CN1463558A - 图象显示系统 - Google Patents
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Abstract
一种图象显示系统，主要利用非吸收极化元件使照明成像器件的光极化。非吸收极化元件可降低成本和对冷却的要求，增加使用寿命，而且允许使用大功率光源。
Description
本发明涉及一种图象显示系统。
投影型图象显示系统已广为人知。此类系统，特别是采用液晶光阀的系统，在美国专利No.5532763，5786934，6224215和6234634中已有描述，这里把其中每一个都引作作参考，可以认为其全部内容都在这里列出。对于下面的叙述，假定读者对这类系统的一种普通特性已很熟悉，因而我们只对与本发明有关的特性加以描述。
图1所示为一种液晶显示器(LCD)投影仪100的实例的相关部分。此LCD投影仪100是一个单板彩色LCD投影仪。
这种LCD投影仪100包括以下有关部件：灯102；第一积分器104；第二积分器105；极化转换系统(PCS)106；聚光镜107；第一至第四二色颜色过滤器108，110，112，114；第一至第三扫描棱镜116，118，120；反射镜122，124；预极化器126；极化光束分色器128；LCD130；分析器132；以及投影透镜134。
现在来说明LCD投影仪100的工作原理。LCD器件130作为光阀或调制器用来接收入射光并将所希望的图形加到入射光上，然后入射光通过投影透镜134投影到所需要的显示区即屏幕上。为产生具有高对比度的高质量图象，LCD130要求入射光在一个预先确定的方向基本上是线性极化的。在LCD投影仪100中，LCD器件130最好是一个反射型LCD器件，如硅上液晶(LCOS)器件。大家都熟悉反射型LCD器件的工作原理，而且可以从美国专利NO.6023309和6052165等中了解到。
图1例示的LCD投影仪100采用一种卷轴式(scrolling)彩色系统。在这种系统中，白光被分成组成它的红(R)，绿(G)和蓝(B)三色光束。这三色光束把LCD板照明为空间分隔的光条。光条从顶到底卷过LCD。一旦一种颜色卷至LCD的底部，它又马上出现在顶部。所有三种颜色(R，G，B)在所有的时间都出现在LCD上。
为产生彩色图象，LCD在三个不同的位置同时被有效地编址。一种给定颜色(如绿色)的数据在前一种颜色(如蓝色)刚通过后就被写到一行上。于是彩色光的(绿)带将象素照明。LCD板在三个位置被编址，且这些编址行与照明模式同步地向下移动。对卷轴式彩色结构的工作的更详细说明，可从“Single Panel Reflective LCDProjector，”J.A.Shimizu，Projection Displays V，ProceedingsSPIE，Vo1.3634，PP.197-206，(1999)中了解，这里为各种目的通过引用将其包括进来，可以看作在这里进行了完整的说明。
再回到图1，灯102产生一种一般是未经极化的高强度光。积分器104从灯102接收光，并使光成形且分布均匀，以得到通常为矩形的光束。积分器104和105一般都是由一个透镜阵列组成。积分器104和105在焦平面F上产生多个二次光源象。
PCS106处于积分器的焦平面上，用来使照到上面的入射光基本线性极化。
图2为可用于LCD投影仪100的积分器105，PCS106，和聚光镜107的一种具体实施方案。积分器105由一个透镜阵列组成。PCS106包含一个极化光束分光阵列210和一块半波板220。极化光束分光器阵列210包括交替地安置的极化光束分光器212和镜子214。
PCS106用来接收通常未被极化的光，并将它转换成线性极化光“P”，然后极化光通过聚光镜107。与标准的吸收式极化器(此时只有约50％的具有所希望的极化(如“P”极化)的入射光通过，而大约50％的具有不希望的极化(如“S”极化)的入射光被吸收)不同，PCS106一般能让比极化器高的多的百分数的入射光(如80％的入射光)通过，而吸收一般被吸收在吸收式极化器中的一小部分光能量。因此，PCS106可用来使高强度(如高于几百流明)应用中的光极化，这时不能采用标准的吸收式极化器，因为所吸收的光能量将把它毁掉。另一方面，PCS106的消光比(TP/TS)一般要比吸收式极化器低得多，表明输出光的极化度较低。典型的PCS106的消光比小于10(例如8.25)。
除了使被吸收的光束极化之外，PCS106中极化束分光器212，相邻的镜子214，和半波板220的组合使光束的光学尺寸大致加倍。就是说PCS106差不多使采用它的照明系统的光学尺寸加倍。
对PCS106的工作的更详细描述，可从“Ultra-High-EfficiencyLC Projector Using a Polarized Light Illuminating System，”Y.Itoh et.，1997 Society of Information Display Digest，pp.993-996(1997)中了解，这里为各种目的通过引用将其包括进来，可以看作在这里进行了完整的说明。
再回到图1，从PCS106出来的基本上已极化的光，通过二色颜色过滤器108和110将已极化的光分成一些不同颜色的光束(例如，分别标为“R”，“G”，“B”的三种颜色)。其中每一种颜色的光束(红，绿，蓝)被提供给相应的旋转棱镜116，118或120，以将彩色束扫描到卷轴彩色系统的LCD130上。二色颜色过滤器112和114将各种彩色光束导向预极化器126。
预极化器126增大入射到它上面的彩色光束的消光比，为LCD130提供高极化的光。预极化器的平面上有吸收和非吸收两个方向，前者垂直于后者。具有希望有的极化“P”的光沿着预极化器126的非吸收方向通过预极化器126至极化束分色器128，而剩下的光一般被极化器所吸收。极化器作为一种非理想器件，其消光比是有限的，因而有少量具有不希望有的“S”极化的彩色光束通过该器件。
基本上已极化的彩色光束从预极化器126进入极化束分色器128。极化束分色器128将基本已极化的彩色光束导向LCD器件130。同时，少量具有不希望的“S”极化的残余彩色光束被束分色器128导向背离LCD器件130的方向(例如，穿过该器件)。
如上面曾简单描述的那样，LCD器件130将所要求的图象信息通过调制入射光的极化并将已成像光反射回到极化束分色器128加到基本上已极化的彩色束上。
极化束分色器128将具有所希望的极化“S”的已成像光从LCD器件130导向分析器132，而将具有不希望的极化“P”的反射光从LCD器件130导向背离分析器132的方向。分析器132使入射到它上面的已成像光进一步极化，并将已成像光提供给投影透镜134。
最后，投影透镜134将已成像光放大并投射到所希望的显示区域即屏幕上。
虽然这种类型的LCD投影仪用来投影一个图象还较满意，但它有一些局限性。首先PCS非常昂贵而且制造复杂。另外，如前所述，PCS将照明系统的光学尺寸加倍，这差不多要让捕获光束所需的LCD的尺寸增加一倍。还有PCS因变得很热而需要冷却，因而降低了整个系统的使用寿命。预极化器也需要有效的冷却以延长其寿命，这进一步影响了系统的耐用性。再者，PCS也不适宜用作高强度投影仪(例如，大于1000流明)的大功率光源(例如比1000瓦大得多)，因为被PCS吸收的光能量将使器件失效。
本发明的一个目的是提供一个适用于高功率投影仪的图象显示系统，希望它的使用寿命较长，而且对冷却的要求不那么严格，同时最好所包含的极化元件比较简单便宜。
此目的可通过如权利要求1所规定的按照本发明制成的一个图象显示系统来实现。
在这个装置中，基本上非吸收的极化元件接收从颜色分离装置来的基本上未极化的入射彩色光束，并让接收到的具有所希望极化的彩色光束的第一部分通过，并反射具有不希望有的极化的剩余入射光束的绝大部分。最好是极化元件让入射彩色光束的50％左右通过，而将其50％左右反射。因而只有很小百分数的入射到极化元件上的高强度光被它所吸收，从而降低了对器件冷却的要求，同时增加了图象显示系统的使用寿命。
其它一些优良的具体实施装置将在相关的权利要求中说明。本发明的这些和其它一些特征，将在参照下面对一些具体实施装置的描述后变得显而易见。
在附图中：
图1表示一种相关的LCD投影仪；
图2为一种积分器，极化转换系统，和聚光透镜的具体实施装置；
图3表示一个图象显示系统的第一种具体实施装置；
图4为一种用来确定各种极化元件对显示系统对比度影响的测试台显示系统；
图5表示入射到图4的测试台显示系统的极化束分色器的消光比与系统所显示图象对比度的关系；
图6为一种图象显示系统的第二个具体实施装置。
图3是具有本发明的一个或数个特征的图象显示系统300的第一个具体实施装置。为简单明了起见，只给出了与本发明相关的那些系统部分。
图象显示系统300包含下列相关部件：光源302；第一和第二积分器304和305；聚光透镜307；颜色分离装置350；基本上为非吸收的极化元件326；极化束分色器328；成像器330；分析器332；和投影透镜334。
现在来说明第一个优选实施装置图象显示系统300各相关元件的工作原理。图3所示的图象显示系统300采用一个上面已说过的卷轴式彩色方案，其中成像器330用作光阀或调制器，用来接收入射光并将所需的图象加到入射光上，然后通过投影透镜334把入射光投射到所希望的显示区域即屏幕上。
光源302(可能是一盏灯)产生高强度且一般为非极化的光。积分器304接收从灯302来的光，并使光成形且分布均匀，以产生一个通常为矩形的光束。每个积分器304，305各由一个透镜阵列组成。
从积分器来的基本未极化的光穿过颜色分离装置350，以将基本未极化的光分成一些彩色光束。在图象显示系统300中，颜色分离装置350包含二色滤色器308，310，312，和314，旋转棱镜316，318，和320，以及反射镜322和324。
从颜色分离装置350出来的基本未极化的彩色光束被提供给基本不吸收的极化元件326。
基本不吸收的极化元件326接收从颜色分离装置350来的基本未极化的入射彩色光束，并让具有所希望的极化(例如“P”)的被接收彩色光束的第一部分通过，而将具有不希望有的极化(例如“S”)剩余入射光束的绝大部分反射。最好是极化元件326让50％左右的入射彩色光束穿过，而将50％的入射彩色光束反射。因而，只有很小一个百分数的入射到极化元件326上的高强度光被它吸收，从而降低了器件冷却的要求，同时增加了图象显示系统300的使用寿命。
基本上不吸收的极化元件326最好包括一个极化束分色器，一个反射极化器，或者一个宽带丝网极化器。美国专利6,025,897中有一个反射式极化器的例子，美国专利No.6,112,103中有一个宽带丝网极化器的例子。
极化元件326让具有所希望的极化(例如“P”)的彩色光束部分射到极化束分色器328上。极化束分色器328则将基本上为线性极化的彩色光束导向成像器330。同时，具有不希望有的极化(例如“S”)的少量残余彩色光束则被束分色器328导向背离成像器330的方向。
成像器330最好是一个液晶光阀，例如前面已简略提到过的反射液晶显示(LCD)器件。成像器330通过对入射光的极化的调制和把已成像光反射回到极化束分色器328，将所需的图象信息加到基本上线性极化的彩色束上。
极化束分色器328将从成像器330来的具有所希望的线性极化(例如“S”)的已成像光导向分析器332，而将从成像器330来的具有不希望有的极化(例如“P”)的反射光导向背离分析器332的方向。分析器332将入射到它上面的成像光进一步极化，并将已成像光提供给投影透镜334。
最后，投影透镜334将成像光放大并把它投射到一个所希望的显示区域即屏幕上。
在一种由第一种具体实施装置修改而成的图象显示系统300中，不是把基本上非吸收的极化元件326放在颜色分离装置350和极化束分色器328之间，而是把它置于积分器304和颜色分离装置350之间。在那种情况下，颜色分离装置350接收从基本上非吸收的极化元件326来的基本为极化的光。
由于第一种具体实施装置的图形显示系统300不用PCS或预极化器，故与以前的系统相比，成本下降了，冷却要求降低了，同时使用寿命延长了。另外，与以前的系统相比，不用PCS的系统减小了照明光路的光学尺寸，因而系统所用的成像器(例如LCD器件)的尺寸可以减小，这就进一步降低了图象显示系统的成本和尺寸。再有，不用吸收式预极化器和PCS，就可以采用更高功率的光源而不会毁坏这些器件。举例来说，光源304可以是盏功率1KW甚至更大的灯，产生1000流明以上的投射光强。
为确定提供给图象显示系统中极化束分色器的光的消光比与系统显示图象对比度之间的相互关系，可以利用图4所示的测试台400。这个测试台400包括：光源405；滤色器410；积分器415；第一检测元件425；第一和第二透镜430，435；第二检测元件440；极化束分色器445；1/4波极450；镜子455；分析器460；投影透镜465；和投影屏幕467。
利用各种元件(包括极化转换系统PCS，预极化器，反射极化器，和宽带丝网极化器)的组合可以代替图4中的测试元件425和440；从而对每个选定的元件组合，测试其入射在极化束分色器445上的极化光的消光比，以及投影透镜465的光输出强度和对比度。
表1为极化束分色器445输入处的消光比和相应的显示亮度和显示对比度，这是采用各种不同元件束做第一和第二测试元件425和440所得到的。
表1
| 元件425 | 元件440 | 消光比 | 显示亮度(流明) | 显示对比度 |
| PCS | 预极化器 | 530 | 505 | 850 |
| 无 | 无 | 1 | 498 | 267 |
| 无 | 丝网极化器 | 787 | 465 | 950 |
| 无 | 反射极化器 | 171 | 488 | 705 |
| PCS | 无 | 8.25 | 594 | 692 |
图5为投射到图4的极化束分色器445上的光的消光比与该装置显示的图象对比度之间关系的最佳拟合曲线。从图5看出，当消光比从1增至10时，对比度大约增高了150％。但光进一步增加消光比(从10至100)，对比度只再增加约16％，而且若消光比从10增至800，对比度仅增高约37％。
因此我们认定，在某些应用中，若采用极化转换系统(PCS)且在极化束分色器之前的照明光路中没有其它的极化元件，则图象显示系统可以达到很高的输出效率和可以接受的对比度。
图6是具有本发明的一种或数种特征的图象显示系统600的第二个优选实施装置。为简明起见，只画出了与本发明有关的那些系统部分。
图象显示系统600包括以下有关部分：光源602；第一和第二积分器604，605，极化转换系统(PCS)606；聚光透镜607；颜色分离装置650；极化束分色器628；成像器630；分析器632；以及投影透镜634。
现在来说明第二优选图象显示系统装置600中各组成元件的工作原理。图6的图象显示系统600采用一个如前所述的卷轴式彩色方案，其中成像器630用作光阀或调制器，用于接收入射光并将所需图象加到入射光中，然后将入射光通过投影透镜634投射到所希望的显示区域即屏幕上。
光源602(可以是一盏灯)产生高强度的且一般为非极化的光。积分器604接收从灯602来的光并使它成形且分布均匀，以产生通常为矩形的光束。每个积分器604，605各由一个透镜阵列组成。
PCS606用来使投射到它上面的光基本上线性极化。PCS606用于接收一般为非极化的光并将它转换成具有所希望的线性极化(例如“P”)的基本上已极化的光。
从PCS606出来的基本上已极化的光通过一个颜色分离装置650将基本上已极化的光分离成一些彩色光束。在图象显示系统600中，颜色分离装置650包括二色颜色滤色器608，610，612和614，旋转棱镜616，618和620，以及反射镜622和624。
从颜色分离装置650出来的基本上已极化的彩色光束被提供给极化束分色器628。极化束分色器628将基本上已极化的彩色光束导向成像器630。同时，一小部分具有不希望有的极化(如“S”)的残余彩色光束被束分色器628导向背离成像器630的方向。
成像器630最好是一个液晶光阀，如前面讲过的反射液晶显示(LCD)器件。成像器630通过调制入射光的极化并将已成像的光反射回到极化束分色器628而将所需要的图象信息加到这些已基本极化的彩色束上。
极化束分色器628将从成像器630出来的具有所需要极化(如“P”)的已成像光导向分析器632，而将从成像器630来的具有不需要极化(如“S”)的反射光导向背离分析器632的方向。分析器632进一步将投射在它上面的已成像光极化，并把已成像光提供给投影透镜634。
最后，投影透镜634将已成像的光放大并投射到所希望的显示区即屏幕上。
由于此第二实施方案图象显示系统600不包含任何预极化器，所以比较耐用且容易冷却。另外，从表1可知，其输出光的强度比包含预极化器的系统要高。
虽然我们这里介绍的是一些具体实施装置，但可以对它们作许多修改而仍然不超出本发明的概念和范围。举例来说，本发明介绍的第一和第二具体实施装置都是单板卷轴式彩色LCD投影系统。但本发明的原理不应该只局限于这些系统，而可以采用3板彩色LCD投影仪等，以及类似的图象显示系统。本领域普通技术人员在考查上面的说明和附图以及下面的权利要求书以后，将会明了这样的变化。只要不脱离后面权利要求书的范围和构思，本发明并不应被局限。
Claims (10)
1.一种图象显示系统(300，600)，包括：
一个发射光的光源(302，602)；
一个用来接收光的非吸收极化元件(326，606)，它将具有第一极化的第一部分光导向第一方向，而将具有第二极化的第二部分光导向第二方向；
一个成像器(330，630)，用来将图象信息加到第一部分光上并产生已成像的光；
一个投影透镜(334，634)，用来投射已成像的光；
一个极化束分色器(328，628)，用来将具有第一极化的第一部分光导向成像器(330，630)，以及将从成像器(330，630)出来的已成像光导向投影透镜(334，634)。
2.如权利要求1所述的图象显示系统(300)，还包括颜色分离装置(350)，用来把从光源来的光分离成一些彩色光束，并把包括彩色光束的光提供给非吸收极化元件(326)。
3.如权利要求1所述的图象显示系统(600)，还包括颜色分离装置(650)，用来把从非吸收极化元件(606)来的第一部分光分离成一些彩色光束，并把包括彩色光束的第一部分光提供给极化束分色器(628)。
4.如权利要求3所述的图象显示系统(600)，其中在颜色分离装置(650)和极化束分色器(628)之间没有其它的极化元件。
5.如权利要求1所述的图象显示系统(600)，其中第一部分和第二部分光各占光的50％左右。
6.如权利要求1所述的图象显示系统(300，600)，其中成像器(330，630)包括一个光阀，其用来调制一彩色光束以将图象信息加到光束上。
7.如权利要求1所述的图象显示系统(300，600)，其中光阀(300，630)包括一个反射式液晶显示器件。
8.如权利要求1所述的图象显示系统(300)，其中极化元件(326)包括一个反射极化器。
9.如权利要求1所述的图象显示系统(300)，极化元件(326)包括一个第二极化束分色器。
10.如权利要求1所述的图象显示系统(300)，其中极化元件(326)包括一个丝网极化器。
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