TWI507731B - 偏光分束器中之應力雙折射補償及使用該偏光分束器之系統 - Google Patents

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Description

偏光分束器中之應力雙折射補償及使用該偏光分束器之系統
本發明係關於光學系統，且更特定言之係關於使用偏光分束器分離或混合不同偏振狀態下之光束的光學系統。
偏光分束器(PBS)之功能係反射一偏振狀態下的光及透射正交偏振狀態下的光。因此，PBS在依賴光偏振之光學系統中得到廣泛使用。一種此系統之實例係使用反射液晶顯示(LCD)面板調變照明光束之影像投影系統：例如藉由在該PBS中反射而將經偏振之照明光束導引至LCD面板。LCD面板空間調變該光束使得經反射之光束含有該照明光束的一些偏振狀態下之未經調變光及一些正交偏振狀態下之調變光。未經調變之非影像光被PBS反射，而含有所要影像的經調變之影像光透射過該PBS。因此，該PBS將影像光與非影像光分離，且該影像光隨後可投影至螢幕上供使用者觀看。
可使用不同類型之PBS：已報導投影系統使用MacNeille PBS，對於一偏振狀態而言該MacNeille PBS依賴以Brewer角定向的等向性材料之四分之一波長薄膜之堆疊，且使用Cartesian多層光學薄膜(MOF)PBS，該Cartesian MOF PBS使用交替的等向性及雙折射聚合材料之堆疊。與MacNeille PBS相比，該Cartesian MOF PBS能夠在較低f值下且以較高之對比度及透射率而運作。
PBS經常被形成為夾在兩個直角玻璃稜鏡斜邊之間的偏光層。然而，若位於該偏光層與影像器面板之間的玻璃稜鏡中存在任何雙折射延遲，則由於自該偏光表面反射的經標稱s偏振之照明光在入射至該影像器面板上時經旋轉而受部分p偏振，因此會降低PBS提供之對比度。此引起自影像器面板反射後的光洩漏，導致黑暗狀態下亮度水平的增加且因此導致對比度之降低。玻璃稜鏡中之雙折射延遲可由許多不同原因產生，例如，裝配PBS時誘發於PBS組件中之機械應力或由PBS夾具或當遭受強烈照明光束時由PBS中的熱膨脹所誘發之應力。另外，若待安裝成像裝置之硬體附著至PBS的輸入稜鏡，則此通常導致該PBS之至少一些區域上歸因於玻璃中所得應力之顯著對比度降低。
在克服此問題之努力中，玻璃產商做了大量工作以製造產生極少雙折射回應機械應力的具有較低應力光學係數(SOC)之玻璃。分別由Ohara及Schott製造的PBH56及SF57為此類型之實例玻璃。此等玻璃含有相當數量的鉛：PBH56及SF57均含有超過70重量%之氧化鉛。因此此等低SOC玻璃並非有利於環境之材料且亦昂貴且難以處理。另外，低SOC玻璃具有較高折射率，超過1.8，此會在與較低折射率偏光層相配時導致光學失效或像差。
本發明一實施例係針對包含一偏光分束器(PBS)之一光學單元。該PBS具有一第一罩蓋及一第二罩蓋，該第一罩蓋具有用於透射一光束的一第一表面及一第二表面，且該第二罩蓋具有用於透射一光束的至少一第一表面。該第二罩蓋經排列使得其第一表面正對該第一罩蓋之該第一表面。一反射偏光層安置於該等第一及第二罩蓋的該等第一表面之間。靠近該第一罩蓋之該第二表面安置一四分之一波長延遲元件。大體上對準該四分之一波長延遲元件以最大化對於由該第一罩蓋對雙程通過該第一罩蓋的光所造成之位於該等第一及第二表面之間的雙折射之補償。
本發明另一實施例係針對一包含具有安置於第一及第二罩蓋之間的一反射偏光層之第一偏光分束器(PBS)之光學系統。該第一罩蓋係由具有一大於0.1之應力光學係數之材料形成。一第一反射影像形成裝置面對該第一罩蓋之一第一表面，使得先自該第一PBS之反射偏光層穿過該第一罩蓋至該第一反射影像形成裝置且自該反射影像形成裝置反射經過該第一罩蓋至該第一PBS的該反射偏光層，該光在該第一罩蓋中遭受應力雙折射且在該反射影像形成裝置中遭受剩餘雙折射。安置一第一四分之一波長延遲元件以延遲該第一罩蓋的該第一表面與該反射影像形成裝置間之光通過。
本發明另一實施例係針對一光學系統，該光學系統具有一影像形成裝置及經安置以將一選定偏振狀態下之光反射至該影像形成裝置或反射來自該影像形成裝置的一選定偏振狀態下之光的一反射偏光層。在該影像形成裝置與該偏光層之間的一光學路徑上安置一雙折射元件。該雙折射元件具有一大體上垂直於該光學路徑之表面。該雙折射元件之雙折射係非均一的以使得穿過該表面不同部分的光之雙折射延遲值不同。一四分之一波長延遲元件安置於該雙折射元件與該影像形成裝置之間。該四分之一波長延遲元件經定向以至少部分地補償該反射偏光層與該影像形成元件之間的往返行程上之光之延遲。
本發明另一實施例係針對一光學系統，該光學系統包含具有與不同色帶相關聯的至少兩個入射面及分別相對於該等至少兩個入射面而運作地安置的至少兩個偏光分束器(PBS)之一彩色混波器單元。該等至少兩個PBS中之至少一第一PBS包含安置於第一及第二罩蓋之各別第一表面之間的一第一反射偏光層。該第二罩蓋安置於該反射偏光層與該彩色混波器單元之間。該第一罩蓋係由具有一大於0.1×10－ 6 mm2 N－ 1 之應力光學係數(SOC)之透明材料形成。該第一PBS界定一第一反射平面。該第一PBS的該第一罩蓋位於一四分之一波長延遲元件與該反射偏光層之間。該四分之一波長延遲元件具有一非平行且非垂直於該第一反射平面而定向之快速軸。
本發明另一實施例係針對補償一影像投影系統中之雙折射之一方法。該方法包括在一偏光層上將光大體上偏振至一選定偏振狀態及將該經偏振的光經由一雙折射元件導引至一影像形成裝置。該偏振光在該影像形成裝置處遭反射，且該經反射之偏振光在該偏光層處被分解。使該偏振光及該經反射之偏振光穿過安置於該雙折射元件與該影像形成裝置之間的一四分之一波長延遲元件。該四分之一波長延遲元件經定向以大體上最優化該雙折射元件中之延遲補償。
以上[發明內容]並非意欲描述每一說明之實施例或本發明之每一建構。下文之圖式及[實施方式]更具體地以實例說明此等實施例。
本發明適用於使用偏光分束器(PBS)之系統，且咸信特別適用於併入用於分離使用偏振調變器而自照明光產生之影像光的PBS之影像投影系統。雖然本發明可適用於其中使用PBS之任何應用，但以下特別描述其用於投影系統中。本發明之範疇並非僅限於投影系統。
本發明可用於許多不同類型之投影系統。圖1中示意性地說明可併入下文描述之本發明的多面板投影系統100之一例示性實施例。投影系統100為三面板投影系統，具有產生光束104之光源102，光束104含有三個不同色帶中的光。光束104被例如雙向色鏡之彩色分光元件106分離成含有不同顏色光之第一、第二及第三光束104a、104b及104c。光束104a、104b及l04c可分別為(例如)紅色、綠色及藍色。可使用例如鏡面或稜鏡之光束導引元件108來導引光束104、104a、104b及104c中之任一者。
光束104a、104b及104c被導引至各別影像形成裝置110a、110b及110c，該等影、像形成裝置可為(例如)諸如矽上液晶(LCoS)面板的基於LCD之反射影像形成面板。藉由各別偏光分束器(PBS)112a、112b及112c將光束104a、104b及104c耦合至各別影像形成裝置110a、110b及110c及耦合來自各別影像形成裝置110a、110b及110c之光束104a、104b及104c。影像形成裝置110a、110b及110c偏振調變入射光束104a、104b及104c，使得各別影像光束114a、114b及114c被PBS 112a、112b及112c分離並傳遞至彩色混波器單元116。在所說明之例示性實施例中，照明光束104a、104b及104c經PBS 112a、112b及112c反射至影像形成裝置110a、110b及110c，且所得影像光束114a、114b及114c經過PBS 112a、112b及112c傳輸。在另一方式(未說明)中，照明光可經過PBS傳輸至影像形成裝置，而PBS反射影像光。
四分之一波長延遲元件111a、111b、111c安置於影像形成裝置110a、110b、110c與其各別PBS 112a、112b、112c之間。四分之一波長延遲元件111a、111b、111c可用於補償影像形成裝置110a、110b、110c中之剩餘雙折射，且如下文更詳細說明，用於補償PBS 112a、112b、112c中的雙折射。
在所說明之例示性實施例中，彩色混波器單元116例如使用一或多個雙向色元件混合具有不同顏色之影像光束114a、114b及114c。具體言之，所說明之例示性實施例展示一x立方彩色混波器，但可使用其它類型之混波器。三個影像光束114a、114b及114c在彩色混波器單元116中經混合以產生可由投影透鏡系統120導引至一螢幕(未圖示)之單個有色影像光束118。
投影系統之其它實施例可使用一或多個PBS。舉例而言，如美國專利申請案第10/439449號及10/914,596號中更詳細描述，投影系統可使用一個或兩個具有各別PBS之影像形成裝置。影像形成裝置的最大數目不限於3，且投影系統可使用三個以上影像形成裝置。另外，可使用不同類型之光源，包括諸如高壓汞燈之白光源及諸如發光二極體之有色光源。目的並非限制如何產生到達PBS之照明光或在到達PBS之前如何處理該照明光。
用於在投影系統中提供高對比度影像之高品質偏光分束器(PBS)先前已要求使用具有低應力光學係數(SOC)(亦熟知為光彈性常數)之玻璃。低SOC玻璃之實例包括PBH56及SF57玻璃。此等玻璃具有較高鉛含量(例如70%重量之氧化鉛或更多)及較高折射率(超過1.8)。在PBS玻璃中使用較高數量的鉛導致環境問題。另外，由於多層光學薄膜偏光器中之偏光層具有通常在約1.5至1.6範圍內之折射率，因此偏光層與玻璃之間的折射率差異較高，此可在使用低SOC玻璃時導致偏光層上之次優入射角。此相對較大之折射率差異可導致像差，該像差例如如美國專利第6,672,721號及6,786,604號中所論述可在系統或PBS本身的光學設計中得以解決。又，低SOC玻璃具有低Abb常數，此意味著散射較高，且因此SOC玻璃可能較為不適於覆蓋較寬波長範圍之應用。
自產品中消除鉛係一重要環境目標，且係影響雙折射敏感光學系統效能之目標。本發明係針對使用標準玻璃，例如可自Schott North America,Duryea,Pennsylvania購得之N－BK7、N－SK5及其類似者，或相當之玻璃。舉例而言，S－BAL35及ZK3大概相當於NSK5，且分別由日本的Ohara Incorporated及中國的Chengdu Guangming分別供應。儘管此等玻璃具有例如大於上文所列出之低SOC玻璃之SOC值100倍的高SOC值，但甚至當遭受在照明投影電視機之影像核心時所經歷之應力時，其仍可根據本發明而用於維持較高對比度之PBS應用中。此等標準玻璃不含鉛。
對於在成像PBS應用中使用無鉛玻璃已進行了許多不成功的嘗試。舉例而言，Cline等人(Thermal stress birefringence in LCOS projection displays,Display 23，2002年，第151－159頁)為照射誘發之熱應力雙折射(意即，當由照明光照射時由於玻璃吸熱而出現的應力雙折射)分析並測試了許多玻璃。該分析為照射誘發之熱應力雙折射得出一優值，該優值表明SK5、BK7及Ultran 30的照射誘發熱應力雙折射可低至足以用於投影電視機系統。然而Cline等人表明，其分析並未考慮應力雙折射的其它來源，包括源於組裝及安裝的機械應力，及由除照射以外例如冷卻扇、來自電子元件的熱量或反射影像器所吸收及放射之熱量的原因而引起之熱應力。例如，歸因於用於PBS之偏光層與玻璃稜鏡之間的黏合劑，會發生一些額外的應力雙折射。此黏合劑可例如以在玻璃罩蓋中產生應力的方式來固化，此導致製造應力。此外，在高溫下運作可導致源自黏合劑、玻璃罩蓋及/或偏光層之間不同熱膨脹係數的額外的熱誘發應力。此等額外應力來源誘發超過且高於Cline所論述的照射誘發熱雙折射之顯著應力雙折射，導致此等無鉛玻璃不適於簡單代替用於投影系統之PBS中的低SOC玻璃。下文提供展示當使用N－SK5玻璃時可顯著損害PBS之對比度的實驗結果。
除了消除PBS組件中之雙折射外，本發明一些實施例係針對用於補償PBS組件中光學玻璃之雙折射效果之方法。雖然相信本發明適用於PBS中許多不同類型之反射偏光器層，但相信其尤其適用於例如共同擁有的美國專利第6,486,997號中所描述之偏光薄膜的Cartesian多層光學薄膜(MOF)PBS。本發明亦可對諸如MacNeille PBS及線柵PBS的偏光層與影像形成裝置之間具有玻璃元件之其它類型之PBS有效。
可用於本發明之玻璃包括具有小於1.8、小於1.7及甚至小於1.6之折射率之玻璃。另外，一實施例中之玻璃的SOC值可大於0.1×10－ 6 mm2 N－ 1 ，在另一實施例中大於0.5×10－ 6 mm2 N－ 1 ，或在另一實施例中可大於1.0×10－ 6 mm2 N－ 1 。可用於本發明以提供PBS之高對比度操作之無鉛玻璃的一些實例包括N－SK5及N－BK7玻璃，可自Schott North America，Duryea，Pennsylvania購得。N－SK5玻璃在可見光譜中具有SOC值2.16×10－ 6 mm2 N－ 1 ，且NBK－7具有SOC值2.7×10－ 6 mm2 N－ 1 。此大於PBH56玻璃之SOC(0.09×10－ 6 mm2 N－ 1 )20倍，且大於SF57玻璃之SOC(0.02×10－ 6 mm2 N－ 1 )100倍。因此，無鉛玻璃可比高鉛玻璃對機械及/或熱應力更敏感約20至100倍。在無應力情況下組裝之PBS仍會對熱偏移及多層偏光器之黏合劑及聚合物薄膜中的水份吸收所產生之應力敏感。如下文所論述，甚至當最初準備一無應力PBS時，仍難以在該PBS發熱、冷卻及固定於原位時使用具有鏡面黑暗狀態之PBS並維持良好黑暗狀態均一性。
可使用諸如四分之一波長膜或四分之一波長板的安置於PBS與影像形成裝置之間的一四分之一波長延遲元件來至少部分地補償無鉛玻璃中與應力相關之雙折射。此減少了通常與在PBS中使用習知無鉛玻璃相關聯之對比度降級。
現參看圖2更詳細描述一應力PBS之雙折射，該圖2示意性地說明具有一夾在兩個罩蓋204、206之對立表面204a、206a之間的反射偏光層202之PBS 200。罩蓋204、206可為稜鏡之形式，具有用於將光傳輸入或及傳輸出PBS 200的非平行於表面204a、206a之額外表面。在所說明之實施例中，罩蓋204、206為具有相對於輸出表面204b反射偏光層202以45°安置的對立表面204a、206a之直角稜鏡，但表面204a、206a可以不同角度安置。罩蓋204、206可分別使用例如介於反射偏光層202與罩蓋204、206之間的黏合劑層205a、205b而附著至反射偏光層202。黏合劑之一適當實例為例如美國專利公開案第2004/0234774A1號中所教示之光學環氧物。
在一些實施例中，反射偏光層202可為由不同聚合材料的交替層形成之多層光學薄膜反射偏光器，其中交替層之該等組合之一者係由雙折射材料形成：不同材料之折射率對於經一線性偏振狀態下偏振之光而言相配且對於正交線性偏振狀態下的光而言不相配。因此，相配偏振狀態下的入射光大體上透射過層202，且不相配偏振狀態下的光大體上被層202反射。
可使用其它類型之反射偏光器層，例如，常用於MacNeille PBS中之無機介電層堆疊或如美國專利第6,719,426號中所教示的用於玻璃稜鏡中之線柵偏光器，或以類似方式使用之任何其它偏振選擇層。反射偏光層202可以類似於上文描述之方式膠合至罩蓋204。
當未經偏振之照明光210或混合偏振狀態的光入射至PBS 200上時，反射偏光層202大體上反射此處稱為S偏振狀態的一偏振狀態210a下的光，且大體上透射此處稱為p－偏振狀態的正交偏振狀態210b。然而應注意，當PBS係一Cartesian MOF時，參照該PBS的固定材料軸來確定反射及透射光之偏振狀態：其由反射偏光層本身的物理各向異性之方向確定。對於MacNeille偏光器而言，參照該偏光器上之反射平面來確定偏振方向。因此，此處使用術語s偏振及p偏振來表示主要經PBS反射及透射的光之正交偏振狀態，分別而言在MacNeille PBS情形中此命名是完全準確的，且在Cartesian PBS情形中該命名近似地且大體上是準確的，且仍是便利的。線柵偏光器及MOF偏光器皆為Cartesian偏光器之實例。
經反射偏光層202反射之入射s偏振光部分給出為Rs ，且經反射偏光層202透射之入射p偏振光部分給出為Tp 。即使反射偏光層202係一完全偏光器，僅反射s偏振光(Rs ＝1)且僅透射p偏振光(Tp ＝1)，到達影像形成裝置212的光仍有混合偏振，如現在所說明。
第一罩蓋204受到應力，此應力導致應力雙折射。應力可因許多不同原因而產生。舉例而言，應力可由製造過程期間或當PBS 200安裝於光學系統時出現的機械因素產生。另外，應力本質上可為熱應力，例如源於照明誘發之熱應力或源於玻璃、光學黏合劑、反射偏光層或PBS安裝台之熱膨脹係數之差異。因此，即使未反射任何p偏振光，意即，Tp ＝1，但反射光210a穿過雙折射罩蓋204至影像形成裝置212，且因此到達影像形成裝置212的光含有s偏振及p偏振光兩者。反射偏光層202與第一罩蓋204之間的黏合劑層205a中亦可存在額外雙折射。
如現在所說明，PBS 200一側上的歸因於應力誘發雙折射之延遲效果可大於另一側。光線220傳遞入第一罩蓋204之左邊緣，沿第一罩蓋204內一相對較長路徑傳播，且隨後經反射成沿第一罩蓋204內一相對較短路徑至影像形成裝置212之光束220a。光線230傳遞入第一罩蓋204之右邊緣，沿第一罩蓋204內一相對較短路徑傳播，且隨後經反射成沿罩蓋204內一相對較長路徑至影像形成裝置212之光束230a。因此，到達影像形成裝置之光束230a經反射偏光層202反射後在第一罩蓋204內已比光束220a經過一更長之路徑，且因此，由於第一罩蓋204中之雙折射而可比光束220a含有更大部分的p偏振光。可轉儲透射過反射偏光層202之光束220b及230b。
在黑暗狀態下，影像形成裝置212大體上不調變經反射光之偏振，且因此自影像形成裝置212反射的光束222及232之偏振狀態大體上與入射於影像形成裝置212的光相同。由於光束222幾乎不含p偏振光，因此僅相對較小量的光經反射偏光層202透射成光束222a，且相對較大量的光經反射成222b。另一方面，光束232含有較大部分之p偏振光，此p－偏振光在傳回至反射偏光層202時增加，且因此透射成光束232a的光可具有比光束222a更大之強度。從而，經反射偏光層202反射之光束232b可比光束222b較為不強烈。因此，在黑暗狀態下，影像光可能不均一，且在PBS一側上相對於另一側更亮。
第一罩蓋204中之應力雙折射效果適用於入射至影像形成裝置上的所有光線，包括軸上光線及傾斜光線。此外，該效果自PBS一側至另一側增加，且因此至少在反射平面上並非關於照明光束中心對稱。
已在實驗上觀察到此行為。使用了圖3A及圖3B中所示之兩個實驗設置。在圖3A中所示之設置300中，來自高壓汞弧燈的s偏振光302在一f/2.3光束中被導引至MOF PBS 304。MOF PBS 304大體上將s偏振光反射至平鏡面306，該平鏡面306係用以仿效黑暗狀態下之反射影像形成裝置。自鏡面306反射且透射過PBS 304的光308經轉向稜鏡310導引至透鏡312，該透鏡312在50"(127 cm)對角線螢幕上形成鏡面306之影像。隨後使用由Radiant Imaging Inc.(Duval WA)製造之ProMetric PM－1421－1成像色度計來俘獲螢幕上之影像。該PBS為如共同擁有之美國專利第6,609,705號及第6,721,096號中所描述之MOF PBS。該PBS具有一偏光層，該偏光層具有在f/2.3光束之可見區域(430 nm至700 nm)上超過95%的Tp 及Rs 值。
圖3B中所示之設置350除了以四分之一波長鏡面(QWM)356(意即，附著有四分之一波長延遲器358之鏡面357)代替鏡面306以外與圖3A之設置相同。每一設置300、350記錄黑暗狀態影像。QWM 356關於平行於z軸的一軸旋轉以獲得最佳黑暗狀態。亦藉由關於平行於z軸的一軸旋轉QWM 356以獲得螢幕上之最亮光束來為QWM設置350記錄一明亮狀態影像。
圖4A示意性地展示具有16：9縱橫比的投影影像400之外部周長。六條虛線402a至402c、404a至404c表示跨越投影影像之直線。圖4B展示螢幕上沿三條垂直線402a至402c的鏡面黑暗狀態之亮度：曲線412a展示沿直線402a之黑暗狀態亮度，曲線412b展示沿直線412b之黑暗狀態亮度且曲線412c展示沿直線402c之黑暗狀態亮度。該等黑暗狀態亮度值經標準化成QWM黑暗狀態亮度，意即，曲線圖中的該等值係藉由將鏡面黑暗狀態亮度除以QWM黑暗狀態亮度而獲得。此自例如由照射鏡面之光束的強度分佈集中之任何不均一性所產生的結果移除一些系統假影。
該座標系統將原點置於直線402b及404b相交的螢幕中心。垂直線402a至402c具有各別x座標－0.45、0及0.45，且水平線404a至404c具有各別y座標0.27、0及－0.27。因此，作為直線402a至402c與404a至404c之交點的標記為A至I的點具有如下座標：A(－0.45,0.27)、B(0,0.27)、C(0.45,0.27)、D(－0.45,0)、E(0,0)、F(0.45,0)、G(－0.45,－0.27)、H(0,－0.27)、I(0.45,－0.27)。該等座標對應於量測於投影螢幕上之位置(以公尺為單位)。
首先看對應於影像右側直線402c之曲線412c，對於約－0.3 m與0 m之間的位置而言，鏡面黑暗狀態亮度接近QWM亮度。然而，對於0 m與0.3 m之間的位置而言，鏡面黑暗狀態之相對亮度顯著增加，高達一約7的值。換言之，鏡面黑暗狀態約比QWM黑暗狀態亮7倍。此意味著當不存在四分之一波長延遲器時此區域中存在顯著的較多黑暗狀態洩漏。因此，影像右上角顯得比左下角更亮。其它曲線412a、412b在影像高度上未如曲線412c般變化，展示黑暗狀態影像在影像400的右上角最亮。
圖4C展示跨越螢幕400的三條水平線404a至404c之標準化鏡面黑暗狀態亮度：曲線414a展示沿直線404a之黑暗狀態亮度，曲線414b展示沿直線414b之黑暗狀態亮度且曲線414c展示沿直線404c之黑暗狀態亮度。展示沿影像400頂部位置之黑暗狀態影像亮度的曲線414a對於螢幕左側位置(小於0 m之位置)而言具有相對較低值，而對於螢幕右側位置而言具有相對較高值。此與先前段落中關於垂直線412a至412c所論述之結果一致。曲線414b及414c相對較平，指示此等區域中的鏡面306或QWM 356之黑暗狀態強度不存在許多差異。標記為416的若干點對應其中灰塵的存在妨礙黑暗狀態亮度實際量測之區域。
為投影影像區域內對應於位置A至I的9個不同位置計算對比率、明亮狀態照明對黑暗狀態照明之比率。藉由當QWM被旋轉至給予偵測器314最大透射率的狀態時量測黑暗狀態光之亮度及最亮狀態亮度來量測該對比率。表I中概述設置300及350之每一者的對比量測結果。
電視機投影系統的對比率最好為2500或更高之水平。如可見，當單獨使用鏡面306時點B及C不滿足此標準：此係歸因於PBS罩蓋中的應力雙折射。相反，對於投影影像上所有點而言，QWM黑暗狀態之對比率完全高於2500。
對於一些點而言，例如點A及I，使用鏡面306而非使用QWM 356時對比度顯著更高。此等點對應於PBS罩蓋中遭受極少或不遭受雙折射之位置。由於四分之一波長延遲器358中之缺陷，例如可能由安裝引起或延遲器358本身固有的定向缺陷，因此降低了QWM投影影像之所得對比率。另外，使用QWM 356之設置350並非波長最優的，且改良之對比效能需要最優組件。QWM 356上的四分之一波長延遲器358並非光譜中性的，而是具有約137 nm之雙折射。因此，四分之一波長薄膜僅為接近550 nm之波長提供真正四分之一波長延遲。藉由縮小使用之入射光之頻寬或藉由使用在照明光波長範圍上具有更平坦延遲之QWM 356，可在QWM情形中期望改良之對比結果。注意，在3面板投影系統中，入射於影像產生裝置上的光之頻寬通常約為70 nm或更小，且包括PBS及四分之一波長延遲器之光學元件可經最優化以操作於每一投影之色帶中。
已利用Mueller矩陣偏振模型建立了使用四分之一波長延遲器(QWR)的效果之模型。說明該效果的最簡單模型包括用於PBS功能之相當功能的交叉線性偏光器：交叉偏光器相當於一反射及一穿過該PBS之透射。在該等相當之偏光器之間安置雙折射玻璃以模擬PBS罩蓋、QWR、具有一些偏離雙折射之LCoS影像器及鏡面。
圖5示意性地說明一PBS之表面(500)，展示偏振之方向(s－pol)，且表面500中之各個箭頭展示不同雙折射方向。雙折射方向取決於玻璃材料中之應力方向。所得分析展示QWR補償器大體上修正了與偏振方向成45°定向之任何水平之雙折射或應力(標示為(a)之箭頭)。定向為0°或90°(分別為箭頭(b)及(c))之應力不影響偏振光束的偏振。該分析指示定向為22.5°(以45°為模)(箭頭(d)及(e))之應力最難使用QWR來補償。
現參看圖6A至圖6D論述此行為之原因。圖6A示意性地說明進入由兩個罩蓋604、606之間的反射偏光層602形成之PBS 600之光束610。光進入第一罩蓋604，且經反射偏光層602反射朝向影像形成裝置608。第一罩蓋604顯示應力雙折射。
光610在反射偏光層602處經偏振，或若其先前已遭預偏振則經再次偏振。此假定反射偏光層602具有較高Tp 值，在整個入射光之頻寬及入射角範圍上至少高於90%，較佳高於92%且更佳高於94%。美國專利第6,609,795號中描述的多層膜偏光層達成較高Tp 值，對於430 nm至700 nm之整個波長範圍上之f/2.3光束而言達到介於96%與98%之間的典型值。因此，僅一小部分非吾人所樂見之偏振狀態下的光被反射至影像形成裝置608。
經反射的光610a沿穿過第一罩蓋604的一路徑傳播。離開第一罩蓋604後，光610a在平面A(垂直於z軸之一平面)上之偏振狀態為正交偏振分量之組合。圖6B中展示光束的偏振分量之例示性選擇，該圖6B展示沿負z方向穿過玻璃延遲區域的光束610a之一部分的偏振狀態，如透過影像形成裝置處之PBS 600觀看之觀看者所見。如可為近軸光線之情形，假定s偏振方向平行於y方向且假定p偏振方向平行於x反向。光束610具有相對於y軸(s偏振方向)之偏振角θ0 。該光經橢圓偏振且偏振角θ0 為偏振橢圓主軸之方向。對於與偏振方向成45°之延遲而言，使用以下表達式獲得偏振角θ0 ：θ0 ＝tan－ 1 (Ix /Iy )，其中Ix ＝Io ．sin2 (2 n．d/ .,且Iy ＝Io ．cos2 (2 n．d/ .。。
Io 為入射光束之強度，Ix 及Iy 為分別經平行於x軸偏振的光(p偏振光)及經平行於y軸偏振的光(s偏振光)之相對強度，n．d為沿玻璃之考慮區域中之光路的總相加延遲，且為該光在真空中之波長。對於延遲之其它定向而言，方程式更為複雜，但在性質上類似。θ0 之實際值視第一罩蓋604之延遲而定，且在實務情況下，可具有小於圖6B中所說明之值的值。圖6B中所說明的θ0 之特定值僅係為說明之目的而選擇。
光束610a穿過QWR 612且經影像形成裝置608反射為反射光束614且再次穿過QWR。該兩次穿過QWR 612在功能上相當於穿過一二分之一波長延遲器。結果，反射光束614之偏振角被反轉成－θ0 。圖6C展示反射光束614自影像形成裝置608反射後在平面A上之偏振角。
返回穿過QWR 612後，光束614近似遵循相同路徑經過罩蓋604至反射偏光層602，且因此大體上經歷如光610在入射路徑上所經歷之延遲的歸因於應力雙折射之相同延遲。然而，因為光束614之偏振角在平面A上被相對於光束610反轉，所以淨效果為一旦光束614已返回穿過第一罩蓋604至偏光層602，則偏振角θ已被旋轉回零或接近零之一值。此示意性地說明於圖6D中，該圖6D展示光束614在平面B上在反射偏光層602上之偏振狀態。在所說明之實例中，補償是理想的且光束614受平行於y軸之s偏振。此光將遭受PBS 600之偏光層602反射且不會實質上有助於投影影像之亮度，如應出現在黑暗狀態影像之情形中。另一方面，經偏振調變的光614作為影像光穿過反射偏光層602。將瞭解，由於下文論述之原因，對PBS罩蓋雙折射的補償可能並非總是完全的。然而，補償之程度會是顯著的，且允許將無鉛玻璃用於具有高對比度之PBS中。
使用QWR 612之應力雙折射補償良好作用於軸上光束610a，意即，經過第一罩蓋604在一平行於z軸之方向上自反射偏光層602傳播的光，且其中該反射偏光器具有相對較高之Tp 值。然而在實務上，該等條件並非很有利。舉例而言，通常以屬於一指定錐角內的光照射影像形成元件，且因此，入射於影像形成裝置608上之光線並非必然平行於z軸。因此，入射及射出光線之雙折射歷史變得不同：照明光之偏振角旋轉愈加不同於在與z軸增加之角度上傳播的反射光線之偏振旋轉。因此，可降低第一罩蓋604中之應力雙折射得到補償之程度。
此外，隨著Tp 值降至100%以下，經反射偏光層604反射至影像形成裝置608的光含有漸增數量之p偏振光。在偏光層602與影像形成裝置608之間的光路上，僅自偏光層602反射後的雙折射效果得到歸因於QWR 612之偏振角反轉的補償。於是，在反射光602a含有p偏振光的範圍內，對比度將被降級。因此，Tp 較高以降低反射於反射偏光層602之p偏振光數量係極其重要的。因此，當對於當使用具有一有益f值，比如f/3.0或甚至低至f/2.0或更小時的極端光線而言Tp 值高於90%時，此降低應力雙折射效果之方法最為有用。較佳地，Tp 值高於92%且更佳地高於94%。
QWR 612至少部分地補償除了PBS罩蓋604以外的位於偏光層602與QWR 612之間的任何組成元件中之雙折射。舉例而言，QWR 612可補償產生於罩蓋604與偏光層602之間的黏合劑層中之雙折射。另外，可靠近影像形成裝置608安置一可選場透鏡618：此配置為投影透鏡增加額外設計自由度，尤其在橫向色方面。若場透鏡618係安置於QWR 612與偏光層602之間，則場透鏡618中之雙折射可由QWR 612來補償。可能安置於QWR 612與偏光層602之間的其它組成元件包括(例如)用於支撐QWR 612之玻璃基板(未圖示)。
影像形成裝置608之鏡面表面與偏光層602之間的光學表面可具有抗反射特徵，例如使用抗反射塗層。此降低反射損失，因此增加影像光之光產出率。又，使用抗反射表面可降低投影影像中相對黑暗背景設定的明亮區域周圍之光暈的發生。此等光暈可能係由自明亮區域發散而離開光學表面返回至影像形成裝置608中之鏡面的光線引起。具有正確偏振狀態之該光隨後經鏡面反射以作為影像光穿過PBS 600。此等光線位於明亮區域外部，且在觀看者看來似乎是源於緊密圍繞明亮區域之黑暗區域。
現論述數值模擬的一些結果。圖7展示一展示作為i)玻璃罩蓋604中在偏光層602與影像形成裝置608之間單次通過該玻璃罩蓋的延遲，及ii)QWR 612之定向的一函數而計算之對比率之等高線圖。以相對於其中QWR 612之快速軸平行或垂直於反射平面的情形之度數來提供QWR 612之定向。假定罩蓋604中之雙折射在相對於反射平面45°處。該模型假定影像形成裝置為在相對於反射平面45°處具有5 nm平面內剩餘雙折射之VAN型液晶顯示面板。如可見，當QWR 612在其快速軸處於相對於反射平面約1.8°之情況下旋轉時達成最大對比度。此計算假定PBS 600中Tp 值＝100%。由於一些MOF PBS可展現超過98%之Tp 值，因此此假定並非不切實際的。注意，如上文所論述，玻璃罩蓋604中任一量之雙折射藉由QWR 612對於該玻璃罩蓋604中的此雙折射定向的一單次定向而得以精確補償。
圖8展示一類似於圖7之等高線圖之等高線圖，不同的是玻璃罩蓋604中之雙折射定向於22.5°處，此係最難以使用此方法進行補償之情形。應明白，在一些延遲水平下，QWR將不會完全補償雙折射。然而，QWR定向角之明智選擇，例如在直線802所指示之水平處，仍為高達20 nm之玻璃罩蓋延遲提供超過6000：1的相對較高之對比率。應注意，在一實務PBS中，玻璃罩蓋中之雙折射並非全部定向於22.5°，且因此，實際可獲得之對比率可高於此圖中所展示之對比率。因此，QWR可用來補償罩蓋中大於1 nm、大於5 nm及大於10 nm之延遲水平。
圖9展示作為罩蓋604中雙折射之定向角及QWR 612之定向的一函數之對比度之等高線圖。此圖之結果係在玻璃罩蓋604中之延遲為10 nm之假定下獲得。此等結果清楚地展示如水平線902所指示的QWR 612之一單次定向為任一雙折射定向角提供超過8000：1之高對比效能。
圖10展現一曲線圖，該曲線圖將作為對於a)無QWR補償，曲線1002，b)最優QWR補償，曲線1004，假定影像形成裝置中無剩餘雙折射，及c)最優QWR補償，曲線1006，其中在相對於斷開狀態下之入射偏振狀態之45°處存在約5 nm之剩餘延遲而言的玻璃罩蓋604中之延遲的一函數之對比度進行比較。假定玻璃罩蓋604中雙折射之定向為25°。在沒有補償的情況下，曲線1002，對比度在玻璃罩蓋604中延遲之較小值處迅速降低。在約0.004之延遲波(對於可見光而言為~2 nm)處，對比度降低一半。然而在補償情形中，曲線1004、1006，延遲量值必須超過0.03(對於可見光而言為~15 nm)以引起類似水平的對比度降低。對於大多數背投電視機(RPTV)而言，有用PBS對比度水平應超過2500：1。圖10中之結果展示此水平之對比度要求當不存在QWR補償時，25°應力定向處應當不存在大於0.004的延遲波。在比較中，雙折射補償系統可耐受至少十倍此水平之雙折射，同時仍滿足2500：1之對比度要求。根據表I中概述之實驗結果，可估計玻璃罩蓋具有約0.0085波之應力誘發延遲(對於可見光而言約為4.7 nm)，此值大於無補償系統所能耐受的程度，但完全在一補償系統可接受之延遲水平以內。
除了使用QWR進行補償外，降低應力誘發雙折射中可考慮的另一因子為降低施加至PBS的應力之量。諸如由PBS玻璃中光的光學吸收而產生之熱誘發應力的一些應力源係難以避免的。例如由安裝所產生之應力的其它應力源可藉由小心製造及設計來降低。
提供包含附著至一光學元件的PBS或若干PBS之一光學核心通常是便利的。舉例而言，圖1之投影系統100展示例如使用諸如壓敏黏合劑或光學環氧物之光學黏合劑附著至彩色混波器單元116之PBS 112a、112b、112c。
因此，不應認為本發明限於上文所描述之特定實例，而應理解為覆蓋如所附申請專利範圍中清楚陳述的本發明之所有態樣。各種修改、均等過程，以及本發明可適用之許多結構對於觀看本說明書的熟習本發明所針對之技術者而言係顯而易見的。申請專利範圍意欲覆蓋此等修改及裝置。
100．．．投影系統
102．．．光源
104、104a、104b、104c．．．光束
106．．．彩色分光元件
108．．．光束導引元件
110a、110b、110c．．．影像形成裝置
111a、111b、111c．．．四分之一波長延遲元件
112a、112b、112c．．．偏光分束器(PBS)
114a、114b、114c．．．影像光束
116．．．彩色混波器單元
118．．．有色影像光束
120．．．投影透鏡系統
200．．．偏光分束器
202．．．反射偏光層
204、206．．．罩蓋
204a、206a．．．表面
204b．．．輸出表面
205a、205b．．．黏合劑層
210．．．未偏振照明光
210a．．．s偏振光
210b．．．p偏振光
212．．．影像形成裝置
220、230．．．光線
220a、230a．．．反射光束
220b、230b．．．透射光束
222、232．．．光束
222a、232a．．．透射光束
222b、232b．．．反射光束
300．．．設置
302s．．．偏振光
304．．．MOF PBS
306．．．鏡面
308．．．反射光
310．．．轉向稜鏡
312．．．透鏡
314．．．偵測器
350．．．設置
356．．．四分之一波長鏡面
357．．．鏡面
358．．．四分之一波長延遲器
400．．．投影影像
402a、402b、402c、404a、404b、404c．．．虛線
412a、412b、412c．．．曲線
416．．．點
500．．．PBS表面
600．．．PBS
602．．．反射偏光層
604、606．．．罩蓋
608．．．影像形成裝置
610．．．光束
610a．．．反射光
612．．．四分之一波長延遲器(QWR)
614．．．反射光束
618．．．可選場透鏡
802．．．直線
902．．．水平線
1002、1004、1006．．．曲線
圖1示意性地說明根據本發明之原理的一投影系統之實施例；圖2示意性地說明一偏光分束器之操作；圖3A及圖3B示意性地說明用於獲得實驗結果之實驗配置；圖4A示意性地說明一投射之影像區域；圖4B及圖4C呈現了若干實驗結果，該等實驗結果展示對於跨越投射影像區域的不同位置而言，沒有四分之一波長補償情況下的黑暗狀態光亮度對具有四分之一波長補償情況下的黑暗狀態光亮度之比率的實驗結果；圖5示意性地說明一偏光分束器之罩蓋中之雙折射角；圖6A示意性地說明根據本發明之原理的具有四分之一波長延遲補償器之偏光分束器之實施例；圖6B至圖6D呈現展示圖6A之配置內多個點處的光的偏光角之圖式；圖7呈現一展示對於45°雙折射角而言作為i)偏光分束器玻璃罩蓋中之雙折射及ii)四分之一波長延遲器定向角的一函數之對比度的經計算之等高線圖之曲線圖；圖8呈現一展示對於22.5°雙折射角而言作為i)偏光分束器玻璃罩蓋中之雙折射及ii)四分之一波長延遲器之定向角的一函數之對比度的經計算之等高線圖之曲線圖；圖9呈現一展示對於玻璃罩蓋中10 nm延遲而言作為i)雙折射角及ii)四分之一波長延遲器之定向的一函數之對比度的經計算之等高線圖的曲線圖；及圖10呈現一展示在具有及不具有使用四分之一波長延遲器之補償的情況下作為玻璃罩蓋中雙折射之函數的對比度之曲線圖。
200．．．偏光分束器
202．．．反射偏光層
204、206．．．罩蓋
204a、206a．．．表面
204b．．．輸出表面
205a、205b．．．黏合劑層
210．．．未偏振照明光
210a．．．s偏振光
210b．．．p偏振光
212．．．影像形成裝置
220、230．．．光線
220a、230a．．．反射光束
220b、230b．．．透射光束
222、232．．．光束
222a、232a．．．透射光束
222b、232b．．．反射光束

Claims (30)

  1. 一種光學單元，包含：一偏光分束器(PBS)，包含一第一罩蓋，其具有用於傳輸一光束之一第一表面及一第二表面，一第二罩蓋，其具有用於傳輸一光束之至少一第一表面，該第二罩蓋以其第一表面相對該第一罩蓋之該第一表面而排列，及一反射偏光層，其安置於該等第一及第二罩蓋之該等第一表面之間；及接近該第一罩蓋之該第二表面安置的一四分之一波長延遲元件，該四分之一波長延遲元件經對準以最大化對於由該第一罩蓋對雙程通過該第一罩蓋的光所造成之介於該等第一及第二表面之間的雙折射之補償。
  2. 如請求項1之單元，其中該第一罩蓋包含一具有一不大於1.8之折射率之玻璃。
  3. 如請求項1之單元，其中該偏光分束器(PBS)之一應力光學係數大於0.1×10-6 mm2 N-1 。
  4. 如請求項1之單元，其中該反射偏光層包含一多層聚合物光學薄膜。
  5. 如請求項1之單元，進一步包含安置於自該第一罩蓋之該第二表面傳遞且穿過該四分之一波長延遲元件的一光路上之一影像形成裝置。
  6. 如請求項5之單元，其中該影像形成裝置包含一反射液晶 影像形成裝置。
  7. 如請求項5之單元，其中該四分之一波長延遲元件的該快速軸之一定向角經選擇以至少部分地補償雙程通過該第一罩蓋的光所經歷之雙折射及該影像形成裝置之剩餘雙折射。
  8. 如請求項5之單元，其中來自該影像形成裝置的已穿過該PBS之影像光的一橫截面部分之一對比率大於1000：1。
  9. 如請求項1之單元，進一步包含安置於該四分之一波長延遲元件與該反射偏光層之間的一第二雙折射元件。
  10. 如請求項9之單元，其中該第二雙折射元件包含一透鏡。
  11. 如請求項1之單元，進一步包含一光源以產生該光束，該光束經由一第三表面進入該第一罩蓋，該光束具有一大於f/2.5之f值。
  12. 如請求項1之單元，進一步包含一光源以產生該光束，該光束經由一第三表面進入該第一罩蓋，該光束具有一不大於f/2.5之f值。
  13. 一種光學系統，包含：一第一偏光分束器(PBS)，其具有安置於第一與第二罩蓋之間的一反射偏光層，該第一罩蓋係由具有一大於0.1之應力光學係數之一材料形成；一第一反射影像形成裝置，其面對該第一罩蓋之一第一表面以使得光自該第一PBS之該反射偏光層穿過該第一罩蓋至該第一反射影像形成裝置，且自該反射影像形成裝置反射穿過該第一罩蓋至該第一PBS之該反射偏光 層，該光遭受該第一罩蓋中之應力雙折射及該反射影像形成裝置中之剩餘雙折射；及一第一四分之一波長延遲元件，其經安置以延遲通過該第一罩蓋之該第一表面與該反射影像形成裝置之間的光，其中該第一四分之一波長延遲元件經定向以最大化該第一PBS之該第一罩蓋及該反射影像形成裝置中的該雙折射之補償。
  14. 如請求項13之系統，其中該應力光學係數大於0.5×10-6 mm2 N-1 。
  15. 如請求項13之系統，其中該第一罩蓋係由一具有一不大於1.8之折射率之玻璃形成。
  16. 如請求項13之系統，進一步包含一光源及光束管理光學器件以將一照明光束經由該PBS導引至該影像形成裝置。
  17. 如請求項13之系統，進一步包含一投影透鏡單元，該投影透鏡單元經排列以投影來自該影像形成裝置之一影像。
  18. 如請求項17之系統，其中該投影之影像具有一不小於1000：1之對比率。
  19. 如請求項13之系統，進一步包含至少一第二PBS、至少一第二反射影像形成裝置及一彩色混合單元，來自該第一及至少一第二反射影像形成裝置之影像光在該彩色混合單元中經混合以產生混合之影像光束。
  20. 如請求項19之系統，進一步包含至少一第三PBS及至少一 第三反射影像形成裝置，來自該第一、第二及至少一第三影像形成裝置的影像光在該彩色混合單元中經混合以產生該混合之影像光束。
  21. 如請求項20之系統，其中該彩色混合單元包含一x立方彩色混合單元，該等第一、第二及第三PBS係附著至該x立方彩色混合單元，該等第一、第二及第三反射影像形成裝置分別係附著至該等第一、第二及第三PBS。
  22. 一種光學系統，包含：一影像形成裝置；一反射偏光層，其經安置以將一選定偏振狀態下的光反射至該影像形成裝置或反射來自該影像形成裝置的該選定偏振狀態下的光；至少一第一雙折射元件，其安置於該影像形成裝置與該偏光層之間的一光路上，該第一雙折射元件具有一垂直於該光路之端面，該雙折射元件之該雙折射不均一使得穿過該端面之不同部分的光之雙折射延遲值不同；及一四分之一波長延遲元件，其安置於該第一雙折射元件與該影像形成裝置之間，該四分之一波長延遲元件經定向以至少部分地補償該反射偏光層與該影像形成裝置之間的一往返行程上之光之延遲。
  23. 如請求項22之系統，其中該第一雙折射元件包含一用於該反射偏光層的玻璃罩蓋。
  24. 如請求項22之系統，其中該第一雙折射元件對於穿過該端面之至少一部分的光而言具有一超過至少1nm之單程 延遲。
  25. 如請求項22之系統，其中該第一雙折射元件係具有大於0.5×10-6 mm2 N-1 之應力光學係數之一玻璃罩蓋。
  26. 如請求項22之系統，進一步包含安置於該影像形成裝置與該偏光層之間的該光路上之一第二雙折射元件。
  27. 如請求項26之系統，其中該第二雙折射元件包含一透鏡。
  28. 如請求項22之系統，進一步包含一光源及光束管理光學器件以將一照明光束經由該反射偏光層導引至該影像形成裝置。
  29. 如請求項22之系統，進一步包含一投影透鏡單元，該投影透鏡單元經排列以投影來自該影像形成裝置的一影像。
  30. 如請求項29之系統，其中該影像具有一不小於2500：1之對比率。
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