CN1020963C - 图象投影装置 - Google Patents

Abstract

一种图象投影装置，包括一个辐射光源(1)；具有至少一个显示板(10)的图象显示系统，其中入射光束的偏振方向用图象信息进行调制；以及一个偏振敏感光束分离器(2)，它安排在光源和图象显示系统之间，用于组合两个互相垂直偏振的分光束(b1，b2)。借助于具有用相同图象显示系统(10)调制的两个分光束并再将这些分光束组合起来，可以非常有效地利用可用光，而不需要非常复杂结构的装置。

Description

本发明涉及一个投影装置，它包括一个辐射光源，一个至少有一个图象显示板的图象显示系统，用以显示被显示的图象并且在从辐射光源发出的光束的偏振方向上根据图象信息进行调制，一个投影透镜组，用于把图象显示系统产生的图象投影到投影板上，一个偏振敏感光束分离器，安排在从光源来的光束的路径中，以产生两个互相垂直偏振的分光束，每个分光束受图象信息调制。

该想象的图象投影装置应该从非常概括的意义上理解，它包括一个装置，例如用于显示视频图象，图形图象，数字信息或它们的组合。该图象可以是非彩色和彩色图象两种。在后者的情况下，该显示系统可以有三个色彩信道，如用于基色红、绿和蓝、每个信道包括一个显示板。

用于彩色图象的这样的图象投影装置在美国4127322号专利中公开了。现有技术装置的显示板是反射式的光阀，它具有动态的或图象产生单元，即所谓向列型的液晶材料层。这个层根据该图象信息局部地改变一个相关光束的偏振方向。因此该光束必须是线性偏振的，为此在从光源发出的光束的路径中安排一个偏振敏感光束分离器。这个光束分离器将光束分离为两个互相垂直偏振的分光束。只有其中的一个光束传送到显示系统，使得约一半辐射光源的光到达这个显示系统。

为了更有效地利用从光源来的光，美国4127322号专利建议使用第二个显示系统。其中第一个显示系统显示以第一方向偏振的分光束，而第二个显示系统显示以第二方向偏振的分光束。在通过显示系统调制以后，该光束由相同的偏振敏感光束分离器进行组合，它还根据偏振方向进行分离。因此，原则上，从辐射光源来的100%的光用于该图象投影。

在美国4127322号专利公开的装置中，显示光阀的数目是最普通装置中显示光阀数目的两倍。此外，每个显示光阀构成复合的、相当大和昂贵系统的一部分。在这个系统中，由阴极射线管产生一个图象。从这个阴极射线管发射的光束入射到光导层，在其中根据该阴极射线管的图象产生一电荷分布图。结果，也根据阴极射线管的图象形成一个电场，该电场置于光导层和第二个、对面的电极之间的液晶材料层。该变化的电场在液晶材料层中产生一个双折射偏差，然后投影光束偏振方向偏移的局部差别入射到这个层。为使能适当地工作，这个系统必须提供许多附加层。美国4127322号专利公开的装置预期供专业使用，由于其复杂的结构、体积和成本价格，不太适合于消费者。

更适合于消费者及其他人应用的是在两个电极之间具有液晶材料的所谓矩阵控制的显示板。在无源控制的显示板的情况下，两个电极分布成行和列，而在有源控制的显示板的情况下，在一个电极上提供一个电子驱动电路矩阵。在这两种情况下，该显示板由电极矩阵分为大量的图象单元。电极矩阵由电信号例如视频信号控制。包括这种类型的显示板的图象投影装置是不太复杂的、便宜的，而且体积比美国4127322号专利公开的装置体积小。但是，由于显示板的结构，有用的光通量小，例如，在有源控制显示板的情况下，从光源来的光大约只有10%经过该显示板透射到投影透视系统。

作为目标，本发明必须提供在图象投影装置中极有效的利用可用光的装置，该装置具有矩阵控制 的显示板、而该装置不需要极复杂的结构。为此目的，根据本发明的装置的特征在于两个分光束是入射在相同的显示系统上。

该图象显示系统可以是单色的系统，而且只包括一个图象显示板，但它也可以是另一种可变图案的彩色显示系统。

在根据本发明的图象投影装置中，同一显示板调制投影光的两个偏振方向，所以原则上使用了所有的可用光，以便最佳地利用这光，而不需要附加的图象显示板。

根据本发明的装置的最简单的实施例，其特征在于它只包括一个偏振敏感光束分离器，用于产生两个分光束，在由图象显示系统调制之后组合这两个分光束，和至少两个反射镜，它们都包括在这两个分光束的辐射路径中，用于将从光束分离器发射的分光束经图象显示系统再导向该光束分离器。

在这个装置中，光元件的数目最少。

这个简单的实施例特征还在于该图象显示板是辐射一透射的，分光束是基本上垂直地入射在这些板上。

这个垂直的入射角有助于满足彩色图象投影装置中不同彩色部分分光束的路径长度尽可能相等的要求，并防止液晶显示板的任何角度相关性影响投影图象的质量。

另一种情况，这个简单的实施例可有特征：显示板是反射式的。因而例如该分光束可以一个锐角入射在这些板上。

根据本发明的图象投影装置的另一个实施例，该装置具有辐射一透射图象显示系统，其中第一偏振敏感光束分离器将辐射光源来的光束分离为两个相互垂直偏振的分光束，其特征在于一个第二偏振敏感光束分离器，用于将已调制的各光束组合起来，一个第三偏振敏感光束分离器和多个反射镜，第一分光束的第一和第二光束分离器之间的辐射路径包括从第一和第二反射镜的反射，和从第三光束分离器通过该显示系统的反射，以及从第三反射镜的反射，而上述第二分光束的辐射路径包括通过该图象显示系统及第三光束分离器和从第四及第五反射镜的反射。

这个实施例具有这样的优点：不同的反射镜只需要反射一个偏振方向的光束，因而这些反射镜对相关偏振方向来说其反射能力是最佳的。

根据这个实施例的另一个特性，第一分光束的路径部分与第二分光束的路径部分不重合，安装了偏振敏感吸收滤色镜，阻挡光的偏振方向与第一分光束的偏振方向不同。

这就能增加分光束的偏振度。偏振度是需要的偏振方向的光与该光束中光的总数的商数。

根据本发明的图象投影装置的一个实施例，该装置对实际应用是很重要的，其特征在于：该图象显示系统是一个彩色图象显示系统，包括彩色选择单元和复合液晶显示板，显示板的图象单元分成组，相应于彩色选择单元加到相关图象组单元的彩色每组产生一个给定彩色的子图象。

这个彩色图象显示系统可具有的特征是：彩色选择单元是由多个彩色选择光束分离器构成的，用于将分光束分离为不同彩色的三个单色部分分光束;和将与单色图象信息调制的部分分光束组合起来以形成一个彩色图象信息调制的分光束;以及在每个部分分光束的路径中装有一个单独的图象显示板，其收集图象单元构成上述图象单元的一个组。

另一种情况，这个实施例可以具有的特征是：彩色图象显示系统具有一个图象显示板，其图象单元分为组，每个组产生一个预定彩色的分光束;每个图象单元装有一个滤色镜，它只传送给定彩色的光，该彩色相应于由该组产生的分光束的色彩，该组是相关图象单元所属的组。

另一种特性的实施例具有的优点是：该彩色图象投影装置包括最少的光学元件，而且是非常紧凑的。

上面阐述的愿望是：提供一个图象投影装置，在该装置中可用光被尽可能有效地利用，而且尽可能简单且便宜，如果这个装置具有另外的特征：偏振敏感光束分离器是由两个透明单元组构成的，则该装置可在更大程序上是满意的，两个透明单元具有相同的单折射率，它们的两个表面相对，在其表面之间提供面向液晶材料的层，其中一个折射率等于上述单元的折射率，而另一个折射率小于上述单元的折射率。

这个光束分离器比其他偏振敏感光束分离器便宜，而且在相当大的波长范围和大入射角的范围内提供一个适当的偏振分离。

现在通过例子结合附图更详细地叙述本发明。其中

图1a和1b说明具有一个图象显示板与辐射路径的该装置的实施例，分别为无旋光板和有旋光板。

图2a和2b说明具有三个偏振敏感光束分离器与辐射路径的该装置的实施例，分别为无旋光和有旋光板。

图3说明具有一个反射图象显示板的装置的第一实施例，

图4说明具有两个物镜的投影装置的实施例，

图5a和5b说明在一个方向减少了尺寸的投影装置的实施例，

图6说明具有透射图象显示板的彩色图象投影装置的第一个实施例，

图7a和7b说明具有透射图象显示板的彩色图象投影装置的第二个实施例，

图8a和8b说明具有三个光源的彩色图象投影装置的实施例，

图9说明两个不同偏振光束入射在显示板同一侧的投影装置的实施例，

图10说明偏振敏感光束分离器的第一实施例，该分离器最适用于投影装置中，和

图11说明这种光束分离器的第二实施例，

图12说明具有一个光源的彩色图象投影装置的一个实施例，

图13和14说明具有三个分开的投影物镜的彩色图象投影装置的实施例，以及

图15说明投影装置的第二实施例，其中两个不同偏振的光束入射在显示板的同一侧。

在这些图中，相应的单元给以相同的标号。

在图1a中，标号1表示发射光束b的光源。该光束包括具有互相垂直偏振方向的两个光束分量。在这光束中只表示主光线，目的是表示两个不同偏振分量，该光束被分离为两条光线。实际上，这些光线是重合的。光束b入射在偏振敏感光束分离器2上，例如其由两个透明的三棱镜p3和4构成，在它们之间有一个偏振分离层5。分离层5反射共偏振方向与入射平面平行的光束分量，即所谓p分量，并透过其偏振方向横向着入射平面的分量，即所谓s分量。入射平面是由入射光线和层5的法线构成的。反射的分量以分光束b1表示，它通过反射镜6被引向显示板10。

这个板有液晶材料层17，例如向列型的液晶材料层，封装在两个透明的，如玻璃板11和12之间。每一块板可以含有透明的控制电极13和14，电极可分为很多行和列，这样在显示板上确定了很多的图象单元。因而不同的图象单元可通过驱动如在图中所示的以端子15和16表示的矩阵电极来控制。因此，可以在液晶材料17的需要位置加上一电场。这种电场使材料17的有效折射率变化，使得通过一个给定图象单元的光受到或不受偏振方向旋转的作用，这是根据在相关图象单元的区域内局部电场是否存在而定。

不用这种通常称为无源控制图象显示板，可另外使用有源控制板。在后一种图象显示板中，提供一种具有一个电极的基片板，而另一板装有半导体驱动电极，这样每个图象单元都由它自己的有源控制单元例如薄膜晶体管驱动。

两种类型的直接驱动图象显示板都如在欧洲专利申请0266184号中叙述了。

通过该图象显示板10的分光束b₁由第二反射镜7引导到偏振敏感光束分离器2。图1a表示显示板已加电的情况，就是说分光束b₁的偏振方向不改变。分光束b₁入射在偏振敏感光束分离器2上，具有p偏振方向，然后向投影物镜系统20反射，该系统以单个物镜单元表示，这个物镜系统形成在投影板30上的放大的显示板的放大图象，这个板与物镜系统20之间的光路径是相当长的。为了限定该装置的尺寸，借助附加的反射镜，物镜20与板30之间的路径可折叠。

图1b表示显示板10不加电的情况，使得入射分光束b₁的偏振方向偏移90°，这个光束离开显示板成为s偏振光束。然后这个光束通过光束分离器透射到辐射光源1而达不到投影板30。

根据本发明，分光束b₂以双箭头表示，这个分光束具有s偏振，在该光束中以小圆圈表示，经过反射镜7这个分光束被引导到图象显示板，在通过显示板10之后，分光束b₂的偏振方向或者保持恒定或者已旋转90°，这取决于显示板是否加电。在分光束b₂已由反射镜6反射之后，它被光束分离器2反射到辐射光源1，或透射到投影透镜系统20。

光束分离器2不仅提供两个分光束的形成，而且还保证在用图象显示板调制之后，这些分光束又组合为一个光束b′。此外，偏振敏感光束分离器2 保证分光束的偏振调制变换为这些分光束的亮度变化。在这个实施例和还要叙述的其它实施例中，这个光束分离器也代替起偏振镜和检偏振镜，在更普通的装置中，它们是分别放置在图象显示板之前或后面。由于光束分离器2的多种不同的功能，在1a和1b表示的实施例中单元的数目可限制到最少。

很明显，利用在图1a和1b中表示的装置投影图象时，两个分光束的偏振方向总的讲是不旋转的。只有从不加电的图象单元发出的那些分光束部分将受到这个偏振旋转的作用。

在所叙述的实施例中，不加电场的图象单元在投影板30上以黑色单元表示。另一种可能是以这样的方法给图象加电，也就是说在它上面加上这样的场强，入射线性偏振光的偏振方向不旋转90°，但是这个线性偏振光变换为椭圆偏振光。这个光由偏振敏感光束分离器2分离为p和s分量，p分量被反射到投影板而s分量被透射到光源。因而相关光束单元在投影板上不是以黑的或白的单元表示，而是作为灰的单元，灰色阴影是可调整的。

如果使用图象显示板，在加电状态时图象单元旋转偏振方向，而在不加电状态时不旋转偏振方向，可以安排一个附加的液晶材料层与图象显示板10串联，它将整个分光束的偏振方向转90°，使得在投影板上的图象和在具有图象显示板的装置中形成的图象有相同的偏光性，在加电状态时该图象显示板的图象单元不旋转偏振方向。

如果在一个装置中，在加电压状态时图象单元不旋转偏振方向，要使这些图象单元在投影板上仍以黑色单元出现，例如，增加对比度或减少该装置彩色的相关性，或者为了增加显示板的转换率，在图1a和图1b中以标号31表示的附加偏振移动装置可被选择地使用。

不用液晶材料层，另一种可能是使用一个λ/2板或对于反射显示板使用λ/4板作为附加的偏振旋转器31。其中λ是投影光的波长。这个偏振旋转器也适合于在后面将要叙述的实施例中使用。

原则上，图象显示板10可装在反射镜6和7之间的任意位置，但是还可选择装在光束分离器2与反射镜7之间或反射镜6与光束分离器2之间。但是显示板10最好是放在适当位置以致于从光束分离板5到显示板10的光路径长度对于两个分光束是相同的，使得对于发散分光束来说这些光束的横截面在该板区域内是相同的，而且对这两光束来说显示板10和投影镜之间的光路径长度是相等的。

图2a和2b说明图象投影装置的第二实施例，图2a和2b分别表示对加电和不加电的图象显示板10的分光束b₁和b₂的辐射路径。除了第一偏振敏感光束分离器2外，这个装置包括第二偏振敏感光束分离器32，用于在这些分光束已由该板调制以后将分光束组合起来。此外，提供第三偏振敏感光束分离器36，用作偏振敏感反射镜。例如该反射镜反射p偏振光并透射s偏振光。该装置还包括五个反射镜21、22、23、24和25。

从光束分离器2发出的p偏振分光束b₁由反射镜21和22反射到偏振敏感光束分离器36，分离器36又将该分光束反射到显示板10。偏振方向不旋转的光束部分（图2a）由光束分离器2反射到反射镜23，反射镜23将该光束部分反射到光束分离器32。最后的光束分离器将p偏振光束部分反射到投影物镜系统20。偏振方向被旋转并作为s偏振分量离开显示板10的分光束b₁部分（图2b）由光束分离器2透射到辐射光源1。

从光束分离器2发出的s偏振分光束b₂首先通过显示板10。偏振方向不旋转的这个分光束部分（图2a）通过第三光束分离器36，然后由反射镜24和25反射到偏振敏感光束分离器32。这最后的光束分离器把上述分光束b₂部分传送到投影物镜系统20。偏振方向确实被旋转而且然后作为p偏振分量离开显示板10（图2b）的分光束b₂的部分以这个顺序由反射镜22与21和光束分离器2反射到辐射光源1。

由于s和p偏振分量的光路径是空间分开的，分光束的偏振度可以通过在这些分光束分开路径部分加入附加单元来增加，被阻挡的光具有不期望的偏振方向。实际上，由光束分离器2反射的p偏振光被s偏振光损伤比通过光束分离器2的s偏振光被p偏振光损伤更容易发生，吸收单元37和38只吸收s偏振的辐射，如图2s所示，它们最好安排在光束分离器36与反射镜22之间以及光束分离器2与反射镜23之间。

此外，与图1a和1b实施例中的各反射镜相比，示于图2a和2b实施例中的各反射镜仅需要反射一个偏振方向。只有p偏振光入射在反射镜21、22和23上，只有s偏振光反射在反射镜24和25上。因此，这些反射镜的反射功率可以是最佳的，也就是说对所需要的偏振方向的反射功率可以最大，增加该装置的光输出。

本发明不仅适用于具有辐射-透图象显示板的图象投影装置中，而且还适用于具有一个反射图象显示板型式的装置中。这种显示板由阴极射线管驱动，在上述美国4127322号专利中公开了，而直接驱动反射图象显示板在美国4239346号专利中公开了。

图3a和3b说明根据本发明具有一个反射图象显示板的图象投影装置的实施例。这个显示板10也有一个液晶材料层17嵌在两个基板11和18之间。基底板11是透明的，而基底板18是反射式的。控制电极集成在基底板18中。控制信号如视频信号加在基底板18背面的驱动电极15和16。

除图象显示板10是反射式的而不是透明的之外，图3a和3b装置的结构和工作方式大部分相应于图1a和1b装置的结构和工作方式。图3a还表示图象显示板不影响偏振旋转的情况以及分光束b₁与b₂已通过该路径到和从该显示板经过光束分离器2和投影物镜系统20到达投影板30的情况。在图3b中，图象显示板旋转分光束b₁和b₂的偏振方向，这些分光束经过光束分离器2最终返回到辐射光源1。

为了使图象显示板正确工作，分光束b₁和b₂务必不要与法线成大的角度入射到显示板上。为了限制入射角，图象显示板可安置在离光束分离器相当远的位置上。借助于一方面在反射镜6与显示板之间和另一方面在这显示板与反射镜7之间的附加的反射镜，也可以“折叠”辐射路径，使得投影装置的体积有限。

必须指出，图3a和3b中仅仅包括理解本发明必须的那些单元。在图3a和3b所示装置实际的实施例中，至少提供一个附加反射镜以获得两个子图象以相同方向互相叠加，即互相没有镜象倒置。

图4说明具有辐射-透射显示板的图象投影装置的另一实施例。这个实施例与图1a和1b中所示的实施例的差别是偏振敏感光束分离器2的结构不同，这是由于辐射光源1和投影物镜系统20的安排互相不同。在图4的实施例中，显示板10的两侧装有额外单元，两个附加透镜26和27作为物镜。这些透镜减少分光束b₁和b₂的发散并提供在图象投影装置的有限体积内，从光源1发出尽可有多的光被耦合到投影物镜系统20的光孔中。

图5a和5b说明图象投影装置的一个实施例，该装置在一个方向的长度是减少的尺寸，因为光路径的一部分向不同方向延伸。图5a是该装置的侧面立视图，即X、Z平面剖面图，而图5b是该装置的YZ平面剖面图。与图1a和1b中所示的装置相比，图5a和5b中所示的装置有两个反射镜8和9以及两个透镜28和29作为附加单元。

从光源1发出的投影光束b由偏振敏感光束分离器2分为p偏振分光束b₁和s偏振分光束b₂。这些分光束分别入射到反射镜8和9上。这些反射镜一方面在YZ平面而另一方面在XZ平面处于这样的角度，使在大体上它们把分光束b₁和b₂反射到Y方向。以后分光束b₁和b₂分别由各自的反射镜6和7导向辐射-透射显示板10。在已通过这个显示板之后，分光束b₂和分光束b₂分别从相反的方向通过分光束b₂和分光束b₁分别已通过的相同路径。根据这些光束的偏振方向是否已偏移，分光束b₁和b₂最后到达投影物镜系统20或光源1。

透镜28和29使得进入图象显示板的分散的光束被变换为较少分散即会聚的光束，使得该装置的光单元的体积为有限的。这些透镜以“中继”透镜或中间透镜表示。

如果投影彩色图象，可能不用有一个显示板的图象显示系统，而使用如有三个显示板和多个彩色选择光束分离器的复合图象显示系统。图6表示这种复合图象显示系统的一个实施例，安装在类似于图1a和1b所示的图象投影装置的实施例中。

为了清楚起见，在图中只表示分光束b₁的辐射路径。分光束b₂以图1a和1b所示的相类似的方法在相反的方向通过相同的辐射路径。

从反射镜6被反射以后，分光束b₁入射在第一彩色选择光束分离器44，例如分色镜，可假设分色镜透射红光和反射蓝光和绿光。红光束b₁，r 由反射镜48反射到第一显示板41，反射镜48可以是中性反射镜或红色反射镜。在这个显示板中产生红色分光束，以便使光束b₁，r与红色信息进行调制。由光束分离器44反射的光被第二彩色选择光束分离器45分离为绿光束b₂，g和蓝光束b₁，b可假设分离器45反射为绿光和透射蓝光。这些光束入射在各自的显示板42和43，在这两显示板中分别产生绿和蓝色子图象。分光束b₁，r和b₁，g通过它们的图象显示板之后，借助于第三彩色选择光束分离器46，又组合起来，该分离器透射红光束并反射绿光束。从显示板43发射的蓝光束由反射镜反射到第四彩色选择光束分离器47，分离器47可以是或可以不是蓝光反射镜。上述最后的光束分离器透射蓝光束和反射组合的红-绿光束，使得所有的光又组合为一个光束。这光束由反射镜7反射到偏振敏感光束分离器2，该分离器把显示板中驱动图象单元发出的光反射到投影物镜系统（未示出）并允许剩余的光通过到光源1。

当然彩色选择单元和图象显示板的顺序可以与图6所示的顺序不同。

图7a和7b表示根据本发明的彩色图象投影装置的一个紧凑的实施例，在该装置中分光束的彩色分离是借助于两个相交的分色镜，另一种表示为十字交叉分色镜。图7a是该装置的透视图，而图7b是该装置的示意平面图。为了清楚起见在图7a中只示出绿色部分分光束b₁，g和b₂，g的辐射路径。

从光源1发出的投影光束b的p偏振分光束b₁由偏振敏感光束分离器2的光束分离平面5反射到十字交叉分色镜50的下部。这个十字交叉分色镜是由两个分色镜51和52组成的，其中分色镜52反射红光和透射蓝和绿光，而分色镜51反射蓝光和透射红和绿光。因此，仅是分光束b₁的绿色分量b₁，g透射到反射镜55。这个反射镜将分量b₁，g引导到显示板42，绿色分光束在该显示板中产生，与这个子图象信息调制的分光束分量b₁，g由反射镜56反射并通过十字交叉分色镜50的上部透射到偏振敏感光束分离器2。在分离平面5，根据分光束分量是否由显示板42旋转的情况，分光束分量b₁，g被反射到投影物镜系统20或透射到辐射光源1。

由分色镜51反射的红色光束分量b₁，r和由分色镜52反射的蓝色光束分量b₁，b通过类似绿色光束分量子系统的子系统。这些子系统分别包括反射镜53与54和显示板41、反射镜57与58以及显示板43，如图7b平面图所示。在由相关的图明显示板调制以后，由十字交叉分色镜50将分光束分量b₁，r与b₁，b和分量b₁，g组合起来。全部彩色图象信息调制的分光束b₁的偏振调制变换为亮度调制，然后由偏振敏感光束分离器2分光束b₁经物镜系统20投影到图中未示出的投影板。

由于十字交叉分色镜51和52的彩色分离特性取决于入射光的偏振方向，在红光路线中反射镜53和54中的一个反射镜最好是红光反射镜，而在绿光路线的反射镜57和58中的一个反射镜只反射蓝光。而且在这种情况下，上述红光和蓝光反射镜可以是分色镜。

为了使图7a和7b中所示的装置设计紧凑，类似于图4装置中的物镜26和27的两个物镜可以设置在每个图象显示板41、42和43的前后和后面。

在每个彩色路线中不用两个透镜，通过总共只用两个透镜，以类似的方法安置在该装置中，如图5b的中间透镜28和29，也可以取得相同的目的，十字交叉分色镜与单元41-42和53-58配置在图5b的显示板10的位置上。也可不只用物镜或中间透镜，而在不同的实施例中仅用这种透镜的组合。

很明显，图7a和7b中未示出的s偏振分光束b₂可以通过与分光束b₁相同的路径，但是从相反的方向。

图8a示意地并以平面图表示一个彩色投影装置，该装置具有基色红、绿和蓝的三条彩色通道80、81、和82，分开的辐射源83、84、和85，以及设置于每条彩色通道中的分开的偏振敏感光束分离器。

图8b详细地表示绿色通道。这条通道包括绿光的光源84。由这个光源产生的光束bg入射在偏振敏感光束分离棱镜86上。在分离层87上，p偏振分光束bg，1被反射到第一反射镜88，该反射镜将分光束bg，导向绿色子图象的图象显示板。通过这显示板之后，分光束bg，1入射在第二反射镜89上，该反射镜分光束反射到偏振敏感光束分离器86，在该分离器中偏振调制变换为亮度调 制。

s偏振分光束bg，2从相反的方向通过与分光束bg，1相同的路径。

彩色通道80和82的形状与彩色通道81相同，从彩色通道发射的单色光束bg、br和bb例如由十字交叉分色镜50组合为彩色光束b，该光束由投影透镜系统20投影到图中未示出的一平板上。

在图8a和8b中所示的装置中，绿色通道81的单元86、88和89以及在其他彩色通道80和82中相应的单元对于相关的彩色可以是进一步改善的。

图8a和8b所示的装置通过使用类似图4中的物镜26和27的物镜或使用类似图5b中的透镜28和29的中间透镜或这样透镜的组合，也可以成为紧凑的设计。

不用透视-显示板，彩色通道可选择包括反射板。则每个彩色通道例如可以是图3中所示的形状。

在每个彩色通道中不用分开的光源，另一种可能是使用一个公共的光源。由这个光源产生的光束由彩色选择装置分离为各基本红色、绿色和蓝色的三个光束，然后被透射到红、绿和蓝色通道。已实现的该装备的一个实施例示意于图12中。上述彩色选择装置可以由十字交叉分色镜120构成的。标号80′、81′和82′表示红、绿和蓝通道，没有辐射光源。一个彩色光束，例如bg，直接入射到有关的彩色通道，而其他彩色光束br和bb分别经过附加的反射镜121、122、和123、124传送到有关的通道80′和82′。

图13示意地说明该装置的一个实施例，该装置是以与图8中所示的实施例相同的概念为基础的，但是光束br、bg和bb是由分开的投影镜131、132和133投影到屏幕30的，而不是先组合然后由一个投影镜一起投影的。在图13的装置中，通过倾斜图象显示板41、42、43或彩色通道80、81、82总体的相互关系，可以保证光束br、bg和bb在投影屏幕上精确地吻合。

使用三个投影透镜系统的优点是，对有关彩色光束的相对窄的波长范围，每个系统可以是最佳的，使得投影透镜系统可以比三色光束投影的投影透镜系统更简单且更便宜。

具有三个投影透镜的投影装置，如图14中所示意表示的那样，可以另外选择用一个辐射光源，而不用三个分开的辐射光源。

在说明图12和13之后，图14不需要进一步解释了。

本发明的构思也适用于只使用一个显示板的彩色图象投影装置中。该装置可以是图3a和图3b所示的结构，其中单色板10用复合的或粉色板代替。这个彩色板包括很多图象单元，例如是单色板的图象单元数目的三倍大。彩色板的图象单元安排成三组，由这些组产生红、绿和蓝色子图象。每组图象单元总是加到投影板上的图象单元。然后，每个图象单元前面是单个滤色镜，它只透射相关图象单元需要的彩色。

图9表示类似图2a和2b中所示装置的图象投影装置的实施例，其中使用分开的偏振敏感光束分离器90和96，一方面，光束分离器90将光束b分离为具有互相垂直偏振方向的两个光束b₁和b₂，另一方面在由图象显示板10调制后光束分离器96把这些分光束组合起来。光束分离器96把分光束b₂和b₂的偏振调制变换为亮度调制。然后分光束b₁和b₂从相同的方向通过图象显示板。

从具有偏振分离板91的光束分离器90发出p和s偏振分光束b1和b2由它们相关的反射镜92和93反射到图象显示板10的同一侧。在通过这显示板之后，分光束b₁和b₂由另外的反射镜94和95反射到具有分离板97的第二光束分离器96。从光束分离器96发出的光亮度调制光束b由投影透镜系统20投影到图中未示出的一个板。

图9中所示的投影装置通过在图象显示板10的位置上安置透射彩色板或复合图象显示系统，可适用于彩色图象投影，复合图象显示系统具有彩色分离装置和例如类似图6，7a和7b的三个单色板。

必须指出，在其基本光路图示于图9的装置中，在光束b₁，b₂中的一光束的路径中实际上配置一个附加反射镜，以获得由这些光束在投影屏幕上形成的图象具有相同的取向，即它们互相没有镜象倒置。

图9所示的装置还提供在适当的位置安排偏振滤色镜，在该滤色镜中光束b₁和b₂在空间分开以提高这些光束的偏振度。

在该图象投影装置的实施例中，偏振相关光束分离器只用于把辐射光源发出的光束分离为两个互相垂直偏振的分光束，这光束分离器可以和辐射光源及任何光束形成光装置，装在一个箱体中。

图象投影装置中的偏振敏感光束分离器可以已知的方法用渥拉斯顿（Wollaston）棱镜形成，该棱镜包括两个双折射材料粘结在一起的棱镜，两个棱镜的光轴是互相垂直的。另一种可能是使用通常称为格兰-汤姆逊（Glan-Thomson）棱镜或双反射材料的格兰-泰勒（Glan-Taylor）棱镜，其中具有一个偏振方向p或s的一个光束分量在棱镜表面受到内部全反射，而另一分量不满足这种内部反射。由于它们使用双反射材料，上面最后提到的棱镜以及渥拉斯顿棱镜很昂贵。

因此，在图象投影装置中，特别是在那些准备供用户使用的装置中，应该优先考虑使用图10中的光束分离器。这个光束分离器100是由两个透明棱镜101和102（例如是玻璃的）和一个中间层103构成的。这一层是由液晶材料构成的，因此有双折射。该材料对寻常光线的折射率n_O基本上总是约等于1.5，而根据103的成分，对非寻常光线的折射率n_e可以为1.6至1.8之间。棱镜101和102装有通常称为取向的层，它保证103的光轴垂直于图的平面。在图10中，这轴由圆圈106表示。

入射在光束分离器的光束b有两个偏振分量，p和s偏振分量。已经采取了一些措施以保证棱镜材料的折射系数等于层103的n_e，例如1.8。如果光束b以入射角Qi入射到层103，该入射角超过或等于临界角Qg，因为对寻常光线的折射率加在这个分量上，p偏振光束分量在箭头107的方向受到全反射。对于偏振方向沿入射角横向延伸的s偏振光束分量，加上液晶材料的对非寻常光线的折射率，使得在通过该光束分离器和随后从原方向通过层103和棱镜时这个分量“看”不到任何折射率的差别。

液晶材料的折射率之差△n＝n_e-n_o可以很大，这样该光束分离器可适用于大的入射角范围。此外可以保证棱镜材料折射率和层103折射率以同样的方式变化对抗该光束b波长的变化，使得该光束分离器在较大的波长范围内有高的偏振效率。图10的光束分离器的一个非常重要的优点是便宜，因为不需要使用昂贵的双折射棱镜材料而且生产相当简单。

棱镜101和102不需要是固体的，这些棱镜的另一种可能是由玻璃或其它透明的壁面组成的，在壁面中使用具有等于层103折射率n_e的高折射率的透明液体或合成材料。这些壁面应该具有该液体或合成树脂材料相同的折射率，而不显示出任何消偏效应。

通过改变图10所示的光束分离器的结构，图象投影装置可以获得更紧凑的结构，如图11所示。已经采取措施保证棱镜101的平面110垂直于这光束，从光源1出发的光束b入射在棱镜101上。此外，已选择光束入射的方向，使得在偏振分离器平面103的位置上入射角小于临界角，这样光束b是全透射的。棱镜102的平面113涂复一反射层116，它把光束b反射到分离层103。在第二次入射到层103时，入射角超过临界角，其结果根据偏振方向产生所希望的分离。p偏振光束b₁经平面114离开棱镜102，而s偏振光束b₂经平面112离开棱镜101。

在分光束b₁和b₂与图象信息调制之后，也可用光束分离器100将它们组合起来，在这种情况下，例如在其中使用反射显示板。从右而来的调制的分光束b₁经过面112进入棱镜101，取决于其偏振方向是旋转了或没有旋转，在分解平面103被反射或不被反射到投影透镜20。从右面来的调制的分光束b₂经过面114进入棱镜102，取决于其偏振方向偏移或没偏移，由分离平面103透射或不透射到投影物镜20。偏振敏感光束分离器又把光束的偏振调制变换为亮度调制。

图15是图象投影装置实施例的部分视图，正如图9所示，仅仅部分示出偏振敏感光束分离器只用于由辐射光源产生的光束分离为两个分光束。这些分光束b₁和b₂由它们相关的反射镜92和93反射到图象显示板10的同一侧，在该显示板处与它们相交。在通过显示板10以后，光束b₁和b₂由物镜150偏转到光轴00′。大约直到焦点平面151，光束b₁和b₂部分重合，然后它们完全分开，仅在光束b₁的路径中，在焦点平面151的后面配置第一检偏振镜152，只在光束b₁路径中配置第二检偏振镜153，检偏振镜把光束b₁和b₂的偏振调制变为亮度调制。亮度调制过的光束由投影物镜系统20投影到图中未示出的投影屏幕。检偏振镜152 和153的偏振方向互相垂直的，使得由光束b₁和b₂组成的光束具有相等的偏振。

虽然本发明首先准备用于具有直接驱动图象显示板的图象投影装置，但是它不限于这用途。另外，当用在具有间接驱动显示板的图象投影装置中时，如利用阴极射线管，本发明可以倍增光通量。

Claims (20)

1、一个图象投影装置，包括一个辐射光源；一个图象显示系统，该系统至少有一个图象显示板，用于产生被显示的图象，在其中从光源发出的光束偏振方向根据图象信息被调制；一个投影透镜系统，用于把图象显示系统产生的图象投影到投影板；一个偏振敏感光束分离器，置于从光源来的光束的路径中，用于产生两个互相垂直偏振的分光束，每个分光束用图象信息进行调制，其特征在于这两个光束入射在同一个显示系统上。

2、根据权利要求1的图象投影装置，其特征在于：它只包括一个偏振敏感光束分离器，产生两个分光束和在由图象显示系统调制后把这两个分光束组合起来;和至少两个反射镜，都安排在这两个分光束的辐射路径中，用于把从光束分离器发出的分光束经过图象显示系统再导向到光束分离器。

3、根据权利要求1的图象投影装置，其特征在于：在由所述图象显示系统发出的分光束路径的分开部分处还装有两个具有互相垂直偏振方向的检偏振镜。

4、根据权利要求2的图象投影装置，其特征在于：该图象显示板是辐射一透射的，分光束基本上垂直入射在这些显示板上。

5、根据权利要求2的图象投影装置，其特征在于：该图象显示板是反射式的。

6、根据权利要求5的图象投影装置，其特征在于：分光束是以与法线成锐角入射在图象显示板上。

7、根据权利要求1的图象投影装置，具有一个辐射-透射图象显示系统，其中装有第一偏振敏感光束分离器，用于把从辐射光源发出的光束分离为两个互相垂直偏振的分光束，其特征在于：在每个分光束的路径中包括第一对反射镜，用于把这些分光束反射到该图象显示系统的同一侧;在从图象显示系统发出的分光束的每条路径中还装有第二对反射镜，用于将这些分光束反射到一个第二偏振敏感光束分离器上。

8、根据权利要求1的图象投影装置，其特征在于：具有一个辐射-透射图象显示系统，其中装有第一偏振敏感光束分离器，用于把从辐射光源发出的光束分离为两个互相垂直偏振的分光束;用于组合已调制的分光束的第二偏振敏感光束分离器;第三偏振敏感光束分离器和多个反射镜;第一分光束的第一与第二光束分离器之间的辐射路径包括从第一与第二反射镜和从第三光束分离器的反射，通过显示系统和从第三反射镜的反射，而上述第二分光束的辐射路径包括通过图象显示系统与第三光束分离器以及从第四和第五反射镜的反射。

9、根据权利要求1的图象投影装置，其特征在于：在与第二分光束的路径不重合的第一分光束的路径部分中，装有偏振敏感吸收滤色镜，该滤色镜阻挡具有与第一分光束偏振方向不同的光。

10、根据权利要求1的图象投影装置，其特征在于：该图象显示系统是彩色显示系统，包括彩色选择单元和一个复合图象显示板，图象单元被分为组，每组的图象单元组产生一个预定彩色的子图象，预定彩色子图象的产生是相应于加到相关组的图象单元的彩色选择单元的。

11、根据权利要求10的图象投影装置，其特征在于：彩色选择单元是由多个彩色选择光束分离器构成的，用于分离分光束以形成不同彩色的三个单色部分分光束，并把单色图象信息调制的部分分光束组合为彩色图象信息调制的分光束;在每个部分分光束的路径中安排一个分开的图象显示板，其收集图象单元构成一组上述图象单元。

12、根据权利要求10的图象投影装置，其特征在于：该彩色显示系统包括一个图象显示板，显示板的图象单元安排成组，每组产生一个预定彩色的子图象;每个图象单元配置一个滤色镜，它只透射具有由相关图象单元所属的组产生的子图象彩色相应的彩色光。

13、根据权利要求1的图象投影装置，其特征在于：用于投影彩色图象，该辐射光源是由多个单色辐射光源组成的，它们透射相应数目的单色光束，辐射光源构成分开的彩色通道的一部分，其中也包括单色图象显示板。

14、根据权利要求1的图象投影装置，其特征在于：用于投影彩色图象，辐射光源是由多色辐射光源和用于形成单色光束的波长选择光束分离器组成的。

15、根据权利要求13或14的图象投影装置，其特征在于：投影透镜系统由三个分开的投影镜组成的，每个投影镜把一个单色光束投影在投影屏幕。

16、根据权利要求1的图象投影装置，其特征在于：设有一个使偏振方向大体上转过90°的偏振旋转单元，该旋转单元是与图象显示系统串联安排的。

17、根据权利要求16的图象投影装置，其特征在于：偏振旋转单元是由向列液晶材料层构成的。

18、根据权利要求17的图象投影装置，其中图象显示板包括向列液晶材料层，其特征在于：这材料的取向对偏振旋转器的取向是这样选择的，以致在图象显示板不加电状态时，光束通过偏振旋转单元和图象显示板时该光束不受偏振旋转。

19、根据权利要求1的图象投影装置，其特征在于：偏振敏感光束分离器是由两个透明单元的组件构成的，这两个透明单元具有相同的单折射率，它们的两个表面相对，在这两表面之间有液晶材料层，其中一个折射率等于上述单元的折射率，而另一个折射率小于上述单元的折射率。

20、根据权利要求19的图象投影装置，其特征在于：光束分离器第一外表面是反射式的，它装在第二外表面的对面，通过它，从辐射光源发出的光束进入光束分离器，它放在液晶材料层的后面。

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