棱镜、投影装置和光学部件的制作方法

专利名称：棱镜、投影装置和光学部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种棱镜，其根据波长或偏振光分量分离来自光源的照明光，本发明还涉及一种投影装置，其利用反射型光学调制元件调制从光源发射的照明光，并用透镜将光投影为放大的尺寸，以及在该棱镜和投影装置中使用的光学部件。
背景技术：
为在大尺寸屏幕上进行显示，已知的一种投影装置，其中从灯发出的照明光投射到显示有与输入画面信号相应的图案的液晶板上，且其中照明光被液晶板调制并反射，以用投影透镜投影为放大的尺寸。
在这种投影装置中，在光路中设置有用于分离向前和返回光路的偏振分束器(PBSpolarizedbeam splitter)，使朝向液晶板的照明光的光路与被液晶板调制的反射光的光路不是同一光路。如图1所示，在PBS 200中，一对作为基底的直角棱镜202接合在一起，以在其间夹持一介电多层膜201。另外，在PBS 200中，介电多层膜201形成为根据不同波长或光偏振方向具有不同反射率和透射率的值，其被用作根据波长或光偏振方向分离光束的分束器。
PBS 200可被分成介电多层膜201根据偏振光分量分离光束的McNeill型，和根据波长分离光束的分色型。
在McNeill型或分色型PBS中，是利用多层介电膜的干涉，其性能取决于基底折射率以及层状介电材料的组合情况，因此，该性能超不过一定限制。在这种PBS中，在宽的入射角范围内保持P偏振光与S偏振光之间的分离特性非常困难。所以，如果将这种PBS用于(入射)大角度分布，即具有小F值的光学系统中时，光分离特性以及光利用率都将下降。
为解决这一问题，可使用图2所示的平板形衍射栅PBS 210。在衍射栅PBS 210中，衍射栅(例如铝制的)212被设置在玻璃基底211上。借助这个衍射栅212，光根据偏振成份被分离。但是，如果该栅被用作分束器，则衍射栅PBS 210必须相对主光束倾斜地设置，于是，当衍射栅PBS插入光路时会产生像散像差。
在McNeill或分色棱镜的情况下，由于棱镜中的温度上升或由于支撑机制，会使棱镜中发生变形，于是基底内的衍射分布变得不均匀、从而使通过基底的光产生相位差，进而部分地降低消光率。在使用这种棱镜的投影装置中，在投影图像中会出现所谓的黑点，于是不能得到清晰的投影图像。
因此，作为棱镜基底，必需选择具有低光学弹性模量和不易变形的棱镜材料。然而，低光学弹性模量材料的价格昂贵，所以使用低光学弹性模量材料的棱镜或使用该棱镜的投影装置也很昂贵。换句话说，用光学弹性模量较高的廉价玻璃材料制作高性能的棱镜是极端困难的。

发明内容
鉴于现有技术的上述状况，本发明的目的是提供一个能抑制像散像差(astigmatic aberration)且在基底中具有均匀分布的弹性模量的棱镜或光学部件，以及使用这种棱镜或光学部件的投影装置。
一方面，本发明提供一种棱镜，该棱镜根据入射光的偏振光分量而透射或反射该入射光，该棱镜包括由金属形成的基本呈格栅形的衍射栅；一对其间夹持所述衍射栅的衍射栅基底；粘接层，设置在每个衍射栅基底的面对所述衍射栅的每个表面上；以及，一对块部件，通过所述粘接层固定到所述成对的衍射栅基底中的每一个上；其中，具有与所述块部件的折射率大致相同的折射率的介质被填充到限定在所述衍射栅与所述成对的栅基底间的间隙中。
在本发明的棱镜中，衍射栅被夹在一对块部件之间，从而抑制成像光学系统中的像散像差。入射光可根据偏振光的成份被透射或反射，这样在宽的入射角范围内可保持最佳偏振光分离特性。
另一方面，本发明提供一种投影装置，该投影装置包括一光源，用于发射照明光；一聚光透镜，用于收集从所述光源发射的照明光；一棱镜，用于根据来自所述聚光透镜的光的偏振光分量透射或反射来自所述聚光透镜的光；一光学调制元件，用于调制由所述棱镜透射或反射的照明光，并用于反射该调制光；以及，一投影透镜，用于将被所述棱镜反射或透射并被所述光学调制元件调制的反射光放大并投影；其中，所述棱镜包括由金属形成的基本呈格栅形的衍射栅；一对其间夹持所述衍射栅的衍射栅基底；粘接层，设置在每个衍射栅基底的面对所述衍射栅的每个表面上；一对块部件，通过所述粘接层固定到所述成对的衍射栅基底中的每一个上；以及，具有与所述块部件的折射率大致相同的折射率的介质，所述介质被填充到限定在所述衍射栅与所述与所述成对的栅基底间的间隙中。
在本发明的投影装置中，当被光学调制元件调制的反射光穿过棱镜或被棱镜反射时，反射光的图像可被投影，同时该反射光被最佳地分离成偏振光分量，这样就会防止发生像散像差。
再一方面，本发明提供一种光学部件，在该光学部件内，预定偏振状态的光被透射和发射，其中，多个具有抛光至镜面光洁度的表面的板形部件利用软型粘接剂的插入层叠在一起。
在本发明的这个光学部件中，多个板形件利用软型粘接剂的插入层叠在一起，因此可消除应变产生的内应力，以保持折射率呈常数分布，从而有助于光在不影响偏振状态的情况下被透射。
另一方面，本发明提供一种棱镜，该棱镜包括光分离层，设置在平板形基底上，并具有根据偏振光分量透射或反射光的性能；一对粘接层，位于设置有所述光分离层的所述平板形基底的两个表面上；以及，一对块部件，通过其间的所述粘接层夹持所述光分离层；其中，每个块部件是多个具有抛光成镜面光洁度的表面的平板形部件，所述平板形部件与其间的软型粘接剂交替叠置。
在该棱镜中，光分离层被由软型粘接层接在一起的多个板形件组成的块部件夹持，入射光可根据偏振光分量被透射或反射，同时，由于消除了像散，入射光发射时不破坏原偏振状态。
再一方面，本发明提供一种投影装置，该投影装置包括一光源，用于发射照明光；一聚光透镜，用于收集从所述光源发射的照明光；一棱镜，用于根据来自所述聚光透镜的光的偏振光分量透射或反射该来自所述聚光透镜的光；一光学调制元件，用于调制由所述棱镜透射或反射的该照明光，并反射该调制光；以及，一投影透镜，用于将被所述棱镜反射或透射并被所述光学调制元件调制的反射光放大并投影，其中，所述棱镜包括光分离层，设置在平板形基底上，并具有根据偏振光分量透射或反射光的性能；一对粘接层，位于设置有所述光分离层的所述平板形基底的两个表面上；以及，一对块部件，通过其间的所述粘接层夹持所述光分离层；其中，每个块部件是多个具有抛光成镜面光洁度的表面的平板形部件，所述平板形部件与其间的软型粘接剂交替叠置。
在本发明的投影装置中，光学调制元件调制的光被调制和反射时，反射光可被最佳地分成相应的偏振光分量，而图像在消除像散像差的状态下被投影装置透镜投影。
在本发明的棱镜中，光束可在宽的入射角范围被最佳地分离，同时即使棱镜在成像光学系统中使用时，也可抑制像散像差。由于良好的分离特性，使得不利用高折射率基底即可实现所需的棱镜特性，因此与使用介电多层膜的PBS相比，可在相同成本下实现良好的特性。由于不需要使用高折射率基底，所以能减小成本和重量。由于形成所需特性的构成元件的不同材料的组合有高自由度，本发明的棱镜可用于各种光学系统。
由于软型粘接剂设置在栅基底与棱镜基底之间，所以能够抑制内应力和光学变形。另外，由于棱镜基底由板形部件与软型粘接剂光学地组合在一起而构成，所以还可进一步减小内应力和光学变形。
在使用本棱镜的投影装置中，分离特性能在高NA值下保持，于是可产生高对比度的明亮图像，同时可改善光利用效率。由于使用本发明的棱镜可抑制成像光学系统中的像散像差，因此可以投影明亮的图像。此外，使用本发明的棱镜还可降低装置的成本和总重量。
由于该棱镜有助于减小光学变形，所以可抑制投影图像中的黑点和热应力引起的其其变形，并减小因入射到棱镜上的光量增加而产生的其它热作用，这样可增加从光源发射的光量，从而提高投影图像的亮度。
本发明的光学部件可被分成多个板形部件，软型粘接剂可添加在分界面区域。由此，施加到分界面区域的应力可被粘接层减轻，从而抑制可能的光学变形。


图1表示常规PBS的结构；图2表示常规衍射栅PBS的结构；图3表示本发明投影装置的结构；图4表示本发明棱镜的结构；
图5表示本发明投影装置的另一种结构；图6表示本发明光学部件的结构；图7表示具有分层结构的直角棱镜的本发明棱镜的结构；图8表示具有分层结构的直角棱镜的本发明棱镜的另一种结构；图9表示本发明投影装置的另一种结构；图10表示本发明投影装置的又一种结构；以及图11表示本发明投影装置的再一种结构。
具体实施例方式
下面结合附图具体说明根据本发明的投影装置的优选实施例。
如图3所示，本发明的投影装置10包括灯11，用作发射照明光的光源；从灯11起，沿光路依次设置主聚光透镜12、场镜13、预偏振板14、衍射棱镜15、反射型液晶板16和投影透镜17。
灯11包括发光元件11a，用于发射白光；以及，反射器11b，用于反射由发光元件11a发射的光。对于灯11的发光元件11a，可使用高压水银灯、卤素灯、金属卤素灯或氙灯。对于灯11的反射器11b可使用凹面反射镜。这种镜面优选具有高视野效率(high perimetrical efficiency)的镜表面。例如，该反射器是诸如抛物旋转面或球形旋转面的对称的旋转面。
主聚光透镜12由凸透镜构成，用于汇聚从灯11发射的照明光。
场镜13由凸透镜构成，其设置用于汇聚穿过主聚光透镜12的照明光，使该照明光的光束被反射型液晶板调制并通过投影透镜17输出。
预偏振板14是一个仅透射从场镜13穿过的照明光中具有预定偏振成份，例如S偏振成份，的偏振板。
衍射棱镜15用于透射或反射穿过预偏振板14的照明光，并根据穿过预偏振板14的偏振光分量进行分离。例如，衍射棱镜15透射P偏振光，同时在相对光路倾斜45°的反射板15a上反射S偏振光，以使光的行进方向偏转90°。
在衍射棱镜15中，穿过预偏振板14的光被分成穿过衍射棱镜15并径直向前行进的光，和在反射面15a上反射且其行进方向偏转90°的光。
投影装置10包括沿在衍射棱镜15的反射面15a上反射的照明光的行进方向上的反射型液晶板16。
反射型液晶板16被提供以图形信号以根据输入其中的图形信号显示图形。当提供作为入射光的照明光时，反射型液晶板16调制并反射这一照明光。反射型液晶板16是其中封闭有液晶分子的液晶板，并能逐像素地对光进行调制。
对于衍射棱镜15，被反射型液晶板16调制的反射光穿过反射面15a径直向前行进。
投影装置10还包括投影透镜17，位于沿着穿过衍射棱镜15的反射面15a并被反射型液晶板16调制的反射光的行进方向上。
投影透镜17是用于将穿过衍射棱镜15的反射面15a且被反射型液晶板16调制的反射光以放大的尺寸投影的透镜。该投影透镜17将图像投影在屏幕上(未示出)。
下面说明衍射棱镜15的结构。
参看图4，衍射棱镜15包括衍射栅21，用于衍射入射光；一对衍射栅基底22，设置在衍射栅21的两侧；以及，一对棱镜基底24，接合到衍射栅基底22的经粘接层23面对衍射栅21的表面。
衍射栅21由诸如铝的金属构成，并在成对的衍射栅基底22之间基本形成格栅。衍射栅21的材料不必须是铝，根据光学系统的类型，也可以是其它材料。
衍射栅基底22由例如玻璃的薄平板构成，并设置在衍射栅21的两侧。
粘接层23是软型粘接剂，可以是例如具有类橡胶特性的UV粘接剂或是具有类橡胶特性的硅粘接剂。粘接层23设置在衍射栅基底22的表面上，该表面面向衍射栅基底22的衍射栅21。
棱镜基底24由玻璃态材料形成，如只具有低双折射特性的石英，或由Shot公司制造的诸如SF57的玻璃态材料。每个棱镜基底24是基本为方柱形的所谓直角棱镜。在这个实施例中，棱镜基底24由直角三角形底的柱构成，三角形两条边的相互成直角，成对的衍射栅基底22设置在沿每个块部件的横向表面倾斜的位置，该块部件以所述三角形除去所述两条边以外的一条边为侧面。
在衍射栅21与衍射栅基底22之间的间隙中填充衍射栅介质25，用以光学地连接(耦合)衍射栅21与衍射栅基底22。如果不在衍射栅21与衍射栅基底22之间的间隙中填充衍射栅介质25，则这个间隙将成为空气隙，由于界面上空气与衍射栅基底22之间的折射率的不同将使空气隙产生反射，这将显著地降低分离特性。
衍射栅基底22和衍射栅介质25被设计和制造成具有与棱镜基底24基本相同的折射率。棱镜基底24与衍射栅基底22之间的界面设有借助粘接层23进行粘接的光学接合(耦合)区。即，制作光学接合的衍射栅21，布置由金属制成的衍射栅21的间隔和高度，使之适合衍射栅介质25和衍射栅基底22的特性，从而得到预定的偏振光分离特性。
在这个衍射棱镜15中，当非偏振光入射其上时，由于上述的各个界面被光学接合，所以光入射到衍射栅21而不产生内部反射。在衍射棱镜15的衍射作用下，S偏振光在反射面15a上被反射，而P偏振光穿过反射面15a，从而P偏振光和S偏振光可被最佳化地的相互分离。
由于衍射棱镜15由衍射栅21和衍射栅基底22构成，并被布置使得在宽的入射角范围具有最佳分离特性的衍射栅PBS经粘接层23被棱镜24夹持，于是可在宽的入射角范围内得到好的分离特性，同时即使将衍射棱镜15使用在成像光学系统中也可消除像散像差。
在衍射棱镜15中，由于诸如衍射栅基底22、衍射栅介质25或棱镜基底24的各个部件的材料可很方便地选择和组合，因此衍射棱镜15能够用于各种光学系统且易于达到所需的性能。
此外，由于衍射棱镜15的分离特性在宽的入射角范围下是很好的，所以利用具有高品质玻璃态，即为具有不很高的折射率的材料基底，就可得到所需的特性，这样与使用介电多层膜的PBS相比，在相同的成本下，可得到相同的性能。另外，由于具有高折射率的玻璃态材料具有大的比重，所以即使只稍微减小折射率就可降低衍射棱镜15的重量。
另外，由于软型粘接层23设置在衍射栅基底22与棱镜基底24之间，所以能减小衍射棱镜15中产生的应力，从而减小光学变形。
下面，主要结合图示的从灯11发射的照明光的光路，说明上述投影装置10的各种部件的操作。
从灯11发射的照明光作为非偏振光入射到主聚光透镜12上。
入射到主聚光透镜12的照明光被聚集并导向场镜13，在场镜13处被聚集并导向预偏振板14。
导向预偏振板14的照明光，只有例如S偏振光分量被透射并导向衍射棱镜15。
导向预偏振板14的照明光是S偏振光，因此不需要的P偏振光穿过反射表面15a径直向前行进，而S偏振光被反射表面15a反射，且其行进方向改变90°。即，照明光被衍射棱镜15的反射表面15a反射并落在反射型液晶板16上。
被导向反射型液晶板16的照明光为S偏振光，其被反射型液晶板16调制并反射，使该照明光行进方向改变180°，该反射型液晶板16上显示有与图像信号对应的图形。此时，P偏振光产生并返回到衍射棱镜15。
返回到衍射棱镜15的来自反射型液晶板16的反射光由P偏振光和作为不需要的OFF光的S偏振光组成。P偏振光穿过衍射棱镜15的反射表面15a并被导向投影透镜17，而S偏振光被反射表面15a反射，且由于其行进方向改变改变90°而返回灯11。
从灯11发射的照明光被衍射棱镜15导向反射型液晶板16，并被其调制和反射。由反射型液晶板16调制和反射的光被导向投影透镜17，并由其以放大的尺寸投影在屏幕上。
对使用具有衍射栅21的衍射棱镜15的上述投影装置10而言，偏振光分离特性对光入射角的依赖可被减小，有助于在高NA值下可保持分离特性。另外，可投影出具有良好对比度的图像，并可改善光利用率从而有助于投影出明亮的图像。
另外，对于使用衍射棱镜15的投影装置10，可抑制在仅使用常规平板形衍射栅PBS的成像光学系统中产生的像散像差，从而有助于投影出明亮的图像。
投影装置10用的轻便衍射棱镜15制备成本低廉，可以减小成本及整个装置的重量。
在使用能减小光学变形的衍射棱镜15的投影装置10中，可抑制投影图像中的黑点。
下面说明图5所示的本发明的另一个投影装置30。
投影装置30包括用作发射照明光的光源的灯31。另外，从灯31起沿光路的前进的方向，投影装置30包括主聚光透镜32、场镜33、预偏振板34和衍射棱镜35。
灯31适于产生白光。灯31包括发光元件31a，用于产生白光；以及，反射器31b，用于反射由发光元件31a发射的光。对于发光元件31a，可采用例如高压水银灯、卤素灯、金属卤化物灯、或氙灯。优选地，具有能够实现高视野效率的形状的反射镜表面的凹面反射镜被用作灯31的反射器31b。例如，该反射器是诸如抛物旋转面或球形旋转面的对称旋转面。
主聚光透镜32由凸透镜构成，用于汇聚灯31发射的照明光。
场镜13由凸透镜构成，用于收集穿过主聚光透镜32的照明光。
预偏振板34是只允许穿过场镜33的照明光中的预定偏振成份(例如S偏振光)穿过的偏振元件。所使用的该偏振元件可以是PBS。
衍射棱镜35根据偏振成份透射或反射照明光、来分离穿过预偏振板34的照明光。衍射棱镜35例如用于透射P偏振光，并借助相对光路倾斜45°的反射表面35a反射S偏振光，以使其行进方向偏转90°。
衍射棱镜35将穿过预偏振板34的照明光分离成穿过衍射棱镜35而径直向前行进的光和被反射表面35a反射而以90°改变行进方向的光。
投影装置30还包括沿被衍射棱镜35的反射表面35a所反射的照明光的方向设置的反射型液晶板36。
被提供以图像信号而显示与该图像信号对应的图案的反射型液晶板36调制入射到其上的照明光，并反射该调制光。反射型液晶板36是在其中密封有液晶分子的液晶板，用于逐像素地调制光。
在衍射棱镜35中，被反射型液晶板36调制的反射光穿过反射表面35a径直向前行进。
投影装置30包括位于穿过衍射棱镜35的反射表面35a、并被反射型液晶板36调制的反射光行进方向中的投影透镜37。
投影透镜37为用于放大和投影穿过衍射棱镜35的反射表面35a，并被反射型液晶板36调制的反射光，并将图像投影到屏幕上(未示出)。
包括衍射棱镜35在内的上述光学部件易因光源光的加热，以及这些部件被固定或接合到装置上时的支持力或粘接力所引起的应力而产生光学变形。
通过将光学部件40分成多个平板部件41，并用软型粘接层42将平板部件41叠置在一起则可解决这个问题(如图6所示)。
即，光学部件40包括多个平板部件41和将这些平板部件接合在一起的软型粘接层42。平板部件41具有表面抛光的表面，且由与光学部件40类似的材料构成。粘接层42可以是例如类橡胶UV粘接剂或类橡胶硅粘接剂。
在上述光学部件40中，平板部件41和粘接层42在其们的边界区域光学地接合在一起，因而可看作一个部件。
光学部件40具有分成多个平板部件41的组成部件，并将软型粘接层42设置在其界面区，以利用粘接层42消除施加给界面区的应力，从而抑制光学变形。即，可降低整个光学部件40的光弹性常数。换言之，可如上所述地通过将具有高光弹性常数的部件分成多个平板部件41而制成具有低光弹性常数的光学部件40。
于是，通过将光学部件分成多个平板部件以减轻预定光学部件的应力，并通过接合平板部件的界面区，使施加到界面区的应力可被粘接剂减轻，从而避免光学变形。因此，即使穿过光学部件的光路中的入射光被例如偏振光分离层分成例如S偏振光或P偏振光，该光也能在偏振光的方向不受因光学变形而产生的干扰的影响下透射和发射。
另外，如果三角形或方形的光学部件被分成多个具有渐变截面形状的平板部件，并且用软型粘接层将这些平板部件叠置在一起，即，如果由软型粘接剂的插入而叠置在一起的两个表面的形状不同，而该叠置表面与另一邻近的平板部件的叠置表面的形状相同，则在不同尺寸的各个平板中因温度变化而产生的应力可以被软型粘接剂吸收。
在这个投影装置30中，这一技术被用于衍射棱镜35。
下面说明衍射棱镜35的结构。
参看图7，衍射棱镜35包括衍射栅51；一对衍射栅基底52，用于将衍射栅51夹在其间；一对棱镜基底54，被以粘接层53接合到面向衍射栅51的衍射栅基底52的表面。
衍射栅51由诸如铝的金属构成，并具有位于成对的衍射栅基底52之间的基本呈格栅的形状。构成衍射栅51的金属材料可根据所使用光学系统的种类采用铝之外的金属材料。
每个衍射栅基底52是例如玻璃的薄板，并将衍射栅51夹在其间。
粘接层53是诸如类橡胶UV粘接剂或类橡胶硅粘接剂的软型粘接剂。粘接剂53设置在衍射栅基底52的面向衍射栅51的每个表面上。
每个棱镜基底54是基本呈方角锥的所谓直角棱镜。
每个棱镜基底54由多个均抛光成镜面的平板部件55构成。用软型粘接剂56将多个平板部件55光学地组合在一起。
软型粘接剂56由诸如类橡胶UV粘接剂或类橡胶硅粘接剂的软型粘接剂构成。
在本实施例中，每个三棱镜基底54被分成多个方形平板部件55的平板部件。至少一个平板部件55具有两个不同形状的叠置表面，并用软型粘接层56与相邻平板部件55的相同形状的叠置表面接合在一起。这些不同形状的平板部件55叠置在一起形成整体上具有三棱镜基底54形状的每个棱镜基底54。每个棱镜基底54作为单独的棱镜工作，其中，平板部件55与软型粘接层56之间的边界面被光学地相互接合。
对于构成的棱镜基底54的多个平板部件55，衍射栅基底52的粘接层53与软型粘接层56彼此平行地设置，使衍射栅基底52和平板部件55能够通过粘接层53最佳地组合在一起，并使得衍射栅基底52和平板部件55的各个表面相互面对。
在衍射栅51与衍射栅基底52之间的间隙中填充衍射栅介质57。如果未在衍射栅51与衍射栅基底52之间的间隙中填充衍射栅介质57，则这个间隙变为空气间隙，于是因界面处折射率不同，在衍射栅51与衍射栅基底52之间的界面上会产生反射，这将明显地降低分离性能。
应当注意，设计和构造衍射栅基底52和衍射栅介质57，使其具有与棱镜基底54基本相同的折射率，同时借助粘接层53使棱镜基底54与衍射栅基底52在其界面区光学地组合在一起。
在衍射棱镜35中，全部界面如上所述光学地组合在一起，入射在其上的非偏振光不发生内反射地到达衍射栅51，于是，在衍射栅51的衍射作用下，S偏振光在反射表面35a上反射，而P偏振光穿过反射表面35a。这就将非偏振光分成P偏振光和S偏振光。
衍射棱镜35由衍射栅51和衍射栅基底52构成，在宽的入射角范围下具有优良分离特性的衍射栅PBS经粘接层53被棱镜基底54夹持。于是，衍射棱镜35在宽的入射角范围具有良好分离特性、并在将该棱镜用于光学系统时能够抑制像散像差。
此外，具有在宽的入射角范围的良好分离特性的衍射棱镜35中，即使用由高品质玻璃态材料构成的基底，即不具有很高折射率的基底，也可实现所需的性能，因此，与利用介电多层膜的PBS相比，可比的性能可在更低的成本下实现。另外，由于具有高折射率的玻璃态材料通常具有大的比重，所以采用低比重玻璃态材料可以减小衍射棱镜35的重量。
另外，各个部件材料的组合的高自由度使得所需性能可由衍射棱镜35方便地实现，因此衍射棱镜35能方便地用于各种光学系统。
另外，在衍射棱镜35中，由于软型粘接层53设置在衍射栅基底52与棱镜基底54之间，所以可减小衍射棱镜35中产生的应力，进而有助于减小光学变形。
在衍射棱镜35中，棱镜基底54设置在多个板形部件55之间，所以可进一步减小衍射棱镜35中产生的应力，进而减小光学变形。
下面主要沿着从灯31发射的照明光的光路，说明上述投影装置30的各种部件的操作。
从灯31发射的照明光作为非偏振光落在主聚光透镜32上。
入射到主聚光透镜32的照明光被汇聚并被导向场镜33，该光被场镜33收集并被导向预偏振板34。
被导向预偏振板34的照明光只有例如S偏振光分量被透射，并被导向衍射棱镜35。
被导向衍射棱镜35的照明光是S偏振光，因此，不需要的P偏振光穿过反射表面35a径直向前行进，而S偏振光被反射表面35a反射，且其行进方向改变90°。即，照明光被衍射棱镜35的反射表面35a反射，并落在反射型液晶板36上。
被导向反射型液晶板36的照明光是S偏振光，其被反射型液晶板36调制并反射，在反射型液晶板36上显示与图像信号对应的图案，该S偏振光的行进方向被改变180°。此时，P偏振光产生并返回到衍射棱镜35。
来自反射型液晶板36并返回到衍射棱镜35的反射光是由P偏振光和S偏振光(不需要的OFF光)组成。P偏振光穿过衍射棱镜35的反射表面35a，并被导向投影透镜17，而S偏振光被反射表面35a反射，并将其行进方向改变90°而返回到灯31。
于是，从灯31发射的照明光被衍射棱镜35导向反射型液晶板36进而被反射和调制。被反射型液晶板36调制的该反射光被导向投影透镜37，从而以放大的尺寸显示在例如屏幕上。
对于采用具有衍射栅51的衍射棱镜35的上述投影装置30，可保持高NA值下的分离特性，因而可投影出高对比度的图像，同时可改善光利用效率，从而投影出明亮的图像。
另外，对于采用衍射棱镜35的上述投影装置30，在仅使用传统平板形衍射栅PBS的成像光学系统中产生的像散像差可被抑制，从而有助于投影出清楚的图像。
对于使用可低成本制作的衍射棱镜35的投影装置30，装置的整个成本可降低。
对于设置有能减小光学变形的衍射棱镜35的投影装置30，可以抑制投影图像中的黑点。
对于设置有能减小重量的衍射棱镜35的投影装置30，可以减小装置的总重量。
对于设置有能抑制由热应力引起其它变形和进而由增加入射光量所产生的热效应的衍射棱镜35的投影装置30，可改善投影图像的亮度。
同时，在上述的衍射棱镜35中，棱镜基底54的平板部件55的叠置方向可如图8所示地进行设置。然而，该叠置方向不限于图7或8所示的设置，该设置可根据可能使用的特定光学系统而优化。
本发明还可应用于使用多个衍射棱镜15和/或衍射棱镜35的用于投影彩色图像的投影装置。
下面，首先说明图9所示的根据本发明的用于投影彩色图像的投影装置60。
投影装置60包括作为发射照明光的光源的灯61。另外，投影装置60从灯61起沿光路行进方向包括蝇眼积分器62、PS转换合成元件63、主聚光透镜64、场镜65、预偏振板66、第一G偏振转相元件67和入射PBS 68。
灯61根据显示彩色图像的需要、用于发射包含三原色光，即红、绿、兰光波段的白光。这个灯61包括发光元件61a，用于产生白光；以及，反射器61b，用于反射发光元件61a所发射的光。所使用的发光元件61a包括高压水银灯、卤素灯、金属卤化物灯或氙灯。灯61的反射器61b使用凹面反射镜。这种反射镜优选具有高的视野效率。例如，该反射器是诸如抛物旋转面或球形旋转面的对称旋转的类型。
为了使从灯61发射的照明光如下文所述地照亮液晶板的有效区，设计并设置蝇眼积分器62，以使照明光束的形状与液晶板有效区的形状相一致，从而提供均匀的亮度分布。这个也称作多透镜阵列的蝇眼积分器62由每组为由多个小凸透镜构成的一阵列的两组形成。阵列中向着灯61的一个62a收集来自灯61的照明光以形成小光源点，而阵列中的另一个62b将从各个光源点发射的照明光组合。
为了有效利用来自灯61的照明光，PS转换合成元件63将照明光的偏振光分量整理。PS转换合成元件63由λ/2板或偏振分束器组成，并用于将P偏振光转成S偏振光。具体地，PS转换合成元件63能够透射入射照明光的S偏振光，而将P偏振光转换成S偏振光输出，于是，全部照明光可转换成S偏振光。
主聚光透镜64是凸透镜，用于收集穿过PS转换合成元件63的照明光。
场镜65是凸透镜，用于收集穿过主聚光透镜64的照明光。
预偏振板66只透射穿过场镜65的预设偏振光分量。具体地，预偏振板66用于透射S偏振光。
第一G偏振转相元件67层式相位差薄膜，其被优化以将场镜65收集的照明光绿波段的偏振平面即绿光成份转相90°，并传送此转相光，同时传送其其波段，即红和兰成份，并且不改变这些光成份的偏振状态。
入射PBS 68借助透射和反射根据偏振光分量将穿过第一G偏振转相元件67的照明光的各个偏振光分量分离。入射PBS 68的结构基本上与前述的衍射棱镜15或35相同，并用于透射例如P偏振光、而借助相对光路倾斜45°的反射表面68a反射S偏振光以使其行进方向偏转90°。
入射PBS 68将穿过第一G偏振转相元件67的照明光分离成穿过入射PBS 68而径直向前行进的光，和被反射表面68a反射而以90°改变行进方向的光。
投影装置60沿穿过入射PBS 68的照明光的方向设置有G-PBS 69。
G-PBS 69根据穿过入射PBS 68的反射表面68a的照明光的偏振光分量、透射或反射该照明光。G-PBS 69的结构与前述衍射棱镜15或35相似，其透射例如P偏振光使其径直向前行进，同时利用相对光路倾斜45°的反射表面69a反射S偏振光以使其行进方向偏转90°。
G-PBS 69透射穿过入射PBS 68的照明光。
投影装置60沿穿过G-PBS 69的光的行进方向还包括第一液晶板70。
将图像信号中彼此分开的三原色光中的绿光图像信号提供到第一液晶板70，第一液晶板70显示与所提供的绿光图像信号对应的图案。当绿光入射到第一液晶板70时，第一液晶板70调制该光并反射该调制光。第一液晶板70是其内密封有液晶分子的显示板，并能逐像素地调制光。
G-PBS 69用反射表面69a反射被第一液晶板70调制和反射的光，以使其行进方向偏转90°。
投影装置60沿被入射PBS 68的反射表面68a所反射的照明光光路的行进方向还包括第一R偏振光转相元件71和RB-PBS 72。
第一R偏振光转相元件71是相位差薄膜，其被优化以将预定波段，即由PBS 68的反射表面68a所反射的照明光中的预定彩色成份的偏振平面转相90°，并透射此转相光，同时透射其它波段的光，并使其偏振状态保持不变。由于绿色成份已经被入射PBS 68透射和分离，所以第一R偏振光转相元件71只转相被表面68a以90°反射的兰和红色成份中的红色照明光，并透射此转相光，同时透射剩余波段的照明光、即兰色光且不改变其偏振状态。
RB-PBS 72根据穿过第一R偏振光转相元件71的照明光偏振光分量，用透射或反射分离穿过第一R偏振光转相元件71的照明光。RB-PBS 72的结构与衍射棱镜15或35相似，并能透射P偏振光而使其径直向前行进，同时用相对光路倾斜45°的反射表面72a反射S偏振光并使其行进方向偏转90°。
RB-PBS 72将穿过第一R偏振光转相元件71的照明光和被下文所述液晶板反射和调制的光分离为穿过RB-PBS 72并径直向前行进的光和被反射表面72a反射从而以90°改变其行进方向的光。
投影装置60包括沿穿过RB-PBS 72的照明光的行进方向的第二液晶板73、和沿由RB-PBS 72的反射表面72a反射的照明光的行进方向的第三液晶板74。
将图像信号中彼此分开的三原色光中的红光图像信号提供到第二液晶板73，第二液晶板73显示与所提供的红光图像信号对应的图案。当红光入射到第二液晶板73时，第二液晶板调制该光并反射该调制光。第二液晶板73是其内密封有液晶分子的显示板，并能逐像素地调制光。
将图像信号中彼此分开的三原色光中的兰光图像信号提供到第三液晶板74，第三液晶板74显示与所提供的兰光图像信号对应的图案。当兰光入射到第三液晶板74时，第三液晶板调制该光并反射该调制光。第三液晶板74是其内密封有液晶分子的显示板，并能逐像素地调制光。
在RB-PBS 72中，由第二液晶板73调制和反射的光被反射表面72a反射，并从而以90°改变其行进方向，而第三液晶板74调制和反射的光径直向前穿过RB-PBS 72。
沿着被RB-PBS 72的反射表面72a反射的并被第二液晶板73调制的光、以及穿过RB-PBS 72并被第三液晶板74调制的光的光路方向，投影装置60还包括第二R偏振光转相元件75。
第二R偏振光转相元件75是相位差膜，其被优化以转相被RB-PBS 72的反射表面72a反射的并被第二液晶板73调制的光、以及穿过RB-PBS 72并被第三液晶板74调制的光的预定波段，即预定彩色成份，的偏振平面，并透射此转相光，同时透射其它波段，并使其偏振状态保持不变。由于绿色成份已经被入射PBS 68透射和分离，所以第二R偏振光转相元件75只转相被入射PBS 68以90°反射的兰和红色成份中的红色照明光，并透射此转相光，同时透射剩余波段的照明光，即兰色光，且不改变其偏振状态。
沿着被G-PBS 69的反射表面69a所反射的和被第一液晶板70调制的光的行进方向、以及沿着穿过第二R偏振光转相元件75并被第二液晶板73调制的光和传到第三液晶板74的反射光的行进方向，投影装置60还包括发射PBS 76。
发射PBS 76用于通过偏振光分量的透射或反射，组合被G-PBS 69的反射表面69a反射的光，穿过第二R偏振光转相元件75且被第二液晶板73调制的光、以及被第三液晶板74反射和调制的光。发射PBS 76的结构与衍射棱镜15或35相似，并用于透射P偏振光，同时利用相对光路倾斜45°的反射表面76a反射S偏振光而使其行进方向偏转90°。
发射PBS 76用于以其反射表面76a反射被G-PBS 69的反射表面69a反射并被第一液晶板70调制的光，同时透射穿过第二R偏振光放置元件75并被第二液晶板73调制的光和被第三液晶板74反射和调制的光，以使光径直向前行进，从而在同一方向输出光束。
沿着被发射PBS 76的反射表面76a反射的光、穿过发射PBS 76并被第二液晶板73调制的光及被第三液晶板74反射并调制的光的光路前进方向，投影装置60还包括第二G偏振转相元件77、一发射偏振板和投影透镜78。
第二G偏振转相元件77是相位差薄膜，其被优化以转相被发射PBS 76的反射表面76a反射的光、穿过PBS 76并被第二液晶板73调制的光和被第三液晶板74反射和调制的光中的绿波段，即绿色成份的偏振平面，同时透射其它波段，即红和兰色成份，使其偏振状态保持不变。
发射偏振板78只透射穿过第二G偏振转相元件77并被第一液晶板70调制、被第二液晶板73反射和调制以及被第三液晶板74反射和调制的光的预定偏振光分量，且只用于透射P偏振光分量。
投影透镜79是将穿过发射偏振板78并被第一液晶板70调制的反射光、被第二液晶板73调制的反射光以及被第三液晶板74调制的反射光放大并投影的透镜，并将图像投影到屏幕上(未示出)。
下面，主要沿从灯61发射的照明光的光路说明上述投影装置60各部件的操作。
从灯61发射的照明光包含作为三原色的红、绿和兰波段，其被作为非偏振光导向蝇眼积分器62。
蝇眼积分器62使到向蝇眼积分器62的照明光以均匀的亮度分布入射到PS转换合成元件63。
入射到PS转换合成元件63上的照明光中的S偏振光径直穿过PS转换合成元件63、而其中的P偏振光被转换成S偏振光。于是，光作为全S偏振光入射到达主聚光透镜64。
入射到主聚光透镜64的照明光被主聚光透镜收集，而后导向场镜65和预偏振板66。
入射到预偏振板66的照明光被进一步整理其偏振光分量，并作为S偏振光被导向第一G偏振转相元件67。
入射到第一G偏振转相元件67的照明光只有绿波段的偏振平面转相90°，于是这个波段被整理为P偏振光，并透射而被导向入射PBS 68。红和兰波段成份作为S偏振光而透射并被导向入射PBS 68。
被导向入射PBS 68的照明光是绿波长范围和红波长范围的P偏振光。只有P偏振光被透射并直接穿过入射PBS 68的反射表面68a，而S偏振光被反射表面68a反射并改变其行进方向。即，绿波长范围的照明光穿过入射PBS 68直接到达G-PBS 69，而红和兰波长范围的照明光被入射PBS 68的反射表面68a反射，而以90°改变其行进方向而到达第一R偏振光转相元件71。
下面说明被入射PBS 68分离、穿过入射PBS 68并被导向G-PBS 69的照明光的绿波长范围的光的光路。
被导向G-PBS 69的照明光是绿波长范围的P偏振光，并且直接穿过G-PBS 69而到达第一液晶板70。
被导向第一液晶板70的照明光是绿波长范围的P偏振光，并被第一液晶板70调制和反射，而使其行进方向改变180°，在第一液晶板70上已显示与绿图像信号对应的图案。此时，S偏振光产生并返回到G-PBS 69。
来自第一液晶板70并返回到衍射棱镜15的反射光由S偏振光和作为不需要的OFF光的P偏振光构成。S偏振光被反射表面69a反射，并在其行进方向改变90°，而被导向发射PBS 76，而P偏振光穿过反射表面69a返回到灯61。
来自第一液晶板70并导向发射PBS 76的反射光是绿波长范围的S偏振光。此S偏振光被发射PBS 76的反射表面76a反射而改变其行进方向。此反射光被导向第二G偏振转相元件77。
来自第一液晶板70并导向发射PBS 76的反射光是绿波长范围的S偏振光，该其绿波长范围的偏振平面被第二G偏振转相元件77转相90°，并被整理成P偏振光。此P偏振光被导向发射偏振板78。
来自第一液晶板70并被导向发射偏振板78的反射光是绿波长范围的P偏振光，其偏振光分量被发射偏振板78整理成P偏振光，并以此状态导向投影透镜79。
下面说明被入射PBS 68分离，并在入射PBS 68的反射表面68a上反射以使其沿转相90°的光路行进的红和兰波长范围的照明光的光路。
被导向第一R偏振光转相元件71的照明光是红和兰波长范围的S偏振光。只有红波长范围的偏振平面被第一R偏振光转相元件71转相90°而产生导向RB-PBS 72的P偏振光。
被导向RB-PBS 72的照明光是红波长范围的P偏振光和兰波长范围的S偏振光。兰波长范围的P偏振光穿过RB-PBS 72的反射表面72a到达第二液晶板73，而兰波长范围的S偏振光被RB-PBS 72的反射表面72a反射到达第三液晶板74。
被导向第二液晶板73的照明光是红波长范围的P偏振光，其被在其上显示有与红图像信号对应的图案的第二液晶板73反射和调制。此反射光的行进方向被改变180°。期间产生的S偏振光返回到RB-PBS 72。
被导向第三液晶板74的照明光是兰波长范围的S偏振光，其被其上显示有与红图像信号对应的图案的第三液晶板74反射和调制。此反射光的行进方向被改变180°。期间产生的P偏振光返回到RB-PBS 72。
来自第二液晶板73并返回到RB-PBS 72的反射光是红波长范围的S偏振光和作为不需要的OFF光的P偏振光。该P偏振光被RB-PBS 72的反射表面72a反射，其行进方向改变90°，并到达第二R偏振光转相元件75。来自第三液晶板74并返回到RB-PBS 72的反射光是兰波长范围的P偏振光和作为不需要的OFF光的S偏振光。该S偏振光被RB-PBS 72的反射表面72a反射，穿过RB-PBS 72的反射表面72a，并被导向第二偏振光转相元件75。
来自第二液晶板73并被导向第二R偏振光转相元件75的反射光是红波长范围的S偏振光。此S偏振光的偏振平面被第二R偏振光转相元件75转相90°，以便整理成P偏振光。此P偏振光被导向发射PBS 76。来自第三液晶板74并被导向第二R偏振转相元件75的反射光是兰波长范围的P偏振光。此P偏振光穿过第二R偏振转相元件75并发送到发射PBS 76。
来自第二液晶板73并被导向发射PBS 76的反射光是红波长范围的P偏振光，其穿过发射PBS 76的反射表面76a直接到达第二G偏振转相元件77。来自第三液晶板74并被导向发射PBS 76的反射光是蓝波长范围的P偏振光，其径直穿过发射PBS 76的反射表面76a到达第二G偏振转相元件77。
来自第二液晶板73并被导向发射PBS 76的反射光是红波长范围的P偏振光，其穿过发射PBS 76的反射表面76a直接到达发射偏振板78。来自第三液晶板74并被导向第二G偏振转相元件77的反射光是兰波长范围的P偏振光，其穿过发射PBS 76的反射表面76a直接到达发射偏振板78。
来自第二液晶板73并被导向发射偏振板78的反射光是红波长范围的P偏振光，其偏振光分量被发射偏振板78整理成P偏振光。该P偏振光穿过发射偏振板78并导向投影透镜79。来自第三液晶板74并被导向发射偏振板78的反射光是兰波长范围的P偏振光，其偏振光分量被发射偏振板78整理成P偏振光。该P偏振光穿过发射偏振板78并导向投影透镜79。
于是，被入射PBS 68和RB-PBS 72分离成三个光路的各个波长范围的光作为照明光入射到适于相应波长的液晶板上，以便被相应液晶板调制和反射。被相应液晶板调制的反射光被发射PBS 76组合并从那里发送至投影透镜79以放大地投影到例如屏幕上。
采用衍射棱镜15或35作为入射PBS 68、G-PBS 69、R-PBS 72或作为发射PBS 76，使用投影装置60可得到与使用投影装置10或30可比的良好效果。
下面说明图10所示的根据本发明的用于投影彩色图像的投影装置80。
投影装置80包括用作发射照明光的光源的灯81。另外，投影装置80包括蝇眼积分器82，PS转换合成元件83，主聚光透镜84和十字交叉分色镜(cross-cross-dichroic mirror)85。
灯81根据所显示彩色图像的需要用于发射包含三原色光，即红、绿和兰波长范围的光的白光。灯81包括发光元件81a，用于产生白光；以及，反射器81b，用于反射发光元件81a发射的光。可使用的发光元件81a包括高压水银灯、卤素灯、金属卤化物灯或氙灯。灯81的反射器81b采用凹面反射镜。这种反射镜优选具有高的视野效率。例如，该反射器是诸如抛物旋转面或球形旋转面的对称旋转的类型。
为了使从灯81发射的照明光如下文所述地照亮液晶板的有效区，设计并设置蝇眼积分器82，以使照明光束的形状与液晶板有效区的形状相一致，从而提供均匀的亮度分布。这个也称作多透镜阵列的蝇眼积分器82由每组包括由多个小尺寸凸透镜构成的一阵列的两组形成。阵列中向着灯81的一个82a收集灯81发射的照明光以形成小光源点，而阵列中的另一个82b将从各个光源点发射的照明光组合。
为了有效利用从灯81发射的照明光，PS转换合成元件83将照明光的偏振光分量整理。PS转换合成元件83由λ/2板或偏振分束器组成，并将例如P偏振光转换成S偏振光。具体地，PS转换合成元件83能够透射照明光的S偏振光，而将P偏振光转换成S偏振光输出，于是，全部照明光可转换成S偏振光。
主聚光透镜84是凸透镜，用于收集穿过PS转换合成元件83的照明光。
十字交叉分色镜85被设计并构造成可根据由主聚光透镜84收集的照明光的波长范围，将由主聚光透镜84收集的照明光通过相对光路倾斜45°且彼此成直角的反射表面85a或85b的反射所分离。十字交叉分色镜85由例如介电多层膜构成并设计并构造使得兰波长范围的光被相对光路倾斜45°的反射表面85a反射，使其行进方向改变90°，并使红和绿波长范围的光被相对光路倾斜45°的反射表面85b反射、而使其行进方向改变90°。
在十字交叉分色镜85中，由主聚光透镜84收集的照明光被分成由十字交叉分色镜85的反射表面85a反射而改变其行进方向90°的光、和被十字交叉分色镜85的反射表面85b反射而改变其行进方向90°的光。
投影装置80在沿着被十字交叉分色镜85的反射表面85a所反射的照明光的行进方向上还包括第一平面反射镜86，第一场镜87、B-PBS 88和第一液晶板89。
第一平面反射镜86是用于反射入射光的平面反射镜，其相对于被十字交叉分色镜85的反射表面85a反射的照明光的行进方向倾斜45°。
第一场镜87是用于收集被第一平面反射镜86反射到第一液晶板89上的照明光的凸透镜。
B-PBS 88设计为根据偏振光分量利用透射或反射分离穿过第一场镜87的照明光。B-PBS 88构造为与上述的衍射棱镜15或35相似、其透射P偏振光使其径直向前行进，并用在相对光路倾斜45°的反射表面88a反射S偏振光而使其行进方向改变90°。
第一液晶板89被提供以来自被分离成三原色的图像信号中的兰图像信号并显示与该兰图像信号对应的图案。该第一液晶板可调制和反射入射到其上的照明光。第一液晶板89具有密封在其中的液晶分子，且能逐像素地调制光。
B-PBS 88将穿过第一场镜87的光和被第一液晶板89调制并反射的照明光分离成穿过B-PBS 88并从那里径直向前行进的光，以及被反射表面88a反射而改变其行进方向90°的光。
投影装置80沿着被十字交叉分色镜85的反射表面85b反射的照明光的行进方向还包括第二平面反射镜90和分色镜91。
第二平面反射镜90是用于反射入射光，并相对被十字分色镜85的反射表面85b所反射照明光的行进方向倾斜45°设置的平面反射镜。
分色镜91相对被第二平面反射镜90反射的照明光的光路倾斜45°设置，其根据波段进行透射或反射以分离被第二平面反射镜90反射的照明光。分色镜91由例如介电多层膜构成，其用于在相对光路倾斜45°的反射表面91a反射绿波长范围的光，而使红波长范围的光透射并径直向前行进。
投影装置80沿着穿过分色镜91的照明光的光路还包括第二场镜92，R-PBS 93和第二液晶板94。
第二场镜92是用于收集穿过分色镜91到达第二液晶板94上的照明光的凸透镜。
R-PBS 93用于根据照明光的偏振光分量分离穿过第二场镜92的照明光。此R-PBS 93的结构与上述衍射棱镜15或35相似、其透射P偏振光使其径直向前行进、同时在相对光路倾斜45°的反射表面93a上反射S偏振光而使其行进方向改变90°。
第二液晶板94被提供以来自被分离成三原色的图像信号中的红图像信号并显示与该红图像信号对应的图案。该第一液晶板调制和反射入射到其上的照明光。这个第二液晶板94是具有密封在其中的液晶分子的液晶板，且能逐像素地调制光。
R-PBS 93将穿过第二场镜92的照明光和被第二液晶板94调制和反射的光分离成穿过B-PBS 93并从其径直向前行进的光，和被反射表面93a反射而改变其行进方向90°的光。
投影装置80沿着被分色镜91反射的照明光的前进的光路，还包括第三场镜95、G-PBS 96和第三液晶板97。
第三场镜95是用于收集在分色镜91上反射至第三液晶板97的照明光的凸透镜。
G-PBS 96用于根据照明光的偏振光分量通过透射或反射分离穿过第三场镜95的照明光。G-PBS 96的结构与上述衍射棱镜15或35相似，其透射P偏振光使其径直向前行进，同时在相对光路倾斜45°的反射表面96a上反射S偏振光而使其行进方向改变90°。
第三液晶板97被提供以来自被分离成三原色的图像信号中的绿图像信号并显示与该绿图像信号对应的图案。该第三液晶板调制和反射入射到其上的照明光。第三液晶板97是具有密封在其中的液晶分子的液晶板，且能逐像素地调制光。
G-PBS 96将穿过第三场镜95的照明光和被第三液晶板97调制和反射的照明光分离成穿过G-PBS 96并从其径直向前行进的光，和被反射表面96a反射而改变其行进方向90°的光。
沿穿过R-PBS 88并被第一液晶板89调制的反射光，穿过R-PBS 93并被第二液晶板94调制的反射光及穿过G-PBS 96并被第三液晶板97调制的反射光的行进方向，投影装置80还包括合成棱镜98。
合成棱镜98用于根据波长范围通过透射或反射，合成穿过R-PBS 88并被第一液晶板89调制的反射光、穿过R-PBS 93并被第二液晶板94调制的反射光以及穿过G-PBS 96并被第三液晶板97调制的反射光。合成棱镜98包括被棱镜夹持的介电多层膜而使相应薄膜表面相互交错。例如，合成棱镜98用相对光路倾斜45°的反射表面98a反射兰波长范围的光，其行进方向偏转90°，同时用相对光路倾斜45°的反射表面98b反射红波长范围的光而使其行进方向偏转90°，并使透射的红波长范围的光径直向前行进。
合成棱镜98在其反射表面98a上反射穿过R-PBS 88并被第一液晶板89调制的反射光，使其行进方向偏转90°，同时在其反射表面98b上反射穿过R-PBS 93并被第二液晶板94调制的反射光，并使其行进方向偏转90°，同时还透射穿过G-PBS 96的并被第三液晶板97调制的反射光，以使其径直向前行进，于是，可在相同的方向上输出第一状态反射光至第三状态反射光。
沿被合成棱镜98的反射表面98a反射并被第一液晶板89调制的反射光，被合成棱镜98的反射表面98b反射并被第二液晶板94调制的反射光、以及穿过合成棱镜98并被第三液晶板97调制的反射光的行进方向，投影装置80还包括投影透镜99。
投影透镜99是凸透镜，用于放大并投影被合成棱镜98的反射表面98a反射并被第一液晶板89调制的反射光、被合成棱镜98的反射表面98b反射并被第二液晶板94调制的反射光、以及穿过合成棱镜98并被第三液晶板97调制的反射光。该投影透镜将放大的图像投影到屏幕上(未示出)。
现在，沿着从灯81发射的照明光的光路说明的上述投影装置80的操作。
从灯81发射的照明光包含三原色光的波段，即红、绿和兰光的该照明光作为非偏振光被导向蝇眼积分器82。
被导向蝇眼积分器82的照明光穿过蝇眼积分器82，且其亮度分布被蝇眼积分器82均匀化，而后入射到PS转换合成元件83上。
入射到PS转换合成元件83的照明光的S偏振光直接透射，而其P偏振光被转换成S偏振光。于是，该光作为全S偏振光入射到主聚光透镜84。
入射到主聚光透镜84上的照明光被主聚光透镜84收集并入射到十字分色镜85。
入射到十字分色镜85的照明光是包含红、绿和兰波段的S偏振光。其中，兰波段的光被反射表面85a反射而以90°偏转其行进方向，而绿波段的光被反射表面85b反射而以90°偏转其行进方向。应注意，兰波段的照明光与红和绿波段的照明光相分离，而使彼此间的行进方向相差180°，兰波段的照明光和红绿波长范围照明光分别被导向第一和第二平面反射镜86和90。
下面说明在被十字分色镜85分离的照明光中被十字分色镜85的反射表面85a反射并从那里发送到第一平面反射镜86的兰波段的照明光的光路。
被导向第一平面反射镜86的照明光是兰波长范围的S偏振光，其被第一平面反射镜86反射并从那里发送到第一场镜87。
被导向第一场镜87的照明光是兰波长范围的S偏振光，其被第一场镜87收集并被第一场镜87发送到第一液晶板89，以向B-PBS 88发送。
被导向B-PBS 88的照明光是兰波长范围的S偏振光，其被B-PBS 88的反射表面88a反射，并被发送到第一液晶板89。
被导向第一液晶板89的照明光是兰波长范围的S偏振光，其被其上显示有与兰图像信号对应的图案的第一液晶板89反射和调制，使其行进方向偏转180°。此时产生的P偏振光返回到B-PBS 88。
来自第一液晶板89并返回到B-PBS 88的反射光是兰波长范围的P偏振光和作为OFF光的S偏振光。该P偏振光穿过B-PBS 88的反射表面88a并发送到合成棱镜98，而S偏振光被反射表面88a反射并改变其行进方向90°而返回到第一场镜87。
被导向合成棱镜98并被第一液晶板89调制的反射光被合成棱镜98的反射表面98a反射，其行进方向改变90°而导向投影透镜99。
下面说明在被十字分色镜85分离的照明光中，被十字分色镜85的反射表面85b反射并从那里被发送到第一平面反射镜86的红和绿波段的照明光的光路。
被导向第二平面反射镜90的照明光是红和绿波段的S偏振光，其被第二平面反射镜90反射并从那里发送到分色镜91。
被导向分色镜91的照明光是红和绿波段的S偏振光。红波段的光穿过分色镜91并从那里发送到第二场镜92，而绿波段的光被分色镜91反射并从那里导向第三场镜95。
下面说明穿过十字分色镜85并从那里发送到第二场镜92的红波段照明光的光路。
被导向第二场镜92的照明光是红波的S偏振光，其被第二场镜92收集至第二液晶板94，以发送到R-PBS 93。
被导向R-PBS 93的照明光是红波段的S偏振光，其被R-PBS 93的反射表面93a反射并偏转其行进方向90°，以被导向第二液晶板94。
被导向第二液晶板94的照明光是红波段的S偏振光，其被其上显示与红图像信号对应的图案的第二液晶板94调制和反射，使其行进方向偏转180°。此时产生的P偏振光返回到R-PBS 93。
来自第二液晶板94并返回到B-PBS 93的反射光是红波长范围的P偏振光和作为OFF光的S偏振光。该P偏振光穿过B-PBS 93的反射表面93a并从那里发送到合成棱镜98，而S偏振光被反射表面93a反射并从而改变其行进方向90°以返回到场镜92。
被导向合成棱镜98并被第二液晶板94调制的反射光被合成棱镜98的反射表面98a将其行进方向改变90°而导向投影透镜99。
下面说明在被分色镜91分离的照明光中，被分色镜91反射并从那里被发送到第三场镜95的绿波段照明光的光路。
被导向第三场镜92的照明光是绿波段的S偏振光，其被第三场镜92收集至第三液晶板97，以发送到G-PBS 96。
被导向G-PBS 96的照明光是绿波段的S偏振光，其被G-PBS 96的反射表面96a反射，以使其行进方向偏转90°，而被传送至第三液晶板97。
被导向第三液晶板97的照明光是绿波段的S偏振光，其被其上显示与绿图像信号对应的图案的第三液晶板97调制和反射，而使其行进方向偏转180°。此时产生的P偏振光返回到G-PBS 96。
来自第三液晶板97并返回到G-PBS 96的反射光是绿波长范围的P偏振光和作为OFF光的S偏振光。该P偏振光穿过G-PBS 96的反射表面96a并从那里发送到合成棱镜98，而S偏振光被反射表面96a反射并改变其行进方向90°以返回到场镜95。
被导向合成棱镜98并被第三液晶板97调制的反射光透射合成棱镜98，以径直向前行进至投影透镜99。
于是，被十字分色镜85和分色镜91分离成三个光路的各个波段的光入射到与作为照明光的各个波段匹配的液晶板，以便被相应液晶板调制和反射。被相应液晶板调制的反射光被合成棱镜98合成并导向投影透镜99，以投影到例如屏幕上。
将上述衍射棱镜15或35用于入射PBS 68、G-PBS 69、RB-PBS 72和发射PBS 76中的每一个，使用投影装置60可以得到与使用投影装置10或30时相似的良好效果。
另外，通过将上述衍射棱镜15或35用于B-PBS 88、R-PBS 93和G-PBS 96中的每一个，使用投影装置80可以得到与使用投影装置10或30时相似的良好效果。
下面说明图11所示的根据本发明的用于投影彩色图像的投影装置100。
投影装置100包括用作发射照明光的光源的灯101。投影装置100还包括蝇眼积分器102，PS转换合成元件103，主聚光透镜104，场镜105和PBS 106。
灯101根据所显示彩色图像的需要用于发射包含三原色波段，即红、绿和兰光的白光。灯101包括发光元件101a，用于产生白光；以及，反射器101b，用于反射发光元件101a发射的光。可使用的发光元件101a包括高压水银灯、卤素灯、金属卤化物灯或氙灯。灯101的反射器101b可使用凹面反射镜。这种反射镜优选具有高的视野效率。例如，该反射器是诸如抛物旋转面或球形旋转面的对称旋转的类型。
为了使从灯101发射的照明光如下文所述地照亮液晶板的有效区，设计并构造蝇眼积分器102，以使照明光束的形状与液晶板有效区的形状相一致，从而提供均匀的亮度分布。这个也称作多透镜阵列的蝇眼积分器102由每组包括由多个小凸透镜构成的一阵列的两组形成。阵列中朝向灯101的一个102a收集灯101发射的照明光以形成小光源点，而阵列中的另一个102b把从各个光源点发射的照明光组合。
为了有效利用来自灯101的照明光，PS转换合成元件103将照明光的偏振光分量整理。PS转换合成元件103由λ/2板或偏振分束器组成，并把例如P偏振光转换成S偏振光。具体地，PS转换合成元件103能够透射入射照明光的S偏振光，而将P偏振光转换成S偏振光输出，于是，全部照明光可转换成S偏振光。
主聚光透镜104是凸透镜，用于收集穿过PS转换合成元件103的照明光。
场镜105是一个凸透镜，用于进一步收集被主聚光透镜104收集至下文所述的三个液晶板上的照明光。这些收集透镜不限于凸透镜。例如，主聚光透镜104的功能也可通过依据多透镜阵列102a的透镜元件调整蝇眼积分器102的多透镜阵列102b的透镜元件而实现。
PBS 106用于根据照明光的偏振光分量通过透射或反射来分离穿过场镜105的照明光。PBS 106的结构与上述衍射棱镜15或35相似，其透射P偏振光使其径直向前行进，同时在相对光路倾斜45°的反射表面106a上反射S偏振光而使其行进方向改变90°。
沿着被PBS 106的反射表面106a反射的照明光的行进方向，投影装置100还包括分离与合成棱镜107。
分离与合成棱镜107根据照明光的波长范围，通过相对光路倾斜45°且彼此以直角相交的反射表面107a和107b的反射或透射而分离由PBS 106的反射表面106a反射的照明光。分离与合成棱镜107包括被棱镜夹持的介电多层膜而使各个膜表面相互交错。例如，分离与合成棱镜由相对光路倾斜45°的反射表面107a反射兰波长范围的光，以使其行进方向偏转90°，同时透射绿波段的光而使其径直向前行进，并由相对光路倾斜45°的反射表面107b反射红波长范围的光，以使其行进方向偏转90°。
投影装置100还包括沿着被分离与合成棱镜107的反射表面107a反射的照明光的行进方向的第一液晶板108，沿着穿过分离与合成棱镜107的反射表面107b的照明光的行进方向的第二液晶板109，以及沿着被分离与合成棱镜107的反射表面107b反射的照明光的行进方向的第三液晶板110。
将分离成三原色的图像信号中的兰图像信号提供到第一液晶板108，且第一液晶板108显示与所提供的兰光图像信号对应的图案。第一液晶板调制并反射入射到其上的照明光。第一液晶板108是其内密封有液晶分子的液晶板，并能逐像素地调制光。
将分离成三原色的图像信号中的绿图像信号提供到第二液晶板109，且第二液晶板109显示与所提供的绿光图像信号对应的图案。第二液晶板调制并反射入射到其上的照明光。第二液晶板109是其内密封有液晶分子的液晶板，并能逐像素地调制光。
将分离成三原色的图像信号中的红图像信号提供到第三液晶板110，且第三液晶板110显示与所提供的红光图像信号对应的图案。第三液晶板调制并反射入射到其上的照明光。第三液晶板110是其内密封有液晶分子的液晶板，并能逐像素地调制光。
分离与合成棱镜107将穿过场镜105并被第一至第三液晶板108至110反射的照明光分离成穿过分离与合成棱镜107径直向前行进的光，和被反射表面107a和107b反射以将其行进方向偏转90°的光。
被第一至第三液晶反射板108至110调制和反射的光穿过PBS 106径直向前行进。
沿着穿过PBS 106的反射表面106a并被第一液晶板108调制的反射光、穿过PBS 106的反射表面106a并被第二液晶板109调制的反射光、以及穿过PBS 106的反射表面106a并被第三液晶板110调制的反射光的行进方向，投影装置100还包括的投影透镜111。
投影透镜111是将穿过PBS 106的反射表面106a并被第一液晶板108调制的、穿过PBS 106的反射表面106a并被第二液晶板109调制的、以及穿过PBS 106的反射表面106a并被第三液晶板110调制的反射光放大并投影的透镜，并将图像投影到屏幕上(未示出)。
下面，沿着从灯101发射的照明光的光路说明上述投影装置100的操作。
来自灯101的照明光包含三原色光的波段，即红、绿和兰，并作为非偏振光被导向蝇眼积分器102。
被导向蝇眼积分器102的照明光穿过蝇眼积分器103其亮度分布被蝇眼积分器102均匀化，以入射到PS转换合成元件103。
入射到PS转换合成元件103的照明光的S偏振光直接透射，而其P偏振光被转换成S偏振光。于是，该光作为全S偏振光入射到主聚光透镜104。
入射到主聚光透镜104的照明光被主聚光透镜104收集并入射到场镜105。
导向场镜105的照明光被导向PBS 106，以便被场镜105收集至第一至第三液晶板108至110。
被导向PBS 106的照明光是包含红、绿和兰全部波段的S偏振光，并被PBS 106的反射表面106a反射而偏转行进方向90°，从而到达分离与合成棱镜107。
入射到分离与合成棱镜107的照明光是包含红、绿和兰全部波段的S偏振光。其中，兰波段被反射表面107a反射而偏转行进方向90°，从而到达第一液晶板108，而绿波段穿过反射表面107a和107b径直向前行进以到达第二液晶板109，红波段被反射表面107b反射而偏转行进方向90°，从而到达第三液晶板110。兰波长范围照明光与红波长范围照明光分离，使得其行进方向彼此相差180°。
在被分离与合成棱镜107分离的照明光中，被分离与合成棱镜107的反射表面107a反射并从那里发送至第一液晶板108的照明光是兰波长范围的S偏振光，其被其上显示有与兰图像信号对应的图案的第一液晶板108调制和反射，并使其行进方向偏转180°。此时，P偏振光产生并返回到分离与合成棱镜107。在被分离与合成棱镜107分离的照明光中，穿过分离与合成棱镜107的反射表面107a和107b并从那里发送至第二液晶板109的照明光是绿波长范围的S偏振光，其被其上显示有与绿图像信号对应的图案的第二液晶板109调制和反射，并使其行进方向偏转180°。此时，P偏振光产生并返回到分离与合成棱镜107。
在被分离与合成棱镜107分离的照明光中，被分离与合成棱镜107的反射表面107b反射并从那里发送至第三液晶板110的照明光是红波长范围的S偏振光，其被其上显示与红图像信号对应的图案的第三液晶板110调制和反射，并使其行进方向偏转180°。此时，P偏振光产生并返回到分离与合成棱镜107。
来自第一液晶板108并返回到分离与合成棱镜107的反射光是兰波长范围的P偏振光和作为OFF光的S偏振光。该反射光在反射表面107a反射而使其行进方向偏转90°，从而返回到PBS 106。
来自第二液晶板109并返回到分离与合成棱镜107的反射光是绿波长范围的P偏振光和作为OFF光的S偏振光。该反射光穿过反射表面107a，从而返回到PBS 106。
来自第三液晶板110并返回到分离与合成棱镜107的反射光是红波长范围的P偏振光和作为OFF光的S偏振光。该反射光在反射表面107b反射而使其行进方向偏转90°，从而返回到PBS 106。
来自第一液晶板108并返回到PBS 106的反射光是兰波长范围的P偏振光和作为OFF光的S偏振光。该P偏振光穿过PBS 106的反射表面106a而从那里到达投影透镜111，而作为OFF光的S偏振光被PBS 106的反射表面106a反射并改变其行进方向90°而返回到灯101。
来自第二液晶板109并返回到PBS 106的反射光是绿波长范围的P偏振光和作为OFF光的S偏振光。该P偏振光穿过PBS 106的反射表面106a而从那里到达投影透镜111，而作为OFF光的S偏振光在PBS 106的反射表面106a上反射并改变其行进方向90°而返回到灯101。
来自第三液晶板110并返回到PBS 106的反射光是红波长范围的P偏振光和作为OFF光的S偏振光。该P偏振光穿过PBS 106的反射表面106a而从那里到达投影透镜111，而作为OFF光的S偏振光在PBS 106的反射表面106a上反射并改变其行进方向90°而返回到灯101。
于是，入射到液晶板上的各个波段的光被分离与合成棱镜107分离成三个光路的光，作为照明光入射到与各个波段相匹配的液晶板，以被相应的液晶板调制和反射。被相应液晶板调制的反射光被分离与合成棱镜107合成并导向投影透镜111，进而投影到例如屏幕上。
通过将上述衍射棱镜15或35用于PBS 106，使用投影装置100可以得到与使用投影装置10或30相似的良好效果。
虽然液晶板被用作光调制器件，但这是非限定性的，任何能够对偏振状态进行空间调制的适宜器件均可使用。
本发明还可在板形透明基底上形成能根据波长成份透射或反射照明光的光分离层，以取代图7和8所示的衍射栅基底51或52，并形成利用软型粘接层56接合在一起的多个平板形部件55构成的棱镜基底54。当然，也可不插入板形透明部件而直接在预定平板形部件上形成光分离层。
权利要求
1.一种用于根据入射光的偏振光分量透射或反射入射光的棱镜，包括由金属形成的基本呈格栅形的衍射栅；一对其间夹持所述衍射栅的衍射栅基底；粘接层，设置在每个衍射栅基底的面对所述衍射栅的每个表面上；以及一对块部件，通过所述粘接层固定到所述成对的衍射栅基底中的每一个上；其中具有与所述块部件的折射率大致相同的折射率的介质被填充到限定在所述衍射栅与所述成对的栅基底间的间隙中。
2.如权利要求1所述的棱镜，其中，所述粘接层为软型。
3.如权利要求1所述的棱镜，其中，每个块部件是具有三角形截面的底的柱体，该三角形的两条边基本上相互垂直，每个成对的衍射栅基底布置在沿着以所述三角形除去所述两条边以外的一条边作为一侧面的每个块部件的横向表面的倾斜位置上。
4.如权利要求1所述的棱镜，其中，每个块部件为多个具有抛光成镜面光洁度的表面的平板形部件，所述平板形部件与其间用于光学地连接该块部件的软型粘接剂交替叠置。
5.如权利要求4所述的棱镜，其中，至少一个构成所述块部件的平板形部件具有两个被所述粘接剂叠置的不同形状的叠置表面，且与所述不同形状的叠置表面中的一个相邻的其它平板形部件的叠置表面具有与所述的一个叠置表面相同的形状。
6.如权利要求5所述的棱镜，其中，每个块部件是具有三角形截面的底的柱体，该三角形的两条边基本上相互垂直，以及，其中所述多个平板形部件与间插的所述软型粘接剂交替叠置，使所述衍射栅基底的所述叠置表面的接合表面与所述叠置表面平行。
7.一种投影装置，包括一光源，用于发射照明光；一聚光透镜，用于收集从所述光源发射的照明光；一棱镜，用于根据来自所述聚光透镜的光的偏振光分量透射或反射来自所述聚光透镜的光；一光学调制元件，用于调制由所述棱镜透射或反射的照明光，并用于反射该调制光；以及一投影透镜，用于将被所述棱镜反射或透射并被所述光学调制元件调制的反射光放大并投影；其中所述棱镜包括由金属形成的基本呈格栅形的衍射栅；一对其间夹持所述衍射栅的衍射栅基底；粘接层，设置在每个衍射栅基底的面对所述衍射栅的每个表面上；一对块部件，通过所述粘接层固定到所述成对的衍射栅基底中的每一个上；以及，具有与所述块部件的折射率大致相同的折射率的介质，所述介质被填充到限定在所述衍射栅与所述与所述成对的栅基底间的间隙中。
8.如权利要求7所述的投影装置，还包括位于所述光源与该棱镜之间的偏振装置，用于将所述照明光作为预设偏振方向的光输出到所述棱镜。
9.如权利要求8所述的投影装置，其中，所述偏振装置是用于整理该照明光的偏振光分量的偏振光转换合成元件或用于透射入射到所述棱镜上的所述照明光的预设偏振光分量的光的预偏振元件。
10.如权利要求7所述的投影装置，其中，所述棱镜的该粘接剂为软型。
11.如权利要求7所述的投影装置，其中，所述棱镜中的所述块部件的具有抛光成镜面光洁度的表面的所述平板形部件经软型粘接层叠置在一起。
12.一种能通过其透射和发射具有预设偏振状态的光的光学部件，其中，其表面被抛光成镜面光洁度表面的多个平板形部件通过间插的软型粘接层叠置在一起。
13.如权利要求12所述的光学部件，其中，至少一个平板形部件具有两个由所述粘接剂叠置的不同形状的叠置表面，且与所述不同形状的叠置表面中的一个相邻的其它平板形部件的叠置表面具有与所述的一个叠置表面相同的形状。
14.一种棱镜，包括光分离层，设置在平板形基底上，并具有根据偏振光分量透射或反射光的性能；一对粘接层，位于设置有所述光分离层的所述平板形基底的两个表面上；以及一对块部件，通过其间的所述粘接层夹持所述光分离层；其中每个块部件是多个具有抛光成镜面光洁度的表面的平板形部件，所述平板形部件与其间的软型粘接剂交替叠置。
15.如权利要求14所述的棱镜，其中，所述棱镜的粘接剂为软型。
16.如权利要求14所述的棱镜，其中，每个块部件是具有三角形截面的底的柱体，该三角形的两条边基本上相互垂直。
17.如权利要求14所述的棱镜，其中，至少一个构成所述块部件的平板形部件具有两个由所述粘接剂叠置的面积不同的叠置表面，且与所述不同面积的叠置表面中的一个相邻的其它平板形部件的叠置表面具有与所述的一个叠置表面相同的面积。
18.一种投影装置，包括一光源，用于发射照明光；一聚光透镜，用于收集从所述光源发射的照明光；一棱镜，用于根据来自所述聚光透镜的光的偏振光分量透射或反射该来自所述聚光透镜的光；一光学调制元件，用于调制由所述棱镜透射或反射的该照明光，并反射该调制光；以及一投影透镜，用于将被所述棱镜反射或透射并被所述光学调制元件调制的反射光放大并投影，其中所述棱镜包括光分离层，设置在平板形基底上，并具有根据偏振光分量透射或反射光的性能；一对粘接层，位于设置有所述光分离层的所述平板形基底的两个表面上；以及，一对块部件，通过其间的所述粘接层夹持所述光分离层；其中，每个块部件是多个具有抛光成镜面光洁度的表面的平板形部件，所述平板形部件与其间的软型粘接剂交替叠置。
19.如权利要求18所述的投影装置，还包括位于所述光源与棱镜之间的偏振装置，用于将所述照明光作为预设偏振方向的光输出到所述棱镜。
全文摘要
本发明公开了一种能优化地分离宽入射角度范围的光束的棱镜。本发明的棱镜(15)如下构造衍射栅(21)被夹持在一对衍射栅基底(22)之间，用其间的粘接层(23)将一对棱镜基底(24)接合到衍射栅基底(22)的面向衍射栅(21)的表面，将折射率基本与棱镜基底(24)基本相同的衍射栅介质(25)填充在衍射栅(21)与棱镜基底(24)间限定的间隙内，使各个部件被光学地组合在一起。入射光被导向衍射栅(21)，并借助衍射栅(21)的衍射被透射或反射而被分离。
文档编号G02B27/28GK1430074SQ02154230
公开日2003年7月16日 申请日期2002年10月1日 优先权日2001年10月1日
发明者胜间田匡男, 山本英树 申请人:索尼公司