专利名称：反射型液晶投影器的制作方法
技术领域：
本发明涉及反射型液晶投影器，具体涉及反射型液晶投影器的光学系统，把均匀偏振的白色照明光线分解成三个RGB波长分量，用于射出三个基色的图像光；利用液晶显示板分别反射形成的三个波长分量，用于生成三个颜色的图像光；以及把这三个颜色的图像光合成在一起。
背景技术：
现有反射型液晶投影器的光学系统基本上是由彩色分解光学系统和彩色合成光学系统构成，彩色分解光学系统把来自白光源的照明光线分解成三个RGB波长分量，三个反射型液晶显示板用于反射照明光中分开的RGB波长分量以生成各个分量的图像光，而彩色合成光学系统用于把各个液晶显示板反射的图像光合成一个全色的图像。例如，彩色分解光学系统是由各种光学元件的组合构成，例如，分色镜和偏振光分束器。另一方面，彩色合成光学系统可以由各种光学元件的组合构成，例如，偏振光分束器和分色棱镜。关于这种类型的光学系统，至今已提出各种建议，例如，公开在Laid-Open Japanese PatentApplications 2001-92005，2001-100155和H11-326861中。
在上述反射型液晶投影器的情况下，光学系统利用偏振光分束器或分束器作为一种光学器件，把照明光线分解成三个RGB波长分量，或在利用分色镜分出一个波长分量之后，再分出照明光线中的两个波长分量。此外，在合成RGB波长分量的图像光时，也利用偏振光分束器和分色棱镜，其中RGB波长分量是被三个反射型液晶显示板反射的。
在这方面，通常认为偏振光分束器和分色棱镜是这样的光学器件或光学元件，它适合于透射p偏振光和反射s偏振光。当然，有这样一些光学器件或光学元件，它们反射p偏振光和透射s偏振光。一般地说，与设计成透射p偏振光和反射s偏振光的偏振光分束器或分色棱镜比较，有多层结构偏振膜的偏振光分束器或多层结构分色膜的分色棱镜需要有多于2倍的结构层数，其功能是作为反射p偏振光和透射s偏振光的光学元件。当然，层数越多，光学元件的成本就越高。然而，在按照上述现有技术的光路中，偏振光分束器和分色棱镜是部分地用作反射p偏振光和透射s偏振光，尽管有这样很大的优点，但是，这种光路使整个光学系统的成本极其昂贵。
在上述现有技术的出版物中，Laid-Open Japanese PatentApplication H11-326861公开一种反射型液晶投影器，它安排成分解s偏振光状态的照明光，首先，利用分色镜把照明光中绿色波长分量与蓝色和红色波长分量分开，然后，使蓝色和红色波长分量传输通过半波片，通过偏振面旋转90度，使红色波长分量转换成p偏振光。照明光中的绿色波长分量仍然在s偏振光状态，它被一个偏振光分束器反射到液晶显示板。利用另一个偏振光分束器使照明光中p偏振的红色分量和照明光中s偏振的蓝色分量分开，该偏振光分束器允许p偏振的红色分量传输通过偏振面，而反射s偏振的蓝色分量。照明光中分开的红色分量和蓝色分量被引导到各自的液晶显示板。因此，要求光学系统中一个偏振光分束器反射s偏振光和透射p偏振光。
在Laid-Open Japanese Patent Application H11-326861公开的光学系统中，利用分色棱镜最后把三个波长分量的图像光合成在一起。这个分色棱镜需要有这样的特性，它透射p偏振的绿色波长分量图像光而反射s偏振的红色波长分量和p偏振的蓝色波长分量的图像光。
在这个方面，重要的是注意到分色棱镜的透射特性或透射率明显地随入射光角度而变化。通常，反射型液晶投影器在其光源中有聚焦透镜，所以，光源的光通量被聚焦到分色棱镜，并以某个入射角进入该分色棱镜。在绿色波长分量的图像光作为p偏振光透射通过分色棱镜和红色波长分量的图像光作为p偏振光被分色棱镜反射时，如同上述的现有技术，一个波长分量的图像光可以因其入射角而使透射率明显地下降，从而使图像光输出效率下降。这种现象需要利用具有大f值的较暗透镜以减小到分色棱镜上的入射角，虽然它同样导致图像光输出效率的下降。
发明内容
鉴于上述的情况，本发明的目的是提供一种反射型液晶投影器的光学系统，利用简化结构的光学系统，该系统能够产生明亮和高质量彩色图像。
为了实现上述的目的，按照本发明提供一种反射型液晶投影器的光学系统，其中，把从光源射出的均匀偏振白色照明光束分解成三个基色的第一，第二和第三波长分量；利用液晶显示板分别反射所述三个波长分量，从而生成第一，第二和第三波长分量的图像光；和把这三个波长分量的图像光合成在一起以射出一个全色图像，该光学系统包括分色镜，适合于使白色照明光中第一波长分量与第二和第三波长分量分开；有偏振面的第一偏振光分束器，适合于透射或反射照明光中第一波长分量到第一液晶显示板，从而反射第一波长分量的图像光；半波片，适合于在通过该半波片时使第二和第三波长分量之一的偏振面旋转90度，另一个波长分量的偏振面不旋转；有偏振面的第二偏振光分束器，适合于反射或透射来自半波片的照明光中第二波长分量到第二液晶显示板，从而反射第二波长分量的图像光，而透射或反射照明光中第三波长分量到第三液晶显示板，从而反射照明光中第三波长分量的图像光；和分色棱镜，把来自第一和第二偏振光分束器的第一至第三波长分量的图像光合成在一起；第一和第二偏振光分束器的偏振面适合于反射s偏振光和透射p偏振光；和分色棱镜适合于透射p偏振光状态的第二波长分量的图像光和反射s偏振光状态的第一和第三波长分量的图像光。
就是说，按照本发明的反射型液晶投影器基本上是由分色镜，一对偏振光分束器，半波片和分色棱镜构成。在此情况下，例如，在这三个波长分量中，若第一波长分量是蓝色分量，则第二波长分量是绿色分量和第三波长分量是红色分量。或者，若第一波长分量是红色分量，则第二波长分量是绿色分量和第三波长分量是蓝色分量。就是说，第一，第二和第三波长分量的顺序是从较短波长到较长波长，或者是从较长波长到较短波长。分色镜的功能是把第一波长分量与第二和第三波长分量分开。在半波片中，被第二偏振光分束器反射的波长分量转换成s偏振光，而透射通过第二偏振光分束器的波长分量转换成p偏振光。
在分色棱镜中，光路安排成使透射率和反射率随入射光角度的变化最小。因此，光学系统采用具有这样特性的分色棱镜，它反射s偏振光状态的蓝色波长分量或反射s偏振光状态的红色波长分量。在反射蓝色分量的情况下，可以透射约100％的s偏振光状态的红色波长分量。与此相反，在反射红色分量的情况下，可以透射约100％的s偏振光状态的蓝色波长分量。另一方面，对于绿色波长分量，即使绿色光以某个角度入射到棱镜上，只要它是p偏振光，可以得到100％的透射率或近似100％的透射率。然而，若绿色波长分量是在s偏振光状态，则透射率随入射角的变化很大。所以，来自第二偏振光分束器的第二波长分量，即，绿色波长分量，以p偏振光状态入射到分色棱镜，可以保证高透射率不受入射角的影响。此外，在分色棱镜中，s偏振光状态的蓝色和红色波长分量之一被分色棱镜反射，而另一个分量透射通过分色棱镜。因此，即使在增大入射角的情况下，可以防止透射率(反射率)的下降。换句话说，光源可以利用具有小f值的明亮透镜作为聚焦透镜。
照明光可以是p偏振光或s偏振光，只要它是均匀偏振光。然而，理想的是，分色棱镜反射s偏振光状态下的第一波长分量。为此，理想的照明光是p偏振光。然而，在照明光是s偏振光的情况下，可以把半波片放置在第一偏振光分束器之前，从而使照明光的偏振面旋转90度，s偏振光转变成p偏振光。
半波片可以是独立的薄膜形式，薄膜涂敷在具有平坦平行表面的平板上。然而，最好是，薄膜涂敷到第二偏振光分束器的光入射面上。此外，第一和第二偏振光分束器以及分色棱镜可以是分开的光学元件，但理想的是，把这些光学元件集合成单体的复杂结构，可以消除从第一和第二偏振光分束器到分色棱镜的光路上边界面。
在附图中图1是按照本发明第一个实施例的反射型液晶投影器的光路构成示意图；图2是分色镜的透射特性图；图3是偏振光分束器的透射特性图；图4是半波片的旋转透射特性图；图5是分色棱镜的透射特性图；图6是s偏振光入射到适合于反射蓝色波长分量的分色棱镜的角度透射特性图；图7是p偏振光入射到适合于反射蓝色波长分量的分色棱镜的角度透射特性图；图8是分色棱镜中每种图像光的输出特性图；图9是图1所示变形光路构成的示意图；图10是图9中光学玻璃件的分解状态示意图；图11是按照本发明第二个实施例的反射型液晶投影器的光路构成示意图；图12是按照本发明第三个实施例的反射型液晶投影器的光路构成示意图；图13是按照本发明第四个实施例的反射型液晶投影器的光路构成示意图；图14是按照本发明第五个实施例的反射型液晶投影器的光路构成示意图；图15是按照本发明第六个实施例的反射型液晶投影器的光路构成示意图；图16是s偏振光入射到适合于反射红色波长分量的分色棱镜的角度透射特性图；和图17是p偏振光入射到适合于反射红色波长分量的分色棱镜的角度透射特性图。
具体实施例方式
参照图1，图1表示本发明的第一个实施例，其中附图标记1是白光源，附图标记2是偏振变换装置，它与白光源1一起构成照明光源部分。偏振变换装置2的功能是调整白光源1的照明光线偏振面。在图1所示具体实施例的情况下，利用偏振变换装置2把照明光变换成p偏振光。
附图标记3是分色镜，照明光首先入射到分色镜3。这个分色镜3的作用是把第一照明光分量，即，蓝色波长分量(以下简称为“B分量”)，与第二照明光分量，即，绿色波长分量(以下简称为“G分量”)和第三照明光分量，即，红色波长分量(以下简称为“R分量”)分开。就是说，分色镜3的功能是使B分量透射通过，而反射照明光中G分量和R分量。
附图标记4是第一偏振光分束器(以下简称为“第一PBS”)。透射通过分色镜3的照明光中B分量作为p偏振光透射通过第一PBS4的偏振面4a。反射型液晶显示板7B(以下简称为“B-LCD”)是在透射通过第一PBS 4的光路上，用于反射蓝色的图像光。因此，照明光中B分量被B-LCD 7B反射，生成蓝色波长分量的图像光(以下简称为“B图像光”)。来自B-LCD 7B的B图像光作为s偏振光被反射。这个B图像光被第一PBS 4的偏振面4a反射，因此，它的光路被弯折90度。
附图标记5是半波片(以下简称为“波片”)。在从分色镜3反射的照明光中G分量和R分量中，半波片5使G分量的偏振面旋转90度并作为p偏振光透射通过，而R分量作为p偏振光透射通过，它的偏振面不旋转。
附图标记6是第二偏振光分束器(以下简称为“第二PBS”)。在分别作为s偏振光和p偏振光透射通过波片5的照明光中G分量和R分量中，照明光中G分量被第二PBS 6的偏振面反射，而允许照明光中R分量传输通过。因此，照明光中G分量和R分量互相分开。绿色图像光的反射型液晶显示板7G(以下简称为“G-LCD 7G”)是在反射G分量的光路上，从而反射绿色波长分量的图像光(以下简称为“G图像光”)。G分量是在s偏振光状态，被G-LCD 7G反射成p偏振光。另一方面，R分量是p偏振光，它透射通过第二PBS 6的偏振面6a，并被红色图像光的反射型液晶显示板R-LCD 7R(以下简称为“R-LCD”)反射，从而反射红色波长分量的图像光(以下简称为“R图像光”)。R分量是在p偏振光状态，因此，R图像光被R-LCD 7R反射成s偏振光。此外，G图像光透射通过第二PBS 6的偏振面6a，而R图像光被第二PBS 6的偏振面6a反射。因此，G图像光和R图像光互相合成在一起。
附图标记8是分色棱镜，它的作用是，把第一PBS 4的偏振面4a反射的B图像光与由第二PBS合成的G图像光和R图像光合成在一起，从而输出一个全色图像。分色棱镜8有分色薄膜8a，其光学特性是反射B图像光而透射G图像光和R图像光。因此，在该分色棱镜的输出端得到由三个基色R，G和B构成的合成彩色图像。
图2表示分色镜3的频谱特性图。从此图清楚地看出，分色镜3的特性是，几乎全部透射约小于500nm的波长，而几乎全部反射大于500nm的波长。因此，较短波长的B分量可以与中间波长的G分量和较长波长的R分量分开。关于第一PBS 4和第二PBS 6的光学特性，p偏振光几乎可以全部透射，如图3中的实线所示，而s偏振光几乎全部被反射，如图3中的虚线所示。此外，图4表示波片5对于G照明光的旋转透射特性图。从此图清楚地看出，该波片的旋转透射率在450nm与570nm之间的波长范围内约为100％，作为p偏振光入射到波片5上的G分量在透射后几乎100％被转换成s偏振光。较长波长的R分量透射通过，其偏振面不旋转。在所示的具体例子中，波片5在窄的波长范围内安排成有旋转透射特性。然而，可以按照不同的方法安排波片5，只要它能够把G分量转换成s偏振光，而透射原有p偏振光的R分量。
s偏振的B图像光以及p偏振的G图像光和s偏振的R图像光入射到分色棱镜8。在入射的图像光中，B图像光被分色薄膜8a的表面反射，而G图像光和R图像光透射通过分色薄膜8a。所以，分色棱镜8有图5所示的透射特性。更具体地说，在图5的曲线图中，实线表示p偏振光的透射特性，而虚线表示s偏振光的透射特性。从这个图清楚地看出，p偏振光的透射特性在波长约为470nm以下是不稳定的，而透射率在大于470nm的波长范围内几乎为100％。另一方面，s偏振光在波长约为520nm以下几乎全部被反射，而在较长波长的范围内几乎全部透射。利用具有上述特性的蓝色反射型分色棱镜8，s偏振的B图像光几乎全部被反射，而p偏振的G图像光和s偏振的R图像光几乎全部透射。
虽然在这些图中未画出，在光源部分都有聚焦透镜。所以，来自光源的光通量在某些点上被会聚或发散。因此，从光源射出的光束有某个角度范围。在减小透镜f值以获得高亮度的情况下，入射光束有较大的角度范围，例如，约±15度的角度范围。一般地说，分色层的透射和反射特性随入射光的角度而变化。在液晶投影器的情况下，要求光学系统有最大的透射率和反射率能力以减小光损耗和输出明亮的图像。
在所示的具体实施例中，利用分色棱镜8反射s偏振的B图像光而透射p偏振的G图像光和s偏振的R图像光。所以，分色棱镜8应当具有这样的性质，它适合于反射频谱范围内较短波长的光。图6和图7表示这种类型分色棱镜的角度特性。更具体地说，图6和图7分别表示s偏振光和p偏振光的角度特性。在这些图中，实线表示入射光角度为0度时的透射特性，虚线表示入射角为+15度时的透射特性，而点划线表示入射角为-15度时的透射特性。因此，在图6的情况下，透射率随500nm与560nm之间的中间波长范围内的入射角而变化，但是入射光在较短波长下几乎全部被反射和在较长波长下几乎全部透射。另一方面，在图7的情况下，透射率在短波长下随入射角而有很大的变化，但在中间波长范围和较长波长下透射率几乎为100％。
如上所述，分色棱镜8的功能是，反射s偏振的B图像光而透射p偏振的G图像光和s偏振的R图像光。所以，分色棱镜8完全没有因入射光角度而使透射率下降的因素，即使在利用具有小f值的明亮透镜作为聚焦透镜的情况下，通过分色棱镜8合成三个基色的图像，可以得到极高效率的输出特性，如图8所示。
如图1所示，按照本发明的反射型液晶投影器有简单的光路结构，它是由少量的光学元件构成，包括分色镜3，半波片5，一对偏振光分束器4和6，和分色棱镜8。简化的结构具有容易调准各个光学元件光轴的优点。此外，偏振光分束器4和6的功能是反射s偏振光和透射p偏振光，它们有简化的偏振膜结构，可以利用较低的成本制造。而且，分色棱镜8的功能是合成三个基色的图像光，它具有透射率不因入射光角度而下降的优点。
如果需要，在这种情况下，半波片5可以是与偏振光分束器6分开的光学元件。然而，理想的是，波片薄膜可以整体地制成在偏振光分束器6的光入射面上，如附图所示。此外，第一PBS 4和第二PBS 6可以是一个光学元件组合，如图9和10所示。即，把这些光学元件G1至G4粘合在一起，如图10所示，这些光学元件可以集合成单个光学单元，在所需表面上形成分色膜层或偏振膜层。在这种单个光学单元的情况下，可以消除第一和第二PBS的出射面与分色棱镜8的入射面之间的分界面。除此以外，单个光学单元还有这样一些优点，它不需要调整各个光学元件的对准或在各个边界面上制成增透膜。
按照本发明反射型液晶投影器的光学系统可以有不同于图1所示的各种形式。图11至15表示其他结构的一些例子。首先，在图11所示光学系统的情况下，与图1所示的光路结构比较，光源的照明光是从不同的方向射出的。在图11的p偏振入射照明光的情况下，B照明光分量被分色镜53反射，而G和R照明光分量透射通过分色镜53。除了分色镜53以外，其他的光路结构与图1中的相同。
在图12所示光学系统的情况下，光学系统安排成利用分色镜23反射G和B照明光分量，而R照明光分量透射通过分色镜23。因此，在此情况下，R-LCD 7R放置在第一PBS 4的一侧，而B-LCD 7B放置在第二PBS 6的一侧。在任何一种情况下，可以采用与图1相同的光学元件，因为第一PBS 4和第二PBS 6都有反射s偏振光和透射p偏振光的特性，而波片5的功能是使G照明光的偏振面旋转90度。然而，要求分色棱镜28反射s偏振的R图像光而透射p偏振的G图像光和s偏振的B图像光。所以，分色棱镜28适合于具有图16和17所示的光学特性。更具体地说，对于图16所示s偏振光的透射特性，它安排成在短波长侧有高的透射率，而在长波长侧有高的反射率，从而排除入射光角度的不利影响。对于图17所示p偏振光的透射特性，它在短波长和中间波长范围内有约100％的透射率，不受入射光角度的影响。
此外，在图13所示光学系统的情况下，除了利用分色镜33以外，图13的光路结构与图12的相同，分色镜33具有反射R照明光分量而透射G和B照明光分量的光学特性。
此外，在图14所示光学系统的情况下，从光源射出s偏振光的光束。在此情况下，B照明光分量作为s偏振光透射通过分色镜3，因此，半波片49放置在第一PBS 4的入射面之前，从而在入射到第一PBS 4之前，使B照明光的偏振面旋转90度。另一个半波片45放置在第二PBS 6的入射面之前，在此情况下，半波片45具有这样的特性，它使R照明光分量的偏振面旋转90度，而G照明光分量的偏振面不旋转。在图14的光学系统结构中，可以交换B-LCD 7B和R-LCD 7R的位置。在这种情况下，该光学系统采用与图12所示相同的分色镜和分色棱镜。
在图15所示光学系统的情况下，与图14中的方式相同，光源适合于射出s偏振光。分色镜53适合于反射B照明光分量，而透射G和R照明光分量。就是说，分色镜53有与图11中分色镜13基本相同的性质。类似于图14所示的例子，半波片49和45分别放置在第一PBS 4和第二PBS 6的入射面之前。如同上述图14中的光学系统一样，在图15的光学系统结构中，也可以交换B-LCD 7B和R-LCD 7R的位置。
权利要求
1.一种反射型液晶投影器的光学系统，安排成把光源射出的均匀偏振白色照明光束分解成三个基色中的第一，第二和第三波长分量，利用液晶显示板分别反射所述三个波长分量以生成第一，第二和第三波长分量的图像光，和把所述波长分量的图像光合成在一起以射出一个全色图像，该光学系统包括分色镜，适合于把所述白色照明光中的第一波长分量与第二和第三波长分量分开；有偏振面的第一偏振光分束器，适合于透射或反射所述照明光中所述第一波长分量到第一液晶显示板，从而反射所述第一波长分量的图像光；半波片，在光束传输通过时，适合于使所述第二和第三波长分量之一的偏振面旋转90度，另一个波长分量的偏振面不旋转；有偏振面的第二偏振光分束器，适合于反射或透射来自所述半波片的照明光中所述第二波长分量到第二液晶显示板，从而反射所述第二波长分量的图像光，而透射或反射照明光中的第三波长分量到第三液晶显示板，从而反射照明光中所述第三波长分量的图像光；和分色棱镜，使来自所述第一和第二偏振光分束器的第一至第三波长分量的图像光合成在一起；所述第一和第二偏振光分束器的所述偏振面适合于反射s偏振光和透射p偏振光；和所述分色棱镜适合于透射p偏振光状态的所述第二波长分量的图像光和反射s偏振光状态的所述第一和第三波长分量的图像光。
2.按照权利要求1的反射型液晶投影器的光学系统，其中来自所述光源的所述照明光束是p偏振光，所述分色镜适合于透射所述第一波长分量和反射照明光中所述第二和第三波长分量，所述第一偏振光分束器的所述偏振面适合于透射照明光中所述第一波长分量到所述第一液晶显示板和反射来自所述第一液晶显示板的所述第一波长分量的所述图像光，所述半波片适合于分别引导照明光中s偏振光的所述第二波长分量和p偏振光的第三波长分量到所述第二偏振光分束器，和所述第二偏振光分束器的所述偏振面适合于反射s偏振光的所述第二波长分量到所述第二液晶显示板并被其反射，而透射p偏振光的所述第三波长分量到所述第三液晶显示板并被其反射，以及透射来自所述第二液晶显示板的所述第二波长分量的图像光，而反射来自所述第三液晶显示板的所述第三波长分量的图像光。
3.按照权利要求2的反射型液晶投影器的光学系统，其中照明光中所述第一，第二和第三波长分量分别是蓝色分量，绿色分量和红色分量。
4.按照权利要求2的反射型液晶投影器的光学系统，其中照明光中所述第一，第二和第三波长分量分别是红色分量，绿色分量和蓝色分量。
5.按照权利要求1的反射型液晶投影器的光学系统，其中来自所述光源的所述照明光束是s偏振光，所述分色镜适合于透射所述第一波长分量和反射照明光中的所述第二和第三波长分量，另一个半波片放置在所述第一偏振光分束器之前，从而把第一波长分量转换成p偏振光，并使它传输通过所述第一偏振光分束器到所述第一液晶显示板，和利用所述第一偏振光分束器反射来自所述第一液晶显示板的第一波长分量的图像光，所述第二偏振光分束器之前的所述半波片适合于分别引导照明光中s偏振光的所述第二波长分量和p偏振光的第三波长分量到所述第二偏振光分束器，而所述第二偏振光分束器的所述偏振面适合于反射s偏振光的波长分量到所述第二液晶显示板并被该显示板反射，和透射p偏振光的所述第三波长分量到所述第三液晶显示板并被该显示板反射，然后，分别透射和反射从所述第二和第三液晶显示板反射的所述第二和第三波长分量的图像光。
6.按照权利要求1的反射型液晶投影器的光学系统，其中所述半波片是形成在所述第二偏振光分束器光入射面上的薄膜。
7.按照权利要求1的反射型液晶投影器的光学系统，其中所述第一和第二偏振光分束器和所述分色棱镜的光学元件粘合在一起并形成单体的光学结构，从而消除所述各个光学元件之间的边界面。
全文摘要
利用分色镜使白色照明光中第一波长分量与第二和第三波长分量分开，并被第一液晶显示板反射以生成第一波长分量的图像光。在第一波长分量的图像光被第一偏振光分束器的偏振面反射或透射的同时，照明光中第二和第三波长分量传输通过半波片，从而使第二和第三波长分量之一的偏振面旋转90度，另一个波长分量的偏振面不旋转。然后，利用第二偏振光分束器使第二和第三波长分量互相分开，和被引导到第二和第三液晶显示板并被这两个显示板反射以生成第二和第三波长分量的图像光。利用分色棱镜使第二和第三波长分量的图像光与第一波长分量的图像光合成在一起。第一和第二偏振光分束器的偏振面具有反射s偏振光和透射p偏振光的性质。分色棱镜适合于透射p偏振光状态的第二波长分量，而第一和第三波长分量是在s偏振光状态。
文档编号G03B21/00GK1463384SQ02802137
公开日2003年12月24日 申请日期2002年7月15日 优先权日2001年7月13日
发明者加藤茂, 亀山弘基 申请人:佐野富士光机株式会社