专利名称：具有紧凑光学积分器的彩色投影仪以及用其投影图像的方法
具有紧凑光学积分器的彩色投影仪以及用其投影图像的方法
技术领域：
本发明是涉及彩色投影仪和投影彩色图像的方法，特别是，利用紧凑的光 学积分器以增加将被成像和投影的光的均匀性的彩色投影仪和投影彩色图像的方法。
彩色投影仪一般可被分成三个主要部分照明系统，包括光源和照明光学 装置；图像产生系统，包括一个或多个光调制器；以及包括投影光学装置的投 影系统。同时，对显示彩色图像的彩色投影仪的需求越来越广泛。推动这种需 求的是彩色投影仪的成本、尺寸、和重量的减小，以及性能上的改善。
在彩色投影仪的尺寸、重量、和性能方面的推动因素中之一是照明系统， 特别是光源。 一般，彩色投影仪使用超高压(UHP)汞灯作为光源。但是，制 造包括UHP光源的小型、轻质、且低功率照明系统还存在实践上的局限。
因此，希望提供一种彩色投影仪，其可以使用能够减小整个彩色投影仪的 尺寸和重量的一种可选的照明系统。还希望提供一种彩色投影仪，其具有紧凑 的、高性能的照明系统。此外还希望提供一种使用这样的彩色投影仪投影图像 的方法。本发明旨在提出前面关注的一个或多个。
在本发明的一方面，彩色投影仪包括用于产生第一、第二、和第三彩色 光束的光源；用于积分第一彩色光束、积分第二彩色光束、和积分第三彩色光 束的光学积分器；第一、第二、和第三光调制器，每个都用于接收积分后的第 一、第二、和第三彩色光束中相应的一个并且用于从中产生相应的第一、第二、 和第三彩色图像；用于组合第一、第二、和第三彩色图像以形成合成的彩色图 像的光学合成器；以及用于投影该合成的彩色图像的投影透镜，其中光学合成 器包括在第一、第二、和第三彩色光束的至少一个的光路上的偏振分束器。
在本发明的另一方面，投影图像的方法包括提供第一、第二、和第三彩 色光束；积分第一彩色光束，积分第二彩色光束，以及积分第三彩色光束；调 制积分后的第一光束、积分后的第二光束、和积分后的第三光束以产生相应的 第一、第二、和第三彩色图像；组合第一、第二、和第三彩色图像以形成合成 的彩色图像，其中积分第一彩色光束、积分第二彩色光束、和积分第三彩色光束包括提供第一、第二、和第三彩色光束的至少一个到偏振分束器。 另外的和其它的方面将在接下来的描述中变衞艮明显。
图1图示说明了彩色投影仪的一个实施例； 图2图示说明了彩色投影仪的另一个实施例； 图3也图祸兑明了彩色投影仪的再一个实施例； 图4还图示i兑明了彩色投影仪的又一个实施例。
图1示出了彩色投影仪100的有关部分，包括照明系统110、图像产生器
150、和投影系统180。
照明系统110包括光源120和光学积分器130。
光源120包括第一、第二、和第三发光二极管(LED) 122、 124、和126、 准直器128、和偏振器129。尽管图l的实施例包括一对第一LED122、 一对第 二 LED124、和一对第三LED126，可选地，光源120可包括仅仅单个第一 LED122、单个第二LED124、单个第三LED126。第一、第二、和第三LED122、 124、禾ni26mt具有三种不同颜色(分别为第一、第二和第三颜色)的彩色 光。有益地，第一、第二、和第三LED122、 124、禾口 126分别划寸红光、蓝光、 和绿光。准直器128收集来自第一、第二和第三LED122、 124、禾IH26的光 并把该光准直成第一、第二、和第三彩色光束。偏振器129将该光线性偏振成 适合图像产生器150操作的偏振态。
同时，光学积分器130包括第一、第二和第三光积分棒(integrating light rod) 132、 134和136。有益地，^h光积分棒132、 134、 136是具有矩形截面 的一块光学性能的玻璃。有益地，该截面可具有16:9或4:3的高宽比。然而， 光积分棒132、 134、 136可由塑料或者任何其它适合的光学透明材料来替代玻 璃制成。
图像产生器150包括第一、第二和第三光调制器152、 154、和156，以 及光学合 160。有益地，第一、第二、和第三光调制器152、 154、和156 齡都是液晶显示(LCD)器件，特别是，透射的LCD光调制面板(light modulator panel)。第一、第二、和第三光调制器152、 154、和156每一个接收相应的来 自彩色投影仪100中的电子设备(未示出)的图像信号。有益地，光学合皿 160包括复合立方体(recombination cube),也称为X-立方^(X-cube)。
投影系统180包括至少一个投影透镜。在操作中，第一、第二、和第三LED122、 124、禾口 126与准直器128—起 工作以分别产生第一、第二、和第三彩色光束。有益地，第一、第二、和第三 彩色光束是红、绿、和蓝色光束。第一、第二、和第三彩色光束被分别提供给 光学积分器130，特别是第一、第二和第三光积分棒132、 134、和136。第一、 第二、和第三光积分棒132、 134、和136分别积分或混合第一、第二、和第三 彩色光束，以分别产生积分后的第一彩色光束、积分后的第二彩色光束、和积 分后的第三彩色光束。第一、第二和第三光调制器152、 154和156^接收 积分后的第一、第二和第三彩色光束中相应的一个。第一、第二和第三光 调制器152、 154、禾ni56还接收来自彩色投影仪100中的电子设备(未示出)
的相应的图像信号，并分别响应其来调制积分后的第一彩色光束、积分后的第 二彩色光束、积分后的第三彩色光束，以从此产生相应的第一、第二禾嗨三 彩色图像。
光学合成器160组合第一、第二、和第三彩色图像并将合成的彩色图像输 出到投影彩色图像的投影系统180。
在彩色投影仪100中，*彩色光束的光'路，上包括光积分棒，所述光 积分棒"混合'彩色光以产生更均匀的强度分布并且因此提供光调制器(LCD 面板)的均匀照明。关键地，该光积分棒的长度决定性能光积分棒越长(例 如，光路长度越长)，积分后的彩色光束的均匀性越好。但是，长的光积分棒不 是很适合小型、紧凑、轻质的、彩色投影仪。这个效应在绿色通道(channel) 上特别明显。由于标准的光学合成器(复合立方体)的结构，绿，道总是在 中间(即，第三彩色光束)。所以，绿色光束的光积分棒比红色和蓝色光束的光 积分棒短。不利地，我们也都熟知在白色图片中大部分流明(lumen)都在绿光 中。因此在绿色通道中非均匀性更容易明显。平均起来，在普通的电视图片中， 或DVD电影中、或事实上任何"普通的"视频内容中，大部分流明将在绿feM 道中通常会适用。
图2示出了至少部分地提供这些关注的彩色投影仪200的有关部分。彩色 投影仪200包括照明系统210、图像产生器250、和投影系统280。
照明系统210包括光源220和光学积分器230。光源220包括第一、第二、 和第三发光二极管(LED) 222、 224、和226、准直器228、和偏振器229。尽 管图2的实施例包括一对第一LED222、 一对第二LED224、和一对第三LED226，可选地，光源220可以包括仅仅单个第一LED222、单个第二LED224、 和单个第三LED 226、或者每个多于两个LED 222、 224、 226。第一、第二、 和第三LED222、 224、 226发射具有三种不同颜色的彩色光束(分别为第一、 第二、和第三颜色)。有益地，第一、第二、和第三LED 222、 224、和226分 别发射红光、蓝光、和绿光。准直器228收集来自第一、第二和第三LED222、 224、和226的光并将其准直成第一、第二、和第三彩色光束。偏振器229将该 光线性偏振为适合图像产生器250和随后将讨论的偏振分束器240操作的期望 偏振态。
光学积分器230包括第一、第二、和第三光积分棒232、 234、和236。有 益地，每个光积分棒232、 234、 236是一块具有正方形截面的光学性能的玻璃。 但是，光积分棒232、 234、 236可由塑料或任何其它适合的光学透明材料来代 替玻璃制成。
但是，与彩色投影仪100相比，彩色投影仪200中光学积分器230还包括 在第三彩色光束(有益地，绿色光束)的光路上的偏振分束器240。还有，第三 光积分棒236的长度比第一和第二光积分棒232和234的长度短。偏振分束器
的一般操作是本领域技术人员熟知的，所以在此将不再解释。光学积分器230 还包括第一和第二l/4波片242、 244以及第一和第二反射镜246、 248。偏振分 束器240、第一和第二 1/4波片242、 244以及第一和第二反射镜246、 248在光 学积分器230和彩色投影仪200中的作用将在下面详细说明。
图像产生器250包括第一、第二、和第三光调制器252、 254、和256，以 及光学合成器260。有益地，*第一、第二、和第三光调制器252、 254、和 256是液晶显示(LCD)器件，特别是，透射的LCD光调制面板。第一、第二 和第三光调制器252、 254、和256旨接收相应的来自彩色投影仪200中的电 子设备(未示出)的图像信号。有益地，光学合成器260包括复合立方体，也 称为X-立方体。
投影系统280包括至少一4^投影透镜。
通常，除了光学积分器230的操作之外，彩色投影仪200的操作与彩色投 影仪100的操作相同。因此，为了避免冗余，现在将只说明彩色投影仪200和 彩色投影仪100之间操作的不同之处，即光学积分器230的操作。
来自第三LED(s)(有益地，为绿色LED(s)) 226的第三彩色光束被提供至光学积分器230的偏振分束器240。由于偏振器229位于准直器228和偏振分束 器240之间，只有具有正确偏振方向的光才会到达偏振分束器240。偏振分束器 240被放置得使得第三彩色光束被反射向其中一刊则面，优选地在光学积分器 230的长轴上的侧面。这里方爐着第一l/4波片242和第一反射镜246。注意第 一 1/4波片242的E轴(extraordinary aixs)相对于入射光的偏振方向被旋转了 45度。第一l/4波片242被经过2次，并组合反射镜246，第三彩色光束的偏振 从水平变成了垂直(或者反之)。同时，偏振分束器240对这个偏振方向的， 明。在偏振分束器240的另一侧面，设置同样的构造，艮卩，方爐第二 1/4波片 244和第二反射镜248。当第三彩色光自过第二 1/4波片244，被第二反射镜 248反射，并往回再次ilil第二l/4波片244时，偏振方向被再次反转。光束再 次照射到偏振分束器240上。然而，在被第二 1/4波片244和第二反射镜248 反转的偏振下，偏振分束器240将第三彩色光束反射向第三光调制器256，该第 三彩色光束首先还被第三光积分棒236积分。
因此，通过提供偏振分束器240，对于第三彩色光束(例如，绿色光束) 的积分长度大约有效增至三倍。皿而大大提高了绿光(最关键的光)的均匀 性，虽然由于反射镜的吸收而造成百分之几的3艘损失，但彩色投影仪200的 尺寸相比于彩色投影仪100没有增加。
应理解的是，除了 (或代替)在光学积分器中的第三彩色光束的光路(例 如，在绿色通道)上放置偏振分束器，偏振分束器也可应用在光学积分器中的 第一 (例如，红色)彩色光束、和/麟二 (例如，蓝色)彩色光束的光路上。 还有，多于一个的偏振分束器可被用于单个颜色的光路上。成本和性能提升之 间的权衡将决定这是否是想要的。
如前面所说明的，偏振分束器可被包括在光学积分器中以获得彩色投影仪 的性能提升而无需增加尺寸。然而，可选地，彩色投影仪的尺寸(长度)可被 减小，如下面关于图3所示的。
图3示出了具有包括偏振分束器240的光学积分器300的彩色投影仪300 的另一个实施例的有关部分。彩色投影仪300与彩色投影仪200相似，并且操 作上实质相同，除了光学积分器330在第三彩色光束的光路上没有包括第三光 积分棒，并且第一和第二光积分棒332和334的长度被减小了之外。根据该实 施例，彩色投影仪300的尺寸(长度)与彩色投影仪100相比可以被减小，虽然第三彩色光束(例如，绿色光束)的有效积分路径相比于彩色投影仪100仍 然可以有些许增加。
图4示出了彩色投影仪400的又一个实施例的有关部分。通常，彩色投影 仪400的结构和操作与彩色投影仪200的结构和操作相同，除了光学积分器430 的结构和操作，以及第一、第二、和第三LED222、 224、和226的位置的重新 排列的变化(如图4所示)以适应光学积分器430的操作之外。因此，为避免 冗余，现在将仅说明彩色投影仪200和彩色投影仪400之间的结构和操作上的 不同之处，即光学积分器430的结构和操作。
光学积分器430包括第一和第二光积分棒432和434，第一第二和第三偏 振分束器441、 443、和445，第一和第二 1/4波片442、 444，第一和第二反射 镜446、 448，以及第一和第二光学透明(例如，玻璃)元件435和437。有益 地，每个光积分棒432和434是具有矩形截面的一块光学性能的玻璃。
光学积分器430操作如下。第一彩色光束(例如，红色光束)依次被第三 偏振分束器445反射，通过第一l/4波片442，被第一魁寸镜446反射，往回通 过第一l/4波片442，通过第三偏振分束器445，通51第二偏振分束器443,通 过第一偏振分束器441，通过第二l/4波片444，被第二则寸镜448反射，往回 ffiil第二l/4波片444，并被第一偏振分束器441反射向第一光调制器252。同 时，第二彩色光束(例如蓝色光束)依次被第二偏振分束器443反射，并被第 三偏振分束器445反射向第二光调制器254。还有，第三彩色光束(例如，绿色 光束)被第一偏振分束器441反射，然后被第二偏振分束器443反射向第三光 调制器256。第一和第二光学透明元件435和437分别被放置在第一偏振分束器 441和第二偏振分束器443之间的光路上，以及第二偏振分束器443和第三偏振 分束器445之间的光路上，用于当第一、第二、和第三彩色光束在各种偏振分 束器之间经过时，守恒(conserve)第一、第二和第三彩色光束中的光。
在彩色投影仪400中，第一、第二、和第三彩色光束的积分路径长度不一 样。但是，这并不重要，只要每个积分路径长度足以使光束均匀。也就是说， 一旦光学积分器中光束的光分布变得均匀，当它经过光学积分器的任何剩余长 度时都保持那种方式。有利地，垂直路径以及三个偏振分束器441、 442、禾口445 在彩色投影仪400的光学积分器430中的使用为三个彩色光束提供了比在彩色 投影仪100中更长的路径，因此大大地改进了积分后的彩色光束的光强分布的均匀性。进而提高了彩色投影仪400所投影的图像质量。
应理解的是，颜色和偏振分束器的几种不同的排列都是可能的，并且图4 中所示的和以上讨论的实施例实质上是例示性的。
尽管这里公开了伏选实施例，但是很多在本发明的概念和范围内的变化都 是可能的。在查阅了这里的说明书、附图以及权利要求之后，这些变化对本领 域普通技术人员会变得清楚。因此本发明将只限于随后的权利要求的精神和范 围中。
权利要求
1、一种彩色投影仪(200、300、400)，包括用来产生第一、第二、和第三彩色光束的光源(220)；用来积分第一彩色光束、积分第二彩色光束、以及积分第三彩色光束的光学积分器(230、330、430)；第一(252)、第二(254)、和第三(256)光调制器，每个用来接收相应的积分后的第一、第二、和第三彩色光束中的一个并且用来从此处产生相应的第一、第二、和第三彩色图像；用来组合第一、第二、和第三彩色图像以形成合成的彩色图像的光学合成器(260)；以及用来投影合成的彩色图像的投影透镜(280)，其中光学积分器(230、330、430)包括位于第一、第二、和第三彩色光束中的至少一个的光路上的偏振分束器(240、441)。
2、 如权利要求1的彩色投影仪(200、 300、 400)，其中光源(220)包括 分别刻寸第一、第二、和第三彩色光束的第一 (222)、第二 (224)、和第三(226) 发光二极管(LED)。
3、 如权利要求1的彩色投影仪(200、 300、 400)，其中所述彩色光束中的 一个是绿色光束并且光学积分器(230、 330、 430)的偏振分束器(240、 441、 443)位于绿色光束的光路上。
4、 如权利要求1的彩色投影仪(200、 300)，其中光学积分器的偏振分束 器(240)位于第一、第二、和第三彩色光束的最短光路上。
5、 如权利要求l的彩色投影仪(200、 300)，其中光学积分器(230、 330) 包括用来积分第一彩色光束的第一光积分棒(232、 332); 用来积分第二彩色光束的第二光积分棒(234、 334);以及 用来积分第三彩色光束的偏振分束器(240)。
6、 如权利要求5的彩色投影仪(200、 300)，其中光学积分器(230、 330) 还包括第一和第二 1/4波片(242、 244)以及第一和第二反射镜(246、 248)。
7、 如权利要求5的彩色投影仪(200、 300)，其中第三彩色光束是绿色光束。
8、 如权利要求5的彩色投影仪(200)，其中光学积分器(230)还包括放 置在第三彩色光束的光路上的第三光积分棒(236)。
9、 如权禾腰求l的彩色投影仪(400)，其中光学积分器还包括第二偏振分 束器(443)。
10、 如权利要求9的彩色投影仪，还包括 第三偏振分束器(445);方爐在第一偏振分束器(441)和第二偏振分束器(443)之间的光路上的 第一光学透明元件(435);以及方爐在第二偏振分束器(443)和第三偏振分束器(445)之间的光路上的 第二光学透明元件(437)。
11、 如权利要求l的彩色投影仪(400)，其中至少两个不同的彩色光， 过偏振分束器(441)。
12、 如权利要求1的彩色投影仪，其中第一 (252)、第二 (254)、和第三 (256)光调制器都是液晶器件。
13、 一种投影图像的方法，包括 提供第一、第二、和第三彩色光束；积分第一彩色光束，积分第二彩色光束，以及积分第三彩色光束； 调制积分后的第一光束、积分后的第二光束、和积分后的第三光束以产生相应的第一、第二、和第三彩色图像；以及组合该第一、第二、和第三彩色图像以形成合成的彩色图像， 其中积分第一彩色光束，积分第二彩色光束，以及积分第三彩色光束包括将第一、第二和第三彩色光束中的至少一个提供至lj偏振分束器(240、 441)。
14、 如权利要求13的方法，其中第一、第二、和第三彩色光束分别由第一 (222)、第二 (224)、和第三(226)发光二极管提供。
15、 如权利要求13的方法，其中至少一个彩色光束是绿色光束。
16、 如权利要求13的方法，其中积分第一彩色光束包括使第一彩色光ma过第一光积分棒(232、 332)，其中积分第二彩色光束包括使第二彩色光^iM: 第二光积分棒(234、 334)，并且其中积分第三彩色光束包括^m三彩色光mM 过偏振分束器(240)。
17、 如权利要求16的方法，其中第三彩色光束是绿色光束。
18、 如权利要求16的方法，其中积分第三彩色光束依次包括 ^B三彩色光束从偏振分束器(240)反射； 使第三彩色光束ttl第一 1/4波片(242); 使第三彩色光束从第一反射镜(246)反射； 使第三彩色光束往回通过第一 1/4波片(242); 使第三彩色光束fflil偏振分束器(240); 使第三彩色光束M第二 1/4波片(244); 使第三彩色光束由第二反射镜(248)反射； 使第三彩色光束往回通过第二 1/4波片(244);以及 使第三彩色光束被偏振分束器(240)反射向第三光调制器(256)。
19、 如权利要求16的方法，其中积分第三彩色光束还包括使第三彩色光束 m第三光积分棒(236)。
20、 如丰又利要求13的方法，其中积分第一彩色光束包括提供第一彩色光束 至第一偏振分束器(441)，其中积分第二彩色光束包括提供第二彩色光束至第 二偏振分束器(443)，并且其中积分第三彩色光束包括提供第三彩色光束至第 三偏振分束器(445)。
全文摘要
在彩色投影仪(200、300、400)中，光源(220)产生第一、第二、和第三彩色光束。光学积分器(230、330、430)将第一彩色光束、第二彩色光束、和第三彩色光束积分。积分后的第一彩色光束、第二彩色光束、和第三彩色光束分别通过第一(252)、第二(254)、和第三(256)光调制器调制，产生第一、第二、和第三彩色图像。光学合成器(260)将第一、第二、和第三彩色图像组合以形成合成的合成的彩色图像，并且投影透镜(180)投影该合成的合成的彩色图像。光学积分器(230、330、430)包括在第一、第二、和第三彩色光束的至少一个的光路上的偏振分束器(240、441)，以增加相应彩色光束的有效积分长度。
文档编号H04N9/31GK101317465SQ200680044885
公开日2008年12月3日 申请日期2006年11月28日 优先权日2005年12月1日
发明者B·A·萨尔特斯, M·P·C·M·克里恩, O·H·威廉森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司