CN1112687A - 图象投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明说明了一种小型高效的图象投影系统 (1)。由投影器(3)提供的投影射束(11)以胆甾型滤 波器的方式入射到射束分离器(7)上。胆甾型滤波器 (7)反射圆偏振辐射到反射器(9)上，此圆偏振辐射具 有与分子螺旋线的螺距相对应的波长，并具有与分子 螺旋线的方向相对应的波长，并具有与分子螺旋线的 方向相对应的旋转方向。胆甾型滤波器(7)所反射的 偏振圆方向在反射器(9)上被转变，继而使射束(15) 由胆甾型滤波器(7)通过到达屏幕(5)

Description

本发明涉及一种图象投影系统，它包括：一投影器，用以提供待投影的图象调制的投影射束;一图象投影屏和一安置在图象投影器和图象投影屏之间的折迭式系统，该折迭式系统包括一用以至少部分地从投影器反射该投影射束的射束分离器;以及一反射器，用以接收由射束分离器反射的投影射束部分，和用以将所说部分又反射到射束分离器。

图象投影器在这里理解为这样一种装置，它装有一种图象显示系统和光学装置，用以把这个系统所产生的图象投影到图象投影屏上。所产生的图象可以是视频图象、图形图象、数据或它们的组合。

本说明书开头所叙述的一种图象投影系统类型可以从欧洲专利申请第0333333号得知。该申请中所叙述的图象投影系统包括一射束分离器，它实际上让一半的入射投影射束通过，并且它实际上将该射束的一半反射至安排在射束分离器的同一边作为投影器的反射器。反射器反射后，射束的一半又由射束分离器通过，而射束的一半又被反射出去。这种图象投影系统的缺点是效率较低，因为只有约25%由投影器发射出的非偏振辐射入射到图象投影系统。

本发明的目的是要提供一种小型图象投影系统，其中由投影器提供的百分率很高的投影射束被用来显示在投影屏上，以便可以获得效率更高的图象投影系统。

因此，根据本发明的图象投影系统的特征就在于射束分离器是胆甾型滤波器。

图象投影器在单色图象投影时可由一个阴极射线管和一个投影透镜组成，或在彩色图象投影系统时由三个阴极射线管和三个投影透镜组成。这种图象投影器提供非偏振投影射束，且在例如美国专利US-A4，127，322中加以叙述。

但该图象投影器最好是一种LCD投影器。在彩色图象投影系统的情况下，这种投影器可以包括三个液晶显示板，各作为原色红、绿、和兰用，或包括以彩色滤波器组合成的单个显示板。由于这种投影器提供偏振的投影射束，从而将这种投影射束以最适宜的程度应用于本发明中。

胆甾型滤波器是光学滤波器，包括一种具有胆甾型排列秩序的液晶材料的光学层。这意味着材料的分子排列成序为螺距为P的螺旋状结构。在两个平行基片间配以一种薄的光学有源层的材料后，螺旋状结构就排列成使螺旋轴线横穿该层状材料。在面对面的基片表面上配以取向层，就可以改进螺旋结构的对准程度。

这种滤波器对偏振敏感，并会反射圆偏振辐射分量，该圆偏振辐射分量具有旋转方向（左旋或右旋）对应于分子螺旋线方向，并具有波长对应于螺旋线的螺距P。具有相反的旋转方向和/或具有不适于螺距的波长的圆偏振分量将通过滤波器。因此，偏振状态不适于滤波器的辐射不被吸收，并被反射至反射器，反射器将偏振旋转的圆方向反转，以使辐射具有偏振状态适用于滤波器并从而通过滤波器。

从例如R.Maurer等人的文章“Polarizing Color Filters made from Cholesteric L C silicones”（发表于SID International symposium 1990，Digest of Technical Papers，pp.110-1113）可知胆甾型滤波器。这篇文章所叙述的胆甾型滤波器具有光学有源层，该光学有源层由基于硅酮的胆甾型排序的液晶材料组成。

在本发明的图角投影系统中，如果辐射源是LCD投影器，由LCD投影器提供的辐射的偏振状态是和胆甾型滤波器具有反射效应的偏振状态相对应的。

有两类图象显示板，即线性调制偏振辐射和循环（圆）调制偏振辐射的图象显示板。这里所指的图象显示板是带偏振器和检偏振器的液晶层的组合。具“线性”显示板的LCD投影器提供线性偏振辐射。为了能由胆甾型滤波器将这种辐射到反射器，首先应通过例如可以安装到例如投影器上的λ/4板将线性偏振辐射转变为适用于滤波器的圆偏振辐射。如果使用以“圆”显示板工作的LCD投影器，则可提供圆偏振辐射，因而不需转换并从而可以不用λ/4板。使用LCD投影器时，除了辐射在系统中的损耗外，主要有可能使100%的投影射束射到达图象投影屏。

如果投影器有一个或多个阴极射线管，由投影器提供的约50%的辐射入射到图象投影屏上。

本发明的图象投影系统的一个最佳实施例的特征在于，在整个可见波长范围的至少一主要部分里，胆甾型滤波器是有源的。

从JP-A  3-243932的英文版摘要得知可用对偏振敏感的射束分离器使非偏振辐射偏振，并通过λ/4板和反射器一起将射束分离器所反射的亚射束转变为可由射束分离器通过的偏振方向。这表示，偏振转换需要用射束分离器、λ/4板和反射器。此外，能制成这些射束分离器的尺寸是有限的，因而需要使用λ/4板作偏振转换，这和波长极为相关。

因为胆甾型滤波器在整个可见的波长范围里实际上是有源的，这和迄今已知的并已用在图象投影系统的偏振敏感的射束分离器是不同的，又因为它对其中的所有的波长都有相同的效果，故可能获得彩色可靠的图象投影。反射器上的圆偏振方向被转变为可由滤波器通过的旋转方向。这样，不仅对单色图象投影，对于彩色图象投影来说也是可以获得高效率的图象投影系统。此外，此种射束分离器可以制得较大的尺寸。

本发明图象投影系统的其他实施例的特征在于，胆甾型滤波器包括多层液晶材料，各层对不同的波段是有源的，所说波段联合起来实际上覆盖可见光波长范围。

本发明图象投影系统的另一实施例的特征在于胆甾型滤波器包括单层的液晶聚合物材料，在这层里分子螺旋线的螺距沿这层厚度在两个值间变化，这两个值分别对应于需要覆盖至少全部可见光波长范围的波段的下限值和上限值。

本实施例是根据下列的认识作出的，即分子螺旋线的螺距可在具胆甾排列成序的液晶聚合物中连续地变化。正如以申请人名义申请的非预先公开的欧洲专利申请No.9323057.0（PHN13.629）（该申请在本说明书里结合起来参考）中所叙述的那样，螺距在单一层中有可能在足够大的范围里改变，以致不再需要将各由具有不同反射波段的液晶材料制成的多层叠置起来。通过在单一层里螺距的连续变化，使用一层其厚度小于叠置不同层情况下所需的总层厚就足以覆盖相同的反射波段，以便获得光学性质较好的滤波器。实际上，由于差错是胆甾醇的特征并由于分子排序程度的降低，这种滤波器的品质在层数增加时会较快地下降。

即使使用的胆甾材料在单一层中不适宜实现螺旋线的螺距变化（这种变化是彩色图象投影所需的），无论如何也可以实现令人满意的彩色图角投影。本发明的图象投影系统的一个实施例（其中的情况总是这样）的特征在于，胆甾型滤波器的多个层包括液晶聚合物材料，在这些层中分子螺旋线的螺距沿层的厚度在两个值，即分别与相关层的反射波长波段上限值和下限值相对应的两个值之间变化。

本发明的图象投影系统的实施例就对比度而论是有优点的，其特征在于，在图象投影屏和射束分离器之间安置一偏振器。

这个偏振器实际上吸收了通过投影屏的背景的一半，该背景光由系统的部件反射进入观众的空间。以这种方式抑制背景光，以使对比度可以显著改进。在投影屏上装设有这种偏振器。

本发明的图象投影系统的另一实施例的特征在于，在偏振器和射束分离器之间安装一个λ/4板，在经λ/4板的转换后，该偏振器对于要由胆甾型滤波器反射的圆偏振方向的偏振方向具有吸收的效应。

如果胆甾型滤波器在左旋和右旋圆偏振辐射的选择性是不完善的，则由胆甾型滤波器错误通过的圆偏振辐射就会被λ/4板转变为线性偏振辐射，后者的偏振方向与偏振器所吸收的偏振方向相对应。由于胆甾型滤波器的预偏振，这种吸收很小，以使偏振器不会受热损坏。由于投影射束光具有不需要的偏振并直接通过滤波器入射，λ/4板防止在投影屏上的散焦图象。

对于彩色图象投影而言，λ/4板具有很宽的波段。宽波段的λ/4板是一种透明元件，它由例如多层组成，并为可见光波长范围的所有波长实现射束的相位旋转，使圆偏振辐射转变为线性偏振辐射，或作相反的转变。这种λ/4板的叙述，刊在Nitto Denko厂商的“Retardation Film for STN-LCOs′NRF′”。（SID′92 Exhibit Guide，Society for lnformation Display，May 17-22，1992，Boston，Massachusetts，USA）

参考下述实施例，就可以明了和解释本发明的这些和其他方面。

在附图中

图1图示本发明的图象投影系统的第一实施例，以及

图2图示本发明的图象投影系统的第二实施例，这个实施例具有改进的对比度。

图1中所图示的图象投影系统1包括一图象投影器3，该图象投影器装有图象显示系统，用以经投影透镜系统在图象投影屏5上提供要投影的图象。此外，图象投影系统1还包括射束分离器7和反射器9。射束分离器7和反射器9一起将图象投影所需的光路这样折叠起来，使系统的内部深度较小。远离射束分离器和反射器的屏幕5的一侧的观众16可以观察到投影在屏幕5上的图象。

图象可以是单色的也可以是彩色的图象。图象显示系统可以包括例如用以产生单色图象的一个阴极射线管，或者用以产生彩色图象的三个阴极射线管。为种投影器提供非偏振的辐射。

从所说欧洲专利申请得知的器件中投影射束射的一半由射束分离器反射到反射器，经反射器反射后，这个辐射只有一半通过到投影屏上，因此只有25%的由投影器供应的辐射到达投影屏。

当对偏化敏感的反射器和提供合适的偏振投影射束的投影器一起使用时，就可以获得显著改进的光输出。事实上，为了形成图象，可以相当简单的方式采用由投影器提供的百分比高得多的辐射。偏振辐射例如由具有液晶显示板的投影器提供，这种投影器以下称为LCD投影器。为了显示单色图象，图象显示系统只具有一个图象显示板。对于显示彩色图象，图象显示系统包括例如三个液晶板一套分色和组色元件，换而言之，是供每一原色的彩色通道，或一种单色显示板连同一组的彩色滤波器。这里的图象显示器理解为液晶层，连同带有偏振器和检偏振器。彩色图象的图象投影系统例如在美国专利US-A4，127，322有所说明。象素是液晶材料层的部分，根据图象信息改变入射到象素上的偏振辐射束的偏振方向。有两种图象显示板，即：调制线性偏振辐射的图象显示板（此后称为线性显示板）和调制圆偏振辐射的图象显示板（此后称为圆显示板）。在线性显示板的情况下，射束在入射到胆甾型滤波器之前转变为圆偏振射束。这可以例如装有λ/4板13的投影器来实现。由于投影器包括圆显示板时就可以不用λ/4板，故这种λ/4板13用虚线示出。

在根据本发明的图象投影系统中，射束分离器是一种胆甾型滤波器。当非偏辐射束入射到这种滤波器时，滤波器反射波长适用于分子螺旋线的螺距的射束部分和旋转方向适用于分子螺旋线的方向的射束部分，射束的其他部分则被通过。如果使用偏振辐射束，例如来自LCD投影器其偏振方向与胆甾型滤波器所反射的偏振方向相对应的射束，则可用反射器9获得小型的高效图象投影系统。假设来自投影器3的射束11是左旋圆偏振的，而且胆甾型滤波器的螺旋线方向也是左旋的。于是来自投影器3的投影束11实际上完全由胆甾型滤波器7反射到反射器9。通过在反射器9上的反射，这时是左旋的偏振圆方向被变换为右旋的方向。右旋的圆偏振射束15将由胆甾型滤波器7通过并到达投影屏5。理论上投影器3所提供的100%投影射束就可供图象投影利用。

胆甾型滤波器可用上述说明所需的应用方式以可接收的价格制得。

在彩色图象投射时，胆甾型滤波器应具有反射波长波段宽度至少与可铜陵光波长波段宽度相等。

已知的胆甾型滤波器在例如50nm的有限波长波段里用作对偏振敏感的反射器，波长在波长波段之外的辐射被通过，从而在现行使用中降低或干扰了图象的形成。整个可见光的波长波段宽度约为380nm。

滤波器的反射波长波段宽度△λ定义为△λ＝λ。△n/ n其中△n＝n_e-n_o为双折射，n_e和n_o分别胆甾材料的非常折射率和通常折射率， n＝（n_e+n_o）/2为平均折射率。λo为辐射垂直入射的选择性反射波的中心波长，表示如下：

λo= np= ((n_e+ n_o))/2 P

其中P为滤波器的分子螺旋线的螺距。

因为反射波长随入射角变动的移动幅度为例如每度2nm，故当制造滤波器时，应考虑用较覆盖整个可见光波长范围所需的380nm更宽的反射波长波段。

可以用各种方式实现在整个可见光波长范围都是有源的胆甾型滤波器。

第一种可能的做法是将各具有不同反射波长波段的多个窄波段胆甾层叠置起来。于是组合的滤波器的总反射波段宽度等于各个层的反射波段宽度之和。

第二种可能性是从单层的液晶聚合材料制取胆甾型滤波器，其中分子螺旋线的螺距P沿层的厚度在下限值和上限值之间变化，以便所得的反射波长波段宽度与滤波器所需的在整个可见光波长范围内都是有源的波段宽度相对应。与叠置的滤光器比较起来，单层滤光器具有光学性能较好的优点。各层叠置时，由于滤光器中出现的误差和由于平面的分子排序度的损失，光学性能会随层数增加而降低。此外，鉴于角度依赖性随厚度增加而增加，这意味着，对于入射角较已知入射角大的辐射而言，滤波器的效果随着较大的层厚而显著降低。为使反射波长波段宽度为50nm的胆甾层具有偏振效果，该层的最小厚度应为5μm。为了对大的入射角范围在整个可见光范围都是有源的多层滤波器应包括例如15层这样的层，于是多层滤波器厚75μm。

对于螺距是变化的单层胆甾型滤波器而言，20μm的层厚就足于有效地作为检偏振器，它也可改进滤波器的效果。在先前提到的非预先公开的欧洲专利申请93203057.0中，叙述了螺距沿层厚度变化的单层胆甾型滤波器的制造方法。

在一个实施例中的胆甾型滤波器，是从数目较小的层制得的，各层中至少有一些层其分子螺旋线的螺距P沿层的厚度变化。这种滤波器的光学性能较好，且其视角依赖性不像一种由数目较大的窄波段层而螺旋线螺距是常数的滤波器的那样大。相关层的反射波长波段宽度可以增加到例如150nm。这时，为可见光波长范围所需的层数可以大大减少至例如1/3。

图2为本发明图象投影系统第二实施例的示图。胆甾型滤波器7和屏5之间安置了偏振器17。这种偏振器17实际上吸收50%进入投影屏的非偏振背景光，以便该光线不能再在观众空间反射，结果，可得到大大改进的对比度。

此外，λ/4板可以安置在胆甾型滤波器7和偏振器17之间。如果是彩色图象投影，λ/4板是宽波段的。这种λ/4板19将由胆甾型滤波器7所通过的圆偏振辐射转变为线性偏振辐射。偏振器17是这样配上的，即在用λ/4板19转换后，要由胆甾型滤波器7反射的偏振圆方向被吸收，这样，在左旋和右旋的圆偏振辐射之间可能出现的不完善的选择性就由胆甾型滤波器加以补偿。投影射束的一小部分，在入射到胆甾型滤波器时应被反射的，但在非理想滤波器中，或因投影射束偏振的非理想状态而仍被通过，被转换为具有已知偏振方向的线性偏振光。于是，偏振器17的偏振方向应选择得使线性偏振辐射被吸收。结果，防止了由滤波器通过而不是被吸收的不需要的光去干扰投影屏上的图象。因为λ/4板是任选的，又用虚线表示。

正如欧洲专利申请所说明的，不用λ/4板19和偏振器17，可在胆甾型滤波器7和屏幕5之间安置格网屏（未示出），以便只让在已知角度里入射到屏幕的辐射通过。

Claims (7)

1、一种图象投影系统，包括一投影器、一图象投影屏和一折迭式系统，该投影器用以提供由要投影的图象调制的投影射束，该折迭式系统安置在图象投影器和图象投影屏之间并包括一射束分离器和一反射器，射束分离器用以至少部分地从投影器反射投影射束，反射器用以接收由射束分离器反射的投影射束部分并用以再将所述部分反射到射束分离器上，其特征在于，该射束分离器是胆甾型滤波器。

2、如权利要求1所述的图象投影系统，其特征在于，至少在整个可见光波长范围的主要部分，胆甾型滤波器是有源的

3、如权利要求1所述的图象投影系统，其特征在于，胆甾型滤波器包括多层液晶材料，每一层对于不同的波长波段来说都是有源的，所说波长波段联合起来实际上覆盖着可见光波长范围。

4、如权利要求2所述的图象投影系统，其特征在于，胆甾型滤波器包括单层的液晶聚合物材料，在该层里，分子螺旋线的螺距沿着层的厚度在分别对于所需覆盖至少整个可见光波长范围的波长波段的下限值与上限值的两个值之间变化。

5、如权利要求3所述的图象投影系统，其特征在于，至少多层的胆甾型滤波器包括液晶聚合物材料，在这些层里，分子螺旋线的螺距沿着层的厚度在分别对应于相关层的反射波长波段的下限值与上限值的两个值之间变化。

6、如任一前述权利要求所述的图象投影系统，其特征在于，偏振器安置在图象投影屏和射束分离器之间。

7、如权利要求6所述的图象投影系统，其特征在于，λ/4板安置在偏振器和射束分离器之间，对于要由胆甾型滤波器反射的偏振圆方向的偏振方向，在由λ/4板的转换后，偏振器具有吸收效果。

Images