專利名稱：在投影顯示系統(tǒng)中的彩色分量的孔徑光闌的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子投影儀的光學(xué)系統(tǒng)，而具體地說，涉及使用做成各種形狀的孔徑光闌來改善彩色平衡和圖像對比度。
背景技術(shù)：
光學(xué)配置的各種裝置因具有反射型液晶顯示器的投射系統(tǒng)而為大家所熟知。在第6,309,071和6,113,239號美國專利和在Michael G.Robinson等人發(fā)表于SIDOO Digest，p.92-95的High Contrast Color Splitting architecfure UsingColor Polarigation Filtes中描述了諸實例。Robinson等人描述的一種光學(xué)配置使用了有專利權(quán)的偏振濾色器技術(shù)(即，ColorselectTM偏振濾色器技術(shù)(可從Colorlink，Ins.of Bonlder，Colorado，USA獲得)來取得大于500∶1的報導(dǎo)對比度。
但是，在不同的裝置中，由于采用MacNeille三棱鏡作為偏振光束分離器(PBS)，所以這些已知系統(tǒng)中的對比度受到了限制。由于不變軸光線的去偏振效果MacNeill三棱鏡PBS已經(jīng)限制了對比度，如在第5,327,270號美國專利中所描述的。去偏振光降低了反射型電子投影顯示屏的對比度，且特別是那些使用硅上液晶(LCOS)的光開關(guān)。如在‘270專利中描述的，對不交軸光線的去偏振作補償需要附加的1/4波片，它提高了成本，需要精確的對準，還要限制工作溫度的范圍。
通常，反射型硅上液晶(LCOS)光開關(guān)在用于投影顯示屏中時具有幾個優(yōu)點，包括小的象素尺寸，高的孔徑比，和快速的響應(yīng)。但是，當采用反射型光開關(guān)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(NA)增加來使圖像亮度達到最大時，對比度降低了。在對比度上的這個降低大數(shù)是由于光開關(guān)不理想的阻滯性和被通常在這種系統(tǒng)中使用的傾斜偏振光束分離器(PBS)的復(fù)合角去偏振之間的互作用而引起的；對比度約隨數(shù)值孔徑平方的倒數(shù)而變化。除了降低對比度之外，由于在投影透鏡中增加了幾何象差，增加了的NA還導(dǎo)致較差的圖像質(zhì)量。
常規(guī)系統(tǒng)的另一限制是色溫即光的平衡。投影系統(tǒng)通常需要一種具有壽命長和極小光源的燈，諸如由高壓汞燈(例如，UHP型，可從PhilipsElectionics買到提供的。這些燈產(chǎn)生不連續(xù)光譜且在基色中的一種或兩種基色是比較不足的，需要衰減至少是基色中的一種(通常是綠色，有些時候是綠色和藍色)以獲得可接收的白色點。這通常是通過把那種基色限制到比為獲得滿意的彩色范圍所需的更狹的帶寬來完成的。例如，調(diào)整彩色分離濾色器以減小基色中的綠色和藍色譜寬，造成它們變得比那些在SMPTE播放標準中規(guī)定的更為飽和，并限制它們的動態(tài)范圍。
因此，本發(fā)明在種類繁多的電子投影儀中，提供高反射，彩色平衡的和高通過量的諸如多路、反射型硅上液晶(LCOS)的投影顯示系統(tǒng)。
在一實施裝置中，反射型硅上液晶投影系統(tǒng)包括產(chǎn)生多色光的發(fā)光系統(tǒng)。諸如十字形分色鏡的彩色分離系統(tǒng)位于接收多色光的位置上，并把它分離成為光的基色分量，它們沿著各自的基色分量的光路傳播。至少一個調(diào)整彩色的(例如，平衡孔徑光闌放在沿著至少一條基色分量光路的位置上來平衡光的基色分量的相對強度。
反射型硅上液晶光開關(guān)隨諸如金屬絲網(wǎng)格偏振束分離器的偏振光束分離器放置，為每種基色分量光路獨身地把圖像信息傳遞到每種光的基色分量上。彩色組合器接收并組合具有已傳遞有圖像信息的光的基色分量來提供代表多色顯示圖像的光。
在另一實施例中，可把諸如趾孔徑光闌的平衡彩色的孔徑光闌放在適當?shù)奈恢蒙鲜顾诒徊噬蛛x之前來平衡彩色。例如，切趾(apodizing)孔徑光闌可包括對應(yīng)于基色分量光路的光的基色分量的環(huán)形彩色濾色片，該切趾孔徑光闌就放在這光路中。
一個或多個孔徑光闌通過減小一個或多個基色通道上的數(shù)字孔徑(即增加F-數(shù))來提供衰減?？捎酶鞣N方法來實現(xiàn)孔徑光闌，包括存在著對各基色各自的孔徑光闌位置的地方，使用較小的發(fā)生系統(tǒng)孔徑光闌；或?qū)Ω骰褂酶髯缘耐队巴哥R的地方，使用較小的投影透鏡的孔徑光闌，或?qū)λ械幕褂霉玫陌l(fā)光系統(tǒng)或投影透鏡的地方，在發(fā)光系統(tǒng)或投影透鏡的孔徑光闌處使用環(huán)形濾色片。
本發(fā)明的其它描述和實施裝置，從其較佳實施例參考附圖進行的詳細描述將變得清楚易懂。


圖1是根據(jù)本發(fā)明反射型投影顯示系統(tǒng)一實施例的示意圖；圖2A-2F是根據(jù)本發(fā)明做成各種可替換的各種形狀的孔徑光闌示意圖；圖3是照明十字形分色鏡的一裝置的頂視圖；圖4是圖象十字形分色鏡的一裝置的頂視圖；圖5是金屬絲網(wǎng)格起偏振分離器的工作的簡化說明圖；圖6是經(jīng)過本發(fā)明投影儀中繼透鏡組的說明光線的一對光線跟蹤器的示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明與選擇彩色的切趾孔徑光闌組合的電子(LCD)投影儀的簡化示意圖；圖8是具有圓形內(nèi)邊緣結(jié)構(gòu)的切趾孔徑光闌的前視圖；圖9是具有圓形十字形內(nèi)邊緣結(jié)構(gòu)的切趾孔徑光闌的前視圖；圖10是可用作照明孔徑光闌的堆疊式切趾孔徑光闌的前視圖；圖11是堆疊式切趾孔徑光闌另一例子的前視圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明與選擇彩色的切趾孔徑光闌的具有90°扭轉(zhuǎn)向列型LCD的電子(LCD)投影儀的簡化示意圖；以及圖13是適合于復(fù)式扭轉(zhuǎn)向列型LCD的反射稱對比度的切趾孔徑光闌的前視圖。
具體實施例方式
圖1是圖示說明本發(fā)明一工作環(huán)境例子的反射型投影顯示系統(tǒng)實施例的示意圖。投影顯示系統(tǒng)10(有時在本文稱之為投影儀10)包括三個彩色分量光路12(只示出一路)，它們對應(yīng)于相關(guān)的基色光分量紅、綠和藍色。為了清晰起見，圖1只示出彩色分量光路中的一路，它是將指對應(yīng)于綠基色分量的彩色分量光路12G。
應(yīng)理解紅色和藍色分量的光路與綠色分量的光路12G是相同的，只不過是在偏移它的地方。專門對一種基色光分量的投影儀10的元件將用對應(yīng)的字母腳標指出(即，“R”，“G”或“B”)。不是專門用于一種基色光分量的投影10的元件將不包括這樣的腳標。因此，下面的描述將指出與綠色分量連在一起的元件，但將是可類似地應(yīng)用到與紅色和藍色分量連在一起的元件。
具有橢圓反射器16和廣譜(例如，“白色”)光源18的發(fā)光系統(tǒng)14經(jīng)過光管積分器22(空心的或?qū)嵭牡?和中繼透鏡組24把照射光20傳播到照射十字形分色器26。
參考圖1，綠色光路12G從十字形分色器26通過，并經(jīng)過根據(jù)本發(fā)明的中繼透鏡組40G和平衡彩色的孔徑光闌42G被疊合鏡38G傳播。偏振光束分離器(PBS)48G和諸如硅上液晶(LCOS)LCOS光開關(guān)50G的反射型光開關(guān)50G從平衡彩色的孔徑光闌42G接收該光。在一實施例中，偏振光束分離器48G包括金屬絲網(wǎng)格起偏振器52G，諸如可從Moxtek，Inc.of Orem，Utah，USA買到的ProfluxTM。這樣一種金屬絲網(wǎng)絡(luò)起偏振器52G在第6,122,103號美國專利中描述。當用金屬絲網(wǎng)格起偏振器52G來實現(xiàn)時，可把PBS 48G標之為金屬絲網(wǎng)絡(luò)PBS 48G。
在被LOCS光開關(guān)50G調(diào)制之后，已調(diào)制的綠色分量由LCOS光開關(guān)50G反射回到這金屬絲網(wǎng)格起偏振器52G，它把已調(diào)制的綠色分量反射到圖象十字形分色鏡54。圖象十字形分色鏡54與照射十字形分色鏡26是一樣的，并起著把已調(diào)制的紅，綠，和藍色分量組合起來并把它們傳到投影透鏡組件56，它把全色顯示圖像投射到顯示屏幕(未示出)。投影儀10可以或是在前投影格式下工作，或是在背投影格式下工作。
在工作中，來自發(fā)光系統(tǒng)14的光徑積分器22通過，它在積分儀出射窗60處產(chǎn)生均勻強度的照射分布。照射十字形分色器26把這照射光分離成為三種顏色(紅，綠，和藍)，這三種光被三個同樣地中繼透鏡組(僅示出中繼透鏡組40G)傳播到三個各自的LCOS光開關(guān)(僅示出LCOS光開關(guān)50)。中繼透鏡組24和采色分量中繼透鏡組(僅示出40G)在各個LCOS光開關(guān)的光學(xué)有源區(qū)處產(chǎn)生積分器出射窗60的圖像。
平衡彩色的孔徑光闌42G起到衰減基色分量(例如綠色)的作用以獲得可接受的白色點。通過減小基色的數(shù)字孔徑(NA)來獲得衰減。在對每種基色都有各自的孔徑光闌位置的地方，可用種種方法來減小這數(shù)字孔徑，包括較小的發(fā)光系統(tǒng)的孔徑光闌，在另一實施裝置中，在對各基色采用各自的投影透鏡的地方可采用較小的投影透鏡孔徑光闌。
將會理解到某些投影系統(tǒng)具有通用的發(fā)光系統(tǒng)或為至少兩種基色使用的投影透鏡，而不是象投影系統(tǒng)10那樣的各自的彩色分量元件。在這些投影系統(tǒng)中，在通用的發(fā)光系統(tǒng)或投影透鏡的孔徑光闌處可采用環(huán)形彩色濾色片來提供平衡的彩色，在下面要作較詳細的描述。
在數(shù)字孔徑上的這個減少增加了那個基色的對比度和圖像質(zhì)量。特別是在諸如那些采用高壓汞燈的需要衰減綠光的系統(tǒng)中，在一種基色中較高的對比度和圖像質(zhì)量會顯著地增加總對比度和圖像質(zhì)量的目視感覺。
圖2A-2F是根據(jù)本發(fā)明各種可替換的、做成各種形狀的、平衡彩色的孔徑光闌120A-120E，它們可以投影系統(tǒng)10中用作平衡彩色的孔徑光闌42G和任何其它平衡彩色的孔徑光闌。(孔徑光闌120A-120E有時候集體地稱之為孔徑光闌120)。為圖示說明示范性的成比例的尺寸，對做成各種形狀的孔徑光闌120指出示范性的尺寸。將會理解到，做成各種形狀的孔徑光闌120可用與那些指出的尺寸不同的尺寸來形成。作為描述做成各種形狀的孔徑光闌120的基礎(chǔ)，常規(guī)的孔徑光闌126用不透明128示出，而示范性圓形孔徑130具有62.5mm的示范性直徑。
做成形狀的孔徑光闌120A包括不透明面122A和通常為卵形即橢圓形孔124A。做成形狀的孔徑光闌120B包括不透明面122B和大的截圓的孔徑124B。大的截圓孔徑124B包括大的相對的圓部段132B，它位于一對直的截邊134B之間。圓部段132B是大的，在這點上，它們包含比截邊134B所包圍的孔徑124B較大的圓部段。
做成形狀的孔徑光闌120c包括不透明面122C和小的截圓孔徑124C。小的截圓孔徑124C包括小的相對的圓部段132C，它位于一對直的截邊134C之間。圓部段132C是小的，在這點上，它們包含著比截邊134C所包圍的孔徑124C較小的圓部段。
做成形狀的孔徑光闌120D包括不透明面122D和可選擇的十字形孔徑124D。十字形孔徑124D包括小的相對的圓部段132D，它位于一對直的截邊134D和橫向延伸136D之間。做成形狀的孔徑光闌120E包括不透明面122D和小的圓孔徑124E。
表1列出了各個做成各種形狀的孔徑光闌120的光通過量，兩者都用實測流明以及對一給定的光源(例如在F/2.2時的20mm圖像)的常規(guī)孔徑光闌126通過量的百分比。
表1


表1示出可用各種可選擇的做成各種形狀的孔徑光闌獲得的通過量變化的范圍。另外，做成各種形狀的孔徑光闌120A-120D具有細長的縱橫比，它在光束最末端自處擇優(yōu)地改變阻礙光的角度。在這些角上的光最易發(fā)生離軸的即不變軸光線(即，對比度就是使性能變壞的光線)即分散的路徑，所以在這些角相阻礙光可對反射提供較大的改善。
孔徑光闌42G為對應(yīng)的彩色分量光路(例如，綠色)設(shè)定一工作的下一數(shù)，即數(shù)字孔徑。每種彩色分量光路包括一個對應(yīng)的孔徑光闌。通過使用具有合適直徑的孔徑，就可控制紅，綠和藍色的量以在屏幕上提供所想要的色溫而提高對比度。
投影系統(tǒng)10的一示范性實施裝置使用高壓汞燈(UHP型)作為光源18，它在紅色方面有受限制的強度。為要得到理想的色溫(對白色屏幕的色坐標)，綠光的量要減少約35％。用具有起點為2.8F數(shù)的孔徑光闌，可用F數(shù)3.5來形成孔徑光闌42G以在綠光中完成35％的減少，這將顯著地增長面板的總對比度。因此，光闌42G起到改善投影儀10的對比度和圖像質(zhì)量的作用，又保持著圖像即顯示的亮度。
某些常規(guī)彩色光開關(guān)投影顯示系統(tǒng)采用高強度放電(HID)光源，這種光源產(chǎn)生不連續(xù)光譜且在一種或兩種基色中是比較不足的。這些系統(tǒng)需要衰減至少三基色中的一種，通常是綠色，以獲得可接受的光譜平衡即“白色點”。一般，這樣一種基色的衰減是通過限止那個基色列比較狹的帶寬以取得滿意的彩色范圍。
例如，背投影電視系統(tǒng)可采用稱之為“特高性能”(UHP)燈，可從PhilipsElectronics購得的高壓汞放電燈。這UHP燈在紅色方面是比較不足的，需要相當大的綠和藍光的衰減以獲得可接受的白色點。這一般是通過調(diào)整色分離濾色片來減小綠和藍光基色的譜寬，造成它們變得比那些在SMPTE播放標準中規(guī)定的更飽和，并限制它們的動態(tài)范圍來做到的。
圖3是照射十字形分色鏡26的一實施裝置的頂視圖，它包括放在一組三棱鏡146的傾斜面之間的十字形分色鍍膜層142和144，正如在本領(lǐng)域中所熟知的。分色鍍膜層142和144反射和透鏡不同的彩色組份，使得在入射面148接收到照射光20被分成為紅色，綠色和藍色的彩色分量并傳出各自的出射面150R，150G和150B。
圖4是成像十字形分色鏡54實施裝置的頂視圖，它與發(fā)光十字形色鏡26一樣，并包括放在一組三棱鏡168的傾斜面之間的十字形分色鏌膜層164和166。圖4示出分別在入射面170R，170B和170G附近的金屬絲網(wǎng)絡(luò)PBS 48R，48G和48B的位置所在。圖3和圖4示出對各個三色分量相同的光學(xué)元件對稱于投影中心線172(圖1)的位置所在。將會理解到可在中繼透鏡組24的元件之間插入冷卻來去除來自投影系統(tǒng)10過剩的熱量。還有，可在中繼透鏡組40的元件之間安排一個或多個附加的折層鏡來提供可供選擇的即發(fā)佳的包裝。
照明和成象十字形分色鏡26和54基本上是一樣的。在一實施裝置中的十字形分色鏡26和54是屬SPS型的，在基本分色鍍膜層142，144，164和166反射所選彩色的S-偏振光并透射P-偏振光。例如，鍍膜層142和164可反射S-偏振紅光，鍍膜層144和166可反射S-偏振藍光，而所有的鍍膜層都透射P-偏振綠光。
十字形分色鏡26和54各包括三片半波片，每片都用于各個彩色分量(未示出)，正如在本領(lǐng)域中熟知的，以使經(jīng)過十字形色鏡26和24的光偏與對PBS的48R，48G和48B的偏振發(fā)生連系。S-和P-偏振是關(guān)于一對垂直的線偏振態(tài)的慣用術(shù)語，在這兩個態(tài)中，對于偏振有選擇力的電介質(zhì)薄膜，可把S-偏振光說明是“掠過”該薄膜，而可把P-偏振光說明是“貫穿”該薄膜。
因此，投影系統(tǒng)10對綠色通道使用一個偏振面對約和藍色兩通道則使用一垂直的偏振。這些偏振可對藍和綠色兩道允許使用重疊光譜以增加系統(tǒng)的通過量。由于色度學(xué)上的考慮所以不能使用紅和綠色兩通道之間的重疊光譜。
在某些實施裝置中，不能單從十字形分色鏡26和54的彩色性質(zhì)獲得所需的顯示彩色特性?？刹捎酶郊拥牟噬Ｕ止鉃V色片(一長通和兩短通，未示出)來提供彩色純度。可把這些低成本校正濾色片實際地插入在照明路徑上的任何地方，并可較佳地加入到照明光闌(即具有和彩色選擇力的切趾濾色層的組合功能)。
圖5是為PBS 48G的工作作例子簡化圖示說明圖。PBS 48R和48B的工作是類似的，但是對紅和藍色分量的不同偏振態(tài)要作調(diào)整。
P-偏振綠色照明光經(jīng)金屬絲網(wǎng)格起偏器52G而通過，它被調(diào)整到通過具有綠色分量的P-偏振態(tài)光。這光射到LCOS光開關(guān)50G，并根據(jù)綠色分量顯示圖象被調(diào)制，并作為S-偏振的調(diào)制光被反射加到金屬絲網(wǎng)格起偏振器。凈化起偏振器176G位于十字形分色鏡54的進入面174處，且是低成本、流行的薄膜起偏振器。圖5中光學(xué)配置的已測系統(tǒng)的反射超過3200∶1。該系統(tǒng)的反射是用前面表面鏡和1/4波片的組合替代LCOS光開關(guān)50G以從LCOS光開關(guān)50G本身的對比度把該光學(xué)配置的對比度分離開來而測量的。
圖5的這個光學(xué)配置并不受到不交軸光線的去偏振(所以不需要補償?shù)?/4波片)，具有非常高的偏振衰減率，在大的溫度范圍內(nèi)工作，并能承受高的光強度。金屬絲網(wǎng)起偏振器52G可在平玻璃基底上制作，并能以反射的模式在，例如，如圖1所示的成象光路中使用。PBS48G的平坦不會產(chǎn)生顯著的波前失真，并為投影儀10提供高質(zhì)量的圖象。遺憾的是，該平坦的PBS48G要以透射的模式用于成象的路徑中就太厚了，由該傾斜的平面平行板產(chǎn)生的象散太大。該平坦的PBS48G在透射模式的照明路徑中是可接受的。
為在橫越投影顯示屏上取得均勻的彩色分布(即，避免‘無色移’)，這十字形分色鏡26和54應(yīng)放在這系統(tǒng)的焦闌空間。為在白色屏上取得均勻的光分布，這焦闌應(yīng)裝在積分器出射窗60的空間。因此，中繼透鏡組26和40應(yīng)在三個空間是焦蓋的如到積分器出射窗60，如到照明十字形分色鏡26和如到成象的十字形分色鏡54。沒有位于在它們之間的有源光分量，成象的十字形分色鏡54和各金屬絲網(wǎng)絡(luò)PBS48也在這焦闌空間中工作它也在屏幕的整個圖象上維持的對比度。
圖6是用圖示說明經(jīng)過中繼透鏡組24和40通過的光線的一對光跟蹤器180和182的示意圖。光線跟蹤器180對應(yīng)于如圖1中所觀察的投影系統(tǒng)10。光線跟蹤器182對應(yīng)于從方向184(圖1)來觀察的投影系統(tǒng)10。光線跟蹤器180和182示出三個區(qū)域，在這三個區(qū)域中，投影系統(tǒng)10的中繼透鏡組24和40被形成為提供焦闌度，從而在橫越圖象的白的和暗的屏上提供無色移，均勻的分布。結(jié)果是，投影系統(tǒng)10，具體地說，是中繼透鏡組24和40，可被說成是三重焦闌的。
具體地說，把中繼透鏡組24(即，“目標空間”)形成為焦闌的以利用和維持橫越視野的亮度均勻性。光管積分器22橫越積分器出射窗60逐點地提供相同的角由亮度分布。為提供橫越屏幕的均勻照明，橫越管子出射窗60的集合效率應(yīng)是相同的。為利用這照明的均勻性，中繼透鏡組24要被形成得在無穹遠處有一入射光孔(即，焦闌的入射光孔)。
焦闌也保持在中繼透鏡24和40之間，包括照明十字形分光鏡26的區(qū)域中。通常，諸如那些包括在十字形分光鏡26中的分光鏡的光譜性質(zhì)，強烈地與入射角有關(guān)。為避免橫越圖像的光頻偏移(一種稱之為色移的現(xiàn)象)，在中繼透鏡組24和40之間的這個區(qū)域中的光都具備對視野所有點的一致的角結(jié)構(gòu)。這樣一種一致的角結(jié)構(gòu)是另一種提及焦闌性的方法。
最后，在繼透鏡組40G和光開關(guān)50的圖像空間中，焦闌性提供橫越視野的均勻?qū)Ρ榷?。換句話說，光開關(guān)50的所有點，相對于入射光是在相同的環(huán)境中，而且假設(shè)在LCOS器件內(nèi)的良好反射表面的話，則也相對于輸出光。在先開關(guān)50和成象分色鏡54之間設(shè)有有源光元件時，在這空間中的焦闌性也為成象十字形分色鏡54提供無色移的條件。
將理解到使用LCOS光開關(guān)50的投影儀10只是根據(jù)本發(fā)明可使用平衡彩色的孔徑光闌的電子投影顯示系統(tǒng)的一個例子而已。
圖7是根據(jù)本發(fā)明電子(LCD)投影像200與可選擇彩色、平衡彩色的孔徑光闌202組合的簡化示意圖。電子投影儀200通過可選擇、平衡彩色的孔徑光闌202接收多色光204。
電子投影儀200包括一對可選擇彩色鏡204和206，它們把多色光204分成為彩色分量(例如，紅，綠和藍)，這些分量經(jīng)過各自的透射LCD/起偏振器組件208R，208G和208B傳播，它把圖像顯示信息傳遞進這光中。常規(guī)的X-立方體210把具有圖像顯示信息的彩色分量組合起來，并把這已組合的光傳播到投影透鏡212。
圖8和圖9是可能被用作孔徑光闌202的可選擇彩色、平衡彩色的孔徑光闌220和222各自的示范性的前視圖。
參考圖8，孔徑光闌220包括具有圓形內(nèi)邊226的不透明的外環(huán)224。射在外環(huán)224上的光以孔徑光闌常規(guī)的方式被阻擋。圓形有色濾色片環(huán)228被放在內(nèi)邊226的內(nèi)部并透射一種或兩種已選定的頻帶。中央圓形光學(xué)孔徑230讓所有顏色的光在不濾色的情況下通過，它可以是具體的孔徑或透明的特點。可把具有圓形有色濾色片環(huán)228和圓的光學(xué)孔徑230不同透射率的孔徑光闌220稱之為切趾孔徑光闌220。
例如，在一實施裝置中，要減少照明光相對于紅和藍色兩種分量的綠色分量以改善彩色的平衡。在這個實施裝置中，有色濾色片環(huán)228可由通過紅和藍光分量的品紅色濾色片來制作。紅和藍光分量具有由內(nèi)邊226限定的孔徑，而綠光分量具有光學(xué)孔徑230限定的孔徑。結(jié)果是，切趾孔徑光闌220通過可選擇地減少相對于紅和藍光分量的綠光分量改善了彩色平衡。
參考圖9，如果象差效應(yīng)的減少可以是少于最佳的，則孔徑光闌222可在圖象對比度反方面提供較大的改善?？讖焦怅@222包括具有例如呈圓形的內(nèi)邊236的不透明外環(huán)234。射到外環(huán)234上的光，以孔徑光闌常規(guī)的方式被阻擋。有色的濾色片環(huán)238放在內(nèi)邊236的內(nèi)部，并透射對應(yīng)于經(jīng)過該光闌(例如，品紅色)傳播的基色分量中一種或兩種已選擇的彩色頻帶?？讖?39可具有諸如那些示于圖2的其它形狀。
在中央環(huán)行的十字形光學(xué)孔徑239可在設(shè)有瀣色的情況下允許光通過，而它可以是具體的孔徑或透明的物質(zhì)。例如，可把環(huán)行的十字形光學(xué)孔徑239和可選擇彩色的光闌即彩色濾色片環(huán)238調(diào)整到消除否則將以大的復(fù)合角入射的光，而以相等的非復(fù)合角通過光線。具有不同透射率的有色濾色片環(huán)238和十字形光學(xué)孔徑239也可把孔徑光闌222稱之為切趾孔徑光闌。
孔徑光闌220和222起著限制，約束，或者相反形成光維體的形狀(即，照明光的錐體)來改善體系的對比度。因此，由孔徑光闌220和222提供的改善對比度，與由相對地增加數(shù)字孔徑提供的在常規(guī)系統(tǒng)中減小對比度有區(qū)別。
在一實施裝置中，可把孔徑光闌220應(yīng)用來減縮相對于紅和藍光分量的綠光的強度和范圍。綠光可以是造成RGB平衡的直至約80％的原因，所以可成為對該系統(tǒng)的對比度的主要原因。改善由孔徑光闌220提供的綠色對比度可改善整個系統(tǒng)的對比度。
將會理解到可把切趾孔徑光闌220和222放在電子投射儀即投射顯示系統(tǒng)中任何其它的光學(xué)位置上，不論該光學(xué)位置是否會常規(guī)地有孔徑光闌。例如，可把切趾孔徑光闌220和222中的任何一個放在投影系統(tǒng)10(圖1)的中繼透鏡組24中位置62處作為對孔徑光闌42G的替代物。
在可選擇的孔徑位置62(圖1)中，隨著照射光的彩色分量尚未分離，切趾孔徑光闌200和202可包括用于較佳地阻擋一種彩色分量(例如，綠色)的彩色濾色片元件，而其它彩色分量通過(例如，紅和藍，即品紅)。在還有另一實施例中，切趾孔徑光闌200和202可包括堆合的彩色濾色元件以擇優(yōu)地阻擋兩彩色分量(例如，綠和藍色)相對于留下的彩色分量(例如，綠和藍色)相對于留下的彩色分量(例如，紅色)的不同的量。
圖10是堆合的切趾孔徑光闌240的前視圖，這孔徑光闌可能用在孔徑光闌位置62處，例如，來較佳地阻擋兩彩色分量(例如，綠色和較少程度的藍色)相對于留下的彩分量(例如，紅色)的不同的量。堆合的孔徑光闌240包括大直徑的紅色濾色片環(huán)242，它擇優(yōu)地通過紅光，中間的品紅濾色片環(huán)244，它擇優(yōu)地通過紅和藍光，以及能讓光不濾光地通過的中央光學(xué)孔徑246。中央光學(xué)孔徑246可以是具體的孔徑或透明的物質(zhì)，且可以是圓的，如所示，或者在這里描述的任何其它形狀。
將會理解到，堆合的切趾孔徑光闌240可根據(jù)要按比例地減少或提高的彩色分量用各種各樣的彩色濾色片來形成。例如，堆合的切趾孔徑光闌240可省略紅濾色片環(huán)242，并把品紅濾色片244伸鋪在本該由紅濾色片圓環(huán)242覆蓋的圓環(huán)區(qū)域上而可替換地形成。另外，將會理解到，孔徑光闌240還可包括直徑大于品紅濾色片環(huán)244的不透明外環(huán)(未示出)，使得包括紅色的所有彩色分量都被阻擋在外范圍處。
作為另一例子，圖11是堆合的切趾孔徑光闌250的另一前視圖。不透明面252具有通常的圓形孔徑254，在其內(nèi)放了環(huán)形品紅(即，紅和藍色)濾色片256。環(huán)形品紅濾色片256包括不具有彩色濾色的肉孔徑258。在這圖示中，無障礙的內(nèi)孔徑258具有橢圓的形狀。可選擇彩色的切趾孔徑光闌250起著減少相對于紅和藍光的綠光比例的作用。
可把切趾孔徑光闌200，202和240，還有250設(shè)想為相對于彼此做成各種形狀或大小的有形狀孔徑光闌的實施例，以便在諸如投影系統(tǒng)10或投影系統(tǒng)200的投影顯示系統(tǒng)中調(diào)節(jié)彩色分量的平衡。不過，將會理解到，具有形彩色濾色片的孔徑光闌200，202和240，還有250的切趾是調(diào)節(jié)彩色分量平衡的一種方式。根據(jù)本發(fā)明的做成各種形狀的孔徑光闌可在沒有孔徑光闌200，202和240，還有250的切趾彩色濾色片情況下被選擇地形成。另外，將理解到孔徑光闌200，202和240，還有250的切趾彩色濾色片可以是包括具有不是圓形外邊的不同形狀。
圖12是根據(jù)本發(fā)明電子(LCD)投影儀260與可選擇彩色，平衡彩色的孔徑光闌262結(jié)合的簡化示意圖。電子投影儀260通過可選擇彩色，平衡彩色的孔徑光闌262接收多色光264?？蛇x擇彩色，平衡彩色的孔徑光闌262在圖13較詳細地示出。
電子投影像260包括一對可選擇彩色鏡266和268，它們把這多色光264分離成通過各自的透射LCD/起偏振器組件270R，270G和270B傳播的彩色分量(例如，紅，綠和藍色)，把這三個分量的圖象顯示信息傳遞給光。常規(guī)的X-立方塊272把這些具有圖象顯示信息的彩色分量組合起來，并把已組合的光傳輸?shù)酵队巴哥R274。
LCD/起偏振器組件270R，270G和270B包括各自的90°扭轉(zhuǎn)向列型LCD276R，276G和276B，它們在特性上都具有在不同視角上的反對稱對比度。如在本領(lǐng)域中所熟知，這樣一種反對稱對比度通常在極反射曲線圖即圖表中表示。在這個實施裝置中，顯示對比度可通過從光的各自的紅，綠和藍的彩色分量阻擋角分量278R，278G和278B來增加。
將會理解到，角分量278R，278G和278B位于遍及各自的彩色分量的光束。因為對應(yīng)的LCD對那個角空間具有較差的性能，所以阻擋角分量278R，278G和278B就使對比度提高。假設(shè)所有器件用相同的液晶摩擦角等制成，對應(yīng)于各LCD276R，276G和276B的相同方向被阻擋。由于光的線路的本性，278R并不看來似象278G那樣來自相同的角，因此，這些不平常的可選擇彩色的孔徑用來限制這些不同彩色的光束，以便對各個色道適當?shù)叵拗茰p少對比度的光?？讖焦怅@262在各自的LCD 276R，276G和276B處，封閉對應(yīng)于角分量278R，278G和278B的區(qū)域。
可選擇彩色，平衡彩色的孔徑光闌262包括放在相鄰角上的選擇藍綠色的濾色片280c選擇品紅色的濾色片280M，和選擇黃色的濾色片280Y。敞開的孔徑區(qū)282讓所有的光通過。藍綠濾色片280C起到阻擋紅光的作用，品紅濾色片起到阻擋綠光的作用，而黃濾色片則起到阻擋藍光的作用。在其中放置濾色片280C，280M和280Y的角對應(yīng)于角分量278R，278G和278B(圖12)。可選擇彩色，平衡彩色的孔徑光闌262適合于LCD 276R，276G和276B的反對稱極對比度，以對電子投射義260提供已被提高了的對比度。
作為可選擇的實施裝置，投影系統(tǒng)10可用常規(guī)起偏振光束分離器來形成，這些分離器使用三棱鏡結(jié)構(gòu)作為對金屬絲網(wǎng)絡(luò)PBS 48R，48G和48B的替代物。但是，這樣的常規(guī)PBS對‘不交軸光線是特別敏感的，它由于起偏振軸(或去偏振軸)的幾何轉(zhuǎn)動，在系統(tǒng)中降低對比度。在這樣的一個實施裝置中，孔徑光闌82可通過正常的圓形小孔排除出諸角而使在一根或兩根軸上的照明變狹就能減少這種不交軸的光線。
作為另一實施裝置，照明光錐可在一根軸上通過使用在該軸上逐漸變細的光管積分器22變狹。例如，在提供直角16∶9縱橫比圖像的高限定TV(HDTV)實施裝置中，一單軸逐漸變細的光管積分器22可具有正方形入射面以從橢圓反射器有利地聚焦光線。為提供一適于16∶9縱橫比的出射面，這單軸逐漸變細的光管積分器22將起到把這光束“壓縮”到較小的角中。這樣，可提供(例如)具有F/40水平范圍的F/2.5縱向范圍。
鑒于我們的發(fā)明原理可應(yīng)用到許多可能的實施例中，應(yīng)認識到這些已詳述的實施例僅作為說明，而不應(yīng)把它作為對我們的發(fā)明范圍的限止。相反，我們提出作為我們發(fā)明的所有這些實施例可包括在下面的權(quán)利要求書還有等價方案的范圍和精神之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電子投影系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括發(fā)光系統(tǒng)，產(chǎn)生多色光；彩色分離系統(tǒng)，放在接收來自該發(fā)光系統(tǒng)的這多色光的位置上，并把這多色光分離成為光的基色分量，這些光的基色分量沿各自基色分量的光路傳播；至少一個調(diào)整彩色的孔徑光闌，有選擇地阻擋相對于光的另一基色分量的光的諸基色分量中的至少一種分量來提供光的分量之間的平衡；以及一個或多個電子光開關(guān)，把圖像信息傳遞到各個光的各個基色部分。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個調(diào)整彩色的孔徑光闌放在沿各自的基色分量光路中的一條光路的位置上。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個或更多調(diào)整彩色的孔徑光闌分別放在沿兩個或更多基色分量光路的位置上，至少一個調(diào)整彩色的孔徑光闌被做成與不同于另外光闌的尺寸。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個或更多調(diào)整彩色的孔徑光闌分別放在沿兩個或更多的基色分量光路的位置上，至少一個調(diào)整彩色的孔徑光闌被做成不同于另外光闌的各種形狀。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個孔徑光闌包括具有對應(yīng)于至少一種光的基色分量的環(huán)形彩色濾色片的切趾孔徑光闌。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述該切趾孔徑光闌包括圓形環(huán)狀彩色濾色片。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個切趾孔徑光闌包括十字形環(huán)狀彩色濾色片。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括在該系統(tǒng)中建立三個焦闌區(qū)域的第一和第二組中繼透鏡組。
9.在一個具有產(chǎn)生多個基色分量光的發(fā)光系統(tǒng)的電子投影系統(tǒng)中，其特征在于，其改善包括減少相對于其它的基色分量的基色分量中至少一個分量強度的調(diào)整彩色的孔徑光闌。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)整彩色的孔徑光闌包括在一個方向上被伸長的孔徑。
11.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)整彩色的孔徑光闌包括橢圓形孔徑。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)整彩色的孔徑光闌包括已切過的圓形孔徑。
13.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)整彩色的孔徑光闌包括十字形的孔徑。
14.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)整彩色的孔徑光闌是切趾的孔徑光闌。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述切趾孔徑光闌包括擇優(yōu)地減少至少一種基色組強度的環(huán)形彩色濾色器。
16.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述切趾孔徑光闌包括在一個方向被伸長的孔徑。
17.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述所有基色分量是通過該切趾光闌傳播的。
18.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述各個基色分量是沿各自的光路傳播的，以及該調(diào)整彩色地孔徑光闌包括環(huán)形彩色濾色片。
19.一種包括產(chǎn)生多色光發(fā)光系統(tǒng)的用于反射型硅液晶投影系統(tǒng)改善對比度的方法，其特征在于，該方法包括把來自發(fā)光系統(tǒng)的多色光彩色分離成為沿各自的基色分量光路傳播的光的各個基色分量；用孔徑阻擋相對于另一基色分量的光的各個基色分量中的至少一種分量以平衡光的各個基色分量的相對強度，以及把光的各個基色分量傳播到一個或多個光開關(guān)以把圖像信息傳遞到每個光的基色分量。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述至少一種基色分量光沿著其各自的基色分量光路被孔徑阻擋的。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括分別沿兩條或更多的基色分量光路，用孔徑阻擋兩個或更多光的彩色分量的不同的量。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括孔徑阻擋兩種或更多種具有共同的切趾孔徑光闌的光的彩色分量的不同的量。
23.一種用于不同的光的基色分量，具有各自的基色分量光路的電子投影系統(tǒng)，其特征在于，其改善包括調(diào)整彩色的孔徑光闌，放在至少一條基色分量光路的位置上。
24.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)整彩色的孔徑光闌包括在一個方向上被伸長的孔徑。
25.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)整彩色的孔徑光闌包括橢圓的孔徑。
26.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述該調(diào)整彩色的孔徑光闌包括已切過的圓形孔徑。
27.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)整彩色的孔徑光闌包括十字形孔徑。
28.一種反射型硅上液晶投影系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括發(fā)光系統(tǒng)，產(chǎn)生多色光，彩色分離系統(tǒng)，放在接收來自該發(fā)光系統(tǒng)的多色光的位置上，并把這多色光分離成為沿各自的基色分量光路傳播的光的各個基色分量；第一和第二組中繼透鏡組，在該系統(tǒng)中建立三個焦闌區(qū)域；至少一個孔徑光闌，放在沿至少一條基色分量光路的位置上來平衡光的各個基色分量的相對強度；反射型硅上液晶光開關(guān)，通過各條基色分量光路的起偏振光束分離器的放置來獨自地把圖像信息傳遞到各個光的基色分量；以及彩色組合器，接收并組合該具有已被傳遞有圖像信息的光的基色分量以提供代表多色顯示圖像的光。
29.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述彩色分離系統(tǒng)和彩色組合器各包括下字形分色鏡的配置。
30.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述彩色分離和該彩色組合器的十字形分色鏡的配置是相同的。
31.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括在一根軸上逐漸變細的光管積分器，該光管積分器放在該發(fā)光系統(tǒng)和該彩色分離系統(tǒng)之間的位置上。
全文摘要
一種投影顯示系統(tǒng)，使用一個或多個諸如切趾孔徑光闌的調(diào)整彩色的孔徑光闌，以提供高對比度，平衡的彩色和高通過量。投影系統(tǒng)包括隨諸如金屬絲網(wǎng)格偏振光束分離器的偏振光束分離器放置的反射型上液晶光開關(guān)，用于各基色分量光路分開地把圖像信息傳遞到各個光的基色分量中，光組合器接收并組合具有被傳遞有圖像信號的光的基色分量以提供代表多色顯示圖像的光。至少一個孔徑光闌沿至少一個源色分量光路放置來平衡光的基色分量的相對強度。
文檔編號H04N9/31GK1613262SQ03801985
公開日2005年5月4日 申請日期2003年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月7日
發(fā)明者R·E·小英格里希, S·M·多納利, S·馬加里爾, A·R·科納 申請人:3M創(chuàng)新有限公司