CN1251912A - 用于对比度提高的投影显示器的改进的x立方体结构 - Google Patents

Abstract

公开了一种诸如液晶显示装置的光学投影显示系统。本发明的特征在于该投影显示系统来用一种改进的X立方体(或X棱镜)装置,其中形成改进的X立方体棱镜的内角偏离90°。本发明改进的X立方体装置的使用,可提高黑白格图象的对比度,把因进入投影透镜而产生无用的寄生反射的可能性降到最小,并基本上消除了使用现有X立方体时通常出现的眩光和幻象。

Description

用于对比度提高的投影显示器的改进的X立方体结构

本发明涉及一种用于投影显示的光学系统，尤其涉及一种使用改进的X立方体结构的光学系统，该系统实质上可减小现有技术中采用的X立方体结构所导致的眩光和幻象。另外，本发明改进的X立方体(或X棱镜)结构减少了无用的反射，并因而可提供与现有的X立方体相比增强对比的成象。本发明改进的X立方体结构优选应用在三色高分辨率的投影显示器中。

基于空间光调制器(SLMs)的三色高分辨率显示器需要三个SLMs以产生一个图象。每个SLM对三色：红(R)、绿(G)、兰(B)中的一种颜色进行控制。最终的全色图象是单个的红、绿和兰图象在屏幕上的叠加。液晶光阀是公知型的一种SLM。

图1表示现有技术中典型的三色模式结构。具体地说，图1表示的现有技术的结构10使用三个透射光阀(或SLM)12，14，16；每个光阀对应一种颜色。工作原理是基于对每个象素入射光偏振方向的旋转。当光阀放置在偏振器之间时在透视型液晶光阀中产生一个图象。在一个投影系统中，三个光阀中的每一个控制三个单色组分中一个的图象形成。整个投影系统通常使用一个带分色滤光片20A和20B的白色弧光光源灯18，滤光片则把入射光分解成红(R)、绿(G)、兰(B)三组份。每种颜色组份射向三个光阀中的一个。偏振器22放置在每个光阀的输入端，以便只选择一种偏振状态进入光阀。第二偏振器24放置在三个光阀中的每一个之后以选择成象光。X立方体26主要用于合并由单个的红、绿、兰光阀产生的图象，以形成全色的组合图象。投影透镜28最后完成的系统将图象放大并投影到屏幕上。

商业上可以得到许多利用透射光阀的投影系统。然而，为了制备高分辨率显示所需要的带有较多数个象素的光阀，液晶板将变得很大。带有很小象素的透射光阀是很难制造的，因为为光阀工作所需要的电路阻挡光通过象素已到了无法容忍的程度。为了高分辨率的应用，代之以使用基于反射的光阀。在反射模式中，直接在电路上制作反射镜结构成为可能。此模式允许有较小的象素区，没有由电路造成的光通道的阻塞，因而允许最大的光通过。

上述结构以及采用反射式液晶光阀的其它投影显示器，使用类似于图2所示结构的光学结构。从照明系统(未示出)发出的光通过分色镜(也未示出)分解成红(R)、绿(G)、兰(B)三色光束。每种颜色的光束被射向邻近反射光阀(LV)48、50和52的对应的偏振分束器(PBS)42、44和46。图示中PBS 42和LV 48被选择对应红光，PBS 44和LV 50被选择对应绿光，PBS 46和LV 52被选择对应兰光。每个偏振分束器把偏振束导向处于暗态的作用基本上类似于反射镜的光阀。另外，每个偏振分束器包含一个被选择反射特定颜色光的分色涂层。在图2中，PBS 42包含一个对应红色(R’)的分色涂层，PBS 44包含一个对应绿色(G’)的分色涂层，PBS 46包含一个对应兰色(B’)的分色涂层。

入射光被无偏振变化地反射回偏振分束器中，并且因而再在PBS处被反射回光源。如果对液晶层施加电压，则有一个偏振旋转，并且反射光束被偏振分束器透射并进入所谓的X立方体54。

X立方体54由四个直角棱镜组成，被施加分色涂层并胶合在一起形成一个立方体。该立方体具有这样的特性：其中它包含两个特定颜色的反射面，该反射面通过在构成时对四个棱镜的精细对准而形成。一个涂层主要只反射红色(R)，另一个主要只反射兰色(B)。在这种情况中绿光(G)将被二者透过。在附图中，对红色选择的分色涂层被标记(R’)，而对兰色选择的分色涂层被标记(B’)。但在实际当中分色涂层可能不是毫无缺陷的，也即兰色(B)涂层实际上可能反射少量的红色光(R)并在棱镜中可能产生无用的附加的光路。

进入X立方体的红光(R)被红光反射分色涂层(R’)反射进未示出的投影透镜。类似地，另一颜色的进入X立方体邻近面的光束如兰光被反射到进入投影透镜的公共光束中。也即是说X立方体充当颜色的合并元件，把红、绿和兰三个颜色的光从三个调制光阀射入投影透镜的公共光束中，以在远处的屏幕上成象。

图2所示类型现有技术的X立方体中存在的问题，是在立方体上各个分色涂层之间发生无用的反射。此问题示于图3(a)-(b)中。具体地说，来自红色单元的光必定透过兰色反射涂层(B’)，到达把光束射向投影透镜的红色反射涂层(R’)。由虚线表示的少量的红光如图所示被蓝色涂层(B’)向红色反射涂层(R’)反射，在那儿重新射向光阀48并随即产生新的可以到达投影透镜的无用的光束(虚线)。

即使是以这种方式反射的少量的光也会产生不聚焦的背景照明，提高暗区的照明水平，大大地降低对比度。对图4中所示的笔直通道也会产生类似的效果。比较光阀上亮区产生的光与光阀上暗区产生的光测得的图象对比度的降低，上述效果起很重要的作用。这些亮区和暗区是通过光阀的电驱动区域完全启动而光阀的其它区域启动完全截止造成的。具体地说，当以如同美国国家视听系统标准(ANSI)测量对比度的黑白格形式开启光阀时观察到非常低的对比度，这是因为在这种情况下从黑白格亮部发出的光可以通过寄生反射到达暗区。

图3(a)-(b)和图4表示垂直于光阀方向的光导致寄生反射。在实际的光学投影系统中，光锥入射到光阀上。这种情形也导致同样的寄生反射。因为X立方体的内角为90°，所以任何以大约45°(即45+/-10°)入射到X立方体内表面的主要的入射光束将也被沿其初始方向反射回光阀(45°基准方向)。这是由两个内界面产生的90°角立方体效应的结果。本领域公知，两个对准成90°的反射面将总是把光束沿其初始方向送回。因此，在特定的锥角之内的所有光将也在同样的锥角之内逆反射。这导致在全部光的锥角之内有如同图3(a)-(b)和图4的寄生反射。

鉴于现有投影显示器的上述缺点，不断地需要提出一种新的改进的光学投影系统，该系统提供具有优良的分辨率和增强的对比度的图象。

本发明的一个目的在于提供一种用于投影显示的光学系统，该系统消除了现有光学系统中的上述问题。

本发明的另一个目的在于提供一种光学结构，该结构基本上消除了眩光、幻象和无用光的反射，并产生一个可以很容易地投射到投影屏上的公共光源。

本发明还有一个目的在于提供一种有效的和经济合算的高分辨率光学显示。

本发明的第四个目的在于提供一个改进的X立方体结构，该结构避免了幻象，提高了黑白格图象的对比度并把进入投影透镜的无用寄生光束减到最少。

本发明的所有目的和优点可以通过采用包括四个棱镜的改进的X立方体(或X棱镜)实现。每个棱镜有两个邻近底面的表面，每个表面被涂敷不同的分色涂层。两表面形成一个与其底面相对的不为90°的角。该棱镜配置成使得在X棱镜内带有相同分色涂层的表面形成两个特定颜色的相交面。不象现有的X立方体，本发明X棱镜的反射面倾斜，使得入射到X棱镜内表面的主要入射光与表面形成非45°的角。平面倾斜使得主要的入射光束与第一平面成45°±3°的角入射。这种倾斜足以使无用的寄生光束被从公共光源中除去。另外，寄生光束实质上偏离公共光束的主路并完全处于投影透镜进行同样的投射所需区域的外侧。

此X棱镜通过把杂散的红、兰和绿光反射出投射到投影透镜和投影屏幕上的光的光路，致使通常与现有技术中X立方体相关的眩光和幻象消除。这具有可避免现有X立方体的所谓角立方体反射器效应的作用。图3(a)-(b)和图4所示的多路无用反射光，相继利用本发明的X棱镜在每次反射时偏离几度。

这种偏离虽然是微弱的，但对于确保寄生光束显著地偏离理想的常规光束是足够的，并且寄生光束不被投影透镜汇集。因为照明实际上提供入射到每个光阀的锥形光，所以寄生光束的净偏移超出光束的锥角两倍。

图1是典型现有光学投影系统示意图；

图2是包含三个光阀、三个偏振分束器和具有45°分色界面(内角为90°)的X立方体的光学结构；

图3(a)-(b)是表示通道一侧红光从现有X立方体的45°分色涂层局部反射造成的杂散光(虚线)示意图；

图4是直线通过的绿光从现有X立方体的45°分色涂层局部反射造成的杂散光(虚线)示意图；

图5是根据本发明的光学投影系统简图；

图6是表示本发明可用于图5所示光学投影系统中的X棱镜的一种可能取向示意图；

图7是在图5所示的光学系统中使用X棱镜的光学结构示意图；

图8是利用本发明的X棱镜结构对于红光的杂散光入射到红光分色涂层上的光路图；

图9是利用本发明的X棱镜结构对于红光的杂散光入射到兰光分色涂层上的光路图；

图10是利用本发明的X棱镜结构对于绿光的杂散光光路图。

下面将通过参考附图对提供用于投影显示的光学结构的本发明做详细的描述。

参见图5，图5是光学投影系统100的示意图，投影系统100包括本发明的X棱镜。应注意到图1所示的光学投影系统也可以用在本发明中。示于图5中的光学投影系统包括一个能够发出各种波长光的光源灯102，如弧光灯。首先利用能够除去紫外和/或红外辐射的滤光器104滤光。光学投影系统还包括接收来自光源灯的光并产生均匀的强度分布的照明光学106。

作为例子，照明光学106包括一个产生均匀光强的蝇眼透镜。照明光学还可以包括把大部分的非偏振光转换成一种偏振光的光学元件。

彩色分光光学108接收来自照明光学106的光。彩色分光光学包括分色反射镜，该反射镜反射一种颜色的光而透射其它颜色的光，导致到达光阀这一光学装置110的三种颜色的光(红、绿和兰)分离。光阀装置110包括三个偏振分束器和三个光阀。为了简单起见，这些元件在图5中没有显示。偏振分束器把偏振的照明光反射到三个光阀中的每一个。三个偏振分束器的每一个包含一个在某一特定的颜色如红、绿或兰色工作时性能最佳的光学涂层。

成象光以旋转的偏振态被光阀反射。然后成象光被偏振分束器透射并且红、绿和兰三种颜色的光从光阀装置出射。之后三色光射向用作把单个的彩色光合并成一个公共光束的改进的X立方体(或X棱镜)115。下面将对本发明的X棱镜做更详细的描述。

本发明的光学系统还包括一个用于接收来自本发明的X棱镜的公共光束并用于在投影屏125上成象的投影透镜120。

应注意到虽然附图表示一个具体的光学投影系统，但本发明并不局限于此。相反，本发明改进的X立方体可以用在任何其它类型的能够产生红、兰和绿光的光学投影系统中。

转过来看本发明的改进的X立方体，参见图7，图7示出的是一个光学装置，包括接近特定的光阀装置的本发明改进的X立方体，光阀装置包括三个光阀和三个偏振分束器。具体地说，图7中所示的光学装置包括三个偏振分束器立方体135r，135b和135g，每个分束器对特定颜色的光(红、兰或绿)有最佳的工作性能。每个分束器包括一个反射一种偏振而透过另一种偏振的特定的分色涂层R’，B’和G’。每一个分束器极接近一个光阀140r，140b和140g。每个光阀最好是一种反射式液晶(LC)空间光调制器(SLM)。或者，该光阀也可以是一种透射型的SLM或另一种类型的反射式SLM，如数字反射镜装置(DMD)。

图7所示的光学装置还包括改进的X立方体115，该立方体能够把透过偏振分束器的三种颜色的光合并成一束公共光，然后射到投影透镜。根据本发明，X棱镜包括四个棱镜，每个棱镜具有两个与底面相对的面，两个面上涂敷不同颜色的分色材料。为实际的目的，把光从其中透射的X棱镜的表面(侧面)表示成平直面，使得左右棱镜的角被截断。或者是如图6-10中虚线所示的保留角部，使得四个棱镜全部都是三角形。把四个棱镜布置成理想的形状，使得类似的涂层在X棱镜中形成一条连续的线，然后再把它们胶合到一起。这导致在X棱镜体内形成两个反射面。本发明的X棱镜与现有的X立方体不同之处在于两分色面之间的夹角即对着每个棱镜底面的角不是90°角。X棱镜内角的具体选择可根据具体感兴趣的光而改变。形成X棱镜的四个棱镜的内角最好为84°或96°。

图6表示一个可用于本发明的典型的X棱镜的结构实例。具体地说，如图中所示，每个分色面与初始的45°的取向倾斜3°，而棱镜的侧面倾斜6°，使得从光阀入射的主要光束与图7中所示的表面正交。具体地说，图6中所示的X棱镜包括具有大约84°内角α1的棱镜1，具有96°内角α2的棱镜2，具有大约84°内角α3的棱镜3，具有96°内角α2的棱镜4。作为参考，图6包含正交的45°基准线。

通过实施对本发明X棱镜结构的使用，避免了在此提到的上述现有X棱镜的角立方体效应。即如图3(a)-(b)和图4所示的无用的多路反射光在每次反射时逐次偏移几度，足以确保无用光显著地偏移公共光束。这导致无用光处于公共光束的主路之外并因而不会透射到投影屏上。

因为对每个光阀提供锥形入射光照明，所以无用光的净偏移超出光束锥角的两倍很重要。

图8和图9表示有用光(实线)和通过使用图6中所示本发明的X棱镜结构对于红光(侧)通道所实现的无用反射光(虚线)之间产生的偏移。其它的侧通道(兰)将显示出相同的角偏移。

类似地，图10表示有用光(实线)和通过使用本发明的X棱镜结构对于直通道(绿)所获得的无用反射光(虚线)之间产生的偏移。注意到在图8-图10中，为简单起见，没有表示出偏振分束元件，因为它对这种结构中所示的角偏移不起作用。

与图3(a)-(b)所示的寄生反射沿与主要(公共)光束相同的方向相比，图8-10所示的寄生反射偏离主要光束12°。注意到欲实现理想的特性，不需要与90°立方体有很大的偏移。如上所示，在形成X棱镜的棱镜的两个分色表面的每一个表面上，小至3°的倾斜产生寄生光束中12°的偏移。这种偏移足以把无用的反射光移到公共光束的主路之外。

如上所述，本发明的X棱镜结构能够显著地减小眩光和幻象以及无用反射，同时仍能够提供高分辨率的图象。

在关于优选实施例对本发明进行特别的表示和描述的同时，可以理解，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明实质和范围的情况下可以从形式和细节上做出上述的和其它的变化。

Claims (15)

1.一种用于光学显示的X棱镜，能够把红、绿和兰光重新合并成用于投影的公共光束，上述X棱镜包括四个棱镜，每个棱镜有一个底面，一个与底面相对偏离90°的内角，和两个邻近底面并涂敷不同分色材料的表面，其中所述四个棱镜配置成使带有同样分色涂层的表面形成两个相交的特定颜色的反射面。

2.如权利要求1所述的X棱镜，其中所述的反射面被对准，以使主光线以非45°的角入射。

3.如权利要求2所述的X棱镜，其中所述的反射面自45°的基准取向斜置±3°。

4.如权利要求1所述的X棱镜，其中所述的反射面是反射红、绿或兰颜色之一的特定面。

5.如权利要求1所述的X棱镜，其中所述的内角是84°或96°。

6.如权利要求1所述的X棱镜，其中所述的棱镜为三角形。

7.一种用于光学显示的投影系统，包括

一个光灯源，能够发射沿预定光路的光；

一个滤光片，沿上述光路邻近光源灯设置，用于滤除紫外和/或红外辐射；

邻近上述滤光片设置的照明光学；

邻近上述照明光学设置的彩色分光光学，其中来自上述照明光学的光被分成红、绿和兰色光；

一个邻近彩色分光光学设置的光阀装置；

一个能够把上述红、绿和兰色光合并成公共光的邻近上述光阀装置设置的X棱镜，其中所述的X棱镜包括四个棱镜，每个棱镜有一个底面，一个与底面相对偏离90°的内角，和两个邻近底面并涂敷不同分色材料的表面，其中所述四个棱镜配置成使带有同样分色涂层的表面形成两个相交的特定颜色的反射面；

一个能够接收公共光源的光并将其投影的投影透镜；和

一个用于接收上述被投影的公共光源的投影屏。

8.如权利要求7所述的投影系统，其中所述的光阀装置包括三个偏振分束器和三个光阀。

9.如权利要求8所述的投影系统，其中所述的光阀是反射式液晶光阀。

10.如权利要求7所述的投影系统，其中所述的反射面被对准，以使主要光线以非45°的角入射。

11.如权利要求7所述的投影系统，其中所述的反射面自45°的基准取向斜置±3°。

12.如权利要求7所述的投影系统，其中所述的反射面是反射红、绿或兰颜色之一的特定面。

13.如权利要求7所述的投影系统，其中所述的内角是84°或96°。

14.如权利要求7所述的投影系统，其中所述的X棱镜实质上将无用颜色的光线偏离上述公共光源光束。

15.如权利要求7所述的投影系统，其特征在于棱镜为三角形。

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