CN1658016A - 具有两个反射液晶显示面板的高性能投影系统 - Google Patents

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Abstract

在此公开一种两部分的投影系统。该投影系统包括：二向色滤光装置(204)，其光学地介于偏振光束分光器(203)和多个反射显示装置(205，206)之间，该偏振光束分光器(203)适于将来自光源(201)的光拆分成期望的偏振光束，该多个反射显示装置(205，206)适于从该二向色滤光装置(204)接收各光束并将其引导回去，以提供被再次入射到该偏振光束分光器(203)的混合光束，由此设法避免被投影的干扰偏振光。宽带光源提供具有可划分成多个彩色成分的光谱的光，即三原色成分：红、绿和蓝。

Description

具有两个反射液晶显示面板的高性能投影系统
技术领域
本发明涉及一种用在投影系统中的具有两个反射液晶显示面板的图像投影引擎。
背景技术
成本效率最高的大屏幕平板显示器是一种能够作为投影式显示器的高清晰度电视(HDTV)，其包括前投影器和背投影电视(RPTV)。现在正研发多种技术用于这种投影式显示器。其实例是能透射的高温多晶硅(HTPS)技术、德州仪器的DLP技术以及硅基液晶技术。在这三种技术之中，硅基液晶技术有望成为最为廉价的，并且其能够实现最佳的图像质量。但是，由于硅基液晶显示器是一种反射装置，并且需要偏振调制，所以其光学引擎的设计在三者之中是最为复杂的一个。某些已开发的引擎被设计为三个面板和单个面板的型式。三个面板的引擎具有数量最大的面板和其它光组件，这意味着最高的组件成本和引擎装配成本。单个面板的引擎设计降低了成本，但是并不十分显著。其原因在于，为了再现全色图像，单个面板的引擎不得不采用顺序彩色(sequential-color)方案或旋转彩色(scrolling-color)方案。单个显示面板不得不在至少三倍于三个面板的引擎的帧频下显示每个原色的图像。这需要显示面板能够支持这种高速度。液晶模式的响应时间必须非常地小。还需要驱动电路上的附加外部存储器。此外，为了获得足够的亮度，显示面板的有效面积也比三个面板引擎的要大。所有这些因素增加了引擎成本。单个面板的引擎通常受困于视觉赝象，比如色乱(color-breakup)问题，其可通过进一步增加帧频来减少，但是这造成了面板底板设计和引擎设计的更高难度，也增加了成本。成本和性能之间的折衷是两个面板的引擎设计。两个面板的引擎的简化能够非常接近于单个面板的引擎，这意味着引擎成本也能够接近单个面板的引擎，但是其能够极大地减少视觉赝象。
图1示出了现有装置简化的两个面板的引擎设计，其包括：白光源101，该白光源101包含三种原色光(红、绿和蓝)；预偏振器102；电控选择偏振旋转的滤光器103；立体偏振光束分光器(PBS)104；第一反射显示面板105；第二反射显示面板106；以及投影透镜107。预偏振器102使来自光源101的白光偏振至预定偏振，在该实例中，为P偏振，其中在剩余的光谱(即，红原色光)无偏振变化地被连续透射至PBS的同时，绿原色光和蓝原色光以旋转至S偏振的偏振被时序地(time-sequentially)透射到PBS 104。立体偏振光束分光器(PBS)104通常是MacNeille型，包含有偏振光束拆分和组合表面108，其通过将P偏振的红色光透射到第一反射显示面板105以及将S偏振的绿色光和蓝色光反射到第二显示面板106，来将入射光分离成两个光束，其中两个反射显示面板邻近于PBS的两个射出表面(exit surface)109、110设置。在通过显示面板105、106调制两个光束的偏振之后，现在使两个反射光束在由图像数据所确定的不同偏振状态下进行偏振，然后通过PBS104进行检偏(analysed)。
由于一直存在有通过表面108的S偏振光透射率Ts(％)和P偏振光反射率Rp(％)(它们被认为是光泄漏)，因为Rp非常大，约为5％至10％，而Ts约为1％至2％，所以对比度有所下降。考虑显示深色图像的情形，来自电控选择偏振旋转的滤光器103的大部分红色的P偏振光透射穿过表面108，到达第一显示面板105，并且无偏振变化地被反射到PBS 104，其中一部分Rp被表面108反射到投影透镜107。被表面108反射到第二面板106的、来自电控的偏振旋转滤光器103的、红色P偏振光剩余的部分无偏振变化地被反射回PBS 104，并且穿过表面108被透射到投影透镜107。由大量的Rp造成的到达投影透镜107的两部分光包含有漏光，这造成暗电平(darklevel)，结果降低了对比率。这就是通过具有两个正交偏振的光束来照射PBS104并且通过单独的PBS 104组合来自两个显示面板105、106的两个光束的结果。
现有技术的另一实施例所建议的一种方法在图1A中示出，其中附加的无源(passive)选择偏振旋转的滤光器111和清除(clean-up)偏振器112被设置于PBS 104和投影透镜107之间。选择偏振旋转的滤光器111将红色P偏振漏光的偏振选择性旋转90℃，从而它被S偏振，并且将被设置于选择偏振旋转的滤光器111和投影透镜107之间的清除偏振器112滤掉。尽管该布置能够消除大部分的上述漏光，但是也存在缺陷。首先，选择偏振旋转的滤光器111的光谱特性不得不被非常准确地设计，以便只有相关的光谱范围的光被准确地延迟，以避免由于旋转将通过投影透镜107用于图像投影的补充光谱的P偏振光的偏振而造成的亮度损失。第二，只有根据设计再现或制造偏振旋转的滤光器111，该补救才是有效的。第三，在选择偏振旋转的滤光器112上的热量、对准或其它环境影响可能会降低图像质量，比如均匀性。
在所述的现有技术中，PBS受限于特定类型，比如MacNeille型，因为通过PBS 104的表面108所分离的光束的两个光路必须要是相等的和均匀的。某些新兴类型的高对比度PBS，比如Moxtek’s ProFluxTM偏振器和3MVikuitiTMPBS，并不适用于现有技术，因为那些类型的PBS仅提供一个光通道，或者是光反射通道或者是透射通道，以用于成像，其原因是其它通道会造成图像失真。
考虑到投射影象的色彩质量，投影系统所能提供的色域取决于每个原色光的光谱。大多数传统的投影系统包括三个面板的系统，有一些是一个面板和两个面板的系统，其将来自光源的宽带白光的光谱简单地划分成三个补充成分，从而光源的整个光谱可被用于更高亮度，但是其牺牲了色纯度，例如绿色光变成微黄色的绿色，红色光则显示为橙色。为了获得更佳的色域，以便原色接近颜色标准(比如NTSC)，需要附加的滤色器，用以滤除用于那些系统的宽带白光的特定光谱范围，比如青色和黄色光。关于色彩的另一问题是，投影光源(比如UHPTM灯)的光谱在红色范围中通常不足，这在传统引擎的设计中造成投射影象相比其它色彩在红色中变得暗淡。
发明内容
因此，本发明的目的是设法减少上述缺陷。
根据本发明，提供一种投影系统，包括：一二向色滤光装置，其光学地介于偏振光束分光器和多个反射显示装置之间，该偏振光束分光器适于将来自光源的光拆分成期望偏振的光束，所述多个反射显示装置适于从该二向色滤光装置接收各自的光束，并将它引导回去，以提供再次入射到该偏振光束分光器的组合光束，由此设法避免干扰偏振光被投影。
在优选实施例中设有一宽带光源，其提供具有可划分成多色成分的光谱的光，即三原色成分：红、绿和蓝；
一多色选择装置，其适于提供偏振光，该偏振光被时序地分离成多个光部分或被空间地分离成在相同方向上传播的、具有不同光谱的多个旋转彩色光部分；
一偏振光束分光器(PBS)，其邻近于所述多色选择装置设置，适于从所述多色选择装置接收单独的(uniquely)偏振光；
一二向色滤光装置，其适于将来自所述PBS的光分离成在不同方向上传播的第一和第二光束，其中该第一光束包含具有这种光谱的光，该光谱包含来自该多色选择装置的每个所述光部分的部分光谱，该第二光束包含具有这种光谱的光，该光谱含有与该第一光束的光谱不同的、每个所述光部分的部分光谱；
一第一反射液晶显示面板，其适于从该二向色滤光装置接收该第一光束，以用于偏振调制，并将它引回到该二向色滤光装置；
一第二反射液晶显示面板，其适于从该二向色滤光装置接收该第二光束，以用于偏振调制，并将它引回到该二向色滤光装置；
一投影透镜，其邻近于该PBS设置，适于从该偏振光束分光器接收光，用于图像投影；
一光清除偏振器，其设置于该PBS和该投影透镜之间。
利用本发明，能够获得如下益处；第一，在照射阶段，仅有一个预定的偏振光入射到PBS上，返回光束也是一个单独的光束，其通过二向色滤光装置组合从面板形式的显示装置反射的两个光束而得到。在MacNeille型PBS的情况下，防止由于S偏振光的透射和P偏振光的主反射所造成的前述漏光进入投影透镜，从而能够在保持整个投影系统设计简单的同时，实现高对比率。第二，在没有用于光谱微调(trimming)的附加滤色镜的情况下，仍可对原色光的光谱进行修整(tailored)，并且一个或多个原色光能够通过与其它原色光相比加倍照射到显示面板之一来增强。第三，在没有附加的光组件的情况下，仍能实现多个原色投影。
附图说明
图1示出了具有两个反射显示面板的传统投影显示系统的示意图。
图1A示出了具有两个反射显示面板的另一传统投影显示系统的示意图。
图2示出了根据本发明的具有两个反射显示面板的投影显示系统的第一优选实施例。
图3示出了根据本发明的具有两个反射显示面板的投影显示系统的第二优选实施例。
图4示出了根据本发明的具有两个反射显示面板的投影显示系统的第三优选实施例。
图5示出了根据本发明的具有两个反射显示面板的投影显示系统的第四优选实施例。
图6示出了根据本发明的具有两个反射显示面板的投影显示系统的第五优选实施例。
具体实施方式
参见附图，图2示出了体现本发明的全色的、两个面板的投影系统的第一优选实施例。该投影系统包括：光源201；两色选择装置202；偏振光束分光器(PBS)203；二向色滤光装置204；以及两个反射液晶显示器205、206和投影透镜207。
光源201(投影灯)射出白光208，该白光可分离成三个原色：红、绿和蓝原色光。白光208入射到两色选择装置202上，该二色选择装置202在一种情况下可以是顺序彩色型，比如可旋转的彩色转盘(color wheel)，或者电控快门(shutter)型的彩色切换滤光器(color switching filter)，比如可在市场上获得的ColorLink公司的ColorSwitchTM；或者在另一种情况下是旋转彩色型系统，比如旋转棱镜(rotating prism)、可旋转的彩色镜鼓(colordrum)或可旋转的螺旋彩色转盘(spiral color wheel)。特别地，顺序彩色型更适合于帧刷新型式的显示面板，而旋转彩色型则更适合于顺序扫描型式的显示面板。在此，两色选择装置202一般被嵌入于集成光学系统(图中未示出)中，提供入射到显示面板上的均匀、统一和矩形形状横截面的光束。在光源和两色选择装置或集成光学系统之间的光路内，包含有预偏振器(图中未示出)，从而使来自两色选择装置202的输出光以预定的偏振进行偏振，在该实施例中，为S偏振。
两色选择装置202将提供被分离成具有不同光谱的时序或彩色旋转光部分的光束。每个部分包含两个原色成分。作为实例，在顺序彩色型的情况下，彩色转盘包括两种类型的滤色段，一种滤色段透射黄色光(红和绿)，而另一种滤色段则透射紫色光(红和蓝)。类似地，在旋转彩色型的情况下，两色选择装置202将提供彩色光的两个连续的光栅扫描带，一个光栅扫描带是黄色(红和绿)，而另一个光栅扫描带是紫色(红和蓝)，它们在两个反射显示面板205、206的显示区域所在的平面处成像。
偏振光束分光器203，典型地为宽带PBS，比如在该优选实施例中的MacNeille型PBS，其包括偏振表面209，该偏振表面反射大部分S偏振光和透射大部分P偏振光。PBS 203接受来自两色选择装置202的S偏振光210，并将大部分的S偏振光反射到与其相邻的二向色滤光装置204。剩余的S偏振光211穿过偏振表面209被透射到PBS 203的射出表面212，并且无法到达显示面板205、206和投影透镜的任一个，从而不会造成任何光泄漏到投射影象上。
二向色滤光装置204应当具有至少一个用于彩色分离的光表面。在该优选实施例中，立体二向色分光器是优选的，因为它的光路比二向色镜面的光路要短。二向色分光器204将红色光213选择性地透射(或反射)到第一反射显示面板205，并将青色光(绿和蓝)214选择性地反射(或透射)到第二反射显示面板206。
第一反射液晶显示面板205以按照所收到的红色图像信息而调制的偏振来反射红色光215，并且第二反射液晶显示面板206以按照所收到的对应原色的图形信息而调制的偏振来反射绿/蓝色光216。结果，现在通过两个显示面板205、206反射的两个光束215、216包含了多个偏振状态。
反射的红色光215和绿/蓝色光216沿着反向路径前进，并进入二向色分光器204。红色光215被透射(或反射)穿过二向色表面217，而绿/蓝色光216被二向色表面217反射(或透射)，从而它们被组合成单独的光束218并入射到PBS 203。对于二向色滤光装置204的一个要求是，它应当被设计成满足S偏振光和P偏振光两者的光谱要求。
在该反向路径中，PBS 203充当检偏器(analyser)，因为来自二向色分光器204的大部分S偏振光219被反射到光源方向，而大部分P偏振光220则穿过PBS 203被透射到投影透镜207，用于图像投影。如果在PBS 203和投影透镜207之间设置清除偏振器221，则透射穿过偏振表面209的少量未反射的S偏振光会被滤除，从而S偏振光不可能进入投影透镜207而造成光泄漏。对于某些类型的PBS，Ts十分小，以至于不需要这样的清除偏振器221。未透射的P偏振光被偏振表面209反射到光源方向，其也不会造成任何光泄漏。
在图2的实施例中，原色光之一的红色光照射到第一显示面板205上的次数是其它两个原色光，即绿色光和蓝色光照射到第二显示面板206上的次数的两倍。这有效地增强了投射影象上的红色，用以优化彩色平衡，因为来自光源201的红色光通常是不足的。
由于两色选择装置202所提供的两部分光在光谱上是相互独立的，所以能够为了色纯度而优化它们的光谱。通过设计两色选择装置202的光谱特性，来自光源的特定光谱范围的光将在一种情况下被滤除，或在另一种情况下在投射影象中被增强。含有红、绿原色光的第一部分光的光谱在青色的波长周围处具有截止波长λ1，而含有红、蓝原色光的另一部分光的光谱在青色的波长周围处也具有截止波长λ2。如果λ1＞λ2，则λ1和λ2之间的光谱范围被滤除，从而它无法被透射到PBS 203。另一方面，如果λ1＜λ2，则绿、蓝原色光包含λ1和λ2之间的光谱范围，从而该光谱范围在投射影象上被增强。
在本发明中可实施各种类型的偏振光束分光器。图3示出了本发明的第二优选实施例，其利用了高对比度的微丝(micro-wire)栅格PBS板301，比如可在市场上获得的Moxtek公司的ProFluxTM偏振器。由于穿过微丝栅格PBS而被透射的图像可能会失真，所以成像是通过S偏振光的反射而不是P偏振光的透射实现的。来自光源302的光穿过两色选择装置303进行P偏振，并穿过微丝栅格PBS 301被透射到二向色分光器304。在反向路径中，来自两个显示面板305、306的偏振调制光束通过二向色分光器304组合成单独的光束，然后该单独的光束通过微丝栅格301检偏，从而在P偏振光309被透射到光源方向的同时，S偏振光307被反射到投影透镜308，用于图像投影。
各种类型的二向色滤光装置都可应用于本发明。图4和图5分别示出了本发明的第三和第四优选实施例。它们在所有的部分上都与第一优选实施例相似，除了二向色光束分光装置在第三优选实施例(图4)中被替代为低成本的二向色镜面401，其中需要用于光路补偿的玻璃板402，或者在第四优选实施例(图5)中被替代为全内反射(TIR)棱镜501和502。
图6示出了本发明的第五优选实施例，其中二向色光束分光装置是X立体棱镜(X-cube prism)601，该棱镜包括两个二向色表面602、603，用于将来自PBS 604的入射光分离成三个具有补充光谱的光束，并且将它们引向三个不同方向。然后，可这样实现进一步的光谱微调，即邻近于X立体棱镜601的两个射出表面607、608设置第一显示面板605和第二显示面板606，以分别接收两个光束609、610，并允许具有干扰(undesired)光谱的剩余光束611穿过射出表面612射离该投影系统，而不进入投射影象。
本发明的第六优选实施例(未示出)与第一优选实施例是相似的，但是具有如下改变。光源201被考虑为包含四个原色成分光：C1、C2、C3和C4。两色选择装置202被设计为，该装置所选择的色光的一个时序或彩色旋转部分包含C1和C2，同时所选择的色光的另一部分包含C2和C4。二向色滤光装置204被设计为，它所分离的第一光束213包含时序或彩色旋转的C1/C2光，同时所分离的第二光束214包含时序或彩色旋转的C3/C4光。两个显示面板205、206被设计为，它们能够显示对应原色的图像。通过这些改变，该优选实施例现在描述了四原色的投影系统。通过相同的原理，五原色或六原色的投影系统也能够通过利用三色选择装置以使色域最大化而得以实现。
在本发明中，无论使用哪种类型的偏振光束分光器或二向色滤光装置，都能够防止由于偏振光束分光器的S偏振光透射和P偏振光反射所造成的那些干扰光进入投影透镜，以免降低具有两个反射显示面板的投影系统的图像对比度。
能够提供具有两个反射液晶显示面板的投影系统，从而该系统的对比率和投射影象的色域是最佳的。
尽管在优选实施例的上下文中已经描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，这些描述和教导是说明性的，并非用于限制权利要求的范围。本发明将暗示许多方案和变形。

Claims (24)

1.一种投影系统，包括：一二向色滤光装置，其光学地介于偏振光束分光器和多个反射显示装置之间，该偏振光束分光器适于将来自一光源的光拆分成期望偏振的光束，所述多个反射显示装置适于接收来自该二向色滤光装置的各自的光束并将其引导回去，以提供再次入射到该偏振光束分光器上的组合光束，由此避免干扰偏振光被投影。
2.如权利要求1所述的系统，包括：一光源，其提供具有可划分成多个光谱分量光的光谱的光；一多色选择装置，其适于从所述光源接受光，并提供偏振光，该偏振光被时序地分离成在相同光路中传播的、具有不同光谱的多个光部分，其中每个部分包含至少一个所述光谱分量光；该偏振光束分光器邻近于所述多色选择装置设置，适于从所述多色选择装置接收单独的偏振光；该二向色滤光装置邻近于所述偏振光束分光器设置，适于将来自所述偏振光束分光器的光分离成至少两个光束，并包含具有不同光谱的、在不同光路中传播的一第一光束和一第二光束；一第一反射显示装置，其适于从所述二向色滤光装置接收所述第一光束，并将它引回到所述二向色滤光装置；一第二反射显示装置，其适于从所述二向色滤光装置接收所述第二光束，并将它引回到所述二向色滤光装置；以及一投影透镜，其邻近于所述偏振光束分光器设置，适于从所述偏振光束分光器接收光，用于图像投影。
3.如权利要求2所述的系统，该第一和第二反射显示装置各包括一显示面板。
4.如权利要求3所述的系统，其中该第一显示面板是反射液晶显示面板。
5.如权利要求3或4所述的系统，其中该第二显示面板是反射液晶显示面板。
6.如权利要求2至5中任一项所述的系统，其中包括：一预偏振器，该预偏振器在所述光源或所述多色选择装置内，适于提供光的预定偏振。
7.如权利要求2至6中任一项所述的系统，其中该多色选择装置包括一彩色转盘或一电控快门型的顺序彩色滤光器，其提供多个时序光部分，从而每个部分都包含至少一个所述光谱分量光。
8.如权利要求2至7中任一项所述的系统，其中包括：一偏振器，该偏振器设置于所述偏振光束分光器和所述投影透镜之间。
9.如权利要求2至8中任一项所述的系统，其中该偏振光束分光器从所述多色选择装置接收单独的偏振光，并将它导向所述二向色滤光装置。
10.如权利要求2至9中任一项所述的系统，其中该二向色滤光装置组合来自所述第一显示面板的所述第一光束和来自所述第二显示面板的所述第二光束，并将组合的光束再次导向所述偏振光束分光器。
11.如权利要求2至10中任一项所述的系统，其中该偏振光束分光器仅接收两个光束。
12.如权利要求1所述的系统，其中包括：一光源，其提供具有可划分成多个光谱分量光的光谱的光；一多色选择装置，其适于提供偏振光，该偏振光被分离成在相同方向上传播的、具有不同光谱的多个旋转光部分，其中每个部分包含至少一个所述光谱分量光，该偏振光束分光器邻近于所述多色选择装置设置，适于从所述多色选择装置接收单独的偏振光，该二向色滤光装置邻近于所述偏振光束分光器设置，适于将来自所述偏振光束分光器的光分离成至少两个光束，并包含具有不同光谱的、在不同光路中传播的一第一光束和一第二光束；一第一反射显示装置，其适于从所述二向色滤光装置接收所述第一光束，并将它引回到所述二向色滤光装置；一第二反射显示装置，其适于从所述二向色滤光装置接收所述第二光束，并将它引回到所述二向色滤光装置；以及一投影透镜，其邻近于所述偏振光束分光器设置，适于从所述偏振光束分光器接收光，用于图像投影。
13.如权利要求12所述的系统，其中该第一和第二反射显示装置各包括一显示面板。
14.如权利要求13所述的系统，其中该第一显示面板是反射液晶显示面板。
15.如权利要求13或14所述的系统，其中该第二显示面板是反射液晶显示面板。
16.如权利要求12至15中任一项所述的系统，其中包括：一预偏振器，该预偏振器在所述光源或所述多色选择装置内，适于提供光的预定偏振。
17.如权利要求12至16中任一项所述的系统，其中该多色选择装置包含一旋转彩色系统，其提供在所述显示面板的显示区域处成像的多个旋转光部分，从而每个部分都包含至少一个所述光谱分量光。
18.如权利要求12至17中任一项所述的系统，其中包括：一偏振器，该偏振器设置于所述偏振光束分光器和所述投影透镜之间。
19.如权利要求12至18中任一项所述的系统，其中该偏振光束分光器从所述多色选择装置接收单独的偏振光，并将它导向所述二向色滤光装置。
20.如权利要求12至19中任一项所述的系统，其中该二向色滤光装置组合来自所述第一显示面板的所述第一光束和来自所述第二显示面板的所述第二光束，并将组合的光束再次导向所述偏振光束分光器。
21.如权利要求12至20中任一项所述的系统，其中该偏振光束分光器仅接收两个光束。
22.如前述权利要求任一项所述的系统，其中该二向色滤光装置包含至少一个二向色表面。
23.如权利要求1至22中任一项所述的系统，其中该二向色滤光装置包含至少两个二向色表面，用于将入射光分离成三个不同光谱的光束。
24.一种两个面板的系统，参照附图的图2至图6，其基本上如前面所述。
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