專利名稱：偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)，其可以例如被應(yīng)用到液晶投影機上將非偏振光轉(zhuǎn)換為偏振光，以提高投影機的光源的利用效率。
偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)作為空間光調(diào)制器可廣泛應(yīng)用到液晶面板的投影系統(tǒng)中，附圖的圖1所示為現(xiàn)有典型的偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，強度分布不均勻的非偏振光的基本準(zhǔn)直光束4從燈光源2射出，從燈光源2射出的光入射到第一微透鏡陣列6上，以在它的焦面上形成非偏振光的亮點的空間分布陣列。第二微透鏡陣列8設(shè)置在基本上為第一微透鏡陣列6的焦面的位置，作為光束均勻化系統(tǒng)的一部分以將均勻光束成像到液晶(LC)面板18上，選擇第一微透鏡陣列6中的單個微透鏡的長寬比以與液晶面板18的長寬比匹配，這樣的尺寸允許來自燈光源的光束重新成形以使照亮液晶面板18上的均勻光束有基本上和液晶面板18相同的長寬比。
一偏振分束器(PBS)陣列10設(shè)置在第二微透鏡陣列8之后，偏振分束器陣列10的節(jié)距大約是第一微透鏡陣列6的一半，從第二微透鏡陣列8而來的會聚光束入射到偏振分束器陣列10的交錯部分。在偏振分束器陣列10的每個單元里接收來自第二微透鏡陣列8的光的偏振分束薄膜9透射一種偏振光(如P-偏振光)，而在前進(jìn)方向上，其正交偏振光、S-偏振光被反射到偏振分束器陣列里的鄰近單元的反射膜11上，又被反射膜11反射到前進(jìn)方向上。在這個過程中，每個入射到偏振分束器陣列10的非偏振光束產(chǎn)生兩個空間分離的，向前進(jìn)方向傳播含有正交偏振方向的光。這種設(shè)置將在下面參照附圖的圖2進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
一排分別獨立的半波片(或帶)12設(shè)置在偏振分束器陣列10的后面以使只有兩正交偏振光中的一束入射到一個相位片12上，相位片12的設(shè)置使入射到相位片12的光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)到其正交的方向，這樣所有的向前傳播的光有基本上相同的偏振態(tài)。向前傳播的光束通過場鏡14會聚后照射到液晶面板18上。第一和第二微透鏡陣列6、8，偏振分束器陣列10，半波片12和場鏡14一起組成了如圖1所示的用于投影系統(tǒng)的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)16。來自燈光源2的光束4不是嚴(yán)格準(zhǔn)直的且有輕微發(fā)散，選擇微透鏡陣列6和8的F數(shù)來收集來自燈光源2的有輕微發(fā)散的光束4。理想的效果是減小偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)16的長度而不影響它的光收集效率，為了實現(xiàn)上述效果必需減小兩個微透鏡的焦距和節(jié)距以便保持它們的F數(shù)。
使用小節(jié)距的微透鏡是有好處的，因為，對于任意給定的燈光源2，液晶面板18上的光束都可得到更好的均勻度。由于有更多的第一微透鏡陣列6中的微透鏡接收到燈光源射出的非均勻光，光束的均勻度將得到改善。因此，液晶面板18上的會聚光束將更均勻。使用小節(jié)距的微透鏡也意味著具有小反射器的燈光源2發(fā)出的光能被有效地均勻化，從而能夠設(shè)計出小型化的投影設(shè)備。
由于減小了微透鏡陣列6和8的節(jié)距，偏振分束器陣列10的節(jié)距和單個的相位片12的寬度也必須減小。因為節(jié)距更小了，大量的更窄的相位片或帶12需要粘附在偏振分束器陣列10的正確位置上，偏振分束器陣列10與每個單個的相位片12的準(zhǔn)直容差就要被限定得更嚴(yán)格。這樣，要得到粘附有延遲膜的片或帶12的更小節(jié)距偏振分束器陣列10的需要就很難實現(xiàn)，也就限制了偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)(PCOS)的小型化。
所述系統(tǒng)的更多的問題如圖1所示，其被US5,978,136所公開，該問題涉及由光學(xué)各向異性材料組成的位相片上的白光的使用效率。光學(xué)各向異性材料的尋常光折射率no和非尋常光折射率ne作為入射光的真空波長λ的函數(shù)獨立地變化，當(dāng)線性偏振光通過由光學(xué)各向異性材料組成的延遲片時，沿延遲片的尋常光折射率和非尋常光折射率軸分解的光的正交偏振態(tài)組分間的光程差Δ由光學(xué)各向異性層的厚度d和正交偏振態(tài)中各成分的折射率no(λ)和ne(λ)決定，表示如下Δ＝[ne(λ)-no(λ)]d。
對每個波長相應(yīng)的相位差Δφ為Δφ=2π(Δλ).]]>這樣，由于Δφ取決于波長值，因此就會產(chǎn)生色散，這樣二分之一波長相位片12就只對部分“延遲峰值”的波長的光起作用，轉(zhuǎn)換這部分線性偏振輸入光為線性輸出光；而對于所有其他的可見波長，二分之一波長位相片不起完全半波片的作用只是在輸出光中產(chǎn)生一定程度的橢圓偏振。這就意味著圖1所示的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)白光的利用率低，為此希望能提高白光的利用率。
US5,986,809披露了包括兩個微透鏡陣列和一個偏振分束器陣列的如圖1所示的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)，其還包括有一個選擇相位片。在所述選擇相位片中，二分之一波長相位片規(guī)則地排列在偏振分束器陣列的偏振分離單元的選擇出射面上，在其它的出射面上沒有相位片。例如，從偏振分離單元出射的P-偏振態(tài)光束通過相位片被轉(zhuǎn)換為S-偏振態(tài)光束，另一方面，從偏振分束器陣列的反射單元出射的S-偏振態(tài)光束沒有通過任何的相位片因此沒有轉(zhuǎn)換。但對所述選擇相位片的制作沒有詳細(xì)的描述。
如圖2所示，EP-A-0887667披露了這樣一個系統(tǒng)，其包括照明光源20，一單微透鏡陣列21，一偏振分束器陣列22和一單層帶圖案的延遲器24。入射到偏振分束器陣列22的反射單元27上的非偏振光26被分解成分別具有第一和第二偏振方向的光束18和19。第一偏振態(tài)的光18透射到帶圖案的延遲器24的第一區(qū)域28上，而第二偏振態(tài)的光19透射到帶圖案的延遲器24的第二區(qū)域31上，帶圖案的延遲器24的第二區(qū)域31有一與來自偏振分束器陣列22的反射單元的光19的偏振方向成45°的光軸，而帶圖案的延遲器24的第一區(qū)域28有一與來自偏振分束器陣列22的偏振分離單元的光18的偏振方向成一直線的光軸。光19的偏振方向通過帶圖案的延遲器24的第二區(qū)域31被旋轉(zhuǎn)為與通過帶圖案的延遲器24的第一區(qū)域28后沒有轉(zhuǎn)換的光18的偏振方向基本相同。因此分別從帶圖案的延遲器24的第一和第二區(qū)域出射的光束29和32有基本一致的偏振方向。如圖2所示的系統(tǒng)存在與上面描述相同的問題，由帶圖案的延遲器24產(chǎn)生的色散效應(yīng)意味著這種偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)的白光利用率低。因此，這種披露沒有涉及一種為投影系統(tǒng)提供均勻光束的方法。
US-6,222,672披露了一種多層帶圖案的延遲器，它用在液晶面板透射過的偏振光照明系統(tǒng)中以形成立體顯示。這個專利沒有考慮偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用，Pancharatnam延遲器被披露在印度科學(xué)會會刊中(參見Proc.IndianAcad.Sci.VolXLI(4)，pp130-144(1955))。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面提供一種光學(xué)裝置，包括，第一光學(xué)元件，能將非偏振入射光轉(zhuǎn)換為分別有第一和第二不同偏振態(tài)的至少第一和第二組光束；第二光學(xué)元件，能通過對第一和第二組光束的其中任何一個或兩個的至少兩次連續(xù)偏振態(tài)轉(zhuǎn)換，將所述第一和第二組光束的分別不同的偏振態(tài)最終轉(zhuǎn)換為基本相同的偏振態(tài)。其中一個或多個轉(zhuǎn)換所引起的色散效應(yīng)能至少被另外的一個或多個轉(zhuǎn)換所引起的色散效應(yīng)所部分補償。
所述第二光學(xué)元件可以應(yīng)用兩次連續(xù)的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換。第一偏振態(tài)可以是線性偏振態(tài)，第二偏振態(tài)可以是線性偏振態(tài)，第一偏振態(tài)可以與第二偏振態(tài)基本正交。所述最終得到的偏振態(tài)可以是線性偏振態(tài)，所述最終得到的偏振態(tài)可以是基本與第一偏振態(tài)相同的偏振態(tài)。
第二光學(xué)元件包括一有分別接收來自第一和第二組光束的至少第一和第二組區(qū)域的帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件，所述第一組區(qū)域或其中每一個有不同于所述第二組區(qū)域或其中每一個的偏振轉(zhuǎn)換特性。
所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件可以由連續(xù)的材料層構(gòu)成，所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件可以根據(jù)本發(fā)明第六方面形成。
所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件可以是一帶圖案的延遲器。在這種情況下，所述第一組區(qū)域或其中每一個可以有沿第一方向的光軸，所述第二組區(qū)域或其中每一個有沿不同于所述第一方向的第二方向的光軸。所述帶圖案的延遲器可以由連續(xù)的光學(xué)各向異性材料層形成。所述第一組區(qū)域或其中每一個可以充當(dāng)用于預(yù)定可見波長的半波片，所述第二組區(qū)域或其中每一個可以充當(dāng)用于預(yù)定可見波長的半波片，預(yù)定的可見波長可以是470-570nm范圍。這里的所述第一和第二偏振態(tài)是線性偏振態(tài)，所述第一和第二方向可以分別與所述第一偏振態(tài)方向呈-22.5°和+22.5°。
所述第二光學(xué)元件可以包括一接收第一和第二組光束的光和有一第三方向的光軸的均一延遲器，所述均一延遲器可以充當(dāng)用于預(yù)定可見波長的半波片，預(yù)定的可見波長可以是470-570nm范圍。所述帶圖案的延遲器設(shè)置在所述第一光學(xué)元件和所述均一延遲器之間。這里的第一和最終得到的偏振態(tài)是線性偏振態(tài)，所述第三方向與第一偏振態(tài)方向呈+67.5°的角度。
所述均一延遲器可以是一光學(xué)各向異性支撐部件，或基板，所述帶圖案的延遲器可以為一在光學(xué)各向異性基板上的集成單元?；蛘咚鲅b置進(jìn)一步包括光學(xué)各向同性材料形成的基板，其與帶圖案的延遲器和均一延遲器形成集成單元。在后一種情況下，帶圖案的延遲器和均一延遲器可以被設(shè)置在所述各向同性基板的相對兩面上。所述基板可以預(yù)留一定空間以夾緊該區(qū)域而不破壞別的元件。這些預(yù)留空間可以至少部分圍繞所述帶圖案的延遲器。集成單元也可以包括第一光學(xué)元件。
第一光學(xué)元件可以是一偏振分束器陣列。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供一個光學(xué)裝置，包括，第一光學(xué)元件，能將非偏振入射光變?yōu)榉謩e有第一和第二不同偏振態(tài)的至少第一和第二組光束；第二光學(xué)元件，能將所述第一和第二組光束的分別不同的偏振態(tài)變?yōu)榛鞠嗤钠駪B(tài)。第二光學(xué)元件包括一有分別接收來自第一和第二組光束的至少第一和第二組區(qū)域的帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件，所述第一組區(qū)域或其中每一個包括以扭轉(zhuǎn)向列配置的液晶材料。
本發(fā)明第二方面中的第二光學(xué)元件可以是適合在Maugin環(huán)境中工作的液晶材料。所述第二偏振態(tài)可以是線性偏振態(tài)。所述第一偏振態(tài)可以是線性偏振態(tài)。
在這里第一偏振態(tài)是線性偏振態(tài)，所述第一組區(qū)域或其中每一個可以旋轉(zhuǎn)所述第一組光束的偏振態(tài)大約90度，所述第二組區(qū)域或其中每一個可以是對所述第二組光束的偏振態(tài)幾乎沒有影響。
所述第二組區(qū)域或其中每一個可以基本上由各向同性材料組成。
在這里第二偏振態(tài)是線性偏振態(tài)，所述第二組區(qū)域或其中每一個可以由在Freeddricksz組態(tài)的液晶材料形成，第二組光束的偏振態(tài)設(shè)置為與第二組區(qū)域的液晶排列取向基本平行或垂直。
本發(fā)明第二方面的帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件可以由連續(xù)的材料層形成。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面的提供一偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)，包括，接收非偏振輸入光的第一微透鏡陣列，第二微透鏡陣列基本設(shè)置在第一微透鏡陣列的焦面上并與第一微透鏡陣列光學(xué)準(zhǔn)直，和一根據(jù)本發(fā)明第一或第二方面的光學(xué)元件，能使來自第二微透鏡陣列的第一和第二組光束最終有基本相同的偏振態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明第三方面的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步包括一屏蔽裝置，能夠削弱來自第二微透鏡陣列的無用雜散光，所述屏蔽裝置可以包括作為所述第二光學(xué)元件一部分的掩膜以阻斷無用光，所述屏蔽裝置可以包括一個偏振旋轉(zhuǎn)膜旋轉(zhuǎn)無用光的偏振態(tài)和隨后阻斷那些光的偏振器。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面提供一偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)，包括，一接收非偏振輸入光的第一微透鏡陣列；第二微透鏡陣列基本設(shè)置在第一微透鏡陣列的焦面上并與第一微透鏡陣列光學(xué)準(zhǔn)直；一光學(xué)裝置，包括第一光學(xué)元件，能將來自第二微透鏡陣列的光轉(zhuǎn)換為分別有第一和第二不同偏振態(tài)的至少第一和第二組光束，第二光學(xué)元件，將所述第一和第二組光束的分別不同的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為基本相同的偏振態(tài)，所述第二光學(xué)元件包括一帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件，其具有分別接收第一和第二組光束的光的至少第一和第二組區(qū)域，所述第一組區(qū)域或其中每一個具有與所述第二組區(qū)域或其中每一個不同的偏振轉(zhuǎn)換特性，所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件由連續(xù)的材料層形成。
在本發(fā)明第四方面的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)中，所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件可以是由連續(xù)的雙折射材料層形成的帶圖案的延遲器。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面提供一種投影系統(tǒng)，包括，一光源，一根據(jù)本發(fā)明第二、第三或第四方面的偏振光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，和一空間光調(diào)制器。所述空間光調(diào)制器可以是液晶顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面提供一種帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)元件，包括至少第一和第二組長條形的區(qū)域，所述第一組區(qū)域或其中每一個有不同于第二組區(qū)域或其中每一個的偏振轉(zhuǎn)換特性，第一和第二組區(qū)域或其中每一個沿長度方向以一定的節(jié)距分隔成小區(qū)域，掩膜條分別設(shè)置在第一和第二組區(qū)域或其中每一個的相鄰小區(qū)域之間的邊界上，和/或設(shè)置在相鄰區(qū)域的邊界上。
所述掩膜條可以衰減照在它們上面的光，掩膜條還可以轉(zhuǎn)換照在它們上面的光的偏振態(tài)。所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)元件可以是一帶圖案的延遲器，帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)元件可以進(jìn)一步包括一基板，在其上安裝有光學(xué)元件，并在圍繞所述光學(xué)元件的周圍預(yù)留有空間，以夾緊該區(qū)域而不損壞所述光學(xué)元件。


圖1是第一個現(xiàn)有技術(shù)的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)；圖2是第二個現(xiàn)有技術(shù)的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)；圖3所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的投影系統(tǒng)、偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)裝置；圖4是圖3所示光學(xué)裝置的第一和第二光學(xué)元件的更詳細(xì)的示意圖；圖5所示為解釋圖4所示的第二光學(xué)元件的配置和實施的不同示圖；圖6所示為圖3所示的系統(tǒng)的一些部分，其按一種可能的配置形成集成單元；圖7A是圖4所示的第二光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)透視圖；
圖7B是另一種第二光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)透視圖；圖8A和圖8B所示為相對于第一光學(xué)元件來說第二光學(xué)元件的多層的可供選擇的編排順序；圖9A至9D所示為第二光學(xué)元件的多層的多種不同可能性的配置；圖10所示為第二光學(xué)元件的兩個層被空間分隔開的一種可能的配置；圖11所示為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)；圖12A至12C所示為應(yīng)用到第二光學(xué)元件的屏蔽掩膜的各種配置；圖13A和13B所示為應(yīng)用于本發(fā)明的一個實施例中的另一種類型的帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件的兩個實例。
圖14是一個表示與圖13A和13B所示的類型相比鉸的雙層帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件的透射函數(shù)的曲線圖；圖15是一個表示兩個不同厚度的圖13A和13B所示類型的帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件的透射函數(shù)的曲線圖。
圖3示出了體現(xiàn)本發(fā)明的一個包括有一偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)31和光學(xué)裝置33的投影系統(tǒng)1。所述投影系統(tǒng)1包括一光源2，一偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)31，一場鏡14和一液晶面板18。所述偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)31包括一第一微透鏡陣列6，一第二微透鏡陣列8和一光學(xué)裝置33，光學(xué)裝置33包括由偏振分束器陣列10構(gòu)成的第一光學(xué)元件10和由雙層帶圖案的延遲器32構(gòu)成的第二光學(xué)元件32。
所述光源2包括有一弧長為1mm的高壓汞燈和一拋物面反射鏡，光弧位于或接近于拋物面反射鏡的焦點。由于光弧有一定的長度，由光弧發(fā)出和由拋物面反射鏡反射的光4就不可能嚴(yán)格地準(zhǔn)直(如點光源位于拋面物的焦點發(fā)出的光，就可嚴(yán)格地準(zhǔn)直)。在這個實施例中，射出光束4有大約±2.4°的發(fā)散角θ。
光束4入射到第一微透鏡陣列6上，第一微透鏡陣列上的微透鏡設(shè)定可準(zhǔn)直±2θ的入射角的光，微透鏡具有與被照亮的液晶面板18相同的長寬比，微透鏡的節(jié)距為2mm，焦距為12mm。所述第一微透鏡陣列6在其焦面上形成非偏振光的亮點的空間分布陣列。
所述第二微透鏡陣列8基本設(shè)置在第一微透鏡陣列6的焦面上，并與第一微透鏡陣列6光學(xué)準(zhǔn)直。第二微透鏡陣列8中的微透鏡數(shù)目與第一微透鏡陣列6中的相同，各微透鏡的焦距和橫向尺寸也相同。因此在這個實施例中，第二微透鏡陣列8基本上與第一微透鏡陣列6相同，第二微透鏡陣列8的入射孔徑設(shè)置在第一微透鏡陣列6中對應(yīng)微透鏡形成的源像上。設(shè)置第二微透鏡陣列8的目的是形成基本遠(yuǎn)心照明。
圖4更詳細(xì)地示出了所述光學(xué)裝置33的第一和第二光學(xué)元件10和32。所述光學(xué)裝置33的第一光學(xué)元件10是一個偏振分離器(PBS)陣列10(如前述參照圖2的描述)，其將非偏振入射光轉(zhuǎn)換為分別有第一和第二不同的偏振態(tài)S和P的第一和第二光束34和36。所述偏振分束器陣列10有1mm的節(jié)距，該節(jié)距為兩個微透鏡陣列6和8的二分之一。來自所述第二微透鏡陣列8的非偏振光僅僅入射到偏振分束器陣列10的具有偏振分束膜9的交錯排列元件上，如前述參照圖2的相同的描述，第二偏振態(tài)(P-偏振)部分向前透射，而第一偏振態(tài)(S-偏振)部分被反射到偏振分束器陣列10中的鄰近單元反射膜11上，然后再被反射膜11反射到向前的方向。
所述光學(xué)裝置33的第二光學(xué)元件32是雙層帶圖案的延遲器32，所述雙層帶圖案的偏振器32能將第一和第二光束34和36的不同偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為相同的偏振態(tài)，本發(fā)明中此實施例中第二光學(xué)元件32不同于前述參照圖1描述的現(xiàn)有技術(shù)中對應(yīng)的部件12，此處的相同偏振態(tài)是通過對第一和第二光束34和36進(jìn)行兩次連續(xù)的轉(zhuǎn)換得到的，通過應(yīng)用兩次連續(xù)的轉(zhuǎn)換，優(yōu)于單次轉(zhuǎn)換，由第一次轉(zhuǎn)換偏振態(tài)所產(chǎn)生的色散效應(yīng)至少能被第二次偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的色散效應(yīng)部分地補償，這樣的安排使所述光學(xué)裝置33對可見波長范圍有很好的透過率。該實施例如圖3和4所示，利用第一和第二光束34和36通過兩個分開的延遲層進(jìn)行偏振態(tài)的兩次連續(xù)的轉(zhuǎn)換，如下面的描述。
所述雙層帶圖案的延遲器32包括設(shè)置在各向同性基板42相對兩面上的一帶圖案的延遲器(patterned retarder)38和一均一延遲器(uniform retarder)40，在這個實施例中，所述帶圖案的延遲器38被設(shè)置在偏振分束器陣列10和均一延遲器40之間。
所述帶圖案的延遲器38包括接收第一光束的光的第一區(qū)域44和接收第二光束36的光的第二區(qū)域46，第一區(qū)域44有不同于第二區(qū)域46的偏振轉(zhuǎn)換特性，這樣來自偏振分束器陣列10的偏振光束34和36在帶圖案的延遲器38上分別受到不同的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換，在帶圖案的延遲器38上的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換屬于第一和第二光束34和36的兩次連續(xù)的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換的第一次。
所述均一延遲器40是在整個延遲器上有相同的偏振轉(zhuǎn)換特性的單一區(qū)域構(gòu)成，來自偏振分束器陣列10的偏振光束34和36在均一延遲器40上遇到相同的光學(xué)元件，在均一延遲器40上的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換屬于第一和第二光束34和36的兩次連續(xù)的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換的第二次。
如圖5所示，在這個實施例中所述第一區(qū)域44的光軸與入射到帶圖案的延遲器38的第一光束34的偏振方向呈-22.5°角，而第二區(qū)域46的光軸與入射到帶圖案的延遲器38的第一光束34的偏振方向呈+25°角(角度的表示以從偏振分束器陣列10的方向上觀察順時針旋轉(zhuǎn)為正)。這種不對稱的設(shè)計優(yōu)化了白光的一般透過率，以提高雙層延遲器32透過燈的寬波段光的能力。第一和第二區(qū)域44和46以相同的雙折射材料制成，在這個實施例中，它的半波長延遲峰值是在510nm。所述均一延遲器40的光軸與第一光束34的偏振方向呈+67.5°角且其半波長延遲峰值也在510nm。
為優(yōu)化所述雙層帶圖案的延遲器32的照明效率，如以下實施例所示。在這個實施例中所述第一區(qū)域44的光軸與入射到帶圖案的延遲器38的第一光束34的偏振方向呈-22.5°角，而第二區(qū)域46的光軸與入射到帶圖案的延遲器38的第一光束34的偏振方向呈+22.5°角。這種對稱的設(shè)計是為了優(yōu)化雙層帶圖案的延遲器32的照明效率。第一和第二區(qū)域44和46以相同的雙折射材料制成，在這個實施例中，它的半波長延遲峰值是在550nm。所述均一延遲器40的光軸與第一光束34的偏振方向呈+67.5°角且其二分之一波長延遲峰值也在550nm。
所述雙層延遲器32的設(shè)計的描述參照圖3至5，在當(dāng)前帶圖案的延遲器38上S-偏振態(tài)和P-偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)成不同的中間偏振態(tài)，在通過隨后的均一延遲器40時，偏振光束34和36的偏振態(tài)被進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)到幾乎在同一平面上。原始S-偏振光束34的偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)180°，然后從雙層帶圖案的偏振元件32上以S-偏振態(tài)出射。原始P-偏振光束36的偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)大約90°，然后從雙層帶圖案的偏振元件32上以S-偏振態(tài)出射。這樣，第一和第二組光束的光束34和36受到兩次連續(xù)的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換，第一次轉(zhuǎn)換是通過帶圖案的延遲器38而第二次轉(zhuǎn)換是通過均一延遲器40。第一次轉(zhuǎn)換偏振態(tài)所產(chǎn)生的色散效應(yīng)至少能被第二次偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的色散效應(yīng)部分地補償，這樣盡管雙層帶圖案的延遲器32使用各自不同色度的延遲層，雙層帶圖案的延遲器32仍有很好的白光利用率。
如圖4所示光通過所述光學(xué)裝置33后，向前透射的光束入射到如圖3所示的場鏡14上，場鏡14將光會聚到液晶面板18上。在這種情況下，液晶面板18被具有幾乎是均勻亮度的偏振光和幾乎與液晶面板18有相同長寬比的光照射。
所述偏振分束器陣列10可以是一個單一的單元或是由多個小的陣列并排安放構(gòu)成。在后一種情況下，如果偏振分束器陣列10與光學(xué)裝置33的第二光學(xué)元件32粘合在一起將使偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)的裝配變得容易。作為選擇可以在元件的表面上使用抗反射膜，兩個或更多的下述元件可以用折射率匹配(index-matching)的光學(xué)粘合劑粘合在一起，如第二微透鏡陣列8；偏振分束器陣列10；第二光學(xué)元件32；物鏡14。粘合劑可以采用是由Norland制造的丙烯酸基紫外固化粘合劑中的一種。多個元件粘合在一起將使多個元件易于安裝，并可能利用它們的最大孔徑。例如，如圖6所示，第二微透鏡陣列8，偏振分束器陣列10，帶圖案的延遲器38和均一延遲器40作為一個集成單元形成在基板48上，帶圖案的延遲器38和均一延遲器40設(shè)置在基板48的相對兩面上，然后這三個元件用折射率匹配粘合層52與偏振分束器陣列10粘合在一起。各向同性基板48的面積大于帶圖案的延遲器38，這樣基板48上圍繞帶圖案的延遲器38的區(qū)域50可為其他元件留出，以使該區(qū)域50被安裝元件夾緊。
上述實施例中描述的帶圖案的延遲器38由活性中康酯(mesogenic)材料形成，如由Merck制造的RMM34。雙折射材料、液晶材料沉積在帶有帶圖案的層或均一取向?qū)拥幕迳?，取向?qū)拥膱D案可以由如EP-A-0887667披露的多次打磨(multi-rubbing)法制得，或可使用如US2003/0137626A1所披露的微結(jié)構(gòu)柵，或使用光排(photo-alignment)技術(shù)(參見Mastumaga等人的“用于立體顯示器的帶微小圖案的偏振元件的光刻制法”in AdvancedMaterials，14，pp.1477-1480，2002)。所述活性中康酯材料可以在取向?qū)拥娜芤褐行D(zhuǎn)，當(dāng)溶劑蒸發(fā)后，就留下了一層取向排列的液晶材料，液晶取向排列的光軸就是其下的取向?qū)拥墓廨S，這就制成了延遲層。然后活性中康脂暴露于紫外線中交叉鏈接。
從連續(xù)的雙折射材料層制得帶圖案的延遲器38能使第二光學(xué)元件32以極好的精度和小的節(jié)距制造。這樣制作使小節(jié)距的偏振分束器陣列10能夠用到，且使偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)的長度比現(xiàn)有技術(shù)中的小。由于使用了更小節(jié)距的微透鏡陣列，本發(fā)明實施例中的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)30能夠提供比傳統(tǒng)的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)有更好均勻度的光束。本發(fā)明實施例中的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)31能更有效均勻小出射面積的光源，同時可以制作小型化的投影設(shè)備。
在前述實施例中，第一和第二區(qū)域44和46中的區(qū)域充當(dāng)預(yù)定可見波長510nm光的半波片，均一延遲器40中也是一樣。但也能意識到偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換可以使用偏振旋轉(zhuǎn)層或由手性材料構(gòu)成的層，如扭轉(zhuǎn)向列液晶，其能夠旋轉(zhuǎn)透射光的偏振面。這樣的手性層可以用作圖案或均一的，因此能在帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件38和/或均一偏振轉(zhuǎn)換元件40中使用，均一延遲器可以由彈性塑料延遲膜構(gòu)成，如Sumitomo制造的，然后層疊到基板42上。
前述如圖4所示的基板42是光學(xué)各向同性的，帶圖案的延遲器38和均一延遲器40設(shè)置在各向同性基板42的相對兩面，這種設(shè)置如圖7A所示?？蛇x擇的是，雙折射基板43能作為安裝基板和均一延遲器使用，帶圖案的延遲器38安裝在雙折射基板43上，如圖7B所示。
在前述實施例中，帶圖案的延遲器38設(shè)置在偏振分束器陣列10與均一延遲器40之間，在這種情況下，從偏振分束器陣列10來的光到達(dá)均一延遲器40前先遇到帶圖案的延遲器38。這是一種優(yōu)選的設(shè)置，帶圖案的延遲器38靠近偏振分束器陣列10設(shè)置，由于從偏振分束器陣列10出射的光束34和36是分離的，且已經(jīng)被第一微透鏡陣列6聚焦，因此光束34和36重疊前應(yīng)該先被帶圖案的延遲器處理。僅僅帶圖案的延遲器38需要鄰近偏振分束器陣列10，帶圖案的延遲器38的相鄰區(qū)域44和46的中心間距基本與偏振分束器陣列10的節(jié)距相同，這種設(shè)置如圖8A所示。然而，能夠意識到帶圖案的和均一延遲器38和40的次序可能顛倒如從偏振分束器陣列10來的光在到達(dá)帶圖案的延遲器38前先遇到均一延遲器40，這種情況如圖8B所示。
帶圖案的延遲器38，均一延遲器40和基板42的其他多種可能的排列如圖9A至9D所示。圖9A所示為帶圖案的延遲器38設(shè)置在均一延遲器40上，然后再將均一延遲器40設(shè)置到基板42上，從偏振分束器陣列10來的光所遇到的元件的順序是(i)帶圖案的延遲器38；(ii)均一延遲器40；(iii)基板42。
如9B所示的設(shè)置與圖9A相類似，只是帶圖案的延遲器和均一延遲器層38和40的順序顛倒了。圖9C所示的這些元件的設(shè)置與圖4和圖8A所示的相同。圖9D所示中應(yīng)用了兩個單獨的基板42，帶圖案的延遲器38設(shè)置在一個基板42的前表面而均一延遲器40設(shè)置在另一個基板42的前表面，用兩個基板分別承載帶圖案的延遲器和均一延遲器層38和40可以使它們?nèi)菀装惭b和使它們可以在投影設(shè)備中分開一定距離。當(dāng)然，一個或多個基板可以是投影系統(tǒng)中的其它光學(xué)元件，例如，圖10所示的設(shè)置中延遲器38和40空間分離開，均一延遲器40設(shè)置在平凸場鏡14的表面上。分離設(shè)置層對于將這些在熱或高亮的環(huán)境中使用壽命不長的一層或多層從偏振分束器陣列10上替換是有利的，這樣的一層或多層可以設(shè)置得離發(fā)熱的光源或第一微透鏡6的聚焦光束遠(yuǎn)一些。
在本實施例的上述描述中，S-偏振光束和P-偏振光束被旋轉(zhuǎn)成基本為S-偏振態(tài)，第二光學(xué)元件32也可以選擇設(shè)計成將S-偏振光束和P-偏振光束被旋轉(zhuǎn)成基本為P-偏振態(tài)。另外，也能夠產(chǎn)生一些另外的線性偏振態(tài)。只要這些偏振光能夠被應(yīng)用，也可能在白光中有效地產(chǎn)生其他的偏振態(tài)，如圓偏振光，橢圓偏振光。
但是，從偏振分束器陣列10來的第一和第二光束34和36經(jīng)過第二光學(xué)元件32兩次或更多次地連續(xù)轉(zhuǎn)換偏振態(tài)也不是必須的，例如，第二光學(xué)元件32可以是帶圖案的并允許通過它的第二光束36不轉(zhuǎn)換偏振態(tài)，而在第一光束34上應(yīng)用至少兩個連續(xù)的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換。為了達(dá)到這個目的，第二光學(xué)元件32需要有至少被組成圖案和排列的兩個帶圖案的延遲層，以使第二光束36僅僅通過沒有延遲效果的帶圖案的層區(qū)域，而第一光束34通過進(jìn)行適當(dāng)偏振轉(zhuǎn)換的帶圖案的層區(qū)域。
盡管上述實施例中的第二光學(xué)元件應(yīng)用兩個連續(xù)的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換到光束34和36上，也能想到第二光學(xué)元件32可以選擇去應(yīng)用兩個以上的連續(xù)偏振態(tài)轉(zhuǎn)換到光束34和36中的其中一個或兩個上，這樣一個或多個偏振態(tài)轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的色散效應(yīng)將至少被另外的一個或多個偏振態(tài)轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的色散效應(yīng)部分補償。
為了獲得本發(fā)明實施例中減小色散的優(yōu)點，帶圖案的延遲器38由光學(xué)各向異性材料的連續(xù)層形成不是必須的。如果帶圖案的延遲器38的區(qū)域44和46由鋪設(shè)在基板42或甚至是如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的偏振分束器陣列10上的獨立的板或條形成，也可以獲得同樣的優(yōu)點。同時，本發(fā)明實施中減小偏振分束器陣列10和第二光學(xué)元件32的節(jié)距的優(yōu)點在色散沒有被減小的情況下，可以僅僅通過第二光學(xué)元件32的單一延遲器層獲得，所述作為帶圖案的延遲器層的單一層由雙折射材料的連續(xù)層構(gòu)成，以致于能夠精確制作出尺寸減小了的區(qū)域。圖11示出了本發(fā)明實施例中這樣的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)31’中的單一層延遲器32’。
所述具有第一和第二區(qū)域44和46的帶圖案的延遲器層38也可不由單一層構(gòu)成，而可以由兩個帶圖案的層構(gòu)成，其中一層包括有第一區(qū)域44而另一層包括有第二區(qū)域46，這兩層可以彼些鄰近地設(shè)置或甚至設(shè)置在基板42的相對兩面上，或以其它的方式設(shè)置。
為提高投影系統(tǒng)的性能，投影系統(tǒng)中的帶圖案的延遲器38，或其它適當(dāng)?shù)脑缙穹质麝嚵?0，可以包括一掩膜層以減小無用雜散光。
上述掩膜層的三種設(shè)計如圖12A至12C所示，其中每一個都示出了帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)元件，其包括第一和第二組長條形的區(qū)域44、46，第一組區(qū)域或其中每一個有與第二組區(qū)域或其中每一個不同的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換特性。第一和第二組區(qū)域中的每一個沿長度方向以一定的間距分隔成小區(qū)域，如圖12A所示的掩膜層55包括分別設(shè)置在第一和第二組區(qū)域的鄰近小區(qū)域之間的邊界上的掩膜條和設(shè)置在相鄰區(qū)域的邊界上的掩膜條。如圖12C所示的掩膜層55包括分別設(shè)置在第一和第二組區(qū)域的相鄰小區(qū)域之間的邊界上的掩膜條。如圖12A所示的掩膜層55包括僅僅分別設(shè)置在第一組區(qū)域44相鄰小區(qū)域之間的邊界上的掩膜條。掩膜層55可以由反射材料制成，如能通過一個掩膜噴射到帶圖案的延遲器38的鋁?？晒┻x擇的是，掩膜層55也能由可以網(wǎng)狀包裹或?qū)盈B在帶圖案的延遲器38上的吸收材料或偏振材料制成?？晒┻x擇的是，帶圖案的延遲器38的設(shè)計可以包括充當(dāng)掩膜層55的區(qū)域，該區(qū)域能將無用的偏振光轉(zhuǎn)換成一種能被偏振排除器(如液晶面板18)阻斷的偏振態(tài)。
使用掩膜層55的目的是為了防止雜散光通過投影設(shè)備，雜散光可以被掩膜層55或偏振排除器阻擋，掩膜層55的孔徑應(yīng)該足夠大以允許有用的光通過延遲器層38，并能夠阻擋所有雜散光。加入光阻斷掩膜層55能使最終裝配出來的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)在良好對準(zhǔn)時使所有的細(xì)微光都能被透射。
盡管上述實施例的描述中微透鏡陣列6和8的節(jié)距是2mm，但可以意識到其它的節(jié)距也是可能的，例如在0.5mm至20mm范圍內(nèi)的任何節(jié)距，相應(yīng)的偏振分束器陣列10的節(jié)距在0.25mm至10mm范圍內(nèi)。第二微透鏡陣列8中的透鏡與第一微透鏡陣列6中的透鏡有不同的橫向尺寸也是可能的，如US6260972中所描述的。第二光學(xué)元件32中的層可以由相同的材料制成，或由不同的材料制成。第一和第二組區(qū)域44和46由不同的材料制成或由相同材料制成但是厚度不同都是可能的。
本實施例可以如圖11所示的如下方式更改，單層帶圖案的延遲器32’可以替換成如圖13A和13B所示的單層扭轉(zhuǎn)向列帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換層。此實施例將參照圖13A、13B以及圖14和15進(jìn)行詳細(xì)的描述。
如圖13所示在此實施例中，第二光學(xué)元件132包括一組區(qū)域132b，該組區(qū)域132b包括液晶材料的扭轉(zhuǎn)向列配置，與區(qū)域132b交替排列的是包括基本是各向同性材料的區(qū)域132a，為了得到扭轉(zhuǎn)向列區(qū)域132b，基板上部以與基板下部研磨方向垂直的方向研磨，以致于在未起作用的狀態(tài)下液晶導(dǎo)向從基板下部到上部通過連續(xù)90度的扭曲，這將使從任何方向入射到層上的線性偏振光旋轉(zhuǎn)到與扭曲結(jié)構(gòu)一致的偏振面上，并以旋轉(zhuǎn)了90度的方位角出射。所述一組區(qū)域132a包括基本上是各向同性的材料，因此對入射線性偏振光基本上沒有影響。
在這個實施例中，第二光學(xué)元件132有一個使扭轉(zhuǎn)向列液晶區(qū)域132b處于所謂Mauguin環(huán)境中的厚度[參見Bahdur的“液晶的應(yīng)用與利用”(LiquidCrystals，Application and Uses)，卷1]。這意味著液晶層要滿足u□l，此處u＝2tΔn/λ，其中Δn是液晶的兩個折射率之間的差，與λ是光波長，在實踐中，u的值大于4左右能產(chǎn)生良好的色彩性能。
扭轉(zhuǎn)向列液晶在Mauguin條件下的通斷速度對于正常的顯示應(yīng)用來說太慢。然而在本實施例中偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)中使用的第二光學(xué)元件132的扭轉(zhuǎn)向列液晶根本不需要通斷，因此厚度從通斷速度的觀點來看是不重要的。
在Mauguin條件下工作的扭轉(zhuǎn)向列液晶的優(yōu)點在于它有良好的色彩性能，這是偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)(PCOS)中很突出的優(yōu)點。例如，圖14所示為在Mauguin條件下的扭轉(zhuǎn)向列液晶相對于如圖3所示實施例中使用的雙層延遲器的透射函數(shù)(透射率對波長)，從圖14中可以看出在Mauguin條件下的扭轉(zhuǎn)向列液晶的透射函數(shù)受波長的影響遠(yuǎn)小于雙層延遲器，這樣能夠提供良好的色彩性能。
在Mauguin條件下工作的扭轉(zhuǎn)向列液晶能夠被優(yōu)化，如增加u值色彩性能會提高，線性偏振入射光在經(jīng)過90度的旋轉(zhuǎn)后仍然有獨立的入射光波長。
雖然增加厚度可以提高色彩性能，但是增加厚度可能對系統(tǒng)的使用壽命會有影響。一個很厚的(如大于20微米)光學(xué)元件如元件132可以用來對使用壽命進(jìn)行實驗，因此必須在提高色彩性能和使用壽命之間達(dá)到均衡。如圖15所示，雖然厚度的增加提高了色彩性能，但均衡的厚度，例如10微米既滿足色彩性能(一般比雙層延遲器的好)同時也滿足了使用壽命的要求。
如光學(xué)元件132僅僅由單層構(gòu)成，會有比制作類似的雙層帶圖案的延遲器更簡單和便宜的優(yōu)點。另外，如圖14所示，這種單層帶圖案的扭轉(zhuǎn)向列光學(xué)元件132提高色彩性能要優(yōu)于相應(yīng)的如圖3至10所示的雙層帶圖案的延遲器。單層帶圖案的扭轉(zhuǎn)向列光學(xué)元件132通過優(yōu)化獲得良好的色彩性能。
下面是制作光學(xué)元件132的步驟，如圖13A所示，光學(xué)元件132的形成是通過首先鋪設(shè)光致抗腐蝕層，使用掩膜蝕刻掉相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)向列區(qū)域132b而留下各向同性區(qū)域132a(由光致抗腐蝕劑形成)，然后將液晶填充到空隙區(qū)域以形成扭轉(zhuǎn)向列區(qū)域132b。
另外，如圖13B所示，光學(xué)元件132能由上述的扭轉(zhuǎn)向列區(qū)域132b和弗里德里克斯Freedericksz設(shè)置區(qū)域132c交錯形成。扭轉(zhuǎn)向列區(qū)域132b將入射的線性偏振光旋轉(zhuǎn)90度，而如果方向恰當(dāng)，F(xiàn)reedericksz設(shè)置區(qū)域132c將對入射光的偏振方向沒有影響，F(xiàn)reedericksz配置區(qū)域132c的恰當(dāng)方向是指該區(qū)域中大量的液晶取向方向與入射光的線性偏振方向基本平行或垂直。
因此應(yīng)該能夠意識到如圖13A和13B所示類型的帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件可以由連續(xù)的材料層構(gòu)成，例如有帶圖案配置的液晶材料，或擁有多個不同類型材料區(qū)域的層，例如光致抗蝕劑和液晶交替。
本發(fā)明的實施例有許多實際的應(yīng)用，如用于數(shù)字和視頻投影的投影光學(xué)系統(tǒng)，前投影系統(tǒng)或背投影系統(tǒng)，桌面投影系統(tǒng)以及各種其它的家用或商業(yè)用途。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，包括，第一光學(xué)元件(10)，能將非偏振入射光轉(zhuǎn)換為分別有第一和第二不同偏振態(tài)的至少第一和第二組光束(34，36)；和第二光學(xué)元件(32)，能通過對第一和第二組光束(34，36)的其中任何一個或兩個進(jìn)行至少兩次連續(xù)偏振態(tài)轉(zhuǎn)換，將所述第一和第二組光束(34，36)的分別不同的偏振態(tài)最終轉(zhuǎn)換為基本相同的偏振態(tài)，其中一個或多個轉(zhuǎn)換所引起的色散效應(yīng)能被另外的一個或多個轉(zhuǎn)換所引起的色散效應(yīng)至少部分地補償。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二光學(xué)元件(32)進(jìn)行兩次連續(xù)的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述第一偏振態(tài)是線性偏振態(tài)。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的裝置，其特征在于，所述第二偏振態(tài)是線性偏振態(tài)。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述第一偏振態(tài)與所述第二偏振態(tài)基本正交。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述最終偏振態(tài)為線性偏振態(tài)。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述最終偏振態(tài)基本與所述第一偏振態(tài)相同。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述第二光學(xué)元件(32)包括一有分別接收來自第一和第二組光束(34，36)的至少第一和第二組區(qū)域(44，46)的帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件(38)，所述第一組區(qū)域(44)或其中每一個有不同于所述第二組區(qū)域(46)或其中每一個的偏振轉(zhuǎn)換特性。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件(38)由連續(xù)層材料形成。
10.如權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件(38)如權(quán)利要求47所述。
11.如權(quán)利要求8、9或10所述的裝置，其特征在于，所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件(38)是一帶圖案的延遲器。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述第一組區(qū)域(44)或其中每一個有排列在第一方向上的光軸，所述第二組區(qū)域(46)或其中每一個有排列在不同于所述第一方向的第二方向上的光軸。
13.如權(quán)利要求11或12所述的裝置，其特征在于，當(dāng)引用權(quán)利要求9時，所述帶圖案的延遲器(38)由連續(xù)層的光學(xué)各向異性材料形成。
14.如權(quán)利要求11、12或13所述的裝置，其特征在于，所述第一組區(qū)域(44)或其中每一個是用于預(yù)定可見波長的半波片。
15.如權(quán)利要求11至14之一所述的裝置，其特征在于，所述第二組區(qū)域(46)或其中每一個是用于預(yù)定可見波長的半波片。
16.如權(quán)利要求14或15所述的裝置，其特征在于，所述預(yù)定可見波長是在470-570nm范圍內(nèi)。
17.如權(quán)利要求11至16中的任何一個所述的裝置，其特征在于，當(dāng)引用權(quán)利要求3和4時，所述第一和第二方向分別與所述第一偏振態(tài)方向呈-22.5°和+25°角。
18.如權(quán)利要求11至16中的任何一個所述的裝置，其特征在于，當(dāng)引用權(quán)利要求3和4時，所述第一和第二方向分別與所述第一偏振態(tài)方向呈-22.5°和+22.5°角。
19.如前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述第二光學(xué)元件(32)可以包括接收第一和第二組光束(34，36)的光且有第三方向的光軸的均一延遲器(40，43)。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述均一延遲器(40，43)充當(dāng)用于預(yù)定可見波長的半波片。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述預(yù)定的可見波長是在470-570nm范圍內(nèi)。
22.如權(quán)利要求19、20或21所述的裝置，其特征在于，當(dāng)引用權(quán)利要求11時，所述帶圖案的延遲器(38)設(shè)置在所述第一光學(xué)元件(10)和所述均一延遲器(40，43)之間。
23.如權(quán)利要求19至22之一所述的裝置，其特征在于，當(dāng)引用權(quán)利要求3和6時，所述第三方向與第一偏振態(tài)方向呈+67.5°的角度。
24.如權(quán)利要求19至23中任何一個所述的裝置，其特征在于，當(dāng)引用權(quán)利要求11時，均一延遲器(43)由光學(xué)各向同性材料構(gòu)成以充當(dāng)圖像延遲器(38)的支撐元件(43)，所述帶圖案的延遲器(38)與支撐元件(43)形成一個集成單元。
25.如權(quán)利要求19至23中任何一個所述的裝置，其特征在于，當(dāng)引用權(quán)利要求11時，進(jìn)一步包括由光學(xué)各向同性材料構(gòu)成的支撐基板(42)，與帶圖案的延遲器和均一延遲器(38，40)一起組成集成單元。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，所述帶圖案的延遲器和均一延遲器(38，40)設(shè)置在所述支撐元件(42)的相反面上。
27.如權(quán)利要求24、25或26所述的裝置，其特征在于，所述支撐元件(42，43)有一個自由空間安放其它元件而不破壞另外的元件。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，所述自由空間至少部分圍繞所述帶圖案的延遲器(38)。
29.如權(quán)利要求24至28中的任何一個所述的裝置，其特征在于，所述集成單元也包括第一光學(xué)元件(10)。
30.如前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述第一光學(xué)元件(10)是一個偏振分束器陣列。
31.一種光學(xué)裝置，包括，第一光學(xué)元件(10)，能將非偏振入射光轉(zhuǎn)換為分別有第一和第二不同偏振態(tài)的至少第一和第二組光束(34，36)；和第二光學(xué)元件(132)，能通過對第一和第二組光束(34，36)的其中任何一個或兩個進(jìn)行至少兩次連續(xù)偏振態(tài)轉(zhuǎn)換，將所述第一和第二組光束(34，36)的分別不同的偏振態(tài)變?yōu)榛鞠嗤钠駪B(tài)；所述第二光學(xué)元件(132)包括一有分別接收來自第一和第二組光束(34，36)的至少第一和第二組區(qū)域(132b，132a/c)的帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件(132)，所述第一組區(qū)域(132b)或其中每一個有不同于所述第二組區(qū)域(132a/c)或其中每一個的偏振轉(zhuǎn)換特性，所述第一組區(qū)域(132b)或其中每一個包括扭轉(zhuǎn)向列設(shè)置的液晶材料。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述第二光學(xué)元件(132)是適合在Maugin環(huán)境中工作的液晶材料。
33.如權(quán)利要求31或32所述的裝置，其特征在于，所述第二偏振態(tài)是線性偏振態(tài)。
34.如權(quán)利要求31、32或33所述的裝置，其特征在于，所述第一偏振態(tài)是線性偏振態(tài)。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，所述第一組區(qū)域(132b)或其中每一個將所述第一組光束(34)的偏振態(tài)大約旋轉(zhuǎn)90度，所述第二組區(qū)域(132a/c)或其中每一個對所述第二組光束(36)的偏振態(tài)幾乎沒有影響。
36.如權(quán)利要求31至35中其中任何一個所述的裝置，其特征在于，所述第二組區(qū)域(132a)包括各向同性材料。
37.如權(quán)利要求31、32或33或34、35所述的裝置，其特征在于，當(dāng)引用權(quán)利要求33時，所述第二組區(qū)域(132c)包括Freedericksz組態(tài)的液晶材料，第二組光束(36)的偏振態(tài)與第二組區(qū)域(132c)中的液晶取向基本平行或垂直。
38.如權(quán)利要求31至37中任何一個所述的裝置，其特征在于，所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件(132)由連續(xù)層材料形成。
39.一種偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)，包括，一接收非偏振光的第一微透鏡陣列(6)；一第二微透鏡陣列(8)基本設(shè)置在第一微透鏡陣列的焦面上并與第一微透鏡陣列(6)光學(xué)準(zhǔn)直；一個如前述權(quán)利要求中的裝置，能使來自第二微透鏡陣列(8)的第一和第二組光束(34，36)有基本相同的偏振態(tài)。
40.如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括用于削弱雜散光的屏蔽裝置(55)。
41.如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述屏蔽裝置(55)包括作為所述第二光學(xué)元件(32)一部分的掩膜以阻斷無用的雜散光。
42.如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述屏蔽裝置(55)包括一個偏振旋轉(zhuǎn)膜以旋轉(zhuǎn)無用的雜散光的偏振態(tài)和最終阻擋那些光的一個偏振器。
43.一種偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)，包括，接收非偏振光的第一微透鏡陣列(6)；第二微透鏡陣列(8)，基本設(shè)置在第一微透鏡陣列的焦面上并與第一微透鏡陣列(6)光學(xué)準(zhǔn)直；光學(xué)裝置(33`)，包括，第一光學(xué)元件(10)，能將非偏振入射光轉(zhuǎn)換為分別有第一和第二不同偏振態(tài)的至少第一和第二組光束(34，36)，和第二光學(xué)元件(32`)，能將分別不同的偏振態(tài)的所述第一和第二組光束(34，36)轉(zhuǎn)換為基本相同的偏振態(tài)，所述第二光學(xué)元件(32`)包括有分別接收來自第一和第二組光束(34，36)的至少第一和第二組區(qū)域(44，46)的帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件(32`)，所述第一組區(qū)域(44)或其中每一個有不同于所述第二組區(qū)域(46)或其中每一個的偏振轉(zhuǎn)換特性，其中所述圖像偏振轉(zhuǎn)換元件(32)由連續(xù)層材料形成。
44.如權(quán)利要求43所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換元件(32`)是一個由連續(xù)層或雙折射材料構(gòu)成的帶圖案的延遲器。
45.一個投影系統(tǒng)，包括，光源(2)；如權(quán)利要求39至44中任何一個所述的光學(xué)系統(tǒng)(31，31`)；空間光調(diào)制器(18)。
46.如權(quán)利要求45所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述空間光調(diào)制器(18)是液晶顯示面板。
47.一種帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)元件，包括，至少第一或第二組長條形的區(qū)域(44，46)，所述第一組區(qū)域(44)或其中每一個有不同于第二組區(qū)域(46)或其中每一個的偏振轉(zhuǎn)換特性，第一和第二組區(qū)域(44，46)或其中每一個沿長度方向以一定的節(jié)距分隔成小區(qū)域，掩膜條(55)分別設(shè)置在第一和第二組區(qū)域(44，46)或其中每一個的相鄰小區(qū)域之間的邊界上，和/或設(shè)置在相鄰區(qū)域的邊界上。
48.如權(quán)利要求47所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述掩膜條(55)衰減射在它們上面的光。
49.如權(quán)利要求47或48所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述掩膜條(55)轉(zhuǎn)換射在它們上面的光的偏振態(tài)。
50.如權(quán)利要求47、48或49所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述帶圖案的偏振轉(zhuǎn)換光學(xué)元件是一帶圖案的延遲器。
51.如權(quán)利要求47至50中任何一個所述的光學(xué)元件，其特征在于，進(jìn)一步包括一基板(42)，在其上安裝有光學(xué)元件，并在圍繞所述光學(xué)元件的基板(42)周圍預(yù)留有空間，以夾緊該區(qū)域而不損壞所述光學(xué)元件。
全文摘要
披露了一光學(xué)裝置(33)，包括，第一光學(xué)元件(10)，能將非偏振入射光轉(zhuǎn)換為分別有第一和第二不同偏振態(tài)的至少第一和第二組光束(34和36)，和第二光學(xué)元件(32)，能將分別不同的偏振態(tài)的第一和第二組光束(34和36)最終轉(zhuǎn)換為基本相同的偏振態(tài)，第二光學(xué)元件(32)對第一和第二組光束(34，36)的其中任何一個或兩個的進(jìn)行至少兩次連續(xù)偏振態(tài)轉(zhuǎn)換，以致于其中一個或多個轉(zhuǎn)換所引起的色散效應(yīng)能被另外的一個或多個轉(zhuǎn)換所引起的色散效應(yīng)至少部分地補償。
文檔編號G03B21/14GK1670565SQ200410094248
公開日2005年9月21日 申請日期2004年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月27日
發(fā)明者B·M·莫斯格拉夫, E·J·沃爾頓, G·布西爾, M·V·卡佐瓦 申請人:夏普株式會社