專利名稱：用反射式液晶板作圖像源的液晶投影機偏振分合色系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用反射式液晶板作圖像源的液晶投影機偏振分合色系統。
背景技術：
液晶投影機是目前大屏幕顯示的一種最簡單方法。它通過光學系統把液晶顯示板上的圖像進行放大，通過投影物鏡把圖像投射到屏幕上，得到大屏幕的圖像顯示。液晶投影機光學系統一般由以下幾部分組成燈源、照明系統、三個黑白液晶顯示板、分色系統、合色系統、偏振系統、投影物鏡、屏幕。
液晶投影機光學系統的基本工作原理為從燈源產生的白光通過照明系統產生均勻、高強度的光束，通過分色系統分解為紅、綠、藍三種基色的光束，分別照射到三個單色液晶顯示板上，使之產生紅、綠、藍圖象。三色圖像再經過合色系統合成彩色圖像，經投影透鏡投射到屏幕上，產生大屏幕的圖像顯示。由于液晶顯示器工作在偏振光模式，所以液晶顯示板的入射光和出射光部分必須用起偏器和檢偏器進行偏振，并且二個偏振方向垂直。透射式液晶顯示屏采用二個偏振正交的偏振薄膜作為起偏、檢偏器，反射式液晶顯示板通常采用偏振分束棱鏡作為起偏器和檢偏器，偏振分束棱鏡中的偏振分束薄膜透射P分量，反射S分量。液晶顯示板顯示的圖像可以是計算機視頻信號和其他如DVD、VCD、電視信號。
發明內容
本發明提供用反射式液晶板作圖像源的液晶投影機偏振分合色系統。
如圖1所示，它具有白光燈源1，偏振分色合色系統21，投影物鏡22，單色液晶顯示板10、11、12；由白光燈源1發出的白色自然光2包含二個正交的偏振分量，經由偏振合成系統3后，把其中的一個偏振方向旋轉90度，使二個偏振方向平行，產生S偏振方向的偏振光4，偏振光4經過偏振薄膜反射鏡5反射，使藍光7偏振方向和原來的偏振方向旋轉90度，而紅綠光6的偏振方向不變，光6、7進入偏振分合色棱鏡20后，由分合色薄膜8分解為綠光13和紅藍光14，綠光13偏振方向為S，紅藍光14中藍光為P偏振，紅光為S偏振，綠光13通過偏振分束薄膜9反射，入射到液晶顯示板10液晶顯示板10把帶有圖像信息的光反射回偏振分合色棱鏡20，透過偏振膜9成為P光，通過1/2波片后偏振面旋轉90度成為S光，被合色薄膜23反射后成為帶圖像信息的綠光17進入投影物鏡，紅藍光14到達偏振分束薄膜9后，其中的紅光部分為S偏振，被偏振膜9反射后成為S偏振紅光15，被液晶顯示板11反射，成為帶圖像信息的P偏振紅光19，透過9、23后到達投影物鏡22，紅藍光14中的藍光部分為P偏振，透過8后為藍色P偏振光16，被液晶顯示器12反射，經過偏振薄膜9反射后成為S偏振光，再經過合色薄膜23透射，成為帶圖像信息的藍色光18，進入投影物鏡，紅、綠、藍三色圖像通過投影物鏡在屏幕上形成彩色圖像。
本發明為同軸系統，有利于背投影顯示應用。采用膠合的棱鏡完成偏振分色合色功能，使結構更加緊湊小巧。減小了投影物鏡到液晶板的工作距離，降低了投影物鏡的設計難度。系統中偏振分束薄膜排布在緊靠三個液晶板的前面，有利于減少玻璃雙折射對偏振光的影響，提高了對比度。系統采用了偏振薄膜反射鏡，使得用常規的波片和薄膜反射膜即可實現對某一波段偏振方向的偏轉，從而不再需要特殊的波片組合，降低了系統的成本。采用偏振合成系統，利用自然光的二個偏振方向，相對其他系統只能用其中一個偏振分量相比，提高了能量效率，使投影機有較高的亮度。
圖1是反射式液晶投影顯示的偏振分色系統示意圖；圖2是偏振分色合色棱鏡結構示意圖；圖3是偏振分合色棱鏡中分色薄膜的分光特性曲線；圖4是偏振分合色棱鏡中合色薄膜的分光特性曲線；圖5是偏振分合色棱鏡中偏振分束薄膜的分光物性曲線；圖6是偏振合成結構圖；圖7是薄膜反射鏡機構圖；圖8是二向色鏡的透過率曲線圖；圖9是二向色鏡的反射率曲線圖。
具體實施例方式
本發明采用偏振分合色棱鏡、偏振薄膜反射鏡以及偏振轉換合成系統，構成了反射式液晶投影的偏振分色合色系統，如圖1。圖中1為白光燈源，21為偏振分色合色系統，22為投影物鏡，10、11、12為單色液晶顯示板。其工作原理如下由燈1發出的白色自然光2包含二個正交的偏振分量。經由偏振合成系統3后，把其中的一個偏振方向旋轉90度，使二個偏振方向平行，產生S偏振方向的偏振光4。偏振光4經過偏振薄膜反射鏡5反射，使藍光7偏振方向和原來的偏振方向旋轉90度，而紅綠光6的偏振方向不變。光6、7進入偏振分合色棱鏡20后，由分合色薄膜8分解為綠光13和紅藍光14。綠光13偏振方向為S，紅藍光14中藍光為P偏振，紅光為S偏振。13通過偏振分束薄膜9反射，入射到液晶顯示板10。液晶顯示板10把帶有圖像信息的光反射回20，透過偏振膜9成為P光，通過1/2波片后偏振面旋轉90度成為S光。被合色薄膜23反射后成為帶圖像信息的綠光17進入投影物鏡。紅藍光14到達偏振分束薄膜9后，其中的紅光部分為S偏振，被偏振膜9反射后成為S偏振紅光15，被液晶顯示板11反射，成為帶圖像信息的P偏振紅光19，透過9、23后到達投影物鏡22。紅藍光14中的藍光部分為P偏振，透過8后為藍色P偏振光16。被液晶顯示器12反射，經過偏振薄膜9反射后成為S偏振光。再經過合色薄膜23透射，成為帶圖像信息的藍色光18，進入投影物鏡。紅、綠、藍三色圖像通過投影物鏡在屏幕上形成彩色圖像。
偏振分合色棱鏡的結構圖如圖2所示。整個棱鏡由五塊直角棱鏡粘結而成，其中棱鏡25、26之間夾上一層1/2波片24，在其他的膠合面上用真空鍍膜的方法鍍制多層介質偏振分束薄膜9和分色8、合色薄膜23。然后用膠把棱鏡25、26、27、28、29膠合。其中分色合色薄膜8、23采用SiO2、Al2O3材料用真空沉積法交替鍍制，其光譜透過率如圖3、4所示。分色薄膜保證S偏振方向的綠光(500nm-580nm)反射，而紅光(600nm-700nm)的S分量和藍光(400nm-500nm)的P分量透射，而合色薄膜保證S偏振綠光反射，藍光S分量和紅光P分量的透過。棱鏡中的偏振分束薄膜采用MgO、MgF2材料用真空沉積方法交替鍍制，得到的薄膜透射率曲線如圖5所示。偏振分束薄膜的特性保證在整個白光區域內(400nm-700nm)S偏振光被反射，而P偏振光透射。
偏振合成系統原理圖如圖6所示。制作時先在玻璃棱鏡31上用真空鍍膜方法鍍上多層介質偏振分束薄膜36，然后用膠35把棱鏡31、32膠合起來。最后在棱鏡32的出射面上貼上1/2波片34。工作原理如下入射自然光2經過偏振分束薄膜36被分解成S光37和P光32。P光32經過全反射后通過1/2波片34，偏振方向旋轉90度，成為與37同一偏振方向的S偏振光。偏振分束薄膜的特性和圖7相同。
圖1中的偏振薄膜反射鏡5的結構如圖7所示。反射鏡由三層結構組成。其中二向色鏡39為透藍反射紅綠的多層介質薄膜。它的光譜反射率如圖8所示。薄膜的特性保證S偏振方向的紅綠光(500nm-700nm)被反射，而藍光的S和P分量都透射，制備采用真空鍍膜的方法在玻璃基板上交替蒸鍍TiO2和SiO2。藍光全反射鏡41也是采用同樣的真空鍍膜方法鍍制TiO2和SiO2。其反射率的光譜曲線如圖9所示。其特性要求反射所有S和P偏振的藍光(400nm-500nm)。整個薄膜反射鏡的工作原理為400nm-700nm的S偏振光4經二向色鏡反射后，分解為S偏振的紅綠反射光6。透過二向色鏡的為S偏振的藍光40。藍光40通過1/4波片38后被藍光全反射鏡41反射，再次通過1/4波片38，最后透過二向色鏡39。由于藍光40透過二次1/4波片，相當于透過一次1/2波片，因此藍光40的偏振方向旋轉90度，成為藍色P偏振光7。在實際制備中，因為三層薄膜厚度相當小，相互粘結在一起，因此藍光7和紅綠光6在空間上是幾乎重合的。
本發明用偏振合成系統、偏振薄膜反射鏡以及偏振分合色棱鏡構成反射式液晶投影顯示系統的偏振分合色光學系統。由于本發明的偏振、分色、合色由一個棱鏡完成，因此此系統結構簡單緊湊，且同時利用了自然光的S和P分量，有較高的光利用率。
本發明適用于液晶投影機，該投影機使用三個反射式液晶板作為圖像源。反射式液晶板可以是LCOS液晶顯示芯片、液晶光閥等反射式液晶器件。投影機可以是前投式或背投影方式。
權利要求
1.一種用反射式液晶板作圖像源的液晶投影機偏振分合色系統，其特征在于它具有白光燈源[1]，偏振分色合色系統[21]，投影物鏡[22]，單色液晶顯示板[10]、[11]、[12]；由白光燈源[1]發出的白色自然光[2]包含二個正交的偏振分量，經由偏振合成系統[3]后，把其中的一個偏振方向旋轉90度，使二個偏振方向平行，產生S偏振方向的偏振光[4]，偏振光[4]經過偏振薄膜反射鏡[5]反射，使藍光[7]偏振方向和原來的偏振方向旋轉90度，而紅綠光[6]的偏振方向不變，光[6]、[7]進入偏振分合色棱鏡[20]后，由分合色薄膜[8]分解為綠光[13]和紅藍光[14]，綠光[13]偏振方向為S，紅藍光[14]中藍光為P偏振，紅光為S偏振，綠光[13]通過偏振分束薄膜[9]反射，入射到液晶顯示板[10]，液晶顯示板[10]把帶有圖像信息的光反射回偏振分合色棱鏡[20]，透過偏振膜[9]成為P光，通過1/2波片后偏振面旋轉90度成為S光，被合色薄膜[23]反射后成為帶圖像信息的綠光[17]進入投影物鏡，紅藍光[14]到達偏振分束薄膜[9]后，其中的紅光部分為S偏振，被偏振膜[9]反射后成為S偏振紅光[15]，被液晶顯示板[11]反射，成為帶圖像信息的P偏振紅光[19]，透過[9]、[23]后到達投影物鏡[22]，紅藍光[14]中的藍光部分為P偏振，透過[8]后為藍色P偏振光[16]，被液晶顯示器[12]反射，經過偏振薄膜[9]反射后成為S偏振光，再經過合色薄膜[23]透射，成為帶圖像信息的藍色光[18]，進入投影物鏡，紅、綠、藍三色圖像通過投影物鏡在屏幕上形成彩色圖像。
2.根據權利要求1所述的一種用反射式液晶板作圖像源的液晶投影機偏振分合色系統，其特征在于偏振分合色棱鏡由五塊直角棱鏡粘結而成，其中棱鏡[25]、[26]之間夾上一層1/2波片[24]，在其他的膠合面上用真空鍍膜的方法鍍制多層介質偏振分束薄膜[9]和分色[8]、合色薄膜[23]，然后用膠把棱鏡[25]、[26]、[27]、[28]、[29]膠合，其中分色合色薄膜[8]、[23]采用SiO2、Al2O3材料用真空沉積法交替鍍制，棱鏡中的偏振分束薄膜采用MgO、MgF2材料用真空沉積方法交替鍍制。
3.根據權利要求1所述的一種用反射式液晶板作圖像源的液晶投影機偏振分合色系統，其特征在于偏振合成系統制作時先在玻璃棱鏡[31]上用真空鍍膜方法鍍上多層介質偏振分束薄膜[36]，然后用膠[35]把棱鏡[31]、[32]膠合起來，最后在棱鏡[32]的出射面上貼上1/2波片[34]，入射自然光[2]經過偏振分束薄膜[36]被分解成S光[37]和P光[32]，P光[32]經過全反射后通過1/2波片[34]，偏振方向旋轉90度，成為與[37]同一偏振方向的S偏振光。
4.根據權利要求1所述的一種用反射式液晶板作圖像源的液晶投影機偏振分合色系統，其特征在于所說的偏振薄膜反射鏡5由三層結構組成，其中二向色鏡[39]為透藍反射紅綠的多層介質薄膜，采用真空鍍膜的方法在玻璃基板上交替蒸鍍TiO2和SiO2，藍光全反射鏡41也是采用同樣的真空鍍膜方法鍍制TiO2和SiO2。S偏振光4經二向色鏡反射后，分解為S偏振的紅綠反射光6。透過二向色鏡的為S偏振的藍光40，藍光40通過1/4波片38后被藍光全反射鏡41反射，再次通過1/4波片38，最后透過二向色鏡39。由于藍光40透過二次1/4波片，相當于透過一次1/2波片，因此藍光40的偏振方向旋轉90度，成為藍色P偏振光7。
全文摘要
本發明公開了一種用反射式液晶板作圖像源的液晶投影機偏振分合色系統。它包括偏振合成系統、偏振薄膜反射鏡和偏振分合色棱鏡等。其中的偏振合成系統把燈源發出的自然光全部轉換為單一偏振方向的光。偏振薄膜反射鏡把藍色光的偏振方向旋轉90度而其他光保持不變。偏振分合色棱鏡把紅綠藍三色光按偏振方向和顏色分解到各自對應顏色的反射式液晶板上，然后再把三色圖像光束合成一個彩色的圖像，通過透鏡投影到屏幕上。該系統結構簡單緊湊，成本低，易于制造。結構特點有利于提高液晶投影機的對比度和光亮度，適合于LCOS、DILA、LCLV等反射式液晶板的液晶投影機。
文檔編號G02B27/18GK1402043SQ0112532
公開日2003年3月12日 申請日期2001年8月10日 優先權日2001年8月10日
發明者李海峰, 劉旭, 鄭臻榮, 顧培夫, 唐晉發 申請人:浙江大學, 杭州浙大科特光電科技有限公司