CN101295075B - 颜色合成光学系统和使用所述系统的图像投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及颜色合成光学系统和使用所述系统的图像投影设备，所述颜色合成光学系统包括：用于第一波长范围内的光的第一偏振分光表面和用于第二波长范围内的光和第三波长范围内的光的第二偏振分光表面。第一偏振分光表面把第一波长范围内的照明光导向第一液晶显示元件，把从第一液晶显示元件反射的图像光导向不同于照明光方向的方向。第二偏振分光表面把第二波长范围内的照明光与第三波长范围内的照明光相互分离，分别将其导向第二液晶显示元件和第三液晶显示元件，并合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶显示元件反射的图像光，从而把合成光导向第一偏振分光表面。第一偏振分光表面合成从第一液晶显示元件反射的图像光与所述合成光。

Description

颜色合成光学系统和使用所述系统的图像投影设备

技术领域

本发明涉及一种颜色合成光学系统(颜色分离-合成光学系统)。更具体地，本发明涉及一种用于诸如液晶投影仪之类的图像投影设备中的颜色合成光学系统，以及一种图像投影设备。

背景技术

美国专利第6,626,540号讨论一种用于反射型液晶投影仪中的颜色分离-合成光学系统，其中一个二向色镜和三个偏振光束分光器(PBS)位于照明光学系统与投影光学系统之间的光学路径上。然而，颜色分离-合成光学系统的组件数量是很大的。需要颜色分离-合成光学系统的进一步小型化。

日本专利申请公开第2003-021807号讨论一种配置有一个PBS和一个二向色棱镜的液晶投影仪。因此，实现液晶投影仪的小型化。

然而，在日本专利申请公开第2003-021807号中讨论的液晶投影仪中，从液晶面板反射的图像光在被PBS分析之前通过二向色棱镜。因而，紧接从液晶面板反射之后的图像光的偏振状态被通过二向色棱镜的图像光改变。因此，被投影的图像的对比度减小。

发明内容

本发明针对一种颜色合成光学系统，它可以具有更小的组件数量，它可以输出高对比度的图像光。本发明也针对使用这种颜色合成光学系统的图像投影设备。

根据本发明的一个方面，一种颜色合成光学系统包括：第一偏振分光表面，对于第一波长范围内的光具有偏振分光特性；和第二偏振分光表面，对于第二和第三波长范围内的光具有偏振分光特性。第一偏振分光表面被配置为把第一波长范围内的照明光导向第一液晶显示元件以及把从第一液晶显示元件反射的图像光在不同于照明光方向的方向上引导。第二偏振分光表面被配置为把第二波长范围内的照明光与第三波长范围内的照明光相互分离，把第二波长范围内的照明光导向第二液晶显示元件，把第三波长范围内的照明光导向第三液晶显示元件，以及合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶显示元件反射的图像光从而把合成光导向第一偏振分光表面。第一偏振分光表面被配置为合成从第一液晶显示元件反射的图像光与通过第二偏振分光表面合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶显示元件反射的图像光而获得的合成光。

根据本发明的另一方面，一种图像投影设备包括：第一、第二和第三液晶显示元件；投影光学系统，被配置为投射来自所述第一、第二和第三液晶显示元件的图像光；以及颜色合成光学系统，被配置为把来自光源的光导向所述第一、第二和第三液晶显示元件并且把来自所述第一、第二和第三液晶显示元件的图像光导向投影光学系统。所述颜色合成光学系统包括：第一偏振分光表面，对于第一波长范围内的光具有偏振分光特性；和第二偏振分光表面，对于第二波长范围内的光和第三波长范围内的光具有偏振分光特性。第一偏振分光表面被配置为把第一波长范围内的照明光导向第一液晶显示元件并且把从第一液晶显示元件反射的图像光导向不同于照明光方向的方向。第二偏振分光表面被配置为把第二波长范围内的照明光与第三波长范围内的照明光互相分离，把第二波长范围内的照明光导向第二液晶显示元件并且把第三波长范围内的照明光导向第三液晶显示元件，以及合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶显示元件反射的图像光从而把合成光导向第一偏振分光表面。第一偏振分光表面被配置为合成从第一液晶显示元件反射的图像光与通过第二偏振分光表面合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶显示元件反射的图像光而获得的合成光。

参考附图，根据下列示例性实施例的详细描述，本发明的进一步特征和方面将变得清晰。

附图说明

并入说明书并且组成说明书一部分的附图图示了本发明的示例性实施例、特征和各方面，并且与说明书一起用于说明本发明的原理。

图1示出根据本发明第一示例性实施例的图像投影设备的配置。

图2示出根据本发明第一示例性实施例的图像投影设备的第二偏振光束分光器的偏振分光特性。

图3示出根据本发明第二示例性实施例的图像投影设备的配置。

图4示出根据本发明第三示例性实施例的图像投影设备的配置。

图5示出根据本发明第三示例性实施例的图像投影设备的第一偏振光束分光器的偏振分光特性。

图6示出根据本发明第三示例性实施例的图像投影设备中的蓝光专用偏振片的特性。

图7示出根据本发明第四示例性实施例的图像投影设备。

图8示出根据本发明第一示例性实施例的第一修改的图像投影设备的配置。

图9示出根据本发明第一示例性实施例的第二修改的图像投影设备的配置。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的各种示例性实施例、特征和方面。

在下文中，详细描述根据示例性实施例的颜色合成光学系统和各自具有颜色合成光学系统的图像投影设备。在下列第一、第二、第三和第四示例性实施例中，描述图像投影设备。然而，本发明可以通过图像投影设备中的颜色合成光学系统200的一部分来实现。更具体地，如根据第四示例性实施例显而易见的，本发明也可以通过不包括二向色镜6、26和46以及反射镜7、27和47的颜色合成光学系统来实现，它们作为组成元件包括在第一到第三示例性实施例中。

更具体地，根据本发明的一个示例性实施例的颜色合成光学系统包括：第一偏振分光表面，对于第一波长范围内的光具有偏振分光特性(偏振分光功能)；和第二偏振分光表面，对于第二波长范围内的光和第三波长范围内的光具有偏振分光特性(偏振分光功能)。第一偏振分光表面把第一波长范围内的照明光导向第一液晶显示元件，并且把从第一液晶显示元件反射的图像光在不同于照明光方向的方向上引导。进一步，第二偏振分光表面把第二波长范围内的照明光和第三波长范围内的照明光相互分离，把第二波长范围内的照明光导向第二液晶显示元件，并且把第三波长范围内的照明光导向第三液晶显示元件。而且，第二偏振分光表面合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶显示元件反射的图像光从而把合成光导向第一偏振分光表面。最后，第一偏振分光表面合成从第一液晶显示元件反射的图像光与通过第二偏振分光表面获得的合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶图像显示元件反射的图像光的合成光。

根据本发明的一个示例性实施例，偏振分光特性(偏振分光功能)是反射某一偏振方向的光并且透射其它偏振方向的光的一种特性(功能)。尽管理想的特性(功能)是反射和透射100％的入射光，但是反射和透射入射光的至少50％(优选75％或更多)也是期望的。

在本发明的以下示例性实施例中，假设第一波长范围内的光为绿光，第二波长范围内的光为蓝光，第三波长范围内的光为红光。当然，可以选择任何颜色光作为第一、第二和第三波长范围中的每一范围内的光。

用这种配置，本发明可以提供一种能够减少组件数量和发射高对比度图像光的颜色合成光学系统。另外，本发明可以提供使用这种颜色合成光学系统的图像投影设备，它能够获得高对比度的投影图像。

第一示例性实施例

参照图1和2描述本发明的第一示例性实施例。在第一示例性实施例中，从光源1发射的白光经由照明光学系统100导向反射型液晶显示元件(图像显示元件)10R、10G和10B。从各反射型液晶显示元件10R、10G和10B(分别对应于第一、第二和第三液晶显示元件)出射的图像光经由投影光学系统16(例如投影透镜)投射到投影表面，例如屏幕。然而，投影光学系统16不局限于一个透镜。用于执行通过了照明光学系统100的照明光通量的颜色分离并且用于把分离的光通量导向反射型液晶显示元件10R、10G和10B的颜色合成光学系统200位于照明光学系统100与投影光学系统16之间。颜色合成光学系统200也具有合成从反射型液晶显示元件10R、10G和10B出射的图像光从而把合成的图像光导向投影光学系统16的功能。

首先，下面参照图1描述照明光学系统100。照明光学系统100和颜色合成光学系统200各在图1中的虚线框内图示。点划线代表光线束的主光线的光学路径(对应于用于把三色光线从光源1导向屏幕的光学系统的光轴)，这些光线束分别入射到三个反射型液晶显示元件10R、10G和10B的中心并从其中心出射以便投射到屏幕上。

从光源(即，灯的发光部分)1以所有方向发射的光通量被抛物面反射器2反射从而变为平行光通量。平行光通量通过第一透镜阵列3分成多个部分光通量。部分光通量通过第一透镜阵列3会聚到第二透镜阵列4的附近，以便每一个部分光通量形成(二次)光源图像。从第二透镜阵列4离开的分开的光通量被聚光透镜5聚光从而重叠地照明反射型液晶显示元件10R、10G和10B。红外线阻隔滤镜(未示出)可以位于第一透镜阵列3的光源侧。

偏振转换元件(未示出)位于紧接第二透镜阵列4之后(即，在聚光透镜5的光源侧)。偏振转换元件把上述多个部分光通量转换成具有相同偏振方向的线性偏振光(例如，p-偏振光)。偏振转换元件通过布置多个偏振转换元件作为阵列(沿着多个偏振转换元件与照明光学系统100的光轴相交的方向，或者沿着第二透镜阵列4的多个透镜布置的方向)而配置。偏振转换元件把非偏振光转换成线性偏振光(例如，p-偏振光)。因此，偏振转换元件(未示出)可以被称为偏振转换元件阵列。

从以上述方式配置的照明光学系统100离开的光通量(照明光通量)被导向颜色合成光学系统200。

接着，下面参照图1和2描述颜色合成光学系统200。

二向色镜6具有反射色光，例如包括在从光源1发射的白光中的蓝光(对应于第二波长范围内的光、第二色光或B)和红光(对应于第三波长范围内的光、第三色光或R)，以及透射色光，例如绿光(对应于第一波长范围内的光、第一色光或G)的特性。一般来说，蓝光的波长范围为从大约400nm到大约500nm。绿光的波长范围为从大约500nm到大约600nm。红光的波长范围为从大约600nm到大约700nm。即，第一色光、第二色光和第三色光在波长范围方面互不相同。

下面描述通过了上述二向色镜6的绿光的光学路径。

反射镜7反射通过了二向色镜6的绿光。入口侧偏振片(即，光源侧偏振片、用于绿光的入口侧偏振片或第一入口侧偏振片)8仅透射p-偏振光(对应于所意图的偏振方向)，吸收或反射s-偏振光(对应于与所意图的偏振方向垂直的偏振方向)。第一偏振光束分光器9具有偏振分光表面(第一偏振分光表面)，它透射p-偏振光(第一线性偏振光)并且反射偏振方向垂直于p-偏振光的偏振方向的s-偏振光(第二线性偏振光)。术语“偏振分光表面”可以指涂覆了偏振分光膜(即，具有偏振分光功能的膜)的表面或者可以指接合了两个棱镜的表面。偏振分光膜(即，具有偏振分光功能的膜)具有如下功能：通过透射具有给定线性偏振分量的光通量并且反射线性偏振分量垂直于给定偏振分量的光通量，把偏振分量相互垂直的光通量相互分离。偏振片可以是具有这样功能的光学元件(包括膜)：透射具有给定线性偏振分量的光通量，并且反射或吸收(即不透射)偏振分量垂直于给定偏振分量的光通量。

用于绿色(绿光)的反射型液晶显示元件10G反射入射光并且执行图像调制。光学元件11G是用于绿光的四分之一波长片。光学路径调节棱镜70用来调节光学路径。光学路径调节棱镜70是用于使从反射型液晶显示元件10R、10G和10B到屏幕(投影表面)的色光通量的光学路径基本上相等(例如，将最短的一条光学路径设置为等于或大于最长的一条光学路径的90％，作为替换方案，97％)的光学元件。绿光(照明光)是被偏振光束分光器9透射的p-偏振光，它经由光学路径调节棱镜70和四分之一波长片11G入射到用于绿光的反射型液晶显示元件10G。入射到反射型液晶显示元件10G的绿光经历图像调制(例如，绿光的一部分被调制成s-偏振光)。然后，从反射型液晶显示元件10G反射的已调制光经由光学路径调节棱镜70和四分之一波长片11G进入第一偏振光束分光器9。进一步，包括在入射到第一偏振光束分光器9的绿光中的s-偏振光(图像光)从偏振分光表面被反射从而被导向投影光学系统16。因而，从绿光获得的图像光投射到投影表面上。顺便提及，从绿光获得的s-偏振光被称为图像光。要被导向投影光学系统16并要被投射到投影表面的光，即偏振方向通过反射型液晶显示元件10G而从p-偏振光方向变为s-偏振光方向(或者从s-偏振光方向变为p-偏振光方向)的光，被称为图像光。

接着描述从上述二向色镜6反射的蓝光和红光的光学路径。

入口侧偏振片(即，光源侧偏振片、用于红光和蓝光的入口侧偏振片、用于白光的偏振片或第二入口侧偏振片)12透射来自红光和蓝光的p-偏振光(对应于所意图的偏振方向)，吸收或反射s-偏振光。通过了入口侧偏振片12的红光和蓝光作为p-偏振光入射到第二偏振光束分光器13。

第二偏振光束分光器13具有在图2中示出的波长特性(即，偏振分光特性或偏振分光功能)。即，第二偏振光束分光器13具有偏振分光表面(涂覆了偏振分光膜的表面，两个棱镜跨越其而相互面对的表面，或第二偏振分光表面)，它对于红光的偏振分光特性与对于蓝光的偏振分光特性相反。更具体地，第二偏振光束分光器13透射s-偏振的蓝光并且反射p-偏振的蓝光。另一方面，第二偏振光束分光器13反射s-偏振的红光并且透射p-偏振的红光。

因此，入射到第二偏振光束分光器13的p-偏振的蓝光被反射，然后经由四分之一波长片11B入射到用于蓝色(蓝光)的反射型液晶显示元件10B。随后，被调制并从用于蓝色(蓝光)的反射型液晶显示元件10B反射的蓝光经由四分之一波长片11B进入第二偏振光束分光器13。通过液晶显示元件10B把入射到第二偏振光束分光器13的蓝光所调制而成的s-偏振光(图像光)通过第二偏振光束分光器13并被导向投影光学系统16。

进一步，入射到第二偏振光束分光器13的p-偏振的红光通过，然后经由四分之一波长片11R入射到用于红色(红光)的反射型液晶显示元件10R。随后，从用于红色(红光)的反射型液晶显示元件10R被调制和反射的红光(图像光)经由四分之一波长片11R进入第二偏振光束分光器13。通过液晶显示元件10R把入射到第二偏振光束分光器13的红光所调制而成的s-偏振光(图像光)从第二偏振光束分光器13被反射，并被导向投影光学系统16。

因而，从第二偏振光束分光器13导向投影系统16的红光和蓝光的s-偏振光通量，入射到出口侧偏振片14，所述出口侧偏振片14透射s-偏振光并且吸收或反射p-偏振光。然后，从出口侧偏振片14离开的s-偏振光入射到半波长片15从而转换成p-偏振光。随后，从半波长片15离开的红光和蓝光的p-偏振光通量通过第一偏振光束分光器9。然后，透射的蓝光和红光通量入射到投影光学系统16并且被投射到投影表面。

在执行黑色显示(black display)的情况下，绿光以如下一种状态再次入射到第一偏振光束分光器9，在所述状态中，从用于绿光的反射型液晶显示元件10G反射的所有绿光都是p-偏振光。然后，绿光通过第一偏振光束分光器9并且向着光源1返回。类似地，从用于红光的反射型液晶显示元件10R反射的红光以如下一种状态通过第二偏振光束分光器13，在所述状态中，所有红光都是p-偏振光。然后，红光向着光源1返回。从用于蓝光的反射型液晶显示元件10B反射的蓝光以如下一种状态通过第二偏振光束分光器13，在所述状态中，所有蓝光都是p-偏振光。然后，蓝光向着光源1返回。非图像光的光(例如，未通过液晶显示元件调制以及未改变偏振方向的光)向着光源1返回，与执行黑色显示的情况中的光类似。

根据第一示例性实施例，光学路径调节棱镜70位于第一偏振光束分光器9与液晶显示元件10G之间(在第一偏振光束分光器9的液晶显示元件侧)。然而，根据本发明的第一示例性实施例的配置不局限于此。例如，如图8中所图示，在第一偏振光束分光器9与反射型液晶显示元件10G之间可以提供空间(第一示例性实施例的第一修改)，而不放置光学路径调节棱镜70。在这种情况下，至少，第一偏振光束分光器9与用于绿光的反射型液晶显示元件10G之间的距离可以设为大于第二偏振光束分光器13与用于蓝光或红光的反射型液晶显示元件10B或10R之间的距离。作为替换方案，可以使从投影光学系统16(即，投影光学系统16的多个光学表面例如透镜表面中，到反射型液晶显示元件侧最近的光学表面)到反射型液晶显示元件10R、10G和10B的距离(光学路径上的后焦点)基本上彼此相等。因而，在可以使从投影光学系统16到反射型液晶显示元件10R、10G和10B的光学路径长度基本上彼此相等(最短光学路径等于或大于最长光学路径的90％或97％)的情况下，可以防止由一种色光形成的图像模糊或者放大倍率不同于由其它色光通量形成的图像。显然地，如图8中所示不放置光学路径调节棱镜70，反射型液晶显示元件10G与第一偏振光束分光器9(投影光学系统16)之间的距离可以在投影图像的图像质量不会下降的范围内(或者即使当投影图像的图像质量下降时图像质量的下降也可容忍的范围内)减小。

作为替换方案，例如如图9中所示，光学元件71例如透镜可以位于第一偏振光束分光器9与液晶显示元件10G或四分之一波长片11G之间(第一示例性实施例的第二修改)。

作为替换方案，光学元件例如透镜可以位于第一偏振光束分光器9与各液晶显示元件10R和10B之间(即，在第一偏振光束分光器9的第二液晶显示元件侧和/或第三液晶显示元件侧)。在那时，对于红光的光学路径和蓝光的光学路径公用的透镜可以位于第一偏振光束分光器9和第二偏振光束分光器13之间。作为替换方案，不同的透镜可以分别位于用于红光的反射型液晶显示元件10R与第二偏振光束分光器13之间以及用于蓝光的反射型液晶显示元件10B与第二偏振光束分光器13之间。

作为替换方案，可以通过对投影光学系统16施加色差来校正光学路径长度差。在那时，通过考虑到与红光和蓝光光学路径相比只有绿光光学路径是短的事实，可以对其施加色差。在这种情况下，显然地，术语“透镜”指具有光学能力(即焦距的倒数，或折射能力)的光学元件。衍射光学元件可以分别位于用于红光的反射型液晶显示元件10R与第二偏振光束分光器13之间以及用于蓝光的反射型液晶显示元件10B与第二偏振光束分光器13之间。作为替换方案，通过在各现有光学元件中提供弯曲或在其上提供衍射表面，可以提供具有光学能力(折射能力)的光学表面，代替透镜。

在从光源1(或者其上形成第二光源图像的第二透镜阵列4)到反射型液晶显示元件10R、10G和10B的距离(光学路径长度)互不相同的情况下，这三个反射型液晶显示元件10R、10G和10B上的亮度分布可能互不相同。更具体地，尽管在第一示例性实施例中从光源1到用于红光的反射型液晶显示元件10R的距离等于从光源1到用于蓝光的反射型液晶显示元件10B的距离，但是只有从光源1到用于绿光的反射型液晶显示元件10G的距离更长。在这种情况下，用于绿光的反射型液晶显示元件10G上的亮度分布不同于用于红光的反射型液晶显示元件10R上的亮度和用于蓝光的反射型液晶显示元件10B上的亮度。因而，存在一种可能性，即甚至当反射型液晶显示元件之一上的亮度分布均匀时，另一个反射型液晶显示元件上的亮度分布也可能不均匀。

因而，为了使这三个反射型液晶显示元件10R、10G和10B上的亮度分布相同，在从二向色镜6到第一偏振光束分光器9的光学路径上放置光学元件是有用的。该光学元件像折射透镜和衍射光学元件一样具有光学能力(集光能力，或折射能力)等。可以使用这样的光学元件使这三个反射型液晶显示元件10R、10G和10B上的亮度分布基本上彼此相同。更具体地，光源图像(在下文中有时称为三阶光源)形成在从二向色镜6到第一偏振光束分光器9的光学路径上。然后，用于绿色的反射型液晶显示元件10G用从三阶光源发射的光通量(通过柯勒照明)照明。因此，可以通过额外的光学元件使这三个反射型液晶显示元件10R、10G和10B关于光源的光学位置基本上彼此相同。因而，所有三个反射型液晶显示元件10R、10G和10B可以以类似的程度均匀地被照明。顺便提及，所述额外的光学元件至少包括一个位于二向色镜6与反射镜7之间的正透镜或一个位于反射镜7与入口侧偏振片8之间的正透镜是有用的。

在黑色显示时杂散色光生成并且投射到投影表面的情况下，即使是黑色显示，形成在投影表面上的图像也呈现发白。在这种情况下，调节四分之一波长片11R、11G和11B以在黑色显示时减小杂散光(即，在黑色显示时投射到投影表面的光)的量是有用的。

尽管在第一示例性实施例中从光源1发射的非偏振光通过偏振转换元件(未示出)转换成p-偏振光，但是显然地，非偏振光可以转换成s-偏振光作为替换方案。

尽管在第一示例性实施例中，包括偏振分光表面的偏振光束分光器用作第二偏振光束分光器13，该表面具有图2中所示的偏振分光特性，但是根据本发明的第二偏振光束分光器不局限于此。更具体地，包括对于红光具有与对于蓝光的偏振分光特性相反的偏振分光特性的偏振分光表面的偏振光束分光器可以用作第二偏振光束分光器13。在这种情况下，通过交换用于红色的反射型液晶显示元件10R与用于蓝色的反射型液晶显示元件10B之间的位置，可以获得类似于第一示例性实施例的优势。

一般来说，大多数偏振分光表面(或元件)对于整个可见光波长范围内的光具有基本上相同的偏振分光特性(例如，反射s-偏振光并且透射p-偏振光的特性)。第一偏振光束分光器9(的第一偏振分光表面)可以是通用的偏振光束分光器，其具有反射整个可见光波长范围内的s-偏振光并且透射整个可见光波长范围内的p-偏振光的偏振分光特性。

然而，根据第一示例性实施例的第二偏振光束分光器13在偏振分光特性方面稍微不同于第一偏振光束分光器9。如图2中所示，第二偏振光束分光器13透射s-偏振的红光并且反射p-偏振的红光。进一步，第二偏振光束分光器13反射s-偏振的蓝光并且透射p-偏振的蓝光。因而第二偏振光束分光器13的偏振分光特性随着可见光波长范围内的波长(或颜色)而不同。即使在偏振分光特性随着波长而不同的情况下，在可见光波长范围内(更具体地，对于红色光通量、绿色光通量和蓝色光通量之一)具有反射s-偏振光并且透射p-偏振光或反之的偏振分光特性的表面(或元件)，被称为偏振分光表面(或元件)。

此外，具有在下列第三示例性实施例中详细描述并且在图6中示出的偏振分光特性的表面(或元件)，被称为偏振分光表面(或元件)。即，偏振分光表面关于给定波长范围内的光(在图6中所示的情况中为蓝光)透射s-偏振光并且反射p-偏振光。另一方面，偏振分光表面关于其它波长范围内的光(在图6中所示的情况中为红光)透射s-偏振光和p-偏振光二者。术语“反射”意思是反射入射光量的至少50％(优选75％)。另一方面，术语“透射”意思是透射入射光量的至少50％(优选75％)。

在第一示例性实施例和以下其它示例性实施例中，假设色光通量为三个色光通量，例如红光通量、绿光通量和蓝光通量。然而，根据本发明的色光通量不局限于此。可以使用四个或更多色光通量。

这里描述的偏振片为一种光学元件，其被配置成把具有预定偏振方向的光导向随后的光学系统，并且对于随后的光学系统遮住偏振方向垂直于预定偏振方向的光(或吸收光或把光导向不同于随后光学系统方向的方向)。尽管已经描述了用于白光即用于所有红光、绿光和蓝光的偏振片，作为第一示例性实施例中使用的偏振片，但是根据本发明的偏振片不局限于此。偏振片用于对应于入射到其上的色光的波长范围内的光是有用的。

用图像投影设备的上述配置，红光和蓝光在从反射型液晶显示元件10R和10B出射之后立即被分析。因而，即使在组件数量很小的情况下，由红光和蓝光形成的图像的对比度没有减小。即，第一示例性实施例可以提供一种颜色合成光学系统，它的组件数量很小，它可以提供高对比度的图像光。进一步，第一示例性实施例可以提供一种具有小组件数量的图像投影设备，它可以投射高对比度的投影图像。

在颜色合成光学系统中提供一种用于把白光分离成绿光、红光和蓝光的光学元件(例如，二向色镜6)，如第一示例性实施例和以下实施例中所描述。这是获得高对比度所希望的。然而，根据本发明的颜色合成光学系统的配置不局限于此。在第一示例性实施例中已经描述的红光、绿光和蓝光的光学路径可以相互交换。

在第一示例性实施例中，用于发射绿光的光源可以位于比偏振片8更靠近光源1的位置，用于发射蓝光和红光的光源可以位于比偏振片12更靠近光源1的位置。作为替换方案，用于发射p-偏振的绿光的光源可以位于偏振片8的位置，用于发射p-偏振的蓝光和p-偏振的红光的光源可以位于偏振片12的位置。用该配置，可以实现颜色合成光学系统的进一步小型化。作为替换方案，用于发射p-偏振的绿光的光源可以位于偏振片8的位置，用于发射s-偏振的蓝光和s-偏振的红光的光源可以位于偏振片12的位置。然后，用于红色的液晶显示元件10R的位置和用于蓝色的液晶显示元件10B的位置可以交换。用该配置，可以省去半波长片15。因此，本发明可以在进一步减少组件数量方面具有优势。

第二示例性实施例

下面参照图3描述本发明的第二示例性实施例。以下描述中没有特别描述的第二示例性实施例的组件与第一示例性实施例中的相应组件类似。

光源1、反射器2、照明光学系统100和偏振转换元件(偏振转换元件阵列(未示出))与第一示例性实施例的类似。在第二示例性实施例中，从光源发射的非偏振光通过偏振转换元件转换成s-偏振光。

下面参照图3描述颜色合成光学系统300。二向色镜26具有反射包含在从光源发射的白光中的蓝光(B)和红光(R)并且透射包含在白光中的绿光(G)的特性。

下面描述通过了二向色镜26的绿光光学路径。

反射镜27反射通过了二向色镜26的绿光。入口侧偏振片(用于绿光的入口侧偏振片，或第一入口侧偏振片)28仅透射具有所意图的偏振方向的s-偏振光，吸收或反射偏振方向垂直于s-偏振光的所意图的偏振方向的p-偏振光。第一偏振光束分光器29具有透射p-偏振光并且反射s-偏振光的偏振分光表面(涂覆了偏振分光膜的表面，或两个棱镜跨越其相互面对的表面)。

用于绿色(绿光)的反射型液晶显示元件30G反射入射光并且执行图像调制。光学元件31G是四分之一波长片。光学路径调节棱镜70调节光学路径，类似于第一示例性实施例中的棱镜70。作为从第一偏振光束分光器29反射的s-偏振光的绿光经由光学路径调节棱镜70和四分之一波长片31G入射到用于绿光的反射型液晶显示元件30G。入射到反射型液晶显示元件30G的绿光经历图像调制(例如，绿光的一部分被调制成p-偏振光)。然后，已调制光被反射并经由光学路径调节棱镜70和四分之一波长片31G再次入射到第一偏振光束分光器29。进一步，包含在入射到第一偏振光束分光器29的绿光中的s-偏振光从偏振分光表面反射从而被导向光源1。另一方面，p-偏振光(图像光)通过偏振分光表面从而被导向投影光学系统37。因而，从绿光获得的图像光通过投影光学系统37被投射到投影表面上。

下面描述从二向色镜26反射的蓝光和红光的光学路径。

反射镜32反射红光和蓝光。反射镜32可以是具有仅反射s-偏振光并且透射p-偏振光的偏振分光表面的光学元件。从反射镜32反射的红光和蓝光入射到入口侧偏振片(用于红光和蓝光的入口侧偏振片，用于白光的偏振片，或第二入口侧偏振片)33，所述入口侧偏振片33透射包含在红光和蓝光中的s-偏振光并且吸收或反射p-偏振光。通过了入口侧偏振片33的红光和蓝光作为s-偏振光入射到第二偏振光束分光器34上。

第二偏振光束分光器34具有图2中所示的波长特性(即，偏振分光特性，或偏振分光功能)，类似于第一示例性实施例中描述的第二偏振光束分光器13。即，第二偏振光束分光器34对于红光具有偏振分光特性，它与对于蓝光的偏振分光特性相反。

因此，入射到第二偏振光束分光器34的s-偏振的蓝光通过第二偏振光束分光器34(的偏振分光表面)，然后经由四分之一波长片31B入射到用于蓝色(蓝光)的反射型液晶显示元件30B。随后，从用于蓝色(蓝光)的反射型液晶显示元件30B调制和反射的蓝光经由四分之一波长片31B再次入射到第二偏振光束分光器34。入射到第二偏振光束分光器34的蓝光通过液晶显示元件30B所调制而成的p-偏振光从第二偏振光束分光器34反射并且被导向投影光学系统37。

入射到第二偏振光束分光器34上的p-偏振的红光被反射，然后经由四分之一波长片31R入射到用于红色(红光)的反射型液晶显示元件30R。随后，从用于红色的反射型液晶显示元件30R调制和反射的红光经由四分之一波长片31R再次入射到第二偏振光束分光器34。入射到第二偏振光束分光器34的红光通过液晶显示元件30R所调制而成的p-偏振光通过第二偏振光束分光器34并且被导向投影光学系统37。

因此，从第二偏振光束分光器34导向投影光学系统37的红光和蓝光的p-偏振光通量入射到出口侧偏振片35，所述出口侧偏振片35透射p-偏振光并且吸收或反射s-偏振光。然后，从出口侧偏振片35离开的p-偏振光入射到半波长片36上从而被转换成s-偏振光。随后，s-偏振光入射到第一偏振光束分光器29。第一偏振光束分光器29具有反射s-偏振光并且透射p-偏振光的特性。因此，红光和蓝光的s-偏振光通量都通过第一偏振光束分光器29的偏振分光表面反射，然后被导向投影光学系统37。因而，红光和蓝光被投射到投影表面上。

顺便提及，第二示例性实施例这样配置以便在黑色显示时各色光以与第一示例性实施例类似的方式向着光源1返回。

在第二示例性实施例中，透镜可以位于第一偏振光束分光器29与用于绿色的反射型液晶显示元件30G之间。作为替换方案，透镜可以位于第一偏振光束分光器29与第二偏振光束分光器34之间。作为替换方案，透镜可以位于第二偏振光束分光器34与用于红色的反射型液晶显示元件30R之间。作为替换方案，透镜可以位于第二偏振光束分光器34与用于蓝色的反射型液晶显示元件30B之间。

第二示例性实施例这样配置以便s-偏振的绿光入射到第一偏振光束分光器29，并且s-偏振的绿光入射到用于绿色的反射型液晶显示元件30G。在黑色显示时，在保持绿光的偏振方向的同时，绿光从反射型液晶显示元件30G被反射。即，即使在从反射型液晶显示元件30G反射之后，绿光仍然为s-偏振光。因而，绿光由第一偏振光束分光器29的偏振分光表面再次被反射。然后，反射的绿光通过入口侧偏振片28以向着光源1返回。一般来说，与分析p-偏振光的性能相比，分析s-偏振光的性能很高。因而，与具有高可见度的p-偏振的绿光入射到液晶显示元件的配置的第一示例性实施例相比，可以减少向着投影光学系统37的绿色杂散光。即，可以增强投影图像的对比度。

在第二示例性实施例中，用于发射绿光的光源可以比偏振片28更靠近光源1。另外，用于发射蓝光和红光的光源可以比偏振片33更靠近光源1。作为替换方案，用于发射s-偏振的绿光的光源可以位于偏振片28的位置。另外，用于发射s-偏振的蓝光和s-偏振的红光的光源可以位于偏振片33的位置。用这种配置，可以实现颜色合成光学系统的进一步小型化。

第三示例性实施例

下面参照图4描述本发明的第三示例性实施例。在下列描述中没有特别描述的第三示例性实施例的组件与第一示例性实施例中的那些组件类似。

光源1、反射器2、照明光学系统100和偏振转换元件(偏振转换元件阵列(未示出))与第一示例性实施例的那些类似。在第三示例性实施例中，从光源发射的非偏振光通过偏振转换元件转换成p-偏振光。

下面参照图4描述颜色合成光学系统400。二向色镜46具有反射包含在从光源发射的白光中的蓝光(B)和红光(R)以及透射包含在白光中的绿光(G)的特性。

下面描述通过了二向色镜46的绿光的光学路径。

反射镜47反射通过了二向色镜46的绿光。入口侧偏振片(用于绿光的入口侧偏振片，或第一入口侧偏振片)48仅透射具有所意图的偏振方向的p-偏振光，吸收或反射偏振方向垂直于p-偏振光的所意图的偏振方向的s-偏振光。第一偏振光束分光器49具有图5中所示的偏振分光表面特性。即，第一偏振光束分光器49具有透射蓝光的偏振分光表面，不管蓝光的偏振方向如何(即，透射p-偏振的蓝光和s-偏振的蓝光二者)，透射p-偏振的绿光和p-偏振的红光，并且反射s-偏振的绿光和s-偏振的红光。

用于绿色(绿光)的反射型液晶显示元件50G反射入射光并且执行图像调制。光学元件51G为四分之一波长片。光学路径调节棱镜70调节光学路径。进一步，通过第一偏振光束分光器49透射的p-偏振的绿光经由光学路径调节棱镜70和四分之一波长片51G入射到用于绿光的反射型液晶显示元件50G。入射到反射型液晶显示元件50G的绿光经历图像调制(例如，绿光的一部分被调制成s-偏振光)。然后，已调制光被反射并且经由光学路径调节棱镜70和四分之一波长片51G再次入射到第一偏振光束分光器49。进一步，包含在入射到第一偏振光束分光器49的绿光中的p-偏振光从偏振分光表面反射从而被导向光源1。另一方面，s-偏振光从偏振分光表面反射从而被导向投影光学系统56。因此，从绿光获得的图像光通过投影光学系统56投射到投影表面上。

下面描述从二向色镜46反射的蓝光和红光的光学路径。

红光和蓝光入射到入口侧偏振片(用于红光和蓝光的入口侧偏振片，用于白光的偏振片，或第二入口侧偏振片)52，所述入口侧偏振片52透射p-偏振的红光和p-偏振的蓝光并且吸收或反射s-偏振的红光和s-偏振的蓝光。通过了入口侧偏振片52的红光和蓝光作为p-偏振光入射到波长选择波片53。波长选择波片(颜色选择波片)53具有把偏振方向旋转90°而不改变蓝光偏振方向的功能(即，波长选择波片53充当用于红光的半波长片)。因此，从波长选择波片53离开的蓝光保持为p-偏振光，而红光转换为s-偏振光。

第二偏振光束分光器54包括偏振分光表面，它具有透射红光和蓝光二者的p-偏振光通量(对于所有红光、绿光和蓝光)，反射红光和蓝光的s-偏振光通量的特性。因此，p-偏振的蓝光(照明光)通过第二偏振光束分光器54(的偏振分光表面)，并且经由四分之一波长片51B入射到用于蓝色(蓝光)的反射型液晶显示元件50B上。从用于蓝色的反射型液晶显示元件50B调制和反射的蓝光经由四分之一波长片51B再次入射到第二偏振光束分光器54。进一步，由液晶显示元件50B通过调制入射到第二偏振光束分光器54的蓝光获得的s-偏振的蓝光(图像光)从第二偏振光束分光器54反射并且导向投影光学系统56。

而且，入射到第二偏振光束分光器54的s-偏振的红光(照明光)被反射，然后经由四分之一波长片51R入射到用于红色(红光)的反射型液晶显示元件50R。然后，从反射型液晶显示元件50R调制和反射的红光经由四分之一波长片51R再次入射到第二偏振光束分光器54。随后，通过液晶显示元件50R调制入射到第二偏振光束分光器54的红光获得的p-偏振的红光(图像光)，通过第二偏振光束分光器54，并且被导向投影光学系统56。

因而，从第二偏振光束分光器54被导向投影光学系统56的p-偏振的红光和s-偏振的蓝光入射到蓝光专用的偏振片55(蓝色专用的入口侧偏振片)。蓝光专用的偏振片55(入口侧偏振片)具有如下特性：透射s-偏振的蓝光，反射或吸收p-偏振的蓝光，并且透射红光，不管红光的偏振方向如何，如图6中所示。因而，p-偏振的红光(图像光)和s-偏振的蓝光(图像光)通过蓝光专用的偏振片55。然而，在p-偏振的蓝光(不想要的光)混入其中的情况下，p-偏振的蓝光被偏振片55反射或吸收，以防止p-偏振的蓝光入射到投影光学系统56上。

随后，p-偏振的红光(图像光)和s-偏振的蓝光(图像光)入射到第一偏振光束分光器49。第一偏振光束分光器49具有偏振分光表面，所述偏振分光表面透射(或反射)蓝光，不管蓝光的偏振方向如何，并且反射s-偏振的红光，透射p-偏振的红光。因此，在s-偏振的红光混入其中的情况下，s-偏振的红光从第一偏振光束分光器49反射，并且被导向不同于投影光学系统56方向的方向。

因此，p-偏振的红光(图像光)和s-偏振的蓝光(图像光)通过第一偏振光束分光器49。s-偏振的绿光(图像光)由第一偏振光束分光器49反射。因而，红光、绿光和蓝光相互合成。然后，合成光被导向投影光学系统56。

顺便提及，第三示例性实施例这样配置，以便在黑色显示时，各色光以与第一示例性实施例类似的方式向着光源1返回。

在第三示例性实施例中，透镜可以位于第一偏振光束分光器49与用于绿色的反射型液晶显示元件50G之间。作为替换方案，透镜可以位于第一偏振光束分光器49与第二偏振光束分光器54之间。作为替换方案，透镜可以位于第二偏振光束分光器54与用于红色的反射型液晶显示元件50R之间。作为替换方案，透镜可以位于第二偏振光束分光器54与用于蓝色的反射型液晶显示元件50B之间。

第四示例性实施例

尽管上述第一、第二和第三示例性实施例中的每一个都使用一个白光源(即，用于发射白光的光源，或用于发射所有红光、绿光和蓝光的光源)，但是根据本发明的光源不局限于此。可以使用多个光源作为根据本发明的光源。根据本发明的系统可以使用对应于各色光的光源。然而，本发明的第四示例性实施例包括两个光源，即，用于绿光(第一色光)的光源和用于蓝光和红光(第二色光和第三色光)的另一个光源。下面参照图7描述第四示例性实施例。

如图7中所示，图像投影设备包括用于绿光(用于第一色光，或用于第一波长范围内的光)的光源(第一光源)61，和用于蓝光和红光(用于第二色光和第三色光，用于在第二和第三波长范围内的光，或用于第二和第三液晶显示元件)的另一个光源62(第二光源)。

用于绿光的光源(第一光源)61以及用于蓝光和红光的光源(第二光源)62包括多个发射二极管(LED)。

类似于第一示例性实施例，从用于绿光的光源61发射的绿光通过透射p-偏振光并且吸收或反射s-偏振光的入口侧偏振片8(第一入口侧偏振片)，然后入射到第一偏振光束分光器9。因此，基本上只有绿光入射到第一偏振光束分光器9。

类似于第一示例性实施例，从用于蓝光和红光的光源62发射的蓝光和红光入射到入口侧偏振片(第二入口侧偏振片)12，所述入口侧偏振片12透射p-偏振光，吸收或反射s-偏振光。因而，可以增强入射光的偏振程度(即，期望的偏振光分量对总入射光的功率比率)。然后，通过了入口侧偏振片12的蓝光和红光入射到第二偏振光束分光器13(具有图2中所示的偏振分光特性的偏振光束分光器)。因此，基本上只有p-偏振的蓝光和p-偏振的红光入射到第二偏振光束分光器13上。

第四示例性实施例的光学操作在色光通量入射到第一偏振光束分光器9和第二偏振光束分光器13之后执行，其类似于第一示例性实施例的相应光学操作。因而，不再重复第四示例性实施例的这种光学操作的描述。

尽管在第四示例性实施例中使用了包括多个LED的光源，但是根据本发明的光源不局限于此。可以使用激光光源。作为替换方案，可以使用诸如高压汞灯之类的白光源和滤色镜的组合。

上述第一到第四示例性实施例可以互相随意组合。例如，第二、第三和第四实施例中描述的光学路径调节棱镜70可以位于不同于该位置的位置或者用透镜代替。另外，在第二示例性实施例的配置中，可以使用波长选择波片，类似于第三示例性实施例。

本发明的示例性实施例可以提供一种颜色合成光学系统，其能够减少组件数量并且发射高对比度的图像光。另外，本发明的示例性实施例可以提供使用这种能够获得高对比度投影图像的颜色合成光学系统的图像投影设备。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明并不局限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被给予最宽的解释，以包括所有修改、等同结构和功能。

Claims (7)

1.一种颜色合成光学系统，包括：

第一偏振分光表面，对于第一波长范围内的光具有偏振分光特性；和

第二偏振分光表面，对于第二和第三波长范围内的光具有偏振分光特性，

第一偏振分光表面被配置为把第一波长范围内的照明光导向第一液晶显示元件，并且把从第一液晶显示元件反射的图像光在不同于照明光方向的方向上引导，

第二偏振分光表面被配置为把第二波长范围内的照明光与第三波长范围内的照明光相互分离，把第二波长范围内的照明光导向第二液晶显示元件，把第三波长范围内的照明光导向第三液晶显示元件，并且合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶显示元件反射的图像光，从而把合成光导向第一偏振分光表面，以及

其中，第一偏振分光表面被配置为合成从第一液晶显示元件反射的图像光与通过第二偏振分光表面合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶显示元件反射的图像光而获得的合成光，以及

其中，第二偏振分光表面具有关于第二波长范围内的光透射s-偏振光且反射p-偏振光，并且关于第三波长范围内的光反射s-偏振光且透射p-偏振光的特性。

2.根据权利要求1的颜色合成光学系统，进一步包括：

第一入口侧偏振片，其位置比第一偏振分光表面更靠近光源侧，并且用作第一波长范围内的光的偏振片；和

第二入口侧偏振片，其位置比第二偏振分光表面更靠近光源侧，并且用作第二波长范围内的光和第三波长范围内的光的偏振片。

3.根据权利要求1的颜色合成光学系统，进一步包括出口侧偏振片，其位于第一偏振分光表面与第二偏振分光表面之间，并且用作第二波长范围和第三波长范围至少之一内的光的偏振片。

4.根据权利要求1的颜色合成光学系统，其中第一偏振分光表面具有关于第一、第二和第三波长范围内的光透射第一线性偏振光并且反射偏振方向垂直于第一线性偏振光的第二线性偏振光的特性，和

其中颜色合成光学系统进一步包括半波长片，其位于第一偏振分光表面与第二偏振分光表面之间。

5.根据权利要求1的颜色合成光学系统，其中从光源侧入射到第一偏振分光表面上的第一波长范围内的光的线性偏振方向、从光源侧入射到第二偏振分光表面上的第二波长范围内的光的线性偏振方向、和从光源侧入射到第二偏振分光表面上的第三波长范围内的光的线性偏振方向彼此相同。

6.一种图像投影设备，包括：

第一、第二和第三液晶显示元件；

投影光学系统，被配置为投射来自所述第一、第二和第三液晶显示元件的图像光；以及

颜色合成光学系统，被配置为把来自光源的光导向所述第一、第二和第三液晶显示元件并且把来自所述第一、第二和第三液晶显示元件的图像光导向投影光学系统，

所述颜色合成光学系统包括：

第一偏振分光表面，对于第一波长范围内的光具有偏振分光特性；和

第二偏振分光表面，对于第二波长范围内的光和第三波长范围内的光具有偏振分光特性，

其中，第一偏振分光表面被配置为把第一波长范围内的照明光导向第一液晶显示元件，并且把从第一液晶显示元件反射的图像光在不同于照明光方向的方向上引导，

其中，第二偏振分光表面被配置为把第二波长范围内的照明光与第三波长范围内的照明光互相分离，把第二波长范围内的照明光导向第二液晶显示元件并且把第三波长范围内的照明光导向第三液晶显示元件，以及合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶显示元件反射的图像光，从而把合成光导向第一偏振分光表面，

其中，第一偏振分光表面被配置为合成从第一液晶显示元件反射的图像光与通过第二偏振分光表面合成从第二液晶显示元件反射的图像光与从第三液晶显示元件反射的图像光而获得的合成光，以及

其中，第二偏振分光表面具有关于第二波长范围内的光透射s-偏振光且反射p-偏振光，并且关于第三波长范围内的光反射s-偏振光且透射p-偏振光的特性。

7.根据权利要求6的图像投影设备，进一步包括：

第一光源，被配置为发射第一波长范围内的光；和

第二光源，被配置为发射第二波长范围内的光和第三波长范围内的光，

其中第一液晶显示元件用从第一光源发射的照明光而被照明，和

其中第二液晶显示元件和第三液晶显示元件用从第二光源发射的照明光而被照明。

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