專利名稱：波長選擇性偏振轉換元件、照明光學系統(tǒng)和圖像投影設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種波長選擇性偏振轉換元件，它從進入其中的光生 成偏振方向和波長區(qū)域互不相同的兩個光分量，還涉及一種配備有該 元件的照明光學系統(tǒng)以及一種圖像投影設備。
背景技術：
所謂的三板投影儀(圖像投影設備)執(zhí)行顏色分離以把從光源發(fā) 射的白光分離成三個色光分量(例如，紅光分量、綠光分量和藍光分 量)。然后，色光分量被引入三個圖像形成元件，例如液晶板。
日本專利特開第2000-9933號公開了以下的三板投影儀。即，為 了通過顏色分離光學系統(tǒng)執(zhí)行顏色分離，三板投影儀具有照明光學系 統(tǒng)。照明光學系統(tǒng)從發(fā)射自光源的非偏振白光生成偏振方向互不相同 的兩個波長分量(例如，P偏振綠光以及S偏振紅和藍光)。
照明光學系統(tǒng)用偏振光束分光棱鏡的偏振分光表面把從光源發(fā) 射的非偏振白光分離成S偏振紅和綠光以及P偏振藍光。進一步，半 波片把P偏振光轉換成S偏振光。S偏振紅、綠和藍光入射到偏振轉 換二向色鏡上。偏振轉換二向色鏡只把S偏振綠光轉換成P偏振光。 因此，P偏振綠光以及S偏振紅和藍光前進到顏色分離光學系統(tǒng)。
偏振轉換二向色鏡從光進入側按順序包括二向色表面、四分之一 波片和反射鏡表面。二向色表面透射S偏振綠光，反射S偏振紅和藍 光。S偏振綠光通過二向色表面，在被反射鏡表面反射之前和之后兩 次通過四分之一波片。從而，四分之一波片把S偏振綠光轉換成P偏 振綠光。通過該布置，P偏振綠光以及S偏振紅和藍光從偏振轉換二 向色鏡射出。然而，在日本專利特開第2000-9933號中>^開的照明光學系統(tǒng)中， 進入偏振轉換二向色鏡的紅光分量、綠光分量和藍光分量必須事先通 過偏振光束分光棱鏡和半波片被轉換成S偏振光。如上文所述把光從 光源經(jīng)由偏振光束分光棱鏡和半波片導向偏振轉換二向色鏡降低了 光的使用效率。而且，由于使用來自光源的光經(jīng)由偏振光束分光棱鏡 和偏振轉換二向色鏡被反射的配置，照明光學系統(tǒng)的設計靈活性受到 限制，并且照明光學系統(tǒng)的尺寸趨向于變得更大。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種波長選擇性偏振轉換元件，它能夠從非偏振光生 成偏振方向和波長區(qū)域互不相同的多個光分量，同時以小型配置防止 光的使用效率降低，本發(fā)明還提供一種配備有該元件的照明光學系統(tǒng) 和一種圖像投影設備。
根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供一種波長選擇性偏振轉換元件，所述 元件包括多個偏振分光表面，其中各表面把進入的光分離成偏振方 向互不相同的兩個偏振光分量；多個相位片，它使來自偏振分光表面 的兩個偏振光分量中的一個偏振光分量的偏振方向與另 一偏振光分 量的偏振方向一致；以及多個二向色表面，其被布置為比所述多個偏 振分光表面更接近光進入側，或者在所述多個偏振分光表面與所述多 個相位片之間，各二向色表面把進入的光分離成互不相同的兩個波長 區(qū)域分量。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種波長選擇性偏振轉換元件，所述 元件包括沿著第一方向布置的多個偏振分光表面，沿著第一方向布置 的多個二向色表面，和沿著第一方向布置的多個相位片。所述多個偏
振分光表面和所述多個二向色表面把非偏振白光分離成多個第一光 通量和多個第二光通量，第一光通量包括作為S偏振光的第一顏色的 光、作為S偏振光的第二顏色的光和作為P偏振光的第三顏色的光，
第二光通量包括作為p偏振光的第一顏色的光、作為p偏振光的第二
顏色的光和作為s偏振光的第三顏色的光。所述多個相位片使第一和第二光通量中一個光通量的偏振方向與另一光通量的偏振方向一致。根據(jù)再另一方面，本發(fā)明提供一種波長選擇性偏振轉換元件，所 述元件從光進入側按順序包括沿著第一方向布置的多個第一光學表 面、沿著第一方向布置的多個第二光學表面和沿著第一方向布置的多 個半相位片。在第一光學表面和第二光學表面中， 一個是偏振分光表 面，另一個是二向色表面。半相位片布置在與沿著第一方向布置的多 個第二光學表面中每隔一個第二光學表面相對應的位置。根據(jù)再另 一方面，本發(fā)明提供一種照明光學系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 透鏡陣列，其把來自光源的光分成多個光通量；上述波長選擇性偏振 轉換元件之一，來自透鏡陣列的多個光通量進入其中；以及聚光光學 系統(tǒng)，其聚集來自波長選擇性偏振轉換元件的多個光通量以使光通量 在照明表面上相互重疊。根據(jù)再另一方面，本發(fā)明提供一種圖像投影設備，所述系統(tǒng)包括 照明光學系統(tǒng)；三個圖像形成元件，各形成一個原始圖像；顏色分離 /合成光學系統(tǒng)，其把從照明光學系統(tǒng)進入的偏振方向互不相同的兩個 波長區(qū)域分量分離成波長互不相同的三個光分量，以把這三個光分量 引入三個圖像形成元件，并合成來自這三個圖像形成元件的三個光分 量；以及投影光學系統(tǒng)，其把來自顏色分離/合成光學系統(tǒng)的合成光投 射到投影表面上。根據(jù)下文參考附圖描述的實施例，本發(fā)明的其它方面將變得清晰。
圖1是示出作為本發(fā)明實施例1的二向色偏振轉換陣列的配置的 截面圖。圖2到4是圖示實施例l的二向色偏振轉換陣列的光學功能的截面圖。圖5圖示用于二向色偏振轉換陣列中的二向色膜的特性。圖6是示出作為本發(fā)明實施例2的二向色偏振轉換陣列的配置的截面圖。圖7到9是圖示實施例2的二向色偏振轉換陣列的光學功能的 截面圖。圖IO是示出作為本發(fā)明實施例3的二向色偏振轉換陣列的配置 的截面圖。圖11到13是圖示實施例3的二向色偏振轉換陣列的光學功能 的截面圖。圖14是示出作為本發(fā)明實施例4的二向色偏振轉換陣列的配置 的截面圖。圖15和16圖示實施例4的二向色偏振轉換陣列制造方法。 圖17是示出作為本發(fā)明實施例5的二向色偏振轉換陣列的配置 的截面圖。圖18圖示使用實施例1的二向色偏振轉換陣列的投影儀的配置。
具體實施方式
下面將參考附圖描述本發(fā)明的示例性實施例。 [實施例1圖18圖示了投影儀(圖像投影設備)中的光學單元的配置，該 投影儀使用作為本發(fā)明第一實施例(實施例1)的波長選擇性偏振轉 換元件(在下文中稱為二向色偏振轉換陣列)。在下列描述中，參考 符號R指示紅色(紅光，包括從620nm到650nm的波長區(qū)域)，參 考符號G指示綠色(綠光，包括從520nm到550nm的波長區(qū)域)， 參考符號B指示藍色(藍光，包括從450nm到480nm的波長區(qū)域)。 藍光、紅光和綠光可以分別被稱為第一顏色的光、第二顏色的光和第 三顏色的光。參考數(shù)字101指示光源，諸如發(fā)射無特定偏振方向(非偏振光) 的白(基本上白)光通量的超高壓水銀放電管。參考數(shù)字102指示使 發(fā)射自光源101的光通量準直的反射器。光源101和反射器102整體地構成光源燈。光源燈是獨立于光學單元可替換的，不是光學單元的 組成元件。參考數(shù)字103指示第一透鏡陣列，104指示第二透鏡陣列，106 指示作為波長選擇性偏振轉換元件的二向色偏振轉換陣列。參考數(shù)字 107指示作為聚光光學系統(tǒng)的聚光透鏡。從第一透鏡陣列103到聚光 透鏡107的組成元件構成照明光學系統(tǒng)。參考數(shù)字117指示二向色鏡(具有二向色表面的光學元件)。參 考數(shù)字108指示RB偏振光束分光器(在下文中稱為RB-PBS)。所 述RB-PBS具有透射紅光和藍光的波長區(qū)域中的S偏振光和P偏振光 之一并且反射其他光的偏振分光功能。所述RB-PBS不必需要具有綠 光的波長區(qū)域中的這種偏振分光功能。參考數(shù)字109指示G偏振光束 分光器(在下文中稱為G-PBS )。參考數(shù)字110指示G反射圖像形 成元件，lll指示R反射圖像形成元件，112指示B反射圖像形成元 件。使用反射液晶顯示元件作為各圖像形成元件。該實施例給出一個 示例，其中使用液晶顯示元件作為圖像形成元件。然而，本發(fā)明不局 限于上文，可以使用DMD (數(shù)字微鏡器件)作為圖像形成元件。圖像形成元件110到112中的每一個連接到驅動電路150。驅動 電路150連接到圖像提供設備160,諸如個人計算機、DVD播放器、 TV調諧器等。從圖像提供設備160接收圖像信號，驅動電路150基 于圖像信號驅動相應各圖像形成元件IIO到112，并使相應各圖像形 成元件110到112形成相應各顏色的原始圖像。圖像提供設備160和 投影儀構成圖像顯示系統(tǒng)。參考數(shù)字113指示G半相位片，114指示R半相位片，115指示 B半相位片。參考數(shù)字116指示顏色合成棱鏡。參考數(shù)字118指示投 影透鏡。從光源101發(fā)射并經(jīng)由反射器102進入照明光學系統(tǒng)的非偏振白 光被第一復眼透鏡103分成多個光通量。所述多個光通量通過第二復 眼透鏡104進入二向色偏振轉換陣列106。二向色偏振轉換陣列106被布置在或鄰近通過第一透鏡陣列103會聚的光通量的會聚點。在本實施例中，二向色偏振轉換陣列106從進入其中的非偏振白 光生成兩個波長區(qū)域分量(兩個光分量)。即，生成偏振方向互不相 同的P偏振R光(Rp)和S偏振BG光(BGs)。生成的兩個光分量 從二向色偏振轉換陣列106射出。稍后將描述二向色偏振轉換陣列106 的配置和光學功能。從二向色偏振轉換陣列106射出的多個光通量通過聚光透鏡107 前進到二向色鏡117。聚光透鏡107具有把多個光通量在作為照明表 面的三個圖像形成元件110到112的每一個上相互重疊的功能。二向色鏡117透射來自聚光透鏡107的光中的G光(Gs),反 射R光(Rp )和B光(Bs ),從而把G光與R和B光相互分離。實際上，二向色偏振轉換陣列106中的二向色膜(二向色表面) 和偏振分光膜(偏振分光表面)被布置成具有下列關系。即，二向色 膜和偏振分光膜中的每一個圍繞光軸關于圖18中的二向色鏡117扭 動卯°。通過該布置，關于二向色鏡的相應各色光分量的各偏振狀態(tài) 被更換。即，進入二向色鏡117的光被分離成P偏振G光(Gp) 、 S 偏振R光(Rs )和P偏振B光(Bp )。G光經(jīng)過G-PBS 109透射，通過半相位片113,然后進入G圖 像形成元件110。 G圖像形成元件IIO根據(jù)原始圖像調制G光并反射 之。調制后的G光再次通過半相位片113，作為S偏振光進入G-PBS 109。 G-PBS109把S偏振G光向顏色合成棱鏡116反射。被二向色鏡117反射的R光被RB-PBS 108反射。反射的R光 通過半相位片114，并且進入R圖像形成元件111。 R圖像形成元件 lll根據(jù)原始圖像調制R光并反射之。調制后的R光再次通過半相位 片114，并且作為P偏振光進入RB-PBS 108。 P偏振R光透射經(jīng)過 RB-PBS 108以進入顏色合成棱鏡116。被二向色鏡117反射的B光透射經(jīng)過RB-PBS 108，通過半相位 片115,然后進入B圖像形成元件112。 B圖像形成元件112根據(jù)原 始圖像調制B光并反射之。調制后的B光再次通過半相位片115，并且作為S偏振光進入RB-PBS 108。 RB-PBS 108把S偏振B光向顏色 合成棱鏡116反射。顏色合成棱鏡116反射進入的G光并透射進入的R光和B光以 合成G光、R光和B光。合成光從顏色合成棱鏡116向著投影透鏡(投 影光學系統(tǒng))118射出。投影透鏡118把合成光投射到諸如屏幕(未 示出)之類的投影表面上。從二向色鏡117到顏色合成棱鏡116的光 學元件構成顏色分離/合成光學系統(tǒng)。如上文所述，二向色偏振轉換陣列106、 二向色鏡117和RB-PBS 108把來自光源101的非偏振白光分離成波長區(qū)域和偏振方向互不相 同的三個光分量。圖1圖示了用在上述光學單元中的二向色偏振轉換陣列106的配置。參照圖1，參考數(shù)字l指示偏振分光陣列部分(第一元件部分)， 2指示二向色陣列部分(第二元件部分)。參考數(shù)字3指示在二向色 陣列部分2的離開表面?zhèn)忍峁┑陌胂辔黄⒖紨?shù)字4指示在偏振分 光陣列部分1的進入表面?zhèn)忍峁┑墓馄帘诬?。偏振分光陣列部?和 二向色陣列部分2在圖1中以分離的狀態(tài)示出。然而，實際上，偏振 分光陣列部分1和二向色陣列部分2通過接合等被一體化，并且作為 一個單元元件處理。本實施例的二向色偏振轉換陣列106包括從光進入側依次布置 的多個偏振分光膜(偏振分光表面)13、多個二向色膜(二向色表面) 23和多個半相位片(半波片)3。多個偏振分光膜13、多個二向色膜23和多個半相位片3沿著垂 直于光進入方向(圖1中從左到右)的方向(第一方向，垂直方向) 布置。各偏振分光膜13和各二向色膜23不僅關于光進入方向而且關 于垂直于光進入方向的方向傾斜(45。)布置。半相位片3垂直于光進 入方向(與垂直于光進入方向的方向平行)布置。偏振分光表面和二向色表面不局限于具有膜結構，而是可以具有 微周期結構或其它結構。半相位片可以形成為，不局限于，片狀元件、膜(單層膜或多層膜)或者可以具有微周期結構。偏振分光陣列部分1具有進入表面11和平行于進入表面11的離開表面12。在進入表面ll和離開表面12之間，提供所迷多個偏振分 光膜13和多個反射膜(反射表面)14。這些膜13和14中的每一個 形成為關于進入表面11以45。角傾斜。偏振分光膜13和反射膜14在 垂直于光進入方向的方向(第一方向)上交替地形成并且相互平行。 偏振分光膜13可以由反射膜14代替。進入表面11包括多個狹縫狀光通過區(qū)域C。光經(jīng)過所述多個狹 縫狀光通過區(qū)域C進入偏振分光陣列部分1，并且進入所述多個偏振 分光膜13。除了多個狹縫狀光通過區(qū)域C，進入表面ll還包括多個 提供有光屏蔽革4的區(qū)域。如同半相位片，多個光屏蔽軍4沿著垂直 于光進入方向的方向布置。各光屏蔽軍4被布置為平行于與光進入方 向垂直的方向。二向色陣列部分2包括進入表面21和平行于進入表面21的離開 表面22。在進入表面21和離開表面22之間，在垂直于光進入方向的 方向上提供多個二向色膜23。 二向色膜23中的每一個被形成為關于 進入表面21以45。角傾斜。離開表面22包括多個狹縫狀光通過區(qū)域 D和E。從所述多個狹縫狀光通過區(qū)域D，透射經(jīng)過多個二向色膜23 的光射出。從多個狹縫狀光通過區(qū)域E，被多個二向色膜23反射的 光射出。光通過區(qū)域E中的每一個提供有半相位片3。通過該布置，多個 二向色膜23被布置在多個偏振分光膜13與多個相位片3之間。偏振分光陣列部分1中的偏振分光膜13與反射膜14之間的間距 b和二向色陣列部分2中二向色膜23之間的間距a彼此相等。偏振分 光陣列部分1的離開表面12上的狹縫狀光通過區(qū)域Bl和二向色陣列 部分2的進入表面21上的狹縫狀光通過區(qū)域A被布置為靠近地相互 面對。透射經(jīng)過偏振分光膜13的光從狹縫狀光通過區(qū)域B1射出，并 且通過狹縫狀光通過區(qū)域A進入二向色陣列部分2。偏振分光陣列部分l的離開表面12上的狹縫狀光通過區(qū)域F和二向色陣列部分2的進入表面21上的狹縫狀光通過區(qū)域H也被布置 為靠近地相互面對。被偏振分光膜13和反射膜14反射的光從狹縫狀 光通過區(qū)域F射出，通過狹縫狀光通過區(qū)域H進入二向色陣列部分2。偏振分光陣列部分1的偏振分光膜13具有把進入光分離成偏振 方向互不相同的兩個偏振光分量的功能。更精確地，偏振分光膜13 具有透射包括在進入光中的P偏振光和反射包括在其中的S偏振光的 特性。因此，反射膜14反射S偏振光。二向色陣列部分2的二向色膜23把進入光分離成互不相同的兩 個波長區(qū)域分量。更精確地，二向色膜23透射包括在進入光中的R 光并反射包括在其中的B和G光，如圖5所示。半相位片3轉換來自偏振分光膜13的兩個偏振光分量中的一個 偏振光分量的偏振方向，以使所述一個偏振光分量的偏振方向與另一 偏振光分量的偏振方向一致。在本實施例中，半相位片3被如此布置 以使其快軸傾斜為關于光通過區(qū)域E的縱向方向成45°的方向。通過該布置，半相位片3把作為P偏振光而進入其中的光的偏 振方向旋轉90。，并且允許光作為S偏振光從其中射出。半相位片3 把作為S偏振光而進入其中的光的偏振方向旋轉90°,并且允許光作 為P偏振光從其中射出。接下來，下面將參考圖2到4描述二向色偏振轉換陣列106的光學功能。參照圖2，參考符號Wn指示非偏振白光。偏振分光陣列部分l 的偏振分光膜13把非偏振白光Wn分離成P偏振白光Wp和S偏振 白光Ws。 P偏振白光Wp，在透射經(jīng)過偏振分光膜13之后，從偏振 分光陣列部分l的離開表面12上的光通過區(qū)域B1射出。另一面，S偏振白光Ws在被偏振分光膜13反射之后被反射 膜14向與P偏振白光Wp相同的方向反射。S偏振白光Ws從光通過 區(qū)域F射出，所述光通過區(qū)域F與P偏振白光Wp所射出的光通過區(qū) 域B1相鄰。參照圖3， P偏振白光Wp通過二向色陣列部分2的進入表面21上的光通過區(qū)域A進入二向色陣列部分2。 二向色膜23把P偏振白 光Wp分離成P偏振紅光Rp以及P偏振藍和綠光(在下文中，藍和 綠光被稱為藍/綠光)BGp。 P偏振紅光Rp在透射經(jīng)過二向色膜23 之后，從二向色陣列部分2的離開表面22上的光通過區(qū)域D射出。另一方面，P偏振藍/綠光BGp在被二向色膜23反射之后被相 鄰的二向色膜23向與P偏振紅光Rp相同的方向反射。P偏振藍/綠 光BGp從光通過區(qū)域E射出，所述光通過區(qū)域E與二向色陣列部分 2的離開表面22上的P偏振紅光Rp所射出的光通過區(qū)域D相鄰。P 偏振藍/綠光BGp通過經(jīng)過半相位片3被轉換成S偏振藍/綠光BGs。參照圖4， S偏振白光Ws通過光通過區(qū)域H (不同于P偏振白 光Wp所進入通過的光通過區(qū)域)，進入二向色陣列部分2。 二向色 膜23把S偏振白光Ws分離成S偏振紅光Rs和S偏振藍/綠光BGs。 S偏振紅光Rs在透射經(jīng)過二向色膜23之后從二向色陣列部分2的離 開表面22上的光通過區(qū)域E射出。S偏振紅光Rs通過經(jīng)過半相位片 3而被轉換成P偏振紅光Rp。S偏振藍/綠光BGs在被二向色膜23反射之后被其相鄰的二向色 膜23向與S偏振紅光Rs相同的方向反射，然后從光通過區(qū)域D射出， 所述光通過區(qū)域D與S偏振紅光Rs所射出的光通過區(qū)域E相鄰。如上文參考附圖2到4所述，S偏振藍光(第一顏色的光)、S 偏振綠光(第二顏色的光)和P偏振紅光(第三顏色的光)作為一個 光通量(第一光通量)通過光通過區(qū)域D。結果，這些色光分量中的 每一個從二向色偏振轉換陣列106射出，同時保持其在經(jīng)過光通過區(qū) 域D之前的偏振狀態(tài)(合成為第一光通量時的偏振狀態(tài))。P偏振藍光(第一顏色的光)、P偏振綠光(第二顏色的光)和 S偏振紅光(第三顏色的光)作為一個光通量(第二光通量)進入布 置有半相位片3的光通過區(qū)域E中。結果，各色光分量的偏振方向通 過半相位片3的功能旋轉90°。從而，P偏振藍光、P偏振綠光和S 偏振紅光被轉換成S偏振藍光(第一顏色的光)、S偏振綠光(第二 顏色的光)和P偏振紅光(第三顏色的光)。這些S偏振藍光、S偏振綠光和P偏振紅光從波長選擇性偏振轉換陣列106射出。如上文所述，緊接在光經(jīng)過光通過區(qū)域D和E之前的點，經(jīng)過 光通過區(qū)域D的光通量和經(jīng)過光通過區(qū)域E的光通量分別被轉換成第 一光通量，其中合成了三個色光分量，以及第二光通量，其中合成了 偏振方向與第一光通量中的不同的三個色光分量。進入光通過區(qū)域D 或E的兩個光通量(第一和第二光通量)之一通過半相位片3的功能 被賦予90。相位差；從而兩個光通量中相同顏色的光分量的偏振方向 彼此一致。如上文所述，P偏振紅光Rp和S偏振藍/綠光BGs從非偏振白 光Wn生成。因此，本實施例的二向色偏振轉換陣列106可以有效地 使用來自光源101的光。在該實施例中，藍光(第一顏色的光)和綠光(第二顏色的光) 中的每一個被轉換成S偏振光，紅光(第三顏色的光)被轉換成P偏 振光。然而，本發(fā)明不局限于上文。S偏振光和P偏振光可以相互交 換。而且，可以這樣布置，使得只有藍光被轉換成S偏振光，綠光和 紅光被轉換成P偏振光。這里，"S偏振光"和"P偏振光，，意味著關于 二向色偏振轉換陣列106的偏振分光表面的S偏振光和P偏振光。最近，已提出了一種膜元件，其具有與二向色偏振轉換陣列106 類似的功能。然而，本實施例的二向色偏振轉換陣列106可以使用由 玻璃制成的基底件。因此，二向色偏振轉換陣列106在高亮度投影儀 中具有高阻熱性。一般來說，使用繃緊的膜用于半相位片3。然而，為了提高阻熱 性，可以使用具有子波長結構的光柵元件。在本實施例中，沿著第一方向(它可以是與照明光學系統(tǒng)的光軸 交叉的方向)，多個光屏蔽罩(光屏蔽構件)、多個偏振分光表面(第 一光學表面)、多個二向色表面(第二光學表面)和多個半相位片從 光進入側按該順序布置。比所述多個二向色表面布置得更接近光進入側的多個偏振分光 表面與所述多個反射表面交替布置。比所述偏振分光表面布置得更接近光離開側的二向色表面被連續(xù)地布置，以便反射表面不插入其間。 光屏蔽革和半相位片布置在與所述多個反射表面的位置相對應的位置；即，與沒有偏振分光表面(第一光學表面)存在的位置相對應的; 即，光屏蔽革和半相位片布置在與沿著第一方向布置的所述多個 二向色表面每隔一個相對應的位置。換句話說，當半相位片布置在位 于某個位置的二向色表面的光離開側時，半相位片不是布置在兩個二 向色表面的光離開側，其中各表面鄰近位于所述某個位置的二向色表 面。進一步換句話說，半相位片布置在二向色表面的光離開側，該表 面鄰近光離開側上沒有布置半相位片的二向色表面。而且，在該實施例中，布置在光進入側的第一光學表面是偏振分 光表面，布置在光離開側的第二光學表面是二向色表面。然而，偏振 分光表面和二向色表面的順序可以反轉(例如，參考后文描述的實施 例3)。即，作為布置在光進入側的第一光學表面的二向色表面可以 與反射表面交替布置，作為第二光學表面的多個偏振分光表面可以連 續(xù)地布置，以便沒有反射表面在比二向色表面更靠近光離開側的位置 插入其間。[實施例2圖6圖示了作為本發(fā)明第二實施例(實施例2)的二向色偏振轉 換陣列。與實施例1的二向色偏振轉換陣列106相比，本實施例的二 向色偏振轉換陣列106A在提供半相位片3的光通過區(qū)域方面不同。 本實施例的二向色偏振轉換陣列106A生成S偏振紅光以及P偏振藍 和綠光。二向色偏振轉換陣列106A的其它配置與實施例1的二向色 偏振轉換陣列106的相同。本實施例中與實施例1中相同的組成元件 用與實施例1中相同的參考數(shù)字指示。本實施例的二向色偏振轉換陣列106A用在光學單元中，該光學 單元除了由于偏振方向不同而導致的在偏振光束分光器處反射和透 射之間的關系不同以外，與實施例1中描述的投影儀中的類似。參考圖7到9描述本實施例的二向色偏振轉換陣列106A的光學功能。參照圖7,非偏振白光Wn被偏振分光陣列部分l的偏振分光膜 (偏振分光表面)13首先分離成P偏振白光Wp和S偏振白光Ws。 經(jīng)過偏振分光膜13透射的P偏振白光Wp從偏振分光陣列部分1的 離開表面12上的光通過區(qū)域B1射出。另一方面，被偏振分光膜13反射的S偏振白光Ws由反射膜14 向與P偏振白光Wp相同的方向反射。S偏振白光Ws從光通過區(qū)域 F射出，所述光通過區(qū)域F與P偏振白光Wp所射出的光通過區(qū)域 Bl相鄰。參照圖8， P偏振白光Wp通過進入表面21上的光通過區(qū)域A 進入二向色陣列部分2。進入的P偏振白光Wp被二向色膜(二向色 表面)23分離成P偏振紅光Rp和P偏振藍/綠光BGp。透射經(jīng)過二 向色膜23的P偏振紅光Rp從二向色陣列部分2的離開表面22上的 光通過區(qū)域D射出。P偏振紅光Rp通過經(jīng)過半相位片3被轉換成S 偏振紅光Rs。另一方面，被二向色膜23反射的P偏振藍/綠光BGp由相鄰的 二向色膜23向與P偏振紅光Rp相同的方向反射。P偏振藍/綠光BGp 從光通過區(qū)域E射出，所述光通過區(qū)域E與二向色陣列部分2的離開 表面22上P偏振紅光Rp所射出的光通過區(qū)域D相鄰。如圖9所示，S偏振白光Ws通過光通過區(qū)域H(不同于P偏振 白光Wp所進入通過的光通過區(qū)域)進入二向色陣列部分2。 S偏振 白光Ws被二向色膜23分離成S偏振紅光Rs和S偏振藍/綠光BGs。 經(jīng)過二向色膜23透射的S偏振紅光Rs從二向色陣列部分2的離開表 面22上的光通過區(qū)域E射出。被二向色膜23反射的S偏振藍/綠光 BGs由相鄰的二向色膜23向與S偏振紅光Rs相同的方向反射。S偏振藍/綠光BGs從光通過區(qū)域D射出，所述光通過區(qū)域D與 S偏振紅光Rs所射出的光通過區(qū)域E相鄰。S偏振藍/綠光BGs通過 經(jīng)過半相位片3被轉換成P偏振藍/綠光BGp。如上文所述，S偏振紅光Rs和P偏振藍/綠光BGp從非偏振白 光Wn生成。因此，來自光源101的光可以通過本實施例的二向色偏 振轉換陣列106A而被有效地使用。
實施例3圖10圖示了作為本發(fā)明第三實施例(實施例3)的二向色偏振 轉換陣列。本實施例的二向色偏振轉換陣列106B用在與實施例1所 描述投影儀中使用的相同的光學單元中。參照圖10,參考數(shù)字31指示二向色陣列部分(第一元件部分)， 32指示偏振分光陣列部分(第二元件部分)。參考數(shù)字33指示在偏 振分光陣列部分32的離開表面?zhèn)忍峁┑陌胂辔黄?4指示在二向色 陣列部分31的進入表面?zhèn)忍峁┑墓馄帘诬姟D10圖示了處于相互分離狀態(tài)的二向色陣列部分31和偏振分光 陣列部分32。然而，實際上，二向色陣列部分31和偏振分光陣列部 分32通過粘連等集成，并作為一個單元元件處理。本實施例的二向色偏振轉換陣列106B包括從光進入側按該順序 布置的多個二向色膜(二向色表面)43、多個偏振分光膜(偏振分光 表面)53和多個半相位片33。二向色陣列部分31包括進入表面41和平行于進入表面41的離 開表面42。在進入表面41和離開表面42之間，在垂直于光進入方向 (在圖中從左向右)的方向上提供多個二向色膜43。 二向色膜43被 形成為關于進入表面41成45°角，并且相互平行。多個光屏蔽罩34 附著在進入表面41的除了光進入二向色膜43所經(jīng)過的狹縫狀光通過 區(qū)域以外的多個區(qū)域中。偏振分光陣列部分32包括進入表面51和平行于進入表面51的 離開表面52。在進入表面51和離開表面52之間，多個偏振分光膜 53在垂直于光進入方向的方向上形成。所述多個偏振分光膜53關于 進入表面51成45。角形成。離開表面52包括多個狹縫狀光通過區(qū)域 D和多個狹縫狀光通過區(qū)域E。透射經(jīng)過偏振分光膜53的光從光通過區(qū)域D射出。被二向色膜43反射的光從光通過區(qū)域E射出。多個半波片33附著在光通過區(qū)域E上。由于該布置，多個二向 色膜43布置為比所述多個偏振分光膜53更靠近光進入側。二向色陣列部分31中的二向色膜43之間的間距e和偏振分光陣 列部分32中的偏振分光膜53之間的間距f彼此相等。經(jīng)過二向色膜 43透射的光從二向色陣列部分31的離開表面42上的狹縫狀光通過區(qū) 域Bl射出。從狹縫狀光通過區(qū)域Bl射出的光通過偏振分光陣列部分 32的進入表面51上的狹縫狀光通過區(qū)域A進入偏振分光陣列部分 32。狹縫狀光通過區(qū)域Bl和狹縫狀光通過區(qū)域A靠近地相互面對著 布置。被二向色膜43反射的光從二向色陣列部分31的離開表面42上 的狹縫狀光通過區(qū)域F射出。來自狹縫狀光通過區(qū)域F的光通過偏振 分光陣列部分32的進入表面51上的狹縫狀光通過區(qū)域H進入偏振分 光陣列部分32。狹縫狀光通過區(qū)域F和狹縫狀光通過區(qū)域H靠近地 相互面對著布置。二向色陣列部分31中的二向色膜43把進入光分離成互不相同的 兩個波長區(qū)域分量。更精確地，如圖5所示，二向色膜43具有透射 進入光中的R光并反射相同光中的B和G光的特性。偏振分光陣列部分32中的偏振分光膜53具有把進入光分離成偏 振方向互不相同的兩個偏振光分量的功能。更精確地，偏振分光膜53 具有透射進入光中的P偏振光和反射相同光中的S偏振光的特性。半相位片33轉換來自偏振分光膜53的兩個偏振光分量中 一個偏 振光分量的偏振方向，以使一個偏振光分量的偏振方向與另一偏振光 分量的偏振方向一致。在本實施例中，提供半相位片33以便其快軸傾斜為關于狹縫光 通過區(qū)域E的縱向方向成45。方向。由于該布置，半相位片33把作為 S偏振光進入其中的光的偏振方向旋轉90。，并且允許光作為P偏振 光從其射出。參考圖11到13描述二向色偏振轉換陣列106B的光學功能。參照圖11，參考符號Wn指示非偏振白光。非偏振白光Wn通 過二向色陣列部分31的進入表面41上的光通過區(qū)域進入二向色陣列 部分31。 二向色膜43把進入光分離成非偏振紅光Rn和非偏振藍/綠 光BGn。經(jīng)過二向色膜43透射的非偏振紅光Rn從二向色陣列部分 31的離開表面42上的光通過區(qū)域B1射出。被二向色膜43反射的非偏振藍/綠光BGn由相鄰的二向色膜43 向與非偏振紅光Rn相同的方向再次反射。非偏振藍/綠光BGn從光 通過區(qū)域F射出，光通過區(qū)域F與非偏振紅光Rn所射出的光通過區(qū) 域B1相鄰。參照圖12,非偏振紅光Rn通過偏振分光陣列部分32的進入表 面51上的光通過區(qū)域A進入偏振分光陣列部分32。偏振分光膜53 把進入光分離成P偏振紅光Rp和S偏振紅光Rs。經(jīng)過偏振分光膜 53透射的P偏振紅光Rp從偏振分光陣列部分32的離開表面52上的 光通過區(qū)域D射出。另一方面，被偏振分光膜53反射的S偏振紅光Rs由相鄰的偏 振分光膜53向與P偏振紅光Rp相同的方向再次反射。S偏振紅光 Rs從光通過區(qū)域E射出，所述光通過區(qū)域E與P偏振紅光Rp所射 出的光通過區(qū)域D相鄰。S偏振紅光Rs通過經(jīng)過半相位片33轉換成 P偏振紅光Rp。參照圖13，非偏振藍/綠光BGn經(jīng)過光通過區(qū)域H(不同于紅光 Rn進入通過的光通過區(qū)域)進入偏振分光陣列部分32。偏振分光膜 53把非偏振藍/綠光BGn分離成P偏振藍/綠光BGp和S偏振藍/綠光 BGs。經(jīng)過偏振分光膜53透射的P偏振藍/綠光BGp從離開表面52 上的光通過區(qū)域E射出。P偏振藍/綠光BGp通過半相位片33，從而 被轉換成S偏振藍/綠光BGs。被偏振分光膜53反射的S偏振藍/綠光BGs被相鄰的偏振分光 膜53向與P偏振藍/綠光BGp相同的方向再次反射。S偏振藍/綠光 BGs從光通過區(qū)域D射出，所述光通過區(qū)域D與P偏振藍/綠光BGp 所射出的光通過區(qū)域E相鄰。如上文所述，P偏振紅光Rp和S偏振藍/綠光BGs從非偏振白 光Wn生成。因此，本實施例的二向色偏振轉換陣列106B使來自光 源101的光能夠被有效使用。在上述實施例中，描述了生成具有不同偏振方向的紅光和藍/綠 光的情況。然而，取決于二向色偏振轉換陣列中形成的二向色膜的特 性，可以選擇被分離的色光及其偏振方向的任意組合。[實施例4]圖14圖示了作為本發(fā)明第四實施例(實施例4)的二向色偏振 轉換陣列。本實施例的二向色偏振轉換陣列106D被制造為整體的元 件，與實施例1 (到3)的不同，在實施例1 (到3)中，之后，偏振 分光陣列部分和二向色陣列部分相互接合。二向色偏振轉換陣列106D 的光學功能與實施例1的二向色偏振轉換陣列106的相同。簡要描述該實施例4的二向色偏振轉換陣列106D的制造方法。 首先，制備襯底71，其中偏振分光膜部分PB和二向色膜部分DC在 圖15中所示的玻璃襯底的同一表面上以特定方向(第一方向)交替 形成。進一步，制備襯底72，其中反射膜部分RF和二向色膜部分 DC在另一玻璃襯底的同一表面上以特定方向交替形成。然后，如圖16所示，襯底71和72相互交替附著(重疊)，以 便從圖16中的垂直方向V觀看，偏振分光膜部分PB的位置(或者 反射膜部分RF的位置)和二向色膜部分DC的位置位移半個間距。附著的村底71和72關于沿著圖16所示的虛線的重疊方向以45。 方向被切割。膜PB、 RF和DC的寬度設為各襯底厚度k的兩倍。通過該制造方法，可以容易地制造具有類似于實施例1 (到3) 中的光學功能的二向色偏振轉換陣列。
實施例5圖17圖示了作為本發(fā)明第五實施例(實施例5)的二向色偏振 轉換陣列。在該二向色偏振轉換陣列106E中，偏振分光陣列部分81中的偏振分光膜91和二向色陣列部分82中的二向色膜92如此布置， 以便關于光進入方向沿著彼此相對的方向傾斜。即，偏振分光膜91 和二向色膜92被布置為相互形成90°角。本實施例的二向色偏振轉換 陣列106E的光學功能與實施例1的二向色偏振轉換陣列106的光學 功能相同。上面的配置減少被分離光分量之間的位移量(圖4中的A，和圖 17中的A， A，<A)，使得可以防止包括二向色偏振轉換陣列106E的 光學單元在尺寸上變得更大。如上文所述，各實施例實現(xiàn)了波長選擇性偏振轉換元件，其能夠 有效地使用光并從非偏振光生成偏振方向互不相同的兩個波長區(qū)域 分量，同時具有小型配置。因此，使用所述波長選擇性偏振轉換元件 的照明光學系統(tǒng)、光學單元和圖像投影設備可以有效地使用來自光源 的光以投影明亮的圖像。雖然已經(jīng)參考示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應該理解，本發(fā) 明并不局限于公開的示例性實施例。應給予下列權利要求的范圍最寬 的解釋以包括所有修改以及等同結構和功能。
權利要求
1.一種波長選擇性偏振轉換元件，其特征在于包括多個偏振分光表面，其中每個偏振分光表面把進入光分離成偏振方向互不相同的兩個偏振光分量；多個相位片，其使從偏振分光表面進入的兩個偏振光分量中的一個偏振光分量的偏振方向與另一偏振光分量的偏振方向一致；以及多個二向色表面，其被布置為比所述多個偏振分光表面更靠近光進入側或者在所述多個偏振分光表面與所述多個相位片之間，每個二向色表面把進入光分離成彼此不同的兩個波長區(qū)域分量。
2. 根據(jù)權利要求1的波長選擇性偏振轉換元件，從光進入側按 順序進一步包括第一元件部分，包括所述多個偏振分光表面和多個反射膜，所述 多個反射膜反射被所述多個偏振分光表面反射的光；和第二元件部分，包括所述多個二向色表面和所述多個相位片。
3. 根據(jù)權利要求1的波長選擇性偏振轉換元件，從光進入側按 順序進一步包括第一元件部分，包括所迷多個二向色表面；和第二元件部分，包括所述多個偏振分光表面和所述多個相位片。
4. 一種照明光學系統(tǒng)，其特征在于包括 透鏡陣列，其把來自光源的光分成多個光通量；根據(jù)權利要求1的波長選擇性偏振轉換元件，來自所述透鏡陣列 的所迷多個光通量進入其中；和聚光光學系統(tǒng)，其聚集來自所述波長選擇性偏振轉換元件的多個 光通量，以使所述光通量在照明表面上相互重疊。
5. —種波長選擇性偏振轉換元件，包括 沿著第一方向布置的多個偏振分光表面； 沿著第一方向布置的多個二向色表面；和 沿著第一方向布置的多個相位片，其特征在于，所述多個偏振分光表面和所述多個二向色表面把非 偏振白光分離成多個第一光通量和多個第二光通量，所述第一光通量 包括作為S偏振光的第一顏色的光、作為S偏振光的第二顏色的光和 作為P偏振光的第三顏色的光，所述第二光通量包括作為P偏振光的 第一顏色的光、作為P偏振光的第二顏色的光和作為S偏振光的第三 顏色的光，以及所述多個相位片使第一和第二光通量中一個光通量的偏振方向 與另一光通量的偏振方向一致。
6. 根據(jù)權利要求5的波長選擇性偏振轉換元件，從光進入側按 順序進一步包括第一元件部分，包括所述多個偏振分光表面和多個反射膜，所述多個反射膜反射被所述多個偏振分光表面反射的光；以及第二元件部分，包括所述多個二向色表面和所述多個相位片。
7. 根據(jù)權利要求5的波長選擇性偏振轉換元件，從光進入側按 順序進一步包括第一元件部分，包括所述多個二向色表面；和第二元件部分，包括所述多個偏振分光表面和所述多個相位片。
8. —種照明光學系統(tǒng)，包括透鏡陣列，它把來自光源的光分成多個光通量； 根據(jù)權利要求6的波長選擇性偏振轉換元件，來自透鏡陣列的所 述多個光通量進入其中；和聚光光學系統(tǒng)，聚集來自所述波長選擇性偏振轉換元件的多個光通量，以使所述光通量在照明表面上相互重疊。
9. 一種波長選擇性偏振轉換元件，從光進入側按順序包括 沿著第一方向布置的多個第一光學表面； 沿著第一方向布置的多個第二光學表面；和 沿著第一方向布置的多個半相位片，其特征在于，在第一光學表面和第二光學表面中， 一個是偏振分 光表面，而另一個是二向色表面，以及半相位片布置于與沿著第一方向布置的所述多個第二光學表面中每隔一個第二光學表面相對應的位置。
10. —種照明光學系統(tǒng)，其特征在于包括 透鏡陣列，它把來自光源的光分成多個光通量； 根據(jù)權利要求9的波長選擇性偏振轉換元件，來自透鏡陣列的所述多個光通量進入其中；和聚光光學系統(tǒng)，聚集來自所述波長選擇性偏振轉換元件的所述多 個光通量，以使所述光通量在照明表面上相互重疊。
11. 一種圖像投影設備，其特征在于包括 根據(jù)權利要求4、 8和10中任一項的照明光學系統(tǒng)； 三個圖像形成元件，各形成原始圖像； 顏色分離/合成光學系統(tǒng)，把從照明光學系統(tǒng)進入的偏振方向互不相同的兩個波長區(qū)域分量分離成波長互不相同的三個光分量，以把 所述三個光分量引入所述三個圖像形成元件，并且合成來自所述三個 圖像形成元件的所述三個光分量；以及投影光學系統(tǒng)，把來自顏色分離/合成光學系統(tǒng)的合成光投射到 投影表面上。
全文摘要
本發(fā)明公開一種波長選擇性偏振轉換元件、照明光學系統(tǒng)和圖像投影設備，波長選擇性偏振轉換元件包括多個偏振分光表面，其中每個表面把進入光分離成偏振方向互不相同的兩個偏振光分量；多個相位片，其使來自偏振分光表面的所述兩個偏振光分量中的一個偏振光分量的偏振方向與另一偏振光分量的偏振方向一致。該元件進一步包括多個二向色表面，其被布置為比所述多個偏振分光表面更靠近光進入側或者在所述多個偏振分光表面與所述多個相位片之間，各二向色表面把進入光分離成互不相同的兩個波長區(qū)域分量。該元件能夠從非偏振光生成具有不同偏振方向和不同波長區(qū)域的光分量，同時防止光使用效率的降低。
文檔編號G03B21/20GK101329422SQ20081012518
公開日2008年12月24日 申請日期2008年6月19日 優(yōu)先權日2007年6月19日
發(fā)明者奧山敦, 山內悠 申請人:佳能株式會社