CN1300379A - 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 - Google Patents

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Abstract

用于增强反射式LCD系统性能的方法和设备。该高对比度分色棱镜系统采用“双程”棱镜组件(30)。偏振光入射至该棱镜组件,被分色,并且作为分离颜色出射至反射式成象器(90、110、130),反射式成象器根据所需图象反射各颜色。反射光再次通过该棱镜组件,在其中分离的颜色得以会聚,并且会聚光束出射向投影透镜(140),用于将图象显示在屏幕(150)上。至少一个零入射波片补偿器(80、100、120)设置在一个反射式成象器与棱镜组件之间。该波片补偿器有效地降低了第二次通过棱镜组件时所入射的不需要的偏振光,从而提高了由棱镜组件出射向投影透镜的光束的偏振纯度,进而产生高对比度的投影图象。

Description

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
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。
在授予Yamamoto等人的美国专利US 5,594,591中(其公开内容在此引入作为参考)，发明人试图解决在采用Philips棱镜作为分色元件的投影显示器中的相同问题。该系统比Ootaki的成象系统更为紧凑。Philips棱镜在本领域为公知的分色装置，用于将偏振光分成三种基色。在Yamamoto等的专利中公开的Philips棱镜在Philips棱镜表面上采用光学涂层用于颜色分离，并且在入射棱镜表面设有抗反射涂层，它们也构成TIR表面。Yamamoto等还宣称TIR表面上含有SiO2和TiO2交替层的光学涂层具有相位控制功能。用于颜色分离的分色光学涂层与TIR表面的抗反射涂层一起共同实现相位控制功能。虽然没有显示分色涂层的平面图及其光谱和相位特性，但是据称它们有一定的相位控制功能，与90度的相位差在TIR表面相结合，用于校正偏振分束器所引起的图象恶化。偏振方向随入射角的变化不是必须以此方式校正，因为该变化受到依赖于角度的反射和分色涂层的相位延迟特性的强烈影响。
光学薄膜涂层代表分色光学系统中的重要成本部分。Ootaki和Yamamoto的所述发明中这些涂层需要特别薄的膜层，以实现对入射到偏振分束器上的非准直光束所引起的偏振偏移作用的最佳补偿功能。另外，这些涂层的相控功能增加了涂层制造和控制过程的复杂性和成本。必须控制薄膜的厚度以便获得适当的相位功能而不会损害抗反射或分色特性。
光束的偏振还可以通过双折射材料，即其折射率作为方向函数变化的材料来加以改变。双折射材料一般用于构成1/4波片补偿器或延迟片。如果1/4波片垂直于光轴(光束传播方向的轴线)取向，则在光束通过该材料一次时，1/4波片能有效地使入射光束的一个偏振成分产生90°的相对相移。1/4波片的厚度等于λ/4的整数倍(因此称为“1/4波片”)，其中λ为特定颜色通道的波长。相应地，在三色成象系统中，具有三个物理厚度不同的不同波片，其每一个的厚度计算成适于特定通道的波长。
1/4波片可以由典型的双折射光学材料制成。典型双折射光学材料包括各向异性晶体例如石英、方解石或云母，但是也可以由具有光学各向异性的有机材料构成。可通过将聚合物材料片拉伸形成薄膜实现光学各向异性。替代地，可以采用液晶材料以液晶单元的形式作为可调补偿介质，在该单元中通过施加电场改变其取向。通过施加电场或其它定向装置，再施加紫外光以引发聚合反应，可以将低分子量液晶材料制成具有优选取向的固体材料。另外，已知的具有液晶特性的高分子量聚合物，可以制成补偿膜或者作为分离层施加在基片上。
如前指出，传统反射式成象系统一般将光束透过偏振元件例如偏振分束器，射向分色装置或分色器例如Philips分色棱镜，该偏振分束器透过或反射光束的偏振成分例如s偏振光。由于二次衰减、几何作用以及相位差等的综合作用，光束通过Philips分色棱镜的TIR和分色界面会导致对偏振光的消偏振。虽然可以采用特别的涂层图案使这些相位差抵销，但是由于实际制造原因而并不理想。在分色器中采用传统抗反射和分色涂层图案改变了偏振态，从而降低了图象对比度和亮度。相位改变或延迟，以及偏振态之间的光强差将平面偏振光转变成椭圆偏振光。偏振分束器单独可以旋转平面偏振光的偏振矢量，可以用如Ootaki所述的1/4波片校正。然而，椭圆偏振光不能用1/4波片加以校正。偏振矢量旋转和椭圆度的结合是反射式液晶光阀处于“关闭”状态时漏光的主要原因，降低了对比度和亮度，从而损害了象质。
如Miyatake所教导的，1/4波片与偏振分束器一起使用时的关键作用在于使由几何作用所引起的离轴偏振成分的透射率降至最低，以使“关闭”状态尽可能地黑暗。1/4波片可以按如下方式取向，使得线性偏振光的成分之一例如s偏振光不会偏移，同时有效消除对于反射式成象器的“关闭”状态来说并不需要的p偏振光。当光束被处于“关闭”状态的液晶光阀(LCLV)的单个象素反射时，s偏振成分再次不偏移地透过1/4波片。然而，不需要的p偏振成分再次偏移90°，使得相对于原始方向的总偏移为180°，从而消除了不需要的成分。由从处于“开启”状态的LCLV象素反射的光束构成p偏振光。从“开启”状态象素反射的p偏振光只透过1/4波片一次，相应地只旋转90°。
来自LCLV的图象信息透过棱镜系统向回传播至偏振分束器，该偏振分束器如前所述具有反射s偏振光同时将最终p偏振图象光束透射向观察屏的特性。当在该反射式成象系统的三个液晶光阀之每一个与Philips棱镜之间的光路中采用1/4波片时，通过确保暗度更接近于完全黑暗可以改善其对比度。而在该系统中采用1/4波片就构成了一种用于校正由偏振分束器所引起的偏振矢量旋转的装置，它不会产生由分色器所加入的不希望的椭圆度和附加旋转度。
1/4波片补偿器还用在授予Schmidt等人的美国专利US 5,576,854中，其公开的内容在此引入作为参考。Schmidt等人的专利针对单色系统设计并且不具有彩色成象问题。Schmidt等人公开的系统的工作方式类似于前述Miyatake公开的系统，即通过降低在光束入射至偏振分束器时由几何作用引起的离轴消偏振来实现。Schmidt等人特别提出采用延迟值等于0.25的波片以补偿由偏振分束器产生的离轴偏振成分。然而，Schmidt等人还建议包括0.02的附加延迟以补偿由LCLV的热致双折射产生的不利偏振，其中该双折射结果会使黑暗状态比所希望的情况亮。相应地，Schmidt等人提出在单色成象系统中波片补偿器具有等于0.27的总延迟值以补偿附加延迟或者由于LCLV中热致双折射引起的偏振成分之间的相位延迟。
在采用反射式液晶光阀的任何成象系统中研制用于提高对比度的系统、方法和设备是很有意义的。更具体地说，尽可能降低和校正这种系统中产生的旋转和椭圆度是一个显著的改进，其中所述旋转和椭圆度通过在图象“关闭”状态产生不希望的消偏振并引起漏光而会削弱对比度。
发明概述
本发明意在通过识别并尽可能降低特定偏振属性对波片补偿器的值进行独特优化。波片补偿器用在反射式成象系统中，其中的光束“二次通过(double-pass)”系统的光路。其光路可以概括如下：光束通过偏振分束器使得光束沿第一偏振态偏振，然后入射至Philips棱镜。在该棱镜中，通过在选定表面采用分色和反射涂层使偏振光分色来自于棱镜组件的分离颜色射向反射式成象器或液晶光阀，由其根据所需图象改变反射光的偏振态。反射光再次通过棱镜组件，在其中分离的颜色得以会聚，并且发散光束出射向用于将图象显示在屏幕上的投影透镜。
在倾斜入射面上采用光学干涉涂层的分色器例如Philips棱镜，一般在各偏振态之间呈现相位差以及二次衰减。这使得偏振态中引入旋转和椭圆度。由于该偏振元件在将信号透射至投影透镜方面不如解偏器有效，从而降低了“开启”状态象素的图象亮度而增加了“关闭”状态象素的亮度。通过将具有选定偏振态的对应于液晶光阀“开启”象素的透射光强除以其它偏振态的透射光强，可以确定对比度。来自反射式成象系统的光束的对比度是对透射光偏振态纯度的测量值。对比度越高，最终象质越好。
通过采用本发明的波片补偿器可以提高反射式成象系统的对比度，其中波片补偿器的位置设置成能够拦截从分色器透射向反射式成象器的光束以及由该反射式成象器反射以第二次入射至分色器的光束。波片补偿器的延迟值根据使特定偏振属性最小化来选择。
如果作为波片材料及其光学厚度函数的波片延迟值按照能够补偿和消除“关闭”状态图象的不需要的偏振成分的方式计算，则可以实现最佳的对比度，从而使黑暗状态接近于完全黑暗。这样通过实质提高的对比度而改善最终象质。最佳延迟的特征在于相对于照明系统或光瞳的整个圆锥角，入射偏振光的椭圆度以及椭圆取向或旋转都尽可能充分减小。
通过计算光瞳边缘的偏振矢量的椭圆度和取向，然后将延迟值确定成使得所述椭圆度和取向同时达到最小，以此来确定所需的延迟。椭圆度和椭圆偏振取向如下述方式确定：确定在意欲设置波片补偿器的位置处光束入射至图象投影系统时光锥的光瞳尺寸；确定光线路径，最好是边缘光线的路径；计算Stokes参数；然后以延迟值间隔计算椭圆度以及投影偏振取向。优选地，接着对延迟值进行渐变的较小重复以优化对比度和亮度。波片的取向使得处于“开启”状态的象素透过最大亮度(即使其快轴或慢轴相对于入射偏振方向取向为零度)。
当各颜色通道的光强按适当平衡最大化以确保相对于比如NTSC或PAL等标准显示制式的精确颜色再生和纯度时，则显示质量得以提高。在二次通过分色成象系统中，各颜色通道的光强通过如下步骤实现最大化：1)在限定各颜色通道的波长范围，从光源或灯获得最大的积分输出，2)对于s偏振光和p偏振光，在限定各颜色通道的波长范围叠加整个光谱响应，3)在颜色通道的整个波长范围，匹配波片补偿器的校正效率，以及4)在具有嵌入分色或偏振干涉滤光片的偏振和/或分色光学元件的入射表面并且最好是出射表面设置抗反射涂层。
使亮度最大化的目标具有苛刻的薄膜设计限制。前述光谱特性既不能彼此独立地加以改变，也不能在不影响偏振光旋转和椭圆畸变的情况下加以改变。用于降低分色镜的反射并实现分色的薄膜干涉滤光片具有角度依赖特性，且必须根据入射光的圆锥角加以优化。当光束以倾斜角入射在这些涂层上时，反射光束的s和p偏振平面产生δ的相位变化。本发明的目的在于提供具有有效分色和色饱和度特性的分色镜，从而可以通过校正光学元件的组合完全校正不需要的偏振效应。特别地，对分色滤光片性能加以优化，使不能由波片补偿器校正的任何残余漏光可以由辅助滤光片去除，而不损失各颜色通道的亮度，从而保持其平衡颜色保真度。
图面的简要说明
为了获得本发明的上述和其它优点，下面参照附图显示的具体实施例对上面简要说明的本发明进行更为详细的描述。注意到这些附图仅画出了本发明的典型实施例并且因而不应理解为构成对其范围的限制，下面通过利用附图以附加特征和细节对本发明加以说明和解释。附图中：
图1表示采用本发明波片补偿器的反射式成象系统的示意图。
图2为简单BK7棱镜的透视示意图，其中画出了光瞳和用以跟踪椭圆度和取向计算的边缘光线。
图3为图2所示简单BK7棱镜的侧视示意图，其中画出了光瞳和用以跟踪椭圆度和取向计算的边缘光线。
图4表示关于图2-3中所示光路的偏振光瞳位图(pupil map)，其中用图解法显示了由全内反射引起的椭圆度和取向变化。
图5表示在具有1.52折射率的基片中全内反射时的相位差(以度为单位)对角度(以度为单位)的关系。
图6表示相对于光轴倾斜45°的偏振元件的偏振态的光瞳位图，其中圆锥角等于F/2.8，相当于空气中的10°。
图7表示对于延迟值从0至0.5变化并且相对于入射偏振态取向为0°的波片补偿器其边缘光线位置偏振矢量的椭圆度和取向曲线。更具体地说，图7画出了红光通过图1所示Philips棱镜的第一三角棱镜R、液晶光阀90以及位于其间的波片补偿器80时的相应值，其中延迟值递增变化。
图8与图7相关，表示通过第一通道即红光通道且没有波片补偿器的偏振态的光瞳位图。
图9与图7相关，表示通过红光通道且具有延迟值为0.20的波片补偿器的偏振态的光瞳位图。
图10表示从400nm至700nm垂直入射在图1棱镜R的表面41a的抗反射涂层上的非偏振光、s偏振光和p偏振光的计算反射率。
图11表示以全内反射角从棱镜R的表面41a的抗反射涂层反射的s偏振态与p偏振态之间相位差(以度为单位)的比较。
图12表示波长从400nm至700nm(从而包含了可见光区)的光束在图1中位于表面41b上的第一三角棱镜R的反射率。非偏振光、s偏振光和p偏振光的反射率以单独的曲线画出，其入射角为28°。
图13表示图1中棱镜R的表面41b上的分色涂层所反射和透射光束的s偏振态与p偏振态之间的相位差(以度为单位)。
图14表示对于延迟值从0至0.5变化并且相对于入射偏振态取向为0°的波片补偿器其边缘光线位置偏振矢量的椭圆度和取向曲线。更具体地说，图14画出了绿光通过图1所示Philips棱镜的第二三角棱镜G、液晶光阀110以及位于其间的波片补偿器100时的相应值，其中延迟值递增变化。
图15与图14相关，表示通过第二通道即绿光通道且没有波片补偿器的偏振态的光瞳位图。
图16与图14相关，表示通过绿光通道且具有延迟值为0.20的波片补偿器的偏振态的光瞳位图。
图17表示从400nm至700nm垂直入射在图1棱镜G的表面51a的抗反射涂层上的非偏振光、s偏振光和p偏振光的计算反射率。
图18表示以全内反射角从棱镜G的表面51a的抗反射涂层反射的s偏振态与p偏振态之间相位差(以度为单位)的比较。
图19表示波长从400nm至700nm(从而包含了可见光区)的光束在图1中位于表面51b上的第二三角棱镜G的反射率。非偏振光、s偏振光和p偏振光的反射率以单独的曲线画出，其入射角为10.25°。
图20表示图1中棱镜G的表面51a上的分色涂层所反射和透射光束的s偏振态与p偏振态之间的相位差(以度为单位)。
图21表示对于延迟值从0至0.5变化并且相对于入射偏振态取向为0°的波片补偿器其边缘光线位置偏振矢量的椭圆度和取向曲线。更具体地说，图21画出了蓝光通过图1所示Philips棱镜的四角棱镜B、液晶光阀130以及位于其间的波片补偿器120时的相应值，其中延迟值递增变化。
图22与图21相关，表示通过第三通道即蓝光通道且没有波片补偿器的偏振态的光瞳位图。
图23表示陷波滤波器(notch filter)的光谱特性，其中显示了垂直入射的从400nm至700nm非偏振光的计算透射率。
优选实施例的详细说明
本发明涉及用于在采用分色器的反射式成象系统中提高对比度的系统、方法和设备。更具体地说，本发明涉及通过采用独特设计的波片补偿器来校正分色器不希望出现的消偏振作用的系统、方法和设备。波片补偿器使处于“开启状态”偏振的光束透射最大而使沿处于“关闭状态”偏振的光束透射最小，从而实现了较高的对比度，显著改善了最终的象质。
入射至本发明反射式成象系统的光束通过一个偏振装置例如偏振分束器，将偏振光例如s偏振光传送至一个分色器。分色器例如Philips棱镜将偏振光成分分离成三基色。s偏振蓝光、s偏振绿光和s偏振红光从分色器的三个隔开的位置出射，并且输出至三个反射式成象器例如液晶光阀。各反射式成象器根据所需图象对各三基色光束的偏振态进行调制，并将调制光束反射回分色装置，使得光束“二次通过”分色器。相应地，如果开始时偏振光成分例如s偏振光入射至分色器，则光束处于“开启状态”作为p偏振的三基色光返回分色器。分色器然后输出p偏振发散光锥，通过偏振元件，接着通过投影透镜射向屏幕。
实际上，传统分色器一般会由于几何作用和薄膜涂层效应而使透射光束中产生一定的消偏振。当该部分光束透过分色器时，其偏振特性不同于所需的偏振态，因而该光束的存在会降低反射式成象系统的对比度。如前指出，对比度由对应于液晶光阀“开启”状态的具有选定偏振态的透射光强除以对应于“关闭”状态处于另一偏振态的透射光强加以确定。另外，如前所述，来自反射式成象系统的光束的对比度是对透射光偏振态纯度的量度。对比度越高，则整体象质越好。
根据本发明的系统、方法和设备，通过采用如下设置的波片补偿器可以提高反射式成象系统的对比度，其中波片补偿器的位置设置成能够拦截从分色器透射向反射式成象器的光束以及由该反射式成象器反射以第二次入射至分色器的光束。根据使特定偏振属性最小化来选择材料和厚度以制成波片补偿器。下面在对本发明反射式成象系统的例示性实施例加以说明之后，再说明波片补偿器的有关细节。
图1画出了本发明的一个例示性实施例，其中提高了用在反射式LCD背投影系统中的Philips棱镜组件的对比度。在本文中，尽管图1所示的实施例是以采用Philips棱镜的反射式LCD系统给出的，但是应当理解这只是一个用作例证的例子，而并不是限定性的。
图1所示的系统接收来自光源10的输入照明，一般可以是来自例如氙灯、金属卤素灯或钨灯等光源的白光。光源10是用于提供光束的光源装置的一个例子。来自光源10的光束入射在偏振分束器20上。光束在射向偏振分束器20之前，最好通过一个颜色调谐滤波器或陷波滤波器12，后面将更详细地加以说明。
如图所示，光束最好以会聚光束射向偏振分束器20，然后射向Philips型棱镜组件30。也可以使光源发出的光束作为准直光束射向偏振分束器，然后通过一个位于偏振分束器20与Philips棱镜30之间的会聚透镜(未画出)。这种透镜是用于会聚光束的会聚透镜装置的一个例子。然而本发明的优点在采用会聚光束时特别明显。本发明校正了在采用会聚光束时产生的旋转以及椭圆度，而准直光束一般仅产生旋转。
偏振分束器20是一例用于使光束偏振的起偏器或偏振装置，使处于第一偏振态的第一偏振光成分透过。另一例适宜的偏振装置是偏振立体分束器。偏振分束器20透过一种偏振形式的光束(或者是s偏振光或者是p偏振光，为例示目的，假定此例中的光束为p偏振光)，而将另一种偏振形式的光束(此例中为s偏振光)相对于入射方向成90°反射。s偏振光指其偏振矢量垂直于入射平面的光束，而p偏振光指其偏振矢量位于入射平面内的光束。
s偏振光被反射至Philips棱镜30。Philips棱镜组件是用于将第一偏振光成分分离成三基色光的分色装置或分色器的一个例子。分色装置的其它例子包括分束立方体、X棱镜、L棱镜和平面倾斜平板分色镜。然而本领域技术人员应当理解，本发明的方法和设备还可以应用于具有残余相位差和衰减的分色器，例如采用在被关注的光谱区域内具有非零但是均匀相位差的抗反射或分色涂层的分色器。由于其它分色器也适于实现将入射白光分解至分离颜色通道，所以不应认为Philips棱镜是限定性的。
Philips棱镜30包括第一三角棱镜R、第二三角棱镜G和四角棱镜B。各棱镜最好由固体玻璃制成。Philips棱镜30构造成传统Philips棱镜，以使红光、绿光和蓝光通道分别通过棱镜R、G和B。然而。Philips棱镜可以采用不太传统的分色涂层结构使得红光、绿光和绿光通道不是分别射向棱镜R、G和B。
光束通过入射表面41a，优选以正入射形式入射至第一三角棱镜R。入射表面41a涂有标准型抗反射涂层42。入射光束通过棱镜R，直至遇到涂有分色涂层44的分色表面41b。分色涂层44设计成具有特定的光谱响应和相位特性以与本发明的其它元件配合工作，这在下面将进一步说明。
这些类型的分色涂层在本领域是公知的，用作反射一种特定波长或颜色(例如红色)光束而透射所有其它颜色(例如绿色和蓝色)光束的目的。如果反射表面41b上制成分色涂层44使其反射红光，则红光以一定角度被反射向入射表面41a。红光在表面41a处经过全内反射，然后通过棱镜R的出射表面41c从棱镜R射出，其中出射表面41c的外表面涂有抗反射涂层46。接着光束入射至波片补偿器80，也称作延迟片。分色涂层一般具有非零相位延迟且对于射向该分色涂层的光束波长保持基本恒定的相位延迟。
第二三角棱镜G具有入射表面51a、反射表面51b和出射表面51c。第二三角棱镜的入射表面51a邻近第一三角棱镜R的反射表面41b设置并且与之空气隔离。
透过表面41b和分色涂层44的绿光和蓝光通过一个小的空气间隙，然后通过入射表面51a入射至第二三角棱镜。入射表面51a涂有抗反射涂层52。分色涂层54形成在反射表面51b上用于反射绿光成分并透射蓝光成分。所反射的绿光然后射向51a，由此处经过全内反射，接着通过涂有抗反射涂层56的表面51c从棱镜G射出。该光束然后入射至波片补偿器100。
第三四角棱镜B具有入射表面61a和出射表面61c。入射表面61a设在第二三角棱镜G的反射表面51b上，使得透过分色涂层54的蓝光成分通过入射表面61a入射至第三四角棱镜B，然后经由涂有抗反射涂层66的表面61c射出。该光束然后入射至波片补偿器120。
本发明可以采用任何传统的阻红外涂层、抗反射涂层、分色涂层、颜色调谐滤波器涂层，例如位于Philips棱镜上的上述涂层。该系统中可以采用的适宜阻红外涂层、抗反射涂层、分色涂层、颜色调谐滤波器涂层和其它适当涂层的例子在James D.Rancourt的OPtical Thin FilmUser’s Handbook(光学薄膜用户手册)(1987)和Alfred Thelen的Designof Optical Interference Coatings(光学干涉涂层设计)(1989)中有详细公开，在此引入作为参考。优选的分色涂层公开在Stephen D.Browning、Paul M.LeFebvre和Basil Swaby共同申请的名称为Thin FilmDichroic Color Seperation Filters for Color Splitters in Liquid CrystalDisplays(用于液晶显示器中分色器的薄膜分色滤波器)的正在审查中的美国专利申请No._____中。
由于一般存在三基色通道即红色、绿色和蓝色通道，所以可以有三个波片补偿器80、100和120。然而，在本实施例中波片补偿器120是不必要的，所以只有两个波片补偿器。各波片补偿器位于相应出射位置或出射表面40c、50c和60c与相应液晶光阀90、110和130之间的光路上，从而存在三个完整的颜色通道。波片可以附着或直接粘合在分色装置例如Philips棱镜30或者反射式成象器比如90或110之一上，可以自由置于反射式成象器与分色棱镜之间，或者嵌入在棱镜组件中。
三种颜色光锥各自入射到其相应的反射式成象器90、110和130上，来自液晶光阀的光束被向回反射通过波片补偿器80、110和120，并且包含有用以在屏幕150上形成最终图象的光学信号信息。根据该图象，反射式成象器或成象液晶光阀的部分象素处于开启状态，部分处于关闭状态。由开启状态象素反射的光束由液晶光阀或LCLV将其偏振态移相90°，而由“关闭”状态象素反射的光束在偏振状态由于LCLV而不经受任何改变。这些液晶光阀是反射式成象器或反射式成象装置的例子，用于调制三基色光之一的偏振态并且将如此调制的红光、绿光和蓝光反射至或改向至分色装置。
在“关闭”状态的各LCLV象素的反射光束回射之后，光束通过对应的波片补偿器90、110和130，它们设计成有效补偿偏振矢量的任何旋转和椭圆度。相应地，通过将“关闭”状态图象的漏光降至“开启”状态，可以增强这些液晶成象系统中的对比度。本发明可以实现500∶1量级以上的对比度。
图1中所示系统“二次通过”光束的光路可以概括如下：光束通过偏振分束器20以使光束偏振至第一偏振态然后入射至棱镜组件30。在棱镜30中，偏振光通过在选定表面上采用分色和抗反射涂层而加以分色。分离的颜色从棱镜组件射出至反射式成象器90、110和130，在此处根据所需图象改变反射光束的偏振态。反射光束再次通过棱镜组件30，在其中使分离颜色会聚，并且发散光束射至投影透镜140以便在屏幕150上显示图象。可以采用任何传统投影透镜。这些透镜是用于将图象投影至屏幕上的投影透镜装置的例子。
前述系统在图象中采用了1/4波片以校正由偏振分束器引起的旋转。然而，在采用分色器例如非偏振并具有多个介电表面且具有全内反射表面的Philips棱镜的反射式成象系统中1/4波片特别不足。由于这种复杂系统中的偏振态不能简单地加以旋转，所以不能简单地用1/4波片对其偏振态进行校正。在光束每次离轴通过多层分色涂层时其偏振矢量可以被移相或旋转，其结果是在光束通过光学介质时其光束成分之间具有相位延迟，从而产生一定的离轴偏振成分。如果没有例如本发明波片补偿器的某种结构，则这种复杂分色结构所透射光束的偏振平面具有残余椭圆度和离轴旋转，从而导致对比度不能接受。
相应地，在成象系统中，光束入射到多个反射和透射表面时，必需用波片补偿器来调整光束的不均匀变化。本发明的波片补偿器有效地降低了第二次通过棱镜组件时不需要的偏振光，从而提高了由棱镜组件出射向投影透镜的光束的偏振纯度。选择波片补偿器的值以实现特定的相位差，以延迟进而基本消除来自反射式成象器的以一定角度入射至分色器偏振表面的输入光束部分，即不处于分色器偏振平面本征态的光束。以此方式，显著降低了从反射式成象器输入的经过消偏振的光束部分，从而大大提高了该反射式成象系统的对比度并且输出的会聚光锥基本上完全由具有选定偏振态的光束组成，实现了高对比度的投影图象。
换句话说，由于某些光学元件例如偏振分束器20定向改变包括第一偏振光成分的斜射光线，所以波片补偿器必须接着改变所通过的斜射光线的偏振态。采用这种波片补偿器的结果是，具有第二偏振态的第二光束成分入射至Philips棱镜30，各斜射光线具有基本垂直于相应斜射光线的第一偏振矢量的第二偏振矢量。
波片补偿器由双折射材料制成，通常为例如石英、方解石或云母等各向异性晶体；然而，某些类型的对于不同晶轴具有不同折射率的有机聚合物塑料也是适用的。
拉伸有机聚合物薄膜由于其低成本和易于获得不同延迟值的薄膜而成为一种优选形式的波片补偿材料。然而，这种薄膜一般具有由于产生图象畸变而根本不适于此应用的表面，除非将所制得的波片补偿器附着在分色装置例如棱镜的出射表面上并且还须与图象平面基本分离。
波片补偿器也可以是典型液晶或LCD单元的液晶材料。另外，液晶材料在实现适当的分子取向之后可以转变成固体。这可以通过具有液晶侧链或可聚合液晶分子的聚合物来完成。
LCD单元包含在两个相对表面例如两个相对平板之间。另外，这两个相对表面也可以是与分色装置表面例如棱镜30的出射表面41c相对的单个平板，或者与成象装置的表面(例如与出射表面41c相对的成象器90的表面)相对的单个平板。
波片补偿器最好定向为0°，并且波片补偿器的快轴最好定向为平行于来自反射式成象器的所需输入偏振态。更具体地说，各波片补偿器以如下方式定向，使得当光束是例如s偏振光时，该s偏振成分保持不移相而其它成分在一次通过时相位移动一个特定量。相移变化根据公式Δφ=2πΔn(d/λ)确定；其中Δφ为一次通过波片补偿器产生的相移，Δn为波片两个光轴的折射率之差，体现其双折射的特性，d为波片的物理厚度，而λ为光波长。
本发明指出，如果将波片的延迟值选择为使得“关闭”状态的不需要的偏振成分基本消除或消失，则可以实现最佳的对比度。其结果是，黑暗状态接近于完全黑暗，从而显著改善了对比度，因而提高了最终象质。
通过使光束延迟一个波长值，使得光束的椭圆度和椭圆偏振取向都近似于最小，可以实现这种优点。使光束的椭圆度和椭圆偏振取向都近似于最小的延迟值此处称作偏振旋转消除延迟值。在确定偏振旋转消除延迟值之后，可以获得其延迟值选定为使得光束延迟对应于偏振旋转消除延迟值的波长值的波片补偿器。选择波片补偿器的延迟值包括选择双折射材料然后确定产生所需延迟值所需要的厚度。
使光束的椭圆度和椭圆偏振取向同时处于最小的波长值的确定方法包括计算光瞳边缘的偏振矢量的椭圆度和取向。根据椭圆度和取向只能在光瞳或入射角的一点处“完全”校正的原理进行该计算。光瞳是光锥的二维截面，该二维是垂直于光束传播方向的平面的空间坐标。本发明采用极限光瞳光线，有时称作边缘光线。边缘光线指的是由光源点射向光瞳最宽点边缘的光线。图2和图4中的220表示边缘光线。在实例1中将更详细地讨论基于简单全内反射棱镜的图2-4。
利用边缘光线220或光瞳点进行计算。应当理解，根据其它条件例如光瞳均匀性也可以采用光瞳内的其它光线。图4以曲线图形式画出了一个简单TIR表面所产生的椭圆度和取向变化，其中图4在实例1中也将加以讨论。还根据偏振光的数学表述进行计算。例如，可以由一组称作Stokes参数的四个光强数值表示偏振光的可能状态。这四个Stokes光强参数为S0、S1、S2、S3。操作上，S0表示整个光强，S1表示通过水平线偏振器的光强，S2表示通过45°线偏振器的光强，以及S3表示通过右旋圆偏振器的光强。Stokes表示符号在Azzam的“Ellipsomerty and Polarized Light(椭圆测量和偏振光)”一文中有充分描述，在此引入作为参考。
偏振光可以通过将其电场矢量分量分解成x和y分量而方便地加以表述，其中z为光束的传播方向。旋转可以用光束通过某种介质或者在界面受到反射之后其偏振矢量对初始方向的旋转在x-y平面内的角度表示。偏振矢量在通过系统之后的取向可以通过跟踪电场矢量通过该系统的旋转加以计算。
在传统表示符号中，完全单色电场矢量由两个与时间无关的正交振动构成，其形式为
E=Ex=｜Ex｜eiδx
Ey=｜Ey｜eiδy
其中｜Ex｜和｜Ey｜为电场振幅，δx和δy为波的相位分量。采用此定义，可以将Stokes参数或矢量重新表示为：
S0=Ex 2+Ey 2
S1=Ex 2-Ey 2
S2=2ExEycosΔ
S3=2ExEysinΔ
其中Δ=δy-δx，公知为相位差。通过此公式，可以利用此处所述通常技术或者商用软件来表示通过含有薄膜涂层、全内反射表面和偏振成分的光学系统的光线。为了求出系统输出的以Stokes矢量表示的生成偏振椭圆的椭圆度和取向，定义下述方程：
取向=α=1/2 arctan(S2/S1)
椭圆度=e=tan[1/2 arcsin{S3/((S1)2+(S2)2+(S3)2)1/2}]
在理解了偏振矢量的取向以角度α表示并且其椭圆度以参数e表示之后，则可以由相对于二次通过棱镜的输入偏振方向取向为0°的延迟片计算出α和e。该延迟值在0至0.5波长之间变化，并且确定使取向和椭圆度都为零的位置以确定补偿片的最佳值。
这些计算可以手工进行，或者替代地，可以将上述方程中的参数输入适当的计算机程序中，因为这种计算对于含有多达上百层不同构成光学材料的系统可能非常繁琐。除了四个Stokes光强参数之外，还存在其它可用于计算和表述椭圆度和取向的用数学理论表示偏振光的方法。这些其它方法包括Jones矢量和相干矩阵表示法，但不限于此。由Optical Research Associates of Pasadena(CA)制作的软件程序例如“Code V”可用于利用Jones计算法进行光线跟踪以使光线在系统中传播，并且接着根据此信息计算出Stokes矢量。
对于用户限定的每一光线在光学系统中的每一界面，由光线跟踪程序执行上述计算。随着各光线通过计算光路中每一界面和材料而经受改变，依次计算出各光线的强度和偏振。这些程序和算法的进一步细节可以参阅“Code V”使用手册(1997年8月发布，版本8.20)，在此引入作为参考。本发明中采用光线跟踪程序以计算在各界面处透射和反射的相位延迟以及对于每一偏振方向的反射和透射的光强。对于表示位于照明光锥外围的边缘光线的多个斜射光线，以及在主光线和边缘光线之间具有多种中间角度的光线，计算处于“开启”和“关闭”状态的旋转、椭圆度和光强。
然后利用该光线跟踪程序进行重复计算以优化显示亮度和对比度。第一步是建立光学系统的分析模型。采用商用薄膜设计程序可以优化抗反射和分色涂层的薄膜设计，该商用薄膜设计程序的例子是“TFCALC”，可以从Software Spectra Inc.of Portland(OR)购得。如图4所示，包括由光学系统f#限定的具有最大入射角的边缘光线在内的多个斜射光线，最好是十二个斜射光线，被用以与平行于光轴的主光线一起进行这种模拟。当薄膜涂层设计针对各表面(连同薄膜材料和其它光学元件的折射率以及“开启”和“关闭”状态液晶光阀的偏振特性)加以限定后，可以利用光线跟踪程序计算并显示所有指定光线的椭圆度和取向。
波片厚度的最佳值可以取从0至一半波长或λ/2之间的任何值，并且根据系统的不同而不同。在按照波长间隔计算出椭圆度和取向之后，最好将特定系统偏振的椭圆度和旋转的计算值作为延迟值的函数以曲线显示画出。该曲线的例子表示在图7、14和21中。椭圆度和旋转都与横坐标相交点的值，换句话说，当它们同时等于零时，则横坐标所对应的延迟值即为波片对于特定成象系统的最佳值。
由于各颜色通道可能需要不同的波片值，所以对于各颜色通道分别计算出波片值。确定各单独通道的椭圆度和取向最小值的具体例子在实例2-4中给出，它们对应于图5-12。
波片补偿器的最佳延迟值以两个步骤得出。第一步，校正边缘光线以消除旋转和椭圆度。这通过在光线跟踪程序中模拟一个具有不同延迟值的附加补偿元件来完成。将延迟值设定在从0至0.5的有限值。通过画出对于这些有限延迟值每个的边缘光线旋转和椭圆度的曲线，可以确定出其中椭圆度和旋转都接近于零的第一局部最小值。
该模拟的目的在于优化显示的对比度和亮度。在该优化的第二步骤，计算出所有光线的相对光强并累加，以给出全部锥角的积分光强，它正比于“开启”状态的实际图象的主观亮度。对比度如下所述加以确定。
亮度=∑在应用波长范围内处于“开启”状态的各光线光强
在对“关闭”状态进行同样的计算之后，对比度计算如下：
对比度=∑“开启”状态各光线光强/∑“关闭”状态各光线光强
确定波片最佳延迟值的另一种方法是画出对于特定系统的偏振椭圆度和旋转的测量值或实验确定值作为延迟值函数的曲线。这可以通过采用本领域技术人员公知的技术测量Stokes参数来完成。虽然可以通过实验方式获得计算椭圆度和取向所需的数据，但是优选通过计算方式获得这些数据。
此处公开的波片补偿器是用于延迟三基色光束中的至少一种以实现既定相位差的波片补偿装置的例子。
如上所述，最好使光束通过一个颜色调谐滤波器或陷波滤波器，如图1中的12所示。陷波滤波器在结合第一三角棱镜R描述的第一颜色通道例如红色通道中特别有用，因为该棱镜中的反射角是相对极大值。这种陷波滤波器是用于对由偏振装置透射向分色装置的光波长范围进行调谐的陷波滤波装置的例子。更具体地说，该陷波滤波装置对入射光束进行反射，使得入射至分色装置的光束具有选定的波长范围。优选实施例的各实例
为了提供用于根据本发明确定最佳波片延迟材料和厚度的具体模型，本发明还提供了多个实例。实例1和2不包括采用波片补偿器，但是含有提供旋转和椭圆度的例子。实例3A-3D都与图1所示的投影系统相关。实例3A-3C给出了各相应颜色通道的特性。实例3D详细描述了图1中12所示的陷波滤波器，它用在实例3A-3C中详细描述的系统中。实例1
图2表示根据上述参照Stokes参数的方法确定取向和椭圆度的例子中采用的简单BK7棱镜的透视图，图3表示其侧视图。图2和3画出了全内反射棱镜200和光瞳210。220表示用于椭圆度和取向计算的跟踪边缘光线。可以理解，根据其它条件例如光瞳均匀性也可以采用光瞳内的其它光线。
根据以10°锥角(F/#2.88)入射至棱镜，以倾斜56°角射向全内反射表面，并且接着在出射表面202从棱镜出射的入射会聚光束进行计算。假定棱镜表面没有涂层，所以透射损耗是由于输入和输出表面的菲涅耳反射损耗引起的。图5画出了对于折射率为1.52的基片相位差随发生全反射的角度的变化关系。虽然平行于光轴的光线在56°角受到反射产生大约30°的相位差，但是y-z平面中斜射光线的相位差从28°至约32°变化。位于x-z平面内斜射光线的s偏振矢量和p偏振矢量不同于主光线以及位于y-z平面内光线的s偏振矢量和p偏振矢量。根据图5，x-z平面内光线在图3中TIR表面处反射的相位差被混合，从而仅仅使偏振态随着斜射光线与z轴即光轴之间的夹角而改变。x-z平面内光瞳边缘处的边缘光线产生的改变最大。
对图2所示光瞳边缘的边缘光线跟踪，可以计算出Stokes参数，如下面表1所示。表1
    ST0     ST1     ST2     ST3
输入偏振 1.00000 -1.00000  0.00000  0.00000
棱镜入射处 0.95536 -0.95536  0.00000  0.00000
 TIR表面 0.95536 -0.77473 -0.55402 -0.07460
棱镜出射处 0.91278 -0.87294 -0.25702 -0.07140
    图象 0.91278 -0.87294 -0.25702 -0.07140
利用基于Stokes参数的上述椭圆度和取向方程中的这些参数，得出取向为8.203°，椭圆度为-0.039。偏振光瞳位图显示在图4中，其中用图解法画出了全内反射表面产生的椭圆度和取向变化。相对x轴光瞳位移为零的斜射光线的偏振矢量不发生改变，而在相对x轴光瞳为-1或1时并且相对y轴光瞳为零的斜射光线产生最大的偏振矢量旋转和椭圆度。实例2
图6表示的实例为将实例1中的棱镜替换为在照明锥角等于2.8的f#的光学系统中具有45°倾角(相当于空气中10°)的偏振元件。该偏振元件不具有任何干涉涂层。因此，可以看出偏振元件(例如授予Ootaki的美国专利US 5,549,593所公开的偏振元件)只产生旋转而不产生椭圆度。实例3A-3D概述
实例3A-3D全部与图1所示的投影系统相关。尽管实例3A-3D都与一个例示性系统相关，但是各实例突出了该系统不同部分的特性。
实例3A-3C中比较了采用有本发明波片补偿器的图1所示反射式成象系统与该同一系统没有波片补偿器的优点。实例3A-3C中分别单独描述了各颜色通道，即红色、绿色和蓝色通道。实例3A参照图7-13说明了该系统红色通道的特性。实例3B参照图14-20说明了该系统绿色通道的特性。图21-22是关于实例3C中所述的蓝色通道的。实例3D详细说明了图1中12所示的用于实例3A-3C所述系统中的陷波滤波器或颜色调谐滤波器。实例3D参照图23说明了该陷波滤波器。
先是画出了采用波片补偿器之前的各颜色通道中产生的旋转和椭圆度。然后将之与采用了设计为具有最佳延迟的波片补偿器时的情况加以比较。
实例3A和3B详细描述了分别位于图1中所示Philips棱镜的棱镜R和棱镜G上的各抗反射涂层和分色涂层的薄膜材料的光学特性、薄膜层的厚度以及淀积顺序。表2-5给出了所淀积材料的顺序和厚度。这些涂层仅仅是可采用的例示性抗反射涂层和分色涂层，也可以采用其它任何适宜的抗反射涂层和分色涂层。
各涂层产生的相位差根据波长变化而列出。更具体地说，棱镜R上分色涂层和抗反射涂层产生的相位差分别表示在图11和13中，而棱镜G上分色涂层和抗反射涂层产生的相位差分别表示在图18和20中。而且，这些涂层的光谱性能作为波长的函数对于棱镜R表示在图10和12中，对于棱镜G表示在图17和19中。另外，图13还给出了相位差随全内反射表面入射角的变化。采用实例3A-3D中提供的数据，本领域技术人员可以根据本申请公开的技术计算出不同角度的这些干涉滤波器的光学性能，从而确定对于特定照明系统的最佳校正方式。
图1中所示并且由实例3A-3D具体给出结构的没有波片补偿器的系统会产生大约30∶1的对比度。如此处所述，采用波片补偿器一般会使对比度提高至少一个数量级。但是，所达到的对比度还取决于所采用的涂层、照明光谱、颜色调谐滤波器的采用以及是否含有光度加权(photoptic weighting)。如果采用了均匀照明光源和具有两个陷波的颜色调谐滤波器，则认定为具有光度加权。实例3A
实例3A和图7-13是关于通过比如由第一三角棱镜R、波片补偿器80和液晶光阀90所限定的颜色通道的红光的对比数据，以及通过没有波片补偿器的该相同通道的光束的对比数据。用于选择构成红色通道的红光的分色涂层具有大约620nm的中心波长。
图7是椭圆度和旋转值对延迟值的曲线图，其中延迟器的延迟值从0至0.5变化，光线R4的取向为0°，波长为630nm。如图所示，在延迟值大约为0.20时椭圆度和取向都取最小值。
图8表示通过如图1所示特定结构的第一通道或红光通道的偏振态的光瞳位图，但是没有波片补偿器。它表示通过该显示系统的“关闭”象素。产生的偏振态是通道中分色涂层、抗反射涂层和全内反射表面综合作用的结果。具有无穷大对比度的系统没有椭圆度，并且旋转角为零度。在此情况下，在极限相对光瞳位置的光瞳边缘具有显著的椭圆度和旋转。具有均匀光谱、颜色调谐滤波器、分色涂层、标准抗反射涂层和光度加权的对比度是50∶1。注意，其取向与实例1中的图4所示无涂层TIR棱镜的取向方向相反，并且稍大于其取向，而其椭圆度则显著较大。
插入延迟值0.20的波片补偿器产生如图9所示的光瞳偏振位图。当0.20波片补偿器与均匀光谱、颜色调谐滤波器、分色涂层、标准抗反射涂层和光度加权一起采用时，其对比度为678∶1。
下面表2和3给出了分别位于第一三角棱镜R上42和44处的抗反射涂层和分色涂层的薄膜层厚度以及淀积顺序。图10-13表示棱镜R上所形成滤波器在400nm至700nm可见光波长范围光学性能的主要特性。图10-11是关于抗反射涂层的，图12-13是关于分色涂层的。
淀积在表面41a上以形成涂层42的抗反射涂层由Ta2O5(H)和SiO2(L1)的交替层构成。涂层邻接入射介质施加表2顶栏中的材料，并且邻接基片终止于底栏的材料。高折射材料(H)、低折射材料(L1)、入射介质和基片的折射率分别是2.13、1.45、1.0和1.52。材料厚度以纳米(nm)为单位。表2给出了其顺序和厚度。表2
    材料     厚度
    L1     98.62
    H     40.86
    L1     32.98
    H     23.64
图10表示用于棱镜R的表面41a上的抗反射涂层42在正入射时的光谱性能。图11表示该三角形在与图10相同波长范围所产生的相位差。
淀积在表面41b上以形成涂层44的分色涂层由TiO2(H)、ZrO2(L)和SiO2(L1)的交替层构成。涂层邻接入射介质施加表3顶栏中的材料，并且邻接基片终止于底栏的材料。高折射材料(H)、低折射材料(L)、另一低折射材料(L1)、入射介质和基片的折射率分别是2.45、2.00、1.45、1.52和1.00。材料厚度以纳米(nm)为单位。表3给出了其顺序和厚度。表3
    材料     厚度
    H     92.55
    L     62.32
    H     92.17
    L     57.97
    H     83.54
    L     79.59
    H     70.85
    L     87.00
    H     67.94
    L     87.00
    H     67.94
    L     87.00
    H     67.94
    L     87.00
    H     67.94
    L     87.00
    H     67.94
    L     87.00
    H     67.94
    L     87.00
    H     67.94
    L     87.00
    H     67.94
    L     87.00
    H     67.94
    L     92.32
    H     64.60
    L     95.52
    H     65.55
    L     91.27
    H     76.21
    L1     86.20
图12表示第一三角棱镜R上的分色滤波器的光学性能，显示在28°角处400nm至700nm的可见光波长范围的非偏振光、s偏振光和p偏振光的反射率。该分色滤波器的适宜光谱特性如下：1)从约400nm至约580nm，该滤波器反射率近于零，从而透光，2)在自约580nm开始的区域，反射率开始在大约20nm的范围内迅速增大至近于100％，从而该区域设定为阻断波长，3)在阻断区域，s偏振和p偏振状态接近重叠，但是直到约630nm才具有相同的反射率，在该波长处这两个偏振态都具有近于100％的最大反射率。在此理想情况下，s偏振态和p偏振态反射率在阻断波长情况下完全重叠至限定红色通道的最大反射率。虽然这可以在一个入射角实现，但是实际中在表示入射照明的圆锥角范围内必须进行某种折衷。
图13表示在图12相同波长范围s偏振态与p偏振态之间产生的相位差。在分色涂层的低反射高透射区域400nm至约580nm范围其透射相位差比较恒定，在零至(-)30°之间。在阻断波长处相位差经过一个跃变，从约(-)50°跃变至(+)130°，然后在约600nm至680nm的高反射区域呈梯度式下降。波片补偿器在红色通道中对后一波长范围是有效的，其中相位差相对于波长比较恒定。
图12表示获得高亮度和高对比度图象所需的s和p偏振成分适宜的反射。用于红色通道的该滤波器具有从450直至580nm的透过或低反射区域，其中发生跃变至“阻断”或高反射波长范围。在本发明的优选实施例中，跃变区域的波长范围较窄，反射率在“阻断”区域尽可能高，并且在“透过”区域为零，使得红色图象通道信息不受绿色和蓝色通道中相应象素的影响。另外，这些涂层在入射角处对于标准(nominal)光线最好是非偏振的。相应地，透射光的s和p偏振成分从跃变区域开始直至“阻断”区域应当重叠。优化非偏振特性会产生最大显示亮度。s偏振和p偏振状态都必须被反射以便从棱镜出射并且由偏振选择元件透射以便投影在观察屏幕上，因此，在给定波长处平均透射光强正比于s和p偏振成分反射率的乘积。可以采用多种设计方法来形成非偏振分色涂层，然而，非偏振特性仅限于一个固定的入射角。实际中，必须优化系统以处理发散角范围。在增大入射角时这需要在干涉涂层的如下两个特性之间进行折衷，1)光谱曲线形状向短波长方向偏移，以及2)s偏振态与p偏振态之间的分离增大。通过去除偏振跃变区域以获得用于实现通道特性颜色的宽波长范围，可以在不显著损害图象对比度和亮度的情况下进行这种折衷。实例3D给出了实现此目的的技术。实例3B
此实例和图14-20是关于通过比如由第二三角棱镜G、波片补偿器100和液晶光阀110所限定的颜色通道的绿光的对比数据，以及通过没有波片补偿器的同一通道的光束的对比数据。用于绿色通道中棱镜G的分色涂层具有大约540nm的中心波长。
图14是椭圆度和旋转值对延迟值的曲线图，其中延迟器的延迟值从0至0.5变化，光线R4的取向为0°，波长为550nm。如图所示，在延迟值大约为0.20时椭圆度和取向都取最小值。在延迟值为0.20时椭圆度和取向也都取近似最小值。
图15表示通过如图1所示特定结构的绿光通道的偏振态的光瞳位图。它表示通过该显示系统的“关闭”象素。产生的偏振态是通道中分色涂层、抗反射涂层和全内反射表面综合作用的结果。具有无穷大对比度的系统没有椭圆度，并且旋转角为零度。在此情况下，相对于棱镜R产生的图8所示的光瞳位图，其光瞳边缘处具有较小的椭圆度以及相当大的旋转。具有均匀光谱、颜色调谐滤波器、分色涂层、标准抗反射涂层和光度加权的对比度是24∶1。
插入延迟值为0.20的波片补偿器产生如图16所示的光瞳偏振位图。当0.20波片补偿器与均匀光谱、颜色调谐滤波器、分色涂层、标准抗反射涂层和光度加权一起采用时，其对比度为538∶1。
下面表4和5给出了分别位于第二三角棱镜G上52和54处的抗反射涂层和分色涂层的薄膜层厚度以及淀积顺序。图17-20表示棱镜G上所形成的滤波器在400nm至700nm可见光波长范围的光学性能的主要特性。图17-18是关于抗反射涂层的，图19-20是关于分色涂层的。
淀积在表面51a上以形成涂层52的抗反射涂层由Ta2O5(H)和SiO2(L1)的交替层构成。涂层邻接入射介质施加表4顶栏的材料，并且邻接基片终止于底栏的材料。高折射材料(H)、低折射材料(L1)、入射介质和基片的折射率分别是2.13、1.45、1.0和1.52。材料厚度以纳米(nm)为单位。表4给出了其顺序和厚度。表4
    材料     厚度
    L1     98.32
    H     59.72
    L1     25.38
    H     24.98
图17给出了表面51a上的抗反射涂层52在45°入射角时的光谱性能，表示通过棱镜R的表面41b上的分色涂层44之后入射到棱镜G的主要光线。在此条件下，s偏振矢量与p偏振矢量之间存在光强差别以及依赖于波长的相位差别，如图18中所示。
淀积在表面51b上以形成涂层54的分色涂层由TiO2(H)和ZrO2(L)的交替层构成。涂层邻接入射介质施加表5顶栏的材料，并且邻接基片终止于底栏的材料。高折射材料(H)、低折射材料(L)、入射介质和基片的折射率分别是2.45、2.00、1.52和1.52。材料厚度以纳米(nm)为单位。表5给出了其顺序和厚度。表5
    材料     厚度
    L     38.33
    H     54.56
    L     70.12
    H     57.77
    L     70.33
    H     52.55
    L     70.90
    H     53.90
    L     67.51
    H     53.90
    L     67.51
    H     53.90
    L     67.51
    H     53.90
    L     67.51
    H     53.90
    L     70.91
    H     52.55
    L     70.34
    H     57.78
    L     70.12
    H     54.55
    L     38.32
图19画出了第二三角棱镜G上的分色滤波器的光学性能，显示了在10.250°角度400nm至700nm的可见光波长范围的非偏振光、s偏振光和p偏振光的反射率。图20表示在图19相同波长范围的s偏振与p偏振状态之间产生的相位差。实例3C
此实例和图21-22是关于通过比如由第一四角棱镜B和液晶光阀130所限定的没有例如波片补偿器120的波片补偿器的颜色通道的蓝光数据。蓝光具有大约450nm的波长。
图21是椭圆度和旋转值对延迟值的曲线图，其中延迟器的延迟值从0至0.5变化，光线R4的取向为0°，波长为450nm。如图所示，椭圆度和取向在整个延迟值范围都近于零。
图22表示通过如图1所示特定结构的第三通道或蓝光通道但是没有波片补偿器的偏振态的光瞳位图。在此情况下，不具有椭圆度和取向。具有均匀光谱、颜色调谐滤波器、零相位分色涂层、标准抗反射涂层和光度加权的对比度是3000∶1。相应地，不需要波片补偿器。实例3D
实例3D给出了实例3A-3C中所述系统采用的颜色调谐滤波器性能的相关数据。这种颜色调谐滤波器可以用于系统中一定位置以便对入射光进行滤波。该滤波器的陷波位置即低透射区域设计成对应于分色涂层的跃变区域。更具体地说，滤波器的陷波位置设计成对应于分色涂层例如实例3A所述红色通道中分色涂层的跃变区域，这将在后面更详细说明。优选地，该滤波器位于图1中12处所示的照明区域。选择陷波滤波器的特性，使其与优选分色涂层一起作用使得对于各颜色通道的对比度达波片补偿器校正效果到最大。
优选地，陷波滤波器从所述阻断波长至其第一峰值波长具有非常陡峭的斜率，有选择地仅去除有限范围的波长从而不致损害选定颜色通道的亮度。在一个更为优选的实施例中，陷波滤波器进一步限定各颜色通道的波长范围以提供适当的颜色纯度并且确保其不被光源的色度变化所损害。最优选的滤波器元件是薄膜干涉涂层陷波滤波器，其光谱特性显示在图23中。由于被用作正入射，所以该滤波器对于非偏振光、s偏振光和p偏振光的透射具有相同的陷波滤波器光谱特性。该干涉陷波滤波器具有位于如下波长处极窄的跃变区域，在该波长处不能由波片补偿器加以校正的反射波长部分被阻断从而不影响图象对比度和亮度。陷波滤波器去除了因为相位差变化而不能由波片补偿器加以校正的阻断区域波长。陷波滤波器对于被选择性限制的波长区域允许采用非零相位差分色滤波器。
干涉陷波滤波器比吸收式颜色滤波器更优先选用。吸收式颜色滤波器具有较宽的斜率，而不是进行精确选择性去除所需的陡峭斜率。由于干涉滤波器可以作成具有窄的陷波宽度和陡峭的斜率以有选择地去除分色滤波器中的跃变区域，所以可以采用一个陷波滤波器用于整个显示装置。然而，可以在各颜色通道中插入分离的吸收式滤波器。图23中的滤波器是具有这些特性的一个例子，在约575-600nm区域具有小于10％的透射率，在610nm处具有50％的透射率并且在直至约680nm的区域具有大于95％的透射率。
图19和20表示第二三角棱镜G的表面51b上的分色滤波器54的光谱特性，该第二三角棱镜G在如图23所示的可见光波长范围400nm至700nm内与优选的陷波滤波器共同作用以获得高亮度和高对比度的图象。该陷波滤波器还限定了蓝色通道，从约400至465nm具有大约95％的透射率。因此可以看出，具有反射相位差变化的分色涂层的跃变区域被陷波滤波器的阻断区域所隔断，从而不影响图象的对比度。
本发明可以在不偏离其精神或主要特征的情况下以其它具体形式实施。所述实施例应当理解为仅仅是说明性的而不是限制性的。因此本发明的范围由所附权利要求表示，而不是由前述说明书表示。在权利要求的等同含义和范围内的所有改变均包含在其范围内。
权利要求书
按照条约第19条的修改
1．一种波片补偿器，用于采用分色装置的图象投影系统中，其特中的分色装置用于将偏振光成分分离成至少两个分离的彩色光束，该波片补偿器包括：
具有一定厚度的双折射材料，
所述波片补偿器的延迟值取决于该双折射材料以及该双折射材料的厚度，
所述延迟值选择为将彩色光束延迟一个波长值，使得由分色装置的彩色光束部分的偏振旋转所引起的彩色光束的椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似的最小值，
从而置于分色装置与成象装置之间的光路中的波片补偿器的移动可以基本消除因分色装置而偏振旋转的任何光束部分。
2．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料选自包括石英、方解石、云母的一组材料中。
3．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料是对于不同晶轴具有不同折射率的有机聚合物塑料。
4．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料是液晶元件。
5．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器装置充分消除因反射式成象系统中分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分，使得所实现的系统对比度比没有波片补偿器的同一反射式成象系统的对比度至少大一个数量级左右。
6．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器构造成位于分色装置的光束出射位置与成象装置之间的光路中。
7．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器构造成与分色装置相耦合。
8．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器构造成与成象装置相耦合。
9．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器与成象平面显著分离。
10．一种波片补偿器，用于采用分色装置的图象投影系统中，其特征在于的分色装置用于将偏振光成分分离成至少两个分离的彩色光束，该波片补偿器包括：
具有一定厚度的双折射材料，
所述波片补偿器的延迟值取决于该双折射材料以及该双折射材料的厚度，
所述延迟值选择为将彩色光束延迟一个与计算出的偏振旋转消除延迟值相对应的波长值，
所述计算偏振旋转消除延迟值，在该值处由分色装置的彩色光束部分的偏振旋转所引起的彩色光束的椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似最小值，
从而置于分色装置与成象装置之间的光路中的波片补偿器的移动可以基本消除因分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分。
11．如权利要求10所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料选自包括石英、方解石、云母的一组材料中。
12．如权利要求10所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料是对于不同晶轴具有不同折射率的有机聚合物塑料。
13．如权利要求10所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料是液晶元件。
14．如权利要求10所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器装置充分消除因反射式成象系统中分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分，使得所实现的系统对比度比没有波片补偿器的该相同反射式成象系统的对比度至少大一个数量级左右。
15．如权利要求10所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器构造成位于分色装置的光束出射位置与成象装置之间的光路中。
16．一种图象投影系统，包括：
(a)偏振装置，用于将光束偏振使得第一偏振光成分以第一偏振态透射；
(b)分色装置，用于将第一偏振光成分分离成包括红色光束、绿色光束和蓝色光束的三个基色光束，
(ⅰ)其中所述三个光束中的每条光束首先以第一偏振态的形式在三个分离的光束出射位置从分色装置出射，
(ⅱ)其中所述分色装置导致所述三个光束的至少一个由于该光束部分的偏振旋转而具有残余椭圆偏振，从而使所述三个光束的至少一个具有椭圆度和椭圆偏振取向；
(c)三个成象装置，用于调制三个基色光束中每一光束的偏振态，
(ⅰ)其中该三个成象装置设置成使得各成象装置接收所述三个基色光束之一；和
(d)至少一个波片补偿器装置，用于延迟所述三个基色光束中的至少一个，以实现预定的相位差，
(ⅰ)其中波片补偿器装置设置成使得该波片补偿器装置位于所述分色装置的三个光束出射位置之一与所述三个成象装置之一之间的光路中，
(ⅱ)其中波片补偿器装置的延迟值选择为将相应基色光束延迟一个使得该相应光束的椭圆度和椭圆偏振取向都近似达到最小值的波长值，从而基本消除由所述分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分。
17．如权利要求16所述的系统，其特征在于还包括用于向偏振装置提供光束的光源装置。
18．如权利要求16所述的系统，其特征在于光束具有波长范围，并且其中该系统还包括陷波滤波器装置，用于调谐光束的波长范围，使得入射至分色装置的光束具有选定的波长范围。
19．如权利要求16所述的系统，其特征在于光束具有波长范围，并且其中该系统还包括陷波滤波器装置，用于调谐光束的波长范围，使得该陷波滤波器反射具有大致非恒定相位延迟的波长的入射光束并且基本透射具有大致恒定相位延迟的光束。
20．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述偏振装置是偏振分束器。
21．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述偏振装置是偏振立体分束器。
22．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述分色装置是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面。
23．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述分色装置是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面，其中的分色涂层具有非零相位延迟。
24．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述分色装置是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面，其中的分色涂层对于射向该分色涂层的光束的波长具有非零相位延迟和基本恒定的相位延迟。
25．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述分色装置选自包括分束立方体、X棱镜、L棱镜和平面倾斜平板分色镜的组中。
26．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述三个成象装置是三个液晶光阀。
27．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述波片补偿器装置是由双折射材料制成的波片补偿器。
28．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述波片补偿器装置由选自如下组的材料制成，该组材料包括石英、方解石、云母、对于不同晶轴具有不同折射率的有机聚合物塑料，以及液晶元件。
29．如权利要求16所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器装置与分色装置相耦合。
30．如权利要求16所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器装置与成象装置相耦合。
31．如权利要求16所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器装置充分消除了因所述分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分，使得所述反射式成象系统所实现的对比度比没有偏振校正装置的反射式成象系统的对比度至少大一个数量级左右。
32．如权利要求16所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器装置包括至少两个波片补偿器，并且其中各波片补偿器的波长值根据各波片补偿器所接收的相应光束具体确定。
33．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述至少一个波片补偿装置的所述延迟值根据所述分色装置的偏振矢量变换特性加以选择。
34．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述至少一个波片补偿装置的所述延迟值根据所述偏振装置和所述分色装置的偏振矢量变换特性加以选择。
35．如权利要求16所述的系统，其特征在于还包括一个会聚光源，其特征在于所述至少一个波片补偿装置的所述延迟值根据所述会聚光源、所述偏振装置和所述分色装置的偏振矢量变换特性加以选择。
36．如权利要求16所述的系统，其特征在于偏振装置和分色元件在延迟值上产生分散，并且其中至少一个波片补偿器装置具有的延迟值分散基本等于偏振装置和分色元件产生的相位延迟分散。
37．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述第一偏振光成分包括多个各具有第一偏振矢量的斜射光线，所述斜射光线由所述偏振装置在方向上加以改变，并且
其中至少一个波片补偿器装置改变所通过斜射光线的偏振态，使得具有第二偏振态的第二偏振光成分入射至分色元件，其中各斜射光线具有基本垂直于相应斜射光线第一偏振矢量的第二偏振矢量。
38．一种图象投影系统，包括：
(a)偏振器，用于将光束偏振使得第一偏振光成分以第一偏振态透射；
(b)分色器，用于将第一偏振光成分分离成包括红色光束、绿色光束和蓝色光束的三个基色光束，
(ⅰ)其中所述三个光束中的每一光束首先以第一偏振态的形式在三个分离的光束出射位置从分色器出射，
(ⅱ)其中所述分色器导致所述三个光束的至少一个由于该光束部分的偏振旋转而具有残余椭圆偏振，从而使所述三个光束的至少一个具有椭圆度和椭圆偏振取向；
(c)三个反射式成象器，用于调制三个基色光束中每一光束的偏振态并且将所调制的光束加以反射，
(ⅰ)其中该三个反射式成象器设置成使得各反射式成象器接收所述三个基色光束之一并且将处于第二偏振态的相应光束反射回分色器；和
(d)至少一个波片补偿器，用于延迟所述三个基色光束的至少一个，以实现预定的相位差，
(ⅰ)其中波片补偿器设置在所述分色器的三个光束出射位置之一与所述三个反射式成象器之一之间的光路中，
(ⅱ)其中波片补偿器的延迟值选择为将相应基色光束延迟一个使得该相应光束的椭圆度和椭圆偏振取向都近似达到最小值的波长值，从而基本消除因所述分色器而受到偏振旋转的任何光束部分。
39．如权利要求38所述的系统，其特征在于还包括用于向偏振器提供光束的光源。
40．如权利要求38所述的系统，其特征在于光束具有波长范围，并且其中该系统还包括一个陷波滤波器，用于调谐光束的波长范围，使得入射至分色器的光束具有选定的波长范围。
41．如权利要求38所述的系统，其特征在于光束具有波长范围，并且其中该系统还包括一个陷波滤波器，用于调谐光束的波长范围，以反射具有大致非恒定相位延迟的入射光束并且基本透射具有大致恒定相位延迟的光束，从而使得入射至分色器的光束具有选定的波长范围。
42．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述偏振器是偏振分束器。
43．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述偏振器是偏振立体分束器。
44．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述分色器是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面。
45．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述分色器是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面，其中的分色涂层具有非零相位延迟。
46．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述分色器是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面，其中的分色涂层对于射向该分色涂层的光束的波长具有非零相位延迟和基本恒定的相位延迟。
47．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述分色器选自包括分束立方体、X棱镜、L棱镜和平面倾斜平板分色镜的组中。
48．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述三个反射式成象器是三个液晶光阀。
49．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述波片补偿器由选自如下组的双折射材料制成，该组材料包括石英、方解石、云母、对于不同晶轴具有不同折射率的有机聚合物塑料，以及液晶元件。
50．如权利要求38所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器与分色器相耦合。
51．如权利要求38所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器与成象器相耦合。
52．如权利要求38所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器充分消除了因所述分色器而受到偏振旋转的任何光束部分，使得所述反射式成象系统所实现的对比度比没有偏振校正装置的反射式成象系统的对比度至少大一个数量级左右。
53．如权利要求38所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器包括两个波片补偿器，并且其中各波片补偿器的波长值根据各波片补偿器所接收的相应光束具体确定。
54．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述至少一个波片补偿器的所述延迟值根据所述分色器的偏振矢量变换特性加以选择。
55．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述至少一个波片补偿器的所述延迟值根据所述偏振器和所述分色器的偏振矢量变换特性加以选择。
56．如权利要求38所述的系统，还包括一个会聚光源，其特征在于所述至少一个波补偿装置的所述延迟值根据所述会聚光源、所述偏振器和所述分色器的偏振矢量变换特性加以选择。
57．如权利要求38所述的系统，其特征在于偏振器和分色器在延迟值上产生分散，并且其中至少一个波片补偿器具有的延迟值分散基本等于偏振器和分色器产生的相位延迟分散。
58．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述第一偏振光成分包括多个分别具有第一偏振矢量的斜射光线，所述斜射光线由所述偏振器在方向上加以改变，并且
其中至少一个波片补偿器改变所通过斜射光线的偏振态，使得具有第二偏振态的第二偏振光成分入射至分色元件，其中各斜射光线具有基本垂直于相应斜射光线第一偏振矢量的第二偏振矢量。
59．一种制作波片补偿器的方法，该波片补偿器用于采用分色装置的图象投影系统中，其中的分色装置用于将偏振光成分分离成至少两个分离的彩色光束，该方法包括：
识别所需的延迟值，在该延迟值处由图象投影系统中分色装置产生的光束部分的偏振旋转所引起的光束椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似最小值，并且
提供延迟值与所述所需延迟值相对应的波片补偿器，识别的所需延迟值使得光束的椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似最小值。
60．如权利要求59所述的方法，其特征在于所述识别步骤是通过计算椭圆度和椭圆偏振取向来实现的。
61．如权利要求59所述的方法，其特征在于所述识别步骤是通过测量椭圆度和椭圆偏振取向的相关特性然后根据所测特性计算椭圆度和椭圆偏振取向来实现的。
62．如权利要求59所述的方法，其特征在于所述提供步骤是如下实现的：
一种双折射材料选择用作波片补偿器，识别所选类型双折射材料产生对应于所需延迟值的延迟值的近似厚度，并且使所选类型双折射材料具有所识别的厚度且尺寸适宜于用作波片补偿器。
63．一种制作波片补偿器的方法，该波片补偿器用于采用分色装置的图象投影系统中，其特征在于的分色装置用于将偏振光成分分离成至少两个分离的彩色光束，该方法包括：
按延迟值间隔确定由图象投影系统中分色装置产生的光束部分的偏振旋转所引起的光束椭圆度和椭圆偏振取向的值，
识别使光束椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似最小值的所需延迟值，以及
提供延迟值与所述所需延迟值相对应的波片补偿器，所需延迟值的识别使得光束的椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似最小值，从而波片补偿器可以置于分色装置与成象装置之间的光路中，以基本消除因分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分。
64．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述延迟值间隔范围在0至0.5之间。
65．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述确定步骤是通过计算椭圆度和椭圆偏振取向来实现的。
66．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述确定步骤是如下实现的：
确定当光束入射在图象投影系统中欲设置波片补偿器的位置处时的光锥的光瞳尺寸，
确定至少一条光线的路径，
计算斯托克斯参数，并且
按延迟值间隔计算光束椭圆度和椭圆偏振取向。
67．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述确定步骤是通过测量椭圆度和椭圆偏振取向的相关特性然后根据所测特性计算椭圆度和椭圆偏振取向来实现的。
68．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述识别步骤是通过作出所确定的椭圆度和椭圆偏振取向值的曲线图来实现的。
69．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述提供步骤是如下实现的：
选择一种双折射材料用作波片补偿器，识别所选类型双折射材料产生对应于所需延迟值的延迟值的近似厚度，并且使所选类型双折射材料具有所识别的厚度且尺寸适宜于用作波片补偿器。
70．如权利要求63所述的方法，其特征在于还包括确定延迟值的步骤，其通过反复确定椭圆度和椭圆偏振取向的迭代过程，采用比确定步骤中的延迟值间隔更小的间隔来提供最大综合对比度。

Claims (70)

1．一种波片补偿器，用于采用分色装置的图象投影系统中，其特中的分色装置用于将偏振光成分分离成至少两个分离的彩色光束，该波片补偿器包括：
具有一定厚度的双折射材料，
所述波片补偿器的延迟值取决于该双折射材料以及该双折射材料的厚度，
所述延迟值选择为将彩色光束延迟一个波长值，使得由分色装置的彩色光束部分的偏振旋转所引起的彩色光束的椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似的最小值，
从而置于分色装置与成象装置之间的光路中的波片补偿器的移动可以基本消除因分色装置而偏振旋转的任何光束部分。
2．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料选自包括石英、方解石、云母的一组材料中。
3．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料是对于不同晶轴具有不同折射率的有机聚合物塑料。
4．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料是液晶元件。
5．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器装置充分消除因反射式成象系统中分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分，使得所实现的系统对比度比没有波片补偿器的同一反射式成象系统的对比度至少大一个数量级左右。
6．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器构造成位于分色装置的光束出射位置与成象装置之间的光路中。
7．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器构造成与分色装置相耦合。
8．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器构造成与成象装置相耦合。
9．如权利要求1所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器与成象平面显著分离。
10．一种波片补偿器，用于采用分色装置的图象投影系统中，其特征在于的分色装置用于将偏振光成分分离成至少两个分离的彩色光束，该波片补偿器包括：
具有一定厚度的双折射材料，
所述波片补偿器的延迟值取决于该双折射材料以及该双折射材料的厚度，
所述延迟值选择为将彩色光束延迟一个与计算出的偏振旋转消除延迟值相对应的波长值，
所述计算偏振旋转消除延迟值，在该值处由分色装置的彩色光束部分的偏振旋转所引起的彩色光束的椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似最小值，
从而置于分色装置与成象装置之间的光路中的波片补偿器的移动可以基本消除因分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分。
11．如权利要求10所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料选自包括石英、方解石、云母的一组材料中。
12．如权利要求10所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料是对于不同晶轴具有不同折射率的有机聚合物塑料。
13．如权利要求10所述的波片补偿器，其特征在于双折射材料是液晶元件。
14．如权利要求10所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器装置充分消除因反射式成象系统中分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分，使得所实现的系统对比度比没有波片补偿器的该相同反射式成象系统的对比度至少大一个数量级左右。
15．如权利要求10所述的波片补偿器，其特征在于波片补偿器构造成位于分色装置的光束出射位置与成象装置之间的光路中。
16．一种图象投影系统，包括：
(a)偏振装置，用于将光束偏振使得第一偏振光成分以第一偏振态透射；
(b)分色装置，用于将第一偏振光成分分离成包括红色光束、绿色光束和蓝色光束的三个基色光束，
(ⅰ)其中所述三个光束中的每条光束首先以第一偏振态的形式在三个分离的光束出射位置从分色装置出射，
(ⅱ)其中所述分色装置导致所述三个光束的至少一个由于该光束部分的偏振旋转而具有残余椭圆偏振，从而使所述三个光束的至少一个具有椭圆度和椭圆偏振取向；
(c)三个成象装置，用于调制三个基色光束中每一光束的偏振态，
(ⅰ)其中该三个成象装置设置成使得各成象装置接收所述三个基色光束之一；和
(d)至少一个波片补偿器装置，用于延迟所述三个基色光束中的至少一个，以实现预定的相位差，
(ⅰ)其中波片补偿器装置设置成使得该波片补偿器装置位于所述分色装置的三个光束出射位置之一与所述三个成象装置之一之间的光路中，
(ⅱ)其中波片补偿器装置的延迟值选择为将相应基色光束延迟一个使得该相应光束的椭圆度和椭圆偏振取向都近似达到最小值的波长值，从而基本消除由所述分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分。
17．如权利要求16所述的系统，其特征在于还包括用于向偏振装置提供光束的光源装置。
18．如权利要求16所述的系统，其特征在于光束具有波长范围，并且其中该系统还包括陷波滤波器装置，用于调谐光束的波长范围，使得入射至分色装置的光束具有选定的波长范围。
19．如权利要求16所述的系统，其特征在于光束具有波长范围，并且其中该系统还包括陷波滤波器装置，用于调谐光束的波长范围，使得该陷波滤波器反射具有大致非恒定相位延迟的波长的入射光束并且基本透射具有大致恒定相位延迟的光束。
20．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述偏振装置是偏振分束器。
21．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述偏振装置是偏振立体分束器。
22．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述分色装置是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面。
23．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述分色装置是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面，其中的分色涂层具有非零相位延迟。
24．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述分色装置是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面，其中的分色涂层对于射向该分色涂层的光束的波长具有非零相位延迟和基本恒定的相位延迟。
25．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述分色装置选自包括分束立方体、X棱镜、L棱镜和平面倾斜平板分色镜的组中。
26．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述三个成象装置是三个液晶光阀。
27．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述波片补偿器装置是由双折射材料制成的波片补偿器。
28．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述波片补偿器装置由选自如下组的材料制成，该组材料包括石英、方解石、云母、对于不同晶轴具有不同折射率的有机聚合物塑料，以及液晶元件。
29．如权利要求16所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器装置与分色装置相耦合。
30．如权利要求16所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器装置与成象装置相耦合。
31．如权利要求16所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器装置充分消除了因所述分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分，使得所述反射式成象系统所实现的对比度比没有偏振校正装置的反射式成象系统的对比度至少大一个数量级左右。
32．如权利要求16所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器装置包括至少两个波片补偿器，并且其中各波片补偿器的波长值根据各波片补偿器所接收的相应光束具体确定。
33．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述至少一个波片补偿装置的所述延迟值根据所述分色装置的偏振矢量变换特性加以选择。
34．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述至少一个波片补偿装置的所述延迟值根据所述偏振装置和所述分色装置的偏振矢量变换特性加以选择。
35．如权利要求16所述的系统，其特征在于还包括一个会聚光源，其特征在于所述至少一个波片补偿装置的所述延迟值根据所述会聚光源、所述偏振装置和所述分色装置的偏振矢量变换特性加以选择。
36．如权利要求16所述的系统，其特征在于偏振装置和分色元件在延迟值上产生分散，并且其中至少一个波片补偿器装置具有的延迟值分散基本等于偏振装置和分色元件产生的相位延迟分散。
37．如权利要求16所述的系统，其特征在于所述第一偏振光成分包括多个各具有第一偏振矢量的斜射光线，所述斜射光线由所述偏振装置在方向上加以改变，并且
其中至少一个波片补偿器装置改变所通过斜射光线的偏振态，使得具有第二偏振态的第二偏振光成分入射至分色元件，其中各斜射光线具有基本垂直于相应斜射光线第一偏振矢量的第二偏振矢量。
38．一种图象投影系统，包括：
(a)偏振器，用于将光束偏振使得第一偏振光成分以第一偏振态透射；
(b)分色器，用于将第一偏振光成分分离成包括红色光束、绿色光束和蓝色光束的三个基色光束，
(ⅰ)其中所述三个光束中的每一光束首先以第一偏振态的形式在三个分离的光束出射位置从分色器出射，
(ⅱ)其中所述分色器导致所述三个光束的至少一个由于该光束部分的偏振旋转而具有残余椭圆偏振，从而使所述三个光束的至少一个具有椭圆度和椭圆偏振取向；
(c)三个反射式成象器，用于调制三个基色光束中每一光束的偏振态并且将所调制的光束加以反射，
(ⅰ)其中该三个反射式成象器设置成使得各反射式成象器接收所述三个基色光束之一并且将处于第二偏振态的相应光束反射回分色器；和
(d)至少一个波片补偿器，用于延迟所述三个基色光束的至少一个，以实现预定的相位差，
(ⅰ)其中波片补偿器设置成使得该波片补偿器位于所述分色器的三个光束出射位置之一与所述三个反射式成象器之一之间的光路中，
(ⅱ)其中波片补偿器的延迟值选择为将相应基色光束延迟一个使得该相应光束的椭圆度和椭圆偏振取向都近似达到最小值的波长值，从而基本消除因所述分色器而受到偏振旋转的任何光束部分。
39．如权利要求38所述的系统，其特征在于还包括用于向偏振器提供光束的光源。
40．如权利要求38所述的系统，其特征在于光束具有波长范围，并且其中该系统还包括一个陷波滤波器，用于调谐光束的波长范围，使得入射至分色装置的光束具有选定的波长范围。
41．如权利要求38所述的系统，其特征在于光束具有波长范围，并且其中该系统还包括一个陷波滤波器，用于调谐光束的波长范围，以反射具有大致非恒定相位延迟的入射光束并且基本透射具有大致恒定相位延迟的光束，从而使得入射至分色装置的光束具有选定的波长范围。
42．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述偏振器是偏振分束器。
43．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述偏振器是偏振立体分束器。
44．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述分色器是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面。
45．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述分色器是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面，其中的分色涂层具有非零相位延迟。
46．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述分色器是Philips棱镜，具有至少一个带有分色涂层的表面，其中的分色涂层对于射向该分色涂层的光束的波长具有非零相位延迟和基本恒定的相位延迟。
47．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述分色器选自包括分束立方体、X棱镜、L棱镜和平面倾斜平板分色镜的组中。
48．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述三个反射式成象器是三个液晶光阀。
49．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述波片补偿器由选自如下组的双折射材料制成，该组材料包括石英、方解石、云母、对于不同晶轴具有不同折射率的有机聚合物塑料，以及液晶元件。
50．如权利要求38所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器与分色装置相耦合。
51．如权利要求38所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器与成象装置相耦合。
52．如权利要求38所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器装置充分消除了因所述分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分，使得所述反射式成象系统所实现的对比度比没有偏振校正装置的反射式成象系统的对比度至少大一个数量级左右。
53．如权利要求38所述的系统，其特征在于至少一个波片补偿器包括两个波片补偿器，并且其中各波片补偿器的波长值根据各波片补偿器所接收的相应光束具体确定。
54．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述至少一个波补偿器的所述延迟值根据所述分色器的偏振矢量变换特性加以选择。
55．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述至少一个波补偿器的所述延迟值根据所述偏振器和所述分色器的偏振矢量变换特性加以选择。
56．如权利要求38所述的系统，还包括一个会聚光源，其特征在于所述至少一个波补偿装置的所述延迟值根据所述会聚光源、所述偏振器和所述分色器的偏振矢量变换特性加以选择。
57．如权利要求38所述的系统，其特征在于偏振器和分色器在延迟值上产生分散，并且其中至少一个波片补偿器装置具有的延迟值分散基本等于偏振器和分色器产生的相位延迟分散。
58．如权利要求38所述的系统，其特征在于所述第一偏振光成分包括多个分别具有第一偏振矢量的斜射光线，所述斜射光线由所述偏振器在方向上加以改变，并且
其中至少一个波片补偿器改变所通过斜射光线的偏振态，使得具有第二偏振态的第二偏振光成分入射至分色元件，其中各斜射光线具有基本垂直于相应斜射光线第一偏振矢量的第二偏振矢量。
59．一种制作波片补偿器的方法，该波片补偿器用于采用分色装置的图象投影系统中，其中的分色装置用于将偏振光成分分离成至少两个分离的彩色光束，该方法包括：
识别所需的延迟值，在该延迟值处由图象投影系统中分色装置产生的光束部分的偏振旋转所引起的光束椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似最小值，并且
提供延迟值与所述所需延迟值相对应的波片补偿器，识别的所需延迟值使得光束的椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似最小值。
60．如权利要求59所述的方法，其特征在于所述识别步骤是通过计算椭圆度和椭圆偏振取向来实现的。
61．如权利要求59所述的方法，其特征在于所述识别步骤是通过测量椭圆度和椭圆偏振取向的相关特性然后根据所测特性计算椭圆度和椭圆偏振取向来实现的。
62．如权利要求59所述的方法，其特征在于所述提供步骤是如下实现的：
一种双折射材料选择用作波片补偿器，识别所选类型双折射材料产生对应于所需延迟值的延迟值的近似厚度，并且使所选类型双折射材料具有所识别的厚度且尺寸适宜于用作波片补偿器。
63．一种制作波片补偿器的方法，该波片补偿器用于采用分色装置的图象投影系统中，其特征在于的分色装置用于将偏振光成分分离成至少两个分离的彩色光束，该方法包括：
按延迟值间隔确定由图象投影系统中分色装置产生的光束部分的偏振旋转所引起的光束椭圆度和椭圆偏振取向的值，
识别使光束椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似最小值的所需延迟值，以及
提供延迟值与所述所需延迟值相对应的波片补偿器，所需延迟值的识别使得光束的椭圆度和椭圆偏振取向都达到近似最小值，从而波片补偿器可以置于分色装置与成象装置之间的光路中，以基本消除因分色装置而受到偏振旋转的任何光束部分。
64．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述延迟值间隔范围在0至0.5之间。
65．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述确定步骤是通过计算椭圆度和椭圆偏振取向来实现的。
66．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述确定步骤是如下实现的：
确定当光束入射在图象投影系统中欲设置波片补偿器的位置处时的光锥的光瞳尺寸，
确定至少一条光线的路径，
计算斯托克斯参数，并且
按延迟值间隔计算光束椭圆度和椭圆偏振取向。
67．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述确定步骤是通过测量椭圆度和椭圆偏振取向的相关特性然后根据所测特性计算椭圆度和椭圆偏振取向来实现的。
68．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述识别步骤是通过作出所确定的椭圆度和椭圆偏振取向值的曲线图来实现的。
69．如权利要求63所述的方法，其特征在于所述提供步骤是如下实现的：
选择一种双折射材料用作波片补偿器，识别所选类型双折射材料产生对应于所需延迟值的延迟值的近似厚度，并且使所选类型双折射材料具有所识别的厚度且尺寸适宜于用作波片补偿器。
70．如权利要求63所述的方法，其特征在于还包括确定延迟值的步骤，其通过反复确定椭圆度和椭圆偏振取向的迭代过程，采用比确定步骤中的延迟值间隔更小的间隔来提供最大综合对比度。
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