高效的單面板或雙面板投影引擎的製作方法
2023-05-25 18:04:01 4
專利名稱：高效的單面板或雙面板投影引擎的製作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及顯示信息的系統，更具體地說涉及使用反射式成像設備的投影系統。
背景技術：
光學成像系統通常包括透射式和反射式成像器，也被稱為光閥或光閥陣列，其將圖像施加到光束上。透射式光閥通常是半透明的，允許光通過。另一方面，反射式光閥只反射所選擇的一部分輸入光以形成圖像。反射式光閥具有重要的優點，即控制電路可以置於反射表面後面，並且當基板材料不受它們的不透明性影響時，可以使用更先進的集成電路技術。通過使用反射式微型液晶顯示器作為成像器，也許會得到可能便宜的、緊湊的新型液晶顯示器(LCD)投影儀結構。
許多反射式LCD成像器對入射光的偏振進行旋轉。也就是說，偏振光被成像器反射時要麼基本上不改變偏振態而得到最暗的狀態，要麼偏振旋轉某一角度以提供理想的灰度等級。在這些系統中，90°的旋轉提供了最亮的狀態。因此，偏振光束通常用作反射式LCD成像器的輸入光。所希望的緊湊的布置包括位於偏振分光器(PBS)和成像器之間的摺疊光路，其中照明光束和從該成像器上反射的投影圖像共享PBS和成像器之間的同一物理空間。PBS將入射光從偏振旋轉的圖像光中分離出來。單獨的一個成像器可以用來形成單色圖像或者彩色圖像。多個成像器也可以用來形成彩色圖像，在這樣的情況下，照明光被分成不同顏色的多根光束。圖像被分別施加到每一根光束上，然後將這些光束重新組合成以形成全色圖像。三成像器系統要求所述布置能夠經受機械應力和熱應力。希望儘可能多地使用由光源產生的光。價格便宜並且減少了熱和機械不穩定性的投影引擎也是人們所希望的。
發明概述人們仍然需要這樣一種光學圖像投影系統，其具有使圖像顯示明亮且對比度高的寬角、快光學組件。此外，對這樣的系統，還需要其製造便宜而能抗熱和機械不穩定性。本發明涉及在單或者雙成像器投影系統中結合高消光比、高通過量的前置偏振器(比如補償型的多層偏振器)。這允許使用低光圈數的照明光進行照明，這樣提高了投影系統的效率。前置偏振器可以合併在偏振恢復單元中，以便進一步提高系統效率。
本發明的一個具體實施例涉及單成像器光投影系統，所述投影系統具有成像核心，所述成像核心包括用來使希望的色帶中的照明光透射的選色器和單個反射式成像器單元。成像偏振分光器(PBS)將從選色器接收到的光反射到所述單個反射式成像器單元。設置反射式前置偏振器，以在照明光入射到成像PBS之前使照明光預先偏振，當使用光圈數不大於f/2.5的光在整個可見光譜範圍內照明時，對於反射光，反射式前置偏振器具有大於50∶1的消光比。
本發明的另一個實施例涉及投影系統的成像核心單元，其包括第一偏振分光器(PBS)，設置所述第一偏振分光器以將照明光束分成分別具有第一偏振態和第二偏振態的第一光束和第二光束。第一偏振分光器是補償型的多層介質偏振器。設置第一偏振旋轉器，以使所述第一光束中的光的偏振旋轉。設置第一成像PBS，以將所述的第一偏振旋轉光束中的光反射到第一反射式成像器單元。被所述第一成像器單元反射的第一圖像光束通過所述第一成像PBS。設置第二成像PBS，以將所述第二光束中的光反射到所述第二反射式成像器單元。被所述第二成像器單元反射的第二圖像光束通過所述第二成像PBS。設置合成PBS，以將所述第一圖像光束和所述第二圖像光束混合成為合成圖像光束。將所述第二偏振旋轉器置於所述合成PBS與所述第一成像PBS之間以使所述第一圖像光束偏振旋轉，或者將所述第二偏振旋轉器置於所述合成PBS與所述第二成像PBS之間以使所述第二圖像光束偏振旋轉。
本發明的以上概述並不意味著描述了本發明的每一個說明性的實施例或每一種實施方式。隨後的附圖和詳細說明更具體地舉例說明了這些實施例。
結合附圖對本發明的各種實施例的以下詳細的描述進行思考，可更加全面地理解本發明，其中圖1A示意性地示出了與反射式成像器投影儀結合使用的前置偏振器；圖1B和圖1C示意性地示出了根據本發明的原理的單成像器投影系統的前置偏振器和成像偏振器的不同結構；圖2給出了MZIP型偏振分光器的透射和反射的消光比的曲線圖；圖3給出了在不同光圈數的範圍內不同色帶的對比率的曲線圖；圖4給出了來自反射式成像器投影引擎的光輸出隨照明光中的光圈數變化的曲線圖；圖5A示意性地示出了根據本發明的原理實現偏振恢復的方法；圖5B給出了使用偏振恢復的投影系統的光通過量增益隨光圈數變化的曲線圖；圖6示意性地示出了根據本發明的原理的單成像器投影系統的發明詳述本發明適用於使用反射式成像器的投影系統，特別適用於產生高對比度、高亮度圖像的低光圈數光學成像器系統。
基於LCD的顯示器要求使用可接受的消光比對輸入光進行線性偏振，所述消光比定義為希望的偏振態下的光功率對不希望的偏振態下的光功率的比率。大多數光源，包括超高壓(UHP)燈，產生非偏振的光，通常導致使用前置偏振器來對入射光實現希望級別的偏振。兩種類型的組件通常用於預先偏振MacNeille偏振分光器(PBS)和柵網偏振器。前置偏振器導致50％的非偏振的入射光被損失。當實現可接受的消光比時，這些前置偏振器增加了額外的透射損耗，從而導致低效率地利用燈光。
幾種技術已經被用於提高光效率，以便將在不希望的偏振態下的部分光轉換到希望的偏振態下。這樣的技術可以被稱為偏振恢復、偏振加倍或偏振循環使用。一種偏振恢復的方法包括使用透鏡陣列來使燈光均質化。偏振恢復據稱是使用PBS陣列和半波長光延遲板實現的。但是，這種方法往往是笨重的而且價格昂貴。而且，消光比非常低，通常低於3∶1，這樣就要求在偏振恢復單元和成像器之間使用前置偏振器。偏振恢復的其它方法是基於使用隧道合成器(tunnelintegrator)的，但這些方法也受到低消光比的影響，有必要在光入射到成像PBS上之前接著使用前置偏振器。另外，這些實現偏振恢復的方法導致照明光學裝置的集光率較低。改善成像器系統的性能的一種方法是使用寬角的笛卡爾偏振分光器(PBS)，例如1999年5月17日提交的美國專利申請09/312,917中討論的PBS。笛卡爾PBS是這樣一種PBS，其中分離光束的偏振是以PBS膜的不變的、通常正交的主軸為參照。相反，對於非笛卡爾PBS，分離光束的偏振基本上依賴於光束入射在PBS上的入射角。
笛卡爾PBS的一個例子是多層反射式偏振分光器(MEPB)膜，其由各向同性和雙折射材料交替層構成。如果認為膜的平面是x-y平面，並且膜的厚度被表示在z方向，那麼z折射率是具有平行於z方向的電矢量的光在雙折射材料中的折射率。同樣地，x折射率也是具有平行於x方向的電矢量的光在雙折射材料中的折射率，y折射率也是具有平行於y方向的電矢量的光在雙折射材料中的折射率。雙折射材料的x折射率基本上與各向同性材料的折射率相同，而雙折射材料的y折射率不同於各向同性材料的折射率。如果層的厚度選擇正確，那麼膜反射在y方向偏振的可見光，而透射在x方向偏振的光。
MRPB膜的一個例子是匹配的z折射率的偏振器(MZIP)膜，也被稱為補償型的偏振器膜，其中雙折射材料的z折射率基本上與雙折射材料的x折射率或y折射率相同。MZIP膜在美國專利5,882,774和5,962,114中已經進行了描述。改進型的MZIP膜增加了使用壽命，其使用PET/COPET-PCTG作為交替層，如在美國專利申請第09/878,575中所描述。
本文示出的很多實施例被描述為使用反射式矽基液晶(LCoS)成像器。這並不意味著成為任何限制，但是，應該明白，可使用其它類型的反射式成像器單元。
LCoS成像器具有為高清晰度電視(HDTV)提供低成本、高性能的技術解決方案的前景。與多個成像器的設計相比，因為單個成像器設計中組件較少，所以單個成像器設計會提供更加簡單的系統。另外，因為不需要用於合成來自多個成像器的的圖像的光學元件，它可提供比多個成像器的系統更短的後焦距。此外，在引擎組裝的時候沒有校直成像器的要求。但是，單成像器投影系統的一個缺點是低光通過量。這是由於如下的事實而產生的在任何一個時間，成像器為紅、綠、藍三個色帶中的一個施加圖像。因此，其它兩個色帶中的光沒有被使用，而且通常使用諸如色輪的濾色器來拒絕這些光。
在可增加通過投影系統的光的地方，單成像器系統成為更具吸引力的實際解決方案。本文討論的用來增加單面板系統的通過量的不同方法包括i)使用寬角前置偏振器；ii)使用低光圈數的照明光學裝置；iii)使用低光圈數的偏振恢復。依次討論這三種不同方法，然後討論實施這些方法的一些不同系統。
前置偏振器通常用兩個參數來描述前置偏振器的性能，即消光比和透射率。基於反射式成像器單元(比如LCoS成像器)的投影引擎的一部分示意性地在圖1A中示出。光100從光源(未示出)入射到前置偏振器102上。具有平行於圖平面的偏振矢量-p偏振態的光通過前置偏振器102的透射率是Tp1，具有垂直於圖平面的偏振矢量-s偏振態的光的透射率是Ts1。注意s偏振和p偏振是以圖平面、即由偏振分光器(PBS)104定義的反射平面為參照。投影系統包括PBS 104和成像器單元106。在示出的實施例中，前置偏振器102主要反射p偏振態的光並主要透射s偏振態的光。但是，s偏振光的一部分Rs1被反射，p偏振光的一部分Tp1被透射。透射中的前置偏振器的消光比E由E＝Ts1/Tp1給出。其中Ts1接近1，那麼E≈1/Tp1。
PBS 104透射入射的p偏振光的一部分Tp2，反射其餘部分Rp2。同樣，PBS 104透射入射的s偏振光的一部分Ts2，反射其餘部分Rs2。
投影系統的對比度主要由洩漏入暗狀態的光決定。假設在暗狀態，成像器106不改變入射偏振，那麼洩漏的光主要是p偏振光Tpdark，其能夠通過下面的表達式來計算Tpdark＝Tp1×Rp2×Tp2＝Tp1×(1-Tp2)×Tp2(1)這個公式假設偏振器不吸收光，只是透射或者反射光。假設成像PBS 104具有高消光比，投影系統的對比度能夠估算為1/Tpdark。
因此，投影引擎系統的對比度C可以計算為C＝E/((1-Tp2)×Tp2)(2)公式(2)顯示引擎對比度依賴於前置偏振器的消光比和成像PBS 104的p偏振透射率。
對於使用典型的MacNeille型偏振器的成像PBS或柵網偏振器的成像PBS，在光圈數為2.5時，Tp2通常是85％。那麼根據公式(2)，給出的對比度為7.85E。如果總對比度為1500，那麼E的值應該是大約192，該值相對比較高。柵網偏振器犧牲透射率來換取消光比，所以柵網偏振器通常具有小於85％的透射率，以便達到192的消光比。
傳統的MacNeille PBS 以用作反射模式的前置偏振器。但是，由於它的高p偏振反射性，消光比是較低的大約10∶1，對於可接受的引擎對比度，這太低了。柵網偏振器可以與MacNeille PBS結合使用，以便實現需要的消光比，但是這會產生額外的光損失和費用。
另一方面，補償型的多層介質PBS提供在整個可見波長區域內的高對比度和p偏振的高透射率(＞98％)。在這樣高的Tp2的情況下，根據公式(2)，引擎對比度是51E，從而要求前置偏振器的消光比為30∶1。相比於在使用柵網或者MacNeille偏振器作為成像PBS時對前置偏振器要求來說，這個值顯著地降低了。另外，補償型的多層介質PBS可以用作前置偏振器。這樣提供了需要的消光比，而且也提供了比柵網偏振器高大約15％的光通過量。
補償型的多層介質PBS 以以兩種不同方式作為前置偏振器，即以透射或反射的方式。在透射方式中，非偏振光被PBS分成反射光和透射光。成像PBS被排列成將透過前置偏振器的光反射到成像器。被前置偏振器PBS反射的光可以在光阱中捕獲。在反射模式中，被前置偏振器PBS反射的光傳到成像PBS。成像PBS以按某種方法排列，以便將來自前置偏振器PBS的光反射到成像器。
補償型的多層介質PBS的消光比在透射方式和反射方式都進行了測量測量的結果在圖2中表示為在可見光譜上波長的函數。所述PBS是雙多層結構，夾在兩個SK5玻璃稜鏡之間，並由f/2.0遠心的照明光學裝置進行照明。所述PBS在3M公司的參考文獻為第58628US002號的與本文同一天提交的「具有增強對比度的投影系統」一文中進行了進一步的描述。消光比是從PBS輸出的兩個正交偏振態的光功率的比值。在透射模式中，在可見光光譜範圍內的消光比Tp/Ts是1000∶1以上。在反射模式中，消光比Rs/Rp在大約60∶1與150∶1之間變化。這樣，反射消光比大於50∶1。
補償型的多層介質PBS以反射和透射模式都可以作為前置偏振器。這兩種不同結構在圖1B-圖1C中示出。在圖1B中，光120進入補償型的多層介質前置偏振器122。補償型的多層介質前置偏振器122反射幾乎100％的s偏振光和小於2％的p偏振光。來自前置偏振器的主要為s偏振的反射光124由成像PBS 126反射到成像器128，例如LCoS成像器。從成像器反射的圖像光130透射通過成像PBS 126到投影稜鏡系統(未顯示)。在這個實施例中，反射光路位於與圖平面相同的平面內。因為補償型的多層介質前置偏振器122反射幾乎100％的希望的s偏振光，所以成像器128的照明度很高。成像PBS126可以是用於寬角、高對比度操作的任何類型的PBS，比如補償型的多層介質前置偏振器或柵網偏振器。
另一種結構在圖1C中示意性地示出。在這個例子中，光140進入補償型的多層介質前置偏振器142。前置偏振器142相對於圖1B中所示的前置偏振器122的取向成90°地定向，使得s偏振光被前偏振器反射到圖平面外。光144透射通過前置偏振器142，到達成像PBS 146。成像PBS 146定向成使其將s偏振光反射在圖平面內。因此，從前置偏振器142透射的光144對於前置偏振器142是在p偏振中，而對於成像PBS 146是在s偏振中。光144被成像PBS反射到成像器148。圖像光150被從成像器148反射到投影鏡頭系統(未顯示)。因為前置偏振器142將高對比度的p偏振光透射到成像PBS146，所以這個系統具有高對比度。
低光圈數的光學系統在使用單個成像器的投影引擎中，投影鏡頭的後焦距可以明顯地小於多個成像器的系統。在多個成像器的系統中，在多個成像器和投影鏡頭系統之間的光束合成元件用來將來自不同成像器的圖像合成為一個用來投影的單個圖像光束，用於觀看。在單成像器系統中，不需要光束合成元件，所以投影鏡頭能夠移動到離成像器更近的地方。通常，投影鏡頭系統的後焦距(BFL)可以是多個成像器的系統的大約一半。這就允許投影鏡頭系統的光圈數小於多個成像器的系統中的光圈數，例如象f/1.5這樣低。
光圈數對投影引擎的對比度的影響不是特別大，所述對比度從成像器、成像PBS和前置偏振器形成，其中成像PBS和前置偏振器都是補償型的多層介質偏振器。對於光圈數在1.65到4.5的範圍內的照明光，對TFS成像器的紅、綠和藍色帶的對比度進行了測量。在圖3的曲線圖中示出的對比率是用由f/2.3的鏡頭投影的投影光測定的。在這個具體的實驗中，色帶如下藍430nm-500nm(曲線302)；綠500nm-600nm(曲線304)；紅600nm-680nm(曲線306)。
藍色帶的對比率在400∶1到550∶1之間變化，而綠色帶的對比度在650∶1到800∶1之間變化。紅色帶的對比度落在藍色帶和綠色帶之間的某個地方，在450∶1到750∶1之間變化。從這個圖得到的重要結果是，所有色帶的對比度都大於250∶1，而且對於像1.65這麼低的照明光圈數時，所有色帶的對比度都大於350∶1。在照明光圈數為2.5時，所有色帶的對比率大於400∶1。
通過投影系統的光量依賴於光圈數，如圖4所示，其中示出了來自投影引擎的以任意單位的光通過量為照明光圈數的函數。在f/1.5，光通過量大約是1600個單位，在f/3.2降至大約1000個單位。在f/1.5-f/4.5範圍上的光通過量的變化更大。如圖4所示，光圈數從f/2.4到f/1.5的減少導致光通過量增加大約25％。
偏振恢復在投影系統中使用的光源通常產生非偏振光。因此，當這種非偏振光入射到反射式偏振器上時，大約一半的光被透射，大約一半的光被反射。反射式偏振器是這樣一種偏振器，其通過將一個光束反射到與另一個光束不同方向來將光分解成正交的偏振的光束。對非偏振光使用前置偏振器或成像PBS導致大約一半的入射光被浪費。偏振恢復是用來將入射輻射線的偏振轉換成希望的偏振的一種技術，使得更小部分的光被廢棄。
這樣做的一種方法現在參考圖5A來描述。從光源(未示出)來的光500通過一個末端508的孔徑506進入反射隧道504。光510沿隧道下反彈到另一端514上的反射式偏振器512。大約一半光從偏振器512透射，而另一半光反射回隧道504。其中，反射式偏振器512是補償型的多層介質PBS，反射器513可以用來將反射光反射回隧道504。使用補償型的多層介質偏振器512增強了隧道504的透射率並提供了高消光比。
反射回隧道504的光通過隧道504進行循環使用，所述光從輸入端508的反射器516反射，最終從第二末端514射出，從而再一次入射到偏振器512上。在隧道內的多次反射在一定程度上對光進行了去偏振，因此再次入射的一些光透射通過偏振器512。通過在隧道末端514和偏振器512之間使用偏振敏感層比如四分之一波長延遲板518來增強反射偏振態的去偏振。當隧道504放置於選色器之後時，隧道中的熱效應可以減小。
偏振恢復通常導致通過量和集光率之間的取捨。對於小的成像器在大的光圈數時，集光率的減少通常變得很顯著，這通常使偏振恢復的應用限於大的成像器例如對角尺寸大於17.8mm(0.7英寸)的成像器和小弧光間隙的燈。針對不同光圈數使用偏振恢復隧道和使用對角尺寸為15.3mm(0.601英寸)的成像器時計算出的光通過量的增加在圖5B中示出。正如我們能夠看到的，在光圈數為f/2.4和更高時，實際上光通過量有損失，而不是增加。但是，在低光圈數時，可以獲得顯著的光增益(gain)。例如，在f/1.5，光增益是18％。這個增益可以通過使用更大的成像器來進一步增加。例如，當成像器的對角尺寸是17.8mm(0.7英寸)時，使用恢復隧道，在f/1.5的通過量增益是35％。
上述三種方法(預先偏振、低光圈數和偏振恢復)都可以用來提高基於單個成像器的投影系統的實用性。現在參考圖6對這樣的系統的一個例子進行描述。投影系統600有光源602，例如弧光燈，用來產生光。反射器604可以用來將來自光源602的光導入到隧道合成器606。濾光器608可以放置在隧道合成器606之前，以便濾出紫外光和/或紅外光。選色器610，例如色輪，可以放置在隧道合成器606之前或之後，以便在任何一個時間選擇一個色帶用以照明。隧道合成器606也可以包括偏振恢復。
補償型的多層介質前置偏振器612可以用來在光入射到成像PBS 614之前對光進行預先偏振。入射到成像器614的光的光圈數可以是2.5或更小，而且光圈數可以是2.0或更小，甚至可以是1.5或更小。光被成像PBS 614反射到成像器616，所述成像器616對部分光束進行調製以便施加偏振調製圖像。圖像光通過成像PBS 614到達投影鏡頭系統618。到達投影鏡頭系統618的光可以具有1.5或更小的光圈數。圖像光在可見光區域(400nm-700nm)具有大於250∶1的對比度，並被通過選色器610施加到光上的色帶覆蓋。在所述色帶上的圖像對比度可以大於350∶1。
控制單元620可以用來控制由成像器616施加的圖像，並且使圖像與選色器610同步。當投影系統600包括電視(例如高清晰度電視)使用的投影引擎時，控制單元620也可以包括電視調諧器和其它用來處理和投影電視畫面圖像的電路系統。
應該知道補償型的多層介質前置偏振器可以在透射方式下使用，而不是在反射方式下，例如圖7中的投影系統700所示。在這個實施例中，前置偏振器712也成為偏振恢復單元706的一部分，所述偏振恢復單元706用來將來自光源602的光的偏振轉換成需要的偏振態。可以為前置偏振器712設置反射器713以有助於偏振恢復。除了前置偏振器712和成像PBS 614，不需要其它的偏振設備來維持高對比度，所述對比度在所有色帶上都至少高於250∶1，其中圖像光的光圈數是2.5或更小。
單成像器投影系統600和700在設計上非常簡單，與傳統的三成像器系統相比，它們需要少數量的組件三成像器系統對紅、綠和藍三個色帶中的每一個都使用一個成像器。由於組件數目減少了，所以單成像器投影系統比三成像器系統便宜。此外，由於後焦距減小，所以低光圈數的投影鏡頭系統的成本可以進一步減少。由於避免了將來自三個不同成像器的圖像校直的步驟，所以單成像器投影系統製造起來更簡單。
此外，製造後由於成像器未校直而產生的問題(例如由於熱和/或機械的穩定性的問題)被避免了。在三成像器系統中，為了減少由於機械穩定性造成的問題，成像器經常直接安裝到它們對應的PBS上。但是，這導致了要求在成像器和PBS之間具有良好的熱匹配的問題。在單成像器投影系統中，熱和機械方面未校直的問題被減少了，因此成像器不需要連接到它的PBS。這就允許選擇用於PBS中的玻璃材料時有更大的餘地。
對於單成像器系統，投影系統600和700具有高的光輸出，同時提供高的圖像對比度。該單成像器系統在f/1.5的光圈數時可以在紅、綠和藍色帶上獲得大於350∶1的圖像對比度。
在圖8中示意性地示出了體現上文討論的單成像器系統的某些優點的雙成像器投影系統800的一個具體實施例。這種雙成像器系統可以產生光圈數為2.5或更低的圖像光，而且也在不同色帶上實現大於350∶1的對比率。其不使用偏振轉換器。相反，其使用單一一個補償型的多層介質前置偏振器來將照明光分成兩部分，這兩部分各自與圖像重疊，然後圖像被合成為單一一個輸出圖像。
在示出的實施例中，系統800有光源802，用來產生光。反射器804可以用來引導光。隧道合成器806可以用來使光的亮度更加均勻。光通過諸如色輪的選色器808。未示出的濾光器可以用來過濾出不想要的紫外光和紅外光。
系統800使用補償型的多層介質前置偏振器810，其將光分成正交偏振的兩個光束812和824。這個前置偏振器810產生消光高和通過量高的正交偏振光束。系統800內不同點的光的偏振態的示出是這樣的使用雙頭箭頭顯示平行於紙平面的偏振，使用黑圈顯示垂直於紙平面的偏振。透射光束812通過諸如半波延遲器的寬帶偏振旋轉器814，沿著第一成像路逕入射到第一成像PBS 816上。光被反射到第一成像器818，圖像光820被反射通過合成PBS 822到達投影鏡頭系統824。
被前置偏振器810反射的光826沿著第二成像路徑被引導到第二成像PBS 828。前置偏振器810的消光比足夠高，以至於在前置偏振器810和第二成像PBS 828之間不需要額外的諸如淨化偏振器(clean-up polarizer)的偏振器，注意到這一點很重要。第二成像PBS828將光引導到第二成像器830。圖像光832反射通過第二成像PBS828到達合成PBS 822，其中來自第一成像器818和第二成像器830的圖像光合成為傳播到投影鏡頭系統824的單個圖像光束834。對合成PBS 822的對比度的要求其它PBS的低，所以，除了補償型的多層介質偏振器，合成PBS 822也可以是柵網偏振器、MacNeille偏振器等。合成PBS 822用來反射圖像，因此，該合成表面優選地是平坦的，以使來自第二成像器830的反射圖像光832不扭曲。
在該示出的實施例中，第二偏振旋轉器836，例如半波延遲板，放置在第二成像PBS 828和合成PBS 822之間，因此透射通過第二成像PBS 828的圖像光被合成PBS 822反射。應該明白，第二偏振旋轉器836也可放置在第一成像PBS 816和合成PBS 822之間。在這樣的例子中，使合成PBS定向成以反射接收自第一成像器818的圖像光並透射接收自第二成像器830的圖像光。
第一偏振旋轉器814和第二偏振旋轉器836可以是半波延遲薄膜，通常對某一波長的旋轉正好是半波，對於其它波長的旋轉比半波稍多一點或稍少一點。兩個偏振延遲器的最優波長可以不同，使得合成的輸出圖像光束834具有平衡的色彩。例如，超高壓燈(UHP)廣泛地應用於投影光引擎中。UHP燈輸出強綠光，而藍光和紅光輸出相對較低。因此，對於紅色和藍色色帶中的光，可希望系統具有更高的總通過量。對於可見光典型的寬帶半波延遲膜在綠光上出現峰值。但是，在本實施例中，兩個偏振延遲器可以在不同波長形成峰值，例如一個峰值在藍色帶中，而另一個峰值在紅色帶中。因此，紅光和藍光通過量高於綠光通過量，而且圖像光中的色彩比在偏振旋轉器對綠光最優化的情況具有更好的色彩平衡。應該明白，可以選擇偏振旋轉器的最優波長值，以便滿足特定的色彩要求。所述選擇可以是基於大量的因素，包括(但不局限於)自光源發射的光的色彩平衡和光在系統的不同光學組件中的吸收。
如果希望單個的輸出偏振態，則四分之一波長的偏振延遲器838可以放置於合成PBS 822和投影鏡頭系統824之間。這導致來自成像器818和830中任一個的圖像光變成圓偏振光。延遲器838可以是附著在合成PBS 822的輸出表面上的延遲膜。
在這種方法中，色帶中的所有光用來投影圖像，這樣可以增強圖像亮度。作為前置偏振器810和成像PBS 816和828的偏振分光器都可以使用補償型的多層介質偏振器構成，在這種情況下，可以使用低到f/1.5或更小的低光圈數的光。因為對於通過偏振態，透過偏振器的透射率很高，而且可以使用低光圈數，所以使用補償型的多層介質偏振器提高了通過投影系統的光量。控制單元840可以用來控制由成像器818和828施加的圖像，並使圖像與選色器808同步。當投影系統800包括用於電視(例如高清晰度電視)的投影引擎時，控制單元840也可以包括電視調諧器和其它電路系統以處理並投影電視畫面圖像。
應該明白，儘管本發明已經參考使用反射式成像器的顯示器進行了描述，但是本發明也可以在使用透射式成像器的顯示器中用於預先偏振和偏振恢復。
如上標註，本發明適用於顯示裝置，並被認為特別適用於提供便宜的、高亮度的圖像投影系統。本發明不應該被認為只局限於上述的具體例子，相反，應該這樣理解，本發明覆蓋附屬權利要求書中適當陳述的本發明的所有方面。一旦本發明所屬領域的技術人員對本說明書進行回顧，對他們來說，對本發明的各種變化、等效處理和多種結構將是顯而易見的。本權利要求書旨在覆蓋這些變體和裝置。
權利要求
1.一種單成像器光投影系統，其包括成像核心，該成像核心包括選色器，該選色器使處於所需要的色帶中的照明光透射，單個反射式成像器單元，成像偏振分光器(PBS)，該成像偏振分光器將從所述選色器接收的光向所述單個反射式成像器單元反射，以及反射式前置偏振器，所述反射式前置偏振器被設置成使所述照明光在入射到成像PBS之前預先偏振，當用在可見光光譜內的光圈數不大於f/2.5的光照射時，所述反射式前置偏振器對於反射光的消光比大於50∶1。
2.如權利要求1所述的系統，其中，從所述成像核心反射的圖像光的光圈數不大於2.5，並且該圖像光在每個色帶上的對比率至少為250∶1。
3.如權利要求1所述的系統，其中，所述圖像光的光圈數不大於2。
4.如權利要求1所述的系統，其中，所述圖像光的光圈數不大於1.5。
5.如權利要求1所述的系統，其中，在每個色帶上的所述對比率大於350∶1。
6.如權利要求1所述的系統，所述系統還包括光源，該光源用以產生能被所述選色器透射的照明光。
7.如權利要求1所述的系統，所述系統還包括與所述選色器和所述反射式成像單元耦合的控制單元，該控制單元用以使被所述選色器通過的所述色帶與被施加到入射在所述成像器單元上的入射光上的所述圖像同步。
8.如權利要求7所述的系統，其中，所述控制單元包括電視調諧器和控制電路系統。
9.如權利要求1所述的系統，所述系統還包括投影鏡頭單元，所述投影鏡頭單元被設置成投影所述圖像光，所述投影鏡頭單元的光圈數不大於2.5。
10.如權利要求9所述的系統，其中，所述投影鏡頭單元的光圈數不大於2。
11.如權利要求9所述的系統，其中，所述投影鏡頭單元的光圈數不大於1.5。
12.如權利要求1所述的系統，所述成像核心還包括偏振恢復單元，該偏振恢復單元用以將光轉換成需要的偏振態，所述反射式前置偏振器形成了所述偏振恢復單元的偏振元件。
13.如權利要求12所述的系統，其中，所述偏振恢復單元包括偏振恢復隧道。
14.如權利要求12所述的系統，其中，所述偏振恢復單元置於所述選色器和所述反射式成像器單元之間。
15.如權利要求12所述的系統，其中，所述前置偏振器使處於不需要的偏振態的光反射回所述偏振恢復隧道。
16.如權利要求1所述的系統，其中，所述前置偏振器使光向所述成像PBS反射。
17.如權利要求1所述的系統，其中，所述前置偏振器是補償型的多層介質偏振器。
18.如權利要求1所述的系統，其中，所述成像PBS是補償型的多層介質偏振器。
19.如權利要求1所述的系統，僅使用所述前置偏振器和所述成像PBS作為偏振元件時，在所有色帶上獲得的所述對比率都大於250∶1。
20.一種用於投影系統的成像核心單元，其包括第一偏振分光器(PBS)，所述第一偏振分光器被設置成使照明光束分裂成分別處於第一偏振態和第二偏振態的第一光束和第二光束，所述第一偏振分光器是補償型的多層介質PBS；第一偏振旋轉器，所述第一偏振旋轉器被設置成使所述第一光束中的光的偏振旋轉；第一成像PBS，所述第一成像PBS被設置成使所述的第一偏振旋轉光束中的光向第一反射式成像器單元反射，被所述第一成像器單元反射的第一圖像光束透射通過所述第一成像PBS；第二成像PBS，所述第二成像PBS被設置成使所述第二光束中的光向第二反射式成像器單元反射，被所述第二成像器單元反射的第二圖像光束透射通過所述第二成像PBS；合成PBS，所述合成PBS被設置成將所述第一圖像光束和第二圖像光束混合成為合成圖像光束；以及第二偏振旋轉器，所述第二偏振旋轉器置於所述合成PBS與所述第一成像PBS之間以使所述第一圖像光束偏振旋轉，或者所述第二偏振旋轉器置於所述合成PBS與所述第二成像PBS之間以使所述第二圖像光束偏振旋轉。
21.如權利要求20所述的單元，其中，光從所述第一PBS傳到所述第一成像PBS和第二成像PBS，而未通過淨化偏振器。
22.如權利要求20所述的單元，其中，所述第一偏振旋轉器使處於第一波長的光最優化，所述第二偏振旋轉器處於第二波長的光最優化，所述第二波長不同於所述第一波長。
23.如權利要求20所述的單元，所述單元還包括投影鏡頭單元，所述投影鏡頭單元被設置成能投影所述合成圖像光束。
24.如權利要求21所述的單元，所述單元還包括投影屏幕，所述合成圖像光束由所述投影鏡頭單元投影在所述投影屏幕上。
25.如權利要求21所述的單元，所述單元還包括光源，該光源用以產生照明光束。
26.如權利要求25所述的單元，其中，所述合成圖像光束的光圈數不大於2.5，所述合成圖像光在其色帶上的對比率不小於250∶1。
27.如權利要求26所述的單元，其中，在所述合成圖像光的色帶上的所述對比率不小於350∶1。
28.如權利要求25所述的單元，所述單元還包括選色器，所述選色器置於所述光源和所述第一PBS之間。
29.如權利要求28所述的單元，其中，所述選色器是色輪。
30.如權利要求28所述的單元，所述單元還包括控制器，所述控制器與所述第一成像器單元和所述第二成像器單元以及所述選色器耦合，以使被所述反射式成像器單元施加的圖像與被所述選色器選擇的色彩同步。
31.如權利要求20所述的單元，其中，所述合成PBS是柵網偏振器。
32.如權利要求20所述的單元，所述單元還包括四分之一波長延遲器，所述延遲器被設置成使所述合成圖像光束的偏振延遲。
33.如權利要求20所述的單元，其中，所述第一成像PBS和所述第二成像PBS都是補償型的多層介質PBS。
全文摘要
與具有三個成像器的投影系統相比，具有單個成像器的投影系統的光通過量低，這是由於在任何一個時間只對一個色帶進行照明。因此，需要提高單成像器投影系統的工作效率。本發明涉及在單成像器投影系統或雙成像器投影系統中結合使用高消光比的前置偏振器，例如補償型的多層偏振器。這允許使用光圈數低的照明光照明，從而提高了投影系統的效率。該前置偏振器可以合併入偏振恢復單元中，以便進一步提高系統效率。
文檔編號H04N9/31GK1792098SQ200480013340
公開日2006年6月21日 申請日期2004年4月13日 優先權日2003年5月16日
發明者馬家穎, 查爾斯·L·布魯佐內, 大衛·J·W·奧斯吐恩 申請人:3M創新有限公司