DE602004009614T2

DE602004009614T2 - Polarisations-strahlverzweiger mit einer haftklebefläche

Info

Publication number: DE602004009614T2
Application number: DE602004009614T
Authority: DE
Inventors: Charles L. Saint Paul BRUZZONE; Ming Saint Paul CHENG; Ying-Yuh Saint Paul LU; Jiaying Saint Paul MA
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2024-12-11
Also published as: TW200530640A; DE602004009614D1; CN1914544A; US7234816B2; KR20060134047A; JP2007520756A; EP1711855A1; CN100562775C; US20050168697A1; EP1711855B1; ATE376200T1; WO2005081039A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Polarisations-Strahlverzweiger und die Verwendung derartiger Vorrichtungen in, z. B., Systemen zum Darstellen von Informationen, und genauer reflektierende Projektionssysteme.
Allgemeiner Stand der Technik
Optische Abbildungssysteme weisen typischerweise einen durchlässigen oder reflektierenden Bilddarsteller, auch als Lichtventil oder Lichtventilanordnung bezeichnet, auf, der ein Bild auf einen Lichtstrahl legt. Durchlässige Lichtventile sind typischerweise durchscheinend und gestatten Licht einen Durchgang. Reflektierende Lichtventile andererseits reflektieren nur ausgewählte Teile des Eingangsstrahls, um ein Bild zu bilden. Reflektierende Lichtventile bieten wichtige Vorteile, da das steuernde Schaltungssystem hinter der reflektierenden Fläche angeordnet werden kann und eine fortschrittlichere Technologie integrierter Schaltungen verfügbar wird, wenn die Substratmaterialien nicht durch ihre Opazität beschränkt sind. Durch die Verwendung von reflektierenden Flüssigkristall-Mikroanzeigen als Bilddarsteller werden möglicherweise potentiell billige und kompakte Flüssigkristallanzeige (LCD) projektorgestaltungen möglich.
Viele reflektierende LCD-Bilddarsteller drehen die Polarisation des einfallenden Lichts. Mit anderen Worten wird polarisiertes Licht durch den Bilddersteller entweder für den dunkelsten Zustand ohne wesentliche Veränderung seines Polarisationszustands oder zur Bereitstellung einer gewünschten Grauabstufung unter Verleihung eines Grads einer Polarisationsdrehung reflektiert. In diesen Systemen stellt eine Drehung um 90°C den hellsten Zustand bereit. Demgemäß wird für reflektierende LCD-Bilddarsteller im Allgemeinen ein polarisierter Lichtstrahl als Eingangslichtstrahl verwendet. Eine erwünschte kompakte Anordnung weist einen geknickten Lichtgang zwischen einem Polarisations-Strahlteiler (PBS) und dem Bilddarsteller auf, wobei sich der beleuchtende Strahl und das vom Bilddarsteller reflektierte projizierte Bild zwischen dem PBS und dem Bilddarsteller den gleichen physikalischen Raum teilen. Der PBS trennt das ankommende Licht vom polarisationsgedrehten Bildlicht. Ein in einem Projektorsystem verwendeter herkömmlicher PBS, der manchmal als MacNeille-Polarisator bezeichnet wird, verwendet einen Stapel von anorganischen dielektrischen Filmen, die im Brewsterschen Winkel angeordnet sind. Licht mit einer s-Polarisation wird reflektiert, während Licht im p-Polarisationszustand durch den Polarisator übertragen wird.
Eine Flüssigkristallanzeige, die ein mehrschichtiges Diffusionspolarisationselement aufweist, ist in EP-A-1 211 526 beschrieben.
Ein einzelner Bilddarsteller kann verwendet werden, um ein monochromes Bild oder ein Farbbild zu bilden. Mehrere Bilddarsteller werden typischerweise verwendet, um ein Farbbild zu bilden, wobei das beleuchtende Licht in mehrere Strahlen von unterschiedlicher Farbe geteilt ist. Auf jeden dieser Strahlen wird einzeln ein Bild gelegt, und diese Strahlen werden dann wieder kombiniert, um ein vollfarbiges Bild zu bilden.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen Polarisations-Strahlverzweiger (PBS) bereit, der einen ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm; einen ersten Haftklebstoff, der auf dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm angeordnet ist; ein erstes starres Prisma, das auf dem ersten Haftklebstoff angeordnet ist; und ein zweites starres Prisma, das neben dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm angeordnet ist, aufweist. Zwischen dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und dem zweiten starren Prisma kann ein optionaler Konstruktionsklebstoff angeordnet sein.
In einer Ausführungsform weist der Polarisations-Strahlverzweiger ferner einen zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm auf, der sich nächst dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm befindet. Eine Hauptfläche des zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms ist zu einer Hauptfläche des ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms gerichtet. Zwischen dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und dem zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm ist ein Klebstoff angeordnet.
Der Verbund mit dem Haftklebstoff, der zwischen dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und dem ersten starren Prisma angeordnet ist, kann die spannungsinduzierte Doppelbrechung im PBS-Aufbau verringern. Zusätzlich kann der Verbund mit dem Haftklebstoff, der zwischen dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und dem ersten starren Prisma angeordnet ist, dafür sorgen, dass der PBS-Aufbau gegenüber anderen Klebstoffen eine verbesserte Bildqualität, eine verbesserte Aufbaustabilität, und eine verbesserte Lebensdauer zeigt.
Die Verwendung von zwei (oder mehr) Filmen im PBS-Aufbau der vorliegenden Erfindung kann die Trübung, die den Projektionsschirm erreicht, verringern und kann wirksam durch Laminierung gebildet werden. Der Zweifilmaufbau kann mit Prismen aus jedem beliebigen Material verwendet werden. Derartige Materialien beinhalten Glas. Das Glas kann jeden beliebigen Brechungsindex aufweisen, obwohl der Index typischerweise von 1,4 bis 1,8 reicht und im Bereich von 1,4 bis 1,6 liegen kann. Dieser niedrigere Glasindex kann den Astigmatismus verringern.
Ebenfalls hierin beschrieben ist ein Projektionssystem, das eine Lichtquelle, um Licht zu erzeugen, und einen Abbildungskern, um ein Bild auf erzeugtes Licht von der Lichtquelle zu legen, um Bildlicht zu bilden, aufweist. Der Bildkern weist mindestens einen Polarisations-Strahlverzweiger nach der Erfindung und mindestens einen Bilddarsteller auf. Der erste Haftklebstoff des Strahlverzweigers ist zwischen der Lichtquelle und dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm des Strahlverzweigers angeordnet. Das System weist ferner ein Projektionslinsensystem auf, um das Bildlicht vom Abbildungskern zu projizieren.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Polarisations-Strahlverzweigers bereit, das das Anordnen eines Haftklebstoffs zwischen einem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und einem ersten starren Prisma und das Platzieren eines zweiten starren Prismas neben dem ersten mehrschichten reflektierenden Polarisationsfilm, um einem Polarisations-Strahlverzweiger zu bilden, aufweist. Zwischen dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und dem zweiten starren Prisma kann ein optionaler Konstruktionsklebstoff angeordnet werden.
Das Verfahren kann ferner das Anordnen eines zweiten Haftklebstoffs zwischen einem zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und einem zweiten starren Prisma; und das Platzieren des ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms neben dem zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm, um einen Polarisations-Strahlverzweiger zu bilden, aufweisen. Zwischen dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und dem zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm kann ein optionaler Konstruktionsklebstoff angeordnet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann unter Berücksichtigung der folgenden ausführlichen Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher verstanden werden, wobei
1 eine Ausführungsform eines PBS mit einem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm schematisch veranschaulicht;
2 eine Ausführungsform eines PBS mit zwei mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilmen schematisch veranschaulicht;
3 eine Ausführungsform einer Projektionseinheit auf Basis eines einzelnen reflektierenden Bilddarstellers schematisch veranschaulicht; und
4 eine andere Ausführungsform einer Projektionseinheit auf Basis mehrerer reflektierender Bilddarsteller schematisch veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung ist auf optische Bilddarsteller anwendbar und insbesondere auf optische Bilddarstellersysteme mit großer numerischer Apertur anwendbar, die projizierte Bilder mit hoher Qualität und niedriger Aberration erzeugen können.
Eine beispielhafte Art von optischem Bilddarstellungssystem weist einen wie in der US-Patentschrift Nr. 6,486,997 B1 mit dem Titel REFLECTIVE LCD REFLECTION SYSTEM USING WIDE-ANGLE CARTESIAN POLARIZING BEAM SPLITTER besprochenen kartesischen Weitwinkel-Polarisation-Strahlverzweiger (PBS) auf. Ein kartesischer PBS ist ein PBS, in dem die Polarisationen von übertragenen und reflektierten Strahlen auf unveränderliche, im Allgemeinen rechtwinkelige Hauptachsen eines PBS bezogen sind. Im Gegensatz dazu ist die Polarisation der gesonderten Strahlen bei einem nichtkartesischen PBS im Wesentlichen vom Einfallswinkel der Strahlen auf den PBS abhängig.
Ein Beispiel eines kartesischen PBS ist ein mehrschichtiger reflektierender Polarisationsfilm, der beispielhaft durch einen Film, welcher aus abwechselnden Schichten aus isotropem und doppeltbrechendem Material gebildet ist, veranschaulicht werden kann. Wenn die Ebene des Films als die x-y-Ebene angesehen wird, und die Dicke des Films in der z-Richtung gemessen wird, ist der z-Brechungsindex der Brechungsindex im doppeltbrechenden Material für Licht, das einen elektrischen Vektor parallel zur z-Richtung aufweist. In der gleichen Weise ist der x-Brechungsindex der Brechungsindex im doppeltbrechenden Material für Licht, das seinen elektrischen Vektor parallel zur x-Richtung aufweist, und ist der y-Brechungsindex der Brechungsindex im doppeltbrechenden Material für Licht, das seinen elektrischen Vektor parallel zur y-Richtung aufweist. Für den mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm ist der y-Brechungsindex des doppeltbrechenden Materials im Wesentlichen der gleiche wie der Brechungsindex des isotropen Materials, während sich der x-Brechungsindex des doppeltbrechenden Materials von jenem des isotropen Materials unterscheidet. Wenn die Schichtdicken passend gewählt sind, reflektiert der Film sichtbares Licht, das in der x-Richtung polarisiert ist, und überträgt er Licht, das in der y-Richtung polarisiert ist.
Ein Beispiel eines nützlichen mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms ist ein Polarisatorfilm mit angepasstem z-Index, in dem der z-Brechungsindex des doppeltbrechenden Materials im Wesentlichen der gleiche wie der y-Brechungsindex des doppeltbrechenden Materials ist. Polarisationsfilme mit einem angepassten z-Index wurden in den US-Patentschriften Nr. 5,882,774 und 5,962,114 und in den folgenden gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldungen beschrieben: 60/294,940, eingereicht am 31. Mai 2001; 2002-0,190,406, eingereicht am 28. Mai 2002; 2002-0,180,107, eingereicht am 28. Mai 2002; 10/306,591, eingereicht am 27 November 2002; und 10/306,593, eingereicht am 27. November 2002. Polarisationsfilme, die einen angepassten z-Index aufweisen, sind auch in der US-Patentschrift Nr. 6,609,795 beschrieben.
In manchen Fällen können Polarisations-Strahlverzweiger, die einen polymerbasierten mehrschichtigen optischen Film (MOF) wie etwa, zum Beispiel, einen mehrschichtigen reflektierenden Polarisations- oder angepassten z-Index-Polarisatorfilm verwenden, im PBS-Aufbau eine spannungsinduzierte Doppelbrechung und/oder Klebstoffschichten, die im Lauf der Zeit instabil sind, aufweisen. Für Verbraucheranwendungen sind die Haltbarkeit/Verlässlichkeit und die Lebensdauer einige wichtige Kriterien für nützliche PBS-Aufbauten. Die Montage eines polymerbasierten mehrschichtigen optischen Films (MOF) an starren Substraten stellt eine Herausforderung im Hinblick auf die Erfüllung der Umwelt- und der Lebensdaueranforderungen für nützliche PBS-Aufbauten dar. Der Klebstoff sollte eine gute Haftung am MOF wie auch am starren Substrat aufweisen, und zusätzlich keine Spannung am MOF und/oder am starren Substrat induzieren. Die PBS-Leistungsfähigkeit ist gegenüber jeglicher Spannung empfindlich, und selbst eine sehr kleine Spannung kann zu einer Verschlechterung der PBS-Leistungsfähigkeit führen. Die Klebstoffeigenschaften sollten mit jenen des MOF und des starren Substrats im Gleichgewicht stehen, um die maximale Stabilität und Lebensdauer des PBS-Aufbaus zu erreichen. Konstrukti onsklebstoffe können während des Härtens schrumpfen und/oder ungleichmäßig härten, was eine Spannung auf den MOF und/oder das starre Substrat verursacht. Es ist auch möglich, dass ein nicht vollständig gehärteter Konstruktionsklebstoff unter der normalen Verwendungsbedingung eine allmähliche Härtung durch Licht und Wärme erfährt, die die Stabilität des PBS verringern kann. Für die bestimmte Ausführungsform von zwei mehrschichtigen reflektierenden Polarisatorfilmen kann der gebräuchlichere und bleifreie Glastyp, wie etwa das von Schott hergestellte SK5, für die Abdeckung verwendet werden, wie in der am 16. Mai 2003 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/439,444 und dem Titel POLARIZING BEAM SPLITTER AND PROJECTION SYSTEM USING THE POLARIZING BEAM SPLITTER beschrieben ist. Die Glasabdeckung mit niedrigem Index stellt gegenüber einer Glasabdeckung mit hohem Index, wie etwa PBH56, mehrere wichtige Vorteile einschließlich eines verringerten Astigmatismus, Bleifreiheit, und der Entfernung der Antireflexionsbeschichtung auf mehreren optischen Flächen bereit. Doch das bleifreie Glas ist gegenüber Licht, Wärme und mechanisch induzierter Spannung viel weniger stabil. Eine geringe mechanisch induzierte Spannung im PBS-Zusammenbauprozess könnte die optische Leistungsfähigkeit wie etwa den Kontrast und die Gleichförmigkeit des dunklen Zustands verschlechtern. Ein gehärteter Konstruktionsklebstoff kann eine mechanische Spannung an bleifreiem Glas wie etwa SK5 induzieren und eine Doppelbrechung erzeugen, was eine unannehmbare Ungleichmäßigkeit des dunklen Zustands verursacht. Ein Haftklebstoff mit seinem niedrigen Modul und keiner Notwendigkeit, während des Zusammenbaus gehärtet zu werden, kann viel weniger Spannung auf das Glas induzieren; weshalb er eine stark verbesserte Gleichmäßigkeit des dunklen Zustands bereitstellen kann. Ferner weisen Konstruktionsklebstoffe die Neigung auf, zu vergilben und die optischen Eigenschaften des PBS zu beeinflussen, nachdem sie einem Licht mit hoher Stärke, das mit PBS-Aufbauten verwendet wird, ausgesetzt wurden.
Der Kontrast eines PBS kann unter Bezugnahme auf 3 definiert werden, wobei der Bilddarsteller 226 durch einen Viertelwellenfilm ersetzt ist, der an die vordere Fläche eines Spiegels laminiert ist. Wenn der Viertelwellenfilm auf einem Spiegel mit seiner optischen Achse in 45° zur Polarisationsrichtung des Mittelstrahls des Beleuchtungsstrahls ausgerichtet ist, wird er auf einen übertragenen polarisierten Strahl wie ein in 45° ausgerichteter Halbwellenfilm funktionieren, d. h., wird er die Polarisationsrichtung des Strahls um 90° drehen. Aufgrund der vorher beschriebenen Funktion des PBS wird dies dazu führen, dass im Wesentlichen das gesamte Licht, das durch den Viertelwellenfilm/Spiegel reflektiert wird, durch eine Linse 228 auf den Schirm projiziert wird. Wenn der Viertellwellenfilm statt dessen in 0° zum Polarisationszustand des Mittelstrahl ausgerichtet ist, wird er sich wie ein Halbwellenfilm verhalten, der mit dem Polarisationszustand eines übertragenen Lichtstrahls ausgerichtet ist, und die Polarisationsrichtung des Strahls unverändert lassen. Dies wird dazu führen, dass im Wesentlichen das gesamte Licht durch den PBS zur Lichtquelle zurück gerichtet wird, ohne durch die Linse 228 auf den Schirm projiziert zu werden.
Um das Kontrastverhältnis des PBS zu messen, wird zuerst der Fluss im hellen Zustand durch die Projektionslinse 228 gekennzeichnet, indem die optische Achse des Viertelwellenfilms/Spiegels in 45 Grad zur Polarisationsrichtung des Mittelstrahls des Beleuchtungslichtstrahls ausgerichtet wird. Dieser Fluss kann durch Messen der Beleuchtungsstärke des Strahls in einer festen Entfernung von der Linse 228, durch Sammeln des gesamten projizierten Lichts in einem integrierenden Photometer mit einer kalibrierten Photodiode, oder durch jedes beliebige andere Mittel, das für einen Fachmann verfügbar ist, gekennzeichnet werden. Dann wird der dunkle Zustand erzeugt, indem der Viertelwellenfilm so ausgerichtet wird, dass seine optische Achse mit dem Polarisationszustand des Mittelstrahls des Beleuchtungsstrahls ausgerichtet ist. Dann wird der Fluss durch die Linse 228, der sich aus diesem Zustand ergibt, durch die gleiche Technik gemessen, die zum Kennzeichnen des Flusses im hellen Zustand verwendet wird. Das Verhältnis des Flusses im hellen Zustand zum Fluss im dunklen Zustand stellt ein Maß des Kontrastverhältnisses, oder das Viertelwellenfilm-Kontrastverhältnis bereit.
Für einige Arten von Bilddarstellern, zum Beispiel ferroelektrische Flüssigkristall-Bilddarsteller, ist die Natur des dunklen Zustands jener, die im oben beschriebenen Versuch erzeugt wird, sehr ähnlich. Doch für die meisten anderen Arten von Bilddarstellern ist der dunkle Zustand dem durch einen Spiegel ohne Viertelwellenfilm darüber erzeugten ähnlicher. In diesem Fall gibt es, so wie für den Viertelwellenfilmspiegel bei 0°, keine Drehung der Polarisationsrichtung des Beleuchtungsstrahls, weshalb ein dunkles Bild erhalten werden sollte. Um die PBS-Leistungsfähigkeit für diese Arten von Bilddarstellern zu prüfen, ist es erwünscht, einen reinen Spiegel zu verwenden, um den dunklen Zustand bereitzustellen, aber ansonsten dem gleichen Rezept zu folgen, wie es vorher zur Kennzeichnung des Kontrastverhältnisses des PBS gegeben wurde. Das Ergebnis wird als das Spiegelkontrastverhältnis des PBS bezeichnet.
Der Unterschied zwischen dem Spiegelkontrastverhältnis und dem Viertelwellenfilmkontrastverhältnis hat mit dem Verhalten von verschiedensten schrägen Strahlen zu tun. Ein gewisses Verständnis dieses Unterschieds kann aus US 5,327,270 erlangt werden, obwohl diese Technik nur für MacNeille-PBS-Systeme und nicht für kartesische PBSs gilt. Für unsere Zwecke genügt es, zu verstehen, dass die Viertelwellenfilm-Spiegel-Kombination eine Depolarisation aus einer Anzahl von Gründen ausgleicht, und dass es wichtig sein kann, beide Arten von Kontrast zu prüfen, um gute Ergebnisse mit allen Arten von Bilddarstellern sicherzustellen.
Der Kontrast eines PBS, der mit mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilmen hergestellt ist, hängt von mehreren Parametern einschließlich, zum Beispiel, des Indexunterschieds entlang der fehlangepassten Richtung (z. B. der x-Richtung), des Grads der Indexanpassung in der Anpassungsrichtung in der Ebene (z. B. der y-Richtung), des Grads der Indexanpassung in der Dickenrichtung (z. B. der z-Richtung), und der Gesamtanzahl der Schichten des Films ab. Der Indexunterschied zwischen Schichten entlang der fehlangepassten Richtung und die Indexanpassung entlang der angepassten Richtung(en) sind durch die Polymerharzpaare beschränkt. Überdies sind die Polymerharze vorzugsweise im sichtbaren Spektralbereich (oder welcher Spektralbereich bei der PBS-Anwendung von Interesse sein wird) von blauem zu grünem zu rotem Licht im Wesentlichen transparent. Ein derartiges Paar ist nachstehend in den Beispielen beschrieben und weist Polyethylenterephthalat (PET) und ein Copolymer von PET (coPET) auf. Diese Polymere sind über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich einschließlich blauen Lichts im Wesentlichen transparent. Doch der Indexunterschied dieser Polymere entlang der fehlangepassten Richtung beträgt nur etwa 0,15. Um in einem wie nachstehend beschriebenen optischen System eine gewünschte Kontraststärke zu erzielen, verwendet ein angepasster z-Index-Polarisationsfilm, der diese Kombination von Polymeren verwendet, typischerweise ein Paar von Glasprismen mit hohem Index.
Zwei Wirkungen können auftreten, wenn Glas mit hohem Index mit dem PBS-Film verwendet wird: die Erzeugung von Astigmatismus im PBS und eine Zunahme der Helligkeit im unausgeglichenen dunklen Zustand des Spiegels.
Ein Ansatz zur Beseitigung des Astigmatismus ist in der gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 6,672,721 und in der US-Patentanmeldung Nr. 2003-0,048,423 beschrieben. Diese Dokumente beschreiben die Verwendung einer Glasplatte mit sehr hohem Index nächst dem Film, um den Astigmatismus auszugleichen. Doch diese Platte kann dem PBS bedeutende Kosten hinzufügen. Ferner kann die Verwendung einer derartigen Platte eine längere Schnittweite und eine schwierigere seitliche Farbsituation für die Projektionslinse verursachen. Zusätzlich kann ein PBS, der eine Kompensationsplatte aufweist, möglicherweise einen größeren Farbkombiniererwürfel benötigen.
Ferner verursacht PBS-Glas mit hohem Index, dass sich Licht in sehr hohen Winkeln in den PBS-Film ausbreitet. Wenn für den PBS ein Glas mit einem Brechungsindex unter 1,6 verwendet wird, ist der Kontrast für den unausgeglichenen dunklen Zustand des Spiegels typischerweise etwa der gleiche wie der Kontrast, der mit einem über dem Spiegel angeordneten ausgerichteten Viertelwellenfilm erhalten wird. Wie hierin verwendet ist der Ausdruck „unausgeglichener dunkler Zustand des Spiegels" als der dunkle Zustand definiert, der erhalten wird, wenn anstelle des Bilddarstellers ein bloßer Spiegel in einem Abbildungssystem wie den nachstehend beschriebenen verwendet wird, und die sich ergebende Lichtübertragung durch das Abbildungssystem beobachtet wird. Wenn der Index des Glases auf 1,85 erhöht wird, wird der Wert des unausgeglichenen dunklen Zustands des Spiegels auf weniger als den halben Kontrast mit dem über dem Spiegel angeordneten Viertelwellenfilm verringert, insbesondere, wenn eine Indexanpassungsschicht verwendet wird, um die Glasprismen mit hoher Doppelbrechung an den mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm anzupassen und dadurch Reflexionen zu verringern. Der Verlust im Kontrast kann durch Anordnen eines Viertelwellenfilms über dem Spiegel oder Bilddarsteller, der mit seiner schnellen Achse entlang der Polari sationsrichtung des ankommenden Lichts ausgerichtet ist, zurückgewonnen werden. Doch diese besonderen Ausgleichsplatten (z. B. der Viertelwellenfilm) können die Kosten erhöhen und können schwer richtig auszurichten sein. Daher würde eine Technik zur Verwendung eines PBS-Films in einem Glas mit niedrigem Index (z. B. n < 1,60) die Kosten verringern, indem sie die Notwendigkeit für Ausgleichsplatten für den dunklen Zustand des Spiegels wie etwa einen Viertelwellenfilm beseitigt.
Ein Ansatz zur Beseitigung der Trübung in einem PBS-Aufbau ist in der am 16. Mai 2003 eingereichten gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/439,444 und dem Titel POLARIZING BEAM SPLITTER AND PROJECTION SYSTEM USING THE POLARIZING BEAM SPLITTER beschrieben. Dieses Literaturbeispiel beschreibt die Verwendung von zwei mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilmen in einem PBS-Aufbau, um die Trübung zu verringern.
1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Polarisations-Strahlverzweigers 10, der einen mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm verwendet, nach der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform weist der Polarisations-Strahlverzweiger 10 einen mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm 12 auf. Der Film 12 kann jeder beliebige geeignete mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilm, der in der Technik bekannt ist, und vorzugsweise ein angepasster z-Index-Polarisationsfilm sein. Auf dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm 12 ist ein Haftklebstoff (PSA) 60 angeordnet. Auf dem Haftklebstoff 60 ist eine erste starre Abdeckung 30 angeordnet. Neben dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm 12 befindet sich eine zweite starre Abdeckung 40. Zwischen der zweiten starren Abdeckung 40 und dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm 12 kann eine Klebstoffschicht 50 angeordnet sein. Diese Klebstoffschicht kann ein Konstruktionsklebstoff sein.
Obwohl der PBS 10 als zwei Prismen 30 und 40 aufweisend dargestellt ist, kann er jede beliebige geeignete Abdeckung oder alle beliebigen geeigneten Abdeckungen aufweisen, die an einer oder beiden Seiten des mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms 12 angeordnet ist bzw. sind. Die Prismen 30 und 40 können aus jedem beliebigen lichtdurchlässigen Material aufgebaut sein, das einen geeigneten Brechungsindex aufweist, um den gewünschten Zweck des PBS zu erzielen. Die Prismen sollten Brechungsindizes aufweisen, die geringer als jene sind, welche einen totalen inneren Reflexionszustand, d. h., einen Zustand, in dem der Ausbreitungswinkel unter normalen Verwendungsbedingungen (z. B. bei denen einfallendes Licht normal zu einer Fläche des Prismas verläuft) 90° nahe kommt oder überschreitet, schaffen würden. Ein derartiger Zustand kann unter Verwendung des snelliusschen Gesetzes berechnet werden. Vorzugsweise sind die Prismen aus isotropen Materialien hergestellt, obwohl andere Materialien verwendet werden können. Ein „lichtdurchlässiges" Material ist ein Material, das gestattet, dass mindestens ein Teil des einfallenden Lichts von der Lichtquelle durch das Material übertragen wird. In einigen Anwendungen kann das einfallende Licht vorgefiltert werden, um unerwünschte Wellenlängen zu beseitigen. Geeignete Materialien zur Verwendung als Prismen beinhalten, jedoch ohne Beschränkung darauf, Keramiken, Glas und Polymere. Eine besonders nützliche Kategorie von Glas beinhaltet Gläser, die ein Metalloxid wie etwa Bleioxid enthalten. Ein im Handel erhältliches Glas ist PBH 55, das von der Ohara Corporation (Rancho Margarita, CA, USA) erhältlich ist, einen Brechungsindex von 1,85 aufweist, und etwa 75 Gew.-% Bleioxid aufweist.
Der PBS-Aufbau 10 kann eine starre Abdeckung 30 an der hohen Lichtstärke und eine starre Abdeckung 40 an der geringeren Lichtstärke aufweisen. Die starre Abdeckung 30 an der hohen Lichtstärke ist die starre Abdeckung, die sich am dichtesten an der Lichtquelle befindet (siehe 3 und 4). Die starre Abdeckung 30 an der hohen Lichtstärke erfährt Licht mit einer höheren Stärke als die starre Abdeckung 40 an der geringeren Lichtstärke. Es ist erwünscht, den Haftklebstoff 60 zwischen dieser starren Abdeckung 30 an der hohen Lichtstärke und dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm 12 anzuordnen. Die optischen und physikalischen Eigenschaften eines Haftklebstoffs, wie sie nachstehend beschrieben sind, gestatten, dass der Haftklebstoff unter Licht mit hoher Stärke stabil bleibt. Die Klebstoffschicht 50 kann entweder ein Konstruktionsklebstoff oder ein Haftklebstoff sein.
2 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Polarisations-Strahlverzweigers 110, der zwei oder mehr mehrschichtige reflektierende Polarisations (mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilme verwendet, nach der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform weist der Polarisations-Strahlverzweiger 110 einen ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm 112, einen zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm 120, und eine Klebstoffschicht 150 zwischen dem ersten Film 112 und dem zweiten Film 120 auf. Einer oder beide aus dem ersten und dem zweiten Film 112 und 120 können jeder beliebige geeignete mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilm, der in der Technik bekannt ist, und vorzugsweise ein angepasster z-Index-Polarisationsfilm sein. Die Klebstoffschicht 150 kann ein Konstruktionsklebstoff sein. Obwohl der PBS 110 einen ersten 112 und einen zweiten Film 120 aufweist, können auch drei oder mehr Filme benutzt werden. Auf dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm 112 ist ein erster Haftklebstoff 160 angeordnet. Auf dem zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm 120 ist ein zweiter Haftklebstoff oder eine Klebstoffschicht 161 angeordnet. Auf dem ersten Haftklebstoff 160 ist eine erste starre Abdeckung 130 angeordnet. Auf dem zweiten Haftklebstoff oder der Klebstoffschicht 161 ist eine zweite starre Abdeckung 140 angeordnet.
Obwohl der PBS 110 als zwei Prismen 130 und 140 aufweisend dargestellt ist, kann er jede beliebige geeignete Abdeckung oder alle beliebigen geeigneten Abdeckungen aufweisen, die an einer oder beiden Seiten des ersten und des zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms 112 und 120 angeordnet ist bzw. sind. Die Prismen 130 und 140 können aus jedem beliebigen lichtdurchlässigen Material aufgebaut sein, das einen geeigneten Brechungsindex aufweist, um den gewünschten Zweck des PBS zu erzielen. Die Prismen sollten Brechungsindizes aufweisen, die geringer als jene sind, welche einen totalen inneren Reflexionszustand, d. h., einen Zustand, in dem der Ausbreitungswinkel unter normalen Verwendungsbedingungen (z. B. bei denen einfallendes Licht normal zu einer Fläche des Prismas verläuft) 90° nahe kommt oder überschreitet, schaffen würden. Ein derartiger Zustand kann unter Verwendung des snelliusschen Gesetzes berechnet werden. Vorzugsweise sind die Prismen aus isotropen Materialien hergestellt, obwohl andere Materialien verwendet werden können. Ein „lichtdurchlässiges" Material ist ein Material, das gestattet, dass mindestens ein Teil des einfallenden Lichts von der Lichtquelle durch das Material übertragen wird. In einigen Anwendungen kann das einfallende Licht vorgefiltert werden, um unerwünschte Wellenlängen zu beseitigen. Geeignete Materialien zur Verwendung als Prismen beinhalten, jedoch ohne Beschränkung darauf, Keramiken, Glas und Polymere. Für die Prismen 30 und 40 kann ein Material mit niedrigerem Index, z. B. SK5-Glas, das von der Schott Corporation (Mainz, Deutschland) hergestellt wird, verwendet werden, insbesondere, wenn zwei oder mehr Filme verwendet werden.
Der PBS-Aufbau 110 kann eine starre Abdeckung 130 in Bezug an der hohen Lichtstärke und eine starre Abde ckung 140 an der geringeren Lichtstärke aufweisen. Die starre Abdeckung 130 an der hohen Lichtstärke ist die starre Abdeckung, die sich am dichtesten an der Lichtquelle befindet (siehe 3 und 4). Die starre Abdeckung 130 an der hohen Lichtstärke erfährt Licht mit einer höheren Stärke als die starre Abdeckung 140 an der geringeren Lichtstärke. Es ist erwünscht, den Haftklebstoff 160 zwischen dieser starren Abdeckung 130 an der hohen Lichtstärke und dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm 112 anzuordnen. Die optischen und physikalischen Eigenschaften eines Haftklebstoffs, wie sie nachstehend beschrieben sind, gestatten, dass der Haftklebstoff unter Licht mit hoher Stärke stabil bleibt. Die Klebstoffschicht 150 kann entweder ein Konstruktionsklebstoff oder ein Haftklebstoff sein. Die Klebstoffschicht 161 kann entweder ein Konstruktionsklebstoff oder ein Haftklebstoff sein.
Haftklebstoffe (PSAs) sind Durchschnittsfachleuten bekannt. Nützliche Haftklebstoffe können zum Beispiel im Wesentlichen frei von nichtreagierten Monomeren und Oligomeren und/oder Photoinitiatoren und im Wesentlichen nichtschrumpfend sein. Die Haftklebstoffmaterialien sind vorzugsweise im Wesentlichen frei von UV-absorbierenden Chromophoren wie etwa ausgedehnten aromatischen Strukturen oder konjugierten Doppelbindungen. Das „Pressure-Sensitive Tape Council" (Test Methods for Pressure Sensitive Adhesive Tapes (1994), Pressure Sensitive Tape Council, Chicago, IL) hat Haftklebstoffe als Material mit den folgenden Eigenschaften definiert: (1) aggressive und dauerhafte Klebrigkeit, (2) Klebkraft mit nicht mehr als Fingerdruck, (3) ausreichende Fähigkeit, an einem Anhaftobjekt zu haften, (4) ausreichende kohäsive Stärke, und (5) keine Erfordernis zur Aktivierung durch eine Energiequelle. Haftklebstoffe sind bei den Zusammenbautemperaturen, wobei es sich typischerweise um Raumtemperatur oder höher (d. h., etwa 20°C bis etwa 30°C oder höher) handelt, normalerweise klebrig. Materialien, von denen herausgefunden wurde, dass sie gut als Haftklebstoffe arbeiten, sind Polymere, die dazu gestaltet und formuliert sind, die erforderlichen viskoelastischen Eigenschaften zu zeigen, die zu einem gewünschten Gleichgewicht zwischen der Klebrigkeit, der Ablösehaftung und der Scherhaltekraft bei der Zusammenbautemperatur führen. Die am gebräuchlichsten verwendeten Polymere zur Anfertigung von Haftklebstoffen sind Polymere auf Basis von Naturkautschuk, Synthesekautschuk (z. B. Styrol/Butadien-Copolymere (SBR) und Styrol/Isopren/Styrol(SIS)-Blockcopolymere), Silikonelastomeren, Poly-alpha-olefinen und verschiedensten (Meth)acrylaten (z. B. Acrylat und Methacrylat) (Handbook of Pressure Sensitive Adhesive Technology, 2. Ausgabe, herausgegeben von D. Satas, 1989). Von diesen haben sich (meth)acrylatbasierte Polymer-Haftklebstoffe aufgrund ihrer optischen Klarheit, der Dauerhaftigkeit der Eigenschaften im Lauf der Zeit (Alterungsstabilität) und der Vielseitigkeit der Haftungsgrade, um nur einige wenige ihrer Vorteile zu benennen, als bevorzugte Haftklebstoffklasse für die vorliegende Erfindung entwickelt. Es ist bekannt, Haftklebstoffe anzufertigen, die Gemische von bestimmten (meth)acrylatbasierten Polymeren mit bestimmten anderen Arten von Polymeren aufweisen (Handbook of Pressure Sensitive Adhesive Technology, 2. Ausgabe, herausgegeben von D. Satas, Seite 396, 1989). Geeignete Haftklebstoffe beinhalten, jedoch ohne Beschränkung darauf, die Haftklebstoffe Soken 1885, 2092, 2137 (von der Soken Chemical & Engineering Co., Ltd., Japan, im Handel erhältlich), und die in der am 11. April 2003 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/411,933 und dem Titel ADHESIVE BLENDS, ARTICLES, AND METHODS beschriebenen Haftklebstoffe.
Ein Konstruktionsklebstoff ist ein Material, das verwendet wird, um Materialien mit hoher Stärke wie etwa Holz, Verbundstoffe, Kunststoffe, Glas, oder Metall zu binden, weshalb die praktische Klebstoffbindestärke bei Raumtemperatur mehr als 6,9 MPa (1000 psi) beträgt. Aufgrund der Anforderungen an die Leistungsfähigkeit sind Konstruktionsklebstoffe während des Zusammenbaus gewöhnlich an einer Härtungs- und/oder Vernetzungsreaktion durch eine externe Energiequelle wie etwa UV oder Wärme beteiligt, was zur Entwicklung der endgültigen Hafteigenschaften führt (Structural Adhesives – Chemistry and Technology, herausgegeben von S. R. Hartshorn, 1986). Konstruktionsklebstoffe können auf eine Anzahl von Weisen wie etwa die physische Form, die chemischen Zusammensetzungen, und die Härtungsbedingungen der Klebstoffe klassifiziert werden. Beispiele für Konstruktionsklebstoffe, denen man gewöhnlich begegnet, sind Phenol-, Epoxid-, Acryl-, Urethan-, Polyimid- und Bis-Maleimid-Klebstoffe, wie im Buch „Adhesion and Adhesives Technology – An Introduction", Seite 184, A. V. Pocius, 1997, beschrieben ist.
Geeignete mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilme beinhalten zum Beispiel jene, die in der US-Patentschrift Nr. 5,882,774 beschrieben sind. Eine Ausführungsform eines geeigneten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms weist abwechselnde Schichten von zwei Materialien auf, wovon mindestens eines doppeltbrechend und ausgerichtet ist. Filme, die in Glasprismen gut funktionieren, können zusätzliche Merkmale aufweisen, um passende Werte der Brechungsindizes für jede Schicht, insbesondere in der Richtung normal zur Fläche des Films, bereitzustellen. Im Besonderen sind die Brechungsindizes in der Dickenrichtung des Films der abwechselnden Schichten idealerweise angepasst. Dies ist zusätzlich zur Anpassung der Indizes in der y-Richtung (Durchgangsrichtung) des Polarisators der Fall. Damit ein Polarisator für alle Einfallswinkel eine hohe Übertragung entlang seiner Durchgangsachsen aufweist, können sowohl die y- als auch die z-(normal zum Film)Indizes der abwechselnden Schichten angepasst sein. Das Erreichen einer Anpassung sowohl für die y- als auch für die z-Indizes kann einen ande ren Materialsatz für die Schichten des Films als denjenigen benutzen, der verwendet wird, wenn nur der y-Index angepasst ist. Ältere mehrschichtige Filme von 3M, wie etwa der Film mit der Marke „DBEF" von 3M, wurden in der Vergangenheit mit einer Abstimmung der y-Indizes hergestellt.
Überraschenderweise verbessert die Verwendung einer Haftklebstoffschicht zwischen dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und der Starklichtseite des PBS-Aufbaus die optischen Eigenschaften und die Lebensdauer des PBS-Aufbaus selbst dann, wenn zwischen dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und der Schwachlichtseite und/oder zwischen doppelten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilmen ein Konstruktionsklebstoff angeordnet ist. Geeignete Konstruktionsklebstoffe beinhalten zum Beispiel: NOA61, einen UV-gehärteten thiol-en-basierten Klebstoff, der von der Norland Company (Cranbury, NJ) erhältlich ist; UV-gehärtete Acrylklebstoffe der Loctite-Serie (z. B. 3492, 3175), die von der Henkel Loctite Corp., 1001 Trout Brook Crossing, Rocky Hill, CT 06067 (www.loctite.com) erhältlich sind; UV-gehärtete Acrylklebstoffe der OP-Serie (z. B. 21, 4-20632, 54, 44), die von der Dymax Corporation, 51 Greenwoods Road, Torrington, CT, 06790 (http://www.dymax.com/) erhältlich sind.
Eine Technik, um sowohl die y- als auch die z-Indizes aller Schichten anzupassen, ist, eine wirkliche einachsige Dehnung zu verleihen, wobei dem Film eine Entspannung (z. B. ein Schrumpfen) sowohl in der y- als auch in der z-Richtung gestattet wird, während er in der x-Richtung gedehnt wird. Wenn der Film auf eine solche Weise gedehnt wird, sind die y- und z-Brechungsindizes in einer gegebenen Schicht gleich. Es folgt, dass dann, wenn ein zweites Material gewählt wird, das dem y-Index des ersten Materials entspricht, auch die z-Indizes übereinstimmen müssen, da die zweiten Materialschichten auch den gleichen Dehnungsbedingungen ausgesetzt sind.
Im Allgemeinen sollte die Indexfehlanpassung zwischen den y-Indizes der beiden Materialien für eine hohe Durchlässigkeit im Durchgangszustand klein sein, während im Blockierungszustand ein hohes Reflexionsvermögen bewahrt wird. Die erlaubte Größe der y-Index-Fehlanpassung kann in Bezug auf die x-Index-Fehlanpassung beschrieben werden, da der letztere Wert die Anzahl der Schichten andeutet, die im Polarisationsdünnfilmstapel verwendet werden, um einen gewünschten Grad der Polarisation zu erzielen. Das gesamte Reflexionsvermögen eines Dünnfilmstapels wird mit der Indexfehlanpassung Δn korreliert, und die Anzahl der Schichten im Stapel N, d. h., das Produkt (Δn)² × N, korreliert mit dem Reflexionsvermögen eines Stapels. Zum Beispiel erfordert die Bereitstellung eines Films mit dem gleichen Reflexionsvermögen, aber mit der halben Anzahl von Schichten das (2)^1/2-fache des Indexdifferentials zwischen den Schichten, und so weiter. Der absolute Wert des Verhältnisses Δn_y/Δn_x ist der relevante Parameter, der wünschenswerterweise gesteuert wird, wobei für das erste und das zweite Material in einer optischen Wiederholungseinheit wie hierin beschrieben Δn_y = n_y1 – n_y2 und Δn_x = n_x1 – n_x2 ist. Es wird bevorzugt, dass der absolute Wert des Verhältnisses von Δn_y/Δn_x nicht mehr als 0,1, insbesondere nicht mehr als 0,05, und sogar noch besser nicht mehr als 0,02 beträgt, und in manchen Fällen kann dieses Verhältnis 0,01 oder weniger betragen. Vorzugsweise wird das Verhältnis Δn_y/Δn_x über den gesamten Wellenlängenbereich von Interesse (z. B. über das sichtbare Spektrum) unter der gewünschten Grenze gehalten. Typischerweise weist Δn_x einen Wert von mindestens 0,1 auf und kann es 0,14 oder höher sein.
In vielen praktischen Anwendungen ist abhängig vom Winkel, den das einfallende Licht in Bezug auf die Filmschichten beschreibt, eine kleine z-Index-Fehlanpassung annehmbar. Doch wenn der Film zwischen Glas prismen laminiert ist, d. h., in ein Medium mit hohem Index eingekapselt ist, werden die Lichtstrahlen nicht zur Normalen zur Filmebene gebogen. In diesem Fall wird ein Lichtstrahl die z-Index-Fehlanpassung verglichen mit einem Einfall aus der Luft in einem viel größeren Ausmaß empfinden, und wird ein Lichtstrahl aus x-polarisiertem Licht teilweise oder sogar stark reflektiert werden. Eine engere z-Index-Anpassung kann für Lichtstrahlen, die im Film einen größeren Winkel zur Filmnormalen aufweisen, bevorzugt sein. Doch wenn der Film zwischen Glasprismen laminiert ist, die einen niedrigeren Brechungsindex (z. B. n = 1,60) aufweisen, werden die Lichtstrahlen mehr zur Normalen zur Filmebene gebogen; daher werden die Lichtstrahlen die z-Index-Fehlanpassung in einem geringeren Ausmaß empfinden. Bei der gleichen z-Index-Fehlanpassung wird die Reflexion von p-polarisiertem Licht im Allgemeinen geringer sein, wenn Prismen mit niedrigem Index verwendet werden, als wenn Prismen mit hohem Index verwendet werden. Die Übertragung von p-polarisiertem Licht kann daher höher sein, wenn Prismen mit niedrigem Index verwendet werden, als wenn mit den gleichen Filmen ein Prisma mit hohem Index verwendet wird.
Die erlaubte Größe der z-Index-Fehlanpassung kann wie die y-Index-Fehlanpassung in Bezug auf die x-Index-Fehlanpassung beschrieben werden. Der absolute Wert des Verhältnisses von Δn_z/Δn_x ist der relevante Parameter, der wünschenswerterweise gesteuert wird, wobei für das erste und das zweite Material in einer optischen Wiederholungseinheit wie hierin beschrieben Δn_z = n_z1 – n_z2 und Δn_x = n_x1 – n_x2 ist. Für einen Strahlverzweigerfilm, der zur Verwendung in Luft vorgesehen ist, beträgt der absolute Wert des Verhältnisses Δn_z/Δn_x vorzugsweise weniger als 0,2. Für einen Film, der in einem Medium mit einem höheren Index, wie Glas, eingekapselt ist, beträgt der absolute Wert des Verhältnisses Δn_z/Δn_x vorzugsweise weniger als 0,1 und insbesondere weniger als 0,05, und kann er für einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 632,8 nm 0,03 oder weniger betragen. Vorzugsweise wird das Verhältnis Δn_z/An_x über den gesamten Wellenlängenbereich von Interesse (z. B. über das sichtbare Spektrum) unter der gewünschten Grenze behalten. Typischerweise weist Δn bei 632,8 nm einen Wert von mindestens 0,1 auf und kann es 0,14 oder mehr betragen.
Die z-Index-Fehlanpassung ist für die Übertragung von nominell s-polarisiertem Licht bedeutungslos. Definitionsgemäß empfindet nominell s-polarisiertes Licht den z-Brechungsindex eines Films nicht. Doch wie in der gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 6,486,997 B1 mit dem Titel REFLECTIVE LCD PROJECTION SYSTEM USING WIDE-ANGLE CARTESIAN POLARIZING BEAM SPLITTER beschrieben sind die reflektierenden Eigenschaften von doppeltbrechenden mehrschichtigen Polarisatoren bei verschiedenen Azimutalwinkeln derart, dass die Leistungsfähigkeit des Projektionssystems besser ist, wenn der PBS so gestaltet ist, dass er x-polarisiertes (ungefähr s-polarisiertes) Licht reflektiert und y-polarisiertes (ungefähr p-polarisiertes) Licht überträgt. Die optische Leistung oder das integrierte Reflexionsvermögen eines mehrschichtigen optischen Films wird aus der Indexfehlanpassung in einer optischen Einheit oder einem Schichtpaar abgeleitet, obwohl mehr als zwei Schichten verwendet werden können, um die optische Einheit zu bilden. Die Verwendung von mehrschichtigen reflektierenden Filmen, die abwechselnde Schichten von zwei oder mehr Polymeren aufweisen, um Licht zu reflektieren, ist bekannt und zum Beispiel in der US-Patentschrift Nr. 3,711,176 ; der US-Patentschrift Nr. 5,103,337 ; WO 96/19347 ; und WO 95/17303 beschrieben. Die Platzierung dieser optischen Leistung im optischen Spektrum ist eine Funktion der Schichtdicken. Die Reflexions- und Übertragungsspektren eines bestimmten mehrschichtigen Films hängen hauptsächlich von der optischen Dicke der einzelnen Schichten ab, die als das Produkt der tatsächlichen Dicke einer Schicht und ihres Brechungsindexes definiert ist. Demgemäß können Filme durch Wahl der passenden optischen Dicke der Schichten gemäß der folgenden Formel gestaltet werden, um infrarote, sichtbare, oder ultraviolette Lichtwellenlängen λ_M zu reflektieren: λM = (2/M)·Dr wobei M eine ganze Zahl ist, die die bestimmte Ordnung des reflektierten Lichts darstellt, und Dr die optische Dicke einer optischen Wiederholungseinheit ist, die typischerweise ein Schichtpaar ist, das eine Schicht eines isotropen Materials und eine Schicht eines anisotropen Materials aufweist. Demgemäß ist Dr die Summe der optischen Dicken der einzelnen Polymerschichten, die die optische Wiederholungseinheit aufbauen. Dr ist daher eine Dicke von einem halben Lambda, wo Lambda die Wellenlänge der Reflexionsspitze der ersten Ordnung ist. In Allgemeinen weist die Reflexionsspitze eine endliche Bandbreite auf, die mit einem zunehmenden Indexunterschied zunimmt. Durch Verändern der optischen Dicke der optischen Wiederholungseinheiten entlang der Dicke des mehrschichtigen Films kann ein mehrschichtiger Film gestaltet werden, der Licht über ein breites Band von Wellenlängen reflektiert. Dieses Band wird üblicherweise als das Reflexionsband oder das Sperrband bezeichnet. Die Sammlung von Schichten, die zu diesem Band führt, wird üblicherweise als ein mehrschichtiger Stapel bezeichnet. Daher wird die optische Dickenverteilung der optischen Wiederholungseinheiten im mehrschichtigen Film in den Reflexions- und den Übertragungsspektren des Films offenbart. Wenn die Indexanpassung in der Durchgangsrichtung sehr hoch ist, kann das Übertragungsspektrum im Durchgangszustand fast flach und zu über 95% im gewünschten spektralen Bereich sein.
In den Filmen der vorliegenden Erfindung können verschiedenste Dickenverteilungen von optischen Dicken verwendet werden. Zum Beispiel können die Dickenverteilungen eines oder beider Filme monoton schwanken. Mit anderen Worten zeigt die Dicke der optischen Wiederholungseinheit entweder eine beständige Neigung zur Abnahme oder zur Zunahme entlang der Dicke des mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms (z. B. zeigt die Dicke der optischen Wiederholungseinheit nicht eine Neigung zur Zunahme entlang eines Teils der Dicke des mehrschichtigen Films und eine Neigung zur Abnahme entlang eines anderen Teils der Dicke des mehrschichtigen Films).
Unter Rückkehr zu 2 weist der erste Film 112 mehrere Schichten auf, die eine erste Verteilung der optischen Dicken aufweisen. Ferner weist der zweite Film 120 mehrere Schichten auf, die eine zweite Verteilung der optischen Dicken aufweisen. Die erste und die zweite Verteilung der optischen Dicken können alle beliebigen Verteilungen sein, die in der Technik bekannt sind. Zum Beispiel können die erste und die zweite Verteilung Verteilungen wie die in der US-Patentschrift Nr. 6,157,490 mit dem Titel OPTICAL FILM WITH SHARPENED BANDEDGE beschriebenen aufweisen. Ferner kann zum Beispiel die erste Verteilung die gleiche Verteilung der optischen Dicken wie die zweite Verteilung aufweisen. Alternativ können die erste und die zweite Verteilung unterschiedliche Verteilungen der optischen Dicken aufweisen.
Die mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilme, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, können Dickenverteilungen aufweisen, die ein oder mehr Bandpakete aufweisen. Ein Bandpaket ist ein mehrschichtiger Stapel, der einen derartigen Bereich der Schichtdicke aufweist, dass durch den mehrschichtigen Stapel ein weites Band von Wellenlängen reflektiert wird. Zum Beispiel kann ein Blaubandpaket eine derartige optische Dickenverteilung aufweisen, dass es blaues Licht, d. h., ungefähr 400 nm bis 500 nm, reflektiert. Mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilme der vorliegenden Erfindung können ein oder mehrere Bandpakete aufweisen, die jeweils ein unterschiedliches Wellenlängenband reflektieren, z. B. weist ein mehrschichtiger reflektierender Polarisator ein rotes, ein grünes und ein blaues Paket auf. Mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilme, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, können auch UV- und/oder IR-Bandpakete aufweisen. Im Allgemeinen weisen blaue Pakete derartige optische Wiederholungseinheitsdicken auf, dass das Paket dazu neigt, blaues Licht zu reflektieren, und werden sie daher optische Wiederholungseinheitsdicken aufweisen, die geringer als die optischen Wiederholungseinheitsdicken der grünen oder roten Pakete sind. Die Bandpakete können in einem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm durch eine oder mehrere innere Grenzschichten getrennt sein.
Das Erhöhen des Einfallswinkels auf einen mehrschichtigen Stapel kann verursachen, dass der Stapel Licht mit einer kürzeren Wellenlänge reflektiert, als wenn das Licht normal zum Stapel einfällt. Ein IR-Paket kann bereitgestellt werden, um die Reflexion von rotem Licht für jene Strahlen, die mit den höchsten Winkeln auf den Stapel einfallen, zu unterstützen.
Wie zum Beispiel in den US-Patentschriften Nr. 5,882,774 und 5,962,114 beschrieben weisen mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilme einzigartige Übertragungs- oder Reflexionsspektren auf. Als Ergebnis können die verschiedenen mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilme für verschiedene einfallende Wellenlängen und Polarisationen verschiedene Kontrastverhältnisse zeigen, wobei das Kontrastverhältnis als das Verhältnis der übertragenen Stärken des Lichts mit der gewünschten Übertragungspolarisation (z. B. p-polarisiertes Licht) zum Licht mit der gewünschten Reflexionspolarisation (z. B. s-polarisiertes Licht) definiert ist. Zum Beispiel kann der erste Film 112 ein erstes Kontrastverhältnisspektrum, ein erstes Übertragungsspektrum oder ein erstes Reflexionsspektrum aufweisen, und kann der zweite Film 120 ein zweites Kontrastverhältnisspektrum, ein zweites Übertragungsspektrum oder ein zweites Reflexionsspektrum aufweisen. Das erste Kontrastverhältnisspektrum, das erste Übertragungsspektrum oder das erste Reflexionsspektrum kann für ein gegebenes Wellenlängenband jeweils mit dem zweiten Kontrastverhältnisspektrum, dem zweiten Übertragungsspektrum oder dem zweiten Reflexionsspektrum übereinstimmen. Alternativ kann das erste Kontrastverhältnisspektrum, das erste Übertragungsspektrum oder das erste Reflexionsspektrum jeweils vom zweiten Kontrast verhältnisspektrum, vom zweiten Übertragungsspektrum oder vom zweiten Reflexionsspektrum verschieden sein (und in einigen Fällen spektral davon verschoben sein), wie hierin näher beschrieben ist.
Wie in 2 näher veranschaulicht ist, ist der zweite Film 120 derart nahe am ersten Film 112 platziert, dass eine Hauptfläche 122 des zweiten Films 120 zu einer Hauptfläche 114 des ersten Films 112 gerichtet ist. Die Hauptflächen 114 und 122 des ersten und des zweiten Films 112 und 120, die zueinander gerichtet sind, können miteinander in Kontakt stehen, oder die Hauptflächen können durch eine Klebstoffschicht 150, die zwischen dem ersten Film 112 und dem zweiten Film 120 angeordnet ist, voneinander beabstandet sein. Die Hauptflächen 114 und 122 können wie in 2 veranschaulicht parallel sein.
Die Klebstoffschicht 50 und 150 kann einen optischen Klebstoff aufweisen. Es kann jeder beliebige geeignete optische Klebstoff verwendet werden, z. B. ein wärmegehärteter Konstruktionsklebstoff, ein photochemisch gehärteter Konstruktionsklebstoff, ein Haftklebstoff, usw.
Bei einigen mehrschichtigen reflektierenden Polarisati onsfilmen kann eine optische Absorption unerwünschte Wirkungen verursachen. Um die optische Absorption zu verringern, ist der bevorzugte mehrschichtige Stapel derart aufgebaut, dass Wellenlängen, die durch den Stapel am stärksten absorbiert würden, die ersten Wellenlängen sind, die durch den Stapel reflektiert werden. Für die meisten durchsichtigen Materialien, einschließlich der meisten Polymere, nimmt die Absorption zum blauen Ende des sichtbaren Spektrums hin zu. Daher kann es bevorzugt sein, den mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsstapel derart abzustimmen, dass sich die „blauen" Schichten oder Pakete an der Einfallsseite des mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms befinden.
Obwohl die vorliegende Erfindung Polarisations-Strahlverzweiger, die einen oder mehrere mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilme aufweisen, wobei zwischen einem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und einer starren Abdeckung ein Haftklebstoff angeordnet ist, und Systeme, die derartige Strahlverzweiger verwenden, bereitstellt, können ein oder mehrere mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilme, die an einem Haftklebstoff angeordnet sind, in anderen Gestaltungen oder optischen Vorrichtungen verwendet werden, z. B. in Helligkeitsverbesserungsfilmaufbauten, Polarisatoren, Anzeigeanwendungen, Projektionsanwendungen, und anderen optoelektronischen Anwendungen. Die Kombination eines oder mehrerer mehrschichtiger reflektierender Polarisationsfilme, die an einem Haftklebstoff angeordnet sind, kann im Allgemeinen verwendet werden, um die optische Stabilität von PBS-Aufbauten zu erhöhen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann einen PBS aufweisen, der Prismen in der Form von im Wesentlichen rechtwinkeligen Dreiecken aufweist, die verwendet werden, um einen Würfel zu bilden. In diesem Fall ist der bzw. sind die mehrschichtige(n) reflektie rende(n) Polarisationsfilm(e) zwischen den Hypotenusen der beiden Prismen eingefügt, wie hierin beschrieben ist. Ein würfelförmiger PBS kann in vielen Projektionssystemen bevorzugt sein, da er für eine kompakte Gestaltung sorgt, wobei z. B. die Lichtquelle und andere Bestandteile wie etwa Filter so positioniert werden können, dass ein kleiner, leichtgewichtiger tragbarer Projektor bereitgestellt wird.
Obwohl ein Würfel eine Ausführungsform darstellt, können andere PBS-Formen verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Kombination von mehreren Prismen aufgebaut werden, um einen rechteckigen PBS bereitzustellen. Für einige Systeme kann der würfelförmige PBS derart abgeändert werden, dass eine oder mehrere Flächen nicht quadratisch sind. Wenn nichtquadratische Flächen verwendet werden, kann durch den nächsten benachbarten Bestandteil, wie etwa das Farbprisma oder die Projektionslinse, eine passende, parallele Fläche bereitgestellt werden.
Die Prismenabmessungen, und die sich ergebenden PBS-Abmessungen, hängen von der beabsichtigten Anwendung ab. In einer beispielhaften Dreiplatten-Liquid-Crystal-on-Silicon(LCOS)-Lichtmaschine, die hierin unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist, kann der PBS bei einer Höhe von 24 mm eine Länge und eine Breite von 17 mm aufweisen, wenn eine Hochdruck-Hg-Lampe mit kleinem Bogen wie etwa der von der Philips Corp. (Aachen, Deutschland) im Handel verkaufte Typ UHP verwendet wird, ihr Strahl als ein F/2,3-Lichtkegel vorbereitet wird und den PBS-Würfeln zur Verwendung mit Bilddarstellern mit einer Diagonale von 0,7 Inch und einem Bildseitenverhältnis von 16:9 wie den von JVC (Wayne, NJ, USA), Hitachi (Fremont, CA, USA) oder Three-Five Systems (Tempe, AZ, USA) erhältlichen Bilddarstellern geboten wird. Das F# des Strahles und die Bilddarstellergröße sind einige der Faktoren, die die PBS-Größe bestimmen.
Ein mehrschichtiger reflektierender Polarisations-Einzelschicht-PBS-Aufbau kann durch das folgende Verfahren gebildet werden. Ein Haftklebstoff kann zwischen einem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und einer starren Abdeckung angeordnet (zum Beispiel aufgetragen oder laminiert) werden. Der Haftklebstoff kann entweder auf dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm oder auf der starren Abdeckung angeordnet (zum Beispiel aufgetragen oder laminiert) werden. Der Haftklebstoff kann ausreichend biegsam sein, damit der Haftklebstoff gebogen werden kann, während er auf den mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm oder die starre Abdeckung aufgebracht wird. Das Laminieren oder Auftragen des Haftklebstoffs auf den mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und/oder die starre Abdeckung kann in einigen Ausführungsformen verhindern, dass sich zwischen dem Haftklebstoff und dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und/oder der starren Abdeckung bemerkbare Luftporen bilden. In einer erläuternden Ausführungsform kann der Haftklebstoff am mehrschichtigen reflektierenden Polarisator angeordnet werden, um ein klebendes Polarisationsfilmlaminat zu bilden. Das klebende Polarisationsfilmlaminat kann dann auf eine erste starre Abdeckung aufgebracht werden. Eine zweite starre Abdeckung kann neben dem klebenden Polarisationsfilmlaminat platziert werden, um einen Polarisations-Strahlverzweiger zu bilden. Zwischen dem klebenden Polarisationsfilmlaminat und der zweiten starren Abdeckung kann ein optionaler Konstruktionsklebstoff angeordnet werden.
Der obige PBS-Aufbau kann ohne Härten (zum Beispiel photochemisches Härten oder Wärmehärten) des Haftklebstoffs gebildet werden. Doch wenn ein optionaler Konstruktionsklebstoff verwendet wird, um den mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm an die zweite starre Abdeckung zu kleben, kann dieser Konstruktionsklebstoff wie gewünscht mit Wärme oder Licht gehärtet werden.
Ein mehrschichtiger reflektierender Polarisations-Zweischicht-PBS-Aufbau kann durch das folgende Verfahren gebildet werden. Ein erster Haftklebstoff kann wie oben beschrieben zwischen einem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und einer ersten starren Abdeckung angeordnet (zum Beispiel aufgetragen oder laminiert) werden. Ein zweiter Haftklebstoff kann wie oben beschrieben zwischen einem zweiten mehrschichten reflektierenden Polarisationsfilm und einer zweiten starren Abdeckung angeordnet (zum Beispiel aufgetragen oder laminiert) werden. Dann wird der erste mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilm neben dem zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm platziert, um einen Polarisations-Strahlverzweiger zu bilden. Zwischen dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und dem zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm kann ein optionaler Konstruktionsklebstoff angeordnet werden.
Der obige PBS-Aufbau kann ohne Härten (zum Beispiel photochemisches Härten oder Wärmehärten) des Haftklebstoffs gebildet werden. Doch wenn ein optionaler Konstruktionsklebstoff verwendet wird, um den zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm an die zweite starre Abdeckung oder den ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm an den zweiten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm zu kleben, kann dieser Konstruktionsklebstoff wie gewünscht mit Wärme oder Licht gehärtet werden.
Der hierin beschriebene Haftklebstoff kann biegsam, biegbar oder zu einem mit einer Laminierung verwendbaren Radius gekrümmt sein, und kann wirksam sein, um zu verhindern, dass sich zwischen den Laminierungsschichten bemerkbare Luftporen, d. h., von 0,5 bis 5 mm, bilden.
Der Mehrfilm-PBS der vorliegenden Erfindung kann in verschiedensten optischen Bilddarstellersystemen verwendet werden. Der wie hierin verwendete Ausdruck „optisches Bilddarstellersystem" soll eine breite Vielfalt von optischen Systemen beinhalten, die ein Bild für einen Seher zur Betrachtung erzeugen. Optische Bilddarstellersysteme der vorliegenden Erfindung können zum Beispiel in Front- und Rückprojektionssystemen, Projektionsanzeigen, Head-Mounted-Displays, virtuellen Betrachtern, Head-Up-Displays, optischen Rechensystemen, optischen Korrelationssystemen, und anderen optischen Sicht- und Anzeigesystemen verwendet werden.
Eine Ausführungsform eines optischen Bilddarstellersystems ist in 3 veranschaulicht, wobei das System 210 eine Lichtquelle 212, zum Beispiel eine Bogenlampe 214 mit einem Reflektor 216, um Licht 218 in eine Vorwärtsrichtung zu richten, aufweist. Bei der Lichtquelle 212 kann es sich auch um eine Festkörper-Lichtquelle wie etwa Leuchtdioden oder eine Laserlichtquelle handeln. Das System 210 weist auch einen PBS 220, z. B. den hierin beschriebenen Einzelfilm- oder Mehrfachfilm-PBS, auf. Licht mit einer x-Polarisation, d. h. Licht, das in eine Richtung parallel zur x-Achse polarisiert ist, ist durch das eingekreiste „x" angegeben. Licht mit einer y-Polarisation, d. h., Licht, das in eine Richtung parallel zur y-Achse polarisiert ist, ist durch einen durchgehenden Pfeil angegeben. Durchgehende Linien geben einfallendes Licht an, während gestrichelte Linien Licht, das von einem reflektierenden Bilddarsteller 226 mit einem veränderten Polarisationszustand zurückgeworfen wird, angeben. Licht, das durch die Quelle 212 bereitgestellt wird, kann vor dem Beleuchten des PBS 220 durch eine Konditionierungsoptik 222 konditioniert werden. Die Konditionierungsoptik 222 verändert die Eigenschaften des Lichts, das durch die Quelle 212 ausgestrahlt wird, zu Eigenschaften, die durch das Projektionssystem erwünscht sind. Zum Beispiel kann die Konditionierungsoptik 222 jedes belie bige eine oder mehrere aus der Divergenz des Lichts, dem Polarisationszustand des Lichts, oder dem Spektrum des Lichts verändern. Die Konditionierungsoptik 222 kann zum Beispiel eine oder mehrere Linsen, einen Polarisationskonverter, einen Vorpolarisator, und/oder ein Filter zur Entfernung von unerwünschtem ultraviolettem oder infrarotem Licht aufweisen.
Die x-polarisierten Komponenten des Lichts werden durch den PBS 220 zum reflektierenden Bilddarsteller 226 reflektiert. Der Flüssigkristallmodus des reflektierenden Bilddarstellers 226 kann smektisch, nematisch oder irgendeine andere geeignete Art von Bilddarsteller sein. Wenn der reflektierende Bilddarsteller 226 smektisch ist, kann der reflektierende Bilddarsteller 226 eine ferroelektrische Flüssigkristallanzeige (FLCD) sein. Der Bilddarsteller 226 reflektiert und moduliert einen Bildstrahl, der eine y-Polarisation aufweist. Das reflektierte y-polarisierte Licht wird durch den PBS 220 übertragen und durch ein Projektionslinsensystem 228, dessen Gestaltung typischerweise für jedes bestimmte optische System optimiert ist, wobei alle Bestandteile zwischen dem Linsensystem 228 und dem Bilddarsteller oder den Bilddarstellern berücksichtigt werden, projiziert. Eine Steuerung 252 ist mit dem reflektierenden Bilddarsteller 226 gekoppelt, um den Betrieb des reflektierenden Bilddarstellers 226 zu steuern. Typischerweise aktiviert die Steuerung 252 die verschiedenen Pixel des Bilddarstellers 226, um im reflektierten Licht ein Bild zu schaffen.
Eine Ausführungsform eines Projektionssystems 300 mit mehreren Bilddarstellern ist in 4 schematisch veranschaulicht. Licht 302 wird von einer Quelle 304 ausgestrahlt. Die Quelle 304 kann eine Bogen- oder eine Glühlampe oder jede beliebige andere geeignete Lichtquelle zur Erzeugung von Licht, das zur Projektion von Bildern geeignet ist, sein. Die Quelle 304 kann von einem Reflektor 306 wie etwa einem elliptischen Reflek tor (wie gezeigt), einem Parabolreflektor, oder dergleichen umgeben sein, um die Menge des Lichts, das zur Projektionsmaschine gerichtet wird, zu erhöhen.
Das Licht 302 wird typischerweise behandelt, bevor es in verschiedene Farbbänder geteilt wird. Zum Beispiel kann das Licht 302 durch einen optionalen Vorpolarisator 308 geführt werden, damit nur Licht mit einer gewünschten Polarisation zur Projektionsmaschine gerichtet wird. Der Vorpolarisator kann in der Form eines reflektierenden Polarisators ausgeführt sein, damit reflektiertes Licht im unerwünschten Polarisationszustand zur Wiederaufbereitung zur Lichtquelle 304 zurückgeführt wird. Das Licht 302 kann auch homogenisiert werden, damit die Bilddarsteller in der Projektionsmaschine gleichmäßig beleuchtet werden. Ein Ansatz zur Homogenisierung des Lichts 302 ist, das Licht 302 durch einen reflektierenden Tunnel 310 zu führen, obwohl man verstehen wird, dass andere Ansätze zur Homogenisierung des Lichts ebenfalls eingesetzt werden können.
In der veranschaulichten Ausführungsform verläuft das homogenisierte Licht 312 durch eine erste Linse 314, um den Divergenzwinkel zu verringern. Das Licht 312 fällt dann auf einen ersten Farbseparator 316 ein, der zum Beispiel ein dielektrisches Dünnfilmfilter sein kann. Der erste Farbseparator 316 trennt Licht 318 in einem ersten Farbband vom verbleibenden Licht 320.
Das Licht 318 im ersten Farbband kann durch eine zweite Linse 322, und optional durch eine dritte Linse 323, geführt werden, um die Größe des Lichtstrahls 318 im ersten Farbband, der auf den ersten PBS 324 einfällt, zu steuern. Das Licht 318 verläuft vom ersten PBS 324 zu einem ersten Bilddarsteller 326. Der Bilddarsteller reflektiert Bildlicht 328 in einem Polarisationszustand, der durch den PBS 324 zu einem x-Würfelfarbkombinierer 330 übertragen wird. Der Bilddarsteller 326 kann ein oder mehrere Ausgleichselemente, wie etwa ein Verzögerungselement, aufweisen, um eine zusätzliche Polarisationsdrehung bereitzustellen und dadurch den Kontrast im Bildlicht zu erhöhen.
Das verbleibende Licht 320 kann durch eine dritte Linse 332 geführt werden. Das verbleibende Licht 320 fällt dann auf einen zweiten Farbseparator 334, zum Beispiel ein Dünnfilmfilter oder dergleichen, ein, um einen Lichtstrahl 336 in einem zweiten Farbband und einen Lichtstrahl 338 in einem dritten Farbband zu erzeugen. Das Licht 336 im zweiten Farbband wird über einen zweiten PBS 342 zu einem zweiten Bilddarsteller 340 gerichtet. Der zweite Bilddarsteller 340 richtet Licht 344 im zweiten Farbband zum x-Würfelfarbkombinierer 330.
Das Licht 338 im dritten Farbband wird über einen dritten PBS 348 zu einem dritten Bilddarsteller 346 gerichtet. Der dritte Bilddarsteller 346 richtet Bildlicht 350 im dritten Farbband zum x-Würfelfarbkombinierer 330.
Das Bildlicht 328, 344 und 350 im ersten, zweiten und dritten Farbband wird im x-Würfelfarbkombinierer 330 kombiniert und als ein vollfarbiger Bildstrahl zu einer Projektionsoptik 352 gerichtet. Zwischen den PBSs 324, 342 und 348 und dem x-Würfelfarbkombinierer 330 können Polarisationsdrehoptiken 354, zum Beispiel Halbwellenverzögerungsplatten oder dergleichen, bereitgestellt sein, um die Polarisation des Lichts, das im x-Wurfelfarbkombinierer 330 kombiniert wird, zu steuern. In der veranschaulichten Ausführungsform sind Polarisationsdrehoptiken 354 zwischen dem x-Würfelfarbkombinierer 330 und dem ersten PBS 324 und dem dritten PBS 348 angeordnet. Jeder beliebige, zwei oder alle drei der PBSs 324, 342 und 348 können einen oder mehrere wie hierin beschriebene mehrschichtige reflektierende Polarisationsfilme aufweisen.
Man wird versehen, dass Veränderungen der veranschaulichten Ausführungsform verwendet werden können. Zum Beispiel können die PBSs, anstelle Licht zu den Bilddarstellern zu reflektieren und dann das Bildlicht zu übertragen, vielmehr Licht zu den Bilddarstellern übertragen und dann das Bildlicht reflektieren. Die oben beschriebenen Projektionssysteme sind nur Beispiele; es kann eine Vielfalt von Systemen gestaltet werden, die die Mehrfachfilm-PBSs der vorliegenden Erfindung benutzen.
Beispiele
Die mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilme der folgenden Beispiele sind im Aufbau und in der Verarbeitung ähnlich und unterscheiden sich im Wesentlichen nur durch ihre Enddicke und durch sekundäre Veränderungen, die sich aus der Verwendung unterschiedlicher Gussgeschwindigkeiten ergaben, welche nötig waren, um diese unterschiedlichen Dicken bei konstanten Schmelzpumpengeschwindigkeiten zu erzielen. Die Filme wurden nach den allgemeinen Verfahren, die in der US-Patentschrift Nr. 6,609,795 beschrieben sind, und nach den allgemeinen Verfahren, die in der am 16. Mai 2003 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennumer 10/439,444 und dem Titel POLARIZING BEAM SPLITTER AND PROJECTION SYSTEM USING THE POLARIZING BEAM SPLITTER beschrieben sind, extrudiert und gezogen.
Die Acryl-Haftklebstoffe, die in den folgenden Beispielen verwendet werden, sind der Haftklebstoff Soken 1885 (von der Soken Chemical & Engineering Co., Ltd., Japan im Handel erhältlich) und der in Beispiel 1 der am 11. April 2003 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/411,933 und dem Titel ADHESIVE BLENDS, ARTICLES, AND METHODS beschriebene Haftklebstoff NEA. Der Haftklebstoff Soken 1885 wird als Lösung mit 20% Feststoffen in einem Lösungsgemisch aus Ethylacetat/Toluen/MEK erhalten. Nach dem Mischen mit den Vernetzungsmitteln L-45 und E-5XM (ebenfalls von der Soken Co.) in einem von Soken empfohlenen Verhältnis von Soken 1885/L-45/E-5XM = 1 kg/1,78 g/0,64 g ist die Soken-Haftklebstoffmischung zum Auftragen bereit, um den Soken-1885-Haftklebstofffilm zur Laminierung herzustellen. Der Haftklebstoff NEA wurde nach Beispiel 1 der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/411,933 zum Auftragen angefertigt, um den NEA-Haftklebstofffilm zur Laminierung herzustellen.
Die Konstruktionsklebstoffe, die in den folgenden Beispielen verwendet werden, sind alle wie nachstehend angegeben im Handel erhältlich. Lens Bond (Type C59) ist ein wärmegehärteter styrolbasierter Klebstoff, der von Summers Optical, 1560 Industry Road, P. O. Box 380, Hatfield, PA 19440 (ein Unternehmensbereich der EMS Acquisition Corp., http://www.emsdiasum.com/Summers/optical/cements/cements/cements.html) erhältlich ist. NOA61 ist ein UV-gehärteter thiol-en-basierter Klebstoff, der von der Norland Company (Cranbury, NJ) erhältlich ist. NOA61 Thermal ist ein UV-gehärtetes NOA61-Klebstoffgemisch mit 0,5% 2,2'-Azobis(2,4-dimethyl-valeronitril), das von DuPont, Wilmington, DE unter der Handelsbezeichnung „Vazo 52" im Handel erhältlich ist.
Eine Anzahl von Film/Klebstoff-PBS-Aufbauten wurde gemäß den folgenden Vorgangsweisen hergestellt.
Vorgangsweisen zur Herstellung eines optischen PBS-Kerns unter Verwendung eines Haftklebstofffilms und eines Konstruktionsklebstoffs:

1. Die obige Soken-1885-Haftklebstofflösung bzw. NEA-Haftklebstofflösung wurde durch eine Rakelstreichvorrichtung auf eine Trennlage (A31-Lage von LINTEC OF AMERICA, INC., 64 Industrial Parkway, Woburn, Massachusetts 01888 USA) aufgetragen und in einem Ofen mit 70 Grad C für zehn Minuten zu einer Trockendicke von 25 μm für die jeweilige Haftklebstoffschicht wärmegetrocknet. Die Vernetzungsreaktionen in den Haftklebstoffen wurden während der Trocknung abgeschlossen. Für die Haftklebstofffilme ist während des Zusammenbaus, z. B. in den Schritten 2 und 3, keine weitere Reaktion erforderlich.
2. Proben der beschichteten Haftklebstofffilme wurden dann unter Verwendung einer Laminiervorrichtung an einen PBS-Film laminiert und zur Laminierung an ein starres Glasprisma in eine bestimmte Größe geschnitten.
3. Die ausgestanzten mehrschichtigen reflektierenden polarisierenden kaschierten Haftklebstofffilme wurden durch eine Handwalze an das starre Glasprisma gebunden.
4. Für einen einzelnen optischen Kern aus einem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsschicht-PBS wurde der Aufbau aus dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm, dem Haftklebstoff und dem Prisma durch einen Konstruktionsklebstoff an einem anderen Prisma angebracht. Der Klebstoff wurde 24 Stunden lang bei 60 Grad wärmegehärtet.
5. Für einen zweischichtigen optischen Kern aus mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsschicht-PBSs wurde der Aufbau aus dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm, dem Haftklebstoff und dem Prisma durch einen Konstruktionsklebstoff an einem anderen Aufbau aus einem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm, einem Haftklebstoff und einem Prisma angebracht. Der Konstruktionsklebstoff wurde bei Schwarzlicht mit geringer Stärke (UVA: 7,5 mW/cm²) 10 Minuten lang gehärtet. Die gesamte Bestrahlungsdosis war 4,5 J/cm².

Die obige Vorgangsweise wurde durchgeführt, um einzelne und zweischichtige optische Kerne aus mehrschichtigen reflektierenden Polarisations-PBSs zu bilden. Es wurde herausgefunden, dass PBS-Kerne, bei denen zwischen dem Prisma und dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm ein Haftklebstoff angeordnet ist, verglichen mit ähnlichen Aufbauten, bei denen zwischen dem Prisma und dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm ein Konstruktionsklebstoff angeordnet ist, eine um mindestens einen Faktor von 2× verbesserte Lebensdauer aufweisen. Zusätzlich zeigen diese erfinderischen PBS-Kerne verglichen mit ähnlichen Aufbauten, bei denen zwischen dem Prisma und dem mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm ein Konstruktionsklebstoff angeordnet ist, einen gleichmäßigeren Spiegeldunkelzustand
Erläuternde Ausführungsformen dieser Erfindung wurden besprochen und auf mögliche Veränderungen innerhalb des Umfangs dieser Erfindung Bezug genommen. Diese und andere Veränderungen und Abwandlungen an der Erfindung werden Fachleuten offensichtlich sein, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen, und es sollte sich verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die hierin bekannt gemachten erläuternden Ausführungsformen beschränkt ist. Demgemäß soll die Erfindung nur durch die nachstehend bereitgestellten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Polarisations-Strahlverzweiger (10, 110), aufweisend: einen ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (12, 112); einen ersten Haftklebstoff (60, 160), der auf dem ersten mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm angeordnet ist; gekennzeichnet durch ein erstes starres Prisma (30, 130), das auf dem ersten Haftklebstoff angeordnet ist; und ein zweites starres Prisma (40, 140), das neben dem ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm angeordnet ist.
Polarisations-Strahlverzweiger nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Konstruktionsklebstoff (50, 150), der zwischen dem zweiten starren Prisma (40, 140) und dem ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (12, 112) angeordnet ist.
Polarisations-Strahlverzweiger nach Anspruch 1, wobei das erste Prisma (30, 130) ein Glasprisma ist, und das zweite Prisma (40, 140) ein Glasprisma ist.
Polarisations-Strahlverzweiger nach Anspruch 1, wobei der erste Haftklebstoff (60, 160) im Wesentlichen photoinitiatorfrei ist.
Polarisations-Strahlverzweiger nach Anspruch 1, wobei der erste Haftklebstoff (60, 160) im Wesentlichen frei von nichtreagierten Monomeren oder im Wesentlichen frei von nichtreagierten Oligomeren ist.
Polarisations-Strahlverzweiger nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen zweiten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (120), der sich nächst dem ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (112) befindet, wobei eine Hauptfläche des zweiten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms zu einer Hauptfläche des ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilms gerichtet ist; und einen Klebstoff (150), der zwischen dem ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm und dem zweiten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm angeordnet ist.
Polarisations-Strahlverzweiger nach Anspruch 6, ferner aufweisend einen Konstruktionsklebstoff (161), der zwischen dem zweiten starren Prisma (140) und dem zweiten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (120) angeordnet ist.
Polarisations-Strahlverzweiger nach Anspruch 6, ferner aufweisend einen zweiten Haftklebstoff (161), der zwischen dem zweiten starren Prisma (140) und dem zweiten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (120) angeordnet ist.
Polarisations-Strahlverzweiger nach Anspruch 6, wobei der Klebstoff (150), der zwischen dem ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polari sationsfilm (112) und dem zweiten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (120) angeordnet ist, ein Konstruktionsklebstoff ist.
Projektionssystem (300), aufweisend: eine Lichtquelle (304), um Licht zu erzeugen; einen Abbildungskern, um ein Bild auf erzeugtes Licht von der Lichtquelle zu legen, um Bildlicht zu bilden; und ein Projektionslinsensystem (352), um das Bildlicht vom Abbildungskern zu projizieren; wobei der Abbildungskern mindestens einen Polarisations-Strahlverzweiger (324) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens einen Bilddarsteller (326) aufweist, wobei der erste Haftklebstoff des Strahlverzweigers zwischen der Lichtquelle und dem ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm des Strahlverzweigers angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Polarisations-Strahlverzweigers (10, 110), wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Anordnen eines Haftklebstoffs (60, 160) zwischen einem ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (12, 112) und einem ersten starren Prisma (30, 130); und Platzieren eines zweiten starren Prismas (40, 140) neben dem ersten polymeren mehrschichten reflektierenden Polarisationsfilm, um einem Polarisations-Strahlverzweiger zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Anordnungs schritt das Anordnen eines ersten Haftklebstoffs (60, 160) auf einem ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (12, 112), um ein Haftpolarisationsfilmlaminat zu bilden, und das Aufbringen des Haftpolarisationsfilmlaminats auf ein erstes starres Prisma (30, 130) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend das Aufbringen eines Konstruktionsklebstoffs (50, 150) zwischen dem ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (12, 112) und dem zweiten starren Prisma (40, 140).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Aufbringungsschritt das Laminieren des Haftpolarisationsfilmlaminats auf ein erstes starres Prisma (30, 130) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Anordnungsschritt und der Platzierungsschritt ohne Härten des Haftklebstoffs durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend: Anordnen eines zweiten Haftklebstoffs (101) zwischen einem zweiten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (120) und einem zweiten starren Prisma (140); und Platzieren des ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (112) neben dem zweiten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm, um einen Polarisations-Strahlverzweiger (110) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner aufweisend das Aufbringen eines Konstruktionsklebstoffs (150) zwischen dem ersten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (112) und dem zweiten polymeren mehrschichtigen reflektierenden Polarisationsfilm (120).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Anordnens eines zweiten Haftklebstoffs das Laminieren eines zweiten Haftklebstoffs (161) auf ein zweites starres Prisma (140) aufweist.