[发明专利]具有偏振分束器的图象投影系统

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明涉及能够在可见光谱内进行操作的图象投影系统，该图象投影系统包括一偏振分束器，它反射一种线偏振态的光，透过另一种线偏振态的光。更准确地说，本发明涉及这样一种图象投影系统，该图象投影系统具有小巧而重量轻的分束器，该分束器由多个细长的反射元件组成，用于与光源的电磁波相互作用，通常透射或通过一种偏振态的光，并反射另一偏振态的光。

2.现有技术

在某些应用中需要偏振光，这些应用如投影液晶显示器(LCD)。这种显示器通常由光源；光学元件，如用于收集和聚焦光的透镜；起偏振器，使一种偏振态的光透过液晶阵列；液晶阵列，用于控制光的偏振态以在其上对图象信息进行编码；用于寻址该阵列的每个象素，以便改变或保持偏振态的装置；第二偏振器(所谓检偏器)，用于去除来自选定象素的所不需要的光；以及供图象聚焦其上的屏幕组成。

可能使用单个偏振分束器(PBS)起第一偏振器和第二偏振器(检偏器)的作用。如果液晶阵列是反射式的，如液晶在硅上的(LCOS)光阀，在通过改变选定象素的偏振态而对图象进行编码之后，直接将来自偏振器的光束反射回偏振器。Takanashi设想出这样一种系统(美国专利5,239,322)。Fritz和Gold详细描述了该概念(美国专利5,513,023)。这些相似的方法在光学设计和性能上带来显著的好处。不过，由于传统偏振分束器的不足，在实际中还没有实现这种系统。在投影液晶显示器中，使用传统偏振分束器的缺点包括不明亮的图象具有较差对比度，并且具有非均匀色平衡或非均匀亮度(由于在光锥上的非均匀特性)。另外，许多传统偏振分束器因为过量加热而寿命短，并且非常昂贵。

为了得到能够在商业上取得成功的这种图象系统，所输送的图象必须明显优于传统的阴极射线管(CRT)电视显示器所提供的图象，因为很可能这种系统将比传统CRT技术要昂贵。因而，图象投影系统必须提供(1)具有适当颜色或色平衡的明亮图象；(2)具有良好的图象对比度；以及(3)尽可能廉价。改进的偏振分束器(PBS)是实现该目的的一个重要部分，因为PBS是决定显示系统潜在性能的一个限制成分。

显著地影响到显示性能的PBS特性为(1)偏振器起作用的角孔径或者f-数；(2)与PBS的使用相关的吸收或能量损失；以及(3)PBS的寿命。在光学中，角孔径或f-数描述了PBS能够使用并保持所需性能水平的光锥的角度。需要较大的锥角或较小的f-数，因为较大的锥角允许来自光源的更多的光被收集，导致更大的能量效率和更加紧凑的系统。

与PBS的使用相关的吸收和能量损失影响了系统的亮度，因为在光学系统中损失了更多的光，保留更少的能够被投影到观察屏上的光。另外，被偏振器吸收的光能量将影响偏振器的寿命，尤其是在通过光学系统的光为每平方厘米瓦量级的非常强的光的这种图象投影系统中。这种强度的光可以很容易地损坏普通偏振器，如偏振片。实际上，寿命问题限制了能够用于这些应用的偏振器。

寿命依然是很重要的，因为投影系统能够被制造得越小和越轻，该产品就越廉价和更耐用。不过，为了实现这个目的，必须将光强增加到更高，进一步会抑制PBS，缩短其使用寿命。

传统PBS装置的一个可产生麻烦的缺点是低转换效率，而转换效率是显示器的主要关键的性能系数。转换效率是描述光源所需电能中有多少被转换成屏幕或面板上由人所观察到的光强能量。被表示为屏幕上总光能被光源所需电能除的比值。传统的单位为流明每瓦。由于若干原因需要高比值。例如，低转换效率将需要更亮的光源，伴随着更大的电源，过热，更大的外壳和机壳等。另外，所有这些低转换效率所带来的结果增加了投影系统的成本。

低转换效率产生的一个基本原因，是与光学系统的f-数直接相关的低光效率。其f-数为同类系统f-数一半的系统，在对来自光源的光进行收集时可能具有四倍效率。从而，需要提供一种改进的偏振分束器，允许通过提供实际上更小的可能的f-数(更大的角孔径)来更加有效地采集光能，从而增加转换效率，如所测量的流明/瓦值。