CN1817048A - 用于投影显示系统的颜色重组 - Google Patents

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Abstract

一种用于显示设备的将多条光束组合成单一光束的方法，包括从第一反射偏振器(122)反射光束(202，204，206)，然后将该多条光束从基本上垂直各自入射角的分色滤光器(132，134，136)反射，从而将该多条光束组合成组合光束(210)。在本发明的另一个方面，显示系统：包括，第一分色滤光器(132)，其能够基本上全部反射以基本上垂直入射角入射的第一彩色光束(202)，并能够基本上全部透射以基本上垂直入射角入射的第二和第三彩色光束(204，206)；第二分色滤光器(134)，其重叠在第一分色滤光器(132)上方，能够基本上全部反射以基本上垂直入射角入射的第二彩色光束(204)，并能够基本上全部透射以基本上垂直入射角入射的第三彩色光束(206)；以及第三分色滤光器(136)，其重叠在第一和第二分色滤光器(132，134)上方，能够基本上全部反射以基本上垂直入射角入射的第三彩色光束(206)。该第一、第二和第三颜色互不相同，并且该第一、第二和第三分色滤光器(132，134，136)互不平行。

Description

用于投影显示系统的颜色重组
本发明涉及彩色显示器系统，更具体涉及用于投影显示器的颜色重组，如滚动彩色投影电视。
现代的投影系统，例如液晶(LC)投影系统，通常使用滤光器来将灯发出的光分成许多颜色。不同的彩色光束能用于形成图像的多个单色成分，之后将这些单色成分组合以形成全色图像。通常，系统的分离和重组部分是高度对称的，每个都由通常具有45度的分色滤光器的正交分支组成，如授予Melnik和Janssen的美国专利US 5548347中所述。这种结构通常需要很大的体积。而且，分色滤光器的透射和反射具有随入射角增大而强烈增大的色散，导致洇色(color bleeding)。用于防止洇色的附加滤光器会导致效率降低。
实现一种具有高效率和良好色纯度的更紧凑设计是有利的。因此，公开了一种利用接近垂直入射时的分色滤色器的方法和结构。
根据本发明的第一方面，在用于显示设备的将多条光束组合成单个光束的方法中，多条光束从第一反射偏振器反射，随后通过将其从基本上垂直各自入射角的分色滤光器反射而组合成一个组合光束。
在本发明的另一方面，显示系统包括第一分色滤光器，该第一分色滤光器能够基本上全部反射以基本上垂直入射角入射的第一彩色光束，并能够基本上全部透射以基本上垂直入射角入射的第二和第三彩色光束；第二分色滤光器，其重叠在第一分色滤光器上方，能够基本上全部反射以基本上垂直入射角入射的第二彩色光束，并能够基本上全部透射以基本上垂直入射角入射的第三彩色光束；以及第三分色滤光器，其重叠在第一和第二分色滤光器上方，能够基本上全部反射以基本上垂直入射角入射的第三彩色光束。该第一、第二和第三颜色互不相同，并且该第一、第二和第三分色滤光器互不平行。
参考附图可以更好地理解本发明的特征，其中可以将某些特征重新定位来更好地解释其功能，并且为了清楚起见可以放大一些尺寸，在附图中：
图1是色分离和重组结构的图解侧视图，该结构利用通过倾斜45度的分色滤光器来耦合的正交分支；
图2表示光以45度入射通过分色滤光器的透射率，该透射率作为波长的函数；
图3表示光垂直入射通过分色滤光器的透射率，该透射率作为波长的函数；以及
图4是根据本发明实施例的色分离和重组结构的图解侧视图。
在图1a中，从灯(未示出)发出的包括第一、第二和第三颜色的白色光束入射到第一分色滤光器4上。第一颜色的第一彩色光束6被反射到第一反射镜8并由此通过第一扫描棱镜10和第一准直透镜12结构。第一彩色光束6然后透过能够透射几乎全部第一颜色的第二分色滤光器14，透过第二准直透镜16，从能够反射几乎全部第一颜色的第三分色滤光器18反射，透过第三准直透镜20，最后到达反射偏振器22。
其余的第二和第三颜色(第一分色滤光器4已经去除了第一颜色)的多色光束24入射到第四分色滤光器26，该第四分色滤光器反射几乎全部第二彩色光并透射几乎所有的第三彩色光。第二颜色的第二彩色光束28透过第二扫描棱镜30和第四准直透镜32结构，入射到能够反射几乎全部第二彩色光的第二分色滤光器14，透过第二准直透镜16，从能够反射几乎全部第二彩色光的第三分色滤光器18反射，透过第三准直透镜20，最后到达反射偏振器22。
第三颜色的第三彩色光束34(第四分色滤光器26已经去除了第二颜色)在穿过第四分色滤光器26之后透过第三扫描棱镜36和第五准直透镜38结构，从反射镜40反射，透过第六准直透镜41，入射到能够透射几乎全部第三彩色光的第三分色滤光器18，透过第三准直透镜20，最后到达反射偏振器22。
可以看到，三种不同的彩色光成分在离开第三分色滤光器18时已经重新合成为重组的光束42。该重组的光束42透过反射偏振器22，并传递到显示板44上。但是，由于图1中所示的结构是用于滚动彩色投影设备，因此，在该设备的工作过程中，三个扫描棱镜10、30、36以互相配合的方式旋转，从而使重组的光束42包括在显示板44的表面上滚动的交替的第一、第二和第三彩色光的多个带。这种滚动足够快地完成，从而使人眼看到位于板上(甚至是从该板反射)的最终图像好像是全色图像，因此对于实际的显示目的来说，该图像是全色图像。
显示板44例如是硅上的液晶(LcoS)板，在这种情况下该显示板是反射型的。因此，图像从显示板44反射，然后从反射偏振器22反射，透过后置偏振器46，最终透过投影透镜48，从而可将该图像投射到屏(未示出)上。
图2说明利用相对于光路成非垂直入射(在这种情况下是45度角)的分色滤光器时为什么会产生洇色，如与图1类似的布置。相反，图3说明当使用相对于光路成垂直入射角的分色滤光器时的情况。在每种情况下，θ都指的是光束入射到分色滤光器的锥角。即，由于光束不是完全相干的，并且肯定的是被显示的图像不是点源，因此来自光束不同部分的光产生稍微变化的入射角。光束中的总变化称为光束的“锥角”。从图2中可以看出，特定波长的透射率或反射率高度取决于以45度为中心的精确入射角(图2示出在45度的每一侧变化范围为12度的例子)。但是，从图3中可以看出，由于以垂直入射为中心的精确入射角，透射率/反射率变化非常小。因此，当图像光束在入射到分色滤光器时能够保持该图像光束尽可能接近垂直入射的时候，存在包括减小洇色的相当大的改进。图3示出当入射角例如保持在垂直入射的12度之内时得到的优选结果。
在图4中所示本发明的实施例中，许多光导置于各自的棱镜扫描器对面。在该实施例中，第一、第二和第三光导102、104、106置于相应的第一、第二和第三棱镜扫描器112、114、116的对面。第一、第二和第三棱镜扫描器112、114、116置于第一透镜120的一侧。第一反射偏振器122位于第一透镜120的另一侧。第一反射偏振器120的一侧依次是四分之一波片124、第二透镜126，以及第一、第二和第三分色滤光器132、134、136。第一反射偏振器122的另一侧是第二反射偏振器140，该第二反射偏振器置于反射显示板144(在该实施例中，该反射显示板是反射LcoS板144)与后置偏振器146和投影透镜148之间。
在该实施例中，这些分色滤光器相对于携带图像的不同颜色成分的光束保持接近垂直入射。或者(例如由激光器、LED或滤光后的光)单独地，或者通过从灯或其它白色光源(未示出)来分离多种颜色成分以产生许多彩色光成分(在所示的实施例中是三种颜色成分，例如蓝、绿和红)，如所示出的实施例。该实施例的三种成分经光导102、104、106传递，这些光导使这些成分光束以精确的保护角射出(为了简单，所示的实施例具有平行的三种成分，但这并不是必需的；可以使用其它角布置)。
现在讨论该实施例的各种成分的功能。在工作中，不同颜色成分的光束透过棱镜扫描器112、114、116来产生不同颜色的第一、第二和第三扫描光束202、204、206(与上面参考图1中所述的方式类似)，在所示的实施例中这三个扫描光束透过第一透镜120，使各自的彩色扫描光束202、204、206重定向。其它实施例可使用分开的多个透镜或其它结构(光导等)来进行准直和/或重定向，或者这可以在后面的光路中实现等。
然后，不同颜色的扫描光束202、204、206从第一反射偏振器122反射，透过四分之一波片144、然后(在该实施例中)透过第二透镜126，并朝向第一、第二和第三分色滤光器132、134、136。
第一分色滤光器132使第一扫描光束202的彩色光在垂直入射时从该第一分色滤色器反射，而使第二和第三扫描光束204、206的彩色光透过。第二分色滤光器134使第三扫描光束206的彩色光在垂直入射时从该第二分色滤色器反射，而使第二扫描光束204的彩色光透射。第三分色滤光器136使第二扫描光束204的彩色光在垂直入射时从该第三分色滤色器反射。因此，所有三个扫描光束202、204、206通过第二透镜126反射回来，通过四分之一波片124第二次反射回来，由此返回到第一反射偏振器122。当然，在其它实施例中，可以根据需要变换不同彩色光束202、204、206和分色滤光器132、134、136的顺序，只要适当地设置分色滤光器132、134、136的透射和反射特性即可。
两次通过四分之一波片导致偏振方向改变，使扫描光束202、204、206透过第一反射偏振器122而不是被该第一反射偏振器反射。这些扫描光束继续透射到第二反射偏振器140，并被该第二反射偏振器反射到反射显示板144。
优选的是，如说明的实施例中所示，滤光器132、134、136根据使所有反射的准直彩色光束平行于公共轴的需要而相对于彼此稍微倾斜(因为根据稍微不同的角度而得到不同的颜色成分)。因此，这些反射的准直彩色光束有效地形成单个准直光束210，该单个准直光束包括在反射显示板144上滚动的许多不同的色带。另外，优选的是，定向和配置光导102、104、106、棱镜扫描器112、114、116以及第一透镜120，使它们尽可能接近垂直入射的到达分色滤光器132、134、136。
对反射显示板144进行调制，以形成与在该反射显示板表面上滚动的不同色带互相配合的图像。因此，准直光束210从反射显示板144反射，之后对于如上面参考图1所说明的实际显示目的来说而成为全色图像(尽管实际上包括一系列多个不同色带)。该图像透过第二反射偏振器140，已经通过反射显示板144的反射改变了偏振方向。该图像继续穿过后置偏振器146并进入投影透镜148，通过该投影透镜将图像投射到例如屏(未示出)上。如上所述，不同的色带足够快速地滚动，从而使该图像对人眼呈现全色图像。
可以使用与所述实施例的不同变型来实施本发明。例如，可以使用透射显示板来代替反射显示板，在使用透射显示板的情况下，滚动光透过该透射板而到达投影透镜。当根据对附图、说明书和附属权利要求书的研究来实施所要求保护的本发明时，本领域技术人员还可以对公开的实施例进行无数的其它变型。

Claims (14)

1.一种用于显示设备的将多条光束组合成单一光束的方法，包括：
从第一反射偏振器(122)反射多条光束(202，204，206)；以及
随后通过将多条光束(202，204，206)从基本上垂直各自入射角的多个分色滤光器(132，134，136)反射，从而将该多条光束(202，204，206)组合成组合光束(210)。
2.如权利要求1的方法，该多条光束(202，204，206)包括至少第一、第二和第三光束(202，204，206)。
3.如权利要求1的方法，该多条光束(202，204，206)包括至少第一彩色光束(202)、第二彩色光束(204)和第三彩色光束(206)，所有三种颜色互不相同。
4.如权利要求3的方法，包括将该组合光束(210)照射到显示板(144)上。
5.如权利要求4的方法，包括以循环的方式改变第一、第二和第三彩色光束的方向，使得照射到显示板(144)上的该组合光束(210)包括在显示板(144)表面上滚动的光的一系列不同色带。
6.如权利要求5的方法，包括使该组合光束透过第一反射偏振器(122)。
7.如权利要求6的方法，包括从第二反射偏振器(140)反射该组合光束。
8.如权利要求7的方法，包括从显示板(144)反射该组合光束。
9.如权利要求5的方法，包括使第一、第二和第三彩色光束两次通过四分之一波片(124)。
10.如权利要求4的方法，进一步使第一、第二和第三彩色光束透过各自的旋转棱镜，使得照射到显示板(144)上的该组合光束(210)包括在显示板(144)表面上滚动的光的一系列不同色带。
11.一种显示系统，包括：
第一分色滤光器(132)，其能够基本上全部反射以基本上垂直入射角入射的第一彩色光束(202)，并能够基本上全部透射以基本上垂直入射角入射的第二和第三彩色光束(204，206)；
第二分色滤光器(134)，其重叠在第一分色滤光器(132)上方，能够基本上全部反射以基本上垂直入射角入射的第二彩色光束(204)，并能够基本上全部透射以基本上垂直入射角入射的第三彩色光束(206)；以及
第三分色滤光器(136)，其重叠在第一和第二分色滤光器(132，134)上方，能够基本上全部反射以基本上垂直入射角入射的第三彩色光束(206)，
其中第一、第二和第三颜色互不相同，并且该第一、第二和第三分色滤光器(132，134，136)互不平行。
12.如权利要求11的系统，包括置于第一、第二和第三分色滤光器(132，134，136)对面的第一反射偏振器(122)，使得基本上垂直于第一、第二和第三分色滤光器(132，134，136)的光线透过第一反射偏振器(122)。
13.如权利要求12的显示系统，包括第二反射偏振器(140)，该第二反射偏振器置于远离第一、第二和第三分色滤光器(132，134，136)的第一反射偏振器(122)的另一侧，使得所述光线透过第二反射偏振器(140)。
14.如权利要求12的显示系统，包括置于第一反射偏振器(122)与第一、第二和第三分色滤光器(132，134，136)之间的四分之一波片(124)。
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