專利名稱：兩片式色彩管理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本專利申請涉及一種色彩投影顯示系統(tǒng)，尤其涉及，色彩管理中采用多個成像器面板和消色差偏振開關的一種色彩顯示系統(tǒng)。
背景技術：
光學成像系統(tǒng)典型地包含透射式或反射式的成像面板，也就是指光閥或光閥陣列，它將圖像施加到光束上。透射式成像面板一般是半透明的，并允許光通過；另一方面，反射式成像面板則僅僅反射選擇的部分輸入光束來形成圖像。反射式成像面板，如硅基液晶(LCoS，liquid-crystal-on-silicon)微顯示器，當感光底層材料不被其不透明性所限時，具有一些優(yōu)勢，因為控制電路可以置于反射表面的后面，以及可采用更先進的集成電路工藝。
硅基液晶成像面板，以及基于其它類型的液晶顯示器(LCD)的成像面板，可旋轉入射光的偏振。典型地，偏振光或者在其偏振態(tài)基本沒有改變時被成像面板反射而得到最暗狀態(tài)，或者當給予一定程度的偏振旋轉則得到所需的灰度。提供90度的旋轉則得到這些系統(tǒng)中的最亮狀態(tài)。因此，偏振光束通常被用作反射式LCD成像器的輸入光束。
為了產生全彩色投影圖像，基于LCD技術的投影顯示系統(tǒng)通常需要一片、兩片、或三片LCD成像面板。當使用三片面板時，每片面板被三原色之一照亮。用相應于色彩路徑的視頻數(shù)據(jù)對每片面板進行電尋址，此色彩路徑將接收的照射光引導到成像器。最后，這三副單色圖像被同時投影到屏幕上，結果產生沒有失真的、與當時圖像數(shù)據(jù)的色彩序列相關的高亮度圖像。
單片式系統(tǒng)，如于2004年3月9日授權給De Vaan等人的第6,702,446號美國專利和于2004年3月16日授權給Johnson等人的第6,707,516號美國專利中所披露的，采用了一些使用三原色順序照射單個成像器的方法，典型地，或采用色彩序列或者轉動三原色光條紋模盤，比如使用色輪，來產生全彩色圖。成像器用時序制(并且可能滾動式)視頻圖像數(shù)據(jù)流進行電尋址，該數(shù)據(jù)流已被調制成在時間(并且可能空間)上隨復色光源同步變化。
成像系統(tǒng)投射一副色彩序列(或者色彩滾動)圖像的放大圖到觀察表面，因為人眼對時間的反應較圖像系統(tǒng)中的色彩調制速度慢，所以在觀察表面上觀察者看到一副全彩圖。與三片式顯示器相比，由于單片式顯示器的色彩序列特性，單片式顯示器獲得的圖像的亮度較低。另外，由于色彩序列系統(tǒng)的該暫態(tài)特性，圖像也可能包含色亂失真。
在這兩個極端之間，兩片式結構是具有吸引力的折中方案。典型地，兩片式結構的色彩管理是幾種普通方案的一種。第一種方案，將從光源發(fā)出的光分成兩束，此兩光束是通過將該未處理的光分離成該光的兩正交偏振態(tài)組分形成的，從而形成連續(xù)的，比如非調制的，偏振光束。這些光束中的每一束被路由到這兩成像器中的一個。這兩束偏振光束經濾色并且用色彩序列或色彩滾動裝置(如色輪)進行調制，與包含只有單個成像器的系統(tǒng)類似。
生成的兩副色彩調制圖像被偏振光束組合器重新組合，以產生單個色彩序列的全彩圖。與單片式系統(tǒng)相比，這種方法的好處在于比僅僅使用一個成像器獲得更亮的圖像。然而，因為仍需要色彩序列的一些暫時形態(tài)，這種系統(tǒng)獲得的圖像還是不如三片式系統(tǒng)獲得的圖像亮。
第二種方案在2001年8月28日授予Brennesholtz的第6,280,034號美國專利和在2002年5月14日授予Yoo等人的第6,388,718號美國專利中有所披露，在此方案中，源自光源的光首先按光譜分成兩束，這樣，其中一束光由來自單個原色路徑(例如，只有紅光)的光組成，而另一束光由來自剩余兩原色路徑(例如，綠光和藍光)的光組成。將第一束光路由到其中的一片面板，那么該面板將連續(xù)地接收一原色照射光并顯示與此原色對應的圖像數(shù)據(jù)。由剩余兩原色光組成的第二束光被定向到第二成像面板，用動態(tài)色彩序列或色彩滾動裝置對投射到成像面板的第二束光的兩原色進行暫時排序。
用時序制視頻圖像數(shù)據(jù)流對成像面板進行電尋址，該數(shù)據(jù)流調制為與隨時間變化(并且可能空間變化，如彩色滾動)的兩原色照射光源同步。
用二色性光束組合元件將兩成像面板上獲得的圖像進行光學組合，然后投射到顯示屏或觀察表面上以得到一副全彩圖。這種系統(tǒng)在照明子系統(tǒng)中可任意地包含有偏振恢復子系統(tǒng)以全面增強顯示亮度；然而，由于兩成像器中的暫態(tài)色彩序列，得到的圖像亮度仍然比三片式系統(tǒng)要低，但是，因為它能夠同時投射兩副重疊的全幀彩色圖像，而單片式系統(tǒng)在任何時刻僅僅顯示一副全幀彩色圖像，因此其獲得的圖像一般比單片式系統(tǒng)獲得的圖像亮。
所有現(xiàn)有技術的兩片式投影系統(tǒng)都需要動態(tài)色彩分離裝置，典型的是采用機械的或電子的色盤，用來為成像面板之一提供色彩序列。其中，目前使用最為廣泛的是機械色輪。例如，于1996年5月14日授予Doany等人的第5,517,340號美國專利和于1999年1月26日授予Doany的第5,863,125號美國專利所披露的兩片式方案，其中，都是利用色輪有序地為立方體偏振分束器提供原色之一用來投影。然而，作為一種動態(tài)色彩分離裝置的色輪，有一些缺點，比如使白平衡調整變得復雜的固定的色彩比率，相對較大的尺寸和較高的成本，以及機械磨損等。
2003年5月27日授予Yano等人的第6,568,815號美國專利和2003年11月18日授予Robinson等人的第6,650,377號美國專利披露的雙片式系統(tǒng)對照明光束采用具有色彩選擇性的動態(tài)偏振控制來產生色彩序列。這些雙片式投影系統(tǒng)包含具有色彩選擇性的輸入光偏振調制器或偏振開關，它首先動態(tài)地旋轉光束中一色彩分量，使其偏振態(tài)與第二色彩分量的偏振態(tài)不同，然后利用偏振分束器來控制將哪一原色和/或者二級色彩提供給成像面板。這些動態(tài)色彩選擇性偏振開關，是通過基于延遲的偏振疊式濾光器實現(xiàn)的，該偏振疊式濾光器包含一堆雙折射性層和至少一個活性液晶晶元，同樣也具有某些缺點它們從一色帶過渡轉換到下一色帶時邊沿不夠陡峭，可能難以用標準技術工藝來制造，因此也可能相對比較昂貴。
本發(fā)明的一個目的是通過提供兩片式LCD系統(tǒng)來克服現(xiàn)有技術的缺點，該系統(tǒng)使用動態(tài)消色差偏振開關和靜態(tài)色彩分離來提供暫時色彩序列。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種使用簡單的液晶偏振輸入開關和靜態(tài)色彩分離器的兩片式LCD系統(tǒng)，其中，兩種色彩分時投影到兩成像面板上。
發(fā)明簡介[17]根據(jù)本發(fā)明提出的色彩管理系統(tǒng)，包括切換裝置，用于消色差切換光束以交替選擇第一和第二路徑，其中，該光束包括第一、第二和第三三個不同的色彩分量；第一色彩分離裝置，所述第一色彩分離裝置置于第一路徑中用來分離出第三色彩分量，并將第一和第二色彩分量引導到不同的路徑；第二色彩分離和路由裝置，所述第二色彩分離和路由裝置置于第二路徑中用來分離出第二色彩分量，并將第一和第三色彩分量引導到不同的路徑；第一成像器，所述第一成像器至少對第一色彩分量進行空間調制，并且輸出具有單個色彩分量或交替色彩分量的第一經過空間調制的彩色光束；第二成像器，所述第二成像器對第一、第二和第三色彩分量的兩色彩分量進行空間調制，并且輸出具有交替色彩分量的第二經過空間調制的彩色光束，由此，第一和第二經過空間調制的彩色光束合起來就包含所有的三個色彩分量；光束組合器，所述光束組合器將所述第一經過空間調制的彩色光束與第二經過空間調制的彩色光束組合形成投影光束。
本發(fā)明的另一方面，所述切換裝置包括偏振開關和偏振光束分光器，所述偏振開關用來消色差切換光束的偏振以使光束在第一和第二偏振態(tài)之間來回變化，所述偏振光束分光器用于當光束處于第一偏振態(tài)時將其導送到第一路徑，和當光束處于第二偏振態(tài)時將光束導送到第二路徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一色彩分離和路由裝置包括第一彩色濾光器，該彩色濾光器用來充分消除光束中的第三原色分量，并且輸出包含有第一和第二原色分量的第一二級彩色光束；并且第二色彩分離和路由裝置包括第二彩色濾光器，它用來充分消除光束中的第二原色分量，并且輸出包含有第一和第三原色分量的第二二級彩色光束，并且其中，所述的第一和第二色彩分離裝置還包括用來交替接收第一和第二二級彩色光束的通用的彩色分光器，它用來將所述的第一和第二二級光束分成兩原色彩色光束，并將所述的兩原色彩色光束中的每一個傳送到所述的第一和第二成像器中不同的一個中。
另一方面，本發(fā)明提出的色彩管理系統(tǒng)，包括用來提供偏振光束的光源，該偏振光束包含第一、第二和第三原色分量；用于消色差調制光束偏振的偏振調制器，以便在第一時間段T1輸出具有第一偏振態(tài)和在第二時間段T2輸出具有第二偏振態(tài)的偏振切換光束；偏振光束分離器，用來空間分開偏振切換光束的第一和第二偏振，并且將偏振切換光束在第一時間段T1傳送到第一路徑，和在第二時間段T2傳送到第二路徑，當所述偏振切換光束被傳送到所述第一和第二路徑時，它保持所述第一、第二和第三原色分量；第一彩色濾光器，所述第一彩色濾光器置于第一路徑用來分離所述第三原色分量，并且在所述第一時間段T1輸出包含所述第一和第二原色分量的第一二級彩色光束；第二彩色濾光器，所述第二彩色濾光器置于第二路徑用來分離所述第二原色分量，并且在所述第二時間段T2輸出包含所述第一和第三原色分量的第二二級彩色光束；靜態(tài)色彩分離器，所述靜態(tài)色彩分離器順序接收所述第一和第二二級彩色光束，在所述第一時間段T1空間分開所述第一和第二原色分量，和所述第二時間段T2空間分開所述第一和第三原色分量；第一和第二成像器，分別用來在所述第一時間段T1接收所述第一和第二原色分量中的不同的一個，和在所述第二時間段T2接收所述第一和第三原色分量中的不同的一個，并且分別輸出第一和第二經空間調制的彩色光束，其中，至少第一和第二經空間調制的彩色光束的一個具有時序原色分量；以及，光束結合器，所述光束結合器將所述的第一和第二經空間調制的彩色光束結合到一起以形成投影光束。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，第一和第二成像器在第一時間段T1分別接收第一和第二色彩分量，并在第二時間段分別接收第三和第一色彩分量，因此第一和第二經空間調制的彩色光束中的每一個都包含兩個時序原色分量。
附圖簡介[22]下面將參考描述本發(fā)明優(yōu)選實施例的附圖，更詳細地講述本發(fā)明，其中[23]

圖1是本發(fā)明的色彩管理系統(tǒng)圖； 圖2是圖1所示的色彩管理系統(tǒng)在第一種工作模式下的說明光束和色彩路由的示意圖；[25]圖3是圖1所示的色彩管理系統(tǒng)在第二種工作模式下的說明光束和色彩路由的示意圖；[26]圖4是圖1至圖3所示的色彩管理系統(tǒng)中的說明偏振開關與色彩序列方案的示意圖。
詳細描述[27]除非另有說明，包括通過上下文使用的說明，這里用到的色彩系統(tǒng)是指加色色彩系統(tǒng)。在加色系統(tǒng)中，紅、綠、藍是原色，紫(紅+綠)、青(藍+綠)、黃(紅+綠)是二級色。本技術領域的熟練技術人員都知道，在減色系統(tǒng)中，例如，它常用來描述印刷系統(tǒng)，原色指的是紫、青、黃。
如圖1至圖3所示，兩片式色彩管理系統(tǒng)的示范性實施例，它將動態(tài)消色差偏振開關與靜態(tài)空間色彩分離相結合來產生色彩序列，描述如下。
先看圖1，兩片式色彩管理系統(tǒng)10包括光源，此光源為帶弧狀14的燈12，工作時，所述燈產生具有多于一個偏振態(tài)、本質上是白光的光束16，比如非偏振光?？蛇x擇地，燈12為基于燈絲發(fā)光的燈。在聚光管18的輸入端帶有第一偏振轉換器19，用來將非偏振光束16生成偏振的、均勻的照明光束17。換句話說，偏振光束17已被轉換為本質上只有一個偏振態(tài)，如雙端箭頭21所示，它指示P型偏振態(tài)。P型偏振態(tài)是為了討論的目的而隨意選擇的，本技術領域的熟練技術人員都知道P型偏振和與之正交的S型偏振，是根據(jù)所選定的平面來定義的。在可選的實施例中，也可選擇S型偏振態(tài)，同時需要對圖1中的偏振敏感裝置和元件做適當修改，這對本技術領域的熟練技術人員是已知的。
優(yōu)選地，位于聚光管18的輸入端的偏振轉換器19由多個直角立方體棱鏡偏振轉換器組成，比如立方體偏振分束器。在可選擇的實施例中，燈12為提供本質上具有單個偏振態(tài)的光束的偏振燈，那么偏振轉換器19就不需要了。任選地，可以在燈12后加中繼鏡29以提供緊湊的光路。
凈化偏振器(clean-up polarizer)(圖中未示出)可以任意設置在聚光管18的輸出末端，以消除不具有所選擇偏振態(tài)的光束。在偏振轉換器19將來自燈12的光17轉化成所選擇的偏振態(tài)后，從聚光管18的管壁的反射會使一些光的偏振態(tài)旋轉。從聚光管18射出的P型偏振光與S型偏振光的比率一般在3∶1到5∶1之間。如果光通量使吸收式偏振器產生太多的熱，那么，一般反射式偏振器是首選的凈化偏振器，如金屬柵格型偏振器。如果從聚光管18中射出的光被高度偏振，則可選擇吸收式凈化偏振器或者在一些實施例中完全不用凈化偏振器。在其它實施例中，直角立方體型，如MacNielle型偏振器或者受阻全反射(FTIR)型偏振器被用作凈化偏振器，同時對講述的光路作適當?shù)恼{整。
燈12、偏振轉換器19和聚光管18可以用純白光的偏振光束17的可選擇的光源替代，并且被用于本發(fā)明的色彩管理系統(tǒng)中，這對于本技術領域的熟練技術人員是顯而易見的。本說明書中，偏振光束17，也稱為輸入光束或照明光束，實質是一束純白光，因此，它至少包含三色彩分量，它們組合在一起能夠產生純白光，在這里它們也被稱為第一、第二和第三色彩分量。在后面介紹的實施例中，這三色彩分量是指原色分量，比如紅、綠、藍。僅作為例子，在下面的描述中所述第一、第二和第三色彩分量將與紅色、綠色、藍色分別關聯(lián)；但是選擇這種特別的關聯(lián)僅僅是為了方便描述，對于第一、第二和第三色彩分量的其它色顏關聯(lián)也是等效的，也屬于本發(fā)明的范圍。比如，在可選擇的實施例中，第一色彩分量可以是藍色、第二色彩分量是綠色和第三色彩分量是紅色等等。
偏振調節(jié)器15，這里也稱為偏振開關15，用來接收包含此三色彩分量的偏振光束17。偏振調節(jié)器15使光束17在兩個不同的，優(yōu)選為正交的，偏振態(tài)之間交替切換，比如P型和S型偏振態(tài)，以形成交替的偏振光束20。本說明書前后文中使用的“交替偏振光束”或“交替偏振色彩分量”是用來表示具有在第一偏振態(tài)，比如P型偏振態(tài)，和第二偏振態(tài)，優(yōu)選的，與第一偏振態(tài)正交的比如S型偏振態(tài)，之間及時輪流交替偏振的光束。優(yōu)選的，偏振調節(jié)器15包括電控的液晶開關，例如鐵電的液晶(FELC)開關，它可以通過商業(yè)途徑得到，比如向Displaytech公司購買。作為示例，偏振調節(jié)器15為液晶偏振開關，當它處于“OFF”狀態(tài)時將輸入光束17從P型偏振態(tài)旋轉90度到與其正交的S型偏振態(tài)；當處于“ON”狀態(tài)時，不改變P型偏振光束的偏振態(tài)而直接將其傳送。工作時，開關15在“OFF”狀態(tài)和“ON”狀態(tài)之間交替切換，其中在第一時間段T1維持“OFF”狀態(tài)，在第二時間段T2維持“ON”狀態(tài)，這樣，就形成作為開關15輸出的交替偏振光束20。圖1中，持續(xù)時間為T1和T2的光束20的兩交替偏振態(tài)分別用標記同心圓22的兩線段表示S型偏振，用雙箭頭21表示P型偏振。此處，當次序為(T1+T2)的時間間隔或較短時，交替偏振光束20也被當作偏振切換光束。
金屬柵格(WG)偏振器式的第一偏振光束分離器(PBS)25，與光束20成銳角放置，用來接收交替偏振光束20，目的是為了從空間上將S和P型偏振分開。更特別的是，當光束20處于S型偏振態(tài)時，該光束是通過WG偏振器25發(fā)送的；當所述光束處于P型偏振態(tài)時，該光束是從WG偏振器25反射出去的。由此，在時間間隔T1期間光束20被WG偏振器25導送到沿著第一路徑23前進，而在時間間隔T2期間光束20被導送到沿著第二路徑24前進。在其它實施例中，不同類型的PBS，比如立方體型或者FTIR型，可用來代替WG偏振器25。偏振調節(jié)器15和PBS 25共同構成光束交替轉換裝置70，用于消色差切換光束17，使其在第一路徑23和第二路徑24之間交替?zhèn)魉汀?br> 在PBS 25的后面，在第一路徑23和第二路徑24分別設置第一彩色濾光器30和第二不同的彩色濾光器26，它們將根據(jù)偏振情況交替接收光束20。第一和第二彩色濾光器30和26下文中也將被稱為第一和第二二級色彩濾光器，或者是第一和第二色彩濾光器。
重要的是，偏振調節(jié)器15和PBS 25都能充分消除色差，比如，它們實現(xiàn)它們各自功能時充分地保持了輸入光束17的這三原色分量，所以在工作中第一彩色濾光器30和第二26彩色濾光器交替接收的光包含所有三原色分量，比如藍、綠和紅色，并輸出具有不同組成，或者二級色彩的光。本技術領域的熟練技術人員都知道，在整個可見光譜范圍內PBS 25可能具有不完全平坦的光譜傳遞函數(shù)，在“ON”與“OFF”狀態(tài)下偏振調節(jié)器15可具有不同的光譜傳遞函數(shù)，因此，只要每個濾光器30、26各自接收足夠量的三原色分量中的每個分量，在不改變由偏振調節(jié)器15和PBS 25形成的光束切換裝置70的充分消除色差的性質的情況下，那么由濾光器26，30接收的三原色分量的相對亮度可能略有不同。在其它實施例中，可選擇的用來消色差的將光束17在兩光學路徑之間來回切換的交替光束切換裝置來代替偏振調節(jié)器15和PBS 25的組合，比如，具有1 x 2導向功能的光學光束開關。
第一彩色濾光器30和第二彩色濾光器26是兩個不同的二級彩色濾光器，它們將入射光分離去掉一個不同的原色分量，并輸出第一和第二二級彩色光束。它們分別形成了本發(fā)明動態(tài)色彩管理系統(tǒng)的第一和第二靜態(tài)色彩分離裝置的第一階段。所述的第一和第二色彩分離裝置的每一個的功能是分離并去掉三色彩分量中的一個，并將另兩色彩分量導送到不同的路徑。在所示的實施例中，所說的第一和第二色彩分離裝置的第二階段包括通用的靜態(tài)彩色光束分離器40，它交替地接收第一和第二二級彩色光束，分離所接收的二級彩色光束的剩余的兩原色分量，并將它們分別沿不同路徑導送到第一和第二成像器38和36，以使所述的兩原色彩色光束中的每一束被導送到第一(38)和第二(36)成像器中的不同的一個中通過空間調制賦予圖像信息。在時間段T1和T2，色彩路由是不同的，在圖2和圖3中進行說明，并結合本發(fā)明其余的色彩管理系統(tǒng)的描述作更詳細的討論。
參考圖2，與時間段T1對應的本發(fā)明色彩管理系統(tǒng)的第一暫時工作模式，當液晶開關15處于“OFF”狀態(tài)，則光束20為S型偏振，并將沿著第一路徑23透過PBS 25傳送到第一個二級彩色濾光器30。在圖1至圖3所示實施例中，第一個二級彩色濾光器30為黃色濾光器，它分離去掉(比如反射)光束的第三(比如藍色)色彩分量，因此所述的藍色分量被消除掉或者充分丟失了，那么輸出(比如傳輸)的第一彩色光束31實質上僅具有第一(比如紅色)和第二(比如綠色)色彩分量，它們一起形成了第一束二級彩色光束31，在該種特定情況下即為黃色彩色光束。然后，偏振旋轉半波片28將黃色光束31的偏振旋轉90度，因此將其轉換為P型偏振。在可替換的實施例中，對系統(tǒng)10的其它偏振敏感光學元件的光學作適當?shù)母淖?，則偏振轉換器28可被設置在第二光學路徑24中，比如在濾光器26之后，這對于本技術領域的熟練技術人員是顯而易見的。
以透射反射二色性光束分離器的形式出現(xiàn)的靜態(tài)彩色光束分離器40，這里也稱為色彩分離器40，它通過其40a邊與該黃色光束31成銳角來接收該黃色光束31，目的是為了將黃色光束31的第一和第二原色分量從空間上進行分離，以形成兩原色彩色光束41和42，并將所述的兩原色彩色光束41和42中的每一個分別導送到第一(38)和第二(36)成像器中不同的一個中，比如將第一色彩分量定向到第一成像器38，第二色彩分量定向到第二成像器36。
更特別的是，在所述的本實施例中，靜態(tài)彩色分離器40為紅/青光束分離器，它被配置成可反射P型偏振黃色光束31的紅色分量41并透射其綠色分量42。在圖1至圖3中，分別用點線和虛線來表示紅色和綠色色彩分量。因此這些紅色和綠色分量41、42被靜態(tài)二色分束分離器40分別定向到第一成像器38和第二成像器36，優(yōu)選地，所述成像器可用反射式LCoS成像面板來實現(xiàn)。在可替換的實施例中，所述第一彩色濾光器30可以為青色濾光器，并且所述靜態(tài)彩色分離器40可以為黃/藍光束分離器，用來將從濾光器30接收到的青光分離成圖2中分別用數(shù)字41、42表示的綠色和藍色分量，在該實施例中涉及綠色和藍色分量。
根據(jù)本發(fā)明實施例，第一彩色濾光器30和彩色分離器40，與放置在它們中間的任選的光學元件27、28和29共同構成色彩管理系統(tǒng)的第一彩色分離與路由裝置71。在其他實施例中，可采用其他的靜態(tài)彩色分離器和路由裝置設置在第一路徑中，其作用為分離去掉第三色彩分量，并將第一色彩分量定向到第一成像器，以及將第二色彩分量沿另外獨立的路徑定向到第二成像器。
第一和第二原色分量，比如紅光和綠光，均為P型偏振，因此它們都是透過與各自色彩分量41、42的傳播方向成銳角(比如45度)的反射式偏振器46和44來傳輸?shù)摹?br> 優(yōu)選地，反射式偏振器44和46為金屬柵格(WG)型偏振器，當然也可以使用其它高質量的反射式偏振器，如直角立方體棱鏡(MacNielle型)或受阻全反射(FTIR)型偏振器。本技術領域熟練技術人員都知道，F(xiàn)TIR偏振器透射S型偏振光，而反射P型偏振光，因此元件和示意圖也需相應作一些修改。反射式偏振器44和46能夠透射一個偏振態(tài)的光，本例中為P型偏振光，而將與其正交的偏振態(tài)的光反射出去，例如S型偏振光，因此下文也將其分別稱為第二和第三偏振光束分離器46和44，或者第二和第三WG-PBS 46和44。希望第二和第三偏振光束分離器46和44具有較高的質量，也就是光學上充分平滑，以保證從成像面板36、38反射出的圖像質量。
LCoS成像面板36和38對入射光進行空間調制，并將反射光的偏振態(tài)旋轉90度。這樣，從第一成像器38反射來的、經過空間調制的紅光43為S型偏振光；然后，光43被與第一成像器38相關聯(lián)的反射式偏振器46反射并射向起偏振光束組合器作用的立方體偏振分束器50。類似的，第二成像器36輸出第二經空間調制的S型偏振綠光48，此綠光被反射式偏振器44反射并射向偏振光束組合器50。偏振光束組合器50，是一個立方體偏振分束器(a polarization beam splitter cube)，它將綠光48與從第一成像器38輸出的經空間調制的紅光組合，形成投影光束51，所述的投影光束51在時間段T1期間，主要是包含第一和第二色彩分量，在此特殊實例中為紅色和綠色。
在另一個實施例中，第一成像器38和第二成像器36為可透射的液晶平板，與圖1至圖3所示的實施例相比，它們的位置分別與第二PBS 46和第三PBS 44在光學順序上是相反的。
圖3給出了根據(jù)本發(fā)明色彩管理系統(tǒng)的第二暫時工作模式在圖1中所示的色彩路由方案的工作原理圖。該第二模式與時間段T2相對應，此時液晶開關15處于“ON”狀態(tài)。
在時間段T2期間，消色差液晶開關15處于“ON”狀態(tài)，光束20為P型偏振，它被PBS 25反射后沿著第二路徑24射向第二彩色濾光器26。在所示實施例中，所述的第二彩色濾光器26為紫色濾光器。該紫色濾光器26分離去掉或著消除(比如反射)光束20的第二色彩分量(比如綠色)，因此所述的綠色分量被完全丟掉，并輸出(比如傳輸)主要包含第一(比如紅色)和第三(比如藍色)分量的第二彩色光束32，這兩分量共同構成第二二級彩色光束，在本實施例中為紫色彩色光束32。
第二彩色光束32，被任選的光學元件如折疊式反射鏡27和中繼鏡29適當整形后，沿著圖3中用帶點虛線所示的光路而被導送到靜態(tài)紅/青彩色分離器40的背面40b，目的是為了從空間上分離紫色光束32的第一和第三色彩分量，這樣第一色彩分量(比如紅色)被紅/青彩色分離器40再次反射，然后以紅色彩色光束的形式被導送到第二成像器36，而第三色彩分量(比如藍色)，以藍色光束的形式被導向第一成像器38。在圖1、圖3中，空間上分離的紅色和藍色色彩分量分別用點線和長虛線來表示。
根據(jù)本發(fā)明實施例，第二彩色濾光器26和彩色分離器40，與放置在它們之間的任選的的光學元件27和29，共同構成置于第二路徑24中的色彩管理系統(tǒng)的第二彩色分離裝置72。在其它實施例中，可以采用其它靜態(tài)彩色分離裝置，其作用為分離去掉第二色彩分量，并將第一和第三色彩分量沿不同路徑分別導送到第一成像器38和第二成像器36中不同的一個中，例如，將第一色彩分量定向到第二成像器36，將第三色彩分量定向到第一成像器。
第二彩色光束32的藍色和紅色分量都是P型偏振光，它們分別透過反射式偏振器46和44后，到達第一和第二成像器38和36。在時間段T2期間，第一成像器38對入射光的藍色分量進行空間調制，并朝WG-PBS 46方向輸出經過空間調制的S型偏振藍色光45，再由WG-PBS46反射到偏振組合器50。類似的，在時間段T2期間，第二成像器36對入射光的紅色分量進行空間調制，并朝WG-PBS 44方向輸出經過空間調制的S型偏振紅色光47，再由WG-PBS 44反射到偏振組合器50。偏振組合器50將從第一成像器38接收的經過空間調制的藍色光45和通過波片54轉換為P型偏振的經過空間調制的紅色光47組合，形成T2時間段期間的投影光束51，再通過投影透鏡52投影到顯示屏(圖中未給出)上。
在運轉過程中，驅使液晶偏振開關15在T1和T2期間分別在“OFF”和“ON”狀態(tài)之間交替，所以本發(fā)明的色彩管理系統(tǒng)在前述第一和第二工作模式之間輪流交替。由此提供的色彩序列方案如圖4所示，它總結了本發(fā)明前述實施例的暫時運作。該圖中，底部行序列8給出的是交替偏振光束20參照時間軸11的偏振狀態(tài)，頂部兩個序列2和4分別給出的是第一和第二成像器的色彩序列，這里第一色彩分量，比如紅色，用空矩形102和102’來表示，第二色彩分量，比如綠色，用黑色矩形101表示，第三色彩分量，比如藍色，用帶虛線的矩形103表示。時間序列6表示以序列2，4和8代表的相應色彩和偏振態(tài)的持續(xù)時間。
如前文所述，參照圖1至圖3和圖4所示的，在本發(fā)明前述實施例的色彩管理系統(tǒng)中，第一和第二成像器38、36分別各自順序調制兩色彩分量，此操作是通過在第一和第二彩色光束31，32的光學路徑中放置成銳角的分色分束分離器40完成的，可參見，如圖1所示，因此，分色分束器40通過其相對的兩面40a和40b分別接收第一和第二彩色光束31，32。結果是，第一成像器38交替調制第一和第三色彩分量，比如，所給實施例中的紅色和藍色，以輸出具有交替紅色和藍色分量的第一束經空間調制的彩色光束39；因此該成像器也可被稱為紅/藍成像器。類似的，第二成像器36交替調制第二和第一色彩分量，比如，所給實施例中的綠色和紅色，以輸出具有交替綠色和紅色分量的第二束經空間調制的彩色光束56，因此它也可被稱為綠/紅成像器。然而，這些色彩的指定是任意的，在其它實施例中是可以不同的，這決定于第一和第二二級彩色濾光器30、36以及彩色分離器40的特定的選擇。比如，在可替換的實施例中，一個成像器是藍/綠成像器，另一個是綠/紅成像器；而在另一個可選擇的實施例中，一個成像器是藍/紅成像器，而另一個是綠/藍成像器；其它的顏色組合也是可以的，同時對于本技術領域的熟練技術人員顯而易見的對彩色濾光器的排列做的改動，，也屬于本發(fā)明的范圍。
在另一些實施例中，在第一和第二暫態(tài)運作模式下對應的時間段T1和T2，其中一個成像器接收同一色彩分量，而另一個成像器交替接收這三色彩分量中的另兩個色彩分量。比如，只要適當重新排列光學路徑，就可以通過設置彩色光束分離器40用其同一面來接收第一和第二彩色光束31、32來實現(xiàn)。例如，在這樣的一個實施例中，彩色光束分離器40被用于將第一彩色光束31的第一和第二色彩分量分別路由到第一成像器38和第二成像器36，并將第二彩色光束32的第一和第三色彩分量分別導送到第一成像器38和第二成像器36，因此，第一成像器是，比如，紅/紅成像器，而第二成像器是，比如，綠/藍成像器。
具有固定(比如單色)成像器的傳統(tǒng)色彩管理系統(tǒng)可以用彩色濾光器來組合來自多個成像器的光束。在此實施例中，成像面板36和38，例如，通過對不同的色彩的光進行空間調制來成像，比如，在不同時間兩成像面板均對紅光成像，所以組合元件，也就是光學覆蓋層60是基于偏振態(tài)原理而非色彩原理來工作。
在這種情況下，S型偏振和P型偏振參考光學覆蓋層60來定義的。典型的光學覆蓋層60是采用多層光學薄膜層來形成的FTIR、或MacNielle型的偏振光束分離層，或者選擇高質量的金屬柵格偏振器。如圖1所示，立方體偏振分束器50將來自第二綠/紅成像器36的、由波片54轉化為P型偏振之后的經過空間調制的彩色光束56與來自紅/藍成像器38的經過空間調制的S型偏振光束39組合，從而來產生通過投影透鏡52投影到顯示屏上的全彩投影圖像，其中所述的經過空間調制的彩色光束56具有暫態(tài)交替色彩分量(如綠色和紅色)，所述的經過空間調制的S型偏振光束39具有交替紅色和藍色色彩分量。通過調整時間段T1和T2的相對持續(xù)長度是實現(xiàn)白點平衡的一種方法。
重要的是，本發(fā)明色彩管理系統(tǒng)將動態(tài)消色差光束切換和靜態(tài)色彩分離與路由結合。本發(fā)明的這個有利而新穎的特征使其與其它已知的兩片式色彩管理系統(tǒng)不同，并消除了至少部分已有技術系統(tǒng)的缺點。已知的兩片式色彩管理系統(tǒng)一般使用動態(tài)的，或者機械的或者電子的彩色分離裝置。使用電子控制的液晶開關15來生成兩成像器的動態(tài)色彩序列，可避免對部件的任何機械移動，并提供了一種簡單的電調節(jié)組合系統(tǒng)白平衡的方法，即通過改變T1和T2時間段的相對長度。這是很有用的，如果光源14性能隨時間改變，可使不同系統(tǒng)中彩色濾光器26，30，40的特性改變得到補償。而且，通過將彩色濾光和路由功能同動態(tài)切換功能分開，并僅僅采用使用標準彩色覆蓋層的靜態(tài)彩色濾光器，比起那些典型的可能使用活性雙折射堆塊來實現(xiàn)具有顏色選擇性的P型偏振切換，可以實現(xiàn)不同色帶之間相對更為急劇陡峭的過渡。
前述實例和優(yōu)點僅僅是作為例子，不能被認為是對本發(fā)明的限制，其思想可以很容易地應用在其它類型的器械上。對本發(fā)明的描述是為了說明的目的，而非限制該專利要求的范圍。許多替代物、修改物和變化物對本技術領域熟練技術人員來說是顯而易見的。舉例說，附加的彩色和偏振濾光器可能可用來提高前述實施例的性能。一個例子是可用陷波濾波器來消除燈的強輻射。另一個例子是可以增加偏振濾光器，比如，在成像器與偏振組合器之間的光路上，來提高對比度。當然，不違背本發(fā)明的精神與范圍的情況下，很多其它實施例都是可以想象到的。
在權利要求部分，當實施陳述的功能時，用裝置加功能的語句來覆蓋此處講述的結構，不僅包括結構上的等同物，而且包括等同的結構。
權利要求
1.一種色彩管理系統(tǒng)，包括用于消色差地切換光束的切換裝置，使所述光束在第一路徑和第二路徑之間交替切換，其中，所述光束包含第一、第二和第三不同的原色分量；設置于所述第一路徑的第一色彩分離和路由裝置，用來分離去掉所述第三原色分量，并將所述第一原色分量和所述第二原色分量分別導向到不同路徑；設置于所述第二路徑的第二色彩分離和路由裝置，用來分離去掉所述第二原色分量，并將所述第一原色分量和所述第三原色分量分別導向到不同路徑；第一成像器，用來空間調制至少所述第一原色分量，并輸出具有單一原色分量或交替原色分量的第一空間調制彩色光束；第二成像器，用來空間調制所述第一、第二和第三原色分量中的兩個分量，并輸出具有交替原色分量的第二空間調制彩色光束，其中，所述第一和第二空間調制彩色光束一起共包含全部三個原色分量；和，光束組合器，用來將所述第一空間調制彩色光束與所述第二空間調制彩色光束組合起來，形成投影光束。
2.如權利要求1所述的色彩管理系統(tǒng)，還包括，第一偏振轉換器，所述第一偏振轉換器在將所述光束消色差切換之前用來對所述光束產生偏振作用的，其中所述切換裝置包括用來消色差地切換所述光束的偏振的偏振開關，使所述光束在第一和第二偏振態(tài)之間輪流交替；和，第一偏振光束分離器，當所述光束具有所述第一偏振態(tài)時，所述第一偏振光束分離器用來將所述光束沿所述第一路徑導向，當所述光束具有所述第二偏振態(tài)時，所述第一偏振光束分離器用來將所述光束沿所述第二路徑導向。
3.如權利要求2所述的色彩管理系統(tǒng)，其特征在于，所述光束組合器是偏振光束組合器。
4.如權利要求3所述的色彩管理系統(tǒng)，還包括，設置在所述第一和第二路徑之一的第二偏振轉換器，所述第二偏振轉換器用來將所述第一和第二偏振態(tài)中的一個偏振態(tài)轉換到另一個偏振態(tài)。
5.如權利要求1所述的色彩管理系統(tǒng)，其特征在于，所述第一色彩分離與路由裝置包括第一彩色濾光器，所述第一彩色濾光器用來從光束中充分去除所述第三原色分量，并輸出包含所述第一和第二原色分量的第一二級彩色光束；所述第二色彩分離和路由裝置包括第二彩色濾光器，所述第二彩色濾光器用來從光束中充分去除所述第二原色分量，并輸出包含所述第一和第三原色分量的第二二級彩色光束。
6.如權利要求5所述的色彩管理系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二色彩分離和路由裝置還包括用來交替接收所述第一和第二二級彩色光束的彩色光束分離器，并將所述的第一和第二二級彩色光束分開為兩個原色彩色光束，再將所述的兩個原色彩色光束中的每一束導向到所述第一和第二成像器中不同的一個。
7.如權利要求6所述的色彩管理系統(tǒng)，其特征在于，所述彩色光束分離器包括靜態(tài)透射反射二色性光束分離器，所述靜態(tài)透射反射二色性光束分離器設置成用于接收第一和第二二級彩色光束且與所述光束成銳角。
8.如權利要求7所述的色彩管理系統(tǒng)，其特征在于，所述靜態(tài)透射反射二色性光束分離器通過其相反的兩面來交替接收所述第一和第二二級彩色光束，并將來自所述第一二級彩色光束的所述第一原色分量導送到所述第一成像器，將來自所述第一二級彩色光束的第二原色分量導送到所述第二成像器，將來自所述第二二級彩色光束的所述第一原色分量導送到所述第二成像器，將來自所述第二二級彩色光束的所述第三原色分量導送到所述第一成像器。
9.如權利要求1至8中的任一項所述的色彩管理系統(tǒng)，還包括第二偏振光束分離器，所述第二偏振光束分離器用來將所述第一空間調制彩色光束反射到所述光束組合器；和第三偏振光束分離器，所述第三偏振光束分離器用來將所述第二空間調制彩色光束反射到所述光束組合器。
10.如權利要求1至8中的任一項所述的色彩管理系統(tǒng)，其特征在于，至少所述第一和第二成像器之一包括反射式液晶成像面板和透射式液晶成像面板中的一個。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于投影顯示應用的兩片式色彩管理系統(tǒng)，其特征在于，色彩序列是通過使用消色差光束切換和靜態(tài)色彩分離來實現(xiàn)的。在優(yōu)選實施例中，液晶偏振開關使輸入光束在兩正交狀態(tài)之間交替偏振。偏振光束分離器將包括三原色分量的光束交替導向到第一和第二路徑，其中，第一和第二不同的二級彩色濾光器被設置用來形成第一和第二二級彩色光束，每個具有兩種不同的原色分量。二色彩色分離器交替接收所述第一和第二二級彩色光束，將它們的原色分量分離并導送到第一和第二成像器面板。光束組合器將來自第一成像器的第一偏振原色光束和來自第二成像器的第二偏振原色光束組合，來形成投影光束。
文檔編號H04N9/31GK1800912SQ200510127789
公開日2006年7月12日 申請日期2005年12月6日 優(yōu)先權日2004年12月6日
發(fā)明者喬治·J.·歐肯法斯 申請人:Jds尤尼弗思公司