專(zhuān)利名稱(chēng)：具有反向光路的偏振光源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及偏振光源領(lǐng)域，例如直接或通過(guò)投影觀看顯示的偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)。更詳細(xì)地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于增強(qiáng)亮度的具有反向光路的偏振光源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
許多用于投影和直接觀察系統(tǒng)的顯示器都基于偏振光工作。這樣的顯示器包括例如LCoS(硅上液晶)、超扭轉(zhuǎn)向列(STN)和鐵電體(FLC)的反射型顯示器以及例如薄膜晶體管(TFT)、多晶硅(p-si)和硅-絕緣體(SOI)的透射型顯示器。這些顯示器可通過(guò)改變?nèi)肷涔馔干浠蚍瓷涞钠駪B(tài)產(chǎn)生高分辨率圖像。例如在LCoS顯示器中，在暗狀態(tài)(dark state)下，像素基本上不改變偏振態(tài)地反射所有的光，在亮狀態(tài)(bright state)下，像素將反射的入射光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)成與其對(duì)應(yīng)的正交偏振態(tài)。通過(guò)用偏振光照明顯示器，然后濾除幾乎所有所述偏振態(tài)的反射光，顯示圖像可由人眼觀察或投射到觀看屏幕上。
在單板投影系統(tǒng)中，當(dāng)顯示器與脈沖光源同步以反射圖像的適當(dāng)?shù)念伾至繒r(shí)，顯示器由紅、綠和藍(lán)光的短脈沖群照明。白光或其他顏色的光脈沖群可以單獨(dú)使用或與紅、綠和藍(lán)光結(jié)合使用。短脈沖群可來(lái)自色輪或脈沖LED(發(fā)光二極管)?？焖俳惶娴募t、綠和藍(lán)圖像在人的感覺(jué)中混合以形成顯示的全色圖像。然而，顯示器也可以被用于數(shù)據(jù)或目標(biāo)顯示器的單色光照明。這種顯示器還可用于私人顯示觀察或虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，例如在頭盔、擋風(fēng)板和護(hù)目鏡投影系統(tǒng)中，以及小型便攜式投影儀和手機(jī)中。
由于大部分傳統(tǒng)的低成本的光源產(chǎn)生具有混合偏振態(tài)的光，光一般由PBS(偏振光束分離器)分解。一個(gè)偏振方向的光(通常為S偏振光)經(jīng)PBS傳播，而其正交偏振方向的光(通常為P偏振光)被PBS反射。另一種常見(jiàn)的處理是采用吸收一個(gè)偏振方向的光的偏振濾波器。通常在這種沒(méi)有偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的系統(tǒng)中，由于或者被反射或者被吸收而損耗一半的光。其導(dǎo)致燈光減暗的顯示或需要更亮的光源。在投影儀中，燈光減暗的顯示更不便于觀察，而更亮的光源增加了功率消耗和投影系統(tǒng)的成本。由于通常產(chǎn)生額外的熱量，更亮的光源需要更大的外殼來(lái)提供足夠的冷卻空間或容納風(fēng)扇來(lái)冷卻光源。風(fēng)扇將增加附加成本、功率消耗和噪聲。
為了提高效率，用多個(gè)PBS代替簡(jiǎn)單的單一PBS。多個(gè)PBS具有小偏振光束分離器和關(guān)聯(lián)的透鏡的二維陣列。精確對(duì)準(zhǔn)光束分離器和透鏡以便使多個(gè)PBS的出射光基本上是準(zhǔn)直的，并且具有單一偏振態(tài)。多個(gè)PBS將幾乎所有的入射光轉(zhuǎn)換成相同的偏振態(tài)。但是，由于其所需的結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及需要每個(gè)PBS與每個(gè)透鏡精密對(duì)準(zhǔn)，因此制造費(fèi)用昂貴。所以多個(gè)PBS增加了投影系統(tǒng)的成本。
多個(gè)PBS系統(tǒng)和單個(gè)PBS系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)在于，在一般的PBS中，在水平軸和垂直軸之間不同的入射角度透射率不同。在大多數(shù)情況下，PBS將以一個(gè)軸方向上比另一個(gè)軸方向上更大的入射角范圍透射接收的光。因此，PBS在垂直方向比在水平方向更有效。通過(guò)在所述方向上擴(kuò)展光可以提高PBS的效率，然而傳統(tǒng)的PCS(偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng))的角向強(qiáng)度分布是關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于顯示系統(tǒng)的增強(qiáng)型偏振光源。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明包括將來(lái)自光源的光成像在顯示器的光學(xué)系統(tǒng)；接收所述光學(xué)系統(tǒng)的光的反射偏振器，其將第一偏振態(tài)的光射向顯示器，并將第二偏振態(tài)的光向光源反射；反射鏡，其接收來(lái)自反射偏振器的具有第二偏振態(tài)的光，并將其反射回反射偏振器；和位于反射偏振器和反射鏡之間的偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其將被反射的第二偏振態(tài)的光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換成第一偏振態(tài)。
從附圖和下面的詳細(xì)描述將明白本發(fā)明的其他特征。


附圖中以舉例的方式而不是限制的方式說(shuō)明本發(fā)明，附圖中相同的元件用相同的標(biāo)號(hào)表示，其中
圖1是用于透射型顯示器的包含本發(fā)明第一實(shí)施方案的投影照明系統(tǒng)的橫截面?zhèn)纫晥D，包括軸向光線和非軸向光線的光線追跡；圖2是用于反射型顯示器的包含本發(fā)明第二實(shí)施方案的投影照明系統(tǒng)的橫截面俯視圖，示出了中心光線；圖3是用于透射型顯示器的包含本發(fā)明第三實(shí)施方案的投影照明系統(tǒng)的橫截面?zhèn)纫晥D，包括軸向光線和非軸向光線的光線追跡；圖4是用于反射型顯示器的包含本發(fā)明第四實(shí)施方案的投影照明系統(tǒng)的橫截面俯視圖，示出了中心光線；圖5是用于反射型顯示器的包含本發(fā)明第五實(shí)施方案的投影照明系統(tǒng)的橫截面俯視圖，其除了包括兩個(gè)偏振光束分離器之外與圖4類(lèi)似；圖6是適用于本發(fā)明的錐形光學(xué)積分通道的橫截面圖，示出了邊緣光線的路徑；和圖7是適用于本發(fā)明的形狀如復(fù)合拋物面聚光器的錐形光學(xué)積分通道的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種低價(jià)高效的照明光源，其用于使用反向光路連同前向光路的反射和透射型顯示器。本發(fā)明還提供在一個(gè)方向上擴(kuò)展的強(qiáng)度圖，還通過(guò)典型的反射型偏振器或PBS(偏振光束分離器)部件來(lái)提高效率。在投影系統(tǒng)以及許多其他方法中，其可以用作反射型LCD(液晶顯示器)的PCS(偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng))。從而，能以更低的成本在亮度和對(duì)比度上獲得同等或更高系統(tǒng)性能。
圖1示出了本發(fā)明的第一實(shí)施方案的實(shí)施例。圖1的實(shí)施方案特別適用于使用例如液晶顯示器或液晶光閥的透射型顯示器的投影裝置，不過(guò)通過(guò)適當(dāng)修改也能使用任何其他的反射或透射型顯示器。在圖1的實(shí)施方案中，圖示組件構(gòu)成了用于透射型顯示器的背光。簡(jiǎn)單地說(shuō)，來(lái)自投影燈系統(tǒng)11的光，由紅、綠、藍(lán)的色輪13濾光，并且在由反射型偏振器45濾光后入射到顯示器43上。在一些實(shí)施方案中，除了紅色、綠色、藍(lán)色部分之外色輪還可包括白色部分或任何其他的顏色或者可以包括替代紅色、綠色、藍(lán)色部分的白色部分或任何其他的顏色。另外，也可使用LED照明系統(tǒng)或各種其他的照明系統(tǒng)。
投影透鏡(未示出)將圖像成像到屏幕(未示出)上。圖像可以是來(lái)自任何類(lèi)型圖像或視頻媒介的靜止或運(yùn)動(dòng)的圖像。所述系統(tǒng)可用作計(jì)算機(jī)合成幻燈片的投影裝置和數(shù)字源映像的投影裝置，另一方面，也能獲得許多其他應(yīng)用，例如游戲、電影、電視、廣告和數(shù)據(jù)顯示。本發(fā)明還可容易地適應(yīng)于需要偏振照明的反射型顯示器以及任何類(lèi)型的薄膜和板。圖1的系統(tǒng)可連接到各種顯示驅(qū)動(dòng)器(未示出)。顯示驅(qū)動(dòng)器接收?qǐng)D像或視頻信號(hào)并將所述信號(hào)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)換成適用于驅(qū)動(dòng)顯示器和燈系統(tǒng)的形式。
更詳細(xì)地考慮圖1的實(shí)施例，燈系統(tǒng)11和色輪13，將來(lái)自燈系統(tǒng)的光耦合到通道通道21中。所述通道通道將光部分地準(zhǔn)直并使所述光具有所需的截面形狀。典型的通道具有矩形截面，在其接近光源的入口處或者是直的或者較小，而在其出口處較大，但是也可使用任何類(lèi)型的光準(zhǔn)直裝置或光源。對(duì)于傳統(tǒng)的投影裝置，理想的截面形狀是設(shè)計(jì)成適應(yīng)投影圖像的長(zhǎng)寬比的矩形。例如，對(duì)于計(jì)算機(jī)顯示器圖像可具有4∶3的長(zhǎng)寬比，對(duì)于影片顯示器可具有16∶9的長(zhǎng)寬比。還可以選擇長(zhǎng)寬比來(lái)匹配顯示器43的長(zhǎng)寬比。如果需要，可運(yùn)用各種公知技術(shù)來(lái)使投射圖像獲得不同于顯示器的長(zhǎng)寬比。
燈系統(tǒng)、色輪和通道可以具有傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)或者任何其他的設(shè)計(jì)，取決于特定的應(yīng)用。色輪可以用其他任何類(lèi)型的顏色選擇或調(diào)制系統(tǒng)代替，或者，如果燈系統(tǒng)能夠產(chǎn)生不同顏色的光，或如果在實(shí)施例中只需要一個(gè)顏色，那么可取消色輪。在一個(gè)實(shí)施例中，燈系統(tǒng)是一組紅、綠和藍(lán)色LED(發(fā)光二極管)，所述LED被與顯示器同步的脈沖調(diào)制以產(chǎn)生向觀察者顯示的不同顏色。在另一實(shí)施方案中，提供具有三個(gè)不同顯示器43的三個(gè)不同系統(tǒng)，紅、綠和藍(lán)中每一種顏色一個(gè)系統(tǒng)，并且三個(gè)圖像光學(xué)組合以用于顯示。這樣的系統(tǒng)可采用具有利用本領(lǐng)域公知的棱鏡或分光鏡分離的各種顏色的單個(gè)燈。
由于通道的設(shè)計(jì)，射出通道21的光基本上是遠(yuǎn)心的。來(lái)自通道的光進(jìn)入成像透鏡25，然后進(jìn)入由另一個(gè)光學(xué)元件41組成的中繼光學(xué)系統(tǒng)23。這些元件可以是傳統(tǒng)的的球面透鏡。各種非球面表面、衍射表面或菲涅爾表面都可包括在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的成本和尺寸目標(biāo)的所需表面中。對(duì)于指定的應(yīng)用，也可適當(dāng)?shù)丶尤肜忡R、反射鏡和附加的校正元件，以便將照明光折疊、彎曲或修正。中繼光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成在顯示器上產(chǎn)生燈系統(tǒng)照明的遠(yuǎn)心圖像。成像透鏡25在兩個(gè)透鏡25、41之間的中間位置26處構(gòu)造燈系統(tǒng)的中間圖像。第二透鏡是用于在顯示器上產(chǎn)生中間圖像的遠(yuǎn)心圖像的中繼系統(tǒng)。如果采用不同的燈系統(tǒng)或顯示器尺寸，那么可對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃蝸?lái)適應(yīng)這種差異。
對(duì)于本實(shí)施方案的遠(yuǎn)心光源，假定燈系統(tǒng)在無(wú)限遠(yuǎn)處。第一元件25具有焦距f1，焦距f1等于從其焦平面到通道的出射孔端的距離，還等于從其焦平面到中間圖像位置26之間的距離。因此，通道的出射孔端成像在無(wú)限遠(yuǎn)處。來(lái)自燈系統(tǒng)的光成像在系統(tǒng)的中間位置26，所述光在通道出口基本上是遠(yuǎn)心的。如上所述，任何其他遠(yuǎn)心或非遠(yuǎn)心的照明源都可用于代替圖中所示的燈、色輪和通道系統(tǒng)。因此成像光學(xué)元件25可以適合于在中間位置產(chǎn)生燈圖像，取決于照明系統(tǒng)的性質(zhì)。如上所述，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，第一透鏡25可以被多個(gè)各種類(lèi)型的光學(xué)元件取代。因此，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整的會(huì)聚或發(fā)散光源可應(yīng)用于光學(xué)中繼系統(tǒng)。
更詳細(xì)地考慮焦距，第一透鏡25具有焦距f1并且設(shè)置在距燈通道21近似相同的距離f1處。因此，其形成燈圖像并且在位置26具有出射光瞳，所述位置26離透鏡的距離為f1。第二透鏡41具有焦距f2并且設(shè)置在距中間位置26和顯示器距離為f2的位置上。第二透鏡在遠(yuǎn)心照明的無(wú)限遠(yuǎn)處將來(lái)自第一透鏡的光瞳(即在中間位置26處的燈的圖像)再次成像在顯示板上。第二透鏡還將通道的出射端在顯示板的位置上成像。
從圖1中可看出，第一透鏡以通道為中心。換句話說(shuō)，成像透鏡的光軸與通道的中心對(duì)準(zhǔn)，不過(guò)，也可使用其他的配置。第二透鏡41相對(duì)于通道和光源是偏心的。這使顯示板上的照明成為離軸的，其填充系統(tǒng)尺寸(étendue)的一半。第二透鏡非常偏心，以致其光軸位于燈系統(tǒng)的圖像的光路邊緣附近，或者完全在燈系統(tǒng)的圖像的光路外面。這種偏心為下面所講的反向光路作好準(zhǔn)備。但是，如圖1所示，第二透鏡基本上以顯示器為中心。這意味著雖然來(lái)自燈系統(tǒng)的的光到達(dá)相對(duì)于顯示器偏心的第一透鏡，但第二透鏡可將燈的圖像置于顯示器的中心。
如圖所示，這些透鏡不需要嚴(yán)格地關(guān)于通道或顯示器定中心。如果一個(gè)透鏡偏心，那么，每一個(gè)透鏡可以作輕微的移動(dòng)。另外，如果反射型偏振器以一個(gè)角度放置，那么可以將第二透鏡相應(yīng)地移動(dòng)。在圖示實(shí)施方案中所選擇的透鏡布置，可使光學(xué)系統(tǒng)的尺寸最小化。如果移動(dòng)第一透鏡，或者如果反射型偏振器或反射鏡以一個(gè)角度放置，那么可能會(huì)增加一些尺寸，但是元件以各種不同方式移動(dòng)能滿足特殊的尺寸和形狀因子的限制。
PBS45，例如柵網(wǎng)網(wǎng)偏振器、膽甾型偏振器、聚合物膜堆堆疊或介質(zhì)涂層堆疊堆疊透射一種偏振態(tài)(P偏振態(tài))并且反射另一種偏振態(tài)(S偏振態(tài))。在例如Perkins等人申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利No.6,122,103中記述了適當(dāng)?shù)臇啪W(wǎng)偏振器能被用作PBS以代替典型的各向異性-各向同性的聚合物膜堆疊。合適的柵網(wǎng)偏振器為ProFluxTM偏振器，其可以從美國(guó)猶他州的Moxtek公司獲得。
來(lái)自透射的P偏振態(tài)的光被第二透鏡41成像在顯示板43上。為了通過(guò)投影儀或觀察光學(xué)系統(tǒng)觀察，可從這里對(duì)其再次成像。來(lái)自反射的S偏振態(tài)的光在燈圖像的位置26處可被第二透鏡41成像在具有四分之一波長(zhǎng)膜或涂層的反射鏡47上。偏振方向在反射鏡處旋轉(zhuǎn)，”窗口”被再次成像回PBS上，PBS這時(shí)將透射改變后的偏振態(tài)，從而填充系統(tǒng)尺寸(étendue)的另一半。四分之一波片或某種其他偏振轉(zhuǎn)換裝置可以放置在反射鏡和反射型偏振器間的任何位置。所述系統(tǒng)可以包括在顯示器后(未示出)的檢偏器(例如碘基PVA(聚乙烯醇)膜或柵網(wǎng)偏振器)來(lái)濾除其他雜散的P偏振光，以增強(qiáng)對(duì)比度。對(duì)于特殊應(yīng)用或燈系統(tǒng)，檢偏器和偏振濾波器還可適當(dāng)?shù)胤胖迷谙到y(tǒng)的其他位置上。
在圖示實(shí)施方案中直接來(lái)自燈的P偏振光成像在顯示器的整個(gè)表面上，就像來(lái)自四分之一波片的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)的光一樣。來(lái)自上部反向路徑的照明重疊在下部的路徑上以增強(qiáng)顯示器的亮度。作為選擇，所述光可用于增加被照亮的面積。例如，正向下部路徑的照明能成像在顯示器的第一部分上，而反射的上部路徑能成像在顯示器的第二部分上。這可通過(guò)調(diào)整反射鏡和透鏡位置來(lái)完成。
在圖1中示意性地示出光的S偏振分量的路徑。S偏振態(tài)以點(diǎn)示出，表明偏振態(tài)向量垂直于圖的紙面。由虛線示出的S偏振光在光學(xué)系統(tǒng)下部經(jīng)過(guò)通道穿過(guò)第一和第二透鏡到達(dá)反射型偏振器。S偏振光從這里被反射，其穿過(guò)第二透鏡到達(dá)反射鏡47，如光學(xué)系統(tǒng)上部的虛線所示。反射后，S偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)成P偏振態(tài)，其用短線表示。所述線表明偏振態(tài)向量垂直對(duì)準(zhǔn)圖的紙面。由線示出的P偏振態(tài)經(jīng)過(guò)第二透鏡返回到反射型偏振器，在這里P偏振態(tài)可通過(guò)反射型偏振器入射到顯示器43上。從圖中可看出，入射到顯示器上的全部的光都是P偏振光，幾乎所有經(jīng)過(guò)色輪的照明光都入射到顯示器上。損耗僅存在于組件的固有缺陷中，例如反射鏡和透鏡的吸收、在通道和偏振器中的損耗等等。所述系統(tǒng)以緊湊廉價(jià)的組件提供非常高的效率。
根據(jù)顯示器的設(shè)計(jì)，顯示器暗部分的光將被顯示器吸收或被顯示器反射回光學(xué)系統(tǒng)。如果所述光偏振態(tài)不改變地反射回來(lái)(P偏振態(tài))，那么其將經(jīng)過(guò)偏振器45向反射鏡41和燈系統(tǒng)11返回。如果所述光向反射鏡反射，那么其將被四分之一波片轉(zhuǎn)換成S偏振態(tài)，被反射出反射型偏振器并被四分之一波片轉(zhuǎn)換回P偏振態(tài)以照明顯示器。根據(jù)燈的設(shè)計(jì)，可經(jīng)燈的光學(xué)系統(tǒng)回收向燈反射的光。在本發(fā)明的實(shí)施例中，光可在很大程度上得到回收，同樣還可以增強(qiáng)顯示器的亮度。此外，吸收性偏振器(例如二向色濾光片)可放置在合適的位置以吸收反射回的光。除了反射鏡、透鏡和其他組件的損耗和散射外，顯示器上照明的強(qiáng)度與許多不包括多個(gè)PBS系統(tǒng)成本的系統(tǒng)相比被加倍了。
另外，在圖示的實(shí)施方案中，這樣設(shè)置反射鏡，使得從燈系統(tǒng)經(jīng)反射鏡到顯示器的光程長(zhǎng)度變?yōu)閺臒粝到y(tǒng)直接到顯示器的光程長(zhǎng)度的兩倍。燈系統(tǒng)的確切位置可以有些不精確。其可作為光源出射光瞳的像來(lái)測(cè)量。在圖示的實(shí)施方案中，可考慮將燈定位在通道的出射光瞳附近，即緊接中繼系統(tǒng)的通道末端。可以這樣設(shè)置光學(xué)組件，使得光程長(zhǎng)度相差不等于二的任何整數(shù)倍。這確保反射鏡和四分之一波片反射出的光也成像在顯示器上。當(dāng)所述光與從燈系統(tǒng)直接入射到顯示器的光組合時(shí)，能獲得更亮，更清晰的圖像。
在顯示器43上，燈系統(tǒng)產(chǎn)生的光在投影透鏡入射光瞳中的角向強(qiáng)度分布(即角向擴(kuò)展或隨入射角，例如方位角θ和極角φ而變的光透射)， 看起來(lái)像一個(gè)在另一個(gè)上的兩個(gè)拉長(zhǎng)的亮斑。下部亮斑來(lái)自直接由燈系統(tǒng)射出的下部光路。上部亮斑來(lái)自被四分之一波片反射的上部光路。光強(qiáng)度水平地在兩個(gè)垂直對(duì)準(zhǔn)的點(diǎn)(水平線可看作是通過(guò)圖紙平面的線)上擴(kuò)展。兩個(gè)亮斑對(duì)應(yīng)于具有與顯示器接近垂直的平均入射角度的中心區(qū)域。入射光的平均角度總是從與中心有一段距離的垂線處有規(guī)則的地發(fā)散。傳統(tǒng)的系統(tǒng)可能產(chǎn)生中心圓環(huán)的角強(qiáng)度分布亮斑而不是圖示實(shí)施方案的兩個(gè)擴(kuò)展的橢圓形亮斑。如果適當(dāng)?shù)剡x擇并定位反射型偏振器，可利用照明的橢圓形擴(kuò)展性來(lái)改善反射型偏振器的效率。
許多類(lèi)型的反射型偏振器和偏振光束分離器(PBS)都具有與正交軸之間不同的透射率相依存的角度。在一個(gè)軸上(例如水平軸)透射的入射光的角度范圍大于另一正交軸(例如垂直軸)的角度范圍。二向色PBS棱鏡、柵網(wǎng)偏振器、膽甾型反射偏振器和一些PBS堆疊都顯示出這種性質(zhì)。通過(guò)如圖1的配置所示在水平軸上擴(kuò)展光的角向強(qiáng)度，其與角向強(qiáng)度關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)地逐漸減小相比，將會(huì)有更多的光透射過(guò)偏振器?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置偏振部件使得具有較大角向透射特性或較大角向接收(acceptance)的軸與照明的角強(qiáng)度分布對(duì)準(zhǔn)來(lái)利用這種性質(zhì)。換一種說(shuō)法，系統(tǒng)透射率的提高可通過(guò)將亮斑的擴(kuò)展方向與特定偏振器的等對(duì)比度曲線中高對(duì)比度的方向匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)。伴隨著透射率的提高，亮度和對(duì)比度也將相應(yīng)地增強(qiáng)。
同樣的偏振回收系統(tǒng)還可以應(yīng)用于單板反射系統(tǒng)，例如使用如圖2所示的反射型柵網(wǎng)PBS 15的LCOS或STN顯示板17PBS 15。圖2顯示出與圖1相比較的系統(tǒng)的俯視橫截面圖。圖2中，來(lái)自任何各種不同光源11中的光，在PBS上被分離成S偏振光和P偏振光。PBS可以是棱鏡、光束分離立方體、柵網(wǎng)或薄膜。各種不同的已知光束分離裝置都可使用，例如膽甾型偏振器、在對(duì)角線光束分離表面上的聚合物薄膜堆疊或介質(zhì)涂層堆疊。柵網(wǎng)偏振器可用作PBS來(lái)代替典型的各向異性-各向同性聚合物薄膜堆疊。在圖示的實(shí)施方案中，PBS配置成具有與傳統(tǒng)的光束分離立方體類(lèi)似的幾何形狀，其中PBS與顯示器和從燈傳播出的光成45度角。也可以選擇其它幾何形狀以滿足封裝和價(jià)格因素的考慮。
反射出PBS的來(lái)自燈的S偏振光被反射鏡33或第二反射型偏振器再次反射回反射型PBS 15，然后返回第二中繼透鏡41。第二透鏡直接將所述光射到包括四分之一波片膜的反射鏡47上。如同圖1的實(shí)施方案一樣，S偏振光被轉(zhuǎn)換成P偏振態(tài)再次反射回PBS。這次，PBS將所述光透射到顯示器17上。可加入附加的檢偏器通過(guò)吸收經(jīng)過(guò)或射出PBS而沒(méi)被完全濾掉的光來(lái)增強(qiáng)對(duì)比度。
在圖2的實(shí)施方案中，同一個(gè)PBS可用于偏振轉(zhuǎn)換和成像，以節(jié)約成本。柵網(wǎng)偏振器可被成像PBS棱鏡或任何其它棱鏡代替。通過(guò)將反射鏡放置在和顯示器相同的距離上來(lái)運(yùn)用圖1中使燈在顯示器上成像的同一成像原理。這使燈的圖像成像在反射鏡和四分之一波片上。所述系統(tǒng)還可產(chǎn)生上面提及的兩個(gè)水平擴(kuò)展強(qiáng)度亮斑。如上所述可利用水平擴(kuò)展來(lái)改善觀察圖像的亮度和對(duì)比度。
圖3顯示使用透射型顯示器的另一個(gè)實(shí)施方案，所述顯示器可例如是液晶顯示器，但也可使用任何其它透射型顯示器。在圖3的實(shí)施方案中，中繼透鏡系統(tǒng)23包括兩個(gè)透鏡27、29。如圖1和2所示，附加的透鏡定位在聚焦透鏡25的焦點(diǎn)26上。如圖1中，來(lái)自投影燈系統(tǒng)11的光經(jīng)過(guò)紅、綠、藍(lán)色輪13濾光，并經(jīng)過(guò)反射型偏振器45濾光后入射到透射型顯示器43上。入射到顯示器的P偏振光被顯示器反射成S偏振光，被反射出偏振器的另一面并入射到投影透鏡(未示出)中。投影透鏡將圖像成像在屏幕(未示出)上。
來(lái)自通道的光被第一透鏡成像在中繼光學(xué)系統(tǒng)23中。這些元件可以是傳統(tǒng)的的球面透鏡或任何其它類(lèi)型的光學(xué)元件。第一透鏡25在第二透鏡27上形成燈系統(tǒng)的中間像。第二和第三透鏡組成中繼系統(tǒng)在顯示器上產(chǎn)生中間像的遠(yuǎn)心圖像。在本發(fā)明的遠(yuǎn)心光源下，入射到第一元件25上的光是遠(yuǎn)心的。在圖3的實(shí)施方案中，第一元件具有與其到通道的距離相等的焦距。因此，通道成像在無(wú)限遠(yuǎn)處而燈成像在第二光學(xué)元件27上。
如同圖1，第一透鏡以通道為中心以在第二透鏡上產(chǎn)生圖像。中繼透鏡組27、29相對(duì)于燈系統(tǒng)、通道和第一透鏡是偏心的。其偏心為如圖1和2的反向光路作好準(zhǔn)備。但是，中繼透鏡組基本上以顯示器為中心，使得來(lái)自燈系統(tǒng)的光到達(dá)相對(duì)于顯示器偏心的第一透鏡，而中繼透鏡組將光的圖像置于顯示器的中心。
與上面所述的實(shí)施方案的情況一樣，由于中繼系統(tǒng)相對(duì)于通道和成像透鏡25偏移(偏心)，所以出自這些透鏡的光相對(duì)于中繼透鏡形成半個(gè)光錐。來(lái)自燈的光經(jīng)圖3所示的中繼透鏡的下半部分到達(dá)顯示器。偏振器45反射的光經(jīng)過(guò)兩個(gè)中繼透鏡27、29的上半部分。緊接在兩個(gè)中繼透鏡后，有一個(gè)將光反射回PBS的第二反射鏡。第二反射鏡具有旋轉(zhuǎn)偏振態(tài)的四分之一波片。所述反射鏡可以是中繼透鏡后的單獨(dú)部件或者可以是直接涂敷在中繼透鏡上的銀涂層。在所示的實(shí)施方案中，中繼透鏡是曲面面向顯示器的平凸透鏡。因此，可涂敷平坦的平表面來(lái)形成反射鏡。涂敷反射鏡作為涂層可減少零件數(shù)和最終產(chǎn)品的裝配成本。四分之一波片可以像涂層一樣制造在反射鏡、中繼透鏡或單獨(dú)部件上。四分之一波片可置于反射鏡和PBS之間的任何位置。作為選擇，任何其它偏振轉(zhuǎn)換裝置都可用四分之一波片代替。
在返回經(jīng)過(guò)中繼透鏡后，反射的S偏振光然后被四分之一波片轉(zhuǎn)換成P偏振光，并再次通過(guò)中繼系統(tǒng)到達(dá)顯示器。這使得所有反射的S偏振光被回收并成像在顯示器17上。所述光以非常類(lèi)似于圖1和2的方式顯示出水平擴(kuò)展，而來(lái)自反射型偏振器的大部分反射的S偏振光被旋轉(zhuǎn)并回收。
圖4顯示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，其除了為了適應(yīng)使用而采用了使用PBS的反射型顯示器外，非常類(lèi)似于圖3的實(shí)施方案。所述圖是很清楚地顯示PBS的俯視截面圖。如同圖2的實(shí)施方案一樣，PBS可采用任何各種不同形式。上述的許多相同部件將被用于相同的配置，并且不再對(duì)其描述。
運(yùn)行中，如圖4中描繪的中心光線所示，出自色輪和通道的光入射到成像系統(tǒng)中，所述成像系統(tǒng)在這種情況下由單透鏡25組成。所述成像系統(tǒng)在光學(xué)中繼系統(tǒng)23的第一透鏡27的位置上產(chǎn)生燈的中間像。光從這里經(jīng)中繼透鏡27、29的下半部分傳播到顯示器。在入射到顯示器之前，光先到達(dá)PBS 15。P偏振光被傳播并在顯示器成像。從顯示器反射的光作為S偏振圖像被從PBS反射到投射光學(xué)裝置19上。從顯示器反射的P偏振光經(jīng)PBS被反射回到燈，作為可能的回收。S偏振光從PBS反射到反射鏡再返回到PBS，然后到達(dá)偏心中繼透鏡的上半部。第二反射鏡和四分之一波片將S偏振光反射成P偏振光并經(jīng)中繼透鏡返回到PBS，并經(jīng)過(guò)PBS到達(dá)顯示器。
所述系統(tǒng)還能回收大部分濾去的偏振光并產(chǎn)生上述兩個(gè)水平擴(kuò)展角向強(qiáng)度亮斑。可利用角向強(qiáng)度的水平擴(kuò)展性來(lái)改善觀察圖像的亮度和對(duì)比度。本說(shuō)明書(shū)中所用的水平和垂直意在幫助理解并提供方便?？刹捎弥付ǖ奶囟ㄝS來(lái)適合任何特定應(yīng)用，其并不需要是笛卡爾坐標(biāo)或正交坐標(biāo)。對(duì)角線和極線方向也可用于擴(kuò)展光的角向強(qiáng)度分布以提高透射率。
圖5示出本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施方案的實(shí)施例。圖5的實(shí)施方案還適用于使用反射型顯示器的投影儀，反射型顯示器例如LCOS或STN顯示器，不過(guò)也可使用任何其它反射型或透射型的顯示器。圖4的實(shí)施方案和圖5的實(shí)施方案之間主要的不同在于，圖5的方案中加入了另一個(gè)PBS 31，以及移動(dòng)反射鏡33使其與加入的PBS 31對(duì)準(zhǔn)。這提高了系統(tǒng)的對(duì)比度但也增加了系統(tǒng)的成本和尺寸。偏振光束分離器在實(shí)施中并不理想，雖然幾乎所有的S偏振光都被PBS反射，但仍有一些S偏振光被透射，一些P偏振光被反射。圖5的實(shí)施例中，經(jīng)過(guò)兩個(gè)PBS的照明有助于增強(qiáng)對(duì)比度。在經(jīng)過(guò)兩者后，僅有很少量的S偏振光入射到顯示器。如同另一個(gè)實(shí)施方案一樣，如上所述，附加的檢偏器可用于更進(jìn)一步增強(qiáng)投影光學(xué)裝置19的對(duì)比度。檢偏器可例如是吸收偏振器或柵網(wǎng)偏振器，或者任何其他適用形式的檢偏器。
一對(duì)PBS31、15設(shè)置在中繼光學(xué)系統(tǒng)和顯示器之間。但是如圖4所示系統(tǒng)也可具有一個(gè)PBS或如圖3所示沒(méi)有PBS。第一個(gè)PBS接收來(lái)自中繼系統(tǒng)23的光，反射來(lái)自燈系統(tǒng)光的S偏振分量，并透射P偏振分量。P偏振分量傳播到第二PBS 15上。第二PBS將光的P偏振分量透射到顯示器1 7上。如同上面另一個(gè)實(shí)施方案一樣，出自通道末端的光將通過(guò)中繼光學(xué)系統(tǒng)成像在顯示器17上。在顯示器上，顯示圖像亮區(qū)的光經(jīng)偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)變成S偏振光，然后從顯示器反射回第二PBS 15。第二PBS設(shè)置成和顯示器構(gòu)成一定角度，并且入射光來(lái)自中繼光學(xué)系統(tǒng)。雖然這不會(huì)影響穿過(guò)第二PBS的光的方向，但是其可改變反射光的方向。
觀察光學(xué)裝置19設(shè)置在可接收被PBS反射的光的位置上。在圖5的實(shí)施方案中，觀察光學(xué)裝置和顯示器垂直。因此，構(gòu)成所觀察圖像的來(lái)自顯示器的光從第二PBS反射到觀察光學(xué)裝置19。在一個(gè)實(shí)施方案中，觀察光學(xué)裝置是將圖像投射到屏幕的投影透鏡系統(tǒng)。觀察光學(xué)裝置可包括檢偏器，例如碘基PVA(聚乙烯醇)膜或柵網(wǎng)偏振器(未示出)來(lái)濾除其他雜散的P偏振光，以增強(qiáng)對(duì)比度。對(duì)于特殊應(yīng)用或燈系統(tǒng)，檢偏器和偏振濾波器還可適當(dāng)?shù)卦O(shè)置在系統(tǒng)的其他位置上。
顯示器暗區(qū)的光將在偏振態(tài)不變的情況下以P偏振光的形式從顯示器反射。所述光經(jīng)過(guò)兩個(gè)PBS返回到燈系統(tǒng)11。所述光的一部分可被系統(tǒng)回收，并反射回顯示器。圖中僅以實(shí)施例示出了特定的顯示器和投影光學(xué)裝置的配置，但本發(fā)明還可應(yīng)用于透射型顯示器和其他類(lèi)型的顯示和觀察配置。
如上所述，入射到第一PBS 31上的S偏振光將被反射。然而，由于PBS并不完美，透過(guò)的少量的S偏振光仍可到達(dá)第二PBS 15上。幾乎所有剩下的S偏振光都可被第二PBS反射。由于PBS與入射光的方向構(gòu)成角度，所以所述光將被反射出系統(tǒng)的光路。然后其可被漏出系統(tǒng)或被構(gòu)造成吸收任何雜散光的外殼所吸收(未示出)。作為選擇，可在第二PBS下面加入第二反射鏡33b來(lái)將被第二PBS反射的光反射回系統(tǒng)。這些反射鏡中的任何一個(gè)都可添加例如四分之一波片或柵網(wǎng)偏振器來(lái)校正反射光的偏振態(tài)。
第一PBS31的方向平行于第二PBS 15，但在不影響其他組件的情況下其方向也可垂直于第二PBS。因此，反射的S偏振光被引導(dǎo)出燈和顯示器的光路并到達(dá)反射鏡33。所述反射鏡設(shè)置成平行于中繼光學(xué)系統(tǒng)的光軸，使得反射自第一PBS的光被反射到反射鏡，反射鏡將反射光在偏振態(tài)沒(méi)有顯著變化的情況下反射回第一PBS。從第一PBS反射的光朝向燈反射回到中繼光學(xué)系統(tǒng)。
利用關(guān)于另一個(gè)實(shí)施方案所述的反向光路，被反射鏡33和第一PBS反射的光經(jīng)反向光路向第二反射鏡和四分之一波片35行進(jìn)，所述四分之一波片將光反射回PBS。反射的S偏振光被四分之一波片轉(zhuǎn)換成P偏振光，所述光再次經(jīng)過(guò)中繼透鏡后，將經(jīng)過(guò)PBS到達(dá)顯示器。這使得幾乎所有反射的S偏振光都被回收并在顯示器上成像。
在所示的實(shí)施方案中，這樣設(shè)置第一和第二反射鏡使得從燈系統(tǒng)經(jīng)第二反射鏡到達(dá)顯示器的光程長(zhǎng)度是從燈系統(tǒng)直接到顯示器的光程長(zhǎng)度的兩倍。實(shí)際上，如圖4所示，附加的PBS設(shè)置在中繼透鏡29和單個(gè)PBS之間。
通過(guò)通道的仔細(xì)設(shè)計(jì)可更進(jìn)一步增強(qiáng)角向強(qiáng)度分布和系統(tǒng)的總亮度，雖然當(dāng)使用任何形式的光源時(shí)，本發(fā)明上述實(shí)施方案的實(shí)施例都可具有優(yōu)勢(shì)。矩形通道沿一對(duì)相對(duì)的側(cè)壁從在入口端的正方形或矩形橫截面至出口端的正方形或矩形橫截面(例如4∶3或16∶9)逐漸變細(xì)。還可這樣設(shè)計(jì)錐形，使出口端更大。這可用于減少出自通道的光的出射角度。作為選擇，也可將所述錐形設(shè)計(jì)為入口端較大。這可增加出自通道的光的出射角度。特定的選擇取決于光源和將光傳播到顯示器上的光學(xué)系統(tǒng)。在每一種情況下，增加適當(dāng)?shù)腻F度可使通道更有效地填充投影透鏡的光瞳。這也可使燈的圖像成橢圓形，并增加光瞳的填充因數(shù)以及對(duì)給定F數(shù)的聚光。
如圖6所示，在一個(gè)實(shí)施例中，50mm長(zhǎng)的中空通道21具有16∶9長(zhǎng)寬比的5.75mm×3.24mm的出射孔徑51。所述通道可由能形成適當(dāng)形狀的任何固體材料制成，以便使經(jīng)所述通道傳播的光經(jīng)周?chē)h(huán)境、空氣或選定的氣體傳播。通過(guò)使通道的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)壁53、57各自以大約一度的方式逐漸變細(xì)(對(duì)于兩個(gè)側(cè)壁為兩度)，入射光瞳57可為4mm×3.24mm。作為選擇，通道可以是由任何光學(xué)透射材料制成的固體通道，所述光學(xué)透射材料包括丙烯酸樹(shù)脂、聚碳酸酯和其他塑性材料。如果通道需保持偏振態(tài)，那么可選擇低雙折射材料。
因此，如果光具有30度的入射錐角，每次從漸縮形側(cè)壁反射的角將減小2度。跟蹤30度的邊緣光線59，表明將有五次反射，因此出射角減小到20度，其有10度的變化。在一個(gè)實(shí)施例中，由于全內(nèi)反射，光從固體玻璃棒的壁反射。如果光的入射角更大，那么棒可沿其長(zhǎng)度方向具有反射涂層。也可使用其他相位或抗反射涂層?？梢灾圃炱鋬?nèi)壁上具有反射表面的中空通道。
其他兩個(gè)相對(duì)的壁，在圖5的橫截面圖上看不到，在所述實(shí)施例中這兩個(gè)壁沒(méi)有逐漸變細(xì)。通過(guò)僅僅使一對(duì)側(cè)壁逐漸變細(xì)，使角向強(qiáng)度是橢圓形的。在逐漸變細(xì)方向上的出射錐角被減小到20度，而在直線方向上的出射錐角和入射錐角相同，為30度。如上所述，可利用橢圓的角向強(qiáng)度改善系統(tǒng)中任何偏振反射器的效率。
應(yīng)用這些原理，可以改變積分通道的長(zhǎng)度和每一側(cè)上錐度來(lái)適應(yīng)任何所需的入射和出射錐角和任何所需的入射和出射孔徑尺寸。例如如果兩側(cè)壁傾斜2度而不是1度，那么出射錐角在每一次反射時(shí)減小4度。改變通道長(zhǎng)度可控制發(fā)生反射的次數(shù)。改變兩壁上的相對(duì)錐度能改變?cè)诔錾淇讖缴辖窍驈?qiáng)度分布的橢圓率。類(lèi)似地，可以使錐度反向，使得入射孔徑大于出射孔徑。這可減小入射孔徑上的接收角，并能相對(duì)于入射孔徑增加出射錐角。
各通道的側(cè)壁可具有不同或相反的錐度，通道也可由更多或更少的側(cè)壁構(gòu)成。換句話說(shuō)，雖然如圖5所示的整個(gè)紙面上所呈現(xiàn)的，在沿通道的每個(gè)點(diǎn)上通道的橫截面都是矩形，但是其形狀可由具有任何邊數(shù)的多邊形或例如圓形和橢圓形的環(huán)形代替。所述最佳形狀將取決于顯示器和中繼光學(xué)系統(tǒng)的形狀，將光經(jīng)通道傳遞到顯示器上。對(duì)于矩形顯示器，可發(fā)現(xiàn)所示和所述的矩形橫截面很緊湊并高效，不過(guò)也可使用其他配置的顯示器。
可以通過(guò)利用CPC(復(fù)合拋物面聚光器)原理使側(cè)壁彎曲為拋物線形狀來(lái)設(shè)計(jì)一種可供選擇的通道形狀。CPC已用于太陽(yáng)能聚光器陣列或一些照明光學(xué)裝置中。CPC在沒(méi)有尺寸損耗的情況下，可提供從入射光束到出射光束的良好轉(zhuǎn)換。CPC可遵循下列關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)CPCsinθ1D1＝sinθ2D2，其中θ1和θ2分別是通道的入射錐角和出射錐角，D1和D2是入射孔徑和出射孔徑的高度。
參照?qǐng)D7，圖中示出基于CPC的通道61的橫截面圖。所示的CPC表面應(yīng)用在相對(duì)的拋物線形內(nèi)側(cè)頂壁63和內(nèi)側(cè)底壁65上。如同圖6的實(shí)施方案一樣，圖7的通道在整個(gè)紙面上具有矩形橫截面。類(lèi)似的處理也可應(yīng)用于所述側(cè)壁和任何其他的壁，結(jié)果可使用圓形通道或具有不同于矩形橫截面形狀的通道。圖7顯示一個(gè)具有等于1的入射孔徑D167和90度的入射角θ1，選擇等于2的出射孔徑D269，使出射錐角θ2為30度。從所述實(shí)施例可看出，CPC在非常緊湊的尺寸下能有效地減小極限入射角(90度)。
在另一實(shí)施方案中，也可使用上面用到的直邊式漸縮通道的比例。在所述實(shí)施例中，入射孔徑為4mm×3.24mm，出射孔徑5.75mm×3.24mm。為了獲得20度的出射錐角，入射錐角可由sinθ1＝sinθ2(D2/D1)確定。在這種情況下，CPC可接收30度的入射錐角。這樣，基于CPC的通道在保持尺寸較小的封裝中可產(chǎn)生類(lèi)似于直邊式漸縮通道的效果。
任何一種類(lèi)型的漸縮通道都可使用，其不僅可控制射出通道的光的角向強(qiáng)度分布，還可以改變?nèi)肷鋵?duì)出射的長(zhǎng)寬比。例如，如果采用正方形的光源照明矩形顯示器(例如4∶3或16∶9)，那么將在水平方向(如顯示給觀察者)上使通道逐漸變細(xì)。這將致使在水平方向上的角向強(qiáng)度擴(kuò)展。水平擴(kuò)展可使上述系統(tǒng)中任何偏振器的透射率和反射率增強(qiáng)。具有矩形出射和大角度分布的光源很容易獲得，其可增強(qiáng)漸縮通道的價(jià)值。
漸縮通道的另一優(yōu)點(diǎn)在于其可使燈系統(tǒng)的光瞳成為橢圓形。當(dāng)照明系統(tǒng)使用如上述實(shí)施例中的雙光路時(shí)，其有助于更好地填充投影或觀察透鏡的圓形光瞳。為了進(jìn)一步增強(qiáng)橢圓形光瞳的好處，可使用產(chǎn)生橢圓形光瞳的燈系統(tǒng)。許多傳統(tǒng)的燈系統(tǒng)可以適合于這個(gè)目的。
例如在Li的美國(guó)專(zhuān)利No.6,227,682中，示出一個(gè)這樣的對(duì)小尺寸系統(tǒng)特別有效的橢圓形燈系統(tǒng)。所述燈使用雙拋物面反射器，在確定的位置上，以一個(gè)方向90度的角擴(kuò)展、另一方向45度的角擴(kuò)展將弧光燈光源再次成像。通常被認(rèn)為是不利的角擴(kuò)展的所述差異，當(dāng)光被第一次耦合入楔形通道中，卻可以增強(qiáng)結(jié)果光束的積累和均勻性。還可利用弧光燈上的涂層代替底部反射器使其進(jìn)一步簡(jiǎn)化。這可減少反射器的數(shù)量并使燈更緊湊。
在本說(shuō)明書(shū)中，出于解釋的目的，為了對(duì)本發(fā)明提供詳盡的理解而闡述了許多具體細(xì)節(jié)。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，本發(fā)明沒(méi)有某些具體細(xì)節(jié)也可以實(shí)施。在另一例中，以圖表形式示出了公知的結(jié)構(gòu)和裝置?？捎杀绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員提供適合于任何特殊設(shè)備的特定細(xì)節(jié)。
重要的是，盡管根據(jù)視頻投影儀對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行了描述，但無(wú)論是用于投影或是直接觀看，無(wú)論緊湊與否，這里描述的裝置同樣可應(yīng)用于基于偏振光的顯示器的任何形式的照明系統(tǒng)中。例如，在此描述的技術(shù)可認(rèn)為有助于與計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)裝置顯示器、電視和電影投影儀、互聯(lián)網(wǎng)適用的顯示器、視頻娛樂(lè)系統(tǒng)和游戲機(jī)的連接。
在前述的描述中，根據(jù)其中的具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。但是很明顯，可以對(duì)其進(jìn)行的各種修改和變化而不脫離本發(fā)明的主要精神和范圍。因此說(shuō)明書(shū)和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說(shuō)明性的而不是限制性。
權(quán)利要求
1.一種偏振光源系統(tǒng)，它包括光源，它產(chǎn)生具有多個(gè)偏振態(tài)的光，所述光源包括燈和通道，所述通道被構(gòu)造成產(chǎn)生具有對(duì)應(yīng)于顯示器的長(zhǎng)寬比的光錐；光學(xué)系統(tǒng)，它將來(lái)自所述光源的光成像在所述顯示器上，所述光學(xué)系統(tǒng)具有在所述光源一側(cè)并且對(duì)準(zhǔn)所述顯示器的中心的光軸；反射型偏振器，它接收來(lái)自所述光學(xué)系統(tǒng)的光，將具有第一偏振態(tài)的光射向所述顯示器并將具有第二偏振態(tài)光反射到所述光學(xué)系統(tǒng)；反射鏡，它位于所述光學(xué)系統(tǒng)光軸的一側(cè)，與所述光源相對(duì)，以便接收來(lái)自所述反射型偏振器的具有所述第二偏振態(tài)的光，并將其反射回所述反射型偏振器；四分之一波片，它位于所述反射鏡和所述反射型偏振器之間，用于將從所述反射型偏振器反射的光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換成所述第二偏振態(tài)；其中從所述反射鏡到所述偏振轉(zhuǎn)換反射鏡系統(tǒng)再到所述顯示器的光程長(zhǎng)度是從所述光源到所述顯示器的光程長(zhǎng)度的整數(shù)倍。
2.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述反射型偏振器與來(lái)自所述光學(xué)系統(tǒng)的入射光的光軸構(gòu)成角度，所述偏振光源系統(tǒng)還包括第二反射鏡，所述第二反射鏡設(shè)置成接收來(lái)自偏振光束分離器的具有第二偏振態(tài)的光并將其反射回所述偏振光束分離器，以便向所述反射鏡反射。
3.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)系統(tǒng)還包括一組中繼光學(xué)元件，用于將來(lái)自所述光源的光成像到所述顯示器上。
4.權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述中繼光學(xué)元件相對(duì)于所述反射鏡偏心，并且所述反射鏡位于所述中繼光學(xué)元件的光軸的與所述光源相對(duì)的一側(cè)。
5.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述四分之一波片包括在所述反射鏡上的涂層。
6.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述反射鏡包括在主動(dòng)(powered)光學(xué)元件上的反射涂層，所述主動(dòng)光學(xué)元件還形成所述中繼光學(xué)系統(tǒng)的一部分。
7.權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中從所述顯示器到所述反射鏡的光程長(zhǎng)度是從所述光源到所述顯示器的光程長(zhǎng)度的整數(shù)倍。
8.一種偏振光源系統(tǒng)，它包括光學(xué)系統(tǒng)，它將來(lái)自光源的光成像在顯示器上；反射型偏振器，它接收來(lái)自所述光學(xué)系統(tǒng)的光，將具有第一偏振態(tài)的光射向所述顯示器并將具有第二偏振態(tài)光反射到所述光源；反射鏡，它接收來(lái)自所述反射型偏振器的具有所述第二偏振態(tài)的光并將其反射回所述反射型偏振器；以及偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它位于所述反射型偏振器和所述反射鏡之間，用于將所述第二偏振態(tài)的所述反射光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換成第一偏振態(tài)。
9.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中還包括第二反射鏡，所述第二反射鏡設(shè)置成接收來(lái)自所述反射型偏振器的反射光并將其反射回所述反射型偏振器。
10.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)系統(tǒng)包括中繼光學(xué)系統(tǒng)，用于將來(lái)自所述光源的光成像到所述顯示器上。
11.權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述中繼光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于所述光源偏心但與所述顯示器對(duì)中。
12.權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述中繼光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于所述反射鏡偏心，并且所述反射鏡在所述中繼光學(xué)系統(tǒng)的光軸的與所述光源相對(duì)的一側(cè)。
13.權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中從所述反射鏡到所述顯示器的光程長(zhǎng)度是從所述光源到所述顯示器的光程長(zhǎng)度的整數(shù)倍。
14.權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中從所述第二反射鏡到所述第一反射鏡再到所述顯示器的光程長(zhǎng)度是從所述光源到所述顯示器的光程長(zhǎng)度的整數(shù)倍。
15.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括反射鏡涂層。
16.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述反射鏡由在所述中繼光學(xué)系統(tǒng)的一部分上的涂層形成。
17.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)系統(tǒng)包括一組中繼光學(xué)元件，用于將來(lái)自所述光源的光成像到所述顯示器上，其中所述光源在所述中繼光學(xué)系統(tǒng)的光軸的一側(cè)，其中所述反射鏡在所述光軸的離開(kāi)所述光源的另一側(cè)，并且其中所述反射鏡包括涂敷在所述一組中繼光學(xué)元件的一個(gè)元件上的涂層。
18.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中還包括第二反射型偏振器，用于接收來(lái)自所述反射型偏振器的光，將所述接收的光中的具有所述第一偏振態(tài)的部分射向所述顯示器，并將所述接收的光中具有所述第二偏振態(tài)的部分反射出所述顯示器。
19.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述反射型偏振器包括偏振光束分離器。
20.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述反射型偏振器包括膽甾型偏振器。
21.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中來(lái)自所述光學(xué)系統(tǒng)的光具有伸長(zhǎng)的亮斑，其中來(lái)自所述反射鏡的光具有伸長(zhǎng)的亮斑，并且其中所述反射型偏振器根據(jù)所述亮斑的伸長(zhǎng)方向定向。
22.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述反射型偏振器具有較大接收軸，并且其中所述較大接收軸與從所述燈和所述反射鏡射到所述反射型偏振器上的照明的強(qiáng)度分布對(duì)準(zhǔn)。
24.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述光源包括燈和細(xì)長(zhǎng)的光導(dǎo)管；所述光導(dǎo)管在其一端具有入射孔徑，用于接收來(lái)自光源的光，并且在所述光導(dǎo)管的相對(duì)的另一端具有出射孔徑，以便允許光從所述入射孔徑進(jìn)入而從所述出射孔徑射出，所述出射孔徑具有和所述入射孔徑不同的尺寸，所述細(xì)長(zhǎng)的光導(dǎo)管包括在所述入射孔徑和所述出射孔徑之間的反射內(nèi)側(cè)壁，使所述反射內(nèi)側(cè)壁與所述入射孔徑和所述出射孔徑的相對(duì)尺寸成比例地傾斜。
25.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)積分器具有在所述入射孔徑和所述出射孔徑之間的矩形橫截面，并且其中所述反射內(nèi)側(cè)壁包括兩個(gè)逐漸變細(xì)的相對(duì)的側(cè)壁。
26.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)積分器具有在所述入射孔徑和所述出射孔徑之間的矩形橫截面，其中所述反射內(nèi)側(cè)壁成矩形，并且其中兩個(gè)相對(duì)的內(nèi)側(cè)壁是傾斜的，使得在一端的所述入射孔徑的各邊緣以及在另一端的所述出射孔徑的各邊緣相交。
27.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中選擇所述光學(xué)積分器的所述入射孔徑和所述出射孔徑的相對(duì)尺寸來(lái)滿足入射角度和出射角度的標(biāo)準(zhǔn)。
28.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述細(xì)長(zhǎng)的光導(dǎo)管包括光透明固體棒，并且其中所述內(nèi)側(cè)壁包括所述固體棒的外邊界。
29.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述積分器的所述內(nèi)側(cè)壁包括在所述入射孔徑和所述出射孔徑之間的彎曲拋物面。
30.權(quán)利要求29所述的積分器，其中所述細(xì)長(zhǎng)的光導(dǎo)管構(gòu)造成復(fù)合拋物面聚光器。
31.一種產(chǎn)生用于顯示器的偏振光的方法，所述方法包括接收具有多個(gè)偏振態(tài)的光；將所述接收的光成像在所述顯示器上；在反射型偏振器上將所述成像光的具有第一偏振態(tài)的部分射向所述顯示器，并且在所述反射型偏振器上將所述成像光的具有第二偏振態(tài)的部分向所述光源反射；將所述反射的成像光反射回到所述顯示器；以及將所述第二偏振態(tài)的所述反射光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換成所述第一偏振態(tài)。
32.權(quán)利要求31所述的方法，其中還包括接收來(lái)自所述反射型偏振器的反射光并且在其向所述光源反射之前將其反射回到所述反射型偏振器。
33.權(quán)利要求31所述的方法，其中將所述成像光向所述光源反射的步驟包括沿著這樣的路徑反射所述成像光所述路徑平行于來(lái)自所述光源的所述成像光的路徑并且偏移來(lái)自所述光源的所述成像光的路徑。
34.權(quán)利要求31所述的方法，其中將所述接收的光成像在所述顯示器的步驟包括將所述接收的光成像在所述顯示器的第一部分上，并且其中將所述反射的成像光反射回到所述顯示器的步驟包括將所述反射的成像光反射回到所述顯示器的第二部分。
35.權(quán)利要求31所述的方法，其中還包括在通道的入射孔徑處將光接收到通道中，所述光具有第一錐角；從所述通道的傾斜的側(cè)面反射所述光的邊緣光線以便改變所述光的所述錐角；使所述光以第二錐角穿過(guò)所述通道的出射孔徑；以及其中接收光的步驟包括接收來(lái)自所述通道的所述出射孔徑的光。
36.權(quán)利要求35所述的方法，其中反射邊緣光線的步驟包括從所述通道的逐漸變細(xì)的側(cè)面反射所述光的邊緣光線，以便減小所述光的所述錐角，并且其中所述第二錐角小于所述第一錐角。
全文摘要
一種用于顯示系統(tǒng)的偏振光源包括光學(xué)系統(tǒng)(23)，用于將來(lái)自光源(11)的光成像在顯示器上(43)；反射型偏振器(45)，用于接收來(lái)自光學(xué)系統(tǒng)(23)的光，將具有第一偏振態(tài)的光射向顯示器(43)，并將具有第二偏振態(tài)光反射到光源(11)；反射鏡(47)，用于接收來(lái)自反射型偏振器(45)的具有第二偏振態(tài)的光并將其反射回到反射型偏振器(45)；以及偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它位于反射型偏振器(45)和反射鏡(47)之間，用于將反射的第二偏振態(tài)的光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換成第一偏振態(tài)。
文檔編號(hào)G02B27/28GK1669066SQ03816732
公開(kāi)日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者S·比爾惠岑 申請(qǐng)人:因佛卡斯公司