CN100533260C

CN100533260C - 图像显示光学系统和图像投影设备

Info

Publication number: CN100533260C
Application number: CNB2007100080824A
Authority: CN
Inventors: 须藤贵士; 儿玉浩幸; 高桥真
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2027-02-09
Also published as: JP5127143B2; US8308300B2; CN101017319A; US20070182933A1; JP2007212756A

Abstract

公开了一种图像显示光学系统，该系统在改善黑色颜色和黑色不均匀性方面是有效的。以小于45度的入射角入射到二向色表面上，然后以大于45度的入射角入射到偏振光束分离表面上的线性偏振光被称为“第一入射角光”。比二向色表面对于第一入射角光具有最大透射率时的波长更长并且二向色表面对于第一入射角光的透射率是10%时的波长被称为“波长Wa”，而比Wa更短的波长范围被称为W。偏振光束分离表面具有这样的特征：其对于波长范围W中的第一入射角光的透射率等于或低于5%。

Description

图像显示光学系统和图像投影设备

技术领域

本发明涉及一种图像显示光学系统，该系统用于诸如液晶投影仪之类的图像投影设备，并将来自光源的光分离为多种颜色的光分量，以将光分量引导到诸如液晶面板之类的光调制元件。

背景技术

为改善由图像投影设备投射的图像的对比度特征，必须缩小进入到颜色分离光学系统或颜色分离/组合光学系统中的诸如对入射角特征敏感的偏振光束分离器之类的光学元件的光束的入射角范围。

日本专利公开No.H05(1993)-303085说明了这样的光学系统：其中来自光源的光被透镜阵列分成多个光束，以形成光源的二次图像，使多个光束重叠在液晶面板上，以照射它。光学系统配备有光圈，用于将光束限制在光源的二次图像附近，以缩小对入射角特征敏感的光学元件上的入射角范围。

虽然日本专利公开No.H05(1993)-303085中说明的光学系统可以改善图像的对比度，但是，将光束限制在光源的二次图像附近大大地缩小了照射液晶面板的光量。换句话说，所产生的投影图像发暗。

此外，光学系统将光束限制在比颜色分离光学系统更接近于光源的位置，以致于它不能限制与波长相关联的光束，因此，在改善黑色显示状态下的黑色颜色和黑色不均匀性方面不是十分有效。

发明内容

本发明提供了在改善黑色颜色和黑色不均匀性方面有效的图像显示光学系统，它能够减轻光量的减小，本发明还提供了使用该系统的投影设备。

根据一个方面，本发明提供了一种图像显示光学系统，包括二向色表面，该表面透射来自光源的第一波长带的光，并从其反射比第一波长带更长的波长带的光，还包括偏振光束分离表面，透射通过二向色表面的光照射到该表面上，还包括光调制元件，向该元件引入来自偏振光束分离表面的光，还包括投射来自光调制元件的光的投影光学系统。

当以小于45度的入射角照射到二向色表面上，然后以大于45度的入射角在第一波长带的光的光路中照射到偏振光束分离表面的线性偏振光被称为“第一入射角光”时，比二向色表面对于第一入射角光具有最大透射率时的波长更长并且二向色表面对于第一入射角光的透射率是10％时的波长被称为“波长Wa”，而比波长Wa更短的波长的范围被称为“波长范围W”，偏振光束分离表面具有这样的特征：其对于波长范围W中的第一入射角光的透射率等于或低于5％。

根据另一个方面，本发明提供了一种图像显示光学系统，包括二向色表面，该表面透射来自光源的第一波长带的光，并从其反射比第一波长带更长的波长带的光，还包括偏振光束分离表面，透射通过二向色表面的光入射到该表面上，还包括光调制元件，向该元件引入来自偏振光束分离表面的光，还包括投射来自光调制元件的光的投影光学系统。

当以小于45度的入射角入射到二向色表面上，然后以大于45度的入射角在第一波长带的光的光路中入射到偏振光束分离表面的线性偏振光被称为“第一入射角光”时，比二向色表面对于第一入射角光具有最大透射率时的波长更长并且二向色表面对于第一入射角光的透射率是10％时的波长被称为“波长Wa”，而比波长Wa更短的波长的范围被称为“波长范围W”，偏振光束分离表面具有这样的特征：其对于波长范围W中的第一入射角光的反射率等于或低于5％。

通过阅读下面参考附图对优选实施例进行的说明，本发明的其他目的和特点将显而易见。

附图说明

图1是显示了本发明的实施例1的液晶投影仪的结构的示意图。

图2是显示了实施例1中的波长选择相位差板的特征曲线的图。

图3是显示了实施例1中的组合PBS的特征曲线的图。

图4是显示了实施例1中的分色镜的透射率的图。

图5是显示了实施例1中的S偏振光的G-PBS的透射率的图。

图6显示了实施例1中的从分色镜到G面板的光路。

图7是显示了本发明的实施例2的液晶投影仪的结构的示意图。

图8是显示了实施例2中的P偏振光的G-PBS的反射率的图。

图9显示了实施例2中的从分色镜到G面板的光路。

图10是显示了S偏振光的常规的G-PBS的透射率的图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的优选实施例。

(实施例1)

图1显示了本发明的实施例1的液晶投影仪的结构。实施例1的投影仪包括由弧形管和反射器构成的光源1、照明光学系统2、充当颜色分离光学系统的颜色分离/组合光学系统3、充当光调制元件或成像元件的反射性液晶面板6，7和8，以及投影透镜4。照明光学系统2、颜色分离/组合光学系统3、反射性液晶面板6，7，8，以及投影透镜4构成了图像显示光学系统。这也适用于稍后所描述的实施例2。

照明光学系统2将来自光源1的光引导到颜色分离/组合光学系统3。

颜色分离/组合光学系统3将来自照明光学系统2的白色光分离为红色光(例如，波长范围从600到650纳米的R光)，绿色光(例如，波长范围从500到600纳米的G光)，以及蓝色光(例如，波长范围从440到500纳米的B光)，并将它们引导到对应的反射性液晶面板。颜色分离/组合光学系统3将来自三个反射性液晶面板6，7和8的R光、G光以及B光组合起来，并将组合的光引导到投影透镜4。

反射性液晶面板6，7和8连接到液晶驱动电路30，该液晶驱动电路30又连接到诸如个人计算机、DVD播放器以及电视调谐器之类的图像提供设备40。液晶驱动电路30基于从图像提供设备40输入给它的图像(视频)信息驱动相应的反射性液晶面板，并使面板形成相应颜色的原始图像。如此，进入到每一个反射性液晶面板的光根据原始图像被反射和调制(图像调制)。液晶投影仪和图像提供设备40构成了图像显示系统。这也适用于稍后所描述的实施例2。

投影透镜4将来自反射性液晶面板6，7和8的组合光投射到屏幕(投影表面)5上。

发自光源1的光是非偏振光，但被照明光学系统2中包括的偏振转换元件2a转换为P偏振光。

颜色分离/组合光学系统3包括分色镜9和三个偏振光束分离器10，11和12。在下面的描述中，偏振光束分离器10和11分别被称为“G-PBS”和“RB-PBS”。执行颜色组合的偏振光束分离器12被称为“组合PBS”。

通过在玻璃衬底上形成由多层膜构成的二向色膜(二向色表面)，提供了分色镜9。分色镜9反射来自照明光学系统2的白光的R光和B光，并透射其G光，以将R光和B光的光路与G光的光路分离开来。换句话说，分色镜9透射G光，并反射其波长比G光的波长更长的R光。

通过在两个结合的玻璃块(每一个都具有三棱镜的形状)之间的交界面处形成由多层膜构成的偏振光束分离膜(即，偏振光束分离表面)，提供每个偏振光束分离器(PBS)。

在R光和B光的光路上提供波长选择相位差板15，用于分离被分色镜9反射的R光和B光。波长选择相位差板15对于P偏振光和S偏振光具有如图2所示的特征曲线(T代表透射率)。在图2中，实线代表S偏振光的透射率，而虚线代表P偏振光的透射率。R光(其是P偏振光)被波长选择相位差板15转换为S偏振光，但B光仍是P偏振光。

透射通过波长选择相位差板15的R光作为S偏振光进入到RB-PBS 11，然后被RB-PBS 11的偏振光束分离表面反射朝向用于R光的反射性液晶面板8(以下简称为“R面板”，用于G和B的其他液晶面板6和7分别被称为“G面板”和“B面板”)。R光被R面板8进行图像调制，以变成P偏振光，然后透射通过RB-PBS 11的偏振光束分离表面到达组合PBS 12。

B光作为P偏振光进入RB-PBS 11，然后透射通过RB-PBS 11的偏振光束分离表面朝向B面板7。B光被B面板7进行图像调制，以变成S偏振光，然后被RB-PBS 11的偏振光束分离表面反射到达组合PBS 12。

组合PBS 12具有如图3所示的特征曲线。在图3中，实线代表S偏振光的透射率，而虚线代表P偏振光的透射率。组合PBS 12的偏振光束分离表面对R光具有偏振光束分离功能，对B光和G光具有二向色功能。

在组合PBS 12和RB-PBS 11之间放置了用于对B光进行分析的偏振板16。经过偏振板16分析的B光进入到组合PBR12，然后透射通过其偏振光束分离表面到达投影透镜4。R光通过具有如图3所示的分析特征曲线的组合PBS 12的偏振光束分离表面被分析，并透射通过偏振光束分离表面，到达投影透镜4。

另一方面，透射通过分色镜9的G光是P偏振光，然后该光透射通过G-PBS 10的偏振光束分离表面10a到达G面板6。G光被G面板6进行图像调制，以变成S偏振光，然后被G-PBS 10的偏振光束分离表面10a反射，以到达组合PBS 12。

在组合PBS 12和G-PBS 10之间放置了用于对G光进行分析的偏振板17。经过偏振板17分析的G光被组合PBS 12的偏振光束分离表面反射，以被引导到投影透镜4。

图4显示了此实施例1中的分色镜9的特征曲线。在图4中，实线代表入射角α为45度时光线(或光)的透射率(T₄₅)，而虚线代表入射角α大于45度时光线的透射率(T_(α>45))。点划线代表入射角α小于45度时光线的透射率(T_(α<45))。入射角表示相对于光入射的表面的法线的角度。分色镜9对于入射角为45度的光线在长波长一侧具有大致为590纳米的切割波长(cut wavelength)(透射率为50％的波长)。

从图4可以看出，代表入射角α小于45度时光线的透射率的曲线相对于代表入射角α为45度时光线的透射率的曲线一般朝着长波长一侧偏移。代表入射角α大于45度时光线的透射率的曲线朝着短波长一侧偏移。第一波长带对应于其中分色镜9对于入射角α小于45度时的光线具有至少10％的透射率的波长带。如此，G光的光路包括比上文所说明的G光的波长带更长的波长带中的某些光。这也适用于稍后所描述的实施例2。

图5显示了G-PBS 10的偏振光束分离表面10a对于S偏振光的透射率特征曲线。在图5中，实线代表入射角β为45度时S偏振光的透射率(Ts₄₅)，而点划线代表入射角β小于45度时S偏振光的透射率(TS_(β<45))。虚线代表入射角β大于45度时S偏振光的透射率(TS_(β>45))。

从图5可以看出，代表入射角β大于45度时S偏振光的透射率的曲线相对于代表入射角β为45度时S偏振光的透射率的曲线一般朝着短波长一侧偏移。代表入射角β小于45度时S偏振光的透射率的曲线朝着长波长一侧偏移。

如图6所示，当光线以小于45度的入射角α进入分色镜9时，光线以大于45度的入射角β进入G-PBS 10的偏振光束分离表面10a。

在此实施例中，进入颜色分离/组合光学系统3的大多数光是P偏振光。然而，实际上，该光还包含少量的不能被偏振转换元件2a转换的S偏振光。如果G光的光路中包含的少量的S偏振光进入G-PBS10，则G光的光路中比较长的波长的S偏振光基于如图5所示的S偏振光的透射率特征曲线，透射通过G-PBS 10的偏振光束分离表面10a。

透射通过G-PBS 10的偏振光束分离表面10a的G光的光路中的S偏振光进入G面板6。S偏振光在黑色显示状态下不经过图像调制，以致于它作为S偏振光从G面板6出射。光被G-PBS 10的偏振光束分离表面10a反射朝向组合PBS 12，并通过投影透镜4到达屏幕5。该光叫做“泄漏光”，是在G光的光路中生成的，其降低了投影图像的黑色颜色，或增大了黑色显示状态中的其黑色不均匀性，从而减小了对比度。

在图6中，G-PBS 10的偏振光束分离表面10a上的光线的入射角β可以表示为下列表达式：

其中，θ代表G面板6上的光线的入射角。

在此实施例中，G-PBS 10的偏振光束分离表面10a的特征曲线被设置为满足下列表达式：

Ts(β)≤5％ (2)

其中，Ts(β)代表S偏振光在入射角β时在G-PBS10的偏振光束分离表面10a上的透射率。

再次参看图6，以小于45度的入射角α入射到分色镜9上，然后在G光的光路中以大于45度的入射角β入射到G-PBS 10的偏振光束分离表面10a的S偏振光被称为“第一入射角光”。请回头参看图4，在G光的光路中，Wa代表比分色镜9对于第一入射角光为最大透射率时的波长更长并且分色镜9对于第一入射角光的透射率是10％时的波长。比波长Wa更短的波长的范围被称为W。

在此情况下，偏振光束分离表面10a具有这样的特征：波长范围W中的第一入射角光(S偏振光)的透射率等于或低于5％。在图5中，部分A显示了等于或低于5％的透射率。

图10显示了常规G-PBS 10的偏振光束分离表面对于S偏振光的透射率特征曲线。在图10中，实线代表在入射角为45度时S偏振光的透射率，而虚线代表在入射角大于45度时S偏振光的透射率。点划线代表在入射角小于45度时S偏振光的透射率。

在图10中，常规G-PBS对于在偏振光束分离表面上入射角为45度时的S偏振光具有大致为590纳米的切割波长(透射率为50％的波长)。相比之下，如图5所示，实施例1的G-PBS 10对于在偏振光束分离表面10a上入射角为45度时的S偏振光具有大致为640纳米的切割波长。换句话说，在实施例1中，与对于在常规偏振光束分离表面和分色镜9上入射角为45度时的S偏振光的切割波长(两者都大致为590纳米)相比，对于在偏振光束分离表面10a上入射角为45度时的S偏振光的切割波长朝着长波长一侧偏移。这就实现了满足上文所提及的表达式(2)的特征曲线。

根据此实施例，以小于45度的入射角α入射到分色镜9上，然后在G光的光路中透射通过分色镜9的S偏振光，仅以5％或更低的透射率透射通过G-PBS 10的偏振光束分离表面10a。如此，甚至在G-PBS 10的入射侧没有提供任何偏振板的情况下，也只有非常少量的S偏振光在黑色显示状态下进入G面板6。结果，可以改善黑色颜色和黑色不均匀性，以增强投影图像的对比度。由于G-PBS 10的偏振光束分离表面10a在本实施例中负责偏振板的功能，因此，不需要传统上放置在G-PBS的入射侧上的偏振板。这可以降低成本，并可以避免由于偏振板的劣化而可能导致的缺点。

(实施例2)

图7显示了本发明的实施例2的液晶投影仪的结构。由于该液晶投影仪与实施例1的液晶投影仪具有相同的基本结构，因此，与实施例1中的组件相同的组件具有相同的附图标记。

然而，在实施例2中，S偏振光从照明光学系统2(偏振转换元件2a′)出射。

在实施例2中，如在实施例1中那样，分色镜9将R光和B光与G光分离开来。然而，在实施例2中，使用波长选择相位差板15来将B光的偏振态从S偏振光改变为P偏振光，而R光仍保持是S偏振光。对R光和B光的其他光学操作类似于实施例1中的那些操作。

在G光的光路中，透射通过分色镜9的G光作为S偏振光进入G-PBS 10，然后被G-PBS 10的偏振光束分离表面10a反射，以进入G面板6。G光被G面板6进行图像调制，以变成P偏振光，然后透射通过G-PBS 10的偏振光束分离表面10a，以被引导到组合PBS12。

从G-PBS 10出射的G光通过在G-PBS 10和组合PBS 12之间提供的偏振板17被分析，并被组合PBS 12的偏振光束分离表面朝着投影透镜4反射，以到达屏幕5。组合PBS 12具有类似于实施例1的对等物的特征曲线。

图8是显示了本实施例中的G-PBS 10的偏振光束分离表面10a对于P偏振光的反射率特征曲线的图。在G-PBS 10的偏振光束分离表面10a上，虚线所显示的代表在入射角大于45度时P偏振光的反射率(Rp_(β>45))的曲线，相对于实线所显示的代表在入射角为45度时P偏振光的反射率(Rp₄₅)的曲线，一般朝着短波长一侧偏移。点划线所显示的代表在入射角小于45度时P偏振光的反射率(Rp_(β<45))的曲线，朝着短波长一侧偏移。

从照明光学系统2出射的大多数光是S偏振光。然而，实际上，该光还包含少量的P偏振光。虽然大多数P偏振光在G光的光路中透射通过G-PBS 10的偏振光束分离表面10a，但是，实际上某些波长较短的光也被反射，如图8所示。

如图9所示，当θ代表在G面板6上的光线的入射角θ时，G-PBS 10的偏振光束分离表面10a上光线(光)的入射角β可以通过上文所提及的表达式(1)来表示。

在实施例2中，G-PBS 10的偏振光束分离表面10a的特征曲线被设置为满足下列表达式(3)：

Rp(β)≤5％ (3)

其中，Rp(β)代表P偏振光在入射角β时在G-PBS 10的偏振光束分离表面10a上的透射率。

再次请参看图9，以小于45度的入射角α入射到分色镜9上，然后在G光的光路中以大于45度的入射角β入射到G-PBS 10的偏振光束分离表面10a上的P偏振光被称为“第一入射角光”。请回头参看图4，在G光的光路中，Wa代表比分色镜9对于第一入射角光的最大透射率时的波长更长，并且分色镜9对于第一入射角光的透射率是10％时的波长。比波长Wa更短的波长范围被称为W。

在此情况下，偏振光束分离表面10a具有这样的特征：波长范围W中的第一入射角光(P偏振光)的反射率等于或低于5％。在图8中，部分B显示了等于或低于5％的反射率。在此情况下，没有考虑比波长范围W中最短的波长更短的波长的光分量，因为它们被分色镜9去除。

在此实施例中，代表P偏振光在偏振光束分离表面10a上入射角为45度时的特征的曲线，与代表S偏振光在常规偏振光束分离表面和分色镜9上入射角为45度时的特征的曲线相比朝着短波长一侧偏移。这就实现了满足上文所提及的表达式(3)的特征曲线。

根据此实施例，以小于45度的入射角α入射到分色镜9上，然后在G光的光路中透射通过分色镜9的P偏振光，仅以5％或更低的反射率被G-PBS 10的偏振光束分离表面10a反射。如此，甚至在G-PBS 10的入射侧没有提供任何偏振板的情况下，也可以减少黑色显示状态下的泄漏光，以改善黑色颜色和黑色不均匀性，从而增强投影图像的对比度。由于不需要任何偏振板，因此可以降低成本，并可以避免由于偏振板的劣化而可能导致的缺点。

如上所述，根据实施例1和2，可以改善黑色显示状态下的黑色颜色和黑色不均匀性，以增强投影图像的对比度，而不会显著减少光量。此外，偏振光束分离表面也可以具有作为偏振板的功能，从而不需要传统上在偏振光束分离表面的入射侧需要的偏振板。

尽管实施例1和2描述了具有反射性液晶面板的投影仪，但是，也可以使用其他光调制元件或成像元件，如透射性液晶面板和DMD(数字微反光镜设备)。

尽管实施例1和2是结合反射G光并透射R光和B光的分色镜9进行描述的，但是，这仅仅是示例性的。换句话说，可以使用任何其他颜色分离光学系统，例如，其中分色镜透射B光并反射其波长比B光的波长更长的G光的颜色分离光学系统。

此外，本发明不仅限于这些优选实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims

1.一种图像投影光学系统，包括：

二向色表面，该表面透射来自光源的第一波长带的光，并从其反射比第一波长带更长的波长带的光；

偏振光束分离表面，透射通过二向色表面的光入射到该表面上；

光调制元件，向该元件引入来自偏振光束分离表面的光；以及

投射来自光调制元件的光的投影光学系统，

其中，当以小于45度的入射角入射到二向色表面上，然后以大于45度的入射角在第一波长带的光的光路中入射到偏振光束分离表面上的线性偏振光被称为第一入射角光时，比二向色表面对于第一入射角光具有最大透射率时的波长更长并且二向色表面对于第一入射角光的透射率是10％时的波长被称为波长Wa，而比波长Wa更短的波长的范围被称为W，

偏振光束分离表面具有这样的特征：其对于波长范围W中的第一入射角光的透射率等于或低于5％。

2.根据权利要求1所述的图像投影光学系统，其中，偏振光束分离表面对于第一入射角光的切割波长比二向色表面对第一入射角光的切割波长更长。

3.一种图像投影设备，包括：

光源；以及

根据权利要求1或2所述的图像投影光学系统。

4.一种图像显示系统，包括：

根据权利要求3所述的图像投影设备；以及

向图像投影设备提供图像信息的图像提供设备。

5.一种图像投影光学系统，包括：

投射来自光调制元件的光的投影光学系统，

其中，当以小于45度的入射角入射到二向色表面上，然后以大于45度的入射角在第一波长带的光的光路中入射到偏振光束分离表面上的线性偏振光被称为第一入射角光时，比二向色表面对于第一入射角光的具有最大透射率时的波长更长并且二向色表面对于第一入射角光的透射率是10％时的波长被称为波长Wa，而比波长Wa更短的波长的范围被称为W，

偏振光束分离表面具有这样的特征：其对于波长范围W中的第一入射角光的反射率等于或低于5％。

6.一种图像投影设备，包括：

光源；以及

根据权利要求5所述的图像投影光学系统。

7.一种图像显示系统，包括：

根据权利要求6所述的图像投影设备；以及

向图像投影设备提供图像信息的图像提供设备。