CN1568437A - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理辐射的光学装置，所述装置包括偏振光分束器(4，6，10，16)和设置为分别处理不同辐射成分的特性的多个辐射处理部件(8，18，20)，其中偏振光分束器包括具有第一和第二侧面的线栅偏振器，邻近偏振器一个侧面设置的第一透明板，和邻近另一个侧面设置的第二透明板。所述第一和第二板的每一个具有基本上相等的光学厚度轮廓。

Description

光学装置
技术领域
本发明涉及用于处理辐射的光学装置，尤其但不专门涉及彩色投影装置，以及涉及偏振光分束器。
背景技术
彩色投影系统在现有技术中是已知的。已经提出其中使用液晶硅(LCOS)微显示器的如背投电视，背投监视器和正面投影系统的消费品。存在与三个LCOS板一起使用的几种光学体系，这三个LCOS板分别用于红色，绿色和蓝色。在紧凑和节省成本的系统中实现高对比度仍然是一个问题。
一种由Color Link提出的称作Color QuadTM体系的现有体系使用以正方形排列的四个偏振光分束器立方体，连同由同一公司生产的如Color SelectTM板的选择性起偏延迟板，来实现LCOS投影系统中必要的颜色分离和偏振功能。系统以高对比度工作，但是偏振光分束器立方体相对比较昂贵，并且为了获得高对比度需要补偿紧接着每个LCOS板的延迟器的斜交角。另外，由于安装或温度引起的应力，偏振光分束器立方体经历应变双折射，进一步降低对比度和对比均匀度。一种用于可见光谱的宽频带线栅偏振器记载在美国专利US-A-611103中，已转让给Moxtek。Moxtek公司生产可以用作分束器的线栅偏振器。论文“一种基于线栅偏振器的改进的偏振光分束器LCOS投影显示装置”(Amold和Gardner，SID01 Digest，2001)描述了使用线栅偏振器用于投影透镜设计体系。在该论文中，提出使用线栅偏振器，并且该论文描述了在非准直光束下由倾斜板产生的像散作为这种系统中的一个问题。
本发明的目的是提供关于这些已知装置的改进。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于处理辐射的光学装置，所述装置包括偏振光分束器以及设置为分别处理不同辐射成分的特性的多个辐射处理部分，其中偏振光分束器包括具有第一和第二侧面的选择性反射偏振器，邻近偏振器的一个侧面放置的第一透明板，以及邻近另一侧面放置的第二透明板，其中分束器的基本上所有的偏振作用都由选择性反射偏振器来提供。
本发明的这一方面提供一种装置，其中可以利用板形偏振器如线栅偏振器的功能性，但是对于穿过分束器的每个不同的光路，在该装置中的光程长度和产生的像散(如果有的话)可以基本上相等。优选地，光学厚度轮廓，即根据该两个元件之间折射率的任何差值调整的横截面基本上相同。然后可以将各成分混合，或在无成分附带基本上不同的系统误差的情况下以类似方式进行处理，可以证明所述系统误差非常难以进行随后的校正。
此外，通过将透明元件放置在选择性反射偏振器的每一侧面以及具有基本上平面的板，优选具有相等的厚度，可以明显降低由于机械和热引起的应力而导致的应力双折射效应。
根据本发明的另一方面，提供一种偏振光分束器，包括具有第一和第二基本上为平面的侧面的平面反射偏振器，邻近偏振器一侧放置的第一透明板以及邻近偏振器另一侧放置的第二透明板，其中分束器的基本上所有的偏振作用都由平面反射偏振器来提供。优选地，所述第一和第二板的每一个都具有基本上相等的厚度。
这一方面提供在本发明第一方面的装置中所用的分束器。
根据本发明的另一方面，提供一种用于处理辐射的光学装置，所述装置包括一个偏振光分束器和设置为分别处理不同辐射成分的特性的多个辐射处理部分，其中偏振光分束器包括具有第一和第二侧的线栅偏振器，邻近所述第一侧面放置的第一透明元件，该元件与线栅偏振器的基本上全部所述第一侧面接触，邻近所述第二侧面放置的第二透明元件，该元件与线栅偏振器的基本上全部所述第二侧面接触。
本发明的这一方面提供一种使用线栅偏振器作为偏振光分束器的装置，其中可以稳定地获得线栅偏振器表面的平面度，甚至在该两个元件和该线栅偏振器本身中的一个或多个的机械和热引起应力的过程中。
本发明其他方面的更多特征和优点从下面结合附图对本发明的优选实施例的详细描述中显而易见。
附图说明
该图是根据本发明一个实施例的彩色视频投影装置的示意图。
具体实施方式
该图示出根据本发明一个实施例的彩色视频投影仪调制设备。根据本发明这一实施例的彩色视频投影仪包括与辐射发射器一起的调制装置，所述辐射体没有示出，其以入射光(I)的形式发射基本的白光，和其它光学部件所述更多光学部件也没有示出，它们通常包括用于将输出光束向投影仪屏幕投射的输出透镜。
调制装置包括绿/品红延迟板2，所述延迟板包括用于选择性地起偏入射光束的双折射层，通常是被平面偏振，从而产生第一成分和第二成分，所述第一成分基本上专门由光谱中绿色部分的波长组成，并具有第一偏振，所述第二成分基本上全部由光谱中品红部分的辐射组成，该成分被垂直偏振。第一偏振光分束器4通过向第二偏振光分束器6反射绿色成分并透射第二成分来分开不同的成分。第二偏振光分束器6朝液晶硅(LCOS)辐射调制板8反射基本上所有的入射辐射，该板根据应用于液晶矩阵(liquid crystal matrix)的绿色视频信号来调制入射辐射束。随着这种调制，光束的偏振被旋转90°，反射的光束穿过偏振光分束器6向第三偏振光分束器10透射，该第三偏振光分束器向类似于绿/品红延迟板2的绿/品红延迟板12透射绿色成分，从而产生部分输出光束(O)。由第一分束器4透射的品红成分朝红/蓝延迟板14透射，该板选择性地使入射光的绿色和蓝色部分起偏，从而产生具有垂直偏振的红色和蓝色成分。然后第四偏振光分束器16选择性地反射不同成分，即向第二调制LCOS板18反射红色成分，该板18根据应用于液晶矩阵的红色视频信号来调制入射光束，反射该入射光束并使其偏振旋转。然后反射的光束穿过第四偏振光分束器16朝类似于红/蓝延迟板14的第二红/蓝延迟板22透射，并透射到第三偏振光分束器10上，光束的红色成分在这里朝延迟板12反射，从而形成部分输出光束(O)。
光束的蓝色成分通过偏振光分束器16朝第三LCOS光调制板透射，该调制板根据应用于其液晶矩阵的蓝色视频信号调制光，将光的偏振旋转90°并朝第四偏振光分束器16反射，在这里蓝色成分向红/蓝延迟板22反射，延迟板朝第三偏振光分束器10透射蓝色成分，第三偏振光分束器10朝绿/品红延迟板12反射蓝色成分，形成输出光束(O)的剩余部分。
根据本发明的一个实施例来构建每个偏振光分束器4，10，16。在该实施例中，偏振光分束器用板形偏振器形成，该偏振器呈线栅偏振器形式，并夹在彼此平行设置的两块基本上一样的透明板之间。每个透明板可以用如玻璃的物质形成。线栅偏振器可以例如在一个玻璃板上形成，该玻璃板构成其基底，然后可以在其整个表面或其边缘周围将第二玻璃板粘到支撑线栅偏振器的第一玻璃板上。在两个板之间的整个表面上使用粘合剂不会使两个板之间包括空气接触面。否则，如果两个板在表面周围粘附，那么包括线栅偏振器的中心区可能含有空气接触面。无论如何，每个板在其各自的两个侧面的基本上所有面积上与线栅偏振器接触。两个板优选在其一个或两个主要表面上带有抗反射涂层，以便使进入偏振光分束器，从中射出以及在其中的透射损耗最小。
选择相对较薄的透明板，优选小于5mm。优先选择厚度在0.5和2.5mm之间，特别是1mm或2mm的板。通过利用根据本发明的偏振光分束器，通过选择这样薄的板可以明显减小偏振光分束器的透明材料中的光程长度，使像散和应力双折射作用变得更小，产生一种性能得到改进的系统，尤其是在高流明系统中，特别提供更高的对比度。
调制装置优选还包括光学部件结构(未示出)，该结构用于补偿由透明板产生的输出光束(O)中的像散。所述结构可以包括以斜角设置在光路中的在输出透镜中的轴向偏移球面透镜元件，和/或光学厚度等于透明板中合成的光程长度的板，从而提供如透明板引入的像散的相反的量。
应该注意到，利用线栅偏振器提供在任何LCOS板不需要补偿延迟器的斜交角的优点。
虽然在图中示出的实施例中，四个偏振光分束器的每个依照本发明的实施例进行设置，但是在另一布置中，调制装置可以包括一个或多个其他已知类型的偏振光分束器。例如，第一偏振光分束器4和/或第三偏振光分束器可以由常规的立方体型偏振光分束器来代替。第二偏振光分束器和第四偏振光分束器的每一个可以用常规的立方体型偏振光分束器代替。然而，如果使用这种偏振光分束器，那么使用一个或多个用于补偿位于每个LCOS板前的斜交角是必要的，其中LCOS板接收已经穿过立方体型偏振光分束器的辐射。此外，第三偏振光分束器10可以用能够透射绿色光成分并反射蓝色和红色光成分的分色镜来代替。
在每一个可选择的实施例中，应该知道，利用根据本发明这一实施例的偏振光分束器能够保证光程长度以及由每个偏振光分束器处理的不同成分而产生的像散相等。然而，不是所有的四个分束器都需要包括关于起偏板每一侧面而面对称的透明板。例如，如果第一分束器4的后面板设置为非平面的(non-planar)，那么前面板和后面板之间的这种不对称可以通过在第二分束器6的后面板中引入类似的非平面性来进行补偿；在这种情况下，各个光束的对应部分中的所有光学成分经过相同的光程长度，并具有相同程度的像散，此时将各光束合成从而形成输出光束。这是因为所讨论的所有成分只穿过板一次，更特别地是穿过相同的次数。在第四分束器的情况下，不能以类似的方式补偿这种不对称，因为尽管红色光束只穿过后面板一次，但是蓝色光束穿过两次，并且这些光束在分束器内部混合。但是，可以接受微小程度的不对称，这取决于所需要的图像质量。实际上，微小程度的不对称可能是有益的。在另一种布置中，两个板可以按不平行的排列来安装，其中一个板作为线栅偏振器的基底，相对于光轴45°取向设置，另一个分开的板设置为其外表面呈小角度，假定小于10°，更优选地小于5°。根据这种布置，通过使第一表面反射偏离主要光束路径而提高输出光束的对比度。尽管线栅偏振器保持以45°取向设置，通过在至少一个板的横截面中引入微小程度的锥度可以达到类似的效果，从而使其外表面相对于与光轴成45°的角有角度地偏移一个类似的小角度。
在所述布置中，第一板在邻近一个侧面设置，并在该侧面的基本上全部面积上接触线栅偏振器，第二透明板在邻近其另一个侧面设置，并在该侧面的基本上全部面积上接触线栅偏振器。其效果是向偏振器表面提供一致和稳定的平面度。这一效果相对于第三分束器10和第四分束器16特别有益；在辐射已经成像到LCOS板之后两个分束器反射所述辐射，因此这些反射表面的平面度尤其重要。
尽管两个透明板的每一个优选是平面的，但是可以在这两个板中之一或每一个上提供一定程度的非平面度。尤其是，板的外表面可以不与板的中心面精确平行。非平面度可以采取如上所述的角取向和/或表面的镜头成形的形式。板优选仍然保持基本上是平面，板的厚度变化限制为小于板宽度的十分之一，以便达到提高输出光束的对比度的效果。
尽管优选两个透明板的厚度或者在非平面度的情况下其平均厚度基本上相等，但是如果例如不同的更多补偿光学元件置于辐射束各个成分中，那么可以采用完全的厚度差，假定100％。但是，根据辐射束的每个光路中的类似的光学成分，优选每个板的厚度基本上相等，也就是说在板的厚度之间存在小于10％的不同，更优选小于5％。
在上述实施例中，偏振光分束器的偏振作用完全由线栅偏振器本身提供。也就是说，偏振器每一侧的板自己不具有偏振作用。但是如果需要，板也可以具有一些偏振作用。然而，优选分束器的基本上所有的偏振作用也就是说至少90％的偏振作用由偏振器提供，以便限定有效的平面，在该平面中发生分束器提供的大部分反射，由此得到改进的系统中的对比度。
上面实施例应理解为本发明的说明性示例。可以设想本发明的更多实施例。例如，类似于已经示出的装置可以用于彩色摄像机的辐射处理装置中，其中用辐射探测器如电荷耦合器件(CCD)代替辐射调制器。应该知道，关于一个实施例所描述的任何特征也可以用于其他的实施例。此外，也可以采用上面没有描述的不背离本发明范围的等价物和修改，本发明的范围由附加的权利要求来限定。

Claims (21)

1.一种用于处理辐射的光学装置，所述装置包括偏振光分束器以及设置为分别处理不同辐射成分的特性的多个辐射处理部分，其中偏振光分束器包括具有第一和第二侧面的选择性反射偏振器，邻近偏振器的一个侧面放置的第一透明板，以及邻近另一侧面放置的第二透明板，其中分束器的基本上所有的偏振作用都由选择性反射偏振器来提供。
2.根据权利要求1的光学装置，其中所述第一和第二板基本上是平面的。
3.根据权利要求1或2的光学装置，其中所述第一和第二板具有基本上相等的光学厚度轮廓。
4.根据前面任一项权利要求的光学装置，其中所述板的每一个基本上用相同的材料来制造。
5.根据前面任一项权利要求的光学装置，其中选择性反射偏振器包括线栅偏振器。
6.根据前面任一项权利要求的光学装置，其中所述分束器设置为接收入射角基本上等于45°的入射光束。
7.根据前面任一项权利要求的光学装置，其中所述偏振光分束器设置为接收第一成分的光束，向第一处理部件反射至少一部分第一成分的光束，并且当从第一处理部件反射时透射大部分反射的光束。
8.根据前面任一项权利要求的光学装置，其中所述偏振光分束器设置为接收入射光束并将该入射光束分成不同成分的光束。
9.根据权利要求1至6中任一项的光学装置，其中所述偏振光分束器设置为接收不同成分的光束并将这些成分的光束合成而形成一个输出光束。
10.根据前面任一项权利要求的光学装置，其中所述第一和第二元件显示其外表面设置的角度差。
11.根据前面任一项权利要求的光学装置，其中所述装置包括第二偏振光分束器，该第二偏振光分束器包括具有第一和第二侧面的第二选择性反射偏振器，邻近第二偏振器的一个侧面放置的第三透明板，以及邻近另一侧面放置的第四透明板，其中第二分束器的基本上所有的偏振作用都由第二选择性反射偏振器来提供。
12.根据权利要求11的光学装置，其中所述第一，第二，第三和第四板中的每一个都具有基本上相等的光学厚度轮廓。
13.根据权利要求7和11或7和12的光学装置，其中所述第二偏振光分束器设置为接收第二成分的光束，向第第二处理部件反射至少一部分第第二成分的光束，并且当从第二处理部件接收反射时透射大部分反射的光束。
14.根据权利要求8和11或8和12的光学装置，其中所述第二偏振光分束器设置为接收不同成分的光束并将这些成分的光束合成而形成一个输出光束。
15.根据权利要求11至14中任一项的光学装置，进一步包括第三和第四分束器，所述第一，第二，第三和第四分束器中的每一个都设置为相对于通过该装置处理的光束的光路基本上成45°角，并且相对每个邻近分束器以基本上90°的间隔。
16.根据前面任一项权利要求的光学装置，其中所述辐射处理部件包括液晶硅(LCOS)辐射调制板。
17.根据前面任一项权利要求的光学装置，进一步包括用于补偿由所述透明板导致的像差的光学部件结构。
18.一种偏振光分束器，包括具有第一和第二基本上平面的侧面的平面反射偏振器，邻近偏振器一个侧面设置的第一透明板和邻近另一侧面设置的第二透明板，其中分束器基本上所有的偏振作用都由平面反射偏振器来提供。
19.根据权利要求18的偏振光分束器，其中所述第一和第二板中每一个是基本上平面的，并具有基本上相等的厚度。
20.根据权利要求18或19的偏振光分束器，其中所述偏振器是线栅偏振器。
21.一种用于处理辐射的光学装置，所述装置包括一个偏振光分束器和设置为分别处理不同辐射成分的特性的多个辐射处理部分，其中偏振光分束器包括具有第一和第二侧的线栅偏振器，邻近所述第一侧面放置的第一透明元件，该元件在所述第一侧面的基本上全部面积上接触线栅偏振器，邻近所述第二侧面放置的第二透明元件，该元件在所述第二侧面的基本上全部面积上接触线栅偏振器。
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