专利名称：Lcd投影器用的偏振照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及本发明总的涉及光学照明系统，更具体地涉及采用新颖空间积分器、含有控制纵横比变量的偏振照明系统，本系统适用于电子投影显示装置，尤其是液晶显示型装置。
2．现有技术的描述随着投影系统中液晶显示(LCD)装置的越来越多的应用，需要有效的偏振光源。以往一直是用吸收偏振器或偏振分束器(PBS)立方体产生偏振光。对于偏振分束器，光的一半被反射，这个反射偏振光或是被丢弃或是被转换为与透射光束相同的偏振。当被转换时，将反射光束重新射向LCD，与透射光束一起到达偏振光源，其亮度高于采用单个吸收偏振器的光源亮度。
照明系统中转换偏振光的早期应用是汽车的前灯，如Zehender“采用偏振光的机动车前灯”Lichttechnik,pp.100-103(1973)中所述。在这种早期的设计中，并未试图实现分离光束的空间复合或者控制光束的截面。随着LCD投影系统的出现，这一技术获得了重新的关心，如Imai等人“高亮度液晶光阀投影器的新颖偏振转换器”SPIE Proceedings,vol.1225,pp.52-58(1990)和Shinsuke等人“高亮度LCD投影器的偏振-变换光学”Proceedings of the SID,vol.32/4,pp.301-304(1991)中所述。
日本专利申请(Kokai)No.61-122626描述了一种偏振照明装置，它借助一对楔形棱镜在LCD平面上使分离的光束在空间上积分。如
图1所示，该装置采用光源1、准直器2、PBS立方体3、直角棱镜4、二分之一波长延迟器5、楔形棱镜6和7、LCD面板8、和投影透镜9。楔形棱镜与LCD之间必须有相当一段距离，因为光束是会聚的，LCD上的入射角必须维持很小，这就过度地限制了装置的使用。
美国专利4,913529和4,969,730描述了对偏振光进行转换的投影照明系统，它采用偏振板或PBS立方体，用转向棱镜将LCD上的分离光束合并。美国专利5,381,278采用会聚透镜和发散透镜将分离光束重新射入到LCD面板上。日本专利申请(Kokai)No.71-99185采用两个偏振分束器获得一束光具有椭圆形截面，但是分离的光束没有空间复合。欧洲专利申请No.615,148通过反复循环使光返回到光源反射器实现偏振转换和空间复合，欧洲专利申请No.573,905(转让给本发明的受让人3M公司)也一样。美国专利5,181,054通过让光束在相反方向上通过LCD实现分离光束的空间复合。美国专利5,428,469(也转让给3M公司)也一样。美国专利5,446,510实现分离光束的公共准直角，但是没有任何空间积分。
美国专利5,042921和5,124,841描述了由折射微型棱镜实现空间积分的偏振转换器。欧洲专利申请No.463,500中所描述的偏振转换器可以保存原始光束的纵横比，但是需要采用两个LCD，欧洲专利申请456,427利用从具有长方形出射孔径的灯反射器的背反射使光束大小与LCD面板相匹配。这些系统的效率受到光学元件的复杂性、反射镀膜层的质量、空间复合和光束成形的程度以及折射元件的高色散限制。
分离光束的空间积分是重要的，因为分离光束在强度和色温上通常是不同的。入射在LCD上光束的准直是重要的，因为大部分这种类型的显示器以公共和低入射角的照明光很好地工作。此外，用场透镜能够更有效地把准直光聚焦在投影透镜上。光束成形对于将最大光透过LCD的长方形孔径是重要的。最后，需要具有紧凑性，以减小投影单元的尺寸。上述系统没有一个能够在所有这些方面提供最佳性能。
发明概要本发明提供一种尤其适合LCD投影器的偏振照明系统，该系统通常包括光源、将来自光源的光准直为入射光束的装置、将入射光束分离为具有第一偏振状态的第一光束和具有第二偏振状态的第二光束的装置、将所述第一光束从所述第一偏振状态转换为所述第二偏振状态的延迟器装置、使所述第一和第二光束在空间上积分产生一束准直的具有纵横比的出射光束的装置、以及改变所述出射光束的纵横比的装置。积分装置最好包括具有第一微型棱镜元件和第二微型棱镜元件的空间积分器单元，第一微型棱镜元件有一个平表面和一个与所述平表面相对的棱镜槽表面，第二微型棱镜元件有另外一个平表面和与另一平表面相对并面向所述第一微型棱镜元件所述棱镜槽表面的的另外一个棱镜槽表面，进一步还包括通常为相对的第一和第二反射表面，分别与第二微型棱镜元件的第一和第二侧面相邻。
使光分离的装置包括产生第一和第二光束的偏振分束器(PBS),PBS适合于将第一和第二光束分别射入第一和第二反射楔形棱镜。在几个实施例中，空间积分器单元有一个与第一光束压缩元件相组合的出射元件，第二光束压缩元件位于第一光束压缩元件附近，获得经改变的纵横比。第一光束压缩元件可以是正圆柱形菲涅耳透镜，第二光束压缩元件是负圆柱形透镜。另一方面，第一光束压缩元件可以是第一微型棱镜元件，第二光束压缩元件是以相对第一微型棱镜元件的斜角定位的第二微型棱镜元件。改变出射光束的纵横比的装置可以进一步设计成使出射光束再偏转约90°。
通过产生一束转换的准直偏振光的二次光束以及利用内全反射线性微型棱镜使这束光与一次光束在空间上复合，以最小色散保持偏振和准直，本发明避免了许多现有技术的不足。然后将空间积分的光束的纵横比有效地转变为与LCD面板幅面相匹配。无需在光源方向上使光束作任何后向反射或反复循环，通过LCD面板的单束准直光束能够被有效地会聚到投影透镜上。
附图简述参考附图将能够更好地理解本发明，其中图1是采用楔形棱镜光束积分器的现有偏振照明装置的示意图。
图2是本发明的偏振照明系统的一个实施例的示意图。
图3是本发明中采用的空间积分器元件的一种结构的示意图。
图3a是图3所示空间积分器的线性微型棱镜元件的放大图。
图4是采用正负圆柱形透镜的一种现有纵横比转换器的示意图。
图5是是说明正/负圆柱形菲涅耳透镜应用于本发明的示意图。
图6示出利用一对具有最小色散相同棱镜的现有光束变形压缩。
图7是利用相同菲涅耳棱镜的具有光束变形压缩的本发明的空间积分器的示意图。
图8是利用一对光束偏转90°和具有最小色散的棱镜的光束变形压缩的示意图。
图9示出反射楔形棱镜作为光束变形压缩。
图10示出组合的空间积分器/光束变形压缩器。
图11示出采用本发明的实施例的LCD投影器。
图12示出取消对与PBS立方体结合在一起的直角棱镜的需要的本发明的另一个实施例。
较佳实施例的描述现在参考附图，具体说参考图2，图中示出本发明的偏振照明系统的一个实施例10。系统10特别适合用于液晶显示(LCD)投影器，通常包括光源或灯12、准直器或抛物反射镜14、分离为p偏振和s偏振的装置16，取偏振分束器(PBS)的形式、使偏振光束的一束光(在本情况中为反射光束)改向成与另一偏振光束(透射光束)平行的装置18，取直角棱镜反射器的形式、二分之一波长延迟板20、空间积分器单元22、分析仪24、LCD面板26、以及投影透镜28。实施例10是一种单面板的透射LCD投影器，但是本领域的专业人员将会明白一般原理可以延伸到采用多个面板的彩色和伪彩色透射LCD投影器以及反射LCD光阀投影器上。
来自光源12的随机偏振光经抛物反射器14(或其它一些装置)准直，进入PBS立方体16中。p偏振的光被透射，而反射的s偏振光被直角反射棱镜18偏转90°，然后被半波长(λ/2)延迟板20转换为p偏振光。相邻而在空间上分离的准直光束进入微型棱镜空间积分器单元22中，这里将它们空间积分并作为单束准直偏振光束出射。元件12-18各子属于现有技术，几乎任何传统的元件足以满足需要。因此，在实施例10中，主要的新颖性在于空间积分器22。
图3示出空间积分器单元22。每一束相邻的入射光束被第一微型棱镜元件32等量地偏转，第一微型棱镜元件由一系列60°等边线列微型棱镜34(见图3a)组成。光的一半直接通过到达第二个相对设置的微型棱镜元件36。光的另一半被侧面反射镜38和40反射，然后通过到达相对的微型棱镜元件36。通过控制单元22的长度，两束光束作为空间积分和准直光束从单元中出射。空间积分器单元的长度L=A tan(π/6)，这里A为单元的半个高度(见图2)，进入单元22中心的光线从单元的边缘出射。图3a示出第一线列微型棱镜元件32的放大截面，这里所有的棱镜角α=60°，偏转角δ=60°。在两个微型棱镜元件上没有折射，因此没有色散，因为所有的光线偏转以内全反射(TIR)出现，即在空气与微型棱镜元件之间的界面上的入射角为零。对于完全准直略有偏离，由于微型棱镜是60°等边三较形，对于在两个表面上的折射光线以及从TIR小面上的反射光线，基本上没有色散。
由于PBS立方体16形成相邻的正方形光束，每个光束的纵横比AR=1∶1，进入空间积分器单元并从中出射的偏振转变光束的AR=2∶1。由于大多数的LCD面板的AR=4∶3=1.33，因此，应当调节AR，以便对LCD面板进行有效照明。保持光束方向而改变纵横比的一种标准方法是利用分别如图4所示的正、负圆柱形透镜42和44。在本发明中采用了该方法的一种新颖的改型，在空间积分器单元48的出射表面中形成一个正圆柱形菲涅耳透镜46，如图5所示。负的圆柱形透镜50可以是连续的或菲涅耳型的。
改变纵横比，即变形压缩的另一种标准方法是采用如图6所示的一对等同棱镜。第一棱镜52的色散被第二棱镜54的反向色散抵消，准直光的方向得到保持。在空间积分器单元58的出射元件56上形成第一元件，作为一系列线列微型棱镜，在本发明中也能取得类似的效果。然后如图7所示，在与第一元件的光线偏转角相等的斜角δ下设定第二个线列微型棱镜60。例如，对于丙烯酸塑料(nd=1.492)，棱镜角α=40.52°,δ=35.25°，光束的纵横比从2/1转变为4/3，没有色散。
利用图8所示的两个棱镜也能够进行本发明的光束变形压缩，其光束偏转90°。这里，第二棱镜64接着在第一折射棱镜62之后，通过折射和内全反射使光束偏转。如图所示通过限定顶角和倾斜角，第一棱镜的色散被第二棱镜的色散抵消。例如，两个棱镜采用冕牌光学玻璃(nd=1.523),φ1=30°、φ2=8°、α1=18.6°、α2=68°和α3=38.2°，那么，忽略色散，光束从AR=2∶1转变为AR=4∶3。
如果在空间积分器与LCD面板之间引入90°光束偏转，那么，有几种其它方法可获得所需的纵横比转换。图9示出一种方法，它利用一块反射型楔形棱镜66。通过限定倾斜角φ和棱镜楔角α，AR=2∶1的入射光束被转变为AR=4∶3的输出光束，这里φ≈atan(A’/A)α=(θ-θ‘)/2式中A’=经过压缩的出射光束的宽度
A=入射光束的宽度θ=在折射表面上出射的反射光线的入射角θ‘=在折射表面上入射光线的折射角图中所示的φ值是近似值。实际上，必须计入棱镜厚度的变换及其对出射光束压缩比的影响。因此，对φ和α进行反复调节直至对出射光束的压缩达到所需的纵横比为止。对于冕牌光学玻璃(nd=1.523)的反射型楔形棱镜66，φ≈17.0°,α≈13.9°，可以获得光束压缩比A’/A=0.375。
图10示出一种空间积分器70，这里，利用反射型楔形棱镜72和74以及辅助平面侧面反射镜76和78进行了光束变形压缩和双入射光束的空间积分。棱镜的偏转角δ为60°,60°线列微型棱镜元件80和82的入射角为60°，对于图中所示A’=(4/3)Aφ≈atan((cos(π/6)-C cos(π/3))/(Ccos(π/3)+cos(π/6)))α=(θ-θ‘)/2式中C=楔形棱镜的变形压缩因子θ=在楔形棱镜折射表面上出射的反射光线的入射角θ‘=楔形棱镜折射表面上入射光线的折射角φ=楔形棱镜的倾斜角对于C=2/3，相同偏振的两束准直入射光束(每束光束的截面为A×A)组合成一束截面为4A/3×A的纵横比AR=4∶3的积分、准直和偏振出射光束。每个反射型楔形棱镜的折射率nd=1.523、φ=26.0°和α=15.2°。在图10所示的系统中，楔形棱镜的反射表面通常是相对的，但是不平行。图11示出采用这种组合空间积分器和光束变形压缩器的紧凑LCD照明投影系统84。
图12示出一个采用两个反射型棱镜88和90和单个60°微型棱镜元件92将两束光束空间积分和转变纵横比的偏振转换器86。准直光进入偏振分束器94，这里p偏振的光被透射而s偏振的光被反射并由二分之一波长延迟器96转变为p偏振光。这两束光以45°入射角进入反射型棱镜，经过C因子压缩后以60°角从棱镜上出射。反射棱镜的入射光束与出射光束之间存在75°偏转角δ。然后由60°微型棱镜元件将经过压缩的光束空间积分为单束准直偏振光束。利用折射率nd=1.523、顶角α=10.3°、倾斜角φ=26°的反射型棱镜以及变形压缩比C=2/3，能够将纵横比AR=1的入射光束转变为纵横比AR=4∶3的出射光束。
例子把单面板LCD投影系统构造成一块光学模拟板，对本发明元件进行评价。带有球形背向反射器的24伏、250瓦钨丝卤灯(EHJ型)借助一对玻璃聚光棱镜产生一束直径约50毫米的准直光。光束被遮蔽成32毫米×32毫米的正方形孔径，将一块热反射玻璃放置在这一正方形孔径附近。
宽波段450-680nm的PBS立方体(Melles Griet #03 PBB 007)产生一束透射的p偏振光和一束反射的s偏振光。45°的未镀膜棱镜(Edmund Scientific #32531)通过内全反射使反射光束偏转90°至透射光束附近。s偏振光被二分之一延迟板(Polaroid #605208)转变为p偏振光。孔径积分器单元利用两个60°线列微型棱镜元件构成，每个元件为宽32mm、高64mm、厚2mm的丙烯酸，每个微型棱镜宽=0.25mm。微型棱镜元件的间隔为L=18.5mm。通过检查空间积分器单元的输出验证两束光束的空间积分和公共偏振。
光束变形压缩反射型楔形棱镜由长100mm、宽38mm、楔角=14.3°丙烯酸塑料(nd=1.492)构成。反射型楔形棱镜将从空间积分器出射的光束尺寸从64mm ×32mm(AR=2∶1)变为32mm×24mm(AR=4∶3)。
用从楔形棱镜出射的准直和偏振光束照射分析仪位于出射一侧的VGA兼容1.3”对角单色LCD组件(Seiko Epson #P13VM115/125)。平凸场透镜将来自LCD组件的光聚焦到3”焦距、f/2.5镀膜去象散投影透镜(JML Optical Industries)上。利用Spectra-Physics亮点计，当把被转换的偏振光的输出增加到主光束上时，测得投影屏上图象亮度增大约70％。
尽管已经参考具体实施例对本发明作了描述，但是，不应将这一描述理解为一种限制情形。对于本领域的专业人员来说参考以上对本发明的描述显然能够作出对公开实施例的各种改进以及本发明的另外实施例。因此，可以设想只要不偏离所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围是能够作出这样的改进。
权利要求
1．一种将两束准直光束从空间上积分的物品，其特征在于它包括第一反射表面；通常与所述第一反射表面相对的第二反射表面；使来自所述第一与第二反射表面之间的光束偏转并落在所示第一和第二反射表面上的装置；以及收集经如此偏转并被所述第一和第二反射表面反射的光束和将收集到的光准直为出射光束的装置。
2．如权利要求1所述的物品，其特征在于所述第一和第二反射表面是平行的。
3．如权利要求1所述的物品，其特征在于所述第一和第二反射表面分别形成在第一和第二反射型楔形棱镜上。
4．如权利要求1所述的物品，其特征在于所述的使光束偏转的装置包括一偏振分束器。
5．如权利要求1所述的物品，其特征在于所述的使光束偏转的装置包括一微型棱镜元件，其一个平面表面面向两束光束，其棱镜凹槽表面与所述平面表面相对。
6．如权利要求1所述的物品，其特征在于所述的收集光束的装置包括一微型棱镜元件，其棱镜凹槽表面面向两束光束，其平面表面与所述凹槽表面相对。
7．如权利要求1所述的物品，其特征在于所述的使光束偏转的装置和所述的收集光束的装置基本不产生色散。
8．如权利要求1所述的物品，其特征在于出射光束具有一定的纵横比，所述收集光束的装置包括第一光束压缩元件，进一步包括位于所述第一光束压缩元件附近的改变出射光束纵横比的第二光束压缩元件。
9．如权利要求3所述的物品，其特征在于所述的使光束偏转的装置包括由单束准直光束产生两束准直光束的偏振分束器，两束准直光束中的第一束具有第一偏振状态，两束准直光束中的第二束具有第二偏振状态；所述偏振分束器将第一准直光束射向所述第一反射型楔形棱镜，将第二准直光束射向所述第二反射型楔形棱镜；以及将一个二分之一波长延迟器插在所述偏振分束器与所述第一反射型楔形棱镜之间。
10．如权利要求5所述的物品，其特征在于所述的使光束偏转的装置包括第一微型棱镜元件，所述收集光束的装置包括第二微型棱镜元件，其棱镜凹槽表面面向两束光束，其平面表面与所述凹槽表面相对。
11．如权利要求10所述的物品，其特征在于在所述第一和第二微型棱镜两个元件的所述棱镜凹槽上形成的棱镜具有约60°角。
12．一种偏振照明系统，其特征在于它包括光源；将来自所述光源的光准直为入射光束的装置；将所述入射光束分离为具有第一偏振状态的第一光束和具有第二偏振状态的第二光束的装置；将所述第一光束从所述第一偏振状态转变为所述第二偏振状态的装置；使所述第一和第二光束在空间上积分，产生具有一定纵横比的准直出射光束的装置；改变所述出射光束的纵横比的装置。
13．如权利要求12所述的偏振照明系统，其特征在于所述积分装置包括具有一个平面表面和一个与所述平面表面相对的棱镜凹槽表面的第一微型棱镜元件；具有另一平面表面和另一与所述平面表面相对并面向所述第一微型棱镜元件的所述棱镜凹槽表面的棱镜凹槽表面的第二微型棱镜元件；与所述第二微型棱镜元件的第一侧相邻的第一反射表面；与所述第二微型棱镜元件的第二侧相邻的第二反射表面，所述第二反射表面通常与所述第一反射表面相对。
14．如权利要求12所述的偏振照明系统，其特征在于所述分离光束的装置包括一产生第一和第二光束的偏振分束器；所述的使所述第一和第二光束空间积分的装置包括第一和第二反射型楔形棱镜；以及所述偏振分束器将第一光束射向所述第一反射型楔形棱镜，将第二光束射向所述第二反射型楔形棱镜。
15．如权利要求12所述的偏振照明系统，其特征在于所述的使所述第一和第二光束空间积分的装置包括含有一个出射元件的空间积分器单元；以及所述的改变所述出射光束纵横比的装置包括附着到所述出射元件上的第一光束压缩元件和位于所述第一光束压缩元件附近的第二光束压缩元件。
16．如权利要求12所述的偏振照明系统，其特征在于所述的改变所述出射光束纵横比的装置还使所述出射光束偏转约90°。
17．如权利要求13所述的偏振照明系统，其特征在于所述第一和第二反射表面分别由所述第一和第二辅助平面反射镜组成，并进一步包括位于所述第一和第二微型棱镜元件之间，接近所述第一辅助平面反射镜的第一反射型楔形棱镜；以及位于所述第一和第二微型棱镜元件之间，接近所述第二辅助平面反射镜的第二反射型楔形棱镜，所述第二辅助平面反射镜通常与所述第一反射型楔形棱镜相对。
18．如权利要求15所述的偏振照明系统，其特征在于所述第一光束压缩元件为正圆柱形菲涅耳透镜；及所述第二光束压缩元件为负圆柱形透镜。
19．如权利要求15所述的偏振照明系统，其特征在于所述第一光束压缩元件为第一微型棱镜元件；及所述第二光束压缩元件为以相对所述第一微型棱镜元件一斜角定位的第二微型棱镜元件。
20．一种电子投影器，其特征在于它包括光源；将来自所述光源的光准直为入射光束的装置；将所述入射光束分离为具有第一偏振状态的第一光束和具有第二偏振状态的第二光束的装置；与所述分离装置相邻的将所述第一光束从所述第一偏振状态转变为所述第二偏振状态的二分之一波长延迟器；位于接收所述第一和第二光束位置上的空间积分器单元，所述单元包括第一反射表面、通常与所述第一反射表面相对的第二反射表面、使第一和第二光束在所述第一和第二反射表面之间偏转并落在所述第一和第二反射表面上的装置、以及收集经如此偏转并从所述第一和第二反射表面反射的光束并将收集到的光束准直为具有一定纵横比的出射光束的出射元件；改变所述出射光束的纵横比的装置，包括附着在所述出射元件上的第一光束压缩元件和位于所述第一光束压缩元件附近的第二光束压缩元件；位于接收已改变纵横比的出射光束位置上的显示装置；投影透镜；及位于将所述显示装置的光射向所述投影透镜位置上的场透镜。
全文摘要
描述了一种能够有效地产生供LCD投影用的线性偏振光的照明系统(10)。偏振分束器(16)和二分之一波长延迟板(20)产生两束相邻的具有同偏振方向的准直光束。这两束相邻光束在空间上积分为单束准直偏振光束,其纵横比被转变为与LCD幅面基本匹配。
文档编号G02B27/28GK1214775SQ97193360
公开日1999年4月21日 申请日期1997年3月17日 优先权日1996年3月29日
发明者D·F·范德沃尔夫 申请人:美国3M公司