专利名称：投影显示图像并包括带倾斜度的二向色滤光片的显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在投影屏幕上显示图像的装置。
这类装置特别用作电视背面投影器；例如，可以电驱动的反射元件矩阵可产生于基于液晶(LC)的、作反射操作的光电调制器，特别是基于附加在硅衬底上的液晶(LCOS硅衬底液晶)；基于微反射镜矩阵的光电调制器，称作DMD(数字反射镜装置)。
一般来说，矩阵MB、MG和MR被安排成使它们的反射面沿平行的直线相交，另外，这些反射面通常是垂直的，并相互正交。
按常规，如
图1所示，解构多色光束BS的装置2和/或重构反射的互补光束B’B、B’G和B’R的装置3，每个都包括两个二向色滤光片21、22，21’、22’，它们相对于所要解构和/或重构的入射光束的光轴，以入射角β的预定平均角度排列，对于入射角β的角度，每个二向色滤光片21、22，21’、22’以已知的方式具有与解构这一入射光或重构这些入射光相匹配的截止波长；每个滤光片一般为矩形，所以这两个二向色滤光片的边框形成一个平行六面体；这些滤光片的预定入射角一般约为β＝45°或135°，使两个滤光片21、22，21’、22’安排成相互正交，如图1中所示。
另外，就互补光束BB、BG和BR和/或B’B、B’G和B’R来说，可以设置滤光片，称作验证滤光片，一方面是FB、FG和FR，另一方面是F’B(未示)、F’G和F’R。
如图1所示，二向色滤光片21、22，21’、22’被安置在平行六面体的垂直对角面上，而验证滤光片FB、FG、FR，F’B、F’G、F’R被安置在这些平行六面体的壁上；表示显示装置的部分底视图的图4(只表示解构装置2的滤光片22)，清楚地表明，这个滤光片沿着平行六面体的对角面设置；在这种情况下，由于这个平行六面体的水平截面是正方形，所以在滤光片22的中心O处，多色光束BS的光轴与滤光片22的表面所形成的入射角β的角度就是45°。
滤光片21、22，21’、22’的最长尺度(矩形的最长侧边)相应于反射元件矩阵MB、MG和MR的最长尺度和所要显示的图像最长尺度；如果每一入射光束的光轴在入射中点O照射二向色滤光片，并在这一点上与这个滤光片的平面形成β＝45°的角度，那么，照射滤光片的光束，在入射中点O以外的各点上具有的入射角，围绕这个平均值45°(或135°)变化；入射角的变化明显地沿滤光片的最长尺度至最大。
由于二向色滤光片的截止波长依赖于入射角，所以在常规的二向色滤光片中，光束解构和/或重构的缺陷和色彩的缺陷便会产生。
为避免这些缺陷，已知的是使用带有倾斜度的二向色滤光片，它们与其最大尺度平行的方向上有恒定的截止波长，这个最大尺度处于与MB、MG和MR的反射面正交的平面内；滤光片的这种安排和倾斜的方向对处于这个正交平面内的所有光束射线来说，能良好地获得恒定的截止波长；因此，这些滤光片层的倾斜标示的方向平行于这些滤光片的最长尺度，并被包含在这个正交平面上。
如图3所表示的显示装置的局部方案侧视图，因为用来调制互补光束的矩阵MB、MG(单独示出)和MR的工作是反射，分别入射至每一矩阵MB、MG和MR的每一入射光束BB、BG和BR的光轴的入射角α不同于这些矩阵的法线，所以，来自光源1的入射光束BB、BG和BR，能适当地与指向投影物镜5的反射光束B’B、B’G和B’R分离；因为每一矩阵MB、MG和MR的入射角不同于这些矩阵的法线，又因为解构装置2重构装置3是叠合的，所以，光束BS和BG共同光轴与矩阵MG反射的光束B’G和B’P共同光轴之间，形成2×α的角度；角度α的值依赖于尺度和显示装置的光学零件的安排；这个角α一般在5°和20°之间；例如，这个角度可以是12.5°。
图5表示二向色滤光片22(图中阴影部分)，和来自光源S，并在O点通过这个滤光片的多色光束BS光轴的透视图；光源中心点S的投影在滤光片22的平面法线上、并沿通过O点的割线DOE与其相交，称为T；同一点S在滤光片的平面上的投影称为Q；而点Q和点T在割线DOE上的共同投影称为R；可以立刻推断，在水平面上，角度ROT＝γ＝90°-β＝45°，在垂直面上，角度TOS＝α。
与图5相比较，图6表示同一矩形二向色滤光片22；在这个图中，射线SAM，SOP和SCN被定义为在矩阵MG上形成水平中线；可以看出，如上所述，在不同点A、O和C照射滤光片的同一光束BS的SA、SO和SC所具有的入射角，在平均值周围变化；这样的话，对于距离OA＝OC＝20mm，分别为35.55°、46.35°、56.55°。
可是，在滤光片的入射中点O，截止波长是为预定的45°入射角设置的；因为对矩阵MB、MG和MR的非零入射角为12.5°，所以在滤光片的入射中点O看到的入射角与预定的入射角β＝45°相比的差(46.35°与β＝45°相比)，在滤光片的截止波长中引入了有害的偏移。
对于远离滤光片的入射中点O以外的其他各点，特别是包含在入射光束BS与滤光片22相交的最长尺度上的射线的入射点例如A和C来说，滤光片倾斜的方向没有适当地匹配；这是因为，由于这样的滤光片倾斜度是以常规方法沿平行于这个滤光片的最长尺度的方向DOE提供的，DOE没有对应入射光束BS与滤光片22相交的最长尺度AOC的方向，因为α角不为零，所以，倾斜度不再与使截止波长保持恒定的入射角分布相适应；换句话说，匹配于沿直的中线DOE获得恒定截止长度的滤光片倾斜度不与沿直线AOC获得的恒定截止长度匹配。
因此，不仅在滤光片的入射中点O，而且沿入射光束BS与滤光片相交的整个最长尺度即直线AOC，事实是对矩阵MB、MG和MR的入射角α不为零，这导致沿着整个这条直线AOC，实际的入射角和通过二向色滤光片的倾斜度使截止波长恒定的理想入射角之间发生差异；尽管使用带倾斜度的滤光片，α角不为零的事实，仍由此导致解构装置2或重构装置3，甚或两者的二向色滤光片截止波长中的有害偏移；这种偏移之所以有害，是因为它导致被显示的图像中的色彩缺陷。
为实现上述目的，本发明的装置包括发射普通的连续多色光束BS的光源；将这个多色光束解构为互补光束BB、BG和BR的装置，这些光束的波长范围不同，分别与三种标准原色蓝B、绿G和红R相应；处于每一所述互补光束BB、BG和BR路径中的反射元件矩阵MB、MG和MR，它们可根据所要显示的图象作电学驱动，反射互补光束B’B、B’G和B’R；这些矩阵MB、MG和MR被安排成使它们的反射面沿平行的直线相交；每一入射的互补光束BB、BG和BR的光轴与相应矩阵MB、MG和MR的法线方向形成非零入射角α，每一反射的互补光束B’B、B’G和B’R的光轴与相应矩阵MB、MG和MR的的法线方向形成相反的-α角；将反射的互补光束B’B、B’G和B’R重构为单调制多色光束BP的装置；在所述光束重构之后，将反射矩阵MB、MG和MR的图像投影到屏幕上的光学系统；所述解构装置和/或所述重构装置包括两个带有倾斜度的二向色滤光片，它们被安排成使所要解构和/或重构的入射光束与这些滤光片在入射中点O形成和预定的入射角β1、β2，β’1、β’2近似相等的入射角，所述预定的入射角与解构或重构的入射光束所匹配的截止波长相对应；
每一滤光片的截止波长对于同一光束的所有射线近似恒定，光束在滤光片的入射点对准所述倾斜方向，其特征在于这些滤光片的至少一个，其倾斜方向与矩阵MB、MG和MR反射面的正交平面形成非零的倾斜入射角δ、δ’。
一般地，所述与矩阵MB、MG和MR正交的平面是水平面。
通常，二向色滤光片被设置在解构装置和/或重构装置中，使预定的入射角β1、β2，β’1、β’2近似等于45°或135°。
借助于本发明，使用带有倾斜度的二向色滤光片，在某种意义上很接近理想状态，被显示的图像的色彩缺陷显著得以限制。
优选的是，对于至少一个滤光片，当矩阵MB、MG和MR的所述入射角α在5°和20°之间时，倾斜角度δ、δ’在10°和30°之间。
优选的是，对于至少一个滤光片，倾斜角度δ、δ’近似等于下列定义的两者之间的角度θ连接这个滤光片上的零入射角点Q与这个滤光片上的所述入射中点O的直线，和与矩阵MB、MG和MR的反射面正交的所述平面。
优选的是，对于至少一个滤光片，倾斜角度δ、δ’近似等于arctan(sin(α)/sin(β)·cos(α))，这里，β表示所述滤光片的预定入射角β1、β2，β’1、β’2。
图8表示制造能用来实现本发明的二向色滤光片的方法；图9表示二向色滤光片上的任意点I，和用来计算曲线公式的正交坐标系统，所述曲线连接滤光片上的相同入射角的各点；图10以同心圆表示连接二向色滤光片上相同入射角的各点的曲线分布，和这些点的中心Q，它相应于对这个滤光片的入射角为零；图11表示一组连接根据本发明标定的二向色滤光片的各点的曲线，它们在下列两者上的差值是恒定的·这个滤光片上的光束射线的实际入射角，·滤光片包括其倾斜设计时的“理想”入射角。
本发明的显示装置与上面所描述的和在图1至图4中所表示的装置相同，同时有一个重要的差别，涉及解构装置2或重构装置3或两者的二向色滤光片21、22，21’、22’中的至少一个滤光片的倾斜度方向。
为简明起见，将就最通用的情况对本发明进行描述，即矩阵MB、MG和MR的反射面是垂直的，这些矩阵MB、MG和MR的最长尺度的方向是水平的；这个最长尺度与所要显示的图像的最长尺度对应；因此，与矩阵MB、MG和MR的反射面正交的平面必须是水平的；另外，在每一矩阵MB、MG和MR上，互补光束BB、BG和BR的光轴照射这个矩阵，这个矩阵的法线和这个矩阵反射的互补光束B’B、B’G和B’R的光轴处于同一垂直平面内；最后，这些矩阵的反射面的平面沿垂直线相交。
现在说明本发明的解构装置2的二向色滤光片22；不言自明，本发明同样适用于解构装置2的其他二向色滤光片21，或重构装置3的21’和22’。
作为现有技术，图4表示滤光片22的位置处于解构装置2的平行六面体的垂直的角面上；矢量n相应于在光束BS的光轴入射中点上这个滤光片平面的法线方向；这一光束在滤光片上的光轴的入射角的水平面(图面)的投影相应于β角，此时为45°；因此，互补角γ也是45°。
在图5中，这个水平面沿平行于滤光片的最长尺度的中间割线DOE切割滤光片平面，如现有技术那样。
图8表示同样的二向色滤光片22和同样的中间割线DOE；根据本发明，这个滤光片倾斜到方向HOG，与这条割线形成非零的角度δ；换句话说，二向色滤光片22倾斜到HOG方向，与矩阵MB、 MG和MR的反射面的正交平面形成非零的角度δ；这个倾斜角δ取向于入射光束BS与滤光片22相交的最长尺度AOC倾斜的倾斜角的值一般是很不相同的。
利用这个倾斜角δ(这里α角不为零)，滤光片的倾斜方向比现有技术匹配的好，特别是对于远离滤光片的入射中点O的入射点，例如入射点A和C(图6)；这是因为，由于根据本发明的滤光片的倾斜是落到HOG方向，形成的角度小于现有技术的入射光束BS与滤光片22相交的最长尺度的AOC方向所形成的角度，这样的倾斜比现有技术更好地符合使截止波长保持恒定的入射角分布；换句话说，滤光片的倾斜取向比现有技术沿直线AOC获得恒定的截止波长，适配得更好。
因此，在滤光片的入射中点O和所有沿入射光束BS模切的最长尺度，这个倾斜角δ可以减小实际入射角和通过P角22的倾斜使截止波长恒定的理想入射角之间的差；这个倾斜角δ可以减少由α角的非零值引起的二向色滤光片22的截止波长中的偏移，从而抑制显示图像中的色彩缺陷。
通过技术人员的一系列测试，倾斜角可作为α值的函数而被最佳化；优先选择5°＜α＜20°，10°＜δ＜30°。
本发明同样有利地适用于其他滤光片21，211，22’的倾斜度取向；图7同样表示本发明应用于滤光片21的情形这个滤光片倾斜到方向H’O’G，与包含在水平面上的方向D’O’G形成非零的δ角。
总的说来，能因此获得色彩质量比现有技术更好的图像显示装置。
图8表示制造图7所示根据本发明的装置的二向色滤光片22的方法；这个方法开始是用一个基本的常规滤光片(图中阴影部分)，它的倾斜度位于平行于它的最长尺度方向HOG；另一滤光片22与这个常规滤光片错开，使它的最长尺度方向DOE与基本滤光片的最长尺度方向HOG形成δ角；因此获得二向色滤光片，它的倾斜取向是以角度δ倾斜，如图7中所示。
本发明的一个优选实施例，主要是对希望校正其缺陷的滤光片的定位，以使这个滤光片倾斜而与水平面形成的角度δ，近似等于角度θ，这个角度θ是这个滤光片的零点和这个滤光片上的光束BS或BP的光轴入射中点的连线，与这个同一水平面形成的角度。
短语“角δ近似等于角θ”意指δ＝θ±15°。
现有参考图5、6和9，计算滤光片22的角θ。
首先，计算入射光束BS的射线以相等入射角i在滤光片中的各入射点连接而成的曲线的方程式。
参考与图5类似的图9，定义一个以滤光片22的入射中点为基础的正交坐标系统，包括在O点是滤光片平面法线的坐标轴Ox，前面定义过的DOE方向上的Oy，垂直于Ox和Oy的Oz；在这个具体例子中，轴Ox和Oy在水平面；如前(图5)，三角形OST在垂直平面，在顶点O的角相应于互补光束的光轴对矩阵的入射角α；Ox方向和OT方向之间的角相应于光束BS的光轴照射滤光片的入射角β，是图5中的角γ的补角。
设I是来自光源S的光束BT的任意射线SI在滤光片22上的入射点；设O、Y、Z是这个点在正交坐标系统中的坐标；设i是这一射线SI与滤光片22形成的入射角；角i因此被定义为这一射线与在点I的滤光片的法线方向形成的角；设d是从光源中心S至光束BS在滤光片上的入射中点O的距离；设k是来自这个同一光源的射线IS的长度。
让我们再定义下列元素矢量n表示与滤光片轴Ox的法线的单位矢量，矢量u表示入射光束的光轴Os的单位矢量，矢量v表示射线IS的单位矢量。
首先，计算作为角α，β和距离d的函数的距离IS＝K；如果矢量IS＝k×v，矢量OS＝d×u，又由于矢量u的坐标是(cos(α)·cos(β)；sin(β)·cos(α)；sin(α))，矢量公式IS＝IO+OS可以计算出k的值k2＝(y2-2.d.y.sin(β)·cos(α)+z2-2.d.z.sin(α)+d2) [1]另外，由于矢量OS和矢量IS在轴Ox上的投影相等，因此有k·cos(i)＝d.cos(β)·cos(α)[2]合并等式[1]和[2]，我们可得下列等式
(y-d.sin(β).cos(α))2+(z-d.sin(α))2＝(d.cos(α).tan(i))2[3]从这个等式我们可以立刻推断出光束BS的射线的入射角i为常数的各点I连接而成的曲线，形成同心圆，其圆心的坐标为(O，d.sin(β).cos(α)，d.sin(α))，半径R＝d.cos(α).cos(β).tan(i)；这些同心圆和它们的圆心、点Q，表示在图10中。
圆心相应于滤光片22的入射零点，它的坐标被给至图5的点Q；从点Q的坐标，我们能因此推断处于水平面的直线OP和轴Oy(或直线OD)之间的角θ的值θ＝arctan(sin(α)/sin(β).cos(α)) [4]从β＝45°，α＝12.5°，可推断θ＝17.4°通过在θ值附近改变角δ，可给出倾斜的滤光片上的光通量的实际分布，已经提到过在根据本发明的的装置上显示的图像中，获得了色彩性能的改善，这些值可以稍微不同于θ，例如δ＝θ±15％。
图11表示本发明在二向色滤光片22本身方面的性能，它的倾斜已相对于水平面达到δ角，这个δ角的值用上述方法之一最佳化。
使下列差值保持恒定的滤光片22上的各点所连成的一组曲线表示在这个图中光束BS的射线的实际入射角，和“理想”入射角，滤光片已为此设计包括它的倾斜度。
短语“理想入射角”指的是滤光片构成的入射角，其中，截止波长是常数。
坐标系统沿轴Oy，Oz以毫米(mm)表示，如图9那样定向。
这个图11中最清楚的的区域，相应于上述差值最小的那些点，也就是说，相应于滤光片被使用于很接近于理想状态的那些点，要注意在这个图中，最清楚的中间区域有最大的面积，这意味着滤光片22的很大一部分被使用在很接近理想的状态，也就是说具有能减少色彩缺陷的恒定截止波长；与现有技术中滤光片定位不倾斜而产生的曲线系列相比，要提及的是图11的很清楚的中间区域比现有技术中的大得多。
权利要求
1.一种在投影屏幕上显示图像的装置，包括发射普通的连续多色光束BS的光源(1)；将这个多色光束解构为互补光束BB、BG和BR的装置(2)，这些光束的波长范围不同，分别与三种标准原色蓝B、绿G和红R相应；处于每一所述互补光束BB、BG和BR路径中的反射元件矩阵MB、MG和MR，它们可根据所要显示的图象作电学驱动，反射互补光束B’B、B’BG和B’R；这些矩阵MB、MG和MR被安排成使它们的反射面沿平行的直线相交；每一入射的互补光束BB、BG和BR与相应矩阵MB、MG和MR的法线方向形成非零入射角α，每一反射的互补光束B’B、B’G和B’R，与相应矩阵MB、MG和MR的的法线方向形成相反的一α角；将反射的互补光束B’B、B’G和B’R重构为单调制多色光束BP的装置(3)，在所述光束重构之后，将反射矩阵MB、MG和MR的图像投影到屏幕上的光学系统(4)；所述解构装置(2)和/或所述重构装置(3)包括两个带有倾斜度的二向色滤光片(21、22，21’、22’)，它们被安排成使所要解构和/或重构的入射光束与这些滤光片在入射中点O形成和预定的入射角β1、β2，β’1、β’2近似相等的的入射角，所述预定的入射角与解构或重构的入射光束所匹配的截止波长相对应；每一滤光片(21、22，21’、22’)的截止波长对于同一光束的所有射线近似恒定，光束在滤光片的入射点对准所述倾斜方向HOG、H’O’G，其特征在于这些滤光片(21、22，21’、22’)的至少一个，其倾斜方向(HOG、H’O’G)与矩阵MB、MG和MR反射面的正交平面(DOE、D’O’E)形成非零的倾斜入射角δ、δ’。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述与矩阵MB、MG和MR的反射表面正交的平面是水平面。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于对于至少一个滤光片(21、22，21’、22’)，所述预定的入射角β1、β2，β’1、β’2近似等于45°或135°。
4.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于对于至少一个滤光片(21、22，21’、22’)，当矩阵MB、MG和MR的所述入射角α在5°和20°之间时，倾斜角度δ、δ’在10°和30°之间。
5.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于对于至少一个滤光片(21、22，21’、22’)，所述倾斜角度δ、δ’近似等于下列定义的两者之间的角度θ连接这个滤光片上的零入射角点Q与这个滤光片上的所述入射中点O的直线，和与矩阵MB、MG和MR的反射面正交的所述平面(DOE、D’O’E)。
6.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于对于至少一个滤光片(21、22，21’、22’)，所述倾斜角度δ、δ’近似等于arctan(sin(α)/sin(β)·cos(α))，这里，β表示所述滤光片的预定入射角β1、β2，β’1、β’2。
全文摘要
一种在投影屏幕上显示图像的装置，装置包括能以电驱动的反射元件矩阵；解构多色光束的装置和重构反射的互补光束的装置，包括两个带有倾斜度的二向色滤光片(21、22，21’、22’)，这里，对于这些滤光片中的至少一个滤光片，倾斜方向HOG、H’O’G与正交于矩阵反射面的平面(DOE、D’O’E)之间，形成非零倾斜角δ、δ’。利用倾斜度，装置的色彩性能得以根本改善。
文档编号G02B27/18GK1400484SQ0212693
公开日2003年3月5日 申请日期2002年7月26日 优先权日2001年7月27日
发明者让-雅克·萨克雷, 尼古拉·皮塔瓦尔 申请人:汤姆森许可贸易公司