双全内反射偏振分束器的制作方法

xiaoxiao2020-7-2  2

【专利下载】Tel:18215660330

专利名称:双全内反射偏振分束器的制作方法
技术领域
本发明涉及用于光的有效偏振分离的光学组件。该组件可与(例如)透射型液晶显示装置结合使用。更具体地讲,本发明涉及称为偏振分束器的偏振分离装置,并且尤其是涉及用于图像投影系统中的偏振分束器。
背景技术
在液晶面板投影系统中,来自光源的输出光通过一个或多个第一偏振器进行偏振、穿过一个或多个透射型液晶面板(即,像素化成像器)、并且随后利用一个或多个第二偏振器进行分析,以使得从光束中移除预期暗状态的光并且由所得透射光图案形成图像。如果偏振器为吸收型偏振器,则大量的光被转化为热。投影系统中的偏振器可邻近热敏部件,例如液晶面板。在一些情况下,如果吸收型偏振器吸收过多的热,则该吸收型偏振器本身的功能受到不利影响。这种过热在液晶面板输出端处的分析器附近是最严重的,因为大部分投影仪系统的该区域中存在极少用于空气流的空间。随着投影仪亮度被增加,这种过热可变得更加严重,从而导致有限的投影仪部件寿命和/或来自用于尽可能保持投影系统部件冷的空气流的过量噪音。如果偏振器为偏振分束器(PBQ,例如美国专利No. 6,592,224中所述,则光可从 PBS的偏振选择性表面(即,反射型偏振器)反射多次,包括得自PBS的外表面和反射型偏振器的全内反射(TIR)。根据反射型偏振器的性质,光束从反射型偏振器的多次反射可因光吸收而引起该表面的温度的不利增加、可引起光诱导反应的增加、并且/或者可引起雾度或者从表面发射的散射光的增加。另外可产生投影图像的重影或对比度降低。存在至少两种因PBS产生重影图像的机制。第一,光的偏振态在IlR下没有得到保持并且还可受到玻璃中的双折射影响。因此,在IlR之后到达反射型偏振器的光可泄漏至投影透镜。尽管这种光通常位于图像光锥外部(取决于PRS设计的细节),但所述光的一些当时可具有适当的偏振以穿过分析器并且可散射到图像光锥中。第二,从PBS反射的光可离开PBS并且可被反向引导至图像光锥内的液晶面板。这种反射光可在液晶面板中变为消偏振的并且随后可朝投影透镜反向反射穿过TIR PBS0在后一情况下,像素化成像器将它们表面的相对较大的量用于电子器件。导电线、 晶体管和电容器可占据典型的高温多晶硅(HTPS)透射型IXD面板的图像区域的超过25%。 这些电子器件可反射返回至成像器的光,该反射甚至高于开放像素区域。由于这种光可能已穿过液晶,因此不能期望所述光已保持所需偏振。

发明内容
在一个方面,本发明提供了双全内反射(TIR)棱镜,其包括具有进入表面、第一间隙表面和第一离开表面的输入棱镜。双IlR棱镜还包括具有输出表面和第二间隙表面的楔形棱镜,所述第二间隙表面通过间隙与第一间隙表面间隔开。双TIR棱镜还包括具有输入表面和第二离开表面的输出棱镜、以及设置在输出表面和输入表面之间的反射型偏振器。
输入棱镜、楔形棱镜、反射型偏振器和输出棱镜被构造为将第一偏振方向的入射光束从进入表面传送至第二离开表面,并且将第二偏振方向的入射光束从进入表面传送至第一离开表面。在另一个方面,本发明提供了分离偏振光的方法,其包括使来自输入棱镜的进入表面的第一偏振方向的光束透射穿过楔形棱镜、反射型偏振器和输出棱镜。该方法还包括使来自输入棱镜的进入表面的第二偏振方向的光束透射并且穿过楔形棱镜,以与反射型偏振器相交。该方法还包括从反射型偏振器反射光束的第二部分、使光束的第二部分透射穿过楔形棱镜和输入棱镜之间的间隙、以及通过输入棱镜的第一离开表面和进入表面中的一者输出光束的第二部分。在另一个方面,本发明提供了包括双TIR棱镜和光源的投影系统。双IlR棱镜包括具有进入表面、第一间隙表面和第一离开表面的输入棱镜。双IlR棱镜还包括具有输出表面和第二间隙表面的楔形棱镜,所述第二间隙表面通过间隙与第一间隙表面间隔开。双 IlR棱镜还包括具有输入表面和第二离开表面的输出棱镜、以及设置在输出表面和输入表面之间的反射型偏振器。输入棱镜、楔形棱镜、反射型偏振器和输出棱镜被构造为将第一偏振方向的入射光束从进入表面传送至第二离开表面,并且将第二偏振方向的入射光束从进入表面传送至第一离开表面。光源设置为将入射光束传输至进入表面。在另一个方面,本发明提供了投影系统,其包括第一、第二和第三双IlR棱镜;第一、第二和第三光源;以及第一、第二和第三液晶面板。第一、第二和第三双TIR棱镜中的每一个包括具有进入表面、第一间隙表面和第一离开表面的输入棱镜;具有输出表面和第二间隙表面的楔形棱镜,所述第二间隙表面通过间隙与第一间隙表面间隔开;具有输入表面和第二离开表面的输出棱镜;以及设置在输出表面和输入表面之间的反射型偏振器。输入棱镜、楔形棱镜、反射型偏振器和输出棱镜被构造为将第一偏振方向的入射光束从进入表面传送至第二离开表面,并且将第二偏振方向的入射光束从进入表面传送至第一离开表面。第一、第二和第三光源中的每一个设置为分别将第一、第二和第三入射光束发射至第一、第二和第三双IlR棱镜的进入表面。第一、第二和第三液晶面板中的每一个设置为分别拦截第一、第二和第三入射光束,并且将具有第一偏振方向的像素化部分透射至合色器,所述合色器设置为接收和组合第一、第二和第三颜色的透射像素化部分,并且将组合像素化部分引导至投影透镜。在另一个方面,本发明提供了投影系统,其包括第一、第二、第三和第四双TIR棱镜;第一、第二、第三和第四光源;以及第一、第二、第三和第四液晶面板。第一、第二、第三和第四双TIR棱镜中的每一个包括具有进入表面、第一间隙表面和第一离开表面的输入棱镜;具有输出表面和第二间隙表面的楔形棱镜,所述第二间隙表面通过间隙与第一间隙表面间隔开;具有输入表面和第二离开表面的输出棱镜;以及设置在输出表面和输入表面之间的反射型偏振器。输入棱镜、楔形棱镜、反射型偏振器和输出棱镜被构造为将第一偏振方向的入射光束从进入表面传送至第二离开表面,并且将第二偏振方向的入射光束从进入表面传送至第一离开表面。第一、第二、第三和第四光源中的每一个设置为分别将第一、第二、 第三和第四入射光束发射至第一、第二、第三和第四双IlR棱镜的进入表面。第一、第二和第三液晶面板中的每一个设置为分别拦截第一、第二和第三入射光束,并且将具有第一偏振方向的像素化部分透射至第一合色器,所述第一合色器设置为接收第一、第二和第三颜色的透射像素化部分并且将第一组合图像引导至第二合色器。第四液晶面板设置为拦截第四入射光束,并且将具有第一偏振方向的像素化部分透射至第二合色器,所述第二合色器设置为接收像素化部分和组合图像并且将第二组合图像引导至投影透镜。在另一个方面,本发明提供了双TIR棱镜,其包括具有进入表面、第一间隙表面和第一离开表面的输入棱镜,其中在进入表面和第一间隙表面之间形成有角度。双IlR棱镜还包括具有输出表面和第二间隙表面的玻璃板,所述第二间隙表面与第一间隙表面间隔开,并且基本上平行于第一间隙表面,其中在第一和第二间隙表面之间形成间隙。双IlR棱镜还包括具有输入表面和第二离开表面的输出棱镜,所述第二离开表面基本上平行于进入表面。双IlR棱镜还包括设置在输出表面和输入表面之间的反射型偏振器。输入棱镜、玻璃板、反射型偏振器和输出棱镜被构造为在进入表面处接收光束,将第一偏振方向的接收光束从第二离开表面传送至透射型液晶装置,并且从输入棱镜的第一离开表面输出第二偏振方向的接收光束。上述发明内容并非意图描述本公开的每个公开实施例或每种实施方案。以下附图和具体实施方式
更具体地说明示例性实施例。


整个说明书中都参考了附图,其中类似的附图标记表示类似的元件,并且其中
图IA为双TIR棱镜的截面图IB为双TIR棱镜的透视图2为双TIR棱镜的截面图3为双TIR棱镜的截面图4为具有双TIR棱镜的投影系统的示意图5为双TIR棱镜的截面图6为边缘光线相对于第一离开表面的示意图7为相对于系统光瞳的反射光线锥的角度的示意图8A-8B为示出随折射率变化的第一角度的曲线图9为双TIR棱镜的截面图10为用于移除一种偏振方向的光的方法的框图11为具有双TIR棱镜的投影系统的示意图12为具有两个双TIR棱镜的投影系统的示意图13为具有合色器的投影系统的示意图14为具有两个合色器的投影系统的示意图;并且
图15为使用双TIR棱镜的投影方法的框图。
附图未必按比例绘制。在附图中使用的相同的标号表示相同的部件。然而,应当理
解,在给定附图中使用标号指示部件并非意图限制另一个附图中用相同标号标记的部件。
具体实施例方式
双TIR棱镜可用于投影系统中以从投影系统移除一种偏振方向的光,同时避免投影系统中的部件的不利加热。在一个具体实施例中,双TIR棱镜还可降低或消除由投影系统投影的重影图像。图IA示出了根据一个具体实施例的本文也称为双IlR偏振分束器10的双IlR棱镜10的截面图。图IB示出了图IA的双TIR棱镜10的透视图。双TIR棱镜10包括输入棱镜20、楔形棱镜30和输出棱镜40。在一个具体实施例中,棱镜由玻璃制成。在另一个具体实施例中,棱镜由其他光学透明材料(例如聚合物材料)制成。输入棱镜20包括进入表面22、第一间隙表面M和第一离开表面26。楔形棱镜30 具有输出表面;34和第二间隙表面32。第二间隙表面32与第一间隙表面M间隔开并且与第一间隙表面M对准。在第一和第二间隙表面M和32之间形成间隙60。间隙60包括间隙材料,所述间隙材料的折射率低于输入棱镜20和楔形棱镜30 二者的折射率。在一些实施例中,间隙材料可为低折射率光学粘合剂。在其他实施例中,间隙材料可为空气。输出棱镜40具有输入表面42和第二离开表面44。在一个具体实施例中,抗反射涂层可覆盖第一间隙表面M和第二间隙表面32以降低这些空气/玻璃界面处的反射率。 在另一个具体实施例中,抗反射涂层可覆盖第一间隙表面M、第二间隙表面32、进入表面 22、第二离开表面44和第一离开表面26,以降低这些空气/玻璃界面处的反射率。未示出本领域中已知的抗反射涂层以简化附图。双IlR棱镜10还包括反射型偏振器50,所述反射型偏振器50分离输入光束100 的选定偏振(例如,第一偏振方向、或P-偏振)和输入光束100的非选定偏振(例如,第二偏振方向、或S-偏振)。透射第一偏振方向穿过反射型偏振器50并且从反射型偏振器50 反射第二偏振方向。反射型偏振器50 (本文也称为“偏振选择性表面50”)设置在楔形棱镜30的输出表面34和输出棱镜40的输入表面42之间。输入棱镜20、楔形棱镜30、反射型偏振器50和输出棱镜40被构造为在进入表面22处接收光束100、从第二离开表面44传送第一偏振方向的接收光束100作为输出光束110、以及从输入棱镜20的第一离开表面沈输出第二偏振方向的接收光束100作为舍弃光束120。光束100由中央光线100-C和边缘光线100-M表示,所述边缘光线100-M表示光束100(可为输入光束锥)的角度变化。边缘光线100-M相对于中央光线100-C成角度α。光束100可为会聚的、发散的、或准直的。当用于反射S-偏振光和透射ρ-偏振光时,大部分反射型偏振选择性表面较有效地分离不同偏振态的光。这将通常为优选的操作模式。然而,可存在其中优选反射P-偏振光和透射S-偏振光的情况。这两种操作模式均旨在包括于本发明内。在图IA中,第二间隙表面32基本上平行于第一间隙表面24,并且输出棱镜40的第二离开表面44基本上平行于输入棱镜20的进入表面22。一般来讲,平行表面可简化双 IlR棱镜的设计,然而,这些表面不必彼此平行。非平行表面可在图像形成光中引入像差。 由于任何成像系统对像差的容许度取决于该系统的图像质量要求,因此我们在本发明所公开的具体实施例中使用平行情况。应当理解,这并非限制本发明的范围。舍弃光束120的至少一部分被透射穿过双TIR棱镜10的第一离开表面26。在一个具体实施例中,全部舍弃光束120被透射穿过双IlR棱镜10的第一离开表面26。在另一个具体实施例中,舍弃光束120中的一些被透射穿过双IlR棱镜10的第一离开表面沈并且舍弃光束120的其余部分被透射穿过双IlR棱镜10的进入表面22。在后一实施例中,从双IlR棱镜10以一定角度引导舍弃光束120,从而确保舍弃光束120中的全部或大部分不入射到液晶面板或双IlR棱镜10附近的其他热敏装置上。同样,在后一实施例中,如果舍弃光束120的任何部分从系统中的其他部件(例如,液晶面板)反射,则重影图像并非是由包括双IlR棱镜10的投影系统投影的。在一个具体实施例中,反射型偏振器50为嵌入在输出棱镜40的输入表面42和楔形棱镜30的输出表面34之间的聚合物多层光学膜(本文也称为多层光学膜)。在另一个具体实施例中,反射型偏振器50为利用(例如)光学粘合剂粘附在输出棱镜40的输入表面42和楔形棱镜30的输出表面34之间的聚合物多层光学膜。例如,可将多层光学膜的一个表面粘附至输入表面42,并且随后可将多层光学膜的另一个表面粘附至楔形棱镜30的输出表面34。又如,可将多层光学膜的一个表面粘附至输出表面34并且随后可将多层光学膜的另一个表面粘附至输出棱镜40的输入表面42。在一个具体实施例中,反射型偏振器 50可为匹配Z-折射率的偏振多层光学膜(MZIP M0F,得自3M公司)。在另一个具体实施例中,反射型偏振器50可为线栅偏振器。线栅偏振器需要邻近线的间隙以有效地起作用。因此,线栅偏振器需要邻近PBS的线表面的第二间隙。具有线栅偏振器的双IlR棱镜的图示实施例示于(例如)图2和3。图2为根据本发明的一个具体实施例的双TIR棱镜11的截面图。双IlR棱镜11 不同于图IA-IB所示的双IlR棱镜10,不同之处在于图IA-IB中的嵌入反射型偏振器50被覆盖输出棱镜40的输入表面42的线栅偏振器52取代。在图2中,第一间隙61位于第一间隙表面M和第二间隙表面32之间。第二间隙62设置在线栅偏振器52和楔形棱镜30 的输出表面34之间。图3为根据本发明的一个具体实施例的双TIR棱镜12的截面图。双IlR棱镜12 不同于图2所示的双TIR棱镜11,不同之处在于线栅偏振器52覆盖楔形棱镜30的输出表面34,并且第二间隙62设置在线栅偏振器52和输出棱镜40的输入表面42之间。聚合物多层光学膜偏振器描述于(例如)美国专利6,609,795中。多层光学膜类型的偏振器与线栅偏振器相比具有多个优点,包括P-偏振光的较高透射和光的较低吸收。目前仅在厚度超过0. 7mm、折射率接近1. 5的玻璃上制备市售线栅偏振器。如果使用折射率为1. 7的棱镜玻璃,则η = 1. 5的1. Imm厚的线栅偏振器基底(其倾斜成θ =18.9° )的使用在双IlR棱镜中导致27μπι的像散。另外,如果存在邻近倾斜成θ = 18.9°的线栅偏振器的10微米间隙,则增加另外3μπι的像散,从而在双IlR棱镜导致总计 30 μ m的像散。由于像散的影响与系统放大率的平方成比例,因此这种程度的像散对于使用下述成像器的多种TV或家庭影院应用而言是过度的所述成像器将< 1英寸的对角线进行放大以填充60英寸对角线(或更大)的屏幕。然而,在一些应用中,这种程度的像散可为合格的。线栅偏振器的像散可随基底厚度的降低、或随双IlR棱镜中的玻璃的折射率的降低而降低。从像散观点来看,多层光学膜PBS为优异的。一般来讲,多层光学膜PBS根据设计而具有3 μ m至5 μ m的像散。就光效率原因而言,多层光学膜PBS也为优选的。无论使用线栅偏振器还是使用多层光学膜偏振器,总会产生一些固有像散。以举例的方式,对于设置为相对于进入表面22成角度γ = 11. 9度的10 μ m宽的空气间隙61 而言,产生Ιμπι的像散。在图1-3中,相应的双IlR棱镜10、11和12示出了输入棱镜20中的第一角度Y、 楔形棱镜30中第二角度δ和输出棱镜40中的第三角度θ。第一离开表面沈相对于进入表面22成角度β。第一角度Y形成于进入表面22和第一间隙表面M之间。间隙60相对于进入表面22成第一角度Y。第二角度δ形成于楔形棱镜30的输出表面34和第二间隙表面32之间。第三角度θ形成于输出棱镜40的输入表面42和第二离开表面44之间。反射型偏振器50相对于第二离开表面44成第三角度θ。第一角度Υ和第二角度δ 的总和等于第三角度θ,并且输出棱镜40的第二离开表面44基本上平行于输入棱镜20的进入表面22。θ的正切为比率D/H(图1Β),其中H为第二离开表面44的高度,D为输出棱镜40的表面46的长度。第二离开表面44和进入表面22之间的距离为(长度D) + (间隙 60的厚度)X (cos y) + (反射型偏振器50的厚度)X (cos θ )。第二离开表面44的高度H 是从水平线55和输出棱镜40的表面46测量的。图4为根据本发明的一个具体实施例的具有双TIR棱镜的投影系统300的示意图。双TIR棱镜(例如分别如图1-3所示的双TIR棱镜10、11、或12)透射投影系统300 内的第一偏振方向的光束100、并且从投影系统300引导光束中具有第二偏振方向(例如 S-偏振)的基本上全部光作为舍弃光束120。如图4所示,投影系统300包括发射光束101的光源100、光勻化器125、聚光透镜 130、输入偏振器140(本文也称为预偏振器140)、液晶面板150、双IlR棱镜10、净化偏振器 160和投影透镜305。光源100、光勻化器125和聚光透镜130包括照明系统205,所述照明系统205具有取决于照明系统205的元件的F/#。液晶面板150在本文中也称为“成像器 150”和“透射型偏振调制像素化装置150”。照明系统的这种描述应当视为示例性的,而非限制性的。例如,照明系统可包括不止一个限定F/#和光束(通常优选为远心光束)特性的透镜。同样,照明系统可包括偏振转换装置、循环装置和/或光束限定孔隙。这些特征和装置是本领域的技术人员熟知的。为了简便和清晰起见,所有的此类光束制备部件均由聚光透镜130示意性地表示。光勻化器125设置成接收来自光源100的光束101。光勻化器125输出勻化光束 102,所述勻化光束102在光勻化器125的输出端的空间范围上为均勻的。将勻化光束102 引导穿过聚光透镜130,所述聚光透镜130将勻化光束输出为光束103。光束103穿过偏振器140并且第一偏振方向的光束103作为光束104入射到液晶面板150上。具有第一偏振方向的光束104的像素化部分输出为从液晶面板150到双IlR棱镜10的光束100。双IlR 棱镜10将具有第一偏振方向的光束100的像素化部分输出为光束110。将具有第一偏振方向并且形成图像的光束100的像素化部分引导至投影透镜305以用于显示在屏幕(未示出)上。净化偏振器160设置在双IlR棱镜10和投影透镜305之间以消除通过双IlR棱镜10泄漏的非选定偏振的任何少量分量。具有第二偏振方向的光束100的像素化部分基本上沿下述方向从第一离开表面26输出所述方向确保具有第二偏振方向的光不入射到液晶面板150上。光源100可为发光二极管(LED)、发光二极管阵列、弧光灯、卤素灯、荧光灯、激光器、激光器阵列、或者任何其他合适的光产生元件。用于投影应用的典型光源为超高压 (UHP)汞弧灯。在一个具体实施例中,光源100发射具有足够宽光谱的光以提供用于指定红色、绿色和蓝色光束的光。在一个具体实施例中,光源100发射位于整个可见光谱内的光, 所述光在约400nm至约700nm的波长范围内具有足够的发射功率。在这种情况下,由光源 100产生的光为白光。来自光源100的光可通过任选(未示出)的聚光透镜或反射镜和/或任选反射器来收集,并且耦合到光勻化器125内。光勻化器125可为具有下述横截面轮廓的实心杆或中空杆(例如光隧道)所述横截面轮廓可为矩形、正方形、六边形、梯形、椭圆形、圆形、或任何合适的形状。作为另外一种选择,光勻化器可包括蝇眼积分器或小透镜阵列。在任一种情况下,可存在偏振转换或循环光学件,例如(如)在美国专利No. 5,978,136中所述。在示例性情况下,光勻化器125 为锥形光隧道,其被构造为使得横截面尺寸在一个或多个维度上从光隧道的一端到另一端递增。光束101从图4的最左端进入光勻化器125,并且沿光勻化器125的长度通过与光勻化器125的侧面成各种角度的多次反射(或全内反射,在实心杆情况下)来传播。沿光勻化器125的长度传播之后,从光勻化器125的最右端发射在光勻化器125端部的空间范围上基本上均勻的光以作为勻化光束102。可选择光勻化器125的形状以匹配液晶面板150 的形状,因此可在不浪费大量光的情况下以一定的放大率将光勻化器125的端部成像到液晶面板150上。光勻化器125的离开表面可视为均勻、扩展的光源。聚光透镜130从光勻化器125接收勻化光束102并且输出光束103。从聚光透镜 130射出的光束103穿过预偏振器140。预偏振器140可优选适应大范围的入射角,以便使整个光束的透射偏振的任何变化最小化。光束104从预偏振器140射出,作为穿过液晶面板150的光束104。从液晶面板150输出光束100。在其中光勻化器125为小透镜阵列的实施例中,透射穿过各个小透镜的光束被聚光器130放大,因此来自相邻小透镜的光束在液晶面板150处彼此交叠。聚光透镜130显示为单个透镜,但其代表一个或多个透镜。在一个具体实施例中,投影系统300的照明光束会聚以聚焦到液晶面板150上。典型的F/#为约2. 5或更小,其中较小的F/#赋予较高的集光效率。在一个具体实施例中,投影系统300包括具有F/2. 3的照明系统205。图5为双IlR棱镜10的截面图,其中示出入射光束100在输入棱镜20内发生全内反射时的中央光线105。中央光线105入射到进入表面22、第一和第二间隙表面对和 32、反射型偏振器50、以及第一离开表面沈中的每一个上的角度取决于双TIR棱镜内的角度Y、δ、β和θ、以及输入棱镜20、楔形棱镜30和输出棱镜40的折射率。在下文的论述中,我们假定第一间隙表面M和第二间隙表面32之间的间隙60填充空气以简化论述。 然而,本领域的技术人员将清楚,当间隙的折射率不等于1时如何来进行同等计算。应当理解,可将折射率低于输入棱镜20和楔形透镜30的折射率的任何材料用于间隙60中。在图5中,中央光线105在双TIR棱镜10内的反射计为从1到5。相对于进入表面22 (在横截面中视为线χ = 0)示出各个反射光线的Xi位置,并且相对于输出棱镜40的表面46 (在横截面中视为线y = 0)示出各个反射光线的yi位置。偶数反射点的χ位置为零,因为X(i=2m) =0,其中!11为整数。边缘光线107和106表示输入光束100锥的最远范围处的光线。如图5所示,边缘光线107和106分别以相对于水平线的角度+ α,和-α,入射到进入表面22上。边缘光线107和106在透射穿过进入表面22时分别以相对于水平线的角度+α和-α在输入棱镜20内传播,因此输入光束100在输入棱镜20内具有α的会聚(或发散)角。根据斯涅尔定律,输入棱镜20中的角度士 α与空气中的角度士α,有关。光线105、106和107 表示图IA中输入光束100中的光线。
中央光线105的各个反射点的位置和入射角的下述代表性计算包括反射型偏振器50的角度θ,和间隙60的角度γ的参数。对于可接受的角度Y的范围存在约束。为了避免光线105-107在从反射型偏振器50反射之后在楔形棱镜30内发生TIR,角度、必须满足公式(1),y < 2 θ + α -arcsine(l/n)(1)其中η为楔形棱镜30的折射率,并且对于此实例我们假定间隙填充空气。正边缘光线107的入射角+α (在输入棱镜中)用于公式(1)。为了确保光线105-107在从反射型偏振器50和进入表面22的顺序反射之后在输入棱镜20内的全部反射均为全内反射,角度Y必须满足公式O)。γ < α -2 θ +arcsine (1/η)(2)其中η为输入棱镜20的折射率。负边缘光线106的入射角-α (在输入棱镜中) 用于公式O)。另外,对于双TIR棱镜必要的是γ >0和γ ( Θ,以从输入棱镜20的第一离开表面26输出第二偏振方向的接收光束100。如果未满足上述最后两个关系式,则公式(1)和( 无解。在一个具体实施例中,输入棱镜20的折射率等于楔形棱镜30的折射率。基于对Y的这些约束,可计算入射角和中央光线105的各个反射点的(Xl,Y1)坐标。中央光线105穿过进入表面22和间隙60并且在第一反射点(Xl,Y1)处入射到反射型偏振器50上。X1 = yitan θX1/ (Y2-Y1) = cotangent 2 θ合并公式(3)和(4)得出yitan( θ ) / (Y2-Y1) = cotangent 2 θ,(5)其可写成j2 = J1 [Ι+tan θ tan 2 θ ]。对于并非在双IlR棱镜10的进入表面22上的所有后续反射,在间隙60处在相对于进入表面22的角度γ下发生TIR。这些反射点的y位置的公式按下述方式计算y2+cotangent(90° _2 θ )χ3 = x3cotangent γ (7)其被写成y2+[tan 2 θ ] χ3 = x3cotangent γ(8)或者,X3 = y2/[cotangent y -tan 2 θ ]。(9)另外,y3 = X3Cotangent y。(10)合并公式(9)和(10)产生y3 = y2/[l-tan 2 θ tan γ ]。(11)对于各个后续ith反射,引入角度、。该角度、为从进入表面22传播至间隙60 的上一光线(并非当前光线)相对于水平线的角度。现在,使用与公式(3)-(11)相同的上述方法,y2i = y2i-! [1+tan ( γ ) tan ( α j+2 γ ) ] (12)
并且y2i+1 = y2i/[l-tan(a i+1+2 Y)tan(Y)]。(13)对于中央光线105,角度α 4和α5等于2 θ。公式(3)-(13)的计算仅适用于中央光线105,但也可计算边缘光线106和107, 因为它们在反射下相对于中央光线105的角度得到保持。为了调整针对边缘光线106(或 107)的计算,相对于中央光线105从角度+ Cii(或-Cii)加上(或减去)照明光锥角度,并且除中央光线105的Ji值之外确定边缘光线107(或106)的Ji值。通过输入光束100的 F/#以及输入棱镜20和楔形棱镜30的玻璃的折射率来确定照明光锥角度。基于对入射到双IlR棱镜10的每一个玻璃表面上的角度值的理解,设计反射型偏振器50的角度θ和双TIR棱镜10的角度γ。可为重要的是,选择双TIR棱镜10底部的第一离开表面的角度β,使得光不会以形成重影图像的方式返回成像器150。限制这些角度的范围的一些因素为双IlR棱镜第二离开表面44的所需高度H和双TIR棱镜10的容许厚度D。现在参照图1Α、1Β、4和5来描述双TIR棱镜的一个具体实施例。该实施例决非旨在限制双TIR棱镜的设计。典型的0.7英寸HTPS IXD成像器的成像面积为15.5mm 长X8. 7mm宽,并且照明的典型F/#为F/2. 3。基于对成像器150和双IlR棱镜10的某些间距的要求,可选择19mm的H尺寸。通常有利的是保持双TIR棱镜10的总厚度小于7mm, 因此选择6. 5mm的厚度D。随后利用这些尺寸来设计双IlR棱镜10。在如图IA和IB所示的双TIR棱镜10的该具体实施例中,第一角度(γ)为11.9度,第二角度(δ)为7度,第三角度(θ )为18. 9度,并且β为53度。输入棱镜20、楔形棱镜30和输出棱镜40的折射率为1.7,因为当间隙包括空气(折射率=1.0)时,η = 1.7提供良好范围的TIR。当设计双IlR棱镜时,可初始确定间隙相对于输入棱镜20的进入表面22的角度 Y。F/2. 3输入光束在下述角度范围上进入输入棱镜20 所述角度范围位于相对于空气中的水平线的+12. 25°至-12. 25° (图5中的士 α ’)。玻璃的折射率(S卩,1. 7)将减小这些角度。因此,边缘光线106和107在玻璃中的边缘角度士 α为±7.2°。如果d = 2. 5mm, 则间隙相对于竖直线的角度Y为11. 9°并且边缘光线106和107在4. 7°至19. 2°之间入射到间隙60。(由于假定间隙填充空气,则这些角度适当地在用于TIR的临界角之下, 对于折射率η= 1.7的材料而言临界角为36° )。因此,包括光线105-107(图5)的光束 100(图1A)基本上无反射地穿过间隙60,前提条件是在第一间隙表面M和第二间隙表面 32上存在抗反射涂层。中央光线105在第一反射点(Xl,yi)处入射到反射型偏振器50上。第二偏振方向(例如,S-偏振)的光束100基本上从第一反射点(XijY1)以18. 9° 反射,反射的第二偏振方向的光线105-107以范围内的角度入射到间隙60 上。在此示例性情况下,反射光线105-107的角度O θ 士0- Y )在33. 1°至18. 7°的范围内,该范围低于具有η = 1.7的这种玻璃的临界角。因此,反射光线105-107穿过间隙 60并且传播向输入棱镜20的进入表面22。边缘光线106-107相对于进入表面22的角度等于2Θ 士 α,该角度在该实施例中为30. 6°至45°。有利的是,所有光线均在进入表面 22上的该点(X2,y2)处发生全内反射。然而,在此示例性情况下,以30. 6°至36°的角度入射到进入表面22的光线未经历TIR。这并非为显著问题,因为非全内反射光线相对于水平线以59.9°至90°的角度发射。这些光线远远位于可被投影通过系统300的角度(图 4)的范围之外。即使透射光束照射到成像器150上,它们也将不会导致重影。它们也不导致反射型偏振器50的降解或加热。如图5所示,从进入表面22的点(x2,y2)反射的光线反向传播穿过输入棱镜20并且以角度2 γ入射到间隙60上,所述角度2 γ大于光线在从反射型偏振器50的第一反射点(Xl,Y1)进行第一反射之后穿过间隙60时的角度。因此,这些角度以(2Θ 士 α + γ)给定的角度入射到间隙60上。这些角度覆盖42.5°至56.9°的范围,所述范围内的全部角度均大于36°的临界角。因此,如图5所示,光线105-107均在间隙60经历TIR,由此避免反射型偏振器50的任何加热或光降解。随着这些光线继续传播穿过输入棱镜20,入射角度(相对于竖直的进入表面2 继续增加,因此对于后续入射光线均在进入表面22处发生 TIR0同样,随着这些光线沿输入棱镜20继续传播,入射角度(相对于间隙60)继续增加直至光线从第一离开表面26离开输入棱镜20。有利的是,没有光线从输入棱镜20的第一离开表面沈向上反射回双IlR棱镜10,因为向上传送回输入棱镜20的光线可导致重影图像。可利用上述公式来计算光线离开输入棱镜20的角度。角度β形成于第一离开表面沈和进入表面22之间。选择角度β以确保被全内反射的入射到第一离开表面沈上的任何光线均被反射至低于成像器150的图像区域的位置(图4)。同样,选择角度β以确保 IlR光线不反向反射到输入棱镜20内。另外可需要具有尽可能多的接近垂直入射角度(因此第一离开表面26上的抗反射涂层将为高度有效的)或掠入射(因此光在成像器位置下方离开进入表面22的底部)的离开光线。用于该具体设计的合适的第一离开表面沈的角度(相对于水平线55)为37°。因此,角度β为(90° -37° ) = 53°。表1示出了对于以随机入射角(a')入射到输入棱镜的输入表面上的光线而言若干反射点的坐标和这些反射点处的入射角之间的关系。在输入棱镜内部,入射角(a’)将变为内角(a)。表1的第一行示出了光线在从反射型偏振器50上的第一反射点(Xl,yi)反射之后透射穿过间隙的角度。表 权利要求
1.一种双全内反射(TIR)棱镜,包括输入棱镜,具有进入表面、第一间隙表面和第一离开表面;楔形棱镜,具有输出表面和第二间隙表面,所述第二间隙表面通过间隙与所述第一间隙表面间隔开;输出棱镜,具有输入表面和第二离开表面;以及反射型偏振器,设置在所述输出表面和所述输入表面之间,其中所述输入棱镜、所述楔形棱镜、所述反射型偏振器和所述输出棱镜被构造为将第一偏振方向的入射光束从所述进入表面传送至所述第二离开表面,并且将第二偏振方向的所述入射光束从所述进入表面传送至所述第一离开表面。
2.根据权利要求1所述的双IlR棱镜,其中所述第二间隙表面基本上平行于所述第一间隙表面,并且其中所述输出棱镜的所述第二离开表面基本上平行于所述输入棱镜的所述进入表面。
3.根据权利要求1所述的双IlR棱镜,其中所述间隙包括间隙材料,所述间隙材料的折射率低于所述输入棱镜和所述输出棱镜中的任一者的折射率。
4.根据权利要求3所述的双IlR棱镜,其中所述间隙材料为空气。
5.根据权利要求1所述的双IlR棱镜,其中所述反射型偏振器为粘附至所述输出表面或所述输入表面中的至少一者的多层光学膜。
6.根据权利要求1所述的双IlR棱镜,其中所述反射型偏振器包括线栅偏振器。
7.根据权利要求6所述的双IlR棱镜,还包括邻近所述线栅偏振器的第二间隙。
8.根据权利要求1所述的双TIR棱镜,其中所述进入表面和所述第一间隙表面以第一角度相交;所述输出表面和所述第二间隙表面以第二角度相交;所述输入表面和所述第二离开表面以第三角度相交;并且其中所述第一角度和所述第二角度的总和等于所述第三角度。
9.根据权利要求8所述的双IlR棱镜,其中所述输入棱镜、所述楔形棱镜和所述输出棱镜中的每一个具有等于1. 7的折射率;并且其中所述第一角度为11. 9度,所述第二角度为 7度,并且所述第三角度为18. 9度。
10.一种分离偏振光的方法,包括使来自输入棱镜的进入表面的第一偏振方向的光束透射穿过楔形棱镜、反射型偏振器和输出棱镜;使来自所述输入棱镜的进入表面的第二偏振方向的所述光束透射并且穿过所述楔形棱镜,以与所述反射型偏振器相交;从所述反射型偏振器反射所述第二偏振方向的光束;使所述第二偏振方向的光束透射穿过所述楔形棱镜和所述输入棱镜之间的间隙;以及通过所述输入棱镜的第一离开表面和所述进入表面中的一者输出所述第二偏振方向的光束。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述第二偏振方向的光束从所述输入棱镜的所述进入表面经历TIR至少一次。
12.根据权利要求10所述的方法,其中所述输入棱镜还包括邻近所述间隙的第一间隙表面,并且所述第二偏振方向的光束从所述第一间隙表面经历TIR至少一次。
13.一种投影系统,包括 双IlR棱镜,包括输入棱镜,具有进入表面、第一间隙表面和第一离开表面;楔形棱镜,具有输出表面和第二间隙表面,所述第二间隙表面通过间隙与所述第一间隙表面间隔开;输出棱镜,具有输入表面和第二离开表面;以及反射型偏振器,设置在所述输出表面和所述输入表面之间,其中所述输入棱镜、所述楔形棱镜、所述反射型偏振器和所述输出棱镜被构造为将第一偏振方向的入射光束从所述进入表面传送至所述第二离开表面,并且将第二偏振方向的所述入射光束从所述进入表面传送至所述第一离开表面;以及光源,设置为将所述入射光束透射至所述进入表面。
14.根据权利要求13所述的投影系统,还包括液晶面板,所述液晶面板设置为拦截所述入射光束,并且将具有所述第一偏振方向的像素化部分透射至投影透镜。
15.根据权利要求14所述的投影系统,其中所述液晶面板设置在所述光源和所述双 IlR棱镜之间。
16.根据权利要求14所述的投影系统,其中所述双IlR棱镜设置在所述光源和所述液晶面板之间。
17.根据权利要求14所述的投影系统,还包括第二双IlR棱镜,其中所述液晶面板设置在所述双IlR棱镜和所述第二双IlR棱镜之间。
18.一种投影系统,包括第一、第二和第三双IlR棱镜,其各自包括输入棱镜,具有进入表面、第一间隙表面和第一离开表面;楔形棱镜,具有输出表面和第二间隙表面,所述第二间隙表面通过间隙与所述第一间隙表面间隔开;输出棱镜,具有输入表面和第二离开表面;以及反射型偏振器,设置在所述输出表面和所述输入表面之间,其中所述输入棱镜、所述楔形棱镜、所述反射型偏振器和所述输出棱镜被构造为将第一偏振方向的入射光束从所述进入表面传送至所述第二离开表面,并且将第二偏振方向的所述入射光束从所述进入表面传送至所述第一离开表面;第一、第二和第三光源,设置为分别将第一、第二和第三入射光束发射至所述第一、所述第二和所述第三双IlR棱镜的进入表面;以及第一、第二和第三液晶面板,设置为分别拦截所述第一、所述第二和所述第三入射光束,并且将具有所述第一偏振方向的像素化部分透射至合色器,所述合色器设置为接收和组合第一、第二和第三颜色的所透射的像素化部分,并且将所组合的像素化部分引导至投影透镜。
19.根据权利要求18所述的投影系统,其中所述第一、第二和第三光源分别包括第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光。
20.根据权利要求19所述的投影系统,还包括与所述第一、第二和第三液晶面板相关联的第一、第二和第三光勻化器。
21.根据权利要求20所述的投影系统,还包括第一、第二和第三聚光透镜,所述第一、 第二和第三聚光透镜设置在相应的第一、第二和第三光勻化器与相应的第一、第二和第三双IlR棱镜之间。
22.一种投影系统,包括第一、第二、第三和第四双TIR棱镜,其各自包括 输入棱镜,具有进入表面、第一间隙表面和第一离开表面;楔形棱镜,具有输出表面和第二间隙表面,所述第二间隙表面通过间隙与所述第一间隙表面间隔开;输出棱镜,具有输入表面和第二离开表面;以及反射型偏振器,设置在所述输出表面和所述输入表面之间,其中所述输入棱镜、所述楔形棱镜、所述反射型偏振器和所述输出棱镜被构造为将第一偏振方向的入射光束从所述进入表面传送至所述第二离开表面,并且将第二偏振方向的所述入射光束从所述进入表面传送至所述第一离开表面;第一、第二、第三和第四光源,设置为将第一、第二、第三和第四入射光束分别发射至所述第一、所述第二、所述第三和所述第四双TIR棱镜的进入表面;第一、第二和第三液晶面板,设置为分别拦截所述第一、所述第二和所述第三入射光束,并且将具有所述第一偏振方向的像素化部分透射至第一合色器,所述第一合色器设置为接收第一、第二和第三颜色的所透射的像素化部分,并且将第一组合图像引导至第二合色器;第四液晶面板,设置为拦截所述第四入射光束,并且将具有所述第一偏振方向的像素化部分透射至所述第二合色器,所述第二合色器设置为接收所述像素化部分和所述第一组合图像,并且将第二组合图像引导至投影透镜。
23.根据权利要求22所述的投影系统,还包括与所述第一、第二、第三和第四液晶面板相关联的第一、第二、第三和第四光勻化器。
24.根据权利要求23所述的投影系统,其中各个光勻化器包括具有矩形横截面轮廓的锥形中空杆。
25.根据权利要求23所述的投影系统,其中各个光勻化器包括直实心杆、直中空杆、锥形中空杆、锥形实心杆、蝇眼积分器和小透镜阵列中的一者。
26.根据权利要求25所述的投影系统,还包括至少一个聚光透镜,所述至少一个聚光透镜设置在所述光勻化器中的相应一者和所述双IlR棱镜中的相关联的一者之间。
27.一种从包括双IlR棱镜的光学系统投影光的方法,所述方法包括 将光从至少一个光源引导至至少一个双IlR棱镜;将第一偏振方向的光从所述至少一个双IlR棱镜透射至投影透镜;以及从所述至少一个双TIR棱镜的第一离开表面输出第二偏振方向的光。
28.根据权利要求27所述的方法,其中将光从至少一个光源引导至至少一个双TIR棱镜包括将光从至少一个光源引导至至少一个液晶面板中的相关联的一者;以及将具有所述第一偏振方向的像素化部分从所述液晶面板透射至所述双IlR棱镜。
29.根据权利要求27所述的方法,还包括将所述第一偏振方向的光从所述至少一个双IlR棱镜引导至相关联的液晶面板;以及将所述第一偏振方向的像素化部分从所述液晶面板透射至所述投影透镜。
30.根据权利要求四所述的方法,其中所述至少一个双IlR棱镜为第一双IlR棱镜,其中将所述第一偏振方向的像素化部分从所述液晶面板透射至所述投影透镜进一步包括将所述第一偏振方向的光的像素化部分从所述液晶面板引导至第二双TIR棱镜;将所述第一偏振方向的光的像素化部分从所述第二双IlR棱镜透射至所述投影透镜。
31.一种双IlR棱镜,包括输入棱镜,具有进入表面、第一间隙表面和第一离开表面,在所述进入表面和所述第一间隙表面之间形成有角度;玻璃板,具有输出表面和第二间隙表面,所述第二间隙表面与所述第一间隙表面间隔开,并且基本上平行于所述第一间隙表面,其中在所述第一和第二间隙表面之间形成间隙;输出棱镜,具有输入表面和第二离开表面,所述第二离开表面基本上平行于所述进入表面;以及反射型偏振器,设置在所述输出表面和所述输入表面之间,其中所述输入棱镜、所述玻璃板、所述反射型偏振器和所述输出棱镜被构造为在所述进入表面处接收光束,将第一偏振方向的所接收光束从所述第二离开表面传送至透射型液晶装置,并且从所述输入棱镜的所述第一离开表面输出第二偏振方向的所接收光束。
32.根据权利要求31所述的双IlR棱镜,其中所述输入棱镜、所述玻璃板和所述输出棱镜的折射率为1. 4,并且所述角度为18度。
33.根据权利要求32所述的双TIR棱镜,其中所述间隙包括空气。
全文摘要
本发明公开了一种双TIR棱镜,其具有输入棱镜、楔形棱镜、输出棱镜和反射型偏振器。所述双TIR棱镜被构造为在进入表面处接收光束、从第二离开表面传送所述第一偏振方向的接收光束、并且从所述输入棱镜的第一离开表面输出所述第二偏振方向的接收光束。
文档编号G02B5/30GK102576153SQ201080046564
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月9日 优先权日2009年8月17日
发明者查尔斯·L·布鲁泽 申请人:3M创新有限公司

最新回复(0)