CN1651973A - 彩色投影系统 - Google Patents

Abstract

一种彩色投影系统，包括一光源、一偏振转换装置、一彩色转盘、一分色器及二液晶光阀。来自光源的入射光束通过偏振转换装置被极化并且穿过一个被分成黄色滤光区及紫红色滤光区区段的彩色转盘，以便交替地滤除入射光束的蓝光及绿光。分色器包括双色分光组件、第一光偏振选择器和第二光偏振选择器，接收通过偏振转换装置和彩色转盘的入射光束，以使绿光及蓝光交替进入第一液晶光阀，并且使红光进入第二液晶光阀。

Description

彩色投影系统

技术领域

本发明涉及一种彩色投影系统，特别是涉及一种使用双液晶光阀(liquidcrystal light valve；LCLV)的彩色投影系统。

背景技术

现有技术的彩色投影系统原先设计为具有三个液晶光阀或空间光调制器(spatial light modulators)，以分别对应分光后的红光(R)、绿光(G)及蓝光(B)三原色。其后，为达到降低成本同时简化投影显示器结构的目的，研制出借助三原色分时控制的方式而仅需单一液晶光阀或空间光调制器的设计。然而，该设计虽能有效降低成本，但这样的空间光调制器需以至少180Hz的高速率依序切换三个色彩，当显示移动的物体时在其边缘容易产生色彩分离的现象；并且因同一时间只能使用1/3的光束(红光、蓝光或绿光)而导致显示亮度大幅度减低。

因此，为能实现降低成本的目的同时避免上述问题，研制出具有两个液晶光阀或空间光调制器的投影显示器设计。图5显示了美国专利US5517340的一彩色投影装置100的设计。如图5所示，该设计包括一其上形成有分别为S偏振状态及P偏振状态的红光(R)、绿光(G)及蓝光(B)的滤光区的彩色转盘(color wheel)102，当彩色转盘102转动时，依序通过相邻滤光区的不同偏振状态的光可交替照明两个配置于偏振光束分光棱镜(polarizing beam splitter cube)108侧的反射式液晶光阀104及106，经反射式液晶光阀104及106反射后再进入投影镜头110。如此反射式液晶光阀104及106可以90Hz的较低速率切换而获得足够的响应时间，减少单一空间光调制器设计的失效时间(dead-time)效应的影响。然而，该设计仍只能使用1/3的光束。

图6显示美国US专利6545804所公开的另一双液晶光阀彩色投影装置120。如图6所示，当入射光I进入偏振光束分光棱镜122时，光偏振选择器124及126可仅改变红光的偏振状态，故红光经偏振光束分光棱镜122反射后进入液晶光阀128，再经液晶光阀128反射后进入投影镜头134，而蓝光及绿光则可直接通过偏振光束分光棱镜122。因此，在偏振光束分光棱镜122与液晶光阀130之间设置一颜色控制开关(color switch)132，通过颜色控制开关132的控制，可使蓝光及绿光轮流通过，通过颜色控制开关132的蓝光或绿光再经由偏振光束分光棱镜122反射后进入投影镜头134。然而，这一设计虽能提高光线的利用效率，但因颜色控制开关132的镀膜易受温度变化的影响，故包括颜色控制开关132这一构件的彩色投影装置所能接受的输入光通量会受到限制。

发明内容

因此，本发明的目的在提供一种具有双液晶光阀的彩色投影系统，该彩色投影系统能避免前述现有技术设计的问题。

根据本发明的设计，一种彩色投影系统包括一光源、一偏振转换装置、一彩色转盘、一分色装置及二液晶光阀。偏振转换装置极化来自光源的入射光束，并且其上被分成黄色滤光区及紫红色滤光区区段的彩色转盘交替地滤除入射光束的蓝光及绿光。。分色装置包括双色分光组件、第一光偏振选择器及第二光偏振选择器，接收通过偏振转换装置及彩色转盘的入射光束，以使绿光及蓝光交替进入第一液晶光阀，并且使红光进入第二液晶光阀。

借助于本发明的设计，可提高光线的利用效率，而且不再需要颜色控制开关这一构件，故能允许较高的输入光通量，获得进一步提高显示亮度的效果，同时本发明所采用的彩色转盘的设计的效能不会受温度变化影响。

此外，本发明的设计使不论光束通过彩色转盘上的黄色滤光区或紫红色滤光区，透过的光束均包含红光分量，故可自动补偿较弱的红光分量，而不需通过减少绿光的工作循环的方式来校正白平衡，而可获得一较佳的视觉亮度。

附图说明

图1为一示意图，显示根据本发明的一实施例的彩色投影系统。

图2(a)、(b)、(c)分别为一示意图，显示本发明的彩色转盘的不同滤光区的分布方式。

图3A为根据本发明的一实施例，显示光线通过黄色滤光区(Y)后的光路设计的示意图。

图3B为根据本发明的一实施例，显示光线通过紫红色滤光区(M)后的光路设计的示意图。

图4为显示本发明的另一实施例的示意图。

图5为一示意图，显示美国专利US5517340的一彩色投影装置设计。

图6为一示意图，显示美国专利US6545804所公开的另一双液晶光阀彩色投影装置。

附图标记说明：

10        彩色投影系统

12        光源

14        彩色转盘

16        偏振转换装置

18        投射光透镜组件

20        分色装置

22        第一液晶光阀

24        第二液晶光阀

26        投影镜头

28        马达

100       彩色投影装置

102       彩色转盘

104、106  反射式液晶光阀

108       偏振光束分光棱镜

110       投影镜头

120       彩色投影装置

122       偏振光束分光棱镜

124、126  光偏振选择器

128       第一液晶光阀

130       第二液晶光阀

132       颜色控制开关

134    投影镜头

201    偏振光束分光棱镜

202    第一偏振片

203    第二偏振片

204    第一光偏振选择器

205    第二光偏振选择器

206    第一1/4波板

207    第二1/4波板

208    线栅偏振分光器

209    蓝/黄光偏振选择器

210    绿/紫红光偏振选择器

具体实施方式

图1为一示意图，显示根据本发明一实施例的彩色投影系统10。如图1所示，该彩色投影系统10包括光源12、彩色转盘(color wheel)14、偏振转换装置(polarization conversion device)16、投射光件(illumination optics)18、分色装置(color splitting device)20、第一及第二液晶光阀(liquid crystal lightvalve；LCLV)22、24及投影镜头26。分色装置20包含一双色分光组件(dichroic element)、第一及第二偏振片(polarizer)202、203、第一及第二光偏振选择器(colorselect)204、205、及第一及第二1/4波板206、207。依本实施例，双色分光组件为一偏振光束分光棱镜(polarized beam splitter cube)201，且各构件大致以偏振光束分光棱镜201为中心呈十字排列，亦即由下而上的排列依序为第一液晶光阀22、第一1/4波板206、偏振光束分光棱镜201的一第一分光侧、偏振光束分光棱镜201的一出射侧、第二光偏振选择器205、第二偏振片203及投影镜头26；由左而右的排列依序为第一偏振片202、第一光偏振选择器204、偏振光束分光棱镜201的一入射侧、偏振光束分光棱镜201的一第二分光侧、第二1/4波板207及第二液晶光阀24。该液晶光阀例如可为一反射式硅基液晶(liquid crystal on silicon；LCOS)面板。

彩色转盘14通过例如马达28的驱动装置而转动，根据本实施例的设计，彩色转盘14上形成有间隔分布的黄色(yellow)滤光区(Y)及紫红色(magenta)滤光区(M)，黄色滤光区(Y)由可让蓝光反射而其余光线穿透的滤光片所构成；紫红色滤光区(M)由可让绿光反射而其余光线穿透的滤光片所构成。黄色滤光区(Y)及紫红色(M)滤光区仅需在彩色转盘14上交替出现即可，其分布方式并不限定，例如图2所示的(a)二对黄色滤光区(Y)及紫红色(M)滤光区交替分布于四个均等区域、(b)三对黄色滤光区(Y)及紫红色(M)滤光区交替分布于六个均等区域、或(c)黄色滤光区(Y)、紫红色(M)滤光区及增加亮度的白光穿透区(W)交替分布等方式均可。

请参考图1，偏振转换装置16用以偏振光源12发出的光线，例如可将入射光束转换为具有S偏振状态的偏振光后再进入分色装置20。投射光组件18用以在液晶光阀22及24上形成适当的投射区域，例如可由一透镜组来构成。

如下以图3A及图3B说明本发明彩色投影系统的分光原理。因彩色转盘14上形成有间隔分布的黄色滤光区(Y)及紫红色滤光区(M)，当彩色转盘14转动时，由光源12发出的光束可轮流通过黄色滤光区(Y)及紫红色滤光区(M)，且经由计划转换装置16偏振偏振并通过投射光组件18后，进入分色装置20。

图3A显示光线通过黄色滤光区(Y)后的光路设计。如图3A所示，当光线入射至黄色滤光区(Y)时，蓝光会被反射而其余色光即红光及绿光可穿透，因此，在经过偏振转换装置16偏振转换为例如S偏振状态后，S偏振状态的红光(RS)及绿光(GS)即进入分色装置20中。接着，S偏振状态的红光(RS)及绿光(GS)首先遇到第一偏光镜202及光偏振选择器204。在此实施例中，光偏振选择器系采用Colorlink公司制造的一红/青绿光偏振选择器(Red/Cyan colorselect)，其能仅改变红光的偏振状态，而将S偏振状态的黄光(RS+GS)转换为P偏振状态的红光(RP)及S偏振状态的绿光(GS)的组合。因偏振光束分光棱镜201的镀膜设计为反射S偏振状态光并令P偏振状态光通过，故P偏振状态红光(RP)可直接通过偏振光束分光棱镜201并抵达液晶光阀24，同时S偏振状态绿光(GS)由偏振光束分光棱镜201反射至液晶光阀22。当液晶光阀处在开启状态(On state)时，可调制进入其中的光束并将其反射同时改变其偏振状态。因此，经液晶光阀24反射并转换为S偏振状态的红光(RS)进入偏振光束分光棱镜201，再经偏振光束分光棱镜201反射至光偏振选择器205使红光的偏振状态再次改变，最后P偏振状态红光(RP)通过第二偏振片203后进入投影镜头26。另一方面，S偏振状态绿光(GS)经液晶光阀22调制并反射后转换为P偏振状态绿光(GP)，故可直接穿透偏振光束分光棱镜201接着通过光偏振选择器205，此时通过光偏振选择器205的绿光偏振状态不会改变，故P偏振状态的绿光(GP)通过第二偏光镜203后进入投影镜头26。

图3B显示光线通过紫红色滤光区(M)后的光路设计。如图3B所示，当光线入射至紫红色滤光区(M)时，绿光会被反射而其余色光即红光及蓝光可穿透，因此，于经过偏振转换装置16偏振偏振转换为例如S偏振状态后，S偏振状态的红光(RS)及蓝光(BS)即进入分色装置20中。因S偏振转换的红光(RS)及蓝光(GB)进入分色装置20后的分光流程与图3A相同，仅需将绿光(G)以蓝光(B)取代即可，故于此不予赘述。

再者，本发明设计使光束进入分色装置20时先通过第一偏光镜202，且于分光后的光束离开分色装置20进入投影镜头26前通过第二偏光镜6203，用以使该光束的偏振状态更为纯化。

又，如图1所示，第一及第二1/4波板206、207分别配置于偏振光束分光棱镜201与液晶光阀22、24间，可用以增加投影后的画面对比度。

借助本发明的设计，可提高光线的利用效率且不再需要颜色控制开关(color switch)这一构件，故能允许较高的输入光通量，获得进一步提高显示亮度的效果，同时本发明采用的彩色转盘的设计的效能不会受温度变化影响。

再者，一般投影系统的光源常采用一超高压水银灯(Ultra high pressuremercury lamp)，然而此类灯源发出的光线中，红光分量远比蓝、绿光分量为低。为解决红光输出较低的问题，现有技术的做法是在液晶光阀控制过程中，增加红光的工作循环(duty cycle)并减少绿光及蓝光的工作循环以获得一校正的白平衡效果。然而，因视觉所感知的亮度主要为绿光所贡献，故该做法会降低整体视觉亮度。借助于本发明的设计，不论光束通过彩色转盘上的黄色滤光区(Y)或紫红色滤光区(M)，透过光束均包含红光分量，故该设计本身即可自动补偿较弱的红光分量，而不需通过减少绿光工作循环的方式来校正白平衡，而可获得一优选的视觉亮度。

图4显示本发明的另一实施例。本发明所采用的光偏振选择器仅需达到改变红光偏振状态的作用即可，其构成并不限定。例如也可让光线依序通过一蓝/黄光偏振选择器209(Blue/Yellow colorselect)及一绿/紫红光偏振选择器210(Green/Magenta colorselect)，同样能达到仅改变红光偏振状态的效果。再者，本发明所采用的双色分光组件，仅需能实现让不同偏振状态的光束反射或穿透的效果即可，并不限定为一偏振光束分光棱镜201，举例而言，也可采用图4所示的一偏振分光板，例如Moxtek公司制造的网点线栅偏振片(wire-grid polarizer)208。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求书的范围中。

Claims (11)

1.一种彩色投影系统，包括：

一光源，产生包括一第一色光、一第二色光及一第三色光的一光束；

一彩色转盘，间隔形成至少一第一滤光区及第二滤光区，且所述的第一滤光区与所述的第二滤光区交替置于所述的光束的一行进光路以轮流滤除所述的光束的第二色光与第三色光；

一偏振转换装置，用于使所述的光束偏振；

一分色装置，用于接收通过所述的彩色转盘和所述的偏振转换装置的所述的光束，所述的分色装置包括：

一双色分光组件，具有一入射侧、一第一分光侧、一第二分光侧及一出射侧，所述的光束经由所述的入射侧进入所述的双色分光组件且分光后的各色光经由所述的出射侧进入一投影镜头；

一第一光偏振选择器，置于所述的双色分光组件的所述的入射侧；

一第二光偏振选择器，置于所述的双色分光组件的所述的出射侧；以及

一第一及第二液晶光阀，分别置于所述的第一及该第二分光侧，

其中所述的彩色转盘滤除所述的第二色光时，所述的第三色光经由所述的双色分光组件的所述的第一分光侧进入所述的第一液晶光阀且所述的第一色光经由所述的第二分光侧进入所述的第二液晶光阀；所述的彩色转盘滤除所述的第三色光时，所述的第二色光经由所述的双色分光组件的所述的第一分光侧进入所述的第一液晶光阀且所述的第一色光经由所述的第二分光侧进入所述的第二液晶光阀。

2.如权利要求1所述的彩色投影系统，其中还包括一设置于所述的偏振状态转换装置与所述的分色装置之间的投射光的器件。

3.如权利要求2所述的彩色投影系统，其中所述的投射光的器件为一透镜组。

4.如权利要求1所述的彩色投影系统，其中所述的分色装置还包括一设置于所述的偏振转换装置与所述的第一光偏振选择器之间的第一偏光板，及一设置于所述的第二光偏振选择器与所述的投影镜头之间的第二偏光板。

5.如权利要求1所述的彩色投影系统，其中所述的分色装置还包括一设置于所述的双色分光组件与所述的第一液晶光阀之间的第一1/4波板，及一设置于所述的双色分光组件与所述的第二液晶光阀之间的第二1/4波板。

6.如权利要求1所述的彩色投影系统，其中所述的双色分光组件为一偏振光束分光棱镜或一线栅偏振分光器。

7.如权利要求1所述的彩色投影系统，其中所述的液晶光阀为一反射式硅基液晶面板。

8.如权利要求1所述的彩色投影系统，其中所述的光偏振选择器为一红/青绿光偏振选择器，或一蓝/黄光偏振选择器与一绿/紫红光偏振选择器的组合。

9.如权利要求1所述的彩色投影系统，其中所述的彩色转盘上还形成有一白光穿透区。

10.一种彩色投影系统，包括：

一光源，产生一包括红光、绿光及蓝光分量的光束；

一彩色转盘，间隔形成至少一黄色滤光区及一紫红色滤光区，且所述的黄色滤光区及所述的紫红色滤光区交替置于所述的光束的一行进光路以轮流滤除所述的光束的蓝光与所述的绿光分量；

一偏振转换装置，置于所述的光束的行进光路以将其转换为具一第一偏振状态的光束；

一分色装置，用于接收通过所述的彩色转盘及所述的偏振转换装置的所述的光束，所述的分色装置包括：

一双色分光组件，具有一入射侧、一第一分光侧、一第二分光侧及一出射侧，所述的光束经由所述的入射侧进入所述的双色分光组件，并且被分光后的所述的红光、绿光及蓝光分量经由所述的出射侧进入一投影镜头；

一第一光偏振选择器，设置于所述的双色分光组件与该偏振状态转换装置之间，以将所述的光束的所述的红光分量由所述的第一偏振状态转换为一第二偏振状态；

一第二光偏振选择器，设置于所述的双色分光组件与所述的投影镜头之间，以将所述的光束的所述的红光分量由所述的第一偏振状态转换为一第二偏振状态；以及

一第一及第二液晶光阀，分别置于所述的第一及所述的第二分光侧，

其中当所述的光束通过所述的黄色滤光区时，经由所述的双色分光组件的所述的第一分光侧进入所述的第一液晶光阀的是具所述的第一偏振状态的所述的绿光分量，并且经由所述的第二分光侧进入所述的第二液晶光阀的是具所述的第二偏振状态的红光分量；当所述的光束通过所述的紫红色滤光区时，经由所述的双色分光组件的所述的第一分光侧进入所述的第一液晶光阀的是具该第一偏振状态的所述的蓝光分量，且经由所述的第二分光侧进入所述的第二液晶光阀的是具该第二偏振状态的所述的红光分量。

11.如权利要求10所述的彩色投影系统，其中所述的分色装置还包：

一第一偏光板，设置于所述的偏振转换装置与所述的第一光偏振选择器之间；

一第二偏光板，设置于所述的第二光偏振选择器与所述的投影镜头之间；

一第一1/4波板，设置于所述的双色分光组件与所述的第一液晶光阀之间；及

一第二1/4波板，设置于所述的双色分光组件与所述的第二液晶光阀之间。

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