专利名称：具有反射型液晶光调制器的图像投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反射型LC投影仪成像装置。
背景技术：
列举出几种用途，液晶技术已经应用于投影电视、计算机监视器、销售点显示器以及电子影院的投影显示器中。
近来LC装置被应用于硅衬底上的反射型LC显示器。基于硅的反射型LC显示器通常包括用于有选择地旋转液晶分子轴的互补金属-氧化物-半导体(CMOS)晶体管/开关的有源矩阵。
液晶分子是光学各向异性的。当CMOS晶体管处于‘打开’状态时，相关的电场能旋转分子使其平行于电场取向。当通过这种方式取向时，LC备向异性光学性质的影响最小。换言之，在这种旋转状态下，LC分子对于横穿LC介质的光的偏转态的影响非常小。
不过，当CMOS晶体管处于‘关闭’状态时，LC分子各向异性的影响最大，并且对于横穿LC介质的光的偏振态的影响最大。
通过有选择地开关阵列中的晶体管，可使用LC介质调制带有图像信息的光。然后，该受到调制的光可通过投影光学装置成像到屏幕上，从而形成图像或图片。
希望的是反射型LC显示器(常称作面板)的面积较小，为近似3cm2的量级，并且希望电视的观看屏较大。例如，背投电视的观看屏近似为1m2的量级；家庭影院正投投影仪的观看屏面积近似为5m2。
鉴于面板的面积与观看屏的面积不同，通常必须显著地放大来自面板的光，以将图像投影到相当大的观看屏上。为了实现这种所希望的放大，必须使用后焦距较短的透镜，因为投影路径长度通常是预先确定的，在TV的情况下用机壳尺寸来表示，或者在正投投影仪的情况下用投影仪与屏幕之间的距离表示。
与需要相对较小焦距的投影透镜相冲突，典型系统中在面板与投影透镜之间必须设置某些装置。例如，面板与投影透镜之间通常必须具有偏振区分装置和LC补偿器。这种装置的设置将LC投影组件的自由工作距离增加到使其大于透镜的后焦距的程度，而自由工作距离是LC面板与投影透镜镜筒的后侧之间的距离。
已经使用了某些已知透镜来克服LC投影仪应用中自由工作距离相对较大的问题。遗憾的是，已知投影透镜为昂贵的复杂透镜结构。从而，在许多应用中这种工作距离较长的透镜是不合乎需要的。用于避免相对自由工作距离较长的问题的其他已知透镜，导致光场发生不可接受的弯曲，和/或其他光学像差，从而降低屏幕处的图像质量。从而，这些已知的透镜是不合乎需要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有自由较长工作距离、无需昂贵投影透镜的光阀投影系统。由如权利要求1所述的本发明的光阀投影系统实现这一目的。
根据本发明的示例性实施例，一种光学装置包括反射型液晶面板和光学装置。光学装置在位于光学装置与投影透镜之间的像平面处形成图像。图像基本上没有赛德像差。
从属权利要求中限定了其他有益的实施方式。
通过下面参照附图的详细说明更好地理解本发明。注意各个特征并非必须依照比例绘出。实际上，为了讨论的清楚性，可以任意增大或减小尺寸。
图1表示根据本发明一个示例性实施例的反射型LC装置中的投影透镜系统。
图2表示根据本发明另一示例性实施例的反射型LC装置中的投影透镜系统。
具体实施例方式
在下面的详细描述中，为了解释而非限制的目的，给出了披露特定细节的示例性实施例，以便提供对本发明的详尽理解。不过，对于已经获悉本发明内容优点的本领域普通技术人员而言，显然，在不偏离此处所披露的具体细节的条件下可通过其他实施方式实现本发明。此外，省略了对众所周知的装置、方法和材料的说明，以便不会使本
图1表示根据本发明一个示例性实施例的反射型LC投影系统100。系统100包括灯101，光学装置102，反射型液晶面板103和投影透镜105。光学装置102可包括用于在投影透镜105的后焦面处形成LC面板103的1×图像的光学元件(从而，形成由投影透镜进行放大的虚物)。此外，光学装置102可包括实施偏振区分的元件(例如，偏振分束器，偏振片等)，这在LC投影系统中是有用的。
例如，反射型LC面板(也称作LC光阀)103包括向列液晶层，与面板集成的电路(例如CMOS开关电路)，内层，盖玻璃以及用于形成阵列中多个象素的其他装置。
投影透镜105具有相对较短的后焦距，例如处于近似10mm到35mm的范围内。使用投影透镜105将LC面板103显著放大的图像投影到屏幕(未示出)上。因为灯101、反射型LC面板103和投影透镜105正好处于本领域普通技术范围内，所以为了清楚起见省略其进一步的细节。
根据此处所述的这一和其他实施例，尽管具有相对较大的自由工作距离，光学装置102也能使投影透镜适当放大LC面板103。如前面所述，在许多LC投影系统中，相对较大的自由工作距离导致需要在LC面板与投影透镜之间设置某些元件。此外，这些元件可以相对较大。例如，为了产生适当的对比度，有效的是用远心光照射LC面板。这就引起照射和反射光束在远离LC面板的方向扩展。从而，光学装置102必须大于LC面板尺寸，以便容纳这些扩展光束(典型发散角为10-15度)。最终，会增大许多LC投影系统中的自由工作距离。
如示例性实施例中详细描述的，为了克服许多LC投影系统中相对较大自由工作距离存在的问题，在投影后焦面处形成LC面板的1×图像。
灯101发出的光束106入射到光学装置102上。有效的是，灯发出的光106是线偏振和均匀的。这可以使用光束均匀器和偏振器(图1中未示出)来实现。光学装置102透过光束107，使其远心地到达反射型LC面板，从而基本上可避免液晶介质的离轴双折射效应。光束107通过上述方式从LC面板反射回。
如上所述，反射型LC面板103的CMOS开关对穿过面板的光进行调制。从LC面板103反射回的一些光从一种线偏振态转变成另一种(正交的)线偏振态，同时一些光保持其初始偏振态反射。例如，如果光106是s-偏振光，则其作为s-偏振光或p-偏振光从LC面板射出。前一种情形属于未调制光，后一种情形属于调制光。
然后，调制光被光学元件102发射出去成为光束108，并最终成像在屏幕上成为‘亮’象素。相反，未调制光以其初始偏振态从LC面板103射出，没有在像平面104处成像。这种未调制光在屏幕上形成‘暗’象素。可以在P.Janssen“ Effect of Liquid CrystalElectrical Anisotropy on Color Sequential Display Performance”(Projection Displays I，SPIE Proceedings 2407，pp.149-166；1995)中寻找到使用LC介质实施偏振转换，调制光信号，以在屏幕上形成图像的进一步细节。特别将该文献的内容引入此申请作为参考和所有目的。
光学装置102发射光束108，该光束108在像平面104处形成对于投影透镜的虚物。像平面104处于投影透镜105的后焦距处。有利的是，光学装置102允许在反射型LC面板应用中使用短焦距投影透镜；从而避免了与已知的基于反射型LC面板的投影系统的相对较长工作距离有关的缺陷。
特点在于，光学元件102有选择地将来自反射型LC面板103的光基本上以单位放大率并且基本上没有赛德像差地成像在屏幕上。最终，能将图像投影到屏幕上，基本上不存在这些像差的不利影响。优点在于光学元件102有助于改善反射型LC面板投影系统的图像质量并降低成本，因为可使用相对较短的后焦距投影透镜(与长后焦距投影透镜相比成本相对较低)。
正如所提到的，通常反射型LC面板与投影透镜之间必须具有某些装置，用于放大屏幕上的图像。反射型LC投影方案中常常使用的一种这类装置是偏振分束器(PBS)，其是一种偏振区分器。在LC投影装置中，可使用PBS将一种线偏振态的光透射到屏幕上，并防止另一种线偏振态的光传送到屏幕。(因为偏振分束器是本领域普通技术人员公知的，为了讨论的清楚起见省略其进一步细节)。随着本说明的进行更加清楚的是，透射的线偏振光将‘亮’象素投影到屏幕；而被阻碍到达屏幕的线偏振光成为屏幕上的‘暗’象素。
图2表示根据本发明另一实施例的反射型LC投影系统200。系统200包括灯201，偏振器202，PBS 203，LC补偿器204和LC面板205。
系统200还包括四分之一波片206，平凸透镜207和反射镜208。如下面更详细描述的，平凸透镜207与反射镜构成戴森延迟器(以其发明人命名)，在戴森的“Unit Magnification Optical System withoutSeidel Aberrations”(Journal of the Optical Society of America，Vol.49，No.7(1959年7月)中对其进行了描述，特别将其内容引入此申请作为参考。
特定线偏振态的光成像在像平面209处，为投影透镜210形成虚物，投影透镜210将虚物成像在图2中未示出的屏幕上。有利的是，像平面209位于投影透镜210的后焦距处。如与图1中所示的示例性实施例有关的描述，以及下面与本示例性实施例有关的描述，投影透镜210的后焦距相当短。这种后焦距相当短的投影透镜与已知结构中所使用的后焦距较长的投影透镜相比，复杂度减小且不太昂贵，以便适合在反射型LC投影系统中具有BPS所产生的相对较长的工作距离。
此外，由于戴森延迟器，在一阶近似下可基本上避免赛德像差。为此，戴森延迟器是一种对称光学系统(即关于中心面对称)。随着本说明的进行更加清楚的是，穿过这种对称光学系统的光本身是“折叠的”；表明沿正向穿过对称光学系统中的元件的光，将沿反向穿过相同元件。这种对称性基本上消除了对称光学系统的图像中的赛德像差。
灯201发出的光穿过线偏振器202，线偏振器202透过线偏振光211。(为了说明的目的，线偏振光211为s-偏振光)。选择PBS 203以反射与线偏振光211具有相同偏振态的光。这样，本示例性实施例的s-偏振光被PBS 203反射，并且远心地入射在LC面板205上。LC面板205的液晶通过本领域普通技术人员公知的方式受电压源的调制(以CMOS晶体管开关为例)。如本领域普通技术人员所公知的，如果驱动电压不足以产生液晶的非双折射状态，则使用LC补偿器204来增强对比度。正如已知的那样，LC补偿器是可进一步增加投影透镜后焦平面之间距离的另一个元件。
如上所述，取决于晶体的类型，可使用压致双折射改变穿过LC两次(一次沿入射方向，一次沿反射方向)的光的偏振态。在结合图2所述的实施例中，在CMOS晶体管开关处于‘关闭’状态的区域中，s-偏振光受到双折射液晶的转换。有效的是，晶体的取向和介质的厚度导致LC面板205在寻常光分量与非常光分量之间引入π/2的相对相移。换言之，在CMOS晶体管处于‘关闭’状态的区域中，LC面板205起四分之一波片的作用。这样，通过反射穿过介质两次的s-偏振光，通过在寻常波与非常波之间引入π弧度的相对相位差，作为p-偏振光212从液晶射出。相反，在CMOS晶体管开关处于‘打开’状态的LC面板205的区域中，LC介质表现为光学各向同性，入射在这些区域中的s-偏振光穿过LC补偿器204两次，并作为s-偏振光发射出，没有经历偏振转换。
从s-偏振转换成p-偏振的光被称作受到了LC面板205的调制。该光将要被投影透镜210投影到屏幕上，成为‘亮’象素。PBS 203透过p-偏振光212。相反，偏振态保持的s-偏振光被PBS 203朝向灯201向回反射。该光在屏幕上没有出现，在屏幕上产生‘暗’象素。当液晶设置于包含有序阵列的反射元件和CMOS晶体管的LC面板205上时，从LC面板205反射的光的图像在屏幕上形成亮和暗象素的图案，从而形成所需图像。在上述P.Janssen的文献中可找到这种使用LC介质的成像过程的进一步细节。
由于此处将要说明的原因，p-偏振光212穿过四分之一波片206。p-偏振光以圆偏振光213的形式从四分之一波片射出，并通过平凸透镜207聚焦在反射镜208上。圆偏振光213被反射镜反射，并通过反射镜208与平凸透镜207的组合作用以共轭的方式成像，并受到四分之一波片206的又一次旋转，以s-偏振光214的形式发射出。s-偏振光214被PBS 203反射，并成像在像平面209处。该图像作为投影透镜210的虚物。
正如从上述成像过程易于了解的，有效的是四分之一波片206将光从p-偏振态转变成s-偏振态，使其被PBS 203反射，并在像平面处成像。通过这种方式，PBS 203和四分之一波片使受到LC补偿器调制的光(p-状态)在屏幕上成像。注意PBS 203和四分之一波片206仅是实现该目的的例证性装置。注意可使用其他装置来实现由PBS 203和四分之一波片206分别实现的、这种希望的偏振区分/选择和偏振转换。这种装置处于本领域普通技术范围内。
如上所述，平凸透镜207和反射镜208构成戴森延迟器。由平凸透镜207与反射镜208组成的戴森延迟器有利于形成基本上没有赛德像差的单位放大率成像系统。示例中反射镜208具有曲率半径R，并且平凸透镜207的凸面具有曲率半径r。平凸透镜的中心厚度是这样设计的，使凸面的曲率中心处于平面一侧上。
当用于本发明所述实施例的LC投影系统200中时，戴森延迟器使物体(在此情形中为反射型LC面板205)以同其本身一致的单位放大率成像在像平面209处，形成实像作为进一步成像的虚物。有利的是，像平面处形成的虚物紧靠投影透镜，从而能使用具有后焦距较短的透镜。这有助于降低具有相对较大工作距离的系统的成本，而不存在赛德像差的有害影响。
如上面和戴森文章中所述，戴森延迟器实现单位放大率。因为单位放大率，实现了对称性，并且反射镜208所反射的光反向穿过平凸透镜，消除了一阶像差。这样，在结合图2的示例性实施例的投影透镜系统200描述戴森延迟器时，注意可使用其他装置来实现所期望的、在后焦距较短的投影透镜的后焦平面处形成基本上没有赛德像差的1×图像的目的。
通过讨论实施例详细描述了本发明，接受本发明内容的本领域普通技术人员显然可以得出本发明的变型。这些变型和改变包含在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种光阀投影系统(100)，包括反射型液晶面板(103)和光学装置(102)，该光学装置(102)在处于所述光学装置(102)与投影透镜(105)之间的像平面(104)处形成基本上没有赛德像差的图像。
2.如权利要求1所述的光阀投影系统(100)，其中所述光学装置(102)还包括偏振区分器。
3.如权利要求1所述的光阀投影系统，其中所述光学装置(102)还包括偏振分束器。
4.如权利要求1所述的光阀投影系统(100)，其中所述光学装置(102)还包括一光学元件，并且所述图像具有单位放大率。
5.如权利要求1所述的光阀投影系统(100)，其中所述图像为虚物。
6.如权利要求1所述的光阀投影系统(100)，其中所述图像是来自所述图像显示面板(103)的选定部分的图像。
7.如权利要求1所述的光阀投影系统(100)，其中所述图像的光处于第一线偏振状态。
8.如权利要求1所述的光阀投影系统(100)，其中所述光学装置(102)还包括四分之一波片。
9.如权利要求1所述的光阀投影系统(100)，其中所述投影透镜(105)具有处于近似10mm至近似35mm范围内的后焦距。
10.如权利要求1所述的光阀投影系统，其中所述光阀投影系统还包括戴森延迟器(207，208)。
11.如权利要求10所述的光阀投影系统，其中所述戴森延迟器在处于光学装置与投影透镜(210)之间的像平面(209)处形成图像。
12.如权利要求11所述的光阀投影系统，其中像平面(209)与反射显示面板不平行。
13.如权利要求11所述的光阀投影系统，其中像平面(209)与反射显示面板基本垂直。
14.如权利要求1所述的光阀投影系统，其中所述反射显示面板包括反射型液晶显示面板。
全文摘要
一种光学设备，包括反射型液晶(LC)面板，以及光学装置。所述光学装置在处于光学装置与投影透镜之间的像平面处形成图像。该图像基本上没有赛德像差。
文档编号G02F1/1335GK1659866SQ03812877
公开日2005年8月24日 申请日期2003年5月19日 优先权日2002年6月4日
发明者P·詹斯森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司