具体实施方式

本文公开了一种PBS组件，其利用光学粘结工艺来改进和克服PBS组件中可能导致屏幕上图像拖影和成带的潜在缺陷。图像拖影和成带可能是例如可能在三个单独棱镜对准的光学结合点处发生的图像分割和折射率失配失败的直接结果。理论上完美的PBS组件在被定义为组件中的顶部棱镜和底部棱镜的两个棱镜之间没有空间。顶部棱镜边缘和底部棱镜边缘可在PBS的输入侧处与中心棱镜边缘配合。由于PBS涂层可能存在于棱镜上，该位置处的空间或间隙可导致材料折射率失配。PBS涂层可以是例如多层薄膜电介质堆叠、线栅薄膜金属或任何其他合适的涂层。折射率失配也可能由其他组件缺陷引起，诸如被困气体或外来污染物。

PBS设计可利用PBS涂层诸如多层薄膜反射涂层或线栅薄膜金属来将单个输入光路分成多个路径。可将这些特殊涂层施加到包含PBS的一些棱镜表面。如果不存在全涂层覆盖或全涂层覆盖的涂层厚度不均匀，则折射率失配可在棱镜表面的一些区域中产生。包含PBS的各个棱镜的涂层沉积误差和/或PBS的制造组件过程中的误差可导致在棱镜结合点处产生折射率失配，这可能继而导致在该位置处发生光衍射和/或折射。

可通过在中心PBS棱镜结合点之前阻挡和/或散射图像光从而控制光的衍射行为来实现可能例如通过分割输入图像光和/或通过PBS组件中的折射率失配引起的光衍射的抑制。可通过首先在PBS的图像光输入侧形成窄的光阻挡和/或散射几何形状来实现粘结技术。

可通过将光学棱镜粘结在一起以形成单个粘结光学件来制造一种类型的PBS。PBS的一个功能是将光分成两个或更多个光路。一些影院投影系统利用将传出光图像转换为右手和左手圆形偏振(CP)态的硬件，佩戴CP眼镜的观察者接收该偏振态，该CP眼镜对左右偏振态进行解码。因此，此类影院投影系统产生立体三维(3D)图像。在这些系统中的许多系统中，由于例如3D硬件中的线性偏振膜和/或来自光路内其他材料和光学部件的损耗，存在光损失。

覆盖来自不同路径的图像的多路径系统增加了亮度和系统光效率，并且有时被称为光循环系统。通过使用将输入图像光分成多个出射路径的PBS来实现光的分离。在屏幕上重新组合路径增加了总光效率并且减少了由线性偏振器和/或附加光学部件引起的光损失。

使用由三个单独棱镜组装的PBS的三路光学系统可能存在许多缺陷。在一些应用中，这些缺陷中的一个或多个缺陷表现为观察者可观察到的通过PBS透射和/或反射的内容的可见的屏幕上缺陷。输入图像光可完全穿过PBS的一个路径(透射路径)。而且，输入图像光可通过其上可能沉积PBS涂层的成角表面分离，因此形成两个反射路径。可能与这种光束分离方法相关联的一个基本缺陷是当将单个图像分成多个图像时可能引入由边缘边界引起的衍射。在三个棱镜的结合点处，可存在折射率(RI)失配区域。该区域可形成可见接缝，从而引入可引起衍射的附加清晰边缘边界。在本公开中，术语“接缝”用于限定棱镜的结合点，该结合点可包括此类潜在RI失配区域。PBS接缝处的光衍射可导致屏幕上的图像垂直拖尾，其在一些观看条件下可由观察者容易地观察到。衍射还可在整个电影屏幕上引起可见的水平成带，例如，取决于输入光源，其可以呈现为深灰色条带或彩色条带。这些效果对于大多数3D观看者而言是视觉障碍，并且可能需要一种解决方案来极大抑制或消除屏幕上的可见度。

本文公开了一种解决方案来在很大程度上抑制在PBS的接缝处产生的单向图像拖尾和成带。所公开的解决方案可在组装过程中实现，并且可抑制由分割输入图像光引起的固有衍射。此外，由于例如PBS涂层厚度的变化突然、PBS涂层覆盖不完全和/或PBS组件内的顶部棱镜和底部棱镜之间的空间太大，棱镜接缝处的较差的折射率匹配可能引起衍射或使衍射恶化。

图1示出了利用数字影院投影仪110、以144Hz操作的偏振控制立体3D硬件单元120以及观看3D内容且位于投影系统下游的屏幕130的示例性顺序高分辨率3D系统100。在该示例性图示中，3D硬件是将图像输入光150分成右眼和左眼偏振态的三路系统，所述右眼和左眼偏振态被递送到屏幕130，被反射，然后用观看者的影院眼镜160解码。如果3D硬件单元120没有实现利用光学粘结工艺的PBS组件来改进和克服本文公开的PBS组件中的潜在缺陷，则观看者140可在屏幕130处观看到图像缺陷。

除了PBS组件之外，在一些实施方案中，硬件单元120包括以下中的至少一者：(1)至少一个反射构件，例如镜子，用于修改由PBS反射的光，以在图像形成表面诸如屏幕130上形成单个立体图像，(2)至少一个偏振调制器，用于调制由反射构件反射的光和通过PBS透射的光，以及(3)至少一个折射构件，用于折射光。

图2A示出了包括三个单独棱镜部件的PBS组件200。图2B示出了由该棱镜的给定角度组(A、B和C)和腿长度(a、b和c)限定的顶部棱镜225。可将PBS涂层诸如多层薄膜反射涂层或线栅薄膜金属沉积在由腿(a)限定的表面上。棱镜225的腿(a)可以是使用折射率匹配的光学透明粘合剂光学粘结到棱镜250的腿(b)的表面。图2C示出了由该棱镜的给定角度组(A、B和C)和腿长度(a、b和c)限定的中心棱镜250。图2D示出了由给定角度组(A、B和C)和腿长度(a、b和c)限定的底部棱镜275，该给定角度组和腿长度可等于棱镜225的给定角度组和腿长度。可将PBS涂层沉积在由腿(a)限定的表面上。棱镜275的腿(a)可以是使用折射率匹配的光学透明粘合剂光学粘结到棱镜250的腿(c)的表面。该PBS设计可以用于立体3D硬件图像和视频生成，并且可以结合在全球的电影院中。

图3示出了包括具有高度320、长度330和厚度340的玻璃的示例性平面化板300。玻璃可以是任何光学级玻璃；然而，Schott BK7或同等材料可能是优选的，因为其具有极高的透射率，并且能够接受精密抛光，从而产生非常高水平的表面平整度。可将多层薄膜低反射率抗反射(AR)涂层310沉积在平面化板的至少一侧上，以使投影透镜的界面处的反射最小化。

图4A示出了包括三个单独棱镜部件225、250、275和平面化板300的示例性PBS组件400的剖视图。平面化板300可围绕输入表面居中。平面化板300的尺寸可以根据系统设计和组装考虑而改变。图4B示出了在入射平面化板300和棱镜组225、250、275的界面处的粘结棱镜组的三个边缘的接缝410的位置的剖视图。这是可能发生光衍射的位置，从而在屏幕上产生观看者可以观察到的难看的图像缺陷。图4C示出了PBS组件400的接缝410的位置的剖面放大视图。

图5示出了完全组装的示例性PBS 500的接缝，其还包括接缝的放大视图510。在该示例中，放大视图510示出了由深灰色区域530界定的浅灰色区域520，其中清晰边界限定窄的RI失配区域。该窄区域的宽度可以在PBS500上变化，这可以直接导致在屏幕上观察到的散射水平增加或减少。

图像分割可导致在接缝处发生光衍射。接缝处的RI失配可导致围绕失配边界的附加光衍射。所得的屏幕上图像缺陷可被称为“图像耀斑”或散射。“图像耀斑”可被定义为在图像的中心上方和下方扩散地投射或拖尾的垂直重影图像。“图像耀斑”的可见度可与RI失配区域的尺寸(宽度)直接相关。例如，如果平行于PBS输入接缝延伸的RI失配区域较窄，则可最小化屏幕上观察到的“图像耀斑”。同样，如果平行于PBS输入接缝延伸的RI失配区域较宽，则可最大化屏幕上观察到的“图像耀斑”。“图像耀斑”的可见度可以取决于其他因素。例如，在高动态范围(HDR)影院设置中，“图像耀斑”可以变得更加可见。可更容易地观察到“图像耀斑”的另一个示例是在使用高对比度投影透镜时。对于高对比度内容，“图像耀斑”也可更突出。高对比度内容的一个示例是黑色背景上的白色文本。

图6示出了包括三光束3D偏振转换硬件620的示例性3D投影系统600，其中屏幕630上衍射成带效果660可由来自PBS接缝的衍射引起。PBS可位于3D硬件单元620内。成带660的严重性可例如受到PBS接缝特性、3D硬件620定位、投影仪610类型、投影仪透镜、投影仪光源、投影仪光亮度、投射比、投影仪内容650、影院条件和其他变量的影响。当投影高对比度图像时，缺陷可见度可能更严重。同样，源类型可以对观察到的成带660添加视觉改变。例如，氙灯可导致屏幕上成带呈现为深灰色至浅灰色过渡，而红色、绿色、蓝色激光源可导致屏幕上彩色成带过渡。由于许多贡献变量，由接缝处的光衍射引起的所得屏幕上成带可以在视觉上看起来不同。

图7示出了当垂直于屏幕观看时“图像耀斑”出现在屏幕700上时的示例。在该示例中，由黑色背景上的白色方块组成的高对比度内容正在HDR设置中显示。在投影系统设置内，3D硬件可被定位成使得白色方块水平地居中于PBS的接缝的中心。“图像耀斑”的严重性可取决于先前讨论的单独路径和其他贡献因素的贡献。图7示出了在远离观察到的左侧白色方块、中心白色方块和右侧白色方块的顶部位置和底部位置中“图像耀斑”的不同严重性。图7中观察到的“图像耀斑”可直接由PBS的输入接缝界面处的光衍射引起。

抑制在接缝处产生的衍射可能需要适当组装包括PBS的三个棱镜以及与接缝对准的细线几何形状衍射元件。可将该衍射元件添加到平面化板上，在该平面化板中，该细线几何形状衍射元件可以与PBS接缝很好地对准。该几何形状被设计成掩蔽由于PBS接缝和由上下路径分光引起的固有衍射而产生的“图像耀斑”的可见度。

关于组装三个棱镜，首先棱镜涂层应完全覆盖棱镜表面。薄膜涂覆工艺可能需要将玻璃表面保持或固定在涂覆室中，并且可能需要特殊掩模来控制薄膜涂层的放置。还可能发生涂层边缘效应；例如，芯片和圆齿状边缘可能通过在此类边缘效应位置处导致涂层不均匀而影响薄膜涂层。这些是可能导致玻璃表面上的涂层覆盖不完全或不充分的涂覆工艺细节的示例。可能需要全覆盖涂层才能确保组件内的适当折射率匹配。

其次，保持棱镜上的精确边缘也很重要。形成接缝的边缘上的缺陷可能由抛光误差、处理损坏、金字塔形缺陷和圆形边缘引起。

如果选择具有全涂层覆盖和精确边缘的棱镜用于PBS的组装，则应使用薄的光学粘结粘合剂层以精确的方式将它们配合在一起。在组装期间，涂覆的棱柱边缘之间不应存在空间。在组装和粘合剂固化期间，可能需要关键的夹具来维持和保持各个棱镜的正确对准。

本文公开的抑制衍射的方法可利用放置在PBS的中心输入处并且与PBS接缝对准的控制良好且尺寸合适的几何形状。对熟悉相关领域的人来说显而易见的是，存在具有几何形状的多个表面。几何形状可能位于的可能表面的示例是PBS的入射表面、平面化板的粘结表面以及平面化板的入射表面。该方法可提供可以容易地在现有PBS组装工艺中实现的解决方案。优选地，几何形状靠近接缝定位。

衍射是由光路中的障碍物、边缘和开口引起的光波的扩散。因为光作为波传播，所以它在通过边缘后扩散。边缘边界特性可确定光散射的方向性。就线性清晰限定的边缘在水平取向上而言(如PBS的情况)，光波将在垂直方向上散射。人眼在检测直线和线性特征方面相当有效。在PBS接缝处产生的散射的单向性质在观看者观看的屏幕上特别明显。本文公开的解决方案有意引入在随机方向上对散射进行重新引导的衍射元件。在可抑制衍射的几何形状的设计中具有考虑因素。这些考虑因素包括但不限于几何形状材料、几何形状涂层厚度、几何形状尺寸、边缘特征频率、边缘特征相、边缘轮廓、边缘特征频率和振幅变化以及几何形状宽度与边缘轮廓比。材料设计可以是不透明的、半不透明的或透明的，并且可以具有平滑或粗糙的表面且包括漫射器型元件。

边缘几何形状是控制散射的主要变量。边缘几何形状的目标是在许多方向上均匀地散射光，以抑制由清晰的线性边缘边界引起的方向性。可以被视为边缘形状的示例包括但不限于锯齿、偏移锯齿、正弦波、偏移正弦波、方波、偏移方波、阶梯式方波、不同取向和间距的单独线、不同取向和间距的单独圆或椭圆、重叠几何形状、梯度特征以及具有高斯型透射分布的线性梯度特征。

在图3以及图4A至图4C中的平面化板300的示例中，粘结表面390可以是用于定位几何形状的优选表面。平面化板的主要功能是控制波前畸变。出于多种原因，板的粘结表面390可以是优选的位置。与组装好的PBS相比，平面化玻璃的成本低得多且使用风险低得多。平面化板可小而薄且重量轻，这使其易于处理。与大而重、体积大且成本高的组装好的PBS相比，在小而薄且重量轻的平面化板玻璃上添加特征可能更简单。可如何添加几何形状的一个示例是通过利用金属玻璃光刻，其中金属几何形状被图案化且被蚀刻。重要的是，几何形状尽可能靠近PBS接缝，以最小化特征和接缝之间的间隔，从而在同一特殊位置实现掩蔽和光散射控制。这就是为什么最接近接缝的粘结表面可能是优选的另一个原因。然而，在一些实施方案中，几何特征结构可不靠近接缝定位。

所公开的粘结方法可包括改性平面化板。例如，可使用光刻方法来处理玻璃板的粘结表面侧。光刻处理可以利用上文定义的任何单个或组合几何形状示例，或者可使用被确定为有效的其他几何形状。板的未处理表面可以接收薄膜抗反射涂层，以在光进入PBS时最小化输入反射。例如，在完成光刻工艺后，板可在板的长轴的中心处产生铬或氧化铬特征。被设计成沿其边缘均匀地散射或漫射光的该特征然后可在粘结工艺期间与PBS接缝对准，以将平面化板附接到PBS。

图8示出了衍射元件中可抑制PBS接缝衍射的几何形状的示意性示例的绘图800。在确定与投影仪透镜光瞳尺寸和到屏幕的投影距离有关的特征高度(h)时需要仔细。该特征有至少两个目的。第一个目的是完全或部分地掩蔽PBS的接缝区域，第二个目的是有意地以均匀且控制良好的方式在接缝区域周围散射光。然而，如果该特征相对于光瞳尺寸变得过大，则被阻挡的光的量可能在屏幕上显示为暗带。在相关领域中众所周知的是，直线以单向方式衍射光，并且清晰点定向地集中散射。由于这些原因，可避免线性边缘和锐角。在图8中，示例2示出具有线性边缘和锐角的几何形状，并且示例3示出具有柔软边缘和圆形点的几何形状。示例6和示例7示出了与示例2和示例3类似的关系。示例5示出了梯度几何形状，其中该几何形状的最中心区域产生最小的透光量，并且中心区域的顶部边界和底部边界开始光透射逐渐增加的位置。示例5还可以被描述为中性密度梯度(其中中心区域阻挡高百分比的光)，并且远离中心区域移动，梯度从高百分比的光阻挡过渡到低百分比的光阻挡。

图9示出了由线性特征910和正弦特征920引起的示例性衍射行为。示例1中所示的线性特征910的散射是单向的，并且导致明显的“图像耀斑”以及屏幕上的衍射成带。示例2示出了弯曲的正弦曲线特征920的散射是随机的，并且导致漫射均匀光的行为。示例2中的光散射对于观看者来说不太明显，并且可在屏幕上抑制衍射成带。

图10示出了由水平线性特征1010、竖直线性特征1020、正弦特征1030和线性边缘清晰点特征1040产生的示例性屏幕上光行为。这些图示出了通过漫射或随机化衍射的单向衍射和均匀散射之间的差异。除此之外，有益的光衰减由于阻碍特征而存在，这也降低了屏幕上散射的亮度。

图11示意性地示出了正弦掩模1100。在该图示中，将正弦几何形状图案化到平面化板的中心上。在PBS组装过程中，平面化板上的正弦几何形状可在微观上与PBS入射处的接缝对准。在该示例中，正弦几何形状完全覆盖接缝，并且光衍射变得随机化并以受控方式从几何形状的正弦波边缘散射。

图12示出了通过利用所公开的PBS粘结工艺获得的屏幕上“图像耀斑”抑制的示例1200。几何形状设计使散射随机化，以产生均匀的光喷洒并且围绕对观看者很不明显的投影图像重叠。除此之外，有益的光衰减由于阻碍特征而存在，这也降低了屏幕上散射的亮度。

图13示出了PBS接缝的效果的示例1300。在屏幕上观察到的所得衍射图案宽度由于与源的距离有关，因此可以被描述为由线性阻碍特征引起的屏幕上衍射/散射的尺寸，并且可以由下式表示：D＝FASradians×T，其中FAS是全角度扩散，并且T是从光瞳(p)1310到屏幕1330的距离1320。这里，FAS由与光的波长(λ)相关的特征阻碍尺寸(σ)导出。例如，如果σ等于0.050mm，则p等于25mm，λ等于0.0005mm，并且T等于12,200mm；因此，D等于122mm。

图14是可以用作抑制由PBS接缝引起的单向衍射的方法的几何特征的图案的示例的绘图1400。应考虑使设计的特征布局有效地产生适当量的受控散射，以抑制在PBS接缝处产生的观察到的散射。如果几何尺寸变大，则可能存在阈值，其中被阻挡的光的区域在屏幕上变得可见并且可表现为暗带。理想地，几何形状应足够大，以便以与PBS接缝宽度成比例的重叠比来覆盖或掩蔽接缝。图14示出了这些关系的两个示例。示例1可被称为开放图案，其中与接缝对准的几何形状不完全覆盖接缝并且包含空间节距。示例2可被称为封闭图案，其中存在线性几何形状完全覆盖接缝并且线性边界被设计成均匀地控制和散射光的实心图案。关于几何尺寸或线性边界设计，由这些元件引起的衍射可随着尺寸和/或节距减小而增大。几何关系的一阶通过可以在示例1和示例2中通过以下定义表示：其中，h～p/100，s～0.001T/Dmm，并且d为s/4<d<s/2，并且d’为～≤2d。这里，h是总几何宽度，s是几何形状之间的节距，d是要与接缝对准的最中心几何形状的宽度，并且d'是均匀地散射光以抑制由接缝引起的衍射的特征或边界的尺寸。例如，使用来自对上图13的描述的D、T和p值，则h为约～0.250mm，s为0.100mm，d为0.050mm，并且d’为0.025-0.050mm。在图14中，示例2、3和4示出了给定特征的空间尺寸/振幅(d、d’)和节距/频率(s)的不同构型。这些特征关系可直接影响几何形状解决方案用于单向散射的有效性。

虽然上文描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但应理解，这些实施方案仅以举例的方式示出，而并非进行限制。因此，本公开的广度和范围不应受到上述任何示例性实施方案的限制，而应该仅根据本公开发布的任何权利要求及其等同物来限定。另外，所描述的实施方案中提供了上述优点和特征结构，但不应将发布的这些权利要求的应用限于实现任何或全部上述优点的方法和结构。

除此之外，本文章节标题是为符合37CFR 1.77的建议而提供，或者用于提供组织线索。这些标题不应限制或表征可产生于本公开的任何权利要求中所列出的一个或多个实施方案。具体来说并且以举例的方式，虽然标题是指“技术领域”，但权利要求书不应受到在该标题下选择用于描述所谓的领域的语言的限制。另外，“背景技术”中对技术的描述不应被理解为承认某些技术对本公开中的任何一个或多个实施方案而言是现有技术。“发明内容”也并非要被视为是对发布的权利要求书中所述的一个或多个实施方案的表征。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应用于辩称在本公开中仅有单一新颖点。可根据产生于本公开的多项权利要求的限制来阐述多个实施方案，并且此类权利要求因此限定由其保护的一个或多个实施方案及其等同物。在所有情况下，应根据本公开基于所述权利要求书本身的特点来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。