專(zhuān)利名稱：彩色圖象投影裝置的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于彩色圖象投影裝置的照明系統(tǒng)，它依次包括用于提供輻射光束的輻射源和至少一個(gè)用于將該輻射光束分成至少兩個(gè)具有不同的波長(zhǎng)的子光束的膽甾醇鏡。
本發(fā)明還涉及一種適用于在這種照明系統(tǒng)中的圓偏振器，用于將未偏振輻射直接轉(zhuǎn)換成圓偏振子光束。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種包含這種照明系統(tǒng)和圓偏振器的彩色圖象投影裝置。
術(shù)語(yǔ)彩色圖象投影裝置應(yīng)該被理解成具有廣泛的含意，并可被用作顯示視頻圖象、圖形圖象、數(shù)字信息或它們的組合的裝置。
適用于在開(kāi)頭一段中描述的那種類(lèi)型的彩色圖象投影裝置的照明系統(tǒng)，可以從M.Schadt和J.Fünfschilling在Japanese Journal of Applied Physics，vol.29，no.10，October 1990，pp.1974-1984上的“New Liquid Crystal Polarized Color Projection Principle”一文中知道。在這種已知裝置中使用的照明系統(tǒng)的圖象顯示板是具有作為圖象形成元件的液晶材料層的透射板。這種層以與包含在入射輻射中的圖象信息相符合的方式，對(duì)該入射輻射的偏振狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制。為此，由照明系統(tǒng)提供的光束應(yīng)該根據(jù)圖象顯示板是否適于線性調(diào)制或圓偏振輻射，而沿著給定的方向得到線性偏振，或者具有給定的偏振轉(zhuǎn)動(dòng)方向。圖象顯示板在這里應(yīng)該被理解為液晶層與偏振器或分析器的組合。
在該文章中描述的照明系統(tǒng)，采用了膽甾醇鏡，用于將輻射源發(fā)射的“白色”未偏振輻射束分成與圖象顯示板的數(shù)目相符合并處于確定的偏振狀態(tài)的多個(gè)“彩色”子光束。因此，這種膽甾醇鏡具有雙重功能，即顏色選擇和偏振選擇。
膽甾醇鏡帶有由液晶材料構(gòu)成的光層，并具有間距為p的螺旋狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)“白色”的、未偏振輻射束入射到這種鏡上時(shí)，一個(gè)具有與分子螺旋的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)?yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和與螺旋間距p相適合的波長(zhǎng)的圓偏振輻射分量將得到反射，而具有相反的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和/或不適配于鏡的波長(zhǎng)的分量將通過(guò)。
在這種已知的照明系統(tǒng)中，顏色分離和偏振是如下方式實(shí)現(xiàn)的。未偏振的白光入射到相對(duì)于光束成45°角的第一膽甾醇鏡上。藍(lán)色的、左旋圓偏振子光束被反射向一個(gè)平面鏡。轉(zhuǎn)動(dòng)的方向在鏡上被顛倒成右旋方向，從而使該子光束的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不再適配于膽甾醇鏡的螺旋，因此該子光束將沿著藍(lán)圖象顯示板的方向通過(guò)。其余的輻射束將到達(dá)一個(gè)第二膽甾醇鏡，后者選擇出藍(lán)色的右旋圓偏振輻射分量并將其直接沿著藍(lán)圖象顯示板的方向反射。類(lèi)似地，借助其他的膽甾醇鏡選擇綠和紅子光束。
這種已知照明系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是左和右旋圓偏振輻射的選擇性并不總是足夠地大，因而將未偏振輻射轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射的效率不是最佳的。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于彩色圖象投影裝置的照明系統(tǒng)，它將輻射源發(fā)射的未偏振輻射轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射的效率是最佳的，另外這種轉(zhuǎn)換能夠以比較簡(jiǎn)單和成本低廉的方式實(shí)現(xiàn)。
為此，本發(fā)明的照明系統(tǒng)的特征在于用于將未偏振輻射直接轉(zhuǎn)換成圓偏振子束的復(fù)合圓偏振器被設(shè)置在位于輻射源與膽甾醇鏡之間的輻射束路徑中，所述偏振器包括用于將輻射束分成兩個(gè)彼此垂直和線偏振子束的偏振敏感分束器和一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換器，來(lái)自該偏振器的圓偏振子束結(jié)合成一條輻射束。
通過(guò)在彩色圖象投影裝置的照明系統(tǒng)中采用這種新穎的偏振器，其中顏色分離是借助膽甾醇鏡而實(shí)現(xiàn)的，在不吸收輻射源發(fā)射的一部分輻射的情況下，射向膽甾醇鏡的輻射已經(jīng)得到了圓偏振。另外，這種轉(zhuǎn)換是只借助一個(gè)單個(gè)的部件直接實(shí)現(xiàn)的，且將未偏振輻射轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射的轉(zhuǎn)換效率不依賴于膽甾醇鏡的質(zhì)量。以此方式，將線偏振輻射轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射的轉(zhuǎn)換效率得到了優(yōu)化，從而使輻射源發(fā)射的輻射束的強(qiáng)度能夠得到最大利用。另外，現(xiàn)在只要用六個(gè)膽甾醇鏡就足夠了，而這六個(gè)膽甾醇鏡只有在所述文章中描述的六個(gè)膽甾醇鏡的一半大，從而使它們的制造變得更簡(jiǎn)單且成本得到了顯著降低。另外，可以省略掉平面鏡。在所述文章和在本發(fā)明中，每一個(gè)顏色有兩個(gè)光束部分，這些光束部分在輻射源與投影透鏡系統(tǒng)之間穿過(guò)不同的路徑長(zhǎng)度。由于在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)置中消除了平面鏡，同一顏色的兩個(gè)光束部分之間的路徑長(zhǎng)度差變小了很多，從而使LCD的照明得到了改善。
本發(fā)明的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的特征在于偏振敏感分束器包括兩個(gè)透明元件，在這兩個(gè)透明元件之間有一個(gè)偏振分離層，且偏振轉(zhuǎn)換器包括兩個(gè)λ/4波片，這些λ/4波片每一個(gè)都被設(shè)置在偏振敏感分束器的不同出射面的一個(gè)對(duì)角位置上。
一個(gè)對(duì)角位置指的是λ/4波片的軸與偏振的線方向彼此成45°角的延伸。
傳統(tǒng)的λ/4波片將線偏振輻射轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射，或者是相反，但它與波長(zhǎng)有關(guān)。因此，采用了寬帶或消色差λ/4波片。這是一種透明元件，它由諸如若干層組成，并在光束中實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍中的所有波長(zhǎng)的相位轉(zhuǎn)動(dòng)而使線偏振輻射被轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射，或者是相反。應(yīng)該注意的是，消色差λ/4波片可以從例如Nitto Denko公司在SID′92 Exhibit Guide，Society for Information Display，May 17-22，1992，Boston，Massachusetts，USA上的“Retardation Film for STN-LCDs'NRF'”一文中知道。
這種偏振敏感分束器將輻射源發(fā)射的未偏振輻射束分成兩個(gè)彼此垂直且線偏振的子束。兩個(gè)子束隨后都進(jìn)入一個(gè)λ/4波片并被轉(zhuǎn)換成圓偏振光束。λ/4波片可以這樣地取向，即使得兩個(gè)子光束以相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向得到圓偏振。
本發(fā)明的照明系統(tǒng)的一個(gè)最佳實(shí)施例的特征在于偏振敏感分束器包括兩個(gè)透明元件，在這兩個(gè)透明元件之間有一個(gè)由液晶材料制成的偏振分離層，其分子在所述層上與入射平面大體成45°方位角并進(jìn)行取向，并處于等于未偏振輻射束的入射角α的傾斜角，且偏振轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)第三和第四透明元件，其每一個(gè)都用于引導(dǎo)分束器提供的線偏振子光束，且每一個(gè)都具有至少一個(gè)反射面，當(dāng)相應(yīng)的子光束在這些反射面上得到反射時(shí)，在具有平行于入射面偏振方向的子光束分量與具有垂直于入射面的偏振方向的子光束分量之間，出現(xiàn)了一個(gè)相移，且在第三和第四元件中的總相移為90°。
在光學(xué)系統(tǒng)中，已知在輻射束發(fā)生內(nèi)部全反射時(shí)在具有平行于光束的入射面的偏振方向的光束分量與垂直于光束的入射面的光束分量之間有一個(gè)相對(duì)相移。所發(fā)生的這種相對(duì)相移δ＝δ‖-δ⊥由以下公式確定tgδ2=cosθisin2θi-n2sin2θi]]>其中n是在光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)之間的界面上的相對(duì)折射率，θi是入射角。通過(guò)使分束器中的偏振分離層的分子以這樣的方式進(jìn)行取向，即使得分束器提供的線偏振子光束的偏振方向與該線偏振光束的入射面成45°角，與該入射面平行和垂直的偏振分量的幅度將彼此相等。另外，將線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光所需的兩個(gè)偏振分量之間90°的相移，可以借助給出的公式并通過(guò)采用適當(dāng)?shù)南鄬?duì)折射率n和入射角θi，而得到實(shí)現(xiàn)。為此目的，至少需要兩種內(nèi)部全反射。
本發(fā)明的照明系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的特征在于第三和第四元件是費(fèi)涅爾棱鏡，這些費(fèi)涅爾棱鏡每一個(gè)都具有第一反射面和第二反射面，它們分別與偏振分離層圍成角度β1和角度β2，且以下公式成立tgδ12=cosθi,1sin2θi,1-n2sin2θi,1]]>tgδ22=cosθi,2sin2θi,2-n2sin2θi,2]]>
其中δ1與δ2分別是進(jìn)入第三和第四元件的線偏振子光束，由于在相應(yīng)的反射面上的內(nèi)部全反射而出現(xiàn)的、在具有平行于入射面的偏振方向的分量與具有垂直于入射面的偏振方向的分量之間的相移;n是費(fèi)涅爾棱鏡的相對(duì)折射率;θi，1＝α-β1是第一次內(nèi)部全反射的入射角度，且θi，2＝α-2β1-β2是第二次內(nèi)部全反射的入射角度，α是未偏振輻射束在分束器的偏振分離層上的入射角度。在費(fèi)涅爾棱鏡中，入射光束相繼經(jīng)歷兩次內(nèi)部全反射，并且在平行于入射面的偏振分量同垂直于入射面的偏振分量之間造成90°的相對(duì)相移。在第一次反射，線偏振光束成為橢圓偏振，且在第二次反射，橢圓偏振光束被轉(zhuǎn)換成圓偏振光束，只要入射光束的兩個(gè)分量的幅度彼此相等。然而，為了產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)換，偏振器的折射率n和所要轉(zhuǎn)換的輻射束的入射角θi應(yīng)該滿足上述關(guān)系。
本發(fā)明提出，將已知的、用于將未偏振輻射轉(zhuǎn)換成線偏振輻射的分束器，與在彩色圖象投影裝置的照明系統(tǒng)中的費(fèi)涅爾棱鏡結(jié)合起來(lái)，從而能夠借助單個(gè)的元件而將未偏振輻射直接轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射，而該單個(gè)元件在較大的波長(zhǎng)范圍中是消色差的。為此，費(fèi)涅爾棱鏡和分束器的形狀必須彼此適配。
應(yīng)該注意的是，費(fèi)涅爾棱鏡是用于將線偏振輻射轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射的，具體地可參見(jiàn)M.Born和E.Wolf所寫(xiě)的“Principle of Optics”，6th edition，Pergamon Press，pp.47-51。
本發(fā)明的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的特征在于第一和第二透明元件均與費(fèi)涅爾棱鏡集成為一個(gè)單個(gè)的元件。
通過(guò)將費(fèi)涅爾棱鏡與分束器結(jié)合在一起，可以借助一個(gè)單個(gè)的元件將線偏振輻射直接轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射。這使偏振器的結(jié)構(gòu)得到了大大的簡(jiǎn)化。
本發(fā)明的照明系統(tǒng)的另一實(shí)施例的特征在于至少第三或第四元件具有在至少一個(gè)反射面上的反射層。
平行于入射面的偏振分量與垂直于入射面的偏振分量之間與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的90°相移，也可以借助線偏振子光束之一在一個(gè)金屬鏡上的一次反射而實(shí)現(xiàn)。借助在金屬層上的反射實(shí)現(xiàn)給定相移的反射是已知的，并在例如上述的書(shū)“Principles of Optics”，pp.615-618中進(jìn)行了描述。以此方式，反射的次數(shù)可以大大地減少。
在根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的上述實(shí)施例中，仍然需要兩個(gè)膽甾醇鏡來(lái)分離各個(gè)顏色，以將輻射完全轉(zhuǎn)換成適合于由圖象顯示板調(diào)制的輻射。這使得分離部件的數(shù)目較大，而且這些部件必須彼此對(duì)準(zhǔn)以獲得盡可能有效的轉(zhuǎn)換。
然而，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的特征在于偏振器的一個(gè)出射面帶有偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件。
在已知的照明系統(tǒng)中，受到偏振器的圓偏振的光束是部分右旋和部分左旋圓偏振的。通過(guò)給偏振器的一個(gè)出射面設(shè)置一個(gè)使相應(yīng)的子光束的偏振方向相對(duì)于另一子光束的偏振方向轉(zhuǎn)動(dòng)180°的偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件，則當(dāng)兩個(gè)子光束離開(kāi)偏振器時(shí)，它們將沿著相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向圓偏振。這樣的優(yōu)點(diǎn)在于照明系統(tǒng)中有三個(gè)膽甾醇鏡就足夠了。
可以有不同的偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件。為此，本發(fā)明的彩色圖象投影裝置的第一實(shí)施例的特征在于偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件是一個(gè)λ/2波片。λ/2波片被稱為偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件。
本發(fā)明的彩色圖象投影裝置的另一實(shí)施例的特征在于該偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件是一個(gè)雙費(fèi)涅爾棱鏡。
一個(gè)雙費(fèi)涅爾棱鏡應(yīng)該被理解為其中相繼發(fā)生四次內(nèi)部全反射的棱鏡。
使一個(gè)圓偏振子光束穿過(guò)這種棱鏡將實(shí)現(xiàn)180°的相移，因此相應(yīng)的子光束的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與其它圓偏振子光束的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。
從結(jié)合以下實(shí)施例所進(jìn)行的描述，本發(fā)明的這些和其他方面將變得更為明顯。
在附圖中

圖1示意顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的彩色圖象投影裝置的一個(gè)實(shí)施例;
圖2示意顯示了根據(jù)本發(fā)明的彩色圖象投影裝置的一個(gè)實(shí)施例;
圖3示意顯示了用于根據(jù)本發(fā)明的彩色圖象投影裝置的照明系統(tǒng)中的復(fù)合圓偏振器的第一實(shí)施例;
圖4顯示了在與輻射束的入射面的法線垂直的分量和平行的分量之間的相移隨著線偏振子光束在空氣-棱鏡界面上的入射角度的變化;
圖5a和5b顯示了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合圓偏振器的兩個(gè)實(shí)施例，其中借助兩次不同的反射獲得了90°的相移;
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合圓偏振器的一個(gè)實(shí)施例，它至少部分地帶有金屬層;
圖7和8顯示了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合圓偏振器的兩個(gè)實(shí)施例，它們用于提供具有相同的圓偏振轉(zhuǎn)動(dòng)方向的兩個(gè)子光束;
圖9示意顯示了一個(gè)彩色圖象投影裝置的實(shí)施例，它帶有提供沿著相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向圓偏振的兩個(gè)子光束的偏振器;且圖10示意顯示了一個(gè)黑一白或單色圖象投影裝置的一個(gè)實(shí)施例。圖1示意顯示的彩色圖象投影裝置1包括一個(gè)照明系統(tǒng)7，后者包括一個(gè)輻射源3、一個(gè)鏡系統(tǒng)8和三塊圖象顯示板27、29和31，每一個(gè)分別用于基色紅、藍(lán)和綠。各個(gè)圖象顯示板是例如與一個(gè)偏振器和一個(gè)分析器結(jié)合在一起的液晶顯示板，也稱為L(zhǎng)CD板。LCD板具有一個(gè)液晶材料層，后者被夾在兩個(gè)透明板之間并被分成多個(gè)象元。該板可以以有源或無(wú)源的方式得到驅(qū)動(dòng)。兩種直接驅(qū)動(dòng)圖象顯示板都在例如European Patent Application EP 0 266 184中得到了描述。通過(guò)施加局部電場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)象元，在該象元的局部產(chǎn)生液晶材料的有效折射率的改變，從而使通過(guò)該象元的輻射經(jīng)歷偏振方向的改變。通過(guò)按照由所提供的信息確定的圖形來(lái)驅(qū)動(dòng)或不驅(qū)動(dòng)板的象元，形成了一個(gè)“偏振圖象”，后者被分析器轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)圖象。
因此，入射到圖象顯示板上的輻射應(yīng)該是偏振的。根據(jù)偏振器和分析器的選擇，有圖象顯示板調(diào)制線偏振輻射和板調(diào)制圓偏振輻射。然而，輻射源提供的是未偏振輻射，因此應(yīng)該在它們?nèi)肷涞綀D象顯示板上之前將它們轉(zhuǎn)換成具有所需的偏振狀態(tài)的輻射。為此，圖1所示且從M.Schadt和J.Fünfschilling的文章中已知的照明系統(tǒng)包括膽甾醇鏡。膽甾醇鏡具有由液晶聚合材料制成的光學(xué)層，該材料具有間距為p的螺旋狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)未偏振的“白”輻射束入射到這種鏡上時(shí)，具有與分子螺旋的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)?yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和適配于螺旋的間距p的波長(zhǎng)的圓偏振輻射分量將得到反射，而具有相反的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和/或不適配于該鏡的波長(zhǎng)的分量將通過(guò)。
這種已知的照明系統(tǒng)7包括一個(gè)發(fā)射白色的、未偏振輻射束5的輻射源3和諸如六個(gè)的一系列膽甾醇鏡9、10、11、12、13、14以及三個(gè)平面鏡15、17、19，用于將輻射束5分成諸如三彩色子光束21、23、25，以與圖象顯示板27、29、31的數(shù)目相符合。
在這種已知的照明系統(tǒng)中，顏色分離和偏振是以如下方式實(shí)現(xiàn)的。未偏振的白光入射到與光束5成45°角的第一膽甾醇鏡9上。藍(lán)色的左旋圓偏振子光束bb，1被反射向一個(gè)平面鏡15。偏振方向在鏡15上被顛倒成右旋，從而使該光束的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不再適配于膽甾醇鏡9的螺旋，因此該光束將沿著藍(lán)圖象顯示板27的方向通過(guò)。其余的輻射束通過(guò)并到達(dá)第二膽甾醇鏡10，后者選擇出藍(lán)色的右旋輻射成分bb，r并將其直接反射到藍(lán)圖象顯示板27。類(lèi)似地，綠子光束bg，r，bg，1和紅子光束br，r和br，1得到選擇。因此，膽甾醇鏡在這里具有雙重作用顏色分離和偏振。通過(guò)調(diào)節(jié)該鏡的反射帶寬和位置，可以使該鏡適配于在給定的波長(zhǎng)帶內(nèi)進(jìn)行偏振。
這種已知的膽甾醇鏡作為在諸如50nm的有限波長(zhǎng)帶中的偏振器是有效的。具有在此波長(zhǎng)帶以外的波長(zhǎng)的輻射將通過(guò)。整個(gè)可見(jiàn)光范圍的波長(zhǎng)帶寬大約為380nm，這意味著例如每個(gè)顏色100至150nm的寬度對(duì)于彩色圖象投影系統(tǒng)是非常適當(dāng)?shù)摹?br> 該鏡的反射波長(zhǎng)帶△λ由△λ＝λ0△n 給出，其中△n＝ne-no是雙折射率，其中ne和no是膽甾醇材料的非尋常和尋常折射率且n＝(ne+no)/2是平均折射率。λ0是在輻射垂直入射時(shí)反射層反射波長(zhǎng)帶的中心波長(zhǎng)，并由以下公式給出λo＝np＝ ((ne+ nO))/2 p其中p是鏡的分子螺旋的間距p。
然而，由于反射波長(zhǎng)帶隨著入射角度的移動(dòng)是例如每度2nm，所以當(dāng)制造鏡時(shí)，應(yīng)該考慮到比所需要的更寬的反射波長(zhǎng)帶，以廣泛地覆蓋380nm的整個(gè)可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍。
通過(guò)采用聚合物層作為液晶層，分子螺旋的間距p可以在相應(yīng)的層之間改變，從而使波長(zhǎng)帶能夠變寬。在未預(yù)公開(kāi)的歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)no.93203057.0(PHN 14.629)中，廣泛地描述了這種鏡。
通過(guò)加寬每個(gè)鏡的反射帶，總光強(qiáng)可以得到增大，因?yàn)楝F(xiàn)在三個(gè)鏡共同覆蓋了可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍所要求的波長(zhǎng)帶。
現(xiàn)行的膽甾醇鏡的一個(gè)缺點(diǎn)是左旋和右旋圓偏振光之間的選擇性還未到達(dá)最佳。因此，本發(fā)明提出將輻射源3發(fā)射的未偏振輻射束5在其到達(dá)膽甾醇鏡之前轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射。這種轉(zhuǎn)換是借助一種新穎的復(fù)合圓偏振器實(shí)現(xiàn)的。
受到圖象顯示板27、29、31調(diào)制的光束隨后被一組三個(gè)膽甾醇鏡69、71和73結(jié)合成入射到投影透鏡系統(tǒng)33上的一個(gè)光束6。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，用一個(gè)單個(gè)的透鏡代表投影透鏡系統(tǒng)33。圖象被投影到投影屏幕34上。
利用膽甾醇鏡而不是分色鏡進(jìn)行顏色分離的優(yōu)點(diǎn)，是膽甾醇鏡能夠被制成一個(gè)單個(gè)的層，因而更簡(jiǎn)單和成本低廉。分色鏡由具有不同折射率的多個(gè)相繼的薄層組成，這使得這種鏡從技術(shù)角度看較為昂貴。
來(lái)自膽甾醇鏡的輻射束這樣地受到圓偏振。隨后可以采用適配于對(duì)圓偏振輻射進(jìn)行調(diào)制的圖象顯示板27、29、31。然而，如果圖象顯示板27、29、31的偏振器和分析器適配于調(diào)制線偏振輻射，則要把一個(gè)λ/4波片63、65、67設(shè)置在相應(yīng)的膽甾醇鏡與圖象顯示板之間的各個(gè)子光束中，以將圓偏振輻射轉(zhuǎn)換成線偏振輻射。在受到圖象顯示板27、29、31調(diào)制的子光束能夠被膽甾醇鏡69、61和73結(jié)合成一個(gè)光束8之前，應(yīng)該首先借助第二組λ/4波片75、77和79將這些子光束轉(zhuǎn)換成圓偏振光束。這些λ/4波片總是用虛線表示，因?yàn)槿绻麍D象顯示板調(diào)制圓偏振輻射的話，它們可以被省略掉。
圖2示意顯示了根據(jù)本發(fā)明的彩色圖象投影裝置1的一個(gè)實(shí)施例。在共同組成鏡系統(tǒng)8的一組六個(gè)較小的膽甾醇鏡16、18、20、22、24和26之前，設(shè)置有用于將來(lái)自輻射源3的未偏振輻射束5直接轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射的復(fù)合圓偏振器35。由于現(xiàn)在圓偏振光已經(jīng)被提供給膽甾醇鏡，所以對(duì)于每一顏色只要采用兩個(gè)較小的膽甾醇鏡就足夠了，每一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向用一個(gè)膽甾醇鏡，且平面鏡可以被省略。因此小的膽甾醇鏡能夠以較低的成本和簡(jiǎn)單的方法制成。
圖3詳細(xì)顯示了復(fù)合圓偏振器35的一個(gè)實(shí)施例。偏振器35包括一個(gè)將來(lái)自輻射源3的未偏振輻射轉(zhuǎn)換成兩個(gè)彼此垂直和線偏振的輻射束的分束器43。這種偏振敏感分束器可以從本申請(qǐng)人的美國(guó)專(zhuān)利USA 5，042，925中得知。分束器43包括包圍一個(gè)雙折射材料層49的兩個(gè)玻璃棱鏡45和47，而層49的非尋常折射率等于棱鏡材料的折射率。雙折射層49的尋常折射率小于非尋常折射率，因此也小于棱鏡的折射率。
一個(gè)入射光線5被分成非尋常光線5b和尋常光線5a;按照本實(shí)施例，非尋常光線5b沿著直線行進(jìn)，而尋常光線5a在與偏振分離層49的界面上受到全反射。光線5a和5b沿著彼此垂直的方向得到線偏振。與基于對(duì)主光線之一的吸收的偏振器不同，光沒(méi)有損耗。另外重要的是，偏振敏感分束器43不會(huì)由于這種吸收而被加熱。
適當(dāng)?shù)碾p折射膠化合物，有在例如Netherlands PatentApplication NL 8802683中描述的液晶丙烯酸樹(shù)脂、環(huán)氧化物和乙烯基醚。特別地，形成晶格的單體組合物是適用的，例如在所述美國(guó)專(zhuān)利中描述的二丙烯酸樹(shù)脂。對(duì)于有關(guān)這種分束器的進(jìn)一步信息，請(qǐng)參見(jiàn)所述專(zhuān)利。
在本發(fā)明中，分束器43被擴(kuò)展到圓偏振，從而可以將未偏振輻射直接轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射。為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，用于將線偏振子光束轉(zhuǎn)換成圓偏振子光束的透明元件51和53與各個(gè)棱鏡45和47相聯(lián)系。以此方式，圓偏振器35將輻射源3的未偏振輻射束5直接轉(zhuǎn)換成共同形成一個(gè)光束的兩個(gè)圓偏振子光束2和4。在圖2中，所顯示的透明元件是λ/4波片，且每一個(gè)λ/4波片被設(shè)置在分束器43的出射面55和57上并指向調(diào)制系統(tǒng)7。λ/4波片是一個(gè)透明元件，它由例如對(duì)于可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍中的所有波長(zhǎng)共同實(shí)現(xiàn)光束的相移的多個(gè)層組成，從而把線偏振輻射轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射或者進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的λ/4波片將線偏振輻射轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射或進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，但它是波長(zhǎng)相關(guān)的。因此，采用了寬帶λ/4波片。消色差或?qū)拵Е?4波片，可以從諸如Nitto Denko公司在SID 92 Exhibit Guide，Society for Information Display，May 17-22，1992，Boston，Massachusetts，USA上的“Retardation Film for STN-LCDs'NRF'”一文中知道。λ/4波片51和53可以以這樣的方式進(jìn)行取向，即使得兩個(gè)子光束2和4沿著相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向受到圓偏振。
然而，最好把費(fèi)涅爾棱鏡用于透明元件51和53。這些元件提供了以成本低廉的方式實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的偏振轉(zhuǎn)換的可能性。
圖3顯示了復(fù)合圓偏振器35的第一實(shí)施例，其中透明元件是費(fèi)涅爾棱鏡59和61。為了清楚起見(jiàn)，只顯示了入射光束5、子光束5a和5b以及出射子光束2和4。
費(fèi)涅爾棱鏡是已知的元件，并在M.Born和E.Wolf所寫(xiě)的書(shū)“Principles of Optics”，6th edition，Pergamon Press，pp.47-51中進(jìn)行了廣泛的描述。費(fèi)涅爾棱鏡指的是這樣的棱鏡，即其中光束相繼地經(jīng)歷兩次內(nèi)部全反射。如果光束的偏振方向在第一反射棱鏡面58a、60a的區(qū)域上與光束的入射面成45°角，且在該棱鏡面上處于該光束的給定入射角度，則兩個(gè)相繼的反射在分別具有垂直和平行于所述入射面的偏振方向入射光束成分之間共同產(chǎn)生一個(gè)90°的相移。該平面是圖3所在的平面。
這種相移涉及線偏振輻射至圓偏振輻射的轉(zhuǎn)換。每次反射發(fā)生的相移δ由以下公式給出tgδ2=cosθisin2θi-n2sin2θi]]>其中n＝n2/n1，且n2是圍繞棱鏡的介質(zhì)的折射率，n1是棱鏡的折射率。角度θi隨后可以從每次反射出現(xiàn)45°的相移這一條件和折射率n1和n2確定。θi是分束器43在棱鏡空氣界面58a或60a上產(chǎn)生的線偏振子光束的入射角度。
圖4顯示了對(duì)于空氣中的棱鏡，n2＝1，作為入射角θi的函數(shù)的相移δ。從該圖中可見(jiàn)，例如，對(duì)于具有折射率n1＝1.7的棱鏡，可以在兩個(gè)入射角度即θi＝39.2°和θi＝60.5°處獲得所希望的45°相移。
線偏振子光束5a、5b的偏振方向與它們?cè)诜瓷涿?8a和60a區(qū)域處的入射面成45°角。這可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)，即使分離層中的液晶層49的分子得到適當(dāng)?shù)娜∠?，從而使它們與光束5的入射面成45°的方位角并具有等于輻射束5在雙折射層49上的入射角α的傾斜角。這些分子能夠通過(guò)提供一個(gè)取向?qū)?例如在與雙折射層49接觸的棱鏡的表面上，來(lái)以這種方式進(jìn)行取向。用布摩擦這些表面，隨后雙折射層中的分子即沿著摩擦方向取向。如果需要，也可以通過(guò)將棱鏡組件放置在一個(gè)磁場(chǎng)中來(lái)獲得這種取向。沿著平行于分子的方向偏振的光未受到折射，而具有垂直于分子的方向的偏振方向的光受到全反射。為了使受到分束器43的線偏振的子光束在空氣-棱鏡界面上以角度θi入射，考慮到實(shí)際的折射率，費(fèi)涅爾棱鏡的反射面相對(duì)于雙折射層應(yīng)該處于給定的角度。該角由β＝α-θi確定，其中α是雙折射層上的入射角度并由分束器43的材料的折射率確定。
偏振器35因而直接將輻射源3的未偏振輻射束5轉(zhuǎn)換成左旋和右旋圓偏振子束2和4，這些子光束共同形成一條光束。以此方式，未偏振輻射至圓偏振輻射的轉(zhuǎn)換效率能夠顯著地增大，且輻射源的強(qiáng)度可以得到最佳程度的利用。如上所述，只采用六個(gè)較小的膽甾醇鏡就足夠了。另外，在輻射源3與投影透鏡系統(tǒng)33之間，沿著相反方向圓偏振的子光束2和4之間的路徑長(zhǎng)度差被減小了，從而使LCD得到了更均勻的照明。
至于形狀，圖3所示的圓偏振器可以得到進(jìn)一步的優(yōu)化。圓偏振器35最好包括最小數(shù)目的分離塊。為此，入射角度α和θi應(yīng)該彼此適配。角度α可以通過(guò)選擇棱鏡45、47和雙折射層49而得到改變。角度θi可以通過(guò)調(diào)整費(fèi)涅爾棱鏡的折射率的形式而得到調(diào)整。在后一種情況下，臨界反射的臨界角，因而α的值，也受到了影響。
以下以說(shuō)明的方式給出了數(shù)值的例子。如果分離層49的尋常折射率與棱鏡45的折射率之間的比值是0.87，則臨界反射發(fā)生在入射角α為67°處。這意味著尋常線偏振子光束以67°的角度離開(kāi)雙折射層，而非尋常線偏振子光束不應(yīng)該經(jīng)歷任何折射率的改變，并通過(guò)層49以直角進(jìn)入另一棱鏡。這意味著雙折射材料應(yīng)該得到適當(dāng)?shù)倪x擇，以使no/ne也等于0.87。由于尋常折射率對(duì)于大多數(shù)液晶材料來(lái)說(shuō)約為1.52，所以不僅液晶材料的非尋常折射率ne而且棱鏡材料的折射率都應(yīng)該大約為1.75。
然而，不一定需要借助產(chǎn)生相同的相移的兩次反射來(lái)實(shí)現(xiàn)90°的總相移。這兩次反射也可以產(chǎn)生不同的、給出90°的總相移的兩個(gè)相移。這就是例如在圖5a和5b所示的復(fù)合圓偏振器的實(shí)施例中的情況。幾何尺寸是由以下的要求確定的，即對(duì)于給定的入射角α，角度β應(yīng)該得到適當(dāng)?shù)倪x取，以使得對(duì)于在角θi，1和θi，2的內(nèi)反射，以下的關(guān)系成立tgδ12=cosθi,1sin2θi,1-n2sin2θi,1]]>with θi，1＝α-βtgδ22=cosθi,2sin2θi,2-n2sin2θi,2]]>其中θi，1＝α-β，θi，2＝θi，1-β＝α-2β且δ1+δ2＝90°。
對(duì)于圖5a的圓偏振器，角度β對(duì)于67°的入射角α將為4.45°。在角θi，1＝62.55°處的第一次內(nèi)反射給定42°的相移，而在角θi，2＝58.1°處的第二內(nèi)反射給出48°的相移。
對(duì)于圖5b所示的圓偏振器，對(duì)于入射角α＝67°，角度β可以有兩個(gè)值，即15.0°和24.8°。對(duì)于第一內(nèi)反射，θi，1＝α給出35.9°的相移。另一個(gè)54.1°的相移是在角θi，2＝52°或42.2°處由第二內(nèi)反射產(chǎn)生的。圖4的曲線圖顯示出42.2°的角度對(duì)于波長(zhǎng)相關(guān)和入射角度的相關(guān)來(lái)說(shuō)是最好的選擇。
或者，在偏振器35的第一反射面58a、60a和該偏振器的第二反射面58b、60b上，可以給出相對(duì)于雙折射層49的斜面，從而使角度β在這兩個(gè)面上被分割。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合圓偏振器的另一實(shí)施例。在此圓偏振器中，各個(gè)偏振轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)鏡面反射面形式的反射面。鏡面反射面可以通過(guò)至少部分地提供例如一個(gè)帶有金屬層50的偏振器表面而獲得。從例如M.Born和E.Wolf所寫(xiě)的“Principles of Optics”，pp.615-618可以得知，可以借助在反射表面上的鏡面反射，而在垂直于入射輻射束的入射面的偏振分量與平行于該入射面的偏振分量之間實(shí)現(xiàn)90°的相移，只要θi適配棱鏡和金屬層的折射率?？梢酝ㄟ^(guò)使例如反射面58a和60a與偏振分離層49圍成角度β，而使θi得到適配。以此方式，反射的數(shù)目得到了減少，因而該圓偏振器可以得到更為緊湊的設(shè)計(jì)。
如上所述，帶有費(fèi)涅爾棱鏡的復(fù)合圓偏振器提供了大體上一半是左旋圓偏振和另一半是右旋圓偏振的光束。通過(guò)使兩個(gè)子光束之一經(jīng)歷在垂直于相應(yīng)的子光束的入射面的偏振分量與平行于相應(yīng)的子光束的入射面的偏振分量之間的180°相移，而使這兩個(gè)子光束沿著相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向圓偏振。這可以通過(guò)在圓偏振器的一個(gè)出射面上設(shè)置一個(gè)附加的光學(xué)延遲板或λ/2波片而實(shí)現(xiàn)。圖3、5a、5b和6以虛線顯示了一個(gè)λ/2波片81。另一種可能是借助一個(gè)雙費(fèi)涅爾棱鏡83來(lái)延長(zhǎng)兩個(gè)費(fèi)涅爾棱鏡中的一個(gè)，其中在反射面58a和58b上產(chǎn)生了四次內(nèi)反射，因此造成180°的相移。圖7顯示了一個(gè)實(shí)施例。兩個(gè)子光束2和4現(xiàn)在沿著相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向圓偏振。所產(chǎn)生的圓偏振器的反對(duì)稱性，可以通過(guò)為更長(zhǎng)的棱鏡45、59、83或其一部分選擇具有不同折射率的材料，而至少部分地得到補(bǔ)償。另一種可能，其中偏振器的反對(duì)稱性得到了補(bǔ)償，是將偏振器35的棱鏡部分之一的折射率的不同與設(shè)置在反射表面58a、58b上的金屬層85、87相結(jié)合。在圖8中顯示了這種情況的一個(gè)圓偏振器的實(shí)施例。在空氣-棱鏡界面58a、58b、60a、60b上的內(nèi)部全反射，產(chǎn)生了諸如45°的相移。在金屬層上的反射每次產(chǎn)生了90°的相移。以此方式，在圖8所示的兩個(gè)子光束2和4之間產(chǎn)生了180°的相移，這意味著這兩個(gè)子光束沿著相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向圓偏振。
當(dāng)兩個(gè)子光束2和4沿著相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向圓偏振時(shí)，采用如圖9所示的只包括三個(gè)膽甾醇鏡89、91和93而不是六個(gè)膽甾醇鏡的鏡系統(tǒng)8就足夠了。
借助兩個(gè)棱鏡之一的材料的折射率變化與在費(fèi)涅爾棱鏡的反射面上設(shè)置或不設(shè)置金屬層的結(jié)合，能夠獲得大體對(duì)稱的偏振器，它將未偏振輻射束直接轉(zhuǎn)換成圓偏振輻射束，在該輻射束中只有一個(gè)圓偏振轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
根據(jù)本發(fā)明的圓偏振器，特別是在提供具有相同轉(zhuǎn)動(dòng)方向的兩個(gè)圓偏振子束的實(shí)施例中的圓偏振器，也可以被用在諸如監(jiān)視器的黑-白或單色圖象投影裝置中。圖10顯示了這種裝置的原理。
輻射源3發(fā)射的未偏振輻射束5被復(fù)合圓偏振器35轉(zhuǎn)換成兩個(gè)圓偏振子束2和4，而子光束2和4根據(jù)是否在偏振器35上設(shè)置了偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件而沿著或不沿著相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向圓偏振。借助黑-白或單色液晶顯示板86而受到調(diào)制的輻射，隨后經(jīng)過(guò)一個(gè)投影透鏡系統(tǒng)33而被投影到圖象投影屏幕34上。當(dāng)液晶顯示板調(diào)制線偏振光時(shí)，在液晶顯示板之前和之后設(shè)置有λ/4波片95、97，如果采用了單色液晶顯示板，則該λ/4波片不需要具有寬的帶寬。
權(quán)利要求
1.用于彩色圖象投影裝置的照明系統(tǒng)，它依次包括用于提供輻射束的輻射源和至少一個(gè)用于將該輻射束分成至少兩個(gè)具有不同波長(zhǎng)的子光束膽甾醇鏡，其特征在于在位于輻射源與膽甾醇鏡的輻射束路徑中設(shè)置有用于將未偏振輻射直接轉(zhuǎn)換成圓偏振子束的復(fù)合圓偏振器，所述偏振器包括一個(gè)用于將輻射束分成兩個(gè)彼此垂直并線偏振的子光束的偏振敏感分束器和一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換器，來(lái)自該偏振器的圓偏振子束共同形成一條光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于偏振敏感分束器包括兩個(gè)透明元件，在這兩個(gè)透明元件之間有一個(gè)偏振分離層，且該偏振轉(zhuǎn)換器包括兩個(gè)λ/4波片，每個(gè)λ/4波片被設(shè)置在偏振敏感分束器的不同出射面的對(duì)角位置上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于偏振敏感分束器包括兩個(gè)透明元件，在這兩個(gè)透明元件之間有一個(gè)由液晶材料制成的偏振分離層，其分子在所述層上大體與入射面成45°的方位角并處于等于未偏振輻射束的入射角α的傾斜角，而且偏振轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)第三和一個(gè)第四透明元件，第三和第四透明元件均用于引導(dǎo)分束器提供的線偏振子光束并均具有至少一個(gè)反射面，當(dāng)相應(yīng)的子光束在該反射面上受到反射時(shí)在具有平行于入射面的偏振方向的子光束分量與具有垂直于入射面的偏振方向的子光束分量之間產(chǎn)生一個(gè)相移，在第三和第四元件上的總相移為90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的照明系統(tǒng)，其特征在于第三和第四元件是費(fèi)涅爾棱鏡，這些費(fèi)涅爾棱鏡每一個(gè)都具有第一反射面和第二反射面，它們分別與偏振分離層圍成角度β1和角度β2，其中tgδ12=cosθi,1sin2θi,1-n2sin2θi,1]]>tgθ22=cosθi,2sin2θi,2-n2sin2θi,2]]>其中δ1和δ2分別是進(jìn)入第三和第四元件的線偏振子光束的具有平行于入射面的偏振方向的分量與具有垂直于入射面的偏振方向的分量之間的相移，且這些相移是由于在相應(yīng)反射面上的內(nèi)部全反射而產(chǎn)生的，n是費(fèi)涅爾棱鏡的折射率，θi，1＝α-β1是第一內(nèi)部全反射的入射角度且θi，2＝α-2β1-β2是第二內(nèi)部全反射的入射角度，α是在分束器的偏振分離層上的未偏振輻射束的入射角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的照明系統(tǒng)，其特征在于第一和第二透明元件均與費(fèi)涅爾棱鏡集成為一個(gè)單個(gè)的元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的照明系統(tǒng)，其特征在于至少第三或第四元件在至少一個(gè)反射面具有一個(gè)反射層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的照明系統(tǒng)，其特征在于偏振器的出射面之一帶有偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的照明系統(tǒng)，其特征在于該偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件是一個(gè)λ/2波片。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的照明系統(tǒng)，其特征在于該偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件是一個(gè)雙費(fèi)涅爾棱鏡。
10.由根據(jù)權(quán)利要求1至9的一個(gè)或多個(gè)特征限定并與所述偏振器有關(guān)的圓偏振器。
11.一種圖象投影裝置，它包括照明系統(tǒng)，它帶有提供輻射束的輻射源;一個(gè)圖象顯示系統(tǒng)，它包括至少一個(gè)用于借助對(duì)輻射束的偏振方向的調(diào)制而產(chǎn)生所要投影的圖象的圖象顯示板;以及，一個(gè)投影透鏡系統(tǒng)，用于投影由圖象顯示系統(tǒng)形成的圖象;其特征在于該照明系統(tǒng)是如權(quán)利要求1至9中任何一項(xiàng)所述的照明系統(tǒng)。
全文摘要
彩色圖象投影裝置的照明系統(tǒng)，包括產(chǎn)生未偏振輻射束的輻射源和至少一個(gè)用于以波長(zhǎng)選擇的方式將輻射束分成至少兩個(gè)具有不同波長(zhǎng)的子光束的膽甾醇鏡。在未偏振輻射束在輻射源與膽甾醇鏡之間的路徑上有一個(gè)復(fù)合圓偏振器，用于將未偏振輻射束直接轉(zhuǎn)換成共同形成一個(gè)光束的圓偏振子束。借助圖象顯示板，在通過(guò)或不通過(guò)λ/4波片的情況下對(duì)圓偏振單色子光束調(diào)制，并通過(guò)投影透鏡系統(tǒng)將該光束作為圖象投影。
文檔編號(hào)H04N9/31GK1112688SQ9411935
公開(kāi)日1995年11月29日 申請(qǐng)日期1994年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月17日
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