專利名稱：圖象顯示器件和圖象顯示設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用反射型空間光調(diào)制器的圖象顯示器件和圖象顯示設備，尤其涉及這樣的圖象顯示器件和圖象顯示設備，其中可以降低設備的重量和生產(chǎn)成本，同時可以大大改進顯示的圖象。
背景技術：
迄今為止，已經(jīng)提出各種圖象顯示器件和使用這些顯示器件生產(chǎn)的圖象顯示設備。
空間光調(diào)制器空間光調(diào)制器(SLM)是這樣的器件，其中當圖象信號入射到空間光調(diào)制器上時，根據(jù)對應于圖象信號的圖像數(shù)據(jù)逐個象素地調(diào)制入射光?？臻g光調(diào)制器(SLM)可以被分類成調(diào)制穿過空間光調(diào)制器的光的透射型，和調(diào)制被空間光調(diào)制器反射的光的反射型。
通過液晶或數(shù)字微鏡(micro-mirror)構造反射型空間光調(diào)制器。具體地，使用液晶構成的器件被稱為液晶型空間光調(diào)制器。
液晶可以被分類成光學旋轉(zhuǎn)(偏振光導)模式類型、雙折射模式型、光散射模式型和光吸收模式型。通常使用的液晶可以是使用光學旋轉(zhuǎn)(偏振光導)模式型扭轉(zhuǎn)向列(TN)工作模式的TN液晶，使用雙折射工作模式型超扭轉(zhuǎn)向列(STN)工作模式的STN液晶，和使用鐵電體液晶(FLC)模式的FLC型液晶。
除了鐵電體液晶空間光調(diào)制器之外，這些調(diào)制偏振態(tài)的反射型空間光調(diào)制器可以是具有垂直取向、使用TN晶體的液晶空間光調(diào)制器，反鐵電體液晶空間光調(diào)制器和使用TN液晶的雙折射模式空間光調(diào)制器。
反射型FLC空間光調(diào)制器這里說明調(diào)制偏振態(tài)的反射型空間光調(diào)制器中的反射型FLC空間光調(diào)制器的結(jié)構和工作原理。
參照圖1A至1C，反射型FLC空間光調(diào)制器由一對電極和插入其間的液晶材料105構成。
在圖1的上部示出的電極部分包含玻璃基底101A、在其內(nèi)側(cè)(低側(cè))的透明電極材料102A、和更內(nèi)側(cè)(更低側(cè))上的具取向薄膜(其液晶分子通過諸如摩擦的手段已經(jīng)在一個方向上對齊的薄膜)103A。在低側(cè)示出的其它電極部分由硅質(zhì)基底101B、在其內(nèi)側(cè)(上側(cè))示出的鋁電極102B、和在其更內(nèi)側(cè)(更上側(cè))示出的具取向薄膜103B構成。鋁電極102B也充當反射膜。在上部電極部分的玻璃基底101A的外(上)側(cè)布置有偏光鏡104。
圖1A示出了第一電壓方向的狀態(tài)，其中第一方向的電壓被提供到透明電極材料102A和鋁電極102B。圖1B示出了第二電壓方向的狀態(tài)，其中與第一方向相反的第二方向的電壓被提供到透明電極材料102A和鋁電極102B。
參照圖1C，在第一電壓方向狀態(tài)中，液晶材料105對入射偏振光沒有雙折射作用，然而在第二電壓方向狀態(tài)中，它對入射偏振光有雙折射作用。
由于通過偏光鏡104入射的偏振光束107A在圖1A示出的第一電壓方向的條件下穿過液晶材料105，并且在不改變波偏振狀態(tài)的情況下到達鋁電極102B，在此條件下液晶材料105沒有產(chǎn)生雙折射作用。鋁電極(反射膜)102B反射的偏振光束107B再次穿過液晶材料105，以便在沒有改變波偏振狀態(tài)的情況下到達偏光鏡104。也就是說，與入射光具有相同波偏振態(tài)的光被返回到偏光鏡104。因此，通過偏光鏡104得到鋁電極(反射膜)102B反射的光以作為出射光。
另一方面，在圖1B示出的第二電壓方向的條件下，通過偏光鏡104入射的偏振光束107A穿過液晶材料105并且受到雙折射作用，從而從線性偏振態(tài)改變成圓形偏振態(tài)以產(chǎn)生圓形偏振光束107B。這個圓形偏振光束107B被鋁電極(反射膜)102B反射并且使偏振光的旋轉(zhuǎn)方向被此反射翻轉(zhuǎn)。具有翻轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)方向的圓形偏振光束107B重新穿過液晶材料105，從而受到雙折射作用并且被變成線性偏振光束。此線性偏振光束與偏光鏡104的偏振方向垂直，因此不穿過偏光鏡104。
也就是說，在這種反射型FLC空間光調(diào)制器中，′白顯示′和′黑顯示′分別在具有第一電壓方向狀態(tài)的部分和具有第二電壓方向狀態(tài)的部分中占主導地位。
使用反射型空間光調(diào)制器的投影型圖象顯示器件如圖2所示，在常規(guī)反射型空間光調(diào)制器中，例如在包含反射型TN液晶板的投影型圖象顯示設備中，從照明光源201投射的照明光落在照明光學系統(tǒng)202上，照明光學系統(tǒng)202具有校正光束的剖面輪廓，均勻強度和控制發(fā)散角度的功能。此照明光學系統(tǒng)202可以配有P-S偏振轉(zhuǎn)換器(未示出)。這個P-S偏振轉(zhuǎn)換器是以50％或更高的效率將非偏振態(tài)的照明光調(diào)整成P偏振光或S偏振光的光學模塊。
在這里示出的實施例中，穿過照明光學系統(tǒng)202的照明光相對反射紅光的分色鏡的反射面處于這樣的偏振態(tài)，其中沿著與圖紙垂直的方向振蕩電向量，即處于S偏振光的狀態(tài)。也就是說，照明光學系統(tǒng)202發(fā)射的照明光只令其紅光分量在其前進方向上被反射紅光的分色鏡203偏轉(zhuǎn)90°。接著這個紅光分量被反射鏡204反射以便落在用于紅光的偏振分光器(PBS)210上。
入射到PBS210的紅光束只令其S偏振分量被PBS210的電介質(zhì)薄膜210a反射以便作為入射偏振光落在用于紅光的反射型TN液晶板213上。經(jīng)過其偏振態(tài)調(diào)制而被用于紅光的反射型TN液晶板213反射的照明光再次落在PB210的電介質(zhì)薄膜210a上，其中對其進行檢測，使得只有P偏振光穿過。于是偏振調(diào)制被改變成亮度調(diào)制。現(xiàn)在改變成亮度調(diào)制的照明光落在交叉分色鏡209上。
穿過反射紅光的分色鏡203的照明光落在下一個布置的反射綠光的分色鏡205上。這個分色鏡205只反射綠光，同時透過剩余的藍光分量。就象上述紅光那樣，如此分離的綠和藍光分量只具有通過PBS211和PBS212反射的相應S偏振光分量，以便分別落在用于綠光的反射型TN液晶板214和用于藍光的反射型TN液晶板215上。
經(jīng)過偏振態(tài)調(diào)制而被用于綠光的反射型TN液晶板214和用于藍光的反射型TN液晶板215反射的照明光再次分別落在PBS211和PBS212的電介質(zhì)薄膜211a、212a上，其中對光進行檢測以便只透過P偏振光，從而將調(diào)制從偏振調(diào)制改變成亮度調(diào)制?，F(xiàn)在改變成亮度調(diào)制的出射光束落在交叉電介質(zhì)棱鏡209上。
在這個圖象顯示器件中，被用于各個顏色的反射型TN液晶板213-215根據(jù)顯示圖象調(diào)制的紅、綠和藍光分量在交叉電介質(zhì)棱鏡209中被合成，從而落在投影光學系統(tǒng)208上以構成屏幕216上的圖象。
反射型空間光調(diào)制器的照明器件作為反射型空間光調(diào)制器的照明器件，在日本公布專利公開說明書H-9-189809中描述了這種照明器件，并且在圖3和4中示出了該照明器件。如圖3所示，在這個照明器件中，從照明光源(未示出)發(fā)射的讀出光(readout light)通過耦合棱鏡305和玻璃基底304落在全息濾色鏡303r、303g和303b上。
應當注意，全息濾色鏡303r、303g和303b是分別用于紅光、綠光和藍光的體式全息透鏡，并且由用于各個顏色的分層微小尺寸透鏡構成，分層微小尺寸透鏡均具有接近對應于象素尺寸的尺寸，并且在出口處均具有通過激光曝光燒出的干涉條紋。對應于象素尺寸的尺寸意味著3個象素，即R(紅)象素、G(綠)象素和B(藍)象素被配成一組。通過反射型液晶板的覆蓋玻璃302、公共電極318、具取向薄膜317、液晶層316、具取向薄膜315和電介質(zhì)反射鏡膜314，全息濾色鏡303r、303g和303b分別將讀出光譜中的紅、綠和藍光分量聚合在象素電極層313的相關彩色象素電極313r、313g和313b上。
這些全息濾色鏡303r、303g和303b表現(xiàn)出對入射光的偏振特征的相關性。也就是說，在全息濾色鏡303r、303g和303b上的入射光中，主要衍射S偏振光，使得P偏振光的衍射效率低于S偏振光。其原因在于，根據(jù)′耦合波理論′的嚴格解決方案，對于更厚的反射型全息圖而言，如圖4所示，如果數(shù)值t/∧為1至5，則在TE(S偏振)和TM(P偏振)的衍射效率之間產(chǎn)生差異，使得S偏振最多比S偏振多接近45％，其中t是全息厚度，∧是全息圖中的干涉條紋的間距。參見M.G.Moharam和YLK.GayloadRigorous Couple-Wave Analysis of PlanarGrating Diffraction，J.Opt.Soc.Am.71，811-818(1977)，M.G.Moharam and T.K.GayloadRigorous Couple-WaveAnalysis of Grating Diffraction E-Mode Polarization andLosses，J.O pt.Soc.Am.73，451-455(1983)。
在斜入射在全息濾色鏡303r、303g和303b上的讀出光中，主要是S偏振分量的光被衍射并垂直落在液晶層316上。在這種照明光中，由于低衍射作用，其偏振方向被調(diào)制90°而反射的光(P偏振分量)在幾乎不經(jīng)過任何衍射的情況下離開全息濾色鏡303r、303g和303b。
電介質(zhì)反射鏡膜314反射的照明光落在投影透鏡(未示出)上，因此光在屏幕(未示出)上構成圖象。
偏振選擇性全息光學器件存在若干種用于實現(xiàn)偏振選擇性全息光學器件的技術。在美國專利5161039中公開了一種全息光學器件，該全息光學器件包括夾封在一對玻璃板之間、由可光致固化樹脂或熱凝樹脂與液晶材料組成的混合材料。
通過以下過程制備此全息光學器件。首先，激光在具有上述密封其中的混合材料的面板上產(chǎn)生干涉。如此產(chǎn)生的干涉條紋由出現(xiàn)在明亮部分的許多光子和提供在黑暗部分中的少量光子構成。在具有高光子能量的部分中，即在干涉條紋的明亮部分中，樹脂在光或熱能的作用下固化并接合，結(jié)果形成兩個區(qū)域，即樹脂層和液晶層，其中液晶材料保留在干涉條紋的黑暗部分中。
現(xiàn)在說明如此形成的偏振選擇性全息光學器件的工作原理。在如上所述形成的兩個區(qū)域中，樹脂層在視覺上是各向同性的，而液晶區(qū)域是各向異性的，即表現(xiàn)出雙折射效應。另一方面，樹脂層n1的折射系數(shù)接近等于液晶層的折射系數(shù)n0。于是，在入射到這種全息光學器件的光中，其偏振方向?qū)谝壕拥膶こ９饩€的光在樹脂層和液晶層的折射系數(shù)之間有較小的差異，使得只在非常少見的情況下才出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。反之，其偏振方向與液晶層的尋常光線垂直的偏振光分量因樹脂層1的折射系數(shù)n1和異常光線的折射系數(shù)ne之間的差異而得到周期性折射系數(shù)調(diào)制，于是產(chǎn)生衍射效應。
近來，為通過全息技術形成干涉條紋對通過混合經(jīng)過光學聚合的單體和液晶分子而得到的全息成象聚合物散布液晶H-PDLC的研究迅速發(fā)展。
這是一種從90年代中期發(fā)現(xiàn)的視覺感應相位分離′PDLC′演進而來的技術(參見Crawford G.P.和Zurner S.，in LiquidCrystals in Complex Geometries，Ulor and Francis，London(1996))。此后說明這種H-PDLC的準備技術和工作原理。
首先，將液晶分子，單體(預聚合物)，敏化染料和反應引發(fā)劑的混合物夾在一對玻璃板之間，并且將其密封在那里。所得到的組件被激光形成的干涉條紋曝光。接著，在干涉條紋的明亮區(qū)域中，引發(fā)光致聚合作用將單體變成聚合物。結(jié)果在干涉條紋的明亮和黑暗部分產(chǎn)生單體濃度的分布，使得單體從黑暗部分向明亮部分遷移。于是，在相位分離時產(chǎn)生周期性結(jié)構，此結(jié)構包括聚合物居多的明亮區(qū)域和液晶分子居多的黑暗區(qū)域。作為下一個階段，以和聚合物相成直角的方式排列液晶分子。盡管尚未確切得知這種現(xiàn)象的機理，然而各種有關的研究正在進行(參見C.C.Bowley，A.K.Fontecchio，和G.P.Grawford.Proc.SlD XXX，958(1999))。
接著照射UV光以完成定影處理。對于如此產(chǎn)生的全息光學器件，就象美國專利5161039中公開的上述全息光學器件那樣，聚合物層的折射系數(shù)接近等于聚合物層的尋常光線折射系數(shù)，而聚合物層的折射系數(shù)不同于聚合物層的異常光線折射系數(shù)，使得光學器件充當偏振選擇性全息光學器件。
全息光學器件的應用技術現(xiàn)在說明全息光學器件的常規(guī)應用實例。這些應用實例包括光開關，圖象顯示器件的反射板，以及投影型圖象顯示器件的偏振轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在對其進行具體說明。
光開關參照圖5A和5B說明全息光學器件作為光開關的應用實例。如圖5A所示，并且如日本公布專利公開說明書H-5-173196所述，這個全息光學器件由全息層和一對玻璃板組成，所述全息層具有高分子材料425組成的區(qū)域，并且該區(qū)域與正向列型液晶材料424(其折射系數(shù)橢圓的長軸與液晶分子的長軸一致的向列型液晶材料)組成的區(qū)域交替層疊，而所述玻璃板具有透明電極422，423并且將全息層夾在其間。
如圖5B所示，在沒有跨過透明電極的電壓的情況下，向列型液晶材料(液晶分子)424的取向垂直于高分子材料425，使得涉及具有偏振取向的入射光的折射系數(shù)中的周期性變化產(chǎn)生衍射效應，所述入射光相對向列型液晶材料424而言變成異常光。
另一方面，如圖5B所示，如果跨過透明電極422，423提供的電壓使得向列型液晶材料424的長軸與高分子材料425平行，則相對圖5A中的向列型液晶材料424而言充當異常光的偏振取向入射光，相對向列型液晶材料424而言變成尋常光，從而相對高分子材料425沒有產(chǎn)生折射系數(shù)差異，因此沒有產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。
根據(jù)上述原理，全息光學器件能夠通過控制所提供的電壓來充當光開關。
圖象顯示器件的反射板根據(jù)全息光學器件的另一個充當圖象顯示器件的反射板的應用實例，如圖6所示，并且如日本公布專利公開說明書H-9-138396所述，從外部入射到直視反射型液晶板502的光束504被取向506不同于規(guī)則反射方向的全息反射板503反射，從而以優(yōu)化對比度顯示圖象，因為直視反射型液晶板502的表面的反射光505被防止進入觀看者的瞳孔。同時，在這種情況下的全息圖不可以是偏振型全息圖。
投影型圖象顯示設備的偏振轉(zhuǎn)換器在全息光學器件針對投影型圖象顯示設備的偏振轉(zhuǎn)換器的應用實例中，如圖7所示，并且如日本公布專利公開說明書H-8-234143所述，從光源610發(fā)射的照明光是被經(jīng)過汽相鋁沉積處理的反射板612基本準直在一個方向上的光束。為了減少液晶顯示器(LCD)614上照明光的亮度起伏，并且為了根據(jù)透鏡陣列616所特有的矩形變換功能改進照明效率，照明光在穿過散射板615之后被散射，從而落在透鏡陣列616上。
照明光接著落在透射型偏振選擇性全息光學器件618上。利用透射型偏振選擇性全息光學器件618的上述功能，根據(jù)入射角度使P偏振光和S偏振光的相應分量彼此分離。照明光接著落在圖案模造(patterned)半波片陣列620上。在這個半波片陣列620中，照明光的P偏振光和S偏振光中偏振取向與LCD614上的入射偏振光取向垂直的分量穿過半波片陣列620的圖案模造半波片部分，從而將偏振取向改變90 °。
對于這種全息光學器件，其目的是改進光源610發(fā)出的照明光的利用效率。
結(jié)合上述圖象顯示器件和圖象顯示設備，本發(fā)明解決了以下問題。
(1)首先，如果象在圖2所示的使用反射型空間光調(diào)制器的投影型圖象顯示設備中那樣，偏振分光鏡PBS被用來照射反射型空間光調(diào)制器，則這種PBS具有其一個邊長于反射型空間光調(diào)制器的圖象顯示部分的長邊的立方形，使得反射型空間光調(diào)制器和投影光學系統(tǒng)之間的距離，即投影光學系統(tǒng)的后焦點不能被減少。如果后焦點被延長，則難以減少光圈數(shù)，即難以得到明亮的透鏡。因此，對于當前的圖象顯示設備，從光源發(fā)出的照明光的利用效率較低。
此外，對于當前的圖象顯示設備，在使用PBS的情況下，難以降低設備的尺寸，并且難以降低設備的重量，因為PBS由玻璃組成。由于這種PBS需要由具有低雙折射和熱變形的高質(zhì)量玻璃材料組成，并且多層電介質(zhì)薄膜被用來將P偏振光與S偏振光分隔開，因此材料的成本很高，使得難以降低整修圖象顯示設備的生產(chǎn)成本。
(2)為了克服上述問題，如圖3所示，提出了用于反射型空間光器、不使用的PBS的照明設備。然而圖3所示的圖象顯示設備遇到以下的問題由于反射型空間光調(diào)制器的窗口表面?zhèn)?入射/出射側(cè))提供的全息光學器件303不是偏振選擇性全息光學器件，而是偏振相關全息器件，所以光利用效率不是最優(yōu)的。
由于這種全息光學器件未配置這樣的層，即在其構成具有折射系數(shù)波動的周期性結(jié)構的層中表現(xiàn)出雙折射特征的層，使得不能將P偏振光或S偏振光的折射系數(shù)減小至0。
此外，在這種圖象顯示設備中，提出了這樣一種技術，其中為了將用作圖象呈現(xiàn)照明光的P偏振光的衍射效率抑制到盡可能低的數(shù)值以禁止光通過衍射再次返回到照明光源，使全息光學器件衍射的S偏振照明光從相對垂直方向傾斜的方向落在反射型空間光調(diào)制器上，從而將被轉(zhuǎn)換成全息光學器件上的P偏振光的反射光的再入射角度與第一次入射時的入射角度區(qū)分開，以便設置不滿足衍射條件的狀態(tài)。
然而在這種情況下，由于沿著相對垂直方向有一個角度的方向發(fā)射反射型空間光調(diào)制器的反射光，以致破壞遠程中心性(telecentricity)，因此在常規(guī)同軸投影光學系統(tǒng)中有必要增加光學系統(tǒng)的圖象周期以避免降低效率。光學系統(tǒng)圖象周期的增加導致設備尺寸和重量的增加。此外，在常規(guī)反射型空間光調(diào)制器中，如果光線的入射角度偏離垂直方向，則在多數(shù)情況下對比度會惡化。因此，在這種圖象顯示設備中，不能實現(xiàn)高對比度圖象顯示。
在解決此問題之前，遇到這樣一個問題，即在當前的圖象顯示設備中，很難設置P偏振分量不滿足衍射條件的狀態(tài)。即在當前的圖象顯示設備中，將全息濾色鏡的全息透鏡的中心從反射型空間光調(diào)制器的象素電極的中心偏移一段接近0.5乘以全息透鏡尺寸的距離。在這種情況下，如果各個全息透鏡的主光束的入射角度θin為θin＝ArcTan[r/Lp]其中r是全息透鏡的半徑，Lp是全息透鏡和反射型空間光調(diào)制器的鋁象素電極之間在厚度方向上的距離，Lp＝0.7mm(假定覆蓋玻璃厚度為0.7mm)并且r＝10μm(假定R、G和B混合在一起的一個象素的尺寸為20μm)，則θin為θin＝ArcTan[r/Lp]＝0.82°。
這個角度只小于入射到全息濾色鏡的照明光的散射角度(大約為±10°)，使得如果P偏振光和S偏振光之間的角度差小至1.64°(＝0.82×2)，則非常難以根據(jù)入射角度區(qū)分二者。
如果全息濾色鏡的允許衍射角度范圍為1°到2°，則改進了偏振分離特征，然而具有散射角度±10°的照明光中實際得到衍射并且可以被有效利用的光量非常小。因此這個解決方案是不實際的。
另一方面，如果需要利用全息光學器件的偏振相關性，則有必要設置S偏振光，使得其將成為入射光束，即衍射光。
為了防止照明光利用效率或顯示圖象對比度的降低，需要其它構件或光學器件，于是導致總體器件的生產(chǎn)成本和重量的增加。
原因如下參照圖8，在初始狀態(tài)下增加對S偏振光的衍射效率，并且降低對P偏振光的衍射效率，其中在初始狀態(tài)下，在從零逐漸增加全息厚度的過程中達到足夠的偏振相關性。接著可以增加全息厚度d，以便增加對P偏振光的衍射效率并且降低對S偏振光的衍射效率。
然而，增加全息厚度相應也增加了透射型全息圖的衍射效率的波長相關性和入射角度相關性。也就是說，降低了與對全息圖曝光的激光的預定波長和預定入射角度的偏差的容限(獲得衍射效率的容差)，從而降低了光利用效率。
圖9和10示出了在目標光的入射角度為0°，參考光的入射角度為60°，全息圖的平均折射系數(shù)為1.52，全息圖層的折射系數(shù)的調(diào)制系數(shù)為0.05，全息圖層的厚度為5μm，并且曝光波長為532nm的條件下，按照532nm的還原波長讀取所制備的全息光學器件，從而得到的衍射效率的入射角度相關性。圖9和10分別示出了針對6μm的厚度和18μm的厚度計算出的結(jié)果。這里假定入射偏振光是S偏振光?？梢园l(fā)現(xiàn)，入射偏振光實際上需要是S偏振光。
其間，如圖11所示，如果光從低折射系數(shù)的介質(zhì)前進到高折射系數(shù)的介質(zhì)中，其表面反射系數(shù)表現(xiàn)出偏振光相關性。根據(jù)這種偏振光相關性，在P偏振光和S偏振光入射到在空氣中具有1.5的折射系數(shù)的玻璃中的情況下，S偏振光的始終大于P偏振光的表面反射系數(shù)。并且，如果入射角度滿足tanθ＝n(＝1.5)，即Brewster角度在這里為56.3°，則P偏振光的反射系數(shù)為0。此時，S偏振光的反射系數(shù)大約為15％。
這意味著，如果使光線通過離軸入射傾斜落在全息光學器件的玻璃基底上，在入射光是P偏振光的情況下光利用效率較高。如圖3所示，對于上述入射光需要是S偏振光的全息光學器件，耦合棱鏡305被用來防止效率降低。然而如果使用這種耦合棱鏡，設備的部件數(shù)量，重量以及成本會增加。此外，如果使用耦合棱鏡，表面反射系數(shù)不能降低到0，因此不能可靠地防止漫射光的產(chǎn)生或顯示圖象對比度的退化。
并且，如果使用耦合棱鏡，照明裝置的光線在全息圖層上的入射就是照明裝置發(fā)射的光線的視角。在典型的投影儀光學系統(tǒng)的情況下，照明裝置發(fā)射的光線的視角大約為±10°。不太容易使全息光學器件的衍射效率保持在高常數(shù)上。
如果聚合照明光源的照明光以照射某個區(qū)域的圖象顯示器件，則如以下等式的Lagrange-Helmholtz不變式所示，入射角度u′以和圖象顯示器件尺寸y′成反比的方式變小ynu＝y(tǒng)′n′u′(Lagrange-Helmholtz invariant)其中y是距離光軸的圖象高度，n是介質(zhì)的折射系數(shù)，而u是光線的傾斜角度。
上述等式表明乘積ynu的數(shù)值在光學系統(tǒng)的任何平面上均不變。也就是說，如果假定左邊的乘積ynu為有限數(shù)值，并且圖象顯示器件的尺寸降低，則針對圖象顯示器件的入射角度進一步增加。這表示一個在實現(xiàn)高效率全息光學器件時不受歡迎的因素。如圖9所示，如果入射角度偏離提供高峰值的入射角度+10°和-10°，則衍射效率被降低到25％和接近0％。
并且，在上述圖象顯示設備中，全息光學器件始終被用作濾色鏡。于是，在這個圖象顯示設備中，需要這樣一個步驟，其中微小尺寸透鏡的尺寸接近等于象素尺寸，并且這些微小尺寸透鏡與液晶顯示器件的相應象素正確對齊，從而增加了生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本。
此外，上述圖象顯示設備不能處理場順序彩色技術的結(jié)構，或者逐個彩色光地使用多個反射型圖象顯示器件的結(jié)構。
在使用上述全息濾色鏡的圖象顯示設備中，需要逐個彩色光地針對入射光執(zhí)行頻譜分離和聚集，使得顯示圖象的色彩可還原性或高清晰度與照明光的利用效率之間形成折衷關系。
以后說明這種關系。參照圖12，根據(jù)以下等式可以找到全息透鏡的主光束的出射角度Δθi的容限數(shù)值，其中照明光聚合在一個彩色象素上Δθi＝ArcTan[r/Lp]其中如圖12所示，Lp是反射型空間光調(diào)制器701的全息濾色鏡700和象素電極702之間的距離，2r是一個彩色象素電極的尺寸。如果Lp＝0.7mm并且r＝±5μm，則Aθi＝±0.4°。
應當注意，全息圖干涉條紋的入射角度θc和衍射時的出射角度θi通過以下等式相關(sin{θs}-sin{θr})/λ＝(sin{θi}-sin{θc})/λc其中θs是在造出全息圖時目標光的入射角度，θr是在造出全息圖時參考光的入射角度，λ是全息圖的設計波長，而λc是還原波長。
因此，如果θs＝0°，θr＝60°，λ＝550nm，λc＝550nm并且θi＝±0.4°，則θc為60±0.8°C，這表明照明光束對全息濾色鏡的入射角度的容限非常窄。另一方面，如果θs＝0°，θr＝60°，λ＝550nm，θc＝60°并且θi＝±0.4°，則Δλc為550±4.5nm，這表明照明光束對全息濾色鏡的入射波長的容限非常窄。
因此，要求入射到全息濾色鏡的照明光具有高平行度和窄波長范圍，使得在使用常規(guī)照明光源的情況下，因發(fā)光部分具有大約1mm的有限尺寸并且光發(fā)射波長范圍較寬而顯著降低光利用效率。反之，如果要增加光利用效率，必須增加象素尺寸或允許光泄漏到相鄰彩色象素。然而，在分別對前者和后者進行測量時，顯示圖象的清晰度和色彩純度與可還原性均被降低。
在上述圖象顯示設備中，全息光學器件不能被用作反射型。如果全息光學器件被用作反射型致使P偏振光和S偏振光的衍射效率之間的差值為例如30％或更高，則d/∧需要為大約1.0到3.0，其中d是全息厚度，而∧是干涉條紋間距。參見M.G.Moharam和T.K.GayloadRigorous Coupled-WaveAnalysis of Planar Grating Diffraction，J.ODt.Soc.Am.71，811-8181977。
由于∧＝λ/|2sin[(θs-θr)/2]|(θs-θr)的最小數(shù)值為90°，其中θs是目標光的入射角度，θr是參考光的入射角度。此時，假定|2sin[(θs-θr)/2]|具有最小數(shù)值1.41。如果λ＝0.5μm，則假定∧具有最大數(shù)值0.35μm，使得滿足d/∧＝1.0至3.0的全息圖厚度d最大為1μm。非常難以制備如此薄的全息圖層。
在全息光學器件的上述各種應用技術中，缺乏這種使照明光從傾斜方向入射以便高效照射反射型空間光調(diào)制器的應用技術。
如圖13所示，并且如美國專利5596451所述，作為使用反射型空間光調(diào)制器的虛擬圖象顯示光學系統(tǒng)，存在這樣的結(jié)構，其中反射型空間光調(diào)制器836、照明光源834和反射鏡842被布置在偏振分光器848的形成表面的附近。
然而在這種光學系統(tǒng)中，如圖13所示，照明光的部分860通過偏振分光器848直接到達觀察者的觀察區(qū)域846，而沒有到達反射型空間光調(diào)制器836。這種照明光可以作為噪聲入射到觀察者的瞳孔824，從而產(chǎn)生降低反射型空間光調(diào)制器836顯示的圖象信息的對比度的根本問題。
此外，對于當前的光學系統(tǒng)，整個光學系統(tǒng)具有立方體形狀，于是增加了厚度。如果提高偏振分光器的電介質(zhì)薄膜864的性能，則提高了生產(chǎn)成本。反之，如果降低電介質(zhì)薄膜的性能，則電介質(zhì)薄膜對偏振光的反射系數(shù)，電介質(zhì)薄膜的入射角度相關性或波長相關性造成圖象均勻度的退化，尤其在瞳孔移動時。
為此，日本公布專利公開說明書H-11-125791公開了一種圖象顯示設備，其中如圖14所示，使用反射型空間光調(diào)制器908和自由形式表面棱鏡910形成虛擬圖象顯示光學系統(tǒng)。
如圖14所示，在圖象顯示設備中，光源912的照明光直接入射到反射型空間光調(diào)制器908，反射光入射到自由形式表面棱鏡910的第三表面905，以便在經(jīng)過第一表面903的反射，第二表面904的反射以及穿過第一表面903之后到達瞳孔901以顯示虛擬圖象。這種光學系統(tǒng)的缺點是，增加了照明光在反射型空間光調(diào)制器908上的入射角度，從而降低了反射型空間光調(diào)制器908本身的調(diào)制指數(shù)，使得顯示圖象的對比度退化。
另一方面，圖15示出的光學系統(tǒng)主要有以下兩個問題，其中通過自由形式表面棱鏡910從光源912發(fā)射的照明光入射到反射型空間光調(diào)制器908，并且這種反射光從第三表面905入射到自由形式表面棱鏡910，以便在經(jīng)過第一表面903的反射，經(jīng)過第二表面904的反射和穿過第一表面903之后到達瞳孔901以形成虛擬圖象。
第一個問題是，如果反射型空間光調(diào)制器908具有偏振調(diào)制類型(相位調(diào)制類型)，則入射到反射型空間光調(diào)制器908的照明光必須是具有指定偏振取向的線性偏振光。然而由于通過塑膠材料的注塑來制備自由形式表面棱鏡910，自由形式表面棱鏡910在其內(nèi)部表現(xiàn)出雙折射特征。因此帶來的問題是，即使線性P偏振光入射到自由形式表面棱鏡910，仍不能保持偏振態(tài)，于是顯示圖象的對比度退化。盡管通過在反射型空間光調(diào)制器908和自由形式表面棱鏡910的第三表面(折射表面)905之間布置偏振片明顯可以回避此問題，然而顯示模式會變成′正常白′模式，于是顯示圖象的對比度再次退化。
第二個問題源于直接落在充當目鏡光學系統(tǒng)的自由形式表面棱鏡910上的照明光。照明光經(jīng)過自由曲面棱鏡910內(nèi)部的光學表面903-905的內(nèi)反射以產(chǎn)生漫射光。一部分漫射光到達觀察者的瞳孔901，于是顯示圖象的對比度再次退化。
也就是說，對于使用半反射鏡、作為迄今為止提出的各種圖象顯示設備中的一種的照明光學系統(tǒng)，設備不能降低尺寸，并且照明光的利用效率較低。對于使用偏振分光器的照明光學系統(tǒng)，設備不能降低尺寸，并且顯示圖象的均勻度較低，生產(chǎn)成本較高。對于直接照射空間光調(diào)制器的照明光學系統(tǒng)和通過塑膠形成的光學部件照射空間光調(diào)制器的照明光學系統(tǒng)，顯示圖象的對比度較低。

發(fā)明內(nèi)容
基于現(xiàn)有技術的上述狀況，本發(fā)明的目的是提供這樣的圖象顯示器件和圖象顯示設備，其中照明光的光利用效率較高，可以降低設備的尺寸和成本，并且顯示圖象均勻且對比度較高。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供包含衍射照明光的偏振選擇性全息光學器件的圖象顯示設備，包含由兩個區(qū)域中的每個組成的多個區(qū)域的器件，和調(diào)制偏振選擇性全息光學器件衍射的照明光的偏振態(tài)的反射型空間光調(diào)制器，其中所述兩個區(qū)域中的每個均具有分別表現(xiàn)出不同入射偏振取向相關性的折射系數(shù)值，并且可選地，所述區(qū)域被順序?qū)盈B。
在這種圖象顯示設備中，用照明光以相對其照明光接收表面的法線不小于30°且小于90°的入射角度照射偏振選擇性全息光學器件。偏振選擇性全息光學器件衍射照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向反射型空間光調(diào)制器發(fā)射衍射光。對于經(jīng)過反射型空間光調(diào)制器的相位調(diào)制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，偏振選擇性全息光學器件表現(xiàn)出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上時衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一種偏振分量穿過光學器件。
本發(fā)明的圖象顯示設備包含上述類型的基于本發(fā)明的圖象顯示器件，發(fā)射照明光的光源，使光源發(fā)射的照明光入射到圖象顯示器件的偏振選擇性全息光學器件的照明光學系統(tǒng)，和通過圖象顯示器件的反射型空間光調(diào)制器和偏振選擇性全息光學器件將照明光投射在屏幕上的投影光學系統(tǒng)。
對于當前的圖象顯示器件，照明光學系統(tǒng)通過照明光以相對其照明光接收表面的法線不小于30°且小于90°的入射角度照射偏振選擇性全息光學器件。偏振選擇性全息光學器件衍射照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向反射型空間光調(diào)制器發(fā)射衍射光。對于經(jīng)過反射型空間光調(diào)制器的相位調(diào)制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，偏振選擇性全息光學器件表現(xiàn)出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上時衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一種偏振分量穿過光學器件。投影光學系統(tǒng)將穿過偏振選擇性全息光學器件的光投射在屏幕上。
在本發(fā)明的圖象顯示設備中，提供衍射入射光的偏振選擇性全息光學器件，包含由兩個區(qū)域中的每個組成的多個區(qū)域的器件，將照明光分離成多個代表不同波長范圍的分量的色彩分離裝置，使被分離成相應的不同波長范圍分量的照明光入射到偏振選擇性全息光學器件的照明光學系統(tǒng)，調(diào)制代表偏振選擇性全息光學器件衍射的照明光的不同波長范圍的多個分量的多個反射型空間光調(diào)制器，合成具有經(jīng)過多個反射型空間光調(diào)制器調(diào)制的各個不同波長范圍的照明光部分的色彩合成裝置，和投射照明光通過色彩合成裝置的投影光學系統(tǒng)，其中所述兩個區(qū)域中的每個均具有分別表現(xiàn)出不同入射偏振取向相關性的折射系數(shù)值，并且可選地，所述區(qū)域被順序?qū)盈B。對于當前的圖象顯示設備，投影光學系統(tǒng)將穿過偏振選擇性全息光學器件和色彩合成裝置的照明光投射在屏幕上。
基于本發(fā)明的圖象顯示設備包含基于波段的偏振分離裝置，用于將照明光的各個不同的第一和第二波長范圍分量的偏振態(tài)分離成彼此垂直的線性偏振分量，照明光學系統(tǒng)，用于使分離成第一和第二波長范圍分量入射到偏振選擇性全息光學器件，第一反射型空間光調(diào)制器，用于調(diào)制偏振選擇性全息光學器件衍射的照明光的第一波長范圍分量的偏振態(tài)，第二反射型空間光調(diào)制器，用于調(diào)制穿過偏振選擇性全息光學器件的照明光的第二波長范圍分量的偏振態(tài)，和投影光學系統(tǒng)，用于將通過反射型空間光調(diào)制器的照明光投射在屏幕上。投影光學系統(tǒng)將通過第一反射型空間光調(diào)制器和偏振選擇性全息光學器件的第一波長范圍分量的照明光，和通過第二反射型空間光調(diào)制器和偏振選擇性全息光學器件的第二波長范圍分量的照明光投射在屏幕上。
在基于本發(fā)明的圖象顯示設備中，提供用于觀察虛擬圖象、將通過反射型空間光調(diào)制器的照明光引導到觀察者的瞳孔的光學系統(tǒng)以取代投影光學系統(tǒng)。這個用于觀察虛擬圖象的光學系統(tǒng)將穿過偏振選擇性全息光學器件的光引導到觀察者的瞳孔。


圖1A到1C是示出傳統(tǒng)圖象顯示器件(FLC)的結(jié)構的剖視圖。
圖2的側(cè)視圖示出使用與反射型空間光調(diào)制器相關的偏振分光器的傳統(tǒng)圖象顯示設備的結(jié)構。
圖3是示出使用全息透鏡的傳統(tǒng)圖象顯示設備的結(jié)構的剖視圖。
圖4是示出反射型全息圖的衍射效率的圖表。
圖5A和5B是示出將全息光學器件應用于光學開關的實例的剖視圖。
圖6的剖視圖示出將全息光學器件用作圖象顯示設備的反射板的實例。
圖7的剖視圖示出將全息光學器件用作投影型圖象顯示設備的偏振轉(zhuǎn)換器的實例。
圖8的圖表示出全息厚度和衍射效率(根據(jù)耦合波理論的嚴格解決方案的透射型全息圖衍射效率)之間的關系。
圖9的圖表示出厚度為6μm的全息圖中的衍射效率的入射角度相關性。
圖10的圖表示出厚度為18μm的全息圖中的衍射效率的入射角度相關性。
圖11的圖表示出玻璃(折射系數(shù)＝1.5)的表面反射系數(shù)與入射角度之間的關系。
圖12的剖視圖示出傳統(tǒng)全息濾色鏡中全息透鏡的主光束出射角度的允許數(shù)值。
圖13是示出使用偏振分光器的傳統(tǒng)圖象顯示設備的結(jié)構的側(cè)視圖。
圖14的側(cè)視圖示出使用觀察虛擬圖象的光學系統(tǒng)的傳統(tǒng)圖象顯示設備的結(jié)構。
圖15的側(cè)視圖示出使用觀察虛擬圖象的光學系統(tǒng)的另一個傳統(tǒng)圖象顯示設備的結(jié)構。
圖16是示出基于本發(fā)明的圖象顯示器件的結(jié)構的縱向剖視圖。
圖17是示出基于本發(fā)明的圖象顯示器件的第一實施例的結(jié)構的縱向剖視圖。
圖18是示出基于本發(fā)明的圖象顯示器件的第二實施例的結(jié)構的縱向剖視圖。
圖19是示出基于本發(fā)明的圖象顯示器件的第三實施例的結(jié)構的縱向剖視圖。
圖20是示出基于本發(fā)明的圖象顯示器件的第四實施例的結(jié)構的側(cè)視圖。
圖21是示出基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第五實施例的結(jié)構的側(cè)視圖。
圖22是側(cè)視圖，示出用于圖象顯示設備中的校正的偏振選擇性全息光學器件的入射角度校正原理。
圖23的圖表示出了圖象顯示設備中在450nm還原波長處的衍射效率的入射角度相關性。
圖24的圖表示出了圖象顯示設備中在550nm還原波長處的衍射效率的入射角度相關性。
圖25的圖表示出了圖象顯示設備中在650nm還原波長處的衍射效率的入射角度相關性。
圖26A和26B的圖表示出了較大彎角(θobl＝10°)情況下衍射效率的還原波長相關性和入射角度相關性。
圖27A和27B的圖表示出了較小彎角(θobl＝-10°)情況下衍射效率的還原波長相關性和入射角度相關性。
圖28的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第六實施例的結(jié)構。
圖29的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第七實施例的結(jié)構。
圖30的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第八實施例的結(jié)構。
圖31的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第八實施例的結(jié)構。
圖32的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第九實施例的結(jié)構。
圖33的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第十實施例的結(jié)構。
圖34的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第十實施例的結(jié)構。
圖35的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第十一實施例的結(jié)構。
圖36的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第十二實施例的結(jié)構。
圖37的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第十三實施例的結(jié)構。
圖38的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第十四實施例的結(jié)構。
圖39的側(cè)視圖示出了基于本發(fā)明的圖象顯示設備的第十五實施例的結(jié)構。
具體實施例方式
下面參照附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
使用偏振選擇性全息圖象顯示器件的反射型圖象顯示器件現(xiàn)在說明基于本發(fā)明的圖象顯示器件，這種偏振選擇性全息器件具有由預聚合物散布液晶形成的液晶板，下面將預聚合物散布液晶稱作PDLC。
首先參照圖16說明使用PDLC的偏振選擇性全息光學器件的結(jié)構和生產(chǎn)過程。在生產(chǎn)過程中，關鍵是將器件溫度保持在接近60°。
首先，由未經(jīng)過光致聚合作用的高分子材料混合物、TN液晶、引發(fā)劑和著色劑組成的PDLC被夾在玻璃基底1和2之間，所述高分子材料混合物此后稱作預聚合物。此時，TN液晶的重量比例占整個PDLC的接近30％。PDLC的層厚度被選擇成符合偏振選擇性全息圖象顯示器件規(guī)范的2μm到15μm之間的最優(yōu)數(shù)值，所述層厚度下面稱作單元間隙。
為了在PDLC板3上記錄干涉條紋，來自激光源(未示出)的目標光束4和參考光束5照射在PDLC板3上以產(chǎn)生由干涉導致的光強度變化B。在干涉條紋的明亮部分中，即在具有較大光子能量的部分中，PDLC中的預聚合物經(jīng)過光致聚合作用并且被變成聚合物。于是，從邊緣部分逐漸提供并且最終變成聚合物的預聚合物被分離成密集區(qū)域和稀疏區(qū)域。在稀疏區(qū)域中，TN液晶濃度增加。通過這種方式，形成預聚合物區(qū)域6和液晶區(qū)域7。
在本實施例中，目標光束4和參考光束5從面板的相同表面?zhèn)日丈湓诿姘迳?，使得產(chǎn)生的偏振選擇性全息圖象顯示器件為透射型?？蛇x地，如果從面板的不同表面?zhèn)日丈淠繕斯馐?和參考光束5，則產(chǎn)生反射型偏振選擇性全息圖象顯示器件。
其間，如上所述制備的PDLC板3的預聚合物區(qū)域6的折射系數(shù)為各向同性，即表現(xiàn)出折射系數(shù)各向同性，其中折射系數(shù)值為例如1.5。在PDLC板3的液晶區(qū)域7中，排列TN液晶分子，其長軸與相對預聚合物區(qū)域6的邊界表面基本成直角。所以，液晶區(qū)域7表現(xiàn)出折射系數(shù)各向異性，也就是說，其折射系數(shù)表現(xiàn)出入射光取向相關性。如果考慮入射到PDLC板3的光線入射表面8的還原光5，它是變成尋常光的S偏振光分量。
如果這個液晶區(qū)域7中的尋常光的折射系數(shù)nlo接近等于預聚合物區(qū)域6的折射系數(shù)np，例如小于0.01，則入射S偏振光分量的折射系數(shù)的調(diào)制非常小，使得衍射現(xiàn)象幾乎不出現(xiàn)。TN液晶的尋常光折射系數(shù)nlo和異常光折射系數(shù)nle之間的差值Δn基本上大約為0.1到0.2，使得甚至在還原光5具有相同光入射方向的情況下，也在預聚合物區(qū)域6和液晶區(qū)域7的P偏振分量折射系數(shù)之間產(chǎn)生差值。于是，PDLC板3充當相位調(diào)制型全息圖并且表現(xiàn)出衍射效應。
上述是使用PDLC板的偏振選擇性全息圖象顯示器件的工作原理，所述PDLC板下面稱作′H-PDLC板′。
本實施例的全息光學器件使用耦合波理論的偏振相關性并且基本上不是偏振選擇性全息圖象顯示器件。于是，S偏振光的衍射效率和P偏振光的衍射效率之間的差值大約為30到50％。假定S偏振光的衍射效率和P偏振光的衍射效率分別為70％和30％，則光利用效率為49％(＝70％×70％)，即使表面反射或吸收造成的損失被縮減。作為參考，圖8示出了入射角度為42°并且干涉條紋的傾斜角度為120°的透射型全息圖的衍射效率的偏振相關性(參見M.G.Moharam和T.K.Gayload，RigorousCoupled-Wave Analysis of Planar Grating Difference，J.Opt.Soc.Am.71，811-818，1977)。由此可見，在d/∧為5.0的情況下，+1階S偏振光的衍射效率和P偏振光的衍射效率之間的差值(圖8中對應于P偏振光的H和對應于S偏振光的E之間的差值)接近20％，其中d為全息厚度，∧為干涉條紋間距。
圖象顯示器件的實施例(第一到第三實施例)參照圖17說明基于本發(fā)明第一實施例的反射型圖象顯示器件。在這個圖象顯示器件中，用作反射型空間光調(diào)制器的反射型FLC液晶板10在接口11上與參照圖16說明的H-PDLC板3光學接合。
在基于本發(fā)明的液晶顯示器件中，空間光調(diào)制器是調(diào)制這個空間光調(diào)制器反射的光的反射型空間光調(diào)制器。由于旋轉(zhuǎn)了偏振方向，它是反射入射線性偏振光的偏振調(diào)制型空間光調(diào)制器。
反射型FLC液晶板10的結(jié)構和工作原理與參照圖1A、1B和1C說明的內(nèi)容相同。如圖17所示，通過入射角度為0°的目標光束4和入射角度為θin-air的參考光束5制備本實施例的H-PDLC板3。此時將發(fā)現(xiàn)干涉條紋的傾斜角度θint。
如果為了簡單假定玻璃基底1的折射系數(shù)為n gla并且PDLC的平均折射系數(shù)也為n gla，則以下等式n gla sin(θin-med)＝sin(θin-air)成立，其中θin-med為介質(zhì)中的入射角度。
如果在這個等式中n gla＝1.5并且θin-air＝60°，則θin-med為35.3°。據(jù)此，干涉條紋的傾斜角度θint為θint＝θin-med/2＝17.7°。
現(xiàn)在說明這個圖象顯示器件的工作原理。含有P偏振光和S偏振光的還原光5從入射角度θin-air入射到H-PDLC板3的玻璃基底1。玻璃基底1折射的入射光接著從入射角度θin-med落在全息圖層9上。
如上所述，在全息圖層9上，P偏振光分量發(fā)生衍射，從而作為入射光51基本垂直地落在反射型FLC液晶板10上。這個P偏振光分量被鋁反射面14反射，并且因其前后行進通過FLC層13而得到調(diào)制。接著P偏振光分量重新入射到全息圖層9。此時，P偏振光再次在全息圖層9上折射，并且沿著還原光5的與出射光束53方向相反的光路行進。在不經(jīng)過全息圖層9的衍射的情況下，發(fā)射S偏振光以作為沿著垂直方向來自H-PDLC板3的出射光束52。
另一方面，還原光5的S偏振光按照入射角度θin-med直接落在反射型FLC液晶板10上，其中沒有被H-PDLC板3的全息圖層9的衍射。此時，S偏振光穿過反射型FLC液晶板10的FLC層13，并且被調(diào)制了偏振態(tài)。然而，由于全息圖層9具有一定的厚度，鋁反射面14反射的光束54不滿足衍射條件，使得S偏振光和P偏振光均在幾乎不經(jīng)過任何衍射的情況下穿過H-PDLC板3。即使全息圖層9衍射了在FLC層13進行調(diào)制時產(chǎn)生的P偏振光的一部分，也可以通過使反射光束54的出射方向充分不同于出射光束52的出射方向，或在出射光束52的光路上提供選擇性透過主要由出射光束52擁有的偏振分量的偏振片，使反射光束54和出射光束52彼此分離。
也就是說，在基于本發(fā)明的圖象顯示設備中，照明光學系統(tǒng)按照相對于接收照明光的表面的法線不小于30°且不大于90°的入射角度入射照明光，將照明光的P偏振光或S偏振光衍射和發(fā)射到反射型空間光調(diào)制器，并且經(jīng)過這個反射型空間光調(diào)制器的相位調(diào)制的重新入射照明光的偏振光分量的衍射效率為10％或更小，因而不小于70％的偏振光分量穿過光學器件，其中所述重新入射照明光的偏振光分量的偏振方向垂直于在第一次入射的過程中被衍射的偏振光分量的偏振方向。
現(xiàn)在說明′具有一定厚度的全息圖′。′具有一定厚度的全息圖′被定義成具有不小于10的Q值的全息圖(參見Jumpei Tsuji，Holography，Mokabou出版)。通過下面等式定義Q值Q＝2πλt/(n∧2)其中λ為還原波長，t為全息圖層厚度、n為全息圖層的平均折射系數(shù)，而∧為干涉條紋間距。
干涉條紋間距∧被定義成∧＝λc/|2sin{(θs-θr)/2}|其中λc為設計波長，θs為目標光束的入射角度，而θr為參考光束的入射角度。
如果λc＝0.55，θs＝60°，θr＝0°，t＝5μm并且n＝1.5，則干涉條紋間距∧為0.55μm并且Q為38.1，于是滿足具有一定厚度的全息圖的定義。
具有一定厚度的全息圖的特性在于，如果由于諸如制造中使用的波長或目標和參考光束的入射角度之類的因素導致還原光的條件偏離設計條件，盡管衍射效率較高，然而衍射效率急速下降。概括地說，對于指定還原波長，如果還原光的入射角度略微偏離提供衍射效率峰值的入射角度，則衍射效應不明顯。于是，即使反射光束54為P偏振光，該光束仍然幾乎不被全息圖層9衍射。
基于本發(fā)明的偏振選擇性全息光學器件的特性在于，將彎角|θs-θr|設置成不小于30°以減少干涉條紋間距∧，從而達到較高的衍射效率。然而如果彎角過大，例如為80°或更大，則能夠產(chǎn)生衍射效應的波長范圍和入射角度范圍減少，從而降低了光利用效率。
在實際的圖象顯示中，逐個象素地控制反射型FLC液晶板10的FLC層13，使得能夠主要通過出射光束52進行圖象顯示，其中如結(jié)合圖1A到1C所述，反射光的偏振態(tài)得到調(diào)制。
考慮還原光到H-PDLC板3的入射角度θin-air和還原光到全息圖層9的入射角度θin-med。如上所述，二者之間的關系為ngla·sin(θin-med)＝sin(θin-air)現(xiàn)在討論二者的變化率。對于ngla＝1.5，如果θin-air從55°到65°被改變10°，則θin-med僅從33.1°到37.2°改變4.1°。如果θin-med從65°到75°被改變10°，則θin-med從37.2°到40.1°改變2.9°。這等于通過乘以某個系數(shù)，這里為ngla的倒數(shù)，將sine函數(shù)的大變化率轉(zhuǎn)換成較小的變化率。這意味著可以抑制H-PDLC板3的衍射效率的還原光入射角度相關性導致的均勻度退化和衍射效率降低。
此外，ngla的數(shù)值越大，則θin-med相對θin-air的變化率可以更小。如參照圖11所述，對于ngla＝1.73，如果θin-air從55°改變成65°，則θin-med僅從28.3°到31.6°被改變3.3°，如果還原光到H-PDLC板3的入射角度θin-air具有非常大的數(shù)值，例如75°或更大，則S偏振光和P偏振光的表面反射系數(shù)均增加，并且變得難以使用例如抗反射膜進行抑制。
于是，在還原光到H-PDLC板3的入射角度θin-air超過75°的情況下，可以使用圖18(第二實施例)所示的耦合棱鏡20。然而在這種情況下，還原光到H-PDLC板3的入射角度θin-air等于還原光到全息圖層9的入射角度θin-med，使得在全息圖層9本身不具有更寬的入射角度范圍的情況下，光利用效率降低。
在基于本發(fā)明的反射型圖象顯示器件中，這樣的偏振選擇性全息光學器件的入射角度被定義成最小入射角度，其中如果使用這個耦合棱鏡20并且使衍射光束按照基本垂直的方向落在反射型空間光調(diào)制器上，則彎角為30°或更大。也就是說，30°的角度被設置成最小入射角度。
如圖19(第三實施例)所示，為了針對較大范圍的還原光保持高衍射效率，多個偏振選擇性全息光學器件3R、3G和3B被層疊在一起，照射反射型FLC液晶板10的光的波長范圍被分成多個部分，并且照明光的各個部分范圍的光束被唯一的偏振選擇性全息光學器件衍射。
盡管在本實施例中使用了3層結(jié)構，然而也可以使用4個或更加外層，也可以使用2個層。為了針對具有較大入射角度范圍的還原光保持高衍射效率，以下方式是足夠的，即具有不同的多個入射角度調(diào)節(jié)范圍的多個偏振選擇性全息光學器件被層疊在一起，使得各個部分范圍的每個均主要被相關的唯一偏振選擇性全息光學器件衍射。
圖象顯示器件的實施例(第四實施例)圖20示出了基于本發(fā)明的圖象顯示器件的實施例。偏振選擇性全息光學器件3被緊密地光學接合到全反射棱鏡(第一棱鏡)60。反射型空間光調(diào)制器10與偏振選擇性全息光學器件3基本平行，而全反射棱鏡60在反射型空間光調(diào)制器10和偏振選擇性全息光學器件3之間。
頂角等于全反射棱鏡60的頂角的校正棱鏡(第二棱鏡)61位于反射型空間光調(diào)制器10和全反射棱鏡60之間，其中2個頂角按照彼此的內(nèi)錯角關系等于棱鏡60的頂角。
下面說明這個圖象顯示設備的操作。也就是說，含有P偏振光分量和S偏振光分量的入射光束5按照傾斜方向落在偏振選擇性全息光學器件3上。在這個實施例中，上述具有垂直取向的全息光學器件3被用作偏振選擇性全息光學器件3。所以，入射到偏振選擇性全息光學器件3的P偏振光分量的主要部分變成衍射光束51，并且通過全反射棱鏡60內(nèi)部前進到反射型空間光調(diào)制器10。另一方面，入射到偏振選擇性全息光學器件3的S偏振光分量的主要部分變成非衍射光束(零階光)54，其剩余部分返回到偏振選擇性全息光學器件3并且再次被入射表面全反射，使得基本上整個光束最終被光吸收表面62吸收。
偏振選擇性全息光學器件3上衍射的P偏振光束51通過光路上布置的校正棱鏡61從與反射型空間光調(diào)制器10基本垂直的方向落在反射型空間光調(diào)制器10上。在本實施例中，具有垂直取向的反射型液晶板被用作反射型空間光調(diào)制器10。入射到反射型空間光調(diào)制器10的P偏振光束根據(jù)反射型空間光調(diào)制器10的各個象素的亮/滅改變其偏振方向，以便被轉(zhuǎn)換成S偏振光束，或者被直接反射成P偏振光束。
在反射型空間光調(diào)制器10上被反射成P偏振光束的光線通過校正棱鏡61和全反射棱鏡60重新入射到偏振選擇性全息光學器件3。于是重新入射到偏振選擇性全息光學器件3的P偏振光束被重新衍射并且返回到光入射方向A上。另一方面，由于被轉(zhuǎn)換成S偏振光，反射型空間光調(diào)制器10反射的光線以類似方式通過校正棱鏡61和全反射棱鏡60入射到偏振選擇性全息光學器件3。如此重新入射到偏振選擇性全息光學器件3的S偏振光52沒有被偏振選擇性全息光學器件3衍射，因此線性透過偏振選擇性全息光學器件3以到達觀察區(qū)域48。
有關投影型圖象顯示設備的實施例(第五實施例)下面說明具有上述偏振選擇性全息光學器件和反射型空間光調(diào)制器的投影型圖象顯示設備的實施例。
如圖21所示，作為本發(fā)明的第五實施例，可以使用作為反射型空間光調(diào)制器的反射型FLC板構造彩色投影型圖象顯示設備。在這個圖象顯示設備中，從照明光源20發(fā)射的照明光落在照明光學系統(tǒng)21上，照明光學系統(tǒng)21具有校正光束的剖面形狀，均勻強度和控制散射角度的功能。
這個照明光學系統(tǒng)21具有偏振轉(zhuǎn)換裝置(未示出)，并且在本實施例中，照明光學系統(tǒng)21將照明光的S偏振光分量的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°，并且將S偏振光轉(zhuǎn)換成P偏振光，使得偏振選擇性全息光學器件3上的入射光為P偏振光，從而改進光利用效率。穿過照明光學系統(tǒng)21的照明光通過濾色盤22以便落在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上。濾色盤22以時分方式將照明光源20發(fā)射的白光分割成紅、綠和藍頻譜分量，從而通過使用單板反射FLC板10的所謂場順序色彩技術可以實現(xiàn)彩色顯示。
入射到用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的照明光只有P偏振光分量被衍射，并且從接近60°的出射角度發(fā)射。S偏振光分量在沒有衍射的情況下線性透過用于校正的偏振選擇性全息光學器件23。用于校正的偏振選擇性全息光學器件23衍射的、主要由P偏振光分量組成的照明光接著落在偏振選擇性全息光學器件3上。
用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3具有相同的結(jié)構，并且彼此平行排列。所以，照明光在偏振選擇性全息光學器件3上的入射角度等于用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的照明光的出射角度。
這提供了以下2個主要優(yōu)點首先，可以平衡按照波長產(chǎn)生的衍射的角度的變化。其次，可以校正按照波長得到的衍射效率的入射角度相關性的差異。
現(xiàn)在說明第一個優(yōu)點。通過以下等式使全息圖的干涉條紋中的入射角度θc和衍射角度θi相關(sin{θs}-sin{θr})/λ＝(sin{θc}-sin{θc})/λc其中θs是在造出全息圖時目標光的入射角度，θr是在造出全息圖時參考光的入射角度，λ是全息圖的設計波長，而λc是還原波長。
也就是說，具有某種指定干涉條紋的全息圖的衍射角度表現(xiàn)出入射光波長相關性，其中干涉條紋間距∧越小，其變化率越大。其間，干涉條紋間距∧具有下面等式所示的關系∧＝λ/|sin{θs}-sin{θr}|。
例如，如果θs＝0°，θr＝60°，λ＝550nm并且θc＝60°，并且如果λc從450nm改變成650nm，則衍射角度從9°改變成-9°。這意味著照明光到反射型空間光調(diào)制器的入射角度因波長的不同而不同。
對于如投影型圖象顯示設備所示的真成象系統(tǒng)，照明光入射角度變化導致的一個主要問題是光使用效率的降低。也就是說，反射型空間光調(diào)制器上的照明光變得發(fā)散，從而降低了投影光學系統(tǒng)的光聚集率。對于虛擬圖象顯示設備，可能產(chǎn)生這樣的問題，即顯示圖象的色彩感覺因觀察者瞳孔的移動而改變。通過降低偏振選擇性全息光學器件3的允許衍射頻譜并且以波段方式提供多個偏振選擇性全息光學器件3可以抑制這些問題。
然而，以波段方式將照明光分割成無限小的部分是不現(xiàn)實的，因此難以完全消除衍射角度的波長相關性。所以，2個具有相同性能的偏振選擇性全息光學器件3、23被用來校正波長相關性。
在經(jīng)過偏振選擇性全息光學器件3的衍射之后入射到反射型空間光調(diào)制器10的S偏振照明光被這個反射型空間光調(diào)制器10相位調(diào)制，并且重新穿過偏振選擇性全息光學器件3以便通過選擇性地只透過S偏振光的偏振片24落在投影光學系統(tǒng)25上。通過這個投影光學系統(tǒng)25，反射型空間光調(diào)制器10上顯示的光學圖象被放大投射在屏幕26上。
另一方面，前向光路上未被偏振選擇性全息光學器件3衍射的P偏振光的剩余照明光直接穿過偏振選擇性全息光學器件3，并且在反射型空間光調(diào)制器10的鋁反射面14上被規(guī)則反射，以便沿著圖21中的方向C重新發(fā)射。由于這種照明光往往成為漫射光以致顯示圖象對比度發(fā)生退化，其能量被光吸收裝置27吸收。
下面參照圖22說明用于校正的偏振選擇性全息光學器件23對入射角度的校正。根據(jù)上述等式，用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的出射角度θi-1由下面等式提供sin(θi-1)＝λc/λ(sin{θs}-sin{θr})+sin(θc)其中，如果θs＝θc＝0°，則sin(θi-1)＝-λc/λsin(θr)......(1)。
如果還原波長L(例如紅光)、M(例如綠光)和S(例如藍光)滿足關系L＞M＞S，則各個衍射角度θi-1L，θi-1M和θi-1S滿足下面關系θi-1L＞θi-1M＞θi-1S如果將這個關系應用于同用于校正的偏振選擇性全息光學器件23平行排列的偏振選擇性全息光學器件3，則入射角度變成θi-1，使得發(fā)射角度θi-2滿足下面等式(Sin{θs}-sin(θr}/λ＝(sin{θi-2}-sin{θi-1})/λc......(2)。
根據(jù)等式(1)和(2)，θi-2＝θs＝0°，使得不管還原波長如何照明光在反射型空間光調(diào)制器10上的入射角度可以始終為0°。
現(xiàn)在說明上述第二個優(yōu)點。圖23到25示出了設計波長為532nm，目標光入射角度為0°，參考光入射角度為60°，平均折射系數(shù)為1.52并且全息厚度為5μm的偏振選擇性全息光學器件的衍射效率的入射角度相關性。圖23、24和25分別示出了還原波長為450nm、550nm和650nm的情況。
綜合根據(jù)衍射效率和各個波長的入射角度相關性，可以發(fā)現(xiàn)提供衍射效率峰值的入射角度因波長的不同而不同，使得在長波長側(cè)入射角度越大則衍射效率越高，而在短波長側(cè)入射角度越小則衍射效率越高。此外，如圖22所示，在使用用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的情況下，偏振選擇性全息光學器件3上長波長側(cè)照明光的入射角度較大，而短波長側(cè)照明光的入射角度較小。于是，通過使用用于校正的偏振選擇性全息光學器件23，可以在較寬的波長范圍上實現(xiàn)高衍射效率，從而保持較高的光利用效率。
如上所述，通過合并偏振選擇性全息光學器件3和用于校正的偏振選擇性全息光學器件23，即使照明光具有較寬的波長范圍，也可以按照相同的入射角度高效照射反射型空間光調(diào)制器10。
應當注意，在本實施例中，主光束相對反射型空間光調(diào)制器10的入射角度未被設置成0°，而是被設置成θobl。其原因在于，具有一定厚度的透射全息圖不能實現(xiàn)高折射系數(shù)，除非彎角具有更大的數(shù)值。也就是說，彎角需要被設置成較大的數(shù)值。于是，這個θobl被設置成擴大偏振選擇性全息光學器件3在入射平面中的彎角。如果θobl被設置成非常大的數(shù)值，則產(chǎn)生了這樣的問題，即反射型空間光調(diào)制器10的對比度退化，投影光學系統(tǒng)25的尺寸增加，并且顯示圖象的失常加大。因此通常期望這個θobl不大于30°。
然而，如果投影光學系統(tǒng)25是偏置光學系統(tǒng)，并且有效使用反射型空間光調(diào)制器10的傾斜出射光，則隨著顯示圖象的中心偏離投影光學系統(tǒng)25的光軸，可以降低投影光學系統(tǒng)25的有效系統(tǒng)的尺寸。
反之，如果偏振選擇性全息光學器件的折射系數(shù)調(diào)制系數(shù)充分地大，例如為0.05或更高，那么即使彎角大約為50°，也可以實現(xiàn)足夠的衍射效率，使得為了提高允許波長范圍和允許入射角度，根據(jù)需要將θobl設置在降低彎角的方向上。在這種情況下，基于上述原因不能過度增加θobl的絕對數(shù)值，并且該絕對數(shù)值最好大約為10°。
圖26A、26B和27A、27B分別示出了較大彎角(θobl＝10°)和較小彎角( θobl＝-10°)情況下衍射效率的還原波長相關性和入射角度相關性。根據(jù)圖26A、26B、27A和27B可以發(fā)現(xiàn)，對于較小彎角(θobl＝-10°)的情況，涉及還原波長和入射角度的衍射效率發(fā)生較小的退化。
圖象顯示設備的第六實施例作為本發(fā)明的第六實施例，下面參照圖28說明使用反射型TN液晶板作為反射型空間光調(diào)制器的彩色投影型圖象顯示設備。
在這個圖象顯示設備中，從照明光源20發(fā)射的照明光落在照明光學系統(tǒng)21上，照明光學系統(tǒng)21具有校正光束的剖面輪廓，均勻強度和控制散射角度的功能。這個照明光學系統(tǒng)21具有偏振轉(zhuǎn)換裝置(未示出)。在本實施例中，通過將照明光的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°將S偏振光轉(zhuǎn)換成P偏振光，使得偏振選擇性全息光學器件3上的入射光成為P偏振光，從而改進了光利用效率。
穿過照明光學系統(tǒng)21的照明光穿過適于選擇性透過P偏振光的偏振片28，以便落在用于藍、綠和紅色的分色鏡29、30、31上。排列這些分色鏡29到31，使得其反射面與照明光前進方向所成的角度θb，θg，θr滿足關系θb＜θg＜θr。所以，這些分色鏡29到31與參照圖21說明的第五實施例的用于校正的偏振選擇性全息光學器件23起著相同的作用。
也就是說，紅光到偏振選擇性全息光學器件3的入射角度最大，而綠光和藍光到偏振選擇性全息光學器件3的入射角度依次變小。光束偏振選擇性全息光學器件3的各個光束被用于各個顏色的3個全息圖層9r、9g和9b聚合在反射型空間光調(diào)制器的對應色彩的鋁象素電極14r、14g和14b上。在前向和后向穿過TN液晶層13的照明光被相位調(diào)制，其S偏振光分量未經(jīng)偏振選擇性全息光學器件3的衍射而前進，從而通過被用來選擇性地透過S偏振光分量的偏振片24落在投影光學系統(tǒng)25上。入射到投影光學系統(tǒng)25的圖象光束被投射在屏幕26上。
圖象顯示設備的第七實施例作為本發(fā)明的第七實施例，下面說明使用3個反射型反鐵電體液晶板10r、10g、10b作為反射型空間光調(diào)制器的彩色投影顯示設備。
在這個圖象顯示設備中，從照明光源20發(fā)射的照明光落在照明光學系統(tǒng)21上，照明光學系統(tǒng)21具有校正光束的剖面輪廓，均勻強度和控制散射角度的功能。這個照明光學系統(tǒng)21具有偏振轉(zhuǎn)換裝置(未示出)。在本實施例中，通過將照明光的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°將S偏振光轉(zhuǎn)換成P偏振光分量，使得偏振選擇性全息光學器件3上的入射光成為P偏振光分量，從而改進了光利用效率。
穿過照明光學系統(tǒng)21的照明光落在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上，其中只有P偏振光分量被衍射，并且從接近60°的出射角度發(fā)射。S偏振光分量在沒有經(jīng)過衍射的情況下線性透過用于校正的偏振選擇性全息光學器件23。
作為被用于校正的偏振選擇性全息光學器件23衍射的P偏振光的照明光穿過偏振片28，而偏振片28選擇性地透過P偏振光分量。于是，光落在偏振選擇性全息光學器件3上。由于用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3具有相同的結(jié)構并且彼此平行排列，偏振選擇性全息光學器件3上的照明光入射角度等于用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的照明光出射角度。
主要由P偏振光分量組成并且入射到偏振選擇性全息光學器件3的照明光被偏振選擇性全息光學器件3按照基本垂直的方向衍射以便落在交叉分色棱鏡32上，從而將其分離成紅光束、綠光束和藍光束。
各個分離的彩色光束落在相關的反射型空間光調(diào)制器10r、10g和10b上，以便經(jīng)過逐個彩色光束和逐個象素的調(diào)制而被反射出去。調(diào)制的彩色光束再次入射到交叉分色棱鏡32以進行重新合成，并且接著重新入射到偏振選擇性全息光學器件3。S偏振光分量在不經(jīng)過衍射的情況下穿過偏振選擇性全息光學器件3，并且接著穿過適于選擇性地透過S偏振光分量的偏振片24。通過這種方式，S偏振光分量落在投影光學系統(tǒng)25上。通過這種投影光學系統(tǒng)25，在屏幕26上形成顯示圖象的圖象。
圖象顯示設備的第八實施例作為本發(fā)明的第八實施例，下面參照圖30說明使用反射型FLC板作為反射型空間光調(diào)制器的彩色投影型圖象顯示設備。
在這個圖象顯示設備中，從照明光源20發(fā)射的照明光落在照明光學系統(tǒng)21上，照明光學系統(tǒng)21具有校正光束的剖面輪廓，均勻強度和控制散射角度的功能。這個照明光學系統(tǒng)21具有偏振轉(zhuǎn)換裝置(未示出)。在本實施例中，通過將照明光的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°將S偏振光轉(zhuǎn)換成P偏振光，使得偏振選擇性全息光學器件3上的入射光成為P偏振光，從而改進了光利用效率。
穿過照明光學系統(tǒng)21的照明光穿過偏振片28，而偏振片28適于選擇性地透過P偏振光分量。如此透過的光接著落在彩色光閘22上。彩色光閘22的功能是將從照明光源20發(fā)射并且形成線性偏振光的指定波長范圍的白光的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°。如此，通過對穿過彩色光閘22的照明光進行偏振檢測可以按照時分方式將照明光分離成部分頻譜分量。
通過這種時分方式，能夠通過具有單板反射型FLC板10的′場順序色彩技術′實現(xiàn)彩色顯示(參見Gray D.Sharp和KristinaM.Johnson，High Brightness Saturated Color ShutterTechnology，SID Symposium，Vol.27，p411，1996)。
在本實施例中，控制這種彩色光閘22，使得以時分方式透過2個頻譜，即紅光-藍光(深紅)和紅光-綠光(黃)。也就是說，光閘交替地將從照明光源20入射的綠光和藍光的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°。穿過彩色光閘22的照明光落在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上，其中只有P偏振光分量被衍射，并且從接近60°的出射角度發(fā)射。此時，被彩色光閘22形成為S偏振光的綠光或藍光交替地線性穿過用于校正的偏振選擇性全息光學器件23，并且沒有經(jīng)過任何衍射。
用于校正的偏振選擇性全息光學器件23衍射的、主要由P偏振光分量組成的照明光落在偏振選擇性全息光學器件3上。由于用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3具有相同的結(jié)構并且彼此平行排列，偏振選擇性全息光學器件3上的照明光入射角度等于用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的照明光出射角度。
照明光的入射到偏振選擇性全息光學器件3的P偏振光分量被衍射，以便從偏振選擇性全息光學器件3沿著基本垂直的方向發(fā)射并落在分色棱鏡34上。在入射到分色棱鏡34的照明光中，只有紅光在其前進方向上被偏轉(zhuǎn)90°，主要包含綠光和藍光的波長范圍的照明光剩余部分穿過棱鏡。2個彩色光束入射到相關的反射型空間光調(diào)制器10r、10gb上，以便經(jīng)過彩色光束和象素方式的調(diào)制而被反射出去。
應當注意，′場順序色彩技術′以時分方式顯示綠光和藍光。以時分方式顯示綠光分量和藍光分量并且同時沒有顯示紅光的原因在于，如果使用常見照明光源并且設置白均衡以考慮人類視覺靈敏度，則紅光的輸出光量最不足夠。
調(diào)制的各個彩色光分量被重新入射到分色棱鏡34并且被重新合成，以便重新入射到偏振選擇性全息光學器件3。S偏振光分量在不經(jīng)過衍射的情況下被透過，并且接著落在適于選擇性地透過S偏振光分量的投影光學系統(tǒng)25上。通過這種投影光學系統(tǒng)25，在屏幕26上形成顯示圖象的圖象。
參照圖31，通過將玻璃板20放置在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3之間，并且通過擴大用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3的全息圖層的有效彎角，可以改進衍射效率。
然而，此時降低了在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3中產(chǎn)生衍射效應的入射角度和波長范圍的范圍。其間，用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和玻璃板20需要緊密地光學接合，并且類似地，偏振選擇性全息光學器件3和玻璃板20也需要緊密地光學接合。
圖象顯示設備的第九實施例作為本發(fā)明的第九實施例，下面說明如圖32所示使用3個反射型液晶板10r、10g、10b作為反射型空間光調(diào)制器的彩色投影圖象顯示設備。
在這個圖象顯示設備中，從照明光源20發(fā)射的照明光落在照明光學系統(tǒng)21上，照明光學系統(tǒng)21具有校正光束的剖面輪廓，均勻強度和控制散射角度的功能。這個照明光學系統(tǒng)21具有偏振轉(zhuǎn)換裝置(未示出)。在本實施例中，通過將照明光的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°將S偏振光轉(zhuǎn)換成P偏振光，使得偏振選擇性全息光學器件3上的入射光成為P偏振光，從而改進了光利用效率。
穿過照明光學系統(tǒng)21的照明光落在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上，其中只有P偏振光分量被衍射和反射以落在偏振選擇性全息光學器件3上。照明光的S偏振光分量線性穿過用于校正的偏振選擇性全息光學器件23并且沒有經(jīng)過用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上的衍射。
應當注意，用于校正的偏振選擇性全息光學器件23充當反射型偏振選擇性全息光學器件。對于反射型，衍射波長范圍的容差數(shù)值小于透射型中的數(shù)值。于是，以下方式會更加有效，即盡可能使用在其頻譜中具有陡峭峰值的照明光源20，或逐個波長地制備多個全息圖并且將這些全息圖堆積在一起以便用作用于校正的偏振選擇性全息光學器件23。
主要由P偏振光分量組成的入射照明光被偏振選擇性全息光學器件3衍射，以便接著垂直發(fā)射并落在分色棱鏡模塊35上。這個分色棱鏡模塊由3個分色棱鏡構成，并且包含2個邊界表面35b、35g。入射到分色棱鏡模塊35的照明光首先落在只反射藍彩色光的邊界表面35b上。穿過邊界表面35b的除了藍光之外的光落在只反射綠光的另一個邊界表面35g上，因此照明光被分離成R(紅)、G(綠)和B(藍)光束。
如此分離的各個彩色光束落在反射型空間光調(diào)制器10r、10g和10b上，以便經(jīng)過逐個彩色光束和逐個象素的調(diào)制而被反射出去。如此調(diào)制的各個彩色光束被重新入射到分色棱鏡模塊35以便進行重新合成。如此合成的各個彩色光束被重新入射到偏振選擇性全息光學器件3。此時，S偏振光分量在不經(jīng)過衍射的情況下被透過，并且通過偏振片24落在選擇性地透過S偏振光分量的偏振片24上。通過這種投影光學系統(tǒng)25，在屏幕26上形成顯示圖象的圖象。
圖象顯示設備的第十實施例作為本發(fā)明的第十實施例，下面說明如圖33所示使用2個反射型FLC板作為反射型圖象顯示器件的彩色投影型圖象顯示設備。
在這個圖象顯示設備中，從照明光源20發(fā)射的照明光落在照明光學系統(tǒng)21上，照明光學系統(tǒng)21具有校正光束的剖面輪廓，均勻強度和控制散射角度的功能。這個照明光學系統(tǒng)21具有偏振轉(zhuǎn)換裝置(未示出)。在本實施例中，通過將照明光的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°將P偏振光轉(zhuǎn)換成S偏振光，使得偏振選擇性全息光學器件3上的入射光成為P偏振光，從而改進了光利用效率。
穿過照明光學系統(tǒng)21的照明光穿過偏振片28以落在彩色光閘22上，而偏振片28適于選擇性地透過S偏振光分量。這個彩色光閘22以時分方式將從照明光源20發(fā)射的白光分離成部分頻譜分量。通過這種時分方式，能夠通過具有單板反射型FLC板10的′場順序色彩技術′實現(xiàn)彩色顯示(參見Gray D.Sharp和Kristina M.Johnson，High Brightness Saturated ColorShutter Technology，SID Symposium，Vol.27，p411，1996)。
在本實施例中，控制這種彩色光閘22，使得以時分方式透過2個波段，即紅光-藍光(深紅)和紅光-綠光(黃)。也就是說，彩色光閘22交替地將入射綠光和藍光束的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°。從彩色光閘22發(fā)射的照明光落在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上，其中只有S偏振光被衍射，并且從接近70°的出射角度發(fā)射。被彩色光閘22變成P偏振光的綠和藍光束線性前進并且在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上不被衍射，使得這些光束交替地穿過用于校正的偏振選擇性全息光學器件23。
用于校正的偏振選擇性全息光學器件23衍射的、主要由S偏振光分量組成的照明光落在第一耦合棱鏡37上，第一耦合棱鏡37緊密地光學接合到用于校正的偏振選擇性全息光學器件23。從用于校正的偏振選擇性全息光學器件23發(fā)射的照明光在第一耦合棱鏡37和用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的玻璃基底36之間的接合邊界表面上沒有被折射，因為這些構件由具有接近相等的折射系數(shù)的玻璃材料組成。于是，照明光落在第一耦合棱鏡37上并且沒有改變其角度。
入射到第一耦合棱鏡37的照明光沿著基本垂直的方向從第一耦合棱鏡37的光學表面38發(fā)射。發(fā)射的光接著落在適于根據(jù)其波長范圍將入射線性偏振光的取向旋轉(zhuǎn)90°的彩色選擇器33上(參見Gray D.Sharp和J.R.Bridge，Retarder StackTechnology for Color Manipulation，SID Symposium，Vo1.30，p1072，1999)。
在本實施例中，保留紅彩色光線的入射偏振(S偏振光)的取向，同時將藍和綠光的取向旋轉(zhuǎn)90°，使得這些光束變成P偏振光。從彩色選擇器33發(fā)射的照明光落在第二耦合棱鏡20的光學表面39上，第二耦合棱鏡20緊密地光學接合到偏振選擇性全息光學器件3。這個光學表面39與第一耦合棱鏡37的光學表面38基本平行。于是，入射照明光在基本沒有經(jīng)過第二耦合棱鏡20的光學表面39上的任何折射的情況下線性前進，從而直接落在偏振選擇性全息光學器件3上。
在這個偏振選擇性全息光學器件3中，作為S偏振光的紅光在沒有經(jīng)過衍射的情況下穿過第三耦合棱鏡40，從而落在用于紅光的反射型空間光調(diào)制器10r上。另一方面，作為P偏振光束的藍和綠光束被衍射并在其前進方向上偏轉(zhuǎn)接近70°，從而通過第三耦合棱鏡40落在用于藍和綠光的反射型空間光調(diào)制器10gb上。
由于彩色光閘22以時分方式交替地透過藍和綠光束，因此以在其間建立同步的方式控制用于藍光和綠光的反射型空間光調(diào)制器10gb。以時分方式顯示綠光分量和藍光分量并且同時沒有顯示紅光的原因在于，如果使用常見照明光源并且設置白均衡以考慮人類視覺靈敏度，則紅光的輸出光量最不足夠。
被各個反射型空間光調(diào)制器10b和10gb調(diào)制的照明光重新入射到偏振選擇性全息光學器件3。在用于藍光和綠光的反射型空間光調(diào)制器10gb的反射光中，沿著基本垂直的方向從偏振選擇性全息光學器件3發(fā)射S偏振光分量，并且s偏振光分量沒有經(jīng)過衍射。在用于紅光的反射型空間光調(diào)制器10r的反射光中，P偏振光分量也被衍射并且沿著垂直方向從偏振選擇性全息光學器件3發(fā)射。
這2個反射光束穿過第二耦合棱鏡20以落在與這個第二耦合棱鏡20的光學表面接合的彩色選擇器33b上。通過這個彩色選擇器33b，保留藍和綠光束的入射偏振(S偏振光)的偏振，同時紅光的偏振取向被旋轉(zhuǎn)90°以變成S偏振光。
這些照明光束通過適于選擇性地透過S偏振光的偏振片24落在投影光學系統(tǒng)25上，以便投影光學系統(tǒng)25在屏幕26上形成顯示圖象的圖象。
用于藍光和綠光的反射型空間光調(diào)制器10gb的反射光中的P偏振光分量被偏振選擇性全息光學器件3衍射并且穿過其中，從而沿著相反方向從照明光路的前向路徑向后行進。類似地，用于紅光的反射型空間光調(diào)制器10r的反射光中的S偏振光沿著相反方向從照明光路的前向路徑向后行進，其中沒有被偏振選擇性全息光學器件3衍射。
如圖34所示，通過光學合并用于校正的偏振選擇性全息光學器件23、第一耦合棱鏡37、彩色選擇器33、第二耦合棱鏡20、偏振選擇性全息光學器件3、第三耦合棱鏡40和彩色選擇器33b，可以形成本實施例。
圖象顯示設備的第十一實施例作為本發(fā)明的第十一實施例，下面說明如圖35所示的使用反射型FLC板作為反射型空間光調(diào)制器的彩色投影型圖象顯示設備。
在這個圖象顯示設備中，照明光源20發(fā)射的照明光落在照明光學系統(tǒng)21上，照明光學系統(tǒng)21具有校正光束的剖面輪廓，均勻強度和控制散射角度的功能。這個照明光學系統(tǒng)21具有偏振轉(zhuǎn)換裝置(未示出)。在本實施例中，通過將照明光的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°將S偏振光轉(zhuǎn)換成P偏振光，使得偏振選擇性全息光學器件3上的入射光成為P偏振光，從而改進了光利用效率。
穿過照明光學系統(tǒng)21的照明光穿過濾色盤22以落在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上。這個濾色盤22以時分方式將從照明光源20發(fā)射的白光分離成紅、綠和藍分量組成的頻譜分量。通過這種時分方式，可以使用具有單板反射型FLC板10的′場順序色彩技術′實現(xiàn)彩色顯示。
在按照60°的入射角度入射到用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的照明光中，只有P偏振光分量被衍射并且按照接近0°的出射角度發(fā)射。
S偏振光線性前進以穿過用于校正的偏振選擇性全息光學器件23，并且在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上沒有經(jīng)過衍射。
從用于校正的偏振選擇性全息光學器件23衍射、主要由P偏振光分量組成的照明光落在偏振選擇性全息光學器件3上。用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3具有相同的構造并且被如此排列，使得用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3上的照明光入射角度彼此接近相等，其中假定在從照明光側(cè)(入射側(cè))觀察時，二者的衍射(彎角)方向彼此相等。通過這個方案可以得到2個優(yōu)點，即可以平衡根據(jù)波長的衍射角度中的波動的優(yōu)點，和可以校正根據(jù)波長的衍射效率的入射角度相關性中的差異的優(yōu)點。
其間，如圖35中的的點線所示，可以在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3之間的空間內(nèi)提供耦合棱鏡20。然而，由于在這種情況下彎角有所不同，用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3不應當為一個和相同的全息圖單元。
用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上的入射角度象偏振選擇性全息光學器件3上那樣被設置成接近60°的原因是，有必要減小用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的衍射效率的入射角度相關性。
偏振選擇性全息光學器件3衍射的P偏振光按照0°的出射角度從這個偏振選擇性全息光學器件3發(fā)射，從而落在反射型空間光調(diào)制器10上。排列這個反射型空間光調(diào)制器10，使得其如圖35的箭頭a所示的縱向與照明光的入射角度的方向一致。這是由于需要減小沿著衍射方向入射到用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的照明光的有效寬度。也就是說，為提高光利用效率，需要將這個有效寬度的減少量值降低到盡可能小的數(shù)值。
為此，照明光源20的光發(fā)射部分20a的縱向與圖35的圖紙垂直。其原因在于，由于上述Lagrange-Helmholtz不變式，當光發(fā)射部分較小時，散射角度不易于隨光束直徑的降低而增加，也就是說，如果照明光沿著相對空間光調(diào)制器的傾斜方向入射，減少光發(fā)射部分在與光入射方向一致的方向上的長度會更利于改進光利用效率。
在經(jīng)過反射型空間光調(diào)制器10的相位調(diào)制之后被反射的S偏振光穿過偏振選擇性全息光學器件3，并且接著穿過偏振片24，偏振片24選擇性地只透過S偏振光。S偏振光接著落在投影光學系統(tǒng)25上。通過這個投影光學系統(tǒng)25，反射型空間光調(diào)制器10上顯示的光學圖象被放大投射成屏幕26上的顯示圖象。
在P偏振光中，前向光路上未經(jīng)偏振選擇性全息光學器件3衍射的剩余照明光直接穿過偏振選擇性全息光學器件3并且經(jīng)過反射型空間光調(diào)制器10的鋁反射面14的規(guī)則反射，從而沿著圖35中C指示的方向再次退出。這個照明光往往變成漫射光，導致顯示圖象對比度的退化。所以光吸收裝置27被用來吸收其能量。
圖象顯示設備的第十二實施例作為本發(fā)明的第十二實施例，下面參照圖36說明使用反射型FLC板作為反射型空間光調(diào)制器的彩色投影型圖象顯示設備。
在這個圖象顯示設備中，從照明光源20發(fā)射的照明光落在照明光學系統(tǒng)21上，照明光學系統(tǒng)21具有校正光束的剖面輪廓，均勻強度和控制散射角度的功能。這個照明光學系統(tǒng)21具有偏振轉(zhuǎn)換裝置(未示出)。在本實施例中，通過將照明光的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°將S偏振光轉(zhuǎn)換成P偏振光，使得偏振選擇性全息光學器件3上的入射光成變成P偏振光，從而改進了光利用效率。
穿過照明光學系統(tǒng)21的照明光穿過濾色盤22以落在用于校正的偏振選擇性全息光學器件23上。這個濾色盤22以時分方式將從照明光源20發(fā)射的白光分離成紅、綠和藍分量組成的頻譜分量。通過這種時分方式，可以使用具有單板反射型FLC板10的′場順序色彩技術′實現(xiàn)彩色顯示。
按照θin23的入射角度入射到用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的照明光只有P偏振光分量被衍射并且按照θout23的出射角度發(fā)射。S偏振光在沒有經(jīng)過衍射的情況下穿過這個用于校正的偏振選擇性全息光學器件23，以便沿著直光路前進。
用于校正的偏振選擇性全息光學器件23衍射的、主要由P偏振光分量組成的照明光按照θin23的入射角度落在偏振選擇性全息光學器件3上。應當注意，用于校正的偏振選擇性全息光學器件23和偏振選擇性全息光學器件3具有相同的結(jié)構。此外，用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的入射角度θin23等于偏振選擇性全息光學器件3的入射角度，同時用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的出射角度θout23等于偏振選擇性全息光學器件3的出射角度，其中假定從光照射側(cè)觀察，2個光束的衍射方向(彎角)相反。這提供了2個上述優(yōu)點，即可以彌補波長造成的衍射角度變化，以及可以校正根據(jù)波長的衍射效率的入射角度相關性中的差異。
如圖36所示，在本實施例中，偏振選擇性全息光學器件3和反射型空間光調(diào)制器10彼此按照θholo的張角排列。也就是說，為了減小偏振選擇性全息光學器件3和用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的衍射效率的波長和入射角度相關性，可以減小彎角。因此，可以考慮下面2個方法，即(i)減少入射角度的方法；和(ii)在減少彎角的方向上增加出射角度的方法。如上所述，由于到全息圖層的入射角度的變化往往會增加，因此(i)中′減少入射角度′的方法是不期望的。所以可以使用(ii)中在減少彎角的方向上增加出射角度的方法。
在本實施例中，偏振選擇性全息光學器件3的出射角度θin23和p23的出射角度θout23被設置成接近5°到20°以便減小彎角。如圖36所示，如果通過這種方式規(guī)定入射照明光、偏振選擇性全息光學器件3和用于校正的偏振選擇性全息光學器件23中間的關系，并且使從偏振選擇性全息光學器件3衍射發(fā)射的光成直角落到反射型空間光調(diào)制器10，則偏振選擇性全息光學器件3和反射型空間光調(diào)制器10需要按照相對于彼此的張角θholo(＝θout23)排列。
于是，偏振選擇性全息光學器件3衍射的P偏振光基本垂直地落在反射型空間光調(diào)制器10上。排列這個反射型空間光調(diào)制器10，使得其如圖36的箭頭a所示的縱向與照明光的入射角度的方向一致。這樣做的目的是將衍射方向上入射到用于校正的偏振選擇性全息光學器件23的照明光的有效寬度減少到盡可能小的數(shù)值以便提高光利用效率。
為此，照明光源20的光發(fā)射部分20a的縱向與圖35的圖紙垂直。這樣做的原因在于，根據(jù)上述Lagrange-Helmholtz不變式，對于較小尺寸的光發(fā)射部分，當光束直徑減小時，散射角度幾乎不增加。也就是說，如果使照明光相對空間光調(diào)制器傾斜落下，可以有效提高光利用效率，從而縮短了光發(fā)射部分在與光入射方向一致的方向上的長度。
經(jīng)過反射型空間光調(diào)制器10的相位調(diào)制而被反射的S偏振光穿過偏振選擇性全息光學器件3，并且接著穿過偏振片24，偏振片24選擇性地透過S偏振光。光接著入射到投影光學系統(tǒng)25上。為了校正因穿過偏振選擇性全息光學器件3而造成的散光失常，按照與偏振選擇性全息光學器件3相對反射型空間光調(diào)制器10的傾斜角度θholo具有相同絕對數(shù)值但方向相反的傾斜角度θpol排列偏振片24。偏振片24的這個傾斜消除了調(diào)制的照明光中的散光失常。通過入射到投影光學系統(tǒng)25的照明光，反射型空間光調(diào)制器10上顯示的光學圖象被放大投射成屏幕26上的顯示圖象。
圖象顯示器件的第十三實施例作為基于本發(fā)明的圖象顯示設備(投影型)的第十三實施例，下面參照圖37說明使用唯一反射FLC板作為反射型空間光調(diào)制器的彩色投影型圖象顯示設備。
從照明光源20發(fā)射的照明光落在照明光學系統(tǒng)21上，照明光學系統(tǒng)21具有校正光束的剖面輪廓，均勻強度和控制散射角度的功能。這個照明光學系統(tǒng)21具有偏振轉(zhuǎn)換裝置(未示出)。在本實施例中，其液晶分子取向與面板表面平行的上述全息PDLC板被用作偏振選擇性全息光學器件3。所以，通過將偏振取向旋轉(zhuǎn)90°，具有P偏振光分量的照明光部分被轉(zhuǎn)換成S偏振光，使得偏振選擇性全息光學器件3上的入射光成為S偏振光，從而改進了光利用效率。
在照明光學系統(tǒng)21內(nèi)提供上述濾色盤22。這個濾色盤22以時分方式將從照明光源20發(fā)射的白光分離成紅、綠和藍分量組成的頻譜分量。通過這種時分方式，可以使用以單板反射型FLC板10充當反射型空間光調(diào)制器的′場順序色彩技術′實現(xiàn)彩色顯示。
照明光通過反射鏡63落在偏振選擇性全息光學器件3上。照明光的大部分S偏振光分量在其前進方向上被衍射和轉(zhuǎn)換，其中的P偏振光分量則線性前進，以便在沒有衍射的情況下穿過偏振選擇性全息光學器件3。作為非衍射光(零階光)的S偏振光分量在其第一光學表面與偏振選擇性全息光學器件3緊密接合的三角棱鏡(第一棱鏡)60的第二光學表面64上被全反射，并且在不落到反射型空間光調(diào)制器10上的情況下從第三光學表面(光出射表面)發(fā)射。
作為偏振選擇性全息光學器件3衍射的光的S偏振光從三角棱鏡60的第二光學表面64發(fā)射，以便通過用于校正的棱鏡(第二棱鏡)61落在反射型空間光調(diào)制器10上。其偏振方向被反射型空間光調(diào)制器10根據(jù)顯示圖象調(diào)制過的照明光通過用于校正的棱鏡61和三角棱鏡60重新入射到偏振選擇性全息光學器件3。大部分S偏振光被衍射并且沿著照明光的光入射方向返回，而P偏振光在沒有衍射的情況下線性穿過偏振選擇性全息光學器件3。由于線性透過偏振選擇性全息光學器件3的光含有S偏振光分量，因此被偏振片24檢測到，偏振片24適于選擇性地透過S偏振光分量并且中斷P偏振光分量。投影光學系統(tǒng)25將如此透過的光在屏幕26上形成空間光調(diào)制器10的擴大圖象。
如圖37所示，在本實施例中，偏振選擇性全息光學器件3和反射型空間光調(diào)制器10按照θ的張角排列?，F(xiàn)在說明其目的。
為了減少偏振選擇性全息光學器件3的波長和入射角度相關性，可以減少彎角。因此，可以考慮2個方法，即減少入射角度的方法和選擇在減少彎角的方向上具有較大數(shù)值的出射角度的方法。由于增加了全息圖層入射角度的波動，減少入射角度的技術是不期望的。所以，選擇在減少彎角的方向上具有較大數(shù)值的出射角度的技術是更加期望的。在本實施例中，這個角度θ的數(shù)值被設置成接近10 °。
另一方面，反射型空間光調(diào)制器10具有矩形屏幕區(qū)域(偏振調(diào)制區(qū)域)，并且被如此排列，使得照明光的入射角度的方向被包含在矩形屏幕區(qū)域的縱向的平面內(nèi)。這樣做的原因在于，水平排列的偏振選擇性全息光學器件3上的照明光傾斜入射其上，因此減少了入射照明光的有效寬度，使得有必要將有效寬度的減少的量值減少到盡可能小的數(shù)值，以便增加光利用效率。
基于相同的原因，照明光源20的光發(fā)射部分的縱向與圖37的圖紙垂直。這樣做的原因在于，根據(jù)上述Lagrange-Helmholtz不變式，對于較小尺寸的光發(fā)射部分，當光束直徑減小時，散射角度幾乎不增加。也就是說，象在本發(fā)明中那樣，如果使照明光相對空間光調(diào)制器傾斜落下，可以有效提高光利用效率，從而縮短了光發(fā)射部分在與光入射方向一致的方向上的長度。
此外，按照傾斜角度與偏振選擇性全息光學器件3，用于校正的棱鏡61和三角棱鏡60的角度相對排列偏振片24，以便校正遭受的散光失常的調(diào)制光的失常，所述散光失常是調(diào)制光穿過這些光學部件所帶來的結(jié)果。這消除了調(diào)制光的散光失常，從而實現(xiàn)了清晰的圖象呈現(xiàn)。
有關虛擬圖象顯示設備的實施例(第十四實施例)作為本發(fā)明的第十四實施例，下面說明如圖38所示使用虛擬圖象形成光學系統(tǒng)和反射型FLC板作為反射型空間光調(diào)制器的圖象顯示設備。
在這個圖象顯示設備中，從透鏡LED光源41發(fā)射的照明光穿過偏振片42以落在偏振選擇性全息光學器件3上，透鏡LED光源41用于順序并獨立地發(fā)射三個彩色光束，即紅光束、綠光束和藍光束，偏振片42用于選擇性地透過P偏振光分量。這個入射光被偏振選擇性全息光學器件3衍射以便基本垂直地落在反射型FLC板10上。
經(jīng)過反射型FLC板10的相位調(diào)制的照明光被反射型FLC板10的鋁反射面14反射，并且重新入射到偏振選擇性全息光學器件3。此時P偏振光分量被偏振選擇性全息光學器件3重新衍射以前進到LED光源41，而S偏振光分量直接穿過偏振選擇性全息光學器件3并且被偏振片43檢測，偏振片43選擇性地透過S偏振光分量。如此檢測的S偏振光分量從自由形式表面折射面45入射到自由形式表面棱鏡44，自由形式表面棱鏡44形成用于觀察虛擬圖象的光學系統(tǒng)。
入射到自由形式表面棱鏡44的光被第一光學表面46全反射，并且接著被第二自由形式反射面47反射，以便穿過第一光學表面46以到達觀察者的觀察區(qū)域48。為了擴大觀察區(qū)域48，可以在LED光源41和偏振片42之間布置散射板，或者可以在偏振選擇性全息光學器件3上預先記錄干涉條紋以便在衍射時引發(fā)入射到偏振選擇性全息光學器件3的P偏振光中的散射。
作為本發(fā)明的第十五實施例，下面說明如圖39所示使用2個反射型FLC板作為反射型空間光調(diào)制器和虛擬圖象形成光學系統(tǒng)的圖象顯示設備。
在這個圖象顯示設備中，從透鏡LED光源41發(fā)射的照明光穿過偏振片42以落在偏振選擇性全息光學器件3上，透鏡LED光源41用于順序并獨立地發(fā)射三個彩色光束，即紅光束、綠光束和藍光束，偏振片42用于選擇性地透過P偏振光分量。在本實施例中，偏振選擇性全息光學器件3具有反射類型。入射到偏振選擇性全息光學器件3的照明光被偏振選擇性全息光學器件3衍射，并且被反射以便基本垂直地落在反射型FLC板10上。
經(jīng)過反射型FLC板10的相位調(diào)制的照明光被反射型FLC板10的鋁反射面14反射，并且重新入射到偏振選擇性全息光學器件3。此時，照明光的P偏振光分量被偏振選擇性全息光學器件3重新衍射和反射以便前進到LED光源42。S偏振光分量在不被偏振選擇性全息光學器件3衍射的情況下直接穿過偏振選擇性全息光學器件3。
如此穿過偏振選擇性全息光學器件3的S偏振光被適于選擇性地透過S偏振光的偏振片43檢測，并且接著入射到自由形式棱鏡44的自由形式折射面45，自由形式棱鏡44形成用于觀察虛擬圖象的光學系統(tǒng)。
入射到自由形式棱鏡44的光被第一光學表面46全反射，并且接著被第二自由形式折射面47全反射，以便穿過第一光學表面46以到達觀察者的觀察區(qū)域48。為了擴大觀察區(qū)域48，可以在LED光源41和偏振片42之間布置散射板，或者可以在偏振選擇性全息光學器件3上形成干涉條紋以便在衍射時引發(fā)入射到偏振選擇性全息光學器件3的P偏振光中的散射。
工業(yè)實用性在上述使用基于本發(fā)明的圖象顯示器件的圖象顯示設備中，不強制使用偏振分光器作為照射反射型空間光調(diào)制器的裝置，因此減少了設備的尺寸、重量和生產(chǎn)成本，并且改進了顯示圖象的對比度。
此外，在使用偏振選擇性全息光學器件的圖象顯示器件中，可以充分擴大P偏振光和S偏振光的衍射效率之間的差值，從而改進光利用效率和顯示圖象對比度，與傳統(tǒng)全息濾色鏡不同的是，通過順序?qū)盈B由2個區(qū)域中的每個組成的多個區(qū)域來得到所述偏振選擇性全息光學器件，所述2個區(qū)域中的每個區(qū)域均具有分別表現(xiàn)出不同的入射偏振取向相關性的折射系數(shù)值。
另外，通過使用偏振選擇性全息光學器件，P偏振光的衍射效率可以高于S偏振光的衍射效率，與傳統(tǒng)全息濾色鏡不同的是，通過順序?qū)盈B由2個區(qū)域中的每個組成的多個區(qū)域來得到所述偏振選擇性全息光學器件，所述2個區(qū)域中的每個區(qū)域均具有分別表現(xiàn)出不同的入射偏振取向相關性的折射系數(shù)值。因此，可以使P偏振光落在全息光學器件上，使得能夠平衡全息光學器件的玻璃基底上的表面反射以達到均勻照明，同時可以改進光利用效率和顯示圖象對比度。
在本發(fā)明的圖象顯示設備中，通過使用2個偏振選擇性全息光學器件照射反射型空間光調(diào)制器，可以平衡偏振選擇性全息光學器件的衍射角度的波長相關性，從而校正入射角度造成的衍射效率的降低以改進光利用效率。
圖象顯示設備可以適用于使用為各個彩色光束提供的多個反射型空間光調(diào)制器的圖象顯示設備，同時可以被構造成作為′場順序彩色系統(tǒng)′的圖象顯示設備。
在本發(fā)明的圖象顯示設備中，由于反射型空間光調(diào)制器和偏振選擇性全息光學器件之間不需要對齊，所以可以降低生產(chǎn)成本。并且可以改進顯示圖象的對比度，并且保持較高的光利用效率。另外，圖象顯示設備可以減少尺寸和厚度，并且可以使用用于觀察虛擬圖象的光學系統(tǒng)構造圖象顯示設備。
也就是說，本發(fā)明具有較高的照明光利用效率，可以減少尺寸和成本，并且提供實現(xiàn)顯示圖象的高均勻度和高對比度的圖象顯示器件和圖象顯示設備。
權利要求
1.一種圖象顯示器件，包括衍射照明光的偏振選擇性全息光學器件，所述器件包含由2個區(qū)域中的每個組成的多個區(qū)域，所述區(qū)域具有分別表現(xiàn)出不同入射偏振取向相關性的折射系數(shù)值，并且所述區(qū)域順序地并且交替地層疊；和調(diào)制所述偏振選擇性全息光學器件衍射的照明光的偏振態(tài)的反射型空間光調(diào)制器；使用入射角度相對其用于所述照明光的光接收表面的法線不小于30°且小于90°的照明光照射所述偏振選擇性全息光學器件，所述偏振選擇性全息光學器件衍射所述照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向所述反射型空間光調(diào)制器發(fā)射衍射光；對于經(jīng)過所述反射型空間光調(diào)制器的相位調(diào)制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，所述偏振選擇性全息光學器件表現(xiàn)出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上時衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一種偏振分量穿過光學器件。
2.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中所述偏振選擇性全息光學器件的所述2個區(qū)域中的一個表現(xiàn)出折射系數(shù)各向異性，而另一個區(qū)域表現(xiàn)出折射系數(shù)各向同性。
3.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中衍射效率不高于1％。
4.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中偏振選擇性全息光學器件允許照明光作為P偏振光入射其上。
5.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中偏振選擇性全息光學器件具有等于30°的彎角，以作為光到全息圖表面的入射角度和衍射的出射角度之間的差值。
6.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中偏振選擇性全息光學器件沿著擴張相對光入射平面內(nèi)的照明光接收表面的法線的彎角的方向，發(fā)射衍射產(chǎn)生的出射光。
7.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中偏振選擇性全息光學器件由多個全息圖層構成，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的波長相關性。
8.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中偏振選擇性全息光學器件由多個全息圖層構成，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的入射角度相關性。
9.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中偏振選擇性全息光學器件包括復合到一個全息圖層中的多個全息圖層，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的波長相關性。
10.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中偏振選擇性全息光學器件包括復合到一個全息圖層中的多個全息圖層，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的還原光入射角度相關性。
11.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中偏振選擇性全息光學器件由液晶材料組成。
12.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中偏振選擇性全息光學器件和反射型空間光調(diào)制器緊密地光學接合并且合并在一起。
13.如權利要求1所述的圖象顯示器件，其中反射型空間光調(diào)制器包含多個彩色象素；所述偏振選擇性全息光學器件具有逐個波長范圍地分離入射照明光并且將分離的光波長部分聚合在反射型空間光調(diào)制器的相關彩色象素上的透鏡作用。
14.如權利要求1所述的圖象顯示器件，還包括第一棱鏡，所述第一棱鏡被衍射光和穿過偏振選擇性全息光學器件的非衍射光照射，并且使入射衍射光和入射非衍射光中的至少一個經(jīng)受至少一次內(nèi)部全反射，使得從出射表面發(fā)射如此全反射的光；和第二棱鏡；使用從所述第一棱鏡發(fā)射并且被所述偏振選擇性全息光學器件衍射的光照射所述反射型空間光調(diào)制器；所述第二棱鏡具有至少一個這樣的頂角，該頂角接近等于所述第一棱鏡的頂角中的一個；所述偏振選擇性全息光學器件衍射的光在所述第一棱鏡的光入射表面與所述第二棱鏡的出射表面接近平行，所述出射表面用于通過所述第一棱鏡入射到所述第二棱鏡以退出所述第二棱鏡的所述衍射光。
15.一種圖象顯示設備，包括發(fā)射照明光的光源；衍射照明光的偏振選擇性全息光學器件，所述器件包含由2個區(qū)域中的每個組成的多個區(qū)域，所述區(qū)域具有分別表現(xiàn)出不同入射偏振取向相關性的折射系數(shù)值，并且所述區(qū)域順序地并且交替地層疊；使從所述光源發(fā)射的照明光入射到所述偏振選擇性全息光學器件的照明光學系統(tǒng)；調(diào)制所述偏振選擇性全息光學器件衍射的照明光的偏振態(tài)的反射型空間光調(diào)制器；和通過所述反射型空間光調(diào)制器和所述偏振選擇性全息光學器件將照明光投射在屏幕上的投影光學系統(tǒng)；所述照明光學系統(tǒng)使用入射角度相對其用于所述照明光的光接收表面的法線不小于30°且小于90°的照明光照射所述偏振選擇性全息光學器件，所述偏振選擇性全息光學器件衍射所述照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向所述反射型空間光調(diào)制器發(fā)射衍射光；對于經(jīng)過所述反射型空間光調(diào)制器的相位調(diào)制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，所述偏振選擇性全息光學器件表現(xiàn)出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上時衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一種偏振分量穿過光學器件，所述投影光學系統(tǒng)將穿過所述偏振選擇性全息光學器件的光投射在屏幕上。
16.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中所述偏振選擇性全息光學器件的所述2個區(qū)域中的一個表現(xiàn)出折射系數(shù)各向異性，而另一個區(qū)域表現(xiàn)出折射系數(shù)各向同性。
17.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中衍射效率不高于1％。
18.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中所述光源的光發(fā)射部分的輪廓為矩形，其中短邊的方向與偏振選擇性全息光學器件上照明光的入射方向一致。
19.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中所述照明光學系統(tǒng)包含將照明光的分量的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°的偏振轉(zhuǎn)換裝置，所述照明光分量具有的偏振取向與偏振選擇性全息光學器件的衍射效率最大的偏振取向垂直。
20.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中所述照明光學系統(tǒng)包含偏振選擇裝置，所述偏振選擇裝置選擇性地透過其偏振取向使得偏振選擇性全息光學器件的衍射效率最大的分量。
21.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中光源或照明光學系統(tǒng)包含暫時順序地只透過照明光的總波長范圍中多個指定波長范圍的時間順序波長范圍開關裝置。
22.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中照明光學系統(tǒng)具有用于校正的偏振選擇性全息光學器件，所述用于校正的偏振選擇性全息光學器件具有的彎角的符號與偏振選擇性全息光學器件的彎角相反。
23.如權利要求22所述的圖象顯示設備，其中用于校正的偏振選擇性全息光學器件是與偏振選擇性全息光學器件類型相同的器件。
24.如權利要求15所述的圖象顯示設備，還包括耦合棱鏡，該耦合棱鏡與偏振選擇性全息光學器件緊密地光學接合，并且具有至少被照明光基本垂直地照射的第一光學表面，和基本垂直地發(fā)射所述反射型空間光調(diào)制器反射的光的第二光學表面；所述照明光按照相對于照明光接收表面的法線不小于60°且小于90°的入射角度入射到所述偏振選擇性全息光學器件的光接收表面。
25.如權利要求24所述的圖象顯示設備，其中耦合棱鏡具有第三光學表面，所述第三光學表面包含被所述反射型空間光調(diào)制器用照明光的規(guī)則反射光基本垂直地照射的光吸收層。
26.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中投影光學系統(tǒng)包含偏振選擇裝置，所述偏振選擇裝置選擇性地透過具有被所述反射型空間光調(diào)制器調(diào)制、穿過所述偏振選擇性全息光學器件的光的偏振取向的分量。
27.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中所述偏振選擇性全息光學器件允許照明光作為P偏振光入射其上。
28.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件的彎角不小于30°。
29.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件的全息圖表面和反射型空間光調(diào)制器的反射面彼此表現(xiàn)出光學非平行位置關系。
30.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由多個全息圖層構成，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的波長相關性。
31.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由多個全息圖層構成，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的還原光入射角度相關性。
32.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件包括多個全息圖層，所述全息圖層表現(xiàn)出各個不同的衍射效率的波長相關性，并且被復合到一個全息圖層中。
33.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件包括復合到一個全息圖層中的多個全息圖層，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的還原光入射角度相關性。
34.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由液晶材料組成。
35.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件和反射型空間光調(diào)制器緊密地光學接合并且合并在一起。
36.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中反射型空間光調(diào)制器具有矩形輪廓，其中矩形的長邊的方向照明光入射到偏振選擇性全息光學器件的方向一致。
37.如權利要求15所述的圖象顯示設備，其中反射型空間光調(diào)制器包含多個彩色象素；所述偏振選擇性全息光學器件具有逐個波長范圍地分離入射照明光并且將分離的光部分聚合在反射型空間光調(diào)制器的相關彩色象素上的透鏡作用。
38.如權利要求15所述的圖象顯示設備，還包括第一棱鏡，所述第一棱鏡被衍射光和穿過偏振選擇性全息光學器件的非衍射光照射，并且使入射衍射光和入射非衍射光中的至少一個經(jīng)受至少一次內(nèi)部全反射，使得從出射表面發(fā)射如此全反射的光；和第二棱鏡；使用通過所述第一棱鏡發(fā)射并且被所述偏振選擇性全息光學器件衍射的光照射所述反射型空間光調(diào)制器；所述第二棱鏡具有至少一個這樣的頂角，該頂角接近等于所述第一棱鏡的頂角中的一個；所述偏振選擇性全息光學器件衍射的光在所述第一棱鏡的光入射表面與所述第二棱鏡的出射表面接近平行，所述出射表面用于通過所述第一棱鏡入射到所述第二棱鏡以退出所述第二棱鏡的所述衍射光。
39.一種圖象顯示設備，包括衍射入射光的偏振選擇性全息光學器件，所述器件包含由2個區(qū)域中的每個組成的多個區(qū)域，所述區(qū)域具有分別表現(xiàn)出不同入射偏振取向相關性的折射系數(shù)值，并且所述區(qū)域順序地并且交替地層疊；色彩分離裝置，所述色彩分離裝置將所述照明光分離成多個代表不同波長范圍的分量；照明光學系統(tǒng)，所述照明光學系統(tǒng)使分離成各個不同波長范圍分量的照明光入射到所述偏振選擇性全息光學器件；多個反射型空間光調(diào)制器，所述反射型空間光調(diào)制器調(diào)制所述偏振選擇性全息光學器件衍射的照明光的多個代表不同波長范圍的分量的偏振態(tài)；合成所述多個反射型空間光調(diào)制器調(diào)制的具有各個不同波長范圍的照明光部分的色彩合成裝置；和投射照明光通過所述色彩合成裝置的投影光學系統(tǒng)；所述照明光學系統(tǒng)使用入射角度相對其用于所述照明光的光接收表面的法線不小于30°且小于90°的照明光照射所述偏振選擇性全息光學器件，所述偏振選擇性全息光學器件衍射所述照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向所述反射型空間光調(diào)制器發(fā)射衍射光；對于經(jīng)過所述反射型空間光調(diào)制器的相位調(diào)制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，所述偏振選擇性全息光學器件表現(xiàn)出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上時衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一種偏振分量穿過光學器件；所述投影照明光學系統(tǒng)將穿過所述偏振選擇性全息照明光學器件和所述色彩合成裝置的照明光投射在屏幕上。
40.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中所述偏振選擇性全息光學器件的所述2個區(qū)域中的一個表現(xiàn)出折射系數(shù)各向異性，而另一個區(qū)域表現(xiàn)出折射系數(shù)各向同性。
41.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中衍射效率不高于1％。
42.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中反射型空間光調(diào)制器具有矩形輪廓，其中矩形的長邊的方向照明光入射到偏振選擇性全息光學器件的方向一致。
43.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中所述色彩分離裝置和所述色彩合成裝置共同使用交叉分色鏡。
44.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中所述照明光學系統(tǒng)包含將照明光的分量的偏振取向旋轉(zhuǎn)90°的偏振轉(zhuǎn)換裝置，所述照明光分量具有的偏振取向與偏振選擇性全息光學器件的衍射效率最大的偏振取向垂直。
45.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中所述照明光學系統(tǒng)包含偏振選擇裝置，所述偏振選擇裝置選擇性地透過其偏振取向使得偏振選擇性全息光學器件的衍射效率最大的照明光的分量。
46.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中光源或照明光學系統(tǒng)包含暫時順序地只透過照明光的總波長范圍中多個指定波長范圍的時間順序波長范圍開關裝置。
47.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中照明光學系統(tǒng)具有用于校正的偏振選擇性全息光學器件，所述用于校正的偏振選擇性全息光學器件具有的彎角的符號與偏振選擇性全息光學器件的彎角相反。
48.如權利要求47所述的圖象顯示設備，其中用于校正的偏振選擇性全息光學器件是與偏振選擇性全息光學器件類型相同的器件。
49.如權利要求39所述的圖象顯示設備，還包括耦合棱鏡，該耦合棱鏡與偏振選擇性全息光學器件緊密地光學接合，并且具有至少被照明光基本垂直地照射的第一光學表面，和基本垂直地發(fā)射所述反射型空間光調(diào)制器反射的光的第二光學表面；所述照明光按照不小于60°且小于90°的入射角度入射到所述偏振選擇性全息光學器件的光接收表面。
50.如權利要求49所述的圖象顯示設備，其中耦合棱鏡具有第三光學表面，所述第三光學表面包含被所述反射型空間光調(diào)制器用照明光的規(guī)則反射光基本垂直地照射的光吸收層。
51.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中投影光學系統(tǒng)包含偏振選擇裝置，所述偏振選擇裝置選擇性地透過具有被所述反射型空間光調(diào)制器調(diào)制、穿過所述偏振選擇性全息光學器件的光的偏振取向的分量。
52.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中所述偏振選擇性全息光學器件允許照明光作為P偏振光入射其上。
53.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件的彎角不小于30°。
54.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件的全息圖表面和反射型空間光調(diào)制器的反射面彼此表現(xiàn)出光學非平行位置關系。
55.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由多個全息圖層構成，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的波長相關性。
56.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由多個全息圖層構成，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的還原光入射角度相關性。
57.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件包括復合到一個全息圖層中的多個全息圖層，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的波長相關性。
58.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件包括復合到一個全息圖層中的多個全息圖層，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的還原光入射角度相關性。
59.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由液晶材料組成。
60.如權利要求39所述的圖象顯示設備，其中反射型空間光調(diào)制器具有矩形輪廓，其中矩形的長邊的方向照明光入射到偏振選擇性全息光學器件的方向一致。
61.一種圖象顯示設備，包括發(fā)射照明光的光源；衍射照明光的偏振選擇性全息光學器件，所述器件包含由2個區(qū)域中的每個組成的多個區(qū)域，所述區(qū)域具有分別表現(xiàn)出不同入射偏振取向相關性的折射系數(shù)值，并且所述區(qū)域順序地并且交替地層疊；基于波段的偏振分離裝置，用于將所述照明光的各個不同的第一和第二波長范圍分量的偏振態(tài)分離成彼此垂直的線性偏振分量；照明光學系統(tǒng)，所述照明光學系統(tǒng)使分離成第一和第二波長范圍分量的照明光入射到所述偏振選擇性全息光學器件；調(diào)制偏振選擇性全息光學器件衍射的照明光的第一波長范圍分量的偏振態(tài)的第一反射型空間光調(diào)制器；調(diào)制穿過偏振選擇性全息光學器件的照明光的第二波長范圍分量的偏振態(tài)的第二反射型空間光調(diào)制器；和投射照明光通過所述反射型空間光調(diào)制器到屏幕上的投影光學系統(tǒng)；所述照明光學系統(tǒng)使用入射角度相對其用于所述照明光的光接收表面的法線不小于30°且小于90°的照明光照射所述偏振選擇性全息光學器件，所述偏振選擇性全息光學器件衍射作為P偏振光分量或S偏振光分量的所述第一波長范圍分量以便向所述反射型空間光調(diào)制器發(fā)射衍射光；對于經(jīng)過所述反射型空間光調(diào)制器的相位調(diào)制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，所述偏振選擇性全息光學器件表現(xiàn)出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于所述照明光的第一波長范圍分量第一次入射其上時衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一種偏振分量穿過光學器件；所述偏振選擇性全息光學器件透過不小于70％的第二波長范圍分量以便向所述第二反射型空間光調(diào)制器發(fā)射第二波長范圍分量；所述偏振選擇性全息光學器件衍射偏振光分量，該偏振光分量的偏振方向垂直于照明光的第二波長范圍分量的偏振光分量的偏振方向，所述照明光在經(jīng)過所述第二反射型空間光調(diào)制器的相位調(diào)制之后重新入射其上，當所述照明光的第二波長范圍分量第一次入射其上時透過其中；所述投影光學系統(tǒng)將通過所述第一反射型空間光調(diào)制器和偏振選擇性全息光學器件的第一波長范圍分量的照明光，和通過所述第二反射型空間光調(diào)制器和偏振選擇性全息光學器件的第二波長范圍分量的照明光投射在所述屏幕上。
62.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中所述偏振選擇性全息光學器件的所述2個區(qū)域中的一個表現(xiàn)出折射系數(shù)各向異性，而另一個區(qū)域表現(xiàn)出折射系數(shù)各向同性。
63.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中衍射效率不高于1％。
64.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中反射型空間光調(diào)制器具有矩形輪廓，其中矩形的長邊的方向照明光入射到偏振選擇性全息光學器件的方向一致。
65.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中所述照明光學系統(tǒng)包含偏振轉(zhuǎn)換裝置，該偏振轉(zhuǎn)換裝置針對所述照明光的2個相對垂直的偏振光分量中的一個將偏振取向旋轉(zhuǎn)90°。
66.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中光源或照明光學系統(tǒng)包含暫時順序地只透過照明光的總波長范圍中多個指定波長范圍的時間順序波長范圍開關裝置。
67.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中照明光學系統(tǒng)具有用于校正的偏振選擇性全息光學器件，所述用于校正的偏振選擇性全息光學器件具有的彎角的符號與偏振選擇性全息光學器件的彎角相反。
68.如權利要求67所述的圖象顯示設備，其中用于校正的偏振選擇性全息光學器件是與偏振選擇性全息光學器件類型相同的器件。
69.如權利要求61所述的圖象顯示設備，還包括耦合棱鏡，該耦合棱鏡與偏振選擇性全息光學器件緊密地光學接合，并且具有至少被照明光基本垂直地照射的第一光學表面，和基本垂直地發(fā)射所述反射型空間光調(diào)制器反射的光的第二光學表面；所述照明光按照不小于60°且小于90°的入射角度入射到所述偏振選擇性全息光學器件的光接收表面。
70.如權利要求69所述的圖象顯示設備，其中耦合棱鏡具有第三光學表面，所述第三光學表面包含被所述反射型空間光調(diào)制器用照明光的規(guī)則反射光基本垂直地照射的光吸收層。
71.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中投影光學系統(tǒng)包含偏振選擇裝置，所述偏振選擇裝置選擇性地透過具有被所述反射型空間光調(diào)制器調(diào)制、穿過所述偏振選擇性全息光學器件的光的偏振取向的分量。
72.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中作為光到全息圖表面的入射角度和偏振選擇性全息光學器件的衍射的出射角度之間的差值的彎角不小于30°。
73.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件的全息圖表面和反射型空間光調(diào)制器的反射面彼此表現(xiàn)出光學非平行位置關系。
74.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由多個全息圖層構成，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的波長相關性。
75.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由多個全息圖層構成，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的還原光入射角度相關性。
76.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件包括復合到一個全息圖層中的多個全息圖層，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的波長相關性。
77.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件包括復合到一個全息圖層中的多個全息圖層，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的還原光入射角度相關性。
78.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由液晶材料組成。
79.如權利要求61所述的圖象顯示設備，其中反射型空間光調(diào)制器具有矩形輪廓，其中矩形的長邊的方向照明光入射到偏振選擇性全息光學器件的方向一致。
80.一種圖象顯示設備，包括發(fā)射照明光的光源；衍射入射光的偏振選擇性全息光學器件，所述器件包含由2個區(qū)域中的每個組成的多個區(qū)域，所述區(qū)域具有分別表現(xiàn)出不同入射偏振取向相關性的折射系數(shù)值，并且所述區(qū)域順序地并且交替地層疊；使從所述照明光入射到所述偏振選擇性全息光學器件的照明光學系統(tǒng)；調(diào)制所述偏振選擇性全息光學器件衍射的照明光的偏振態(tài)的反射型空間光調(diào)制器；和光學系統(tǒng)，用于觀察虛擬圖象并且將穿過所述反射型空間光調(diào)制器的光引導到觀察者的眼睛；所述照明光學系統(tǒng)使用入射角度相對其用于所述照明光的光接收表面的法線不小于30°且小于90°的照明光照射所述偏振選擇性全息光學器件，所述偏振選擇性全息光學器件衍射所述照明光的P偏振光分量或S偏振光分量以便向所述反射型空間光調(diào)制器發(fā)射衍射光；對于經(jīng)過所述反射型空間光調(diào)制器的相位調(diào)制之后第二次入射其上的照明光的偏振光分量，所述偏振選擇性全息光學器件表現(xiàn)出不高于10％的衍射效率，其中偏振光分量具有的偏振方向垂直于照明光第一次入射其上時衍射的偏振光分量的偏振方向，因而不低于70％的第一種偏振分量穿過光學器件，所述用于觀察虛擬圖象的光學系統(tǒng)將穿過所述偏振選擇性全息光學器件的光引導到觀察者的眼睛。
81.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中所述偏振選擇性全息光學器件的所述2個區(qū)域中的一個表現(xiàn)出折射系數(shù)各向異性，而另一個區(qū)域表現(xiàn)出折射系數(shù)各向同性。
82.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中衍射效率不高于1％。
83.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中反射型空間光調(diào)制器具有矩形輪廓，其中矩形的長邊的方向照明光入射到偏振選擇性全息光學器件的方向一致。
84.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中所述照明光學系統(tǒng)包含偏振轉(zhuǎn)換裝置，該偏振轉(zhuǎn)換裝置針對所述照明光的2個相對垂直的偏振光分量中的一個將偏振取向旋轉(zhuǎn)90°。
85.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中光源或照明光學系統(tǒng)包含暫時順序地只透過照明光的總波長范圍中多個指定波長范圍的時間順序波長范圍開關裝置。
86.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中照明光學系統(tǒng)具有用于校正的偏振選擇性全息光學器件，所述用于校正的偏振選擇性全息光學器件具有的彎角的符號與偏振選擇性全息光學器件的彎角相反。
87.如權利要求86所述的圖象顯示設備，其中用于校正的偏振選擇性全息光學器件是與偏振選擇性全息光學器件類型相同的器件。
88.如權利要求80所述的圖象顯示設備，還包括耦合棱鏡，該耦合棱鏡與偏振選擇性全息光學器件緊密地光學接合，并且具有至少被照明光基本垂直地照射的第一光學表面，和基本垂直地發(fā)射所述反射型空間光調(diào)制器反射的光的第二光學表面；所述照明光按照不小于60°且小于90°的入射角度入射到所述偏振選擇性全息光學器件的光接收表面。
89.如權利要求88所述的圖象顯示設備，其中耦合棱鏡具有第三光學表面，所述第三光學表面包含被所述反射型空間光調(diào)制器用照明光的規(guī)則反射光基本垂直地照射的光吸收層。
90.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中用于觀察虛擬圖象的光學系統(tǒng)包含偏振選擇裝置，所述偏振選擇裝置選擇性地透過具有被所述反射型空間光調(diào)制器調(diào)制、穿過所述偏振選擇性全息光學器件的光的偏振取向的分量。
91.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中所述偏振選擇性全息光學器件允許照明光作為P偏振光入射其上。
92.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中作為光到全息圖表面的入射角度和衍射的出射角度之間的差值的彎角不小于30°。
93.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件的全息圖表面和反射型空間光調(diào)制器的反射面彼此表現(xiàn)出光學非平行位置關系。
94.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由多個全息圖層構成，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的波長相關性。
95.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由多個全息圖層構成，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的還原光入射角度相關性。
96.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件包括復合到一個全息圖層中的多個全息圖層，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的波長相關性。
97.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件包括復合到一個全息圖層中的多個全息圖層，所述全息圖層具有各個不同的衍射效率的還原光入射角度相關性。
98.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中偏振選擇性全息光學器件由液晶材料組成。
99.如權利要求80所述的圖象顯示設備，其中反射型空間光調(diào)制器具有矩形輪廓，其中矩形的長邊的方向照明光入射到偏振選擇性全息光學器件的方向一致。
全文摘要
公開了一種圖象顯示器件，包含用于衍射照明光的偏振選擇性全息光學器件，和用于調(diào)制偏振選擇性全息光學器件衍射的照明光的偏振態(tài)的反射型空間光調(diào)制器。該器件器件包含由2個區(qū)域中的每個組成的多個區(qū)域，所述區(qū)域分別表現(xiàn)出折射系數(shù)的不同入射偏振取向相關性，并且具有順序地并且交替地層疊的層。公開了包含上述圖象顯示器件、光源、照明光學系統(tǒng)和投影光學系統(tǒng)的圖象顯示設備。通過本發(fā)明的光學顯示器件和光學顯示設備，可以改進照明光的利用效率，同時可以減少器件和設備的尺寸和生產(chǎn)成本，實現(xiàn)顯示圖象的均勻和高對比度。
文檔編號G02B5/32GK1440515SQ01812093
公開日2003年9月3日 申請日期2001年7月5日 優(yōu)先權日2000年7月5日
發(fā)明者武川洋 申請人:索尼株式會社