專利名稱：偏振裝置的制作方法
相關申請對照本發(fā)明根據于2001年5月18日提交的第60/292,178號美國臨時申請的35USC§119(e)提出權益。在這里引用其完整的內容。
在圖1的設計圖中，照明光8通過起始偏振片9(S偏振片)并被偏振光束分光器3(PBS)的對角線反射。該光照亮LCoS 11。從“斷開”象素反射的光有與入射光相同的偏振，并從PBS對角線反射回到照明系統(tǒng)。從“接通”象素反射的光有垂直于入射光偏振的偏振。那束光通過PBS對角線傳輸并進入系統(tǒng)的投影透鏡(見圖1中光束17)。須注意，在此設計圖中，并于照明光束經PBS對角線通過而成像光束從對角線反射，其中照明光8和成像光17是可逆的。
該PBS對角線有反射S偏振并傳輸P偏振的多層結構設計。對于P偏振其反射因子為～12％，它降低了系統(tǒng)的對比度。在PBS 3前面的起始偏振片9吸收具有P偏振的光，使對比度保持在所需程度。
來自照明裝置光的圓錐通常具有F數等于2.8，對偏斜光線造成了顯著的去偏振效應。在上述Miyatake專利中描述了這個幾何學效應，而且需要在PBS 3和反射型液晶顯示器11(例如LCoS)間設置四分之一波片5以保持高對比度。
這種偏振設計的主要缺點是PBS成本高，并需要使用四分之一波片，它需要非常精確的角度對準以減少偏斜光線問題。還有，四分之一波片對溫度十分敏感，它在整個成像器點造成對比度不均勻。
除上述的之外，在使用中，光學系統(tǒng)也包括一個照明系統(tǒng)，并且斜置的偏振分光器位于照明系統(tǒng)和光調制面板間。
在下面詳細描述中闡述了本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，本領域普通技術人員通過那個描述或通過實施于此所描述的發(fā)明來認識將會容易地明白其部分內容。
須理解，前面的概要描述和下面的詳細描述都只是本發(fā)明的示范性內容，因而打算以此提供了解其提出權利要求的本發(fā)明的性質和特點用的概貌或框架。
合并構成說明書一部分的
示出了本發(fā)明的各種方面，并且和詳細說明一起用于解釋發(fā)明的原理。當然須理解，附圖和說明都只是解釋性的，并不限制本發(fā)明。
圖2是根據本發(fā)明的偏振裝置示意圖，圖中采用有一個不會產生不可接受像散程度的基片的斜置的偏振分光器。
下面是附圖中采用的指示標記3 PBS5 四分之一波片
7 照明系統(tǒng)8 來自照明系統(tǒng)的光9 偏振片11 光調制面板13 偏振分光器(例如線柵偏振片)14 偏振分光器基片15 投影透鏡17 到投影透鏡的光本發(fā)明的詳細描述在圖2中示出本發(fā)明設計圖。舉例說，圖1中的偏振光束分光器用線柵偏振片13代替。例如，見公布于2001年2月8日的題為“Image Projection System witha Polarizing Beam Splitter”的專利WO 01/09677和公布于2000年9月19日的題為“Broadband Wire Grid Polarizer for Visible Spectrum”的美國專利6,122,103，通過引用并把各文的內容包括于此。線柵偏振片的偏振特性類似于PBS對角線的特性透射P偏振，而反射S偏振。來自照明系統(tǒng)7的光通過起始偏振片9(S偏振)并且被傾斜角為45度的線柵偏振片13反射如圖2所示。
斜置的偏振片使被諸如LCoS的反射型液晶顯示器11反射的光分離從“接通”象素反射的光有90度的偏振旋轉，經過線柵偏振片進入投影透鏡15；從“斷開”象素反射的光與入射光的偏振相同，并且被安排在照明系統(tǒng)7的方向中。
用于線柵結構的基片14是平面平行片。在投影透鏡背部工作區(qū)的斜置的片產生降低屏幕圖像質量的像散。
根據本發(fā)明，為減少該不利效應，將基片厚度(平面平行片)制作得非常小(例如大約0.15mm)。這樣的厚度使像散實際上是可以忽略。
表1示出由玻璃組成的斜置的(45度)平面平行片的各種厚度導致的像散量。參見Smith，Warren J.的Modern Optical EngineeringThe Design of OpticalSystems，在Optical and Electro-Optical Engineering Series第二版中的第96-99頁，特別是第99頁(McGraw-Hill出版于紐約，1990年，系列編輯RobertE.Fischer和Warren J.Smith，)通過引用并把其內容包括于此。
設計要用于LCoS的投影透鏡典型f-數為2.8。在成像器可接受的(不會被注意到)模糊度為通常大約是一個像素而對于LCoS典型像素尺寸是9微米。因此，2.8的f數相當于在成像器空間中+/-0.025mm的焦深，這里成像器空間是LCoS和投影透鏡間的空間，也就是LCoS所處的空間。參考上面W.Smith的文章第145-148頁。因為在LCoS和投影透鏡間沒有光功率，這個焦深適用于整個成像器空間。表1中的數據表明厚度為0.15mm的斜置的平面平行片產生的像散處于該焦深中，這意味著它可以被忽略。
須注意，基于像素尺寸和投影透鏡f數的+/-0.025mm焦深與作為可接受模糊度定義的由考慮人眼分辨率(每1.5弧度分)產生的焦深在作用上是相同的。特別是，對于距離屏幕大約2米的人眼，且在屏幕上投射光調制面板的70X圖像，則在成像器空間中的所需焦深約為+/-0.035mm，這樣，在表1中的基片厚度好比說是小于等于0.15毫米的像散再一次處于這個焦深中，因此可以忽略。
更一般地說，根據本發(fā)明，在照明系統(tǒng)和已像素化的面板間使用斜置的偏振分光器(例如線柵偏振片)它包括一片具有厚度的基片，這個厚度要使基片在其傾斜角(例如45度)產生的像散小于等于用于將已像素化的面板成像到(例如)屏幕上的投影透鏡成像器空間中的焦深。
一個根據本發(fā)明能夠用作線柵偏振片基片的平面平行片的例子是優(yōu)質蓋玻片(Fisher Scientific，catalog#12548C)。
須注意，這種裝置除了解決像散問題外，還對(1)平面平行片的不平坦以及(2)該片的熱致形變不敏感。對熱致形變的不敏感性尤其重要，因為該片通常安裝在室溫下，而大約50-60℃的工作溫度會導致該片的熱致形變。因為該片非常薄，不會明顯地使通過它的光的波陣面變形，這樣即使它變形也能使投影透鏡“看穿”該片。
采用線柵偏振片代替PBS也意味著不需要用四分之一波片補償偏斜光的去偏振。這樣也不需要在安裝過程中對該元件精確對準。這也解決了四分之一波片特性隨溫度改變而導致的對比度不均勻的問題。
雖然描述和示出了本發(fā)明的具體實施例，須理解修改不能背離本發(fā)明的精神和范圍。例如，使用諸如由3M制造的商品名稱為3M CARTESIAN POLARIZER(見2001年7月20日的Projection Display，Volume 7，第6-8頁的Private Line Report)的能夠在超薄基片上使用的偏振雙折射薄膜取代線柵結構。
類似地，上述超薄基片能夠和偏振涂層一起使用來代替線柵結構。這樣的結構有相同的優(yōu)點，(即，無像散且對不平坦和形變不敏感)，但仍需要四分之一波片以補償偏斜光線效應。對本發(fā)明的這個實施例，偏振涂層表面相對光象素的角度可以不是45度，以使照射到涂層上的光獲得有效的入射角度。除45°以外的傾斜角度，也可以使用其它偏振分離方法，諸如上述線柵偏振片和偏振雙折射薄膜。
作為另一種變換，在本發(fā)明的實施中可以使用被建議直接采用來自CRT的光的自由光柵LCD面板。沿著這些相同的方法，本發(fā)明不打算限制使用現有的光調制面板(真空管)，并且打算包括可在將來發(fā)展的任意和所有的面板。
本領域的普通技術人員將通過在這里所述內容清楚不背離本發(fā)明范圍和精神的各種其它修改。下面的權利要求覆蓋了這里闡述的具體實施例和這樣的修改，變化和等價技術方案。
表權利要求
1.一種光學系統(tǒng)，其特征在于，包括(a)光調制面板；(b)形成光調制面板的像的投影透鏡，所述投影透鏡在成像器空間中有焦深D；和(c)設置在光調制面板和投影透鏡間的斜置的偏振分光器，所述偏振分離器包括厚度為T的基片，這樣的厚度使得在其傾斜角由基片導致的像散小于等于D。
2.如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，D約為0.05毫米。
3.如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，T約為0.15毫米。
4.如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，偏振分光器斜置于約為45°角處。
5.如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，偏振分光器是線柵偏振片。
6.如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，偏振分光器包括偏振涂層。
7.如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，偏振分光器包括偏振雙折射薄膜。
8.如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，光調制面板是反射型液晶顯示器。
9.如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，光調制面板是在硅面板上的液晶。
10.一種光學系統(tǒng)，其特征在于，包括(a)照明系統(tǒng)；(b)光調制面板；(c)形成光調制面板的像的投影透鏡，所述投影透鏡在成像器空間中有焦深D；和(d)設置在照明系統(tǒng)和光調制面板間以及光調制面板和投影透鏡間的斜置的偏振分光器，所述偏振分離器包括厚度為T的基片，這樣的厚度使得在其傾斜角由基片導致的像散小于等于D。
11.如權利要求10所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，D約為0.05毫米。
12.如權利要求10所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，T約為0.15毫米。
13.如權利要求10所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，偏振分光器斜置于約為45°角處。
14.如權利要求10所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，偏振分光器是線柵偏振片。
15.如權利要求10所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，偏振分離器包括偏振涂層。
16.如權利要求10所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，偏振分光器包括偏振雙折射薄膜。
17.如權利要求10所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，光調制面板是反射型液晶顯示器。
18.如權利要求10所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，光調制面板是在硅面板上的液晶。
19.如權利要求10所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，還包括在照明系統(tǒng)和偏振分光器間的偏振片。
20.一種偏振分光器，其特征在于，包括厚度小于等于0.15毫米的基片。
21.如權利要求20所述的偏振分光器，其特征在于，所述分光器是線柵偏振片。
全文摘要
提供了與投影透鏡(15)和光調制面板(11)共同使用的斜置的偏振分光器(13)。偏振分光器有厚度可選的超薄基片(14)，這樣在成像器空間中投影透鏡的焦深大于分光器在其傾斜角產生的像散。該偏振分光器可以是由超薄，平面平行片的基片所支承的或在其上形成的線柵偏振片，偏振涂層，或雙折射薄膜。
文檔編號G02B5/30GK1464990SQ02802148
公開日2003年12月31日 申請日期2002年5月16日 優(yōu)先權日2001年5月18日
發(fā)明者S·馬加里爾, J·D·魯道夫 申請人:3M創(chuàng)新有限公司