复合偏振分束器制造技术

提供了一种用于反射偏振调制成像装置（１０），例如ＬＣｏＳ装置的复合偏振分束器（３３）。复合ＰＢＳ具有：（ａ）输入棱镜（２０）；（ｂ）输出棱镜（３０）；（ｃ）位于这两个棱镜（２０、３０）之间的偏振器（１３），它可以是线栅偏振器（１３ａ），也可以是多层反射偏振器（１３ｂ）。偏振照射光（１１）经过第一表面（２１）进入输入棱镜（２０），在第二表面（２２）上发生全内反射，然后自偏振器（１３）反射，并在成像装置（１０）上接受偏振调制。偏振器的倾角（β）小于４５°，这可减少散光，缩短该系统的投映透镜（７４）所需的后焦距。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对光进行有效地偏振分解的光学装置(光学单元)。所述装置可用与于硅器件(LCoS器件)上的反光液晶等一起使用。更具体地，本专利技术涉及称作偏振分束器(在本领域亦简称“PBS”)的偏振分光装置，特别涉及用于影像投映系统的偏振分束器，所述影像投映系统采用一个或多个反光的偏振-调制成像装置。
技术介绍
A.影像投映系统影像投映系统用来在视屏如显示屏上形成物体的影像。这种系统可以分前投映型和后投映型，划分依据是观察者和物体是在屏的同一边(前投映)还是在相对的两边(后投映)。附图说明图1简要示出了影像投映系统77的基本部件，该系统可用于微显示成像装置(在本领域亦称“数字光阀”或“像素化成像装置”)。在此图中，70是光照系统，包含光源71和将部分光从光源转向屏的照明光学元件72，73是成像装置，74是投映透镜，它能在视屏75上形成成像装置的放大像。为方便叙述，图1所示系统的部件呈直线排列。对于本专利技术所涉及的反射型成像装置，光照系统的位置可以使光照系统发出的光从成像装置反射回来，即光投射在成像装置前面，而不是图1中那样投射在成像装置背后。同样，如图2和3所示，对于通过调制(改变)照明光局部偏振来操作的反射成像装置(这里称为“反射偏振调制成像装置”)，偏振分束器(PBS)位于成像装置前面，从光照系统接受照明光11，例如S-偏振光，然后向投映透镜提供成像光12，例如P-偏振光。对于前投映系统，观察者位于图1中屏幕75的左侧，而对于后投映系统，观察者位于屏幕右侧。对于装在盒子里的后投映系统，常常在投映透镜和屏幕之间用一个或多个镜子使光路偏折，从而减少了系统的整体尺寸。成像投映系统宜采用单个投映透镜，它形成的像来自(1)单一成像装置，该装置能依次或同时形成最终像的红、绿、蓝部分；或者(2)三个成像装置，一个发红光，一个发绿光，还有一个发蓝光。有些成像投映系统不采用单个或三个成像装置，而是采用2个或多达6个成像装置。此外，在某些应用，例如大成像后投映系统，可以采用多投映透镜，每个透镜及其相关成像装置产生整个像的一部分。B.偏振分束器图2所示为采用MacNeille立方型偏振分束器60的成像投映系统的布置图。例如，可参见E.Stupp和M.Brennesholtz的“反射偏振技术”，投映显示器，1999，p.129-133。如图所示，偏振分束器(PBS)包含两个光学胶粘在一起的直角三棱镜61和62。分束器的对角线63上有一个介电涂层，它能反射S-偏振光而透过P-偏振光。从图2中可以看出，在MacNeille型PBS的对角线上反射光线后，从光照系统发出的S-偏振光到达反射成像装置10，例如LCoS装置，光在此装置上得到偏振调制。调制光15是P-偏振光，然后通过对角线63到达投映棱镜上，形成所需像。仍为S-偏振光的非调制光(图2中未示出)在对角线处发生反射，并回到光照系统。在成像投映系统中采用MacNeille型PBS的主要问题，是斜线效应引起透射光发生去偏振现象。这是个纯几何现象，见述于Miyatake的美国专利5327270，发布于1994年7月5日，题目是“偏振分束装置和光阀成像投映系统”。这种去偏振光降低了系统的对比度。根据Miyatake的专利，补偿斜线去偏振需要额外的1/4波片(即图2中的片64)，这增加了成本，要求精确对准，限制了操作温度的范围。在采用反射偏振调制成像装置的投映系统中使用补偿片的其他例子见述于Ootaki的美国专利5459593、Schmidt等人的美国专利5576854和Bryars的美国专利5986815。另一种类型的PBS是线栅偏振器。例如，可参见Perkins等的美国专利6122103，发布于2000年9月19日，题目是“用于可见光的宽带线栅偏振器”。此光学部件不存在斜线去偏振问题，而且有极高的偏振消光比。此外，该部件能在较大温度范围内工作，可耐高的光强线栅偏振器13a可用于反射偏振调制成像装置，例如LCoS装置，部件布置简图见图3A和3B。遗憾的是，这两种布置都存在光学问题。图3A所示布置的光学问题，是在成像光路中存在一个倾斜放置的两面平行的板。该板是支撑线栅结构的玻璃基底(厚度大于0.5mm)。目前，线栅结构的制造工艺中存在的技术限制使薄基底的使用困难。厚0.5mm、倾斜45度的玻璃基底产生了-0.135mm的散光。见Warren J.Smith的《现代光学工程》，第2版，McGraw-Hill，Inc.，New York，1990，第99页。LCoS装置中所用投映透镜的焦距的典型深度是+/-0.025mm。因此，图3A所示结构的成像质量非常糟糕，因为散光是焦距深度的2.5-3倍。在图3B所示布置图中，光沿着光路通过倾斜的玻璃基底，此时散光不明显。在这种情况下，在成像光路中的成像质量取决于线栅基底的平整度。要得到可接受的成像质量，要求表面平整度约为1条干扰条纹/英寸或者更好。目前最好的线栅偏振器的平整度约为3条干扰条纹/英寸。图3B所示结构还有另外两个问题(1)温度变形和(2)线栅结构保护。一般情况下，LCoS投映仪在室温下组装并对准，但LCoS区(线栅PBS所在区域)的操作温度为45-55℃。温度升高会使线栅基底产生变形，这将使屏幕上的成像质量下降。至于保护问题，必须要防止线栅结构受到环境中的灰尘、湿气、机械刮伤等损害，这些损害会削弱PBS的偏振性质。但是，在图3B所示线栅结构的前方安装任何类型的保护窗，差不多都相当于在成像光路中再引入一个两面平行的板，这就会产生上面所讨论的散光现象。另一个已知类型的PBS是多层反射偏振器。例如，可参见Jonza等人的美国专利5965247。还可参见《投映显示专项报告》第7卷，第11号，2001年7月20日，第6-8页。象线栅偏振器一样，多层反射偏振器可归入笛卡儿偏振器这一大类，因为各光束的偏振是相对于偏振器的恒定主轴(通常为直角)的，而MacNeille型PBS中，各光束的偏振基本上与光束入射角无关。见Bruzzone等的美国专利6486997。图3C简要示出了采用多层反射偏振器13b的结构，它包含反射偏振调制成像装置10，例如LCoS装置。多层反射偏振器是较厚的部件，如图3C所示，其倾斜角度为45度。此部件的厚度以及该部件与周围玻璃棱镜51和52之间的折射指数差异会产生散光，这将降低显示器的成像质量。例如，多层反射偏振器的厚度和折射指数可分别为0.25毫米和1.54，而棱镜51和52由PBH-56玻璃构成时，其折射指数约为1.85。当倾斜45°时，这种结构会产生约0.2mm的散光。为矫正这种散光，可在多层反射偏振器旁边安置一个折射指数较高(例如，对于PBH-71玻璃为1.93)的两面平行的板50(散光矫正器)，如图3C所示。但是，使用这种散射光矫正器显著提高了PBS的成本。专利技术概述鉴于前述情况，本领域需要一种偏振分束器，它具有下列性质中的一部分，较好具有下列全部性质(1)PBS容易制造，不需要薄的基底，也不需要超平的基底；(2)PBS不受环境损坏；(3)PBS在升高的温度下不会变形；(4)PBS几乎不会在成像光引入散光。作为第5条性质，成像光通过PBS的光路宜较短，形成最终像的投映透镜可具有一个较短的后焦距，因而具有更简单、成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种成像投映系统，它包括：（Ⅰ）光照系统，它产生具有第一偏振方向的偏振照明光；（Ⅱ）反射成像装置，它接收偏振照明光，通过改变接收光选定部分的偏振方向产生具有第二个偏振方向的调制反射光；（Ⅲ）投映透镜；（Ⅳ）棱镜装置，它包括输入棱镜、输出棱镜和输入棱镜与输出棱镜（３０）之间的偏振器，其中：（Ａ）输入棱镜包含：（ｉ）第一表面，它接收来自光照系统的偏振照明光；（ｉｉ）第二表面，它为成像装置提供偏振照明光，并从成像装置接收调制反射光；（ｉｉｉ）第三表面，它面向输出棱镜；（Ｂ）输出棱镜包含：（ｉ）第一表面，它面向输入棱镜，平行于输入棱镜的第三表面；　（ｉｉ）第二表面，它为投映透镜提供光线，形成投映像；（Ｃ）偏振器：（ｉ）位于输入棱镜的第三表面与输出棱镜的第一表面之间，（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）向内透过输入棱镜的第一表面；（ｉｉ）在输入棱镜的第二表面上全内反射；（ｉｉｉ）向外透过输入棱镜第三表面；（ｉｖ）自偏振器反射；（ｖ）向内透过输入棱镜的第三表面；（ｖｉ）向外透过输入棱镜的第二表面。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S马加里尔，CL布鲁泽恩，SK艾克哈特，RE小英格里希，EG弗尔克森，马家颖，TS卢舍福德，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]