專利名稱：用于圖像投影儀的偏振分光鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及偏振分光鏡，具體地，涉及用在可產(chǎn)生多個圖像和/或三維圖像的投影儀中的偏振分光鏡。
背景技術：
有許多應用必須把多個圖像順序地或同時地顯示。當前的能夠投影多個圖像的設·備體積大，通常是完全重復的單一圖像投影儀。通常，需要多個光源。然而，本領域中存在對能夠投影多個圖像的緊湊型投影儀的需求，其中，多個圖像都可選地顯示不同的圖像信息。這樣的投影儀可被用于寬屏投影、三維圖像創(chuàng)建和交互式成像應用中。用于這種投影儀的偏振分光鏡也必須是緊湊的。除了緊湊之外，PBS結構必須易于制造，這是由于加工小光學元件大幅增加了其費用。因此，本領域存在對改進的緊湊且易于制造的偏振分光鏡的需求。這樣的偏振分光鏡可用在緊湊型圖像投影儀中。圖2A-2C描述了具有兩個LCoS空間光調(diào)制器的偏振分光鏡。偏振分光鏡需要具有相同的垂直和水平長度。然而光具有特定錐角；長度越長，錐角截面越大。如圖2B所示，從偏振分光鏡中明顯有漏光。由于全內(nèi)反射，這種泄漏將導致不期望的幻象。因此，對于這種設計來說，需要放大PBS的尺寸或控制光立體角。此外，如圖2C所示，PBS的大片區(qū)域(部分由橢圓形表示)未被從空間光調(diào)制器射出的光使用，使得設備光學利用率較低。如圖3所示，可利用空間光調(diào)制器附近的階梯形光學表面(以及頂部和底部PBS表面上的階梯形表面)形成具有較少漏光和更高PBS體積利用率的更高效的偏振分光鏡。盡管這樣的設計有利地降低了尺寸，提升了亮度和對比度，但其制造困難，尤其是階梯形光學表面的精密加工很困難。因此，在現(xiàn)有技術中存在對小巧、具有高亮度和對比度并且制造簡單且成本低廉的改進偏振分光鏡的需求。

發(fā)明內(nèi)容
—方面，本發(fā)明包括一種偏振分光鏡，其包括至少六個棱鏡，其組裝在一起以形成單個實心組件。至少一個對角線界面由兩個或多個棱鏡表面的組合形成。該實心偏振分光鏡組件具有至少四個光入射/出射表面，其中至少兩個光入射/出射表面形成階梯。棱鏡中的至少一個具有非三角形橫截面形狀。棱鏡的至少一個形成對角線界面的一部分的表面具有設置其上的偏振分光材料，導致包括偏振分光材料的對角線界面。
在一種實施方式中，本發(fā)明涉及一種投影儀，其具有至少一個用于提供光的光源，該投影儀包括上述的偏振分光鏡。在多棱鏡分光鏡附近提供了圖像形成光調(diào)制器，例如LCoS空間光調(diào)制器。可利用本發(fā)明的偏振分光鏡創(chuàng)建形成單個圖像或兩個圖像的投影儀。在用于形成兩個圖像的另一投影儀實施方式中，第一和第二 LCoS空間光調(diào)制器和第一光源的配置使得第一 LCoS空間光調(diào)制器和第一光源位于偏振分光鏡的一側附近，而第二 LCoS空間光調(diào)制器和第二投影光學系統(tǒng)分享偏振分光鏡的相對側。在這種配置中，第一光源的光通過偏振分光鏡形成正交方向的第一和第二偏振光束，從而第一偏振光束導入第一 LCoS空間光調(diào)制器,而第二偏振光束導入第二 LCoS空間光調(diào)制器。第一圖像源調(diào)制第一 LCoS空間光調(diào)制器，并且用于產(chǎn)生可與利用第一圖像源產(chǎn)生的圖像相同或不同的圖像的第二圖像源調(diào)制第二 LCoS空間光調(diào)制器。第一和第二 LCoS空間光調(diào)制器和第一和第二投影光學系統(tǒng)的配置使得從第一 LCoS空間光調(diào)制器射出的第一調(diào)制反射輸出圖像被輸出到第一投影光學系統(tǒng)，從第二 LCoS空間光調(diào)制器射出的第二 調(diào)制反射輸出圖像輸出到第二投影光學系統(tǒng)。


圖1A-1C不出了本發(fā)明的偏振分光鏡配置。圖2A-2C示出了通過具有兩個空間光調(diào)制器的偏振分光鏡的光。圖3示出了通過具有兩個空間光調(diào)制器的改進/階梯形偏振分光鏡的光。圖4A和4B示出了偏振分光鏡的形成，該偏振分光鏡在將要接合到一起的表面上具有內(nèi)部PPL涂層或者如果棱鏡未接合在一起時在棱鏡表面上具有內(nèi)部抗反射涂層。圖5A和5B示出了利用本發(fā)明的偏振分光鏡以形成單個2D或3D圖像的圖像投影系統(tǒng)。圖6示出了利用本發(fā)明的偏振分光鏡形成兩個圖像的圖像投影儀。
具體實施例方式具體地，參考附圖，圖1A-1C示出了本發(fā)明的偏振分光鏡結構。如圖IA所示，每個偏振分光鏡包括六個棱鏡101、102、103、104、105和106。六個棱鏡連接在一起以形成整體偏振分光鏡100。表面涂層112或其他分光元件形成在每個棱鏡101、102、103、104、105和106的面對另一棱鏡面一個或多個面上；元件的選擇使得當六個棱鏡被組裝時，表面形成棱鏡100的一對正交表面113和114。表面113由棱鏡101、102、103、104、105和106的面形成，表面114由棱鏡102、103、105和106的面形成。在一種實施方式中，正交表面113和114都包括偏振分光材料或涂層；替代地,偏振分光涂層可形成在正交表面的部分上，而一個或多個部分包括鏡面涂層(用于下文描述的某些成像應用)。偏振分光材料包括涂層、光柵等，從而形成兩個正交對角線分光鏡表面?？蛇x地，光柵微結構或MOF膜也可附加在兩個正交表面113和114之間以用作偏振分光鏡元件，而不是PBS涂層材料。對于正交表面的具有鏡面表面而非偏振分光鏡元件的一部分而言，鏡面表面反射任何入射方向任意偏振的入射光。鏡面涂層可選自薄膜涂層，例如鋁、銀、金或其他金屬或反射涂層。棱鏡的材料選自玻璃、塑料、晶體或其他光學材料。如圖IA所示,元件102和105包括形成在外部表面上的階梯；該外部表面是非光學表面，即，光不被預期通過棱鏡元件102和105的面向外的表面射入或射出。此外，注意到棱鏡102和105不具有三角形橫截面。類似地，棱鏡元件103和106也不具有三角形橫截面。對于光射入和射出的任意外表面，可提供可選的抗反射涂層。為了避免必須在由棱鏡103和104的組合和棱鏡101和106的組合形成的光學表面上加工階梯，選擇棱鏡的尺寸，使得當組裝時，在各自棱鏡之間的界面形成階梯。此外，偏光器涂層或偏振材料可置于棱鏡103和104之間的界面以及棱鏡101和106之間的界面，以提供如下所述的對比度。如圖IA所示，兩個棱鏡具有三角形橫截面(棱鏡101和103)，并且三角形橫截面的一個角度是90度，而另兩個銳角彼此不同。此外，圖IA中的組裝的偏振分光鏡具有四個階梯形外表面。 在圖IB的實施方式中，棱鏡101’、102’、103’、104’、105’和106’在功能上對應于圖IA的棱鏡101-106。然而，尺寸不同。為了從頂部和底部非光學表面消除階梯，階梯由棱鏡102’和105’中的斜對角線代替。因此，僅棱鏡103’和106’具有非三角形橫截面形狀。由此，僅僅兩個外部分光鏡表面是階梯形表面。類似地，在圖IC的實施方式中，配置棱鏡101”、102”、103”、104”、105”和106”使得在棱鏡102”和105”的非光學外表面上不使用階梯并且僅兩個外表面是階梯形的。然而，這些棱鏡被選擇成具有非三角形橫截面，從而最終偏振分光鏡100”具有近似為立方體的整體幾何形狀。即，偏振分光鏡的非階梯形表面大體上是平面并以大約直角與偏振分光鏡的階梯形表面相交。如圖4A和4B所示，偏光器涂層或材料210、220可位于棱鏡子組件101和106之間以及棱鏡子組件103和104之間以增強對比度。可選地，如圖4A和4B所示，抗反射涂層可位于棱鏡子組件101和106之間以及棱鏡子組件103和104之間的各個表面上。有利地，如果這些界面不接合在一起，則抗反射涂層降低了其上的不期望光反射。圖5A和5B描述了分別利用偏振分光鏡100和101與光源400以形成單個2D或3D圖像的投影儀500和投影儀500’。光源400是非偏振的并且入射到偏振分光鏡100 (圖5A)或100’(圖5B)中。光源可以是白光源或組合或連續(xù)彩色光源(例如，如圖5A和5B中不出的紅、藍、綠LED光源)。第一反射空間光調(diào)制器300位于偏振分光鏡100的與光源400相同的一側。在示例性實施方式中，反射空間光調(diào)制器300是硅基液晶(LCoS)調(diào)制器；然而，任何可位于本發(fā)明的偏振分光鏡附近的反射空間光調(diào)制器300可用在本發(fā)明的投影儀500、500’中。示例性空間光調(diào)制器(對于本發(fā)明的所有實施方式而言)包括但不限于硅基液晶空間光調(diào)制器、數(shù)字微鏡設備空間光調(diào)制器、數(shù)字光處理器空間光調(diào)制器、MEMS空間光調(diào)制器、液晶空間光調(diào)制器、基于鏡面的空間光調(diào)制器或任何其他能夠處理用于投影的圖像信息的空間光調(diào)制器。注意到，任何投影儀中的空間光調(diào)制器可以是相同類型的空間光調(diào)制器或兩種或多種類型的空間光調(diào)制器，這取決于投影儀應用。在相反的偏振分光鏡表面上，第二反射空間光調(diào)制器302面向入射光源400;同樣地，在這種實施方式中，LCoS空間光調(diào)制器被描述為光調(diào)制器302，但也可選擇其他反射空間光調(diào)制器。光源400的入射光通過入射光源光學器件410并進入偏振分光鏡100。當光到達偏振分光鏡涂層對角線界面113時，一個偏振光以直線通過偏振分光鏡100并入射到第二反射空間光調(diào)制器302上。反向偏振的光由偏振分光鏡表面113反射并再次由偏振分光鏡表面114反射到第一空間光調(diào)制器300中。在圖5A的實施方式中，實線表不P偏振光，而虛線表示S偏振光。然而，根據(jù)選定的分光鏡元件，也可以使用相反的配置(P和S偏振光相反)。反向偏振的調(diào)制光由每個反射空間光調(diào)制器300、302反射。從反射空間光調(diào)制器300射出的光通過偏振分光鏡100，朝向投影光學器件502。從反射空間光調(diào)制器302射出的光由偏振分光鏡表面114反射并再次被偏振分光鏡表面113朝著投影光學器件502反射。以這種方式，根據(jù)由調(diào)制器300和302執(zhí)行的選定調(diào)制，兩個調(diào)制圖像被組合以形成亮度增強的單個2D圖像或3D圖像。在圖5B中，光源400的入射光由偏振分光鏡100’和空間光調(diào)制器300’和302’以大體上類似的方式處理以形成通過投影光學器件502’輸出的選定2D或3D圖像。
在圖6中，形成了圖像投影儀700，其可投射兩個調(diào)制的圖像。如圖5A的實施方式一樣，光源400將入射光通過光源光學器件410發(fā)送到偏振分光鏡100’中。空間光調(diào)制器300位于與入射光源相同的一側,而第二空間光調(diào)制器302位于偏振分光鏡100’的相反表面；同樣地，在這種實施方式中，LCoS空間光調(diào)制器被描述為光調(diào)制器302，但也可選擇其他反射空間光調(diào)制器。光源400的入射光通過入射光源光學器件410并進入偏振分光鏡100’。當光到達偏振分光鏡涂層對角線界面113’時，一個偏振光以直線通過偏振分光鏡100’并入射到第二反射空間光調(diào)制器302上。反向偏振的光由偏振分光鏡表面113反射并再次由偏振分光鏡表面114’反射到第一調(diào)制器300中。如圖5A中的實施方式一樣,實線表示P偏振光，而虛線表示S偏振光。然而，根據(jù)選定的分光鏡元件，也可以使用相反的配置(P和S偏振光相反)。反向偏振的調(diào)制光由每個反射空間光調(diào)制器300、302反射。從反射空間光調(diào)制器300射出的光入射到鏡面118上并被朝著第二組投影光學器件504反射。類似地，從反射空間光調(diào)制器302射出的光也由鏡面118朝著第一組投影光學器件502反射。以這種方式，形成了兩個調(diào)制圖像。根據(jù)應用，調(diào)制圖像可以是相同或不同的。對于圖6的應用來說，可以期望在兩個不同的位置顯示相同的圖像，并且，可選地，圖像的尺寸可以不一致。例如，可將主圖像顯示選擇成具有0. 3-0. 4英寸有效面積的SVGA/XGA/720P/WSVGA分辨率；從投影光學器件404投射的較小圖像可以具有大約0. 2英寸有效面積的WVGA分辨率?？蛇x地，可以期望在單個屏幕上顯示兩個不同的但具有相同圖像尺寸和分辨率的圖像，它們“拼接在一起”以形成單個寬屏圖像。注意到，投影屏幕可以是平面屏、墻壁、金屬屏或任意的能夠投射圖像的表面。盡管相對各種實施方式描述了上述發(fā)明，但這些實施方式不是限制性的。本領域技術人員將理解許多變化和修改。例如，本發(fā)明的偏振分光鏡可以使用在美國專利申請13/233，036 (其通過引用并入在上文中)中公開的圖像投影儀中。這些變化和修改應該被理解為隨附權利要求的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種偏振分光鏡,包括 至少六個棱鏡，其組裝在一起以形成單個具有至少一個對角線界面的實心組件，該至少一個對角線界面由兩個或多個棱鏡表面的組合形成； 該實心組件具有至少四個光入射/出射表面，其中至少兩個光入射/出射表面形成階梯； 至少一個棱鏡具有非三角形橫截面形狀， 棱鏡的至少一個形成對角線界面的一部分的表面具有設置其上的偏振分光材料。
2.如權利要求I的偏振分光鏡，其中，至少兩個棱鏡具有三角形橫截面，并且三角形橫截面的一個角是90度。
3.如權利要求2的偏振分光鏡，其中，三角形橫截面具有兩個不同的銳角。
4.如權利要求I的偏振分光鏡，還包括形成在對角線界面的至少一部分上的鏡面材料。
5.如權利要求I的偏振分光鏡，其中，棱鏡的材料選自玻璃、塑料、晶體或其他光學材料。
6.如權利要求I的偏振分光鏡，其中，偏振分光鏡的四個外表面是階梯形表面。
7.如權利要求I的偏振分光鏡，其中，偏振分光鏡的兩個外表面是斜面。
8.如權利要求I的偏振分光鏡，其中，偏振分光鏡的非階梯形表面大體上呈平面并以大約直角與偏振分光鏡的階梯形表面相交。
9.如權利要求I的偏振分光鏡，至少一種偏振涂層或材料被置于棱鏡之間以增加對比度。
10.如權利要求I的偏振分光鏡，其中，所述至少六個棱鏡接合在一起以形成偏振分光鏡。
11.如權利要求I的偏振分光鏡，其中，兩個或多個棱鏡接合在一起以形成單個接合的組件，并且至少兩個接合的組件形成偏振分光鏡。
12.—種圖像投影系統(tǒng)，包括 如權利要求I的偏振分光鏡； 用于向偏振分光鏡提供光的至少一個光源； 位于偏振分光鏡兩側附近的至少兩個圖像形成器，用于根據(jù)發(fā)送至每個圖像形成器的圖像輸入信號形成圖像； 至少一個投影透鏡組，用于從所述至少兩個圖像形成器中的每一個向外投射圖像。
13.如權利要求12的圖像投影系統(tǒng)，其中，光源和第一光形成板位于權利要求I的偏振分光鏡的第一表面附近，而第二光形成板位于面向第一表面的第二偏振分光鏡表面附近。
14.一種圖像投影系統(tǒng)，包括 如權利要求4的偏振分光鏡； 用于向偏振分光鏡提供光的至少一個光源； 位于偏振分光鏡兩側附近的至少兩個圖像形成器，用于根據(jù)發(fā)送至每個圖像形成器的圖像輸入信號形成圖像； 至少兩個投影透鏡組，用于從所述至少兩個圖像形成器中的每一個向外投射圖像。
15.如權利要求12的圖像投影系統(tǒng)，其中，選擇發(fā)送至每個圖像形成器的圖像輸入信號以使得形成的最終圖像是二維圖像。
16.如權利要求12的圖像投影系統(tǒng)，其中，選擇發(fā)送至每個圖像形成器的圖像輸入信號以使得形成的最終圖像是三維圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種偏振分光鏡，包括至少六個棱鏡，其組裝在一起以形成單個實心組件。至少一個對角線界面由兩個或多個棱鏡表面的組合形成。該實心偏振分光鏡組件具有至少四個光入射/出射表面，其中至少一個光入射/出射表面形成階梯。棱鏡中的至少一個具有非三角形橫截面形狀。棱鏡的至少一個形成對角線界面的一部分的表面具有設置其上的偏振分光材料，導致包括偏振分光材料的對角線界面。偏振分光鏡可以結合到各種圖像投影儀中，圖像投影儀包括2D投影儀、多圖像投影儀和3D投影儀。
文檔編號H04N5/74GK102778758SQ20121013555
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權日2012年4月11日
發(fā)明者劉穎 申請人:香港應用科技研究院有限公司