專利名稱:圖象投影模塊和含有這種模塊的圖象投影裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種圖象投影模塊,它依次包括一照明系統(tǒng)和一圖象顯示系統(tǒng),該照明系統(tǒng)包括一光源和其出射表面位于出射平面中的一積分器系統(tǒng),該圖象顯示系統(tǒng)具有至少一個用于調(diào)制光源發(fā)出的帶有圖象信息的照明光束的顯示板。
本發(fā)明還涉及含有這種圖象投影模塊的圖象投影裝置。
開篇中所述類型的圖象投影模塊本身可見于美國專利US-A 5,098,184。該專利中描述的圖象投影模塊包括一用于提供照明光束的照明系統(tǒng)和至少具有一個用于調(diào)制該光束與待投射的圖象信息一致的顯示面板的圖象顯示系統(tǒng)。除了光源、光源后的反射器和聚光透鏡以外,該已知照明系統(tǒng)還包括一積分器系統(tǒng)。另一個確保所有的再生圖象都疊加在顯示板的平面中的透鏡布置在積分器后面。
所述顯示板可以是例如液晶顯示板。這種顯示板包括夾著一層液晶材料的兩個光透明板,并構(gòu)成二維象素列陣。每個象素包括一有源圖象元件,當它未被尋址時,從外部關(guān)斷相應(yīng)的象素。所述有源圖象元件經(jīng)由同樣屬于象素組成部分的行和列電極采集信號。而且,由于光刻工藝的限制,象素中有一小塊面積不能被驅(qū)動。被行和列電極占據(jù)的象素部分和不能被驅(qū)動的象素部分在以后被稱為無源部分。實際開關(guān)的有源部分和無源部分之間比例定義了顯示板的幾何孔徑。
然而,上述液晶顯示板導(dǎo)致在圖象投影模塊的光輸出方面的很多缺點。
在當前的LCD投影系統(tǒng)中,其目標是小型化。然而,如果縮小顯示板的尺寸,保持分辯率不變,幾何孔徑將降低,這樣會有相當大的光損耗且系統(tǒng)的光輸出將降低。為此,一種解決方案是在顯示板的發(fā)光側(cè)使用微透鏡列陣,確保入射光匯聚在有源象素部分。在小型化的情形下,微透鏡列陣也應(yīng)縮小,微透鏡與液晶層之間的距離也要縮小。這些要求使其制作更復(fù)雜。
而且,如果顯示板通過偏振調(diào)制將圖象信息加到光束中,液晶顯示板通常位于兩偏振器之間。如果非偏振光入射到該顯示板上,約一半的光被第一偏振器吸收,使該偏振器和顯示板被加熱,這樣顯示板可能會被損壞。已知的解決方案是在光源和顯示板之間的光路中使光預(yù)偏振。然而,這需要額外的元件,比如偏振分束器。
而且,如果考慮用單個顯示板的彩色圖象投影裝置,入射到顯示板上光約損失2/3。事實上,彩色顯示板產(chǎn)生由三個肉眼不能分辨的單獨的象素組成的彩色點。在這樣一組的三個象素中,每個象素包括一個用于吸收三原色中的兩個原色的彩色濾光片,所述兩個原色依次可通過其它兩個彩色濾光片之一。因此,每個象素只通過1/3入射光。在已知的圖象投影裝置中,這一現(xiàn)象已經(jīng)通過,例如將光源的光束分成三個單色子光束而解決,如美國專利US-A5,162,042中所述的角度彩色分離。
簡單地說,由于光入射到顯示板的無源部分上且由于具有非期望的偏振方向和/或非期望的波長的光入射到有源部分上,光源提供的光中有相當一部分被損耗了,因而對圖象的形成沒有貢獻。為防止這一點,過去提出了很多解決方法。然而,一個缺點是這些方式實現(xiàn)的圖象投影裝置較復(fù)雜。隨著進一步微型化,這種復(fù)雜性還將增加,因為定位和制作不同元件的要求將更荷刻。
本發(fā)明的一個目的是提供較簡單的圖象投影模塊,其中具有對顯示板不理想的入射位置、波長或偏振方向的光線可被回收并給予另一個對圖象的形成作貢獻的機會。依此方式,不用對光源作額外的措施即可實現(xiàn)了具有較大的光輸出的圖象投影模塊。
為此,根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的特征在于第一反射裝置出現(xiàn)在積分器系統(tǒng)的出射平面中,模塊中還含有選擇性的第二反射裝置,在第一反射裝置和第二反射裝置之間布置有一光學(xué)系統(tǒng),用于經(jīng)由第二反射裝置將積分器系統(tǒng)的出射表面至少部分地成象在第一反射裝置上。
本發(fā)明基于以下認識在圖象形成之前消除光路中的光阻擋或光吸收區(qū)域,引入具有由入射光的偏振方向、波長或位置決定的反射區(qū)域。在非期望的位置入射且具有非期望的波長或偏振方向的光通常被稱作非期望的光。
前述的本發(fā)明思想通過第一和第二反射裝置的結(jié)合而實現(xiàn),在其間非期望的光被反射并至少部分被轉(zhuǎn)換成期望的光。因而非期望的光被回收而不是被吸收或被阻擋,這樣實現(xiàn)了較高的光輸出而沒有使圖象投影模塊更復(fù)雜化。
所述光學(xué)系統(tǒng)確保來自第二反射裝置的光至少部分地到達第一反射裝置,反之亦然。
所述積分器系統(tǒng)可用不同方式形成。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的第一實施方案的特征在于該積分器系統(tǒng)包括第一和第二透鏡板,第二透鏡板中的透鏡集體構(gòu)成積分器系統(tǒng)的出射表面。
在這種情形下,第二透鏡板的平面位于積分器系統(tǒng)的出射平面中。積分器系統(tǒng)的出射表面位于出射平面中。出射表面應(yīng)理解為表示對積分器功能有貢獻的第二透鏡板的表面,換句話說,被第二透鏡板的透鏡占據(jù)的表面。
每個透鏡板裝備有一個透鏡列陣,第一透鏡板的每個透鏡將光源成象在第二透鏡板的一個透鏡上。第二透鏡板的每個透鏡將相應(yīng)的第一透鏡成象在顯示板上。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的另一實施方案的特征在于第一反射裝置包括位于第二透鏡板上的反射區(qū)域。
在這種情況下,第二透鏡板包括透鏡和反射區(qū)域。透鏡和反射區(qū)域的構(gòu)形有不同的方式。形成反射區(qū)域的方式由第二反射裝置選擇非期望的光的參數(shù)確定。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的另一實施方案的特征在于第一反射裝置具有至少一個反射元件與第二透鏡板相鄰接并位于積分器系統(tǒng)的出射平面中。
在這種情況下,至少一個單獨的反射元件布置在第一反射裝置的平面中。同樣,在這里,反射元件的形成由第二反射裝置選擇非期望的光的參數(shù)確定。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案,其中積分器系統(tǒng)以不同的方式形成,其特征在于,積分器系統(tǒng)包括一光透明條,其遠離光源的端面構(gòu)成積分器系統(tǒng)的出射表面。
由于透明條內(nèi)的光的反射發(fā)生在條的側(cè)壁上,在透明條遠離光源的端面處將產(chǎn)生均勻的光分布。
透明條遠離光源的端面可以認為是出射表面。出射表面所在的平面是積分器系統(tǒng)的出射平面。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于第一反射裝置至少有一個反射元件與透明條的端面鄰接并位于積分器系統(tǒng)的出射平面中。
在這種情況下,第一反射裝置由位于積分器系統(tǒng)的出射平面中的一個或多個分離的反射元件構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于第二反射裝置的平面與光軸圍成角度不是90°,所述光學(xué)系統(tǒng)包括第一和第二透鏡,第一透鏡產(chǎn)生的積分器系統(tǒng)的出射表面的圖象位于第二透鏡的焦平面中。
通過傾斜第二反射裝置的平面,積分器系統(tǒng)的出射平面的圖象可以移動穿過出射平面。借助于所述光學(xué)系統(tǒng),反射圖象的幾何特性就象光入射通過出射表面一樣。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于第二反射裝置具有至少部分地與顯示板集成一體的反射區(qū)域。
第一反射裝置優(yōu)選地位于窗口圖象的位置處。窗口圖象表示照明光束在顯示板位置處的剖面。
如果該圖象照明系統(tǒng)為帶有單個彩色顯示板的彩色圖象投影裝置,則產(chǎn)生由三個分離的象素組成的彩色點。這些象素中每一個都包括一個不同的彩色濾波器。當白光入射到彩色顯示板上時,每象素上入射到顯示板上的光中只有1/3將被用于形成圖象。事實上,對于相應(yīng)的象素,有2/3的光的顏色合適,并將被吸收。為防止這一點,根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的特征在于第二反射裝置包括分光反射元件的圖案,該圖案對應(yīng)于顯示板的象素圖象。
因此本發(fā)明的提出用于通過分色鏡圖案替換帶有單個顯示板的彩色圖象投影模塊的常規(guī)彩色濾光片圖案。對應(yīng)每個象素,分色鏡通過波長適合該象素的光,并將其它的光朝向出射平面反射,在那里所述的光得到了再次到達適當?shù)南笏氐臋C會。除了對入射位置的選擇,在這種情況下也發(fā)生波長選擇。
分色反射元件可以與顯示板集成一體,也可以不與顯示板集成。
應(yīng)注意的是,從例如美國專利US-A5,029,986中可知,提供帶有對應(yīng)于象素圖案的分色鏡圖案的顯示板以實現(xiàn)更高的光輸出是已知的。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于在顯示板的照明側(cè)布置有微透鏡列陣,分色元件位于微透鏡列陣的焦平面中。
微透鏡列陣確保入射到顯示板上的光會聚在有源象素部分上。分色鏡可以位于微透鏡列陣的焦平面中。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于微透鏡列陣位于顯示板的照明側(cè),分色元件位于微透鏡列陣上。
液晶顯示板包括二維象素列陣。每個象素包括實際發(fā)生開關(guān)的一有源部分,和由電極和黑色掩蔽構(gòu)成的一無源部分。通常,入射到無源部分上的光不會對圖象的形成有貢獻,并使顯示板加熱,這可能對液晶材料有害。為防止這一點,根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的另一實施方案的特征在于第二反射裝置具有多個至少部分地與顯示板的無源象素部分一致的反射區(qū)域。
通過在顯示板的無源部分的位置處提供反射區(qū)域,入射到該板上的光被朝向第一反射裝置反射。因此,起初入射到無源部分上的光得了第二次或更多次至少部分地到達有源象素部分的機會。在這種情況下,對非期望光的選擇參考入射到顯示板上的位置確定。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于積分器系統(tǒng)的出射平面基本上與第二反射裝置平行,積分器系統(tǒng)的出射平面中的反射部分覆蓋的表面是出射表面的二倍。
這利用第二反射裝置上的二次反射提供了增加圖象投影模塊的光輸出的可能性。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于積分器系統(tǒng)的出射平面基本上與第二反射裝置平行,積分器系統(tǒng)的出射平面中的反射部分的表面是出射表面的三倍。
由此增大了反射的次數(shù),因而增大了回收的可能性。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于第二反射裝置包括安置在照明系統(tǒng)和顯示板之間的反射偏振器,偏振轉(zhuǎn)換裝置位于第一反射裝置上或其附近。
當光束在到達顯示板之前到達反射偏振器時,顯示板不期望的偏振方向?qū)⒈辉俅畏瓷涞谝环瓷溲b置。偏振轉(zhuǎn)換裝置確保這種光的偏振方向被反轉(zhuǎn),因此,在第一反射裝置上反射后,這種光獲得了到達顯示板的又一機會,因而它將對圖象的形成有貢獻。
第二反射裝置也可由反射偏振器和顯示板上或其附近的反射區(qū)域結(jié)合構(gòu)成。在這種情況下,顯示板上的入射光的偏振方向和位置或顏色都被選擇。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于偏振器是線性逆向偏振器。
在這種情況下,光源發(fā)出的非偏振光在偏振器上被線偏振。非期望的偏振方向被朝向來的方向送回。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于偏振器是膽甾醇偏振器。
在這種情況下,光源發(fā)出的非偏振光在偏振器上被圓偏振。
膽甾醇偏振器本身是公知的。這種偏振器包括一層具有膽甾醇次序的液晶聚合物材料的光學(xué)層。這意味著材料的分子在溶液中自發(fā)地整理成間距P的螺旋或螺旋狀結(jié)構(gòu)。當用這種溶液在兩基底之間形成薄的有源層之后,螺旋狀結(jié)構(gòu)的取向使得螺旋的軸與該層垂直。
當非偏振光入射到膽甾醇偏振器時,左旋和右旋圓偏振光束分量將彼此分開。事實上,旋轉(zhuǎn)方向與螺旋的方向相對應(yīng)的光束分量將反射,而另一旋轉(zhuǎn)方向的光束分量將透過。然而,光束分量的透過與否不但取決于旋轉(zhuǎn)方向,還取決于入射光束的波長。反射波長λo=1/2(no+ne)P。只有旋轉(zhuǎn)方向?qū)?yīng)于間距的方向并且波長在波帶λo內(nèi)的光束分量部分才被反射。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的另一實施方案的特征在于偏振器是偏振分束器。
如果顯示板是反射顯示板,這種偏振器特別有利,因為在這種情況下偏振方向的分離伴隨著傳播方向的分離。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的另一實施方案,其中第二反射裝置只由線偏振器構(gòu)成,其特征在于第一反射裝置是鏡面反射的且在第一反射裝置上或在其附近有一λ/4片。
為確保反射偏振器反射的光能在第二次機會中穿過偏振器,圖象顯示板非期望的偏振方向應(yīng)在第一反射裝置處或附近轉(zhuǎn)換成期望的偏振方向。這可以通過,例如,將第一反射裝置形成為鏡面裝置并在這些第一反射裝置上或附近提供λ/4片來完成。然后線偏振光被λ/4片轉(zhuǎn)換成圓偏振光。其偏振方向被鏡面反射器反轉(zhuǎn)。當該圓偏振光再通過λ/4片時,它將被轉(zhuǎn)換成偏振方向與初始光束互補的線偏振光。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案,其中第二反射裝置包括線偏振器且在顯示板上或附近有反射區(qū)域,特征在于在線偏振器上反射的光的光路中有一λ/4片,第一反射裝置至少在由線偏振器反射的光入射的位置處是鏡面反射的。
由于被偏振器反射的光必定改變其偏振方向,偏振方向應(yīng)在這些光到達的位置處轉(zhuǎn)換。這可通過在從偏振器反射來的光到達的位置處將第一反射裝置形成為鏡面反射裝置并在該光的光路中提供λ/4片來完成。
來自顯示板的反射光具有錯誤的位置或者錯誤的顏色,因而不應(yīng)改變其偏振方向。因此,該光到達的位置應(yīng)保持它們的偏振方向。對于線偏振光,例如,鏡反射器保持其偏振。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案,其中第二反射裝置只由膽甾醇偏振器構(gòu)成,特征在于第一反射裝置是鏡面的。
假定第一反射裝置是鏡面反射的,當被膽甾醇偏振器反射的光束分量再次到達第一反射裝置時,其偏振方向?qū)⒎崔D(zhuǎn)。因此來自第一反射裝置的光束分量將具有適宜的偏振方向以朝向顯示板穿過膽甾醇偏振器。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案,其中第二反射裝置包括一膽甾醇偏振器并在顯示板上或其附近有反射區(qū)域,特征在于第一反射裝置上或附近的λ/4片位于從反射區(qū)域反射的光的光路中。
依此方式,偏振方向和顯示板上的入射位置都被選定。在這種情況下,λ/4片應(yīng)位于對應(yīng)于被顯示板反射的光到達第一反射裝置的位置的地方。鏡反射器上被偏振器反射的光到達的位置應(yīng)保持不被處理,因為該光的偏振方向必定反轉(zhuǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案,其中第二反射裝置包括膽甾醇偏振器并在顯示板上或附近有反射區(qū)域,其特征在于在反射區(qū)域反射的光的光路中有一膽甾醇元件,其旋轉(zhuǎn)方向與膽甾醇偏振器相反并位于第一反射裝置上或其附近。
在入射光的偏振方向必須被維持的地方,可以提供一個其旋轉(zhuǎn)方向與構(gòu)成第二反射裝置一部分的膽甾醇偏振器相反的膽甾醇元件,而不是提供一λ/4片。顯示板反射的光將通過膽甾醇偏振器朝向第一反射裝置,在這里光被膽甾醇元件反射同時保持偏振方向,假設(shè)這些元件具有相反的旋轉(zhuǎn)方向。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案,其中第二反射裝置在顯示板上或其附近有反射區(qū)域,其特征在于反射偏振器的平面,一方面和反射區(qū)域的平面,另一方面和顯示板,與光軸圍成一個不同于90°的角度并且相互圍成一個角度。
依此方式可以確保反射光到達得到第二次機會的可能性最佳的地方。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于膽甾醇偏振器包括一層液晶聚合物材料層,在該層中分子螺旋的間距在分別對應(yīng)于至少覆蓋可見光波長范圍所需的反射帶的下限值和上限值之間變化。
這在整個可見光波長范圍內(nèi)提供了偏振分離的可能性。這在具有單個顯示板的彩色圖象投影裝置中特別有利。由單個層組成的膽甾醇偏振器的優(yōu)點是能獲得較高的光學(xué)質(zhì)量,并且盡管波長范圍很大,偏振器較薄。而且可以以簡單方式考慮偏振器上非垂直角入射光的反射波段的移動。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的另一實施方案的特征在于在膽甾醇偏振器和顯示板之間有一λ/4片。
有調(diào)制圓偏振光的顯示板,也有調(diào)制線偏振光的顯示板。由于膽甾醇偏振器是圓偏振器,如果考慮使用線性顯示板,在偏振器和顯示板之間應(yīng)有一λ/4片,以便使期望的圓偏振光束分量轉(zhuǎn)換成線偏振光束分量。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案,其中積分器系統(tǒng)包括第一和第二透鏡板,特征在于第二透鏡板是半圓或1/4圓形的,照明系統(tǒng)適于在第二透鏡板位置處分別提供半圓或1/4圓形的照明光束。
依此方式投影透鏡的出射孔可以理想地充滿光。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案,其中積分器系統(tǒng)包括第一和第二透鏡板,其特征在于第一透鏡板的透鏡的寬高比對應(yīng)于顯示板的寬高比。
依此方式實現(xiàn)了顯示板的有效照明。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于圖象顯示系統(tǒng)包括兩個顯示板,一個顯示板適于調(diào)制一個單色光束。另一個顯示板適于調(diào)制至少兩個不同的單色光束,顯示板前有一分光濾光片,其透射波長對應(yīng)于欲被相應(yīng)顯示板調(diào)制的光的波長,在光源和相應(yīng)顯示板之間的光路與前述的光源與顯示板之間形成的光路類似。
在一實施方案中,一個顯示板用于兩個顏色,另一個顯示板用于第三個顏色,其優(yōu)點在于可以為單色顯示板的顏色獲得高分辨率。另一個優(yōu)點在于可以優(yōu)化燈的光譜效率。結(jié)合發(fā)生在一個顯示板中的兩個顏色當然可以是任意兩個原色的組合。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于圖象顯示系統(tǒng)包括兩個顏色顯示板,其中光源和相關(guān)顏色顯示板之間的光路的形成類似于前述的光源與顯示板之間的光路。
這種組合本身可以用于三維圖象投影裝置。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于每個顏色信道的形成類似于前述的圖象投影模塊的顯示板和光源之間的光路。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于用于重新合并被調(diào)制的單色子光束的裝置是由包含兩個彼此交叉的分光鏡的分光棱鏡系統(tǒng)構(gòu)成。
用于重新合并的分光鏡的質(zhì)量,尤其是平面度非常重要。根據(jù)所述實施方案的顏色合并系統(tǒng)特別有利于用在小型圖象投影系統(tǒng)中,因為這種系統(tǒng)具有較高的發(fā)散,而由于此發(fā)散,分光鏡的界面基本上不可見。而且,由于分光鏡位于較厚和磨光的基底上,分光鏡可以以很平坦的方式形成。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的又一實施方案的特征在于該圖象顯示系統(tǒng)是反射型圖象顯示系統(tǒng)。
本發(fā)明還涉及一圖象投影裝置,它包括一照明系統(tǒng)和結(jié)合構(gòu)成一圖象投影模塊的圖象顯示系統(tǒng),還配備有一投影透鏡系統(tǒng),其特征在于圖象投影模塊以前述方式形成。
根據(jù)本發(fā)明有的圖象投影裝置的特征在于在第二透鏡和投影透鏡系統(tǒng)之間有用于將積分器系統(tǒng)的出射平面成象在投影透鏡系統(tǒng)的入射口中的第三透鏡。
該第三透鏡確保投影透鏡的尺寸保持有限。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影裝置的另一實施方案的特征在于膽甾醇偏振器位于第二和第三透鏡之間。
其原因在于第二反射裝置總是位于顯示板上或附近,這里光束是遠心的。
所有所述的λ/4片優(yōu)選為消色的,即,它們在很寬的波長范圍內(nèi)有效,因此本發(fā)明毫無問題可用于彩色圖象投影裝置。
參照下述的實施例,本發(fā)明的這些和其它方面將變得很清晰。
在附圖中
圖1(a)和1(b)表示包含積分器系統(tǒng)的圖象投影裝置的實施例。
圖2,5(a),5(b),7和8表示根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的一些實施例;圖3表示用于第二反射裝置上的單個反射的透鏡板表面上反射區(qū)域和透鏡元件的分布;圖4(a)和4(b)表示用于第二反射裝置上的雙反射的第二透鏡板表面上的反射區(qū)域和透鏡元件的分布;圖6(a)和6(b)表示如果第二反射裝置由膽甾醇偏振器和與顯示板集成一體的反射區(qū)域的結(jié)合構(gòu)成,積分器的出射表面上反射表面和積分器表面的分布,和第二透鏡板的表面上反射區(qū)域和透鏡元件的分布;圖9和10各表示包括根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊、帶有三個單色顯示板的彩色投影裝置的實施例;圖5(c)和11表示包括根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊、帶有反射型顯示板的圖象投影裝置的實施例;和圖12(a)和12(b)分別表示用于具有半圓形和14]]>圓形剖面的光束的積分器系統(tǒng)的出射表面上反射表面和積分器表面的分布。
圖1(a)概略示出的圖象投影裝置1包括結(jié)合構(gòu)成圖象投影模塊2的圖象顯示系統(tǒng)13和照明系統(tǒng)3。照明系統(tǒng)3配備有部分地被拋物面反射器7環(huán)繞的光源5,光源5后面是聚光鏡9。光源也可以被球面反射器圍繞。這時,可以省去聚光鏡。照明系統(tǒng)3具有出射窗口11。它是與圖象投影裝置1的光軸垂直的虛面,相對它可以確定很多元件的位置。從光源5看過去,出射窗口11可以剛好位于顯示板15的前面。
圖象顯示系統(tǒng)13包括封裝在兩個偏振器25和27之間的一顯示板15。圖象投影裝置1還包括一投影透鏡系統(tǒng)17,為清楚起見用單個透鏡表示,用于將調(diào)制過的光投影到圖象投影屏16上。
照明系統(tǒng)3包括用于優(yōu)化裝置的光輸出和圖象均勻性的積分器系統(tǒng)19。積分器系統(tǒng)19可以包括如圖1(a)的實施例所示的第一透鏡板21和第二透鏡板23。每個透鏡板21、23包括布置成矩陣形式、由22、24表示的多個透鏡。第一透鏡板21的透鏡具有,例如,對應(yīng)于顯示板15的寬高比的一致的寬度和一致的高度。第一透鏡板21的每個透鏡22在第二透鏡板23的對應(yīng)透鏡24上產(chǎn)生燈圖象。第二透鏡板23的對應(yīng)透鏡24上產(chǎn)生燈圖象。第二透鏡板23的每個透鏡24將第一透鏡板21的對應(yīng)透鏡22成象在顯示板15上,顯示板上的所有圖象彼此重疊。
另外,積分器系統(tǒng)19可以由光透明條構(gòu)成。耦合到透明條里的光在側(cè)壁上將被反射幾次,因此在透明條的遠離光源5的端面20上可以實現(xiàn)均勻的光分布。圖1(b)表示帶有作為積分器的光透明條的圖象投影裝置。
顯示板可以是,例如,包含象素矩陣的液晶顯示板。當未被尋址時從外部解耦合象素的一有源元件,例如TFT(薄膜晶體管)出現(xiàn)在每個象素中。有源元件經(jīng)由在象素之間延伸的行和列電極接收它們的信號。而且,由于光刻限制,在象素中存在不能被驅(qū)動的小塊區(qū)塊。因此,可以認為象素由實際被開關(guān)的有源部分和無源部分組成。如果不采取外部措施,無源部分將導(dǎo)致相當?shù)墓鈸p耗。事實上,來自光源并入射到無源象素部分上的光對圖象的形成沒有貢獻。而且,由于吸收,這些光導(dǎo)致顯示板被不期望地加熱。已知的方案是在顯示板的照明側(cè)布置一微透鏡列陣,該列陣確保光集中在有源象素部分上。其缺點是當它們被小型化時,這種顯示板的制作將變得極其復(fù)雜。
顯示板可以是單色顯示板。如果希望做成彩色圖象投影裝置,可以提供例如三個顏色信道,每個對應(yīng)一個原色,然后為每個顏色信道提供一單色顯示板。來自光源的光首先被分成三個子光束,在調(diào)制后再重新合并在一起。
另外,顯示板也可以是彩色顯示板。在這種情況下,每個彩色點由三個肉眼不能區(qū)別的不同的單色象素產(chǎn)生。這些象素配備有一彩色濾光片,它透射相應(yīng)的顏色并吸收其它兩種原色。依此方式,然而,從光源入射的光有2/3由于吸收而損耗。
如果顯示板的工作基于偏振調(diào)制,顯示板位于產(chǎn)生偏振光的第一偏振器25和使偏振調(diào)制的光作為照度變化而可見的第二偏振器27,第二偏振器也稱作檢偏器。來自光源5的光通過第一偏振器25損耗約50%。已知的方案是將第一偏振器形成為反射型偏振器并將它與偏振轉(zhuǎn)換元件結(jié)合以便將顯示板不期望的偏振方向轉(zhuǎn)換為期望的偏振方向。為防止檢偏器加熱,可以選擇折射型檢偏器。這種檢偏器折射而不是吸收從光路來的不適于形成圖象的光。
如果顯示板是,例如,散射液晶顯示板,例如PDLC,可以省去偏振器。
所有這些已知的使光損耗盡可能減少的措施使得圖象的形成很復(fù)雜。尤其當希望進一步縮小顯示板時,對系統(tǒng)中的光學(xué)元件的要求將更苛刻。
本發(fā)明提出了幾種措施可以使圖象投影模塊的光損耗顯著降低而不會使模塊更復(fù)雜,即使顯示板進一步小型化。
圖2、5(a)、5(b)、5(c)、7、8、9、10和11表示根據(jù)本發(fā)明的圖象投影裝置的一些實施例,下面將描述它們。
本發(fā)明提出的一個措施是在積分器系統(tǒng)19的出射平面中提供第一反射裝置和在照明系統(tǒng)3的出射窗口11中或附近提供第二反射裝置,積分器系統(tǒng)19的出射表面借助位于第一和第二反射裝置之間的光學(xué)系統(tǒng)31被經(jīng)由第二反射裝置成象在出射平面29中。如果積分器系統(tǒng)包括兩個透鏡板,出射平面29是第二透鏡板23所在的平面。如果積分器系統(tǒng)由光透明條組成,出射平面29是端面20所在的平面。在上述方式中,有可能回收來自光源5并入射在顯示板15上的非期望位置或具有不適于調(diào)制的光特性比如非期望的偏振方向或波長的光,并給它又一次入射到顯示板上的不同位置或具有不同的偏振方向的機會,以便使它對圖象的形成有貢獻。根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊適合于使反射的光,換句話說,非期望的光,將積分器系統(tǒng)的出射表面的新圖象成象在出射平面29中第二透鏡板23或端面23所在的區(qū)域中。通過把第一反射裝置放在該圖象的位置處,光能再次反射到顯示板15,給它另一個被調(diào)制的機會。
第一和第二反射裝置有各種可能的實施方案。每個反射裝置和它們的組合的實施方案依賴于對回收光的參數(shù)的選擇。
第一反射裝置可以由位于積分器系統(tǒng)19的出射平面中一個單獨的元件構(gòu)成。這一實施例對積分器系統(tǒng)的兩種實施方案都是可行的。第一反射裝置也可集成在第二透鏡板23中。這個實施例只在使用帶透鏡板的積分器系統(tǒng)時是可行的。
第二反射裝置的平面相對光軸傾斜,因此積分器系統(tǒng)的出射表面的圖象移過出射平面。
圖2表示帶有圖象投影模塊的圖象投影裝置的實施例,其中第一反射裝置與透鏡板23集成一體,并由分布在該透鏡板表面上的反射區(qū)域33構(gòu)成。第二透鏡板23的每個透鏡24發(fā)出具有與顯示板15相對應(yīng)的寬高比的相同的光錐。位于積分器系統(tǒng)19和顯示板15之間的光學(xué)系統(tǒng)31包括第一透鏡35和第二透鏡37。第二透鏡板23的每個透鏡24的窗口圖象產(chǎn)生在第一透鏡35的焦平面中,所有的窗口圖象一致。窗口圖象表示照明光束在顯示板15的區(qū)域處的剖面。通過改變透鏡35的焦距,窗口圖象的尺寸可以調(diào)節(jié)。選擇第二透鏡37,使得當?shù)谝煌哥R35產(chǎn)生的第二透鏡板23的圖象成象在第二透鏡37的焦平面中時,第二透鏡37將第二透鏡板23成象在無窮遠處。由于對第一透鏡35和第二透鏡37的這種選擇,第二透鏡板23的圖象在被反射區(qū)域33反射之后再次到達初始平面29,其尺寸沒有變化。第二透鏡板23包括,例如,與透鏡元件24相同數(shù)目的反射元件33,而且反射元件33與透鏡元件的尺寸也相同。圖3表示在第二透鏡板23的表面上反射元件33和透鏡元件24的分布。
由于第二反射裝置的平面相對光軸傾斜,第二透鏡板的每個透鏡可以成象在位于透鏡之間的反射元件上。在第二透鏡板的這些元件上反射之后,來自這些元件的光錐將與那些來自第二透鏡板的透鏡的光以類似的方式照亮顯示板,因為來自反射元件的光錐與來自第二透鏡板的透鏡的光錐在幾何上相同。依此方式,圖象投影模塊的光輸出可以顯著增加。在這種構(gòu)形中,第二反射裝置上第二次反射的光線將到達該光線起源的第二透鏡板23中的透鏡上。因此,由于第二次反射,在本實施例中對系統(tǒng)的光輸出沒有給出額外的貢獻。
前述的實施方式與使用微透鏡列陣的效果相同,即,由于光也入射到無源部分上引起的光損耗被顯著降低了,盡管還有其它優(yōu)點其工作與顯示板的基底的厚度無關(guān),因此不受顯示板小型化的影響,且顯示板具有降低的幾何孔徑,例如顯示板具有相同的尺寸但具有更高的分辨率。
第一反射裝置的另一實施例由在積分器系統(tǒng)19的出射平面29中、在積分器系統(tǒng)的出射表面旁邊或之上提供一個單獨的反射元件來組成。這時,第一反射裝置不與第二透鏡板集成一體。本實施方案可以用于兩種積分器系統(tǒng),在后面將詳細描述。
第二反射裝置也可以有不同的實施方案。第二反射裝置可以位于照明系統(tǒng)3的出射窗口11中,但也可以位于它的附近,然后與顯示板集成一體。第一種方式,其中裝置與顯示板集成一體,是用分光鏡圖案替換已知顯示板上的吸收彩色濾光片圖案,如果使用單個彩色顯示板的話。這時,在給定波長的入射在非期望的位置上的光獲得了另一個入射到顯示板上不同位置的機會。每個濾光片不是吸收兩種原色,而是這兩種原色被朝著積分器系統(tǒng)19的出射平面29反射。假設(shè)第一和第二反射裝置彼此成適當?shù)慕嵌仍诘谝环瓷溲b置上反射后,這些波長的光將到達顯示板上不同的位置,在這種情況下,第二反射裝置的傾斜包括顯示板的傾斜。
第二反射裝置也可以包括顯示板上的反射區(qū)域。如前所述,入射在無源部分上的光不會對圖象的形成有貢獻。通過使這些無源部分反射光,入射的光將朝向第一反射裝置反射,并在第二次機會中,隨后入射到不同部分上,這些部分中至少有一些是有源象素部分。
為獲得甚至更高的光輸出,積分器系統(tǒng)19的出射平面29與第二反射裝置一樣相對光軸傾斜相同的角度。如果積分器系統(tǒng)包括兩個透鏡板,第二透鏡板是傾斜的。如果積分器系統(tǒng)包括光透明條,端面20可以以給定的角度打磨。依此方式,在顯示板上實現(xiàn)了第二反射,使得光再次被引導(dǎo)到積分器系統(tǒng)的出射表面上的反射元件的圖案上并因此對系統(tǒng)的光輸出有貢獻。出射平面29中的反射表面應(yīng)當有出射表面的二倍大。如果反射區(qū)域與第二透鏡板集成一體,第二透鏡板23的反射表面是透鏡表面的二倍大。圖4(a)和4(b)各表示透鏡板23表面上反射區(qū)域33與透鏡元件24的一種可能分布。
第二反射裝置也可以包括一反射型偏振器39,如圖5(a)所示。有各種不同形式的反射型偏振器。反射型偏振器可以是線性逆向偏振器。當非偏振光束入射到這種偏振器上時,光束的一半將通過。其它偏振方向?qū)⒊蚬鈦淼牡胤椒瓷?。為使反射的光獲得第二次機會并能對圖象的形成有貢獻,偏振轉(zhuǎn)換裝置位于第一反射裝置上或其附近。為此,第一反射裝置可形成為鏡反射器,在偏振器和第一反射裝置之間的光路上有一λ/4片。該λ/4片可以位于第一反射裝置上或其附近。因此,偏振方向被轉(zhuǎn)換為互補的偏振方向,因而在到達偏振器39后能朝向顯示板15穿過。
反射型偏振器39也可以是膽甾醇偏振器。膽甾醇偏振器包括具有膽甾醇次序的液晶材料,是圓偏振器,它反射的偏振方向的旋轉(zhuǎn)方向?qū)?yīng)于膽甾醇材料的分子螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。反射的偏振方向應(yīng)該是顯示板不期望的偏振方向,并朝向第一反射裝置反射。與此相結(jié)合,第一反射裝置應(yīng)形成為鏡反射器,因為鏡反射器將圓偏振光轉(zhuǎn)換成具有相反的旋轉(zhuǎn)方向的偏振光。到達膽甾醇偏振器后,該旋轉(zhuǎn)方向?qū)⑼ㄟ^。在這種情況下,第二反射裝置位于照明系統(tǒng)和顯示板之間,可能在照明系統(tǒng)3的出射窗口11中。如果顯示板工作在線偏振光,優(yōu)選地在膽甾醇偏振器和顯示板之間放置一λ/4片41,以便將來自膽甾醇偏振器的圓偏振光轉(zhuǎn)換成線偏振光。該λ/4片41用虛線表示,因為它是可選的元件。經(jīng)由積分器系統(tǒng)的出射表面通過到顯示板15的非偏振光,例如通過第二透鏡板23的透鏡24,被膽甾醇偏振器圓偏振。對顯示板15來說非期望的偏振方向經(jīng)由第一透鏡35和第二透鏡37朝向出射表面29反射,并成象在第二透鏡板23上的反射區(qū)域33的圖案上。被這些元件33反射后,圓偏振方的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒎崔D(zhuǎn),假設(shè)些元件形成為鏡反射器。光經(jīng)由第一和第二透鏡35,37再次入射到膽甾醇偏振器39上,現(xiàn)在它具有適當?shù)男D(zhuǎn)方向,能穿過到達顯示板15。
如果第二反射裝置包括膽甾醇偏振器,顯示板前的第一偏振器25可以省掉。
另一種方案是將用分束器形成偏振器29。其實施例示于圖5(b)。非期望的偏振方向從光路中被分束器39偏轉(zhuǎn)并送向反射器40。第一反射裝置也應(yīng)是鏡面的,且一λ/4片應(yīng)位于在偏振器39和第一反射裝置之間的光路上,以便在光再次到達分束器之前轉(zhuǎn)換偏振方向。用分束器作為偏振器特別適合于反射型顯示板的情況,因為在那種情況下,不同的偏振方向最終具有不同的傳播方向。
第二反射裝置還可以包括位于顯示板15上或其附近的反射區(qū)域或分光鏡。在這種情況下,應(yīng)小心操作,使在被第一反射裝置反射后被反射區(qū)域反射的光保持其偏振方向,而被偏振器反射的光的偏振方向被反轉(zhuǎn),以使它隨后能通過偏振器39。
如果積分器系統(tǒng)包括兩個透鏡板,例如,對第二透鏡板23的每個透鏡24提供三個反射元件33,透鏡元件的尺寸與反射元件的尺寸相等。圖6(a)表示了透鏡板23上的這種分布。由M表示的反射元件位于透鏡24之上。對于偏振器39反射的光,透鏡被成象在這些元件上。
如果第一反射裝置包括一個位于積分器系統(tǒng)19的出射平面29中的分離的反射器,則有三個反射元件,其表面積基本等于出射表面的表面積。圖6(b)表示這種構(gòu)形的一個例子。出射表面,或者說具有積分器功能的部分,由參考標號24表示。反射區(qū)域M、N1和N2與圖6(a)中的反射元件M、N1和N2的功能相同,下面將詳細描述。
如果偏振器39是膽甾醇偏振器,假設(shè)元件M形成為鏡反射器。它們將使入射到其上的光的圖形偏振方向反轉(zhuǎn),事實上,這些元件接收偏振器反射的光。反射元件N1接收顯示板15的反射區(qū)域第一次反射的光,因為該光到達顯示板15上的非期望位置處。這些反射元件N1位于透鏡24和元件M旁邊。顯示板15和膽甾醇偏振器39都相對光軸傾斜,但傾斜的方向不同。由于元件N1接收顯示板反射的光,這些元件上配有一λ/4層以使偏振方向在被這些元件反射后保持不變。元件N2應(yīng)與元件N1以相同的方式形成。實際上,元件N2接收被顯示板第二次反射的光。
代替在元件N1和N2上提供一λ/4片以使入射光的偏振方向保持不變,元件N1和N2上可以配有一旋轉(zhuǎn)方向與偏振器39相反的膽甾醇偏振器。光首先穿過偏振器39朝向顯示板。由于光入射在顯示板上的非期望位置,它被顯示板反射并再朝向第一反射裝置穿過偏振器39。如果,在這些光到達的位置處,第一反射裝置具有旋轉(zhuǎn)方向與偏振器39的旋轉(zhuǎn)方向相反的膽甾醇偏振器,該光將在那里被反射,其偏振方向不變。隨后,它再穿過偏振器39并至少部分地到達顯示板上的合適位置處。
在線性反射偏振器與顯示板上或其附近的反射區(qū)域組合中,光入射到其上并被顯示板反射的第一反射裝置的區(qū)域N1和N2應(yīng)保持偏振方向不變并鏡面反射線偏振光。光入射到其上并被偏振器反射的區(qū)域M應(yīng)轉(zhuǎn)換偏振方向并隨后鏡面反射,并且還應(yīng)配置一λ4]]>片。
這些實施方案還應(yīng)能傾斜第二透鏡板23平行于第二反射裝置,以便使圖象顯示板上的第二次反射對系統(tǒng)的光輸出有貢獻。顯示板15還可配備有一微透鏡列陣(未示出)。這使得入射光主要集中在顯示板的有源象素部分。微透鏡列陣可用兩種不同模式提供。在第一種模式中分光鏡位于微透鏡列陣的焦平面中。每個鏡子的中心位于相應(yīng)的微透鏡的光軸上。微透鏡列陣平行于顯示板。在第二種模式中,分光鏡位于微透鏡列陣平坦的一側(cè)。
如前所述,第一反射裝置可以由與第二透鏡板23相鄰并位于積分器系統(tǒng)的出射表面下面、上面或后面的相同平面29中的一反射元件29構(gòu)成。圖7表示帶有這種圖象投影模塊的圖象投影裝置的一個實施例。第二反射裝置反射的光在積分器系統(tǒng)19的出射平面29中反射元件43所在的位置處形成出射表面,例如透鏡板23或端面20的新圖象。該反射元件43再將光送到顯示板15,在那里它獲得了被顯示板調(diào)制的第二次機會。反射元件43在這種情況里是一個單獨的元件。
如果第二反射裝置由如圖7所示的膽甾醇偏振器39構(gòu)成,膽甾醇偏振器相對光軸傾斜,因此,結(jié)合第一和第二透鏡35,37,膽甾醇偏振器39反射的光到達反射元件43。在這種情況下,反射元件43應(yīng)該是鏡反射器,以便能反轉(zhuǎn)入射偏振光的旋轉(zhuǎn)方向。反射元件43可以是,例如金屬鏡面。被反射元件43反射到顯示板15的光現(xiàn)在能通過膽甾醇偏振器39。第二透鏡板23或反射元件43上的端面20的反射圖象具有與光穿過積分器時的相同的幾何特性和形狀。在出射平面29中,積分器系統(tǒng)的出射表面的反射圖象相對光軸0是通過出射表面的光束的點對稱鏡象。
在含有包括兩個透鏡板的積分器系統(tǒng)的圖象投影模塊的優(yōu)選實施方案中,照明系統(tǒng)適于在第二透鏡板的位置處產(chǎn)生具有半圓或1/4圓形剖面的光束,在光源提供的光束中沒有光的損耗。在這種情況下,初始和鏡象圖象聯(lián)合構(gòu)成照亮顯示板15的圓形剖面。反射元件43上的反射圖象經(jīng)由第一和第二透鏡35、37在光穿過積分器系統(tǒng)19的相同位置構(gòu)成一窗口圖象。對于帶有兩個透鏡板的積分器系統(tǒng)的具體實施例,參見歐洲專利說明書EP 0 467 447。
圖12(a)和12(b)分別表示對于半圓形和1/4圓形剖面的照明光束,積分器系統(tǒng)的出射表面和分離的反射元件的結(jié)合的可能構(gòu)形。依此方式,通過調(diào)整出射平面29的形狀與光束的剖面形狀相對應(yīng),可以節(jié)省材料。
如果顯示板15工作于線偏振光,一λ/4片位于膽甾醇偏振器39和顯示板15之間。
如果第二反射裝置與顯示板15集成一體,在顯示板15上反射的光也成象在出射表面后面、下面或上面的出射平面29中。如果反射元件43是,例如,金屬鏡且第二反射裝置是膽甾醇偏振器,則該鏡將被放置在顯示板的反射光到達的位置處,帶有一λ/4層或者帶有一旋轉(zhuǎn)方向與偏振器39的旋轉(zhuǎn)方向相反的膽甾醇偏振器,以禁止在反射元件上反轉(zhuǎn)偏振方向。顯示板15相對光軸傾斜一個角度,使得第二透鏡板23的圖象到達反射元件43。
圖象投影模塊還可配置、第三透鏡45,它在投影透鏡17的光瞳中形成穿過積分器系統(tǒng)19的光的圖象和反射圖象的圖象。圖8表示帶有圖象投影模塊的圖象投影裝置的一個實施方案,其中光學(xué)系統(tǒng)包括第三透鏡45。透鏡45可以位于顯示板的前面或后面。在圖8中,第一反射裝置由單獨的反射元件構(gòu)成。第三透鏡45可以放在其中第一反射裝置與第二透鏡板集成一體的圖象投影模塊中,或者放在第一反射元件由單獨的反射器構(gòu)成的圖象投影模塊中。如果有這種透鏡45,膽甾醇偏振器可以放在第二和第三透鏡之間,只要該位置的積分器圖象在無窮遠處。
所述λ/4片和λ/4層優(yōu)選為消色的。
圖9表示帶有三個單色顯示板53、55、57而不是單個彩色顯示板的彩色圖象投影裝置。光源5發(fā)出的白光通過例如兩個分色鏡47、49被分成三個子光束,每個子光束為一個原色。對應(yīng)于相應(yīng)顏色、用于調(diào)制含有圖象信息的子光束的單色顯示板53、55、57位于這些子光束的每一個中。在調(diào)制后,這些子光束通過兩個分色鏡59、61被合并為單個光束,它通過為簡捷起見由單個投影透鏡17表示的投影透鏡系統(tǒng)被投射到圖象投影屏16上形成圖象。由參考標號51和63表示的鏡子是普通的折鏡(folding mirror)、在本實施例中,照明系統(tǒng)3包括帶有第一透鏡板21和第二透鏡板23的積分器系統(tǒng)19。第一反射裝置位于第二透鏡板23的平面29中。
第一反射裝置可以出現(xiàn)在兩透鏡之間的反射區(qū)域33的形式與透鏡板23集成一體,如圖9所示。每個顯示板都具有這種反射區(qū)域。另外,第一反射裝置可以類似于圖7和8所示的由單獨的反射元件構(gòu)成并位于透鏡板23的平面中。第二反射裝置可以包括一膽甾醇偏振器39。每個顏色信道包括從光源看位于顯示板前面的一膽甾醇偏振器。該膽甾醇偏振器可以認為是照明系統(tǒng)的一部分。如果第二反射裝置包括一膽甾醇偏振器,第一反射裝置應(yīng)形成為鏡反射器。第二反射裝置也可以包括與顯示板的無源象素部分至少部分一致的反射區(qū)域。在這種情況下不適用第二反射裝置包含分色鏡圖案的實施方案,因為顯示板是單色顯示板。
第二反射裝置也可以是每顏色信道中反射型偏振器和帶有反射區(qū)域的顯示板的組合。在這種情況下,第一反射裝置的形成方式使被顯示板反射的光在被第一反射裝置反射后不會改變偏振方向,而被偏振器反射的光的偏振方向應(yīng)轉(zhuǎn)換。
為使顏色合并可不使用單獨的分色鏡,合并系統(tǒng)可以形成為其中分色鏡彼此交叉的棱鏡系統(tǒng)。依此方式,由于鏡子位于較厚且磨光的基底上,它們可以非常平。而且在小型化圖象投影裝置中,兩個分色鏡之間的界面可能是基本不可見的,因為在這種系統(tǒng)中照明光束有較大的發(fā)散。圖10表示了它的一種實施例。
圖10表示含有根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的圖象投影裝置1的側(cè)視圖。光源5發(fā)出的非偏振光入射在分色交叉(cross)71上,它確保分成三種顏色信道,每個信道對應(yīng)一個原色。分色交叉71可以包括空氣中的分色鏡,因為這對圖象特性不很重要。圖中只表示了一個顏色信道。其它兩個顏色信道放在附圖平面的上面或下面。每個顏色信道有一用于偏折光路的第一鏡75。光隨后通過積分器系統(tǒng)73并經(jīng)由透鏡系統(tǒng)31和第二鏡77到達顯示板79。在每個顏色信道中的光被相應(yīng)的顯示板調(diào)制后,它被第二分色棱鏡81合并以便隨后由投影透鏡系統(tǒng)83投射。
由于對入射到顯示板的非期望位置或具有對每個顏色信道中的圖象的形成所不期望的光學(xué)特性的光的第二次機會的工作原理類似于前述針對圖象投影模塊的光路所描述的,下面將參考上面對附圖的描述。
三種顏色信道中的每個光路都可以根據(jù)本發(fā)明形成。圖10所示的實施例的優(yōu)點在于在第二透鏡板和照明系統(tǒng)的出射窗口之間沒有分色鏡。
圖11表示根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的另一實施例,其中顯示板是反射型顯示板。來自照明系統(tǒng)3的非偏振光經(jīng)由透鏡系統(tǒng)31和λ/4片85入射在偏振分束器87上。一個偏振方向能通過分束器87的界面89,而來自光源的光的另一偏振方向?qū)⒈黄洹D11的實施例具有兩個顯示板89、91。顯示板是反射類型的。顯示板89是,例如,只調(diào)制紅光的板。為限制光損耗,只通過紅光而反射的綠光和藍光分色鏡93的布置在顯示板89前。作為調(diào)制的結(jié)果,紅光的偏振方向可以改變,且隨后,改變了偏振方向的光將被朝向投影透鏡17偏射。顯示板91是,例如,調(diào)制藍光和綠光的板。通過藍、綠光并反射紅光的分色鏡95位于顯示板91前。在這種情況下,偏振方向也將由于調(diào)制而改變,因此分束器87將朝向投影透鏡17通過調(diào)制光。
顯示板91中的象素上可以配備有藍、綠光透光濾光片。另外,顯示板可以用圖象信息以時間為序調(diào)制藍、綠光束,使經(jīng)由該顯示極成象在屏上的光被時間同步且只有藍、綠光被阻擋。
這種實施例的一個優(yōu)點是可獲得單色顯示板的顏色的高分辨率或者燈的光譜效率的優(yōu)化,其中一個顯示板用于兩種顏色且第二個顯示板用于第三種顏色。三種顏色當然可以以不同的方式分配在兩個顯示板上。
另外,也可以使用一三色顯示板和一單色顯示板的組合。這時,顏色顯示板前的分色鏡可以省去。這種組合可以在給定顏色的峰值照度下實現(xiàn)極強的照明。
其它可能的組合是兩個三色顯示板或一個三色顯示板和一個黑白顯示板。
在前述所有實施例中,光路可以類似于根據(jù)本發(fā)明的圖象投影模塊的方式形成。這時,被顯示板反射的光到達的第一反射裝置的位置應(yīng)保持它們的偏振方向。
已參考帶有兩個透鏡板的積分器系統(tǒng)描述了所有的圖2,5(a)、5(b)、5(c)、7、8、9和10,但它們也可以替換地具有由光透明條構(gòu)成的積分器系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種圖象投影模塊,依次包括一含有光源的照明系統(tǒng)和含有至少一個用于用圖象信息調(diào)制由光源提供的照明光束的顯示板的一個圖象顯示系統(tǒng),照明系統(tǒng)包括一具有位于出射平面中的出射表面的積分器,特征在于第一反射裝置位于積分器系統(tǒng)的出射平面中,選擇性的第二反射裝置在模塊中,在第一反射裝置和第二反射裝置之間有一光學(xué)系統(tǒng),用于經(jīng)由第二反射裝置將積分器系統(tǒng)的出射表面至少部分地成象在第一反射裝置上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的圖象投影模塊,特征在于積分器系統(tǒng)包括第一和第二透鏡板,第二透鏡板的透鏡聯(lián)合構(gòu)成積分器系統(tǒng)的出射表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的圖象投影模塊,特征在于第一反射裝置包括位于第二透鏡板上的反射區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的圖象投影模塊,特征在于第一反射裝置具有至少一個在第二透鏡板附近并位于積分器系統(tǒng)的出射平面中的反射元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的圖象投影模塊,特征在于積分器系統(tǒng)包括一光透明條,其遠離光源的端面構(gòu)成積分器系統(tǒng)的出射表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的圖象投影模塊,特征在于第一反射裝置具有至少一個鄰近光透明條的端面并位于積分器系統(tǒng)的出射平面中的反射元件。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的圖象投影模塊、特征在于第二反射裝置的平面與光軸圍成一個不同于90°的角度,所述光學(xué)系統(tǒng)包括第一和第二透鏡,第一透鏡產(chǎn)生的積分器系統(tǒng)的出射表面的圖象位于第二透鏡的焦平面中。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的圖象投影模塊,特征在于第二反射裝置具有至少部分與顯示板集成一體的反射區(qū)域。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的圖象投影模塊,特征在于第二反射裝置包括分色反射元件的圖案,該圖案對應(yīng)于顯示板的象素圖案。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的圖象投影模塊,特征在于在顯示板的光照側(cè)布置有微透鏡列陣,分色元件位于微透鏡列陣的焦平面中。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的圖象投影模塊,特征在于在顯示板的光照側(cè)布置有微透鏡列陣,分色元件位于微透鏡列陣上。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的圖象投影模塊,特征在于第二反射裝置具有與顯示板的無源象素部分至少部分一致的多個反射區(qū)域。
13.根據(jù)權(quán)利要求8、9、10、11或12的圖象投影模塊,特征在于積分器系統(tǒng)的出射平面基本平行于第二反射裝置,積分器系統(tǒng)的出射平面中的反射部分覆蓋的面積是出射表面的二倍大。
14.根據(jù)權(quán)利要求8、9、10、11或12的圖象投影模塊,特征在于積分器系統(tǒng)的出射平面基本平行于第二反射裝置,積分器系統(tǒng)的出射平面中的反射部分覆蓋的面積是出射表面的三倍大。
15.要前述任一權(quán)利要求的圖象投影模塊、特征在于第二反射裝置包括位于照明系統(tǒng)和顯示板之間的一反射型偏振器,偏振轉(zhuǎn)換裝置位于第一反射裝置上或其附近。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的圖象投影模塊,特征在于偏振器是線性逆向偏振器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的圖象投影模塊,特征在于偏振器是膽甾醇偏振器。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的圖象投影模塊,特征在于偏振器是偏振分束器。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的圖象投影模塊,其中第二反射裝置只由線偏振器構(gòu)成,其特征在于第一反射裝置是圓偏振的,一λ/4片位于第一反射裝置上或其附近。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的圖象投影模塊,其中第二反射裝置包括線偏振器且在顯示板上或其附近有反射區(qū)域,特征在于一λ/4片位于線偏振器反射的光的光路中,第一反射裝置至少在線偏振器反射的光入射的地方是鏡面反射的。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的圖象投影模塊,其中第二反射裝置只由膽甾醇偏振器構(gòu)成,特征在于第一反射裝置是鏡面。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的圖象投影模塊,其中第二反射裝置包括膽甾醇偏振器且在顯示板上或其附近有反射區(qū)域,特征在于第一反射裝置上或其附近的一λ/4片位于反射區(qū)域上反射的光的光路中。
23.根據(jù)權(quán)利要求17的圖象投影模塊,其中第二反射裝置包括一膽甾醇偏振器且在顯示板上或其附近有反射區(qū)域,特征在于旋轉(zhuǎn)方向與膽甾醇偏振器相反并位于第一反射裝置上或其附近的膽甾醇元件出現(xiàn)在反射區(qū)域反射的光的光路中。
24.根據(jù)權(quán)利要求15、16、17、18、20、22或23中任何一個的圖象投影模塊,其中第二反射裝置在顯示板上或其附近有反射區(qū)域,特征在于反射型偏振器的兩個平面,一方面反射區(qū)域的平面,另一方面顯示板,與光軸圍成一個不等于90°的角度,且相互圍成一個角度。
25.根據(jù)權(quán)利要求17、21、22、23或24的圖象投影模塊,特征在于膽甾醇偏振器包括單個的液晶聚合物材料層,在該層中分子螺旋的間距在分別對應(yīng)于覆蓋至少整個可見光波長范圍所需的反射帶的下限和上限的兩個值之間變化。
26.根據(jù)17、21、22、23、24或25的圖象投影模塊,特征在于一λ/4片位于膽甾醇偏振器和顯示板之間。
27.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的圖象投影模塊,其中積分器系統(tǒng)包括第一和第二透鏡板、特征在于第二透鏡板是半圓形或1/4圓形的,照明系統(tǒng)適于在第二透鏡板的位置處分別提供半圓形或1/4圓形的照明光束。
28.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的圖象投影模塊,其中積分器系統(tǒng)包括第一和第二透鏡板,特征在于第一透鏡板的透鏡的寬高比對應(yīng)于顯示板的寬度比。
29.一種圖象投影模塊,包括一照明系統(tǒng)和一用于調(diào)制由照明系統(tǒng)提供的照明光束的圖象顯示系統(tǒng),特征在于圖象顯示系統(tǒng)包括兩個顯示板,一個顯示板適于調(diào)制一單色光束,另一顯示板適于調(diào)制至少兩種不同的單色光束,所述顯示板前有一分色濾光片,分色濾光片的透射波長對應(yīng)于欲被相關(guān)的顯示板調(diào)制的光束的波長,光源和相關(guān)顯示板之間的光路以類似于前述任一權(quán)利要求的光源與顯示板之間的光路的方式形成。
30.一種圖象投影模塊,包括一照明系統(tǒng)和一用于調(diào)制由照明系統(tǒng)提供的照明光束的圖象顯示系統(tǒng),特征在于圖象顯示系統(tǒng)包括兩個彩色顯示板,其中光源和相關(guān)的彩色顯示板的每個光路以類似于權(quán)利要求1至28中的光源與顯示板之間的光路的方式形成。
31.一種圖象投影模塊,包括一照明系統(tǒng)和一用于調(diào)制由照明系統(tǒng)提供的照明光束的圖象顯示系統(tǒng),其中圖象顯示系統(tǒng)包括三個單色顯示板且圖象投影模塊配備有用于通過將照明系統(tǒng)提供的照明光束分成三個原色子光束實現(xiàn)三個顏色信道的裝置,每個顯示板對應(yīng)一個顏色信道,并配備有用于在被各個顯示板調(diào)制后將所述子光束合并的裝置,特征在于每個顏色信道的形成類似于前述權(quán)利要求1至28中任一權(quán)利要求的圖象投影模塊中的顯示板和光源之間的光路。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的圖象投影模塊,特征在于用于合并調(diào)制后的子光束的裝置由含有兩個彼此交叉的分色鏡的分色棱鏡系統(tǒng)構(gòu)成。
33.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的圖象投影模塊,特征在于圖象顯示系統(tǒng)是反射型圖象顯示系統(tǒng)。
34.一種圖象投影裝置,包括聯(lián)合構(gòu)成一圖象投影模塊的照明系統(tǒng)和一圖象顯示系統(tǒng),還配備有一投影透鏡系統(tǒng),特征在于圖象投影模塊根據(jù)前述任一權(quán)利要求形成。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的圖象投影模塊,特征在于用于將積分器系統(tǒng)的出射平面成象在投影透鏡的光瞳中的第三透鏡位于第二透鏡和投影透鏡系統(tǒng)之間。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的圖象投影裝置,其中第二反射裝置包括一膽甾醇偏振器,特征在于膽甾醇偏振器位于第二和第三透鏡之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及依次包括一照明系統(tǒng)(3)和具有至少一個用于用圖象信息調(diào)制從照明系統(tǒng)(3)提供的照明光束的顯示板(15)的圖象顯示系統(tǒng)(13)的圖象投影模塊(1)。照明系統(tǒng)(3)包括一具有位于出射平面中的出射表面的積分器系統(tǒng)(19)。第一反射裝置(33;43)位于積分器系統(tǒng)(19)的出射平面中且模塊(1)還包括第二、選擇性的反射裝置(39)。經(jīng)由第二反射裝置將出射表面至少部分地成象在第一反射裝置上的光學(xué)系統(tǒng)(31)位于第一和第二反射裝置之間。本發(fā)明還涉及具有這種模塊(1)的圖象投影裝置。
文檔編號G02F1/13GK1214123SQ97193097
公開日1999年4月14日 申請日期1997年11月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月25日
發(fā)明者A·J·S·M·德瓦恩, A·W·達門 申請人:菲利浦電子有限公司