[发明专利]提高采用分色器的反射式成象系统对比度的系统、方法和设备

说明书

发明背景

1．发明领域

本发明涉及在例如那些采用反射式液晶显示成象器和分色装置比如Philips棱镜的反射式成象系统中实现增强对比度的系统、方法和设备。更具体地说，本发明涉及通过分色装置校正不希望出现的消偏振作用的系统、方法和设备。本发明使沿某一方向偏振的光束透射最大而使沿另一方向偏振的光束透射最小，从而得到较高的对比度，显著改善最终的象质。

2．相关技术

液晶显示器普遍用于背投式成象系统。反射式液晶面板包括一个象素阵列，一般当单个象素上施加有电压或信号时，在激活时通过反射入射光并且同时将光束的偏振矢量旋转90°来工作。因此其信号或图象信息包含在无特定偏振的光束中。如果液晶显示成象器没有被激活，则液晶显示成象器的那些特定象素处于“关闭(off)”状态，由之反射的光束的偏振态没有旋转。来自这些“关闭”象素的信号对应于最终图象的暗斑。这种系统中象质的一个方面通过称作对比度(contrast ratio)的参数加以衡量，它定义为在开启(on)状态系统的透射光强除以在“关闭”状态的透射光强的比值。对比度越高，则整体象质越好。显示器应当投射相对于环境照明条件较亮的图象。“开启”象素的高亮度增加了对比度并且可使投影仪用于较宽范围的环境照明条件，也即不需要暗室。

通过非偏振分色装置例如Philips棱镜造成的对比度损失是由斜射光线的几何作用以及在反射涂层和全部内反射表面的二次衰减(diattenuation)与相位差的综合作用引起的。偏振分束器的几何作用在Ootaki的美国专利US 5,459,593和Miyatake的美国专利US5,327,270中有详细描述，其公开的内容在此引入作为参考，如下所述。这些几何作用是由偏振分束器对入射线偏振光的纯粹旋转。根据Ootaki所述，背投式成象系统一般具有不小于50∶1的对比度，其曲线图中显示2％的暗度(100％/2％=50∶1)。在Ootaki的专利中，来自卤素灯或氙灯的白光以大约45°的角度入射到偏振立体分束器上。该偏振立体分束器反射s偏振光而透射p偏振光(s偏振表示光束的偏振矢量垂直于传播方向，而p偏振表示光束的偏振矢量位于传播平面中)。s偏振光由偏振分束器反射至分色镜(dichroic mirror)。Ootaki专利中的分色镜设计成反射一种颜色的s偏振光而透射该光束的其它颜色成分。一个以上的分色镜的作用是将入射白光分离成多种颜色通道。在典型成象系统中，两个分色镜足以将入射白光分离成红色、绿色和蓝色通道。分色镜的颜色选择性是通过在其上设置特定的光学涂层来实现的，这在颜色分离领域属于公知技术。

在Ootaki专利中，校正第一分色镜以使一种特定颜色的光束向液晶光阀进行反射，一般也称作“反射式成象器”。然后其它颜色的光透过第一分色镜射向其它分色镜，这些其它分色镜上都有涂层使其可以将单种颜色反射到其相应的液晶光阀成象器上。各液晶光阀具有反射入射光的特性，入射光在此情况下包括s偏振“读出”光束以及从阴极射线管通过液晶面板的相反侧入射的来自“开启”象素的“写”光束。来自于“开启”象素的光束称为p偏振。既含有来自“关闭”象素的s偏振光束也含有来自各液晶光阀的p偏振“写”光束的合成图象，通过该系统回射向立体分束式的偏振棱镜上，它仅直接透过p偏振光；最终p偏振图象可以通过投影透镜射向一屏幕。

该系统性能质量的一个限制源于在用于处于非本征态的入射光束的偏振棱镜中的偏振平面的旋转。由于这种旋转与成象象素的状态无关并且引起处于“关闭”状态的象素漏光，所以必然降低了对比度。

Ootaki采用在倾斜表面上的介电薄膜来校正偏振分束器的几何作用。在Ootaki专利中公开的彩色图象显示设备中，三个分色镜各自用于以45度入射角分色，并且采用了附加薄膜层用作补偿片。

Miyatake公开了一种补偿偏振分束器的类似方法。在Miyatake专利中所公开的该方法用于在反射式液晶装置与偏振棱镜之间的光路上用一1/4波片来补偿偏振分束器。然而该专利没有教导或者考虑在分色装置例如倾斜分色镜或Philips棱镜中可能会产生相位差。在Philips棱镜的情况下，相位差由在分色和全内反射(TIR)表面的反射而引起。如果入射光束是会聚的，从而入射角随光束孔径而变化，则由各该倾斜表面引起的偏振改变是不均匀的。