CN1231103A - 图像投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明与图像投影系统(1)有关。系统(1)包括一个用来提供照明光束的具有一个光源(5)的照明系统(3)。系统(1)还包括一个用来按需投影的图像信息对这个光束进行调制的具有至少一个反射图像显示屏板(13、15,17)的调制系统(11)和一个用来投射这图像信息的投影透镜系统(12)。在调制系统(11)和照明系统(3)之间配置有一个分色系统(19),而在分色系统(19)和照明系统(3)之间配置有一个极化分光器(9)。反射显示屏板(13、15、17)是散射型液晶显示屏板,而在各显示屏板的像元反射部和极化分光器(9)之间分别配置有一个λ/4板(35、37,39)。

Description

图像投影系统
本发明与图像投影系统有关，这种图像投影系统包括：一个提供一个照明光束的具有一个光源的照明系统，一个按需投影的图像信息调制这个光束的具有至少一个反射图像显示屏板的调制系统，以及一个投射所述图像信息的投影透镜系统。在调制系统和照明系统之间配置有一个分色系统，而在照明系统和分色系统之间配置有一个极化分光器。
如上面所述的这种类型的图像投影系统例如可参见欧洲专利申请EP0734184。在这个申请中所揭示的系统包括一个提供一个照明光束的具有一个光源的照明单元。这个非极化照明光束投射到一个极化分光器(PBS)上，从光路中消除掉两个正交的线极化光束分量中的一个分量，例如S分量。剩下的分量，P分量，由分色系统分裂成具有不同波长的三个子光束，投射到一个适当的反射显示屏板上。在这种情况下使用的显示屏板是一个液晶显示屏板，对入射光进行极化旋转处理。显示屏板细分为一系列像元，根据需投影的图像驱动。受驱动的像元将使入射光的极化方向发生旋转，而未受驱动的像元则保持入射光的极化方向不变。此外，在投影透镜和极化分光器之间配置了一个λ/4板，用来减少从这光学系统反射到屏板上的光量。通过λ/4的光射向透镜，被透镜反射后将再次通过λ/4板。由于这光两次通过λ/4板，它的极化将旋转90°，因此这光在到达PBS后就被从光路中除去。
上述这样的显示屏板在受照射侧配置了一个线极化器。未受驱动的像元将使入射光镜面反射而极化方向不变。因此，这样的反射光可以通过极化器。这种像元将呈现为亮像元。受驱动的像元将改变镜面反射的光的极化方向，因此这样的光不再能通过极化器。于是，这种像元就呈现为暗像元。
所述欧洲专利申请中所揭示的这种图像投影系统的缺点是在分色系统中会出现不希望有的极化旋转，这将导致在PBS中极化分离耗损。结果，暗状态不够暗，对比度受到限制。
本发明的目的是提供一种能克服上述缺点从而能实现较高对比度的图像投影系统。
为此，按本发明构成的图像投影系统的特征是反射显示屏板是一个散射型液晶显示屏板，而在显示屏板的像元的反射部和极化分光器之间配置了一个λ/4板。
λ/4板应理解为将线极化光束变换成圆极化光束或将圆极化光束变换成线极化光束的器件。λ/4板最好是宽频带的，这样它就能在整个可见光波段内有效工作。宽带λ/4板是一个包括例如多个层的透明器件，对光束中处于可见光波段的各波长(λ)的光进行相移，将圆极化辐射变换成线极化辐射。这种λ/4板例如可参见“STN-LCD的‘NRF’的延迟膜”(“Retardation film for STN-LCDs‘NRF’”by the firm ofNitto Denko in SID’92 Exhibit Guide,Society for Informationdisplay,May 17-22,1992,Boston,Massachasetts,USA)。
提出采用散射型显示屏板是基于这样一个创新的想法：由于处于散射状态的像元所引起的是散射性的反射，因此投射到投影透镜上的光绝大部分都在投影透镜的接受角以外，从而这种像元就有较好的暗状态。通过将一个散射型显示屏板与一个λ/4板组合在一起，可以大大减小分色系统中发生的由于不希望的极化旋转而导致对暗状态的不良影响，而保持亮状态的质量不变。
在液晶显示屏板中，各像元可在透明状态和散射状态之间转换。如果显示屏板包括例如PDLC(聚合物扩散液晶)，那么像元在没有电压加到它上面时将处于散射状态，而在有电压加到它上面时将处于透明状态。
在透明状态，入射的极化光将在显示屏板的有关像元的反射部上镜面反射，然而在散射状态，入射的极化光将散射性反射，而且去掉了极化。这样反射形成的散射的去极化光到达极化分光器后，将有一半左右向照明系统传播，而另一半将向投影透镜系统传播。由于散射的影响，光的角度分布完全改变，因此只有极小一部分在投影透镜的接受角内入射，所以像元呈现处在暗状态。
通过将一个λ/4板配置在极化分光器和显示屏板像元反射部分之间，保证了镜面反射光的极化方向旋转90°，而λ/4板对散射的去极化光不起作用。
这样，就能改善暗状态，同时又保持了亮状态的质量。这意味着能得到较高的对比度。
这个实施例的另一个优点是可以将结构做得更为紧凑，因为在这种情况下对于散射显示屏板来说不需要配置离轴光学系统。事实上，在采用一个反射散射显示屏板时，由于向前投影的光束通常具有相同的极化方向，因此这些光束需在空间上加以分离。在本发明中，这些光束受到极化处理，所以可以不必遵从这个空间分离的要求，从而系统能做得更为紧凑。
此外，在按本发明构成的系统中只要使用对于与应力有关的双折射要求不很高的光学器件就可以了。在采用基于使入射光的极化发生旋转的原理进行工作的显示屏板(如TN-LCD)的系统中，对基片内所允许的应力的要求非常严格，因为这些应力对极化方向有着不良影响。然而，与应力有关的双折射率低的光学器件是比较昂贵的。
按本发明构成的图像投影系统的另一个实施例的特征是λ/4板配置在显示屏板的朝向照明系统的外侧。
λ/4板可以配置在显示屏板上，但也可以隔开一段距离。来自分光器的线极化光将被λ/4板变换成圆极化光。在镜面反射的情况下(即像元处于透明状态)，圆极化的回旋方向由于反射而反相。第二次通过λ/4板后，圆极化光下变换回线极化光。这个光的极化方向相对原从分光器射出的光的极化方向偏转了90°。结果，到达分光器时，反射光将通过分光器而射向投影透镜系统。
散射性反射的去极化光在分光器中分离为两个分量。一个分量将射向光源，而另一个到达投影透镜系统的分量中只有极小一部分是在投影透镜的接受角内。
按本发明构成的图像投影系统的一个优选实施例的特征是λ/4板集成在显示屏板内，配置在液晶材料层和像元反射部分之间。
将线极化光变换在圆极化光现在在显示屏板内进行。这样的优点是可以抑制显示屏板的基片和电极引起的寄生反射。由于基片和电极而引起的寄生反射具有与来自光源的入射光相同的极化方向，因此将被PBS射向光源，从而这些反射不会对暗状态有不良影响。
按本发明构成的图像投影系统的另一个实施例的特征是在光源和极化分光器之间配置了一个极化变换系统。
这样，光源提供的光几乎全部都被变换成具有相同极化方向的光，而不是有将近一半的光偏离光路。因此，大大增大了照明系统的光输出。
按本发明构成的图像投影系统的再一个实施例的特征是照明系统包括一个积分系统。
积分系统用来保证照明系统提供的光束是一个均匀的光束。积分系统的已知实现形式例如有透明棒、带反射壁的光管或一种二镜片组合。
本发明的这些和其他一些情况从以下结合附图对这些实施例所作的说明中可以清楚地看到。在这些附图中：
图1和2示出了按本发明构成的图像投影系统的第一和第二实施例，由于光束分离器以不同方式实现，因此系统的结构有所不同；
图3示出了用于按本发明构成的图像投影系统的图像显示屏板的一个实施例，其中λ/4板配置在显示屏板上；以及
图4示出了用于按本发明构成的图像投影系统的图像显示屏板的另一个实施例，其中λ/4板配置在显示屏板内。
图1所示的按本发明构成的图像投影系统1包括一个配置有被反射器7围着的光源5的照明系统3。反射器7使光源5辐射的光聚成光束。反射器7例如可以是一个球面或抛物面的反射器。光源5辐射的光是非极化光。这光可以直接投射在极化分光器9上。极化分光器9将非极化光分离为两个线极化子光束，例如是一个S分量和一个P分量。这两个子光束之一将在分光器的内表面上反射，射向调制系统11。
分光器可以例如像美国专利US-A5,042,925所揭示的那样实现，也可以例如像国际专利申请WO97/01788所揭示的那样用一个反射性极化箔实现。这种箔在一个极化方向是透明的，而在另一个正交的极化方向是反射性的。
然而，最好在光源5和分光器9之间配置一个极化变换系统41，将由光源发出的光几乎全部都变换成具有相同极化方向的光。这样，照明系统的光输出将大大增大，将原要偏离光路的那一半光束变换成具有适当极化方向的光。
这种极化变换系统可以用不同方式实现。极化变换系统可以包括两个在内表面上发生极化分离的棱镜，能改变偏离光路的光束的极化方向，从而使这个光束再偏离原光束。极化变换系统也可以包括一个或多个与光束成Brewster角的平面平行板，使光束分离为一个S极化光束分量和一个P极化光束分量。这两个分量之一在极化方向被改变后就加到另一个分量上。上述这两种可能的实现方式例如可参见本申请人的美国专利US-A5,184,284和WO96/05534。
在图1和2中，调制系统11包括三个反射图像显示屏板13、15、17，用来按需投影的图像信息对入射光束进行调制。此外，系统1还包括一个投影透镜系统12，用来将这样形成的图像投影到图像投影屏(未示出)上。
显示屏板的像元包括一个实际状态有转换的有效部和一个包括电子器件等的非有效部。在反射显示屏板中，像元的有效部的液晶材料下有一个反射元。这些显示屏板是散射型的，显示屏板的像元可以在透明状态和散射状态之间转换。这种屏板的一个例子是PDLC(聚合物扩散液晶)显示屏板。在PDLC显示屏板中，扩散状态相应于像元的暗状态，而透明状态相应于亮状态。
分色系统19配置在调制系统11和极化分光器9之间。在图1和2中，分色系统由一个包括三个具有带分色涂层的侧面的棱镜24、25、27的棱镜系统组成。“白色”极化光束投射到棱镜系统19上。表面21例如反射红光束分量而通过蓝和绿光束分量。表面23反射蓝光束分量而保持绿光束分量。红和蓝光束分量受到相应棱镜的内部反射后分别经表面29和31离开棱镜系统。绿分量经表面33离开棱镜系统。在棱镜系统内各子光束相互分离的次序当然可以改变。
分光系统得出的各色子光束然后就分别投射到适合本子光束的波长的显示屏板13、15、17上。各显示屏板和对应的棱镜系统出光面之间分别配置了λ/4板35、37、39。在图1中，λ/4板是与显示屏板分离的。λ/4板也可以配置在显示屏板上。另一种可能的方式是将λ/4板集成在显示屏板内。这将在下面详细说明。
彩色图像投影系统也可以不用每个主色一个的三个显示屏板，而用一个配有起着分色系统作用的滤色栅的单个彩色显示屏板来代替。滤色栅可以是一个列有一系列彩色吸收型滤色器的网，也可以是一个列有一系列分色镜的网。在这两种情况下，λ/4板都配置在分光器和分色系统之间。
下面对上面所提到的散射型反射显示屏板的工作原理进行说明。将在像元上反射的线极化光束投射到显示屏板上。入射光束将在PDLC显示屏板的因加有电压而处于透明状态的像元上镜面反射。在入射光束首先投射到λ/4板上时，它的线极化光束就被变换成圆极化光束。由于是镜面反射，圆极化的旋转方向将相反。这个极化旋转方向经倒相后的光束再次通过λ/4板后，被变换成线极化光束。这个光束的线极化方向将与分光器射出的光束的极化方向正交，也就是说旋转了90°。在反射光束到达极化分光器9时，将通过分光器射向投影透镜系统12。
在像元处于散射状态时，入射的圆极化光将被散射性反射，而且去了极化。存在λ/4板对这光没有任何影响，它仍保持为非极化光。散射的非极化光也到达PBS，将有一半左右通过PBS射向照明系统，而另一半将向投影透镜系统传播。由于光的角度分布因散射而完全改变，因此只有极少部分将在投影透镜的接受角内入射，从而散射像元就呈现为处于暗状态。
图2原理性地示出了按本发明构成的图像投影系统，其中采用了另一种分光器9。这导致系统的结构有所不同，但工作原理仍是一样的。对于透明像元，来自各显示屏板的形成亮图像部分的这些光束射向投影透镜系统。对于散射像元，反射光束一部分射向光源，而另一部分射向投影透镜系统，只有其中极少部分在投影透镜的接受角内入射的可以射到投影屏上。
照明系统还可以包括一个积分系统43。这个系统用来使照明系统提供一个均匀的照明光束。已知的积分系统的实现形式有透明棒、带反射壁的光管或一种二镜片组合。
如前面所提到的那样，λ/4板可以配置在显示屏板内，例如在像元的反射部和液晶层之间，而不是配置在显示屏板上。这样做的优点是使由于电极和上层基片所引起的寄生反射不会到达投影屏幕而到达光源，因为这些反射具有与入射光相同的极化方向。
图3和4分别示出了λ/4板配置在不同可能位置的情况下散射像元和透明像元的作用。在这两个图的最左侧示出了寄生反射的情况。
在图3中，线极化光束b投射到透明像元45上。线极化光束由λ/4板47变换成一个圆极化光束。这个圆极化光束到达像元45的反射部49后，由于镜面反射，它的极化方向被反相。这个圆极化光束再由λ/4板45变换成一个线极化光束b2。线极化光束b2的极化方向相对入射光束b1的极化方向旋转了90°。在原光束b1通过分光器时，被显示屏板反射的光束b2就在分光器内被偏向投影透镜系统。如果光束b1在分光器处衍射，光束b2就可通过。在给定方向的衍射或通过由分光器具体实施方式确定。
投射到散射像元51上的光束b3也由λ/4板变换成圆极化光束。然而，这个光束在液晶层内受到散射和去极化后在像元51的反射部53上反射。λ/4板47对这个光束中的极化方向没有影响。在这个非极化光束投射到分光器上时，有一半左右被偏向投影透镜系统，而另一半将射向光源。然而，到达投影透镜系统的只有其中极少部分是在投影透镜的接受角内入射的，所以这样的光束不会对暗状态有什么不良影响。
图3中的左边部分例示了在电极55上的反射可以导致对图像产生不希望有的影响的情况。经λ/4板变换的圆极化光的极化方向在电极上反相，因此具有与来自透明像元的光相应的线极化方向，即使实际像元正处于散射状态。结果，所产生的寄生反射将使暗状态变差。这个问题可以通过将λ/4板集成在显示屏板内解决，如图4所示。投射到电极上的光仍然是线极化的。极化方向不受镜面反射影响。对于来自透明像元和散射像元的反射光束的极化方向，λ/4板的这种位置的变动并没有任何其他影响。然而，对于在电极55上的反射来说，情况就不同了。在这种情况下，在电极55上反射的光具有与入射到它上面的光相同的极化方向，这个极化方向与在透明像元上反射的光束的极化方向正交。这意味着在电极上反射的光束在分光器处将被偏向光源而不是如图3中的那样偏向投影透镜系统。因此，防止了寄生反射引起的对暗状态的不良影响。

Claims (5)

1．一种图像投影系统，包括一个用来提供照明光束的具有一个光源的照明系统、一个用来按照需投影的图像信息对这个光束进行调制的具有至少一个反射图像显示屏板的调制系统和一个用来投射所述图像信息的投影透镜系统，在所述调制系统和照明系统之间配置有一个分色棱镜，而在所述照明系统和分色系统之间配置有一个极化分光器，所述图像投影系统的特征是：所述反射显示屏板是一个散射型的液晶显示屏板，在所述显示屏板的像元的反射部和极化分光器之间配置有一个λ/4板。
2．一种如在权利要求1中所提出的图像投影系统，其特征是：所述λ/4板配置在所述显示屏板的朝向所述照明系统的外侧面上。
3．一种如在权利要求1中所提出的图像投影系统，其特征是：所述λ/4板集成在所述显示屏板内，配置在液晶材料层和像元的反射部分之间。
4．一种如在权利要求1、2或3中所提出的图像投影系统，其特征是：在所述光源和极化分光器之间配置有一个极化变换系统。
5．一种如在权利要求1、2、3或4中所提出的图像投影系统，其特征是：所述照明系统包括一个积分系统。
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