CN100342265C - 复合偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

复合偏振分束器
发明领域
本发明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，本发明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。
发明背景
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)。
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。对于本发明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[f数(FNo)为2.8]。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。
发明概述
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、成本更低的结构。
为满足本领域的这种需要，本发明提供了一种偏振分束器，可用来具有上述五个特征中的某些部分、较好也可包括全部特征的反射偏振调制成像板。
具体地，本发明一方面提供了一种成像投映系统(77)，它包括：
(I)光照系统(70)，它产生具有第一偏振方向(宜为S-偏振)的偏振照明光(11)；
(II)反射成像装置(10)，它接收偏振照明光(11)，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(宜为P-偏振)的调制反射光；
(III)投映透镜(74)；
(IV)棱镜装置(33)，它包括输入棱镜(20)、输出棱镜(30)和输入棱镜(20)与输出棱镜(30)之间的偏振器(13)，
其中：
(A)输入棱镜(20)包含：
(i)第一表面(21)，它接收来自光照系统(70)的偏振照明光(11)；
(ii)第二表面(22)，它为成像装置(10)提供偏振照明光(11)，并从成像装置(10)接收调制反射光；
(iii)第三表面(23)，它面向输出棱镜(30)；
(B)输出棱镜(30)包含：
(i)第一表面(31)，它面向输入棱镜(20)，平行于输入棱镜(20)的第三表面(23)；
(ii)第二表面(32)，它为投映透镜(74)提供光线，形成投映像；
(C)偏振器(13)：
(i)位于输入棱镜(20)的第三表面(23)与输出棱镜(30)的第一表面(31)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(11)的光路包含：
(i)向内透过输入棱镜(20)的第一表面(21)；
(ii)在输入棱镜(20)的第二表面(22)上全反射；
(iii)向外透过输入棱镜(20)的第三表面(23)；
(iv)自偏振器(13)反射；
(v)向内透过输入棱镜(20)的第三表面(23)；
(vi)向外透过输入棱镜(20)的第二表面(22)。
本发明第二方面提供了棱镜装置(33)，它包含输入棱镜(20)、输出棱镜(30)以及输入棱镜(20)与输出棱镜(30)之间的偏振器(13)，
其中：
(A)输入棱镜(20)包含：
  (i)第一表面(21)，它在结构和位置上适合接收来自光照系统(70)的偏振照明光(11)；
  (ii)第二表面(22)，它在结构和位置上适合为成像装置(10)提供偏振照明光(11)，并从成像装置(10)接收调制反射光；
  (iii)第三表面(23)，它面向输出棱镜(30)；
(B)输出棱镜(30)包含：
(i)第一表面(31)，它面向输入棱镜(20)，平行于输入棱镜(20)的第三表面(23)；
(ii)第二表面(32)，它在结构和位置上适合为投映透镜(74)提供光线，形成投映像；
(C)偏振器(13)：
(i)位于输入棱镜(20)的第三表面(23)与输出棱镜(30)的第一表面(31)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(11)的光路包含：
(i)向内透过输入棱镜(20)的第一表面(21)；
(ii)在输入棱镜(20)的第二表面(22)上全内反射；
(iii)向外透过输入棱镜(20)的第三表面(23)；
(iv)自偏振器(13)反射；
(v)向内透过输入棱镜(20)的第三表面(23)；
(vi)向外透过输入棱镜(20)的第二表面(22)。
本发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(宜为S-偏振光)，透射具有第二偏振方向的光(宜为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)(宜为S-偏振光)；
(2)将偏振照明光引入具有许多表面(21、22、23)的棱镜(20)；
(3)通过棱镜一个表面(22)上的全内反射改变偏振光的方向；
(4)反射来自偏振器(13)的偏振照明光；
(5)在反射成像装置(10)上通过改变选定部分光的偏振方向将偏振照明光调制成第二偏振方向，所述选定部分的光包含成像的光；
(6)使选定部分的光透过偏振器(13)和投映棱镜(74)，形成像。
本发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(宜为S-偏振光)，透射具有第二偏振方向的光(宜为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(例如沿图6所示相反方向传播的成像光12)；
(2)使偏振照明光透过偏振器(13)；
(3)在反射成像装置(10)上通过改变选定部分光的偏振方向将偏振照明光调制成第一偏振方向，所述选定部分的光包含成像的光；
(4)反射来自偏振器(13)具有第一偏振方向的选定部分的光，形成成像光(例如，沿图6所示相反方向传播的照明光11)；
(5)将成像光引入具有许多表面(21、22、23)的棱镜(20)；
(6)通过在棱镜一个表面(22)上的全内反射改变成像光的方向；
(7)将成像光透射到投映透镜(74)上，形成像。
根据本发明的每一个方面，偏振器宜为线栅偏振器(13a)或多层反射偏振器(13b)。
在综述本发明各个方面的时候上面所用的标识数字只是为了方便读者，无意、也不应当理解为对本发明范围的限制。更一般地说，应当理解，前面的总述和下面的详述都只是通过实例来阐释本发明，意在为理解本发明的特点提供概览或框架。
本发明的其他特征和优点将在以下详述中体现，本领域技术人员借助这种介绍或通过实践本发明，不难理解其中的部分特征和优点。附图是为了进一步帮助理解本发明，包含在本发明中，并构成本说明书的一部分。
附图简介
图1所示为采用微显示成像装置的成像投映系统的基本部件简图。
图2所示为采用反射偏振调制成像装置和传统MacNeille立方型PBS的成像投映系统的光学布置简图。
图3A所示为采用反射偏振调制成像装置和线栅PBS的成像投映系统的第一种光学布置简图。
图3B所示为采用反射偏振调制成像装置和线栅PBS的成像投映系统的第二种光学布置简图。
图3C所示为采用反射偏振调制成像装置和多层反射偏振器的成像投映系统的光学布置简图。
图4所示为本发明复合偏振分束器(PBS)装置简图。
图5A所示为位于图4所示复合PBS装置中第一位置的线栅偏振器简图。
图5B所示为位于图4所示复合PBS装置中第二位置的线栅偏振器简图。
图6所示为光线已经通过图4所示复合PBS装置的简图。
图7所示为光线已经通过本发明复合PBS装置的简图，它除图4所示结构外，在光路中还有一个折镜。
图8所示为计算βmin的示意图。
图9所示为计算βmax的示意图。
在以上各图中，相同的标识数字代表相同或相应的部分。标识数字与各元件对应的一般情况列于表1。
优选实施方式详述
如以上所讨论的，本发明涉及一种棱镜装置，它采用了笛卡儿偏振器的优异偏振性质，包括线栅偏振器和多层反射偏振器，可用于(例如)基于LCoS的投映系统，且具有如下优点：
(1)对线栅基底没有特殊要求，具体是没有厚度限制，不需要超平整度；
(2)对线栅结构提供了完整的环境保护；
(3)偏振器在温度升高的情况下没有变形的危险；
(4)对于多层反射偏振器，该系统的散光性明显降低，因而减少或消除了
对散光矫正器的需求；
(5)棱镜装置内的成像光路长度与传统PBS相比缩短了。
在最广泛的意义上，本发明涉及由两个棱镜20和30(例如两个玻璃棱镜)、一个偏振器13(例如线栅偏振器或多层反射偏振器)组成的复合棱镜，如图4所示。
先讨论线栅偏振器。如图5A所示，线栅偏振器13a可以胶粘到输出棱镜30的长面31(即第一表面)上，栅结构背离棱镜30。然后安装输出棱镜30，使输入棱镜20的表面23(即第三表面)与线栅结构之间存在小的气隙。这可以通过在线栅与表面23之间插入薄间隔物来实现，保证所需透明度。
表面23与线栅结构之间的气隙宜小于100微米，这样它就足够小，使得它引起的散光不至于降低成像质量。气隙最好小于50微米。产生这种气隙的间隔物可以是双面胶膜或真空沉积的材料层或任何其他类型的机械层，形成均匀厚度，以便用于形成此间隙。悬浮在胶粘剂中的玻璃珠也可以用作间隔物。间隔物可以连续存在于线栅偏振器的所有边缘，以便为气隙提供绝缘环境(隔离)。或者，也可以沿气隙在复合棱镜外表面上涂漆或放置机械膜，以此提供绝缘环境(隔离)。
光线通过复合棱镜的路径如图6所示。来自光照系统的偏振光11(S-偏振)穿过输入棱镜20的表面21(第一表面)进入棱镜装置33，在该棱镜的表面22(第二表面)上发生全内反射(TIR)，然后到达偏振器。线栅结构将S偏振光反射到LCoS(或其他偏振反射像素化成像装置)上，如图所示。从LCoS的“off”像素反射过来的光具有相同的偏振方向，回到光照系统。从“on”像素反射过来的光经反射后改变了偏振方向，经过偏振器进入投映透镜。对于本发明下面要讨论的多层反射偏振器实施方式，光路和偏振方向的改变与此相同。
为了最大程度减少散射和/或反射，输入和/或输出棱镜的非光学表面可以做成倾斜的和/或自它们的位置向外推移，如图6所示。例如，图6中输出棱镜30的左面可以顺时针旋转，向外移动并超出表面31，从而最大程度减少通过此棱镜的成像光发生的散射和/或散射。
参见图8和9，棱镜20的角β应当选择在βmin和βmax之间，它们通过以下方法确定：
(1)角βmin应当使来自指定范围的所有光线都在棱镜20的表面22上发生全内反射。图8所示为在棱镜20的表面22上具有最小入射角的临界光线。如果这条光线发生全内反射，则意味着±γ范围内的所有光线都能发生TIR。从图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是棱镜20的折射指数，
FNo是投映透镜的f数。
因此，如果β≥0.5·(γ+α)，则±γ范围内的所有光线都能在表面22上发生全内反射。
(2)选择的角βmax要避免在指定孔径内的所有光线在棱镜20的表面23上发生全内反射。需要考虑的临界光线示于图9。如果(β+γ)小于TIR角，则指定孔径内的所有光线都将通过表面23，并与偏振器的线栅结构相互作用。因此，为避免±γ孔径内的所有光线在表面23上发生全内反射，必须满足以下关系：
β≤α-γ。
以下通过具体实例说明βmin和βmax的计算，其中棱镜采用代表性材料，投映透镜f数为代表性数值：
(1)棱镜材料：玻璃SF2，n＝1.65222，TIR角＝37.25°；
(2)空气中的孔径为±10°，相当于玻璃中γ＝±6.3°；
(3)当α等于TIR角时，角βmin的最小值为：
βmin＝0.5×(6.03+37.25)＝21.64°
(4)当(β+γ)等于TIR角时，βmax的最大值为：
βmax＝37.25-6.02＝31.22°
从实践角度考虑，角β最好小一些，因为当采用折射指数比棱镜20和30低的多层反射偏振器时，散光程度就较小(见下文)。
在上面的计算中，空气中±10°的孔径角是相对于采用LCoS装置的光学系统的典型f数(2.8)而言的。当然，LCoS系统也可以采用其他孔径角。类似地，其他采用偏振反射像素化成像装置而不是LCoS装置的系统可以采用相同或不同的孔径角。
重要的一点是要理解，棱镜20的表面21(见图4)是表面23关于表面22的镜面反射。在光路中，棱镜20起两面平行板的作用，不会使照射光束产生任何变形。也很重要的一点是要理解，表面32和22彼此平行，这样在成像光路中就不会引起光束变形。这些情况同样适用于下面要讨论的本发明多层反射偏振器实施方式。
棱镜20宜用低双折射材料制造，为的是维持系统的偏振对比度。可以使用光弹性常数低的特种玻璃(例如SF57、PBH56)，也可以用较便宜的玻璃(如SF2)，但要经过退火处理，以减少内应力。棱镜30也可由特种玻璃或退火玻璃制造，但如果需要，也可以用其他较便宜的玻璃制造，因为通过此棱镜的光线的偏振态不重要。同样，这些情况也适用于下面要讨论的本发明多层反射偏振器实施方式。
制备一棱镜装置，其线栅偏振器如图5A所示那样安置，经测定，对比度约为200∶1。为获得更高的对比度，表面23上可施涂相控制/抗反射涂层，以补偿光的去偏振和这种倾斜玻璃/空气界面上产生的相关相偏移。前面已经介绍了这种涂层结合Philips型棱镜使用的情况，该棱镜用于LCoS成像器。例如，可参见Yamamoto等人的美国专利5594591。还可参见Keens的美国专利4948228和Thin Film Center，Tucson，Arizona生产的Essential Macleod软件程序。
对比度也可以通过在TIR表面22上施涂相控制涂层来改善。同样，这些涂层可以是前面提到的用于Philips型棱镜的涂层类型。表2列出了用于PBH-56玻璃(基底)和β角为21°的合适相控制涂层的折射指数和厚度。
除了这些涂层之外，可以通过将线栅偏振器13a移向棱镜20的表面23来提高对比度，如图5B所示。这种情况下的线栅结构面向气隙40，它靠近棱镜30，而不是靠近图5A中的棱镜20。上面结合图5所讨论的方法同样可用于产生图5B所示结构中的气隙40，而且一旦形成后，就将气隙从环境中隔离出来。
通过在线栅偏振器13a的基底与棱镜20之间使用折射指数相匹配的光学胶粘剂，可使图5B所示实施方式中的偏振器与棱镜20之间的界面透明。这样就避免了偏振光通过倾斜界面时出现去偏振现象。即使线栅基底中存在残余应力也不要紧，因为这种基底薄，由残余应力引起的双折射不大。应当指出，如果偏振器与棱镜之间的界面不透明，此界面上有关TIR的各种考虑，即计算βmax时的各种考虑不再适用，因此β只需要大于或等于0.5·(γ+α)。但是，如上面所讨论的，β越小越好，例如稍高于βmin。
尽管前面的讨论是就线栅偏振器而言，应当说明的是，本发明的复合棱镜结构可用于其他类型的偏振器。具体是，复合棱镜结构可以使用偏振双折射膜，如3M公司生产的那些膜。采用这种膜的偏振分束器的例子见述于美国专利6486997、美国公开专利20030016334、PCT公开专利WO 02/102087、美国专利申请09/878559和美国专利申请10/159694中。
当采用这种多层反射偏振器时，它可以取代线栅及其基底。更具体地，将膜安装在图4所示棱镜20和棱镜30之间。对于这种实施方式，图5所示气隙40可以不用，因此膜(或用于安装膜的光学胶粘剂)接触棱镜20的表面23和棱镜30的表面31。由于没有气隙，在此实施方式中，光照系统和投映透镜的位置可方便地交换(见发明概述中介绍的本发明第四个方面)。如上面所讨论的，光照系统较好产生S偏振光，这样对于线栅和偏振膜这两种实施方式，线栅或膜在其实际取向上就可反射来自光照系统的S偏振光，即它们的安装取向产生了图6所示S偏振照射光11的光路。
对于线栅偏振器实施方式，可用光学胶粘剂将多层反射偏振器安装在棱镜20和30上。如果棱镜玻璃的折射指数与构成多层反射偏振器的聚合物膜的折射指数存在显著差异，则棱镜20和棱镜30的对角面上应当有相匹配的抗反射(AR)涂层，以最大程度减少Fresnel反射。
对于线栅偏振器实施方式，TIR表面22上较好有相控制涂层，用以补偿偏振光发生全内反射时出现的相偏移。对于图5B所示本发明线栅实施方式，只有βmin的限制范围适用于多层反射偏振器实施方式，因为多层反射偏振器与棱镜20之间的界面宜做成光学透明的。
β值应尽可能小，以最大程度减少多层反射偏振器引起的散光效应，该值计算方法示例如下：
棱镜20和30的材料—PBH-56(nd＝1.8414)；
多层反射偏振器—3M笛卡儿偏振膜(nd＝1.545，厚度0.37mm)；
LCoS成像仪尺寸—10.55×18.76mm；
投映透镜的有效f数—2.0。
表3示出了折射指数为1.545的倾斜平行板在折射指数为1.8414的周围介质中产生的轴向散光情况。表中最后一行是棱镜对角面具有指定角度时沿成像光路的最小厚度，最后一列是具有45°对角面的传统PBS的参考数据。
从此表可以看出，对角面倾斜度越小，即β越小，轴向散光越小。虽然β越小，最小厚度也在某种程度上增加，但它仍然小于使用传统45°PBS时所要求的厚度。
某些偏振器，包括多层反射偏振器所能获得的对比度取决于入射光在偏振器上投射的角度。如果入射角太小，对比度会下降到低于可接受程度，例如低于1000∶1。对比度的下降一般取决于颜色，例如，对比度下降最大的是短波光，即蓝光。因此，虽然β值宜较小，但它也不能太小，以至于系统的对比度不可接受。β应满足如下关系：
β≥γ+θ，
其中γ定义如上，θ是提供1000∶1对比度的最小入射角。
为了补偿复合棱镜的倾斜介质，即包含偏振器和位于棱镜20、30之间的任何其他材料的材料所带来的残余散光，棱镜30的表面32和/或棱镜20的表面22可具有圆柱形状。
图7所示为本发明的另一个实施方式，其中复合棱镜可具有另一个反射表面24(第四表面)，以折射照射光束。在此情况下，第一表面21是第二表面22的一部分，如图7所示。或者，如果入射光束在成像装置平面内且垂直于成像光束，则可以额外安排一个折镜，其方向正交于图7所示平面。
虽然本发明的具体实施方式已经得到介绍和阐释，但应当理解，本领域的普通技术人员从前面的介绍中不难看出各种变化形式，只要它们不偏离本发明的范围和主旨。
表1
  数字   元件
  10   反射偏振调制成像装置
  11   来自光照系统的光
  12   照射到投映透镜上的光
  13   笛卡儿偏振器
  13a   线栅笛卡儿偏振器
  13b   多层反射笛卡儿偏振器
  14   S偏振光
  15   P偏振光
  20   输入棱镜
  21   输入棱镜的第一表面
  22   输入棱镜的第二表面
  23   输入棱镜的第三表面
  24   输入棱镜的第四表面
  30   输出棱镜
  31   输出棱镜的第一表面
  32   输出棱镜的第二表面
  33   棱镜装置
  40   气隙
  50   散光矫正器
  51   棱镜
  52   棱镜
  60   传统PBS
  61   右角棱镜
  62   右角棱镜
  63   PBS对角面
  64   1/4波片
  65   清洁偏振器
  70   光照系统
  71   光源
  72   照明光学元件
  73   微显示成像装置
  74   投映透镜
  75   视屏
  77   像投映系统
表2
  层   折射指数   厚度(纳米)
  基底   1.842
  1   1.4648   24.49
  2   2.3443   19.31
  3   1.4648   51.75
  4   2.3443   19.65
  5   1.4648   204.14
  6   2.3443   27.13
  7   1.4648   2.62
  8   2.3443   82.86
  9   1.4648   195.83
  10   2.3443   19.24
  11   1.4648   108.44
  空气   1
表3
  对角面倾斜度(度)   22   25   30   45
  轴向散光(mm)   0.020   0.028   0.049   0.323
  最小厚度(mm)   13   12.6   9.8   15

Claims (20)

1.一种成像投映系统，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，通过将接收的偏振照明光选定部分的偏振方向改变成第二个偏振方向而产生调制反射光，并将调制反射光与偏振照明光的其它部分一起反射；
(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，它为反射成像装置提供偏振照明光，并从反射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。
2.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于：
(i)投映透镜具有f数FNo；
(ii)输入棱镜由折射指数为n1的材料组成；
(iii)输入棱镜的第二表面与第三表面的相交内角β满足以下关系：
β≥0.5·(γ+α)
其中：
γ＝sin-1(1/(2·n1·FNo))，
α＝sin-1(1/n1)。
3.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于：
(i)投映透镜具有f数FNo；
(ii)输入棱镜由折射指数为n1的材料组成；
(iii)输入棱镜的第二表面与第三表面的相交内角β满足以下关系：
β≤α-γ
其中：
γ＝sin-1(1/(2·n1·FNo))，
α＝sin-1(1/n1)。
4.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于：
(i)投映透镜具有f数FNo；
(ii)输入棱镜由折射指数为n1的材料组成；
(iii)输入棱镜的第二表面与第三表面的相交内角β满足以下关系：
α-γ≥β≥0.5·(γ+α)
其中：
γ＝sin-1(1/(2·n1·FNo))，
α＝sin-1(1/n1)。
5.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于：
(i)投映透镜具有f数FNo；
(ii)输入棱镜由折射指数为n1的材料组成；
(iii)输入棱镜的第二表面与第三表面的相交内角β满足以下关系：
β≥γ+θ
其中θ为光入射到能提供1000∶1对比度的偏振器上的最小入射角，且
γ＝sin-1(1/(2·n1·FNo))。
6.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于输入棱镜的第二和第三表面的相交内角小于45°。
7.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于输入棱镜和输出棱镜的第二表面平行。
8.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于所述偏振器是笛卡儿偏振器。
9.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于所述偏振器是线栅偏振器。
10.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于所述偏振器是多层反射偏振器。
11.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于所述系统在偏振器与输入棱镜的第三表面之间包含一个折射指数匹配层。
12.权利要求11所述成像投映系统，其特征在于所述指数匹配层是光学胶粘剂。
13.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于所述系统在偏振器与输出棱镜的第一表面之间包含一个指数匹配层。
14.权利要求13所述成像投映系统，其特征在于所述指数匹配层是光学胶粘剂。
15.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于输入透镜的第二表面上有一层涂层，用来补偿偏振照明光由于在第二表面上发生全内反射而发生的相改变。
16.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于所述偏振器与输入棱镜的第三表面之间通过空气隔离，所述第三表面上有一层涂层，用来补偿偏振照明光由于在第三表面上发生透射而发生的相改变。
17.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于输出棱镜的第二表面和/或输入棱镜的第二表面具有圆柱形状，它能补偿成像光通过输入棱镜与输出棱镜之间的材料时引入投映像的散光，所述材料包含偏振器和任何其他材料。
18.权利要求1所述成像投映系统，其特征在于第一表面包含第二表面一部分，输入棱镜包含第四表面，偏振照明光在第二表面上发生全内反射以前在此表面上发生反射。
19.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)将偏振照明光引入具有许多表面的棱镜；
(3)通过棱镜一个表面上的全内反射改变偏振光的方向，使得反射的照明光向外透过该棱镜另一个表面并入射至一个偏振器；
(4)所述偏振器反射所述偏振照明光，使之透过所述另一个表面回到所述棱镜，并透过所述棱镜发生全内反射的所述表面向外进入一个反射成像装置；
(5)在所述反射成像装置上通过将该偏振照明光选定部分的偏振方向改变至第二偏振方向来调制该偏振照明光的偏振方向，所述选定部分的光包含成像的光，并将该经调制的偏振照明光与偏振照明光其它部分一起反射回所述棱镜；
(6)使该经调制的偏振照明光与偏振照明光其它部分一起向外透过所述棱镜，并使所述选定部分的光透过偏振器至投映透镜，形成像。
20.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)使所述偏振照明光透过偏振器；
(3)在反射成像装置上通过将该偏振照明光选定部分的偏振方向改变至第一偏振方向来调制该偏振照明光的偏振方向，所述选定部分的光包含成像的光，并将该经调制的偏振照明光与偏振照明光其它部分一起向所述偏振器反射；
(4)所述偏振器反射具有第一偏振方向的选定部分的光，形成成像光；
(5)将成像光引入具有许多表面的棱镜；
(6)通过棱镜的一个表面上的全内反射改变成像光的方向；
(7)将成像光透射到投映透镜上，形成像。
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