專利名稱：帶有定向固定偏振軸偏振分束器的數字圖像投影儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明廣泛地涉及圖像投影儀，更具體地說，涉及反射式液晶顯示偏振調制器。
數字圖像投影儀廣泛地用來把由對圖像進行編碼的數字信號所產生的彩色圖像投影在會議室演示用的反射式顯示屏的前面等，或者投影在背投式顯示監(jiān)視器或投影電視的半透明漫射屏的背面。
在Chiu等人的美國專利No.5,777,789中公開了一種采用反射式液晶偏振調制器的傳統的數字圖像投影儀?！?89專利的投影儀具有金屬鹵化物弧光燈，作為投影儀用的非偏振“白光”光源。來自弧光燈的光穿過照明光學系統，后者起的作用是形成大致平行的可見白光照明光束，所述可見白光照明光束就投影儀中使用的液晶偏振調制器的偏振調制器面而言具有空間上大致均勻的亮度。非偏振照明光束指向偏振分束器立方體內部，按照‘789專利，所述偏振分束器立方體設計成用于可見光頻譜波長范圍和所述光束的角散度范圍。所述偏振分束器立方體把未偏振的光束分成兩束基本上(但傳統上不完善)的偏振光，同時，所述兩光束各自的偏振基本上是正交的。在‘789專利的數字圖像投影儀的偏振分束器立方體中這樣產生的兩束光束中的一束用作基本上偏振的源光束，并從偏振分束器立方體進入彩色分束/組合棱鏡組件。彩色分束/組合棱鏡組件由三個棱鏡組成，這些棱鏡的某些面具有二色性涂層，用以從基本上偏振的源光束的可見白光依次分出紅、藍和綠色光分量，并且每束基本上偏振的彩色分量光束指向相應的反射式液晶偏振調制器(在‘789專利中稱作“光閥”)。
‘789專利的數字圖像投影儀的三個偏振調制器中的每一個這樣定位、使得反射式偏振調制器面垂直于相對于離開彩色分束/組合棱鏡組件的相應的基本上偏振的彩色分量光束定義的分量光束光路。一般說來，反射式偏振調制器用來通過按照加在偏振調制器上的對所需的復合彩色圖像的分量彩色圖像進行編碼的信號，在整個偏振調制器面上逐個像素地選擇性地旋轉所述光束的光線的偏振，來在空間上調制相應的彩色分量光束的偏振。具體地說，對于所投影的圖像的準備用給定顏色照明的每一個像素，所述顏色的基本上偏振的彩色分量光束的偏振由反射式液晶偏振調制器在偏振調制器面上與所述像素在投影圖像的位置對應的位置上旋轉。反之，對于投影圖像上不準備用給定的顏色照明的每一個像素，所述顏色的基本上偏振的彩色分量光束被反射，所述光束的偏振在偏振調制器面上與所述像素在投影圖像上位置對應的位置上、名義上不被反射式液晶偏振調制器改變。這樣的不被照明的像素稱作“暗”像素。照明程度最高的亮像素上的亮度與照明程度最低的暗像素上的亮度之比稱為對比度，這是數字圖像投影儀一個重要質量指標。一般說來，明暗對比度越高，觀眾就可以看到越是清晰的由所述投影儀產生的圖像。
由‘789專利的數字圖像投影儀的液晶偏振調制器這樣在空間上選擇性地偏振調制的彩色分量光束，從偏振調制器的反射式偏振調制器面向后基本上沿著通過彩色分束/組合棱鏡組件的對應的分量光束路徑反射。三束反射的彩色分量光束中的每一束基本上都沿著它原來的通過棱鏡組件的光路折回，并重新與其余兩束彩色分量光束組合，形成復合的空間上選擇性地偏振調制的光束。所述復合光束從彩色分束/組合棱鏡組件出來，進入偏振分束器立方體。偏振分束器立方體把復合的光束分成攜帶由亮像素組成的復合彩色圖像的名義上偏振調制的亮像素分量光束和攜帶由暗像素組成的彩色負像的名義上不偏振調制的暗像素分量光束。因為暗像素分量光束的偏振名義上不由反射式液晶調制器改變，所述暗像素分量光束至少理論上是沿著通過投影儀的光路向后朝著作為照明光源的弧光燈折回。偏振調制的亮像素分量光束從偏振分束器進入‘789專利的數字圖像投影儀投影透鏡，所述透鏡用來把所需的復合彩色圖像投影在投影屏幕上。
在采用基于反射式偏振調制器的傳統的數字圖像投影儀時出現困難，因為至今一般用在這樣的投影儀的傳統的MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器一般在偏振特性上不同地處理兩束入射在偏振分束器上的光線，如果這兩束光線相對于偏振分束器的入射方向不同的話。因為為了從經濟可行的光源獲得足夠的照明亮度以便獲得適當亮度的投影圖像，傳統的數字圖像投影儀一般采用數字孔徑為0.1或更大的照明光束，所以入射在傳統數字圖像投影儀上的偏振分束器的光束，一般由相對于分束器具有幾度范圍的入射角的光線組成。參見A.E.Rosenbluth等人在IBM Journal of Reasearch andDevelopment，V.42，pp.359-386(1998年5/7月)的文章。數字孔徑0.1的穿過空氣的錐形光束對著約±6度的角度。正如下面聯系

圖1至圖3所討論的，相對于分束器以不同于相對于分束器和相關的反射式偏振調制器而定義的主軸方向入射到傳統MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器上的光線，導致光泄漏到投影圖像的暗像素區(qū)。結果，在采用0.1左右的數字孔徑的傳統數字圖像投影儀中，光線圍繞照明光束瞳孔的方向變化，一般會導致明暗對比度相對于理想的投影儀預期的明暗對比度整體下降，理想的投影儀在某種程度上采用由平行光線組成的完美準直的光束，它們會全都以相同的最優(yōu)的相對于主軸方向的入射角投射在偏振分束器上。
現在轉向圖1，傳統的MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器2由第一分束器棱鏡4、第二分束器棱鏡6和位于第一和第二棱鏡4和6的斜面(hypotenuse face)上的多層介電薄膜8組成。第一和第二分束器棱鏡4和6用光學玻璃制成。構成多層介電偏振薄膜8的介電材料的各層在圖1中未示出。構成多層介電偏振薄膜8的各層的厚度和折射率以及分束器棱鏡4和6的光學玻璃的折射率是這樣選擇的，使得入射到多層薄膜8上的未偏振的光線10以最優(yōu)偏振角度θ進入多層材料并以所謂“布儒斯特(Brewster)角”依次射在不同折射率的各層之間的界面上。
通過第一材料傳播的以Brewster角入射在與折射率不同的第二材料的界面上的未偏振光線被部分從所述界面反射并部分折射進入第二材料。反射的光線基本上全部被線性偏振，其電場(“E場”)方向垂直于由入射在所述界面的光線的傳播方向和所述界面的法線定義的入射平面。折射光線只是部分偏振，其入射平面內的分量E場比垂直于入射平面的E場分量強。以Brewster角反射的偏振的討論可以在Eugene Hecht所著“Optics”(光學)一書第三版342-346頁(Addison Wesly 1998)中找到。
在傳統的MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器2中，多層介電偏振薄膜中設置有多個界面，以便以Brewster角依次反射相繼穿過界面的光線的偏振分量?？梢赃@樣選擇多層薄膜中的這些層的厚度、使得從不同界面反射的偏振光分量趨向于相長相加。結果，依次穿過各界面的反射光線依次變得越來越偏振，其E場處于入射平面內。一般，選擇足夠的層數，事實上，使完全穿過多層介電偏振薄膜8的光線12有效地完全地被線性偏振，其E場處于入射平面內。反射光線也有效地完全地被線性偏振，如上所述，其E場與入射平面垂直。基于多層介電薄膜的傳統的MacNeille型偏振分束器的結構在MacNeille的美國專利No.2,403,731和Sannohe與Miyatake的美國專利No.5,453,859中作了描述。
再次轉向圖1，在傳統的MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器2中，入射在多層介電偏振薄膜8上的在第一分束器棱鏡4內傳播的光線的傳播方向，只由所述傳播方向和其光線最優(yōu)地分成線性偏振反射光線和線性偏振折射光線的分束器棱鏡4斜面處多層介電薄膜的表面的法線18之間的角度決定。最優(yōu)偏振角度θ和法線18定義了相對于多層薄膜8的最優(yōu)偏振角圓錐體20。入射偏振分束器2的多層介電薄膜8，其方向為沿著最優(yōu)偏振角圓錐體20表面的任何光線都滿足薄膜的最優(yōu)偏振條件，并被分成分別垂直于和平行于相對于特定光線和法線18而定義的入射平面的線性偏振的反射和折射分量光線。一般說來，制造傳統的MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器的材料是按折射率選擇的、使得最優(yōu)偏振角接近45°。以下各段將討論采用這樣的分束器的數字圖像投影儀中由可能導致消偏振效應和明暗對比度降低的傳統MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器2引起的光線偏振的幾何學方面的問題。
一般說來，穿過光學裝置的光線可以看作是電磁平面波。電磁平面波的特性是，電磁平面波的電場分量方向垂直于光線的傳播方向。在下面討論的圖1到6中，用雙向箭頭表示的與光線傳播方向垂直的雙向箭頭符號形象地指示所述光線的電場方向。由光線投影的8個雙向箭頭的玫瑰符號表示光線是未偏振的或只是部分偏振的。由光線投影的單個雙向箭頭或一對正交的雙向箭頭表示所述光線被有效地線性偏振了。
再次轉向圖1，未偏振光的主軸光線10沿著最優(yōu)偏振角圓錐體20延伸，分成主軸反射光14和主軸折射光12，分別垂直于和平行于相對于主軸光線10的傳播方向和法線18定義的主軸入射平面15而偏振。主軸光線10以垂直于所述棱鏡未偏振光線入射面22的方向，進入偏振分束器2的第一棱鏡。主軸反射光線14以垂直于反射光線出射面24的方向通過所述面從偏振分束器射出。圖中示出代表性的未偏振的偏離主軸的入射光線30進入偏振分束器2的第一棱鏡4的未偏振光線入射面22。偏離主軸的入射光線30在入口點31被棱鏡的光學玻璃折射。折射的未偏振偏離主軸的光線30在相對于主軸光線10圍繞所述圓錐體旋轉的位置上沿著最優(yōu)偏振角圓錐體20的表面?zhèn)鞑ァＲ驗槠x主軸的未偏振光線30與所述棱鏡斜面上的多層介電薄膜8的法線18也成最優(yōu)偏振角θ，所以，偏離主軸的未偏振光線30被分成線性偏振偏離主軸的反射光線32和線性偏振偏離主軸的折射光線34。偏離主軸的反射光線32和偏離主軸的折射光線34都在由未偏振偏離主軸的入射光線30在第一棱鏡4內的傳播方向和法線18定義的歪斜方向的入射平面33內傳播。所述歪斜方向的入射平面33繞法線18相對于主軸入射平面15旋轉。線性偏振的偏離主軸的反射光線32的電場方向與歪斜取向入射平面33垂直。線性偏振偏離主軸的折射光線34的電場位于歪斜取向入射平面33內。因為主軸光線入射平面15和歪斜取向入射平面33都是彼此相對地繞法線18旋轉的，所以主軸反射光束14的電場方向和偏離主軸反射光束32彼此不平行。類似地，分別位于主軸12和歪斜取向入射平面的主軸折射光束12和偏離主軸的折射光束34的電場也彼此不平行。
現在轉向圖2，其中示出從采用反射式偏振調制器和傳統的MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器的傳統數字圖像投影儀中光線泄漏在投影圖像中暗像素位置上的光源。反射式液晶偏振調制器40位于傳統的多層介電薄膜偏振分束器2的反射光束出射面24的前面，調制器40偏振調制面42與分束器2的反射光束出射面24平行延伸。這樣設置數字圖像投影儀的投影透鏡46的投影透鏡輸入端口44、使其面向第二分束器棱鏡6的投影圖像的出射面(未示出)。在圖2中，舉例說明偏振調制器40工作在純反射方式；就是說，在法線方向入射到偏振調制器40的偏振調制面上的線性偏振光線是在偏振調制器面上無源反射的，光線的偏振狀態(tài)在反射時基本上不變。反射式液晶偏振調制器40的在法線方向上反射而不改變與投影圖像中暗像素對應的偏振的偏振調制面42上的像素區(qū)和這樣理想地反射的光線應該不通過數字圖像投影儀的投影透鏡46的投影透鏡輸入端口44。
未偏振光的主軸入射光線10基本上與入射面22垂直地進入偏振分束器2第一棱鏡4的未偏振光入射面22。未偏振光線10的傳播方向與偏振分束器2和偏振調制器40的主光軸一段對應，并定義了圖2中的Y坐標軸。如上所述，與光線傳播方向垂直的箭頭形象地表示所述光線的電場偏振方向。在圖2和隨后討論的各圖中，實線箭頭表示從偏振調制器40的偏振調制器面42反射之前的電場方向。在偏振調制器面42反射之后，帶有空箭頭的箭頭把入射到偏振調制器40的偏振調制器面42上的光與從偏振調制器面42反射的光線分開來。主軸入射光線10在定義Y和Z主軸的主軸交點位置21的入射點上，以相對于所述斜面的主軸法線19的最優(yōu)偏振角θ，入射到偏振分束器2的第一棱鏡4的斜面上的多層介電偏振薄膜8上。結果，主軸入射光線10被多層介電偏振薄膜8分成沿著Z坐標朝著反射式偏振調制器40傳播的被有效地完全線性偏振的分束器反射的主軸光線14。線性偏振分束器反射的主軸光線14的電場垂直于由主軸光線和主軸法線19定義的主入射面45。主入射面45與Y-Z坐標平面一致。主軸光線10的折射分量(未示出)進入Y軸從偏振分束器2的底部出來并在數字圖像投影儀中被拋棄。線性偏振分束器反射的主軸光線14以垂直入射的方式在主軸交點43上入射到偏振調制器40的偏振調制器面42上并被反射，光線的偏振狀態(tài)基本上不變。然后，被偏振器反射的主軸光線14沿著入射光線的光路向后折回進入偏振分束器2。被調制器反射的主軸光線14以與未偏振的主軸入射光線相同的入射角入射到多層介電偏振薄膜8上。具體地說，被調制器反射的主軸光線14相對于多層介電偏振薄膜8的主軸法線19的入射角是最優(yōu)偏振角θ。由于被調制器反射的主軸光線14被有效地完全線性偏振，其電場垂直于由光線14和多層介電偏振薄膜8的主軸法線19定義的入射平面，具體地說，入射主平面45，所以，被調制器反射的光線14基本上完全沿著未偏振主軸入射光線10的光路被偏振薄膜8反射回去，并實際上到達不了數字圖像投影儀投影透鏡46的輸入端口44。
現在來考慮在主入射平面45(Y-Z坐標平面)內傳播并在偏離Y和Z主軸交點位置21的(Y，Z)方向偏離位置51上入射到多層介電偏振薄膜8上的未偏振光的代表性的主平面斜入射光線50。主平面斜入射光線50與第一棱鏡4的斜面的(Y，Z)方向的移位法線52形成一個接近于、但小于最優(yōu)偏振角θ的入射角。盡管美國專利2,403,731和5,453,859公開了傳統的MacNeille型多層介電薄膜分束器可以對入射角在有限的范圍內不同于最優(yōu)角度的光線提供顯著的偏振效應，但是，情況是這樣以不同于最優(yōu)偏振角與這樣的傳統的MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器的多層介電偏振薄膜相交的未偏振光線在某種程度上不完全偏振。于是，被多層介電偏振薄膜8反射的分束器反射的斜光線54只是部分偏振，其電場主分量垂直于Y-Z入射平面而小分量處在Y-Z平面內。
正如在圖2中可以看到的，主平面斜入射光線50入射的具體方向和該入射光線50射在分束器2的第一棱鏡4斜面的具體(Y-Z)方向偏移位置51、導致線性偏振分束器反射的光線54在主軸交點43射在偏振調制器面42上。由于分束器反射的斜光線54是電磁平面波，部分偏振的光線54的電場分量的方向垂直于所述光線的傳播方向。由于偏振調制器40的偏振調制器面42的法線是-Z方向，又由于分束器反射的斜光線54在Y-Z平面內傳播，所以由分束器反射的斜光線54和偏振調制器面42的法線定義的入射平面55與Y-Z平面(入射平面45)一致。與Y-Z平面垂直的部分偏振的分束器反射的斜光線54的電場分量，在所述光線被偏振調制器40的偏振調制器面42反射時仍舊垂直于Y-Z平面，因而垂直于從偏振調制器面42反射的斜光線56的傳播方向，因為調制器反射的斜光線56在Y-Z平面內傳播。其方向在Y-Z平面內的部分偏振的偏振分束器反射的斜光線54的電場分量，在所述光線被偏振調制器面42反射時，其方向傾斜，使得所述分量的方向垂直于調制器反射的斜光線56的傳播方向。
調制器反射的斜光線56向后傳播進入偏振分束器2，并在與(Y，Z)方向偏移位置51相反地偏離主軸交點位置21的(-Y，-Z)方向偏移位置57上與第一棱鏡4的斜面上的多層介電偏振薄膜8相交。調制器反射的斜光線56與偏振薄膜8的(-Y，-Z)方向的移位法線59形成入射角，它大于多層薄膜8的最優(yōu)偏振角θ。由于部分偏振調制器反射的斜光線56包括Y-Z入射平面中的電場分量，又由于所述光線的入射角不同于薄膜8的最優(yōu)偏振角θ，所以所述光線只是在多層介電偏振薄膜8上部分地反射離開分束器2的第一棱鏡4的入射面22。調制器反射的斜光線56的一小部分通過偏振分束器的偏振薄膜8折射，并離開偏振分束器2傳輸到投影透鏡46的輸入端口44，構成暗像素泄漏光線60。由于在沒有被驅動而主動地旋轉所述光線的偏振方向的偏振調制器面42位置上由偏振調制器40反射的任何光線都要轉向離開數字圖像投影儀的投影透鏡46、以便在投影圖像中的相應像素位置上達到暗像素，所以，暗像素泄漏光線60令人討厭地降低投影儀的明暗對比度。
現轉向圖3，圖中舉例說明采用反射式偏振調制器和傳統的MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器的傳統數字圖像投影儀投影的圖像暗像素位置上另一個光泄漏源。偏振分束器2、偏振調制器40和投影透鏡46正如上面聯系圖2討論那樣布置。相對于分束器2定義的Y和Z坐標軸規(guī)定了分束器2和調制器40相應的主光軸61和62。X坐標軸在分束器2的第一棱鏡4的斜面的平面上伸展。主軸法線19定義成在與Y和Z坐標軸對應的主光軸交點位置21上垂直于第一棱鏡4的斜面伸出。(-X，Y，Z)象限移位法線66在-X，+Y，+Z方向上偏離Y和Z主軸61和62的主軸交點位置21的(-X，Y，Z)象限偏移位置65上，從第一棱鏡4的斜面垂直地伸出。
考慮通過分束器2的第一棱鏡4的未偏振光入射面22進入偏振分束器2并沿著接近于但不同于Y主軸61的方向傳播的未偏振光的代表性的離軸正(On-Angle)入射光線64。離軸正入射光線64在偏移的歪斜取向的入射平面70內傳播，所述偏移的歪斜取向的入射平面70偏離Y和Z主軸61和62的主軸交點位置21以便包括(-X，Y，Z)象限移位法線66。偏移的歪斜取向的入射平面70繞移位法線66相對于其方向與Y-Z平面平行的偏移基準參考平面(未示出)旋轉。離軸正入射光線64在(-X，Y，Z)象限偏移位置65上在第一棱鏡4的斜面上與多層介電偏振薄膜8相交。離軸正入射光線64與(-X，Y，Z)象限移位法線66形成等于多層介電偏振薄膜8的最優(yōu)偏振角θ的入射角。因此，離軸正入射光線64被分成基本上完全線性偏振的分束器反射的離軸光線68和繼續(xù)在入射光線64傳播方向上通過分束器2傳播的基本上完全線性偏振的分束器反射的離軸光線(未示出)。線性偏振分束器反射的光線68的電場方向與偏移歪斜取向入射平面70垂直。
正如從圖3可以看到的，離軸正入射光線64具體的入射方向和入射光線64射到分束器2的第一棱鏡4的斜面的具體(-X，+Y，+Z)象限偏移位置65、導致線性偏振分束器反射的離軸光線68在Z主軸62與調制器面42的交點43上射到反射式偏振調制器40的偏振調制器面42。Z主軸62以垂直入射的方式與調制器面42相交，因而用作調制器面42的法線。分束器反射的離軸光線68與由Z主軸62定義的法線形成非零的入射角，因而作為在由入射分束器反射的離軸光線68的傳播方向和Z主軸62定義的調制器反射的入射平面73內傳播的調制器反射的離軸光線154，被動地從調制器面42反射。因為作為分束器反射的離軸光線68從分束器2的多層薄膜8反射點的(-X，Y，Z)象限偏移位置65偏移主軸交點位置21，所以調制器反射入射平面73一般既不平行于又不垂直于偏移的歪斜取向的入射平面70。因而，垂直于偏移的歪斜取向的入射平面70的線性偏振的分束器反射的離軸光線68的電場，一般既具有調制器反射的入射平面73的平面內分量又具有與調制器反射的入射平面73垂直的分量。在偏振調制器面42上無源反射時，垂直于調制器反射的入射平面73的分束器反射的離軸光線68的電場分量仍舊垂直于所述平面。處于調制器反射的入射平面73內的分束器反射的離軸光線68的電場分量，當所述光線被偏振調制器面42無源反射時發(fā)生歪斜，使得所述電場分量的方向垂直于調制器反射的離軸光線71的傳播方向。因而，一般說來，線性偏振的調制器反射的離軸光線71的電場并不平行于線性偏振分束器反射的離軸光線68的電場。因為線性偏振光線被偏振分束器2反射或透射的程度，一般取決于所述光線的電場取向和所述光線的傳播方向，所以由在調制器反射面42上非垂直入射的無源反射引起的線性偏振分束器反射的光線68的電場取向的改變，一般可以是所述光線透過分束器2到達投影圖像中的暗像素位置的因數，因而導致明暗對比度下降。
調制器反射的離軸光線71進入偏振分束器2的第一棱鏡4，并在偏離(X，-Y，-Z)象限位置75上與第一棱鏡4的斜面的多層介電偏振薄膜8相交，偏離Y和Z主軸61和62的主軸交點位置21的(X，-Y，-Z)象限方向。在未偏振的離軸正入射光線64接近主軸61的情況下，(X，-Y，-Z)象限方向一般至少大體上與(-X，Y，Z)象限方向相反。調制器反射的離軸光線71與(X，-Y，-Z)象限移位法線72形成的在(X，-Y，-Z)象限位置75上入射到偏振薄膜8的入射角，大于分束器2中的多層介電偏振薄膜8的最優(yōu)偏振角θ。偏移的反向歪斜取向的入射平面74是由調制器反射的離軸光線71的傳播方向和(X，-Y，-Z)象限移位法線72定義的。偏移的反向歪斜取向的入射平面74繞(X，-Y，-Z)象限移位法線72相對于偏移參照平面(未示出)旋轉，所述參照平面72的取向平行于Y-Z平面并包括移位法線72，在繞(-X，Y，Z)象限移位法線66旋轉方向上與偏離的歪斜取向的入射平面70相反。因此所述偏移的反向歪斜取向的入射平面74和偏離的歪斜取向的入射平面70彼此不平行。部分地是由于反向歪斜取向的入射平面74相對于偏離的歪斜取向的入射平面70反向旋轉，部分地是由于線性偏振調制器反射的離軸光線71電場取向相對于分束器反射的離軸光線68在偏振調制器40的偏振調制器面42上反射時的電場取向的改變，調制器反射的離軸光線71的電場一般不垂直于反向歪斜取向的入射平面74。相反，調制器反射的光線71的電場一般可以以矢量方式分解為處于偏移的反向歪斜取向的入射平面74內的分量以及垂直于所述入射平面74的分量。部分地由于偏移的反向歪斜取向的入射平面74可能包括線性偏振的調制器反射的離軸光線71的電場、以及部分地由于調制器反射的離軸光線71和(X，-Y，-Z)象限移位法線72之間的入射角并不等于偏振分束器2的最優(yōu)偏振角θ，調制器反射的離軸光線71只是部分地被多層介電偏振薄膜8反射出偏振分束器2。泄漏光線76通過多層介電偏振薄膜8被折射并離開偏振分束器朝數字圖像投影儀的投影透鏡46的輸入端口44傳播。泄漏光線76用來部分地照明投影圖像的暗像素區(qū)，因而起著令人討厭地降低數字圖像投影儀的明暗對比度的作用。
由于在傳統的數字圖像投影儀中構成未偏振照明光束的光線的方向在所述光束的全孔徑(瞳孔)范圍內改變，所以，在這樣的投影儀中照射到上面聯系圖1至3討論的類型的傳統的MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器上的照明光束包括斜的離軸入射光線(既傾斜又離軸的入射光線)、還包括沿著分束器主軸方向傳播的光線。由于這樣的分束器的偏振性能依賴光線入射方向并且這樣的分束器的光線分辨性能既取決于入射光線的偏振狀態(tài)又取決于入射光線的方向，所以，傳統的數字圖像投影儀要把泄漏到投影圖像中的暗像素區(qū)的泄漏光量降低到足夠的程度便有困難。
在采用反射式偏振調制器和傳統的MacNeille型多層介電薄膜偏振分束器的先有技術的數字圖像投影儀中，曾經試圖降低會照亮投影圖像暗像素區(qū)的泄漏光線亮度。但是，正如下面討論的，這樣的嘗試并未完全成功，而又帶來了額外的缺點。
例如，上面討論的美國專利No.5,777,789把偏振薄膜設置在所述專利的數字圖像投影儀的燈和偏振分束器的立方體之間，并把偏振薄膜設置在偏振分束器的立方體和偏振控制和提高對比度用的投影透鏡之間。但是，采用這樣的偏振薄膜在制造數字圖像投影儀時帶來額外的費用，并在數字圖像投影儀的操作上帶來照明亮度的損失。另外，這樣的偏振薄膜并不能完全消除上面段落聯系圖2至3討論的來自斜入射光線和離軸正入射光線的泄漏問題。
歐洲公開專利申請No.0 389 240討論了數字圖像投影儀系統，其中1/4波長金屬箔以某個方向設置在投影儀的偏振分束器和每一個液晶偏振調制器之間的光束光路上。在接近MacNeille型分束器的主軸方向但與之不一致的方向上傳播的圖3舉例說明的那種正入射離軸光線，在被所述分束器反射時被線性偏振之后，從偏振分束器傳播到反射式偏振調制器通過這樣的1/4波長金屬箔一次，并在從偏振調制器返回分束器時第二次通過這樣的1/4波長金屬箔，具有從垂直于由未偏振的原始光線和偏振分束器的斜面的法線定義的入射平面的方向旋轉的電場，向著比較接近于垂直于由調制器反射的光線和相應的法線定義的入射平面的方向。結果調制器反射的光線趨向于被偏振分束器從投影透鏡的輸入端口比較接近完全地反射出分束器。
盡管這樣的1/4波長金屬箔可以在某種程度上提高數字圖像投影儀的明暗對比度，但從來得不到完全的校正。然而，這樣采用1/4波長金屬箔有一些實際的缺點。第一，1/4波長金屬箔成了必須包括在系統內的附加組件，使制造和零件成本增大。所述金屬箔必須安裝在偏振分束器上，在分束器和反射式偏振調制器之間的空氣空間內，或在反射式偏振調制器的面板上。金屬箔的安裝困難，因為金屬箔的取向必須精確。金屬箔的任何振動(clocking)都會嚴重降低對比度。金屬箔到支架的疊層可能帶來困難，諸如對灰塵的清理(cosmetic)問題和疊層中作為暗場的亮點出現的其他缺陷。若金屬箔層疊到偏振分束器或偏振調制器面，則任何誤差都會導致成品率損失或附加的返工費用。1/4波長金屬箔由具有兩個折射率普通的和特殊的雙折射材料制成。不可能同時匹配兩個折射率，而這是消除Fresnel反射所要求的。因此，從金屬箔的Fresnel反射不能完全消除，在將來對比度非常高的系統中限制對比度。最后，1/4波長金屬箔必須在感興趣的整個波長范圍內起1/4波長延時器的作用，這是難以達到的。一般，所述金屬箔上的任何散射不論是所述金屬箔的普通指數還是特殊指數都是相似的，使得凈延時不隨著波長急劇改變。結果，作為波長的分數的相位延遲往往隨著波長而線性地改變。其結果是對比度在某個中央波長上得到最優(yōu)化，而頻譜兩側下降。
采用在兩個棱鏡之間的斜面上具有多層介電偏振薄膜的傳統MacNeille型偏振分束器的數字圖像投影儀可能出現另一個問題。即使小的光量在棱鏡內或在偏振薄膜內被吸收時，分束器的棱鏡的玻璃體都可能經受應力。若給分束器施加外部應力，則分束器的棱鏡玻璃也可能經受應力。棱鏡玻璃中的應力可能在玻璃中引起雙折射，這會改變玻璃中傳播的光的偏振狀態(tài)。這樣的應力引起的偏振改變可能造成無法接受的暗狀態(tài)中的光泄漏。應力引起的雙折射問題的一個解決方案是，在棱鏡中使用應力光學系數小的光學玻璃。但是，這樣的玻璃往往是昂貴的。應力引起的雙折射問題的另一個可能的解決方案是，使用浸入液體中的偏振分束器。在浸入液體中的偏振分束器中，多層介電偏振薄膜涂層涂在一塊板上，然后沉浸在充滿液體的槽中。一般說來，多層介電薄膜只有在介電薄膜兩側都被折射率高的介質包圍時才可以起偏振分束器的作用。多層介電薄膜基板狀分束器不可能在空氣中。盡管浸入液體中的偏振分束器可以用折射率高的液體介質制造，但是這樣的分束器在維持液體純凈和避免在液體內產生溫度梯度方面往往造成實際困難。
在公開的國際PCT專利申請WO 01/09677和申請WO 00/79386中已經有人建議，采用反射式偏振調制器和使用多層介電偏振薄膜的傳統的MacNeille型偏振分束器的傳統的數字圖像投影儀的某些問題，可能通過用線柵偏振分束器代替多層介電薄膜偏振分束器加以避免?！?77公開PCT申請中公開了利用線柵偏振分束器的圖像投影系統。本申請書的圖4舉例說明在’677公開PCT申請中的圖1A和圖7示意地示出的配置中線柵偏振分束器的使用。圖4是為了便于比較線柵分束器和本專利申請圖2舉例說明的傳統的MacNeille型多層介電偏振薄膜偏振分束器而畫出的。
現轉向圖4，線柵偏振分束器100用總體平行伸展的多條導線102制成，在透明的柵格支持板104的柵格支持面上彼此隔開。構成線柵106的導線102線性伸展方向定義了X坐標方向?；旧掀叫械膶Ь€102集體定義了線柵106。柵格的導線間隔一般小于投影儀所用的可見光的最短波長，約290nm。線柵支持板104在可見光的范圍內是透明的。
如圖4所示，未偏振光的主軸光線110沿著Y坐標軸定義的方向入射到線柵偏振分束器100的線柵106上。主軸光線110相對于垂直于線柵支持面的法線114的入射角基本上是45°。線柵偏振分束器100把入射的主軸光線110分成取向為沿著Z坐標軸的分束器反射的主軸光線116和透射穿過分束器100的線柵106和線柵支持板104并沿著Y軸離開的主軸光線118。分束器反射的主軸光線116基本上完全線性偏振，其電場方向平行于構成線柵106的導線102的方向伸展。分束器反射的主軸光線116傳播到反射式液晶偏振調制器40的偏振調制器面42，并法向入射，與調制器面42相交于主軸交點43上。在圖4舉例說明的例子中，偏振調制器面42在主軸交點43上無源地反射分束器反射的主軸光線116，而不改變所述光線的偏振狀態(tài)、使得調制器反射主軸光線構成暗像素光線。
調制器反射的主軸光線116向后進入線柵分束器100，在這里它以基本上45°的入射角入射到線柵106上。因為調制器反射的主軸光線116是線性偏振的，其電場平行于線柵106的導線線性伸展方向，調制器反射的主軸光線116由線柵偏振分束器向后沿著Y方向反射，并轉向離開數字圖像投影儀投影透鏡46的輸入端口44。若液晶偏振調制器40已旋轉調制器反射的主軸光線的偏振，則所述光線的旋轉分量會沿著-Z坐標方向通過線柵偏振分束器，并進入投影透鏡46的輸入端口44，照明投影圖像的亮像素區(qū)。
未偏振光的代表性的主平面離軸入射光線120進入主入射平面121(Y-Z平面)，在偏離Y和Z主軸的主軸交點位置111的(Y，Z)方向偏離位置123處入射到線柵偏振分束器100的線柵106上。主平面離軸入射光線120與線柵106的(Y，Z)方向移位法線122形成小于45度的入射角。主平面離軸入射光線120被線柵偏振分束器100分成分束器反射的光線124和通過線柵偏振分束器100并繼續(xù)沿著離軸光線120的傳播方向傳播的分束器透射的光線(未示出)。盡管離軸光線120的入射角不同于主軸光線110的入射角，分束器反射的離軸光線124基本上完全線性偏振，其電場方向平行于構成偏振分束器100的線柵106的線性伸展的導線的方向，即與Y-Z入射平面121垂直的X坐標方向。
分束器反射的離軸光線124沿著Y-Z入射平面121到達反射式偏振調制器40的偏振調制器面42。主平面離軸入射光線120的入射角和對(Y，Z)方向偏離位置123的偏移距離造成的結果是，分束器反射的離軸光線124在主軸交點43處射到偏振調制器面42上。由于偏振調制器40的偏振調制器面42的法線是-Z方向、又由于分束器反射的離軸光線124在Y-Z平面內傳播，由分束器反射的離軸光線124和偏振調制器面42的法線定義的入射平面55與Y-Z平面(入射主平面45)一致。其方向沿與Y-Z平面垂直的X坐標方向的線性偏振的分束器反射的離軸光線124在光線被偏振調制器40的偏振調制器面42無源反射時仍舊垂直于Y-Z平面，因而垂直于被偏振調制器面42反射的斜光線126的傳播方向，因為調制器反射的離軸光線126也在Y-Z平面內傳播。
調制器反射的離軸光線126以大于45°的入射角入射到線柵偏振分束器100的線柵106上。由于調制器反射的離軸光線126是線性偏振的、其電場方向平行于構成線柵偏振分束器100的線柵106的導線線性伸展的方向，所以，所述光線在線柵106上基本上被完全反射并從進入數字圖像投影儀的投影透鏡46的輸入端口44轉向，與射到圖2舉例說明的傳統的MacNeille型偏振分束器2的多層介電偏振薄膜8上的對應的調制器反射的離軸光線56形成對比。
下面轉向圖5，未偏振光的偏離主軸的光線150，沿著接近于但不同于偏振分束器100和偏振調制器40的Y坐標軸的主軸61的方向，入射到安裝在線柵偏振分束器100的線柵支持板104的線柵支持面112的線柵106上。為了進行比較，離軸入射光線150的方向與在圖3舉例說明的傳統的MacNeille型偏振分束器2的第一棱鏡4內傳播的離軸正入射光線64的入射方向相同。離軸入射光線150在偏離Y和Z主軸61和62的主軸交點21的偏離的歪斜取向的入射平面70內傳播，以便包括(-X，Y，Z)象限移位法線66。偏離的歪斜取向的入射平面70圍繞移位法線66相對于其取向平行于Y-Z平面的偏離參考平面(未示出)旋轉。離軸光線150在(-X，Y，Z)象限偏離位置65上與線柵偏振分束器100的柵格支持板104的線柵支持面112上的線柵106相交。離軸入射光線150與(-X，Y，Z)象限法線66形成基本上為45°的入射角。離軸入射光線150被線柵106分成基本上完全線性偏振的分束器反射的離軸光線152和穿過線柵106和線柵支持板104并繼續(xù)在入射光線150的傳播方向上傳播的基本上完全線性偏振的分束器透射的離軸光線(未示出)。分束器透射的離軸光線和分束器反射的離軸光線152的各自的電場在以下段落討論。
為了理解線柵106對未偏振的離軸光線150的作用，考慮離軸入射光線150與帶有正交電場的沿著與離軸入射光線150相同的光路傳播的兩束偏振參考入射光線的隨機系數的線性組合是有幫助的。
兩束線性偏振基準入射光線中的第一束定義成具有其方向沿著垂直于光線傳播方向的平面和相對于線柵偏振分束器100定義的Y-Z平面之間的交線方向的電場。因而，第一基準入射光線電場的方向既垂直于光線的傳播方向(平面波要求)又垂直于X坐標軸，這是構成分束器100的線柵106的導線的伸展方向。第一線性偏振基準入射光線電場的所述取向的結果是當入射到偏振分束器100的線柵106時，第一基準入射光線實際上只“看到”一塊透明板，而忽略板面和空氣之間的界面上的反射，就會透射通過分束器100。第一線性偏振基準入射光線的電場取向相當于被線柵偏振分束器100從未偏振的離軸光線150分出來的的透過偏振分束器的離軸光線的電場取向。
第二線性偏振基準入射光線電場的取向被定義成垂直于入射光線的傳播方向并垂直于垂直所述光線的傳播方向的平面和Y-Z平面之間的交線的方向而延伸。因此，第二線性偏振基準入射光線的電場方向垂直于第一線性偏振基準入射光線的電場。第二線性偏振基準入射光線電場的這種取向的結果是第二基準入射光線在入射到分束器100上時實際上“看到”線柵106上的鏡面并在鏡面上被反射。第二線性偏振基準入射光線的這種有效的鏡面反射的入射平面是偏離的歪斜取向的入射平面70。反射的第二基準光線的電場可以由第二線性偏振基準入射光線矢量分解為垂直于偏離的歪斜取向的入射平面70的分量和處在所述偏離的歪斜取向的入射平面70內的分量。在線柵偏振分束器的線柵106上被有效地鏡面反射時，垂直于偏離的歪斜取向的入射平面70的電場分量會仍舊在垂直于入射平面70的方向取向。在偏離的歪斜取向的入射平面70內的電場分量在反射時會仍舊在入射平面70內，但反射時會歪斜而取垂直于反射光線傳播方向的方向。這樣反射的第二線性偏振基準入射光線的電場取向相當于線柵偏振分束器100從未偏振的離軸入射光線150分出來的線性偏振分束器反射的離軸光線152的電場取向。具體地說，線性偏振分束器反射的離軸光線152的電場一般會包括垂直于偏離的歪斜取向的入射平面70的分量和處在偏離的歪斜取向的入射平面70內的分量，與上面聯系圖3討論的來自傳統的MacNeille型偏振分束器2的線性偏振分束器反射的光線68形成對照。盡管來自圖5線柵偏振分束器100的分束器反射的離軸光線152都是線性偏振的，但是兩個偏振分束器2反射的光線的電場一般不會有相同的取向。
正如圖3的離軸正入射光線64的情況下，圖5的未偏振離軸入射光線150的特定入射方向和入射光線射到偏振分束器100的線柵106上的特定的(-X，+Y，+Z)象限偏離位置65，導致線性偏振分束器反射的離軸光線152在Z主軸和調制器面42的交點43上射到反射式偏振調制器40的偏振調制器面42上。分束器反射的離軸光線152與由Z主軸62定義的法線形成非零的入射角，因而以在由入射分束器反射的離軸光線152的傳播方向和Z主軸62定義的調制器反射的入射平面73內傳播的調制器反射的離軸光線154的形式從調制器面42無源反射。由于分束器反射的離軸光線152從分束器100的線柵106反射的(-X，Y，Z)象限位置65偏離主軸交點位置21，所以調制器反射的入射平面73一般既不平行于又不垂直于偏移的歪斜取向的入射平面70。因而，線性偏振分束器反射的離軸光線152，一般包括垂直于偏離的歪斜取向的入射平面70的分量和在偏離的歪斜取向的入射平面70內的分量，一般預期它既具有調制器反射入射平面73中的分量又具有垂直于調制器反射的入射平面73的分量。在偏振調制器面42上無源反射時，分束器反射的離軸光線的電場的垂直于調制器反射的入射平面73的分量仍舊垂直于所述平面。分束器反射的處在調制器反射的入射平面73內的電場分量的離軸光線152在無源反射時歪斜，使得所述電場分量的方向垂直于調制器反射的離軸光線154的傳播方向。結果，一般線性偏振調制器反射的離軸光線154不能預期平行于線性偏振的分束器反射的離軸光線152的電場。因為線性偏振光線被線柵偏振分束器100反射或透射的程度，一般取決于所述光線電場的取向，所以由在調制器面42上非法向入射無源反射引起的線性偏振分束器反射的光線152的電場取向的改變，一般都可能是光線通過分束器100的線柵106透射到投影圖像暗像素位置的因數，因而可能導致明暗對比度的下降。
調制器反射的離軸光線154傳播到線柵偏振分束器100，并在(X，-Y，-Z)象限方向上偏離Y和Z主軸的主軸交點位置21的(X，-Y，-Z)象限位置75上與線柵106相交。線性偏振調制器反射的離軸光線154被偏振分束器100的線柵106反射的程度，因而從位于調制器反射的離軸光線154入射到分束器100的相反一側的數字圖像投影儀的投影透鏡46的輸入端口44轉向的程度，正如在傳統的MacNeille型偏振分束器的情況那樣，取決于調制器反射的離軸光線154的電場相對于構成分束器100的線柵106的導線104的伸展方向的方向，而不取決于離軸光線154相對于線柵分束器100的方向或入射角。調制器反射的離軸光線154的電場一般可以包括沿著垂直于所述光線154傳播方向的平面和相對于線柵偏振分束器100而定義的Y-Z平面之間的交線的分量，結果，例如，在偏振調制器40的調制器面42上調制器反射的入射平面73中的反射的分量。這樣的線性偏振調制器反射的離軸光線154會導致泄漏光線156透過偏振分束器100的線柵106向數字圖像投影儀的投影透鏡46的輸入端口44傳播。這樣的泄漏光線156往往會部分地照亮投影圖像的暗像素區(qū)，并因而起著令人討厭地降低數字圖像投影儀的明暗對比度的作用。但是，事實上，在高性能線柵偏振分束器的情況下，調制器反射的離軸光線從照明光束瞳孔泄漏的暗狀態(tài)的問題，顯著地小于傳統的MacNeille型多層介質薄膜分束器的問題。
至今公開的數字圖像投影系統配置中的線柵偏振器偏振分束器可能有缺點，對于高分辨率圖像投影系統尤為如此。偏振分束器柵格支持面上的線柵偏振器應該在光學上是平坦的，因為線柵偏振器必須對攜帶圖像的光束起作用，而不使圖像畸變。為了維持線柵偏振器偏振分束器的柵格支持面足夠平坦，分束器的柵格支持板必須厚。但是，光學玻璃厚板可能或者由于熱應力或者由于外部施加的應力而產生應力雙折射的問題。正如在上面圖4和5舉例說明那樣，在至今公開的數字圖像投影儀的配置中，要求準備投影的攜帶圖像的光束通過線柵偏振器偏振分束器的柵格支持板，因而這樣的光束就有在柵格支持板中應力雙折射引起畸變的危險。另外，線柵偏振器厚的柵格支持板在要用作偏振分束器而歪斜時，可能在以歪斜的角度通過柵格支持板的光束中引起象散，并在較低的程度上引起象差，從而造成穿過前面公開的配置的數字圖像投影系統中的歪斜柵格支持板的光束所攜帶的圖像進一步畸變的危險。
本發(fā)明的目的是提供一種投射高質量彩色圖像并表現出優(yōu)異的明暗對比度的圖像投影儀。
這個目的用按照本發(fā)明權利要求1所規(guī)定的圖像投影儀來達到。
本發(fā)明的數字圖像投影儀包括照明光源燈，用以產生白光譜照明光；以及照明光束形成光學裝置，用以接收由所述光源燈產生的照明光并由這樣的光形成白光譜照明光束。
本發(fā)明的數字圖像投影儀還包括彩色頻帶分離光學裝置，用以把輸入的白光譜照明光束分成三個空間分離的彩色分量照明子光束。
本發(fā)明的數字圖像投影儀還包括反射式數字圖像編碼偏振調制器機構，用以在照明子光束按照所需的彩色數字圖像的相應的彩色分量圖像反射時，在空間上調制入射的線性偏振彩色分量照明子光束的偏振，以便形成反射的彩色分量圖像編碼偏振子光束。
本發(fā)明的數字圖像投影儀還包括投影透鏡光學裝置，用以投影帶有彩色圖像的光線，以便觀看所需的彩色圖像。
最后，本發(fā)明的數字圖像投影儀包括板支持的表面安裝的固定偏振軸偏振分束器，用以以偏振狀態(tài)選擇方式使入射到所述分束器的照明光線進入暗像素偏振狀態(tài)偏振光線，以便形成入射到反射式數字圖像編碼的偏振調制器機構的線性偏振彩色分量照明子光束。另外，固定偏振軸偏振分束器可以起把從來自反射式數字圖像編碼偏振調制器機構的反射的彩色分量圖像編碼偏振子光束抽出的入射分束器的圖像編碼偏振光線，分成用以形成所需的彩色圖像的攜帶暗像素偏振狀態(tài)偏振的負像的光線和攜帶亮像素偏振狀態(tài)偏振的彩色圖像的光線的作用。偏振分束器包括透明的偏振器支持板和安裝在偏振器支持板的定義偏振器支持面的光學上基本上平坦的外表面的固定偏振軸偏振器。固定偏振軸偏振器在垂直于偏振器支持面的方向上是薄的。
相對于本發(fā)明的數字圖像投影儀的偏振分束器定義照明光束接收軸、暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸和亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸。工作時，入射到分束器上的照明光線在基本上平行于照明光束接收軸方向傳播，入射到分束器上的圖像編碼偏振光線在基本上平行于暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸的方向傳播，而由分束器從圖像編碼偏振光線分出的帶有亮像素偏振狀態(tài)偏振的彩色圖像的光線，在基本上平行于亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸的方向上傳播。偏振器支持面法線被定義為從偏振器支持板的偏振器支持面沿著垂直于偏振器支持面的方向伸出。
本發(fā)明的數字圖像投影儀的固定偏振軸偏振分束器，利用從安裝在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振軸偏振器向外延伸的暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸定位和取向。偏振光束軸的角度定義為暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸和偏振器支持面法線之間的角度。偏振光束軸的角度顯著地大于零角度，最好為45°。照明光束接收軸事實上平行于從偏振器支持板的與偏振器支持面相反的面向外延伸的暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸的方向延伸。亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸是在由暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸和偏振器支持面法線定義的入射平面內，從偏振器支持板的偏振器支持面向外延伸的，并與偏振器支持面法線形成一個等于偏振光束軸角度的反射角。固定偏振軸偏振分束器這樣取向、以便接收照明光線，所述照明光線基本上平行于照明光束接收軸向著偏振分束器傳播并且通過透明的偏振器支持板向安裝在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振軸偏振器，使暗像素偏振狀態(tài)光線基本上平行于暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸地從偏振器支持面向外向著偏振分束器傳播，以便接收圖像編碼偏振光線，所述圖像編碼偏振光線朝著分束器基本上平行于暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸直接傳播到安裝在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振軸偏振器，而不穿過偏振器支持板，并把圖像編碼偏振光線分成通過透明的偏振器支持板并基本上平行于照明光束接收軸從偏振分束器離開的帶有暗像素偏振狀態(tài)負像的光線，和基本上平行于暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸從偏振器支持面?zhèn)鞑コ鋈?、不通過偏振器支持板以便用投影透鏡光學裝置投影的帶有亮像素偏振狀態(tài)彩色圖像的光線。
在本發(fā)明的數字圖像投影儀的第一最佳實施例中，數字圖像投影儀包括照明光源燈，用以產生白光譜照明光；和照明光束形成光學裝置，所述照明光束形成光學裝置設置成接收由光源燈產生的照明光并且適合于從這樣的光形成白光譜照明光束。
所述數字圖像投影儀的第一最佳實施例還包括彩色頻帶分離子光束位置掃描器組件，它具有白光譜照明光束輸入光學端口和彩色分量掃描位置分離三元組子光束的輸出光學端口。彩色頻帶分離子光束位置掃描器組件適合于接受輸入的白光譜照明光束進入白光譜照明光束輸入光學端口，并把輸入的白光譜照明光束分成三個空間上分離的彩色分量子光束。彩色頻帶分離子光束位置掃描器組件還適合于重復地在第一和第二極限位置之間掃描每一個彩色分量子光束，而同時使子光束維持非重疊的關系，以便形成三個空間上分離的彩色分量掃描位置子光束，并將這三個空間分離的彩色分量掃描位置子光束從彩色分量掃描位置分離三元組子光束輸出光學端口投影出去。
所述數字圖像投影儀的第一最佳實施例還包括反射式三運動圖像區(qū)域數字圖像編碼偏振調制器，它包括定義偏振調制器的調制器面的反射偏振調制像素區(qū)域；和圖像編碼信號輸入端口，用以接收圖像編碼信號，所述圖像編碼信號用以選擇性地設置選擇性尋址的像素區(qū)域的偏振激活狀態(tài)。每一個反射式偏振調制像素區(qū)域都適合于按照像素區(qū)域的偏振激活狀態(tài)選擇性地調制投射在所述像素區(qū)域的線性偏振光的偏振。偏振調制器的調制器面適合于具有工作時在其上形成的三個基本上不重疊的彩色分量掃描位置圖像區(qū)域，其中的每一個圖像區(qū)域都對應于一個由工作時以基本上法向入射到調制器面的形式投影的相關的彩色分量掃描位置子光束照明的彩色分量照明區(qū)域。工作時規(guī)定每一個彩色分量掃描位置圖像區(qū)域，以便在掃描其他兩個彩色分量掃描位置圖像區(qū)域的同時，按照相關的彩色分量掃描位置子光束的掃描重復地掃描整個調制器面。偏振調制器適合于在圖像編碼信號輸入端口接收三運動圖像區(qū)域彩色分量圖像編碼信號，在圖像區(qū)域橫跨整個調制器面進行掃描的過程中，對三個彩色分量掃描位置圖像區(qū)域中的每一個，選擇性地把與彩色分量掃描位置圖像區(qū)域相關的反射偏振調制像素區(qū)域的偏振活性狀態(tài)設置為偏振活性狀態(tài)，所述偏振活性狀態(tài)對整個運動圖像區(qū)域對所需的全彩色實際尺寸圖像的相應的彩色分量運動圖像區(qū)域部分進行編碼。投影在調制器面并掃描整個調制器面以便基本上法向入射地照亮調制器面的彩色分量掃描位置圖像區(qū)域的相應的線性偏振彩色分量掃描位置子光束，由此基本上法向入射地從所述運動圖像區(qū)域反射，在任意時刻進行偏振空間調制，以便對所述時刻的所需圖像的相應的彩色分量圖像區(qū)域部分進行編碼、使得在掃描整個調制器面的整個掃描周期的重復時間中，所述彩色分量掃描位置子光束從調制器面反射，同時連續(xù)地對偏振進行調制、以便以掃描圖像的方式對所需的實際尺寸圖像的相應的彩色分量進行編碼。
所述數字圖像投影儀的第一最佳實施例還包括投影透鏡光學裝置，用以把三束彩色分量掃描位置圖像子光束接收到投影透鏡輸入光學端口中、并把所述三束彩色分量掃描位置圖像子光束從投影透鏡輸出光學端口投影出去，以便觀看圖像。
最后，本發(fā)明的數字圖像投影儀的第一最佳實施例包括板支持的表面安裝的固定偏振軸薄偏振器偏振分束器。所述偏振分束器包括透明的偏振器支持板和安裝在偏振器支持板上定義偏振器支持面的基本上光學平坦的外表面上的固定偏振軸偏振器。固定偏振軸偏振器在與偏振器支持面垂直的尺寸上是薄的。偏振分束器已經與此相關地定義了照明光束接收軸、暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸和亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸。偏振器支持面法線被定義在垂直于偏振器支持面的方向上從偏振器支持板的偏振器支持面向外伸出。暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸從偏振器支持板的偏振器支持面向外延伸，偏振光束軸角度被定義為暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸和偏振器支持面法線之間的夾角。偏振光束軸的角度顯著地大于零角度。照明光束接收軸在一個事實上平行于暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸方向的方向上，從偏振器支持板與偏振器支持面相反的面向外延伸。亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸從偏振器支持板的偏振器支持面向外延伸，并與偏振器支持面法線形成一個等于偏振光束軸角度的角。固定偏振軸偏振分束器適合于接收三束空間分離的彩色分量掃描位置子光束，所述各子光束基本上平行于照明光束接收軸朝偏振分束器傳播，并通過透明的偏振器支持板傳播到偏振器支持面，并借助于偏振器支持面上的固定偏振軸偏振器把所述三束空間分離的彩色分量掃描位置子光束分成三束線性偏振空間分離的彩色分量掃描位置暗像素偏振狀態(tài)照明光束，后者基本上平行于暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸從偏振器支持面向外傳播。固定偏振軸偏振分束器還適合于接收三束空間分離的彩色分量掃描位置圖像子光束，后者基本上平行于暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸朝分束器傳播，直接傳播到安裝在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振軸偏振器上，而不通過偏振器支持板。每一束彩色分量掃描位置圖像子光束包含攜帶彩色分量負像的暗像素偏振狀態(tài)線性偏振光和攜帶所需的彩色分量圖像的亮像素偏振狀態(tài)線性偏振光。固定偏振軸偏振分束器還適合于把每一束彩色分量掃描位置復合圖像子光束分成彩色分量掃描位置暗像素偏振狀態(tài)線性偏振光束和彩色分量掃描位置亮像素偏振狀態(tài)線性偏振光束，所述彩色分量掃描位置暗像素偏振狀態(tài)線性偏振光束攜帶彩色分量負像、通過透明的偏振器支持板傳播并基本上平行于照明光束接收軸從偏振分束器傳播出去，而所述彩色分量掃描位置亮像素偏振狀態(tài)線性偏振光束攜帶所需的彩色圖像、并基本上平行于亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸從偏振器支持面向外傳播而不通過偏振器支持板。偏振分束器的照明光束接收軸實際上與彩色頻帶分離子光束位置掃描器組件的掃描位置子光束中心軸一致。偏振分束器的暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸實際上與偏振調制器的調制器面的法線一致，而偏振分束器的亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸實際上與偏投影透鏡光學裝置的投影透鏡輸入端口軸。
在本發(fā)明的數字圖像投影儀的第二最佳實施例中，數字圖像投影儀包括照明光源燈，用以產生白光譜照明光；和光束形成光學裝置，設置成接收由光源燈產生的白光譜照明光，并適合于從這樣的光形成白光譜照明光束。
所述數字圖像投影儀的第二最佳實施例還包括光束彩色分離/組合棱鏡組件，所述光束彩色分離/組合棱鏡組件具有復合光束光學輸入輸出端口和三原色光學輸入輸出端口。光束彩色分離/組合棱鏡組件適合于把白光譜輸入光束接收到復合光束光學輸入輸出端口中，把白光譜輸入光束分成三分量原色輸出光束，每一個分量原色輸出光束分別從相應的原色光學輸入輸出端口投影出去。光束彩色分離/組合棱鏡組件還適合于分別把三原色輸入光束中的每一束接收到三原色光學輸入輸出端口中相應的一個端口中，把三原色輸入光束組合為復合輸出光束，并從棱鏡組件的復合光束光學輸入輸出端口投影復合輸出光束。
所述數字圖像投影儀的第二最佳實施例還包括三個反射式數字圖像編碼偏振調制器。每一個反射式偏振調制器設置成面向光束彩色分離/組合棱鏡組件的三原色光學輸入輸出端口中相應的一個端口。每一個反射式偏振調制器都適合于按照所需的數字圖像的相應的原色分量，反射從相應的原色光學輸入輸出端口投影在調制器上的偏振分量原色輸出光束并對其偏振進行空間調制、以便形成反射圖像編碼偏振原色輸入光束，將其導入相應的原色光學輸入輸出端口。
所述數字圖像投影儀的第二最佳實施例還包括投影透鏡光學裝置，用以把圖像光束接收到投影透鏡光學輸入端口中并從投影透鏡光學輸出口投影圖像光束，以便觀看圖像。
最后，本發(fā)明的數字圖像投影儀的第二最佳實施例包括板支持的表面安裝的固定偏振軸薄偏振器偏振分束器。這樣的偏振分束器包括透明的偏振器支持板和安裝在偏振器支持板上光學上基本上平坦的定義偏振器支持面的外表面上的固定偏振軸偏振器。固定偏振軸偏振器在與偏振器支持面垂直的方向上的尺寸是薄的。關于偏振分束器定義了三個軸照明光束接收軸、暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸和亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸。偏振器支持面法線定義為在垂直于偏振器支持面的方向上從偏振器支持面向外伸出。暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸從偏振器支持板的偏振器支持面向外延伸并與偏振器支持面法線形成一個顯著大于零度的偏振光束軸角度。照明光束接收軸實際上平行于暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸的方向上、從偏振器支持板與偏振器支持面相反的面向外延伸。亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸從偏振器支持面向外延伸并與偏振器支持面法線形成一個與偏振光束軸角度相等的反射角。偏振分束器適合于執(zhí)行以下操作接收照明光束，后者基本上沿著照明光束接收軸朝著偏振分束器傳播并通過透明偏振器支持板向安裝在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振軸偏振器傳播；利用偏振器支持面上的固定偏振軸偏振器把照明光束分成一個基本上沿著暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸的方向從偏振器支持面向外傳播的線性偏振的暗像素偏振狀態(tài)光束；接收復合圖像光束，后者包含攜帶彩色負像的暗像素偏振狀態(tài)線性偏振光和攜帶所需的彩色圖像的亮像素偏振狀態(tài)線性偏振光，后者基本上沿著暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸的方向朝著分束器傳播，直接射在安裝在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振軸偏振器上，而不穿過偏振器支持板；把復合光束分成暗像素偏振狀態(tài)線性偏振光束和亮像素偏振狀態(tài)線性偏振光束，所述暗像素偏振狀態(tài)線性偏振光束攜帶彩色負像、穿過透明的偏振器支持板并基本上沿著照明光束接收軸從偏振分束器離開，而所述亮像素偏振狀態(tài)線性偏振光束攜帶所需的彩色圖像、基本上沿著亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸從偏振器支持面向外傳播，而不穿過偏振器支持板。偏振分束器的照明光束接收軸實際上與照明光束形成光學裝置的照明光束軸一致。偏振分束器的暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸實際上與光束彩色分離/組合棱鏡組件的復合光束輸入輸出端口軸一致。偏振分束器的亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸實際上與投影透鏡光學裝置的投影透鏡輸入端口軸一致。
本發(fā)明的數字圖像投影儀的板支持的表面安裝的固定偏振軸薄偏振器偏振分束器具有接收角，用以接收對應于0.1至0.25范圍內或更大的數字孔徑的照明光束。相應地，本發(fā)明的數字圖像投影儀的照明光束形成光學裝置最好具有0.1至0.25范圍內或更大的數字孔徑。本發(fā)明的數字圖像投影儀的照明光束形成光學裝置最好具有至少0.15的數字孔徑，而偏振分束器具有用以接收對應于至少0.15數字孔徑的照明光束的接收角。本發(fā)明的數字圖像投影儀的照明光束形成光學裝置最好具有至少0.2的數字孔徑，而偏振分束器具有用以接收對應于至少0.2數字孔徑的照明光束的接收角。
在本發(fā)明的數字圖像投影儀中，偏振分束器的偏振器支持板的偏振器支持面的法線和相對于偏振分束器定義的暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸之間的偏振光束軸角最好在從約20°到約70°的范圍內。所述數字圖像投影儀的偏振光束軸角度最好約為45°。
本發(fā)明的數字圖像投影儀的固定偏振軸偏振分束器的偏振器支持板的偏振器支持面的平坦度最好在每英寸5個可見光波長范圍內。偏振器支持板的偏振器支持面的平坦度最好在每英寸2個可見光波長范圍內。
本發(fā)明的數字圖像投影儀的最佳反射式數字圖像編碼偏振調制器包括反射式液晶顯示器(RLCD)，亦稱硅基液晶顯示器(LcoS)。
板支持的表面安裝的固定偏振軸薄偏振器偏振分束器最好是線柵偏振器偏振分束器。線柵偏振器偏振分束器包括透明的柵格支持板和由安裝在柵格支持板的外柵格支持面上的多根大體上線性的導線構成的線柵偏振器。所述導線是基本上彼此平行并彼此隔開而伸展的，相鄰導線之間的間隔最好小于投影儀所用的可見光的最短波長，約為290nm。柵格支持板最好在整個可見光范圍內對光是透明的。線柵的偏振特性在Eugene Hecht所著Optics(光學)第三版(Addison-Wesley，1998)，327-328頁和G.R.Bird和M.Parrish在雜志J.Opt.Soc.Am，1960年第50卷886-891頁中進行了討論。一般適用于本發(fā)明數字圖像投影儀某些最佳實施例的線柵偏振分束器有商售，可從Orem Utah的Moxtek Inc.以“ProFlux Polarizers”的商標購得。
入射到線柵偏振器偏振分束器的未偏振光線被分成兩束線性偏振光線，其中一束從線柵的表面反射，而其中的另一束透過線柵。透射光線是線性偏振的，其電場垂直于構成柵格的導線的方向。電場分量平行于構成柵格的導線線性伸展方向的入射光被反射，形成線性偏振反射光。偏振軸由線柵的物理結構決定；具體地說，由柵格的導線的伸展方向決定。于是，例如，透射的偏振矢量，當投影在平面時，不會像傳統的MacNeille型多層介質薄膜分束器那樣繞光束的瞳孔旋轉。
本發(fā)明的數字圖像投影儀的替代的最佳的板支持的表面安裝的固定偏振軸薄偏振器偏振分束器最好是板支持的表面安裝的交替雙折射/非雙折射薄膜偏振器偏振分束器。板支持的表面安裝的交替雙折射/非雙折射薄膜偏振器偏振分束器包括透明的薄膜支持板和安裝在薄膜支持板的外薄膜支持面上的交替雙折射/非雙折射薄膜偏振器。交替雙折射/非雙折射薄膜偏振器包括定向的雙折射材料和非雙折射材料交替層，其中，非雙折射材料的折射率基本上等于各定向的雙折射材料的折射率之一。因為材料交替層的折射率在一個方向上匹配，在正交的方向上不匹配，所以一個偏振方向上的光有效地“看到”均勻的折射率，并透射過多層薄膜，而正交偏振的光看見一疊折射率交替變化的層，而被反射。這樣的交替的雙折射/非雙折射薄膜偏振器在公開的國際PCT專利申請書WO 00/70386中作了描述。一疊多個交替雙折射/非雙折射的薄膜層可以布置在透明薄膜支持板的外薄膜支持面上，其取向可以是與入射光束軸成45°，以形成偏振分束器。偏振軸由雙折射層的取向決定。于是，類似于線柵偏振分束器，這樣一種偏振分束器往往避免傳統的MacNeille型多層薄膜偏振分束器的歪斜角度問題。
在本發(fā)明中，傳統的MacNeille多層介質薄膜偏振分束器的困難通過利用基于折射或雙折射結構的固定偏振軸分束器得以避免。采用這樣的偏振分束器，反射和透射偏振狀態(tài)不像光線在傳統的MacNeille型偏振分束器那樣取決于光的傳播方向。事實上，歪斜角度消偏振在很大程度上得以避免，因而不必使用1/4波長金屬箔來改善對比度。
在本發(fā)明的數字圖像投影儀中，偏振分束器的偏振器支持板面向投影儀光學系統照明光源一側，而偏振分束器的偏振器支持面則面向投影儀光學系統反射式偏振調制器一側。結果，如圖6所示，線柵偏振分束器100這樣取向、使得來自投影儀光學系統照明光源一側的照明光束170入射到分束器100柵格支持板104與安裝線柵106的柵格支持板104的柵格支持面112相反的一面172。反射式偏振調制器40由線性偏振光束174照明，光束174在照明光束170透過偏振分束器100的透明柵格支持板104和線柵106時從照明光束170引出。從偏振調制器40的偏振器反射面42反射的圖像編碼偏振光束176直接入射到安裝在偏振分束器100的柵格支持板104上的線柵106，而不通過柵格支持板104。線柵106把圖像編碼偏振光束176分成暗像素偏振狀態(tài)偏振的攜帶負像的光束180和亮像素偏振狀態(tài)偏振的攜帶彩色圖像的光束178，所述暗像素偏振狀態(tài)偏振的攜帶負像的光束180穿過柵格支持板104并離開偏振分束器100，而所述亮像素偏振狀態(tài)偏振的攜帶彩色圖像的光束178離開線柵106傳播，而不穿過柵格支持板104并射在投影透鏡光學裝置(未示出)上。偏振分束器界面上的線柵106最好是在光學上平坦的，因為線柵在成象光路上，并影響圖像編碼光束。為了維持線柵106足夠平坦，柵格支持板具有相當的厚度。如上所述，厚玻璃板有應力雙折射問題。但是，由于帶有偏振分束器100面向投影儀光學系統照明光源一側的柵格支持板104的偏振分束器100的取向，這樣的應力雙折射基本上只影響照明光束170，結果效率的損失可以忽略不計。當反射式偏振分束器處于離線狀態(tài)時，沒有玻璃來干擾穿過偏振分束器100的線柵106而離開并從偏振調制器40反射后返回線柵106的線性偏振光束的偏振。
正如上面所指出的，線柵偏振器偏振分束器的相對較厚的傾斜柵格支持板可能把色散，并在較小的程度上把象散引入以傾斜角度穿過柵格支持板的光束中。但是，對于圖6分束器取向，這樣的象差出現在照明光路上。在照明光路上，象差的影響較小，因為這里沒有圖像信息。盡管如此，在本發(fā)明的數字圖像投影儀中最好提供某種程度上的色散補償。這樣的補償可以通過在投影儀的照明路徑上插入柱面透鏡或色散補償裝置提供。這樣的色散補償裝置最好位于照明光路上，接近系統瞳孔的地方，或者在接近系統瞳孔或在瞳孔的中間圖像處加入中繼透鏡。
下面將參照附圖描述本發(fā)明各最佳實施例圖1是采用多層介質偏振薄膜的傳統的MacNeille型偏振分束器，舉例說明分束器的用于最優(yōu)偏振的未偏振光線的傳播方向。
圖2和3是設置在反射式液晶偏振調制器和傳統的數字圖像投影儀投影透鏡輸入光學端口之間的圖1的偏振分束器簡化的示意圖，舉例說明不希望有的射在暗像素位置上的光線泄漏。在圖2的情況下，這樣的光線泄漏是因未偏振的光線以不同于最優(yōu)偏振角的角度入射到分束器偏振面造成的。在圖3的情況下，不希望有的暗像素位置上的光線泄漏是因未偏振的光線以不同于最優(yōu)偏振角入射到分束器偏振面、而沿著相對于主軸歪斜的方向傳播造成的，所述主軸是相對于偏振分束器和反射式偏振調制器的偏振調制器面定義的。
圖4和5是按先有技術所公開的方法設置和取向在反射式液晶偏振調制器和數字圖像投影儀投影透鏡輸入光學端口之間、使得攜帶所需的圖像的亮像素偏振狀態(tài)調制的光束以傾斜的移位法向入射的角度穿過偏振分束器的透明的柵格支持板的線柵偏振分束器的簡化示意圖。
圖6是設置在反射式液晶偏振調制器和本發(fā)明最佳的數字圖像投影儀的投影透鏡輸入光學端口之間的線柵偏振分束器的簡化示意圖，其中，準備由投影透鏡投影的亮像素偏振狀態(tài)調制的攜帶所需圖像的光束從線柵偏振分束器的柵格支持面反射而不通過分束器的柵格支持板。
圖7是本發(fā)明最佳的第一數字圖像投影儀的簡化光學示意圖。
圖8和9是用于圖7的最佳第一數字圖像投影儀中用的光學配置的變型的旋轉棱鏡組件的側視和頂視簡化示意圖。
圖10是圖7的最佳數字圖像投影儀的反射式偏振調制器調制器面的簡化示意圖，舉例說明紅、綠、藍分量掃描位置子光束。
圖11是本發(fā)明的第二最佳數字圖像投影儀的光學簡化示意圖。
現轉向圖7，第一最佳數字圖像投影儀500包括照明光束光源組件502，它包括位于拋物線反射器506內的高亮度燈504。照明光束光源組件502產生投影儀用的未偏振的白光譜光的照明光束。為了簡單起見，在圖7中光束只用不同光束的中心光束，諸如由照明光束光源組件502產生未偏振照明光束的中心光束508表示。在照明光束的光路上設置紫外線、紅外線和彩色補償濾光片(未示出)，用以從所述光束除去紫外線、紅外線頻率的光線，并賦予所述光束頻譜所需的彩色頻譜形狀。
光線保存光束偏振器組件510位于最佳數字圖像投影儀500中未偏振照明光束508的光路上。光束偏振器組件510屬于大致地類似于Itoh和Hashizme的美國專利No.5,986,809中所描述的光束偏振器的類型，所述公開附此作參考。簡單地說，光束偏振器組件510包括第一透鏡陣列512，后者包括基本上呈矩形的平凸透鏡元件的矩形陣列。工作時，第一透鏡陣列512把照明光束508分成矩形的聚焦子光束陣列。光束偏振器510還包括設置在由第一透鏡陣列512的聚焦子光束的聚焦面內的偏振分束器/半波板組件514。偏振分束器/半波板組件514包括第二透鏡陣列516和多對交替的細長的偏振分束器薄膜帶520和細長的反射鏡帶522。偏振分束器薄膜帶520和反射鏡帶522都在垂直于照明光束508中心光線的方向上彼此平行地線性延伸，并相對于所述光束508的中心光線基本上呈45°傾斜。第二透鏡陣列516包括基本上呈矩形的透鏡陣列的矩形陣列，后者與光束偏振器組件510的第一透鏡陣列512的透鏡元件一一對應。第二透鏡陣列514中的每一個透鏡元件還把來自第一透鏡陣列512的相應透鏡元件的未偏振子光束聚焦在偏振分束器/半波板組件514的偏振分束器薄膜帶520的部分。偏振分束器薄膜帶520把未偏振子光束分成兩束線性偏振的子光束，其中第一束穿過偏振分束器薄膜帶520，而第二束則從偏振分束器薄膜帶520反射到相鄰的反射鏡帶522上。第一和第二偏振子光束具有基本上彼此正交的偏振。反射鏡帶522這樣取向、以便以基本上平行于照明光束508的光束軸的方式把線性偏振子光束反射出偏振分束器/半波板組件514。與每一個偏振分束器薄膜帶520對準的是細長的半波板帶524。穿過偏振分束器薄膜帶520的第一線性偏振子光束也穿過半波板帶524。半波板帶524使第一線性偏振子光束基本上旋轉45°，與從反射鏡帶522反射的第二線性偏振子光束的偏振狀態(tài)基本上一致。因此，光束偏振器組件510把未偏振的照明光束508轉換成由具有基本上一種偏振狀態(tài)的線性偏振子光束陣列構成的線性偏振照明光束509，實際上沒有放棄與未偏振照明光束中任何特定的偏振狀態(tài)對應的光。
一般光束成形/色散補償平凸透鏡526設置在來自光束偏振器組件510的線性偏振照明光束509的光路上。光束成形/色散補償透鏡526與光束偏振器組件510的第一和第二透鏡陣列512和516合作對由光束偏振器組件510產生的線性偏振子光束陣列中各種子光束聚焦并將其組合成具有基本上呈矩形斷面的組合的線性偏振光束。通過使多個子光束組合成組合的線性偏振照明光束，所得照明光束往往在光束的整個斷面面積上具有均勻的亮度。另外，光束成形/色散補償透鏡526成形為包括圓柱放大率(CYLINDRICAL POWER)，以便補償下面討論的線柵偏振分束器570的柵格支持板572引起的色散，它以傾斜取向設置在由從光束成形/色散補償透鏡526投影的線性偏振照明光束509產生的線性偏振彩色分量子光束542R、G、B的光路上。
旋轉棱鏡掃描位置彩色頻帶分離組件530設置在來自光束偏振器組件510的線性偏振照明光束509的光路上。廣泛而言，旋轉棱鏡掃描位置彩色頻帶分離組件530采用二色性反射鏡，把線性偏振的照明光束分成平行的紅、綠和藍彩色分量子光束，三個旋轉正方形棱鏡用來在側向位置與所述子光束傳播方向交叉地在整個側向位置范圍內反復單向地掃描每一個彩色分量子光束，而同時維持所述子光束的傳播方向平行于給定方向，而光束的對準和中繼光學裝置對準側向伸展的平面內彼此平行的掃描位置彩色分量子光束，并賦予每一束子光束一個類似于帶狀的斷面形狀，同時所述帶的側向寬度窄，排除相鄰子光束的側向重疊。
旋轉棱鏡掃描位置彩色頻帶分離組件530大致地類似于Janssen的美國專利No.5,410,370所公開的旋轉棱鏡組件，所述申請附此作參考。交替的旋轉棱鏡掃描位置彩色頻帶分離組件530’舉例示于圖8和9，它在功能上基本上相當于舉例示于圖7的旋轉棱鏡掃描位置彩色頻帶分離組件530。下面將詳細描述交替彩色頻帶分離組件530’。然后說明圖8和9的交替旋轉棱鏡掃描位置彩色頻帶分離組件530’和圖7的旋轉棱鏡掃描位置彩色頻帶分離組件530的差異。
現轉向圖8和9，旋轉棱鏡掃描位置彩色頻帶分離組件530’包括旋轉棱鏡組件550，后者包括紅分量正方形棱鏡552’R、綠分量正方形棱鏡552’G和藍分量正方形棱鏡552’B。紅、綠和藍分量正方形棱鏡中的每一個都彼此重疊在一起，三個棱鏡的中心軸對齊。相鄰棱鏡圍繞所述中心軸在角度上彼此偏移約30°。所述棱鏡組件的三個正方形棱鏡552’R、G、B由馬達(未示出)驅動繞中心軸旋轉。
正如在圖9最能看清的，數字圖像投影儀500的旋轉棱鏡掃描位置彩色頻帶分離組件530包括在空間上沿著線性偏振照明光束509的傳播方向彼此隔開并相對于照明光束509的傳播方向以基本上45度取向的紅反射/藍-綠透射二色性反射鏡532、綠反射/藍透射二色性反射鏡538和光束重定向反射鏡554’。紅反射/藍-綠透射二色性反射鏡532在基本上垂直于照明光束509傳播方向的方向上反射入射照明光束509的紅分量子光束540R，并在照明光束509傳播方向上讓藍-綠分量子光束540GB透過。
在紅分量子光束540R光路上跟在紅反射/藍-綠透射二色性反射鏡532之后的紅分量平凸透鏡528R和在藍-綠分量子光束540GB光路上跟在紅反射/藍-綠透射二色性反射鏡532之后的基本上相同的藍-綠分量平凸透鏡528GB是中繼光學裝置，用以把最后的掃描位置線性偏振彩色分量子光束聚焦在反射式偏振調制器上。
綠反射/藍透射二色性反射鏡538沿著垂直于入射的藍-綠分量子光束540GB的方向反射藍-綠分量子光束540GB的綠分量子光束540G，并沿著平行于藍-綠分量子光束540GB的方向透射藍分量子光束540B。
正如在圖9看得最清楚的，從紅反射/藍-綠透射二色性反射鏡532出來的紅分量子光束540R，通過透鏡528R以舉例說明的旋轉棱鏡組件550特定代表性旋轉角，聚焦在紅分量正方形棱鏡552’R的第一平面上。一般說來，在空氣中以非零入射角入射到其折射率大于空氣折射率并前、后面平行的透明材料的前面時，光線在進入前面時被折射，穿過材料時在前面形成一個比入射角更接近于法線的折射角。離開所述材料塊的后面時，所述光束被折射，使得離開角等于原來的入射角。凈結果是，離開的光束在平行于入射光束的方向上傳播，但考慮到在由折射角決定的方向上通過材料厚度行進，在位置上發(fā)生偏移。于是，如圖8所示，以旋轉棱鏡組件550舉例說明的代表性旋轉角入射的紅分量子光束540R，與紅分量正方形棱鏡552’R的第一面相交，穿入并以與棱鏡的第一面的折射角通過所述棱鏡，作為紅分量掃描位置子光束542R從所述棱鏡的反面穿出，在位置上側向偏離入射紅分量子光束540R。綠分量子光束540G從綠反射/藍透射二色性反射鏡538被反射在綠分量正方形棱鏡552’G的面上。因為在圖8所示的特定的旋轉角法向入射的綠分量子光束540G與綠分量正方形棱鏡的面相交，綠分量子光束540G穿過棱鏡，作為綠分量掃描位置子光束542G穿出，中心光線與入射的綠分量子光束540G的中心光線一致。藍分量子光束540B透射通過綠反射/藍透射二色性反射鏡538，并由光束重定向反射鏡554重定向，與藍分量正方形棱鏡552’B的面相交。在圖8和9舉例說明的旋轉棱鏡組件550特定的旋轉角下，入射藍分量子光束540B在藍分量棱鏡的面上被折射，并作為藍分量掃描位置子光束542B離開，在位置上側向偏離入射藍分量子光束540B。
再轉向圖9，紅分量掃描位置子光束542R穿過紅分量平凸中繼透鏡544R，并被光束重定向反射鏡556’反射到綠反射/紅透射二色性反射鏡558。紅分量掃描位置子光束542R被紅綠分量雙凸中繼透鏡560RG聚焦，射在紅綠反射/藍透射二色性反射鏡562上。紅分量掃描位置子光束542R被紅綠反射/藍透射二色性反射鏡562反射，穿過三掃描子光束平凸中繼透鏡566。綠分量掃描位置子光束542G穿過綠分量平凸中繼透鏡544G，射在綠反射/紅透射二色性反射鏡558上，在這里被反射通過紅綠分量雙凸中繼透鏡560RG，射在紅綠反射/藍透射二色性反射鏡562上。綠分量掃描位置子光束542G被紅綠反射/藍透射二色性反射鏡562反射，穿過三掃描子光束平凸中繼透鏡566。如圖9所示，藍分量掃描位置子光束542B穿過藍分量平凸中繼透鏡544B和藍分量雙凸中繼透鏡560B，然后通過紅綠反射/藍透射二色性反射鏡562和三掃描子光束平凸中繼透鏡566。
聯系圖7和圖8和9的旋轉棱鏡掃描位置頻帶分離組件530和530’之間的差異，紅、綠和藍分量正方形棱鏡552R，552G，552B，在圖7的頻帶分離組件530’中表示為側向隔開的，而不是像在圖8和9的頻帶分離組件530中表示為垂直堆疊的。圖7的光束重定向反射鏡554’和556’離開圖9的光束重定向反射鏡554’和556’的位置重新定位。
在圖7的旋轉棱鏡掃描位置頻帶分離組件530中，紅、綠和藍分量掃描位置子光束542R、G、B在離開紅綠反射/藍透射二色性反射鏡562時，在側向上彼此相對地發(fā)生位移。這三個正方形棱鏡552R、G、B同步地繞所述棱鏡的各自的中心軸的旋轉，使紅、綠和藍分量掃描位置子光束中每一個的側向位置都發(fā)生從第一側向極限位置到第二側向極限位置的側向位移，然后在第一側向位置重新出現以重復側向位移。由于棱鏡組件550的紅、綠和藍分量正方形棱鏡552R，G，B的基本上30°的相對角度偏移，紅、綠和藍分量掃描位置子光束542R、G、B在它們進行由棱鏡組件旋轉產生的重復的側向平移時彼此側向相對地總是發(fā)生側向位移。如上所述，第一和第二光束偏振器組件510陣列512和516和平凸透鏡成形/色散補償透鏡56使從紅分量正方形棱鏡552R射出的紅分量掃描位置子光束542R具有在垂直于子光束沿之掃描的方向的方向上伸長的一般呈類似矩形帶狀的橫截面。類似地，綠分量掃描位置子光束542G和藍分量掃描位置子光束542B具有基本上相同的一般呈類似矩形帶狀的橫截面。這三個分量子光束中的每一個在掃描方向上的截面寬度都足夠窄，以致在每一對相鄰的彩色分量子光束之間設置非照明側向間隙，使得子光束在三個子光束被通過平移周期進行掃描時任何時侯空間上都不會重疊。
再轉向圖7，三個發(fā)生了側向位移的紅、綠和藍分量掃描位置子光束542R、G、B穿過三個掃描子光束平凸中繼透鏡566和微調平板偏振器568，其取向是讓方向為平行于由光束偏振器組件510產生的光束的標稱偏振方向的線性偏振光通過。
線柵偏振分束器570設置在紅、綠和藍分量掃描位置子光束542R、G、B的光路上。線柵偏振分束器570包括柵格支持板572和安裝在支持板572的柵格支持面576上的線柵574。支持板572的柵格支持面576是光學基本上平坦的。線柵偏振分束器570的取向與彩色分量掃描位置子光束542R、G、B的傳播方向基本上成45°角，并與彩色分量掃描位置子光束542R、G、B的掃描方向基本上成45°角。線柵574的導線垂直于圖7的頁平面的方向伸展。支持板572的柵格支持面576上的線柵574面向從來自三掃描子光束平凸透鏡566和微調偏振器568的彩色分量掃描位置子光束542R、G、B傳播方向離開的方向。入射偏振分束器570的線性偏振的彩色分量掃描位置子光束542R、G、B電場方向的取向基本上垂直于線柵574的平行導線線性伸展的方向，以便允許所述子光束穿過所述線柵。
反射式偏振調制器580設置成使偏振調制器面582面向偏振分束器570。反射式偏振調制器590適合于按照施加在偏振調制器580上的圖像編碼信號、反射投射在偏振調制器面582上的調制線性偏振光并對所述光線的偏振進行空間調制。如圖10所示，偏振調制器面582用彩色分量掃描位置子光束542R、G、B照明，由于所述子光束截面形狀的原因，在偏振調制器面582上產生相應的彩色頻帶R、G、B。正如Janssen的美國專利No.5,410,370中所解釋的，對所需的彩色圖像的紅、綠和藍分量頻帶部分進行編碼的信號，與正方形棱鏡552R、G、B的旋轉以及由彩色分量掃描位置子光束542R、G、B產生的紅、綠和藍彩色頻帶橫跨偏振調制器面582的掃描同步地施加在偏振調制器580上，使得每一個彩色分量子光束在每一時刻都利用所述時刻所需的圖像的相應頻帶部分的彩色分量進行空間偏振調制。在任何給定時刻，偏振調制器580的偏振調制器面582都用由線性偏振的彩色分量掃描位置子光束542R、G、B產生的所有三個紅、綠和藍彩色頻帶543R、G、B照明，如圖10所示，任何一個頻帶都可以分成兩部分，作為相應的彩色分量子光束，從第二側極限位置546向后傳遞到第一側向極限位置548。被三個頻帶中特定一個照明的偏振調制器面582的部分，由施加在偏振調制器580上的圖像編碼信號的驅動，以便對按照所需的最后圖像的相應的彩色分量圖像產生這樣的頻帶的線性偏振的彩色分量掃描位置子光束進行空間調制。設置在每一對相鄰的彩色分量頻帶之間的非照明間隙549提供建立時間，以便使偏振調制器面上的像素區(qū)域能夠從與以往的頻帶的彩色分量圖像對應的偏振激活狀態(tài)切換到與到來的頻帶的彩色分量圖像對應的偏振激活狀態(tài)。由于任何給定的彩色頻帶都在整個偏振調制器面582上進行掃描，所以偏振調制器580被驅動來按照由頻帶照明的相應的彩色分量圖像的部分激活所述頻帶區(qū)域中的像素區(qū)域。因此，必須以大約三倍于專用于單彩色分量的偏振調制器的速率用圖像編碼信號來驅動偏振調制器580。
偏振調制器582上與投影圖像中仍未被特定彩色照明的像素對應的任何像素區(qū)域都被設置為偏振激活狀態(tài)，它并未主動地改變投射在所述區(qū)域上的線性偏振光的偏振。偏振調制器582上與投影圖像中被特定顏色分量照明的像素位置對應的像素區(qū)域被驅動至偏振激活狀態(tài)，以便把投射在所述像素區(qū)域的線性偏振光的偏振主動地旋轉到對應于所需的照明度的程度。對于照亮偏振調制器580的偏振調制器面582的一部分的每一束入射彩色分量掃描位置子光束542R、G、B，偏振調制器面582把空間選擇性偏振調制后的彩色分量掃描位置子光束向后反射到偏振分束器570。每一束其偏振方向不被反射式偏振調制器580改變的這樣被偏振調制的掃描位置子光束分量，都被線性偏振，其電場沿著垂直于線柵偏振分束器570的導線方向伸展，因而穿過偏振分束器，并向后朝照明光束光源組件502方向傳播。每一束其偏振被反射式偏振調制器580旋轉到這種程度的這樣被調制器反射的彩色分量掃描位置子光束的分量，都具有平行于柵格導線方向伸展的電場分量，并被線柵偏振分束器570反射到這樣的程度、以致形成相應的分束器反射的彩色分量掃描位置子光束594R、G、B。
投影透鏡組件590具有投影透鏡輸入端口592，后者設置成與偏振分束器570反射的光相交，并接收所述光線。微調分析儀片狀偏振器593設置在投影透鏡輸入端口592和線柵偏振分束器570之間。所述三束分束器反射的彩色分量掃描位置子光束594R、G、B中的每一束實際上構成攜帶所需圖像的彩色分量的亮像素偏振狀態(tài)線性偏振彩色分量子光束。投影透鏡組件590把三束亮像素偏振狀態(tài)彩色分量子光束投影在顯示屏(未示出)上以供觀看。這三束子光束的重復掃描速率對人類觀看者而言是足夠高的，投影的圖像作為完全的全色圖像出現。偏振分束器570的柵格支持板572的柵格支持面576的光學平坦度以及柵格支持面576的取向使亮像素偏振狀態(tài)彩色分量子光束594R、G、B可以從偏振調制器582直接反射到投影透鏡輸入端口590，而不必穿過透明的光束支持板572，保證投影圖像高的空間分辨率。
現轉向圖11，第二最佳數字圖像投影儀400包括照明光束光源組件402，它包括高亮度燈404和拋物線反射器406，所述拋物線反射器406形成用于投影儀的未偏振的白光譜光的照明光束408。紫外、紅外和頻譜缺口濾光片組件407設置在照明光束408的光路上，以便從光束中消除紫外和紅外頻率，并賦予所述光束頻譜所需的彩色頻譜形狀。
光保存光束偏振器組件410設置在大致地類似于Itoh和Hashizume的美國專利No.5,986,809中描述的光束偏振器類型的未偏振照明光束408的光路上。光束偏振器組件410包括由基本上矩形的平凸透鏡元件的矩形陣列構成的第一透鏡陣列412和設置在由第一透鏡陣列產生的聚焦照明光束的焦點平面上偏振分束器/半波板組件414。偏振分束器/半波板組件414包括第二透鏡陣列416；多對在垂直于照明光束408的中心光線的方向上彼此平行地延伸并與光束408中心光線大體上成45°角傾斜的交替的細長的偏振分束器薄膜帶420和細長的反射鏡帶422；以及多個與相應的偏振分束器薄膜帶420對準的細長的半波板帶424。功能上基本上類似的光束偏振器組件510的操作在上面已經聯系圖7進行了討論。為簡明起見，這里不再重復所述討論。光束偏振器組件410把未偏振的照明光束408轉變成由基本上具有一種偏振狀態(tài)的線性偏振子光束的陣列構成的線性偏振照明光束409，實際上沒有丟掉與未偏振照明光束408中任何特定偏振狀態(tài)對應的光。
一般平凸光束成形/色散補償透鏡426位于照明光束409的光路上并用以把由光束偏振器組件410產生的線性偏振照明光束陣列中的不同的子光束組合成組合的線性偏振照明光束。通過這樣把多個子光束組合成組合的線性偏振照明光束，所得的照明光束往往具有在光束的整個截面上均勻的亮度。另外，光束成形/色散補償透鏡426被成形為包括柱形放大率(cylindrical power)、以便補償由下面將要討論的設置在照明光束409光路上的傾斜的柵格支持板472引起的色散。
照明光束重定向反射鏡421反射線性偏振的照明光束409，以提供投影儀400光學布局的物理緊湊性。平凸中繼透鏡466和微調片狀偏振器468設置在跟在照明光束重定向反射鏡421之后的線性偏振照明光束409的光路上。微調偏振器468的取向是讓取向平行于由光束偏振器組件410產生的線性偏振光透過。
可見光光譜線柵偏振分束器470與投影儀主軸433基本上成45度地設置在聚焦的照明光束的光路上。線柵偏振分束器470包括柵格支持板472和安裝在支持板472的柵格支持面476上的線柵474。支持板472的柵格支持面476光學上基本上平坦。支持板472的柵格支持面476上的線柵474面向從微調偏振器468來的入射線性偏振的照明光束409傳播方向出來的方向。光束偏振器組件410、微調偏振器468和線柵偏振分束器470的導線的線性伸展方向彼此這樣相對取向、使得入射到線柵偏振分束器470上的線性偏振照明光束409線性偏振、其電場垂直于偏振分束器470的線柵474導線的線性伸展方向而伸展、使得照明光束409以分束器透射的線性偏振照明光束434的形式穿過偏振分束器470。
分束器透射的線性偏振照明光束434投射在原色分離/組合棱鏡組件436。原色分離/組合棱鏡組件436包括三個棱鏡面上帶有二色性涂層的棱鏡，并適合于把進入棱鏡組件436的白光譜光束分成分別為紅、綠和藍光的分量子光束。由于這樣的原色分離/組合棱鏡組件是傳統的，故對所述棱鏡組件不再詳細描述。原色分離/組合棱鏡組件具有白光輸入/輸出面437、紅分量光束輸入/輸出面438R、綠分量光束輸入/輸出面438G和藍分量光束輸入/輸出面438B。與紅分量光束輸入/輸出面438R相鄰的是紅圖像分量反射式液晶偏振調制器440R。綠圖像分量反射式液晶偏振調制器440G和藍圖像分量反射式液晶偏振調制器440B分別設置在與綠分量光束輸入/輸出面438G和藍分量光束輸入/輸出面438B相鄰的位置上。紅、綠和藍圖像分量反射式液晶偏振調制器440R、G、B中的每一個適合于按照施加在對所需的彩色圖像的彩色圖像分量進行編碼的調制器上的信號，選擇性地對逐個像素地投射在偏振調制器的偏振調制器面上的線性偏振光束的偏振進行空間調制。這樣的反射式液晶偏振調制器是傳統的。
對加在相應的彩色偏振調制器的所需數字圖像的特定彩色分量進行編碼的數字信號被這樣編碼、使得對應于投影圖像中仍未被特定顏色照明的區(qū)域的偏振調制器面上的像素區(qū)域被設置為偏振激活狀態(tài)，以便不改變以法向入射投射在所述像素區(qū)域的光束的偏振。對應于投影圖像中準備用特定的彩色分量照亮的區(qū)域的像素區(qū)域被驅動為偏振激活狀態(tài)，以便把投射在所述像素區(qū)域上的光的偏振旋轉到對應于照明度的程度。由特定彩色分量偏振調制器440形成的空間上選擇性地偏振調制的彩色分量光束被向后反射，進入原色棱鏡組件436的相應的彩色分量光束輸入/輸出面438。三束彩色分量光束通過棱鏡組件436折回各自的光路、并以組合后的復合光束的形式離開棱鏡組件的白光輸入/輸出面437。
復合光束從白光輸入/輸出面437傳播到線柵偏振分束器430。所述復合光束中其偏振方向不被反射式偏振調制器440改變的分量被線性偏振，其電場垂直于線柵偏振分束器430線柵的導線方向，因而穿過偏振分束器并向后朝燈的方向傳播。所述復合光束中其偏振被反射式偏振調制器440旋轉到某種程度的分量具有平行于線柵導線方向伸展的電場分量并且所述復合光束中其偏振被反射式偏振調制器440旋轉到這種程度的分量被線柵偏振分束器反射。從線柵偏振分束器面反射的光前進到數字圖像投影儀400的投影透鏡490的輸入端口492。微調偏振分析器片狀濾光片454設置在線柵偏振分束器470和投影透鏡490的輸入端口492之間，以便改善明暗對比度。投影透鏡490把由從原色分離/組合棱鏡組件穿出的復合光束的旋轉偏振分量攜帶的所需的復合圖像投影在顯示屏上，以便觀看。偏振分束器470的柵格支持板472的柵格支持面476的光學平坦度和柵格支持板476的取向允許亮像素偏振狀態(tài)彩色分量子光束從棱鏡組件的白光輸入/輸出口437直接反射，進入投影透鏡490的輸入光學端口492，而不必穿過透明的光束支持板472，以此保證投影圖像高的空間分辨率。
不準備把本發(fā)明限于上述特定的實施例。應該理解，在不脫離本發(fā)明的范圍和傳授的情況下，對上面具體描述的本發(fā)明可以作出改變，準備包括所有與本發(fā)明一致的所有實施例、改變和修改。
權利要求
1.一種圖像投影儀，它包括照明光源；照明光束形成光學裝置，用以形成偏振的照明光束；圖像編碼偏振調制器，用以調制偏振照明光束，以便形成圖像編碼偏振子光束；以及投影透鏡光學裝置，用以投影來自圖像編碼偏振子光束的圖像，所述圖像投影儀還包括板支持表面安裝的偏振分束器，用以分離來自所述照明光束的圖像編碼偏振子光束，其中，所述偏振分束器的偏振器支持板面向偏振分束器照明光源一側。
全文摘要
一種數字圖像投影儀(500；400)，它包括照明光源燈(504；404)和照明光束形成光學裝置(506，510，526，406，410，426，466)，用以形成白光譜照明光束；以及彩色頻帶分離光學裝置(530，530’；436)，用以把照明光束分成彩色分量子光束(542R，542G，542B)。所述數字圖像投影儀還包括諸如反射式液晶顯示偏振調制器等反射式數字圖像編碼偏振調制器機構(580，440R，440G，440B)，用以反射調制線性偏振子光束，以便形成彩色分量圖像編碼偏振子光束；以及投影透鏡光學裝置(590；490)，用以投影從圖像編碼偏振子光束分出的彩色圖像。所述數字圖像投影儀(500；400)還包括諸如線柵偏振分束器等板支持表面安裝的固定偏振軸偏振分束器(570；470)，用以從圖像編碼偏振子光束分離彩色圖像，其中偏振分束器(570；470)的偏振器支持板(572；472)面向投影儀(500；400)光學系統的照明光源一側。
文檔編號H04N5/74GK1535539SQ02814926
公開日2004年10月6日 申請日期2002年6月3日 優(yōu)先權日2001年6月2日
發(fā)明者J·A·施米祖, P·J·M·詹森, S·C·麥克萊恩, J A 施米祖, M 詹森, 麥克萊恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司