CN1599878A - 光阀投影仪结构 - Google Patents

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Abstract

一种光阀投影系统(30)包括：多个谐振微腔阳极(RMA)(32，42和52)，每一个用来发射一个相应波长的光；一个用于所述多个谐振微腔阳极的每一个的成象装置(38，48和58)，其中每一个成象装置发射一个图象。光阀投影系统进一步包括多个偏振光束分光器(34、44和54)，用来将来自RMA和成象装置的光和图象反射和改变定向。该光阀投影系统还可进一步包括：一个合成器(40)，用来对来自每一个成象装置的图象进行组合；以及一个投影镜头(50)，用于从该合成器接收复合图象。

Description

光阀投影仪结构
技术领域
本发明涉及光阀投影系统的领域，更具体地涉及一种采用谐振微腔阳极(RMA)的光阀投影系统。
背景技术
近来，非阴极射线管投影显示器的主要问题之一是缺乏充足的用于照明的光源。现有的技术效率低、寿命短并且需要较大的光学系统来将光转换成可用的形式。
传统的阴极射线管(CRT)显示器使用从电子枪发射的电子，并使电子经过强电场来对其进行加速，然后将它们投影到覆盖着粉末形的荧光材料的屏幕上。高能电子激发出荧光粉中心的光，该荧光粉向各个方向辐射均匀的可见光。在现有技术中阴极射线管沿用已久，并且通常可在电视显像管、计算机监视器以及许多其它设备中见到阴极射线管。
使用荧光粉的显示器受到几个主要限制，包括：相对于所消耗的能量来说定向亮度低(即在一个方向上的亮度)；传热和散热特性不佳；荧光粉色品(即受激的荧光粉发出的光的颜色)的选择受限。由于方向特性影响着显示器与其它设备(例如阴极射线管投影镜头)有效耦合的有效性，因此定向亮度是显示器的重要特性。为了直接显示的目的，这是必要的，因为将从所有的视角都能看见图象。然而，对某些应用来说，光通量的朗伯(lambertian)分布(从在各个方向发射均匀的光的发光屏幕来观察正常光通量图案)是不足的。这些应用包括投影显示器和将图象传输到检测器以用于随后的图象处理。传热和散热特性是重要的，因为在获得适合大屏幕投影的亮阴极射线管中的限制因素是荧光屏的发热。由于显示器的可靠的颜色重现需要三个基色(红、绿和蓝)以符合工业色度标准(也就是欧洲广播联盟规格)，因而色度是重要的。为三基色中的每一个确定与这些规格完全匹配的荧光粉是荧光粉研发的最困难的方面之一。
另一需考虑的事情是阴极射线管中的真空。为了使电子束能够在电子枪和荧光屏之间传播，必须在阴极射线管中保持真空。传统的粉末状荧光粉具有高的总表面面积并且在它们的沉积过程中，通常使用有机化合物。高表面面积和残余的有机化合物的存在使在阴极射线管中获得并保持良好的真空产生了问题。使用薄膜荧光粉来克服这两个影响，光的总的外部表面区被薄膜(薄膜比荧光粉显示表面区小得多)控制，此外由于在薄膜显示器中不存在残余的有机化合物，因而降低了密封管中的负压。
薄膜荧光粉尽管克服了一个缺点，却引起了“漏光(light piping)”现象。漏光是在薄膜中的光的截留，致使它不能从装置中辐射出来。这是由薄膜中产生的光线的总的内部反射引起的。由于大部分的荧光粉的折射率(n)大约是n＝2，只有那些入射角小于临界角的光线才从薄膜的前面辐射出来。n＝2的材料的临界角大约为30度。因此，从薄膜前面泄漏出来的光仅大约占总的光的6.7％。将高反射铝层设置在薄膜的后面的普通设计，仅使输出加倍，大约为光的13％。而且，这个光是按朗伯分布来传播，并且没有方向性。作为漏光的结果，外部效率(也就是从显示器泄漏出来的光子相对于显示器所产生的所有的光子的百分数)小于荧光粉显示器的外部效率十分之一。因此，尽管在热特性、分辨率和真空的保持方面提供了独特的优点，但是基于薄膜的商业阴极射线管装置的发展受到它们的由“漏光”引起的低效率的阻碍。
可结合在本发明中使用的微腔谐振器已经出现了一段时间了。微腔是一般的具有控制设置在它们中间的发光中心的衰减率、方向特性以及频率特性的独特能力的结构中一个例子。发光中心的光学性能的改变导致受激发射和自发发射的基本机构的改变。实际上，象微腔这样的结构是直径从小于一个光波长到光波长的十倍的光谐振腔。这些通常作为一个集成结构，利用薄膜技术来形成。已经为激光应用构造出了包括平面以及半球面反射面的微腔。
已经研制出具有例如硅或砷化镓的半导体活性层的谐振微腔作为半导体激光器以及发光二极管(LED)。
微腔已被激光器使用，但是激光微控装置在一个激光阈值之上进行工作，这导致它们在靠近该阈值的响应是固有的非线性，并且它们的亮度被限制在一个狭窄的动态范围内。相反地，显示器需要一个宽的亮度动态范围。微腔激光器利用受激发射以及自发发射。因此，这些装置产生高相干光，从而使得这些装置不适用于显示器。高度相关光表现出一种被称为斑点的现象。用肉眼看时，高相干光显示出不同尺寸的亮区暗区交替的图案。为了产生清晰的图象，发光显示器必须产生不相干光。
在美国专利第5 469 018号(授予Jacobsen等人)、第5 804 919号(授予Jacobsen等人)以及第6 198 211号(授予Jaffe等人)以及在Jaffe等人所著的题为“Avionic Applications of Resonant Microcavity Anodes”的文章中更详细地描述了谐振微腔显示器或谐振微腔阳极RMA，在此以引用的方式将它们全部并入本申请中。利用法布里-珀罗(fabry-perot)谐振器内的薄膜荧光体来控制谐振微腔阳极的光输出。单色谐振微腔阳极的结构可由具有嵌在谐振微腔中的薄膜荧光体的面板构成。上述的参考文献清楚地描述出了在传统的使用荧光粉的阴极射线管设备使用谐振微腔阳极设备的优点。
如上所述，非阴极射线管投影显示器的最大的问题是缺乏充足的用于投影系统照明的光源。现有技术例如大部分弧光灯都是低效率、寿命短以及需要大的光学系统来将光转换成可用的形式。虽然飞利浦制造的超高压(UHP)弧光灯由于它的合理的寿命而成为工业标准，但是飞利浦的UHP弧光灯还是有很多低效的以及由光源的非相干特性引起的需要额外的系统来转换的缺点。而且，为了在这样一个投影系统中使用UHP弧光灯将需要一个非常小的弧度以便制造切合实际的entendue，并因此得到有效率的光学系统。然而非常小的弧度将限制光的输出。小弧光灯还意味这光源寿命的缩短。这样，如果以此目的来使用的话，在电视寿命期间需要多次更换灯泡。弧光灯和其它类似的光源由于它们输出的宽带的特性并因此产生对投影有用的红外的、紫外的以及非原色可见光以及红、蓝、绿光。用来处理这些光的滤色器的低的效率也导致了更宽的颜色频带，并因此使色空间变小。光源例如弧光灯还产生无规则的偏振“混合”，并因此需要额外的光学系统来进行补偿以进行偏振分离。为了进一步加强“entendue”，需要积分器和准直仪的复杂系统将来自光源(例如弧光灯)的聚集光束转换成均匀的正交照明。另外，由于灯发射的光通常是白色的，因此将需要专用的二色性滤色镜来产生投影系统所需的红、绿、蓝光。作为克服上述的问题所需的所有硬件的结果，为了在显示装置上获得真确的颜色和偏振的光的正交，将需要一个庞大的光学系统。
这样，存在在光阀投影系统中利用谐振微腔技术的优点的需要，正如在此所述。
发明内容
本发明的第一方面，硅基液晶投影系统包括多个谐振微腔阳极RMA，每一个发射相应波长的光；一个用于多个谐振微腔阳极的每一个的硅基液晶(LCOS)装置，其中硅基液晶装置的每一个发射一个图象；多个偏振光束分光器，用来将来自谐振微腔阳极和硅基液晶装置的光和图象反射和改变方向到；以及将图象组合以便提供复合图象的装置。
在本发明的第二方面中，光阀投影系统包括多个谐振微腔阳极RMA，每一个发射相应波长的光；一个用于多个谐振微腔阳极的每一个的成象仪装置，其中成象仪装置的每一个发射一个图象；多个偏振光束分光器，用来将来自谐振微腔阳极和硅基液晶装置的光和图象反射和改变方向。
在本发明的第三方面中，采用复合谐振微腔阳极场致发射显示器的光阀投影系统，包括：至少一个第一照明源，其中该照明源具有场致发射显示点阵列，以便在真空腔的第一侧上接收第一输入，以及包括在真空腔第二侧上的相应的谐振微腔阳极的阵列；至少一个被照明源照射的第一硅基液晶装置。
在本发明的第四方面中，采用谐振微腔阳极阴极射线管的光阀投影系统，包括至少一个第一照明源，其中照明源在一个没有偏转线圈的真空腔的一个第一侧的一个阴极上和在该真空腔的一个第二侧的谐振微腔阳极相应阵列上同时接收多个输入；以及至少一个被照明源照射的第一硅基液晶装置。
附图说明
图1是根据本发明的利用谐振微腔阳极”S”模式的装置的光阀投影系统的一个组件的方框图；
图2是根据本发明的利用谐振微腔阳极”P”模式的装置的光阀投影系统的一个组件的方框图；
图3是根据本发明的光阀投影系统的方框图；
图4是根据本发明可选光阀投影系统的方框图。
具体实施方式
本发明采用谐振微腔阳极技术来照射硅基液晶或其它光阀投影系统。将光输入到光阀装置的当前的结构体系是基于上述的白光源，并因此需要在将光应用到图象仪之前分离红、绿和蓝光。通过使用谐振微腔阳极技术，可使用单独的红、绿和蓝光源来提供本文所给出的结构体系。
提供“S”偏振输出光或“P”偏振输出光的谐振微腔阳极装置操作的可能模式有两种。如图1所示，输出光是“S”偏振的以及如图2所示，输出光是“P”偏振的。
参考图1，一个照明系统组件10包括一个在向上的方向有“S”偏振光输出的谐振微腔阳极光源12，如图所示。通过偏振光束分光器(PBS)14的底部提供光，其中光被向左反射到一个四分之一波长板16，并被反射到硅基液晶装置18上去。四分之一波长板是用于偏斜率的补偿。从硅基液晶装置18反射的光，经过PBS 14，来根据光源提供“P”偏振的红、绿和蓝光输出。
参考图2，照明系统组件20包括具有在向上的方向上有“P”偏振的光输出的谐振微腔阳极光源22，如图所示。通过偏振光束分光器(PBS)24的底部来提供光，其中光传播经过PBS 24，经过四分之一波长板26，到达四分之一波长板26上面的硅基液晶装置28。光从硅基液晶装置28向下反射，经过四分之一波长板26，并反射到PBS 24中以基于光源来提供“S”偏振的红、绿和蓝光输出。应理解，在此描述的谐振微腔阳极光源可根据本发明选择各种结构，在此描述的特殊实施例仅是代表性示例。用于本发明系统中的谐振微腔阳极光源可以是例如复合谐振微腔阳极阴极射线管或者复合谐振微腔阳极场致发射显示(FED)装置。当组合谐振微腔阳极阴极射线管可同时在不具有偏转线圈的真空腔的第一侧的阴极上和该真空腔的第二侧上谐振微腔阳极的相应阵列上接收多个输入时，用于组合谐振微腔阳极阴极射线管的照明源可具有场致发射显示点阵列来在真空腔的第一侧以及在真空腔的第二侧上的谐振微腔阳极相应阵列上接收第一输入。当然，利用谐振微腔阳极来提供光源以便与已描述的结构一起使用的其它组合以及变化在此是可以想到的。
参考图3，示出了硅基液晶投影系统30，包括多个“P”模式谐振微腔阳极RMA，每一个用来发射相应波长的光。系统30采用用于谐振微腔阳极的每一个的硅基液晶装置，其中，每一个硅基液晶装置发射一个图象。系统还具有多个用来对来自谐振微腔阳极和硅基液晶的光和图象进行反射和改变方向的偏振光束分光器，以及用来组合图象以便为投影镜头提供一个复合图象的装置。
在这种情况下，示出了三个独立的组件，一个用于每一种颜色(红、绿和蓝)并进一步利用二色性颜色合成。红色”P”模式谐振微腔阳极光源32(在投影系统30的“背面”的位置)提供光输出，输出的光经过PBS 34和四分之一波长板36，然后到硅基液晶装置38上。红光被反射回来，经过四分之一波长板和PBS 34，然后被向左反射到传统的交叉二色性合成器40中去。蓝色”P”模式谐振微腔阳极光源52(在投影系统30的“前面”的位置)提供蓝色光输出，输出的蓝光经过PBS 54和四分之一波长板56，然后到硅基液晶装置58上。蓝光被反射回来，经过四分之一波长板56和PBS 54，然后被向右反射到传统的交叉二色性合成器40中去。绿色”P”模式谐振微腔阳极光源42(在投影系统30的“侧面”的位置)提供绿色光输出，输出的绿光经过PBS 44和四分之一波长板46，然后到硅基液晶装置48上。绿光被反射回来，经过四分之一波长板46，然后在PBS 44中被向上反射，经过交叉二色性合成器40。交叉二色性合成器40对来自各自的硅基液晶装置38、48和58的红、绿和蓝色图象进行反射，然后将反射后的图象提供到投影镜头50。应理解：在本发明的精神和范围之内，存在这种结构的明显的其它改变。例如，这种结构的镜像图像：红色谐振微腔阳极光源在投影系统中的“前面”的位置中，而蓝色谐振微腔阳极光源在投影系统中的“背面”的位置中。另外，”S”模式谐振微腔阳极光源与其与标准交叉二色性合成器合成器40一起使用，不如代替地与“P式”二色性合成器一起使用。
参考图4，示出了采用Colorlink有限公司的颜色选择TM(ColorSelectTM)颜色组合系统的硅基液晶投影系统。Colorlink公司的颜色选择偏振滤光技术大体上包括叠加连接的延伸的聚碳酸酯薄片，聚碳酸酯薄片对一种颜色的偏振相对于它的compliment进行选择性地旋转。通过使用三个滤色镜和PBS，可在不损害偏振的完整性或对比度的情况下，获得颜色分离和重新组合。在这个实施例中，使用了蓝色/黄色滤色镜、绿色/品红色滤色镜以及光学红色/青色滤色镜。使用5个PBS和一个补偿块比使用3个PBS和一个交叉二色性管时，硅基液晶投影系统100更有效率。
再次示出了三个分离的组件，一个用于每一种颜色(红、绿和蓝)并进一步利用颜色选择颜色组合滤色镜来在蓝色和黄色、绿色和品红色或者红色与青色之间进行选择，通过下面的详细描述，这些将变得更加明显。红色”S”模式谐振微腔阳极光源102(在投影系统100的“侧面”的位置中)提供光输出，输出的光经过PBS 104，被PBS 104向右反射，经过四分之一波长板106，然后反射到硅基液晶装置108上去。光从硅基液晶装置108反射回来，经过四分之一波长板106、PBS 104，并经过PBS 130、PBS 140，反射到投影镜头120上去。蓝色”P”模式谐振微腔阳极光源122(在投影系统100的“第一背面”的位置中)提供蓝色光输出，输出的光经过PBS 124和四分之一波长板126，然后反射到硅基液晶装置128上去。反射回来的蓝光经过四分之一波长板126和PBS 124，并被向下反射，经过通路长度补偿块110。从补偿块110出来后，蓝光经过PBS 140并被向左反射经过蓝色/黄色颜色选择装置，然后进入投影镜头120。绿色“P”式谐振微腔阳极光源112(在投影系统100的“第二背面”的位置中)提供绿色光输出，输出的光经过PBS 114和四分之一波长板116，然后反射到硅基液晶装置118上去。从硅基液晶装置118反射回来的绿光经过四分之一波长板116，并被向下反射进入PBS 130，在PBS 130中被向左反射，经过绿色/品红色颜色选择装置(经过PBS装置140)，然后进入投影镜头120。应注意：在不脱离本发明的精神之下，”S”模式谐振微腔阳极光源102可被采用红色/青色颜色选择装置155的”P”模式谐振微腔阳极光源152代替，如图所示。应注意：颜色选择装置135、145和155用作滤色镜，对所选择的颜色的偏振进行旋转。这样，投影系统100提供来自各自硅基液晶装置108、118和128的红、绿和蓝色(或其它颜色选择)图象的反射图象，并将这样的图象提供到投影镜头120。如上所述，这个实施例避免了使用二色性合成器。
应理解：在权利要求书的范围内，本发明可以描述成许多不同的其它结构；并应理解：可使用除了在此描述的硅基液晶微显示器的其它成象仪。尽管已经结合在此揭露之实施例对本发明进行了说明，但是应理解，前面的说明是为了说明而不是限制由权利要求书限定的发明的范围。

Claims (21)

1、一种LCOS投影系统，包括：
多个谐振微腔阳极(RMA)(32，42，52)，每一个发射相应波长的光；
一个用于上述多个谐振微腔阳极中的每一个的硅基液晶(LCOS)装置(36，48，58)，其中每一个LCOS装置发射一个图象；
多个偏振光束分光器(34，44，54)，用来将来自谐振微腔阳极和硅基液晶装置的光和图象反射和改变定向；以及
一个用来组合图象以便提供一个复合图象的装置。
2、如权利要求1的LCOS投影系统，其中投影系统进一步包括一个投影镜头(50)，用来投影该复合图象。
3、如权利要求1的LCOS投影系统，其中用来组合图象的装置包括一个交叉二色性合成器。
4、如权利要求1的LCOS投影系统，其中用来组合图象的装置包括一个颜色波长选择器和一个光通路长度补偿器。
5、如权利要求1的LCOS投影系统，其中每一个硅基液晶装置包括一个复合硅基液晶微显示器(36，48，58)和四分之一波长板(36，46，56)。
6、如权利要求1的LCOS投影系统，其中所述多个谐振微腔阳极从”P”模式谐振微腔阳极装置或”S”模式谐振微腔阳极装置组中被选出。
7、一种光阀投影系统，包括：
多个谐振微腔阳极(RMA)(102，或152，112，122)，每一个发射相应波长的光；
一个用于所述多个谐振微腔阳极的每一个的成象装置(106，108，116；126，12)，其中每一个成象装置发射一个图象；以及
多个偏振光束分光器(104，114，124)，用来将来自谐振微腔阳极和成象装置的光和图象反射和改变定向。
8、如权利要求7的光阀投影系统，其中该系统进一步包括一个用于对来自每一个成象装置的图象进行组合的合成器。
9、如权利要求7的光阀投影系统，其中该成象装置包括一个LCOS微显示器(108，128)。
10、如权利要求8的光阀投影系统，其中该系统进一步包括一个投影镜头(120)，用来从该合成器接收复合图象。
11、如权利要求8的光阀投影系统，其中该合成器是一个交叉二色性合成器。
12、如权利要求8的光阀投影系统，其中该合成器包括一个光通路长度补偿块(110)以及一个颜色选择系统。
13、如权利要求7的光阀投影系统，其中该系统进一步包括一个光通路长度补偿块(110)。
14、如权利要求13的光阀投影系统，其中该系统进一步包括一个颜色选择系统(135，145，152)。
15、如权利要求7的光阀投影系统，其中所述多个谐振微腔阳极从”P”模式谐振微腔阳极装置或”S”模式谐振微腔阳极装置组中被选出。
16、一种利用组合谐振微腔阳极场致发射显示器的光阀投影系统，包括：
至少一个第一照明源(32)，其中该照明源具有一个场致发射显示点阵列，用来在一个真空腔的一个第一侧上接收一个第一输入；以及具有一个在该真空腔的一个第二侧上的谐振微腔阳极的相应阵列；以及
至少一个由该照明源照射的第一LCOS装置(38)。
17、如权利要求16的光阀投影系统，其中所述至少第一照明源包括该用来以红光照射所述第一LCOS装置第一照明源(32)、一个用来以绿光照射一个第二LCOS装置的第二照明源(42)以及一个用来以蓝光照射一个第三LCOS装置的第三照明源(52)。
18、如权利要求16的光阀投影系统，其中该第一、第二、第三照明源具有它们自己的单独的红、绿和蓝输入源。
19、一种使用组合谐振微腔阳极阴极射线管的光阀投影系统，包括
至少一个第一照明源(32)，其中该照明源同时在没有偏振线圈的真空腔的一个第一侧的一个阴极上和在该真空腔的一个第二侧的谐振微腔阳极的相应阵列上接收多个输入；以及
至少一个由该照明源照射的第一LCOS装置(38)。
20、如权利要求19的光阀投影系统，其中所述至少第一照明源包括所述用来以红光照射该第一LCOS装置的第一照明源(32)、一个用来以绿光照射一个第二LCOS装置的第二照明源(42)、和一个用来以蓝光照射一个第三LCOS装置的第三照明源(52)。
21、如权利要求19的光阀投影系统，其中该第一、第二和第三照明源具有它们自己的单独的红、绿和蓝输入源。
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