CN101156095A - 具有减小的应力的偏振分光器 - Google Patents

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詹姆斯·P·迪齐奥
莫琳·C·尼尔森
奥德蕾·A·舍曼
米奇斯瓦夫·H·马祖雷克
文迪·J·温克勒
马家颖
马尔文·杰弗瑞·卡斯
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Abstract

本发明涉及一种偏振分光器，该偏振分光器包括多层偏振膜、设置在所述多层偏振膜上的第一交联有机硅凝胶层、设置在所述交联有机硅凝胶层上的第一刚性覆盖物以及与所述多层偏振膜邻近设置的第二刚性覆盖物。

Description

具有减小的应力的偏振分光器
技术领域
总体上讲，本公开涉及偏振分光器以及这种器件在(例如)信息显示系统中的应用；更具体地讲，涉及投影系统。
背景技术
光学成像系统通常包括将图像施加到光束上的透射或反射液晶显示器(LCD)成像器，也称为光阀或光阀阵列。透射光阀通常是半透明的，允许光通过。反射光阀将输入光束反射为不同方向或偏振态以形成图像。
很多LCD成像器对入射光的偏振方向进行旋转。也就是说，成像器反射偏振光时要么基本上不改变其偏振态而得到最暗的状态，要么将偏振旋转某一角度以提供所期望的灰度等级。在这些系统中，90°的旋转提供了最亮的状态。因此，偏振光束通常用作LCD成像器的输入光束。所期望的紧凑的布置包括位于偏振分光器(PBS)与成像器之间的折叠光路，其中照明光束和从成像器反射的投影图像共享PBS与成像器之间的同一物理空间。PBS将入射光与偏振旋转的图像光分离。投影系统中所使用的传统PBS，有时候称为MacNeille偏振器，使用以布鲁斯特角(Brewster’s angle)设置的无机介电膜堆。s偏振光会被反射，而p偏振态的光透射穿过偏振器。
发明概述
总的来说，本公开涉及一种用于改进投影系统的性能的装置。具体地说，本公开是以成像核心为基础，所述成像核心包括图像质量和稳定性得到提高以及寿命得到延长的偏振分光器(PBS)。
本公开提供一种PBS，所述PBS包括设置在多层偏振膜与刚性覆盖物之间的交联有机硅凝胶层(crosslinked silicone gel layer)。设置在所述多层偏振膜与所述刚性覆盖物之间的所述交联有机硅凝胶层的组合可以减小PBS组件内由应力引起的双折射。另外，设置在所述多层偏振膜与所述刚性覆盖物之间的所述交联有机硅凝胶层的组合可以提供表现出更高图像质量和稳定性、和/或更长寿命的PBS组件。
本公开的一个实施方案提供一种偏振分光器(PBS)，所述PBS包括多层偏振膜、设置在所述多层偏振膜上的第一交联有机硅凝胶层、设置在所述交联有机硅凝胶层上的第一刚性覆盖物和邻近所述多层偏振膜设置的第二刚性覆盖物。在一些实施方案中，多层偏振膜为具有匹配的z折射率的多层反射偏振膜，并且交联有机硅凝胶包含交联的苯基甲基硅氧烷(phenylmethylsilicone)。
在另一实施方案中公开了一种投影系统。所述投影系统包括产生光的光源、用于将图像施加到从所述光源产生的光上以便形成图像光的成像核心，以及用于投射来自所述成像核心的图像光的投影透镜系统。所述成像核心包括至少一个偏振分光器和至少一个成像器。所述偏振分光器包括多层反射偏振膜、设置在所述多层反射偏振膜上并且位于所述光源与所述多层反射偏振膜之间的第一交联有机硅凝胶层、设置在所述第一交联有机硅凝胶层上的第一刚性覆盖物以及与所述多层反射偏振膜邻近设置的第二刚性覆盖物。
在另一实施方案中，公开了一种制造偏振分光器的方法。该方法包括在第一刚性覆盖物和第二刚性覆盖物之间设置多层反射偏振膜。第一交联有机硅凝胶层位于多层反射偏振膜与第一刚性覆盖物之间，并且第二交联有机硅凝胶层位于多层反射偏振膜与第二覆盖物之间。在一些实施方案中，在第一刚性覆盖物和第二刚性覆盖物之间设置多层反射偏振膜之前，使有机硅固化以形成交联有机硅凝胶层。在其它实施方案中，在第一刚性覆盖物和第二刚性覆盖物之间设置多层反射偏振膜之后，使有机硅固化以形成交联有机硅凝胶层。
附图简要说明
结合附图考虑下面对于本公开各个实施方案的详细说明将可以更完整地理解本公开，其中：
图1示意性示出了基于单个反射成像器的投影单元的实施方案；
图2示意性示出了具有多层反射偏振膜的PBS的实施方案；以及
图3示意性示出了基于多个反射成像器的投影单元的另一个实施方案。
发明详述
下面的描述应当参考附图来阅读，其中，不同附图中的类似元件用类似的方式编号。附图无需按比例绘制，其示出了所选的示例性实施方案，且无限制本公开范围之意。尽管举出了多种元件的结构、尺寸和材料的实例，但本领域的技术人员应该认识到很多所提供的实例都具有可利用的合适的替代形式。
除非另有说明，否则在本说明书和所附的权利要求书中用于表示特征尺寸、含量和物理性能的所有的数字，在所有情况下都应理解为以词语“约”来修饰。因此，除非做出相反说明，否则在上述说明书和所附的权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可以随着采用本公开教导的本领域术人员试图获得的理想性质的不同而加以改变。
重量百分比、以重量计的百分比、重量％、％wt等都为同义词，其是指以物质的重量除以组合物的重量并乘以100所表示的该物质的浓度。
由端值表述的数值范围包括包含在该范围内的所有数值(例如，1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)和该范围内的任意的范围。
在本说明书和所附的权利要求书中，某一名词前所用的“一种”、“该”、“所述”和未指明数量的情况包括所指对象多于一个的情况，除非所述内容明确表示为其它含义。例如，提及“多层膜”时包括具有一个、两个或多个多层膜的情况。在本说明书和所附的权利要求书中，所用的词语“或”通常包括“和/或”的意思，除非所述内容明确表示为其它含义。
本公开大体上与提交于2005年3月31日、标题为“STABILIZEDPOLARIZING BEAM SPLITTER ASSEMBLY”的3M案卷No.60542US002专利申请相关。
本公开适用于光学成像器。具体地说，本公开是以成像核心为基础，所述成像核心包括图像质量和稳定性得到提高以及寿命得到延长的偏振分光器(PBS)。本公开的PBS包括具有使PBS图像质量和稳定性提高和/或使其寿命延长的交联有机硅凝胶层。
本公开的PBS可以用于各种光学成像系统中。本文中所使用的术语“光学成像系统”包括能产生供观察者观察的图像的多种光学系统。例如，本公开的光学成像系统可以用于前投影系统和后投影系统、投影显示器、头戴式显示器、虚拟观察器、头顶显示器、光学计算系统、光学关联系统以及其它光学观察和显示系统中。
光学成像系统的一个实施方案示于图1中，其中系统10包括光源12，例如具有朝前方引导非偏振光18(由光线上带圆圈的x和实线箭头表示)的反光镜16的弧光灯14。光源12还可以为固态光源，如发光二极管或激光光源。
系统10还包括PBS 20，例如下面所述的单膜或多膜PBS。x偏振光，即沿着与x轴平行的方向偏振的光，由带圆圈的x表示。y偏振光(即根据其传播方向为沿着与y轴或z轴平行的方向偏振的光)由实线箭头表示。实线表示入射光，而虚线表示已经以改变的偏振态从反射成像器26返回的光。由光源12提供的光在照明PBS 20之前可以通过光学调节装置22进行调节。光学调节装置22将光源12发出的光的特性改变为投影系统所需要的特性。例如，光学调节装置22可以改变光的发散度、光的偏振态、以及光谱中的任意一个或多个特性。光学调节装置22可以包括(例如)一个或多个透镜、偏振转换器、前置偏振器和/或滤光器以消除不期望的紫外光或红外光。
光的x偏振分量由PBS 20反射到反射成像器26。反射成像器26的液晶模式可以为层列的、向列的或一些其它合适型式的反射成像器类型。如果反射成像器26为层列型的，那么反射成像器26可以为铁电液晶显示器(FLCD)。成像器26反射并调制y偏振态图像光束。反射的y偏振光透射穿过PBS 20，并且由投影透镜系统28投射。通常要考虑透镜系统28与成像器之间的所有部件，针对每个具体的光学系统对该投影透镜系统的设计进行优化。控制器52与反射成像器26连接，以便控制反射成像器26的操作。通常，控制器52激活成像器26的不同像素以在反射的光中产生图像。
在很多情况下，用于多种光学成像系统中的PBS使用聚合物基多层光学膜(MOF)，例如多层反射偏振膜或具有匹配的z折射率的偏振膜。这些构造容易造成在PBS组件内部由应力引起的双折射。在PBS组件内部由应力引起的双折射降低了由PBS组件产生的图像的图像质量。例如，在PBS组件内部由应力引起的双折射会降低由PBS组件产生的图像的对比度。
图2示出了根据本公开的使用多层偏振膜150的偏振分光器110的一个实施方案。在该实施方案中，偏振分光器110包括多层反射偏振膜150。膜150可以为本领域公知的任何合适的多层反射偏振膜。在一些实施方案中，膜150为具有匹配的z折射率的偏振膜。所示的多层膜150具有第一表面114和与之相背的第二表面122。
可交联或交联有机硅凝胶层112设置在多层反射偏振膜150的第一表面114和/或第二表面122上。第一刚性覆盖物130设置在可交联或交联有机硅凝胶层112上。第二刚性覆盖物140与多层反射偏振膜150相邻。可以将第二可交联或交联有机硅凝胶层120设置在第二刚性覆盖物140和多层反射偏振膜150之间。在一些实施方案中，偏振分光器110包括两个多层反射偏振膜。在其它实施方案中，偏振分光器110包括三个或更多个多层反射偏振膜。在一些实施方案中，偏振分光器110包括两个或更多个多层反射偏振膜，并且可交联或交联有机硅凝胶层设置在这些多层反射偏振膜之间。
第一可交联或交联有机硅凝胶层112和第二可交联或交联有机硅凝胶层120可以具有任何可用的厚度。在一些实施方案中，第一可交联或交联有机硅凝胶层112和第二可交联或交联有机硅凝胶层120的厚度可为0.1至300微米、或0.5至150微米，或25至150微米。
尽管将PBS 110描述为包括两个棱镜130和140，但是PBS 110可以包括设置在多层反射偏振膜150的一侧或两侧中的任意侧的任何合适的覆盖物。棱镜130和140可以由具有适合于实现PBS的期望用途的折射率的任何透光材料构成。棱镜的折射率应该小于产生全内反射条件的折射率，所述全内反射条件也就是在正常使用条件下(例如，入射光与棱镜的一个面垂直)传播角接近或超过90°的条件。可以使用斯涅耳定律(Snell’s law)计算这种条件。尽管也可以使用其它材料，但是在很多实施方案中，棱镜由各向同性材料构成。“透光”材料是指允许至少一部分来自光源的入射光透射穿过的材料。在一些应用中，可以预滤入射光以消除不需要的波长。适合用作棱镜的材料包括但是不限于陶瓷、玻璃以及聚合物。如美国专利申请公开2004-0227994所述，一类有用的玻璃类包括可购自Schott公司的商品名为SK5的无铅玻璃。
当需要满足可用的PBS组件的环境和寿命需要时，将聚合物基多层光学膜(MOF)安装到刚性基板上是非常有挑战性的。粘合剂或偶联剂应该具有针对MOF和刚性基板的优良的粘附性，另外，不会使MOF和/或刚性基板产生应力。PBS的性能对于应力很敏感，甚至很小的应力都可能导致PBS的性能降低。粘合剂的特性应该与MOF和刚性基板的特性相平衡，以便于获得PBS组件的最高稳定性和最长寿命。结构粘合剂可能会在固化过程中收缩和/或不均匀地固化，从而使MOF和/或刚性基板产生应力。另外有可能的是，没有完全固化的结构粘合剂在正常使用条件下因为光和热的作用而逐渐固化，这可能会降低PBS的稳定性。另外，许多结构粘合剂在暴露于PBS组件所用的的高强度光下之后，有变黄的倾向并影响PBS的光学特性。本公开基于这样一种PBS组件，该PBS组件包括设置在多层偏振膜和刚性覆盖物之间、用以减小PBS内的应力的交联有机硅凝胶层。
有机硅凝胶偶联材料的优点在于：它能够显示出可接受的光稳定性、以及能够充分地减少在PBS组件内会引起双折射的应力。有机硅凝胶偶联材料也是结构稳定性的材料。有机硅凝胶偶联材料在固化时不会膨胀或收缩。有机硅凝胶偶联材料在暴露于高强度光下之后不会变为黄色。由于凝胶偶联材料放置在PBS组件上时不会流动，因而其容易操作。即使是在PBS组件中固化的情况下，某些有机硅凝胶配制物使该组件产生的应力也会是最小的。当在PBS组件中使用有机硅凝胶和硅油混合物时尤其是这样。
本文所述的交联或可交联的有机硅凝胶可以由任何可用的有机硅材料形成，所述的有机硅材料例如为二甲基硅氧烷、二苯基硅氧烷或苯基甲基硅氧烷。在许多实施方案中，交联或可交联有机硅凝胶的折射率为1.5至1.6或为1.5至1.58或为1.51至1.57。在一个实施方案中，交联或可交联的有机硅凝胶的折射率为1.51至1.53。在一个实施方案中，交联有机硅凝胶可包含交联的苯基甲基硅氧烷部分。在另一实施方案中，交联有机硅凝胶可包含苯基甲基硅油和交联的苯基甲基硅氧烷部分。在一些实施方案中，交联有机硅凝胶所包含的交联苯基甲基硅氧烷部分和苯基甲基硅油的重量比为1∶5至5∶1，或1∶4至4∶1，或1∶3至3∶1。在一个实施方案中，交联有机硅凝胶所包含的交联苯基甲基硅氧烷部分和苯基甲基硅油的重量比为1∶3至1∶1。
在一个示例性实施方案中，未固化的有机硅包括在589nm处的折射率为1.52、粘度为400cP的苯基甲基硅氧烷，其可购自LightspanLLC公司(位于美国马萨诸塞州Wareham市)，商品名为LS-3252Encapsulation Gel。固化后，该交联有机硅形成这样一种凝胶，该凝胶的硬度(Durometer)为10、比重为1.07且589nm处的折射率为1.52。
合适的多层反射偏振膜包括(例如)在美国专利No.5,882,774中所描述的那些。合适的多层反射偏振膜的一个实施方案包括两种材料的交替层，其中至少一种材料为双折射性的并且为取向的。在许多实施方案中，多层膜由各向同性和双折射材料的交替层构成。如果将膜的平面看作x-y平面，并且在z方向测量膜的厚度，那么z折射率就是具有平行于z方向的电矢量的光在双折射材料中的折射率。同样，x折射率是具有平行于x方向的电矢量的光在双折射材料中的折射率，y折射率是具有平行于y方向的电矢量的光在双折射材料中的折射率。对于多层反射偏振膜，双折射材料的y折射率与各向同性材料的折射率可以基本上相同，而双折射材料的x折射率可以不同于各向同性材料的折射率。如果层的厚度选择得合适，那么该膜就会反射在x方向偏振的可见光，而透射在y方向偏振的光。对于沿其通过轴线针对所有入射角都具有高透射性的偏振器而言，交替层的y和z(与膜垂直)折射率都可以匹配。实现y和z折射率都匹配的方式是可以使用与只有y折射率匹配时使用的膜层材料组合不同的膜层材料组合。过去制备的3M多层膜(如“DBEF”(3M商标)膜)具有匹配的y折射率。
可以使用的多层反射偏振膜的一个例子是具有匹配的z折射率的偏振膜，其中双折射材料的z折射率与双折射材料的y折射率基本上相同。具有匹配的z折射率的偏振膜在美国专利5,882,774和5,962,114以及下列美国专利申请公开中进行了描述：2002-0190406；2002-0180107；2004-0099992以及2004-0099993。具有匹配的z折射率的偏振膜也在美国专利6,609,795中进行了描述。
z折射率失配与名义上的s偏振光的透射无关。根据定义，名义上的s偏振光不受膜的z折射率的影响。然而，如共同转让的美国专利No.6,486,997中所述，当PBS被构造为反射x偏振(接近s偏振)光并且透射y偏振(接近p偏振)光时，双折射多层偏振器在各种方位角上的反射特性使得投影系统的性能优良。尽管可以使用多于两个层来形成光学单元，但是多层光学膜的光功率或综合反射率来自于光学单元或层对(layer pair)内部的折射率失配。使用包括两种或多种聚合物的交替层的多层反射膜反射光的做法为人公知，并且在(例如)美国专利No.3,711,176、美国专利No.5,103,337、以及专利文献WO96/19347和WO 95/17303中得到说明。该光功率在光谱中的分布是层厚的函数。具体多层膜的反射光谱和透射光谱主要取决于各个层的光学厚度，所述光学厚度定义为层的真实厚度与其折射率的乘积。因此，根据下面公式选择各层的适当光学厚度可以将膜设计为反射红外、可见或紫外波长λM的光：
λM＝(2/M)*Dr
式中，M是表示反射光具体阶次的整数，Dr是光学重复单元的光学厚度，所述光学重复单元通常为包括一层各向同性材料和一层各向异性材料的层对。因此，Dr是构成光学重复单元的各个聚合物层的光学厚度的总和。因此，Dr厚度值是λ的二分之一，其中λ是第一阶反射峰的波长。一般来说，反射峰具有有限的带宽，其随着折射率差增大而增大。通过改变光学重复单元沿着多层膜厚度方向的光学厚度，多层膜可以被设计为反射宽波带的光。该波带通常被称为反射带或阻带。产生该波带的各层的集合通常称为多层堆叠。因此，多层膜内光学重复单元的光学厚度分布表现在膜的反射光谱和透射光谱中。当折射率匹配在通过方向上非常高时，通过状态透射光谱可能接近平坦，并且在期望的光谱范围内超过95％。
可以用于本公开中的多层反射偏振膜可以包括具有一个或多个波带组(band packet)的厚度分布。波带组是具有一定层厚范围的多层堆叠，使得该多层堆叠反射宽带波长。例如，蓝波带组可以具有使其反射蓝光(即，大约400nm至500nm)的光学厚度分布。本公开的多层反射偏振膜可以包括一个或多个波带组，其中每个波带组反射不同的波带，例如具有红波带组、绿波带组和蓝波带组的多层反射偏振器。可以用于本公开中的多层反射偏振膜还可以包括UV波带组和/或IR波带组。一般来说，蓝波带组包括使得波带组趋向于反射蓝光的光学重复单元厚度，因此蓝波带组的光学重复单元厚度将小于绿波带组或红波带组的光学重复单元厚度。波带组可以由一个或多个内边界层在多层反射偏振膜内部隔开。
本公开的一个实施方案可以包括如下PBS，其具有用于形成立方体的基本上为直角三角形的棱镜。在这种情况下，如本文所述，多层反射偏振膜夹在两个棱镜的斜边之间。立方体形PBS在很多投影系统中可能为优选的，因为它提供紧凑的设计，例如，光源和其它部件(如滤光器)可以被设置为使得制成的便携式投影机又小又轻。
尽管立方体是一种实施方式，但是也可以使用其它的PBS形状。例如，可以将几个棱镜组合组装成矩形PBS。对于一些系统，立方体形PBS可以被修改为使得一个或多个面不是正方形。如果使用非正方形的面，则可以由紧邻的组件(如彩色棱镜或投影透镜)提供匹配的平行面。
棱镜尺寸以及所产生的PBS的尺寸取决于所期望的应用。在本文中参考图3所述的示例性三片式硅基液晶(LCoS)光引擎中，PBS的长度和宽度可以为17mm，当使用小弧光高压水银灯(如位于德国Aachen市的Philips公司在商业上销售的UHP型灯)时，高度可为24mm，为了与长宽比为16∶9的0.7英寸对角成像器(如可以从位于美国新泽西州Wayne市的JVC公司、位于美国加里福利亚州Fremont市的Hitachi公司或位于美国亚利桑那州Tempe市的Three-FiveSystems公司获得的成像器)一起使用，将上述灯的光束调节为f/2.3的光锥并且提供给PBS立方体。光束的光圈数(f#)和成像器的尺寸是决定PBS尺寸的部分因素。
可以通过如下方法制成多层反射偏振PBS组件。可以将可交联有机硅层设置(例如，涂敷或层压)在多层反射偏振膜与刚性覆盖物之间。可交联有机硅层可以设置(例如，涂敷或层压)在多层反射偏振膜或刚性覆盖物上。可通过热或光使可交联的有机硅固化，以形成交联有机硅凝胶层。在一些实施方案中，将可交联有机硅层层压或涂敷在多层反射偏振膜和/或刚性覆盖物上可以避免在交联有机硅凝胶层与多层反射偏振膜和/或刚性覆盖物之间形成明显的气泡。可将第二刚性覆盖物与多层反射偏振膜邻近设置，使得多层反射偏振膜设置在两个刚性覆盖物之间。第二可交联或交联有机硅层可以设置在多层反射偏振膜和第二刚性覆盖物之间。在许多实施方案中，按照需要，PBS组件中可以包含两个或更多个多层反射偏振膜。
上述PBS组件也可以利用固化的或交联的有机硅凝胶材料形成。在许多实施方案中，交联或可交联有机硅层可具有足够的流动性以使得其在多层反射膜和/或刚性覆盖物之间流动并且能够被挤压。在一些实施方案中，如本文所述，交联有机硅凝胶材料可与硅油混合物掺合。
单个成像器可以用来形成单色图像或者彩色图像。多个成像器通常用来形成彩色图像，在这样的情况下，照明光被分成不同颜色的多条光束。分别将图像施加到每一条光束上，然后将这些光束重新组合以形成全色图像。
多成像器投影系统200的实施方案示意性示于图3中。光202从光源204发出。光源204可以为弧光灯或白炽灯，或者为用于产生适合于投影图像的光的任何其它合适的光源。光源204可以被反射器206(例如，椭圆形反射器(如图所示)、抛物面反射器等)包围，以便增大朝向投影引擎引导的光量。
通常在将光202分成不同色带之前对其进行处理。例如，可以使光202通过可选的前置偏振器208，使得只有期望的偏振态的光被朝向投影引擎引导。前置偏振器可以为反射偏振器，使得处于不期望的偏振态的反射光被重新引导到光源204以用于再循环。还可以使光202均匀化，使得投影引擎中的成像器被均匀照明。使光202均匀化的一种方法是使光202通过反射隧道210，但是可以理解，也可以使用其它方法使光均匀化。
在所示实施方案中，均匀化的光212通过第一透镜214，以便减小分散角。然后光212入射在第一分色器216上，该分色器可以为(例如)介电薄膜滤光器。第一分色器216将第一色带的光218与剩余的光220分离。
第一色带的光218可以通过第二透镜222，以及可选的第三透镜223，以便控制入射在第一PBS 224上的第一色带的光束218的尺寸。光218从第一PBS 224到达第一成像器226。成像器将处于偏振态的图像光228反射，使之透射穿过PBS 224而投射到x立方体颜色组合器230。成像器226可以包括一个或多个补偿元件(如延迟元件)，以提供另外的偏振旋转并因此增大图像光中的对比度。
剩余的光220可以通过第三透镜232。剩余的光220然后入射在第二分色器234(例如薄膜滤光器等)上，以便产生第二色带的光束236和第三色带的光束238。经由第二PBS 242将第二色带的光236引导到第二成像器240。第二成像器240将第二色带的图像光244引导到x立方体颜色组合器230。
经由第三PBS 248将第三色带的光238引导到第三成像器246。第三成像器246将第三色带的图像光250引导到x立方体颜色组合器230。
在x立方体颜色组合器230中将第一色带的图像光228、第二色带的图像光244、第三色带的图像光250组合，并且作为全色图像光束引导到光学投影装置252。可以在PBS 224、242和248与x立方体颜色组合器230之间设置偏振旋转光学装置254(例如半波延迟板等)，以便控制在x立方体颜色组合器230中组合的光的偏振。在所示实施方案中，偏振旋转光学装置254设置在x立方体颜色组合器230与第一PBS 224和第三PBS 248之间。PBS 224、242和248中的任何一个、两个或全部三个可以包括一个或多个如本文所述的多层反射偏振膜。
应该知道，可以使用所示实施方案的各种变化形式。例如，所述PBS也可以将光透射到成像器然后再反射图像光，而不是将光反射到成像器然后再透射图像光。上述投影系统仅仅是例子；可以设计出使用本公开的多膜PBS的多种系统。
例子
下面例子中的多层反射偏振膜在结构和处理方法上相似。根据美国专利No.6,609,795中所述的通用方法并且根据美国专利申请公开2004-0227994中所述的通用方法挤出和拉伸膜。
在设计成用于背面投影电视的光引擎中进行PBS组件的构造以及随后的测试。将用于提供暗态的平面镜和用于提供亮态的具有1/4波长膜的反射镜用作成像器。光引擎将图像投影到菲涅耳/屏幕组件上。
在PBS达到小于35摄氏度的热稳定状态后，将透射态(亮态)的图像显示于屏幕上，并使用可得自Radiant Imaging公司(位于美国华盛顿州Duvall市)的Prometric PM系列成像比色计测量整个图像的亮度。然后对阻挡状态(暗态光通量)进行同样的操作。
对各组件的整个图像计算对比度，对比度定义为亮态光通量的亮度除以暗态光通量的亮度。通常，由应力引起的双折射在暗态光通量下观看时为“亮角”(bright corner)，从而使那些区域的对比度降低到不可接受的程度。
PBS的对比度可以参考图1进行测试，其中采用层压在反射镜前表面上的四分之一波长膜替代成像器26。当将反射镜上的四分之一波长膜定向为使其光轴与照明光束的中心光线的偏振方向成45°时，反射镜上的四分之一波长膜的作用如同被定向为与透射的偏振光束成45°的半波长膜：也就是说，它将光束的偏振方向旋转90°。因为PBS的上述功能，这将导致由四分之一波长膜/反射镜反射的光几乎全部穿过透镜28投射到屏幕上。如果将四分之一波长膜定向为与中心光线的偏振态成0°，那么它的作用将如同以透射光束的偏振态定向的半波长膜，并且保持光束的偏振方向不变。这将导致几乎全部光都被PBS引回光源，而不会由透镜28投射到屏幕上。
为了测量PBS的对比度，首先，通过将四分之一波长膜/反射镜光轴定向为与照明光束的中心光线的偏振方向成45°来确定通过投影透镜28的亮态光通量的特征。可以通过在相距透镜28的固定距离处测量光束照度、通过将所有投影光集中到具有校准光电二极管的积分球中、或者通过本领域技术人员可利用的其它手段来确定该光通量的特征。然后通过定向四分之一波长膜，使其光轴与照明光束的中心光线的偏振态对准来产生暗态。然后通过与确定亮态光通量的特征所使用的技术相同的技术测量由该状态产生的透过透镜28的光通量。亮态光通量与暗态光通量的比率提供了对比度或者四分之一波长膜对比度的一个测量值。
如果图像上的最小对比度大于1500，则认为该对比度是可接受的。下面的结果表明仅仅可使用油或者非常弱的凝胶作为“粘合剂”以达到可接受的最低对比度水平。凝胶和油的混合物为弱凝胶的代表。使用苯基甲基硅氧烷以与其他组件材料的折射率大致匹配。
在下面例子中的PB S组件的长、宽和高的尺寸分别为32mm、32mm和44mm。其结构包含夹在SK5玻璃棱镜之间的两个多层反射偏振膜，并在各个内界面处使用粘合剂(或者在某一种情况下使用油)。各例子的PBS组件的制备方法是类似的。先将粘合剂施加到直角棱镜的斜边上。将第一多层反射偏振膜置于该粘合剂材料上。将第二剂量的粘合剂施加到第一多层反射偏振膜的空气侧，然后将第二多层反射偏振膜置于该第二粘合剂材料上。将第三剂量的粘合剂材料施加到第二多层反射偏振膜的空气侧。最后，将第二匹配棱镜置于第三粘合剂上，并施加压力直到粘合剂铺展在组件的所有内界面之间，从而消除气泡。然后按需将粘合剂固化。在使用油的情况下，限制两棱镜的相对移动(通过束缚两棱镜的边缘)使得该组件在结构上稳定。
下表1示出了测试结果。
表1
  材料   稠性   最小对比度   合格/不合格
  UV固化的丙烯酸粘合剂   稠   ＜＜1500   不合格
  热固化的环氧粘合剂   稠   ＜＜1500   不合格
  苯基甲基硅氧烷凝胶   凝胶   ＜1500   不合格
  苯基甲基硅油   油   ＞＞1500   合格
  苯基甲基硅氧烷凝胶∶苯基甲基硅油重量比为30∶70 弱凝胶 ＞＞1500 合格
本文所引用的所有参考文献和公开出版物的全部内容以引用的方式并入本公开。上面已经讨论了本公开的示例性实施方案并且提及了在本公开范围内的可能的变化形式。本领域的技术人员将很清楚，本公开的上述以及其它变化和修改并没有脱离本公开的范围，并且应该理解，本公开并不限于本文中所提出的示例性实施方案。因此，本公开只受到所附的权利要求书的限制。

Claims (25)

1.一种偏振分光器，该偏振分光器包括：
多层偏振膜；
第一交联有机硅凝胶层，其设置在所述多层偏振膜上；
第一刚性覆盖物，其设置在所述交联有机硅凝胶层上；以及
第二刚性覆盖物，其与所述多层偏振膜邻近设置。
2.根据权利要求1的偏振分光器，该偏振分光器还包括设置在所述第二刚性覆盖物和所述多层偏振膜之间的第二交联有机硅凝胶层。
3.根据权利要求1的偏振分光器，其中所述第一覆盖物为棱镜，并且所述第二覆盖物也为棱镜。
4.根据权利要求1的偏振分光器，其中所述第一覆盖物为玻璃棱镜，并且所述第二覆盖物也为玻璃棱镜。
5.根据权利要求1的偏振分光器，其中所述多层偏振膜为多层聚酯偏振膜。
6.根据权利要求1的偏振分光器，其中所述多层偏振膜为多层反射偏振膜。
7.根据权利要求1的偏振分光器，其中所述多层偏振膜为具有匹配的z折射率的多层反射偏振膜。
8.根据权利要求1的偏振分光器，其中所述第一交联有机硅凝胶层包括折射率为1.50至1.58的交联有机硅凝胶层。
9.根据权利要求1的偏振分光器，其中所述第一交联有机硅凝胶层含有交联苯基甲基硅氧烷。
10.根据权利要求9的偏振分光器，其中所述第一交联有机硅凝胶层包含交联苯基甲基硅氧烷和苯基甲基硅油。
11.根据权利要求2的偏振分光器，其中所述第二交联有机硅凝胶层包含交联苯基甲基硅氧烷。
12.根据权利要求11的偏振分光器，其中所述第二交联有机硅凝胶层包含交联苯基甲基硅氧烷和苯基甲基硅油。
13.根据权利要求1的偏振分光器，其中所述第一交联有机硅凝胶层的厚度为0.5至150微米。
14.根据权利要求1的偏振分光器，其中所述第二交联有机硅凝胶层的厚度为0.5至150微米。
15.一种投影系统，该投影系统包括：
产生光的光源；
成像核心，其用于将图像施加到从所述光源产生的光上以便形成图像光，其中，所述成像核心包括至少一个偏振分光器和至少一个成像器，其中，所述偏振分光器包括：
多层反射偏振膜；
第一交联有机硅凝胶层，其设置在所述多层反射偏振膜上
并且位于所述光源与所述多层反射偏振膜之间；
第一刚性覆盖物，其设置在所述第一交联有机硅凝胶层上；
第二刚性覆盖物，其与所述多层反射偏振膜邻近设置；
以及
投影透镜系统，其用于投射来自所述成像核心的图像光。
16.根据权利要求15的投影系统，该投影系统还包括设置在所述第二刚性覆盖物和所述多层偏振膜之间的第二交联有机硅凝胶层。
17.根据权利要求15的投影系统，其中所述多层反射偏振膜包含具有匹配的z折射率的多层反射偏振膜。
18.根据权利要求15的投影系统，其中所述第一交联有机硅凝胶层包含交联苯基甲基硅氧烷。
19.一种制造偏振分光器的方法，该方法包括：
在第一刚性覆盖物和第二刚性覆盖物之间设置多层反射偏振膜，其中第一交联有机硅凝胶层位于所述多层反射偏振膜和所述第一覆盖物之间，且第二交联有机硅凝胶层位于所述多层反射偏振膜和所述第二覆盖物之间。
20.根据权利要求19的方法，该方法还包括在所述的在第一刚性覆盖物和第二刚性覆盖物之间设置多层反射偏振膜的步骤之前，使第一有机硅材料固化以形成第一交联有机硅凝胶层。
21.根据权利要求19的方法，该方法还包括在所述的在第一刚性覆盖物和第二刚性覆盖物之间设置多层反射偏振膜的步骤之后，使第一有机硅材料固化以形成第一交联有机硅凝胶层。
22.根据权利要求19的方法，该方法还包括在所述的在第一刚性覆盖物和第二刚性覆盖物之间设置多层反射偏振膜的步骤之前，使第一有机硅材料固化以形成第一交联有机硅凝胶层，并使第二有机硅材料固化以形成第二交联有机硅凝胶层。
23.根据权利要求19的方法，该方法还包括在所述的在第一刚性覆盖物和第二刚性覆盖物之间设置多层反射偏振膜的步骤之后，使第一有机硅材料固化以形成第一交联有机硅凝胶层，并使第二有机硅材料固化以形成第二交联有机硅凝胶层。
24.根据权利要求19的方法，该方法还包括将硅油与交联有机硅凝胶掺合以形成第一交联有机硅凝胶层。
25.根据权利要求19的方法，该方法还包括将硅油与交联有机硅凝胶掺合以形成所述第一交联有机硅凝胶层和所述第二交联有机硅凝胶层。
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