CN1464990A - 偏振装置 - Google Patents

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Abstract

提供了与投影透镜(15)和光调制面板(11)共同使用的斜置的偏振分光器(13)。偏振分光器有厚度可选的超薄基片(14)，这样在成像器空间中投影透镜的焦深大于分光器在其倾斜角产生的像散。该偏振分光器可以是由超薄，平面平行片的基片所支承的或在其上形成的线栅偏振片，偏振涂层，或双折射薄膜。

Description

偏振装置
相关申请对照
本发明根据于2001年5月18日提交的第60/292,178号美国临时申请的35USC§119(e)提出权益。在这里引用其完整的内容。
发明领域
本发明涉及用于例如LCoSs的反射型液晶显示器的投影光学装置。本发明更具体地涉及与反射型液晶显示器一起工作并保持照明光和反射光有效分离的偏振装置元件。
背景技术
依照使显示器的“断开”显示器的象素反射光不改变其偏振态，而“接通”象素将照明光的偏振态旋转90度的设计，使反射型液晶显示器(例如LCoS显示器-硅面板上的液晶显示器)与偏振光一起工作。(另一种方案是，“接通”象素保持偏振不变而“断开”象素可以旋转偏振，但在实践中，“断开”等于对偏振不变而“接通”等于偏振变化是最普遍的方法)。在图1中示出了现有偏振元件光学设计图。参考Miyatake的美国专利5,327,270，其标题为“Polarizing Beam SplitterApparatus and Light Valve Image Projection System″，公布于1994年7月5日，通过引用把其内容包括在这里。
在图1的设计图中，照明光8通过起始偏振片9(S偏振片)并被偏振光束分光器3(PBS)的对角线反射。该光照亮LCoS 11。从“断开”象素反射的光有与入射光相同的偏振，并从PBS对角线反射回到照明系统。从“接通”象素反射的光有垂直于入射光偏振的偏振。那束光通过PBS对角线传输并进入系统的投影透镜(见图1中光束17)。须注意，在此设计图中，并于照明光束经PBS对角线通过而成像光束从对角线反射，其中照明光8和成像光17是可逆的。
该PBS对角线有反射S偏振并传输P偏振的多层结构设计。对于P偏振其反射因子为～12％，它降低了系统的对比度。在PBS 3前面的起始偏振片9吸收具有P偏振的光，使对比度保持在所需程度。
来自照明装置光的圆锥通常具有F数等于2.8，对偏斜光线造成了显著的去偏振效应。在上述Miyatake专利中描述了这个几何学效应，而且需要在PBS 3和反射型液晶显示器11(例如LCoS)间设置四分之一波片5以保持高对比度。
这种偏振设计的主要缺点是PBS成本高，并需要使用四分之一波片，它需要非常精确的角度对准以减少偏斜光线问题。还有，四分之一波片对温度十分敏感，它在整个成像器点造成对比度不均匀。
发明概要
为解决现有工艺上述的缺陷，本发明提供了一种光学系统(偏振装置)，包括：
(a)光调制面板；
(b)形成光调制面板图像的投影(projection)透镜，所述投影透镜在成像器空间中有焦深D；和
(c)装置在光调制面板和投影透镜间的斜置的偏振分光器，所述偏振分光器包括厚度为T的基片，这样的厚度使得在其倾斜角由基片导致的像散小于等于D。
除上述的之外，在使用中，光学系统也包括一个照明系统，并且斜置的偏振分光器位于照明系统和光调制面板间。
在下面详细描述中阐述了本发明的其它特征和优点，本领域普通技术人员通过那个描述或通过实施于此所描述的发明来认识将会容易地明白其部分内容。
须理解，前面的概要描述和下面的详细描述都只是本发明的示范性内容，因而打算以此提供了解其提出权利要求的本发明的性质和特点用的概貌或框架。
合并构成说明书一部分的附图说明示出了本发明的各种方面，并且和详细说明一起用于解释发明的原理。当然须理解，附图和说明都只是解释性的，并不限制本发明。
附图说明
图1是使用偏振光束分光器和四分之一波片的现有工艺偏振装置的示意图。
图2是根据本发明的偏振装置示意图，图中采用有一个不会产生不可接受像散程度的基片的斜置的偏振分光器。
下面是附图中采用的指示标记：
3 PBS
5 四分之一波片
7  照明系统
8  来自照明系统的光
9  偏振片
11 光调制面板
13 偏振分光器(例如线栅偏振片)
14 偏振分光器基片
15 投影透镜
17 到投影透镜的光
本发明的详细描述
在图2中示出本发明设计图。举例说，图1中的偏振光束分光器用线栅偏振片13代替。例如，见公布于2001年2月8日的题为“Image Projection System witha Polarizing Beam Splitter”的专利WO 01/09677和公布于2000年9月19日的题为“Broadband Wire Grid Polarizer for Visible Spectrum”的美国专利6,122,103，通过引用并把各文的内容包括于此。线栅偏振片的偏振特性类似于PBS对角线的特性：透射P偏振，而反射S偏振。来自照明系统7的光通过起始偏振片9(S偏振)并且被倾斜角为45度的线栅偏振片13反射如图2所示。
斜置的偏振片使被诸如LCoS的反射型液晶显示器11反射的光分离：从“接通”象素反射的光有90度的偏振旋转，经过线栅偏振片进入投影透镜15；从“断开”象素反射的光与入射光的偏振相同，并且被安排在照明系统7的方向中。
用于线栅结构的基片14是平面平行片。在投影透镜背部工作区的斜置的片产生降低屏幕图像质量的像散。
根据本发明，为减少该不利效应，将基片厚度(平面平行片)制作得非常小(例如大约0.15mm)。这样的厚度使像散实际上是可以忽略。
表1示出由玻璃组成的斜置的(45度)平面平行片的各种厚度导致的像散量。参见Smith，Warren J.的 Modern Optical Engineering：The Design of Optical Systems，在Optical and Electro-Optical Engineering Series第二版中的第96-99页，特别是第99页(McGraw-Hill出版于纽约，1990年，系列编辑：RobertE.Fischer和Warren J.Smith，)通过引用并把其内容包括于此。
设计要用于LCoS的投影透镜典型f-数为2.8。在成像器可接受的(不会被注意到)模糊度为：通常大约是一个像素而对于LCoS典型像素尺寸是9微米。因此，2.8的f数相当于在成像器空间中+/-0.025mm的焦深，这里成像器空间是LCoS和投影透镜间的空间，也就是LCoS所处的空间。参考上面W.Smith的文章第145-148页。因为在LCoS和投影透镜间没有光功率，这个焦深适用于整个成像器空间。表1中的数据表明厚度为0.15mm的斜置的平面平行片产生的像散处于该焦深中，这意味着它可以被忽略。
须注意，基于像素尺寸和投影透镜f数的+/-0.025mm焦深与作为可接受模糊度定义的由考虑人眼分辨率(每1.5弧度分)产生的焦深在作用上是相同的。特别是，对于距离屏幕大约2米的人眼，且在屏幕上投射光调制面板的70X图像，则在成像器空间中的所需焦深约为+/-0.035mm，这样，在表1中的基片厚度好比说是小于等于0.15毫米的像散再一次处于这个焦深中，因此可以忽略。
更一般地说，根据本发明，在照明系统和已像素化的面板间使用斜置的偏振分光器(例如线栅偏振片)它包括一片具有厚度的基片，这个厚度要使基片在其倾斜角(例如45度)产生的像散小于等于用于将已像素化的面板成像到(例如)屏幕上的投影透镜成像器空间中的焦深。
一个根据本发明能够用作线栅偏振片基片的平面平行片的例子是优质盖玻片(Fisher Scientific，catalog#12548C)。
须注意，这种装置除了解决像散问题外，还对(1)平面平行片的不平坦以及(2)该片的热致形变不敏感。对热致形变的不敏感性尤其重要，因为该片通常安装在室温下，而大约50-60℃的工作温度会导致该片的热致形变。因为该片非常薄，不会明显地使通过它的光的波阵面变形，这样即使它变形也能使投影透镜“看穿”该片。
采用线栅偏振片代替PBS也意味着不需要用四分之一波片补偿偏斜光的去偏振。这样也不需要在安装过程中对该元件精确对准。这也解决了四分之一波片特性随温度改变而导致的对比度不均匀的问题。
虽然描述和示出了本发明的具体实施例，须理解修改不能背离本发明的精神和范围。例如，使用诸如由3M制造的商品名称为3M CARTESIAN POLARIZER(见2001年7月20日的Projection Display，Volume 7，第6-8页的Private Line Report)的能够在超薄基片上使用的偏振双折射薄膜取代线栅结构。
类似地，上述超薄基片能够和偏振涂层一起使用来代替线栅结构。这样的结构有相同的优点，(即，无像散且对不平坦和形变不敏感)，但仍需要四分之一波片以补偿偏斜光线效应。对本发明的这个实施例，偏振涂层表面相对光象素的角度可以不是45度，以使照射到涂层上的光获得有效的入射角度。除45°以外的倾斜角度，也可以使用其它偏振分离方法，诸如上述线栅偏振片和偏振双折射薄膜。
作为另一种变换，在本发明的实施中可以使用被建议直接采用来自CRT的光的自由光栅LCD面板。沿着这些相同的方法，本发明不打算限制使用现有的光调制面板(真空管)，并且打算包括可在将来发展的任意和所有的面板。
本领域的普通技术人员将通过在这里所述内容清楚不背离本发明范围和精神的各种其它修改。下面的权利要求覆盖了这里阐述的具体实施例和这样的修改，变化和等价技术方案。
                                     表1
    厚度(mm)     1.0     0.75     0.5     0.25     0.15
    像散(mm)    -0.269    -0.202    -0.135    -0.067    -0.04

Claims (21)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：
(a)光调制面板；
(b)形成光调制面板的像的投影透镜，所述投影透镜在成像器空间中有焦深D；和
(c)设置在光调制面板和投影透镜间的斜置的偏振分光器，所述偏振分离器包括厚度为T的基片，这样的厚度使得在其倾斜角由基片导致的像散小于等于D。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，D约为0.05毫米。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，T约为0.15毫米。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，偏振分光器斜置于约为45°角处。
5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，偏振分光器是线栅偏振片。
6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，偏振分光器包括偏振涂层。
7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，偏振分光器包括偏振双折射薄膜。
8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，光调制面板是反射型液晶显示器。
9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，光调制面板是在硅面板上的液晶。
10.一种光学系统，其特征在于，包括：
(a)照明系统；
(b)光调制面板；
(c)形成光调制面板的像的投影透镜，所述投影透镜在成像器空间中有焦深D；和
(d)设置在照明系统和光调制面板间以及光调制面板和投影透镜间的斜置的偏振分光器，所述偏振分离器包括厚度为T的基片，这样的厚度使得在其倾斜角由基片导致的像散小于等于D。
11.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，D约为0.05毫米。
12.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，T约为0.15毫米。
13.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，偏振分光器斜置于约为45°角处。
14.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，偏振分光器是线栅偏振片。
15.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，偏振分离器包括偏振涂层。
16.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，偏振分光器包括偏振双折射薄膜。
17.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，光调制面板是反射型液晶显示器。
18.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，光调制面板是在硅面板上的液晶。
19.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，还包括在照明系统和偏振分光器间的偏振片。
20.一种偏振分光器，其特征在于，包括厚度小于等于0.15毫米的基片。
21.如权利要求20所述的偏振分光器，其特征在于，所述分光器是线栅偏振片。
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