顯示系統(tǒng)的制作方法

專利名稱:顯示系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明涉及一種能進行高效率和良好彩色再現(xiàn)的顯示系統(tǒng)的光學(xué)裝置。更確切地說，該發(fā)明描述了多種包括可調(diào)諧雙折射光閥(TBLV)的液晶顯示系統(tǒng)(LCD)等透射光閥顯示系統(tǒng)的使用方法，這在某種意議上極大地改進了用于例如投影視頻系統(tǒng)和電視系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)。
最近，人們已在進行把液晶顯示用于電視系統(tǒng)方面的研究。液晶在電視接收機中的應(yīng)用可參見美國4562478號專利。這種公知裝置使用逆光照明來照射液晶顯示器，使圖象能在暗處顯示出來。雖然有人曾設(shè)想過彩色逆光照明板，但是除了在處理黑白電視圖象方面的考慮外，這種系統(tǒng)還不多見。
在投影電視系統(tǒng)中使用液晶結(jié)構(gòu)的實例可參見“電子學(xué)”第47頁(1986.5.12精工依普森公司)。該公知的投影電視示意圖已在本申請的圖1中給出。在該裝置中，來自鹵鎢燈1的光通過一對交叉的分光鏡2和相鄰的平面反射鏡3穿過三個液晶顯示裝置4.5和6被多次透射和反射。三個液晶顯示器(LCD)調(diào)到三個通道以產(chǎn)生電視圖象的紅、綠、蘭三個部分。分光鏡2把白色光源分成光譜的紅、蘭、綠三部分，然后這三種顏色部分經(jīng)分光棱鏡7進行重新組合，該復(fù)合光通過投影透鏡8投射到投影屏9上。
在該已知系統(tǒng)中，光源1是一個鹵鎢燈，該燈是具有高聚光率的小光源，由于它缺乏光譜的蘭色成分，所以提供的顏色質(zhì)量較差。
圖1所示已有技術(shù)的裝置還包括一個由聚光透鏡10和反射鏡11組成的聚光裝置。聚光鏡10應(yīng)設(shè)計成具有最大的聚光率以聚集在+X方向發(fā)射的光。球面反射鏡11聚集-X方向發(fā)射的光并使燈的象回到該反射鏡本身。
因為照明系統(tǒng)僅提供穿過綠色液晶顯示器的最佳照明，所以伴隨已有技術(shù)系統(tǒng)而出現(xiàn)的困難是光的損失。由于紅色和蘭色的液晶顯示器(LCDS)距光源更遠(yuǎn)些，他們被各自的照度過量充滿，因此相應(yīng)波長的光便損失掉了。而且，由于其復(fù)雜性以及尺寸的限制，使得分光棱鏡7非常昂貴。
本發(fā)明在顯示系統(tǒng)特別是用于投影視頻系統(tǒng)和電視系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)方面提供了有重要意義的改進。這種改進是通過調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)使得每個光閥到光源的距離相等，同時也使每個光閥到投影透鏡系統(tǒng)的距離相等。這就極大地改進了投影電視系統(tǒng)的色彩效果和再現(xiàn)性。
本發(fā)明所述這些類型的顯示系統(tǒng)包含兩個或更多個調(diào)制器，或換稱為光閥。這些調(diào)制器或光閥具有這樣的性質(zhì)，即它們通過把電壓或電流供給適當(dāng)?shù)男畔⑥D(zhuǎn)移通道而作為象素被調(diào)制。當(dāng)用光從一側(cè)照射這些調(diào)制器并經(jīng)過投影透鏡使其在前投影屏幕或后投影屏幕例如白色墻壁上成象時，便可看到顯示。如果光閥具有灰度特性，即如果透射光和所供給的作用信號成適當(dāng)比例的話，顯示將再現(xiàn)灰度。某些顯示裝置被用作圖象顯示或數(shù)據(jù)顯示，而且僅需要具備在透光狀態(tài)和不透光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的特性。一些顯示裝置僅需偶爾進行校正，而且沒必要具有很快的轉(zhuǎn)換速度。其它一些顯示裝置被用作例如NTSC發(fā)射電視中的顯示示頻系統(tǒng)，它的轉(zhuǎn)換速度需要和視頻的頻率相等。如果投影光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量足夠好，并且用于不同光路的調(diào)制器的每個圖象都能準(zhǔn)確重合的話，顯示圖象的分辨率將受到調(diào)制器中象素數(shù)目的限制。本發(fā)明陳述了一種利用光閥獲得顯示裝置的改進方式。
為了更好地闡述，將制造光閥的兩個原理簡要說明一下。它們包括由Leo Levi在《應(yīng)用光學(xué)》第2卷第324頁(由John Wiley和SonS在1980年出版)中所討論的，當(dāng)供給外加電壓而產(chǎn)生感應(yīng)電流時，通常透明的負(fù)各向異性的液晶將變得不透明。由電流引起的結(jié)構(gòu)中的紊動導(dǎo)致晶體成為很強的散射狀。光閥基于這個原理既不需要偏振光也不需要作為構(gòu)成光閥電池一部分的偏振器。這種光閥可以說明任何既不需要偏振的入射光也不必使用偏振器的調(diào)制器。另一類液晶光閥，有時也稱為透射液晶顯示器，在它的結(jié)構(gòu)中或者使用偏振器和檢偏器，或者依靠偏振的照明光。采用這種原理(即可調(diào)諧雙折射調(diào)制光原理)的光閥，已由Levi在322頁中描述了，象素雙折射的范圍受到向每個象素所施加的電壓量的控制。由于這種光閥已獲得大的反差率，而且能被控制在視頻的頻率以及相對于入射光的波長不靈敏，所以后面這種類型的光閥最近已成為一種值得注意的課題。本申請中采用的可調(diào)諧雙折射光閥表示為TBLV。
TBLV系統(tǒng)的缺點是當(dāng)照明光線通過偏光器時要損失近一半的光。由幾個公司大批量生產(chǎn)的液晶TBLV具有多種型號。在為本發(fā)明的目的而特別設(shè)計的光閥實施例中如果把照明光偏振，將會使光閥的效果得到提高。此外，這些實施例適合于任何類型的透射調(diào)制光閥。
選擇光閥的決定因素是成本，象素的數(shù)目，象素的尺寸，反差率，效率，可靠性，以及所需要的信號和功率。另一個重要的原則是把信號供給象素的方式。理想的情況是每個象素都保持在一種特殊的發(fā)射狀態(tài)直到開始進行第二次掃描。這樣就能確保照射調(diào)制光閥的光能的有效利用。有源矩陣可調(diào)諧雙折射液晶光閥具有這種性質(zhì)，而且提供了用來增強對該裝置興趣的進一步證據(jù)。
本發(fā)明的顯著優(yōu)點可用于各種類型的透射光閥，包括LCD透射型光閥。而且通過光學(xué)系統(tǒng)的變化，照明系統(tǒng)的變化，光源和色彩分離技術(shù)的變化以及在系統(tǒng)中增加亮度的變化使這些優(yōu)點進一步加強。這些具有不同優(yōu)點的裝置體現(xiàn)在下面對本發(fā)明的描述中。
本發(fā)明的這種新型顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局可從附圖中看到，但并不局限于附圖，其中圖1表示已有技術(shù)中液晶投影電視系統(tǒng);
圖2表示按照本發(fā)明所述的液晶投影顯示裝置;
圖3表示用于本發(fā)明顯示裝置的照明子系統(tǒng)和投影透鏡子系統(tǒng)的變換裝置;
圖4表示在本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中允許在更多場合使用的向場透鏡和光閥的另一種變換結(jié)構(gòu);
圖5表示為了從分色鏡背面減少不需要的反射所用的變換結(jié)構(gòu);
圖6表示按照本發(fā)明把投影透鏡子系統(tǒng)的元件替換放置的另一個實施例。
圖7表示本發(fā)明中采用傾斜式光閥的光學(xué)系統(tǒng)的另一個實施例。
圖8表示根據(jù)圖7所采用的傾斜光閥的變換形式;
圖9表示根據(jù)圖7所采用的傾斜光閥的另一種變換形式;
圖10表示本發(fā)明采用的典型的投影顯示系統(tǒng);
圖11表示本發(fā)明的臨界照明系統(tǒng);
圖12表示按照本發(fā)明的柯勒照明系統(tǒng);
圖13表示用于本發(fā)明的臨界/柯勒混合照明系統(tǒng);
圖14表示按照本發(fā)明所述具有反射器聚光系統(tǒng)的照明系統(tǒng)的變換結(jié)構(gòu);
圖15表示按照本發(fā)明測得的使用金屬鹵化物燈的輻射光譜分布;
圖16a，16b和16c表示按照本發(fā)明所述把光分離成為紅蘭、綠通道的各種濾光器的函數(shù)曲線;
圖17表示按照本發(fā)明把帶有顯示紅、綠、蘭彩色通道坐標(biāo)與NTSC標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)相比較的CIE色度圖;
圖18表示本發(fā)明的另一個實施例，其中附加的彩色濾光器用于改變紅、綠、蘭彩色通道的色度坐標(biāo);
圖19表示按照本發(fā)明所述的一種變換的照明子系統(tǒng)布局;
圖20表示從用于圖19所示變換系統(tǒng)的聚光透鏡看到的有效光源;
圖21a，21b，21c表示按照本發(fā)明所述用來發(fā)射光的照明子系統(tǒng)的不同布局;
圖22表示本發(fā)明中利用來自光源的全偏振光的實施例;
圖23表示利用全偏振光的照明子系統(tǒng)的另一個實施例，該全偏振光聚集來自光源的光;
圖24表示按照本發(fā)明使用全偏振光照明子系統(tǒng)的另一個實施例所說的全偏振光用于聚光;
圖25表示按照本發(fā)明所述在一個照明子系統(tǒng)中裝有兩個光源的布局;
圖26表示按照本發(fā)明所述一種光源的變換布局;
參照圖2可基本上看出根據(jù)本發(fā)明所述的顯示系統(tǒng)是由照明子系統(tǒng)，調(diào)制子系統(tǒng)，投影子系統(tǒng)結(jié)合形成的光閥投影顯示系統(tǒng)。照明子系統(tǒng)包括作為光源的燈21和把光源投影到冷鏡23(反射可見波長透射紅外輻射)的聚光透鏡系統(tǒng)22，在照明子系統(tǒng)中光從冷鏡23反射并通過臺式聚光鏡24。來自燈21的光可以從反射鏡25反射以增加光的投射量。
投影子系統(tǒng)包括投影透鏡系統(tǒng)41，這種透鏡系統(tǒng)41可以包含能投射光的多個透鏡裝置，這一點將在下面進一步描述。
調(diào)制子系統(tǒng)30接收通過臺式聚光鏡24來自照明子系統(tǒng)20的光。光被投射到綠色和蘭色反射分色鏡31，其中的綠色和蘭色光進一步反射到分色鏡32上，而紅光通過濾光器31投射到反射鏡33的前表面。由反射鏡33前表面反射的光通過照明側(cè)向場透鏡34，紅色通道液晶顯示器35，投影側(cè)向場透鏡36和綠色反射分色鏡37到達紅色和綠色反射分色鏡38，并在此反射到投影子系統(tǒng)40。
從濾光器31反射的蘭光和綠光通過綠色反射分色鏡32。綠光被反射并通過照明側(cè)向場透鏡34′，綠色通道液晶顯示器35′，投影側(cè)向場透鏡36′，然后反射到濾光器37的反射側(cè)。光的綠色分量伴隨著光的紅色分量通過紅色和綠色反射分色鏡38。通過濾光器32的蘭光直接通過照明側(cè)向場透鏡34″，蘭色通道液晶顯示器35″和投影側(cè)向場透鏡36″到達反射鏡39的前表面。在反射鏡39前表面反射的光的蘭色分量通過紅色和綠色反射濾光器38到達投影子系統(tǒng)40。所有三種成分的光(紅、綠、蘭)都通過投影子系統(tǒng)投射到投影屏上。
這樣，白色光經(jīng)過彩色分離濾光器31和32分成三個彩色通道(紅、綠和蘭)。將可尋址光閥例如液晶顯示器35，35′和35″置于每個通道以便用電子TV信號調(diào)制三種采色光束。彩色濾光器37和38把三個彩色通道重新組合使其成為投射到投影屏上的單一信號束。投影透鏡子系統(tǒng)40把由三個LCD構(gòu)成的圖象放大并投射到投影屏上。這種光學(xué)系統(tǒng)的布局適合于前投影系統(tǒng)或后投影系統(tǒng)。
調(diào)制子系統(tǒng)可用于任何類型的顯示設(shè)備上，對用在電子圖象顯示裝置，顯示裝置以及視頻和電視系統(tǒng)中的色彩也能調(diào)制。
按照本發(fā)明所述的投影顯示的一個重要方面，是在照明子系統(tǒng)20中，來自光源21的光相對于每個光閥都具有相等的光路長度，而且從光閥到投影子系統(tǒng)40也具有相等的光路長度。按照本發(fā)明，輸入光到光閥的距離相等，并且光閥到投影子系統(tǒng)的輸出光距離也相等，這將使聚光率增至最大。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，投影系統(tǒng)的紅、綠和蘭色圖象被投影聚焦在投影屏上，該投影屏帶有穿過三個彩色圖象中每一個最佳照明。
本發(fā)明所述投影顯示器的另一個改進是在描述已有技術(shù)的圖1中省略了分色棱鏡7。由于已有技術(shù)中這種棱鏡的復(fù)雜性和尺寸的限制使其價格昂貴。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中采用了分色鏡31，32，37和38，節(jié)省了已有技術(shù)中的部分費用。
在每個LCD照明側(cè)的各向場透鏡34，34′，34″把通過每個LCD的光量增至最大。當(dāng)用平行光照射時，LCD具有最大反差，因此設(shè)計了裝在照明側(cè)的向場透鏡34，34′，34″以校準(zhǔn)相應(yīng)的光束。這些透鏡的焦距可以選擇為從照明子系統(tǒng)20的出射光瞳到透鏡的距離。在LCD投影側(cè)的向場透鏡36，36′，36″通過改變光向投影透鏡系統(tǒng)41投射的方向把投影子系統(tǒng)40的聚光率增至最大。由向場透鏡36，36′和36″造成的象差，可以在投影子系統(tǒng)的設(shè)計中得到校正。
如果為了降低成本而期望獲得更為簡單的光路，可以省略一些或全部向場透鏡。然而如果這樣做的話，將會使投射的照明光減少。一般說來，使用向場透鏡代表了本發(fā)明的最佳實施例。
按照本發(fā)明的投影TV系統(tǒng)的透射光學(xué)元件也可以有抗反射涂層，以使光效率增至最大，這種抗反射涂層特別適用于具有空氣分界面的元件。
在本發(fā)明的許多變化和替換的實施例中，可以變換光學(xué)布局以改變?nèi)齻€彩色通道的位置。例如紅色和蘭色通道可以通過把反射濾光器31變成紅色和綠色反射濾光器的方式進行互換，在這種情況下，反射鏡33將反射蘭光，分色鏡37將使蘭光通過且反射綠光。當(dāng)分色鏡32和38通過紅光時，反射鏡39將反射紅光。如果綠色通道從調(diào)制子系統(tǒng)的中心偏移，則需要圖16C所示的帶通濾光器而不是圖16a和16b所示的高通或低通濾光器。
參照圖3可以看到根據(jù)本發(fā)明所述投影顯示系統(tǒng)的一種變換布局其中照明子系統(tǒng)20和投影子系統(tǒng)40的入射口和出射口的位置可以改變。例如照明子系統(tǒng)可移至位置20′，這時光從左側(cè)射入調(diào)制子系統(tǒng)。在此情況下，紅色反射分色鏡31′將位于調(diào)制子系統(tǒng)的入射口處。投影子系統(tǒng)也可以移動，使光閥在投影子系統(tǒng)40′的變換位置右側(cè)成象，在這種情況下，蘭色反射分色鏡38將把由三個LCD構(gòu)成的圖象輸入投影子系統(tǒng)40′。
圖2所示部局的另一種變換，可由圖4看出，其中在31，32和37，38兩排濾光器之間的空間可無限延伸，同時保持等光路屬性。圖4的部局是系統(tǒng)的一種不太緊湊的實施例，剩余的空間可容納光閥對邊的較厚透鏡，或僅僅為調(diào)節(jié)光閥留出更多的地方。
在本系統(tǒng)不同的布局中，從反射鏡33和39反射的各分量的反射角不必設(shè)計成90°也就是說，圖5所示結(jié)構(gòu)被設(shè)計成把來自分色鏡31″，32″，37″和38″背面的不必要反射光減至最少。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)提供了呈布魯斯特角θB的入射角和反射角。在布魯斯特角度，“S”偏振光沒有承受反射的損失，當(dāng)照明子系統(tǒng)向分色反射鏡31″提供呈布魯斯特角的光時，整個系統(tǒng)便傾斜成為平行四邊形。來自各種分色鏡和反射鏡33″，39″的反射光也呈布魯斯特角。光閥或LCD35，35′35″放置在與光的方向相對垂直的位置上。
在使用TBLV的各種不同的調(diào)制子系統(tǒng)時，具有代表性的偏振片直接置于光閥的對面作為相應(yīng)的偏振器和檢偏器。如果采用如圖22-24所示的產(chǎn)生線性偏振光的照明系統(tǒng)，則可省去LCD照明側(cè)的偏振器。在每個LCD對面的附加偏振器或檢偏器可以被在分色鏡38或38′之后放入的單個偏振器所代替，光在分色鏡38或38′處組合。這種單一的檢偏器也可以和三個LCD中每一個之前的偏振器同時使用。如果由于某種原因需要更換和變換偏振片則必須注意以固有的方式保持光的偏振狀態(tài)。
按照本發(fā)明所述投影顯示系統(tǒng)的另一個實施例可見于圖6，在這里投影子系統(tǒng)的元件可以組合成為調(diào)制子系統(tǒng)。在這種布局中，投影子系統(tǒng)40的透鏡元件42和43可在反射濾光器37和38之間，以及反射鏡39和濾光器38之間組合成調(diào)制子系統(tǒng)中的位置。
在圖2所示的系統(tǒng)中，把三種色彩結(jié)合后再將投影透鏡置于投影子系統(tǒng)，投影子系統(tǒng)具有長的投射距離(由投影透鏡的后表面到屏幕的距離)或者具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的透鏡結(jié)構(gòu)要么獲得中間象要么成為攝遠(yuǎn)圖象。較為典型的是背景焦距(BfL)約為10英寸投影子系統(tǒng)的放大倍數(shù)約為12。由于對一個簡單的透鏡系統(tǒng)來說，其放大率幾乎等于投射距離或象距除以BfL或物距。因此投射距離大約為120英寸。雖然對于前投影系統(tǒng)來說，這是一種合適的解決辦法，但是它并不適合于后投影系統(tǒng)。這是因為長的投射距離不能折入如圖10所示的小型機殼內(nèi)。
如圖6所示，把投影透鏡放在調(diào)制子系統(tǒng)的空間中可以縮小背面投影TV機殼的尺寸。按照這種布局，如果假設(shè)整個投影透鏡系統(tǒng)是簡單的而且能放入調(diào)制系統(tǒng)中透鏡元件42和43的空間里，則會由于BfL從10英寸減小到5英寸而使投射距離由120英寸減小到60英寸。
如果投影透鏡子系統(tǒng)是復(fù)雜的，例如有一個反向攝遠(yuǎn)透鏡或帶有至少一個中間圖象的透鏡系統(tǒng)，那么系統(tǒng)的第一個透鏡組可以放到圖6所示調(diào)制子系統(tǒng)的空間42和43處。
這種變化的另一個優(yōu)點也是顯著的。例如如果投射距離更短，機殼尺寸可以更小，投影透鏡也就可以有更小的直徑。同樣，因為在調(diào)制子系統(tǒng)中透鏡系統(tǒng)或透鏡組僅僅對一部分而不是全部光譜起作用，所以透鏡將更易于進行色彩校正，這是由于它們僅需要對較小的波長范圍進行色彩校正。而且，在更為簡單的光學(xué)顯示裝置中更容易進行彩色色差校正。
一個減小系統(tǒng)尺寸、減小分色鏡31和32之間以及濾光器31和反射鏡33之間空間的設(shè)想可通過照明子系統(tǒng)來實現(xiàn)。例如臺式聚光透鏡24可以用三個置于相應(yīng)區(qū)域的透鏡來代替。本發(fā)明的所有變化都是為了減小用于光閥投影顯示系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)的尺寸。
前述布局的另一種變換是采用傾斜光閥或LCD。有時這些部件在非正規(guī)入射角而不是正規(guī)入射角發(fā)射更有效率的光。正因為如此，需要考慮使LCD例如相對于入射照明傾斜，如圖7所示，傾斜角A應(yīng)選得使LCD的透射增至最大。
這種布局的缺點是LCD50的投影圖象在傾斜LCD時會發(fā)生梯形畸變，而且使圖象在屏幕52內(nèi)有一維散焦，以致在圖面里僅有一個狹窄的線性區(qū)域得到聚焦。
如圖8所示，上述問題的解決辦法是把棱鏡51恰好放置在LCD50或光閥的后面。從投影透鏡40可以看到，可以選擇棱鏡的角度B使LCD不再出現(xiàn)傾斜。采用小角度近似值，如棱鏡51的折射率為N，LCD的傾斜角為A，則所需的棱鏡角度B可由下式給出B＝ (A)/((N-1)) (1)使用由公式(1)計算出的棱鏡角度B，就能使在屏幕52的LCD的圖象免除梯形畸變，而且在整個畫面區(qū)正確聚焦。
圖9表示該實施例的另一種布局，其中把棱鏡51置于靠近傾斜的LCD50的中間圖象53(如果存在的話)的位置，在LCD50中，投影透鏡系統(tǒng)40使光束的投影圖象聚焦。所需的棱鏡角度B取決于LCD中間圖象的放大率M，以及LCD的傾斜角A，為了求得第一次近似值，所需棱鏡的角度B由下式給出B＝ 1/(M(N-1)) (2)圖10表示一個典型的投影視頻系統(tǒng)，其中投影屏幕52的中心低于由觀察者60提供的觀眾視覺空間的中心，因此在系統(tǒng)中引入了仰角61以改變光到觀眾的方向。為了獲得仰角61可以把平面鏡傾斜。屏幕上的圖象可能會受梯形畸變的損害，但是正象用作傾斜的LCD的棱鏡一樣，可在考慮任何梯形畸變原因的基礎(chǔ)上進行設(shè)計。
用類似的方式，當(dāng)從頂板向一個屏幕投影(例如在飛機里使用的)時，可用一個棱鏡來補償向下的投影角度，這種棱鏡也可以用于校正梯形畸變。
在圖2所示的照明子系統(tǒng)中，例如可以采用幾種普通的照明方法。兩個最普通的照明方法是臨界照明和柯勒照明。這些方法最初用于顯微術(shù)，但現(xiàn)在已用于許多其他領(lǐng)域。根據(jù)本發(fā)明所采用的光閥在顯示系統(tǒng)中是很有用的。人們已對在投影TV系統(tǒng)中使用LCD的用途進行了討論。
圖11表示由臨界照明照射的光閥或LCD35，在這種布局中光源21直接成象到LCD35上，選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)使光源的象遮住LCD。為了最大限度地增加亮度，應(yīng)選擇具有高數(shù)值孔徑的聚光透鏡22，例如其孔徑可大約為0.65。
圖12表示由柯勒照明照射的LCD35，在這種照明方法中，使用臺式聚光鏡24在LCD35的平面中形成聚光透鏡22入射光瞳的象。這種布局的優(yōu)點是在LCD35的平面上不會出現(xiàn)光源21的亮度和色彩不均勻現(xiàn)象。
這兩種照明方式都有各自的優(yōu)缺點。根據(jù)本發(fā)明對于前面曾討論過其構(gòu)造的金屬鹵化物弧光燈來說，使用柯勒照明具有更大的優(yōu)越性。對于其它類型的燈，有時選擇臨界照明，或者選擇臨界照明和柯勒照明之間的混合照明更好一些。如圖13所示，臨界照明，柯勒照明以及混合的臨界/柯勒照明結(jié)構(gòu)能通過調(diào)整LCD35的位置而得到。
在圖13中，把LCD35靠近臺式聚光透鏡24放置，其距離d＝O時就產(chǎn)生了臨界照明。當(dāng)LCD35處于臺式聚光透鏡成象的位置，即距離d＝u時，就產(chǎn)生了柯勒照明。若把LCD置于中間位置，其中當(dāng)0＜d＜u時就產(chǎn)生了混合的臨界/柯勒照明。這樣，三個類型的照明可分為(1)d＝u柯勒照明;(2)d＝0臨界照明;(3)O＜d＜u混合的臨界/柯勒照明。
在臨界照明的情況下，LCD位于透鏡24的平面。由于該透鏡沒有把光能引入系統(tǒng)，所以它能被從系統(tǒng)中移出。用這種方式可使裝置減為如圖11所示的那種更普通的臨界照明形式。
在柯勒照明中，圖12中透鏡22的光瞳在LCD35上成象。由于入射光瞳的每個點都接收來自光源21所有點的光，所以穿過光源的色彩和亮度變化將不會影響LCD的照射均勻性，因為金屬鹵化物燈在其光源區(qū)有明顯的色彩和亮度變化，因此柯勒照明是最適用的照明類型。
雖然可以選擇變換的投影系統(tǒng)，但是通常調(diào)制器都具有一個有效面積，該面積使投影圖象的寬度和高度與預(yù)期的寬度和高度具有相同的比例。圖2所示光閥系統(tǒng)的尺寸主要受調(diào)制子系統(tǒng)30的尺寸制約為了使調(diào)制子系統(tǒng)盡可能緊湊，反射鏡33和39，分色鏡31，3237和38都可以這樣選擇，即使它們在LCD平面上的投影面積大約與LCD的有效面積相等。按照同樣的理由，透鏡24，34，36，34′，36′，34″和36″的直徑可選擇為大約與跨越LCD有效面積的對角線相等。例如，形成的有效面積為2.25×3英寸，則透鏡的直徑所指示的近似值為3.75英寸。若反射鏡和分色鏡如圖2所示那樣傾斜45°，那么它們的尺寸至少為3.2×3英寸。雖然通過使用比上述更大的元件和重新設(shè)計系統(tǒng)的方式能聚集更多的光，但是這種選擇與系統(tǒng)的緊湊性要求相反，勢必增加系統(tǒng)的重量。
選擇透鏡22，使其具有大數(shù)值孔徑(典型的是0.65)和足夠長的背景工作距離以調(diào)節(jié)燈21?？梢栽O(shè)想把透鏡22的直徑選的比透鏡24大。然而，正如圖2所表明的，在不明顯影響聚光量的情況下，應(yīng)選擇較小的直徑。對透鏡22來說，選擇較小直徑的優(yōu)點是它將有較短的焦距(對已知的數(shù)值孔徑)，并使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。
除了限定透鏡和反射鏡的尺寸之外，在光學(xué)方面的設(shè)計是從光源21聚集盡可能多的光。在這種系統(tǒng)中，當(dāng)光源的象充滿透鏡24的光瞳時，其效率將增至最大。由于金屬鹵化物燈的弧長而窄，而且LCD具有4∶3的幅形比，因此可在照明子系統(tǒng)中使用柱形透鏡以便選擇子系統(tǒng)中光效率的最佳值，并且在光源21的寬度方向上給出更大的放大率。在光源幾乎沒有拉長的箱體中，例如當(dāng)兩個燈并排使用(見圖25)，或在一個燈內(nèi)并排放置兩個弧燈(見圖26)，或使用變換燈結(jié)構(gòu)(見圖19和20)時，就沒有必要使用柱形透鏡了。
透鏡22的作用是從光源21聚集盡可能多的光。為了實現(xiàn)此目的，透鏡22被選擇為具有一個大數(shù)值孔徑而且被放置在能放大光源使其充滿透鏡24的光瞳的位置上。由于高的放大率意味著使光源接近透鏡22，所以透鏡22的孔徑相對于光源21具有較大的角對邊，而且透鏡將聚集更高的光發(fā)射率。對于一個已知孔徑數(shù)值的透鏡22來說，放大倍數(shù)越高，聚光率越大。顯然，如果光源面積小，透鏡22就得使用較高的放大倍數(shù)。因此，當(dāng)選擇光源時，光源尺寸是一個重要的因素。一般說來，希望選擇較小尺寸的光源。
當(dāng)使用長弧時，金屬鹵化物弧光源有極長的壽命(一般不少于10000小時)，但是長弧不能獲得好的聚光率。金屬鹵化物弧燈的另一個問題是加熱時間長(一般為5分鐘)。解決這些問題的方法是使用一個可替代弧燈或通過移動反射鏡等手段選擇的輔助燈，該輔助燈可在對弧燈加熱期間使用。對這類燈來說，比較合適的選擇應(yīng)是鎢絲燈，這種燈的加熱時間短(一般為幾毫秒)。這樣的鎢絲燈或者任何絲型燈都能輕輕地放入照射照明子系統(tǒng)的位置直到金屬鹵化物燈加熱。當(dāng)金屬鹵化物燈被充分加熱時，可以把絲型燈從上述位置取出或者將金屬鹵化物燈和絲型燈交換位置。
如果把氙弧燈作為替換光源使用，它的小弧尺寸(大約1毫米)能使用橢園集光器70(見圖14)。該外形提供了高聚光率，在圖14中橢園形集光器70可以認(rèn)為相當(dāng)于圖12中的聚光透鏡22。當(dāng)為柯勒照明調(diào)節(jié)氙系統(tǒng)時，橢園集光器70上的光分布狀態(tài)在LCD35上成象。然而，由于從氙弧燈輸出的光的定向相關(guān)性，在橢園形集光器70上將出現(xiàn)光的不均勻分布，而且由此導(dǎo)致在LCD35上也出現(xiàn)光的不均勻分布。在這種情況下，LCD35的邊緣比中央受到更明亮的照射。由于這不適宜投影電視使用，所以當(dāng)在橢園形集光器中使用氙弧燈時，柯勒照明是不宜使用的。
當(dāng)圖14表示的系統(tǒng)調(diào)節(jié)到臨界照明時，弧直接在LCD上成象由于氙燈具有良好的色彩均勻性，所以在LCD上也將出現(xiàn)良好的色彩均勻性。然而由于氙燈弧上的亮度變化，將會引起從中央到邊緣的亮度變化，對于投影視頻或TV的應(yīng)用而言，只要LCD或光閥邊緣的亮度沒下降到約為中央亮度的30%以下，這種亮度的變化是允許的。由于圖14表示的橢園形集光器不在LCD的焦點上，所以光在集光器上的均勻分布比柯勒照明的問題少。
使用氙弧燈時，弧表現(xiàn)出長期和短期的位置不穩(wěn)定，并在弧上引起暫時的波動。使用臨界照明時，這些暫時的不穩(wěn)定性將出現(xiàn)在光閥和LCD的照明上，這樣，臨界照明不完全適合于投影電視應(yīng)用。一種更合適的照明光類型是臨界/柯勒混合照明。
混合型臨界/柯勒照明集中了柯勒和臨界照明的優(yōu)點和缺點，但是優(yōu)點和缺點可相互抵償。柯勒照明的部分存在減少了在LCD上位置變化和亮度變化的影響，臨界照明的部分存在減少了橢園形集光器70光瞳上的不均勻亮度分布的影響。根據(jù)這些不同制品的相對影響可通過改變圖14中的距離d來調(diào)節(jié)混合照明使其達到最佳平衡。
選擇光源和色彩分離類型的目的是使圖象亮度達到最大值并獲得良好的色彩再現(xiàn)效果。
如果用于本發(fā)明投影顯示系統(tǒng)的光源是250瓦的金屬鹵化物燈就可獲得較長的壽命(至少10000小時)和高色彩溫度(約為5600K)。圖15表示由典型的250瓦金屬鹵化物燈測得的光譜分布圖。雖然在530納米處有發(fā)射尖峰，但是光譜在可見區(qū)域還是比較平坦的。上述250瓦金屬鹵化物燈的弧長大約為1英寸。
本發(fā)明使用的光被分成三個彩色通道，例如，從圖2可知，最初的色彩是紅、綠和蘭色。所有可見波長的光都可以使用。這可以通過二個二色性彩色分離濾光器31和32來獲得。圖16表示該濾光器傾斜45°(圖2)時的傳遞函數(shù)。濾光器31反射綠色和蘭色光，而讓紅色通過，使其進入紅色通道，這可以通過圖16a的透射和波長的關(guān)系曲線看到。濾光器32讓蘭色光通過并使其進入蘭色通道LCD，同時反射綠色光使其進入綠色LCD的綠色通道。這些可由圖16b看出。
如果這種顯示被用來作為視頻和電視顯示，則需選擇截止波長，使其與適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的三色彩匹配規(guī)定相適應(yīng)。例如圖17所示的NTSC色度坐標(biāo)(CIE 1931)由下式給出蘭色x＝0.14 y＝0.08綠色x＝0.21 y＝0.71紅色x＝0.67 y＝0.33如果濾光器31的截止波長是580納米(圖16a)，濾光器32的截止波長是505納米(圖16b)，則三通道的色度坐標(biāo)可由下式給出蘭色x＝0.136 y＝0.071綠色x＝0.264 y＝0.703紅色x＝0.644 y＝0.356用于本發(fā)明的具有寬光譜和長壽命的金屬鹵化物燈需要較長的加熱周期，在該周期中所發(fā)射的光的色彩和亮度發(fā)生變化。其他類型的燈，例如氙弧燈或鎢絲光源，都可在金屬鹵化物燈最初的加熱周期期間引入該系統(tǒng)進行工作。既使這些光源具有較短的壽命，作為附加光源也能被暫時引入照明子系統(tǒng)直到金屬鹵化物燈被加熱。最初的金屬鹵化物燈約有1～5分鐘的加熱周期。原始的金屬鹵化物燈被加熱后，附加光源可以關(guān)閉或從系統(tǒng)中除去。
另外，本發(fā)明的一種變換形式是使用更先進的分色鏡或者引進附加濾光器，以使色度坐標(biāo)更好地與NTSC標(biāo)準(zhǔn)相匹配。在這種情況下，不是所有的光都被利用，而是既使亮度有所損失也能獲得較好的色彩。例如，上述附加濾光器可以代替圖2中的反射鏡33和39。
此外，可對燈的光譜進行調(diào)諧，這樣用改變燈中氣體混合的方法就可使色度坐標(biāo)與NTSC標(biāo)準(zhǔn)更好地匹配。
圖18表示另一個實施例。在該系統(tǒng)中可將附加濾光器引入調(diào)制子系統(tǒng)。這些附加濾光器71和72可以旋轉(zhuǎn)來改變分色鏡31和32的截止波長，使其變得更長或更短。由于光源21的光譜可以改變它的壽命，所以這些附加濾光器71和72對三個彩色通道的色度坐標(biāo)提供了有效的控制。在這種情況下，對分色鏡31和32進行固定取向和設(shè)計使其不能用來改變色度坐標(biāo)。附加濾光器71和72名義上可以分別與原來的分色鏡31和32完全一樣。例如，可以旋轉(zhuǎn)濾光器71來改變截止波長，使其變得更長，由此改變色度坐標(biāo)使其達到深紅色的效果。另一方面，如果轉(zhuǎn)動濾光器72改變截止波長，使其變得更短，蘭色通道的色度坐標(biāo)就會變?yōu)樯钐m色。
用本發(fā)明得到的各種方法，可增加與照明子系統(tǒng)有關(guān)的圖象亮度這些方法可以獨立地使用或者適當(dāng)?shù)慕M合，它們可用于本發(fā)明所闡述的使用光閥的顯示系統(tǒng)包括投影電視中。為了增加亮度，這些布局還可用于任何需要照明的顯示裝置中。
第一種方法是已有技術(shù)的改進。也就是說，如果燈或光源是光密型的，從反射鏡25來的光將不通過燈，于是就不能被聚光透鏡22聚集。對于光密型燈，可將反射鏡25稍微傾斜，以便使燈的象靠近燈。在這種情況下，聚光透鏡聚集從燈來的光并由反射鏡提供燈的象。
根據(jù)本發(fā)明所獲得的幾種方法可用其通過聚集二維而不是一維光的方式來增加從光源來的光的聚集率。圖19表示上述聚集方案的實例。其中利用一種改進的燈/聚光鏡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有兩個置于金屬鹵化物光源21的內(nèi)外殼體之間的平面反射鏡84和85。三個曲面反射鏡81，82和83通常圍繞輪廓安置在燈的外部。
這種布局的目的是通過聚集在±x和±y兩方向發(fā)射而不是僅在±X方向發(fā)射的光來增加系統(tǒng)的聚光率。
反射鏡81完成在-X方向使光反射回到其本身的任務(wù)，或者如果燈是光密型的，則反射鏡81形成一個靠近燈的燈象。反射鏡82和83在+y和-y方向聚集光。把這些反射鏡斜置便可在點86上形成光源21的象。平面反射鏡84和85改變光的方向，以便使由反射鏡82和83形成的光源21的實象分別固定在點87和88上聚光透鏡22聚集來自光源21的光和在點87和88上形成的光源象的光。
對于該系統(tǒng)來說，創(chuàng)造一個名義上呈方形輪廓的有效光源是可能的。正如圖20所示的那樣，方形的各邊與弧的長度有大約相同的尺寸。在該圖中，光源21的弧在它的象87和88中間。反射鏡84和83產(chǎn)生一個象，反射鏡85和82產(chǎn)生另一個象。通常把所得的方形輪廓投影到調(diào)制子系統(tǒng)中。
圖19的平面反射鏡84和85可由石英或蘭寶石制成，以使它們能抵抗光源的熱包圍。這些反射鏡的反射面可以是分色鏡或金屬層。曲面反射鏡81，82和83可以是冷反射鏡，它允許紅外線從系統(tǒng)中逸出。曲面可以是非球面，球面，橢園面，拋物面或扇面。
雖然上述方法可以利用金屬鹵化物光源，但是同樣重要的是也能用任何類型的燈或光源。在光源僅有一個外殼(例如鎢絲燈)的情況下，可以把平面反射鏡置于外殼的內(nèi)部或外部。各種情況的目的都是要使聚光透鏡聚集盡可能多的光，以及具有盡可能小的有效光源面積。
圖21a表示另一個聚光系統(tǒng)，該系統(tǒng)在±x和±y方向聚集光，其中聚光透鏡22在-X方向聚集來自燈的發(fā)射光。透鏡95和反射鏡94通過向場透鏡93的中心把-y方向的發(fā)射光成象到平面E。向場透鏡使系統(tǒng)的聚集率增至最大。反射鏡92和透鏡91使象平面E在包括光源21，內(nèi)殼80和外殼89的燈裝置上成象，而且光通過聚集光的聚光透鏡22。反射鏡90使+y方向發(fā)射的光返回并通過燈(21，80，89)，這樣，光就遵循與-y方向發(fā)射的光相同的光路。在+X方向通過的光通過透鏡91并經(jīng)反射鏡90反射在平面E上成象。平面E中的象被反射鏡94和透鏡95轉(zhuǎn)回到燈。反射鏡90使光路反向以使光遵循和在-y方向最初發(fā)射的光的同樣光路。
由圖21b可以看到另一種變換形式，其中通過聚集來自光源四個側(cè)面的光來增加照明子系統(tǒng)的聚集效率。這種布局中，曲面反射鏡101替代了圖21a中的透鏡95和反射鏡94，同時曲面反射鏡102取代了圖21a中的透鏡91和反射鏡92。反射鏡101和102的作用是使光源21的象聚焦在向場透鏡93中心的平面E上反射鏡101和102成非球面狀，而且相對于y和x軸分別傾斜22.5°，以便光在反射時彎成45°，向場透鏡93使從象E發(fā)射的光線對準(zhǔn)隨光的傳播方向而定的各反射鏡101和102。
對上述布局作以簡單描述，光從光源21向所有方向發(fā)射，使在-X方向傳播的光直接穿過聚光透鏡22。在+y方向發(fā)出的光從反射鏡90反射，經(jīng)光源到達反射鏡101;再反射到反射鏡102，又一次在-X方向經(jīng)過光源穿過聚光透鏡22。在-y方向發(fā)射的光也遵循上述光路(從反射鏡101到反射鏡102再到聚光透鏡22)。最初在+X方向發(fā)射的光由反射鏡102反射到反射鏡101，然后到達反射鏡90，反射鏡90使光取反向光路返回本身，再反穿反射系統(tǒng)，經(jīng)過光源在-X方向出射至聚光透鏡22。按照這種方式，在所有四個方向射出的光都改變方向，最終是從光源射向-X方向。
由圖21C可以看到另一個實施例，在該實施例中，平面E上沒有形成中間象。反射鏡101和102是拋物面或非球面，在形式上反射鏡的軸相對于y軸和x軸分別成45°，光源21在焦點上。光以近似平行的光線通過反射鏡101和102之間，由任何一個反射鏡在它本身再聚焦。該布局中由于沒有形成中間象，所以沒使用向場透鏡，圖21a，21b，和21c中任何一個或者全部反射鏡場可做成菲涅耳反射鏡。
當(dāng)希望表面的有效照明用偏振光調(diào)制時，第四種方法便很有用。例如，用扭轉(zhuǎn)向列液晶顯示(LCD)就需要偏振光。正如在圖22中所看到的，如果光源21發(fā)射隨機的偏振光，例如從金屬鹵化物燈發(fā)射，當(dāng)把線性偏振器用于LCD時，從光源21來的光的50%最初將不能使用。圖22說明的方法是把無用的偏振光變?yōu)橛杏玫钠駹顟B(tài)。
這樣，從光源21來的隨機偏振光穿過1/4波片110。由于光在1/4波片以前是隨機地偏振，所以光在1/4波片以后仍然隨機偏振。偏振分光鏡111把該光分離成兩個相互垂直的偏振光束所希望的偏振光被反射到調(diào)制子系統(tǒng)的LCD上，與之垂直的偏振光穿過分光鏡111到達反射鏡112。反射鏡反射垂直的偏振光束使其反回并通過分光鏡111，然后反方向穿過1/4波片110。把1/4波片取向使偏振光變成園偏振光。當(dāng)從反射器25反射時，該園偏振光改變它的旋轉(zhuǎn)方向(例如，左旋園偏振光反射時變?yōu)橛倚龍@偏振光)。重新通過1/4波片后，光束變成所希望取向的線性偏振光。分光鏡111把這種取向的偏振光反射到LCD調(diào)制子系統(tǒng)。
因此，雖然最初一半光是不希望有的偏振狀態(tài)，但由于在結(jié)構(gòu)中使用了1/4波片，使所有光都變成在調(diào)制子系統(tǒng)中用于LCD的偏振狀態(tài)。
由于光源21通常有較寬的光譜帶，而且是擴展光源，因此要求1/4波片110和偏振分光鏡111必須對波長和角度不敏感。
圖22和23說明另外兩個可選擇的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可用來增加被聚集的偏振光的效率。這些方案都可聚集±x和±y方向的光，并把無用的偏振狀態(tài)轉(zhuǎn)變成所希望的偏振狀態(tài)。圖23和24的方案類似于圖21a～21c，但使用的是偏振光。
例如，圖23說明從光源21向包括±x和±y的所有方向發(fā)射光，對于通過+X方向的光，光將從反射鏡120反射返回并通過光源21。該光成為等于最初在-X方向發(fā)射的光。于是光通過聚光透鏡122并從冷反射鏡124反射，通過1/4波片125。然后，光入射到偏振分光鏡128，使所希望的偏振光通過并進入調(diào)制子系統(tǒng)。沒有通過的垂直偏振光由偏振分光鏡128反射，通過1/4波片126到達冷反射鏡129，在此反射的光經(jīng)過聚光透鏡123、光源21到達反射鏡121。然后，反射回來的光通過系統(tǒng)到達偏振分光鏡128。從兩個通道通過1/4波片126的光已有偏振變化，該光通過偏振分光鏡128反射到調(diào)制子系統(tǒng)，從反射鏡127來的正交偏振光將通過偏振分光鏡128，重復(fù)原行程到達反射鏡121并返回到偏振分光鏡。這時，兩次通過1/4波片126的光，其偏振狀態(tài)是這樣的，即光由偏振分光鏡128反射并通過1/4波片125，冷反射鏡124，聚光透鏡122，光源21到達反射鏡120。光從反射鏡120沿光路返回并到達偏振分光鏡128、這時，有兩個另外的通道通過1/4波片125，使光將向外通過1/4波片128。
最初在±y方向發(fā)射的光包含在-y方向發(fā)射、從反射鏡121反射并通過光源21、和變成相當(dāng)于最初在+y方向發(fā)射的光。光通過聚光透鏡123，從冷反射鏡129反射通過1/4波片126，到達分光鏡128。該光的一半將是偏振光，這樣它將從偏振分光鏡128反射，通過光學(xué)系統(tǒng)到達反射鏡120，然后沿反方向返回到偏振分光鏡128。二次通過1/4波片125的光將變成偏振狀態(tài)，通過偏振分光鏡128到達照明子系統(tǒng)。光的另外一半將通過分光鏡128到達反射鏡127。該光的偏振狀態(tài)、位置和方向與最初在±X方向發(fā)射的部分光相同。于是對后來的光路更早的描述是通過光的應(yīng)用進行的。
最終的結(jié)果是由光源21在±x和±y方向發(fā)射的所有光都沒有被吸收或損失，該光最終將以與上述相同的方向和偏振狀態(tài)被發(fā)射到照明子系統(tǒng)。
圖24表示照明子系統(tǒng)另一個實施例，該實施例通常能從向所有方向發(fā)射光的非偏振光源獲得在同樣方向傳播的線性偏振光。此實施例利用了從光源21向外通過聚光透鏡130、131、132、133的光。最初發(fā)射并通過聚光透鏡131的光將從反射鏡136反射到偏振分光鏡141，該光的一半將成為線性偏振光并從偏振分光鏡141反射，向外傳播到照明子系統(tǒng)。另一半光將成為偏振光，通過偏振分光鏡141到達反射鏡137，在那里它將被反射通過聚光透鏡133、光源21、聚光透鏡130并從反射鏡134反射。被反射的光通過向場透鏡139、旋轉(zhuǎn)偏振90°的偏振旋轉(zhuǎn)元件138(例如液晶)、向場透鏡140到達反射鏡135，再由聚光透鏡132返回到光源21。除了后來與偏振分光鏡141相遇的光以外，在這一點上的光相當(dāng)于原先通過聚光透鏡131的光，所有這些光將從照明子系統(tǒng)向外反射。
最初從光源21通過聚光透鏡132發(fā)射的光將經(jīng)過反射鏡135、134和137到達偏振分光鏡141。該光將部分地反射到反射鏡142，而且部分通過然后到達反射鏡136。如果由反射鏡142反射的光是從照明子系統(tǒng)向外通過偏振分光鏡的偏振狀態(tài)，那么它將這樣通過，即如果由反射鏡142反射的光被偏振分光鏡141反射到反射鏡137，然后再反射并通過聚光透鏡133，光源21，聚光透鏡130到達反射鏡134。從反射鏡134來的光將通過向場透鏡139，使光90°偏轉(zhuǎn)的偏振旋轉(zhuǎn)體138，向場透鏡140到達反射鏡135，在那里光將被反射通過聚光透鏡132，光源21，聚光透鏡131到達帶有適當(dāng)偏振的反射鏡136，接著由偏振分光鏡141向外反射。通過偏振分光鏡141到反射鏡136的光將被反射通過聚光透鏡131，光源21，聚光透鏡132到達反射鏡135，在這里它將被反射通過向場透鏡140、90°旋轉(zhuǎn)偏振的偏振旋轉(zhuǎn)體138、向場透鏡139到達反射鏡134。從反射鏡134來的光通過聚光透鏡130、光源21、聚光透鏡133從反射鏡137反射到偏振分光鏡141，在那里它被反射到反射鏡142，再通過偏振分光鏡141從照明子系統(tǒng)向外反射。
最初通過其余聚光透鏡130或133中任何一個的發(fā)射光將遵循類似上面討論過的普通光路，最終從具有正常線性偏振狀態(tài)的照明子系統(tǒng)向外通過。
本發(fā)明所述系統(tǒng)中，增加亮度的最后一種方法是使用兩個具有小間距的光源，如圖25所示的兩個燈那樣，或者使用圖26所示的帶有兩個有效面積的單個燈。這將有效地成倍增加系統(tǒng)的亮度。當(dāng)使用平行光照明時，由于LCD具有最大的反差，所以用于液晶顯示的理想燈將有一個小的光源面積和最大的聚光率。一個250瓦金屬鹵化物燈大約有1.06英寸的弧長，然而一個400瓦金屬鹵化物燈大約有1.89英寸的弧長。400瓦燈比250瓦燈發(fā)射更多的光，但是系統(tǒng)的效率卻是較低的，這是因為聚集和對準(zhǔn)來自長弧的光是困難的。
在圖25所示方案中，使用了二個彼此非?？拷?50瓦燈。在這種情況下，有效光源面積在任何一方尺寸都不大于1.06英寸，但是系統(tǒng)有兩倍的亮度。圖25中的每一個燈150和151都具有有效工作面積152和153分別提供燈的弧長。
圖26表示了一個在燈內(nèi)包含二個有效面積161和162的單個燈?？梢钥刂泼總€有效面積使其達到最大的聚光率。
權(quán)利要求
1.一種顯示系統(tǒng)包括照明子系統(tǒng)、調(diào)制子系統(tǒng)和投影子系統(tǒng)，其中所說的調(diào)制子系統(tǒng)至少包括有二個相等光路長度的透射光閥，其中一個光路是從上述照明子系統(tǒng)到所說光閥，另一個光路是從光閥到上述投影子系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求
1所述的顯示系統(tǒng)，其中在上述調(diào)制子系統(tǒng)中至少包含三個光閥。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的顯示系統(tǒng)，其中上述照明子系統(tǒng)包括一個長度在0.3～0.5英寸范圍內(nèi)的細(xì)長光源。
4.如權(quán)利要求
3所述的顯示系統(tǒng)，其中上述細(xì)長光源的長度最大約為1.06英寸。
5.如權(quán)利要求
3或4所述的顯示系統(tǒng)，其中上述光源是細(xì)長弧。
6.如權(quán)利要求
1，2，3，4或5所述的顯示系統(tǒng)，其中上述調(diào)制子系統(tǒng)的光閥包含三個透射液晶顯示器，所說的第一個液晶顯示器調(diào)制紅光，第二個液晶顯示器調(diào)制綠光，第三個液晶顯示器調(diào)制蘭光。
7.如權(quán)利要求
6所述的顯示系統(tǒng)，其中上述調(diào)制子系統(tǒng)包括一系列分色鏡和反射鏡，其用途是使各種光分別通過上述三個液晶顯示器中的相應(yīng)一個和在上述投影子系統(tǒng)之前重新組合每種光。
8.如權(quán)利要求
7所述的顯示系統(tǒng)，其中的液晶顯示器、分色鏡和反射鏡可相互替換以改變照明子系統(tǒng)和投影子系統(tǒng)的入射和出射位置。
9.如權(quán)利要求
8所述的顯示系統(tǒng)，其中把調(diào)制子系統(tǒng)入射側(cè)的分色鏡和反射鏡與調(diào)制子系統(tǒng)出射側(cè)的分色鏡和反射鏡平行地安置，并把上述第一、第二、第三液晶顯示器分別安置在分色鏡和反射鏡的平行排之間。
10.如權(quán)利要求
7或8所述的顯示系統(tǒng)，其中上述分色鏡和反射鏡相對于調(diào)制子系統(tǒng)的光路成布魯斯特角安裝，上述第一、第二和第三液晶顯示器與所說光路垂直。
11.如權(quán)利要求
7、8、9或10所述農(nóng)顯示系統(tǒng)，其中把上述投影子系統(tǒng)的透鏡部分插入調(diào)制子系統(tǒng)中，所說的透鏡部分對上述每一個液晶顯示器進行色彩校正。
12.如權(quán)利要求
11所述的顯示系統(tǒng)，其中相對于每個液晶顯示器提供兩個分離的透鏡部分。
13.如權(quán)利要求
7，8，9，10，11或12所述的顯示系統(tǒng)，其中將至少另一個分色鏡插入調(diào)制子系統(tǒng)，該分色鏡能通過旋轉(zhuǎn)來改變經(jīng)過液晶顯示器的光的波長。
14.如權(quán)利要求
1，2或6所述的顯示系統(tǒng)，其中把每一個光閥從正常位置傾斜。
15.如權(quán)利要求
14所述的顯示系統(tǒng)，其中提供一種棱鏡來消除上述光閥的梯形畸變。
16.如權(quán)利要求
15所述的顯示系統(tǒng)，其中把棱鏡靠近光閥安置，所述棱鏡具有由下式給出的B角B＝ (A)/((N-1))式中A是光閥的傾斜角，N是棱鏡的折射率。
17.如權(quán)利要求
15所述的顯示系統(tǒng)，其中把棱鏡置于靠近光閥象的位置，該棱鏡具有由下式給出的B角B＝ (A)/(M(N-1))式中A是光閥的傾斜角，N是棱鏡的折射率，M是象的放大率。
18.如權(quán)利要求
1，2或6所述的顯示系統(tǒng)，其中上述照明子系統(tǒng)提供臨界照明、柯勒照明或臨界照明和柯勒照明的組合照明之一。
19.如權(quán)利要求
1，2或6所述的顯示系統(tǒng)，其中上述照明子系統(tǒng)包括一個光源、至少一個用于聚集光而不使光透到調(diào)制子系統(tǒng)的反射鏡裝置，和一個使光通過并且到達調(diào)制子系統(tǒng)的聚光透鏡系統(tǒng)，所說的至少一個反射鏡裝置改變光的方向，使之予先不通過調(diào)制子系統(tǒng)而到聚光透鏡系統(tǒng)。
20.如權(quán)利要求
19所述的顯示系統(tǒng)，其中上述光源包括帶有平面反射鏡的一個內(nèi)殼和一個外殼，外殼使反射光對準(zhǔn)鄰近光源的至少一個圖象位置，所說的反射鏡裝置包括聚集和改變光到光源或圖象位置中至少一個方向的反射鏡，以使光通過聚光透鏡系統(tǒng)。
21.如權(quán)利要求
19所述的顯示系統(tǒng)，其中光源發(fā)出的徑向光實際上指向包括通過聚光透鏡系統(tǒng)的所有方向，其中的反射鏡裝置用來改變光的方向，使其在通過聚光透鏡的方向不予先通過聚光透鏡系統(tǒng)。
22.如權(quán)利要求
20所述的顯示系統(tǒng)，其中所說的光源僅有一個帶有平面反射鏡的外殼，把反射鏡裝在外殼的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，使反射光射向至少一個靠近光源的圖象位置，所說的反射裝置包括反射鏡，該反射鏡聚集或改變光到光源或圖象位置中至少一個的方向，以使其通過聚光透鏡系統(tǒng)。
23.如權(quán)利要求
1，2或6所述的顯示系統(tǒng)，其中上述照明子系統(tǒng)包括至少一個金屬鹵化物燈或至少一個氙弧燈。
24.如權(quán)利要求
23所述的顯示系統(tǒng)，其中上述照明子系統(tǒng)至少有二個并排的細(xì)長燈。
25.如權(quán)利要求
23所述的顯示系統(tǒng)，其中上述照明子系統(tǒng)有一個至少帶有兩個并排設(shè)置的細(xì)長弧。
26.如上述權(quán)利要求
之一所述的裝有顯示系統(tǒng)的投影TV系統(tǒng)。
27.如權(quán)利要求
19、20或21之一所述用于顯示系統(tǒng)的照明裝置。
28.一種用于顯示系統(tǒng)的照明裝置，包括帶有至少二個提供二維空間均勻照明弧的單個燈，一個使照明成象的聚光透鏡系統(tǒng)和增加照度的反射器裝置。
29.如權(quán)利要求
28所述的照明裝置，其中反射裝置使光指向兩弧之間，以使聚光透鏡系統(tǒng)得到二倍于弧的象。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種對投影視頻系統(tǒng)和電視系統(tǒng)極為有用的顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高的效率和良好的彩色再現(xiàn)性。在這些系統(tǒng)中，作為一個例子，通過諸如液晶顯示器等光閥的變化來提供色彩，其中每個光閥都放置在與照明子系統(tǒng)有相同光距，以及從光閥到投影子系統(tǒng)有相同光距的位置上，該系統(tǒng)能對每個光閥提供最佳照明。本發(fā)明描述了光閥布局以及照明的多個實施例。
文檔編號G02B27/18GK87106408SQ87106408
公開日1988年4月6日 申請日期1987年8月19日
發(fā)明者托馬斯·斯圖爾特·麥基奇尼, 吉爾·福勒·戈登堡, 喬舒亞·丹尼爾·埃斯金, 杰弗里·阿瑟·志水, 小拉爾夫·漢普頓·布雷德利, 威廉·弗朗西斯·格里林諾 申請人:菲利浦光燈制造公司, 菲利浦北美有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan