CN1310522C - 带有定向固定偏振轴偏振分束器的数字图像投影仪 - Google Patents

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Abstract

一种数字图像投影仪(500；400)，它包括：照明光源灯(504；404)和照明光束形成光学装置(506，510，526，406，410，426，466)，用以形成白光谱照明光束；以及彩色频带分离光学装置(530，530’；436)，用以把照明光束分成彩色分量子光束(542R，542G，542B)。所述数字图像投影仪还包括：诸如反射式液晶显示偏振调制器等反射式数字图像编码偏振调制器机构(580，440R，440G，440B)，用以反射调制线性偏振子光束，以便形成彩色分量图像编码偏振子光束；以及投影透镜光学装置(590；490)，用以投影从图像编码偏振子光束分出的彩色图像。所述数字图像投影仪(500；400)还包括诸如线栅偏振分束器等板支持表面安装的固定偏振轴偏振分束器(570；470)，用以从图像编码偏振子光束分离彩色图像，其中偏振分束器(570；470)的偏振器支持板(572；472)面向投影仪(500；400)光学系统的照明光源一侧。

Description

带有定向固定偏振轴偏振 分束器的数字图像投影仪
技术领域
本发明广泛地涉及图像投影仪，更具体地说，涉及反射式液晶显示偏振调制器。
背景技术
数字图像投影仪广泛地用来把由对图像进行编码的数字信号所产生的彩色图像投影在会议室演示用的反射式显示屏的前面等，或者投影在背投式显示监视器或投影电视的半透明漫射屏的背面。
在Chiu等人的美国专利No.5,777,789中公开了一种采用反射式液晶偏振调制器的传统的数字图像投影仪。‘789专利的投影仪具有金属卤化物弧光灯，作为投影仪用的非偏振“白光”光源。来自弧光灯的光穿过照明光学系统，后者起的作用是形成大致平行的可见白光照明光束，所述可见白光照明光束就投影仪中使用的液晶偏振调制器的偏振调制器面而言具有空间上大致均匀的亮度。非偏振照明光束指向偏振分束器立方体内部，按照‘789专利，所述偏振分束器立方体设计成用于可见光频谱波长范围和所述光束的角散度范围。所述偏振分束器立方体把未偏振的光束分成两束基本上(但传统上不完善)的偏振光，同时，所述两光束各自的偏振基本上是正交的。在‘789专利的数字图像投影仪的偏振分束器立方体中这样产生的两束光束中的一束用作基本上偏振的源光束，并从偏振分束器立方体进入彩色分束/组合棱镜组件。彩色分束/组合棱镜组件由三个棱镜组成，这些棱镜的某些面具有二色性涂层，用以从基本上偏振的源光束的可见白光依次分出红、蓝和绿色光分量，并且每束基本上偏振的彩色分量光束指向相应的反射式液晶偏振调制器(在‘789专利中称作“光阀”)。
‘789专利的数字图像投影仪的三个偏振调制器中的每一个这样定位、使得反射式偏振调制器面垂直于相对于离开彩色分束/组合棱镜组件的相应的基本上偏振的彩色分量光束定义的分量光束光路。一般说来，反射式偏振调制器用来通过按照加在偏振调制器上的对所需的复合彩色图像的分量彩色图像进行编码的信号，在整个偏振调制器面上逐个像素地选择性地旋转所述光束的光线的偏振，来在空间上调制相应的彩色分量光束的偏振。具体地说，对于所投影的图像的准备用给定颜色照明的每一个像素，所述颜色的基本上偏振的彩色分量光束的偏振由反射式液晶偏振调制器在偏振调制器面上与所述像素在投影图像的位置对应的位置上旋转。反之，对于投影图像上不准备用给定的颜色照明的每一个像素，所述颜色的基本上偏振的彩色分量光束被反射，所述光束的偏振在偏振调制器面上与所述像素在投影图像上位置对应的位置上、名义上不被反射式液晶偏振调制器改变。这样的不被照明的像素称作“暗”像素。照明程度最高的亮像素上的亮度与照明程度最低的暗像素上的亮度之比称为对比度，这是数字图像投影仪一个重要质量指标。一般说来，明暗对比度越高，观众就可以看到越是清晰的由所述投影仪产生的图像。
由‘789专利的数字图像投影仪的液晶偏振调制器这样在空间上选择性地偏振调制的彩色分量光束，从偏振调制器的反射式偏振调制器面向后基本上沿着通过彩色分束/组合棱镜组件的对应的分量光束路径反射。三束反射的彩色分量光束中的每一束基本上都沿着它原来的通过棱镜组件的光路折回，并重新与其余两束彩色分量光束组合，形成复合的空间上选择性地偏振调制的光束。所述复合光束从彩色分束/组合棱镜组件出来，进入偏振分束器立方体。偏振分束器立方体把复合的光束分成携带由亮像素组成的复合彩色图像的名义上偏振调制的亮像素分量光束和携带由暗像素组成的彩色负像的名义上不偏振调制的暗像素分量光束。因为暗像素分量光束的偏振名义上不由反射式液晶调制器改变，所述暗像素分量光束至少理论上是沿着通过投影仪的光路向后朝着作为照明光源的弧光灯折回。偏振调制的亮像素分量光束从偏振分束器进入‘789专利的数字图像投影仪投影透镜，所述透镜用来把所需的复合彩色图像投影在投影屏幕上。
在采用基于反射式偏振调制器的传统的数字图像投影仪时出现困难，因为至今一般用在这样的投影仪的传统的MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器一般在偏振特性上不同地处理两束入射在偏振分束器上的光线，如果这两束光线相对于偏振分束器的入射方向不同的话。因为为了从经济可行的光源获得足够的照明亮度以便获得适当亮度的投影图像，传统的数字图像投影仪一般采用数字孔径为0.1或更大的照明光束，所以入射在传统数字图像投影仪上的偏振分束器的光束，一般由相对于分束器具有几度范围的入射角的光线组成。参见A.E.Rosenbluth等人在IBM Journal of Reasearch andDevelopment，V.42，pp.359-386(1998年5/7月)的文章。数字孔径0.1的穿过空气的锥形光束对着约±6度的角度。正如下面联系图1至图3所讨论的，相对于分束器以不同于相对于分束器和相关的反射式偏振调制器而定义的主轴方向入射到传统MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器上的光线，导致光泄漏到投影图像的暗像素区。结果，在采用0.1左右的数字孔径的传统数字图像投影仪中，光线围绕照明光束瞳孔的方向变化，一般会导致明暗对比度相对于理想的投影仪预期的明暗对比度整体下降，理想的投影仪在某种程度上采用由平行光线组成的完美准直的光束，它们会全都以相同的最优的相对于主轴方向的入射角投射在偏振分束器上。
现在转向图1，传统的MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器2由第一分束器棱镜4、第二分束器棱镜6和位于第一和第二棱镜4和6的斜面(hypotenuse face)上的多层介电薄膜8组成。第一和第二分束器棱镜4和6用光学玻璃制成。构成多层介电偏振薄膜8的介电材料的各层在图1中未示出。构成多层介电偏振薄膜8的各层的厚度和折射率以及分束器棱镜4和6的光学玻璃的折射率是这样选择的，使得入射到多层薄膜8上的未偏振的光线10以最优偏振角度θ进入多层材料并以所谓“布儒斯特(Brewster)角”依次射在不同折射率的各层之间的界面上。
通过第一材料传播的以Brewster角入射在与折射率不同的第二材料的界面上的未偏振光线被部分从所述界面反射并部分折射进入第二材料。反射的光线基本上全部被线性偏振，其电场(“E场”)方向垂直于由入射在所述界面的光线的传播方向和所述界面的法线定义的入射平面。折射光线只是部分偏振，其入射平面内的分量E场比垂直于入射平面的E场分量强。以Brewster角反射的偏振的讨论可以在Eugene Hecht所著“Optics”(光学)一书第三版342-346页(Addison Wesly 1998)中找到。
在传统的MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器2中，多层介电偏振薄膜中设置有多个界面，以便以Brewster角依次反射相继穿过界面的光线的偏振分量。可以这样选择多层薄膜中的这些层的厚度、使得从不同界面反射的偏振光分量趋向于相长相加。结果，依次穿过各界面的反射光线依次变得越来越偏振，其E场处于入射平面内。一般，选择足够的层数，事实上，使完全穿过多层介电偏振薄膜8的光线12有效地完全地被线性偏振，其E场处于入射平面内。反射光线也有效地完全地被线性偏振，如上所述，其E场与入射平面垂直。基于多层介电薄膜的传统的MacNeille型偏振分束器的结构在MacNeille的美国专利No.2,403,731和Sannohe与Miyatake的美国专利No.5,453,859中作了描述。
再次转向图1，在传统的MacNelle型多层介电薄膜偏振分束器2中，入射在多层介电偏振薄膜8上的在第一分束器棱镜4内传播的光线的传播方向，只由所述传播方向和其光线最优地分成线性偏振反射光线和线性偏振折射光线的分束器棱镜4斜面处多层介电薄膜的表面的法线18之间的角度决定。最优偏振角度θ和法线18定义了相对于多层薄膜8的最优偏振角圆锥体20。入射偏振分束器2的多层介电薄膜8，其方向为沿着最优偏振角圆锥体20表面的任何光线都满足薄膜的最优偏振条件，并被分成分别垂直于和平行于相对于特定光线和法线18而定义的入射平面的线性偏振的反射和折射分量光线。一般说来，制造传统的MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器的材料是按折射率选择的、使得最优偏振角接近45°。以下各段将讨论采用这样的分束器的数字图像投影仪中由可能导致消偏振效应和明暗对比度降低的传统MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器2引起的光线偏振的几何学方面的问题。
一般说来，穿过光学装置的光线可以看作是电磁平面波。电磁平面波的特性是，电磁平面波的电场分量方向垂直于光线的传播方向。在下面讨论的图1到6中，用双向箭头表示的与光线传播方向垂直的双向箭头符号形象地指示所述光线的电场方向。由光线投影的8个双向箭头的玫瑰符号表示光线是未偏振的或只是部分偏振的。由光线投影的单个双向箭头或一对正交的双向箭头表示所述光线被有效地线性偏振了。
再次转向图1，未偏振光的主轴光线10沿着最优偏振角圆锥体20延伸，分成主轴反射光14和主轴折射光12，分别垂直于和平行于相对于主轴光线10的传播方向和法线18定义的主轴入射平面15而偏振。主轴光线10以垂直于所述棱镜未偏振光线入射面22的方向，进入偏振分束器2的第一棱镜。主轴反射光线14以垂直于反射光线出射面24的方向通过所述面从偏振分束器射出。图中示出代表性的未偏振的偏离主轴的入射光线30进入偏振分束器2的第一棱镜4的未偏振光线入射面22。偏离主轴的入射光线30在入口点31被棱镜的光学玻璃折射。折射的未偏振偏离主轴的光线30在相对于主轴光线10围绕所述圆锥体旋转的位置上沿着最优偏振角圆锥体20的表面传播。因为偏离主轴的未偏振光线30与所述棱镜斜面上的多层介电薄膜8的法线18也成最优偏振角θ，所以，偏离主轴的未偏振光线30被分成线性偏振偏离主轴的反射光线32和线性偏振偏离主轴的折射光线34。偏离主轴的反射光线32和偏离主轴的折射光线34都在由未偏振偏离主轴的入射光线30在第一棱镜4内的传播方向和法线18定义的歪斜方向的入射平面33内传播。所述歪斜方向的入射平面33绕法线18相对于主轴入射平面15旋转。线性偏振的偏离主轴的反射光线32的电场方向与歪斜取向入射平面33垂直。线性偏振偏离主轴的折射光线34的电场位于歪斜取向入射平面33内。因为主轴光线入射平面15和歪斜取向入射平面33都是彼此相对地绕法线18旋转的，所以主轴反射光束14的电场方向和偏离主轴反射光束32彼此不平行。类似地，分别位于主轴12和歪斜取向入射平面的主轴折射光束12和偏离主轴的折射光束34的电场也彼此不平行。
现在转向图2，其中示出从采用反射式偏振调制器和传统的MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器的传统数字图像投影仪中光线泄漏在投影图像中暗像素位置上的光源。反射式液晶偏振调制器40位于传统的多层介电薄膜偏振分束器2的反射光束出射面24的前面，调制器40偏振调制面42与分束器2的反射光束出射面24平行延伸。这样设置数字图像投影仪的投影透镜46的投影透镜输入端口44、使其面向第二分束器棱镜6的投影图像的出射面(未示出)。在图2中，举例说明偏振调制器40工作在纯反射方式；就是说，在法线方向入射到偏振调制器40的偏振调制面上的线性偏振光线是在偏振调制器面上无源反射的，光线的偏振状态在反射时基本上不变。反射式液晶偏振调制器40的在法线方向上反射而不改变与投影图像中暗像素对应的偏振的偏振调制面42上的像素区和这样理想地反射的光线应该不通过数字图像投影仪的投影透镜46的投影透镜输入端口44。
未偏振光的主轴入射光线10基本上与入射面22垂直地进入偏振分束器2第一棱镜4的未偏振光入射面22。未偏振光线10的传播方向与偏振分束器2和偏振调制器40的主光轴一段对应，并定义了图2中的Y坐标轴。如上所述，与光线传播方向垂直的箭头形象地表示所述光线的电场偏振方向。在图2和随后讨论的各图中，实线箭头表示从偏振调制器40的偏振调制器面42反射之前的电场方向。在偏振调制器面42反射之后，带有空箭头的箭头把入射到偏振调制器40的偏振调制器面42上的光与从偏振调制器面42反射的光线分开来。主轴入射光线10在定义Y和Z主轴的主轴交点位置21的入射点上，以相对于所述斜面的主轴法线19的最优偏振角θ，入射到偏振分束器2的第一棱镜4的斜面上的多层介电偏振薄膜8上。结果，主轴入射光线10被多层介电偏振薄膜8分成沿着Z坐标朝着反射式偏振调制器40传播的被有效地完全线性偏振的分束器反射的主轴光线14。线性偏振分束器反射的主轴光线14的电场垂直于由主轴光线和主轴法线19定义的主入射面45。主入射面45与Y-Z坐标平面一致。主轴光线10的折射分量(未示出)进入Y轴从偏振分束器2的底部出来并在数字图像投影仪中被抛弃。线性偏振分束器反射的主轴光线14以垂直入射的方式在主轴交点43上入射到偏振调制器40的偏振调制器面42上并被反射，光线的偏振状态基本上不变。然后，被偏振器反射的主轴光线14沿着入射光线的光路向后折回进入偏振分束器2。被调制器反射的主轴光线14以与未偏振的主轴入射光线相同的入射角入射到多层介电偏振薄膜8上。具体地说，被调制器反射的主轴光线14相对于多层介电偏振薄膜8的主轴法线19的入射角是最优偏振角θ。由于被调制器反射的主轴光线14被有效地完全线性偏振，其电场垂直于由光线14和多层介电偏振薄膜8的主轴法线19定义的入射平面，具体地说，入射主平面45，所以，被调制器反射的光线14基本上完全沿着未偏振主轴入射光线10的光路被偏振薄膜8反射回去，并实际上到达不了数字图像投影仪投影透镜46的输入端口44。
现在来考虑在主入射平面45(Y-Z坐标平面)内传播并在偏离Y和Z主轴交点位置21的(Y，Z)方向偏离位置51上入射到多层介电偏振薄膜8上的未偏振光的代表性的主平面斜入射光线50。主平面斜入射光线50与第一棱镜4的斜面的(Y，Z)方向的移位法线52形成一个接近于、但小于最优偏振角θ的入射角。尽管美国专利2,403,731和5,453,859公开了传统的MacNeille型多层介电薄膜分束器可以对入射角在有限的范围内不同于最优角度的光线提供显著的偏振效应，但是，情况是这样：以不同于最优偏振角与这样的传统的MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器的多层介电偏振薄膜相交的未偏振光线在某种程度上不完全偏振。于是，被多层介电偏振薄膜8反射的分束器反射的斜光线54只是部分偏振，其电场主分量垂直于Y-Z入射平面而小分量处在Y-Z平面内。
正如在图2中可以看到的，主平面斜入射光线50入射的具体方向和该入射光线50射在分束器2的第一棱镜4斜面的具体(Y-Z)方向偏移位置51、导致线性偏振分束器反射的光线54在主轴交点43射在偏振调制器面42上。由于分束器反射的斜光线54是电磁平面波，部分偏振的光线54的电场分量的方向垂直于所述光线的传播方向。由于偏振调制器40的偏振调制器面42的法线是-Z方向，又由于分束器反射的斜光线54在Y-Z平面内传播，所以由分束器反射的斜光线54和偏振调制器面42的法线定义的入射平面55与Y-Z平面(入射平面45)一致。与Y-Z平面垂直的部分偏振的分束器反射的斜光线54的电场分量，在所述光线被偏振调制器40的偏振调制器面42反射时仍旧垂直于Y-Z平面，因而垂直于从偏振调制器面42反射的斜光线56的传播方向，因为调制器反射的斜光线56在Y-Z平面内传播。其方向在Y-Z平面内的部分偏振的偏振分束器反射的斜光线54的电场分量，在所述光线被偏振调制器面42反射时，其方向倾斜，使得所述分量的方向垂直于调制器反射的斜光线56的传播方向。
调制器反射的斜光线56向后传播进入偏振分束器2，并在与(Y，Z)方向偏移位置51相反地偏离主轴交点位置21的(-Y，-Z)方向偏移位置57上与第一棱镜4的斜面上的多层介电偏振薄膜8相交。调制器反射的斜光线56与偏振薄膜8的(-Y，-Z)方向的移位法线59形成入射角，它大于多层薄膜8的最优偏振角θ。由于部分偏振调制器反射的斜光线56包括Y-Z入射平面中的电场分量，又由于所述光线的入射角不同于薄膜8的最优偏振角θ，所以所述光线只是在多层介电偏振薄膜8上部分地反射离开分束器2的第一棱镜4的入射面22。调制器反射的斜光线56的一小部分通过偏振分束器的偏振薄膜8折射，并离开偏振分束器2传输到投影透镜46的输入端口44，构成暗像素泄漏光线60。由于在没有被驱动而主动地旋转所述光线的偏振方向的偏振调制器面42位置上由偏振调制器40反射的任何光线都要转向离开数字图像投影仪的投影透镜46、以便在投影图像中的相应像素位置上达到暗像素，所以，暗像素泄漏光线60令人讨厌地降低投影仪的明暗对比度。
现转向图3，图中举例说明采用反射式偏振调制器和传统的MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器的传统数字图像投影仪投影的图像暗像素位置上另一个光泄漏源。偏振分束器2、偏振调制器40和投影透镜46正如上面联系图2讨论那样布置。相对于分束器2定义的Y和Z坐标轴规定了分束器2和调制器40相应的主光轴61和62。X坐标轴在分束器2的第一棱镜4的斜面的平面上伸展。主轴法线19定义成在与Y和Z坐标轴对应的主光轴交点位置21上垂直于第一棱镜4的斜面伸出。(-X，Y，Z)象限移位法线66在-X，+Y，+Z方向上偏离Y和Z主轴61和62的主轴交点位置21的(-X，Y，Z)象限偏移位置65上，从第一棱镜4的斜面垂直地伸出。
考虑通过分束器2的第一棱镜4的未偏振光入射面22进入偏振分束器2并沿着接近于但不同于Y主轴61的方向传播的未偏振光的代表性的离轴正(On-Angle)入射光线64。离轴正入射光线64在偏移的歪斜取向的入射平面70内传播，所述偏移的歪斜取向的入射平面70偏离Y和Z主轴61和62的主轴交点位置21以便包括(-X，Y，Z)象限移位法线66。偏移的歪斜取向的入射平面70绕移位法线66相对于其方向与Y-Z平面平行的偏移基准参考平面(未示出)旋转。离轴正入射光线64在(-X，Y，Z)象限偏移位置65上在第一棱镜4的斜面上与多层介电偏振薄膜8相交。离轴正入射光线64与(-X，Y，Z)象限移位法线66形成等于多层介电偏振薄膜8的最优偏振角θ的入射角。因此，离轴正入射光线64被分成基本上完全线性偏振的分束器反射的离轴光线68和继续在入射光线64传播方向上通过分束器2传播的基本上完全线性偏振的分束器反射的离轴光线(未示出)。线性偏振分束器反射的光线68的电场方向与偏移歪斜取向入射平面70垂直。
正如从图3可以看到的，离轴正入射光线64具体的入射方向和入射光线64射到分束器2的第一棱镜4的斜面的具体(-X，+Y，+Z)象限偏移位置65、导致线性偏振分束器反射的离轴光线68在Z主轴62与调制器面42的交点43上射到反射式偏振调制器40的偏振调制器面42。Z主轴62以垂直入射的方式与调制器面42相交，因而用作调制器面42的法线。分束器反射的离轴光线68与由Z主轴62定义的法线形成非零的入射角，因而作为在由入射分束器反射的离轴光线68的传播方向和Z主轴62定义的调制器反射的入射平面73内传播的调制器反射的离轴光线154，被动地从调制器面42反射。因为作为分束器反射的离轴光线68从分束器2的多层薄膜8反射点的(-X，Y，Z)象限偏移位置65偏移主轴交点位置21，所以调制器反射入射平面73一般既不平行于又不垂直于偏移的歪斜取向的入射平面70。因而，垂直于偏移的歪斜取向的入射平面70的线性偏振的分束器反射的离轴光线68的电场，一般既具有调制器反射的入射平面73的平面内分量又具有与调制器反射的入射平面73垂直的分量。在偏振调制器面42上无源反射时，垂直于调制器反射的入射平面73的分束器反射的离轴光线68的电场分量仍旧垂直于所述平面。处于调制器反射的入射平面73内的分束器反射的离轴光线68的电场分量，当所述光线被偏振调制器面42无源反射时发生歪斜，使得所述电场分量的方向垂直于调制器反射的离轴光线71的传播方向。因而，一般说来，线性偏振的调制器反射的离轴光线71的电场并不平行于线性偏振分束器反射的离轴光线68的电场。因为线性偏振光线被偏振分束器2反射或透射的程度，一般取决于所述光线的电场取向和所述光线的传播方向，所以由在调制器反射面42上非垂直入射的无源反射引起的线性偏振分束器反射的光线68的电场取向的改变，一般可以是所述光线透过分束器2到达投影图像中的暗像素位置的因数，因而导致明暗对比度下降。
调制器反射的离轴光线71进入偏振分束器2的第一棱镜4，并在偏离(X，-Y，-Z)象限位置75上与第一棱镜4的斜面的多层介电偏振薄膜8相交，偏离Y和Z主轴61和62的主轴交点位置21的(X，-Y，-Z)象限方向。在未偏振的离轴正入射光线64接近主轴61的情况下，(X，-Y，-Z)象限方向一般至少大体上与(-X，Y，Z)象限方向相反。调制器反射的离轴光线71与(X，-Y，-Z)象限移位法线72形成的在(X，-Y，-Z)象限位置75上入射到偏振薄膜8的入射角，大于分束器2中的多层介电偏振薄膜8的最优偏振角θ。偏移的反向歪斜取向的入射平面74是由调制器反射的离轴光线71的传播方向和(X，-Y，-Z)象限移位法线72定义的。偏移的反向歪斜取向的入射平面74绕(X，-Y，-Z)象限移位法线72相对于偏移参照平面(未示出)旋转，所述参照平面72的取向平行于Y-Z平面并包括移位法线72，在绕(-X，Y，Z)象限移位法线66旋转方向上与偏离的歪斜取向的入射平面70相反。因此所述偏移的反向歪斜取向的入射平面74和偏离的歪斜取向的入射平面70彼此不平行。部分地是由于反向歪斜取向的入射平面74相对于偏离的歪斜取向的入射平面70反向旋转，部分地是由于线性偏振调制器反射的离轴光线71电场取向相对于分束器反射的离轴光线68在偏振调制器40的偏振调制器面42上反射时的电场取向的改变，调制器反射的离轴光线71的电场一般不垂直于反向歪斜取向的入射平面74。相反，调制器反射的光线71的电场一般可以以矢量方式分解为处于偏移的反向歪斜取向的入射平面74内的分量以及垂直于所述入射平面74的分量。部分地由于偏移的反向歪斜取向的入射平面74可能包括线性偏振的调制器反射的离轴光线71的电场、以及部分地由于调制器反射的离轴光线71和(X，-Y，-Z)象限移位法线72之间的入射角并不等于偏振分束器2的最优偏振角θ，调制器反射的离轴光线71只是部分地被多层介电偏振薄膜8反射出偏振分束器2。泄漏光线76通过多层介电偏振薄膜8被折射并离开偏振分束器朝数字图像投影仪的投影透镜46的输入端口44传播。泄漏光线76用来部分地照明投影图像的暗像素区，因而起着令人讨厌地降低数字图像投影仪的明暗对比度的作用。
由于在传统的数字图像投影仪中构成未偏振照明光束的光线的方向在所述光束的全孔径(瞳孔)范围内改变，所以，在这样的投影仪中照射到上面联系图1至3讨论的类型的传统的MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器上的照明光束包括斜的离轴入射光线(既倾斜又离轴的入射光线)、还包括沿着分束器主轴方向传播的光线。由于这样的分束器的偏振性能依赖光线入射方向并且这样的分束器的光线分辨性能既取决于入射光线的偏振状态又取决于入射光线的方向，所以，传统的数字图像投影仪要把泄漏到投影图像中的暗像素区的泄漏光量降低到足够的程度便有困难。
在采用反射式偏振调制器和传统的MacNeille型多层介电薄膜偏振分束器的先有技术的数字图像投影仪中，曾经试图降低会照亮投影图像暗像素区的泄漏光线亮度。但是，正如下面讨论的，这样的尝试并未完全成功，而又带来了额外的缺点。
例如，上面讨论的美国专利No.5,777,789把偏振薄膜设置在所述专利的数字图像投影仪的灯和偏振分束器的立方体之间，并把偏振薄膜设置在偏振分束器的立方体和偏振控制和提高对比度用的投影透镜之间。但是，采用这样的偏振薄膜在制造数字图像投影仪时带来额外的费用，并在数字图像投影仪的操作上带来照明亮度的损失。另外，这样的偏振薄膜并不能完全消除上面段落联系图2至3讨论的来自斜入射光线和离轴正入射光线的泄漏问题。
欧洲公开专利申请No.0 389 240讨论了数字图像投影仪系统，其中1/4波长金属箔以某个方向设置在投影仪的偏振分束器和每一个液晶偏振调制器之间的光束光路上。在接近MacNeille型分束器的主轴方向但与之不一致的方向上传播的图3举例说明的那种正入射离轴光线，在被所述分束器反射时被线性偏振之后，从偏振分束器传播到反射式偏振调制器通过这样的1/4波长金属箔一次，并在从偏振调制器返回分束器时第二次通过这样的1/4波长金属箔，具有从垂直于由未偏振的原始光线和偏振分束器的斜面的法线定义的入射平面的方向旋转的电场，向着比较接近于垂直于由调制器反射的光线和相应的法线定义的入射平面的方向。结果调制器反射的光线趋向于被偏振分束器从投影透镜的输入端口比较接近完全地反射出分束器。
尽管这样的1/4波长金属箔可以在某种程度上提高数字图像投影仪的明暗对比度，但从来得不到完全的校正。然而，这样采用1/4波长金属箔有一些实际的缺点。第一，1/4波长金属箔成了必须包括在系统内的附加组件，使制造和零件成本增大。所述金属箔必须安装在偏振分束器上，在分束器和反射式偏振调制器之间的空气空间内，或在反射式偏振调制器的面板上。金属箔的安装困难，因为金属箔的取向必须精确。金属箔的任何振动(clocking)都会严重降低对比度。金属箔到支架的叠层可能带来困难，诸如对灰尘的清理(cosmetic)问题和叠层中作为暗场的亮点出现的其他缺陷。若金属箔层叠到偏振分束器或偏振调制器面，则任何误差都会导致成品率损失或附加的返工费用。1/4波长金属箔由具有两个折射率：普通的和特殊的双折射材料制成。不可能同时匹配两个折射率，而这是消除Fresnel反射所要求的。因此，从金属箔的Fresnel反射不能完全消除，在将来对比度非常高的系统中限制对比度。最后，1/4波长金属箔必须在感兴趣的整个波长范围内起1/4波长延时器的作用，这是难以达到的。一般，所述金属箔上的任何散射不论是所述金属箔的普通指数还是特殊指数都是相似的，使得净延时不随着波长急剧改变。结果，作为波长的分数的相位延迟往往随着波长而线性地改变。其结果是对比度在某个中央波长上得到最优化，而频谱两侧下降。
采用在两个棱镜之间的斜面上具有多层介电偏振薄膜的传统MacNeille型偏振分束器的数字图像投影仪可能出现另一个问题。即使小的光量在棱镜内或在偏振薄膜内被吸收时，分束器的棱镜的玻璃体都可能经受应力。若给分束器施加外部应力，则分束器的棱镜玻璃也可能经受应力。棱镜玻璃中的应力可能在玻璃中引起双折射，这会改变玻璃中传播的光的偏振状态。这样的应力引起的偏振改变可能造成无法接受的暗状态中的光泄漏。应力引起的双折射问题的一个解决方案是，在棱镜中使用应力光学系数小的光学玻璃。但是，这样的玻璃往往是昂贵的。应力引起的双折射问题的另一个可能的解决方案是，使用浸入液体中的偏振分束器。在浸入液体中的偏振分束器中，多层介电偏振薄膜涂层涂在一块板上，然后沉浸在充满液体的槽中。一般说来，多层介电薄膜只有在介电薄膜两侧都被折射率高的介质包围时才可以起偏振分束器的作用。多层介电薄膜基板状分束器不可能在空气中。尽管浸入液体中的偏振分束器可以用折射率高的液体介质制造，但是这样的分束器在维持液体纯净和避免在液体内产生温度梯度方面往往造成实际困难。
在公开的国际PCT专利申请WO 01/09677和申请WO 00/79386中已经有人建议，采用反射式偏振调制器和使用多层介电偏振薄膜的传统的MacNeille型偏振分束器的传统的数字图像投影仪的某些问题，可能通过用线栅偏振分束器代替多层介电薄膜偏振分束器加以避免。‘677公开PCT申请中公开了利用线栅偏振分束器的图像投影系统。本申请书的图4举例说明在’677公开PCT申请中的图1A和图7示意地示出的配置中线栅偏振分束器的使用。图4是为了便于比较线栅分束器和本专利申请图2举例说明的传统的MacNeille型多层介电偏振薄膜偏振分束器而画出的。
现转向图4，线栅偏振分束器100用总体平行伸展的多条导线102制成，在透明的栅格支持板104的栅格支持面上彼此隔开。构成线栅106的导线102线性伸展方向定义了X坐标方向。基本上平行的导线102集体定义了线栅106。栅格的导线间隔一般小于投影仪所用的可见光的最短波长，约290nm。线栅支持板104在可见光的范围内是透明的。
如图4所示，未偏振光的主轴光线110沿着Y坐标轴定义的方向入射到线栅偏振分束器100的线栅106上。主轴光线110相对于垂直于线栅支持面的法线114的入射角基本上是45°。线栅偏振分束器100把入射的主轴光线110分成取向为沿着Z坐标轴的分束器反射的主轴光线116和透射穿过分束器100的线栅106和线栅支持板104并沿着Y轴离开的主轴光线118。分束器反射的主轴光线116基本上完全线性偏振，其电场方向平行于构成线栅106的导线102的方向伸展。分束器反射的主轴光线116传播到反射式液晶偏振调制器40的偏振调制器面42，并法向入射，与调制器面42相交于主轴交点43上。在图4举例说明的例子中，偏振调制器面42在主轴交点43上无源地反射分束器反射的主轴光线116，而不改变所述光线的偏振状态、使得调制器反射主轴光线构成暗像素光线。
调制器反射的主轴光线116向后进入线栅分束器100，在这里它以基本上45°的入射角入射到线栅106上。因为调制器反射的主轴光线116是线性偏振的，其电场平行于线栅106的导线线性伸展方向，调制器反射的主轴光线116由线栅偏振分束器向后沿着Y方向反射，并转向离开数字图像投影仪投影透镜46的输入端口44。若液晶偏振调制器40已旋转调制器反射的主轴光线的偏振，则所述光线的旋转分量会沿着-Z坐标方向通过线栅偏振分束器，并进入投影透镜46的输入端口44，照明投影图像的亮像素区。
未偏振光的代表性的主平面离轴入射光线120进入主入射平面121(Y-Z平面)，在偏离Y和Z主轴的主轴交点位置111的(Y，Z)方向偏离位置123处入射到线栅偏振分束器100的线栅106上。主平面离轴入射光线120与线栅106的(Y，Z)方向移位法线122形成小于45度的入射角。主平面离轴入射光线120被线栅偏振分束器100分成分束器反射的光线124和通过线栅偏振分束器100并继续沿着离轴光线120的传播方向传播的分束器透射的光线(未示出)。尽管离轴光线120的入射角不同于主轴光线110的入射角，分束器反射的离轴光线124基本上完全线性偏振，其电场方向平行于构成偏振分束器100的线栅106的线性伸展的导线的方向，即与Y-Z入射平面121垂直的X坐标方向。
分束器反射的离轴光线124沿着Y-Z入射平面121到达反射式偏振调制器40的偏振调制器面42。主平面离轴入射光线120的入射角和对(Y，Z)方向偏离位置123的偏移距离造成的结果是，分束器反射的离轴光线124在主轴交点43处射到偏振调制器面42上。由于偏振调制器40的偏振调制器面42的法线是-Z方向、又由于分束器反射的离轴光线124在Y-Z平面内传播，由分束器反射的离轴光线124和偏振调制器面42的法线定义的入射平面55与Y-Z平面(入射主平面45)一致。其方向沿与Y-Z平面垂直的X坐标方向的线性偏振的分束器反射的离轴光线124在光线被偏振调制器40的偏振调制器面42无源反射时仍旧垂直于Y-Z平面，因而垂直于被偏振调制器面42反射的斜光线126的传播方向，因为调制器反射的离轴光线126也在Y-Z平面内传播。
调制器反射的离轴光线126以大于45°的入射角入射到线栅偏振分束器100的线栅106上。由于调制器反射的离轴光线126是线性偏振的、其电场方向平行于构成线栅偏振分束器100的线栅106的导线线性伸展的方向，所以，所述光线在线栅106上基本上被完全反射并从进入数字图像投影仪的投影透镜46的输入端口44转向，与射到图2举例说明的传统的MacNeille型偏振分束器2的多层介电偏振薄膜8上的对应的调制器反射的离轴光线56形成对比。
下面转向图5，未偏振光的偏离主轴的光线150，沿着接近于但不同于偏振分束器100和偏振调制器40的Y坐标轴的主轴61的方向，入射到安装在线栅偏振分束器100的线栅支持板104的线栅支持面112的线栅106上。为了进行比较，离轴入射光线150的方向与在图3举例说明的传统的MacNeille型偏振分束器2的第一棱镜4内传播的离轴正入射光线64的入射方向相同。离轴入射光线150在偏离Y和Z主轴61和62的主轴交点21的偏离的歪斜取向的入射平面70内传播，以便包括(-X，Y，Z)象限移位法线66。偏离的歪斜取向的入射平面70围绕移位法线66相对于其取向平行于Y-Z平面的偏离参考平面(未示出)旋转。离轴光线150在(-X，Y，Z)象限偏离位置65上与线栅偏振分束器100的栅格支持板104的线栅支持面112上的线栅106相交。离轴入射光线150与(-X，Y，Z)象限法线66形成基本上为45°的入射角。离轴入射光线150被线栅106分成基本上完全线性偏振的分束器反射的离轴光线152和穿过线栅106和线栅支持板104并继续在入射光线150的传播方向上传播的基本上完全线性偏振的分束器透射的离轴光线(未示出)。分束器透射的离轴光线和分束器反射的离轴光线152的各自的电场在以下段落讨论。
为了理解线栅106对未偏振的离轴光线150的作用，考虑离轴入射光线150与带有正交电场的沿着与离轴入射光线150相同的光路传播的两束偏振参考入射光线的随机系数的线性组合是有帮助的。
两束线性偏振基准入射光线中的第一束定义成具有其方向沿着垂直于光线传播方向的平面和相对于线栅偏振分束墨100定义的Y-Z平面之间的交线方向的电场。因而，第一基准入射光线电场的方向既垂直于光线的传播方向(平面波要求)又垂直于X坐标轴，这是构成分束器100的线栅106的导线的伸展方向。第一线性偏振基准入射光线电场的所述取向的结果是：当入射到偏振分束器100的线栅106时，第一基准入射光线实际上只“看到”一块透明板，而忽略板面和空气之间的界面上的反射，就会透射通过分束器100。第一线性偏振基准入射光线的电场取向相当于被线栅偏振分1束器100从未偏振的离轴光线150分出来的的透过偏振分束器的离轴光线的电场取向。
第二线性偏振基准入射光线电场的取向被定义成垂直于入射光线的传播方向并垂直于垂直所述光线的传播方向的平面和Y-Z平面之间的交线的方向而延伸。因此，第二线性偏振基准入射光线的电场方向垂直于第一线性偏振基准入射光线的电场。第二线性偏振基准入射光线电场的这种取向的结果是：第二基准入射光线在入射到分束器100上时实际上“看到”线栅106上的镜面并在镜面上被反射。第二线性偏振基准入射光线的这种有效的镜面反射的入射平面是偏离的歪斜取向的入射平面70。反射的第二基准光线的电场可以由第二线性偏振基准入射光线矢量分解为垂直于偏离的歪斜取向的入射平面70的分量和处在所述偏离的歪斜取向的入射平面70内的分量。在线栅偏振分束器的线栅106上被有效地镜面反射时，垂直于偏离的歪斜取向的入射平面70的电场分量会仍旧在垂直于入射平面70的方向取向。在偏离的歪斜取向的入射平面70内的电场分量在反射时会仍旧在入射平面70内，但反射时会歪斜而取垂直于反射光线传播方向的方向。这样反射的第二线性偏振基准入射光线的电场取向相当于线栅偏振分束器100从未偏振的离轴入射光线150分出来的线性偏振分束器反射的离轴光线152的电场取向。具体地说，线性偏振分束器反射的离轴光线152的电场一般会包括垂直于偏离的歪斜取向的入射平面70的分量和处在偏离的歪斜取向的入射平面70内的分量，与上面联系图3讨论的来自传统的MacNeille型偏振分束器2的线性偏振分束器反射的光线68形成对照。尽管来自图5线栅偏振分束器100的分束器反射的离轴光线152都是线性偏振的，但是两个偏振分束器2反射的光线的电场一般不会有相同的取向。
正如图3的离轴正入射光线64的情况下，图5的未偏振离轴入射光线150的特定入射方向和入射光线射到偏振分束器100的线栅106上的特定的(-X，+Y，+Z)象限偏离位置65，导致线性偏振分束器反射的离轴光线152在Z主轴和调制器面42的交点43上射到反射式偏振调制器40的偏振调制器面42上。分束器反射的离轴光线152与由Z主轴62定义的法线形成非零的入射角，因而以在由入射分束器反射的离轴光线152的传播方向和Z主轴62定义的调制器反射的入射平面73内传播的调制器反射的离轴光线154的形式从调制器面42无源反射。由于分束器反射的离轴光线152从分束器100的线栅106反射的(-X，Y，Z)象限位置65偏离主轴交点位置21，所以调制器反射的入射平面73一般既不平行于又不垂直于偏移的歪斜取向的入射平面70。因而，线性偏振分束器反射的离轴光线152，一般包括垂直于偏离的歪斜取向的入射平面70的分量和在偏离的歪斜取向的入射平面70内的分量，一般预期它既具有调制器反射入射平面73中的分量又具有垂直于调制器反射的入射平面73的分量。在偏振调制器面42上无源反射时，分束器反射的离轴光线的电场的垂直于调制器反射的入射平面73的分量仍旧垂直于所述平面。分束器反射的处在调制器反射的入射平面73内的电场分量的离轴光线152在无源反射时歪斜，使得所述电场分量的方向垂直于调制器反射的离轴光线154的传播方向。结果，一般线性偏振调制器反射的离轴光线154不能预期平行于线性偏振的分束器反射的离轴光线152的电场。因为线性偏振光线被线栅偏振分束器100反射或透射的程度，一般取决于所述光线电场的取向，所以由在调制器面42上非法向入射无源反射引起的线性偏振分束器反射的光线152的电场取向的改变，一般都可能是光线通过分束器100的线栅106透射到投影图像暗像素位置的因数，因而可能导致明暗对比度的下降。
调制器反射的离轴光线154传播到线栅偏振分束器100，并在(X，-Y，-Z)象限方向上偏离Y和Z主轴的主轴交点位置21的(X，-Y，-Z)象限位置75上与线栅106相交。线性偏振调制器反射的离轴光线154被偏振分束器100的线栅106反射的程度，因而从位于调制器反射的离轴光线154入射到分束器100的相反一例的数字图像投影仪的投影透镜46的输入端口44转向的程度，正如在传统的MacNeille型偏振分束器的情况那样，取决于调制器反射的离轴光线154的电场相对于构成分束器100的线栅106的导线104的伸展方向的方向，而不取决于离轴光线154相对于线栅分束器100的方向或入射角。调制器反射的离轴光线154的电场一般可以包括沿着垂直于所述光线154传播方向的平面和相对于线栅偏振分耒器100而定义的Y-Z平面之间的交线的分量，结果，例如，在偏振调制器40的调制器面42上调制器反射的入射平面73中的反射的分量。这样的线性偏振调制器反射的离轴光线154会导致泄漏光线156透过偏振分束器100的线栅106向数字图像投影仪的投影透镜46的输入端口44传播。这样的泄漏光线156往往会部分地照亮投影图像的暗像素区，并因而起着令人讨厌地降低数字图像投影仪的明暗对比度的作用。但是，事实上，在高性能线栅偏振分束器的情况下，调制器反射的离轴光线从照明光束瞳孔泄漏的暗状态的问题，显著地小于传统的MacNeille型多层介质薄膜分束器的问题。
至今公开的数字图像投影系统配置中的线栅偏振器偏振分束器可能有缺点，对于高分辨率图像投影系统尤为如此。偏振分束器栅格支持面上的线栅偏振器应该在光学上是平坦的，因为线栅偏振器必须对携带图像的光束起作用，而不使图像畸变。为了维持线栅偏振器偏振分束器的栅格支持面足够平坦，分束器的栅格支持板必须厚。但是，光学玻璃厚板可能或者由于热应力或者由于外部施加的应力而产生应力双折射的问题。正如在上面图4和5举例说明那样，在至今公开的数字图像投影仪的配置中，要求准备投影的携带图像的光束通过线栅偏振器偏振分束器的栅格支持板，因而这样的光束就有在栅格支持板中应力双折射引起畸变的危险。另外，线栅偏振器厚的栅格支持板在要用作偏振分束器而歪斜时，可能在以歪斜的角度通过栅格支持板的光束中引起象散，并在较低的程度上引起象差，从而造成穿过前面公开的配置的数字图像投影系统中的歪斜栅格支持板的光束所携带的图像进一步畸变的危险。
发明内容
本发明的目的是提供一种投射高质量彩色图像并表现出优异的明暗对比度的图像投影仪。
这个目的用本发明所规定的图像投影仪来达到。
本发明的数字图像投影仪包括：照明光源灯，用以产生白光谱照明光；以及照明光束形成光学装置，用以接收由所述光源灯产生的照明光并由这样的光形成白光谱照明光束。
本发明的数字图像投影仪还包括彩色频带分离光学装置，用以把输入的白光谱照明光束分成三个空间分离的彩色分量照明子光束。
本发明的数字图像投影仪还包括反射式数字图像编码偏振调制器机构，用以在照明子光束按照所需的彩色数字图像的相应的彩色分量图像反射时，在空间上调制入射的线性偏振彩色分量照明子光束的偏振，以便形成反射的彩色分量图像编码偏振子光束。
本发明的数字图像投影仪还包括投影透镜光学装置，用以投影带有彩色图像的光线，以便观看所需的彩色图像。
最后，本发明的数字图像投影仪包括板支持的表面安装的固定偏振轴偏振分束器，用以以偏振状态选择方式使入射到所述分束器的照明光线进入暗像素偏振状态偏振光线，以便形成入射到反射式数字图像编码的偏振调制器机构的线性偏振彩色分量照明子光束。另外，固定偏振轴偏振分束器可以起把从来自反射式数字图像编码偏振调制器机构的反射的彩色分量图像编码偏振子光束抽出的入射分束器的图像编码偏振光线，分成用以形成所需的彩色图像的携带暗像素偏振状态偏振的负像的光线和携带亮像素偏振状态偏振的彩色图像的光线的作用。偏振分束器包括透明的偏振器支持板和安装在偏振器支持板的定义偏振器支持面的光学上基本上平坦的外表面的固定偏振轴偏振器。固定偏振轴偏振器在垂直于偏振器支持面的方向上是薄的。
相对于本发明的数字图像投影仪的偏振分束器定义照明光束接收轴、暗像素偏振状态偏振光束轴和亮像素偏振状态偏振光束轴。工作时，入射到分束器上的照明光线在基本上平行于照明光束接收轴方向传播，入射到分束器上的图像编码偏振光线在基本上平行于暗像素偏振状态偏振光束轴的方向传播，而由分束器从图像编码偏振光线分出的带有亮像素偏振状态偏振的彩色图像的光线，在基本上平行于亮像素偏振状态偏振光束轴的方向上传播。偏振器支持面法线被定义为从偏振器支持板的偏振器支持面沿着垂直于偏振器支持面的方向伸出。
本发明的数字图像投影仪的固定偏振轴偏振分束器，利用从安装在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振轴偏振器向外延伸的暗像素偏振状态偏振光束轴定位和取向。偏振光束轴的角度定义为暗像素偏振状态偏振光束轴和偏振器支持面法线之间的角度。偏振光束轴的角度显著地大于零角度，最好为45°。照明光束接收轴事实上平行于从偏振器支持板的与偏振器支持面相反的面向外延伸的暗像素偏振状态偏振光束轴的方向延伸。亮像素偏振状态偏振光束轴是在由暗像素偏振状态偏振光束轴和偏振器支持面法线定义的入射平面内，从偏振器支持板的偏振器支持面向外延伸的，并与偏振器支持面法线形成一个等于偏振光束轴角度的反射角。固定偏振轴偏振分束器这样取向、以便接收照明光线，所述照明光线基本上平行于照明光束接收轴向着偏振分束器传播并且通过透明的偏振器支持板向安装在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振轴偏振器，使暗像素偏振状态光线基本上平行于暗像素偏振状态偏振光束轴地从偏振器支持面向外向着偏振分束器传播，以便接收图像编码偏振光线，所述图像编码偏振光线朝着分束器基本上平行于暗像素偏振状态偏振光束轴直接传播到安装在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振轴偏振器，而不穿过偏振器支持板，并把图像编码偏振光线分成通过透明的偏振器支持板并基本上平行于照明光束接收轴从偏振分束器离开的带有暗像素偏振状态负像的光线，和基本上平行于暗像素偏振状态偏振光束轴从偏振器支持面传播出去、不通过偏振器支持板以便用投影透镜光学装置投影的带有亮像素偏振状态彩色图像的光线。
在本发明的数字图像投影仪的第一最佳实施例中，数字图像投影仪包括：照明光源灯，用以产生白光谱照明光；和照明光束形成光学装置，所述照明光束形成光学装置设置成接收由光源灯产生的照明光并且适合于从这样的光形成白光谱照明光束。
所述数字图像投影仪的第一最佳实施例还包括彩色频带分离子光束位置扫描器组件，它具有白光谱照明光束输入光学端口和彩色分量扫描位置分离三元组子光束的输出光学端口。彩色频带分离子光束位置扫描器组件适合于接受输入的白光谱照明光束进入白光谱照明光束输入光学端口，并把输入的白光谱照明光束分成三个空间上分离的彩色分量子光束。彩色频带分离子光束位置扫描器组件还适合于重复地在第一和第二极限位置之间扫描每一个彩色分量子光束，而同时使子光束维持非重叠的关系，以便形成三个空间上分离的彩色分量扫描位置子光束，并将这三个空间分离的彩色分量扫描位置子光束从彩色分量扫描位置分离三元组子光束输出光学端口投影出去。
所述数字图像投影仪的第一最佳实施例还包括反射式三运动图像区域数字图像编码偏振调制器，它包括：定义偏振调制器的调制器面的反射偏振调制像素区域；和图像编码信号输入端口，用以接收图像编码信号，所述图像编码信号用以选择性地设置选择性寻址的像素区域的偏振激活状态。每一个反射式偏振调制像素区域都适合于按照像素区域的偏振激活状态选择性地调制投射在所述像素区域的线性偏振光的偏振。偏振调制器的调制器面适合于具有工作时在其上形成的三个基本上不重叠的彩色分量扫描位置图像区域，其中的每一个图像区域都对应于一个由工作时以基本上法向入射到调制器面的形式投影的相关的彩色分量扫描位置子光束照明的彩色分量照明区域。工作时规定每一个彩色分量扫描位置图像区域，以便在扫描其他两个彩色分量扫描位置图像区域的同时，按照相关的彩色分量扫描位置子光束的扫描重复地扫描整个调制器面。偏振调制器适合于在图像编码信号输入端口接收三运动图像区域彩色分量图像编码信号，在图像区域横跨整个调制器面进行扫描的过程中，对三个彩色分量扫描位置图像区域中的每一个，选择性地把与彩色分量扫描位置图像区域相关的反射偏振调制像素区域的偏振活性状态设置为偏振活性状态，所述偏振活性状态对整个运动图像区域对所需的全彩色实际尺寸图像的相应的彩色分量运动图像区域部分进行编码。投影在调制器面并扫描整个调制器面以便基本上法向入射地照亮调制器面的彩色分量扫描位置图像区域的相应的线性偏振彩色分量扫描位置子光束，由此基本上法向入射地从所述运动图像区域反射，在任意时刻进行偏振空间调制，以便对所述时刻的所需图像的相应的彩色分量图像区域部分进行编码、使得在扫描整个调制器面的整个扫描周期的重复时间中，所述彩色分量扫描位置子光束从调制器面反射，同时连续地对偏振进行调制、以便以扫描图像的方式对所需的实际尺寸图像的相应的彩色分量进行编码。
所述数字图像投影仪的第一最佳实施例还包括投影透镜光学装置，用以把三束彩色分量扫描位置图像子光束接收到投影透镜输入光学端口中、并把所述三束彩色分量扫描位置图像子光束从投影透镜输出光学端口投影出去，以便观看图像。
最后，本发明的数字图像投影仪的第一最佳实施例包括板支持的表面安装的固定偏振轴薄偏振器偏振分束器。所述偏振分束器包括透明的偏振器支持板和安装在偏振器支持板上定义偏振器支持面的基本上光学平坦的外表面上的固定偏振轴偏振器。固定偏振轴偏振器在与偏振器支持面垂直的尺寸上是薄的。偏振分束器已经与此相关地定义了照明光束接收轴、暗像素偏振状态偏振光束轴和亮像素偏振状态偏振光束轴。偏振器支持面法线被定义在垂直于偏振器支持面的方向上从偏振器支持板的偏振器支持面向外伸出。暗像素偏振状态偏振光束轴从偏振器支持板的偏振器支持面向外延伸，偏振光束轴角度被定义为暗像素偏振状态偏振光束轴和偏振器支持面法线之间的夹角。偏振光束轴的角度显著地大于零角度。照明光束接收轴在一个事实上平行于暗像素偏振状态偏振光束轴方向的方向上，从偏振器支持板与偏振器支持面相反的面向外延伸。亮像素偏振状态偏振光束轴从偏振器支持板的偏振器支持面向外延伸，并与偏振器支持面法线形成一个等于偏振光束轴角度的角。固定偏振轴偏振分束器适合于接收三束空间分离的彩色分量扫描位置子光束，所述各子光束基本上平行于照明光束接收轴朝偏振分束器传播，并通过透明的偏振器支持板传播到偏振器支持面，并借助于偏振器支持面上的固定偏振轴偏振器把所述三束空间分离的彩色分量扫描位置子光束分成三束线性偏振空间分离的彩色分量扫描位置暗像素偏振状态照明光束，后者基本上平行于暗像素偏振状态偏振光束轴从偏振器支持面向外传播。固定偏振轴偏振分束器还适合于接收三束空间分离的彩色分量扫描位置图像子光束，后者基本上平行于暗像素偏振状态偏振光束轴朝分束器传播，直接传播到安装在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振轴偏振器上，而不通过偏振器支持板。每一束彩色分量扫描位置图像子光束包含携带彩色分量负像的暗像素偏振状态线性偏振光和携带所需的彩色分量图像的亮像素偏振状态线性偏振光。固定偏振轴偏振分束器还适合于把每一束彩色分量扫描位置复合图像子光束分成彩色分量扫描位置暗像素偏振状态线性偏振光束和彩色分量扫描位置亮像素偏振状态线性偏振光束，所述彩色分量扫描位置暗像素偏振状态线性偏振光束携带彩色分量负像、通过透明的偏振器支持板传播并基本上平行于照明光束接收轴从偏振分束器传播出去，而所述彩色分量扫描位置亮像素偏振状态线性偏振光束携带所需的彩色图像、并基本上平行于亮像素偏振状态偏振光束轴从偏振器支持面向外传播而不通过偏振器支持板。偏振分束器的照明光束接收轴实际上与彩色频带分离子光束位置扫描器组件的扫描位置子光束中心轴一致。偏振分束器的暗像素偏振状态偏振光束轴实际上与偏振调制器的调制器面的法线一致，而偏振分束器的亮像素偏振状态偏振光束轴实际上与偏投影透镜光学装置的投影透镜输入端口轴。
在本发明的数字图像投影仪的第二最佳实施例中，数字图像投影仪包括：照明光源灯，用以产生白光谱照明光；和光束形成光学装置，设置成接收由光源灯产生的白光谱照明光，并适合于从这样的光形成白光谱照明光束。
所述数字图像投影仪的第二最佳实施例还包括光束彩色分离/组合棱镜组件，所述光束彩色分离/组合棱镜组件具有复合光束光学输入输出端口和三原色光学输入输出端口。光束彩色分离/组合棱镜组件适合于把白光谱输入光束接收到复合光束光学输入输出端口中，把白光谱输入光束分成三分量原色输出光束，每一个分量原色输出光束分别从相应的原色光学输入输出端口投影出去。光束彩色分离/组合棱镜组件还适合于分别把三原色输入光束中的每一束接收到三原色光学输入输出端口中相应的一个端口中，把三原色输入光束组合为复合输出光束，并从棱镜组件的复合光束光学输入输出端口投影复合输出光束。
所述数字图像投影仪的第二最佳实施例还包括三个反射式数字图像编码偏振调制器。每一个反射式偏振调制器设置成面向光束彩色分离/组合棱镜组件的三原色光学输入输出端口中相应的一个端口。每一个反射式偏振调制器都适合于按照所需的数字图像的相应的原色分量，反射从相应的原色光学输入输出端口投影在调制器上的偏振分量原色输出光束并对其偏振进行空间调制、以便形成反射图像编码偏振原色输入光束，将其导入相应的原色光学输入输出端口。
所述数字图像投影仪的第二最佳实施例还包括投影透镜光学装置，用以把图像光束接收到投影透镜光学输入端口中并从投影透镜光学输出口投影图像光束，以便观看图像。
最后，本发明的数字图像投影仪的第二最佳实施例包括板支持的表面安装的固定偏振轴薄偏振器偏振分束器。这样的偏振分束器包括透明的偏振器支持板和安装在偏振器支持板上光学上基本上平坦的定义偏振器支持面的外表面上的固定偏振轴偏振器。固定偏振轴偏振器在与偏振器支持面垂直的方向上的尺寸是薄的。关于偏振分束器定义了三个轴：照明光束接收轴、暗像素偏振状态偏振光束轴和亮像素偏振状态偏振光束轴。偏振器支持面法线定义为在垂直于偏振器支持面的方向上从偏振器支持面向外伸出。暗像素偏振状态偏振光束轴从偏振器支持板的偏振器支持面向外延伸并与偏振器支持面法线形成一个显著大于零度的偏振光束轴角度。照明光束接收轴实际上平行于暗像素偏振状态偏振光束轴的方向上、从偏振器支持板与偏振器支持面相反的面向外延伸。亮像素偏振状态偏振光束轴从偏振器支持面向外延伸并与偏振器支持面法线形成一个与偏振光束轴角度相等的反射角。偏振分束器适合于执行以下操作：接收照明光束，后者基本上沿着照明光束接收轴朝着偏振分束器传播并通过透明偏振器支持板向安装在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振轴偏振器传播；利用偏振器支持面上的固定偏振轴偏振器把照明光束分成一个基本上沿着暗像素偏振状态偏振光束轴的方向从偏振器支持面向外传播的线性偏振的暗像素偏振状态光束；接收复合图像光束，后者包含携带彩色负像的暗像素偏振状态线性偏振光和携带所需的彩色图像的亮像素偏振状态线性偏振光，后者基本上沿着暗像素偏振状态偏振光束轴的方向朝着分束器传播，直接射在安装在偏振器支持板的偏振器支持面上的固定偏振轴偏振器上，而不穿过偏振器支持板；把复合光束分成暗像素偏振状态线性偏振光束和亮像素偏振状态线性偏振光束，所述暗像素偏振状态线性偏振光束携带彩色负像、穿过透明的偏振器支持板并基本上沿着照明光束接收轴从偏振分束器离开，而所述亮像素偏振状态线性偏振光束携带所需的彩色图像、基本上沿着亮像素偏振状态偏振光束轴从偏振器支持面向外传播，而不穿过偏振器支持板。偏振分束器的照明光束接收轴实际上与照明光束形成光学装置的照明光束轴一致。偏振分束器的暗像素偏振状态偏振光束轴实际上与光束彩色分离/组合棱镜组件的复合光束输入输出端口轴一致。偏振分束器的亮像素偏振状态偏振光束轴实际上与投影透镜光学装置的投影透镜输入端口轴一致。
本发明的数字图像投影仪的板支持的表面安装的固定偏振轴薄偏振器偏振分束器具有接收角，用以接收对应于0.1至0.25范围内或更大的数字孔径的照明光束。相应地，本发明的数字图像投影仪的照明光束形成光学装置最好具有0.1至0.25范围内或更大的数字孔径。本发明的数字图像投影仪的照明光束形成光学装置最好具有至少0.15的数字孔径，而偏振分束器具有用以接收对应于至少0.15数字孔径的照明光束的接收角。本发明的数字图像投影仪的照明光束形成光学装置最好具有至少0.2的数字孔径，而偏振分束器具有用以接收对应于至少0.2数字孔径的照明光束的接收角。
在本发明的数字图像投影仪中，偏振分束器的偏振器支持板的偏振器支持面的法线和相对于偏振分束器定义的暗像素偏振状态偏振光束轴之间的偏振光束轴角最好在从约20°到约70°的范围内。所述数字图像投影仪的偏振光束轴角度最好约为45°。
本发明的数字图像投影仪的固定偏振轴偏振分束器的偏振器支持板的偏振器支持面的平坦度最好在每英寸5个可见光波长范围内。偏振器支持板的偏振器支持面的平坦度最好在每英寸2个可见光波长范围内。
本发明的数字图像投影仪的最佳反射式数字图像编码偏振调制器包括反射式液晶显示器(RLCD)，亦称硅基液晶显示器(LcoS)。
板支持的表面安装的固定偏振轴薄偏振器偏振分束器最好是线栅偏振器偏振分束器。线栅偏振器偏振分束器包括透明的栅格支持板和由安装在栅格支持板的外栅格支持面上的多根大体上线性的导线构成的线栅偏振器。所述导线是基本上彼此平行并彼此隔开而伸展的，相邻导线之间的间隔最好小于投影仪所用的可见光的最短波长，约为290nm。栅格支持板最好在整个可见光范围内对光是透明的。线栅的偏振特性在Eugene Hecht所著Optics(光学)第三版(Addison-Wesley，1998)，327-328页和G.R.Bird和M.Parrish在杂志J.Opt.Soc.Am，1960年第50卷886-891页中进行了讨论。一般适用于本发明数字图像投影仪某些最佳实施例的线栅偏振分束器有商售，可从Orem Utah的Moxtek Inc.以“ProFlux Polarizers”的商标购得。
入射到线栅偏振器偏振分束器的未偏振光线被分成两束线性偏振光线，其中一束从线栅的表面反射，而其中的另一束透过线栅。透射光线是线性偏振的，其电场垂直于构成栅格的导线的方向。电场分量平行于构成栅格的导线线性伸展方向的入射光被反射，形成线性偏振反射光。偏振轴由线栅的物理结构决定；具体地说，由栅格的导线的伸展方向决定。于是，例如，透射的偏振矢量，当投影在平面时，不会像传统的MacNeillle型多层介质薄膜分束器那样绕光束的瞳孔旋转。
本发明的数字图像投影仪的替代的最佳的板支持的表面安装的固定偏振轴薄偏振器偏振分束器最好是板支持的表面安装的交替双折射/非双折射薄膜偏振器偏振分束器。板支持的表面安装的交替双折射/非双折射薄膜偏振器偏振分束器包括透明的薄膜支持板和安装在薄膜支持板的外薄膜支持面上的交替双折射/非双折射薄膜偏振器。交替双折射/非双折射薄膜偏振器包括定向的双折射材料和非双折射材料交替层，其中，非双折射材料的折射率基本上等于各定向的双折射材料的折射率之一。因为材料交替层的折射率在一个方向上匹配，在正交的方向上不匹配，所以一个偏振方向上的光有效地“看到”均匀的折射率，并透射过多层薄膜，而正交偏振的光看见一叠折射率交替变化的层，而被反射。这样的交替的双折射/非双折射薄膜偏振器在公开的国际PCT专利申请书WO 00/70386中作了描述。一叠多个交替双折射/非双折射的薄膜层可以布置在透明薄膜支持板的外薄膜支持面上，其取向可以是与入射光束轴成45°，以形成偏振分束器。偏振轴由双折射层的取向决定。于是，类似于线栅偏振分束器，这样一种偏振分束器往往避免传统的MacNeille型多层薄膜偏振分束器的歪斜角度问题。
在本发明中，传统的MacNeille多层介质薄膜偏振分束器的困难通过利用基于折射或双折射结构的固定偏振轴分束器得以避免。采用这样的偏振分束器，反射和透射偏振状态不像光线在传统的MacNeille型偏振分束器那样取决于光的传播方向。事实上，歪斜角度消偏振在很大程度上得以避免，因而不必使用1/4波长金属箔来改善对比度。
在本发明的数字图像投影仪中，偏振分束器的偏振器支持板面向投影仪光学系统照明光源一侧，而偏振分束器的偏振器支持面则面向投影仪光学系统反射式偏振调制器一侧。结果，如图6所示，线栅偏振分束器100这样取向、使得来自投影仪光学系统照明光源一侧的照明光束170入射到分束器100栅格支持板104与安装线栅106的栅格支持板104的栅格支持面112相反的一面172。反射式偏振调制器40由线性偏振光束174照明，光束174在照明光束170透过偏振分束器100的透明栅格支持板104和线栅106时从照明光束170引出。从偏振调制器40的偏振器反射面42反射的图像编码偏振光束176直接入射到安装在偏振分束器100的栅格支持板104上的线栅106，而不通过栅格支持板104。线栅106把图像编码偏振光束176分成暗像素偏振状态偏振的携带负像的光束180和亮像素偏振状态偏振的携带彩色图像的光束178，所述暗像素偏振状态偏振的携带负像的光束180穿过栅格支持板104并离开偏振分束器100，而所述亮像素偏振状态偏振的携带彩色图像的光束178离开线栅106传播，而不穿过栅格支持板104并射在投影透镜光学装置(未示出)上。偏振分束器界面上的线栅106最好是在光学上平坦的，因为线栅在成象光路上，并影响图像编码光束。为了维持线栅106足够平坦，栅格支持板具有相当的厚度。如上所述，厚玻璃板有应力双折射问题。但是，由于带有偏振分束器100面向投影仪光学系统照明光源一侧的栅格支持板104的偏振分束器100的取向，这样的应力双折射基本上只影响照明光束170，结果效率的损失可以忽略不计。当反射式偏振分束器处于离线状态时，没有玻璃来干扰穿过偏振分束器100的线栅106而离开并从偏振调制器40反射后返回线栅106的线性偏振光束的偏振。
正如上面所指出的，线栅偏振器偏振分束器的相对较厚的倾斜栅格支持板可能把色散，并在较小的程度上把象散引入以倾斜角度穿过栅格支持板的光束中。但是，对于图6分束器取向，这样的象差出现在照明光路上。在照明光路上，象差的影响较小，因为这里没有图像信息。尽管如此，在本发明的数字图像投影仪中最好提供某种程度上的色散补偿。这样的补偿可以通过在投影仪的照明路径上插入柱面透镜或色散补偿装置提供。这样的色散补偿装置最好位于照明光路上，接近系统瞳孔的地方，或者在接近系统瞳孔或在瞳孔的中间图像处加入中继透镜。
附图说明
下面将参照附图描述本发明各最佳实施例：
图1是采用多层介质偏振薄膜的传统的MacNeille型偏振分束器，举例说明分束器的用于最优偏振的未偏振光线的传播方向。
图2和3是设置在反射式液晶偏振调制器和传统的数字图像投影仪投影透镜输入光学端口之间的图1的偏振分束器简化的示意图，举例说明不希望有的射在暗像素位置上的光线泄漏。在图2的情况下，这样的光线泄漏是因未偏振的光线以不同于最优偏振角的角度入射到分束器偏振面造成的。在图3的情况下，不希望有的暗像素位置上的光线泄漏是因未偏振的光线以不同于最优偏振角入射到分束器偏振面、而沿着相对于主轴歪斜的方向传播造成的，所述主轴是相对于偏振分束器和反射式偏振调制器的偏振调制器面定义的。
图4和5是按先有技术所公开的方法设置和取向在反射式液晶偏振调制器和数字图像投影仪投影透镜输入光学端口之间、使得携带所需的图像的亮像素偏振状态调制的光束以倾斜的移位法向入射的角度穿过偏振分束器的透明的栅格支持板的线栅偏振分束器的简化示意图。
图6是设置在反射式液晶偏振调制器和本发明最佳的数字图像投影仪的投影透镜输入光学端口之间的线栅偏振分束器的简化示意图，其中，准备由投影透镜投影的亮像素偏振状态调制的携带所需图像的光束从线栅偏振分束器的栅格支持面反射而不通过分束器的栅格支持板。
图7是本发明最佳的第一数字图像投影仪的简化光学示意图。
图8和9是用于图7的最佳第一数字图像投影仪中用的光学配置的变型的旋转棱镜组件的侧视和顶视简化示意图。
图10是图7的最佳数字图像投影仪的反射式偏振调制器调制器面的简化示意图，举例说明红、绿、蓝分量扫描位置子光束。
图11是本发明的第二最佳数字图像投影仪的光学简化示意图。
具体实施方式
现转向图7，第一最佳数字图像投影仪500包括照明光束光源组件502，它包括位于抛物线反射器506内的高亮度灯504。照明光束光源组件502产生投影仪用的未偏振的白光谱光的照明光束。为了简单起见，在图7中光束只用不同光束的中心光束，诸如由照明光束光源组件502产生未偏振照明光束的中心光束508表示。在照明光束的光路上设置紫外线、红外线和彩色补偿滤光片(未示出)，用以从所述光束除去紫外线、红外线频率的光线，并赋予所述光束频谱所需的彩色频谱形状。
光线保存光束偏振器组件510位于最佳数字图像投影仪500中未偏振照明光束508的光路上。光束偏振器组件510属于大致地类似于Itoh和Hashizme的美国专利No.5,986,809中所描述的光束偏振器的类型，所述公开附此作参考。简单地说，光束偏振器组件510包括第一透镜阵列512，后者包括基本上呈矩形的平凸透镜元件的矩形阵列。工作时，第一透镜阵列512把照明光束508分成矩形的聚焦子光束阵列。光束偏振器510还包括设置在由第一透镜阵列512的聚焦子光束的聚焦面内的偏振分束器/半波板组件514。偏振分束器/半波板组件514包括第二透镜阵列516和多对交替的细长的偏振分束器薄膜带520和细长的反射镜带522。偏振分束器薄膜带520和反射镜带522都在垂直于照明光束508中心光线的方向上彼此平行地线性延伸，并相对于所述光束508的中心光线基本上呈45°倾斜。第二透镜阵列516包括基本上呈矩形的透镜阵列的矩形阵列，后者与光束偏振器组件510的第一透镜阵列512的透镜元件一一对应。第二透镜阵列514中的每一个透镜元件还把来自第一透镜阵列512的相应透镜元件的未偏振子光束聚焦在偏振分束器/半波板组件514的偏振分束器薄膜带520的部分。偏振分束器薄膜带520把未偏振子光束分成两束线性偏振的子光束，其中第一束穿过偏振分束器薄膜带520，而第二束则从偏振分束器薄膜带520反射到相邻的反射镜带522上。第一和第二偏振子光束具有基本上彼此正交的偏振。反射镜带522这样取向、以便以基本上平行于照明光束508的光束轴的方式把线性偏振子光束反射出偏振分束器/半波板组件514。与每一个偏振分束器薄膜带520对准的是细长的半波板带524。穿过偏振分束器薄膜带520的第一线性偏振子光束也穿过半波板带524。半波板带524使第一线性偏振子光束基本上旋转45°，与从反射镜带522反射的第二线性偏振子光束的偏振状态基本上一致。因此，光束偏振器组件510把未偏振的照明光束508转换成由具有基本上一种偏振状态的线性偏振子光束阵列构成的线性偏振照明光束509，实际上没有放弃与未偏振照明光束中任何特定的偏振状态对应的光。
一般光束成形/色散补偿平凸透镜526设置在来自光束偏振器组件510的线性偏振照明光束509的光路上。光束成形/色散补偿透镜526与光束偏振器组件510的第一和第二透镜阵列512和516合作对由光束偏振器组件510产生的线性偏振子光束阵列中各种子光束聚焦并将其组合成具有基本上呈矩形断面的组合的线性偏振光束。通过使多个子光束组合成组合的线性偏振照明光束，所得照明光束往往在光束的整个断面面积上具有均匀的亮度。另外，光束成形/色散补偿透镜526成形为包括圆柱放大率(CYLINDRICAL POWER)，以便补偿下面讨论的线栅偏振分束器570的栅格支持板572引起的色散，它以倾斜取向设置在由从光束成形/色散补偿透镜526投影的线性偏振照明光束509产生的线性偏振彩色分量子光束542R、G、B的光路上。
旋转棱镜扫描位置彩色频带分离组件530设置在来自光束偏振器组件510的线性偏振照明光束509的光路上。广泛而言，旋转棱镜扫描位置彩色频带分离组件530采用二色性反射镜，把线性偏振的照明光束分成平行的红、绿和蓝彩色分量子光束，三个旋转正方形棱镜用来在侧向位置与所述子光束传播方向交叉地在整个侧向位置范围内反复单向地扫描每一个彩色分量子光束，而同时维持所述子光束的传播方向平行于给定方向，而光束的对准和中继光学装置对准侧向伸展的平面内彼此平行的扫描位置彩色分量子光束，并赋予每一束子光束一个类似于带状的断面形状，同时所述带的侧向宽度窄，排除相邻子光束的侧向重叠。
旋转棱镜扫描位置彩色频带分离组件530大致地类似于Janssen的美国专利No.5,410,370所公开的旋转棱镜组件，所述申请附此作参考。交替的旋转棱镜扫描位置彩色频带分离组件530’举例示于图8和9，它在功能上基本上相当于举例示于图7的旋转棱镜扫描位置彩色频带分离组件530。下面将详细描述交替彩色频带分离组件530’。然后说明图8和9的交替旋转棱镜扫描位置彩色频带分离组件530’和图7的旋转棱镜扫描位置彩色频带分离组件530的差异。
现转向图8和9，旋转棱镜扫描位置彩色频带分离组件530’包括旋转棱镜组件550，后者包括红分量正方形棱镜552’R、绿分量正方形棱镜552’G和蓝分量正方形棱镜552’B。红、绿和蓝分量正方形棱镜中的每一个都彼此重叠在一起，三个棱镜的中心轴对齐。相邻棱镜围绕所述中心轴在角度上彼此偏移约30°。所述棱镜组件的三个正方形棱镜552’R、G、B由马达(未示出)驱动绕中心轴旋转。
正如在图9最能看清的，数字图像投影仪500的旋转棱镜扫描位置彩色频带分离组件530包括在空间上沿着线性偏振照明光束509的传播方向彼此隔开并相对于照明光束509的传播方向以基本上45度取向的红反射/蓝-绿透射二色性反射镜532、绿反射/蓝透射二色性反射镜538和光束重定向反射镜554’。红反射/蓝-绿透射二色性反射镜532在基本上垂直于照明光束509传播方向的方向上反射入射照明光束509的红分量子光束540R，并在照明光束509传播方向上让蓝-绿分量子光束540GB透过。
在红分量子光束540R光路上跟在红反射/蓝-绿透射二色性反射镜532之后的红分量平凸透镜528R和在蓝-绿分量子光束540GB光路上跟在红反射/蓝-绿透射二色性反射镜532之后的基本上相同的蓝-绿分量平凸透镜528GB是中继光学装置，用以把最后的扫描位置线性偏振彩色分量子光束聚焦在反射式偏振调制器上。
绿反射/蓝透射二色性反射镜538沿着垂直于入射的蓝-绿分量子光束540GB的方向反射蓝-绿分量子光束540GB的绿分量子光束540G，并沿着平行于蓝-绿分量子光束540GB的方向透射蓝分量子光束540B。
正如在图9看得最清楚的，从红反射/蓝-绿透射二色性反射镜532出来的红分量子光束540R，通过透镜528R以举例说明的旋转棱镜组件550特定代表性旋转角，聚焦在红分量正方形棱镜552’R的第一平面上。一般说来，在空气中以非零入射角入射到其折射率大于空气折射率并前、后面平行的透明材料的前面时，光线在进入前面时被折射，穿过材料时在前面形成一个比入射角更接近于法线的折射角。离开所述材料块的后面时，所述光束被折射，使得离开角等于原来的入射角。净结果是，离开的光束在平行于入射光束的方向上传播，但考虑到在由折射角决定的方向上通过材料厚度行进，在位置上发生偏移。于是，如图8所示，以旋转棱镜组件550举例说明的代表性旋转角入射的红分量子光束540R，与红分量正方形棱镜552’R的第一面相交，穿入并以与棱镜的第一面的折射角通过所述棱镜，作为红分量扫描位置子光束542R从所述棱镜的反面穿出，在位置上侧向偏离入射红分量子光束540R。绿分量子光束540G从绿反射/蓝透射二色性反射镜538被反射在绿分量正方形棱镜552’G的面上。因为在图8所示的特定的旋转角法向入射的绿分量子光束540G与绿分量正方形棱镜的面相交，绿分量子光束540G穿过棱镜，作为绿分量扫描位置子光束542G穿出，中心光线与入射的绿分量子光束540G的中心光线一致。蓝分量子光束540B透射通过绿反射/蓝透射二色性反射镜538，并由光束重定向反射镜554重定向，与蓝分量正方形棱镜552’B的面相交。在图8和9举例说明的旋转棱镜组件550特定的旋转角下，入射蓝分量子光束540B在蓝分量棱镜的面上被折射，并作为蓝分量扫描位置子光束542B离开，在位置上侧向偏离入射蓝分量子光束540B。
再转向图9，红分量扫描位置子光束542R穿过红分量平凸中继透镜544R，并被光束重定向反射镜556’反射到绿反射/红透射二色性反射镜558。红分量扫描位置子光束542R被红绿分量双凸中继透镜560RG聚焦，射在红绿反射/蓝透射二色性反射镜562上。红分量扫描位置子光束542R被红绿反射/蓝透射二色性反射镜562反射，穿过三扫描子光束平凸中继透镜566。绿分量扫描位置子光束542G穿过绿分量平凸中继透镜544G，射在绿反射/红透射二色性反射镜558上，在这里被反射通过红绿分量双凸中继透镜560RG，射在红绿反射/蓝透射二色性反射镜562上。绿分量扫描位置子光束542G被红绿反射/蓝透射二色性反射镜562反射，穿过三扫描子光束平凸中继透镜566。如图9所示，蓝分量扫描位置子光束542B穿过蓝分量平凸中继透镜544B和蓝分量双凸中继透镜560B，然后通过红绿反射/蓝透射二色性反射镜562和三扫描子光束平凸中继透镜566。
联系图7和图8和9的旋转棱镜扫描位置频带分离组件530和530’之间的差异，红、绿和蓝分量正方形棱镜552R，552G，552B，在图7的频带分离组件530’中表示为侧向隔开的，而不是像在图8和9的频带分离组件530中表示为垂直堆叠的。图7的光束重定向反射镜554’和556’离开图9的光束重定向反射镜554’和556’的位置重新定位。
在图7的旋转棱镜扫描位置频带分离组件530中，红、绿和蓝分量扫描位置子光束542R、G、B在离开红绿反射/蓝透射二色性反射镜562时，在侧向上彼此相对地发生位移。这三个正方形棱镜552R、G、B同步地绕所述棱镜的各自的中心轴的旋转，使红、绿和蓝分量扫描位置子光束中每一个的侧向位置都发生从第一侧向极限位置到第二侧向极限位置的侧向位移，然后在第一侧向位置重新出现以重复侧向位移。由于棱镜组件550的红、绿和蓝分量正方形棱镜552R，G，B的基本上30°的相对角度偏移，红、绿和蓝分量扫描位置子光束542R、G、B在它们进行由棱镜组件旋转产生的重复的侧向平移时彼此侧向相对地总是发生侧向位移。如上所述，第一和第二光束偏振器组件510阵列512和516和平凸透镜成形/色散补偿透镜56使从红分量正方形棱镜552R射出的红分量扫描位置子光束542R具有在垂直于子光束沿之扫描的方向的方向上伸长的一般呈类似矩形带状的横截面。类似地，绿分量扫描位置子光束542G和蓝分量扫描位置子光束542B具有基本上相同的一般呈类似矩形带状的横截面。这三个分量子光束中的每一个在扫描方向上的截面宽度都足够窄，以致在每一对相邻的彩色分量子光束之间设置非照明侧向间隙，使得子光束在三个子光束被通过平移周期进行扫描时任何时侯空间上都不会重叠。
再转向图7，三个发生了侧向位移的红、绿和蓝分量扫描位置子光束542R、G、B穿过三个扫描子光束平凸中继透镜566和微调平板偏振器568，其取向是让方向为平行于由光束偏振器组件510产生的光束的标称偏振方向的线性偏振光通过。
线栅偏振分束器570设置在红、绿和蓝分量扫描位置子光束542R、G、B的光路上。线栅偏振分束器570包括栅格支持板572和安装在支持板572的栅格支持面576上的线栅574。支持板572的栅格支持面576是光学基本上平坦的。线栅偏振分束器570的取向与彩色分量扫描位置子光束542R、G、B的传播方向基本上成45°角，并与彩色分量扫描位置子光束542R、G、B的扫描方向基本上成45°角。线栅574的导线垂直于图7的页平面的方向伸展。支持板572的栅格支持面576上的线栅574面向从来自三扫描子光束平凸透镜566和微调偏振器568的彩色分量扫描位置子光束542R、G、B传播方向离开的方向。入射偏振分束器570的线性偏振的彩色分量扫描位置子光束542R、G、B电场方向的取向基本上垂直于线栅574的平行导线线性伸展的方向，以便允许所述子光束穿过所述线栅。
反射式偏振调制器580设置成使偏振调制器面582面向偏振分束器570。反射式偏振调制器590适合于按照施加在偏振调制器580上的图像编码信号、反射投射在偏振调制器面582上的调制线性偏振光并对所述光线的偏振进行空间调制。如图10所示，偏振调制器面582用彩色分量扫描位置子光束542R、G、B照明，由于所述子光束截面形状的原因，在偏振调制器面582上产生相应的彩色频带R、G、B。正如Janssen的美国专利No.5,410,370中所解释的，对所需的彩色图像的红、绿和蓝分量频带部分进行编码的信号，与正方形棱镜552R、G、B的旋转以及由彩色分量扫描位置子光束542R、G、B产生的红、绿和蓝彩色频带横跨偏振调制器面582的扫描同步地施加在偏振调制器580上，使得每一个彩色分量子光束在每一时刻都利用所述时刻所需的图像的相应频带部分的彩色分量进行空间偏振调制。在任何给定时刻，偏振调制器580的偏振调制器面582都用由线性偏振的彩色分量扫描位置子光束542R、G、B产生的所有三个红、绿和蓝彩色频带543R、G、B照明，如图10所示，任何一个频带都可以分成两部分，作为相应的彩色分量子光束，从第二侧极限位置546向后传递到第一侧向极限位置548。被三个频带中特定一个照明的偏振调制器面582的部分，由施加在偏振调制器580上的图像编码信号的驱动，以便对按照所需的最后图像的相应的彩色分量图像产生这样的频带的线性偏振的彩色分量扫描位置子光束进行空间调制。设置在每一对相邻的彩色分量频带之间的非照明间隙549提供建立时间，以便使偏振调制器面上的像素区域能够从与以往的频带的彩色分量图像对应的偏振激活状态切换到与到来的频带的彩色分量图像对应的偏振激活状态。由于任何给定的彩色频带都在整个偏振调制器面582上进行扫描，所以偏振调制器580被驱动来按照由频带照明的相应的彩色分量图像的部分激活所述频带区域中的像素区域。因此，必须以大约三倍于专用于单彩色分量的偏振调制器的速率用图像编码信号来驱动偏振调制器580。
偏振调制器582上与投影图像中仍未被特定彩色照明的像素对应的任何像素区域都被设置为偏振激活状态，它并未主动地改变投射在所述区域上的线性偏振光的偏振。偏振调制器582上与投影图像中被特定颜色分量照明的像素位置对应的像素区域被驱动至偏振激活状态，以便把投射在所述像素区域的线性偏振光的偏振主动地旋转到对应于所需的照明度的程度。对于照亮偏振调制器580的偏振调制器面582的一部分的每一束入射彩色分量扫描位置子光束542R、G、B，偏振调制器面582把空间选择性偏振调制后的彩色分量扫描位置子光束向后反射到偏振分束器570。每一束其偏振方向不被反射式偏振调制器580改变的这样被偏振调制的扫描位置子光束分量，都被线性偏振，其电场沿着垂直于线栅偏振分束器570的导线方向伸展，因而穿过偏振分束器，并向后朝照明光束光源组件502方向传播。每一束其偏振被反射式偏振调制器580旋转到这种程度的这样被调制器反射的彩色分量扫描位置子光束的分量，都具有平行于栅格导线方向伸展的电场分量，并被线栅偏振分束器570反射到这样的程度、以致形成相应的分束器反射的彩色分量扫描位置子光束594R、G、B。
投影透镜组件590具有投影透镜输入端口592，后者设置成与偏振分束器570反射的光相交，并接收所述光线。微调分析仪片状偏振器593设置在投影透镜输入端口592和线栅偏振分束器570之间。所述三束分束器反射的彩色分量扫描位置子光束594R、G、B中的每一束实际上构成携带所需图像的彩色分量的亮像素偏振状态线性偏振彩色分量子光束。投影透镜组件590把三束亮像素偏振状态彩色分量子光束投影在显示屏(未示出)上以供观看。这三束子光束的重复扫描速率对人类观看者而言是足够高的，投影的图像作为完全的全色图像出现。偏振分束器570的栅格支持板572的栅格支持面576的光学平坦度以及栅格支持面576的取向使亮像素偏振状态彩色分量子光束594R、G、B可以从偏振调制器582直接反射到投影透镜输入端口590，而不必穿过透明的光束支持板572，保证投影图像高的空间分辨率。
现转向图11，第二最佳数字图像投影仪400包括照明光束光源组件402，它包括高亮度灯404和抛物线反射器406，所述抛物线反射器406形成用于投影仪的未偏振的白光谱光的照明光束408。紫外、红外和频谱缺口滤光片组件407设置在照明光束408的光路上，以便从光束中消除紫外和红外频率，并赋予所述光束频谱所需的彩色频谱形状。
光保存光束偏振器组件410设置在大致地类似于Itoh和Hashizume的美国专利No.5,986,809中描述的光束偏振器类型的未偏振照明光束408的光路上。光束偏振器组件410包括由基本上矩形的平凸透镜元件的矩形阵列构成的第一透镜阵列412和设置在由第一透镜阵列产生的聚焦照明光束的焦点平面上偏振分束器/半波板组件414。偏振分束器/半波板组件414包括：第二透镜阵列416；多对在垂直于照明光束408的中心光线的方向上彼此平行地延伸并与光束408中心光线大体上成45°角倾斜的交替的细长的偏振分束器薄膜带420和细长的反射镜带422；以及多个与相应的偏振分束器薄膜带420对准的细长的半波板带424。功能上基本上类似的光束偏振器组件510的操作在上面已经联系图7进行了讨论。为简明起见，这里不再重复所述讨论。光束偏振器组件410把未偏振的照明光束408转变成由基本上具有一种偏振状态的线性偏振子光束的阵列构成的线性偏振照明光束409，实际上没有丢掉与未偏振照明光束408中任何特定偏振状态对应的光。
一般平凸光束成形/色散补偿透镜426位于照明光束409的光路上并用以把由光束偏振器组件410产生的线性偏振照明光束阵列中的不同的子光束组合成组合的线性偏振照明光束。通过这样把多个子光束组合成组合的线性偏振照明光束，所得的照明光束往往具有在光束的整个截面上均匀的亮度。另外，光束成形/色散补偿透镜426被成形为包括柱形放大率(cylindrical power)、以便补偿由下面将要讨论的设置在照明光束409光路上的倾斜的栅格支持板472引起的色散。
照明光束重定向反射镜421反射线性偏振的照明光束409，以提供投影仪400光学布局的物理紧凑性。平凸中继透镜466和微调片状偏振器468设置在跟在照明光束重定向反射镜421之后的线性偏振照明光束409的光路上。微调偏振器468的取向是让取向平行于由光束偏振器组件410产生的线性偏振光透过。
可见光光谱线栅偏振分束器470与投影仪主轴433基本上成45度地设置在聚焦的照明光束的光路上。线栅偏振分束器470包括栅格支持板472和安装在支持板472的栅格支持面476上的线栅474。支持板472的栅格支持面476光学上基本上平坦。支持板472的栅格支持面476上的线栅474面向从微调偏振器468来的入射线性偏振的照明光束409传播方向出来的方向。光束偏振器组件410、微调偏振器468和线栅偏振分束器470的导线的线性伸展方向彼此这样相对取向、使得入射到线栅偏振分束器470上的线性偏振照明光束409线性偏振、其电场垂直于偏振分束器470的线栅474导线的线性伸展方向而伸展、使得照明光束409以分束器透射的线性偏振照明光束434的形式穿过偏振分束器470。
分束器透射的线性偏振照明光束434投射在原色分离/组合棱镜组件436。原色分离/组合棱镜组件436包括三个棱镜面上带有二色性涂层的棱镜，并适合于把进入棱镜组件436的白光谱光束分成分别为红、绿和蓝光的分量子光束。由于这样的原色分离/组合棱镜组件是传统的，故对所述棱镜组件不再详细描述。原色分离/组合棱镜组件具有白光输入/输出面437、红分量光束输入/输出面438R、绿分量光束输入/输出面438G和蓝分量光束输入/输出面438B。与红分量光束输入/输出面438R相邻的是红图像分量反射式液晶偏振调制器440R。绿图像分量反射式液晶偏振调制器440G和蓝图像分量反射式液晶偏振调制器440B分别设置在与绿分量光束输入/输出面438G和蓝分量光束输入/输出面438B相邻的位置上。红、绿和蓝图像分量反射式液晶偏振调制器440R、G、B中的每一个适合于按照施加在对所需的彩色图像的彩色图像分量进行编码的调制器上的信号，选择性地对逐个像素地投射在偏振调制器的偏振调制器面上的线性偏振光束的偏振进行空间调制。这样的反射式液晶偏振调制器是传统的。
对加在相应的彩色偏振调制器的所需数字图像的特定彩色分量进行编码的数字信号被这样编码、使得对应于投影图像中仍未被特定颜色照明的区域的偏振调制器面上的像素区域被设置为偏振激活状态，以便不改变以法向入射投射在所述像素区域的光束的偏振。对应于投影图像中准备用特定的彩色分量照亮的区域的像素区域被驱动为偏振激活状态，以便把投射在所述像素区域上的光的偏振旋转到对应于照明度的程度。由特定彩色分量偏振调制器440形成的空间上选择性地偏振调制的彩色分量光束被向后反射，进入原色棱镜组件436的相应的彩色分量光束输入/输出面438。三束彩色分量光束通过棱镜组件436折回各自的光路、并以组合后的复合光束的形式离开棱镜组件的白光输入/输出面437。
复合光束从白光输入/输出面437传播到线栅偏振分束器430。所述复合光束中其偏振方向不被反射式偏振调制器440改变的分量被线性偏振，其电场垂直于线栅偏振分束器线栅的导线方向，因而穿过偏振分束器并向后朝灯的方向传播。所述复合光束中其偏振被反射式偏振调制器440旋转到某种程度的分量具有平行于线栅导线方向伸展的电场分量并且所述复合光束中其偏振被反射式偏振调制器440旋转到这种程度的分量被线栅偏振分束器反射。从线栅偏振分束器面反射的光前进到数字图像投影仪400的投影透镜的输入端口。微调偏振分析器片状滤光片454设置在线栅偏振分束器470和投影透镜490的输入端口之间，以便改善明暗对比度。投影透镜把由从原色分离/组合棱镜组件穿出的复合光束的旋转偏振分量携带的所需的复合图像投影在显示屏上，以便观看。偏振分束器470的栅格支持板472的栅格支持面476的光学平坦度和栅格支持板476的取向允许亮像素偏振状态彩色分量子光束从棱镜组件的白光输入/输出口437直接反射，进入投影透镜的输入光学端口，而不必穿过透明的光束支持板472，以此保证投影图像高的空间分辨率。
不准备把本发明限于上述特定的实施例。应该理解，在不脱离本发明的范围和传授的情况下，对上面具体描述的本发明可以作出改变，准备包括所有与本发明一致的所有实施例、改变和修改。

Claims (6)

1.一种图像投影仪，它包括：
照明光源(502)；
照明光束形成光学装置(510，530)，用以从所述照明光源形成偏振的照明子光束(542R，542G，542B)；
图像编码偏振调制器(580)，用以调制偏振照明子光束，以便形成图像编码偏振子光束(594R，594G，594B)；以及
投影透镜光学装置(590)，用以投影来自图像编码偏振子光束的图像，
所述图像投影仪还包括偏振分束器(570)，该偏振分束器以倾斜取向设置在所述投影透镜光学装置和所述图像编码偏振调制器之间的偏振照明子光束的光路中，并用来将所述图像编码偏振子光束从所述偏振照明子光束中分离出来，
所述偏振分束器包括透明的偏振器支持板(572)和安装在所述偏振器支持板的基本上平坦的表面(576)上的固定偏振轴偏振器(574)，
其特征在于，所述偏振分束器的取向使所述图像编码偏振子光束从所述图像编码偏振调制器直接反射到所述投影透镜光学装置，而不使所述图像编码偏振子光束经过偏振器支持板。
2.如权利要求1所述的图像投影仪，其特征在于：所述偏振器支持板(576)和所述图像编码偏振调制器(580)之间的角度大约是45°。
3.如权利要求1所述的图像投影仪，其特征在于：所述图像编码偏振调制器(580)包括三个反射式数字图像编码偏振调制器(440R，440G，440B)，用以按照所需数字图像的相应的原色分量对从相应的原色输入/输出光学端口(438R，438G，438B)投射到调制器的入射线性偏振原色分量光束(434)的偏振进行空间调制、以便形成射入相应的原色输出/输入光学端口的反射的图像编码偏振原色输入光束。
4.如权利要求1所述的图像投影仪，其特征在于：所述图像编码偏振调制器(580)包括反射式液晶显示板。
5.如权利要求1所述的图像投影仪，其特征在于：所述偏振分束器(570)包括线栅偏振器(574)。
6.如权利要求1所述的图像投影仪，其特征在于：所述偏振分束器(570)包括交替的双折射/非双折射薄膜偏振器，所述交替的双折射/非双折射薄膜偏振器包括交替的定向双折射材料层和非双折射材料层，其中，所述非双折射材料的折射率基本上等于所述定向双折射材料的多种折射率之一。
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