CN1729699A - 用于投影显示系统的集成的分束器和偏振器 - Google Patents

用于投影显示系统的集成的分束器和偏振器 Download PDF

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Abstract

一种用于投影显示系统(80)的集成的分束器和偏振器(30)，其包括：光导阵列(32)，其具有出射面(W)以用于提供非偏振白光，并具有入射面阵列(36、38、40)以用于接收彩色光；偏振分束器(42)，用于将白光分成具有两种不同偏振态的偏振光；两组彩色滤光片(F1和F2)，用于将白光分成彩色光，以及用于将不同偏振态的光引导到出射面阵列的不同面上；以及波片(52)，用于将一种偏振态的彩色光变为另一种偏振态的彩色光。

Description

用于投影显示系统的集成的分束器和偏振器
本发明涉及投影显示系统，更具体地涉及一种用于单板滚动彩色投影显示系统的集成的分束器和偏振器。
单板滚动彩色投影显示系统的特征在于单独的光调制板，例如具有单独像元或像素的光栅的液晶显示(LCD)面板，该面板由水平延伸的红、绿和蓝色照明条或条带所照射。这些条带在该板上连续垂直滚动，同时根据对应于下一入射条带的颜色的显示信息同步寻址所照射的像素行。例如，参见在1994年3月25日授予P.Janssen的美国专利5410370“Single panel color projection video displayimproved scanning”和1995年5月16日授予P.Janssen等的美国专利5416514“Single panel color projection video displayhaving control circuitry for synchronizing the colorillumination system with reading/writing of the lightvalve”，这两个专利的整个说明书在本文中一并引入作为参考。
这种单面板系统与许多常规的三面板系统有区别，在三面板系统中独立的红、绿和蓝色光束每种都完全发光，并且由独立的光调制板来调制这些光束。然后将所调制的光束叠加到显示屏幕上以产生全色显示。
在单面板滚动彩色系统中，由光引擎利用分色元件将入射的白光分成独立的红、绿和蓝颜色分量。图1示意性地示出了用于这种滚动彩色投影仪的光引擎1的照明结构。分色元件2将光源S发出的白光分成蓝色分量B和绿色/红色分量G/R。透镜3和反射镜4将B分量引导到棱镜扫描仪5。分色元件2使G/R分量通过透镜6传播到分色元件7，该分色元件7将G/R分量分成绿色分量G和红色分量R。元件7将G分量反射到棱镜扫描仪8，而红色分量穿过分色元件7到达棱镜扫描仪9。然后，反射镜12和中继透镜13-17将所扫描的R、G、B分量引导到重组分色元件10和11。
分色元件和反射镜与光路成45度夹角倾斜。倾斜的分色滤光片的光谱响应主要取决于光的入射角度。因此，当在发散光中使用这些滤光片时，不可能有效地将白光分成非重叠的色带，这对于高光输出率是必要的。结果就是，必须牺牲该系统的色彩性能或者光学效率。
其光调制板是LCD时，该光还必须是偏振的。典型的是使用称作McNeill棱镜的光学元件，在单独的步骤中实现偏振转换。如在分色滤光片的情况中，这些偏振转换元件的效率随着接受处理的理变得更为发散而降低。
图2中示出了典型的偏振转换装置20。来自光引擎的输出光通过偏振片22引导到偏振分束器(PBS)23，该输出光构成了R、G和B光的滚动带图像，该偏振分束器23具有内偏振分束表面23a。偏振器22将非偏振光转变为具有一种偏振态的光，例如S。表面23a将该S光传播到光调制板24，其根据显示信号调制光，并且将经调制的光反射回PBS23。在调制和反射过程中，板24将光的偏振态从S变为P，并且表面23a将光反射到PBS23之外的投影透镜，以用于显示。
通常，利用集成阵列结合光集成步骤来进行偏振转换。光集成的目的在于生成具有均匀亮度条带状横截面的光束。然而，按照目前实际情况，结合光集成阵列的偏振转换对于具有长宽比如此大的横截面的光束不能正常工作。
根据本发明，提供了一种用于将非偏振白光分成红、绿和蓝色分量以及用于将这些分量转变为单一偏振态的集成系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于投影显示系统的集成的分束和偏振转换系统10，该系统包括：
光导阵列32，其包括至少四个光导元件(W、Gr、Gg、Gb)，第一光导元件(W)具有光出射面34，第二、第三和第四光导元件具有大长宽比(1/w≥2)的光入射面(36、38、40)，该入射面(36、38、40)分别具有第一面(36a、38a、40a)和第二面(36b、38b、40b)；
偏振分束器42，用于将来自光导元件W的出射面34的白光转变为具有第一偏振态的第一光束和具有第二偏振态的第二光束，该偏振分束器42包括入射面44、与该入射面44成一定角度的内部偏振分束表面46、具有用于反射第一偏振态的光和用于透射第二偏振态的光的偏振分束面46a以及用于透射第二偏振态的光的相对的面46b的表面46、还具有面对偏振分束面面46a的第一出射面48以及面对上述面46b的第二出射面50的偏振分束器42；
与第一出射面48相对的第一滤光片组F1，该滤光片组F1包括红、绿和蓝滤光片(R1、G1、B1)，第一偏振态的红、绿和蓝光分别由表面46的面46a反射之后，由所放置的该滤光片(R1、G1、B1)分别反射到光导(Gr、Gg、Gb)的入射面(36、38、40)的第一面(36a、38a、40a)；
与第二出射面50相对的第二滤光片组F2，该滤光片组F2包括红、绿和蓝滤光片(R2、G2、B2)，放置该滤光片(R2、G2、B2)用于将第二偏振态的红、绿和蓝光分别反射到光导(Gr、Gg、Gb)的入射面(36、38、40)的第二面(36b、38b、40b)；
与光导阵列32相对的第一透镜L1，用于将来自光导W的出射面34的光成像到偏振分束器42的入射面44上，以及用于将来自偏振分束器42的光成像到光导(Gr、Gg、Gb)的入射面(36、38、40)上；
第二透镜L2，用于准直来自光导W的出射面34的光；以及
放置在透镜L2与光导(Gr、Gg、Gb)的入射面(36、38、40)的第二面(36b、38b、40b)之间的波片52，用于将第二偏振态的光转变为第一偏振态的光。
优选将光导W放置在光导(Gr、Gg、Gb)的下方，但是也可选择将其放置在光导(Gr、Gg、Gb)的上方或者光导(Gr、Gg、Gb)的一侧。
滤光片组F1和F2的滤光片(R1、G1、B1)和(R2、G2、B2)分别优选从出射面48和50按照B、G、R的顺序依次放置，但是也可选择分别从出射面48和50按照另一顺序，例如B、R、G放置。
根据本发明的另一方面，提供了一种投影显示系统50，该系统包括：
白光源52；
根据本发明第一方面的集成的分束和偏振转换系统54，该系统54用于将光源52分成具有大长宽比横截面的偏振红、绿和蓝色光束；
光调制板56，用于根据显示信号调制光；
用于在光调制板56上连续并顺序地滚动红、绿和蓝色光束的装置58；和
用于将所调制的光投影到显示表面上的投影透镜60。
该光调制板56优选为液晶显示面板，然而也可选择采用其它类型的显示板，例如可变形反射镜设备。用于滚动光束的装置58可以是单独的大旋转棱镜，或者可选择的是三个较小的旋转棱镜，分别将该三个较小的旋转棱镜用于红、绿和蓝色光束。
投影显示系统50可以包括用于将红、绿和蓝色光束从分束和偏振转换系统54引导到滚动装置58的光导系统62。在共同未决的美国专利申请序号______，提交日______，(代理人卷号PHUS020170)中描述了适用于本发明的无损失的集光率保持光导，该申请的全部说明在本文中一并引入作为参考。
投影显示系统50还可以包括在光调制板56上滚动红、绿和蓝色光束的过程中用于向光调制板56同步并连续提供彩色显示信号的红、绿和蓝色分量的装置64。例如，在上面已经引用的美国专利5410370和5416514中所描述的合适装置。
图1示意性地表示了用于现有技术的单板滚动彩色投影系统的光引擎的照明结构；
图2示意性地表示了用于现有技术的单板滚动彩色投影系统的偏振转换结构；
图3A到3E是示意性表示用于本发明的投影显示系统的集成的分束器和偏振器的一个实施例的不同视图；
图4A到4G是示意性表示用于本发明的投影显示系统的集成的分束器和偏振器的其它实施例的不同视图；
图5是表示包含本发明的集成的分束器和偏振器的投影显示系统的一个实施例的结构图。
现在参照图3A，表示了本发明的集成的分束器和偏振器30的一个实施例的侧视图。光导阵列32包括四个光导元件(W、Gr、Gg、Gb)。光导元件W具有光出射面34，光导元件Gr、Gg、Gb分别具有光入射面36、38和40。
如图3C到3E的截面图A-A所示，入射面36、38和40具有第一面(36a、38a、40a)和第二面(36b、38b、40b)。这些入射面还具有大的长宽比，其特征长宽比为2或更高(1/w≥2)，从而能够获得滚动光调制板所需的条状光束横截面。
该集成的分束器和偏振片30还包括用于将来自光导元件W的出射面34的白光转变为具有第一偏振态的第一光束和具有第二偏振态的第二光束的偏振分束器(PBS)42。将来自光导W的出射面14的非偏振白光(U)成像到PBS42的入射面44上，并且由第二透镜L2准直。透镜L2还有助于保持光的远心。当U光照射到表面46的内部偏振分束面46b上时，该光转变为S光并且向出射面48和滤光片组F1反射。滤光片B1、G1和R1分别从S偏振白光中分离出蓝、绿和红光。滤光片B1、G1和R1是反向反射的并且以不同角度倾斜，因此在反向反射之后，透镜L1将该光再成像到相应的光导中。滤光片B1、G1和R1还在垂直于附图的平面内倾斜，使得光落入光导的左半部(36a、38a、40a)(视图A-A)。
同时，PBS44的表面46将P偏振光(图3B)传输到出射面50。第二滤光片组F2相对于出射面50放置，并且倾斜单独的反向反射滤光片B2、G2、R2，使得在反向反射之后，表面46再次传输该光，并且透镜L1将该光再成像到相应光导的右半部(36b、38b、40b)。
置于光导阵列32的右半部之前的波片52(图3E)将光的偏振态从P变为S，因此，入射到光导Gr、Gg、Gb的所有光的偏振态匹配，如入射面36、38和40上的匹配交叉线所示(图3F)。
在图4A到4G的系统60中表示了可选的并排设置的光导。在这种配置的描述中，图4A和4B是与图3A和3B相似的侧视图，不同之处在于光导W在阵列62中的不同位置以及滤光片在滤光片组F1和F2中的位置顺序。在这种配置中，与先前的实施例相比滤光片R和G的位置交换了。
图4C是该配置的顶视图，表示了置于阵列62左侧的光导W。图4D到4G是沿A-A截取的截面图，同时图4E和4G表示了在波片72之前的非匹配偏振态，而图4D和4F分别表示了在波片72之后匹配的偏振态的侧视图和顶视图。
以上集成的系统将偏振转换和颜色分离功能集成到一个紧凑的单元中。而且，没有使用用于颜色分离的分色滤光片，由此避免了发散光系统中相应的色纯度降低。
图5表示了包括根据本发明的集成的分束器和偏振器82的投影显示系统80、光调制板84、用于在板84上滚动彩色光束的装置86，以及用于将所调制的光投影到显示表面上的投影透镜88。
该系统80还包括用于将光源S发出的白光引导到集成的分束器和偏振器82以及用于将来自集成的分束器和偏振器82的彩色光束引导到装置86的光导系统90。提供了用于与彩色光的滚动带照射相同步地将显示信号提供给板84的寻址装置92，以用于生成彩色显示图像。
在先前参考的共同未决美国专利申请序号______，提交日________，(代理人卷号PHUS020170)中提供了光导系统工作的详细情况以及其示例性结构。
已经根据有限数量的实施例必要地描述了本发明。然而，对于本领域技术人员来讲，其它实施例和实施例的变型也是显而易见的，并且这些实施例均应包含在所附权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种用于投影显示系统的集成的分束和偏振转换系统，包括：
光导阵列，其至少包括第一白光光导元件，其具有光出射面，还至少包括第一、第二和第三彩色光光导元件，它们具有光入射面，每个入射面都具有第一面和第二面；
偏振分束器，用于将来自白光光导元件的出射面的白光转变为具有第一偏振态的第一光束和具有第二偏振态的第二光束，该偏振分束器包括入射面、与该入射面成一定角度的内部偏振分束表面、具有用于反射第一偏振态的光并透射第二偏振态的光的第一偏振分束面以及用于透射第二偏振态的光的相对的第二面的表面，该偏振分束器还具有面对第一面的第一出射面以及面对第二面的第二出射面；
与第一出射面相对的第一滤光片组，该第一滤光片组包括红、绿和蓝滤光片，第一偏振态的红、绿和蓝光分别由偏振分束表面的第一面反射之后，由所放置的该滤波片分别反射到彩色光光导的入射面的第一面；
与第二出射面相对的第二滤光片组，该第二滤光片组包括红、绿和蓝滤光片，放置该滤光片，以便将第二偏振态的红、绿和蓝光分别反射到彩色光光导的入射面的第二面；和
放置在第二透镜与彩色光光导的入射面的第二面之间的波片，用于将第二偏振态的光转变为第一偏振态的光。
2.根据权利要求1所述的集成的分束和偏振转换系统，其中该彩色光光导的入射面具有大的长宽比(1/w≥2)。
3.根据权利要求1所述的集成的分束和偏振转换系统10，其中提供了与光导阵列相对的第一透镜，用于将来自第一白光光导的出射面的光成像到偏振分束器的第一入射面上，以及用于将来自偏振分束器的光成像到彩色光光导的入射面上。
4.根据权利要求1所述的集成的分束和偏振转换系统10，其中提供了与偏振分束器的入射面相对的第二透镜，用于准直来自白光光导的出射面的光。
5.根据权利要求1所述的集成的分束和偏振转换系统，其中定位偏振分束器，使得第一出射面对应于偏振分束器的顶面，并且定位光导阵列，使得白光光导位于彩色光光导上方或下方。
6.根据权利要求5所述的集成的分束和偏振转换系统10，其中第一和第二滤光片组的滤光片优选分别从第一和第二出射面按照B、G、R的顺序依次放置。
7.根据权利要求1所述的集成的分束和偏振转换系统，其中定位偏振分束器，使得第一出射面对应于偏振分束器的顶面，并且定位光导阵列，以使得白光光导位于彩色光光导的一侧。
8.根据权利要求7所述的集成的分束和偏振转换系统，其中第一和第二滤光片组的滤光片优选分别从第一和第二出射面按照B、R、G的顺序依次放置。
9.一种投影显示系统，该系统包括：
白光源；
根据权利要求1所述的集成的分束和偏转转换系统，该系统用于将光源分成具有大长宽比(1/w≥2)的横截面的偏振红、绿和蓝色光束；
光调制板，用于根据显示信号调制光；
用于在光调制板上连续并顺序地滚动红、绿和蓝色光束的装置；和
用于将所调制的光投影到显示表面上的投影透镜。
10.根据权利要求9所述的投影显示系统，其中该光调制板为液晶显示面板。
11.根据权利要求9所述的投影显示系统，其中该滚动装置包括至少一个旋转棱镜。
12.根据权利要求9所述的投影显示系统，其中提供了一种光导系统，用于将来自分束和偏振转换系统的红、绿和蓝光束引导到滚动装置。
13.根据权利要求9所述的投影显示系统，其中提供了在光调制板上滚动红、绿和蓝色光束的过程中用于向光调制板同步地且连续地提供彩色显示信号的红、绿和蓝色分量的装置。
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C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication