专利名称：图像显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像显示设备(投影仪)，特别(但非排他地)涉及可使用反射型液晶元件的图像显示设备。
背景技术：
由于反射型液晶平板相对于透射型液晶平板具有优势(例如，高数值孔径、高清晰度)，因此人们关注可使用反射型液晶平板的投影仪。这样一种投影仪可通过每一个反射型液晶平板的调制在屏幕上的图像的每一个像素的显示(投影光的明态)和非显示(不投影光的暗态)之间切换。另外，相应的偏振光束分光器在投影仪中被分别布置在多个液晶平板前面以将来自于光源的光分成多个彩色光束并且组合来自液晶平板的彩色光束。因此，这样一种反射型液晶投影仪的彩色分离/组合系统通常趋于为大尺寸的。
为了解决这个问题，美国专利公开2002/0140905 A1描述了一种可使用与用于三原色的三个反射型液晶平板配合的三个偏振光束分光器以执行彩色分离和组合的投影仪。图7示出了该投影仪的结构。
该专利公开文献论述了利用偏振光束分光器11、两个反射型液晶平板13R和13B、布置在偏振光束分光器11的光入射和离开侧上的波长选择偏振转动元件9和16执行来自于两个反射型液晶平板13R和13B的彩色光束的显示/非显示选择(控制)。
发明内容
至少一个实施例涉及能够将来自于光源的光束流分离成多个彩色光束、将各自的彩色光束引导到相应的反射型液晶平板(液晶显示元件)、组合由反射型液晶平板调制的彩色光束以及通过投影光学系统将组合光的放大图像投影到被投影的表面上的投影仪。
至少一个实施例涉及一种图像显示设备，所述图像显示设备包括用于调制第一波长带中的光的第一光调制元件；用于调制不同于第一波长带的第二波长带中的光的第二光调制元件；用于调制不同于第一波长带和第二波长带的第三波长带中的光的第三光调制元件；用于将离开第一光调制元件的第一图像光和离开第二光调制元件的第二图像光相组合的第一彩色组合元件；用于将由第三光调制元件调制的第三图像光与由第一组合元件组合的第一图像光和第二图像光相组合以形成彩色的组合图像光的第二彩色组合元件；以及用于将第二彩色组合元件形成的组合图像光投影到被投影表面上的投影光学系统。
在至少一个实施例中，第一图像光以第一基本线性偏振光束的形式进入第二彩色组合元件。第二图像光可以第二基本线性偏振光束的形式进入第二彩色组合元件。第一基本线性偏振光束的偏振方向和第二基本线性偏振光束的偏振方向基本上相互垂直。
在至少一个实施例中，第二彩色组合元件将第一波长带中的光的第一基本线性偏振光束引导到投影光学系统并且阻止第一波长带中的光的第二基本线性偏振光束进入投影光学系统。第二彩色组合元件将第二波长带中的光的第一基本线性偏振光束和第二基本线性偏振光束引导到投影光学系统。
从下面对实施例的描述(参照附图)中可以明显地看出本发明的其他特征。
图1示出了第一实施例所涉及的彩色分离/组合系统的结构。
图2示出了表示第一实施例的分离/组合系统的特性的曲线图。
图3示出了第二实施例所涉及的彩色分离/组合系统的结构。
图4示出了表示第二实施例的分离/组合系统的特性的曲线图。
图5A和5B示出了彩色组合元件如何偏振每一个彩色光束。
图6示出了彩色组合元件的一个示例。
图7示出了一种常规分离/组合系统的结构。
图8示出了至少一个实施例所涉及的彩色组合元件的透光率相对于波长的特性。
具体实施例方式
下面对实施例的描述仅是说明性的并且绝不是对本发明的应用和使用进行的限定。
可不对本领域普通技术人员所知的方法、技术、设备和材料进行详细描述但在适当的情况下可能是所允许的描述的一部分。
另外，光学元件的实际尺寸可能没有被描述，但从宏观透镜到纳级透镜的任何尺寸都在实施例的范围内(例如具有纳米级、微米级、厘米级和米级的直径的透镜)。
注意的是，在下面的图中的类似的附图标记表示类似的部件，这样在一个部件在一个图中被定义后，可能在后面的图中对其描述。
下面描述实施例。在至少一个实施例中，一种图像显示设备包括三个分别对应于三种彩色光束的反射型液晶元件(可是四个或者多个)、用于组合分别离开三个反射型液晶元件的三个彩色光束的彩色组合系统以及用于投影三个彩色光束的组合光的投影光学系统。术语“彩色光束”指的是在预定波长带内的光束。特别是，彩色光束指的是波长在可见光波长带内的光束，可见光波长带包括但不限于红光、绿光和蓝光(例如，在420纳米至550纳米、550纳米至700纳米、420纳米至480纳米或者640纳米至700纳米的波长带中的光)。
彩色组合系统包括彩色组合元件。彩色组合元件在第一偏振方向上将三个彩色光束中的第一彩色光束引导到投影光学系统或者在基本上垂直于第一偏振方向的第二偏振方向上阻挡第一彩色光束进入投影光学系统。另一方面，它将三个彩色光束的第二彩色光束引导到投影光学系统并且与其偏振方向无关。彩色组合系统还包括一个用于在第一偏振方向上阻止第二彩色光束进入投影光学系统并且在第二偏振方向上将第二彩色光束引导到投影光学系统的波长选择偏光器。该波长选择偏光器在第一偏振方向上吸收第二彩色光束。另一个波长选择偏光器用作三个彩色光束的第三彩色光束的起偏振片或者吸收第三彩色光束。该彩色组合系统还包括用于组合第一和第二彩色光束的偏振光束分光器。波长选择偏光器被布置在偏振光束分光器和彩色组合元件之间。该彩色组合系统还包括布置在彩色组合系统和投影光学系统之间的延迟板(相位板)。
在另一个实施例中，一种图像显示设备包括三个分别对应于三种彩色光束的反射型液晶元件、用于组合分别离开三个反射型液晶元件的三个彩色光束的彩色组合系统以及用于投影三个彩色光束的组合光的投影光学系统。该彩色组合系统包括一个波长选择偏光器，该波长选择偏光器将三个彩色光束的第一彩色光束引导到投影光学系统并且与其偏振方向无关，同时它阻止第二彩色光束在第一偏振方向进入投影光学系统或者在基本上垂直于第一偏振方向的第二偏振方向上将第二彩色光束引导到投影光学系统。
在另一个实施例中，一种图像显示设备包括分别对应于第一、第二和第三彩色光束的第一、第二和第三反射型液晶元件、利用来自于光源的光照射第一、第二和第三反射型液晶元件的照射系统、用于组合分别离开三个反射型液晶元件的三个彩色光束的彩色组合系统以及用于投影三个彩色光束的组合光的投影光学系统。该结构包括用于将第三彩色光束与第一和第二彩色光束分离的彩色分离元件；用于当第三彩色光束在所希望的偏振方向上时能够将第三彩色光束引导到第三反射型液晶元件以及分析从第三反射型液晶元件反射的光束的第一偏振光束分光器；用于分别将利用彩色分离元件而与第三彩色光束分离的第一和第二彩色光束引导到第一和第二反射型液晶元件并且分析从第二和第三反射型液晶元件反射的光束的第二偏振光束分光器；以及用于使得来自于第一偏振光束分光器的第三彩色光束与来自于第二偏振光束分光器的第一和第二彩色光束组合的彩色组合元件。
彩色组合元件在第一偏振方向上将第一彩色光束引导到投影光学系统并且在基本上垂直于第一偏振方向的第二偏振方向上阻挡第一彩色光束进入投影光学系统。另一方面，它将第二彩色光束引导到投影光学系统并且与其偏振方向无关。图像显示设备还包括被布置在第二光束分光器和彩色组合元件之间的光路中的波长选择偏光器，该波长选择偏光器在第一偏振方向上吸收第二彩色光束并且在第二偏振方向上将第二彩色光束引导到投影光学系统。图像显示设备还包括布置在彩色组合元件和投影光学系统之间的四分之一波片。
在另一个实施例中，一种图像显示设备是一种投影型图像显示设备，其中响应于任何图像信号通过偏振光束分光器使得来自于光源的光被相应的反射型液晶平板调制以及反射以使穿过偏振光束分光器的光再次通过投影透镜被投影在屏幕上。该投影型图像显示设备包括彩色分离装置，用于使得来自于光源的白光的光路分离成用于第三彩色光束的第一光路和用于第一和第二彩色光束的第二光路。该投影型图像显示设备还包括第一偏振光束分光器和用于反射设置在第一光路中的第三彩色光束的第三反射型液晶平板、第二偏振光束分光器和分别用于反射第一和第二彩色光束的第一和第二反射型液晶平板，第一和第二彩色光束的大部分被设置在第二光路中。该投影型图像显示设备还包括用于组合分别穿过第一和第二路径的光束以通过投影透镜投影组合的光的光路组合装置。第二偏振光束分光器用于将非偏振光分离成第一偏振状态和第二偏振状态。具有分析功能的偏振板被布置在一个光路中；沿着所述光路，所述穿过第二光路的光束到达光路组合装置。该偏振状态有助于第一彩色光束的穿过而与其处于第一或者第二偏振状态无关。另一方面，偏振板吸收在第一偏振状态下的第二彩色光束并且有助于处于第二偏振状态的第二彩色光束穿过。该光路组合装置用作一种所谓的偏振光束分光器以将处于第一偏振状态的第一彩色光束引向投影透镜并且不将处于第二偏振状态的第一彩色光束引向投影透镜同时将第二彩色光束引向投影透镜而与其偏振方向无关。
图1示出了彩色分离/组合系统的第一实施例的结构。下面将利用附图对实施例进行详细描述。
下面将利用图1对第一实施例进行详细描述。来自于光源1的白光被反射器反射并且转变为基本平行的光。这里，反射器是一种抛物柱面镜，但它可是一种椭圆镜或者球面镜。在图1中，通过将白光分离成用于三原色(红、绿和蓝)的光束而使得白光被示出。彩色光束分别被表示为红色光束2r；绿色光束2g；以及蓝色光束2b。注意的是，尽管红色、绿色和蓝色光束为了方便而被空间分离，但在实际情况下在该步骤中三种光束不被空间分离。
在照射光学系统中的偏振转换元件3将这些光束带到相同的p-偏振状态(电场在平行于图1的纸平面的方向上振动的这样一个偏振状态)。因此，这些光束分别转变为p-偏振红色光束4r；p-偏振绿色光束4g；和p-偏振蓝色光束4b。偏振转换元件3可将这些光束分别转换成s-偏振红色、绿色和蓝色光束。
穿过偏振转换元件3的三种彩色光束进入光学元件5(例如，二向色镜/分光镜)。光学元件5具有基本上反射绿光分量的能力，以使其有助于红色和蓝色光束的穿过同时反射绿色光束，从而使得绿色光束与其他彩色光束分离。穿过光学元件5的彩色光束4r和4b具有比在进入光学元件5之前的彩色光束更高的偏振度，并且进入波长选择偏振转动元件7，波长选择偏振转动元件7主要用作预定波长带的光的延迟板，即，用于独自使得预定波长带的光的偏振方向转动。代替红色、绿色和蓝色三种彩色光束，光学元件5可将四个波长带的四种彩色光束分离成两组彩色光束以使后来的偏振光束分光器进一步分离每一组分离的彩色光束。另外，偏振板6是可选的。如果光学元件5具有良好的性能，偏振板6可被省略。
波长选择偏振转动元件7具有这样一种性能，即，使得红色光(分量)的偏振方向转动90度，同时使得蓝光(分量)穿过并且不转动蓝光(分量)的偏振方向。穿过波长选择偏振转动元件7的彩色光束4r和4b转变为s-偏振红色光束8r和p-偏振蓝色光束8b并且进入偏振光束分光器9。
入射在偏振光束分光器9上的红色光束8r在偏振分光面10上被反射并且进入反射型液晶平板11r。在反射型液晶平板(11r、11g、11b)中的像素中，在ON(亮)状态中的一个像素使得入射光的偏振方向转动90度，同时在OFF(暗)状态中的其他像素不使得入射光的偏振方向转动。因此，当像素处于ON状态时，红色光束8r转变为p-偏振红色光束12r并且再次进入偏振光束分光器9。在这种情况下，由于红色光束12r是p-偏振的，因此偏振光束分光器9有助于红色光束12r从其离开。当像素处于OFF状态时，红色光束12r被偏振分光面反射。该方法未在图11中示出。在至少一个实施例中，未示出的延迟板(四分之一波片)可被布置在偏振光束分光器和反射型液晶平板之间以使得倾斜的入射光束的偏振方向定向。
另一方面，蓝色光束8b被p-偏振，以使其穿过偏振分光面10并且进入反射型液晶平板11b。当像素处于ON状态下时，蓝色光束8b转变为s-偏振蓝色光束12b并且再次进入偏振光束分光器9。在这种情况下，由于蓝色光束12b是s-偏振的，因此它被偏振分光面10反射并且从偏振光束分光器9中离开。
由光学元件5反射的绿色光束4g穿过偏振板13以增加其偏振度。绿色光束4g(例如，具有更高偏振度的光束)进入偏振光束分光器14并且到达偏振分光面15。由于绿色光束4g是p-偏振的，因此它穿过偏振分光面15并且进入反射型液晶平板11g。当像素处于ON状态下时，绿色光束4g转变为s-偏振绿色光束12g并且再次进入偏振光束分光器14。在这种情况下，由于绿色光束12g是p-偏振的，因此它被偏振分光面15反射并且从偏振光束分光器14中离开。偏振板6是可选的，并且可被省略。
除来自于处于ON状态下的相应像素的理想彩色光束12r、12g或12b以外，从每个偏振光束分光器中离开并且指向彩色组合元件18的每种彩色光束都包含从一些OFF状态下的像素中通过偏振光束分光器9或14入射在彩色组合元件18上的光(泄漏光)。由于泄漏光实际上包含用于减小图像对比度的分量，因此在至少一个实施例中，通过一些光学元件(例如，偏振元件)可减少不必要的偏振分量。从偏振光束分光器14中离开的绿色光束12g到达偏振板16，通过其可减少不必要的偏振分量。绿色光束12g随后进入彩色组合元件18。偏振板16可被省略。
从偏振光束分光器9中离开的红色光束12r和蓝色光束12b到达波长选择偏光器17。波长选择偏光器17用作在不影响红色光的情况下主要用于蓝色光的偏振板。因此，可从光束12b中减少不必要的偏振分量，并且具有一些不必要的偏振分量的光束12r进入彩色组合元件18。可通过选择适当分子的染料材料制造这样一种波长选择偏光器，如日本专利申请未审定公开号No.2003-215338中所述的。
图2示出了表示第一实施例中彩色组合元件18的特征。图2在纵坐标上绘出透光率而在横坐标上绘出波长。纵坐标上的透光率在顶部较高而在底部较低。横坐标上的波长在左侧上较短而在右侧上较长。尽管图2没有示出在蓝色波长带和绿色波长带两者中用于p-偏振光的特征，但是彩色组合元件可具有任何透射特性。例如，它可具有如第二实施例(见图4)中所述的特性，但是用于绿色波长带中光的特性可与用于红色波长带中光的特性相同。而且，蓝色波长带中的p-偏振光可具有高反射性，但是在至少一个实施例中以与第二实施例(见图4)中相同的方式为蓝色波长带中的p-偏振光设定高透光率。图5A是示意图。
从图5A中可明白的是，彩色组合元件18按所述顺序从最短波长透射s-偏振蓝色光(第二彩色光)，反射p-偏振绿色光(第三彩色光)，并且透射p-偏振红色光(第一彩色光)。彩色组合元件18可具有与其他波长带中的光相关(即，与p-偏振蓝色光、s-偏振绿色光以及s-偏振红色光相关)的任何透射特性。在至少一个实施例中，彩色组合元件18反射s-偏振红色光。在这样一种结构下，彩色组合面19用作用于红色光的偏振光束分光器。
彩色组合元件18可由介电多层膜构成。图6示出了彩色组合元件18的结构的示例。在图6中，彩色组合元件18是通过将两个棱镜粘接在一起构成的。它在粘接表面上具有通过粘合层粘接的多层膜R和G。粘合层可被省略。例如，可通过光学接触、粘接在除彩色组合面19以外的区域上、或在不用粘合剂粘接的情况下整体保持、或者相关领域等中普通技术人员公知的其他技术使得所述棱镜彼此紧密接触。
多层膜R为透射R、反射G以及透射B的这样一种所谓的二向色膜，其中R为红色波长带中的光、G为绿色波长带中的光、以及B为蓝色波长带中的光。应该注意的是，s-偏振红色光的透光率可采用任意值。为任意波长带中光的透光率设定任意值使得设计多层膜变得容易。这里，620到700nm波长带中的光的透光率被设定为不小于20％并且不大于85％的任何百分数。
多层膜G透射p-偏振和s-偏振蓝色光。另一方面，多层膜G用作用于红色光的所谓的PBS(偏振光束分光器)，也就是说，它反射s-偏振红色光并且透射p-偏振红色光。多层膜G反射绿色光，不管它是s-偏振或是p-偏振的。因此，绿色光不能到达多层膜G。
为此，可任意确定涉及绿色光的多层膜G的特性。这里，多层膜G被设计得用于将用于绿色光的具有大约为550nm中央波长的s-偏振光的透光率设定为不小于30％并且不大于70％的任何百分数。
尽管这两个多层膜通过粘合剂层相互邻接，但是由于粘合剂层具有不受光干涉影响这样一种厚度，因而实际上一个膜对另一个膜的特性没有影响。在该示例中，彩色组合元件18是由两个多层膜构成的，但是它也可由用作多层膜R和多层膜G的一个多层膜构成，尽管层的数量增加了。
入射在彩色组合元件18上的光束12r、12g或12b分别通过彩色组合面19被透射、由彩色组合面19反射以及通过彩色组合面19被透射，从而组合光路。彩色组合面19具有从红色光束12r中去除不必要偏振光(在该例中是s偏振分量)的特性。因此，在非必要光线(具有不必要偏振方向)从每个光束中减少了两倍(或复数倍)之后，从各个反射板中离开的红色光束12r、绿色光束12g和蓝色光束12b被组合，并且通过投影光学系统20投射在未示出的投影表面(例如，屏幕)上。在图1中，投影光学系统20可被布置在彩色组合元件18的下侧上。在这样一种情况下，绿色光束12g通过彩色组合元件18被透射以进入投影光学系统20中。投影光学系统20无须仅包括折射透镜。它可仅包括镜子或折射透镜与镜子的组合。它还可包括衍射光栅、棱镜、本领域中普通技术人员公知的其他光学元件。
而且，彩色组合系统可为使得λ/2波片(给予λ/2相差的光学元件)被布置在波长选择偏光器17与彩色组合元件18之间，并且取代具有图2中所示的特性的彩色组合元件18，布置另一个彩色组合元件18′。彩色组合元件18′具有与蓝色光和红色光相关特性相反的特性。
本实施例提供了用于组合从上述简单结构中反射型液晶平板中离开的彩色光束的彩色组合系统，但是不局限于该结构。通过沿相反顺序布置所述元件，本实施例可适用于彩色分离系统。例如，当第一实施例适用于彩色分离系统时，可依下所述获得彩色分离系统来自于光源的光线分别被转化成p-偏振红色光束、s-偏振绿色光束和p-偏振蓝色光束。所转化的束流进入布置在图1中光学元件5位置处并且具有与彩色组合元件18相同特性的光学元件。绿色光束被指向用于绿色光的反射型液晶平板11g，而红色和蓝色光束分别被指向用于红色和蓝色光的反射型液晶平板。
这种结构适用于以下实施例。
该说明书中描述的所有实施例在相容的范围内都可任意组合。
图3示出了彩色分离/组合系统的第二实施例的结构。下面可使用图3详细描述第二实施例。在以下描述中对于与第一实施例中相同的部分不再进行赘述。
来自于光源1的白光被反射器反射并且转变为基本平行的光。白光可被分离成三原色光。所分离的彩色光束分别被表示为红色光束2r；绿色光束2g；以及蓝色光束2b。
位于照射光学系统中的偏振转换元件3将这些光束带到相同的s-偏振状态(电场在基本垂直于图3的纸平面的方向上振动的这样一个偏振状态)。因此，这些光束分别转变为s-偏振红色光束4r；s-偏振绿色光束4g；和s-偏振蓝色光束4b。尽管在该阶段三原色光束在空间上未被分离，但是为了简单起见在图3中它们在空间上被分离。
光学元件5(例如，二向色镜)具有基本上反射绿色光分量的能力，以使其有助于红色和蓝色光束的穿过同时反射绿色光束。穿过光学元件5的彩色光束4r和4b穿过偏振板6以增加其偏振度，并且进入波长选择偏振转动元件7。
波长选择偏振转动元件7具有这样一种性能，即，使得蓝色光分量的偏振方向转动90度，同时不转动蓝光分量。在穿过波长选择偏振转动元件7之后，最初为s-偏振光的红色光束和蓝色光束分别转变为s-偏振红色光束8r和p-偏振蓝色光束8b并且进入偏振光束分光器9。
入射在偏振光束分光器9上的红色光束8r在偏振分光面10-上被反射以便于进入反射型液晶平板11r。在反射型液晶平板11r中的相应像素处于ON状态(诸如用于在屏幕上投射光的亮状态)中并且红色光束8r进入像素时，它转变为p-偏振红色光束12r并且再次进入偏振光束分光器9。p-偏振红色光束12r穿过偏振分光面10并且从偏振光束分光器9中离开。
另一方面，蓝色光束8b被p-偏振，以使其穿过偏振分光面10并且进入反射型液晶平板11b。当进入反射型液晶平板11b中的ON状态下的像素时，蓝色光束8b转变为s-偏振蓝色光束12b，并且再次进入偏振光束分光器9。由于蓝色光束是s-偏振的，因此它在偏振分光面10上被反射并且从偏振光束分光器9中离开。
另一方面，由光学元件5反射的光束4g穿过偏振板13以增加其偏振度，并且进入偏振光束分光器14以到达偏振分光面15。
由于绿色光束4g是s-偏振的，因此它在偏振分光面15上反射并且进入反射型液晶平板11g。当进入反射型液晶平板11g中的ON状态下的像素时，绿色光束4g转变(被调制)为p-偏振绿色光束12g并且再次进入偏振光束分光器14。p-偏振的绿色光束12g通过偏振分光面15被透射并且从偏振光束分光器14中离开。
除来自于处于ON状态下的像素的理想彩色光束12r、12g或12b以外，从每个偏振光束分光器中离开并且指向彩色组合元件18的每种彩色光束都包含入射在OFF状态下的像素上的光线，即，减小图像对比度的泄漏光。因此，需要通过一些光学元件去除所述的不必要的偏振分量。
从偏振光束分光器14中离开的绿色光束12g到达偏振板16，通过其可减少不必要的偏振分量。绿色光束12g之后进入彩色组合元件18。在实施例中，偏振元件是这样一种还用作用于红色光和绿色光的通用全频带偏振板。偏振板还可为这样一种波长选择偏光器，即，它用作主要用于绿色和红色波长带中的光的偏振板。
从偏振光束分光器9中离开的红色光束12r和蓝色光束12b到达波长选择偏光器17。波长选择偏光器17用作在不影响红色光的情况下主要用于蓝色光的偏振板。因此，可从光束12b中减少不必要的偏振分量，并且具有一些不必要的偏振分量的光束12r进入彩色组合元件18。
图4示出了彩色组合元件18的彩色组合面19的特征。图5B是示意图。
从图5B中可明白的是，彩色组合元件18具有这样的透射特性，即，按所述顺序从最短波长透射s-偏振蓝色光(第二彩色光)，反射s-偏振绿色光(第三彩色光)，并且透射p-偏振红色光(第一彩色光)。彩色组合元件18可具有与其他波长带中的光线相关、即与偏振状态(即，与p-偏振蓝色光、p-偏振绿色光以及s-偏振红色光相关)的任何透射特性。在至少一个实施例中，彩色组合元件18可反射s-偏振红色光。在这样一种结构下，彩色组合面19用作用于红色光的偏振光束分光器。其细节与第一实施例中相同。
图4在纵坐标上绘出透光率而在横坐标上绘出波长。纵坐标上的透光率在顶部较高而在底部较低。横坐标上的波长在左侧上较短而在右侧上较长。图4示出了彩色组合元件对于s-偏振和p-偏振的蓝色光都具有良好的透射特性，而对于s-偏振和p-偏振的绿色光都具有良好的反射特性。对于红色光，彩色组合元件用作用于透射p-偏振并且反射s-偏振的偏振光束分光器。
入射在彩色组合元件18上的红色光束12r、绿色光束12g和蓝色光束12b分别通过彩色组合面19被透射、通过彩色组合面19反射以及通过彩色组合面19被透射，从而组合这些光束的光路(即，组合彩色)。如上所述的，由于其用于红色光的反射特性，彩色组合面19从红色光束12r中去除不必要的偏振分量(在该情况中为s-偏振分量)。
其光路已被组合的三种彩色光束12r、12g和12b穿过延迟板21并且通过投影透镜20投射在未示出的屏幕上。
延迟板21是用于给出大约四分之一波长的相差的四分之一波片；它将彩色组合光转化为圆偏振光。延迟板21还给出在元件表面(例如，投影光学系统中的透镜表面)上反射的回光的四分之一波长的相差，假定光线通过所述元件表面。因此，在投影光学系统中反射的回光以使得偏振方向旋转90度这样一种状态从投影光学系统中进入彩色组合元件18。
应该注意的是，在回光的光束中，绿色光束12g的回光和蓝色光束12b的回光沿其光路返回并且分别由偏振板16和17吸收，这是由于彩色组合面19用作用于绿色光和蓝色光的二向色镜。另一方面，由于红色光束12r的回光的偏振方向旋转了90度，因此红色光束12r的回光在彩色组合面19上被反射，沿其光路返回并且由偏振板16吸收。如上所述的，偏振板16还用作用于红色光的偏振板。
因此，由于在投影光学系统中表面上反射的回光在到达每个平板表面之前被吸收，因此，永远不会在平板表面上重新反射。换句话说，所述回光永远不会返回到屏幕上，所述屏幕即可没有图象质量降级。在第二实施例中，在三种彩色光束中，第一彩色光束(红色光束)和第二彩色光束(蓝色光束)由偏振光束分光器组合，之后第三彩色光束(绿色光束)与之组合。彩色组合面19用于将第三彩色光束与已组合的第一和第二彩色光束相组合。彩色组合面19不仅用作第一和第二彩色光束之一的偏振光束分光器，而且还用作第一和第二彩色光束中另一个的二向色镜。二向色镜的作用是与其偏振方向无关地反射或透射相同色彩的光束，而不是根据其偏振方向的差异反射或透射相同色彩的光束，尽管取决于偏振方向可发生一些特征偏差。对于第三彩色光束来说，在第二实施例中，彩色组合面19还用作二向色镜。然而，它可用作偏振光束分光器。在这样一种情况下，波长选择偏光器16还可用作第三彩色光束(绿色光束)的偏振板，从而减少来自于第三彩色光束的任何光通过投影光学系统返回的影响。然而，它也可为除偏振板以外的元件(例如，与偏振方向的差异无关地吸收所有第三彩色光束(所有绿色光束)的元件)假定如上所述这样一种结构，彩色组合面用作一个或多个(一个或两个)波长带中光线(彩色光)的偏振光束分光器以及用作一个或多个(一个或两个)波长带中光(彩色光)的二向色镜。
之后，波长选择偏光器17被布置在用于组合第一和第二彩色光束的偏振光束分光器与彩色组合面之间。波长选择偏光器17用作彩色组合面用作其二向色镜的一个彩色光束的偏振板，而它不用作另一个彩色光束的偏振板。应该注意的是，偏振板是用于沿预定偏振方向透射光线并且沿基本垂直于所述预定偏振方向的偏振方向反射光的光学元件。
用于描述前述第一和第二实施例的术语“透射”和“反射”可不是指所有的入射光束都被透射或反射。该术语是指至少蓝色光(420到500nm或440到470nm的波长带中)、绿色光(500到570nm或520到550nm的波长带中)以及红色光(600到700nm或620到650nm的波长带中)的90％或更多(例如95％或更多)分别被透射或反射。
此外，尽管在实施例中，绿色光束首先被分离并且红色和蓝色光束之后被分离，但是分离光束的顺序不局限于此。例如，红色或蓝色光束可首先被分离。在这样的情况下，用于红色、蓝色和绿色的反射型液晶平板可被布置在不同的位置关系中，或者红色和蓝色反射型液晶平板可被颠倒。
而且，在前述实施例中，来自于红色反射型液晶平板和蓝色反射型液晶平板的彩色光束被组合以使得组合光将通过主要用作蓝色光的偏振板的波长选择偏光器17进入彩色组合元件。在至少一个实施例中，波长选择偏光器17可用作在穿过波长选择偏光器17的多个彩色光束中具有最短波长的彩色光束的偏振板，第一和第二实施例都具有这样一种结构。在至少一个实施例中，实施例中的偏振板可具有沿预定偏振方向透射光并且沿基本垂直于所述预定偏振方向的偏振方向反射光的功能。在这种情况下，它可沿基本垂直于所述预定偏振方向的偏振方向反射光。然而，当考虑到回光的测量时，最好沿基本垂直于所述预定偏振方向的偏振方向吸收光线。
另外，在第一和第二实施例中，布置在光源和反射型液晶元件之间的光学系统是照射光学系统，并且用于从反射型液晶元件中将光线投射到投影表面(例如，屏幕)上的光学系统是投影光学系统。在该结构下，偏振光束分光器、四分之一波片都被包含在照射光学系统与投影光学系统两者中。
前述实施例在相容的范围内可被任意组合。而且，每种彩色光束的偏振状态(s-偏振和p-偏振)都可被颠倒。
下面描述彩色组合元件18的细节。表1示出了多层膜结构的具体示例。图8示出了具有用于s-和p-偏振光的多层膜的彩色组合元件18的透光率相对于波长的特性。
彩色组合元件18包括输入侧棱镜、多层膜、粘合剂层、以及输出侧棱镜，这些部分按所述顺序被粘接。应该注意的是，可按倒向顺序粘接所述元件，或者在没有粘合剂层的情况下它们可光学接触。
术语“输入侧棱镜”是指具有红色光束和蓝色光束入射在其上的表面的棱镜(也就是说，颜色不同并且其偏振方向相互垂直的多个光束被入射在其上)。术语“输出侧棱镜”是指其功能与输入侧棱镜相反的棱镜，也就是说，具有面对图1和图3中投影光学系统的表面的棱镜。
输入侧棱镜和输出侧棱镜相对于波长为588nm的光线的折射系数为1.697，而粘合剂层相对于波长为588nm的光线的折射系数为1.516。列示在以下表1中的膜材料A、B和C分别为TiO2、SiO2、Al2O3。这些材料相对于波长为588nm的光线的折射系数为2.315、1.466和1.628。
层号膜材料膜厚度(nm)1C 362A 893C 694A 1055C 316A 847C 578A 969C 8710 A 7711 C 9012 A 9113 C 7314 A 8515 C 4016 A 10217 B 5018 A 9419 B 12220 A 8621 B 17722 A 10723 B 20024 A 8525 B 17526 A 8927 B 17528 A 8329 B 20230 A 10331 B 19832 A 8933 C 185可依下所述概述实施例。
至少一个实施例的图像显示设备包括被配置为调制第一波长带中的光的第一光调制元件(例如，图1中的11r)；被配置为调制不同于第一波长带的第二波长带中的光的第二光调制元件(例如，图1中的11b)；被配置为在不同于第一波长带和第二波长带的第三波长带中调制光的第三光调制元件(例如，图1中的11g)；被配置为将离开第一光调制元件的第一图像光(例如，图1中的12r)和离开第二光调制元件的第二图像光(例如，图1中的12b)组合的第一彩色组合元件(例如，图1中的9)；被配置为将由第三光调制元件调制的第三图像光(例如，图1中的12g)与由第一组合元件组合的第一图像光和第二图像光组合以形成彩色的组合图像光的第二彩色组合元件(例如，图1中的18)；以及被配置为将第二彩色组合元件形成的组合图像光投影到被投影表面上的投影光学系统(例如，图1中的20)。
在至少一个实施例中第一图像光以第一基本线性偏振光束的形式(例如，光路上的阴影线，即，图1中的p-偏振光束)进入第二彩色组合元件。
第二图像光可以第二基本线性偏振光束的形式进入第二彩色组合元件(例如，光路上的点，即，图1中的s-偏振光束)。
第一基本线性偏振光束的偏振方向和第二基本线性偏振光束的偏振方向基本上相互垂直。
在至少一个实施例中第二彩色组合元件(例如，图1中的18)将第一波长带中的光的第一基本线性偏振光束引导到投影光学系统，所述投影光学系统使之透射(例如，图1中的20)并且阻止第一波长带中的光的第二基本线性偏振光束进入投影光学系统，所述投影光学系统使之反射，同时第二彩色组合元件将第二波长带中的光的第一基本线性偏振光束和第二基本线性偏振光束引导到投影光学系统，所述投影光学系统透射两者。
在至少一个实施例所涉及的设备中，第二彩色组合元件和投影光学系统被如此布置，即，使得第二彩色组合元件将已通过第二彩色组合元件被透射的第一和第二基本线性偏振光束中的一个引导到投影光学系统。
第一基本线性偏振光束可在p-偏振状态下进入第二彩色组合元件，并且第二基本线性偏振光束可在s-偏振状态下进入第二彩色组合元件。
至少一个实施例所涉及的设备还包括布置在第一彩色组合元件和第二彩色组合元件之间的第一偏振元件(图1中的17)。
第一偏振元件可透射第一波长带中的光的第一和第二基本线性偏振光束两者(在图1中透射红色光，与其偏振方向无关)，并且透射第二波长带中的光的第一和第二基本线性偏振光束之一同时吸收或反射另一个(更好的是吸收另一个)。
所述设备还可包括布置在第二彩色组合元件与投影光学系统之间的四分之一波片(图3中的21)。
至少一个实施例所涉及的设备还包括布置在第三光调制元件和第二彩色组合元件之间的第二偏振元件(图1中的16)，其中第二偏振元件透射第三波长带中的至少光的两个基本线性偏振光束之一同时吸收另一个，基本线性偏振光束在偏振方向上基本相互垂直。
在至少一个实施例所涉及的设备中，第二偏振元件透射第一波长带中的光的基本线性偏振光束中的一个同时吸收另一个。换句话说，第二偏振元件用作用于第一波长带中的光和第三波长带中的光(在图1和图3中所示的实施例中用于红色光和绿色光)的偏振板。它还可用作用于第二波长带中的光的偏振板。
至少一个实施例所涉及的设备还包括布置在第三光调制元件和第二偏振元件之间的偏振分离元件(图1中的14)，其中所述偏振分离元件透射第三波长带中的光的两个基本线性偏振光束之一同时反射另一个，基本线性偏振光束在偏振方向上基本相互垂直。
在至少一个实施例所涉及的设备中，第二彩色组合元件将第三波长带中的光的第一和第二基本线性偏振光束引导到投影光学系统。
在至少一个实施例所涉及的设备中，对于第一彩色组合元件的光输入面，第一波长带中的光的偏振方向和第二波长带中的光的偏振方向基本相互垂直。
在至少一个实施例所涉及的设备中，第一、第二和第三光调制元件被来自于发射非偏振光的光源中的光照射。
至少一个实施例所涉及的设备还包括被配置为将第一、第二和第三波长带中的光束转换为具有相同偏振方向的基本线性偏振光束的偏振转换元件，以及被配置为将第三波长带中的基本线性偏振光束与第一和第二波长带中的基本线性偏振光束相分离的二向色镜，所有光束具有相同的偏振方向。
依照该实施例，投影仪(也就是说，投影仪中的彩色分离/组合系统)不仅可在低成本下以简单结构实现更高的对比度性能，而且还可在减小来自于投影透镜的回光所导致的幻影的情况下提供更高的对比度图像。
虽然已结合实施例描述了本发明，应该理解的是，本发明不局限于所披露的实施例。所附权利要求的范围应符合最广义的解释，以便于包含所有所述修正和等价结构以及功能。
权利要求
1.一种彩色组合单元，包括被配置为组合第一波长带中的第一图像光和不同于第一波长带的第二波长带中的第二图像光的第一彩色组合元件；和被配置为将不同于第一波长带和第二波长带的第三波长带中的第三图像光与由第一彩色组合元件组合的第一图像光和第二图像光相组合、以形成彩色的组合图像光的第二彩色组合元件；以及其中，第一图像光以基本线性偏振的第一光束的形式进入第二彩色组合元件，其中，第二图像光以基本线性偏振的第二光束的形式进入第二彩色组合元件，其中，线性偏振的第一光束的偏振方向和线性偏振的第二光束的偏振方向基本上相互垂直，以及其中，第二彩色组合元件被配置成，使第一波长带中的线性偏振第一光束通过，并且反射第一波长带中的线性偏振第二光束，以及使第二波长带中的线性偏振第一光束和第二光束都通过或反射第二波长带中的线性偏振第一光束和第二光束。
2.一种将图像投影到投影面的图像显示设备，包括被配置为组合第一波长带中的第一图像光和不同于第一波长带的第二波长带中的第二图像光的第一彩色组合元件；和被配置为将不同于第一波长带和第二波长带的第三波长带中的第三图像光与由第一彩色组合元件组合的第一图像光和第二图像光相组合、以形成彩色的组合图像光的第二彩色组合元件；其中，第一图像光以基本线性偏振的第一光束的形式进入第二彩色组合元件，其中，第二图像光以基本线性偏振的第二光束的形式进入第二彩色组合元件，其中，线性偏振的第一光束的偏振方向和线性偏振的第二光束的偏振方向基本上相互垂直，以及其中，第二彩色组合元件被配置成，将第一波长带中的线性偏振第一光束引导到所述投影面，并且阻止第一波长带中的线性偏振第二光束到达所述投影面，以及将第二波长带中的线性偏振第一光束和第二光束引导到所述投影面。
3.根据权利要求2所述的图像显示设备，其特征在于，第二彩色组合元件被配置成，使第一波长带中的线性偏振第一光束通过，并且反射第一波长带中的线性偏振第二光束，以及使第二波长带中的线性偏振第一光束和第二光束都通过或反射第二波长带中的线性偏振第一光束和第二光束。
4.根据权利要求2所述的图像显示设备，其特征在于，第二彩色组合元件被配置成，使第一波长带中的线性偏振第一光束和第二光束都通过或者反射第一波长带中的线性偏振第一光束和第二光束，以及使第二波长带中的线性偏振第一光束通过，并且反射第二波长带中的线性偏振第二光束，以及。
5.依照权利要求2所述的设备，其特征在于，第二彩色组合元件和投影光学系统被如此布置，即，通过使得第一图像光和第二图像光经由第二彩色组合元件透射，第二彩色组合元件将第一图像光和第二图像光引导到投影光学系统，第一光束在p-偏振状态下进入第二彩色组合元件，并且第二光束在s-偏振状态下进入第二彩色组合元件。
6.依照权利要求2所述的设备，还包括布置在第一彩色组合元件和第二彩色组合元件之间的第一偏振元件，其中，第一偏振元件具有这样的特征，即，透射第一波长带中具有第一偏振分量的线性偏振光和第一波长带中具有第二偏振分量的线性偏振光以及第二波长带中具有第一和第二偏振分量之一的线性偏振光，并且吸收或反射第二波长带中具有另一个偏振分量的线性偏振光。
7.依照权利要求2所述的设备，还包括布置在第二彩色组合元件与投影光学系统之间的四分之一波片。
8.依照权利要求2所述的设备，还包括布置在第三光调制元件和第二彩色组合元件之间的第二偏振元件，其中第二偏振元件透射至少第三波长带中的两个在偏振方向上相互垂直的基本线性偏振光束之一，同时吸收另一个线性偏振光束。
9.依照权利要求8所述的设备，其特征在于，被透射的第三光束具有第一波长带中的偏振元件光。
10.依照权利要求2所述的设备，还包括布置在第三光调制元件和第二偏振元件之间的偏振分离元件，其中所述偏振分离元件透射第三光束的两种偏振中的一种同时反射另一种，其中第三光束具有第三波长带中的光，这两种偏振基本相互垂直。
11.依照权利要求2所述的设备，其特征在于，第二彩色组合元件引导第三波长带中的光的第一和第二线性偏振光束。
12.依照权利要求2所述的设备，其特征在于，对于第一彩色组合元件的光输入面，第一波长带中的光的偏振方向和第二波长带中的光的偏振方向基本相互垂直。
13.依照权利要求2所述的设备，其特征在于，第一、第二和第三光调制元件被来自于发射非偏振光的光源的光照射。
14.依照权利要求2所述的设备，还包括被配置为将第一、第二和第三波长带中光的光束转换为具有相同偏振方向的基本线性偏振光束的偏振转换元件，以及被配置为将第三波长带中的基本线性偏振光束与第一和第二波长带中的基本线性偏振光束相分离的二向色镜，所有上述光束具有相同的偏振方向。
全文摘要
至少一个实施例涉及图像显示设备，所述图像显示设备可包括多个彩色组合元件、多个彩色调制元件、以及投影光学系统，可操作地连接以减少幻象光的影响。
文档编号G02B27/10GK1743917SQ20051009900
公开日2006年3月8日 申请日期2005年8月31日 优先权日2004年8月31日
发明者猪子和宏 申请人:佳能株式会社