專利名稱：具有緊湊光學(xué)積分器的彩色投影儀以及用其投影圖像的方法
具有緊湊光學(xué)積分器的彩色投影儀以及用其投影圖像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及彩色投影儀和投影彩色圖像的方法，特別是，利用緊湊的光 學(xué)積分器以增加將被成像和投影的光的均勻性的彩色投影儀和投影彩色圖像的方法。
彩色投影儀一般可被分成三個主要部分照明系統(tǒng)，包括光源和照明光學(xué) 裝置；圖像產(chǎn)生系統(tǒng)，包括一個或多個光調(diào)制器；以及包括投影光學(xué)裝置的投 影系統(tǒng)。同時，對顯示彩色圖像的彩色投影儀的需求越來越廣泛。推動這種需 求的是彩色投影儀的成本、尺寸、和重量的減小，以及性能上的改善。
在彩色投影儀的尺寸、重量、和性能方面的推動因素中之一是照明系統(tǒng)， 特別是光源。 一般，彩色投影儀使用超高壓(UHP)汞燈作為光源。但是，制 造包括UHP光源的小型、輕質(zhì)、且低功率照明系統(tǒng)還存在實踐上的局限。
因此，希望提供一種彩色投影儀，其可以使用能夠減小整個彩色投影儀的 尺寸和重量的一種可選的照明系統(tǒng)。還希望提供一種彩色投影儀，其具有緊湊 的、高性能的照明系統(tǒng)。此外還希望提供一種使用這樣的彩色投影儀投影圖像 的方法。本發(fā)明旨在提出前面關(guān)注的一個或多個。
在本發(fā)明的一方面，彩色投影儀包括用于產(chǎn)生第一、第二、和第三彩色 光束的光源；用于積分第一彩色光束、積分第二彩色光束、和積分第三彩色光 束的光學(xué)積分器；第一、第二、和第三光調(diào)制器，每個都用于接收積分后的第 一、第二、和第三彩色光束中相應(yīng)的一個并且用于從中產(chǎn)生相應(yīng)的第一、第二、 和第三彩色圖像；用于組合第一、第二、和第三彩色圖像以形成合成的彩色圖 像的光學(xué)合成器；以及用于投影該合成的彩色圖像的投影透鏡，其中光學(xué)合成 器包括在第一、第二、和第三彩色光束的至少一個的光路上的偏振分束器。
在本發(fā)明的另一方面，投影圖像的方法包括提供第一、第二、和第三彩 色光束；積分第一彩色光束，積分第二彩色光束，以及積分第三彩色光束；調(diào) 制積分后的第一光束、積分后的第二光束、和積分后的第三光束以產(chǎn)生相應(yīng)的 第一、第二、和第三彩色圖像；組合第一、第二、和第三彩色圖像以形成合成 的彩色圖像，其中積分第一彩色光束、積分第二彩色光束、和積分第三彩色光束包括提供第一、第二、和第三彩色光束的至少一個到偏振分束器。 另外的和其它的方面將在接下來的描述中變衞艮明顯。

圖1圖示說明了彩色投影儀的一個實施例； 圖2圖示說明了彩色投影儀的另一個實施例； 圖3也圖禍兌明了彩色投影儀的再一個實施例； 圖4還圖示i兌明了彩色投影儀的又一個實施例。
圖1示出了彩色投影儀100的有關(guān)部分，包括照明系統(tǒng)110、圖像產(chǎn)生器
150、和投影系統(tǒng)180。
照明系統(tǒng)110包括光源120和光學(xué)積分器130。
光源120包括第一、第二、和第三發(fā)光二極管(LED) 122、 124、和126、 準直器128、和偏振器129。盡管圖l的實施例包括一對第一LED122、 一對第 二 LED124、和一對第三LED126，可選地，光源120可包括僅僅單個第一 LED122、單個第二LED124、單個第三LED126。第一、第二、和第三LED122、 124、禾ni26mt具有三種不同顏色(分別為第一、第二和第三顏色)的彩色 光。有益地，第一、第二、和第三LED122、 124、禾口 126分別劃寸紅光、藍光、 和綠光。準直器128收集來自第一、第二和第三LED122、 124、禾IH26的光 并把該光準直成第一、第二、和第三彩色光束。偏振器129將該光線性偏振成 適合圖像產(chǎn)生器150操作的偏振態(tài)。
同時，光學(xué)積分器130包括第一、第二和第三光積分棒(integrating light rod) 132、 134和136。有益地，^h光積分棒132、 134、 136是具有矩形截面 的一塊光學(xué)性能的玻璃。有益地，該截面可具有16:9或4:3的高寬比。然而， 光積分棒132、 134、 136可由塑料或者任何其它適合的光學(xué)透明材料來替代玻 璃制成。
圖像產(chǎn)生器150包括第一、第二和第三光調(diào)制器152、 154、和156，以 及光學(xué)合 160。有益地，第一、第二、和第三光調(diào)制器152、 154、和156 齡都是液晶顯示(LCD)器件，特別是，透射的LCD光調(diào)制面板(light modulator panel)。第一、第二、和第三光調(diào)制器152、 154、和156每一個接收相應(yīng)的來 自彩色投影儀100中的電子設(shè)備(未示出)的圖像信號。有益地，光學(xué)合皿 160包括復(fù)合立方體(recombination cube),也稱為X-立方^(X-cube)。
投影系統(tǒng)180包括至少一個投影透鏡。在操作中，第一、第二、和第三LED122、 124、禾口 126與準直器128—起 工作以分別產(chǎn)生第一、第二、和第三彩色光束。有益地，第一、第二、和第三 彩色光束是紅、綠、和藍色光束。第一、第二、和第三彩色光束被分別提供給 光學(xué)積分器130，特別是第一、第二和第三光積分棒132、 134、和136。第一、 第二、和第三光積分棒132、 134、和136分別積分或混合第一、第二、和第三 彩色光束，以分別產(chǎn)生積分后的第一彩色光束、積分后的第二彩色光束、和積 分后的第三彩色光束。第一、第二和第三光調(diào)制器152、 154和156^接收 積分后的第一、第二和第三彩色光束中相應(yīng)的一個。第一、第二和第三光 調(diào)制器152、 154、禾ni56還接收來自彩色投影儀100中的電子設(shè)備(未示出)
的相應(yīng)的圖像信號，并分別響應(yīng)其來調(diào)制積分后的第一彩色光束、積分后的第 二彩色光束、積分后的第三彩色光束，以從此產(chǎn)生相應(yīng)的第一、第二禾嗨三 彩色圖像。
光學(xué)合成器160組合第一、第二、和第三彩色圖像并將合成的彩色圖像輸 出到投影彩色圖像的投影系統(tǒng)180。
在彩色投影儀100中，*彩色光束的光'路，上包括光積分棒，所述光 積分棒"混合'彩色光以產(chǎn)生更均勻的強度分布并且因此提供光調(diào)制器(LCD 面板)的均勻照明。關(guān)鍵地，該光積分棒的長度決定性能光積分棒越長(例 如，光路長度越長)，積分后的彩色光束的均勻性越好。但是，長的光積分棒不 是很適合小型、緊湊、輕質(zhì)的、彩色投影儀。這個效應(yīng)在綠色通道(channel) 上特別明顯。由于標準的光學(xué)合成器(復(fù)合立方體)的結(jié)構(gòu)，綠，道總是在 中間(即，第三彩色光束)。所以，綠色光束的光積分棒比紅色和藍色光束的光 積分棒短。不利地，我們也都熟知在白色圖片中大部分流明(lumen)都在綠光 中。因此在綠色通道中非均勻性更容易明顯。平均起來，在普通的電視圖片中， 或DVD電影中、或事實上任何"普通的"視頻內(nèi)容中，大部分流明將在綠feM 道中通常會適用。
圖2示出了至少部分地提供這些關(guān)注的彩色投影儀200的有關(guān)部分。彩色 投影儀200包括照明系統(tǒng)210、圖像產(chǎn)生器250、和投影系統(tǒng)280。
照明系統(tǒng)210包括光源220和光學(xué)積分器230。光源220包括第一、第二、 和第三發(fā)光二極管(LED) 222、 224、和226、準直器228、和偏振器229。盡 管圖2的實施例包括一對第一LED222、 一對第二LED224、和一對第三LED226，可選地，光源220可以包括僅僅單個第一LED222、單個第二LED224、 和單個第三LED 226、或者每個多于兩個LED 222、 224、 226。第一、第二、 和第三LED222、 224、 226發(fā)射具有三種不同顏色的彩色光束(分別為第一、 第二、和第三顏色)。有益地，第一、第二、和第三LED 222、 224、和226分 別發(fā)射紅光、藍光、和綠光。準直器228收集來自第一、第二和第三LED222、 224、和226的光并將其準直成第一、第二、和第三彩色光束。偏振器229將該 光線性偏振為適合圖像產(chǎn)生器250和隨后將討論的偏振分束器240操作的期望 偏振態(tài)。
光學(xué)積分器230包括第一、第二、和第三光積分棒232、 234、和236。有 益地，每個光積分棒232、 234、 236是一塊具有正方形截面的光學(xué)性能的玻璃。 但是，光積分棒232、 234、 236可由塑料或任何其它適合的光學(xué)透明材料來代 替玻璃制成。
但是，與彩色投影儀100相比，彩色投影儀200中光學(xué)積分器230還包括 在第三彩色光束(有益地，綠色光束)的光路上的偏振分束器240。還有，第三 光積分棒236的長度比第一和第二光積分棒232和234的長度短。偏振分束器
的一般操作是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，所以在此將不再解釋。光學(xué)積分器230 還包括第一和第二l/4波片242、 244以及第一和第二反射鏡246、 248。偏振分 束器240、第一和第二 1/4波片242、 244以及第一和第二反射鏡246、 248在光 學(xué)積分器230和彩色投影儀200中的作用將在下面詳細說明。
圖像產(chǎn)生器250包括第一、第二、和第三光調(diào)制器252、 254、和256，以 及光學(xué)合成器260。有益地，*第一、第二、和第三光調(diào)制器252、 254、和 256是液晶顯示(LCD)器件，特別是，透射的LCD光調(diào)制面板。第一、第二 和第三光調(diào)制器252、 254、和256旨接收相應(yīng)的來自彩色投影儀200中的電 子設(shè)備(未示出)的圖像信號。有益地，光學(xué)合成器260包括復(fù)合立方體，也 稱為X-立方體。
投影系統(tǒng)280包括至少一4^投影透鏡。
通常，除了光學(xué)積分器230的操作之外，彩色投影儀200的操作與彩色投 影儀100的操作相同。因此，為了避免冗余，現(xiàn)在將只說明彩色投影儀200和 彩色投影儀100之間操作的不同之處，即光學(xué)積分器230的操作。
來自第三LED(s)(有益地，為綠色LED(s)) 226的第三彩色光束被提供至光學(xué)積分器230的偏振分束器240。由于偏振器229位于準直器228和偏振分束 器240之間，只有具有正確偏振方向的光才會到達偏振分束器240。偏振分束器 240被放置得使得第三彩色光束被反射向其中一刊則面，優(yōu)選地在光學(xué)積分器 230的長軸上的側(cè)面。這里方爐著第一l/4波片242和第一反射鏡246。注意第 一 1/4波片242的E軸(extraordinary aixs)相對于入射光的偏振方向被旋轉(zhuǎn)了 45度。第一l/4波片242被經(jīng)過2次，并組合反射鏡246，第三彩色光束的偏振 從水平變成了垂直(或者反之)。同時，偏振分束器240對這個偏振方向的， 明。在偏振分束器240的另一側(cè)面，設(shè)置同樣的構(gòu)造，艮卩，方爐第二 1/4波片 244和第二反射鏡248。當?shù)谌噬庾赃^第二 1/4波片244，被第二反射鏡 248反射，并往回再次ilil第二l/4波片244時，偏振方向被再次反轉(zhuǎn)。光束再 次照射到偏振分束器240上。然而，在被第二 1/4波片244和第二反射鏡248 反轉(zhuǎn)的偏振下，偏振分束器240將第三彩色光束反射向第三光調(diào)制器256，該第 三彩色光束首先還被第三光積分棒236積分。
因此，通過提供偏振分束器240，對于第三彩色光束(例如，綠色光束) 的積分長度大約有效增至三倍。皿而大大提高了綠光(最關(guān)鍵的光)的均勻 性，雖然由于反射鏡的吸收而造成百分之幾的3艘損失，但彩色投影儀200的 尺寸相比于彩色投影儀100沒有增加。
應(yīng)理解的是，除了 (或代替)在光學(xué)積分器中的第三彩色光束的光路(例 如，在綠色通道)上放置偏振分束器，偏振分束器也可應(yīng)用在光學(xué)積分器中的 第一 (例如，紅色)彩色光束、和/麟二 (例如，藍色)彩色光束的光路上。 還有，多于一個的偏振分束器可被用于單個顏色的光路上。成本和性能提升之 間的權(quán)衡將決定這是否是想要的。
如前面所說明的，偏振分束器可被包括在光學(xué)積分器中以獲得彩色投影儀 的性能提升而無需增加尺寸。然而，可選地，彩色投影儀的尺寸(長度)可被 減小，如下面關(guān)于圖3所示的。
圖3示出了具有包括偏振分束器240的光學(xué)積分器300的彩色投影儀300 的另一個實施例的有關(guān)部分。彩色投影儀300與彩色投影儀200相似，并且操 作上實質(zhì)相同，除了光學(xué)積分器330在第三彩色光束的光路上沒有包括第三光 積分棒，并且第一和第二光積分棒332和334的長度被減小了之外。根據(jù)該實 施例，彩色投影儀300的尺寸(長度)與彩色投影儀100相比可以被減小，雖然第三彩色光束(例如，綠色光束)的有效積分路徑相比于彩色投影儀100仍 然可以有些許增加。
圖4示出了彩色投影儀400的又一個實施例的有關(guān)部分。通常，彩色投影 儀400的結(jié)構(gòu)和操作與彩色投影儀200的結(jié)構(gòu)和操作相同，除了光學(xué)積分器430 的結(jié)構(gòu)和操作，以及第一、第二、和第三LED222、 224、和226的位置的重新 排列的變化(如圖4所示)以適應(yīng)光學(xué)積分器430的操作之外。因此，為避免 冗余，現(xiàn)在將僅說明彩色投影儀200和彩色投影儀400之間的結(jié)構(gòu)和操作上的 不同之處，即光學(xué)積分器430的結(jié)構(gòu)和操作。
光學(xué)積分器430包括第一和第二光積分棒432和434，第一第二和第三偏 振分束器441、 443、和445，第一和第二 1/4波片442、 444，第一和第二反射 鏡446、 448，以及第一和第二光學(xué)透明(例如，玻璃)元件435和437。有益 地，每個光積分棒432和434是具有矩形截面的一塊光學(xué)性能的玻璃。
光學(xué)積分器430操作如下。第一彩色光束(例如，紅色光束)依次被第三 偏振分束器445反射，通過第一l/4波片442，被第一魁寸鏡446反射，往回通 過第一l/4波片442，通過第三偏振分束器445，通51第二偏振分束器443,通 過第一偏振分束器441，通過第二l/4波片444，被第二則寸鏡448反射，往回 ffiil第二l/4波片444，并被第一偏振分束器441反射向第一光調(diào)制器252。同 時，第二彩色光束(例如藍色光束)依次被第二偏振分束器443反射，并被第 三偏振分束器445反射向第二光調(diào)制器254。還有，第三彩色光束(例如，綠色 光束)被第一偏振分束器441反射，然后被第二偏振分束器443反射向第三光 調(diào)制器256。第一和第二光學(xué)透明元件435和437分別被放置在第一偏振分束器 441和第二偏振分束器443之間的光路上，以及第二偏振分束器443和第三偏振 分束器445之間的光路上，用于當?shù)谝?、第二、和第三彩色光束在各種偏振分 束器之間經(jīng)過時，守恒(conserve)第一、第二和第三彩色光束中的光。
在彩色投影儀400中，第一、第二、和第三彩色光束的積分路徑長度不一 樣。但是，這并不重要，只要每個積分路徑長度足以使光束均勻。也就是說， 一旦光學(xué)積分器中光束的光分布變得均勻，當它經(jīng)過光學(xué)積分器的任何剩余長 度時都保持那種方式。有利地，垂直路徑以及三個偏振分束器441、 442、禾口445 在彩色投影儀400的光學(xué)積分器430中的使用為三個彩色光束提供了比在彩色 投影儀100中更長的路徑，因此大大地改進了積分后的彩色光束的光強分布的均勻性。進而提高了彩色投影儀400所投影的圖像質(zhì)量。
應(yīng)理解的是，顏色和偏振分束器的幾種不同的排列都是可能的，并且圖4 中所示的和以上討論的實施例實質(zhì)上是例示性的。
盡管這里公開了伏選實施例，但是很多在本發(fā)明的概念和范圍內(nèi)的變化都 是可能的。在查閱了這里的說明書、附圖以及權(quán)利要求之后，這些變化對本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員會變得清楚。因此本發(fā)明將只限于隨后的權(quán)利要求的精神和范 圍中。
權(quán)利要求
1、一種彩色投影儀(200、300、400)，包括用來產(chǎn)生第一、第二、和第三彩色光束的光源(220)；用來積分第一彩色光束、積分第二彩色光束、以及積分第三彩色光束的光學(xué)積分器(230、330、430)；第一(252)、第二(254)、和第三(256)光調(diào)制器，每個用來接收相應(yīng)的積分后的第一、第二、和第三彩色光束中的一個并且用來從此處產(chǎn)生相應(yīng)的第一、第二、和第三彩色圖像；用來組合第一、第二、和第三彩色圖像以形成合成的彩色圖像的光學(xué)合成器(260)；以及用來投影合成的彩色圖像的投影透鏡(280)，其中光學(xué)積分器(230、330、430)包括位于第一、第二、和第三彩色光束中的至少一個的光路上的偏振分束器(240、441)。
2、 如權(quán)利要求1的彩色投影儀(200、 300、 400)，其中光源(220)包括 分別刻寸第一、第二、和第三彩色光束的第一 (222)、第二 (224)、和第三(226) 發(fā)光二極管(LED)。
3、 如權(quán)利要求1的彩色投影儀(200、 300、 400)，其中所述彩色光束中的 一個是綠色光束并且光學(xué)積分器(230、 330、 430)的偏振分束器(240、 441、 443)位于綠色光束的光路上。
4、 如權(quán)利要求1的彩色投影儀(200、 300)，其中光學(xué)積分器的偏振分束 器(240)位于第一、第二、和第三彩色光束的最短光路上。
5、 如權(quán)利要求l的彩色投影儀(200、 300)，其中光學(xué)積分器(230、 330) 包括用來積分第一彩色光束的第一光積分棒(232、 332); 用來積分第二彩色光束的第二光積分棒(234、 334);以及 用來積分第三彩色光束的偏振分束器(240)。
6、 如權(quán)利要求5的彩色投影儀(200、 300)，其中光學(xué)積分器(230、 330) 還包括第一和第二 1/4波片(242、 244)以及第一和第二反射鏡(246、 248)。
7、 如權(quán)利要求5的彩色投影儀(200、 300)，其中第三彩色光束是綠色光束。
8、 如權(quán)利要求5的彩色投影儀(200)，其中光學(xué)積分器(230)還包括放 置在第三彩色光束的光路上的第三光積分棒(236)。
9、 如權(quán)禾腰求l的彩色投影儀(400)，其中光學(xué)積分器還包括第二偏振分 束器(443)。
10、 如權(quán)利要求9的彩色投影儀，還包括 第三偏振分束器(445);方爐在第一偏振分束器(441)和第二偏振分束器(443)之間的光路上的 第一光學(xué)透明元件(435);以及方爐在第二偏振分束器(443)和第三偏振分束器(445)之間的光路上的 第二光學(xué)透明元件(437)。
11、 如權(quán)利要求l的彩色投影儀(400)，其中至少兩個不同的彩色光， 過偏振分束器(441)。
12、 如權(quán)利要求1的彩色投影儀，其中第一 (252)、第二 (254)、和第三 (256)光調(diào)制器都是液晶器件。
13、 一種投影圖像的方法，包括 提供第一、第二、和第三彩色光束；積分第一彩色光束，積分第二彩色光束，以及積分第三彩色光束； 調(diào)制積分后的第一光束、積分后的第二光束、和積分后的第三光束以產(chǎn)生相應(yīng)的第一、第二、和第三彩色圖像；以及組合該第一、第二、和第三彩色圖像以形成合成的彩色圖像， 其中積分第一彩色光束，積分第二彩色光束，以及積分第三彩色光束包括將第一、第二和第三彩色光束中的至少一個提供至lj偏振分束器(240、 441)。
14、 如權(quán)利要求13的方法，其中第一、第二、和第三彩色光束分別由第一 (222)、第二 (224)、和第三(226)發(fā)光二極管提供。
15、 如權(quán)利要求13的方法，其中至少一個彩色光束是綠色光束。
16、 如權(quán)利要求13的方法，其中積分第一彩色光束包括使第一彩色光ma過第一光積分棒(232、 332)，其中積分第二彩色光束包括使第二彩色光^iM: 第二光積分棒(234、 334)，并且其中積分第三彩色光束包括^m三彩色光mM 過偏振分束器(240)。
17、 如權(quán)利要求16的方法，其中第三彩色光束是綠色光束。
18、 如權(quán)利要求16的方法，其中積分第三彩色光束依次包括 ^B三彩色光束從偏振分束器(240)反射； 使第三彩色光束ttl第一 1/4波片(242); 使第三彩色光束從第一反射鏡(246)反射； 使第三彩色光束往回通過第一 1/4波片(242); 使第三彩色光束fflil偏振分束器(240); 使第三彩色光束M第二 1/4波片(244); 使第三彩色光束由第二反射鏡(248)反射； 使第三彩色光束往回通過第二 1/4波片(244);以及 使第三彩色光束被偏振分束器(240)反射向第三光調(diào)制器(256)。
19、 如權(quán)利要求16的方法，其中積分第三彩色光束還包括使第三彩色光束 m第三光積分棒(236)。
20、 如豐又利要求13的方法，其中積分第一彩色光束包括提供第一彩色光束 至第一偏振分束器(441)，其中積分第二彩色光束包括提供第二彩色光束至第 二偏振分束器(443)，并且其中積分第三彩色光束包括提供第三彩色光束至第 三偏振分束器(445)。
全文摘要
在彩色投影儀(200、300、400)中，光源(220)產(chǎn)生第一、第二、和第三彩色光束。光學(xué)積分器(230、330、430)將第一彩色光束、第二彩色光束、和第三彩色光束積分。積分后的第一彩色光束、第二彩色光束、和第三彩色光束分別通過第一(252)、第二(254)、和第三(256)光調(diào)制器調(diào)制，產(chǎn)生第一、第二、和第三彩色圖像。光學(xué)合成器(260)將第一、第二、和第三彩色圖像組合以形成合成的合成的彩色圖像，并且投影透鏡(180)投影該合成的合成的彩色圖像。光學(xué)積分器(230、330、430)包括在第一、第二、和第三彩色光束的至少一個的光路上的偏振分束器(240、441)，以增加相應(yīng)彩色光束的有效積分長度。
文檔編號H04N9/31GK101317465SQ200680044885
公開日2008年12月3日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者B·A·薩爾特斯, M·P·C·M·克里恩, O·H·威廉森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司