专利名称：投影装置及投影型图象显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影装置，具体地涉及投影型图象显示装置。
背景技术：
近年来，投影装置已经得到广泛的发展，所述的投影装置包括偏振转换装置；分光光学系统；光程反射装置；图象显示单元；以及投影光学系统。所述偏振转换装置提供对来自白光源的光的均匀偏振。所述白光源可以是一个短弧金属卤化物灯，其中金属卤化物被密封在一个发光管中，保持短的电极之间的距离，并且金属的光发射性质被用来产生光；一个超高压汞灯，其可以容易地提供高的亮度；可以提供优良颜色重现的氙气灯等。分光光学系统将光分离成红(R)、绿(G)及蓝(B)成分。所述红、绿和蓝光每个均与光程反射装置及图象显示单元相关。来自这些图象显示单元的光采用视频信号来调制，并且所得的光被导引到由组合棱镜构成的颜色组合光学系统。这个颜色组合光学系统完成重迭，并且所得的彩色图象被放大且通过投影光学系统被投影到屏幕上。
这些设备要求对光偏振性能的精确控制。充当偏振器和光检测器的偏振束分束器确定偏振性能，并且因此极大地影响所投影图象的图象质量。为此，近年来在改善偏振束分束器性能方面已经做了大量的研究。
作为一个实例，一个偏振束分束器包括多层介电薄膜；以及由半透明材料构成的部件。所述半透明部件光弹性常数的绝对值被加以选择，以便于它不大于与投影进入半透明部件的入射光波长相关的预先设定值。同样，与红(R)、绿(G)和蓝(B)光束相关的偏振光分离模块将来自白光源的光分离成其相关的颜色。通过提供在不同波长处光弹性常数的最低绝对值，用于这些偏振光分离模块的光学部件的基础材料被设计成提供最佳的特性。
这些偏振束分束器被用作偏振器或光检测器。为了提供对来自白光源光束的高效且均匀的分配，已经对照明光学系统进行了各种改进。在一个实施中，电视图象或来自计算机的图象输出被显示在图象显示单元上，所述图象显示单元被布置在按照预定设定的垂直/水平长宽比的矩阵上，例如一个液晶板上，用作调制上述照明光束强度的装置。由图象显示单元所显示的图象被显示在一个采用投影透镜来放大图象的投影型图象投影器装置上，或显示在装备有屏幕的“背”型投影图象显示装置上，在所述屏幕显示经放大的且被投影的图象。
4∶3的屏幕长宽比(水平∶垂直)对被用来显示计算机屏幕的图象显示单元是很普通的。为了显示电视机图象，在北美市场数字有线广播和在日本BS数字广播的增加已经导致16∶9的屏幕长宽比(水平∶垂直)比4∶3的屏幕长宽比(水平∶垂直)具有增长性的普及。
发明概述如上所述，半透明部件电弹性常数的绝对值被这样加以选择，以便于它不大于与投影进入半透明部件的入射光波长相关的预先设定值。同样，与红(R)、绿(G)和蓝(B)光束相关的偏振光分离模块将来自白光源的光分离成其相关的颜色。通过提供在不同波长处光弹性常数的最低绝对值，用于这些偏振光分离模块的光学部件的基础材料被设计成提供最佳的特性。然而，这些方法并不合适。由于光线穿过偏振束分束器偏振光中的非均匀性，所以S偏振光和P偏振光的猝灭率得以减小，导致屏幕上放大的投影图象的颜色和亮度的不均匀性。
虽然已经采用了各种方法来提供上述照明光学系统和颜色组合系统的最佳特性，但是所述技术的效率实际上仍然不够。
此外，一直没有建立实施用于控制来自红、绿、蓝图象显示单元的图象光的屏幕显示位置的有效方法，其中上述的投影装置被安装在一个“背”图象显示装置中，以便于放大的投影图象由一个反射镜被投影到放置在预先设定柜的位置处的透射屏幕上。
上述的本发明的第一目的是提供一种投影装置，其在投影到屏幕上的放大图象中具有最小的颜色及亮度不均匀性。第二个目的是提供一种照明光学系统及颜色组合光学系统，其可以高效地利用由光源产生的光束。第三个目的是当本发明的投影装置被安装在背-投影图象显示装置中时，其提供对应于红、绿和蓝图象的图象显示单元的最佳显示位置。
为了克服上述困难，本发明提供一种投影装置，其包括偏振光转换装置，其把来自光源的光束转换成均匀偏振波；颜色分离装置，其基于波长范围将被转换束分离成第一、第二和第三颜色束；第一、第二和第三光程修改装置，其修改与所分离颜色束相关的光程；第一、第二和第三偏振光分离装置，其接收光程已经由光程修改装置修改的颜色束；第一、第二及第三反射图象显示单元，其接收来自偏振光分离装置的第一、第二及第三颜色束并输出来自偏振光分离装置的反射束；颜色组合装置，其将来自反射图象显示单元且由偏振光分离装置接收的反射束进行组合；投影装置，其放大且投影由颜色组合装置所组合的彩色图象。第一或第二或第三光程修改装置是一个反射镜，所述反射镜具有传输具有至少560nm波长的长波长光束的特性。
根据本发明的另一个方面，颜色组合装置将来自反射图象显示单元且由偏振光分离装置所接收的反射束进行组合。通过接合棱镜，便构成了颜色组合装置，其中所述的棱镜上放置选择性地传输或反射具有预先设定波长的光的滤光器。所述棱镜由至少两种具有不同波长的基础材料所构成，其中在所述波长处光弹性常数的绝对值为最小。
根据本发明的另一个方面，一种防反射涂层被布置在偏振光转换装置和颜色组合光学系统之间的空气边界表面上。所述反射保护膜被构成为具有最小反射率Rg和Rr，Rg和Rr，满足关系6＞Rr/Rg，10＞Rb/Rg，其中Rg是具有约为550nm波长的光的反射率，Rr是具有约为630nm波长的光的反射率，且Rb是具有约为430nm波长的光的反射率。
根据本发明的另一方面，本发明包括颜色分离装置，其基于波长范围将来自光源的光束分离成第一、第二及第三颜色束；图象显示单元，其接收来自颜色分离装置及剩余图象单元的第一、第二和第三颜色束，可被激活的所述剩余图象单元被布置在有效显示区域的外部；颜色组合装置，其将来自图象显示单元的颜色束进行组合；投影装置，其将由颜色组合装置的彩色图象放大并投影；屏幕，其被安装在一个预先设定的位置且在其上投影来自投影装置的投影图象光；以及至少两个检测屏幕外部光强度的光接收单元。来自与第一、第二及第三投影图象光有关的光接收单元的检测结果被用来控制图象显示单元的作用区。
附图的简要说明
图1是显示根据本发明的照明系统、颜色组合光学系统、图象显示单元及投影透镜的断面布置图。
图2是显示如图1所示根据本发明的照明光学系统、偏振光分离设备及投影透镜的布置图。
图3是显示根据本发明的颜色组合光学系统的一个实施例的平面图。
图4是显示如图1所示根据本发明的颜色组合光学系统的一个实施例的侧视图。
图5是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图6是显示如图3所示根据本发明的颜色组合光学系统的一个实施例的侧视图。
图7是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图8是显示如图5所示根据本发明的颜色组合光学系统的一个实施例的侧视图。
图9是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图10是显示如图7所示根据本发明的颜色组合光学系统的一个图11是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图12是显示如图9所示根据本发明的颜色组合光学系统的一个图13是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图14是显示如图11所示根据本发明的颜色组合光学系统的一个图15是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图16是显示如图3所示根据本发明的颜色组合光学系统的一个图17是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图18是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图19是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图20是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图21是显示根据本发明的颜色组合系统的一个实施例的平面图。
图22显示在颜色组合/分离光学系统中的防反射涂层的特性。
图23显示在颜色组合/分离光学系统中的防反射涂层的特性。
图24是显示根据本发明的颜色分离光学系统结构图。
图25是显示根据本发明的颜色分离光学系统结构图。
图26显示在颜色组合/分离光学系统中的防反射涂层的特性。
图27显示在颜色组合/分离光学系统中的防反射涂层的特性。
图28显示在颜色组合/分离光学系统中的防反射涂层的特性。
图29显示根据传统工艺的多层反射保护膜的特性。
图30显示根据传统工艺的多层反射保护膜的特性。
图31是图象显示单元和偏振光分离设备如何被接合的显示图。
图32是图象显示单元和偏振光分离设备如何被接合的显示图。
图33是用于说明来自投影透镜的放大图象在屏幕上的位置图。
图34是根据本发明一个实施例的投影型图象显示装置的前视图。
图35是显示装备有根据本发明的投影光学系统的背投影型图象显示装置的主要单元的垂直横断面图。
图36是显示装备有根据本发明的投影光学系统的背投影型图象显示装置的主要单元的垂直横断面图。
优选实施例的详细说明下面将参考附图对本发明的实施例加以说明。图1显示根据本发明一个实施例的照明系统、颜色组合光学系统、图象显示单元及投影透镜的布置。在此图中，光源灯36是一个白光源。由光源灯36所产生的所述白光源被聚焦(在此实施例中，光源灯的反射器为椭圆型)且被投影到束转换透镜35。由束转换透镜35所完成的色散将白光束转换成被投影到多透镜阵列34的粗略地平行的光线。所述多透镜阵列34将白光束分裂成对应于阵列中透镜数量的多个束。来自多透镜阵列34的这些分裂束穿过一个相关的多透镜阵列33、被PBS(偏振光转换单元)32转换成S偏振光、被光程反射镜31反射并且被投影到场透镜30，其中焦点的放大及位置被这样调整，以便于在偏振光分离设备1R、1G和1B中，图象以粗略与图象显示单元2的有效屏幕面积相同的尺寸被反射放大且重叠在图象显示单元上。这构成了一个“远焦的，”的照明系统。对于这个实施例，光线将被PBS转换成S偏振光。
因此，在图象显示单元上的光可以具有均匀的光通量分配。被图2所示的分光光学系统分裂成红、蓝和绿束的S偏振束分别被偏振分光装置1R、1G、1B反射。这些束被投影到图象显示单元2。经柔性端子3传送的驱动信号根据一个视频信号调制强度，并且所得的束被转换成P偏振光且被投影。其中，红视频束和蓝视频束穿过半波片4、6，以便于它们被转换成S偏振光。然后，构成组合光学系统的棱镜10R、10B、10G、10W产生一个彩色图象。如图25所示的简单化方式，一个红色反射滤光器被放置在由棱镜10R和棱镜10G之间的接触表面所构成的反射表面上，并且红色滤光器的特性引起红图象束被反射朝向投影透镜20。类似地，蓝色反射滤光器被放置在由棱镜10W和棱镜10R之间的接触表面所构成的反射表面上，并且蓝色滤光器的特性引起蓝图象束被反射朝向投影透镜20。此外，绿图象束穿过对应的反射表面且与两个其它颜色相组合，导致一个彩色图象。所组合的彩色图象经光检测器12被送到投影透镜20，并且被放大且投影到屏幕上。
图2显示根据本发明的照明光学系统、颜色分离光学系统、偏振光分离设备及投影透镜的布置。共享的单元被赋予相同的数字且对应的说明将被略去。穿过场透镜3的白光的偏振已经通过偏振器11变得均匀，由此改善了对比度。这个实施例采用偏振器11，但是可以省去这个单元以降低成本。
来自偏振器11具有均匀偏振的白光被棱镜9W、9R、9B、9G分离成红、蓝和绿束。如图24的简单化方式所示，放置在棱镜9W和棱镜9B和棱镜9R和棱镜9G之间接触表面所构成的反射表面上的红色反射滤光器提供对白光中红色成分的选择性反射。然后，红光的光程垂直于图的平面被全反射镜7反射。类似地，蓝色成分被棱镜9W和棱镜9R之间的接触表面及棱镜9B和棱镜9G之间的接触表面所构成的反射表面上的蓝色反射滤光器选择性地反射。然后这个蓝色成分垂直于图的平面被全反射镜7反射。分离出红色成分和蓝色成分的所述光穿过上述颜色分离光学系统，并且绿色成分被选择性地由分色镜8反射，并且垂直于图的平面被反射。
图1所示的颜色组合光学系统沿着垂直轴与图2中的颜色分离光学系统相重叠放置。为了防止光的垂直泄露，理想地是具有两个被盒壁(case wall)(底表面)等完全分离的系统。
图3是显示根据本发明实施例的投影透镜和颜色组合光学系统的平面图。图4是图3的侧视图，其显示颜色分离光学系统和颜色组合光学系统相对位置。与图1和图2中共有的那些单元被赋予相同的数字且将略去对应的说明。
例如，由图4中的颜色分离光学系统所分离的蓝色束被全反射镜7朝向偏振光分离设备1B而反射。光在1Bd和1Bc之间边界表面处被反射且被送到图象显示单元2，在此它被蓝视频信号所调制并被转换成P偏振。然后光返回到偏振光分离设备1B且穿过1Bd和1Bc之间的边界表面，在此它穿过半波片4并被转换成S偏振光。然后所述光被送到如图3所示的颜色组合光学系统，并且被放置在由棱镜10W和棱镜10R之间的接触表面与棱镜10B和棱镜10G之间的接触表面所构成的反射表面上的蓝色反射滤光器所反射。所得的光被投影朝向投影透镜20。类似地，红色束被全反射镜7反射朝向偏振光分离设备1R。所述光在1Rd和1Rc之间的边界表面上被反射并被送到图象显示单元2上，在此它被红色视频信号所调制并且被转换成P偏振。然后所述光返回到偏振光分离设备1R并穿过1Rd和1Rc的边界表面，在此它穿过半波片6且被转换成S偏振光。然后这个光被送到如图3所示的颜色组合光学系统并且被放置在由棱镜10W和棱镜10B之间的接触表面与棱镜10R和棱镜10G之间的接触表面所构成的反射表面上的红色反射滤光器所反射。所得的光以均匀的方式被光检测器12偏振并且被投影向投影透镜20。其次，绿光束通过分色镜8穿过偏振光分离设备1G，所述设备传输具有至少565nm波长的长波光。这个光被1Gd和1Gc之间的边界表面(在图中未显示出)所反射，并被投影到图象显示单元2，所述图象显示单元2利用绿视频信号来调制光并将结果转换成P偏振光。通过借助分色镜8将具有中心波长约为580nm黄色成分消除，色纯度得到改善。为了改善绿光的色纯度，两向色镜8的传输波长可以被设置到560nm或更高。
被送回到偏振光分离设备1G的绿色视频束穿过1Gd和1Gc之间的边界表面，并且作为P偏振光被送到如图3所示的颜色组合光学系统，在此它穿过放置在由棱镜10W和棱镜10B之间及棱镜10R和棱镜10的接触表面所构成的反射表面上的反射滤光器。所得的光被投影向投影透镜20。这个颜色组合装置提供一个彩色图象，所述彩色图象最终穿过光检测器10以改善偏振，并且被放大且由投影透镜20投影到屏幕上。
为了提供更高对比度的特性，两个偏振光分离设备可以被放置在对应于具有相对高可见度的绿色束光程上。更具体地，代替在本发明第一实施例中的分色镜8，S偏振光被送到第一偏振光分离设备(在图中示显示出)。光被反射以弯转光程，并且随后被送到第二偏振光分离设备1G。随后的操作与第一实施例的操作相类似，并且其对应的说明将被略去。为了提供更高的对比度，除了绿光束以外，两级偏振光分离可以针对具有其次高可见度的红光束及具有最低可见度的蓝光束执行。
如图3所示，图象显示单元2和偏振光分离设备1B、1G、1R被直接接合。这导致较小的空气边界，减少了反射损失且提供了图象显示单元改善的机械强度。此外，通过直接接合作为物体平面的图象显示单元及由厚半透明介质构成的偏振光分离装置，可以防止碎片附着到图象显示单元。这提供了防止在投影图象中的图象质量损失这又一优点。此外，通过提供Sc＜Si这一关系，可能防止具有低级平行性的光进入颜色组合光学系统，其中Si是在偏振光转换设备的的图象显示装置侧上的孔径面积，Sc是在颜色组合光学系统侧上的孔径面积。结果是，在最终彩色图象中颜色和照明的不均匀性得到减少。
用于图象显示单元2和偏振光分离设备1B、1R、1G的具体接合方法将利用图31和图32加以说明。图31是显示图象显示单元其外部形状的外部视图。一种热导电粘合剂被用来将金属基片2a紧固到一个包括硅芯片的外罩2b上。具有厚度约为2mm的保护玻璃被粘附到外罩2b的另一侧。在第一种接合方法中，粘附到保护玻璃2d的表面。在第二种接合方法中，直接粘附到包括硅芯片的外罩上而不是利用保护玻璃2d。这免去了保护玻璃2d并且提供了降低的成本。
一种偏振束分离器被用于偏振光分离设备。这个偏振束分束器包括因为由基础材料所产生的光学各向异性所导致的双折射，从而干扰了光的偏振。因此，偏振光分离设备降低了分离S偏振光和P偏振光的猝灭率(对比度率)，例如当三个颜色已经被组合后由于非均衡的亮度和非均衡的颜色，显著降低了图象质量。在本发明中，通过采用将不同波长光弹性常数的绝对值最小化的基础材料，当三个颜色已经被组合后非均衡的亮度和非均衡的颜色等问题已经得到减少。同样，如果降低成本需优先考虑，则用于与蓝色束相关的偏振光分离设备的基础材料可以是与用在与绿色束相关的偏振光分离设备的基础材料相同的材料，所述这种基础材料具有相对低的可见度。在宽波长范围内具有低光弹性常数的基础材料的实例包括来自Schott Corp.(Schott公司)的SF1、SF2T SF47及来自Ohara Corp.Ltd.(Ohara有限公司)的PBH55。试验实例已经确认了所述效果。
在本发明的实施例中，光检测器12被直接放置在投影透镜20的前面，以提供对亮度和颜色的适当降低。通过在颜色组合光学系统中构成棱镜可以提供改善的特性，所述颜色组合光学系统具有与上述偏振光分离设备同样低双折射的基础材料。在图3所示的光学组合棱镜中，可以采用具有在绿波长范围内光的最低光弹性常数的基础材料构成棱镜10G、10W，其中所述绿波长范围具有最高的可见度。这提供优良的特性。同样，通过利用在红波长范围内具有最低光弹性常数的基础材料构成棱镜10R，可以提供出另外的改进。通过采用在绿波长范围和红波长范围内具有低光弹性常数的基础材料构成棱镜10W可以提供进一步的改进。
图5显示出根据本发明第二实施例的投影透镜和颜色组合光学系统的平面图。图6是图5的侧视图，其显示出颜色分离光学设备和颜色组合光学系统的相对位置。那些与图3及图4中所示实施例中相同的单元被赋予相同的数字并且其对应的说明将被略去。
与第一实施例的主要不同在于偏振光分离设备1B、1R到颜色组合光学系统的棱镜10B、10R的粘附，其中间插入了半波片4、6。然而，与绿光束相关的偏振光分离设备1G被直接粘附到颜色组合棱镜10G上。通过在图象显示单元2和偏振光分离设备1B、1G、1R之间放置四分之一波片70并且将偏振光轴与最佳点对准，则可以提供良好的特性。其它操作与图3和图4所示实施例的那些操作相类似，并且其中的说明将被略去。
图7是显示本发明第三实施例中的投影透镜和颜色组合光学系统的平面图。图8是图7的侧视图，其显示出颜色分离光学系统和颜色组合光学系统相对位置。那些与图3及图4中所示实施例中相同的单元被赋予相同的数字并且其对应的说明将被略去。
与第一实施例的主要不同在于偏振光分离设备1B、1R到颜色组合光学系统的棱镜10B、10R的粘附，其中间插入了半波片。然而，与绿光束相关的偏振光分离设备1G被直接粘附到颜色组合棱镜10G上。在图象显示单元2和偏振光分离设备1B、1G、1R之间放置四分之一波片70。在粘附前将偏振光轴与最佳点对准。同样也将可能把光检测器12粘附到颜色组合棱镜10W上。结果是，可以减小不必要的空气边界表面，由此减小了图象质量降低因数。其它操作与图3和图4所示实施例的那些操作相类似，并且其中的说明将被略去。
图9是显示本发明第四实施例中的投影透镜和颜色组合光学系统的平面图。图10是图9的侧视图，其显示出颜色分离光学系统和颜色组合光学系统相对位置。那些与图3及图4中所示实施例中相同的单元被赋予相同的数字并且其对应的说明将被略去。
在图10中，由颜色分离光学系统所分离的蓝色束被全反射镜7所反射，并且穿过将被转换成P偏振光的半波片4。然后这一光进入偏振光分离设备1B并穿过1Bd和1Bc之间的边界表面。然后这一光进入图象显示单元2，在此它由蓝视频信号所调制并被转换成S偏振光。然后所述蓝视频束再次进入偏振光分离设备1B且被1Bd和1Bc之间的边界表面所反射。随后所述束被一个蓝色反射滤光器所反射，所述滤光器被放置在由棱镜10W和棱镜10R之间的接触表面及棱镜10B和棱镜10G之间的接触表面所构成的反射表面上。然后所述光被投影到投影透镜20上。类似地，红色束被全反射镜7所反射并且穿过将被转换成P偏振光的半波片6。然后这一光进入偏振光分离设备1B并穿过1Rd和1Rc之间的边界表面。然后这一光进入图象显示单元2，在此它由红视频信号所调制并被转换成S偏振光。然后所述蓝[？红？]视频束再次进入偏振光分离设备1R且被1Rd和1Rc之间的边界表面所反射。随后所述束被一个红色反射滤光器所反射，所述滤光器被放置在由棱镜10W和棱镜10B之间的接触表面及棱镜10R和棱镜10G之间的接触表面所构成的反射表面上。然后所述光被投影到投影透镜20上。接下来，绿色束将穿过半波片(在图中未显示出)，所述半波片经由传输具有至少为565nm长波光的两向色镜7完成P偏振的转换。这一光进入偏振光分离设备1G并穿过1Gd和1Gc之间的边界表面(在图中未显示出)，并且进入图象显示单元2。所述光由绿视频信号所调制并被转换成S偏振。然后所述束再次进入偏振光分离设备1G且被1Gd和1Gc之间的边界表面所反射。该束然后作为S-偏振进入如图9所示的颜色组合光学系统。随后所述束穿过一个反射滤光器，所述滤光器被放置在由棱镜10W、棱镜10B、棱镜10R和棱镜10G之间的接触表面所构成的反射表面上，并且被投影到投影透镜20上。上述的颜色组合装置提供一个彩色图象并且允许所述的三个颜色显示单元2被放置在同一平面上。当用风扇等提供冷却时，这简化了空气流的设计。
同样，如图10所示，图象显示单元2和偏振光分离设备1B、1G和1R被直接接合。这导致较小的空气边界表面，从而降低了反射损失并且为图象显示单元提供改善的机械强度。此外，通过直接接合充当物体平面的图象显示单元及由厚半透明介质所构成的偏振光分离设备，可以防止将碎片粘附到所述图象显示单元上。这提供了防止所投影图象的图象质量损失的又一优点。
图11是显示本发明第五实施例中的投影透镜和颜色组合光学系统的平面图。图12是图11的侧视图，其显示出颜色分离光学系统和颜色组合光学系统相对位置。那些与图3及图4中所示实施例中相同的单元被赋予相同的数字并且其对应的说明将被略去。
与第四实施例的主要不同在于偏振光分离设备1B、1R、1G到颜色组合光学系统的棱镜10B、10R、10G的粘附。图象显示单元2和偏振光分离设备1B、1G、1R也被粘附。其它操作与图9和图10所示实施例的那些操作相类似，并且其中的说明将被略去。
图13是显示本发明第六实施例中的投影透镜和颜色组合光学系统的平面图。图14是图13的侧视图，其显示出颜色分离光学系统和颜色组合光学系统相对位置。那些与图9及图10中所示实施例中相同的单元被赋予相同的数字并且其对应的说明将被略去。
与第四实施例的主要不同在于偏振光分离设备1B、1R、1G到颜色组合光学系统的棱镜10R、10B、10G的粘附，其中间插入了半波片。图象显示单元2和偏振光分离设备1B、1G、1R之间放置四分之一波片70，使偏振光轴与最佳点对准。同样半波片4、6(用于绿色束的半波片在图中未显示出)被粘附到偏振光分离设备1B、1R、1G。
图15是显示本发明第七实施例中的投影透镜和颜色组合光学系统的平面图。图16是图15的侧视图，其显示出颜色分离光学系统和颜色组合光学系统相对位置。那些与图9及图10中所示实施例中相同的单元被赋予相同的数字并且其对应的说明将被略去。
与第四实施例的主要不同在于偏振光分离设备1B、1R、1G到颜色组合光学系统的棱镜10R、10B、10G的粘附。图象显示单元2和偏振光分离设备1B、1G、1R之间放置四分之一波片70，使偏振光轴与最佳点对准。然后这三个单元被粘附。结果是，具有较小的不必要空气边界表面，由此减小了图象质量降低因数。
同样半波片4、6(用于绿色束的半波片在图中未显示出)被粘附到偏振光分离设备1B、1R、1G。其它操作与图9及图10中所示第四实施例中的操作相类似，并且其对应的说明将被略去。
图17、图18、图19、图20和图21显示根据本发明的颜色分离光学系统的实施例。操作的详细说明已经在上述内容中加以介绍，因此在此将省略。
图17、图18和图19在存在或不存在偏振器11及是否偏振器被粘附到颜色分离棱镜11上有所差异。在图19所示的实施例中，与图18所示实施例相比两个空气边界表面的减小提供了改善的光学特性。图20和图21显示颜色分离光学系统的其它实施例，其中通过采用交叉二向色反射镜9取代颜色分离棱镜9W、9R；9G、9B可以降低成本。
图22和图23显示通过采用多层金属膜而获得的标准反射滤光器的特性。图22显示当蓝光被传输并且绿和红光被反射时滤光器的特性。图23显示当红光被传输且蓝和绿光被反射时滤光器的特性。所述图举例说明甚至当采用相同的多层金属膜时所述特性如何根据偏振类型可以显著变化。因此，如果具有不均匀偏振轴的光束穿过颜色分离/组合光学系统时，在所放大的图象中将出现颜色和亮度的不均匀。
在本发明的实施例中，用于分离白光的颜色分离光学系统接收S偏振光。图26显示放置在颜色分离光学系统棱镜表面上反射膜的特性。利用这些特性，在红波长范围(600nm及更高)的反射特性显示突然的增加，其提供了良好的响应。在蓝波长范围(490nm及更低)的反射特性也显示突然的增加，但是在红波长区域的传输中纹波成分的产生导致在反射膜中需要更多数量的膜层。
本发明的图象显示单元利用视频信号调制光，并且将所接收束的偏振旋转180度(从S偏振光到P偏振光)。如果颜色组合光学系统直接将绿波长范围(在约510nm和575nm之间)的光转换成P偏振光，则可以利用少数量的膜层提供如图27所示的反应特性。红色和蓝色束在进入光学组合系统之前，穿过将被转换成S偏振光的半波片。这导致如图28所示的良好特性。
传统上，放置在组合棱镜10W上的反射保护膜、光检测器12和投影透镜20被这样设计，以便于在宽范围内反射率得以降低。结果是，与红波长范围(600nm及更高)和蓝波长范围(490nm和更低)相比较，最可见范围的绿波长范围(约从510nm和575nm)具有较高的反射率。相反，如图30所示，在本发明中的反射膜被这样设计，以便于最可见的绿波长范围(约从510nm和575nm)的反射率最低，且红波长范围(600nm及更高)的反射率保持低值。这提供了改善的特性。例如，将可视性加以考虑，通过将630nm光的反射率Rr保持在550nm光的反射率的6倍，且430nm光的反射率保持在550nm光的反射率的10倍，总反射率可以被降低。
图34显示在装备有根据本发明的投影光学系统的背投影图象显示装置中主单元的前视图。所述图显示出投影装置45、柜46、屏幕框架47及屏幕的有效显示范围48。
在投影装置45中的图象显示单元包括一个剩余图象单元区域，该区域可以在有效显示范围外被驱动。投影透镜将图象放大并将包括剩余图象单元区域的图象投影直至外部的屏幕区域41以达到尺寸大于透射屏幕的外部尺寸。光接收单元49a、49b、49c、49d、49e、49f被放置到透射屏幕附着位置，以把光强度转换成电信号。光接收单元49b、49e检测出水平显示定位，并且光接收单元49b、49f检测垂直显示定位。利用来自四个光接收单元的输出信号变化，可以计算出框架的旋转。利用光接收单元49a、49c，也可以通过简单地检测框架位置检测出框架的斜移。
将更详细地说明位置检测方法。一个或更多的图象单元被顺序地显示在与红、绿和蓝光束相关的图象显示单元的预先设定位置上。响应于显示图象单元，基于来自光接收单元的输出信号变化，与颜色束相关的图象显示单元的整个框架最佳显示位置被确定，并且每个图象显示单元的活化区域受到控制。因移动框架显示位置而导致的光栅偏移和颜色偏移将被最小化。借助于这个布置，不需要调节光学单元的定位便可以提供对颜色和光栅偏移的校正。这允许电子地执行高精确度校正。当显示装置被发货时，对上述图象显示单元有效范围的调节总体上被执行，但是对于观众而言可能购买后执行这些操作。为了提供这一能力，放置一个调节开关(在图中未显示出)，并且利用开关启动所述调节操作。此外，也可能在预先设定的使用时间(观看时间)间隔或每次当电源被打开时，完成这些调节。
图35和图36是显示装备有根据本发明的投影光学系统的背投影型图象显示装置的主要单元的垂直横断面图。在图35中，从投影装置50获得的图象被放大且经由反射镜52被投影透镜20投影到屏幕55上。投影透镜20的光轴被粗略地与屏幕55外径的中心对准，并且在框架边缘因菲涅耳透镜导致的反射损失对于四个角落是均匀的。如果投影装置的颜色组合光学系统将被具有不同有效屏幕尺寸的图象显示单元所共享，则与具有不同有效屏幕尺寸的图象显示单元44相关的放大投影图象41的框架中心与屏幕的外部尺寸中心对准。具有较小有效框架尺寸(由图中的对角线阴影部分表示)的图象显示单元43远离投影透镜42的光轴被离心对准。所得的放大投影图象40具有偏移投影透镜光轴中心的中心位置。结果是，设置可以被布置成具有更小的深度。在图中，显示出一个投影装置56和一个投影透镜20.与图35中单元相同的单元被赋予相同的数字。在框架边缘处的菲涅耳透镜反射损失将在屏幕的较上端与较低端之间变化，但是如果投影透镜的环境光率不高于15％，则针对约为1∶3的偏心率将不出现实际的问题。
本发明的上述第一优点是提供一种投影装置的能力，这种投影装置在投影到屏幕上的放大图象上具有最小的颜色和亮度非均匀性。第二个优点是提供可能有效使用由光源产生光束的照明光学系统和颜色组合光学系统的能力。第三个优点在于当本发明的投影装置被安装在背投影图象显示装置中时，提供对应于红、绿和蓝图象的图象显示单元的最佳显示位置。
权利要求
1.一种投影装置，其包括偏振转换器，其把来自光源的光束转换成均匀偏振波；颜色分离器，其基于波长范围将所述被转换束分离成第一、第二和第三颜色束；第一、第二和第三光程修改器，其分别修改与所分离颜色束相关的光程；第一、第二和第三偏振光分离器，其分别接收由所述光程修改器修改的第一、第二和第三颜色束；第一、第二及第三反射图象显示单元，其接收来自所述偏振光分离器的第一、第二及第三颜色束并分别把反射束输出到所述的偏振光分离器；颜色组合器，其将经由所述偏振光分离器来自所述反射图象显示单元的反射束进行组合；投影装置，其放大且投影由颜色组合器所组合的彩色图象。其中，所述第一或所述第二或所述第三光程修改器是一个反射镜，所述反射镜具有传输具有大于560nm波长的特性。
2.如权利要求1所述的投影装置，其中，由所述束分离器分离的所述颜色束为红、绿及蓝色束；以及用于绿色的所述光程修改器具有传递波长大于560nm的光束的特性。
3.如权利要求1所述的投影装置其中Sc和Si满足关系Sc＜Si，其中Si是所述偏振转换器的所述反射图象显示单元侧的孔径面积，Sc是所述颜色组合器侧的孔径面积。
4.如权利要求1所述的投影装置其中，所述偏振光分离器和所述反射图象显示单元被接合。
5.如权利要求1所述的投影装置其中，所述偏振光分离器和所述颜色组合器被接合。
6.如权利要求1所述的投影装置其中，所述偏振光分离器由偏振束分束器和偏振片构成。
7.一种投影装置，其包括偏振转换器，其把来自光源的光束转换成均匀偏振波；颜色分离器，其基于波长范围将所述被转换束分离成第一、第二和第三颜色束；第一、第二和第三光程修改器，其分别修改与所分离颜色束相关的光程；第一、第二和第三偏振光分离器，其分别接收由所述光程修改器修改的第一、第二和第三颜色束；第一、第二及第三反射图象显示单元，其接收来自所述偏振光分离器的第一、第二及第三颜色束并分别把反射束输出到所述的偏振光分离器；颜色组合器，其将经由所述偏振光分离器来自所述反射图象显示单元的反射束进行组合；所述颜色组合装置通过接合棱镜所构成，在其上放置有选择性地透过或反射具有预先设定波长的光的滤光器。投影透镜，其放大且投影由颜色组合器所组合的彩色图象。其中，所述颜色组合器由棱镜构成，所述棱镜由至少两种具有不同波长的基础材料所构成，其中在所述波长处光弹性常数的绝对值为最小。
8.如权利要求7所述的投影装置其中，由所述颜色分离器所分离的颜色束为红、绿和蓝束；以及至少所述颜色组合器中的所述棱镜之一具有这样的一个波长，在此波长下在绿波长范围内光弹性常数的所述绝对值为最小。
9.如权利要求7所述的投影装置其中Sc和Si满足关系Sc＜Si，其中Si是所述偏振转换器的所述反射图象显示单元侧的孔径面积，Sc是所述颜色组合器侧的孔径面积。
10.如权利要求7所述的投影装置其中，所述偏振光分离器和所述反射图象显示单元被接合。
11.如权利要求7所述的投影装置其中，所述偏振光分离器和所述颜色组合器被接合。
12.如权利要求7所述的投影装置其中，所述偏振光分离器由偏振束分束器和偏振片构成。
13.一种投影装置，其包括偏振转换器，其把来自光源的光束转换成均匀偏振波；颜色分离器，其基于波长范围将所述被转换束分离成第一、第二和第三颜色束；第一、第二和第三光程修改器，其分别修改与所分离颜色束相关的光程；第一、第二和第三偏振光分离器，其分别接收由所述光程修改器修改的第一、第二和第三颜色束；第一、第二及第三反射图象显示单元，其接收来自所述偏振光分离器的第一、第二及第三颜色束并分别把反射束输出到所述的偏振光分离器；颜色组合器，其将经由所述偏振光分离器来自所述反射图象显示单元的反射束进行组合；投影透镜，其放大且投影由颜色组合器所组合的彩色图象。其中，一种防反射涂层被布置在所述偏振光转换装置和所述颜色组合光学系统之间的空气边界表面上。所述反射保护膜被构成为具有最小反射率Rg和Rr，Rg和Rr满足关系6＞Rr/Rg，10＞Rb/Rg，其中Rg是具有约为550nm波长的光的反射率，Rr是具有约为630nm波长的光的反射率，且Rb是具有约为430nm波长的光的反射率。
14.如权利要求13所述的投影装置其中，Sc和Si满足关系Sc＜Si，其中Si是所述偏振转换器的所述反射图象显示单元侧的孔径面积，Sc是所述颜色组合器侧的孔径面积。
15.如权利要求13所述的投影装置其中，所述偏振光分离器和所述反射图象显示单元被接合。
16.如权利要求13所述的投影装置其中，所述偏振光分离器和所述颜色组合器被接合。
17.如权利要求13所述的投影装置其中，所述偏振光分离器由偏振束分束器和偏振片构成。
18.一种投影型图象显示装置，其包括颜色分离器，其基于波长范围将来自光源的光束分离成第一、第二和第三颜色束；图象显示单元，其接收来自所述颜色分离装置及剩余图象区域的第一、第二和第三颜色束，可被激励的所述剩余图象区域被布置在有效显示区域的外部；颜色组合装置，其将来自图象显示单元的颜色束进行组合；投影透镜，其将由颜色组合装置组合的彩色图象放大并投影；屏幕，其被安装在一个预先设定的位置且在其上投影来自投影装置的投影图象光；以及至少两个检测所述屏幕外部光强度的光接收单元。其中来自与所述第一、所述第二及所述第三投影图象光有关的光接收单元的检测结果被用来控制图象显示单元的作用区。
19.一种投影型图象显示装置，其包括偏振转换器，其把来自光源的光束转换成均匀偏振波；颜色分离器，其基于波长范围将所述被转换束分离成第一、第二和第三颜色束；第一、第二和第三光程修改器，其分别修改与所分离颜色束相关的光程；第一、第二和第三偏振光分离器，其分别接收由所述光程修改器修改的第一、第二和第三颜色束；第一、第二及第三反射图象显示单元，其接收来自所述偏振光分离器的第一、第二及第三颜色束并分别把反射束输出到所述的偏振光分离器；颜色组合器，其将经由所述偏振光分离器来自所述反射图象显示单元的反射束进行组合；投影透镜，其放大且投影由颜色组合器所组合的彩色图象。其中，所述颜色组合器由棱镜构成，所述棱镜由至少两种具有不同波长的基础材料所构成，在所述波长处光弹性常数的绝对值为最小。
20.如权利要求19所述的投影装置其中，由所述颜色分离器所分离的颜色束为红、绿和蓝束；以及至少所述颜色组合器中的所述棱镜之一具有这样的一个波长，在此波长下在绿波长范围内光弹性常数的所述绝对值为最小。
全文摘要
在采用三个图象显示单元的投影装置的照明光学系统和颜色组合光学系统中，本发明的目的是减少亮度变化、减少颜色变化、提供高对比度、降低成本并且减少显示在屏幕上的放大图象的收敛失效。
文档编号G03B33/12GK1439908SQ0214034
公开日2003年9月3日 申请日期2002年7月1日 优先权日2002年2月19日
发明者平田浩二, 谷津雅彦, 山崎太志 申请人:株式会社日立制作所