專利名稱：圖像投影系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明與圖像投影系統(tǒng)有關，這種圖像投影系統(tǒng)包括一個提供一個照明光束的具有一個光源的照明系統(tǒng)，一個按需投影的圖像信息調(diào)制這個光束的具有至少一個反射圖像顯示屏板的調(diào)制系統(tǒng)，以及一個投射所述圖像信息的投影透鏡系統(tǒng)。在調(diào)制系統(tǒng)和照明系統(tǒng)之間配置有一個分色系統(tǒng)，而在照明系統(tǒng)和分色系統(tǒng)之間配置有一個極化分光器。
如上面所述的這種類型的圖像投影系統(tǒng)例如可參見歐洲專利申請EP0734184。在這個申請中所揭示的系統(tǒng)包括一個提供一個照明光束的具有一個光源的照明單元。這個非極化照明光束投射到一個極化分光器(PBS)上，從光路中消除掉兩個正交的線極化光束分量中的一個分量，例如S分量。剩下的分量，P分量，由分色系統(tǒng)分裂成具有不同波長的三個子光束，投射到一個適當?shù)姆瓷滹@示屏板上。在這種情況下使用的顯示屏板是一個液晶顯示屏板，對入射光進行極化旋轉(zhuǎn)處理。顯示屏板細分為一系列像元，根據(jù)需投影的圖像驅(qū)動。受驅(qū)動的像元將使入射光的極化方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而未受驅(qū)動的像元則保持入射光的極化方向不變。此外，在投影透鏡和極化分光器之間配置了一個λ/4板，用來減少從這光學系統(tǒng)反射到屏板上的光量。通過λ/4的光射向透鏡，被透鏡反射后將再次通過λ/4板。由于這光兩次通過λ/4板，它的極化將旋轉(zhuǎn)90°，因此這光在到達PBS后就被從光路中除去。
上述這樣的顯示屏板在受照射側(cè)配置了一個線極化器。未受驅(qū)動的像元將使入射光鏡面反射而極化方向不變。因此，這樣的反射光可以通過極化器。這種像元將呈現(xiàn)為亮像元。受驅(qū)動的像元將改變鏡面反射的光的極化方向，因此這樣的光不再能通過極化器。于是，這種像元就呈現(xiàn)為暗像元。
所述歐洲專利申請中所揭示的這種圖像投影系統(tǒng)的缺點是在分色系統(tǒng)中會出現(xiàn)不希望有的極化旋轉(zhuǎn)，這將導致在PBS中極化分離耗損。結果，暗狀態(tài)不夠暗，對比度受到限制。
本發(fā)明的目的是提供一種能克服上述缺點從而能實現(xiàn)較高對比度的圖像投影系統(tǒng)。
為此，按本發(fā)明構成的圖像投影系統(tǒng)的特征是反射顯示屏板是一個散射型液晶顯示屏板，而在顯示屏板的像元的反射部和極化分光器之間配置了一個λ/4板。
λ/4板應理解為將線極化光束變換成圓極化光束或?qū)A極化光束變換成線極化光束的器件。λ/4板最好是寬頻帶的，這樣它就能在整個可見光波段內(nèi)有效工作。寬帶λ/4板是一個包括例如多個層的透明器件，對光束中處于可見光波段的各波長(λ)的光進行相移，將圓極化輻射變換成線極化輻射。這種λ/4板例如可參見“STN-LCD的‘NRF’的延遲膜”(“Retardation film for STN-LCDs‘NRF’”by the firm ofNitto Denko in SID’92 Exhibit Guide,Society for Informationdisplay,May 17-22,1992,Boston,Massachasetts,USA)。
提出采用散射型顯示屏板是基于這樣一個創(chuàng)新的想法由于處于散射狀態(tài)的像元所引起的是散射性的反射，因此投射到投影透鏡上的光絕大部分都在投影透鏡的接受角以外，從而這種像元就有較好的暗狀態(tài)。通過將一個散射型顯示屏板與一個λ/4板組合在一起，可以大大減小分色系統(tǒng)中發(fā)生的由于不希望的極化旋轉(zhuǎn)而導致對暗狀態(tài)的不良影響，而保持亮狀態(tài)的質(zhì)量不變。
在液晶顯示屏板中，各像元可在透明狀態(tài)和散射狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。如果顯示屏板包括例如PDLC(聚合物擴散液晶)，那么像元在沒有電壓加到它上面時將處于散射狀態(tài)，而在有電壓加到它上面時將處于透明狀態(tài)。
在透明狀態(tài)，入射的極化光將在顯示屏板的有關像元的反射部上鏡面反射，然而在散射狀態(tài)，入射的極化光將散射性反射，而且去掉了極化。這樣反射形成的散射的去極化光到達極化分光器后，將有一半左右向照明系統(tǒng)傳播，而另一半將向投影透鏡系統(tǒng)傳播。由于散射的影響，光的角度分布完全改變，因此只有極小一部分在投影透鏡的接受角內(nèi)入射，所以像元呈現(xiàn)處在暗狀態(tài)。
通過將一個λ/4板配置在極化分光器和顯示屏板像元反射部分之間，保證了鏡面反射光的極化方向旋轉(zhuǎn)90°，而λ/4板對散射的去極化光不起作用。
這樣，就能改善暗狀態(tài)，同時又保持了亮狀態(tài)的質(zhì)量。這意味著能得到較高的對比度。
這個實施例的另一個優(yōu)點是可以將結構做得更為緊湊，因為在這種情況下對于散射顯示屏板來說不需要配置離軸光學系統(tǒng)。事實上，在采用一個反射散射顯示屏板時，由于向前投影的光束通常具有相同的極化方向，因此這些光束需在空間上加以分離。在本發(fā)明中，這些光束受到極化處理，所以可以不必遵從這個空間分離的要求，從而系統(tǒng)能做得更為緊湊。
此外，在按本發(fā)明構成的系統(tǒng)中只要使用對于與應力有關的雙折射要求不很高的光學器件就可以了。在采用基于使入射光的極化發(fā)生旋轉(zhuǎn)的原理進行工作的顯示屏板(如TN-LCD)的系統(tǒng)中，對基片內(nèi)所允許的應力的要求非常嚴格，因為這些應力對極化方向有著不良影響。然而，與應力有關的雙折射率低的光學器件是比較昂貴的。
按本發(fā)明構成的圖像投影系統(tǒng)的另一個實施例的特征是λ/4板配置在顯示屏板的朝向照明系統(tǒng)的外側(cè)。
λ/4板可以配置在顯示屏板上，但也可以隔開一段距離。來自分光器的線極化光將被λ/4板變換成圓極化光。在鏡面反射的情況下(即像元處于透明狀態(tài))，圓極化的回旋方向由于反射而反相。第二次通過λ/4板后，圓極化光下變換回線極化光。這個光的極化方向相對原從分光器射出的光的極化方向偏轉(zhuǎn)了90°。結果，到達分光器時，反射光將通過分光器而射向投影透鏡系統(tǒng)。
散射性反射的去極化光在分光器中分離為兩個分量。一個分量將射向光源，而另一個到達投影透鏡系統(tǒng)的分量中只有極小一部分是在投影透鏡的接受角內(nèi)。
按本發(fā)明構成的圖像投影系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例的特征是λ/4板集成在顯示屏板內(nèi)，配置在液晶材料層和像元反射部分之間。
將線極化光變換在圓極化光現(xiàn)在在顯示屏板內(nèi)進行。這樣的優(yōu)點是可以抑制顯示屏板的基片和電極引起的寄生反射。由于基片和電極而引起的寄生反射具有與來自光源的入射光相同的極化方向，因此將被PBS射向光源，從而這些反射不會對暗狀態(tài)有不良影響。
按本發(fā)明構成的圖像投影系統(tǒng)的另一個實施例的特征是在光源和極化分光器之間配置了一個極化變換系統(tǒng)。
這樣，光源提供的光幾乎全部都被變換成具有相同極化方向的光，而不是有將近一半的光偏離光路。因此，大大增大了照明系統(tǒng)的光輸出。
按本發(fā)明構成的圖像投影系統(tǒng)的再一個實施例的特征是照明系統(tǒng)包括一個積分系統(tǒng)。
積分系統(tǒng)用來保證照明系統(tǒng)提供的光束是一個均勻的光束。積分系統(tǒng)的已知實現(xiàn)形式例如有透明棒、帶反射壁的光管或一種二鏡片組合。
本發(fā)明的這些和其他一些情況從以下結合附圖對這些實施例所作的說明中可以清楚地看到。在這些附圖中

圖1和2示出了按本發(fā)明構成的圖像投影系統(tǒng)的第一和第二實施例，由于光束分離器以不同方式實現(xiàn)，因此系統(tǒng)的結構有所不同；圖3示出了用于按本發(fā)明構成的圖像投影系統(tǒng)的圖像顯示屏板的一個實施例，其中λ/4板配置在顯示屏板上；以及圖4示出了用于按本發(fā)明構成的圖像投影系統(tǒng)的圖像顯示屏板的另一個實施例，其中λ/4板配置在顯示屏板內(nèi)。
圖1所示的按本發(fā)明構成的圖像投影系統(tǒng)1包括一個配置有被反射器7圍著的光源5的照明系統(tǒng)3。反射器7使光源5輻射的光聚成光束。反射器7例如可以是一個球面或拋物面的反射器。光源5輻射的光是非極化光。這光可以直接投射在極化分光器9上。極化分光器9將非極化光分離為兩個線極化子光束，例如是一個S分量和一個P分量。這兩個子光束之一將在分光器的內(nèi)表面上反射，射向調(diào)制系統(tǒng)11。
分光器可以例如像美國專利US-A5,042,925所揭示的那樣實現(xiàn)，也可以例如像國際專利申請WO97/01788所揭示的那樣用一個反射性極化箔實現(xiàn)。這種箔在一個極化方向是透明的，而在另一個正交的極化方向是反射性的。
然而，最好在光源5和分光器9之間配置一個極化變換系統(tǒng)41，將由光源發(fā)出的光幾乎全部都變換成具有相同極化方向的光。這樣，照明系統(tǒng)的光輸出將大大增大，將原要偏離光路的那一半光束變換成具有適當極化方向的光。
這種極化變換系統(tǒng)可以用不同方式實現(xiàn)。極化變換系統(tǒng)可以包括兩個在內(nèi)表面上發(fā)生極化分離的棱鏡，能改變偏離光路的光束的極化方向，從而使這個光束再偏離原光束。極化變換系統(tǒng)也可以包括一個或多個與光束成Brewster角的平面平行板，使光束分離為一個S極化光束分量和一個P極化光束分量。這兩個分量之一在極化方向被改變后就加到另一個分量上。上述這兩種可能的實現(xiàn)方式例如可參見本申請人的美國專利US-A5,184,284和WO96/05534。
在圖1和2中，調(diào)制系統(tǒng)11包括三個反射圖像顯示屏板13、15、17，用來按需投影的圖像信息對入射光束進行調(diào)制。此外，系統(tǒng)1還包括一個投影透鏡系統(tǒng)12，用來將這樣形成的圖像投影到圖像投影屏(未示出)上。
顯示屏板的像元包括一個實際狀態(tài)有轉(zhuǎn)換的有效部和一個包括電子器件等的非有效部。在反射顯示屏板中，像元的有效部的液晶材料下有一個反射元。這些顯示屏板是散射型的，顯示屏板的像元可以在透明狀態(tài)和散射狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這種屏板的一個例子是PDLC(聚合物擴散液晶)顯示屏板。在PDLC顯示屏板中，擴散狀態(tài)相應于像元的暗狀態(tài)，而透明狀態(tài)相應于亮狀態(tài)。
分色系統(tǒng)19配置在調(diào)制系統(tǒng)11和極化分光器9之間。在圖1和2中，分色系統(tǒng)由一個包括三個具有帶分色涂層的側(cè)面的棱鏡24、25、27的棱鏡系統(tǒng)組成?！鞍咨睒O化光束投射到棱鏡系統(tǒng)19上。表面21例如反射紅光束分量而通過藍和綠光束分量。表面23反射藍光束分量而保持綠光束分量。紅和藍光束分量受到相應棱鏡的內(nèi)部反射后分別經(jīng)表面29和31離開棱鏡系統(tǒng)。綠分量經(jīng)表面33離開棱鏡系統(tǒng)。在棱鏡系統(tǒng)內(nèi)各子光束相互分離的次序當然可以改變。
分光系統(tǒng)得出的各色子光束然后就分別投射到適合本子光束的波長的顯示屏板13、15、17上。各顯示屏板和對應的棱鏡系統(tǒng)出光面之間分別配置了λ/4板35、37、39。在圖1中，λ/4板是與顯示屏板分離的。λ/4板也可以配置在顯示屏板上。另一種可能的方式是將λ/4板集成在顯示屏板內(nèi)。這將在下面詳細說明。
彩色圖像投影系統(tǒng)也可以不用每個主色一個的三個顯示屏板，而用一個配有起著分色系統(tǒng)作用的濾色柵的單個彩色顯示屏板來代替。濾色柵可以是一個列有一系列彩色吸收型濾色器的網(wǎng)，也可以是一個列有一系列分色鏡的網(wǎng)。在這兩種情況下，λ/4板都配置在分光器和分色系統(tǒng)之間。
下面對上面所提到的散射型反射顯示屏板的工作原理進行說明。將在像元上反射的線極化光束投射到顯示屏板上。入射光束將在PDLC顯示屏板的因加有電壓而處于透明狀態(tài)的像元上鏡面反射。在入射光束首先投射到λ/4板上時，它的線極化光束就被變換成圓極化光束。由于是鏡面反射，圓極化的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⑾喾?。這個極化旋轉(zhuǎn)方向經(jīng)倒相后的光束再次通過λ/4板后，被變換成線極化光束。這個光束的線極化方向?qū)⑴c分光器射出的光束的極化方向正交，也就是說旋轉(zhuǎn)了90°。在反射光束到達極化分光器9時，將通過分光器射向投影透鏡系統(tǒng)12。
在像元處于散射狀態(tài)時，入射的圓極化光將被散射性反射，而且去了極化。存在λ/4板對這光沒有任何影響，它仍保持為非極化光。散射的非極化光也到達PBS，將有一半左右通過PBS射向照明系統(tǒng)，而另一半將向投影透鏡系統(tǒng)傳播。由于光的角度分布因散射而完全改變，因此只有極少部分將在投影透鏡的接受角內(nèi)入射，從而散射像元就呈現(xiàn)為處于暗狀態(tài)。
圖2原理性地示出了按本發(fā)明構成的圖像投影系統(tǒng)，其中采用了另一種分光器9。這導致系統(tǒng)的結構有所不同，但工作原理仍是一樣的。對于透明像元，來自各顯示屏板的形成亮圖像部分的這些光束射向投影透鏡系統(tǒng)。對于散射像元，反射光束一部分射向光源，而另一部分射向投影透鏡系統(tǒng)，只有其中極少部分在投影透鏡的接受角內(nèi)入射的可以射到投影屏上。
照明系統(tǒng)還可以包括一個積分系統(tǒng)43。這個系統(tǒng)用來使照明系統(tǒng)提供一個均勻的照明光束。已知的積分系統(tǒng)的實現(xiàn)形式有透明棒、帶反射壁的光管或一種二鏡片組合。
如前面所提到的那樣，λ/4板可以配置在顯示屏板內(nèi)，例如在像元的反射部和液晶層之間，而不是配置在顯示屏板上。這樣做的優(yōu)點是使由于電極和上層基片所引起的寄生反射不會到達投影屏幕而到達光源，因為這些反射具有與入射光相同的極化方向。
圖3和4分別示出了λ/4板配置在不同可能位置的情況下散射像元和透明像元的作用。在這兩個圖的最左側(cè)示出了寄生反射的情況。
在圖3中，線極化光束b投射到透明像元45上。線極化光束由λ/4板47變換成一個圓極化光束。這個圓極化光束到達像元45的反射部49后，由于鏡面反射，它的極化方向被反相。這個圓極化光束再由λ/4板45變換成一個線極化光束b2。線極化光束b2的極化方向相對入射光束b1的極化方向旋轉(zhuǎn)了90°。在原光束b1通過分光器時，被顯示屏板反射的光束b2就在分光器內(nèi)被偏向投影透鏡系統(tǒng)。如果光束b1在分光器處衍射，光束b2就可通過。在給定方向的衍射或通過由分光器具體實施方式
確定。
投射到散射像元51上的光束b3也由λ/4板變換成圓極化光束。然而，這個光束在液晶層內(nèi)受到散射和去極化后在像元51的反射部53上反射。λ/4板47對這個光束中的極化方向沒有影響。在這個非極化光束投射到分光器上時，有一半左右被偏向投影透鏡系統(tǒng)，而另一半將射向光源。然而，到達投影透鏡系統(tǒng)的只有其中極少部分是在投影透鏡的接受角內(nèi)入射的，所以這樣的光束不會對暗狀態(tài)有什么不良影響。
圖3中的左邊部分例示了在電極55上的反射可以導致對圖像產(chǎn)生不希望有的影響的情況。經(jīng)λ/4板變換的圓極化光的極化方向在電極上反相，因此具有與來自透明像元的光相應的線極化方向，即使實際像元正處于散射狀態(tài)。結果，所產(chǎn)生的寄生反射將使暗狀態(tài)變差。這個問題可以通過將λ/4板集成在顯示屏板內(nèi)解決，如圖4所示。投射到電極上的光仍然是線極化的。極化方向不受鏡面反射影響。對于來自透明像元和散射像元的反射光束的極化方向，λ/4板的這種位置的變動并沒有任何其他影響。然而，對于在電極55上的反射來說，情況就不同了。在這種情況下，在電極55上反射的光具有與入射到它上面的光相同的極化方向，這個極化方向與在透明像元上反射的光束的極化方向正交。這意味著在電極上反射的光束在分光器處將被偏向光源而不是如圖3中的那樣偏向投影透鏡系統(tǒng)。因此，防止了寄生反射引起的對暗狀態(tài)的不良影響。
權利要求
1．一種圖像投影系統(tǒng)，包括一個用來提供照明光束的具有一個光源的照明系統(tǒng)、一個用來按照需投影的圖像信息對這個光束進行調(diào)制的具有至少一個反射圖像顯示屏板的調(diào)制系統(tǒng)和一個用來投射所述圖像信息的投影透鏡系統(tǒng)，在所述調(diào)制系統(tǒng)和照明系統(tǒng)之間配置有一個分色棱鏡，而在所述照明系統(tǒng)和分色系統(tǒng)之間配置有一個極化分光器，所述圖像投影系統(tǒng)的特征是所述反射顯示屏板是一個散射型的液晶顯示屏板，在所述顯示屏板的像元的反射部和極化分光器之間配置有一個λ/4板。
2．一種如在權利要求1中所提出的圖像投影系統(tǒng)，其特征是所述λ/4板配置在所述顯示屏板的朝向所述照明系統(tǒng)的外側(cè)面上。
3．一種如在權利要求1中所提出的圖像投影系統(tǒng)，其特征是所述λ/4板集成在所述顯示屏板內(nèi)，配置在液晶材料層和像元的反射部分之間。
4．一種如在權利要求1、2或3中所提出的圖像投影系統(tǒng)，其特征是在所述光源和極化分光器之間配置有一個極化變換系統(tǒng)。
5．一種如在權利要求1、2、3或4中所提出的圖像投影系統(tǒng)，其特征是所述照明系統(tǒng)包括一個積分系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明與圖像投影系統(tǒng)(1)有關。系統(tǒng)(1)包括一個用來提供照明光束的具有一個光源(5)的照明系統(tǒng)(3)。系統(tǒng)(1)還包括一個用來按需投影的圖像信息對這個光束進行調(diào)制的具有至少一個反射圖像顯示屏板(13、15,17)的調(diào)制系統(tǒng)(11)和一個用來投射這圖像信息的投影透鏡系統(tǒng)(12)。在調(diào)制系統(tǒng)(11)和照明系統(tǒng)(3)之間配置有一個分色系統(tǒng)(19),而在分色系統(tǒng)(19)和照明系統(tǒng)(3)之間配置有一個極化分光器(9)。反射顯示屏板(13、15、17)是散射型液晶顯示屏板,而在各顯示屏板的像元反射部和極化分光器(9)之間分別配置有一個λ/4板(35、37,39)。
文檔編號G02F1/1335GK1231103SQ98800936
公開日1999年10月6日 申請日期1998年4月14日 優(yōu)先權日1997年5月7日
發(fā)明者H·J·科爾內(nèi)利森, A·J·S·M·德瓦安 申請人:皇家菲利浦電子有限公司