专利名称：两片式色彩管理系统的制作方法
技术领域：
本专利申请涉及一种色彩投影显示系统，尤其涉及，色彩管理中采用多个成像器面板和消色差偏振开关的一种色彩显示系统。
背景技术：
光学成像系统典型地包含透射式或反射式的成像面板，也就是指光阀或光阀阵列，它将图像施加到光束上。透射式成像面板一般是半透明的，并允许光通过；另一方面，反射式成像面板则仅仅反射选择的部分输入光束来形成图像。反射式成像面板，如硅基液晶(LCoS，liquid-crystal-on-silicon)微显示器，当感光底层材料不被其不透明性所限时，具有一些优势，因为控制电路可以置于反射表面的后面，以及可采用更先进的集成电路工艺。
硅基液晶成像面板，以及基于其它类型的液晶显示器(LCD)的成像面板，可旋转入射光的偏振。典型地，偏振光或者在其偏振态基本没有改变时被成像面板反射而得到最暗状态，或者当给予一定程度的偏振旋转则得到所需的灰度。提供90度的旋转则得到这些系统中的最亮状态。因此，偏振光束通常被用作反射式LCD成像器的输入光束。
为了产生全彩色投影图像，基于LCD技术的投影显示系统通常需要一片、两片、或三片LCD成像面板。当使用三片面板时，每片面板被三原色之一照亮。用相应于色彩路径的视频数据对每片面板进行电寻址，此色彩路径将接收的照射光引导到成像器。最后，这三副单色图像被同时投影到屏幕上，结果产生没有失真的、与当时图像数据的色彩序列相关的高亮度图像。
单片式系统，如于2004年3月9日授权给De Vaan等人的第6,702,446号美国专利和于2004年3月16日授权给Johnson等人的第6,707,516号美国专利中所披露的，采用了一些使用三原色顺序照射单个成像器的方法，典型地，或采用色彩序列或者转动三原色光条纹模盘，比如使用色轮，来产生全彩色图。成像器用时序制(并且可能滚动式)视频图像数据流进行电寻址，该数据流已被调制成在时间(并且可能空间)上随复色光源同步变化。
成像系统投射一副色彩序列(或者色彩滚动)图像的放大图到观察表面，因为人眼对时间的反应较图像系统中的色彩调制速度慢，所以在观察表面上观察者看到一副全彩图。与三片式显示器相比，由于单片式显示器的色彩序列特性，单片式显示器获得的图像的亮度较低。另外，由于色彩序列系统的该暂态特性，图像也可能包含色乱失真。
在这两个极端之间，两片式结构是具有吸引力的折中方案。典型地，两片式结构的色彩管理是几种普通方案的一种。第一种方案，将从光源发出的光分成两束，此两光束是通过将该未处理的光分离成该光的两正交偏振态组分形成的，从而形成连续的，比如非调制的，偏振光束。这些光束中的每一束被路由到这两成像器中的一个。这两束偏振光束经滤色并且用色彩序列或色彩滚动装置(如色轮)进行调制，与包含只有单个成像器的系统类似。
生成的两副色彩调制图像被偏振光束组合器重新组合，以产生单个色彩序列的全彩图。与单片式系统相比，这种方法的好处在于比仅仅使用一个成像器获得更亮的图像。然而，因为仍需要色彩序列的一些暂时形态，这种系统获得的图像还是不如三片式系统获得的图像亮。
第二种方案在2001年8月28日授予Brennesholtz的第6,280,034号美国专利和在2002年5月14日授予Yoo等人的第6,388,718号美国专利中有所披露，在此方案中，源自光源的光首先按光谱分成两束，这样，其中一束光由来自单个原色路径(例如，只有红光)的光组成，而另一束光由来自剩余两原色路径(例如，绿光和蓝光)的光组成。将第一束光路由到其中的一片面板，那么该面板将连续地接收一原色照射光并显示与此原色对应的图像数据。由剩余两原色光组成的第二束光被定向到第二成像面板，用动态色彩序列或色彩滚动装置对投射到成像面板的第二束光的两原色进行暂时排序。
用时序制视频图像数据流对成像面板进行电寻址，该数据流调制为与随时间变化(并且可能空间变化，如彩色滚动)的两原色照射光源同步。
用二色性光束组合元件将两成像面板上获得的图像进行光学组合，然后投射到显示屏或观察表面上以得到一副全彩图。这种系统在照明子系统中可任意地包含有偏振恢复子系统以全面增强显示亮度；然而，由于两成像器中的暂态色彩序列，得到的图像亮度仍然比三片式系统要低，但是，因为它能够同时投射两副重叠的全帧彩色图像，而单片式系统在任何时刻仅仅显示一副全帧彩色图像，因此其获得的图像一般比单片式系统获得的图像亮。
所有现有技术的两片式投影系统都需要动态色彩分离装置，典型的是采用机械的或电子的色盘，用来为成像面板之一提供色彩序列。其中，目前使用最为广泛的是机械色轮。例如，于1996年5月14日授予Doany等人的第5,517,340号美国专利和于1999年1月26日授予Doany的第5,863,125号美国专利所披露的两片式方案，其中，都是利用色轮有序地为立方体偏振分束器提供原色之一用来投影。然而，作为一种动态色彩分离装置的色轮，有一些缺点，比如使白平衡调整变得复杂的固定的色彩比率，相对较大的尺寸和较高的成本，以及机械磨损等。
2003年5月27日授予Yano等人的第6,568,815号美国专利和2003年11月18日授予Robinson等人的第6,650,377号美国专利披露的双片式系统对照明光束采用具有色彩选择性的动态偏振控制来产生色彩序列。这些双片式投影系统包含具有色彩选择性的输入光偏振调制器或偏振开关，它首先动态地旋转光束中一色彩分量，使其偏振态与第二色彩分量的偏振态不同，然后利用偏振分束器来控制将哪一原色和/或者二级色彩提供给成像面板。这些动态色彩选择性偏振开关，是通过基于延迟的偏振叠式滤光器实现的，该偏振叠式滤光器包含一堆双折射性层和至少一个活性液晶晶元，同样也具有某些缺点它们从一色带过渡转换到下一色带时边沿不够陡峭，可能难以用标准技术工艺来制造，因此也可能相对比较昂贵。
本发明的一个目的是通过提供两片式LCD系统来克服现有技术的缺点，该系统使用动态消色差偏振开关和静态色彩分离来提供暂时色彩序列。
本发明的另一个目的是提供一种使用简单的液晶偏振输入开关和静态色彩分离器的两片式LCD系统，其中，两种色彩分时投影到两成像面板上。
发明简介[17]根据本发明提出的色彩管理系统，包括切换装置，用于消色差切换光束以交替选择第一和第二路径，其中，该光束包括第一、第二和第三三个不同的色彩分量；第一色彩分离装置，所述第一色彩分离装置置于第一路径中用来分离出第三色彩分量，并将第一和第二色彩分量引导到不同的路径；第二色彩分离和路由装置，所述第二色彩分离和路由装置置于第二路径中用来分离出第二色彩分量，并将第一和第三色彩分量引导到不同的路径；第一成像器，所述第一成像器至少对第一色彩分量进行空间调制，并且输出具有单个色彩分量或交替色彩分量的第一经过空间调制的彩色光束；第二成像器，所述第二成像器对第一、第二和第三色彩分量的两色彩分量进行空间调制，并且输出具有交替色彩分量的第二经过空间调制的彩色光束，由此，第一和第二经过空间调制的彩色光束合起来就包含所有的三个色彩分量；光束组合器，所述光束组合器将所述第一经过空间调制的彩色光束与第二经过空间调制的彩色光束组合形成投影光束。
本发明的另一方面，所述切换装置包括偏振开关和偏振光束分光器，所述偏振开关用来消色差切换光束的偏振以使光束在第一和第二偏振态之间来回变化，所述偏振光束分光器用于当光束处于第一偏振态时将其导送到第一路径，和当光束处于第二偏振态时将光束导送到第二路径。
根据本发明的另一方面，第一色彩分离和路由装置包括第一彩色滤光器，该彩色滤光器用来充分消除光束中的第三原色分量，并且输出包含有第一和第二原色分量的第一二级彩色光束；并且第二色彩分离和路由装置包括第二彩色滤光器，它用来充分消除光束中的第二原色分量，并且输出包含有第一和第三原色分量的第二二级彩色光束，并且其中，所述的第一和第二色彩分离装置还包括用来交替接收第一和第二二级彩色光束的通用的彩色分光器，它用来将所述的第一和第二二级光束分成两原色彩色光束，并将所述的两原色彩色光束中的每一个传送到所述的第一和第二成像器中不同的一个中。
另一方面，本发明提出的色彩管理系统，包括用来提供偏振光束的光源，该偏振光束包含第一、第二和第三原色分量；用于消色差调制光束偏振的偏振调制器，以便在第一时间段T1输出具有第一偏振态和在第二时间段T2输出具有第二偏振态的偏振切换光束；偏振光束分离器，用来空间分开偏振切换光束的第一和第二偏振，并且将偏振切换光束在第一时间段T1传送到第一路径，和在第二时间段T2传送到第二路径，当所述偏振切换光束被传送到所述第一和第二路径时，它保持所述第一、第二和第三原色分量；第一彩色滤光器，所述第一彩色滤光器置于第一路径用来分离所述第三原色分量，并且在所述第一时间段T1输出包含所述第一和第二原色分量的第一二级彩色光束；第二彩色滤光器，所述第二彩色滤光器置于第二路径用来分离所述第二原色分量，并且在所述第二时间段T2输出包含所述第一和第三原色分量的第二二级彩色光束；静态色彩分离器，所述静态色彩分离器顺序接收所述第一和第二二级彩色光束，在所述第一时间段T1空间分开所述第一和第二原色分量，和所述第二时间段T2空间分开所述第一和第三原色分量；第一和第二成像器，分别用来在所述第一时间段T1接收所述第一和第二原色分量中的不同的一个，和在所述第二时间段T2接收所述第一和第三原色分量中的不同的一个，并且分别输出第一和第二经空间调制的彩色光束，其中，至少第一和第二经空间调制的彩色光束的一个具有时序原色分量；以及，光束结合器，所述光束结合器将所述的第一和第二经空间调制的彩色光束结合到一起以形成投影光束。
根据本发明的优选实施例，第一和第二成像器在第一时间段T1分别接收第一和第二色彩分量，并在第二时间段分别接收第三和第一色彩分量，因此第一和第二经空间调制的彩色光束中的每一个都包含两个时序原色分量。
附图简介[22]下面将参考描述本发明优选实施例的附图，更详细地讲述本发明，其中[23]
图1是本发明的色彩管理系统图； 图2是图1所示的色彩管理系统在第一种工作模式下的说明光束和色彩路由的示意图；[25]图3是图1所示的色彩管理系统在第二种工作模式下的说明光束和色彩路由的示意图；[26]图4是图1至图3所示的色彩管理系统中的说明偏振开关与色彩序列方案的示意图。
详细描述[27]除非另有说明，包括通过上下文使用的说明，这里用到的色彩系统是指加色色彩系统。在加色系统中，红、绿、蓝是原色，紫(红+绿)、青(蓝+绿)、黄(红+绿)是二级色。本技术领域的熟练技术人员都知道，在减色系统中，例如，它常用来描述印刷系统，原色指的是紫、青、黄。
如图1至图3所示，两片式色彩管理系统的示范性实施例，它将动态消色差偏振开关与静态空间色彩分离相结合来产生色彩序列，描述如下。
先看图1，两片式色彩管理系统10包括光源，此光源为带弧状14的灯12，工作时，所述灯产生具有多于一个偏振态、本质上是白光的光束16，比如非偏振光。可选择地，灯12为基于灯丝发光的灯。在聚光管18的输入端带有第一偏振转换器19，用来将非偏振光束16生成偏振的、均匀的照明光束17。换句话说，偏振光束17已被转换为本质上只有一个偏振态，如双端箭头21所示，它指示P型偏振态。P型偏振态是为了讨论的目的而随意选择的，本技术领域的熟练技术人员都知道P型偏振和与之正交的S型偏振，是根据所选定的平面来定义的。在可选的实施例中，也可选择S型偏振态，同时需要对图1中的偏振敏感装置和元件做适当修改，这对本技术领域的熟练技术人员是已知的。
优选地，位于聚光管18的输入端的偏振转换器19由多个直角立方体棱镜偏振转换器组成，比如立方体偏振分束器。在可选择的实施例中，灯12为提供本质上具有单个偏振态的光束的偏振灯，那么偏振转换器19就不需要了。任选地，可以在灯12后加中继镜29以提供紧凑的光路。
净化偏振器(clean-up polarizer)(图中未示出)可以任意设置在聚光管18的输出末端，以消除不具有所选择偏振态的光束。在偏振转换器19将来自灯12的光17转化成所选择的偏振态后，从聚光管18的管壁的反射会使一些光的偏振态旋转。从聚光管18射出的P型偏振光与S型偏振光的比率一般在3∶1到5∶1之间。如果光通量使吸收式偏振器产生太多的热，那么，一般反射式偏振器是首选的净化偏振器，如金属栅格型偏振器。如果从聚光管18中射出的光被高度偏振，则可选择吸收式净化偏振器或者在一些实施例中完全不用净化偏振器。在其它实施例中，直角立方体型，如MacNielle型偏振器或者受阻全反射(FTIR)型偏振器被用作净化偏振器，同时对讲述的光路作适当的调整。
灯12、偏振转换器19和聚光管18可以用纯白光的偏振光束17的可选择的光源替代，并且被用于本发明的色彩管理系统中，这对于本技术领域的熟练技术人员是显而易见的。本说明书中，偏振光束17，也称为输入光束或照明光束，实质是一束纯白光，因此，它至少包含三色彩分量，它们组合在一起能够产生纯白光，在这里它们也被称为第一、第二和第三色彩分量。在后面介绍的实施例中，这三色彩分量是指原色分量，比如红、绿、蓝。仅作为例子，在下面的描述中所述第一、第二和第三色彩分量将与红色、绿色、蓝色分别关联；但是选择这种特别的关联仅仅是为了方便描述，对于第一、第二和第三色彩分量的其它色颜关联也是等效的，也属于本发明的范围。比如，在可选择的实施例中，第一色彩分量可以是蓝色、第二色彩分量是绿色和第三色彩分量是红色等等。
偏振调节器15，这里也称为偏振开关15，用来接收包含此三色彩分量的偏振光束17。偏振调节器15使光束17在两个不同的，优选为正交的，偏振态之间交替切换，比如P型和S型偏振态，以形成交替的偏振光束20。本说明书前后文中使用的“交替偏振光束”或“交替偏振色彩分量”是用来表示具有在第一偏振态，比如P型偏振态，和第二偏振态，优选的，与第一偏振态正交的比如S型偏振态，之间及时轮流交替偏振的光束。优选的，偏振调节器15包括电控的液晶开关，例如铁电的液晶(FELC)开关，它可以通过商业途径得到，比如向Displaytech公司购买。作为示例，偏振调节器15为液晶偏振开关，当它处于“OFF”状态时将输入光束17从P型偏振态旋转90度到与其正交的S型偏振态；当处于“ON”状态时，不改变P型偏振光束的偏振态而直接将其传送。工作时，开关15在“OFF”状态和“ON”状态之间交替切换，其中在第一时间段T1维持“OFF”状态，在第二时间段T2维持“ON”状态，这样，就形成作为开关15输出的交替偏振光束20。图1中，持续时间为T1和T2的光束20的两交替偏振态分别用标记同心圆22的两线段表示S型偏振，用双箭头21表示P型偏振。此处，当次序为(T1+T2)的时间间隔或较短时，交替偏振光束20也被当作偏振切换光束。
金属栅格(WG)偏振器式的第一偏振光束分离器(PBS)25，与光束20成锐角放置，用来接收交替偏振光束20，目的是为了从空间上将S和P型偏振分开。更特别的是，当光束20处于S型偏振态时，该光束是通过WG偏振器25发送的；当所述光束处于P型偏振态时，该光束是从WG偏振器25反射出去的。由此，在时间间隔T1期间光束20被WG偏振器25导送到沿着第一路径23前进，而在时间间隔T2期间光束20被导送到沿着第二路径24前进。在其它实施例中，不同类型的PBS，比如立方体型或者FTIR型，可用来代替WG偏振器25。偏振调节器15和PBS 25共同构成光束交替转换装置70，用于消色差切换光束17，使其在第一路径23和第二路径24之间交替传送。
在PBS 25的后面，在第一路径23和第二路径24分别设置第一彩色滤光器30和第二不同的彩色滤光器26，它们将根据偏振情况交替接收光束20。第一和第二彩色滤光器30和26下文中也将被称为第一和第二二级色彩滤光器，或者是第一和第二色彩滤光器。
重要的是，偏振调节器15和PBS 25都能充分消除色差，比如，它们实现它们各自功能时充分地保持了输入光束17的这三原色分量，所以在工作中第一彩色滤光器30和第二26彩色滤光器交替接收的光包含所有三原色分量，比如蓝、绿和红色，并输出具有不同组成，或者二级色彩的光。本技术领域的熟练技术人员都知道，在整个可见光谱范围内PBS 25可能具有不完全平坦的光谱传递函数，在“ON”与“OFF”状态下偏振调节器15可具有不同的光谱传递函数，因此，只要每个滤光器30、26各自接收足够量的三原色分量中的每个分量，在不改变由偏振调节器15和PBS 25形成的光束切换装置70的充分消除色差的性质的情况下，那么由滤光器26，30接收的三原色分量的相对亮度可能略有不同。在其它实施例中，可选择的用来消色差的将光束17在两光学路径之间来回切换的交替光束切换装置来代替偏振调节器15和PBS 25的组合，比如，具有1 x 2导向功能的光学光束开关。
第一彩色滤光器30和第二彩色滤光器26是两个不同的二级彩色滤光器，它们将入射光分离去掉一个不同的原色分量，并输出第一和第二二级彩色光束。它们分别形成了本发明动态色彩管理系统的第一和第二静态色彩分离装置的第一阶段。所述的第一和第二色彩分离装置的每一个的功能是分离并去掉三色彩分量中的一个，并将另两色彩分量导送到不同的路径。在所示的实施例中，所说的第一和第二色彩分离装置的第二阶段包括通用的静态彩色光束分离器40，它交替地接收第一和第二二级彩色光束，分离所接收的二级彩色光束的剩余的两原色分量，并将它们分别沿不同路径导送到第一和第二成像器38和36，以使所述的两原色彩色光束中的每一束被导送到第一(38)和第二(36)成像器中的不同的一个中通过空间调制赋予图像信息。在时间段T1和T2，色彩路由是不同的，在图2和图3中进行说明，并结合本发明其余的色彩管理系统的描述作更详细的讨论。
参考图2，与时间段T1对应的本发明色彩管理系统的第一暂时工作模式，当液晶开关15处于“OFF”状态，则光束20为S型偏振，并将沿着第一路径23透过PBS 25传送到第一个二级彩色滤光器30。在图1至图3所示实施例中，第一个二级彩色滤光器30为黄色滤光器，它分离去掉(比如反射)光束的第三(比如蓝色)色彩分量，因此所述的蓝色分量被消除掉或者充分丢失了，那么输出(比如传输)的第一彩色光束31实质上仅具有第一(比如红色)和第二(比如绿色)色彩分量，它们一起形成了第一束二级彩色光束31，在该种特定情况下即为黄色彩色光束。然后，偏振旋转半波片28将黄色光束31的偏振旋转90度，因此将其转换为P型偏振。在可替换的实施例中，对系统10的其它偏振敏感光学元件的光学作适当的改变，则偏振转换器28可被设置在第二光学路径24中，比如在滤光器26之后，这对于本技术领域的熟练技术人员是显而易见的。
以透射反射二色性光束分离器的形式出现的静态彩色光束分离器40，这里也称为色彩分离器40，它通过其40a边与该黄色光束31成锐角来接收该黄色光束31，目的是为了将黄色光束31的第一和第二原色分量从空间上进行分离，以形成两原色彩色光束41和42，并将所述的两原色彩色光束41和42中的每一个分别导送到第一(38)和第二(36)成像器中不同的一个中，比如将第一色彩分量定向到第一成像器38，第二色彩分量定向到第二成像器36。
更特别的是，在所述的本实施例中，静态彩色分离器40为红/青光束分离器，它被配置成可反射P型偏振黄色光束31的红色分量41并透射其绿色分量42。在图1至图3中，分别用点线和虚线来表示红色和绿色色彩分量。因此这些红色和绿色分量41、42被静态二色分束分离器40分别定向到第一成像器38和第二成像器36，优选地，所述成像器可用反射式LCoS成像面板来实现。在可替换的实施例中，所述第一彩色滤光器30可以为青色滤光器，并且所述静态彩色分离器40可以为黄/蓝光束分离器，用来将从滤光器30接收到的青光分离成图2中分别用数字41、42表示的绿色和蓝色分量，在该实施例中涉及绿色和蓝色分量。
根据本发明实施例，第一彩色滤光器30和彩色分离器40，与放置在它们中间的任选的光学元件27、28和29共同构成色彩管理系统的第一彩色分离与路由装置71。在其他实施例中，可采用其他的静态彩色分离器和路由装置设置在第一路径中，其作用为分离去掉第三色彩分量，并将第一色彩分量定向到第一成像器，以及将第二色彩分量沿另外独立的路径定向到第二成像器。
第一和第二原色分量，比如红光和绿光，均为P型偏振，因此它们都是透过与各自色彩分量41、42的传播方向成锐角(比如45度)的反射式偏振器46和44来传输的。
优选地，反射式偏振器44和46为金属栅格(WG)型偏振器，当然也可以使用其它高质量的反射式偏振器，如直角立方体棱镜(MacNielle型)或受阻全反射(FTIR)型偏振器。本技术领域熟练技术人员都知道，FTIR偏振器透射S型偏振光，而反射P型偏振光，因此元件和示意图也需相应作一些修改。反射式偏振器44和46能够透射一个偏振态的光，本例中为P型偏振光，而将与其正交的偏振态的光反射出去，例如S型偏振光，因此下文也将其分别称为第二和第三偏振光束分离器46和44，或者第二和第三WG-PBS 46和44。希望第二和第三偏振光束分离器46和44具有较高的质量，也就是光学上充分平滑，以保证从成像面板36、38反射出的图像质量。
LCoS成像面板36和38对入射光进行空间调制，并将反射光的偏振态旋转90度。这样，从第一成像器38反射来的、经过空间调制的红光43为S型偏振光；然后，光43被与第一成像器38相关联的反射式偏振器46反射并射向起偏振光束组合器作用的立方体偏振分束器50。类似的，第二成像器36输出第二经空间调制的S型偏振绿光48，此绿光被反射式偏振器44反射并射向偏振光束组合器50。偏振光束组合器50，是一个立方体偏振分束器(a polarization beam splitter cube)，它将绿光48与从第一成像器38输出的经空间调制的红光组合，形成投影光束51，所述的投影光束51在时间段T1期间，主要是包含第一和第二色彩分量，在此特殊实例中为红色和绿色。
在另一个实施例中，第一成像器38和第二成像器36为可透射的液晶平板，与图1至图3所示的实施例相比，它们的位置分别与第二PBS 46和第三PBS 44在光学顺序上是相反的。
图3给出了根据本发明色彩管理系统的第二暂时工作模式在图1中所示的色彩路由方案的工作原理图。该第二模式与时间段T2相对应，此时液晶开关15处于“ON”状态。
在时间段T2期间，消色差液晶开关15处于“ON”状态，光束20为P型偏振，它被PBS 25反射后沿着第二路径24射向第二彩色滤光器26。在所示实施例中，所述的第二彩色滤光器26为紫色滤光器。该紫色滤光器26分离去掉或着消除(比如反射)光束20的第二色彩分量(比如绿色)，因此所述的绿色分量被完全丢掉，并输出(比如传输)主要包含第一(比如红色)和第三(比如蓝色)分量的第二彩色光束32，这两分量共同构成第二二级彩色光束，在本实施例中为紫色彩色光束32。
第二彩色光束32，被任选的光学元件如折叠式反射镜27和中继镜29适当整形后，沿着图3中用带点虚线所示的光路而被导送到静态红/青彩色分离器40的背面40b，目的是为了从空间上分离紫色光束32的第一和第三色彩分量，这样第一色彩分量(比如红色)被红/青彩色分离器40再次反射，然后以红色彩色光束的形式被导送到第二成像器36，而第三色彩分量(比如蓝色)，以蓝色光束的形式被导向第一成像器38。在图1、图3中，空间上分离的红色和蓝色色彩分量分别用点线和长虚线来表示。
根据本发明实施例，第二彩色滤光器26和彩色分离器40，与放置在它们之间的任选的的光学元件27和29，共同构成置于第二路径24中的色彩管理系统的第二彩色分离装置72。在其它实施例中，可以采用其它静态彩色分离装置，其作用为分离去掉第二色彩分量，并将第一和第三色彩分量沿不同路径分别导送到第一成像器38和第二成像器36中不同的一个中，例如，将第一色彩分量定向到第二成像器36，将第三色彩分量定向到第一成像器。
第二彩色光束32的蓝色和红色分量都是P型偏振光，它们分别透过反射式偏振器46和44后，到达第一和第二成像器38和36。在时间段T2期间，第一成像器38对入射光的蓝色分量进行空间调制，并朝WG-PBS 46方向输出经过空间调制的S型偏振蓝色光45，再由WG-PBS46反射到偏振组合器50。类似的，在时间段T2期间，第二成像器36对入射光的红色分量进行空间调制，并朝WG-PBS 44方向输出经过空间调制的S型偏振红色光47，再由WG-PBS 44反射到偏振组合器50。偏振组合器50将从第一成像器38接收的经过空间调制的蓝色光45和通过波片54转换为P型偏振的经过空间调制的红色光47组合，形成T2时间段期间的投影光束51，再通过投影透镜52投影到显示屏(图中未给出)上。
在运转过程中，驱使液晶偏振开关15在T1和T2期间分别在“OFF”和“ON”状态之间交替，所以本发明的色彩管理系统在前述第一和第二工作模式之间轮流交替。由此提供的色彩序列方案如图4所示，它总结了本发明前述实施例的暂时运作。该图中，底部行序列8给出的是交替偏振光束20参照时间轴11的偏振状态，顶部两个序列2和4分别给出的是第一和第二成像器的色彩序列，这里第一色彩分量，比如红色，用空矩形102和102’来表示，第二色彩分量，比如绿色，用黑色矩形101表示，第三色彩分量，比如蓝色，用带虚线的矩形103表示。时间序列6表示以序列2，4和8代表的相应色彩和偏振态的持续时间。
如前文所述，参照图1至图3和图4所示的，在本发明前述实施例的色彩管理系统中，第一和第二成像器38、36分别各自顺序调制两色彩分量，此操作是通过在第一和第二彩色光束31，32的光学路径中放置成锐角的分色分束分离器40完成的，可参见，如图1所示，因此，分色分束器40通过其相对的两面40a和40b分别接收第一和第二彩色光束31，32。结果是，第一成像器38交替调制第一和第三色彩分量，比如，所给实施例中的红色和蓝色，以输出具有交替红色和蓝色分量的第一束经空间调制的彩色光束39；因此该成像器也可被称为红/蓝成像器。类似的，第二成像器36交替调制第二和第一色彩分量，比如，所给实施例中的绿色和红色，以输出具有交替绿色和红色分量的第二束经空间调制的彩色光束56，因此它也可被称为绿/红成像器。然而，这些色彩的指定是任意的，在其它实施例中是可以不同的，这决定于第一和第二二级彩色滤光器30、36以及彩色分离器40的特定的选择。比如，在可替换的实施例中，一个成像器是蓝/绿成像器，另一个是绿/红成像器；而在另一个可选择的实施例中，一个成像器是蓝/红成像器，而另一个是绿/蓝成像器；其它的颜色组合也是可以的，同时对于本技术领域的熟练技术人员显而易见的对彩色滤光器的排列做的改动，，也属于本发明的范围。
在另一些实施例中，在第一和第二暂态运作模式下对应的时间段T1和T2，其中一个成像器接收同一色彩分量，而另一个成像器交替接收这三色彩分量中的另两个色彩分量。比如，只要适当重新排列光学路径，就可以通过设置彩色光束分离器40用其同一面来接收第一和第二彩色光束31、32来实现。例如，在这样的一个实施例中，彩色光束分离器40被用于将第一彩色光束31的第一和第二色彩分量分别路由到第一成像器38和第二成像器36，并将第二彩色光束32的第一和第三色彩分量分别导送到第一成像器38和第二成像器36，因此，第一成像器是，比如，红/红成像器，而第二成像器是，比如，绿/蓝成像器。
具有固定(比如单色)成像器的传统色彩管理系统可以用彩色滤光器来组合来自多个成像器的光束。在此实施例中，成像面板36和38，例如，通过对不同的色彩的光进行空间调制来成像，比如，在不同时间两成像面板均对红光成像，所以组合元件，也就是光学覆盖层60是基于偏振态原理而非色彩原理来工作。
在这种情况下，S型偏振和P型偏振参考光学覆盖层60来定义的。典型的光学覆盖层60是采用多层光学薄膜层来形成的FTIR、或MacNielle型的偏振光束分离层，或者选择高质量的金属栅格偏振器。如图1所示，立方体偏振分束器50将来自第二绿/红成像器36的、由波片54转化为P型偏振之后的经过空间调制的彩色光束56与来自红/蓝成像器38的经过空间调制的S型偏振光束39组合，从而来产生通过投影透镜52投影到显示屏上的全彩投影图像，其中所述的经过空间调制的彩色光束56具有暂态交替色彩分量(如绿色和红色)，所述的经过空间调制的S型偏振光束39具有交替红色和蓝色色彩分量。通过调整时间段T1和T2的相对持续长度是实现白点平衡的一种方法。
重要的是，本发明色彩管理系统将动态消色差光束切换和静态色彩分离与路由结合。本发明的这个有利而新颖的特征使其与其它已知的两片式色彩管理系统不同，并消除了至少部分已有技术系统的缺点。已知的两片式色彩管理系统一般使用动态的，或者机械的或者电子的彩色分离装置。使用电子控制的液晶开关15来生成两成像器的动态色彩序列，可避免对部件的任何机械移动，并提供了一种简单的电调节组合系统白平衡的方法，即通过改变T1和T2时间段的相对长度。这是很有用的，如果光源14性能随时间改变，可使不同系统中彩色滤光器26，30，40的特性改变得到补偿。而且，通过将彩色滤光和路由功能同动态切换功能分开，并仅仅采用使用标准彩色覆盖层的静态彩色滤光器，比起那些典型的可能使用活性双折射堆块来实现具有颜色选择性的P型偏振切换，可以实现不同色带之间相对更为急剧陡峭的过渡。
前述实例和优点仅仅是作为例子，不能被认为是对本发明的限制，其思想可以很容易地应用在其它类型的器械上。对本发明的描述是为了说明的目的，而非限制该专利要求的范围。许多替代物、修改物和变化物对本技术领域熟练技术人员来说是显而易见的。举例说，附加的彩色和偏振滤光器可能可用来提高前述实施例的性能。一个例子是可用陷波滤波器来消除灯的强辐射。另一个例子是可以增加偏振滤光器，比如，在成像器与偏振组合器之间的光路上，来提高对比度。当然，不违背本发明的精神与范围的情况下，很多其它实施例都是可以想象到的。
在权利要求部分，当实施陈述的功能时，用装置加功能的语句来覆盖此处讲述的结构，不仅包括结构上的等同物，而且包括等同的结构。
权利要求
1.一种色彩管理系统，包括用于消色差地切换光束的切换装置，使所述光束在第一路径和第二路径之间交替切换，其中，所述光束包含第一、第二和第三不同的原色分量；设置于所述第一路径的第一色彩分离和路由装置，用来分离去掉所述第三原色分量，并将所述第一原色分量和所述第二原色分量分别导向到不同路径；设置于所述第二路径的第二色彩分离和路由装置，用来分离去掉所述第二原色分量，并将所述第一原色分量和所述第三原色分量分别导向到不同路径；第一成像器，用来空间调制至少所述第一原色分量，并输出具有单一原色分量或交替原色分量的第一空间调制彩色光束；第二成像器，用来空间调制所述第一、第二和第三原色分量中的两个分量，并输出具有交替原色分量的第二空间调制彩色光束，其中，所述第一和第二空间调制彩色光束一起共包含全部三个原色分量；和，光束组合器，用来将所述第一空间调制彩色光束与所述第二空间调制彩色光束组合起来，形成投影光束。
2.如权利要求1所述的色彩管理系统，还包括，第一偏振转换器，所述第一偏振转换器在将所述光束消色差切换之前用来对所述光束产生偏振作用的，其中所述切换装置包括用来消色差地切换所述光束的偏振的偏振开关，使所述光束在第一和第二偏振态之间轮流交替；和，第一偏振光束分离器，当所述光束具有所述第一偏振态时，所述第一偏振光束分离器用来将所述光束沿所述第一路径导向，当所述光束具有所述第二偏振态时，所述第一偏振光束分离器用来将所述光束沿所述第二路径导向。
3.如权利要求2所述的色彩管理系统，其特征在于，所述光束组合器是偏振光束组合器。
4.如权利要求3所述的色彩管理系统，还包括，设置在所述第一和第二路径之一的第二偏振转换器，所述第二偏振转换器用来将所述第一和第二偏振态中的一个偏振态转换到另一个偏振态。
5.如权利要求1所述的色彩管理系统，其特征在于，所述第一色彩分离与路由装置包括第一彩色滤光器，所述第一彩色滤光器用来从光束中充分去除所述第三原色分量，并输出包含所述第一和第二原色分量的第一二级彩色光束；所述第二色彩分离和路由装置包括第二彩色滤光器，所述第二彩色滤光器用来从光束中充分去除所述第二原色分量，并输出包含所述第一和第三原色分量的第二二级彩色光束。
6.如权利要求5所述的色彩管理系统，其特征在于，所述第一和第二色彩分离和路由装置还包括用来交替接收所述第一和第二二级彩色光束的彩色光束分离器，并将所述的第一和第二二级彩色光束分开为两个原色彩色光束，再将所述的两个原色彩色光束中的每一束导向到所述第一和第二成像器中不同的一个。
7.如权利要求6所述的色彩管理系统，其特征在于，所述彩色光束分离器包括静态透射反射二色性光束分离器，所述静态透射反射二色性光束分离器设置成用于接收第一和第二二级彩色光束且与所述光束成锐角。
8.如权利要求7所述的色彩管理系统，其特征在于，所述静态透射反射二色性光束分离器通过其相反的两面来交替接收所述第一和第二二级彩色光束，并将来自所述第一二级彩色光束的所述第一原色分量导送到所述第一成像器，将来自所述第一二级彩色光束的第二原色分量导送到所述第二成像器，将来自所述第二二级彩色光束的所述第一原色分量导送到所述第二成像器，将来自所述第二二级彩色光束的所述第三原色分量导送到所述第一成像器。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的色彩管理系统，还包括第二偏振光束分离器，所述第二偏振光束分离器用来将所述第一空间调制彩色光束反射到所述光束组合器；和第三偏振光束分离器，所述第三偏振光束分离器用来将所述第二空间调制彩色光束反射到所述光束组合器。
10.如权利要求1至8中的任一项所述的色彩管理系统，其特征在于，至少所述第一和第二成像器之一包括反射式液晶成像面板和透射式液晶成像面板中的一个。
全文摘要
本发明提出了一种用于投影显示应用的两片式色彩管理系统，其特征在于，色彩序列是通过使用消色差光束切换和静态色彩分离来实现的。在优选实施例中，液晶偏振开关使输入光束在两正交状态之间交替偏振。偏振光束分离器将包括三原色分量的光束交替导向到第一和第二路径，其中，第一和第二不同的二级彩色滤光器被设置用来形成第一和第二二级彩色光束，每个具有两种不同的原色分量。二色彩色分离器交替接收所述第一和第二二级彩色光束，将它们的原色分量分离并导送到第一和第二成像器面板。光束组合器将来自第一成像器的第一偏振原色光束和来自第二成像器的第二偏振原色光束组合，来形成投影光束。
文档编号H04N9/31GK1800912SQ200510127789
公开日2006年7月12日 申请日期2005年12月6日 优先权日2004年12月6日
发明者乔治·J.·欧肯法斯 申请人:Jds尤尼弗思公司