專利名稱：用于投影顯示系統(tǒng)的集成的分束器和偏振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影顯示系統(tǒng)，更具體地涉及一種用于單板滾動(dòng)彩色投影顯示系統(tǒng)的集成的分束器和偏振器。
單板滾動(dòng)彩色投影顯示系統(tǒng)的特征在于單獨(dú)的光調(diào)制板，例如具有單獨(dú)像元或像素的光柵的液晶顯示(LCD)面板，該面板由水平延伸的紅、綠和藍(lán)色照明條或條帶所照射。這些條帶在該板上連續(xù)垂直滾動(dòng)，同時(shí)根據(jù)對(duì)應(yīng)于下一入射條帶的顏色的顯示信息同步尋址所照射的像素行。例如，參見(jiàn)在1994年3月25日授予P.Janssen的美國(guó)專利5410370“Single panel color projection video displayimproved scanning”和1995年5月16日授予P.Janssen等的美國(guó)專利5416514“Single panel color projection video displayhaving control circuitry for synchronizing the colorillumination system with reading/writing of the lightvalve”，這兩個(gè)專利的整個(gè)說(shuō)明書(shū)在本文中一并引入作為參考。
這種單面板系統(tǒng)與許多常規(guī)的三面板系統(tǒng)有區(qū)別，在三面板系統(tǒng)中獨(dú)立的紅、綠和藍(lán)色光束每種都完全發(fā)光，并且由獨(dú)立的光調(diào)制板來(lái)調(diào)制這些光束。然后將所調(diào)制的光束疊加到顯示屏幕上以產(chǎn)生全色顯示。
在單面板滾動(dòng)彩色系統(tǒng)中，由光引擎利用分色元件將入射的白光分成獨(dú)立的紅、綠和藍(lán)顏色分量。

圖1示意性地示出了用于這種滾動(dòng)彩色投影儀的光引擎1的照明結(jié)構(gòu)。分色元件2將光源S發(fā)出的白光分成藍(lán)色分量B和綠色/紅色分量G/R。透鏡3和反射鏡4將B分量引導(dǎo)到棱鏡掃描儀5。分色元件2使G/R分量通過(guò)透鏡6傳播到分色元件7，該分色元件7將G/R分量分成綠色分量G和紅色分量R。元件7將G分量反射到棱鏡掃描儀8，而紅色分量穿過(guò)分色元件7到達(dá)棱鏡掃描儀9。然后，反射鏡12和中繼透鏡13-17將所掃描的R、G、B分量引導(dǎo)到重組分色元件10和11。
分色元件和反射鏡與光路成45度夾角傾斜。傾斜的分色濾光片的光譜響應(yīng)主要取決于光的入射角度。因此，當(dāng)在發(fā)散光中使用這些濾光片時(shí)，不可能有效地將白光分成非重疊的色帶，這對(duì)于高光輸出率是必要的。結(jié)果就是，必須犧牲該系統(tǒng)的色彩性能或者光學(xué)效率。
其光調(diào)制板是LCD時(shí)，該光還必須是偏振的。典型的是使用稱作McNeill棱鏡的光學(xué)元件，在單獨(dú)的步驟中實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換。如在分色濾光片的情況中，這些偏振轉(zhuǎn)換元件的效率隨著接受處理的理變得更為發(fā)散而降低。
圖2中示出了典型的偏振轉(zhuǎn)換裝置20。來(lái)自光引擎的輸出光通過(guò)偏振片22引導(dǎo)到偏振分束器(PBS)23，該輸出光構(gòu)成了R、G和B光的滾動(dòng)帶圖像，該偏振分束器23具有內(nèi)偏振分束表面23a。偏振器22將非偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸环N偏振態(tài)的光，例如S。表面23a將該S光傳播到光調(diào)制板24，其根據(jù)顯示信號(hào)調(diào)制光，并且將經(jīng)調(diào)制的光反射回PBS23。在調(diào)制和反射過(guò)程中，板24將光的偏振態(tài)從S變?yōu)镻，并且表面23a將光反射到PBS23之外的投影透鏡，以用于顯示。
通常，利用集成陣列結(jié)合光集成步驟來(lái)進(jìn)行偏振轉(zhuǎn)換。光集成的目的在于生成具有均勻亮度條帶狀橫截面的光束。然而，按照目前實(shí)際情況，結(jié)合光集成陣列的偏振轉(zhuǎn)換對(duì)于具有長(zhǎng)寬比如此大的橫截面的光束不能正常工作。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于將非偏振白光分成紅、綠和藍(lán)色分量以及用于將這些分量轉(zhuǎn)變?yōu)閱我黄駪B(tài)的集成系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于投影顯示系統(tǒng)的集成的分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10，該系統(tǒng)包括光導(dǎo)陣列32，其包括至少四個(gè)光導(dǎo)元件(W、Gr、Gg、Gb)，第一光導(dǎo)元件(W)具有光出射面34，第二、第三和第四光導(dǎo)元件具有大長(zhǎng)寬比(1/w≥2)的光入射面(36、38、40)，該入射面(36、38、40)分別具有第一面(36a、38a、40a)和第二面(36b、38b、40b)；偏振分束器42，用于將來(lái)自光導(dǎo)元件W的出射面34的白光轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械谝黄駪B(tài)的第一光束和具有第二偏振態(tài)的第二光束，該偏振分束器42包括入射面44、與該入射面44成一定角度的內(nèi)部偏振分束表面46、具有用于反射第一偏振態(tài)的光和用于透射第二偏振態(tài)的光的偏振分束面46a以及用于透射第二偏振態(tài)的光的相對(duì)的面46b的表面46、還具有面對(duì)偏振分束面面46a的第一出射面48以及面對(duì)上述面46b的第二出射面50的偏振分束器42；與第一出射面48相對(duì)的第一濾光片組F1，該濾光片組F1包括紅、綠和藍(lán)濾光片(R1、G1、B1)，第一偏振態(tài)的紅、綠和藍(lán)光分別由表面46的面46a反射之后，由所放置的該濾光片(R1、G1、B1)分別反射到光導(dǎo)(Gr、Gg、Gb)的入射面(36、38、40)的第一面(36a、38a、40a)；與第二出射面50相對(duì)的第二濾光片組F2，該濾光片組F2包括紅、綠和藍(lán)濾光片(R2、G2、B2)，放置該濾光片(R2、G2、B2)用于將第二偏振態(tài)的紅、綠和藍(lán)光分別反射到光導(dǎo)(Gr、Gg、Gb)的入射面(36、38、40)的第二面(36b、38b、40b)；與光導(dǎo)陣列32相對(duì)的第一透鏡L1，用于將來(lái)自光導(dǎo)W的出射面34的光成像到偏振分束器42的入射面44上，以及用于將來(lái)自偏振分束器42的光成像到光導(dǎo)(Gr、Gg、Gb)的入射面(36、38、40)上；第二透鏡L2，用于準(zhǔn)直來(lái)自光導(dǎo)W的出射面34的光；以及放置在透鏡L2與光導(dǎo)(Gr、Gg、Gb)的入射面(36、38、40)的第二面(36b、38b、40b)之間的波片52，用于將第二偏振態(tài)的光轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝黄駪B(tài)的光。
優(yōu)選將光導(dǎo)W放置在光導(dǎo)(Gr、Gg、Gb)的下方，但是也可選擇將其放置在光導(dǎo)(Gr、Gg、Gb)的上方或者光導(dǎo)(Gr、Gg、Gb)的一側(cè)。
濾光片組F1和F2的濾光片(R1、G1、B1)和(R2、G2、B2)分別優(yōu)選從出射面48和50按照B、G、R的順序依次放置，但是也可選擇分別從出射面48和50按照另一順序，例如B、R、G放置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種投影顯示系統(tǒng)50，該系統(tǒng)包括白光源52；根據(jù)本發(fā)明第一方面的集成的分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)54，該系統(tǒng)54用于將光源52分成具有大長(zhǎng)寬比橫截面的偏振紅、綠和藍(lán)色光束；光調(diào)制板56，用于根據(jù)顯示信號(hào)調(diào)制光；用于在光調(diào)制板56上連續(xù)并順序地滾動(dòng)紅、綠和藍(lán)色光束的裝置58；和用于將所調(diào)制的光投影到顯示表面上的投影透鏡60。
該光調(diào)制板56優(yōu)選為液晶顯示面板，然而也可選擇采用其它類型的顯示板，例如可變形反射鏡設(shè)備。用于滾動(dòng)光束的裝置58可以是單獨(dú)的大旋轉(zhuǎn)棱鏡，或者可選擇的是三個(gè)較小的旋轉(zhuǎn)棱鏡，分別將該三個(gè)較小的旋轉(zhuǎn)棱鏡用于紅、綠和藍(lán)色光束。
投影顯示系統(tǒng)50可以包括用于將紅、綠和藍(lán)色光束從分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)54引導(dǎo)到滾動(dòng)裝置58的光導(dǎo)系統(tǒng)62。在共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)序號(hào)______，提交日______，(代理人卷號(hào)PHUS020170)中描述了適用于本發(fā)明的無(wú)損失的集光率保持光導(dǎo)，該申請(qǐng)的全部說(shuō)明在本文中一并引入作為參考。
投影顯示系統(tǒng)50還可以包括在光調(diào)制板56上滾動(dòng)紅、綠和藍(lán)色光束的過(guò)程中用于向光調(diào)制板56同步并連續(xù)提供彩色顯示信號(hào)的紅、綠和藍(lán)色分量的裝置64。例如，在上面已經(jīng)引用的美國(guó)專利5410370和5416514中所描述的合適裝置。
圖1示意性地表示了用于現(xiàn)有技術(shù)的單板滾動(dòng)彩色投影系統(tǒng)的光引擎的照明結(jié)構(gòu)；圖2示意性地表示了用于現(xiàn)有技術(shù)的單板滾動(dòng)彩色投影系統(tǒng)的偏振轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；圖3A到3E是示意性表示用于本發(fā)明的投影顯示系統(tǒng)的集成的分束器和偏振器的一個(gè)實(shí)施例的不同視圖；圖4A到4G是示意性表示用于本發(fā)明的投影顯示系統(tǒng)的集成的分束器和偏振器的其它實(shí)施例的不同視圖；圖5是表示包含本發(fā)明的集成的分束器和偏振器的投影顯示系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3A，表示了本發(fā)明的集成的分束器和偏振器30的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。光導(dǎo)陣列32包括四個(gè)光導(dǎo)元件(W、Gr、Gg、Gb)。光導(dǎo)元件W具有光出射面34，光導(dǎo)元件Gr、Gg、Gb分別具有光入射面36、38和40。
如圖3C到3E的截面圖A-A所示，入射面36、38和40具有第一面(36a、38a、40a)和第二面(36b、38b、40b)。這些入射面還具有大的長(zhǎng)寬比，其特征長(zhǎng)寬比為2或更高(1/w≥2)，從而能夠獲得滾動(dòng)光調(diào)制板所需的條狀光束橫截面。
該集成的分束器和偏振片30還包括用于將來(lái)自光導(dǎo)元件W的出射面34的白光轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械谝黄駪B(tài)的第一光束和具有第二偏振態(tài)的第二光束的偏振分束器(PBS)42。將來(lái)自光導(dǎo)W的出射面14的非偏振白光(U)成像到PBS42的入射面44上，并且由第二透鏡L2準(zhǔn)直。透鏡L2還有助于保持光的遠(yuǎn)心。當(dāng)U光照射到表面46的內(nèi)部偏振分束面46b上時(shí)，該光轉(zhuǎn)變?yōu)镾光并且向出射面48和濾光片組F1反射。濾光片B1、G1和R1分別從S偏振白光中分離出藍(lán)、綠和紅光。濾光片B1、G1和R1是反向反射的并且以不同角度傾斜，因此在反向反射之后，透鏡L1將該光再成像到相應(yīng)的光導(dǎo)中。濾光片B1、G1和R1還在垂直于附圖的平面內(nèi)傾斜，使得光落入光導(dǎo)的左半部(36a、38a、40a)(視圖A-A)。
同時(shí)，PBS44的表面46將P偏振光(圖3B)傳輸?shù)匠錾涿?0。第二濾光片組F2相對(duì)于出射面50放置，并且傾斜單獨(dú)的反向反射濾光片B2、G2、R2，使得在反向反射之后，表面46再次傳輸該光，并且透鏡L1將該光再成像到相應(yīng)光導(dǎo)的右半部(36b、38b、40b)。
置于光導(dǎo)陣列32的右半部之前的波片52(圖3E)將光的偏振態(tài)從P變?yōu)镾，因此，入射到光導(dǎo)Gr、Gg、Gb的所有光的偏振態(tài)匹配，如入射面36、38和40上的匹配交叉線所示(圖3F)。
在圖4A到4G的系統(tǒng)60中表示了可選的并排設(shè)置的光導(dǎo)。在這種配置的描述中，圖4A和4B是與圖3A和3B相似的側(cè)視圖，不同之處在于光導(dǎo)W在陣列62中的不同位置以及濾光片在濾光片組F1和F2中的位置順序。在這種配置中，與先前的實(shí)施例相比濾光片R和G的位置交換了。
圖4C是該配置的頂視圖，表示了置于陣列62左側(cè)的光導(dǎo)W。圖4D到4G是沿A-A截取的截面圖，同時(shí)圖4E和4G表示了在波片72之前的非匹配偏振態(tài)，而圖4D和4F分別表示了在波片72之后匹配的偏振態(tài)的側(cè)視圖和頂視圖。
以上集成的系統(tǒng)將偏振轉(zhuǎn)換和顏色分離功能集成到一個(gè)緊湊的單元中。而且，沒(méi)有使用用于顏色分離的分色濾光片，由此避免了發(fā)散光系統(tǒng)中相應(yīng)的色純度降低。
圖5表示了包括根據(jù)本發(fā)明的集成的分束器和偏振器82的投影顯示系統(tǒng)80、光調(diào)制板84、用于在板84上滾動(dòng)彩色光束的裝置86，以及用于將所調(diào)制的光投影到顯示表面上的投影透鏡88。
該系統(tǒng)80還包括用于將光源S發(fā)出的白光引導(dǎo)到集成的分束器和偏振器82以及用于將來(lái)自集成的分束器和偏振器82的彩色光束引導(dǎo)到裝置86的光導(dǎo)系統(tǒng)90。提供了用于與彩色光的滾動(dòng)帶照射相同步地將顯示信號(hào)提供給板84的尋址裝置92，以用于生成彩色顯示圖像。
在先前參考的共同未決美國(guó)專利申請(qǐng)序號(hào)______，提交日________，(代理人卷號(hào)PHUS020170)中提供了光導(dǎo)系統(tǒng)工作的詳細(xì)情況以及其示例性結(jié)構(gòu)。
已經(jīng)根據(jù)有限數(shù)量的實(shí)施例必要地描述了本發(fā)明。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)講，其它實(shí)施例和實(shí)施例的變型也是顯而易見(jiàn)的，并且這些實(shí)施例均應(yīng)包含在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于投影顯示系統(tǒng)的集成的分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括光導(dǎo)陣列，其至少包括第一白光光導(dǎo)元件，其具有光出射面，還至少包括第一、第二和第三彩色光光導(dǎo)元件，它們具有光入射面，每個(gè)入射面都具有第一面和第二面；偏振分束器，用于將來(lái)自白光光導(dǎo)元件的出射面的白光轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械谝黄駪B(tài)的第一光束和具有第二偏振態(tài)的第二光束，該偏振分束器包括入射面、與該入射面成一定角度的內(nèi)部偏振分束表面、具有用于反射第一偏振態(tài)的光并透射第二偏振態(tài)的光的第一偏振分束面以及用于透射第二偏振態(tài)的光的相對(duì)的第二面的表面，該偏振分束器還具有面對(duì)第一面的第一出射面以及面對(duì)第二面的第二出射面；與第一出射面相對(duì)的第一濾光片組，該第一濾光片組包括紅、綠和藍(lán)濾光片，第一偏振態(tài)的紅、綠和藍(lán)光分別由偏振分束表面的第一面反射之后，由所放置的該濾波片分別反射到彩色光光導(dǎo)的入射面的第一面；與第二出射面相對(duì)的第二濾光片組，該第二濾光片組包括紅、綠和藍(lán)濾光片，放置該濾光片，以便將第二偏振態(tài)的紅、綠和藍(lán)光分別反射到彩色光光導(dǎo)的入射面的第二面；和放置在第二透鏡與彩色光光導(dǎo)的入射面的第二面之間的波片，用于將第二偏振態(tài)的光轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝黄駪B(tài)的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成的分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中該彩色光光導(dǎo)的入射面具有大的長(zhǎng)寬比(1/w≥2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成的分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10，其中提供了與光導(dǎo)陣列相對(duì)的第一透鏡，用于將來(lái)自第一白光光導(dǎo)的出射面的光成像到偏振分束器的第一入射面上，以及用于將來(lái)自偏振分束器的光成像到彩色光光導(dǎo)的入射面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成的分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10，其中提供了與偏振分束器的入射面相對(duì)的第二透鏡，用于準(zhǔn)直來(lái)自白光光導(dǎo)的出射面的光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成的分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中定位偏振分束器，使得第一出射面對(duì)應(yīng)于偏振分束器的頂面，并且定位光導(dǎo)陣列，使得白光光導(dǎo)位于彩色光光導(dǎo)上方或下方。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的集成的分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10，其中第一和第二濾光片組的濾光片優(yōu)選分別從第一和第二出射面按照B、G、R的順序依次放置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成的分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中定位偏振分束器，使得第一出射面對(duì)應(yīng)于偏振分束器的頂面，并且定位光導(dǎo)陣列，以使得白光光導(dǎo)位于彩色光光導(dǎo)的一側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成的分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中第一和第二濾光片組的濾光片優(yōu)選分別從第一和第二出射面按照B、R、G的順序依次放置。
9.一種投影顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括白光源；根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成的分束和偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于將光源分成具有大長(zhǎng)寬比(1/w≥2)的橫截面的偏振紅、綠和藍(lán)色光束；光調(diào)制板，用于根據(jù)顯示信號(hào)調(diào)制光；用于在光調(diào)制板上連續(xù)并順序地滾動(dòng)紅、綠和藍(lán)色光束的裝置；和用于將所調(diào)制的光投影到顯示表面上的投影透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影顯示系統(tǒng)，其中該光調(diào)制板為液晶顯示面板。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影顯示系統(tǒng)，其中該滾動(dòng)裝置包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)棱鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影顯示系統(tǒng)，其中提供了一種光導(dǎo)系統(tǒng)，用于將來(lái)自分束和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的紅、綠和藍(lán)光束引導(dǎo)到滾動(dòng)裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影顯示系統(tǒng)，其中提供了在光調(diào)制板上滾動(dòng)紅、綠和藍(lán)色光束的過(guò)程中用于向光調(diào)制板同步地且連續(xù)地提供彩色顯示信號(hào)的紅、綠和藍(lán)色分量的裝置。
全文摘要
一種用于投影顯示系統(tǒng)(80)的集成的分束器和偏振器(30)，其包括光導(dǎo)陣列(32)，其具有出射面(W)以用于提供非偏振白光，并具有入射面陣列(36、38、40)以用于接收彩色光；偏振分束器(42)，用于將白光分成具有兩種不同偏振態(tài)的偏振光；兩組彩色濾光片(F1和F2)，用于將白光分成彩色光，以及用于將不同偏振態(tài)的光引導(dǎo)到出射面陣列的不同面上；以及波片(52)，用于將一種偏振態(tài)的彩色光變?yōu)榱硪环N偏振態(tài)的彩色光。
文檔編號(hào)G02B6/28GK1729699SQ200380106659
公開(kāi)日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2003年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者P·詹斯森 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司