专利名称：显示设备的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种投影设备，其使用空间光调制器从数字数据形成彩色图像。更具体而言，本发明涉及一种投影设备，其提供将空间光调制器的图像传递给投影透镜的中间成像光学器件，其中中间成像中继光学器件包括位于空间光调制器附近的一个或多个场镜。
背景技术：
为了被当做对常规胶片投影仪的适当替换，数字投影系统必须符合对图像质量的苛刻要求。具体而言，为提供对常规电影质量的投影仪的竞争性可替换形式，电子或数字投影设备必须符合高标准的性能，从而提供高分辨率、宽色域、高亮度和超过1,000∶1的帧序列对比率。
对多色数字影院投影的最折中的解决方案采用空间光调制器的两种基本类型之一作为图像形成装置。第一种类型的空间光调制器是由TexasInstruments，Inc.，Dalla，Texas开发的数字微镜装置(DMD)。DMD装置被描述于许多专利中，例如U.S.专利No.4,441,791、5,535,047、5,600,383(均授予Hornbeck)以及U.S.专利No.5,719,695(Heimbuch)。对采用DMD的投影设备的光学设计被公开于U.S.专利No.5,914,818(Tejada等)、5,930,050(Dewald)、6,008,951(Anderson)以及6,089,717(Iwai)。DMD已被用在数字投影系统中。然而，尽管基于DMD的投影仪证明了提供必要的光通过量(throughput)、对比率和色域的某种能力，但固有的分辨率限制(当前装置仅提供1024x768个像素)和高的部件和系统成本已限制了用于高质量数字影院投影的DMD可接受性。
被用于数字投影的第二种类型的空间光调制器是液晶器件(LCD)。通过对每个对应的像素选择性地调制入射光的偏振状态，LCD将图像形成为像素阵列。作为用于高质量数字影院投影系统的空间光调制器，LCD看起来具有优点。这些优点包括相对大的器件尺寸和有利的器件产量。在利用LCD空间光调制器的电子投影设备的实例中，有被公开于U.S.专利No.5,808,795(Shimomura等)、5,798,819(Hattori等)、5,918,961(Ueda)、6,010,221(Maki等)和6,062,694(Oikawa等)中的那些。
在使用空间光调制器的电子投影设备中，各个光，在常规上是红、绿和蓝(RGB)，被单独调制于光学路径的对应的红、绿或蓝部分中。每个颜色的经调制的光然后被组合以形成合成的、多色RGB图像。存在用于组合经调制的颜色光的投影光学器件的两种基本途径。可被表征为会聚途径的第一种途径是从较早的常规投影系统而修改的。通过使用会聚途径，分量红、绿和蓝光具有通过单独的投影光学器件而会聚的单独的轴，所述光学器件根据需要有效地引导和聚焦每个光路径以在每个焦平面处形成合成的、多色彩色图像。作为说明性实例，U.S.专利No.5,345,262(Yee等)公开了一种会聚视频投影系统。有意义的是，U.S.专利No.5,345,262的公开内容说明了针对会聚投影途径的主要问题之一也就是单独的彩色图像必须被适当地对齐在投影表面上。沿任何一个颜色光投影路径的对齐不良或差的聚焦可容易地导致不令人满意的图像。有指导性的是观察到通过使用该途径，图像路径仅被会聚于聚焦平面(屏幕)处。
U.S.专利No.5,907,437(Sprotbery等)公开了尝试使用上述会聚途径来简化设计复杂度并缓解多色投影系统所固有的一些光路径对准和对齐问题。在U.S.专利No.5,907,437的公开内容中公开了一种光阀投影系统，其中会聚光学系统会聚红、绿和蓝调制光路径以形成内部的会聚的图像，其然后通过投影透镜而再次成像到屏幕。U.S.专利No.5,907,437中概括的设计策略由此简化了对使用会聚途径的系统的投影透镜设计任务。然而，仍存在会聚途径所固有的其它问题。
有关与U.S.专利No.5,907,437中所公开的类似的途径的一个显著问题是相对高的etendue。如光学领域所众所周知的，etendue涉及可由光学系统来处理的光量。潜在地，etendue越大，图像越亮。从数字上说，etendue与两个因素的乘积，即图像面积和数值孔径的平方的乘积成比例。例如，通过增加数值孔径来增加etendue以使光学系统捕获较多的光。类似地，通过增加源图像尺寸以使光源自较大的面积上，增加etendue并因此增加亮度。一般情况下，增加的etendue导致较复杂和昂贵的光学设计。例如，使用诸如U.S.专利No.5,907,437中所概括的途径，则光学系统中的透镜部件必须针对大etendue而设计。用于必须通过系统光学器件而会聚的光的源图像面积是红、绿和蓝光路径中的空间光调制器的组合面积之和；显然，这是所形成的最终多色图像的面积的三倍。就是说，对于在U.S.专利No.5,907,437中公开的配置，光学部件处理可定尺寸的图像面积，因此处理高etendue，这是因为红、绿和蓝颜色路径是分离的，并且必须被在光学上会聚。而且，尽管在U.S.专利No.5,907,437中公开的配置处理来自所形成的最终多色图像的三倍面积的光，该配置并不提供增加亮度的任何益处，这是因为每个颜色路径仅包含总光水平的三分之一。具体而言，如在U.S.专利No.5,907,437中所公开的会聚光学系统的第二中继透镜和投影透镜固有地受大etendue的约束，这给装置解决方案添加了成本和复杂度。而且，第二中继透镜必须在全可见光谱上被颜色校正。同时，中继透镜和投影透镜的不同段处理不同的波长，因此局部的透镜不完整性、灰尘或污垢不仅影响投影图像，而且可影响颜色质量。考虑到etendue约束、颜色校正要求、灰尘和污垢灵敏度以及对用于数字投影的最大化亮度水平的需要，看起来有妨碍U.S.专利No.5,907,437中所举例的会聚途径的明显固有的局限性。
对投影光学器件的可替换途径可被表征为共轴途径。与分量红、绿和蓝光束被弯曲以会聚于焦平面处的会聚途径相比，共轴途径沿公用轴来组合分量红、绿和蓝调制光束。为此，共轴途径采用了二向色组合元件，如X立方体或Philips棱镜。X立方体或X棱镜以及相关的二向色光学元件，如在U.S.专利No.5,098,183(Sonehara)和U.S.专利No.6,019,474(Doany等)中所公开的那些，在光学成像领域中是众所周知的。二向色组合元件组合来自每个颜色路径的调制光并沿公用轴将颜色路径折叠在一起以将所组合的彩色图像提供给投影透镜。参考图1，所示为使用共轴途径的常规数字投影设备10的简化方块图。每个颜色路径(r＝红，g＝绿，b＝蓝)都使用用于形成调制光束的类似分量。每个棱镜中的各个分量被用附加的r、g或b适当地标记。然而，为了以下的描述，颜色路径之间的区别仅在必要时被指定。在三个颜色路径的任何一个之后，光源20提供未调制的光，其被均匀化光学器件22调节以提供均匀的照明。偏振束分裂器24将具有适当偏振状态的光导向空间光调制器30，其选择性地调制像素地点的阵列上的入射光的偏振状态。空间光调制器30的动作形成图像。通过偏振束分裂器24沿光轴Or、Qg、Qb而透射的来自该图像的调制光被导向二向色组合器26，典型地为X立方体、Philips棱镜或常规系统中的二向色表面的组合。二向色组合器26组合来自分离的光轴Or、Qg、Qb的红、绿和蓝的经调制的图像以形成组合的、多色图像以便于投影透镜32沿公用光轴O投影到显示表面40上，如投影屏幕上。
与在以上参照U.S.专利No.5,907,437而概括的会聚途径相比，如图1的方块图中所示并如U.S.专利No.5,808,795中所举例的共轴途径具有许多优点。对于光通过量，由于共轴途径沿公用轴组合光路径，它不增加光学系统的etendue。相反，相对于投影透镜32，二向色组合器26通过折叠适当的光轴Or和Ob以与光轴Og结合并形成公用光轴O而在光学上重叠空间光调制器30r、30g、30b的面积。这样，不管一个、两个、三个或更多空间光调制器以这种方式被组合，etendue没有增加。由于每个光颜色被单独调制，然后沿公用光轴O被组合并提供给投影透镜32，在二向色组合器26和投影透镜32之间不需要光学系统。
诸如在U.S.专利No.3,202,039(DeLang等)中公开的Philips棱镜可被另外用作二向色组合器26。数字图像投影领域中的技术人员所熟悉的是，Philips棱镜已在如以下专利中所公开的投影仪设计中被用作色分离器或组合器部件例如U.S.专利No.6,280,035和6,172,813(均授予Tadic-Galeb等)、6,262,851(Marshall)以及5,621,486(Doany等)。
尽管使用图1的基本模型所设计的数字投影设备10能提供高水平的图像质量，但仍有改进的余地。二向色涂层所强加的约束是关键的考虑。为了得到针对在宽范围角度上的入射光的适当性能，在二向色组合器216内使用的二向色涂层可能对于设计和制造来说是昂贵和困难的，特别是在需要高亮度水平和宽色域的投影应用中。二向色涂层根据入射角和波长的函数来反射并透射光。随着入射角的变化，被透射或反射的光的波长亦变化。在二向色涂层与具有低F#和宽谱的光学系统一起使用的情况下，典型的结果是可变的效率对透射和反射光两者的角度和波长两者。X棱镜型二向色组合器的内表面的楔形(wedge)或未对准亦可导致图像分离、图像模糊和色彩发暗，二向色表面被组合的“缝”趋向于在所显示的图像中表现为一个或多个线性阴影假象。由于各个分量棱镜具有相同的折射率的要求，高质量X立方体的制造进一步复杂化；在实际中，当相同的玻璃熔化被用于所有棱镜部件时，这被最好地实现。
通常对X棱镜起作用的这些和其它各种问题可被克服，并且X棱镜被广泛地用在投影系统中。然而，获得高质量定制设计的X棱镜对于原型或低制造体积应用可能是问题。而且，如在数字影院系统中出现的高亮度应用可强加高的热水平，其可损坏X棱镜的粘合剂和涂层表面。诚然，用二向色分离器(其经历强的光负荷)和二向色组合器(其经历较低的光负荷，但最终图像通过它而形成)所经历的问题不具有相同的灵敏度，但两者可能需要类似的解决方案。如果F#可被增加，则可帮助二向色分离器和组合器两者的设计和制造。具体而言，如果较大F＃的光锥可被使用，二向色组合器中的表面容差要求可以是宽松的，由此减小成本和对准复杂度。然而，在常规情况下，具有较小F#的光锥被用在投影系统中，这是因为系统设计被指向使亮度最大。
作为在投影设备的设计中应用的另一个众所周知的原理，有益的是使投影透镜32的负焦距最小，由此使投影透镜32的工作距离要求和成本最小。优选的将是避免具有相对于其有效焦距的长后焦距的投影透镜的成本和复杂度要求，如在例如U.S.专利No.6,008,951(Anderson)中所公开的解决方案。
作为对X立方体二向色镜的替换，U.S.专利No.5,944,401(Murakami等)公开了一种V棱镜光学块，其包括塑料棱镜内的二向色表面。该解决方案提供了对后工作距离要求的某种减轻，这是因为塑料的折射率超过空气的折射率。为使后工作距离最小，透射性空间光调制器被采用，从而允许图像形成尽可能接近于组合光学块。然而，这种安排将不太适合于使用反射性空间光调制器的投影仪设备，这是因为后工作距离要求仍是过度的。就后工作距离而言，U.S.专利No.5,944,401中的解决方案并不优于常规的X立方体设计。全尺度影院投影将需要可定尺寸的投影透镜。而且，U.S.专利No.5,944,401中公开的解决方案并不解决以上所述的二向色表面的固有角度限制。这样，用这种类型的设计解决方案约束了亮度水平。
为了在数字投影仪中使用，U.S.专利No.5,592,222(Doany等)公开了一种光学中继透镜系统，其缓解了涉及固有容差问题和投影透镜工作要求的以上所示的某些困难。U.S.专利No.5,592,222公开了使用单个1X、双远心中继透镜将组合图像从各个RGB颜色路径传递到MacNeille偏振化束分裂器(PBS)，亦被称为偏振束分裂器。在U.S.专利No.5,592,222中，空间光调制器被放置得很接近于二向色组合器X立方体，从而使外表面平整的不完整性和内表面制造的容许误差的一些潜在的相反效应最小。在U.S.专利No.5,592,222中公开的系统是有利的，因为当与类似设计比较时，其投影透镜的设计被简化。通过使用U.S.专利No.5,592,222的设计途径，对投影透镜的工作距离要求被显著减小。单个1X双远心中继提供了必要的工作距离以允许在图像路径中在中间内部组合图像之前插入MacNeille PBS。投影透镜然后将该内部图像再次成像到屏幕，而没有对当使用PBS和/或二向色颜色组合器如X棱镜时典型地需要的长工作距离的要求。
然而，在U.S.专利No.5,592,222中提供的解决方案在补偿X立方体涂层和表面所固有的问题以使图像亮度和色域两者均可被维持时所需的方面远远不足。例如，在U.S.专利No.5,592,222中指出的设计未能解决二向色涂层响应中的固有角度依赖性，因此它仍然难以支持大色域而同时维持图像亮度。而且，对于该设计，投影透镜必须亦使用高数值孔径，该设计意味着在借助较低数值孔径的设计之上的增加的成本。由于空间光调制器部件的尺度，U.S.专利No.5,592,222的设计仍然很依赖于高质量的X立方体设计。此外，在U.S.专利No.5,592,222中公开的安排在偏振束分裂器和其调制LCD之间采用相对大量的光学部件。有了经偏振的照明源的路径中的较大量的光学部件，某种不可避免的应力双折射将必然改变在两个方向上行进的未调制的光和调制光两者的偏振状态，从而导致图像对比度的损失。
U.S.专利No.5,357,289(Konno等)公开了一种与在U.S.专利No.5,592,222中公开的类似的系统，因为它使用单个1X中继透镜以将内部中间图像提供给投影透镜，由此显著减小强加于投影透镜设计上的工作距离要求。U.S.专利No.5,357,289提供了对U.S.专利No.5,592,222中所示的另外构造，由于使用偏振和颜色组合棱镜。在U.S.专利No.5,357,289的设备中，偏振和颜色组合棱镜均处于空间光调制器附近，而不是很好地分隔开，如在U.S.专利No.5,592,222的设备中。U.S.专利No.5,357,289的设备使用V棱镜而不是常规的X棱镜作为颜色组合器，其中V棱镜类似于在以上所述的U.S.专利No.5,944,401中所公开的。V棱镜途径避免了有关X立方体制造和使用的一些固有问题。尽管在U.S.专利No.5,357,289中公开的途径减轻了对投影透镜设计的要求，但成像中继(第一透镜组)提出了挑战，这是因为它必须提供用于空间光调制器和关联PBS和颜色组合V棱镜的长工作距离。与在U.S.专利No.5,592,222中所指出的一样，U.S.专利No.5,357,289中所示的途径使用了用于所有三个颜色(RGB)的单个成像中继透镜，其额定地以1X放大率来工作。如结合U.S.专利No.5,592,222设备所看到的，U.S.专利No.5,357,289途径需要复杂的成像中继透镜，其在可见光谱的宽部分上被全颜色校正以形成白光图像，该图像具有特别是相对于失真和散焦的最小颜色象差或第三级象差中的颜色差异。
U.S.专利No.6,247,816(Cipolla等)公开了使用1X中继透镜以便于在仅一个颜色路径中将中间图像传递向二向色组合器。U.S.专利No.6,247,816中的解决方案解决了部件封装问题，但并不缓解由二向色组合器响应强加的任何角度约束。U.S.专利No.6,247,816中的该解决方案亦不提供对于投影透镜的后工作距离要求的任何补救。
U.S.专利No.4,836,649(Ledebuhr等)公开了一种投影仪系统，其使用照明和成像路径两者中的内部成像。该系统额定地利用1x成像中继，而被用于与光阀对接的中继的部分公用于照明和成像路径两者。该体系结构的所引用的优点是使偏振部件的尺寸最小并帮助缓解对投影透镜的后工作距离约束。尽管这种安排提供了一些优点，颜色组合二向色表面仍必须处理处于低F#值的光，从而导致减小的色域。类似地，由于成像中继直接提供内部白光图像，成像中继透镜必须在整个可见光谱上被颜色校正。最后，当使用该解决方案时，投影透镜亦必须以低F#来工作。
这样，可以看出，需要数字投影光学器件设计的改进，其缓解二向色涂层的固有角度限制同时提供最大亮度和色域，使投影光学器件的工作距离要求最小，并且允许用于投影光学器件的高F#。
在未决的EP专利申请No.03075025.1中描述的光学系统提供了缓解先前所述的许多问题的光学配置。该系统提供了一种投影系统，其借助组合由三个光学系统传递并由颜色组合棱镜组合的三颜色(RGB)中间图像而产生内部白光图像。该系统提供了工作距离的优点，以及颜色组合棱镜处的减小的数值孔径，这提高了棱镜的可制造性。尽管该系统可被配置有各种部件，当颜色组合棱镜是V棱镜(类似于在U.S.专利No.5,357,289中描述的V棱镜)并且偏振束分裂器是线栅偏振器(见U.S.专利No.6,243,199(Hansen等))时，它提供了优良的性能。尽管该系统工作得明显好，包括用于高亮度投影应用，如数字影院，但还有改进和扩展的机会。具体而言，本发明的系统提供了具有较小和较不贵的光学部件、较容易的光机械封装以及较不困难的光学设计的机会。从对本发明系统的讨论来看，其它优点将变得显而易见。
发明内容
简而言之，依照本发明的一个方面，显示设备包括用于形成光束的光源。照明光学器件使所述光束成形并引导它，并且分裂装置将所述光束分裂成至少三颜色光束。用于三颜色光束的每个的调制光学系统包括预偏振器、线栅束分裂器(wire grid beamsplitter)、反射性空间光调制器和检偏器。每个颜色中的成像中继透镜从用于该颜色的调制光提供反射性空间光调制器的中间图像。二向色组合器重新组合用于每个给定颜色的调制光，从而使多颜色束沿公用光轴形成相应的中间图像以形成组合的中间图像。投影透镜将组合的中间图像成像到显示屏幕。电子投影进一步包括每个空间光调制器之前的成像器场镜以将额定远心的光提供给空间光调制器。
在以下提供的优选实施例详述中，本发明及其目的和优点将变得更为明显。
尽管本说明书以具体指出并清楚要求本发明的主题的权利要求为结论，可以认为从当结合所附的附图进行时的以下描述可较好地理解本发明，在附图中图1是示出常规的、现有技术数字投影设备的主要部件的示意性方块图；图2是示出本发明的电子投影系统的调制和成像部分的主要部件的示意性方块图；图3是适合于在本发明的电子投影系统中使用的照明光学系统的部分的示意图；图4是适合于在本发明的电子投影系统中使用的照明系统的另一部分的示意图；图5是依照本发明的成像中继透镜光学系统的示意性方块图；图6是依照本发明的调制光学系统的示意性方块图；图7是现有技术调制光学系统的示意性方块图；
图8是示出偏振补偿器的构造的透视图；图9a-9d示出双折射的可能轴取向；图10是本发明的电子投影设备的透视说明；图11a和11b是依照本发明的另外调制光学系统的示意性方块图；图12是用于成像器场镜的另外配置的示意性方块图；图13是用于被提供给本发明电子投影设备的成像中继透镜和成像器场镜的另外光学设计的一部分的示意性方块图；并且图14是用于本发明的电子投影系统的另外设计的示意性方块图。
具体实施例方式
具体而言，本发明被指向形成依照本发明的设备的一部分或与依照本发明的设备较直接地合作的元件。应理解，未具体示出或描述的元件可采用本领域技术人员众所周知的各种形式。
参考图2，以示意形式示出了被用在本发明电子投影系统100的成像光学路径中的部件的优选实施。具体而言，图2说明了成像系统的基本元件，包括调制光学系统120、成像中继透镜130、二向色组合器155和投影透镜150。照明系统110主要由照明透镜280以简化形式表示在图2中。图2说明了仅用于绿颜色通道的这些基本元件，而红和蓝颜色通道的存在仅由被指向二向色组合器155中的标记箭头来指示。在每个颜色通道中，所述光学系统包括提供内部图像200的成像中继透镜130。内部图像200优选为对应空间光调制器175的实像(对于绿通道是Ig)，它亦优选地以放大率Rx被放大。为了形成放大的实像Ig，成像中继透镜130放大作为其光学物的位于空间光调制器175上并从线栅偏振束分裂器170被反射的图像。成像中继透镜130额定为双远心的，因此它收集空间光调制器175处的额定为远心的光，并且输出驻留在额定为远心的空间中的图像。从成像中继透镜130出现的图像光沿光轴290被引导并进入二向色组合器155中。由于二向色组合器155处理远心光，由于角度变化而存在放大的实像Ig(或者对于相应的红和蓝通道为Ir和Ib)上的色彩变暗的最小趋势。如图2中所述，二向色组合器155优选为V棱镜，但它亦可以是X棱镜(或X立方体)、交叉二向色板(crossed dichroicplate)、Philips棱镜或二向色表面的其它组合。如果担心对比度损失或者颜色或对比度变暗(contrast shading)保证了增加的成本，则二向色组合器155亦可由无定形熔凝硅石或其它低应力玻璃制成。
图2的投影仪100的光学配置类似于EP专利申请No.03075025.1中所述的系统。这种新系统可共享由先前申请的系统提供的许多相同显著优点。例如，通过以某个放大倍数Rx＞1X来放大在空间光调制器175上形成的图像，成像中继透镜130亦以比1X中继操作将提供的大的F#而将相应的经放大的实像Ir、Ig或Ib有效地聚焦向二向色组合器155。举例来说，投影系统100可被设计成在空间光调制器175处以F/2.3来工作，并且借助提供Rx＝2x放大率的成像中继透镜130，二向色组合器155处的速度被减小到F/4.6。结果，二向色组合器155可被设计有具有尖锐的截止的内表面157上的二向色涂层，并因此较低F#下将可实现的，具有较窄的谱带和较大的色域。而且，借助使用成像中继透镜130，即使在二向色组合器155处实现了较高的F#亦没有损失光，这是因为低F#仍被用于空间光调制器175处。结果，作为二向色组合器155的输出，改进的经放大的实像Ir、Ig或Ib沿公用光轴而被提供，并被提供到投影透镜150中。这些图像被重叠以形成对齐的白光图像。
同样，与在现有申请中讨论的系统一样，图2的安排亦提供了降低投影透镜150的成本和复杂度要求的优点，借助图2的安排，投影透镜150可有利地以较高的F#来工作以将从每个经放大的实像Ir、Ig或Ib组合的多色图像(I)投影到显示表面40(未在图2中示出)上。另外，投影透镜150仅需要小工作距离以将从每个经放大的实像Ir、Ig或Ib组合的多色图像(I)投影到显示表面40上，这是因为该内部图像可被放置得接近于二向色组合器155的出口面158。成像中继透镜130的使用分离了偏振束分裂器和二向色组合器，因此它们是不相邻的，如在许多标准电子投影仪中常见的。在这样的系统(如图1)中，投影透镜32经历长工作距离，因为它必须看穿偏振束分裂器24和二向色组合器26两者。通过比较，被提供给图2的投影仪100的投影透镜150的短工作距离意味着投影透镜150内的透镜元件可以是小的，而不管大的F#。投影透镜设计然后可被简化以具有与在运动画面胶片投影仪中所使用的日常影院投影透镜可比的复杂度。投影透镜150可有利地以比否则将可能的高F＃来工作以投影从经放大的多色实像I组合的多色图像。例如，投影透镜150可用是简单的5或7元件透镜组件，其采用一般情况下可获得的光学玻璃并在成本和复杂度上与被用于运动画面胶片投影设备的商业上可获得的影院投影透镜是可比的。这与典型地需要复杂且昂贵的投影透镜的常规数字影院和大型电子投影系统形成对比。当与被设计用于竞争性数字影院投影系统的投影透镜相比时，对投影透镜的净节约可以是～10x。类似的成本优点亦可被提供给与投影仪100一起使用的变形附件透镜(anamorphic attachmentle)。
此外，如果成像中继透镜130提供经放大的实像Ir、Ig或Ib给二向色组合器155，则二向色组合器155比已使用1x放大率时它将成为的大。然而，即使以2x的放大率，二向色组合器155亦可比在标准现有技术投影系统(再次见图1)中所使用的可比部件小且便宜。对具有中间图像的投影系统的现有技术实施，如在先前被引用的U.S.专利No.5,597,222和6,247,816中所公开的那些，并不是如本发明的系统所做的那样，给系统提供了被用于形成沿公用光轴而被投影的公用图像的三个成像中继(每个颜色一个)。同样，这些现有技术专利亦不提供以大于单位放大率，如2x来工作的三个放大成像中继。
由于包括成像器场镜140，本发明的投影仪100与先前提及的共同未决申请EP专利申请No.03075025.1中描述的系统最显著地不同。成像器场镜140被提供作为成像中继透镜130的部分，所得到的主要优点是，与在现有专利申请中提供的等效透镜相比，成像中继透镜130较为容易设计，具有较小的透镜元件，并因此具有降低的成本和复杂度。优选的是，空间光调制器(或成像器)175驻留在额定为远心的空间中，从而使入射照明光和反射的外出调制光两者都是远心的(主光线平行垂直于调制器)。成像器场镜140然后优选地被放置得接近于空间光调制器175，从而使成像器场镜140以会聚的方式将从离轴场点处收集的主光线导入成像中继透镜130的主要部分中。成像器场镜140亦固有地是照明系统110的部分，而所述照明系统的其它光学元件将适当尺寸和纵横比的光的均匀场提供向空间光调制器175，并且成像器场镜140将该照明光修改成远心地入射。这将在照明系统的讨论中更详细地说明(见图4)。最后，成像器场镜140亦是调制光学系统120的固有部分，这是因为它可影响通过偏振束分裂器的和在空间光调制器的场上的偏振对比响应。具有内部中间图像的现有技术投影系统，包括在U.S.专利No.5,597,222和6,247,816中所公开的系统，并未公开成像器场镜140或等效物的使用，而且它们没有预期从使用投影系统中的该部件而产生的优点或问题和解决方案。
尽管图2提供了仅描述成像器场镜140和单个照明透镜280的适合于投影仪100的照明系统110的缩减视图，照明系统110实际上比所描述的复杂。参考图3，来自多色光源(未示出)的光作为经聚焦的源光260而被导入集成棒(integrating bar)250中。光源典型地是灯，如氙弧灯，但它可以是某个其它类型的高强度发光器。在典型的灯中，发光器(弧、等离子体或灯丝)被置于反射体(典型地在轮廓上是椭圆或抛物线的)内，并且合并的(consolidated)光束被提供为输出。该光束然后直接或间接地入射到均匀化光学器件中。在优选实施例中，入射光作为经聚焦的源光260而被提供到用作均匀化光学器件的集成棒250中。经聚焦的源光260可被近似为远心地入射(平行于本地光轴290)于集成棒250。在光学设计领域中众所周知的集成棒，亦被称为光混合棒，使用全内部反射(TIR)效应以使入射光均匀，由此提供空间上均匀的照明平面。用于均匀化光学器件的其它选项包括漫射屏、综合隧道(integrating tunnel)、光纤面板(fiber optic faceplate)、非相干光纤捆(bundle)或小透镜阵列，如苍蝇眼睛积分器组件。一般而言，均匀化光学器件提供了均匀的光平面，其对于图3的集成棒250将在平面A处的其输出处出现。对照明均匀度的限定或容差是相对的，并且典型地，10-15％的从中心到边缘的照明强度上的逐渐跌落是可接受的。
然后可以以各种方式来构建照明光学器件110以传递来自集成棒250的平面A处的出口面的光以在成像器平面275入射。在图3中描述的空间照明系统示出了集成棒250和基本聚光透镜255，其将光提供给平面B处的照明孔径光阑265。如图4中所述，照明系统被继续有一系列照明透镜280(其可以是或不是相同的)和成像器场镜140。(尽管图3和4组合在一起更完整地说明了照明系统，这两个说明并不是在相同的尺度上)。在图4的系统中，集成棒250的平面A处的出口面被再次成像到内部照明图像270，其随后被再次成像到成像器平面275。照明光在内部照明图像270和成像器平面275两者处均额定为远心的。该照明系统提供了平面B处的照明孔径光阑265和再次成像的照明孔径光阑265a两者。物理光阑(如虹膜)可被置于这些平面之一或两者处以控制入射于成像器平面275的照明光的数值孔径。基本聚光镜255和照明透镜280组合在一起将集成棒250的出口面A处的额定均匀的光的图像导向成像器平面275。成像器场镜140最重要地有助于使该照明光额定地对成像器平面275是远心的。成像器场镜140对从集成棒250的出口面A到成像器平面275的总放大率亦有小贡献。典型地，照明光将略微使被置于成像器平面275处的空间光调制器175的活性区域(图像区域)过满(overfill)。
图4的系统被简化成示出单个颜色通道并且未描述二向色分离器，除了虚线标记的“D”以外。将从光均匀化光学器件出现的白光束分裂成三个颜色光束(额定地，分别为红、绿和蓝光束)的二向色分离器可以是X棱镜(类似于图1中描述的二向色组合器26)或V棱镜(类似于图2中描述的二向色组合器155)。在图4的空间照明系统中，二向色分离器可位于照明孔径光阑265处或其附近。通过将二向色分离器置于平面B处，存在以下潜在问题，即分离器的不可避免的角度响应变化将被表示为光瞳或孔径光阑上的色彩变暗。如果经过偏振束分裂器或经过透镜系统的角度效应(渐晕)然后变成颜色变量，则角度空间中的这种色彩变暗可在以后的场中变为空间变化的。可通过提供具有颜色过滤器285(额定为每个颜色通道一个)的系统来使这种效应最小，该颜色过滤器额定地位于法向入射或远心空间中，如图4中所示。另外，二向色分离器可位于内部照明图像270处或其附近，该图像经历额定为远心的光。同样，场点将看见二向色分离器的角度平均的颜色响应。图4的照明系统110亦可包括诸如波片和反射镜的光学器件，它们通常被描述为其它光学器件287，并且根据设计来修改光的偏振取向或传播方向。同样，照明系统110与偏振器、偏振补偿器和空间光调制器交互，但为简单起见，这些部件未被描述于图4中。
可通过进一步考虑图4来理解另外的照明系统。在如概括描述的图4的照明系统110中，二向色分离器额定地位于照明孔径光阑265处，并且内部照明图像270的尺寸是次要的。结果，经过照明孔径光阑265的束的尺寸和该束的角谱确定用于二向色分离器的设计参数。在该系统中，对图4中的内部照明图像270的放大率N可以是小的(N～1到2)以减小光学路径长度。另一方面，可通过改变对内部照明图像270的放大率然后移动二向色分离器来不同地设计照明系统110。例如，集成棒250的平面A处的出口面的内部图像可被放大Nx，其中例如N～4.5。在此情况下，内部照明图像270处的束的空间尺寸和角度范围确定二向色分离器的设计。颜色过滤器285优选地位于远心空间中，并且可紧接着在二向色分离器之后。关键差异是第一版本提供将二向色分离器置于孔径光阑处的空地，而第二个提供将其置于远心图像处的空地。根据系统颜色容差和色域要求，可偏爱一个或另一个位置/设计。
再次考虑图3和4的照明系统，进一步变化的照明系统被暗示。具体而言，第二和第三照明透镜280可被去除，并且成像器场镜140和成像器平面275然后被再次置于在图4中被标识为内部照明图像270的平面的附近。由于消除了两个或更多照明透镜元件，该照明系统则是更紧凑和简化的。然而在此情况下，可能难以提供用于其它光学器件287的足够空地和构建在全局意义上紧凑的投影仪100所必要的反射镜折叠位置。
参照图5和6可较好地理解本发明的投影仪100的设计，所述图示出了对在图4中提供的成像中继透镜130和调制光学系统120的较为精确的再现。因此，图5示出成像中继透镜130，其包括几个透镜元件，包括成像器场镜140。字母标志“p”、“d”、“q”被提供以帮助跟踪经过图5中所述系统的部分的成像路径，而“I”表示中间或内部图像。图6示出调制光学系统120的放大视图，其包括预偏振器160、检偏器165、线栅偏振束分裂器170、空间光调制器175、偏振补偿器180和185、以及成像器场镜140。优选为LCD的空间光调制器175额定地位于成像器平面275处，从而使适当尺寸的锐利图像被提供给中间内部图像I(见图5)。示出了空间光调制器175被安装于调制器封装177，其可包括散热器、冷却装置和对提供图像数据的驱动电路的电连接(均未示出)。为了前后关系，图6亦示出了成像中继透镜130的一部分。
在优选实施例中，成像中继透镜130是双远心的，并且在二向色组合器155附近或其中形成图像平面275的经放大的中间(或内部)实像I。在此情况下，由于二向色组合器155处理远心光，存在由于角度变化而产生的经放大的实像I上的色彩变暗(color shading)的最小趋势。有意义的是，通过以比1X大的某个放大倍数(Rx)来放大在成像器平面275处被提供的图像，成像中继透镜130亦以比1X中继操作将提供的高的F＃而有效地聚焦经放大的实像I。对具有放大率Rx＞1x的包括成像器场镜140的成像中继透镜130的设计亦是优选的，这是因为在空间光调制器175处汇集(collect)的场角与显示平面(屏)处的场角是分离/不同的。这意味着可考虑偏振束分裂器的角度性能而选择在调制器处支持的场，而不是通过最终投影图像所需的场角来描述。图5中描述的实际系统表示提供Rx＝2x放大率的成像中继透镜130，从而使成像器平面275处的F/2.3光是二向色组合器155处的F/4.6。
由于成像器场镜140的存在，与未决的专利申请(EP专利申请No.03075025.1)相比，投影仪100和成像中继透镜130仍是相当有利的。在所述现有系统中，等效成像中继透镜的透镜元件是较大的，这是因为在遇到第一透镜元件之前，图像光从成像器平面275，经过偏振补偿器，离开偏振束分裂器，经过检偏器而远心地传播。在被用于现有应用中的成像中继透镜的一个设计中，一个或多个非球面透镜元件被用于减小由于所包含的大快光学束而经历的透镜象差。通过比较，被设计有成像器场镜140的成像中继透镜130提供了较小的总体透镜组件，其不需要非球面透镜元件以获得可比的性能。尽管通过使成像中继透镜130借助放大率Rx＞1x(如先前所给出的，由于各种原因)提供成像器平面275的经放大的图像而增强了本发明的投影仪100，即使它具有单位放大率(Rx～1x)，仍可为投影仪设计提供改进。具体而言，由于整个投影仪被组装有三个额定为相同的成像中继透镜130(每个颜色一个)，由具有成像器场镜140的设计而导致的减小的尺寸和成本提供了较紧凑和较不贵的投影仪。
如图5中所示，成像器场镜140具有中等的光焦度，并且它将主光线导向位于线栅偏振束分裂器170的下游的成像孔径光阑210。相对于使将降级图像质量的光学象差最小并亦减小成像中继透镜130的成本和复杂度，成像孔径光阑210的精确位置主要由光学设计来确定。用于成像中继透镜130的一个自然形式是“双高斯”透镜类型，如在图5中所述。当然，成像孔径光阑210的位置可围绕设计而被移动。例如，如果成像器场镜140被提供有显著的光焦度，则成像孔径光阑可位于线栅偏振束分裂器的附近。这样的设计将可能是几乎没有好处的，因为成像器场镜140将是相当牢固的，并且将需要照明系统与不便的位置中的孔径光阑一起工作。另外，强加于偏振束分裂器(一般情况下，或具体而言对于线栅偏振束分裂器)的角度响应要求将是明显较为苛刻的。
应指出，由于本发明的电子投影系统100利用了照明和成像系统两者中的一系列中间内部图像，各种图像平面具有伴随的孔径光阑平面。这些包括照明孔径光阑265、再次成像的照明孔径光阑265a(见图4)、成像孔径光阑210(见图2和5)，以及投影透镜150内的孔径光阑(在图2中未被编号而示出)。例如，投影透镜150内的孔径光阑可以是设置成像F＃的整个光学系统的实际限制孔径光阑。照明孔径光阑之一(265或265a)可限定接近极限的(near-to-the-limit)角度范围，从而允许对空间光调制器175的少量角度过满。以这种方式，已从集成棒250出现并正以被选择用于成像的那些之上的角度而行进的光可在任何所得到的热亦可被容易去除的位置处被去除。
作为对电子投影系统有用的设计途径，包括提供内部或中间图像(I)并利用与空间光调制器175相邻的场镜140的成像中继透镜130的专门设计是新颖的。然而，显然在电子投影设计中在空间光调制器(成像器)附近使用场镜通常已被避免。这在利用在调制中基于偏振的诸如液晶显示器(LCD)的空间光调制器的系统中是特别真实的。系统的偏振响应和由投影仪提供的结果帧序列对比度主要由LCD的响应、各种偏振器和偏振补偿器来确定。在这种系统中，好的通用实践是使LCD和最后的偏振对比部件(典型地是检偏器)之间的光学路径中的光学器件的数量最小。这是因为这种额外光学器件上的任何应力，机械安装或制造应力，或者热感应应力，可导致应力双折射。由于应力双折射是折射率中的方向变化，并且是偏振敏感的现象，应力双折射可改变偏振状态并影响对比度。依赖于系统配置，可发生对比度的均匀损失和/或对比度的空间变化的损失。还有，由于在成像器(空间光调制器)附近使用场镜增加了经过偏振器的角度的范围，这种场镜的使用通常由于从常规可见波长偏振束分裂器可获得的有限角度响应而已被避免。
用于投影仪100的调制光学系统120部分的优选实施例被描述于图6中，并且包括预偏振器160、检偏器165、线栅偏振束分裂器170、空间光调制器175、偏振补偿器180和185、以及成像器场镜140。在使用成像器场镜140来构建调制光学系统120的过程中，显然优选的是使用具有宽角度响应的偏振束分裂器来处理由成像器场镜140引入的场会聚角度和成像速度(F#)的组合。尽管各种偏振束分裂器技术可被考虑用于高速度(小F#)、高对比度、高光学效率的系统，来自Orem的MoxtekInc.的线栅偏振束分裂器是优良的候选。
在相关未决专利申请EP专利申请No.02080500.8和03075025.1以及U.S.专利No.6,585,378中已公开了使用线栅偏振器的调制光学系统120。该调制光学系统(按照工业说法亦被称为“光芯”)的设计和属性对投影仪设计是关键的，这是因为它确定从一个图像帧到下一个的开和关状态之间的调制或帧序列对比度。具体而言，U.S.专利No.6,585,378描述了类似于图7中所示的调制光学系统120，其包括预偏振器160、检偏器165、线栅偏振束分裂器170、空间光调制器175、和偏振补偿器180。该申请尤其讲授了为达到＞1,000∶1帧序列对比度的其目的，调制光学系统120最优地被配置有面向空间光调制器175的线栅偏振束分裂器170的子波长线(sub-wavelength wire)171。该申请进一步讲授了为了最优的对比度，空间光调制器175是采用垂直排列的LC分子的LCD。EP专利申请No.02080500.8讲授了用于要用偏振补偿器180增强的调制光学系统120的设计、使用和需要，所述补偿器被最优化以便于在利用线栅偏振器的系统中的操作。然而，这些申请的任何一个都没有预期具有成像器场镜140的图6的调制光学系统120的设计，因此没有任何一个申请预期了伴随的事项和潜在的问题。成像器场镜140的实际设计的方面可取决于相邻光学器件的偏振行为以及成像器场镜140本身的偏振属性。
调制光学系统120的对比度或偏振消光特性显然大部分依赖于用于入射光的“s”和“p”偏振状态的构成偏振器的透射和反射响应。由于所有偏振器的偏振响应随入射角和偏振状态两者而变化，提供在系统中使用的角度(F#)范围上的适当响应是重要的。否则，较高角度光将有可能促使从一个偏振状态到另一个的泄漏，并且对比度将被减小。对于穿过偏振光学系统的倾斜且歪斜的光线，对比度损失亦可能是明显的。倾斜光线是这样的光线，其落在由交叉偏振器限定的消光轴以外的四个象限中，但位于包含本地光轴290的平面中。歪斜光线是位于不包含本地光轴290的平面中的光线。
在利用反射性液晶显示器而开发的原始电子投影系统中，每个LCD都是使用CRT从后面来寻址的。如今，目前技术水平的反射性LCD是借助硅底板而直接在电子学上寻址的。被已知为液晶硅(LCOS)显示器的这些现代器件通常包括硅基片，其被用像素寻址电路来图形化，被外涂有反射性和光阻塞层，随后是LCD对准层，液晶的薄(～3μm)层以及抗反射(AR)涂层覆盖玻璃。LCD的光学性能取决于许多设计参数，包括液晶的材料特性，电极结构，像素图形化和邻近(proximity)，液晶分子的ON状态和OFF状态取向，对准层的使用和构造，反射、抗反射和光阻塞层的光学特性等。例如，尽管液晶分子额定地垂直于硅基片和覆盖玻璃的内表面，实际上表面相邻分子以与法向的1-2度的残余倾斜而被取向。如果该残余倾斜角变大，则器件对比度开始受损害。由调制光学系统提供的净对比度可被LCD内的各种细微作用(大倾斜角、用于OFF状态的偏压、热感应应力和大入射角(大NA))以及偏振器本身的响应变化而降级。
当然，偏振对比度可潜在地通过对实际偏振器件(线栅偏振束分裂器和LCD)本身做出设计变化来增强。然而，由于不总是有可能或容易改变这些器件的基本设计、制造和性能限制，已寻求了提高对比度的另外方法。具体而言，许多投影和显示系统已利用了各种设计的偏振补偿器。
补偿器和偏振器是从具有多重折射率的双折射材料来构建的。相比而言，各向同性介质(如玻璃)具有单一折射率，而单轴介质(如液晶)具有两个折射率。光学材料可具有多达三个主折射率。具有全部三个不同折射率的材料被称为是双轴的，并且由如图9a中所示的其主折射率nx0、ny0、nz0以及三个方位角而唯一地规定。图9b示出了具有分别与x、y和z轴对准的nx0、ny0、nz0的轴的双轴膜。具有两个相等主折射率的材料被称为单轴材料。这两个相等的折射率是寻常折射率并被称为no。另一个不同的折射率被称为非寻常折射率ne。ne的轴也被称为光轴。单轴材料由ne、no以及描述光轴取向的两个角度来唯一地表征。当所有三个主折射率相等时，该材料被称为各向同性的。
当行进经过单轴或双轴材料时，光经历取决于其电场的偏振状态的不同有效折射率，因此相差(阻滞)被引入到电场的两个本征模式之间。该相差随光的传播方向而变化，因此当单轴或双轴材料被置于两个交叉偏振器之间时，光的透射随角度而变化。这些相差转化成对用于沿路径而不是沿光轴或平行于光轴而行进的光线的本地偏振取向的修改。具体而言，补偿器修改或调节用于处于大极角的光线的局部偏振取向，该光线亦包括倾斜和歪斜的光线。液晶材料典型地是单轴材料。如在液晶显示器中，当它被夹在两个基片之间时，其光轴通常根据基片处的固定和厚度上所施加的电压而在厚度上变化。补偿器是用一个或多个单轴和/或双轴膜来构建的，其被设计成以以下方式来引入角度相关的相差使由液晶或其它光学元件引入的相差的角度相关性偏移。如本领域众所周知的，其光轴与膜的平面平行的单轴膜被称为A板，如图9c中所示，而其光轴与膜平面垂直的单轴膜被称为C板，如图9d中所示。ne大于no的单轴材料被称为正双折射。类似地，ne小于no的单轴材料被称为负双折射。根据其ne和no，A板和C板两者均可为正的或负的。
如在图8中，较复杂的多层偏振补偿器180具有在其厚度上变化的其光轴或三个主折射率轴，其中一叠层的补偿膜(双折射层190a、190b和190c)与基片195一起使用以组装完整的补偿器。叠层补偿的详细讨论可见于U.S.专利No.5,619,352(Koch等)。如本领域众所周知的，C板可通过使用单轴压缩的聚合物或铸造乙酸纤维素(acetate celluose)来制造，而A板可由拉伸聚合物膜，如聚乙烯醇或聚碳酸脂来制造。为了增加坚固性，偏振补偿器可用无机材料而不是较一般使用的聚合物来制造。
在EP专利申请No.02080500.8中，类似于图7中的调制光学系统120被讨论，其中偏振补偿器180被描述用于结合垂直对准的LCD和线栅偏振束分裂器170而工作。如在该申请中所描述的，示例的补偿器可具有被设计成最优化VA-LCD、线栅偏振束分裂器或两者的组合的性能的阻滞。例如，当LCD被操作于快光学系统(F/3.0或以下)中时，补偿器可包括具有0.02λ’s(～11nm)阻滞的A板以校正VALCD内的残余应力双折射，并包括负C板(近似-233nnm阻滞)以校正入射角度响应变化。同样，如所讨论的，包括分别具有+90nm和+320nm阻滞的A板和正C板的组合的补偿器可被提供给线栅偏振束分裂器170。应指出，用于线栅偏振束分裂器170和LCD的补偿器共同位于这两个部件之间，并且可被组合成一个封装的补偿器器件。所组合的补偿器180然后按顺序包括用于VA LCD的+11nm A板(0.02λ’s补偿)，用于线栅偏振束分裂器170的+87nm C板和+90nm A板，而+11nm A板被放置得最接近于LCD(175)。所述两个A板不能被简单地组合，这是因为+11nm A板需要是可旋转的，而+90nm A板具有相对于子波长线171的固定取向。然而，如先前所述，所述现有申请没有预期在调制光学系统120中使用成像器场镜140，也没有预期其对任何相邻偏振补偿器的对比度性能和设计的潜在影响。
再一次考虑如图6中所述的本发明的调制光学系统120，各种技术可被用于结合成像器场镜140的使用而增强帧序列对比度。如在现有申请中，线栅偏振束分裂器170优选地被取向成其在基片172上的子波长线171，面向空间光调制器175。同样，为了高对比度，优选的是空间光调制器175是利用垂直对准的LC分子的液晶显示器，尽管其它类型的高对比度偏振调制器可被使用。然而，特别对于结合了成像器场镜140的调制光学系统120，如果图像场镜140不引入任何应力双折射，则帧序列对比度可被容易地维持。如果情况是这样，则光可穿过成像器场镜140而不导致偏振矢量的任何旋转。结果，可以以与EP专利申请No.02080500.8中所述类似的方式将图6中所示的偏振补偿器180和第二偏振补偿器185组合成一个器件。尽管补偿器可潜在地被置于成像器场镜140的任何一侧，为了安装和对比度的原因，它将有可能被放置得与空间光调制器175相邻。尽管成像器场镜140具有光焦度并因此在其直径上引入相位变化，相对于调制光学系统120的偏振对比度性能，重要的是该透镜引入最小的相位阻滞。
对于大多数应用，包括许多偏振系统，许多玻璃可能是足够元应力的，从而以类似于成像器场镜140的方式被利用。然而，在寻求高对比度(1,000∶1或更大)和高屏幕流明的电子投影系统中，小量的去偏振或偏振旋转可降级对比度，不管它们源自固有的双折射还是机械或热感应应力双折射。而且，由于应力双折射常常在空间上不均匀，可从成像器场镜140中的应力产生空间对比度变化。
大多数光学玻璃是无定形的(各向同性的)或非晶体的，因此缺少固有的双折射。通过使用对称制造技术或顺从安装(compliantmounting)，可避免机械感应应力双折射，这可以可借助诸如RTV的挠性粘合剂来实现。如可从光吸收而产生的热感应应力双折射可通过选择具有低光学应力系数、低吸收系数或两者的光学玻璃而最小化。例如，SF-57玻璃具有任何光学玻璃的最低应力系数，并为此已被用在电子投影系统中。然而，SF-57玻璃是昂贵的，难以工作，并具有相对高的蓝光吸收。另外，无定形熔凝硅石玻璃具有可见光谱上的最低光吸收，并且已被成功地用在许多投影系统中。即使其应力光学系数不是最低的，缺少来自光吸收的热可很有效地使应力双折射最小。因此，在图6的调制光学系统120中使用的成像器场镜140优选地由低应力或低系数玻璃制成，具体而言由无定形熔凝硅石制成。
当然，即使由优选的光学玻璃来构建，成像器场镜140可经历某种残余双折射，其可影响高对比度电子投影系统的性能。在此情况下，优选的是该残余双折射在成像器场镜140上是均匀的。然后才有可能制造该残余应力已被抵消的成像器场镜140。因此，图12描述了包括两个成像器场镜元件142和142’的成像器场镜140。这些透镜将组合地提供如光学设计所专用的成像器场镜140所需的总光焦度。两个成像器场镜元件142和142’优选地由相同的光学材料制成。之后，每个透镜元件的双折射轴被独立地确定，然后所述透镜元件被与彼此正交而取向的轴对准以抵消残余阻滞。所述透镜元件然后优选地用低应力光学粘合剂来组装以制成成像器场镜140。最优的是，最优的阻滞抵消在工作温度下被实现。
作为另一种途径，如果成像器场镜140提供了稳定均匀量的残余阻滞，则偏振补偿器180和185可被设计有平面内(XY)和平面外(Z)阻滞A板和C板材料以校正透镜残余阻滞。作为较差的情况，如果成像器场镜140具有稳定但不均匀的残余阻滞，则作为校正，偏振补偿器180和185之一或两者可被设计有匹配的、相反符号的、空间上变化的阻滞。然而，产生空间上变化或经图形化的偏振补偿器是无价值的复杂化。
在图2和6中，本发明的调制光学系统被示出了包括预偏振器160。在诸如数字影院的应用所需的亮投影系统中，所采用的灯，如氙弧灯，从大的发射体积(大的LaGrange或etendue)来发射未偏振的光。典型地在这样的系统中，几乎不能做什么来回收被预偏振器拒绝的偏振状态的光(总量的50％)。然而，在使用较小灯源的许多投影系统中，偏振转换器可被用于将被拒绝的偏振状态转换成正交状态，而所得到的经偏振的照明光被引导于空间光调制器处。在此情况下，在本发明的调制光学系统120中示出的预偏振器160通过使用偏振转换器而有效地取代或替换。许多形式的偏振转换器在本领域是已知的，包括具有大偏振束分裂棱镜的系统和具有微棱镜阵列的系统(例如，U.S.专利No.5,555,186(Shioya)和5,898,521(Okada))。亦应理解，在本发明的调制光学系统120中提供的预偏振器160和检偏器165两者均可从各种潜在的偏振器技术中选择，包括线栅偏振器、染料或聚合物偏振器、薄膜偏振器或大型双折射型偏振器。
作为帮助理解本发明的经改进的投影仪100的方式，图10描述了系统的三维视图，其中系统的成像侧的许多关键部件是可容易看见的。具体而言，该图示出了具有三个成像系统(红、绿和蓝)的额定布局，每个都部分地包括空间光调制器175、成像器场镜140和成像中继透镜130。该说明亦示出了V棱镜型的二向色组合器155，但投影透镜未被描述。照明系统的部分，具体而言是二向色分离器34被示出，但照明系统的大部分被在前景中示出的成像光学器件遮掩，或者未被示出(如光源和集成棒)。当然，可以以许多方式来配置整个系统，并且该说明表示紧凑的构造，但并不必然是整体上最优的配置。
如图6中所示，用于调制光学系统120的优选实施例利用了线栅偏振束分裂器170和反射性空间光调制器175。在该系统中，照明光在入射于空间光调制器175之前通过线栅偏振束分裂器170而透射。从空间光调制器175出现的经调制的图像光在进入投影透镜130的主体之前反射离开线栅偏振束分裂器170。未调制的图像光优选地通过线栅偏振束分裂器170而透射回来并被吸收或拒绝，而不是作为幻象(ghost)或杂光而返回。该途径提供了高对比度、高光学效率，同时导致了一些可管理的机械封装约束。另外，调制光学系统120可如图11a中所示而被构建，其中照明光在入射于反射性空间光调制器175之前反射离开线栅偏振束分裂器170。在此情况下，从空间光调制器175出现的经调制的图像光在进入投影透镜130的主体之前通过线栅偏振束分裂器170而透射。尽管该系统提供了具有在某种程度上较为容易的光机械的体系结构，通过线栅偏振束分裂器170而透射的成像光经受由通过倾斜板的透射而引起的经典象差。尽管这些象差可被校正，成像中继透镜130和投影透镜150两者均可经受增加的复杂度和成本。
图11a的调制光学系统120亦适用于具有简化光机械构造的另外配置。具体而言，空间光调制器175可以是透射性器件而不是反射性器件。在此情况下，预偏振的照明光将从“后面”(从空间光调制器175的右侧)接近空间光调制器175，并且可根据被导向每个像素的驱动信号来提供调制的和未调制的光。对于这样的透射性系统，线栅偏振束分裂器170可被去除而检偏器165被保留，从而提供简化且较紧凑的光学路径。另外，检偏器165可被去除而线栅偏振束分裂器170被保留以提供具有比先前情况潜在地高的对比度的简化系统。成像器场镜140将仍被用在成像侧上以帮助简化下游的投影透镜或图像中继透镜的设计。第二成像器场镜140亦可被用在透射性空间光调制器125的照明侧上，尽管这并不是必要的。
作为另一个可替换形式，调制光学系统120亦可如图11b中所示而被构建，其具有偏振束分裂器棱镜173。与在图6中提供的倾斜板束分裂器相比，使用棱镜的主要优点是减小的光学路径长度并因此是减小的工作距离要求。在此情况下，偏振束分裂器棱镜173可例如是常规的MacNeille束分裂器(U.S.专利No.2,403,731)或嵌入式线栅束分裂器(U.S.专利No.6,288,840(Perkins等))。其它类型的偏振器和偏振束分裂器可被用在调制光学系统120中，包括3M多层聚合物片偏振束分裂器(U.S.专利No.5,962,114(Jonza等))，假定偏振响应和热稳定性是足够的。
对用于在图5中最详细描述的成像中继130透镜的设计的变化是利用Ramsden目镜145型设计，如在图13中所述。经典的Ramsden目镜是二元件设计，其提供可到达的孔径光阑和可到达的场以及中等的角度场。例如，为在投影系统中使用它，偏振束分裂棱镜可被置于Ramsden目镜的两个透镜元件之间，从而将最接近于空间光调制器175的透镜元件有效地识别为成像场镜140。假定二向色组合器位于远心中间图像处或其附近，则成像中继透镜可被设计成在成像孔径光阑210的一侧上结合Ramsden目镜而在光阑的另一侧上结合其它透镜元件。为获得较好的光学性能，使用3个或更多透镜元件的其它更复杂的目镜设计可被设计。这些目镜设计的一些将使成像中继透镜130的总体设计采取类似于图5中所示的双高斯构造，而其它设计可将整个成像中继透镜130引到不同的解决空间中。使用Ramsden目镜的设计及其变化亦可提供自由空间以将二向色组合器放置在成像孔径光阑210处，而系统设计仍提供成像中继透镜130以产生中间图像(I)。同样，中间图像(I)将由投影透镜成像到显示表面。该可替换形式可使能比被提供有采用双高斯配置的成像中继透镜的设计更加紧凑的投影系统设计。偏振束分裂器亦可被置于Ramsden的两个透镜元件之后而不是其之间，但这进一步增加了束分裂器和空间光调制器之间的元件数数量，从而增加了偏振对比度降级的潜力。
先前已提到，利用中间成像中继透镜130和成像器场镜140的依照本发明的电子投影系统可被构建有除了图2中所示的优选V棱镜(二向色组合器155)以外的二向色组合器。可通过比较图1(其具有X棱镜型二向色组合器26)和图2而容易地推断X棱镜或X管的另外使用。作为另一个可替换形式，图14描述了本发明的电子投影仪100，在其中Philips棱镜28被用于组合来自不同颜色通道(RGB)的光。跟以前一样，空间光调制器175的动作形成用于每个颜色通道的图像。来自这些图像的调制光沿相应的光轴Or、Og、Ob而透射经过成像器场镜140，经过束分裂器，经过成像中继透镜130并到达Philips棱镜28。然后，Philips棱镜28组合来自分离的光轴Or、Og、Ob的红、绿和蓝调制光以在棱镜组件的出口面附近并沿公用轴O形成组合的、多色图像Irgb。投影透镜150将多色图像Irgb再次成像到显示平面40。跟先前一样，空间光调制器175优选为偏振调制器阵列，如LCD，并且束分裂器是偏振束分裂器24，如线栅偏振束分裂器的MacNeille型棱镜。
另外，所述系统可以切换的偏振束分裂棱镜和二向色组合器来配置。举例来说，图5说明了投影仪的一部分，在其中线栅偏振束分裂器170位于成像器平面275的附近而二向色组合器155位于内部图像(I)的附近。在该另外的系统中，二向色组合器155位于成像器平面275的附近而线栅偏振束分裂器170位于内部图像(I)的附近。在此情况下，偏振束分裂器优选地包括具有内部偏振分裂表面的玻璃构件以使它可被用在透射中而没有倾斜板的光学象差。MacNeille型棱镜是这种偏振束分裂器的一个实例，其对于可替换的配置是可行的。该构造的确具有以下潜在的缺点，即它将大量玻璃元件置于空间光调制器(LCD)和偏振束分裂器之间，其任何一个都可拥有可降级偏振对比度的残余应力双折射。
作为另一个可替换形式，应指出，可使本发明的投影仪与除了LCD以外的空间光调制器175一起工作。例如，在图14的系统中，空间光调制器175可以是DMD型调制器而不是LCD。DMD器件不调制偏振状态，但在逐像素的基础上调制光方向性。在此情况下，所述系统可被改变以用全内部反射(TIR)束分裂器或另一个角度敏感的光学器件如Schlieren孔径反射镜来替换偏振束分裂器24，如在数字投影领域中众所周知的。所得到的电子投影仪仍可被构建成在二向色组合器处或附近提供内部多色图像Irgb，所述二向色组合器是图14中所示的Philips棱镜28，但亦可以是V棱镜(如图2)或X棱镜(如图1)。跟先前一样，成像中继透镜130可以以单位或接近单位的放大率来工作，并且提供潜在有利的系统，其具有对投影透镜150的减小的工作距离要求，从而产生与现今市场上的系统相比简化且低成本的投影透镜。当然，成像中继透镜130的使用提供了可减弱优点的一些相抵的(offsetting)成本。将投影仪100设计成包括成像器场镜140应减小成像中继透镜130的成本和复杂度。投影仪100可被进一步设计有提供大于单位放大率(例如2x)的成像中继透镜130，从而使组合棱镜的成本和复杂度可被减小。与在现今市场上可获得的标准DMD型系统相比，所得到的系统可以是更加成本有利的。
这样，提供了一种用于图像投影的改进的电子投影设备和方法，其具有照明系统，用于从白光源提供高强度和高效率的彩色照明；调制光学系统，其具有每个颜色通道中的空间光调制器和关联的装置以分离经调制的光和未调制的光；以及每个颜色通道中的中间成像光学器件，包括成像中继透镜，用于提供适当的图像以便于投影到显示表面上；在其中每个颜色通道都采用束分裂器和相应的空间光调制器之间的成像器场镜，用于在所述空间光调制器处提供远心光。
权利要求
1.一种显示设备，包括(a)光源，用于形成光束；(b)照明光学器件，用于使所述光束成形并引导它；(c)分裂器，用于将所述光束分裂成至少三颜色光束；(d)调制光学系统，用于三颜色光束的每个，包括(1)预偏振器，用于偏振所述光束以提供给定颜色的偏振光束；(2)线栅偏振束分裂器，用于接收所述偏振光束，用于透射具有第一偏振的所述偏振光束并用于反射具有与所述第一偏振正交的第二偏振的所述偏振光束，其中所述线栅偏振束分裂器上的子波长线面向反射性空间光调制器；(3)成像器场镜，其提供额定为远心的光给所述反射性空间光调制器；(4)反射性空间光调制器，其中所述反射性空间光调制器接收具有第一偏振或第二偏振的所述偏振光束，并选择性地调制所述偏振光束以在其上编码数据，从而提供偏振上不同的经调制的光和未调制的光两者；(5)其中所述反射性空间光调制器将所述经调制的光和所述未调制的光反射回到所述线栅偏振束分裂器；(6)其中所述线栅偏振束分裂器分离所述经调制的光与所述未调制的光；以及(7)检偏器，其接收所述调制光，并且其进一步从所述调制光中去除任何残余的未调制的光；(8)每个颜色中的成像中继透镜，其从用于该颜色的调制光提供反射性空间光调制器的中间图像；(e)二向色组合器，用于重新组合用于每个给定颜色的调制光，从而使多颜色束沿公用光轴形成相应的中间图像以形成组合的中间图像；以及(f)投影透镜，用于将所述组合的中间图像成像到显示屏幕。
2.权利要求1的显示设备，其中所述成像器场镜是低应力或低吸收光学玻璃。
3.权利要求1的显示设备，其中所述成像器场镜是从无定形熔凝硅石制成的。
4.权利要求1的显示设备，其中所述成像器场镜具有均匀的残余双折射。
5.权利要求1的显示设备，其中所述成像器场镜从具有交叉偏振轴的两个透镜元件来构建以抵消残余阻滞。
6.权利要求1的显示设备，其中所述成像器场镜是用顺从粘合剂来安装的。
7.权利要求1的显示设备，其中所述二向色组合器位于中间图像附近。
8.权利要求1的显示设备，其中所述二向色组合器是v棱镜。
9.权利要求1的显示设备，其中所述二向色组合器是x棱镜。
10.权利要求1的显示设备，其中所述二向色组合器是Philips棱镜。
11.权利要求1的显示设备，其中所述成像中继透镜以比单位放大率大的放大率来工作。
全文摘要
一种显示设备(10)包括用于形成光束的光源(20)。照明光学器件使所述光束成形并引导它。分裂器将所述光束分裂成至少三颜色光束。用于三颜色光束的每个的调制光学系统(120)包括预偏振器、线栅束分裂器(170)、反射性空间光调制器(30)和检偏器(165)。每个颜色中的成像中继透镜(130)从用于该颜色的调制光提供反射性空间光调制器的中间图像。二向色组合器(26)重新组合用于每个给定颜色的调制光，从而使多颜色束沿公用光轴形成相应的中间图像以形成组合的中间图像。投影透镜(32)将组合的中间图像成像到显示屏幕。成像器场镜(140)提供额定为远心的光给空间光调制器。
文档编号G02B27/28GK1576950SQ200410062049
公开日2005年2月9日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年6月25日
发明者J·M·科布, A·F·库尔茨, X·-D·米 申请人:伊斯曼柯达公司