专利名称：高效的单面板或双面板投影引擎的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及显示信息的系统，更具体地说涉及使用反射式成像设备的投影系统。
背景技术：
光学成像系统通常包括透射式和反射式成像器，也被称为光阀或光阀阵列，其将图像施加到光束上。透射式光阀通常是半透明的，允许光通过。另一方面，反射式光阀只反射所选择的一部分输入光以形成图像。反射式光阀具有重要的优点，即控制电路可以置于反射表面后面，并且当基板材料不受它们的不透明性影响时，可以使用更先进的集成电路技术。通过使用反射式微型液晶显示器作为成像器，也许会得到可能便宜的、紧凑的新型液晶显示器(LCD)投影仪结构。
许多反射式LCD成像器对入射光的偏振进行旋转。也就是说，偏振光被成像器反射时要么基本上不改变偏振态而得到最暗的状态，要么偏振旋转某一角度以提供理想的灰度等级。在这些系统中，90°的旋转提供了最亮的状态。因此，偏振光束通常用作反射式LCD成像器的输入光。所希望的紧凑的布置包括位于偏振分光器(PBS)和成像器之间的折叠光路，其中照明光束和从该成像器上反射的投影图像共享PBS和成像器之间的同一物理空间。PBS将入射光从偏振旋转的图像光中分离出来。单独的一个成像器可以用来形成单色图像或者彩色图像。多个成像器也可以用来形成彩色图像，在这样的情况下，照明光被分成不同颜色的多根光束。图像被分别施加到每一根光束上，然后将这些光束重新组合成以形成全色图像。三成像器系统要求所述布置能够经受机械应力和热应力。希望尽可能多地使用由光源产生的光。价格便宜并且减少了热和机械不稳定性的投影引擎也是人们所希望的。
发明概述人们仍然需要这样一种光学图像投影系统，其具有使图像显示明亮且对比度高的宽角、快光学组件。此外，对这样的系统，还需要其制造便宜而能抗热和机械不稳定性。本发明涉及在单或者双成像器投影系统中结合高消光比、高通过量的前置偏振器(比如补偿型的多层偏振器)。这允许使用低光圈数的照明光进行照明，这样提高了投影系统的效率。前置偏振器可以合并在偏振恢复单元中，以便进一步提高系统效率。
本发明的一个具体实施例涉及单成像器光投影系统，所述投影系统具有成像核心，所述成像核心包括用来使希望的色带中的照明光透射的选色器和单个反射式成像器单元。成像偏振分光器(PBS)将从选色器接收到的光反射到所述单个反射式成像器单元。设置反射式前置偏振器，以在照明光入射到成像PBS之前使照明光预先偏振，当使用光圈数不大于f/2.5的光在整个可见光谱范围内照明时，对于反射光，反射式前置偏振器具有大于50∶1的消光比。
本发明的另一个实施例涉及投影系统的成像核心单元，其包括第一偏振分光器(PBS)，设置所述第一偏振分光器以将照明光束分成分别具有第一偏振态和第二偏振态的第一光束和第二光束。第一偏振分光器是补偿型的多层介质偏振器。设置第一偏振旋转器，以使所述第一光束中的光的偏振旋转。设置第一成像PBS，以将所述的第一偏振旋转光束中的光反射到第一反射式成像器单元。被所述第一成像器单元反射的第一图像光束通过所述第一成像PBS。设置第二成像PBS，以将所述第二光束中的光反射到所述第二反射式成像器单元。被所述第二成像器单元反射的第二图像光束通过所述第二成像PBS。设置合成PBS，以将所述第一图像光束和所述第二图像光束混合成为合成图像光束。将所述第二偏振旋转器置于所述合成PBS与所述第一成像PBS之间以使所述第一图像光束偏振旋转，或者将所述第二偏振旋转器置于所述合成PBS与所述第二成像PBS之间以使所述第二图像光束偏振旋转。
本发明的以上概述并不意味着描述了本发明的每一个说明性的实施例或每一种实施方式。随后的附图和详细说明更具体地举例说明了这些实施例。
结合附图对本发明的各种实施例的以下详细的描述进行思考，可更加全面地理解本发明，其中图1A示意性地示出了与反射式成像器投影仪结合使用的前置偏振器；图1B和图1C示意性地示出了根据本发明的原理的单成像器投影系统的前置偏振器和成像偏振器的不同结构；图2给出了MZIP型偏振分光器的透射和反射的消光比的曲线图；图3给出了在不同光圈数的范围内不同色带的对比率的曲线图；图4给出了来自反射式成像器投影引擎的光输出随照明光中的光圈数变化的曲线图；图5A示意性地示出了根据本发明的原理实现偏振恢复的方法；图5B给出了使用偏振恢复的投影系统的光通过量增益随光圈数变化的曲线图；图6示意性地示出了根据本发明的原理的单成像器投影系统的发明详述本发明适用于使用反射式成像器的投影系统，特别适用于产生高对比度、高亮度图像的低光圈数光学成像器系统。
基于LCD的显示器要求使用可接受的消光比对输入光进行线性偏振，所述消光比定义为希望的偏振态下的光功率对不希望的偏振态下的光功率的比率。大多数光源，包括超高压(UHP)灯，产生非偏振的光，通常导致使用前置偏振器来对入射光实现希望级别的偏振。两种类型的组件通常用于预先偏振MacNeille偏振分光器(PBS)和栅网偏振器。前置偏振器导致50％的非偏振的入射光被损失。当实现可接受的消光比时，这些前置偏振器增加了额外的透射损耗，从而导致低效率地利用灯光。
几种技术已经被用于提高光效率，以便将在不希望的偏振态下的部分光转换到希望的偏振态下。这样的技术可以被称为偏振恢复、偏振加倍或偏振循环使用。一种偏振恢复的方法包括使用透镜阵列来使灯光均质化。偏振恢复据称是使用PBS阵列和半波长光延迟板实现的。但是，这种方法往往是笨重的而且价格昂贵。而且，消光比非常低，通常低于3∶1，这样就要求在偏振恢复单元和成像器之间使用前置偏振器。偏振恢复的其它方法是基于使用隧道合成器(tunnelintegrator)的，但这些方法也受到低消光比的影响，有必要在光入射到成像PBS上之前接着使用前置偏振器。另外，这些实现偏振恢复的方法导致照明光学装置的集光率较低。改善成像器系统的性能的一种方法是使用宽角的笛卡尔偏振分光器(PBS)，例如1999年5月17日提交的美国专利申请09/312,917中讨论的PBS。笛卡尔PBS是这样一种PBS，其中分离光束的偏振是以PBS膜的不变的、通常正交的主轴为参照。相反，对于非笛卡尔PBS，分离光束的偏振基本上依赖于光束入射在PBS上的入射角。
笛卡尔PBS的一个例子是多层反射式偏振分光器(MEPB)膜，其由各向同性和双折射材料交替层构成。如果认为膜的平面是x-y平面，并且膜的厚度被表示在z方向，那么z折射率是具有平行于z方向的电矢量的光在双折射材料中的折射率。同样地，x折射率也是具有平行于x方向的电矢量的光在双折射材料中的折射率，y折射率也是具有平行于y方向的电矢量的光在双折射材料中的折射率。双折射材料的x折射率基本上与各向同性材料的折射率相同，而双折射材料的y折射率不同于各向同性材料的折射率。如果层的厚度选择正确，那么膜反射在y方向偏振的可见光，而透射在x方向偏振的光。
MRPB膜的一个例子是匹配的z折射率的偏振器(MZIP)膜，也被称为补偿型的偏振器膜，其中双折射材料的z折射率基本上与双折射材料的x折射率或y折射率相同。MZIP膜在美国专利5,882,774和5,962,114中已经进行了描述。改进型的MZIP膜增加了使用寿命，其使用PET/COPET-PCTG作为交替层，如在美国专利申请第09/878,575中所描述。
本文示出的很多实施例被描述为使用反射式硅基液晶(LCoS)成像器。这并不意味着成为任何限制，但是，应该明白，可使用其它类型的反射式成像器单元。
LCoS成像器具有为高清晰度电视(HDTV)提供低成本、高性能的技术解决方案的前景。与多个成像器的设计相比，因为单个成像器设计中组件较少，所以单个成像器设计会提供更加简单的系统。另外，因为不需要用于合成来自多个成像器的的图像的光学元件，它可提供比多个成像器的系统更短的后焦距。此外，在引擎组装的时候没有校直成像器的要求。但是，单成像器投影系统的一个缺点是低光通过量。这是由于如下的事实而产生的在任何一个时间，成像器为红、绿、蓝三个色带中的一个施加图像。因此，其它两个色带中的光没有被使用，而且通常使用诸如色轮的滤色器来拒绝这些光。
在可增加通过投影系统的光的地方，单成像器系统成为更具吸引力的实际解决方案。本文讨论的用来增加单面板系统的通过量的不同方法包括i)使用宽角前置偏振器；ii)使用低光圈数的照明光学装置；iii)使用低光圈数的偏振恢复。依次讨论这三种不同方法，然后讨论实施这些方法的一些不同系统。
前置偏振器通常用两个参数来描述前置偏振器的性能，即消光比和透射率。基于反射式成像器单元(比如LCoS成像器)的投影引擎的一部分示意性地在图1A中示出。光100从光源(未示出)入射到前置偏振器102上。具有平行于图平面的偏振矢量-p偏振态的光通过前置偏振器102的透射率是Tp1，具有垂直于图平面的偏振矢量-s偏振态的光的透射率是Ts1。注意s偏振和p偏振是以图平面、即由偏振分光器(PBS)104定义的反射平面为参照。投影系统包括PBS 104和成像器单元106。在示出的实施例中，前置偏振器102主要反射p偏振态的光并主要透射s偏振态的光。但是，s偏振光的一部分Rs1被反射，p偏振光的一部分Tp1被透射。透射中的前置偏振器的消光比E由E＝Ts1/Tp1给出。其中Ts1接近1，那么E≈1/Tp1。
PBS 104透射入射的p偏振光的一部分Tp2，反射其余部分Rp2。同样，PBS 104透射入射的s偏振光的一部分Ts2，反射其余部分Rs2。
投影系统的对比度主要由泄漏入暗状态的光决定。假设在暗状态，成像器106不改变入射偏振，那么泄漏的光主要是p偏振光Tpdark，其能够通过下面的表达式来计算Tpdark＝Tp1×Rp2×Tp2＝Tp1×(1-Tp2)×Tp2(1)这个公式假设偏振器不吸收光，只是透射或者反射光。假设成像PBS 104具有高消光比，投影系统的对比度能够估算为1/Tpdark。
因此，投影引擎系统的对比度C可以计算为C＝E/((1-Tp2)×Tp2)(2)公式(2)显示引擎对比度依赖于前置偏振器的消光比和成像PBS 104的p偏振透射率。
对于使用典型的MacNeille型偏振器的成像PBS或栅网偏振器的成像PBS，在光圈数为2.5时，Tp2通常是85％。那么根据公式(2)，给出的对比度为7.85E。如果总对比度为1500，那么E的值应该是大约192，该值相对比较高。栅网偏振器牺牲透射率来换取消光比，所以栅网偏振器通常具有小于85％的透射率，以便达到192的消光比。
传统的MacNeille PBS 以用作反射模式的前置偏振器。但是，由于它的高p偏振反射性，消光比是较低的大约10∶1，对于可接受的引擎对比度，这太低了。栅网偏振器可以与MacNeille PBS结合使用，以便实现需要的消光比，但是这会产生额外的光损失和费用。
另一方面，补偿型的多层介质PBS提供在整个可见波长区域内的高对比度和p偏振的高透射率(＞98％)。在这样高的Tp2的情况下，根据公式(2)，引擎对比度是51E，从而要求前置偏振器的消光比为30∶1。相比于在使用栅网或者MacNeille偏振器作为成像PBS时对前置偏振器要求来说，这个值显著地降低了。另外，补偿型的多层介质PBS可以用作前置偏振器。这样提供了需要的消光比，而且也提供了比栅网偏振器高大约15％的光通过量。
补偿型的多层介质PBS 以以两种不同方式作为前置偏振器，即以透射或反射的方式。在透射方式中，非偏振光被PBS分成反射光和透射光。成像PBS被排列成将透过前置偏振器的光反射到成像器。被前置偏振器PBS反射的光可以在光阱中捕获。在反射模式中，被前置偏振器PBS反射的光传到成像PBS。成像PBS以按某种方法排列，以便将来自前置偏振器PBS的光反射到成像器。
补偿型的多层介质PBS的消光比在透射方式和反射方式都进行了测量测量的结果在图2中表示为在可见光谱上波长的函数。所述PBS是双多层结构，夹在两个SK5玻璃棱镜之间，并由f/2.0远心的照明光学装置进行照明。所述PBS在3M公司的参考文献为第58628US002号的与本文同一天提交的“具有增强对比度的投影系统”一文中进行了进一步的描述。消光比是从PBS输出的两个正交偏振态的光功率的比值。在透射模式中，在可见光光谱范围内的消光比Tp/Ts是1000∶1以上。在反射模式中，消光比Rs/Rp在大约60∶1与150∶1之间变化。这样，反射消光比大于50∶1。
补偿型的多层介质PBS以反射和透射模式都可以作为前置偏振器。这两种不同结构在图1B-图1C中示出。在图1B中，光120进入补偿型的多层介质前置偏振器122。补偿型的多层介质前置偏振器122反射几乎100％的s偏振光和小于2％的p偏振光。来自前置偏振器的主要为s偏振的反射光124由成像PBS 126反射到成像器128，例如LCoS成像器。从成像器反射的图像光130透射通过成像PBS 126到投影棱镜系统(未显示)。在这个实施例中，反射光路位于与图平面相同的平面内。因为补偿型的多层介质前置偏振器122反射几乎100％的希望的s偏振光，所以成像器128的照明度很高。成像PBS126可以是用于宽角、高对比度操作的任何类型的PBS，比如补偿型的多层介质前置偏振器或栅网偏振器。
另一种结构在图1C中示意性地示出。在这个例子中，光140进入补偿型的多层介质前置偏振器142。前置偏振器142相对于图1B中所示的前置偏振器122的取向成90°地定向，使得s偏振光被前偏振器反射到图平面外。光144透射通过前置偏振器142，到达成像PBS 146。成像PBS 146定向成使其将s偏振光反射在图平面内。因此，从前置偏振器142透射的光144对于前置偏振器142是在p偏振中，而对于成像PBS 146是在s偏振中。光144被成像PBS反射到成像器148。图像光150被从成像器148反射到投影镜头系统(未显示)。因为前置偏振器142将高对比度的p偏振光透射到成像PBS146，所以这个系统具有高对比度。
低光圈数的光学系统在使用单个成像器的投影引擎中，投影镜头的后焦距可以明显地小于多个成像器的系统。在多个成像器的系统中，在多个成像器和投影镜头系统之间的光束合成元件用来将来自不同成像器的图像合成为一个用来投影的单个图像光束，用于观看。在单成像器系统中，不需要光束合成元件，所以投影镜头能够移动到离成像器更近的地方。通常，投影镜头系统的后焦距(BFL)可以是多个成像器的系统的大约一半。这就允许投影镜头系统的光圈数小于多个成像器的系统中的光圈数，例如象f/1.5这样低。
光圈数对投影引擎的对比度的影响不是特别大，所述对比度从成像器、成像PBS和前置偏振器形成，其中成像PBS和前置偏振器都是补偿型的多层介质偏振器。对于光圈数在1.65到4.5的范围内的照明光，对TFS成像器的红、绿和蓝色带的对比度进行了测量。在图3的曲线图中示出的对比率是用由f/2.3的镜头投影的投影光测定的。在这个具体的实验中，色带如下蓝430nm-500nm(曲线302)；绿500nm-600nm(曲线304)；红600nm-680nm(曲线306)。
蓝色带的对比率在400∶1到550∶1之间变化，而绿色带的对比度在650∶1到800∶1之间变化。红色带的对比度落在蓝色带和绿色带之间的某个地方，在450∶1到750∶1之间变化。从这个图得到的重要结果是，所有色带的对比度都大于250∶1，而且对于像1.65这么低的照明光圈数时，所有色带的对比度都大于350∶1。在照明光圈数为2.5时，所有色带的对比率大于400∶1。
通过投影系统的光量依赖于光圈数，如图4所示，其中示出了来自投影引擎的以任意单位的光通过量为照明光圈数的函数。在f/1.5，光通过量大约是1600个单位，在f/3.2降至大约1000个单位。在f/1.5-f/4.5范围上的光通过量的变化更大。如图4所示，光圈数从f/2.4到f/1.5的减少导致光通过量增加大约25％。
偏振恢复在投影系统中使用的光源通常产生非偏振光。因此，当这种非偏振光入射到反射式偏振器上时，大约一半的光被透射，大约一半的光被反射。反射式偏振器是这样一种偏振器，其通过将一个光束反射到与另一个光束不同方向来将光分解成正交的偏振的光束。对非偏振光使用前置偏振器或成像PBS导致大约一半的入射光被浪费。偏振恢复是用来将入射辐射线的偏振转换成希望的偏振的一种技术，使得更小部分的光被废弃。
这样做的一种方法现在参考图5A来描述。从光源(未示出)来的光500通过一个末端508的孔径506进入反射隧道504。光510沿隧道下反弹到另一端514上的反射式偏振器512。大约一半光从偏振器512透射，而另一半光反射回隧道504。其中，反射式偏振器512是补偿型的多层介质PBS，反射器513可以用来将反射光反射回隧道504。使用补偿型的多层介质偏振器512增强了隧道504的透射率并提供了高消光比。
反射回隧道504的光通过隧道504进行循环使用，所述光从输入端508的反射器516反射，最终从第二末端514射出，从而再一次入射到偏振器512上。在隧道内的多次反射在一定程度上对光进行了去偏振，因此再次入射的一些光透射通过偏振器512。通过在隧道末端514和偏振器512之间使用偏振敏感层比如四分之一波长延迟板518来增强反射偏振态的去偏振。当隧道504放置于选色器之后时，隧道中的热效应可以减小。
偏振恢复通常导致通过量和集光率之间的取舍。对于小的成像器在大的光圈数时，集光率的减少通常变得很显著，这通常使偏振恢复的应用限于大的成像器例如对角尺寸大于17.8mm(0.7英寸)的成像器和小弧光间隙的灯。针对不同光圈数使用偏振恢复隧道和使用对角尺寸为15.3mm(0.601英寸)的成像器时计算出的光通过量的增加在图5B中示出。正如我们能够看到的，在光圈数为f/2.4和更高时，实际上光通过量有损失，而不是增加。但是，在低光圈数时，可以获得显著的光增益(gain)。例如，在f/1.5，光增益是18％。这个增益可以通过使用更大的成像器来进一步增加。例如，当成像器的对角尺寸是17.8mm(0.7英寸)时，使用恢复隧道，在f/1.5的通过量增益是35％。
上述三种方法(预先偏振、低光圈数和偏振恢复)都可以用来提高基于单个成像器的投影系统的实用性。现在参考图6对这样的系统的一个例子进行描述。投影系统600有光源602，例如弧光灯，用来产生光。反射器604可以用来将来自光源602的光导入到隧道合成器606。滤光器608可以放置在隧道合成器606之前，以便滤出紫外光和/或红外光。选色器610，例如色轮，可以放置在隧道合成器606之前或之后，以便在任何一个时间选择一个色带用以照明。隧道合成器606也可以包括偏振恢复。
补偿型的多层介质前置偏振器612可以用来在光入射到成像PBS 614之前对光进行预先偏振。入射到成像器614的光的光圈数可以是2.5或更小，而且光圈数可以是2.0或更小，甚至可以是1.5或更小。光被成像PBS 614反射到成像器616，所述成像器616对部分光束进行调制以便施加偏振调制图像。图像光通过成像PBS 614到达投影镜头系统618。到达投影镜头系统618的光可以具有1.5或更小的光圈数。图像光在可见光区域(400nm-700nm)具有大于250∶1的对比度，并被通过选色器610施加到光上的色带覆盖。在所述色带上的图像对比度可以大于350∶1。
控制单元620可以用来控制由成像器616施加的图像，并且使图像与选色器610同步。当投影系统600包括电视(例如高清晰度电视)使用的投影引擎时，控制单元620也可以包括电视调谐器和其它用来处理和投影电视画面图像的电路系统。
应该知道补偿型的多层介质前置偏振器可以在透射方式下使用，而不是在反射方式下，例如图7中的投影系统700所示。在这个实施例中，前置偏振器712也成为偏振恢复单元706的一部分，所述偏振恢复单元706用来将来自光源602的光的偏振转换成需要的偏振态。可以为前置偏振器712设置反射器713以有助于偏振恢复。除了前置偏振器712和成像PBS 614，不需要其它的偏振设备来维持高对比度，所述对比度在所有色带上都至少高于250∶1，其中图像光的光圈数是2.5或更小。
单成像器投影系统600和700在设计上非常简单，与传统的三成像器系统相比，它们需要少数量的组件三成像器系统对红、绿和蓝三个色带中的每一个都使用一个成像器。由于组件数目减少了，所以单成像器投影系统比三成像器系统便宜。此外，由于后焦距减小，所以低光圈数的投影镜头系统的成本可以进一步减少。由于避免了将来自三个不同成像器的图像校直的步骤，所以单成像器投影系统制造起来更简单。
此外，制造后由于成像器未校直而产生的问题(例如由于热和/或机械的稳定性的问题)被避免了。在三成像器系统中，为了减少由于机械稳定性造成的问题，成像器经常直接安装到它们对应的PBS上。但是，这导致了要求在成像器和PBS之间具有良好的热匹配的问题。在单成像器投影系统中，热和机械方面未校直的问题被减少了，因此成像器不需要连接到它的PBS。这就允许选择用于PBS中的玻璃材料时有更大的余地。
对于单成像器系统，投影系统600和700具有高的光输出，同时提供高的图像对比度。该单成像器系统在f/1.5的光圈数时可以在红、绿和蓝色带上获得大于350∶1的图像对比度。
在图8中示意性地示出了体现上文讨论的单成像器系统的某些优点的双成像器投影系统800的一个具体实施例。这种双成像器系统可以产生光圈数为2.5或更低的图像光，而且也在不同色带上实现大于350∶1的对比率。其不使用偏振转换器。相反，其使用单一一个补偿型的多层介质前置偏振器来将照明光分成两部分，这两部分各自与图像重叠，然后图像被合成为单一一个输出图像。
在示出的实施例中，系统800有光源802，用来产生光。反射器804可以用来引导光。隧道合成器806可以用来使光的亮度更加均匀。光通过诸如色轮的选色器808。未示出的滤光器可以用来过滤出不想要的紫外光和红外光。
系统800使用补偿型的多层介质前置偏振器810，其将光分成正交偏振的两个光束812和824。这个前置偏振器810产生消光高和通过量高的正交偏振光束。系统800内不同点的光的偏振态的示出是这样的使用双头箭头显示平行于纸平面的偏振，使用黑圈显示垂直于纸平面的偏振。透射光束812通过诸如半波延迟器的宽带偏振旋转器814，沿着第一成像路径入射到第一成像PBS 816上。光被反射到第一成像器818，图像光820被反射通过合成PBS 822到达投影镜头系统824。
被前置偏振器810反射的光826沿着第二成像路径被引导到第二成像PBS 828。前置偏振器810的消光比足够高，以至于在前置偏振器810和第二成像PBS 828之间不需要额外的诸如净化偏振器(clean-up polarizer)的偏振器，注意到这一点很重要。第二成像PBS828将光引导到第二成像器830。图像光832反射通过第二成像PBS828到达合成PBS 822，其中来自第一成像器818和第二成像器830的图像光合成为传播到投影镜头系统824的单个图像光束834。对合成PBS 822的对比度的要求其它PBS的低，所以，除了补偿型的多层介质偏振器，合成PBS 822也可以是栅网偏振器、MacNeille偏振器等。合成PBS 822用来反射图像，因此，该合成表面优选地是平坦的，以使来自第二成像器830的反射图像光832不扭曲。
在该示出的实施例中，第二偏振旋转器836，例如半波延迟板，放置在第二成像PBS 828和合成PBS 822之间，因此透射通过第二成像PBS 828的图像光被合成PBS 822反射。应该明白，第二偏振旋转器836也可放置在第一成像PBS 816和合成PBS 822之间。在这样的例子中，使合成PBS定向成以反射接收自第一成像器818的图像光并透射接收自第二成像器830的图像光。
第一偏振旋转器814和第二偏振旋转器836可以是半波延迟薄膜，通常对某一波长的旋转正好是半波，对于其它波长的旋转比半波稍多一点或稍少一点。两个偏振延迟器的最优波长可以不同，使得合成的输出图像光束834具有平衡的色彩。例如，超高压灯(UHP)广泛地应用于投影光引擎中。UHP灯输出强绿光，而蓝光和红光输出相对较低。因此，对于红色和蓝色色带中的光，可希望系统具有更高的总通过量。对于可见光典型的宽带半波延迟膜在绿光上出现峰值。但是，在本实施例中，两个偏振延迟器可以在不同波长形成峰值，例如一个峰值在蓝色带中，而另一个峰值在红色带中。因此，红光和蓝光通过量高于绿光通过量，而且图像光中的色彩比在偏振旋转器对绿光最优化的情况具有更好的色彩平衡。应该明白，可以选择偏振旋转器的最优波长值，以便满足特定的色彩要求。所述选择可以是基于大量的因素，包括(但不局限于)自光源发射的光的色彩平衡和光在系统的不同光学组件中的吸收。
如果希望单个的输出偏振态，则四分之一波长的偏振延迟器838可以放置于合成PBS 822和投影镜头系统824之间。这导致来自成像器818和830中任一个的图像光变成圆偏振光。延迟器838可以是附着在合成PBS 822的输出表面上的延迟膜。
在这种方法中，色带中的所有光用来投影图像，这样可以增强图像亮度。作为前置偏振器810和成像PBS 816和828的偏振分光器都可以使用补偿型的多层介质偏振器构成，在这种情况下，可以使用低到f/1.5或更小的低光圈数的光。因为对于通过偏振态，透过偏振器的透射率很高，而且可以使用低光圈数，所以使用补偿型的多层介质偏振器提高了通过投影系统的光量。控制单元840可以用来控制由成像器818和828施加的图像，并使图像与选色器808同步。当投影系统800包括用于电视(例如高清晰度电视)的投影引擎时，控制单元840也可以包括电视调谐器和其它电路系统以处理并投影电视画面图像。
应该明白，尽管本发明已经参考使用反射式成像器的显示器进行了描述，但是本发明也可以在使用透射式成像器的显示器中用于预先偏振和偏振恢复。
如上标注，本发明适用于显示装置，并被认为特别适用于提供便宜的、高亮度的图像投影系统。本发明不应该被认为只局限于上述的具体例子，相反，应该这样理解，本发明覆盖附属权利要求书中适当陈述的本发明的所有方面。一旦本发明所属领域的技术人员对本说明书进行回顾，对他们来说，对本发明的各种变化、等效处理和多种结构将是显而易见的。本权利要求书旨在覆盖这些变体和装置。
权利要求
1.一种单成像器光投影系统，其包括成像核心，该成像核心包括选色器，该选色器使处于所需要的色带中的照明光透射，单个反射式成像器单元，成像偏振分光器(PBS)，该成像偏振分光器将从所述选色器接收的光向所述单个反射式成像器单元反射，以及反射式前置偏振器，所述反射式前置偏振器被设置成使所述照明光在入射到成像PBS之前预先偏振，当用在可见光光谱内的光圈数不大于f/2.5的光照射时，所述反射式前置偏振器对于反射光的消光比大于50∶1。
2.如权利要求1所述的系统，其中，从所述成像核心反射的图像光的光圈数不大于2.5，并且该图像光在每个色带上的对比率至少为250∶1。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述图像光的光圈数不大于2。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述图像光的光圈数不大于1.5。
5.如权利要求1所述的系统，其中，在每个色带上的所述对比率大于350∶1。
6.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括光源，该光源用以产生能被所述选色器透射的照明光。
7.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括与所述选色器和所述反射式成像单元耦合的控制单元，该控制单元用以使被所述选色器通过的所述色带与被施加到入射在所述成像器单元上的入射光上的所述图像同步。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述控制单元包括电视调谐器和控制电路系统。
9.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括投影镜头单元，所述投影镜头单元被设置成投影所述图像光，所述投影镜头单元的光圈数不大于2.5。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述投影镜头单元的光圈数不大于2。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述投影镜头单元的光圈数不大于1.5。
12.如权利要求1所述的系统，所述成像核心还包括偏振恢复单元，该偏振恢复单元用以将光转换成需要的偏振态，所述反射式前置偏振器形成了所述偏振恢复单元的偏振元件。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述偏振恢复单元包括偏振恢复隧道。
14.如权利要求12所述的系统，其中，所述偏振恢复单元置于所述选色器和所述反射式成像器单元之间。
15.如权利要求12所述的系统，其中，所述前置偏振器使处于不需要的偏振态的光反射回所述偏振恢复隧道。
16.如权利要求1所述的系统，其中，所述前置偏振器使光向所述成像PBS反射。
17.如权利要求1所述的系统，其中，所述前置偏振器是补偿型的多层介质偏振器。
18.如权利要求1所述的系统，其中，所述成像PBS是补偿型的多层介质偏振器。
19.如权利要求1所述的系统，仅使用所述前置偏振器和所述成像PBS作为偏振元件时，在所有色带上获得的所述对比率都大于250∶1。
20.一种用于投影系统的成像核心单元，其包括第一偏振分光器(PBS)，所述第一偏振分光器被设置成使照明光束分裂成分别处于第一偏振态和第二偏振态的第一光束和第二光束，所述第一偏振分光器是补偿型的多层介质PBS；第一偏振旋转器，所述第一偏振旋转器被设置成使所述第一光束中的光的偏振旋转；第一成像PBS，所述第一成像PBS被设置成使所述的第一偏振旋转光束中的光向第一反射式成像器单元反射，被所述第一成像器单元反射的第一图像光束透射通过所述第一成像PBS；第二成像PBS，所述第二成像PBS被设置成使所述第二光束中的光向第二反射式成像器单元反射，被所述第二成像器单元反射的第二图像光束透射通过所述第二成像PBS；合成PBS，所述合成PBS被设置成将所述第一图像光束和第二图像光束混合成为合成图像光束；以及第二偏振旋转器，所述第二偏振旋转器置于所述合成PBS与所述第一成像PBS之间以使所述第一图像光束偏振旋转，或者所述第二偏振旋转器置于所述合成PBS与所述第二成像PBS之间以使所述第二图像光束偏振旋转。
21.如权利要求20所述的单元，其中，光从所述第一PBS传到所述第一成像PBS和第二成像PBS，而未通过净化偏振器。
22.如权利要求20所述的单元，其中，所述第一偏振旋转器使处于第一波长的光最优化，所述第二偏振旋转器处于第二波长的光最优化，所述第二波长不同于所述第一波长。
23.如权利要求20所述的单元，所述单元还包括投影镜头单元，所述投影镜头单元被设置成能投影所述合成图像光束。
24.如权利要求21所述的单元，所述单元还包括投影屏幕，所述合成图像光束由所述投影镜头单元投影在所述投影屏幕上。
25.如权利要求21所述的单元，所述单元还包括光源，该光源用以产生照明光束。
26.如权利要求25所述的单元，其中，所述合成图像光束的光圈数不大于2.5，所述合成图像光在其色带上的对比率不小于250∶1。
27.如权利要求26所述的单元，其中，在所述合成图像光的色带上的所述对比率不小于350∶1。
28.如权利要求25所述的单元，所述单元还包括选色器，所述选色器置于所述光源和所述第一PBS之间。
29.如权利要求28所述的单元，其中，所述选色器是色轮。
30.如权利要求28所述的单元，所述单元还包括控制器，所述控制器与所述第一成像器单元和所述第二成像器单元以及所述选色器耦合，以使被所述反射式成像器单元施加的图像与被所述选色器选择的色彩同步。
31.如权利要求20所述的单元，其中，所述合成PBS是栅网偏振器。
32.如权利要求20所述的单元，所述单元还包括四分之一波长延迟器，所述延迟器被设置成使所述合成图像光束的偏振延迟。
33.如权利要求20所述的单元，其中，所述第一成像PBS和所述第二成像PBS都是补偿型的多层介质PBS。
全文摘要
与具有三个成像器的投影系统相比，具有单个成像器的投影系统的光通过量低，这是由于在任何一个时间只对一个色带进行照明。因此，需要提高单成像器投影系统的工作效率。本发明涉及在单成像器投影系统或双成像器投影系统中结合使用高消光比的前置偏振器，例如补偿型的多层偏振器。这允许使用光圈数低的照明光照明，从而提高了投影系统的效率。该前置偏振器可以合并入偏振恢复单元中，以便进一步提高系统效率。
文档编号H04N9/31GK1792098SQ200480013340
公开日2006年6月21日 申请日期2004年4月13日 优先权日2003年5月16日
发明者马家颖, 查尔斯·L·布鲁佐内, 大卫·J·W·奥斯吐恩 申请人:3M创新有限公司