图像投影设备的制作方法

专利名称：图像投影设备的制作方法
图像投影设备本申请要求于2006年12月28日提交到日本知识产权局的第 10-2006-356424号日本专利申请以及2007年3月14日提交到韩国知识产权 局的第10-2007-0025141号韩国专利申请的优先权，所述申请公开于此以资参 考。技术领域与本发明 一致的设备涉及一种图像投影设备。
背景技术：
在使用诸如数字孩史镜器件(DMD)的反射型图像显示单元的传统图像投 影设备中，具有大f数的光源应该以小角度将照明光发射到反射型图像显示 单元上。出于这一原因，在反射型图像显示单元附近布置光路分离单元以将 照明光的光路与从反射型图像显示单元反射的光的光路分离。第2004-101826号日本专利公开公报中公开了一种投影光学系统和投影 仪设备(图像投影设备)。所公开的投影光学系统包括作为光路分离单元的偏 振分离棱镜和偏振旋光器。偏振分离棱镜具有用于将入射到DMD上的光通 量与从DMD离开的光通量相分离的偏振分离面，并且在偏振分离棱镜的偏 振分离面和DMD之间布置有偏振方向旋转构件，用于使穿过的光的偏振方 向旋转。然而，所公开的投影光学系统和图像投影设备具有下面的问题。 由于偏振分离棱镜被用作光路分离单元，所以入射到棱镜的偏振分离面 的参考入射面的大部分S偏振光透射通过偏振分离面(或被偏振分离面反 射)，而入射到参考入射面的大部分P偏振光被偏振分离面反射(或透射通过 偏振分离面)。例如，入射到偏振分离棱镜的电介质多层(dielectric multi-layer) 的光的平面可以是参考入射面。然而，当光沿着与参考入射面相交的面入射到偏振分离棱镜上时，由于 p偏振和s偏振分量都包括在光中，所以偏振分离棱镜的光分离特性变差。
此外，当光沿着与参考入射面相交的面入射到偏振分离棱镜上时，在光 被偏振分离面反射之后，光的偏振方向绕偏振分离棱镜的光轴旋转。随后，在光被DMD反射并穿过偏振旋光器之后，光的偏振方向绕所述光轴进一步 旋转90°。因此，当光沿着相同的方向入射到DMD并被DMD反射时，由于DMD 和偏振方向旋转构件使被偏振分离面反射的光绕DMD的光轴旋转了 90°,然 后入射回偏振分离面，所以不发生光损失。然而，当光以除了 0。之外的入射 角入射到DMD上时，光被DMD反射回偏振分离面，同时光的偏振方向被改 变到不期望的方向。因此，光不能有效地透射通过偏振分离棱镜的偏振分离 面，导致光损失。即，在所公开的投影光学系统和图像投影设备中，尽管可在偏振分离棱 镜的偏振分离面处在包含照明光的主光线以及照明光和^:影光的光轴的平面 内有效执行光路分离，但是在其它平面内无法有效执行光路分离。即，在光 沿着其它平面入射到并传播通过偏振分离棱镜的偏振分离面时，发生光损失。发明内容本发明提供一种减小偏振分离器处的光损失的图像投影设备。 根据本发明的一方面，提供一种使用反射型图像显示单元对线偏振照明 光进行空间调制以将调制的光作为指示图像的反射光进行投影的图像投影设 备，该图像投影设备包括偏振分离器，包括偏振分离面，该偏振分离面根 据照明光和从反射型图像显示单元的反射面反射的反射光的偏振方向来透射 或反射照明光和反射光；偏振方向旋转构件，布置在偏振分离器和反射型图分离器的光轴旋转90°,其中所述偏振分离器和偏振方向旋转构件被布置为 使得将经过偏振分离面入射到反射型图像显示单元的反射面上的照明光的主 光线与从反射型图像显示单元的反射面反射的反射光的主光线之间的角二等 分的轴与偏振分离器的光轴近似一致。根据本发明，线偏振照明光入射到偏振分离器上，且该照明光的偏振方 向与偏振分离器的偏振分离方向一致。照明光透射通过偏振分离器或者被偏 振分离器反射，从而通过偏振旋光器向着反射型图像显示单元的反射面传播。 当照明光从反射型图像显示单元的反射面反射且通过偏振旋光器，从而回到 偏振分离器时，照明光的偏振方向旋转了 90°。因此，偏振分离器可有效地分离照明光。偏振分离器的光轴与将经过偏振分离面入射到反射型图像显示单 元的反射面上的照明光的主光线与从反射型图像显示单元的反射面反射的反 射光的主光线之间的角二等分的轴近似一致。因此，以一定角度入射到偏振 分离器上的照明光的偏振方向可与入射回偏振分离器上的反射光的偏振方向 近似对称，从而可利用偏振分离器减小或消除偏振方向改变的不期望的影响，乂人而;咸小光4员失。


通过下面结合附图对示例性实施例的详细描述，本发明的上述和其它示例性方面和优点将变得明显，其中图1A和图1B是分别示出根据本发明示例性实施例的图像投影设备的示 意性主视图以及沿图1A的线A-A截取的剖视图；图2是示出根据本发明示例性实施例的图1A的图像投影设备的偏振分 离器的示意性透浮见图；图3A和图3B是示出现有技术的偏振分离器的透视图；的1/4波片的操作以及1/4波片和偏振方向旋转构件的组合操作；图5是示出根据本发明另一示例性实施例的图1A的图像投影设备的偏 振分离器的示意性透视图；图6A是示出根据本发明另一示例性实施例的图像投影设备的示意性主 视图，图6B是根据本发明示例性实施例的沿图6A的线B-B截取的剖视图；图7是示出根据本发明示例性实施例的图6A的图像投影设备的偏振分 离器的示意性透浮见图；图8示出了根据本发明另一示例性实施例的改变光的偏振方向的1/4波片；图9A是示出才艮据本发明另一示例性实施例的图像投影设备的示意性主 视图，图9B和图9C分别是根据本发明示例性实施例的沿图9A的线C-C和 线D-D截取的剖一见图；图IO是示出根据本发明示例性实施例的图9A的图像投影设备的偏振分 离器的示意性透浮见图IIA是示出根据本发明另一示例性实施例的图9A的图像投影设备的 偏振分离器的示意性侧视图，
图IIB是示出用于与图IIA的偏振分离器进行 比较的图10的偏振分离器的示意性侧视图12是示出图IIA的偏振分离器的效率的示意性曲线图13是示出图IIA的偏振分离器的另一光路的示意性侧视图14是示出图13的偏振分离器的效率的示意性曲线图。
具体实施例方式
现在，将参照示出了本发明的示例性实施例的附图来更充分地描述本发 明。附图中的相同标号表示相同的部件，因此将省略对它们重复的描述。
图1A是示出根据本发明实施例的图像投影设备100的示意性主视图， 图1B是根据本发明实施例的沿图1A的线A-A截取的剖视图，图2是示出根 据本发明实施例的图1A的图像投影设备100的偏振分离器的示意性透视图。 在附图中，使用XYZ笛卡儿坐标系来表示相对方向。 在图1A中，Z轴/人右向左水平延伸，Y轴正交于Z轴向上延伸，X轴 在垂直于纸面的方向向前延伸。图1A的平面是YZ平面。
当前实施例的图像投影设备100可用于例如视频投影仪或投影电视。 参照图1A和图1B，图像投影设备100包括光源单元1、偏振分束器 (splitter) 2、 1/4波片3、偏振方向旋转构件4、反射型图像显示单元5和光 学投影单元6。
来自图像投影设备100的投影图像光被投影到屏幕7上。屏幕7可以是 透射型屏幕或反射型屏幕。当屏幕7是透射型屏幕时，屏幕7可被固定到图 像投影设备100的壳体(未示出)，以形成背投式图像投影系统。 光源单元1发射具有波长X的线偏振均匀光通量作为照明光。 如图1A和图2所示，光源单元1被布置为使得从光源单元1发射的光路径入射到偏振分束器2上。如图2中的箭头所示，光线L1的偏振方向垂直 于光轴且平行于XY平面。光线Ll与Y轴成一角度，如果需要可适当地调 整该角度。例如，光线Ll可与Y轴成15。或更小的角，以减小相对于反射型 图像显示单元5的反射面的入射角。
偏振分束器2是包括偏振分离面2a的偏振分离棱镜，该偏振分离面2a
由电介质多层形成。当光在平行于Y轴的P轴上沿着负Y轴方向入射到偏振 分离面2a上时，偏振分离面2a使光的大约100%的s偏振分量在平行于Z轴 的Q轴上沿着负Z轴方向反射，而光的大约100%的p偏振分量透射通过偏 振分离面2a。在当前实施例中，偏振分束器2具有矩形盒形状。PQ平面是入射面(以下，称为参考入射面)，其中，光在偏振分离面2a 处通过反射和透射而被分离。即，当偏振分离面2a由电介质多层形成，并且 光入射到偏振分离面2a上时，具有最大光分离效率的入射光的s偏振分量和 p偏振分量的偏振方向被限定在参考入射面中。换句话说，当光束以恒定的 入射角入射到偏振分离面2a上时，与光束平行于与参考入射面相交的平面时 相比，当光束平行于参考入射面时，光束能够被更有效地分离。偏振分束器2还包括位于偏振分离面2a和光源单元1之间的第一棱镜面 2b。从光源单元l发射的照明光通过第一棱镜面2b进入偏振分束器2。在当 前实施例中，第一棱镜面2b与ZX平面平行。偏振分束器2还包括位于偏振分离面2a和1/4波片3之间的第二棱镜面 2c。被偏振分离面2a反射的光通过第二棱镜面2c从偏振分束器2出射。在 当前实施例中，第二棱镜面2c平行于XY平面。偏振分束器2还包括平行于第二棱镜面2c的第三棱镜面2d,第三棱镜 面2d隔着偏振分离面2a面向第二棱镜面2c。沿正Z轴方向透射通过偏振分 离面2a的光通过第三棱镜面2d被引导向光学投影单元6。在图2中，绘制在第一棱镜面2b和第二棱镜面2c上的虚线Ps指示在参 考入射面中入射到偏振分离面2a上的光的s偏振分量的偏振方向。尽管在当前实施例中偏振分束器2具有矩形盒形状，但是偏振分束器2 可具有其它形状。例如，偏振分束器2的第一棱镜面2b、第二棱镜面2c和第 三棱镜面2d可以相对于彼此倾斜。在下面的描述中，为了使描述简明，将忽略第一棱镜面2b、第二棱镜面 2c和第三棱镜面2d处的折射。1/4波片3是根据从光源单元1发射的照明光的波长X而设计的1/4波片。 1/4波片3具有与入射到偏振分离面2a上的s偏振光的偏振方向平行的主轴 (N)。 1/4波片3在负Z轴方向上与第二棱镜面2c分隔开，并且近似平行于 XY平面。偏振方向旋转构件4使往复通过偏振方向旋转构件4的光的偏振方向绕
偏振方向旋转构件4的光轴旋转90°。偏振方向旋转构件4在负Z轴方向上 与1/4波片3分隔开，并且近似平行于1/4波片3。偏振方向旋转构件4的光 轴平行于Q轴。例如，利用液晶的线性光学旋光器(rotator)可用作偏振方 向旋转构件4。反射型图像显示单元5包括显示面5a，在该显示面5a上，多个显示元 件布置为二维光栅图案。反射型图像显示单元5是空间光调制器，其通过根 据图像像素控制显示元件的反射方向来对照明光进行调制。在当前实施例中， 数字微镜器件(DMD)被用作显示元件。在DMD中，微镜(未示出)布置 为二维光栅图案,并且每一微镜能够根据图像信号分别运动到on和off状态 下的两个不同的倾斜位置。在当前实施例中，^t镜可在on状态下平行于XY平面排列。此外，微镜 可在off状态下相对于XY平面倾斜，以防止被微镜反射的照明光入射到光学 投影单元6上。在on状态下，微镜的反射面的法线平行于偏振分离面2a的参考入射面。 因此，当在on状态下，光线被反射型图像显示单元5的微镜反射时，反射的 光线与入射光束关于与偏振分离面2a的参考入射面平行的平面对称。在当前实施例中，在on状态下，微镜的反射面被布置在与反射型图像显 示单元5的显示面5a相同的平面上。然而，在on状态下，微镜的反射面可 相对于反射型图像显示单元5的显示面5a倾斜。在这种情况下，微镜的反射 面的法线与参考入射面之间的关系是重要的。光学投影单元6是一个光学装置或者一组光学装置。照明光被反射型图 像显示单元5的on状态下的微镜反射，并通过偏振方向旋转构件4、 1/4波 片3和偏振分束器2传播到光学投影单元6,以形成图像。然后，光学投影 单元6将图像以放大的比例投影到屏幕7上。参照图1B，与被反射型图像显示单元5的平行于XY平面排列的微镜反 射的光束一致，光学投影单元6的光轴50在ZX平面中从-X轴向+Z轴倾斜。在当前实施例中，偏振分束器2、 1/4波片3和偏振方向旋转构件4被包 括在偏振分离器20中。偏振分离器20位于光源单元1和反射型图像显示单 元5之间，以便根据光的偏振划分从光源单元1发射的光，并且位于反射型 图像显示单元5和光学投影单元6之间，以便根据光的偏振划分从反射型图 像显示单元5反射的光。
现在，将描述图像投影设备100的操作。在下面的描述中，主要解释图像投影设备100的偏振分离器20的操作，并且除非另外声明，否则每一光线 是组成图像投影设备100的光学系统的主光线。图3A和图3B是示出作为比较示例的现有技术的偏振分离器的透视图。 图4A示出根据本发明实施例的改变光的偏振方向的1/4波片3的操作，图 4B示出根据本发明实施例的1/4波片3和偏振方向旋转构件4的组合操作。再参照图2,从光源单元1发射的光线Ll在垂直于光源单元1的光轴且 平行于XY平面的方向上偏振。光线L1通过第一棱镜面2b在XY面中与P 轴成小角度地入射到偏振分离面2a的点(a)上。由于在偏振分离面2a的点 (a)处光线Ll为S偏振，所以偏振分离面2a使100%的光线Ll反射并通 过第二棱镜面2c的点(b)射向1/4波片3。在反射之后，光线Ll被表示为 光线L2。由于由偏振分离面2a上的光线Ll和L2限定的入射面相对于参考入射 面(PQ平面)略微倾斜，所以光线L2的偏振方向与s偏振方向成一角度。 例如，光线L2的偏振方向在顺时针方向上与s偏振方向成角度<D。尽管由于光线L2的偏振方向在XY平面上旋转了角度O，所以角度O 不完全等于绕光轴测量的光线L2的偏振方向的旋转角，但是由于光线L2相 对于Q轴的倾斜非常小，所以在当前实施例中，这种差别可以忽略。光线L2在ZX平面中与Q轴成小角度a地向着1/4波片3传播。光线 L2通过1/4波片3和偏振方向旋转构件4入射到反射型图像显示单元5上。 反射型图像显示单元5的显示面5a被光线L2以及其它光线照射。如果光线L2入射到反射型图像显示单元5的处于on状态的微镜的点(d) 处，则在ZX平面内，光线L2以入射角a入射，并且以反射角a反射。在光 线L2从点(d)反射之后，光线L2被表示为L3。光线L3通过偏振方向旋转 构件4和1/4波片3，在ZX平面内以相对于Q轴的反射角a传播到第二棱镜 面2c的点(f)。即，到达点(f)的光线L3两次通过l/4波片3和偏振方向旋转构件4。现在，将描述1/4波片3和偏振方向旋转构件4的操作。首先，将参照图3A和图3B描述偏振方向的变化，其中，图3A和图3B示出了不包括l/4波片的传统偏振分离器。在图3A中，为了清晰，在实际的光轴P和Q旁边绘制光线。 参照图3A,光线L10沿着P轴入射到偏振分束器2上。光线L10的偏 振方向垂直于参考入射面(PQ平面)。即，光线L10为S偏振。大约100% 的光线L10 ^皮偏振分离面2a反射。在反射之后，光线L10被表示为光线L20。 光线L20通过第二棱镜面2c从偏振分束器2出射。接下来，光线L20在偏振 方向改变的情况下穿过偏振方向旋转构件4。接着，光线L20被反射型图像 显示单元5反射。在反射之后，光线L20一皮表示为光线L30。光线L30再次 穿过偏振方向旋转构件4并再次入射到第二棱镜面2c上。由于光线来回穿过偏振方向旋转构件4，所以光线L30的偏振方向相对 于光线L20的偏振方向绕Q轴旋转了 90。。即，光线L30的偏振方向垂直于 从偏振分离面2a反射的光线L20的偏振方向。因此，大约100。/。的光线L30 透射通过偏振分离面2a。在透射之后，光线L30 ^皮表示为L40。光线L40通 过第三棱镜面2d从偏振分束器2出射。因此，光线L10和L40的光路能够几乎没有光学损失地被分离。参照图3B，除了在图3B中不包括l/4波片3之外，图3B中的所有结构 和条件与图2所示的结构和条件相同。在这种情况下，光线L2的偏振方向与 s偏振方向成角度(D，所述s偏振方向与偏振分离面2a的参考入射面垂直。 因此，当光线L2经偏振方向旋转构件4、反射型图像显示单元5和偏振方向 旋转构件4作为光线L31入射到第二棱镜面2c的点(f)上时，光线L31的 偏振方向相对于光线L2的偏振方向旋转了 90°。即，光线L31的偏振方向与 s偏振方向成角度(90°-0)。此外，当从负Z轴观察时，光线L31的偏振方 向相对于与s偏振方向垂直的轴顺时针旋转了角度O。再参照图2,由于光线L2和L3关于偏振分离面2a的参考入射面(PQ 平面)对称，所以使光线L2和L3最有效地从偏振分离面2a反射的光线L2 和L3的偏振方向关于参考入射面对称。此外，使光线L2和L3最有效地透 射通过偏振分离面2a的光线L2和L3的偏振方向关于参考入射面对称。因此， 当在点(f)处，光在相对于与参考入射面垂直的s偏振方向逆时针旋转角度 O而获得的方向上偏振时(从负Z轴观察)，大约100%的光在偏振分离面2a 的点(g)处净皮反射。此外，当在点(f)处，光在相对于与s偏振方向垂直 的方向(Y轴方向)逆时针旋转角度O而获得的方向上偏振时(从负Z轴观 察)，大约100。/。的光穿过偏振分离面2a的点(g)。再参照图3B,当从负Z轴观察时，在点(f)处，光线L31的偏振方向 相对于使光线L31在偏振分离面2a的点(g)处100%地偏振分离的偏振方向 顺时针旋转了角度20。因此，在点(g)处，光线L31被分为透射光线L41T 和反射光线L41R。反射光线L41R不到达光学投影单元6，所以导致光损失。然而，在本发明中，具有平行于s偏振方向的主轴的1/4波片3被设置 在偏振分束器2和偏振方向旋转构件4之间，以用于光线L2和L3。因此， 可将光线L3的偏振方向调整到期望的方向，以使得光线L3能够最有效地透 射通过偏振分离面2a。1/4波片3根据线偏振光与1/4波片3的主轴(N)之间的角度将线偏振 光转换为椭圆偏振光或圓偏振光，或者将椭圆偏振光或圓偏振光转换为线偏 振光。当光来回穿过1/4波片3时，1/4波片3可等同于1/2波片。即，当本 实施例中不包括偏振方向旋转构件4时，如图4A所示，光线L3在点(f)处 的偏振方向Pf,与光线L2在点(b)处的偏振方向pb关于主轴(N)对称。换 言之，在从负Z轴观察时，当光线L2穿过l/4波片3—次时，光线L2的偏 振方向逆时针旋转角度(D。此外，由于1/4波片3的主轴(N)平行于参考入 射面的法线，所以线偏振光的偏振方向可与在该线偏振光来回穿过1/4波片3 之后的线偏振光的偏振方向关于参考入射面对称。在当前实施例中，偏振方向旋转构件4布置在1/4波片3和反射型图像 显示单元5之间。在这种情况下，由于在l/4波片3、偏振方向旋转构件4和 反射型图像显示单元5之间传播的光线不是线偏振光线，所以可进行如下的 概念性描述。当光线L2来回穿过l/4波片3和偏振方向旋转构件4时，如图 4B所示，光线L2在点(b)处的偏振方向pb被偏振方向旋转构件4绕偏振 分离器20的光轴旋转了 90。并相对于主轴(N)被对称变换。即，当从负Z换言之，1/4波片3和偏^振方向^J走转构件4形成偏^振补偿单元，该偏振补 偿单元通过组合变换来补偿在偏振分离面2a处被分离并被引导向反射型图像 显示单元5的光的偏振方向，所述组合变换包括相对于参考入射面的对称变 换和绕偏振分离器20的光轴的90度旋转变换。因此，在图2的实施例中，光线L3的偏振方向被调整以使得大约100% 的光线L3能够穿过偏振分离面2a的点(g)并通过第三棱镜面2d从偏振分 束器2出射。在光线L3穿过偏振分离面2a的点(g)之后，光线L3被表示 为L4。
此外，如图1A和IB中所示，光线L4沿着光学"t殳影单元6的光轴50 传播并到达屏幕7。如上所述，在本发明的图像投影设备100中，尽管照明光沿与偏振分束 器2的参考入射面相交的平面入射到偏振分束器2上，但是偏振分束器2能 够在没有光损失的情况下，4艮据主光线的偏振来分离照明光的主光线。因此， 例如，与图3B中的偏振分束器2和偏振方向旋转构件4之间没有布置1/4波 片3的情况相比，可以减小光损失。此外，通过适当地;故置反射型图像显示单元5来实现这样的减小光损失 的优点。即，反射型图像显示单元5被布置为使得反射型图像显示单元5的 反射面的法线平行于偏振分束器2的参考入射面，从而沿着光路的主光线的 偏振方向关于参考入射面对称。当反射型图像显示单元5没有如上所述布置时，光损失可根据沿着光路 的主光线的偏振方向的不对称程度而增加。然而，反射型图像显示单元5的 反射面的法线可相对于偏振分束器2的参考入射面略微倾斜，只要光损失的 增加在允许范围之内即可。尽管在上面的描述中，针对照明光的主光线描述了 1/4波片3的功能， 但是1/4波片3可补偿沿与参考入射面相交的平面入射到偏振分束器2上的 其它照明光的偏振方向，从而减小光损失。此外，在上述实施例中，反射型图像显示单元5的入射面平行于ZX平 面且垂直于参考入射面。然而，当反射型图像显示单元5的入射面绕反射型 图像显示单元5的微镜的反射面的法线旋转预定角度时(例如，当图3B中的 偏振分离面2a上的点(a)在正Y轴方向上偏离，并且点(g)在负Y轴方 向上偏离时)，光线的偏振方向并不关于参考入射面对称地旋转。因此，光线 的偏振方向没有被完美地补偿。然而，即使在这种情况下，与没有使用偏振 补偿单元的情况相比，通过偏振补偿单元也可减小偏振方向的旋转，从而可 减小光损失。现在，将描述偏振分离器的修改版本。图5是示出根据本发明另一实施例的图1A中所示的图像投影设备100 的偏振分离器的修改版本的示意性透视图。在当前实施例中使用偏振分束器2A来代替偏振分束器2。偏振分束器 2A具有反射P偏振光的偏振分离面2e。 P偏振光表示在参考入射面(PQ平
面)内偏振的光。为此，照明光是在参考入射面内P偏振。因此，考虑从偏振分离面2e反射向反射型图像显示单元5的光的偏振方向，将1/4波片3的 主轴(N)调整为平行于Y轴方向。在图5中，虚线Pp指示参考入射面中光的p偏振方向，以使得从偏振分 离面2e反射向反射型图像显示单元5的光的偏振方向能够容易地理解。绘制 在偏振分束器2A的第二棱镜面2c上的虚线Pp平行于1/4波片3的主轴(N )。在当前实施例中，从光源单元1发射的照明光的主光线L13沿着平行于 YZ平面且从P轴向着正Z轴倾斜的路径入射到偏振分束器2A的第一棱镜面 2b上。光线L13到达偏振分离面2e的点(h)。由于光线L13为P偏振光，所以大约100%的光线L13被偏振分离面2e 反射。在反射之后，光线L13被表示为光线L23。光线L23通过第二棱镜面 2c的点(i)从偏振分束器2A出射。然后，光线L23通过1/4波片3和偏振 方向旋转构件4到达反射型图像显示单元5。之后，光线L23被反射型图像 显示单元5的《效镜反射。在反射之后，光线L23 ^皮表示为光线L33。光线L33 再次穿过偏振方向旋转构件4和1/4波片3,然后到达第二棱镜面2c的点(n )。由于在点(i )处光线L23的偏振方向平行于Y轴和1/4波片3的主轴(N )，点(n)处光线L33的偏振方向平行于X轴。结果，大约100%的光线L33穿过偏振分离面2e的点(q)并通过第三 棱镜面2d从偏振分束器2A出射。在光线L33穿过偏振分离面2e的点(q) 之后，光线L33被表示为光线L43。然后，光线L43沿着光轴50入射到光学 投影单元6上，然后被投影到屏幕7上。在当前实施例中，可没有光损失的根据偏振分离主光线。由于主光线在 参考入射面内传播，所以主光线的偏振方向没有被1/4波片3改变。然而， 与前面的描述相似，在与参考入射面相交的平面内入射到偏振分束器2A上 的其它照明光的偏振方向被1/4波片3和偏振方向旋转构件4旋转。在这种 情况下，照明光的偏振方向可通过l/4波片3进行补偿，从而可减小光损失。 因此，当考虑所有照明光时，1/4波片3对于减小光损失来说是有用的。现在，将描述根据本发明另 一实施例的图像投影设备。图6A是示出根据本发明另一实施例的图像投影设备110的示意性主视 图，图6B是沿图6A的线B-B截取的剖视图。图7是示出根据本发明实施例
的图6A的图像投影设备110的偏振分离器21的示意性透视图。图8示出了 根据本发明实施例的用于改变光的偏振方向的1/4波片9。在当前实施例中，如图6A和图6B所示，图像投影设备110包括l/4波 片9，而非图1A的图像投影设备100中所包括的1/4波片3和偏振方向旋转 构件4。偏振分束器2和1/4波片9形成偏振分离器21。在下面的描述中， 将仅主要提及图像投影设备110和图像投影设备100之间的区别。1/4波片9是#4居照明光的波长入设计的1/4波片。参照图7， 1/4波片9 具有主轴(N)，该主轴与垂直于参考入射面(PQ平面)的s偏振方向成大约 45°角。1/4波片9被布置为在负Z轴方向上与偏振分束器2的第二棱镜面2c 分离开，并近似平行于XY平面。在当前实施例中，光线来回穿过l/4波片9的情况等同于图2所示的实 施例中光线来回穿过1/4波片3和偏振方向旋转构件4的情况。参照图7和图8，点(b)处光线L2的偏振方向Pb相对于1/4波片9的 主轴(N)被改变为点(f)处光线L3的偏振方向Pf。即，当从负Z轴观察 时，光线L3的偏振方向Pf相对于与参考入射面的s偏振方向垂直的方向逆时 针旋转了角度O。因此，与图1A中的实施例相似，大约100。/。的光线L3穿 过偏振分离面2a并沿着光轴50入射到光学投影单元6上。即，1/4波片9形成偏振补偿单元，该偏振补偿单元通过变换来补偿在偏 振分离面2a处被分离并被引导向反射型图像显示单元5的光的偏振方向，所 述变换与包括相对于参考入射面的对称变换和绕偏振分离器21的光轴的90 度旋转变换的组合变换对应。此外，通过适当地放置反射型图像显示单元5来实现1/4波片9的补偿 操作。即，反射型图像显示单元5被布置为使得反射型图像显示单元5的反 射面的法线平行于偏振分束器2的参考入射面，从而沿着光路的主光线的偏 振方向关于参考入射面对称。当反射型图像显示单元5没有如上所述布置时，与使用1/4波片通过使 光来回通过1/4波片来使光的偏振方向绕光轴旋转90。的情况相似，在偏振分 离面2a处光线L3没有被最有效地分离。换言之，无法仅通过将1/4波片3 的主轴(N)布置为与入射光的偏振方向成45。角来使绕光轴旋转了 90°并且 以一定角度入射到偏振分离面2a上的光线L3具有能够进行有效光分离的光 学偏振方向。然而，反射型图像显示单元5的反射面的法线可相对于偏振分束器2的参考入射面略微倾斜，只要由于倾斜导致的光损失在允许范围之内即可。在图像投影设备110中，与图3B中的在偏振分束器2和反射型图像显 示单元5之间仅布置偏振方向旋转构件4的情况相比，可减小更多光损失。 现在，将描述根据本发明另 一实施例的图像投影设备。 图9A是示出根据本发明另一实施例的图像投影设备120的示意性主视 图，图9B和图9C分别是沿图9A的线C-C和线D-D截取的剖视图。图10 是示出根据本发明实施例的图9A的图像投影设备120的偏振分离器的示意 性透视图。参照图9A、图9B和图9C，当前实施例的图像投影设备120包括线栅偏 振器(WGP)8，而非图1A中的图像投影设备100的偏振分束器2。图像投 影设备120中不包括l/4波片3。在下面的描述中，将仅主要提及图像投影设 备120和图像投影设备100之间的差别。当前实施例的图像投影设备120包括以与图像投影设备100中相同的方 式布置的光源单元l、光学投影单元6和屏幕7。然而，由于从光源单元l发 射并穿过WGP 8的照明光被引导向反射型图像显示单元5,所以偏振方向旋 转构件4和反射型图像显示单元5平行于ZX平面布置。参照图10， WGP8包括由绝缘材料形成的基底8B和以微小的间距彼此 平行地形成在基底8B上的多条金属线8A。具有与金属线8A的长度方向垂 直的电场矢量的大约100%的光(横磁(TM)偏振光)透射通过WGP8，具 有与TM偏振光垂直的电场矢量的大约100%的光(横电(TE)偏振光)被 WGP 8反射。可根据从光源单元1发射的照明光的波长人来调整金属线8A 的间距，以增加WGP 8的光分离效率。以下，平行于金属线8A的长度方向并垂直于基底8B的入射面将被称为 WGP8的参考入射面。在当前实施例中，WGP 8垂直于YZ平面并且倾斜于ZX和XY平面， 反射型图像显示单元5的反射面的法线(V)平行于参考入射面。即，在沿 着法线(V)传播的TE偏振光被WGP 8反射之后，TE偏振光沿着平行于Z 轴的U轴传^l番。在当前实施例中，WGP8和偏振方向^走转构件4形成偏振分离器22。偏 振分离器22布置在光源单元1、反射型图像显示单元5和光学投影单元6之 间，用于根据光的偏振方向分离从光源单元1发射的照明光的光路与被反射型图像显示单元5反射的光的光路。参照图10，在图像投影设备120中，从光源单元1发射且沿x轴方向偏 振的照明光的主光线Ll沿着平行于XY平面且相对于WGP 8的参考入射面 向下倾斜的路径被引导向WGP 8。由于光线L1是TM偏振光，所以大约100。/。的光线L1穿过WGP8。在 光线Ll穿过WGP 8之后，光线Ll被表示为光线L24。光线L24传播到偏振 方向旋转构件4。由于穿过WGP 8的光的偏振方向由WGP 8的金属线8A的 长度方向决定，而不由参考入射面和光相对于金属线8A的入射面之间的角 度决定，所以在穿过WGP8之后，光线L24的偏振方向不改变。光线L24穿过偏振方向旋转构件4并到达反射型图像显示单元5的反射 面。当反射型图像显示单元5处于on状态时，光线L24从反射型图像显示单 元5的反射面反射回偏振方向旋转构件4。这里，在光线L24从反射型图像 显示单元5的反射面反射之后，光线L24被表示为光线L34。在光线L34穿过偏振方向旋转构件4之后，光线L34的偏振方向绕光轴 旋转90。，然后光线L34作为TE偏振光线入射回WGP 8上。因此，大约100% 的TE偏振光线L34被WGP 8反射并沿着光轴50传播。在光线L34被WGP 8反射之后，光线L34被表示为光线L44。光线L44通过光学投影单元6被 投影到屏幕7上。这样，从光源单元1发射并被反射型图像显示单元5的反 射面反射的照明光可通过光学投影单元6被投影到屏幕7上，而在WGP 8处 不发生光损失。根据当前实施例的图像投影设备120，尽管照明光沿与WGP8的参考入 射面相交的平面入射到WGP8上，但是照明光的主光线可以根据主光线的偏 振而被分离，而在WGP8处不发生光损失，。因此，与例如图3B中的仅配置 有偏振分束器2和偏振方向旋转构件4的现有技术的偏振分离器相比，可以 减小光损失。在当前实施例中，使用WGP8，而非使用利用电介质多层作为偏振分离 面2a的偏振分束器2(参照图2 )。在这种情况下，从WGP 8反射或穿过WGP 8的光的偏振方向不会像偏振分束器2的情况下一样受WGP 8的参考入射面 与光的入射面之间的角度或者光的入射角的影响。因此，可更自由地设计图 像投影设备120的光路。
例如，尽管如图1A和图6A中的实施例一样，描述了当反射型图像显示 单元5处于on状态时，反射型图像显示单元5的反射面的法线(V)平行于 WGP 8的参考入射面，但是在当前实施例中，反射型图像显示单元5和WGP 8之间的这种位置关系不是非常必要的。如果需要，反射型图像显示单元5 和WGP8可以以其它方式布置。现在，将描述偏振分离器22的修改版本。图IIA是示出作为修改版本的图9A的图像投影设备120的偏振分离器 的示意性侧视图。图IIB是示出用于与图IIA的偏振分离器进行比较的图10 的偏振分离器的示意性侧视图。图12是示出图IIA的偏振分离器的效率的示 意性曲线图。在图12中，水平轴表示相对于WGP8的入射角e，垂直轴表示 光分离效率(在图14中也一样)。图13是示出图IIA的偏振分离器的另一光 路的示意性侧视图，图14是示出图13的偏振分离器的效率的示意性曲线图。参照图IIA，与图10的WGP8的金属线8A相比，WGP8的金属线8A 在基底8B上旋转了 90。。在图10的WGP 8中，金属线8B平行于WGP 8的 参考入射面(UV平面)，该参考入射面包含反射型图像显示单元5的反射面 的法线(V )，并将光线Ll相对于WGP 8的入射面与光线L34相对于WGP 8 的入射面之间的角度二等分。在图IIA的WGP8中，金属线8A平行于WGP 8的参考入射面的法线。当照明光的入射面等于投影光的入射面时，金属线 8A平行于照明光和-投影光的入射面的法线。因此，与图10的WGP 8的情况相比，入射到WGP 8上的照明光的偏振 方向绕光轴旋转了 90°。光线L15穿过偏振方向旋转构件4，然后被反射型图 像显示单元5反射。之后，光线L15被表示为L25。光线L25的偏振方向与 光线L15的偏振方向成90。角。光线L25入射到WGP 8上，并且作为光线L35 被WGP8反射。在这种情况下，与图10的WGP8相似，图IIA的WGP8可4艮据光的偏 振方向分离入射光。然而，与图10的WGP 8的偏振分离效率相比，图11A 的WGP8的偏振分离效率可提高。术语"偏振分离效率，，表示从偏振分离器 输出的用于图^象^投影的光与输入到偏振分离器的光(照明光)之比。当WGP8的照明光的入射角为e时，WGP8的偏振分离效率与入射角e 之间的关系如图12的曲线200所示。尽管入射角0从O。增加到70°,但是曲 线200按照水平抛物路径(近似直线路径)变化。
然而，如图11B所示，图10的WGP 8的金属线8A的布置方式导致图 12中所示的效率-角度曲线201。尽管当入射角e在0。到55。范围内时曲线201近似水平，但是当入射角e大于60。时，曲线20i向下运动(即，当入射角e大于60。时偏振分离效率降低)。因此，当入射角e较大时，图11A的WGP8 的金属线8A的布置方式是有利的。图11A的WGP8可具有图13中所示的光3各，其中，WGP8和反射型图由于光游4皮此相交，所以WGP 8可形成为紧凑的布局。然而，如图14 的曲线202所示，与图11A的光线L15和L35的光鴻"波此不相交的情况相比， 当光线L15和光线L35的光路彼此相交时，WGP 8的偏振分离效率可降低。 即，当WGP8的偏振分离效率比WGP8的紧凑的结构更重要时，L15和L35 的光路可被设计为彼此不相交。在图1A和图6A的实施例中，偏振分离器将照明光反射向反射型图像显 示单元，而在图9A的实施例中，照明光透射通过偏振分离器，然后入射到 反射型图像显示单元上。然而，每一实施例的偏振分离器可具有相反的光路， 这是因为即使在照明光沿着相反方向的光路传播时，偏振分离器的偏振分离 功能也不受影响。此外，尽管在前述实施例中关于XY、 YZ和ZX平面定义光路，但是在 不脱离本发明的范围的情况下，可通过改变偏振分离面和反射面的位置来对 光路进行不同的定义。此外，尽管在图9A的实施例中，偏振方向旋转构件4用于偏振分离器， 但是可使用具有与参考入射面成45°角的主轴的1/4波片来代替偏振方向旋转 构件4。在这种情况下，与图6A的实施例不同，当反射型图像显示单元5处 于on状态时，即使反射型图像显示单元5的反射面的法线不平行于参考入射 面，在WGP8处也几乎不发生光损失。此外，尽管在上述实施例中，从光源单元发射的照明光的波长为X,但 是可使用发射红、绿和蓝波长光的多个光源单元。在这种情况下，可根据光 的波长来布置偏振分离器和反射型图像显示单元，并且可使用组合波长的诸 如二向色棱镜的光路组合单元来在光被投影到光学投影单元之前组合光路。 以这样的方式，可提供彩色图像投影设备。此外，当偏振分离器可共用于每 一波长的光时，可使用光路组合单元来将多个光路组合为单个光路，并且反
射型图像显示单元可共用于每一波长的光。此外，在本发明的范围内，每一实施例中示出的元件可以以其它方式使用。根据本发明的图像投影设备，可减小或消除光的入射角对偏振分离器的 影响，该影响导致离开偏振分离器的光的偏振方向的不期望的改变。因此， 可减小偏振分离器处的光损失。尽管已参照本发明的示例性实施例具体地显示和描述了本发明的图像投 影设备，但是本领域普通技术人员应该理解的是，在不脱离由权利要求限定 的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。
权利要求
1、一种图像投影设备，包括偏振分离器，包括偏振分离面，该偏振分离面根据照明光和从反射型图像显示单元反射的反射光的偏振方向来透射或反射照明光和反射光；偏振方向旋转构件，布置在偏振分离器和反射型图像显示单元之间，用于使沿着从偏振分离器到反射型图像显示单元的路径穿过偏振方向旋转构件以及沿着从反射型图像显示单元到偏振分离器的路径再次穿过偏振方向旋转构件的光的偏振方向绕偏振分离器的光轴旋转90°，其中，偏振分离器和偏振方向旋转构件被布置为使得将经过偏振分离面入射到反射型图像显示单元上的照明光的主光线与从反射型图像显示单元反射的反射光的主光线之间的角二等分的轴与偏振分离器的光轴近似一致。
2、 如权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述偏振分离器包括偏振 分束器，该偏振分束器包括形成偏振分离面的电介质多层，该偏振分离面分 离S偏才展光和P偏4展光。
3、 如权利要求1所述的图像投影设备，还包括1/4波片，布置在偏振 分离器和偏振方向旋转构件之间，该1/4波片具有与在偏振分离面处被分离 并被引导向反射型图像显示单元的光的偏振方向基本相同方向的主轴。
4、 如权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述偏振方向旋转构件是 1/4波片，该1/4波片具有在与偏振分离器的光轴垂直的平面内的主轴，所述 主轴与在偏振分离面处被向着反射型图像显示单元分离的光的偏振方向成大 约45°角。
5、 如权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述偏振分离器包括线栅 偏振器，该线栅偏振器包括以微小的间距彼此平行地布置在绝缘体上的多条 金属线。
6、 如权利要求5所述的图像投影设备，其中，所述金属线具有平行于中 间平面的长度方向，该中间平面包含反射型图像显示单元的反射面的法线并 将入射到线栅偏振器上的照明光的主光线的入射面与从反射面反射并入射到 线栅偏振器上的反射光的主光线的入射面之间的角二等分。
7、 如权利要求5所述的图像投影设备，其中，所述金属线具有与中间平 面垂直的长度方向，该中间平面包含反射型图像显示单元的反射面的法线并 将入射到线栅偏振器上的照明光的主光线的入射面与从反射面反射并入射到 线栅偏振器上的反射光的主光线的入射面之间的角二等分。
8、 如权利要求5所述的图像投影设备，其中，所述线栅偏振器和反射型 图像显示单元被布置为使得穿过线栅偏振器并到达反射型图像显示单元的 照明光的主光线的光路比从反射型图像显示单元反射并入射到线栅偏振器上 的反射光的主光线的光路短。
9、 如权利要求5所述的图像投影设备，其中，所述偏振方向旋转构件是 1/4波片，该1/4波片具有在与偏振分离器的光轴垂直的平面内的主轴，所述 主轴与在偏振分离面处被向着反射型图像显示单元分离的光的偏振方向成大 约45°角。
全文摘要
提供一种图像投影设备，包括偏振分离器，包括偏振分离面，该偏振分离面根据照明光和从反射型图像显示单元反射的反射光的偏振方向来透射或反射照明光和反射光；偏振方向旋转构件，布置在偏振分离器和反射型图像显示单元之间，用于使两次穿过偏振方向旋转构件的光的偏振方向绕偏振分离器的光轴旋转90°。所述偏振分离器和偏振方向旋转构件被布置为使得将从偏振分离面传播到反射型图像显示单元的照明光的主光线与从反射型图像显示单元反射的反射光的主光线之间的角二等分的轴与偏振分离器的光轴近似一致。
文档编号G02B27/28GK101211016SQ20071016699
公开日2008年7月2日 申请日期2007年11月14日 优先权日2006年12月28日
发明者佐佐木胜利, 富樫光宏, 竹中博满 申请人:三星电子株式会社