CN1047670C - 图象投影装置 - Google Patents

Abstract

一种图像投影装置包括具有第一圆形透镜板(54)和第二半圆透镜板(57)的照明系统(100，101，54，57，62)把一个特殊偏振敏感分束器(20)和一个偏振旋转器(31)的组合体设置在该系统所提供的光束路径中，并把分束转换成两个具有相同的偏振状态的分束(Sub beam)，两个分束以一致的方式共同照明一个显示屏(1)，并且最佳地充满显示屏的表面区域以及其后的投影透镜系统(c)。

Description

图象投影装置

本发明涉及一种图象投影装置，它包括：照明系统，图象显示系统，它至少具有一个显象屏用以产生所投图象，其中由照明系统所提供的照明光束的偏振方向用图象信息进行调制，投影透镜系统，用于在投影屏幕上投射由图象显示系统形成的图象，和设置在照明系统与图象显示系统之间的偏振敏感分束器，图象显示系统用于将照明光束分成两束不同的偏振分束，其中第一分束可直接由图象显示系统进行调制，并且偏振旋转元件用以将第二分束转变成与第一分束偏振状态相同的光束，所述第一和第二分束入射在图象显示系统上。

术语，图象投影装置，应该广义的理解，并且包括用来显象的装置，例如，电视图象，图形图象，数字信息或其结合，图象可以是黑白图象和彩色图象，在后一种情况下，显象系统可以包括三色通道，例如三基色红、绿和兰，每个通道包括一显示屏。

这种彩色图象的图象投影装置在德国专利申请号3,829,598中加以了描述，这公知装置的显象屏是具有一层所谓向列型液晶材料作为激活或图象形成元素的反射屏，该层根据图象信息来改变本地投射光束的极化方向，最后，光束必须在给定方向上进行线性偏振。该公知装置包括偏振敏感分束器，它是由两个棱镜部分组成，其间还提供一介质干涉层，该层将照明光束分成两个相互垂直的线性偏振分束，其中第一分束传送到图象显示系统。为了有效的利用可用的光，λ/4板可设置在由干涉层反射的第二分束通道上的对角位置，其中λ是波光的波长。将第二分束反射到干涉层上的反射器是在该λ/4板的后面，由于第二分束已通过λ/4板两次，它的偏振方向相对于原方向旋转了90°，以致第二分束也继续到了图象显示系统，然后，两个分束从偏振敏感分束器射出，其中分束是位于通过装置主轴的平面两侧，该装置的主轴是一条照明系统中发射光源中心与图象显示系统中心的连接线。

由于用作为偏振分束器的干涉滤光片的工作取决于发射波长和投射在该滤光片上光线的角度，还因为照明光束具有较大的孔径角度和包括整个可见光谱的波长范围，所以该滤光片不太适用，另外，通过分束器的光路长度对于两个分束是不同的，以致由该分束形成的两个发射源图象位于沿主轴上的两个不同的位置上，该公知装置没有任何措施来获得在与屏相对应的显示屏位置上和与透镜系统孔径相对应的投影透镜系统位置上的照明光束截面。

对此本发明提供一种图投影装置，它没有上述的各缺陷。按照本发明，装置的特征在于照明系统包括具有多个第一透镜的第一透镜板，和具有多个第二透镜的第二透镜板，其第二透镜的数目与第一透镜的数目成正比，在第二透镜板中的第二透镜以半圆形安置；偏振敏感分束器包括第一棱镜，该棱镜具有平行于入射到该分束器上的照明光束的主射线的第一平面，以及一个具有平行于上述主射线的第一平面的第二棱镜，这些棱镜具有相同的折射率；偏振分束器包括一个在第一和第二棱镜之间的双折射材料层，上述材料的折射率之一等于棱镜的折射率；第一棱镜的第二和第三平面的大小相等，并且以相反的角度延伸到第一平面上，分别构成分束器的入射面和第一出射面，第二棱镜的第二平面与第一棱镜的第二平面平行，构成分束器的第二出射面。

装置最好是以这样的方式构成，在没有分束器的情况下，照明光束在分束器位置后面的平面上具有半圆形截面，然后，由分束器形成的分束共同构成一束具有圆形截面的光束，该截面适合于投影透镜系统的圆形光孔，以致该系统的直径能够继续限定。

装置还可采用另一种方式构成，即照明光束在分束器的入射平面上具有半圆形截面，而由分束器射出的分束也具有半圆形截面，并且彼此隔开一段距离，致使外接圆是较大的。

按照发明，偏振敏感分束器的实施例有两类。

第一类实施例的特征在于，分束器包括第一棱镜，它具有平行于投射在分束器上的照明光束主射线的第一面，和第二棱镜，它具有平行于主射线的第一面，其中各棱镜具有相同的折射率，双折射材料层位于两棱镜的第一面之间，而该材料的折射率之一实质上与各棱镜的相等，再有第一棱镜的第二和第三面构成了各分束器入射面和第一射出面，其中各面是以相同大小而且与第二面构成了分束器第二射出面，该面与第一棱镜的第二面相平行。

第一类实施例最佳特征还在于，偏振旋转元件设置在分束器射出面的一个面上。

第一类的第一实施例的特征在于一液晶材料是双折射材料。

第一类的第二最佳实施例的特征在于，双折射材料层是一双折射粘接层。

与液晶材料层相比，双折射粘接层具有许多优点，即它很少与温度有关，并且耐高温较好，另外，在采用双折射粘接层时，棱镜粘接层的各折射率相互能够很好适应。

粘接层最好是单轴定向聚合物层。

特别耐高温的分束器的特征在于，聚合物层是由固化液晶单体成分而形成的。

第二类实施例的特征在于，分束器包括一层以与主轴约成45°角设置的胆甾醇材料层，该层将照明光束分成具有第一旋转方向的第一圆形偏振光反射分束，和具有与第一旋转方向相反的第二旋转方向的第二圆形偏振光直射分束，并且进一步提供设置在第一分束路径上且与投射在分束器照明光束的主射线平行的第一反射器，以及设置在第二分束路径上且与胆甾醇层成近90°角的第二反射器，其中反射器中的一个改变了投射在其上的分束旋转方面。

所述分束器提供了两个分束，它们是左和右圆形偏振，并且共同构成了具有圆形截面的光束，该光束可提供到图象显示系统而不用偏振变换，然而，另外圆形偏振光束在它到达图象显示系统之前可以首先变换成线性偏振光束。

值得注意的是，胆甾醇材料层(左旋或右旋)与反射器结合使用使得两束照明光束的偏振成分可用于图象投影装置，这可从下述文章中公知，即“新型偏振液晶彩色投影和新型TN—LC的工作模式”刊载在技术论文汇编，信息显示协会论文集第XXI卷上，拉斯维加斯(内华达州)1990年5月15—17日，(NovelPolarized Liguid Crystal Color Projection and NEW TN—LCD operat-ing Modes)该文没有说输入的照明光束应当具有的形状，也没有说由分束器所形成的分束应当具有的适合于投影透镜系统的截面。

本发明另一重要方面是涉及方法，其中照明系统，它包括发射源、凹面反射器用以聚集来自所述光源的光和在聚光路径上的透镜系统，适合采用下述方式，即该系统提供一照明光束，它在分束器后面并靠近分束器的平面上具有半圆形截面，并且它在显示屏位置上和截面上具有均匀的光线分布，其截面适合于显示屏，为此，按照本发明的照明系统，其特征在于透镜系统，它依次包括：第一组透镜板，它在垂直于主轴的平面上提供多个第一组透镜，它在第一方向上具有均匀的宽度，并且在垂直于第一方向的第二方向上具有均匀高度；第二组透镜板，它提供多个第二组透镜，并且其透镜数量与第一组透镜成正比；和第三组透镜；第一组透镜板将投射在其上的发射光束分成与第二组透镜数量成正比的许多分束，其中各分束在第二组透镜平面上具有其最小的收缩，并且分束的主射线直接射到第二组透镜的中心；第二组透镜成象为发射光点，它是在第一组透镜板上以重叠形式形成的中间图象；以及第三组透镜，它在与分束器射出面接近的平面上形成第二组透镜板的图象，其中第一组透镜的宽度/高度比是与显示屏相对应的，并且其中第二组透镜设置在一个半圆内。

由于第一组透镜板的透镜的宽度/高度比等于显示屏的比，所以投射在该屏上的并且由一对第一和第二组透镜板的共轭透镜产生的分束所建立的照明光束截面可以形成等于屏的有效表面，以致可用光可以最大程度的利用，由于在第一组透镜板的透镜上形成的光点以重叠形式由第二组透镜成象，所以中间图象和在屏上形成的图象具有均匀的光分布。

值得注意的是，投影装置可以由美国专利3,296,923公知,在该专利中，两个透镜片相叠地设置辐射光源和具有大数值孔径的透镜之间，以便获得投射在物镜上的光束具有均匀的光线分布和截面，其中该截面等于物镜的表面，在这个公知的装置中第二个透镜片不具有半圆的形状。另外，该装置不包括具有偏振旋转器的偏振敏感分束器，并且在装置中的物镜不是采用特殊状态的偏振光进行照射的。

照明系统进一步的特征在于，至少透镜板中的一个中的至少一个透镜是非球面的。

非球面透镜可以理解为这样一种透镜，它的基本形状是球形的，但是它的真正形状与基本形状具有很小偏差以校正基本形状的球形象差，成象质量可以通过在透镜板中采用非球面透镜来得到改善。

照明系统的更进一步更可取的特征在于，第一组透镜的数量等于第二组透镜的数量。

情况是这样的，第一组透镜中的每个透镜在共轭的第二透镜上构成一最小的压缩。

照明系统进一步的可取的特征还在于，第一组透镜具有这样的尺寸并以这样的方式设置，即第一透镜板的表面近似等于投射在其上的照明光束的截面。

然后，由光源所发出的光最大数量地被接收。

照明系统不同的实施例可以分成不同的类别，每类涉及系统的不同方面，在照明系统中不同类别的特有特征可以加以结合。

实施例的第一类涉及照明系统中光源成象位置，第一类的第一实施例的特征在于，第一透镜板设置在形成光源第一图象的平面上，并且该图象通过第二透镜板以中间图象的形式被重新成象。

第一类的第二实施例的特征在于，在第二组透镜每一个透镜上形成光源的缩小象。

在这里，光源可以理解为光源本身和它的图象，其中图象是通过设置在透镜板前的反射镜或其它光学元件形成的，该图象可以与光源重合或不重合。

实施例的第二类涉及结合不同透镜元件的可能性，第二类的一个实施例的特征在于，第一透镜板同辅助透镜一起结合到一个具有至少一个曲面的光学元件中。

所说的“辅助”透镜，在照明系统的原设计中是设置在透镜板前的，现构成了第一组透镜的支架，以致分别的支架已不再需要了，这样给出的照明系统是一种较简单的结构，并且使之便于组装。

如果所说的透镜是一种平凸透镜，那么该实施例进一步的特征在于，第一组透镜可设置在透镜的平的折射表面上。

另一方面，该实施例特征还在于，第一组透镜可设置在透镜的弯曲折射表面上。

再有，该实施例的特征在于，透镜的弯曲折射表面可以由基本平面所代替，在该面上可设置第一组透镜，每个透镜具有一曲率，它与在相应透镜位置上的原弯曲折射表面的曲率有关。

照明系统实施例的第三类涉及第一透镜板前的该系统部分的设计，该类的第一实施例的特征在于，反射器是一球面反射器，它只收集通过发射光源中心并与系统光轴垂直的平面一侧上光源所射出的光，并且聚光透镜系统设置在上述平面的另一侧，且在第一透镜片前。

另一实施例的特征在于，反射器是一非球面反射器，它只收集通过辐射光源中心并与主轴垂直的平面一侧上光源所射出的光，并且其中两个聚光透镜系统设置在上述平面的另一侧和第一透镜片前，每个系统获取由光源和反射器发出的不同部分的光。

就具有相同光收集能力的双聚光透镜系统而言，与单聚光透镜系统相比，具有较低光通量的优点，以致图象投影装置可以由便宜的光学元件组成，如，它具有较小的数值孔径或较小截面，这在装置中非常重要的是可为用户使用，术语“通量”、或“亮度”或“受光”表征光学系统传递光能的能力，该能力可以由孔径，或“光圈”、和一致的光瞳，以及光学系统中相同位置来确定，并且它可以通过孔径表面和孔径中心的光瞳所对的立体角的积来表示。在首先给定了光通量的光学系统中，通过系统后的光通量只能通过遮挡辐射来减小。

需要注意的是，人们通常可以通过，如美国专利号4,722,593，来知道，在具有液晶显示屏的投影装置中在发射光源的一侧采用反射器并且在该光源的另一侧采用聚光透镜系统，然而，已知装置并没有提供采用的透镜板，另外，在按照上述美国专利的装置中，设有特别规定的反射器装置在辐射光源周围，以致该反射器也接收超出180°角光源发射。

聚光透镜系统必须具有大数值孔径，以致可接收尽可能大量的光，原则上，该透镜系统可由一透镜元件组成，第三类的第一实施例，它包括单一聚光透镜，其特征进一步在于：聚光透镜的至少一个折射表面是非球面的。

第三类的第一实施例的特征还在于，每个聚光透镜系统包括一主聚光透镜，继之以至少一个附加透镜元件。

附加透镜元件可以接管主聚光透镜所需的部分校正或其透镜光学的部分能力，以致该透镜可以易于制造，并且便宜，附加透镜元件还可以用来改善图象质量，如果聚光透镜系统的光学能力一部分加入到附加透镜元件，则这些元件可以是非球面的，附加透镜元件还可以是，如，菲涅耳透镜，它具有轻和薄的优点。

由两个聚光透镜系统组成的照明系统，其特征还在于，第一透镜板可以被分成两个第一透镜板，它们分别设置在第一和第二聚光透镜系统中。

照明系统的长度可以通过调节聚光透镜系统中的第一透镜板来减少，除去照明系统具有一个非球面反射器和一个聚光镜系统以外，本发明还可以在其他实施例中提供很多优点，其中其他元件可用来集聚光源辐射。第三类的第二实施例，其特征在于，反射器是抛物面反射器，它围绕在光源的较大一部分上。

抛物面反射器具有其自身的优点，它可接收光源的光的很大一部分，然而，由该反射器形成的光束具有不均匀的照明强度分布，可以确信较均匀的分布可以通过将光源安置在抛物面反射器聚光点外侧来获得，然而光束具有大角度孔径，以致投影透镜系统也必须具有大数值孔径，照明强度分布可以通过在具有抛物面反射器的照明系统中采用所述透镜板使其更为均匀。

对于在第二透镜板的透镜上形成的每个图象来说，光是来源于抛物面反射器的不同部分的，其所有部分相对于光源来说具有不同的定向，所有所述图象相对于透镜板来说具有不同的定向，这与实际的结合是令人满意的，设置在半圆内的第二透镜组具有互相不同的定向，并且其相对于第一组透镜也是不同的。

前文已参照第三类的第二实施例进行陈述，它适用于该类的第三实施例，该实施例的特征在于，反射器是一椭圆反射器，它围绕在光源的较大部分上。

该第三实施例进一步的特征还在于：准直透镜是设置在反射器和第一透镜板之间。

第三类的第四实施例的特征在于，反射器是一双曲形反射器。

该实施例的进一步特征也在于，准直透镜是设置在反射器和第一透镜板之间。

如果给第三类各实施例提供的是延长光源，那么这些实施例的进一步可取的特征在于，光源的径向与主轴平行。

发明还涉及彩色图象投影装置，它具有三基色红、绿和兰的三色通道，每色通道均包括一分隔的(单独的)显示屏，按照本发明，该装置的特征在于，它包括如前所述的一种图象投影装置，并通过分色装置为三色通道提供分束。

彩色图象投影装置其他特征还在于，每色通道如前所述具有单独的图象投影装置。

现参照附图将本发明更为详细地加以描述，其中：

图1示出了图象投影装置示意图，

图2示出了用于本发明装置中的分束器的第一实施例，

图3示出了该分束器的工作状态，

图4示出了在一出射面上具有偏振旋转器的该分束器，

图5示出了分束器的第二实施例，

图6示出了图象投影装置第一实施例的一个截面，

图7和图8分别示出了用于该装置的第一透镜板的前面透视图和背面透视图，

图9和10分别示出了用于该装置的第二透镜板的前面透视图和背面透视图，

图11以透视图的形式示出了图象投影装置的第二实施例，

图12示出了带有其上所形成的光源图象的第一透镜板背面图，

图13、14、15和16示出了在光源后具有球面反射器的照明系统的不同实施例，

图17和18示出了结合的第一透镜板和透镜的两个实施例，

图19示出了具有弯曲的第一透镜板的照明系统的一个实施例，

图20示出了在照明系统中具有抛物面形反射器的图象投影装置的一个实施例，

图21示出了该装置的第二透镜板以及其上形成光点的前视图，

图22示出带有抛物面形反射器的照明系统的另一实施例，

图23、24和25示出了带有椭圆形反射器的照明系统的实施例，

图26示出了带有双曲形反射器的照明系统的一个实施例，

图27示出了带有一照明系统和透明显示屏的彩色图象投影装置的一个实施例，

图28示出了带有一照明系统和反射显示屏的彩色图象投影装置的一个实施例，

图29示出了对于每个彩色通道具有单独照明系统的彩色图象投影装置，

图30和31分别示出了在第二透镜板和分束器之间具有和不具有透镜系统的图象投影装置的实施例。

在图1中，方块A表示一照明系统，它发射出光束b，该束的主射线与图象投影装置的光轴00’相重叠，如果黑白图象须要投影的话，那么该光束投射在图象显示系统B上，该系统具有一个显示屏1，如，该屏可以是液晶显示屏(LCD)，这样的屏可由一层如向列型的液晶材料4组成，它可以被封闭在例如玻璃的两透明板之间，激励电极5和6设置在每板上，这些电极可以分成大量的行和列，使得在显示屏上的大量象素得以确定，不同的象素要通过驱动矩阵电极来驱动，如图所示可借助驱动终端7和8，这样，就可通过液晶材料4在所需位置上提供电场，该电场引起了材料4有效折射率的变化，以致通过给定象素的光经受或不经受偏振方向的旋转，这取决于相关象素位置上的局部电场的存在与否。

代替该所谓的无源驱动显示屏，也可采用有源驱动屏，在上述显示屏中，支承板中的一个有一个电极，而半导体驱动电子设备设置在其他板上，这样每个象素就可通过其本身的有源驱动元件，如薄膜晶体管，来驱动，两种类型的直接驱动显示屏描述在欧洲专利申请号0,266,184中。

投射在显示屏1上的光束必须进行偏振，最好是线性偏振，然而，照明系统A产生的是非偏振光，而具有所需偏振方向的该光束的线性偏振成分可以借助偏振器10来选择，偏振方向与偏振器10有效平行的检偏振器11设置在通过显示屏的光路上，由此使被驱动的这些象素产生的光不改变光束的偏振方向地通过偏振器到投影透镜系统C，而由菲驱动象素产生的并将光束的偏振方向旋转90°的光被检偏振器遮挡，这样检偏振器将光束的偏振调制变换为亮度调制，投影透镜系统C将图象投射在投影屏幕D的屏1上，该投影图象就可以由坐在投影屏蔽后面房间中的观众W来看到。

在上述的实施例中，不提供电场的象素在投影屏D上成为黑点，另外可采用该方式来驱动象素，如提供一场强通过该象素，使投射的线性偏振光的偏振方向不旋转90°，但该线性偏振光被变换成椭圆形偏振光，使该光的部分通到投影屏幕上而其余部分被遮挡，这样相关光束象素不会在投影屏幕上成象为黑或白象素，但却成为灰色象素，它的灰度是可调节的。

代替线性偏振光，带有液晶显示屏的图象投影装置一般还可采用圆形或椭圆形偏振光，显示屏能够改变圆形偏振光的旋转方向或椭圆形偏振光的椭圆座标轴的比，所述的改变是借助附加偏振装置将其变换亮度调制。

如果所采用的图象显示装置它的象素处于驱动状态时旋转偏振方向并在非驱动状态下不改变该方向时，将整个光束的偏振方向旋转90°的液晶材料附加层可以与显示屏11顺序设置，致使在投影屏幕上的图象具有与在装置中由显示屏所形成的图象相同的极性，其中显示屏的象素处于驱动状态不改变偏振方向。

还可采用图1中由参考数字12所表示的附加偏振旋器，如果装置中处于驱动状态的象素不改变偏振方向，这些象素在投影屏幕上仍会表现为黑色象素，这提供了掩饰的可能性，如，对于显示屏上的无用效应，通过增加对比度、以获得减小装置的彩色依赖性或提高显示屏的关断速率来进行。

代替液晶材料层的λ/2板，其中λ是投射光的波长，该板可用作为附加偏振旋转器12，此外，检偏器还可相对于原始向旋转90°。

当液晶显示屏用于透射时，它具有较低效率，如，只有投射在屏上的10％的辐射光通到投影透镜系统，另外，如果该系统要以放大形式于屏上成象并仍要在屏的单位表面积上提供足够的辐射亮度的话，那么照明光束应当具有较大量度，采用较高亮度的灯泡作为光源只能提供有限的改善，实际上，具有较高光亮度的灯泡通常还具有灯弧形式的较大辐射表面积，当为了限制投影装置中随后光成分尺寸而要减小光束孔径时，部分光能将再次损失，因此，希望接受尽可能多的灯光并将其聚焦成一窄光束，还需要使该光束的截面以最大可能的程度适应于显示屏的矩形，使得尽可能少量的光落于该屏以外。

按照发明对装置进行了多次测试满足了这些要求，首先，采用光源的两个偏振成分照射显示屏，为此采用的是特殊偏振敏感分束器和偏振变换器的结合所组成的装置，其次，可以确保投射在分束器上的光束具有特殊截面，并以特殊方式投射在分束器上。

图2示出了偏振敏感分束器的截面，该分束器20包括，如玻璃的两个棱镜21和25，以及双折射层27，该层由如液晶材料组成，普通折射率n_o一般总是等于1.5，而特别折射率n_e可具有1.6至1.8的数值，这要取决于层27的组成，由所谓定向层28和29提供的棱镜，其定向层确保了层27的光轴垂直于这种情况下的附图平面，该轴由图2中参考数字30来表示，由此确保了棱镜材料的折射率n₁等于层27的折射率n_o，如为1.7，如果非偏振光束以入射角ψ通过棱镜21投射在层27上，其中角ψ大于或等于临界角，那么该光束的P—偏振成分就全部反射到棱镜21的出射面23上，因此层27的普通折射率适用于该成分，它的折射率小于棱镜21的折射率，P—偏振成分是偏振方向平行于投射平面的成分，如通过层27上的垂直线n并横截附图平面，层27的特别折射率适用于S—偏振成分，其偏振方向与入射面相横截，致使该成分在其通过分束器时，不会遇到不同的折射率，随后并连续穿过棱镜21，层27和棱镜25变成原始方向。

下面给出P成分的临界角ψ₁：

或

致使它必须适用于入射角ψ：

即如果P成分被完全反射的话，既使层27的特别折射率n_e不等于棱镜材料的折射率n₁，只要入射角ψ小于临界角ψ₂，那么S成分也会完全通过，对此要保证：

或

为获得由层27的分隔，入射角ψ的整个条件是这样的：

$({\mathrm{\&psi;}}_1=)\arcsin \frac{n_0}{n_1}<\mathrm{\&psi;}<\arcsin \frac{n_0}{n_1}(={\mathrm{\&psi;}}_2)$

图2示出了角ψ₁和ψ₂。

液晶材料折射率的差值Δn＝n_o－n₀可以是大的，以致分束器20适用于较大的入射角ψ的范围(ψ₂－ψ₁)，另外，还可以确保，在入射光束的波长变化时，棱镜材料和层27的折射率以相同方式变化，致使分束器对于大的波长范围具有大的偏振一分束效率，按照图2，分束器的一个很重要的优点是便宜的，因为它不需要任何昂贵的双折射棱镜材料，象渥拉斯顿棱镜(Wollas-ton prism)，还因为该棱镜能够相对容易地制成。

棱镜21和25可以不是一种材料的，这些棱镜可以是由玻璃或其它透明壁组成的，在其壁内可以提供具有高折射率且等于层27折射率n_o的透明液体或合成材料，这些壁应当具有与液体或合成材料相同的折射率，其中材料不应具有任何消偏振作用。

按照图2，在分束器中代替液晶层的双折射粘接层最好用作为分束器中的偏振分离层，与具有液晶层的分束器相比，具有双折射粘接层的分束器有许多优点，即，它具有简单的构成，它的工作很少依赖于温度，它还可很好地耐较高的温度，并且还具有适应层与棱镜彼此之间折射率的许多可能。

双折射粘接层最好是单轴定向的聚合物层，可通过如磨光棱镜表面来获得所需的定向，在棱镜表面之间的层必须以一个方向提供，而在磨光表面提供一层聚酰亚胺时是最有效的。

特别耐高温的分束器就是通过固化液晶单体组合物形成聚合物层的分束器。

图3示出了投射在分束器20上的照明光束b’是如何由该分束器将光束分成两束线性的相互垂直的偏振光束成分b’_p和b’_s的，只有主射线和两束边缘射线通过表面22进入棱镜21的，这是由照明光束b’示出的，该表面是以与反射层27成α角设置的，以致在由该表面折射以后，层27上的光速入射角ψ具有上述临界角ψ₁和ψ₂之间的数值，使得P—偏振光束成分b’p完全被反射，并通过出射面23离开棱镜21，S-偏振成分进入棱镜25，并通过射出面26离开该棱镜，射出面23和26也是以与反射层27成α角设置的，以致光束成分b’_p和b’_s有效地横穿过平面平行板，并分别在表面23和26上折射后，使光束平行于入射光束b’。

下面将进一步描述，设置在分束器前的照明系统适合于采用这样的方式，即，光束b’具有半圆形截面，并且位于层27的一侧上，如图3左手部分所示，射出光束成分b’_p和b’_s还具有半圆形截面，但位于圆32内的主轴两侧，如图3右手部分所示，照明系统还适合采用这样的方式，即，在无分束器时，光源的一个象是在分束器后的位置上形成的，当将这样光束提供给分束器时，会产生两个光源图象1’_p和1’_s，其中1’_p是由P-偏振光形成的光源图象，而1’_s是由S-偏振光形成的光源图象。

如果λ/2板31设置在一个射出面上，如，面26，如图4所示，则成分b’_s的偏振方向将旋转90°以上，以致由板31射出的光束也是P-偏振光，然后两个光源图象联合构成一第二光源1’，它射出线性偏振光，该光适用于图4中屏1的照明。

代替λ/2板的旋转材料层，如聚合物层或相互旋转的单轴双折射层，可用作为偏振旋转器31，偏振旋转器不仅可设置在一个射出面23或26上，而且还可设置在该射出后面。

图5示出了分束器的第二实施例，该分束器40的偏振敏感分离层41是由胆甾型液晶材料组成的，该材料可以是左旋型的或右旋型的，如果材料是左旋型的，则进入的非偏振光束b’的左圆偏振b’_o，L成分就会被反射，相反，右圆偏振分成b’_o，R通过，成分b’_o，R经特殊反射器反射到图象显示系统(未示出)，该反射器不改变成分b’_o，R的偏振状态，并且它是由如右旋液晶材料组成的，反射成分b’_o，L投射在反射器43上，如一种普通镜面反射器，它可将左圆偏振光变换为右圆偏振光而通过层41，并具有与成分b’_o，R相同的方向，这样具有半圆形截面的光束b’被变成两条光束成分b”₁和b”₂，两者均具有一半圆形截面，并且是右圆偏振光，它们共同构成一具有圆形截面的光束b”，如图5底部所示。

当采用图5所示分束器时，照明系统可适合于这样的方式，即，光源的一个图象是在表面44上的形成的。

具有右圆偏振光的光束可以不经过任何偏振变换而提供到显示屏上，这具有的优点，如，必须加以驱动的屏的向列型电场比在采用线性偏振辐射情况下的电场小，另外，λ/4板45可以设置在分束器40后面的对角位置上，其中该板将圆形偏振光变换为线性偏振光。

代替左旋胆甾型层的右旋胆甾型层可以用作为分隔层41，在这种情况下，反射器42可以由左旋材料组成，并且反射器43也可以是一种普通镜面反射器，由分束器40射出的光然后被左圆偏振。

如前所述由于采用了偏振敏感分束器与偏振变换器的结合，就偏振而言，使得光源发射得到最佳应用，另外，由于由分束器射出的光束具有圆型截面，因此，该光束最适合于投影透镜系统的图孔径，如图1中的c，按照本发明，可采用特殊照明系统，尤其是提供两透镜板，以获得在分束器入射时具有半圆形截面的光束b’，该光束在显示屏位置上还具有矩形截面，该截面适合于屏的形状，并且还具有令人满意的均匀光分布。

图6是这个照明系统的第一个实施例的示意图，这一系统包括一个灯50，它朝着显示屏，和后方(图6的左侧)发射灯光。一个接收向后发射的光并形成灯的图象的球面反射器51设置在灯的后面。图6中由反射器51形成的灯的图象与灯一致，看起来好象是灯可以穿透它自身的光，这种现象在实践中是少见的，在此情况下所获得的灯的图象位于灯的旁边。灯及其图象所出射的光由一个聚光镜系统52接收，该系统把光集聚一个平行光束，换句话说，它把灯映射到无限远。平行光束入射到第一透镜板54上，该透镜面对光源的一侧设有多个透镜55，而另一侧56是平的。图7表示该镜片的正面透视图，而图8表示该镜片的后视图。

在图6中，板54的截面只示出了4个透镜，实际上，如图7和图8所示，该板所包括有例如10个透镜。每个这些透镜把光源50映射到第二透镜板57的一个附助透镜58上，该透镜板面对光源的一侧59是平的，而远离光源的一侧设有多个透镜58，如图9的正视图和图10的后视投影图所示。透镜板57上的透镜58数量等于透镜板54的透镜55的数量，或者两倍于透55的数量，例如当反射器51在灯的旁边形成灯的图象的情况下。为了利用对应的透镜55₁……55₁₀。把光源50映射到不同的透镜58₁……58₁₀上，每次把光束6的一个不同的部分入射到透镜板54上。为了清楚起见，图6仅出示了两个分束b₁和b₂。

透镜55₁……55₁₀在分束穿过他们的方向上具有使分束在透镜58的平面内具有最小收缩的能力，并且各分束的主射线直接朝向对应的透镜58₁……58₁₀的中心。透镜58₁……58₁₀在把透镜板54上形成的发射光点映照成中间图象60的方向上具有使光点重叠的能力，由此所获得的照明光束的中间图象具有良好的均匀分布，这种均匀分布由该装置进一步保持。在透镜板57的位置上产生一个半圆形截面的光源图象。中间图象60是55₁……55₁₀的图象，因此它具有与这些透镜对应的形状。

一个透镜系统62包括例如两个平凸透镜63和64，该系统布置在中间图象60后面，这一系统把中间图象60映射到无限远，同时在分束器，例如棱镜20的位置上形成透镜板57的图象65。

如图6所示，该装置具有第一和第二主轴，第一主轴oo’一直延伸到分束器20，并且穿过灯50的中心和图9中由o₅₇表示的第二透镜板57的中心。第二主轴o₁o₁’从分束器穿过光束分离层27一直延伸到投影透镜系统，并且垂直于显示屏。

图11再一次结合上述元件表示出该装置的局部，但这一次采用透视图来表示。使用一个抛物面反射器101来代替球面反射器和聚光镜系统，用于集聚来自延长光源100的光。图11表示出在偏振敏感分束器20后面又设置了一个透镜67，在这一透镜的焦面上产生中间图象60的一个图象70，即一个透镜55₁……55₁₀的重叠的最后的图象。这个最后的图象不受偏振敏感分束器20的影响，因为产生透镜55₁……55₁₀的图象的光束在该分束器的位置上是一个平行光束，并且对这一光束来说，该分束器的入射面与出射面是平行的。

显示屏1设置在透镜67的焦面上，从而在显示屏上形成最后的图象70。

在显示普通视频图象时所使用的液晶显示屏的宽高比为b∶h＝4∶3，其中宽度b垂直于图6中的图面，是x方向上的尺寸，而高度h在图6的图面上是y方向上的尺寸，并且垂直于光轴线oo’。在图7和图8的实施例中，透镜板54的透镜55具有相同的宽高比。从而使全部来自聚光镜系统52的光线都穿过显示屏，使照明系统具有高集聚效率。

显示屏和透镜55也可以改成另一种宽高比，例如16∶9。

图12是包括在透镜55上形成的发射源的图象在内的第一透镜板54的后视图。举例来说，假定反射器51映射出其近旁的发射源的较大部分，这样在每个透镜55上就形成两个光源图象71和72。所有这些光源图象具有相同的取向。作为其结果，并且由于恰当地选择发射源的尺寸以及其由反射器51形成它的图象的，每个透镜55₁……55₁₀的表面区域可以得到非常充分的利用，其中由反射器形成的图象尺寸取决于反射器51的位置。透镜55₁……55₁₀最好以这样的方式设置：使它们联合形成的外界周边尽量接近一个圆形。由于透镜板54的有效表面区域能最佳地适合于反射器所提供的光束b₁的截面，从而可以收集到最大量的光源光线。

如图11所示，在照明光束的发射路径中可以布置一个向场透镜73，该透镜映射照明系统的出射光瞳，在这种情形下，由发射源形成的图象L’_P L’_S处在投影透镜系统的出射光瞳之中。由于发射源图象L’_P和L’_S共同构成一个圆形表面，并且能最佳地适合于投影透镜系统的圆形孔径，这一系统及其他光学元件可以保持有限的尺寸。

透镜55的尺寸取决于显示屏1的表面上光束截面的所希望对角尺寸以及在第一透镜板54与显示屏之间的所有元件所构成的光学系统的放大率。

聚光镜系统必须具有大数值孔径，例如，大约0.85，以便集聚来自光源的足够的发射光。如图6所示，聚光镜系统可以采用单一结构的厚透镜元件52。为了保持有限的映射误差，该透镜元件应该具有至少一个非球面的表面。如果在透镜元件52’上附加一个或多个辅助透镜元件53，则可以降低对透镜元件52的要求，如图13所示。辅助透镜元件53可以为透镜元件52’提供一部分所需的校正，并且可以是，例如非球面的透镜元件。另一种可能的方法是由辅助透镜元件承担聚光镜系统的一部分聚光能力。该辅助透镜元件不仅可以是具有曲面折射表面的元件，也可以是又轻又薄的菲涅尔透镜元件，或者是具有一个径向变化折射率的透镜元件。

照明系统还可以用一个双聚光镜系统来代替单一的聚光镜系统，如图14所示。在这个照明系统中，两个聚光镜系统52₁’，53₁和52₂’，53₂分别设置在发射源50的前面。发射源例如是一个延长金属卤灯，它具有例如2∶1的长宽比率。如图6和13，灯的纵向方向垂直于光轴线oo’。由聚光镜系统收集的光线被集聚两个分束b₁’和b₂’，并且由反射器76和77反射到光轴线oo’上。构成一个脊角镜的两个反射器78和79设置在光轴两侧，在光轴上一个位置光束b₁’和b₂’的主轴与其相交的处，光束截面很小，这些反射器使光束b₁’和b₂’向光轴线oo’的方向偏转。这些光束的最小收缩位于平面80处，在该平面处可以假设为布置了两个具有小发射表面的二次发射源。

图14的插图表示了这些发射源，或是灯的图象81和82的垂直剖面图。这些图象的尺寸，折算过来可以认为相同的灯处于该位置。图象81和82所处的圆83的半径小于发射源所确定的圆形的两倍，因此，双聚光镜系统把光源50的光线集聚成了一个小截面的光束。此外，构成图象81和82的光束b₁’，和b₂’的角孔径比较小，这意味着，与一个低通过量相结合，双聚光镜系统具有大的光集聚能力。所谓通量，或亮度或受光，可以表示一个光学系统传送发射能量的能力。这种能力取决于孔径或“光圈”与光瞳的一致性及其在光学系统中的相同位置，并且可以通过孔径表面以及通过孔径中心的光瞳所对的空间角的积所表示。在初始端具有给定通过量的光学系统中，仅能通过遮挡射线来进一步减少该系统中的通过量。

由于双聚光镜系统与单一聚光镜系统相比具有较低的通量，并同时保持了相同的光收集能力，可以采用由一个双聚光镜系统组成的图象投影装置，该装置采用较便宜的光学元件，例如较小的值的孔径或较小的截面，这一点对于消费者使用的装置特别重要。

在双聚光镜系统中仍有一个设置在发射源50后面的反射器51，它把光源后侧发射的光线反射到聚光镜52₁’和52₂’上，从而增加了光束b₁’和b₂’的密度，因此就增加了照明系统的效率。

图14说明第二透镜板57的中心不一定要位于第一主轴线oo’上，该透镜板可以改成完全设在该轴线的一侧。

图15表示由一个双聚光镜系统组成的照明系统的一个实施例，其中使用了两个第一透镜板54₁和54₂。这些透镜板分别被设置在，例如主聚光镜52₁’及52₂’与反射器76及77之间。光束b₁’和b₂’在这些透镜的表面上具有矩形截面，因此这些透镜板的透镜55最好也采用矩形镜片的设置方式。

透镜板54₁和54₂也可以分别布置在反射器76与78之间和反射器77与79之间。

图15的实施例中也可以包括额外的聚光镜元件，类似于图14中的透镜元件53₁和53₂。然而，也可以参考下述图17和18的类似方式，把这些透镜元件与透镜板54₁和54₂结合起来。

在图6和13的照明系统中，由于入射到第一透镜板54上的发射光束是平行光束，透镜板57的透镜表面面积可以平均为透镜55表面面积的一半。

如果把单一聚光镜元件52发射的光束从平行光束改为发散光束，如图16所示，在此情况下可以考虑降低对图6中的单一聚光镜元件52的要求，此时必须使用第二透镜板57的透镜。

与图6的聚光镜52相比，聚光镜52”的聚光能力较小，但可以通过修改图6的透镜系统62来补偿。

如果把图13实施例中的聚光镜元件53设置在第二透镜板57的后面，就可以获得一种与图15相似的布置方式。

在按照图13的实施例中，透镜53和透镜板54可以结合成一个元件85，分别如图17和图18所示。该透镜还可以为透镜55起支撑作用，从而使照明系统减少一个元件，使该系统简化并且较易于装配。在图17的实施例中，透镜55设置在该集成元件85的第一曲面86上。图18所示的实施例中，透镜55’设置在集成透镜88的一个大体上平直的表面99上。图17中的曲面86在图18中由不同曲率的透镜55’所代替。原则上来说，透镜55’的曲率与图17中曲面86上该透镜所处位置上的曲率相对应，但是由于射向该透镜的分束横渡较薄的透镜，并且因此会得到不同的方向，透镜55’的曲率是经过修正的曲率。

如上所述，按照本发明的照明系统可以提供一种照明密度具有良好的均匀分布的光束。然而，就一切情况而论，在被照明物镜的边沿处的照明密度不一定要精确地等于物镜中心的密度，特别是在使用液晶显示屏显示视频图象时，如果密度完全相等，显示图象看上去会显得不自然。因此最好使照明密度从显示屏的中心向边沿方向稍微减小。

图19表示一个实现这种照明方式的实施例，该实施例包括一个具有透明基片92的第一透镜板54’，其第一表面93上设有多个透镜55，93的表面是曲面，所以92的中心厚度比边缘要小，可以保证每次从一个透镜对55，58上发出的每个光束部分都聚焦在中间图象上。对于不同的透镜对由于各对透镜55与58之间的相互距离不同，其效率也不同，该放大率D60/D58由D60/D58＝f58/f55给出，在透镜58上形成的发射光点按照该放大率映射到中间图象60上并最终映射到显示屏上。中心透镜58的焦距f58最小，因此利用这些透镜形成的图象要比起利用透镜58在透镜板边沿处形成的图象大。

照明系统还可以采用这样一种方式，把来自不同透镜对的光束部分聚焦在不同的轴向位置上。位于靠近光轴线oo’处的透镜对55，58发出的分束可以被聚焦在显示屏1上，从越来越远离轴线oo’的透镜对上发出的光束部分则在中间图象60的平面上越来越散焦。每单位表面积上尺寸增大且照明密度减小的大量发散光点重叠在该图象位置上，导致总的发散光点的照明密度从中心起逐渐减小。

由于镜片54’和57的透镜数目有限，在显示屏1平面上的密度减小是分段的，对于观看者来说，从一个给定数目的透镜55和58，这种分段不会很快觉查出。

在使用到此为止所描述的聚光器照明系统实施例中，在透镜板57上形成的所有光源图象都具有相同的取向。而图20所示的最佳实施例中则不再是这种情况了。

在该图中，标号100表示一个由灯构成的发射源，它具有延长的光弧，其纵向方向与第一光轴线oo’一致。一个抛物面反射器101围住了灯的大部分，把灯所发射的光线的一大部分反射向透镜板54。反射器101把发射源100映射到无限远。与透镜板54上透镜55的数目相对应，透镜板54在第二透镜板57上形成相应数目的光源图象。由于构成不同图象的不同光束部分b₁，b₂等等是从反射器101的不同部分上发出的，反射器的所有这些部分相对于发射源100具有不同的取向，所有上述图象相对于透镜板57都具有不同的取向，如图21所示。

该图是透镜板57的后视图，其中的上述图象用标号102表示，透镜则重新用标号58₁……58₁₀表示。大多数透镜的取向与其中所形成的光源图象近似地一致，因此可以保持透镜58₁……58₁₀及透镜板57的有限尺寸，这意味着投影透镜系统(图1中的c)的数值孔径相对较小。

图22表示照明系统的一个实施例，其中有一个抛物面反射器101和一个可以修改显示屏1上的密度分布的第一透镜板54’。透镜板54’的前面是弯曲的，它以附图20所述的相同方式起作用。抛物面反射器与透镜板54’结合提供了额外的优点，那就是说，与透镜板相对应，抛物线的数值孔径在边沿处比较小，因此可以在维持相同通量的同时获得较高的效率。此外，由于灯的一部分投射到透镜板的空腔内，照明系统可以采用更紧凑的形状。

图23表示一个与图20中相同类型的照明系统，但是在该系统中用一个椭圆形反射器105和一个额外的透镜106代替了抛物面反射器。发射源100，例如还是一个纵向方向与光轴线oo’一致的延长灯，该光源布置在椭圆形反射器的第一焦点F₁上，反射器在其第二焦点F₂上形成一个图象100’，透镜106把来自光源100和图象100’的射线集聚成一个平行光束。

另一种可能是在来自反射器105的聚焦光束的路径中设置第一透镜板，如图24所示。在第二透镜板后面设置一个透镜107，用来校正入射到透镜板上的光束的会聚。

在使用椭圆形反射器时，同样可以保证在第一透镜板上形成光源的图象，图25表示了一个这种情况的实施例，由此可以使透镜板54和57的尺寸较小。在透镜板54前面可以设置一个透镜108，用于使光束b远心，从而使光束的射线垂直地入射到第一透镜板54上。

与图20和图23具有相同类型的另一个照明系统的实施例如图26所示。在该实施例中，反射器110是双曲线的，该反射器把来自光源50的射线集聚成发散的光束，该光束看上去是来自反射器左侧的光源虚象50’。如图26中所示，第一透镜板可以设置在这一发散光束的路径上，一个用于补偿光束发散的透镜111设置在第二透镜板后面。另一种可能是把一个透镜112设置在双曲反射器与第一透镜板之间，把来自反射器的光束转换成平行光束。

图27用图解的方式表示了一个彩色投影电视装置的实施例。该装置包括3个主要部分：照明系统A，显示系统B以及投影透镜系统C，例如一个变焦镜头。照明系统的主轴oo’与该系统的光学轴DD’成一直线，在本实施例中，首先把轴线分割成三个分轴，这些分轴在以下的步骤中与投影透镜系统的光学轴EE’相重合，结合成一条光学轴线。

来自照明系统A的光束入射到一个彩色选择反射器120上，例如是一个能反射(例如)兰色成分b_B，并通过其他光束的分色镜。这个光束部分到达第二彩色选择反射器121，该反射器反射绿色成分b_G，并把剩下的红色成分b_R传送到反射器122，反射器122把红色光束反射到投影透镜系统。反射器122可以是中性反射器。或者是最适合于红色光的反射器。兰色光束由一个中性或兰色选择反射器123反射到由液晶板构成的显示屏126上，该显示屏是以公知的方法用电驱动的，从而把投影图象的兰色成分显现在该显示屏上。用兰色信息调制的光束通过一个传送兰色光束并反射绿色光束的彩色选择反射器124和另一个反射兰色光束的彩色选择反射器125到达投影透镜系统c。绿色光束b_G横过一个第二显示屏127，在那里用绿色成分进行调制，然后用彩色选择反射器124和125依次反射到投影透镜系统c。红色光束b_R横过一个第三显示屏128，在那里用红色成分进行调制，并由彩色选择反射器125顺序到达投影透镜系统c。

兰色、红色和绿色光束重叠在投影透镜系统的输入端，在该输入端产生彩色图象，该彩色图象由该投影透镜系统放大后映射到一个投影屏上，图27没有示出这一投影屏幕。

照明系统A的输出端与每个显示板126，127和128之间的光学路径长度最好是相等的，以使得光束b_B，b_G和b_R截面在他们的显示屏处是相等的。显示屏126，127和128与投影透镜系统的输入孔径之间的光学路径长度最好也相等，以使得不同色彩的场景良好地重叠在投影屏幕上。

设置在显示屏126，27和128前面的每个透镜129，130和131均相当于图10中的透镜57，并确保来自照明系统的出射平面的全部光线被集聚在投影透镜系统的入射光瞳之内。

图28表示一个彩色图象投影装置的实施例，它具有反射显示屏140，141和142。由根据本发明的照明系统提供的光束b由一个用两个分色镜146和147构成的所谓交叉分色装置(dichroic cross)145分色成不同的彩色光束b_R、b_G、b_B。

在图28中用一个单一透镜表示的投影透镜系统c仅仅收集由显示屏反射的光束b_RE的射线，而不收集由照明系统提供的光束b_ON的射线。

为了在该系统与显示屏之间的距离不是很大的情况下确保光束b_ON和b_RE在投影透镜系统的位置上充分地分离，使用了一个由棱镜135的合成系统构成的角相关光束分离器。该系统包括两个玻璃合成材料的透明棱镜136和137，两者之间有一空气层138。由于棱镜材料(n_m为例如1.5)的折射率n_m远大于空气的折射率n₁(n₁＝1.0)，以大于或等于所谓临界角θ_g的角度θ_i入射到棱镜与空气的界面上的发射光束将被完全反射，此处的临界角θ_g可表示为

。以小于临界角的角度入射到该界面上的光束可以被完全透射。在按照图28的实施例中，棱镜136和137的折射率和空气层138的取向是这样选择的，即通过界面136，138把来自照明系统A的光束b_ON全部反射向显示系统，并使来自显示系统的光束b_RE全部通过该界面。为了这一目的，光束b_ON和b_RE在该界面上的入射角分别大于和小于该界面的临界角。

棱镜系统确保了光束b_RE的主要射线以一个大角度延伸，与光束b_ON近似90°角。因此，投影透镜系统c可以靠近显示系统设置，使图象投影装置的长度明显小于没有棱镜的系统。

也可以相对于光束b_ON和b_RE的方向按下述的方式选择界面136，138的取向，使光束b_ON通过界面传到显示系统，把显示系统设置在棱镜系统下方，并把光b_RE反射到投影透镜系统c。在彩色光束投影的情况下，这种设置方式具有使调制光束b_RE中出现的彩色象差较小的优点。

在图28中，由界面136，138反射的光束b_ON入射到第一分色镜146，该分色镜反射(例如)兰色光。兰色成分b_ON，B入射到产生兰色次潜影的显示屏142上，并且由显示屏142把用兰色图象信息调制后的光束b_RE，B反射到交叉分色装置145。由分色镜146传送的具有红色和绿色成分的光束入射到第二分色镜147上，分色镜147把红色成分b_ON，R反射到显示屏140。红色次潜影在显示屏140上产生。用红色图象信息调制后的光束b_RE，R被反射到交叉分色装置145。由分色镜147传送的绿色光束成分b_ON，G由绿色显示屏141调制，并作为光束成分b_RE，G反射到交叉分色装置145。由于分色镜146和147反射上述返回光束成分b_RE，B和b_RE，R，并且传送光束成分b_RE，G，使这些光束成分结合成一个经过彩色图象信息调制的光束b_RE。

偏振镜10和检偏镜11最好分别设置在照明系统A与显示系统之间，以及显示系统与投影透镜系统之间，使这些元件同时对三个彩色成分起作用，并且不需要为每个彩色成分装设这些元件的独立系统。

美国专利4,239,346号中尤其描述了一种直接驱动的反射液晶显示屏。

在一个光束可以垂直入射到显示屏上的彩色图象投影装置中，可以改用一个偏振敏感分束器代替合成棱镜135。偏振敏感分束器确保只把具有特殊偏振方向的光线反射或传送到显示屏上，并且仅把由显示屏反射的，具有与入射光束的偏振方向相垂直的偏振方向的光线成分传送或反射到投影透镜系统。该偏振敏感分束器还起到转换器的作用，把偏振调制转换成密度调制。

彩色图象投影装置可以改用只有一个显示屏的显示系统代替三个单色屏，即使用一个合成或彩色显示屏。该彩色屏包括的象素数目，举例来说，等于一个单色屏的象素数目的三倍。彩色屏的象素被分成三组，由这三组象素产生红色、绿色和兰色的次潜影，各组的象素在投影屏幕上配合成一个象素。然后，把一个单独的彩色滤光镜设置在(例如)每个图片前面，该滤光镜仅仅传送想要的相关象素的色彩。

彩色屏可以是一个透射屏，其中彩色图象投影装置可以有如图6，11和20所示结构。如果彩色屏是一个反射屏，彩色图象投影装置可以具有例如图28的结构，但其中的彩色屏设置在单色屏141的位置上，并且省略了显示屏140，142以及交叉分色装置145。

图29是一个分别为三基色绿，兰和红采用三个彩色通道150，151和152的一个彩色图象投影装置的轮廓平面视图。每个彩色通道包括一个接照本发明的照明系统A，一个透镜73以及一个透明显示屏141，这些元件表示在绿色通道150内，在其他通道中相应的元件按相同的方式设置，利用一个例如交叉分色装置145把经图象信息调制后的不同的彩色光束b_G，b_B和B_R结合成一个光束b_RE，该光束由投影透镜系统c投影到一个显示屏幕(未示出)上。

按照本发明的照明系统不仅可以用于液晶显示屏的照明，也可以用于为采用一个阴极射线管与一个光导层和一层液晶材料相结合的显示系统提供照明，在美国专利4,127,322中描述了这个显示系统。

本发明通常可以用于下述场合，在必须用一种特殊偏振状态的光为一个非圆形物镜照明的场合，以及应该非常有效地使用一个发射光源的光线的场合。

图6和11中所示的图象投影装置被改成使位于分束器20的其相反的轴向区域后面的平面上的光束b’具有半圆形截面。然而，该装置也可以改成另一种方式，使光束b’在分束器的入射平面位置上具有这样一种半圆形截面。为了较好地比较，图30表示了按照图6和图11的原理的图象投影装置，而图31表示了最后所述的一种可能性。

这两张图分别示出了分束的边界射线I和II，以及III和IV。这些分束是通过由第二透镜板54，分束器20，透镜67’和73以及显示屏1所构成的系统，来自透镜板52的两个外层透镜的，并且最终入射到投影透镜系统c的入射光瞳I_p上。如上所述，分束器20分别把每条射线分成两条射线I_A，I_B；II_A，II_B；III_A，III_B；以及IV_A，IV_B。透镜73把这些射线合成在位于光学轴线两侧的四个点上。

在图30中，透镜系统62设置在第二透镜板54与分束器20之间，该透镜系统在分束器20后面直接形成一个发射光源的半圆形图象。透镜系统73把射线I_BII_B合成在第一点p₁上，并把射线I_A和II_A合成在第二点p₂上，这两点位于相对于光轴线正好相反，并与轴线有一定距离的位置上。射线III_A和IV_A合成在第三点p₃上，以及射线III_B和IV_B合成在第四点p₄上，点p₃和p₄靠近光轴线。在投影透视透视系统c的入射光瞳内形成的光源图象由两个半圆形发射点L”构成，它们紧靠在一起并在共同组成一个圆形光点32，如图30中右侧底部所示。

在图31的实施例中，没有透镜系统62，并且分束器20直接设置在第三透镜板54后面。其结果是，来自透镜板52外层透镜的光束的边界射线I和II以及III和IV，分别通过与图30中不同的路径。此时，透镜系统73把射线I_B和II_B合成在点p₆上，射线I_A和II_A合成在点p₇上，射线III_A和IV_A合成在点p₉上，以及射线III_B和IV_B合成在点p₉上。在投影透镜系统c的光瞳内的光源图象仍由两个半圆形发射光点L’”构成，然而，相互之间，以及与光轴间的距离较大。因此，当图6，11和30中的实施例相比，投影透镜系统应该具有较大的孔径32’，或较低的F数值。但是，另一些优点胜过了这些缺点，那就是所需的元件数量较少，并且系统的总长度较小。

Claims (30)

1、一种图象投影装置包括一照明系统，一个至少具有一个用于产生将被投影的图象的显示屏的图象显示系统，其中由照明系统提供的照明光束的偏振方向用图象信息进行调制，一个用于把图象显示系统形成的图象投射到投影屏幕上的投影透镜系统，以及一个设置在照明系统与图象显示系统之间用于把照明光束分解成两个不同偏振的分束(Sub-beam)的偏振敏感分束器，其中第一分束直接适于由图象显示系统进行调制，以及一个偏振旋转元件，用于把第二分束转换成和第一分束具有相同偏振状态的光束，上述第一和第二分束入射到图象显示系统上，其特征在于：

照明系统包括具有多个第一透镜的第一透镜板，和具有多个第二透镜的第二透镜板，其第二透镜的数目与第一透镜的数目成正比，在第二透镜板中的第二透镜以半圆形安置；

偏振敏感分束器包括第一棱镜，该棱镜具有平行于入射到该分束器上的照明光束的主射线的第一平面，以及一个具有平行于上述主射线的第一平面的第二棱镜，这些棱镜具有相同的折射率；

偏振分束器包括一个在第一和第二棱镜之间的双折射材料层，上述材料的折射率之一等于棱镜的折射率；

第一棱镜的第二和第三平面的大小相等，并且以相反的角度延伸到第一平面上，分别构成分束器的入射面和第一出射面，第二棱镜的第二平面与第一棱镜的第二平面平行，构成分束器的第二出射面。

2、如权利要求1所述的图象投影装置，其特征是偏振旋转元件设置在分束器的一个出射面上。

3.如权利要求1或2所述的图象投影装置，其特征是上述双折射材料是一种液晶材料。

4.如权利要求1或2所述的图象投影装置，其特征是，双折射材料层是一个双折射粘合层。

5.如权利要求4所述的图象投影装置，其特征是上述粘合层是一个单轴定向的聚合物层。

6.如权利要求5所述的图象投影装置，其特征是上述聚合物层是由固化的液晶单体合成物构成的。

7.如权利要求1所述的图象投影装置，其特征是，分束器包括一个胆甾醇材料的层，该层与主轴近似成45°角，该层把照明光束分成第一圆偏振光反射分束，该分束具有第一旋转方向，以及第二圆偏振光行进分束，该分束具有相反的第二旋转方向，并且在第一分束的路径中还装设有一个与入射到分束器上的照明光束主射线平行的第一反射器，以及一个设置在第二分束的路径中，与胆甾醇层近似成90°角的第二反射器，并且其中的一个反射器使入射到其上的分束的旋转方向反转。

8.如权利要求1所述的图象投影装置，其中的照明系统还包括一个发射光源和一个用于收集来自光源的光的凹面反射器，其特征是，上述透镜系统还包括一个第三透镜，第一透镜板把入射到其上的发射光束分割成多个分束，其数目与第二透镜的数目成比例，这些分束在第二透镜所在平面上具有最小的收缩，并且其主射线都对准第二透镜的中心，第二透镜把第一透镜板上形成的发射光点重叠地映射到一个中间图象内，并且上述第三透镜在靠近分束器出射面的一个平面内形成一个第二透镜板的图象，其中第一透镜的宽/高比与一个显示屏的宽/高比相对应。

9.如权利要求1或8所述的图象投影装置，其特征是，至少一个上述透镜板中的一个透镜是非球面透镜。

10.如权利要求8所述的图象投影装置，其特征是，其中第一透镜与第二透镜的数目相等。

11.如权利要求8所述的图象投影装置，其特征是，其中第一透镜的尺寸和设置方式可以使第一透镜板的表面近似地等于入射到其上的照明光束的截面。

12.如权利要求8所述的图象投影装置，其特征是，第一透镜板设置在一个平面上，在该平面上形成光源的第一图象，并且上述图象由第二透镜板重新映射在一个中间图象内。

13.如权利要求8所述的图象投影装置，其特征是，在每个第二透镜上形成一个缩小的光源图象。

14.如权利要求8所述的图象投影装置，其特征是，其中的第一透镜板和一个辅助透镜一起结合成一个具有至少一个曲面的光学元件。

15.如权利要求14所述的图象投影装置，其中的辅助透镜是平凸透镜，其特征是第一透镜设置在该透镜的平折射表面上。

16.如权利要求14所述的图象投影装置，其特征是，第一透镜设置在上述透镜的一个曲面折射表面上。

17.如权利要求14所述的图象投影装置，其特征是用一个大至的平面代替上述透镜的曲面折射表面，在该平面上设置第一透镜，每个第一透镜的曲率均与原先在曲面折射表面上相应透镜所在位置的曲率相对应。

18.如权利要求8所述的图象投影装置，其特征是，上述反射器是球面反射器，它仅收集光源一侧的平面上发射的光，该平面穿过发射光源的中心并垂直于系统的光学轴线，并且其中有一个聚光镜系统设置在上述平面的另一侧和上述第一透镜板前面。

19.如权利要求8所述的图象投影装置，其特征是，上述反射器是球面反射器，它仅收集光源一侧的平面上发射的光，该平面穿过发射光源的中心，并垂直于系统光学轴线，并且其中有两个聚光镜系统布置在上述平面的另一侧和上述第一透镜板前面，每个聚光镜系统接收来自光源和反射器的光的不同部分。

20.如权利要求18或19所述的图象投影装置，其特征是其中每个聚光镜系统包括至少一个透镜，该透镜的至少一个折射面是非球面的。

21.如权利要求18或19所述的图象投影装置，其特征是其中每个聚光镜系统包括一个主聚光镜，它后面接着至少一个额外的透镜元件。

22.如权利要求19所述的图象投影装置，其特征是第一透镜板被分割成两个第一板，它们分别设置在第一和第二聚光镜系统中。

23.如权利要求8所述的图象投影装置，其特征是，反射器是一个抛物面反射器，它包围着光源的大部分。

24.如权利要求8的图象投影装置，其特征是，反射器是一个椭圆形反射器，它包围着光源的大部分。

25.如权利要求24所述的图象投影装置，其特征是，有一个准直透镜设置在反射器与第一透镜板之间。

26.如权利要求8所述的图象投影装置，其特征是，反射器是一个双曲面反射器。

27.如权利要求26所述的图象投影装置，其特征是，有一个准直透镜设置在反射器与第一透镜板之间。

28.如权利要求23所述的图象投影装置，其中的发射源是延长源，其特征是，该光源的纵方向平行于上述主轴。

29.一种彩色图象投影装置具有用于三基色红、绿和兰的三个彩色通道，每个彩色通道包括一个单独的显示屏，其特征是，该装置包括一个如权利要求1至28中任何一个所述的图象投影装置，用于通过彩色分束装置为三个彩色通道提供分开的光束。

30.一种彩色图象投影装置具有用于三基色红、绿和兰的三个彩色通道，每个通道包括一个单独的显示屏，其特征是其中每个通道都包括一个如权利要求1至28中任何一个所述的单独的图象投影装置。

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