專利名稱：包括電光光調(diào)制器和旋轉(zhuǎn)光反射元件的滾動彩色投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及彩色投影系統(tǒng)，更具體涉及包括單個電光光調(diào)制器以及旋轉(zhuǎn)光反射元件的投影系統(tǒng)。
已知的彩色投影顯示器系統(tǒng)中，將白色光源分成紅、藍和綠子光束，以用于由輸入顯示信號的相應(yīng)顏色成分來分別調(diào)制，然后把經(jīng)調(diào)制的子光束重新組合成全色顯示以便投射到觀看屏幕上。通常利用三個獨立的電光光調(diào)制器來進行子光束的調(diào)制，該調(diào)制器例如液晶顯示器(LCD)板，每個調(diào)制器對應(yīng)三個子光束中的一個。
在例如Janssen等人的美國專利No.5,532,763中描述的一種彩色投影系統(tǒng)中，由單個LCD板來調(diào)制全部三個子光束。這是通過將子光束成形為帶狀橫截面，并且連續(xù)滾動這些帶通過LCD板，同時同步尋址由具有相應(yīng)顯示信號信息的這些帶所照射到的板上的這些部分而實現(xiàn)的。這種投影系統(tǒng)在本文中稱作單板滾動光柵(single panelscrolling raster-SPSR)投影儀。
同時使用絕大部分通過單個光閥板的紅、藍和綠光提供了相當(dāng)于采用相同類型的光閥板的三板系統(tǒng)的光學(xué)效率。僅使用單板消除了對于機械會聚形成在不同板上的不同顏色圖像的需求，并且減少了系統(tǒng)成本。
例如，在Melnik等人的美國專利No.5,548,347中公開了用于這種SPSR系統(tǒng)的各種滾動裝置。采用單棱鏡滾動裝置的系統(tǒng)是簡單且緊湊的，而多棱鏡(分開的或者物理上連接的)滾動裝置比單棱鏡系統(tǒng)提供了更好的滾動速度均勻性(對于不同顏色光帶而言)和滾動速度線性(對于每個光帶而言)。如該專利的

圖16所示的、采用位于分開的光路中的三個物理上分開的棱鏡的系統(tǒng)提供了比采用三個物理上連接的棱鏡更好的光學(xué)效率，但是不太緊湊。
在Gleckman的美國專利No.6,266,105中公開了僅使用一個移動部件來實現(xiàn)滾動的改進SPSR彩色投影系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，在滾動之前照射光束沒有分成獨立的彩色光束，并且該光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單且緊湊。具有反射表面部分的單個旋轉(zhuǎn)對稱元件具有不同的顏色反射帶，該旋轉(zhuǎn)對稱元件圍繞其軸旋轉(zhuǎn)，同時光源發(fā)出的白光入射到反射表面上，并且通過將需要的顏色帶反射到中繼透鏡(relay lense)中的表面部分分成各個顏色成分，該中繼透鏡將規(guī)定的元件表面部分成像到光調(diào)制板上。從該元件反射的顏色帶通過其旋轉(zhuǎn)在單個電光光調(diào)制板上滾動。在滾動過程中，驅(qū)動器電子器件同步地尋址具有顯示信息的相應(yīng)顏色成分的板。
Gleckman的旋轉(zhuǎn)對稱元件具有圓柱表面，并且反射部分包括二向色濾光片，其圓柱曲率與該元件表面的圓柱曲率相匹配。當(dāng)沿著元件表面的法線引導(dǎo)入射光束時，這種曲率可以發(fā)生回射，從而確保在旋轉(zhuǎn)過程中由二向色濾光片的截止波長的角度敏感度產(chǎn)生的顏色偏移最小，以及確保在該表面成像到板上的過程中的像差最小。而且，在如上所述的回射模式中采用的這種反射元件(例如鼓)可以具有小的橫截面(例如直徑小于40mm)，這進一步減少了尺寸和成本。
將這種反射元件用作SPSR系統(tǒng)中的滾動裝置消除了對于在滾動之前將白光分成多個子光束的需求，并且從而可以獲得更小的光調(diào)制板(小于1.3英寸)，以及相應(yīng)獲得更小的光學(xué)部件。因此，簡單而緊湊的光學(xué)結(jié)構(gòu)是可能的，導(dǎo)致部件數(shù)量少的緊湊投影儀。
然而，在Gleckman披露的裝置中，從元件反射的顏色帶與光調(diào)制板具有相同的尺寸。利用這種或相似類型的旋轉(zhuǎn)元件，用于旋轉(zhuǎn)元件的鼓帶有按照紅/綠/藍色順序的某種組合設(shè)置的反射或透射濾色片。入射到該鼓上的光經(jīng)由適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件反射或透射，使得顏色過渡聚焦到顯示設(shè)備上。當(dāng)該鼓旋轉(zhuǎn)時，顏色在該設(shè)備上向下滾動，使得當(dāng)顏色邊界在該板上向下移動并且到達底部時，另一個顏色邊界出現(xiàn)在頂部。紅/綠邊界接著藍/紅邊界等。因此，在任意給定時刻在該板上存在至多兩種顏色斑，即一個顏色過渡。
修改這種裝置，使得全部三種顏色同時出現(xiàn)在該板上，優(yōu)選面積相等，這應(yīng)當(dāng)生成更好看的像，這是因為在確切的相同時刻可以觀察到全部三種顏色成分。因此在本文中公開的裝置的優(yōu)選實施例中，全部三種顏色同時表現(xiàn)為獨立的條，并且共同在該板上滾動。例如，當(dāng)紅色場滾動離開該板的底部時，新的紅色場出現(xiàn)在頂部，這與Philips滾動顏色結(jié)構(gòu)的方式相同，在該結(jié)構(gòu)中由通過旋轉(zhuǎn)棱鏡反射的光產(chǎn)生滾動顏色，此處的不同之處在于由旋轉(zhuǎn)元件，例如鼓來提供滾動的顏色帶。
相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于彩色投影的設(shè)備，其包括光源；具有旋轉(zhuǎn)軸和多個表面段的旋轉(zhuǎn)對稱元件，能夠?qū)⒐庠窗l(fā)出的光提供為多個相互不同的顏色帶，至少包括第一顏色、第二顏色和第三顏色；第一光電路(optical circuit)，用于將光源發(fā)出的光引導(dǎo)到表面段；產(chǎn)生顯示圖像的電光光調(diào)制板；第二光電路，用于將來自表面段的光引導(dǎo)到光調(diào)制板上，這樣當(dāng)旋轉(zhuǎn)對稱元件圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，至少包括第一顏色、第二顏色和第三顏色的至少三個相互不同的顏色帶同時在電光光調(diào)制板上滾動。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于彩色投影的方法，其中光源產(chǎn)生光，并且通過將光源發(fā)出的光引導(dǎo)到具有旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)對稱元件的至少三個表面段上而將該光轉(zhuǎn)變?yōu)橹辽侔ǖ谝活伾⒌诙伾偷谌伾亩鄠€相互不同的顏色帶。通過圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該旋轉(zhuǎn)對稱元件，多個相互不同的顏色帶在產(chǎn)生顯示圖像的電光光調(diào)制板上滾動，使得至少包括第一、第二和第三顏色的至少三個相互不同的顏色帶同時在電光光調(diào)制器上滾動。
現(xiàn)在，將根據(jù)有限數(shù)量的優(yōu)選實施例參照附圖來描述本發(fā)明，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的反射顏色鼓的透視圖；圖2A是圖1的鼓的反射段的一個實施例的一部分的概略橫截面圖；圖2B是圖1的鼓的反射段的另一個實施例的一部分的概略橫截面圖；圖2C是圖1的鼓的反射段的又一個實施例的一部分的概略橫截面圖；圖3是本發(fā)明的彩色投影系統(tǒng)的一個實施例的示意圖，其包括圖1的顏色鼓，并且包括遠攝透鏡組、三個中繼透鏡和兩個偏振分束器(polarization beam splitter-PBS)。
圖1表示了本發(fā)明的反射顏色鼓10的示例性實施例的透射圖，該鼓具有旋轉(zhuǎn)軸X和18個二向色顏色段11，每個顏色段占據(jù)了圓周的大約20度，它們按照紅/綠/藍(R/G/B)的順序反射紅、綠和藍光，在該鼓的圓柱面12上該順序重復(fù)6次。其它實施例可以使用紅/藍/綠的順序。理論上，可以少到具有6個或9個顏色段，或者相反可以是多于18個顏色段。確切數(shù)目取決于希望得到的鼓的旋轉(zhuǎn)速度和希望得到的電光光調(diào)制器的尋址速度。
反射段11用于將各種顏色的光反射到產(chǎn)生顯示圖像的電光光調(diào)制板上，在本實施例中該調(diào)制板為反射LCD板(RLCD)72(在圖3中可見)。
位于顏色段11之間的暗帶14防止在像素回到“關(guān)”狀態(tài)的時間間隔內(nèi)對RLCD照明。添加散布有顏色段的一個或多個白色段能夠?qū)е略撓到y(tǒng)的光輸出增加達到50％。典型的是，一個白色段可以添加到段11的每個RGB組，從而產(chǎn)生例如圖1的鼓的24段的變型，其具有例如重復(fù)的顏色段順序。
例如，通過在單獨的薄的、撓性基底-例如塑料片(例如80微米厚)或者玻璃片(例如50微米厚)上形成每個二向色濾光片，繼而將這些片分成具有適當(dāng)尺寸的段11，就可以制造段11。繼而使段11彎曲以符合鼓的表面并且例如利用粘結(jié)劑粘附。
優(yōu)選的是，該撓性片是塑料的，從低溫塑料-例如聚碳酸酯和聚酯中選擇的，或者從高溫塑料例如聚酰亞胺(例如KAPTONTM)中選擇的。適當(dāng)?shù)亩蛏繉拥矸e方法包括濺射(在低溫塑料的情況下)，和熱蒸發(fā)(在高溫塑料的情況下)。
段11的設(shè)置和相鄰層的選擇優(yōu)選應(yīng)當(dāng)是這樣的，基本上以中繼系統(tǒng)的收集角之外的角度吸收或散射波長在反射帶波長之外的光。
圖2A是圖1的鼓的反射段11的一個可能實施例的一部分的概略橫截面圖。薄片122支撐二向色濾光片層123，并且通過粘結(jié)層121粘結(jié)到鼓表面120。層121和122通常是光透射的。因此，鼓表面120應(yīng)當(dāng)是吸收光(例如黑锍)或者散射光的?？蛇x擇或者此外，可以通過向?qū)?21和/或?qū)?22添加色素或者散射顆粒而把該這些層作成吸收光或散射光的。未被濾光片層123反射的光因此將被下面的結(jié)構(gòu)吸收或散射。
圖2B是與圖2A相似的橫截面圖，其中在二向色濾光片層123上面形成了四分之一波片124和抗反射層125。這種配置可以使用帶寬與濾光片的帶寬相匹配的簡單單軸薄片，從而可以省略圖3所示的寬帶為四分之一波的板。
圖2C表示了鼓的反射段11的可選實施例，其中透射二向色濾光片層128取代了圖2A實施例中的反射二向色濾光片層123。例如，由鋁的蒸發(fā)涂層126來提供反射，并且插在反射層126與濾光片層128之間的四分之一波片127，依靠兩次通過該層的透射光，一次作為入射光、一次作為反射光(由二向色濾光片反射的光具有未改變的偏振，并且因此被隨后的PBS舍棄)，來將入射光的偏振從P變?yōu)镾。
圖3是本發(fā)明的彩色投影系統(tǒng)的一個實施例的示意圖，其包括與圖1所示相似的顏色鼓58，在其表面上具有反射二向色濾光片段，在圖3中示出了其中的兩個60和62。由積分器板40a和40b使光源38-優(yōu)選為高強度光源的照明均勻和成矩形，繼而由平面PCS(偏振轉(zhuǎn)變系統(tǒng))42轉(zhuǎn)變?yōu)镻型偏振光，所述高強度光源例如高強度放電(HID)燈，諸如UHP燈。
第一光電路100將光源38發(fā)出的光引導(dǎo)到旋轉(zhuǎn)鼓58的表面。遠攝透鏡組44、46和48在PBS 50和四分之一波片54處形成了遠心P照明光束，在本實施例中該波片形成在PBS 50的表面上。遠攝透鏡組減少了PCS 42與PBS 50之間的光路長度?？蛇x擇的是，可以使用更簡單的具有至少一個透鏡元件的透鏡系統(tǒng)。
該P光束通過偏振分束器(PBS)50和寬帶四分之一波片54到達圓柱透鏡56，該圓柱透鏡使光以發(fā)生回射的入射角聚焦到旋轉(zhuǎn)鼓58的表面上(即沿著鼓表面的法線引導(dǎo)光)。這就消除了由于二向色濾光片的顏色反射帶的角度依賴性而可能出現(xiàn)的顏色偏移。入射光束的遠心特性確保了鼓表面上的相同入射角。
在鼓58反射之后，第二光電路200將光從表面段引導(dǎo)到光調(diào)制板上。四分之一波片54將P型偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)镾型，因此由PBS 50的反射表面52將其反射到中繼透鏡64和66中，中繼透鏡的功能是將濾光片成像到RLCD 72上。
中繼透鏡系統(tǒng)56、64和66應(yīng)當(dāng)具有足夠的質(zhì)量而將濾光片段精確地成像到RLCD上，而沒有段的重疊或者重疊不明顯，從而避免顏色混合或者至少將顏色混合保持在可容許的程度。當(dāng)透鏡56是圓柱透鏡時，透鏡64和66可以是軸對稱的，例如模制非球體，其具有減少光路長度的優(yōu)點。
PBS 68的反射表面70將來自中繼透鏡56、64和66的光反射到RLCD上，RLCD根據(jù)顯示信號改變該光，以產(chǎn)生顯示圖像，該顯示信號例如來自視頻輸入37、由驅(qū)動器電子器件36施加。RLCE將圖像經(jīng)由PBS 68反射到投影透鏡74，以投影給觀眾。RLCD 72在明亮狀態(tài)下將S光變回P光，以用于由投影透鏡74投影。
PBS 50的反射表面52和中繼透鏡64、66以及PBS 68的反射表面70保持反射光束的遠心特性，從而確保LCD的每個像素觀察到通過PBS 68的相同入射角。因此，在RLCD 72生成的圖像上存在很少或不存在顏色、亮度或?qū)Ρ榷鹊淖兓?br> PBS可以具有常規(guī)的(MacNeille)玻璃類型，或者可以是重量更輕的聚合物類型(參見D.Wortman在1997 International DisplayResearch Conference上發(fā)表的“A Recent Advance in ReflectivePolarizer Technology”，本文中一并引入作為參考)，然而如果希望得到最高質(zhì)量的圖像，那么優(yōu)選使用玻璃類型的PBS 68，這是因為可以使反射表面70在光學(xué)上比聚合物類型的情況下更平。
寬帶四分之一波片可以是例如單軸薄片的無色疊層、單個非單軸薄片，或者Broer等人在美國專利No.5,506,704中描述的類型的單層聚合物液晶。
本發(fā)明已經(jīng)就有限數(shù)量的實施例進行描述了。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講其它實施例、實施例的變型和本領(lǐng)域公知的等價物是顯而易見的，并且意在包含在如所附權(quán)利要求書提出的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，取代鼓，該旋轉(zhuǎn)對稱元件可以是有小面的元件，例如具有多邊形橫截面的多面體。該元件的反射表面段或小面還可以相對于旋轉(zhuǎn)軸傾斜，這和錐形元件的情況一樣，以便引導(dǎo)反射光遠離入射光的路徑。
取代在基底上形成反射段并且將基底附著于該元件，該反射段可以直接形成在該元件的表面上，例如通過借助掩模淀積它們來實現(xiàn)。
取代以P型偏振開始、變?yōu)镾型并且繼而變回P型以用于投影，該偏振類型可以相反，即以S型開始、變?yōu)镻型并且變回S型。
最后，可以制造本發(fā)明的其它實施例，其中表面段是透射的，而不是反射的?？梢暂p易地實現(xiàn)使用透射段的變型，例如使用平面或錐形顏色輪或者具有例如內(nèi)反射元件的中空鼓。
權(quán)利要求
1.一種彩色投影系統(tǒng)，包括光源；具有旋轉(zhuǎn)軸和多個表面段的旋轉(zhuǎn)對稱元件，其能夠?qū)⒐庠窗l(fā)出的光提供為多個相互不同的顏色帶，該顏色帶至少包括第一顏色、第二顏色和第三顏色；第一光電路，用于將光源發(fā)出的光引導(dǎo)到表面段；產(chǎn)生顯示圖像的電光光調(diào)制板；第二光電路，用于將來自表面段的光引導(dǎo)到光調(diào)制板上，這樣當(dāng)旋轉(zhuǎn)對稱元件圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，至少包括第一顏色、第二顏色和第三顏色的至少三個相互不同的顏色帶同時在電光光調(diào)制板上滾動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色投影系統(tǒng)，其中該表面段是彎曲表面段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彩色投影系統(tǒng)，其中該表面段的曲率匹配該元件表面的曲率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色投影系統(tǒng)，其中該表面段是圓柱彎曲表面段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色投影系統(tǒng)，其中該表面的表面段包括二向色濾光片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的彩色投影系統(tǒng)，其中該二向色濾光片形成在支撐體上，并且該支撐體粘結(jié)于元件表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的彩色投影系統(tǒng)，其中該二向色濾光片具有顏色反射帶。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的彩色投影系統(tǒng)，其中該二向色濾光片具有顏色透射帶。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色投影系統(tǒng)，其中該第一光電路包括圓柱透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色投影系統(tǒng)，其包括用于將光源發(fā)出的光集成到遠心光束中的光積分器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色投影系統(tǒng)，其包括用于將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變?yōu)镻型偏振光的偏振元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色投影系統(tǒng)，其包括用于將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變?yōu)镾型偏振光的偏振元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色投影系統(tǒng)，其中該第一光電路包括遠攝透鏡組。
14.一種彩色投影的方法，包括從光源產(chǎn)生光；通過將光源發(fā)出的光引導(dǎo)到具有旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)對稱元件的至少三個表面段上，來將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變?yōu)橹辽侔ǖ谝活伾?、第二顏色和第三顏色的多個相互不同的顏色帶；通過圍繞旋+轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該旋轉(zhuǎn)對稱元件，多個相互不同的顏色帶在產(chǎn)生顯示圖像的電光光調(diào)制板上滾動，使得至少包括第一、第二和第三顏色的至少三個相互不同的顏色帶同時在電光光調(diào)制器上滾動。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的彩色投影方法，其中該表面段的曲率匹配該元件表面的曲率。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的彩色投影方法，其中該表面段是圓柱彎曲表面段。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的彩色投影方法，其中該表面的表面段包括二向色濾光片。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的彩色投影方法，包括使用圓柱透鏡來將光源發(fā)出的光引導(dǎo)到表面段。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的彩色投影方法，包括使用光積分器來將光源發(fā)出的光集成到遠心光束中。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的彩色投影方法，包括使用偏振元件來將光源發(fā)出的光變?yōu)槠窆狻?br> 全文摘要
提供了一種彩色投影的方法，其中從光源產(chǎn)生光，并且通過將光源發(fā)出的光引導(dǎo)到具有旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)對稱元件的至少三個表面段上，來將該光轉(zhuǎn)變?yōu)橹辽侔ǖ谝活伾?、第二顏色和第三顏色的多個相互不同的顏色帶。通過圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該旋轉(zhuǎn)對稱元件，多個相互不同的顏色帶在產(chǎn)生顯示圖像的電光光調(diào)制板上滾動，使得至少包括第一、第二和第三顏色的至少三個相互不同的顏色帶同時在電光光調(diào)制器上滾動。
文檔編號H04N9/31GK1726721SQ200380105854
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月13日
發(fā)明者R·H·凱恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司