RU2170450C2

RU2170450C2 - Holographic device for shaping at least first and second angle-separated light beams and image projector using this device

Info

Publication number: RU2170450C2
Application number: RU97106147/28A
Authority: RU
Inventors: В.И. Суханов (RU); В.И. Суханов; Александер Гальперн (RU); Александер Гальперн; Браим ДАМАНИ (FR); Браим Дамани
Original assignee: Инофирма Корнинг Инкорпорейтед
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 2001-07-10

Abstract

FIELD: holography. SUBSTANCE: device used for shaping at least first and second color light beams including those equally plane-polarized and having respective first and second preset spectral compositions incorporates first and second almost coplanar superposed holograms illuminated by same beam of non-polarized light of at least first and second spectral compositions; both mentioned holograms are recorded so that within each of them axis of diffracted beam is perpendicular to direction of incident beam on this layer. Diffracted beams shape first and second equally polarized and angle-separated light beams having different spectral compositions. Video projector using this device has compact optical system and is adapted to liquid-crystal matrix screens. EFFECT: enhanced efficiency of image projector. 11 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к голографии, более конкретно к топографическому устройству формирования как минимум первого и второго цветных пучков света, разделенных по углам, и, в частности, к такому устройству формирования названных пучков одинаковым образом плоскополяризованных и имеющих первый и второй заданные спектральные составы, соответственно. Еще более конкретно, изобретение относится к проектору изображений, включающему такое устройство. The invention relates to holography, and more particularly, to a topographic device for generating at least the first and second colored light beams separated by angles, and, in particular, to such a device for generating said beams in the same way plane-polarized and having first and second predetermined spectral compositions, respectively. Even more specifically, the invention relates to an image projector including such a device.

Из патента USA 5161042 известно такое устройство, основанное на использовании дихроичных зеркал для углового разделения трех пучков света различных цветов, освещающих матричный экран на жидкокристаллических ячейках через растр микролинз, с целью проецирования изображения, отображенного на этом экране. Три пучка разделены по углам в одной плоскости и, следовательно, пригодны, когда три жидкокристаллические ячейки экрана, определяющие пиксел изображения, расположены в линию. Они не пригодны, когда ячейки расположены при вершинах треугольника, например, согласно конфигурации, названной Δ. Кроме того, полученные три пучка не являются линейно поляризованными и, следовательно, нельзя обойтись без двух скрещенных поляризаторов, которыми обычно оснащен жидкокристаллический матричный экран, и которые обладают тем недостатком, что они поглощают значительную часть световой энергии. Such a device is known from US Pat. No. 5,161,042, based on the use of dichroic mirrors for angular separation of three light beams of various colors illuminating a matrix screen on liquid crystal cells through a microlens raster in order to project an image displayed on this screen. Three beams are separated at the corners in one plane and, therefore, are suitable when three liquid crystal cells of the screen defining an image pixel are arranged in a line. They are not suitable when the cells are located at the vertices of a triangle, for example, according to a configuration called Δ. In addition, the obtained three beams are not linearly polarized and, therefore, it is impossible to do without two crossed polarizers, which are usually equipped with a liquid crystal matrix screen, and which have the disadvantage that they absorb a significant part of the light energy.

Из международной заявки на патент WOA-92/09915 известно также голографическое устройство освещения такого экрана пучками света, соответствующим образом окрашенными и поляризованными, которые формируются тремя различными ансамблями призм и голограмм, делающими устройство громоздким. From the international patent application WOA-92/09915, a holographic device for illuminating such a screen with light beams appropriately colored and polarized, which are formed by three different ensembles of prisms and holograms, making the device cumbersome, is also known.

Задачей настоящего изобретения является реализация голографического устройства формирования цветных и поляризованных пучков света, разделенных по углам, предназначенного для проекции изображения, отображенного на матричном жидкокристаллическом экране, которое имело бы возможно меньшие габариты. The present invention is the implementation of a holographic device for the formation of colored and polarized light beams separated by angles, intended for projection of an image displayed on a matrix liquid crystal screen, which would have the smallest possible dimensions.

Задачей настоящего изобретения является также реализация такого устройства, позволяющего разделить по углам три таких пучка по трем некомпланарным направлениям, для освещения жидкокристаллического экрана, в котором три ячейки, определяющие пиксел изображения, не расположены в линию. The present invention is also the implementation of such a device that allows you to split at the corners of three such beams in three non-coplanar directions, to illuminate the liquid crystal screen, in which three cells that define the image pixel are not arranged in a line.

Другой задачей настоящего изобретения является реализация такого устройства, характеризующегося высоким световым КПД и хорошей компактностью. Another objective of the present invention is the implementation of such a device, characterized by high light efficiency and good compactness.

Эти задачи изобретения, а также некоторые другие, которые будут ясны из нижеследующего описания, решаются тем, что в голографическом устройстве для формирования как минимум первого и второго пучков света, разделенных по углам, одинаковым образом плоскополяризованных, содержащее голограммы, голограммы выполнены в виде первой (3) и второй (4) голограмм, практически компланарных и наложенных так, что они освещены одним и тем же пучком (А) неполяризованного света как минимум первого и второго заданных спектральных составов, при этом обе названные голограммы зарегистрированы так, что в объеме каждой из них ось дифрагированного пучка перпендикулярна направлению названного падающего на этот слой пучка, указанные дифрагированные пучки (В,С) формируют названные первый и второй пучки света одной и той же поляризации, разделенные по углам и имеющие первый и второй заданные спектральные составы, соответственно. These objectives of the invention, as well as some others, which will be clear from the following description, are solved by the fact that in a holographic device for forming at least the first and second light beams separated by angles, equally plane-polarized, containing holograms, the holograms are made in the form of the first ( 3) and the second (4) holograms, practically coplanar and superimposed so that they are illuminated by the same beam (A) of unpolarized light of at least the first and second given spectral compositions, both of which The holograms are registered so that in the volume of each of them the axis of the diffracted beam is perpendicular to the direction of the beam incident on this layer, the indicated diffracted beams (B, C) form the first and second light beams of the same polarization, separated by angles and having the first and second predetermined spectral compositions, respectively.

Как будет ясно из дальнейшего детального рассмотрения, сформированные таким образом пучки света порождены одним оптическим ансамблем с уменьшенными габаритами. As will be clear from further detailed consideration, the light beams thus formed are generated by a single optical ensemble with reduced dimensions.

Задачи решаются также тем, что голограммы помещены между двух смежных склеенных призм из оптического материала. The problems are also solved by the fact that holograms are placed between two adjacent glued prisms of optical material.

Задачи решаются также тем, что названные голограммы зарегистрированы в материале с показателем преломления, практически равным показателю преломления материала названных призм. The problems are also solved by the fact that the named holograms are registered in the material with a refractive index almost equal to the refractive index of the material of these prisms.

Задачи решаются также тем, что голограммы освещены пучком света под углом падения в 45^o, причем оси дифрагированных голограммами пучков имеют точку пересечения на оси пучка и лежат в плоскости, перпендикулярной этой оси.The problems are also solved by the fact that the holograms are illuminated by a beam of light at an angle of incidence of 45 ^o , and the axes of the diffracted holograms of the beams have a point of intersection on the axis of the beam and lie in a plane perpendicular to this axis.

Задачи решаются также тем, что, согласно первому варианту, устройство содержит третью голограмму, практически компланарную двум другим, зарегистрированную так, чтобы формировать дифрагированный плоскополяризованный пучок света третьего заданного спектрального состава, ось которого компланарна и имеет общую точку пересечения с осями двух других дифрагированных пучков и имеет с ними общую точку пересечения. Как будет видно в дальнейшем, такое устройство пригодно для освещения жидкокристаллических матричных экранов, в которых ячейки триплетов, каждый из которых определяет пиксел отображаемого изображения, расположены в линию. The problems are also solved by the fact that, according to the first embodiment, the device contains a third hologram, practically coplanar to the other two, registered so as to form a diffracted plane-polarized light beam of a third predetermined spectral composition, the axis of which is coplanar and has a common point of intersection with the axes of two other diffracted beams and has a common intersection point with them. As will be seen later, such a device is suitable for illuminating liquid crystal matrix screens in which the triplet cells, each of which defines a pixel of the displayed image, are arranged in a line.

Задачи решаются также тем, что, согласно другому варианту устройства, оно содержит третью голограмму, не компланарную двум другим, зарегистрированную в материале с показателем преломления, отличным от показателя преломления двух других, и установленную для формирования третьего дифрагированного пучка, с осью, не компланарной осям пучков, дифрагированных первой и второй голограммами; и перпендикулярной в объеме названной третьей голограммы оси А освещающего пучка, общего для всех трех голограмм, вышеуказанный третий пучок линейно поляризован, как и два других, и имеет третий заданный спектральный состав. The problems are also solved by the fact that, according to another embodiment of the device, it contains a third hologram that is not coplanar to the other two, recorded in a material with a refractive index different from the refractive index of the other two, and set to form a third diffracted beam, with an axis that is not coplanar to the axes beams diffracted by the first and second holograms; and perpendicular in the volume of the third hologram to the axis A of the illuminating beam common to all three holograms, the above third beam is linearly polarized, like the other two, and has a third predetermined spectral composition.

Задачи решаются также тем, что в этом варианте устройство содержит третью призму, клинообразную, помещенную между двумя другими призмами; первая и вторая голограммы зажаты между гранью этой третьей призмы и гранью одной из других призм, тогда как третья голограмма зажата между другой гранью этой третьей призмы и гранью другой из призм, а плоскости голограмм пересекаются на ребре, общем для трех призм. Как будет видно в дальнейшем, этот вариант пригоден для освещения матричного экрана на жидкокристаллических ячейках, в котором ячейки триплетов, каждый из которых определяет пиксел отображаемого изображения, расположены не в линию, а, например, в конфигурации Δ.
Задачи решаются также тем, что угол наклона (α) третьего дифрагированного пучка к плоскости, содержащей оси двух других дифрагированных пучков, связан с углом (α_k) при вершине клинообразной призмы у названного ребра и с показателями преломления материалов элементов устройства соотношением:

где n - показатель преломления первой и второй голограмм (3,4),
n₅ - показатель преломления третьей голограммы (5).The problems are also solved by the fact that in this embodiment the device comprises a third prism, wedge-shaped, placed between two other prisms; the first and second holograms are sandwiched between the face of this third prism and the face of one of the other prisms, while the third hologram is sandwiched between the other face of this third prism and the face of another of the prisms, and the planes of the holograms intersect on an edge common to the three prisms. As will be seen later, this option is suitable for illuminating the matrix screen on liquid crystal cells, in which the triplet cells, each of which defines the pixel of the displayed image, are not located in a line, but, for example, in the Δ configuration.
The problems are also solved by the fact that the angle of inclination (α) of the third diffracted beam to the plane containing the axes of two other diffracted beams is associated with the angle (α _k ) at the top of the wedge-shaped prism at the named edge and with the refractive indices of the materials of the device elements by the ratio:

where n is the refractive index of the first and second holograms (3.4),
n ₅ is the refractive index of the third hologram (5).

Задачи решаются также тем, что проектор изображений, отображаемых на матричном экране (10) с жидкокристаллическими ячейками (B,V,R), расположенном вплотную к растру (16) оптических микролинз, установленных для фокусировки каждой из них как минимум двух пучков поляризованного света (17_R, 17_V, 17_B) заданных спектральных составов на как минимум двух ячейках экрана (10), содержит как минимум одно голографическое устройство (12, 12') по любому из пунктов с 1 по 8 для освещения микролинз растра (16) как минимум двумя пучками света вышеуказанных спектральных составов.The problems are also solved by the fact that the projector of images displayed on a matrix screen (10) with liquid crystal cells (B, V, R) located close to the raster (16) of optical microlenses installed to focus each of them at least two beams of polarized light ( 17 _R , 17 _V , 17 _B ) of the specified spectral compositions on at least two cells of the screen (10), contains at least one holographic device (12, 12 ') according to any one of items 1 to 8 for lighting the raster microlenses (16) as at least two light beams of the above spectral tavov.

Задачи решаются также тем, что проектор содержит первое (12) и второе (12') голографические устройства, освещающие каждый отдельную зону растра (16) микролинз, причем первое устройство (12) освещено непосредственно источником света (11), а второе (12') - пучком нулевого порядка голограмм первого устройства (12). The problems are also solved by the fact that the projector contains the first (12) and second (12 ') holographic devices illuminating each individual area of the microlens raster (16), the first device (12) being illuminated directly by the light source (11), and the second (12' ) - a zero-order beam of holograms of the first device (12).

Задачи решаются также тем, что содержит полуволновую пластину (19) и пару зеркал (20, 20'), расположенных на пути пучка нулевого порядка дифракции первого устройства, чтобы повернуть плоскость поляризации вышеуказанного пучка и сместить его ось в направлении оси второго устройства (12'). The problems are also solved by the fact that it contains a half-wave plate (19) and a pair of mirrors (20, 20 ') located on the path of the zero-diffraction beam of the first device in order to rotate the plane of polarization of the above beam and shift its axis in the direction of the axis of the second device (12' )

Другие характеристики и преимущества устройства согласно настоящему изобретению будут изложены в последующем описании со ссылками на чертежи:
- фиг. 1 и фиг. 2 схематически представляют первый и второй варианты устройства согласно изобретению, упомянутые выше, соответственно, и
- фиг. 3 - схема видеопроектора, включающего устройство, изображенное на фиг. 2.Other characteristics and advantages of the device according to the present invention will be described in the following description with reference to the drawings:
- FIG. 1 and FIG. 2 schematically represent the first and second embodiments of the device according to the invention, mentioned above, respectively, and
- FIG. 3 is a diagram of a video projector including the device shown in FIG. 2.

Устройство, представленное на фиг. 1, включает в себя две идентичные прямоугольные призмы 1, 2, равнобедренные в сечении, перпендикулярном гипотенузной грани, изготовленные из прозрачного оптического материала, такого, например, как стекло. Эти две призмы склеены по гипотенузным граням, зажимая между собой как минимум первую и вторую голограммы 3 и 4, соответственно, зарегистрированные в как минимум одном светочувствительном слое. The device shown in FIG. 1 includes two identical rectangular prisms 1, 2, isosceles in a section perpendicular to the hypotenuse face, made of a transparent optical material, such as, for example, glass. These two prisms are glued along the hypotenuse faces, clamping at least the first and second holograms 3 and 4, respectively, registered in at least one photosensitive layer.

Согласно изобретению, одна из двух голограмм, например, голограмма 3, может быть зарегистрирована в слое при интерференции в нем двух пучков света заданного спектрального состава, волновые вектора которых ориентированы под углом 90^o друг к другу в плоскости фиг. 1, например. Известно, что если при восстановлении голограммы, зарегистрированной таким образом, осветить ее пучком, содержащим вышеупомянутый спектральный состав, то волновой вектор дифрагированного пучка будет также ориентирован под 90^o к падающему пучку.According to the invention, one of two holograms, for example, hologram 3, can be registered in the layer upon interference of two light beams of a given spectral composition in it, the wave vectors of which are oriented at an angle of 90 ^{° to} each other in the plane of FIG. 1, for example. It is known that if, when restoring a hologram so registered, it is illuminated with a beam containing the aforementioned spectral composition, then the wave vector of the diffracted beam will also be oriented at 90 ^° to the incident beam.

Известно также, что в таком случае дифракционная эффективность для компоненты излучения, поляризованной в плоскости падения (компонента p), равна нулю, тогда как дифракционная эффективность для компоненты, поляризованной перпендикулярно плоскости падения (компонента s), равна 100%. Для более детального рассмотрения этой характеристики можно обратиться к статье Kogelnik, названной "Waves in thick holograms", опубликованной в журнале The Bell Systems Technical Journal, 1969, стр. 2909-2917. It is also known that in this case, the diffraction efficiency for the radiation component polarized in the plane of incidence (component p) is zero, while the diffraction efficiency for the component polarized perpendicular to the plane of incidence (component s) is 100%. For a more detailed discussion of this characteristic, see Kogelnik's article entitled "Waves in thick holograms," published in The Bell Systems Technical Journal, 1969, pp. 2909-2917.

Способ регистрации, описанный выше, хотя теоретически и может быть использован для получения голограмм, предназначенных для установки в устройство согласно настоящему изобретению, не является предпочтительным на практике. По соображениям, связанным со спектральной чувствительностью материалов для регистрации голограмм, имеющихся в настоящее время в наличии, предпочтительнее использовать источник монохроматического излучения, согласованный с областью максимальной спектральной чувствительности этого регистрирующего материала. В этом случае, угол между пучками, интерферирующими при регистрации для создания пространственно-модулированного распределения показателя преломления, образующего гологамму, может отличаться от 90^o и должен быть рассчитан так, чтобы при восстановлении угол между падающим и дифрагированным пучком в голограмме был равен 90^o.The registration method described above, although theoretically it can be used to obtain holograms for installation in the device according to the present invention, is not preferred in practice. For reasons related to the spectral sensitivity of materials for recording holograms currently available, it is preferable to use a monochromatic radiation source that is consistent with the region of maximum spectral sensitivity of this recording material. In this case, the angle between the beams interfering during registration to create a spatially modulated distribution of the refractive index forming the gologamma can differ from 90 ^o and must be calculated so that when recovering, the angle between the incident and diffracted beams in the hologram is 90 ^o .

Если голограмма 3, полученная одним из двух описанных выше способов регистрации, освещена пучком света упомянутого выше заданного спектрального состава с осью А, ориентированной под углом 45^o к нормали к голограмме, то ось В дифрагированного пучка ориентирована перпендикулярно оси А падающего пучка в плоскости фиг. 1 при условии, что показатель преломления материала, в котором зарегистрирована голограмма, равен или, как минимум, очень близок к показателю преломления стекла призмы 2. В качестве примера такого материала можно назвать фоточувствительный полимер, выпускаемый в продажу фирмой Dupont de Nemours с артикулом HRF- 100, который имеет показатель преломления 1,51.If hologram 3, obtained by one of the two registration methods described above, is illuminated by a beam of light of the above specified spectral composition with axis A oriented at an angle of 45 ^° to the normal to the hologram, then axis B of the diffracted beam is oriented perpendicular to axis A of the incident beam in the plane of FIG. 1 provided that the refractive index of the material in which the hologram is recorded is equal to or at least very close to the refractive index of the glass of prism 2. As an example of such a material, we can mention a photosensitive polymer sold by Dupont de Nemours with the article HRF- 100, which has a refractive index of 1.51.

Кроме того, в соответствии с выводами вышеупомянутой статьи Kogelnik, пучок В полностью линейно поляризован, так как дифракционная эффективность для компоненты s светового пучка А может быть близка к 100%, тогда как компонента p этого пучка отсутствует в дифрагированном пучке В и обнаруживается в пучке нулевого порядка с осью А', коллинеарной оси А. In addition, in accordance with the conclusions of the aforementioned Kogelnik article, beam B is completely linearly polarized, since the diffraction efficiency for component s of light beam A can be close to 100%, while component p of this beam is absent in diffracted beam B and is detected in a zero-beam order with axis A ', collinear axis A.

Указанная особенность очень выгодна тем, что позволяет, в случае использования для проекции изображений, отображаемых на жидкокристаллическом матричном экране, удалить с экрана поляризационную пленку, которой обычно оснащен такой экран и которая поглощает значительную часть проходящей через нее энергии. Таким образом значительно улучшают яркость изображений, проектируемых с помощью проектора, представленного на фиг. 3, который будет детально описан в дальнейшем. This feature is very advantageous in that it allows, in the case of projections using images displayed on a liquid crystal matrix screen, to remove from the screen the polarizing film that this screen is usually equipped with and which absorbs a significant part of the energy passing through it. In this way, the brightness of images projected using the projector of FIG. 3, which will be described in detail later.

Итак, изобретение позволяет формировать полностью линейно поляризованный пучок света В заданного спектрального состава, с волновым вектором, лежащим в плоскости фиг. 1, пригодный для использования непосредственно для освещения матричного экрана на жидкокристаллических ячейках, расположенного вблизи растра микролинз, фокусирующего свет этого пучка на ячейки экрана, которые управляют прохождением пучков света вышеуказанного спектрального состава к поверхности, на которую проецируется изображение. Thus, the invention allows the formation of a fully linearly polarized light beam B of a given spectral composition, with a wave vector lying in the plane of FIG. 1, suitable for use directly to illuminate a matrix screen on liquid crystal cells located near a raster of microlenses, focusing the light of this beam on screen cells that control the passage of light beams of the above spectral composition to the surface onto which the image is projected.

Между тем, на практике проекция цветных изображений требует наличия как минимум двух, а преимущественно трех таких пучков света, например, пучков красного, зеленого и синего света, фокусируемых растром микролинз на жидкокристаллические ячейки, образующие триплеты, каждый из которых соответствует пикселу проектируемого изображения. Эти ячейки управляют прохождением пучков красного, зеленого и синего света к поверхности, на которую проецируется, как правило с увеличением, цветное изображение, сформированное на жидкокристаллическом экране, как это будет видно в дальнейшем в связи с рассмотрением фиг. 3. Meanwhile, in practice, the projection of color images requires the presence of at least two, but mainly three such light beams, for example, beams of red, green and blue light, focused by a microlens raster onto liquid crystal cells forming triplets, each of which corresponds to a pixel of the projected image. These cells control the passage of beams of red, green and blue light to the surface onto which, as a rule, projected with magnification, a color image formed on a liquid crystal screen, as will be seen later in connection with the consideration of FIG. 3.

Для этого между двумя призмами 1 и 2, помимо голограммы 3, размещают голограмму 4 и третью голограмму (не представленную на фиг. 1); эти три голограммы записаны, например, в одном и том же регистрирующем материале одним из способов, описанных выше. For this, between the two prisms 1 and 2, in addition to the hologram 3, place the hologram 4 and the third hologram (not shown in Fig. 1); these three holograms are recorded, for example, in the same recording material by one of the methods described above.

При восстановлении этих трех голограмм, волновые вектора дифрагированных пучков должны быть различно ориентированы в плоскости, перпендикулярной плоскости фиг. 1 и проходящей через ось В пучка, дифрагированного голограммой 3. Для этого пучки, интерферирующие при регистрации голограммы 4, например, могут быть такими, что волновой вектор одного из пучков ориентирован в направлении А, а волновой вектор другого наклонен к плоскости рисунка и лежит в плоскости, перпендикулярной последней и проходящей через ось пучка В. Таким образом сохраняется угол в 90^o между пучками, взаимодействующими в материале голограммы.When reconstructing these three holograms, the wave vectors of the diffracted beams must be differently oriented in a plane perpendicular to the plane of FIG. 1 and passing through the axis B of the beam diffracted by the hologram 3. For this, the beams interfering when registering the hologram 4, for example, can be such that the wave vector of one of the beams is oriented in the direction A, and the wave vector of the other is inclined to the plane of the figure and lies in a plane perpendicular to the latter and passing through the axis of the beam B. Thus, an angle of 90 ^{° is} maintained between the beams interacting in the material of the hologram.

При освещении устройства, изображенного на фиг. 1, вдоль оси А единственным пучком неполяризованного света, содержащим спектральные компоненты, использованные для регистрации голограмм 3 и 4, они дифрагируют, соответственно, пучок В так, как описано выше, и пучок С, который идентичным образом плоскополяризован, но имеет спектральный состав, отличный от спектрального состава пучка В, причем оси пучков В и С наклонены друг относительно друга. Так, например, ось пучка С наклонена к плоскости рисунка, полностью совпадая в проекции на эту плоскость с осью пучка В. When lighting the device depicted in FIG. 1, along axis A, with a single beam of unpolarized light containing spectral components used to record holograms 3 and 4, they diffract, respectively, beam B as described above and beam C, which is identically plane-polarized but has a spectral composition that is excellent from the spectral composition of the beam B, and the axis of the beams B and C are inclined relative to each other. So, for example, the axis of the beam C is inclined to the plane of the figure, completely coinciding in the projection on this plane with the axis of the beam B.

Понятно, что если между призмами 1 и 2 разместить третью голограмму, зарегистрированную с использованием двух пучков света третьего спектрального состава таким образом, чтобы волновой вектор одного из пучков был ориентирован в направлении А, а волновой вектор другого наклонен к осям пучков В и С в плоскости, содержащей указанные оси и перпендикулярной плоскости фиг. 1, то в результате дифракции единственного пучка света, содержащего все три спектральные компоненты, использованные при регистрации голограмм, возникают три идентичным образом плоскополяризованных дифрагированных пучка различных цветов, оси которых компланарны и разделены по углам одна от другой. Один из них лежит в плоскости фиг. 1, а два других, например, расположены симметрично относительно этой плоскости. В частности, в случае применения для проекции изображений, отображаемых на матричном экране на жидкокристаллических ячейках, предусмотренного настоящим изобретением, эти три пучка проходят через растр микролинз, который фокусирует соответствующие пучки света на ячейках экрана, ассоциированных с красной, зеленой и синей компонентами проектируемого изображения, соответственно. It is clear that if you place a third hologram between prisms 1 and 2, recorded using two light beams of the third spectral composition in such a way that the wave vector of one of the beams is oriented in the direction A, and the wave vector of the other is inclined to the axes of the beams B and C in the plane containing said axis and perpendicular to the plane of FIG. 1, as a result of diffraction of a single beam of light containing all three spectral components used in the registration of holograms, three identically plane-polarized diffracted beams of various colors arise, the axes of which are coplanar and separated by angles from one another. One of them lies in the plane of FIG. 1, and two others, for example, are located symmetrically with respect to this plane. In particular, in the case of applying for projection the images displayed on the matrix screen on the liquid crystal cells provided by the present invention, these three beams pass through a microlens raster that focuses the corresponding light beams on the screen cells associated with the red, green and blue components of the projected image, respectively.

Преимуществом описанного выше устройства являются минимальные габариты, определяемые размерами единственного стеклянного куба, образованного соединением призм 1 и 2. Между тем, устройство не позволяет освещать экран, образованный триплетами ячеек для красного, зеленого и синего цветов, соответственно, когда ячейки триплета расположены не в линию, а, например, в конфигурации Δ. На фиг. 2 схематично представлен второй вариант устройства согласно изобретению, пригодный для этого последнего случая. The advantage of the device described above is the minimum dimensions determined by the size of a single glass cube formed by connecting prisms 1 and 2. Meanwhile, the device does not allow to illuminate the screen formed by triplets of cells for red, green and blue, respectively, when the triplet cells are not in line , but, for example, in the configuration Δ. In FIG. 2 schematically shows a second embodiment of the device according to the invention, suitable for this latter case.

Из фиг. 2 следует, что устройство включает, как и устройство, изображенное на фиг. 1, прямоугольную призму 1, несущую на своей гипотенузной грани голограммы 3 и 4, зарегистрированные, например, в одном слое и играющие ту же роль, что и в устройстве, представленном на фиг. 1. Слой, содержащий третью голограмму 5, расположен между прямоугольной призмой 2' и клинообразной призмой 6, одна грань которой прилегает к голограммам 3 и 4, а другая грань прилегает к голограмме 5. Плоскости голограмм 3 и 4, с одной стороны, и 5, с другой, пересекаются на ребре 7, общем для трех призм 1, 2' и 6. Выбор величины угла α_k при вершине клинообразной призмы 6 у ребра 7 будет объяснен в дальнейшем. Клинообразная призма 6 и призма 2' вместе имеют объем, идентичный объему призмы 2 устройства, изображенного на фиг. 1. Следовательно, устройства, представленные на фиг. 1 и 2, имеют оба компактную форму куба.From FIG. 2 that the device includes, like the device shown in FIG. 1, a rectangular prism 1, bearing holograms 3 and 4 on their hypotenuse face, registered, for example, in one layer and playing the same role as in the device shown in FIG. 1. The layer containing the third hologram 5 is located between the rectangular prism 2 'and the wedge-shaped prism 6, one face of which is adjacent to the holograms 3 and 4, and the other face is adjacent to the hologram 5. The planes of holograms 3 and 4, on the one hand, and 5 , on the other hand, intersect on the edge 7, common to three prisms 1, 2 'and 6. The choice of the angle α _k at the apex of the wedge-shaped prism 6 at the edge 7 will be explained later. The wedge-shaped prism 6 and the prism 2 'together have a volume identical to the volume of the prism 2 of the device shown in FIG. 1. Therefore, the devices of FIG. 1 and 2 have both compact cube shapes.

Отличительной чертой устройства, изображенного на фиг. 2, является то, что слой, содержащий голограмму 5, имеет показатель преломления, отличный от показателя преломления среды, в которой зарегистрированы голограммы 3 и 4. Чтобы этого достичь, можно использовать для записи голограмм 3 и 4 названный фоточувствительный полимер фирмы Dupont, а для регистрации голограммы 5 - слой бихромированной желатины с показателем преломления n₅ = 1,38. Ниже объясняется целесообразность этого решения.A distinctive feature of the device depicted in FIG. 2, the layer containing the hologram 5 has a refractive index different from the refractive index of the medium in which holograms 3 and 4 are recorded. To achieve this, one can use the above-mentioned Dupont photosensitive polymer to record holograms 3 and 4, and for hologram registration 5 - a layer of bichromated gelatin with a refractive index of n ₅ = 1.38. The appropriateness of this decision is explained below.

Голограмма 5 зарегистрирована при взаимодействии двух пучков излучения заданного спектрального состава, отличного от спектрального состава, используемого для записи голограмм 3 и 4. Кроме того, для обеспечения полной поляризации дифрагированного пучка этот последний должен распространяться под углом 90^o по отношению к падающему пучку. Если бы для голограммы 5, при регистрации ее опорным пучком с ориентацией А, использовали материал с показателем преломления, равным показателю преломления материала, используемого для регистрации голограмм 3 и 4, идентичного материалу призмы 2', это условие привело бы к формированию дифрагированного пучка с ориентацией D', перпендикулярной направлению А и, следовательно, параллельной плоскости, содержащей оси пучков В и С. Однако, для освещения триплетов ячеек, расположенных при вершинах треугольника в конфигурации Δ, необходимо, чтобы ось D пучка, дифрагированного голограммой 5, была наклонена по отношению к плоскости, содержащей оси пучков В и С, для того чтобы одна и та же микролинза могла фокусировать выделенные ее апертурой фрагменты этих трех пучков, на три ячейки одного и того же триплета, расположенные в конфигурации Δ.
Доказано, что для достижения в устройстве, изображенном на фиг. 2, ортогональности направлений распространения в объеме голограммы 5 падающего и дифрагированных пучков, что необходимо для обеспечения высокой степени поляризации дифрагированного пучка, и обеспечения наклона этого последнего в призме 2' на угол α = 2α_k к плоскости, содержащей оси пучков В и С, необходимо, чтобы угол α_k при вершине клинообразной призмы 6 был связан с показателями преломления материалов элементов устройства следующим соотношением:

где n₅, n - показатели преломления материала голограммы 5 и материала голограмм 3 и 4, соответственно.Hologram 5 is registered in the interaction of two radiation beams of a given spectral composition, different from the spectral composition used to record holograms 3 and 4. In addition, to ensure complete polarization of the diffracted beam, the latter must propagate at an angle of 90 ^o with respect to the incident beam. If for hologram 5, when registering it with a reference beam with orientation A, we used a material with a refractive index equal to the refractive index of the material used to register holograms 3 and 4, which is identical to the material of prism 2 ', this condition would lead to the formation of a diffracted beam with orientation D ', perpendicular to the direction A and, therefore, parallel to the plane containing the axes of the beams B and C. However, to illuminate the triplets of the cells located at the vertices of the triangle in the Δ configuration, it is necessary that the axis D of the beam diffracted by hologram 5 was tilted with respect to the plane containing the axis of the beams B and C, so that the same microlens can focus the fragments of these three beams highlighted by its aperture onto three cells of the same triplet located in configuration Δ.
It has been proven that to achieve in the device shown in FIG. 2, the orthogonality of the propagation directions in the volume of the hologram 5 of the incident and diffracted beams, which is necessary to ensure a high degree of polarization of the diffracted beam, and to ensure the inclination of the latter in the prism 2 'at an angle α = 2α _k to a plane containing the axes of beams B and C, is necessary so that the angle α _k at the top of the wedge-shaped prism 6 was associated with the refractive indices of the materials of the elements of the device in the following ratio:

where n ₅ , n are the refractive indices of the material of the hologram 5 and the material of the hologram 3 and 4, respectively.

Понятно, что устройство, изображенное на фиг. 2, в котором оси пучков В, С, D образуют ребра треугольной пирамиды, позволяет осветить, через растр фокусирующих микролинз, известный сам по себе, все ячейки матричного жидкокристаллического экрана видеопроектора, в котором пиксел изображения представлен тремя ячейками в конфигурации Δ. Этот результат достигается в компактном устройстве, позволяющем устранить поляризационную пленку, которой обычно снабжается такой экран и, следовательно, потери световой энергии, вызванные поглощением света в этой пленке, что соответствует совокупности задач, которые стремится решить настоящее изобретение. It is understood that the device depicted in FIG. 2, in which the axes of the beams B, C, D form the edges of a triangular pyramid, it makes it possible to illuminate, through a raster of focusing microlenses, known per se, all cells of the matrix liquid crystal screen of a video projector in which the image pixel is represented by three cells in the Δ configuration. This result is achieved in a compact device that allows you to eliminate the polarizing film, which is usually supplied with such a screen and, therefore, the loss of light energy caused by the absorption of light in this film, which corresponds to the totality of the tasks that the present invention seeks to solve.

Яркость изображения, проектируемого видеопроектором, оснащенным устройством согласно изобретению, выгодно увеличена посредством устранения поляризационной пленки. Опишем такой проектор в связи с рассмотрением фиг. 3, на котором схематично представлена, в перспективном виде, оптическая система видеопроектора изображений, отображаемых на жидкокристаллическом экране 10. Система содержит полихроматический источник света 11, например, источник естественного белого света, который обычно можно разложить на две взаимно перпендикулярные компоненты плоской поляризации p и s. Оптическая система содержит также устройство 12, представленное на фиг. 2, снабженное голограммами 13, 14, 15, зарегистрированными и установленными так же, как голограммы 3, 4, 5 устройства, изображенного на фиг. 2, соответственно. Свет от источника 11, дифрагированный голограммами 13, 14 и 15, освещает через растр микролинз 16 экран 10. Тогда каждая из линз этого растра фокусирует три луча света, например, 17_R, 17_V, 17_B красного, зеленого и синего света, соответственно, на три жидкокристаллические ячейки R, V и В экрана, соответственно, которые вместе составляют пиксел изображения, отображаемого на экране 10, как представлено для элемента 10а поверхности экрана 10.The brightness of an image projected by a video projector equipped with a device according to the invention is advantageously increased by eliminating a polarizing film. We describe such a projector in connection with the consideration of FIG. 3, which schematically shows, in perspective form, an optical system for a video projector of images displayed on a liquid crystal screen 10. The system comprises a polychromatic light source 11, for example, a natural white light source, which can usually be decomposed into two mutually perpendicular plane polarization components p and s . The optical system also includes a device 12 shown in FIG. 2 provided with holograms 13, 14, 15 registered and installed in the same way as holograms 3, 4, 5 of the device depicted in FIG. 2, respectively. The light from the source 11, diffracted by the holograms 13, 14 and 15, illuminates the screen 10 through the microlens 16. Then each of the lenses of this raster focuses three light beams, for example, 17 _R , 17 _V , 17 _{B of} red, green and blue light, respectively into three liquid crystal cells R, V and B of the screen, respectively, which together constitute a pixel of the image displayed on the screen 10, as shown for the surface element 10a of the screen 10.

Эти три луча света полностью линейно поляризованы на выходе устройства 12, а с экрана 10 устранена поляризационная пленка, которой он обычно снабжен, что, следовательно, увеличивает интенсивность света, освещающего ячейки R, V, В, как было показано выше. Эти ячейки, объединенные с анализатором 10', обычно действуют как световые затворы, управляемые электроникой, известной самой по себе; свет, пропущенный экраном 10, проходит через объектив 18, который проецирует на некоторой поверхности (не представлена) увеличенное изображение, отображенное на экране 10. These three rays of light are completely linearly polarized at the output of the device 12, and the polarizing film that it is usually provided with from the screen 10 is eliminated, which, therefore, increases the intensity of the light illuminating cells R, V, B, as shown above. These cells, combined with the analyzer 10 ', usually act as light shutters controlled by electronics known per se; the light transmitted by the screen 10 passes through the lens 18, which projects on a certain surface (not shown) an enlarged image displayed on the screen 10.

На фиг. 3 устройство 12 освещает только половину экрана 10, другая половина освещается идентичным устройством 12', приклеенным к устройству 12 и развернутым относительно него на четверть оборота вокруг горизонтальной оси. На вход устройства 12' антипараллельно оси светового пучка, испущенного источником 11, поступает пучок нулевого порядка, проходящий через голограммы 13, 14 и 15 устройства 12. Этот пучок нулевого порядка образован преимущественно компонентой p света, испущенного этим источником, так как компонента s большей частью направляется в пучки, дифрагированные голограммами 13, 14, 15, как это было показано выше. Для того чтобы в устройство 12' поступало преимущественно s - поляризованное излучение, которое только и может дифрагировать в этом устройстве, на выходе устройства 12 располагают полуволновую пластинку 19, проходя которую, пучок, содержащий преимущественно p - компоненту, превращается в пучок, содержащий преимущественно s - компоненту, и далее направляется на два зеркала 20, 20', отсылающих этот пучок к устройству 12'. In FIG. 3, the device 12 illuminates only half of the screen 10, the other half is illuminated by an identical device 12 ', glued to the device 12 and deployed relative to it a quarter of a turn around the horizontal axis. At the input of the device 12 'antiparallel to the axis of the light beam emitted by the source 11, a zero-order beam passes through the holograms 13, 14 and 15 of the device 12. This zero-order beam is mainly formed by the component p of the light emitted by this source, since the component s is mostly sent to beams diffracted by holograms 13, 14, 15, as shown above. In order for predominantly s - polarized radiation to enter the device 12 ', which can only diffract in this device, a half-wave plate 19 is placed at the output of the device 12, passing through it, a beam containing mainly the p-component is converted into a beam containing mainly s - component, and then sent to two mirrors 20, 20 ', sending this beam to the device 12'.

Понятно, что благодаря использованию двух устройств 12, 12' полностью используют световой поток источника 11, улавливая в том числе энергию, содержащуюся в пучке нулевого порядка дифракции голограмм 13, 14, 15. Это невозможно в устройстве освещения жидкокристаллического матричного экрана, снабженного обычным поляризатором, полностью поглощающим одну из плоскополяризованных компонент падающего излучения и вносящим потери в другую, полезную компоненту. It is clear that due to the use of two devices 12, 12 ', the luminous flux of the source 11 is fully utilized, including, inter alia, the energy contained in the zero-order diffraction beam of holograms 13, 14, 15. This is not possible in an illumination device of a liquid crystal matrix screen equipped with a conventional polarizer, completely absorbing one of the plane-polarized components of the incident radiation and introducing losses into the other, useful component.

Ясно, что если в триплетах ячеек R, V и В экрана 10 ячейки были бы расположены в линию, то в оптической системе, изображенной на фиг. 3, более целесообразно использовать устройства типа, представленного на фиг. 1, а не типа, представленного на фиг. 2. It is clear that if in the triplets of the cells R, V and B of the screen 10 the cells would be arranged in a line, then in the optical system shown in FIG. 3, it is more appropriate to use devices of the type shown in FIG. 1, not the type shown in FIG. 2.

Из всего изложенного следует, что изобретение действительно позволяет решить поставленные задачи, так как обеспечивает реализацию видеопроектора с компактной оптической системой и с высоким световым КПД, адаптируемого к жидкокристаллическим матричным экранам, ячейки которых при объединении в элементарные триплеты могут располагаться как в линию, так и в конфигурации Δ.у From the foregoing it follows that the invention really allows to solve the tasks, as it provides the implementation of a video projector with a compact optical system and high light efficiency, adaptable to liquid crystal matrix screens, the cells of which, when combined into elementary triplets, can be arranged in a line or in configuration Δ.y

Claims

1. A holographic device for forming at least the first and second light beams separated by angles, equally plane-polarized, containing holograms, characterized in that the holograms are made in the form of the first (3) and second (4) holograms, which are practically coplanar and superimposed, that they are illuminated by the same beam (A) of unpolarized light of at least the first and second given spectral compositions, while both of these holograms are registered so that the axis of the diffracted beam does not perpendicular to the direction of the named beam incident on this layer, the indicated diffracted beams (B, C) form the first and second light beams of the same polarization, separated by angles and having the first and second specified spectral compositions, respectively.

2. The device according to claim 1, characterized in that the said holograms (3, 4) are placed between two adjacent glued prisms (1, 2; 1, 6) of optical material.

3. The device according to claim 2, characterized in that the said holograms (3, 4) are registered in the material with a refractive index (n) that is practically equal to the refractive index of the material of these prisms.

4. The device according to claim 3, characterized in that the holograms (3, 4) are illuminated at an incidence angle of 45 ^° , the axis (B, C) of the beams diffracted by these holograms have an intersection point on the axis of the beam (A) and lie in a plane perpendicular to this axis.

5. The device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it contains a third hologram, practically coplanar to the other two, registered so as to form a diffracted plane-polarized light beam of a third predetermined spectral composition, the axis of which is coplanar to the axes of two other diffracted beams and has a common intersection point with them.

6. The device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it contains a third hologram (5) that is not coplanar to the other two, recorded in a material with a refractive index (n ₅ ) different from the refractive index (n) of the other two, and set to form a third diffracted beam (D) with an axis that is not coplanar to the beam axes, diffracted by the first (3) and second (4) holograms, and perpendicular to the volume of the third hologram, axis A of the illuminating beam common to all three holograms, the above third beam linearly polarized, like the other two, and has a third predetermined spectral composition.

7. The device according to claim 6, characterized in that it contains a third prism (6), wedge-shaped, placed between two other prisms (1, 2 '), and the first (3) and second (4) holograms are sandwiched between the face of this third prisms (6) and the face of one (1) of the other prisms (1, 2 '), while the third hologram (5) is sandwiched between the other face of this third prism (6) and the face of the other (2') of the prisms (1, 2 '), and the planes of the holograms intersect on the edge (7), common to three prisms.

8. The device according to claim 7, characterized in that the angle of inclination (α) of the third diffracted beam to the plane containing the axes of the other two diffracted beams is associated with the angle (α _k ) at the apex of the wedge-shaped prism at the named edge and with the refractive indices of the element materials device ratio

where n is the refractive index of the first and second holograms (3, 4);
n is the refractive index of the third hologram (5).

9. The projector of images displayed on a matrix screen (10) with liquid crystal cells (B, V, R) located close to the raster (16) of optical microlenses installed to focus each of them at least two beams of polarized light (17 _R , 17 _V , 17 _B ) of the specified spectral compositions on at least two screen cells (10), characterized in that it contains at least one holographic device (12, 12 ') according to any one of paragraphs. 1 - 8 for illumination of raster microlenses (16) with at least two light beams of the above spectral compositions.

10. The projector according to claim 9, characterized in that it contains the first (12) and second (12 ') holographic devices illuminating each individual area of the raster (16) microlenses, the first device (12) being illuminated directly by the light source (1) and the second (12 ') - a zero-order beam of holograms of the first device (12).

11. The projector according to claim 10, characterized in that it contains a half-wave plate (19) and a pair of mirrors (20, 20 ') located on the path of the zero-diffraction beam of the first device to rotate the plane of polarization of the above beam and shift its axis to the axis direction of the second device (12 ').