CN1682154A

CN1682154A - 具有偏振分束器的图像投影系统

Info

Publication number: CN1682154A
Application number: CNA038213370A
Authority: CN
Inventors: D·P·汉森; R·T·珀金斯; E·加德纳
Original assignee: Moxtek Inc
Current assignee: Moxtek Inc
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-10-12
Also published as: EP1546799A2; MXPA05002387A; WO2004023203A3; WO2004023203A2; AU2003270546A1; EP1546799A4; JP2005538415A; AU2003270546A8; US6666556B2; US20030071973A1; KR20050037470A

Abstract

一种图像投影系统(10)，包括一个或多个线栅偏振分束器(14a－c，28，29)以及一个或多个透射阵列(16a－c)。来自光源(22)和预起偏器(26a－c)的偏振光束射向透射阵列，透射阵列通过选择性地改变偏振光束的偏振来调制偏振光束的偏振，以在所述光束上编码图像信息以及产生调制光束。调制光束射向线栅偏振分束器，所述分束器用作检偏器以将调制光束分离成反射和透射的光束。屏幕(18)被设置在反射或透射的光束之一上，以显示编码的图像信息。偏振分束器被定向为与调制光束成一个角度，从而使反射光束离开透射阵列。可以为不同的颜色使用多个透射阵列。一个或多个偏振分束器(28，29)可以既用作检偏器又用作合成器。

Description

具有偏振分束器的图像投影系统

技术领域

本发明涉及一种可用于可见光光谱中的图像投影系统，其包括偏振分束器，所述分束器反射光的一个线性偏振，而透射光的另一个线性偏振。本发明尤其涉及这样的图像投影系统，其具有紧凑、重量轻的分束器，所述分束器包括多个长的反射元件用于与光源的电磁波相互作用，从而通常透射或通过光的一个偏振，而反射另一个偏振。

背景技术

偏振光在某些应用中是必要的，所述应用如投影液晶显示器(LCD)。该显示器通常包括：光源；光学元件，比如透镜，以聚集并聚焦光；将光的一个偏振透射到液晶阵列的起偏器；液晶阵列，用于控制光的偏振来编码在所述光上的图像信息；为改变或保持偏振而寻址阵列的每个像素的装置；第二起偏器(称为检偏器)，用于阻拦来自选定像素的不希望的光；以及在其上聚焦图像的显示屏。

可以将单个偏振分束器(PBS)既用作第一起偏器，又用作第二起偏器(检偏器)。如果液晶阵列是反射式的，例如硅上液晶(LCOS)光阀，则所述液晶阵列在通过修改选定像素的偏振来编码图像后，可以将来自起偏器的光束直接反射回起偏器中。Takanashi预见了这样的系统(美国专利5,239,322)。Fritz和Gold详细描述了该构思(美国专利5,513,023)。这些类似的方法将在光学设计和性能中提供重要的优势。然而，由于常规偏振分束器中的缺陷，上述二者都没有在实际中实现。在投影液晶显示器中使用常规偏振分束器的缺点包括，图像不明亮、对比度差、以及色彩平衡不均匀或亮度不均匀(由于光锥上的不均匀性能)。另外，很多常规偏振分束器由于过热寿命较短，并且非常昂贵。

为了使这样的图像投影系统在商业上成功，其投影的图像必须显著优于由常规阴极射线管(CRT)电视显示器提供的图像，因为该系统很可能比常规CRT技术更昂贵。因此，图像投影系统必须提供(1)具有适当的色彩或色彩平衡的明亮图像；(2)具有良好的图像对比度；以及(3)尽可能地便宜。改进的偏振分束器(PBS)是实现该目标的重要部分，因为PBS是一个限制元件，其决定显示器系统的可能性能。

显著影响显示器性能的PBS特性有(1)孔径角或f-数，在其上起偏器可以起作用；(2)吸收或能量损耗，这与所用的PBS相关；以及(3)PBS的耐久性。在光学上，孔径角或f-数描述了使PBS可使用并维持希望的性能水平的光锥角。较大的光锥或较小的f-数是所希望的，因为较大的光锥允许聚集更多来自光源的光，这导致更大的能量效率和更紧凑的系统。

与所用的PBS相关的吸收和能量损耗显然影响系统的亮度，因为在光学元件上损失的光越多，可以投影到显示屏上的光就越少。此外，由起偏器吸收的光能的量将影响起偏器的耐久性，尤其在这样的图像投影系统中，其中通过光学系统的光非常强，在每平方厘米几瓦的量级上。这样强的光将容易损坏一般的起偏器，如(人造)偏光板。实际上，耐久性的问题限制了可以在这些应用中使用的起偏器。

耐久性也是重要的，因为，可制造的投影系统越小越轻，则该产品就越便宜并越令人满意。然而，为了实现该目标，必须将光强增到更高，从而使PBS进一步受力，并缩短了PBS的有效寿命。

常规PBS装置的难以解决的缺点是低转换效率，转换效率是显示器中的主要重要的性能因子。所述转换效率是这样的量，其描述有多少光源所需的电功率被转换为由人们观察的显示屏或面板上的光强。其被表达为显示屏上的总光强除以光源所需的电功率的比值。常规单位是流明每瓦。由于很多原因，高比值是所希望的。例如，低转换效率将需要较亮的光源，伴随其的有：较大的电源、过热、较大的外壳和腔室等。另外，所有这些低转换效率的结果都提高了投影系统的成本。

低转换效率的基本原因是低的光学效率，光学效率与光学系统的f-数直接相关。f-数是其它等效系统的f-数的1/2倍的系统，其聚集来自光源的光的效率可能是等效系统的四培。因此，希望的是，提供改进的偏振分束器(PBS)，其通过提供小得多的可能f-数(较大的孔径角)来允许更有效的光能收集，从而提高测量为流明/瓦的转换效率。

当在投影系统中使用常规偏振分束器作为分束器时，所述偏振分束器相关于转换效率的性能低下，这是由于以下几个原因。第一，如果光不以特定的角度(或至少在围绕该主入射角的小锥角内)照射它们，则现有的分束器就不能良好地工作。主光线对所述主入射角的偏离导致每种偏振分束器降低亮度、偏振纯度和(或)色彩平衡。这影响来自光源的光束、以及从液晶阵列反射的光束。该主角取决于PBS的设计和结构、以及在这些各种分束器中所采用的偏振机制的物理原理。在电磁波频谱的可见光部分内，现有的偏振分束器在远偏离其主偏振角的角下不能有效地工作。该限制使得不能实现特定的希望的光学设置或商业上希望的显示器设计。

即使主光线以最佳的角度照射起偏器用于分离两个偏振，其它的光线也不能远偏离该角，否则它们的可视质量将下降。这是显示设备中严重的缺点，因为照射到起偏器上的光必须强发散或会聚，以有效地使用由典型的光源发出的光。这常常被表示为光学系统的f-数。对于单个透镜，f-数是孔径与焦距的比值。对于一般的光学元件，将F-数定义为

F/#＝1/(2n sinθ)

其中n是光学元件所在空间的折射率，以及θ是半锥角。F-数越小，由透镜收集的照射通量Φ_c则越大，从而装置将更有效地显示明亮的图像。照射通量根据F/#的平方的倒数增加。在光学组件中，F/#最大的光学元件将是所述组件的光学效率的限制因素。对于利用传统起偏器的显示器，限制元件几乎总是起偏器，从而PBS限制了转换效率。显然有利的是，开发一种PBS，其F/#比现有的任何PBS都小。

因为一直没有出现具有小F/#的传统起偏器，所以设计者通常通过指定较小、较亮的光源来处理转换效率的问题。这样的光源是可得的，其通常为弧光灯，但它们需要昂贵的电源，所述电源沉重、体积大、并且在工作时需要持续的冷却。冷却风扇导致不希望的噪音和振动。这些特征对于投影仪和类似显示器是不利的。此外，具有小F/#的PBS将允许从低功率、安静的常规光源有效地聚集光。

常规偏振分束器的另一个重要缺点是低消光，这将导致图像中的低对比度。消光是透射通过起偏器的希望偏振的光与被阻拦的不希望偏振的光之比。在有效的显示器中，在通过PBS的整个光锥上都必须将该值保持在最小值。因此，希望的是，提供一种具有高消光比的偏振分束器，以形成高对比度的图像。

常规偏振分束器的第三个缺点是在可见光光谱上的不均匀的响应或劣质的彩色逼真度。上述结果是劣质的彩色平衡，其导致投影显示系统中的效率更加低下，因为必须将一些来自明亮色彩的光除去以适应偏振分束器中的弱光。因此，希望的是，提供一种改进的偏振分束器，其在可见光光谱上具有均匀的响应(或优质的彩色逼真度)，以便以更高的效率提供具有优质彩色平衡的图像。分束器必须是消色差的而不应使投影色彩畸变，并且必须不允许偏振间的串扰，因为这样会降低图像的锐度和对比度。这些特征必须施加到起偏器的全部部分上和入射到起偏器上的所有角度的入射光上。术语“似晶石的”(R.C.Jones，Jour.Optical Soc.Amer.39，1058，1949)被造出用来描述这样的起偏器，所述起偏器保持偏振光束中的横截面积、立体角以及波长的相对强度分布不变。既用作起偏器又用作检偏器的PBS，对透射和反射都必须是似晶石的，即使在大孔径角的光束中。

常规偏振分束器的第四个缺点是耐久性差。很多常规偏振分束器易受到由于过热和光化反应而导致的老化。因此，希望的是，提供一种改进的偏振分束器，其可以经受数千小时的强光子通量而不显示老化的迹象。此外，希望的是，提供一种偏振分束器，其适于经济的大规模制造。

为了满足这些及其它标准，从而导致了只有几种起偏器可以实际应用于投影系统中。已经有很多尝试用于将大孔径角和高逼真度偏振合并到同一光束分离装置中。下面将描述这些努力的相对成功。薄膜干涉滤波器是一种通常被尝试用来制造偏振分束器的起偏器，所述分束器也被用作检偏器。MacNeille首次描述了这种在宽光谱范围上有效的起偏器(美国专利2,403,731)。所述起偏器由对入射光对角地设置的薄膜多层组成，通常在立方体中，所以与薄板起偏器相比，其体积大且沉重。而且，必须将所述起偏器设计为只针对单一的入射角，通常为45度，并且，如果光以与该角偏差甚至小到2度的角度的入射，则其性能低下。该设计还得到了改进(如J.Mouchart，J.Begel，and E.Duda，Applied Optics 28，2847-2853，1989；和L.Li and J.A.Dobrowolski，Applied Optics 13，2221-2225，1996)。广泛发现，如果要增大孔径角，则必须大大缩小波长范围。这可以在特定设计(美国专利5,658,060和5,798,819)中实现，其中，光学设计在光到达偏振分束器之前将光分成适当的彩色带。这样可以降低分束器上的光谱带宽要求并扩大其孔径角，但是附加的元件和复杂性给系统增加了相当的成本、体积和重量。

即使这样，这些改进的光束分离立方体正出现于市面上，并且其现在可以从著名的供应商例如Balzers和OCLI获得。所述光束分离立方体通常提供f/2.5-f/2.8的F/#，所述F/#相对于2年前可得的F/#具有显著的改进，但是仍然远没有达到F/1.2-F/2.0的范围，而光学投影系统中的其它重要元件确定达到了该范围。达到这些f-数可以4倍地提高系统效率。所述f-数还允许投影显示器工程师进行在以前不可能的设计折衷，以实现其它的目的，比如减小物理尺寸和重量、降低成本等。

在远离可见光范围的光学技术中，即雷达，已经成功地使用线栅来偏振长波长雷达波。这些线栅起偏器还被用作反射器。它们还如所熟知地用作红外线(IR)中的光学元件，它们在其中主要用作透射偏振元件。

虽然未证明，但是已经假设了线栅起偏器在光谱的可见光部分中的显示器应用中的可能使用。例如，Grinberg(美国专利4,688,897)提出在液晶显示器中将线栅起偏器既用作反射器又用作电极(但不同时用作检偏器)。

另外，已经提出可以使用线栅起偏器来代替二向色起偏器，以提高虚像显示器的效率(见美国专利5,383,053)。但是，线栅起偏器中的对比度或消光的要求明显未得到考虑，并且基本上将所述栅用作偏振灵敏光束转向装置。在专利5,383,053中，所述线栅既不用作检偏器也不用作起偏器。从文本中明显可以得出，如果可以获得宽带偏振立方体分束器，其也可以用作上述目的。然而，该技术未得到考虑，因为其太受限于接受角，而甚至不能发挥作用，并且该技术还是尤其昂贵的。

另一专利(美国专利4,679,910)描述了栅型起偏器在成像系统中的使用，所述系统被设计为用于测试IR照相机和其它IR仪器。在这种情况下，该应用需要用于长波长红外线的分束器，在所述情况下，栅型起偏器是唯一可行的方案。该专利不建议用于可见光范围，或甚至未提及大孔径角要求。所述专利既未提出将光有效地转换为可视图像的要求，也未提及宽带性能要求。

关于在光谱的红外部分中的线栅起偏器还存在其它专利(例如美国专利4,514,479、4,743,093、以及5,177,635)。除了前文引用的特例外，重点仅在IR光谱中的起偏器的透射性能上。

这些参考文献证实了，已经公知了多年的是，线栅阵列一般可以用作为起偏器。然而，显然，从未提出和开发过将其用于图像投影系统中。未将线栅起偏器用于可见光光谱中的一个可能原因是制造的难度。美国专利4,514,479提出了这样的方法来制造用于近红外范围的线栅起偏器，其中对光刻胶全息曝光，然后在离子打薄仪(ion mill)中蚀刻；在美国专利5,122,907中，将小的长金属椭球嵌入透明模型中，随后在某种程度上对准金属椭球的长轴地将所述模型拉长。虽然透射的光束是偏振的，但是该装置不能良好地反射。而且，椭球颗粒未被制得足够小，而不可用于电磁波频谱的可见光部分。因此，实际应用局限于较长波长的IR光谱中。

另一种现有技术的起偏器通过掠射角气相沉积获得了更细的栅线(美国专利4,456,515)。不利的是，所述栅线的横截面非常小，以至于与可见光的相互作用微弱，从而光学效率太差，而不能用于形成图像。在几个这些现有技术成果中，该器件具有形状和间隔非常不规则的栅线。所述不规则降低了性能，因为，紧密相间的元件的区域不能良好地透射，而间隔较宽的元件的区域反射率较差。如果这两种作用发生任一或同时发生，则所得的偏振(消光)程度便小于最大值，所述作用如当设置中具有一些不规则性时所必定发生的。

研究用于光栅的数学理论对完全(以及近似完全)的规则性能够良好地应用。相反，散射理论对不规则的栅线(即使它们方向相同)提供了最好的描述。从单个圆柱形栅线的散射已经得到了描述(H.C.Van de Hulst，Light Scattering by Small Particles，Dover，1981)。目前的不规则线栅包括贯穿基底嵌入的栅线。不仅栅线的位置会有些不规则，而且其直径也会有些不规则。显然，散射光线的相位是任意的，从而反射将不是严格镜面反射，并且透射将不保持空间或图像的逼真度。光束的这种降级将使其不能投射高清晰、高信息密度的图像。

在现有技术中没有指出或建议过，栅线的有序阵列可以或应该被制为这样的似晶石PBS，其至少以当其既用作起偏器又用作检偏器时所需的角度，在整个可见光的范围上应用。实际上，制造上述操作所需的窄、厚、均匀相间的栅线的困难已经得到广泛注意(见Zeitner，et.al.AppliedOptics，38，11pp.2177-2181(1999)，和Schnabel，et.al.OpticalEngineering 38，2pp.220-226(1999))。因此，并不奇怪的是，图像投影的现有技术类似地没有建议使用似晶石的PBS作为显示装置的部件。

Tamada和Matsumoto(美国专利5,748,368)公开了一种线栅起偏器，其既可用于红外线部分又可用于可见光光谱部分；但是，所述起偏器基于这样的原理，即，大的、宽间隔的栅线将在可见光中意外的长波长上产生共振和偏振。不利的是，该装置只在可见光波长的窄带上良好地工作，而不是在整个可见光光谱上。所以它不适合用于产生全彩图像。因此，这样的装置对于图像显示器是不实用的，因为用于图像投影系统中的起偏器必须是基本消色差的。

线栅起偏器一直受到忽略的另一原因是长期存在的普遍看法，即，当光束的入射角变大时，典型的线栅起偏器的性能将下降(G.R.Bird and M.Parrish，Jr.，Athe Wire Grid as a Near-Infrared Polarizer，@J.Opt.Soc.Am.，50，pp.886-891，(1960)；the Handbook of Optics，Michael Bass，Volume II，p.3-34，McGraw-Hill(1995))。这样的设计未被提出过，所述设计在光谱的可见光部分中对于大于35度的入射工作良好。导致该入射角限制的重要设计因素也未得到认识。当认识到成功的分束器同时需要适当的透射和反射性能时，所述发现的设计限制变得甚至更大。

该要点值得强调。关于在IR和可见光光谱中的线栅起偏器的现有文献和专利历史几乎全部关注所述起偏器作为透射起偏器的使用，而不关注反射性质。线栅起偏器在几十年的技术文献中得到尝试和公开，并且从19世纪70年代以来变得日益普遍起来。尽管在该领域中已经作了大量的工作，但是，对作为反射起偏器的线栅起偏器的制造和使用的详细讨论如果有的话也是非常少，并且文献中没有关于所述起偏器同时用作透射起偏器和反射起偏器的讨论，而这些对于用于成像装置中的似晶石的偏振分束器来说是必要的。从文献中缺少讨论看来，可以合理地推断，用作宽带可见光分束器的线栅起偏器的任何可能的使用都是不容易的，或者技术界普遍理解，将所述起偏器用于这样的应用中是不实用的。

因为上述的常规起偏器是唯一可得的起偏器，从而Takanashi(美国专利5,239,322)不可能将其的投影装置简化为除了最小结果外的实施。为Takanashi发明提供所需的性能的起偏器是不存在的，所述性能即为，在光谱的可见光部分上消色差、宽接受角、在需要的光偏振的透射和反射中的低损耗、以及好的消光比。

图像显示系统的几个重要特征需要特定的透射和反射性质。对于投影仪，如果要将源光有效地投射到屏幕上，则p-偏振的透射率和s-偏振的反射率的乘积(R_ST_P)必须较大。另一方面，为了获得用于在屏幕上达到高信息密度所需的分辨率和对比度，重要的是逆乘积(converse product)(R_PT_S)要非常小(即s-偏振光的透射率乘p-偏振光的反射率的积必须小)。

另一重要特征是宽接受角。如果光在光源聚集，则接受角必须较大，从而最大化转换效率。希望的是，可以接受半角大于20度的光(会聚或发散)锥。

能够接受较大光锥并在大角度下工作良好的重要结果是，成像系统的光学设计不再受限制。从而可以使用常规光源，所述常规光源具有低成本、低温工作、小尺寸、以及重量轻的益处。宽角度范围允许设计者将其它光学元件定位在有利于提高显示器的尺寸和操作的位置上。

另一重要特征是尺寸和重量。常规技术需要使用玻璃立方体。该立方体给系统施加了特定的要求和不利。所加的要求包括，需要处理该大块玻璃中的热负载，还需要没有应力双折射的高质材料等，这些施加了附加的成本。另外，立方体本身的额外重量和体积造成了不利。因此，希望的是，分束器不占用较大的体积并且不是很重。

另一重要特征是坚固性。现代的光源在打开光后立即在起偏器中产生较高的热梯度。最好情况下，这会引起热双折射，所述热双折射导致偏振之间的串扰。而且，长期暴露在强光下导致某些材料改变性质(通常由于光氧化而变黄)。因此，希望的是，分束器可以耐高温、并且可以经受来自光源的长期强照射。

再一重要特征是分束器对整个入射光锥的均匀消光(或对比度)性能。McNeille型的薄膜叠层起偏器，由于其对S-偏振光的反射率与其对P-偏振光的反射率不同而产生偏振光。因为S和P偏振的定义取决于光线的入射平面，所述入射平面在入射到起偏器上的光锥中变化方向，从而McNeille型的起偏器在整个锥上不能同样良好地工作。McNeille型起偏器中的该缺点是众所周知的。必须通过约束光锥的角度大小、以及通过在光学系统的其它地方利用附加的光学元件来进行补偿，才可以将所述起偏器用于投影系统设计中。McNeille棱镜的该基本弱点提高了成本和当前投影系统的复杂性，并由于f-数或分束器的光学效率的约束而限制了系统性能。

其它的重要特征包括调准的难易度。生产成本和维护都直接受装配标准的影响。使用不需要低公差调准的元件，可以显著地降低这些成本。

因此，有利的是，开发一种能够提供明亮图像和优质图像对比度、并且成本便宜的图像投影系统。同样有利的是，开发一种具有这样的偏振分束器的图像投影系统，所述偏振分束器能够利用发散光(或具有较小F/#)、能够有效使用光能或具有高转换效率、以及经久耐用。还有利的是，开发一种具有这样的偏振分束器的图像投影系统，所述偏振分束器具有高消光比、在可见光光谱上的均匀响应、优质的彩色逼真度，并且所述分束器是似晶石的、坚固的并且可以经受热梯度。还有利的是，开发一种具有这样的偏振分束器的图像投影系统，所述偏振分束器能够定被设置在基本任一入射角下，从而不会对图像投影系统施加显著的设计约束，但是基本不能满足设计灵活性。开发一种具有这样的偏振分束器的图像投影系统也是有利的，所述偏振分束器对全部锥角的入射光有效地透射p-偏振光并反射s-偏振光。开发一种这样的图像投影系统也是有利的，其具有的偏振分束器重量轻且体积小。开发一种这样的图像投影系统也是有利的，其具有的偏振分束器易于调准。在单个投影装置中结合所有这些特征将在本领域中提供显著的进步。

发明内容

已经公认，开发一种这样的图像投影系统是有利的，所述图像投影系统能够提供具有优质图像对比度的明亮图像、并且价格低廉。另外，已经公认，开发一种具有这样的偏振分束器的图像投影系统是有利的，所述偏振分束器使用发散光(或具有较小的F/#)、有效地利用光能、具有好的转换效率、并且经久耐用。亦已经公认，开发一种具有这样的偏振分束器的图像投影系统是有利的，所述偏振分束器具有高消光比、在可见光光谱上的均匀响应、优质的彩色逼真度，并且所述偏振分束器是似晶石的、坚固的并且可以经受热梯度。另外，已经公认，开发一种具有这样的偏振分束器的图像投影系统是有利的，所述偏振分束器能够选择性地引导基本任意角度的透射和反射偏振光束之一或其两者。亦已经公认，开发一种具有这样的偏振分束器的图像投影系统是有利的，所述偏振分束器当被放在基本任意的入射角度下时都能充分地工作。另外，已经公认，开发一种具有这样的偏振分束器的图像投影系统是有利的，所述偏振分束器在光锥的所有角度下有效地透射p-偏振光并反射s-偏振光，也可以类似地用于透射s-偏振光并反射p-偏振光。亦已经公认，开发一种具有这样的偏振分束器的图像投影系统是有利的，所述偏振分束器重量轻、体积小、坚固并且易于调准。本发明的另一个目的是提供用于图像投影系统中的偏振分束器。

本发明提供了一种具有一个或多个线栅偏振分束器和一个或多个透射阵列的图像投影系统。该系统包括光源以产生可见光光束，使光束射向第一起偏器以将光束起偏为偏振光束。偏振光束被射向透射阵列，所述透射阵列通过选择性地改变偏振光束的偏振而在其上编码图像信息，来调制偏振光束的偏振，从而产生调制光束。该调制光束被射向偏振分束器。

偏振分束器包括基本平行排列的薄的、长元件，所述元件由基底支撑。设置该排列、并调节元件的尺寸以与调制光束的电磁波相互作用，从而基本(i)使偏振方向垂直于如下的平面的光透射通过元件，从而定义了透射光束，所述平面包括至少一个元件和入射光束的方向，以及(ii)使偏振方向平行于如下的平面的光从元件反射，从而定义了反射光束，所述平面包括至少一个元件和入射光束方向。

偏振分束器可以被定向为与调制光束成一个角度，使得调制光束以一定的角度照射到透明基底的第一表面上，从而使反射光束离开透射阵列。将反射光束或透射光束射到屏上以显示编码的图像信息。

根据本发明的一个更详细的方面，所述系统包括多个不同颜色的透射阵列，以及一个或多个既用作检偏器又用作合成器的偏振分束器。例如，三个透射阵列可以用于三种单独的颜色。带宽分离器可以将可见光光束分离成多个有色光束，其特征在于，每个不同的颜色具有不同的带宽。分离器和一个或多个第一起偏器一起可以产生多个有色偏振光束。每个透射阵列通过选择性地改变有色偏振光束的偏振来调制各有色偏振光束的偏振，以在所述偏振光束上编码图像信息，从而产生有色调制光束。

至少两个偏振分束器可以同时用作检偏器和合成器。将第一偏振分束器定位在两束不同有色调制光束上，以将这两束不同有色调制光束合成为第一合成光束。将第二个偏振分束器定位在第一合成光束和另一有色调制光束上，以将来自另一透射阵列的有色调制光束与第一合成光束合成为第二合成光束。

根据本发明的另一个更详细的方面，第一起偏器还可以包括线栅起偏器。

根据本发明的另一个更详细的方面，可以使用至少一个偏振分束器来实现图像投影系统，在这种情况下，其中只使用两个透射板。在这样的情况下，一个所述板可以产生一束包括两种颜色的光束，以这样的方式投影图像。

下面通过结合附图的详细说明将使本发明的其它特征和优势显而易见，所述附图通过示例一起示出了本发明的特征。

附图说明

图1a是根据本发明的实施例的一种图像投影系统的示意图；

图1b是根据本发明的实施例的另一种图像投影系统的示意图；

图2a是根据本发明的实施例的另一种图像投影系统的示意图；

图2b是根据本发明的实施例的另一种图像投影系统的示意图；

图2c是根据本发明的实施例的另一种图像投影系统的示意图；

图3a是根据本发明的实施例的另一种图像投影系统的示意图；

图3b是根据本发明的实施例的另一种图像投影系统的示意图；

图4a是根据本发明的实施例的另一种图像投影系统的示意图；

图4b是根据本发明的实施例的另一种图像投影系统的示意图；

图4c是根据本发明的实施例的另一种图像投影系统的示意图；

图5a是示出本发明的线栅偏振分束器的优选实施例的S和P偏振的波长和透射率的关系的曲线图；

图5b是示出本发明的线栅偏振分束器的优选实施例的S和P偏振的波长和反射率的关系的曲线图；

图5c是示出本发明的线栅偏振分束器的优选实施例的波长、效率和透射消光的关系的曲线图；

图6是示出本发明的线栅偏振分束器的优选实施例的性能随入射角变化的曲线图；

图7a是示出本发明的线栅偏振分束器的可选实施例的理论上的通过率性能的曲线图；

图7b是示出本发明的线栅偏振分束器的可选实施例的理论上的消光性能的曲线图；

图7c是示出本发明的线栅偏振分束器的可选实施例的理论上的消光性能的曲线图；

图8是本发明的线栅偏振分束器的透视图；以及

图9是本发明的线栅偏振分束器的横截侧视图。

具体实施方式

现在将参考如附图中所示的示范实施例，对所述实施例进行详细描述。然而，应该理解，本发明的范围并没有因此而受到限制。在相关领域的、并且获得该公开的技术人员将对此处示出的发明特征进行变化和改进、以及将此处示出的发明原理应用到其它方面，这些都被认为在本发明的范围内。

如图1a所示，示出了本发明的图像投影系统的显示光学组件，其总体以10标出。图像投影系统10有利地具有以14a-c标出的一个或多个的线栅起偏器作为分束器、以及一个或多个透射阵列16a-c。虽然在本发明人的以前的专利中已经描述了具有反射阵列的图像投影系统，而本图像投影系统被配置为利用透射阵列。线栅偏振分束器14(WGP-PBS)用作检偏器，将来自透射阵列16的一个偏振的光有效地反射或透射到显示屏18上。如下文更全面的讨论，WGP-PBS 14还可以有利地既用作检偏器又用作图像合成器。

如图1a所示，可以在系统10中使用多个WGP-PBS和多个透射阵列，并且可以每个对应一种不同的颜色。例如，可以使用3个WGP-PBS 14a-c和3个透射阵列16a-c，从而可以对应三种分别不同的颜色，比如蓝、绿和红。总体以20标出的分离器可以用于将来自可见光光源22的白光的可见光光束分离成需要的颜色。这样的分离器在本领域中是众所周知的，并且可以包括被设置在可见光光束上的二向色反射镜24，其被配置为用于将白光分离成有色光束，每种光束具有不同的波长或带宽。应该理解，可以使用其它的光学元件，如本领域中所公知的。

另外，可以在有色光束上设置一个或多个预起偏器或第一起偏器26a-c，以使有色光束偏振为有色偏振光束。可选的是，应该理解，可以将预起偏器或者第一起偏器设置在可见光光束上以产生偏振光束，而将分离器设置在偏振光束上以将偏振光束分离成有色偏振光束。无论哪种方法，都是由分离器20和第一起偏器26a-c共同产生有色偏振光束。可以如图所示地首先将可见光光束分离成不同颜色的光束，然后使其偏振；或者可以首先使可见光光束偏振，然后将其分离成不同颜色的光束。预起偏器或者第一起偏器26a-c可以是任何类型的起偏器。在某一方面，如下文更全面的讨论，预起偏器或者第一起偏器26a-c可以包括WGP-PBS。

透射阵列16a-c被设置在有色偏振光束上。如在本领域中众所周知的，透射阵列可以是透射液晶阵列。例如，透射阵列可以包括夹在两个导电层间的液晶层。透射阵列16a-c通过选择性地改变有色偏振光束的偏振而调制各有色偏振光束的偏振。对光束的偏振的调制或选择性地改变将图像信息编码到光束上，并且产生调制光束或有色调制光束。例如，透射阵列16a-c可以包括多个单元或像素，所述每个单元或象素在光束通过其时都可以独立地操作，以选择性地旋转或保持光的偏振。在透射阵列中的液晶材料通常可以旋转穿过单元或像素的光的偏振，除非跨接单元或像素施加电场以改变液晶，从而允许光不作改变地通过。可选的是，在透射阵列中的液晶材料通常能够保持穿过单元或像素的光的偏振，除非跨接单元或像素施加电场以改变液晶，从而旋转通过单元或像素的光的偏振。可以由液晶材料的两侧上的导电层来施加电场。如本领域中所知的，可以使控制器与透射阵列电力藕合，以控制对光的调制。

如上所述，WGP-PBS 14a-c被设置在各有色调制光束上，并且用作检偏器以从调制光束中将编码图像信息分离出来。每个WGP-PBS将调制光束分离成具有某一偏振的透射光束和具有另一偏振的反射光束。由此，将在调制光束上编码的图像信息从调制光束中分离出来，并分成反射光束和(或)透射光束。WGP-PBS 14a-c可以被定向为与各调制光束成锐角或钝角(相比于直角)，从而使调制光束以锐角或钝角照射到WGP-PBS上。这样，使来自WGP-PBS的反射光束不会射向透射阵列。应该理解，将WGP-PBS定向为与调制光束成直角，将导致使反射光束射回透射阵列中，从而可能导致噪声。

合成器或图像合成器27可以被设置在来自WGP-PBS 14a-c的反射光束和(或)透射光束上，以便将来自各有色光束的图像信息合成为单个图像光束射向屏18。应该理解，来自WGP-PBS的每个反射或透射光束都包括各颜色的希望图像。合成器是本领域中所公知的，其可以是任何类型。

图像投影系统的光学组件可以被配置为既包括图像合成器又包括WGP-PBS。参考图1b，示出一种示范的图像投影系统10b，其被配置为既包括合成器27又包括WGP-PBS 29。WGP-PBS 29被配置为既用作检偏器又用作合成器，或者既用于1)分离编码图像信息，又用于2)合成各种不同有色光束。图像投影系统10b在很多方面都类似于在此描述的系统。

合成器27可以被设置在来自WGP-PBS 14a和b的反射和(或)透射光束上，以便将来自各种不同有色光束的图像信息合成为第一合成光束。偏振分束器或者WGP-PBS 29可以被设置在来自合成器27的第一合成光束和来自另一个透射阵列16c的另一有色调制光束上。偏振分束器或WGP-PBS 29既可以1)从其它调制光束中分离出编码图像信息，又可以2)将来自其它透射阵列的反射和(或)透射光束与来自合成器27的第一合成光束合成为第二合成光束，所述第二合成光束具有三束有色光束的希望图像信息。可选的是，应该理解，合成器27和WGP-PBS 29的位置可以交换。

图像投影系统的光学组件还可以配置一个或多个WGP-PBS 14a-c或检偏器来形成合成器，以合成两束或多束有色光束。参考图2a，示出了示范图像投影系统10c，其配置有这样的WGP-PBS 14a-c，所述WGP-PBS14a-c既用作检偏器又用作合成器，或者既可以1)分离编码图像信息，又可以2)合成各种不同有色光束。图像投影系统10c在很多方面都类似于在此描述的系统，并且可以为三种不同的颜色配置有三个透射阵列16a-c。

第一偏振分束器或者WGP-PBS 28可以被设置在来自两个透射阵列16a和b的两束有色调制光束上。第一偏振分束器或者WGP-PBS 28既可以1)分离在两束调制光束上的编码图像信息(如上所述，将两束调制光束都分离成反射和透射光束)，也可以2)将来自调制光束之一的反射光束和来自另一调制光束的透射光束合成为第一合成光束，所述第一合成光束具有两种有色光束的希望图像信息。注意，调制光束之一包括某一偏振的希望图像信息，而另一调制光束包括另一偏振的希望图像信息，所以通过第一偏振分束器或WGP-PBS 28可以将希望的图像信息合成为第一合成光束。例如，来自调制光束的希望图像信息可以在由WGP-PBS 28透射的偏振中，而来自另一调制光束的希望图像信息可以在由WGP-PBS 28反射的偏振中。例如，WGP-PBS 28可以被设置在来自蓝色和绿色光束的调制光束上，并且，如图所示，可以合成透射的蓝色光束中的图像信息与反射的绿色光束中的图像信息。WGP-PBS 28相对于两种调制光束、或者两个透射阵列16a和b确定方向，从而使希望的反射和透射光束对准为希望的第一合成光束。

应该理解，可以不同地将希望的图像信息编码到调制光束上，或者可以不同地配置透射阵列。例如，第一透射阵列16a可以在将由WGP-PBS 28透射的调制光束上编码信息，而第二阵列16b可以将由WGP-PBS 28反射的调制光束上编码信息。这样，这两种调制光束可以具有在相反偏振上编码的图像信息，或者两个透射阵列可以在相反的偏振上编码图像信息。

第二偏振分束器或者WGP-PBS 29可以被设置在来自第一WGP-PBS28的第一合成光束和来自另一透射阵列16c的另一有色调制光束上。第二偏振分束器或者WGP-PBS 29既可以1)从另一调制光束中分离出编码图像信息，又可以2)将来自另一透射阵列的反射和(或)透射光束与来自第一WGP-PBS 28的第一合成光束合成为第二合成光束，所述第二合成光束具有三束有色光束的希望图像信息。例如，第二WGP-PBS 29可以合成反射的红色光束中的图像信息与第一合成光束(或者反射的绿色光束与透射的蓝色光束)。

由此，两个偏振分束器或WGP-PBS 28和29可以用来检偏和合成三种有色调制光束。单个WGP-PBS可以用来检偏和合成两种有色调制光束。可以这样合成光束，由分束器反射一束光束，使得反射光束共轴，并且将图像信息记录在透射通过分束器的另一光束上，合成的光束形成多色的图像光束。

如图2a所示，可以将WGP-PBS 28和29定向为基本上彼此平行。这样的配置可以允许彼此更近地放置两个WGP-PBS 28和29，从而可以减小系统10c的尺寸。参考图2b，可以这样配置系统10d，使得将WGP-PBS 28和29定向为基本上彼此垂直。这样的配置可以允许WGP-PBS 28和29合成出更好的光学质量。

虽然相关于使用三种有色光束描述了上述系统，但是，应该理解，可以将系统配置为使用更多或更少的有色光束。另外，上述系统已经被描述为使用单独的有色光束、或者每种颜色的单独光路。应该理解，两个或更多的有色光束可以共用同一光路。例如，参考图2c，示出了具有两个光路的系统10e，而单个WGP-PBS 28即用作检偏器又用作合成器。如图所示，两种有色光，例如绿色光和红色光，可以共用一个光路。变换器(alternator)24b可以用于变换光路中的两种颜色。例如，变换器24b可以在绿色和红色光束间切换。还可以控制透射阵列16b来在不同颜色间变换，从而可以选择性地变换不同的颜色。由变换器24b和透射阵列16b进行的对有色光束的切换可以足够快，以至于不被肉眼察觉。变换器24b，或者用于在颜色间变换的变换装置，可以是色转轮或类似装置。

如上所述，预起偏器26a-c还可以是线栅起偏器。参考图3a-b和4a-c，示出了类似于上述系统的图像投影系统10f-j，但是由线栅起偏器26d-f来作为预起偏器。可以将线栅起偏器26d-f定向为与各有色偏振光束成锐角或钝角(相比于直角)，从而使反射光束不射到光源或者分离器上。

可以将线栅起偏器定向为朝向其它光学元件以循环利用光。参考图4c，示出了具有光循环利用装置13的示范系统10j。装置13可以包括多个反射镜或类似元件，以收集未用偏振的未用光束。装置13还可以使未用光束射回光源或者分离器。尽管在图4c中示出了单个光路的装置13，应该理解，可以将该装置配置为从各种不同光路中收集未用光束。另外，如图所示，系统10i包括用作预起偏器的单个WGP-PBS 16e、以及用作检偏器的单个WGP-PBS 28。可以在单色光束下使用该配置。可选的是，可以利用上述的变换器24b或色转轮在不同色的光之间快速切换。

如上所述，WGP-PBS可以用作预起偏器26a-c、偏振分束器或者检偏器14a-c、以及合成器。

为了有足够的光效率，WGP-PBS应该对来自光源20的希望偏振具有高反射率(R_S)，并且对来自液晶阵列26的相反的偏振具有高透射率(T_P)。转换效率与R_ST_P的乘积成比例，所以，一个因子的不足可以通过改进另外一个因子来从一定程度上补偿。

本发明的线栅偏振分束器14的示例有利地显示了下面的特征，所述特征展示了在用于光谱的可见部分的显示装置中使用本发明的WGP-PBS作为预起偏器、检偏器、和(或)合成器的益处。进一步改进的理论计算指出：甚至可以获得更好的偏振分束器。

参考图5a和5b，分别示出了WGP-PBS的S和P偏振的测量透射率和反射率。在图5c中，将WGP-PBS的效率示出为透射率和反射率的乘积。另外，图5c中还示出了消光曲线。在图5a-c中，将WGP-PBS定向为以入射角30度、45度和60度来反射s偏振和透射p偏振。对于图像投影系统，例如投影仪，如果需要使光源高效地投射到屏幕上，反射的s偏振和透射的p偏振的乘积(R_ST_P)必须较大。另一方面，为了达到用于在屏幕上实现高信息密度所需的分辨率，重要的是，逆乘积(R_PT_S)应该较小(即，s偏振光的透射率乘以p偏振光的反射率必须较小)。从图中可以明显地看到，本发明的线栅偏振分束器在整个光谱上都符合这些标准，而没有由于瑞利共振或其它现象而降级。

另外一个重要的特征是大接受角。如果光在光源会聚，则所述接受角必须较大，从而最大化转换效率。参考图6，示出了本发明的线栅偏振分束器对于光锥不同部分的性能，所述光锥以倾斜45度的光轴为围绕中心。在图6中，第一参考角度是在入射平面中的角度，而第二参考角度是在垂直于入射平面的平面中的角度。很显然，本发明的WGP-PBS可以接受半角在约12到25度间的光锥的光(发散或会聚)。

参考图7a-c，对线栅偏振分束器的一种可选实施例的理论计算指出：可以实现显著更大的光锥和(或)其它改进。图7a和7b分别示出了线栅偏振分束器的理论通过率和消光比，所述线栅偏振分束器具有减小到130nm的周期p。另外，光栅的高度或厚度是130nm；行间隔比率为0.48；基底的坡口深度为50nm；并且基底为BK7玻璃。应该注意，图7a中的通过率比图5a中的通过率接近得多地集中在一起。因此，通过减小周期p可以提高性能。应该注意，与图5c相比，图7b中的消光比得到了显著增加。

图7c示出了线栅偏振分束器的另一可选实施例的理论消光比，所述线栅偏振分束器具有进一步减小的周期p。波长为420nm，入射角为30度。应该注意，当周期减小时，消光比显著增大。

如上所述，利用适用于大角度的WGP-PBS来接受更大光锥的能力，所带来的重要结果是，PBS不再限制成像系统的光学设计。这样，可以使用常规光源，常规光源具有成本低、低温工作、尺寸小和重量轻的优点。WGP-PBS在大范围角度内都可以良好地工作，这允许设计者将其它光学元件放到合适的位置，从而改进显示器的尺寸和操作。

参考图1-4，展示了由WGP-PBS提供的设计灵活性。另外，WGP-PBS提供的大范围角度也对设计灵活性有所贡献。

线栅的其它特征也为显示单元提供了优势。常规的技术要求使用玻璃立方体。该立方体对系统施加了特定的要求和不利。所施加的要求包括，需要处理该大块玻璃的热负荷；需要没有应力双折射的高质材料等，这些要求增加了额外的成本；以及立方体本身的额外的重量和体积。本发明的WGP-PBS有利地是分开的或者被构图的薄膜，所述薄膜不占用太大的体积并且重量不大。本发明的WGP-PBS甚至可以与诸如滤色镜的其它光学元件集成或合并，从而进一步减小投影系统的部件数、重量和体积。

本发明的WGP-PBS还非常坚固。目前的光源在打开后立刻在起偏器中产生非常高的热梯度。在最好的情况下，这可以引起热力和应力双折射，所述热力和应力双折射导致偏振之间的串扰。在最坏的情况下，这会使多层起偏器层离或者会使粘合在立方体分束器上的界面分离。而且，在强光下的长时间的曝露会使一些材料改变性质(典型的是，由于光氧化而变黄)。然而，线栅偏振分束器由化学惰性金属制成，所述化学惰性金属可以很好的粘结在玻璃或者其它基底材料上。已经证明，所述金属可以经受高温和来自光源的长时间强照射。

本发明的WGP-PBS还易于调准。它是需要调节以使源光束射向液晶阵列的单个部件。这是与在平面镜中使用的工序相同的简单工序。另一个调节参数为关于WGP表面的法线的角度旋转。这决定了光束的偏振方向。该调节不是必要的，因为WGP用作其自身的检偏器，在这种情况下WGP不会没有对准。如果在光学组件中还包括其它偏振元件，WGP-PBS应该相对于所述元件的偏振而定向，但是微小的偏差无关紧要，因为，根据Malus定律，如果起偏器的偏振轴接近于平行(或垂直)，那么角度变化对由起偏器透射的强度的影响极小。

为了与常规的起偏器竞争，R_ST_P的乘积必须大于约50％。这代表下限估计，当WGP-PBS相比于常规偏振分束器可以从光源收集多得多的光时，所述下限估计才可以实现。50％的估计来自于如下的假设，最好的常规分束器，即目前的MacNeille立方体分束器最多可以传输约f/2.5的f/#。那么，一个快两倍或者可以聚集两倍光的光学系统将具有该值的1/2倍的f/#，或者约f/1.8，这在光学图像投影系统中显然是合理的f/#。速度快两倍、并因此可以从光源聚集两倍光的系统，可以近似补偿是常规立方体分束器的1/2倍的R_ST_P乘积，从而获得等效的投影系统性能。实际上，因为可能在低于f/1.2(四倍增加)下使用WGP-PBS，该看来为下限的值仍可以产生非常明亮的图像。当然，大于该最小值的R_ST_P乘积将提供更好的性能。

另一个重要的性能因素是图像中的对比度，将对比度定义为光强与暗像素的比率。WGP-PBS的显著优势之一是，相比于现有技术的立方体分束器如McNeille棱镜，其具有在复合(compound)入射角上的改良的对比度。McNeille棱镜的物理特性通过利用对某个角度的S和P偏振的反射率之差来使光偏振。因为S和P偏振是相对于入射平面定义的，当考虑光锥中的多条光线时，光锥中特定光线的有效S和P偏振相对于沿光轴的光线旋转。该情况的结果是著名的复合角问题，其中起偏器的消光在通过偏振分束器的光锥中的特定范围的角上显著减小，显著地减小了整个光锥的平均对比度。

另一方面，WGP-PBS采用了可以较大程度避免该问题的不同的物理机制来实现光的偏振。情况的不同是由于，在分束器中由线栅引起偏振，所述偏振对于光锥中的任意特定光线的入射平面，都在空间中具有相同的方向。因此，即使入射到McNeille棱镜或WGP上的任意特定光线的入射平面是相同的，但是在McNeille棱镜的情况下，偏振作用只是依赖于入射平面，意味着WGP的复合角性能比由立方体分束器提供的所述性能有极大的改善。

WGP-PBS的功能不依赖于入射平面这一事实意味着，实际所用的WGP-PBS可以具有任何方向的栅线或元件。本发明的优选实施例的元件平行于这样的轴，起偏器围绕所述轴倾斜以使光以一个角度照射到WGP-PBS上。该特定方向是优选的，因为，所述方向可以使来自基底的表面反射的偏振作用与来自光栅的偏振作用相加。然而，通过旋转光栅元件使它们垂直于WGP-PBS的倾斜轴，可以获得这样的WGP-PBS，其用于在一定范围的入射角下反射P偏振并透射S偏振(所述偏振与这里通常描述的偏振完全相反)。类似，可以将光栅元件放置为与所述倾斜轴成任意角度，以获得用于透射和反射偏振光的WGP-PBS，所述偏振光的偏振与该任意角度在光束中的波前上的投影对准。因此，显然，反射P偏振和透射S偏振的WGP-PBS，或者反射和透射任意方向的偏振光的WGP-PBS都在本发明的范围内。

WGP-PBS的复合角性能优势在整个光锥上提供了本质上更均匀的对比度，并且这是WGP适合非常小的f-数的原因之一。但是，当然，它不是唯一影响图像对比度的因素。通过对不希望的偏振的低泄漏，将图像对比度控制到更大的范围中，但是在这种情况下，乘积T_SR_P不是一个重要的参数，因为图像生成阵列也参与了图像对比度的形成，所述图像生成阵列依次被设置在第一个分束器之后，而在第二个分束器前。因此，最终的系统对比度将依赖于光阀性能和起偏器的消光。然而，假设如果光阀的性能足够充分便可以获得本质上无穷大的对比度，则可以由此确定所需的分束器性能的下限。在这种情况中，系统对比度将完全依赖于分束器的性能。

参考图1-4c，WGP-PBS实现了几个不同的功能，如预起偏器、检偏器或分束器、以及(或)合成器。另外，一些WGP-PBS实现了两种不同的功能，如既是合成器又是检偏器或分束器。一种功能是在偏振光照射透射序列16a-c或其它合适的图像生成装置之前准备偏振光。这里的要求是，使光充分地完全偏振，使得可以充分地检测或检偏由光阀产生的光束的偏振的任何变化，从而使最终的图像达到希望的性能水平。类似，检偏器或分束器14a-c必须有充分的性能来检偏由光阀或透射阵列引导到分束器上的光，从而获得希望的系统对比度性能。另外，合成器必须具有充分的性能，以便既透射又反射光，从而合成不同的颜色。

这些下限可以相当容易地确定。从实用和图像质量方面考虑，对比度小于10∶1(亮像素与相邻暗像素之比)的图像不一定具有很大的实用性。例如，这样的显示器对密集的文本将是不可用的。如果假定显示系统的最小对比度为10∶1，则需要这样的入射光束，所述光束的希望偏振态的光是其不希望的偏振态的光的至少10倍。用起偏器的性能表示，这将被描述成具有10∶1或简单地说10的消光比。

当用作检偏器，分束器14必须检偏图像，并且必须能够通过适当偏振态的光，而去除大部分不希望的态的光。另外，如上述假定，光束具有在偏振态中编码的图像，并且该光束具有假定的10∶1的比率，则需要这样分束器，所述分束器保持该10∶1的比率以达到10∶1的系统对比度的水平。换句话说，希望的是，相比于希望的偏振，十倍地减少不希望的偏振的光。这又使分束器的检偏功能为10∶1的最小消光性能。

显然，如果分束器的起偏器和检偏器功能之一或二者都具有较高的消光性能，则可以实现较高的系统对比度。同样明显的是，不需要分束器的检偏器功能和起偏器功能的性能都匹配图像投影系统，便可充分工作。分束器的起偏器和检偏器性能的上限更难于确定，但是显然，该应用中不需要超过约20,000的消光比。优质剧院中的优质电影投影系统并不通常具有超过约1000的图像对比度，并且，人眼不一定能够确实分辨出对比度在几千范围内的图像与对比度超过10,000的图像。假设需要产生对比度为几千的图像，并且假设存在可以满足该技术的光阀，则分束器的消光比的上限在10,000到20,000的范围内就足够了。

上述线栅分束器的下限和上限是示意性地，但是很明显，从上文的线栅分束器的示例的和理论上的性能看，还可以实现好得多的性能。根据该数据，如图5a-c所示，图像投影系统的R_ST_P可以为65％，并且R_P或T_S或二者都为67％。

可以在调制光束上、或在WGP-PBS 14和屏幕18之间设置后-起偏器或清除起偏器。图像显示系统还可以使用聚光光学元件和投影光学元件。可以在透射阵列16的任意一侧上设置LCD补偿膜17。

参考图8和9，更详细地示出了本发明的线栅偏振分束器14。在2001年6月5日颁发的美国专利6,243,199中更详细地深入讨论了所述偏振分束器，所述专利在此引入作为参考。

偏振分束器14具有光栅30，或设置在基底上的平行导电元件的阵列。由光源20产生的源光束130入射到偏振分束器14上，所述光束的光轴与法线成θ角，所述入射平面优选垂直于导电元件。可选实施例使入射平面与导电元件平面成θ角，其中θ为约45度。另一可选实施例使入射平面平行于导电元件。偏振分束器14将光束13分到境面反射元件140和透射元件150上。利用S和P偏振的标准定义，S偏振光具有垂直于入射平面的偏振矢量，从而平行于导电元件。相反，P偏振光具有平行于入射平面的偏振矢量，从而垂直于导电元件。

理想地，偏振分束器14将用作S偏振光的全反射镜，并对P偏振光完全透明。但是，实际上，甚至反射性最强的金属用作反射镜也会吸收部分入射光，从而WGP将只反射90％到95％，并且，由于表面反射，防护白玻璃不是100％地透射入射光。

应该对线栅分束器14的物理参数进行组优化，以获得需要的性能水平，所述物理参数包括：线栅30的周期p、光栅元件30的高度或厚度t、光栅元件30的宽度w以及光栅元件侧面的斜度。参考图9，注意，光栅元件30的一般横截面实际上是梯形的或矩形的。该一般形状也是优选实施例的偏振分束器14的必要特征，但允许由于制造工艺引起的正常的小变化，比如圆角50和在光栅元件30的底部的内圆角54。

还应该注意，线栅30的周期p必须是规则的，以获得境面反射性能，用于满足分束器14的成像逼真度的要求。虽然具有完全规则并均匀的光栅30显然更好，但是某些应用可能具有宽松的要求，对于这方面不是那么严格。然而，公认为，需要使周期p的变化小于图像中有意义的尺寸(比如在文本显示中的单个特征的尺寸、或图像中的几个像素的尺寸)的10％，以获得需要的性能。

类似地，在不本质上影响显示器的性能下，尤其是，如果如通常情况一样，分束器14不是光学系统中的图像平面，则分束器14的其它所述参数也可以适当地变化，所述参数如光栅元件30的宽度w、光栅元件30的高度t、侧面的斜度、或甚至圆角50、以及内圆角54。这些变化甚至可以使在成品分束器14中出现条纹，可以是在透射效率、反射效率、色彩均匀度等上的变化，并且还为图像投影系统中的特定应用提供有用的部分。

在符合所述应用的对比度要求同时，通过最优化这些参数而必须达到的设计目标是，形成尽可能好的效率或透射率。如上所述，偏振分束器14的最小实用消光比在10的量级上。并且发现，为了获得有价值的产品，分束器14的所需最小通过率(R_ST_P)为约50％，这意味着R_P和T_S之一或二者都必须大于约67％。当然，分束器的通过率和消光比的更高性能将更有价值、并提供更好的产品。为了理解这些参数怎样影响线栅分束器的性能，可以在入射角为45度下检测由每个参数引起的性能变化，所述入射角可以是其它的关注角度。

线栅分束器14的性能根据周期p而变化。线栅元件30的周期p必须小于约0.21μm，以便形成在整个可见光光谱上具有适当性能的分束器14，尽管对于本领域的技术人员来说，显然，更大周期的分束器在如下的系统中是有用的，所述系统将用于在小于整个可见光光谱的范围上显示，所述范围比如只是红色、红色和绿色等。

线栅分束器14的性能根据元件高度或厚度t而变化。为了提供所需的性能，线栅高度t必须介于约0.04到0.5μm之间。

线栅分束器14的性能根据元件30的宽度与周期之比(w/p)而变化。为了提供所需的性能，线栅元件30的宽度w与周期p之比必须落入约0.3到0.76的范围中。

线栅分束器14的性能根据元件30的侧面倾斜度而变化。为了提供所需的性能，线栅元件30的侧面倾斜度最好大于离水平线的68度。

应该理解，上述引用的设置是为了说明本发明原理的应用。尽管结合本发明的示范实施例在附图中示出了并在上面描述了本发明，但是在不偏离本发明的精神和范围下，可以设计大量的修改和可选的配置。对于本领域的一般技术人员而言，显然，在不偏离如权利要求书中所提出的本发明的原理和构思下，可以进行大量的修改。

Claims

1.一种图像投影系统，用于提供明亮而清晰的图像，所述系统包括：

a)能够产生可见光光束的光源；

b)至少一个第一起偏器，其被定位在所述光源附近的所述可见光光束上，用于将所述光束偏振为偏振光束；

c)至少一个透射阵列，其被定位在所述第一起偏器附近的所述偏振光束上，能够通过选择性地改变所述偏振光束的偏振来调制所述偏振光束的偏振，以在所述光束上编码图像信息并形成调制光束；

d)至少一个偏振分束器，其被定位在所述透射阵列附近的所述调制光束上，所述偏振分束器包括：

1)透明基底，其具有被定位在所述调制光束上的第一表面，以及

2)基本平行排列的薄的、长元件，所述元件由所述基底支撑，所述排列被设置为、以及所述元件的尺寸被调节为与所述调制光束的电磁波相互作用，从而基本(i)使偏振方向垂直于如下的平面的光透射通过所述元件，从而定义了透射光束，所述平面包括至少一个所述元件和入射的所述光束的方向，以及(ii)使偏振方向平行于如下的平面的光从所述元件反射，从而定义了反射光束，所述平面包括至少一个所述元件和入射的所述光束的方向；以及

e)所述偏振分束器被定向为与所述调制光束成一个角度，使得所述调制光束以一定的角度照射到所述透明基底的所述第一表面上，从而使所述反射光束离开所述透射阵列；以及

f)屏幕，其被定位在所述反射光束或所述透射光束上，用于显示所述编码的图像信息。

2.根据权利要求1的系统，其中：

a)所述第一起偏器还包括被定位在所述光束上的第一偏振分束器，所述第一分束器包括：

1)透明基底，其具有被定位在所述光束上的第一表面，以及

2)基本平行排列的薄的、长元件，所述元件由所述基底支撑，所述排列被设置为、以及所述元件的尺寸被调节为与所述光束的电磁波相互作用，从而基本(i)使偏振方向垂直于如下的平面的光透射通过所述元件，从而定义了第一偏振透射光束，所述平面包括至少一个所述元件和入射的所述光束的方向，以及(ii)使偏振方向平行于如下的平面的光从所述元件反射，从而定义了第一偏振反射光束，所述平面包括至少一个所述元件和入射的所述光束的方向；以及

b)所述透射阵列被定位在所述第一偏振反射光束或所述第一偏振透射光束上。

3.根据权利要求1的系统，其中所述偏振分束器被定向为与所述调制光束成在约0到80度之间的入射角。

4.根据权利要求1的系统，其中所述偏振分束器被定向为与所述调制光束成大于47度或小于43度的入射角。

5.根据权利要求1的系统，其中所述光束具有有效发散光锥，所述光锥的半角在约12和25度之间。

6.根据权利要求1的系统，其中所述偏振分束器在小于约f/2.5的F-数下使用。

7.根据权利要求1的系统，其中所述偏振分束器具有至少为50％的通过率，所述通过率被定义为p-偏振透射光的部分量与s-偏振反射光的部分量的乘积；以及其中s-偏振透射光和p-偏振反射光都小于5％。

8.根据权利要求1的系统，其中所述偏振分束器具有至少为50％的通过率，所述通过率被定义为s-偏振透射光的部分量与p-偏振反射光的部分量的乘积；以及其中p-偏振透射光和s-偏振反射光都小于5％。

9.根据权利要求1的系统，其中所述偏振分束器具有至少为65％的通过率，所述通过率被定义为反射光的部分量和透射光的部分量的乘积；以及其中反射光的百分比或透射光的百分比大于约67％。

10.根据权利要求1的系统，其中：

所述元件的所述排列的周期小于约0.21微米；

所述元件的厚度在约0.04到0.5微米之间；以及

所述元件的宽度为所述周期的约30到76％之间。

11.根据权利要求1的装置，其中所述偏振分束器还包括：

a)第二层，其与所述透明基底分离并具有折射率，所述元件被设置在所述透明基底和所述第二层之间；以及

b)多个间隔，其形成于所述元件之间，并且，其内容物的折射率小于所述透明基底的折射率。

12.根据权利要求11的装置，其中在所述元件之间的所述间隔的所述内容物包括空气。

13.根据权利要求11的系统，其中在所述元件之间的所述间隔的所述内容物包括真空。

14.根据权利要求11的系统，其中在所述元件之间的所述间隔的所述内容物包括这样的材料，所述材料不同于所述透明基底和所述第二层的材料。

15.根据权利要求11的系统，其中所述间隔的所述内容物包括这样的材料，所述材料与所述第二层的材料相同。

16.根据权利要求11的系统，其中所述间隔的所述内容物包括这样的材料，所述材料与所述第一透明基底的材料相同。

17.根据权利要求11的系统，其中在所述元件之间的所述间隔的所述内容物包括水。

18.根据权利要求11的系统，其中在所述元件之间的所述间隔的所述内容物包括氟化镁。

19.根据权利要求11的系统，其中在所述元件之间的所述间隔的所述内容物包括油。

20.根据权利要求11的系统，其中在所述元件之间的所述间隔的所述内容物包括碳氢化合物。

21.根据权利要求11的系统，其中在所述元件之间的所述间隔的所述内容物包括塑胶。

22.根据权利要求11的系统，其中在所述元件之间的所述间隔的所述内容物包括氟化烃。

23.根据权利要求1的系统，其中所述排列的一种构造、以及所述元件的一种尺寸结合所述层之一将通常在可见光光谱中产生共振效应；以及其中，所述间隔的所述内容物的折射率低于所述层之一的折射率，所述内容物导致使所述通常发生的共振效应偏移到更低的波长上，从而扩宽其中不发生共振效应的可见光波长带。

24.一种图像投影系统，其包括：

a)能够产生可见光光束的光源；

b)带宽分离器，其被定位在所述光源附近的所述可见光光束上，以将所述可见光光束分离成多个带宽不同的有色光束；

c)至少一个第一起偏器，其被定位在所述光源附近的所述可见光光束上，用于偏振所述光束；

d)所述分离器和所述至少一个第一起偏器一起产生多个有色偏振光束；

e)多个透射阵列，每个所述阵列都被设置在所述有色偏振光束之一上，每个所述阵列都能够通过选择性地改变所述有色偏振光束的偏振来调制各所述有色偏振光束的偏振，以在所述光束上编码图像信息并产生有色调制光束；

f)至少一个偏振分束器，其被定位在至少两个所述有色调制光束上，以便既1)分离编码在所述至少两个有色调制光束上的所述图像信息，又2)将所述至少两个有色调制光束合成为合成光束，所述至少一个偏振分束器包括：

1)透明基底，其具有被定位在所述至少两个有色调制光束上的第一表面，以及

2)基本平行排列的薄的、长元件，所述元件由所述基底支撑，所述排列被设置为、以及所述元件的尺寸被调节为与所述有色调制光束的电磁波相互作用，从而基本(i)使偏振方向垂直于如下的平面的光透射通过所述元件，从而定义了有色透射光束，所述平面包括至少一个所述元件和入射的所述光束的方向，以及(ii)使偏振方向平行于如下的平面的光从所述元件反射，从而定义了有色反射光束，所述平面包括至少一个所述元件和入射的所述光束方向；以及

g)屏幕，其被定位在所述合成光束上，用于显示所述编码的图像信息。

25.根据权利要求24的装置，其中所述至少一个偏振分束器被定向为与所述至少两个有色调制光束成一个角度，从而每个所述有色调制光束以一定角度照射到所述至少一个偏振分束器的所述透明基底的所述第一表面上，并且使所述有色反射光束离开各所述透射阵列。

26.根据权利要求24的装置，其中所述至少一个第一起偏器包括：

a)第一透明基底，其具有被定位在所述光束上的第一表面；以及

b)基本平行排列的薄的、长元件，所述元件由所述基底支撑，所述排列被设置为、以及所述元件的尺寸被调节为与所述光束的电磁波相互作用，从而基本(i)使偏振方向垂直于如下的平面的光透射通过所述元件，从而定义了第一透射光束，所述平面包括至少一个所述元件和入射的所述光束的方向，以及(ii)使偏振方向平行于如下的平面的光从所述元件反射，从而定义了第一反射光束，所述平面包括至少一个所述元件和入射的所述光束的方向。

27.根据权利要求26的装置，其中所述至少一个第一起偏器被定向为与所述光束成锐角，从而所述光束以锐角照射到所述第一偏振分束器的所述第一表面上。

28.一种图像投影系统，其包括：

a)能够产生可见光光束的光源；

b)带宽分离器，其被定位在所述光源附近的所述可见光光束上，用于将所述可见光光束分离成多个有色光束，每个所述有色光束的特征在于，不同颜色的所述光束具有不同的带宽；

d)所述分离器和所述至少一个第一起偏器一起形成多个有色偏振光束；

e)三个透射阵列，每个所述阵列在所述有色偏振光束之一上，每个所述阵列能够通过选择性地改变所述有色偏振光束的偏振来调制各所述有色偏振光束的偏振，以在所述光束上编码图像信息并产生有色调制光束；

f)第一偏振分束器，其被定位在两个所述透射阵列附近，并在两个不同的所述有色调制光束上，所述第一偏振分束器将所述两个不同有色调制光束合成为第一合成光束；

g)第二偏振分束器，其被定位在另一所述透射阵列和所述第一偏振分束器附近，将来自所述另一透射阵列的有色调制光束和所述第一合成光束合成为第二合成光束；

h)所述第一和第二偏振分束器都包括：

1)透明基底，其具有第一表面，以及

2)基本平行排列的薄的、长元件，所述元件由所述基底支撑，所述排列被设置为、以及所述元件的尺寸被调节为与所述有色调制光束的电磁波相互作用，从而基本(i)使偏振方向垂直于如下的平面的光透射通过所述元件，所述平面包括至少一个所述元件和入射的所述光束的方向，以及(ii)使偏振方向平行于如下的平面的光从所述元件反射，所述平面包括至少一个所述元件和入射的所述光束的方向；以及

i)屏幕，其被定位在所述第二合成光束上，用于显示所述编码的图像信息。

29.根据权利要求28的系统，其中所述第一和第二偏振分束器被定向为与各所述有色调制光束成一个角度，从而每个所述有色调制光束以一定角度照射到各所述偏振分束器的所述透明基底的所述第一表面上，并且使各所述有色反射光束离开各所述透射阵列。