图象显示器件和图象显示设备的制作方法

专利名称：图象显示器件和图象显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用反射型空间光调制器的图象显示器件和图象显示设备，尤其涉及这样的图象显示器件和图象显示设备，其中可以降低设备的重量和生产成本，同时可以大大改进显示的图象。
背景技术：
迄今为止，已经提出各种图象显示器件和使用这些显示器件生产的图象显示设备。
空间光调制器空间光调制器(SLM)是这样的器件，其中当图象信号入射到空间光调制器上时，根据对应于图象信号的图像数据逐个象素地调制入射光。空间光调制器(SLM)可以被分类成调制穿过空间光调制器的光的透射型，和调制被空间光调制器反射的光的反射型。
通过液晶或数字微镜(micro-mirror)构造反射型空间光调制器。具体地，使用液晶构成的器件被称为液晶型空间光调制器。
液晶可以被分类成光学旋转(偏振光导)模式类型、双折射模式型、光散射模式型和光吸收模式型。通常使用的液晶可以是使用光学旋转(偏振光导)模式型扭转向列(TN)工作模式的TN液晶，使用双折射工作模式型超扭转向列(STN)工作模式的STN液晶，和使用铁电体液晶(FLC)模式的FLC型液晶。
除了铁电体液晶空间光调制器之外，这些调制偏振态的反射型空间光调制器可以是具有垂直取向、使用TN晶体的液晶空间光调制器，反铁电体液晶空间光调制器和使用TN液晶的双折射模式空间光调制器。
反射型FLC空间光调制器这里说明调制偏振态的反射型空间光调制器中的反射型FLC空间光调制器的结构和工作原理。
参照图1A至1C，反射型FLC空间光调制器由一对电极和插入其间的液晶材料105构成。
在图1的上部示出的电极部分包含玻璃基底101A、在其内侧(低侧)的透明电极材料102A、和更内侧(更低侧)上的具取向薄膜(其液晶分子通过诸如摩擦的手段已经在一个方向上对齐的薄膜)103A。在低侧示出的其它电极部分由硅质基底101B、在其内侧(上侧)示出的铝电极102B、和在其更内侧(更上侧)示出的具取向薄膜103B构成。铝电极102B也充当反射膜。在上部电极部分的玻璃基底101A的外(上)侧布置有偏光镜104。
图1A示出了第一电压方向的状态，其中第一方向的电压被提供到透明电极材料102A和铝电极102B。图1B示出了第二电压方向的状态，其中与第一方向相反的第二方向的电压被提供到透明电极材料102A和铝电极102B。
参照图1C，在第一电压方向状态中，液晶材料105对入射偏振光没有双折射作用，然而在第二电压方向状态中，它对入射偏振光有双折射作用。
由于通过偏光镜104入射的偏振光束107A在图1A示出的第一电压方向的条件下穿过液晶材料105，并且在不改变波偏振状态的情况下到达铝电极102B，在此条件下液晶材料105没有产生双折射作用。铝电极(反射膜)102B反射的偏振光束107B再次穿过液晶材料105，以便在没有改变波偏振状态的情况下到达偏光镜104。也就是说，与入射光具有相同波偏振态的光被返回到偏光镜104。因此，通过偏光镜104得到铝电极(反射膜)102B反射的光以作为出射光。
另一方面，在图1B示出的第二电压方向的条件下，通过偏光镜104入射的偏振光束107A穿过液晶材料105并且受到双折射作用，从而从线性偏振态改变成圆形偏振态以产生圆形偏振光束107B。这个圆形偏振光束107B被铝电极(反射膜)102B反射并且使偏振光的旋转方向被此反射翻转。具有翻转的旋转方向的圆形偏振光束107B重新穿过液晶材料105，从而受到双折射作用并且被变成线性偏振光束。此线性偏振光束与偏光镜104的偏振方向垂直，因此不穿过偏光镜104。
也就是说，在这种反射型FLC空间光调制器中，′白显示′和′黑显示′分别在具有第一电压方向状态的部分和具有第二电压方向状态的部分中占主导地位。
使用反射型空间光调制器的投影型图象显示器件如图2所示，在常规反射型空间光调制器中，例如在包含反射型TN液晶板的投影型图象显示设备中，从照明光源201投射的照明光落在照明光学系统202上，照明光学系统202具有校正光束的剖面轮廓，均匀强度和控制发散角度的功能。此照明光学系统202可以配有P-S偏振转换器(未示出)。这个P-S偏振转换器是以50％或更高的效率将非偏振态的照明光调整成P偏振光或S偏振光的光学模块。
在这里示出的实施例中，穿过照明光学系统202的照明光相对反射红光的分色镜的反射面处于这样的偏振态，其中沿着与图纸垂直的方向振荡电向量，即处于S偏振光的状态。也就是说，照明光学系统202发射的照明光只令其红光分量在其前进方向上被反射红光的分色镜203偏转90°。接着这个红光分量被反射镜204反射以便落在用于红光的偏振分光器(PBS)210上。
入射到PBS210的红光束只令其S偏振分量被PBS210的电介质薄膜210a反射以便作为入射偏振光落在用于红光的反射型TN液晶板213上。经过其偏振态调制而被用于红光的反射型TN液晶板213反射的照明光再次落在PB210的电介质薄膜210a上，其中对其进行检测，使得只有P偏振光穿过。于是偏振调制被改变成亮度调制。现在改变成亮度调制的照明光落在交叉分色镜209上。
穿过反射红光的分色镜203的照明光落在下一个布置的反射绿光的分色镜205上。这个分色镜205只反射绿光，同时透过剩余的蓝光分量。就象上述红光那样，如此分离的绿和蓝光分量只具有通过PBS211和PBS212反射的相应S偏振光分量，以便分别落在用于绿光的反射型TN液晶板214和用于蓝光的反射型TN液晶板215上。
经过偏振态调制而被用于绿光的反射型TN液晶板214和用于蓝光的反射型TN液晶板215反射的照明光再次分别落在PBS211和PBS212的电介质薄膜211a、212a上，其中对光进行检测以便只透过P偏振光，从而将调制从偏振调制改变成亮度调制。现在改变成亮度调制的出射光束落在交叉电介质棱镜209上。
在这个图象显示器件中，被用于各个颜色的反射型TN液晶板213-215根据显示图象调制的红、绿和蓝光分量在交叉电介质棱镜209中被合成，从而落在投影光学系统208上以构成屏幕216上的图象。
反射型空间光调制器的照明器件作为反射型空间光调制器的照明器件，在日本公布专利公开说明书H-9-189809中描述了这种照明器件，并且在图3和4中示出了该照明器件。如图3所示，在这个照明器件中，从照明光源(未示出)发射的读出光(readout light)通过耦合棱镜305和玻璃基底304落在全息滤色镜303r、303g和303b上。
应当注意，全息滤色镜303r、303g和303b是分别用于红光、绿光和蓝光的体式全息透镜，并且由用于各个颜色的分层微小尺寸透镜构成，分层微小尺寸透镜均具有接近对应于象素尺寸的尺寸，并且在出口处均具有通过激光曝光烧出的干涉条纹。对应于象素尺寸的尺寸意味着3个象素，即R(红)象素、G(绿)象素和B(蓝)象素被配成一组。通过反射型液晶板的覆盖玻璃302、公共电极318、具取向薄膜317、液晶层316、具取向薄膜315和电介质反射镜膜314，全息滤色镜303r、303g和303b分别将读出光谱中的红、绿和蓝光分量聚合在象素电极层313的相关彩色象素电极313r、313g和313b上。
这些全息滤色镜303r、303g和303b表现出对入射光的偏振特征的相关性。也就是说，在全息滤色镜303r、303g和303b上的入射光中，主要衍射S偏振光，使得P偏振光的衍射效率低于S偏振光。其原因在于，根据′耦合波理论′的严格解决方案，对于更厚的反射型全息图而言，如图4所示，如果数值t/∧为1至5，则在TE(S偏振)和TM(P偏振)的衍射效率之间产生差异，使得S偏振最多比S偏振多接近45％，其中t是全息厚度，∧是全息图中的干涉条纹的间距。参见M.G.Moharam和YLK.GayloadRigorous Couple-Wave Analysis of PlanarGrating Diffraction，J.Opt.Soc.Am.71，811-818(1977)，M.G.Moharam and T.K.GayloadRigorous Couple-WaveAnalysis of Grating Diffraction E-Mode Polarization andLosses，J.O pt.Soc.Am.73，451-455(1983)。
在斜入射在全息滤色镜303r、303g和303b上的读出光中，主要是S偏振分量的光被衍射并垂直落在液晶层316上。在这种照明光中，由于低衍射作用，其偏振方向被调制90°而反射的光(P偏振分量)在几乎不经过任何衍射的情况下离开全息滤色镜303r、303g和303b。
电介质反射镜膜314反射的照明光落在投影透镜(未示出)上，因此光在屏幕(未示出)上构成图象。
偏振选择性全息光学器件存在若干种用于实现偏振选择性全息光学器件的技术。在美国专利5161039中公开了一种全息光学器件，该全息光学器件包括夹封在一对玻璃板之间、由可光致固化树脂或热凝树脂与液晶材料组成的混合材料。
通过以下过程制备此全息光学器件。首先，激光在具有上述密封其中的混合材料的面板上产生干涉。如此产生的干涉条纹由出现在明亮部分的许多光子和提供在黑暗部分中的少量光子构成。在具有高光子能量的部分中，即在干涉条纹的明亮部分中，树脂在光或热能的作用下固化并接合，结果形成两个区域，即树脂层和液晶层，其中液晶材料保留在干涉条纹的黑暗部分中。
现在说明如此形成的偏振选择性全息光学器件的工作原理。在如上所述形成的两个区域中，树脂层在视觉上是各向同性的，而液晶区域是各向异性的，即表现出双折射效应。另一方面，树脂层n1的折射系数接近等于液晶层的折射系数n0。于是，在入射到这种全息光学器件的光中，其偏振方向对应于液晶层的寻常光线的光在树脂层和液晶层的折射系数之间有较小的差异，使得只在非常少见的情况下才出现衍射现象。反之，其偏振方向与液晶层的寻常光线垂直的偏振光分量因树脂层1的折射系数n1和异常光线的折射系数ne之间的差异而得到周期性折射系数调制，于是产生衍射效应。
近来，为通过全息技术形成干涉条纹对通过混合经过光学聚合的单体和液晶分子而得到的全息成象聚合物散布液晶H-PDLC的研究迅速发展。
这是一种从90年代中期发现的视觉感应相位分离′PDLC′演进而来的技术(参见Crawford G.P.和Zurner S.，in LiquidCrystals in Complex Geometries，Ulor and Francis，London(1996))。此后说明这种H-PDLC的准备技术和工作原理。
首先，将液晶分子，单体(预聚合物)，敏化染料和反应引发剂的混合物夹在一对玻璃板之间，并且将其密封在那里。所得到的组件被激光形成的干涉条纹曝光。接着，在干涉条纹的明亮区域中，引发光致聚合作用将单体变成聚合物。结果在干涉条纹的明亮和黑暗部分产生单体浓度的分布，使得单体从黑暗部分向明亮部分迁移。于是，在相位分离时产生周期性结构，此结构包括聚合物居多的明亮区域和液晶分子居多的黑暗区域。作为下一个阶段，以和聚合物相成直角的方式排列液晶分子。尽管尚未确切得知这种现象的机理，然而各种有关的研究正在进行(参见C.C.Bowley，A.K.Fontecchio，和G.P.Grawford.Proc.SlD XXX，958(1999))。
接着照射UV光以完成定影处理。对于如此产生的全息光学器件，就象美国专利5161039中公开的上述全息光学器件那样，聚合物层的折射系数接近等于聚合物层的寻常光线折射系数，而聚合物层的折射系数不同于聚合物层的异常光线折射系数，使得光学器件充当偏振选择性全息光学器件。
全息光学器件的应用技术现在说明全息光学器件的常规应用实例。这些应用实例包括光开关，图象显示器件的反射板，以及投影型图象显示器件的偏振转换器。现在对其进行具体说明。
光开关参照图5A和5B说明全息光学器件作为光开关的应用实例。如图5A所示，并且如日本公布专利公开说明书H-5-173196所述，这个全息光学器件由全息层和一对玻璃板组成，所述全息层具有高分子材料425组成的区域，并且该区域与正向列型液晶材料424(其折射系数椭圆的长轴与液晶分子的长轴一致的向列型液晶材料)组成的区域交替层叠，而所述玻璃板具有透明电极422，423并且将全息层夹在其间。
如图5B所示，在没有跨过透明电极的电压的情况下，向列型液晶材料(液晶分子)424的取向垂直于高分子材料425，使得涉及具有偏振取向的入射光的折射系数中的周期性变化产生衍射效应，所述入射光相对向列型液晶材料424而言变成异常光。
另一方面，如图5B所示，如果跨过透明电极422，423提供的电压使得向列型液晶材料424的长轴与高分子材料425平行，则相对图5A中的向列型液晶材料424而言充当异常光的偏振取向入射光，相对向列型液晶材料424而言变成寻常光，从而相对高分子材料425没有产生折射系数差异，因此没有产生衍射现象。
根据上述原理，全息光学器件能够通过控制所提供的电压来充当光开关。
图象显示器件的反射板根据全息光学器件的另一个充当图象显示器件的反射板的应用实例，如图6所示，并且如日本公布专利公开说明书H-9-138396所述，从外部入射到直视反射型液晶板502的光束504被取向506不同于规则反射方向的全息反射板503反射，从而以优化对比度显示图象，因为直视反射型液晶板502的表面的反射光505被防止进入观看者的瞳孔。同时，在这种情况下的全息图不可以是偏振型全息图。
投影型图象显示设备的偏振转换器在全息光学器件针对投影型图象显示设备的偏振转换器的应用实例中，如图7所示，并且如日本公布专利公开说明书H-8-234143所述，从光源610发射的照明光是被经过汽相铝沉积处理的反射板612基本准直在一个方向上的光束。为了减少液晶显示器(LCD)614上照明光的亮度起伏，并且为了根据透镜阵列616所特有的矩形变换功能改进照明效率，照明光在穿过散射板615之后被散射，从而落在透镜阵列616上。
照明光接着落在透射型偏振选择性全息光学器件618上。利用透射型偏振选择性全息光学器件618的上述功能，根据入射角度使P偏振光和S偏振光的相应分量彼此分离。照明光接着落在图案模造(patterned)半波片阵列620上。在这个半波片阵列620中，照明光的P偏振光和S偏振光中偏振取向与LCD614上的入射偏振光取向垂直的分量穿过半波片阵列620的图案模造半波片部分，从而将偏振取向改变90 °。
对于这种全息光学器件，其目的是改进光源610发出的照明光的利用效率。
结合上述图象显示器件和图象显示设备，本发明解决了以下问题。
(1)首先，如果象在图2所示的使用反射型空间光调制器的投影型图象显示设备中那样，偏振分光镜PBS被用来照射反射型空间光调制器，则这种PBS具有其一个边长于反射型空间光调制器的图象显示部分的长边的立方形，使得反射型空间光调制器和投影光学系统之间的距离，即投影光学系统的后焦点不能被减少。如果后焦点被延长，则难以减少光圈数，即难以得到明亮的透镜。因此，对于当前的图象显示设备，从光源发出的照明光的利用效率较低。
此外，对于当前的图象显示设备，在使用PBS的情况下，难以降低设备的尺寸，并且难以降低设备的重量，因为PBS由玻璃组成。由于这种PBS需要由具有低双折射和热变形的高质量玻璃材料组成，并且多层电介质薄膜被用来将P偏振光与S偏振光分隔开，因此材料的成本很高，使得难以降低整修图象显示设备的生产成本。
(2)为了克服上述问题，如图3所示，提出了用于反射型空间光器、不使用的PBS的照明设备。然而图3所示的图象显示设备遇到以下的问题由于反射型空间光调制器的窗口表面侧(入射/出射侧)提供的全息光学器件303不是偏振选择性全息光学器件，而是偏振相关全息器件，所以光利用效率不是最优的。
由于这种全息光学器件未配置这样的层，即在其构成具有折射系数波动的周期性结构的层中表现出双折射特征的层，使得不能将P偏振光或S偏振光的折射系数减小至0。
此外，在这种图象显示设备中，提出了这样一种技术，其中为了将用作图象呈现照明光的P偏振光的衍射效率抑制到尽可能低的数值以禁止光通过衍射再次返回到照明光源，使全息光学器件衍射的S偏振照明光从相对垂直方向倾斜的方向落在反射型空间光调制器上，从而将被转换成全息光学器件上的P偏振光的反射光的再入射角度与第一次入射时的入射角度区分开，以便设置不满足衍射条件的状态。
然而在这种情况下，由于沿着相对垂直方向有一个角度的方向发射反射型空间光调制器的反射光，以致破坏远程中心性(telecentricity)，因此在常规同轴投影光学系统中有必要增加光学系统的图象周期以避免降低效率。光学系统图象周期的增加导致设备尺寸和重量的增加。此外，在常规反射型空间光调制器中，如果光线的入射角度偏离垂直方向，则在多数情况下对比度会恶化。因此，在这种图象显示设备中，不能实现高对比度图象显示。
在解决此问题之前，遇到这样一个问题，即在当前的图象显示设备中，很难设置P偏振分量不满足衍射条件的状态。即在当前的图象显示设备中，将全息滤色镜的全息透镜的中心从反射型空间光调制器的象素电极的中心偏移一段接近0.5乘以全息透镜尺寸的距离。在这种情况下，如果各个全息透镜的主光束的入射角度θin为θin＝ArcTan[r/Lp]其中r是全息透镜的半径，Lp是全息透镜和反射型空间光调制器的铝象素电极之间在厚度方向上的距离，Lp＝0.7mm(假定覆盖玻璃厚度为0.7mm)并且r＝10μm(假定R、G和B混合在一起的一个象素的尺寸为20μm)，则θin为θin＝ArcTan[r/Lp]＝0.82°。
这个角度只小于入射到全息滤色镜的照明光的散射角度(大约为±10°)，使得如果P偏振光和S偏振光之间的角度差小至1.64°(＝0.82×2)，则非常难以根据入射角度区分二者。
如果全息滤色镜的允许衍射角度范围为1°到2°，则改进了偏振分离特征，然而具有散射角度±10°的照明光中实际得到衍射并且可以被有效利用的光量非常小。因此这个解决方案是不实际的。
另一方面，如果需要利用全息光学器件的偏振相关性，则有必要设置S偏振光，使得其将成为入射光束，即衍射光。
为了防止照明光利用效率或显示图象对比度的降低，需要其它构件或光学器件，于是导致总体器件的生产成本和重量的增加。
原因如下参照图8，在初始状态下增加对S偏振光的衍射效率，并且降低对P偏振光的衍射效率，其中在初始状态下，在从零逐渐增加全息厚度的过程中达到足够的偏振相关性。接着可以增加全息厚度d，以便增加对P偏振光的衍射效率并且降低对S偏振光的衍射效率。
然而，增加全息厚度相应也增加了透射型全息图的衍射效率的波长相关性和入射角度相关性。也就是说，降低了与对全息图曝光的激光的预定波长和预定入射角度的偏差的容限(获得衍射效率的容差)，从而降低了光利用效率。
图9和10示出了在目标光的入射角度为0°，参考光的入射角度为60°，全息图的平均折射系数为1.52，全息图层的折射系数的调制系数为0.05，全息图层的厚度为5μm，并且曝光波长为532nm的条件下，按照532nm的还原波长读取所制备的全息光学器件，从而得到的衍射效率的入射角度相关性。图9和10分别示出了针对6μm的厚度和18μm的厚度计算出的结果。这里假定入射偏振光是S偏振光。可以发现，入射偏振光实际上需要是S偏振光。
其间，如图11所示，如果光从低折射系数的介质前进到高折射系数的介质中，其表面反射系数表现出偏振光相关性。根据这种偏振光相关性，在P偏振光和S偏振光入射到在空气中具有1.5的折射系数的玻璃中的情况下，S偏振光的始终大于P偏振光的表面反射系数。并且，如果入射角度满足tanθ＝n(＝1.5)，即Brewster角度在这里为56.3°，则P偏振光的反射系数为0。此时，S偏振光的反射系数大约为15％。
这意味着，如果使光线通过离轴入射倾斜落在全息光学器件的玻璃基底上，在入射光是P偏振光的情况下光利用效率较高。如图3所示，对于上述入射光需要是S偏振光的全息光学器件，耦合棱镜305被用来防止效率降低。然而如果使用这种耦合棱镜，设备的部件数量，重量以及成本会增加。此外，如果使用耦合棱镜，表面反射系数不能降低到0，因此不能可靠地防止漫射光的产生或显示图象对比度的退化。
并且，如果使用耦合棱镜，照明装置的光线在全息图层上的入射就是照明装置发射的光线的视角。在典型的投影仪光学系统的情况下，照明装置发射的光线的视角大约为±10°。不太容易使全息光学器件的衍射效率保持在高常数上。
如果聚合照明光源的照明光以照射某个区域的图象显示器件，则如以下等式的Lagrange-Helmholtz不变式所示，入射角度u′以和图象显示器件尺寸y′成反比的方式变小ynu＝y′n′u′(Lagrange-Helmholtz invariant)其中y是距离光轴的图象高度，n是介质的折射系数，而u是光线的倾斜角度。
上述等式表明乘积ynu的数值在光学系统的任何平面上均不变。也就是说，如果假定左边的乘积ynu为有限数值，并且图象显示器件的尺寸降低，则针对图象显示器件的入射角度进一步增加。这表示一个在实现高效率全息光学器件时不受欢迎的因素。如图9所示，如果入射角度偏离提供高峰值的入射角度+10°和-10°，则衍射效率被降低到25％和接近0％。
并且，在上述图象显示设备中，全息光学器件始终被用作滤色镜。于是，在这个图象显示设备中，需要这样一个步骤，其中微小尺寸透镜的尺寸接近等于象素尺寸，并且这些微小尺寸透镜与液晶显示器件的相应象素正确对齐，从而增加了生产难度和生产成本。
此外，上述图象显示设备不能处理场顺序彩色技术的结构，或者逐个彩色光地使用多个反射型图象显示器件的结构。
在使用上述全息滤色镜的图象显示设备中，需要逐个彩色光地针对入射光执行频谱分离和聚集，使得显示图象的色彩可还原性或高清晰度与照明光的利用效率之间形成折衷关系。
以后说明这种关系。参照图12，根据以下等式可以找到全息透镜的主光束的出射角度Δθi的容限数值，其中照明光聚合在一个彩色象素上Δθi＝ArcTan[r/Lp]其中如图12所示，Lp是反射型空间光调制器701的全息滤色镜700和象素电极702之间的距离，2r是一个彩色象素电极的尺寸。如果Lp＝0.7mm并且r＝±5μm，则Aθi＝±0.4°。
应当注意，全息图干涉条纹的入射角度θc和衍射时的出射角度θi通过以下等式相关(sin{θs}-sin{θr})/λ＝(sin{θi}-sin{θc})/λc其中θs是在造出全息图时目标光的入射角度，θr是在造出全息图时参考光的入射角度，λ是全息图的设计波长，而λc是还原波长。
因此，如果θs＝0°，θr＝60°，λ＝550nm，λc＝550nm并且θi＝±0.4°，则θc为60±0.8°C，这表明照明光束对全息滤色镜的入射角度的容限非常窄。另一方面，如果θs＝0°，θr＝60°，λ＝550nm，θc＝60°并且θi＝±0.4°，则Δλc为550±4.5nm，这表明照明光束对全息滤色镜的入射波长的容限非常窄。
因此，要求入射到全息滤色镜的照明光具有高平行度和窄波长范围，使得在使用常规照明光源的情况下，因发光部分具有大约1mm的有限尺寸并且光发射波长范围较宽而显著降低光利用效率。反之，如果要增加光利用效率，必须增加象素尺寸或允许光泄漏到相邻彩色象素。然而，在分别对前者和后者进行测量时，显示图象的清晰度和色彩纯度与可还原性均被降低。
在上述图象显示设备中，全息光学器件不能被用作反射型。如果全息光学器件被用作反射型致使P偏振光和S偏振光的衍射效率之间的差值为例如30％或更高，则d/∧需要为大约1.0到3.0，其中d是全息厚度，而∧是干涉条纹间距。参见M.G.Moharam和T.K.GayloadRigorous Coupled-WaveAnalysis of Planar Grating Diffraction，J.ODt.Soc.Am.71，811-8181977。
由于∧＝λ/|2sin[(θs-θr)/2]|(θs-θr)的最小数值为90°，其中θs是目标光的入射角度，θr是参考光的入射角度。此时，假定|2sin[(θs-θr)/2]|具有最小数值1.41。如果λ＝0.5μm，则假定∧具有最大数值0.35μm，使得满足d/∧＝1.0至3.0的全息图厚度d最大为1μm。非常难以制备如此薄的全息图层。
在全息光学器件的上述各种应用技术中，缺乏这种使照明光从倾斜方向入射以便高效照射反射型空间光调制器的应用技术。
如图13所示，并且如美国专利5596451所述，作为使用反射型空间光调制器的虚拟图象显示光学系统，存在这样的结构，其中反射型空间光调制器836、照明光源834和反射镜842被布置在偏振分光器848的形成表面的附近。
然而在这种光学系统中，如图13所示，照明光的部分860通过偏振分光器848直接到达观察者的观察区域846，而没有到达反射型空间光调制器836。这种照明光可以作为噪声入射到观察者的瞳孔824，从而产生降低反射型空间光调制器836显示的图象信息的对比度的根本问题。
此外，对于当前的光学系统，整个光学系统具有立方体形状，于是增加了厚度。如果提高偏振分光器的电介质薄膜864的性能，则提高了生产成本。反之，如果降低电介质薄膜的性能，则电介质薄膜对偏振光的反射系数，电介质薄膜的入射角度相关性或波长相关性造成图象均匀度的退化，尤其在瞳孔移动时。
为此，日本公布专利公开说明书H-11-125791公开了一种图象显示设备，其中如图14所示，使用反射型空间光调制器908和自由形式表面棱镜910形成虚拟图象显示光学系统。
如图14所示，在图象显示设备中，光源912的照明光直接入射到反射型空间光调制器908，反射光入射到自由形式表面棱镜910的第三表面905，以便在经过第一表面903的反射，第二表面904的反射以及穿过第一表面903之后到达瞳孔901以显示虚拟图象。这种光学系统的缺点是，增加了照明光在反射型空间光调制器908上的入射角度，从而降低了反射型空间光调制器908本身的调制指数，使得显示图象的对比度退化。
另一方面，图15示出的光学系统主要有以下两个问题，其中通过自由形式表面棱镜910从光源912发射的照明光入射到反射型空间光调制器908，并且这种反射光从第三表面905入射到自由形式表面棱镜910，以便在经过第一表面903的反射，经过第二表面904的反射和穿过第一表面903之后到达瞳孔901以形成虚拟图象。
第一个问题是，如果反射型空间光调制器908具有偏振调制类型(相位调制类型)，则入射到反射型空间光调制器908的照明光必须是具有指定偏振取向的线性偏振光。然而由于通过塑胶材料的注塑来制备自由形式表面棱镜910，自由形式表面棱镜910在其内部表现出双折射特征。因此带来的问题是，即使线性P偏振光入射到自由形式表面棱镜910，仍不能保持偏振态，于是显示图象的对比度退化。尽管通过在反射型空间光调制器908和自由形式表面棱镜910的第三表面(折射表面)905之间布置偏振片明显可以回避此问题，然而显示模式会变成′正常白′模式，于是显示图象的对比度再次退化。
第二个问题源于直接落在充当目镜光学系统的自由形式表面棱镜910上的照明光。照明光经过自由曲面棱镜910内部的光学表面903-905的内反射以产生漫射光。一部分漫射光到达观察者的瞳孔901，于是显示图象的对比度再次退化。
也就是说，对于使用半反射镜、作为迄今为止提出的各种图象显示设备中的一种的照明光学系统，设备不能降低尺寸，并且照明光的利用效率较低。对于使用偏振分光器的照明光学系统，设备不能降低尺寸，并且显示图象的均匀度较低，生产成本较高。对于直接照射空间光调制器的照明光学系统和通过塑胶形成的光学部件照射空间光调制器的照明光学系统，显示图象的对比度较低。

发明内容
基于现有技术的上述状况，本发明的目的是提供这样的图象显示器件和图象显示设备，其中照明光的光利用效率较高，可以降低设备的尺寸和成本，并且显示图象均匀且对比度较高。
为了解决上述问题，本发明提供包含衍射照明光的偏振选择性全息光学器件的图象显示设备，包含由两个区域中的每个组成的多个区域的器件，和调制偏振选择性全息光学器件衍射的照明光的偏振态的反射型空间光调制器，其中所述两个区域中的每个均具有分别表现出不同入射偏振取向相关性的折射系数值，并且可选地，所述区域被顺序层叠。
在这种图象显示设备中，用照明光以相对其照明光接收表面的法线不小于30°且小于90°的入射角度照射偏振选择性全息光学器件。偏振选择性全息光学器件衍射照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向反射型空间光调制器发射衍射光。对于经过反射型空间光调制器的相位调制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，偏振选择性全息光学器件表现出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上时衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一种偏振分量穿过光学器件。
本发明的图象显示设备包含上述类型的基于本发明的图象显示器件，发射照明光的光源，使光源发射的照明光入射到图象显示器件的偏振选择性全息光学器件的照明光学系统，和通过图象显示器件的反射型空间光调制器和偏振选择性全息光学器件将照明光投射在屏幕上的投影光学系统。
对于当前的图象显示器件，照明光学系统通过照明光以相对其照明光接收表面的法线不小于30°且小于90°的入射角度照射偏振选择性全息光学器件。偏振选择性全息光学器件衍射照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向反射型空间光调制器发射衍射光。对于经过反射型空间光调制器的相位调制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，偏振选择性全息光学器件表现出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上时衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一种偏振分量穿过光学器件。投影光学系统将穿过偏振选择性全息光学器件的光投射在屏幕上。
在本发明的图象显示设备中，提供衍射入射光的偏振选择性全息光学器件，包含由两个区域中的每个组成的多个区域的器件，将照明光分离成多个代表不同波长范围的分量的色彩分离装置，使被分离成相应的不同波长范围分量的照明光入射到偏振选择性全息光学器件的照明光学系统，调制代表偏振选择性全息光学器件衍射的照明光的不同波长范围的多个分量的多个反射型空间光调制器，合成具有经过多个反射型空间光调制器调制的各个不同波长范围的照明光部分的色彩合成装置，和投射照明光通过色彩合成装置的投影光学系统，其中所述两个区域中的每个均具有分别表现出不同入射偏振取向相关性的折射系数值，并且可选地，所述区域被顺序层叠。对于当前的图象显示设备，投影光学系统将穿过偏振选择性全息光学器件和色彩合成装置的照明光投射在屏幕上。
基于本发明的图象显示设备包含基于波段的偏振分离装置，用于将照明光的各个不同的第一和第二波长范围分量的偏振态分离成彼此垂直的线性偏振分量，照明光学系统，用于使分离成第一和第二波长范围分量入射到偏振选择性全息光学器件，第一反射型空间光调制器，用于调制偏振选择性全息光学器件衍射的照明光的第一波长范围分量的偏振态，第二反射型空间光调制器，用于调制穿过偏振选择性全息光学器件的照明光的第二波长范围分量的偏振态，和投影光学系统，用于将通过反射型空间光调制器的照明光投射在屏幕上。投影光学系统将通过第一反射型空间光调制器和偏振选择性全息光学器件的第一波长范围分量的照明光，和通过第二反射型空间光调制器和偏振选择性全息光学器件的第二波长范围分量的照明光投射在屏幕上。
在基于本发明的图象显示设备中，提供用于观察虚拟图象、将通过反射型空间光调制器的照明光引导到观察者的瞳孔的光学系统以取代投影光学系统。这个用于观察虚拟图象的光学系统将穿过偏振选择性全息光学器件的光引导到观察者的瞳孔。


图1A到1C是示出传统图象显示器件(FLC)的结构的剖视图。
图2的侧视图示出使用与反射型空间光调制器相关的偏振分光器的传统图象显示设备的结构。
图3是示出使用全息透镜的传统图象显示设备的结构的剖视图。
图4是示出反射型全息图的衍射效率的图表。
图5A和5B是示出将全息光学器件应用于光学开关的实例的剖视图。
图6的剖视图示出将全息光学器件用作图象显示设备的反射板的实例。
图7的剖视图示出将全息光学器件用作投影型图象显示设备的偏振转换器的实例。
图8的图表示出全息厚度和衍射效率(根据耦合波理论的严格解决方案的透射型全息图衍射效率)之间的关系。
图9的图表示出厚度为6μm的全息图中的衍射效率的入射角度相关性。
图10的图表示出厚度为18μm的全息图中的衍射效率的入射角度相关性。
图11的图表示出玻璃(折射系数＝1.5)的表面反射系数与入射角度之间的关系。
图12的剖视图示出传统全息滤色镜中全息透镜的主光束出射角度的允许数值。
图13是示出使用偏振分光器的传统图象显示设备的结构的侧视图。
图14的侧视图示出使用观察虚拟图象的光学系统的传统图象显示设备的结构。
图15的侧视图示出使用观察虚拟图象的光学系统的另一个传统图象显示设备的结构。
图16是示出基于本发明的图象显示器件的结构的纵向剖视图。
图17是示出基于本发明的图象显示器件的第一实施例的结构的纵向剖视图。
图18是示出基于本发明的图象显示器件的第二实施例的结构的纵向剖视图。
图19是示出基于本发明的图象显示器件的第三实施例的结构的纵向剖视图。
图20是示出基于本发明的图象显示器件的第四实施例的结构的侧视图。
图21是示出基于本发明的图象显示设备的第五实施例的结构的侧视图。
图22是侧视图，示出用于图象显示设备中的校正的偏振选择性全息光学器件的入射角度校正原理。
图23的图表示出了图象显示设备中在450nm还原波长处的衍射效率的入射角度相关性。
图24的图表示出了图象显示设备中在550nm还原波长处的衍射效率的入射角度相关性。
图25的图表示出了图象显示设备中在650nm还原波长处的衍射效率的入射角度相关性。
图26A和26B的图表示出了较大弯角(θobl＝10°)情况下衍射效率的还原波长相关性和入射角度相关性。
图27A和27B的图表示出了较小弯角(θobl＝-10°)情况下衍射效率的还原波长相关性和入射角度相关性。
图28的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第六实施例的结构。
图29的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第七实施例的结构。
图30的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第八实施例的结构。
图31的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第八实施例的结构。
图32的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第九实施例的结构。
图33的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第十实施例的结构。
图34的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第十实施例的结构。
图35的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第十一实施例的结构。
图36的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第十二实施例的结构。
图37的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第十三实施例的结构。
图38的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第十四实施例的结构。
图39的侧视图示出了基于本发明的图象显示设备的第十五实施例的结构。
具体实施例方式
下面参照附图详细描述本发明的优选实施例。
使用偏振选择性全息图象显示器件的反射型图象显示器件现在说明基于本发明的图象显示器件，这种偏振选择性全息器件具有由预聚合物散布液晶形成的液晶板，下面将预聚合物散布液晶称作PDLC。
首先参照图16说明使用PDLC的偏振选择性全息光学器件的结构和生产过程。在生产过程中，关键是将器件温度保持在接近60°。
首先，由未经过光致聚合作用的高分子材料混合物、TN液晶、引发剂和着色剂组成的PDLC被夹在玻璃基底1和2之间，所述高分子材料混合物此后称作预聚合物。此时，TN液晶的重量比例占整个PDLC的接近30％。PDLC的层厚度被选择成符合偏振选择性全息图象显示器件规范的2μm到15μm之间的最优数值，所述层厚度下面称作单元间隙。
为了在PDLC板3上记录干涉条纹，来自激光源(未示出)的目标光束4和参考光束5照射在PDLC板3上以产生由干涉导致的光强度变化B。在干涉条纹的明亮部分中，即在具有较大光子能量的部分中，PDLC中的预聚合物经过光致聚合作用并且被变成聚合物。于是，从边缘部分逐渐提供并且最终变成聚合物的预聚合物被分离成密集区域和稀疏区域。在稀疏区域中，TN液晶浓度增加。通过这种方式，形成预聚合物区域6和液晶区域7。
在本实施例中，目标光束4和参考光束5从面板的相同表面侧照射在面板上，使得产生的偏振选择性全息图象显示器件为透射型。可选地，如果从面板的不同表面侧照射目标光束4和参考光束5，则产生反射型偏振选择性全息图象显示器件。
其间，如上所述制备的PDLC板3的预聚合物区域6的折射系数为各向同性，即表现出折射系数各向同性，其中折射系数值为例如1.5。在PDLC板3的液晶区域7中，排列TN液晶分子，其长轴与相对预聚合物区域6的边界表面基本成直角。所以，液晶区域7表现出折射系数各向异性，也就是说，其折射系数表现出入射光取向相关性。如果考虑入射到PDLC板3的光线入射表面8的还原光5，它是变成寻常光的S偏振光分量。
如果这个液晶区域7中的寻常光的折射系数nlo接近等于预聚合物区域6的折射系数np，例如小于0.01，则入射S偏振光分量的折射系数的调制非常小，使得衍射现象几乎不出现。TN液晶的寻常光折射系数nlo和异常光折射系数nle之间的差值Δn基本上大约为0.1到0.2，使得甚至在还原光5具有相同光入射方向的情况下，也在预聚合物区域6和液晶区域7的P偏振分量折射系数之间产生差值。于是，PDLC板3充当相位调制型全息图并且表现出衍射效应。
上述是使用PDLC板的偏振选择性全息图象显示器件的工作原理，所述PDLC板下面称作′H-PDLC板′。
本实施例的全息光学器件使用耦合波理论的偏振相关性并且基本上不是偏振选择性全息图象显示器件。于是，S偏振光的衍射效率和P偏振光的衍射效率之间的差值大约为30到50％。假定S偏振光的衍射效率和P偏振光的衍射效率分别为70％和30％，则光利用效率为49％(＝70％×70％)，即使表面反射或吸收造成的损失被缩减。作为参考，图8示出了入射角度为42°并且干涉条纹的倾斜角度为120°的透射型全息图的衍射效率的偏振相关性(参见M.G.Moharam和T.K.Gayload，RigorousCoupled-Wave Analysis of Planar Grating Difference，J.Opt.Soc.Am.71，811-818，1977)。由此可见，在d/∧为5.0的情况下，+1阶S偏振光的衍射效率和P偏振光的衍射效率之间的差值(图8中对应于P偏振光的H和对应于S偏振光的E之间的差值)接近20％，其中d为全息厚度，∧为干涉条纹间距。
图象显示器件的实施例(第一到第三实施例)参照图17说明基于本发明第一实施例的反射型图象显示器件。在这个图象显示器件中，用作反射型空间光调制器的反射型FLC液晶板10在接口11上与参照图16说明的H-PDLC板3光学接合。
在基于本发明的液晶显示器件中，空间光调制器是调制这个空间光调制器反射的光的反射型空间光调制器。由于旋转了偏振方向，它是反射入射线性偏振光的偏振调制型空间光调制器。
反射型FLC液晶板10的结构和工作原理与参照图1A、1B和1C说明的内容相同。如图17所示，通过入射角度为0°的目标光束4和入射角度为θin-air的参考光束5制备本实施例的H-PDLC板3。此时将发现干涉条纹的倾斜角度θint。
如果为了简单假定玻璃基底1的折射系数为n gla并且PDLC的平均折射系数也为n gla，则以下等式n gla sin(θin-med)＝sin(θin-air)成立，其中θin-med为介质中的入射角度。
如果在这个等式中n gla＝1.5并且θin-air＝60°，则θin-med为35.3°。据此，干涉条纹的倾斜角度θint为θint＝θin-med/2＝17.7°。
现在说明这个图象显示器件的工作原理。含有P偏振光和S偏振光的还原光5从入射角度θin-air入射到H-PDLC板3的玻璃基底1。玻璃基底1折射的入射光接着从入射角度θin-med落在全息图层9上。
如上所述，在全息图层9上，P偏振光分量发生衍射，从而作为入射光51基本垂直地落在反射型FLC液晶板10上。这个P偏振光分量被铝反射面14反射，并且因其前后行进通过FLC层13而得到调制。接着P偏振光分量重新入射到全息图层9。此时，P偏振光再次在全息图层9上折射，并且沿着还原光5的与出射光束53方向相反的光路行进。在不经过全息图层9的衍射的情况下，发射S偏振光以作为沿着垂直方向来自H-PDLC板3的出射光束52。
另一方面，还原光5的S偏振光按照入射角度θin-med直接落在反射型FLC液晶板10上，其中没有被H-PDLC板3的全息图层9的衍射。此时，S偏振光穿过反射型FLC液晶板10的FLC层13，并且被调制了偏振态。然而，由于全息图层9具有一定的厚度，铝反射面14反射的光束54不满足衍射条件，使得S偏振光和P偏振光均在几乎不经过任何衍射的情况下穿过H-PDLC板3。即使全息图层9衍射了在FLC层13进行调制时产生的P偏振光的一部分，也可以通过使反射光束54的出射方向充分不同于出射光束52的出射方向，或在出射光束52的光路上提供选择性透过主要由出射光束52拥有的偏振分量的偏振片，使反射光束54和出射光束52彼此分离。
也就是说，在基于本发明的图象显示设备中，照明光学系统按照相对于接收照明光的表面的法线不小于30°且不大于90°的入射角度入射照明光，将照明光的P偏振光或S偏振光衍射和发射到反射型空间光调制器，并且经过这个反射型空间光调制器的相位调制的重新入射照明光的偏振光分量的衍射效率为10％或更小，因而不小于70％的偏振光分量穿过光学器件，其中所述重新入射照明光的偏振光分量的偏振方向垂直于在第一次入射的过程中被衍射的偏振光分量的偏振方向。
现在说明′具有一定厚度的全息图′。′具有一定厚度的全息图′被定义成具有不小于10的Q值的全息图(参见Jumpei Tsuji，Holography，Mokabou出版)。通过下面等式定义Q值Q＝2πλt/(n∧2)其中λ为还原波长，t为全息图层厚度、n为全息图层的平均折射系数，而∧为干涉条纹间距。
干涉条纹间距∧被定义成∧＝λc/|2sin{(θs-θr)/2}|其中λc为设计波长，θs为目标光束的入射角度，而θr为参考光束的入射角度。
如果λc＝0.55，θs＝60°，θr＝0°，t＝5μm并且n＝1.5，则干涉条纹间距∧为0.55μm并且Q为38.1，于是满足具有一定厚度的全息图的定义。
具有一定厚度的全息图的特性在于，如果由于诸如制造中使用的波长或目标和参考光束的入射角度之类的因素导致还原光的条件偏离设计条件，尽管衍射效率较高，然而衍射效率急速下降。概括地说，对于指定还原波长，如果还原光的入射角度略微偏离提供衍射效率峰值的入射角度，则衍射效应不明显。于是，即使反射光束54为P偏振光，该光束仍然几乎不被全息图层9衍射。
基于本发明的偏振选择性全息光学器件的特性在于，将弯角|θs-θr|设置成不小于30°以减少干涉条纹间距∧，从而达到较高的衍射效率。然而如果弯角过大，例如为80°或更大，则能够产生衍射效应的波长范围和入射角度范围减少，从而降低了光利用效率。
在实际的图象显示中，逐个象素地控制反射型FLC液晶板10的FLC层13，使得能够主要通过出射光束52进行图象显示，其中如结合图1A到1C所述，反射光的偏振态得到调制。
考虑还原光到H-PDLC板3的入射角度θin-air和还原光到全息图层9的入射角度θin-med。如上所述，二者之间的关系为ngla·sin(θin-med)＝sin(θin-air)现在讨论二者的变化率。对于ngla＝1.5，如果θin-air从55°到65°被改变10°，则θin-med仅从33.1°到37.2°改变4.1°。如果θin-med从65°到75°被改变10°，则θin-med从37.2°到40.1°改变2.9°。这等于通过乘以某个系数，这里为ngla的倒数，将sine函数的大变化率转换成较小的变化率。这意味着可以抑制H-PDLC板3的衍射效率的还原光入射角度相关性导致的均匀度退化和衍射效率降低。
此外，ngla的数值越大，则θin-med相对θin-air的变化率可以更小。如参照图11所述，对于ngla＝1.73，如果θin-air从55°改变成65°，则θin-med仅从28.3°到31.6°被改变3.3°，如果还原光到H-PDLC板3的入射角度θin-air具有非常大的数值，例如75°或更大，则S偏振光和P偏振光的表面反射系数均增加，并且变得难以使用例如抗反射膜进行抑制。
于是，在还原光到H-PDLC板3的入射角度θin-air超过75°的情况下，可以使用图18(第二实施例)所示的耦合棱镜20。然而在这种情况下，还原光到H-PDLC板3的入射角度θin-air等于还原光到全息图层9的入射角度θin-med，使得在全息图层9本身不具有更宽的入射角度范围的情况下，光利用效率降低。
在基于本发明的反射型图象显示器件中，这样的偏振选择性全息光学器件的入射角度被定义成最小入射角度，其中如果使用这个耦合棱镜20并且使衍射光束按照基本垂直的方向落在反射型空间光调制器上，则弯角为30°或更大。也就是说，30°的角度被设置成最小入射角度。
如图19(第三实施例)所示，为了针对较大范围的还原光保持高衍射效率，多个偏振选择性全息光学器件3R、3G和3B被层叠在一起，照射反射型FLC液晶板10的光的波长范围被分成多个部分，并且照明光的各个部分范围的光束被唯一的偏振选择性全息光学器件衍射。
尽管在本实施例中使用了3层结构，然而也可以使用4个或更加外层，也可以使用2个层。为了针对具有较大入射角度范围的还原光保持高衍射效率，以下方式是足够的，即具有不同的多个入射角度调节范围的多个偏振选择性全息光学器件被层叠在一起，使得各个部分范围的每个均主要被相关的唯一偏振选择性全息光学器件衍射。
图象显示器件的实施例(第四实施例)图20示出了基于本发明的图象显示器件的实施例。偏振选择性全息光学器件3被紧密地光学接合到全反射棱镜(第一棱镜)60。反射型空间光调制器10与偏振选择性全息光学器件3基本平行，而全反射棱镜60在反射型空间光调制器10和偏振选择性全息光学器件3之间。
顶角等于全反射棱镜60的顶角的校正棱镜(第二棱镜)61位于反射型空间光调制器10和全反射棱镜60之间，其中2个顶角按照彼此的内错角关系等于棱镜60的顶角。
下面说明这个图象显示设备的操作。也就是说，含有P偏振光分量和S偏振光分量的入射光束5按照倾斜方向落在偏振选择性全息光学器件3上。在这个实施例中，上述具有垂直取向的全息光学器件3被用作偏振选择性全息光学器件3。所以，入射到偏振选择性全息光学器件3的P偏振光分量的主要部分变成衍射光束51，并且通过全反射棱镜60内部前进到反射型空间光调制器10。另一方面，入射到偏振选择性全息光学器件3的S偏振光分量的主要部分变成非衍射光束(零阶光)54，其剩余部分返回到偏振选择性全息光学器件3并且再次被入射表面全反射，使得基本上整个光束最终被光吸收表面62吸收。
偏振选择性全息光学器件3上衍射的P偏振光束51通过光路上布置的校正棱镜61从与反射型空间光调制器10基本垂直的方向落在反射型空间光调制器10上。在本实施例中，具有垂直取向的反射型液晶板被用作反射型空间光调制器10。入射到反射型空间光调制器10的P偏振光束根据反射型空间光调制器10的各个象素的亮/灭改变其偏振方向，以便被转换成S偏振光束，或者被直接反射成P偏振光束。
在反射型空间光调制器10上被反射成P偏振光束的光线通过校正棱镜61和全反射棱镜60重新入射到偏振选择性全息光学器件3。于是重新入射到偏振选择性全息光学器件3的P偏振光束被重新衍射并且返回到光入射方向A上。另一方面，由于被转换成S偏振光，反射型空间光调制器10反射的光线以类似方式通过校正棱镜61和全反射棱镜60入射到偏振选择性全息光学器件3。如此重新入射到偏振选择性全息光学器件3的S偏振光52没有被偏振选择性全息光学器件3衍射，因此线性透过偏振选择性全息光学器件3以到达观察区域48。
有关投影型图象显示设备的实施例(第五实施例)下面说明具有上述偏振选择性全息光学器件和反射型空间光调制器的投影型图象显示设备的实施例。
如图21所示，作为本发明的第五实施例，可以使用作为反射型空间光调制器的反射型FLC板构造彩色投影型图象显示设备。在这个图象显示设备中，从照明光源20发射的照明光落在照明光学系统21上，照明光学系统21具有校正光束的剖面形状，均匀强度和控制散射角度的功能。
这个照明光学系统21具有偏振转换装置(未示出)，并且在本实施例中，照明光学系统21将照明光的S偏振光分量的偏振取向旋转90°，并且将S偏振光转换成P偏振光，使得偏振选择性全息光学器件3上的入射光为P偏振光，从而改进光利用效率。穿过照明光学系统21的照明光通过滤色盘22以便落在用于校正的偏振选择性全息光学器件23上。滤色盘22以时分方式将照明光源20发射的白光分割成红、绿和蓝频谱分量，从而通过使用单板反射FLC板10的所谓场顺序色彩技术可以实现彩色显示。
入射到用于校正的偏振选择性全息光学器件23的照明光只有P偏振光分量被衍射，并且从接近60°的出射角度发射。S偏振光分量在没有衍射的情况下线性透过用于校正的偏振选择性全息光学器件23。用于校正的偏振选择性全息光学器件23衍射的、主要由P偏振光分量组成的照明光接着落在偏振选择性全息光学器件3上。
用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3具有相同的结构，并且彼此平行排列。所以，照明光在偏振选择性全息光学器件3上的入射角度等于用于校正的偏振选择性全息光学器件23的照明光的出射角度。
这提供了以下2个主要优点首先，可以平衡按照波长产生的衍射的角度的变化。其次，可以校正按照波长得到的衍射效率的入射角度相关性的差异。
现在说明第一个优点。通过以下等式使全息图的干涉条纹中的入射角度θc和衍射角度θi相关(sin{θs}-sin{θr})/λ＝(sin{θc}-sin{θc})/λc其中θs是在造出全息图时目标光的入射角度，θr是在造出全息图时参考光的入射角度，λ是全息图的设计波长，而λc是还原波长。
也就是说，具有某种指定干涉条纹的全息图的衍射角度表现出入射光波长相关性，其中干涉条纹间距∧越小，其变化率越大。其间，干涉条纹间距∧具有下面等式所示的关系∧＝λ/|sin{θs}-sin{θr}|。
例如，如果θs＝0°，θr＝60°，λ＝550nm并且θc＝60°，并且如果λc从450nm改变成650nm，则衍射角度从9°改变成-9°。这意味着照明光到反射型空间光调制器的入射角度因波长的不同而不同。
对于如投影型图象显示设备所示的真成象系统，照明光入射角度变化导致的一个主要问题是光使用效率的降低。也就是说，反射型空间光调制器上的照明光变得发散，从而降低了投影光学系统的光聚集率。对于虚拟图象显示设备，可能产生这样的问题，即显示图象的色彩感觉因观察者瞳孔的移动而改变。通过降低偏振选择性全息光学器件3的允许衍射频谱并且以波段方式提供多个偏振选择性全息光学器件3可以抑制这些问题。
然而，以波段方式将照明光分割成无限小的部分是不现实的，因此难以完全消除衍射角度的波长相关性。所以，2个具有相同性能的偏振选择性全息光学器件3、23被用来校正波长相关性。
在经过偏振选择性全息光学器件3的衍射之后入射到反射型空间光调制器10的S偏振照明光被这个反射型空间光调制器10相位调制，并且重新穿过偏振选择性全息光学器件3以便通过选择性地只透过S偏振光的偏振片24落在投影光学系统25上。通过这个投影光学系统25，反射型空间光调制器10上显示的光学图象被放大投射在屏幕26上。
另一方面，前向光路上未被偏振选择性全息光学器件3衍射的P偏振光的剩余照明光直接穿过偏振选择性全息光学器件3，并且在反射型空间光调制器10的铝反射面14上被规则反射，以便沿着图21中的方向C重新发射。由于这种照明光往往成为漫射光以致显示图象对比度发生退化，其能量被光吸收装置27吸收。
下面参照图22说明用于校正的偏振选择性全息光学器件23对入射角度的校正。根据上述等式，用于校正的偏振选择性全息光学器件23的出射角度θi-1由下面等式提供sin(θi-1)＝λc/λ(sin{θs}-sin{θr})+sin(θc)其中，如果θs＝θc＝0°，则sin(θi-1)＝-λc/λsin(θr)......(1)。
如果还原波长L(例如红光)、M(例如绿光)和S(例如蓝光)满足关系L＞M＞S，则各个衍射角度θi-1L，θi-1M和θi-1S满足下面关系θi-1L＞θi-1M＞θi-1S如果将这个关系应用于同用于校正的偏振选择性全息光学器件23平行排列的偏振选择性全息光学器件3，则入射角度变成θi-1，使得发射角度θi-2满足下面等式(Sin{θs}-sin(θr}/λ＝(sin{θi-2}-sin{θi-1})/λc......(2)。
根据等式(1)和(2)，θi-2＝θs＝0°，使得不管还原波长如何照明光在反射型空间光调制器10上的入射角度可以始终为0°。
现在说明上述第二个优点。图23到25示出了设计波长为532nm，目标光入射角度为0°，参考光入射角度为60°，平均折射系数为1.52并且全息厚度为5μm的偏振选择性全息光学器件的衍射效率的入射角度相关性。图23、24和25分别示出了还原波长为450nm、550nm和650nm的情况。
综合根据衍射效率和各个波长的入射角度相关性，可以发现提供衍射效率峰值的入射角度因波长的不同而不同，使得在长波长侧入射角度越大则衍射效率越高，而在短波长侧入射角度越小则衍射效率越高。此外，如图22所示，在使用用于校正的偏振选择性全息光学器件23的情况下，偏振选择性全息光学器件3上长波长侧照明光的入射角度较大，而短波长侧照明光的入射角度较小。于是，通过使用用于校正的偏振选择性全息光学器件23，可以在较宽的波长范围上实现高衍射效率，从而保持较高的光利用效率。
如上所述，通过合并偏振选择性全息光学器件3和用于校正的偏振选择性全息光学器件23，即使照明光具有较宽的波长范围，也可以按照相同的入射角度高效照射反射型空间光调制器10。
应当注意，在本实施例中，主光束相对反射型空间光调制器10的入射角度未被设置成0°，而是被设置成θobl。其原因在于，具有一定厚度的透射全息图不能实现高折射系数，除非弯角具有更大的数值。也就是说，弯角需要被设置成较大的数值。于是，这个θobl被设置成扩大偏振选择性全息光学器件3在入射平面中的弯角。如果θobl被设置成非常大的数值，则产生了这样的问题，即反射型空间光调制器10的对比度退化，投影光学系统25的尺寸增加，并且显示图象的失常加大。因此通常期望这个θobl不大于30°。
然而，如果投影光学系统25是偏置光学系统，并且有效使用反射型空间光调制器10的倾斜出射光，则随着显示图象的中心偏离投影光学系统25的光轴，可以降低投影光学系统25的有效系统的尺寸。
反之，如果偏振选择性全息光学器件的折射系数调制系数充分地大，例如为0.05或更高，那么即使弯角大约为50°，也可以实现足够的衍射效率，使得为了提高允许波长范围和允许入射角度，根据需要将θobl设置在降低弯角的方向上。在这种情况下，基于上述原因不能过度增加θobl的绝对数值，并且该绝对数值最好大约为10°。
图26A、26B和27A、27B分别示出了较大弯角(θobl＝10°)和较小弯角( θobl＝-10°)情况下衍射效率的还原波长相关性和入射角度相关性。根据图26A、26B、27A和27B可以发现，对于较小弯角(θobl＝-10°)的情况，涉及还原波长和入射角度的衍射效率发生较小的退化。
图象显示设备的第六实施例作为本发明的第六实施例，下面参照图28说明使用反射型TN液晶板作为反射型空间光调制器的彩色投影型图象显示设备。
在这个图象显示设备中，从照明光源20发射的照明光落在照明光学系统21上，照明光学系统21具有校正光束的剖面轮廓，均匀强度和控制散射角度的功能。这个照明光学系统21具有偏振转换装置(未示出)。在本实施例中，通过将照明光的偏振取向旋转90°将S偏振光转换成P偏振光，使得偏振选择性全息光学器件3上的入射光成为P偏振光，从而改进了光利用效率。
穿过照明光学系统21的照明光穿过适于选择性透过P偏振光的偏振片28，以便落在用于蓝、绿和红色的分色镜29、30、31上。排列这些分色镜29到31，使得其反射面与照明光前进方向所成的角度θb，θg，θr满足关系θb＜θg＜θr。所以，这些分色镜29到31与参照图21说明的第五实施例的用于校正的偏振选择性全息光学器件23起着相同的作用。
也就是说，红光到偏振选择性全息光学器件3的入射角度最大，而绿光和蓝光到偏振选择性全息光学器件3的入射角度依次变小。光束偏振选择性全息光学器件3的各个光束被用于各个颜色的3个全息图层9r、9g和9b聚合在反射型空间光调制器的对应色彩的铝象素电极14r、14g和14b上。在前向和后向穿过TN液晶层13的照明光被相位调制，其S偏振光分量未经偏振选择性全息光学器件3的衍射而前进，从而通过被用来选择性地透过S偏振光分量的偏振片24落在投影光学系统25上。入射到投影光学系统25的图象光束被投射在屏幕26上。
图象显示设备的第七实施例作为本发明的第七实施例，下面说明使用3个反射型反铁电体液晶板10r、10g、10b作为反射型空间光调制器的彩色投影显示设备。
在这个图象显示设备中，从照明光源20发射的照明光落在照明光学系统21上，照明光学系统21具有校正光束的剖面轮廓，均匀强度和控制散射角度的功能。这个照明光学系统21具有偏振转换装置(未示出)。在本实施例中，通过将照明光的偏振取向旋转90°将S偏振光转换成P偏振光分量，使得偏振选择性全息光学器件3上的入射光成为P偏振光分量，从而改进了光利用效率。
穿过照明光学系统21的照明光落在用于校正的偏振选择性全息光学器件23上，其中只有P偏振光分量被衍射，并且从接近60°的出射角度发射。S偏振光分量在没有经过衍射的情况下线性透过用于校正的偏振选择性全息光学器件23。
作为被用于校正的偏振选择性全息光学器件23衍射的P偏振光的照明光穿过偏振片28，而偏振片28选择性地透过P偏振光分量。于是，光落在偏振选择性全息光学器件3上。由于用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3具有相同的结构并且彼此平行排列，偏振选择性全息光学器件3上的照明光入射角度等于用于校正的偏振选择性全息光学器件23的照明光出射角度。
主要由P偏振光分量组成并且入射到偏振选择性全息光学器件3的照明光被偏振选择性全息光学器件3按照基本垂直的方向衍射以便落在交叉分色棱镜32上，从而将其分离成红光束、绿光束和蓝光束。
各个分离的彩色光束落在相关的反射型空间光调制器10r、10g和10b上，以便经过逐个彩色光束和逐个象素的调制而被反射出去。调制的彩色光束再次入射到交叉分色棱镜32以进行重新合成，并且接着重新入射到偏振选择性全息光学器件3。S偏振光分量在不经过衍射的情况下穿过偏振选择性全息光学器件3，并且接着穿过适于选择性地透过S偏振光分量的偏振片24。通过这种方式，S偏振光分量落在投影光学系统25上。通过这种投影光学系统25，在屏幕26上形成显示图象的图象。
图象显示设备的第八实施例作为本发明的第八实施例，下面参照图30说明使用反射型FLC板作为反射型空间光调制器的彩色投影型图象显示设备。
在这个图象显示设备中，从照明光源20发射的照明光落在照明光学系统21上，照明光学系统21具有校正光束的剖面轮廓，均匀强度和控制散射角度的功能。这个照明光学系统21具有偏振转换装置(未示出)。在本实施例中，通过将照明光的偏振取向旋转90°将S偏振光转换成P偏振光，使得偏振选择性全息光学器件3上的入射光成为P偏振光，从而改进了光利用效率。
穿过照明光学系统21的照明光穿过偏振片28，而偏振片28适于选择性地透过P偏振光分量。如此透过的光接着落在彩色光闸22上。彩色光闸22的功能是将从照明光源20发射并且形成线性偏振光的指定波长范围的白光的偏振取向旋转90°。如此，通过对穿过彩色光闸22的照明光进行偏振检测可以按照时分方式将照明光分离成部分频谱分量。
通过这种时分方式，能够通过具有单板反射型FLC板10的′场顺序色彩技术′实现彩色显示(参见Gray D.Sharp和KristinaM.Johnson，High Brightness Saturated Color ShutterTechnology，SID Symposium，Vol.27，p411，1996)。
在本实施例中，控制这种彩色光闸22，使得以时分方式透过2个频谱，即红光-蓝光(深红)和红光-绿光(黄)。也就是说，光闸交替地将从照明光源20入射的绿光和蓝光的偏振取向旋转90°。穿过彩色光闸22的照明光落在用于校正的偏振选择性全息光学器件23上，其中只有P偏振光分量被衍射，并且从接近60°的出射角度发射。此时，被彩色光闸22形成为S偏振光的绿光或蓝光交替地线性穿过用于校正的偏振选择性全息光学器件23，并且没有经过任何衍射。
用于校正的偏振选择性全息光学器件23衍射的、主要由P偏振光分量组成的照明光落在偏振选择性全息光学器件3上。由于用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3具有相同的结构并且彼此平行排列，偏振选择性全息光学器件3上的照明光入射角度等于用于校正的偏振选择性全息光学器件23的照明光出射角度。
照明光的入射到偏振选择性全息光学器件3的P偏振光分量被衍射，以便从偏振选择性全息光学器件3沿着基本垂直的方向发射并落在分色棱镜34上。在入射到分色棱镜34的照明光中，只有红光在其前进方向上被偏转90°，主要包含绿光和蓝光的波长范围的照明光剩余部分穿过棱镜。2个彩色光束入射到相关的反射型空间光调制器10r、10gb上，以便经过彩色光束和象素方式的调制而被反射出去。
应当注意，′场顺序色彩技术′以时分方式显示绿光和蓝光。以时分方式显示绿光分量和蓝光分量并且同时没有显示红光的原因在于，如果使用常见照明光源并且设置白均衡以考虑人类视觉灵敏度，则红光的输出光量最不足够。
调制的各个彩色光分量被重新入射到分色棱镜34并且被重新合成，以便重新入射到偏振选择性全息光学器件3。S偏振光分量在不经过衍射的情况下被透过，并且接着落在适于选择性地透过S偏振光分量的投影光学系统25上。通过这种投影光学系统25，在屏幕26上形成显示图象的图象。
参照图31，通过将玻璃板20放置在用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3之间，并且通过扩大用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3的全息图层的有效弯角，可以改进衍射效率。
然而，此时降低了在用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3中产生衍射效应的入射角度和波长范围的范围。其间，用于校正的偏振选择性全息光学器件23和玻璃板20需要紧密地光学接合，并且类似地，偏振选择性全息光学器件3和玻璃板20也需要紧密地光学接合。
图象显示设备的第九实施例作为本发明的第九实施例，下面说明如图32所示使用3个反射型液晶板10r、10g、10b作为反射型空间光调制器的彩色投影图象显示设备。
在这个图象显示设备中，从照明光源20发射的照明光落在照明光学系统21上，照明光学系统21具有校正光束的剖面轮廓，均匀强度和控制散射角度的功能。这个照明光学系统21具有偏振转换装置(未示出)。在本实施例中，通过将照明光的偏振取向旋转90°将S偏振光转换成P偏振光，使得偏振选择性全息光学器件3上的入射光成为P偏振光，从而改进了光利用效率。
穿过照明光学系统21的照明光落在用于校正的偏振选择性全息光学器件23上，其中只有P偏振光分量被衍射和反射以落在偏振选择性全息光学器件3上。照明光的S偏振光分量线性穿过用于校正的偏振选择性全息光学器件23并且没有经过用于校正的偏振选择性全息光学器件23上的衍射。
应当注意，用于校正的偏振选择性全息光学器件23充当反射型偏振选择性全息光学器件。对于反射型，衍射波长范围的容差数值小于透射型中的数值。于是，以下方式会更加有效，即尽可能使用在其频谱中具有陡峭峰值的照明光源20，或逐个波长地制备多个全息图并且将这些全息图堆积在一起以便用作用于校正的偏振选择性全息光学器件23。
主要由P偏振光分量组成的入射照明光被偏振选择性全息光学器件3衍射，以便接着垂直发射并落在分色棱镜模块35上。这个分色棱镜模块由3个分色棱镜构成，并且包含2个边界表面35b、35g。入射到分色棱镜模块35的照明光首先落在只反射蓝彩色光的边界表面35b上。穿过边界表面35b的除了蓝光之外的光落在只反射绿光的另一个边界表面35g上，因此照明光被分离成R(红)、G(绿)和B(蓝)光束。
如此分离的各个彩色光束落在反射型空间光调制器10r、10g和10b上，以便经过逐个彩色光束和逐个象素的调制而被反射出去。如此调制的各个彩色光束被重新入射到分色棱镜模块35以便进行重新合成。如此合成的各个彩色光束被重新入射到偏振选择性全息光学器件3。此时，S偏振光分量在不经过衍射的情况下被透过，并且通过偏振片24落在选择性地透过S偏振光分量的偏振片24上。通过这种投影光学系统25，在屏幕26上形成显示图象的图象。
图象显示设备的第十实施例作为本发明的第十实施例，下面说明如图33所示使用2个反射型FLC板作为反射型图象显示器件的彩色投影型图象显示设备。
在这个图象显示设备中，从照明光源20发射的照明光落在照明光学系统21上，照明光学系统21具有校正光束的剖面轮廓，均匀强度和控制散射角度的功能。这个照明光学系统21具有偏振转换装置(未示出)。在本实施例中，通过将照明光的偏振取向旋转90°将P偏振光转换成S偏振光，使得偏振选择性全息光学器件3上的入射光成为P偏振光，从而改进了光利用效率。
穿过照明光学系统21的照明光穿过偏振片28以落在彩色光闸22上，而偏振片28适于选择性地透过S偏振光分量。这个彩色光闸22以时分方式将从照明光源20发射的白光分离成部分频谱分量。通过这种时分方式，能够通过具有单板反射型FLC板10的′场顺序色彩技术′实现彩色显示(参见Gray D.Sharp和Kristina M.Johnson，High Brightness Saturated ColorShutter Technology，SID Symposium，Vol.27，p411，1996)。
在本实施例中，控制这种彩色光闸22，使得以时分方式透过2个波段，即红光-蓝光(深红)和红光-绿光(黄)。也就是说，彩色光闸22交替地将入射绿光和蓝光束的偏振取向旋转90°。从彩色光闸22发射的照明光落在用于校正的偏振选择性全息光学器件23上，其中只有S偏振光被衍射，并且从接近70°的出射角度发射。被彩色光闸22变成P偏振光的绿和蓝光束线性前进并且在用于校正的偏振选择性全息光学器件23上不被衍射，使得这些光束交替地穿过用于校正的偏振选择性全息光学器件23。
用于校正的偏振选择性全息光学器件23衍射的、主要由S偏振光分量组成的照明光落在第一耦合棱镜37上，第一耦合棱镜37紧密地光学接合到用于校正的偏振选择性全息光学器件23。从用于校正的偏振选择性全息光学器件23发射的照明光在第一耦合棱镜37和用于校正的偏振选择性全息光学器件23的玻璃基底36之间的接合边界表面上没有被折射，因为这些构件由具有接近相等的折射系数的玻璃材料组成。于是，照明光落在第一耦合棱镜37上并且没有改变其角度。
入射到第一耦合棱镜37的照明光沿着基本垂直的方向从第一耦合棱镜37的光学表面38发射。发射的光接着落在适于根据其波长范围将入射线性偏振光的取向旋转90°的彩色选择器33上(参见Gray D.Sharp和J.R.Bridge，Retarder StackTechnology for Color Manipulation，SID Symposium，Vo1.30，p1072，1999)。
在本实施例中，保留红彩色光线的入射偏振(S偏振光)的取向，同时将蓝和绿光的取向旋转90°，使得这些光束变成P偏振光。从彩色选择器33发射的照明光落在第二耦合棱镜20的光学表面39上，第二耦合棱镜20紧密地光学接合到偏振选择性全息光学器件3。这个光学表面39与第一耦合棱镜37的光学表面38基本平行。于是，入射照明光在基本没有经过第二耦合棱镜20的光学表面39上的任何折射的情况下线性前进，从而直接落在偏振选择性全息光学器件3上。
在这个偏振选择性全息光学器件3中，作为S偏振光的红光在没有经过衍射的情况下穿过第三耦合棱镜40，从而落在用于红光的反射型空间光调制器10r上。另一方面，作为P偏振光束的蓝和绿光束被衍射并在其前进方向上偏转接近70°，从而通过第三耦合棱镜40落在用于蓝和绿光的反射型空间光调制器10gb上。
由于彩色光闸22以时分方式交替地透过蓝和绿光束，因此以在其间建立同步的方式控制用于蓝光和绿光的反射型空间光调制器10gb。以时分方式显示绿光分量和蓝光分量并且同时没有显示红光的原因在于，如果使用常见照明光源并且设置白均衡以考虑人类视觉灵敏度，则红光的输出光量最不足够。
被各个反射型空间光调制器10b和10gb调制的照明光重新入射到偏振选择性全息光学器件3。在用于蓝光和绿光的反射型空间光调制器10gb的反射光中，沿着基本垂直的方向从偏振选择性全息光学器件3发射S偏振光分量，并且s偏振光分量没有经过衍射。在用于红光的反射型空间光调制器10r的反射光中，P偏振光分量也被衍射并且沿着垂直方向从偏振选择性全息光学器件3发射。
这2个反射光束穿过第二耦合棱镜20以落在与这个第二耦合棱镜20的光学表面接合的彩色选择器33b上。通过这个彩色选择器33b，保留蓝和绿光束的入射偏振(S偏振光)的偏振，同时红光的偏振取向被旋转90°以变成S偏振光。
这些照明光束通过适于选择性地透过S偏振光的偏振片24落在投影光学系统25上，以便投影光学系统25在屏幕26上形成显示图象的图象。
用于蓝光和绿光的反射型空间光调制器10gb的反射光中的P偏振光分量被偏振选择性全息光学器件3衍射并且穿过其中，从而沿着相反方向从照明光路的前向路径向后行进。类似地，用于红光的反射型空间光调制器10r的反射光中的S偏振光沿着相反方向从照明光路的前向路径向后行进，其中没有被偏振选择性全息光学器件3衍射。
如图34所示，通过光学合并用于校正的偏振选择性全息光学器件23、第一耦合棱镜37、彩色选择器33、第二耦合棱镜20、偏振选择性全息光学器件3、第三耦合棱镜40和彩色选择器33b，可以形成本实施例。
图象显示设备的第十一实施例作为本发明的第十一实施例，下面说明如图35所示的使用反射型FLC板作为反射型空间光调制器的彩色投影型图象显示设备。
在这个图象显示设备中，照明光源20发射的照明光落在照明光学系统21上，照明光学系统21具有校正光束的剖面轮廓，均匀强度和控制散射角度的功能。这个照明光学系统21具有偏振转换装置(未示出)。在本实施例中，通过将照明光的偏振取向旋转90°将S偏振光转换成P偏振光，使得偏振选择性全息光学器件3上的入射光成为P偏振光，从而改进了光利用效率。
穿过照明光学系统21的照明光穿过滤色盘22以落在用于校正的偏振选择性全息光学器件23上。这个滤色盘22以时分方式将从照明光源20发射的白光分离成红、绿和蓝分量组成的频谱分量。通过这种时分方式，可以使用具有单板反射型FLC板10的′场顺序色彩技术′实现彩色显示。
在按照60°的入射角度入射到用于校正的偏振选择性全息光学器件23的照明光中，只有P偏振光分量被衍射并且按照接近0°的出射角度发射。
S偏振光线性前进以穿过用于校正的偏振选择性全息光学器件23，并且在用于校正的偏振选择性全息光学器件23上没有经过衍射。
从用于校正的偏振选择性全息光学器件23衍射、主要由P偏振光分量组成的照明光落在偏振选择性全息光学器件3上。用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3具有相同的构造并且被如此排列，使得用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3上的照明光入射角度彼此接近相等，其中假定在从照明光侧(入射侧)观察时，二者的衍射(弯角)方向彼此相等。通过这个方案可以得到2个优点，即可以平衡根据波长的衍射角度中的波动的优点，和可以校正根据波长的衍射效率的入射角度相关性中的差异的优点。
其间，如图35中的的点线所示，可以在用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3之间的空间内提供耦合棱镜20。然而，由于在这种情况下弯角有所不同，用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3不应当为一个和相同的全息图单元。
用于校正的偏振选择性全息光学器件23上的入射角度象偏振选择性全息光学器件3上那样被设置成接近60°的原因是，有必要减小用于校正的偏振选择性全息光学器件23的衍射效率的入射角度相关性。
偏振选择性全息光学器件3衍射的P偏振光按照0°的出射角度从这个偏振选择性全息光学器件3发射，从而落在反射型空间光调制器10上。排列这个反射型空间光调制器10，使得其如图35的箭头a所示的纵向与照明光的入射角度的方向一致。这是由于需要减小沿着衍射方向入射到用于校正的偏振选择性全息光学器件23的照明光的有效宽度。也就是说，为提高光利用效率，需要将这个有效宽度的减少量值降低到尽可能小的数值。
为此，照明光源20的光发射部分20a的纵向与图35的图纸垂直。其原因在于，由于上述Lagrange-Helmholtz不变式，当光发射部分较小时，散射角度不易于随光束直径的降低而增加，也就是说，如果照明光沿着相对空间光调制器的倾斜方向入射，减少光发射部分在与光入射方向一致的方向上的长度会更利于改进光利用效率。
在经过反射型空间光调制器10的相位调制之后被反射的S偏振光穿过偏振选择性全息光学器件3，并且接着穿过偏振片24，偏振片24选择性地只透过S偏振光。S偏振光接着落在投影光学系统25上。通过这个投影光学系统25，反射型空间光调制器10上显示的光学图象被放大投射成屏幕26上的显示图象。
在P偏振光中，前向光路上未经偏振选择性全息光学器件3衍射的剩余照明光直接穿过偏振选择性全息光学器件3并且经过反射型空间光调制器10的铝反射面14的规则反射，从而沿着图35中C指示的方向再次退出。这个照明光往往变成漫射光，导致显示图象对比度的退化。所以光吸收装置27被用来吸收其能量。
图象显示设备的第十二实施例作为本发明的第十二实施例，下面参照图36说明使用反射型FLC板作为反射型空间光调制器的彩色投影型图象显示设备。
在这个图象显示设备中，从照明光源20发射的照明光落在照明光学系统21上，照明光学系统21具有校正光束的剖面轮廓，均匀强度和控制散射角度的功能。这个照明光学系统21具有偏振转换装置(未示出)。在本实施例中，通过将照明光的偏振取向旋转90°将S偏振光转换成P偏振光，使得偏振选择性全息光学器件3上的入射光成变成P偏振光，从而改进了光利用效率。
穿过照明光学系统21的照明光穿过滤色盘22以落在用于校正的偏振选择性全息光学器件23上。这个滤色盘22以时分方式将从照明光源20发射的白光分离成红、绿和蓝分量组成的频谱分量。通过这种时分方式，可以使用具有单板反射型FLC板10的′场顺序色彩技术′实现彩色显示。
按照θin23的入射角度入射到用于校正的偏振选择性全息光学器件23的照明光只有P偏振光分量被衍射并且按照θout23的出射角度发射。S偏振光在没有经过衍射的情况下穿过这个用于校正的偏振选择性全息光学器件23，以便沿着直光路前进。
用于校正的偏振选择性全息光学器件23衍射的、主要由P偏振光分量组成的照明光按照θin23的入射角度落在偏振选择性全息光学器件3上。应当注意，用于校正的偏振选择性全息光学器件23和偏振选择性全息光学器件3具有相同的结构。此外，用于校正的偏振选择性全息光学器件23的入射角度θin23等于偏振选择性全息光学器件3的入射角度，同时用于校正的偏振选择性全息光学器件23的出射角度θout23等于偏振选择性全息光学器件3的出射角度，其中假定从光照射侧观察，2个光束的衍射方向(弯角)相反。这提供了2个上述优点，即可以弥补波长造成的衍射角度变化，以及可以校正根据波长的衍射效率的入射角度相关性中的差异。
如图36所示，在本实施例中，偏振选择性全息光学器件3和反射型空间光调制器10彼此按照θholo的张角排列。也就是说，为了减小偏振选择性全息光学器件3和用于校正的偏振选择性全息光学器件23的衍射效率的波长和入射角度相关性，可以减小弯角。因此，可以考虑下面2个方法，即(i)减少入射角度的方法；和(ii)在减少弯角的方向上增加出射角度的方法。如上所述，由于到全息图层的入射角度的变化往往会增加，因此(i)中′减少入射角度′的方法是不期望的。所以可以使用(ii)中在减少弯角的方向上增加出射角度的方法。
在本实施例中，偏振选择性全息光学器件3的出射角度θin23和p23的出射角度θout23被设置成接近5°到20°以便减小弯角。如图36所示，如果通过这种方式规定入射照明光、偏振选择性全息光学器件3和用于校正的偏振选择性全息光学器件23中间的关系，并且使从偏振选择性全息光学器件3衍射发射的光成直角落到反射型空间光调制器10，则偏振选择性全息光学器件3和反射型空间光调制器10需要按照相对于彼此的张角θholo(＝θout23)排列。
于是，偏振选择性全息光学器件3衍射的P偏振光基本垂直地落在反射型空间光调制器10上。排列这个反射型空间光调制器10，使得其如图36的箭头a所示的纵向与照明光的入射角度的方向一致。这样做的目的是将衍射方向上入射到用于校正的偏振选择性全息光学器件23的照明光的有效宽度减少到尽可能小的数值以便提高光利用效率。
为此，照明光源20的光发射部分20a的纵向与图35的图纸垂直。这样做的原因在于，根据上述Lagrange-Helmholtz不变式，对于较小尺寸的光发射部分，当光束直径减小时，散射角度几乎不增加。也就是说，如果使照明光相对空间光调制器倾斜落下，可以有效提高光利用效率，从而缩短了光发射部分在与光入射方向一致的方向上的长度。
经过反射型空间光调制器10的相位调制而被反射的S偏振光穿过偏振选择性全息光学器件3，并且接着穿过偏振片24，偏振片24选择性地透过S偏振光。光接着入射到投影光学系统25上。为了校正因穿过偏振选择性全息光学器件3而造成的散光失常，按照与偏振选择性全息光学器件3相对反射型空间光调制器10的倾斜角度θholo具有相同绝对数值但方向相反的倾斜角度θpol排列偏振片24。偏振片24的这个倾斜消除了调制的照明光中的散光失常。通过入射到投影光学系统25的照明光，反射型空间光调制器10上显示的光学图象被放大投射成屏幕26上的显示图象。
图象显示器件的第十三实施例作为基于本发明的图象显示设备(投影型)的第十三实施例，下面参照图37说明使用唯一反射FLC板作为反射型空间光调制器的彩色投影型图象显示设备。
从照明光源20发射的照明光落在照明光学系统21上，照明光学系统21具有校正光束的剖面轮廓，均匀强度和控制散射角度的功能。这个照明光学系统21具有偏振转换装置(未示出)。在本实施例中，其液晶分子取向与面板表面平行的上述全息PDLC板被用作偏振选择性全息光学器件3。所以，通过将偏振取向旋转90°，具有P偏振光分量的照明光部分被转换成S偏振光，使得偏振选择性全息光学器件3上的入射光成为S偏振光，从而改进了光利用效率。
在照明光学系统21内提供上述滤色盘22。这个滤色盘22以时分方式将从照明光源20发射的白光分离成红、绿和蓝分量组成的频谱分量。通过这种时分方式，可以使用以单板反射型FLC板10充当反射型空间光调制器的′场顺序色彩技术′实现彩色显示。
照明光通过反射镜63落在偏振选择性全息光学器件3上。照明光的大部分S偏振光分量在其前进方向上被衍射和转换，其中的P偏振光分量则线性前进，以便在没有衍射的情况下穿过偏振选择性全息光学器件3。作为非衍射光(零阶光)的S偏振光分量在其第一光学表面与偏振选择性全息光学器件3紧密接合的三角棱镜(第一棱镜)60的第二光学表面64上被全反射，并且在不落到反射型空间光调制器10上的情况下从第三光学表面(光出射表面)发射。
作为偏振选择性全息光学器件3衍射的光的S偏振光从三角棱镜60的第二光学表面64发射，以便通过用于校正的棱镜(第二棱镜)61落在反射型空间光调制器10上。其偏振方向被反射型空间光调制器10根据显示图象调制过的照明光通过用于校正的棱镜61和三角棱镜60重新入射到偏振选择性全息光学器件3。大部分S偏振光被衍射并且沿着照明光的光入射方向返回，而P偏振光在没有衍射的情况下线性穿过偏振选择性全息光学器件3。由于线性透过偏振选择性全息光学器件3的光含有S偏振光分量，因此被偏振片24检测到，偏振片24适于选择性地透过S偏振光分量并且中断P偏振光分量。投影光学系统25将如此透过的光在屏幕26上形成空间光调制器10的扩大图象。
如图37所示，在本实施例中，偏振选择性全息光学器件3和反射型空间光调制器10按照θ的张角排列。现在说明其目的。
为了减少偏振选择性全息光学器件3的波长和入射角度相关性，可以减少弯角。因此，可以考虑2个方法，即减少入射角度的方法和选择在减少弯角的方向上具有较大数值的出射角度的方法。由于增加了全息图层入射角度的波动，减少入射角度的技术是不期望的。所以，选择在减少弯角的方向上具有较大数值的出射角度的技术是更加期望的。在本实施例中，这个角度θ的数值被设置成接近10 °。
另一方面，反射型空间光调制器10具有矩形屏幕区域(偏振调制区域)，并且被如此排列，使得照明光的入射角度的方向被包含在矩形屏幕区域的纵向的平面内。这样做的原因在于，水平排列的偏振选择性全息光学器件3上的照明光倾斜入射其上，因此减少了入射照明光的有效宽度，使得有必要将有效宽度的减少的量值减少到尽可能小的数值，以便增加光利用效率。
基于相同的原因，照明光源20的光发射部分的纵向与图37的图纸垂直。这样做的原因在于，根据上述Lagrange-Helmholtz不变式，对于较小尺寸的光发射部分，当光束直径减小时，散射角度几乎不增加。也就是说，象在本发明中那样，如果使照明光相对空间光调制器倾斜落下，可以有效提高光利用效率，从而缩短了光发射部分在与光入射方向一致的方向上的长度。
此外，按照倾斜角度与偏振选择性全息光学器件3，用于校正的棱镜61和三角棱镜60的角度相对排列偏振片24，以便校正遭受的散光失常的调制光的失常，所述散光失常是调制光穿过这些光学部件所带来的结果。这消除了调制光的散光失常，从而实现了清晰的图象呈现。
有关虚拟图象显示设备的实施例(第十四实施例)作为本发明的第十四实施例，下面说明如图38所示使用虚拟图象形成光学系统和反射型FLC板作为反射型空间光调制器的图象显示设备。
在这个图象显示设备中，从透镜LED光源41发射的照明光穿过偏振片42以落在偏振选择性全息光学器件3上，透镜LED光源41用于顺序并独立地发射三个彩色光束，即红光束、绿光束和蓝光束，偏振片42用于选择性地透过P偏振光分量。这个入射光被偏振选择性全息光学器件3衍射以便基本垂直地落在反射型FLC板10上。
经过反射型FLC板10的相位调制的照明光被反射型FLC板10的铝反射面14反射，并且重新入射到偏振选择性全息光学器件3。此时P偏振光分量被偏振选择性全息光学器件3重新衍射以前进到LED光源41，而S偏振光分量直接穿过偏振选择性全息光学器件3并且被偏振片43检测，偏振片43选择性地透过S偏振光分量。如此检测的S偏振光分量从自由形式表面折射面45入射到自由形式表面棱镜44，自由形式表面棱镜44形成用于观察虚拟图象的光学系统。
入射到自由形式表面棱镜44的光被第一光学表面46全反射，并且接着被第二自由形式反射面47反射，以便穿过第一光学表面46以到达观察者的观察区域48。为了扩大观察区域48，可以在LED光源41和偏振片42之间布置散射板，或者可以在偏振选择性全息光学器件3上预先记录干涉条纹以便在衍射时引发入射到偏振选择性全息光学器件3的P偏振光中的散射。
作为本发明的第十五实施例，下面说明如图39所示使用2个反射型FLC板作为反射型空间光调制器和虚拟图象形成光学系统的图象显示设备。
在这个图象显示设备中，从透镜LED光源41发射的照明光穿过偏振片42以落在偏振选择性全息光学器件3上，透镜LED光源41用于顺序并独立地发射三个彩色光束，即红光束、绿光束和蓝光束，偏振片42用于选择性地透过P偏振光分量。在本实施例中，偏振选择性全息光学器件3具有反射类型。入射到偏振选择性全息光学器件3的照明光被偏振选择性全息光学器件3衍射，并且被反射以便基本垂直地落在反射型FLC板10上。
经过反射型FLC板10的相位调制的照明光被反射型FLC板10的铝反射面14反射，并且重新入射到偏振选择性全息光学器件3。此时，照明光的P偏振光分量被偏振选择性全息光学器件3重新衍射和反射以便前进到LED光源42。S偏振光分量在不被偏振选择性全息光学器件3衍射的情况下直接穿过偏振选择性全息光学器件3。
如此穿过偏振选择性全息光学器件3的S偏振光被适于选择性地透过S偏振光的偏振片43检测，并且接着入射到自由形式棱镜44的自由形式折射面45，自由形式棱镜44形成用于观察虚拟图象的光学系统。
入射到自由形式棱镜44的光被第一光学表面46全反射，并且接着被第二自由形式折射面47全反射，以便穿过第一光学表面46以到达观察者的观察区域48。为了扩大观察区域48，可以在LED光源41和偏振片42之间布置散射板，或者可以在偏振选择性全息光学器件3上形成干涉条纹以便在衍射时引发入射到偏振选择性全息光学器件3的P偏振光中的散射。
工业实用性在上述使用基于本发明的图象显示器件的图象显示设备中，不强制使用偏振分光器作为照射反射型空间光调制器的装置，因此减少了设备的尺寸、重量和生产成本，并且改进了显示图象的对比度。
此外，在使用偏振选择性全息光学器件的图象显示器件中，可以充分扩大P偏振光和S偏振光的衍射效率之间的差值，从而改进光利用效率和显示图象对比度，与传统全息滤色镜不同的是，通过顺序层叠由2个区域中的每个组成的多个区域来得到所述偏振选择性全息光学器件，所述2个区域中的每个区域均具有分别表现出不同的入射偏振取向相关性的折射系数值。
另外，通过使用偏振选择性全息光学器件，P偏振光的衍射效率可以高于S偏振光的衍射效率，与传统全息滤色镜不同的是，通过顺序层叠由2个区域中的每个组成的多个区域来得到所述偏振选择性全息光学器件，所述2个区域中的每个区域均具有分别表现出不同的入射偏振取向相关性的折射系数值。因此，可以使P偏振光落在全息光学器件上，使得能够平衡全息光学器件的玻璃基底上的表面反射以达到均匀照明，同时可以改进光利用效率和显示图象对比度。
在本发明的图象显示设备中，通过使用2个偏振选择性全息光学器件照射反射型空间光调制器，可以平衡偏振选择性全息光学器件的衍射角度的波长相关性，从而校正入射角度造成的衍射效率的降低以改进光利用效率。
图象显示设备可以适用于使用为各个彩色光束提供的多个反射型空间光调制器的图象显示设备，同时可以被构造成作为′场顺序彩色系统′的图象显示设备。
在本发明的图象显示设备中，由于反射型空间光调制器和偏振选择性全息光学器件之间不需要对齐，所以可以降低生产成本。并且可以改进显示图象的对比度，并且保持较高的光利用效率。另外，图象显示设备可以减少尺寸和厚度，并且可以使用用于观察虚拟图象的光学系统构造图象显示设备。
也就是说，本发明具有较高的照明光利用效率，可以减少尺寸和成本，并且提供实现显示图象的高均匀度和高对比度的图象显示器件和图象显示设备。
权利要求
1.一种图象显示器件，包括衍射照明光的偏振选择性全息光学器件，所述器件包含由2个区域中的每个组成的多个区域，所述区域具有分别表现出不同入射偏振取向相关性的折射系数值，并且所述区域顺序地并且交替地层叠；和调制所述偏振选择性全息光学器件衍射的照明光的偏振态的反射型空间光调制器；使用入射角度相对其用于所述照明光的光接收表面的法线不小于30°且小于90°的照明光照射所述偏振选择性全息光学器件，所述偏振选择性全息光学器件衍射所述照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向所述反射型空间光调制器发射衍射光；对于经过所述反射型空间光调制器的相位调制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，所述偏振选择性全息光学器件表现出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上时衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一种偏振分量穿过光学器件。
2.如权利要求1所述的图象显示器件，其中所述偏振选择性全息光学器件的所述2个区域中的一个表现出折射系数各向异性，而另一个区域表现出折射系数各向同性。
3.如权利要求1所述的图象显示器件，其中衍射效率不高于1％。
4.如权利要求1所述的图象显示器件，其中偏振选择性全息光学器件允许照明光作为P偏振光入射其上。
5.如权利要求1所述的图象显示器件，其中偏振选择性全息光学器件具有等于30°的弯角，以作为光到全息图表面的入射角度和衍射的出射角度之间的差值。
6.如权利要求1所述的图象显示器件，其中偏振选择性全息光学器件沿着扩张相对光入射平面内的照明光接收表面的法线的弯角的方向，发射衍射产生的出射光。
7.如权利要求1所述的图象显示器件，其中偏振选择性全息光学器件由多个全息图层构成，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的波长相关性。
8.如权利要求1所述的图象显示器件，其中偏振选择性全息光学器件由多个全息图层构成，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的入射角度相关性。
9.如权利要求1所述的图象显示器件，其中偏振选择性全息光学器件包括复合到一个全息图层中的多个全息图层，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的波长相关性。
10.如权利要求1所述的图象显示器件，其中偏振选择性全息光学器件包括复合到一个全息图层中的多个全息图层，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的还原光入射角度相关性。
11.如权利要求1所述的图象显示器件，其中偏振选择性全息光学器件由液晶材料组成。
12.如权利要求1所述的图象显示器件，其中偏振选择性全息光学器件和反射型空间光调制器紧密地光学接合并且合并在一起。
13.如权利要求1所述的图象显示器件，其中反射型空间光调制器包含多个彩色象素；所述偏振选择性全息光学器件具有逐个波长范围地分离入射照明光并且将分离的光波长部分聚合在反射型空间光调制器的相关彩色象素上的透镜作用。
14.如权利要求1所述的图象显示器件，还包括第一棱镜，所述第一棱镜被衍射光和穿过偏振选择性全息光学器件的非衍射光照射，并且使入射衍射光和入射非衍射光中的至少一个经受至少一次内部全反射，使得从出射表面发射如此全反射的光；和第二棱镜；使用从所述第一棱镜发射并且被所述偏振选择性全息光学器件衍射的光照射所述反射型空间光调制器；所述第二棱镜具有至少一个这样的顶角，该顶角接近等于所述第一棱镜的顶角中的一个；所述偏振选择性全息光学器件衍射的光在所述第一棱镜的光入射表面与所述第二棱镜的出射表面接近平行，所述出射表面用于通过所述第一棱镜入射到所述第二棱镜以退出所述第二棱镜的所述衍射光。
15.一种图象显示设备，包括发射照明光的光源；衍射照明光的偏振选择性全息光学器件，所述器件包含由2个区域中的每个组成的多个区域，所述区域具有分别表现出不同入射偏振取向相关性的折射系数值，并且所述区域顺序地并且交替地层叠；使从所述光源发射的照明光入射到所述偏振选择性全息光学器件的照明光学系统；调制所述偏振选择性全息光学器件衍射的照明光的偏振态的反射型空间光调制器；和通过所述反射型空间光调制器和所述偏振选择性全息光学器件将照明光投射在屏幕上的投影光学系统；所述照明光学系统使用入射角度相对其用于所述照明光的光接收表面的法线不小于30°且小于90°的照明光照射所述偏振选择性全息光学器件，所述偏振选择性全息光学器件衍射所述照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向所述反射型空间光调制器发射衍射光；对于经过所述反射型空间光调制器的相位调制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，所述偏振选择性全息光学器件表现出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上时衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一种偏振分量穿过光学器件，所述投影光学系统将穿过所述偏振选择性全息光学器件的光投射在屏幕上。
16.如权利要求15所述的图象显示设备，其中所述偏振选择性全息光学器件的所述2个区域中的一个表现出折射系数各向异性，而另一个区域表现出折射系数各向同性。
17.如权利要求15所述的图象显示设备，其中衍射效率不高于1％。
18.如权利要求15所述的图象显示设备，其中所述光源的光发射部分的轮廓为矩形，其中短边的方向与偏振选择性全息光学器件上照明光的入射方向一致。
19.如权利要求15所述的图象显示设备，其中所述照明光学系统包含将照明光的分量的偏振取向旋转90°的偏振转换装置，所述照明光分量具有的偏振取向与偏振选择性全息光学器件的衍射效率最大的偏振取向垂直。
20.如权利要求15所述的图象显示设备，其中所述照明光学系统包含偏振选择装置，所述偏振选择装置选择性地透过其偏振取向使得偏振选择性全息光学器件的衍射效率最大的分量。
21.如权利要求15所述的图象显示设备，其中光源或照明光学系统包含暂时顺序地只透过照明光的总波长范围中多个指定波长范围的时间顺序波长范围开关装置。
22.如权利要求15所述的图象显示设备，其中照明光学系统具有用于校正的偏振选择性全息光学器件，所述用于校正的偏振选择性全息光学器件具有的弯角的符号与偏振选择性全息光学器件的弯角相反。
23.如权利要求22所述的图象显示设备，其中用于校正的偏振选择性全息光学器件是与偏振选择性全息光学器件类型相同的器件。
24.如权利要求15所述的图象显示设备，还包括耦合棱镜，该耦合棱镜与偏振选择性全息光学器件紧密地光学接合，并且具有至少被照明光基本垂直地照射的第一光学表面，和基本垂直地发射所述反射型空间光调制器反射的光的第二光学表面；所述照明光按照相对于照明光接收表面的法线不小于60°且小于90°的入射角度入射到所述偏振选择性全息光学器件的光接收表面。
25.如权利要求24所述的图象显示设备，其中耦合棱镜具有第三光学表面，所述第三光学表面包含被所述反射型空间光调制器用照明光的规则反射光基本垂直地照射的光吸收层。
26.如权利要求15所述的图象显示设备，其中投影光学系统包含偏振选择装置，所述偏振选择装置选择性地透过具有被所述反射型空间光调制器调制、穿过所述偏振选择性全息光学器件的光的偏振取向的分量。
27.如权利要求15所述的图象显示设备，其中所述偏振选择性全息光学器件允许照明光作为P偏振光入射其上。
28.如权利要求15所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件的弯角不小于30°。
29.如权利要求15所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件的全息图表面和反射型空间光调制器的反射面彼此表现出光学非平行位置关系。
30.如权利要求15所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由多个全息图层构成，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的波长相关性。
31.如权利要求15所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由多个全息图层构成，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的还原光入射角度相关性。
32.如权利要求15所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件包括多个全息图层，所述全息图层表现出各个不同的衍射效率的波长相关性，并且被复合到一个全息图层中。
33.如权利要求15所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件包括复合到一个全息图层中的多个全息图层，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的还原光入射角度相关性。
34.如权利要求15所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由液晶材料组成。
35.如权利要求15所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件和反射型空间光调制器紧密地光学接合并且合并在一起。
36.如权利要求15所述的图象显示设备，其中反射型空间光调制器具有矩形轮廓，其中矩形的长边的方向照明光入射到偏振选择性全息光学器件的方向一致。
37.如权利要求15所述的图象显示设备，其中反射型空间光调制器包含多个彩色象素；所述偏振选择性全息光学器件具有逐个波长范围地分离入射照明光并且将分离的光部分聚合在反射型空间光调制器的相关彩色象素上的透镜作用。
38.如权利要求15所述的图象显示设备，还包括第一棱镜，所述第一棱镜被衍射光和穿过偏振选择性全息光学器件的非衍射光照射，并且使入射衍射光和入射非衍射光中的至少一个经受至少一次内部全反射，使得从出射表面发射如此全反射的光；和第二棱镜；使用通过所述第一棱镜发射并且被所述偏振选择性全息光学器件衍射的光照射所述反射型空间光调制器；所述第二棱镜具有至少一个这样的顶角，该顶角接近等于所述第一棱镜的顶角中的一个；所述偏振选择性全息光学器件衍射的光在所述第一棱镜的光入射表面与所述第二棱镜的出射表面接近平行，所述出射表面用于通过所述第一棱镜入射到所述第二棱镜以退出所述第二棱镜的所述衍射光。
39.一种图象显示设备，包括衍射入射光的偏振选择性全息光学器件，所述器件包含由2个区域中的每个组成的多个区域，所述区域具有分别表现出不同入射偏振取向相关性的折射系数值，并且所述区域顺序地并且交替地层叠；色彩分离装置，所述色彩分离装置将所述照明光分离成多个代表不同波长范围的分量；照明光学系统，所述照明光学系统使分离成各个不同波长范围分量的照明光入射到所述偏振选择性全息光学器件；多个反射型空间光调制器，所述反射型空间光调制器调制所述偏振选择性全息光学器件衍射的照明光的多个代表不同波长范围的分量的偏振态；合成所述多个反射型空间光调制器调制的具有各个不同波长范围的照明光部分的色彩合成装置；和投射照明光通过所述色彩合成装置的投影光学系统；所述照明光学系统使用入射角度相对其用于所述照明光的光接收表面的法线不小于30°且小于90°的照明光照射所述偏振选择性全息光学器件，所述偏振选择性全息光学器件衍射所述照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向所述反射型空间光调制器发射衍射光；对于经过所述反射型空间光调制器的相位调制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，所述偏振选择性全息光学器件表现出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上时衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一种偏振分量穿过光学器件；所述投影照明光学系统将穿过所述偏振选择性全息照明光学器件和所述色彩合成装置的照明光投射在屏幕上。
40.如权利要求39所述的图象显示设备，其中所述偏振选择性全息光学器件的所述2个区域中的一个表现出折射系数各向异性，而另一个区域表现出折射系数各向同性。
41.如权利要求39所述的图象显示设备，其中衍射效率不高于1％。
42.如权利要求39所述的图象显示设备，其中反射型空间光调制器具有矩形轮廓，其中矩形的长边的方向照明光入射到偏振选择性全息光学器件的方向一致。
43.如权利要求39所述的图象显示设备，其中所述色彩分离装置和所述色彩合成装置共同使用交叉分色镜。
44.如权利要求39所述的图象显示设备，其中所述照明光学系统包含将照明光的分量的偏振取向旋转90°的偏振转换装置，所述照明光分量具有的偏振取向与偏振选择性全息光学器件的衍射效率最大的偏振取向垂直。
45.如权利要求39所述的图象显示设备，其中所述照明光学系统包含偏振选择装置，所述偏振选择装置选择性地透过其偏振取向使得偏振选择性全息光学器件的衍射效率最大的照明光的分量。
46.如权利要求39所述的图象显示设备，其中光源或照明光学系统包含暂时顺序地只透过照明光的总波长范围中多个指定波长范围的时间顺序波长范围开关装置。
47.如权利要求39所述的图象显示设备，其中照明光学系统具有用于校正的偏振选择性全息光学器件，所述用于校正的偏振选择性全息光学器件具有的弯角的符号与偏振选择性全息光学器件的弯角相反。
48.如权利要求47所述的图象显示设备，其中用于校正的偏振选择性全息光学器件是与偏振选择性全息光学器件类型相同的器件。
49.如权利要求39所述的图象显示设备，还包括耦合棱镜，该耦合棱镜与偏振选择性全息光学器件紧密地光学接合，并且具有至少被照明光基本垂直地照射的第一光学表面，和基本垂直地发射所述反射型空间光调制器反射的光的第二光学表面；所述照明光按照不小于60°且小于90°的入射角度入射到所述偏振选择性全息光学器件的光接收表面。
50.如权利要求49所述的图象显示设备，其中耦合棱镜具有第三光学表面，所述第三光学表面包含被所述反射型空间光调制器用照明光的规则反射光基本垂直地照射的光吸收层。
51.如权利要求39所述的图象显示设备，其中投影光学系统包含偏振选择装置，所述偏振选择装置选择性地透过具有被所述反射型空间光调制器调制、穿过所述偏振选择性全息光学器件的光的偏振取向的分量。
52.如权利要求39所述的图象显示设备，其中所述偏振选择性全息光学器件允许照明光作为P偏振光入射其上。
53.如权利要求39所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件的弯角不小于30°。
54.如权利要求39所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件的全息图表面和反射型空间光调制器的反射面彼此表现出光学非平行位置关系。
55.如权利要求39所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由多个全息图层构成，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的波长相关性。
56.如权利要求39所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由多个全息图层构成，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的还原光入射角度相关性。
57.如权利要求39所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件包括复合到一个全息图层中的多个全息图层，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的波长相关性。
58.如权利要求39所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件包括复合到一个全息图层中的多个全息图层，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的还原光入射角度相关性。
59.如权利要求39所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由液晶材料组成。
60.如权利要求39所述的图象显示设备，其中反射型空间光调制器具有矩形轮廓，其中矩形的长边的方向照明光入射到偏振选择性全息光学器件的方向一致。
61.一种图象显示设备，包括发射照明光的光源；衍射照明光的偏振选择性全息光学器件，所述器件包含由2个区域中的每个组成的多个区域，所述区域具有分别表现出不同入射偏振取向相关性的折射系数值，并且所述区域顺序地并且交替地层叠；基于波段的偏振分离装置，用于将所述照明光的各个不同的第一和第二波长范围分量的偏振态分离成彼此垂直的线性偏振分量；照明光学系统，所述照明光学系统使分离成第一和第二波长范围分量的照明光入射到所述偏振选择性全息光学器件；调制偏振选择性全息光学器件衍射的照明光的第一波长范围分量的偏振态的第一反射型空间光调制器；调制穿过偏振选择性全息光学器件的照明光的第二波长范围分量的偏振态的第二反射型空间光调制器；和投射照明光通过所述反射型空间光调制器到屏幕上的投影光学系统；所述照明光学系统使用入射角度相对其用于所述照明光的光接收表面的法线不小于30°且小于90°的照明光照射所述偏振选择性全息光学器件，所述偏振选择性全息光学器件衍射作为P偏振光分量或S偏振光分量的所述第一波长范围分量以便向所述反射型空间光调制器发射衍射光；对于经过所述反射型空间光调制器的相位调制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，所述偏振选择性全息光学器件表现出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于所述照明光的第一波长范围分量第一次入射其上时衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一种偏振分量穿过光学器件；所述偏振选择性全息光学器件透过不小于70％的第二波长范围分量以便向所述第二反射型空间光调制器发射第二波长范围分量；所述偏振选择性全息光学器件衍射偏振光分量，该偏振光分量的偏振方向垂直于照明光的第二波长范围分量的偏振光分量的偏振方向，所述照明光在经过所述第二反射型空间光调制器的相位调制之后重新入射其上，当所述照明光的第二波长范围分量第一次入射其上时透过其中；所述投影光学系统将通过所述第一反射型空间光调制器和偏振选择性全息光学器件的第一波长范围分量的照明光，和通过所述第二反射型空间光调制器和偏振选择性全息光学器件的第二波长范围分量的照明光投射在所述屏幕上。
62.如权利要求61所述的图象显示设备，其中所述偏振选择性全息光学器件的所述2个区域中的一个表现出折射系数各向异性，而另一个区域表现出折射系数各向同性。
63.如权利要求61所述的图象显示设备，其中衍射效率不高于1％。
64.如权利要求61所述的图象显示设备，其中反射型空间光调制器具有矩形轮廓，其中矩形的长边的方向照明光入射到偏振选择性全息光学器件的方向一致。
65.如权利要求61所述的图象显示设备，其中所述照明光学系统包含偏振转换装置，该偏振转换装置针对所述照明光的2个相对垂直的偏振光分量中的一个将偏振取向旋转90°。
66.如权利要求61所述的图象显示设备，其中光源或照明光学系统包含暂时顺序地只透过照明光的总波长范围中多个指定波长范围的时间顺序波长范围开关装置。
67.如权利要求61所述的图象显示设备，其中照明光学系统具有用于校正的偏振选择性全息光学器件，所述用于校正的偏振选择性全息光学器件具有的弯角的符号与偏振选择性全息光学器件的弯角相反。
68.如权利要求67所述的图象显示设备，其中用于校正的偏振选择性全息光学器件是与偏振选择性全息光学器件类型相同的器件。
69.如权利要求61所述的图象显示设备，还包括耦合棱镜，该耦合棱镜与偏振选择性全息光学器件紧密地光学接合，并且具有至少被照明光基本垂直地照射的第一光学表面，和基本垂直地发射所述反射型空间光调制器反射的光的第二光学表面；所述照明光按照不小于60°且小于90°的入射角度入射到所述偏振选择性全息光学器件的光接收表面。
70.如权利要求69所述的图象显示设备，其中耦合棱镜具有第三光学表面，所述第三光学表面包含被所述反射型空间光调制器用照明光的规则反射光基本垂直地照射的光吸收层。
71.如权利要求61所述的图象显示设备，其中投影光学系统包含偏振选择装置，所述偏振选择装置选择性地透过具有被所述反射型空间光调制器调制、穿过所述偏振选择性全息光学器件的光的偏振取向的分量。
72.如权利要求61所述的图象显示设备，其中作为光到全息图表面的入射角度和偏振选择性全息光学器件的衍射的出射角度之间的差值的弯角不小于30°。
73.如权利要求61所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件的全息图表面和反射型空间光调制器的反射面彼此表现出光学非平行位置关系。
74.如权利要求61所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由多个全息图层构成，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的波长相关性。
75.如权利要求61所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由多个全息图层构成，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的还原光入射角度相关性。
76.如权利要求61所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件包括复合到一个全息图层中的多个全息图层，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的波长相关性。
77.如权利要求61所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件包括复合到一个全息图层中的多个全息图层，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的还原光入射角度相关性。
78.如权利要求61所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由液晶材料组成。
79.如权利要求61所述的图象显示设备，其中反射型空间光调制器具有矩形轮廓，其中矩形的长边的方向照明光入射到偏振选择性全息光学器件的方向一致。
80.一种图象显示设备，包括发射照明光的光源；衍射入射光的偏振选择性全息光学器件，所述器件包含由2个区域中的每个组成的多个区域，所述区域具有分别表现出不同入射偏振取向相关性的折射系数值，并且所述区域顺序地并且交替地层叠；使从所述照明光入射到所述偏振选择性全息光学器件的照明光学系统；调制所述偏振选择性全息光学器件衍射的照明光的偏振态的反射型空间光调制器；和光学系统，用于观察虚拟图象并且将穿过所述反射型空间光调制器的光引导到观察者的眼睛；所述照明光学系统使用入射角度相对其用于所述照明光的光接收表面的法线不小于30°且小于90°的照明光照射所述偏振选择性全息光学器件，所述偏振选择性全息光学器件衍射所述照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向所述反射型空间光调制器发射衍射光；对于经过所述反射型空间光调制器的相位调制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，所述偏振选择性全息光学器件表现出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上时衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一种偏振分量穿过光学器件，所述用于观察虚拟图象的光学系统将穿过所述偏振选择性全息光学器件的光引导到观察者的眼睛。
81.如权利要求80所述的图象显示设备，其中所述偏振选择性全息光学器件的所述2个区域中的一个表现出折射系数各向异性，而另一个区域表现出折射系数各向同性。
82.如权利要求80所述的图象显示设备，其中衍射效率不高于1％。
83.如权利要求80所述的图象显示设备，其中反射型空间光调制器具有矩形轮廓，其中矩形的长边的方向照明光入射到偏振选择性全息光学器件的方向一致。
84.如权利要求80所述的图象显示设备，其中所述照明光学系统包含偏振转换装置，该偏振转换装置针对所述照明光的2个相对垂直的偏振光分量中的一个将偏振取向旋转90°。
85.如权利要求80所述的图象显示设备，其中光源或照明光学系统包含暂时顺序地只透过照明光的总波长范围中多个指定波长范围的时间顺序波长范围开关装置。
86.如权利要求80所述的图象显示设备，其中照明光学系统具有用于校正的偏振选择性全息光学器件，所述用于校正的偏振选择性全息光学器件具有的弯角的符号与偏振选择性全息光学器件的弯角相反。
87.如权利要求86所述的图象显示设备，其中用于校正的偏振选择性全息光学器件是与偏振选择性全息光学器件类型相同的器件。
88.如权利要求80所述的图象显示设备，还包括耦合棱镜，该耦合棱镜与偏振选择性全息光学器件紧密地光学接合，并且具有至少被照明光基本垂直地照射的第一光学表面，和基本垂直地发射所述反射型空间光调制器反射的光的第二光学表面；所述照明光按照不小于60°且小于90°的入射角度入射到所述偏振选择性全息光学器件的光接收表面。
89.如权利要求88所述的图象显示设备，其中耦合棱镜具有第三光学表面，所述第三光学表面包含被所述反射型空间光调制器用照明光的规则反射光基本垂直地照射的光吸收层。
90.如权利要求80所述的图象显示设备，其中用于观察虚拟图象的光学系统包含偏振选择装置，所述偏振选择装置选择性地透过具有被所述反射型空间光调制器调制、穿过所述偏振选择性全息光学器件的光的偏振取向的分量。
91.如权利要求80所述的图象显示设备，其中所述偏振选择性全息光学器件允许照明光作为P偏振光入射其上。
92.如权利要求80所述的图象显示设备，其中作为光到全息图表面的入射角度和衍射的出射角度之间的差值的弯角不小于30°。
93.如权利要求80所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件的全息图表面和反射型空间光调制器的反射面彼此表现出光学非平行位置关系。
94.如权利要求80所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由多个全息图层构成，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的波长相关性。
95.如权利要求80所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由多个全息图层构成，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的还原光入射角度相关性。
96.如权利要求80所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件包括复合到一个全息图层中的多个全息图层，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的波长相关性。
97.如权利要求80所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件包括复合到一个全息图层中的多个全息图层，所述全息图层具有各个不同的衍射效率的还原光入射角度相关性。
98.如权利要求80所述的图象显示设备，其中偏振选择性全息光学器件由液晶材料组成。
99.如权利要求80所述的图象显示设备，其中反射型空间光调制器具有矩形轮廓，其中矩形的长边的方向照明光入射到偏振选择性全息光学器件的方向一致。
全文摘要
公开了一种图象显示器件，包含用于衍射照明光的偏振选择性全息光学器件，和用于调制偏振选择性全息光学器件衍射的照明光的偏振态的反射型空间光调制器。该器件器件包含由2个区域中的每个组成的多个区域，所述区域分别表现出折射系数的不同入射偏振取向相关性，并且具有顺序地并且交替地层叠的层。公开了包含上述图象显示器件、光源、照明光学系统和投影光学系统的图象显示设备。通过本发明的光学显示器件和光学显示设备，可以改进照明光的利用效率，同时可以减少器件和设备的尺寸和生产成本，实现显示图象的均匀和高对比度。
文档编号G02B5/32GK1440515SQ01812093
公开日2003年9月3日 申请日期2001年7月5日 优先权日2000年7月5日
发明者武川洋 申请人:索尼株式会社