CN208953803U - 具紧凑型准直图像投影仪的光学系统 - Google Patents

具紧凑型准直图像投影仪的光学系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种光学系统(100)包括图像准直型棱镜(102)，图像准直型棱镜(102)具有多个外表面，与外表面相关联的分别有：一偏振源、反射型显示装置(70)；至少一光波准直构件(16)及一光波出射表面(20)。一偏振选择型分束器配置(10)被布署在倾斜于光波入射表面(8)的一平面上的棱镜(102)内。反射型显示装置通过被反射自偏振选择型分束器配置(10)的光被照射，并且产生相应相应于图像的多个亮区的偏振的旋转。来自反射型显示装置(70)的一图像通过偏振选择型分束器配置(10)被选择性地传送、通过光波准直构件(16)被准直、从偏振选择型分束器配置(10)被反射，并且通过出射表面(20)被投射。在一些实现方案中，额外的偏振器位于或邻近入射表面，以助于优化消除不想要的多个照射射线。

Description

具紧凑型准直图像投影仪的光学系统
技术领域及背景技术
本实用新型涉及多种光学系统，特别是涉及具一紧凑型准直图像投影仪的一光学系统。
诸多头戴式显示器(HMDs)领域特别需要诸多紧凑型光学装置(compact opticaldevices)，其中一光学模块执行图像生成(一“成像器”)并将所述图像准直到无穷远处(collimation of the image to infinity)等多种功能，以传递到一观察者的眼睛。所述图像可以从一显示装置(display device)被获得，或者直接从一空间光调制器(SLM)被获得，诸如从一阴极射线管(CRT)、一液晶显示器(LCD)、一硅基液晶投影显示器(LCoS)、一数字微镜装置(DMD)、一OLED显示器、一扫描源或诸多类似装置，或者，通过一中继透镜装置或一光纤束装置(means of a relay lens or an optical fiber bundle)间接地获得。由一像素阵列构成的所述图像通过一准直布置(collimating arrangement)聚焦到无限远处，并且所述图像通常通过一反射型表面(reflecting surface)或一部分反射型表面(partially reflecting surface)充作一组合器，而被传送到所述观察者的眼睛中，分别用于诸多非透视(non-see-through)应用及诸多透视(see-through)应用。通常地，一种传统的自由空间光学模块(free-space optical module)被用于这些目的。
随着所述系统的期望的视野(field-of-view，FOV)增加，这种类型的传统光学模块变得更沉重及更笨重，因此即使对于一适度性能装置(moderate performance device)也是不切实际的。这是各种显示器的一主要缺点，尤其是在诸多头戴式应用中，所述系统必须尽可能的轻巧。
对紧凑性的追求导致几种不同的复杂光学解决方案，其中许多在大多数实际应用中仍然不够紧凑，并且同时在成本、复杂性及可制造性方面遭受影响。在一些情况下，在全范围的光学视角可见的所述眼动盒(EMB)是小的，例如：小于6毫米(mm)，光学系统的渲染性能(rendering performance)对光学系统相对于所述观看者的眼睛的甚至很小的移动是敏感的，并且不能适应充足的瞳孔运动，以便从这样的显示器舒适地阅读文字。
对诸多HMD及诸多近眼显示器(near-eye displays)的特别有利的一系列解决方案可从(以色列商)鲁姆斯有限公司(Lumus Ltd.)商购获得。通常采用具有诸多部分反射表面的诸多光导基板(波导)或其他适用的诸多光学元件，以将一图像传递给一用户的眼睛。在以下PCT专利公开案中描述鲁姆斯有限公司(Lumus Ltd.)技术的各个方面，通过引用结合于此作为本实用新型的相关背景：WO 01/95027、WO 2006/013565、WO 2006/085309、WO2006/085310、WO 2007/054928、WO 2008/023367及WO 2008/129539。
实用新型内容
本实用新型是具一紧凑型准直图像投影仪的一光学系统。本实用新型的某些更佳实施例为宽广的FOV及相对大的EMB值提供一简单及紧凑的解决方案。产出的所述光学系统可以被实现以提供一大的、高品质的图像，所述图像也适应眼睛的大范围运动。
根据本实用新型的一实施例的教示，一种光学系统被提供，包括：(a)一图像准直型棱镜(image-collimating)，包括一光波透射材料(light-wave transmittingmaterial)，所述棱镜具有多个外表面，所述多个外表面包括一光波入射表面(light-waveentrance surface)及一光波出射表面(light-wave exit surface)、一图像显示表面(image display surface)及一准直表面(collimation surface)，一偏振选择型分束器配置(polarization-selective beam splitter configuration)被布署在所述棱镜内，所述棱镜位在倾斜于所述光波入射表面的一平面上；(b)一偏振光源(source of polarizedlight)，与所述光波入射表面相关联；(c)一反射型显示装置(reflective-displaydevice)，与所述棱镜的所述图像显示表面相关联，所述反射型显示装置产生相应相应于一图像的一反射光(reflected light)的一空间调制(spatial modulation)，所述反射型显示装置通过来自所述偏振光源且被反射自所述偏振选择型分束器配置的光而被照射，所述反射型显示装置被配置成使得所述图像的多个亮区(bright regions)相应的所述反射光具有相对于所述偏振光源旋转的一偏振度(polarization)；(d)至少一延迟板(retardation plate)，与所述准直表面的至少一部分相关联；及(e)至少一光波准直构件(light-wave collimating component)，覆盖于所述延迟板的至少一部分，使得来自所述反射型显示装置的一图像通过所述偏振选择型分束器配置被选择性地传送、通过所述光波准直构件被准直、从所述偏振选择型分束器配置被反射，并且经由所述光波出射表面被投射。
根据本实用新型实施例的另一个特征，所述棱镜的所述光波入射表面与所述光波出射表面平行。
根据本实用新型实施例的另一个特征，在所述棱镜相邻的所述多个表面之间的至少一角度是非正交的(non-orthogonal)。
根据本实用新型实施例的另一个特征，所述棱镜是一个长方体棱镜，在一种情况下，是一个正方形长方体棱镜(square cuboid prism)。
根据本实用新型实施例的另一个特征，所述偏振选择型分束器配置为一线栅型分束器(wire grid beam splitter)。
根据本实用新型实施例的另一个特征，所述偏振选择型分束器配置为一复合型分束器配置(compound beam splitter configuration)，所述复合型分束器配置包括：(a)一第一分束器元件(first beam-splitter element)，最接近于所述偏振光源；(b)一吸收型偏振器(absorptive polarizer)；及(c)一第二分束器元件(second beam-splitterelement)，最接近于所述光波准直构件。
根据本实用新型实施例的另一个特征，所述第一分束器元件为一线栅型分束器。
根据本实用新型实施例的另一个特征，还提供一出射偏振器(exit polarizer)，所述出射偏振器与所述棱镜的光波出射表面相关联，所述出射偏振器相对于所述吸收型偏振器被交叉定向，以确保消除来自横越所述吸收型偏振器的所述偏振光源的任何照射。
根据本实用新型实施例的另一个特征，所述反射型显示装置包括一硅基液晶投影显示器(liquid-crystal-on-silicon display)。
根据本实用新型实施例的另一个特征，还提供一光导基板(light-guidingsubstrate)，所述光导基板具有：至少二相互平行的主要表面，及一光波输入孔(light-wave input aperture)，其中所述光波输入孔被光学地耦合(optically coupled)到所述棱镜的所述光波出射表面。
根据本实用新型实施例的另一个特征，所述光透射基板包含至少一部分反射型表面，所述部分反射型表面在相对于所述多个主要表面以一倾斜角度在所述基板内延伸。
根据本实用新型实施例的另一个特征，所述至少一延迟板包括一第一延迟板(first retardation plate)及一第二延迟板(second retardation plate)，所述第一延迟板具有对齐一偏振轴线(axis of polarization)的一快轴线(fast axis)，所述第二延迟板具有对齐一偏振轴线的45度角的一快轴线。
如在说明书及权利要求书中使用的术语“光导(light-guide)”是指任何光传输体，更佳光传输固体，其也可以被称为“光学基板(optical substrates)”。
附图说明
这里仅通过举例的方式参照附图描述本实用新型，其中：
图1是根据本实用新型的一实施例被建构及运作的提供一紧凑型准直图像投影仪的一光学系统的一示意性分解平面图；
图2是将图1的所述光学系统通过添加一出射偏振器(exit polarizer)进行修改的一示意性分解平面图；
图3是类似于图2以图解说明从一光源到达所述图像投影仪的一输出的不想要的辐射(unwanted radiation)的一潜在路径的一示意图。
图4是图2的所述光学系统进一步被分解以示出包括多个偏振元件的一偏振选择型分束器配置(polarization-selective beam splitter configuration)的一更佳实现方案的诸多细节的一示意性分解平面图。
图5是类似于图4以图解说明从一光源到达所述图像投影仪的一输出的不想要的辐射的一潜在路径的一示意图。
图6是示出对于诸多偏振元件的各种不同组合的一非期望的光信号的透射变化作为偏离平面偏斜光束角(out-of-plane skew-beam angle)的一函数的一图形；
图7是图1、2及4的光学系统在将不同零件组装成一个整体结构后的一示意性平面图；
图8是包括有图7的装置的一光学系统被耦合到一光导基板的一示意性平面图；
图9是类似于图7的一光学系统以非矩形几何形状(non-rectangular geometry)实现的一示意性平面图；及
图10是以图解说明在背景噪声的显示对比度之间的一关系的一图形。
具体实施方式
本实用新型是具一紧凑型准直图像投影仪的一光学系统，所述紧凑型准直图像投影仪被耦合到一光导基板。
参考附图及所附描述可以更好地理解根据本实用新型的光学系统的原理及操作。
现在参照图1、2、4及7至8，以图解说明根据本实用新型的各个方面被建构及运作且整体被标示为100的一光学系统的各种实现方案。一般而言，系统100包括一图像准直型棱镜(image-collimating prism)102，所述图像准直型棱镜102由一光波透射材料形成，所述光波透射材料具有多个外表面，包括一光波入射表面8、一光波出射表面20、一图像显示表面12及一准直表面18。一偏振选择型分束器配置10(polarization-selective beamsplitter configuration)(其可以简称为“PBS 10”)被布署在所述棱镜102内，并位在倾斜于所述光波入射表面8的一平面上。
一偏振光源，在此示为一光源62与一偏振器4的一结合，所述偏振光源与所述光波入射表面8是相关联的。与所述棱镜的所述图像显示表面相关联的一反射型显示装置、所述反射型显示装置70、产生相应相应于一图像的一反射光的一空间调制，是与所述图像显示表面12相关联的。反射型显示装置70被从分束器配置10反射的偏振光源的光照射。反射型显示装置70被配置为使得与一期望图像(desired image)的一亮区相相应的所述反射光具有相对于所述偏振光源旋转的一偏振度。因此，如前述图式所示，偏振照射(polarizedillumination)通过入射表面8以一第一偏振的方式进入棱镜102，所述第一偏振通常为相对于分束器配置10的一s偏振(s-polarization)，并且所述偏振照射被反射而朝向图像显示表面12，在图像显示表面12处撞击在反射型显示装置70上。相应相应于所述图像的诸多亮区的诸多像素以被调制的旋转偏振(典型为p偏振，p-polarization)被反射，使得来自诸多亮像素的辐射光通过所述分束器配置10被透射并且到达准直表面18，在准直表面18处，所述辐射光穿过至少一个延迟板(retardation plate)，所述延迟板更佳为一四分之一波板(quarter-wave plate)14，所述四分之一波板14与所述准直表面的至少一部分相关联，所述辐射光入射于覆盖所述延迟板的至少一部分的至少一光波准直构件16，并且通过四分之一波板14被反射回来。此双重光波穿过被与多个偏振轴线(polarization axes)的45度角的一快轴线(fast axis)对齐的一四分之一波板14以旋转所述偏振度(例如：将所述p偏振转换为s偏振)，使得所述准直图像照射在分束器配置10被反射而朝向出射表面20。
在本实用新型的特别更佳的但非限制性应用的一组应用中，图像准直棱镜102的光波出射表面20被光学地耦合到一光导基板(light-guiding substrate)36的一光波输入孔，所述光导基板36具有至少二相互平行的主要表面32及34。在这种情况下，来自反射型显示装置70且被在分束器配置10中反射的光源照射的一图像，通过准直构件16被准直，并且从分束器配置10被反射，以便穿过出射表面20并进入所述光导基板36的所述输入孔，从而通过内部反射在所述基板内传播。
在这个阶段，可以理解的是，本实用新型提供一个特别有利的光学系统。具体地，通过采用单一偏振选择型分束器配置10来向反射型显示装置70传递照射，并且将来自准直构件16的被准直光线反射到出射表面20，这是可能完成的具有特别短的焦距的准直棱镜102的一高度紧凑的实现方案，与现有技术的装置通常需要用于这两个功能的两个分离的棱镜组件相比，这对于为了一给定尺寸的反射型显示装置提供一宽FOV显示器而言可能是有利的。
在此定义的所述紧凑配置的一个结论是，在某些实现方案中，所述照射源与所述棱镜的所述出射孔是相对的。这在某些情况下，可能需要特殊的预防措施，以确保没有光源照射通过所述分束器离开所述出射孔而泄漏到达所述光导基板，这会增加噪声并降低图像对比度。下面描述的各种实施例揭露各种特别更佳的实现方案，其中诸多元件被提供以改进照射辐射的消光性(extinction)，即使在高“偏斜光束(skew beam)”诸多角度处，也不会到达所述光导基板。
本实用新型的各种特别更佳的实现方案利用的事实是：在一些空间光调制器(SLM)微型显示器来源中，诸如诸多LCD或LCOS显示器，所述运作是基于入射在所述装置上的偏振光，所述装置是以不同的偏振度状态被反射的。诸多非偏振反射型SLM也可以通过在所述SLM的入口处增加一四分之一波板而被使用。这也将这些类型的SLM转变成偏振旋转的SLM，以适用于本实用新型的所述多个装置，因为通过在所述入射及出射路径中的所述四分之一波板的该光束的所述双重路径旋转所述光束偏振度。
在以下描述中，将参考LCOS作为反射及偏振旋转微型显示器的一示例，但是应该注意，这仅仅是非限制性示例，而被称为“反射型显示装置”的其他偏振旋转微型显示器也是适用的。
所述准直棱镜102是基于二棱镜，所述二棱镜在图1中被标记为6及22，在图中，在所述二棱镜6与22之间被设在斜边上的至少一个设有一偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器形成偏振选择型分束器配置10的至少一部分，偏振选择型分束器配置10反射所述s偏振及透射所述p偏振。该些棱镜的两个斜边被彼此胶接，以形成一个胶接的准直棱镜组件(cemented collimating prism assembly)。这种单一的胶合棱镜被用于该LCOS的照射，也用于所述LCOS的准直。
胶合的棱镜102的几何形状可以根据应用而变化，并且不一定基于诸多正交表面。在某些较佳实现方案中，所述棱镜的光波入射表面8及光波出射表面20是平行的。在某些特别更佳的实现方案中，所述棱镜是一长方体棱镜，即具有彼此正交的诸多矩形面，并且在此以图说明的某些特别更佳的示例中，这是一正方形长方体棱镜，其中每个棱镜6及22具有一45度直角的横截面形状。取决于特别应用的诸多细节，可能更佳的是使用诸多非正交棱镜表面，以及，用45度以外的角度被布署的诸多偏振型分束器装置。一非矩形装置的一非限制性示例在图9中被示出。除了直接由所述不同的非矩形几何形状造成的诸多变化以外，图9的结构及功能与图1相似，类似的元素被类似地标记。
可以来自一LED、一雷射或任何其他光源62的入射光束2穿过一线性偏振器4，如图1所示。线性偏振器4在光源62自体偏振的情况下是不需要的，但是进一步确保所述偏振照射的高品质仍然是有利的。所述入射光束2相对于PBS 10的所述表面是线性s偏振的，如图1所示。如图中所示，来自所述光源的所述s偏振输入光波2通过它的入射表面8被耦合到棱镜102中(这可以被认为是由棱镜6与22之间具备PBS 10而被建构成的“光导”光学装置)，所述棱镜102由光波透射材料组成。在从PBS 10被反射以后，所述光波通过棱镜6的一外表面12被耦出所述基板。所述多个光波被该LCOS元件70反射，所述LCOS元件70将所述亮度图像信号的所述s偏振转换为p偏振。所述p偏振光波通过表面12再次进入所述光学元件6。现在，所述多个p偏振的光波通过PBS 10，然后通过所述棱镜22的所述外表面18被耦出所述光导。所述多个光波然后通过至少一个四分之一波长的延迟板14被一反射与准直型光学元件16反射，例如：被一球形准直镜反射，而返回再次穿过所述延迟板14，并且重新进入通过外表面18的光导。最为更佳地，二延迟板被使用，它们的快轴线分别与所述偏振轴线成0°及45°。此双重光波穿过所述45°的延迟板14，将所述光束从p偏振改变为s偏振。所述0°的延迟板有助于确保有效地消除在偏振分束器28处的不想要的高角度偏斜射线。所述光束然后被PBS 10反射并通过所述外表面20射出棱镜22。这些光波包含通过该LCOS被调制并通过反射光学元件16被准直的图像资讯。在一些配置中，此光束将被耦合到一光学结合器元件，所述光学结合器元件将反射所述光束，以被眼睛或相机观看。这个实施例的性能将取决于PBS 10为一高效偏振器。其他示例即将被示出的是，此偏振器的效率较低并且诸多附加元件被使用，以完成高图像对比度。
在图2中示出的另一个实施例，一线性偏振器30被添加到所述光波出射表面20。偏振器30被定向于它平行于偏振器4的偏振轴线，以便通过从PBS10反射的s偏振。此偏振器的添加有助于消除从光源62直接通过的非期望的光。这种非期望的光的一示例性路径在图3中被示出。一光波束(beam of light waves)34被显示为一虚线。诸多入射光波(incidentlight waves)34可以来自一LED、一雷射或任何其他光源62，穿过一线性偏振器4(线性偏振器4在所述光源本身被偏振的情况下是可选的)，如图3所示。所述多个光波相对于PBS 10的平面呈线性s偏振。然而，相对于PBS 10，诸多偏斜射线(在图的平面以外)具有一些小的p偏振成分。这些光波入射表面8被耦合到棱镜102中，穿过PBS 10、穿过棱镜22的外表面20，并到达线性偏振器30。非期望的p偏振光被线性偏振器30移除，从而允许所述图像资讯的一高对比度。为此目的，所述线性偏振器30的偏振轴与线性偏振器4的偏振轴平行。如果假定PBS10接近于一理想宽光谱偏振器，则所述配置是有效的。下面将讨论其他示例，以解决这种偏振器是不理想的情况。所述附加的偏振器也有助于抵消可能被引入到所述光学路径中的任何应力双折射(stress birefringence)的影响。
另一个实施例在图4中被示出，其中所述偏振选择型分束器配置10是一复合型分束器配置，所述复合型分束器配置包括一第一偏振型分束器元件(PBS)24、一吸收型偏振器26及一第二偏振型分束器元件(PBS)28，所述第一偏振型分束器元件24最靠近所述偏振光源，所述第二偏振型分束器元件28最靠近所述光波准直构件16。所述偏振型分束器元件24及28可以实现为任何种类的偏振型分束器，包括但不限于由多层介电涂层及线栅金属条形成的诸多偏振型分束器。在下面进一步描述的一个特别更佳的实现方案中，至少第一偏振分束器元件24是一线栅型元件(wire-grid element)。
如前所述，所述光学器件基于二棱镜，所述二棱镜被标号为6及22，每个棱镜分别在所述斜边24及28上具有一PBS，所述斜边24及28反射所述s偏振并透射所述p偏振。虽然在遍及的诸多附图中为了清楚起见而例示出各种零件，但是它们之间的空间是被示意性地示出，相邻的平行表面通常与光学胶合剂黏合在一起，以形成诸多刚性的整体结构。因此，在这种情况下，多个棱镜的两个斜边以一线性偏振器26被彼此黏合，所述线性偏振器26在两个斜边之间，在两个斜边之间透射所述p偏振，从而此组件变成一黏合的立方体棱镜。所述吸收型偏振器26大大有助于消除通过PBS 24及28的所述s偏振，因为在现实世界的应用中，这些PBS都不是理想的，并且不会反射所有的s偏振。具体地说，在诸多电介质PBS元件被使用于元件24及28的情况下，用于高角度偏斜射线的所述选择性透射包括s偏振的一分量。这些分量通过所述吸收型偏振器26被移除，所述吸收型偏振器26为一笛卡尔(固定轴)偏振器。
如上所述，本实用新型的各种应用可以采用非矩形形式的诸多棱镜。在某些情况下，可能期望分束器元件24及28之间的定向有所不同。在这种情况下，可以在多个分束器元件之间设置一附加的楔形物(未示出)，以实现被期望的定向角度差异。
在所有其它方面，图4的装置的结构及功能与图1至3如上所述的内容是等同的，并且将通过参考所述描述被理解。在一些特别更佳但非限制性的应用中，来自光波出射表面20的所述输出图像光束将更佳地经由偏振器30被耦合到一光学结合器元件，所述光学结合器元件将反射所述输出图像光束，用以被眼睛或一相机观看，参考图8进一步讨论如下。
上述复合型分束器配置的使用有助于进一步消除来自可能射出所述光学装置的光源62的任何非期望的直射光。这在图5中被示出。一光波束的可能路径在图4中被以虚线示出。诸多入射光波34可以来自一LED、一雷射或任何其他光源62，穿过一线性偏振器4(线性偏振器4在光源本身不偏振的情况下是可选的)，如图5所示。为了达到投影仪的输出，相对于PBS配置10的平面被线性s偏振化并且通过表面8进入棱镜102的所述多个光波将需要穿过PBS 24、通过线性偏振器26、通过PBS 28、穿过棱镜22的外表面20，并穿过线性偏振器30。这些包括偏斜射线的诸多光波也包含从所述光源62直接射出的非期望的s偏振光。所述线性偏振器26有助于消除这些光波的功率，以便允许所述图像信息的一高对比度。为此，所述线性偏振器26的偏振轴线与线性偏振器4的偏振轴线成90度取向。具有来自穿过PBS 24及28以及偏振器26的光源的p偏振直射光的任何偏斜射线被偏振器30衰减，所述偏振器30的偏振轴线与线性偏振器4成平行取向。
下面将讨论根据各种不同实现方案的光波34的消光效率。
当相互成90度取向时，在被称为交叉偏振位置的两个市售线性偏振器的消光性可以达到垂直于诸多偏振面的入射光的0.01％以下。然而，当处理一个倾斜的光束，比方说正常入射±17度时，消光性可能是不同的。在图4的平面上测量与法线成17度角的诸多光束的消光性，显示所述消光性几乎与垂直入射相同。当所述光束倾斜角外的一分量在图1的平面之外(垂直)时，所述透光率上升。这在图6中的图形被示出，用于诸多偏振器元件的各种不同组合。所有的曲线是属于经过至少一个线性偏振器或分束器的偏振可见光形成偏振选择型分束器配置10的各种可能的实现方案，在一些情况下，在所述出口处跟着有一第二偏振器30，并且涉及消光性被实现的程度。曲线110是当在电介质涂层PBS元件24与28之间成交叉取向的所述偏振器26是一线性偏振器时的消光函数(extinction function)。曲线116是当偏振选择型分束器配置10被实现为一单独被使用的线栅型分束器时的消光函数。在没有偏振器30的情况下，分析这两种情况下的透射光束显示的是，所述光束相对于PBS配置10的取向具有一s偏振的分量及一p偏振的分量。线性偏振器30的添加减低所述p偏振的分量，如在对于所述PBS线性偏振器-PBS组合的曲线112中所示，以及在对于分束器配置10单独被使用的所述线栅型分束器的曲线118中所示。因此，所述线性偏振器30的添加被认为对于降低噪声及提高对比度是非常有利的。当所述分束器配置10包括用于PBS元件24的一线栅、偏振器26及一电介质PBS元件28，后续是作为所述耦出配置的一部分的偏振器30时，在曲线114所示的整个角度范围上的最高消光性被实现。
将所述投影仪装置的在图4中所示的各种零件的一些或全部进行附接，以形成具有一更简单的机械模块的单个紧凑元件上，通常是有利的。如同已经提及的是，棱镜6与22被以PBS配置10黏合在一起。取决于整个光学设计中的相邻构件的诸多细节，可以被黏合到棱镜的是其它的偏振器4及30、所述反射与准直型元件16及(诸多)延迟器(retarder(s))14中的一些或全部。图7示出这样的一种模块，其中除了所述LCOS 70及所述光源62以外的所有元件都被黏合。这些元件更佳地被安装在邻近所述组件的相相应表面，但不被黏接到所述相相应表面上。
迄今为止所描述的装置可以用于需要产生一准直图像的一微型投影仪的一广泛应用中。合适的应用的例子包括但不限于各种成像应用(imaging applications)，诸如头戴式显示器(HMD)及抬头式显示器(HUD)、蜂巢式电话(cellular phones)、紧凑型显示器(compact displays)、三维显示器(3-D displays)、紧凑型扩束器(compact beamexpanders)及诸多非成像应用(non-imaging applications)，例如诸多平板指示器(flat-panel indicators)、紧凑型照射器(compact illuminators)及扫描仪(scanners)。作为一个特别更佳但非限制性的应用子集的说明方式，图8例示出一投影仪装置42，所述投影仪装置42相应相应于有关图7详述的结构，所述投影仪装置42与一基板36相结合以形成一光学系统。这样的一种基板36通常包括至少二主要表面32及34，以及一个或以上的部分反射表面66，以及一光学楔形元件38，用于将光耦合到所述基板中。来自投影仪装置42的所述多个输出光波(output light-waves)40通过楔形物38入射于所述基板36。如图8所示，所述多个入射光波(相对于所述基板36)通过全内反射(Total Internal Reflection，TIR)被捕获在所述基板中。通过诸多部分反射表面66或者通过诸多绕射元件或者任何其他合适的输出耦合布置，来自所述波导的所述输出耦合可以被施加。所述楔形元件38仅仅是一个非限制性的光学耦合配置的说明，并且其它诸多元件及诸多配置可以被使用于将来自所述光学装置的光耦合到基板36中。
如图5所示，来自所述光源的直接光束对所述光学基板36的影响，作用于由所述LCOS产生的所述图像的对比度(所述系统的最小对比度值)，以下式给出：
其中，
·Sw是来自所述LCOS的所述白色图像，
·Sb是来自所述LCOS的所述黑色图像，
·Nscat是由于散射而入射基板36的不想要的光，
·Ndir是入射基板36的残留的直接LED光。
·Ndir是不想要的噪声，所述不想要的噪声会干涉由所述LCOS所产生的图像。
假设Nscat非常低，Ndir在对比度上的影响如图10所示。所述对比度通过所述直接光束(Ndir)的消光性而被限制。因此，如同在此揭露的结构及光学配置所提出的，获得所述直接光束的最大衰减是重要的。
就已被草拟而没有多重依附的所附诸多权利要求的范围而言，这被进行仅是为了适应不允许这种多重依附的管辖权区域的形式要求。应当注意的是，通过使得所述多个权利要求多重依附而被隐含的诸多特征的所有可能的组合被明确地设想，并且应当被认为是本实用新型的一部分。
应当理解的是，以上描述仅用作诸多示例，并且在所附诸多权利要求限定的本实用新型的范围内的许多其他实施例是有可能的。

Claims (14)

1.一种光学系统，其特征在于：所述光学系统包括：
(a)一图像准直型棱镜，包括一光波透射材料，所述棱镜具有多个外表面，所述多个外表面包括一光波入射表面及一光波出射表面、一图像显示表面及一准直表面，一偏振选择型分束器配置被布署在所述棱镜内，所述棱镜位在倾斜于所述光波入射表面的一平面上；
(b)一偏振光源，与所述光波入射表面相关联；
(c)一反射型显示装置，与所述棱镜的所述图像显示表面相关联，所述反射型显示装置产生相应相应于一图像的一反射光的一空间调制，所述反射型显示装置通过来自所述偏振光源且被反射自所述偏振选择型分束器配置的光而被照射，所述反射型显示装置被配置成使得所述图像的多个亮区相应的所述反射光具有相对于所述偏振光源旋转的一偏振度；
(d)至少一延迟板，与所述准直表面的至少一部分相关联；及
(e)至少一光波准直构件，覆盖于所述延迟板的至少一部分，
使得来自所述反射型显示装置的一图像通过所述偏振选择型分束器配置被选择性地传送、通过所述光波准直构件被准直、从所述偏振选择型分束器配置被反射，并且经由所述光波出射表面被投射。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述棱镜的所述光波入射表面与所述光波出射表面平行。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：在所述棱镜相邻的所述多个表面之间的至少一角度是非正交的。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述棱镜为一长方体棱镜。
5.如权利要求l所述的光学系统，其特征在于：所述棱镜为一正方形长方体棱镜。
6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述偏振选择型分束器配置为一线栅型分束器。
7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述偏振选择型分束器配置为一复合型分束器配置，所述复合型分束器配置包括：
(a)一第一分束器元件，最接近于所述偏振光源；
(b)一吸收型偏振器；及
(c)一第二分束器元件，最接近于所述光波准直构件。
8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于：所述第一分束器元件为一线栅型分束器。
9.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于：所述光学系统还包括一出射偏振器，所述出射偏振器与所述棱镜的光波出射表面相关联，所述出射偏振器相对于所述吸收型偏振器被交叉定向，以确保消除来自横越所述吸收型偏振器的所述偏振光源的任何照射。
10.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述光学系统还包括一出射偏振器，所述出射偏振器与所述棱镜的光波出射表面相关联，所述出射偏振器相对于所述偏振选择型分束器配置被交叉定向，以确保消除来自横越所述偏振选择型分束器配置的所述偏振光源的任何照射。
11.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述反射型显示装置包括一硅基液晶投影显示器。
12.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述光学系统还包括一光导基板，所述光导基板具有：至少二相互平行的主要表面，及一光波输入孔，其中所述光波输入孔被光学地耦合到所述棱镜的所述光波出射表面。
13.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于：所述光透射基板包含至少一部分反射型表面，所述部分反射型表面在相对于所述多个主要表面以一倾斜角度在所述基板内延伸。
14.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述至少一延迟板包括一第一延迟板及一第二延迟板，所述第一延迟板具有对齐一偏振轴线的一快轴线，所述第二延迟板具有对齐一偏振轴线的45度角的一快轴线。
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