CN104185809A - 提供高分辨率图像的偏振分束器以及使用此类分束器的系统 - Google Patents

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CN104185809A CN201280058288.7A CN201280058288A CN104185809A CN 104185809 A CN104185809 A CN 104185809A CN 201280058288 A CN201280058288 A CN 201280058288A CN 104185809 A CN104185809 A CN 104185809A
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李城垞
张耀龙
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Abstract

本发明描述了偏振分束器以及组装有此类分束器的系统。更具体地讲，描述了偏振分束器以及具有此类分束器的系统，所述分束器包含多层光学膜并且向观察者或具有高的有效分辨率的观察屏幕反射成像光。

Description

提供高分辨率图像的偏振分束器以及使用此类分束器的系统
相关申请的交叉引用
名称为“METHOD OF MAKING POLARIZING BEAMSPLITTERS PROVIDING HIGH RESOLUTION IMAGES ANDSYSTEMS UTILIZING SUCH BEAM SPLITTERS”(制造提供高分辨率图像的偏振分束器的方法以及使用此类分束器的系统)的共同拥有和共同待决的美国专利申请No.61/564172以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及偏振分束器以及组装有此类分束器的系统。更具体地讲，本发明涉及偏振分束器以及具有此类分束器的系统，所述分束器包含多层光学膜并且向观察者或具有高的有效分辨率的观察屏幕反射成像光。
背景技术
组装有偏振分束器(PBS)的照明系统用于在诸如投影显示屏的观察屏幕上形成图像。典型的显示图像包括照明源，所述照明源被布置为使得来自该照明源的光线从包含要投影的所需图像的成像装置(即，成像器)反射。系统将光线折叠，以使得来自照明源的光线和投影图像的光线共用PBS与成像器之间的相同物理空间。PBS将射入的照明光与来自成像器的偏振旋转光分离。由于对PBS的新需求，部分地由于其在诸如三维投影和成像的应用中的新用途，导致出现了多个新问题。本申请提供了解决此类问题的制品。
发明内容
在一个方面，本发明涉及偏振子系统。偏振子系统包括第一成像器和偏振分束器。在一些实施例中，成像器可为LCOS成像器。偏振分束器部分由反射型偏振器构成，并且接收来自成像器的成像光。反射型偏振器可为多层光学膜。在一些实施例中，反射型偏振器将具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。偏振分束器向观察者或具有小于12微米的有效像素分辨率的屏幕反射成像光。在一些实施例中，偏振分束器可向观察者或具有小于9微米或小于6微米的有效像素分辨率的屏幕反射成像光。偏振子系统可包括第二成像器，其中偏振分束器在与接收来自第一成像器的光的不同面处接收来自第二成像器的成像光。偏振子系统还可包括投影透镜，所述投影透镜从偏振分束器向观察者或屏幕投射光。在一些情况下，偏振子系统可为三维图像投影仪的一部分。
在另一方面，本发明涉及一种偏振分束器。所述偏振分束器包括定位在第一盖与第二盖之间的反射型偏振器。反射型偏振器可为多层光学膜。偏振分束器能够向观察者或具有小于12微米、并且可能小于9微米或小于6微米的有效像素分辨率的屏幕反射成像光。偏振分束器的第一盖和/或第二盖可至少部分由玻璃或合适的光学塑料制成。可利用附加的处理(诸如暴露于真空)通过合适的光学粘合剂将第一盖和/或第二盖附接到反射型偏振器，从而实现多层光学膜的所需平坦度。反射型偏振器可具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。
在另一方面，本发明涉及一种投影子系统。所述投影子系统包括光源、偏振分束器、至少第一成像器，并且可能包括第二成像器。偏振分束器接收来自光源的光，并且包括由多层光学膜构成的反射型偏振器。第一成像器定位在偏振分束器附近。第二成像器定位在偏振分束器上与第一成像器不同侧的偏振分束器附近。来自光源的光入射在偏振分束器上，并且入射光的第一偏振透射穿过反射型偏振器，而与第一偏振态垂直的入射光的第二偏振由反射型偏振器反射。第二偏振的光从偏振分束器传播到第二成像器，并且成像并反射回偏振分束器。从第二成像器反射的光穿过偏振分束器透射到图像平面。第一偏振的光穿过偏振分束器透射到第一成像器，并且成像并反射回偏振分束器。从第一成像器反射的光在偏振分束器处向具有小于12微米的有效像素分辨率的图像平面反射。在至少一些实施例中，从第一成像器反射的光在偏振分束器处向具有小于9微米或小于6微米的有效分辨率的图像平面反射。反射型偏振器可具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。投影子系统的光源可为任何合适的光源，诸如弧光灯或者一个或多个LED。
在另一方面，本发明涉及偏振子系统。所述偏振子系统包括第一成像器和偏振分束器。所述偏振分束器部分由反射型偏振器构成，并且接收来自成像器的成像光。所述反射型偏振器可为多层光学膜。偏振分束器向观察者或屏幕反射成像光。在一些实施例中，反射型偏振器具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。在一些实施例中，反射型偏振器具有小于40nm的表面粗糙度Ra或小于70nm的表面粗糙度Rq。在一些实施例中，反射型偏振器具有小于35nm的表面粗糙度Ra或小于55nm的表面粗糙度Rq。
附图说明
图1为根据本发明的偏振转换系统。
图2为根据本发明的偏振分束器。
图3为根据本发明的投影子系统。
图4为示出制造用于在PBS中使用的平坦多层光学膜的方法的流程图。
图5示出了用于使用多层光学膜制造偏振分束器的方法。
具体实施方式
高性能PBS对于为使用硅基液晶(LCOS)成像器的投影仪创建可行的光学引擎来说是必要的。此外，当需要诸如DLP成像器的标称非偏振成像器来处理偏振光时，甚至对于这种成像器来说可能需要PBS。通常，PBS将透射标称p偏振光并且反射标称s偏振光。已使用多种不同类型的PBS，包括MacNeille型PBS和线栅偏振器。然而，基于多层光学膜的PBS已被证明是用于与投影系统中的光处理有关的问题的最有效的偏振分束器之一，所述问题包括在波长和入射角的范围内，并且在反射和透射均具有高效率的情况下有效偏振的能力。如授予Jonza等人的美国专利No.5,882,774和授予Weber等人的美国专利No.6,609,795所述，此类多层光学膜由3M公司制造。
随着多个新的成像和投影应用(包括例如三维投影和成像)的出现，新的挑战已出现。具体地讲，在至少一些三维成像应用中，可能要求PBS不仅在透射穿过反射偏振膜时，而且还在由反射偏振膜反射时提供具有高的有效分辨率(如下文所定义)的成像光。遗憾的是，基于多层光学膜的偏振器尽管具有它们的其他主要优点，但是可能难以制成具有所需的平坦度从而以高分辨率反射成像光。相反，在使用此类多层膜反射型偏振器来反射成像光的情况下，反射的图像可能失真。然而，有效地偏振广泛范围的入射光角度和入射光波长的问题仍然必须解决。因此，非常希望提供具有以下益处的偏振分束器：包含多层光学膜的PBS，同时也实现经PBS向观察者或屏幕反射的成像光的提高的有效分辨率。本发明提供此种解决方案。
图1提供了根据本发明的一个偏振子系统的图示。偏振子系统包括第一成像器102。在多个实施例中，诸如图1所示，成像器将为合适的反射成像器。通常，投影系统中使用的成像器通常是偏振-旋转的成像器件(诸如液晶显示成像器)，它通过旋转光的偏振进行操作，以产生对应于数字视频信号的图像。当用于投影系统中时，此类成像器通常依赖于将光分成一对垂直偏振态(如s偏振和p偏振)的偏振器。可用于图1所示的实施例中的两种通用的成像器包括硅基液晶(LCOS)成像器或数字光处理(DLP)成像器。本领域的技术人员将认识到，DLP系统将需要对照明几何形状以及旋转偏振的外部装置(诸如延迟板)进行一些修改，以便利用图1中所示的PBS结构。偏振子系统还包括偏振分束器(PBS)104。来自光源110的光112向PBS104传播。PBS104内为反射型偏振器106。所述反射型偏振器可为多层光学膜，诸如可购自明尼苏达州圣保罗市3M公司(3M Company,St.Paul,MN)并在例如授予Jonza等人的美国专利No.5,882,774和授予Weber等人的美国专利No.6,609,795中有所描述的那些，各专利据此全文以引用的方式并入。当光112入射到膜106时，入射光的一种垂直偏振态(诸如p偏振态)将作为光120透射穿过膜并且离开PBS，光120然后入射到成像器102。入射光的垂直偏振态(在这种情况下，s偏振光)将作为单独光束118以不同方向(这里为与光束120成直角)由反射型偏振器106反射。
给定偏振态120的未成像光入射到成像器102。然后光成像并反射回PBS104，并且结合到反射型偏振器106。其中成像器102为LCOS成像器，并且对于处于“开”状态的那些像素，光114也转换为垂直偏振态。在这种情况下，还未成像的p偏振入射光作为s偏振的成像光被反射。当s偏振光入射到偏振分束器104，特别是多层光学膜反射型偏振器106时，光作为s偏振光束116向观察者或观察屏幕130反射。
在现有技术的多个实施例中，成像器可定位在例如朝向光束118传播的方向。在此类实施例中，成像光将透射穿过偏振分束器104而不是在偏振分束器104中反射。穿过偏振分束器的透射成像光允许图像的失真更少，从而使有效分辨率更高。然而，如将要进一步解释的，在多个实施例中，可能期望包括如图1中所定位的成像器102。这可能例如允许重叠不同偏振的图像。尽管多层光学膜作为反射型偏振器有许多益处，但是通常难以实现从此类膜反射的成像光的高的有效分辨率。
由元件产生的图像或光的有效分辨率是有用的定量量度，因为其有助于预测多大尺寸的像素可被可靠地分辨。大多数当前的成像器(LCOS和DLP)的像素尺寸在从约12.5μm低至约5μm的范围内。因此，为了在反射成像情况中使用，反射器必须能够分辨低至至少约12.5μm，并且理想地更好。因此，PBS的有效分辨率必须不超过约12.5μm，并且优选地更低。这将被认为是高的有效分辨率。
利用本说明书中所描述的技术，实际上可提供用于在可以非常高的分辨率反射成像光的PBS104中使用的多层光学膜。事实上，参见图1，成像光116可从偏振分束器104向观察者或具有小于12微米的有效像素分辨率的观察屏幕130反射。事实上，在一些实施例中，成像光116可从偏振分束器104向观察者或具有小于11微米、小于10微米、小于9微米、小于8微米、小于7微米、或甚至可能小于6微米的有效像素分辨率的观察屏幕130反射。
如所讨论的，在至少一些实施例中，偏振子系统100可包括第二成像器108。第二成像器108可大致为与第一成像器106相同类型的成像器，例如LCOS或DLP。一种偏振态的光(诸如s偏振光)可从PBS104，特别是从PBS的反射型偏振器106向第二成像器反射。然后其可成像并反射回PBS104。此外，与第一成像器104一样，经第二成像器108反射的光进行偏振转换，使得其中s偏振未成像光118入射到成像器108，p偏振成像光122从成像器108被重新导向回到PBS104。然而，从成像器102反射的光114为第一偏振态的(例如s偏振)，并且因此经PBS104向观察者或观察屏幕130反射；经成像器108反射的光(例如光122)为第二偏振的(例如p偏振)，并且因此穿过PBS104向观察者或观察屏幕130透射。从图1可以看出，两个成像器位于PBS104的不同侧，使得PBS在第一面126处接收来自第一成像器102的成像光114，而在与第一面不同的第二面124处接收来自第二成像器108的成像光122。
一旦成像光116(以及可能地光122)离开PBS104，其便朝向观察者或观察屏幕130。为了最好地将光导向观察者并适当地缩放图像，光可穿过投影透镜128或某种投影透镜系统。虽然仅示出了单元件投影透镜128，但偏振转换系统100可根据需要包括另外的成像光学器件。例如，投影透镜128实际上可为多个透镜，例如共同拥有和转让的美国专利No.7,901,083的透镜组250。注意，在不使用任选成像器108的情况下，输入光112可被预偏振以具有与光束120相同的偏振态。例如，这可通过使用偏振转换系统(PCS)，附加或反射型或吸收型线性偏振器，或其他用于提高输入光流112的偏振纯度的此类器件来实现。此种技术可提高系统的整体效率。
PBS104除反射型偏振器106之外还可包括其他元件。例如，图1示出了还包括第一盖132和第二盖134的PBS104。反射型偏振器106定位在第一盖132与第二盖134之间，使得其由盖保护并正确定位。第一盖132和第二盖134可由本领域已知的任何合适的材料(例如玻璃、塑料或潜在其他合适的材料)制成。应当理解，可将附加材料和结构施加于例如PBS的面或与反射型偏振器相邻和基本上共同延伸的面。此类其他材料或结构可包括附加的偏振器、二向色滤光片/反射器、延迟板、减反射涂层，模制和/或粘合到盖表面的镜片等等。
从不同成像器发射光的投影或偏振子系统(其中成像光为不同偏振的)可特别用作在例如美国专利No.7,690,796(Bin等人)中所述的三维图像投影仪的一部分。使用基于两个成像器系统的PBS的显著优点在于，不需要时间排序或偏振排序。这意味着两个成像器一直在工作，有效地使投影仪的光输出加倍。如所讨论的，非常重要的是，反射型偏振器106是平坦的，从而使得经偏振器反射的成像光116不被扭曲，并且具有高的有效分辨率。平坦度可由标准粗糙度参数Ra(表面的垂直平均偏差的绝对值的平均值)、Rq(表面的垂直平均偏差的均方根平均值)和Rz(每个取样长度中的最高峰与最低谷之间的平均距离)来量化。具体地讲，反射型偏振器优选地具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq，并且更优选地具有小于40nm的表面粗糙度Ra或小于70nm的表面粗糙度Rq，甚至更优选地具有小于35nm的表面粗糙度Ra或小于55nm的表面粗糙度Rq。测量膜的表面粗糙度或平坦度的一个示例性方法提供于以下实例部分中。
在另一方面，本发明涉及一种偏振分束器。一种此类的偏振分束器200示于图2中。偏振分束器200包括定位在第一盖232与第二盖234之间的反射型偏振器206。与图1的反射型偏振器106一样，图2的反射型偏振器206为多层光学膜，诸如如上所述的那些。偏振分束器200能够向观察者或表面230反射成像光216。朝向观察者或表面的成像光216的有效像素分辨率小于12微米，并且可能小于11微米、小于10微米、小于9微米、小于8微米、小于7微米，或甚至可能小于6微米。
与图1的盖一样，PBS200的第一盖232和第二盖234可由任何数量的用于本领域中的合适的材料(诸如玻璃或光学塑料等等)制成。此外，可通过多种不同方式将第一盖232和第二盖234各自附接到反射型偏振器206。例如，在一个实施例中，可使用压敏粘合剂层240将第一盖232附接到反射型偏振器206。合适的压敏粘合剂为3MTM光学透明粘合剂8141(可购自明尼苏达州圣保罗市3M公司(3M Company,St.Paul,MN))。相似地，可使用压敏粘合剂层242将第二盖234附接到反射型偏振器。在其他实施例中，可使用不同粘合剂类型的层240和242将第一盖和第二盖附接到反射型偏振器206。例如，层240和242可由可固化的光学粘合剂构成。合适的光学粘合剂可包括来自新泽西州克兰伯里的诺兰制品公司(Norland Products Inc.,Cranbury,NJ)的光学粘合剂，诸如NOA73、NOA75、NOA76或NOA78，所述光学粘合剂在共同拥有和转让的美国专利公布No.2006/0221447(授予DiZio等人)和共同拥有和转让的美国专利公布No.2008/0079903(授予DiZio等人)中有所描述，各专利据此以引用的方式并入。还可使用可紫外线固化的粘合剂。应当理解，可将附加材料和结构施加于例如PBS的面或与反射型偏振器相邻和基本上共同延伸的面。此类其他的材料或结构可包括附加的偏振器、二向色滤光片/反射器、延迟板、减反射涂层等等。与图1所示的PBS一样，图2的反射型偏振器206必须非常平坦以最有效地反射成像光216而不使其扭曲。反射型偏振器可具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。利用在诸如US7,234,816B2(Bruzzone等人)中所述的压敏粘合剂的典型应用过程，反射型偏振器的所需表面平坦度并未实现。已经发现，某些类型的后处理允许所需的表面平坦度得以实现。
在另一方面，本说明书涉及一种投影子系统。一种此类的投影子系统示于图3中。投影子系统300包括光源310。光源310可为投影系统中通常使用的任何数量的合适光源。例如，光源310可为固态发射器，诸如发射特定颜色光(诸如红光、绿光或蓝光)的激光器或发光二极管(LED)。光源310还可以包括从发射源吸收光并且以其他(一般更长的)波长重新发射光的荧光体或其他光转换材料。合适的荧光体包括熟知的无机荧光体，诸如，掺杂Ce的YAG、硫代镓酸锶、掺杂的硅酸盐和SiAlON型材料。其他光转换材料包括III-V和II-VI半导体、量子点和有机荧光染料。或者，光源可以由多个光源(诸如红色、绿色和蓝色LED)组成，其中，此类LED可以一起启动或者顺序启动。光源310还可为激光光源、或者可能为传统的UHP灯。应当理解，诸如色轮、二向色滤光片或反射器等等的辅助部件可另外包括光源310。
投影子系统300还包括偏振分束器304。偏振分束器304被定位为使得其接收来自光源的光312。入射光312可通常部分由两种垂直偏振态(例如s偏振光部分和p偏振光部分)构成。偏振分束器内为反射型偏振器306，再次在这种情况下，为诸如相对于反射型偏振器106所述的那些的多层光学膜。光312入射到反射型偏振器306，并且一个第一偏振的光(例如p偏振光)作为光320透射穿过，而第二垂直偏振的光(例如s偏振光)作为光318被反射。
透射穿过反射型偏振器306的第一偏振320的光向定位在PBS304附近的第一成像器302传播。光成像并且在第一成像器302处反射回PBS304，其中光的偏振被转换。然后被转换的成像光314在PBS304处作为光316向图像平面350反射。光316经PBS的反射型偏振器306反射并到达具有小于12微米，并且可能小于11微米、小于10微米、小于9微米、小于8微米、小于7微米，或甚至可能小于6微米的有效分辨率的图像平面350。反射型偏振器306通常具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。
首先由PBS304的反射型偏振器反射的第二偏振(例如s偏振)光的光作为光318向第二成像器308传播。与第一成像器302一样，第二成像器308也定位在PBS304附近，但是第二成像器定位在PBS的不同侧。入射光318成像并反射回PBS304。在从成像器反射后，这种光的偏振同样旋转90度(例如从s偏振光至p偏振光)。成像光322穿过PBS304透射到图像平面350。第一成像器302和第二成像器308可为任何合适类型的反射成像器，诸如上文结合图1的元件102和108所述的那些。
如所讨论的，为了实现对于经本文的PBS反射的成像光的高有效分辨率，PBS的反射型偏振器必须特别光学平坦。本发明现在提供了制备光学平坦的反射型偏振器(该反射型偏振器为多层光学膜)的方法和/或制备光学平坦的偏振分束器的方法。
一种此类方法示于图4的流程图中。所述方法从提供多层光学膜410和提供平坦基板420开始。多层光学膜410可类似于相对于上述制品所述的多层光学膜。平坦基板可为任何数量的合适的材料，例如丙烯酸、玻璃或其他合适的塑料。最重要的是，基板420必须具有至少与偏振分束器中所需的光学平坦度相同的程度，并且必须允许润湿溶液散布于其表面。因此，其他塑料、无机玻璃、陶瓷、半导体、金属或聚合物可为合适的材料。此外，其对于略具柔性的基板是有用的。
在下一步骤中，平坦基板的表面425可释放地附接到多层光学膜的第一表面。在至少一个实施例中，为了创建可释放的附接，用润湿剂将平坦基板的表面425或多层光学膜的第一表面、或这两者润湿，从而产生溶液430的薄层。合适的润湿剂应具有足够低的表面能和足够高的蒸气压，所述表面能将浸湿基板或膜，所述蒸气压可在室温下蒸发。在一些实施例中，异丙醇用作润湿剂。在至少一些实施例中，润湿剂将为包含至少少量表面活性剂(例如小于1体积％)的水性溶液。表面活性剂可为通用的可商购获得的工业润湿剂，或者甚至为诸如餐具洗涤剂的家用材料。其他实施例可为蒸发时不留下残余物的化合物的含水混合物，诸如氨、醋或醇。可通过多种合适的方法来施用润湿剂，所述方法包括例如从喷雾瓶来进行喷雾。在下一步骤中，将多层光学膜施加于基板425的表面，使得溶液430被夹在膜与基板之间。通常也将润湿剂施加于多层光学膜的接触表面。然后拖曳诸如橡胶滚轴的压力施加器械435穿过多层光学膜410的顶部，从而将光学膜410紧密地压平至基板420的表面425，并且仅留下将两者分离的溶液430的薄的，相当均匀的层。在至少一些实施例中，可首先将保护层施加于与表面440相对的侧面上的多层光学膜，所述表面440被施加于基板420。此时，留下所述结构以允许溶液430蒸发。碾滚过程推动残余水经过多层光学膜的边缘，使得仅有少量留下。接下来，允许多层光学膜、平坦基板和润湿剂干燥。随着时间的推移，润湿溶液的所有挥发性组分通过层410或420或通过沿着层410与420之间的空间芯吸至蒸发可进行的层410的边缘而蒸发。在该过程进行时，多层光学膜410被拖曳至与基板420越来越近，直至层410与表面425紧密地贴合。该结果示于图4的下一步骤中，干燥将膜410紧密地拖曳至基板420，并且有效地压平了多层光学膜的底部表面440。一旦实现了该平坦度，多层光学膜410保持稳定平坦，但是可释放地附接到基板。此时，持久基板可粘附到膜410的暴露表面。
图5示出了在提供偏振分束器的最终结构中可能采取的进一步步骤。例如，可将粘合剂550施加于膜410的平坦表面450。粘合剂可为不会对PBS的光学或机械性能产生不利影响的任何合适的粘合剂。在一些实施例中，粘合剂可为可固化的光学粘合剂，诸如来自新泽西州克兰伯里的诺兰制品公司(Norland Products Inc.,Cranbury,NJ)的NOA73、NOA75、NOA76或NOA78。在其他实施例中，可使用光学环氧树脂。在一些实施例中，粘合剂可为压敏粘合剂。接下来，可提供持久第二基板。在一个实施例中，持久第二基板可为棱柱。如图5所示，将棱柱560施加于粘合剂550上，并且如果合适该结构为固化的。现在可从基板420移除膜410。在至少一个实施例中，通常通过略微弯曲基板420以允许膜410从基板420释放来将膜410从基板420剥离。对于诸如紫外线粘合剂或环氧树脂的可固化粘合剂，膜440的新暴露的底部表面保持基板420的平坦度。对于压敏粘合剂，膜440的底部表面可保持基板420的平坦度或者可能需要另外的处理以保持平坦度。一旦平坦膜表面440已经实现，便可将粘合剂570的第二层施加于膜440的底部表面，并且可将第二棱柱或其他持久基板580施加于粘合剂。此外，可根据需要固化该结构，从而产生完整的偏振分束器。
制造光学平坦的偏振分束器的另一种方法具体地讲包括使用压敏粘合剂。利用合适的技术，多层光学膜可被制成以与棱柱的平坦表面紧密地贴合。可包括以下步骤。首先，提供多层光学膜。多层光学膜将充当反射型偏振器。这可能类似于图5的反射型偏振器光学膜410，例外的是表面440可能不是已经通过图4中所示的步骤而基本上变平的。可将压敏粘合剂的层(此处对应于粘合剂层550)施加于多层光学膜的第一表面440。接下来，可将棱柱560施加于在与多层光学膜410相对的侧面上的压敏粘合剂层上。该方法还可包括在与第一表面440相对的膜的第二表面575上施加粘合剂的第二层(例如层570)。然后可将第二棱柱580施加于层570上与膜410的相对侧。本发明的方法提供了对该方法的改进，其进一步提高了反射型偏振器/棱柱界面的平坦度，使得经PBS的成像反射具有提高的分辨率。将压敏粘合剂550施加于棱柱560与多层光学膜410之间后，使该结构经受真空。这可以通过例如将该结构放置在配备有传统真空泵的真空室中来进行。可将真空室降至给定压力，并且将样品在该压力下保持给定量的时间，例如5-20分钟。当空气被重新引入到真空室中时，空气压力将棱柱560与多层光学膜410推动到一起。其中还施加第二粘合剂层和第二棱柱，对于第二界面(例如在层570处)，可任选地重复在室中经受真空。向棱柱/MOF组件施加真空得到当成像光经PBS反射时提供提高的有效分辨率的PBS。热/压力处理还可替代真空处理或与真空处理结合使用。不止一次进行该处理可能是有利的。
实例
实例中涉及到以下材料及其来源的列表。如果未另外说明，则材料可购自威斯康星州密尔沃基的奥德里奇化学公司(Aldrich Chemical,Milwaukee,WI)。通常根据(例如)美国6,179,948(Merrill等人)、6,827,886(Neavin等人)、2006/0084780(Hebrink等人)、2006/0226561(Merrill等人)和2007/0047080(Stover等人)中所描述的方法来制备多层光学膜(MOF)。
粗糙度测量方法
将棱柱置于建模粘土上，并且用柱塞调平器调平。利用9800光学干涉仪(可购自亚利桑那州图森Veeco Metrology有限公司(Veeco Metrology,Inc.,Tucson,AZ))测量形貌图，所述光学干涉仪具有10倍物镜和0.5倍场透镜，并且具有以下设置：VSI检测；使用6行和5列的单独图、具有1.82μm的取样的2196×2196像素的4mm×4mm的扫描区域；使用倾斜和球体校正；30-60微米后向扫描长度与60-100微米正向扫描长度；具有调制检测阈值2％。在10μm后扫描长度(该短的后扫描长度避免数据收集中的表面下反射)的95％内启用自动扫描检测。
测量每个棱柱的斜边面的中心区域中的4mm×4mm的区域。具体地讲，测量、绘制每个区域的形貌特征，并且计算粗糙度参数Ra、Rq和Rz。每个棱柱获得一个测量区域。在每种情况下测量三个棱柱样品，并且测定粗糙度参数的平均值和标准偏差。
实例1：湿涂敷方法：
以下述方式将反射偏振多层光学膜(MOF)可释放地设置在光学平坦的基板上。首先将水中包含大约0.5％温和盘碟洗涤剂的润湿溶液放置于喷雾瓶中。获得大约6mm高光泽度丙烯酸的片材，并且从清洁罩中的一侧移除保护层。用润湿溶液喷洒暴露的丙烯酸表面，使得整个表面被润湿。独立地获得一片MOF并在清洁罩中移除其表层之一。用润湿溶液喷洒MOF的暴露表面，并且将MOF的润湿表面与丙烯酸片材的润湿表面接触。将重的隔离衬片施加于MOF的表面以防止损坏MOF，并且使用3MTMPA-1施用装置(可购自明尼苏达州圣保罗市3M公司(3MCompany,St.Paul,MN))将MOF向下碾滚至丙烯酸的表面。这导致了大多数润湿溶液从两个润湿表面之间排出。在这步完成之后，从MOF移除第二表层。施加的MOF的检测显示，MOF表面比丙烯酸的表面更加不规则。在24小时后再次检测时，观察到MOF表面在平坦度上与丙烯酸片相当。随着时间的推移，该观察到的扁度与从两个表面之间蒸发的残余润湿溶液一致，从而允许MOF与丙烯酸表面紧密地贴合。尽管MOF紧密和稳定地贴合于丙烯酸表面，但是其可通过从丙烯酸表面剥离MOF而被轻易地移除。
通过将少量的Norland光学粘合剂73(购自新泽西州克兰伯里诺兰制品公司(Norland Products,Cranbury,NJ))放置在MOF的表面上来制备成像PBS。将10mm45°BK7抛光玻璃棱柱的斜边缓慢地放置成与粘合剂接触，使得没有气泡被夹带在粘合剂中。选择粘合剂的量以使得当棱柱被放置在粘合剂上时，有足够的粘合剂流出棱柱的边缘，但是不是会引起粘合剂越过棱柱周边大量溢出的非常多的粘合剂。结果是棱柱基本上平行于MOF的表面，并且被大致均匀厚度的粘合剂层分离。
使用紫外线固化灯以将粘合剂层穿过棱柱固化。固化后，将MOF的比棱柱大并且包含棱柱的部分从丙烯酸基板剥离。通过弯曲丙烯酸板来促进移除，从而允许刚性棱柱和MOF复合物更容易地从丙烯酸板分离。棱柱/MOF复合物的检测显示尽管已从丙烯酸板移除，但MOF仍保持其平坦度。
然后根据“粗糙度测量方法”所述测量MOF的粗糙度参数，并且报告于下表中。
平均值 标准偏差
Ra(nm) 34 12
Rq(nm) 51 30
Rz(μm) 6.7 8.5
将少量的Norland光学粘合剂施加于棱柱/MOF复合物上的MOF表面。获得了第二10mm45°棱柱，并且将其斜边放置成与粘合剂接触。对齐第二棱柱使得其主轴和次轴基本上平行于第一棱柱的主轴和次轴，并且两个斜边表面基本上共同延伸。使用紫外线固化灯来固化粘合剂层以使得第二45°棱柱粘合到棱柱/MOF复合物上。所得的构造为偏振分束器。
实例2：使用加热和压力的PSA方法
通过采用3MTM光学透明粘合剂8141(可购自明尼苏达州圣保罗市3M公司(3M Company,St.Paul,MN))的样品，并且使用辊层合方法将其层合到反射偏振MOF来形成粘合剂结构。将一块该粘合剂结构粘附到类似于实例1中使用的玻璃棱柱的斜边上。将所得的MOF/棱柱复合物放置到高压釜烘箱中，并且在60℃和550kPa(80psi)下处理两小时。移除样品并且将少量的热固化光学环氧树脂施加于MOF/棱柱复合物的MOF表面。按实例1对齐棱柱。然后将样品放回到烘箱并且再次在60℃和550kPa(80psi)下处理，此次处理24小时。所得的构造为偏振分束器。
实例2A：得自使用加热和压力的PSA方法的粗糙度
如下测定使用实例2的方法所产生的MOF的粗糙度。使用手压辊将测量为17mm×17mm的一片MOF层合到宽度为17mm的玻璃立方体上。玻璃立方体的平坦度为约0.25λ，其中λ等于632.80nm(光的参考波长)。将辊层合的MOF在高压釜烘箱中在60℃和550kPa(80psi)下退火两小时。使用Zygo干涉仪(购自康涅狄格州米德尔菲尔德翟柯公司(Zygo Corporation,Middlefield CT))利用具有λ＝632.80nm的波长的光测量辊层合的MOF的平坦度。Zygo干涉仪报告峰到谷的粗糙度，其中使用倾斜校正而不应用球体校正。在17mm×17mm区域内测量的峰到谷的粗糙度被测定为1.475λ或约933nm。
实例3：使用真空的PSA方法
以与实例2类似的方式将实例2的一块粘合剂结构粘附到玻璃棱柱上。将所得的棱柱/MOF复合物放置在配备有传统真空泵的真空室中。将室抽空至约71cm(28英寸)汞柱，并且将样品保持在真空下约15分钟。
从真空室移除样品，并且根据“粗糙度测量方法”所述测量MOF的粗糙度参数，并且将测量值报告于下表中。
使用实例1的技术和紫外线光学粘合剂将第二棱柱附接到棱柱/MOF复合物。所得的构造为偏振分束器。
比较例C-1
偏振分束器构造根据美国7,234,816(Bruzzone等人)创建。使用手压辊将实例2的一块粘合剂结构粘附到玻璃棱柱上，从而形成MOF/棱柱复合物。
然后根据“粗糙度测量方法”所述测量MOF的粗糙度参数，并且报告于下表中。
使用实例1的技术和紫外线光学粘合剂将第二棱柱附接到棱柱/MOF复合物。所得的构造为偏振分束器。
性能评估
使用分辨率测试投影仪来评估实例1、2、3和比较例C-1的偏振分束器反射图像的能力。由在其他实例中使用的45°棱柱之一组成并且作为全内反射(TIR)反射器而工作的参考反射器被用于建立测试投影仪的最佳可能性能。
用弧光灯光源背部照射缩小24倍的测试目标。附接到测试目标前表面的是45°棱柱，与在之前的实例中使用的那些相同(并且本文中称为照明棱柱)。来自测试目标的光从源穿过测试目标水平传播，进入照明棱柱的一面，经斜边(通过TIR)反射，并且离开棱柱的第二面。将棱柱的第二面取向为使得出射光被垂直导向。将来自实例的各个PBS以及参考棱柱放置在照明棱柱的第二面的顶部。将PBS中的反射表面(MOF)以及来自参考棱柱的斜边取向为使得从MOF或参考棱柱的斜边反射的光被向前和水平导向。将购自3MTMSCP712数字投影仪(可购自明尼苏达州圣保罗市3M公司(3M Company,St.Paul,MN))的F/2.4投影透镜放置在PBS的出射表面或参考棱柱处，并且聚焦回测试目标，从而形成一种“潜望镜”布局。
然后使用该光学系统来评估每个不同的PBS分辨测试目标同时在反射模式下工作的能力。在该系统中，测试目标的大约5mm×5mm部分被投影到约150cm(60英寸)对角线上。测试目标的该区域内为分辨率图像的多个重复。评估测试目标在投影图像的如下不同位置的五个不同的相同重复：左上方、左下方、中央、右上方和右下方。评估每个测试目标以确定被清楚地分辨的最高分辨率。根据方案，需要分辨最大分辨率以及低于该等级的所有分辨率。存在以下情况：其中局部失真引起较低的分辨率无法被分辨，即使较高的分辨率(在略微不同的位置)均被分辨。如此选择的原因在于，必须分辨全部视野而不仅是较小的区域，以便PBS在反射模式下有效地发挥作用。
对每个实例的多个样品进行了测试。一旦确定了在每个PBS上的每个位置的最大分辨率，便计算每种类型的棱柱(即实例1-3、比较例C-1的棱柱和参考棱柱)的平均值和标准偏差。“有效分辨率”被定义为平均值减去两个标准偏差。该度量由单位为“线对/毫米”(lp/mm)的数据确定，然后以被测定为以lp/mm表示的有效分辨率的倒数的1/2的最小可分辨像素的尺寸来表示。该定义考虑到分辨率仅与在视野中的最小分辨率一样好的事实。有效分辨率表示可以期望可靠地(在图像的95％中)分辨特定的PBS组的最大分辨率。
表1示出了本公开中的不同实例的测量结果，而表2示出了所得的有效分辨率。可以看出，参考样品可分辨5μm像素。来自实例1的PBS也可分辨非常接近5μm的像素。实例2能够分辨低至至少12μm，而来自实例3的PBS可分辨低至7μm。所有这些结构应适于至少一些反射成像应用。另一方面，来自比较例C-1的PBS限于分辨约18微米像素，因而可能不是反射成像结构的稳固选择。
表1：在样品的五个位置处的线对/毫米
表2：示例性膜的有效分辨率
本发明不应被认为限于上述特定实例和实施例，因为详细描述这样的实施例是为了方便说明本发明的各个方面。相反，本发明应被理解为覆盖本发明的所有方面，包括落入由所附权利要求限定的本发明的实质和范围内的各种修改、等同工艺和可供选择的器件。

Claims (28)

1.一种偏振子系统，包括：
第一成像器；和
接收来自所述成像器的成像光的偏振分束器，所述偏振分束器包括反射型偏振器；
其中所述反射型偏振器包含多层光学膜，并且其中
所述偏振分束器向观察者或屏幕反射成像光，并且进一步地其中所述成像光从所述偏振分束器向观察者或具有小于12微米的有效像素分辨率的屏幕反射。
2.根据权利要求1所述的偏振子系统，其中所述成像光从所述偏振分束器向观察者或具有小于9微米的有效像素分辨率的屏幕反射。
3.根据权利要求2所述的偏振子系统，其中所述成像光从所述偏振分束器向观察者或具有小于6微米的有效像素分辨率的屏幕反射。
4.根据权利要求1所述的偏振子系统，其中所述第一成像器包括LCOS成像器。
5.根据权利要求1所述的偏振子系统，还包括第二成像器，其中所述偏振分束器在第二面处接收来自所述第二成像器的成像光，并且在与所述第二面不同的第一面处接收来自所述第一成像器的成像光。
6.根据权利要求5所述的偏振子系统，其中所述第一成像器向具有第一偏振的所述偏振分束器反射光，并且所述第二成像器向具有第二偏振的所述偏振分束器反射光，所述第二偏振与所述第一偏振垂直。
7.根据权利要求1所述的偏振子系统，还包括投影透镜，所述投影透镜在光成像后接收来自所述偏振分束器的光，并且将其向观察者或屏幕投射。
8.根据权利要求1所述的偏振子系统，其中所述偏振分束器包括第一盖、反射偏振膜、和第二盖，所述反射偏振膜定位在所述第一盖与所述第二盖之间。
9.根据权利要求1所述的偏振子系统，其中所述反射型偏振器具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。
10.根据权利要求1所述的偏振子系统，其中成像光在其上反射的所述多层光学膜的所述表面被处理以呈现平坦基板的所述平坦度。
11.一种三维图像投影仪，包括权利要求1所述的偏振子系统。
12.一种偏振分束器，包括定位在第一盖与第二盖之间的反射型偏振器，所述反射型偏振器包含多层光学膜，其中所述偏振分束器能够向观察者或屏幕反射成像光，从所述偏振分束器反射之后，所述成像光的所述有效像素分辨率小于12微米。
13.根据权利要求12所述的偏振分束器，其中从所述偏振分束器反射之后，所述成像光的所述有效像素分辨率小于9微米。
14.根据权利要求13所述的偏振分束器，其中从所述偏振分束器反射之后，所述成像光的所述有效像素分辨率小于6微米。
15.根据权利要求12所述的偏振分束器，其中所述第一盖包含玻璃或光学塑料。
16.根据权利要求12所述的偏振分束器，其中所述第二盖包含玻璃或光学塑料。
17.根据权利要求12所述的偏振分束器，其中所述第一盖利用压敏粘合剂、紫外线固化粘合剂或光学环氧树脂附接到所述反射型偏振器。
18.根据权利要求12所述的偏振分束器，其中所述第二盖利用压敏粘合剂、紫外线固化粘合剂或光学环氧树脂附接到所述反射型偏振器。
19.根据权利要求12所述的偏振分束器，其中在附接到所述第一盖或第二盖之后，所述反射型偏振器通过真空处理呈现为平坦的。
20.根据权利要求12所述的偏振分束器，其中所述反射型偏振器具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。
21.一种投影子系统，包括：
光源；
接收来自所述光源的光的偏振分束器，所述偏振分束器包括反射型偏振器，所述反射型偏振器包含多层光学膜，
定位在所述偏振分束器附近的第一成像器；和
定位在所述偏振分束器上与所述第一成像器不同侧的所述偏振分束器附近的第二成像器；
其中来自所述光源的光入射在所述偏振分束器上，并且进一步地其中入射光的第一偏振透射穿过所述反射型偏振器，并且与所述第一偏振垂直的入射光的第二偏振由所述反射型偏振器反射；并且
其中所述第二偏振的光从所述偏振分束器传播到所述第二成像器，并且成像并反射回所述偏振分束器；从所述第二成像器反射的光穿过所述偏振分束器透射到图像平面；并且
其中所述第一偏振的光穿过所述偏振分束器透射到所述第一成像器，并且成像并反射回所述偏振分束器；从所述第一成像器反射的光在所述偏振分束器处向具有小于12微米的有效像素分辨率的图像平面反射。
22.根据权利要求21所述的投影子系统，其中从所述第一成像器反射的所述光在所述偏振分束器处向具有小于9微米的有效像素分辨率的图像平面反射。
23.根据权利要求22所述的投影子系统，其中从所述第一成像器反射的所述光在所述偏振分束器处向具有小于6微米的有效像素分辨率的图像平面反射。
24.根据权利要求21所述的投影子系统，其中所述光源包括LED。
25.根据权利要求21所述的投影子系统，其中所述反射型偏振器具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。
26.一种偏振子系统，包括：
第一成像器；和
接收来自所述成像器的成像光的偏振分束器，所述偏振分束器包括反射型偏振器；
其中所述反射型偏振器包含多层光学膜，并且其中
所述偏振分束器向观察者或屏幕反射成像光，并且其中所述反射型偏振器具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。
27.根据权利要求26所述的投影子系统，其中所述反射型偏振器具有小于40nm的表面粗糙度Ra或小于70nm的表面粗糙度Rq。
28.根据权利要求26所述的投影子系统，其中所述反射型偏振器具有小于35nm的表面粗糙度Ra或小于55nm的表面粗糙度Rq。
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