí)，較大相位變化將會對吞吐量產(chǎn)生上產(chǎn)生邊界效應(yīng)。Rosenbluth等人的設(shè)計(jì)采用飛利浦棱鏡的雙通幾何結(jié)構(gòu)。即，個(gè)別涂層沒有設(shè)計(jì)成無相移(零相位差，Δ ΦΡ3=0)，并且涂層也沒有設(shè)計(jì)成在單通中共同校正相位，而將涂層設(shè)計(jì)成在雙通中共同校正相位。最優(yōu)化沒有使最小化振幅消偏振效應(yīng)得到加強(qiáng)。從根本上說，Rosenbluth等人設(shè)計(jì)棱鏡涂層，以使偏斜光線經(jīng)歷橢圓偏振且不旋轉(zhuǎn)，同時(shí)經(jīng)過棱鏡組件的光的雙通對稱性有利地消除橢圓率。該對稱性和內(nèi)在消除只在s偏振和P偏振在二色性涂層中的強(qiáng)度損失基本上相等時(shí)才保持，從而在帶邊緣附近的校正存在缺陷。Rosenbluth等人提出了以下實(shí)例其中在利用或不利用對偏振光束分離器(PBS)或光閥消偏振效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)木酆夏ぱa(bǔ)償器的情形下，結(jié)合PBS來優(yōu)化涂層消偏振。除Rosenbluth以外，多層薄膜光學(xué)涂層的相位含義沒有被規(guī)定和設(shè)計(jì)光學(xué)薄膜涂層的人員所廣泛知曉，并且僅僅在文獻(xiàn)中簡短地用到或提到。然而，即使存在針對該問題的常規(guī)方法也很難獲得令人滿意的結(jié)果。由于消偏振可能使遠(yuǎn)程通信和其它數(shù)據(jù)信號處理光學(xué)系統(tǒng)中的信噪比(S/N)或?qū)Ρ榷冉档?，因此已?jīng)提出了多種用于補(bǔ)償偏振相移△ Φ的方案，其中薄膜表面用于窄帶光學(xué)信號。例如，Thelen的題為“Non-Polarizing Thin Film Edge Filter (無偏振薄膜邊緣濾波片)”的美國專利No. 4，373，782描述了，在上升或下降邊緣形成具有相同的s和P偏振性能的邊緣濾波片。這為單個(gè)、窄區(qū)頻率或波長提供偏振相消效應(yīng)，但不能補(bǔ)償超過該窄區(qū)的偏振影響。類似地，Ito 的題為 “OpticalMultilayer Thin Film and Beamsplitter(光學(xué)多層薄膜和光束分離器)”的美國專利No. 5，579，159描述了以下涂層設(shè)計(jì)方法，即實(shí)現(xiàn)在預(yù)定波長上彼此十分接近的s偏振光和P偏振光的反射。然而，Ito的方案將光束分離器與IR區(qū)中的單激光束一起使用，并且該方法也不容易擴(kuò)展至窄波長區(qū)以外。Van Der Wal 等人的題為 “Polarizing Beam Splitter and Magneto-OpticReading Device Using the Same (偏振光束分離器和使用該偏振光束分離器的磁光讀出裝置)”的美國專利No. 6，014，255描述了磁光讀出器，該讀出器最優(yōu)化成引導(dǎo)單個(gè)窄IR波長上的光，其中通過在設(shè)計(jì)多層薄膜時(shí)加厚頂層和底層來減小相位差Λ φ。再者，該方法沒有解決使偏振補(bǔ)償可應(yīng)用于顏色組合光學(xué)系統(tǒng)的重要問題。隨著激光器和其它窄帶光源的廣泛使用，最先為更廣寬帶照明所開發(fā)的、針對將調(diào)制光束組合的問題的一些常規(guī)方案和方法并不令人滿意。為使用弧光燈和其它寬帶源的成像應(yīng)用所設(shè)計(jì)的濾光片一般設(shè)計(jì)成使光譜效率最優(yōu)化，使帶寬最大化，并且抑制IR或UV光。這些部件不僅僅設(shè)計(jì)成，在如激光和其它固態(tài)光源的窄波長帶上提供所需的性能，并且通常在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮偏振相位響應(yīng)。對多層薄膜光學(xué)涂層處理偏振的方式產(chǎn)生影響的減小相位差的常規(guī)方法，可以對遠(yuǎn)程通信的窄區(qū)光學(xué)信號起到很好的作用。然而，這些常規(guī)方案缺少在圖像投影中補(bǔ)償ニ 色性表面的相移和偏振移動效應(yīng)所需的要素。從而，需要改進(jìn)用于補(bǔ)償相位差的多層薄膜光學(xué)涂層的設(shè)計(jì)方法，以提供使特定偏振響應(yīng)減小的涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，對組合或分離具有不同波長的激光的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。出于該目的，本發(fā)明提供了用于將多個(gè)光束組合在光路上的光束組合器，其包括第一二色性元件，其具有二色性涂層，所述二色性涂層設(shè)置成沿所述光路透射第一波長帶上的光并且將第二波長帶上的光反射在所述光路上，并且所述第一二色性元件使傳輸中的光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生相位差；第二二色性元件，其具有二色性涂層，所述二色性涂層設(shè)置成沿所述光路透射所述第一和第二波長帶上的光并且將第三波長帶上的光反射在所述光路上，并且累積傳輸中的光的偏振狀態(tài)的額外相位差；以及其中所述第一或第二二色性元件的表面還包括相位差補(bǔ)償多層薄膜堆，該相位差補(bǔ)償多層薄膜堆提供位于入射在所述表面上的光的第一、第二和第三波長帶中的任ー個(gè)波長帶之外的至少ー個(gè)正或負(fù)反射邊緣過渡，并且對所述第一、第二和第三波長帶中的至少一個(gè)波長帶上的累計(jì)相位差進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明的特征在于，在未使用的光譜部分上増加反射特征，以進(jìn)行相位補(bǔ)償。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，在不犧牲亮度或其它成像性能特征的情形下對組合偏振光進(jìn)行相位差補(bǔ)償。參考附圖閱讀以下優(yōu)選實(shí)施例和所附權(quán)利要求書的詳細(xì)描述，將更清楚地理解和掌握本發(fā)明的這些及其它方面、目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖I是示出成像裝置的常規(guī)光束組合器涂層的行為的框圖；圖2Α是示出典型的反射多層薄膜濾波片的相位差關(guān)系的ー組曲線圖；圖2Β示出了本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理；圖3是示出由圖I實(shí)施例的光束組合器涂層所提供的相位補(bǔ)償?shù)目驁D；圖4是示出替代實(shí)施例中成像裝置的光束組合器涂層的行為的框圖5是示出由圖4實(shí)施例的光束組合器涂層所提供的相位補(bǔ)償?shù)目驁D；圖6是不出偏振光分量相對于入射偏振平面的方向的透視圖；圖7是示出顏色組合器表面的入射偏振平面垂直布置時(shí)的成像裝置的示意圖；圖8示出了圖7實(shí)施例在相位補(bǔ)償之前的表面反射率、透射時(shí)相位差和反射時(shí)相位差的ー組曲線圖；圖9示出了圖8的未校正實(shí)施例的每ー個(gè)顏色通道的總相位差；
圖10示出了在一個(gè)實(shí)施例中圖7實(shí)施例在相位補(bǔ)償之后的表面反射率、透射時(shí)的相位差和反射時(shí)的相位差的ー組曲線圖；圖11示出了圖10的已校正實(shí)施例的每ー個(gè)顏色通道的總相位差；圖12A、12B和圖12C是示出通過增加層數(shù)來増加相位差的方法的結(jié)果的曲線圖；圖13A、13B和圖13C是示出通過折射率比來增加相位差的方法的結(jié)果的曲線圖；圖14A和圖14B是示出通過增加入射光的角來增加相位差的方法的結(jié)果的曲線圖；圖15A和圖15B是示出通過相對于傳播介質(zhì)減小用于形成交替薄膜層的折射率來増加相位差的方法的結(jié)果的曲線圖；圖16是示出在一個(gè)實(shí)施例中用于設(shè)計(jì)光束組合器涂層的一系列步驟的邏輯流程圖；圖17A、圖17B和圖17C給出了表示在二色性表面具有相同的入射平面的實(shí)施例中多層薄膜表面的布置的表；圖18A、圖18B和圖18C給出了表示在二色性表面具有垂直的入射偏振平面的實(shí)施例中多層薄膜表面的布置的表；圖19是示出在一個(gè)實(shí)施例中與采用飛利浦棱鏡的成像裝置一起使用的顏色組合器的示意框圖；圖20是示出在另ー個(gè)實(shí)施例中與采用飛利浦棱鏡的成像裝置一起使用的顏色組合器的示意框圖；以及圖21是示出在一個(gè)實(shí)施例中與采用X棱鏡的成像裝置一起使用的顏色組合器的示意框圖。文中示出并描述的附圖是為了說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的操作原理和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而不必按實(shí)際尺寸或大小進(jìn)行繪制。在很多情形下，使用理想曲線圖來描述濾光片行為的基本原理。
具體實(shí)施例方式以下描述中，術(shù)語“顏色”、“波長”、“波長范圍”和“波長帶”交替使用。因紅色、綠色和藍(lán)色應(yīng)用于彩色投影和其它彩色成像應(yīng)用中，因此以紅色、緑色和藍(lán)色顏色路徑為實(shí)例進(jìn)行描述。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明的方法和裝置可以更廣泛地應(yīng)用于不同的波長帶，并且可以包括用于將不同波長的光組合或分離的光束組合裝置或光束分離裝置，所述不同波長的光可以包括落在可見光譜以外的光。參考圖1，其示出了現(xiàn)有技術(shù)中具有光束組合器40的成像裝置100的示意圖，其中光束組合器40使用兩個(gè)多層薄膜板二色性元件43和44。每ー個(gè)二色性元件43和44還分別具有相應(yīng)的抗反射(AR)表面43a和44a，以及分別采用適當(dāng)二色性涂層的濾波片表面43b和44b。下面，對圖I的系統(tǒng)在具備和不具備本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)的情形下的變形進(jìn)行論述。如此處所示，每ー個(gè)二色性元件包括在兩側(cè)光學(xué)表面上(而不是在邊緣表面上)均具有多層光學(xué)涂層的小玻璃片或小玻璃板。如光學(xué)領(lǐng)域所熟知的二色性光學(xué)涂層，根據(jù)波長而選擇性地折射光或透射光。對于穿過所設(shè)計(jì)的通帶的偏振光，二色性光學(xué)涂層一般具有雖不完全相同但卻相似的效率響應(yīng)(反射率或透射率)，而且“s”和“p”偏振狀態(tài)下的效率響應(yīng)在通帶邊緣過渡處一般較劇烈變化。如下文所述，鑒于二色性涂層對入射光的偏振狀態(tài)的影響，相位響應(yīng)在邊緣過渡處也發(fā)生變化。 術(shù)語“邊緣過渡”、“負(fù)反射邊緣過渡”和“正反射邊緣過渡”具有如光學(xué)涂層領(lǐng)域中的技術(shù)人員所理解的常規(guī)含義。特意利用光學(xué)涂層領(lǐng)域中所使用的多層薄膜涂層及以下設(shè)計(jì)原理來形成邊緣過渡。邊緣過渡出現(xiàn)在不大于約25nm至30nm的窄帶寬內(nèi)。例如，邊緣過渡可以通過形成陷波濾波片、低波長通過(LWP)濾波片(a low-wave length pass (LffP)filter)或高波長通過(HWP)濾波片(ahigh-wavelength pass (HWP) filter)來產(chǎn)生。反射濾波片的邊緣過渡對本發(fā)明尤其有益，在以下描述中這些邊緣過渡特意設(shè)計(jì)并且用來對光組合裝置提供進(jìn)行相位差補(bǔ)償。 術(shù)語“反射”具有在光學(xué)涂層背景中的常規(guī)意思。多層涂層可以說是反射以下波長帶，即整個(gè)帶上至少約80%的光被反射。術(shù)語“抗反射涂層”或“AR涂層”具有本公開背景中常規(guī)的意思，其一般意味著該涂層改變空氣-玻璃界面以便在某ー抗反射波長帶上具有大于約95%的透射率?？梢岳肁R涂層特性來提供相位補(bǔ)償?shù)膶?shí)施例在由這些涂層所提供的所需抗反射波長帶之外的波長范圍上提供相位補(bǔ)償。例如，對于成像裝置，使用AR涂層來防止可見區(qū)的反射。僅在可見波長帶之外，諸如紫外UV或紅外IR波長帶出現(xiàn)的反射特性改變，不會影響與AR涂層在投影儀或其它成像裝置中的基本功能有關(guān)的AR涂層的性能。文中使用的術(shù)語“第一”、“第二”等，不一定表示任何順序或優(yōu)先關(guān)系，而可以僅僅用來將ー個(gè)元件與另ー個(gè)元件更清楚地區(qū)分開。在本發(fā)明背景下，藍(lán)光、綠光和紅光具有如電子成像和投影領(lǐng)域中的技術(shù)人員所理解的常規(guī)的意思和波長范圍。在一個(gè)實(shí)施例中這些顏色的典型值一般在以下近似范圍內(nèi)紅光λ^θβΤηπι，并且其范圍一般為620nm至660nm ;綠光λ ^532·!，并且其范圍一般為520nm至560nm ;藍(lán)光λ Q=465nm，并且其范圍一般為440nm至480nm。通常，所選光源具有落在這些范圍內(nèi)的發(fā)射光譜帶寬Λ λ，即使單個(gè)光源的帶寬Λ λ可能更小。例如，單個(gè)綠色激光器可具有光譜帶寬△ λ、. lnm-2.0nm，并且多個(gè)該綠色激光器的陣列可具有光譜帶寬 Δ λ 2nm_7nm。在本申請的附圖和說明書中，符號Λ φ用于表示相位變化，包括差分相位變化，其中Φ表示相位。文中使用的下標(biāo)“t”表示“透射”。例如，Λ 表示出現(xiàn)在透射中的相位變化。類似地，文中所使用的下標(biāo)“r”表示“反射”。如以上給出的背景部分所述，s偏振光和P偏振光在入射到多層薄膜上時(shí)不同地相互影響，這會在入射偏振光的這些分量中產(chǎn)生一些多余的相對相位差(Δ φ sp)量。參考圖6，入射光82以一定角度入射在光學(xué)元件80上，所述光學(xué)元件80 —般包括小平板玻璃片。入射光82可以具有s偏振光(垂直于入射平面84振動)、P偏振光(在入射平面84內(nèi)振動)，或其兩者(示出了具有兩者的情況)。盡管入射光82可以根據(jù)光學(xué)元件80的性質(zhì)在光學(xué)兀件80上透射、反射或透射并反射,但圖中僅不出了反射光86。任一個(gè)偏振方向的光可能在光學(xué)元件80上發(fā)生相位變化△ Φ，并且兩個(gè)偏振可能出現(xiàn)相同的相位變化Λ Φ或者沒有相位變化(Δ Φ=0),從而不存在差分相位變化(Δ Φ3ρ=Δ φ3-Δ φρ=0)。作為另ー個(gè)實(shí)例，實(shí)際上，如果差分相位變化在相位上變化180° (JI)或者180°的數(shù)倍，以使Δ Φ3ρ=Δ Φβ-Δ Φρ=180° ,則在反射時(shí)也不會出現(xiàn)差分相位變化。在這些情形下,維持初始偏振關(guān)系。光學(xué)元件80還可以產(chǎn)生s偏振光和P偏振光的與反射率、透射率和反射相位或透射相位有關(guān)的差分響應(yīng)。例如，如果s偏振光發(fā)生相位變化(Λ φ3)，而P偏振光發(fā)生不同的相位變化(Λ Φρ)，所得到的s偏振光的相位<^為ー個(gè)值，并且P偏振光的相位Φρ為另ー個(gè)值，進(jìn)而產(chǎn)生非零相位差(δ φβρ=δ φβ-δ φρ尹O)。相位差可以用δ φβρ=δ φβ-δ φρ或Δ (J)ps= Δ ΦΡ-Δ Φ,進(jìn)行計(jì)算,而具體選擇可取決于幾何結(jié)構(gòu)。文中使用的相位變化項(xiàng)Δ Φ 一般表示相位變化而非具體偏振變化(Λ φρ、Δ Φ3)，或者一般表示相位差而不涉及幾何結(jié)構(gòu)(λφ3Ρ、δ φΡ3)0關(guān)于組合器設(shè)計(jì)，其目標(biāo)是將每ー個(gè)組合器元件単獨(dú)地或組合器元件合計(jì)地在透射或反射(視情況而定)時(shí)的差分相位變化減小至接近零(δ φ=0)。例如，在 Silverstein 等人的題為“Laser Illuminated Micro-Mirror Projector (激光器照明微鏡投影儀)”的共同轉(zhuǎn)讓的共同未決的美國專利申請序列號12/171，916中，組合元件設(shè)計(jì)成通過定位邊緣過渡分別將差分相位變化△ Φ減小至接近零，并且邊緣過渡的相關(guān)相位曲線盡可能遠(yuǎn)離關(guān)注波長(λ J。對于綠色顔色通道，這可能意味著設(shè)法將邊緣過渡等距地放置在所關(guān)注的緑色波長與藍(lán)色波長之間，或所關(guān)注的緑色波長與紅色波長之間。盡管該方法可以實(shí)施，尤其對于具有窄光譜帶寬Λ λ的顔色通道，但殘余相位差Λ φ可能仍較顯著，并且較小的涂層變化就可能引起較大的相移或相位變化，從而引起較顯著的相位差而背離設(shè)計(jì)目的。另ー方面，如著名的菲涅耳方程所述，兩個(gè)偏振可能具有不同或類似的反射效率(Rp或Rs)或透射效率(Tp或Ts)。然而，當(dāng)然希望提供相似的效率(Tp'和R;RS)，由此在成像系統(tǒng)中常常可以使用其它機(jī)制或方法來補(bǔ)償出現(xiàn)在二色性組合器表面上的適度光等級變化。作為另ー背景，光傳播可以用具有等式(I)的著名波動方程來描述，等式(I)描述了在時(shí)間t內(nèi)行進(jìn)過X距離的平面偏振波Ψ (X，t)，其中A(x，t)是振幅函數(shù)，而Φ (X，t)是擾動相位Ψ(χ, t) = A(x, t)ei$(x>t) (I)其中X是沿光路的距離，并且t是時(shí)間。相位等式可以寫成各種方式，并且包括由ε給出的初始相位，ε是可以在之后出于當(dāng)前目的而忽略的值φ (X, t) = ω t-kx+ ε 或 φ (χ, t) = ω t_kx = ω (t~x/v) (2)其中ω是相位隨時(shí)間的變化率，k是相位隨距離的變化率，并且V是速度。值ω還被稱為角頻率，其中ω=2 Ji / V，并且值k還被稱為傳播數(shù),其中k=2 /λ。光頻率ν和波長λ通過光速聯(lián)系起來，c=X/v。在自由空間中光的波長λ通常用微米(μπι)或納米(nm)表示。當(dāng)光進(jìn)入并且穿過材料時(shí)，根據(jù)入射角的范圍、入射光相對于介質(zhì)的偏振方向、折射率η和材料厚度，反射率和相位變化△ Φ可能不同。模擬表面反射或透射的菲涅耳等式影響等式(I)中的振幅項(xiàng)。材料或介質(zhì)中的折射率大致是真空中的光速c與介質(zhì)中的速度ν之比(n=c/v)。將折射率代入等式(2)，得到折射率形式的相位Φ (x, t) = ω -(2πη/λ)χ (3)即使在折射率恒定的各項(xiàng)同性材料中，當(dāng)材料中的光路長度(t/n)從ー個(gè)角度變化為另ー個(gè)角度時(shí)，在光束傳播角不同時(shí)可能出現(xiàn)差分相位變化△ Φ。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的情形下，諸如具有多層材料的薄膜涂層，光束傳播角不同時(shí)可能出現(xiàn)差分反射率和差分相位變化。從而，對于光線角的每一度(偏斜或其他)，由于涂層在照射下產(chǎn)生的差分旋轉(zhuǎn)分量和橢圓率，因此傾斜的二色性元件通常引起偏振。從而，根據(jù)入射 光的角度和偏振狀態(tài)可能出現(xiàn)差分相位變化 Δ φ , ( Δ φ = Δ Φ3Ρ=Δ φβ-δ φρ)或(Δ φ = Δ (J)ps= δ Φρ-Δ φ3)。盡管存在利用ー個(gè)或多個(gè)薄膜材料的特性或設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來減小相位變化量△ Φ的方法，諸如通過偏振匹配邊緣過渡或帶通反射來減小相位變化量Λ φ，但該改變通常不足以補(bǔ)償相位差大小?？梢园l(fā)現(xiàn)，存在為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的且能夠用于調(diào)整并優(yōu)化多膜涂層設(shè)計(jì)以使相移最小化的其它已知技木。例如，可以通過相對于所使用的光的波長犧牲指定濾色片特征中的效率和呑吐量來達(dá)到ー些量的折衷。然而，除了稍微窄的調(diào)整容限以外，實(shí)際上，對光學(xué)設(shè)計(jì)者而言，使用常規(guī)方法可能對提高光學(xué)涂層性能和減小相移差異沒有多大現(xiàn)實(shí)意義。如以上背景部分所述，通常常規(guī)光束組合器不能解決入射光的偏振分量的相位差Δ Φ問題，并且常常出現(xiàn)相位差大大超過±20度的情形。本發(fā)明的裝置和方法提供改善光束組合器在這方面的性能并且將相位差減小至±10度或更小的優(yōu)選范圍內(nèi)的方法。參考圖1，在該圖中用方塊圖形式表示的顔色通道12r、12g和12b分別提供紅色、緑色和藍(lán)色調(diào)制光，以便在光束組合器40上組合并且被引向投影透鏡28以投影在顯示表面30上。再者，光束組合器40包括兩個(gè)多層薄膜板二色性元件43和44，該二色性元件43和44具有基于波長選擇性地反射和透射光的二色性光學(xué)涂層。各個(gè)通道中的調(diào)制光可以通過使用數(shù)字微鏡陣列(諸如DLP裝置)的SLM (未示出)來調(diào)制。可以通過SLM或在光學(xué)上位于空間光調(diào)制器的上游的偏振切換裝置對偏振光進(jìn)行時(shí)間或空間上的調(diào)制。與使用氧化鉛攝像管棱鏡在雙通道中分離ー個(gè)方向上光并且組合另ー個(gè)方向上的顔色光束的常規(guī)系統(tǒng)相比，二色性元件43和44用于在單個(gè)通道中組合光。即，如圖I所示，光分別在各自的顏色通道(12r、12g和12b)中行經(jīng)光路(未示出)，在光束組合器40將光束組合在一起之前所述光路不會傳輸過光束組合器40。紅色、緑色和藍(lán)色光路在圖I中表示為在空間上稍微偏離，以助于示出二色性元件43和44的基本透射和反射功能。實(shí)際上，這些光路在同一輸出軸線上是重疊的。紅色、綠色和藍(lán)色顏色通道(12r、12g和12b)均包括光源,該光源優(yōu)選為激光器,但可以使用其它窄帶光源，包括發(fā)光二極管(LED)或超輻射發(fā)光二極管(SLED)。顏色通道12g、12b和12r均發(fā)出偏振光，或通過偏振光預(yù)偏器(pre-polarizer)(未不出)使光偏振，或者兼具二者。在光路上，第二二色性元件44的下游設(shè)置有偏振分析器32或可選的偏振光束分離器，以便例如實(shí)現(xiàn)立體圖像投影。顯示表面30為通常放置屏幕并且使觀眾能夠觀看被投影圖像的目標(biāo)表面。圖I還示出了二色性元件43和44的每ー個(gè)濾波片表面43b和44b的透射(T)、反射(R)、以及s偏振光與P偏振光之間的相位差Λ Φ3Ρ的典型濾波片曲線圖。左方由虛線方框46L包圍的部分是二色性元件43的濾波片表面43b的反射濾波片曲線圖53r和透射濾波片曲線圖53t。相位差曲線圖53Φ示出了二色性元件43的高波長通過(HWP)邊緣濾波片的相位差△ Φ3Ρ。二色性元件43的(HWP)邊緣濾波片使傳輸中的綠光和藍(lán)光具有明顯相位差Λφ3ρ。類似地，右方由虛線方框46R包圍的部分為二色性元件44的濾波片表面44b的反射濾波片曲線圖54ι■和透射濾波片曲線圖54t。相位差曲線圖54Φ示出了二色性元件44的陷波濾波片的相位差Λ φ3ρ0累計(jì)相位變化曲線圖56Φ則示出了通過對相位差曲線圖53Φ和54Φ求和所計(jì)算得到的累計(jì)相位差Λ φ3ρ的和。此處，緑色和紅色波長帶中的光的累計(jì)相位差Λ Φ3Ρ的大小超過20度，并且可以多達(dá)100度或更大。該相位特性是很多標(biāo)準(zhǔn)濾波片設(shè)計(jì)的典型。如前所述，Rosenbluth等人發(fā)現(xiàn)，傾斜的二色性涂層通常是帶通邊緣處的強(qiáng)振幅 偏振器。這進(jìn)而表明，由于聯(lián)系相移與強(qiáng)度性能的色散積分在整個(gè)帶上將出現(xiàn)很大的差分相移。從而，當(dāng)S偏振和P偏振分量以復(fù)合入射角傳輸過涂層吋，S偏振和P偏振出現(xiàn)不同的振幅和相位響應(yīng)。關(guān)于該行為，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，在相移和二色性涂層的濾波片帶邊緣(或反射邊緣過渡)之間存在特別的關(guān)系。具體而言，如圖2Α所示，相位差曲線50所特有的正或負(fù)相位變化差Λ φ3ρ與反射堆的正或負(fù)邊緣過渡42Ε對應(yīng)。圖2Α的左上方示出了通帶從 470nm延伸至 690nm并且阻帶在470nm以下且690nm以上的陷波濾波片的示范反射濾波片曲線組(s和P偏振反射曲線42)。該實(shí)例下方示出了該濾波片在相同的波長范圍上所出現(xiàn)的相位差(δ φβρ=δ φβ-δ φρ)響應(yīng)的對應(yīng)示圖。右方示意圖概括了反射帶邊緣的相位差的基本行為。相位差變化曲線50具有與反射曲線42的上升帶邊緣或正邊緣過渡42Ε對應(yīng)的正相位差Λ φ3ρ。負(fù)相位差Λ Φ3Ρ與反射曲線42的下降帶邊緣，即反射曲線的負(fù)邊緣過渡42Ε對應(yīng)。注意，傾斜的二色性濾波片在反射時(shí)的負(fù)邊緣過渡42Ε表現(xiàn)為該濾波片在透射時(shí)的正邊緣過渡42Ε。在各個(gè)過渡處出現(xiàn)相對明顯響應(yīng)之后，接著，相位差Λ φ3ρ在更長的波長上朝向零向回漂移。應(yīng)注意，相位差隨波長顯著變化，Δ φ (A)0考慮左方的非対稱相位差曲線50，發(fā)現(xiàn)，在每ー個(gè)帶邊緣處相位差峰值的絕對值超過80度(I Δ φ3ρ| = | Δ φ3-Δ Φρ|>80° )，同時(shí)邊緣過渡附近具有較大相位差(I Λ φ3ρ| = | Δ φ3-Δ Φρ|>20° )，所述邊緣過渡朝向通帶中心延伸 40nm并且向相鄰的低反射阻帶延伸"IOOnm從而變成相位曲線的相位尾部51。還應(yīng)注意，與更長波長上的情形相比，阻帶內(nèi)的相位尾部51在更短波長區(qū)趨于更短，或者被壓縮。在圖2A的示例性陷波濾波片的情形中，還應(yīng)注意，在470nm至690nm的名義通帶之外的反射曲線42上存在明顯的波動。對應(yīng)相位差曲線50表現(xiàn)為，在對應(yīng)波長上相位尾部51具有ー些小波動。在陷波或邊緣濾波片設(shè)計(jì)成沒有明顯的阻帶反射波動的情形下，在邊緣過渡周圍仍觀察到明顯的相位變化(在大小和范圍上)，但此處沒有小波動影響。該行為將出現(xiàn)在隨后的設(shè)計(jì)實(shí)例中。考慮到圖2A以及擴(kuò)展的圖2B所示的行為，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，正和負(fù)相位差Λ φ特性曲線之間的相互影響可以用來減小多層薄膜涂覆表面的相位差。從而，例如，具有第一光譜帶通(或通帶42Ρ)的第一二色性元件41表現(xiàn)出圖2Β中所示的與具有相位尾部51的相位差曲線50有關(guān)的大體行為。如果在波長方面足夠接近第一光譜帶處沿光路設(shè)置第二相位補(bǔ)償二色性元件52的邊緣過渡42E，其中第二相位補(bǔ)償二色性元件52具有相位補(bǔ)償光譜帶通和相關(guān)相位差曲線50c，與相鄰邊緣過渡42E有關(guān)的特性相位響應(yīng)可以有利的方式相互影響。如圖2B所示，在目標(biāo)波長(Xci)附近，相位補(bǔ)償二色性元件52的相位差曲線50c的相位尾部51c與第一二色性元件41的相位差曲線50的相位尾部51相互影響，以提供減小的組合相位差。即使兩個(gè)帶通被具有一定寬度Λ λ ^fsrtl的中間阻帶42R光譜分離時(shí)，也可能出現(xiàn)這種情形。例如，第一二色性元件41和相位補(bǔ)償二色性元件52的通帶42Ρ可以具有較高反射率(Rp、Rs>90%)而中間阻帶42R具有較低反射率(Rp、Rs〈5%)。如果在兩個(gè)邊緣過渡λ edgel與λ edge2之間的中間阻帶42R足夠窄(Λ λ offsetl<50nm至lOOnm)，則在期望的波長跨度(Λ λ。 -2)上存在明顯的相位差補(bǔ)償?shù)臈l件下，最近的下降邊緣的負(fù)相位差曲線與最近的上升邊緣的正相位差曲線可以在預(yù)定光譜帶上相互影響或組合，以減小關(guān)注波長(λ (!土 Δ λ/2)上的光所具有的相位差Δ φ sp0根據(jù)目標(biāo)波長(λ J與邊緣過渡的接近程度，兩個(gè)距離Λ λ ^fsrtl和Λ λ可以幾乎相同或明顯不同。該概念的應(yīng)用在以下設(shè)計(jì)實(shí)例中將變得更加清晰。本發(fā)明的裝置和方法應(yīng)用圖2Β所提到的設(shè)計(jì)方式。即，利用相位變化與反射濾波 片的帶邊緣的關(guān)系通過設(shè)置相位差補(bǔ)償多層薄膜堆來補(bǔ)償相位差△ Φ，并且對特定目標(biāo)波長上在不同偏振狀態(tài)下的光提供更均勻的響應(yīng)。具體而言，設(shè)置為具有附加多層薄膜堆的相位補(bǔ)償濾波片的相位補(bǔ)償二色性元件52在包含形成有相位補(bǔ)償二色性元件52的表面上所出現(xiàn)的關(guān)注波長的光譜帶寬以外的波長上提供光譜帶通和邊緣過渡42Ε。有效地，與相位補(bǔ)償二色性元件52有關(guān)的相位差曲線50c的相位尾部51c必須延伸地足夠長(Λ λ offset)并且具有恰當(dāng)?shù)姆?+或_)和大小，以提供補(bǔ)償二色性濾波片的第一二色性元件41的相位影響的相位差△ Φ。如以下所述，相位補(bǔ)償二色性元件52可以設(shè)置在二色性元件的表面上，或者在具有AR涂層的表面上，或者在某個(gè)其它光學(xué)元件上。第一二色性元件41和相位補(bǔ)償二色性元件52均可以為陷波濾波片,或者通過邊緣濾波片(pass edge filters),并且下文中將給出兩者的實(shí)例。本發(fā)明的實(shí)施例采用該響應(yīng)于反射帶邊緣行為的相位變化作為對一般光譜濾波片(具體為光束組合器)的偏振產(chǎn)生影響的相移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理。再次參考圖I的常規(guī)布置，例如，可以利用恰當(dāng)構(gòu)造的薄膜結(jié)構(gòu)來減小相位差曲線圖56Φ中所示的累計(jì)相位差，這不會損害圖像質(zhì)量，所述薄膜結(jié)構(gòu)影響相位差Λ φ3ρ0參考圖3，示出了一個(gè)實(shí)施例的相位差補(bǔ)償方法。在該構(gòu)造中，用具有相位補(bǔ)償特征的二色性元件45替代圖I的二色性元件44。二色性元件43具有抗反射表面45a和濾波片表面45b。在圖3左側(cè)的方框47L中，二色性元件43的高波長(紅光)通過(HWP)邊緣濾波片的反射濾波片曲線圖53r、透射濾波片曲線圖53t和相位差曲線圖53 Φ與圖I相同。為了補(bǔ)償紅色波長中預(yù)定光譜帶通上的負(fù)相位變化，通過增加加至二色性元件45的濾波片表面45b的相位補(bǔ)償光譜帶通60 (圖3中的圓圈內(nèi))來提供第二附加光譜帶通或反射帯。在本實(shí)例中，相位補(bǔ)償光譜帶通60是特定類型的相位補(bǔ)償二色性元件(52)，并且與紅外(IR)光譜帶通陷波濾波片對應(yīng)，該紅外(IR)光譜帶通陷波濾波片通過將ー堆層增加至濾波片表面45b上的多層薄膜堆來形成，其中該堆反射在可見區(qū)之外的更長波長的光。在圖3右側(cè)的方框47R中，反射濾波片曲線圖55r、透射濾波片曲線圖55t和相位差曲線圖55 Φ示出了在將相位補(bǔ)償光譜帶通60増加至由圖I的方框46L中的曲線圖表征的濾波片形式時(shí)濾波片的特性。相位差曲線圖55Φ示出了濾波片表面45b上該薄膜濾波片形式的變形即將IR相位補(bǔ)償光譜帶通60増加至濾波片表面45b的多層薄膜堆時(shí)的效果。此處IR相位補(bǔ)償光譜帶通60為預(yù)定(紅光)光譜通帶中的光提供相位差Λ Φ3Ρ減小或補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，從而提高紅光區(qū)上的相位響應(yīng)。即使顏色通道12r、12g和12b沒有提供IR光來與相位補(bǔ)償光譜帶通60相互影響時(shí)，這仍出現(xiàn)。所獲得的補(bǔ)償累計(jì)相位變化作為相位差曲線圖57Φ示出在圖3的底部。相比之下，初始累計(jì)相位差Λ Φ3Ρ與圖I相同，并且示出為虛線表示的相位差曲線圖56 Φ，圖中示出了増加的相位補(bǔ)償光譜帶通60的反射帶所提供的改善，尤其在紅光波長?？梢赃M(jìn)行很多觀察(i)利用圖I中的光束組合器40的二色性元件的布置，作為選擇，可以在抗反射表面44a、43a或?yàn)V波片表面43b上増加補(bǔ)償光譜帶通60。即，相位差補(bǔ)償多層薄膜堆的補(bǔ)償 濾波片結(jié)構(gòu)可以形成在引導(dǎo)紅光穿過光束組合器40的任何表面上。盡管違反直覺，但這甚至包括形成具有抗反射(AR)涂層形式的反射陷波濾波片。下文給出的實(shí)例I示出了該方法(如下文的實(shí)例所示，根據(jù)所提供的波長補(bǔ)償，具有其它光束組合器構(gòu)造的表面選擇的靈活性可以如或不必如該情形)。(ii)在相位補(bǔ)償二色性元件52為陷波濾波片的情形下，提供兩個(gè)邊緣過渡。然而，一般僅僅涉及ー個(gè)邊緣過渡。圖3中，作為實(shí)例，陷波濾波片設(shè)置有上升(紅光)邊緣和后緣或下降邊緣。設(shè)置有相位補(bǔ)償光譜帶通60的反射帶的后緣進(jìn)一歩延伸到IR區(qū)，進(jìn)而所產(chǎn)生的任何相移對可見區(qū)的投影應(yīng)用都無意義。(iii)相位補(bǔ)償濾波片的諧波也可以用于相位補(bǔ)償。除非采取特定步驟進(jìn)行抑制，否則常規(guī)薄膜濾波片通常產(chǎn)生λ/3的諧波。在圖3的實(shí)例中，對于由陷波濾波片型相位補(bǔ)償光譜帶通60所提供的可能在720至1050nm區(qū)域中的反射帶,相應(yīng)λ/3諧波將在大約240至350nm區(qū)域中，或者在UV區(qū)域內(nèi)。如此，陷波濾波片諧波可能在UV或低藍(lán)區(qū)中提供所需的下降帶邊緣過渡，其中相位尾部51將提供可有助于補(bǔ)償藍(lán)光波長上的累計(jì)正相位變化的負(fù)相位差。(iv)雖然圖3的實(shí)例中反射帶示出為陷波濾波片，但作為選擇也可以使用IR中的低波長通過(LWP)濾波片。要求由邊緣過渡在正方向上產(chǎn)生的相移影響必須足夠接近(恰當(dāng)?shù)摹?λ。 -2)紅光波長，以便產(chǎn)生正相位差。為了起到補(bǔ)償功能，相位差補(bǔ)償多層薄膜堆使補(bǔ)償邊緣過渡以Λ λ ^fsrtlぐIOOnm偏離第一、第二或第三波長帶。換句話說，提供相位補(bǔ)償?shù)姆瓷溥吘夁^渡位于沿輸出光路的某個(gè)表面上，并且邊緣過渡自身在位于入射在該表面上的光的波長帶之外的波長Xedge上。補(bǔ)償邊緣過渡在欲施加影響的且小于 IOOnm的帶內(nèi)(恰當(dāng)?shù)摩?λ offset2)0在更短波長區(qū)，希望距離更小，因?yàn)橄辔晃膊?1通常在大小或范圍上被壓縮；但當(dāng)波長增加時(shí)，多達(dá)約IOOnm的更長距離可以獲得滿意的性能。注意，通常涂層行為相對于波長在數(shù)學(xué)上不對稱或者不一致。從而，光譜距離Λ λ offsetl或Λ λ offset2根據(jù)光源或顏色通道相對于邊緣過渡的光譜位置λ ^和寬度Λ λ、以及所需的相位補(bǔ)償大小來指定。例如，具有紅色附近的IR邊緣過渡的相位補(bǔ)償二色性元件52可以設(shè)計(jì)成,邊緣過渡在680nm至740nm的光譜范圍中以使相位在飛35nm的紅色區(qū)中。然而，具有紅色邊緣過渡的相位補(bǔ)償二色性元件52可以設(shè)計(jì)成，邊緣過渡在580nm至650nm的光譜范圍中，以使相位在 635nm的綠色區(qū)中?；旧希庾V偏移避免使用相位曲線中出現(xiàn)在邊緣過渡(λ edge)附近的劇烈擺動，而使用相位尾部51(反號)來對給定的源光譜進(jìn)行補(bǔ)償(如參考圖2B的描述)。從而，如圖3的實(shí)例示出，本發(fā)明的方法對薄膜濾波片設(shè)計(jì)的常規(guī)方法進(jìn)行了變化，在未使用的波長區(qū)域中，諸如在可見區(qū)之外的IR或UV區(qū)域中增加正或負(fù)反射帶過渡。在該實(shí)例中，設(shè)置為具有相位補(bǔ)償光譜帶通60的陷波濾波片的相位差補(bǔ)償二色性元件52，形成為第一或第二二色性元件的表面上的薄膜堆，并且反射與第一、第二或第三顔色(藍(lán)色、緑色或紅色)所具有的ー組波長帶不同的波長，換句話說，在第一、第二或第三顔色(藍(lán)色、緑色或紅色)所具有的ー組波長帶之外的波長。具有用于補(bǔ)償?shù)姆瓷洳ㄩL的邊緣過渡(可以在如圖3的實(shí)例所示的可見區(qū)之外，或者在與入射在同一表面上的光的混合顏色中的每ー個(gè)顔色的波長不同的可見區(qū)中。下面參考圖4和圖5給出表示在可見光譜內(nèi)增加該反射邊緣過渡的替代實(shí)例。 圖4示出了成像裝置101的替代實(shí)施例，其中光束組合器40具有不同的顔色布置，其擴(kuò)大了參考圖I和圖3所述的基本方案實(shí)現(xiàn)。在該實(shí)例中，綠光同時(shí)透射穿過多層薄膜二色性元件22和24。每ー個(gè)二色性元件22和24分別具有相應(yīng)的抗反射(AR)表面22a和24a、以及帶二色性涂層的濾波片表面22b和24b。在該圖中以方框圖形式表示的每ー個(gè)顔色通道12r、12g和12b分別提供被調(diào)制的紅光、綠光和藍(lán)光，以便在光束組合器40上組合，進(jìn)而通向投影透鏡28以投影在顯示表面30上。再者，紅光路、綠光路和藍(lán)光路在圖中示出為稍微偏離，以助于示出二色性元件22和24的基本的透射和反射功能，實(shí)際上，這些光路重疊在同一輸出軸線上。圖4還示出了二色性元件22和24的每ー個(gè)濾波片表面22b和24b的透射(T)、反射(R)和相位差Λ φ3ρ的典型濾波片曲線圖。圖4左側(cè)的方框48L中是二色性元件22的濾波片表面22b (藍(lán)色反射鏡)的反射濾波片曲線圖62ι■和透射濾波片曲線圖62t。相位差曲線圖62 Φ示出了二色性元件22的高波長通過(HWP)邊緣濾波片的相位差Λ φ3ρ。應(yīng)注意，盡管相位差△ Φ3Ρ對藍(lán)光和綠光影響明顯，但來自二色性元件22的紅光基本上沒有相位變化影響，因?yàn)榧t光沒有經(jīng)該表面透射或反射。類似地，圖4右側(cè)的方框48R中是二色性元件24的濾波片表面24b (紅色反射鏡)的反射濾波片曲線圖64r和透射濾波片曲線圖64t。相位差曲線圖64Φ示出了二色性元件24的濾波片表面24b的相位差Λ φ3ρ0該紅色反射鏡在綠色光譜上產(chǎn)生顯著的相位差△ Φ3Ρ，而在藍(lán)色光譜和紅色光譜部分上產(chǎn)生更小相位差。累計(jì)相位差曲線圖66Φ則示出了通過將受相位變化影響的波長上的相位差曲線圖62Φ和64Φ相加所計(jì)算出的有效累計(jì)相位變化和。如相位差曲線圖66Φ所示，因相位差曲線圖62Φ和64Φ的曲線在該狀態(tài)下趨于抵消，藍(lán)色和紅色的相位變化被很好地校正，并且這些光譜的顯著部分具有較小相位差Λ φ3ρ0根據(jù)容許殘余相位變化的技術(shù)要求，該性能可能是足夠的。低紅色光譜表現(xiàn)出一些明顯的相位差，該相位差的重要性取決于所使用的實(shí)際光源的波長范圍(由Xci和Λ λ表征)。然而，對于綠光，相位差消除不太明顯，并且實(shí)際累計(jì)相位差Λ Φ3Ρ相對于相位差曲線圖62 Φ有所増加。參考圖5，為了補(bǔ)償綠色波長上的負(fù)相位差，設(shè)置相位補(bǔ)償二色性元件作為具有相位補(bǔ)償光譜帶通61的陷波濾波片，所述相位補(bǔ)償二色性元件増加至二色性元件(藍(lán)色反射鏡)23的濾波片表面23b。二色性元件23還具有抗反射表面23a。在圖5左側(cè)的方框49L中，是包含相位補(bǔ)償光譜帶通61的二色性元件23的濾波片表面23b (藍(lán)色反射鏡)的反射濾波片曲線圖631■和透射濾波片曲線圖63t。相應(yīng)相位差曲線圖62Φ示出了相位差Δ Φ3ρ0在該情形下，如圖所示，相位補(bǔ)償光譜帶通61設(shè)置有大約在黃色-橙色光譜附近區(qū)域Γ580ηπι至600nm)中的補(bǔ)償反射邊緣過渡(λ edge)。再次參考系統(tǒng)原理圖，可以看出，濾波片表面23b不接收比緑色波長更長的入射光。從而，如圖5所示，對于成像裝置101，増加具有邊緣過渡和相位補(bǔ)償光譜帶通61的全部特征的紅色反射濾波片堆基本上不影響入射在光路上的該位置處的調(diào)制光的透射或反射。然而，該被增加結(jié)構(gòu)反射比綠色波長更長的光，這對濾光的相位變化具有有益的影響。圖5右側(cè)的方框49R中是與圖4中所示的對應(yīng)曲線圖相同的，二色性元件24的濾波片表面24b (紅色反射鏡)的反射濾波片曲線圖64r、透射濾波片曲線圖64t和相位差曲線圖64Φ。所得到的補(bǔ)償累計(jì)相位差Λφ3ρ作為相位差曲線圖67示出在圖5的底部，圖中相位差曲線圖67 Φ與相位差曲線圖66 Φ重疊以便進(jìn)行比較。在圖5的實(shí)例中，值得ー提的是，示出為相位補(bǔ)償光譜帶通61的陷波濾波片反射帶的正邊緣過渡提供有效的相位補(bǔ)償。在替代實(shí)例中，用在與如陷波濾波片型相位補(bǔ)償光譜帶通61所示的相同位置處具有正邊緣過渡(λ edge)但在更高波長處基本上沒有負(fù)向過渡的相位補(bǔ)償光譜高波長通過濾波片來替代相位補(bǔ)償光譜帶通61。在圖5實(shí)施例中，通過抵消由藍(lán)綠組合器(二色性元件23)的藍(lán)綠邊緣過渡產(chǎn)生的一些相位差Λ Φ3Ρ，正邊緣過渡對綠光執(zhí)行所需的補(bǔ)償。另外，應(yīng)注意到，反射中的負(fù)邊緣過渡是透射中的正邊緣過渡。如圖4和圖5的實(shí)例所示，根據(jù)光束組合器40所使用的光學(xué)布置，可以具有能夠?qū)嵤┫嘁菩Ｕ挠邢迋€(gè)表面。例如，無論是陷波濾波片還是邊緣濾波片具有在紅色區(qū)中エ作的相位補(bǔ)償光譜帶通61，相位補(bǔ)償二色性元件52都不能増加至二色性元件24的濾波片表面24b，因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)構(gòu)造中該表面已經(jīng)具有紅色反射鏡。在結(jié)合圖3和圖5描述在先的示例性相位補(bǔ)償實(shí)施例時(shí)，光譜反射或透射曲線以理想的方式示出，以助于解釋發(fā)明點(diǎn)。為了更好地說明發(fā)明點(diǎn)，將分別給出如以下結(jié)合圖8和圖9、以及圖10和圖11的描述中所提到的兩個(gè)詳細(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)例。關(guān)于入射偏振平面偏振光的垂直分量參考入射偏振平面進(jìn)行分類。再次參考圖6，其示出了相對于入射平面84和X-Y-Z坐標(biāo)系統(tǒng)接收入射光82的光學(xué)元件80。在入射平面84 (X-Z平面)內(nèi)振動的光被稱為P偏振。垂直于入射平面84的光被稱為S偏振。在先實(shí)例中，對于圖I和圖3的實(shí)施例，光束組合器40的二色性元件43和44/45均具有相同的偏振入射平面。同樣地，對于圖4和圖5的實(shí)施例，二色性元件22/23和24均具有相同的偏振入射平面。具體而言，兩個(gè)二色性元件相對于光學(xué)系統(tǒng)以相同的角度放置，從而名義上彼此平行。在該情形下，兩個(gè)表面的總相位差Λ φ (Λ相加。S卩，對于表面I和2 Δ φ ο = Δ φ3ρ = Δ φ^Δ φ2 = ( Φ sl-Φ Ρι) + ( Φ s2-Φ ρ2) ⑷然而，在圖7系統(tǒng)的替代實(shí)施例系統(tǒng)中，光束組合器40的二色性元件92和94以相反的角度(在XZ平面中)傾斜，以減小穿過傾斜板的成像光所經(jīng)歷的象散。即，二色性涂層濾波片表面92b和94b彼此垂直，或者大致垂直(即，在90± 15度內(nèi))。這些二色性元件還以復(fù)合角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。具體而言，參考圖6，ー個(gè)二色性元件在YZ平面中旋轉(zhuǎn)額定的+45度 (ΘΧ)，另ー個(gè)二色性元件在YZ平面中旋轉(zhuǎn)額定的-45度。該幾何方位有助于將來自顏色通道12r、12g和12b內(nèi)的DLP裝置的圖像光在進(jìn)入投影透鏡28時(shí)導(dǎo)向共同的光軸線(Z)。在該替代實(shí)施例中，兩個(gè)表面的總相位差Δ φ ο 為以下差值Δ (]5tot = Λ φρ3 = Λφ2 = (φρ-φ3) = (φρ1-φ3 ) + (φρ2-φ32) (5)圖8詳細(xì)示出了關(guān)于圖7的系統(tǒng)的典型性能，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成光以35度入射至濾波片表面，并且藍(lán)色、綠色和紅色波長的額定目標(biāo)波長λ ο分別為465nm、535nm和635nm,但未采用本發(fā)明的相位補(bǔ)償方法。具體而言，曲線圖120示出了濾波片表面92b的藍(lán)色反射鏡的百分比反射率。注意，二色性元件92的抗反射表面92a具有典型的AR涂層，如曲線圖122所示。對于二色性元件94，分別將典型的AR涂層用于抗反射表面94a，并且將二色性濾波片用于濾波片表面94b的緑色反射鏡。曲線圖124示出了緑色反射鏡的響應(yīng)。注意，與圖2A的實(shí)例相比，圖8的阻帶(曲線圖120的緑色和紅色光譜區(qū)，以及曲線圖124的藍(lán)色和紅色光譜區(qū))稍微有點(diǎn)或者沒有反射波動。圖8的曲線圖130、132、134、140、142、144和146示出了圖7實(shí)施例中的每ー個(gè)分量的相位變化行為Λφ。下標(biāo)“t”和“r”分別指示相位變化是出現(xiàn)在透射中還是反射中。 具體而言，曲線圖130、132和134分別以角度示出了對穿過濾波片表面92b的藍(lán)色反射鏡的紅色通道透射產(chǎn)生影響的相位差Λ φ (曲線圖130)、對穿過用于抗反射表面92a和94a的典型AR涂層的紅色通道透射產(chǎn)生影響的的相位差Λ φ (曲線圖132)、以及經(jīng)過濾波片表面94b的綠色反射鏡的光的相位差Λ φ (曲線圖134)。曲線圖140、142和144分別以角度示出了，濾波片表面92b的藍(lán)色反射鏡反射時(shí)的相位差、影響藍(lán)色通道光的在抗反射表面94a的AR涂層上透射的相位差Λ φ和影響藍(lán)色通道光的在濾波片表面94b的緑色反射鏡上透射的相位差Λ φ。曲線圖146以角度示出了緑色通道在濾波片表面94b上反射時(shí)的相位差Λ φ。為了清晰，這些曲線圖的與特定顔色帶無關(guān)的各個(gè)區(qū)域?yàn)榛疑?。圖9的曲線圖給出了每ー個(gè)通道的全部相位差Λ φ的總和。如該曲線圖所示，藍(lán)色通道的性能最不令人滿意，其中在λ Q=465nm處相位差Λ 超過-25度。緑色和紅色通道中的性能好得多，其中相位差Λ φ分別在AQ=535nm和λ Q=635nm的附近接近零。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的圖7系統(tǒng)的替代涂層設(shè)計(jì)的結(jié)果。此處，已經(jīng)將相位補(bǔ)償反射薄膜堆增加至第二二色性元件94的抗反射表面94a的抗反射涂層。通過將曲線圖152與圖8中的曲線圖122相比較，可以看出該差異。相比之下，曲線圖150所示的藍(lán)色反射鏡構(gòu)圖相對于圖8中曲線圖120所示的藍(lán)色反射鏡構(gòu)圖沒有變化。同樣，曲線圖154所示的緑色反射鏡相對于圖8中曲線圖124所示的緑色反射鏡沒有變化。圖10中的曲線圖160、162、164、170、172、174和176示出了圖7的垂直偏振平面實(shí)施例系統(tǒng)因此所具有的相位差Λφ。曲線圖160、164、170、174和176與圖8中相應(yīng)的曲線圖相同。分別示出了紅色和藍(lán)色通道的相位影響的曲線圖162和172僅僅是表示圖8和圖10相比較時(shí)的變化的圖。與參考圖2A和圖2B所述的基本原理一致，AR涂層的負(fù)邊緣過渡引起凈負(fù)相位差。如上所述，作為圖2A所述的響應(yīng)的反相，其與圖7實(shí)施例中入射平面的垂直布置直接相關(guān)。圖11的曲線圖概述了相位補(bǔ)償結(jié)果，并且示出了與圖9中所示的未校正情形的對比。此處，可以看出，藍(lán)色通道性能顯著提高，其中相位差在AQ=465nm處大致為零度。λ Q=635nm處的紅色通道性能極好，并且稍稍提高，接近零相位差。盡管相位差變化坡度較陡，但在綠色目標(biāo)波長Aci=SSSnm處，緑色通道具有大致為零的相位差。注意，目標(biāo)相位性能在10度以內(nèi)的光譜帶寬為大約±10nm(其比激光帶寬更寬)，表明可以將本發(fā)明用于除激光源以外的光源。圖11的結(jié)果僅僅是示例性的，并且可以進(jìn)一歩改善涂層設(shè)計(jì)以使相位差坡度平緩且光譜帶寬變寬，并且使殘余相位差減小。注意，曲線圖152的相位補(bǔ)償AR涂層不影響綠色通道，因?yàn)樵撏繉釉诳狗瓷浔砻?4a上，而抗反射表面94a位于將綠光引向公共光路之前的位置處。涂層選擇及方法本發(fā)明的方法和裝置為穿過光束組合器的光提供多層薄膜光學(xué)涂層，其中光學(xué)涂層包括至少ー個(gè)附加的多層反射濾波片結(jié)構(gòu)，即提供至少ー個(gè)帶邊緣過渡并且進(jìn)行相位補(bǔ)償以減小組合光源的一個(gè)或多個(gè)波長的累計(jì)相位差Λ Φ (Λ的附加的多層薄膜堆，所述帶邊緣過渡位于入射在給定薄膜堆上的各個(gè)光源中任ー個(gè)光源的波長帶之外。為了提供該特征，光學(xué)涂層設(shè)計(jì)中特意地將另外的反射特征增加至現(xiàn)有的多層薄膜濾波片堆，或者將附加的涂層結(jié)構(gòu)增加至光路上一個(gè)或多個(gè)部件的表面以提供該反射特征。作為準(zhǔn)則，提供相位差補(bǔ)償?shù)倪吘夁^渡應(yīng)該位于不大于IOOnm ( Λ Atjffset)的波長帶(λ λ/2)內(nèi)，或者邊緣過渡(λ edge)為補(bǔ)償目標(biāo)。為了減小一個(gè)方向(正或負(fù))上的相位差Δφ，設(shè)計(jì)ー個(gè)或多個(gè)光學(xué)涂層以提供沿相反方向的相移，從而在濾波片設(shè)計(jì)中増加原本對提供將調(diào)制光組 合的濾波片功能無用的反射特性或特征。從涂層設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，可用作相位補(bǔ)償二色性元件52的每ー個(gè)基本的濾光片類型具有不同的復(fù)雜性。在某種程度上，該復(fù)雜性與所需提供的帶邊緣過渡的數(shù)量有關(guān)，并且一般可以從最困難濾波片設(shè)計(jì)至最簡單濾波片設(shè)計(jì)分類如下(i)帶通或陷波濾波片。這些二色性涂層提供兩個(gè)帶邊緣過渡。對于透射或反射特征曲線上兩個(gè)帶邊緣過渡之間的波動量可能很難進(jìn)行控制。(ii)低波長通過(低通)邊緣濾波片。這些濾波片具有單個(gè)帶邊緣過渡，并且設(shè)計(jì)成反射邊緣過渡以上的波長，并且透射邊緣過渡以下的波長。例如，所謂的“熱”反射鏡透射可見光，并且反射IR光。對于這些設(shè)計(jì)的透射區(qū)中的波動影響可能很難進(jìn)行控制。(iii)高波長通過(高通)邊緣濾波片。較無波動，其也具有設(shè)計(jì)成透射邊緣過渡以上的波長而反射邊緣過渡以下的波長的單帶邊緣過渡。它們包括反射可見光并且透射IR光的所謂“冷”反射鏡。實(shí)際上，為了形成最簡單的高通邊緣濾波片(iii)通常需要七層或更多層，一般使用額外的層，尤其在所需濾波片響應(yīng)更復(fù)雜的情形下。相比之下，常規(guī)抗反射(AR)涂層通常具有大約3層。對于任何反射表面涂層，存在帶邊緣過渡波長的1/3處的諧波。對于陷波濾波片，該諧波作為原始陷波濾波片的比例版本出現(xiàn)。對于圖I和圖3的實(shí)例，應(yīng)注意，該諧波可以由IR區(qū)域中的附加陷波濾波片產(chǎn)生。涂層設(shè)計(jì)工具涂層設(shè)計(jì)者具有可用于增加或減小多層薄膜表面的相位差△ Φ的多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，這些參數(shù)的大小以及其影響的相位曲線變化的特征可以變化。這些參數(shù)影響相位補(bǔ)償二色性元件52的設(shè)計(jì)或組成。例如，用于增加s偏振光與P偏振光之間的相位差Λ φ的這些工具或設(shè)計(jì)參數(shù)包括以下a)增加反射堆中二色性材料的層數(shù)；b)増加高和低折射率(H/L)交替的二色性材料之間的折射率比，nH/nL ；c)增加光束的入射角；d)同時(shí)減小高折射率和低折射率膜組件的折射率nH和化，以使它們更加接近介質(zhì)(典型地為空氣或玻璃)的折射率Iltl ;e)控制由相位補(bǔ)償邊緣或陷波濾波片提供的邊緣過渡(λ edge)的相對位置，作為離關(guān)注的波長帶(λ。土 Λ λ /2)或光譜帶通邊緣(λ edge)的距離(Λ λ offset)(參見圖2B)；f)利用相位補(bǔ)償濾波片結(jié)構(gòu)的諧波來為波長帶提供相位補(bǔ)償。圖12A至圖12C的曲線圖對通過增加薄膜層數(shù)量來提高相位差的結(jié)果進(jìn)行了比較。在該實(shí)例中使用折射率值為nH=2. 30并且Ik=L 46 (折射率比nH/V=l. 57)的涂層設(shè)計(jì)。圖12A中的上方曲線圖示出了兩種構(gòu)造(使用35度的入射角)下s偏振光和P偏振光的反射特征曲線，Rp曲線在最里面而Rs曲線在最外面。圖12A中的下方曲線圖示出了 P偏振光與s偏振光之間的透射比TP/TS。圖12B示出了透射相位差Λ C^t的相位差曲線110，并且圖12C示出了反射相位差Λ Φ,的相位差曲線111。在圖12Β和圖12C中，實(shí)線曲線表示層 數(shù)更大(10對高/低折射率層)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并且虛線曲線表示層數(shù)更小(7對高/低折射率層)的涂層設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。圖12Β示出了在涂層數(shù)量増加的情形下透射時(shí)的相位差△ (^增加約50%，即從約80度峰值增加至約140度峰值。然而，相位尾部118的相位結(jié)構(gòu)的光譜帶寬Λ λ或者范圍仍近似相同。圖12C示出，反射相位差Λ φΓ由可在光譜位置上明顯偏移(多達(dá)20nm或更多)的高振幅波動的復(fù)雜結(jié)構(gòu)主導(dǎo)。圖13A至圖13C的曲線圖對増加高和低折射率交替的二色性材料的折射率比nH/nL時(shí)的結(jié)果進(jìn)行了比較，其中對折射率比更大(nH/V=2. 30/1. 38=1. 66:1)時(shí)的結(jié)果與折射率比更小(nH/V=2. 30/1. 46=1. 57:1)時(shí)的結(jié)果進(jìn)行了比較。圖13A中的上方曲線圖示出了兩種構(gòu)造(使用35度入射角)下s偏振光和P偏振光的反射特征曲線。圖13A中的下方曲線圖示出了 P偏振光與s偏振光之間的透射比TP/TS。圖13B示出了透射相位差Λ C^t的相位差曲線112，而圖13C示出了反射相位差Λ φΓ的相位差曲線113。在圖13Β中，在改變折射率比的情形下，透射相位差Λ φ,的相位差曲線112在以下特征上變化很小，即振幅(大約30%)和相位差曲線特征(包括相位尾部118)的位置和范圍。在圖13C中，反射相位差Λ 的相位差曲線113也表現(xiàn)出差異適度的光譜偏移。圖14A和圖14B的曲線圖對將入射角從約35度增加至45度時(shí)的結(jié)果進(jìn)行了比較。實(shí)線曲線圖表示入射角更大(45度)時(shí)的數(shù)據(jù)。虛線曲線圖表示入射角更小(35度)時(shí)的數(shù)據(jù)。圖14A中的上方曲線圖示出了兩種構(gòu)造下s偏振光與P偏振光的反射特性曲線。圖14A中的下方圖示出了 P偏振光與s偏振光之間的透射比TP/TS。圖14B示出了透射相位差Δ Φ,的相位差曲線114，并且在峰值相位差處表現(xiàn)出明顯差異，即從約140變?yōu)榧s175度，改變近30%。峰值相位差光譜位置也明顯變化(大約20nm)，并且在邊緣過渡附近的光譜帶上相位尾部118的相位差波動也明顯變化，其中入射角越大則相位差的大小和范圍越大。圖15A和圖15B的曲線圖對同時(shí)減小高和低折射率膜組件的折射率nH和Ik以使它們更加接近基礎(chǔ)介質(zhì)的折射率Iitl的結(jié)果進(jìn)行了比較。對于該實(shí)例，將折射率值更高(nH=2. 30和nL=l. 8)的涂層設(shè)計(jì)與折射率值更低(nH=l. 80和nL=l. 38)的設(shè)計(jì)相比較。圖15A中的上方曲線圖示出了兩種構(gòu)造下s偏振光和P偏振光的反射特性曲線。圖15A中的下方圖示出了 P偏振光與s偏振光之間的透射比TP/TS。圖15B示出了透射相位差Λ C^t的相位差曲線115，其中在峰值相位差處明顯不同(具有大約50%的變化)，并且在邊緣過渡附近的光譜帶上相位尾部118的相位差波動明顯不同，其中折射率對越高則相位差的大小和范圍越大。
關(guān)于諧波有兩種諧波需要注意，ー種是第一涂層的諧波而另ー種是相位補(bǔ)償濾波片的諧波。通常，由2種材料制成的多層涂層(堆)基于高和低折射率(H/L)交替的二色性材料的折射率比而具有以下階次#1:1的折射率比-有I階，沒有2階諧波，有3階，沒有4階諧波，可能有5階，……籲2:1的折射率比-有I階，有2階，沒有3階，有4階，……籲3:1的折射率比-有I階，有2階，有3階，沒有4階，……這些折射率比是高(H)和低(L)折射率材料的光學(xué)厚度(nd)的比率，其中η是折 射率并且d是物理厚度。在通用的涂層命名法中，大寫字母表示具有特定折射率層的四分之一波層。例如，“H”表示高折射率材料的四分之一波光學(xué)厚度(QWOT)，“L”表示低折射率材料的QW0T，并且“M”表示中間折射率材料的QWOT。QffOT定義為膜厚為O. 25個(gè)波長的光學(xué)厚度，或者QW0T=nd= λ /4 (6)使用該命名法，厚度僅為八分之一波的高折射率材料層表示為O. 5Η或Η/2，而厚度為半波的層表示為2Η。光學(xué)或二色性涂層的薄膜堆典型地包括多個(gè)QWOT層，或者分?jǐn)?shù)個(gè)或倍數(shù)個(gè)QWOT層，通常包括以重復(fù)模式形成的層。鑒于此，折射率比為1:1的示例性高波長通過邊緣濾波片可以具有(O. 5L HO. 5L)m的薄膜堆層布置，而示例性低波長通過邊緣濾波片可以具有(O. 5L H 0.5L)m的薄膜堆層布置，其中m是表示高/低折射率層的重復(fù)模式的指數(shù)。折射率比為2:1的示例性高反射器堆具有(1.33H 0.66L)ml. IH的薄膜堆層布置。當(dāng)然，可以存在中間光學(xué)厚度比。在折射率比為I. 10:1時(shí)，開始出現(xiàn)非常小的第二階(反射率漸增)，同時(shí)第三階開始減小(反射率漸減)。越接近2:1，則第二階越大而第三階消失。首先考慮第一二色性涂層的固有諧波。雖然這些固有諧波可以將符號相反的相位差抵貢獻(xiàn)給由第一光學(xué)涂層產(chǎn)生的相位差，但不能確保相位抵消或相位相消。第一涂層的任何固有(和未被消除)諧波的位置出現(xiàn)在通過簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算所得到的波長處，并且其位置不能調(diào)整。另外，更高階諧波的寬度相對于第一階減小(第五階諧波具有第一階帶通寬度的1/5的寬度)。涂層關(guān)于波長不對稱使得UV中相位尾部的范圍相對于可見區(qū)或IR區(qū)有所減小，并且減小了固有諧波使相位抵消的可能性。從而，在出現(xiàn)可能可用的諧波(在UV中)的更短波長上，期望距離(Λ Xtjffsrt)更短，但可能偏移距離(>100nm)可能會太大?？傊?，這意味著，邊緣過渡(Xedge)的位置和相位差曲線的重疊基本上不受控制，并且不可能出現(xiàn)相位抵消。殘余相位可能比沒有諧波時(shí)的殘余相位差更高或更低。這可以通過實(shí)例來說明。在很多現(xiàn)有設(shè)計(jì)實(shí)例中，引導(dǎo)綠色通道穿過使用第一涂層的二色性組合器，所述第一涂層是緑色通帶陷波濾波片。該陷波濾波片可以設(shè)置為例如第一階、第二階或第三階濾波片。如果將陷波濾波片設(shè)置為集中在532nm上的第一階濾波片，并且目標(biāo)通帶寬度為 65nm或更小，則可能的第二或第三階諧波分別出現(xiàn)在266nm和177nm處。這些諧波太遠(yuǎn)(Λ λ WsetMOOnm)而無助于相位差補(bǔ)償，甚至無助于補(bǔ)償?shù)湫偷乃{(lán)色成像光譜。作為選擇，如果將綠色陷波濾波片設(shè)置為第二階濾波片，則涂層堆將設(shè)置在1064nm處，以便獲得532nm上的第二階諧波。如果此設(shè)計(jì)產(chǎn)生第三階諧波，則其將在354nm處的紫外(UV)區(qū)中。第一階將太遠(yuǎn)而無助于相位補(bǔ)償，并且第三階是相對于其期望的藍(lán)色成像波長(440nm至480nm)的最近邊界線(Δ Atxffset^lOOnmX作為另ー個(gè)選擇，如果將綠色陷波濾波片設(shè)置為532nm處的第三階濾波片，則第一階將在1596nm處，并且第五階將在319nm處的UV中。對于現(xiàn)有實(shí)例，具有遠(yuǎn)離邊界線(Λ λ且有助于相位差補(bǔ)償?shù)闹C波(在該情形下為319nm處的第五階諧波)。因目標(biāo)是使相位差可重復(fù)地減小至小于±10度，因此第一涂層的固有諧 波未必有用，尤其在可見區(qū)。因此，可以看出，相位相消不是自然出現(xiàn)，但卻是特意的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和涂層設(shè)計(jì)的結(jié)果。首先，二色性元件及組合器的幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須將校正顔色(波長)提供給校正表面，以實(shí)現(xiàn)相位抵消，而不是因?qū)㈠e(cuò)誤的顔色提供給錯(cuò)誤的表面而無意且不適當(dāng)?shù)厥瓜辔幌嗷ビ绊?。另外，只有知曉第一涂層的相位性能以及相位補(bǔ)償薄膜堆的相位響應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)相位抵消，相位補(bǔ)償薄膜堆的相位響應(yīng)取決于所選波長(λ Δ λ。 丨)和相位差曲線50的特征，包含相位尾部51。如上所述，包括相位尾部51的相位差曲線50取決于涂層數(shù)量、折射率和折射率比、以及入射光的入射角和波長(λいΛ λ)。這些特性的任何微小變化將阻礙補(bǔ)償涂層實(shí)現(xiàn)使殘余相位差Λ φ為零或者至少〈±10度的設(shè)計(jì)目的。作為實(shí)例，材料性質(zhì)變化，包括色散和吸收，一般也改變涂層在更短波長上(尤其在UV中)的行為。另外，這些涂層設(shè)計(jì)參數(shù)必須謹(jǐn)慎使用，以便能夠在制造期間可靠地達(dá)到設(shè)計(jì)性能。相比之下，本發(fā)明提供以下方案，即相位差補(bǔ)償多層薄膜堆能夠設(shè)計(jì)成可有目的地使用相位補(bǔ)償二色性元件52的諧波。在圖3的設(shè)計(jì)實(shí)例中描述了，將相位補(bǔ)償光譜帶通陷波濾波片引入紅色-IR波長區(qū)。對于該實(shí)例，相位補(bǔ)償陷波濾波片可以具有在飛85nm處的上升(紅色)邊緣過渡，以助于紅色相位補(bǔ)償(可能的情況下，以及綠色相位補(bǔ)償)。該濾波片的中心波長可以是740nm，帶通寬度為llOnm。如果該濾波片具有2:1的光學(xué)厚度比率，則可能在370nm處出現(xiàn)可能在465nm處的藍(lán)色區(qū)中提供相位抵消的第二階UV-藍(lán)諧波，其中下降邊緣過渡在 395nm處，偏移(Λ λ offset2^70nm)相對較小。如該在先實(shí)例所示，對光譜大小和相位補(bǔ)償二色性元件52的位置進(jìn)行調(diào)整以便在右方光譜位置處提供相位補(bǔ)償濾器的諧波從而也提供相位補(bǔ)償，是棘手的工作。即使特意地嘗試，但使用第一涂層的諧波來成功地提供關(guān)注波長的相位補(bǔ)償依然很困難。使用第一涂層的諧波來進(jìn)行相位補(bǔ)償更可能被應(yīng)用于光譜更廣的情形，諸如在可見區(qū)和一部分近IR區(qū)中都成像的應(yīng)用。還應(yīng)該理解，即使兩個(gè)涂層在不同的表面上，但由第一涂層的固有諧波(諸如300nm至400nm的UV光譜區(qū)中的諧波)提供的相位響應(yīng)可能與相位補(bǔ)償二色性元件52的諧波所提供的預(yù)定相位響應(yīng)相互影響。該相互影響可能難于預(yù)料或控制。因此，抑制第一涂層的諧波出現(xiàn)在與相位補(bǔ)償濾波片(或者其諧波)重疊的光譜區(qū)中是有用的。具體而言，光譜在欲提供相位補(bǔ)償?shù)倪吘夁^渡附近重疊將可能引起問題。幸好可以抑制諧波，包括第ー涂層的諧波?？梢酝ㄟ^在設(shè)計(jì)中増加第三材料來抑制諧波。例如，代替邊緣濾波片的設(shè)if (O. 5L H O. 5L)，可以使用另ー種設(shè)計(jì)樣式(O. 25L O. 25M H O. 25M O. 25L)。當(dāng)材料和光學(xué)厚度比改變吋，將抑制不同的諧波階次。關(guān)于系統(tǒng)還注意到，相位補(bǔ)償二色性組合器或分離器的設(shè)計(jì)可以被稱為系統(tǒng)設(shè)計(jì)練習(xí)。當(dāng)使用上述各種涂層工具來有效地設(shè)計(jì)相位補(bǔ)償二色性元件52時(shí)，相位減小可能受各種因素影響。在與圖5有關(guān)的實(shí)例中，具有邊緣過渡的相位補(bǔ)償濾波片在光譜的黃色-橙色區(qū)的應(yīng)用利用了系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)，其中紅色通道12r尚未引入。關(guān)于諧波，第一涂層的諧波可以特意被抑制以防與相位補(bǔ)償濾波片相互影響，或者特意以有利于提供相位補(bǔ)償?shù)姆绞讲贾?。也可以對第一涂層的光譜特征(光譜通帶區(qū)、至少ー個(gè)邊緣過渡和相關(guān)相位差響應(yīng))進(jìn)行調(diào)整，以減小相位差或者使入射光的目標(biāo)波長(λいΛ λ )上的相位差(大小和符號)更容易被相位補(bǔ)償濾波片校正。同樣，不同涂層工具(包括層數(shù)量、折射率比、高或低折射率和入射角)的相位響應(yīng)根據(jù)該工具而顯著變化。當(dāng)可以出于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮而固定入射角，涂層設(shè)計(jì)者可以更自由控制其它參數(shù)以達(dá)到所期望的結(jié)果。在將補(bǔ)償光學(xué)涂層用于透射的情形下使用相位補(bǔ)償二色性元件52可能比將涂層用于反射的情形更有益，因?yàn)樵诓淮嬖诟哳l波動時(shí)，相位差響 應(yīng)能夠更容易調(diào)整并重復(fù)形成(將圖12Β、圖13Β、圖14Β和圖15Β中的反射相位曲線圖與圖12C和圖13C中的透射相位曲線圖進(jìn)行比較)。實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)圖16的邏輯流程圖示出了示例性設(shè)計(jì)程序，該程序包括在一個(gè)實(shí)施例中獲取兩個(gè)或多個(gè)組合器二色性薄膜的相位補(bǔ)償設(shè)計(jì)的ー組基本步驟。在初始設(shè)計(jì)步驟SllO中，首先處理最復(fù)雜的濾波片設(shè)計(jì)(濾波片Α)。設(shè)計(jì)的難度等級基于以下因素諸如如以上列舉的濾波片類型和入射光的波長。起初并沒有嘗試校正對在初始設(shè)計(jì)步驟SllO期間所控制的s偏振和P偏振產(chǎn)生影響的相位差。接著，在相位估計(jì)步驟S120中測量或計(jì)算濾波片A的相位影響。然后執(zhí)行第二設(shè)計(jì)步驟S130，其中對不太復(fù)雜的多層濾波片(濾波片B)進(jìn)行設(shè)計(jì)。接著，在第二相位估計(jì)步驟S140中對濾波片A和B的組合器的累計(jì)相位差進(jìn)行測量或計(jì)算。然后，執(zhí)行相位補(bǔ)償步驟S150，以對濾波片A和B的累計(jì)相位差施加相位補(bǔ)償。通常，易于對不太復(fù)雜的濾波片設(shè)計(jì)或一些相關(guān)表面，例如，諸如二色性元件的AR表面施加相位補(bǔ)償。以上參考圖12Α至圖15Β所述的技術(shù)可以用來獲取期望量的相位補(bǔ)償。實(shí)例I舉例來說，圖17Α、圖17Β和圖17C中的表詳細(xì)列出了用于提供以上參考圖3所述的相位差補(bǔ)償?shù)谋∧釉O(shè)計(jì)。圖17Α示出了濾波片表面43b的藍(lán)色反射鏡的組成，包括層順序標(biāo)識、層材料和層厚度(以納米為單位)。圖3的實(shí)施例包括在紅色-IR波長區(qū)中的相位補(bǔ)償光譜帶通60。在ー個(gè)配置中，相位補(bǔ)償光譜帶通60可以設(shè)置為被增加至抗反射表面45a的抗反射涂層的“熱反射鏡”型反射表面堆(反射IR區(qū)，透射可見區(qū))。圖17B示出了可用于提供該特征的相位補(bǔ)償AR涂層的組成。圖17C給出了濾波片表面45b的緑色陷波濾波片的層清單。薄膜材料編碼如下A-Ti 02B-Y203C-AI203D-MgF2H-Zr02L-Si02應(yīng)注意，將所需的反射特性増加至AR涂層時(shí)，明顯地增加了層數(shù)量。典型的AR涂層僅需要3個(gè)涂層。然而，提高相位補(bǔ)償對于很多應(yīng)用來說意味著復(fù)雜性和成本的増加。
實(shí)例2圖18A、18B和18C中的表示出了以上參考圖7至圖10所述的替代實(shí)施例的實(shí)例，其中兩個(gè)濾波片表面92b和94b具有相互垂直的偏振入射平面。此處，通過增加至抗反射表面94a (圖7)的AR涂層的UV-低藍(lán)色反射特征(反射鏡)來提供相位差補(bǔ)償。相應(yīng)地，圖18B示出了可用來提供該特征的適當(dāng)?shù)南辔谎a(bǔ)償AR涂層的組成。圖18A給出了濾波片表面92b (圖7)的藍(lán)色反射鏡的層布置，并且圖18C示出了濾波片表面94b (圖7)的緑色陷波濾波片的層布置。關(guān)于其它方面光學(xué)涂層領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，可能存在根據(jù)二色性元件的組成來設(shè)計(jì)光束 組合器的很多種方法，并且可以使用多種涂層形式來提供多膜光譜濾波片，諸如文中所述的多膜光譜濾波片。文中所提供的實(shí)例和描述主要針對使用紅色、緑色和藍(lán)色波長的激光器進(jìn)行圖像投影的光束組合器。應(yīng)注意，本發(fā)明的裝置和方法也可以更廣泛地應(yīng)用于其他類型的成像裝置，包括使用額外顏色的成像裝置，并且應(yīng)用于利用多層薄膜二色性表面來組合或分離光的其它系統(tǒng)。雖然本描述主要涉及激光器或固態(tài)光源的使用，但本發(fā)明的裝置和方法也可以用于使用其它光源(例如諸如氙弧光源)的成像裝置。應(yīng)注意，本發(fā)明使用的方法尤其適于使用具有窄波長帶的固態(tài)光源，因?yàn)樵撜瓗А?λ特征更易于增加反射結(jié)構(gòu)，所述反射結(jié)構(gòu)反射與調(diào)制光的波長不同的波長。這在諸如使用固態(tài)光源來提供窄波長帶時(shí)，而使用非諸如可使用燈或其它更常規(guī)的照射光源來提供的更寬的波長時(shí)，更容易做到。圖I、圖3、圖4、圖5和圖7的實(shí)例中所示的且本公開所述的示例性投影裝置由紅色、緑色和藍(lán)色三種基色來形成彩色圖像。應(yīng)注意，本發(fā)明的裝置和方法可以延伸至使用不同基色集合的顯示裝置，包括使用四種或更多種顏色來形成圖像的裝置。應(yīng)該理解，本發(fā)明的相位補(bǔ)償方法不限于用在可見光譜區(qū)。例如，其可用在多通道式可見區(qū)和紅外區(qū)或者僅僅紅外區(qū)成像系統(tǒng)中。具體參考本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解，可以在不脫離本發(fā)明主g和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行變形和修改。例如，用于形成光束組合器40且以單通的方式提供相位差補(bǔ)償?shù)亩栽牟贾每梢耘c圖I和圖4不同，并且不僅可以包括形成在平板玻璃表面上的薄膜二色性涂層，而且包括形成在嵌入或沉入玻璃或其它透明介質(zhì)中以形成光學(xué)棱鏡(包括X棱鏡、V棱鏡或飛利浦棱鏡)的光學(xué)表面上的涂層。盡管參考光束組合器40描述了本發(fā)明的方法，但類似的技術(shù)也可以應(yīng)用于光束分離裝置的設(shè)計(jì)。從而，光束組合器40可以在廣義上視為可以用作光束分離器、光束組合器或其二者(雙通)的多顔色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件。應(yīng)該注意，系統(tǒng)附圖沒有按規(guī)定比例繪制，僅示出了這些實(shí)施例所用到的關(guān)鍵部件和原理。在替代實(shí)施例中，本發(fā)明的光束組合器40可以用于各種成像裝置的其它類型的光分離和組合部件中。圖19的示意圖示出了成像裝置200的實(shí)施例，該成像裝置200使用光束組合器40將來自激光或其它固態(tài)、窄帶光源的多色光提供給調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)230，該調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)230包括TIR (全內(nèi)反射)棱鏡225、飛利浦棱鏡206和空間光調(diào)制器210 (諸如DLP)。在該實(shí)施例中，顏色通道12r、12g和12b將照明提供給TIR棱鏡225，該TIR棱鏡225將用于圖像調(diào)制的組合的多色偏振光引向飛利浦棱鏡206。該照明偏振光可以通過偏振切換裝置(未示出)來調(diào)制，所述偏振切換裝置對每個(gè)圖像幀切換偏振狀態(tài)若干次。照明光還通過一個(gè)或多個(gè)均質(zhì)器(未示出)來在光學(xué)上均勻化。然后，飛利浦棱鏡206將入射的多色光分離成其組分顏色，并且以電子投影技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的方式將每ー個(gè)顏色引向相應(yīng)的空間光調(diào)制器210。光由空間光調(diào)制器210調(diào)制，然后在飛利浦棱鏡206內(nèi)重新組合，引回至TIR棱鏡225，并且進(jìn)入偏振分析器32和投影透鏡28，該投影透鏡28將光投影在顯示表面30上。圖20的示意圖示出了成像裝置200的另ー個(gè)替代實(shí)施例，其中光束組合器40以類似方式使用，飛利浦棱鏡206亦如此。然而,在該情形中，通過偏振光束分離器204和飛利浦棱鏡206在調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)230內(nèi)引導(dǎo)照明光。偏振光束分離器204不出為MacNeille棱鏡，但可以使用其它裝置，諸如線柵偏振光束分離器。圖21的示意圖示出了成像裝置200的另ー個(gè)替代實(shí)施例，其中照明經(jīng)過合光棱鏡或X棱鏡220提供給空間光調(diào)制器210。在每一個(gè)實(shí)施例中，空間光調(diào)制器210可以是LCD或LCOS裝置。例如，還可以包括偏振補(bǔ)償器215，以校正空間光調(diào)制器210的延遲變化。如上所述，假定，例如出于3D投影的目的，圖19、圖20和圖21的成像裝置需要進(jìn)行相位補(bǔ)償，以提高圖像質(zhì)量。從而，當(dāng)成像光傳輸過光束組合器40和調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)230時(shí)，需要減小或補(bǔ)償相位差ΛΦ。從而，應(yīng)該理解，本發(fā)明的相位校正設(shè)計(jì)方法不僅可以應(yīng)用于如圖19或圖20所示的用于單通構(gòu)造中的光束組合器40，而且應(yīng)用于調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)230的涂層(二色性或AR)設(shè)計(jì)。例如，飛利浦棱鏡206或X棱鏡220的光學(xué)薄膜涂層可以包括提供在傳輸中的照明光譜以外的適當(dāng)邊緣過渡的涂層結(jié)構(gòu)，以提供相位差補(bǔ)償。應(yīng)該理解，本發(fā)明的相位差補(bǔ)償方法可與諸如飛利浦棱鏡206或X棱鏡220等棱鏡一起用在如圖19和圖20所示的雙通構(gòu)造中，而不依賴于上述Rosenbluth等人的文章“Correction ofしontrast in Projection bystems By Means of Phase-Controlled Prism Coatings andBand-Shifted Twist Compensators (通過相位控制棱鏡涂層和帶移扭曲補(bǔ)償器來校正投影系統(tǒng)的對比度)”中所述的雙通對稱相位補(bǔ)償方法。文中所述的涂層設(shè)計(jì)方法還可應(yīng)用于替代實(shí)施例中的光束分離器，例如，諸如圖20中的偏振光束分離器204。光束分離器具有包括多層薄膜堆的第一表面,其中該表面布置成沿光路透射第一波長帶上的光，并且將第二波長帶上的光反射在光路上。光束分離器還具有形成在沿光路布置的第一表面或第二表面上并且構(gòu)造成提供位于第一或第二波長帶之外的反射邊緣過渡的相位差補(bǔ)償多層薄膜堆。本發(fā)明的補(bǔ)償方法還可以用于偏振分析器32或線柵偏振光束分離器的平的(piano)(非結(jié)構(gòu))表面?？傊景l(fā)明利用與二色性或AR涂層合并在ー個(gè)部件上的薄膜結(jié)構(gòu)(諸如陷波濾波片或通過邊緣濾波片)來提供相位差Λ φ補(bǔ)償。薄膜結(jié)構(gòu)提供在傳輸過部件的光的光譜之外的邊緣過渡,而該邊緣過渡具有與對傳輸中的光譜內(nèi)的相位差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪吘夁^渡有關(guān)的相位差曲線。本發(fā)明的裝置和方法可以應(yīng)用于以單通或雙通模式穿過光學(xué)部件的情形。這與通過設(shè)計(jì)棱鏡涂層以整體消除消偏振的旋轉(zhuǎn)分量來試圖補(bǔ)償偏振相位差△ Φ的在先投影系統(tǒng)的不同在于，依靠由分離和重組顏色的雙通幾何結(jié)構(gòu)的対稱性產(chǎn)生的相位抵消。另外，本 發(fā)明提供在第一二色性元件41的通帶42Ρ內(nèi)的相位補(bǔ)償，而不必不利地犧牲關(guān)注光譜帶上的光效率(反射率或透射率)。應(yīng)該注意，本發(fā)明的裝置和方法特意在由窄帶激光器或其它固態(tài)光源提供的波長附近的波長處構(gòu)造反射多層堆結(jié)構(gòu)。由此，本發(fā)明的裝置和方法不適于用于將多色白光，諸如來自弧光燈的光分離成組分顏色帶然后對各個(gè)帶上的光進(jìn)行調(diào)制的成像裝置，因其難于為寬光譜帶提供10度或更小的相位補(bǔ)償。該系統(tǒng)使用寬帶光，主要是為了獲得可用于投影的所有光。然而，如圖19和圖20所示，本發(fā)明的實(shí)施例可用于以下成像裝置構(gòu)造，即其使用利用偏振光束分離器和X棱鏡、飛利浦棱鏡、氧化鉛攝像管裝置或采用二色性表面布置并且對來自激光器或其它固態(tài)光源的光進(jìn)行控制的其它顏色組合器的常規(guī)顏色分離和重組。有利地，本發(fā)明實(shí)施例有助于減小采用多層薄膜涂層的常規(guī)顏色組合器和顔色分離裝置上的相位差?？梢钥吹?，増加了額外的呑吐量。例如，在使用圖4的基本二色性濾波片布置的一個(gè)實(shí)施例中，緑色通道上的相位差從20度減小至±0. 5度以內(nèi)，藍(lán)色通道提高了近5度，并且紅色通道也有類似程度的提高。隨著相位差的提高，可測光效率也有所增カロ，其中緑色通道至少增加了 5%，藍(lán)色和紅色通道雖增加較少但也有明顯增加。文中所述本發(fā)明示例性實(shí)施例使用増加至二色性光束組合器(在這些實(shí)例中示出為光束組合器40)表面的反射多膜堆。應(yīng)注意，作為選擇，相位差△ Φ的補(bǔ)償可以設(shè)置在光路中的多種光學(xué)元件上，包括透鏡、玻璃板、反射鏡、濾波片、棱鏡、偏振器及其它結(jié)構(gòu)。另夕卜，如參考圖19和圖20所述，同一補(bǔ)償方案可應(yīng)用于采用常規(guī)飛利浦棱鏡和X棱鏡顏色分離器和組合器的實(shí)施例的涂層上。部件列表12r、12g、12b 顏色通道22、23、24 二色性元件22a、23a、24a 抗反射表面22b、23b、24b 濾波片表面28投影透鏡30顯示表面
32偏振分析器40光束組合器41第一二色性元件42反射曲線42E邊緣過渡42P 通帶42R 阻帶43、44、45 二色性元件43a、44a、45a 抗反射表面43b、44b、45b 濾波片表面46L、46R、47L、47R、48L、48R、49L、49R 方框50、50c相位差曲線51、51c相位尾部52相位補(bǔ)償二色性元件
53r、54r、55r反射濾波片曲線圖53t、54t、55t透射濾波片曲線圖53Φ、54Φ、55Φ、56Φ、57Φ 相位差曲線圖60、61相位補(bǔ)償光譜帶通62r、63r、64r反射濾波片曲線圖62t、63t、64t透射濾波片曲線圖62 Φ、63 Φ、64 Φ、66 Φ、67 Φ 相位差曲線圖80光學(xué)元件
82入射光84入射平面86反射光92、94 二色性元件92a、94a抗反射表面92b、94b濾波片表面100、101 成像裝置110、111、112、113、114、115 相位差曲線118相位尾部120、122、124、130、132、134、140、142、144、146 曲線圖150、152、154、160、162、164、170、172、174、176 曲線圖200成像裝置204偏振光束分離器206飛利浦棱鏡210空間光調(diào)制器215偏振補(bǔ)償器220X 棱鏡225TIR 棱鏡230調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)SllO初始設(shè)計(jì)步驟S120相位估計(jì)步驟S130第二設(shè)計(jì)步驟S140第二相位估計(jì)步驟S150相位補(bǔ)償步驟。
權(quán)利要求
1.一種光束組合器，其用于將多個(gè)光束組合在光路上，包括 第一二色性元件，其具有二色性涂層，所述二色性涂層設(shè)置成沿所述光路透射第一波長帶上的光并且將第二波長帶上的光反射在所述光路上，并且所述第一二色性元件使傳輸中的光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生相位差； 第二二色性元件，其具有二色性涂層，所述二色性涂層設(shè)置成沿所述光路透射所述第一和第二波長帶上的光并且將第三波長帶上的光反射在所述光路上，并且累積傳輸中的光的偏振狀態(tài)的額外相位差；以及 其中所述第一或第二二色性元件的表面還包括相位差補(bǔ)償多層薄膜堆，該相位差補(bǔ)償多層薄膜堆提供位于入射在所述表面上的光的第一、第二和第三波長帶中的任一個(gè)波長帶之外的至少一個(gè)正或負(fù)反射邊緣過渡，并且對所述第一、第二和第三波長帶中的至少一個(gè)波長帶上的累計(jì)相位差進(jìn)行補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束組合器，其中提供所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆的表面形成在第一或第二二色性元件上，作為與所述二色性元件相關(guān)的二色性涂層或抗反射涂層的部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束組合器，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆提供所述正或負(fù)反射邊緣過渡，作為帶通濾波片或通過邊緣濾波片的特征。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束組合器，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆提供在小于80nm的第一、第二或第三波長帶內(nèi)的邊緣過渡。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆將所述累計(jì)相位差減小至小于±10度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束組合器，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆設(shè)置有基于以下參數(shù)的相位差特征，該參數(shù)包括薄膜層數(shù)、薄膜層的折射率、薄膜層的折射率比、邊緣過渡的光譜位置、或它們的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束組合器，其中在所述第一、第二和第三波長帶中的至少一個(gè)波長帶上的累計(jì)相位差的補(bǔ)償至少部分由相位差補(bǔ)償多層薄膜堆的諧波提供。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束組合器，其中第一二色性元件的表面的入射平面與第二二色性元件的入射平面大致垂直。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束組合器，其中所述第一、第二和第三波長帶在可見波長區(qū)中，并且相位補(bǔ)償薄膜堆提供在包括所述第一、第二和第三波長帶的波長區(qū)之外的反射帶通濾波片或通過邊緣濾波片。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束組合器，其中所述第一波長帶為綠色或紅色。
11.一種光束組合器，其用于將多個(gè)光束組合在光路上，且包括 第一二色性元件，其設(shè)置成沿所述光路透射第一波長帶上的光，并且將第二波長帶上的光反射在所述光路上，所述第一二色性元件具有透射通帶效率、反射通帶效率和具有與通帶邊緣過渡相關(guān)的特征的相位差曲線，并且使傳輸中的光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生相位差； 第二二色性元件，其設(shè)置成沿所述光路透射第一和第二波長帶上的光，并且將第三波長帶上的光反射在所述光路上，所述第二二色性元件具有透射通帶效率、反射通帶效率和具有與通帶邊緣過渡相關(guān)的特征的相位差曲線，并且使傳輸中的光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生相位差；以及形成在沿光路設(shè)置的至少一個(gè)光學(xué)表面上的至少一個(gè)相位差補(bǔ)償多層薄膜堆，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆構(gòu)造成提供位于入射在所述表面上的光的第一、第二或第三波長帶之外的至少一個(gè)正或負(fù)反射邊緣過渡，并且具有包含與所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆的邊緣過渡相關(guān)的特征的相位差曲線，其中這些相位差減小由所述第一或第二二色性元件所引起的在至少一個(gè)波長帶中的相位差。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光束組合器，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆設(shè)置有基于以下參數(shù)的相位差特征，該參數(shù)包括薄膜層數(shù)、薄膜層的折射率、薄膜層的折射率比、邊緣過渡的光譜位置、相位差補(bǔ)償多層薄膜堆的諧波的存在、或它們的組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光束組合器，其中承載所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆的光學(xué)表面設(shè)置在所述第一二色性元件、所述第二二色性元件上，或者設(shè)置在位于所述第一和第二二色性元件的之前、之后或之間的光學(xué)元件上。
14.一種抗反射薄膜涂層，其形成在光學(xué)表面上，所述抗反射薄膜涂層抑制入射光波長區(qū)內(nèi)的入射偏振光反射，并且還在位于入射光波長區(qū)之外的波長帶上提供反射邊緣過渡，其中所述薄膜涂層為入射偏振光波長區(qū)內(nèi)的偏振光提供相位差補(bǔ)償。
15.—種光學(xué)兀件,其布置成接收入射偏振光束，其中所述光學(xué)兀件包括位于對包含入射光束的第一波長帶進(jìn)行反射或透射的表面上的二色性光學(xué)涂層，并且其中所述光學(xué)元件還包括位于表面上的相位差補(bǔ)償多層薄膜堆，以使所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆提供位于第一波長帶之外的光譜區(qū)中的正或負(fù)反射邊緣過渡，并且其中與所述邊緣過渡相關(guān)的相位差響應(yīng)對由二色性光學(xué)涂層施加到所述入射偏振光的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)元件，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆設(shè)置有基于以下參數(shù)的相位差特征，該參數(shù)包括薄膜層數(shù)、薄膜層的折射率、薄膜層的折射率比、邊緣過渡的光譜位置、相位差補(bǔ)償多層薄膜堆的諧波的存在、或它們的組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)元件，其中所述二色性光學(xué)涂層的可能出現(xiàn)在與相位差補(bǔ)償多層薄膜堆相關(guān)的重疊光譜區(qū)中的諧波被抑制，或者相位差補(bǔ)償多層薄膜堆的諧波被抑制。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)元件，其中提供至所述光學(xué)元件的入射偏振光在空間或時(shí)間上被調(diào)制，以改變偏振方向。
19.一種光學(xué)元件，其布置成接收入射偏振光束，其中所述光學(xué)元件包括位于反射或透射第一波長帶的表面上的二色性光學(xué)涂層，所述第一波長帶包括具有光譜帶寬的入射光束，并且其中所述二色性光學(xué)涂層的特征在于，具有光譜通帶區(qū)、至少一個(gè)邊緣過渡和相關(guān)相位差響應(yīng)；并且 其中所述光學(xué)元件通過以下途徑進(jìn)行相位補(bǔ)償，所述途徑包括i)設(shè)置二色性涂層相對于入射光光譜帶寬的邊緣過渡位置和相關(guān)相位差響應(yīng)，ii)在表面上設(shè)置相位差補(bǔ)償多層薄膜堆，所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆具有所述第一波長帶之外的正或負(fù)反射邊緣過渡和延伸至入射光的光譜帶寬的相關(guān)相位差響應(yīng)，iii)或它們的組合。
20.一種多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件，其沿光路引導(dǎo)多個(gè)光束，且包括 第一二色性元件，其設(shè)置成沿所述光路透射第一波長帶上的光并且將第二波長帶上的光反射在所述光路上； 第二二色性元件，其設(shè)置成沿所述光路透射所述第一和第二波長帶上的光，并且將第三波長帶上的光反射在所述光路上，其中所述第一和第二二色性元件使傳輸中的光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生相位差；以及 相位差補(bǔ)償多層薄膜堆，其形成在沿所述光路設(shè)置的表面上，并且所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆構(gòu)造成提供位于入射在所述表面上的光的第一、第二或第三波長帶之外的反射邊緣過渡，并且其中與反射邊緣過渡相關(guān)的相位差對在所述第一、第二和第三波長帶中的至少一個(gè)波長帶上由所述第一或第二二色性元件施加的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件，其中所述相位變化補(bǔ)償多層薄膜堆設(shè)置有相位差特征基于以下參數(shù)的濾光片，該參數(shù)包括薄膜層數(shù)、薄膜層的折射率、薄膜層的折射率比、邊緣過渡的光譜位置、濾波片諧波的存在或它們的組合。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆設(shè)計(jì)成，當(dāng)將多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件用在單通或雙通構(gòu)造中時(shí)提供補(bǔ)償，以便引導(dǎo)光束分別穿過所述組件一次或兩次。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件，其中所述二色性元件設(shè)置為形成在玻璃板、光學(xué)棱鏡或其組合的光學(xué)表面上的二色性涂層，并且其中所述多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件用作光束組合器或光束分離器。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆為包括抗反射涂層、帶通濾波片涂層或通過邊緣濾波片涂層在內(nèi)的一種光學(xué)涂層。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆形成在反射、透射或者既反射又透射可見波長區(qū)內(nèi)的光的表面上。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件，其中所述相位差補(bǔ)償多層薄膜堆至少部分地反射可見波長區(qū)。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件，其中光路上形成有相位差補(bǔ)償多層薄膜堆的表面是第一或第二二色性元件的表面，或者是位于所述第一和第二二色性元件之間、之前或之后的另一個(gè)玻璃或其它固體透明介質(zhì)之上或之內(nèi)的表面。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件，其中所述第一波長帶的光為綠色或紅色。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多顏色通道、多二色性光束引導(dǎo)組件，其中所述第一波長帶、第二波長帶或第三波長帶的光由被調(diào)制的激光束提供。
30.一種對來自光束組合裝置的相位差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，所述光束組合裝置至少包括形成為多層薄膜堆的第一和第二濾波片，所述方法包括 確定由所述第一和第二濾波片施加的在傳輸中的光的偏振狀態(tài)之間的累計(jì)相位差，其中所述傳輸中的光包括至少第一、第二和第三波長帶上的光；以及 在所述第一、第二和第三波長帶中的一個(gè)或多個(gè)波長帶的光的路徑上增加相位補(bǔ)償濾波片，其中所述相位補(bǔ)償濾波片為帶通濾波片或邊緣濾波片，并且其中所述相位補(bǔ)償濾波片構(gòu)造成反射或透射所述第一、第二和第三波長帶之外的波長，同時(shí)還對所述第一、第二或第三波長帶內(nèi)的波長的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所述相位補(bǔ)償濾波片為多層薄膜堆，并且其中增加反射濾波片包括指定多層薄膜堆中的一個(gè)或多個(gè)層的數(shù)量、組成和布置。
32.—種采用成像裝置利用至少來自第一、第二和第三顏色通道的調(diào)制光來形成多色圖像的方法，該方法包括 通過第一二色性元件沿所述光路透射來自所述第一顏色通道的偏振調(diào)制光，并且將來自所述第二顏色通道的偏振調(diào)制光反射在所述光路上； 通過第二二色性元件沿所述光路透射來自所述第一和第二顏色通道的偏振調(diào)制光，并且將來自所述第三顏色通道的偏振調(diào)制光反射在所述光路上，其中所述第一和第二二色性兀件使傳輸中的偏振調(diào)制光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生相位差；以及 通過在沿至少一個(gè)顏色通道的光路布置的至少一個(gè)表面上設(shè)置相位差補(bǔ)償多層薄膜堆來補(bǔ)償所施加的相位差，其中相位差補(bǔ)償多層薄膜堆提供在不同于第一、第二和第三顏色波長的預(yù)定波長上的反射邊緣過渡，并且其中與所述反射邊緣過渡相關(guān)的相位差對所施加的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述預(yù)定波長位于所述可見光譜之內(nèi)或之外。
34.一種在顯示表面上形成圖像的成像裝置，包括 至少第一、第二和第三顏色通道，每一個(gè)顏色通道能夠提供各自第一、第二或第三波長帶上的調(diào)制光束； 用于將至少第一、第二和第三顏色通道光束組合在光路上的光束組合器，其包括 第一二色性元件，其設(shè)置成沿所述光路透射所述第一波長帶上的光并且將所述第二波長帶上的光反射在所述光路上，并且所述第一二色性元件使傳輸中的光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生相位差； 第二二色性元件，其設(shè)置成沿所述光路透射所述第一和第二波長帶上的光，并且將所述第三波長帶上的光反射在所述光路上，并且第二二色性元件使傳輸中的光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生額外的相位差；以及 相位差補(bǔ)償多層薄膜堆，其形成在沿光路設(shè)置的表面上，并且相位差補(bǔ)償多層薄膜堆構(gòu)造成提供位于入射在所述表面上的光的第一、第二或第三波長帶之外的反射邊緣過渡，同時(shí)具有對出現(xiàn)在第一、第二和第三波長帶中的至少一個(gè)波長帶內(nèi)的被施加相位差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南辔徊钋€；以及 投影透鏡，其將被組合光束從所述光路引至顯示表面上。
35.一種成像裝置，包括 光束組合器，其設(shè)置成將作為至少來自第一、第二和第三波長帶的光束組合的多色照明供應(yīng)至光路上，所述光束組合器包括 第一二色性元件，其設(shè)置成沿所述光路透射所述第一波長帶上的光并且將所述第二波長帶上的光反射在所述光路上，并且所述第一二色性元件使傳輸中的光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生相位差； 第二二色性元件，其設(shè)置成沿所述光路透射所述第一和第二波長帶上的光，并且將所述第三波長帶上的光反射在所述光路上，并且第二二色性元件使傳輸中的光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生額外的相位差；以及 相位差補(bǔ)償多層薄膜堆，其形成在沿所述光束組合器的光路設(shè)置的表面上，并且相位差補(bǔ)償多層薄膜堆構(gòu)造成提供位于入射在所述表面上的光的第一、第二或第三波長帶之外的反射邊緣過渡，同時(shí)具有對出現(xiàn)在第一、第二或第三波長帶內(nèi)的被施加相位差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南辔徊钋€；以及 調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)，其設(shè)置有棱鏡組件和空間光調(diào)制器，其中所述空間光調(diào)制器將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像調(diào)制光，并且其中所述棱鏡組件包括顏色組合棱鏡，該顏色組合棱鏡設(shè)置成將所述多色照明分離成其第一、第二和第三波長帶，以將各個(gè)波長帶引導(dǎo)至相應(yīng)空間光調(diào)制器，并且對來自各個(gè)空間光調(diào)制器的調(diào)制光進(jìn)行重組，進(jìn)而將所重組的調(diào)制光引向投影透鏡，從而投影在顯示表面上。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的成像裝置，其中所述顏色組合棱鏡設(shè)置有形成在沿所述光路設(shè)置的表面上的一個(gè)或多個(gè)相位差補(bǔ)償多層薄膜堆，所述一個(gè)或多個(gè)相位差補(bǔ)償多層薄膜堆構(gòu)造成提供位于入射在所述表面上的光的第一、第二或第三波長帶以外的反射邊緣過渡，同時(shí)具有對在所述第一、第二或第三波長帶內(nèi)的被施加相位差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南辔徊钋€。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的成像裝置，其中所述調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置有顏色組合棱鏡，所述顏色組合棱鏡為X棱鏡或飛利浦棱鏡，或者具有作為液晶裝置或微鏡陣列裝置的空間光調(diào)制器。
全文摘要
一種用于將多個(gè)光束組合在光路上的光束組合器，其包括第一二色性元件，其具有二色性涂層，該二色性涂層設(shè)置成沿光路透射第一波長帶上的光并且將第二波長帶上的光反射在光路上；以及第二二色性元件，其具有二色性涂層，該二色性涂層設(shè)置成沿光路透射第一和第二波長帶上的光并且將第三波長帶上的光反射在光路上。光束組合器還包括相位差補(bǔ)償多層薄膜堆，該相位差補(bǔ)償多層薄膜堆提供位于第一、第二和第三波長帶中的任一個(gè)波長帶之外的至少一個(gè)反射邊緣過渡，并且對在第一、第二和第三波長帶中的至少一個(gè)波長帶上的傳輸中的偏振狀態(tài)的累計(jì)相位差進(jìn)行補(bǔ)償。
文檔編號G02B5/30GK102667546SQ201080051073
公開日2012年9月12日 申請日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者A·F·庫爾茨, B·D·西爾弗斯坦, J·克魯施維茨 申請人:伊斯曼柯達(dá)公司