CN1061505C - 反射图象投射屏及包括这种屏的图象投射系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种反射图象投射屏(1)和使用这种投射屏(1)的图象投射系统(17)。从投射屏(1)的前壁(3)起，图象投射屏按顺序包括线性偏振器(9)、λ/4板(11)、胆甾醇型滤光器形式的反射偏振器(13)和反射层(15)，该反射层也起去偏振漫射层的作用。将胆甾醇型滤光器(13)和去偏振反射层(15)结合，可以得到图象投射屏，该屏有效反射由象投影仪(19)传送的偏振方向的光并基本上吸收其它偏振方向的光。

Description

反射图象投射屏及包括这种屏的图象投射系统

本发明涉及反射图象投射屏，该屏包括偏振器及反射层，该反射层反射通过偏振器入射在反射层上的辐射。

本发明还涉及包括这种反射图象投射屏的图象投射系统。

在开头段落中所述那种类型反射图象投射屏的图象投射系统可见欧洲专利申请EP0295913A2。该申请中所述的图象投射屏是反射图象投射屏，可制作成例如金属屏。不仅图象投影仪传送的辐射(以后称作信号光)而且外来光也入射在图象投影屏上，并由该屏反射入观众室，所以为了能够观看到对比层次丰富的图象，该屏的四周应相当暗。为此，图象投射屏面对观看者的一面装有能够吸收大约50％外来光线的偏振器。这样可以减少由于外来光线引起的对比度的降低。图象投射仪的照明系统包括辐射源，该辐射源的辐射用对偏振敏感的光束分裂器分裂成P-和S-偏振辐射。二束线偏振光中的一束入射在液晶元件上，在液晶元件中，光束的偏振方向被调制到与液晶元件产生的象一致。随后，被调制的辐射以象的形式通过投影镜投射在图象投射屏上。因为投射的信号光沿屏偏振器的偏振方向是线性偏振的，所以该光线经过反射层反射之后通过屏上的偏振器基本上全部进入观众室。

在所述的系统中，入射在图象投射屏上的辐射以一个基本上等于入射角但与该角相反地被反射。在图象投影仪被固定在例如顶棚上而且屏是镜面反射屏例如金属屏的图象投影系统中尤其是这种情况。辐射然后反射到其高度比投射屏低的观众室。

由于需要相互定位投影仪、投射屏和观看者，所以仅在有限的情况下应用金属屏。实际上，一般要求在配置上述系统的部件和观看者时有更大的自由度。一种常见的配置方式是例如便携式的投影仪放置在观看者眼睛的高度，同时进一步要求从不同位置观看投射象会有好的质量，尤其是沿水平面观看。

本发明的目的是提供一种新型的满足上述要求的图象投射屏，在这种屏中可以相当程度克服由于外来光线引起的对比度的降低。

为此，本发明的反射图象投射屏的特征在于，反射层是去偏振的漫射层，图象投射屏包括在偏振器和反射层之间的胆甾醇型滤光器(Cholesteric filter)以及偏振器和胆甾醇型滤光器之间的λ／4板，来自胆甾醇型滤光器的辐射的偏振方向经过λ／4板转换之后对应于偏振器的偏振方向。

漫射反射层将反射的信号光扩散到一个很大的立体角，因而从不同的位置可以观看到质量很好的图象，同时投影仪和投射屏的相互位置有较大的自由度。然而在大立体角内反射导致反射到观众室内的信号光强度的降低。使用同时具有去偏振效应的漫射反射层，再结合使用胆甾醇型滤光器，在同样外来光的条件下，对比度至少和用金属屏的对比度一样高，尽管在一个大立体角内反射，同时显著地增加了投影仪、投影屏和观看者位置的自由度。

本文中说的去偏振意味着，具有一定偏振状态的辐射至少部分转换成非偏振辐射，即具有不同偏振成分的辐射。

胆甾醇型滤光器是一种光学滤光器，它具有胆甾醇排序的液晶材料的光学层。这意味着，材料的分子排列成螺距为P的螺线和螺旋形结构。在这种材料装于两个平行的基片之间构成薄的光学活性层之后，螺旋形结构便以这样方式对准，使得螺线的轴线横切于薄层。在基片的相对表面上提供取向层可以改善螺线的准直。

λ／4板将光的线偏振转换成胆甾醇型滤光器需要的圆偏振并进行相反的转换。

当来自去偏振漫射层的非偏振辐射光束入射在这种滤光器上时，转动方向(左旋的或右旋的)对应于分子螺线方向而且其波长等于螺线螺距P的圆偏振辐射成分将受到反射。这种偏振状态被称作不适合子该体系的偏振状态。具有相反转动方向的圆偏振成分将穿过它并经过λ／4板和偏振器达到观众室。这种偏振状态被称作适合于该系统的偏振状态。

因此，不适合于该系统的偏振状态的光不被吸收，但由胆甾醇型滤光器重新反射到去偏振层。随后该光由这一层去偏振并重新回到胆甾醇型滤光器，使得其中的部分取得适合于该系统的偏振状态，因而能够通过胆甾醇型滤光器进入观众室。其余的部分再由滤光器反射到反射层，由于上述层的去偏振作用，其中的一部分又以正确的偏振状态入射胆甾醇型滤光器上，从而通过后者进入观众室。因此，胆甾醇型滤光器作用的波带的光例如80％可以变成需要的偏振态。

在具有去偏振反射层和线偏振器的图象投射屏中装上胆甾醇型滤光器便可以获得这样一种屏，即这种屏对由投影仪传送的偏振方向具有很高的反射率，并基本上吸收其它的偏振方向。这样，对于具有漫射反射层的投影屏也可以显著减小外来光的反射，所以图象的对比度在相同外来光的情况下，至少和金属屏的对比度一样高。

应当注意到，应用胆甾醇型滤光器作反射偏振器本质上是已知的。从例如R．Maurer等的论文“用胆甾醇液晶聚硅酮制的偏振彩色滤光器”(1990 SID国际研讨会，技术论文摘要，110～113页)中可以了解胆甾醇型滤光器。在这篇论文中所述的胆甾醇型滤光器具有光学活性层，该层包含基于聚硅酮的胆甾醇排序的液晶材料。Maurer的上述论文没有提出将胆甾醇型滤光器与去偏振漫射反射层结合起来抑制干扰的非偏振辐射。

本发明的反射图象投射屏的最佳实施例的特征在于反射层被作成粒状屏。

将反射层作成粒状屏，被反射的辐射将集中在有限的凸角(lobe)内。这样，入射到滤光器上的辐射将集中在有限的角区域。因为胆甾醇型滤光器作为偏振器的效能在给定的波带内随使其将被偏振的辐射的入射角的增加而降低，所以使用粒状屏的结果是，使用较小的带宽胆甾醇型滤光器是足够的，从而可以复盖同样的波长范围。

本发明反射图象投射屏的实施例的特征在于，胆甾醇型滤光器至少在整个可见波长范围的主要部分是有效的。

这样，对于整个可见波长区可以保持上述的80％的效率。另外，通过胆甾醇型滤光器的辐射适合于照明单色的和彩色的显示面板。

本发明的具有宽带胆甾醇型滤光器的反射图象投射屏的第一实施例的特征在于，胆甾醇型滤光器由许多层液晶材料组成，每一层对不同的波长带是有效的，这些波长带加起来基本上复盖了可见波长区。

本发明的具有宽带胆甾醇型滤光器的反射图象投射屏的最佳实施例的特征在于，胆甾醇型滤光器具有单层液晶聚合物材料，在这一层内，分子螺线的螺距沿层的厚度在两个值之间改变，这两个值分别对应于至少要求复盖整个可见波长区的下限和上限波长带。

这一实施例是基于判明，在具有胆甾醇排序的液晶聚合物材料中分子螺线的螺距可以连续政变。如本申请人申请的来公布的欧州专利申请No．932000055．7(PHN 14．345)(该申请的内容在本文中作为参考)中所述，在单层内充分改变螺距是可能的，所以不再需要将每层由液晶材料构成的并具有不同反射带的许多层叠置起来。由于在单层内螺距连续变化，所以使用较小的层厚度便足够，该层的厚度小于为复盖同样的反射带叠置不同层需要的总的厚度，因而滤光器可以具有较好的光学质量。事实上，由于代表胆甾醇的误差和分子排序的损失，这种滤光器的质量随层数的增加而相当快地下降。另外，滤光器的观看角相关性随厚度增加而增加，这意味着，对于入射角大于给定入射角的辐射，滤光器的效能在较大的层厚度时显著降低。

本发明的具有宽带胆甾醇型滤光器的反射图象投射屏的实施例的特征在于，胆甾醇型滤光器的至少许多层包含液晶聚合物材料，在这些层中分子螺线的螺距沿层的厚度在两个值之间变化，该两值分别对应于有关层反射带的下限和上限。

利用改变至少许多层螺距的方法可以增加相关层的反射带。因此使用较少数目的层数便可以充分复盖整个可见波长区，上述的滤光层数目较小的优点在这种情况下也是有效的。此实施例可以使用例如在单层内其螺线螺距不能充分改变来复盖要求波长区的胆甾醇材料。最好每一层在不同的波长区是有效的，使得胆甾醇型滤光器具有有限的厚度。

本发明也涉及包含如前所述反射图象投射屏的图象投射系统，以及涉及将象投射在图象投射屏上的投影仪，本发明的特征在于，投射屏是如前所述的屏，其特征还在于，由象投影仪提供的辐射的偏振方向对应于投射屏中线偏振器的偏振方向。

本文所说的象投影仪是这样一种设备，它装有象显示系统和将该系统产生的象投射在图象投射屏上的光学装置。

象显示系统可以是例如液晶显示面板(LCD)，或者可以由三个液晶显示面板和许多彩色可选择光束一分裂和光束再结合部件构成。这种象显示系统提供具有确定偏振方向的辐射。如果该确定的偏振方向对应于在图象投射屏上的线偏振器的偏振方向(该偏振方向依次耦合胆甾醇型滤光器的偏振转动方向)，则这种辐射无干扰通过两个偏振器，使得象的强度不降低。

象显示系统也可以由一个或多个涂有电光学层的阴极射线管构成，如美国专利US-A4127322中所述。

产生的象可以是视象、图象、数据，或它们的结合。

本发明的图象投射系统的实施例的特征在于，在照明系统和图象投射屏之间的光路上配置可调偏振转动器。

由于增加这种可调偏振转动器，由投影仪提供的偏振方向可以适合于在反射图象投射屏上的偏振器的偏振方向，从而显著增加图象投射的光效率。

本发明的图象投射屏的一个适宜实施例的特征在于，可调偏振转动器包括第一和第二λ／4板，第一λ／4板与投影仪提供的光束的偏振方向成45°角，第二λ／4是可转动的，从而可使象投影仪提供的偏振方向适合于反射图象投射屏的偏振方向。

第一λ／4板将象显示系统来的线偏振辐射转换成圆偏振辐射。该圆偏振辐射随后由第二λ／4板转换成线偏振辐射，该线偏振的偏振方向适合屏的偏振方向。当用彩色图象投射系统时，λ／4板最好是消色差的。

当象显示系统工作于圆偏振光而不是线偏振光时，第一λ／4板可配置在光束分裂器和象显示面板之间，而不是配置在象显示面板的后面。

根据下面的实施例可以清楚本发明的这些方面和其它方面，现在参照下述实施例对此进行详细说明。

图1示出本发明的反射图象投射屏的实施例；

图2示出图象投射系统的实施例，该系统具有本发明的传送偏振辐射的图象显示系统和反射图象投射屏；

图3示出利用两个消色差的λ／4板转动偏振方向。

图1示意示出反射图象投射屏1，该屏具有前壁3和将入射在前壁3上的光反射到观众室7的后壁5。然而，入射在投射屏上的辐射不仅包括来自图象投影仪的被称作信号光的辐射，而且还包括外来光的辐射。该外来光的主要部分也由图象投射屏反射到观众室，这导致图象对比度的显著降低。为了观看到高对比度的图象，观众室需要显著变暗。

另外，用金属屏的图象投射系统最适合于将图象投影仪固定在顶棚上这种配置。来自投影仪的辐射线由屏幕以基本上相等的但相反的角度反射到观众室，该观众室位于比屏幕低的位置。对于例如携带式系统，观看人和投影仪大体处于同一高度，在用金属屏系统时，要将图象投射在适合于观看人的位置是相当麻烦的。

应用本发明的图象投影屏时，光线以很大的立体角反射到观众室，因而显著增加了投影仪、投射屏和观看人的相互位置的自由度。另外，在同样外来光的情况下，可以达到至少像用金属屏那样高的对比度。

从前壁3开始，图象投射屏1由第一线偏振器9、λ／4板11、胆甾醇型滤光片形式的第二偏振器13和同时作为去偏振漫散层的反射层15组成。这意味着，入射在该漫射层15上的偏振辐射不仅漫反射而且还至少部分地转换成非偏振辐射，换言之，转换成具有不同偏振成分的辐射。上述元件9、11、13和15配置在支承件4上。

当这种图象投射屏受到与线偏振器9的偏振方向一致的具有确定的偏振方向的信号光线照射时，约90％的这种信号光线将透过偏振器9，而非偏振的外来光线的大体50％被吸收。随后，离开偏振器9的包括信号光线和外来光线的线偏振光入射在λ／4板11上，该板将偏振光转变为圆偏振辐射，例如光偏振面右旋的辐射。随后的胆甾醇型滤光器13对这种光线是透明的，透过这种右旋圆偏振辐射成分，使其到达反射层15。在该反射层15上，该辐射不仅被漫反射而且还被去偏振。换言之，偏振面右旋的圆偏振辐射被转换成具有偏振面右旋和左旋的圆偏振辐射成份的辐射。右旋成份穿过滤光器13，而左旋成份则由滤光器13再反射到反射层15，使得去偏振、反射和部分通过滤光器。因为光在屏幕上反射时也去偏振，而且屏幕上有胆甾醇型滤光器，所以可以充分补偿由于漫反射造成的可能的强度降低。由于在屏幕内重复反射和去偏振的过程，所以入射在屏幕上的信号光线以很高的百分率(例如80％)被反射到观众室。

虽然入射在投射屏并穿过偏振器9的外来光线也以同样的百分率被反射到观众室，但是该光线仅是总的外来光线的一半，因此仅有40％的入射在屏幕上的外来光被反射。

已知的胆甾醇型滤光器作为反射偏振器仅在相当有限的波长段内是有效的，例如50nm。波长在此波长段外的辐射则非偏振地通过，这意味着，滤光器仅在给定的波长范围起偏振器的作用。但是对于彩色图象投影系统，则希望胆甾醇型滤光器能够转变整个可见波长区的偏振状态，可见波长区的波长宽度是例如380nm。波长带的宽度Δλ由Δλ=λ_oΔn／ n确定，式中，Δn=n_a-n_o，是双折射率，n_a和n_o分别是异常和正常折射率； n=(n_o+n_o)／2是平均折射率。λ_o是在辐射垂直入射时可选择反射带的中心波长，它由λ_o= np=(n_a+n_o)P／2确定，式中P是滤光器分子螺旋线的螺距。胆甾醇型滤光器用作偏振器的效能随着被偏振辐射入射角的增加而降低，换言之，胆甾醇型滤光器是依赖于观察角度的。事实上，如果改变入射角，则有反射带漂移。效应还随滤光器厚度的增加而降低。

对整个可见波长区有效的胆甾醇型滤光器可用不同的方式实现。

第一种可能是将许多分别具有不同反射带的窄带胆甾醇型层重叠在一起。由此得到的复合滤光器的总的反射带宽度等于单个层反射带宽度的和。

由于反射层15的散射效应，入射在这一层上的辐射基本上在180°的角度范围内散射。结果，可见波长区需要的胆甾醇型滤光器的反射带增加了一个想象的波带，所以对大角度入射也是有效的。作为入射角函数的反射带的位移是例如2nm每度。

为了能够作为偏振器在整个可见波长区工作，并考虑到胆甾醇型滤光器随观察角度而定的反射带的位移，总的反射带应是[380nm+(180°×2nm／°)]=740nm。因为对于已知的胆甾醇型层，反射带的宽度平均是50nm，所以常规的叠层滤光器应当具有约1．5层，

第二种可能性是用单层液晶聚合物材料制作胆甾醇型滤光器，在这种滤光器中，分子螺旋线的螺距P沿层的厚度在下限和上限之间变动，使得总的反射带宽度等于要求滤光器可在整个可见波长区操作的带宽度。与叠层滤光器相比，单层滤光器的优点是光学性能较好。事实上，在叠层的情况下，由于在胆甾醇型材料中存在误差和平面分子排序的损失，其光学性能随层数的增加而降低。另外，依赖观察角的程度随厚度的增加而增加。这意味着，滤光器的效能对于入射角大于给定入射角的辐射在较大的层厚度下显著降低。为了使具有50nm反射带宽度的胆甾醇型层具有偏振效应，层应具有5μm的最小厚度。因而对于用15个窄带层叠置的滤光器，便得到75μm的最小厚度。

对于具有不同螺距的单层胆甾醇型滤光器，20μm的层厚度足以使这种滤光器有效地用作偏振器，这增加了滤光器的效能。制造沿层厚度具有不同螺距的单层胆甾醇型滤光器的方法在上述的未公布的欧州专利No．93200055．7中进行了叙述。

与包括许多具有恒定螺距的窄带层的胆甾醇型滤光器相比较，光学性能较好而且较少依赖于观察角度的胆甾醇型滤光器的实施例是用较少窄带层制造的胆甾醇型滤光器，这些窄带层中分子螺旋线的螺距P至少在许多这些窄带层中沿层的厚度变化。有关层的反射带宽可以增加到例如150nm。在这种情况下，对可见波长区需要的层数可以从15减小到5。

将反射层15作成粒状屏可使辐射集中在一个凸角中。结果使辐射在有限的立体角范围内对着滤光器，这导致胆甾醇型滤光器总的反射带的减少。这可以用一个数值例子说明，例如，对于对角线为1m投射距离为4m的图象投射屏，最大入射角是arctan(1／4)=14°。这意味着，对于具有窄反射带的层，足以复盖整个可见波长区的层数是[380nm+(14°×2nm／°)]／50nm≈8层，而不是上述的15层，而对于具有较大反射带的层，层数是[380nm+(14°×2nm／°)]／150nm≈3层，而不是5层。对于具有不同螺距的单层滤光器，由于使用后向反射层，螺距P的下限和上限值更接近。

图2示意示出的图象投射系统17包括如前所述的反射图象投射屏1和图象投影仪19，该投影仪发射具有确定偏振方向的光束将映象投射在投射屏1上。图象投影仪19包括照明系统21、图象显示系统26和投影镜系统23，为简单起见，该投影镜系统仅用一个投影镜代表。图象显示系统26具有例如图象显示面板，该显示面板可以是密封在两个透明板之间的一层液晶材料构成的液晶面板。这些面板，其工作基于改变或不改变穿过这些面板的辐射的偏振状态(取决于被显示的象)，应当用具有确定偏振态的辐射照射。为此，由辐射源25发射的并由聚光透镜系统24聚光的非偏振辐射27用对偏振敏感的光束分裂器29分裂成两束相互垂直偏振的光束31和33，其中的例如P-偏振光束引入射在图象显示面板26上。

如果要投射单色象，象显示系统仅有一个液晶面板。

如果图象投射系统是彩色象投射系统，则象显示系统26可以包括例如三个液晶面板，红、绿、蓝的基色之一，还包括许多分色镜，将光束分裂成红、绿、蓝光束，分别入射在有关的面板上。通过这些面板的光束再用另一组分色镜合成一个光束，入射在投影镜系统上。

彩色象投射系统还可以仅用一个液晶面板来实现。在这种情况下，可以应用配置在象元前面的彩色滤光器模式，如在美国专利US-A5029986中所述。

可以应用主动激励或被动激励的象显示面板。两种类型的直接激励象显示面板均在例如欧州专利申请EP0266184中进行了说明。

由象显示系统26产生的象随后由投影镜系统23放大并成象在投射屏1上。

最好应用美国专利US-A5184248中所用的特别复合棱镜来代替图2所示的对偏振敏感的光束分裂器，这种分裂器基本上损失了辐射光源发射的50％的辐射。在该专利中所述的棱镜由两个例如玻璃棱镜构成，其间具有例如液晶材料的双折射层。光束分裂器更详细的说明可参考上述美国专利。当使用这种光束分裂器时，可应用光源的两种偏振成分来照明象显示面板。

因为图象投射屏的偏振方向没有标准化，所以需要在辐射达到图象投射屏1之前，有一个装置，通过设置一个可调偏振转动器，例如在线偏振光的光路上配置包括两个一前一后的λ／4板转动从投影仪19来的线偏振辐射的偏振方向。第二板是可转动的，以便使投射光束的偏振方向适合图象投射屏上的偏振器的偏振方向。这种偏振状态的转换示于图3。从配置在例如象显示系统26和投影镜之间光路上的第一λ／4板35出来之后，偏振方向与入射光的偏振方向Pin成45°角。λ是辐射光束的中心波长。λ／4板35将线偏振辐射转换成圆偏振辐射。该圆偏振辐射随后入射在第二λ／4板37上，该板沿投影仪的外侧例如配置的投影镜的前面或配置在其上。辐射由该λ／4板37又变成线偏振。相对于入射的偏振方向Pin改变第二λ／4板37的方位角ψr可以调节出射光束的偏振方向Pout。这样，可以使投射光束的偏振方向适合于图象投射屏的偏振方向。

因为配置两个λ／4板35和37不是必需的，所以在图2它们用虚线表示。

在当前的象显示系统中，最好应用液晶显示(LCD)面板，这种面板依赖于给定象素的激发，可将具有给定偏振方向的线偏振辐射转换成具有垂直于第一偏振方向的第二偏振方向的线偏振辐射。如果LCD面板用圆偏振辐射工作，则第二λ／4板可以配置在光束分裂器29和象显示系统26之间。先匹配偏振方向，然后用LCD面板调制辐射束。

如果投射彩色象，则λ／4板11、35和37作为偏振转动器应当在整个可见波长区有效。这种宽带λ／4板本质上是已知的，并在NittoDenko公司的“Retardation Firm for STN-LCDs′NRE＇”(SID′92展品指南，Society for Information Display，1992年5月17～22日，美国马萨诸塞州波士顿市)一文中说明。

宽带λ／4板是透明的部件，它由例如许多层组成，并对可见波长区的所有波长(λ)转动光束的相位，使得圆偏振辐射被转换成线偏振辐射，或相反。

Claims (9)

1．一种反射图象投射屏，该屏包括偏振器和反射层，该反射层反射通过偏振器入射在反射层上的辐射，其特征在于，反射层是去偏振的漫射层，象投射屏包括在偏振器和反射层之间的胆甾醇型滤光器与在偏振器和胆甾醇型滤光器之间的λ／4板，经λ／4板转换之后，来自胆甾醇型滤光器的辐射的偏振方向对应于偏搌器的偏振方向。

2．如权利要求1所述的反射图象投射屏，其特征在于，反射层被作成粒状屏。

3．如权利要求1或2所述的反射图象投射屏，其特征在于，胆甾醇型滤光器至少在整个可见波长区的主要部分是起作用的。

4．如权利要求3所述的反射图象投射屏，其特征在于，胆甾醇型滤光器由许多液晶材料层组成，每一层对不同的波长带是起作用的，该波长带加起来基本上复盖可见波长区。

5．如权利要求3所述的反射图象投射屏，其特征在于，胆甾醇型滤光器具有一层液晶聚合物材料，在该层中，分子螺旋线的螺距沿层的厚度在两个值之间改变，该两值分别对应于至少复盖整个可见波长区要求的波长带的下限和上限。

6．如权利要求4所述的反射图象投射屏，其特征在于，胆甾醇型滤光器的至少许多层包含液晶聚合物材料，在这些层中，分子螺旋线的螺距沿层的厚度在两个值之间政变，该两值分别对应于相关层反射波长带的下限和上限。

7．一种图象投射系统，该系统包括图象投影仪和反射图象投射屏，图象投影仪装有图象显示系统，该系统根据产生的图象调制辐射光束，其特征在于，该图象投射系统使用一种如前述权利要求1所述的反射图象投射屏，以及，由图象投影仪提供的辐射的偏振方向对应于投射屏中线偏振器的偏振方向。

8．如权利要求7所述的图象投射系统，其特征在于，可调整的偏振转动器配置在照明系统和图象投射屏之间的光路上。

9．如权利要求8所述的图象投射系统，其特征在于，可调节偏振转动器包括第一和第二λ／4板，第一λ／4板与投影仪传送的光束偏振方向成45°角，第二λ／4板是可转动的，可使图象投影仪提供的偏振方向适合反射图象投射屏的偏振方向。

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