CN102667546B

CN102667546B - 相位补偿薄膜光束组合器

Info

Publication number: CN102667546B
Application number: CN201080051073.3A
Authority: CN
Inventors: B·D·西尔弗斯坦; A·F·库尔茨; J·克鲁施维茨
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Image Elmar Co.,Ltd.; Imax Corp; Imax EMEA Ltd
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: WO2011059879A1; EP2499523A1; US20120307362A1; JP5653448B2; US8305502B2; US20110109820A1; US8508676B2; CN102667546A; JP2013511066A

Abstract

一种用于将多个光束组合在光路上的光束组合器，其包括：第一二色性元件，其具有二色性涂层，该二色性涂层设置成沿光路透射第一波长带上的光并且将第二波长带上的光反射在光路上；以及第二二色性元件，其具有二色性涂层，该二色性涂层设置成沿光路透射第一和第二波长带上的光并且将第三波长带上的光反射在光路上。光束组合器还包括相位差补偿多层薄膜堆，该相位差补偿多层薄膜堆提供位于第一、第二和第三波长带中的任一个波长带之外的至少一个反射边缘过渡，并且对在第一、第二和第三波长带中的至少一个波长带上的传输中的偏振状态的累计相位差进行补偿。

Description

相位补偿薄膜光束组合器

技术领域

本发明主要涉及由多层薄膜光学涂层形成的波长选择光学系统，更具体而言涉及光学涂层的布置和提供能更均匀地响应具有不同偏振状态的光的一组光学涂层的方法。

背景技术

使用各种调制技术的电子投影系统已经很成熟或已商业化。所使用的各种光调制方法包括例如偏转、衍射、阻断或吸收、散射和偏振状态的旋转。例如，使用液晶装置（LCD）的成像装置在每一个颜色通道内以逐个像素的方式直接调制入射光的偏振状态。使用数字微镜装置的成像装置包括例如德克萨斯州达拉斯市德克萨斯仪器公司的数字光处理（DLP）装置，该数字光处理装置由以逐个像素的方式偏转光的微镜阵列组成。

每一种特定的光调制技术均具有特有的优点和缺点。例如，在调制偏振的系统中，可能因无意的相移、偏斜光线或大角度串扰、或者应力双折射而在开启状态和关闭状态之间出现污染。在通过偏转或衍射来调制光的替代系统中，角散射可以使光束重定向至成像路径。通常，一种光调制所特有的缺点与另一种光调制无关。

然而，偏振效应对很多光调制方法都有影响。例如，在高端的基于DLP的系统中使用偏振来实现3D或立体投影。适于使用Real-D（加利福尼亚州的贝弗利希尔斯市）技术的立体投影的DLP投影仪，使用偏振旋转器来在由佩戴偏振辨识眼镜的观察者所感知的右眼图像和左眼图像的偏振状态之间进行切换。在基于DLP的系统中3D投影所需的偏振对比度相对适中（~400:1），但如果对比度太低则会出现假象。诸如可见光发射激光器等偏振光源也用于带或不带3D投影的图像投影系统。总之，即使在光调制部件本身对偏振比较迟钝的情形下，投影仪的偏振灵敏度相对于颜色或对比伪影（artifact），较之现有技术中的系统有所增加。

颜色组合器，以及用于分离和重组光谱分量并且对投影装置内的光进行重定向和调整的其它类型的光学部件，通常依赖于多层薄膜光学涂层。常规涂层设计提供在所选波长上具有所需反射率或透射率水平的多种光谱滤波片。然而，常规多层涂层设计不能很均匀地响应具有不同偏振状态的光。例如，在常规反射型多层涂层的情形中，在入射角的整个范围内，相对于电场矢量平行于入射平面振动的p偏振光的反射率，电场矢量垂直于入射平面振动（s偏振）的光的反射率更高。p偏振光的反射率在特定层的布儒斯特角处达到最小。结果，s偏振光和p偏振光的振幅可能出现明显分离，尤其在布儒斯特角附近的区域中。角度更小时，对于生成在轴线上的光（spanning on-axis light）、镜面光、全域光或偏斜光，光效率随偏振和角度而变化。作为另一个示例，如果圆偏振光落在由薄膜涂层形成的常规、倾斜放置的偏转镜上，则反射之后光的p分量比光的s分量衰减得更多。在具有诸如MacNeille棱镜或线栅偏振器等偏振分析器的偏振敏感投影仪中，这些光效率差异可能引入明显的对比度或色差误差。另一方面，在缺少偏振分析器的名义上的偏振敏感系统中，来自这些偏振效率差异的图像伪影可能大部分不被察觉。

颜色组合器或其它类型的二色性滤波片也可能引入每一个偏振的相位变化（Δφ_s和Δφ_p），以及各个偏振方向之间的相对相位差（Δφ_sp=Δφ_s-Δφ_p），从而意味着传输中的光根据偏振和角度而具有不同的旋转量。结果，输出的光的偏振状态与输入的偏振状态不同。这些效果可以在使偏振光多次反射的光学系统中组合，从而甚至多个表面中的每一个表面上的偏振光的轻微相移也可能具有相加效应。当光接着传输至下游光学系统时，线偏振光可容易地变成圆或椭圆偏振，从而改变偏振响应。例如，对于设计有最佳光谱效率性能的常规光束组合器，s偏振光与p偏振光之间的相位差Δφ_sp常常超过±20度或更多。在边缘过渡附近常常能够测到高达±100度或更大的相位差Δφ_sp。相比之下，为了维持偏振，在不损害图像质量或亮度同时达到相位性能的情形下，相位差Δφ_sp在0度或其附近或者至少不超过约±10度时将获得最佳性能。

其中薄膜表面不同地控制p偏振光和s偏振光，数字成像系统的有效对比度可能因漏光而有所折衷，相应地吞吐量亦因此受到损害。在立体（3D）成像中使用左右眼图像分离的偏振光的系统时，因偏振光的非均匀控制而引起的漏光可能导致串扰，从而降低立体观看效果。已经提出了多种方案来补偿已知的涂层响应s偏振光和p偏振光时的程度差异。例如，已经提到，在图像投影系统中使用多种补偿部件，诸如四分之一波延迟器来校正薄膜表面的消偏振。

对于本来依靠偏振操作的投影或显示系统，诸如基于LCD或LCOS（硅上液晶）的系统，问题更突出，因为不期望的偏振差异和所产生的光漏可能直接引起图像伪影。当然，LCD以逐个像素（pixel-wise）的方式在时间和空间上调制偏振方向，这意味着图像质量取决于偏振精确度。偏振直接影响图像对比度（对于数字电影，>2000:1）、对比度均匀性和颜色的对比度均匀性。提高LCD的偏振性能的偏振补偿器的实例有很多，包括设计成竖直对齐的或向列的LCD的偏振补偿器。这些补偿器一般使用高分子膜，以提供以空间变化的方式构造的角度变化双折射，从而影响传输中光束在局部（即，在某些空间和角度区域内）上的偏振状态，而不影响光束其它部分上的偏振状态。双折射是折射率的定向变化（Δn=n_s-n_p=n_x-n_y），其可以通过固有材料特性或通过形成双折射次波长结构来提供。延迟是以距离表示的相位变化Δφ，其中相位变化Δφ（x，t，λ）=2πt（Δn/λ）。例如，π/2（或90°）相位变化Δφ可以通过适当定向的具有四分之一波λ/4延迟的补偿器来提供，该延迟在550nm处为~138nm的延迟。

作为一个实例，Clerc等人的美国专利No.4,701,028描述了设计成厚度受限的竖直对齐LCD的双折射补偿。Hirose等人的美国专利No.5,298,199描述了，在具有交叉偏振层板的封装中，使用双轴膜补偿器来校正LCD中的光学双折射误差，其中LCD暗态具有非零电压（偏压）。另外，Koch等人的美国专利No.5,619,352描述了可与扭曲向列型LCD一起使用的补偿装置，其中补偿器具有根据需要使用A板、C板和O板的组合的多层结构。

同样，在该系统中，补偿器还开发来单独地或与LCD一起校正其它部件，诸如偏振光束分离器或分析器的偏振性能变化。例如，Schmidt等人的美国专利No.5,576,854描述了构造成用在投影装置中的补偿器，所述投影装置使用具有常规MacNeille棱镜式偏振光束分离器的LCD。Schmidt补偿器提供0.27波长（λ’s）的补偿，其中0.25λ’s补偿MacNeille棱镜，而0.02λ’s的延迟（A板）补偿LCD的对电极基板中的热感应应力双折射。

在基于投影仪设计的一些LCD中，颜色组合器或分离器的涂层位于LCD面板和偏振光束分离器之间。进而，这意味着系统偏振性能与这些部件的设计和制造有关。A.E.Rosenbluth等人的“Correction of Contrast in Projection Systems ByMeans of Phase-Controlled Prism Coatings and Band-Shifted Twist Compensators（通过相位控制棱镜涂层和带移扭曲补偿器来校正投影系统的对比度）”（SPIE Proc，Vol.3954，pp.63-90，2000）中给出了该问题的详细分析。Rosenbluth等人描述了常规投影结构，其中将“氧化铅摄像管”或“飞利浦（Philips）”棱镜用在双通构造中，以同时提供颜色分离和重组。所述投影仪使用扭曲向列型LC面板。DeLang的美国专利No.3,202,039中所述的“氧化铅摄像管”三棱镜最初开发来分离电视摄影机中的光。

Rosenbluth等人发现，倾斜的二色性元件通常偏振，原因在于它们在反射和透射时出现差分相移（Δφ_ps=Δφ_p-Δφ_s），这使传输中光束出现偏振混合或者复合角消偏振。具体而言，当倾斜或偏斜的光横穿颜色分离涂层（其往往较厚）时，s分量与p分量的有效穿透厚度之间通常不同，从而使两个偏振之间的涂层具有差分相位变化Δφ_ps。Rosenbluth等人发现，倾斜的二色性涂层通常是带边缘处的强振幅偏振器，进而，该二色性涂层因将相移与强度性能联系起来的色散积分而在整个带上施加较强的差分相移。从而，当s偏振和p偏振以复合入射角传输过涂层时，它们具有不同的振幅和相位响应。当偏斜光线经过光学系统的倾斜分束涂层时，出现最明显的偏振串扰。

Rosenbluth等人试图通过设计棱镜涂层以整体消除消偏振的旋转分量而非通过将涂层设计成分别无相移，来防止三棱镜组件的涂层的消偏振。当色散积分将相位性能与光吞吐率联系在一起时，较大相位变化将会对吞吐量产生上产生边界效应。Rosenbluth等人的设计采用飞利浦棱镜的双通几何结构。即，个别涂层没有设计成无相移（零相位差，Δφ_ps=0），并且涂层也没有设计成在单通中共同校正相位，而将涂层设计成在双通中共同校正相位。最优化没有使最小化振幅消偏振效应得到加强。从根本上说，Rosenbluth等人设计棱镜涂层，以使偏斜光线经历椭圆偏振且不旋转，同时经过棱镜组件的光的双通对称性有利地消除椭圆率。该对称性和内在消除只在s偏振和p偏振在二色性涂层中的强度损失基本上相等时才保持，从而在带边缘附近的校正存在缺陷。Rosenbluth等人提出了以下实例：其中在利用或不利用对偏振光束分离器（PBS）或光阀消偏振效应进行补偿的聚合膜补偿器的情形下，结合PBS来优化涂层消偏振。

除Rosenbluth以外，多层薄膜光学涂层的相位含义没有被规定和设计光学薄膜涂层的人员所广泛知晓，并且仅仅在文献中简短地用到或提到。然而，即使存在针对该问题的常规方法也很难获得令人满意的结果。

由于消偏振可能使远程通信和其它数据信号处理光学系统中的信噪比（S/N）或对比度降低，因此已经提出了多种用于补偿偏振相移Δφ的方案，其中薄膜表面用于窄带光学信号。例如，Thelen的题为“Non-Polarizing Thin Film Edge Filter（无偏振薄膜边缘滤波片）”的美国专利No.4,373,782描述了，在上升或下降边缘形成具有相同的s和p偏振性能的边缘滤波片。这为单个、窄区频率或波长提供偏振相消效应，但不能补偿超过该窄区的偏振影响。类似地，Ito的题为“OpticalMultilayer Thin Film and Beamsplitter（光学多层薄膜和光束分离器）”的美国专利No.5,579,159描述了以下涂层设计方法，即实现在预定波长上彼此十分接近的s偏振光和p偏振光的反射。然而，Ito的方案将光束分离器与IR区中的单激光束一起使用，并且该方法也不容易扩展至窄波长区以外。

Van Der Wal等人的题为“Polarizing Beam Splitter and Magneto-Optic ReadingDevice Using the Same（偏振光束分离器和使用该偏振光束分离器的磁光读出装置）”的美国专利No.6,014,255描述了磁光读出器，该读出器最优化成引导单个窄IR波长上的光，其中通过在设计多层薄膜时加厚顶层和底层来减小相位差Δφ。再者，该方法没有解决使偏振补偿可应用于颜色组合光学系统的重要问题。

随着激光器和其它窄带光源的广泛使用，最先为更广宽带照明所开发的、针对将调制光束组合的问题的一些常规方案和方法并不令人满意。为使用弧光灯和其它宽带源的成像应用所设计的滤光片一般设计成使光谱效率最优化，使带宽最大化，并且抑制IR或UV光。这些部件不仅仅设计成，在如激光和其它固态光源的窄波长带上提供所需的性能，并且通常在设计时不考虑偏振相位响应。

对多层薄膜光学涂层处理偏振的方式产生影响的减小相位差的常规方法，可以对远程通信的窄区光学信号起到很好的作用。然而，这些常规方案缺少在图像投影中补偿二色性表面的相移和偏振移动效应所需的要素。从而，需要改进用于补偿相位差的多层薄膜光学涂层的设计方法，以提供使特定偏振响应减小的涂层。

发明内容

本发明的目的是，对组合或分离具有不同波长的激光的技术进行改进。出于该目的，本发明提供了用于将多个光束组合在光路上的光束组合器，其包括：

第一二色性元件，其具有二色性涂层，所述二色性涂层设置成沿所述光路透射第一波长带上的光并且将第二波长带上的光反射在所述光路上，并且所述第一二色性元件使传输中的光的偏振状态产生相位差；

第二二色性元件，其具有二色性涂层，所述二色性涂层设置成沿所述光路透射所述第一和第二波长带上的光并且将第三波长带上的光反射在所述光路上，并且累积传输中的光的偏振状态的额外相位差；以及

其中所述第一或第二二色性元件的表面还包括相位差补偿多层薄膜堆，该相位差补偿多层薄膜堆提供位于入射在所述表面上的光的第一、第二和第三波长带中的任一个波长带之外的至少一个正或负反射边缘过渡，并且对所述第一、第二和第三波长带中的至少一个波长带上的累计相位差进行补偿。

本发明的特征在于，在未使用的光谱部分上增加反射特征，以进行相位补偿。

本发明的优点在于，在不牺牲亮度或其它成像性能特征的情形下对组合偏振光进行相位差补偿。

参考附图阅读以下优选实施例和所附权利要求书的详细描述，将更清楚地理解和掌握本发明的这些及其它方面、目的、特征和优点。

附图说明

图1是示出成像装置的常规光束组合器涂层的行为的框图；

图2A是示出典型的反射多层薄膜滤波片的相位差关系的一组曲线图；

图2B示出了本发明的设计原理；

图3是示出由图1实施例的光束组合器涂层所提供的相位补偿的框图；

图4是示出替代实施例中成像装置的光束组合器涂层的行为的框图；

图5是示出由图4实施例的光束组合器涂层所提供的相位补偿的框图；

图6是示出偏振光分量相对于入射偏振平面的方向的透视图；

图7是示出颜色组合器表面的入射偏振平面垂直布置时的成像装置的示意图；

图8示出了图7实施例在相位补偿之前的表面反射率、透射时相位差和反射时相位差的一组曲线图；

图9示出了图8的未校正实施例的每一个颜色通道的总相位差；

图10示出了在一个实施例中图7实施例在相位补偿之后的表面反射率、透射时的相位差和反射时的相位差的一组曲线图；

图11示出了图10的已校正实施例的每一个颜色通道的总相位差；

图12A、12B和图12C是示出通过增加层数来增加相位差的方法的结果的曲线图；

图13A、13B和图13C是示出通过折射率比来增加相位差的方法的结果的曲线图；

图14A和图14B是示出通过增加入射光的角来增加相位差的方法的结果的曲线图；

图15A和图15B是示出通过相对于传播介质减小用于形成交替薄膜层的折射率来增加相位差的方法的结果的曲线图；

图16是示出在一个实施例中用于设计光束组合器涂层的一系列步骤的逻辑流程图；

图17A、图17B和图17C给出了表示在二色性表面具有相同的入射平面的实施例中多层薄膜表面的布置的表；

图18A、图18B和图18C给出了表示在二色性表面具有垂直的入射偏振平面的实施例中多层薄膜表面的布置的表；

图19是示出在一个实施例中与采用飞利浦棱镜的成像装置一起使用的颜色组合器的示意框图；

图20是示出在另一个实施例中与采用飞利浦棱镜的成像装置一起使用的颜色组合器的示意框图；以及

图21是示出在一个实施例中与采用X棱镜的成像装置一起使用的颜色组合器的示意框图。

文中示出并描述的附图是为了说明根据本发明实施例的操作原理和结构，进而不必按实际尺寸或大小进行绘制。在很多情形下，使用理想曲线图来描述滤光片行为的基本原理。

具体实施方式

以下描述中，术语“颜色”、“波长”、“波长范围”和“波长带”交替使用。因红色、绿色和蓝色应用于彩色投影和其它彩色成像应用中，因此以红色、绿色和蓝色颜色路径为实例进行描述。然而，应该理解，本发明的方法和装置可以更广泛地应用于不同的波长带，并且可以包括用于将不同波长的光组合或分离的光束组合装置或光束分离装置，所述不同波长的光可以包括落在可见光谱以外的光。

参考图1，其示出了现有技术中具有光束组合器40的成像装置100的示意图，其中光束组合器40使用两个多层薄膜板二色性元件43和44。每一个二色性元件43和44还分别具有相应的抗反射（AR）表面43a和44a，以及分别采用适当二色性涂层的滤波片表面43b和44b。下面，对图1的系统在具备和不具备本发明优点的情形下的变形进行论述。如此处所示，每一个二色性元件包括在两侧光学表面上（而不是在边缘表面上）均具有多层光学涂层的小玻璃片或小玻璃板。如光学领域所熟知的二色性光学涂层，根据波长而选择性地折射光或透射光。对于穿过所设计的通带的偏振光，二色性光学涂层一般具有虽不完全相同但却相似的效率响应（反射率或透射率），而且“s”和“p”偏振状态下的效率响应在通带边缘过渡处一般较剧烈变化。如下文所述，鉴于二色性涂层对入射光的偏振状态的影响，相位响应在边缘过渡处也发生变化。

术语“边缘过渡”、“负反射边缘过渡”和“正反射边缘过渡”具有如光学涂层领域中的技术人员所理解的常规含义。特意利用光学涂层领域中所使用的多层薄膜涂层及以下设计原理来形成边缘过渡。边缘过渡出现在不大于约25nm至30nm的窄带宽内。例如，边缘过渡可以通过形成陷波滤波片、低波长通过（LWP）滤波片（a low-wavelength pass(LWP) filter）或高波长通过（HWP）滤波片（ahigh-wavelength pass (HWP) filter）来产生。反射滤波片的边缘过渡对本发明尤其有益，在以下描述中这些边缘过渡特意设计并且用来对光组合装置提供进行相位差补偿。

术语“反射”具有在光学涂层背景中的常规意思。多层涂层可以说是反射以下波长带，即整个带上至少约80%的光被反射。术语“抗反射涂层”或“AR涂层”具有本公开背景中常规的意思，其一般意味着该涂层改变空气-玻璃界面以便在某一抗反射波长带上具有大于约95%的透射率。可以利用AR涂层特性来提供相位补偿的实施例在由这些涂层所提供的所需抗反射波长带之外的波长范围上提供相位补偿。例如，对于成像装置，使用AR涂层来防止可见区的反射。仅在可见波长带之外，诸如紫外UV或红外IR波长带出现的反射特性改变，不会影响与AR涂层在投影仪或其它成像装置中的基本功能有关的AR涂层的性能。

文中使用的术语“第一”、“第二”等，不一定表示任何顺序或优先关系，而可以仅仅用来将一个元件与另一个元件更清楚地区分开。

在本发明背景下，蓝光、绿光和红光具有如电子成像和投影领域中的技术人员所理解的常规的意思和波长范围。在一个实施例中这些颜色的典型值一般在以下近似范围内：红光λ₀=637nm，并且其范围一般为620nm至660nm；绿光λ₀=532nm，并且其范围一般为520nm至560nm；蓝光λ₀=465nm，并且其范围一般为440nm至480nm。通常，所选光源具有落在这些范围内的发射光谱带宽Δλ，即使单个光源的带宽Δλ可能更小。例如，单个绿色激光器可具有光谱带宽Δλ~0.1nm-2.0nm，并且多个该绿色激光器的阵列可具有光谱带宽Δλ~2nm-7nm。

在本申请的附图和说明书中，符号Δφ用于表示相位变化，包括差分相位变化，其中φ表示相位。文中使用的下标“t”表示“透射”。例如，Δφ_t表示出现在透射中的相位变化。类似地，文中所使用的下标“r”表示“反射”。

如以上给出的背景部分所述，s偏振光和p偏振光在入射到多层薄膜上时不同地相互影响，

这会在入射偏振光的这些分量中产生一些多余的相对相位差（Δφ_sp）量。参考图6，入射光82以一定角度入射在光学元件80上，所述光学元件80一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振动）、p偏振光（在入射平面84内振动），或其两者（示出了具有两者的情况）。尽管入射光82可以根据光学元件80的性质在光学元件80上透射、反射或透射并反射，但图中仅示出了反射光86。任一个偏振方向的光可能在光学元件80上发生相位变化Δφ，并且两个偏振可能出现相同的相位变化Δφ或者没有相位变化（Δφ=0），从而不存在差分相位变化（Δφ_sp=Δφ_s-Δφ_p=0）。作为另一个实例，实际上，如果差分相位变化在相位上变化180°（π）或者180°的数倍，以使Δφ_sp=Δφ_s-Δφ_p=180°，则在反射时也不会出现差分相位变化。在这些情形下，维持初始偏振关系。

光学元件80还可以产生s偏振光和p偏振光的与反射率、透射率和反射相位或透射相位有关的差分响应。例如，如果s偏振光发生相位变化（Δφ_s），而p偏振光发生不同的相位变化（Δφ_p），所得到的s偏振光的相位φ_s为一个值，并且p偏振光的相位φ_p为另一个值，进而产生非零相位差（Δφ_sp=Δφ_s-Δφ_p≠0）。相位差可以用Δφ_sp=Δφ_s-Δφ_p或Δφ_ps=Δφ_p-Δφ_s进行计算，而具体选择可取决于几何结构。文中使用的相位变化项Δφ一般表示相位变化而非具体偏振变化（Δφ_p、Δφ_s），或者一般表示相位差而不涉及几何结构（Δφ_sp、Δφ_ps）。关于组合器设计，其目标是将每一个组合器元件单独地或组合器元件合计地在透射或反射（视情况而定）时的差分相位变化减小至接近零（Δφ=0）。例如，在Silverstein等人的题为“LaserIlluminated Micro-Mirror Projector（激光器照明微镜投影仪）”的共同转让的共同未决的美国专利申请序列号12/171,916中，组合元件设计成通过定位边缘过渡分别将差分相位变化Δφ减小至接近零，并且边缘过渡的相关相位曲线尽可能远离关注波长（λ₀）。对于绿色颜色通道，这可能意味着设法将边缘过渡等距地放置在所关注的绿色波长与蓝色波长之间，或所关注的绿色波长与红色波长之间。尽管该方法可以实施，尤其对于具有窄光谱带宽Δλ的颜色通道，但残余相位差Δφ可能仍较显著，并且较小的涂层变化就可能引起较大的相移或相位变化，从而引起较显著的相位差而背离设计目的。

另一方面，如著名的菲涅耳方程所述，两个偏振可能具有不同或类似的反射效率（R_p或R_s）或透射效率（T_p或T_s）。然而，当然希望提供相似的效率（T_p~T_s和R_p~R_s），由此在成像系统中常常可以使用其它机制或方法来补偿出现在二色性组合器表面上的适度光等级变化。

作为另一背景，光传播可以用具有等式（1）的著名波动方程来描述，等式（1）描述了在时间t内行进过x距离的平面偏振波ψ(x,t)，其中A(x,t)是振幅函数，而φ(x,t)是扰动相位：

Ψ(x，t)＝A(x,t)e^iφ(x，t) (1)

其中x是沿光路的距离，并且t是时间。

相位等式可以写成各种方式，并且包括由ε给出的初始相位，ε是可以在之后出于当前目的而忽略的值：

φ(x，t)＝ωt-kx+ε或φ(x，t)＝ωt-kx＝ω(t-x/v) (2)

其中ω是相位随时间的变化率，k是相位随距离的变化率，并且v是速度。值ω还被称为角频率，其中ω=2π/ν，并且值k还被称为传播数，其中k=2π/λ。光频率v和波长λ通过光速联系起来，c=λ/v。在自由空间中光的波长λ通常用微米（μm）或纳米（nm）表示。当光进入并且穿过材料时，根据入射角的范围、入射光相对于介质的偏振方向、折射率n和材料厚度，反射率和相位变化Δφ可能不同。

模拟表面反射或透射的菲涅耳等式影响等式（1）中的振幅项。材料或介质中的折射率大致是真空中的光速c与介质中的速度v之比（n=c/v）。将折射率代入等式（2），得到折射率形式的相位：

φ(x，t)＝ωt-(2πn/λ)x (3)

即使在折射率恒定的各项同性材料中，当材料中的光路长度（t/n）从一个角度变化为另一个角度时，在光束传播角不同时可能出现差分相位变化Δφ。在复杂结构的情形下，诸如具有多层材料的薄膜涂层，光束传播角不同时可能出现差分反射率和差分相位变化。从而，对于光线角的每一度（偏斜或其他），由于涂层在照射下产生的差分旋转分量和椭圆率，因此倾斜的二色性元件通常引起偏振。从而，根据入射光的角度和偏振状态可能出现差分相位变化Δφ，（Δφ=Δφ_sp=Δφ_s-Δφ_p）或（Δφ=Δφ_ps=Δφ_p-Δφ_s）。

尽管存在利用一个或多个薄膜材料的特性或设计结构来减小相位变化量Δφ的方法，诸如通过偏振匹配边缘过渡或带通反射来减小相位变化量Δφ，但该改变通常不足以补偿相位差大小。可以发现，存在为本领域技术人员所熟悉的且能够用于调整并优化多膜涂层设计以使相移最小化的其它已知技术。例如，可以通过相对于所使用的光的波长牺牲指定滤色片特征中的效率和吞吐量来达到一些量的折衷。然而，除了稍微窄的调整容限以外，实际上，对光学设计者而言，使用常规方法可能对提高光学涂层性能和减小相移差异没有多大现实意义。

如以上背景部分所述，通常常规光束组合器不能解决入射光的偏振分量的相位差Δφ问题，并且常常出现相位差大大超过±20度的情形。本发明的装置和方法提供改善光束组合器在这方面的性能并且将相位差减小至±10度或更小的优选范围内的方法。

参考图1，在该图中用方块图形式表示的颜色通道12r、12g和12b分别提供红色、绿色和蓝色调制光，以便在光束组合器40上组合并且被引向投影透镜28以投影在显示表面30上。再者，光束组合器40包括两个多层薄膜板二色性元件43和44，该二色性元件43和44具有基于波长选择性地反射和透射光的二色性光学涂层。各个通道中的调制光可以通过使用数字微镜阵列（诸如DLP装置）的SLM（未示出）来调制。可以通过SLM或在光学上位于空间光调制器的上游的偏振切换装置对偏振光进行时间或空间上的调制。与使用氧化铅摄像管棱镜在双通道中分离一个方向上光并且组合另一个方向上的颜色光束的常规系统相比，二色性元件43和44用于在单个通道中组合光。即，如图1所示，光分别在各自的颜色通道（12r、12g和12b）中行经光路（未示出），在光束组合器40将光束组合在一起之前所述光路不会传输过光束组合器40。

红色、绿色和蓝色光路在图1中表示为在空间上稍微偏离，以助于示出二色性元件43和44的基本透射和反射功能。实际上，这些光路在同一输出轴线上是重叠的。红色、绿色和蓝色颜色通道（12r、12g和12b）均包括光源，该光源优选为激光器，但可以使用其它窄带光源，包括发光二极管（LED）或超辐射发光二极管（SLED）。颜色通道12g、12b和12r均发出偏振光，或通过偏振光预偏器（pre-polarizer）（未示出）使光偏振，或者兼具二者。在光路上，第二二色性元件44的下游设置有偏振分析器32或可选的偏振光束分离器，以便例如实现立体图像投影。显示表面30为通常放置屏幕并且使观众能够观看被投影图像的目标表面。

图1还示出了二色性元件43和44的每一个滤波片表面43b和44b的透射（T）、反射（R）、以及s偏振光与p偏振光之间的相位差Δφ_sp的典型滤波片曲线图。左方由虚线方框46L包围的部分是二色性元件43的滤波片表面43b的反射滤波片曲线图53r和透射滤波片曲线图53t。相位差曲线图53φ示出了二色性元件43的高波长通过（HWP）边缘滤波片的相位差Δφ_sp。二色性元件43的（HWP）边缘滤波片使传输中的绿光和蓝光具有明显相位差Δφ_sp。类似地，右方由虚线方框46R包围的部分为二色性元件44的滤波片表面44b的反射滤波片曲线图54r和透射滤波片曲线图54t。相位差曲线图54φ示出了二色性元件44的陷波滤波片的相位差Δφ_sp。累计相位变化曲线图56φ则示出了通过对相位差曲线图53φ和54φ求和所计算得到的累计相位差Δφ_sp的和。此处，绿色和红色波长带中的光的累计相位差Δφ_sp的大小超过20度，并且可以多达100度或更大。该相位特性是很多标准滤波片设计的典型。

如前所述，Rosenbluth等人发现，倾斜的二色性涂层通常是带通边缘处的强振幅偏振器。这进而表明，由于联系相移与强度性能的色散积分在整个带上将出现很大的差分相移。从而，当s偏振和p偏振分量以复合入射角传输过涂层时，s偏振和p偏振出现不同的振幅和相位响应。关于该行为，发明人还发现，在相移和二色性涂层的滤波片带边缘（或反射边缘过渡）之间存在特别的关系。具体而言，如图2A所示，相位差曲线50所特有的正或负相位变化差Δφ_sp与反射堆的正或负边缘过渡42E对应。图2A的左上方示出了通带从~470nm延伸至~690nm并且阻带在470nm以下且690nm以上的陷波滤波片的示范反射滤波片曲线组（s和p偏振反射曲线42）。该实例下方示出了该滤波片在相同的波长范围上所出现的相位差（Δφ_sp=Δφ_s-Δφ_p）响应的对应示图。右方示意图概括了反射带边缘的相位差的基本行为。相位差变化曲线50具有与反射曲线42的上升带边缘或正边缘过渡42E对应的正相位差Δφ_sp。负相位差Δφ_sp与反射曲线42的下降带边缘，即反射曲线的负边缘过渡42E对应。注意，倾斜的二色性滤波片在反射时的负边缘过渡42E表现为该滤波片在透射时的正边缘过渡42E。在各个过渡处出现相对明显响应之后，接着，相位差Δφ_sp在更长的波长上朝向零向回漂移。

应注意，相位差随波长显著变化，Δφ(λ)。考虑左方的非对称相位差曲线50，发现，在每一个带边缘处相位差峰值的绝对值超过80度（|Δφ_sp|=|Δφ_s-Δφ_p|>80°），同时边缘过渡附近具有较大相位差（|Δφ_sp|=|Δφ_s-Δφ_p|>20°），所述边缘过渡朝向通带中心延伸~40nm并且向相邻的低反射阻带延伸~100nm从而变成相位曲线的相位尾部51。还应注意，与更长波长上的情形相比，阻带内的相位尾部51在更短波长区趋于更短，或者被压缩。在图2A的示例性陷波滤波片的情形中，还应注意，在470nm至690nm的名义通带之外的反射曲线42上存在明显的波动。对应相位差曲线50表现为，在对应波长上相位尾部51具有一些小波动。在陷波或边缘滤波片设计成没有明显的阻带反射波动的情形下，在边缘过渡周围仍观察到明显的相位变化（在大小和范围上），但此处没有小波动影响。该行为将出现在随后的设计实例中。

考虑到图2A以及扩展的图2B所示的行为，发明人发现，正和负相位差Δφ特性曲线之间的相互影响可以用来减小多层薄膜涂覆表面的相位差。从而，例如，具有第一光谱带通（或通带42P）的第一二色性元件41表现出图2B中所示的与具有相位尾部51的相位差曲线50有关的大体行为。如果在波长方面足够接近第一光谱带处沿光路设置第二相位补偿二色性元件52的边缘过渡42E，其中第二相位补偿二色性元件52具有相位补偿光谱带通和相关相位差曲线50c，与相邻边缘过渡42E有关的特性相位响应可以有利的方式相互影响。如图2B所示，在目标波长（λ₀）附近，相位补偿二色性元件52的相位差曲线50c的相位尾部51c与第一二色性元件41的相位差曲线50的相位尾部51相互影响，以提供减小的组合相位差。即使两个带通被具有一定宽度Δλ_offset1的中间阻带42R光谱分离时，也可能出现这种情形。例如，第一二色性元件41和相位补偿二色性元件52的通带42P可以具有较高反射率（R_p、R_s>90%）而中间阻带42R具有较低反射率（R_p、R_s<5%）。如果在两个边缘过渡λ_edge1与λ_edge2之间的中间阻带42R足够窄（Δλ_offset1<50nm至100nm），则在期望的波长跨度（Δλ_offset2）上存在明显的相位差补偿的条件下，最近的下降边缘的负相位差曲线与最近的上升边缘的正相位差曲线可以在预定光谱带上相互影响或组合，以减小关注波长（λ₀±Δλ/2）上的光所具有的相位差Δφ_sp。根据目标波长（λ₀）与边缘过渡的接近程度，两个距离Δλ_offset1和Δλ_offset2可以几乎相同或明显不同。该概念的应用在以下设计实例中将变得更加清晰。

本发明的装置和方法应用图2B所提到的设计方式。即，利用相位变化与反射滤波片的带边缘的关系通过设置相位差补偿多层薄膜堆来补偿相位差Δφ，并且对特定目标波长上在不同偏振状态下的光提供更均匀的响应。具体而言，设置为具有附加多层薄膜堆的相位补偿滤波片的相位补偿二色性元件52在包含形成有相位补偿二色性元件52的表面上所出现的关注波长的光谱带宽以外的波长上提供光谱带通和边缘过渡42E。有效地，与相位补偿二色性元件52有关的相位差曲线50c的相位尾部51c必须延伸地足够长（Δλ_offset）并且具有恰当的符号（+或-）和大小，以提供补偿二色性滤波片的第一二色性元件41的相位影响的相位差Δφ。如以下所述，相位补偿二色性元件52可以设置在二色性元件的表面上，或者在具有AR涂层的表面上，或者在某个其它光学元件上。第一二色性元件41和相位补偿二色性元件52均可以为陷波滤波片，或者通过边缘滤波片（pass edge filters），并且下文中将给出两者的实例。本发明的实施例采用该响应于反射带边缘行为的相位变化作为对一般光谱滤波片（具体为光束组合器）的偏振产生影响的相移进行补偿的机理。再次参考图1的常规布置，例如，可以利用恰当构造的薄膜结构来减小相位差曲线图56φ中所示的累计相位差，这不会损害图像质量，所述薄膜结构影响相位差Δφ_sp。

参考图3，示出了一个实施例的相位差补偿方法。在该构造中，用具有相位补偿特征的二色性元件45替代图1的二色性元件44。二色性元件43具有抗反射表面45a和滤波片表面45b。在图3左侧的方框47L中，二色性元件43的高波长（红光）通过（HWP）边缘滤波片的反射滤波片曲线图53r、透射滤波片曲线图53t和相位差曲线图53φ与图1相同。为了补偿红色波长中预定光谱带通上的负相位变化，通过增加加至二色性元件45的滤波片表面45b的相位补偿光谱带通60（图3中的圆圈内）来提供第二附加光谱带通或反射带。在本实例中，相位补偿光谱带通60是特定类型的相位补偿二色性元件（52），并且与红外（IR）光谱带通陷波滤波片对应，该红外（IR）光谱带通陷波滤波片通过将一堆层增加至滤波片表面45b上的多层薄膜堆来形成，其中该堆反射在可见区之外的更长波长的光。在图3右侧的方框47R中，反射滤波片曲线图55r、透射滤波片曲线图55t和相位差曲线图55φ示出了在将相位补偿光谱带通60增加至由图1的方框46L中的曲线图表征的滤波片形式时滤波片的特性。相位差曲线图55φ示出了滤波片表面45b上该薄膜滤波片形式的变形即将IR相位补偿光谱带通60增加至滤波片表面45b的多层薄膜堆时的效果。此处IR相位补偿光谱带通60为预定（红光）光谱通带中的光提供相位差Δφ_sp减小或补偿结构，从而提高红光区上的相位响应。即使颜色通道12r、12g和12b没有提供IR光来与相位补偿光谱带通60相互影响时，这仍出现。所获得的补偿累计相位变化作为相位差曲线图57φ示出在图3的底部。相比之下，初始累计相位差Δφ_sp与图1相同，并且示出为虚线表示的相位差曲线图56φ，图中示出了增加的相位补偿光谱带通60的反射带所提供的改善，尤其在红光波长。

可以进行很多观察：

（i）利用图1中的光束组合器40的二色性元件的布置，作为选择，可以在抗反射表面44a、43a或滤波片表面43b上增加补偿光谱带通60。即，相位差补偿多层薄膜堆的补偿滤波片结构可以形成在引导红光穿过光束组合器40的任何表面上。尽管违反直觉，但这甚至包括形成具有抗反射（AR）涂层形式的反射陷波滤波片。下文给出的实例1示出了该方法（如下文的实例所示，根据所提供的波长补偿，具有其它光束组合器构造的表面选择的灵活性可以如或不必如该情形）。

（ii）在相位补偿二色性元件52为陷波滤波片的情形下，提供两个边缘过渡。然而，一般仅仅涉及一个边缘过渡。图3中，作为实例，陷波滤波片设置有上升（红光）边缘和后缘或下降边缘。设置有相位补偿光谱带通60的反射带的后缘进一步延伸到IR区，进而所产生的任何相移对可见区的投影应用都无意义。

（iii）相位补偿滤波片的谐波也可以用于相位补偿。除非采取特定步骤进行抑制，否则常规薄膜滤波片通常产生λ/3的谐波。在图3的实例中，对于由陷波滤波片型相位补偿光谱带通60所提供的可能在720至1050nm区域中的反射带，相应λ/3谐波将在大约240至350nm区域中，或者在UV区域内。如此，陷波滤波片谐波可能在UV或低蓝区中提供所需的下降带边缘过渡，其中相位尾部51将提供可有助于补偿蓝光波长上的累计正相位变化的负相位差。

（iv）虽然图3的实例中反射带示出为陷波滤波片，但作为选择也可以使用IR中的低波长通过（LWP）滤波片。要求由边缘过渡在正方向上产生的相移影响必须足够接近（恰当的Δλ_offset2）红光波长，以便产生正相位差。为了起到补偿功能，相位差补偿多层薄膜堆使补偿边缘过渡以Δλ_offset1<~100nm偏离第一、第二或第三波长带。换句话说，提供相位补偿的反射边缘过渡位于沿输出光路的某个表面上，并且边缘过渡自身在位于入射在该表面上的光的波长带之外的波长λ_edge上。补偿边缘过渡在欲施加影响的且小于~100nm的带内（恰当的Δλ_offset2）。在更短波长区，希望距离更小，因为相位尾部51通常在大小或范围上被压缩；但当波长增加时，多达约100nm的更长距离可以获得满意的性能。注意，通常涂层行为相对于波长在数学上不对称或者不一致。

从而，光谱距离Δλ_offset1或Δλ_offset2根据光源或颜色通道相对于边缘过渡的光谱位置λ₀和宽度Δλ、以及所需的相位补偿大小来指定。例如，具有红色附近的IR边缘过渡的相位补偿二色性元件52可以设计成，边缘过渡在680nm至740nm的光谱范围中以使相位在~635nm的红色区中。然而，具有红色边缘过渡的相位补偿二色性元件52可以设计成，边缘过渡在580nm至650nm的光谱范围中，以使相位在~635nm的绿色区中。基本上，光谱偏移避免使用相位曲线中出现在边缘过渡（λ_edge）附近的剧烈摆动，而使用相位尾部51（反号）来对给定的源光谱进行补偿（如参考图2B的描述）。

从而，如图3的实例示出，本发明的方法对薄膜滤波片设计的常规方法进行了变化，在未使用的波长区域中，诸如在可见区之外的IR或UV区域中增加正或负反射带过渡。在该实例中，设置为具有相位补偿光谱带通60的陷波滤波片的相位差补偿二色性元件52，形成为第一或第二二色性元件的表面上的薄膜堆，并且反射与第一、第二或第三颜色（蓝色、绿色或红色）所具有的一组波长带不同的波长，换句话说，在第一、第二或第三颜色（蓝色、绿色或红色）所具有的一组波长带之外的波长。具有用于补偿的反射波长的边缘过渡（λ_edge）可以在如图3的实例所示的可见区之外，或者在与入射在同一表面上的光的混合颜色中的每一个颜色的波长不同的可见区中。下面参考图4和图5给出表示在可见光谱内增加该反射边缘过渡的替代实例。

图4示出了成像装置101的替代实施例，其中光束组合器40具有不同的颜色布置，其扩大了参考图1和图3所述的基本方案实现。在该实例中，绿光同时透射穿过多层薄膜二色性元件22和24。每一个二色性元件22和24分别具有相应的抗反射（AR）表面22a和24a、以及带二色性涂层的滤波片表面22b和24b。在该图中以方框图形式表示的每一个颜色通道12r、12g和12b分别提供被调制的红光、绿光和蓝光，以便在光束组合器40上组合，进而通向投影透镜28以投影在显示表面30上。再者，红光路、绿光路和蓝光路在图中示出为稍微偏离，以助于示出二色性元件22和24的基本的透射和反射功能，实际上，这些光路重叠在同一输出轴线上。

图4还示出了二色性元件22和24的每一个滤波片表面22b和24b的透射（T）、反射（R）和相位差Δφ_sp的典型滤波片曲线图。图4左侧的方框48L中是二色性元件22的滤波片表面22b（蓝色反射镜）的反射滤波片曲线图62r和透射滤波片曲线图62t。相位差曲线图62φ示出了二色性元件22的高波长通过（HWP）边缘滤波片的相位差Δφ_sp。应注意，尽管相位差Δφ_sp对蓝光和绿光影响明显，但来自二色性元件22的红光基本上没有相位变化影响，因为红光没有经该表面透射或反射。类似地，图4右侧的方框48R中是二色性元件24的滤波片表面24b（红色反射镜）的反射滤波片曲线图64r和透射滤波片曲线图64t。相位差曲线图64φ示出了二色性元件24的滤波片表面24b的相位差Δφ_sp。该红色反射镜在绿色光谱上产生显著的相位差Δφ_sp，而在蓝色光谱和红色光谱部分上产生更小相位差。累计相位差曲线图66φ则示出了通过将受相位变化影响的波长上的相位差曲线图62φ和64φ相加所计算出的有效累计相位变化和。如相位差曲线图66φ所示，因相位差曲线图62φ和64φ的曲线在该状态下趋于抵消，蓝色和红色的相位变化被很好地校正，并且这些光谱的显著部分具有较小相位差Δφ_sp。根据容许残余相位变化的技术要求，该性能可能是足够的。低红色光谱表现出一些明显的相位差，该相位差的重要性取决于所使用的实际光源的波长范围（由λ₀和Δλ表征）。然而，对于绿光，相位差消除不太明显，并且实际累计相位差Δφ_sp相对于相位差曲线图62φ有所增加。

参考图5，为了补偿绿色波长上的负相位差，设置相位补偿二色性元件作为具有相位补偿光谱带通61的陷波滤波片，所述相位补偿二色性元件增加至二色性元件（蓝色反射镜）23的滤波片表面23b。二色性元件23还具有抗反射表面23a。在图5左侧的方框49L中，是包含相位补偿光谱带通61的二色性元件23的滤波片表面23b（蓝色反射镜）的反射滤波片曲线图63r和透射滤波片曲线图63t。相应相位差曲线图62φ示出了相位差Δφ_sp。在该情形下，如图所示，相位补偿光谱带通61设置有大约在黄色-橙色光谱附近区域（~580nm至600nm）中的补偿反射边缘过渡（λ_edge）。再次参考系统原理图，可以看出，滤波片表面23b不接收比绿色波长更长的入射光。从而，如图5所示，对于成像装置101，增加具有边缘过渡和相位补偿光谱带通61的全部特征的红色反射滤波片堆基本上不影响入射在光路上的该位置处的调制光的透射或反射。然而，该被增加结构反射比绿色波长更长的光，这对滤光的相位变化具有有益的影响。图5右侧的方框49R中是与图4中所示的对应曲线图相同的，二色性元件24的滤波片表面24b（红色反射镜）的反射滤波片曲线图64r、透射滤波片曲线图64t和相位差曲线图64φ。所得到的补偿累计相位差Δφ_sp作为相位差曲线图67示出在图5的底部，图中相位差曲线图67φ与相位差曲线图66φ重叠以便进行比较。

在图5的实例中，值得一提的是，示出为相位补偿光谱带通61的陷波滤波片反射带的正边缘过渡提供有效的相位补偿。在替代实例中，用在与如陷波滤波片型相位补偿光谱带通61所示的相同位置处具有正边缘过渡（λ_edge）但在更高波长处基本上没有负向过渡的相位补偿光谱高波长通过滤波片来替代相位补偿光谱带通61。在图5实施例中，通过抵消由蓝绿组合器（二色性元件23）的蓝绿边缘过渡产生的一些相位差Δφ_sp，正边缘过渡对绿光执行所需的补偿。另外，应注意到，反射中的负边缘过渡是透射中的正边缘过渡。

如图4和图5的实例所示，根据光束组合器40所使用的光学布置，可以具有能够实施相移校正的有限个表面。例如，无论是陷波滤波片还是边缘滤波片具有在红色区中工作的相位补偿光谱带通61，相位补偿二色性元件52都不能增加至二色性元件24的滤波片表面24b，因为在该系统构造中该表面已经具有红色反射镜。

在结合图3和图5描述在先的示例性相位补偿实施例时，光谱反射或透射曲线以理想的方式示出，以助于解释发明点。为了更好地说明发明点，将分别给出如以下结合图8和图9、以及图10和图11的描述中所提到的两个详细的设计实例。

关于入射偏振平面

偏振光的垂直分量参考入射偏振平面进行分类。再次参考图6，其示出了相对于入射平面84和X-Y-Z坐标系统接收入射光82的光学元件80。在入射平面84（X-Z平面）内振动的光被称为p偏振。垂直于入射平面84的光被称为s偏振。

在先实例中，对于图1和图3的实施例，光束组合器40的二色性元件43和44/45均具有相同的偏振入射平面。同样地，对于图4和图5的实施例，二色性元件22/23和24均具有相同的偏振入射平面。具体而言，两个二色性元件相对于光学系统以相同的角度放置，从而名义上彼此平行。在该情形下，两个表面的总相位差Δφ_tot相加。即，对于表面1和2：

Δφ_tot＝Δφ_sp＝Δφ₁+Δφ₂＝(φ_s1-φ_p1)+(φ_s2-φ_p2) (4)

然而，在图7系统的替代实施例系统中，光束组合器40的二色性元件92和94以相反的角度（在XZ平面中）倾斜，以减小穿过倾斜板的成像光所经历的象散。即，二色性涂层滤波片表面92b和94b彼此垂直，或者大致垂直（即，在90±15度内）。这些二色性元件还以复合角度进行旋转。具体而言，参考图6，一个二色性元件在YZ平面中旋转额定的+45度（θx），另一个二色性元件在YZ平面中旋转额定的-45度。该几何方位有助于将来自颜色通道12r、12g和12b内的DLP装置的图像光在进入投影透镜28时导向共同的光轴线（Z）。在该替代实施例中，两个表面的总相位差Δφ_tot为以下差值：

Δφ_tot＝Δφ_ps＝Δφ₁-Δφ₂＝(φ_p-φ_s)＝(φ_p1-φ_s1)+(φ_p2-φ_s2) (5)

图8详细示出了关于图7的系统的典型性能，该系统设计成光以35度入射至滤波片表面，并且蓝色、绿色和红色波长的额定目标波长λ₀分别为465nm、535nm和635nm，但未采用本发明的相位补偿方法。具体而言，曲线图120示出了滤波片表面92b的蓝色反射镜的百分比反射率。注意，二色性元件92的抗反射表面92a具有典型的AR涂层，如曲线图122所示。对于二色性元件94，分别将典型的AR涂层用于抗反射表面94a，并且将二色性滤波片用于滤波片表面94b的绿色反射镜。曲线图124示出了绿色反射镜的响应。注意，与图2A的实例相比，图8的阻带（曲线图120的绿色和红色光谱区，以及曲线图124的蓝色和红色光谱区）稍微有点或者没有反射波动。

图8的曲线图130、132、134、140、142、144和146示出了图7实施例中的每一个分量的相位变化行为Δφ。下标“t”和“r”分别指示相位变化是出现在透射中还是反射中。具体而言，曲线图130、132和134分别以角度示出了对穿过滤波片表面92b的蓝色反射镜的红色通道透射产生影响的相位差Δφ（曲线图130）、对穿过用于抗反射表面92a和94a的典型AR涂层的红色通道透射产生影响的的相位差Δφ（曲线图132）、以及经过滤波片表面94b的绿色反射镜的光的相位差Δφ（曲线图134）。曲线图140、142和144分别以角度示出了，滤波片表面92b的蓝色反射镜反射时的相位差、影响蓝色通道光的在抗反射表面94a的AR涂层上透射的相位差Δφ和影响蓝色通道光的在滤波片表面94b的绿色反射镜上透射的相位差Δφ。曲线图146以角度示出了绿色通道在滤波片表面94b上反射时的相位差Δφ。为了清晰，这些曲线图的与特定颜色带无关的各个区域为灰色。

图9的曲线图给出了每一个通道的全部相位差Δφ的总和。如该曲线图所示，蓝色通道的性能最不令人满意，其中在λ₀=465nm处相位差Δφ_tot超过-25度。绿色和红色通道中的性能好得多，其中相位差Δφ分别在λ₀=535nm和λ₀=635nm的附近接近零。

图10示出了根据本发明的图7系统的替代涂层设计的结果。此处，已经将相位补偿反射薄膜堆增加至第二二色性元件94的抗反射表面94a的抗反射涂层。通过将曲线图152与图8中的曲线图122相比较，可以看出该差异。相比之下，曲线图150所示的蓝色反射镜构图相对于图8中曲线图120所示的蓝色反射镜构图没有变化。同样，曲线图154所示的绿色反射镜相对于图8中曲线图124所示的绿色反射镜没有变化。图10中的曲线图160、162、164、170、172、174和176示出了图7的垂直偏振平面实施例系统因此所具有的相位差Δφ。曲线图160、164、170、174和176与图8中相应的曲线图相同。分别示出了红色和蓝色通道的相位影响的曲线图162和172仅仅是表示图8和图10相比较时的变化的图。与参考图2A和图2B所述的基本原理一致，AR涂层的负边缘过渡引起净负相位差。如上所述，作为图2A所述的响应的反相，其与图7实施例中入射平面的垂直布置直接相关。图11的曲线图概述了相位补偿结果，并且示出了与图9中所示的未校正情形的对比。此处，可以看出，蓝色通道性能显著提高，其中相位差在λ₀=465nm处大致为零度。λ₀=635nm处的红色通道性能极好，并且稍稍提高，接近零相位差。尽管相位差变化坡度较陡，但在绿色目标波长λ₀=535nm处，绿色通道具有大致为零的相位差。注意，目标相位性能在10度以内的光谱带宽为大约±10nm（其比激光带宽更宽），表明可以将本发明用于除激光源以外的光源。图11的结果仅仅是示例性的，并且可以进一步改善涂层设计以使相位差坡度平缓且光谱带宽变宽，并且使残余相位差减小。注意，曲线图152的相位补偿AR涂层不影响绿色通道，因为该涂层在抗反射表面94a上，而抗反射表面94a位于将绿光引向公共光路之前的位置处。

涂层选择及方法

本发明的方法和装置为穿过光束组合器的光提供多层薄膜光学涂层，其中光学涂层包括至少一个附加的多层反射滤波片结构，即提供至少一个带边缘过渡并且进行相位补偿以减小组合光源的一个或多个波长的累计相位差Δφ_tot的附加的多层薄膜堆，所述带边缘过渡位于入射在给定薄膜堆上的各个光源中任一个光源的波长带之外。为了提供该特征，光学涂层设计中特意地将另外的反射特征增加至现有的多层薄膜滤波片堆，或者将附加的涂层结构增加至光路上一个或多个部件的表面以提供该反射特征。作为准则，提供相位差补偿的边缘过渡应该位于不大于~100nm（Δλ_offset）的波长带（λ₀±Δλ/2）内，或者边缘过渡（λ_edge）为补偿目标。为了减小一个方向（正或负）上的相位差Δφ，设计一个或多个光学涂层以提供沿相反方向的相移，从而在滤波片设计中增加原本对提供将调制光组合的滤波片功能无用的反射特性或特征。

从涂层设计的角度出发，可用作相位补偿二色性元件52的每一个基本的滤光片类型具有不同的复杂性。在某种程度上，该复杂性与所需提供的带边缘过渡的数量有关，并且一般可以从最困难滤波片设计至最简单滤波片设计分类如下：

（i）带通或陷波滤波片。这些二色性涂层提供两个带边缘过渡。对于透射或反射特征曲线上两个带边缘过渡之间的波动量可能很难进行控制。

（ii）低波长通过（低通）边缘滤波片。这些滤波片具有单个带边缘过渡，并且设计成反射边缘过渡以上的波长，并且透射边缘过渡以下的波长。例如，所谓的“热”反射镜透射可见光，并且反射IR光。对于这些设计的透射区中的波动影响可能很难进行控制。

（iii）高波长通过（高通）边缘滤波片。较无波动，其也具有设计成透射边缘过渡以上的波长而反射边缘过渡以下的波长的单带边缘过渡。它们包括反射可见光并且透射IR光的所谓“冷”反射镜。

实际上，为了形成最简单的高通边缘滤波片（iii）通常需要七层或更多层，一般使用额外的层，尤其在所需滤波片响应更复杂的情形下。相比之下，常规抗反射（AR）涂层通常具有大约3层。

对于任何反射表面涂层，存在带边缘过渡波长的1/3处的谐波。对于陷波滤波片，该谐波作为原始陷波滤波片的比例版本出现。对于图1和图3的实例，应注意，该谐波可以由IR区域中的附加陷波滤波片产生。

涂层设计工具

涂层设计者具有可用于增加或减小多层薄膜表面的相位差Δφ的多个设计参数，这些参数的大小以及其影响的相位曲线变化的特征可以变化。这些参数影响相位补偿二色性元件52的设计或组成。例如，用于增加s偏振光与p偏振光之间的相位差Δφ的这些工具或设计参数包括以下：

a）增加反射堆中二色性材料的层数；

b）增加高和低折射率（H/L）交替的二色性材料之间的折射率比，n_H/n_L；

c）增加光束的入射角；

d）同时减小高折射率和低折射率膜组件的折射率n_H和n_L，以使它们更加接近介质（典型地为空气或玻璃）的折射率n₀；

e）控制由相位补偿边缘或陷波滤波片提供的边缘过渡（λ_edge）的相对位置，作为离关注的波长带（λ₀±Δλ/2）或光谱带通边缘（λ_edge）的距离（Δλ_offset）（参见图2B）；

f）利用相位补偿滤波片结构的谐波来为波长带提供相位补偿。

图12A至图12C的曲线图对通过增加薄膜层数量来提高相位差的结果进行了比较。在该实例中使用折射率值为n_H=2.30并且n_L=1.46（折射率比n_H/n_L=1.57）的涂层设计。图12A中的上方曲线图示出了两种构造（使用35度的入射角）下s偏振光和p偏振光的反射特征曲线，R_p曲线在最里面而Rs曲线在最外面。图12A中的下方曲线图示出了p偏振光与s偏振光之间的透射比T_P/T_S。图12B示出了透射相位差Δφ_t的相位差曲线110，并且图12C示出了反射相位差Δφ_r的相位差曲线111。在图12B和图12C中，实线曲线表示层数更大（10对高/低折射率层）的设计数据，并且虚线曲线表示层数更小（7对高/低折射率层）的涂层设计数据。图12B示出了在涂层数量增加的情形下透射时的相位差Δφ_t增加约50%，即从约80度峰值增加至约140度峰值。然而，相位尾部118的相位结构的光谱带宽Δλ或者范围仍近似相同。图12C示出，反射相位差Δφ_r由可在光谱位置上明显偏移（多达20nm或更多）的高振幅波动的复杂结构主导。

图13A至图13C的曲线图对增加高和低折射率交替的二色性材料的折射率比n_H/n_L时的结果进行了比较，其中对折射率比更大（n_H/n_L=2.30/1.38=1.66:1）时的结果与折射率比更小（n_H/n_L=2.30/1.46=1.57:1）时的结果进行了比较。图13A中的上方曲线图示出了两种构造（使用35度入射角）下s偏振光和p偏振光的反射特征曲线。图13A中的下方曲线图示出了p偏振光与s偏振光之间的透射比T_P/T_S。图13B示出了透射相位差Δφ_t的相位差曲线112，而图13C示出了反射相位差Δφ_r的相位差曲线113。在图13B中，在改变折射率比的情形下，透射相位差Δφ_t的相位差曲线112在以下特征上变化很小，即振幅（大约30%）和相位差曲线特征（包括相位尾部118）的位置和范围。在图13C中，反射相位差Δφ_r的相位差曲线113也表现出差异适度的光谱偏移。

图14A和图14B的曲线图对将入射角从约35度增加至45度时的结果进行了比较。实线曲线图表示入射角更大（45度）时的数据。虚线曲线图表示入射角更小（35度）时的数据。图14A中的上方曲线图示出了两种构造下s偏振光与p偏振光的反射特性曲线。图14A中的下方图示出了p偏振光与s偏振光之间的透射比T_P/T_S。图14B示出了透射相位差Δφ_t的相位差曲线114，并且在峰值相位差处表现出明显差异，即从约140变为约175度，改变近30%。峰值相位差光谱位置也明显变化（大约20nm），并且在边缘过渡附近的光谱带上相位尾部118的相位差波动也明显变化，其中入射角越大则相位差的大小和范围越大。

图15A和图15B的曲线图对同时减小高和低折射率膜组件的折射率n_H和n_L以使它们更加接近基础介质的折射率n₀的结果进行了比较。对于该实例，将折射率值更高（n_H=2.30和n_L=1.8）的涂层设计与折射率值更低（n_H=1.80和n_L=1.38）的设计相比较。图15A中的上方曲线图示出了两种构造下s偏振光和p偏振光的反射特性曲线。图15A中的下方图示出了p偏振光与s偏振光之间的透射比T_P/T_S。图15B示出了透射相位差Δφ_t的相位差曲线115，其中在峰值相位差处明显不同（具有大约50%的变化），并且在边缘过渡附近的光谱带上相位尾部118的相位差波动明显不同，其中折射率对越高则相位差的大小和范围越大。

关于谐波

有两种谐波需要注意，一种是第一涂层的谐波而另一种是相位补偿滤波片的谐波。通常，由2种材料制成的多层涂层（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阶次：

●1:1的折射率比-有1阶，没有2阶谐波，有3阶，没有4阶谐波，可能有5阶，……

●2:1的折射率比-有1阶，有2阶，没有3阶，有4阶，……

●3:1的折射率比-有1阶，有2阶，有3阶，没有4阶，……

这些折射率比是高（H）和低（L）折射率材料的光学厚度（nd）的比率，其中n是折射率并且d是物理厚度。在通用的涂层命名法中，大写字母表示具有特定折射率层的四分之一波层。例如，“H”表示高折射率材料的四分之一波光学厚度（QWOT），“L”表示低折射率材料的QWOT，并且“M”表示中间折射率材料的QWOT。QWOT定义为膜厚为0.25个波长的光学厚度，或者：

QWOT=nd=λ/4 (6)

使用该命名法，厚度仅为八分之一波的高折射率材料层表示为0.5H或H/2，而厚度为半波的层表示为2H。光学或二色性涂层的薄膜堆典型地包括多个QWOT层，或者分数个或倍数个QWOT层，通常包括以重复模式形成的层。

鉴于此，折射率比为1:1的示例性高波长通过边缘滤波片可以具有（0.5L H0.5L）^m的薄膜堆层布置，而示例性低波长通过边缘滤波片可以具有（0.5L H 0.5L）^m的薄膜堆层布置，其中m是表示高/低折射率层的重复模式的指数。折射率比为2:1的示例性高反射器堆具有（1.33H 0.66L）^m1.1H的薄膜堆层布置。当然，可以存在中间光学厚度比。在折射率比为1.10:1时，开始出现非常小的第二阶（反射率渐增），同时第三阶开始减小（反射率渐减）。越接近2:1，则第二阶越大而第三阶消失。

首先考虑第一二色性涂层的固有谐波。虽然这些固有谐波可以将符号相反的相位差抵贡献给由第一光学涂层产生的相位差，但不能确保相位抵消或相位相消。第一涂层的任何固有（和未被消除）谐波的位置出现在通过简单的数学运算所得到的波长处，并且其位置不能调整。另外，更高阶谐波的宽度相对于第一阶减小（第五阶谐波具有第一阶带通宽度的1/5的宽度）。涂层关于波长不对称使得UV中相位尾部的范围相对于可见区或IR区有所减小，并且减小了固有谐波使相位抵消的可能性。从而，在出现可能可用的谐波（在UV中）的更短波长上，期望距离（Δλ_offset）更短，但可能偏移距离（>100nm）可能会太大。总之，这意味着，边缘过渡（λ_edge）的位置和相位差曲线的重叠基本上不受控制，并且不可能出现相位抵消。残余相位可能比没有谐波时的残余相位差更高或更低。

这可以通过实例来说明。在很多现有设计实例中，引导绿色通道穿过使用第一涂层的二色性组合器，所述第一涂层是绿色通带陷波滤波片。该陷波滤波片可以设置为例如第一阶、第二阶或第三阶滤波片。如果将陷波滤波片设置为集中在532nm上的第一阶滤波片，并且目标通带宽度为~65nm或更小，则可能的第二或第三阶谐波分别出现在266nm和177nm处。这些谐波太远（Δλ_offset>100nm）而无助于相位差补偿，甚至无助于补偿典型的蓝色成像光谱。

作为选择，如果将绿色陷波滤波片设置为第二阶滤波片，则涂层堆将设置在1064nm处，以便获得532nm上的第二阶谐波。如果此设计产生第三阶谐波，则其将在354nm处的紫外（UV）区中。第一阶将太远而无助于相位补偿，并且第三阶是相对于其期望的蓝色成像波长（440nm至480nm）的最近边界线（Δλ_offset~100nm）。作为另一个选择，如果将绿色陷波滤波片设置为532nm处的第三阶滤波片，则第一阶将在1596nm处，并且第五阶将在319nm处的UV中。对于现有实例，具有远离边界线（Δλ_offset~140nm）且有助于相位差补偿的谐波（在该情形下为319nm处的第五阶谐波）。因目标是使相位差可重复地减小至小于±10度，因此第一涂层的固有谐波未必有用，尤其在可见区。

因此，可以看出，相位相消不是自然出现，但却是特意的系统设计和涂层设计的结果。首先，二色性元件及组合器的几何结构的设计必须将校正颜色（波长）提供给校正表面，以实现相位抵消，而不是因将错误的颜色提供给错误的表面而无意且不适当地使相位相互影响。另外，只有知晓第一涂层的相位性能以及相位补偿薄膜堆的相位响应才能实现相位抵消，相位补偿薄膜堆的相位响应取决于所选波长（λ_edge、Δλ_offset）和相位差曲线50的特征，包含相位尾部51。如上所述，包括相位尾部51的相位差曲线50取决于涂层数量、折射率和折射率比、以及入射光的入射角和波长（λ₀、Δλ）。这些特性的任何微小变化将阻碍补偿涂层实现使残余相位差Δφ为零或者至少<±10度的设计目的。作为实例，材料性质变化，包括色散和吸收，一般也改变涂层在更短波长上（尤其在UV中）的行为。另外，这些涂层设计参数必须谨慎使用，以便能够在制造期间可靠地达到设计性能。

相比之下，本发明提供以下方案，即相位差补偿多层薄膜堆能够设计成可有目的地使用相位补偿二色性元件52的谐波。在图3的设计实例中描述了，将相位补偿光谱带通陷波滤波片引入红色-IR波长区。对于该实例，相位补偿陷波滤波片可以具有在~685nm处的上升（红色）边缘过渡，以助于红色相位补偿（可能的情况下，以及绿色相位补偿）。该滤波片的中心波长可以是740nm，带通宽度为110nm。如果该滤波片具有2:1的光学厚度比率，则可能在370nm处出现可能在465nm处的蓝色区中提供相位抵消的第二阶UV-蓝谐波，其中下降边缘过渡在~395nm处，偏移（Δλ_offset2~70nm）相对较小。

如该在先实例所示，对光谱大小和相位补偿二色性元件52的位置进行调整以便在右方光谱位置处提供相位补偿滤器的谐波从而也提供相位补偿，是棘手的工作。即使特意地尝试，但使用第一涂层的谐波来成功地提供关注波长的相位补偿依然很困难。使用第一涂层的谐波来进行相位补偿更可能被应用于光谱更广的情形，诸如在可见区和一部分近IR区中都成像的应用。

还应该理解，即使两个涂层在不同的表面上，但由第一涂层的固有谐波（诸如300nm至400nm的UV光谱区中的谐波）提供的相位响应可能与相位补偿二色性元件52的谐波所提供的预定相位响应相互影响。该相互影响可能难于预料或控制。因此，抑制第一涂层的谐波出现在与相位补偿滤波片（或者其谐波）重叠的光谱区中是有用的。具体而言，光谱在欲提供相位补偿的边缘过渡附近重叠将可能引起问题。幸好可以抑制谐波，包括第一涂层的谐波。可以通过在设计中增加第三材料来抑制谐波。例如，代替边缘滤波片的设计（0.5L H 0.5L），可以使用另一种设计样式（0.25L 0.25M H 0.25M 0.25L）。当材料和光学厚度比改变时，将抑制不同的谐波阶次。

关于系统

还注意到，相位补偿二色性组合器或分离器的设计可以被称为系统设计练习。当使用上述各种涂层工具来有效地设计相位补偿二色性元件52时，相位减小可能受各种因素影响。在与图5有关的实例中，具有边缘过渡的相位补偿滤波片在光谱的黄色-橙色区的应用利用了系统几何结构，其中红色通道12r尚未引入。关于谐波，第一涂层的谐波可以特意被抑制以防与相位补偿滤波片相互影响，或者特意以有利于提供相位补偿的方式布置。也可以对第一涂层的光谱特征（光谱通带区、至少一个边缘过渡和相关相位差响应）进行调整，以减小相位差或者使入射光的目标波长（λ₀、Δλ）上的相位差（大小和符号）更容易被相位补偿滤波片校正。

同样，不同涂层工具（包括层数量、折射率比、高或低折射率和入射角）的相位响应根据该工具而显著变化。当可以出于系统设计的考虑而固定入射角，涂层设计者可以更自由控制其它参数以达到所期望的结果。在将补偿光学涂层用于透射的情形下使用相位补偿二色性元件52可能比将涂层用于反射的情形更有益，因为在不存在高频波动时，相位差响应能够更容易调整并重复形成（将图12B、图13B、图14B和图15B中的反射相位曲线图与图12C和图13C中的透射相位曲线图进行比较）。

实现相位补偿的设计

图16的逻辑流程图示出了示例性设计程序，该程序包括在一个实施例中获取两个或多个组合器二色性薄膜的相位补偿设计的一组基本步骤。在初始设计步骤S110中，首先处理最复杂的滤波片设计（滤波片A）。设计的难度等级基于以下因素：诸如如以上列举的滤波片类型和入射光的波长。起初并没有尝试校正对在初始设计步骤S110期间所控制的s偏振和p偏振产生影响的相位差。接着，在相位估计步骤S120中测量或计算滤波片A的相位影响。然后执行第二设计步骤S130，其中对不太复杂的多层滤波片（滤波片B）进行设计。接着，在第二相位估计步骤S140中对滤波片A和B的组合器的累计相位差进行测量或计算。然后，执行相位补偿步骤S150，以对滤波片A和B的累计相位差施加相位补偿。通常，易于对不太复杂的滤波片设计或一些相关表面，例如，诸如二色性元件的AR表面施加相位补偿。以上参考图12A至图15B所述的技术可以用来获取期望量的相位补偿。

实例1

举例来说，图17A、图17B和图17C中的表详细列出了用于提供以上参考图3所述的相位差补偿的薄膜层设计。图17A示出了滤波片表面43b的蓝色反射镜的组成，包括层顺序标识、层材料和层厚度（以纳米为单位）。图3的实施例包括在红色-IR波长区中的相位补偿光谱带通60。在一个配置中，相位补偿光谱带通60可以设置为被增加至抗反射表面45a的抗反射涂层的“热反射镜”型反射表面堆（反射IR区，透射可见区）。图17B示出了可用于提供该特征的相位补偿AR涂层的组成。图17C给出了滤波片表面45b的绿色陷波滤波片的层清单。薄膜材料编码如下：

A-TiO2

B-Y2O3

C-AI2O3

D-MgF2

H-ZrO2

L-SiO2

应注意，将所需的反射特性增加至AR涂层时，明显地增加了层数量。典型的AR涂层仅需要3个涂层。然而，提高相位补偿对于很多应用来说意味着复杂性和成本的增加。

实例2

图18A、18B和18C中的表示出了以上参考图7至图10所述的替代实施例的实例，其中两个滤波片表面92b和94b具有相互垂直的偏振入射平面。此处，通过增加至抗反射表面94a（图7）的AR涂层的UV-低蓝色反射特征（反射镜）来提供相位差补偿。相应地，图18B示出了可用来提供该特征的适当的相位补偿AR涂层的组成。图18A给出了滤波片表面92b（图7）的蓝色反射镜的层布置，并且图18C示出了滤波片表面94b（图7）的绿色陷波滤波片的层布置。

关于其它方面

光学涂层领域的技术人员应该理解，可能存在根据二色性元件的组成来设计光束组合器的很多种方法，并且可以使用多种涂层形式来提供多膜光谱滤波片，诸如文中所述的多膜光谱滤波片。

文中所提供的实例和描述主要针对使用红色、绿色和蓝色波长的激光器进行图像投影的光束组合器。应注意，本发明的装置和方法也可以更广泛地应用于其他类型的成像装置，包括使用额外颜色的成像装置，并且应用于利用多层薄膜二色性表面来组合或分离光的其它系统。

虽然本描述主要涉及激光器或固态光源的使用，但本发明的装置和方法也可以用于使用其它光源（例如诸如氙弧光源）的成像装置。应注意，本发明使用的方法尤其适于使用具有窄波长带的固态光源，因为该窄带Δλ特征更易于增加反射结构，所述反射结构反射与调制光的波长不同的波长。这在诸如使用固态光源来提供窄波长带时，而使用非诸如可使用灯或其它更常规的照射光源来提供的更宽的波长时，更容易做到。

图1、图3、图4、图5和图7的实例中所示的且本公开所述的示例性投影装置由红色、绿色和蓝色三种基色来形成彩色图像。应注意，本发明的装置和方法可以延伸至使用不同基色集合的显示装置，包括使用四种或更多种颜色来形成图像的装置。应该理解，本发明的相位补偿方法不限于用在可见光谱区。例如，其可用在多通道式可见区和红外区或者仅仅红外区成像系统中。

具体参考本发明的某些优选实施例详细地描述了本发明，但应该理解，可以在不脱离本发明主旨和范围的情况下对本发明进行变形和修改。例如，用于形成光束组合器40且以单通的方式提供相位差补偿的二色性元件的布置可以与图1和图4不同，并且不仅可以包括形成在平板玻璃表面上的薄膜二色性涂层，而且包括形成在嵌入或沉入玻璃或其它透明介质中以形成光学棱镜（包括X棱镜、V棱镜或飞利浦棱镜）的光学表面上的涂层。尽管参考光束组合器40描述了本发明的方法，但类似的技术也可以应用于光束分离装置的设计。从而，光束组合器40可以在广义上视为可以用作光束分离器、光束组合器或其二者（双通）的多颜色通道、多二色性光束引导组件。应该注意，系统附图没有按规定比例绘制，仅示出了这些实施例所用到的关键部件和原理。

在替代实施例中，本发明的光束组合器40可以用于各种成像装置的其它类型的光分离和组合部件中。图19的示意图示出了成像装置200的实施例，该成像装置200使用光束组合器40将来自激光或其它固态、窄带光源的多色光提供给调制光学系统230，该调制光学系统230包括TIR（全内反射）棱镜225、飞利浦棱镜206和空间光调制器210（诸如DLP）。在该实施例中，颜色通道12r、12g和12b将照明提供给TIR棱镜225，该TIR棱镜225将用于图像调制的组合的多色偏振光引向飞利浦棱镜206。该照明偏振光可以通过偏振切换装置（未示出）来调制，所述偏振切换装置对每个图像帧切换偏振状态若干次。照明光还通过一个或多个均质器（未示出）来在光学上均匀化。然后，飞利浦棱镜206将入射的多色光分离成其组分颜色，并且以电子投影技术领域的技术人员所熟知的方式将每一个颜色引向相应的空间光调制器210。光由空间光调制器210调制，然后在飞利浦棱镜206内重新组合，引回至TIR棱镜225，并且进入偏振分析器32和投影透镜28，该投影透镜28将光投影在显示表面30上。

图20的示意图示出了成像装置200的另一个替代实施例，其中光束组合器40以类似方式使用，飞利浦棱镜206亦如此。然而，在该情形中，通过偏振光束分离器204和飞利浦棱镜206在调制光学系统230内引导照明光。偏振光束分离器204示出为MacNeille棱镜，但可以使用其它装置，诸如线栅偏振光束分离器。图21的示意图示出了成像装置200的另一个替代实施例，其中照明经过合光棱镜或X棱镜220提供给空间光调制器210。在每一个实施例中，空间光调制器210可以是LCD或LCOS装置。例如，还可以包括偏振补偿器215，以校正空间光调制器210的延迟变化。

如上所述，假定，例如出于3D投影的目的，图19、图20和图21的成像装置需要进行相位补偿，以提高图像质量。从而，当成像光传输过光束组合器40和调制光学系统230时，需要减小或补偿相位差Δφ。从而，应该理解，本发明的相位校正设计方法不仅可以应用于如图19或图20所示的用于单通构造中的光束组合器40，而且应用于调制光学系统230的涂层（二色性或AR）设计。例如，飞利浦棱镜206或X棱镜220的光学薄膜涂层可以包括提供在传输中的照明光谱以外的适当边缘过渡的涂层结构，以提供相位差补偿。应该理解，本发明的相位差补偿方法可与诸如飞利浦棱镜206或X棱镜220等棱镜一起用在如图19和图20所示的双通构造中，而不依赖于上述Rosenbluth等人的文章“Correction of Contrast inProjection Systems By Means of Phase-Controlled Prism Coatings and Band-ShiftedTwist Compensators（通过相位控制棱镜涂层和带移扭曲补偿器来校正投影系统的对比度）”中所述的双通对称相位补偿方法。

文中所述的涂层设计方法还可应用于替代实施例中的光束分离器，例如，诸如图20中的偏振光束分离器204。光束分离器具有包括多层薄膜堆的第一表面，其中该表面布置成沿光路透射第一波长带上的光，并且将第二波长带上的光反射在光路上。光束分离器还具有形成在沿光路布置的第一表面或第二表面上并且构造成提供位于第一或第二波长带之外的反射边缘过渡的相位差补偿多层薄膜堆。本发明的补偿方法还可以用于偏振分析器32或线栅偏振光束分离器的平的（plano）（非结构）表面。

总之，本发明利用与二色性或AR涂层合并在一个部件上的薄膜结构（诸如陷波滤波片或通过边缘滤波片）来提供相位差Δφ补偿。薄膜结构提供在传输过部件的光的光谱之外的边缘过渡，而该边缘过渡具有与对传输中的光谱内的相位差进行补偿的边缘过渡有关的相位差曲线。

本发明的装置和方法可以应用于以单通或双通模式穿过光学部件的情形。这与通过设计棱镜涂层以整体消除消偏振的旋转分量来试图补偿偏振相位差Δφ的在先投影系统的不同在于，依靠由分离和重组颜色的双通几何结构的对称性产生的相位抵消。另外，本发明提供在第一二色性元件41的通带42P内的相位补偿，而不必不利地牺牲关注光谱带上的光效率（反射率或透射率）。

应该注意，本发明的装置和方法特意在由窄带激光器或其它固态光源提供的波长附近的波长处构造反射多层堆结构。由此，本发明的装置和方法不适于用于将多色白光，诸如来自弧光灯的光分离成组分颜色带然后对各个带上的光进行调制的成像装置，因其难于为宽光谱带提供10度或更小的相位补偿。该系统使用宽带光，主要是为了获得可用于投影的所有光。然而，如图19和图20所示，本发明的实施例可用于以下成像装置构造，即其使用利用偏振光束分离器和X棱镜、飞利浦棱镜、氧化铅摄像管装置或采用二色性表面布置并且对来自激光器或其它固态光源的光进行控制的其它颜色组合器的常规颜色分离和重组。

有利地，本发明实施例有助于减小采用多层薄膜涂层的常规颜色组合器和颜色分离装置上的相位差。可以看到，增加了额外的吞吐量。例如，在使用图4的基本二色性滤波片布置的一个实施例中，绿色通道上的相位差从20度减小至±0.5度以内，蓝色通道提高了近5度，并且红色通道也有类似程度的提高。随着相位差的提高，可测光效率也有所增加，其中绿色通道至少增加了5%，蓝色和红色通道虽增加较少但也有明显增加。

文中所述本发明示例性实施例使用增加至二色性光束组合器（在这些实例中示出为光束组合器40）表面的反射多膜堆。应注意，作为选择，相位差Δφ的补偿可以设置在光路中的多种光学元件上，包括透镜、玻璃板、反射镜、滤波片、棱镜、偏振器及其它结构。另外，如参考图19和图20所述，同一补偿方案可应用于采用常规飞利浦棱镜和X棱镜颜色分离器和组合器的实施例的涂层上。

部件列表

12r、12g、12b颜色通道

22、23、24二色性元件

22a、23a、24a抗反射表面

22b、23b、24b滤波片表面

28投影透镜

30显示表面

32偏振分析器

40光束组合器

41第一二色性元件

42反射曲线

42E边缘过渡

42P通带

42R阻带

43、44、45二色性元件

43a、44a、45a抗反射表面

43b、44b、45b滤波片表面

46L、46R、47L、47R、48L、48R、49L、49R方框

50、50c相位差曲线

51、51c相位尾部

52相位补偿二色性元件

53r、54r、55r反射滤波片曲线图

53t、54t、55t透射滤波片曲线图

53φ、54φ、55φ、56φ、57φ相位差曲线图

60、61相位补偿光谱带通

62r、63r、64r反射滤波片曲线图

62t、63t、64t透射滤波片曲线图

62φ、63φ、64φ、66φ、67φ相位差曲线图

80光学元件

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滤波片表面

100、101成像装置

110、111、112、113、114、115相位差曲线

118相位尾部

120、122、124、130、132、134、140、142、144、146曲线图

150、152、154、160、162、164、170、172、174、176曲线图

200成像装置

204偏振光束分离器

206飞利浦棱镜

210空间光调制器

215偏振补偿器

220X棱镜

225TIR棱镜

230调制光学系统

S110初始设计步骤

S120相位估计步骤

S130第二设计步骤

S140第二相位估计步骤

S150相位补偿步骤。

Claims

1.一种光束引导组件，其用于将多个光束组合在光路上或者将光束分离到各个光路上，且包括：

第一二色性元件，其设置成沿所述光路透射第一波长带上的光，并且将第二波长带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带效率、反射通带效率和具有与通带边缘相关的特征的相位差曲线，并且使传输中的光的偏振状态产生相位差；

第二二色性元件，其设置成沿所述光路透射第一和第二波长带上的光，并且将第三波长带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带效率、反射通带效率和具有与通带边缘相关的特征的相位差曲线，并且使传输中的光的偏振状态产生相位差；以及

形成在沿光路设置的至少一个光学表面上的至少一个相位差补偿多层薄膜堆，其中所述相位差补偿多层薄膜堆构造成提供位于入射在所述表面上的光的第一、第二或第三波长带中的任一个波长带之外的至少一个上升或下降带边缘，并且具有包含与所述相位差补偿多层薄膜堆的至少一个带边缘相关的特征的相位差曲线，其中这些相位差减小由所述第一或第二二色性元件所引起的在第一、第二或第三波长带中的至少一个波长带上的相位差，所述至少一个上升或下降带边缘位于提供补偿的100nm波长带内。

2.根据权利要求1所述的光束引导组件，其中所述相位差补偿多层薄膜堆提供所述上升或下降带边缘，作为带通滤波片、通过边缘滤波片或抗反射涂层的特征。

3.根据权利要求1所述的光束引导组件，其中所述相位差补偿多层薄膜堆将累计相位差减小至小于±10度。

4.一种包括权利要求1所述的光束引导组件的彩色成像装置，其中所述彩色成像装置提供具有与所述第一、第二和第三波长带对应的颜色通道的彩色图像。

5.根据权利要求1所述的光束引导组件，其中在所述第一、第二和第三波长带中的至少一个波长带上的累计相位差的补偿至少部分由相位差补偿多层薄膜堆的谐波提供。

6.根据权利要求1所述的光束引导组件，其中第一二色性元件的表面的入射平面与第二二色性元件的入射平面大致垂直。

7.根据权利要求1所述的光束引导组件，其中所述第一、第二和第三波长带在可见波长区中，并且相位补偿薄膜堆提供在包括所述第一、第二和第三波长带的波长区之外的反射带通滤波片或通过边缘滤波片。

8.根据权利要求1所述的光束引导组件，其中所述相位差补偿多层薄膜堆设计成当将所述光束引导组件用于单通或双通构造中时提供相位补偿，以便分别引导光束一次或两次穿过所述光束引导组件。

9.根据权利要求1所述的光束引导组件，其中承载所述相位差补偿多层薄膜堆的光学表面设置在所述第一二色性元件、所述第二二色性元件上，或者设置在位于所述第一和第二二色性元件的之前、之后或之间的光学元件上。

10.一种光学系统，包括：

一个或多个光学系统部件，其与入射光波长区内的入射偏振光相互影响，其中所述一个或多个光学系统部件将相位差施加至所述入射光波长区内的入射偏振光；以及

光学表面，其具有相位差补偿多层薄膜堆，所述相位差补偿多层薄膜堆提供位于入射光波长区之外的光谱区中的上升或下降带边缘，并且其中与所述上升或下降带边缘有关的相位差响应对由所述一个或多个光学系统部件施加至所述入射偏振光的相位差进行补偿，所述上升或下降带边缘位于所述100nm入射光补偿带内。

11.根据权利要求10所述的光学系统，其中所述相位差补偿多层薄膜堆提供所述上升或下降带边缘作为带通滤波片、通过边缘滤波片或抗反射涂层的特征。

12.根据权利要求10所述的光学系统，其中所述光学系统包括具有二色性光束组合功能的二色性光学涂层。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其中所述二色性光学涂层的谐波与相位差补偿多层薄膜堆或者相位差补偿多层薄膜堆的谐波相互影响，以提供相位差补偿。

14.一种对来自光束组合装置的相位差进行补偿的方法，所述光束组合装置至少包括形成为多层薄膜堆的第一和第二滤波片，所述方法包括：

确定由所述第一和第二滤波片施加的在传输中的光的偏振状态之间的累计相位差，其中所述传输中的光包括至少第一、第二和第三波长带上的光；以及

在所述第一、第二和第三波长带中的一个或多个波长带的光的路径上增加相位补偿滤波片，其中所述相位补偿滤波片构造成反射或透射所述第一、第二和第三波长带之外的波长，同时还对所述第一、第二或第三波长带中的至少一个波长带内的波长的相位差进行补偿，并且其中所述相位差补偿滤波片具有位于提供补偿的100nm波长带内的上升或下降带边缘。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述光束组合装置和所述相位补偿滤波片是具有与所述第一、第二和第三波长带对应的颜色通道的彩色成像装置的部件。