專利名稱：使用全內反射棱鏡的高效雙空間光調制器投影儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及依次照亮并且在至少兩個光閥上成像的投影顯示裝置，更具體地，針對于使用全內反射棱鏡和有兩個面用來以不同色彩的光同時照亮兩個光閥的旋轉的輪的投影顯示裝置。
一般地，傳統(tǒng)投影顯示裝置有三個光閥或空間調光器(SLM)。為了減少投影顯示裝置的成本和復雜性，使用幀序制的色彩模式，其中只有一個SLM被用來產生全色彩圖像，而不是三個SLM分別對應每個原色，紅(R)，綠(G)，藍(B)。
在使用幀序制的色彩模式方法的投影顯示裝置中，使用單個SLM通過三原色的時間平均產生一個全彩色圖像。單個SLM被三個RGB光線依次照射，每個時刻一種色彩。例如，單個SLM首先被設定為具有紅色圖像數據的形式，并且在三分之一幀時間內暴露在紅光中。其次，單個SLM被設定為具有綠色圖像數據的形式，并且在第二個三分之一幀時間內暴露在綠光中。最后，單個SLM被設定為具有藍色圖像數據的形式，并且在最后三分之一幀時間內暴露在藍光中。全色彩圖像是不同子幀的三種單色光的時間平均。單個SLM的這種依次照射要求SLM在三倍于每種色彩的照射或刷新率下工作。例如，如果全色彩幀以60Hz更新，那么SLM必須以180Hz工作。
雖然使用單個SLM，而不用三個SLM，減少了顯示的成本和復雜性，這樣的傳統(tǒng)單個SLM顯示裝置有幾個缺點。第一，SLM必須在較高頻率下工作，通常三倍正常視頻幀頻率。第二，傳統(tǒng)單個SLM顯示裝置由于某一時刻只用一種色彩而相對效率較低，這樣放棄了白光光源的2/3。效率實際上比1/3還低，由于部分幀時間必須被保留作為電子數據尋址和SLM穩(wěn)定所需的一段時間，稱作靜寂時間。例如，由于可為單個SLM顯示每種色彩利用的液晶(LC)材料的響應時間可達很多毫秒，這個靜寂時間可能是幀時間，例如1/180秒(或5.6毫秒)的一半或多一半。
如

圖1所示，不是單個SLM，投影系統(tǒng)10有兩個SLM12,14用來提高操作幀序制色彩模式的性能。這樣一個使用了兩個SLM的投影顯示裝置10是美國Doany等人的專利No.5,517,340中被描述的，其中提高是通過使用色彩輪16交替地照明實現的。在這種情況下，某一時刻只有一個SLM被照明。這允許重設數據和液晶顯示的半幀時間，并且使兩個SLM中的每一個穩(wěn)定，因此消除了傳統(tǒng)顯示裝置在幀序制色彩模式中使用單個SLM顯示所需的靜寂時間。兩個SLM在每個頻率90Hz而不是180Hz工作產生60Hz的組合圖像視頻頻率。每個SLM仍有50％的靜寂時間，但是，由于兩個SLM12,14中總有一個被照明，組合雙SLM系統(tǒng)10沒有靜寂時間。盡管雙SLM結構10消除了靜寂時間條件，光譜效率仍只有1/3。
如圖1所示，光源18給偏振光分光器(PBS)管20提供白光。PBS20有一涂層用來反射一種線偏振光，比如s-偏振，而透射其它偏振，比如p-編振。PBS管20用有不同偏振的光照明兩個SLM12,14。例如，PBS管20用s-偏振光照明一個SLM12，用p-偏振光照明另一個SLM14。PBS管重組從兩個SLM12,14發(fā)射的圖像，形成一個通過投影透鏡22投影到投影屏24的色彩圖像。
在幀序制色彩模式操作下的兩個SLM投影顯示裝置10，對于每一個SLM有50％工作周期(或50％開時間，50％關時間)。圖2所示是圖1所示傳統(tǒng)雙SLM投影顯示裝置10的時序圖100。如圖1和2所示，色彩輪16有六個部分并且以1/30秒(33.3ms)的時間間隔旋轉整一周。
色彩輪16的六個部分包括兩個在連續(xù)色彩間變換偏振方向的紅，綠和藍(RGB)幀，如圖1和2所示R-s,G-p,B-s,R-p,G-s和B-p，其中s和p是光的相互正交的兩個線性偏振態(tài)。接收s-偏振光的SLM12如圖2中SLM-1所示，另一個接收p-偏振光的SLM14如SLM-2所示。
如圖2所示，當色彩輪16轉過六個部分時，整個系統(tǒng)在33.3ms的周期10內通過RGB幀兩次，相當于通過兩個RGB幀。因此，一個全色彩幀每1/60秒(16.67ms)轉一周，或60Hz，如圖2所示時間周期115。
為了提供一個總體60Hz的工作頻率，不是由單個SLM投影顯示裝置以180Hz的SLM工作頻率工作，而是傳統(tǒng)的雙SLM投影顯示裝置10(圖1)的每個SLM12,14都僅以90Hz工作，盡管整個視頻頻率是60Hz。每個SLM12，14有一個1/90秒(11.1ms)的刷新周期120，并且1/180秒(5.556 ms)“開”，1/180秒(5.556ms)“關”或“死寂”，如圖2參考標號130所示。兩個SLM12,14以反相工作，其中一個SLM是“開”，另一個SLM是“關”。
在適當條件下，(比如，低電壓液晶材料，極小的液晶晶格間隙，和使用較高的工作電壓)，液晶(LC)響應時間能夠被減少到2ms以下。被傳統(tǒng)雙SLM投影顯示裝置10分配的時間比2ms長很多，比如圖2所示的5.356ms的周期130。因此，圖1中傳統(tǒng)的雙SLM投影顯示裝置10是低效的，因為它允許比所需要2ms的LC響應時間還多的關時間。
另外，圖1所示的傳統(tǒng)雙SLM投影顯示裝置10一次只使用一個SLM。因此，必須保持且不能超過50％的占空比，這限制了傳統(tǒng)雙SLM投影顯示裝置的效率。因此，需要一個高效率的全色彩投影顯示裝置。
另外，圖1所示的傳統(tǒng)雙SLM投影顯示裝置10的對比度是有限的。改進PBS管20的涂層可增加對比度。但是基于改進PBS管20的涂層來增加對比度是困難的。
為了得到大于100∶1的對比度，PBS涂層必須高效地工作于對整個可見光譜的s-偏振光反射大于99％，同時對p-偏振光的透射大于99％的發(fā)射情形之下，而且照射角在合理的范圍之內(如±10度)。目前可得的光學涂層的性能不能滿足于實現這些目的。雖然s-反射大于99％是可能的，但是在大角度(在10度的量級)的大于99％的p-透射則是困難的。
使用發(fā)射SLM和PBS的典型光學系統(tǒng)必須包括一個在PBS的反射軌跡上的吸收整形薄偏振片膜以確保足夠的對比特性。圖1所示的傳統(tǒng)雙SLM投影顯示裝置10中使用了色彩輪16，兩個偏振同時利用。因此，不可能包括整形偏振片。因此，需要一個高效率高對比度且允許使用整形偏振片，且不需要改進PBS涂層的全色彩投影顯示裝置。
本發(fā)明的目的是提供可消除傳統(tǒng)光學系統(tǒng)中存在問題的一種光學裝置。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有提高的效率和對比度的光學系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有降低的靜寂時間以增加占空比的光學系統(tǒng)。
本發(fā)明的這些和其它目的通過一個工作在幀序制色彩模式下的顯示裝置得以實現，該顯示裝置具有至少兩個使用由一個色彩輪提供的具有相同偏振的不同色彩的光束同時照射的光閥。光閥提供一束成像光到投影透鏡以投影成像光到屏幕。
色彩輪具有彼此分別偏移的前表面和后表面，且具有不同色彩的色彩部分可在前后色彩部分的不同色彩重疊時將偏振光分隔成同時的不同色彩的光束。當前后色彩部分相互重疊時，由前表面和后表面的部分相結合造成的間隔一個的結合部分包括雙色帶，用于同時提供第一和第二色彩光束以同時地用第一色彩照射一個光閥用第二色彩照射另一個光閥。
在一個實施方案中，當前表面和后表面平行時，來自于前表面和后表面的兩個光束彼此平行。在另一個實施方案中，前表面和后表面相交形成楔形。在這一情形中，兩個光束方向不同。
前后色彩部分彼此相對偏離且分別具有無色部分使得一種色彩的光束提供給一個光閥。前后無色部分也彼此相對偏離。色彩輪旋轉以用不同色彩的光同時依次照射光閥。
顯示裝置進一步包括棱鏡組件，如全內反射棱鏡，用來反射來自于色彩輪各表面之一的有色光束中的一束，并向其它光閥透射來自于其它色彩輪表面的其它有色光束。此外，棱鏡組件使來自于光閥的成像光重組，這些光閥可能透射或反射。棱鏡組件具有矩形或菱形截面且包括兩個具有第一折射系數的三角形棱鏡。兩個三角形棱鏡用具有低于第一折射系數的第二折射系數的材料分隔開。例如，兩個三角形棱鏡用空氣隙分隔。
本發(fā)明的進一步特征和優(yōu)點將通過考慮下面參照附圖進行的詳細描述變得清楚易懂，它們詳細描述并顯示了本發(fā)明的各個優(yōu)選實施方案，其中在所有附圖中用相同的標號指定相同的部件，且其中圖1顯示了傳統(tǒng)投影顯示裝置，工作于幀序制色彩模式，且具有兩個空間調光器(SLM)和一個色彩輪；圖2顯示了示于圖1的傳統(tǒng)投影顯示裝置的正時間圖3顯示了根據本發(fā)明的投影顯示裝置的正時間圖；圖4顯示了根據本發(fā)明的楔形色彩輪；圖5顯示了示于圖4的根據本發(fā)明的楔形色彩輪的前表面和后表面的反射。
圖6顯示了根據本發(fā)明的具有物理上分離且平行的表面的色彩輪的另一個實施方案；圖7顯示了根據本發(fā)明的具有反射SLM的投影系統(tǒng)；圖8顯示了根據本發(fā)明的具有35°的臨界角的全內反射棱鏡組件；和圖9顯示了根據本發(fā)明的具有45°的臨界角的全內反射棱鏡組件。
圖3顯示了根據本發(fā)明的具有兩個空間調光器或光閥和一個色彩輪，且工作在詳細描述于結合圖7的幀序制色彩模式的投影顯示裝置的時序圖150。如圖3所示，兩個全共享SLM155,160被具有12個發(fā)光區(qū)域或部分的色彩輪165照射，這些區(qū)域或部分隨著色彩輪165的旋轉而重復。重復照射的順序或色彩輪165的12個發(fā)光區(qū)域的順序是R+B,R,R+G,G,B+G,B,B+R,R,G+R,G,G+B,和B。
如圖3所示，色彩輪165的12個發(fā)光區(qū)域包括兩種色彩發(fā)光和一單色彩發(fā)光的一定區(qū)域。如照射順序所示的那樣，色彩輪165每隔一個色彩部分包括時間重疊的色彩帶，或雙色帶167。作為示例，雙色帶是R+B,R+G,B+G,B+R,G+R，和G+B。因此，色彩輪165包括一個每對單色帶168之間的雙色帶167。相反，傳統(tǒng)色彩輪16的每個發(fā)光部分，如圖1和2所示，在任何時間里都只有一種色彩的輸出。為了確保雙色帶中兩種色彩后來能夠分開，色彩輪同時所選中的兩種色彩必須角度明顯不同。這種兩種不同色彩的光束的分離要求將每一色彩指向不同的SLM。
時間重疊的雙色彩帶167對SLM155,160而言使每一SLM上照射的占空比大于50％。作為示例，圖像刷新率為60Hz，其中每一RGB幀周期為1/60秒(16.7ms)。如圖3所示，兩個全RGB幀以周期是1/30秒(33.3ms)的時間間隔110循環(huán)，對1/90秒(11.11ms)的工作區(qū)間170，每個SLM155,160工作在90Hz。每個SLM的11.11ms的周期170包括9.26ms的開區(qū)間175和1.85ms的關區(qū)間180，因此形成83.4％(9.26/11.1=0.834)的占空比。
傳統(tǒng)色彩輪，如圖1和2所示的傳統(tǒng)色彩輪16，工作在透射方式，且不允許選擇兩個指向不同獨立角度的不同SLM的獨立的色彩。為了得到圖3描述的期望的色彩控制，其中SLM155,160被使用兩種不同色彩通過雙色帶167同時照射，例如，色彩輪165為楔形具有兩個不平行的反射面。使用這樣的反射色彩輪，輪的每一表面都能被用于控制輸出色彩的選擇。
圖4顯示了具有兩個光化學表面305,310的反射色彩輪300的優(yōu)選實施方案。在該實施方案中，前表面305，最靠近光源，具有分光涂層以沿第一路線315反射一種色彩，同時后表面310具有分光涂層沿第二路線320反射第二種色彩。第三種通過色彩輪300的兩個表面305,310透射，例如色彩輪繞中心軸325使用馬達327旋轉。
圖5顯示了示于圖4的色彩輪300的前表面和后表面305,310的反射率。第一或前表面305由分光涂層提供的反射包括具有分隔不同色彩的無色透射區(qū)域330的RGB順序單元。第二或后表面310由另一個分光涂層提供的反射依次包括下列單元，部分的B,G,R和B的剩余部分，其中不同色彩被無色透射區(qū)域330分隔。
除了色彩選擇特性以外，色彩輪300還利用彼此不平行或彼此形成楔形而在其間形成一個楔的兩個表面305和310進行角控制。由于前后分光反射表面305,310之間具有一個楔，從前表面305反射的色彩出現在一個角度，同時從第二表面310反射的色彩出現在一個不同的角度。兩個反射光束315,320的角分離正比于兩個反射面315,320之間的(楔)角。因此，同時從兩個輪表面305,310在圖3所示的雙色帶167期間反射的兩個光束315,320，具有兩種不同的色彩且沿兩個不同的角度發(fā)出。
作為示例，楔形輪300用于結合圖7所描述的投影顯示裝置中，其中使用兩個反射的色彩315,320，同時不使用第三個透射色彩340。然而，由于反射色彩輪300分離全部三種色彩，例如，其它光學系統(tǒng)可使用反射的色彩315,320中和所透射的色彩340。
色彩輪300的功能是在兩個不同的角度上提供兩個同時的色彩帶。它對每個輸出315,320必須通過三個色彩帶的獨立循環(huán)。這通過前表面反射涂層，后表面反射涂層，和輪300的兩個反射面之間一個楔，或角分離實現。雖然圖3顯示了反射色彩輪300的一種形狀，若干包括空間分離的兩個反射面的特別結構也能提供期望的功能。
圖6顯示了色彩輪的另一實施方案350。圖6中，例如，前后輪反射面355,360物理上分離且彼此平行。這種物理上的分離提供兩個空間分離的反射光束365,370。一旦分離，兩個光束365,370被獨立控制以提供期望的角分離。
反射色彩輪被用于使用偏振白光照射系統(tǒng)的投影儀，該系統(tǒng)例如那些弧光燈和本領域中所知的偏振轉換照射光學系統(tǒng)。偏振照射光然后被指向色彩輪。隨著色彩輪的旋轉，從輪的第一或前表面反射回來的光循環(huán)穿過三個色彩帶且具有與入射光偏振相同的偏振。同時，從第二或后表面反射回來的光循環(huán)穿過三個色彩帶且也具有與入射光偏振相同的偏振。然而，從前表面和后表面反射回來的光是分離的，例如，在前表面和后表面形成楔的情形下沿不同角反射。
只要兩個表面不在相同的時間選擇相同的色彩，前后表面的色彩分離和相對時序是獨立的。在色彩輪的反射分光區(qū)域或部分之間，每一表面還包括透明區(qū)域330(圖5)。在這些透明區(qū)域330中，沒有光線從該表面反射因此提供了兩個相繼色彩帶之間的必要靜寂時間。反射光的占空比因此由反射涂層的相對“開”時間到輪表面透射區(qū)域330的“關”時間的相對值確定。如結合圖3所描述的那樣，每個SLM的占空比大于50％，例如，83.4％。
色彩輪的輸出，如圖4中數字315,320和圖6中數字365,370所示，包括兩個獨立的受控色彩帶，彼此物理上分離。在前后表面315,320相交形成楔形的情形，如圖4所示，色彩輪輸出315,320出現在兩個不同的角度上?？拷瘦啽砻?15,320，由于輸出315,320都來自于同一光源和輪的相同的雙色帶165(圖3所示)，兩個色彩帶空間相交，其中輪的前后表面相結合并共同地示于圖3，并分別示于圖5。
輸出色彩(圖4中的315,320和圖6中的365,370)都具有相同的偏振。具有不同色彩但相同偏振的兩個輸出光束允許全內反射棱鏡(TIR)的使用以照射并使兩個反射SLM155,160成像。該光學系統(tǒng)減少了PBS管的需要和全部與PBS管的偏振涂層相關的對比限制。
圖7顯示了一個完整的基于反射SLM的投影系統(tǒng)400，然而透射SLM可用來代替反射SLM。如圖7中所示，來自被包入拋物形反射鏡410的弧光燈405的光線首先被紫外和紅外濾波器或濾波器組濾波以去掉紫外和紅外輻射，所說濾波器一同顯示在圖7中標號415所示。
然后，被濾波的光穿過一個蒼蠅眼形積分儀和偏振轉換系統(tǒng)(PCS)420以生成均勻強度的偏振光425。等光強面被使用一個聚光透鏡430成像在色彩輪上，例如楔形色彩輪。
如結合圖4所描述的那樣，色彩輪300以兩個獨立角度反射不同色彩帶的兩個光束315,320。至少一個照射中繼透鏡435被用來成像從色彩輪300反射(它的照射面包括兩種色彩的光線315,320)的均勻照射面，通過一個全內反射(TIR)棱鏡440到兩個SLM155,160上。
兩個SLM155,160被放置靠近TIR棱鏡440的兩個相鄰的表面以便一個可被透射光照射另一個可被TIR界面445的反射光照射。在照射中繼透鏡435和TIR棱鏡440之間，一個吸收整形偏振片薄膜450被用來確保TIR照射的偏振純度。
作為示例，TIR棱鏡440包括兩個玻璃或透明聚合物部件或棱鏡，例如，它們由位于它們相對界面445，還可指TIR棱鏡440的界面之間的空氣隙分離。為簡單起見，TIR界面445被選定工作在，例如，45°的臨界角，以形成具有矩形截面的TIR棱鏡440。然而，不是45°的臨界角，和具有不是矩形截面的TIR棱鏡，也適用，如將結合圖8所描述的那樣。作為本領域經常使用的那樣，角度是相對于表面法線，例如TIR界面445表面的法線而定義的。棱鏡臨界角是大于它時所有入射光都被反射的角度。
利用適當的材料制造棱鏡可得到45°的臨界角，例如玻璃或透明聚合物，具有例如被空氣隙分離的大約1.41的折射率。TIR界面是玻璃/空氣界面445。在這種形狀中，通過玻璃棱鏡入射以45°角(相對于其法線)入射到TIR界面445上的光線被定義為臨界光線432。臨界光線432沿系統(tǒng)的光學軸445透射。TIR界面445，本領域熟知，反射入射角度大于臨界光線432的入射光。在圖7中用光線315表示。相反，以小于臨界光線432的角度入射的光線(它位于光學軸432的另一側)被通過TIR界面445透射。反射光路線在圖7中用光線320表示。
如圖7中所描述的那樣，楔形反射色彩輪300被使用以確保被第一或前輪表面305反射的第一色彩的光束315總是以大于臨界角的角度入射，在圖7所示的例子中臨界角是45°。楔形反射色彩輪300也被用來確保被第二或后輪表面310反射的第二色彩的光束315總是以小于臨界角的角度入射。這一光學形狀確保只有來自色彩輪300前表面305的光能到達一個SLM155，后者被從TIR棱鏡界面445的反射光照射，且只有來自色彩輪后表面310的光到達另一個SLM160，后者被通過TIR棱鏡界面445的透射光照射。
被SLM155,160反射的光線被向后指向TIR界面445，然而，以從輪300入射到TIR界面445上的入射光束的角度的互補角入射。因此，初始時以大于45度角入射到TIR界面(因此被反射)的光線現在將以小于45度角入射并將被通過棱鏡界面445透射。相似地，初始時以小于45度角入射(初始時被透射)的光線將被TIR界面445反射。
如圖7所述，這一光的路線將兩種色彩的光，用實線和虛線示出，從棱鏡440指向投影透鏡455。一種色彩出現在棱鏡光學軸的一側，同時第二種色彩出現在棱鏡光學軸相反的一側。在到達投影透鏡455之前，光線首先通過，例如，檢偏器460。輸出檢偏器460被定向為垂直于射入偏振片450。輸入和輸出偏振片450,460，去掉不希望的偏振并增加對比度。
在一個實施方案中，輸入偏振片450的偏振方向垂直于輸出偏振片或檢偏器460的偏振方向。在這種情形下，輸出檢偏器460僅僅透射(即，明亮狀態(tài))被SLM以本領域已知的方式旋轉的成像光，并吸收(即，黑暗狀態(tài))任何不旋轉的光。
或者，在另一實施方案中，輸入偏振片450的偏振方向平行于輸出偏振片460的偏振方向。在這種情形下，輸出檢偏器460僅僅透射(即，明亮狀態(tài))未被SLM旋轉的成像光，并吸收(即，黑暗狀態(tài))任何旋轉的光。
雖然圖7描述了一種工作于45度角使用空氣隙和具有1.41折射率的玻璃棱鏡的TIR棱鏡，但是也可使用其它具有任何折射率的玻璃或透明材料。在這種情形下，臨界角，角度大于它的光線將被發(fā)射，不是45度。
圖8描述了一種工作在臨界角35度的TIR棱鏡組件500。像前面定義的那樣，35度的臨界角是TIR表面的法向和光學軸505之間的夾角。在這種情形下，棱鏡組件500的截面形狀不是圖7所示棱鏡440的矩形而是菱形。作為示例，35度的臨界角使用玻璃-空氣界面獲得，其中玻璃的折射率大約1.74。如圖8所示，照射光束的中心線或光學軸505相對圖5所示的光學軸432歪斜20度。因此，菱形棱鏡500的側面相對于圖7中矩形棱鏡歪斜20度。具體地，不是具有矩形棱鏡440(圖7)的四個90度角，菱形棱鏡500具有兩個呈對角線相對的70度銳角，和兩個呈對角線相對的110度鈍角。
圖7和圖8所示的TIR棱鏡形狀都使用玻璃-空氣界面工作，如圖7中數字445和圖8中數字510所示。還可能使用高折射率材料和低折射率材料界面上的TIR效應。
圖9描述一種使用兩個高折射率玻璃的單元555,560的TIR棱鏡550，它仍可工作在45度。45度臨界角利用TIR棱鏡組件550的兩個閥555,560之間低折射率薄膜560獲得，而不是在其間具有空氣隙。例如，利用低折射率光學材料565，如具有1.38折射率的氟化鎂，作為折射率為1.95的兩個棱鏡單元555,560之間的界面材料，來保持45度臨界角570。
回到圖7，上述光學形狀的結果是投影透鏡455只有一半光瞳被用來成像第一SLM155，另一半用來成像第二SLM160。這意味著投影透鏡455的數值孔徑(NA)必須大于照射中繼透鏡的NA。為了達到最大照射能力，照射NA可被制成不對稱的。
根據結合圖7的描述，反射光有正角(大于臨界角)和透射光有負角(小于臨界角)的TIR效應僅適用于一個平行的輸入平面內入射角的變化，在圖7指紙面所在的平面。改變與平行平面正交的垂直平面內的入射角沒有影響。因此，對于一個具有大約35°(±17.5°)全角接收范圍的0.3NA的投影透鏡455，光源可被加工成一個維度具有大約17°角范圍同時保持相對維度的整個35°。簡單的成像光線路線(僅僅包括TIR棱鏡440和檢偏器薄膜460)方便了較高NA投影透鏡的使用。
照射中的不對稱NA通過在照射光學系統(tǒng)中使用變形光學器件產生。例如，在蒼蠅眼形積分儀420中，透鏡元件的外形比可被通過將一邊長度加倍來修改，而且可使用一個變形聚光鏡來生成合適的外形比照射其中一個維度是另一個維度角范圍的二倍?；蛘?，不用變形聚光透鏡，也可采用一個變形照射中繼透鏡，或聚光鏡和中繼透鏡都可是變形的。
附加的性能增強方案也能夠加入本光學系統(tǒng)。例如，來自TIR界面的復合角反射導致照射的去偏振。這降低了投影儀400的對比度。然而，SLM155,160附近光學延遲薄膜的使用可消除反射光的去偏振。
檢偏器460必須吸收全部暗態(tài)的光線。為了避免偏振片460的過熱，可使用風扇提供氣流冷卻該偏振片460?；蛘?，可將一個偏振光分光器(PBS)管加入到檢偏器薄膜460和TIR棱鏡440之間。PBS會反射大多數暗態(tài)偏振光因此極大地降低會被偏振器薄膜460吸收的光的量。
根據本發(fā)明的投影裝置是高效的雙SLM投影儀，利用基于偏振的反射SLM工作在幀序制色彩模式。獲得的高效是利用兩個不同色彩的光同時照射兩個SLM以使兩個SLM都工作在大于50％占空比的結果。每個SLM依次循環(huán)通過三個原色，RGB。
用兩個不同色彩高效地照射兩個SLM的能力，以及保持色彩順序照射的能力是通過能同時選擇兩種色彩的反射色彩輪的使用而得到的。色彩輪的兩個表面都具有反射涂層，前表面選擇第一色彩，后表面選擇第二色彩。
在一個實施方案中，色彩輪的兩個表面彼此相對成楔形因此允許兩個選擇的色彩角分離。一個具有空氣隙的棱鏡，例如，被用來選擇性地將兩種色彩的每一種指向適合的SLM。該棱鏡的工作是基于空氣隙界面的全內反射(TIR)。棱鏡還可用來重組來自兩個SLM的成像光。兩個SLM都使用同樣的偏振光照射。一個檢偏器被安置在TIIR棱鏡的出口。
如前所述，所發(fā)明的投影裝置采用幾個方案。例如，首先，工作在反射光中的雙面色彩輪被用來同時提供兩個獨立的色彩；第一表面提供一種色彩同時第二表面提供第二種色彩。第二，兩種色彩輸出中的每一種隨著輪的旋轉通過三原色RGB循環(huán)。第三，每一中色彩的占空比(相對開時間)被每個允許大于50％占空比照射的表面獨立控制。第四，兩種色彩的相對相位(開關時序關系)被通過控制兩個表面上的反射/透射區(qū)域在每個表面獨立地控制。第五，色彩輪的兩個光化學表面成楔形，或角分離，以提供兩種輸出色彩之間的明確的角分離。第六，具有全內反射(TIR)光學效應的棱鏡被用來分離兩種色彩以同時照射兩個SLM。TIR棱鏡還重組兩個SLM反射的成像光并將其指向投影透鏡。
根據本發(fā)明的投影顯示裝置可同時照射至少兩個SLM。同時照射允許SLM工作在基本上大于50％的占空比，因此從根本上增加了顯示的效率。
雖然本發(fā)明具有具體的顯示并結合示例進行描述預定實施方案，但是本領域的技術人員將理解可進行形式和細節(jié)上的進步和改變而不背離本發(fā)明的實質和范圍，該實質和范圍僅僅局限在從屬權利要求的范圍。
權利要求
1．顯示裝置包括一個提供偏振光的光源；具有彼此偏移的前后表面的一個輪，該前表面和后表面分別具有不同色彩的部分以用來將偏振光分為多個具有相同偏振的有色光；至少兩個光閥，每個用來接收該多個有色光中的不同光并提供成像光；和一個用來將成像光投影到屏幕的投影透鏡。
2．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于該前表面的該各個部分相對于該后表面的該各個部分偏離，這樣每隔一個從該前表面和后表面的各個部分的結合形成的結合部分包括雙色帶以便同時提供第一和第二色彩以便用第一色彩照射該至少兩個光閥中的一個，用第二色彩照射至少兩個光閥中的另一個。
3．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于該前表面和后表面的該各個部分同時向該至少兩個光閥反射多個色彩。
4．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于該前表面和后表面的該各個部分被透明區(qū)間分隔，該前表面的透明區(qū)間相對于該后表面的透明區(qū)間偏離。
5．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于該前表面和后表面的該各個部分被透明區(qū)間分隔，這些透明區(qū)間彼此相互偏離，這樣一種色彩光束被提供給該至少兩個光閥中的一個。
6．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于該前表面和后表面的該各個部分是光化學表面，并且所述部分具有反射性分光涂層。
7．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于所述前表面和后表面被關區(qū)間分隔以防止該至少兩個光閥被照射，其中該至少兩個光閥中的每一個的占空比大于50％。
8．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于進一步包括旋轉該輪的裝置，以利用不同色彩同時依次照射該至少兩個光閥。
9．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于進一步包括用來將多種有色光指向該至少兩個光閥并將成像光指向該投影透鏡的棱鏡組件。
10．權利要求9中的顯示裝置，其特征在于該棱鏡組件的截面是矩形和菱形中的一種。
11．權利要求9中的顯示裝置，其特征在于該棱鏡組件包括被空氣隙分隔的兩個三角形。
12．權利要求9中的顯示裝置，其特征在于該棱鏡組件包括兩個具有第一種折射率的第一種材料的三角形，該兩個三角形被具有第二種折射率的第二種材料所分隔。
13．權利要求12中的顯示裝置，其特征在于第一種材料大于第二種材料的折射率。
14．權利要求9中的顯示裝置，其特征在于該至少兩個光閥位于該棱鏡組件的相鄰邊。
15．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于進一步包括一個全內反射棱鏡，用來反射該多個有色光到該至少兩個光閥中的一個，透射該多個有色光到該至少兩個光閥中的另一個，并重組來自該至少兩個光閥的成像光。
16．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于該至少兩個光閥是透射光閥和反射光閥中的一種。
17．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于進一步包括一個偏振片，它位于該輪和該至少兩個光閥之間。
18．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于進一步包括一個偏振片，位于該至少兩個光閥和該投影透鏡之間。
19．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于進一步包括一個輸入偏振片，位于該輪和該至少兩個光閥之間，和一個輸出偏振片，位于該至少兩個光閥和該投影透鏡之間。
20．權利要求19中的顯示裝置，其特征在于該輸入偏振片的偏振方向垂直于該輸出偏振片的偏振方向。
21．權利要求19中的顯示裝置，其特征在于該輸入偏振片的偏振方向平行于該輸出偏振片的偏振方向。
22．權利要求19中的顯示裝置，其特征在于該輸入偏振片垂直于該輸出偏振片。
23．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于進一步包括一個照射中繼透鏡，位于該輪和該至少兩個光閥之間。
24．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于該前表面和該后表面彼此分隔以同時地從該前表面反射該多個有色光中的第一色彩光束且從該后表面反射第二色彩光束，該第一色彩光束平行于該第二色彩光束。
25．權利要求1中的顯示裝置，其特征在于該前表面和該后表面相交形成楔形以同時地從該前表面沿第一方向反射該多個有色光中的第一色彩光束且從該后表面沿第二方向反射第二色彩光束。
26．一個用于幀序制彩色投影的色彩輪包括第一表面，具有被第一透明部分分隔的第一彩色部分，該第一色彩部分將白光轉化成不同有色光；和第二表面，具有被第二透明部分分隔的第二色彩部分，該第二色彩部分將白光轉化成不同有色光；該第一色彩部分與該第二色彩部分偏離以便在該第一和第二色彩部分重疊時同時地提供具有不同色彩的兩束光，且該第一透明部分與該第二透明部分偏離以透射該白光。
27．權利要求26的色彩輪，其特征在于該第一和第二色彩部分包括反射涂層。
28．權利要求26的色彩輪，其特征在于該兩束光具有相同的偏振。
全文摘要
一種工作在幀序制色彩模式的顯示裝置,具有至少兩個光閥,它們被來自色彩輪的相同偏振不同色彩的光束照射。光閥提供成像光到投影透鏡用來將成像光投影到屏幕上。輪具有彼此偏移的前表面和后表面,具有不同色彩的部分用來在前后表面色彩部分的不同色彩重疊時將偏振光分成同時的色彩不同的光束。當前表面和后表面平行時,來自前后表面的兩束光彼此平行?；蛘?當前表面和后表面相交時,兩束光方向不同。
文檔編號H04N5/74GK1224854SQ98126579
公開日1999年8月4日 申請日期1998年12月29日 優(yōu)先權日1998年1月30日
發(fā)明者F·E·多安莉 申請人:國際商業(yè)機器公司