CN1439228A - 用于反射光阀的光学部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑偏振非灵敏棱镜部件，用于利用反射光阀的投影显示器系统。该系统包括三个被涂敷的棱镜组成的棱镜部件和一个特殊形状的光束分束器，实施例中为梯形。棱镜部件的角度被优化设计，以便用最小的偏振非灵敏性实现最佳的色分离和色重组。该部件形成反射LCD投影机的紧凑而特别有效的光学系统布局。

Description

用于反射光阀的光学部件

本发明涉及一种用于反射式光阀全彩色显示器的光学系统，尤其涉及一种紧凑而高光效的三色棱镜部件(TPA)和一种偏振光束分束器(PBS)。该TPA和PBS的组合被放在物镜和LCD之间或放在其它类型的反射光阀之间以形成一个紧凑的投影系统。

常规的投影显示器主要采用透射光阀，比如有源矩阵LCD板。另一方面，反射式光阀提供了许多优点，比如高孔径比、高光效和优良的投影图像质量。基于反射液晶光阀(LCLV)的大规模投影系统已经被成功地制造和推广应用。近来，结晶硅可用于反射式CMOS液晶光阀，它们具有在芯片上集成整个CMOS电路的附加优点以及大批量生产的经济规模。对于这种新型的光阀，需要更紧凑的光学系统。

在一个反射投影系统中，首先由两个分色滤色片(通常具有第一兰色滤色片和第二红色滤色片)把准直过的光源分成三基色，随后这些光束沿不同的光路被射到相应的光阀上，接着用两个分色滤色片重新组合具有变化了的偏振的反射光束。这些滤色片可以是同一组分色滤色片或是不同组分色滤色片。使用一个PBS把反射光与入射光分离开，最后再投影到屏幕上。美国专利US 4,687,301公开了一个这种彩色分离-重组的光学部件，浸于分度匹配液中的分色滤色片既用于色分离又用于色重组。兰滤色片上的入射角为24°，而红滤色片上的入射角为12°。

美国专利US 4,969,730描述了一种公知的3-棱镜部件作为彩色分离棱镜，这种棱镜既被用作一个色分离器又被用作一个色重组器。它与美国专利US 4,687,301披露的发明的原理相同，但更容易制造。兰色滤色片和红色滤色片被涂敷在棱镜的表面上，入射角都为30°。也使用一个PBS把入射光束与偏振调制的反射光束分离开。

美国专利US 5,644,432描述了一种投影系统，它的色分离器和重组器由相同的3-棱镜部件组成。使用一个PBS分离入射光束和反射光束，在这种情况下，在兰色滤色片中没有气隙，3棱镜就能彼此粘合在一起。兰色和红色分色滤色片具有较大的入射角30°，以便为投影透镜保留一个较短的后工作距离。

一个全彩色反射式LCLV投影的光学系统必须具有如下特征：(1)大的输出光通量，这意味着大系统中光的不变性，或者使用LCLV系统的稳定性，(2)利用双偏振，(3)独立偏振的高效色分离和色重组，和(4)投影透镜的负焦距紧凑且很小。现有技术中所公开的彩色分离重组棱镜系统都不符合这些要求。因此，本发明的一个目的是提供一种对分色涂层具有小入射角的彩色分离重组棱镜。

目前，液晶(LCD)投影显示器主要是基于把透射LCD光阀作为图像产生器。这种类型的LCD投影机的缺点在于LCD板的孔径比(AR)很小，由于光阀分辨率的增加使得它变得更小。例如，对于SVGA显示器，AR大约为0.67，和对于XGA LCD板，AR大约为0.5。除低光效之外，低AR还需要黑色基底来隐藏产生象素的晶体管。因此，需要去象素化，从而增加了光系统设计的复杂性。在此类型的透射投影机中，使用不同的滤色片组把输入光分成三基色并在穿过LCD光阀后重组它们，色重组器通常使用X-立方。

反射式硅CMOS液晶光阀能克服透射LCD板中的低AR的缺点，在不考虑分辨率的情况下，以CMOS LCD为基础的硅的AR可高达92％。这是因为晶体管可以隐藏在象素上的反射镜的下面。因此，投影图像的光效和质量能被大大地提高。

毫无疑问，反射式光阀的投影光学系统比透射式光阀的投影光学系统更为复杂。一种考虑是光路中的s和p偏振的变化。

此外，一个全色投影机可以是一种采用一个反射LCD板的时序类型，或者同时带有全部3基色的3-板型，以后将涉及到这种应用。这样的投影机通常需要一个把输入的白光源(典型的，一个弧光灯)分成基色的光学子系统和在由反射光阀调制后把3基色重组起来的另一个子系统。色分离器和色重组器可以是同样的光学零件或者可以是物理上的不同光学零件。对于一个紧凑式投影系统，后者更为可取。

有几种基于彩色投影机的反射光阀的光学部件设计。反射光阀的基本元件是一个偏振光束分束器(PBS)，它反射s-偏振光而透射p-偏振光。在最直接的设计中，3 PBS可以用于3基色板。色分离和色重组可以在类似于透射投影机的分离滤色片组中进行，图1表示基本的设置。使用分色反射器反射红色光和兰色光。R.G.B光通道被送到3个PBS和3个光阀。然后，调制过的图像反射光被送到色重组X-棱镜以便投影。由于X-棱镜中的反射涂层最适合于s-偏振光运作，所以对于红光和兰光通道需要半波板来转动来自反射LCD的p-偏振光，这种系统相当复杂。

按照本发明的第一方面，提供一种非立方结构的偏振光束分束器，在分色涂层或滤色片上的入射角能够保持很小值。

分束器可以是梯形结构。

按照本发明的第二方面，提供一种用于全色投影显示器装置，包括一个用作色分离器和色重组器的棱镜部件和多个反射光阀。

棱镜部件可以是三色的。

如下的计算说明能够提供一个光学子系统的发明，该光学子系统在分色涂层上的光束入射角被保持得尽可能的小。这归因于偏振分离现象，一个用于形成分色滤色片的介质多层光学涂层总是包括周期性堆叠的高折射率层(H)和低反射率层(L)。对于n_Hd_H＝n_Ld_L＝λ/4，反射光由下式给出： $\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_R}{\mathrm{\λ}}=\frac{4}{\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left|\frac{{\mathrm{\η}}_H-{\mathrm{\η}}_L}{{\mathrm{\η}}_H+{\mathrm{\η}}_L}\right|---\left(1\right)$

其中Δλ_R使反射光的带宽，η_H和η_L分别是H层和L层的有效导纳。η_H和η_L是入射角和光的偏振状态的函数。对于s-偏振，η_is＝η₁cosθ_i，对于p-偏振 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ip}}=\frac{{\mathrm{\η}}_i}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}$ 。这里i＝H或L，θ_i是在每个薄膜中的折射角。θ_i和入射角θ之间的关系由通常的关系式η_psinθ＝η_isinθ_i给出。

以下将通过举例和参照附图，描述实施本发明的一个棱镜部件和非偏振光束分束器。

图1以曲线方式表示分色涂层在偏振上的灵敏度，如(a)，(b)和(c)所示，反射光谱随入射角改变而变化；

图2是一个典型的投影系统的示意图；

图3是色分离/重组部件详图；

图4表示非立方偏振光束分束器。

图5是使用常规结构的反射彩色投影机的光学系统；

图6是采用一个三色棱镜部件的反射彩色投影显示的光学系统；

图7是入射角为(a)16°，(b)30°，(c)45°时，计算出的红色和兰色边缘反射涂层的反射光谱。实线：p-偏振光。虚线：s-偏振光；和

图8在一起的新的三色棱镜部件和新的非立方PBS。

薄膜的有效导纳η随入射角θ的变化而变化，当入射角增加时s-偏振光和p-偏振光反射光谱之间的差别会变得越来越大。因此，大入射角将引起s-偏振光和p-偏振光的光谱反射频带间很大的分离。图1同时表示了红色边缘滤色片和兰色边缘滤色片的反射光谱，在对红，绿，兰3基色进行分离时，这些涂层用作一个梯形棱镜部件。在计算中，分别使用入射角为16°(a)，30°(b)，45°(c)(图1)。实线针对p-偏振光而虚线针对s-偏振光。假设涂层是在空气和玻璃(n_g＝1.5163)之间。

图1清楚地表示，当入射角增加时，s-偏振光和p-偏振光的反射光谱变得越来越不相同，这是很不理想的，因为反射光阀要偏振调制运行。根据偏振变化引起的反射率的变化意味着损失投影屏幕上的反射的信号和改变了彩色坐标以及损失色彩逼真度。45°的曲线(c)对应于X-立方色分离器或重组器的情况。它清楚地表明，X-立方不能同时当成一个色分离器和色重组器。另一方面，如图1所示，16°(a)的入射角是可接受的，这是本发明中所实现的入射角。

图2表示本发明的优选实施例。这是一个使用反射光阀的投影系统，三个光阀13，14，15分别用于三基色红，绿和兰。首先，光源22被光源自己的反射器和透镜组合19、21准直。一个冷光镜20用于滤出不需要的红外线辐射，否则将引起光阀过热。光束随后进入非立方，此实施例中是梯形的PBS 17。该PBS的17b内表面上的涂层使p-偏振光透射而使s-偏振光反射。然后，p-偏振的反射光进入梯形棱镜部件10，11，12。

图3表示包含三个棱镜的梯形棱镜部件的详图。棱镜10不具有先前通常的与光轴垂直的入射表面，而是与光轴呈90°-Φ₁₀的角度。这使表面10b上的入射角很小。

第一分色涂层涂在棱镜10的表面10b上，该涂层用来反射一个基色。在一个实施例中，反射兰色。在另一个实施例中，能反射红色。重要的是被反射的色光照射在表面10a上的角度应大于棱镜内部全内反射光的临界角，全内反射光然后从表面10c出去，或多或少垂直的入射在反射光阀13上。来自光阀13的反射光被偏振调制，这个反射光经过相同的光路且照射在PBS的表面涂层17b上。基于光阀13的作用，它也将被反射回到光源或透射并被投影在屏幕上。这样，通过偏振调制光阀将在屏幕上产生一个图象。

在表面10b上，透射光进入棱镜11并照射在表面11b上。该表面涂有一种颜色分量的分色滤色片，通常红色被反射并被指向气隙11a。气隙上光的入射角能引起全内反射，全内反射光被送到光阀15，出射表面11c几乎与光束垂直。反射光阀将调制光束的偏振，该调制光将在反射和回扫原始光束路径上照射在PBS的表面17b上。而且，基于光阀的作用，该光束也将被反射或透射用于投影。

光的最后的色分量通常是绿色，将通过棱镜12被透射，并指向光阀14。来自光阀14的反射光将追踪回到主光轴。与其它分量相同，基于光阀14的偏振调制，该反射光将在屏幕上形成一个图像。

空气/玻璃10a，10c，11a，11c和棱镜12的出射表面都用AR涂层涂敷，表面11a和10a上的AR涂层是特殊的宽带AR涂层，必须考虑到由分色涂层和全内反射所引起的相位改变。此外，在棱镜10和棱镜11之间，和在棱镜10与PBS 17之间也有气隙，这些气隙对于全内部反射是需要的。另外，在另一个实施例中，各种色分量的反射可以使用特殊的涂层而没有这些气隙。

三个棱镜的角度非常重要，使它们的入射角最小，并且可以实现全内部反射。因此，让两个分色涂层(10b和11b)的入射角相同并表示为θ。可以容易地表示为： $\mathrm{\θ}>\frac{1}{3}({\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)+\mathrm{NA})---\left(2\right)$

其中n是棱镜的折射率，NA是投影系统的数值孔径。因此，如果棱镜的折射率是1.52，系统的F数是3.5，则由公式(2)，每个可以具有16°的θ。这是可能的最小角度。如果让一个分色滤色片具有不同的入射角，则可以获得另一个值。

由这些公式得到的棱镜部件的其他角度是：φ₂＝32°，φ₃＝74°。此外，对于棱镜10中的全内反射来说，φ₁应该满足 ${\mathrm{\φ}}_1+\mathrm{\θ}>{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)+\mathrm{NA}---\left(3\right)$ 如果一个取φ₁为32°，则棱镜10和棱镜11将是相同的角度。这样，制造生产这种棱镜部件将较为容易。

棱镜的尺寸将由反射光阀的大小和棱镜部件内部三色光束的路径长度来确定。必须指出，入射角还取决于棱镜的折射率，如果使用折射率较高的棱镜，还可以降低分色涂层的入射角。

在这个实施例中，两个分色涂层具有相同的入射角，这对于实现大规模生产是有用的。然而，这不是必要条件。图2清楚地表明，在反射光谱上的偏振效应是很小的。而且，小的入射角也减少了反射率对入射角(可接受的角度)变化的依赖性。一个较大的可接受的分色涂层的角度意味着这种棱镜结构能提高整个光学系统的数值孔径。

图4表示一个非立方形偏振光束分束器。该PBS 17与其它常规PBS一样，由一个直角棱镜构成，并且另一部分有一个特殊的角度φ＝73°，这是为了与棱镜10的表面10a相匹配，两个表面10a和17a都用AR涂层涂敷。表面17b涂有宽带AR涂层。在此优选实施例中，PBS 17的材料使用BK7玻璃，以便使PBS具有低张力、短波长下的高透明度，以及具有高的偏振效率。

因此，使用参照附图所描述的本发明，提供了一种用于使用反射光阀的全色投影显示器的光学子系统。该子系统包括一个非立方偏振光束分束器和一个梯形棱镜部件，对于3基色，此部件可作为一个色分离器和一个色重组器。梯形棱镜部件包含两个分色边缘滤色片涂层，用于把分离的所谓的红，绿和兰色三基色的入射光分别分成三个相应的光通道。这两个分色涂层被保持在棱镜部件内部，并且在小的入射角和低的偏振依赖性方面达到最佳。

同样的三色棱镜部件用于色重组，3色光通道通过反射光阀被偏振调制。尽管带有不同的偏振，但光束基本上回扫原始的光路并经过相同的分色滤色片，分色滤色片是偏振非灵敏的。

为了保持在梯形棱镜部件的分色滤色片上的入射角很小，提供一个非立方偏振光束分束器(PBS)。通过让PBS具有一个梯形，可以把分色滤色片上的入射角维持为很小。

另外，对于使用反射光阀的紧凑式彩色投影机，必须使用同一组光涂层来完成色分离和色重组。被称为菲利普斯(Philips)棱镜是完成此任务的一种通用的光学部件，这种梯形棱镜部件(TPA)与仅仅一个形成紧凑彩色反射投影机的核心的PBS一起运作，该系统表示于图6上。

PBS首先把p或s偏振光发送进入TPA，根据弧光灯和投影透镜的位置来选择p或s偏振光。TPA中的第一两棱镜是30°棱镜，它们的出口表面上的涂层被用来分离出兰色和红色。提供所示的气隙，以便能出现全内部反射，反射红和兰光束偏离光路。

三色光通道离开TPA并照射在反射式LCD光阀上。向列液晶的作用是控制反射光的偏振状态，已经对LCD板提议了许多光学模式，就一切情况而论，反射光被旋转偏振90°，如果选择了象素，该光束回扫相同的光路作为入射光束，并通过PBS。

因此，用于兰色和红色光的高反射率涂层必须对s和p偏振光起作用，这种要求的涂层设计是很困难的。众所周知，对于分色涂层不具有偏振依赖性是不可能的，除非入射角为零。由于需要红色和兰色光束的全内部反射，在兰色和红色滤色片表面上的入射角被限制到至少30°。这样，常规TPA在它的反射光谱中具有很严重的偏振依赖性。这种所谓的s-p偏振分离在显示器中引起光效的严重损失和损失彩色逼真度。

图7表示了三个不同的入射角16°、30°和45°下计算的红色和兰色光涂层的反射光谱。红色和兰色的边缘滤色光谱被绘在同一图中，代表3色分离。实线针对p-偏振光而虚线针对s-偏振光。假设涂层被楔入在n_g＝1.5163的玻璃之间，可以清楚地看出，当入射角增加，s-和p-偏振光的光谱之间的分隔变得更大。

这种所谓的s-p偏振分离将导致损失反射光的强度，此外，还将引起被分离的和被重组的光的彩色坐标移位。

本发明的一个目的是寻求减少这种缺点。

对于光涂层的s-p偏振分离来自这样的事实，即s-偏振光和p-偏振光的比导纳不同，导纳是入射角和光偏振状态的函数。它们由下式给出

η_is＝η_icosθ       对于s-偏振                   (1) ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ip}}=\frac{{\mathrm{\η}}_i}{\cos \mathrm{\θ}}$ 对于p-偏振                   (2)

在等式(1)和(2)中，下标i表示堆叠涂层的第i层。

薄膜的有效导纳随光入射角的变化而变化。当入射角增大时，s和p偏振光谱之间的差别变得越来越大。因此，入射角大的时候将导致s-偏振光和p-偏振光之间有较大的分离，图7中计算的光谱中，这是很明显的。

优化三色分离/重组棱镜的问题的关键是减小分色涂层上的入射角，该入射角受到兰色和红色光通道全内部反射要求的限制。因此提供一种三色分离/重组棱镜部件，其中在分色涂层上的入射角已经被减少到16°。

这种棱镜的设计如图8所示。与常规的立方形相比，主要的区别在于PBS具有非正交结构，这将放宽设计条件并使入射角变小。

在表面BC上应用兰色高反射率涂层，且在表面CD上使用红色高反射率涂层。两个分色涂层的入射角是相同的并表示为θ。现在，必须维持两个内部表面(AB和BC)上全内部反射的条件，而且，假设表面AB和CD是平行的，TPA的各种角度之间的关系必须满足下列条件：θ＝φ                                    (3) ${\mathrm{\φ}}_{12}\≥{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)+{\sin }^{-1}\mathrm{NA}---\left(4\right)$ ${\mathrm{\φ}}_{22}\≥{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)+{\sin }^{-1}\mathrm{NA}---\left(5\right)$

和

φ₃＝90°-θ                              (6)

因此 $\mathrm{\θ}>\frac{1}{3}{(\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)+{\sin }^{-1}\mathrm{NA})---\left(7\right)$

在这些公式中，n是棱镜材料的折射率，NA是投影系统的数值孔径。因此，如果棱镜的折射率是1.52，以及光学系统的F数是4，则从公式(7)得到入射角θ的最小值是16°。此外，能看出φ＝16°和φ₃＝74°。棱镜的大小当然取决于LCD光阀的大小。

这样，就提供了一种很简单的棱镜部件，其中两个分色涂层具有相同的入射角。棱镜ABC和BCD是相同的，这便于大规模生产制造。从图7可清楚地看出，该TPA具有小的和可接受的偏振效应。而且，小的入射角意味着在入射角上有较小的散射效应。因此，分色涂层可以具有大的可接受的角度或大的稳定性。总而言之，这种新颖的棱镜结构能大大改进整个光系统的数值孔径，同时保持优良的色分离特性。

为了进行比较，构成常规TPA和新型TPA。提供的分色涂层特别适用于红色和兰色光分离。利用一个PR650分光计提取数据，比较时用于各种偏振和色涂层的反射率是标准化的。常规TPA的三个波峰对应于TPA的红色，绿色和兰色光通道的输出。

在光谱中s和p-偏振有一个位移，p-偏振的反射被位移到兰色10nm之多。

对于新型TPA，在测量反射光谱的pf的情况下，用16°入射角，发现仅有可忽略不计的s-p偏振分离，这个结果与图7中的数值结果值是很相苻的。s-偏振光和p-偏振光的光谱很尖且相同。对于图6所示的紧凑型彩色投影机来说，这种TPA应该是很有用的。

在概述中，我们已经指出，在设计利用反射LCD光阀的紧凑的彩色投影机的过程中最主要的限制是色分离器和色重组器的设计。通过对常规TPA进行修改，我们能够彻底解决s-p偏振分离的问题。

因此，使用本发明，能以一个单一的光学零件完成色分离和色重组，且具有高逼真度，在分色涂层上的入射角最好为大约16°。

上述的棱镜的优点在于，在反射光谱上使s和p偏振具有低的依赖性。因此它既能用于有偏振变化的色分离也能用于有偏振变化的色重组。三色棱镜部件可用于一种使用反射液晶光阀的紧凑型彩色投影机。

光的稳定性和光谱/偏振效应是光投影系统的两个主要特性，需要最佳地进行设计。这对于反射式或透射式投影机是现实的，对于反射投影机，主要是光涂层限制系统的稳定性。三色棱镜上的偏振分离效应会大大降低光系统的性能，这里建议的光学系统提供了一种比现有技术更先进的系统，这种新的TPA应该主要应用于紧凑投影机，比如台式监视器和平面电视。

Claims (23)

1.一种具有非立方结构的偏振光束分束器，其特征在于在分色涂层或滤色片上的入射角被保持小的值。

2.按照权利要求1的分束器，其特征在于分束器是梯形结构。

3.一种用于全色投影显示器的装置，其特征在于包括用作色分离器和色重组器的棱镜部件和多个反射光阀。

4.按照权利要求3的装置，其特征在于棱镜部件是三色的。

5.一种用于全色图像显示器的投影系统，其特征在于包括：

a)一个光源和一个直射和准直白光束的照明光学系统，

b)一个具有非立方形的偏振光束分束器，反射如a)中所述输入光的特定偏振，

c)一个三色棱镜部件，用于从白光光束中分离三基色并把它们分别直射到三个反射光阀，

d)多个反射偏振调制光阀，每个产生相应的彩色图像信号，

e)与c)中所述的相同的用于重组反射光束的三色棱镜部件，

f)与b)中相同的偏振光束分束器，根据反射光阀给予的偏振变化，将用于把光束直接射回到光源或者射到屏幕上，

g)一个投影透镜系统，把光影射到屏幕上形成全色图像。

6.按照权利要求5的系统，其特征在于包括一个直角棱镜和一个梯形棱镜，在它们之间具有偏振涂层。

7.按照权利要求6的系统，其特征在于梯形棱镜的锐角是74±5°。

8.按照权利要求5-7任一项的系统，其特征在于三色棱镜包括三个棱镜，其中两个是三角形棱镜，第三个是梯形棱镜。

9.按照权利要求8的系统，其特征在于包括在棱镜之间的表面上涂敷的分色涂层。

10.按照权利要求5-9任一项的系统，其特征在于梯形棱镜的角度分别是32±5°，48±5°和100±5°。

11.按照权利要求9或10的系统，其特征在于两个分色涂层包括相同的入射角。

12.按照权利要求11的系统，其特征在于入射角是16±5°。

13.按照权利要求11或12的系统，其特征在于在三色棱镜部件的一个表面上的分色涂层是一个边缘滤色片，对兰色具有高反射率，而透射其余颜色。

14.按照权利要求11或12的系统，其特征在于在三色棱镜部件的一个表面上的分色涂层是一个边缘滤色片，对红色具有高反射率，而透射其余颜色。

15.按照权利要求13或14的系统，其特征在于分色涂层的反射光谱具有在s-和p-偏振之间少于5nm的光谱移位。

16.按照权利要求5-15任一项的系统，其特征在于反射光阀包括液晶光阀。

17.按照权利要求16的系统，其特征在于液晶光阀是硅基板有源矩阵驱动液晶单元。

18.按照权利要求5-17任一项的系统，其特征在于偏振光束分束器的透射光反射p-偏振光。

19.按照权利要求5-17任一项的系统，其特征在于偏振光束的透射光反射p-偏振光。

20.按照权利要求5-19任一项的系统，其特征在于光源基本上沿着三色棱镜部件的主轴进入偏振光束分束器。

21.按照权利要求5-19任一项的系统，其特征在于光源基本上垂直于三色棱镜部件的主轴进入偏振光束分束器。

22.按照权利要求5-21任一项的系统，其特征在于在三色棱镜部件的三角棱镜之间具有一个气隙。

23.按照权利要求5-21任一项的系统，其特征在于偏振光束分束器和三色棱镜部件在所述的偏振光束分束器和三色棱镜部件之间具有一个气隙。

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