專利名稱：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裝置，它包括照明系統(tǒng)，圖象顯示系統(tǒng)，它至少具有一個(gè)顯象屏用以產(chǎn)生所投圖象，其中由照明系統(tǒng)所提供的照明光束的偏振方向用圖象信息進(jìn)行調(diào)制，投影透鏡系統(tǒng)，用于在投影屏幕上投射由圖象顯示系統(tǒng)形成的圖象，和設(shè)置在照明系統(tǒng)與圖象顯示系統(tǒng)之間的偏振敏感分束器，圖象顯示系統(tǒng)用于將照明光束分成兩束不同的偏振分束，其中第一分束可直接由圖象顯示系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制，并且偏振旋轉(zhuǎn)元件用以將第二分束轉(zhuǎn)變成與第一分束偏振狀態(tài)相同的光束，所述第一和第二分束入射在圖象顯示系統(tǒng)上。
術(shù)語(yǔ)，圖象投影裝置，應(yīng)該廣義的理解，并且包括用來(lái)顯象的裝置，例如，電視圖象，圖形圖象，數(shù)字信息或其結(jié)合，圖象可以是黑白圖象和彩色圖象，在后一種情況下，顯象系統(tǒng)可以包括三色通道，例如三基色紅、綠和蘭，每個(gè)通道包括一顯示屏。
這種彩色圖象的圖象投影裝置在德國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?，829，598中加以了描述，這公知裝置的顯象屏是具有一層所謂向列型液晶材料作為激活或圖象形成元素的反射屏，該層根據(jù)圖象信息來(lái)改變本地投射光束的極化方向，最后，光束必須在給定方向上進(jìn)行線性偏振。該公知裝置包括偏振敏感分束器，它是由兩個(gè)棱鏡部分組成，其間還提供一介質(zhì)干涉層，該層將照明光束分成兩個(gè)相互垂直的線性偏振分束，其中第一分束傳送到圖象顯示系統(tǒng)。為了有效的利用可用的光，λ/4板可設(shè)置在由干涉層反射的第二分束通道上的對(duì)角位置，其中λ是波光的波長(zhǎng)。將第二分束反射到干涉層上的反射器是在該λ/4板的后面，由于第二分束已通過(guò)λ/4板兩次，它的偏振方向相對(duì)于原方向旋轉(zhuǎn)了90°，以致第二分束也繼續(xù)到了圖象顯示系統(tǒng)，然后，兩個(gè)分束從偏振敏感分束器射出，其中分束是位于通過(guò)裝置主軸的平面兩側(cè)，該裝置的主軸是一條照明系統(tǒng)中發(fā)射光源中心與圖象顯示系統(tǒng)中心的連接線。
由于用作為偏振分束器的干涉濾光片的工作取決于發(fā)射波長(zhǎng)和投射在該濾光片上光線的角度，還因?yàn)檎彰鞴馐哂休^大的孔徑角度和包括整個(gè)可見(jiàn)光譜的波長(zhǎng)范圍，所以該濾光片不太適用，另外，通過(guò)分束器的光路長(zhǎng)度對(duì)于兩個(gè)分束是不同的，以致由該分束形成的兩個(gè)發(fā)射源圖象位于沿主軸上的兩個(gè)不同的位置上，該公知裝置沒(méi)有任何措施來(lái)獲得在與屏相對(duì)應(yīng)的顯示屏位置上和與透鏡系統(tǒng)孔徑相對(duì)應(yīng)的投影透鏡系統(tǒng)位置上的照明光束截面。
對(duì)此本發(fā)明提供一種圖投影裝置，它沒(méi)有上述的各缺陷。按照本發(fā)明，裝置的特征在于偏振敏感分束器包括一雙折射材料的定向?qū)?，直接通到分束器上的照明光束在與分束器最接近的平面上具有半圓形截面，各分束經(jīng)過(guò)相同的光路長(zhǎng)度而通過(guò)分束器，并且由分束器和偏振旋轉(zhuǎn)元件組合射出的分束具有半圓形截面并且兩者可在一個(gè)圓形內(nèi)。
裝置最好是以這樣的方式構(gòu)成，在沒(méi)有分束器的情況下，照明光束在分束器位置后面的平面上具有半圓形截面，然后，由分束器形成的分束共同構(gòu)成一束具有圓形截面的光束，該截面適合于投影透鏡系統(tǒng)的圓形光孔，以致該系統(tǒng)的直徑能夠繼續(xù)限定。
裝置還可采用另一種方式構(gòu)成，即照明光束在分束器的入射平面上具有半圓形截面，而由分束器射出的分束也具有半圓形截面，并且彼此隔開(kāi)一段距離，致使外接圓是較大的。
按照發(fā)明，偏振敏感分束器的實(shí)施例有兩類。
第一類實(shí)施例的特征在于，分束器包括第一棱鏡，它具有平行于投射在分束器上的照明光束主射線的第一面，和第二棱鏡，它具有平行于主射線的第一面，其中各棱鏡具有相同的折射率，雙折射材料層位于兩棱鏡的第一面之間，而該材料的折射率之一實(shí)質(zhì)上與各棱鏡的相等，再有第一棱鏡的第二和第三面構(gòu)成了各分束器入射面和第一射出面，其中各面是以相同大小而且與第二面構(gòu)成了分束器第二射出面，該面與第一棱鏡的第二面相平行。
第一類實(shí)施例最佳特征還在于，偏振旋轉(zhuǎn)元件設(shè)置在分束器射出面的一個(gè)面上。
第一類的第一實(shí)施例的特征在于一液晶材料是雙折射材料。
第一類的第二最佳實(shí)施例的特征在于，雙折射材料層是一雙折射粘接層。
與液晶材料層相比，雙折射粘接層具有許多優(yōu)點(diǎn)，即它很少與溫度有關(guān)，并且耐高溫較好，另外，在采用雙折射粘接層時(shí)，棱鏡粘接層的各折射率相互能夠很好適應(yīng)。
粘接層最好是單軸定向聚合物層。
特別耐高溫的分束器的特征在于，聚合物層是由固化液晶單體成分而形成的。
第二類實(shí)施例的特征在于，分束器包括一層以與主軸約成45°角設(shè)置的膽甾醇材料層，該層將照明光束分成具有第一旋轉(zhuǎn)方向的第一圓形偏振光反射分束，和具有與第一旋轉(zhuǎn)方向相反的第二旋轉(zhuǎn)方向的第二圓形偏振光直射分束，并且進(jìn)一步提供設(shè)置在第一分束路徑上且與投射在分束器照明光束的主射線平行的第一反射器，以及設(shè)置在第二分束路徑上且與膽甾醇層成近90°角的第二反射器，其中反射器中的一個(gè)改變了投射在其上的分束旋轉(zhuǎn)方面。
所述分束器提供了兩個(gè)分束，它們是左和右圓形偏振，并且共同構(gòu)成了具有圓形截面的光束，該光束可提供到圖象顯示系統(tǒng)而不用偏振變換，然而，另外圓形偏振光束在它到達(dá)圖象顯示系統(tǒng)之前可以首先變換成線性偏振光束。
值得注意的是，膽甾醇材料層(左旋或右旋)與反射器結(jié)合使用使得兩束照明光束的偏振成分可用于圖象投影裝置，這可從下述文章中公知，即“新型偏振液晶彩色投影和新型TN-LC的工作模式”刊載在技術(shù)論文匯編，信息顯示協(xié)會(huì)論文集第XXI卷上，拉斯維加斯(內(nèi)華達(dá)州)1990年5月15-17日，(Novel Polarized Liguid Crystal ColorProjection and NEW TN-LCD operating Modes)該文沒(méi)有說(shuō)輸入的照明光束應(yīng)當(dāng)具有的形狀，也沒(méi)有說(shuō)由分束器所形成的分束應(yīng)當(dāng)具有的適合于投影透鏡系統(tǒng)的截面。
本發(fā)明另一重要方面是涉及方法，其中照明系統(tǒng)，它包括發(fā)射源、凹面反射器用以聚集來(lái)自所述光源的光和在聚光路徑上的透鏡系統(tǒng)，適合采用下述方式，即該系統(tǒng)提供一照明光束，它在分束器后面并靠近分束器的平面上具有半圓形截面，并且它在顯示屏位置上和截面上具有均勻的光線分布，其截面適合于顯示屏，為此，按照本發(fā)明的照明系統(tǒng)，其特征在于透鏡系統(tǒng)，它依次包括第一組透鏡板，它在垂直于主軸的平面上提供多個(gè)第一組透鏡，它在第一方向上具有均勻的寬度，并且在垂直于第一方向的第二方向上具有均勻高度;第二組透鏡板，它提供多個(gè)第二組透鏡，并且其透鏡數(shù)量與第一組透鏡成正比;和第三組透鏡;第一組透鏡板將投射在其上的發(fā)射光束分成與第二組透鏡數(shù)量成正比的許多分束，其中各分束在第二組透鏡平面上具有其最小的收縮，并且分束的主射線直接射到第二組透鏡的中心;第二組透鏡成象為發(fā)射光點(diǎn)，它是在第一組透鏡板上以重疊形式形成的中間圖象;以及第三組透鏡，它在與分束器射出面接近的平面上形成第二組透鏡板的圖象，其中第一組透鏡的寬度/高度比是與顯示屏相對(duì)應(yīng)的，并且其中第二組透鏡設(shè)置在一個(gè)半圓內(nèi)。
由于第一組透鏡板的透鏡的寬度/高度比等于顯示屏的比，所以投射在該屏上的并且由一對(duì)第一和第二組透鏡板的共軛透鏡產(chǎn)生的分束所建立的照明光束截面可以形成等于屏的有效表面，以致可用光可以最大程度的利用，由于在第一組透鏡板的透鏡上形成的光點(diǎn)以重疊形式由第二組透鏡成象，所以中間圖象和在屏上形成的圖象具有均勻的光分布。
值得注意的是，投影裝置可以由美國(guó)專利3，296，923公知，在該專利中，兩個(gè)透鏡片相疊地設(shè)置輻射光源和具有大數(shù)值孔徑的透鏡之間，以便獲得投射在物鏡上的光束具有均勻的光線分布和截面，其中該截面等于物鏡的表面，在這個(gè)公知的裝置中第二個(gè)透鏡片不具有半圓的形狀。另外，該裝置不包括具有偏振旋轉(zhuǎn)器的偏振敏感分束器，并且在裝置中的物鏡不是采用特殊狀態(tài)的偏振光進(jìn)行照射的。
照明系統(tǒng)進(jìn)一步的特征在于，至少透鏡板中的一個(gè)中的至少一個(gè)透鏡是非球面的。
非球面透鏡可以理解為這樣一種透鏡，它的基本形狀是球形的，但是它的真正形狀與基本形狀具有很小偏差以校正基本形狀的球形象差，成象質(zhì)量可以通過(guò)在透鏡板中采用非球面透鏡來(lái)得到改善。
照明系統(tǒng)的更進(jìn)一步更可取的特征在于，第一組透鏡的數(shù)量等于第二組透鏡的數(shù)量。
情況是這樣的，第一組透鏡中的每個(gè)透鏡在共軛的第二透鏡上構(gòu)成一最小的壓縮。
照明系統(tǒng)進(jìn)一步的可取的特征還在于，第一組透鏡具有這樣的尺寸并以這樣的方式設(shè)置，即第一透鏡板的表面近似等于投射在其上的照明光束的截面。
然后，由光源所發(fā)出的光最大數(shù)量地被接收。
照明系統(tǒng)不同的實(shí)施例可以分成不同的類別，每類涉及系統(tǒng)的不同方面，在照明系統(tǒng)中不同類別的特有特征可以加以結(jié)合。
實(shí)施例的第一類涉及照明系統(tǒng)中光源成象位置，第一類的第一實(shí)施例的特征在于，第一透鏡板設(shè)置在形成光源第一圖象的平面上，并且該圖象通過(guò)第二透鏡板以中間圖象的形式被重新成象。
第一類的第二實(shí)施例的特征在于，在第二組透鏡每一個(gè)透鏡上形成光源的縮小象。
在這里，光源可以理解為光源本身和它的圖象，其中圖象是通過(guò)設(shè)置在透鏡板前的反射鏡或其它光學(xué)元件形成的，該圖象可以與光源重合或不重合。
實(shí)施例的第二類涉及結(jié)合不同透鏡元件的可能性，第二類的一個(gè)實(shí)施例的特征在于，第一透鏡板同輔助透鏡一起結(jié)合到一個(gè)具有至少一個(gè)曲面的光學(xué)元件中。
所說(shuō)的“輔助”透鏡，在照明系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)中是設(shè)置在透鏡板前的，現(xiàn)構(gòu)成了第一組透鏡的支架，以致分別的支架已不再需要了，這樣給出的照明系統(tǒng)是一種較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，并且使之便于組裝。
如果所說(shuō)的透鏡是一種平凸透鏡，那么該實(shí)施例進(jìn)一步的特征在于，第一組透鏡可設(shè)置在透鏡的平的折射表面上。
另一方面，該實(shí)施例特征還在于，第一組透鏡可設(shè)置在透鏡的彎曲折射表面上。
再有，該實(shí)施例的特征在于，透鏡的彎曲折射表面可以由基本平面所代替，在該面上可設(shè)置第一組透鏡，每個(gè)透鏡具有一曲率，它與在相應(yīng)透鏡位置上的原彎曲折射表面的曲率有關(guān)。
照明系統(tǒng)實(shí)施例的第三類涉及第一透鏡板前的該系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)，該類的第一實(shí)施例的特征在于，反射器是一球面反射器，它只收集通過(guò)發(fā)射光源中心并與系統(tǒng)光軸垂直的平面一側(cè)上光源所射出的光，并且聚光透鏡系統(tǒng)設(shè)置在上述平面的另一側(cè)，且在第一透鏡片前。
另一實(shí)施例的特征在于，反射器是一非球面反射器，它只收集通過(guò)輻射光源中心并與主軸垂直的平面一側(cè)上光源所射出的光，并且其中兩個(gè)聚光透鏡系統(tǒng)設(shè)置在上述平面的另一側(cè)和第一透鏡片前，每個(gè)系統(tǒng)獲取由光源和反射器發(fā)出的不同部分的光。
就具有相同光收集能力的雙聚光透鏡系統(tǒng)而言，與單聚光透鏡系統(tǒng)相比，具有較低光通量的優(yōu)點(diǎn)，以致圖象投影裝置可以由便宜的光學(xué)元件組成，如，它具有較小的數(shù)值孔徑或較小截面，這在裝置中非常重要的是可為用戶使用，術(shù)語(yǔ)“通量”、或“亮度”或“受光”表征光學(xué)系統(tǒng)傳遞光能的能力，該能力可以由孔徑，或“光圈”、和一致的光瞳，以及光學(xué)系統(tǒng)中相同位置來(lái)確定，并且它可以通過(guò)孔徑表面和孔徑中心的光瞳所對(duì)的立體角的積來(lái)表示。在首先給定了光通量的光學(xué)系統(tǒng)中，通過(guò)系統(tǒng)后的光通量只能通過(guò)遮擋輻射來(lái)減小。
需要注意的是，人們通?？梢酝ㄟ^(guò)，如美國(guó)專利號(hào)4，722，593，來(lái)知道，在具有液晶顯示屏的投影裝置中在發(fā)射光源的一側(cè)采用反射器并且在該光源的另一側(cè)采用聚光透鏡系統(tǒng)，然而，已知裝置并沒(méi)有提供采用的透鏡板，另外，在按照上述美國(guó)專利的裝置中，設(shè)有特別規(guī)定的反射器裝置在輻射光源周?chē)灾略摲瓷淦饕步邮粘?80°角光源發(fā)射。
聚光透鏡系統(tǒng)必須具有大數(shù)值孔徑，以致可接收盡可能大量的光，原則上，該透鏡系統(tǒng)可由一透鏡元件組成，第三類的第一實(shí)施例，它包括單一聚光透鏡，其特征進(jìn)一步在于聚光透鏡的至少一個(gè)折射表面是非球面的。
第三類的第一實(shí)施例的特征還在于，每個(gè)聚光透鏡系統(tǒng)包括一主聚光透鏡，繼之以至少一個(gè)附加透鏡元件。
附加透鏡元件可以接管主聚光透鏡所需的部分校正或其透鏡光學(xué)的部分能力，以致該透鏡可以易于制造，并且便宜，附加透鏡元件還可以用來(lái)改善圖象質(zhì)量，如果聚光透鏡系統(tǒng)的光學(xué)能力一部分加入到附加透鏡元件，則這些元件可以是非球面的，附加透鏡元件還可以是，如，菲涅耳透鏡，它具有輕和薄的優(yōu)點(diǎn)。
由兩個(gè)聚光透鏡系統(tǒng)組成的照明系統(tǒng)，其特征還在于，第一透鏡板可以被分成兩個(gè)第一透鏡板，它們分別設(shè)置在第一和第二聚光透鏡系統(tǒng)中。
照明系統(tǒng)的長(zhǎng)度可以通過(guò)調(diào)節(jié)聚光透鏡系統(tǒng)中的第一透鏡板來(lái)減少，除去照明系統(tǒng)具有一個(gè)非球面反射器和一個(gè)聚光鏡系統(tǒng)以外，本發(fā)明還可以在其他實(shí)施例中提供很多優(yōu)點(diǎn)，其中其他元件可用來(lái)集聚光源輻射。第三類的第二實(shí)施例，其特征在于，反射器是拋物面反射器，它圍繞在光源的較大一部分上。
拋物面反射器具有其自身的優(yōu)點(diǎn)，它可接收光源的光的很大一部分，然而，由該反射器形成的光束具有不均勻的照明強(qiáng)度分布，可以確信較均勻的分布可以通過(guò)將光源安置在拋物面反射器聚光點(diǎn)外側(cè)來(lái)獲得，然而光束具有大角度孔徑，以致投影透鏡系統(tǒng)也必須具有大數(shù)值孔徑，照明強(qiáng)度分布可以通過(guò)在具有拋物面反射器的照明系統(tǒng)中采用所述透鏡板使其更為均勻。
對(duì)于在第二透鏡板的透鏡上形成的每個(gè)圖象來(lái)說(shuō)，光是來(lái)源于拋物面反射器的不同部分的，其所有部分相對(duì)于光源來(lái)說(shuō)具有不同的定向，所有所述圖象相對(duì)于透鏡板來(lái)說(shuō)具有不同的定向，這與實(shí)際的結(jié)合是令人滿意的，設(shè)置在半圓內(nèi)的第二透鏡組具有互相不同的定向，并且其相對(duì)于第一組透鏡也是不同的。
前文已參照第三類的第二實(shí)施例進(jìn)行陳述，它適用于該類的第三實(shí)施例，該實(shí)施例的特征在于，反射器是一橢圓反射器，它圍繞在光源的較大部分上。
該第三實(shí)施例進(jìn)一步的特征還在于準(zhǔn)直透鏡是設(shè)置在反射器和第一透鏡板之間。
第三類的第四實(shí)施例的特征在于，反射器是一雙曲形反射器。
該實(shí)施例的進(jìn)一步特征也在于，準(zhǔn)直透鏡是設(shè)置在反射器和第一透鏡板之間。
如果給第三類各實(shí)施例提供的是延長(zhǎng)光源，那么這些實(shí)施例的進(jìn)一步可取的特征在于，光源的徑向與主軸平行。
發(fā)明還涉及彩色圖象投影裝置，它具有三基色紅、綠和蘭的三色通道，每色通道均包括一分隔的(單獨(dú)的)顯示屏，按照本發(fā)明，該裝置的特征在于，它包括如前所述的一種圖象投影裝置，并通過(guò)分色裝置為三色通道提供分束。
彩色圖象投影裝置其他特征還在于，每色通道如前所述具有單獨(dú)的圖象投影裝置。
現(xiàn)參照附圖將本發(fā)明更為詳細(xì)地加以描述，其中

圖1示出了圖象投影裝置示意圖，圖2示出了用于本發(fā)明裝置中的分束器的第一實(shí)施例，圖3示出了該分束器的工作狀態(tài)，圖4示出了在一出射面上具有偏振旋轉(zhuǎn)器的該分束器，圖5示出了分束器的第二實(shí)施例，圖6示出了圖象投影裝置第一實(shí)施例的一個(gè)截面，圖7和圖8分別示出了用于該裝置的第一透鏡板的前面透視圖和背面透視圖，圖9和10分別示出了用于該裝置的第二透鏡板的前面透視圖和背面透視圖，圖11以透視圖的形式示出了圖象投影裝置的第二實(shí)施例，圖12示出了帶有其上所形成的光源圖象的第一透鏡板背面圖，圖13、14、15和16示出了在光源后具有球面反射器的照明系統(tǒng)的不同實(shí)施例，圖17和18示出了結(jié)合的第一透鏡板和透鏡的兩個(gè)實(shí)施例，圖19示出了具有彎曲的第一透鏡板的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，圖20示出了在照明系統(tǒng)中具有拋物面形反射器的圖象投影裝置的一個(gè)實(shí)施例，圖21示出了該裝置的第二透鏡板以及其上形成光點(diǎn)的前視圖。
圖23、24和25示出了帶有橢圓形反射器的照明系統(tǒng)的實(shí)施例，圖26示出了帶有雙曲形反射器的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，圖27示出了帶有一照明系統(tǒng)和透明顯示屏的彩色圖象投影裝置的一個(gè)實(shí)施例，圖28示出了帶有一照明系統(tǒng)和反射顯示屏的彩色圖象投影裝置的一個(gè)實(shí)施例，圖29示出了對(duì)于每個(gè)彩色通道具有單獨(dú)照明系統(tǒng)的彩色圖象投影裝置，圖30和31分別示出了在第二透鏡板和分束器之間具有和不具有透鏡系統(tǒng)的圖象投影裝置的實(shí)施例。
在圖1中，方塊A表示一照明系統(tǒng)，它發(fā)射出光束b，該束的主射線與圖象投影裝置的光軸00'相重疊，如果黑白圖象須要投影的話，那么該光束投射在圖象顯示系統(tǒng)B上，該系統(tǒng)具有一個(gè)顯示屏1，如，該屏可以是液晶顯示屏(LCD)，這樣的屏可由一層如向列型的液晶材料4組成，它可以被封閉在例如玻璃的兩透明板之間，激勵(lì)電極5和6設(shè)置在每板上，這些電極可以分成大量的行和列，使得在顯示屏上的大量象素得以確定，不同的象素要通過(guò)驅(qū)動(dòng)矩陣電極來(lái)驅(qū)動(dòng)，如圖所示可借助驅(qū)動(dòng)終端7和8，這樣，就可通過(guò)液晶材料4在所需位置上提供電場(chǎng)，該電場(chǎng)引起了材料4有效折射率的變化，以致通過(guò)給定象素的光經(jīng)受或不經(jīng)受偏振方向的旋轉(zhuǎn)，這取決于相關(guān)象素位置上的局部電場(chǎng)的存在與否。
代替該所謂的無(wú)源驅(qū)動(dòng)顯示屏，也可采用有源驅(qū)動(dòng)屏，在上述顯示屏中，支承板中的一個(gè)有一個(gè)電極，而半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備設(shè)置在其他板上，這樣每個(gè)象素就可通過(guò)其本身的有源驅(qū)動(dòng)元件，如薄膜晶體管，來(lái)驅(qū)動(dòng)，兩種類型的直接驅(qū)動(dòng)顯示屏描述在歐洲專利申請(qǐng)?zhí)?，266，184中。
投射在顯示屏1上的光束必須進(jìn)行偏振，最好是線性偏振，然而，照明系統(tǒng)A產(chǎn)生的是非偏振光，而具有所需偏振方向的該光束的線性偏振成分可以借助偏振器10來(lái)選擇，偏振方向與偏振器10有效平行的檢偏振器11設(shè)置在通過(guò)顯示屏的光路上，由此使被驅(qū)動(dòng)的這些象素產(chǎn)生的光不改變光束的偏振方向地通過(guò)偏振器到投影透鏡系統(tǒng)C，而由非驅(qū)動(dòng)象素產(chǎn)生的并將光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的光被檢偏振器遮擋，這樣檢偏振器將光束的偏振調(diào)制變換為亮度調(diào)制，投影透鏡系統(tǒng)C將圖象投射在投影屏幕D的屏1上，該投影圖象就可以由坐在投影屏蔽后面房間中的觀眾W來(lái)看到。
在上述的實(shí)施例中，不提供電場(chǎng)的象素在投影屏D上成為黑點(diǎn)，另外可采用該方式來(lái)驅(qū)動(dòng)象素，如提供一場(chǎng)強(qiáng)通過(guò)該象素，使投射的線性偏振光的偏振方向不旋轉(zhuǎn)90°，但該線性偏振光被變換成橢圓形偏振光，使該光的部分通到投影屏幕上而其余部分被遮擋，這樣相關(guān)光束象素不會(huì)在投影屏幕上成象為黑或白象素，但卻成為灰色象素，它的灰度是可調(diào)節(jié)的。
代替線性偏振光，帶有液晶顯示屏的圖象投影裝置一般還可采用圓形或橢圓形偏振光，顯示屏能夠改變圓形偏振光的旋轉(zhuǎn)方向或橢圓形偏振光的橢圓座標(biāo)軸的比，所述的改變是借助附加偏振裝置將其變換亮度調(diào)制。
如果所采用的圖象顯示裝置它的象素處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)旋轉(zhuǎn)偏振方向并在非驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下不改變?cè)摲较驎r(shí)，將整個(gè)光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的液晶材料附加層可以與顯示屏11順序設(shè)置，致使在投影屏幕上的圖象具有與在裝置中由顯示屏所形成的圖象相同的極性，其中顯示屏的象素處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)不改變偏振方向。
還可采用圖1中由參考數(shù)字12所表示的附加偏振旋器，如果裝置中處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的象素不改變偏振方向，這些象素在投影屏幕上仍會(huì)表現(xiàn)為黑色象素，這提供了掩飾的可能性，如，對(duì)于顯示屏上的無(wú)用效應(yīng)，通過(guò)增加對(duì)比度、以獲得減小裝置的彩色依賴性或提高顯示屏的關(guān)斷速率來(lái)進(jìn)行。
代替液晶材料層的λ/2板，其中λ是投射光的波長(zhǎng)，該板可用作為附加偏振旋轉(zhuǎn)器12，此外，檢偏器還可相對(duì)于原始向旋轉(zhuǎn)90°。
當(dāng)液晶顯示屏用于透射時(shí)，它具有較低效率，如，只有投射在屏上的10%的輻射光通到投影透鏡系統(tǒng)，另外，如果該系統(tǒng)要以放大形式于屏上成象并仍要在屏的單位表面積上提供足夠的輻射亮度的話，那么照明光束應(yīng)當(dāng)具有較大量度，采用較高亮度的燈泡作為光源只能提供有限的改善，實(shí)際上，具有較高光亮度的燈泡通常還具有燈弧形式的較大輻射表面積，當(dāng)為了限制投影裝置中隨后光成分尺寸而要減小光束孔徑時(shí)，部分光能將再次損失，因此，希望接受盡可能多的燈光并將其聚焦成一窄光束，還需要使該光束的截面以最大可能的程度適應(yīng)于顯示屏的矩形，使得盡可能少量的光落于該屏以外。
按照發(fā)明對(duì)裝置進(jìn)行了多次測(cè)試滿足了這些要求，首先，采用光源的兩個(gè)偏振成分照射顯示屏，為此采用的是特殊偏振敏感分束器和偏振變換器的結(jié)合所組成的裝置，其次，可以確保投射在分束器上的光束具有特殊截面，并以特殊方式投射在分束器上。
圖2示出了偏振敏感分束器的截面，該分束器20包括，如玻璃的兩個(gè)棱鏡21和25，以及雙折射層27，該層由如液晶材料組成，普通折射率n0一般總是等于1.5，而特別折射率n0可具有1.6至1.8的數(shù)值，這要取決于層27的組成，由所謂定向?qū)?8和29提供的棱鏡，其定向?qū)哟_保了層27的光軸垂直于這種情況下的附圖平面，該軸由圖2中參考數(shù)字30來(lái)表示，由此確保了棱鏡材料的折射率n1等于層27的折射率n0，如為1.7，如果非偏振光束以入射角ψ通過(guò)棱鏡21投射在層27上，其中角ψ大于或等于臨界角，那么該光束的P-偏振成分就全部反射到棱鏡21的出射面23上，因此層27的普通折射率適用于該成分，它的折射率小于棱鏡21的折射率，P-偏振成分是偏振方向平行于投射平面的成分，如通過(guò)層27上的垂直線n并橫截附圖平面，層27的特別折射率適用于S-偏振成分，其偏振方向與入射面相橫截，致使該成分在其通過(guò)分束器時(shí)，不會(huì)遇到不同的折射率，隨后并連續(xù)穿過(guò)棱鏡21，層27和棱鏡25變成原始方向。
下面給出P成分的臨界角ψ1sinψ1= (n0)/(n1) ,或ψ1=arcsin (n0)/(n1) ,致使它必須適用于入射角ψψ＞arcsin (n0)/(n1) ，即如果P成分被完全反射的話，既使層27的特別折射率no不等于棱鏡材料的折射率n1，只要入射角ψ小于臨界角ψ2，那么S成分也會(huì)完全通過(guò)，對(duì)此要保證sinψ2= (n0)/(n1) 或ψ2=arcsin (n0)/(n1) ,為獲得由層27的分隔，入射角ψ的整個(gè)條件是這樣的(ψ1=)arcsin (n0)/(n1) ＜ψ＜arcsin (n0)/(n1) (=ψ2).
圖2示出了角ψ1和ψ2。
液晶材料折射率的差值△n＝no-n0可以是大的，以致分束器20適用于較大的入射角ψ的范圍(ψ2-ψ1)，另外，還可以確保，在入射光束的波長(zhǎng)變化時(shí)，棱鏡材料和層27的折射率以相同方式變化，致使分束器對(duì)于大的波長(zhǎng)范圍具有大的偏振-分束效率，按照?qǐng)D2，分束器的一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)是便宜的，因?yàn)樗恍枰魏伟嘿F的雙折射棱鏡材料，象渥拉斯頓棱鏡(Wollaston prism)，還因?yàn)樵摾忡R能夠相對(duì)容易地制成。
棱鏡21和25要求不是實(shí)心的，對(duì)于這些棱鏡可以由玻璃或其它透明壁組成，在其壁內(nèi)可以提供具有高折射率且等于層27折射率no的透明液體或合成材料，這些壁應(yīng)當(dāng)具有與液體或合成材料相同的折射率，其中材料不應(yīng)具有任何消偏振作用。
按照?qǐng)D2，在分束器中代替液晶層的雙折射粘接層最好用作為分束器中的偏振分離層，與具有液晶層的分束器相比，具有雙折射粘接層的分束器有許多優(yōu)點(diǎn)，即，它具有簡(jiǎn)單的構(gòu)成，它的工作很少依賴于溫度，它還可很好地耐較高的溫度，并且還具有適應(yīng)層與棱鏡彼此之間折射率的許多可能。
雙折射粘接層最好是單軸定向的聚合物層，可通過(guò)如磨光棱鏡表面來(lái)獲得所需的定向，在棱鏡表面之間的層必須以一個(gè)方向提供，而在磨光表面提供一層聚酰亞胺時(shí)是最有效的。
特別耐高溫的分束器就是通過(guò)固化液晶單體組合物形成聚合物層的分束器。
圖3示出了投射在分束器20上的照明光束b'是如何由該分束器將光束分成兩束線性的相互垂直的偏振光束成分b'p和b's的，只有主射線和兩束邊緣射線通過(guò)表面22進(jìn)入棱鏡21的，這是由照明光束b'示出的，該表面是以與反射層27成α角設(shè)置的，以致在由該表面折射以后，層27上的光速入射角ψ具有上述臨界角ψ1和ψ2之間的數(shù)值，使得P-偏振光束成分b'p完全被反射，并通過(guò)出射面23離開(kāi)棱鏡21，S-偏振成分進(jìn)入棱鏡25，并通過(guò)射出面26離開(kāi)該棱鏡，射出面23和26也是以與反射層27成α角設(shè)置的，以致光束成分b'p和b's有效地橫穿過(guò)平面平行板，并分別在表面23和26上折射后，使光束平行于入射光束b'。
下面將進(jìn)一步描述，設(shè)置在分束器前的照明系統(tǒng)適合于采用這樣的方式，即，光束b'具有半圓形截面，并且位于層27的一側(cè)上，如圖3左手部分所示，射出光束成分b'p和b's還具有半圓形截面，但位于圓32內(nèi)的主軸兩側(cè)，如圖3右手部分所示，照明系統(tǒng)還適合采用這樣的方式，即，在無(wú)分束器時(shí)，光源的一個(gè)象是在分束器后的位置上形成的，當(dāng)將這樣光束提供給分束器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)光源圖象1'p和1's，其中1'p是由P-偏振光形成的光源圖象，而1's是由S-偏振光形成的光源圖象。
如果λ/2板31設(shè)置在一個(gè)射出面上，如，面26，如圖4所示，則成分b's的偏振方向?qū)⑿D(zhuǎn)90°以上，以致由板31射出的光束也是P-偏振光，然后兩個(gè)光源圖象聯(lián)合構(gòu)成一第二光源1'，它射出線性偏振光，該光適用于圖4中屏1的照明。
代替λ/2板的旋轉(zhuǎn)材料層，如聚合物層或相互旋轉(zhuǎn)的單軸雙折射層，可用作為偏振旋轉(zhuǎn)器31，偏振旋轉(zhuǎn)器不僅可設(shè)置在一個(gè)射出面23或26上，而且還可設(shè)置在該射出后面。
圖5示出了分束器的第二實(shí)施例，該分束器40的偏振敏感分離層41是由膽甾型液晶材料組成的，該材料可以是左旋型的或右旋型的，如果材料是左旋型的，則進(jìn)入的非偏振光束b'的左圓偏振b'o，L成分就會(huì)被反射，相反，右圓偏振成分b'o，R通過(guò)，成分b'o，R通過(guò)特殊反射器42反射的圖象顯示系統(tǒng)(未示出)，該反射器不改變成分b'o，R的偏振狀態(tài)，并且它是由如右旋液晶材料組成的，反射成分b'o，L投射在反射器43上，如一種普通鏡面反射器，它可將左圓偏振光變換為右圓偏振光而通過(guò)層41，并具有與成分b'o，R相同的方向，這樣具有半圓形截面的光束b'被變成兩條光束成分b”1和b”2，兩者均具有一半圓形截面，并且是右圓偏振光，它們共同構(gòu)成一具有圓形截面的光束b”，如圖5底部所示。
當(dāng)采用圖5所示分束器時(shí)，照明系統(tǒng)可適合于這樣的方式，即，光源的一個(gè)圖象是在表面44上的形成的。
具有右圓偏振光的光束可以不經(jīng)過(guò)任何偏振變換而提供到顯示屏上，這具有的優(yōu)點(diǎn)，如，必須加以驅(qū)動(dòng)的屏的向列型電場(chǎng)比在采用線性偏振輻射情況下的電場(chǎng)小，另外，λ/4板45可以設(shè)置在分束器40后面的對(duì)角位置上，其中該板將圓形偏振光變換為線性偏振光。
代替左旋膽甾型層的右旋膽甾型層可以用作為分隔層41，在這種情況下，反射器42可以由左旋材料組成，并且反射器43也可以是一種普通鏡面反射器，由分束器40射出的光然后被左圓偏振。
如前所述由于采用了偏振敏感分束器與偏振變換器的結(jié)合，就偏振而言，使得光源發(fā)射得到最佳應(yīng)用，另外，由于由分束器射出的光束具有圓型截面，因此，該光束最適合于投影透鏡系統(tǒng)的圓孔徑，如圖1中的c，按照本發(fā)明，可采用特殊照明系統(tǒng)，尤其是提供兩透鏡板，以獲得在分束器入射時(shí)具有半圓形截面的光束b'，該光束在顯示屏位置上還具有矩形截面，該截面適合于屏的形狀，并且還具有令人滿意的均勻光分布。
圖6是這個(gè)照明系統(tǒng)的第一個(gè)實(shí)施例的示意圖，這一系統(tǒng)包括一個(gè)燈50，它朝著顯示屏，和后方(圖6的左側(cè))發(fā)射燈光。一個(gè)接收向后發(fā)射的光并形成燈的圖象的球面反射器51設(shè)置在燈的后面。圖6中由反射器51形成的燈的圖象與燈一致，看起來(lái)好象是燈可以穿透它自身的光，這種現(xiàn)象在實(shí)踐中是少見(jiàn)的，在此情況下所獲得的燈的圖象位于燈的旁邊。燈及其圖象所出射的光由一個(gè)聚光鏡系統(tǒng)52接收，該系統(tǒng)把光集聚一個(gè)平行光束，換句話說(shuō)，它把燈映射到無(wú)限遠(yuǎn)。平行光束入射到第一透鏡板54上，該透鏡面對(duì)光源的一側(cè)設(shè)有多個(gè)透鏡55，而另一側(cè)56是平的。圖7表示該鏡片的正面透視圖，而圖8表示該鏡片的后視圖。
在圖6中，板54的截面只示出了4個(gè)透鏡，實(shí)際上，如圖7和圖8所示，該板所包括有例如10個(gè)透鏡。每個(gè)這些透鏡把光源50映射到第二透鏡板57的一個(gè)附助透鏡58上，該透鏡板面對(duì)光源的一側(cè)59是平的，而遠(yuǎn)離光源的一側(cè)設(shè)有多個(gè)透鏡58，如圖9的正視圖和圖10的后視投影圖所示。透鏡板57上的透鏡58數(shù)量等于透鏡板54的透鏡55的數(shù)量，或者兩倍于透55的數(shù)量，例如當(dāng)反射器51在燈的旁邊形成燈的圖象的情況下。為了利用對(duì)應(yīng)的透鏡551……5510。把光源50映射到不同的透鏡581……5810上，每次把光束6的一個(gè)不同的部分入射到透鏡板54上。為了清楚起立，圖6僅出示了兩個(gè)分束b1和b2。
透鏡551……5510在分束穿過(guò)他們的方向上具有使分束在透鏡58的平面內(nèi)具有最小收縮的能力，并且各分束的主射線直接朝向?qū)?yīng)的透鏡581……5810的中心。透鏡581……5810在把透鏡板54上形成的發(fā)射光點(diǎn)映照成中間圖象60的方向上具有使光點(diǎn)重疊的能力，由此所獲得的照明光束的中間圖象具有良好的均勻分布，這種均勻分布由該裝置進(jìn)一步保持。在透鏡板57的位置上產(chǎn)生一個(gè)半圓形截面的光源圖象。中間圖象60是551……5510的圖象，因此它具有與這些透鏡對(duì)應(yīng)的形狀。
一個(gè)透鏡系統(tǒng)62包括例如兩個(gè)平凸透鏡63和64，該系統(tǒng)布置在中間圖象60后面，這一系統(tǒng)把中間圖象60映射到無(wú)限遠(yuǎn)，同時(shí)在分束器，例如棱鏡20的位置上形成透鏡板57的圖象65。
如圖6所示，該裝置具有第一和第二主軸，第一主軸oo'一直延伸到分束器20，并且穿過(guò)燈50的中心和圖9中由o57表示的第二透鏡板57的中心。第二主軸o1o1'從分束器穿過(guò)光束分離層27一直延伸到投影透鏡系統(tǒng)，并且垂直于顯示屏。
圖11再一次結(jié)合上述元件表示出該裝置的局部，但這一次采用透視圖來(lái)表示。使用一個(gè)拋物面反射器101來(lái)代替球面反射器和聚光鏡系統(tǒng)，用于集聚來(lái)自延長(zhǎng)光源100的光。圖11表示出在偏振敏感分束器20后面又設(shè)置了一個(gè)透鏡67，在這一透鏡的焦面上產(chǎn)生中間圖象60的一個(gè)圖象70，即一個(gè)透鏡551……5510的重疊的最后的圖象。這個(gè)最后的圖象不受偏振敏感分束器20的影響，因?yàn)楫a(chǎn)生透鏡551……5510的圖象的光束在該分束器的位置上是一個(gè)平行光束，并且對(duì)這一光束來(lái)說(shuō)，該分束器的入射面與出射面是平行的。
顯示屏1設(shè)置在透鏡67的焦面上，從而在顯示屏上形成最后的圖象70。
在顯示普通視頻圖象時(shí)所使用的液晶顯示屏的寬高比為b∶h＝4∶3，其中寬度b垂直于圖6中的圖面，是x方向上的尺寸，而高度h在圖6的圖面上是y方向上的尺寸，并且垂直于光軸線oo'。在圖7和圖8的實(shí)施例中，透鏡板54的透鏡55具有相同的寬高比。從而使全部來(lái)自聚光鏡系統(tǒng)52的光線都穿過(guò)顯示屏，使照明系統(tǒng)具有高集聚效率。
顯示屏和透鏡55也可以改成另一種寬高比;例如16∶9。
圖12是包括在透鏡55上形成的發(fā)射源的圖象在內(nèi)的第一透鏡板54的后視圖。舉例來(lái)說(shuō)，好象是的反射器51映射出其近旁的發(fā)射源的較大部分，從而在每個(gè)透鏡55上形成兩個(gè)光源圖象71和72。所有這些光源圖象具有相同的取向。作為其結(jié)果，并且由于恰當(dāng)?shù)剡x擇發(fā)射源的尺寸以及其由反射器51形成它的圖象的，每個(gè)透鏡551……5510的表面區(qū)域可以得到非常充分的利用，其中由反射器形成的圖象尺寸取決于反射器51的位置。透鏡551……5510最好以這樣的方式設(shè)置使它們聯(lián)合形成的外界周邊盡量接近一個(gè)圓形。由于透鏡板54的有效表面區(qū)域能最佳地適合于反射器所提供的光束b1的截面，從而可以收集到最大量的光源光線。
如圖11所示，在照明光束的發(fā)射路徑中可以布置一個(gè)向場(chǎng)透鏡73，該透鏡映射照明系統(tǒng)的出射光瞳，在這種情形下，由發(fā)射源形成的圖象Lp'Ls'處在投影透鏡系統(tǒng)的出射光瞳之中。由于發(fā)射源圖象L'p和L's共同構(gòu)成一個(gè)圓形表面，并且能最佳地適合于投影透鏡系統(tǒng)的圓形孔徑，這一系統(tǒng)及其他光學(xué)元件可以保持有限的尺寸。
透鏡55的尺寸取決于顯示屏1的表面上光束截面的所希望對(duì)角尺寸1以及在第一透鏡板54與顯示屏之間的所有元件所構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)的放大率。
聚光鏡系統(tǒng)必須具有大數(shù)值孔徑，例如，大約0.85，以便集聚來(lái)自光源的足夠的發(fā)射光。如圖6所示，聚光鏡系統(tǒng)可以采用單一結(jié)構(gòu)的厚透鏡元件52。為了保持有限的映射誤差，該透鏡元件應(yīng)該具有至少一個(gè)非球面的表面。如果在透鏡元件52'上附加一個(gè)或多個(gè)輔助透鏡元件53，則可以降低對(duì)透鏡元件52的要求，如圖13所示。輔助透鏡元件53可以為透鏡元件52'提供一部分所需的校正，并且可以是，例如非球面的透鏡元件。另一種可能的方法是由輔助透鏡元件承擔(dān)聚光鏡系統(tǒng)的一部分聚光能力。該輔助透鏡元件不僅可以是具有曲面折射表面的元件，也可以是又輕又薄的菲涅爾透鏡元件，或者是具有一個(gè)徑向變化折射率的透鏡元件。
照明系統(tǒng)還可以用一個(gè)雙聚光鏡系統(tǒng)來(lái)代替單一的聚光鏡系統(tǒng)，如圖14所示。在這個(gè)照明系統(tǒng)中，兩個(gè)聚光鏡系統(tǒng)521'，531和522'，532分別設(shè)置在發(fā)射源50的前面。發(fā)射源例如是一個(gè)延長(zhǎng)金屬鹵燈，它具有例如2∶1的長(zhǎng)寬比率。如圖6和13，燈的縱向方向垂直于光軸線oo'。由聚光鏡系統(tǒng)收集的光線被集聚兩個(gè)分束b1'和b2'，并且由反射器76和77反射到光軸線oo'上。構(gòu)成一個(gè)脊角鏡的兩個(gè)反射器78和79設(shè)置在光軸兩側(cè)，在光軸上一個(gè)位置光束b1'和b2'的主軸與其相交的處，光束截面很小，這些反射器使光束b1'和b2'向光軸線oo'的方向偏轉(zhuǎn)。這些光束的最小收縮位于平面80處，在該平面處可以假設(shè)為布置了兩個(gè)具有小發(fā)射表面的二次發(fā)射源。
圖14的插圖表示了這些發(fā)射源，或是燈的圖象81和82的垂直剖面圖。這些圖象的尺寸，折算過(guò)來(lái)可以認(rèn)為相同的燈處于該位置。圖象81和82所處的圓83的半徑小于發(fā)射源所確定的圓形的兩倍，因此，雙聚光鏡系統(tǒng)把光源50的光線集聚成了一個(gè)小截面的光束。此外，構(gòu)成圖象81和82的光束b1'和b2'的角孔徑比較小，這意味著，與一個(gè)低通過(guò)量相結(jié)合，雙聚光鏡系統(tǒng)具有大的光集聚能力。所謂通量，或亮度或受光，可以表示一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)傳送發(fā)射能量的能力。這種能力取決于孔徑或“光圈”與光瞳的一致性及其在光學(xué)系統(tǒng)中的相同位置，并且可以通過(guò)孔徑表面以及通過(guò)孔徑中心的光瞳所對(duì)的空間角的積所表示。在初始端具有給定通過(guò)量的光學(xué)系統(tǒng)中，僅能通過(guò)遮擋射線來(lái)進(jìn)一步減少該系統(tǒng)中的通過(guò)量。
由于雙聚光鏡系統(tǒng)與單一聚光鏡系統(tǒng)相比具有較低的通量，并同時(shí)保持了相同的光收集能力，可以采用由一個(gè)雙聚光鏡系統(tǒng)組成的圖象投影裝置，該裝置采用較便宜的光學(xué)元件，例如較小的值的孔徑或較小的截面，這一點(diǎn)對(duì)于消費(fèi)者使用的裝置特別重要。
在雙聚光鏡系統(tǒng)中仍有一個(gè)設(shè)置在發(fā)射源50后面的反射器51，它把光源后側(cè)發(fā)射的光線反射到聚光鏡521'和522'上，從而增加了光束b1'和b2'的密度，因此就增加了照明系統(tǒng)的效率。
圖14說(shuō)明第二透鏡板57的中心不一定要位于第一主軸線oo'上，該透鏡板可以改成完全設(shè)在該軸線的一側(cè)。
圖15表示由一個(gè)雙聚光鏡系統(tǒng)組成的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中使用了兩個(gè)第一透鏡板541和542。這些透鏡板分別被設(shè)置在，例如主聚光鏡521'及522'與反射器76及77之間。光束b1'和b2'在這些透鏡的表面上具有矩形截面，因此這些透鏡板的透鏡55最好也采用矩形鏡片的設(shè)置方式。
透鏡板541和542也可以分別布置在反射器76與78之間和反射器77與79之間。
圖15的實(shí)施例中也可以包括額外的聚光鏡元件，類似于圖14中的透鏡元件531和532。然而，也可以參考下述圖17和18的類似方式，把這些透鏡元件與透鏡板541和542結(jié)合起來(lái)。
在圖6和13的照明系統(tǒng)中，由于入射到第一透鏡板54上的發(fā)射光束是平行光束，透鏡板57的透鏡表面面積可以平均為透鏡55表面面積的一半。
如果把單一聚光鏡元件52發(fā)射的光束從平行光束改為發(fā)散光束，如圖16所示，在此情況下可以考慮降低對(duì)圖6中的單一聚光鏡元件52的要求，此時(shí)必須使用第二透鏡板57的透鏡。
與圖6的聚光鏡52相比，聚光鏡52”的聚光能力較小，但可以通過(guò)修改圖6的透鏡系統(tǒng)62來(lái)補(bǔ)償。
如果把圖13實(shí)施例中的聚光鏡元件53設(shè)置在第二透鏡板57的后面，就可以獲得一種與圖15相似的布置方式。
在按照?qǐng)D13的實(shí)施例中，透鏡53和透鏡板54可以結(jié)合成一個(gè)元件85，分別如圖17和圖18所示。該透鏡還可以為透鏡55起支撐作用，從而使照明系統(tǒng)減少一個(gè)元件，使該系統(tǒng)簡(jiǎn)化并且較易于裝配。在圖17的實(shí)施例中，透鏡55設(shè)置在該集成元件85的第一曲面86上。圖18所示的實(shí)施例中，透鏡55'設(shè)置在集成透鏡88的一個(gè)大體上平直的表面89上。圖17中的曲面86在圖18中由不同曲率的透鏡55'所代替。原則上來(lái)說(shuō)，透鏡55'的曲率與圖17中曲面86上該透鏡所處位置上的曲率相對(duì)應(yīng)，但是由于射向該透鏡的分束橫渡較薄的透鏡，并且因此會(huì)得到不同的方向，透鏡55'的曲率是經(jīng)過(guò)修正的曲率。
所上所述，按照本發(fā)明的照明系統(tǒng)可以提供一種照明密度具有良好的均勻分布的光束。然而，就一切情況而論，在被照明物鏡的邊沿處的照明密度不一定要精確地等于物鏡中心的密度，特別是在使用液晶顯示屏顯示視頻圖象時(shí)，如果密度完全相等，顯示圖象看上去會(huì)顯得不自然。因此最好使照明密度從顯示屏的中心向邊沿方向稍微減小。
圖19表示一個(gè)實(shí)現(xiàn)這種照明方式的實(shí)施例，該實(shí)施例包括一個(gè)具有透明基片92的第一透鏡板54'，其第一表面93上設(shè)有多個(gè)透鏡55，93的表面是曲面，所以92的中心厚度比邊緣要小，可以保證每次從一個(gè)透鏡對(duì)55，58上發(fā)出的每個(gè)光束部分都聚焦在中間圖象上。對(duì)于不同的透鏡對(duì)由于各對(duì)透鏡55與58之間的相互距離不同，其效率也不同，該放大率D60/D58由D60/D58＝f58/f55給出，在透鏡58上形成的發(fā)射光點(diǎn)按照該放大率映射到中間圖象60上并最終映射到顯示屏上。中心透鏡58的焦距f58最小，因此利用這些透鏡形成的圖象要比起利用透鏡58在透鏡板邊沿處形成的圖象大。
照明系統(tǒng)還可以采用這樣一種方式，把來(lái)自不同透鏡對(duì)的光束部分聚焦在不同的軸向位置上。位于靠近光軸線oo'處的透鏡對(duì)55，58發(fā)出的分束可以被聚焦在顯示屏1上，從越來(lái)越遠(yuǎn)離軸線oo'的透鏡對(duì)上發(fā)出的光束部分則在中間圖象60的平面上越來(lái)越散焦。每單位表面積上尺寸增大且照明密度減小的大量發(fā)散光點(diǎn)重疊在該圖象位置上，導(dǎo)致總的發(fā)散光點(diǎn)的照明密度從中心起逐漸減小。
由于鏡片54'和57的透鏡數(shù)目有限，在顯示屏1平面上的密度減小是分段的，對(duì)于觀看者來(lái)說(shuō)，從一個(gè)給定數(shù)目的透鏡55和58，這種分段不會(huì)很快覺(jué)查出。
在使用到此為止所描述的聚光器照明系統(tǒng)實(shí)施例中，在透鏡板57上形成的所有光源圖象都具有相同的取向。而圖20所示的最佳實(shí)施例中則不再是這種情況了。
在該圖中，標(biāo)號(hào)100表示一個(gè)由燈構(gòu)成的發(fā)射源，它具有延長(zhǎng)的光弧，其縱向方向與第一光軸線oo'一致。一個(gè)拋物面反射器101圍住了燈的大部分，把燈所發(fā)射的光線的一大部分反射向透鏡板54。反射器101把發(fā)射源100映射到無(wú)限遠(yuǎn)。與透鏡板54上透鏡55的數(shù)目相對(duì)應(yīng)，透鏡板54在第二透鏡板57上形成相應(yīng)數(shù)目的光源圖象。由于構(gòu)成不同圖象的不同光束部分b1，b2等等是從反射器101的不同部分上發(fā)出的，反射器的所有這些部分相對(duì)于發(fā)射源100具有不同的取向，所有上述圖象相對(duì)于透鏡板57都具有不同的取向，如圖21所示。
該圖是透鏡板57的后視圖，其中的上述圖象用標(biāo)號(hào)102表示，透鏡則重新用標(biāo)號(hào)581……5810表示。大多數(shù)透鏡的取向與其中所形成的光源圖象近似地一致，因此可以保持透鏡581……5810及透鏡板57的有限尺寸，這意味著投影透鏡系統(tǒng)(圖1中的c)的數(shù)值孔徑相對(duì)較小。
圖22表示照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中有一個(gè)拋物面反射器101和一個(gè)可以修改顯示屏1上的密度分布的第一透鏡板54'。透鏡板54'的前面是彎曲的，它以附圖20所述的相同方式起作用。拋物面反射器與透鏡板54'結(jié)合提供了額外的優(yōu)點(diǎn)，那就是說(shuō)，與透鏡板相對(duì)應(yīng)，拋物線的數(shù)值孔徑在邊沿處比較小，因此可以在維持相同通量的同時(shí)獲得較高的效率。此外，由于燈的一部分投射到透鏡板的空腔內(nèi)，照明系統(tǒng)可以采用更緊湊的形狀。
圖23表示一個(gè)與圖20中相同類型的照明系統(tǒng)，但是在該系統(tǒng)中用一個(gè)橢圓形反射器105和一個(gè)額外的透鏡106代替了拋物面反射器。發(fā)射源100，例如還是一個(gè)縱向方向與光軸線oo'一致的延長(zhǎng)燈，該光源布置在橢圓形反射器的第一焦點(diǎn)F1上，反射器在其第二焦點(diǎn)F2上形成一個(gè)圖象100'，透鏡106把來(lái)自光源100和圖象100'的射線集聚成一個(gè)平行光束。
另一種可能是在來(lái)自反射器105的聚焦光束的路徑中設(shè)置第一透鏡板，如圖24所示。在第二透鏡板后面設(shè)置一個(gè)透鏡107，用來(lái)校正入射到透鏡板上的光束的會(huì)聚。
在使用橢圓形反射器時(shí)，同樣可以保證在第一透鏡板上形成光源的圖象，圖25表示了一個(gè)這種情況的實(shí)施例，由此可以使透鏡板54和57的尺寸較小。在透鏡板54前面可以設(shè)置一個(gè)透鏡108，用于使光束b遠(yuǎn)心，從而使光束的射線垂直地入射到第一透鏡板54上。
與圖20和圖23具有相同類型的另一個(gè)照明系統(tǒng)的實(shí)施例如圖26所示。在該實(shí)施例中，反射器110是雙曲線的，該反射器把來(lái)自光源50的射線集聚成發(fā)散的光束，該光束看上去是來(lái)自反射器左側(cè)的光源虛象50'。如圖26中所示，第一透鏡板可以設(shè)置在這一發(fā)散光束的路徑上，一個(gè)用于補(bǔ)償光束發(fā)散的透鏡111設(shè)置在第二透鏡板后面。另一種可能是把一個(gè)透鏡112設(shè)置在雙曲反射器與第一透鏡板之間，把來(lái)自反射器的光束轉(zhuǎn)換成平行光束。
圖27用圖解的方式表示了一個(gè)彩色投影電視裝置的實(shí)施例。該裝置包括3個(gè)主要部分照明系統(tǒng)A，顯示系統(tǒng)B以及投影透鏡系統(tǒng)C，例如一個(gè)變焦鏡頭。照明系統(tǒng)的主軸oo'與該系統(tǒng)的光學(xué)軸DD'成一直線，在本實(shí)施例中，首先把軸線分割成三個(gè)分軸，這些分軸在以下的步驟中與投影透鏡系統(tǒng)的光學(xué)軸EE'相重合，結(jié)合成一條光學(xué)軸線。
來(lái)自照明系統(tǒng)A的光束入射到一個(gè)彩色選擇反射器120上，例如是一個(gè)能反射(例如)蘭色成分bB，并通過(guò)其他光束的分色鏡。這個(gè)光束部分到達(dá)第二彩色選擇反射器121，該反射器反射綠色成分bG，并把剩下的紅色成分bR傳送到反射器122，反射器122把紅色光束反射到投影透鏡系統(tǒng)。反射器122可以是中性反射器?；蛘呤亲钸m合于紅色光的反射器。蘭色光束由一個(gè)中性或蘭色選擇反射器123反射到由液晶板構(gòu)成的顯示屏126上，該顯示屏是以公知的方法用電驅(qū)動(dòng)的，從而把投影圖象的蘭色成分顯現(xiàn)在該顯示屏上。用蘭色信息調(diào)制的光束通過(guò)一個(gè)傳送蘭色光束并反射綠色光束的彩色選擇反射器124和另一個(gè)反射蘭色光束的彩色選擇反射器125到達(dá)投影透鏡系統(tǒng)c。綠色光束bG橫過(guò)一個(gè)第二顯示屏127，在那里用綠色成分進(jìn)行調(diào)制，然后用彩色選擇反射器124和125依次反射到投影透鏡系統(tǒng)c。紅色光束bR橫過(guò)一個(gè)第三顯示屏128，在那里用紅色成分進(jìn)行調(diào)制，并由彩色選擇反射器125順序到達(dá)投影透鏡系統(tǒng)c。
蘭色、紅色和綠色光束重疊在投影透鏡系統(tǒng)的輸入端，在該輸入端產(chǎn)生彩色圖象，該彩色圖象由該投影透鏡系統(tǒng)放大后映射到一個(gè)投影屏上，圖27沒(méi)有示出這一投影屏幕。
照明系統(tǒng)A的輸出端與每個(gè)顯示板126，127和128之間的光學(xué)路徑長(zhǎng)度最好是相等的，以使得光束bB，bG和bR截面在他們的顯示屏處是相等的。顯示屏126，127和128與投影透鏡系統(tǒng)的輸入孔徑之間的光學(xué)路徑長(zhǎng)度最好也相等，以使得不同色彩的場(chǎng)景良好地重疊在投影屏幕上。
設(shè)置在顯示屏126，127和128前面的每個(gè)透鏡129，130和131均相當(dāng)于圖10中的透鏡73，并確保來(lái)自照明系統(tǒng)的出射平面的全部光線被集聚在投影透鏡系統(tǒng)的入射光瞳之內(nèi)。
圖28表示一個(gè)彩色圖象投影裝置的實(shí)施例，它具有反射顯示屏140，141和142。由根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)提供的光束b由一個(gè)用兩個(gè)分色鏡146和147構(gòu)成的所謂交叉分色裝置(dichroic cross)145分色成不同的彩色光束bR、bG、bB。
在圖28中用一個(gè)單一透鏡表示的投影透鏡系統(tǒng)c僅僅收集由顯示屏反射的光束bRE的射線，而不收集由照明系統(tǒng)提供的光束bON的射線。
為了在該系統(tǒng)與顯示屏之間的距離不是很大的情況下確保光束bON和bRE在投影透鏡系統(tǒng)的位置上充分地分離，使用了一個(gè)由棱鏡135的合成系統(tǒng)構(gòu)成的角相關(guān)光束分離器。該系統(tǒng)包括兩個(gè)玻璃合成材料的透明棱鏡136和137，兩者之間有一空氣層138。由于棱鏡材料(nm為例如1.5)的折射率nm遠(yuǎn)大于空氣的折射率n1(n1＝1.0)，以大于或等于所謂臨界角θg的角度θi入射到棱鏡與空氣的界面上的發(fā)射光束將被完全反射，此處的臨界角θg可表示為sinθg＝ (n1)/(nm) 。以小于臨界角的角度入射到該界面上的光束可以被完全透射。在按照?qǐng)D28的實(shí)施例中，棱鏡136和137的折射率和空氣層138的取向是這樣選擇的，即通過(guò)界面136，138把來(lái)自照明系統(tǒng)A的光束bON全部反射向顯示系統(tǒng)，并使來(lái)自顯示系統(tǒng)的光束bRB全部通過(guò)該界面。為了這一目的，光束bON和bRE在該界面上的入射角分別大于和小于該界面的臨界角。
棱鏡系統(tǒng)確保了光束bRE的主要射線以一個(gè)大角度延伸，與光束bON近似90°角。因此，投影透鏡系統(tǒng)c可以靠近顯示系統(tǒng)設(shè)置，使圖象投影裝置的長(zhǎng)度明顯小于沒(méi)有棱鏡的系統(tǒng)。
也可以相對(duì)于光束bON和bRE的方向按下述的方式選擇界面136，138的取向，使光束ON通過(guò)界面?zhèn)鞯斤@示系統(tǒng)，把顯示系統(tǒng)設(shè)置在棱鏡系統(tǒng)下方，并把光bRE反射到投影透鏡系統(tǒng)c。在彩色光束投影的情況下，這種設(shè)置方式具有使調(diào)制光束bRE中出現(xiàn)的彩色象差較小的優(yōu)點(diǎn)。
在圖28中，由界面136，138反射的光束bON入射到第一分色鏡146，該分色鏡反射(例如)蘭色光。蘭色成分bON，B入射到產(chǎn)生蘭色次潛影的顯示屏142上，并且由顯示屏142把用蘭色圖象信息調(diào)制后的光束bRE，B反射到交叉分色裝置145。由分色鏡146傳送的具有紅色和綠色成分的光束入射到第二分色鏡147上，分色鏡147把紅色成分bON，R反射到顯示屏140。紅色次潛影在顯示屏140上產(chǎn)生。用紅色圖象信息調(diào)制后的光束bRE，R被反射到交叉分色裝置145。由分色鏡147傳送的綠色光束成分bON，G由綠色顯示屏141調(diào)制，并作為光束成分bRE，G反射到交叉分色裝置145。由于分色鏡146和147反射上述返回光束成分bRE，B和bRE，R，并且傳送光束成分bRE，G，使這些光束成分結(jié)合成一個(gè)經(jīng)過(guò)彩色圖象信息調(diào)制的光束bRE。
偏振鏡10和檢偏鏡11最好分別設(shè)置在照明系統(tǒng)A與顯示系統(tǒng)之間，以及顯示系統(tǒng)與投影透鏡系統(tǒng)之間，使這些元件同時(shí)對(duì)三個(gè)彩色成分起作用，并且不需要為每個(gè)彩色成分裝設(shè)這些元件的獨(dú)立系統(tǒng)。
美國(guó)專利4，239，346號(hào)中尤其描述了一種直接驅(qū)動(dòng)的反射液晶顯示屏。
在一個(gè)光束可以垂直入射到顯示屏上的彩色圖象投影裝置中，可以改用一個(gè)偏振敏感分束器代替合成棱鏡135。偏振敏感分束器確保只把具有特殊偏振方向的光線反射或傳送到顯示屏上，并且僅把由顯示屏反射的，具有與入射光束的偏振方向相垂直的偏振方向的光線成分傳送或反射到投影透鏡系統(tǒng)。該偏振敏感分束器還起到轉(zhuǎn)換器的作用，把偏振調(diào)制轉(zhuǎn)換成密度調(diào)制。
彩色圖象投影裝置可以改用只有一個(gè)顯示屏的顯示系統(tǒng)代替三個(gè)單色屏，即使用一個(gè)合成或彩色顯示屏。該彩色屏包括的象素?cái)?shù)目，舉例來(lái)說(shuō)，等于一個(gè)單色屏的象素?cái)?shù)目的三倍。彩色屏的象素被分成三組，由這三組象素產(chǎn)生紅色、綠色和蘭色的次潛影，各組的象素在投影屏幕上配合成一個(gè)象素。然后，把一個(gè)單獨(dú)的彩色濾光鏡設(shè)置在(例如)每個(gè)圖片前面，該濾光鏡僅僅傳送想要的相關(guān)象素的色彩。
彩色屏可以是一個(gè)透射屏，其中彩色圖象投影裝置可以有如圖6，11和20所示結(jié)構(gòu)。如果彩色屏是一個(gè)反射屏，彩色圖象投影裝置可以具有例如圖28的結(jié)構(gòu)，但其中的彩色屏設(shè)置在單色屏141的位置上，并且省略了顯示屏140，142以及交叉分色裝置145。
圖29是一個(gè)分別為三基色綠，蘭和紅采用三個(gè)彩色通道150，151和152的一個(gè)彩色圖象投影裝置的輪廓平面視圖。每個(gè)彩色通道包括一個(gè)按照本發(fā)明的照明系統(tǒng)A，一個(gè)透鏡73以及一個(gè)透明顯示屏141，這些元件表示在綠色通道150內(nèi)，在其他通道中相應(yīng)的元件按相同的方式設(shè)置，利用一個(gè)例如交叉分色裝置145把經(jīng)圖象信息調(diào)制后的不同的彩色光束bG，bB和BR結(jié)合成一個(gè)光束bRE，該光束由投影透鏡系統(tǒng)c投影到一個(gè)顯示屏幕(未示出)上。
按照本發(fā)明的照明系統(tǒng)不僅可以用于液晶顯示屏的照明，也可以用于為采用一個(gè)陰極射線管與一個(gè)光導(dǎo)層和一層液晶材料相結(jié)合的顯示系統(tǒng)提供照明，在美國(guó)專利4，127，322中描述了這個(gè)顯示系統(tǒng)。
本發(fā)明通?？梢杂糜谙率鰣?chǎng)合，在必須用一種特殊偏振狀態(tài)的光為一個(gè)非圓形物鏡照明的場(chǎng)合，以及應(yīng)該非常有效地使用一個(gè)發(fā)射光源的光線的場(chǎng)合。
圖6和11中所示的圖象投影裝置被改成使位于分束器20的其相反的軸向區(qū)域后面的平面上的光束b'具有半圓形截面。然而，該裝置也可以改成另一種方式，使光束b'在分束器的入射平面位置上具有這樣一種半圓形截面。為了較好地比較，圖30表示了按照?qǐng)D6和圖11的原理的圖象投影裝置，而圖31表示了最后所述的一種可能性。
這兩張圖分別示出了分束的邊界射線Ⅰ和Ⅱ，以及Ⅲ和Ⅳ。這些分束是通過(guò)由第二透鏡板54，分束器20，透鏡67'和73以及顯示屏1所構(gòu)成的系統(tǒng)，來(lái)自透鏡板52的兩個(gè)外層透鏡的，并且最終入射到投影透鏡系統(tǒng)c的入射光瞳I(xiàn)p上。如上所述，分束器20分別把每條射線分成兩條射線ⅠA，ⅠB;ⅡA，ⅡB;ⅢA，ⅢB;以及ⅣA，ⅣB。透鏡73把這些射線合成在位于光學(xué)軸線兩側(cè)的四個(gè)點(diǎn)上。
在圖30中，透鏡系統(tǒng)62設(shè)置在第二透鏡板54與分束器20之間，該透鏡系統(tǒng)在分束器20后面直接形成一個(gè)發(fā)射光源的半圓形圖象。透鏡系統(tǒng)73把射線ⅠBⅡB合成在第一點(diǎn)p1上，并把射線ⅠA和ⅡA合成在第二點(diǎn)p2上，這兩點(diǎn)位于相對(duì)于光軸線正好相反，并與軸線有一定距離的位置上。射線ⅢA和ⅣA合成在第三點(diǎn)p3上，以及射線ⅢB和ⅣB合成在第四點(diǎn)p4上，點(diǎn)p3和p4靠近光軸線。在投影透視透視系統(tǒng)c的入射光瞳內(nèi)形成的光源圖象由兩個(gè)半圓形發(fā)射點(diǎn)L”構(gòu)，它們緊靠在一起并共同組成一個(gè)圓形光點(diǎn)32，如圖30中右側(cè)底部所示。
在圖31的實(shí)施例中，沒(méi)有透鏡系統(tǒng)62，并且分束器20直接設(shè)置在第三透鏡板54后面。其結(jié)果是，來(lái)自透鏡板52外層透鏡的光束的邊界射線Ⅰ和Ⅱ以及Ⅲ和Ⅳ，分別通過(guò)與圖30中不同的路徑。此時(shí)，透鏡系統(tǒng)73把射線ⅠB和ⅡB合成在點(diǎn)p6上，射線ⅠA和ⅡA合成在點(diǎn)p7上，射線ⅢA和ⅣA合成在點(diǎn)p8上，以及射線ⅢB和ⅣB合成在點(diǎn)p9上。在投影透鏡系統(tǒng)c的光瞳內(nèi)的光源圖象仍由兩個(gè)半圓形發(fā)射光點(diǎn)L'”構(gòu)成，然而，相互之間，以及與光軸間的距離較大。因此，當(dāng)圖6，11和30中的實(shí)施例相比，投影透鏡系統(tǒng)應(yīng)該具有較大的孔徑32'，或較低的F數(shù)值。但是，另一些優(yōu)點(diǎn)勝過(guò)了這些缺點(diǎn)，那就是所需的元件數(shù)量較少，并且系統(tǒng)的總長(zhǎng)度較小。
權(quán)利要求
1.一種圖象投影裝置包括一照明系統(tǒng)，一個(gè)至少具有一個(gè)用于產(chǎn)生被投影圖象的顯示屏的圖象顯示系統(tǒng)，其中由照明系統(tǒng)提供的照明光束的偏振方向用圖象信息進(jìn)行調(diào)制，一個(gè)用于把圖象顯示系統(tǒng)形成的圖象投射到投影屏幕上的投影透鏡系統(tǒng)，以及一個(gè)設(shè)置在照明系統(tǒng)與圖象顯示系統(tǒng)之間用于把照明光束分解成兩個(gè)不同偏振的分束(Sub-beam)的偏振敏感分束器，其中第一分束直接適于由圖象顯示系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制，以及一個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)元件，用于把第二分束轉(zhuǎn)換成和第一分束具有相同偏振狀態(tài)的光束，上述第一和第二分束入射到圖象顯示系統(tǒng)上，其特征是其中的偏振敏感分束器包括一個(gè)雙折射材料的定向?qū)?，其中朝向分束器的照明光束在接近分束器的平面處具有半圓形截面，分束通過(guò)分束器橫過(guò)相同的光學(xué)路徑長(zhǎng)度，從分束器和偏振旋轉(zhuǎn)元件的組合體發(fā)出的分束都具有半圓形截面，并且兩者在一個(gè)圓內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的圖象投影裝置，其特征是上述分束器包括一個(gè)第一棱鏡，該棱鏡具有平行于入射到該分束器上的照明光束的主射線的第一平面，以及一個(gè)具有平行于上述主射線的第一平面的第二棱鏡，這些棱鏡具有相同的折射率，在上述棱鏡的第一表面之間的設(shè)有雙折射材料的層，上述材料的折射率之一等于棱鏡的折射率，其中第一棱鏡的第二和第三平面的大小相等，并且以相反的角度延伸到第一平面上，分別構(gòu)成分束器的入射面和第一出射面，以及其中的第二棱鏡的第二平面與第一棱鏡的第二平面平行，構(gòu)成分束器的第二出射面。
3.如權(quán)利要求2所述的圖象投影裝置，其特征是偏振旋轉(zhuǎn)元件設(shè)置在分束器的一個(gè)出射面上。
4.如權(quán)利要求2或3所述的圖象投影裝置，其特征是上述雙折射材料是一種液晶材料。
5.如權(quán)利要求2或3所述的圖象投影裝置，其特征是，雙折射材料層是一個(gè)雙折射粘合層。
6.如權(quán)利要求5所述的圖象投影裝置，其特征是上述粘合層是一個(gè)單軸定向的聚合物層。
7.如權(quán)利要求6所述的圖象投影裝置，其特征是上述聚合層是由固化的液晶單體合成物構(gòu)成的。
8.如權(quán)利要求1所述的圖象投影裝置，其特征是，分束器包括一個(gè)膽甾醇材料的層，該層與主軸近似成45°角，該層把照明光束分成第一圓偏振光反射分束，該分束具有第一旋轉(zhuǎn)方向，以及第二圓偏振光行進(jìn)分束，該分束具有相反的第二旋轉(zhuǎn)方向，并且在第一分束的路徑中還裝設(shè)有一個(gè)與入射到分束器上的照明光束主射線平行的第一反射器，以及一個(gè)設(shè)置在第二分束的路徑中，與膽甾醇層近似成90°角的第二反射器，并且其中的一個(gè)反射器使入射到其上的分束的旋轉(zhuǎn)方向反轉(zhuǎn)。
9.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的圖象投影裝置，其中的照明系統(tǒng)包括一個(gè)發(fā)射光源，一個(gè)用于收集來(lái)自光源的光的凹面反射器，以及一個(gè)設(shè)置在會(huì)聚光的路徑中的透鏡系統(tǒng)，其特征是，上述透鏡系統(tǒng)依次包括一個(gè)具有多個(gè)第一透鏡的第一透鏡板，這些第一透鏡設(shè)在垂直于主軸的一個(gè)平面上，并且在一個(gè)第一方向上具有均勻一致的寬度，在垂直于第一方向的一個(gè)第二方向上具有均勻一致的寬度，一個(gè)具有多個(gè)第二透鏡的第二透鏡板，其第二透鏡的數(shù)目與第一透鏡的數(shù)目成比例，以及一個(gè)第三透鏡，第一透鏡板把入射到其上的發(fā)射光束分割成多個(gè)分束。其數(shù)目與第二透鏡的數(shù)目成比例，這些分束在第二透鏡所在平面上具有最小的收縮，并且其主射線都對(duì)準(zhǔn)第二透鏡的中心，第二透鏡把第一透鏡板上形成的發(fā)射光點(diǎn)重疊地映射到一個(gè)中間圖象內(nèi)，并且上述第三透鏡在靠近分束器出射面的一個(gè)平面內(nèi)形成一個(gè)第二透鏡板的圖象，其中第一透鏡的寬/高比與一個(gè)顯示屏的寬/高比相對(duì)應(yīng)，并且第二透鏡是設(shè)置在一個(gè)半圓形內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9所述的圖象投影裝置，其特征是，至少一個(gè)上述透鏡板中的一個(gè)透鏡是非球面透鏡。
11.如權(quán)利要求9或10所述的圖象投影裝置，其特征是，其中第一個(gè)透鏡與第二透鏡的數(shù)目相等。
12.如權(quán)利要求9、10或11所述的圖象投影裝置，其特征是，其中第一透鏡的尺寸和設(shè)置方式可以使第一透鏡板的表面近似地等于入射到其上的照明光束的截面。
13.如權(quán)利要求9、10、11或12所述的圖象投影裝置，其特征是，第一透鏡板設(shè)置在一個(gè)平面上，在該平面上形成光源的第一圖象，并且上述圖象由第二透鏡板重新映射在一個(gè)中間圖象內(nèi)。
14.如權(quán)利要求9、10、11或12所述的圖象投影裝置，其特征是，在每個(gè)第二透鏡上形成光源的是一個(gè)縮小的圖象。
15.如權(quán)利要求9、10、11、12、13或14所述的圖象投影裝置，其特征是，其中的第一透鏡板和一個(gè)輔助透鏡一起結(jié)合成一個(gè)具有至少一個(gè)曲面的光學(xué)元件。
16.如權(quán)利要求15所述的圖象投影裝置，其中的輔助透鏡是平凸透鏡，其特征是第一透鏡設(shè)置在該透鏡的平折射表面上。
17.如權(quán)利要求15所述的圖象投影裝置，其特征是，第一透鏡設(shè)置在上述透鏡的一個(gè)曲線折射表面上。
18.如權(quán)利要求15所述的圖象投影裝置，其特征是用一個(gè)大至的平面代替上述透鏡的曲線折射表面，在該平面上設(shè)置第一透鏡，每個(gè)第一透鏡的曲率均與原先在曲線折射表面上相應(yīng)透鏡所在位置的曲率相對(duì)應(yīng)。
19.如權(quán)利要求9所述的圖象投影裝置，其特征是，上述反射器是球面反射器，它僅收集光源一側(cè)的平面上發(fā)射的光，該平面穿過(guò)發(fā)射光源的中心并垂直于系統(tǒng)的光學(xué)軸線，并且其中有一個(gè)聚光鏡系統(tǒng)設(shè)置在上述平面的另一側(cè)和上述第一透鏡板前面。
20.如權(quán)利要求9所述的圖象投影裝置，其特征是，上述反射器是球面反射器，它僅收集光源一側(cè)的平面上發(fā)射的光。該平面穿過(guò)發(fā)射光源的中心，并垂直于系統(tǒng)光學(xué)軸線，并且其中有兩個(gè)聚光鏡系統(tǒng)布置在上述平面的另一側(cè)和上述第一透鏡板前面，每個(gè)聚光系統(tǒng)接收來(lái)自光源和反射器的光的不同部分。
21.如權(quán)利要求19或20所述的圖象投影裝置，其特征是其中每個(gè)聚光鏡系統(tǒng)包括至少一個(gè)透鏡，該透鏡的至少一個(gè)折射面是非球面的。
22.如權(quán)利要求19或20所述的圖象投影裝置，其特征是其中每個(gè)聚光鏡系統(tǒng)包括一個(gè)主聚光鏡，它后面接著至少一個(gè)額外的透鏡元件。
23.如權(quán)利要求20、21或22所述的圖象投影裝置，其特征是第一透鏡板被分割成兩個(gè)第一板，它們分別設(shè)置在第一和第二聚光鏡系統(tǒng)中。
24.如權(quán)利要求9所述的圖象投影裝置，其特征是，反射器是一個(gè)拋物面反射器，它包圍著光源的大部分。
25.如權(quán)利要求9的圖象投影裝置，其特征是，反射器是一個(gè)橢圓形反射器，它包圍著光源的大部分。
26.如權(quán)利要求25所述的圖象投影裝置，其特征是，有一個(gè)準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在反射器與第一透鏡板之間。
27.如權(quán)利要求9所述的圖象投影裝置，其特征是，反射器是一個(gè)雙曲線反射器。
28.如權(quán)利要求27所述的圖象投影裝置，其特征是，有一個(gè)準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在反射器與第一透鏡板之間。
29.如權(quán)利要求24、25、26、27或28所述的圖象投影裝置，其中的發(fā)射源是延長(zhǎng)源，其特征是，該光源的縱方向平行于上述主軸。
30.一種彩色圖象投影裝置具有用于三基色紅、綠和蘭的三個(gè)彩色通道，每個(gè)彩色通道包括一個(gè)單獨(dú)的顯示屏，其特征是，該裝置包括一個(gè)如權(quán)利要求1至29中任何一個(gè)所述的圖象投影裝置，用于通過(guò)彩色分束裝置為三個(gè)彩色通道提供分開(kāi)的光束。
31.一種彩色圖象投影裝置具有用于三基色紅、綠和蘭的三個(gè)彩色通道，每個(gè)通道包括一個(gè)單獨(dú)的顯示屏，其特征是其中每個(gè)通道都包括一個(gè)如權(quán)利要求1至29中任何一個(gè)所述的單獨(dú)的圖象投影裝置。
全文摘要
一種圖象投影裝置包括具有第一圓形透鏡板(54)和第二半圓透鏡板(57)的照明系統(tǒng)(100，101，54，57，62)把一個(gè)特殊偏振敏感分束器20和一個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)器(31)的組合體設(shè)置在該系統(tǒng)所提供的光束路徑中，并把分束轉(zhuǎn)換成兩個(gè)具有相同的偏振狀態(tài)的分束(Sab beam)，兩個(gè)分束以一致的方式共同照明一個(gè)顯示屏(1)，并且最佳地充滿顯示屏的表面區(qū)域以及其后的投影透鏡系統(tǒng)(c)。
文檔編號(hào)G03B21/00GK1059035SQ9110558
公開(kāi)日1992年2月26日 申請(qǐng)日期1991年7月13日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月16日
發(fā)明者A·J·S·M·迪萬(wàn), A·H·J·范登勃蘭特 申請(qǐng)人:菲利浦光燈制造公司