專利名稱：偏振分光器以及使用偏振分光器的投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及偏振分光器以及這種器件在(例如)用于顯示信息的系統(tǒng)中的使用，尤其是涉及一種反射光投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)成像系統(tǒng)通常包括透射式成像器或反射式成像器，也被稱為光閥或者光閥陣列，其將圖像施加到光束上。透射式光閥通常是半透明的并允許光通過。另一方面，反射式光閥僅反射所選擇的一部分輸入光以形成圖像。反射式光閥提供重要的優(yōu)點(diǎn)，即控制電路可以設(shè)置在反射表面的后面，并且當(dāng)基板材料不受限于其不透明性時可以使用更先進(jìn)的集成電路技術(shù)。通過把反射式微型液晶顯示器用作成像器，也許會得到可能便宜而又緊湊的新型液晶顯示(LCD)投影儀結(jié)構(gòu)。
許多反射式LCD成像器使入射光的偏振發(fā)生旋轉(zhuǎn)。換句話說，偏振光被成像器反射時要么基本上不改變偏振態(tài)而得到最暗的狀態(tài)，要么偏振旋轉(zhuǎn)某一角度以提供理想的灰度等級。90°的旋轉(zhuǎn)將在這些系統(tǒng)中提供最亮的狀態(tài)。因此，偏振光束一般用作反射式LCD成像器的輸入光。一種理想的緊湊布置包含偏振分光器(PBS)和成像器之間的折疊光路，其中照明光束和從該成像器反射的投影圖像共享該P(yáng)BS與該成像器之間的同一物理空間。PBS把入射光從偏振旋轉(zhuǎn)的圖像光中分離出來。用在投影儀系統(tǒng)的傳統(tǒng)PBS，有時被稱為MacNeille偏振器，使用以布魯斯特角放置的無機(jī)介質(zhì)膜的堆疊結(jié)構(gòu)。s偏振光被反射，而p偏振光透過偏振器。
單個成像器可用于形成單色圖像或彩色圖像。多個成像器通常用來形成彩色圖像，其中照明光被分成不同顏色的多根光束。圖像被分別施加于每一根光束上，然后將這些光束重組以形成全色圖像。
發(fā)明概述通常，本發(fā)明涉及一種用于減少投影系統(tǒng)中的霧霾的裝置。具體地說，本發(fā)明基于成像核心設(shè)置，該成像核心可在偏振分光器中減少霧霾。
本發(fā)明提供一種PBS，其包括第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜。盡管也可以使用其它膜及其組合，但優(yōu)選的是，選擇第一膜和第二膜的組合，使其在藍(lán)光中是穩(wěn)定的。使用這種組合還能使所得到的偏振器在整個可見光范圍具有增強(qiáng)的對比度。
在本發(fā)明的PBS結(jié)構(gòu)中使用兩個(或多個)膜減少了影響投影屏的霧霾。該雙膜結(jié)構(gòu)可以用任何材料作為覆蓋物(例如棱鏡)。這樣的材料包括玻璃。玻璃可以具有任何折射率，盡管通常折射率的范圍在1.4至1.8之間，也可以在1.4至1.6之間。這種低折射率玻璃可以減少像散。盡管在PBS中使用了附加的膜，但不會顯著降低透過PBS的p偏振光。
本發(fā)明的一個實(shí)施方案提供一種偏振分光器，其包含含有多個層的第一多層反射偏振膜。第一多層反射偏振膜的多個層的光學(xué)厚度具有第一分布。該偏振分光器還包含鄰近所述第一多層反射偏振膜的第二多層反射偏振膜，其中所述第二多層反射偏振膜包含多個層。所述第二多層反射偏振膜的所述多個層的光學(xué)厚度具有第二分布，其中第二分布不同于上述第一分布。所述第二多層反射偏振膜的主表面面對所述第一種多層反射偏振膜的主表面。該偏振分光器還包含放置在所述第一多層反射偏振膜一側(cè)和/或所述第二多層反射偏振膜的一側(cè)上的覆蓋物。光學(xué)粘合劑可置于所述第一多層反射偏振膜與所述第二多層反射偏振膜之間。在一個實(shí)施方案中，所述第一多層反射偏振膜具有第一對比率光譜而所述第二多層反射偏振膜具有第二對比率光譜。所述第一對比率光譜可以不同于所述第二對比率光譜。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案涉及一種偏振分光器，其包含第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜。所述第二多層反射偏振膜鄰近所述第一多層反射偏振膜。所述第二多層反射偏振膜的主表面面對所述第一多層反射偏振膜的主表面。該偏振分光器還包含放置在所述第一多層反射偏振膜一側(cè)和/或所述第二多層反射偏振膜一側(cè)上的覆蓋物。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案涉及投影系統(tǒng)，其包含發(fā)光的光源和調(diào)節(jié)來自光源的光的光學(xué)調(diào)節(jié)裝置。該系統(tǒng)還包含成像核心，該成像核心將圖像施加到來自光學(xué)調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)光以形成圖像光，其中該成像核心包含至少一個偏振分光器和至少一個成像器。所述偏振分光器包括第一多層反射偏振膜和鄰近該第一多層反射偏振膜的第二多層反射偏振膜，其中所述第二多層反射偏振膜的主表面面對所述第一多層反射偏振膜的主表面。該偏振分光器還包括放置在所述第一多層反射偏振膜一側(cè)和/或所述第二多層反射偏振膜一側(cè)上的覆蓋物。該系統(tǒng)還包含用來投射來自成像核心的圖像光的投影鏡頭系統(tǒng)。在一個實(shí)施方案中，該系統(tǒng)還包括被耦合到所述的至少一個成像器的控制器，以便控制被施加于入射在所述的至少一個成像器上的光上的圖像。在另一實(shí)施方案中，該系統(tǒng)也可以包括置于所述偏振分光器與所述的至少一個成像器之間的分色器。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案涉及一種制造偏振分光器的方法，該方法包括形成第一多層反射偏振膜；形成第二多層反射偏振膜；將所述第二多層反射偏振膜的主表面面對所述第一多層反射偏振膜的主表面放置；以及將所述第一多層反射偏振膜和所述第二多層反射偏振膜放置在兩個覆蓋物之間。
通過下面的說明和附圖以及權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。


參考以下對本發(fā)明各種實(shí)施方案的詳細(xì)說明并結(jié)合相關(guān)附圖會更充分地理解本發(fā)明，其中圖1示意性地描繪了具有第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜的PBS的實(shí)施方案；圖2示意性地描繪了基于單個反射式成像器的投影單元的實(shí)施方案；圖3示意性地描繪了基于單個反射式成像器的投影單元的另一實(shí)施方案；圖4是針對一種具有第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜的PBS所繪制的對比度與波長的關(guān)系曲線圖，單個膜的曲線圖和組合膜的曲線圖均包括在內(nèi)；圖5是針對一種具有第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜的PBS所繪制的p偏振光的透射率與波長的關(guān)系曲線圖，單個膜的曲線圖和組合膜的曲線圖均包括在內(nèi)；圖6是針對一種具有第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜的PBS所繪制的對比度與波長的關(guān)系曲線圖，單個膜的曲線圖和組合膜的曲線圖均包括在內(nèi)。
發(fā)明詳述本發(fā)明適用于光學(xué)成像器，尤其適用于大數(shù)值孔徑的光學(xué)成像系統(tǒng)，其可產(chǎn)生高質(zhì)量、低像差的投影圖像。
光學(xué)成像系統(tǒng)的一種代表類型包括寬角度的笛卡兒(Cartesian)偏振分光器(PBS)，如標(biāo)題為“使用寬角度的笛卡兒偏振分光器的反射式LCD反射系統(tǒng)”的美國專利No.6,486,997B1所述。笛卡兒PBS是這樣一種PBS，其中透射光束和反射光束的偏振以不變的、通常為正交的PBS膜的主軸為參照。相反地，對于非笛卡兒PBS，這兩個分離的光束的偏振基本上隨光束入射到PBS上的入射角而變。
笛卡兒PBS的一個例子是多層反射偏振(MRP)膜，舉例來說，該膜可以是各向同性與雙折射材料的交替層所形成的膜。如果膜的平面被認(rèn)為是x-y平面，并且在z方向測量膜的厚度，那么z折射率是具有平行于z方向的電矢量的光在雙折射材料中的折射率。類似地，x折射率是具有平行于x方向的電矢量的光在雙折射材料中的折射率，而y折射率是具有平行于y方向的電矢量的光在雙折射材料中的折射率。對于MRP膜，雙折射材料的y折射率基本上等于各向同性材料的折射率，而雙折射材料的x折射率不同于各向同性材料的折射率。如果適當(dāng)?shù)剡x擇層厚度，所述膜就會反射在x方向偏振的可見光并透射在y方向偏振的光。
可用的MRP的一個例子是匹配的z折射率偏振器(MZIP)膜，其中雙折射材料中的z折射率基本上等于雙折射材料的y折射率。具有匹配的z折射率的偏振膜已經(jīng)在美國專利第5,882,774號和第5,962,114號中有所描述，也在以下共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請公開中有所描述60/294,940(已過期)，于2001年5月31日申請；2002-0190406，于2002年5月28日申請；2002-0180107，于2002年5月28日申請；10/306,591，于2002年11月27日申請；以及10/306,593，于2002年11月27日申請。具有匹配的z折射率的偏振膜還在2001年6月11日申請的“標(biāo)題為“偏振分光器”的美國專利申請公開2003-0048423-A1中有所說明。
在某些情況下，使用MRP或MZIP膜的偏振分光器可能產(chǎn)生霧霾。霧霾會降低成像系統(tǒng)的對比度，還能導(dǎo)致暗態(tài)不均勻，這是因為PBS既不在目標(biāo)位置也不在光瞳位置。產(chǎn)生霧霾的一個可能原因也許是在光照射MRP膜時觀察到的離散的彩色光點(diǎn)。這些光點(diǎn)看起來是基本上與s偏振光相同的x偏振光的局部泄漏。這些泄漏可能是由微粒、膜層中的局部空隙或脫層、微晶、共擠出過程中的流動不穩(wěn)定性或膜中的其它缺陷所引起的MRP膜的疊層結(jié)構(gòu)中的斷裂造成的。
由于霧霾僅在一個方向(即PBS應(yīng)反射的方向)上被偏振(s偏振)，因此它可以用凈化后置偏振器(clean-up post-polarizer)來消除，該后置偏振器被定向成使所需的通過狀態(tài)的光通過(p偏振)。理想的凈化后置偏振器(CUPP)原則上不會降低投影圖像的品質(zhì)。不過，實(shí)際上，使用CUPP可能會造成投影圖像中亮度損失10％至15％。CUPP還提高投影系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。
此外，用于藍(lán)或白光中的MRP膜優(yōu)選地由在藍(lán)光中照射時不會退化的材料制成。這種MRP膜的例子可以在美國專利No.6,609,795中找到。這種優(yōu)選材料會妨礙在MRP膜中使用最高雙折射樹脂，從而會更難以制造出對比度高、光譜范圍寬的MRP膜。把利用了在藍(lán)光中不會退化的材料的、用于藍(lán)或白光的MRP膜放置在折射率很高的玻璃立方棱鏡中，這使得透過膜的角度增大，從而增大了在每一個膜層界面處的界面反射。這樣，盡管使用了雙折射低的高折射率疊層，但s偏振光可以獲得很高的反射。
用MRP膜制成的PBS的對比度取決于幾個參數(shù)，包括例如沿失配方向(例如x方向)上的折射率差、在面內(nèi)匹配方向(例如y方向)上的折射率匹配程度、在厚度方向(例如z方向)上的折射率匹配程度以及膜的總層數(shù)。聚合物樹脂對限制了沿失配方向的各層之間的折射率差以及沿匹配方向的折射率匹配。此外，優(yōu)選的是，聚合物樹脂基本上在從藍(lán)光到綠光到紅光的可見光譜范圍(或者涉及PBS的應(yīng)用的任何光譜范圍)內(nèi)是透明的。在后面的實(shí)施例中描述了一種這樣的聚合物樹脂對，其包括PET和PET的共聚物(coPET)。這些聚合物基本上在包括藍(lán)光的整個可見光波長范圍內(nèi)都是透明的。不過，這些聚合物沿失配方向的折射率差僅為約0.15。為了獲得如下所述的光學(xué)系統(tǒng)中的理想對比度水平，使用這種聚合物組合的MZIP膜通常使用了一對高折射率玻璃棱鏡。
當(dāng)高折射率玻璃與PBS膜一起使用時會出現(xiàn)兩個效果PBS中產(chǎn)生像散，以及未補(bǔ)償?shù)姆瓷溏R暗態(tài)亮度增大。
消除像散的方法在共同轉(zhuǎn)讓的標(biāo)題均為“低像散的投影系統(tǒng)”的2001年6月11日申請的美國專利No.6,672,721和2002年5月29日申請的美國專利公開2003-0048423-A1中有所描述。這些申請描述了在膜附近使用折射率很高的玻璃板來補(bǔ)償像散。不過，該玻璃板可能會給PBS增加巨大的成本。此外，使用這樣的玻璃板可能對投影鏡頭造成更長的后焦距以及更困難的橫向色彩狀況。此外，具有補(bǔ)償板的PBS可能需要更大的色彩合成立方體。
另外，高折射率PBS玻璃導(dǎo)致光以很高的角度傳播到PBS膜內(nèi)。如果將折射率低于1.6的玻璃用于PBS，那么未補(bǔ)償?shù)姆瓷溏R暗態(tài)的對比度通常約等于利用設(shè)置在反射鏡上的四分之一波長取向膜(QWF)獲得的對比度。如本文所使用的那樣，術(shù)語“未補(bǔ)償?shù)姆瓷溏R暗態(tài)”是指如下所述的當(dāng)使用裸露的反射鏡代替成像系統(tǒng)中的成像器時所得到的暗態(tài)，并且可觀察到透過成像系統(tǒng)的所得光。當(dāng)玻璃的折射率增大到1.85時，未補(bǔ)償?shù)姆瓷溏R暗態(tài)的對比度值降低到小于利用置于反射鏡之上的QWF時的對比度的一半，尤其是當(dāng)折射率匹配層用來使高雙折射玻璃棱鏡與MRP膜匹配時并因而減少了反射時是這樣。所述對比度方面的損失可以通過將QWF置于反射鏡或成像器上來矯正，該反射鏡或成像器以其沿著輸入光的偏振方向的快軸校直。不過，這些特殊補(bǔ)償板(例如QWF)可能會增加成本并難以正確校直。因此，由于不需要使用反射鏡暗態(tài)補(bǔ)償板(比如QWF)，在低折射率的玻璃(例如n＜1.60)中使用PBS膜的技術(shù)可以降低成本。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的使用兩個或多個多層反射偏振(MRP)膜的偏振分光器10的一個實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，偏振分光器10包括第一多層反射偏振膜12，第二多層反射偏振膜20，以及處于第一膜12與第二膜20之間的可任選層50。第一膜12和第二膜20中的一個或兩個可以是本領(lǐng)域已知的任何適合的MRP膜，優(yōu)選的是MZIP膜。盡管PBS 10包含第一膜 12和第二膜20，但也可以使用三個膜或更多的膜。
適合的MRP膜包括如美國專利No.5,882,774所述的那些MRP膜。適合的MRP膜的一個實(shí)施方案包括兩種材料的交替層結(jié)構(gòu)，其中至少一種材料是雙折射并且取向的。在玻璃棱鏡中起良好作用的膜可以擁有附加的特征以便使每一層具有恰當(dāng)?shù)母飨虍愋哉凵渎手?、尤其是在垂直于膜表面的方向上的折射率值。具體地說，交替層結(jié)構(gòu)在膜厚度方向上的折射率被理想地匹配。這是對所匹配的偏振器y方向(通過方向)上的折射率的補(bǔ)充。對于對所有入射角沿其通過軸線都具有高透射率的偏振器來說，交替層結(jié)構(gòu)的y折射率和z(垂直于膜)折射率都可以被匹配。與使用時僅y折射率匹配的膜相比，為使y折射率和z折射率匹配，可以對膜的層結(jié)構(gòu)使用不同的材料配置。以前的3M多層膜，比如3M的商品名為“DBEF”的膜，過去是以y折射率匹配的方式制造的。
一種用于使所有各層的y折射率和z折射率都匹配的技術(shù)用于達(dá)到真正的單軸拉伸，其中膜被允許在y和z方向松弛(即收縮)而在x方向被拉伸。通過這種方式，在給定層中的y折射率和z折射率相等。這樣的話，如果選擇的第二材料與第一材料的y折射率匹配，那么它們的z折射率也必須相匹配，因為第二材料層也受到同樣的拉伸條件的影響。
通常，為了在保持阻斷狀態(tài)下的高反射性的同時實(shí)現(xiàn)通過狀態(tài)下的高透射性，兩種材料的y折射率之間的折射率失配應(yīng)該很小。所允許的y折射率失配的數(shù)量級可以相對于x折射率失配來描述，因為后者的值暗示了為獲得理想的偏振程度而在偏振器薄膜堆疊結(jié)構(gòu)中使用的層數(shù)。薄膜堆疊結(jié)構(gòu)的總反射率與折射率失配Δn和堆疊結(jié)構(gòu)中的層數(shù)N有關(guān)，即乘積(Δn)2×N與堆疊結(jié)構(gòu)的反射率相關(guān)。例如，為了提供反射率相同但具有一半的層數(shù)的膜需要(2)1/2倍的層間折射率差，以此類推。ΔnY/ΔnX的比值的絕對值是根據(jù)所需而控制的相關(guān)參數(shù)，其中對于本文所述的光學(xué)重復(fù)單元中的第一材料和第二材料，ΔnY＝nY1-nY2而ΔnX＝nX1-nX2。優(yōu)選的是，ΔnY/ΔnX的比值的絕對值不超過0.1，更優(yōu)選的是不超過0.05，甚至更優(yōu)選的是不超過0.02，并且在某種情況下，該比值可以是0.01或更小的值。優(yōu)選的是，在整個所關(guān)注的波長范圍內(nèi)(例如在可見光譜內(nèi))比例ΔnY/ΔnX比值保持在理想的界限值以下。通常，ΔnX的值為至少0.1并可以是0.14或更大值。
在許多實(shí)際應(yīng)用中，這些層之間的小的z折射率失配是可以接受的，這取決于入射光入射在膜層上時的角度。不過，當(dāng)膜被層疊在玻璃棱鏡之間即被處于高折射率介質(zhì)中時，光線不會向著膜平面的法線方向彎折。在這種情況下，光線所受到的z折射率失配的影響與從空氣入射相比程度大得多，且x偏振光的光線將被部分地或甚至強(qiáng)烈地反射。優(yōu)選的是，在膜內(nèi)部光線離膜法線的角度越大，z折射率匹配越接近。不過，當(dāng)膜被層疊在具有低折射率(例如n＝1.60)的玻璃棱鏡之間時，光線會更向膜平面的法線彎折；因此，光線所受到的z折射率失配的影響程度較小。對于相等的z折射率失配，使用低折射率棱鏡時p偏振反射通常將會低于使用高折射率棱鏡時的p偏振反射。因此，對于相同的膜，使用低折射率棱鏡時p偏振光的透射高于使用高折射率棱鏡時的透射。
與y折射率失配相似，所允許的Z折射率失配數(shù)量級，可以相對于x折射率失配來描述。ΔnZ/ΔnX的比值的絕對值是根據(jù)所需而控制的相關(guān)參數(shù)，其中對于本文所述的光學(xué)重復(fù)單元中的第一材料和第二材料，ΔnZ＝nZ1-nZ2而ΔnX＝nX1-nX2。對于想要用在空氣中的分光器膜，ΔnZ/ΔnX的比值的絕對值優(yōu)選地小于0.2。對于插在更高折射率的介質(zhì)比如玻璃中的膜，ΔnZ/ΔnX的比值的絕對值優(yōu)選地小于0.1，更優(yōu)選地小于0.05，對于波長為632.8nm的入射光可以是0.03或更低。優(yōu)選的是，在整個所關(guān)注的波長范圍內(nèi)(例如在可見光譜中)ΔnZ/ΔnX的比值保持在理想界限值以下。通常，在632.8nm處ΔnX的值至少為0.1，可以是0.14或更高。
Z折射率失配無關(guān)于s偏振光的透射。確切地說，s偏振光不受膜的z折射率的影響。不過，如共同轉(zhuǎn)讓的標(biāo)題為“使用寬角笛卡兒偏振分光器的反射式LCD投影系統(tǒng)”的美國專利No.6,486,997B1中所述的那樣，雙折射多層偏振器在不同方位角上的反射性能是這樣的，當(dāng)PBS構(gòu)造成反射x偏振(近似s偏振)光并透射y偏振(近似p偏振)光時投影系統(tǒng)的性能優(yōu)異。盡管可以使用多于兩層來形成光學(xué)單元，但多層光學(xué)膜的光功率或整體的反射性是來自光學(xué)單元或?qū)訉?nèi)部的折射率失配的。已知使用包含兩種或多種聚合物的交替層結(jié)構(gòu)的多層反射膜來反射光，并在例如美國專利No.3,711,176、美國專利No.5,103,337、WO 96/19347以及WO 95/17303中有所描述。該光功率在光譜中的分布是層厚度的函數(shù)。特定多層膜的反射和透射光譜主要取決于各個層的光學(xué)厚度，其中光學(xué)厚度定義為層的實(shí)際厚度與其折射率的乘積。因此，根據(jù)以下公式選擇各層的適當(dāng)光學(xué)厚度，膜可以設(shè)計成反射紅外、可見或紫外波長λM的光λM＝(2/M)×Dr其中M是代表反射光的特定級的整數(shù)，Dr是光學(xué)重復(fù)單元的光學(xué)厚度，該光學(xué)重復(fù)單元通常是包括一層各向同性材料和一層各向異性材料的層對。因此，Dr是組成該光學(xué)重復(fù)單元的各個聚合物層的光學(xué)厚度總和。因此，Dr厚度值為λ的二分之一，其中λ是第一級反射峰的波長。一般而言，反射峰具有有限的帶寬，其隨著折射率差增大而增大。通過改變沿多層膜厚度方向的光學(xué)重復(fù)單元的光學(xué)厚度，多層膜可以設(shè)計成在寬波帶的范圍內(nèi)反射光。該波帶一般被稱為反射波帶或抑制波帶。產(chǎn)生該波帶的各層的集合通常被稱為多層堆疊。因此，多層膜中的光學(xué)重復(fù)單元的光學(xué)厚度分布表現(xiàn)為膜的反射和透射光譜。當(dāng)折射率匹配在通過方向上很高時，通過狀態(tài)透射光譜可能會接近平坦并且在理想的光譜范圍內(nèi)超過95％。
可以在本發(fā)明的膜中使用按各種厚度分布的光學(xué)厚度。例如，膜中的一個或兩者的厚度分布可以是單調(diào)變化。換句話說，光學(xué)重復(fù)單元的厚度沿MRP膜的厚度表現(xiàn)出連續(xù)減少或連續(xù)增大的趨勢(例如光學(xué)重復(fù)單元的厚度不會表現(xiàn)出沿多層膜的部分厚度增大的趨勢而沿多層膜的另一部分厚度減小的趨勢)。
再來參考圖1，第一膜12包含具有光學(xué)厚度第一分布的多個層。此外，第二膜20包含具有光學(xué)厚度第二分布的多個層。光學(xué)厚度第一分布和第二分布可以是本領(lǐng)域已知的任何合適的分布。例如，第一分布和第二分布可以包括如標(biāo)題為“具有尖銳波帶邊緣的光學(xué)膜”的美國專利No.6,157,490中所述的這些分布。此外，例如，第一分布可以呈現(xiàn)與第二分布相同的光學(xué)厚度分布?；蛘?，第一分布和第二分布可以呈現(xiàn)出不同的光學(xué)厚度分布。
本發(fā)明的膜可包括包含一個或多個波帶包的厚度分布。一個波帶包是具有某一層厚范圍的多層堆疊結(jié)構(gòu)，使得該多層堆疊結(jié)構(gòu)反射寬帶波長。例如，藍(lán)波帶包可具有某一光學(xué)厚度分布，使得它反射藍(lán)光，即約400nm至500nm。本發(fā)明的MRP膜可包括一個或多個波帶包，其中每一個都反射不同波帶，例如具有紅包、綠包和藍(lán)包的MRP。本發(fā)明的MRP膜也可以包括UV和/或IR波帶包。通常，藍(lán)包包括光學(xué)重復(fù)單元厚度，使得該包傾向于反射藍(lán)光，從而該藍(lán)包的光學(xué)重復(fù)單元厚度會小于綠包或紅包的光學(xué)重復(fù)單元厚度。波帶包可以由一層或多層內(nèi)邊界層在膜內(nèi)部被分離。
增大多層堆疊結(jié)構(gòu)上的入射光的角度能使堆疊結(jié)構(gòu)反射的光的波長比光垂直入射到該堆疊結(jié)構(gòu)上時更短。對于以最高角度入射到堆疊結(jié)構(gòu)的那些光線，可以設(shè)置IR包以便幫助反射紅光。
如例如美國專利No.5,882,774和5,962,114中所述，MRP膜具有獨(dú)特的透射或反射光譜。因此不同的MRP膜對于不同的入射波長和偏振可表現(xiàn)出不同的對比率，其中對比率是指具有理想的透射偏振(例如p偏振光)的透射光強(qiáng)度與具有理想的反射偏振(例如s偏振光)的光的強(qiáng)度的比值。例如，第一膜12可以具有第一對比率光譜、第一透射光譜或第一反射光譜，而第二膜20可以具有第二對比率光譜、第二透射光譜或第二反射光譜。對于給定的波帶，第一對比率光譜、第一透射光譜或第一反射光譜可以分別與第二對比率光譜、第二透射光譜或第二反射光譜一致?；蛘?，第一對比率光譜、第一透射光譜或第一反射光譜也可以分別與第二對比率光譜、第二透射光譜或第二反射光譜不同(并且在某些情況下，發(fā)生光譜位移)，如本文將進(jìn)一步說明的那樣。
例如，圖6是針對一種具有第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜的PBS所繪制的對比度與波長的關(guān)系曲線圖，單個膜的曲線圖和組合膜的曲線圖均包括在內(nèi)。如在圖6所見的那樣，對比率光譜曲線520(其代表了本文所述的膜4)從對比率光譜曲線510(其代表了膜3)向著紅波長移動。
進(jìn)一步看，如圖1中所示，第二膜20被放置成鄰近第一膜12以使第二膜20的主表面22面對第一膜12的主表面14。第一膜12和第二膜20的彼此相對的主表面14和22可以接觸，或者所述主表面也可以通過置于第一膜12和第二膜20之間的間隔層(例如可任選的層50)分隔開。主表面14和22可以平行，如圖1所示。
可以位于第一膜12和第二膜20之間的可任選的層50可包含折射率匹配流體(比如折射率匹配油)以助于使兩個膜12和20在光學(xué)上相匹配。任何合適類型的匹配油都可以使用。
可任選的層50可包含光學(xué)粘合劑。任何合適的光學(xué)粘合劑都可以使用，例如熱固化粘合劑、壓敏粘合劑等。用于除去不想要的光的可任選的吸收粘合劑(例如UV吸收粘合劑、IR吸收粘合劑等)或流體也可以用于可任選的層50中。
第一膜12和第二膜20放置在作為覆蓋物的第一棱鏡30與第二棱鏡40之間?？扇芜x的是，第一膜12和第二膜20利用粘合劑分別粘附到第一棱鏡30和第二棱鏡40上。盡管所描述的是PBS 10包含兩個棱鏡30和40，但其可以包含置于第一膜12一側(cè)和/或第二膜20一側(cè)的任何適合的覆蓋物。
棱鏡30和40可以由具有合適的折射率以實(shí)現(xiàn)PBS的理想目的的任何透光材料構(gòu)成。棱鏡的折射率應(yīng)小于可能會產(chǎn)生全內(nèi)反射情形(即在垂直入射的使用條件下(例如在該條件下入射光垂直于棱鏡表面)，傳播角接近或超過90°)的折射率。這種情形可以使用Snell定律來計算。盡管也可以使用其它材料，棱鏡優(yōu)選地由各向同性材料制成?！巴腹獠牧稀笔且环N使得來自光源的至少一部分入射光透過的材料。在某些應(yīng)用中，可以預(yù)先過濾入射光以消除不想要的波長。適合用作棱鏡的材料包括但不限于陶瓷、玻璃和聚合物。特別有用的玻璃種類包括含有金屬氧化物(比如氧化鉛)的玻璃。市售可得的玻璃是PBH 55，可得自O(shè)hara公司(位于美國加利福尼亞州Rancho Santa Margarita市)，其折射率為1.85且具有大約75重量％的氧化鉛。由于在本發(fā)明的PBS中可使用兩個或多個膜，因此棱鏡30和40可使用較低折射率的材料，例如由Schott公司(位于德國Mainz市)制造的SK5玻璃。
對于某些MRP膜，光學(xué)吸收會造成不理想的后果。為了減少光學(xué)吸收，優(yōu)選的多層堆疊結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成使可能會被堆疊結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈吸收的波長作為被堆疊結(jié)構(gòu)反射的第一波長。對于大多數(shù)透明的光學(xué)材料，這包括大多數(shù)聚合物，吸收向著可見光譜的藍(lán)色端增大。從而，優(yōu)選的是，調(diào)整MRP膜堆疊結(jié)構(gòu)，使得“藍(lán)”層或包位于MRP膜的入射側(cè)上。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，具有不依賴于照明側(cè)的等效性能的PBS(例如圖1的PBS 10)可以構(gòu)建成這樣，設(shè)置第一膜12的紅色側(cè)使其面對第二膜20的紅色側(cè)。換句話說，通常，光學(xué)厚度第一分布(即，第一膜的厚度分布)的藍(lán)區(qū)鄰近第一膜12的第一主表面而紅區(qū)鄰近第一膜12的第二主表面。藍(lán)區(qū)傾向于反射藍(lán)色波長的光，紅區(qū)傾向于反射紅色波長的光。類似地，第二膜20的光學(xué)重復(fù)單元厚度的厚度分布的藍(lán)區(qū)鄰近第二膜20的第一主表面而紅區(qū)鄰近第二膜20的第二主表面。膜可以這樣設(shè)置，使得第一膜12的第二主表面面對第二膜20的第二主表面。換句話說，第一膜12的紅區(qū)面對第二膜20的紅區(qū)。當(dāng)按照這種方式構(gòu)造時，第一膜12和第二膜20的組合具有在雙膜兩側(cè)上面朝外的藍(lán)區(qū)；因此，藍(lán)區(qū)總是面對入射光而與組合的第一膜和第二膜的哪個表面面對入射光放置無關(guān)。盡管優(yōu)選的是第一膜12和第二膜20放置成第一膜12的紅區(qū)面對第二膜20的紅區(qū)，但膜也可以設(shè)置成一個膜的紅區(qū)面對另一個膜的藍(lán)區(qū)，或者一個膜的藍(lán)區(qū)面對另一個膜的藍(lán)區(qū)。也可以使用PBS內(nèi)膜的其它排列方式。
盡管本發(fā)明提供了包括兩個或多個多層反射偏振膜的偏振分光器，以及使用這種偏振分光器的系統(tǒng)，但兩個或多個MRP膜的使用，尤其是兩個或多個MZIP膜的使用，也可以一起用于其它構(gòu)造或光學(xué)裝置中，例如增亮膜結(jié)構(gòu)、偏振器、顯示應(yīng)用、投影應(yīng)用以及其它光電應(yīng)用。兩個或多個MRP膜(例如兩個或多個MZIP膜)的組合一般可用于提高光學(xué)反射，這是通過封閉光譜泄漏(由在多層堆疊結(jié)構(gòu)中各層在理想光譜段內(nèi)的平均定位引起)或者通過封閉隨機(jī)空間泄漏(例如如本文前面所述的由于缺陷造成的、重疊在波帶結(jié)構(gòu)上的霧霾)來達(dá)到。在使用MZIP膜的情況下，不論對于垂直入射還是對于偏離垂直入射(“斜角”)的光，組合膜可對一種偏振態(tài)(例如s偏振光)提高光學(xué)反射，同時不會造成正交偏振態(tài)(例如p偏振光)的透射的顯著損失。這與具有顯著的z折射率失配的MRP膜組合形成了鮮明的對比，在該MRP膜組合中可能會產(chǎn)生顯著的透射損失，經(jīng)常導(dǎo)致其具有“斜角”顏色。有利之處隨著y和z折射率匹配水平的提高而增加。而且有利的是通過一些方法來抑制膜之間的表面反射，所述方法的例子可以是通過化學(xué)或機(jī)械技術(shù)(如層壓)消除膜之間的空氣層；使用通過狀態(tài)的折射率匹配中間層(也在相當(dāng)?shù)钠ヅ渌缴?，比如折射率匹配流體；或使用某種其它中間成分。
本發(fā)明的一個實(shí)施方案可包括具有基本上為直角三角形的棱鏡的PBS，該棱鏡用來形成立方體。在這種情況下，第一膜12和第二膜20被夾在如本文所述的兩個棱鏡30和40的直角三角形的斜邊之間。立方體形狀的PBS在許多投影系統(tǒng)中都可以是優(yōu)選的，因為它能提供一種(例如)對光源和其它光學(xué)元件(比如濾光器)的緊湊設(shè)計，以得到小巧輕便易攜帶的投影儀。
盡管立方體是一種實(shí)施方案，但也可以使用其它的PBS形狀。例如，幾個棱鏡的組合可以組裝成一個矩形PBS。對于某些系統(tǒng)，立方形PBS 10可以作改動使得一個或多個表面不是正方形。如果使用非正方形的表面，匹配的平行表面可以通過下一相鄰元件(比如彩色棱鏡或投影透鏡)來提供。
棱鏡大小以及由此產(chǎn)生的PBS大小取決于所意圖的應(yīng)用。如本文所述，參照圖3，在說明性的三面板式LCoS光學(xué)引擎中，PBS的長度和寬度可以是17mm，當(dāng)使用小的弧光高壓汞型燈(比如由Philips公司(位于德國Aachen市)商業(yè)出售的UHP型)時高度為24mm，為了與高寬比為16∶9的0.7英寸對角成像儀(比如可得自JVC(位于美國新澤西州Wayne市)、Hitachi(位于美國加利福尼亞州Fremont市)或Three-Five Systems(位于美國亞利桑那州Tempe市)獲得的成像儀一起使用，該燈的光束被調(diào)制成F/2.3的光錐并被導(dǎo)向PBS立方體。光束的光圈數(shù)(F#)和成像儀的大小是決定PBS大小的一些因素。
第一膜12和第二膜20可使用本領(lǐng)域已知的任何適合的技術(shù)放置在棱鏡30和40之間，例如，如共同轉(zhuǎn)讓的于2001年6月11日申請的標(biāo)題為“偏振分光器”的美國專利No.6,609,795中所述。例如，可以在將第一膜12和第二膜20放在兩個棱鏡30和40之間以前把第一膜12層疊或附著到第二膜20上?；蛘?，可以將第一膜12附著到棱鏡30上而將第二膜20附著到棱鏡40上，然后兩個膜及它們各自的棱鏡放到一起并利用光學(xué)粘合劑連接起來。
如本文所述，霧霾可能是由在本發(fā)明的多層反射偏振膜內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的各種缺陷引起的。例如，缺陷可能是由陷入膜的各層之間或各層內(nèi)部的各種顆粒造成的。此外，在構(gòu)造膜的過程中可能形成局部空隙。導(dǎo)致缺陷發(fā)生的另一可能的原因可能是膜內(nèi)一個或多個層之間的分層。此外，共擠出過程中的流動不穩(wěn)定性也可能引起缺陷。最后，在構(gòu)造膜的過程中也可能形成微晶。膜內(nèi)的任何缺陷都可能造成在將被反射的方向上偏振的光(例如s偏振光)的一個或多個局部泄漏。
第二膜的一個可能的目的，如本文所述，是提供冗余測量。通過把兩個膜放在一起形成PBS，第二膜很可能沿z方向包含與第一膜的缺陷不一致的一個或多個缺陷。阻擋缺陷可以防止s偏振光穿過膜進(jìn)入投影圖像的泄漏。減少的缺陷從而使對比度增大。
此外，如本文所提到的，第一膜12可具有不同于第二膜20的對比率光譜。例如，如本文進(jìn)一步所述，圖6是針對具有第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜的PBS所繪制的對比度(記錄的值為y∶1)與波長的關(guān)系曲線圖，單個膜的曲線圖和組合膜的曲線圖均包括在內(nèi)。如于2001年6月11日申請的標(biāo)題為“低像散的投影系統(tǒng)”的共同轉(zhuǎn)讓共同待審的美國專利No.6,609,795所述，投影系統(tǒng)的對比度主要由多層結(jié)構(gòu)中的光譜光泄漏決定。如圖6中所見，對比率光譜510(其代表膜3)的對比率光譜不同于對比率光譜520(其代表膜4)。例如，對比率光譜510在大約430nm至480nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的對比度而在大約500nm至530nm范圍內(nèi)對比度較差。該不良對比度可能是由于該范圍內(nèi)的s偏振光泄漏造成的。另一方面，對比率光譜520在480nm至580nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的對比度而在430nm至480nm范圍內(nèi)對比度較差。在這個具體例子中，對比率光譜520相對于對比率光譜510發(fā)生偏移。因此，當(dāng)結(jié)合起來時兩個膜在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生了令人驚奇的良好對比度。從而，可以形成在可見光譜范圍(430-700nm)內(nèi)對比率為至少500∶1、1000∶1或甚至2000∶1的PBS。PBS也可以在超過80％的可見光譜范圍內(nèi)具有至少3000∶1的對比率。
膜的對比率光譜的波長特征(峰和谷)由層厚分布決定。對比率光譜的峰和谷的位置取決于光學(xué)重復(fù)單元厚度以及膜內(nèi)各層的分布。因此，可以通過改變膜內(nèi)的光學(xué)重復(fù)單元的厚度來使對比率光譜的峰和谷移動。
同樣令人驚奇的是在PBS中使用兩個或多個膜不會明顯地減少被成像系統(tǒng)偏振的光的期望的透射率。例如，如本文更詳細(xì)地討論的那樣，圖5是針對具有第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜的PBS所繪制的p偏振光的透射率與波長的關(guān)系曲線圖，單個膜的曲線圖和組合膜的曲線圖均包括在內(nèi)。如圖5所見的那樣，在可見光譜范圍(光譜430)p偏振光的透射率(TP)保持在95％以上，并且在80％的可見光譜范圍內(nèi)其透射率大于96％甚至大于97％。換句話說，在PBS中使用兩個或多個膜可以增大對比度同時基本上不減小p偏振光的期望的透射率。P偏振光的透射不包括由玻璃棱鏡引起的吸收和反射損失。
盡管圖6說明了本發(fā)明的一個實(shí)施方案，該實(shí)施方案包含具有不同對比率光譜的兩個膜，但本發(fā)明的另一個實(shí)施方案可以包含具有基本相似的對比率光譜的兩個或多個膜。
本發(fā)明的多膜PBS可用于各種光學(xué)成像系統(tǒng)。本文所使用的術(shù)語“光學(xué)成像系統(tǒng)”是指為了觀看者觀看而產(chǎn)生圖像的包括很多種類的光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的光學(xué)成像系統(tǒng)可用于例如正面投影系統(tǒng)和背面投影系統(tǒng)、投影顯示器、頭盔顯示器、虛擬觀察器、平視顯示器、光學(xué)計算系統(tǒng)、光學(xué)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)以及其它光學(xué)觀看和顯示系統(tǒng)。
光學(xué)成像系統(tǒng)的一個實(shí)施方案如圖2所示。其中系統(tǒng)110包括光源112，例如具有反射器116以便把光118導(dǎo)向前方向的弧光燈114。光源112也可以是固態(tài)光源，比如發(fā)光二極管或激光光源。系統(tǒng)110還包括PBS 120，例如，本文所述的多膜PBS。x偏振光(即平行于x軸方向偏振的光)以帶圓圈的x表示。y偏振光(即平行于y軸方向偏振的光)以實(shí)箭頭表示。實(shí)線表示入射光，而虛線表示已經(jīng)以改變的偏振態(tài)從反射式成像器126返回的光。由光源112提供的光在照射PBS 120之前由光學(xué)調(diào)節(jié)裝置122調(diào)節(jié)。光學(xué)調(diào)節(jié)裝置122把從光源112發(fā)出的光的特性改變成投影系統(tǒng)所需要的特性。例如，光學(xué)調(diào)節(jié)裝置122可以改變光的發(fā)散度、光的偏振態(tài)、光譜這些中的任意一個或多個。光學(xué)調(diào)節(jié)裝置122可以包括例如一個或多個透鏡、偏振轉(zhuǎn)換器、前置偏振器和/或用于除去不想要的紫外光或紅外光的濾光器。
光的x偏振分量由PBS 120反射到反射式成像器126上。反射式成像器126的液晶模式可以是層狀的、向列的或者某些其它合適的反射式成像器類型。如果反射式成像器126是層狀的，那么反射式成像器126可以是鐵電液晶顯示器(FLCD)。成像器126反射并調(diào)制y偏振態(tài)成像光束。反射的y偏振光透過PBS 120并通過投影鏡頭系統(tǒng)128投射，該系統(tǒng)的設(shè)計通常針對每一個特定的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，這要考慮到鏡頭系統(tǒng)128與成像器之間的所有元件。控制器152被耦合到反射式成像器126上以控制反射式成像器126的操作。通常，控制器152激活成像器126的不同像素以便在反射光中形成圖像。
多個成像器的投影系統(tǒng)200的一個實(shí)施方案示意性地表示在圖3中。光202從光源204發(fā)射出來。光源204可以是弧光燈或白熾燈，或者是任何其它合適的光源以產(chǎn)生適于投影圖像的光。光源204可以被反射器206包圍，比如橢圓形反射器(如圖所示)、拋物面反射器等，以增大被導(dǎo)向投影引擎的光的量。
光202通常在被分成不同色帶之前被處理過。例如，光202可以通過可任選的前置偏振器208，從而僅有所需偏振態(tài)的光被導(dǎo)向投影引擎。該前置偏振器208可以是反射式偏振器的形式，從而處于不想要的偏振態(tài)的反射光被轉(zhuǎn)向到光源204，以便再循環(huán)使用。光202也可以被均勻化從而使投影引擎中的成像器被均勻地照射。使光202均勻化的一種方法是使光202通過反射隧道210，但是應(yīng)該知道也能采用其它方法來使光均勻化。
在所說明的實(shí)施方案中，均勻化的光212通過第一透鏡214以減小發(fā)散角。然后光212入射到第一分色器216，其可以是例如介質(zhì)薄膜濾光器。第一分色器216使第一色帶中的光218與其余部分的光220分離開。
第一色帶中的光218可以通過第二透鏡222，并可任選地通過第三透鏡223，以控制入射到第一PBS 224上的第一色帶中的光束218的大小。光218從第一PBS 224通過而到達(dá)第一成像器226。該成像器反射透過PBS 224到達(dá)x-立方彩色合成器230的具有一種偏振態(tài)的圖像光228。成像器226可包括一個或多個補(bǔ)償元件，比如延遲元件，以提供附加的偏振旋轉(zhuǎn)從而增大圖像光中的對比度。
其余部分的光220可以通過第三透鏡232。然后其余部分的光220入射到第二分色器234(例如薄膜濾光器等)之上，以產(chǎn)生第二色帶中的光束236和第三色帶中的光束238。第二色帶中的光236通過第二PBS242導(dǎo)向第二成像器240。第二成像器240將第二色帶中的圖像光244導(dǎo)向x-立方彩色合成器230。
第三色帶中的光238通過第三PBS 248導(dǎo)向第三成像器246。第三成像器246將第三色帶中的圖像光250導(dǎo)向x-立方彩色合成器230。
分別在第一、第二和第三色帶中的圖像光228、244和250在x-立方彩色合成器230中合并起來并作為全色圖像光束被導(dǎo)向投影光學(xué)裝置252。偏振旋轉(zhuǎn)光學(xué)裝置254(例如半波延遲板等)，可以設(shè)置在PBS224、PBS 242和PBS 248與x-立方彩色合成器之間以控制在x-立方彩色合成器230中合并的光的偏振態(tài)。在所說明的實(shí)施方案中，偏振旋轉(zhuǎn)光學(xué)裝置254置于x-立方彩色合成器230與第一PBS 224和第三PBS248之間。PBS 224、PBS 242和PBS 248中的一個、兩個或全部三個可包括兩個或多個如本文所述的MRP膜。
應(yīng)該知道可以使用所說明的實(shí)施方案的變體。例如，PBS可以使光透射到成像器然后反射圖像光，而不是把光反射到成像器然后透射圖像光。以上所述的投影系統(tǒng)僅僅是例子；可以設(shè)計出使用本發(fā)明多層膜PBS的多種系統(tǒng)。
實(shí)施例下面實(shí)施例中的膜在結(jié)構(gòu)和加工方面都相似，基本上僅通過它們最終的厚度以及通過二次改變化而有所變化，其中二次改變是為了在恒定的熔體抽運(yùn)速率下獲得這些變化的厚度所需的不同鑄造速度造成的。所述膜特指膜1-4。這些膜按照于2001年6月11日申請的標(biāo)題為“偏振分光器”的美國專利No.6,609,795中所述的通用方法來擠出和拉伸。
用作多層膜中的低折射率層的一種便利地標(biāo)注為coPET的共聚多酯如下合成。以下成分被加入到100加侖間歇式反應(yīng)器174.9英磅1，4-對鄰苯二甲酸二甲酯，69.4英磅1，4-環(huán)己烷二羧酸酯，119.2英磅1，4-環(huán)己烷二甲醇，36.5英磅新戊二醇，130英磅乙二醇，1200克三羥甲基丙烷，23克乙酸鈷，45克乙酸鋅，以及90克乙酸銻。在0.20MPa壓力下，在除去甲醇的同時該混合物被加熱到254℃。除去80英磅甲醇后，將64克膦酰乙酸三乙酯加入到反應(yīng)器中，然后在加熱到285℃的同時使壓力逐漸降低至2mmHg。連續(xù)清除縮合反應(yīng)副產(chǎn)品乙二醇，直到產(chǎn)生的聚合物在苯酚/鄰二氯苯(60/40重量％)中測量時特性粘度為0.74dL/g。按照差示掃描量熱法(DSC)測量coPET的Tg為64℃。使用可從位于美國新澤西州Piscataway市的Metricon公司獲得的Metricon棱鏡耦合測量儀(Prism Coupler)在632.8nm處測得材料的折射率為1.541。
通過共擠出和取向處理制得包含892層的多層膜，其中PET是第一高折射率材料而上述coPET是第二低折射率材料。使用進(jìn)料塊(feedblock)法(如美國專利No.3,801,429所述)形成約223層，其層厚范圍足夠產(chǎn)生具有30％部分帶寬的光學(xué)反射波帶。通過進(jìn)料塊針對每一材料形成層厚的近似線性梯度，其中最厚層相對于最薄層的比例為1.30。
具有初始特性粘度(IV)的PET，例如可從Eastman Chemical公司(位于美國田納西州Kingsport市)獲得的0.74dl/g的PET 7352，被送進(jìn)擠出機(jī)并以50kg/hr的速率輸送到進(jìn)料塊，且coPET由另一擠出機(jī)以43kg/hr的速率輸送。
這些熔體流被導(dǎo)向進(jìn)料塊以便通過進(jìn)料塊產(chǎn)生223層的PET與coPET的交替層，其中PET的兩個外側(cè)層用作保護(hù)性邊界層(PBL)。PBL比光學(xué)層厚得多，前者包含PET總?cè)垠w流量的約20％(每一側(cè)占10％)。
然后材料流通過不對稱的兩倍倍增器(如美國專利No.5,094,788和5,094,793所述)。倍增器厚度比為大約1.25∶1。223層的每一組具有由進(jìn)料塊產(chǎn)生的近似層厚輪廓，其具有由倍增器和膜擠出速率決定的總厚度比例因子。然后材料流通過具有大約1.55∶1的倍增比的第二不對稱二倍倍增器。因此最終的層分布是四個包的復(fù)合，這些包的平均光譜間距關(guān)系到阻擋狀態(tài)泄漏結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過倍增器以后，聚丙烯(PP)(得自位于美國加利福尼亞州Monrovia市的Atofina Petrochemicals，Inc.公司，產(chǎn)品No.8650)的外表層被加入熔體流中。PP以24kg/hr的速率送進(jìn)第三擠出機(jī)。然后，材料流通過成膜模具并來到水冷的圓形鑄錠機(jī)上。圓形鑄錠機(jī)的進(jìn)水溫度為8℃。高電壓銷住(pinning)系統(tǒng)用來把擠出物插到圓形鑄錠機(jī)中。
為了精確控制最終的膜厚而調(diào)整圓形鑄錠機(jī)的速度。通過這種方式，為膜1-4制造各種未取向的前體鑄造片。例如，以膜1的圓形鑄錠機(jī)速度作為參考，用來形成膜2-4的速度比值分別為0.77、1.21和1.06，從而近似地按照這些比值的倒數(shù)倍來改變這些膜相對于膜1的厚度。通過這種方式，在通過改變光譜中心定位來改變層分布的同時，近似地保持層分布的光譜形狀。
PP擠出機(jī)和有關(guān)的熔體加工設(shè)備保持在254℃。PET和coPET擠出機(jī)、進(jìn)料塊、表層模塊、倍增器、模具以及有關(guān)的熔體加工設(shè)備保持在266℃和282℃之間。
鑄造前體片被切成18cm乘以25cm的薄片(MD x TD，其中MD是膜鑄造的初始方向而TD是橫貫于MD的方向)，在拉伸前使這些薄片在50％R.H.和室溫的條件下達(dá)到平衡。平衡以后，樣品被送進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的膜拉幅機(jī)中以便進(jìn)行單軸拉伸。鑄造薄片被拉幅機(jī)的夾子夾住邊緣以便形成連續(xù)定向膜。鄰近夾子的膜不會在MD上收縮，因為拉幅機(jī)夾子之間的間距已經(jīng)固定。但由于所述片在前邊緣和尾邊緣沒有被約束住，因此它在MD上會收縮，距離夾子越遠(yuǎn)收縮越大。通過足夠大的縱橫比，樣品的中心能夠充分收縮以形成真正的單軸取向，即收縮量等于TD拉伸比的平方根。膜以它們TD的長度(25cm)方向被送進(jìn)溫度設(shè)定為98℃的拉幅機(jī)。在短暫過沖到標(biāo)稱拉伸比7之后，膜被拉至最終的標(biāo)稱拉伸比6.5。中央部分的最終拉伸比稍高一些，因為鄰近夾子的部分拉伸得較少一些，主動冷卻到52℃。膜一般這樣拉伸，使得利用Metricon棱鏡耦合測量儀在最終的拉伸部分進(jìn)行測量時PET PBL在632.8nm處的MD折射率(例如y方向折射率)接近匹配于coPET的無定向折射率，例如1.541+/-0.002。PET PBL的z方向折射率同樣地接近匹配，在632.8nm處大約為1.540。最后，PET的y、z折射率以及coPET的各向同性折射率的色散曲線在可見光譜范圍內(nèi)合理地近似，以便在光譜的藍(lán)色部分(例如430nm)幾乎保持這樣的折射率匹配水平。使初始應(yīng)變速率在0.05至1秒-1之間入口輸入速度用來控制最終的折射率并確保折射率匹配。在拉伸之后，由此產(chǎn)生的膜1-4在其PET PBL中具有幾乎相同的折射率，(對于沿TD偏振的632.8nm光，測量值分別為1.698、1.701、1.697和1.699)。被剝離了PP表皮的樣品膜1-4最終厚度不同，測量值分別為120、160、96和114微米。
為了測試雙層PBS膜在不同玻璃中的效果，所需的PBS通過使用折射率匹配油(選擇其折射率以與透射時的膜的折射率相匹配)和所述類型的玻璃棱鏡來構(gòu)建。所使用的折射率匹配油為得自Cargille公司(位于美國新澤西州Cedar Grove市)的LASER LIQUID，其折射率為n＝1.5700，而所使用的玻璃棱鏡為來自Schott公司(位于德國Meinz市)的SK5玻璃，其折射率為約1.59。利用高壓汞燈、隧道積累器(tunnelintegrator)以及用來把光聚焦到測試鏡上的適當(dāng)?shù)耐哥R和濾色器在f/2光束下進(jìn)行測試，如例如美國專利No.6,486,997B1所述。
然后通過放置在PBS棱鏡的直角三角形斜邊上的兩個膜構(gòu)建雙疊層結(jié)構(gòu)，其中這兩個膜之間具有折射率匹配油。在該結(jié)構(gòu)中這些膜沒有設(shè)計成具有最優(yōu)性能，但膜1和膜2在整個可見光波帶內(nèi)具有非常好的性能。關(guān)于該組合的對比率關(guān)系圖如圖4所示。
在圖4中，分別對膜1和膜2及其組合繪制對比率圖。膜1由光譜310表示，膜2由光譜320表示，膜1和膜2的組合由光譜330表示。可以看到，在相同的PBS中，在可見光范圍內(nèi)膜1和膜2的組合提供的對比度比兩個膜各自提供的對比度更高。例如，在580nm處，包含膜1的PBS提供大約4000∶1的對比率，而膜2提供小于100∶1的對比率。然而，膜1和膜2的組合在580nm處提供大于6000∶1的對比率。
理想的是在PBS中p偏振光的透射率(Tp)很高。這不僅能使投影引擎中光的效率更高，還能使設(shè)計者降低對輸入光束偏振純度方面的要求，從而降低成本并提高效率。
如圖5所示，對于SK5玻璃中的膜1(光譜410)p偏振光的透射率(Tp)為大約99％.圖5還包括SK5玻璃中的膜2的Tp(光譜420).還畫出了膜1和膜2的組合在單個PBS中的透射率(光譜430)。將該組合的透射率值與膜1和膜2的單獨(dú)透射率值的乘積(光譜440)進(jìn)行比較。從圖5可看出，膜1和膜2的組合(光譜430)提供的p偏振光透射率與各個膜的透射率的乘積(光譜440)相同。
在具有膜3和膜4的PBS上也進(jìn)行了測試，該P(yáng)BS在SK5玻璃中具有匹配油。該P(yáng)BS同樣利用高壓汞燈、隧道積累器以及用來把光聚焦到測試鏡上的適當(dāng)?shù)耐哥R和濾色器在f/2光束下進(jìn)行測試。膜3和膜4的雙疊層結(jié)構(gòu)也通過放置在PBS棱鏡直角三角形斜邊上的疊層來構(gòu)建，其中兩膜之間具有折射率匹配油。針對各個膜以及疊層結(jié)構(gòu)的對比率圖如圖6所示。
從圖6可看到，膜3的對比率光譜(510)與膜4(520)的不同，使得膜4的光譜向著紅光波長發(fā)生移動。在整個可見波長范圍內(nèi)膜3和膜4的組合(光譜530)提供的對比度比每一個膜單獨(dú)提供的對比度高得多。例如，膜3和膜4在580nm波長處各自單獨(dú)提供小于1000∶1的對比率的對比率光譜。具有膜3和膜4的組合的PBS在580nm波長處提供了大于5000∶1的對比率。換句話說，圖6清晰地顯示出兩個不同MRP膜(即膜3和膜4)的疊層結(jié)構(gòu)能在可見光范圍內(nèi)提供顯著增大的對比度，而無需在PBS棱鏡中使用高折射率玻璃。
本發(fā)明的說明性實(shí)施方案已得到闡述，并且提及了本發(fā)明范圍內(nèi)的可能的變化。不脫離本發(fā)明范圍的本發(fā)明的這些以及其它變化和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，并且應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明不限于本文所閘明的說明性實(shí)施方案。因此，本發(fā)明僅由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種偏振分光器，其包含含有多個層的第一多層反射偏振膜，其中所述第一多層反射偏振膜的所述多個層的光學(xué)厚度具有第一分布；鄰近所述第一多層反射偏振膜的第二多層反射偏振膜，其中所述第二多層反射偏振膜包含多個層，其中所述第二多層反射偏振膜的所述多個層的光學(xué)厚度具有第二分布，其中所述第二分布不同于所述第一分布，此外，其中所述第二多層反射偏振膜的主表面面對所述第一多層反射偏振膜的主表面；以及置于所述第一多層反射偏振膜一側(cè)和/或所述第二多層反射偏振膜一側(cè)上的覆蓋物。
2.權(quán)利要求1所述的偏振分光器，其中所述覆蓋物是棱鏡。
3.權(quán)利要求2所述的偏振分光器，其中所述覆蓋物是玻璃棱鏡。
4.權(quán)利要求1所述的偏振分光器，其中所述偏振分光器還包含置于所述第一多層反射偏振膜與所述第二多層反射偏振膜之間的光學(xué)粘合劑。
5.權(quán)利要求1所述的偏振分光器，其中所述偏振分光器還包含置于所述第一多層反射偏振膜與所述第二多層反射偏振膜之間的折射率匹配流體。
6.權(quán)利要求1所述的偏振分光器，其中所述第一多層反射偏振膜具有第一對比率光譜，并且所述第二多層反射偏振膜具有第二對比率光譜，此外，其中所述第一對比率光譜不同于所述第二對比率光譜。
7.權(quán)利要求1所述的偏振分光器，其中所述第一多層反射偏振膜和所述第二多層反射偏振膜是z折射率相匹配的偏振膜。
8.權(quán)利要求1所述的偏振分光器，其中在可見光譜范圍內(nèi)所述偏振分光器的對比率至少為500∶1。
9.權(quán)利要求1所述的偏振分光器，其中在可見光譜范圍內(nèi)所述偏振分光器的對比率至少為2000∶1。
10.權(quán)利要求1所述的偏振分光器，其中在可見光譜范圍內(nèi)p偏振光的反射率至少為94％。
11.一種偏振分光器，其包含第一多層反射偏振膜；鄰近所述第一多層反射偏振膜的第二多層反射偏振膜，其中所述第二多層反射偏振膜的主表面面對所述第一多層反射偏振膜的主表面；以及置于所述第一多層反射偏振膜一側(cè)和/或所述第二多層反射偏振膜一側(cè)上的覆蓋物。
12.權(quán)利要求11所述的偏振分光器，其中所述覆蓋物是棱鏡。
13.權(quán)利要求12所述的偏振分光器，其中所述覆蓋物是玻璃棱鏡。
14.權(quán)利要求11所述的偏振分光器，其中所述偏振分光器還包含置于所述第一多層反射偏振膜與所述第二多層反射偏振膜之間的光學(xué)粘合劑。
15.權(quán)利要求11所述的偏振分光器，其中所述偏振分光器還包含置于所述第一多層反射偏振膜與所述第二多層反射偏振膜之間的折射率匹配油。
16.一種投影系統(tǒng)，其包含發(fā)光的光源；調(diào)節(jié)來自所述光源的光的光學(xué)調(diào)節(jié)裝置；成像核心，該成像核心將圖像施加到來自所述光學(xué)調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)光上以形成圖像光；以及投射來自所述成像核心的所述圖像光的投影鏡頭系統(tǒng)，其中，所述成像核心包含至少一個偏振分光器和至少一個成像器，其中所述偏振分光器包含第一多層反射偏振膜；鄰近所述第一多層反射偏振膜的第二多層反射偏振膜，其中所述第二多層反射偏振膜的主表面面對所述第一多層反射偏振膜的主表面；以及放置在所述第一多層反射偏振膜一側(cè)和/或所述第二多層反射偏振膜一側(cè)上的覆蓋物。
17.權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述第一多層反射偏振膜位于x-y平面內(nèi)并且在z方向上具有厚度，此外所述第一多層反射偏振膜的z折射率與y折射率基本上相匹配。
18.權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述第二多層反射偏振膜位于x-y平面并且在z方向上具有厚度，此外所述第二多層反射偏振膜的z折射率與y折射率基本上相匹配。
19.權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含與所述的至少一個成像器耦合的控制器，以便控制被施加到入射在所述的至少一個成像器上的光上的圖像。
20.權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述偏振分光器是笛卡兒偏振分光器，該分光器具有限定了固定偏振軸的結(jié)構(gòu)取向并具有調(diào)節(jié)光的光學(xué)裝置，所述調(diào)節(jié)光的光學(xué)裝置的光圈數(shù)等于或小于2.5，其中所述系統(tǒng)在可見光范圍內(nèi)的投影色帶上具有至少100到1的動態(tài)范圍。
21.權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述成像核心是遠(yuǎn)心的。
22.權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含置于所述偏振分光器與所述的至少一個成像器之間的分色器。
23.一種制造偏振分光器的方法，該方法包括形成第一多層反射偏振膜；形成第二多層反射偏振膜；將第二多層反射偏振膜的主表面面對第一多層反射偏振膜的主表面放置；以及將第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜置于兩個覆蓋物之間。
全文摘要
一種偏振分光器(PBS)包括置于兩個覆蓋物之間的第一多層反射偏振膜和第二多層反射偏振膜。這兩個多層反射偏振膜可以相同或不同。該P(yáng)BS可用于多種應(yīng)用中。
文檔編號G02B27/28GK1791815SQ200480013345
公開日2006年6月21日 申請日期2004年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
發(fā)明者馬家穎, 查爾斯·L·布魯佐內(nèi), 威廉·W·梅里爾, 大衛(wèi)·J·W·奧斯吐恩 申請人:3M創(chuàng)新有限公司