專利名稱：圖象投影裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖象投影裝置，該裝置包括產(chǎn)生第一光束的光源;設(shè)置在第一光束路徑中并具有至少一個(gè)用于產(chǎn)生待投影圖象的圖象顯示板的反射圖象顯示系統(tǒng);設(shè)置在由圖象顯示系統(tǒng)產(chǎn)生的第二光束的路徑中的投影透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于把由圖象顯示系統(tǒng)產(chǎn)生的圖象投射在投影屏上。
應(yīng)當(dāng)從普遍意義上理解圖象投影裝置這一概念，該裝置包括用于顯示諸如電視圖象、圖形圖象、數(shù)字信息或它們的組合的裝置。所述圖象既可以是黑白圖象、也可以是彩色圖象。在后一種情況下，顯示系統(tǒng)可以具有與例如紅、綠和蘭三基色對應(yīng)的三個(gè)彩色通道，每個(gè)通道包含顯示板。應(yīng)當(dāng)把黑白圖象理解為僅有一種顏色的圖象，該顏色原則上對應(yīng)于一定的波長、而實(shí)際上對應(yīng)于在該給定的中心波長前后的波長帶。可以用通常所謂單色光束(該光束含有中心波長，也可能含有圍繞中心波長的波長帶)來產(chǎn)生這種圖象。投影屏可以構(gòu)成該裝置的一部分并安裝在該裝置一側(cè)的終端。另一種可能的方式是該顯示屏安裝在離開所述裝置一定距離處，并且，由例如具有適當(dāng)反射作用的壁構(gòu)成。
歐洲專利申請第0，166，194號(hào)公開了一種圖象投影裝置，該裝置包括具有設(shè)置在兩塊電極板之間的液晶材料層的反射圖象顯示板。用液晶顯示的縮寫詞LCD來標(biāo)記該圖象顯示板。在應(yīng)用反射圖象顯示板時(shí)，必須保證由該顯示板反射的第二光束在空間上離開由輻射源產(chǎn)生的第一光束足夠遠(yuǎn)，以便保證設(shè)置在第二光束路徑中的投影透鏡裝置不會(huì)同時(shí)截取第一光束的一部分。為此，在歐洲專利申請第0，166，194所公開的裝置中，第一光束的主光線以非90°的預(yù)定角度投射到所述圖象顯示板上，該預(yù)定角度指的是相對于該顯示板法線的入射角。于是，第二光束的主光線以同樣大但反向的角度反射，以致第一和第二光束的主光線具有不同的方向，并且，構(gòu)成兩倍于入射角的角度。為了使第一和第二光線充分隔離，入射角必須比較大。但是，通常希望(尤其在應(yīng)用LCD板時(shí))第一光束的入射角最好是零和不大于幾度。因此，只有在離圖象顯示板較遠(yuǎn)處才出現(xiàn)兩光束的完全分離，以致圖象投影裝置必須比較長。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有緊湊結(jié)構(gòu)的圖象投影裝置，同時(shí)，第一光束在顯示板上的入射角仍然很小。為此，本發(fā)明的裝置具有如下特征一方面，在光源和圖象顯示裝置之間，另一方面，在該裝置與投影透鏡系統(tǒng)之間，提供從第一媒質(zhì)到第二媒質(zhì)的分束過渡段，這些媒質(zhì)具有不同折射率，所述過渡段是這樣設(shè)置的使得第一和第二光束之一被該過渡段全反射，而另一光束透過該過渡段。
在第一和第二光束的主光線之間具有小夾角的情況下，所述過渡段也產(chǎn)生這些主光線之間(因而，這些光束之間)的深度隔離，因此，可以將投影透鏡系統(tǒng)設(shè)置在比較靠近所述過渡段的地方。
原則上，兩種透明媒質(zhì)之間的任何過渡段都可以用作所述過渡段，只要這些媒質(zhì)的折射率足夠大。但是，該裝置最好還具有如下特征所述分束過渡段是由空氣和透明媒質(zhì)之間的界面構(gòu)成的。
該最佳實(shí)施例還具有如下特征該分束過渡段包含在由兩個(gè)透明棱鏡構(gòu)成的棱鏡系統(tǒng)中的在這些棱鏡的兩個(gè)相對的表面之間的空氣層。
因?yàn)樵撨^渡段被包圍在棱鏡系統(tǒng)中，所以，它得到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)而免于污染和損壞。復(fù)合棱鏡的第一光束入射面和第二光束出射面分別相對于第一光束主軸和第二光束主軸而具有與圖象顯示板相同的取向，因此，能夠以最簡單的可行的方式校正光學(xué)象差。
在圖象投影裝置的實(shí)施例中，圖象顯示系統(tǒng)按照圖象信息調(diào)制第二光束的偏振方向，因而，可利用的光線得到最佳利用。該實(shí)施例還具有如下特征一方面，在從光源到分束過渡段的光路中，另一方面，在從該過渡段到投影透鏡系統(tǒng)的光路中，設(shè)置偏振靈敏分束器，用于把由光源產(chǎn)生的光束分成兩束相互垂直偏振的分光束，這些分光束都投射到圖象顯示系統(tǒng)上，該分束器還用于在用圖象信息調(diào)制這兩束分光束之后，重新組合這兩束分光束。
在包括偏振旋轉(zhuǎn)顯示板的更普通的圖象投影裝置中，僅將具有給定的第一偏振方向的光線傳送到這些顯示板，而在本發(fā)明的裝置的上述實(shí)施例中，具有垂直于第一偏振方向的第二偏振方向的光線(這樣，基本上來自光源的全部光線)都被圖象信息所調(diào)制，從而，可利用的光線得到最佳利用。
應(yīng)當(dāng)指出，本質(zhì)上說，從美國專利4127322已經(jīng)知道為了增加光通量，可以用相同的圖象信息調(diào)制由同一光源產(chǎn)生的兩束相互垂直偏振的光束，此后，將這些光束重新組合。在先有技術(shù)裝置中，用單獨(dú)的圖象顯示板調(diào)制每束光束，因而，所需要的顯示板的數(shù)目是本發(fā)明裝置中的兩倍。此外，在先有技術(shù)裝置中，用偏振靈敏分束器、而不是用具有基于內(nèi)部全反射的工作方式的元件，將已調(diào)制的第二光束與未調(diào)制的第一光束分開。
本發(fā)明圖象投影裝置的在實(shí)用上重要的實(shí)施例具有如下特征所述圖象顯示系統(tǒng)是包括選色元件和復(fù)合圖象顯示板的彩色圖象顯示系統(tǒng)，該顯示板的象素分成若干組，每個(gè)象素組產(chǎn)生具有預(yù)定顏色的分圖象，所述預(yù)定顏色對應(yīng)于屬于相關(guān)象素組的選色元件的顏色。
該彩色圖象顯示系統(tǒng)還可以具有如下特征所述選色元件由許多選色分束器構(gòu)成，該分束器用于把光束分成具有不同顏色的三束單色分光束，并且，用于把由單色圖象信息調(diào)制的分光束組合成用彩色圖象信息調(diào)制的光束;所述系統(tǒng)還具有如下特征在每束分光束的光路中設(shè)置單獨(dú)的圖象顯示板，該單獨(dú)的圖象顯示板的全體象素構(gòu)成所述各象素組中的一組。
另一方面，該實(shí)施例還可以具有如下特征(1)所述彩色顯示系統(tǒng)包括一塊圖象顯示板，該板的象素排列成若干組，每組產(chǎn)生具有給定顏色的分圖象，以及(2)為每個(gè)象素提供濾色片，該濾色片僅讓具有一定顏色的光線透過，所述顏色與由相關(guān)象素所處的象素組產(chǎn)生的分圖象的顏色一致。
具有所述另一種特征的實(shí)施例具有如下優(yōu)點(diǎn)所述彩色圖象投影裝置包括最少光學(xué)元件，并且，具有特別緊湊的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的彩色圖象投影裝置具有如下特征(1)由發(fā)射相應(yīng)數(shù)目的單色光束的多個(gè)單色光源構(gòu)成所述光源，所述單色光源構(gòu)成獨(dú)立的彩色通道的一部分，在各通道中設(shè)置單色反射圖象顯示板和分束過渡段，(2)在投影透鏡系統(tǒng)之前設(shè)置選色元件系統(tǒng)，用于把由單色圖象信息調(diào)制的光束組合成一種用彩色圖象信息調(diào)制的光束。
下面將參考附圖，通過實(shí)例，更詳細(xì)地說明本發(fā)明。


圖1示出圖象投影裝置的第一實(shí)施例，圖2、3示出彩色圖象投影裝置的實(shí)施例，圖4示出圖象投影裝置的另一實(shí)施例，圖5示出圖4實(shí)施例的彩色圖象投影裝置，圖6示出用于該投影裝置的偏振敏感分束器的實(shí)施例，以及圖7示出具有三個(gè)光源的彩色圖象投影裝置的實(shí)施例。
圖1中，標(biāo)號(hào)1表示照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輻射源2(例如，金屬鹵化物燈)和聚光系統(tǒng)3(雖然該系統(tǒng)可以包括多個(gè)透鏡和/或反射鏡，但圖中以單透鏡示意地表示該聚光系統(tǒng))。所述照明系統(tǒng)產(chǎn)生光束b1，該光束投射到圖象顯示板10。舉例來說，該板是液晶板(即，LCD)。這種液晶板包括夾在兩塊板11和12之間的液晶材料層13(例如，向列型液晶材料層)。板11是透明的(例如，是由玻璃制成的)，而板12可以隨意是透明的或反射的。板11和12各自備有控制電極14，15;電極14是透明的。板11和12各自備有控制電極14，15;電極14是透明的;當(dāng)使用玻璃板12時(shí)，電極15是反射的，而當(dāng)使用反射板12時(shí)，電極15可以是透明的。這些電極可以分成大量的行和列，從而，在顯示板上限定大量的象素。然后，可以通過激勵(lì)矩陣電極來控制不同象素，如用激勵(lì)引線16和17示意地表示的那樣。這樣，就能夠在所需位置上，加上橫過液晶材料的電場。該電場引起材料13的有效折射率的變化，從而，根據(jù)在相關(guān)象素的區(qū)域中存在或不存在局部電場，穿過給定象素的光線將發(fā)生偏振方向的旋轉(zhuǎn)或不發(fā)生偏振方向的旋轉(zhuǎn)。
也可以使用有源控制圖象顯示板來代替這種所謂的無源控制顯示板。在有源控制圖象顯示板的情況下，襯板之一備有電極，而另一塊板備有半導(dǎo)體激勵(lì)線路。在這種情況下，每個(gè)象素由它自己的控制元件(例如，薄膜晶體管)所激勵(lì)。
例如，在歐洲專利申請第0，266，184號(hào)中描述了兩種類型的直接激勵(lì)的圖象顯示板。
該圖象顯示板也可以是更復(fù)雜的系統(tǒng)(例如，美國專利4，127，322中所描述的一種系統(tǒng))的一部分。在該系統(tǒng)中，利用陰極射線管產(chǎn)生圖象。該管子發(fā)射的光線投射到光電導(dǎo)層上，按照陰極射線管上的圖象在該層中產(chǎn)生電荷圖案。這導(dǎo)致形成橫過液晶材料層的電場(該層存在于光電導(dǎo)層和第二反向電極之間)，該電場也與陰極射線管上的圖象一致。該變化的電場引起液晶層中雙折射的變化，從而，在投射到該層的投影光束中，引起偏振方向旋轉(zhuǎn)的局部差別。為了滿足工作要求，該系統(tǒng)必須備有多個(gè)附加層。美國專利4，127，322中公開的裝置是為更專門的應(yīng)用設(shè)計(jì)的。
在利用具有液晶材料層的顯示板進(jìn)行圖象投影時(shí)，投射到該板上的光束必須是偏振的，最好是線偏振的。但是，輻射源2一般輻射非偏振光。利用偏振器4，可以從該光線上選出具有所需偏振方向的線偏振分量。在由圖象顯示板反射的光束b2的光路上設(shè)置檢偏器，例如，該檢偏器的偏振方向?qū)嶋H上平行于偏振器4的偏振方向。這使來源于被激勵(lì)的象素(該象素不改變光束的偏振方向)的光線經(jīng)過所述檢偏器向投影透鏡系統(tǒng)20傳輸。來源于非激勵(lì)象素的光線(這些象素使光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°)被所述檢偏器阻擋。檢偏器9把光束的偏振調(diào)制變成強(qiáng)度調(diào)制。投影透鏡系統(tǒng)20(圖中以一個(gè)單透鏡元件示意地示出)把顯示板10顯示在投影屏30上。該投影屏和透鏡系統(tǒng)20之間的光路長度是比較長的。為了限制該裝置的尺寸，可以借助反射鏡折疊投影透鏡系統(tǒng)20和投影屏30之間的光路。
在上述實(shí)施例中，其兩端未加電場的象素以黑點(diǎn)的形式顯示在投影屏30上。另一種方法是，可以這樣控制象素(即，在其兩端加上這樣的場強(qiáng))，以致入射的線偏振方向不旋轉(zhuǎn)90°，而是把該線偏振光變換成橢園偏振光。該光線的一部分傳送到投影屏，而剩余的部分被阻擋。因此，相關(guān)的象素不是以黑象素或以白象素顯示在投影屏上，而是以灰象素顯示在投影屏上，其灰度是可調(diào)的。
原則上，具有液晶顯示板的圖象投影裝置用園偏振或橢園偏振光、而不用線偏振光也能夠工作。此時(shí)，圖象顯示板會(huì)輕微改變園偏振光的旋轉(zhuǎn)方向或者橢園偏振光的橢園軸的比值。最后，必須用附加的偏振裝置，把所述光線變成線偏振光，并且，把所述變化變成線偏振光的偏振方向的變化。
如果利用其激勵(lì)狀態(tài)的象素使偏振方向旋轉(zhuǎn)而非激勵(lì)狀態(tài)的象素不再使偏振方向旋轉(zhuǎn)的圖象顯示系統(tǒng)，那么，可以應(yīng)用附加的液晶材料層，該附加層與圖象顯示板10相連、并使整個(gè)光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，從而，投影屏上的圖象與在裝置中形成的圖象具有相同的極性，所述裝置具有其激勵(lì)狀態(tài)的象素不改變偏振方向的圖象顯示板。
在處于激勵(lì)狀態(tài)的象素不改變偏振方向的裝置中，如果還希望使這些象素以黑象素的形式出現(xiàn)在投影屏上(例如，為了增加對比度，或者，減小裝置的色相關(guān)性，或者，提高顯示板的開關(guān)速率)，那么，還可以使用圖1中用標(biāo)號(hào)18表示的附加偏振旋轉(zhuǎn)器。
另一種方法是，可以用入/4板(其中，入是投影光線的波長)代替液晶材料層作為附加的偏振旋轉(zhuǎn)器18。該偏振旋轉(zhuǎn)器也可以用于下面將描述的實(shí)施例中。
圖1僅僅示出光束b1和b2的主光線。但是，這些光束具有一定的寬度，以致覆蓋整個(gè)圖象顯示板10。投影透鏡系統(tǒng)20僅能匯集來自光束b2的光線而不能匯集來自光束b1的光線。為了在不需要該系統(tǒng)和圖象顯示板之間的大距離的條件下實(shí)現(xiàn)光束b1和b2在投影透鏡系統(tǒng)區(qū)域中的滿足要求的隔離，根據(jù)本發(fā)明，使用具有復(fù)合棱鏡系統(tǒng)5的形式的與角度相關(guān)的分束器。該系統(tǒng)包括玻璃或合成樹脂制成的兩個(gè)透明棱鏡6和7，這兩個(gè)棱鏡之間有空氣層8。因?yàn)槔忡R材料的折射率nm(例如，nm＝1.5)超過空氣的折射率n1(n1＝1)，所以，入射到棱鏡和空氣的界面上的光束將以大于或等于通稱為臨界角θg的角度θi全反射，關(guān)于θg，下式成立Sin θg =n1nm]]>當(dāng)光束以小于臨界角的角度入射到所述界面上時(shí)，該光束全透射。在圖1的實(shí)施例中。已經(jīng)這樣選擇棱鏡6和7的折射率和空氣層8的取向，以致由光源產(chǎn)生的光束b1被界面6、8朝著顯示板10全反射，而由該顯示板產(chǎn)生的光束b2全部透過該界面。因此，光束b1和b2各自在該界面上的入射角分別大于或小于臨界角。
該棱鏡系統(tǒng)使光束b2的主光線與光束b1的主光線構(gòu)成大的角度，該角度可以接近90°。因此，可以把投影透鏡系統(tǒng)20放在顯示板10附近適當(dāng)?shù)奈恢蒙希灾略搱D象投影裝置的長度能夠顯著小于沒有該棱鏡系統(tǒng)的長度。
另一種方法是，以如下方式選擇界面6、8相對于光束b1和b2方向的取向，即，使光束b1向顯示板10透射(此時(shí)，該板位于棱鏡系統(tǒng)的下面)、而使光束b2向投影透鏡系統(tǒng)20反射。在彩色光束投影的情況下，這后一種構(gòu)形提供如下優(yōu)點(diǎn)在已調(diào)制的光束b2中出現(xiàn)較小的色差。
如果要投影彩色圖象，那么，可以用復(fù)合圖象顯示系統(tǒng)代替具有一個(gè)圖象顯示板的圖象顯示系統(tǒng)，例如，該復(fù)合系統(tǒng)包括三個(gè)圖象顯示板和許多選色分束器。圖2示出這種復(fù)合圖象顯示系統(tǒng)的實(shí)施例。
在該實(shí)施例中，借助于由兩個(gè)二向色反射鏡41和42構(gòu)成的所謂二向色+字架40來實(shí)現(xiàn)色分離。被界面6、8反射的光束b1入射到第一個(gè)二向色反射鏡41上，例如，該反射鏡反射蘭光。該蘭色分量入射到顯示板50上，在該顯示板中產(chǎn)生蘭色分圖象，而顯示板50又把由該蘭色圖象信息調(diào)制的光束b2，b反射到二向色十字架40。透過二向色反射鏡41并含有紅色和綠色分量的光束入射到第二個(gè)二向色反射鏡42上，該反射鏡把紅色分量b1，r反射到顯示板60。在該板中產(chǎn)生紅色分圖象。由該紅色圖象信息調(diào)制的光束b2，r反射到二向色十字架40。透過反射鏡42的光束分量b1，g被綠色圖象顯示板10調(diào)制，然后，以光束分量b2，g的形式反射到二向色十字架40。因?yàn)?，二向色反射鏡41、42再次反射返回的光束分量b2，b和b2，r，并且，使光束分量b2，g透射，所以，這些光束分量組合成由彩色圖象信息調(diào)制的一束光束b2。
圖3示出彩色圖象投影裝置的另一個(gè)實(shí)施例，其中，使由光源產(chǎn)生的光束b1出現(xiàn)全反射的空氣層不是被包圍在兩個(gè)棱鏡之間。該實(shí)施例包括棱鏡系統(tǒng)70，借助該系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)光束隔離，又實(shí)現(xiàn)色分離和色組合。系統(tǒng)70由三個(gè)棱鏡71、72和73構(gòu)成，第一空氣層75存在于棱鏡71和72之間，而空氣層76存在于棱鏡72和73之間。棱鏡72涂有第一二向色層77，而棱鏡73涂有第二二向色層78。
由光源2產(chǎn)生的光束b1經(jīng)由平面81進(jìn)入棱鏡71，然后，入射到該棱鏡材料(例如，玻璃)和空氣之間的界面80上。該入射角θi超過臨界角，所以，光束b1被全反射。因?yàn)?，在從棱鏡材料72到空氣的界面上的入射角小于臨界角，所以，該光束穿過空氣層75。此后，光束b1入射到二向色層77(例如，反射蘭色分量b1，b的二向色層)上。該光束分量以大于臨界角的角度入射到棱鏡72和空氣層75的界面上，因而被全反射到蘭色顯示板50上。由蘭色圖象信息調(diào)制的光束分量b2，b從空氣層75全反射到二向色層77，后者把該光束分量反射到投影透鏡系統(tǒng)20。被二向色層78反射的紅色光束分b2，r從空氣層76全反射到紅色圖象顯示板60。由該紅色圖象信息調(diào)制的光束分量b2，r首先從空氣層76全反射，然后被二向色層78反射，再與綠色光束分量b2，g組合。這些光束分量在二向色層76與蘭色光束分量b2，b組合，從而，得到由彩色圖象信息調(diào)制的完整的光束b2。該光束以小于臨界角的角度入射到棱鏡71和空氣之間的界面80上，然后，射向投影透鏡系統(tǒng)20。
偏振器4和檢偏器9最好設(shè)置在棱鏡71的面80上，以便這些元件同時(shí)對三種彩色分量起作用，因而，不需要為每種彩色分量提供由這些元件構(gòu)成的單獨(dú)的系統(tǒng)，此外，也不需要用于元件4和9的單獨(dú)的支座。
此外，棱鏡元件82最好設(shè)置在棱鏡71的面80上?？梢员ＷC該棱鏡系統(tǒng)的入射平面81或出射平面83各自相對于第一和第二光束的主光線而分別具有和圖象顯示板相同的取向。就投影光束b1，b2而論，此時(shí)，棱鏡系統(tǒng)70相當(dāng)于雙平行平面的平板，因此，能夠以簡單的方法把投影光束的光學(xué)象差減至最小。
圖4說明圖象投影裝置的實(shí)施例，其中，非常有效地利用來自照明系統(tǒng)1的光線。由該光源產(chǎn)生的光束b1包括兩束具有相互垂直的偏振方向的光束分量b1′和b1″。光束b1入射到偏振靈敏分束器90上。該分束器可以由兩個(gè)透明棱鏡91和92構(gòu)成，在棱鏡91和92之間設(shè)置極化分離層93。層93反射光束分量b1′(該分量的偏振方向平行于入射平面，通常以P-分量表示該分量)而使分量b1″透射(該分量偏振方向在入射平面的橫斷方向上延伸，并且，該分量通稱為S-分量)。所述入射平面是由入射光束的主光線和平面93的法線構(gòu)成的平面。
被層93反射的束分量b1′又被反射器95反射到圖象顯示板10。由于該分量的入射角小于臨界角，所以，該分量穿過與角度有關(guān)的束隔離器5的空氣層8。由圖象信息調(diào)制并被反射的光束分量b2′以大于臨界角的角度入射到空氣層8上，因而被全反射到反射器96，后者又把分量b2′反射到偏振靈敏分束器90。層93把來自板10的被激勵(lì)的象素(這些象素不改變偏振方向)的光線反射到投影透鏡系統(tǒng)20。層93使來自未激勵(lì)的象素的光線透射到照明系統(tǒng)1。
反射器96把S偏振光束分量b1″反射到分束器5，該分量在分束器5中被全反射到圖象顯示板10，在那里由圖象信息調(diào)制并被反射，此后，穿過分束器5，最后被反射器95反射到偏振靈敏分束器90。該光束分量b2″的、來源于被激勵(lì)的象素的那些部分透射到投影透鏡系統(tǒng)。
分束器90確實(shí)不僅為形成兩束光束分量b1′和b1″創(chuàng)造了條件，而且，為在該分量被圖象顯示板調(diào)制之后把它們重新組合成一束光束b2創(chuàng)造了條件。此外，偏振靈敏分束器90還為把這些光束分量的偏振調(diào)制變換成這些分量的強(qiáng)度變化創(chuàng)造了條件。因此，該分束器還代替了偏振器和檢偏器，否則，必須在圖象顯示板前邊和后邊分別設(shè)置偏振器和檢偏器。由于分束器90的種種功能，所以，可以把圖4實(shí)施例中的元件個(gè)數(shù)限制在最小數(shù)目。
另一種方法是，圖4中所示實(shí)施例可以按類似于圖2所示的方法備有復(fù)合圖象顯示系統(tǒng)而不是單個(gè)圖象顯示板。圖4中用標(biāo)號(hào)40示意地表示圖2的二向色十字架40。
這里，也可以利用所謂色分離棱鏡系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)色分離。圖5說明如何把這種系統(tǒng)100排列成具有分別用于產(chǎn)生綠、蘭和紅色分圖象的反射圖象顯示板10、50和60的彩色圖象投影裝置。棱鏡系統(tǒng)100由以下元件構(gòu)成三個(gè)棱鏡101、102和103，設(shè)置在棱鏡101和102之間界面上的第一個(gè)二向色層104以及設(shè)置在棱鏡102和103之間界面上的第二個(gè)二向色層105。
二向色層104把蘭色光束分量b′1，b反射到棱鏡101的正面，該光束分量以這樣的角度射到空氣的界面上，以致該分量被反射到蘭色顯示板50。透過二向色層104的光線的綠色分量b′1，g射向綠色圖象顯示板10，而紅色分量b′1，r被反射到棱鏡102的正面。在該正面和二向色層104之間存在空氣層106。分光束分量b′1，r以這樣的角度入射到玻璃-空氣界面上，以致該分量被反射到紅色顯示板60。棱鏡系統(tǒng)100將光束b1′分成具有不同顏色的分光束分量，用類似的方法和同一個(gè)系統(tǒng)100，把分量b′2，b;b′2，g和b′2，r(在它們已經(jīng)被相關(guān)的顯示板50、10和60調(diào)制之后)重新組合成分光束b2′。偏振靈敏分束器棱鏡90把該分光束的偏振調(diào)制變換成強(qiáng)度調(diào)制。光束b1″(圖5中未示出)經(jīng)由和分光束b1′相同的路徑、但沿相反方向傳播。
在該圖象投影裝置中，可以按已知方式、用由兩個(gè)雙折射材料的膠合透鏡組成的渥拉斯頓(WOllaston)棱鏡來構(gòu)成所述偏振靈敏分束器，這兩個(gè)棱鏡的光軸是相互垂直的。另一種方法是，可以使用由雙折射材料制成的格蘭-湯姆孫(Glan-Thompson)棱鏡或者格蘭-泰勒(Glan-Taylor)棱鏡，其中，具有偏轉(zhuǎn)方向P或S之一的一束光束分量在棱鏡面受到內(nèi)部全反射，而另一分量未受到這種內(nèi)反射。由于用雙折射材料制作的緣故，上述兩種棱鏡以及Wollaston棱鏡是昂貴的。
因此，應(yīng)當(dāng)涉及圖6中所示的分束器在圖象投影裝置(更準(zhǔn)確地說，準(zhǔn)備用作消費(fèi)用途的圖象投影裝置)中的使用。分束器110由兩個(gè)，例如玻璃制的、帶有過渡層113的透明棱鏡111和112構(gòu)成。該過渡層由雙折射材料構(gòu)成，最好由可以表現(xiàn)高的雙折射的液晶材料制成。液晶材料的尋常折射率n0總是大體上等于1.5，而隨著過渡層113成分的變化，非尋常折射率ne的值可以在1.6和1.8之間。如果層113由液晶材料構(gòu)成，那么，棱鏡111和112備有所謂取向?qū)?14和115，后者確保層113的光軸垂直于圖平面。圖6中用園116表示該光軸。
入射到所述分束器上的光束b1具有兩個(gè)偏振分量，即，P-偏振分量和S-偏振分量。事先進(jìn)行測量以保證棱鏡材料的折射率等于層113的ne，例如，1.8。如果光束b1以超過或等于臨界角θg的入射角θi入射到層113上，那么，P-偏振光束分量受到沿箭頭117的方向的全反射，因?yàn)?，尋常折射率適用于該分量。對于S-偏振光束分量(其偏振方向沿著橫截入射平面的方向而延伸)來說，液晶材料的非常折射率適用，以致該分量在穿過所述分束器時(shí)看不到任何折射率差，因此，該分量沿著原來的方向穿過層113和棱鏡112。
因?yàn)橐壕Р牧峡梢跃哂写蟮恼凵渎什睢鱪＝ne-n0，所以，用這種材料做成的分束器110適合于大范圍的入射角。此外，可以保證隨著光束b1波長的變化，棱鏡材料的折射率和層113的折射率以相同的方式變化，因此，該分束器在大的波長范圍內(nèi)具有高的偏振效率。圖6的分束器的非常重要的優(yōu)點(diǎn)是由于不必使用昂貴的雙折射棱鏡材料并且生產(chǎn)方法比較簡單，所以，該分束器是便宜的。
棱鏡111和112不必是實(shí)心的，因此，另一種方法是，由玻璃(或其他透明材料)壁構(gòu)成這些棱鏡，在該壁中加入具有等于層113的ne的高折射率的透明液體或合成材料。這些壁必須具有和所述液體或合成樹脂材料相同的折射率，這樣，將不會(huì)表現(xiàn)出任何去偏振效應(yīng)。
分束器110也可以用于在分光束b1′和b2″已被反射圖象顯示板用圖象信息調(diào)制之后，把它們組合起來。
圖7以平面圖的形式示意地示出彩色圖象投影裝置，該裝置具有三個(gè)相應(yīng)于綠、蘭和紅三基色的彩色通道120、121和122。這些通道中的每一個(gè)包括單獨(dú)的輻射源，與角度有關(guān)的分束器和反射圖象顯示板。綠色通道中示出這些元件2、5和10。對于其他通道來說，相應(yīng)的元件排列成相同的樣式。由圖象信息調(diào)制的不同顏色的光束bg，bb和br被二向色十字架40或彩色組合棱鏡組成一束光束b，該光束經(jīng)由投影透鏡系統(tǒng)投射在顯示屏上。
另一種方法是，類似于圖4，圖7中所示裝置的彩色通道120、121和122中的每一個(gè)可以備有偏振靈敏分束器，以便產(chǎn)生兩束相互垂直偏振的光束，這些光束由相同的圖象信息調(diào)制、然后重新組合，因此，可利用的光線得到最佳利用。
美國專利4，239，346公開了一種可用于本發(fā)明裝置的直接控制的反射式LCD顯示板。
本發(fā)明的概念也適用于僅僅采用一塊顯示板的彩色圖象投影裝置中。該裝置可以具有和圖1及圖4中所示的相同的結(jié)構(gòu)，其中，用復(fù)合(即，彩色)顯示板代替單色板10。該彩色板包括大量象素，例如，其數(shù)目是單色板象素?cái)?shù)目的三倍。該彩色板的象素排列成三組，這些組產(chǎn)生紅色、綠色和蘭色圖象。每組的象素總疊加在投影屏上的象素上。每個(gè)象素的前面是單獨(dú)的濾色片，后者僅讓對應(yīng)于相關(guān)象素的、所需的顏色通過。
權(quán)利要求
1.一種圖象投影裝置，該裝置包括產(chǎn)生第一光束的光源，設(shè)置在第一光束路徑中并具有至少一個(gè)用于產(chǎn)生待投影圖象的圖象顯示板的反射圖象顯示系統(tǒng)，設(shè)置在由圖象顯示系統(tǒng)產(chǎn)生的第二光束的路徑中的投影透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)用于把由圖象顯示系統(tǒng)產(chǎn)生的圖象投射在投影屏上，其特征在于一方面，在光源和圖象顯示裝置之間，另一方面，在該裝置與投影透鏡系統(tǒng)之間，設(shè)置從第一媒質(zhì)到第二媒質(zhì)的分束過渡段，這些媒質(zhì)具有不同的折射率，所述過渡段是這樣設(shè)置的使得第一和第二光束之一被該過渡段全反射，而另一光束透過該過渡段。
2.權(quán)利要求1的圖象投影裝置，其特征在于所述分束過渡段由空氣和透明媒質(zhì)之間的界面構(gòu)成。
3.權(quán)利要求2的圖象投影裝置，其特征在于所述分束過渡段包含在由兩個(gè)透明棱鏡構(gòu)成的棱鏡系統(tǒng)中，在所述各棱鏡的兩個(gè)相對的表面之間有空氣層。
4.權(quán)利要求1、2或3的圖象投影裝置，其中，所述圖象顯示系統(tǒng)按照圖象信息調(diào)制所述第二光束的偏振方向，其特征在于一方面，在從光源到分束過渡段的光路中，另一方面，在從該過渡段到投影透鏡系統(tǒng)的光路中，設(shè)置偏振靈敏分束器，用于把由光源產(chǎn)生的光束分成兩束相互垂直偏振的分光束，這些分光束都投射到圖象顯示系統(tǒng)上，該分束器還用于在用圖象信息調(diào)制這兩束分光束之后，重新組合這兩束分光束。
5.權(quán)利要求1、2、3或4中的圖象投影裝置，其特征在于所述圖象顯示系統(tǒng)是包括選色元件和復(fù)合圖象顯示板的彩色圖象顯示系統(tǒng)，該顯示板的象素分成若干組，每個(gè)象素組產(chǎn)生具有預(yù)定顏色的分圖象，所述預(yù)定顏色對應(yīng)于屬于相關(guān)象素組的選色元件的顏色。
6.權(quán)利要求5中的圖象投影裝置，其特征在于所述選色元件由許多選色分束器構(gòu)成，該分束器用于把光束分成具有不同顏色的三束單色分光束，并且，用于把由單色圖象信息調(diào)制的分光束組合成一束由彩色圖象信息調(diào)制的光束，在每束分光束的光路中設(shè)置單獨(dú)的圖象顯示板，該顯示板的全體象素構(gòu)成所述各象素組中的一組。
7.權(quán)利要求6中的圖象投影裝置，其特征在于所述彩色顯示系統(tǒng)包括一塊圖象顯示板，該板的象素排列成若干組，每組產(chǎn)生具有給定顏色的分圖象，為每個(gè)象素提供濾色片，該濾色片僅讓具有一定顏色的光線透過，所述顏色與由相關(guān)象素所處的象素組產(chǎn)生的分圖象的顏色一致。
8.權(quán)利要求1、2、3或4中的圖象投影裝置，該裝置用于投影彩色圖象，其特征在于由發(fā)射相應(yīng)數(shù)目的單色光束的多個(gè)單色光源構(gòu)成所述光源，所述單色光源構(gòu)成單獨(dú)的彩色通道的一部分，在每個(gè)通道中設(shè)置單色反射圖象顯示板和分束過渡段，在投影透鏡系統(tǒng)之前設(shè)置選色元件系統(tǒng)，用于把由單色圖象信息調(diào)制的光束組合成一束由彩色圖象信息調(diào)制的光束。
全文摘要
一種圖象投影裝置，它包括產(chǎn)生第一光束b1的光源1，設(shè)置在第一光束路徑中的反射圖象顯示系統(tǒng)10以及設(shè)置在由圖象顯示系統(tǒng)產(chǎn)生的第二光束b2的路徑中的投影透鏡系統(tǒng)20。一方面，在光源和圖象顯示系統(tǒng)之間的光路中，另一方面，在所述系統(tǒng)和投影透鏡系統(tǒng)之間的光路中，設(shè)置光束分隔元件5，該元件的工作原理基于光束b1、b2之一的內(nèi)部全反射。這導(dǎo)致在限制裝置尺寸的同時(shí)，得到滿足要求的光束分隔。
文檔編號(hào)G09F9/00GK1041828SQ8910789
公開日1990年5月2日 申請日期1989年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月13日
發(fā)明者阿德里安納斯·亨利卡斯·約翰內(nèi)斯·范登布蘭特 申請人:菲利浦光燈制造公司