CN101341441A - 使用反射偏振器的投影系统 - Google Patents

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Abstract

一种包括第一成像元件、至少一个第二成像元件以及颜色组合器的投影系统。所述第一和第二成像元件每个包括成像器和被构造为至少部分地将来自所述成像器的光束分离为第一部分和第二部分的反射偏振器，其中所述第一部分和所述第二部分具有基本上正交的偏振状态。沿所述相同方向将所述光束的所述第一部分导向由所述光束的所述第二部分限定的平面的上方或下方。所述颜色组合器被构造为组合所述光束的所述第二部分，其中在进入所述颜色组合器之前所述光束的所述第二部分具有基本上正交的偏振状态。

Description

使用反射偏振器的投影系统
技术领域
本发明涉及结合偏振分离器件的投影系统。特别是，本发明涉及使用反射偏振器的包括液晶成像器的投影系统。
背景技术
投影系统通常包括光源、照明光学器件、一个或多个成像器、投影光学器件和投影屏。照明光学器件从光源收集光线并以预定的方式将该光线引导至一个或数个成像器。一个或数个成像器通常为偏振旋转成像器件，例如液晶显示成像器，其工作是旋转偏振光，从而生成与数字视频信号相符的图像。随后投影光学器件放大图像并将其投影到投影屏上。
投影系统中使用的成像器通常依赖偏振器将光分离成一对正交的偏振状态(例如，s偏振和p偏振)。一般来讲，该分离包括透射具有所需偏振状态的光以及吸收绝大多部分非所需偏振状态的光。然而，这种偏振器吸收大量光能，这些光能被转换为热量。在长期使用期间，生成的热量可能积聚并损坏偏振器，从而消弱偏振特性。因此，这会随着时间的过去降低投影图像的质量。通常，在偏振器上方提供高速空气流，以将偏振器温度保持在可接受的极限值之下。然而，所需的体积流量可能很高，并且投影系统所需的风扇规格和数量不仅会产生令人分散注意力的噪音，还会消耗投影系统的大量电能并占有投影系统的很大空间。
发明内容
本发明涉及包括至少两个成像元件和一个颜色组合器的投影系统。每个成像元件均包括被构造为至少部分地将光束分离成第一部分和第二部分的反射偏振器，其中第一部分和第二部分具有基本上正交的偏振状态。在相同方向将来自成像元件的光束的第一部分导向由该光束的第二部分限定的平面的上方或下方。颜色组合器被构造为组合光束的第二部分，其中在进入颜色组合器之前来自成像元件的光束的第二部分具有基本上正交的偏振状态。
本发明的上述发明内容并非旨在描述本发明的每个示出的实施例或每个实施方案。以下附图和具体实施方式更具体地举例说明这些实施例。
附图说明
图1为本发明的投影系统的顶部示意图。
图2为该投影系统成像元件的侧部展开示意图，其集中在与颜色组合器连用的红光波长成像元件。
图3为该投影系统成像元件的侧部展开示意图，其集中在与颜色组合器连用的蓝光波长成像元件。
图4为该投影系统的成像元件侧部展开示意图，其集中在与颜色组合器连用的绿光波长成像元件。
图5A为用于具有p偏振状态和s偏振状态的光通过颜色组合器的光透射率与光波长之间特性关系的图形表示。
图5B为MZIP反射偏振膜的消光率与入射光束相对于该反射偏振膜的入射角之间特性关系的图形表示。
图6A和6B为该投影系统的成像元件的侧部展开示意图，其中每个成像元件均集中在与颜色组合器连用的另一可供选择的绿光波长成像元件。
图7为与颜色组合器连用的成像元件的偏振分束器的顶部透视图。
图8为分离入射光束图像部分和非图像部分的示例性偏振分束器的侧部示意图。
图9为用于本发明的投影系统的另一可供选择的光学中心部分的分解示意图。
尽管上述各图提出了本发明的数个实施例，但是如讨论所述，还可以想到其它的实施例。在任何情况下，本公开均仅示例性而非限制性地介绍本发明。应当理解，本领域的技术人员可以设计出大量其它的属于本发明的范围和原则精神的修改形式和实施例。未按比例绘制附图。在所有附图中，均利用类似的参考标号表示类似的部件。
具体实施方式
图1为本发明的投影系统10的顶部示意图，该系统适于利用多种光学成像器系统，例如前投影和背投影系统、投影显示器、头戴式显示器、虚拟观察器、平视显示器，和光学计算系统，显示高对比度，亮度图像的系统。投影系统10包括光源12、分色光学器件14、光学中心部分15(包括成像元件16R、16B和16G，以及颜色组合器18)和投影透镜20。如下文讨论，成像元件16R、16B和16G被构造为沿大致相同的方向将非图像光束导向由从成像元件16R、16B和16G输出的附加有图像的光束限定的平面(即图1纸面限定平面)的上方。因此，在图1的平面外沿相同方向将非图像光束引向(或引离)观察器。这将非图像光束移除到投影系统10光路(即，图1示出光路)上方(或下方)的位置，可在此调节非图像光束，以减少生热。
光源12可以为灯泡和弯曲(如抛物线和凹面)反射器，用于发射对准分色光学器件14方向的光束22W(白色光束)。适用于光源12的灯泡包括金属卤化物放电灯，例如超高压汞灯。在到达分色光学器件14之前，可利用多种光学元件(未示出)，例如预偏振器(例如，偏振转换系统)、聚光透镜、积分透镜和叠加透镜，预处理光束22W。预偏振器可用于至少部分地偏振光束22W，这涉及将光束22W调节为线性偏振光成分。
分色光学器件14包括二向色镜二向色镜24和26，以及折叠反射器28、30和32，其中折叠反射器28、30和32是用于光束引导光路的反射镜。分色光学器件14也可包括用于缩小发散角以及中继接纳光束的聚光透镜(未示出)。光束22W首先行进到二向色镜24，该二向色镜是透射红光波长光(约600纳米至约700纳米)并且反射其余色谱光的色彩波长分离镜。因此，二向色镜24将光束22R(即光束22W的红光波长部分)传输至折叠反射器28和成像元件16R，并且将光束22GB(即光束22W的蓝绿光波长部分)反射至二向色镜26。
二向色镜26为透射蓝光波长光(约400纳米到约500纳米)并且将其余色谱的绿光波长(约500纳米到约600纳米)的光反射至色彩波长分离镜。因此，二向色镜26将光束22B(即光束22GB的蓝光波长部分)传输至折叠反射器30和32以及成像元件16B，并且将光束22G(即光束22GB的绿光波长部分)反射至成像元件16G。
成像元件16R、16B和16G通常被设置在分色光学器件14与颜色组合器18之间。成像元件16R、16B和16G各自将图像附加在接纳的光束上并将附加了图像的光束中继到颜色组合器18。如下文讨论，成像元件16R、16B和16G可包括全部内反射偏振分束器(PBS)，其被构造为沿大致相同的方向将非图像光束导向附加了图像的光束限定的平面上方(或下方)。这将非图像光束引导至投影系统10的光路(即，图1示出光路)上方(或下方)，从而防止非图像光束干扰投影系统10的光路。另外，可以将非图像光束导向吸收光能的单个排热元件(例如，散热器，图1未示出)。这将非图像光束导致的生热从对热量敏感的位置(例如，成像元件16R、16B和16G)转移至可利用单个排热降热元件管理生热的偏移位置。
这一实施例的颜色组合器18为包括由反射红光波长光的第一分色多层(通常为无机的)膜和反射蓝光波长光的第二分色多层膜分开的四个直角棱镜的分光合色棱镜颜色组合器(X-cube color combiner)。作为另外一种选择，颜色组合器18可以仅包括一对二向色镜(不带棱镜)。颜色组合器18将光束22R、22G和22B的附加了图像的部分组合为单个图像光束(即，光束22I)。特别是，从反射红光的分色多层膜反射光束22R的成像部分，从反射蓝光的分色多层膜反射光束22B的图像部分，光束22G的图像部分基本上透射穿过这对分色多层膜。所得的单个图像光束22I随后被透射至投影透镜20，光束22I在此被放大并被投影至屏幕(未示出)。因此，投影系统10可生成高对比度，亮度的供观看的图像，同时还将非图像光束的能量转移至偏离偏振元件的位置。这保持偏振元件的产品使用寿命，使投影系统10可在较长的时期内持续生成高对比度，亮度的图像。
在一个可供选择的实施例中，投影系统10可以包括两个成像元件，而不是图1示出的三个成像元件。双成像元件布置方式通常具有专用于绿光波长光束的第一成像元件和安排在红光与蓝光波长光束之间的第二成像元件。双成像元件布置方式的实例描述见Ma等人的美国专利公布No.2004/0227898。
图2为光学中心部分15的侧部展开示意图，其集中在与颜色组合器18连用的成像元件16R。成像元件16R包括入射偏振器34、透射成像器36、PBS 38和出射偏振器40，它们分别沿光束22R的光路对齐。本领域的技术人员可能了解，成像元件16R(以及成像元件16B和16G)的各种元件均为可选元件，并且也可利用附加元件。
入射偏振器34(如预偏振膜)将第一偏振状态的光束22R的第一部分传输至透射成像器36并吸收或反射具有正交于第一偏振状态的第二偏振状态的光束22R的第二部分。因此，传输至透射成像器36的光束基本上处于第一偏振状态。根据传统符号，在此用点“·”(代表延伸到纸张平面外，正交于图2的视图的第一垂直电场区段)标记第一偏振状态的光束，用第二垂直区段“|”标记第二偏振状态的光束(具有在纸张平面内偏振的光的电场矢量)。如上文的讨论，如果光束22W至少部分地被预偏振为给定偏振状态，光束22R就在到达成像元件16R时最初至少部分地偏振至相同的给定偏振状态。
这一实施例的透射成像器36为液晶成像器，它根据相关图像信号调制接纳的光束22R的偏振，因此为光束22R附加图像。适于透射成像器36的液晶成像器的实例包括基于LCD(液晶显示屏)的成像器件，例如高温多晶硅(HTPS)透射液晶显示器面板。通过本发明还可以想到基于例如硅基液晶(LCoS)面板的反射成像器的其它实施例。可以根据相关图像信号将电压施加到透射成像器36的各种像素。这将图像附加于光束22R，其中光束22R的图像部分(称为“光束22R(i)”)可以被调节为第二偏振状态，同时光束22R的非图像部分(称为“光束22R(n)”)仍处于第一偏振状态。因此，从透射成像器36行进到PBS 38的光束22R的光路包括第一偏振状态的光束22R(n)和第二偏振状态的光束22R(i)。
这一实施例的PBS 38包括输入棱镜42、输出棱镜44和反射偏振膜46。输入棱镜42和输出棱镜44是彼此相邻地设置在反射偏振膜46相对侧的低双折射棱镜(即偏振膜覆盖件)，其中输入棱镜包括输入表面42a和顶部表面42b。可以利用具有能够达到所需PBS38目的的合适折射率的任何透光材料制造输入棱镜42和输出棱镜44。“透光”材料是允许入射光的至少一部分透射穿过的材料。适用于棱镜的材料包括陶瓷、玻璃和聚合物。尽管可以使用其它材料，仍然优选利用各向同性的材料制成输入棱镜42和输出棱镜44。在图2示出的实施例中，可以设计输入棱镜42和输出棱镜44，使反射偏振膜46反射的光束22R(n)可满足沿输入棱镜42输入表面42a的全部内反射的条件。这种棱镜设计的描述见Magarill等人的美国专利No.6,719,426。
如图2所示，光束22R透射穿过输入棱镜42的输入表面42a和接触反射偏振膜46。适于反射偏振膜46的偏振膜实例包括反射、多层聚合物、匹配z-折射率的偏振器(MZIP)膜(讨论见下文)。这种膜是笛卡尔偏振器，传统地取向为透射大约p偏振的光，并相对于膜上入射光入射平面反射大约s偏振的光。
尽管多层膜为优选的实施例，但是其它例如线栅偏振器和MacNeille偏振器的笛卡尔偏振器可以作为另外一种选择用于反射偏振膜46。这种另一可供选择的偏振器有利地呈现出高热导率和低热双折射率。适于与本发明连用的其它反射偏振器实例包括Miyazawa等人的美国专利申请公开No.2005/0012996公开的那些。
由于光束22R相对于反射偏振膜46的入射角，光束22R的第一偏振状态部分(即，光束22R(n))被取向为相对于反射偏振膜46的s偏振光。类似地，光束22R的第二偏振状态部分(即光束22R(i))被取向为相对于反射偏振膜46的p偏振光。因此，反射偏振膜46反射光束22R(n)，并且光束22R(i)透射穿过反射偏振膜46。
由于反射偏振膜46为反射偏振器，而不为吸收型偏振器，因此光束22R(n)不会被反射偏振膜46吸收。同样地，光束22R(n)不会在反射偏振膜46处转换为热量，从而使反射偏振膜46可以保持相对低的温度。无强制空气冷却时，适于PBS 38的运行温度通常在约25℃至约45℃的范围内。相比而言，当前的吸收型偏振器要求适当设计的强制空气冷却，以获取可接受的温度(通常为约70℃)，这规定了偏振器和成像器的光强极限值。透过偏振器的光强及其降解该偏振器的可能性可能确定可以使用的成像器和偏振器的尺寸。成像器是典型投影系统的主要的昂贵元件，并且减小成像器尺寸(因此提高透过偏振器的光强)可降低成像器的成本。因此，反射偏振膜46提供一定程度的仅依赖自然对流传热就可实现的温度控制(即，无需风扇)。另外，可以将较小的成像器(例如，成像器36)用于从投影系统10输出的相同量的光，从而可以利用较高的光强设计成本更低的投影机。
还如图2所示，光束22R(n)被反射回输入棱镜42，其中该光束在输入表面42a上完全内反射，并且从顶部表面42b离开输入棱镜42。如下文讨论，利用成像元件16B和16G获取类似的布置方式，从而沿大致相同的方向将光束22R、22B和22G的非图像部分反射至由光束22R(i)以及光束22B和22G的图像部分限定的平面的上方
透射穿过偏振膜46和输出棱镜44的光束22R(i)前往出射偏振器40。出射偏振器40可以是偏振膜，它也透射第二偏振状态(即，相对于PBS 38的大约p偏振)的光并吸收或反射穿过反射偏振膜46和输出棱镜44的第一偏振状态(即，相对于PBS 38的大约s偏振)的光的任何残余部分。因此，光束22R(i)透射穿过出射偏振器40，并且出射偏振器40吸收或反射光束22R(n)的任何残余部分。出射偏振器40在偏振步骤中提供一定程度的过量，从而在光束22R(i)进入颜色组合器18之前提高该光束的对比度。
在这一实施例中，颜色组合器18为“SPS”型分光合色棱镜。颜色组合器18包括一对分别反射红光波长光和蓝光波长光并且均透射绿光波长光的交叉的分色膜48和50。颜色组合器18反射s偏振光比反射p偏振光更强效。尤其是对绿光，它透射p-偏振光也比透射s-偏振光更强效。光束22R(i)以第二偏振状态前往颜色组合器，如上文所述，该第二偏振状态为相对于PBS 38的反射偏振膜46的大约p偏振。然而，由于光束22R(i)相对于颜色组合器18的二向色镜膜48的入射平面，第二偏振状态被取向为相对于分色膜48的s偏振光。同样地，(第二偏振状态的)光束22R(i)从分色膜48反射至投影透镜20，该投影透镜位于离开图2视图限定的平面，朝向图2的观察器的方向。
图3为光学中心部分15的另一个顶部展开示意图，其集中在与颜色组合器18连用的成像元件16B。成像元件16B包括入射偏振器52、透射成像器54、PBS 56(包括反射偏振膜58)和出射偏振器60，它们分别沿光束22B的光路对齐，并且以与上文图2讨论的成像元件16R的相应元件类似的方式起作用。同样地，光束22B的非图像部分(称为“光束22B(n)”)被反射至PBS 56的顶部外，该部分处于第一偏振状态(相对于反射偏振膜58的s偏振)。因此，沿着与光束22R(n)大致相同的方向将光束22B(n)反射到由光束22R(i)和22B(i)以及光束22G的图像部分限定的平面上方。
光束22B的第二偏振状态(相对于反射偏振膜58的p偏振)的图像部分(称为“光束22B(i)”)透射穿过反射偏振膜58，前往出射偏振器60和颜色组合器18。光束22B(i)以第二偏振状态前往颜色组合器18。如上文有关光束22R(i)的讨论，由于光束22B(i)相对于颜色组合器18的分色膜50的入射角，第二偏振状态被取向为相对于分色膜50的s偏振光。同样地，(第二偏振状态的)光束22B(i)从分色膜50(在离开由图3的视图限定的平面的方向)反射到投影透镜20。
图4为光学中心部分15的另一个顶部展开示意图，其集中在与颜色组合器18连用的成像元件16G。成像元件16G包括入射偏振器62、透射成像器64、PBS 66(包括反射偏振膜68)和出射偏振器70，它们分别沿光束22G的光路对齐，并且以与上述图2和3讨论的成像元件16R和16B的相应元件类似的方式起作用。类似之处的一个例外是，反射偏振膜68被取向为反射标称p偏振光和透射s偏振光。实现这一要求的方法是将反射偏振膜68的内部结构在输入棱镜上的固有偏振反射方向取向为相对于成像元件16R和16B的反射偏振膜46和58的取向旋转90°。另外，如果在光束22G进入成像元件16G之前对其进行预偏振，就可以在入射偏振器62前方设置半波片，以旋转光束22G的偏振状态。
因此，光束22G的第二偏振状态(相对于反射偏振膜68的标称p偏振)的非图像部分(称为“光束22G(n)”)被反射到PBS 66的顶部外。同样沿着与光束22R(n)和22B(n)大致相同的方向将光束22G(n)反射到由光束22R(i)、22B(i)和22G(i)限定的平面上方。在一个实施例中，PBS 66包括输入棱镜67和输出棱镜69，其中输出棱镜67和输出棱镜69的折射率分别接近反射偏振膜68外层的折射率。这可以通过使棱镜76、78和膜68之间的介电界面的菲涅耳反射最小化的方法使光束22G(i)以高透射效率透射穿过PBS 66。
光束22G的第一偏振状态(相对于反射偏振膜68，但与“被旋转的”多层光学膜内部结构的“透射”偏振方向对齐的标称s偏振)的图像部分(称为“光束22G(i)”)在向着出射偏振器70和颜色组合器18的方向透射穿过反射偏振膜68。偏振膜68相对于红光和蓝光光路(图2和3示出)中的偏振膜46和58旋转90度。这一布置方式的偏振膜68允许膜68反射p-偏振光，和膜68透射s-偏振光。第一偏振状态的透射的光束22G(i)前往颜色组合器18，该光束为相对于颜色组合器18中的二向色镜涂层48和50的p偏振光。绿光波长光路中P偏振光穿过颜色组合器18的透射率远远高于s-偏振光的。如果光束22G(i)仍然为相对于分色膜48和50的s偏振光，就会降低光束22G(i)穿过颜色组合器18的透射率。
图5A示出透射率降低，该图示出相对于位于分光合色棱镜对角线的颜色滤光器的p偏振状态和s偏振状态的光穿过颜色组合器的透射率与光波长之间的关系曲线，以及相对于反射偏振膜68的s偏振光透过PBS 66的透射率。如图所示，对于约500纳米到约600纳米范围的波长的光(即，绿光波长光)，与s偏振状态的光相比，相对于颜色组合器18分色膜48和50的p偏振状态的光透射范围更广和透射强度更高。应该指出的是，光在分色膜48和50上的入射角为约45度。因而，如上图4所示，相对于分色膜48和50的p偏振状态的光束22G(i)有利地透射穿过颜色组合器18。
此外，与s偏振光相比，p偏振光效率更高的透射穿过两种介电材料的界面(例如，反射偏振膜46、58和68与各自的输入和输出棱镜之间的界面)。因此，以第一偏振状态(标称的相对于反射偏振膜68的s偏振)透射穿过反射偏振膜68的光束22G(i)的透射强度低于第二偏振状态(相对于反射偏振膜68的标称p偏振)的光束22G(i)可达到的透射强度。然而，在图4示出的实施例中，光束22R中的光相对于反射偏振膜68的最大入射角很小(例如，入射光锥体的中心射线为约25°)。应该指出的是，在说明书全文，当申请人提到入射角量度时，它表示冲击相关表面的入射光锥体的中心射线。在这一实施例中，选择25度的入射角，以满足“复合”PBS 66的全部内反射的条件。其它入射角可以更合适，具体入射角取决于诸如形成PBS棱镜的材料之类的因素。在这些较小入射角时，s偏振光的透射率仅稍低于p偏振光的透射率。事实上，如图5A所示，绿光波长中的s偏振光以相对于膜大约25°的入射角透射穿过MZIP型反射偏振膜(讨论见前文)，透射率大于90％。
总的来说，这一布置方式仍对绿光波长光提供高透射效率，尤其是在反射偏振膜68上使用折射率匹配的输入和输出棱镜时。此外，光学中心部分15的布置方式还允许沿大致相同的方向将光束22R(n)、22B(n)和22G(n)反射至由光束22R(i)、22B(i)和22G(i)限定的平面上方，从而允许利用单个排热元件调制光束22R(n)、22B(n)和22G(n)。
通过旋转反射偏振膜68，使其反射p偏振光并且透射s偏振光的方法，还会降低PBS 66的消光率，其中消光率的定义是所需偏振状态的透射光光强与正交的偏振状态的透射光光强之间的比率。一般来讲，投影系统的较高对比度需要较高消光率。如图5B所示，p偏振反射偏振膜(例如，反射偏振膜68)的消光率随着相对于该反射偏振膜的入射光束(例如，光束22G)的入射角的增大而降低。因此，反射偏振膜68的消光率分别低于成像元件16R和16B各自的反射偏振膜46和58的消光率。
然而，由于入射光束(例如，光束22R、22B和22G)的入射角相对较小(例如，约25°或更小)，因此消光率仍高得足以满足热管理目的。合适消光率的实例包括至少约5∶1，其中在一个实施例中具有调节至小于约3.0的°F/#的光束，在另一个实施例中具有调节至小于约2.5的°F/#的光束，尤其适合的消光率实例包括至少约30∶1，更合适的消光率实例包括至少约50∶1。由于反射偏振膜68主要用作热管理偏振器器件，因此这种程度的消光率是可接受的。随后可使用出射偏振器70获得高对比度的光束22G(i)。
图6A和6B也是光学中心部分15的顶部展开示意图，并且是图4示出实施例的另一可供选择的实施例。如图6A所示，成像元件16G也可以包括位于出射偏振器70与颜色组合器18之间的半波片71。在这一实施例中，沿着与成像元件16R和16B的反射偏振膜46和58相同的方向取向反射偏振膜68(即，在这一实施例中，不使反射偏振膜68相对于反射偏振膜46和58旋转90°)。同样地，反射偏振膜68反射相对于反射偏振膜68的s偏振光，并且透射相对于反射偏振膜68的p偏振光。
以与光束22R和22B相同的方式，第一偏振状态的光束22G(n)进入PBS 66，第二偏振状态的光束22G(i)进入PBS 66。因而，反射偏振膜68基本上反射光束22G(n)，光束22G(i)透射穿过反射偏振膜68。随后第二偏振状态的光束22G(i)透射到PBS 66外并通过出射偏振器。然而，如图6A所示，半波片71调节光束22G(i)的偏振状态，从而使光束22G(i)基本上以第一偏振状态离开半波片71。如上文图4的讨论，这使光束22G(i)可相对于颜色组合器18的二向色镜48和50p偏振。
如图6B所示，作为另外一种选择，半波片71可以位于PBS 66与出射偏振器70之间。在这一实施例中，可以在光束22G(i)接触出射偏振器70之前将该光束从第二偏振状态调节为基本上的第一偏振状态。因此，出射偏振器70被设计为透射第一偏振状态的光。
因为光束22G(i)作为相对于反射偏振膜68的p偏振光(而不是如上文图4讨论的s偏振光)透射穿过反射偏振膜68，同时还作为相对于二向色镜48和50的p-偏振光透射穿过颜色组合器18，所以图6A和6B示出的实施例是有益的。因此，图6A和6B示出的实施例提供了高透射率的光束22G(i)。
本发明的一个替代实施例可利用“SSS”型分光合色棱镜。在这一实施例中，颜色组合器包括一对分别反射红光波长光和蓝光波长光并且均透射绿光波长光的交叉的分色膜。该颜色组合器反射红色和蓝色通道中的s偏振光比反射p偏振光更强效。它还被构造为使绿色通道的s-偏振光透射率最大化。通常，与现有的“SPS”型分光合色棱镜相比，“SSS”型分光合色棱镜效率更低且成本更高。
图7为与颜色组合器18连用的PBS 38、56和66的顶部透视图(为方便讨论，省略了光学中心部分15的其余元件)。如图所示，光束22R、22B和22G的图像部分和非图像部分均分别进入PBS38、56和66。由于PBS 38和56反射第一偏振状态的光，而PBS 66反射第二偏振状态的光，因此沿相同方向将光束22G(n)、22B(n)和22R(n)反射至由光束22R(i)、22B(i)和22G(i)限定的平面上方，各自的PBS外。
术语“沿相同方向由光束的图像部分限定的平面上方”等等在本文中指包括被导向至通常由(在与图7的入射光束22R、22B和22G相同的平面内延伸的)光束22R(i)、22B(i)和22G(i)的向量限定的平面上方的组分的光路。例如，如图7所示，光束22R(n)、22B(n)和22G(n)分别在光束22R(i)、22B(i)和22G(i)上方离开PBS 38、56和66。作为另外一种选择，光束22R(n)、22B(n)和22G(n)可以在光束22R(i)、22B(i)和22G(i)下方离开PBS 38、56和66。这些实例与其中PBS 38、56和66中的一个或多个围绕其光轴旋转90°，导致至少一个非图像光束离开PBS的平面的取向形成对比。在该对比情形下，被反射的非图像光束会横向地离开给定的PBS，可能干扰其它光路，并且会阻止给定的非图像光束被导向至具有其他非图像光束的平面上方。
光束22R(n)、22B(n)和22G(n)的实际矢量方向可以因给定光束从各自PBS反射的角度而异(讨论见下文)。但是，可以设置单个排热元件(例如，图7以虚线示出的光吸收器件72)，以吸收入射光束22R(n)、22B(n)和22G(n)。如上文的讨论，这将由光束22R(n)、22B(n)和22G(n)生成的热量从对热量敏感的位置(例如，成像元件16R、16B和16G的聚合物偏振器膜)转移至可利用单个排热元件管理生热的偏移位置。
光吸收器件72可以是能够忍受的温度远高于吸收型偏振器能够忍受的温度的任何类型的散热器和/或光吸收器。典型的吸收型偏振器使用寿命高度地取决于使其温度保持在可接受的极限值之下，而位于投影系统10的光路外的光吸收器(例如，光吸收器件72)可以由能够忍受高得多的温度的材料制成，并且这些材料不像图像光束中的那些元件那样需要高光学质量。这使投影系统10具有有效的热传递特性，该系统相应地需要更少的空气流量，和因此，更小或更少的风扇获得所需的能量转移率。通过放置光吸收器件72，以吸收每一个光束22R(n)、22B(n)和22G(n)的方法，可使用与吸收型偏振器上方必需的空气流量相比更少的空气流量。较低空气流量提供多个优点，例如，更少的风扇、尺寸更小的风扇、更低的风扇噪音、较低的电源要求、更小的投影系统整体尺寸和重量、更低的必需的空气过滤器更换频率，以及它们的组合。
图8为PBS 100的侧部示意图，它是适于每一个的PBS 38、56和66，以分离光束22X的图像部分和非图像部分的PBS的实例，其中光束22X代表任何的光束22R、22B和22G。光束22X的图像部分被称为“光束22X(i)”，光束22X的非图像部分被称为“光束22X(n)”。
如图所示，PBS 100包括输入棱镜102、输出棱镜104和反射偏振膜105。输入棱镜102和输出棱镜104为低双折射棱镜，彼此相邻地设置在反射偏振膜105的相对侧面。适于输入棱镜102和输出棱镜104的材料与上文讨论的用于输入棱镜42和输出棱镜44的材料相同。输入棱镜102包括输入表面106、顶部表面108和入射表面110，其中入射表面110被取向为相对于输入表面106成取向角α。由于反射偏振膜105被设置为面对入射表面110，因此反射偏振膜105也取向为相对于输入表面106成角度α。
光束22X以相对于垂直轴线112的入射角β穿过输入表面106行进，并且根据输入棱镜102及其邻近介质(通常是空气)的折射率折射该光束。随后反射偏振膜105通过使光束22X(i)透射穿过输出棱镜104，并且使光束22X(n)反射回输入棱镜102的方法分离光束22X。以相对于垂直轴线114的入射角θ将光束22X(n)反射回输入表面106。入射角θ取决于入射角β、取向角α和输入棱镜102的折射率。当入射角θ小于或等于sin-1(1/n)，其中“n”为输入棱镜102材料的折射率，时，输入表面106就会全部内反射的光束22X(n)。因此，当取向角α满足公式1的条件：
α ≥ { sin - 1 ( 1 n × sin β ) + sin - 1 ( 1 n ) } 2 (公式1)
时，输入表面106反射全部的光束22X(n)。适于输入棱镜102的反射率实例范围为从约1.4到约1.6。因此，为反射偏振膜105取向，使取向角α满足公式1的条件将有效地防止光束22X(n)透射穿过输入表面106。这可沿大致相同的方向将大体全部的光束22G(n)、22B(n)和22R(n)反射至由光束22G(i)、22B(i)和22R(i)限定的平面的上方或下方。
另外，如上图4讨论，在使反射p偏振光的反射偏振膜旋转90°时，入射光束22X有利地呈现相对于垂直轴线116的较小入射角“γ”(例如，约25°或更小)，其中入射角γ也取决于入射角β、取向角α和输入棱镜102的折射率。因此，在反射偏振膜105旋转90°(例如，对于反射偏振膜68)时，可以选择反射偏振膜105的取向角α，使(1)光束22X(n)发生完全的内反射；(2)入射角γ较小，足以使s偏振光的透射率仅仅稍低于p偏振光的透射率，以及(3)反射p偏振光的反射偏振膜的消光率仍是合适的(至少约70∶1)。这使光束22X(i)可以良好透射强度透射穿过PBS 100，同时也允许在由光束的图像部分限定的平面上方的方向全部内反射光束22(n)。
重新参见图2-4，适于偏振膜46、58和68中一个或多个偏振膜的实例包括匹配z-折射率的多层聚合物的偏振器(MZIP)膜，其中双折射材料的z-折射率基本上与双折射材料的y-折射率相同。具有匹配z-折射率的合适偏振膜实例的描述见以下专利：Jonza等人的美国专利No.5,882,774和No.5,962,114；Bruzzone等人的美国专利No.6,486,997；Weber等人的美国专利No.6,609,795；Jackson等人的美国专利No.6,916,440和No.6,936,209；Merill等人的美国专利No.6,939,499和No.6,949,212；以及共同受让的于2001年5月31日提交的美国专利申请序列号60/294,940。
在一个实施例中，偏振膜可以包括不同材料的交替层，至少其中一个层为双折射的和取向的。在玻璃棱镜中功能良好的膜也可以包括附加结构，以为每层提供适当的各向异性折射率值，特别是在沿垂直于膜表面的方向。具体地讲，沿交替层的膜厚度方向理想地匹配折射率。这是除匹配偏振器y-方向(通过方向)的折射率之外的匹配。为了使偏振膜具有沿着其通过轴线的用于所有入射角的高透射率，可以同时匹配交替层的y和z(垂直于该膜的)折射率。可以将一组不同于仅匹配y折射率时使用的材料用于膜的各层，从而实现y和z折射率的同时匹配。
用于使所有层的y和z折射率同时匹配的一项技术是实施真实的单轴拉伸，其中在沿x方向拉伸膜时允许该膜在y和z方向同时松弛(即收缩)。通过这种方法，使给定层的y和z折射率相同。这样，如果选择与第一材料的y折射率匹配的第二材料，因为第二材料层也经受相同的拉伸条件，就也必须匹配z折射率。
一般来讲，在通过状态的高透射率，同时保持阻挡状态的高反射率时，两种材料的y折射率之间的折射率失配应该很小。因为x折射率失配暗示用于偏振器薄膜叠堆的获取所需偏振程度的层数，所以可相对于x折射率失配描述允许的y折射率失配的量级。薄膜叠堆的总反射率与折射率失配Δn以及该叠堆的层数N相关(即，乘积(Δn)2xN与叠堆的反射率相关)。例如，为了提供相同的反射率但具有一半层数的膜，需要层之间的折射率差为√2倍，等等。比率Δny/Δnx的绝对值为值得控制的相关参数，其中对于本文描述的光学中继单元中的第一和第二材料，Δny＝ny1-ny2，并且Δnx＝nx1-nx2。优选的是，比率Δny/Δnx的绝对值不超过0.1，更优选地不超过0.05，以及甚至更优选地不超过0.02，并且，在某些示例中，该比率可以为0.01或更小。优选的是，在整个有关波长的范围内(例如，在整个可见光谱内)将比率Δny/Δnx均保持在必需的极限值之下。通常，Δnx的值为至少0.1，并且可以为0.14或更大。
在许多实际应用中，这些层之间较小的z折射率失配是可接受的，具体的可接受的折射率失配取决于入射光与薄膜层形成的夹角。然而，当膜被层合在玻璃棱镜之间(即，浸没在高折射率介质中)时，光线不会向膜平面的法线弯曲。在这种情况下，与来自空气的入射光相比，光线将指向更大程度的z折射率失配，并且在z-失配膜中将部分地或甚至强效地反射光线的y-偏振光。对于与膜内部膜法线成更大角度的光线，可能优选更接近的z折射率匹配。然而，当膜被层合在具有较低折射率(例如。n＝1.60)的玻璃棱镜之间时，光线会更多地向膜平面的法线弯曲。因此，光线将指向更小程度的z折射率失配。在z折射率失配相同时，使用低折射率棱镜时的p偏振光反射率一般低于使用高折射率棱镜时的反射率。因此，在使用相同的膜时，使用低折射率棱镜时的p偏振光透射率可能会高于使用高折射率棱镜时的透射率。
与y折射率失配一样，可相对于x折射率失配描述允许的z折射率失配量级。比率Δnz/Δnx的绝对值为值得控制的相关参数，其中对于本文描述的光学中继单元的第一和第二材料，Δnz＝nz1-nz2，并且Δnx＝nx1-nx2。对于预定在空气中使用的PBS膜，比率Δnz/Δnx的绝对值优选地小于0.2。对于浸没在诸如玻璃之类较高折射率介质中的膜，比率Δnz/Δnx的绝对值优选地小于0.1，并更优选地小于0.05，和对于波长632.8纳米的入射光，可以为0.03或更小。优选的是，在整个有关波长的范围内(如在整个可见光谱内)将比率Δnz/Δnx保持在必需的极限值之下。通常，Δnx的值为至少0.1，并且在632.8纳米时可以为0.14或更大。
在与投影系统10连用时多层聚合物MZIP膜尤其有益，原因是，如上图4有关反射偏振膜68的讨论，它们可以取向为旋转90°，以透射s偏振光并且反射p偏振光。这使绿光波长光束(如光束22G(i))具有良好的透射率，并且也允许沿相同方向将非图像光束(如光束22G(n))反射至由光束的图像部分(如22R(i)、22B(i)和22G(i))限定的平面的上方或下方。这可以利用在偏离投影系统10的光路的位置的排热元件调节非图像光束。
图9为光学中心部分215的分解示意图，该光学中心部分是上图1-4讨论的光学中心部分15的另一可供选择的光学中心部分，其中使各个元件的参考标号均增大“200”。为了方便讨论，图9省略了各个入射偏振器和出射偏振器。光学中心部分215的元件与上文讨论的光学中心部分15的元件作用相同，不同的是，PBS 238、256和266透射各自光束的非图像部分(即光束222R(n)、222B(n)和222G(n))并且反射各自光束的图像部分(即光束222R(i)、222B(i)和222G(i))。
如图所示，成像元件216R的PBS 238和成像元件216B的PBS 256分别沿颜色组合器218的y-轴延伸，其中在图9中y-轴被示出为垂直方向。成像器236和254分别沿PBS 238和256的x-轴延伸，其中在图9中x-轴被示出为水平方向。成像元件216G的PBS 266沿颜色组合器218的z-轴延伸，其中z-轴正交于x-轴和y-轴。成像器264相应地沿PBS 266的x-轴延伸。还如图所示，光束222R(i)、222B(i)和222G(i)具有限定沿y-轴和z-轴截取的平面的矢量分量。
在这一实施例中，光束222R(i)和222B(i)(在从PBS 238和256反射之后)处于第一偏振状态，在从PBS 266反射之后222G(i)处于第二偏振状态。应该说明的是，为图9示出实施例使用的术语“第一偏振状态”和“第二偏振状态”表示相对偏振状态，而不是绝对状态，无需与为上图1-7讨论的实施例使用的“第一偏振状态”和“第二偏振状态”相同。事实上，图9示出的布置方式是与上文讨论的用于光学系统15的布置方式相反的布置方式，该布置方式允许分别从反射偏振膜246、258和268反射光束222R(i)、222B(i)和222G(i)。
由于成像元件216R、216B和216G相对于颜色组合器218取向，(成像元件216R和216B的)反射偏振膜246和258可以取向为相对于成像元件216G的反射偏振膜268旋转90°。因此，反射偏振膜246和258分别反射相对于反射偏振膜p偏振的光，并且透射相对于反射偏振膜s偏振的光。因此，如上图2和3的讨论，光束222R(i)和222B(i)为相对于二向色镜248和250的s偏振光束。相比而言，光束222G(i)为相对于二向色镜248和250的p偏振光束，如上图4的讨论，它们提供高透射率的绿光波长光。
还如图9所示，在PBS 238、256和266内反射偏振膜246、258和268取被向为45°角，这使反射偏振膜246、258和268反射，而不是全部内反射光束222R(i)、222B(i)和222G(i)。另外，结合光学中心部分215的投影系统通常需要另外将折叠反射器用于光束222G，以获得图9示出的三维取向。
光束222R(n)、222B(n)和222G(n)分别沿相同方向在由光束222R(i)、222B(i)和222G(i)限定的平面(即y-z平面)的上方(或下方)透射穿过PBS 238、256和266。这将非图像光束导向到图9示出的光路外，从而防止非图像光束干扰光路。另外，如上文的讨论，可以将光束222R(n)、222B(n)和222G(n)导向吸收光能的单个排热元件(未示出)。这将光束222R(n)、222B(n)和222G(n)导致的生热从对热量敏感的位置(例如，成像元件216R、216B和216G)转移至可利用单个排热元件管理生热的偏移位置。
虽然已结合优选实施例描述本发明，但本领域的技术人员将认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下作出形式和细节更改。

Claims (28)

1.一种投影系统，包括：
第一成像元件，其包括：
第一成像器；以及
第一反射偏振器，其被构造为至少部分地将来自所述第一成像器的第一光束分离为第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分具有基本上正交的偏振状态；
第二成像元件，其包括：
第二成像器；以及
第二反射偏振器，其被构造为至少部分地将来自所述第二成像器的第二光束分离为第三部分和第四部分，所述第三部分和所述第四部分具有基本上正交的偏振状态，其中沿相同方向将所述第一部分和所述第三部分导向由所述第二部分和所述第四部分限定的平面的上方或下方；以及
颜色组合器，其被构造为组合所述第二部分和所述第四部分，其中在进入所述颜色组合器之前所述第二部分和所述第四部分具有基本上正交的偏振状态。
2.根据权利要求1所述的投影系统，其中从所述第一反射偏振器反射所述第一部分，从所述第二反射偏振器反射所述第三部分。
3.根据权利要求2所述的投影系统，其中所述第一部分和所述第三部分具有基本上正交的偏振状态。
4.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第一成像元件还包括设置在所述第一反射偏振器和所述颜色组合器之间的半波片。
5.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第一成像元件还包括设置成与所述第一成像器相邻，与所述第一反射偏振器相对的入射偏振器。
6.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第一成像元件还包括设置在所述第一反射偏振器和所述颜色组合器之间的出射偏振器。
7.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第一反射偏振器为线栅偏振器。
8.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第一反射偏振器包括具有设置在输入棱镜和输出棱镜之间的反射偏振，多层聚合物膜的偏振分束器。
9.根据权利要求8所述的投影系统，其中所述输入棱镜与输出棱镜每个具有第一折射率，所述第一反射偏振器具有每个具有第二折射率的外层，并且其中所述第一折射率与所述第二折射率基本相同。
10.根据权利要求8所述的投影系统，其中所述输入棱镜被构造为提供全内反射表面。
11.根据权利要求8所述的投影系统，其中所述第一反射偏振器包括匹配z-折射率的偏振器膜。
12.根据权利要求11所述的投影系统，其中所述第一反射偏振器被取向为相对于形成所述第一光束的光锥体的所述中心射线的入射角为约25°  或更小。
13.根据权利要求11所述的投影系统，其中所述第一光束的波长范围从约500纳米到约600纳米。
14.根据权利要求1所述的投影系统，还包括：
被构造为发射白色光束的光源；以及
至少一个二向色镜，其用于将所述白色光束分离为多个颜色光束，其中所述第一光束为所述颜色光束的第一部分，所述第二光束为所述颜色光束的第二部分。
15.根据权利要求1所述的投影系统，其中所述第一和第二反射偏振器具有基于它们的内部结构的固有偏振反射轴线，并且相对于所述第二反射偏振器的偏振反射轴线关于其光学轴线的取向将所述第一反射偏振器的偏振反射轴线取向为围绕其光学轴线旋转90°。
16.一种投影系统，包括：
多个成像元件，每个成像元件均包括：
透射成像器，其被构造为接纳入射颜色光束并为所述入射颜色光束附加图像，以生成具有第一偏振状态的图像部分和第二偏振状态的非图像部分的输出颜色光束，所述第二偏振状态基本上正交于所述第一偏振状态；以及
反射偏振器，其被构造为接纳来自所述透射成像器的所述输出颜色光束，并且进一步被构造为至少部分地使所述输出颜色光束的所述图像部分与所述输出颜色光束的所述非图像部分分离；
其中所述多个成像元件的所述反射偏振器被构造为在相同方向将所述输出颜色光束的所述非图像部分导向由所述输出颜色光束的所述图像部分限定的平面的上方或下方；以及
颜色组合器，其被构造为组合来自所述反射偏振器的所述输出颜色光束的所述图像部分。
17.根据权利要求16所述的投影系统，还包括在偏离所述多个成像元件的位置的排热元件，其中将所述输出颜色光束的所述非图像部分导向所述排热元件。
18.根据权利要求16所述的投影系统，其中所述颜色组合器为SPS型分光合色棱镜颜色组合器。
19.根据权利要求16所述的投影系统，其中所述反射偏振器包括多层聚合物偏振膜。
20.根据权利要求19所述的投影系统，其中所述多层聚合物偏振膜包括匹配z-折射率的偏振器膜。
21.一种偏振分束器，包括：
输入棱镜，其具有输入表面和入射表面；以及
匹配z-折射率的反射偏振器(MZIP)膜，其被设置成面向所述输入棱镜的所述入射表面，所述反射MZIP膜被取向为透射s偏振光并且反射p偏振光，对于小于约3.0的f/#条件下的光束具有至少约5∶1的消光率。
22.根据权利要求21所述的偏振分束器，其中，对于小于约2.5的f/#条件下的光束，所述偏振分束器的所述消光率为至少约5∶1。
23.根据权利要求21所述的偏振分束器，其中所述偏振分束器的所述消光率为至少约30∶1。
24.根据权利要求23所述的偏振分束器，其中所述偏振分束器的所述消光率为至少约50∶1。
25.根据权利要求21所述的偏振分束器，其中所述输入表面被构造为所述光束在向着所述入射表面的方向透射穿过所述输入棱镜，所述光束具有相对于所述输入表面的第一入射角，其中所述反射MZIP膜被进一步取向，形成相对于所述输入表面的第一取向角并被构造为向所述输入表面反射所述光束的第一部分，并且其中所述第一入射角和所述第一取向角被布置成为来自所述输入表面的所述光束的所述第一部分提供全内反射。
26.根据权利要求21所述的偏振分束器，其中所述光束的所述第一部分为至少部分地取向为p偏振光的所述光束的非图像部分，并且其中所述光束还包括至少部分地取向为s偏振光的图像部分。
27.根据权利要求21所述的偏振分束器，其中所述反射MZIP膜具有z-折射率失配Δnz和x-折射率失配Δnx，其中Δnz/Δnx的绝对值在所述入射光的波段上小于0.1。
28.根据权利要求27所述的偏振分束器，其中Δnz/Δnx的绝对值在所述入射光的所述波段上小于0.05。
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