CN100380194C - 单面板投影显示系统的前置滤色镜 - Google Patents

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Abstract

单面板LCD投影系统(50)包括位于照明系统(54)与多色LCD(56)之间的前置滤色镜(52)，它用于整形照明系统(54)提供的照射光谱，以便增大相对的面板透光度并减少LCD配用的色分量滤色镜(58R、58G、58B)的热吸收。选用的前置滤色镜(52)用来消除或明显减小照射光中实质上无助于产生纯基色的某些波段的强度。

Description

单面板投影显示系统的前置滤色镜
发明背景与内容
图1示出普通原有技术的廉价型单面板LCD投影系统10，它应用强制法形成色彩。带光源14的照明系统12均匀照射多色液晶显示器(LCD)16，后者具有对应于红绿蓝基色分量的埋置型滤色镜18R、18G与18B，滤色镜18R、18G与18B在LCD16各个子像素(未示出)上对准。如本领域所知，各子像素可被独立寻址，使LCD16的液晶分子被驱动至一定的倾角而改变透光强度，如借助合适的偏光镜，可改变红绿蓝子像素强度而产生基本上全色图像。示意表示的投影光学元件20对显示屏22投射彩色图像。
这种强制法的问题是透光率低，尤其在滤色镜具有高彰度(鲜纯度)以便得到良好的(即纯的)基色时，或是为提高透光率而使牺牲彰度(得到不纯的基色)。此外，该法还因滤色镜吸光而造成LCD面板内发热。一般而言，红色分量滤色镜18R吸收绿光是必然的。同样地，蓝色分量滤色镜18B主要通过蓝光，绿色滤色镜18G主要通过绿光。因此，色分量滤色镜18R、18G与18B吸收了大部分照射光(即总量的2/3)。简化光谱图大致地示出光源14提供的多色(白)光的光谱30和通过投影系统10产生的各个红绿蓝色分量得到的光谱32、34与36。
本发明解决了所有这三个问题，方法是在光源与LCD面板之间设置一前置滤色镜，以对照射光谱整形而提高相对面板的透光度并减少LCD埋置式滤色镜内的热吸收。
本发明包括单面板LCD投影系统，它包括位于照明系统与多色LCD之间的前置滤色镜，LCD具有附联的偏光镜与检偏镜。前置滤色镜用于对照明系统提供的照射光谱整形，以便增大相对的面板透光度而减少LCD配用的色分量滤色镜(如红绿蓝)的吸热。
选用的的前置滤色镜用来消除或明显减少照射光中实质上无助于生成纯基色的某些波段的强度。增设前置滤色镜的结果是能使LCD色分量滤色镜褪彰，改进投影系统的总透光度。在一实施例中，前置滤色镜能在这种光照射LCD之前消除LCD色分量滤色镜最高吸光的波段，因而很少在LCD中发热。
通过结合附图对较佳实施例的详述，本发明的其它目的与优点就很清楚了。
附图简介
图1示出应用强制法产生色彩的普通原有技术最廉型单面板LCD投影系统。
图2示出本发明在照明系统与多色液晶显示器(LCD)之间设置具有前置滤色镜的单面板LCD投影系统。
图3曲线示出普通色分量滤色镜的透射系数与可同本发明的前置滤色镜组合使用的褪彰的色分量滤色镜的透射系数。
图4曲线示出双隔波(notch)前置滤色镜一实施例相对照射光谱的透光。
图5曲线示出投影显示系统带有与不带有本发明前置滤色镜时的白色(全通即最大透光)状态。
图6曲线示出投影显示系统带有与不带有本发明前置滤色镜时的R、G与B值(一起描绘)。
图7是一CIE色度图，绘出投影显示系统带有与不带有本发明前置滤色镜时相对HPTV彩色标准的彩色特性。
图8把具有反射型三波段前置滤色镜的单面板LCD投影系统简化示为本发明另一实施例。
图9把在凹基板上具有反射型三波段前置滤色镜的单面板LCD投影系统简化示为本发明又一实施例。
图10把具有偏振转换系统(PCS)的单面板LCD投影系统简化示为本发明另一实施例。
图11简化示出具有透光光学延迟堆迭双隔波前置滤色镜的单面板LCD投影系统的再一个实施例。
图12简化示出包括位于多色液晶显示器(LCD)后面的双隔波滤色镜的单面板LCD投影系统。
较佳实施例的详细描述
图2简化示出一单面板LCD投影系统50，包括位于照明系统54与包含有关偏光镜和检偏镜(未示出)的多色LCD56之间的前置滤色镜52。照明系统54包括光源55，LCD56包括对应于红绿蓝基色分量的埋置式滤色镜58R、58G与58B。前置滤色镜52用来整形照明系统54提供的照射光谱而增大相对的面板透光度，由此减少配用于LCD56的基色分量滤色镜58的吸热。示意表示的投影光学元件60对显示屏62透射彩色图像。
选用前置滤色镜52以消除或明显减小照射光中实质上无助于产生纯基色的某些波段的强度。前置滤色镜52的滤光结果，可以使LCD滤色镜58褪彰，改善投影系统50的总透光度。在一实施例中，前置滤色镜52可在这种光照射LCD56之前消除基色分量滤色镜58最高吸光的波段，使LCD56很难发热。
前置滤色镜52把来自照明系统54源的光谱整形为不同的红绿蓝子波段，因而它被配置成围绕位于可见光谱(一般定为400～700nm)的约500与590nm区域的两个隔波器具有陡的透光边缘。增大前置滤色镜隔波段宽，可随意改善红绿蓝基色的色纯度。提供给具有色“隔波”66与68的LCD56的多色光简化谱图64，示出前置滤色镜52分别对青、黄色分量的滤光或阻断作用。
图3的实线70R、70G与70B表示普通色分量滤色镜58R、58G与58B的透射系数，虚线72R、72G与72B表示可与前置滤色镜52组合使用的褪彰色分量滤色镜58R、58G与58B的透射系数。注意，与普通的透光率70R、70G与70B相比，褪彰色分量滤色镜58R、58G与58B的透光率要高得多。但若不用前置滤色镜52，则本发明支持的褪彰滤色镜将具有差得多的彰度值。
图4的曲线示出双隔波前置滤色镜52一实施例相对照射光一实施例的光谱82的透光度80。谱84代表透光度80与谱82之间的乘积，对应于照射光通过双隔波前置滤色镜52的结果。谱84示出对应于前置滤色镜52透射系数中在相应隔波88A与88B的局部波段明显减小的光强86A与86B。
图5的曲线对示例的原有技术投影10(实线表示)和本发明的投影系统50(由“+”号及虚线表示)示出一种白色(全通，即最大透光度)状态。图6的曲线示出示例的原有技术投影10(由曲线90表示，总地为非实线)与本发明投影系统50(曲线92表示，为实线)的红绿蓝三种透光率。图5和6的曲线是照射(源)光谱与各个红绿蓝滤光作用相乘的结果，对投影系统50包括了隔波滤色镜透光度。例如，用一使用2nm取样点的模型对每个光谱位置作逐点相乘。
用普通的滤色LCD16投影时，大多数照射光被滤色镜矩阵18吸收。即使运用高透光型滤色镜18，LCD面板16也只能让通过入射偏光滤色镜的光的16％通过。这一透光度表征着工作于扭绞的丝状模式的LCD面板16的特性，其中液晶单元夹在入射偏光镜与出射检偏镜之间。
参照图1的原有技术投影系统10，照射光谱独立地通过红绿蓝滤色镜，然后在屏上(或在直接显示中利用人的肉眼)组合成全色图像。数学表示为
发光体×(R+G+B)＝屏谱
为了描绘电视信号，通过对子频道谱分光而能观察到的基色可以表示为：
发光体×R
发光体×G，和
发光体×B
每个滤色镜18R、18B与18G在理论上都能变暗，直到得出足够的色纯度，使SMPTE(运动图像与电视工程师学会)对HDTV规定的红绿蓝基色能透射到显示屏22上。例如，用于滤色镜18的染料或颜料在制造期间以更稠的方式浓缩或分层，以便允许如此高彰度的基色，但这种纯度将伴随着透射系数的严重损失。这种色增强型滤色镜同样存在照射光度明显吸收的问题，造成滤色镜层18和整个LCD16发热。
很难消除LCD16玻璃基片的这一热量，因为玻璃不是良好的热导体，因此仍存在某些剩余的问题。美国专利N0.5,682,216描述了用TAC(三乙酰纤维素)制作的塑料膜来减小或消除显示为图像作品的热量。在这方面，位于LCD56前面的前置滤色镜52和较轻的滤色镜58都有助于减少LCD56发热。下面的表1对具有前置滤色镜52与较轻滤色镜58的这种投影系统50和原有技术投影系统10(有普通滤色镜但没有前置滤色镜)作了比较。图7是一CIE色度图，绘出了系统50和原有技术系统10(用“方格”数据点表示)相对于HDTV标准彩色参数(用“x”数据点表示)的色特性。
表1
  原有技术   本发明，带应用2个隔波的前置滤色器
  红   x＝0.65y＝0.34   x＝0.65y＝0.33
  绿   x＝0.31y＝0.65   x＝0.30y＝0.63
  蓝   x＝0.15y＝0.34   x＝0.16y＝0.07
  白   x＝0.29y＝0.34   x＝0.29y＝0.34
  透光度   15.6％   16.5％
  吸收   84.4％   78.1％
表1说明，任一系统都可得到接近理想的基色。两系统都基于市售的滤色镜和Philips的UHP100瓦灯。前置滤色型(双隔波滤色)UHP源与较轻的滤色镜装置得到同样好的基色，对前置滤波型系统而言，总透光度提高约5％。前置滤色型面板吸收78％的前置滤色的照射能量，而带不滤色型源的普通系统的LCD则吸收84％的照射。再者，前置滤色镜使入射于LCD的光减少约25％，使带较轻滤色镜装置的LCD吸收的光度总量减至原来灯泡光度的(78×75＝)58.5％。前置滤色型系统不仅更明亮，而且LCD中吸收的能量被减到只有不滤色系统的约75％。
为便于大量生产时的角度调整，可将隔波滤色镜52A和52B做成两个独立的层或器件，或者如能具备足够的重现性，可以组合成单一的前置滤色镜单元52，由于零件数减少，以及消除了一些表面，而使透光度稍高。角度调整涉及相干滤色镜与入射角的灵敏度。可以直接把滤色镜倾斜5～15度来调整隔波段(增大角度趋向蓝色)。在一实施例中，滤色镜52A与52B构成定向为入射角96(图2)为约10度，这样允许各滤色镜的角度调整±10度，以便分开对各滤色镜作“角度调整”。
运用前置滤色型投影系统50完善基色还有其它自由度。虽然前置滤色镜52的隔波66与68(图2)的边沿与红绿蓝色纯度缠结在一起，但是黄色隔波68(590nm)基本上不影响蓝基色值，青色隔波66(500nm)基本上不影响红色纯度。青色隔波66的490nm～495nm边沿强烈影响蓝色纯度，但对绿色纯度的影响极微，而青色隔波66的505～510nm边沿稍微影响蓝色，但会强烈影响绿基色。同样地，黄色隔波68的570～575nm边沿强烈影响绿基色，但根本不影响红色纯度，而黄色隔波68的585～590nm边沿强烈影响红基色，对绿色纯度只有很小影响。
前置滤色型投影系统50让设计师把埋置式滤色镜58的彰度当作一变量来处理，可以逐一增浓或淡化色分量滤色镜58R、58G、58B的彰度。同时，还可把前置滤色镜52设计成减窄或扩展两个隔波区66与68，调整所有四个隔波边沿的位置。通过迭代，可以找出整个系统的优化透光度、滤色镜58中减小的吸光以及显示与电视标准(如SMPTE HDTV)规定的精密的RGB色点。
投影电视典型的光源是高压汞放电灯，已知其红波长不足，且在中间绿色区546nm处有强峰。图2的实施例使用两个位于该灯前面的前置滤色镜52A与52B(如图所示)，例如带有抛物形反射镜。为顺应这类滤色镜大量生产中的变化，两滤色镜52A与52B可以稍作倾斜而调节波长范围。
在一实施例中，前置滤色镜52A与52B用全息材料重铬酸盐明胶(DCG)制作，因其边沿特性优良且成本低廉。另外，这类DCG材料在强光入射下具有优良的可靠性与性能。较佳地紧挨在前置滤色镜52前面加一个除紫外滤色镜，真正消除有害的紫外线。
图8简化示出作为本发明另一实施例的单面板LCD投影系统100。反射型三波段前置滤色镜102通过准直镜106接收来自照明系统104的照射光，它被倾斜成入射角108，通过准直镜106以向后的倾角把特定的或调谐的基色波段(如红绿蓝)反射到多色LCD110，而后者包括关联的偏光镜与检偏镜(未示出)和色分量滤色镜112R、112G与12B。照明系统104和LCD110基本上与照明系统54和LCD56一样，示意表示的投影光学元件114向显示屏116透射显示图像。
前置滤色镜102的功能与前置滤色镜52(图2)相似。具体地说，反射型三波段前置滤色镜102和透光隔波滤色镜52整形照明系统提供的照射光谱，把色调谐的照射光导向LCD。
透光隔波滤色镜52通过把不希望的黄、青色光分量反射远离LCD56而把它们省略掉。通过朝LCD110选择地反射调谐的红绿蓝光分量，反射型三波段前置滤色镜102通过将它们吸收或透射离开LCD110，可略去不需要的黄和青色分量，因此以上述透光隔波滤色镜52的方法，反射型三波段前置滤色镜10提高了相对的面板透光度，减少了LCD110配用的色分量滤色镜112的热吸收。单面板LCD投影系统100的一个方面在于，与色调谐式透光隔波滤色镜如透光隔波滤色镜52相比，色调谐反射性滤色镜如反射型三波段前置滤色镜102更容易制造。
图9简化示出作为本发明再一个实施例的单面板LCD投影系统120。凹基片上的反射型三波段前置滤色镜122接收来自照明系统124的照射光，并相对入射角128倾斜，以某一倾角把特定或调谐的基色波段(如红绿蓝)反射回多色LCD130，后者包括有关的偏光镜与检偏镜(未示出)以及色分量滤色镜132R、132G和132B。
投影系统120与投影系统100基本上相同，只是前者用一凹基片取代了准直镜106来会聚导向LCD130的色调谐照射光。示意表示的投影光学元件134向显示屏136投射显示图像。
图10简化示出作为本发明另一实施例的单面板LCD投影系统150。反射型三波段前置滤色镜152通过光导管积分器156(空心或实心)、中继光学元件158与偏光转换系统(PCS)160接收来自照明系统154的照射光。PCS160接收任意偏振的光的均匀照射，并以选定的偏振(如S偏振)以最小的衰减发射光。
例如，PCS160包括一块受支承的偏振选择性的且基本为消色差的介质膜162。S与P偏振光之一通过介质膜162发射(如S偏振的光)，而其另一(如P偏振的光)则反射到棱镜166相邻倾斜面上的介质膜164而朝外反射通过半波延迟器168，后者把反射的P偏振光的光转换成S偏振的光，使从PCS160通过的所有光都是单一偏振的光(如S偏光)。
反射型三波段前置滤色镜152由梯度滤色镜组成，能较佳地例如以与入射角成45度的角170反射基色分量红绿蓝。在一实施例中，可用深红色滤色镜代替红蓝梯度滤色镜以构成等效的双隔波滤色镜。在任一实施例中，各梯度滤色镜可在分离基片上或在一公共基片上构成。前置滤色镜152利用色分量滤色镜174R、174G与174B把滤色的光反射到LCD172，投影光学元件176向显示屏178投射显示图像。
图11简化示出单面板LCD投影系统180又一实施例。透光性光学延迟器双隔波前置滤色镜182，通过光导管积分器186(空心或实心)、中继光学元件188和大致偏振已偏振的光照(如沿一根轴)的偏振转换系统(PCS)190，接收来自照明系统184的照射光。照射积分器186提高照明系统184提供的光的亮度均匀性，中继光学元件188把通过透光性双隔波前置滤色镜182的均匀照射光投射到带附加偏光镜194的LCD192。
例如，PCS190包括一块受支承的偏振选择性的且通常为消色差的介质膜202。S和P偏振光之一通过介质膜202发射(如S偏光的光)，而其另一(如P偏振的光)反射到棱镜206相邻倾斜面上的介质膜204而朝外反射通过半波延迟器208，后者把反射的P偏振的光转换到S偏振的光，使从PCS190通过的所有的光都单一偏振的光(如S偏光)。
在一实施例中，双隔波前置滤色镜182由堆迭的伸展塑料膜组成，每块膜具有特定的迟差值并处于特定的角度，从而形成一只转动某些波长(最好为90度)而使其它波长不转(或与该另一波段实际上正交)的滤色镜。透光性光学延迟器堆失双隔波前置滤色镜182购自Colorlink公司(Boulder，Colorado)，其优点是具有相对大的视角，其上无明显的滤色镜波段边沿的漂移。
LCD投影系统180的配置，即延迟器堆迭双隔波前置滤色镜182在偏振转换系统190与偏光镜194之间的定位，使延迟器堆双隔波前置滤色镜182消除或减少了隔波的波段。位于刚巧基本上邻近LCD192的偏光镜194也增大了投影系统180的图像对比度。在投影系统180的某些实施例中，带高精度滤色镜210R、210G与210B的LCD192可以用只有一个(如黄色)隔波段的延迟器堆迭隔波前置滤色镜代替延迟器堆双隔波前置滤色镜182。
图12简化示出一单面板LCD投影系统250，它包括位于多色LCD256后面的隔波滤色镜252(如双隔波滤色镜)。与上述诸实施例一样，投影系统250包括带光源255的照明系统254。LCD256包括对应于红绿蓝基色分量的埋置式滤色镜258R、258G与258B以及有关的偏光镜与检偏镜(未示出)。隔波滤色镜252位于LCD256与投影光学元件260之间，示意表示投影光学元件260向显示屏262投射彩色图像。
隔波滤色镜252用于整形照明系统254与LCD256联合提供的照射光谱。隔波滤色镜252被选成消除或明显减小照射光中实质上无助于产生纯基色的某些波段的强度。隔波滤色镜252提供的滤色结果能使LCD滤色镜258去彰，改善投影系统250的总透光度。将隔波滤色镜252置于LCD256后面的缺点是某些不需要的波段会被色分量滤色镜258吸收，导致LCD256有点发热。如上所述，隔波滤色镜252可用全息材料重铬酸盐明胶(DCG)构成。
通常，LCD背投影系统使用100瓦的高压汞灯，其输出为6000流明，使用寿命至少为10,000小时，符合家用电视的要求。本发明诸实施例可应用于各种投影显示场合，包括彩电背投系统和各种其它前投与背投系统。
根据可应用本发明原理的许多可行的实施例，应该明白，详述的诸实施例仅用于示例，并不限制本发明的范围，相反地，所有这些实施例都落在下述权项及其等效文件的范围与精神内。

Claims (18)

1.一种液晶显示投影系统，其特征在于，包括：
具有对应于多个显示基色的关联的矩阵滤色镜的透光性液晶显示单元；
把照射光导向液晶显示单元的光源；和
位于光源与液晶显示单元之间的前置滤色镜，用于把显示基色朝液晶显示单元反射，并且至少一种非显示基色的光透过该前置滤色镜。
2.如权利要求1的投影系统，其特征在于，所述至少一种非显示基色的光对应于在575纳米与590纳米之间的光波长。
3.如权利要求1的投影系统，其特征在于，所述至少一种非显示基色的光对应于在495纳米与505纳米之间的光波长。
4.如权利要求1的投影系统，其特征在于，前置滤色镜透射两种非显示基色的光。
5.如权利要求1的投影系统，其特征在于，所述多个显示基色对应于红绿蓝色。
6.一种包含如权利要求1的投影系统的彩电背投影系统。
7.在一种具有对应于多个显示基色的关联的矩阵滤色镜、把照射光导向液晶显示单元的光源、和将照射光导向液晶晶格的光源的液晶显示投影系统中，一种增大显示亮度的方法，其特征在于，所述方法包括：
对在光源与液晶单元之间传播的照射光作前置滤色，以便把显示基色朝液晶显示单元反射，并透射至少一种非显示基色的光。
8.如权利要求7的方法，其特征在于，前置滤色包括透射波长在两种显示基色波长之间的光。
9.如权利要求7的方法，其特征在于，前置滤色包括基本上透射两种颜色的光，所述两种颜色的光各自的波长都在一对不同显示基色波长之间。
10.一种投影系统，其特征在于，包括：
液晶显示单元；
提供照射光的光源；和
位于光源与液晶显示单元之间的前置滤色镜，所述前置滤色镜根据波长有选择地转动光的偏振，使得在照射光透射通过前置滤色镜后得到对应于具有第一偏振的多个显示基色的照射光和对应于至少一个具有不同于第一偏振的第二偏振的非所述多个显示基色的照射光。
11.如权利要求10的投影系统，其特征在于，所述多个显示基色对应于红色、绿色、和蓝色。
12.如权利要求10的投影系统，其特征在于，至少一种非所述多个显示基色的光包括至少两种颜色。
13.如权利要求10的投影系统，其特征在于，第一与第二偏振正交。
14.如权利要求10的投影系统，其特征在于，还包括置于光源与前置滤色镜之间使照射光偏振的偏振装置。
15.如权利要求10的投影系统，其特征在于，偏振装置包括：
反射具有第三偏振的光而透射具有第四偏振的光的反射偏光镜，和
接收来自反射偏光镜的具有第三偏振的光并将所述光转换成具有第四偏振的光的延迟器。
16.如权利要求10的投影系统，其特征在于，还包括接收来自液晶显示单元的光的显示屏。
17.一种照射液晶显示单元的方法，其特征在于，包括：
提供照射光；
根据波长有选择地转动照射光的偏振以提供偏振修正的照射光，其中对应于多个显示基色的偏振修正的照射光具有第一偏振，而对应于多个显示基色以外至少一个颜色的偏振修正的照射光具有第二偏振，所述第二偏振与第一偏振不同；和
将偏振修正的照射光导向液晶显示单元。
18.如权利要求17的方法，其特征在于，还包括在选择性转动照射光的偏振之前先使照射光偏振。
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