CN1316291C - 投射式图像显示装置和光学系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种投射式图像显示装置，其以简单的结构获得了改善的偏振光多路分解特性，并投射出具有高对比度的高质量图像。该装置包括具有相对于与光轴垂直的平面倾斜45度的多路分解面的偏振分束器、设置在偏振分束器前面的平板形式的线性偏振元件、以及设置在偏振分束器下一阶段的反射式液晶元件。线性偏振元件垂直于参考平面设置，该参考平面包括多路分解面的法线和光轴，并且所述线性偏振元件在多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。

Description

投射式图像显示装置和光学系统
技术领域
本发明涉及一种投射式图像显示装置，例如反射式液晶投影仪，以及用于反射式液晶投影仪的光学系统等。
背景技术
投射式图像显示装置通常为人们所熟悉，其包括照明装置、根据图像信号调制照明光的光调制元件、用于将从照明装置发出的光照射到光调制元件上的多路分解(demultiplexing)光学系统、以及用于投射来自光调制元件的光以形成图像的投射光学系统。例如在日本早期公开专利No.2000-105360(下文中称作专利文献1)中就公开了一种所述类型的投射式图像显示装置。
在所述投射式图像显示装置中，放电灯通常用作光源，而透射型液晶元件、DMD(数字微镜器件)等常常用作图像调制元件。此外，近几年中，使用具有更高分辨率的反射式液晶元件作为光调制装置的投射式图像显示装置也已经被投入实际应用。
在所述投射式图像显示装置中，使用发射白光的光源，来自光源的白光被分色镜多路分解为红、绿、蓝三色光。色光被照射到对应的光调制元件上。所述光调制元件根据红、绿、蓝图像信号分别调制照明光。然后，被光调制元件调制的照明光被例如正交棱镜的彩色多路复用元件多路复用，然后通过投射透镜投射到屏幕上。
在将反射式液晶元件用作为光调制元件的情况下，使用偏振光。在该情况下，使用偏振转换元件将从光源发射的光转换成在一个方向上偏振的光，然后光被多路分解为三色光，该三色光被引入相应的反射式液晶元件。图22示意性地示出了传统投射式图像显示装置的反射式液晶元件和相关元件的器件构造。
参照图22，所示传统投射式图像显示装置110包括偏振分束器(PBS)111、反射式液晶元件112以及线性偏振元件113。
在使用上述偏振转换元件的情况下，很难在整个可视范围内、在较宽的入射角上获得高的P-S转换特性。因此，在传统的投射式图像显示装置110中，光穿过线性偏振元件113，从而获得具有较高偏振度的光通量，然后获得的光通量被引入偏振分束器111。被引入偏振分束器111的光通量绝大部分被偏振分束器111反射并被引入反射式液晶元件112。在要显示白色的情况下，光通量被反射式液晶元件112转换成P偏振光，并向回引入偏振分束器111。P偏振光原样地通过偏振分束器111，随后光通量通过投射透镜在屏幕上形成图像。另一方面，在要显示黑色的情况下，光通量从反射式液晶元件112反射，同时其保持为S偏振光，并向回引入偏振分束器111。然后该S偏振光被偏振分束器111反射并返回到最初的光路。
顺便提一下，使用如上所述这种传统反射式液晶元件的投射式图像显示装置110具有下述问题。
线性偏振元件113位于偏振分束器111的前面，如图22中所示，以致只有在一个方向上偏振的光通量，例如只有S偏振的光通量被引入偏振分束器111。
然而，没有包含在子午面中的光线(即歪斜的光线)在进入偏振分束器111时，其不仅包括S偏振光分量，还包括P偏振光分量。如果偏振分束器111是理想的，则P偏振光分量穿过偏振分束器111，不会照射反射式液晶元件112。然而实际上，P偏振光分量也部分地被偏振分束器111反射并进入液晶元件。
因此，例如当将要显示黑色时，经偏振分束器111反射的P偏振光被反射式液晶元件112反射，并再次进入偏振分束器111。因此，所述P偏振光中的绝大部分穿过偏振分束器111并被投射到屏幕上，结果导致图像对比度的下降。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种投射式图像显示装置，其以简单的构造获得了改善的偏振光多路分解特性，并能投射具有高对比度的高质量图像。
本发明的另一个目的是提供一种具有改善的偏振光多路分解特性的光学系统。
为了实现上述的目的，根据本发明的一个方面，提供了一种投射式图像显示装置，其包括一平板形式的线性偏振元件，其用于发射来自沿光轴入射且包括非平行光的光通量中的在一个方向上偏振的光；一偏振分束器，其具有相对于与光轴垂直的平面以倾斜预定角度的关系设置的多路分解面，该多路分解面使S或P偏振光从中穿过，而反射与穿过所述多路分解面的偏振光偏振方向垂直的偏振光，所述偏振分束器在其多路分解面处接收从所述线性偏振元件发射的光通量；和一光调制部分，其用于接收从所述偏振分束器的多路分解面发射的光通量、根据图像信号改变所接收到的光通量的偏振方向、以及反射光通量以便将其向回引至所述偏振分束器的多路分解面，所述线性偏振元件按垂直于一参考平面延伸的方式设置，所述参考平面包括多路分解面的法线和光轴，所述线性偏振元件在多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
光通量被引入该投射式图像显示装置。在该投射式图像显示装置中，平板形式的线性偏振元件设置在偏振分束器的前面，所述偏振分束器的偏振面相对于与光轴垂直的平面倾斜预定的角度。此外，在该投射式图像显示装置中，线性偏振元件垂直于一参考平面设置，该参考平面内包括多路分解面的法线和光轴，且所述线性偏振元件在多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
根据本发明的另一方面，提供了一种投射式图像显示装置，其包括一平板形式的线性偏振元件，其用于发射来自沿光轴入射且包括非平行光的光通量中的在一个方向上偏振的光；一波片，其用于接收从所述线性偏振元件发射的光通量并改变所接收到的光通量的偏振方向；一偏振分束器，其具有相对于与光轴垂直的平面以倾斜预定角度的关系设置的多路分解面，该多路分解面使S或P偏振光从中穿过，而反射与穿过所述多路分解面的偏振光偏振方向垂直的偏振光，所述偏振分束器在其多路分解面处接收来自所述波片的光通量；和一光调制部分，其用于接收从所述偏振分束器的多路分解面发射的光通量、根据图像信号改变所接收到的光通量的偏振方向、以及反射光通量以便将其向回引至所述偏振分束器的多路分解面，所述线性偏振元件和/或所述波片按垂直于一参考平面延伸的方式设置，所述参考平面包括多路分解面的法线和光轴，所述线性偏振元件和/或所述波片在多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
光通量被引入该投射式图像显示装置。在该投射式图像显示装置中，平板形式的线性偏振元件和波片设置在偏振分束器的前面，所述偏振分束器的偏振面相对于与光轴垂直的平面倾斜预定的角度。此外，在该投射式图像显示装置中，线性偏振元件和波片中的一个或两个垂直于一参考平面设置，该参考平面包括多路分解面的法线和光轴，且所述线性偏振元件和波片中的一个或两个在多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
利用这两种投射式图像显示装置，可以使用简单的构造提高偏振光的多路分解特性，并可以投射出具有高对比度的高质量图像。
根据本发明另一方面，提供了一光学系统，其包括一平板形式的线性偏振元件，其用于发射来自沿光轴入射且包括非平行光的光通量中的在一个方向上偏振的光；和一偏振分束器，其具有相对于与光轴垂直的平面以倾斜预定角度的关系设置的多路分解面，该多路分解面使S或P偏振光从中穿过，而反射与穿过所述多路分解面的偏振光偏振方向垂直的偏振光，所述偏振分束器在其多路分解面处接收从所述线性偏振元件发射的光通量，所述线性偏振元件按垂直于一参考平面延伸的方式设置，所述参考平面包括多路分解面的法线和光轴，所述线性偏振元件在多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
光通量被引入该光学系统。在该光学系统中，平板形式的线性偏振元件和波片设置在偏振分束器的前面，所述偏振分束器的偏振面相对于与光轴垂直的平面倾斜预定的角度。此外，在该光学系统中，线性偏振元件垂直于一参考平面设置，该参考平面包括多路分解面的法线和光轴，且所述线性偏振元件在多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
根据本发明的另一个方面，提供了一光学系统，其包括一平板形式的线性偏振元件，其用于发射来自沿光轴入射且包括非平行光的光通量中的在一个方向上偏振的光；一波片，其用于接收从所述线性偏振元件发射的光通量并改变所接收到的光通量的偏振方向；和一偏振分束器，其具有相对于与光轴垂直的平面以倾斜预定角度的关系设置的多路分解面，该多路分解面使S或P偏振光从中穿过，而反射与穿过所述多路分解面的偏振光偏振方向垂直的偏振光，所述偏振分束器在其多路分解面处接收来自波片的光通量，所述线性偏振元件和/或所述波片按垂直于一参考平面延伸的方式设置，所述参考平面包括多路分解面的法线和光轴，并且所述线性偏振元件和/或所述波片在多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
光通量被引入该光学系统。在该光学系统中，平板形式的线性偏振元件和波片设置在偏振分束器的前面，所述偏振分束器的偏振面相对于与光轴垂直的平面倾斜预定的角度。此外，在该光学系统中，线性偏振元件和波片中的一个或两个垂直于一参考平面设置，该参考平面包括多路分解面的法线和光轴，且所述线性偏振元件和波片中的一个或两个在多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
利用这两种光学系统，可以使用简单的结构提高偏振光的多路分解特性。
附图说明
结合附图，本发明的上述以及其它目的、特征及优点在以下的说明和所附权利要求中将变得显而易见，在附图中相同的部分或元件用相同的标号表示。
图1是示出了本发明适用的反射式液晶投影仪的光学系统的结构示意图；
图2是示出了偏振分束器和线性偏振元件之间的布置关系的示图；
图3是示出了到光解调倾斜面上的入射角度与光解调倾斜面上偏振状态之间的关系的示图，其中入射角θx＝0度；
图4是图3中关系的局部放大图；
图5是示出了相对于光多路分解倾斜面的极角的示图；
图6是示出了相对于光多路分解倾斜面的入射方位角的示图；
图7是示出了相对于入射面的方位角的示意图；
图8是示出了到光解调倾斜面上的入射角与光解调倾斜面上偏振状态之间的关系的示图，其中倾斜角θx＝21度；
图9是图8中关系的局部放大图；
图10A到10D是曲线图，示出了在线性偏振元件的折射率为1、偏振分束器的折射率为1.4以及锥角分别为8、12、16和20度的情况时对比度关于倾斜角x的变化；
图11A到11D是曲线图，示出了在线性偏振元件的折射率为2、偏振分束器的折射率为1.4以及锥角分别为8、12、16和20度的情况时对比度关于倾斜角x的变化；
图12A到12D是曲线图，示出了在线性偏振元件的折射率为1、偏振分束器的折射率为2以及锥角分别为8、12、16和20度的情况时对比度关于倾斜角x的变化；
图13A到13D是曲线图，示出了在线性偏振元件的折射率为2、偏振分束器的折射率为2以及锥角分别为8、12、16和20度的情况时对比度关于倾斜角x的变化；
图14A到14D是曲线图，示出了在线性偏振元件的折射率为1、偏振分束器的折射率为2.4以及锥角分别为8、12、16和20度的情况时对比度关于倾斜角x的变化；
图15A到15D是曲线图，示出了在线性偏振元件的折射率为2、偏振分束器的折射率为2.4以及锥角分别为8、12、16和20度的情况时对比度关于倾斜角x的变化；
图16是示出了用于调整线性偏振元件倾斜角的调整部分的示意图；
图17是示出了反射式液晶投影仪的一种变形的示意图，其中所述投影仪包括线性偏振元件和半波片，并且其中所述半波片是倾斜的；
图18是示出了反射式液晶投影仪的另一种变形的示意图，其中所述投影仪包括线性偏振元件和半波片，并且其中所述线性偏振元件和半波片都是倾斜的；
图19是示出了反射式液晶投影仪的示意图，其中所述投影仪包括均与垂直于光轴X的面平行布置的线性偏振元件和半波片；
图20A到20C是示出了半波片的慢轴旋转的示意图；
图21是经修改的光学系统的示意图，其中线性偏振元件通常用于G和B分量；以及
图22是示出了传统投射式图像显示装置的液晶元件及相关元件的结构的示意图。
具体实施方式
参照图1，显示了本发明适用的反射式图像显示装置。该反射式图像显示装置包括反射式液晶元件，一般用10表示。应当注意到，该反射式图像显示装置10在下文中被简单地称作反射式投影仪10。
反射式投影仪10包括灯11、一对集成透镜(integrator lens)12、P-S转换元件13、聚光透镜14、第一分色镜15、第二分色镜16和反射镜17。反射式投影仪10还包括红(R)光偏振光学系统18-R、绿(G)光偏振光学系统18-G、蓝(B)光偏振光学系统18-B、彩色合成棱镜19和投射透镜20。
灯11是白光照明光源，例如可以是卤灯、氙灯、金属卤化物灯、超高压汞灯等。为了从光源11a有效地发射光通量，在灯11的光路背侧设置具有椭圆体或抛物体形状的反射器11b。从灯11发射的白光的光通量进入一对集成透镜12。
集成透镜12使来自灯11的入射光通量的空间分布变得均匀。穿过集成透镜12的光通量进入P-S转换元件13。
P-S转换元件13将穿过集成透镜12的光转换成在一个方向上偏振的光。穿过P-S转换元件13的光通量穿过聚光透镜14并进入第一分色镜15。
第一分色镜15使红色波段的光(R)从中穿过，而反射蓝色和绿色波段的光(G和B)。被反射的绿色和蓝色波段的光(G和B)进入第二分色镜16。第二分色镜16反射绿色波段的光(G)，而使蓝色波段的光(B)从中穿过。
穿过第一分色镜15的红色波段的光被反射镜17反射，并进入R光偏振光学系统18-R。被第二分色镜16反射的绿色波段的光进入G光偏振光学系统18-G。穿过第二分色镜16的蓝色波段的光进入B光偏振光学系统18-B。
来自图像信号中的红色(R)信号输入到R光偏振光学系统18-R。R光偏振光学系统18-R用R信号空间调制红色波段的入射光，从而发射光通量，该光通量形成与所要形成的图像的R分量对应的图像。
来自图像信号中的绿色(G)信号输入到G光偏振光学系统18-G。G光偏振光学系统18-G用G信号空间调制绿色波段的入射光，从而发射光通量，该光通量形成与所要形成的图像的G分量对应的图像。
来自图像信号中的蓝色(B)信号输入到B光偏振光学系统18-B。B光偏振光学系统18-B用B信号空间调制蓝色波段的入射光，从而发射光通量，该光通量形成与所要形成的图像的B分量对应的图像。
从R光偏振光学系统18-R、G光偏振光学系统18-G和B光偏振光学系统18-B发射的光都被引入彩色合成棱镜19。彩色合成棱镜19将红色分量的光、绿色分量的光和蓝色分量的光合成为单一的光通量，并发射所述合成的光通量。
从彩色合成棱镜19发射的经复用的光进入投射透镜20。投射透镜20以扩大的比例将入射的合成光投射到未示出的屏幕上，从而在屏幕上形成图像。
现在，描述R光偏振光学系统18-R、G光偏振光学系统18-G和B光偏振光学系统18-B的内部结构。应当注意到R光偏振光学系统18-R、G光偏振光学系统18-G和B光偏振光学系统18-B都具有相同的结构。在下面的描述中，没有必要将它们彼此区别开来，它们中的任意一个都被称作偏振光学系统18。
偏振光学系统18包括场镜21、线性偏振元件22、偏振分束器23和反射式图像调制元件24。
场镜(field lens)21接收被第一分色镜15和第二分色镜16多路分解的红色、绿色或蓝色波段的光通量。场镜21将入射光通量转换成发散的光通量，并将发散的光通量照射在线性偏振元件22上。
线性偏振元件22是平板形式的元件，并发射来自入射光通量中的在一个方向上偏振的光。线性偏振元件22使在某一方向上偏振的光从中穿过而阻挡任何其它的偏振光。对于线性偏振元件22，使用例如线栅这样的反射式偏振器或者使在某一方向上偏振的光从中穿过而吸收任何其它偏振光的吸收型偏振器。此外，作为反射式的偏振器，例如可以使用已由MOXTEK公司投入实际应用的线栅偏振器(wire grid polarizer)或类似元件。
在一个方向上偏振并已穿过线性偏振元件22的光进入偏振分束器23。偏振分束器23具有光多路分解面23a，其反射S偏振光但使P偏振光从中穿过。偏振分束器23的光多路分解面23a被设置成使得从线性偏振元件22发射的偏振光可以为S偏振光。
以下将详细描述线性偏振元件22与偏振分束器23之间的布置关系。
反射式图像调制元件24由例如反射式的液晶元件形成。反射式图像调制元件24接收被偏振分束器23反射的S偏振光。此外，彩色信号(图像信号的R信号、G信号或B信号)被输入到反射式图像调制元件24，反射式图像调制元件24根据输入其中的彩色信号空间调制S偏振光。作为根据图像信号空间调制入射光(S偏振光)的结果，在图像的明亮部分(白色部分)处，S偏振的光被转换成P偏振光并被反射式图像调制元件24反射，但在图像的暗黑部分(黑色部分)处，S偏振的光被反射式图像调制元件24反射，同时保持S偏振。从反射式图像调制元件24反射的光再次进入偏振分束器23。偏振分束器23使来自入射光中的P偏振光分量从中穿过，而反射S偏振光分量。
然后，偏振光学系统18向彩色合成棱镜19发射被反射式图像调制元件24反射后穿过偏振分束器23的光(P偏振光)。
如上所述，在偏振光学系统18中，在图像的明亮部分(白色部分)处，反射式图像调制元件24将入射光(S偏振光)转换成P偏振光并反射P偏振光。P偏振光再次进入偏振分束器23，并原样地穿过偏振分束器23，随后其穿过彩色合成棱镜19和投射透镜20，并在屏幕上形成图像。另一方面，在图像的暗黑部分(黑色部分)处，反射式图像调制元件24将作为S偏振光的入射光(S偏振光)向回引入到偏振分束器23中，光被偏振分束器反射，使得其返回到最初的光路。
因此，在从偏振光学系统18出射的光上形成了图像，在该图像上根据图像信号形成明亮和暗黑的部分。具体而言，图像信号的红色分量图像的光从R光偏振光学系统18-R出射；图像信号的绿色分量图像的光从G光偏振光学系统18-G出射；而图像信号的蓝色分量图像的光从B光偏振光学系统18-B出射。因此根据图像信号的光的图像被投射在屏幕上。
线性偏振元件和偏振分束器之间的布置关系
现在，参照图2详细描述线性偏振元件22和偏振分束器23之间的布置关系。
线性偏振元件22和偏振分束器23按照线性偏振元件22→偏振分束器23的顺序被设置在入射光通量的光路上。不是平行的光通量而是发散的光通量被引入线性偏振元件22和偏振分束器23中。所述发散的光通量是其宽度随着光通量的传播而增大的光通量。该入射的发散的光通量的极角此后称作锥角θ2。
偏振分束器23具有形成在其内部的平面形式的光解调倾斜面23a，光通过不与光多路分解面23a垂直的偏振分束器23的任意表面(入射面23b)引入到偏振分束器23中。
被引入发散光通量的入射面23b是平面形式的。偏振分束器23被设置成使得其入射面23b可以垂直于光轴X。通过入射面23b进入的发散光通量穿过偏振分束器23的内部，直到其到达光多路分解面23a。
光多路分解面23a相对于与发散光通量的光轴X垂直的平面A倾斜45°角。换句话说，光多路分解面23a的法线Z1相对于入射的发散光通量的光轴倾斜45°角。应注意到，倾角并不必须为45°。
此外，光多路分解面23a被设置成使得其完全反射所述在一个方向上偏振且已经穿过线性偏振元件22的光。具体而言，线性偏振元件22和偏振分束器23之间的布置关系为这样，即，使得在一个方向上偏振且已经穿过线性偏振元件22的光可以为S偏振光。换句话说，线性偏振元件22具有吸收轴，该吸收轴的方向被设置成使得穿过线性偏振元件22的光作为S偏振光被引入到光多路分解面23a。
线性偏振元件22被形成为平板形式的。
平板形式的线性偏振元件22被设置成使得在由光多路分解面23a的法线Z1和光轴X定义的平面设置为参考平面B的情况下，线性偏振元件22的平面可以垂直于参考平面B。
此外，平板形式的线性偏振元件22在与光多路分解面23a相反的方向(负方向)上相对于与光轴X垂直的平面A倾斜一个锐角。换句话说，在参考平面B上由线性偏振元件22和平面A定义的角度是一个锐角(不是0度也不是90度)。此外，当光多路分解面23a相对于平面A的角度的旋转方向设为正方向时，线性偏振元件22相对于平面A的角度的旋转方向为负方向。平板形式的线性偏振元件22相对于与光轴X垂直的平面A的角度以下称作倾角θx。
线性偏振元件和偏振分束器之间布置关系的效果
在线性偏振元件22和偏振分束器23之间的布置关系按上述这种方式设置的情况下，对比度得到提高，其中所述对比度是从偏振光学系统18发射的光的明亮部分(白色部分)和暗部分(黑色部分)之间亮度的比率。换句话说，从线性偏振元件22照射到偏振分束器23的光多路分解面23a的S偏振光的比率提高了，也就是说P偏振光的比率下降了。
下面解释原因。
插入线性偏振元件22的原因是意在移除其偏振没有被P-S转换元件13所转换的分量，同时仅将特定的偏振光分量(在本实施例中为S偏振光分量)引入偏振分束器23。
入射到偏振分束器23的光为发散光通量。所述发散的光通量在其穿过线性偏振元件22之后以等于锥角θ2的角度进入偏振分束器23的入射面23b(垂直于光轴的面)，并被入射面23b折射。所述被入射面23b折射的发散光通量穿过偏振分束器23的内部，直到其到达光多路分解面23a。
这里，图3和4中图示了在线性偏振元件22垂直于光轴X延伸(即，入射角θx＝0)情况下到光多路分解面23a的入射角与光多路分解面23a上的偏振状态之间的关系。图4以放大的比例图示了图3关系中的局部。应当注意到偏振分束器23的折射率为1.86，并且线性偏振元件22存在于折射率为1.2的介质中。
图3和4中以实线画出的每个同心圆表示光多路分解面23a上入射光线的入射角分布。具体说，每个以实线画出的圆都表示相对于偏振分束器23的光多路分解面23a的法线Z1的极角θ1，如图5中所示。在图3中，示出了对应于入射角θ1＝15、30、45和60度的圆。
在图3和4中用实线画出的每个同心圆的周线(circumference)表示到光多路分解面23a的入射光线的方位角ψ1。例如，如图6中所示箭头标志a(ψ1＝0度)、b(ψ1＝90度)、c(ψ1＝180度)和d(ψ1＝270度)表示沿不同方位角的四个方向上传播的那些光线，这些箭头标志的入射角在图3中分别表示为点a’、b’、c’和d’。
在图3和4中以虚线画出的多个椭圆表示进入入射面23b的光线的入射角分布。简而言之，以虚线画出的每个椭圆都表示相对于偏振分束器23的入射面23b的法线Z2的极角θ2，如图5中所示。在图3和4中，画出了对应于入射角θ2＝10、20和30度的椭圆。
图3和4中用实线画出的每个同心圆的周线表示到入射面23b的入射光线的方位角ψ2。例如，如图7中所示箭头标志e(θ2＝30度，ψ2＝0度)和f(θ2＝30度，ψ2＝180度)表示在不同方位角的两个方向上传播的那些光线，这些箭头标志的入射角在图4中分别表示为点e’和f’。
这样，可以从图3和4的同心线(实线)与椭圆(虚线)之间的位置关系区分出：以极角θ2和方位角ψ2入射到入射面23b的光线以什么样极角θ和方位角ψ1照在光多路分解面23a上。例如，入射到入射面23b的光线(θ2＝30度，ψ2＝180度)以极角θ1＝60.6度，方位角ψ1＝180度照在光多路分解面23a上。
顺便提一下，实线的同心圆表示光多路分解面23a上的极角θ1和方位角ψ1。于此，每个实线同心圆的切线方向表示光多路分解面23a上的S波分量，而垂直方向表示光多路分解面23a上的P波分量。
此外，在图3和4中的椭圆上表示出了双侧箭头标志。每个双侧箭头标志都表示当光线以椭圆上的所表示的角θ2和ψ2照在偏振分束器23的入射面23b上时光多路分解面23a上偏振轴的方向。
从图3和4中的双侧箭头标志可以看出，以方位角ψ2＝0度和180度照在偏振分束器23的入射面23b上的光线表现出在偏振轴和同心圆切线方向之间的一致性。然而，其它的光线没有表现出与切线方向的一致性。
因为在垂直于每个同心圆方向上的偏振光作为P波分量照在光多路分解面23a上，所以其绝大部分可以通过光多路分解面23a。然而，偏振分束器23的多路分解特性就目前而言不是理想的，这些偏振光中的部分被光多路分解面23a反射并被引入图像调制元件24。当要显示黑色时，在屏幕上显示P偏振光的光通量。
因此，在具有与如图3和4中所示的同心圆切线方向不一致的偏振方向的分量存在有很多的情况下，这些分量使投射的图像的对比度下降，并导致图像质量下降。
相反，图8和9图示了在线性偏振元件22以倾角θx＝21度倾斜的情况下，到光多路分解面23a的入射角和光多路分解面23a上偏振状态之间的关系。偏振分束器23的折射率和线性偏振元件22的折射率的条件与图3和4情况下的相同。
如果图8和9中示出的偏振方向(双侧箭头标志的方向)与图3和4中的对比，则可以看出它们总体上接近光多路分解面23a上的S波分量的方向(就是说，同心圆的圆周方向)。
这就意味着使对比度下降的因素减少了，更高质量的图像以较高的对比度投射在屏幕上。
线性偏振元件与偏振分束器之间布置关系的效果
现在，描述对对比度的相对值与线性偏振元件22的倾角θx的关系的仿真结果。
参照图10A到15D，横坐标轴表示倾角θx，纵坐标轴表示对比度的相对值。
图10A到10D示出了在线性偏振元件22的折射率为1、偏振分束器23的折射率为1.4以及锥角θ2分别为8、12、16和20度的条件下的曲线图(仿真编号1、2、3和4)。在该条件下，对比度在倾角θx＝-18到-26度处表现出了峰值。
图11A到11D示出了在线性偏振元件22的折射率为2、偏振分束器23的折射率为1.4以及锥角θ2分别为8、12、16和20度的条件下的曲线图(仿真编号5、6、7和8)。在该条件下，对比度在倾角θx＝-33度或更大处表现出了峰值。
图12A到12D示出了在线性偏振元件22的折射率为1、偏振分束器23的折射率为2以及锥角θ2分别为8、12、16和20度的条件下的曲线图(仿真编号9，10、11和12)。在该条件下，对比度在倾角θx＝-13到-21度处表现出了峰值。
图13A到13D示出了在线性偏振元件22的折射率为2、偏振分束器23的折射率为2以及锥角θ2分别为8、12、16和20度的条件下的曲线图(仿真编号13、14、15和16)。在该条件下，对比度在倾角θx＝-26到-40度处表现出了峰值。
图14A到14D示出了在线性偏振元件22的折射率为1、偏振分束器23的折射率为2.4以及锥角θ2分别为8、12、16和20度的条件下的曲线图(仿真编号17、18、19和20)。在该条件下，对比度在倾角θx＝-9到-18度处表现出了峰值。
图15A到15D示出了在线性偏振元件22的折射率为2、偏振分束器23的折射率为2.4以及锥角θ2分别为8、12、16和20度的条件下的曲线图(仿真编号21、22、23和24)。在该条件下，对比度在倾角θx＝-18到-35度处表现出了峰值。
上述仿真结果的峰值都列在下面的表中。
表1
         编号    1     2     3     4
锥角θ2(度)    8     12     16     20
线性偏振元件的折射率    1     1     1     1
PBS折射率    1.4     1.4     1.4     1.4
峰值角θx(度)    -18     -22     -24     -26
        编号     5     6     7     8
锥角θ2(度)     8     12     16     20
线性偏振元件的折射率     2     2     2     2
PBS折射率     1.4     1.4     1.4     1.4
峰值角θx(度)     -33
        编号     9     10     11     12
锥角θ2(度)     8     12     16     20
线性偏振元件的折射率     1     1     1     1
PBS折射率     2     2     2     2
峰值角θx(度)     -13     -16     -19     -21
        编号     13     14     15     16
锥角θ2(度)     8     12     16     20
线性偏振元件的折射率     2     2     2     2
PBS折射率     2     2     2     2
峰值角θx(度)     -26     -33     -40
         编号     17     18     19     20
锥角θ2(度)     8     12     16     20
线性偏振元件的折射率     1     1     1     1
PBS折射率     2.4     2.4     2.4     2.4
峰值角θx(度)     -9     -13     -17     -18
         编号     21     22     23     24
锥角θ2(度)     8     12     16     20
线性偏振元件的折射率     2     2     2     2
PBS折射率     2.4     2.4     2.4     2.4
峰值角θx(度)     -18     -26     -35     -30
从上面给出的仿真结果可以看出，如果线性偏振元件22的倾角θx设为负方向，则投射图像的对比度提高，并且在某个角度出现对比度的峰值。
因此，如果将线性偏振元件22的倾角θx设为峰值，则可以在屏幕上投射具有高对比度的高质量的图像。
此外，获得最佳对比度值时的线性偏振元件22的倾角θx根据各种条件的变化而变化。因此线性偏振元件22可以被设置成使得其倾角θx可以增大，同时为偏振光学系统18设置用于改变线性偏振元件22的倾角θx的调整部分30。
应当注意到，线栅偏振器可以用作线性偏振元件22。线栅偏振器如此构造，即在玻璃基板上设置条纹化的金属(铝)层，该金属层反射在一个方向上偏振的线性偏振光而使在其它方向上偏振的线性偏振光从中穿过。线栅偏振器已经被MOXTEK公司投入实际使用。
在偏振器具有上述的这种结构的情况下，偏振器不存在在任何介质中。然而，有效电介质常数ε可以表示为ε＝ε0·(d0+d1)/d2，其中ε0表示空气层的折射率，d0表示空气层的宽度，d1表示金属(铝)层的宽度。在这种情况下，在真空中的光速用c表示，介质中的光速用v表示的情况下，线栅可以被认为是存在于折射率n的介质中的偏振器，其中n由下面的公式(1)给出：
n＝c/v＝[(d0+d1)/d0]1/2
根据该公式，例如在(金属层的宽度+空气层的宽度)/空气层的宽度＝1.55的情况下，所述偏振器可以被认为是存在于具有1.24折射率的介质中的线性偏振元件。
应当注意到，虽然在上述的例子中，根据本发明将发散的光通量引入偏振分束器23的入射面23b，但入射的光通量并不必须为发散的光通量，而可以是会聚的光通量，只要其不是平行的光通量。
第一种变形
现在，描述偏振光学系统18的一种变形示例。
如上文所述，偏振光学系统18使用线性偏振元件22，所述线性偏振元件在光多路分解面23a相反的方向上以相对于与光轴X平行的平面倾斜的关系设置。线性偏振元件22可以例如被平板形式的线性偏振元件31和平板形式的半波片32取代，如图17或18所示。应当注意到，由于红色、绿色和蓝色波段的光通量各自进入该偏振分束器32，所以偏振分束器32必须分别适用于入射光的多个波长。此外，半波片32具有单轴双折射介质。在图17或18中，半波片32的慢轴平行于参考平面，该参考平面包括光多路分解面23a的法线和光轴X。
在这种情况下，偏振分束器23，线性偏振元件31和半波片32具有如下所述的布置关系。
线性偏振元件31、半波片32和偏振分束器23按照线性偏振元件31→半波片32→偏振分束器23的顺序设置在入射光通量的光路上。
偏振分束器23的光多路分解面23a被设置成全部反射已经穿过半波片32并在一个方向上偏振的光。换句话说，半波片32和光多路分解面23a具有这样的布置关系，即，光多路分解面23a被设置成使得已经穿过半波片32并在一个方向上偏振的光成为S偏振光。换句话说，线性偏振元件31和半波片32被如此设置，即，使其吸收轴和各向异性轴的方向被设置成使穿过它们的光作为S偏振光被引入光多路分解面23a。
线性偏振元件31和半波片32如此设置，即在由光多路分解面23a的法线和光轴X定义的平面被确定为参考平面的情况下，它们的平面垂直于所述参考平面。
此外，线性偏振元件31和半波片32中的一个或两个在光多路分解面23a相反的方向(负方向)上相对于与光轴X垂直的平面A以锐角倾斜。具体说，线性偏振元件31与垂直于光轴X的平面平行地设置，而仅使半波片32在负方向上倾斜，如图17所示。或者，线性偏振元件31和半波片32都在负方向上倾斜，如图18所示。此外，可以只有线性偏振元件31在负方向上倾斜，而半波片32与垂直于光轴X的平面平行地设置。
同样，在线性偏振元件31和半波片32按上述这种方式设置的情况下，与其中只设置线性偏振元件22的情形相似，投射图像的对比提高且在某个角度处呈现对比度的峰值。因此，如果线性偏振元件31和半波片32的倾角设为对比度的峰值，则可以在屏幕上投射具有高对比度的高质量的图像。
下面描述上述的这种布置导致偏振光轴接近S偏振光的原因。
假定线性偏振元件31和半波片32与垂直于光轴X的平面平行地设置，如图19中所示。在这种情况下，入射光的偏振方向被调整至线性偏振元件31的透射轴方向，之后入射光进入半波片32。图20A图示了从光线方向观察到的、倾斜进入半波片32的光线的偏振轴与波片的光轴(慢轴、快轴)之间的关系。在图20A到20C中，正方形表示半波片32；交叉线表示半波片32的光轴；虚线的双侧箭头标志表示光进入半波片32之前的偏振方向；实线的箭头标志表示光从半波片32发射后的偏振方向。从图20A可以看出，当光线穿过半波片32时，偏振方向向内侧(沿图20A中用箭头标志表示的方向)倾斜。
此外，半波片32相对于与光轴平行的平面沿与光调制面23a相反的方向倾斜。在这种情况下，慢轴如图20B和20C所示旋转，因此穿过半波片32之后的光的偏振方向也改变。变化的偏振轴接近偏振分束器23的光多路分解面23a上的S波分量。
第二种变形
现在描述另一个例子，其中改变了线性偏振元件22的位置。
在反射式投影仪10中，如上所述，线性偏振元件22设置在场镜21和偏振分束器23之间。然而，G和B偏振光学系统18-G和18-B中的线性偏振元件22可以设置在第一分色镜15和第二分色镜16之间，如图21所示。在这种情况下，单个元件可以公共地用作G和B偏振光学系统18-G和18-B的线性偏振元件22。因此，减小了线性偏振元件22的数量，从而能够以低成本显示具有高对比度的图像。
尽管用特定的术语描述了本发明优选的实施方案，但这种描述只是用于说明性的目的，应当理解到，在不脱离所附权利要求的精神和范围的条件下可以对其进行修改和变化。

Claims (20)

1.一种投射式图像显示装置，所述装置包括：
一平板形式的线性偏振元件，其用于发射来自沿光轴入射且包括非平行光的光通量中的在一个方向上偏振的光；
一偏振分束器，其具有以相对于与所述光轴垂直的平面倾斜预定角度的关系设置的多路分解面，所述多路分解面使S或P偏振光从中穿过，而反射与穿过所述多路分解面的偏振光偏振方向垂直的偏振光，所述偏振分束器在其多路分解面处接收从所述线性偏振元件发射的光通量；和
一光调制部分，其用于接收从所述偏振分束器的多路分解面发射的光通量、根据图像信号改变所接收到的光通量的偏振方向、以及反射所述光通量以便将其向回引至所述偏振分束器的多路分解面；
所述线性偏振元件以垂直于一参考平面延伸的方式设置，所述参考平面包括所述多路分解面的法线和所述光轴，并且所述线性偏振元件在与所述多路分解面相反的方向上相对于与所述光轴垂直的平面以锐角倾斜。
2.根据权利要求1所述的投射式图像显示装置，其中所述锐角被设定为使得被所述光调制部分反射后穿过所述分束器的光表现出最大的对比度。
3.根据权利要求2所述的投射式图像显示装置，其中还包括用于调整所述线性偏振元件角度的一调整部分。
4.根据权利要求1所述的投射式图像显示装置，其中所述线性偏振元件为反射式偏振器，所述反射式偏振器使来自入射光通量中的在所述的一个方向上偏振的光从中穿过，而反射在任何其它方向上偏振的光。
5.一种投射式图像显示装置，包括：
一平板形式的线性偏振元件，其用于发射来自沿光轴入射且包括非平行光的光通量中的在一个方向上偏振的光；
一波片，其用于接收从所述线性偏振元件发射的光通量并改变所接收到的光通量的偏振方向；
一偏振分束器，其具有以相对于与所述光轴垂直的平面倾斜预定角度的关系设置的多路分解面，所述多路分解面使S或P偏振光从中穿过，而反射与穿过所述多路分解面的偏振光偏振方向垂直的偏振光，所述偏振分束器在其多路分解面处接收来自所述波片的光通量；和
一光调制部分，其用于接收从所述偏振分束器的多路分解面发射的光通量、根据图像信号改变所接收到的光通量的偏振方向、以及反射光通量以便将其向回引至所述偏振分束器的多路分解面；
所述线性偏振元件和/或所述波片以垂直于一参考平面延伸的方式设置，所述参考平面包括所述多路分解面的法线和所述光轴，所述线性偏振元件和/或所述波片在与所述多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
6.根据权利要求5所述的投射式图像显示装置，其中所述锐角被设定为使得被所述光调制部分反射后穿过所述分束器的光表现出最大的对比度。
7.根据权利要求6所述的投射式图像显示装置，其中还包括用于调整所述线性偏振元件和/或所述波片角度的一调整部分。
8.根据权利要求5所述的投射式图像显示装置，其中所述线性偏振元件为反射式偏振器，所述反射式偏振器使来自入射光通量中的在所述的一个方向上偏振的光从中穿过，而反射在任何其它方向上偏振的光。
9.根据权利要求5所述的投射式图像显示装置，其中所述波片发射与波长λ的所述入射光的相位相差λ/2的光。
10.根据权利要求9所述的投射式图像显示装置，其中所述波片为具有平行于包括所述多路分解面的法线和光轴的所述参考平面的慢轴的单轴双折射片。
11.一光学系统，包括：
一平板形式的线性偏振元件，其用于发射来自沿光轴入射且包括非平行光的光通量中的在一个方向上偏振的光；
一偏振分束器，其具有以相对于与光轴垂直的平面倾斜预定角度的关系设置的多路分解面，所述多路分解面使S或P偏振光从中穿过，而反射与穿过所述多路分解面的偏振光偏振方向垂直的偏振光，所述偏振分束器在其多路分解面处接收从所述线性偏振元件发射的光通量；
所述线性偏振元件以垂直于一参考平面延伸的方式设置，所述参考平面包括所述多路分解面的法线和所述光轴，所述线性偏振元件在与所述多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述锐角被设定为使得照射在所述偏振分束器上的偏振光中所包括的S或P偏振光分量的比率表现出最大值。
13.根据权利要求12所述的光学系统，其中还包括用于调整所述线性偏振元件角度的一调整部分。
14.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述线性偏振元件为反射式偏振器，所述反射式偏振器使来自入射光通量中的在所述的一个方向上偏振的光从中穿过，而反射在任何其它方向上偏振的光。
15.一光学系统，包括：
一平板形式的线性偏振元件，其用于发射来自沿光轴入射且包括非平行光的光通量中的在一个方向上偏振的光；
一波片，其用于接收从所述线性偏振元件发射的光通量并改变所接收到的光通量的偏振方向；和
一偏振分束器，其具有以相对于与光轴垂直的平面倾斜预定角度的关系设置的多路分解面，所述多路分解面使S或P偏振光从中穿过，而反射与穿过所述多路分解面的偏振光偏振方向垂直的偏振光，所述偏振分束器在其多路分解面处接收来自所述波片的光通量；
所述线性偏振元件和/或所述波片以垂直于一参考平面延伸的方式设置，所述参考平面包括所述多路分解面的法线和所述光轴，所述线性偏振元件和/或所述波片在与所述多路分解面相反的方向上相对于与光轴垂直的平面以锐角倾斜。
16.根据权利要求15所述的光学系统，其中所述锐角被设定为使得照射在所述偏振分束器上的偏振光中所包括的S或P偏振光分量的比率表现出最大值。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其中还包括用于调整所述线性偏振元件和/或所述波片角度的一调整部分。
18.根据权利要求15所述的光学系统，其中所述线性偏振元件为反射式偏振器，所述反射式偏振器使来自入射光通量中的在所述一个方向上偏振的光从中穿过，而反射在任何其它方向上偏振的光。
19.根据权利要求15所述的光学系统，其中所述波片发射与波长λ的所述入射光的相位相差λ/2的光。
20.根据权利要求19所述的光学系统，其中所述波片为具有平行于包括所述多路分解面的法线和光轴的参考平面的慢轴的单轴双折射片。
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