CN106444066B - 偏振分束器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
光学元件的制法，包括：提供包括具顶部表面的顶部聚合物片材、具底部表面的底部聚合物片材和光学膜的组件，光学膜设置在顶部聚合物片材和底部聚合物片材之间并粘附其上；修改顶部表面和底部表面得到具多个顶部结构和顶部表面粗糙度的顶部结构化表面和具多个底部结构和底部表面粗糙度的底部结构化表面；如下形成带涂层组件：向顶部结构化表面施加顶部涂层得到具多个顶部带涂层结构和小于所述顶部表面粗糙度的顶部带涂层表面粗糙度的顶部带涂层结构化表面；向底部结构化表面施加底部涂层得到具多个底部带涂层结构和小于所述底部表面粗糙度的底部带涂层表面粗糙度的底部带涂层结构化表面；将带涂层组件沿其横向再分成至少两个离散件以形成光学元件。
Description
本申请是申请号为201380044240.5、申请日为2013年8月15日、名称为“偏振分束器及其制造方法”的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本专利申请与以下专利相关：2011年11月28日提交的“提供高分辨率图像的偏振分束器和利用此类分束器的系统(Polarizing Beam Splitters Providing HighResolution Images and Systems Utilizing Such Beam Splitters)”(代理人案卷号67895US002)的待审美国专利申请第61/564161号；2011年11月28日提交的“制备提供高分辨率图像的偏振分束器的方法和利用此类分束器的系统(Method of Making PolarizingBeam Splitters Providing High Resolution Images and Systems Utilizing SuchBeam Splitters)”(代理人案卷号68016US002)的待审美国专利申请第61/564172号；2012年8月15日提交的“提供高分辨率图像的偏振分束器板和利用此类分束器板的系统(Polarizing Beam Splitter Plates Providing High Resolution Images and SystemsUtilizing Such Beam Splitter Plates)”(代理人案卷号70226US002)的美国专利申请第61/683390号；和2012年8月21日提交的“观看装置(Viewing Device)”(代理人案卷号70234US002)的美国专利申请第61/691,537号，以上专利以引用方式全文并入本文中。
技术领域
本说明涉及观看装置。更具体地讲，本说明涉及包含将成像光以高有效分辨率朝向观看者反射的偏振分束器板的头部安装式观看装置。
背景技术
组装了偏振分束器(PBS)的照明系统用于在诸如投影显示器等观看屏幕上形成图像。典型的显示图像包括照明源，该照明源被布置成使得来自照明源的光线从包含待投影的目标图像的图像形成装置(即，成像器)反射出来。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将入射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PBS在例如三维投影和成像的应用中的新用途，已出现了许多新的问题。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偏振片构成，并且接收来自成像器的成像光。反射偏振片可为多层光学膜。在一些实施例中，反射偏振片将具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。偏振分束器向观看者或具有小于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，偏振分束器可向观看者或具有小于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看者或屏幕投影光。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，本说明涉及一种偏振分束器。所述偏振分束器包括定位在第一覆盖件与第二覆盖件之间的反射偏振片。反射偏振片可为多层光学膜。偏振分束器能够向观看者或具有小于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。偏振分束器的第一覆盖件和/或第二覆盖件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覆盖件和/或第二覆盖件附接到反射偏振片，从而实现多层光学膜的所需平坦度。反射偏振片可具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。
在另一方面，本说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偏振片。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面的偏振分束器附近。来自光源的光入射到偏振分束器，并且入射光的第一偏振透射穿过反射偏振片，而与第一偏振态正交的入射光的第二偏振由反射偏振片反射。第二偏振的光从偏振分束器行进到第二成像器，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。反射偏振片可具有小于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。偏振子系统包括第一成像器和偏振分束器。偏振分束器部分由反射偏振片构成，并且接收来自成像器的成像光。反射偏振片可为多层光学膜。偏振分束器向观看者或屏幕反射成像光。在一些实施例中，反射偏振片具有小于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，反射偏振片具有小于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，所述反射偏振片具有小于35nm的表面粗糙度Ra或小于55nm的表面粗糙度Rq。
在另一方面，一种偏振子系统包括第一成像器和偏振分束器板，所述偏振分束器板适于从所述成像器接收成像光。所述偏振分束器板包括：第一基板；多层光学膜反射偏振片，所述偏振片设置在所述第一基板上；第一最外主表面；和相对的第二最外主表面，所述第二最外主表面与所述第一最外主表面成小于约20度的角度。所述偏振分束器板将所接收的成像光朝向观看者或屏幕反射，其中所反射的成像光具有小于12微米的有效像素分辨率。
在另一方面，一种偏振分束器板包括：第一基板；第二基板；多层光学膜反射偏振片，所述偏振片设置在所述第一基板与所述第二基板之间并且粘附到所述第一基板和所述第二基板；第一最外主表面；和相对的第二最外主表面，所述第二最外主表面与所述第一最外主表面成小于约20度的角度。所述偏振分束器板适于将成像光朝向观看者或屏幕反射，其中所反射的成像光具有小于12微米的有效像素分辨率。
在另一方面，一种投影子系统包括：光源；第一成像器，所述第一成像器使从所述光源接收的光成像；和偏振分束器板，所述偏振分束器板从所述第一成像器接收成像光并且包括：多层光学膜反射偏振片；第一最外主表面；和相对的第二最外主表面，所述第二最外主表面与所述第一最外主表面成小于约20度的角度。所述偏振分束器板将所接收的成像光以小于12微米的有效像素分辨率朝向图像平面反射。
在另一方面，一种偏振子系统包括：第一成像器；和偏振分束器板，所述偏振分束器板从所述成像器接收成像光并且包括：多层光学膜反射偏振片；第一最外主表面；和相对的第二最外主表面，所述第二最外主表面与所述第一最外主表面成小于约20度的角度。所述偏振分束器板将所接收的成像光朝向观看者或屏幕反射。所述多层光学膜反射偏振片具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。
在另一方面，一种制备平膜的方法包括以下步骤：提供多层光学膜；提供暂时平坦基板；将所述多层光学膜的第一表面可剥离地附接到所述暂时平坦基板；以及提供持久基板，其中所述持久基板包括第一最外主表面和相对的第二最外主表面，所述第二最外主表面与所述第一最外主表面成小于约20度的角度。所述方法还包括以下步骤：将所述多层光学膜的第二表面附接到所述持久基板；和从所述暂时平坦基板移除所述多层光学膜。
在另一方面，一种创建光学平坦偏振分束器板的方法包括以下步骤：提供多层光学膜反射偏振片；对所述多层光学膜的第一表面施加压敏粘合剂层；在与所述多层光学膜相对的侧面上紧贴所述压敏粘合剂层施加第一基板，其中所述第一基板包括第一最外主表面和相对的第二最外主表面，所述第二最外主表面与所述第一最外主表面成小于约20度的角度；和对所述压敏粘合剂、所述多层光学膜和所述第一基板施加真空。
在另一方面，一种观看装置包括：投影仪，所述投影仪投影第一成像光；和
偏振分束器板，所述偏振分束器板从所述投影仪接收所投影的第一成像光并反射所接收的第一成像光以供观看者观看。所述偏振分束器板接收第二图像并且透射所述第二图像以供所述观看者观看。所述偏振分束器板包括第一基板和多层光学膜反射偏振片，所述偏振片粘附到所述第一基板。所述反射偏振片基本上反射具有第一偏振态的偏振光，并且基本上透射具有垂直于所述第一偏振态的第二偏振态的偏振光。所述偏振分束器板还包括第一最外主表面和相对的第二最外主表面，所述第二最外主表面与所述第一最外主表面成小于约20度的角度。所述偏振分束器板将所接收的第一成像光朝向所述观看者反射，其中所反射的第一成像光具有小于12微米的有效像素分辨率。
在另一方面，一种偏振分束器包括第一聚合物棱柱、第二聚合物棱柱、反射偏振片和硬质涂层，所述反射偏振片设置在所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱之间并且粘附到所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者的斜边，所述硬质涂层设置在所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者上。所述偏振分束器包括输入主表面和输出主表面。所述输入主表面和所述输出主表面中的至少一者具有至少3H的铅笔硬度。所述偏振分束器具有低的双折射率，使得当具有第一偏振态的偏振光从所述输入主表面进入光学元件并行进穿过所述偏振分束器至少2mm并且从所述输出主表面离开所述偏振分束器时，使离开所述偏振分束器的光的至少95％偏振而具有所述第一偏振态。
在另一方面，一种制备光学元件的方法包括以下步骤：(a)提供组件，所述组件包括顶部聚合物片材、底部聚合物片材和光学膜，所述顶部聚合物片材具有顶部表面，所述底部聚合物片材具有底部表面，所述光学膜设置在所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材之间并且粘附到所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材；(b)修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面，从而得到顶部结构化表面和底部结构化表面，所述顶部结构化表面具有多个顶部结构和顶部表面粗糙度，所述底部结构化表面具有多个底部结构和底部表面粗糙度；(c)通过以下方式形成带涂层组件：向所述顶部结构化表面施加顶部涂层，从而得到顶部带涂层结构化表面，所述顶部带涂层结构化表面具有多个顶部带涂层结构和小于所述顶部表面粗糙度的顶部带涂层表面粗糙度；以及向所述底部结构化表面施加底部涂层，从而得到底部带涂层结构化表面，所述底部带涂层结构化表面具有多个底部带涂层结构和小于所述底部表面粗糙度的底部带涂层表面粗糙度；以及(d)将所述带涂层组件沿着所述带涂层组件的横向方向再分成至少两个离散件以形成所述光学元件。
本申请还涉及以下项目。
1.一种偏振分束器，包括：
第一聚合物棱柱；
第二聚合物棱柱；
反射偏振片，所述反射偏振片设置在所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱之间并且粘附到所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者的斜边，所述反射偏振片基本上反射具有第一偏振态的偏振光并且基本上透射具有相反的第二偏振态的偏振光；
硬质涂层，所述硬质涂层设置在所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者上；
输入主表面；和
输出主表面，所述输入主表面和所述输出主表面中的至少一者具有至少3H的铅笔硬度，所述偏振分束器具有低的双折射率，使得当具有偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述偏振分束器至少2mm并且从所述输出主表面离开所述偏振分束器时，使离开所述偏振分束器的光的至少95％偏振而具有所述偏振态。
2.根据项目1所述的偏振分束器，其中所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者均为直角棱柱。
3.根据项目1所述的偏振分束器，其中当具有偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述偏振分束器至少2mm并且从所述输出主表面离开所述偏振分束器时，使离开所述偏振分束器的光的至少99％偏振而具有所述偏振态。
4.根据项目1所述的偏振分束器，其中所述输入主表面垂直于所述输出主表面。
5.一种制备光学元件的方法，包括以下步骤：
提供组件，所述组件包括顶部聚合物片材、底部聚合物片材和光学膜，所述顶部聚合物片材具有顶部表面，所述底部聚合物片材具有底部表面，所述光学膜设置在所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材之间并且粘附到所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材；
修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面，从而得到顶部结构化表面和底部结构化表面，所述顶部结构化表面具有多个顶部结构和顶部表面粗糙度，所述底部结构化表面具有多个底部结构和底部表面粗糙度；
通过以下方式形成带涂层组件：向所述顶部结构化表面施加顶部涂层，从而得到顶部带涂层结构化表面，所述顶部带涂层结构化表面具有多个顶部带涂层结构和小于所述顶部表面粗糙度的顶部带涂层表面粗糙度；以及向所述底部结构化表面施加底部涂层，从而得到底部带涂层结构化表面，所述底部带涂层结构化表面具有多个底部带涂层结构和小于所述底部表面粗糙度的底部带涂层表面粗糙度；
将所述带涂层组件沿着所述带涂层组件的横向方向再分成至少两个离散件以形成所述光学元件。
6.根据项目5所述的方法，其中所述光学元件具有输入主表面、输出主表面和低的双折射率，使得当具有第一偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述光学元件至少2mm并且从所述输出主表面离开所述光学元件时，使离开所述光学元件的光的至少95％偏振而具有所述第一偏振态。
7.根据项目5所述的方法，其中提供所述组件的步骤包括以下步骤：提供暂时平坦基板；
将所述光学膜的第一表面可剥离地附接到所述暂时平坦基板；
将所述顶部聚合物片材或所述底部聚合物片材粘附到所述光学膜的相对的第二表面；以及
从所述暂时平坦基板移除所述光学膜。
8.根据项目5所述的方法，其中修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面的步骤包括机加工所述顶部表面和所述底部表面。
9.根据项目5所述的方法，其中所述顶部结构化表面具有多个规则布置的顶部结构，并且所述底部结构化表面具有多个规则布置的底部结构。
10.根据项目5所述的方法，其中所述光学元件是偏振分束器。
附图说明
图1为根据本说明书的偏振转换系统。
图2为根据本说明的偏振分束器。
图3为根据本说明的投影子系统。
图4为示出一种制备用于PBS中的平坦多层光学膜的方法的流程图。
图5示出了一种使用多层光学膜创建偏振分束器的方法。
图6为偏振子系统的示意图。
图7为偏振分束器板的最外表面的示意图。
图8为反射式成像系统的示意图。
图9为透射式成像系统的示意图。
图10为反射-透射式成像系统的示意图。
图11为观看装置的示意图。
图12为头部安装式投影显示器的示意图。
图13a-i示出了一种制备光学元件的方法。
图14为光学元件的示意图。
图15为另一个光学元件的示意图。
具体实施方式
高性能PBS对于创建用于使用硅基液晶(LCOS)成像器的投影仪的可行光学引擎是必要的。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，甚至可能需要PBS。通常，PBS将透射标称p偏振光并反射标称s偏振光。已使用多个不同类型的PBS，包括MacNeille型PBS和线栅偏振片。然而，对于与投影系统中的光处理相关联的问题，基于多层光学膜的PBS已被证实是最有效的偏振分束器之一，包括在一定的波长和入射角范围内并且以在反射和透射两个方面的高效率进行有效偏振的能力。此类多层光学膜由3M公司制造，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中所述。
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，以出现新的挑战。具体地，在至少一些三维成像应用中，不仅在透射穿过反射偏振膜时，而且在被反射偏振膜反射时，可能需要PBS提供具有高有效分辨率的成像光(如下定义)。遗憾的是，基于多层光学膜的偏振片尽管具有其它主要优势，但是可能难以达到必要的平坦度来以高分辨率反射成像光。相反，在使用此类多层膜反射偏振片反射成像光的情况下，所反射的图像可能失真。然而，关于有效地偏振一系列广泛的入射光角度和入射光波长的问题仍必须解决。因此，高度期望提供一种偏振分束器，其具有包含多层光学膜的PBS的有益效果，同时还实现由PBS朝向观看者或屏幕反射的成像光的提高的有效分辨率。本说明提供了此类解决方案。
图1提供了根据本说明的一个偏振子系统的示例。偏振子系统包括第一成像器102。在多个实施例中，诸如图1中所示，成像器将为适当的反射成像器。常常，投影系统中使用的成像器通常为偏振-旋转的图像形成装置(诸如液晶显示成像器)，其通过旋转光的偏振操作，以产生对应于数字视频信号的图像。此类成像器在用于投影系统中时，通常依赖于将光分离成一对正交偏振态(如s偏振和p偏振)的偏振片。可用于图1中所示实施例中的两种常见成像器包括硅基液晶(LCOS)成像器或数字光处理(DLP)成像器。本领域中的技术人员将认识到，为了利用图1中所示的PBS构造，DLP系统将需要一些照明几何学的修改以及旋转偏振的外部手段(诸如延迟板)。偏振子系统还包括偏振分束器(PBS)104。来自光源110的光112向PBS 104行进。PBS 104内为反射偏振片106。反射偏振片可为多层光学膜，诸如购自美国明尼苏达州圣保罗3M公司(3M Company(St.Paul,MN))以及诸如授予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中所述的那些，这些专利中的每一者均据此以引用方式全文并入。当光112入射到膜106上时，入射光的一种正交偏振态(诸如p偏振态)将通过膜透射，并作为光120离开PBS，其然后入射到成像器102上。入射光的正交偏振态(在这种情况下，为s偏振光)将作为单独的光束118在不同的方向上被反射偏振片106反射，在此与光束120呈直角。
给定偏振态的非成像光120入射到成像器102上。然后，光成像并朝向PBS 104反射回，并且进入反射偏振片106。当成像器102为LCOS成像器时，并且由于这些像素为“开启”状态，光114也转变正交偏振态。在这种情况下，尚未成像的p偏振入射光反射成s偏振的成像光。当s偏振光入射到偏振分束器104并且特别是多层光学膜反射偏振片106上时，光作为s偏振光束116朝向观看者或观看屏幕130反射。成像器102可为在应用中所需的任何类型的成像器。例如，成像器102可为LCOS成像器、OLED成像器、微机电系统(MEMS)成像器、或诸如DLP成像器的数字微反射镜装置(DMD)成像器。
在多个现有技术的实施例中，成像器可例如在光束118行进所朝向的方向上定位。在此类实施例中，成像光将被透射过偏振分束器104，而不是在偏振分束器104中被反射。通过偏振分束器透射成像光允许图像的失真更少，并且因此具有更高的有效分辨率。然而，正如将进一步所解释，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(例如)允许不同偏振的图像重叠。尽管多层光学膜作为反射偏振片具有许多益处，但是其通常难以使从此类膜反射出的成像光实现高有效分辨率。
由元件产生的图像或光的有效分辨率为有用的定量测量，因为其有助于预测何种尺寸的像素可被可靠地分辨。大多数当前成像器(LCOS和DLP)具有在约12.5μm至低至约5μm范围内的像素尺寸。因此，为了可用于反射成像情况中，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，并且优选更低。这将被认为是高有效分辨率。
使用说明书中所述的技术，实际上可提供用于PBS 104中的能够以非常高的分辨率反射成像光的多层光学膜。实际上，参见图1，成像光116可从偏振分束器104朝向观看者或观看屏幕130以小于12微米的有效像素分辨率反射。实际上，在一些实施例中，成像光116可从偏振分束器104朝向观看者或观看屏幕130以小于11微米、小于10微米、小于9微米、小于8微米、小于7微米或可能甚至小于6微米的有效像素分辨率反射。
如所讨论，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可一般为相同类型的成像器作为第一成像器106，如LCOS或DLP。一种偏振态的光(诸如s偏振光)可从PBS 104反射，并且具体地从PBS的反射偏振片106朝向第二成像器反射。然后它可成像并朝向PBS 104反射回。此外，与第一成像器104一样，第二成像器108反射出的光进行了偏振转换，使得在s偏振非成像光118入射到成像器108上的情况下，p偏振成像光122从成像器108朝向PBS 104反射回。然而，从成像器102反射的光114为第一偏振态(如，s偏振)并因此由PBS 104朝向观看者或观看屏幕130反射，从成像器108反射出的光(如，光122)为第二偏振态(如，p偏振)并因此通过PBS 104朝向观看者或观看屏幕130传输。如从图1可见，两个成像器位于PBS 104的不同侧面，使得PBS在第一面126处接收来自第一成像器102的成像光114，并且在不同于第一面的第二面124处接收来自第二成像器108的成像光122。
一旦成像光116和可能的光122离开PBS 104，其便被导向观看者或观看屏幕130。为了将光最佳地导向至观看者并适当地缩放图像，光可以通过投影透镜128或一些类型的投影透镜系统。虽然仅示出了单个元件投影透镜128，但偏振转换系统100可以按需要包括附加的成像光学器件。例如，投影透镜128可事实上为多个透镜，诸如共同拥有和转让的美国专利No.7,901,083的透镜组250。注意，在未使用可选成像器108的情况下，输入光112可预偏振以具有与光束120相同的偏振态。这可例如通过使用偏振转换系统(PCS)，添加反射或吸收线性偏振片或其它用于增强输入光流112的偏振纯度的此类装置来实现。此类技术可改善系统的总体效率。
PBS 104可包括除反射偏振片106之外的其它元件。例如，图1示出了还包括第一覆盖件132和第二覆盖件134的PBS 104。反射偏振片106定位在第一覆盖件132和第二覆盖件134之间，使得它不仅受到覆盖件的保护，还通过覆盖件适当地定位。第一覆盖件132和第二覆盖件134可由本领域中已知的任何适当材料制成，诸如玻璃、塑料或可能的其它适当材料。应当理解，附加的材料和构造可应用于例如PBS的面或邻近反射偏振片并与其基本上共延。此类其它材料或构造可包括附加的偏振片、二向色滤光片/反射器、延迟板、防反射涂层、模塑和/或粘合至覆盖件表面的透镜等。
投影或偏振子系统从不同成像器射出光，其中为不同偏振的成像光尤其可用作例如美国专利No.7,690,796(Bin等人)中所述的三维成像投影仪的一部分。使用基于两个成像器系统的PBS的不同优势在于无需时间定序或偏振定序。这意味着两个成像器将始终运行，从而有效地加倍投影仪的光输出。如所讨论，反射偏振片106平坦是高度重要的，使得从偏振片反射出的成像光116不失真并具有高有效分辨率。平坦度可通过标准粗糙度参数Ra(表面与均值的竖直偏差的绝对值的平均)、Rq(表面与均值的竖直偏差的均方根平均)和Rz(每个取样长度中最高峰和最低谷之间的平均距离)来量化。具体地，反射偏振片优选具有小于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，并且甚至更优选具有小于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种示例性方法在下面的实例部分中提供。
在另一方面，本说明涉及一种偏振分束器。一个此类偏振分束器200示于图2中。偏振分束器200包括定位在第一覆盖件232和第二覆盖件234之间的反射偏振片206。与图1的反射偏振片106一样，图2的反射偏振片206为多层光学膜，诸如上文所述的那些。偏振分束器200能够朝向观看者或表面230反射成像光216。导向观看者或表面的成像光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，或可能甚至小于6微米。
与图1的覆盖件一样，PBS 200的第一覆盖件232和第二覆盖件234可由任何数量的本领域中所用的适当材料制成，诸如玻璃或光学塑料等等。此外，第一覆盖件232和第二覆盖件234可各自通过多种不同的方式附接到反射偏振片206。例如，在一个实施例中，第一覆盖件232可使用压敏粘合剂层240附接到反射偏振片206。合适的压敏粘合剂为3MTM光学透明粘合剂8141(得自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN))。类似地，第二覆盖件234可使用压敏粘合剂层242附接到反射偏振片。在其它实施例中，第一和第二覆盖件可使用不同类型的粘合剂层240和242附接到反射偏振片206。例如，层240和242可由可固化的光学粘合剂制成。合适的光学粘合剂可包括得自美国新泽西州克兰伯里诺兰产品有限公司(Norland Products Inc.(Cranbury,NJ))的光学粘合剂(诸如NOA73、NOA75、NOA76或NOA78)，共同拥有和转让的美国专利公布No.2006/0221447(授予DiZio等人)以及共同拥有和转让的美国专利公布No.2008/0079903(授予DiZio等人)中所述的光学粘合剂，这些专利中的每一者均据此以引用方式并入。还可使用可紫外光固化的粘合剂。应当理解，附加的材料和构造可应用于例如PBS的面或邻近反射偏振片并与其基本上共延。此类其它材料或构造可包括附加的偏振片、二向色滤光片/反射器、延迟板、防反射涂层等。与图1中所述PBS一样，图2的反射偏振片206必须非常平坦，以使大多数有效反射的成像光216不失真。反射偏振片可具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq。用诸如US 7,234,816B2(Bruzzone等人)中所述的典型压敏粘合剂施加程序，无法实现反射偏振片的所需表面平坦度。已发现，某些类型的后处理允许实现所需的表面平坦度。
在另一方面，本说明涉及一种投影子系统。一个此类投影子系统示于图3中。投影子系统300包括光源310。光源310可为投影系统中常见使用的任何数量的适当光源。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还可包括从发射源吸收光并且以其它(一般更长的)波长重新发射光的荧光体或其它光转换材料。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、以及掺杂的硅酸盐和SiAlON型材料。其它光转换材料包括III-V和II-VI半导体、量子点和有机荧光染料。作为另外一种选择，光源可由多个光源(诸如红色、绿色和蓝色LED)组成，其中此类LED可一起启动或顺序启动。光源310还可为激光光源，或者可能是传统的UHP灯。应当理解，诸如色轮、二向色滤光片或反射器等的辅助组件可附加地包括光源310。
投影子系统300还包括偏振分束器304。对偏振分束器304进行定位以使得其接收来自光源的光312。该入射光312可一般部分地由两种正交偏振态(如，部分s偏振光和部分p偏振光)组成。偏振分束器内为反射偏振片306，再次，在这种情况下为多层光学膜，诸如关于反射偏振片106所述的那些。光312入射到反射偏振片306上，并且一种第一偏振的光(如p偏振光)作为光320透射穿过，同时第二正交偏振的光(如s偏振光)反射为光318。
透射穿过反射偏振片306的第一偏振的光320朝向邻近PBS 304定位的第一成像器302行进。光在第一成像器302处成像并以经转换光的偏振朝向PBS 304反射回。然后，经转换的成像光314在PBS 304处作为光316朝向图像平面350反射。光316从PBS的反射偏振片306反射出并到达图像平面350，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，或可能甚至小于6微米的有效分辨率。反射偏振片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。
第二偏振(如，s偏振)的光初始被PBS 304的反射偏振片反射，接着作为光318朝向第二成像器308行进。与第一成像器302一样，第二成像器308也邻近PBS 304定位，但是第二成像器定位在PBS的不同侧面上。使入射光318成像并朝向PBS 304反射回。在从成像器反射时，该光的偏振也旋转90度(如，从s偏振光至p偏振光)。成像光322通过PBS 304传播至图像平面350。第一成像器302和第二成像器308可为任何适当类型的反射成像器，诸如上文关于图1的元件102和108所述的那些。
如所讨论，为了使从本文的PBS反射出的成像光实现高有效分辨率，PBS的反射偏振片必须异常光学平坦。本说明现提供制备为多层光学膜的光学平坦反射偏振片的方法和/或制备光学平坦偏振分束器的方法。
一种此类方法示于图4的流程图中。该方法始于提供多层光学膜410，以及提供平坦基板420。多层光学膜410可类似于关于上文制品所述的多层光学膜。平坦基板可为任何数量的适当材料，诸如丙烯酸类树脂、玻璃或其它适当的塑料。最重要的是，基板420必须拥有与偏振分束器中所需的至少相同程度的光学平坦度，并且必须允许润湿溶液在其表面之上铺展。因此，其它塑料、无机玻璃、陶瓷、半导体、金属或聚合物可能是适当的材料。此外，基板略微柔性是有用的。
在下一步骤中，将平坦基板的表面425可剥离地附接到多层光学膜的第一表面。在至少一个实施例中，为了创建可剥离的附接，用润湿剂润湿平坦基板的表面425或多层光学膜的第一表面，或两者，从而得到溶液薄层430。合适的润湿剂应当具有使得其将浸湿基板或膜的足够低的表面能以及使得其可在室温下蒸发的足够高的蒸气压。在一些实施例中，使用异丙醇作为润湿剂。在至少一些实施例中，润湿剂将为包含至少少量的表面活性剂(例如少于1体积％)的水性溶液。表面活性剂可为常见的可商购获得的工业润湿剂，或者为甚至诸如餐具洗涤剂的家用材料。其它实施例可为蒸发时无残留的化合物(诸如氨、醋或醇)的水性混合物。润湿剂可通过多种适当的方法施加，包括喷涂，如从喷涂瓶进行喷涂。在下一步中，将多层光学膜施加到基板425的表面，使得溶液430被夹在膜和基板之间。通常，还将润湿剂施加到多层光学膜的接触表面。然后，将施压器械435(诸如橡胶滚轴)横跨多层光学膜410的顶部牵拉，从而将光学膜410紧密地压平至基板420的表面425，并且仅留下相当均匀的溶液薄层430将两者分开。在至少一些实施例中，首先可将保护层施加到多层光学膜的与施加至基板420的表面440的相对侧面上。此时，留下构造，以允许溶液430蒸发。橡胶滚轴辊刷过程推动残余水经过多层光学膜的边缘，使得仅留下少量。接着，允许多层光学膜、平坦基板和润湿剂变干。随时间推移，润湿溶液的所有挥发性组分通过层410或420蒸发，或者在可发生蒸发的情况下沿着层410和420之间的空间被芯吸至层410的边缘。随着该过程的发生，多层光学膜410被拉得越来越靠近基板420，直到层410紧密贴合表面425。结果在图4的下一步中显示为干燥过程将膜410拉近基板420，并且有效地使多层光学膜的底部表面440变平。一旦已实现该平坦度，多层光学膜410便稳定地保持平坦，但可剥离地附接到基板。此时，永久基板可粘附到膜410的暴露表面。
图5示出了在提供偏振分束器的最终构造时可采取的另外步骤。例如，可将粘合剂550施加在膜410的平坦表面450上。粘合剂可为不会不利地影响PBS的光学或机械性能的任何适当的粘合剂。在一些实施例中，粘合剂可为可固化的光学粘合剂，诸如得自美国新泽西州克兰伯里诺兰产品有限公司(Norland Products Inc.(Cranbury,NJ))的NOA73、NOA75、NOA76或NOA78。在其它实施例中，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。接着，可以提供第二永久基板。在一个实施例中，第二永久基板可为棱柱。如图5中所示，将棱柱560抵靠粘合剂550施加，并且如果适当，使构造固化。现在可将膜410从基板420移除。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，而将膜410从基板420剥离。对于固化的粘合剂诸如紫外粘合剂或环氧树脂，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，或者可能需要附加的处理以维持平坦度。一旦已实现平坦的膜表面440，可将第二层粘合剂570施加到膜440的底部表面，并且可将第二棱柱或其它永久基板580施加至粘合剂。此外，可按需要固化该构造，从而得到完整的偏振分束器。
制备光学平坦偏振分束器的另一种方法具体地包括压敏粘合剂的使用。用合适的技术，可使多层光学膜紧密贴合棱柱的平坦表面。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偏振片。这可能类似于图5的反射偏振片光学膜410，不同的是表面440可能尚未通过图4中所示的步骤而基本上变平。可将一层压敏粘合剂(在此对应于粘合剂层550)施加到多层光学膜的第一表面440。接着，可将棱柱560抵靠压敏粘合剂层在多层光学膜410的相对侧面上施加。该方法还可包括将第二层粘合剂(如，层570)施加到膜的与第一表面440相对的第二表面575上。然后，可将第二棱柱580施加到层570的与膜410的相对侧面。本方法提供了对该方法的改善，其进一步增强了反射偏振片/棱柱界面的平坦度，使得PBS的成像反射具有增强的分辨率。在将压敏粘合剂550施加到棱柱560和多层光学膜410之间后，使该构造经受真空。这可(例如)通过将该构造置于配备有常规真空泵的真空室中来发生。真空室可降低至给定压力，并且可将样品在该压力下保持给定的时间量，如5-20分钟。在将空气重新引入真空室中时，气压将棱柱560和多层光学膜410推挤到一起。在还施加第二粘合剂层和第二棱柱的情况下，可对第二界面(如，层570处)任选地重复在室中经受真空。向棱柱/MOF组件施加真空得到在成像光从PBS反射出时提供提高的有效分辨率的PBS。还可使用热/压力处理取代或结合真空处理。可能有利的是执行该处理不止一次。
实例
实例中涉及到下列材料及其来源。如果未另外说明，则材料得自美国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)下述专利中所述的方法来制备多层光学膜(MOF)：美国专利6,179,948(Merrill等人)；美国专利6,827,886(Neavin等人)；美国专利2006/0084780(Hebrink等人)；美国专利2006/0226561(Merrill等人)；和美国专利2007/0047080(Stover等人)。
粗糙度测量方法
将棱柱置于模塑粘土上，并且使用柱塞式校平器进行校平。利用9800光学干涉仪(得自美国亚利桑那州图森的Veeco Metrology有限公司(Veeco Metrology,Inc.,Tucson,AZ))来测量地形图，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列的各个图拼出的4mm×4mm扫描区域，2196×2196的像素与1.82μm的取样；使用倾斜校正和球形校正；30-60微米后扫描长度与60-100前扫描长度；以及调制检测阈值为2％。以95％与10μm后扫描长度启用自动扫描检测(此较短的后扫描长度避免了数据收集中的表面下反射)。
测量每个棱柱的斜边-面中心区中的4mm×4mm区域。具体地，对每个区域的形貌进行测量、绘图，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：湿施加方法
将反射偏振多层光学膜(MOF)以下列方式可剥离地设置到光学平坦基板上。首先，将在水中包含约0.5％温和餐具洗涤剂的润湿溶液置于喷瓶中。获得约6mm的高光泽丙烯酸类树脂的片材，并且在洁净的罩子中从一侧移除保护层。用润湿溶液喷涂暴露的丙烯酸类树脂表面，使得整个表面被润湿。单独获得一片MOF，并且在洁净的罩子中移除其表层之一。用润湿溶液喷涂MOF的暴露表面，并且使MOF的湿表面与丙烯酸类树脂片材的湿表面接触。对MOF的表面施加重隔离衬片以防止对MOF的损坏，并且使用3MTMPA-1涂敷器(购自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN))以将MOF向下辊刷到丙烯酸类树脂的表面。这将使大多数润湿溶液从两个润湿表面之间排出。完成该操作后，将第二表层从MOF移除。施加的MOF的检测显示，MOF表面比丙烯酸类树脂的表面不规则得多。在24小时后再次检测时，观察到MOF表面的平坦度与丙烯酸类树脂片材相差无几。随时间推移观察到的该变平与残留润湿溶液从两个表面之间蒸发从而允许MOF紧密贴合丙烯酸类树脂的表面相关。虽然MOF紧密且稳固地贴合丙烯酸类树脂的表面，但可以通过将MOF从丙烯酸类树脂的表面剥离而容易地将其移除。
通过将少量的诺兰光学粘合剂73(购自美国新泽西州克兰伯里的诺兰产品公司(Norland Products,Cranbury,NJ))置于MOF的表面上而制备成像PBS。缓慢地将10mm 45°BK7磨光玻璃棱柱的斜边放置成与粘合剂接触，使得不会在粘合剂中引入气泡。选择粘合剂的量，使得当将棱柱置于粘合剂上时，有足够的粘合剂流出棱柱的边缘，但是不会太多粘合剂导致粘合剂大量溢流越过棱柱的周边。结果是棱柱基本上平行于MOF的表面，并且被一层约均匀厚度的粘合剂分离。
使用紫外固化灯以通过棱柱固化粘合剂层。固化后，将一部分大于棱柱并包含棱柱的MOF从丙烯酸类树脂基板剥离。通过弯曲丙烯酸类树脂板有利于移除，从而允许刚性棱柱和MOF复合材料更容易地与丙烯酸类树脂板分离。棱柱/MOF复合材料的检测显示，尽管MOF从丙烯酸类树脂板移除，其仍保持其平坦度。
然后，如“粗糙度测量方法”下所述测量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 |
将少量的诺兰光学粘合剂施加至棱柱/MOF复合材料的MOF表面。获得第二10mm45°棱柱，并且将其斜边设置成与粘合剂接触。使第二棱柱对齐，使得其主轴线和副轴线基本上平行于第一棱柱的主轴线和副轴线，并且这两个斜边表面基本上共延。使用紫外固化灯固化粘合剂层，使得第二45°棱柱粘结至棱柱/MOF复合材料。所得构造为偏振分束器。
实例2：使用热和压力的PSA方法
通过获取3MTM光学透明粘合剂8141(购自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3MCompany,St.Paul,MN))的样品并且使用辊层压工艺将其层压到反射偏振MOF来形成粘合剂构造。将一片该粘合剂构造粘附到类似于实例1中所用的玻璃棱柱的斜边。将所得MOF/棱柱复合材料置于高压釜烘箱中，并且在60℃和550kPa(80psi)下处理两小时。取出样品，并且将少量的可热固化光学环氧树脂施加到MOF/棱柱复合材料的MOF表面。如实例1中所示将棱柱对齐。然后，将样品放回烘箱中，并且再次在60℃和550kPa(80psi)下处理，这次为24小时。所得构造为偏振分束器。
实例2A：使用热和压力的PSA方法所得的粗糙度
使用实例2的方法制备的MOF的粗糙度如下测定。使用手压滚筒将一片测量为17mm×17mm的MOF层压成具有17mm宽度的玻璃立方体。玻璃立方体具有约0.25λ的平坦度，其中λ等于632.80nm(光的基准波长)。将辊层合的MOF在高压釜烘箱中在60℃和550kPa(80psi)下退火两小时。使用翟柯干涉仪(Zygo Interferometer)(购自美国康涅狄格州米德尔菲尔德的翟柯公司(Zygo Corporation,Middlefield CT))，使用具有λ＝632.80nm波长的光来测量经辊层压的MOF的平坦度。翟柯干涉仪报告了峰到谷粗糙度，其中使用了倾斜校正，且未应用范围校正。在17mm×17mm区域之上测量的峰到谷的粗糙度测定为1.475λ或约933nm。
实例3：使用真空的PSA方法
将一片实例2的粘合剂构造以类似于实例2中的方式粘附到玻璃棱柱。将所得的棱柱/MOF复合材料置于配备有常规真空泵的真空室中。将该室抽空至约71cm(28英寸)汞柱，并且将样品保持在真空下约15分钟。
从真空室中取出样品，并且如“粗糙度测量方法”下所述测量MOF的粗糙度参数，并且将测量值报告于下表中。
| 平均值 | 标准偏差 | |
| Ra(nm) | 32 | 3 |
| Rq(nm) | 40 | 5 |
| Rz(μm) | 1.2 | 0.7 |
使用实例1的技术和紫外光学粘合剂，将第二棱柱附接至棱柱/MOF复合材料。所得构造为偏振分束器。
实例4：
将实例3的膜粘接到具有7mm宽度、10mm长度和181微米厚度的透明玻璃基板。使用3MTM光学透明粘合剂8141(购自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN))将所述膜粘附到所述玻璃基板。粘合剂厚度为12.5微米。使玻璃基板和膜层压体穿过辊隙。接下来，将层压体以45度角粘接到基板，使得所反射的偏振平行于基板，且所透射的偏振具有45度的标称入射角。修改MPro 120微型投影仪(也购自3M公司)，使得来自投影仪的照明源的光径直穿过层压体到投影仪的LCoS成像器，其中层压体的膜侧面向LCOS成像器，并且以90度角反射由成像器选择的光。
比较实例C-1
根据U.S.7,234,816(Bruzzone等人)创建偏振分束器构造。使用手压滚筒将一片实例2的粘合剂构造粘附至玻璃棱柱，从而形成MOF/棱柱复合材料。
然后，如“粗糙度测量方法”下所述测量MOF的粗糙度参数，并且报告于下表中。
| 平均值 | 标准偏差 | |
| Ra(nm) | 65 | 20 |
| Rq(nm) | 100 | 18 |
| Rz(μm) | 8.6 | 5.1 |
使用实例1的技术和紫外光学粘合剂，将第二棱柱附接至棱柱/MOF复合材料。所得构造为偏振分束器。
性能评估
使用分辨率测试投影仪评估实例1、2、3和比较例C-1的偏振分束器反射图像的能力。使用在其它实例中使用并且作为全内反射(TIR)反射器运行的由45°棱柱之一组成的基准反射器以确立测试投影仪的最佳可能性能。
用弧灯光源对减小24X的测试目标进行背照。附接到测试目标的前表面的为45°棱柱，与早前实例中使用的那些(并且在本文中称为照明棱柱)相同。从光源水平行进穿过测试目标的来自测试目标的光进入照明棱柱的一个面，从斜边(经由TIR)反射出，并且射出棱柱的第二面。将棱柱的第二面取向成使得射出的光竖直导向。将来自实例的各种PBS以及基准棱柱置于照明棱柱的第二面的顶部上。对PBS中的反射表面(MOF)以及来自基准棱柱的斜边取向，使得从MOF或基准棱柱的斜边反射的光向前并且水平导向。将从3MTMSCP 712数字投影仪(得自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN))获得的F/2.4投影透镜布置于PBS或基准棱柱的出射表面处，并且聚焦回到测试目标上，从而形成一种“潜望镜”布局。
然后，使用该光学系统以评估每个不同的PBS在反射模式中运行的同时分辨测试目标的能力。在该系统中，将测试目标的约5mm×5mm部分投影至约150cm(60英寸)对角线。在测试目标的该区域内为分辨率图像的多个重复。在投影图像的不同位置中，评估测试目标的五个不同的同型重复：左上、左下、中心、右上和右下。评估每个测试目标，以确定清晰分辨的最高分辨率。根据该方案，需要分辨最大分辨率以及低于该水平的所有分辨率。存在局部失真导致尽管较高的分辨率(在稍有不同的位置中)被分辨，但较低的分辨率无法被分辨的情况。该选择的原因是为了使PBS在反射模式中有效地运作，整个视场而非仅小区域必须被分辨。
对每个实例测试多个样品。一旦确立每个PBS上的每个位置的最大分辨率，计算每种类型的棱柱(即，实例1-3、比较例C-1和基准棱柱)的平均值和标准偏差。将“有效分辨率”定义为减去两个标准偏差的平均值。该尺度由以“线对/mm”(lp/mm)为单位的数据确定，并且然后以最小可分辨像素的大小表达，该最小可分辨像素被测定为以lp/mm表达的有效分辨率的倒数的1/2。该定义阐释了分辨率仅与横跨视场的最小分辨率一样好的事实。有效分辨率表示预期特定PBS组合能够可靠地(横跨图像的95％)分辨的最大分辨率。
表1示出了本公开内不同实例的测量结果，并且表2示出了所得的有效分辨率。如可见，基准样品可分辨5μm的像素。来自实例1的PBS还可分辨几乎为5μm的像素。实例2能够分辨低至至少12μm，并且来自实例3的PBS能够分辨低至7μm。所有这些构造应当足以用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微米的像素，并且对于反射成像构造可能不是可靠的选择。
表1：样品在五个位置处的线对/mm
表2：示例性膜的有效分辨率
在一些情况下，偏振分束器呈具有相对且平行或接近平行的主表面的板的形式。此类分束器板为薄的并且具有可导致投影到图像显示器上和/或显示给观看者的高对比度和高分辨率图像的平坦的最外主表面和内部主表面。偏振分束器包括粘接到一个或多个薄光学透明基板的多层光学膜反射偏振片。透明基板可为诸如玻璃的无机材料、或诸如聚合物的有机材料、或无机材料和有机材料的组合。
图6为偏振子系统600的示意图，所述子系统包括光源605、第一成像器610和偏振分束器板620。光源605发射照明第一成像器610并且由所述成像器接收的光625。第一成像器610调制所接收的光并且发射由偏振分束器板620接收的成像光615。偏振分束器板将所接收的成像光作为反射光695朝向观看者680或屏幕690反射。偏振分束器板620包括：第一基板630；多层光学膜反射偏振片640，所述偏振片设置在所述第一基板上；和第二基板650，所述第二基板设置在多层光学膜反射偏振片640上，以使得多层光学膜反射偏振片640设置在第一基板630与第二基板650之间。多层光学膜反射偏振片640经由各自的粘合剂层660和670粘接或粘附到第一基板630和第二基板650，其中这两个粘合剂层中的每一个均可为或包括本文所公开的任何粘合剂。例如，在一些情况下，一个或两个粘合剂层660和670可为或包括压敏粘合剂、UV固化粘合剂或光学环氧树脂。偏振分束器板620包括第一最外主表面622和相对的第二最外主表面624，所述第二最外主表面与主表面622成角度θ，其中角度θ小于约20度、或小于约15度、或小于约10度、或小于约7度、或小于约5度、或小于约3度、或小于约2度、或小于约1度。
朝向观看者680或屏幕690传播的反射光695具有小于15微米、或小于12微米、或小于10微米、或小于9微米、或小于8微米、或小于7微米、或小于6微米、或小于5微米、或小于4微米的有效像素分辨率。在一些情况下，偏振分束器板620为薄的。在这种情况下，第一最外主表面622与第二最外主表面624之间的最大间隔d小于约2mm、或小于约1.75mm、或小于约1.5mm、或小于约1.25mm、或小于约1mm、或小于约0.75mm、或小于约0.5mm。在一些情况下，第一最外主表面622和第二最外主表面624为平坦的。在一些情况下，第一最外主表面622和第二最外主表面624中的至少一者为非平坦的。例如，在一些情况下，第一最外主表面622和第二最外主表面624中的至少一者包括弯曲部，或者为凹状的或凸状的，如图7示意性地大体所示。在一些情况下，第一最外主表面622和第二最外主表面624中的至少一者远离或朝向偏振分束器板620弯曲。
基板630和650中的每一者均可为在应用中所需的任何类型的基板。例如，基板630和650可包括玻璃或聚合物。基板630和650可各自为单一层，这意味着基板内不存在嵌入或内部主界面。在一些情况下，第一基板630和第二基板650中的至少一者可包括两个或更多个层。在一些情况下，基板630和650为光学各向同性的，这意味着所述基板沿着三个互相正交的方向具有基本上等同的折射率。在一些情况下，基板630和650具有非常低的光散射特性。例如，在这种情况下，基板630和650中的每一者均具有小于约5％、或小于约4％、或小于约3％、或小于约2％、或小于约1％、或小于约0.5％的漫透射。本文所用的漫透射是指被透射超出经准直垂直光入射角的2度半角锥范围的光。
第一成像器605可为在应用中所需的本文所公开的任何第一成像器。例如，在一些情况下，第一成像器605可包括或为LCOS成像器。在一些情况下，偏振子系统600包括投影透镜675，所述透镜在光成像后从偏振分束器板620接收光并将其作为光695朝向观看者或屏幕投影。在一些情况下，多层光学膜反射偏振片620具有小于45nm的表面粗糙度Ra或小于80nm的表面粗糙度Rq、或小于40nm的表面粗糙度Ra或小于70nm的表面粗糙度Rq、或小于35nm的表面粗糙度Ra或小于55nm的表面粗糙度Rq。
偏振子系统600可结合至在应用中所需的任何系统。例如，在一些情况下，三维图像投影仪包括偏振子系统600。光源605可为或包括本文所公开的任何类型的光源。在一些情况下，光源605包括一个或多个LED。在一些情况下，投影系统包括投影子系统600，且第一成像器610被像素化，并且包括多个像素。所述像素可形成规则像素阵列，所述阵列形成像素行或像素列。所述投影系统将所述多个像素中的像素的图像投影到屏幕上。每个像素具有屏幕上的预期位置、屏幕上的预期面积、屏幕上的实际位置和屏幕上的实际面积。在一些情况下，屏幕上的每个像素的实际位置在中心位于像素的预期位置上的圆圈内并且具有比像素的预期面积小100倍、或小75倍、或小50倍、或小25倍、或小15倍、或小10倍、或小5倍、或小2倍的实际面积。在一些情况下，屏幕上的投影像素的实际面积比屏幕上的投影像素的预期面积小10倍、或小7倍、或小5倍、或小3倍、或小2倍。
图8为反射式成像系统800的示意图，其中由光源605所发射的光625由偏振分束器板620朝向成像器610透射并且由所述成像器作为成像光615朝向分束器板反射，所述分束器板将所述成像光作为反射光695朝向观看者680反射。由于多层光学膜反射偏振片640为基本上平坦的，故所反射的成像光695具有被极大地改善的有效像素分辨率。图9为透射式成像系统900的示意图，其中由光源605所发射的光625由偏振分束器板620朝向成像器610反射并且由所述成像器作为成像光615朝向所述分束器板反射，所述分束器板将所述成像光作为透射光695朝向屏幕690(或类似于图8中的系统800的观看者680)透射。由于多层光学膜反射偏振片640为基本上平坦的，故由所述分束器板朝向所述成像器反射的光以被极大地改善的均匀度照射所述成像器。图10为反射-透射式成像系统1000的示意图，其中由成像光源1005所发射的成像光615由偏振分束器板620朝向观看者680反射。观看者680还可观看由环境光1020携载并且由分束器板620透射的环境图像。
偏振分束器板620可使用本文所公开的任何工艺或方法来制造。例如，偏振分束器板620可使用结合图4和图5所公开的工艺来构造或制造，不同的是棱柱560和580由基板630和650替换。
本文所公开的偏振分束器板可用于其中希望从反射偏振片反射成像光而图像分辨率和/或对比度不发生劣化或仅发生很少劣化的任何应用中。例如，图11为提供两个不同图像以供观看者1101观看的观看装置1100的示意图。观看装置1100包括投影仪1110和偏振分束器板1130，所述分束器板可为或包括本文所公开的任何偏振分束器板。投影仪1100投影朝向偏振分束器板1130传播的第一成像光1120。偏振分束器板从投影仪接收所投影的第一成像光，并且将所接收的第一成像光作为反射的第一成像光1125反射以供观看者1101观看。所反射的第一成像光具有小于15微米、或小于12微米、或小于10微米、或小于9微米、或小于8微米、或小于7微米、或小于6微米、或小于5微米、或小于4微米的有效像素分辨率。偏振分束器板1130还接收第二图像1132并且透射所述第二图像以供观看者观看。第二图像1132可为任何类型的图像，诸如环境图像。偏振分束器板1130包括类似于第一基板630的第一基板1140和类似于反射偏振片640并且通过粘合剂1150粘附到第一基板1140的多层光学膜反射偏振片1160。反射偏振片1160基本上反射具有第一偏振态的偏振光并且基本上透射具有与第一偏振态相对的第二偏振态的偏振光。例如，反射偏振片1160反射具有第一偏振态的偏振光的至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少99％，或至少99.5％，并且透射具有与第一偏振态相对的第二偏振态的偏振光的至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少99％，或至少99.5％。第二偏振态与第一偏振态相对，这意味着这两个偏振态均不具有沿另一个偏振态的组分。例如，第一偏振态可为右手圆形偏振态，且第二偏振态可为左手圆形偏振态。在一些情况下，第二偏振态可垂直于第一偏振态。在一些情况下，反射偏振片1160可为宽带反射偏振片。例如，在一些情况下，反射偏振片可在从400nm到650nm的区域中基本上反射具有第一偏振态的偏振光，并且在同一区域中基本上透射具有与第一偏振态相对的第二偏振态的偏振光。在一些情况下，反射偏振片1160可在两个或更多个离散波长区域中反射第一偏振态，并且在其它区域中透射光。例如，在一些情况下，反射偏振片1160可在445nm至460nm、530nm至550nm、和600nm至620nm的波长区域中基本上反射具有第一偏振态的偏振光，并且可在其它波长区域中基本上透射第一偏振态和相对的或垂直的第二偏振态二者的光。
偏振分束器板1130包括第一最外主表面1165和相对的第二最外主表面1145，第二最外主表面与第一最外主表面1165成小于约20度、或小于约15度、或小于约10度、或小于约7度、或小于约5度、或小于约3度、或小于约2度、或小于约1度的角度。在其中一个或两个主表面弯曲的情况下，通过找出最佳平面拟合与弯曲主表面之间的角度来确定这两个主表面之间的角度。
投影仪1110可为在应用中所需的任何类型的投影仪。例如，投影仪1110可包括LCOS成像器、OLED成像器、微机电系统(MEMS)成像器或诸如DLP成像器的数字微反射镜装置(DMD)成像器。在一些情况下，投影仪1110投影偏振的第一成像光1120。在一些情况下，投影仪1110投影非偏振的第一成像光1120。在一些情况下，第一成像光1120可为偏振的或非偏振的。在示例性观看装置1100中，偏振分束器板1130从所述偏振分束器板的多层光学膜反射偏振片1160侧面接收所投影的第一成像光1120。在一些情况下，所述分束器板可以反转以使得所述分束器板从所述偏振分束器板的第一基板1140侧面接收所投影的第一成像光。在示例性观看装置1100中，偏振分束器板1130从偏振分束器板的第一基板1140侧面接收第二图像1132。在一些情况下，分束器板可回转以使得分束器板从偏振分束器板的多层光学膜反射偏振片1160侧面接收第二图像。
通常，偏振分束器板1130可具有在应用中所需的任何形状。例如，在诸如图6或图8所示的一些情况下，偏振分束器板1130为平坦的。又如，在诸如图11所示的一些其它情况下，偏振分束器板1130为弯曲的。可使用在应用中所需的任何方法来成形偏振分束器板1130。例如，可通过例如加热板来成形整个板。又如，可首先成形第一基板1140，并接着对所述基板施加多层光学膜反射偏振片。第一基板1140可为本文所公开的任何类型的基板。例如，第一基板1140可包括玻璃和/或聚合物。在一些情况下，第一基板1140的最大厚度小于2mm、或小于1.5mm、或小于1mm、或小于0.5mm、或小于0.25mm、或小于0.15mm、或小于0.1mm、或小于0.05mm。在一些情况下，偏振分束器板1130为相当薄的。例如，在这种情况下，第一最外主表面1165与第二最外主表面1145之间的最大间隔小于约5mm、或小于4mm、或小于3mm、或小于2mm,或小于1.5mm、或小于1mm、或小于0.75mm、或小于0.5mm、或小于0.25mm。
在一些情况下，偏振分束器板1130的宽度和长度基本上大于偏振分束器板的厚度。例如，在这种情况下，偏振分束器板的最小横向尺寸与偏振分束器板的第一最外主表面与第二最外主表面之间的最大间隔的比率大于5、或大于10、或大于15、或大于20、或大于30。
图11中的示例性偏振分束器板1130包括一个基板。在诸如图6所示的一些情况下，分束器可包括两个基板。在这种情况下，多层光学膜反射偏振片1160可设置在这二个基板之间并且使用粘合剂粘附到这二个基板。
图12为头部安装式投影显示器1200的示意图，所述显示器包括被构造为安装在观看者的头部上的机架1210。投影显示器1200还包括右投影仪1204和右偏振分束器板1240，所述右投影仪投影成像光，所述右偏振分束器板从所述右投影仪接收所投影的成像光并且附接到所述机架，使得当所述机架安装在观看者的头部上时，所述偏振分束器板面向观看者的右眼并且所述投影仪设置在观看者的头部的右侧面上。投影显示器1200还包括左投影仪1205和左偏振分束器板1245，所述左投影仪投影成像光，所述左偏振分束器板从所述左投影仪接收所投影的成像光并且附接到所述机架，使得当所述机架安装在观看者的头部上时，所述偏振分束器板面向观看者的左眼，并且所述投影仪设置在观看者的头部的左侧面上。头部安装式投影显示器1200还包括右耳架和左耳架1230，所述耳架附接到所述机架，使得当所述机架安装在观看者的头部上时，所述耳架设置在观看者的耳朵附近并且被构造为向观看者提供音频信息。在一些情况下，投影仪1204和1205以及耳架1230可与机架1210成一整体。
在示例性投影显示器1200中，机架呈一副眼镜的形式，所述眼镜具有耳架1230和鼻甲1220，所述耳架被构造为搁在观看者的耳朵上，所述鼻甲被构造为搁在观看者的鼻子上。一般来讲，投影显示器1200可具有在应用中所需的任何类型的机架。例如，在一些情况下，机架可被安装在观看者的头部上，其中所述机架围绕头部，并且具有用于调整所述机架的尺寸的装置。此外，在这种情况下，所述显示器可只具有一个偏振分束器和一个投影仪。
图13a-i示出了制造或制备光学元件的方法。所述方法首先包括用于制造聚合物片材的过程。首先，如图13a示意性地示出，提供底部基板1310。接下来，如图13b示意性地示出，在所述顶部表面上和沿着底部基板1310的边缘放置止挡件1320。接下来，如图13c示意性地示出，用有机液体1330填充由止挡件1320限定的腔体。接下来，如图13d示意性地示出，在止挡件1320和有机液体1330上放置顶部基板1342，并且通过干燥和/或固化所述有机液体使所述有机液体凝固，从而得到聚合物片材1330。然后任选地使所述聚合物片材退火以降低所述聚合物片材的光学双折射率。在一些情况下，所述聚合物片材的最大厚度h为至少2mm、或至少3mm、或至少4mm、或至少5mm。
用于制造或制备光学元件的方法接下来包括用于制造图13e示意性地示出的组件1338的过程。首先，如本文别处所示和所述，提供暂时平坦基板。接下来，将光学膜1350的第一表面可剥离地附接到所述暂时平坦基板。接下来，使用粘合剂1340将第一聚合物片材1330/1335粘附到所述光学膜的相对的第二表面。然后从所述暂时平坦基板移除所述光学膜，并且通过粘合剂1345将第二聚合物片材1330/1337粘附到所述光学膜的第一表面，从而得到组件1338，所述组件包括光学膜1350，所述光学膜设置在顶部聚合物片材1335和底部聚合物片材1337之间并使用相应的粘合剂层1340和1345粘附到所述顶部聚合物片材1335和所述底部聚合物片材1337，其中顶部聚合物片材具有顶部表面1335a且底部聚合物片材具有底部表面1337a。在一些情况下，顶部聚合物片材1335和底部聚合物片材1337中的每一个的最大厚度为至少2mm、或至少3mm、或至少4mm、或至少5mm。
光学膜1350可为在应用中可能需要的任何类型的光学膜。例如，光学膜1350可为或包括诸如四分之一波延迟片或半波延迟片的延迟片、诸如吸收型偏振片或反射偏振片的偏振片。任何合适类型的反射偏振片均可用于反射偏振片1350，诸如例如多层光学膜(MOF)反射偏振片、具有连续相和分散相的漫反射偏振膜(DRPF)(诸如得自美国明尼苏达州圣保罗3M公司(3M Company,St.Paul,Minnesota)的VikuitiTM漫反射偏振膜(“DRPF”))、例如美国专利6,719,426中所述的线栅反射偏振片、或胆甾型反射偏振片。
例如，在一些情况下，反射偏振片1350可为或包括由不同聚合物材料的交替层形成的多层光学膜(MOF)反射偏振片，其中这些组的交替层中的一组是由双折射材料形成，其中所述不同材料的折射率与偏振处于一种线性偏振态下的光相匹配而与处于垂直线性偏振态下的光不匹配。在这种情况下，处于匹配偏振态下的入射光基本上透射穿过反射偏振片1350而处于不匹配偏振态下的入射光基本上由反射偏振片1350反射。在一些情况下，MOF反射偏振片1350可包括一叠堆无机介质层。
又如，反射偏振片1350可为或包括部分反射层，所述部分反射层在通过状态下具有中间轴向平均反射率。例如，所述部分反射层可针对偏振处于第一平面(诸如xy平面)的可见光具有至少约90％的轴向平均反射率，并且针对偏振处于垂直于第一平面的第二平面(诸如xz平面)的可见光具有在约25％至约90％的范围内的轴向平均反射率。这些部分反射层在例如美国专利公布No.2008/064133中有所描述，该专利的公开内容以引用方式全文并入本文中。
在一些情况下，反射偏振片1350可为或包括圆形反射偏振片，其中优先透射在某种意义(其可为顺时针意义或逆时针意义(也被称为右圆形偏振或左圆形偏振))上为圆偏振的光而优先反射在相反意义上偏振的光。一种类型的圆形偏振片包括胆甾型液晶偏振片。
在一些情况下，光学膜1350可为非偏振部分反射器。例如，光学膜1350可包括部分反射金属和/或介质层。在一些情况下，光学膜1350可具有结构化表面。光学膜1350可为有机物的(诸如聚合物的)、或无机物的或两者的组合。
接下来，修改顶部聚合物片材1335的顶部表面1335a和底部聚合物片材1337的底部表面1337a，从而得到顶部结构化表面1335b和底部结构化表面1337b，所述顶部结构化表面具有多个顶部结构1360和顶部表面粗糙度1362a，所述底部结构化表面具有多个底部结构1370和底部表面粗糙度1362b。结构1360和1370可为在应用中可能需要的任何类型的结构。例如，就偏振分束器而言，结构1360和1370可为棱柱，诸如直角棱柱。在这种情况下，所述多个顶部结构1360和所述多个底部结构1370中的每一个均包括多个棱柱。在一些情况下，每一个顶部棱柱1360和每一个底部棱柱1370均具有基本上方形的斜边。
又如，结构1360和1370可为如图15示意性地示出的透镜。在一些情况下，诸如在图13f所示的示例性情况下，结构1360和1370由底面区域1362分隔开。在一些情况下，诸如在图15所示的示例性情况下，结构1360和1370为密集堆积的且不由底面区域分隔开。每一个结构1360和1370均包括基部和多个侧面。例如，图13f和图13g所示的每一个示例性棱柱结构1360均包括斜边1360E和四个侧面1360A、1360B、1360C和1360D。相似地，每一个结构1370均包括斜边1370E。
表面粗糙度1362a和1362b的尺寸和维度远小于结构1360和1370的尺寸。例如，在一些情况下，斜边1360E或1370E的最大横向尺寸大于1mm、或大于2mm、或大于3mm、或大于5mm、或大于7mm、或大于10mm、或大于15mm，且顶部表面粗糙度1362a或底部表面粗糙度1362b的平均尺寸小于500微米、或小于250微米、或小于100微米、或小于75微米、或小于50微米。一般来讲，顶部表面粗糙度1362a和底部表面粗糙度1362b主要归因于加工/制造限制，所述加工/制造限制导致与光学平滑的顶部结构化表面1335b和底部结构化表面1337b的非预期偏差，从而导致叠加在预期结构1360和1370上的表面粗糙度。
在一些情况下，顶部结构化表面1335b具有多个规则布置的顶部结构1360且底部结构化表面1337b具有多个规则布置的底部结构1370。
一般来讲，结构1360和1370之间存在一一对应关系，但在一些情况下，可以不存在这样的对应关系。例如，在一些情况下，诸如在图13f所示的示例性构造中，底部结构1370与顶部结构1360垂直配向而顶部和底部底面区域1362彼此垂直配向。
一般来讲，可使用任何合适的方法来修改顶部聚合物片材1335的顶部表面1335a和底部聚合物片材1337的底部表面1337a，从而得到结构化表面1335b和1337b。示例性方法包括蚀刻、光刻、线割(wire EDM)、机加工(诸如磨削，诸如金刚石磨削)、铣削(诸如金刚石端铣)、金刚石车削、和飞切(诸如轴向飞切和径向飞切)。
用于制造或制备光学元件的方法接下来包括：将组件1338沿着横向方向(诸如y方向)、沿着带涂层组件的底面区域1362中的垂直线1341A和1341B再分成至少两个离散件，以形成图13h示意性地示出的离散组件1391。可使用任何合适的方法来再分组件1338。示例性方法包括切割(诸如激光切割、刀或锯切割、旋转切割、剃刀切割、模切、和超声振动切割)、或机加工(诸如铣削和飞切)。
接下来，通过以下方式形成带涂层组件或光学元件1390：向顶部结构1360施加顶部涂层1380，从而得到顶部带涂层结构1367，所述顶部带涂层结构具有小于顶部表面粗糙度1362a的顶部带涂层表面粗糙度1381；并且向底部结构1370施加底部涂层1385，从而得到底部带涂层结构1377，所述底部带涂层结构具有小于底部表面粗糙度1362b的底部带涂层表面粗糙度1386。任何合适的涂层方法可用以施加顶部涂层1380和底部涂层1385。示例性方法包括通过将离散组件浸渍到涂层溶液中的浸涂、喷涂、真空涂布、坡流涂布、槽式涂布、帘式涂布、和印刷(诸如喷墨印刷)。在一些情况下，诸如当涂层方法包括将离散组件浸渍到涂层溶液中时，则将离散组件从涂层溶液中移除并且通过干燥和/或固化涂层来使涂层凝固。在一些情况下，顶部表面粗糙度1362a与顶部带涂层表面粗糙度1381的比率和底部表面粗糙度1362b与底部带涂层表面粗糙度1386的比率中的每一个均为至少2、或至少3、或至少4、或至少5。
顶部涂层1380和底部涂层1385可为在应用中可能需要的任何类型的涂层。例如，在一些情况下，所述涂层的主要有益效果是降低表面粗糙度。在一些情况下，所述涂层为硬质涂层。在这种情况下，输入主表面1396a和输出主表面1396b中的至少一个具有至少3H、或至少4H、或至少5H的铅笔硬度。在一些情况下，输入主表面1396a和输出主表面1396b中的每一个均具有至少3H、或至少4H、或至少5H的铅笔硬度。在一些情况下，除顶部结构1360和底部结构1370中的每一个的斜边以外的每一个主表面均具有至少3H、或至少4H、或至少5H的铅笔硬度。在一些情况下，所述涂层为具有降低反射的主要有益效果的抗反射涂层。在这种情况下，顶部涂层1380和底部涂层1385中的每一个均使对可见光的平均反射降低至少1％、或至少2％、或至少3％、或至少4％。在一些情况下，所述涂层可为硬质涂层和抗反射涂层的组合。一般来讲，所述涂层可为单层涂层或多层涂层。
在一些情况下，本发明所公开的用于制造或制备光学元件1390的方法可依序进行。在一些情况下，所述步骤中的至少一些步骤的顺序可改变。例如，在一些情况下，形成带涂层组件的步骤可在再分组件之前进行。又如，在这种情况下，首先修改顶部聚合物片材1335的顶部表面1335a和底部聚合物片材1337的底部表面1337a，从而得到顶部结构化表面1335b和底部结构化表面1337b，所述顶部结构化表面具有多个顶部结构1360和顶部表面粗糙度1362a，所述底部结构化表面具有多个底部结构1370和底部表面粗糙度1362b。接下来，通过以下方式形成带涂层组件1399：向所述顶部结构化表面施加顶部涂层，从而得到顶部带涂层结构化表面，所述顶部带涂层结构化表面具有多个顶部带涂层结构和小于所述顶部表面粗糙度的顶部带涂层表面粗糙度；以及向所述底部结构化表面施加底部涂层，从而得到底部带涂层结构化表面，所述底部带涂层结构化表面具有多个底部带涂层结构和小于所述底部表面粗糙度的底部带涂层表面粗糙度。接下来，将所述带涂层组件沿着所述带涂层组件的横向方向再分成至少两个离散件以形成光学元件1390。
光学元件1390包括输入主表面1396a和输出主表面1396b，入射光1383通过所述输入主表面进入所述光学元件，进入的光通过所述输出主表面作为光1382离开所述光学元件。光学元件1390具有低的双折射率，从而意味着当具有第一偏振态的偏振光1383从输入主表面1396a进入光学元件1390并行进穿过所述光学元件至少2mm并且从输出主表面1396b离开所述光学元件时，使离开所述光学元件的光1382的至少90％、或至少92％、或至少95％、或至少97％、或至少99％偏振而具有第一偏振态。在一些情况下，当具有第一偏振态的偏振光1383从输入主表面1396a进入光学元件1390并行进穿过所述光学元件至少3mm并且从输出主表面1396b离开所述光学元件时，使离开所述光学元件的光1382的至少90％、或至少92％、或至少95％、或至少97％、或至少99％偏振而具有第一偏振态。在一些情况下，当具有第一偏振态的偏振光1383从输入主表面1396a进入光学元件1390并行进穿过所述光学元件至少4mm并且从输出主表面1396b离开所述光学元件时，使离开所述光学元件的光1382的至少90％、或至少92％、或至少95％、或至少97％、或至少99％偏振而具有第一偏振态。在一些情况下，当具有第一偏振态的偏振光1383从输入主表面1396a进入光学元件1390并行进穿过所述光学元件至少5mm并且从输出主表面1396b离开所述光学元件时，使离开所述光学元件的光1382的至少90％、或至少92％、或至少95％、或至少97％、或至少99％偏振而具有第一偏振态。
在一些情况下，光学元件1390为偏振分束器1390，所述偏振分束器包括第一聚合物棱柱1360、第二聚合物棱柱1370和反射偏振片1350，所述反射偏振片设置在第一聚合物棱柱1360和第二聚合物棱柱1370之间并且使用各自的粘合剂层1340和1345粘附到所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者的斜边。反射偏振片1350基本上反射具有第一偏振态的偏振光并且基本上透射具有相反的第二偏振态的偏振光。偏振分束器1390还包括硬质涂层1380/1385，所述硬质涂层设置在第一聚合物棱柱和第二聚合物棱柱中的每一者上。偏振分束器1390还包括输入主表面1396a和输出主表面1396b。输入主表面和输出主表面中的至少一者具有至少3H、或至少4H、或至少5H的铅笔硬度。偏振分束器1390具有低的双折射率，使得当具有偏振态的偏振光1383从输入主表面1396a进入所述光学元件并行进穿过所述偏振分束器至少2mm、或至少3mm、或至少4mm、或至少5mm并且从输出主表面1396b离开所述偏振分束器时，使离开所述偏振分束器的光1382的至少95、或至少97、或至少99、或至少99.5％偏振而具有所述偏振态。在一些情况下，第一聚合物棱柱1360和第二聚合物棱柱1370中的每一个均为直角棱柱。在一些情况下，第一聚合物棱柱1360和第二聚合物棱柱1370基本上形成立方体。在一些情况下，偏振分束器1390具有至少2mm、或至少3mm、或至少4mm、或至少5mm、或至少7mm、或至少10mm的最大厚度。在一些情况下，第一聚合物棱柱1360和第二聚合物棱柱1370中的每一个均包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在一些情况下，硬质涂层1380/1385包括丙烯酸酯和/或聚氨基甲酸酯、或二氧化硅和/或陶瓷材料。在一些情况下，硬质涂层1380/1385的最大厚度小于约20微米、或小于约15微米、或小于约15微米、或小于约10微米、或小于约7微米、或小于约5微米、或小于约3微米、或小于约2微米、或小于约1微米。在一些情况下，第一聚合物棱柱1360和第二聚合物棱柱1370中的每一个的折射率与硬质涂层1380/1385的折射率之间的差小于约0.1、或小于约0.075、或小于约0.05、或小于约0.025、或小于约0.01。在一些情况下，输入主表面1396a平行于输出主表面1396b。在一些情况下，输入主表面1396a垂直于输出主表面1396b。
实例：
提供一种PMMA聚合物片材。所述聚合物片材具有44.7mm的长度、20.6mm的宽度、和12.5mm的厚度。金刚石飞切所述聚合物片材的顶部表面，从而得到具有约0.5微米的最大表面粗糙度的大体平坦表面。接下来，通过以下方式制备涂层溶液：添加12.31克1：1的己二醇二酰化：季戊四醇三丙烯酸酯(HDDA：PETA)、0.51克丙烯酰胺甲基乙酸丁酸纤维素、0.21克双(2,4,6-三甲基苯甲酰)-苯基膦氧化物(IRGACURE 819)、0.04克有机硅聚醚丙烯酸酯(Tegorad2250)、和29.19克异丙醇。以3500rpm搅动所述溶液1分钟。接下来，将经修改的聚合物片材浸渍到所述涂层溶液中。接下来，将经修改的片材移除、风干并接着在70℃下烘焙3分钟。接下来，使用250mW/cm2的广谱紫外光36秒在惰性气氛下固化经烘焙的样品。所得样品的最大表面粗糙度为约0.2微米。
以下为本发明的列表项：
项1为一种偏振分束器，包括：
第一聚合物棱柱；
第二聚合物棱柱；
反射偏振片，所述反射偏振片设置在所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱之间并且粘附到所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者的斜边，所述反射偏振片基本上反射具有第一偏振态的偏振光并且基本上透射具有相反的第二偏振态的偏振光；
硬质涂层，所述硬质涂层设置在所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者上；
输入主表面；和
输出主表面，所述输入主表面和所述输出主表面中的至少一者具有至少3H的铅笔硬度，所述偏振分束器具有低的双折射率，使得当具有偏振态的偏振光从所述输入主表面进入光学元件并行进穿过所述偏振分束器至少2mm并且从所述输出主表面离开所述偏振分束器时，使离开所述偏振分束器的光的至少95％偏振而具有所述偏振态。
项2为根据项1所述的偏振分束器，其中所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者均为直角棱柱。
项3为根据项1所述的偏振分束器，其中所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱基本上形成立方体。
项4为根据项1所述的偏振分束器，其中所述反射偏振片包括多层光学膜反射偏振片。
项5为根据项1所述的偏振分束器，其具有至少5mm的最大厚度。
项6为根据项1所述的偏振分束器，其中所述输入主表面和所述输出主表面中的每一个均具有至少3H的铅笔硬度。
项7为根据项1所述的偏振分束器，其中所述输入主表面和所述输出主表面中的至少一者具有至少4H的铅笔硬度。
项8为根据项1所述的偏振分束器，其中所述输入主表面和所述输出主表面中的每一个均具有至少4H的铅笔硬度。
项9为根据项1所述的偏振分束器，其中所述输入主表面和所述输出主表面中的至少一者具有至少5H的铅笔硬度。
项10为根据项1所述的偏振分束器，其中所述输入主表面和所述输出主表面中的每一个均具有至少5H的铅笔硬度。
项11为根据项1所述的偏振分束器，其中除所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者的所述斜边以外的每一个主表面均具有至少3H的铅笔硬度。
项12为根据项1所述的偏振分束器，其中当具有偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述偏振分束器至少2mm并且从所述输出主表面离开所述偏振分束器时，使离开所述偏振分束器的光的至少99％偏振而具有所述偏振态。
项13为根据项1所述的偏振分束器，其中当具有偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述偏振分束器至少2mm并且从所述输出主表面离开所述偏振分束器时，使离开所述偏振分束器的光的至少99.5％偏振而具有所述偏振态。
项14为根据项1所述的偏振分束器，其中当具有偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述偏振分束器至少5mm并且从所述输出主表面离开所述偏振分束器时，使离开所述偏振分束器的光的至少95％偏振而具有所述偏振态。
项15为根据项1所述的偏振分束器，其中当具有偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述偏振分束器至少5mm并且从所述输出主表面离开所述偏振分束器时，使离开所述偏振分束器的光的至少99％偏振而具有所述偏振态。
项16为根据项1所述的偏振分束器，其中所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者均包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
项17为根据项1所述的偏振分束器，其中所述硬质涂层包括丙烯酸酯和/或聚氨基甲酸酯。
项18为根据项1所述的偏振分束器，其中所述硬质涂层包括二氧化硅和/或陶瓷材料。
项19为根据项1所述的偏振分束器，其中所述硬质涂层的最大厚度小于约15微米。
项20为根据项1所述的偏振分束器，其中所述硬质涂层的最大厚度小于约10微米。
项21为根据项1所述的偏振分束器，其中所述硬质涂层的最大厚度小于约5微米。
项22为根据项1所述的偏振分束器，其中所述硬质涂层的最大厚度小于约2微米。
项23为根据项1所述的偏振分束器，其中所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者的折射率与所述硬质涂层的折射率之间的差小于约0.05。
项24为根据项1所述的偏振分束器，其中所述第一聚合物棱柱和所述第二聚合物棱柱中的每一者的折射率与所述硬质涂层的折射率之间的差小于约0.025。
项25为根据项1所述的偏振分束器，其中所述输入主表面平行于所述输出主表面。
项26为根据项1所述的偏振分束器，其中所述输入主表面垂直于所述输出主表面。
项27为一种制备光学元件的方法，所述方法包括以下步骤：
提供组件，所述组件包括顶部聚合物片材、底部聚合物片材和光学膜，所述顶部聚合物片材具有顶部表面，所述底部聚合物片材具有底部表面，所述光学膜设置在所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材之间并且粘附到所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材；
修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面，从而得到顶部结构化表面和底部结构化表面，所述顶部结构化表面具有多个顶部结构和顶部表面粗糙度，所述底部结构化表面具有多个底部结构和底部表面粗糙度；
通过以下方式形成带涂层组件：向所述顶部结构化表面施加顶部涂层，从而得到顶部带涂层结构化表面，所述顶部带涂层结构化表面具有多个顶部带涂层结构和小于所述顶部表面粗糙度的顶部带涂层表面粗糙度；以及向所述底部结构化表面施加底部涂层，从而得到底部带涂层结构化表面，所述底部带涂层结构化表面具有多个底部带涂层结构和小于所述底部表面粗糙度的底部带涂层表面粗糙度；
将所述带涂层组件沿着所述带涂层组件的横向方向再分成至少两个离散件以形成所述光学元件。
项28为根据项27所述的方法，其中所述光学元件具有输入主表面、输出主表面和低的双折射率，使得当具有第一偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述光学元件至少2mm并且从所述输出主表面离开所述光学元件时，使离开所述光学元件的光的至少95％偏振而具有所述第一偏振态。
项29为根据项27所述的方法，其中所述光学元件具有输入主表面、输出主表面和低的双折射率，使得当具有第一偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述光学元件至少2mm并且从所述输出主表面离开所述光学元件时，使离开所述光学元件的光的至少97％偏振而具有所述第一偏振态。
项30为根据项27所述的方法，其中所述光学元件具有输入主表面、输出主表面和低的双折射率，使得当具有第一偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述光学元件至少2mm并且从所述输出主表面离开所述光学元件时，使离开所述光学元件的光的至少99％偏振而具有所述第一偏振态。
项31为根据项27所述的方法，其中所述步骤依序进行。
项32为根据项27所述的方法，其中提供所述组件的步骤包括以下步骤：
提供暂时平坦基板；
将所述光学膜的第一表面可剥离地附接到所述暂时平坦基板；
将所述顶部聚合物片材或所述底部聚合物片材粘附到所述光学膜的相对的第二表面；以及
从所述暂时平坦基板移除所述光学膜。
项33为根据项27所述的方法，其中所述光学膜为多层光学膜。
项34为根据项27所述的方法，其中所述光学膜为多层光学膜反射偏振片。
项35为根据项27所述的方法，还包括使所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材退火从而使所述片材具有降低的光学双折射率的步骤。
项36为根据项35所述的方法，其中使所述聚合物片材退火的步骤包括加热所述聚合物片材。
项37为根据项27所述的方法，其中修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面的步骤包括机加工所述顶部表面和所述底部表面。
项38为根据项27所述的方法，其中修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面的步骤包括飞切所述顶部表面和所述底部表面。
项39为根据项27所述的方法，其中修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面的步骤包括轴向飞切所述顶部表面和所述底部表面。
项40为根据项27所述的方法，其中修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面的步骤包括径向飞切所述顶部表面和所述底部表面。
项41为根据项27所述的方法，其中修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面的步骤包括金刚石端铣。
项42为根据项27所述的方法，其中修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面的步骤包括金刚石磨削。
项43为根据项27所述的方法，其中所述顶部表面粗糙度与所述顶部带涂层表面粗糙度的比率和所述底部表面粗糙度与所述底部带涂层表面粗糙度的比率中的每一个均为至少2。
项44为根据项27所述的方法，其中所述顶部表面粗糙度与所述顶部带涂层表面粗糙度的比率和所述底部表面粗糙度与所述底部带涂层表面粗糙度的比率中的每一个均为至少5。
项45为根据项27所述的方法，其中向所述顶部结构化表面施加所述顶部涂层和向所述底部结构化表面施加底部涂层的步骤包括将所述组件浸渍到涂层溶液中。
项46为根据项45所述的方法，还包括从所述涂层溶液中移除所述组件和干燥所述组件上的所述涂层的步骤。
项47为根据项27所述的方法，其中向所述顶部结构化表面施加所述顶部涂层和向所述底部结构化表面施加底部涂层的步骤包括喷涂所述顶部结构化表面和所述底部结构化表面。
项48为根据项27所述的方法，其中向所述顶部结构化表面施加所述顶部涂层和向所述底部结构化表面施加底部涂层的步骤包括真空涂布所述顶部结构化表面和所述底部结构化表面。
项49为根据项27所述的方法，其中所述顶部涂层和所述底部涂层为硬质涂层和/或抗反射涂层。
项50为根据项27所述的方法，其中所述顶部涂层和所述底部涂层中的每一个均包括多个涂层。
项51为根据项27所述的方法，其中所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材中的每一个的最大厚度为至少2mm。
项52为根据项27所述的方法，其中所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材中的每一个的最大厚度为至少5mm。
项53为根据项27所述的方法，其中所述顶部结构化表面具有多个规则布置的顶部结构，并且所述底部结构化表面具有多个规则布置的底部结构。
项54为根据项27所述的方法，其中所述多个顶部结构和所述多个底部结构中的每一个均包括多个棱柱。
项55为根据项54所述的方法，其中每一个棱柱均具有基本上方形的斜边。
项56为根据项27所述的方法，其中所述顶部结构与所述底部结构之间存在一一对应关系。
项57为根据项27所述的方法，其中所述光学元件为偏振分束器。
本发明不应被认为限于上述特定实例和实施例，因为详细描述了此类实施例以有利于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书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装置。
Claims (6)
1.一种制备光学元件的方法，包括以下步骤：
提供组件，所述组件包括顶部聚合物片材、底部聚合物片材和光学膜，所述顶部聚合物片材具有顶部表面，所述底部聚合物片材具有底部表面，所述光学膜设置在所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材之间并且粘附到所述顶部聚合物片材和所述底部聚合物片材；
修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面，从而得到顶部结构化表面和底部结构化表面，所述顶部结构化表面具有多个顶部结构和顶部表面粗糙度，所述底部结构化表面具有多个底部结构和底部表面粗糙度；
通过以下方式形成带涂层组件：向所述顶部结构化表面施加顶部涂层，从而得到顶部带涂层结构化表面，所述顶部带涂层结构化表面具有多个顶部带涂层结构和小于所述顶部表面粗糙度的顶部带涂层表面粗糙度；以及向所述底部结构化表面施加底部涂层，从而得到底部带涂层结构化表面，所述底部带涂层结构化表面具有多个底部带涂层结构和小于所述底部表面粗糙度的底部带涂层表面粗糙度；
将所述带涂层组件沿着所述带涂层组件的横向方向再分成至少两个离散件以形成所述光学元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学元件具有输入主表面、输出主表面和低的双折射率，使得当具有第一偏振态的偏振光从所述输入主表面进入所述光学元件并行进穿过所述光学元件至少2mm并且从所述输出主表面离开所述光学元件时，使离开所述光学元件的光的至少95％偏振而具有所述第一偏振态。
3.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述组件的步骤包括以下步骤：
提供暂时平坦基板；
将所述光学膜的第一表面可剥离地附接到所述暂时平坦基板；
将所述顶部聚合物片材或所述底部聚合物片材粘附到所述光学膜的相对的第二表面；以及
从所述暂时平坦基板移除所述光学膜。
4.根据权利要求1所述的方法，其中修改所述顶部聚合物片材的所述顶部表面和所述底部聚合物片材的所述底部表面的步骤包括机加工所述顶部表面和所述底部表面。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述顶部结构化表面具有多个规则布置的顶部结构，并且所述底部结构化表面具有多个规则布置的底部结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学元件是偏振分束器。
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