CN1276653C - 投影显示单元、液晶硅投影系统照明源及显示图像的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于液晶硅(LCOS)投影系统的照明源。该照明源是一个激发基于磷的谐振微腔阵列(105)的阴极射线管(CRT)。通过选择一种在谐振微腔阵列中使用的统一的磷类型,所述CRT能够被设计成专门地生成选定颜色的光。可以布置谐振微腔使得光投影通过LCOS器件(212)以产生图像。还可以提供投影仪透镜(216)用于放大和聚焦图像以投影到屏幕上。
Description
技术领域
本发明涉及投影显示器,更具体地说涉及此类显示器的照明系统的改进。
背景技术
液晶硅(LCOS)可以被看作是在硅片上形成的一个大的液晶。硅片被划分成微板电极的增量阵列。液晶的微增量区域受到由每一个微板电极和公共电极产生的电场的影响。每一个这样的微板电极和相应的液晶区域合称为成像器的一个单元。每一个成像器单元对应于一个单独的可控像素。每组公共电极和可变的微板电极形成一个图像。
提供给LCOS成像器、并且因此提供给该成像器的每一个单元的光是场偏振的。每一个液晶单元响应由板电极施加在该单元上的电场的均方根值(RMS)而旋转输入光的偏振。
存在多种利用LCOS来制造投影引擎的技术。一种方法是对成像器施加一个数字信号以便按一种结构来排列像素以形成图像。为了形成图像,来自光源的光通过由成像器限定的像素并且从相对侧的反射表面弹回。该反射光以其发源的方向穿出成像器。所述反射光通过一个将图像放大和聚焦到屏幕上的透镜。
使用三个成像器的结合,液晶硅成像器可以用来产生彩色显示。一种产生这样的彩色显示的方法是利用一系列棱镜,这些棱镜在一起形成一个立方体。当光进入该立方体时,就被分离成三束光,这三束光中的每一束指向三个成像器中的每一个。每一个显示器具有与其相关联的红、绿或者蓝滤波器,从而仅向每个成像器发送一种颜色。然后对于其对应颜色,用与正确图像相关联的数字信号来驱动每一个成像器。所述的红、绿和蓝光通过各自的一个成像器后,被反射面反射回来通过成像器。成像器选择性的改变通过某些单元的光的偏振,并且随后使用合适的偏振化滤波器使这些光通过或者将其挡住。那些被允许通过的光形成图像。对于每一种相应颜色而生成的图像在立方体内被组合,以形成将被投影的最终彩色图像。
当然,有关诸如液晶硅的投影显示器的主要问题之一是缺乏用于照明的充足的光源。现有技术效率低、寿命短、并且需要较多的光学系统以将光转换成可用的形式。当前解决上述问题的最常见的办法是高压弧灯。高压弧灯已经成为主要工业标准,因为仅有这种灯具有合理的寿命。例如,普通的高压弧灯平均能使用10000小时。
尽管高压弧灯有上述的优点,但是它们也具有一些负面的属性。例如,它们需要非常小的弧,用于获得切合实际的etendue(辐射通量密度与辐射或接收表面面积的乘积)。这意味着光源寿命的缩短和在投影显示器的寿命期内需要更换几次灯泡。
高压弧灯的另一个重大的缺点涉及所产生的输出的性质。具体来说,这些光源就光谱输出而言固有的是宽带的。这意味着除了对投影有用的原色光(红,绿,蓝)以外,所产生的输出还将包含在可见光谱内的不希望的成分,以及红外和紫外成分。用于处理这种光的滤色器的低效率还可能导致更宽频带的色彩并从而导致更小的颜色空间。
进一步的问题涉及由高压弧灯产生的随机或者混合的偏振。诸如液晶硅的非CRT投影显示器通常需要特定的偏振,因此需要提供将为偏振分离而提供的光学系统元件。类似地,因为从高压弧灯来的光基本上是白光,所以需要提供产生红、绿和蓝光的专用的分色滤波器。为了加强etendue,还需要积分器和准直仪的复杂系统,以便将聚焦的光束转换成统一的直角(rectangular)照明。这些附加的元件自然增加了这类显示器的成本和复杂性。它们也增加了光学显示器的尺寸和重量。最后,在这类系统中固有的被浪费的光能增加了由投影系统产生的热量。
为了试图减少这类系统的成本和复杂性并改善图像质量,希望提供一个能够避免现有技术问题的系统。因此,在该技术领域,需要有一种用于非CRT显示器的光源,它产生的热量比采用高压弧灯的现有系统要少。在该技术领域,进一步需要有这样一种系统:在其中光学系统是紧凑的、高可靠性的,并且不需要复杂的光传输路径。
可以被结合在本发明中的微腔谐振器已经存在了一段时间了。微腔是一种具有控制位于其中的发光中心的衰变率、方向特征和频率特征的独特能力的常用结构的一个例子。发光中心的光学行为的变化包括调整自发发射和受激发射的基本机制。物理上,这种微腔结构是具有从小于一个光波波长到数十个光波波长的尺度的光学谐振腔。已经使用薄膜技术将这些典型地形成为一个集成结构。已经对于激光应用构造出了包含平面的、以及半球的反射体的微腔。
谐振微腔显示器或者谐振微腔阳极(RMA)在Jacobsen等人的美国专利第5469018号、第5804919号、Jaffe等人的美国专利第6198211号、以及由Jaffe等人发表的题为“Avionic Application of Resonant Microcavity Anodes(谐振微腔阳极在航空电子设备中的应用)”的论文中已经进行了充分的说明,现结合于此作为参考。受控制的RMA的光输出利用在Fabry-Perot谐振器内的薄膜磷。单色RMA的结构可以由具有嵌入在谐振微腔内的薄膜磷的面板组成。上面提到的参考文献清楚的说明了对于使用磷粉的传统CRT或FED结构使用RMA结构的好处。
发明内容
本发明涉及用于LCOS投影系统的照明源。该照明源是一个激发基于磷的谐振微腔阵列的阴极射线管(CRT)。通过选择一种在谐振微腔阵列中使用的统一的磷类型,所述CRT能够被设计成专门地产生选定颜色的光。
按照一个实施例,可以布置谐振微腔使得光投影通过LCOS器件以产生图像。还可以提供投影仪透镜用于放大和聚焦图像,以投影到屏幕上。
本发明还提供一个用于液晶硅投影系统的照明源,包括:散光屏幕阴极射线管;由所述阴极射线管激发的谐振微腔阵列,所述阵列中的每个谐振微腔具有活动区域,在所述活动区域放置磷粉用于专门地生成选定颜色的光。
本发明还提供一种用于显示图像的方法。该方法可以包括步骤:激发谐振微腔阵列,所述阵列中的每个谐振微腔具有活动区域,在所述活动区域放置磷粉以专门地发射选定颜色的光;和将所述光投影通过限定多个可控像素的液晶硅成像器,以形成图像。可以使用透镜放大和聚焦所述图像,从而可以更加容易地将该图像投影到屏幕上。所述方法还可以包括将由选定颜色的光产生的图像和至少一个用与该第一选定颜色的光不同的第二种选定颜色的光产生其他图像进行光学合成。在这种情况下,可以有利地从由红、绿和蓝组成的组中选择用于照明源的颜色,以产生全色图片。
按照一个可选择方面,本发明可以包含一个投影类型的显示单元。该显示单元包括具有可控像素阵列的成像器,例如LCOS器件。该单元还包括用于专门地产生选定颜色的光的光源。可以将所述光源布置为发送所述的光经过成像器,以产生图像,所述图像可以通过用于放大和聚焦该图像的透镜来投影。光源有利地由每一个都具有活动区域的多个谐振微腔的阵列组成。所述的活动区域具有放置在其中的磷粉用于专门地发射所述选定颜色的光。
按照投影显示单元的一个优选实施例,可以提供三个成像器和三个CRT器件。在那样的情形中,每个CRT器件专门地生成不同颜色的光,用于投影经过各自的成像器以产生三个不同颜色的图像。例如,三个CRT器件分别可以产生红、绿和蓝光。所述系统还可以包括一个光学合成器,用于将每个不同颜色的图像融合到一起以形成一个单一的合成图像。
附图说明
图1是用于说明被阴极射线管激发的谐振微腔阵列的概念的视图。
图2是用于说明如何将谐振微腔型CRT用作LCOS显示器的照明源的方框图。
具体实施方式
图1是用于理解用谐振微腔阵列增强的CRT器件100的操作的框图。CRT100通常包括玻璃真空管102和用于产生电子束117的电子发射器120。电子束117最好被导向与电子发射器相对的真空管的表面104。能够对电子束117逐行地进行扫描,以照亮形成基于磷(phosphor based)的活动区域的像素。可选地,由于CRT不直接形成图像,电子束可以更加扩散,用于同时照亮基于磷的活动区域表面的较大部分,这种CRT称为散光屏幕阴极射线管。
基于磷的谐振微腔105最好装备在真空管102的内部,位于CRT 100的远离电子发射器120的一端,并且平行于光发射表面104。谐振微腔105可以有利地生成在衬底116上。该谐振微腔由放置在前反射器114和后反射器108之间的基于磷的活动区域110组成。
为了本发明的目的,最好选择所述磷专门地产生单色光输出118。如本领域中众所周知的,为谐振微腔所选择的特定结构可以由在其中使用各种材料来形成谐振微腔的各种特定执行而组成。可以紧随在微腔105之后设置一层铝106来引导由电子发射器120沉积的电子。铝层106还可以起补充层108的附加反射表面的作用。
在图1中,图解说明了平面镜类型的谐振微腔105。然而,本领域的技术人员将会明白并不是以此来限制本发明。例如,共焦反射镜设计也可以用来形成谐振器。
在CRT中使用谐振微腔是已知的技术。例如,在Jacobsen等人的美国专利第5469018号、第5804919号、Jaffe等人的美国专利第6198211号、以及在由Jaffe等人发表的题为“Avionic Application of Resonant MicrocavityAnodes(谐振微腔阳极在航空电子设备中的应用)”的论文中已经对谐振微腔的使用进行了充分的说明,现结合于此作为参考。然而,CRT类型的显示器通常是被用于使用彩色磷直接产生图像。比较而言,本发明是利用由谐振微腔阵列加强的CRT,专门地作为具有相对高的亮度和好的光谱纯度的选定波长的光源。特别地,下面将详细描述本发明在LCOS类型显示器中利用这种CRT的情况。
图2是用于图解说明本发明的LCOS投影显示系统的方框图。本发明不同于传统的利用高压弧灯与滤色镜结合来产生用于LCOS显示器的光的LCOS显示器。而是布置一个或者多个谐振微腔类型的CRT单元202、204、206以直接产生选定波长和亮度的光。例如,在一个优选的实施例中,每一个CRT可以被选择用来产生红、绿和蓝光中的一种。由CRT 202、204、206产生的光通过为每个CRT提供的相关联的偏振光束分光器208。通过每个偏振光束分光器208的光通过四分之一波片210并穿过各自的LCOS成像器以形成图像。所述的光被反射回来穿过LCOS成像器212并且如图所示在每一种情况下都被偏振光束分光器208朝通常交叉的二色合成器214方向反射。交叉的二色合成器214对反射的多个图像进行合成并且将他们导引向投影透镜216。
这里描述的谐振微腔加强的CRT照明源具有几个重大的优点。例如,同高压弧灯相比,CRT单元具有相当长的使用寿命,并且他们产生的热量较少。此外,本方法免除了用滤色镜来将由高压弧灯提供的照明光分成红、绿和蓝光。最后,与使用传统的滤色技术所能达到的相比,由谐振微腔加强的CRT产生的光具有较高的光谱纯度。当使用这里描述的本发明的方法时,将产生一个相当大的颜色空间。
Claims (11)
1.一个投影类型的显示单元,包括:
成像器(212),用于限定多个可控像素;
光源(202,204,206),用于专门地产生选定颜色的光,将所述的光源布置为发送所述的光通过所述的成像器以产生图像;以及
投影仪透镜(216),用于放大和聚焦所述图像以投影到屏幕上;
其中所述的光源由用于激发具有活动区域(110)的谐振微腔(105)的阴极射线管器件(100)组成,所述的活动区域具有放置在其中的磷粉用于专门地发射所述选定颜色的光。
2、按照权利要求1的投影显示单元,其中所述的成像器是一个液晶硅器件备。
3、按照权利要求1的投影显示单元,其中提供有三个所述的成像器和三个所述的阴极射线管器件,每个所述的阴极射线管器件专门地产生不同颜色的光,用于投影经过各自的成像器以产生三个不同颜色的图像。
4、按照权利要求3的投影显示单元,其中所述的三个阴极射线管器件分别产生红、绿和蓝光。
5、按照权利要求4的投影显示单元,进一步包含光学合成器(214),所述光学合成器融合所述每个不同颜色的图像以形成一个单独的合成图像。
6、一个用于液晶硅投影系统的照明源,包括:
散光屏幕阴极射线管(100);
由所述阴极射线管激发的谐振微腔阵列(105),所述阵列中的每个谐振微腔具有活动区域,在所述活动区域放置磷粉用于专门地生成选定颜色的光。
7、按照权利要求6的照明源,其中排列所述的谐振微腔阵列,使得所述的光被投影通过液晶硅器件(212)以产生图像。
8、按照权利要求7的照明源,进一步包含投影仪透镜(216),用于放大和聚焦所述图像以在屏幕上投影。
9、一种用于显示图像的方法,包括:
用阴极射线管激发谐振微腔阵列,所述阵列中的每个谐振微腔具有活动区域,在所述活动区域放置磷粉用于专门地发射选定颜色的光;
将所述光投影经过限定多个可控像素的液晶硅成像器,以形成图像;
通过透镜放大和聚焦所述图像,以投影到屏幕上。
10、按照权利要求9的方法,进一步包括步骤:
将用所述选定颜色的所述光产生的图像与至少一个其他图像进行光学合成,所述其他图像是由不同于所述第一种选定颜色的第二选定颜色产生的。
11、按照权利要求10的方法,其中所述的颜色是从由红、绿和蓝色组成的组中选择的。
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