用于产生非波长依赖性的高对比度光信号的消色差装置 本发明涉及反射式液晶显示(LCD)投影的领域，更具体地涉及一种用于在LCD投影机中在较宽波长范围内提高对比度的装置。
在传统的投影光学体系结构中，偏振光束分光器(PBS)使入射光束发生偏振，并将所合成的光束引向反射式光阀。在包括了具有有限锥角的光束的实际投影系统中，歪斜光束(与光轴不平行)在投影系统的对比度中产生了可察觉的降低。
一种用于校正反射式液晶显示(LCD)中的对比度损耗的方法是采用单个波片，其设置在光束路径中并对由反射式光阀所反射回的那些歪斜光束的偏振状态进行重新定向(即转换)，使得这些歪斜光束能被PBS朝向光源有效地反射回。在这种波片中，在光束中产生了相移，其由下式来确定
Φ＝(1/λ)Δn(λ)d [1]其中，Φ为相移，λ为特定波长，Δn(λ)代表特定材料结构的双折射系数，d为波片地厚度。
虽然采用这种波片可显著地提高系统的对比度，然而这种单个波片设计为只用于入射光束的一个特定波长的四分之一波长相位延迟器。由于这种四分之一波长波片在物理上构建成只能最优地转换具有此特定设计波长的光线，因此，具有其它波长的光线因相位失配而无法被此波片正确地转换。同样，这还导致了不甚理想的对比度。然而，可以通过使用相位延迟与光波长无关的消色差波片来克服这种波长依赖性。这可见于S.Pancharatnum的文章“双折射片的消色差组合体”，Proceedings of Indian Academy of Sciences，Vol XLI，No.4，Sec A，1955，第130-144页；A.M.Title的文章“双折射滤波的改进，2：消色差波片”，Appl.Optics，Vol 14，N1，第229-237页，1975；以及题为“光学延迟装置”的英国专利GB2331912。
为了克服其它应用中的类似波长局限，可将两个或多个波片组合起来以提供固定的设计相位延迟，从而在同一装置中提供了在较宽波长范围内的偏振状态的转换。“光学手册卷II”(SBN 0-07-047974-7，段3：53)介绍了这种各波片具有不同且不相似的色散双折射材料的宽带波片组合体的结构。通过使波片的光轴对准或交叉以及精心地选择它们的色散特性，可以实现宽带的波片性能。
现有光学装置的一个缺点是在用于投影系统中时会产生不甚理想的对比度。
本发明的一个目的是提供一种光学装置，当在用于投影系统中时可提供宽带波长频谱内的高对比度。
此目的可通过根据权利要求1所述的本发明的光学装置来实现。
将一个偏振光束分光器(PBS)与两个或多个波片或延迟器组合在一起，以提供一种在宽带波长频谱内(即中和色暗态)具有高对比度的投影光学系统。设计成具有独特波长响应的各个单个延迟器的快速轴与组合体中其它延迟器的快速轴平行或正交地对准。所得的组合延迟器具有比单个延迟器独自作用时更好的有效宽带波长响应。另外，组合体提供了一种具有明确的快速轴的有效延迟器，快速轴可与PBS的斜平面精确地对准。
通过选择单个延迟器的双折射系数和厚度，可以减小或控制波长依赖性，允许组合延迟器接近真实的消色差。与迄今为止可能有的延迟器相比，与PBS结合而起作用的组合延迟器提供了在较宽频率范围内对比度的显著提高。
在从属权利要求中定义了其它有利的实施例。
参考下述实施例可以清楚和理解本发明的这些和其它方面。
在附图中：
图1显示了根据本发明一个优选实施例的用于提高投影光学系统中的对比度的装置。
图2显示了系统对比度和不同波片结构的波长的关系图。
图3显示了用于图1所示结构中的两个延迟器的透视器。
图4和5分别显示了在图1所示优选实施例中延迟器的延迟和相移效果的其它表示。
图6显示了两个正A片延迟器的透视图。
图7显示了两个负A片延迟器的透视图。
图8显示了与负A片延迟器相结合的正A片延迟器的透视图。
图9显示了两个双轴延迟器的透视图。
当入射光束由具有多种波长的光束组合形成时，投影液晶显示(LCD)光学系统的对比度性能会产生降低。本发明公开了一种用于减少这种降低的装置。
图1显示了根据本发明一个优选实施例的用于提高光学投影系统中的对比度的装置10。偏振光束分光器(PBS)12通过第一波片16和第二波片18来引导入射光束14。之后光束14被LCD装置20反射，并再次通过延迟器16和18而朝向PBS12重新定向。延迟器组合体转换被LCD20反射的光的偏振，使得光在PBS12的斜表面22处朝向光源有效地反射回，形成光束24。延迟器16和18组合而产生了有效的组合延迟器，其使入射光发生基本上与波长无关的稳定相变。需要与四分之一波长或λ/4相当的相变来保证偏振转换是有效的。
例如，假定第一延迟器16和第二延迟器18的特征为其相位延迟分别为Φ1和Φ2。对于光的一个入射波长来说，和Φ1+Φ2必须基本上等于λ/4。类似地，对于各延迟器的相位延迟为Φn的多个延迟器n来说，为了保证偏振转换有效，对于给定的光的入射波长，和Φ1+Φ2+∑nΦn必须基本上等于λ/4。
另外，组合波片具有明确的可有效地消色差的快速轴，其可与PBS 12的轴26精确地对准。此光学对准中的不精确度会引起装置补偿特性的显著降低。
由于各单个延迟器会产生如下式所述的相移
Φ＝(1/λ)Δn(λ)d [1]因此多个延迟器对中的每一对的组合效果形成了“有效的延迟器”，其特征在于，对各波长来说此有效延迟器的相移如下式所述
Φ＝(2π/λ){Δna(λ)da-Δnb(λ)db} [2]其中Φ为相位，λ为特定波长，Δna，b代表特定材料结构的双折射系数，da，b为各波片a和b的厚度。累积相移为单个Φ之和，如下式所述ΦTotal=Σn=1mΦλn---[3]]]>其中m为所用延迟器的数目。
图2显示了对于不同波片结构来说作为波长函数的系统对比度的关系图。在图2中，曲线28显示了设计成在单个中心波长λ130处为四分之一波长的单个基准波片的这种曲线图。曲线32显示了Pancharatnum型波片组合体的这种曲线图。歪斜或非歪斜光线的对比度降低是由组合波片的有效快速轴因组合波片的波长依赖性而引起的对准“不稳定”所导致的。这种依赖性主要源于单个延迟器的快速轴的非正交取向，这是Pancharatnum型波片组合体的一个特性。
通过将PBS12以正交取向而与消色差延迟器16和18相结合，图2所示的合成曲线34与其它两种结构即曲线28和32相比在宽带内具有显著提高的对比度。由两个波片16和18形成的有效消色差波片显示了降低的波长依赖性，并且可以使光轴容易地交叉和精确地对准，因而可消除非消色差结构的“不稳定性”，如曲线34所示。
图3显示了在图1所示结构中使用的两个延迟器16和18的透视图。两个波片a和b中每一个的快速轴由字母f表示，它们相互正交。器件的厚度和双折射率分别由da，db和Δna，Δnb来表示。波片16和18由不同的材料制成，使得波片的双折射特性也不同。各波片通常具有基本上大于给定波长的四分之一波长的延迟。正是在这些延迟中的差异(由使延迟器的快速轴交叉而产生)产生了可消色差的四分之一波长延迟器。
例如，假定第一波片的延迟等于χ加上λ1/4(第一波长的长度的四分之一)，其中χ为从0到多个波长中的任一数值(即0.4λ，1.25λ，3λ等)。这就使第一波片的延迟分别为0.4λ+λ1/4，1.25λ+λ1/4，3λ+λ1/4等。将此代表性第一波片的快速轴与具有等于x的代表性延迟的第二波片的快速轴对准，可以使得此组合体在任何情况下都能产生有效的λ/4延迟。延迟器对的主要特征是快速轴正交地对准，与各延迟器单独作用的情况相比，这样构建的组合体在波长λ1周围的各个波长的更宽范围内具有独特的固定的四分之一波长延迟。
图4和5分别显示了图1所示延迟器16和18的延迟和相移效果的其它表示。在图4中，曲线38显示了代表性的第一延迟器16的作为波长函数的延迟的曲线图。曲线40显示了第二代表性延迟器18的延迟曲线图。曲线42显示了由延迟器16和18组合体形成的有效延迟器的延迟曲线图。应注意到，曲线42显示了与波长成比例的延迟。
在图5中，绘制了在图4所示波长的同一范围内作为波长的函数的相移。曲线44和46分别代表与延迟器16和18相关的代表性相移。曲线48表示了延迟器16和18的一个代表性组合体，其显示了在波长范围内的相移的最小斜率。
图6到9显示了在各个代表性结构中的延迟器对的透视图。延迟器的不同的独特组合体可在系统光学性能中提供特定的消色差改善。对于图6到9所示的各个结构来说，单轴延迟器的折射率分布包括位于一个平面内的寻常折射率no以及与此平面正交的非常折射率ne。在各结构中显示了各轴的相对方向矢量。定义A片延迟器由非常折射率位于延迟器的较宽平表面上的单轴材料形成，当非常折射率ne小于寻常折射率no时，此波片为负A片。另外，当ne大于no时，此波片为正A片。
在图6-9中，对于给定歪斜光束来说，各波片的相位延迟是延迟器内的光线相对于主要光束方向的极角θ和方位角Θ的函数，其由下式来确定
Φ(θ，Θ)＝(1/λcosθ)Δn(θ，Θ)d [4]
通过改变双折射率Δn(θ，Θ)以补偿式[4]中分母中的cosθ项，可以使波片的轴外相位延迟保持稳定，这例如可通过采用片外折射率nz小于或等于最小面内折射率即快速轴的波片来实现。由于正A片的快速轴位于no方向，负A片的快速轴位于ne方向，这样，由于正A片的轴外延迟可设计成基本上保持与其轴内相位延迟相同，因此正A片的轴外性能好于负A片的轴外性能。
图6显示了具有正交取向的两个正A片延迟器50和52的透视图。
图7显示了具有正交取向的两个负A片延迟器54和56的透视图。
图8显示了具有正A片58和负A片60的A片组合体的透视图。
双轴型延迟器还可用于产生所需的消色差特性。如本领域所知，双轴延迟器具有三个值全部不同的正交折射率。图9显示了两个代表性的双轴延迟器62和64的透视图。可以理解，双轴延迟器和A片延迟器的各种组合体也可具有相同的效果。
根据上述介绍，对本领域的技术人员来说很明显，可以对本发明进行许多改进和设计其它的实施例。因此，本介绍只是构建为说明性的，并用于为本领域的技术人员讲授实施发明的最佳模式的目的。在不脱离本发明的精神实质的前提下可对实施例的细节进行修改，并且保留在所附权利要求的范围内的所有改进的独有应用。