[发明专利]相位补偿薄膜光束组合器

说明书

技术领域

本发明主要涉及由多层薄膜光学涂层形成的波长选择光学系统，更具体而言涉及光学涂层的布置和提供能更均匀地响应具有不同偏振状态的光的一组光学涂层的方法。

背景技术

使用各种调制技术的电子投影系统已经很成熟或已商业化。所使用的各种光调制方法包括例如偏转、衍射、阻断或吸收、散射和偏振状态的旋转。例如，使用液晶装置（LCD）的成像装置在每一个颜色通道内以逐个像素的方式直接调制入射光的偏振状态。使用数字微镜装置的成像装置包括例如德克萨斯州达拉斯市德克萨斯仪器公司的数字光处理（DLP）装置，该数字光处理装置由以逐个像素的方式偏转光的微镜阵列组成。

每一种特定的光调制技术均具有特有的优点和缺点。例如，在调制偏振的系统中，可能因无意的相移、偏斜光线或大角度串扰、或者应力双折射而在开启状态和关闭状态之间出现污染。在通过偏转或衍射来调制光的替代系统中，角散射可以使光束重定向至成像路径。通常，一种光调制所特有的缺点与另一种光调制无关。

然而，偏振效应对很多光调制方法都有影响。例如，在高端的基于DLP的系统中使用偏振来实现3D或立体投影。适于使用Real-D（加利福尼亚州的贝弗利希尔斯市）技术的立体投影的DLP投影仪，使用偏振旋转器来在由佩戴偏振辨识眼镜的观察者所感知的右眼图像和左眼图像的偏振状态之间进行切换。在基于DLP的系统中3D投影所需的偏振对比度相对适中（~400:1），但如果对比度太低则会出现假象。诸如可见光发射激光器等偏振光源也用于带或不带3D投影的图像投影系统。总之，即使在光调制部件本身对偏振比较迟钝的情形下，投影仪的偏振灵敏度相对于颜色或对比伪影（artifact），较之现有技术中的系统有所增加。

颜色组合器，以及用于分离和重组光谱分量并且对投影装置内的光进行重定向和调整的其它类型的光学部件，通常依赖于多层薄膜光学涂层。常规涂层设计提供在所选波长上具有所需反射率或透射率水平的多种光谱滤波片。然而，常规多层涂层设计不能很均匀地响应具有不同偏振状态的光。例如，在常规反射型多层涂层的情形中，在入射角的整个范围内，相对于电场矢量平行于入射平面振动的p偏振光的反射率，电场矢量垂直于入射平面振动（s偏振）的光的反射率更高。p偏振光的反射率在特定层的布儒斯特角处达到最小。结果，s偏振光和p偏振光的振幅可能出现明显分离，尤其在布儒斯特角附近的区域中。角度更小时，对于生成在轴线上的光（spanning on-axis light）、镜面光、全域光或偏斜光，光效率随偏振和角度而变化。作为另一个示例，如果圆偏振光落在由薄膜涂层形成的常规、倾斜放置的偏转镜上，则反射之后光的p分量比光的s分量衰减得更多。在具有诸如MacNeille棱镜或线栅偏振器等偏振分析器的偏振敏感投影仪中，这些光效率差异可能引入明显的对比度或色差误差。另一方面，在缺少偏振分析器的名义上的偏振敏感系统中，来自这些偏振效率差异的图像伪影可能大部分不被察觉。

颜色组合器或其它类型的二色性滤波片也可能引入每一个偏振的相位变化（Δφ_s和Δφ_p），以及各个偏振方向之间的相对相位差（Δφ_sp=Δφ_s-Δφ_p），从而意味着传输中的光根据偏振和角度而具有不同的旋转量。结果，输出的光的偏振状态与输入的偏振状态不同。这些效果可以在使偏振光多次反射的光学系统中组合，从而甚至多个表面中的每一个表面上的偏振光的轻微相移也可能具有相加效应。当光接着传输至下游光学系统时，线偏振光可容易地变成圆或椭圆偏振，从而改变偏振响应。例如，对于设计有最佳光谱效率性能的常规光束组合器，s偏振光与p偏振光之间的相位差Δφ_sp常常超过±20度或更多。在边缘过渡附近常常能够测到高达±100度或更大的相位差Δφ_sp。相比之下，为了维持偏振，在不损害图像质量或亮度同时达到相位性能的情形下，相位差Δφ_sp在0度或其附近或者至少不超过约±10度时将获得最佳性能。

其中薄膜表面不同地控制p偏振光和s偏振光，数字成像系统的有效对比度可能因漏光而有所折衷，相应地吞吐量亦因此受到损害。在立体（3D）成像中使用左右眼图像分离的偏振光的系统时，因偏振光的非均匀控制而引起的漏光可能导致串扰，从而降低立体观看效果。已经提出了多种方案来补偿已知的涂层响应s偏振光和p偏振光时的程度差异。例如，已经提到，在图像投影系统中使用多种补偿部件，诸如四分之一波延迟器来校正薄膜表面的消偏振。