圖象投影裝置的制作方法

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(duì)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(duì)應(yīng)于一定的波長(zhǎng)、而實(shí)際上對(duì)應(yīng)于在該給定的中心波長(zhǎng)前后的波長(zhǎng)帶。可以用通常所謂單色光束(該光束含有中心波長(zhǎng)，也可能含有圍繞中心波長(zhǎng)的波長(zhǎng)帶)來(lái)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(kāi)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(qǐng)第0，166，194號(hào)公開(kāi)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(xiě)詞LCD來(lái)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(kāi)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(qǐng)第0，166，194所公開(kāi)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(duì)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(zhǎng)。
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(guò)渡段，這些媒質(zhì)具有不同折射率，所述過(guò)渡段是這樣設(shè)置的使得第一和第二光束之一被該過(guò)渡段全反射，而另一光束透過(guò)該過(guò)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(guò)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(guò)渡段的地方。
原則上，兩種透明媒質(zhì)之間的任何過(guò)渡段都可以用作所述過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)的表面之間的空氣層。
因?yàn)樵撨^(guò)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(duì)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(jiǎn)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?qǐng)D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(guò)渡段的光路中，另一方面，在從該過(guò)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(lái)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(shuō)，從美國(guó)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(kāi)。
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(duì)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(guò)，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(guò)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(guò)實(shí)例，更詳細(xì)地說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(guò)激勵(lì)矩陣電極來(lái)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(guò)液晶材料的電場(chǎng)。該電場(chǎng)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(chǎng)，穿過(guò)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(lái)代替這種所謂的無(wú)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(qǐng)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(guó)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(guò)液晶材料層的電場(chǎng)(該層存在于光電導(dǎo)層和第二反向電極之間)，該電場(chǎng)也與陰極射線管上的圖象一致。該變化的電場(chǎng)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(guó)專利4，127，322中公開(kāi)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(lái)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(guò)所述檢偏器向投影透鏡系統(tǒng)20傳輸。來(lái)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(zhǎng)度是比較長(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)比度，或者，減小裝置的色相關(guān)性，或者，提高顯示板的開(kāi)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(zhǎng))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(lái)自光束b2的光線而不能匯集來(lái)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(shù)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(guò)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(guò)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?，以致該圖象投影裝置的長(zhǎng)度能夠顯著小于沒(méi)有該棱鏡系統(tǒng)的長(zhǎng)度。
另一種方法是，以如下方式選擇界面6、8相對(duì)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(jiǎn)單的方法把投影光束的光學(xué)象差減至最小。
圖4說(shuō)明圖象投影裝置的實(shí)施例，其中，非常有效地利用來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)色分離。圖5說(shuō)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(guò)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(lái)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(shuō)，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(guò)渡層113的透明棱鏡111和112構(gòu)成。該過(guò)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(guò)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(cè)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(guò)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(duì)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(lái)說(shuō)，液晶材料的非常折射率適用，以致該分量在穿過(guò)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(lái)的方向穿過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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(shù)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(lái)。
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(duì)于其他通道來(lái)說(shuō)，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(guó)專利4，239，346公開(kāi)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(duì)應(yīng)于相關(guān)象素的、所需的顏色通過(guò)。
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(guò)渡段，這些媒質(zhì)具有不同的折射率，所述過(guò)渡段是這樣設(shè)置的使得第一和第二光束之一被該過(guò)渡段全反射，而另一光束透過(guò)該過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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?qǐng)D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(guò)渡段的光路中，另一方面，在從該過(guò)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(duì)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(guò)，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(guò)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(kāi)日1990年5月2日 申請(qǐng)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(qǐng)人:菲利浦光燈制造公司