用于全色图像显示器的投影系统技术方案

本发明专利技术涉及一种紧凑偏振非灵敏棱镜部件，用于利用反射光阀的投影显示器系统。该系统包括三个被涂敷的棱镜组成的棱镜部件和一个特殊形状的光束分束器，实施例中为梯形。棱镜部件的角度被优化设计，以便用最小的偏振非灵敏性实现最佳的色分离和色重组。该部件形成反射ＬＣＤ投影机的紧凑而特别有效的光学系统布局。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于反射式光阀全彩色显示器的光学系统，尤其涉及一种紧凑而高光效的三色棱镜部件(TPA)和一种偏振光束分束器(PBS)。该TPA和PBS的组合被放在物镜和LCD之间或放在其它类型的反射光阀之间以形成一个紧凑的投影系统。常规的投影显示器主要采用透射光阀，比如有源矩阵LCD板。另一方面，反射式光阀提供了许多优点，比如高孔径比、高光效和优良的投影图像质量。基于反射液晶光阀(LCLV)的大规模投影系统已经被成功地制造和推广应用。近来，结晶硅可用于反射式CMOS液晶光阀，它们具有在芯片上集成整个CMOS电路的附加优点以及大批量生产的经济规模。对于这种新型的光阀，需要更紧凑的光学系统。在一个反射投影系统中，首先由两个分色滤色片(通常具有第一兰色滤色片和第二红色滤色片)把准直过的光源分成三基色，随后这些光束沿不同的光路被射到相应的光阀上，接着用两个分色滤色片重新组合具有变化了的偏振的反射光束。这些滤色片可以是同一组分色滤色片或是不同组分色滤色片。使用一个PBS把反射光与入射光分离开，最后再投影到屏幕上。美国专利US 4,687,301公开了一个这种彩色分离-重组的光学部件，浸于分度匹配液中的分色滤色片既用于色分离又用于色重组。兰滤色片上的入射角为24°，而红滤色片上的入射角为12°。美国专利US 4,969,730描述了一种公知的3-棱镜部件作为彩色分离棱镜，这种棱镜既被用作一个色分离器又被用作一个色重组器。它与美国专利US 4,687,301披露的专利技术的原理相同，但更容易制造。兰色滤色片和红色滤色片被涂敷在棱镜的表面上，入射角都为30°。也使用一个PBS把入射光束与偏振调制的反射光束分离开。美国专利US 5,644,432描述了一种投影系统，它的色分离器和重组器由相同的3-棱镜部件组成。使用一个PBS分离入射光束和反射光束，在这种情况下，在兰色滤色片中没有气隙，3棱镜就能彼此粘合在一起。兰色和红色分色滤色片具有较大的入射角30°，以便为投影透镜保留一个较短的后工作距离。一个全彩色反射式LCLV投影的光学系统必须具有如下特征(1)大的输出光通量，这意味着大系统中光的不变性，或者使用LCLV系统的稳定性，(2)利用双偏振，(3)独立偏振的高效色分离和色重组，和(4)投影透镜的负焦距紧凑且很小。现有技术中所公开的彩色分离重组棱镜系统都不符合这些要求。因此，本专利技术的一个目的是提供一种对分色涂层具有小入射角的彩色分离重组棱镜。目前，液晶(LCD)投影显示器主要是基于把透射LCD光阀作为图像产生器。这种类型的LCD投影机的缺点在于LCD板的孔径比(AR)很小，由于光阀分辨率的增加使得它变得更小。例如，对于SVGA显示器，AR大约为0.67，和对于XGA LCD板，AR大约为0.5。除低光效之外，低AR还需要黑色基底来隐藏产生象素的晶体管。因此，需要去象素化，从而增加了光系统设计的复杂性。在此类型的透射投影机中，使用不同的滤色片组把输入光分成三基色并在穿过LCD光阀后重组它们，色重组器通常使用X-立方。反射式硅CMOS液晶光阀能克服透射LCD板中的低AR的缺点，在不考虑分辨率的情况下，以CMOS LCD为基础的硅的AR可高达92％。这是因为晶体管可以隐藏在象素上的反射镜的下面。因此，投影图像的光效和质量能被大大地提高。毫无疑问，反射式光阀的投影光学系统比透射式光阀的投影光学系统更为复杂。一种考虑是光路中的s和p偏振的变化。此外，一个全色投影机可以是一种采用一个反射LCD板的时序类型，或者同时带有全部3基色的3-板型，以后将涉及到这种应用。这样的投影机通常需要一个把输入的白光源(典型的，一个弧光灯)分成基色的光学子系统和在由反射光阀调制后把3基色重组起来的另一个子系统。色分离器和色重组器可以是同样的光学零件或者可以是物理上的不同光学零件。对于一个紧凑式投影系统，后者更为可取。有几种基于彩色投影机的反射光阀的光学部件设计。反射光阀的基本元件是一个偏振光束分束器(PBS)，它反射s-偏振光而透射p-偏振光。在最直接的设计中，3 PBS可以用于3基色板。色分离和色重组可以在类似于透射投影机的分离滤色片组中进行，附图说明图1表示基本的设置。使用分色反射器反射红色光和兰色光。R.G.B光通道被送到3个PBS和3个光阀。然后，调制过的图像反射光被送到色重组X-棱镜以便投影。由于X-棱镜中的反射涂层最适合于s-偏振光运作，所以对于红光和兰光通道需要半波板来转动来自反射LCD的p-偏振光，这种系统相当复杂。按照本专利技术的第一方面，提供一种非立方结构的偏振光束分束器，在分色涂层或滤色片上的入射角能够保持很小值。分束器可以是梯形结构。按照本专利技术的第二方面，提供一种用于全色投影显示器装置，包括一个用作色分离器和色重组器的棱镜部件和多个反射光阀。棱镜部件可以是三色的。如下的计算说明能够提供一个光学子系统的专利技术，该光学子系统在分色涂层上的光束入射角被保持得尽可能的小。这归因于偏振分离现象，一个用于形成分色滤色片的介质多层光学涂层总是包括周期性堆叠的高折射率层(H)和低反射率层(L)。对于nHdH＝nLdL＝λ/4，反射光由下式给出ΔλRλ=4πsin-1|ηH-ηLηH+ηL|---(1)]]>其中ΔλR使反射光的带宽，ηH和ηL分别是H层和L层的有效导纳。ηH和ηL是入射角和光的偏振状态的函数。对于s-偏振，ηis＝η1cosθi，对于p-偏振ηip=ηicosθi]]>。这里i＝H或L，θi是在每个薄膜中的折射角。θi和入射角θ之间的关系由通常的关系式ηpsinθ＝ηisinθi给出。以下将通过举例和参照附图，描述实施本专利技术的一个棱镜部件和非偏振光束分束器。图1以曲线方式表示分色涂层在偏振上的灵敏度，如(a)，(b)和(c)所示，反射光谱随入射角改变而变化；图2是一个典型的投影系统的示意图；图3是色分离/重组部件详图；图4表示非立方偏振光束分束器。图5是使用常规结构的反射彩色投影机的光学系统；图6是采用一个三色棱镜部件的反射彩色投影显示的光学系统；图7是入射角为(a)16°，(b)30°，(c)45°时，计算出的红色和兰色边缘反射涂层的反射光谱。实线p-偏振光。虚线s-偏振光；和图8在一起的新的三色棱镜部件和新的非立方PBS。薄膜的有效导纳η随入射角θ的变化而变化，当入射角增加时s-偏振光和p-偏振光反射光谱之间的差别会变得越来越大。因此，大入射角将引起s-偏振光和p-偏振光的光谱反射频带间很大的分离。图1同时表示了红色边缘滤色片和兰色边缘滤色片的反射光谱，在对红，绿，兰3基色进行分离时，这些涂层用作一个梯形棱镜部件。在计算中，分别使用入射角为16°(a)，30°(b)，45°(c)(图1)。实线针对p-偏振光而虚线针对s-偏振光。假设涂层是在空气和玻璃(ng＝1.5163)之间。图1清楚地表示，当入射角增加时，s-偏振光和p-偏振光的反射光谱变得越来越不相同，这是很不理想的，因为反射光阀要偏振调制运行。根据偏振变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有非立方结构的偏振光束分束器，其特征在于在分色涂层或滤色片上的入射角被保持小的值。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：郭海成，刘旭，
申请(专利权)人：瓦智能BVI有限公司，特伦斯莱斯莉约翰逊，
类型：发明
国别省市：VG[英属维尔京群岛]