偏振回收板的制作方法

专利名称：偏振回收板的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种从非偏振辐射中产生偏振辐射的光学装置，并且特别涉及一种用于 彩色投影显示的 回*^反。
背景技术：
偏振i^細在不同的应用中，其中重要的例子包括利用液晶显示器(LCD)作为空间光 调制器(SLM)的投影系统。虽然LCD通过调制A^光的^)^^作用，但是通常的LCD投IM义 的照明系统利用诸如弧^y丁i^t^及管(LED)的非偏振光源或非充分的偏振光，因此，需要 一种能够将非^4^t4封M^I^展光的装置。术语"偏振光，指的是这样一种脉它通常具有由类似定向的电磁波限定的单一《緣，在 LCD投f;M义领i顿常是线'^il平面偏振。诸如弧ibtr发射的自然i"e^，从另一方面来说，通常是 非偏振的，或具有由该光源发射的电磁波限定的多个偏振面。该自然或非偏振光可被描述成由两 个正交的，例如幾性(平面)偏#1且成，它们在给定的参考平面范围内通常被称为8-偏# P-偏展。偏振片可以添加到照明系统以滤光，从而给SLM提4^f緣光束，然而这种方法具有50% 的光的相关损失，因为一^H^I犬态被吸收或丢失。
问利用偏振回收技术的照明系统设法获得该丢失的光并将期衬M所期望的偏振态以便其 可被回4沐利用，以i^是高该系统的效率并因j^曽加投影的亮度。王贿技术中实王Hii种偏振回收 和转换的方法包括^透镜阵列和^)##换阵列(PCA),例如美国专利No.6,139,157所公开的， ^i曾加了投^i义的尺寸和^^，或^l^封狄管(PCLP)的4狄。PCLP具有比前iiit镜阵列PCA 较低的#,但是W"有更低的对比度和较低的效率，透4竟阵列PCA具有20-30: 1的对比度和 大约80%的效率，而通常的PCLP具有大约6: 1的对比度和大约72%的效率。 ^it常的偏振回收系统中，非偏振it^用偏振分束器(PBS)分解成同向传播而空间分隔 的S-偏振和P-偏振光束，并JLi交偏振光束的一核l^走转90度以便提供两个相等的偏振光束，
然后将它们结合以提供均匀且单一的偏振i^。图1示出了一种已知类型的^##^^置，其利用偏振狄转换(PBC)板10，例如， 期苗錄^it给本申请的受iiA的US专利申请2005/0231690中。PBC 10与A^非^)I展光5成 45yt^位，并錄其前表面具有纟劲册^1展片(WGP) 15，该纟^IM練片15将7^光15分成？-Y敲展30和S-^^展光束35,其中S-偏振光束35 ^^劲册偏振片M而P-^l展it^itii^4册偏振片 到达PBC板10的后表面。设置在后表面的反射镜25瓦紂P-^^光束30，该P-偏振光束30离开 PBC板10并以与S-偏振光束30相同的方向传播，但是它们在输Ait镜60的象平面55是空间分 离的。在该象平面，半波片40，被图案化以匹配S-和P-偏转光的空间分离，净細来^f扁振态中 的一个转4械另 一个，从而将可用偏振态的光量最大化。包含有《劲册偏振片的PBC板10在宽光 语区域和宽的角度范围上是有效的。但是，由于难于在非常小的空间制作大^4册，这种装置很昂 贵。^4册基PBC板10的其它缺点是包^it常与桑劲册有关的附加^J^N^,这可奇N"^tit射 率狄负面影响，因此需要在处理WGP时非常小心，因为它们是难于消除的。 i劲册偏振片的可替换的利用是利用MacNeille型PBS涂层。MacNeille型偏振片的偏振特 性狄于布^^t特Jt^的，其中以布^叙斤特角it^玻璃或另一种介质表面的^y皮转^A两束^翻展 光， 一束^it射而另一束it^f。这种类型的涂层，首先由MacNeille于US专利No. 2,403,731 中描述，需要非^翻展W目对于所用涂层材料以布4叙斤特角A4t到涂层表面上。如果非^l展it/人空 气中A4t到涂层上，布4默射争角超i^皮漆空^面的临界角。由于这个原因，MacNeille型PBS 通常利用图2所示的立方体形成的45度玻璃棱镜作为这种涂层的入射/出射介质。如US专利No. 2,403,731和其它更多J贿技^^开所描述，^j^^层130可被设计成由多个层《誠，以在预定的 光漆范围内加宽这种类型^^展片的接受角范围，其中^l展消光比通常与涂层中的层凄械比例。输 入的非偏振光由涂层130分离，因此P-偏振光束100透射穿过PBS立方体105,而正交的S-偏振 光束150祐^JHfdi过第一棱镜125的第二离开PBS立方体105而沿不同的方向传播。在立方体 120^放置的平行于涂层130的反射镜将再次引导P-fe^光束100到与S-偏振光束150相同的 方向传播，因此诸如半波片40的偏^i走转器可被再次用来校准两束偏振光的偏振，例如，US专 利No. 6,046,856中描述的系统。然而，立方体棱镜125之后附加的反射镜增加了系统的复杂性， 导致系统^F、增大这i泉，需要附加的校准步骤，从而增加了制it^，并且可能导tt的额 外损失，从而使得系乡W丈率变低。因此，J脉需^""种简单、^A4^H、型的可以高效率运行的偏振回收系统。本发明的一个方面，将提^"-种用于投影型显示系统中的、简单的、^A^的将非偏振 總MJ^偏振光的偏振回线

发明内容
才財居本发明，提#-种偏振回<^^置，包^^^##+反，该板具有接收非偏振光的^y册
形前表面和A4tA^到其上的入射光的反射后表面。该板包括以某一倾斜角接收非偏振光以向反
射后表面透射P-^4^光并向前表面M S-Y翻展光的^^分离结构，其中P-偏振光以平行于S-偏 振光的方向7A^f后表面向前表面反射。前表面包括由光颠齿阵列形成的4錄形iU册，每个iy赠具有第一边和第二边，该第一 边接收非偏振光，该第二边透射S-偏振^P-偏振光中的一个以形成空间分离的沿相同方向传播 的S掘展i^p P-谢展光。根据本发明的一个方面，预定的倾斜角是布^^f特角，并且内嵌的偏振分离结构是包括
具有交替的高^i斤射率的多个层的Mac-Neille型多层结构。本发明的另一^#征是提^"种偏##换器，该^^换器设置在P-^^t^S-偏振 光束中一个的光洛中以将^4封^i交^^光束，从而形成在同一方向传播的J^目同偏振的两束光。


将参考^4^发明伊逸实施例的附图对本发明作更详细的说明，其中相同的元件以同一 数字标记，其中图1是说明具有利用全^册偏振片的PBS板的5贿技术的^I展回收系统的示意图；图2是说明i贿技术的MacNeillePBS立方体的示意图；图3A是说明利用本发明的M型PBS板的^4展回iR^置的截面图的示意图；图3C是说明图3A所示的^Jt型PBS板的第一基片的透视图的示意图，说明在^W PBS板的前表面形成##^^#^三棱镜；图4是说明运行中的本发明的^it^ PBS板的截面图的示意图；图5是提供本发明的^M PBS板的具有蚀刻的4錄形iyt^第一基片的截面图的示意
图；图6是提供本发明的储型PBS板的具有浮雕棘形iU册的第一基片的截面图的示意图。M实施方式本发明的偏振回^lt^置的伏选实施例由图3A示出并在下文中描述。M^杉抖反210具有接收非^fe光205的前表面，储后表面215,和内嵌在该板210 中通常与^Jt后表面215平行的^l展分离结构230。该偏振分离结构230才財居以预定倾斜角213 A4t到其上的非偏振光的偏振将其分开，以便向^f后表面215透射P-偏振光280并向前表面240 反射S-條光250。如这里所用的，S-和P-偏振指的是相对于A^f到板210上的非^^展光205的 A4t平面的光的^l展方向，S-偏振im有垂直于该A4t平面并平行于前表面240的倡振方向，而 P-偏振ife^有位于该A^平面的偏振方向，其对应于图3A的平面。图3A和图4所示的S-和P-偏振ife^别标记为黑圆圏212和双箭头211的^i戈。板210^ii^同样被称为絲PBS (偏振 it^分离)板，或(絲)偏##换板210。在伊逸的实施例中，^翻展分离结构230是多层干涉结构，其由具有交替高^^Jj"率的多 个介电质层组成，以便j安所期望的方向《1导M的S-偏振光212通过干涉并4是供所期望的偏振分 离特性。这种结构的设计原理是本领iibl已知的并iL^此不再描述;.例如，在US专利No. 2,403,731, No. 5,658,060, No. 5,798,819中可以找到详细内容。在伊4的实施例中，板210通过将 两M明基片220和225 ^!姿在^JL在它们之间夹入偏振分离多层结构230形成，该偏振分离 多层结构230类似于夹在MacNeille立方^M菱镜中的两个^f麦4竟间MacNeille ^^干涉结构。作为 例子，MacNeme薄膜涂层可沉机在第二基片225的第一表面上以形成偏振分离结构230,然后被 *^矣到第一基片220。同幹泎为例子，基片220和225是玻璃基片。在其它实施例中，它们可以 由诸^^适的塑料、二氧化硅、掺杂的二氧化硅的其它 #料制成。才財居本发明，vjfe^行中接收非i^展光205的前表面240不是平坦的，而是4M形构成锯 "^fjiy册311;该iU册由提供前表面240的部^^欠大截面图的图3B说明，并且图3C提4^立于第 一基片200的前表面240上的4錄形^y册311的示意截面图。4錄形iy册311由^U醋阵列 301!-301n形成，下文中通常将it4册齿阵列301i-301n称作iy册齿301，每个iy赠具有橫截面为直 角等腰三角形的三棱镜形状。光^^具有接收非偏振光205的第一边或面221,和伊^i也与第一 边221成90度定向的第二边或面222,该第二边或面222用于透射P-偏振光280和S-偏振光250 中的一个，如下文中所描述。伊Ci^也，当光束以布^^特角传播到偏振分离结构230时，例如图 3A中的光束205 , 250,和280,选择齿301的形状和方向以便提供ii/v和离开反射PSB板210 的所iiit束的垂J^射。5脉转到图4，示意性示出了板210的""^分以说明该装置的运行。在该图中，为了说 明的目的，有意iiM夸^y册齿301相对于结构的其它部^^大'W也示出，所以所示的尺寸是不成比
例的；在本发明的不同实施例中，^y喊301相对于板10的其它部分的尺寸^4i也小于图4中所 示的，然而也可以大于或等于图4中所示的，这取决于具体应用的需要正如本领域技^/v员所清 楚的那才羊。运行中，板210相对于入射的非偏振光205成M 45度定向以便使击中板210的非偏 振光205与一个或多个^y喊301的第一边221垂直。因此，非<緣光205 ii/v^—基片220而 _^^改变其方向，并且被1"棘分离多层结构230以预定倾斜角213 0接收，该倾斜角213 0优选 地等于45度。偏振分离多层结构230是这样的以便倾斜角213是,堪片220之内趟到其上的入 射光的布^^f特角，因aH^I夸A4t到其上的非偏振光205分成两个线性偏振分量，该两个线性偏 振^f:是S-^l^光250和P-偏振光280。 S-偏振光250被^#分离结构230以与入射方向成 90度的方向朝向前表面240幼^7v^—基片220。 P-偏振光280通过偏振分离结构230朝向反 射后表面215透射而iiA^二基片225,徊(5儿其以与A4i方向成90度角朝向偏振分离结构230 ^JtiiAi反210。 ^f后表面215可以利用全内^J^纽来^JtP-J翻展光280,或者第二基片225 可涂覆有附加的M,例如金属、涂层以形^gjf后表面215。在一些实施例中，前表面240可 具有⑩口在其上的抗储涂层。 乂仏表面215反射之后，P-偏^^光280以与S-i^^展光250相同的方向朝向前表面240透 射穿过^^分离结构230，但是具有示意性示出的282的横向偏移^=a/cos (6);横向偏移d耳结 于第二基片225的厚度a,和以213所示的Ml"角9。从偏振分离结构230反射的S-i^展光250和,A^表面215 ^SJt的P-偏才展光250然后分别 透射通过不同光栅齿301i和301j的第二边222,并JL^板210的输出形成两个正交的偏#^出光 束，该^#^出絲以与非^|展光205的方向成过90度的J^目同方向传播出板210。注意，图3A和图4所示的非偏振光205作为例子是通过单个光 ^^^/^反210的单个 ^4^i戋，该单个iyt^作为例子是图4中的齿30h。然而，本领域技术人员可知实际上非偏振 光205是以相对于垂iA^"的预定的合适窄范围内的多个A4i角通过多个iy醋301 iiA^反210 的合适的窄锥形M,并因j^M目对于倾斜角213以一^A4t角范围内的多个4顷斜角A4t到^t展 分离结构230,该一^v射角范围作为例子可对应于仍，或+/-6度。因此，对^^分离结构230 的层进fr&计以使^M目应于非偏振光205的发散的AJt角范围内禾d贞定波长范围内^_4^所期望的 偏振分离特性，itA本领域已知的。
不同区域离开板210的前表面240,每个区域都包含多个iy册齿301并且可能重叠或可能不重叠。转回图3A,可利用透镜201来聚焦或准直非偏振光205,以减少其发散并确餘!十于由具 体应用限定的其所有有用光^^i:的良好的^t展分离。对第二基片225的厚度a进行选择以便S-#|^光250和P-偏振光280在板210外的象平面290处实现空间分开。在一实施例中，诸如半波 片的^^封^t件260设置在P-U^光280的^>5各上以便将其偏#^走转90度并将^4封狄S-偏 振光285而不影响S-偏振光250;这将产生两个沿相同方向传播的J^4目同S-偏振的同向传播的 光束250和285 。可替换地，偏4絲封Mi件260可^fcJi置在S-^^光束250的光路上以便不影响 P-偏振光束280，产生两个沿相同方向传播的P-偏振光束。作为例子，透镜201是这样的以使非偏振光205^iLi^准直并在板210的前表面具有 10 mm的物理孑W圣；此时，S-fe^展光250和P-偏振光280将同样具有大约10 mm的物理孑W圣。利 用第二基片，其厚^A少是cKO mm*cos (0) =10A/2^7.1 mm或^ ", ^夸能够/ y反210的输出空 间分离S-偏振光束250和P-偏振光束280。有利地，^#偏##换板210具有成形为4^^^#^前表面和内嵌的多^)#分离结 构230, ^]"偏##换板210结合了图1中所示的^#劲射烏振片10和MacNeille立方^f麦镜的 有效特征^Pt有^Jt^f册偏振片IO的紧密性，但是相当便宜，因为其不需要制itl劲册并可以利 用类似于用来制造MacNeille立方体棱镜的良好的确定的技术制造。作为进一步的优点，本发明 的a PBS板210比基于WGP的装置更耐处理，因为如果需要，其更容易被清洁。
,[38]作为本领域技术人员将意识到，板210的前表面上的锯齿形光栅311可由不同的方法形 成。在一实施例中，其可以利用已知的蚀刻技^第一基片220的表面li射虫刻，获得第一基片 具有图5所示的结构，其中所示的多层^l展结构230被翻口到第一基片230的另一侧，例^if过 涂层、細鄉等。在图6所示的另一实施例中，4錄形光断311浮^t膜333中，该膜333然后被津M妄到 基片220。在该实施例中，板210的运行J^上如上面参考图3A和图4描述的那样，浮雕膜333 的折射率Wf差本上等于第一基片220的折射率w!。板210的伊^l寸和材料的选择fU夹于胁的应用和制造技术。例如，基片220的厚度 伊Li^kii当较小以便减少板210的整个尺寸和重量，同时确保易于制造和处理。在一实施例中， 浮鹏333可^Jl接津i^到涂覆在第二基片225上的條分离多层结构230上，浮雕膜230赵'J 第一基片220的作用。通常，用^i!E的术语"基片"表示^f可能够冲似亍上述参考元件220和225 描述的功能的单层或多层结构。板210的整个面内尺寸和第二基片225的厚度耳^于非 光205 的it^孑W圣和l俞出的S-^#^ P-偏)l^it^ 250的目标分离。单个锯齿形光浙齿301的尺寸，或iU册距，可才財絲'J造技术和其能力在大约5mm和大
约10獨Mt之间选择，以提^4仑廓分明的角4對麦镜而没有不需要的滚降(rclk)ff)。例如，对于作 为膜的重复表面或利用4 ^辊型膜制造方法制造的浮雕iy册，4錄形iy册311的节距可在50獨沐 和500樣沐之间，以it^角滑离。在另一实施例中，4錄形^y册311可通过:;iAil压缩成型制造， 类似于用来生产用于投影TV的菲涅尔透镜的技术，具有大约200孩Of^ 5mm之间的节3&^寸。 另一种可能性是通过蚀刻制造储形iy册311。这可以使得具有等于或小于10#^节距的轮廓分 明的齿的制造。基片220和225^Li&也是玻璃基片，但也可能由其它本领域技a员已知的光学透明材 糊造。当然，在不脱离本发明的津射申和范围下，可以想象出多种其它的实施例。
权利要求
1、一种偏振回收装置，包括透光材料板，所述透光材料板具有前表面和反射后表面，所述前表面接收非偏振光，所述反射后表面反射入射到其上的光，所述板包括内嵌的偏振分离结构，所述偏振分离结构以倾斜角接收所述非偏振光以向所述反射后表面透射P-偏振光并向所述前表面反射S-偏振光；其中，所述P-偏振光以平行于所述S-偏振光的方向从所述反射后表面向所述前表面反射；并且其中所述前表面包括由光栅齿阵列形成的锯齿形光栅，每个光栅齿具有第一边和第二边，所述第一边接收所述非偏振光，所述第二边透射所述S-偏振光和P-偏振光中的一个以形成空间分离的沿相同方向传播的S-偏振光束和P-偏振光束。
2、 才財居权利要求1所述的偏振回^^置，其中所述倾斜角是布^^t特角。
3、 根据权利要求2所述的偏振回》)錄置，其中所述内嵌的偏振分离结构^i舌具有交替高^l斤 射率的多层。
4、 才財居权利要求3所述的^#回4錄置，其中所述内嵌的偏振分离结构形成MacNeille型偏振片。
5、 才財居权利要求3所述的偏振回)R^置，其中所述内嵌的偏振分离结构夹在第""itt&片和第二itt^片之间。
6、 根据权利要求2所述的偏振回"t^置，其中所述倾斜角^J丈等于45度。
7、 才財居权利要求2所述的^^展回(R^置，其中每个iy醋具有横截面为直角等腰三角形的三棱镜形状，以^^斤述第一边坦等于所述第二边并与其形成90度角。
8、 根据权利要求1所述的偏振回4錄置，其中所述4^^iy册蚀刻/^斤述前表面。
9、 根据权利要求1所述的 回》11^置，其中所述4^形iy册由所iiiUi的浮雕层形成。
10、 才M居权矛虔求5所述的偏振回()錄置，其中所述第^itt&片和所述第二itt&片是玻 璃基片。
11、 根据权利要求1所述的偏振回4錄置，其中所iiA^"后表面通过全内^t^it所述P-偏 振光。
12、 才財居权利要求1所述的偏振回》1錄置，其中所ii^f后表面包括M涂层。
13、 根据权利要求1所述的^t展回4樣置，还包括^)##换器，所述偏4^争换器设置在所述 P-偏振it^f口所述S-偏振M中一个的M中以将^4封M^交偏振M,从而形絲同一方向 ^f^番的J^目同#^展的两^^t。
全文摘要
本发明涉及一种偏振回收装置，其包括反射PBS板，该反射PBS板具有内嵌的Mac-Neille型多层偏振分离结构，反射后表面和成形成锯齿形光栅以提供以相对于该偏振分离结构的布儒斯特角进入和离开该板的光束的垂直入射的前表面，当相对于入射的非偏振光以倾斜角定位该反射PBS板时，沿相同的方向输出空间分离的偏振光束穿过该前表面。
文档编号G03B21/14GK101097295SQ200710123078
公开日2008年1月2日 申请日期2007年6月28日 优先权日2006年6月28日
发明者保罗·麦肯奇, 迈克尔·纽厄尔, 阿普·帕拉达汗 申请人:Jds尤尼弗思公司