专利名称：具有双光路的偏振光源系统的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及偏振光源领域，例如直接或通过投影观察显示器的偏振转换系统(PCS)。尤其是，本发明涉及一种用于增强亮度的具有不同偏振的双光路的偏振光源。
相关技术描述许多用于投影和直视系统的显示器在偏振的基础工作。这种显示器包括反射型显示器(例如LCoS(硅液晶)、超扭曲向列液晶(STN)、和铁电体(FLC))和透射型显示器(例如薄膜晶体管(TFT)、多晶硅(P-si)和硅绝缘材料(SOI))。这些显示器可通过改变入射光的反射光或透射光偏振态产生高分辨率图像。例如，在一种LCoS显示器中，在暗态时，像素基本上不改变偏振地反射所有的光。在亮态时，像素将反射的入射光的偏振态旋转为相应的正交偏振态。通过用偏振光照明显示器、然后滤除几乎所有的具有该偏振的反射光，该显示图像才可由人眼观察到或投射至一观察屏上。
在单面板投影系统中，用红、绿、蓝光的短脉冲串(burst)照明显示器，同时显示器与脉冲光源同步以反射图像的适当颜色分量。也可单独使用白光或其它色光串，或是与红、绿和蓝光混合使用。短脉冲串可来自色轮或脉冲LED(发光二极管)。在人的知觉中混合快速交替的红、绿和蓝图像，形成显示的全色图像。然而，对于数字显示器或是目标显示器也可用单色光照明显示器。这种显示器用在个人显示观察和虚拟现实系统中，例如头盔、挡风玻璃和护目镜投影系统，以及小型便携投影仪、手机。
因为大多数传统的低成本光源产生混合偏振态的光，该光一般由PBS(偏振光分束器)分解。一种偏振(通常为S偏振)方向的光经过该PBS传播，而同时由PBS反射正交偏振(通常为P光)方向的光。其它通用的方法是使用吸收一个偏振方向光的滤光片。通常在这些不具有偏振转换系统的系统中，无论是反射型还是吸收型系统都损失一半的光。这导致减暗的显示(dimmerdisply)或是需要更亮的光源。在投影仪中，减弱的显示比较难于观察，而较亮的光源增大了投影仪系统的能量消耗和成本。由于主要产生额外的热量，较亮的光源就需要较大的壳体，以提供足够的空间冷却或是容纳冷却光源的风扇。风扇增加了额外的成本、能量消耗和噪声。
为了提高效率，可用多个PBS替代简单的单个PBS。该多个PBS具有小偏振光束分束器和联合透镜(associated lens)的二维阵列。这些光束分束器和透镜精确对准，使得多PBS的输出光基本上准直并具有单一偏振态。该多个PBS将几乎全部的输入光转换为同一偏振态。然而，由于所需的结构复杂，并且需要使每个PBS结构和每个透镜精确对准，导致了制造费用昂贵。该多个PBS因此增加了投影系统的成本。
多个和单个PBS系统的另一个缺陷在于，在一般的PBS中，在水平轴和垂直轴之间，不同的入射角度上的透射率不同。在大多数情况下，PBS透射所接收到的一个光轴中入射角的范围大于另一个光轴中的光。这样，PBS在一个方向上的效率高于在另一个方向上的效率。可通过扩展那个方向上的光增加PBS的效率，然而，传统PCS(偏振转换系统)的角强度分布是中心对称点。
发明内容
本发明描述了一种用于向显示系统提供增强型偏振光源的方法和装置。在一实施例中，该发明包括一光源，其产生具有多个偏振态的光；一中继光学系统，其中继在中继光学系统上成像的光至一显示器上；一光学成像元件，其将光源的光成像至中继光学系统；一偏振分离器，其引导第一偏振的光至该光学成像元件的第一部分，并引导第二正交偏振光至该光学成像元件的第二部分；以及一偏振转换元件，位于光学成像元件和中继光学系统之间，以接收来自光学成像元件具有第二偏振的光并将其偏振态转换为第二偏振态。
本发明其它的特点将在下述的附图和详细描述中显而易见。
附图简要说明本发明通过实施例进行说明，但不仅仅局限于实施例，在所附的各个附图中相同的参考标记表示相同的元件，其中
图1是本发明透射型显示面板的具体实施例中投影仪照明系统的截面侧视图；图2是本发明中适用于偏振反射器的偏振分束棱镜一部分的放大横截面图；图3是适用于用在本发明中的液晶偏振分束器的横截面图；图4是与图1相似的并适于应用在罗歇棱镜(Rochon-type prism)上的投影仪照明系统的横截面侧视图；图5是适于用在图4的实施例中的罗歇棱镜的横截面图；图6是与图1和图4相似的并适于应用在反射显示面板上的投影仪照明系统的横截面顶视图；图7是本发明透射型显示面板的另一实施例中投影仪照明系统的横截面侧视图；图8是与图7相似的并适于应用在反射显示面板上的投影仪照明系统的横截面顶视图。
具体实施例方式
本发明提供了一种用于反射型和透射型显示器的低成本高效率的照明光源，该光源同时利用双光路，每个光路对于该光路的一部分具有不同的偏振态。本发明还提供在一个方向上扩展的辐射强度图，进一步提高通过一般PBS(偏振分束器)材料的效率。其可在投影系统中用作反射型LCD(液晶显示器)的PCS(偏振转换系统)，也可用在许多的其它方面。因此，能以较低的成本在亮度和对比度上获得相同或较高的系统性能。
图1中示出了本发明一个实施方案的例子。图1的实施例尤其适于使用透射型显示器(如LCD)或光阀显示器的投影仪，然而，也可用于其它的反射型或透射型显示器。在图1的实施例中，所示的组件构成了透射型显示器的背光。简言之，来自投影灯系统11的光由红、绿和蓝色色轮13滤光，再由反射偏振器15滤光，入射至透射型显示器17上。在一些实施方案中，色轮还可包括附加的或是代替红、绿和蓝部分的白色部分。另外，也可使用LED照明系统或任何各种其它的照明系统。
P偏振光经过偏振器并入射至显示器上，图像的亮部分P偏振光透射经过显示器，图像的暗部分P偏振光被反射或吸收。该透射光直接进入或通过其它光学元件进入投影透镜(未示出)或其它成像系统。该投影透镜将显示投影至一屏上(未示出)。该图像可为来自任一类型图像或视频介质的静止或运动图像。该系统可用作生成幻灯片的计算机的投影装置和数字源映像的投影装置，然而，也可有许多其它的应用，诸如游戏、电影、电视、广告和数字显示。本发明还易于适合反射型显示器以及偏振照明所需的任何类型的薄膜或板。图1的系统也连接多种显示驱动器(未示出)。该显示驱动器接收图像或视频信号，并将将该信号驱动和转换为适合于驱动显示器和灯系统的形式。
更详细的考虑图1的实施方案，灯系统11和色轮13将来自灯系统的光耦合至光管21。该光管部分地照明并准直光，并给出所需的均匀的照明截面形状。一般的光管具有矩形横截面，并且可以是直的或者是在靠近光源的入口处较小，在出口处较大，但也可使用任何类型的光准直器件或光源。对于普通投影仪来说，理想的横截面形状是适合投影图像长宽比的矩形。例如，对于电脑显示器图像的长宽比为4∶3，对于电影显示器图像的长宽比为16∶9。可选择与显示器17的长宽比相匹配的长宽比。如果需要，可使用多种已知的技术以不同于显示器的长宽比显示图像。
灯系统、色轮和光管可以是传统设计或是根据特殊应用的任何其它设计。色轮可以用任何其它类型的颜色选择装置或是调制系统替换，或是如果灯系统可产生不同颜色的光或是仅需要一种颜色时可取消色轮。在一实施例中，灯系统是一组与显示器同步脉冲的红、绿和蓝LED(发光二极管)，以产生示于观察者的不同颜色。在另一实施例中，带有三个不同显示器43的三个不同的系统，每一个系统对应红、绿和蓝中的一个颜色，并且三个图像光学组合以用于显示。这种系统可采用通过本领域中公知的棱镜或二色镜分离颜色的单个灯。
来自光管21的光进入成像元件25和由单个光学元件45组成的中继光学系统23。这些元件可以是传统的球面透镜。达到系统的成本和尺寸目标所需的表面可包括各种非球面、衍射表面或是菲涅尔表面。折叠、弯曲或是修正照明光作为指定需求时，也可适当的添加棱镜、反射镜和其它的校正元件。中继系统设计为在显示器上产生基本上均匀的光管出射光的远心照明图像。成像元件25在该中继系统的中间位置26产生灯系统的中间像。中继系统的透镜41还在无限远处使该中间灯图像再成像。如果使用不同的灯系统，可对成像元件和中继光学系统作适当的修改以适应这种差异。如果不受到降低图像品质的角相关影响，显示器也可采用非远心照明。
对于本发明的远心光源，假设灯系统在无限远处。第一元件25的焦距为f1，其等于从该元件的焦平面至光管出射孔末端的距离，该焦距还等于从该元件的焦平面至中间成像位置26的距离。因此，光管的出射孔末端在无限远处成像。来自灯系统的光在系统的中间位置26处成像，该光在光管末端上基本上是远心的。如上所提到的，可使用任何其它的远心或非远心照明的光源取代图中所示的灯、色轮、光管系统。因此可根据照明系统的性质修改光学元件25从而在中间位置产生灯图像。如上所述，如果适当，可用各种类型的多个光学元件取代透镜25。经过适当调整的发散和会聚光源可应用到成像和中继光学系统中。
更详细的考虑焦距，第一透镜25的焦距为f1，并且其设置在距离光管21近似相同的距离f1处。因此，其形成灯图像，并且在位置26处具有出瞳，该出瞳远离透镜的距离为f1。第二透镜41的焦距为f2，其设置在距离中间位置26和显示器为f2的位置。第二透镜在远心照明的无限远处使来自第一透镜的光瞳(即，在中间位置26的灯图像)再成像到显示面板上。也可使光管的输出端在显示面板位置处成像。
从图1中可看出，成像透镜25以光管定中心，在中心位置26产生图像。换言之，成像透镜的光轴与光管的中心对准，然而，也可以为其它的结构。中继系统的透镜41也可关于灯系统、光管和第一透镜定中心。如图1所示，两个透镜粗略地关于显示器定中心。这意味着来自灯系统的光到达成像透镜并且直到显示器都保持居中。
如图所示，这些透镜不必关于光管或是显示器精确对中心。如果其它的偏心，每一个都可作稍稍地移动。另外，如果任一组件以一角度放置，那么第一和第二透镜可相应的移动。在所示的实施例中所选择的透镜设置可使光学系统的尺寸最小化。如果移动了第一透镜，或是以一角度放置反射型偏振器或反射镜，那么某些尺寸可能会增大，但是，可以以各种不同的方式移动元件，使其满足特定的尺寸和形状因子的限制。
反射偏振器15置于中继光学系统和显示器之间。该偏振器可以是棱镜、偏振分束器(PBS)、光束分离立方体、线栅或是薄膜。可使用已知的多种不同的反射偏振器件，诸如聚合物薄膜叠层或是电介质涂层组。可使用线栅偏振器用作偏振器以取代传统的各向异性—各向同性聚合物薄膜叠层。例如，在Perkins等人的美国专利No.6,122,103中记述了这种偏振器。适合的线偏振器为ProFluxTM偏振器，由美国犹他州Moxtsek提供。另外，还可以使用吸收型偏振器(例如，分色镜)。
反射型偏振器15接收来自中继透镜41的光，反射或是吸收来自灯系统光的S偏振组分，并透射P偏振组分。P偏振组分将传播至显示器17。如上所述，来自光管末端的光将通过中继光学系统23成像至显示器17上。观察光学系统(例如，投影透镜)将该图像投影至屏上。在另一实施例中，该观察光学系统是具有放大光学系统的观察屏。该观察光学系统可包括检偏器(如，碘基的PVA(聚乙烯醇)薄膜)或是线栅偏振器以滤出任何杂散的P偏振光，增加对比度。也可为适合特定的需要或是特定的灯系统将检偏器和偏振滤光器放置在系统的其它位置。
显示器上暗部分的光将被显示器不改变偏振的反射，如P偏振光。它将经过PBS反射回灯系统11。该光的一部分将在系统中再现并反射回显示器。示于图中的特定的显示器或投影仪光学系统结构仅仅是举例。本发明还可应用到其它类型的显示器和观察系统结构。
在上述描述中，仅P偏振光用于照明显示器，然而，一般的灯产生P和S偏振光。目前一般的灯类型包括钨灯、卤素灯和金属卤化物灯，但是任何含有LED的灯都可以使用。因此，经过光调制器13后从光管21出射的光将具有混合偏振。甚至来自LED的彩色发散光也具有混合偏振。为了提高光源的效率，该系统还具有偏振分离器35。该偏振分离器可位于光管21和成像透镜25之间的任意位置。图1所示例子中的偏振分离器以向下的角度引导P偏振光并以向上的角度引导S偏振光。如下文所解释，在不同方向发射两种偏振态允许它们得到不同的处理。
偏振分离器可采用几种不同形式中的任一种。在一个实施例中，该偏振分离器是沃拉斯顿(Wollaston)棱镜或是沃拉斯顿棱镜阵列。沃拉斯顿棱镜可通过正单轴材料(例如偏振轴彼此正交的石英)制成的两个棱镜粘合而成。在晶状棱镜材料的正交方向上不同的相对折射率将导致两个分离开的偏振光束之间不同的角度。已发现折射率差大于1.5会具有较好的角度分散。
作为选择，偏振分离器可由在其间具有偏振分束层的两个棱镜粘合而成。参照图2，第一棱镜51是在对角线切割的半立方体，第二棱镜53是具有粘合到对角线切面上的平坦表面的光楔。在两棱镜之间，将偏振分束器薄膜涂层或是表面55涂敷在对角线表面上。光楔棱镜在与对角线切面相对的平坦表面上具有反射涂层57。进入半立方体棱镜平坦表面61的S偏振光59被对角线表面上的分束器反射。P偏振光63传输至光楔棱镜并被反射面表面反射，但由于反射面关于分束器薄膜的角度，P偏振光以不同于P偏振的方向反射。另外，如果需要，棱镜或是反射镜可用于将光路展开为图1所示的直线型。
作为选择，可使用轴交替垂直的多层薄膜。该薄膜可由精密节距成型工艺(fine pitch molding process)制造。在另一实施例中，可利用液晶层制造偏振分离器。图3A和图3B示出了夹于具有锯齿形沟槽的棱镜112和玻璃层113之间的液晶层111。这种结构已经被公开，如Itoh等人的美国专利No.6,147,802。液晶分子在棱镜112的沟槽内平行排列，使垂直入射至棱镜上的光对应液晶分子分为P偏振寻常光116和S偏振非寻常光117。尤其是，来自光管的混合偏振光114进入棱镜112的平坦表面，其入射到棱镜112的沟槽的倾斜表面。当对应于寻常光的液晶分子的折射率等于棱镜112的折射率时，寻常光线116在棱镜的倾斜面115处不折射，而是以直线行进。然而，非寻常光线117被折射。寻常光线和非寻常光线行进方向的角度差是液晶和棱镜折射率比值的函数。
如果棱镜112由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或是聚碳酸酯制成，那么用市售的液晶，输出光线关于棱镜法线的发散角在每个方向上可从大约5度至20度变化。特定的角度将依靠棱镜的结构。较大的角度允许偏振分离器和成像透镜之间的较短距离。这允许使两个偏振态仍然完全分离的同时，整个光源具有较小的尺寸。也可调整在棱镜112的平坦表面和倾斜表面之间的角度，从而获得两个偏振态之间所需的的分离量。已经发现37度时工作的较好。也可增加光管和其它组件的角度以获得特定需要的所需罩形。
可选择用有机膜代替液晶制造偏振分离器。例如，可制造具有锯齿状沟槽的延迟膜。另外，可排列单聚膜然后利用紫外光或热能聚合。无论所使用的构成材料如何，如果偏振分离器制造的尽可能薄，其与其它的光学组件都将提供较高的性能。另一方面，为了减少散射并保持低成本，应保持较低的棱镜数目(每平方毫米为10的数量级)。厚度和棱镜数量之间的最佳平衡取决于特定的需要。
再次参照图1，中继透镜41关于光管、中间像26和成像透镜25定中心，以使来自偏振分离器的两个发散的偏振态每一个都关于中继透镜形成半光锥。P偏振寻常光经过图1中所示的成像和中继透镜的下半部分行进。S偏振非寻常光经过透镜的上半部分行进。在成像透镜25产生的中间像26的所在位置处，光路的上半部分中设有一个半波片，该半波片使任何通过其中的光的偏振方向旋转。该半波片位于S偏振光的光路中，并使S偏振光旋转为P偏振光，以使所有在中继透镜41上成像的光都成为P偏振光。也可用任何其它的偏振转换器件代替半波片。半波片可安装在偏振分离器和显示器之间的多个不同位置上。因为从偏振分离器散发出的两个不同偏振态在中间像位置较好的分离，所以在该中间像位置具有较好的效果。在第二透镜41和显示器之间两个光路趋向于重叠。
由偏振分离器和成像透镜偏离的S偏振光被半波片转换为P偏振光，其经过中继透镜41后，还将经过反射偏振器15至显示器17。偏振分离器和半波片的结合实质上允许重现所有来自光源的S偏振光并在显示器17上成像。除了在偏振分离器、透镜和其它组件中的损耗和散射，与许多没有多PBS个或是其它昂贵偏振转换系统的系统相比，该系统在显示器上的照明强度是它们的两倍。从灯系统至显示器，上部分光路中的光和在下部分光路中行进的光相结合，将会产生更亮、更清晰的图像效果。
但是，从光源至显示器的实际光路将根据偏振分离器和中继光学系统的性质而变化，通过使从灯系统至显示器的两个光路近似为同一长度以提高显示器的成像质量。灯系统的确切位置可以有些不精确。可测定为光源出瞳的像。在所示的实施例中，可考虑将灯定位在光管出瞳附近，即，紧靠着中继光学系统的光管末端。光学组件可定位成让光程长度相差不等于二的整数倍，这就保证了来自上部分和下部分光路的光都成像在显示器上。在所示的实施例中，分别对应两个偏振态的上部分和下部分光路长度相同。这样就提供了良好的窗口成像，然而为适应特定需要，也可以使光路的长度不同。当来自两个光路的光结合时，会产生更亮、更清晰的图像效果。
在显示器17处，灯系统产生的光在投影透镜入瞳中的角强度分布，即，角扩展或是或作为入射角的函数的光透射率，例如，方位角θ和极性角φ，看上去像一个在另一个上方的两个伸长的光斑。下方光斑来自直接从灯系统发射的下部分光路。第二光斑来自经过半波片的上部分光路。光强度关于两个垂直对准的点在水平方向上扩展(在图1中，可认为水平线是经过纸面所在平面的线，而垂直线是图1中的垂直线)。两光斑对应平均入射角接近于垂直显示器的中心区域。入射光的平均角从与中心有一段距离的垂线处有规则的发散。传统的系统可产生中心圆环状的角强度分布的光斑，而不是所示实施例的两个扩展椭圆形光斑。如果适当的选择并定位反射型偏振器，可利用照明的椭圆形扩展特性来提高反射型偏振器的效率。
许多类型的反射型偏振器和偏振光分束器(PBS)都具有透射率与角度的依存关系，两正交轴之间的透射率不同。在一个轴上(例如，水平轴)透射的入射光的角度范围大于另一正交轴上(例如，垂直轴)透射的角度范围。二色性PBS棱镜，线栅偏振器，胆甾型反射偏振器和一些PBS薄膜叠层都显示了这种性质。如图1中所示的结构通过在水平轴上扩展光的角强度，其与角强度关于中心点对称的逐渐减小相比，将会有更多的光透射过偏振器。通过适当的定位偏振材料可利用该特性，以使较大的角透射特性或是较大的角接收的轴与照明的角强度分布对准。换一种说法，通过使光斑的扩展方向和特定偏振器的等对比度曲线中高对比度的方向相匹配，来提高系统的透射率。伴随透射率的增加，相应的增强亮度和对比度。
角强度水平方向扩展的优点多于多个偏振器和PBS的优点。在一些投影系统中，例如，几个棱镜用于为不同光调制面板分离颜色，然后再为显示器重新混合颜色。因此，在单个系统中要使用八个或九个PBS表面。其优点也多于当偏振层与入射照明光的中心光线成角度放置时的情况，例如，一般的偏振光分束器立方体。角强度的水平扩展对显著增强显示的亮度和对比度的每一个棱镜都有益处。对于较小的以直接观察棱镜为基础的显示器也具有很大的益处。在本发明描述中使用的水平和垂直旨在帮助理解并提供方便。特定轴的指定可适于满足任意特定的需要，并且不必为笛卡儿座标或是正交坐标。对角线和极线方向也可用于扩展光的角强度分布，从而增加透射率。
图4示出了另一实施例，其中使用了不同的偏振分离器，例如，罗歇棱镜。该棱镜产生不相同的S和P偏振光的偏移。取而代之的是，如关于图5更详细的描述，当P偏振光向下偏移时，S偏振光基本上不受到影响。这种差异易于调节，例如，使成像透镜偏心。使成像透镜足够偏心以补偿并校正来自光管照明的偏移，其没有混合来自偏振分离器34的两个光路。然而，如图1中所示，中继光学系统41基本上关于显示器定中心。在其被偏振分离器偏移后，这允许中继透镜使光的图像在显示器上定中心。
在工作中，如图4中的光线追踪所示，来自色轮和光管的光被偏振分离器34分离为两种不同的偏振态，它们以不同的角度射出偏振分离器。由成像透镜25在中继位置26形成两个灯图像并经过中继透镜41将其中继至显示器。在图中P偏振寻常光线向下偏移并经过透镜的下半部分。S偏振分非寻常光线不被偏移并经过所有透镜的上半部分。该光路包括在中继像处的半波片35，半波片将非寻常光转换为P偏振光。
在入射到显示器之前，所有的光都入射到反射偏振器15。经过的偏振光在显示器上成像。通过观察用投影仪光学系统使经过显示器透射的光作为S偏振图像成像。任何来自灯的入射到偏振反射器上的S偏振光都被反射回灯，在灯中其将被回收或被偏振分离器发散。如图1的实施例中，偏振反射器可为棱镜或线栅偏振器。线栅分离器可提供减小的角相关以及不交轴光线(skew ray)补偿需要。该系统还会产生如上所述的两个水平扩展的强度亮斑。如上所述，可利用水平扩展提高观察图像的亮度和对比度。
如图5所示，图4的偏振分离器34还将混合的偏振光分离为寻常P偏振光线和非寻常S偏振光线。然而，非寻常光线并不与其入射的进入角偏离。另一方面，寻常光线比较显著的偏离入射的原始角。以这种方式工作的多种结构，其中一种结构是如图5所示的具有正交定向棱镜结构的罗歇型棱镜。罗歇棱镜可以利用具有不同折射率的材料以与上述沃拉斯顿棱镜相同的方法构造而成。图5的结构示出了来自两片材料的一列中构造的一连串棱镜。如上所述，也可用各种其它偏振分离器件取代之。
图6表示本发明的另一实施例，其中光源适合于反射型显示器，诸如LCoS或是STN显示器。因此，该系统被设计为起正面光的作用。以顶截面图示出的该系统与图1和4的侧视图相比较。灯系统、光管、偏振分离器、成像光学系统和中继光学系统与图1和图4所示的这些基本上相同。在该顶视图中，图4所示的偏心显然不同于图1的定中心透镜。还与图1和4相比较，为简单起见，只示出了中心光线。
在工作中，如中心光线所示的，来自色轮13和光管21的光被偏振分离器34分离为两种不同的偏振态，它们以不同的角度出射偏振分离器。它们都由成像透镜25在中间位置26成像并通过中继透镜41中继至显示器17上，在图中，P偏振寻常光学向下偏离进入纸面并经过这些透镜的下半部分。S偏振非寻常光线穿过所有透镜的上半部。该光路包括半波片35，其将非寻常光转换为P偏振光。
PBS 15设置在中继光学系统和显示器之间，PBS可以是棱镜、分束立方体、线栅或是薄膜。可使用已知的各种不同的分束器件，例如在对角线分束表面上的聚合物薄膜叠层或是二色性涂覆叠层。PBS 15接收来自中继透镜41的光，反射来自灯系统的S偏振组分的光，并且透射P偏振组分。P偏振组分将传播至显示器17上。如上所述，来自光光管末端的光将通过中继光学系统23成像到显示器17上。在显示器处，将显示图像亮部分的光的偏振旋转为S偏振光，并将其从显示器反射回PBS。该PBS与显示器成角度设置并入射来自中继光学系统的光，将来自显示器的反射图像引导至观察光学系统19。如上所述，观察光学系统可采取各种不同的形式，包括目镜和投影透镜。
在所示的实施例中，PBS具有与传统分束立方体相同的几何结构，其中PBS与显示器和从灯传播的光成45度角。也可选择其它几何形状以符合装配和价格的考虑。观察光学系统19，例如投影透镜，设置在垂直于显示器的位置以接收从PBS反射的光。因此，来自显示器构成将被观察到的图像的光，将被反射至观察光学系统19。该观察光学系统可包括一检偏器(例如碘基PVA(聚乙烯醇)薄膜或是线栅偏振器)以滤除任何杂散的P偏振光，增强对比度。为了适应特定的需要和灯系统，检偏器和偏振滤光片也可设置在系统的其它位置。
显示的暗部分的光将从显示器不改变偏振的反射，如P偏振光。其将经过PBS返回灯系统11。该光的一部分可在系统中恢复并反射回显示器。任何来自灯系统入射到PBS上的S偏振光线都从PBS反射出灯和显示器的光路并显示到反射镜33上。反射镜平行于中继光学系统的光轴设置，以使来自PBS的反射光反射到反射镜并且使偏振无明显改变的从反射镜朝向灯反射回中继光学系统。另外，该反射镜可由光吸收材料或由将光透射出系统的窗口代替。因为入射到PBS上的S偏振光的总量很小，所以光损耗将会很小。该系统也将产生上述两个水平扩展的强度亮斑。如图6所示，PBS具有成角度的分束表面，水平扩展仍旧是更有益的。
图7示出了与图1相似的本发明的实施例，只是中继光学系统23包括两个透镜。如图1所示，第一透镜27设置在中继位置26，第二透镜29取代了图1的中继透镜41。半波片35可与第一中继透镜27结合。这种三透镜系统可使用包括上述各种不同的偏振分离器。可调整透镜位置和焦距(例如，如图1和图4所示的)以适应来自偏振分离器和光源的不同的光输出图案。尤其是，可使成像透镜25偏离中心以适应作为偏振分离器的罗歇棱镜。
在工作中，如图7所示的光线轨迹，来自色轮和光管的光被偏振分离器34分为两个不同的偏振态，这两种偏振光以不同的角度出射偏振分离器。它们都由成像透镜25成像在第一中继透镜27上并通过第二中继透镜29中继并成像在显示器17上。在图中，P偏振寻常光线116向下偏离并经过透镜的下半部分。S偏振非寻常光线117向上偏离并经过透镜的上半部分。该光路包括将非寻常光线的S偏振光转换为P偏振光的半波片35。
在图7所示的实施例中，使S偏振光方向旋转的半波片35直接放置在第二中继透镜27前面。该半波片可以是在中继透镜后的单独的元件或者可以是直接涂覆到中继透镜上的涂层。在一个实施例中，第二中继透镜可以是曲面面向显示器的平凸透镜。因此，可涂覆平坦的平面形成半波片。使用具有涂层的半波片取代使用单独的元件可减少最终成品的部件总数和组装成本。另外，在上述任意位置的任何其它偏振转换器件都可以取代半波片。
图8示出了供反射型显示器使用的图7的系统的变型。光源，色轮13、光管21、偏振分离器34、成像透镜25、中继透镜系统23和半波片35与图8中基本上相同。然而，与图6中一样，PBS 15添加至系统17中以照明反射型显示器。和图1、4和7一样，任何本领域已知的各种类似的元件都可代替光源、色轮和光管。
如图6中的实施例，对于图像亮部分，经过PBS 15的P偏振光入射到显示器17上，并从显示器作为S偏振光反射。S偏振光被反射离开PBS 15的另一侧并进入观察光学系统19。对应图像暗部分的光作为P偏振光朝向灯反射经过PBS。任何来自灯的入射到PBS上的S偏振光被引导出灯至显示器的光路并引导到反射镜33上。该反射镜与中继光学系统的光轴平行放置，以使从PBS反射的光反射回反射镜并且其偏振无显著变化的朝向灯反射回中继光学系统，并可在灯处回收。由于偏振分离器和半波片，来自灯的十分少的S偏振光将入射到PBS。观察光学系统19将显示成像到屏上或是观察者的眼中。
如图7所示，来自光管21的光进入成像透镜25和由两个光学元件27、29构成的光学系统23。该中继光学系统在显示器17处产生来自灯系统的照明远心图像。该成像元件25在中继系统的第一透镜27处产生灯系统的中间图像。中继系统的透镜在显示器处产生中继图像的远心图像。因此，光管的出射末端在无限远处成像，而灯在显示器处成像。与图4的实施例相同，成像透镜可在光管上偏心以将灯图像中继至中继系统。
在图1和图4中，所示的光管在长度方向上具有均匀的横截面尺寸，而在图6、7和8中，所示的光管为锥形。
通过精心设计的光管可增强角强度分布和整个系统的亮度。矩形光管可从入口端的正方形或矩形截面至出口端的正方形或矩形截面(例如，4∶3或16∶9)在一对相对边上逐渐变细。该锥形可被设计为出口端较大。这可用于降低来自光管光的出射角度。另外，也可将该锥形设计为入口端较大。这样就增大了来自光管的光的出射角度。可以根据光源和将光中继至显示器上的光学系统作出特定的选择。在另一种情况中，增加适当的锥形可允许光管更有效的填充投影透镜的光瞳。这可使灯图像变为椭圆并增加光瞳的填充因数以及对给定F数的聚光。
在本发明中为了解释的目的，为了提供对本发明的全面理解，列出了多个特定的细节。然而，对本领域人员显而易见的是没有这些特定的细节也可实现本发明。在另一实例中，在图示中示出了公知的结构和器件。可由本领域普通技术人员对适合任何特殊设备提供特定细节。
更重要的是，当本发明的实施例参照视频投影仪描述时，在此描述的装置同样的可应用到任何类型针对偏振显示器的照明系统，无论对于投影或是直接观察系统，无论是否为紧凑的。例如，在此描述的技术可用于与计算机和数字器件显示器、电视机和电影投影仪、互联网设备观察器相连接，以及用于视频娱乐系统和游戏机。
在前述的描述中，参照其的特定实施例描述了本发明。然而，明显的是在不脱离本发明的精神和范围下可进行修改和变化。因此，本说明书和附图为示意性的而不是限定性的。
权利要求
1.一种偏振光源系统，包括一光源，其产生具有多个偏振态的光；一中继光学系统，其中继在中继光学系统上成像的光至一显示器上；一光学成像元件，其将光源的光成像至中继光学系统；一偏振分离器，其引导第一偏振态的光至该光学成像元件的第一部分，并引导第二正交偏振态的光至该光学成像元件的第二部分；以及一光学转换元件，位于光学成像元件和中继光学系统之间，以接收来自光学成像元件具有第二偏振态的光并将其偏振态转换为第二偏振态。
2.一种根据权利要求1的系统，其中光学成像元件包括一单个透镜，以及其中第一部分包括透镜的一半，第二部分包括该透镜的另一半。
3.一种根据权利要求1的系统，其中偏振分离器在第一单独光锥中引导第一偏振态的光，并在第二单独光锥中引导第二偏振态的光，光锥由光学成像元件成像到中继光学系统的不同部分上。
4.一种根据权利要求3的系统，其中偏振转换系统定位在中继系统的第二光锥成像的部分上。
5.一种根据权利要求1的系统，其中该偏振转换元件包括一半波片。
6.一种根据权利要求5的系统，其中偏振转换元件由在光学中继系统的一光学元件的一部分上的涂层形成。
7.一种根据权利要求5的系统，其中光学中继系统包括一组使来自成像光学元件的光成像到显示器上的中继光学元件，其中第一偏振态的光在中继光学系统的光轴的一侧上传播，第二偏振态的光在光轴的另一侧上传播，以及其中偏振转换系统包括一涂敷到一组中继光学元件的一个元件上的涂层。
8.一种根据权利要求1的系统，其中中继光学系统和光学成像元件关于光源偏心并关于显示器定中心。
9.一种根据权利要求4的系统，其中中继光学系统关于偏振转换元件偏心，以及偏振转换元件在中继光学元件光轴的与光源相对的一侧上。
10.一种根据权利要求1的系统，其中光源包括一灯和一光管，该光管构造为产生具有与显示器的长宽比相对应的光锥。
11.一种根据权利要求1的系统，还包括一偏振分束器，接收来自中继光学系统的光并将第二偏振态的光引导至显示器。
12.一种根据权利要求1的系统，其中偏振分离器包括具有正交方向和不同折射率的邻接透镜。
13.一种根据权利要求12的系统，其中折射率差大于1.5。
14.一种根据权利要求1的系统，其中偏振分离器包括多个沃拉斯顿棱镜。
15.一种根据权利要求1的系统，其中偏振分离器包括具有交替垂直的轴的薄膜叠层阵列。
16.一种偏振光源系统，包括一光源，其产生具有多个偏振态的光；一光管，在入射孔接收来自光源的光并在出射孔提供基本远心的光；一偏振分离器，其紧靠着出射孔，接收来自光管出射孔的光并将第一偏振态的光引导至第一方向，以及将第二正交偏振态的光引导至第二方向；一中继光学系统，其将来自偏振分离器的第一偏振态的光和第二偏振态的光中继至一显示器上；一偏振转换元件，位于偏振分离器和显示器之间，以接收具有第二偏振态的光并将其偏振态转换为第二偏振。
17.一种根据权利要求16的系统，其中中继光学系统具有关于显示器定中心的光轴，其中第一方向在中继光学系统光轴的第一侧，并且第二方向在中继光学系统的第二相对侧，以及其中偏振转换元件在中继光学系统光轴的第一侧上。
18.一种根据权利要求16的系统，其中光轴关于显示器定中心。
19.一种根据权利要求16的系统，还包括一光学成像元件，使来自光管的光成像至中继光学系统上。
20.一种根据权利要求16的系统，其中光学成像元件包括一单个透镜，以及其中透镜的一半使第一偏振态的光成像，透镜的另一半使第二偏振态的光成像。
21.一种根据权利要求19的系统，其中偏振分离器在第一光锥中引导第一偏振态的光，在第二光锥中引导第二偏振态的光，由中继光学系统的不同部分上的成像元件使光锥成像。
22.一种根据权利要求21的系统，其中偏振转换系统位于第二光锥成像在中继光学系统的部分上。
23.一种方法，包括接收具有多个偏振态的光；准直该接收到的光；将该准直光的偏振态分离为两个正交的偏振光束；在偏离的方向上引导两光束；在光学中继系统的第一部分接收两个光束的第一个，并第一光束中继到显示器；在光学中继系统的第二部分接收两个光束的第二个，并第二光束中继到显示器；在偏离的方向上引导两光束之后，将第一光束的偏振态旋转至第二光束的偏振态。
24.一种根据权利要求23的方法，其中分离偏振态包括在第一单个光锥中引导第一光束，以及在第二单个光锥中引导第二光束，该方法还包括将两个光锥成像至中继光学系统的不同部分上。
25.一种根据权利要求24的方法，其中中继第一光束包括使第一光束在光学中继系统光轴的一侧上传播，其中中继第二光束包括使第二光束在光学中继系统光轴相对一侧上传播，以及其中旋转偏振包括使第一光束经过在光轴一侧的光学中继系统的一个元件上涂敷的涂层。
全文摘要
本发明提供一种用于显示系统的增强型偏振光源。在一个实施例中，该系统包括一光源(11)，其产生具有多个偏振态的光；一中继光学系统(23)，其中继在中继光学系统上成像的光至一显示器(17)上；一光学成像元件(25)，其将光源的光成像至中继光学系统(23)；一偏振分离器(34)，其引导第一偏振态的光至该光学成像元件的第一部分，并引导第二正交偏振态的光至该光学成像元件的第二部分；以及一光学转换元件(35)，位于光学成像元件和中继光学系统之间，以接收来自光学成像元件具有第二偏振态的光并将其偏振转换为第二偏振态。
文档编号H04N9/31GK1668959SQ03816729
公开日2005年9月14日 申请日期2003年5月16日 优先权日2002年5月17日
发明者S·比尔惠岑 申请人:因佛卡斯公司