TWM577117U - 光學系統 - Google Patents

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喬納森 基爾柏格
莫迪凱 吉洛
艾維亞德 巴爾梅爾
艾碧弗 弗爾摩爾
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以色列商魯姆斯有限公司
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Abstract

一種光學系統(100)包括圖像準直型稜鏡(102)，圖像準直型稜鏡(102)具有外表面，與外表面相關聯的分別有：偏振源、反射型顯示裝置(70)；光波準直構件(16)及光波出射表面。偏振選擇型分束器配置(10)被佈署在棱鏡(102)內，並位在傾斜於光波入射表面(8)的平面上。反射型顯示裝置藉由被反射自偏振選擇型分束器配置(10)的光被照射，並且產生對應於圖像的亮區的偏振的旋轉。來自反射型顯示裝置(70)的圖像藉由偏振選擇型分束器配置(10)被選擇性地傳送、藉由光波準直構件(16)被準直、從偏振選擇型分束器配置(10)被反射，並且經由出射表面(20)被投射。在一些實現方案中，額外的偏振器位於或鄰近入射表面，以助於優化消除不想要的照射射線。

Description

光學系統
本創作涉及多種光學系統，特別是涉及具一緊湊型準直圖像投影儀的一光學系統。
諸多頭戴式顯示器(HMDs)領域特別需要諸多緊湊型光學裝置(compact optical devices)，其中一光學模組執行圖像生成(一“成像器”)並將該圖像準直到無窮遠處(collimation of the image to infinity)等多種功能，以傳遞到一觀察者的眼睛。該圖像可以從一顯示裝置(display device)被獲得，或者直接從一空間光調變器(SLM)被獲得，諸如從一陰極射線管(CRT)、一液晶顯示器(LCD)、一矽基液晶投影顯示器(LCoS)、一數位微鏡裝置(DMD)、一OLED顯示器、一掃描源或諸多類似裝置，或者，藉由一中繼透鏡裝置或一光纖束裝置(means of a relay lens or an optical fiber bundle)間接地獲得。由一像素陣列構成的該圖像藉由一準直佈置(collimating arrangement)聚焦到無限遠處，並且該圖像通常藉由一反射型表面(reflecting surface)或一部分反射型表面(partially reflecting surface)充作一組合器，而被傳送到該觀察者的眼睛中，分別用於諸多非透視(non-see-through)應用及諸多透視(see-through)應用。通常地，一種傳統的自由空間光學模組(free-space optical module)被用於這些目的。
隨著該系統的期望的視野(field-of-view，FOV)增加，這種類型的傳統光學模組變得更沉重及更笨重，因此即使對於一適度性能裝置(moderate performance device)也是不切實際的。這是各種顯示器的一主要缺點，尤其是在諸多頭戴式應用中，該系統必須盡可能的輕巧。
對緊湊性的追求導致幾種不同的複雜光學解決方案，其中許多在大多數實際應用中仍然不夠緊湊，並且同時在成本、複雜性及可製造 性方面遭受影響。在一些情況下，在全範圍的光學視角可見的該眼動盒(EMB)是小的，例如：小於6毫米(mm)，光學系統的渲染性能(rendering performance)對光學系統相對於該觀看者的眼睛的甚至很小的移動是敏感的，並且不能適應充足的瞳孔運動，以便從這樣的顯示器舒適地閱讀文字。
對諸多HMD及諸多近眼顯示器(near-eye displays)的特別有利的一系列解決方案可從(以色列商)魯姆斯有限公司(Lumus Ltd.)商購獲得。通常採用具有諸多部分反射表面的諸多光導基板(波導)或其他適用的諸多光學元件，以將一圖像傳遞給一用戶的眼睛。在以下PCT專利公開案中描述魯姆斯有限公司(Lumus Ltd.)技術的各個方面，通過引用結合於此作為本創作的相關背景：WO 01/95027、WO 2006/013565、WO 2006/085309、WO 2006/085310、WO 2007/054928、WO 2008/023367及WO 2008/129539。
本創作是具一緊湊型準直圖像投影儀的一光學系統。本創作的某些更佳實施例為寬廣的FOV及相對大的EMB值提供一簡單及緊湊的解決方案。產出的該光學系統可以被實現以提供一大的、高品質的圖像，該圖像也適應眼睛的大範圍運動。
根據本創作的一實施例的教示，一種光學系統被提供，包括：(a)一圖像準直型棱鏡(image-collimating)，包括一光波透射材料(light-wave transmitting material)，該棱鏡具有多個外表面，該些外表面包括一光波入射表面(light-wave entrance surface)及一光波出射表面(light-wave exit surface)、一圖像顯示表面(image display surface)及一準直表面(collimation surface)，一偏振選擇型分束器配置(polarization-selective beam splitter configuration)被佈署在該棱鏡內，並位在傾斜於該光波入射表面的一平面上；(b)一偏振光源(source of polarized light)，與該光波入射表面相關聯；(c)一反射型顯示裝置(reflective-display device)，與該棱鏡的該圖像顯示表面相關聯，該反射型顯示裝置產生對應於一圖像的一反射光(reflected light)的一空間調變(spatial modulation)，該反射型顯示裝置藉由來自該偏振光源且被反射自該偏振選擇型分束器配置的光而被照射，該反射型顯示裝置被配置成使得該圖像的多 個亮區(bright regions)對應的該反射光具有相對於該偏振光源旋轉的一偏振度(polarization)；(d)至少一延遲板(retardation plate)，與該準直表面的至少一部分相關聯；及(e)至少一光波準直構件(light-wave collimating component)，覆蓋於該延遲板的至少一部分，使得來自該反射型顯示裝置的一圖像藉由該偏振選擇型分束器配置被選擇性地傳送、藉由該光波準直構件被準直、從該偏振選擇型分束器配置被反射，並且經由該光波出射表面被投射。
根據本創作實施例的另一個特徵，該棱鏡的該光波入射表面與該光波出射表面平行。
根據本創作實施例的另一個特徵，在該稜鏡相鄰的該多個表面之間的至少一角度是非正交的(non-orthogonal)。
根據本創作實施例的另一個特徵，該棱鏡是一個長方體棱鏡，在一種情況下，是一個正方形長方體棱鏡(square cuboid prism)。
根據本創作實施例的另一個特徵，該偏振選擇型分束器配置為一線柵型分束器(wire grid beam splitter)。
根據本創作實施例的另一個特徵，該偏振選擇型分束器配置為一複合型分束器配置(compound beam splitter configuration)，該複合型分束器配置包括：(a)一第一分束器元件(first beam-splitter element)，最接近於該偏振光源；(b)一吸收型偏振器(absorptive polarizer)；及(c)一第二分束器元件(second beam-splitter element)，最接近於該光波準直構件。
根據本創作實施例的另一個特徵，該第一分束器元件為一線柵型分束器。
根據本創作實施例的另一個特徵，還提供一出射偏振器(exit polarizer)，該出射偏振器與該棱鏡的光波出射表面相關聯，該出射偏振器相對於該吸收型偏振器被交叉定向，以確保消除來自橫越該吸收型偏振器的該偏振光源的任何照射。
根據本創作實施例的另一個特徵，該反射型顯示裝置包括一矽基液晶投影顯示器(liquid-crystal-on-silicon display)。
根據本創作實施例的另一個特徵，還提供一光導基板 (light-guiding substrate)，該光導基板具有：至少二相互平行的主要表面，及一光波輸入孔(light-wave input aperture)，其中該光波輸入孔被光學地耦合(optically coupled)到該棱鏡的該光波出射表面。
根據本創作實施例的另一個特徵，該光透射基板包含至少一部分反射型表面，該部分反射型表面在相對於該多個主要表面以一傾斜角度在該基板內延伸。
根據本創作實施例的另一個特徵，該至少一延遲板包括一第一延遲板(first retardation plate)及一第二延遲板(second retardation plate)，該第一延遲板具有對齊一偏振軸線(axis of polarization)的一快軸線(fast axis)，該第二延遲板具有對齊一偏振軸線的45度角的一快軸線。
如在本創作中使用的術語“光導(light-guide)”是指任何光傳輸體，更佳光傳輸固體，其也可以被稱為“光學基板(optical substrates)”。
2‧‧‧入射光束
4‧‧‧線性偏振器
6‧‧‧稜鏡
8‧‧‧光波入射表面
10‧‧‧分束器配置
12‧‧‧圖像顯示表面
14‧‧‧四分之一波板
16‧‧‧準直構件
18‧‧‧準直表面
20‧‧‧光波出射表面
22‧‧‧稜鏡
24‧‧‧第一偏振型分束器元件
26‧‧‧偏振器
28‧‧‧第二偏振型分束器元件
30‧‧‧線性偏振器
32‧‧‧主要表面
34‧‧‧主要表面
36‧‧‧光導基板
38‧‧‧光學楔形元件
40‧‧‧輸出光波
42‧‧‧投影儀裝置
62‧‧‧光源
66‧‧‧部分反射表面
70‧‧‧反射型顯示裝置
100‧‧‧光學系統
102‧‧‧圖像準直型稜鏡
110‧‧‧曲線
112‧‧‧曲線
114‧‧‧曲線
116‧‧‧曲線
118‧‧‧曲線
s‧‧‧s偏振
p‧‧‧p偏振
這裡僅通過舉例的方式參照附圖描述本創作，其中：第1圖是根據本創作的一實施例被建構及運作的提供一緊湊型準直圖像投影儀的一光學系統的一示意性分解平面圖；第2圖是將第1圖的該光學系統藉由添加一出射偏振器(exit polarizer)進行修改的一示意性分解平面圖；第3圖是類似於第2圖以圖解說明從一光源到達該圖像投影儀的一輸出的不想要的輻射(unwanted radiation)的一潛在路徑的一示意圖。
第4圖是第2圖的該光學系統進一步被分解以示出包括多個偏振元件的一偏振選擇型分束器配置(polarization-selective beam splitter configuration)的一更佳實現方案的諸多細節的一示意性分解平面圖。
第5圖是類似於第4圖以圖解說明從一光源到達該圖像投影儀的一輸出的不想要的輻射的一潛在路徑的一示意圖。
第6圖是示出對於諸多偏振元件的各種不同組合的一非期望的光信號的透射變化作為偏離平面偏斜光束角(out-of-plane skew-beam angle) 的一函數的一圖形；第7圖是第1、2及4圖的光學系統在將不同零件組裝成一個整體結構後的一示意性平面圖；第8圖是包括有第7圖的裝置的一光學系統被耦合到一光導基板的一示意性平面圖；第9圖是類似於第7圖的一光學系統以非矩形幾何形狀(non-rectangular geometry)實現的一示意性平面圖；及第10圖是以圖解說明在背景雜訊的顯示對比度之間的一關係的一圖形。
本創作是具一緊湊型準直圖像投影儀的一光學系統，該緊湊型準直圖像投影儀被耦合到一光導基板。
參考附圖及所附描述可以更好地理解根據本創作的光學系統的原理及操作。
現在參照第1、2、4及7至8圖，以圖解說明根據本創作的各個方面被建構及運作且整體被標示為100的一光學系統的各種實現方案。一般而言，系統100包括一圖像準直型棱鏡(image-collimating prism)102，該圖像準直型棱鏡102由一光波透射材料形成，該光波透射材料具有多個外表面，包括一光波入射表面8、一光波出射表面20、一圖像顯示表面12及一準直表面18。一偏振選擇型分束器配置10(polarization-selective beam spitter configuration)(其可以簡稱為“PBS 10”)被佈署在該棱鏡102內，並位在傾斜於該光波入射表面8的一平面上。
一偏振光源，在此示為一光源62與一偏振器4的一組合，該偏振光源與該光波入射表面8是相關聯的。與該棱鏡的該圖像顯示表面相關聯的一反射型顯示裝置、該反射型顯示裝置70、產生對應於一圖像的一反射光的一空間調變，是與該圖像顯示表面12相關聯的。反射型顯示裝置70被從分束器配置10反射的偏振光源的光照射。反射型顯示裝置70被配置為使得與一期望圖像(desired image)的一亮區相對應的該反射光具有相 對於該偏振光源旋轉的一偏振度。因此，如前述圖式所示，偏振照射(polarized illumination)通過入射表面8以一第一偏振的方式進入棱鏡102，該第一偏振通常為相對於分束器配置10的一s偏振(s-polarization)，並且該偏振照射被反射而朝向圖像顯示表面12，在圖像顯示表面12處撞擊在反射型顯示裝置70上。對應於該圖像的諸多亮區的諸多像素以被調變的旋轉偏振(典型為p偏振，p-polarization)被反射，使得來自諸多亮像素的輻射光藉由該分束器配置10被透射並且到達準直表面18，在準直表面18處，該輻射光穿過至少一個延遲板(retardation plate)，該延遲板更佳為一四分之一波板(quarter-wave plate)14，該四分之一波板14與該準直表面的至少一部分相關聯，該輻射光入射於覆蓋該延遲板的至少一部分的至少一光波準直構件16，並且通過四分之一波板14被反射回來。此雙重光波穿過被與多個偏振軸線(polarization axes)的45度角的一快軸線(fast axis)對齊的一四分之一波板14以旋轉該偏振度(例如：將該p偏振轉換為s偏振)，使得該準直圖像照射在分束器配置10被反射而朝向出射表面20。
在本創作的特別更佳的但非限制性應用的一組應用中，圖像準直棱鏡102的光波出射表面20被光學地耦合到一光導基板(light-guiding substrate)36的一光波輸入孔，該光導基板36具有至少二相互平行的主要表面32及34。在這種情況下，來自反射型顯示裝置70且被在分束器配置10中反射的光源照射的一圖像，藉由準直構件16被準直，並且從分束器配置10被反射，以便穿過出射表面20並進入該光導基板36的該輸入孔，從而藉由內部反射在該基板內傳播。
在這個階段，可以理解的是，本創作提供一個特別有利的光學系統。具體地，藉由採用單一偏振選擇型分束器配置10來向反射型顯示裝置70傳遞照射，並且將來自準直構件16的被準直光線反射到出射表面20，這是可能完成的具有特別短的焦距的準直棱鏡102的一高度緊湊的實現方案，與現有技術的裝置通常需要用於這兩個功能的兩個分離的棱鏡組件相比，這對於為了一給定尺寸的反射型顯示裝置提供一寬FOV顯示器而言可能是有利的。
在此定義的該緊湊配置的一個結論是，在某些實現方案中，該照射源與該棱鏡的該出射孔是相對的。這在某些情況下，可能需要特殊的預防措施，以確保沒有光源照射藉由該分束器離開該出射孔而洩漏到達該光導基板，這會增加雜訊並降低圖像對比度。下面描述的各種實施例揭露各種特別更佳的實現方案，其中諸多元件被提供以改進照射輻射的消光性(extinction)，即使在高“偏斜光束(skew beam)”諸多角度處，也不會到達該光導基板。
本創作的各種特別更佳的實現方案利用的事實是：在一些空間光調變器(SLM)微型顯示器來源中，諸如諸多LCD或LCOS顯示器，該運作是基於入射在該裝置上的偏振光，該裝置是以不同的偏振度狀態被反射的。諸多非偏振反射型SLM也可以藉由在該SLM的入口處增加一四分之一波板而被使用。這也將這些類型的SLM轉變成偏振旋轉的SLM，以適用於本創作的該些裝置，因為通過在該入射及出射路徑中的該四分之一波板的該光束的該雙重路徑旋轉該光束偏振度。
在以下描述中，將參考LCOS作為反射及偏振旋轉微型顯示器的一示例，但是應該注意，這僅僅是非限制性示例，而被稱為“反射型顯示裝置，，的其他偏振旋轉微型顯示器也是適用的。
該準直棱鏡102是基於二棱鏡，該二棱鏡在第1圖中被標記為6及22，在圖中，在該二棱鏡6與22之間被設在斜邊上的至少一個設有一偏振分束器(PBS)，該偏振分束器形成偏振選擇型分束器配置10的至少一部分，偏振選擇型分束器配置10反射該s偏振及透射該p偏振。該些棱鏡的兩個斜邊被彼此膠接，以形成一個膠接的準直棱鏡組件(cemented collimating prism assembly)。這種單一的膠合棱鏡被用於該LCOS的照射，也用於該LCOS的準直。
膠合的棱鏡102的幾何形狀可以根據應用而變化，並且不一定基於諸多正交表面。在某些較佳實現方案中，該棱鏡的光波入射表面8及光波出射表面20是平行的。在某些特別更佳的實現方案中，該棱鏡是一長方體棱鏡，即具有彼此正交的諸多矩形面，並且在此以圖說明的某些特 別更佳的示例中，這是一正方形長方體棱鏡，其中每個棱鏡6及22具有一45度直角的橫截面形狀。取決於特別應用的諸多細節，可能更佳的是使用諸多非正交棱鏡表面，以及，用45度以外的角度被佈署的諸多偏振型分束器裝置。一非矩形裝置的一非限制性示例在第9圖中被示出。除了直接由該不同的非矩形幾何形狀造成的諸多變化以外，第9圖的結構及功能與第1圖相似，類似的元素被類似地標記。
可以來自一LED、一雷射或任何其他光源62的入射光束2穿過一線性偏振器4，如第1圖所示。線性偏振器4在光源62自體偏振的情況下是不需要的，但是進一步確保該偏振照射的高品質仍然是有利的。該入射光束2相對於PBS 10的該表面是線性s偏振的，如第1圖所示。如圖中所示，來自該光源的該s偏振輸入光波2通過它的入射表面8被耦合到棱鏡102中(這可以被認為是由棱鏡6與22之間具備PBS 10而被建構成的“光導”光學裝置)，該棱鏡102由光波透射材料組成。在從PBS 10被反射以後，該光波通過棱鏡6的一外表面12被耦出該基板。該些光波被該LCOS元件70反射，該LCOS元件70將該亮度圖像信號的該s偏振轉換為p偏振。該p偏振光波通過表面12再次進入該光學元件6。現在，該些p偏振的光波通過PBS 10，然後通過該棱鏡22的該外表面18被耦出該光導。該些光波然後通過至少一個四分之一波長的延遲板14被一反射與準直型光學元件16反射，例如：被一球形準直鏡反射，而返回再次穿過該延遲板14，並且重新進入通過外表面18的光導。最為更佳地，二延遲板被使用，它們的快軸線分別與該偏振軸線成0°及45°。此雙重光波穿過該45°的延遲板14，將該光束從p偏振改變為s偏振。該0°的延遲板有助於確保有效地消除在偏振分束器28處的不想要的高角度偏斜射線。該光束然後被PBS 10反射並通過該外表面20射出棱鏡22。這些光波包含藉由該LCOS被調變並藉由反射光學元件16被準直的圖像資訊。在一些配置中，此光束將被耦合到一光學組合器元件，該光學組合器元件將反射該光束，以被眼睛或相機觀看。這個實施例的性能將取決於PBS 10為一高效偏振器。其他示例即將被示出的是，此偏振器的效率較低並且諸多附加元件被使用，以完成高圖像對比 度。
在第2圖中示出的另一個實施例，一線性偏振器30被添加到該光波出射表面20。偏振器30被定向於它平行於偏振器4的偏振軸線，以便通過從PBS 10反射的s偏振。此偏振器的添加有助於消除從光源62直接通過的非期望的光。這種非期望的光的一示例性路徑在第3圖中被示出。一光波束(beam of light waves)34被顯示為一虛線。諸多入射光波(incident light waves)34可以來自一LED、一雷射或任何其他光源62，穿過一線性偏振器4(線性偏振器4在該光源本身被偏振的情況下是可選的)，如第3圖所示。該些光波相對於PBS 10的平面呈線性s偏振。然而，相對於PBS 10，諸多偏斜射線(在圖的平面以外)具有一些小的p偏振成分。這些光波入射表面8被耦合到棱鏡102中，穿過PBS 10、穿過棱鏡22的外表面20，並到達線性偏振器30。非期望的p偏振光被線性偏振器30移除，從而允許該圖像資訊的一高對比度。為此目的，該線性偏振器30的偏振軸與線性偏振器4的偏振軸平行。如果假定PBS 10接近於一理想寬光譜偏振器，則該配置是有效的。下面將討論其他示例，以解決這種偏振器是不理想的情況。該附加的偏振器也有助於抵消可能被引入到該光學路徑中的任何應力雙折射(stress birefringence)的影響。
另一個實施例在第4圖中被示出，其中該偏振選擇型分束器配置10是一複合型分束器配置，該複合型分束器配置包括一第一偏振型分束器元件(PBS)24、一吸收型偏振器26及一第二偏振型分束器元件(PBS)28，該第一偏振型分束器元件24最靠近該偏振光源，該第二偏振型分束器元件28最靠近該光波準直構件16，。該偏振型分束器元件24及28可以實現為任何種類的偏振型分束器，包括但不限於由多層介電塗層及線柵金屬條形成的諸多偏振型分束器。在下面進一步描述的一個特別更佳的實現方案中，至少第一偏振分束器元件24是一線柵型元件(wire-grid element)。
如前所述，該光學器件基於二棱鏡，該二棱鏡被標號為6及22，每個棱鏡分別在該斜邊24及28上具有一PBS，該斜邊24及28反射該s偏振並透射該p偏振。雖然在遍及的諸多附圖中為了清楚起見而例示 出各種零件，但是它們之間的空間是被示意性地示出，相鄰的平行表面通常與光學膠合劑黏合在一起，以形成諸多剛性的整體結構。因此，在這種情況下，多個棱鏡的兩個斜邊以一線性偏振器26被彼此黏合，該線性偏振器26在兩個斜邊之間，在兩個斜邊之間透射該p偏振，從而此組件變成一黏合的立方體棱鏡。該吸收型偏振器26大大有助於消除通過PBS 24及28的該s偏振，因為在現實世界的應用中，這些PBS都不是理想的，並且不會反射所有的s偏振。具體地說，在諸多電介質PBS元件被使用於元件24及28的情況下，用於高角度偏斜射線的該選擇性透射包括s偏振的一分量。這些分量藉由該吸收型偏振器26被移除，該吸收型偏振器26為一笛卡爾(固定軸)偏振器。
如上所述，本創作的各種應用可以採用非矩形形式的諸多棱鏡。在某些情況下，可能期望分束器元件24及28之間的定向有所不同。在這種情況下，可以在多個分束器元件之間設置一附加的楔形物(未示出)，以實現被期望的定向角度差異。
在所有其它方面，第4圖的裝置的結構及功能與第1至3圖如上所述的內容是等同的，並且將通過參考該描述被理解。在一些特別更佳但非限制性的應用中，來自光波出射表面20的該輸出圖像光束將更佳地經由偏振器30被耦合到一光學組合器元件，該光學組合器元件將反射該輸出圖像光束，用以被眼睛或一相機觀看，參考第8圖進一步討論如下。
上述複合型分束器配置的使用有助於進一步消除來自可能射出該光學裝置的光源62的任何非期望的直射光。這在第5圖中被示出。一光波束的可能路徑在第4圖中被以虛線示出。諸多入射光波34可以來自一LED、一雷射或任何其他光源62，穿過一線性偏振器4(線性偏振器4在光源本身不偏振的情況下是可選的)，如圖5所示。為了達到投影儀的輸出，相對於PBS配置10的平面被線性s偏振化並且通過表面8進入棱鏡102的該些光波將需要穿過PBS 24、通過線性偏振器26、通過PBS 28、穿過棱鏡22的外表面20，並穿過線性偏振器30。這些包括偏斜射線的諸多光波也包含從該光源62直接射出的非期望的s偏振光。該線性偏振器26有助於消除 這些光波的功率，以便允許該圖像資訊的一高對比度。為此，該線性偏振器26的偏振軸線與線性偏振器4的偏振軸線成90度取向。具有來自穿過PBS 24及28以及偏振器26的光源的p偏振直射光的任何偏斜射線被偏振器30衰減，該偏振器30的偏振軸線與線性偏振器4成平行取向。
下面將討論根據各種不同實現方案的光波34的消光效率。
當相互成90度取向時，在被稱為交叉偏振位置的兩個市售線性偏振器的消光性可以達到垂直於諸多偏振面的入射光的0.01%以下。然而，當處理一個傾斜的光束，比方說正常入射±17度時，消光性可能是不同的。在第4圖的平面上測量與法線成17度角的諸多光束的消光性，顯示該消光性幾乎與垂直入射相同。當該光束傾斜角外的一分量在第1圖的平面之外(垂直)時，該透光率上升。這在第6圖中的圖形被示出，用於諸多偏振器元件的各種不同組合。所有的曲線是屬於經過至少一個線性偏振器或分束器的偏振可見光形成偏振選擇型分束器配置10的各種可能的實現方案，在一些情況下，在該出口處跟著有一第二偏振器30，並且涉及消光性被實現的程度。曲線110是當在電介質塗層PBS元件24與28之間成交叉取向的該偏振器26是一線性偏振器時的消光函數(extinction function)。曲線116是當偏振選擇型分束器配置10被實現為一單獨被使用的線柵型分束器時的消光函數。在沒有偏振器30的情況下，分析這兩種情況下的透射光束顯示的是，該光束相對於PBS配置10的取向具有一s偏振的分量及一p偏振的分量。線性偏振器30的添加減低該p偏振的分量，如在對於該PBS線性偏振器-PBS組合的曲線112中所示，以及在對於分束器配置10單獨被使用的該線柵型分束器的曲線118中所示。因此，該線性偏振器30的添加被認為對於降低雜訊及提高對比度是非常有利的。當該分束器配置10包括用於PBS元件24的一線柵、偏振器26及一電介質PBS元件28，後續是作為該耦出配置的一部分的偏振器30時，在曲線114所示的整個角度範圍上的最高消光性被實現。
將該投影儀裝置的在第4圖中所示的各種零件的一些或全部進行附接，以形成具有一更簡單的機械模組的單個緊湊元件上，通常是 有利的。如同已經提及的是，棱鏡6和22被以PBS配置10黏合在一起。取決於整個光學設計中的相鄰構件的諸多細節，可以被黏合到棱鏡的是其它的偏振器4及30、該反射與準直型元件16及(諸多)延遲器(retarder(s))14中的一些或全部。第7圖示出這樣的一種模組，其中除了該LCOS 70及該光源62以外的所有元件都被黏合。這些元件更佳地被安裝在鄰近該組件的相對應表面，但不被黏接到該相對應表面上。
迄今為止所描述的裝置可以用於需要產生一準直圖像的一微型投影儀的一廣泛應用中。合適的應用的例子包括但不限於各種成像應用(imaging applications)，諸如頭戴式顯示器(HMD)及抬頭式顯示器(HUD)、蜂巢式電話(cellular phones)、緊湊型顯示器(compact displays)、三維顯示器(3-D displays)、緊湊型擴束器(compact beam expanders)及諸多非成像應用(non-imaging applications)，例如諸多平板指示器(flat-panel indicators)、緊湊型照射器(compact illuminators)及掃描儀(scanners)。作為一個特別更佳但非限制性的應用子集的說明方式，第8圖例示出一投影儀裝置42，該投影儀裝置42對應於有關第7圖詳述的結構，該投影儀裝置42與一基板36相結合以形成一光學系統。這樣的一種基板36通常包括至少二主要表面32及34，以及一個或以上的部分反射表面66，以及一光學楔形元件38，用於將光耦合到該基板中。來自投影儀裝置42的該些輸出光波(output light-waves)40通過楔形物38入射於該基板36。如第8圖所示，該些入射光波(相對於該基板36)藉由全內反射(Total Internal Reflection，TIR)被捕獲在該基板中。藉由諸多部分反射表面66或者藉由諸多繞射元件或者任何其他合適的輸出耦合佈置，來自該波導的該輸出耦合可以被施加。該楔形元件38僅僅是一個非限制性的光學耦合配置的說明，並且其它諸多元件及諸多配置可以被使用於將來自該光學裝置的光耦合到基板36中。
如第5圖所示，來自該光源的直接光束對該光學基板36的影響，作用於由該LCOS產生的該圖像的對比度(該系統的最小對比度值)，以下式給出：
其中，
．Sw是來自該LCOS的該白色圖像，
．Sb是來自該LCOS的該黑色圖像，
．Nscat是由於散射而入射基板36的不想要的光，
．Ndir是入射基板36的殘留的直接LED光。
．Ndir是不想要的雜訊，該不想要的雜訊會干涉由該LCOS所產生的圖像。
假設Nscat非常低，Ndir在對比度上的影響如第10圖所示。該對比度藉由該直接光束(Ndir)的消光性而被限制。因此，如同在此揭露的結構及光學配置所提出的，獲得該直接光束的最大衰減是重要的。
就已被草擬而沒有多重依附的所附諸多請求項的範圍而言，這被進行僅是為了適應不允許這種多重依附的管轄權區域的形式要求。應當注意的是，藉由使得該些請求項多重依附而被隱含的諸多特徵的所有可能的組合被明確地設想，並且應當被認為是本創作的一部分。
應當理解的是，以上描述僅用作諸多示例，並且在所附諸多請求項限定的本創作的範圍內的許多其他實施例是有可能的。

Claims (14)

  1. 一種光學系統，包括：一圖像準直型棱鏡，包括一光波透射材料，該棱鏡具有多個外表面，該些外表面包括一光波入射表面及一光波出射表面、一圖像顯示表面及一準直表面，一偏振選擇型分束器配置被佈署在該棱鏡內，並位在傾斜於該光波入射表面的一平面上；一偏振光源，與該光波入射表面相關聯；一反射型顯示裝置，與該棱鏡的該圖像顯示表面相關聯，該反射型顯示裝置產生對應於一圖像的一反射光的一空間調變，該反射型顯示裝置藉由來自該偏振光源且被反射自該偏振選擇型分束器配置的光而被照射，該反射型顯示裝置被配置成使得該圖像的多個亮區對應的該反射光具有相對於該偏振光源旋轉的一偏振度；至少一延遲板，與該準直表面的至少一部分相關聯；及至少一光波準直構件，覆蓋於該延遲板的至少一部分，使得來自該反射型顯示裝置的一圖像藉由該偏振選擇型分束器配置被選擇性地傳送、藉由該光波準直構件被準直、從該偏振選擇型分束器配置被反射，並且經由該光波出射表面被投射。
  2. 根據請求項第1項所述之光學系統，其中該棱鏡的該光波入射表面與該光波出射表面平行。
  3. 根據請求項第1項所述之光學系統，其中在該稜鏡相鄰的該多個表面之間的至少一角度是非正交的。
  4. 根據請求項第1項所述之光學系統，其中該稜鏡為一長方體稜鏡。
  5. 根據請求項第1項所述之光學系統，其中該稜鏡為一正方形長方體稜鏡。
  6. 根據請求項第1項所述之光學系統，其中該偏振選擇型分束器配置為一線柵型分束器。
  7. 根據請求項第1項所述之光學系統，其中該偏振選擇型分束器配置為一複合型分束器配置，該複合型分束器配置包括：一第一分束器元件，最接近於該偏振光源；一吸收型偏振器；及一第二分束器元件，最接近於該光波準直構件。
  8. 根據請求項第7項所述之光學系統，其中該第一分束器元件為一線柵型分束器。
  9. 根據請求項第7項所述之光學系統，還包括一出射偏振器，該出射偏振器與該棱鏡的光波出射表面相關聯，該出射偏振器相對於該吸收型偏振器被交叉定向，以確保消除來自橫越該吸收型偏振器的該偏振光源的任何照射。
  10. 根據請求項第1項所述之光學系統，還包括一出射偏振器，該出射偏振器與該棱鏡的光波出射表面相關聯，該出射偏振器相對於該偏振選擇型分束器配置被交叉定向，以確保消除來自橫越該偏振選擇型分束器配置的該偏振光源的任何照射。
  11. 根據請求項第1項所述之光學系統，其中該反射型顯示裝置包括一矽基液晶投影顯示器。
  12. 根據請求項第1項所述之光學系統，還包括一光導基板，該光導基板具有：至少二相互平行的主要表面，及一光波輸入孔，其中該光波輸入孔被光學地耦合到該棱鏡的該光波出射表面。
  13. 根據請求項第12項所述之光學系統，其中該光導基板包含至少一部分反射型表面，該部分反射型表面在相對於該多個主要表面以一傾斜角度在該光導基板內延伸。
  14. 根據請求項第1項所述之光學系統，其中該至少一延遲板包括一第一延遲板及一第二延遲板，該第一延遲板具有對齊一偏振軸線的一快軸線，該第二延遲板具有對齊一偏振軸線的45度角的一快軸線。
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