偏振分束器的制作方法

专利名称：偏振分束器的制作方法
技术领域：
本发明涉及可以用于图像显示系统的偏振分离装置。本发明尤 其涉及可以用于包括偏振旋转成像装置的图像显示系统中的反射式和透射式偏振分束器(PBS)。
技术背景包括PBS的图像显示系统用于在诸如投影显示器等观看屏幕上 形成图像。典型的图像显示系统包括照明光源，该照明光源设置成使 来自该照明光源的光线在成像装置或成像器处发生反射，该成像器包 含将被投影的所需图像。这种系统返送光线，使得来自照明光源的光 线和投影图像的光线共用PBS和成像器之间的同一物理空间。图像显示系统的成像器典型地是通过旋转光线的偏振态进行操 作的诸如硅基液晶(LCoS)等偏振旋转成像装置。LCoS成像器是偏 振旋转的，这意味着偏振光线或者在其偏振态基本未改变地透射从而 得到最暗态，或者偏振态旋转地透射以提供所需灰度。因此，通常使 用包括偏振光线的输入光束来照明LCoS成像器。发明内容本发明涉及一种PBS，其包括第一棱镜、第二棱镜和设置在所 述第一棱镜和所述第二棱镜之间的反射式偏振膜。所述第一棱镜包括 第一聚合物材料并具有第一弯曲外表面和附加外表面。所述第一棱镜 构造成使光至少透射通过所述第一弯曲外表面和所述附加外表面。所 述第二棱镜包括第二聚合物材料并具有第二弯曲外表面。在一些示例 性实施例中，所述第一聚合物材料与所述第二聚合物材料相同。所述 PBS适用于返送光线并可以用于紧凑型图像显示系统。本发明还涉及 包括本发明PBS的图像显示系统。本发明还涉及包括至少一个棱镜和反射式偏振膜的PBS。所述 棱镜包括聚合物材料并具有至少第一弯曲外表面和入射表面，其中所 述反射式偏振膜与所述入射表面相邻地设置。所述棱镜构造成使光至 少透射通过所述第一弯曲外表面。所述反射式偏振膜可以包括多层不 同的聚合物材料。所述PBS适用于返送光线，可以用于紧凑型图像显示系统并且容易制造。本发明还涉及包括本发明PBS的图像显示系统。


图1是包括本发明的示例性反射式PBS的图像显示系统的示意图。图2是包括本发明反射式PBS的另一个示例性实施例的图像显 示系统的示意图。图3是包括本发明示例性透射式PBS的图像显示系统的示意图。图4是包括本发明透射式PBS的另一个示例性实施例的图像显 示系统的示意图。图5是图像显示系统的示意图，该系统包括与可选照明光源一 起使用的本发明反射式PBS的另一个示例性实施例。图6是图像显示系统的示意图，该系统包括具有偏轴表面的本 发明反射式PBS的另一个示例性实施例。图7是包括本发明反射式PBS的另一个示例性实施例的图像显 示系统的示意图，该反射式PBS具有偏轴表面并与数字微镜装置一 同使用。图8是包括使用单棱镜的本发明反射式PBS的另一个示例性实 施例的图像显示系统的示意图。图9是图像显示系统的示意图，该系统包括使用单个均化棱镜 的本发明反射式PBS的另一个示例性实施例。图IO是具有变形表面的本发明的PBS的透视图。图11A-图IID是根据本发明的反射式PBS的其它示例性实施例 的分解透视图，该反射式PBS具有与图1的PBS相似的一般构造。上面的附图列举了本发明的几个示例性实施例，但是如本文所 述，还可以设计出其它的实施例。在任何情况下，本文只是描述本发 明，而不是限制本发明。应该注意到，本领域的技术人员可以设计出 在本发明原理的精神和范围内的多种其它修改型式和实施例。附图可 能不按照比例绘制。在全部附图中采用相同的附图标记表示相同的部 件。
具体实施方式
使用根据本发明的PBS可以提供具有吸引力的设计，这是因为 其具有起偏和返送光线的作用。图i是诸如图像显示系统等光学系统10的示意图，其可以用于多种显示装置中，例如微型投影显示器、 头戴式显示器、虚拟观测器、电子取景器、平视显示器、光学计算机、 光学相关器和其它光学观看系统。系统IO包括照明光源12、本发明 的PBS 14、成像器16和可以包括一个或多个光学元件的投影透镜18。 示例性PBS 14是反射式PBS，该PBS能够减少将光引导到观看屏幕 或显示器(未示出)所需的成像光学元件的数量。这相应地允许系统 IO在诸如无线电话机等紧凑型装置中显示图像。示例性照明光源12是用于提供投影图像的红色、绿色和蓝色或 其它颜色成分的三色光源。照明光源12可以包括第一颜色光源20， 例如一个或多个红光发光二极管(LED);第二颜色光源22，例如 一个或多个蓝光LED;第三颜色光源24，例如一个或多个绿光LED; 以及颜色组合器26。第一颜色光源22、第二颜色光源24和第三颜色 光源24分别向颜色组合器26发射第一、第二和第三波长的光。照明 光源12还可以包括球透镜(未示出)，该球透镜设置在每个红光LED、 绿光LED和蓝光LED周围，以进一步捕获各色光并向颜色组合器 26引导各色光。颜色组合器26可以是X-cube构造的颜色组合器或 是另一种合适的颜色组合器，该颜色组合器组合接收到的各色光并将 光束28向PBS 14引导。来自照明光源12的光束28包含第一、第二 和第三波长的光(例如，红色、绿色和蓝色光波长)并包括s偏振和 p偏振两种成分。示例性PBS14包括第一棱镜，即输入棱镜30;第二棱镜，即输出棱镜32;以及反射式偏振膜34。输入棱镜30和输出棱镜32是 彼此相邻地设置在反射式偏振膜34的相对侧面上的低双折射聚合物 棱镜。输入棱镜30包括外表面36、第一弯曲外表面38和第一入射 表面40。类似地，输出棱镜32包括第二弯曲外表面42、外表面44 和第二入射表面46。如图1所示，第一弯曲外表面38是凸面而第二 弯曲外表面42是凹面。弯曲外表面38和42作为包含在PBS 14中的 透镜使用，弯曲外表面38和42使从中透射通过的光束28的光线偏 转。这降低了对附加成像光学元件的需要。本领域的普通技术人员容 易地理解到，可以确定弯曲外表面38和42相对于照明光源12、偏 振膜34、投影透镜18和观看屏幕或观看者的曲率和布置，以便偏转 光束28的光线。在一些示例性实施例中，弯曲外表面38和42的曲 率可以用于降低或消除对投影透镜18的需要。反射式偏振膜34可以是本领域技术人员所知的任意反射式偏振 膜，例如反射式线性偏振膜或反射式圆偏振膜。例如，反射式偏振膜 34可以是固定在输入棱镜30的入射表面40和输出棱镜32的入射表 面46之间的反射式聚合物偏振膜。示例性偏振膜34将从照明光源 12接收到的光束28分离成反射偏振成分(s偏振光线)和透射偏振 成分(p偏振光线)。适用于本发明实施例的反射式偏振膜的具体实 例包括由3M Corporation, St. Paul, MN制造的双折射聚合物多层光 学膜(MOF)，例如在Jonza等人的美国专利No.5,882,774、 Weber 等人的美国专利No.6，609,795以及Magarill等人的美国专利 No.6，719,426中描述的那些双折射聚合物多层光学膜，上述美国专利 的内容通过引用并入本文。在一些示例性实施例中，反射式偏振膜34可以包括第一层和第 二层，其中第一层和第二层的聚合物材料不同。在本发明的一个实施 例中，如Weber等人的美国专利No. 6,609,795中披露的，反射式偏 振膜34可以包括由不同聚合物材料形成的交替层的多层叠层。在本 发明的另一个实施例中，可以使用多个反射式偏振膜。合适的反射式聚合物线性偏振膜通常其特征在于沿着膜平面中的第一方向，不同材料之间的折射率差较大；沿着膜平面中与第一 方向正交的第二方向，不同材料之间的折射率差较小。在一些示例性 实施例中，反射式偏振膜的特征还在于沿着膜的厚度方向，不同聚 合物材料之间(例如，由不同聚合物材料形成的第一层和第二层之间) 的折射率差较小。沿着拉伸方向(即X方向)，由不同聚合物材料形 成的第一和第二层之间的合适折射率差的实例在大约0.15到大约0.20的范围内。合适的是，对于给定层，沿着非拉伸方向(即y方向 和z方向)的折射率为彼此的大约5%以内，并在相邻层的相应非拉 伸方向上的折射率的大约5%以内。为反射式偏振膜34的各层选择的聚合物材料可以包括光吸收水 平较低的材料。例如，聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)具有小于 1.0xl0'Scm"的吸收系数。相应地，对于包括PET并具有大约125微 米厚度的反射式偏振膜34，计算出的吸收率为大约0.000023%。低吸收率是需要的，这是因为偏振器暴露在非常高的光强下， 这可能导致偏振器失效。例如，吸收型偏振膜吸收具有不需要的偏振 态的所有光。这产生大量热量。因此需要诸如蓝宝石或气隙等具有高 导热系数的基底将热量导出偏振膜。此外，基底暴露在高热负荷下， 相应地在基底中产生热致双折射。基底中的热致双折射降低偏振膜的 对比度和对比度均一度。因此，只有极少数的材料适用于该基底(例 如蓝宝石、石英、含铅玻璃和陶瓷)。类似地，使用涂覆于透光基底上的薄金属带(例如铝带)的线 栅偏振器吸收接收光中的小部分。这也在基底中产生热量，因此这样 的实施例可能得益于与偏振器相邻地设置气隙或导热介质。例如， 5%-10%的光由铝带以与铝镜面相同的方式吸收。由于线栅偏振器的 性能对于金属带的几何稳定性是灵敏的，因此由热膨胀在基底中产生 的微小改变可以降低偏振器的性能。相反，使用具有低吸收系数的聚合物材料(例如PET)允许使 用反射式偏振膜34，而不需要高导热性基底或气隙将热量导出反射 式偏振膜34。因此，偏振膜34可以与输入棱镜30和输出棱镜32 — 起使用更长的时间。成像器16是诸如LcoS成像器(例如铁电LcoS)、液晶显示成 像器或高温多晶硅(HTPS)成像器等偏振旋转部件，其与输入棱镜 30的弯曲外表面38相邻地设置。成像器16根据其像素是"开启(on)" 或"关闭(off)"而反射并旋转光束28的光线的偏振态。射到成像 器16的"关闭"像素上的光束28的各光线从成像器16反射，并且 偏振态保持不变(即保持s偏振态)。相反地，射到成像器16的"开 启"像素上的光束28的各光线从成像器16反射，并且偏振态发生旋 转(即从s偏振态旋转到p偏振态)。因此，成像器16可以根据像 素设置旋转光束28的各光线的偏振态，控制所述像素设置以获得所 需的投影图像。投影透镜18可以与输出棱镜32的弯曲外表面42相邻地设置， 从而使得投影透镜18会聚从PBS 14接收到的光束28的光线，用于 将光线作为输出光束28'传输到观看屏幕。虽然仅示出单个投影透镜， 但是如果需要的话，系统IO可以包括附加的成像光学元件。然而， 弯曲外表面38和42每个都作为包含在PBS 14中的透镜使用。这减 少了引导光束28的光线所需的附加成像光学元件的数量，这相应地 减小了系统10的所需尺寸。在使用系统10时，照明光源12向PBS 14发射光束28。如上所 述，在进入PBS 14之前，光束28通常是非偏振的并包括s偏振光线 (光线28》和p偏振光线(光线28p。。光束28穿过外表面36进 入PBS H并向着偏振膜34传播。在射到偏振膜34上之前，光束28穿过输入棱镜30的入射表面 40。然后，偏振膜34向输入棱镜30的弯曲外表面38反射光线28s, 并使光线28pi透射到输出棱镜32。光线28^穿过入射表面46进入输 出棱镜32并向底部外表面44传播。然后，光线28p穿过输出棱镜 32的附加外表面44射出输出棱镜32，并可以将输出光线抛弃或再利 用(例如，朝向外表面44的方向偏转返回)。光线28s穿过弯曲外表面38射出PBS 14。如上所述，弯曲外表 面38可以是作为透镜使用的折射型凸面。因此，光线28s在穿过弯 曲外表面38时发生转向。在射出输入棱镜30后，光线285射到成像器16上并从成像器反射。射到成像器16的"关闭"状态的像素上的各光线28s在反射后保持其s偏振态。然而，射到成像器16的"开 启"状态的像素上的各光线28s在反射后从s偏振态旋转到p偏振态。 因此，反射光束28包括光线28s和p偏振光线(光线28p2)。从成像器16反射的光线28s和28p2向输入棱镜30返回，并穿过 弯曲外表面38重新进入输入棱镜30。弯曲外表面38在光线28s和 28p2向偏振膜34传播时使光线285和28p2转向。然后，光线285和 28p2穿过输入棱镜30的入射表面40并射到偏振膜34上。然后偏振 膜34将光线28s向输入棱镜30的外表面36反射，并将光线28p2透 射到输出棱镜32中。然后光线28s通过外表面36射出输入棱镜30 并向照明光源12传播。在本发明的一个实施例中，可以将向照明光 源12返回的光线28s (经由照明光源12中的反射表面)反射返回到 输入棱镜30中以便进行再利用。因为光线28s是s偏振的，因此基 本所有再利用的光线28s都将从偏振膜34向成像器16反射。这样保 留了操作系统IO所需的能量。在透射通过偏振膜34后，光线28p2通过入射表面46进入输出 棱镜32。然后光线28p2通过弯曲外表面42射出输出棱镜32。弯曲 外表面42在图1中显示为折射凹面，其也作为透镜使用并在光线28p2 向投影透镜18传播时使光线转向。然后投影透镜18会聚光线28p2 并将输出光束28，与所需投影图像一起向观看屏幕引导。如上所述， 如果需要的话，可以使用附加成像光学元件使光线28p2转向。然而， PBS 14的弯曲外表面38和42作为透镜(或通常为具有屈光能力的 折射表面)使用，以便减少所需附加成像光学元件的数量。图2是光学系统47的示意图，该系统是与上述系统IO相似的 图像显示系统。系统47包括照明光源12、成像器16、投影透镜18 和PBS 48，其中PBS 48以与图1所示的PBS 14相同的方式与照明 光源12、成像器16和投影透镜18相互作用。PBS 48是反射式PBS， 包括第一棱镜，即输入棱镜49，其具有代替(平面)附加外表面 36的第二弯曲外表面50;以及第二棱镜，即输出棱镜32。在该构造 中，弯曲外表面42可以称为输出棱镜32的第三弯曲外表面。弯曲外表面50也是具有屈光能力的折射表面，其在图2中示例为凹面并以与弯曲外表面38和42相似的方式作为透镜使用。相应地， 输入棱镜49的第二弯曲外表面50使来自照明光源12并透射通过弯 曲外表面50的光束28的光线转向。光束28在弯曲外表面50处转向 的光线相应地调节光束28的光线通过系统47的方向。这一点通过比 较图1和图2中的光束28的光线示出。还可以预先确定弯曲外表面50相对于照明光源12和偏振膜34 的曲率和布置，用于使光束28的光线转向。使用具有屈光能力的弯 曲外表面50使得能够对光束28的光线的方向进行附加控制，并可以 进一步减少使光28聚焦所需的附加成像光学元件的数量，从而减小 系统47的尺寸。图3是光学系统52的示意图，该系统也是与上述系统10和47 相似的图像显示系统。系统52包括照明光源12、成像器16、投影透 镜18和本发明的另一个示例性PBS 54。本发明的PBS 54是透射式 PBS，其也能够减少将光导向观看屏幕(未示出)所需的成像光学元 件的数量。PBS54包括第一棱镜，即输出棱镜58;第二棱镜，即输入棱 镜56;以及反射式偏振膜60。输入棱镜56和输出棱镜58是彼此相 邻地设置在反射式偏振膜60的相对侧面上的低双折射聚合物棱镜。 因为示例性PBS 54是透射式PBS，因此图中示出用于形成投影图像 的光束28的光线透射通过输入棱镜56的外表面62并通过输出棱镜 58的两个外表面68、70。这与所述图1中的示例性PBS 14大不相同， 该PBS 14是反射式PBS，图中示出用于形成投影图像的光束28的光 线穿过输入棱镜30的两个外表面以及输出棱镜32的一个外表面。输入棱镜56包括第二弯曲外表面62、附加外表面64和入射表 面66。类似地，输出棱镜58包括第一弯曲外表面68、附加外表面 70和入射表面72。如图3所示，弯曲外表面62可以是凹面，而弯曲 外表面68可以是凸面。弯曲外表面62和68作为包含在PBS 54中的 透镜(并通常作为具有屈光能力的折射表面)使用，并使透射通过弯 曲外表面的光束28的光线转向，从而降低对附加成像光学元件的需要。预先确定弯曲外表面62和68相对于照明光源12、偏振膜60、 投影透镜18和观看屏幕的曲率和布置，以便以所需方式引导光束28。
反射式偏振膜60可以是固定在输入棱镜56的入射表面66和输 出棱镜58的入射表面72之间的反射式聚合物偏振膜。适合于偏振膜 60的膜实例包括上述用于偏振膜34的膜。偏振膜60也将从照明光 源12接收到的光束28分离成反射偏振成分(s偏振光线)和透射偏 振成分(p偏振光线)。
在使用系统52时，照明光源12向PBS 54发射光束28。在进入 PBS54之前，光束28是非偏振的并包含s偏振光线(光线28u)和 p偏振光线(光线28p)。光束28穿过弯曲外表面62进入PBS54, 弯曲外表面62由于其表面曲率而使得光线2851和28p转向。然后光 束28穿过输入棱镜56的入射表面66并射到偏振膜60上。然后偏振 膜60向输入棱镜56的附加外表面64反射光线28sl，并使光线28p 透射到输出棱镜68内。光线28^通过入射表面66返回输入棱镜56 并向附加外表面64传播。然后光线28sl通过附加外表面64射出输入 棱镜56，并可以将输出光线抛弃或再利用(例如，朝向第二弯曲外 表面62偏转返回)。
在透射通过偏振膜60后，光线28p通过入射表面72进入输出棱 镜58并向弯曲外表面68传播。光线28p穿过使光线28p转向的弯曲 外表面68射出PBS 54。在射出输出棱镜58后，光线28p射到成像器 16上并从成像器反射。射到成像器16的"关闭"状态的像素上的各 光线28p在反射后保持其p偏振态。然而，射到成像器16的"开启" 状态的像素上的各光线28p在反射后其偏振从p偏振态旋转到s偏振 态。因此，反射光包括光线28p和s偏振光线(光线2&2)。
从成像器16反射的光线28p和28s2向输出棱镜58返回，并通过 弯曲外表面68重新进入输出棱镜58。弯曲外表面68在光线28p和 28s2向偏振膜60传播时使光线28p和2852转向。然后，光线28p和 28"穿过输出棱镜58的入射表面72并射到偏振膜60上。然后偏振 膜60向输出棱镜58的附加外表面70反射光线28s2，并将光线28p 透射到输入棱镜56中。光线28p通过入射表面66返回到输入棱镜56中并向弯曲外表面 62传播。然后光线28p通过弯曲外表面62 (其再次使光线28p转向) 射出输入棱镜56并向照明光源12传播。在本发明的一个实施例中， 可以将向照明光源12返回的光线28p (经由照明光源12中的反射表 面)反射返回到输入棱镜56中以进行再利用。因为光线28p是p偏 振的，因此基本所有再利用的光线28p都将透射通过偏振膜60向成 像器16传播。这保留了操作系统52所需的能量。
从偏振膜60反射的光线28^通过入射表面72重新进入输出棱 镜58并向附加外表面70传播。然后光线28s2通过附加外表面70射 出输出棱镜58并向投影透镜18传播。然后投影透镜18会聚光线28s2， 并将输出光束28'与所需投影图像一起向观看屏幕或观看者传播。相 应地，PBS 54的弯曲外表面62和68作为包含的投影透镜使用，从 而减少系统52所需的附加成像光学元件的数量。
图4是光学系统74的示意图，该系统是与参照图3所述的系统 52相似的图像显示系统。系统74包括照明光源12、成像器16、投 影透镜18和PBS 76，其中PBS 76以与系统52的PBS 54相似的方 式与照明光源12、成像器16和投影透镜18相互作用。PBS76是透 射式PBS，包括第一棱镜，即输出棱镜78，其具有代替(平面) 附加表面70的第二弯曲外表面80以及第一弯曲外表面68。 PBS 76 还包括第二棱镜，即输入棱镜56。在该构造中，弯曲外表面62可以 称为输入棱镜56的第三弯曲外表面。
弯曲外表面80示例为凹面并以与弯曲外表面62和68相似的方 式作为透镜使用。相应地，弯曲外表面80使透射通过弯曲外表面80 的光线28s2转向。通过对比图3和图4中的光线2852可以看出，这 使射入投影透镜18中的光线28"转向。
还可以预先确定弯曲外表面80相对于投影透镜18和偏振膜60 的曲率和布置，以便使光束28准确地转向。使用弯曲外表面80使得 能够对光束28的光线的方向进行附加控制，并可以进一步减少引导 光束28所需的附加成像光学元件的数量，从而减小系统74的尺寸。
图5是光学系统82的示意图，该系统是与上面图l所示的系统IO相似的图像显示系统。系统82包括照明光源84、 PBS 86、投影透 镜88和成像器90。照明光源84包括一个或多个LED 92和聚焦透镜 94，其中LED 92向聚焦透镜94发射作为白光光线的光束96 (即可 见光谱的多种波长)。聚焦透镜94是用于向PBS86聚焦光束96的 光线的透镜。PBS86和投影透镜88可以是与PBS 14和投影透镜18 (如图l所示并如上所述)相同的部件并以相同的方式起作用。相应 地，PBS 86将光束96分离成反射偏振成分(s偏振光线)和透射偏 振成分(p偏振光线)。
成像器90是与以上图l所示的成像器16相似的偏振旋转部件。 然而，成像器90还包括滤色片(未示出)，该滤色片用于过滤光束 96的反射光线的颜色波长。这为光束96的反射光线赋予颜色成分。 因此，与照明光源12的三色光源(如图1所示)相比，系统82提供 了一种提供彩色图像的可选构造。虽然系统82以与系统IO相同的总 体方式设置，但是照明光源84和成像器90适用于本文披露的任意系 统(例如系统47、 52和74)。使用单个LED照明光源进一步减少 了用于投影彩色图像所需的部件数量，从而允许系统82用于紧凑型 装置。
图6是光学系统98的示意图，该系统是与以上图2所示的系统 47大体相似的图像显示系统。如图6所示，系统98包括照明光源100、 PBS 102、成像器104和投影透镜105。照明光源100包括LED 106 和聚焦透镜109，聚焦透镜109以与上述照明光源84 (如图5所示) 相同的方式起作用，并发射作为白光光线的光束110。在可选实施例 中，使用三色光源(例如照明光源12)代替照明光源IOO。
PBS102以与PBS48相似的方式(如图2所示)起作用，并且 包括输入棱镜112、输出棱镜114和反射式偏振膜116。优选的是， 输入棱镜112和输出棱镜114是彼此相邻地设置在反射式偏振膜116 的相对侧面上的低双折射聚合物棱镜。输入棱镜112包括弯曲外表面 118和120以及入射表面122。类似地，输出棱镜114包括弯曲外表 面124、外表面126和入射表面128。
如该示例性实施例所示，弯曲外表面118和124是凹面，而弯曲外表面120是凸面。弯曲外表面U8、120和124作为包含在PBS 102 中的透镜使用，并使透射通过的光束110的光线转向，从而降低对附 加成像光学元件的需要。
此外，照明光源IOO设置成其主光线(沿着轴线T,延伸)的取 向相对于轴线X,的倾斜角为cc，其中轴线X,平行于弯曲外表面124 和投影透镜105的光轴(本文中称为光轴XoA)。照明光源100的倾 斜取向使得结构更紧凑，从而进一步减小了系统98的尺寸。适合于 倾斜角a的角度实例在从大约45度到大约90度的范围内，其中卯 度对应于图1-图5所示的取向(即垂直于轴线X。A)。
此外，弯曲外表面118设置成其光轴(本文中称为光轴T2并且 其沿着轴线T3延伸)的取向相对于轴线X2的倾斜角为(3，其中轴线 X2也平行于光轴XoA (以及轴线X。。这允许在照明光源100的取 向为倾斜角a的同时第一弯曲外表面118接收来自照明光源IOO的光 束IIO的光线。适合于倾斜角(3的角度实例在从大约45度到大约90 度的范围内，其中90度对应于图1-图5所示的取向(即垂直于轴线 X0A)。当弯曲外表面118以倾斜角(3取向而倾斜角p小于卯度时， 弯曲外表面118称为"偏轴面"。
反射式偏振膜116是固定在输入棱镜U2的入射表面122和输 出棱镜114的入射表面128之间的反射式聚合物偏振膜。适合于偏振 膜116的膜实例包括上述用于偏振膜34 (如图1所示)的膜。偏振 膜116将从照明光源100接收到的光束110分离成反射偏振成分(s 偏振光线)和透射偏振成分(p偏振光线)。
成像器104和投影透镜105与成像器16和投影透镜18 (如图1 所示并如上所述)大体相似并以相似的方式起作用。系统98可以以 与系统47 (如上面的图2所述)相同的方式使用，其中也可以预先 确定照明光源100和第一弯曲外表面118的取向(即倾斜角a和p)， 以引导光束110的光线。这允许进一步减小系统98的尺寸以便用于 紧凑型装置。
图7是光学系统130的示意图，该系统是与系统98 (如图6所 示)相似的图像显示系统，但是包括代替偏振旋转成像器的数字微镜装置。如图7所示，系统130包括照明光源132、预起偏膜133、 PBS 134、四分之一波片136、成像器138和投影透镜139。照明光源132 是与照明光源12(如图1所示)相似的三色光源，用于发射光束140。 在该实施例中，照明光源132的取向相对于轴线Xi (以及光轴Xc)A) 的倾斜角也是a，从而进一步减小系统130的尺寸。在可选实施例中， 如以上参照图5所述，可以使用白光LED和滤色片(未示出)的组 合代替照明光源132。
预起偏膜133是使光束140的光线起偏成s偏振态的吸收型或 反射式偏振膜。如图所示，预起偏膜133也以倾斜角a设置以接收光 束140。适合于预起偏膜133的膜实例包括任意类型的吸收型或反射 式偏振膜，诸如上述用于偏振膜34 (如图1所示并如上所述)的那 些。在可选实施例中，从偏振光源(例如偏振LED和激光系统)中 发射光束140。在这些实施例中，可以省略预起偏膜133以减少系统 130的部件数量。
PBS 134包括输入棱镜142、输出棱镜144和反射式偏振膜146。 输入棱镜142和输出棱镜144是彼此相邻地设置在反射式偏振膜146 的相对侧面上的低双折射聚合物棱镜。输入棱镜142包括弯曲外表面 148、外表面150和入射表面152。类似地，输出棱镜144包括弯曲 外表面154、外表面156和入射表面158。
如图7所示，弯曲外表面148是凹面，而弯曲外表面154是凸 面。弯曲外表面148和154作为包含在PBS 134中的透镜使用，并使 从透射通过的光束140的光线转向，从而降低对于附加成像光学元件 的需要。此外，第一弯曲外表面148是偏轴的，并且其取向相对于轴 线X2(以及光轴XoA)的倾斜角为P。这允许在照明光源132的取向 为倾斜角P的同时第一弯曲外表面148接收来自照明光源132的光束 140的光线。
第二弯曲外表面154包括第一部分154a和第二部分154b，其中 第一部分154a朝向投影透镜139而第二部分154b朝向光吸收部件 (未示出)。在一个实施例中，第二部分154b与光吸收膜(未示出) 层压，该光吸收膜吸收光束140的透射通过第二部分154b的光线。可选的是，光吸收部件以与PBS 134相邻但不接触的方式设置，从而 减少因为吸收光线在PBS 134上累积的热量。
反射式偏振膜146是固定在输入棱镜142的入射表面152和输 出棱镜144的入射表面158之间的反射式聚合物偏振膜。反射式偏振 膜146反射光束140的s偏振成分(光线140s)并透射光束140的p 偏振成分(光线140pl)。适合于偏振膜146的膜实例包括上述用于 偏振膜34的膜。
四分之一波片136是如下偏振旋转膜，即在光束140的光线 每次通过时使光线的偏振态旋转大约四分之一偏振态。成像器138 是包含微镜单元的栅格的数字微镜装置，每个微镜单元都可以被选择 性地激活。合适的数字微镜装置的实例是可购自Texas Instruments Inc.， Piano TX的商标名称为"DIGITAL LIGHT PROCESSING"的微 镜。成像器138以取决于成像器138的微镜单元是"开启"或"关闭" 的方向反射光束140的光线。射到成像器138的"关闭"微镜单元上 的光束140的各光线朝向第二弯曲外表面154的第二部分154b反射
(称为光线140p2)。因此，光线140p2被光吸收部件吸收。
相反，射到成像器138的"开启"像素上的光束140的各光线 朝向第二弯曲外表面154的第一部分154a反射(称为光线140p3)。 这样，光线M0p3朝向投影透镜139反射。通过在"开启"和"关闭" 状态之间从角度上调节给定微镜单元从而获得多个灰度水平。相应 地，成像器138可以根据微镜单元的设置传输光束MO的各光线中的 一根或多根光线，控制微镜单元的设置以便按照与偏振旋转成像器
(例如成像器16)的像素设置相似的方式获得所需投影图像。
投影透镜139与投影透镜18 (如图1所示)相似并以相同的方 式起作用。在使用系统130时，照明光源132向预起偏膜133发射光 束140。预起偏膜133吸收或反射光束140的p偏振成分，并使光束 140的s偏振成分(即光线140s)向PBS 134传输。光线1405穿过弯 曲外表面148进入输入棱镜142，输入棱镜142由于其表面曲率而使 光线M0s转向。
然后光束140穿过输入棱镜142的入射表面152并射到偏振膜146上。由于光束140被预起偏，因此光束140的大致所有光线都为 s偏振态(即光线140s)。因此，偏振膜146使光线140s反射回输入 棱镜142,使剩余光线140p,透射通过输出棱镜144并向第二部分154b 传播。在可选实施例中，可以省略预起偏膜133，偏振膜146以与上 述偏振膜34 (如图1和图2所示)相同的方式将光束140分离成光 束1405和140pl。
从偏振膜146反射的光线140s通过入射表面152重新进入输入 棱镜142并向外表面150传播。然后光线140s通过外表面150射出 输入棱镜M2并穿过四分之一波片136传播。然后四分之一波片136 使光线140s的偏振态旋转四分之一偏振态(称为光线140sp)。然后 光线140sp射到成像器138的微镜单元上。
射到成像器138的"关闭"状态的微镜单元上的各光线140sp朝 向第二部分154b的方向反射。然后，该光线140sp通过四分之一波片 136传输返回，该四分之一波片136使光线140sp的偏振态进一步旋 转到p偏振态(称为光线140p2)。然后光线140p2透射通过输入棱镜 142并射到偏振膜146上。因为光线H0p2为p偏振态，因此光线140p2 透射通过偏振膜146和输出棱镜144并被光吸收部件吸收。
然而，射入成像器138的"开启"状态的微镜单元上的各光线 140sp朝向第一部分154a的方向反射。然后该光线140sp通过四分之 一波片136传输返回，该四分之一波片136进一步使光线140sp的偏 振态旋转到p偏振态(称为光线140p3)。然后光线140p3透射通过输 入棱镜142并射到偏振膜146上。由于光线140p3也为p偏振态，因 此光线140p3也透射通过偏振膜146并穿过入射表面158进入输出棱 镜144。
然后光线140p3穿过弯曲外表面154 (在第一部分154a)射出输 出棱镜144。在光线140p3向着投影透镜139传播时，弯曲外表面154 使光线140p3转向。然后，投影透镜139会聚光线140p3并将输出光 束140'与所需投影图像一起朝向观看屏幕(未示出)引导。使用PBS 134的弯曲外表面148和154相应地减少了系统130所需的附加成像 光学部件的数量。此外，成像器138允许系统130使用基于反射的装置作为全内反射(TIR)棱镜的替代方案，这种TIR棱镜成本高并通 常会引入象散特性。图8是光学系统160的示意图，该系统是与系统82 (如图5所 示)相似的图像显示系统，但是只包括单个PBS棱镜。如图8所示， 系统160包括照明光源162、 PBS 164、成像器166和投影透镜168。 照明光源162包括以与上述照明光源84和聚焦透镜94 (如图5所示 并如上所述)相同的方式起作用的LED 170和聚焦投影172，并用于 向PBS 164发射作为白光光线的光束174。在可选实施例中，如同上 面关于图6中的照明光源IOO所述，照明光源162的取向的倾斜角为 a。在另一个可选实施例中，照明光源162包括与照明光源12 (如图 1所示)相似的三色光源。PBS 164包括棱镜176和反射式偏振膜178。棱镜176是低双折 射聚合物棱镜，其包括弯曲外表面180和182以及入射表面184。如 图8所示，弯曲外表面180是凹面，弯曲外表面182是凸面。弯曲外 表面180和182作为包含在PBS 164中的透镜使用，并使透射通过的 光束174的光线转向，从而降低对于附加成像光学部件的需要。可以 预先确定弯曲外表面180和182相对于照明光源162、成像器166、 偏振膜178和观看屏幕(未示出)的曲率和布置，以便以所需的方式 引导光束174。在可选实施例中，如上面关于图6中的弯曲外表面118 所述，弯曲外表面180的取向的倾斜角为(3。反射式偏振膜178是固定在棱镜176的相邻入射表面184上的 反射式聚合物偏振膜。适合于偏振膜178的膜实例包括上述用于偏振 膜34 (如图1所示)的膜。偏振膜178将从照明光源162接收到的 光束174分离成反射偏振成分(s偏振光线)和透射偏振成分(p偏 振光线)。成像器166是诸如透射LCD、 HTPS或微机电系统(MEMS)成 像器等像素化(pixilated)成像部件，其与棱镜176的弯曲外表面182 相邻地设置。成像器166还包括滤色片(未示出)，滤色片用于过滤 光束174的反射光线的波长，从而将颜色成分赋予光束174的反射光 线。成像器166根据成像器166的像素是"开启"或"关闭"透射光束174的光线。射到成像器166的"关闭"像素上的光束174的各光 线被成像器166阻挡。相反，射到成像器166的"开启"像素上的光 束174的各光线透射通过成像器166并朝向投影透镜168传播。因此， 成像器166可以根据像素设置透射光束174的各光线中的一根或多根 光线，控制像素设置以便获得所需投影图像。投影透镜168与成像器 166相邻地设置，从而使得投影透镜168会聚从成像器166接收到的 光束174的光线，以便将光束作为输出光束174'传输到观看屏幕上。在使用系统160时，照明光源170向PBS 164发射光束174。在 进入PBS 164之前，光束174是非偏振的并包含s偏振光线(光线 174s)和p偏振光线(光线174p)。光束穿过弯曲外表面180进入棱 镜176，弯曲外表面180由于其表面曲率而使光线1745和174p转向。 然后光束174透过棱镜176的入射表面184并射到偏振膜178上。然 后偏振膜178将光线174s反射返回到棱镜176中，并使光线174p透 射到PBS164外以将光线174p抛弃或再利用。从偏振膜178反射的光线174s穿过入射表面184重新进入棱镜 174并向弯曲外表面182传播。然后光线174s穿过弯曲外表面182 射出棱镜176并向成像器166传播，弯曲外表面182由于表面曲率而 使得光线174,转向。射到成像器166的"关闭"状态的像素上的各 光线n、被成像器166阻挡。然而，射到成像器166的"开启"状 态的像素上的各光线174s透射通过成像器166向投影透镜168传播。 然后投影透镜168会聚并引导光线174s，从而使得输出光束174'与 所需投影图像一起朝向观看屏幕(未示出)传播。相应地，PBS164 的弯曲外表面180和182作为包含在系统中的投影透镜使用，从而减 少了系统160所需的附加成像光学部件的数量。图9是光学系统186的示意图，该系统是与系统98 (如图6所 示)相似的图像显示系统。如图9所示，系统186包括照明光源188、 PBS l卯、场透镜192和成像器194。照明光源188包括LED 196和 准直光学部件198，其中LED 196以与上面关于照明光源84 (如图5 所示并如上所述)所述相同的方式起作用，用于向准直光学部件198 发射作为白光光线的光束200。准直光学部件198接收来自LED 196的光束200，并将光束200的光线校准成为向PBS 190传播的光束 200。PBS 190包括棱镜202和反射式偏振膜204。棱镜202是低双折 射聚合物棱镜，其包括弯曲外表面206和208以及入射表面210。如 图9所示，弯曲外表面206和208每一个都作为包含在PBS 190中的 透镜阵列使用。弯曲外表面206的透镜阵列将远场图案(即从准直光 学部件198透射的光束200的分布)取样成长宽比与成像器194相同 的子分布(例如16:9或4:3)。然后通过弯曲外表面208的相应透镜 使光束200的每个子分布成像。该实施例适合用于需要均匀照明的目 标物(例如投影电视机光引擎和太阳模拟器)。可以预先确定弯曲外 表面206和208相对于照明光源188、成像器194、偏振膜204和观 看屏幕(未示出)的曲率和布置，以便以所需方式引导光束28。反射式偏振膜204是与棱镜202的入射表面210相邻固定的反 射式聚合物偏振膜。适合于偏振膜204的膜实例包括上述用于偏振膜 34(如图l所示)的膜。偏振膜204将从照明光源188接收到的光束 200分离成反射偏振成分(s偏振光线)和透射偏振成分(p偏振光 线)。场透镜192与PBS 190相邻地设置，从而使得场透镜192从PBS 190接收光束200的子分布并将光束200的子分布叠加到成像器194 上。成像器194是像素化成像部件，其与投影透镜192相邻地设置并 以与成像器166相同的方式起作用(如图8所示)。这样，成像器 194可以根据像素设置透射光束200的各光线中的一根或多根光线， 控制像素设置以便获得所需投影图像。在使用系统186时，LED 196向准直光学部件198发射光束200。 准直光学部件198校准光束200的光线并将光线向PBS l卯引导。在 进入PBS 190之前，光束200是非偏振的并包含s偏振光线(光线 200s)和p偏振光线(光线200p)。光束200穿过弯曲外表面206进 入棱镜202，弯曲外表面206的子透镜将光束200的分布取样成长宽 比与成像器194相同的子分布。然后光束200穿过棱镜202的入射表 面210并射到偏振膜204上。然后偏振膜204将光线2005反射返回到棱镜202中，并将光线200p透射到PBS 190外以将光线200p抛弃 或再利用。从偏振膜204反射的光线200s穿过入射表面210重新进入棱镜 202并向着弯曲外表面208传播。然后光线200s通过弯曲外表面208 的对应子透镜射出棱镜202。然后光线200s向着场透镜192传播。然 后场透镜192接收光线200s并将其叠加在成像器194上。射到成像 器194的"开启"状态的像素上的各光线200s透射通过成像器194， 并与所需投影图像一起朝向观看屏幕传播。相应地，PBS190的弯曲 外表面206和208作为包含在系统中的子透镜阵列起作用，从而可以 减少系统186所需的附加成像光学部件的数量。图10是PBS212的透视图，该PBS 212是适用于本文所披露的 任何图像显示系统的合适PBS的实例。本发明的PBS 212能够减少 将光导向观看屏幕(未示出)所需的成像光学部件的数量，并且还能 够变形地增强图像(例如从4:3到16:9)。PBS 212包括输入棱镜214、输出棱镜216和反射式偏振膜218。 输入棱镜214和输出棱镜216是低双折射聚合物棱镜，其彼此相邻地 设置在反射式偏振膜218的相对侧面上。输入棱镜214包括第一弯曲 外表面220、第二弯曲外表面222和入射表面(未示出)。类似地， 输出棱镜216包括变形外表面224、附加外表面226和入射表面(未 示出)。反射式偏振膜218可以是固定在输入棱镜214的入射表面和 输出棱镜216的入射表面之间的反射式聚合物偏振膜。适合于偏振膜 218的膜实例包括上述用于偏振膜34的膜。如图所示，第一弯曲外表面220可以是凹面，第二弯曲外表面 222可以是凸面。弯曲外表面220和222作为包含在PBS 212中的透 镜使用(通常作为具有屈光能力的折射表面)，并使得透射通过的光 束(以光束228表示)的光线转向，从而降低对于附加成像光学部件 的需要。此外，变形外表面224是沿着用于变形地增强图像(例如从 4:3到16:9)的两个轴线方向弯曲的外表面。变形外表面224包括沿 着x轴线的第一凸曲率(由曲率224a表示)和沿着y轴线的第二凸 曲率(由曲率224b表示)，其中曲率224a和224b分别提供沿着x轴线和y轴线的不同放大率。相应地，使用变形外表面224可以消除 对用于变形地增强图像的附加变形透镜的需要。PBS 212可以设置在图像显示系统中以作为透射式或反射式 PBS使用。PBS 212设置成使得第一弯曲外表面220取向为接收来自 照明光源(未示出)的光束228a。然后光束228a以与上面图2 (反 射式)和图4 (透射式)实施例所述相同的方式透射通过PBS212。 然后光束228a通过变形外表面224射出PBS 212，从而变形地增强 光束228a以形成光束228b。然后光束228b传播到长宽比与光束228b 相同的观看屏幕上。虽然上面图1-图10中所述的PBS显示为具有凸出或凹入的特 定弯曲外表面，但是本发明的可选PBS可以包括凸曲率和凹曲率的 不同组合。另外，本发明的PBS的每个弯曲外表面可以在整个表面 (例如图1中的弯曲外表面38)上或仅沿着表面上光束28透射通过 的部分(例如图1中的弯曲外表面42)具有曲率。在本发明的一些 示例性实施例中， 一个或多个弯曲表面可以是非球形面、变形面、均 化面、柱形面或其组合。此外， 一个或多个表面(包括弯曲表面和非 弯曲表面)可以包括如下特征，诸如衍射元件、菲涅耳元件、微透镜、 透镜阵列、棱镜元件、漫射元件、双态元件、复曲面元件、超环面元 件、光栅元件、复制元件(例如热印元件)和其组合。在本发明的其它一些示例性实施例中，照明光源的长宽比与观 看屏幕的长宽比大致相等。此外，光束的偏折角可以小于90度以便 增加紧凑度。此外，对于如图1-图9所示的一个或多个实施例，PBS 的反射式偏振膜(例如偏振膜34)可以取向为与入射光束成45度以 外的角度。例如，分别如图6和图7所示的偏振膜116和146取向为 与入射光束(即光束110和140)成小于45度的角度。PBS的反射 式偏振膜相对于入射光束的合适取向角度的实例在大约30度到大约 60度的范围内。如上所述，本发明的PBS的第一和第二棱镜，例如输入棱镜(例 如，输入棱镜30、 49、 56、 112、 142和214)、输出棱镜(例如输 出棱镜32、 58、 78、 114、 144和216))以及单棱镜(例如棱镜176和202)都由聚合物材料制造。在一些示例性实施例中，由第一聚合 物材料制造第一棱镜，而由第二聚合物材料制造第二棱镜。根据具体 应用，第一和第二聚合物材料可以是相同的或不同的。由于其聚合物 特性，第一和第二棱镜可以以诸如注入成型等多种方式容易地制造。 在第一棱镜和第二棱镜成型后，反射式偏振膜(例如反射式偏振膜34和60)可以附着或者以其它方式设置在第一棱镜的入射表面和第 二棱镜的入射表面之间，从而也相对于第二棱镜固定第一棱镜。适合 于进行粘附的粘接剂的实例包括紫外线固化光学粘接剂。可选的是， 可以在反射式偏振膜上成型至少一个棱镜。在2005年7月29日提交 的名称为"用于制造偏振分束器的方法(Method for Making Polarizing Beam Splitters)"的共同未决并共同转让的美国申请No.11/192681 中披露了适合于制造本发明PBS的技术的实例，上述申请的内容通 过引用并入本文。在一个实施例中，至少一个棱镜形成(例如成型)有位于棱镜 非光学表面上的一个或多个机械组装特征。机械组装特征是在非光学 表面上形成的结构，用于在图像显示系统中安装并固定棱镜。本领域 的技术人员将理解到，可以使用多种机械组装特征(例如在非光学表 面上形成的突出部或销)。优选的是，每个棱镜形成有一个或多个机 械组装特征。在制造后，本发明的PBS可以结合在图像显示系统(例如，系 统10、 47、 52、 74、 82、 98、 130、 160和186)中。由于本发明的 PBS返送光束的光线并减少所需成像光学部件的数量，因此图像显示 系统可以紧凑地用于小型成像装置中。图像显示系统的合适体积尺寸 的实例包括大约16cr^或更小的体积。图像显示系统的合适占用面积 的实例包括大约9 cr^或更小的面积，其中在与如图1-图10所示的 视图平行的平面内测得占用面积。适合于本发明PBS的第一棱镜、第二棱镜和单棱镜的聚合物实 例包括诸如丙烯酸聚合物(例如聚甲基丙烯酸甲酯)、环烯烃共聚物、 聚碳酸酯及其组合等透光聚合物。尤其合适的聚合物的实例包括如下 丙烯酸聚合物可购自Hitachi Chemical Company, Ltd, Tokyo, Japan的商标名称为"OPTOREZOZ-1330"系列聚合物和可购自Mitsubishi Electric & Electronics US, Inc.， Cypress, CA的"WF-100"丙烯酸树脂。在一个实施例中，可以将着色剂(例如颜料和染料)加入到透光聚合 物中以使棱镜具有色彩。此外，本发明的给定PBS的输入和输出棱 镜可以包括不同颜色。例如，本发明PBS可以作为陷波带通滤光片 使用，其中输入棱镜作为低通滤光片使用而输出棱镜作为短通滤光片(或反之亦然)。图llA-图11D是示例性PBS 314、 414、 514和614的分解透视 图，其示出用于将第一棱镜固定到第二棱镜上的示例性接合机构。 PBS 314、 414、 514和614具有与PBS 14相似的一般构造，其中各 自的附图标记增加300、 400、 500和600。图11A-图IID所示的实 施例还适合与本发明的任意上述双棱镜实施例一同使用。如图IIA所示，PBS314的第一棱镜330包括左表面382、右表 面384和突出部，例如一个或多个凸出部分386a和386b。左表面382 和右表面384是第一棱镜330的侧表面，并且通过外表面336、弯曲 外表面338和入射表面340间隔开。凸出部分386a和386b在入射表 面340的外围边缘沿着伸出入射表面340的方向分别从左表面382 和右表面384延伸。第一棱镜330可以与一个或多个凸出部分386a 和386b成型，该凸出部分与左表面382和/或右表面384 —体地形成。第二棱镜332包括左表面388和右表面390。左表面388和右表 面390是第二棱镜332的侧表面，并通过弯曲外表面342、外表面344 和入射表面346间隔开。一个或多个凹入部分392a和392b分别在左 表面388和右表面390中延伸并延伸到入射表面346的外周边缘，凹 入部分392a和392b每个都能够在其中接纳至少一个凸出部分386a 和386b中之一。 一个或多个凹入部分392a和392b可以在第二棱镜 332成型时形成，或随后从左表面38S禾Q/或右表面3卯中切出。虽然图中示出PBS 314具有从第一棱镜330延伸的凸出部分 386a和386b以及设置在第二棱镜332中的凹入部分392a和392b， 但是可选的是可以使用相反取向。在该可选设计中，凸出部分386a 和386b从第二棱镜332延伸，凹入部分392a和392b设置在第一棱镜330中。在另一种可选设计中，第一棱镜330可以包括与第二棱镜332的第二凸出部分和第二凹入部分对应的第一凹入部分和第一凸出部分。图11B示出与PBS314相似并包括第一棱镜430和第二棱镜432 的PBS 414，其中第一棱镜430包括凸出部分486a和凹入部分492a， 第二棱镜432包括凸出部分486b和凹入部分492b。凸出部分486a 和486b是分别设置在入射表面440和446 (即与反射式偏振膜相邻 的表面)上并从相应表面上突出的销。类似地，凹入部分492a和492b 是分别设置在入射表面440和446上的凹陷。图IIC示出与PBS 314相似并包括第一棱镜530和第二棱镜532 的PBS514，其中第一棱镜530包括凸出部分586a和586b，第二棱 镜532包括凹入部分592a和592b。凸出部分586a和586b是设置在 入射表面540上并从该表面突出的"L"形部分。类似地，凹入部分 592a和592b是设置在入射表面546中的"L"形部分并构造成在入 射表面546中形成的凹陷或凹槽。图IID示出与PBS 314相似并包括第一棱镜630和第二棱镜632 的PBS614,其中第一棱镜630包括凸出部分686，第二棱镜632包 括凹入部分692。凸出部分686是包围入射表面640的大部分并从该 表面突出的矩形表面。相似地，凹入部分692是设置在入射表面646 的大部分区域内的矩形凹陷。然后，当第一棱镜630固定到第二棱镜 632上时，反射式偏振膜634可以设置在凸出部分686和凹入部分692之间。在制造PBS 314、 414、 514和614的每一个时，可以在第一棱 镜和第二棱镜之间设置反射式偏振膜。然后可以将第一棱镜相对于第 二棱镜取向，使得凸出部分(例如凸出部分386a和386b)与对应凹 入部分(例如凹入部分392a和392b)对准。该对准有利于保证第一 棱镜相对于第二棱镜精确定位。然后，通过同时将凸出部分插入对应 的凹入部分使第一棱镜与第二棱镜接合。这挤压第一棱镜的入射表面 和第二棱镜的入射表面之间的反射式偏振膜，以提供平滑平坦界面。 可以使用粘接剂将凸出部分固定到对应的凹入部分。此外，可以通过将凸出部分配合和/或焊接(例如超声波、红外、热熔、扣合、压配 和化学焊接)到对应凹入部分，而将第一棱镜固定到第二棱镜。可以使用其它接合机构代替图11A-图IID所示的凸出部分和凹 入部分，只要一个棱镜包括这样的至少一个凸出部分其构造成与位 于相对棱镜中的对应凹入部分接合。如上所述，虽然图中示出凸出部 分和凹入部分用于PBS 314，但是可选的接合机构适用于本发明的任意双棱镜PBS (例如PBS 48、 54、 76、 86、 102、 134和212)。本 领域的普通技术人员将容易理解到，根据本发明可以使用与本文所示 数量不同的凸出部分和凹入部分。例如，示例性PBS可以包括接纳 于三个或更多个凹入部分中的三个或更多个凸出部分。虽然参照优选的实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技 术人员将理解到，可以在不脱离本发明精神和范围的情况下在形式和 细节上对本发明进行修改。例如，本文中所描述的一些光学元件可以 用其他相似的光学元件代替或者可以完全省略。
权利要求
1.一种偏振分束器，包括第一棱镜，其包括第一聚合物材料，并具有第一弯曲外表面和附加外表面；第二棱镜，其包括第二聚合物材料，并具有第二弯曲外表面；以及反射式偏振膜，其设置在所述第一棱镜和所述第二棱镜之间；其中，所述第一棱镜构造成使光至少透射通过所述第一弯曲外表面和所述附加外表面。
2. 根据权利要求1所述的偏振分束器，其中， 所述第一棱镜的第一弯曲外表面和所述第二棱镜的第二弯曲外表面朝向相反的方向。
3. 根据权利要求1所述的偏振分束器，其中，所述第一棱镜的第一弯曲外表面和所述第二棱镜的第二弯曲外 表面都具有选自包括凸面和凹面的群组的几何形状。
4. 根据权利要求1所述的偏振分束器，其中， 所述反射式偏振膜包括第一聚合材料和不同于所述第一聚合材料的第二聚合材料。
5. 根据权利要求1所述的偏振分束器，其中， 所述第一棱镜的附加外表面是弯曲表面，该弯曲表面具有选自包括凸面和凹面的群组的几何形状。
6. 根据权利要求1所述的偏振分束器，其中， 所述第一棱镜包括设置在与所述反射式偏振膜相邻的表面上并从该表面突出的至少一个凸出部分，所述第二棱镜包括能够接纳所述 至少一个凸出部分的至少一个凹入部分。
7. 根据权利要求1所述的偏振分束器，其中， 所述第一棱镜是输入棱镜。
8. 根据权利要求1所述的偏振分束器，其中，所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料中的至少之一选自 包括丙烯酸聚合物、环烯烃共聚物、聚碳酸酯及其组合的群组。
9. 根据权利要求1所述的偏振分束器，其中， 所述第一聚合物材料与所述第二聚合物材料相同。
10. —种偏振分束器，包括第一棱镜，其包括第一聚合物材料，并具有第一弯曲外表面、 第二弯曲外表面和第一入射表面；第二棱镜，其包括第二聚合物材料，并具有第三弯曲外表面和 第二入射表面；以及反射式偏振膜，其设置在所述第一入射表面和所述第二入射表 面之间；其中，所述第一棱镜构造成使光至少透射通过所述第一弯曲外表面和 所述第二弯曲外表面。
11. 根据权利要求io所述的偏振分束器，其中，所述第一棱镜的第一弯曲外表面朝向与所述第二棱镜的第三弯 曲外表面相反的方向。
12. 根据权利要求IO所述的偏振分束器，其中， 所述第一棱镜的第一弯曲外表面、第二弯曲外表面和所述第二棱镜的第三弯曲外表面都选自包括凸面和凹面的群组。
13. 根据权利要求IO所述的偏振分束器，其中， 所述第一棱镜和所述第二棱镜构造成所述第二弯曲外表面接收的光的一部分在所述反射式偏振膜上发生反射，并通过所述第一弯 曲外表面射出所述第一棱镜，而穿过所述第一弯曲外表面进入所述第 一棱镜的光的一部分透射通过所述反射式偏振膜，并通过所述第三弯 曲外表面射出所述第二棱镜。
14. 根据权利要求IO所述的偏振分束器，其中， 所述第一棱镜和所述第二棱镜构造成，所述第二棱镜的第三弯曲外表面接收的光的一部分透射通过所述反射式偏振膜，并通过所述 第一弯曲外表面射出所述第一棱镜，而穿过所述第一弯曲外表面进入所述第一棱镜的光的一部分在所述反射式偏振膜上发生反射，并通过 所述第二弯曲外表面射出所述第一棱镜。
15. 根据权利要求IO所述的偏振分束器，其中， 所述第一聚合物材料与所述第二聚合物材料相同。
16. 根据权利要求IO所述的偏振分束器，其中，所述反射式偏振膜包括第一聚合材料和不同于所述第一聚合材 料的第二聚合材料。
17. —种图像显示系统，包括 至少一个照明光源；偏振分束器，其包括输入棱镜，其包括第一聚合物材料，并具有第一弯曲外表 面和第二外表面，所述偏振分束器设置成所述第二外表面接收 来自所述照明光源的光；输出棱镜，其包括第二聚合物材料，并具有第三弯曲外表面；以及反射式偏振膜，其设置在所述输入棱镜和所述输出棱镜之 间；以及成像装置，其设置成接收来自所述输入棱镜的第一弯曲外表面 的光。
18. 根据权利要求17所述的图像显示系统，其中， 所述照明光源包括第一颜色的光源、第二颜色的光源和颜色组合器。
19. 根据权利要求18所述的图像显示系统，其中， 所述颜色组合器具有X-cube构造。
20. 根据权利要求17所述的图像显示系统，其中， 所述成像装置是LCoS装置。
21. 根据权利要求17所述的图像显示系统，还包括 投影透镜，其设置成接收来自所述输出棱镜的第三弯曲外表面的光。
22. 根据权利要求17所述的图像显示系统，其中， 所述图像显示系统具有大约16cn^或更小的体积尺寸。
23. 根据权利要求17所述的图像显示系统，其中， 所述图像显示系统的特征在于占用大约9 cr^或更小的面积。
24. 根据权利要求17所述的偏振分束器，其中， 所述第一聚合物材料与第二聚合物材料相同。
25. 根据权利要求17所述的图像显示系统，其中， 所述反射式偏振膜包括第一聚合材料和不同于所述第一聚合材料的第二聚合材料。
26. 根据权利要求17所述的图像显示系统，其中， 所述第二外表面是弯曲表面。
27. —种偏振分束器，包括第一棱镜，其包括聚合物材料，并具有第一弯曲外表面、第二 弯曲外表面和第一入射表面，所述第一棱镜构造成使光至少透射通过 所述第一弯曲外表面和所述第二弯曲外表面；以及反射式偏振膜，其与所述第一棱镜的第一入射表面相邻地设置。
28. 根据权利要求27所述的偏振分束器，其中， 所述第一弯曲外表面和所述第二弯曲外表面中的至少之一具有选自包括凸面、凹面、非球形面、变形面、柱形面、子透镜阵列表面 及其组合的群组的几何形状。
29. 根据权利要求27所述的偏振分束器，还包括 第二棱镜，其包括第二聚合物材料，所述第二棱镜具有第三弯曲外表面和第二入射表面，所述反射式偏振膜设置在所述第一棱镜的 第一入射表面和所述第二棱镜的第二入射表面之间。
30. 根据权利要求29所述的偏振分束器，其中， 所述第一棱镜包括设置在与所述反射式偏振膜相邻的表面上并从该表面突出的至少一个凸出部分，所述第二棱镜包括能够接纳所述 至少一个凸出部分的至少一个凹入部分。
31. 根据权利要求27所述的偏振分束器，其中，所述聚合物材料选自包括丙烯酸聚合物、环烯烃共聚物、聚碳 酸酯及其组合的群组。
32. 根据权利要求27所述的偏振分束器，其中， 所述第一弯曲外表面的取向与所述第二弯曲外表面的光轴成倾斜角。
33. 根据权利要求27所述的偏振分束器，其中， 所述第一弯曲外表面和所述第二弯曲外表面中的至少之一沿着两个轴线方向弯曲。
34. 根据权利要求27所述的偏振分束器，其中， 所述第一棱镜呈现彩色。
35. —种图像显示系统，包括 照明光源；偏振分束器，其包括第一棱镜，其包括聚合物材料，并具有第一弯曲外表面、 第二弯曲外表面和第一入射表面，所述第一棱镜设置成所述第 一弯曲外表面接收来自所述照明光源的光；以及反射式偏振膜，其与所述第一棱镜的第一入射表面相邻地设置；以及成像装置，其设置成接收来自所述偏振分束器的光。
36. 根据权利要求35所述的图像显示系统，其中， 所述第一棱镜的第一弯曲外表面和第二弯曲外表面中的至少之一具有选自包括凸面、凹面、非球形面、变形面、柱形面、子透镜阵 列表面及其组合的群组的几何形状。
37. 根据权利要求35所述的图像显示系统，其中， 所述成像装置选自包括反射式偏振旋转成像器、透射式成像器和数字微镜装置的群组。
38. 根据权利要求37所述的图像显示系统，其中， 所述反射式偏振旋转成像器包括硅基液晶装置。
39. 根据权利要求35所述的图像显示系统，其中，所述偏振分束器还包括第二棱镜，所述第二棱镜包括第二聚合 物材料并具有第三弯曲外表面和第二入射表面，所述反射式偏振膜设置在所述第一棱镜的第一入射表面和所述第二棱镜的第二入射表面 之间。
40. 根据权利要求39所述的图像显示系统，其中， 所述第一棱镜包括设置在与所述反射式偏振膜相邻的表面上并从该表面突出的至少一个凸出部分，所述第二棱镜包括能够接纳所述 至少一个凸出部分的至少一个凹入部分。
41. 根据权利要求35所述的图像显示系统，其中， 所述聚合物材料选自包括丙烯酸聚合物、环烯烃共聚物、聚碳酸酯及其组合的群组。
42. 根据权利要求35所述的图像显示系统，其中， 所述第一弯曲外表面的取向与所述第二弯曲外表面的光轴成倾斜角。
43. 根据权利要求35所述的图像显示系统，其中， 所述图像显示系统具有大约16cmS或更小的体积尺寸。
44. 一种图像显示系统，包括 照明光源；偏振分束器，其包括-第一棱镜，其包括第一聚合物材料，并具有第一弯曲外表 面，所述偏振分束器设置成所述第一弯曲外表面接收来自所述照明光源的光；第二棱镜，其包括第二聚合物材料，并具有第二弯曲外表 面；以及反射式偏振膜，其设置在所述第一棱镜和所述第二棱镜之 间；以及成像装置，其设置成接收来自所述偏振分束器的光。
45. 根据权利要求44所述的图像显示系统，其中， 所述第一棱镜和所述第二棱镜中的至少之一包括附加弯曲外表面。
46. 根据权利要求44所述的图像显示系统，其中， 所述第一弯曲外表面和所述第二弯曲外表面中的至少之一具有选自包括凸面、凹面、非球形面、变形面、柱形面、子透镜阵列表面 及其组合的群组的几何形状。
47. 根据权利要求44所述的图像显示系统，其中， 所述成像装置选自包括反射式偏振旋转成像器、透射式成像器和数字微镜装置的群组。
48. 根据权利要求47所述的图像显示系统，其中， 所述反射式偏振旋转成像器包括硅基液晶装置。
49. 根据权利要求44所述的图像显示系统，还包括 投影透镜，其设置成接收来自所述偏振分束器的光。
50. 根据权利要求44所述的图像显示系统，其中， 所述图像显示系统具有大约16cn^或更小的体积尺寸。
51. 根据权利要求44所述的图像显示系统，其中，所述图像显示系统的特征在于占用大约9cn^或更小的面积。
全文摘要
本发明公开了一种偏振分束器(48)，其包括至少一个棱镜(49)和反射式偏振膜(34)。所述棱镜包括第一聚合物材料并具有至少一个弯曲外表面(50)和入射表面(40)，其中，反射式偏振膜与入射表面相邻地设置。
文档编号G02B5/22GK101233442SQ200680027944
公开日2008年7月30日 申请日期2006年7月27日 优先权日2005年7月29日
发明者威廉·E·菲利普斯三世, 帕特里克·R·德斯坦, 约翰·E·邓肯, 迈克尔·W·奥基夫, 马家颖 申请人:3M创新有限公司