專利名稱：包括電光光調制器和旋轉光反射元件的滾動彩色投影系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及彩色投影系統，更具體涉及包括單個電光光調制器以及旋轉光反射元件的投影系統。
已知的彩色投影顯示器系統中，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顏色成分來分別調制，然后把經調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制器來進行子光束的調制，該調制器例如液晶顯示器(LCD)板，每個調制器對應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中，由單個LCD板來調制全部三個子光束。這是通過將子光束成形為帶狀橫截面，并且連續滾動這些帶通過LCD板，同時同步尋址由具有相應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的。這種投影系統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于采用相同類型的光閥板的三板系統的光學效率。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系統的各種滾動裝置。采用單棱鏡滾動裝置的系統是簡單且緊湊的，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提供了比采用三個物理上連接的棱鏡更好的光學效率，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滾動的改進SPSR彩色投影系統。在這種系統中，在滾動之前照射光束沒有分成獨立的彩色光束，并且該光學結構簡單且緊湊。具有反射表面部分的單個旋轉對稱元件具有不同的顏色反射帶，該旋轉對稱元件圍繞其軸旋轉，同時光源發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，該中繼透鏡將規定的元件表面部分成像到光調制板上。從該元件反射的顏色帶通過其旋轉在單個電光光調制板上滾動。在滾動過程中，驅動器電子器件同步地尋址具有顯示信息的相應顏色成分的板。
Gleckman的旋轉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。當沿著元件表面的法線引導入射光束時，這種曲率可以發生回射，從而確保在旋轉過程中由二向色濾光片的截止波長的角度敏感度產生的顏色偏移最小，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制板(小于1.3英寸)，以及相應獲得更小的光學部件。因此，簡單而緊湊的光學結構是可能的，導致部件數量少的緊湊投影儀。
然而，在Gleckman披露的裝置中，從元件反射的顏色帶與光調制板具有相同的尺寸。利用這種或相似類型的旋轉元件，用于旋轉元件的鼓帶有按照紅/綠/藍色順序的某種組合設置的反射或透射濾色片。入射到該鼓上的光經由適當的光學元件反射或透射，使得顏色過渡聚焦到顯示設備上。當該鼓旋轉時，顏色在該設備上向下滾動，使得當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在該板上，優選面積相等，這應當生成更好看的像，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選實施例中，全部三種顏色同時表現為獨立的條，并且共同在該板上滾動。例如，當紅色場滾動離開該板的底部時，新的紅色場出現在頂部，這與Philips滾動顏色結構的方式相同，在該結構中由通過旋轉棱鏡反射的光產生滾動顏色，此處的不同之處在于由旋轉元件，例如鼓來提供滾動的顏色帶。
相應地，根據本發明的一個方面，提供了一種用于彩色投影的設備，其包括光源；具有旋轉軸和多個表面段的旋轉對稱元件，能夠將光源發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)，用于將光源發出的光引導到表面段；產生顯示圖像的電光光調制板；第二光電路，用于將來自表面段的光引導到光調制板上，這樣當旋轉對稱元件圍繞旋轉軸旋轉時，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制板上滾動。
根據本發明的另一方面，提供了一種用于彩色投影的方法，其中光源產生光，并且通過將光源發出的光引導到具有旋轉軸的旋轉對稱元件的至少三個表面段上而將該光轉變為至少包括第一顏色、第二顏色和第三顏色的多個相互不同的顏色帶。通過圍繞旋轉軸旋轉該旋轉對稱元件，多個相互不同的顏色帶在產生顯示圖像的電光光調制板上滾動，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制器上滾動。
現在，將根據有限數量的優選實施例參照附圖來描述本發明，在附圖中圖1是根據本發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是本發明的彩色投影系統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，該鼓具有旋轉軸X和18個二向色顏色段11，每個顏色段占據了圓周的大約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。確切數目取決于希望得到的鼓的旋轉速度和希望得到的電光光調制器的尋址速度。
反射段11用于將各種顏色的光反射到產生顯示圖像的電光光調制板上，在本實施例中該調制板為反射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”狀態的時間間隔內對RLCD照明。添加散布有顏色段的一個或多個白色段能夠導致該系統的光輸出增加達到50％。典型的是，一個白色段可以添加到段11的每個RGB組，從而產生例如圖1的鼓的24段的變型，其具有例如重復的顏色段順序。
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劑粘附。
優選的是，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。適當的二向色涂層淀積方法包括濺射(在低溫塑料的情況下)，和熱蒸發(在高溫塑料的情況下)。
段11的設置和相鄰層的選擇優選應當是這樣的，基本上以中繼系統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，并且通過粘結層121粘結到鼓表面120。層121和122通常是光透射的。因此，鼓表面120應當是吸收光(例如黑锍)或者散射光的。可選擇或者此外，可以通過向層121和/或層122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構吸收或散射。
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變為S。
圖3是本發明的彩色投影系統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(偏振轉變系統)42轉變為P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發出的光引導到旋轉鼓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。可選擇的是，可以使用更簡單的具有至少一個透鏡元件的透鏡系統。
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生回射的入射角聚焦到旋轉鼓58的表面上(即沿著鼓表面的法線引導光)。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將光從表面段引導到光調制板上。四分之一波片54將P型偏振光轉變為S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56、64和66應當具有足夠的質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根據顯示信號改變該光，以產生顯示圖像，該顯示信號例如來自視頻輸入37、由驅動器電子器件36施加。RLCE將圖像經由PBS 68反射到投影透鏡74，以投影給觀眾。RLCD 72在明亮狀態下將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、亮度或對比度的變化。
PBS可以具有常規的(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量的圖像，那么優選使用玻璃類型的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。
本發明已經就有限數量的實施例進行描述了。對于本領域技術人員來講其它實施例、實施例的變型和本領域公知的等價物是顯而易見的，并且意在包含在如所附權利要求書提出的本發明的范圍內。
例如，取代鼓，該旋轉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軸傾斜，這和錐形元件的情況一樣，以便引導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。
取代以P型偏振開始、變為S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、變為P型并且變回S型。
最后，可以制造本發明的其它實施例，其中表面段是透射的，而不是反射的。可以輕易地實現使用透射段的變型，例如使用平面或錐形顏色輪或者具有例如內反射元件的中空鼓。
權利要求
1.一種彩色投影系統，包括光源；具有旋轉軸和多個表面段的旋轉對稱元件，其能夠將光源發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，用于將光源發出的光引導到表面段；產生顯示圖像的電光光調制板；第二光電路，用于將來自表面段的光引導到光調制板上，這樣當旋轉對稱元件圍繞旋轉軸旋轉時，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制板上滾動。
2.根據權利要求1所述的彩色投影系統，其中該表面段是彎曲表面段。
3.根據權利要求2所述的彩色投影系統，其中該表面段的曲率匹配該元件表面的曲率。
4.根據權利要求1所述的彩色投影系統，其中該表面段是圓柱彎曲表面段。
5.根據權利要求1所述的彩色投影系統，其中該表面的表面段包括二向色濾光片。
6.根據權利要求5所述的彩色投影系統，其中該二向色濾光片形成在支撐體上，并且該支撐體粘結于元件表面。
7.根據權利要求5所述的彩色投影系統，其中該二向色濾光片具有顏色反射帶。
8.根據權利要求5所述的彩色投影系統，其中該二向色濾光片具有顏色透射帶。
9.根據權利要求1所述的彩色投影系統，其中該第一光電路包括圓柱透鏡。
10.根據權利要求1所述的彩色投影系統，其包括用于將光源發出的光集成到遠心光束中的光積分器。
11.根據權利要求1所述的彩色投影系統，其包括用于將光源發出的光轉變為P型偏振光的偏振元件。
12.根據權利要求1所述的彩色投影系統，其包括用于將光源發出的光轉變為S型偏振光的偏振元件。
13.根據權利要求1所述的彩色投影系統，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，包括從光源產生光；通過將光源發出的光引導到具有旋轉軸的旋轉對稱元件的至少三個表面段上，來將光源發出的光轉變為至少包括第一顏色、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+轉軸旋轉該旋轉對稱元件，多個相互不同的顏色帶在產生顯示圖像的電光光調制板上滾動，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制器上滾動。
15.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求14所述的彩色投影方法，包括使用圓柱透鏡來將光源發出的光引導到表面段。
19.根據權利要求14所述的彩色投影方法，包括使用光積分器來將光源發出的光集成到遠心光束中。
20.根據權利要求14所述的彩色投影方法，包括使用偏振元件來將光源發出的光變為偏振光。
全文摘要
提供了一種彩色投影的方法，其中從光源產生光，并且通過將光源發出的光引導到具有旋轉軸的旋轉對稱元件的至少三個表面段上，來將該光轉變為至少包括第一顏色、第二顏色和第三顏色的多個相互不同的顏色帶。通過圍繞旋轉軸旋轉該旋轉對稱元件，多個相互不同的顏色帶在產生顯示圖像的電光光調制板上滾動，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 優先權日2002年12月13日
發明者R·H·凱恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司