CN100386664C - 偏振转换光学系统 - Google Patents

Abstract

披露了一光学装置(33)，包括，第一光学元件(10)，能将非偏振入射光转换为分别有第一和第二不同偏振态的至少第一和第二组光束(34和36)，和第二光学元件(32)，能将分别不同的偏振态的第一和第二组光束(34和36)最终转换为基本相同的偏振态，第二光学元件(32)对第一和第二组光束(34，36)的其中任何一个或两个的进行至少两次连续偏振态转换，以致于其中一个或多个转换所引起的色散效应能被另外的一个或多个转换所引起的色散效应至少部分地补偿。

Description

偏振转换光学系统

技术领域

本发明涉及一种偏振转换光学系统，其可以例如被应用到液晶投影机上将非偏振光转换为偏振光，以提高投影机的光源的利用效率。

背景技术

偏振转换光学系统作为空间光调制器可广泛应用到液晶面板的投影系统中，附图的图1所示为现有典型的偏振转换系统，强度分布不均匀的非偏振光的基本准直光束4从灯光源2射出，从灯光源2射出的光入射到第一微透镜阵列6上，以在它的焦面上形成非偏振光的亮点的空间分布阵列。第二微透镜阵列8设置在基本上为第一微透镜阵列6的焦面的位置，作为光束均匀化系统的一部分以将均匀光束成像到液晶(LC)面板18上，选择第一微透镜阵列6中的单个微透镜的长宽比以与液晶面板18的长宽比匹配，这样的尺寸允许来自灯光源的光束重新成形以使照亮液晶面板18上的均匀光束有基本上和液晶面板18相同的长宽比。

一偏振分束器(PBS)阵列10设置在第二微透镜阵列8之后，偏振分束器阵列10的节距大约是第一微透镜阵列6的一半，从第二微透镜阵列8而来的会聚光束入射到偏振分束器阵列10的交错部分。在偏振分束器阵列10的每个单元里接收来自第二微透镜阵列8的光的偏振分束薄膜9透射一种偏振光(如P-偏振光)，而在前进方向上，其正交偏振光、S-偏振光被反射到偏振分束器阵列里的邻近单元的反射膜11上，又被反射膜11反射到前进方向上。在这个过程中，每个入射到偏振分束器阵列10的非偏振光束产生两个空间分离的，向前进方向传播含有正交偏振方向的光。这种设置将在下面参照附图的图2进行更详细的描述。

一排分别独立的半波片(或带)12设置在偏振分束器阵列10的后面以使只有两正交偏振光中的一束入射到一个相位片12上，相位片12的设置使入射到相位片12的光的偏振态旋转到其正交的方向，这样所有的向前传播的光有基本上相同的偏振态。向前传播的光束通过场镜14会聚后照射到液晶面板18上。第一和第二微透镜阵列6、8，偏振分束器阵列10，半波片12和场镜14一起组成了如图1所示的用于投影系统的偏振转换光学系统16。来自灯光源2的光束4不是严格准直的且有轻微发散，选择微透镜阵列6和8的F数来收集来自灯光源2的有轻微发散的光束4。理想的效果是减小偏振转换光学系统16的长度而不影响它的光收集效率，为了实现上述效果必需减小两个微透镜的焦距和节距以便保持它们的F数。

使用小节距的微透镜是有好处的，因为，对于任意给定的灯光源2，液晶面板18上的光束都可得到更好的均匀度。由于有更多的第一微透镜阵列6中的微透镜接收到灯光源射出的非均匀光，光束的均匀度将得到改善。因此，液晶面板18上的会聚光束将更均匀。使用小节距的微透镜也意味着具有小反射器的灯光源2发出的光能被有效地均匀化，从而能够设计出小型化的投影设备。

由于减小了微透镜阵列6和8的节距，偏振分束器阵列10的节距和单个的相位片12的宽度也必须减小。因为节距更小了，大量的更窄的相位片或带12需要粘附在偏振分束器阵列10的正确位置上，偏振分束器阵列10与每个单个的相位片12的准直容差就要被限定得更严格。这样，要得到粘附有延迟膜的片或带12的更小节距偏振分束器阵列10的需要就很难实现，也就限制了偏振转换光学系统(PCOS)的小型化。

所述系统的更多的问题如图1所示，其被US5,978,136所公开，该问题涉及由光学各向异性材料组成的位相片上的白光的使用效率。光学各向异性材料的寻常光折射率n_o和非寻常光折射率n_e作为入射光的真空波长λ的函数独立地变化，当线性偏振光通过由光学各向异性材料组成的延迟片时，沿延迟片的寻常光折射率和非寻常光折射率轴分解的光的正交偏振态组分间的光程差Δ由光学各向异性层的厚度d和正交偏振态中各成分的折射率n_o(λ)和n_e(λ)决定，表示如下：

Δ＝[n_e(λ)-n_o(λ)]d。

对每个波长相应的相位差Δφ为：

$\mathrm{\Δ\φ}=2\mathrm{\π}\left(\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\λ}}\right).$

这样，由于Δφ取决于波长值，因此就会产生色散，这样二分之一波长相位片12就只对部分“延迟峰值”的波长的光起作用，转换这部分线性偏振输入光为线性输出光；而对于所有其他的可见波长，二分之一波长位相片不起完全半波片的作用只是在输出光中产生一定程度的椭圆偏振。这就意味着图1所示的偏振转换光学系统白光的利用率低，为此希望能提高白光的利用率。

US5,986,809披露了包括两个微透镜阵列和一个偏振分束器阵列的如图1所示的偏振转换光学系统，其还包括有一个选择相位片。在所述选择相位片中，二分之一波长相位片规则地排列在偏振分束器阵列的偏振分离单元的选择出射面上，在其它的出射面上没有相位片。例如，从偏振分离单元出射的P-偏振态光束通过相位片被转换为S-偏振态光束，另一方面，从偏振分束器阵列的反射单元出射的S-偏振态光束没有通过任何的相位片因此没有转换。但对所述选择相位片的制作没有详细的描述。

如图2所示，EP-A-0887667披露了这样一个系统，其包括照明光源20，一单微透镜阵列21，一偏振分束器阵列22和一单层带图案的延迟器24。入射到偏振分束器阵列22的反射单元27上的非偏振光26被分解成分别具有第一和第二偏振方向的光束18和19。第一偏振态的光18透射到带图案的延迟器24的第一区域28上，而第二偏振态的光19透射到带图案的延迟器24的第二区域31上，带图案的延迟器24的第二区域31有一与来自偏振分束器阵列22的反射单元的光19的偏振方向成45°的光轴，而带图案的延迟器24的第一区域28有一与来自偏振分束器阵列22的偏振分离单元的光18的偏振方向成一直线的光轴。光19的偏振方向通过带图案的延迟器24的第二区域31被旋转为与通过带图案的延迟器24的第一区域28后没有转换的光18的偏振方向基本相同。因此分别从带图案的延迟器24的第一和第二区域出射的光束29和32有基本一致的偏振方向。如图2所示的系统存在与上面描述相同的问题，由带图案的延迟器24产生的色散效应意味着这种偏振转换光学系统的白光利用率低。因此，这种披露没有涉及一种为投影系统提供均匀光束的方法。

US-6,222,672披露了一种多层带图案的延迟器，它用在液晶面板透射过的偏振光照明系统中以形成立体显示。这个专利没有考虑偏振转换光学系统的应用，Pancharatnam延迟器被披露在印度科学会会刊中(参见Proc.IndianAcad.Sci.VolXLI(4)，pp130-144(1955))。

发明内容

根据本发明的第一方面提供一种光学装置，包括，第一光学元件，能将非偏振入射光转换为分别有第一和第二不同偏振态的至少第一和第二组光束；第二光学元件，能通过对第一和第二组光束的其中任何一个或两个的至少两次连续偏振态转换，将所述第一和第二组光束的分别不同的偏振态最终转换为基本相同的偏振态。其中一个或多个转换所引起的色散效应能至少被另外的一个或多个转换所引起的色散效应所部分补偿。

所述第二光学元件可以应用两次连续的偏振态转换。第一偏振态可以是线性偏振态，第二偏振态可以是线性偏振态，第一偏振态可以与第二偏振态基本正交。所述最终得到的偏振态可以是线性偏振态，所述最终得到的偏振态可以是基本与第一偏振态相同的偏振态。

第二光学元件包括一有分别接收来自第一和第二组光束的至少第一和第二组区域的带图案的偏振转换元件，所述第一组区域或其中每一个有不同于所述第二组区域或其中每一个的偏振转换特性。

所述带图案的偏振转换元件可以由连续的材料层构成，所述带图案的偏振转换元件可以根据本发明第六方面形成。

所述带图案的偏振转换元件可以是一带图案的延迟器。在这种情况下，所述第一组区域或其中每一个可以有沿第一方向的光轴，所述第二组区域或其中每一个有沿不同于所述第一方向的第二方向的光轴。所述带图案的延迟器可以由连续的光学各向异性材料层形成。所述第一组区域或其中每一个可以充当用于预定可见波长的半波片，所述第二组区域或其中每一个可以充当用于预定可见波长的半波片，预定的可见波长可以是470-570nm范围。这里的所述第一和第二偏振态是线性偏振态，所述第一和第二方向可以分别与所述第一偏振态方向呈-22.5°和+22.5°。

所述第二光学元件可以包括一接收第一和第二组光束的光和有一第三方向的光轴的均一延迟器，所述均一延迟器可以充当用于预定可见波长的半波片，预定的可见波长可以是470-570nm范围。所述带图案的延迟器设置在所述第一光学元件和所述均一延迟器之间。这里的第一和最终得到的偏振态是线性偏振态，所述第三方向与第一偏振态方向呈+67.5°的角度。

所述均一延迟器可以是一光学各向异性支撑部件，或基板，所述带图案的延迟器可以为一在光学各向异性基板上的集成单元。或者所述装置进一步包括光学各向同性材料形成的基板，其与带图案的延迟器和均一延迟器形成集成单元。在后一种情况下，带图案的延迟器和均一延迟器可以被设置在所述各向同性基板的相对两面上。所述基板可以预留一定空间以夹紧该区域而不破坏别的元件。这些预留空间可以至少部分围绕所述带图案的延迟器。集成单元也可以包括第一光学元件。

第一光学元件可以是一偏振分束器阵列。

根据本发明的第二方面提供一个光学装置，包括，第一光学元件，能将非偏振入射光变为分别有第一和第二不同偏振态的至少第一和第二组光束；第二光学元件，能将所述第一和第二组光束的分别不同的偏振态变为基本相同的偏振态。第二光学元件包括一有分别接收来自第一和第二组光束的至少第一和第二组区域的带图案的偏振转换元件，所述第一组区域或其中每一个包括以扭转向列配置的液晶材料。

本发明第二方面中的第二光学元件可以是适合在Mauguin环境中工作的液晶材料。所述第二偏振态可以是线性偏振态。所述第一偏振态可以是线性偏振态。

在这里第一偏振态是线性偏振态，所述第一组区域或其中每一个可以旋转所述第一组光束的偏振态大约90度，所述第二组区域或其中每一个可以是对所述第二组光束的偏振态几乎没有影响。

所述第二组区域或其中每一个可以基本上由各向同性材料组成。

在这里第二偏振态是线性偏振态，所述第二组区域或其中每一个可以由在Freedericksz组态的液晶材料形成，第二组光束的偏振态设置为与第二组区域的液晶排列取向基本平行或垂直。

本发明第二方面的带图案的偏振转换元件可以由连续的材料层形成。

根据本发明的第三方面的提供一偏振转换光学系统，包括，接收非偏振输入光的第一微透镜阵列，第二微透镜阵列基本设置在第一微透镜阵列的焦面上并与第一微透镜阵列光学准直，和一根据本发明第一或第二方面的光学元件，能使来自第二微透镜阵列的第一和第二组光束最终有基本相同的偏振态。

根据本发明第三方面的偏振转换光学系统进一步包括一屏蔽装置，能够削弱来自第二微透镜阵列的无用杂散光，所述屏蔽装置可以包括作为所述第二光学元件一部分的掩膜以阻断无用光，所述屏蔽装置可以包括一个偏振旋转膜旋转无用光的偏振态和随后阻断那些光的偏振器。

根据本发明的第四方面提供一偏振转换光学系统，包括，一接收非偏振输入光的第一微透镜阵列；第二微透镜阵列基本设置在第一微透镜阵列的焦面上并与第一微透镜阵列光学准直；一光学装置，包括第一光学元件，能将来自第二微透镜阵列的光转换为分别有第一和第二不同偏振态的至少第一和第二组光束，第二光学元件，将所述第一和第二组光束的分别不同的偏振态转换为基本相同的偏振态，所述第二光学元件包括一带图案的偏振转换元件，其具有分别接收第一和第二组光束的光的至少第一和第二组区域，所述第一组区域或其中每一个具有与所述第二组区域或其中每一个不同的偏振转换特性，所述带图案的偏振转换元件由连续的材料层形成。

在本发明第四方面的偏振转换光学系统中，所述带图案的偏振转换元件可以是由连续的双折射材料层形成的带图案的延迟器。

根据本发明的第五方面提供一种投影系统，包括，一光源，一根据本发明第二、第三或第四方面的偏振光学转换系统，和一空间光调制器。所述空间光调制器可以是液晶显示器。

根据本发明的第六方面提供一种带图案的偏振转换光学元件，包括至少第一和第二组长条形的区域，所述第一组区域或其中每一个有不同于第二组区域或其中每一个的偏振转换特性，第一和第二组区域或其中每一个沿长度方向以一定的节距分隔成小区域，掩膜条分别设置在第一和第二组区域或其中每一个的相邻小区域之间的边界上，和/或设置在相邻区域的边界上。

所述掩膜条可以衰减照在它们上面的光，掩膜条还可以转换照在它们上面的光的偏振态。所述带图案的偏振转换光学元件可以是一带图案的延迟器，带图案的偏振转换光学元件可以进一步包括一基板，在其上安装有光学元件，并在围绕所述光学元件的周围预留有空间，以夹紧该区域而不损坏所述光学元件。

附图说明

图1是第一个现有技术的偏振转换光学系统；

图2是第二个现有技术的偏振转换光学系统；

图3所示为根据本发明一个实施例的投影系统、偏振转换光学系统和光学装置；

图4是图3所示光学装置的第一和第二光学元件的更详细的示意图；

图5所示为解释图4所示的第二光学元件的配置和实施的不同示图；

图6所示为图3所示的系统的一些部分，其按一种可能的配置形成集成单元；

图7A是图4所示的第二光学元件的结构透视图；

图7B是另一种第二光学元件的结构透视图；

图8A和图8B所示为相对于第一光学元件来说第二光学元件的多层的可供选择的编排顺序；

图9A至9D所示为第二光学元件的多层的多种不同可能性的配置；

图10所示为第二光学元件的两个层被空间分隔开的一种可能的配置；

图11所示为根据本发明另一实施例的偏振转换光学系统；

图12A至12C所示为应用到第二光学元件的屏蔽掩膜的各种配置；

图13A和13B所示为应用于本发明的一个实施例中的另一种类型的带图案的偏振转换元件的两个实例。

图14是一个表示与图13A和13B所示的类型相比较的双层带图案的偏振转换元件的透射函数的曲线图；

图15是一个表示两个不同厚度的图13A和15B所示类型的带图案的偏振转换元件的透射函数的曲线图。

具体实施方式

图3示出了体现本发明的一个包括有一偏振转换光学系统31和光学装置33的投影系统1。所述投影系统1包括一光源2，一偏振转换光学系统31，一场镜14和一液晶面板18。所述偏振转换光学系统31包括一第一微透镜阵列6，一第二微透镜阵列8和一光学装置33，光学装置33包括由偏振分束器阵列10构成的第一光学元件10和由双层带图案的延迟器32构成的第二光学元件32。

所述光源2包括有一弧长为1mm的高压汞灯和一抛物面反射镜，光弧位于或接近于抛物面反射镜的焦点。由于光弧有一定的长度，由光弧发出和由抛物面反射镜反射的光4就不可能严格地准直(如点光源位于抛面物的焦点发出的光，就可严格地准直)。在这个实施例中，射出光束4有大约±2.4°的发散角θ。

光束4入射到第一微透镜阵列6上，第一微透镜阵列上的微透镜设定可准直±2θ的入射角的光，微透镜具有与被照亮的液晶面板18相同的长宽比，微透镜的节距为2mm，焦距为12mm。所述第一微透镜阵列6在其焦面上形成非偏振光的亮点的空间分布阵列。

所述第二微透镜阵列8基本设置在第一微透镜阵列6的焦面上，并与第一微透镜阵列6光学准直。第二微透镜阵列8中的微透镜数目与第一微透镜阵列6中的相同，各微透镜的焦距和横向尺寸也相同。因此在这个实施例中，第二微透镜阵列8基本上与第一微透镜阵列6相同，第二微透镜阵列8的入射孔径设置在第一微透镜阵列6中对应微透镜形成的源像上。设置第二微透镜阵列8的目的是形成基本远心照明。

图4更详细地示出了所述光学装置33的第一和第二光学元件10和32。所述光学装置33的第一光学元件10是一个偏振分离器(PBS)阵列10(如前述参照图2的描述)，其将非偏振入射光转换为分别有第一和第二不同的偏振态S和P的第一和第二光束34和36。所述偏振分束器阵列10有1mm的节距，该节距为两个微透镜阵列6和8的二分之一。来自所述第二微透镜阵列8的非偏振光仅仅入射到偏振分束器阵列10的具有偏振分束膜9的交错排列元件上，如前述参照图2的相同的描述，第二偏振态(P-偏振)部分向前透射，而第一偏振态(S-偏振)部分被反射到偏振分束器阵列10中的邻近单元反射膜11上，然后再被反射膜11反射到向前的方向。

所述光学装置33的第二光学元件32是双层带图案的延迟器32，所述双层带图案的偏振器32能将第一和第二光束34和36的不同偏振态转换为相同的偏振态，本发明中此实施例中第二光学元件32不同于前述参照图1描述的现有技术中对应的部件12，此处的相同偏振态是通过对第一和第二光束34和36进行两次连续的转换得到的，通过应用两次连续的转换，优于单次转换，由第一次转换偏振态所产生的色散效应至少能被第二次偏振态的转换所产生的色散效应部分地补偿，这样的安排使所述光学装置33对可见波长范围有很好的透过率。该实施例如图3和4所示，利用第一和第二光束34和36通过两个分开的延迟层进行偏振态的两次连续的转换，如下面的描述。

所述双层带图案的延迟器32包括设置在各向同性基板42相对两面上的一带图案的延迟器(patterned retarder)38和一均一延迟器(uniform retarder)40，在这个实施例中，所述带图案的延迟器38被设置在偏振分束器阵列10和均一延迟器40之间。

所述带图案的延迟器38包括接收第一光束的光的第一区域44和接收第二光束36的光的第二区域46，第一区域44有不同于第二区域46的偏振转换特性，这样来自偏振分束器阵列10的偏振光束34和36在带图案的延迟器38上分别受到不同的偏振态转换，在带图案的延迟器38上的偏振态转换属于第一和第二光束34和36的两次连续的偏振态转换的第一次。

所述均一延迟器40是在整个延迟器上有相同的偏振转换特性的单一区域构成，来自偏振分束器阵列10的偏振光束34和36在均一延迟器40上遇到相同的光学元件，在均一延迟器40上的偏振态转换属于第一和第二光束34和36的两次连续的偏振态转换的第二次。

如图5所示，在这个实施例中所述第一区域44的光轴与入射到带图案的延迟器38的第一光束34的偏振方向呈-22.5°角，而第二区域46的光轴与入射到带图案的延迟器38的第一光束34的偏振方向呈+25°角(角度的表示以从偏振分束器阵列10的方向上观察顺时针旋转为正)。这种不对称的设计优化了白光的一般透过率，以提高双层延迟器32透过灯的宽波段光的能力。第一和第二区域44和46以相同的双折射材料制成，在这个实施例中，它的半波长延迟峰值是在510nm。所述均一延迟器40的光轴与第一光束34的偏振方向呈+67.5°角且其半波长延迟峰值也在510nm。

为优化所述双层带图案的延迟器32的照明效率，如以下实施例所示。在这个实施例中所述第一区域44的光轴与入射到带图案的延迟器38的第一光束34的偏振方向呈-22.5°角，而第二区域46的光轴与入射到带图案的延迟器38的第一光束34的偏振方向呈+22.5°角。这种对称的设计是为了优化双层带图案的延迟器32的照明效率。第一和第二区域44和46以相同的双折射材料制成，在这个实施例中，它的半波长延迟峰值是在550nm。所述均一延迟器40的光轴与第一光束34的偏振方向呈+67.5°角且其二分之一波长延迟峰值也在550nm。

所述双层延迟器32的设计的描述参照图3至5，在当前带图案的延迟器38上S-偏振态和P-偏振态被旋转成不同的中间偏振态，在通过随后的均一延迟器40时，偏振光束34和36的偏振态被进一步旋转到几乎在同一平面上。原始S-偏振光束34的偏振态被旋转180°，然后从双层带图案的偏振元件32上以S-偏振态出射。原始P-偏振光束36的偏振态被旋转大约90°，然后从双层带图案的偏振元件32上以S-偏振态出射。这样，第一和第二组光束的光束34和36受到两次连续的偏振态转换，第一次转换是通过带图案的延迟器38而第二次转换是通过均一延迟器40。第一次转换偏振态所产生的色散效应至少能被第二次偏振态的转换所产生的色散效应部分地补偿，这样尽管双层带图案的延迟器32使用各自不同色度的延迟层，双层带图案的延迟器32仍有很好的白光利用率。

如图4所示光通过所述光学装置33后，向前透射的光束入射到如图3所示的场镜14上，场镜14将光会聚到液晶面板18上。在这种情况下，液晶面板18被具有几乎是均匀亮度的偏振光和几乎与液晶面板18有相同长宽比的光照射。

所述偏振分束器阵列10可以是一个单一的单元或是由多个小的阵列并排安放构成。在后一种情况下，如果偏振分束器阵列10与光学装置33的第二光学元件32粘合在一起将使偏振转换光学系统的装配变得容易。作为选择可以在元件的表面上使用抗反射膜，两个或更多的下述元件可以用折射率匹配(index-matching)的光学粘合剂粘合在一起，如：第二微透镜阵列8；偏振分束器阵列10；第二光学元件32；物镜14。粘合剂可以采用是由Norland制造的丙烯酸基紫外固化粘合剂中的一种。多个元件粘合在一起将使多个元件易于安装，并可能利用它们的最大孔径。例如，如图6所示，第二微透镜阵列8，偏振分束器阵列10，带图案的延迟器38和均一延迟器40作为一个集成单元形成在基板48上，带图案的延迟器38和均一延迟器40设置在基板48的相对两面上，然后这三个元件用折射率匹配粘合层52与偏振分束器阵列10粘合在一起。各向同性基板48的面积大于带图案的延迟器38，这样基板48上围绕带图案的延迟器38的区域50可为其他元件留出，以使该区域50被安装元件夹紧。

上述实施例中描述的带图案的延迟器38由活性中康酯(mesogenic)材料形成，如由Merck制造的RMM34。双折射材料、液晶材料沉积在带有带图案的层或均一取向层的基板上，取向层的图案可以由如EP-A-0887667披露的多次打磨(multi-rubbing)法制得，或可使用如US2003/0137626A1所披露的微结构栅，或使用光排(photo-alignment)技术(参见Mastumaga等人的“用于立体显示器的带微小图案的偏振元件的光刻制法”in AdvancedMaterials，14，pp.1477-1480，2002)。所述活性中康酯材料可以在取向层的溶液中旋转，当溶剂蒸发后，就留下了一层取向排列的液晶材料，液晶取向排列的光轴就是其下的取向层的光轴，这就制成了延迟层。然后活性中康脂暴露于紫外线中交叉链接。

从连续的双折射材料层制得带图案的延迟器38能使第二光学元件32以极好的精度和小的节距制造。这样制作使小节距的偏振分束器阵列10能够用到，且使偏振转换光学系统的长度比现有技术中的小。由于使用了更小节距的微透镜阵列，本发明实施例中的偏振转换光学系统31能够提供比传统的偏振转换光学系统有更好均匀度的光束。本发明实施例中的偏振转换光学系统31能更有效均匀小出射面积的光源，同时可以制作小型化的投影设备。

在前述实施例中，第一和第二区域44和46中的区域充当预定可见波长510nm光的半波片，均一延迟器40中也是一样。但也能意识到偏振态的转换可以使用偏振旋转层或由手性材料构成的层，如扭转向列液晶，其能够旋转透射光的偏振面。这样的手性层可以用作图案或均一的，因此能在带图案的偏振转换元件38和/或均一偏振转换元件40中使用，均一延迟器可以由弹性塑料延迟膜构成，如Sumitomo制造的，然后层叠到基板42上。

前述如图4所示的基板42是光学各向同性的，带图案的延迟器38和均一延迟器40设置在各向同性基板42的相对两面，这种设置如图7A所示。可选择的是，双折射基板43能作为安装基板和均一延迟器使用，带图案的延迟器38安装在双折射基板43上，如图7B所示。

在前述实施例中，带图案的延迟器38设置在偏振分束器阵列10与均一延迟器40之间，在这种情况下，从偏振分束器阵列10来的光到达均一延迟器40前先遇到带图案的延迟器38。这是一种优选的设置，带图案的延迟器38靠近偏振分束器阵列10设置，由于从偏振分束器阵列10出射的光束34和36是分离的，且已经被第一微透镜阵列6聚焦，因此光束34和36重叠前应该先被带图案的延迟器处理。仅仅带图案的延迟器38需要邻近偏振分束器阵列10，带图案的延迟器38的相邻区域44和46的中心间距基本与偏振分束器阵列10的节距相同，这种设置如图8A所示。然而，能够意识到带图案的和均一延迟器38和40的次序可能颠倒如从偏振分束器阵列10来的光在到达带图案的延迟器38前先遇到均一延迟器40，这种情况如图8B所示。

带图案的延迟器38，均一延迟器40和基板42的其他多种可能的排列如图9A至9D所示。图9A所示为带图案的延迟器38设置在均一延迟器40上，然后再将均一延迟器40设置到基板42上，从偏振分束器阵列10来的光所遇到的元件的顺序是：(i)带图案的延迟器38；(ii)均一延迟器40；(iii)基板42。

如9B所示的设置与图9A相类似，只是带图案的延迟器和均一延迟器层38和40的顺序颠倒了。图9C所示的这些元件的设置与图4和图8A所示的相同。图9D所示中应用了两个单独的基板42，带图案的延迟器38设置在一个基板42的前表面而均一延迟器40设置在另一个基板42的前表面，用两个基板分别承载带图案的延迟器和均一延迟器层38和40可以使它们容易安装和使它们可以在投影设备中分开一定距离。当然，一个或多个基板可以是投影系统中的其它光学元件，例如，图10所示的设置中延迟器38和40空间分离开，均一延迟器40设置在平凸场镜14的表面上。分离设置层对于将这些在热或高亮的环境中使用寿命不长的一层或多层从偏振分束器阵列10上替换是有利的，这样的一层或多层可以设置得离发热的光源或第一微透镜6的聚焦光束远一些。

在本实施例的上述描述中，S-偏振光束和P-偏振光束被旋转成基本为S-偏振态，第二光学元件32也可以选择设计成将S-偏振光束和P-偏振光束被旋转成基本为P-偏振态。另外，也能够产生一些另外的线性偏振态。只要这些偏振光能够被应用，也可能在白光中有效地产生其他的偏振态，如圆偏振光，椭圆偏振光。

但是，从偏振分束器阵列10来的第一和第二光束34和36经过第二光学元件32两次或更多次地连续转换偏振态也不是必须的，例如，第二光学元件32可以是带图案的并允许通过它的第二光束36不转换偏振态，而在第一光束34上应用至少两个连续的偏振态转换。为了达到这个目的，第二光学元件32需要有至少被组成图案和排列的两个带图案的延迟层，以使第二光束36仅仅通过没有延迟效果的带图案的层区域，而第一光束34通过进行适当偏振转换的带图案的层区域。

尽管上述实施例中的第二光学元件应用两个连续的偏振态转换到光束34和36上，也能想到第二光学元件32可以选择去应用两个以上的连续偏振态转换到光束34和36中的其中一个或两个上，这样一个或多个偏振态转换所产生的色散效应将至少被另外的一个或多个偏振态转换所产生的色散效应部分补偿。

为了获得本发明实施例中减小色散的优点，带图案的延迟器38由光学各向异性材料的连续层形成不是必须的。如果带图案的延迟器38的区域44和46由铺设在基板42或甚至是如图1所示的现有技术的偏振分束器阵列10上的独立的板或条形成，也可以获得同样的优点。同时，本发明实施中减小偏振分束器阵列10和第二光学元件32的节距的优点在色散没有被减小的情况下，可以仅仅通过第二光学元件32的单一延迟器层获得，所述作为带图案的延迟器层的单一层由双折射材料的连续层构成，以致于能够精确制作出尺寸减小了的区域。图11示出了本发明实施例中这样的偏振转换光学系统31’中的单一层延迟器32’。

所述具有第一和第二区域44和46的带图案的延迟器层38也可不由单一层构成，而可以由两个带图案的层构成，其中一层包括有第一区域44而另一层包括有第二区域46，这两层可以彼些邻近地设置或甚至设置在基板42的相对两面上，或以其它的方式设置。

为提高投影系统的性能，投影系统中的带图案的延迟器38，或其它适当的元件如偏振分束器阵列10，可以包括一掩膜层以减小无用杂散光。

上述掩膜层的三种设计如图12A至12C所示，其中每一个都示出了带图案的偏振转换光学元件，其包括第一和第二组长条形的区域44、46，第一组区域或其中每一个有与第二组区域或其中每一个不同的偏振态转换特性。第一和第二组区域中的每一个沿长度方向以一定的间距分隔成小区域，如图12A所示的掩膜层55包括分别设置在第一和第二组区域的邻近小区域之间的边界上的掩膜条和设置在相邻区域的边界上的掩膜条。如图12C所示的掩膜层55包括分别设置在第一和第二组区域的相邻小区域之间的边界上的掩膜条。如图12A所示的掩膜层55包括仅仅分别设置在第一组区域44相邻小区域之间的边界上的掩膜条。掩膜层55可以由反射材料制成，如能通过一个掩膜喷射到带图案的延迟器38的铝。可供选择的是，掩膜层55也能由可以网状包裹或层叠在带图案的延迟器38上的吸收材料或偏振材料制成。可供选择的是，带图案的延迟器38的设计可以包括充当掩膜层55的区域，该区域能将无用的偏振光转换成一种能被偏振排除器(如液晶面板18)阻断的偏振态。

使用掩膜层55的目的是为了防止杂散光通过投影设备，杂散光可以被掩膜层55或偏振排除器阻挡，掩膜层55的孔径应该足够大以允许有用的光通过延迟器层38，并能够阻挡所有杂散光。加入光阻断掩膜层55能使最终装配出来的偏振转换光学系统在良好对准时使所有的细微光都能被透射。

尽管上述实施例的描述中微透镜阵列6和8的节距是2mm，但可以意识到其它的节距也是可能的，例如在0.5mm至20mm范围内的任何节距，相应的偏振分束器阵列10的节距在0.25mm至10mm范围内。第二微透镜阵列8中的透镜与第一微透镜阵列6中的透镜有不同的横向尺寸也是可能的，如US6260972中所描述的。第二光学元件32中的层可以由相同的材料制成，或由不同的材料制成。第一和第二组区域44和46由不同的材料制成或由相同材料制成但是厚度不同都是可能的。

本实施例可以如图11所示的如下方式更改，单层带图案的延迟器32’可以替换成如图13A和13B所示的单层扭转向列带图案的偏振转换层。此实施例将参照图13A、13B以及图14和15进行详细的描述。

如图13所示在此实施例中，第二光学元件132包括一组区域132b，该组区域132b包括液晶材料的扭转向列配置，与区域132b交替排列的是包括基本是各向同性材料的区域132a，为了得到扭转向列区域132b，基板上部以与基板下部研磨方向垂直的方向研磨，以致于在未起作用的状态下液晶导向从基板下部到上部通过连续90度的扭曲，这将使从任何方向入射到层上的线性偏振光旋转到与扭曲结构一致的偏振面上，并以旋转了90度的方位角出射。所述一组区域132a包括基本上是各向同性的材料，因此对入射线性偏振光基本上没有影响。

在这个实施例中，第二光学元件132有一个使扭转向列液晶区域132b处于所谓Mauguin环境中的厚度[参见Bahdur的“液晶的应用与利用”(LiquidCrystals，Application and Uses)，卷1]。这意味着液晶层要满足μ＞＞1，此处u＝2tΔn/λ，其中Δn是液晶的两个折射率之间的差，与λ是光波长，在实践中，u的值大于4左右能产生良好的色彩性能。

扭转向列液晶在Mauguin条件下的通断速度对于正常的显示应用来说太慢。然而在本实施例中偏振转换光学系统中使用的第二光学元件132的扭转向列液晶根本不需要通断，因此厚度从通断速度的观点来看是不重要的。

在Mauguin条件下工作的扭转向列液晶的优点在于它有良好的色彩性能，这是偏振转换光学系统(PCOS)中很突出的优点。例如，图14所示为在Mauguin条件下的扭转向列液晶相对于如图3所示实施例中使用的双层延迟器的透射函数(透射率对波长)，从图14中可以看出在Mauguin条件下的扭转向列液晶的透射函数受波长的影响远小于双层延迟器，这样能够提供良好的色彩性能。

在Mauguin条件下工作的扭转向列液晶能够被优化，如增加u值色彩性能会提高，线性偏振入射光在经过90度的旋转后仍然有独立的入射光波长。

虽然增加厚度可以提高色彩性能，但是增加厚度可能对系统的使用寿命会有影响。一个很厚的(如大于20微米)光学元件如元件132可以用来对使用寿命进行实验，因此必须在提高色彩性能和使用寿命之间达到均衡。如图15所示，虽然厚度的增加提高了色彩性能，但均衡的厚度，例如10微米既满足色彩性能(一般比双层延迟器的好)同时也满足了使用寿命的要求。

如光学元件132仅仅由单层构成，会有比制作类似的双层带图案的延迟器更简单和便宜的优点。另外，如图14所示，这种单层带图案的扭转向列光学元件132提高色彩性能要优于相应的如图3至10所示的双层带图案的延迟器。单层带图案的扭转向列光学元件132通过优化获得良好的色彩性能。

下面是制作光学元件132的步骤，如图13A所示，光学元件132的形成是通过首先铺设光致抗腐蚀层，使用掩膜蚀刻掉相应的扭转向列区域132b而留下各向同性区域132a(由光致抗腐蚀剂形成)，然后将液晶填充到空隙区域以形成扭转向列区域132b。

另外，如图13B所示，光学元件132能由上述的扭转向列区域132b和弗里德里克斯Freedericksz设置区域132c交错形成。扭转向列区域132b将入射的线性偏振光旋转90度，而如果方向恰当，Freedericksz设置区域132c将对入射光的偏振方向没有影响，Freedericksz配置区域132c的恰当方向是指该区域中大量的液晶取向方向与入射光的线性偏振方向基本平行或垂直。

因此应该能够意识到如图13A和13B所示类型的带图案的偏振转换元件可以由连续的材料层构成，例如有带图案配置的液晶材料，或拥有多个不同类型材料区域的层，例如光致抗蚀剂和液晶交替。

本发明的实施例有许多实际的应用，如用于数字和视频投影的投影光学系统，前投影系统或背投影系统，桌面投影系统以及各种其它的家用或商业用途。

Claims (56)

1.一种光学装置，包括，第一光学元件(10)，能将非偏振入射光转换为分别有第一和第二不同偏振态的至少第一和第二组光束(34，36)；和第二光学元件(32)，能通过对第一和第二组光束(34，36)的其中任何一个或两个进行至少两次连续偏振态转换，将所述第一和第二组光束(34，36)的分别不同的偏振态最终转换为基本相同的偏振态，其中所述至少第一和第二组光束中的每一组内的一个或多个转换所引起的色散效应能被所述至少第一和第二组光束中的相应组内的另外的一个或多个转换所引起的色散效应至少部分地补偿，所述第二光学元件(32)包括一有分别接收来自第一和第二组光束(34，36)的至少第一和第二组区域(44，46)的带图案的偏振转换元件(38)，所述第一组区域(44)或其中每一个区域有不同于所述第二组区域(46)或其中每一个区域的偏振转换特性。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二光学元件(32)进行两次连续的偏振态转换。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一偏振态是线性偏振态。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二偏振态是线性偏振态。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一偏振态与所述第二偏振态基本正交。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述最终偏振态为线性偏振态。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述最终偏振态基本与所述第一偏振态相同。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带图案的偏振转换元件(38)由连续层材料形成。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带图案的偏振转换元件(38)包括至少第一和第二组长条形的区域(44，46)，所述第一组区域(44)或其中每一个区域有不同于所述第二组区域(46)或其中每一个区域的偏振转换特性，且所述第一和第二组区域(44，46)或其中每一个区域沿长度方向以一定的节距分隔成小区域，掩膜条(55)分别设置在所述第一和第二组区域(44，46)或其中每一个区域的相邻小区域之间的边界上，和/或设置在相邻区域的边界上。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带图案的偏振转换元件(38)是一带图案的延迟器。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一组区域(44)或其中每一个区域有排列在第一方向上的光轴，所述第二组区域(46)或其中每一个区域有排列在不同于所述第一方向的第二方向上的光轴。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述带图案的延迟器(38)由连续层的光学各向异性材料形成。

13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一组区域(44)或其中每一个区域是用于预定可见波长的半波片。

14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第二组区域(46)或其中每一个区域是用于预定可见波长的半波片。

15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述预定可见波长是在470-570nm范围内。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述预定可见波长的范围在470至570nm之间。

17.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一偏振态是线性偏振态，所述第二偏振态是线性偏振态，且所述第一和第二方向分别与所述第一偏振态方向呈-22.5°和+25°角。

18.如权利要求11所述的装置，其特征在于，偏振态所述第一偏振态是线性偏振态，所述第二偏振态是线性偏振态，且所述第一和第二方向分别与所述第一偏振态方向呈-22.5°和+22.5°角。

19.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二光学元件(32)包括接收第一和第二组光束(34，36)的光且有第三方向的光轴的均一延迟器(40，43)。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述均一延迟器(40，43)充当用于预定可见波长的半波片。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述预定的可见波长是在470-570nm范围内。

22.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述带图案的偏振转换元件(38)是带图案的延迟器，且所述带图案的延迟器(38)设置在所述第一光学元件(10)和所述均一延迟器(40，43)之间。

23.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第一偏振态是线性偏振态，最终的偏振态是线性偏振态，且所述第三方向与第一偏振态方向呈+67.5°的角度。

24.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第二光学元件(32)包括带图案的偏振转换元件(38)，该带图案的偏振转换元件(38)至少具有第一和第二组区域(44，46)，用于分别从所述第一和第二组光束(34，36)中接收光，所述第一组区域(44)或其中每一个区域有不同于所述第二组区域(46)或其中每一个区域的偏振转换特性，所述带图案的偏振转换元件(38)是带图案的延迟器，且均一延迟器(43)由光学各向同性材料构成以充当图像延迟器(38)的支撑元件(43)，所述带图案的延迟器(38)与支撑元件(43)形成一个集成单元。

25.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第二光学元件(32)包括带图案的偏振转换元件(38)，该带图案的偏振转换元件(38)至少具有第一和第二组区域(44，46)，用于分别从所述第一和第二组光束(34，36)中接收光，所述第一组区域(44)或其中每一个区域有不同于所述第二组区域(46)或其中每一个区域的偏振转换特性，所述带图案的偏振转换元件(38)是带图案的延迟器，所述装置进一步包括由光学各向同性材料构成的支撑元件(42)，与带图案的延迟器和均一延迟器(38，40)一起组成集成单元。

26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述带图案的延迟器和均一延迟器(38，40)设置在所述支撑元件(42)的相反面上。

27.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述支撑元件(43)有一个为其他元件预留的区域，以夹紧所述区域而不损坏其它元件。

28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述自由空间至少部分围绕所述带图案的延迟器(38)。

29.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述支撑元件(42)有一个为其他元件预留的区域，以夹紧所述区域而不损坏其它元件。

30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述自由空间至少部分围绕所述带图案的延迟器(38)。

31.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述集成单元也包括第一光学元件(10)。

32.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述集成单元也包括所述第一光学元件(10)。

33.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学元件(10)是一个偏振分束器阵列。

34.一种光学装置，包括，第一光学元件(10)，能将非偏振入射光转换为分别有第一和第二不同偏振态的至少第一和第二组光束(34，36)；和第二光学元件(132)，能通过对第一和第二组光束(34，36)的其中任何一个或两个进行至少两次连续偏振态转换，将所述第一和第二组光束(34，36)的分别不同的偏振态变为基本相同的偏振态；所述第二光学元件(132)包括一有分别接收来自第一和第二组光束(34，36)的至少第一和第二组区域(132b，132a/c)的带图案的偏振转换元件(132)，所述第一组区域(132b)或其中每一个区域有不同于所述第二组区域(132a/c)或其中每一个区域的偏振转换特性，所述第一组区域(132b)或其中每一个区域包括扭转向列设置的液晶材料。

35.如权利要求34所述的装置，其特征在于，所述第二光学元件(132)是适合在Mauguin环境中工作的液晶材料。

36.如权利要求34所述的装置，其特征在于，所述第二偏振态是线性偏振态。

37.如权利要求34所述的装置，其特征在于，所述第一偏振态是线性偏振态。

38.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述第一组区域(132b)或其中每一个区域将所述第一组光束(34)的偏振态大约旋转90度，所述第二组区域(132a/c)或其中每一个区域对所述第二组光束(36)的偏振态几乎没有影响。

39.如权利要求34所述的装置，其特征在于，所述第二组区域(132a)包括各向同性材料。

40.如权利要求34所述的装置，其特征在于，所述第二组区域(132c)包括Freedericksz组态的液晶材料，第二组光束(36)的偏振态与第二组区域(132c)中的液晶取向基本平行或垂直。

41.如权利要求34所述的装置，其特征在于，所述带图案的偏振转换元件(132)由连续层材料形成。

42.一种偏振转换光学系统，包括，一接收非偏振光的第一微透镜阵列(6)；一第二微透镜阵列(8)基本设置在第一微透镜阵列的焦面上并与第一微透镜阵列(6)光学准直；一个如前述任一权利要求中的装置，能使来自第二微透镜阵列(8)的第一和第二组光束(34，36)有基本相同的偏振态。

43.如权利要求42所述的系统，其特征在于，进一步包括用于削弱杂散光的屏蔽装置(55)。

44.如权利要求43所述的系统，其特征在于，所述屏蔽装置(55)包括作为所述第二光学元件(32)一部分的掩膜以阻断无用的杂散光。

45.如权利要求44所述的系统，其特征在于，所述屏蔽装置(55)包括一个偏振旋转膜以旋转无用的杂散光的偏振态和最终阻挡那些光的一个偏振器。

46.一种偏振转换光学系统，包括，接收非偏振光的第一微透镜阵列(6)；第二微透镜阵列(8)，基本设置在第一微透镜阵列的焦面上并与第一微透镜阵列(6)光学准直；光学装置(33`)，包括，第一光学元件(10)，能将非偏振入射光转换为分别有第一和第二不同偏振态的至少第一和第二组光束(34，36)，和第二光学元件(32`)，能将分别不同的偏振态的所述第一和第二组光束(34，36)转换为基本相同的偏振态，所述第二光学元件(32`)包括有分别接收来自第一和第二组光束(34，36)的至少第一和第二组区域(44，46)的带图案的偏振转换元件(32`)，所述第一组区域(44)或其中每一个区域有不同于所述第二组区域(46)或其中每一个区域的偏振转换特性，其中所述图像偏振转换元件(32)由连续层材料形成。

47.如权利要求46所述的光学系统，其特征在于，所述带图案的偏振转换元件(32`)是一个由连续层或双折射材料构成的带图案的延迟器。

48.一种投影系统，包括，光源(2)，如权利要求43所述的光学系统(31，31`)，空间光调制器(18)。

49.如权利要求48所述的投影系统，其特征在于，所述空间光调制器(18)是液晶显示器。

50.一种投影系统，包括：光源(2)，如权利要求47所述所述的光学系统(31，31`)，空间光调制器(18)。

51.如权利要求50所述的投影系统，其特征在于，所述空间调制器(18)是液晶显示器。

52.一种带图案的偏振转换光学元件，包括，至少第一和第二组长条形的区域(44，46)，所述第一组区域(44)或其中每一个区域有不同于所述第二组区域(46)或其中每一个区域的偏振转换特性，且所述第一和第二组区域(44，46)或其中每一个区域沿长度方向以一定的节距分隔成小区域，掩膜条(55)分别设置在所述第一和第二组区域(44，46)或其中每一个区域的相邻小区域之间的边界上，和/或设置在相邻区域的边界上。

53.如权利要求52所述的光学元件，其特征在于，所述掩膜条(55)衰减射在它们上面的光。

54.如权利要求52所述的光学元件，其特征在于，所述掩膜条(55)转换射在它们上面的光的偏振态。

55.如权利要求52所述的光学元件，其特征在于，所述带图案的偏振转换光学元件是一带图案的延迟器。

56.如权利要求52至55中任何一个所述的光学元件，其特征在于，进一步包括一基板(42)，在其上安装有光学元件，并在围绕所述光学元件的基板(42)周围预留有空间，以夹紧该区域而不损坏所述光学元件。

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