用于在光学系统中测量反射模式显示器的绝对光产出量的方法

专利名称：用于在光学系统中测量反射模式显示器的绝对光产出量的方法
背景技术：
本发明涉及在给定的光学系统中测量偏振调制的反射型显示系统的绝对光产生量的一种新方法。
在本案例中的光学系统规定为调制光以获得所要求光学图像的一个系统。术语光学系统的意思包括诸如装在顶部的显示器和电子投影显示器的显示系统。
在光学系统中的每个光学元件都有元件都有光产出量，即效率。透射型光学元件的光产出量是该元件透射的入射光的份额，即不被该元件反射，吸收，或散射的光的百分率。反射型光学元件的光产出量定义为该元件反射的入射光的份额，即不被该元件透射，吸收，或散射的光的百分率。
在评定和设计诸如电子投影仪的光学显示系统中，光输出是一个重要因子。在会议和展示中，报告人经常使用连接到个人计算机的电子投影仪来提供电子显示(例如Microsoft Power TM显示仪)。系统的光输出帮助决定所投影图像的亮度，所以希望有高的光输出。光输出受每个元件的影响，正比于该元件的产出量。
一般，光学显示系统不是采用透射模式就是采用反射模式的显示器。在透射模式的系统中，光经显示器或成像器通过。在反射模式的系统中，显示器反射光。
许多公司集中于开发反射模式显示器以寻求较低成本和较高的分辨率。有前途的新的反射模式显示器包括在硅上的液晶(LCOS)装置。这些装置采用偏振入射光并反射偏振调制光。
反射模式显示器的设计者们传统地采用一个模型或通过在系统中每个元件透射的光的测量，确定用分数表示的透射值，然后计算所有这些透射值的乘积(参阅，E.H.Stupp，M.S.Brennesholtz，Projection Displays，Wiley-SIDSeries in Display Technology，239 ff.(1999)，E.E.Doany，R.N.Singh，A.E.Rosenbluth，and G.L.-T.Chiu，“Projection display throughputEfficiency of optical transmission and light-source collection，”IBMJ.Res.Develop.，42，387-399(1998)，它们包括在此供参考)。到目前为止，要建立用于硅土液晶(LCOS)微显示器这样一种用分数表示的透射度是困难的，或即使将一个LCOS装置的产出量特性与另一个的作比较都很困难。这是由于对这些装置准确建模或测量产出量很困难所致。
由于显示器的反射本性而导致测量产出量是困难的。因为它们是反射的，所以一般用与通常是层压到颊镜上1/4波长薄膜(QWF)的参照物作比较来测量LCOS微显示器的产出量。一种用于计算在系统中反射型显示器输出的传统方法首先是采用1/4-波长片和平面镜代替反射型显示器来测量系统的产出量。J.H.Morrissy等人，在“Reflective Microdisplays for Projection orVirtinal-View Applications”，880，SID 1999 Digest中描述了一个方法，其中采用了光耦合到宽带1/4波长延迟片，或QWF的铝平面镜来测定反射模式显示器的反射率。在这个技术中，首先把成象器驱动到它的全亮状态，再测量其所得到的光输出。然后用上面描述的1/4波长层压片代替该成象器并再次测量其输出。第一个测量结构除以第二个测量结果来确定一个产出量值。
尽管这种测量能给出在各种LCOS微显示器间良好的比较结果，但是在这个情况中，微显示器的绝对产出量有赖于知道参考平面镜和QWF的反射系数。当所要求的是光谱产出量时，这就特别困难。这方法的问题包括平面镜和QWF这两者都把未知的不精确性引进测量结果的事实。由于没有理想的光学装置，平面镜和QWF这两者都有自己的产出量，而它们在计算中是被忽略的。没有能用于这些测量的标准平面镜或1/4波长片，所以对相同显示器的测量不是一样的。结果，测试者面临试图来限定平面镜和1/4波长片的光学特性的工作(参阅，例如，M.D.Wilson，“Methods of Measuring Performance of LCOSMicrodisplays”，Microdisplay 2000，August 7-9，2000)。
此外，在不同的系统中每个显示器可能有不同的表现。例如，传统上，1/4波长片只在一个波长的1/4波长是精确的，所以每次测试都必须使用对红，绿，和蓝的(“RGB”，在传统的显示系统中，用来产生各种其它颜色的原色)至少三种不同的1/4波长长片/薄膜。不同的波长片和不同的RGB测试将给出不同的结果。即使是宽带QWF对RGB各色也具有不同的透射率。诸如具体光学系统的入射角，温度，灯光光谱，以及输入和输出f/#s等的其它因素也会影响测量。
对在一系统中以精确和可重复的方式来计算反射型显示器绝对产出量方法的需要依然存在。

发明内容
本发明的目的在于在具有折返光径的光学系统中测量偏振调制反射型显示器的绝对光产出量的方法。本方法包括测量在折返光径中传递的第一光强度，LR的若干步骤。折返光径包括产生光束的照明系统，第一偏振光分离器，反射型显示器，以及投影系统。由光学系统调制的光束第一偏振分量由第一偏吵分离器折返而光束第二偏振分量由第一偏振束分离器透射，其中偏振分量中的一个分量被反射出反射型显示器。
也测量了通过在非折返光径的光学系统中传递的第二光强度Lo。非折返光径除了在非折返光径中移走了反射型显示器之外，包括与折返光径同样的元件。非折返光径具有第一偏振束分离器和具有等价光学性能特性的第二正交转动的我束分离器。光束由PBS中的一个透射，而由另一个反射。
然后计算绝对产出量TM，此处TM＝LR/LO。
反射出反射型显示器的偏振分量可以是第一也可以是第二偏振分量。测量第一和第二光强度的诸步骤可以用适光法，辐射测量法，分光辐射测量法或用其它适宜的方法来完成。
照明系统可有可变的f/#s，本方法还包括对照明的不同f/#s，重复测量第一和第二光强度并对反射型显示器对照明的不同f/#s计算绝对产生量的诸步骤。投影系统也可有可变的f/#s，本方法还包括对不同的投影f/#s，重复测量第一和第二光强度并对反射型显示器对不同的投影f/#s计算绝对产出量的诸步骤。
照明系统包括光束源。光束可包括可见光，红外辐射，紫外照亮的图案，或其它要利用反射型显示器成象的辐射类型。光束源可以是相干光束源，平行光束源，或其它适宜的光源。
附图简述

图1是一光学显示系统的平面示意图；图2a是一测试台，其中微显示器处理测试位置；图2b是用于测试归一化常数的非折返测试台；
图3a是另一测试台，其中微显示器处于测试位置；图3b是用于测试归一化常数的另一非折返测试台；图4是两个QWF/平面镜层压片的光谱绝对产生量；图5是以LCOS微显示器为例子的光谱绝对产出量。
具体实施例方式
图1示出光学显示器即成象系统10，它包括提供光束14的光束源12。术语“光束”包括可见光谱，以及红外和紫外光谱。光束14包括紫外光照亮的图案或其它要利用反射型显示器成象的辐射类型。光束源12可以是相光束源，平行光束源，或其它适宜的光源。
照明系统包括光束源12和照明光学系统16。
光束14经照明光学系统16通过，用它来调制光。光的调制可包括光束成形并使之均匀，用合适的透镜作用来限定f/#，使光预偏振，和/或将光聚焦到在测试的成象器上。已调制好的光射到偏振光束分离器(“PBS”)元件20上。该PBS元件20透射入射光的第一偏振分量22而反射第二偏振分量24。光分量中一个分量，在这个情况是被反射的分量24，照明诸如LCOS微显示器的反射型显示器即成象器26。置于投影光学系统32物方平面附近的诸如可变光圈的孔径控制装置28控制入射光分量22的孔径。
置于紧靠着孔径控制装置28的反射型显示器26反射光分量24并产生反射光束30。反射光束30经孔径控制装置28通过并反回到PBS 20上。PBS 20部分地透射偏振调制的光束，它是通过投影光学系统32被投影的。投影光学系统32包括投影透镜34和净化偏振器36。
反射型显示器26的产出量与多个方面有关，包括固有反射率；所使用的诸如扭转向列的，垂直对准向列的，或铁电的LC(液晶)模式；平面镜的表面质量；缺陷的形成(诸如disclination)；以及象素孔径比。此外，某些系统参数可与微显示器相互作用来改变产出量。例如，LC参数随温度而变。所以，产出量也可随温度而变，从而间接地影响灯光强度。适当的产出量也与灯光的光谱有关，因此系统的建模者或是必须要获得与灯光的光谱相关的光谱的产出量，或是对预定的灯光进行测量。另一因素是来自象素间的间隙区的衍射。具有f/#小于照明装置f/#的投影透镜将会接收更多的高阶衍射，从而在屏幕上投上更多的光。
因此，为了对一具体系统中产出量的作出最佳估计，投影设计者应在与成套系统极其相似的一测试台上测量LCOS装置26。或者反过来，人们可设计一种能控制这些效应的测试台也行。具有照明和投影两光路的f/#均可调的一测试台，再加上一可控温的LCOS装置，便可提供所需信息的良好近似。
图2a示出用于示于图1显示系统的原始测试台100的顶视图。测试台100包括光源12(未示出)，照明光学系统16，PBS元件20，物方孔径28，显示器26，以及投影光学系统32。物方孔径28可以是圆的或矩形的，但是它应比微显示器的有效面积小，光源100较佳的是应与在最后光学系统中待用的光源是相同的，特别是如果在进行非光谱、适当的测量时。
将预偏振器调整到使得垂直偏振的光、(即偏振出页面的光)入射到PBS上。PBS将光束朝成像器反射，成像器被照射，因而发亮时，将偏振大致转动到水平状态。这束光被反射回到PBS，并经PBS通到净化偏振器，到投影透镜，再到屏幕上。
本发明的方法是在一具体系统中测量反射型显示器的绝对产出量。本发明需要该光学系统发光输出的两个测量值。第一个亮度级，LR的测量是利用示于图2a的测试台进行的，在该测试台中的成象器已被充分通电，即达到“白色”状态。这一测量可通过采用诸如Minolta的T1型照明度仪以勒克斯为单位测量在屏幕上的照明度来进行。一种测量投影系统总的发光输出的好方法是测量ANSI流明，正如在ANSI/NAPM IT 7，215-1992“Data ProjectionEquipment and Large Screen Data Displays-Test Hethods and PerformanceCharacteristics”中所概述的。在这方法中，在屏幕上的不同点进了9次照明测量。然后以勒克勒为单位的照明平均值与以平方米为单位的屏幕与照明面积相乘来给出以流明为单位的总的光输出。在屏幕上照明面积的范围由物方孔径和投影透镜的放大率来限度。
第二个测量值Lo，是在示于图2b的测试台上进行的。在这测试台上，移去了微显示器26，把PBS 20转动90°以把光导向投影光学系统32，且移开投影透镜34为物方孔径28和第二等效的PBS40留出空间而插入到第一PBS20和投影透镜34之间。投影透镜34把物方孔径28成象到屏幕上。第二PBS40与第一PBS20的类型相同且具有与第一PBS20有等效的光学特性。第二PBS是正交转动的，这样它基本上使来自第一PBS的全部垂直偏振光通过。因此，把此反射平面调整到使得它能把不要的偏振反射出页平面之外。PBS立方体的光束分离表面的翻转轴被定义为从包含光束分离表面对角线的立方体面上正常地通过的矢量。翻转轴是光束分离表面绕该轴相对于立方体各面翻转的一根轴。因此，两个PBS具有正交的翻转轴。第一PBS的翻转轴指向页面之外，而第二PBS的翻转轴则在页平面内。这两个PBS被认为是彼此相对着正交转动的。现在，把净化偏振器调整到通过垂直定向的光，而不是像在第一个测量中的水平偏振光。
在计算图2b非折返的测试台发光输出的流明Lo中，必须注意要重新测发光面积。如果相对于屏幕移动过投影透镜时，则这个面积是会改变的。
在一较佳的实施例中，测试台100与光学系统10是相同的或在光学上是等效的。
第二个测量值Lo，是被用来使第一个测量值LR，归一化以得到对反射型显示器用分数的表示透光度，TR，此处TR＝LR/LO。设计者可利用TR对系统的亮度作有意义的预测。第二正交转动的PBS的作用是尽可能以与在图2a单个PBS所进行的方式相似地分解入射到它的光。第二等效PBS的存在是用于计算在图2a的第二次经PBS通过时不可避免地出现的反射和吸收损耗。
图3示出用于一系统的本方法的第二实施例，在这个系统中图像是被反射的。第一个测值LR是采用示于图3a的测试台100进行的，在这测试台中的成象器已被全部开通，即达“白色状态”。测量可通过利用诸如在前面所述的照明度仪以勒克斯为单位测量在屏幕上的照明度来进行。测量了投影系统的总的照明输出。然后可通过计算ANSI流明来计算LR。
第二个测量值Lo是在如图3b所示非折返的测试台上进行。在这测试台中，移走了微显示器26，将PBS20转动90°来把光导向投影光学系统32，而将照明系统12从第一PBS移开为物方孔径28和第二等效PBS40插入到第一PBS20和照明系统12之间留下空间。必须把照明系统光轴转90°使得导引到PBS的偏振是垂直的(如图3b所示的在页面之外)。投影透镜34把物方孔径28成象到屏幕上。物方孔径28可以是圆的或矩形的，但它应比微显示器的有效面积小。
第二PBS40与第一PBS20的类型相同并具有等效的光学特性。把第二PBS40转动到使得来自照明系统的垂直偏振光基本上全部都通过它。因此，把反射平面调整到它能把不要的偏振反射出页平面。这两个PBS具有正交的翻转且是正交转动的。第一PBS的翻转轴指向页平面外面第二PBS的翻转轴则指在页平面内。
测试者对数据收集有一些选择的余地。正如上述，简单的照相机透镜可把光投影到墙上，在那里可使用诸如Minolta TI仪的照明度仪用一诸如勒克斯的合适单位来测量适当光的光强度。伴随着在屏幕上照明面积的测量，人们可以计算通过光学系统传递的流明数。如果需要分光辐射测量的信息，可把诸如购自Photo Research，Inc.，的PR-650型的光点光谱色度仪对准屏幕中央且对分立波长取LR和LO的值，该PR-650将在380nm和780nm之间的每4nm送回以w/m2/str/nm为单位的功率值，因此得到了光谱产出量，TR(λ)＝LR(λ)、LO(λ)，此处入是光的波长。
系统的f/#可在两个不同的位置有变化。不仅照相机透镜的光圈f数可改变在投影光学系统中的f/#，而且由照明光学系统12调制的照明光束也可改变f/#。它们可独立地改变，这样可如上面提到的来研究衍射效应。
所考虑的光学系统不必要仅在可见光中工作。如果系统在诸如可能用于光刻曝光系统的UV中工作，则一种诸如阳光色盲的真空光电二极管的UV功率仪对测量反射型LC装置产出量是适宜的。如果这光学系统在诸如偏振模式的色散补偿器的红外工作，则诸如多结温差电堆的IR功率仪是测量光学功率适宜的仪器。
此外，这光学系统不必要具有采用孤光灯与反射器来限定照明锥角，从而限定f/#的照明系统。照明系统可产生平行光束。而且，这系统可调制来自由激光照明系统提供的那种相干和/或单色光束。
在一较佳实施例中，用于这光学系统的投影透镜是专为该光学系统设计的，一般，简单照相机透镜用于这光学系统是不够充分的，因为它可遭受到球面象差并可能有光束的晕映。但是，这仅会影响投影透镜的产出量，所以对在这里描述的测试方法不会成为问题。可把这种影响从测量值中校正，以给出成象器产出量基本准确的测量。
换一种方法，投影透镜可用一能将投影透镜之前的光学系统发出的所有光都捕获的一完整球体来代替，假若这样，把另一对远心透镜放在这光学系统和完整的球体之间是会令人满意的。这将使得投影或收集系统的f/#独立于照明系统的f/#变化。测试者可根据测试者的需要对不同的f/#适光地或分光辐射测量地测量进入完整球体的产出量。
上述技术可对用于使用一个PNS的折返光路系统中的LCOS微器作准确的绝对适光和光谱的产出量的测量。把相似的方法使用到基于离轴照明系统的非折返光路无疑是可能的。(例如NovaTMEngine by S-Visim(M。Bone，M.Francis，P.Menard，M.Stefauov，and Y.Ji，“Novel Optical System Designfor Reflective CMOS Techuology，“Projection Dispalys V，SPIE 3634 80-86(1999)，包括于此供参考)。使用本方法，测试者可提供给系统设计者作为照明光学系统和投影光学系统这两者的f.#并作为单独的投影光学系统的F/#的函数的绝对光谱产出量曲线。
第三个实施例包含测量，诸如在上述实施例一和/或中所述层压到第一表面平面镜的标称1/4波长薄膜的参考样品的绝对产出量。并把这参考样品用作反射率标准。可光谱地或适当地来测量产出量。根据定义，该标准的产出量是Tstd＝LS/LO，式中LS是在安装好标准样品时测到的该光学系统的光输出。成象器在测试时的产出量可通过再次进行两个测量来找到。不过，此时该系统仍保留如图2a或3a所示的非折返光路。这两个亮度级测量结果是LM和LS，此处前一个测量结果是在安装好成象器时测到的光学系统的光输出。然后通过用一个测量结果除以另一个测量结果来计算绝对产出量，然后再与前面测到的TS相乘，即TM(Ling/LS)×TS。因为标准样品的绝对产了量是一个光学系统不同于一个光学系统的，所以较佳的是象LM一样，在同一光学系统中测量TS。
实例测量了两个不同的层压到平面镜的QWFs的产出量，其中一个是NittoDenko QWF而另一个则来自Edmund Scientific。在下面的数据中，报导了使用完整球体来测量亮度级的这两个类型的测量结果。装有余弦接收器的PR-650光度计被用来测量光谱辐照度。照明系统是光纤束照明器，在这种照明器中光纤束的端部通过一对远心透镜一对一被成象到微显示器上。在透透间的远心光阑控制了照明系统的f/#。
每个QWF装在相似于图2a所示的系统中。投影透镜由第二对设在投影光路上的远心透镜所替代以使微显示器在球体的入口处成象。选择远心光阑使与照明光路的f/#相匹配。可以改变这光阑来研究上面指出的衍射效率。照明和投影这两个光阑都设定在f/3.0。
示于图4的结果透露出与Edmnund QWF相比，Nitto Denko QWF是较为有效的且透射峰蓝移。在适光测量下，对Nitto Denko QWF，TM＝84.1％，而对EdmundQWF，则是79.2％。
现在可选择这两个QWF/平面镜中的任意一个作为在同一光学系统中测量LCOS微显示器的标准样品。换句话说，对微显示器而言，替换QWF/平面镜测量结果可重复。后者的方法是用来测量可从Three Five Systems购到的SXGA清晰度的微显示器。
采用对QWF/平面镜组装件描述的方法和装置，测量了三个LCOS微显示器来决定它们在f/3.21时的产出量。其结果示于图5。把各个微显示器设计成在不同的色带中工作，一个在蓝色，一个在绿色，一个在红色。也把它们设计成在升高的温度中工作。所以，把微显示器安装到热电加热器且把它们的温度设置在45℃。施加了驱动电压，使能在没有产生的缺陷下得到最高的带内透射。从图5中可清楚地看到，这些微显示器已被调谐到在被设计的带产生最大透射度。
在本领域中的技术人员会理解到本发明可在与种种光学装置甚至需要精密对准的非光学装置耦合时使用。尽管本发明已被用参考示范性较佳实施例来描述，但本发明在不背离本发明的精神下，可用其它的具体形式来实施。因此，应懂得在此描述的和示例的实施例仅是示范性的且不可认为是对本发明范围的限制。可根据本发明的精神和范围作出其它的变化和修改。
权利要求
1.一种用在具有折返光径的光学系统中，测量偏振调制的反射型显示器的绝对光产出量的方法，其特征在于，该方法包括的步骤为a)测量在折返光径中传递的第一光强度，LR，其中由光学系统调制的光束第一偏振分量被第一偏振光束分离器折返，以及光束第二偏振分量被第一偏振光束分离器透射，其中偏振分量中的一个分量被反射出反射型显示器；b)测量在非折返光径中被光学系统传递的第二光强度，LO，在该光径中反射型显示器已被移走，该光径具有第一偏振光束分离器以及具有等效光学性能特性的第二正交转动偏振光束分离器，其中，光束是由PBS中的一个透射而由另一个反射，以及c)计算绝对产出量TH，此处TM＝LR/LO。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，被反射出反射型显示器的偏振分量是第一偏振分量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，被反射出反射型显示器的偏振分量是第二偏振分量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量步骤包括透光地测量第一和第二光强度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量步骤包括用辐射测量方法测量第一和第二光强度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量步骤包括用分光辐射测量方法测量第一和第二光强度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，光束包括红外辐射。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，光束包括紫外辐射。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中测量第一和第二光强度的步骤包括使用具有照明可变f/#的照明系统，该方法还包括重复对不同的照明的f/#s测量第一和第二光强度以及对不同的照明的f/#s计算反射型显示器的绝对产生量的步骤。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中测量第一和第二光强度的步骤包括使用具有可变f/#s的投影系统，该方法还包括重复对不同投影的f/#s测量第一和第二光强度以及对不同的投影f/#s计算反射型显示器的绝对产生量的步骤。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中测量第一和第二光强度的步骤包括使用相干光束源。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中测量和第一和第二光强度的步骤包括使用平行光束源。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中偏振调制反射型显示器是一层压到平面镜的1/4波长薄膜，其中层压到平面镜的1/4波长薄膜，与其它偏振调制反射型显示器相比较，成为已知产出量，TS的反射标准样品。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，偏振调制反射型显示器的产生量是通过下列步骤来测量的a)测量在折返光径中传递的第一光强度，LR，其中由光学系统调制的光束第一偏振分量被第一偏振光束分离器折返，而光束第二偏振分量被第一偏振光束分离器透射，其中偏振分量中的一个分量被反射出反射型显示器；b)测量在折返光径中传递的第二光强度，LS，其中由光学系统调制的光束第一偏振分量被第一偏振光束分离器折返，而光束第二偏振分量被第一偏振光束分离器透射，其中偏振分量中的一个分量被反射出反射标准样品，以及c)计算绝对产出量，TM，此处TM＝(LR/LS)×TS。
全文摘要
一种在具有折返光径的光学系统中测量偏振调制反射型显示器绝对产出量的方法。其步骤包括在具有第一偏振光束分离器，和反射型显示器的折返光径中测量第一光强度，L
文档编号G02F1/1335GK1484758SQ01821670
公开日2004年3月24日 申请日期2001年5月3日 优先权日2000年12月28日
发明者D·J·W·奥斯图恩, C·L·布鲁索内, D J W 奥斯图恩, 布鲁索内 申请人:3M创新有限公司