CN113474715A

CN113474715A - 紧凑型准直图像投影仪

Info

Publication number: CN113474715A
Application number: CN202080016772.8A
Authority: CN
Inventors: 耶谢·丹齐格; 埃拉德·沙尔林; 罗宁·切里基
Original assignee: Lumus Ltd
Current assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2021-10-01
Also published as: TW202101067A; WO2020174433A1; US20220113549A1

Abstract

准直图像投影仪，其接收来自照明源的光并且沿光路径朝向出射瞳传播光，该投影仪包括：第一均匀电介质偏振分束器(PBS)，其沿光路径被部署并且限定从第一光路径段到第二光路径段的第一过渡；第二均匀电介质PBS，其沿第二光路径段与第一PBS平行地被部署并且限定从第二光路径段到第三光路径段的第二过渡；以及准直光学器件，其沿光路径被部署在第二PBS之后，以将准直图像朝向出射瞳引导；其中，第一PBS和第二PBS被部署成使得第一过渡和第二过渡两者都经由透射来执行，或者第一过渡和第二过渡两者都经由反射来执行。

Description

紧凑型准直图像投影仪

技术领域

本公开主题涉及图像投影仪，并且更具体地涉及紧凑型准直图像投影仪。

背景技术

诸如可以用于某些增强现实显示器或其他近眼显示器的紧凑型图像投影仪使用诸如硅上液晶(LCOS)的空间光调制器(SLM)来生成要显示的图像。在这些投影仪中，布置各种光学元件以i)以均匀的空间分布和所需的角度分布跨LCOS分配来自照明源的光，以及ii)将由LCOS反射的光投射到无限远(准直的)并且将其透射到投影仪出射瞳。从该出射瞳，图像可以进一步被透射到组合器，以用于将投射的图像与真实世界的视图组合。典型的组合器基于具有一对平行主面的光导元件和耦合出布置，例如一组平行倾斜的部分反射表面或衍射元件。

这些投影仪中的一些使用以下架构，在该架构中一对平行的电介质涂覆的偏振分束器(PBS)与准直光学器件结合用于照射LCOS以及用于准直从LCOS朝向出射瞳反射的光。然而，与结构偏振器不同，这些PBS的缺点在于，光是根据与PBS表面的相交角度而分离的。因此，未与PBS完全对准的任何光(例如，偏角偏斜光线)都可能通过PBS朝向出射瞳泄漏，导致图像劣化。

此外，在一些情况下，例如在短有效焦距(EFL)投影仪中，期望沿SLM与准直光学元件之间的光路径仅放置单个光学元件。

发明内容

根据本公开主题的一个方面，提供了一种准直图像投影仪，其接收来自照明源的光并且沿光路径朝向出射瞳传播光，该投影仪包括：第一均匀电介质偏振分束器(PBS)，其沿光路径被部署并且限定从第一光路径段到第二光路径段的第一过渡；第二均匀电介质PBS，其沿第二光路径段与第一PBS平行地被部署，并且限定从第二光路径段到第三光路径段的第二过渡；以及准直光学器件，其沿光路径被部署在第二PBS之后，以将准直图像朝向出射瞳引导；其中，第一PBS和第二PBS被部署成使得第一过渡和第一过渡两者都经由透射来执行，或者第一过渡和第一过渡两者都经由反射来执行。

根据一些方面，投影仪可以包括空间光调制器(SLM)。第三光路径段可以终止于SLM处。

根据一些方面，该投影仪可以包括沿光被部署在第一PBS之前的一个或更多个光学元件，该投影仪包括沿光路径被部署在第一PBS之前的扫描模块，该扫描模块被配置成在第二PBS之后并且在准直光学器件之前的图像平面中生成图像。投影仪还可以包括以下中至少之一：沿光路径被部署在第二PBS之后并且在准直光学器件之前的漫射器、微透镜阵列或反射器。

根据一些方面，第一PBS和第二PBS被涂覆在棱镜的相对表面上。

根据本公开主题的另一方面，提供了一种复合偏振分束器装置，该复合偏振分束器装置包括：第一单块棱镜，用于接收输入光；第二单块棱镜，用于透射输出光，第一棱镜和第二棱镜具有第一折射率(RI)；以及夹在第一棱镜与第二棱镜之间的以下部件：一对偏振分束器涂层，其被施加至由结构P偏振器分开的平行表面，偏振器具有与第一RI不同的第二RI；以及第一基本透明补偿板，其具有与第一RI和第二RI中的每一个不同的第三RI以及厚度，以至少部分地补偿由于第一RI与第二RI之间的差异而通过偏振器引入的光学像差；其中，第三RI与第二RI之间的增量和第二RI与第一RI之间的增量相比具有相反的符号。

根据一些方面，该装置包括具有第三RI的第二补偿板，其中，第一板和第二板具有组合厚度，以至少部分补偿通过偏振器引入的光学像差。

根据一些方面，该装置包括接收输入光的第一棱镜的外表面上的与该对涂层平行的第三涂层。

根据一些方面，第一补偿板位于该对电介质涂层中的涂层中的每一个之间。

根据一些方面，涂层中至少之一与第二棱镜相邻。

根据一些方面，该对涂层中的一个涂层与第一棱镜相邻，并且该对涂层中的另一个涂层与第二棱镜相邻。

根据一些方面，其中，该对涂层、偏振器和第一板被布置在第一棱镜与第二棱镜之间，使得输入光的P偏振分量遵循以下透射路径：该透射路径顺序地穿过第一棱镜、该对涂层中的一个涂层、补偿板、偏振器、该对涂层中的另一个涂层和第二棱镜。

根据一些方面，其中，该对涂层、偏振器和第一板被布置在第一棱镜与第二棱镜之间，使得输入光的P偏振分量遵循以下透射路径：该透射路径顺序地穿过第一棱镜、第一板、该对涂层中的一个涂层、偏振器、该对涂层中的另一个涂层和第二棱镜。

根据一些方面，其中，该对涂层、偏振器和第一板被布置在第一棱镜与第二棱镜之间，使得输入光的P偏振分量遵循以下透射路径：该透射路径顺序地穿过第一棱镜、该对涂层中的一个涂层、第一板、偏振器、第二板、该对涂层中的另一个涂层和第二棱镜。

根据本公开主题的另一方面，提供了一种复合偏振分束器装置，该复合偏振分束器装置包括：第一单块棱镜，用于接收输入光；第二单块棱镜，用于透射输出光；以及夹在第一棱镜与第二棱镜之间的一对偏振分束器涂层，该对偏振分束器涂层被施加至由间隔层分开的平行表面，该间隔层包括具有约40％至约90％的透射率的光学衰减材料。

根据一些方面，间隔层是非偏振的。根据一些方面，光学衰减材料具有约50％至约80％的透射率。

根据本公开主题的另一方面，提供了一种包括复合偏振分束器装置的准直图像投影仪，该准直图像投影仪包括：第一单块棱镜，用于接收输入光；第二单块棱镜，用于透射输入光的P偏振分量，第一棱镜和第二棱镜具有第一折射率(RI)；以及夹在第一棱镜与第二棱镜之间的以下部件：一对偏振分束器涂层，其被施加至由结构P偏振器分开的平行表面，偏振器具有与第一RI不同的第二RI；以及第一基本透明补偿板，其具有与第一RI和第二RI中的每一个不同的第三RI以及厚度，以至少部分地补偿由于第一RI与第二RI之间的差异而通过偏振器引入的光学像差。

根据本公开主题的另一方面，提供了一种包括复合偏振分束器装置的准直图像投影仪，该准直图像投影仪包括：第一单块棱镜，用于接收输入光；第二单块棱镜，用于透射输入光的P偏振分量；以及夹在第一棱镜与第二棱镜之间的一对偏振分束器涂层，该对偏振分束器涂层被施加至由间隔层分开的平行表面，该间隔层包括具有约40％至约90％的透射率的光学衰减材料。

附图说明

为了理解本发明并了解其在实践中如何被实施，将参照附图通过非限制性示例描述实施方式，在附图中：

图1A至图1C示出了现有技术的准直图像投影仪的各种实施方式的示意图；

图2A示出了根据本公开主题的实施方式的准直图像投影仪的示意图；

图2B示出了与图2A所示的实施方式对应的光线跟踪图；

图2C示出了在图2A所示PBS之间反射的光线；

图3A示出了根据本公开主题的另一实施方式的准直图像投影仪的示意图；

图3B示出了与图3A所示的实施方式对应的光线跟踪图；

图3C示出了与图3A所示的投影仪的另一实施方式对应的光线跟踪图；

图4示出了根据本公开主题的另一实施方式的准直图像投影仪的示意图；

图5A示出了根据本公开主题的另一实施方式的准直图像投影仪的示意图；

图5B示出了通过复合PBS装置的示例性P偏振光线路径；

图6A至图6C示出了复合PBS装置的各种实施方式；

图7示出了利用复合PBS装置的准直图像投影仪的另一实施方式的示意图；

图8A示出了表示PBS涂层之间的多次内反射的效果的光线图；

图8B示出了表示对比度相对于介质透射率的曲线图；

图9A示出了表示单个PBS涂层在围绕标称值(nominal)的三个入射角处的光谱性能的一系列曲线图；

图9B示出了表示相反取向上的两个PBS涂层的参考性能的一系列曲线图；

图9C示出了表示具有吸收性间隔层的两个PBS涂层的性能的一系列曲线图；

图10示出了复合PBS装置的各种替选涂覆方法示例；

图11A示出了使用具有衰减层的复合PBS和用于对偏斜光线进行预过滤的第二PBS的投影仪的实施方式；以及

图11B示出了根据本公开主题的另一实施方式的准直图像投影仪的示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开主题。在其他情况下，未详细描述公知的方法、过程和部件，以免使本公开主题模糊。

在整个说明书中，除非另有说明，否则术语“准直光学器件”和“准直透镜”可互换使用，并且是指准直接收到的光的反射透镜或透镜系统，并且其被假设为包括用于偏振旋转的λ/4波片(四分之一波片)。此外，还假设照明透镜包括四分之一波片。

图1A示出了现有技术的紧凑型准直图像投影仪。在该系统中，使用两个单独的PBS：一个PBS照射空间光调制器(SLM)24(例如，LCOS等)，而第二PBS准直图像。来自照明源(未示出)的光10a被偏振器20s过滤成s偏振。PBS 22将s偏振光10b反射到SLM 24上。在偏振调制(通过像素根据图像信息进行调制，使得亮像素被移位到P偏振)之后，具有P偏振的与图像信息对应的反射光10c穿过PBS 22到将P偏振转换成S偏振的波片26上。然后，PBS 28将光10d反射到将准直光10e反射为P偏振的准直透镜30上。然后，光10e朝向出射瞳32透射通过PBS 28。PBS 22和PBS 28具有由于偏角偏斜光线引起的一些光泄漏11a、11b，如下所述。然而，该泄漏离开系统而未进入出射瞳32，并且因此不会使图像对比度劣化或生成重影图像。

相比之下，图1B示出了在SLM 24与透镜30之间具有单个PBS的短有效焦距(EFL)现有技术配置，在该短有效焦距(EFL)现有技术配置中，光泄漏事实上使图像质量劣化。现在参照图1B，来自照明源的光10a被偏振器20p过滤成p偏振，以穿过PBS 22并且撞击在SLM 24上，光在SLM 24处被S调制。然后，光被PBS 22朝向透镜30反射，在该透镜30处被准直，转换成P偏振，并且被引导朝向出射瞳32。该配置的缺点在于，从10a反射的光泄漏34也离开出射瞳32，并且因此降低了图像对比度。该问题可以通过使用高对比度PBS层部分地解决，但是这样做会引入更多的光损失并且可能引入图像失真。

图1C示出了图1B的可能变型，其中结构偏振器20s朝向PBS 22传递S偏振，在PBS22处S偏振被反射到SLM 24上并且被调制为P偏振。然后光穿过PBS 22到达准直透镜30，并且朝向出射瞳反射离开PBS 22。然而，该配置还遭受由到达出射瞳的入射光10a的直接透射引起的光泄露36，并且导致图像质量劣化。

PBS 22、PBS 28通常是反射S偏振光并且透射P偏振光的基于均匀棱镜的电介质涂层偏振器。该类型的PBS根据相对于PBS的顶点的光取向来反射S偏振。换言之，与结构偏振器或“笛卡尔”偏振器相反，PBS的电介质涂层根据与表面的局部相交角度来分离偏振分量。因此，穿过偏振器20s的偏斜光线(即，相对于光轴成角度，并且尤其是具有在图1A中被引导到页面中的重要分量)的偏振具有未与均匀PBS 22、PBS 28的偏振完全对准的偏振取向。这种对准的缺乏导致光泄漏11a、11b。双折射涂覆的偏振器和线栅偏振器与偏振器20s具有较好的交叠，并且因此具有较好的消光比(即，S偏振和P偏振的分离)。遗憾的是，这些偏振器更昂贵，使光衰减，并且将失真引入反射图像。

与其中沿SLM 24与准直透镜30之间的光路径放置两个PBS的图1A相反，在一些情况下，有利的是或事实上需要在SLM 24与透镜30之间仅放置单个物理PBS元件，类似于图1B至图1C。然而，如以上所讨论的，现有技术配置由于偏斜光线或入射光的泄漏而导致图像质量劣化。

根据本公开主题的第一方面，公开了一种短有效焦距(EFL)的紧凑型准直投影仪，其沿SLM与准直光学器件之间的光路径具有单个均匀电介质均匀PBS以及用作入射预偏振器的在先相同的均匀电介质PBS，从而消除了从偏斜光线到出射瞳上的光泄漏。紧凑型准直投影仪最优选地使用无气隙结构。“均匀”指的是光学性质在所有取向上都相同。换言之，“S”和“P”由入射光线方向而不是PBS的性质来限定(并且对垂直入射光线没有偏振效应)。下面在图2A至图4中示出的PBS应该被理解为均匀电介质PBS。在一些特别优选的实施方式中，例如在无气隙结构中，第一PBS和第二PBS可以被涂覆在同一棱镜(例如，单块棱镜)的平行表面上。

应当注意，在本文呈现的许多附图中，描绘光路径的箭头由表示中心光束的箭头描绘。为了视觉清晰起见，省略了其他光束。术语“光路径”包括折叠的光路径。“光路径段”是指光路径的未被其他光学元件折叠的部分，并且可以包括未折叠部分的整体或其子部分。

图2A示意性地示出了紧凑型准直投影仪的实施方式。投影仪接收来自照明源(未示出)的光39b，并且沿光路径朝向出射瞳32传播光。投影仪包括空间光调制器(SLM)24(例如，LCOS等)、准直光学器件30和透射P偏振并反射S偏振的两个平行的电介质涂层偏振分束器(PBS)40a、40b。PBS 40a用作用于消除偏斜光线的入射预偏振器。PBS 40a沿第一光路径段(图2A中被示为光39b)被部署并且限定从第一光路径段到第二光路径段(图2A中被示为光39c)的第一过渡。PBS 40b沿光路径被部署在第一PBS之后并且限定从第二光路径段到第三光路径段(在图2A中被示为光39d)的第二过渡，在这种情况下，第三光路径段终止于SLM处。PBS 40a、PBS 40b被部署成使得第一过渡和第二过渡两者都经由透射来执行，或者第一过渡和第二过渡两者都经由反射来执行。优选地，在PBS 40a、PBS 40b之间不应部署其他光学元件。在第三光路径段中，光39d反射离开PBS 40b并且照射SLM 24。准直光学器件30被部署成准直来自SLM的光，以将准直图像朝向出射瞳32引导。

如图2A所示，来自照明源(未示出)的入射光39b撞击在PBS 40a上。光线39c经由反射被引导朝向另一相同且平行的PBS 40b，而透射光线42(本文中被称为“泄漏”)离开系统而未进入出射瞳32，并且因此对投射的图像的质量影响很小或没有影响。反射光39c(包括偏斜光线)现在已被PBS 40a预过滤，使得光与PBS 40b完全对准。光线39c撞击在PBS 40b上并且朝向SLM 24被反射。光被SLM调制并且然后朝向准直光学器件30透射通过PBS 40b，该光在准直光学器件30处被准直并且被反射回到PBS 40b，以朝向出射瞳32反射。与现有技术配置相反，被PBS 40a过滤的39b中的偏斜光线的偏振现在对于PBS 40b是最佳的(即，处于光学对准中)，并且因此不会发生通过PBS 40b到出射瞳32上的泄漏。换言之，对于偏斜光线的任何特定角度，仅在PBS 40a处针对该特定光线方向反射的偏振的对准才会到达PBS40b，并且该偏振也必然是在PBS 40b处反射的偏振。为了优化该效果，PBS 40a、PBS 40b优选地是基于棱镜的PBS，其在相对于入射平面的倾斜平面上在内部涂覆有均匀电介质涂层并且在投影仪内被定向成使得两个PBS中的涂层平面平行。此外，在两个PBS之间优选地不存在光学扰动，例如胶、波片等。

图2B示出了光线跟踪图，其示出了与图2A所示的投影仪实施方式的图像场中的单个点相关联的光线。图2C示出了另外的光线跟踪图，其示出了在PBS 40a、PBS 40b之间反射的光线39b(此处被表示为41a和41b)。主光线41a(实线)在光轴内被反射。这样，在被PBS40a反射之后生成的线性正交偏振与PBS 40b的偏振一致。偏斜光线41b以不同角度反射并且不一定与PBS轴正交。然而，由于PBS 40a、PBS 40b是平行的，光线41b与PBS 40a之间的相对角度等于光线41b与PBS 40b之间的角度。因此，在从PBS 40a反射时发生泄漏，并且当光线41b撞击在PBS 40b上时，光线41b的偏振对于从40b反射是最佳的，因此在PBS 40b处发生显著减少的泄漏。

应当注意，所公开的投影仪的实施方式可以包括沿光路径部署在第二PBS之后并且在准直光学器件之前的一个或更多个光学元件，和/或沿光路径部署在第一PBS之前的一个或更多个光学元件。此外，投影仪实施方式在不使用SLM的情况下是可能的。例如，在一些实施方式中，投影仪可以包括沿光路径部署在第一PBS之前的扫描模块(例如，激光扫描仪)，该扫描模块被配置成在第二PBS之后并且在准直光学器件之前的图像平面中生成图像。在该实施方式中，与第二PBS之后的SLM不同，投影仪可以包括微透镜阵列、漫射器或反射器。微透镜阵列

图3A示意性地示出了紧凑型准直投影仪的另一实施方式。在该实施方式中，照明还由照明透镜46操纵以实现改进的照明效率。来自照明源(未示出)的光39a被线性结构偏振器20p过滤成具有P偏振。p偏振光透射通过PBS 40a到透镜46上，该透镜46将出射瞳32成像到入射瞳(在该示例中为20p)上。换言之，在特别优选的实施方式中，出射瞳和入射瞳是共轭焦平面。透镜46可以用于例如扫描或高效照明。在从透镜46反射之后，光以S偏振传播，并且首先反射离开PBS 40a以对偏斜光线进行预过滤，然后朝向SLM 24反射离开PBS 40b。在该实施方式中，由偏斜光线引起的通过PBS 40a的光泄漏(虚线箭头)不被引导远离出射瞳32，并且由于在PBS 40a处对偏斜光线进行预过滤，因此在PBS 40b处不发生泄漏。在该实施方式中，第一过渡(39b到39c)和第二过渡(39c到39d)两者分别由PBS 40a、PBS 40b通过反射来执行。

图3B示出了图3A所示的投影仪布置的光线跟踪图。图3C示出了变型配置的另外的光线跟踪图。该配置使用将由照明源500生成的照明图案扫描到SLM 24上的扫描模块507(例如，激光扫描仪等)。在该配置中，使用额外的透镜504来准直来自光源的光。可以作为例如激光器、LED或LED阵列的光源500是s偏振的并且照射PBS 40a。PBS 40a将光转向准直反射透镜502。反射光被改变成P偏振，并且因此返回穿过PBS 40a，以进一步被透镜504的弯曲表面聚焦并且撞击在反射器506上。该反射器位于出射瞳32的图像平面处。在这种情况下，透镜504与反射器506之间的间隙是系统中的仅有气隙。然后，从反射器506反射的光穿过与如以上在图2A中描述的光路径相同的光路径，即到SLM 24上，接着到透镜30上，并且然后到出射瞳32。

图4示意性地示出了紧凑型准直投影仪的另一实施方式。在这种情况下，两个平行PBS 40a、PBS 40b被部署成使得第一过渡(39b到39c)和第二过渡(39c到39d)两者都通过透射而不是反射来执行。来自照明源(未示出)的光39a穿过结构偏振器20s并且作为s偏振光离开偏振器20s。光被PBS 40a反射到透镜46上并且作为P偏振反射回通过PBS 40a和PBS40b到SLM 24上。反射的亮像素(旋转到S偏振)被PBS 40b反射到准直光学器件30上，并且到出射瞳32上。在该实施方式中，并且与现有技术配置相反，光学元件在系统内被定向成使得投影仪的短EFL被保持(由于SLM和准直光学器件的接近)，而由于偏斜光线(如虚线箭头所示)引起的光泄漏也被引导远离出射瞳32。

复合偏振分束器装置

虽然上述投影仪实施方式被示出为利用两个平行PBS，优选地在两个平行PBS之间没有其他光学元件，但是在一些情况下，投影仪可以利用包括由一个或更多个其他层分开的两个PBS涂层平面的复合分束器装置。下面描述的实施方式包括具有补偿层的P偏振层和衰减层。在以下示例中，假设提到的PBS优选地是如上述示例中的均匀电介质涂覆的PBS，但是不限于此，并且事实上在其他实施方式中，这些PBS替选地可以是非均匀电介质(例如，由3M制造的PBS)或者甚至是线栅偏振器。

具有补偿层的复合PBS装置

实际地，电介质分束器涂层的有限效率可能导致一些S偏振透射到出射瞳上并且引起图像对比度的降低。该S透射泄漏可能在1％至20％之间变化，这取决于PBS的角度和涂层性质。将结构偏振器和补偿层结合可以减少或消除S偏振泄漏。

因此，根据本公开主题的另一方面，公开了复合PBS装置的各种实施方式，该复合PBS装置包括两个单块棱镜，分别用于接收输入光(偏振或非偏振的)以及透射输出光。夹(并接合)在单块棱镜的平行平坦表面之间的是：由(结构)P偏振层分开的包括一对平行的PBS的多个平行材料平面；以及作为补偿层的基本上透明的板。补偿层由材料和厚度制成，以至少部分地补偿由于棱镜与偏振器之间的折射率(RI)的差异而通过偏振器引入的光学像差。

在以上和以下的描述中，第一棱镜和/或第二棱镜的表面上的涂层使得在棱镜被接合之后涂层的平面位于第一棱镜与第二棱镜之间被认为是“夹在”棱镜之间。此外，“基本上透明”包括在至少80％的透射率的情况下部分地吸收。“结构偏振器”包括具有固有地限定透射的偏振光的偏振取向的结构的任何偏振元件。假设本文中所提到的结构偏振器具有平行的表面，并且也比PBS涂层更厚(更宽)。

在以下描述中，术语“补偿板”和“透明板”可互换使用。此外，术语“涂层”应该被理解为多层涂层，其中任何给定层可以与任何其他层相同或不同。

在描述装置本身之前，现在将参照图5A说明装置的目的，图5A示出了根据第二方面的紧凑型准直投影仪的实施方式的示意图。除了用复合分束器装置代替PBS 22之外，图5A所示的投影仪布置类似于图1C所示的投影仪布置。复合PBS包括由结构P偏振器54a分开的两个平行PBS涂层40b1、40b2和用作补偿板的基本透明中间层(板)。在这种情况下，与图1C所示的其中假设PBS 22具有有限的效率并且因此泄漏一些S偏振(如图1C中的光线36所示)的配置不同，在此配置中，通过使用具有两个电介质涂层40b1、40b2和电介质涂层40b1、40b2之间的P偏振器54a的复合PBS，基本上抑制了光泄漏52。偏振器54a优选地是结构偏振器，即，在结构偏振器中偏振透射轴由材料的结构特征限定。合适的结构偏振器的示例包括但不限于吸收性偏振滤光器和线栅偏振器。因此，S偏振的泄漏52在到达出射瞳32之前被54a吸收。如图5A中进一步所示，该方面可以可选地包括结构偏振器55，该结构偏振器55透射S偏振并且沿光路径被部署在电介质涂层40b2之后并且在出射瞳32之前，以进一步抑制任何残余P偏振泄漏。

在图5A中，由SLM 24反射的光具有P偏振，并且因此穿过电介质涂层40b1、偏振器54a和电介质涂层40b2。然而，还需要补偿板54b以抑制不然可能由于偏振器54a和棱镜材料的折射率不同而因偏振器54a的厚度引入的光学失真(即像差)。在图5A中，补偿板54b被示出为位于两个电介质涂层40b1、40b2之间，然而这是非限制性的，如将在下面参照图6A至图6C所描述的。补偿板54b可以由具有与棱镜材料和偏振器的折射率不同的折射率的任何合适的透明材料(例如，塑料、玻璃等)制成。补偿板的折射率与棱镜的折射率之间的增量(即，带符号的差)和偏振器的折射率与的折射率之间的增量相比应该具有相反符号。例如，如果棱镜的玻璃具有1.6的折射率，并且偏振器54a具有1.5的折射率(增量为-1)，则透明板54b应当最优选地具有1.7的折射率(增量＝+1)。然而，应当注意，增量的大小不必在所有情况下都相等。板的不同的折射率是可能的，并且板的厚度应当被相应地优化。

所公开的主题的该方面可以有利地单独使用，而无需如图2A至图4所示的配置中那样预先对斜光线进行预滤波，或者可以与其结合使用，如以下将参照图7描述的。

图5B示出了图5A所示的配置的光线跟踪图。光从SLM反射到准直光学器件30上。当光穿过透明板54b时，它向一个方向折射，并且当光穿过偏振器54a时，它向相对方向折射，使得光线沿相同的原始线传播。应当注意，电介质涂层40b1、40b2最优选地与板54b和偏振器54a相邻。

现在参照图6A至图6C，示出了复合PBS装置的各种实施方式。在图6A至图6C的每一个中，为了清楚起见，部件被分开示出，但是本领域技术人员应当理解，在制造期间使用光学粘合剂将各种部件接合在一起。在图6A所示的变型中，电介质涂层40b1、40b2被施加至通过接合两个三角形单块棱镜60、62形成的立方体基底的内表面，其中棱镜60接收输入光，并且棱镜62透射输入光的P偏振分量(如果存在的话)。这样的实现方式是可行的，但是需要棱镜表面的高质量精加工，以使棱镜表面为电介质涂层的施加作准备，并且因此相对昂贵。图6B示出了替选配置，在该替选配置中电介质涂层被施加至偏振器54b。然后，将涂覆的偏振器54b和透明板夹在楔形棱镜60、62之间。在这种情况下，可以使用较低质量的棱镜表面，因为层之间的界面通常填充有光学折射率匹配的粘合剂。在图6C所示的变型中，透明板54a被分成两个较薄的板54a1、54a2，各个板54a1、54a2被放置在偏振器54b的任一侧并且涂覆有电介质涂层40b1、40b2。这些不同的配置具有几乎相同的光学性质，但是生产成本将根据生产方法而变化。

图7示出了与如以上图2A所示的偏斜光线过滤相结合的补偿板54b的实现方式，其示出了如何可以有利地结合使用本发明的这两个方面。

另外的实施方式是可能的，其中实现图3C所示的投影仪布置以结合本发明的这两个方面的特征，其中PBS 40b被优选地实现为参照图6A至图6C描述的结构之一。

具有衰减层的复合偏振分束器装置

现在将参照图8A至图10描述本公开主题的另一方面，其示出了具有用作衰减层的间隔层的复合偏振分束器装置的各种实施方式。根据该方面，公开了复合PBS装置的各种实施方式，该复合PBS装置包括两个单块棱镜，分别用于接收输入光(偏振或非偏振的)以及透射输入光的P偏振分量。在单块棱镜的平坦表面之间夹有(并且接合)由间隔层分开的包括一对平行的电介质偏振分束器(PBS)的多个平行材料平面，该间隔层包括具有约40％至约90％——以及优选地从约50％至约80％——的透射率的光学衰减材料。

可以与迄今为止描述的特征一起使用或者独立于迄今为止描述的特征使用的该方面提供了通过包括部分吸收体(absorber)以抑制谐振来抑制直接照明的替选方法。

通过对该方面的介绍，在试图通过提供由中间层分开的一对平行分束器层来增强PBS中的对比度的情况下，已经发现第二分束器层对消除通过双分束器的S偏振泄漏的贡献相对较小。这可以至少部分地由以下光线来解释，所述光线穿过第一分束器层并且在通过第二分束器层离开之前在中间层内经历多次内反射。

例如，现在参照图8A，假设具有S偏振的入射光线102透射通过棱镜60。在撞击第一PBS涂层40b1时，光线102被反射0.95(即95％)并且被透射0.05(即5％)。通常可以预期，“直通(straight-though)”光线分量106将被衰减(0.05)²(即0.0025)倍。然而，除了直通光线分量106之外，光线102的穿过PBS涂层40b1的其他分量经历中间层100内的一系列多次内反射以及通过第二PBS涂层40b2的多个部分出射，从而引起一系列次要“泄漏”光线分量108，每个次要“泄漏”光线分量108均具有0.05的透射率。应当注意，如下面将讨论的，以上内容是作为简化的示例提供的，并且故意忽略了中间层内的谐振效应。

在以上示例中，一系列次要泄漏光线分量将具有与(0.95)²x(0.05)、(0.95)⁴x(0.05)、(0.95)⁶x(0.05)等或0.045、0.041、0.037等大致对应的强度。泄漏的光线分量的强度总和导致通过第一分束器涂层40b1也穿过第二分束器涂层40b2泄漏的光的比例相对高。

以上解释适用于在涂层之间具有相对大的间距(例如，相对宽的中间层)的分束器涂层对，其中谐振/干涉效应是不相关的。对于波长量级的较小间隔，干涉效应在一些情况下可能导致与会穿过单个分束器泄漏的S偏振相比通过双分束器泄漏的S偏振的比例较大。

相应地，已经发现，源自分束器涂层之间的多次内反射的泄漏分量可以通过在两个分束器之间包括衰减层而不成比例地衰减。通过仔细选择由中间间隔层提供的衰减程度，可以将主信号(例如，图像)的衰减保持在可接受的限度内，同时实现多次内反射的次要泄漏光线的更大的衰减，并且由此实现大大增强的输出图像对比度。这种方法可以应用于非谐振实现方式以及具有紧密间隔的分束器的实现方式(其中，谐振效应是显著的)。

现在将描述该方面的各种示例性实施方式。在图8A中，假设为s偏振(先前描述的)的入射光102进入棱镜80并且从具有反射率Sr1的PBS涂层40b1反射到具有反射率Lr(最大图像强度像素的P偏振强度)的SLM24上。然后，光穿过PBS涂层40b1(透射率Pt1)，通过间隔层(“介质”)100(透射率Mt)，通过PBS涂层40b2(透射率Pt2)，并且离开棱镜82，进入镜(或其他反射透镜)30，并且随后被PBS涂层40b2(反射率Sr2)反射。附带说明，应当注意，如上所述，假设存在与镜30相关联的四分之一波片，以将P偏振转换成S偏振。为了方便起见，出于SLM反射率的目的，已经考虑了由于SLM、镜、四分之一波片和与复合PBS装置不相关的任何其他界面而引起的所有光学损失。

输出光线104的强度透射率可以近似为：

T_out＝Sr1·Lr·Pt1·Mt·Pt2·Sr2

为了简单起见，假设PBS涂层40b1等同于PBS涂层40b2(其也对应于所公开主题的该方面的非限制性但特别优选的示例)，并且因此：

T_out＝Sr²·Lr·Pt²·Mt

不期望的照明包括直接透射光线106和作为光线108耦合出的内部引导光(在PBS涂层40b1、40b2之间)。该内部谐振的总输出照明可以近似为几何级数。为了清楚起见，在下文中，假设非相干求和(没有相位计算)为PBS涂层40b1、40b2的等效性。内部谐振之后的直接照明(光线106、108)的透射率为：

T_direct＝St²·Mt/(1-Sr²·Mt²)

其中，St是S偏振通过PBS层的透射率，并且可以近似为St＝1-Sr。这是无限收敛级数的总和，其中忽略了边缘效应。图像透射率与直接照明之间的比率(对比度)为：

R＝T_out/T_direct＝Sr²·Lr·Pt²·(1-Sr²·Mt²)/St²

显然，随着介质100的透射率Mt降低，对比度提高：

在最大谐振时(如果介质100是完全透明的)：

R(Mt＝100％)＝Sr²·Lr·Pt²·(1-Sr²)/St²

在没有谐振时(如果介质100具有很低的透射率并且实际上没有图像透射率)，对比度收敛到：

R(Mt→0％)＝Sr²·Lr·Pt²/St²

根据本发明，通过设置介质100的中等透射率来实现期望的对比度，该中等透射率引入可接受水平的信号/图像衰减(优选地，衰减小于50％)，以实现增强的S/N比(对比度)。

图8B示出了对比度(y轴)相对于介质100透射率(x轴)的曲线图。如图8B所示，PBS反射率Sr＝95％，PBS透射率St＝5％，PBS透射率Pt＝95％和系统损失(SLM和光学器件)Lr＝50％(值是近似的)。

显然，在没有吸收的情况下，对比度是R(Mt＝100％)＝17(对于成像系统是不可接受的)，而在最小透射率处，对比度是R(Mt→0)＝170(低图像透射率也是不可接受的)。然而，在中等(medium)透射率处，对比度R(Mt＝68％)＝100。这是具有良好对比度和可接受的32％图像损失的最佳系统。根据特定的设计考虑，具有在40％至90％以及更优选地50％至80％的范围内的介质透射率Mt的解决方案具有特定优点。

为了清楚起见，进行了关于非相干而忽略相位的以上描述，并且如果介质100的厚度大于光的相干长度，则以上描述是准确的。实际上，PBS涂层40b1、随后是介质100和PBS涂层40b2可以被生成为具有最小间隙和厚度的连续的涂层序列。例如，介质100可以是吸收镍的薄(例如，几纳米厚)金属层。在这种情况下，当基于在多于一个PBS涂层之间具有吸收体的相同原理时，应当使用考虑相位的数值迭代设计方法。

图9A至图9C示出了对基于由玻璃N-SF57基底构成的棱镜材料的复合偏振分束器装置执行的模拟结果。PBS涂层40b1和40b2是相同的，并且每个由十二(12)层电介质涂层构成。吸收层(介质)由四层适当吸收材料(例如，镍等)的涂层形成。图9A示出了表示单个PBS涂层(40b1或40b2)在围绕标称值的三个入射角处的光谱性能的一系列曲线图。显然，透射率在1％与6％之间，这对于高对比度图像要求是不可接受的。图9B示出了表示如图8A所示的在相反取向上彼此相对放置并且在以下两者之间具有透明薄层的两个PBS涂层(40b1和40b2)的参考性能的一系列曲线图。该相干情况类似于图8B的非相干情况中所示的100％透射率的情况。显然，S透射率在0％与90％之间强烈振荡。这对于高对比度明显也是不可接受的。图9C示出了表示具有吸收层(介质)100的两个PBS涂层(40b1和40b2)的性能的一系列曲线图。校准吸收层的透射率为70％，相当于图8B所示的非相干情况。在这种情况下，平均透射率为约0.15％，相当于C_相干＝300的对比度。这比C_非相干＝100高得多，如可以从相干系统预期的那样。

应当注意，中间吸收层将两个PBS涂层分离为实际上独立的。因此，在两个PBS之间不需要高准确度，因此生产对于公差和不准确性更鲁棒。

优选地，吸收层(介质)100的折射率接近周围棱镜或涂层的折射率。应当注意，与该层的大厚度相关联的折射率的大差异可能引起如以上参照图5B描述的图像失真。然而，如以上参照图5B所述，可以使用补偿层来解决失真效应。

现在参照图10，描述用于生产根据该方面的复合PBS装置的各种替选的涂覆方法示例。示例150示出了一种涂覆方法，其中PBS涂层40b1、40b2被施加至吸收层(介质)100的相对侧，并且吸收层夹在棱镜之间。示例152示出了一种涂覆方法，通过该涂覆方法每个棱镜被涂覆有PBS涂层和吸收层(介质)100的一半厚度的涂层。然后将两个棱镜接合在一起。示例154示出了一种涂覆方法，通过该涂覆方法棱镜之一被涂覆有第一PBS涂层，随后是吸收层涂层，接着是第二PBS涂层。然后将两个棱镜接合在一起。

应当注意，棱镜60、80可以具有与该对平行的电介质涂层平行的外表面(光进入的地方)，并且该表面可以被涂覆有用于对偏斜光线进行预过滤的第三电介质涂层，从而结合了上述本发明的各方面的特征。

图11A示出了根据以上参照图2A至图4描述的原理的投影仪的实施方式，该投影仪使用第三方面的具有衰减层的复合PBS和第一方面的用于对偏斜光线进行预过滤的第二PBS的组合。图11A提供了与图7类似的配置，除了偏振器54a和补偿板54b被衰减层100替换之外。

类似地，图11B示出了投影仪的实施方式，除了偏振器54a和补偿层54b被衰减层100替换之外，该投影仪具有与图5A的配置类似的配置。

在组合的实施方式中，入射光棱镜可以具有与该对平行电介质涂层平行的外表面，光通过该外表面进入。该表面可以被涂覆有第三电介质涂层，从而在单个装置中组合上述本发明的各方面的特征。

尽管本文已经在特别适合于近眼显示器的图像投影系统的背景下描述了本发明，但是应当注意，本发明的该方面广泛适用于期望实现期望偏振的信号与穿过PBS的不期望偏振的噪声之间的增强对比度的任何和所有情况。例如，在图3C中，也可以使用根据本发明的该方面的具有衰减层的复合PBS来实现PBS 40a。

Claims

1.一种准直图像投影仪，所述准直图像投影仪接收来自照明源的光并且沿光路径朝向出射瞳传播所述光，所述投影仪包括：

第一均匀电介质偏振分束器(PBS)，其沿所述光路径被部署并且限定从第一光路径段到第二光路径段的第一过渡；

第二均匀电介质PBS，其沿所述第二光路径段与所述第一PBS平行地被部署并且限定从所述第二光路径段到第三光路径段的第二过渡；以及

准直光学器件，其沿所述光路径被部署在所述第二PBS之后，以将准直图像朝向所述出射瞳引导；

其中，所述第一PBS和所述第二PBS被部署成使得所述第一过渡和所述第二过渡两者都经由透射来执行，或者所述第一过渡和所述第二过渡两者都经由反射来执行。

2.根据权利要求1所述的投影仪，还包括沿所述光路径被部署在所述第二PBS之后并且在所述准直光学器件之前的空间光调制器(SLM)。

3.根据权利要求2所述的投影仪，其中，所述第三光路径段终止于所述SLM处。

4.根据权利要求1所述的投影仪，还包括沿所述光被部署在所述第一PBS之前的一个或更多个光学元件。

5.根据权利要求1所述的投影仪，还包括沿所述光路径被部署在所述第一PBS之前的扫描模块，所述扫描模块被配置成在所述第二PBS之后并且在所述准直光学器件之前的图像平面中生成图像。

6.根据权利要求5所述的投影仪，还包括以下中至少之一：沿所述光路径被部署在所述第二PBS之后并且在所述准直光学器件之前的漫射器、微透镜阵列或反射器。

7.根据权利要求1所述的投影仪，其中，所述第一PBS和所述第二PBS被涂覆在棱镜的相对表面上。

8.一种复合偏振分束器装置，包括：

第一单块棱镜，用于接收输入光；

第二单块棱镜，用于透射输出光，所述第一棱镜和所述第二棱镜具有第一折射率(RI)；以及

夹在所述第一棱镜与所述第二棱镜之间的以下部件：

一对偏振分束器(PBS)涂层，其被施加至由结构P偏振器分开的平行表面，所述偏振器具有与所述第一RI不同的第二RI，以及

第一基本透明补偿板，其具有与所述第一RI和所述第二RI中的每一个不同的第三RI以及厚度，以至少部分地补偿由于所述第一RI与所述第二RI之间的差异而通过所述偏振器引入的光学像差；

其中，所述第三RI与所述第二RI之间的增量和所述第二RI与所述第一RI之间的增量相比具有相反的符号。

9.根据权利要求8所述的装置，还包括具有所述第三RI的第二补偿板，其中，所述第一板和所述第二板具有组合厚度，以至少部分补偿通过所述偏振器引入的光学像差。

10.根据权利要求8所述的装置，其中，还包括接收输入光的所述第一棱镜的外表面上的与所述一对PBS涂层平行的第三PBS涂层。

11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一补偿板位于所述一对PBS涂层中的PBS涂层中的每一个之间。

12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述PBS涂层中至少之一与所述第二棱镜相邻。

13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述一对PBS涂层中的一个PBS涂层与所述第一棱镜相邻，并且所述一对PBS涂层中的另一个PBS涂层与所述第二棱镜相邻。

14.根据权利要求8所述的装置，其中，所述一对PBS涂层、所述偏振器和所述第一板被布置在所述第一棱镜与所述第二棱镜之间，使得所述输入光的P偏振分量遵循以下透射路径：所述透射路径顺序地穿过所述第一棱镜、所述一对PBS涂层中的一个PBS涂层、所述补偿板、所述偏振器、所述一对PBS涂层中的另一个PBS涂层和所述第二棱镜。

15.根据权利要求8所述的装置，其中，所述一对PBS涂层、所述偏振器和所述第一板被布置在所述第一棱镜与所述第二棱镜之间，使得所述输入光的P偏振分量遵循以下透射路径：所述透射路径顺序地穿过所述第一棱镜、所述第一板、所述一对PBS涂层中的一个PBS涂层、所述偏振器、所述一对PBS涂层中的另一个PBS涂层和所述第二棱镜。

16.根据权利要求9所述的装置，其中，所述一对PBS涂层、所述偏振器和所述第一板被布置在所述第一棱镜与所述第二棱镜之间，使得所述输入光的P偏振分量遵循以下透射路径：所述透射路径顺序地穿过所述第一棱镜、所述一对PBS涂层中的一个PBS涂层、所述第一板、所述偏振器、所述第二板、所述一对PBS涂层中的另一个PBS涂层和所述第二棱镜。

17.一种复合偏振分束器装置，包括：

第一单块棱镜，用于接收输入光；

第二单块棱镜，用于透射输出光；以及

夹在所述第一棱镜与所述第二棱镜之间的一对偏振分束器(PBS)涂层，所述一对偏振分束器(PBS)涂层被施加至由间隔层分开的平行表面，所述间隔层包括具有约40％至约90％的透射率的光学衰减材料。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述间隔层是非偏振的。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述光学衰减材料具有约50％至约80％的透射率。

20.一种准直投影仪，包括根据权利要求8所述的复合偏振分束器装置。

21.一种准直投影仪，包括根据权利要求17所述的复合偏振分束器装置。