波长选择性偏振转换元件、照明光学系统和图像投影设备的制作方法

专利名称：波长选择性偏振转换元件、照明光学系统和图像投影设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波长选择性偏振转换元件，它从进入其中的光生 成偏振方向和波长区域互不相同的两个光分量，还涉及一种配备有该 元件的照明光学系统以及一种图像投影设备。
背景技术：
所谓的三板投影仪(图像投影设备)执行颜色分离以把从光源发 射的白光分离成三个色光分量(例如，红光分量、绿光分量和蓝光分 量)。然后，色光分量被引入三个图像形成元件，例如液晶板。
日本专利特开第2000-9933号公开了以下的三板投影仪。即，为 了通过颜色分离光学系统执行颜色分离，三板投影仪具有照明光学系 统。照明光学系统从发射自光源的非偏振白光生成偏振方向互不相同 的两个波长分量(例如，P偏振绿光以及S偏振红和蓝光)。
照明光学系统用偏振光束分光棱镜的偏振分光表面把从光源发 射的非偏振白光分离成S偏振红和绿光以及P偏振蓝光。进一步，半 波片把P偏振光转换成S偏振光。S偏振红、绿和蓝光入射到偏振转 换二向色镜上。偏振转换二向色镜只把S偏振绿光转换成P偏振光。 因此，P偏振绿光以及S偏振红和蓝光前进到颜色分离光学系统。
偏振转换二向色镜从光进入侧按顺序包括二向色表面、四分之一 波片和反射镜表面。二向色表面透射S偏振绿光，反射S偏振红和蓝 光。S偏振绿光通过二向色表面，在被反射镜表面反射之前和之后两 次通过四分之一波片。从而，四分之一波片把S偏振绿光转换成P偏 振绿光。通过该布置，P偏振绿光以及S偏振红和蓝光从偏振转换二 向色镜射出。然而，在日本专利特开第2000-9933号中>^开的照明光学系统中， 进入偏振转换二向色镜的红光分量、绿光分量和蓝光分量必须事先通 过偏振光束分光棱镜和半波片被转换成S偏振光。如上文所述把光从 光源经由偏振光束分光棱镜和半波片导向偏振转换二向色镜降低了 光的使用效率。而且，由于使用来自光源的光经由偏振光束分光棱镜 和偏振转换二向色镜被反射的配置，照明光学系统的设计灵活性受到 限制，并且照明光学系统的尺寸趋向于变得更大。

发明内容
本发明提供一种波长选择性偏振转换元件，它能够从非偏振光生 成偏振方向和波长区域互不相同的多个光分量，同时以小型配置防止 光的使用效率降低，本发明还提供一种配备有该元件的照明光学系统 和一种图像投影设备。
根据一个方面，本发明提供一种波长选择性偏振转换元件，所述 元件包括多个偏振分光表面，其中各表面把进入的光分离成偏振方 向互不相同的两个偏振光分量；多个相位片，它使来自偏振分光表面 的两个偏振光分量中的一个偏振光分量的偏振方向与另 一偏振光分 量的偏振方向一致；以及多个二向色表面，其被布置为比所述多个偏 振分光表面更接近光进入侧，或者在所述多个偏振分光表面与所述多 个相位片之间，各二向色表面把进入的光分离成互不相同的两个波长 区域分量。
根据另一方面，本发明提供一种波长选择性偏振转换元件，所述 元件包括沿着第一方向布置的多个偏振分光表面，沿着第一方向布置 的多个二向色表面，和沿着第一方向布置的多个相位片。所述多个偏
振分光表面和所述多个二向色表面把非偏振白光分离成多个第一光 通量和多个第二光通量，第一光通量包括作为S偏振光的第一颜色的 光、作为S偏振光的第二颜色的光和作为P偏振光的第三颜色的光，
第二光通量包括作为p偏振光的第一颜色的光、作为p偏振光的第二
颜色的光和作为s偏振光的第三颜色的光。所述多个相位片使第一和第二光通量中一个光通量的偏振方向与另一光通量的偏振方向一致。根据再另一方面，本发明提供一种波长选择性偏振转换元件，所 述元件从光进入侧按顺序包括沿着第一方向布置的多个第一光学表 面、沿着第一方向布置的多个第二光学表面和沿着第一方向布置的多 个半相位片。在第一光学表面和第二光学表面中， 一个是偏振分光表 面，另一个是二向色表面。半相位片布置在与沿着第一方向布置的多 个第二光学表面中每隔一个第二光学表面相对应的位置。根据再另 一方面，本发明提供一种照明光学系统，所述系统包括 透镜阵列，其把来自光源的光分成多个光通量；上述波长选择性偏振 转换元件之一，来自透镜阵列的多个光通量进入其中；以及聚光光学 系统，其聚集来自波长选择性偏振转换元件的多个光通量以使光通量 在照明表面上相互重叠。根据再另一方面，本发明提供一种图像投影设备，所述系统包括 照明光学系统；三个图像形成元件，各形成一个原始图像；颜色分离 /合成光学系统，其把从照明光学系统进入的偏振方向互不相同的两个 波长区域分量分离成波长互不相同的三个光分量，以把这三个光分量 引入三个图像形成元件，并合成来自这三个图像形成元件的三个光分 量；以及投影光学系统，其把来自颜色分离/合成光学系统的合成光投 射到投影表面上。根据下文参考附图描述的实施例，本发明的其它方面将变得清晰。


图1是示出作为本发明实施例1的二向色偏振转换阵列的配置的 截面图。图2到4是图示实施例l的二向色偏振转换阵列的光学功能的截面图。图5图示用于二向色偏振转换阵列中的二向色膜的特性。图6是示出作为本发明实施例2的二向色偏振转换阵列的配置的截面图。图7到9是图示实施例2的二向色偏振转换阵列的光学功能的 截面图。图IO是示出作为本发明实施例3的二向色偏振转换阵列的配置 的截面图。图11到13是图示实施例3的二向色偏振转换阵列的光学功能 的截面图。图14是示出作为本发明实施例4的二向色偏振转换阵列的配置 的截面图。图15和16图示实施例4的二向色偏振转换阵列制造方法。 图17是示出作为本发明实施例5的二向色偏振转换阵列的配置 的截面图。图18图示使用实施例1的二向色偏振转换阵列的投影仪的配置。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例。 [实施例1图18图示了投影仪(图像投影设备)中的光学单元的配置，该 投影仪使用作为本发明第一实施例(实施例1)的波长选择性偏振转 换元件(在下文中称为二向色偏振转换阵列)。在下列描述中，参考 符号R指示红色(红光，包括从620nm到650nm的波长区域)，参 考符号G指示绿色(绿光，包括从520nm到550nm的波长区域)， 参考符号B指示蓝色(蓝光，包括从450nm到480nm的波长区域)。 蓝光、红光和绿光可以分别被称为第一颜色的光、第二颜色的光和第 三颜色的光。参考数字101指示光源，诸如发射无特定偏振方向(非偏振光) 的白(基本上白)光通量的超高压水银放电管。参考数字102指示使 发射自光源101的光通量准直的反射器。光源101和反射器102整体地构成光源灯。光源灯是独立于光学单元可替换的，不是光学单元的 组成元件。参考数字103指示第一透镜阵列，104指示第二透镜阵列，106 指示作为波长选择性偏振转换元件的二向色偏振转换阵列。参考数字 107指示作为聚光光学系统的聚光透镜。从第一透镜阵列103到聚光 透镜107的组成元件构成照明光学系统。参考数字117指示二向色镜(具有二向色表面的光学元件)。参 考数字108指示RB偏振光束分光器(在下文中称为RB-PBS)。所 述RB-PBS具有透射红光和蓝光的波长区域中的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不必需要具有绿 光的波长区域中的这种偏振分光功能。参考数字109指示G偏振光束 分光器(在下文中称为G-PBS )。参考数字110指示G反射图像形 成元件，lll指示R反射图像形成元件，112指示B反射图像形成元 件。使用反射液晶显示元件作为各图像形成元件。该实施例给出一个 示例，其中使用液晶显示元件作为图像形成元件。然而，本发明不局 限于上文，可以使用DMD (数字微镜器件)作为图像形成元件。图像形成元件110到112中的每一个连接到驱动电路150。驱动 电路150连接到图像提供设备160,诸如个人计算机、DVD播放器、 TV调谐器等。从图像提供设备160接收图像信号，驱动电路150基 于图像信号驱动相应各图像形成元件IIO到112，并使相应各图像形 成元件110到112形成相应各颜色的原始图像。图像提供设备160和 投影仪构成图像显示系统。参考数字113指示G半相位片，114指示R半相位片，115指示 B半相位片。参考数字116指示颜色合成棱镜。参考数字118指示投 影透镜。从光源101发射并经由反射器102进入照明光学系统的非偏振白 光被第一复眼透镜103分成多个光通量。所述多个光通量通过第二复 眼透镜104进入二向色偏振转换阵列106。二向色偏振转换阵列106被布置在或邻近通过第一透镜阵列103会聚的光通量的会聚点。在本实施例中，二向色偏振转换阵列106从进入其中的非偏振白 光生成两个波长区域分量(两个光分量)。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)。生成的两个光分量 从二向色偏振转换阵列106射出。稍后将描述二向色偏振转换阵列106 的配置和光学功能。从二向色偏振转换阵列106射出的多个光通量通过聚光透镜107 前进到二向色镜117。聚光透镜107具有把多个光通量在作为照明表 面的三个图像形成元件110到112的每一个上相互重叠的功能。二向色镜117透射来自聚光透镜107的光中的G光(Gs),反 射R光(Rp )和B光(Bs ),从而把G光与R和B光相互分离。实际上，二向色偏振转换阵列106中的二向色膜(二向色表面) 和偏振分光膜(偏振分光表面)被布置成具有下列关系。即，二向色 膜和偏振分光膜中的每一个围绕光轴关于图18中的二向色镜117扭 动卯°。通过该布置，关于二向色镜的相应各色光分量的各偏振状态 被更换。即，进入二向色镜117的光被分离成P偏振G光(Gp) 、 S 偏振R光(Rs )和P偏振B光(Bp )。G光经过G-PBS 109透射，通过半相位片113,然后进入G图 像形成元件110。 G图像形成元件IIO根据原始图像调制G光并反射 之。调制后的G光再次通过半相位片113，作为S偏振光进入G-PBS 109。 G-PBS109把S偏振G光向颜色合成棱镜116反射。被二向色镜117反射的R光被RB-PBS 108反射。反射的R光 通过半相位片114，并且进入R图像形成元件111。 R图像形成元件 lll根据原始图像调制R光并反射之。调制后的R光再次通过半相位 片114，并且作为P偏振光进入RB-PBS 108。 P偏振R光透射经过 RB-PBS 108以进入颜色合成棱镜116。被二向色镜117反射的B光透射经过RB-PBS 108，通过半相位 片115,然后进入B图像形成元件112。 B图像形成元件112根据原 始图像调制B光并反射之。调制后的B光再次通过半相位片115，并且作为S偏振光进入RB-PBS 108。 RB-PBS 108把S偏振B光向颜色 合成棱镜116反射。颜色合成棱镜116反射进入的G光并透射进入的R光和B光以 合成G光、R光和B光。合成光从颜色合成棱镜116向着投影透镜(投 影光学系统)118射出。投影透镜118把合成光投射到诸如屏幕(未 示出)之类的投影表面上。从二向色镜117到颜色合成棱镜116的光 学元件构成颜色分离/合成光学系统。如上文所述，二向色偏振转换阵列106、 二向色镜117和RB-PBS 108把来自光源101的非偏振白光分离成波长区域和偏振方向互不相 同的三个光分量。图1图示了用在上述光学单元中的二向色偏振转换阵列106的配置。参照图1，参考数字l指示偏振分光阵列部分(第一元件部分)， 2指示二向色阵列部分(第二元件部分)。参考数字3指示在二向色 阵列部分2的离开表面侧提供的半相位片。参考数字4指示在偏振分 光阵列部分1的进入表面侧提供的光屏蔽軍。偏振分光阵列部分1和 二向色阵列部分2在图1中以分离的状态示出。然而，实际上，偏振 分光阵列部分1和二向色阵列部分2通过接合等被一体化，并且作为 一个单元元件处理。本实施例的二向色偏振转换阵列106包括从光进入侧依次布置 的多个偏振分光膜(偏振分光表面)13、多个二向色膜(二向色表面) 23和多个半相位片(半波片)3。多个偏振分光膜13、多个二向色膜23和多个半相位片3沿着垂 直于光进入方向(图1中从左到右)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不仅关于光进入方向而且关 于垂直于光进入方向的方向倾斜(45。)布置。半相位片3垂直于光进 入方向(与垂直于光进入方向的方向平行)布置。偏振分光表面和二向色表面不局限于具有膜结构，而是可以具有 微周期结构或其它结构。半相位片可以形成为，不局限于，片状元件、膜(单层膜或多层膜)或者可以具有微周期结构。偏振分光阵列部分1具有进入表面11和平行于进入表面11的离开表面12。在进入表面ll和离开表面12之间，提供所迷多个偏振分 光膜13和多个反射膜(反射表面)14。这些膜13和14中的每一个 形成为关于进入表面11以45。角倾斜。偏振分光膜13和反射膜14在 垂直于光进入方向的方向(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。进入表面11包括多个狭缝状光通过区域C。光经过所述多个狭 缝状光通过区域C进入偏振分光阵列部分1，并且进入所述多个偏振 分光膜13。除了多个狭缝状光通过区域C，进入表面ll还包括多个 提供有光屏蔽革4的区域。如同半相位片，多个光屏蔽軍4沿着垂直 于光进入方向的方向布置。各光屏蔽軍4被布置为平行于与光进入方 向垂直的方向。二向色阵列部分2包括进入表面21和平行于进入表面21的离开 表面22。在进入表面21和离开表面22之间，在垂直于光进入方向的 方向上提供多个二向色膜23。 二向色膜23中的每一个被形成为关于 进入表面21以45。角倾斜。离开表面22包括多个狭缝状光通过区域 D和E。从所述多个狭缝状光通过区域D，透射经过多个二向色膜23 的光射出。从多个狭缝状光通过区域E，被多个二向色膜23反射的 光射出。光通过区域E中的每一个提供有半相位片3。通过该布置，多个 二向色膜23被布置在多个偏振分光膜13与多个相位片3之间。偏振分光阵列部分1中的偏振分光膜13与反射膜14之间的间距 b和二向色阵列部分2中二向色膜23之间的间距a彼此相等。偏振分 光阵列部分1的离开表面12上的狭缝状光通过区域Bl和二向色阵列 部分2的进入表面21上的狭缝状光通过区域A被布置为靠近地相互 面对。透射经过偏振分光膜13的光从狭缝状光通过区域B1射出，并 且通过狭缝状光通过区域A进入二向色阵列部分2。偏振分光阵列部分l的离开表面12上的狭缝状光通过区域F和二向色阵列部分2的进入表面21上的狭缝状光通过区域H也被布置 为靠近地相互面对。被偏振分光膜13和反射膜14反射的光从狭缝状 光通过区域F射出，通过狹缝状光通过区域H进入二向色阵列部分2。偏振分光阵列部分1的偏振分光膜13具有把进入光分离成偏振 方向互不相同的两个偏振光分量的功能。更精确地，偏振分光膜13 具有透射包括在进入光中的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。二向色阵列部分2的二向色膜23把进入光分离成互不相同的两 个波长区域分量。更精确地，二向色膜23透射包括在进入光中的R 光并反射包括在其中的B和G光，如图5所示。半相位片3转换来自偏振分光膜13的两个偏振光分量中的一个 偏振光分量的偏振方向，以使所述一个偏振光分量的偏振方向与另一 偏振光分量的偏振方向一致。在本实施例中，半相位片3被如此布置 以使其快轴倾斜为关于光通过区域E的纵向方向成45°的方向。通过该布置，半相位片3把作为P偏振光而进入其中的光的偏 振方向旋转90。，并且允许光作为S偏振光从其中射出。半相位片3 把作为S偏振光而进入其中的光的偏振方向旋转90°,并且允许光作 为P偏振光从其中射出。接下来，下面将参考图2到4描述二向色偏振转换阵列106的光学功能。参照图2，参考符号Wn指示非偏振白光。偏振分光阵列部分l 的偏振分光膜13把非偏振白光Wn分离成P偏振白光Wp和S偏振 白光Ws。 P偏振白光Wp，在透射经过偏振分光膜13之后，从偏振 分光阵列部分l的离开表面12上的光通过区域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向与P偏振白光Wp相同的方向反射。S偏振白光Ws从光通过 区域F射出，所述光通过区域F与P偏振白光Wp所射出的光通过区 域B1相邻。参照图3， P偏振白光Wp通过二向色阵列部分2的进入表面21上的光通过区域A进入二向色阵列部分2。 二向色膜23把P偏振白 光Wp分离成P偏振红光Rp以及P偏振蓝和绿光(在下文中，蓝和 绿光被称为蓝/绿光)BGp。 P偏振红光Rp在透射经过二向色膜23 之后，从二向色阵列部分2的离开表面22上的光通过区域D射出。另一方面，P偏振蓝/绿光BGp在被二向色膜23反射之后被相 邻的二向色膜23向与P偏振红光Rp相同的方向反射。P偏振蓝/绿 光BGp从光通过区域E射出，所述光通过区域E与二向色阵列部分 2的离开表面22上的P偏振红光Rp所射出的光通过区域D相邻。P 偏振蓝/绿光BGp通过经过半相位片3被转换成S偏振蓝/绿光BGs。参照图4， S偏振白光Ws通过光通过区域H (不同于P偏振白 光Wp所进入通过的光通过区域)，进入二向色阵列部分2。 二向色 膜23把S偏振白光Ws分离成S偏振红光Rs和S偏振蓝/绿光BGs。 S偏振红光Rs在透射经过二向色膜23之后从二向色阵列部分2的离 开表面22上的光通过区域E射出。S偏振红光Rs通过经过半相位片 3而被转换成P偏振红光Rp。S偏振蓝/绿光BGs在被二向色膜23反射之后被其相邻的二向色 膜23向与S偏振红光Rs相同的方向反射，然后从光通过区域D射出， 所述光通过区域D与S偏振红光Rs所射出的光通过区域E相邻。如上文参考附图2到4所述，S偏振蓝光(第一颜色的光)、S 偏振绿光(第二颜色的光)和P偏振红光(第三颜色的光)作为一个 光通量(第一光通量)通过光通过区域D。结果，这些色光分量中的 每一个从二向色偏振转换阵列106射出，同时保持其在经过光通过区 域D之前的偏振状态(合成为第一光通量时的偏振状态)。P偏振蓝光(第一颜色的光)、P偏振绿光(第二颜色的光)和 S偏振红光(第三颜色的光)作为一个光通量(第二光通量)进入布 置有半相位片3的光通过区域E中。结果，各色光分量的偏振方向通 过半相位片3的功能旋转90°。从而，P偏振蓝光、P偏振绿光和S 偏振红光被转换成S偏振蓝光(第一颜色的光)、S偏振绿光(第二 颜色的光)和P偏振红光(第三颜色的光)。这些S偏振蓝光、S偏振绿光和P偏振红光从波长选择性偏振转换阵列106射出。如上文所述，紧接在光经过光通过区域D和E之前的点，经过 光通过区域D的光通量和经过光通过区域E的光通量分别被转换成第 一光通量，其中合成了三个色光分量，以及第二光通量，其中合成了 偏振方向与第一光通量中的不同的三个色光分量。进入光通过区域D 或E的两个光通量(第一和第二光通量)之一通过半相位片3的功能 被赋予90。相位差；从而两个光通量中相同颜色的光分量的偏振方向 彼此一致。如上文所述，P偏振红光Rp和S偏振蓝/绿光BGs从非偏振白 光Wn生成。因此，本实施例的二向色偏振转换阵列106可以有效地 使用来自光源101的光。在该实施例中，蓝光(第一颜色的光)和绿光(第二颜色的光) 中的每一个被转换成S偏振光，红光(第三颜色的光)被转换成P偏 振光。然而，本发明不局限于上文。S偏振光和P偏振光可以相互交 换。而且，可以这样布置，使得只有蓝光被转换成S偏振光，绿光和 红光被转换成P偏振光。这里，"S偏振光"和"P偏振光，，意味着关于 二向色偏振转换阵列106的偏振分光表面的S偏振光和P偏振光。最近，已提出了一种膜元件，其具有与二向色偏振转换阵列106 类似的功能。然而，本实施例的二向色偏振转换阵列106可以使用由 玻璃制成的基底件。因此，二向色偏振转换阵列106在高亮度投影仪 中具有高阻热性。一般来说，使用绷紧的膜用于半相位片3。然而，为了提高阻热 性，可以使用具有子波长结构的光栅元件。在本实施例中，沿着第一方向(它可以是与照明光学系统的光轴 交叉的方向)，多个光屏蔽罩(光屏蔽构件)、多个偏振分光表面(第 一光学表面)、多个二向色表面(第二光学表面)和多个半相位片从 光进入侧按该顺序布置。比所述多个二向色表面布置得更接近光进入侧的多个偏振分光 表面与所述多个反射表面交替布置。比所述偏振分光表面布置得更接近光离开侧的二向色表面被连续地布置，以便反射表面不插入其间。 光屏蔽革和半相位片布置在与所述多个反射表面的位置相对应的位置；即，与没有偏振分光表面(第一光学表面)存在的位置相对应的; 即，光屏蔽革和半相位片布置在与沿着第一方向布置的所述多个 二向色表面每隔一个相对应的位置。换句话说，当半相位片布置在位 于某个位置的二向色表面的光离开侧时，半相位片不是布置在两个二 向色表面的光离开侧，其中各表面邻近位于所述某个位置的二向色表 面。进一步换句话说，半相位片布置在二向色表面的光离开侧，该表 面邻近光离开侧上没有布置半相位片的二向色表面。而且，在该实施例中，布置在光进入侧的第一光学表面是偏振分 光表面，布置在光离开侧的第二光学表面是二向色表面。然而，偏振 分光表面和二向色表面的顺序可以反转(例如，参考后文描述的实施 例3)。即，作为布置在光进入侧的第一光学表面的二向色表面可以 与反射表面交替布置，作为第二光学表面的多个偏振分光表面可以连 续地布置，以便没有反射表面在比二向色表面更靠近光离开侧的位置 插入其间。[实施例2图6图示了作为本发明第二实施例(实施例2)的二向色偏振转 换阵列。与实施例1的二向色偏振转换阵列106相比，本实施例的二 向色偏振转换阵列106A在提供半相位片3的光通过区域方面不同。 本实施例的二向色偏振转换阵列106A生成S偏振红光以及P偏振蓝 和绿光。二向色偏振转换阵列106A的其它配置与实施例1的二向色 偏振转换阵列106的相同。本实施例中与实施例1中相同的组成元件 用与实施例1中相同的参考数字指示。本实施例的二向色偏振转换阵列106A用在光学单元中，该光学 单元除了由于偏振方向不同而导致的在偏振光束分光器处反射和透 射之间的关系不同以外，与实施例1中描述的投影仪中的类似。参考图7到9描述本实施例的二向色偏振转换阵列106A的光学功能。参照图7,非偏振白光Wn被偏振分光阵列部分l的偏振分光膜 (偏振分光表面)13首先分离成P偏振白光Wp和S偏振白光Ws。 经过偏振分光膜13透射的P偏振白光Wp从偏振分光阵列部分1的 离开表面12上的光通过区域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 向与P偏振白光Wp相同的方向反射。S偏振白光Ws从光通过区域 F射出，所述光通过区域F与P偏振白光Wp所射出的光通过区域 Bl相邻。参照图8， P偏振白光Wp通过进入表面21上的光通过区域A 进入二向色阵列部分2。进入的P偏振白光Wp被二向色膜(二向色 表面)23分离成P偏振红光Rp和P偏振蓝/绿光BGp。透射经过二 向色膜23的P偏振红光Rp从二向色阵列部分2的离开表面22上的 光通过区域D射出。P偏振红光Rp通过经过半相位片3被转换成S 偏振红光Rs。另一方面，被二向色膜23反射的P偏振蓝/绿光BGp由相邻的 二向色膜23向与P偏振红光Rp相同的方向反射。P偏振蓝/绿光BGp 从光通过区域E射出，所述光通过区域E与二向色阵列部分2的离开 表面22上P偏振红光Rp所射出的光通过区域D相邻。如图9所示，S偏振白光Ws通过光通过区域H(不同于P偏振 白光Wp所进入通过的光通过区域)进入二向色阵列部分2。 S偏振 白光Ws被二向色膜23分离成S偏振红光Rs和S偏振蓝/绿光BGs。 经过二向色膜23透射的S偏振红光Rs从二向色阵列部分2的离开表 面22上的光通过区域E射出。被二向色膜23反射的S偏振蓝/绿光 BGs由相邻的二向色膜23向与S偏振红光Rs相同的方向反射。S偏振蓝/绿光BGs从光通过区域D射出，所述光通过区域D与 S偏振红光Rs所射出的光通过区域E相邻。S偏振蓝/绿光BGs通过 经过半相位片3被转换成P偏振蓝/绿光BGp。如上文所述，S偏振红光Rs和P偏振蓝/绿光BGp从非偏振白 光Wn生成。因此，来自光源101的光可以通过本实施例的二向色偏 振转换阵列106A而被有效地使用。实施例3图10图示了作为本发明第三实施例(实施例3)的二向色偏振 转换阵列。本实施例的二向色偏振转换阵列106B用在与实施例1所 描述投影仪中使用的相同的光学单元中。参照图10,参考数字31指示二向色阵列部分(第一元件部分)， 32指示偏振分光阵列部分(第二元件部分)。参考数字33指示在偏 振分光阵列部分32的离开表面侧提供的半相位片，34指示在二向色 阵列部分31的进入表面侧提供的光屏蔽軍。图10图示了处于相互分离状态的二向色阵列部分31和偏振分光 阵列部分32。然而，实际上，二向色阵列部分31和偏振分光阵列部 分32通过粘连等集成，并作为一个单元元件处理。本实施例的二向色偏振转换阵列106B包括从光进入侧按该顺序 布置的多个二向色膜(二向色表面)43、多个偏振分光膜(偏振分光 表面)53和多个半相位片33。二向色阵列部分31包括进入表面41和平行于进入表面41的离 开表面42。在进入表面41和离开表面42之间，在垂直于光进入方向 (在图中从左向右)的方向上提供多个二向色膜43。 二向色膜43被 形成为关于进入表面41成45°角，并且相互平行。多个光屏蔽罩34 附着在进入表面41的除了光进入二向色膜43所经过的狭缝状光通过 区域以外的多个区域中。偏振分光阵列部分32包括进入表面51和平行于进入表面51的 离开表面52。在进入表面51和离开表面52之间，多个偏振分光膜 53在垂直于光进入方向的方向上形成。所述多个偏振分光膜53关于 进入表面51成45。角形成。离开表面52包括多个狭缝状光通过区域 D和多个狭缝状光通过区域E。透射经过偏振分光膜53的光从光通过区域D射出。被二向色膜43反射的光从光通过区域E射出。多个半波片33附着在光通过区域E上。由于该布置，多个二向 色膜43布置为比所述多个偏振分光膜53更靠近光进入侧。二向色阵列部分31中的二向色膜43之间的间距e和偏振分光阵 列部分32中的偏振分光膜53之间的间距f彼此相等。经过二向色膜 43透射的光从二向色阵列部分31的离开表面42上的狭缝状光通过区 域Bl射出。从狭缝状光通过区域Bl射出的光通过偏振分光阵列部分 32的进入表面51上的狭缝状光通过区域A进入偏振分光阵列部分 32。狭缝状光通过区域Bl和狭缝状光通过区域A靠近地相互面对着 布置。被二向色膜43反射的光从二向色阵列部分31的离开表面42上 的狭缝状光通过区域F射出。来自狭缝状光通过区域F的光通过偏振 分光阵列部分32的进入表面51上的狭缝状光通过区域H进入偏振分 光阵列部分32。狭缝状光通过区域F和狹缝状光通过区域H靠近地 相互面对着布置。二向色阵列部分31中的二向色膜43把进入光分离成互不相同的 两个波长区域分量。更精确地，如图5所示，二向色膜43具有透射 进入光中的R光并反射相同光中的B和G光的特性。偏振分光阵列部分32中的偏振分光膜53具有把进入光分离成偏 振方向互不相同的两个偏振光分量的功能。更精确地，偏振分光膜53 具有透射进入光中的P偏振光和反射相同光中的S偏振光的特性。半相位片33转换来自偏振分光膜53的两个偏振光分量中 一个偏 振光分量的偏振方向，以使一个偏振光分量的偏振方向与另一偏振光 分量的偏振方向一致。在本实施例中，提供半相位片33以便其快轴倾斜为关于狭缝光 通过区域E的纵向方向成45。方向。由于该布置，半相位片33把作为 S偏振光进入其中的光的偏振方向旋转90。，并且允许光作为P偏振 光从其射出。参考图11到13描述二向色偏振转换阵列106B的光学功能。参照图11，参考符号Wn指示非偏振白光。非偏振白光Wn通 过二向色阵列部分31的进入表面41上的光通过区域进入二向色阵列 部分31。 二向色膜43把进入光分离成非偏振红光Rn和非偏振蓝/绿 光BGn。经过二向色膜43透射的非偏振红光Rn从二向色阵列部分 31的离开表面42上的光通过区域B1射出。被二向色膜43反射的非偏振蓝/绿光BGn由相邻的二向色膜43 向与非偏振红光Rn相同的方向再次反射。非偏振蓝/绿光BGn从光 通过区域F射出，光通过区域F与非偏振红光Rn所射出的光通过区 域B1相邻。参照图12,非偏振红光Rn通过偏振分光阵列部分32的进入表 面51上的光通过区域A进入偏振分光阵列部分32。偏振分光膜53 把进入光分离成P偏振红光Rp和S偏振红光Rs。经过偏振分光膜 53透射的P偏振红光Rp从偏振分光阵列部分32的离开表面52上的 光通过区域D射出。另一方面，被偏振分光膜53反射的S偏振红光Rs由相邻的偏 振分光膜53向与P偏振红光Rp相同的方向再次反射。S偏振红光 Rs从光通过区域E射出，所述光通过区域E与P偏振红光Rp所射 出的光通过区域D相邻。S偏振红光Rs通过经过半相位片33转换成 P偏振红光Rp。参照图13，非偏振蓝/绿光BGn经过光通过区域H(不同于红光 Rn进入通过的光通过区域)进入偏振分光阵列部分32。偏振分光膜 53把非偏振蓝/绿光BGn分离成P偏振蓝/绿光BGp和S偏振蓝/绿光 BGs。经过偏振分光膜53透射的P偏振蓝/绿光BGp从离开表面52 上的光通过区域E射出。P偏振蓝/绿光BGp通过半相位片33，从而 被转换成S偏振蓝/绿光BGs。被偏振分光膜53反射的S偏振蓝/绿光BGs被相邻的偏振分光 膜53向与P偏振蓝/绿光BGp相同的方向再次反射。S偏振蓝/绿光 BGs从光通过区域D射出，所述光通过区域D与P偏振蓝/绿光BGp 所射出的光通过区域E相邻。如上文所述，P偏振红光Rp和S偏振蓝/绿光BGs从非偏振白 光Wn生成。因此，本实施例的二向色偏振转换阵列106B使来自光 源101的光能够被有效使用。在上述实施例中，描述了生成具有不同偏振方向的红光和蓝/绿 光的情况。然而，取决于二向色偏振转换阵列中形成的二向色膜的特 性，可以选择被分离的色光及其偏振方向的任意组合。[实施例4]图14图示了作为本发明第四实施例(实施例4)的二向色偏振 转换阵列。本实施例的二向色偏振转换阵列106D被制造为整体的元 件，与实施例1 (到3)的不同，在实施例1 (到3)中，之后，偏振 分光阵列部分和二向色阵列部分相互接合。二向色偏振转换阵列106D 的光学功能与实施例1的二向色偏振转换阵列106的相同。简要描述该实施例4的二向色偏振转换阵列106D的制造方法。 首先，制备衬底71，其中偏振分光膜部分PB和二向色膜部分DC在 图15中所示的玻璃衬底的同一表面上以特定方向(第一方向)交替 形成。进一步，制备衬底72，其中反射膜部分RF和二向色膜部分 DC在另一玻璃衬底的同一表面上以特定方向交替形成。然后，如图16所示，衬底71和72相互交替附着(重叠)，以 便从图16中的垂直方向V观看，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的位置位移半个间距。附着的村底71和72关于沿着图16所示的虛线的重叠方向以45。 方向被切割。膜PB、 RF和DC的宽度设为各衬底厚度k的两倍。通过该制造方法，可以容易地制造具有类似于实施例1 (到3) 中的光学功能的二向色偏振转换阵列。实施例5图17图示了作为本发明第五实施例(实施例5)的二向色偏振 转换阵列。在该二向色偏振转换阵列106E中，偏振分光阵列部分81中的偏振分光膜91和二向色阵列部分82中的二向色膜92如此布置， 以便关于光进入方向沿着彼此相对的方向倾斜。即，偏振分光膜91 和二向色膜92被布置为相互形成90°角。本实施例的二向色偏振转换 阵列106E的光学功能与实施例1的二向色偏振转换阵列106的光学 功能相同。上面的配置减少被分离光分量之间的位移量(图4中的A，和图 17中的A， A，<A)，使得可以防止包括二向色偏振转换阵列106E的 光学单元在尺寸上变得更大。如上文所述，各实施例实现了波长选择性偏振转换元件，其能够 有效地使用光并从非偏振光生成偏振方向互不相同的两个波长区域 分量，同时具有小型配置。因此，使用所述波长选择性偏振转换元件 的照明光学系统、光学单元和图像投影设备可以有效地使用来自光源 的光以投影明亮的图像。虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发 明并不局限于公开的示例性实施例。应给予下列权利要求的范围最宽 的解释以包括所有修改以及等同结构和功能。
权利要求
1.一种波长选择性偏振转换元件，其特征在于包括多个偏振分光表面，其中每个偏振分光表面把进入光分离成偏振方向互不相同的两个偏振光分量；多个相位片，其使从偏振分光表面进入的两个偏振光分量中的一个偏振光分量的偏振方向与另一偏振光分量的偏振方向一致；以及多个二向色表面，其被布置为比所述多个偏振分光表面更靠近光进入侧或者在所述多个偏振分光表面与所述多个相位片之间，每个二向色表面把进入光分离成彼此不同的两个波长区域分量。
2. 根据权利要求1的波长选择性偏振转换元件，从光进入侧按 顺序进一步包括第一元件部分，包括所述多个偏振分光表面和多个反射膜，所述 多个反射膜反射被所述多个偏振分光表面反射的光；和第二元件部分，包括所述多个二向色表面和所述多个相位片。
3. 根据权利要求1的波长选择性偏振转换元件，从光进入侧按 顺序进一步包括第一元件部分，包括所迷多个二向色表面；和第二元件部分，包括所述多个偏振分光表面和所述多个相位片。
4. 一种照明光学系统，其特征在于包括 透镜阵列，其把来自光源的光分成多个光通量；根据权利要求1的波长选择性偏振转换元件，来自所述透镜阵列 的所迷多个光通量进入其中；和聚光光学系统，其聚集来自所述波长选择性偏振转换元件的多个 光通量，以使所述光通量在照明表面上相互重叠。
5. —种波长选择性偏振转换元件，包括 沿着第一方向布置的多个偏振分光表面； 沿着第一方向布置的多个二向色表面；和 沿着第一方向布置的多个相位片，其特征在于，所述多个偏振分光表面和所述多个二向色表面把非 偏振白光分离成多个第一光通量和多个第二光通量，所述第一光通量 包括作为S偏振光的第一颜色的光、作为S偏振光的第二颜色的光和 作为P偏振光的第三颜色的光，所述第二光通量包括作为P偏振光的 第一颜色的光、作为P偏振光的第二颜色的光和作为S偏振光的第三 颜色的光，以及所述多个相位片使第一和第二光通量中一个光通量的偏振方向 与另一光通量的偏振方向一致。
6. 根据权利要求5的波长选择性偏振转换元件，从光进入侧按 顺序进一步包括第一元件部分，包括所述多个偏振分光表面和多个反射膜，所述多个反射膜反射被所述多个偏振分光表面反射的光；以及第二元件部分，包括所述多个二向色表面和所述多个相位片。
7. 根据权利要求5的波长选择性偏振转换元件，从光进入侧按 顺序进一步包括第一元件部分，包括所述多个二向色表面；和第二元件部分，包括所述多个偏振分光表面和所述多个相位片。
8. —种照明光学系统，包括透镜阵列，它把来自光源的光分成多个光通量； 根据权利要求6的波长选择性偏振转换元件，来自透镜阵列的所 述多个光通量进入其中；和聚光光学系统，聚集来自所述波长选择性偏振转换元件的多个光通量，以使所述光通量在照明表面上相互重叠。
9. 一种波长选择性偏振转换元件，从光进入侧按顺序包括 沿着第一方向布置的多个第一光学表面； 沿着第一方向布置的多个第二光学表面；和 沿着第一方向布置的多个半相位片，其特征在于，在第一光学表面和第二光学表面中， 一个是偏振分 光表面，而另一个是二向色表面，以及半相位片布置于与沿着第一方向布置的所述多个第二光学表面中每隔一个第二光学表面相对应的位置。
10. —种照明光学系统，其特征在于包括 透镜阵列，它把来自光源的光分成多个光通量； 根据权利要求9的波长选择性偏振转换元件，来自透镜阵列的所述多个光通量进入其中；和聚光光学系统，聚集来自所述波长选择性偏振转换元件的所述多 个光通量，以使所述光通量在照明表面上相互重叠。
11. 一种图像投影设备，其特征在于包括 根据权利要求4、 8和10中任一项的照明光学系统； 三个图像形成元件，各形成原始图像； 颜色分离/合成光学系统，把从照明光学系统进入的偏振方向互不相同的两个波长区域分量分离成波长互不相同的三个光分量，以把 所述三个光分量引入所述三个图像形成元件，并且合成来自所述三个 图像形成元件的所述三个光分量；以及投影光学系统，把来自颜色分离/合成光学系统的合成光投射到 投影表面上。
全文摘要
本发明公开一种波长选择性偏振转换元件、照明光学系统和图像投影设备，波长选择性偏振转换元件包括多个偏振分光表面，其中每个表面把进入光分离成偏振方向互不相同的两个偏振光分量；多个相位片，其使来自偏振分光表面的所述两个偏振光分量中的一个偏振光分量的偏振方向与另一偏振光分量的偏振方向一致。该元件进一步包括多个二向色表面，其被布置为比所述多个偏振分光表面更靠近光进入侧或者在所述多个偏振分光表面与所述多个相位片之间，各二向色表面把进入光分离成互不相同的两个波长区域分量。该元件能够从非偏振光生成具有不同偏振方向和不同波长区域的光分量，同时防止光使用效率的降低。
文档编号G03B21/20GK101329422SQ20081012518
公开日2008年12月24日 申请日期2008年6月19日 优先权日2007年6月19日
发明者奥山敦, 山内悠 申请人:佳能株式会社