具有雙光路的偏振光源系統的制作方法

專利名稱：具有雙光路的偏振光源系統的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及偏振光源領域，例如直接或通過投影觀察顯示器的偏振轉換系統(PCS)。尤其是，本發明涉及一種用于增強亮度的具有不同偏振的雙光路的偏振光源。
相關技術描述許多用于投影和直視系統的顯示器在偏振的基礎工作。這種顯示器包括反射型顯示器(例如LCoS(硅液晶)、超扭曲向列液晶(STN)、和鐵電體(FLC))和透射型顯示器(例如薄膜晶體管(TFT)、多晶硅(P-si)和硅絕緣材料(SOI))。這些顯示器可通過改變入射光的反射光或透射光偏振態產生高分辨率圖像。例如，在一種LCoS顯示器中，在暗態時，像素基本上不改變偏振地反射所有的光。在亮態時，像素將反射的入射光的偏振態旋轉為相應的正交偏振態。通過用偏振光照明顯示器、然后濾除幾乎所有的具有該偏振的反射光，該顯示圖像才可由人眼觀察到或投射至一觀察屏上。
在單面板投影系統中，用紅、綠、藍光的短脈沖串(burst)照明顯示器，同時顯示器與脈沖光源同步以反射圖像的適當顏色分量。也可單獨使用白光或其它色光串，或是與紅、綠和藍光混合使用。短脈沖串可來自色輪或脈沖LED(發光二極管)。在人的知覺中混合快速交替的紅、綠和藍圖像，形成顯示的全色圖像。然而，對于數字顯示器或是目標顯示器也可用單色光照明顯示器。這種顯示器用在個人顯示觀察和虛擬現實系統中，例如頭盔、擋風玻璃和護目鏡投影系統，以及小型便攜投影儀、手機。
因為大多數傳統的低成本光源產生混合偏振態的光，該光一般由PBS(偏振光分束器)分解。一種偏振(通常為S偏振)方向的光經過該PBS傳播，而同時由PBS反射正交偏振(通常為P光)方向的光。其它通用的方法是使用吸收一個偏振方向光的濾光片。通常在這些不具有偏振轉換系統的系統中，無論是反射型還是吸收型系統都損失一半的光。這導致減暗的顯示(dimmerdisply)或是需要更亮的光源。在投影儀中，減弱的顯示比較難于觀察，而較亮的光源增大了投影儀系統的能量消耗和成本。由于主要產生額外的熱量，較亮的光源就需要較大的殼體，以提供足夠的空間冷卻或是容納冷卻光源的風扇。風扇增加了額外的成本、能量消耗和噪聲。
為了提高效率，可用多個PBS替代簡單的單個PBS。該多個PBS具有小偏振光束分束器和聯合透鏡(associated lens)的二維陣列。這些光束分束器和透鏡精確對準，使得多PBS的輸出光基本上準直并具有單一偏振態。該多個PBS將幾乎全部的輸入光轉換為同一偏振態。然而，由于所需的結構復雜，并且需要使每個PBS結構和每個透鏡精確對準，導致了制造費用昂貴。該多個PBS因此增加了投影系統的成本。
多個和單個PBS系統的另一個缺陷在于，在一般的PBS中，在水平軸和垂直軸之間，不同的入射角度上的透射率不同。在大多數情況下，PBS透射所接收到的一個光軸中入射角的范圍大于另一個光軸中的光。這樣，PBS在一個方向上的效率高于在另一個方向上的效率。可通過擴展那個方向上的光增加PBS的效率，然而，傳統PCS(偏振轉換系統)的角強度分布是中心對稱點。

發明內容
本發明描述了一種用于向顯示系統提供增強型偏振光源的方法和裝置。在一實施例中，該發明包括一光源，其產生具有多個偏振態的光；一中繼光學系統，其中繼在中繼光學系統上成像的光至一顯示器上；一光學成像元件，其將光源的光成像至中繼光學系統；一偏振分離器，其引導第一偏振的光至該光學成像元件的第一部分，并引導第二正交偏振光至該光學成像元件的第二部分；以及一偏振轉換元件，位于光學成像元件和中繼光學系統之間，以接收來自光學成像元件具有第二偏振的光并將其偏振態轉換為第二偏振態。
本發明其它的特點將在下述的附圖和詳細描述中顯而易見。
附圖簡要說明本發明通過實施例進行說明，但不僅僅局限于實施例，在所附的各個附圖中相同的參考標記表示相同的元件，其中

圖1是本發明透射型顯示面板的具體實施例中投影儀照明系統的截面側視圖；圖2是本發明中適用于偏振反射器的偏振分束棱鏡一部分的放大橫截面圖；圖3是適用于用在本發明中的液晶偏振分束器的橫截面圖；圖4是與圖1相似的并適于應用在羅歇棱鏡(Rochon-type prism)上的投影儀照明系統的橫截面側視圖；圖5是適于用在圖4的實施例中的羅歇棱鏡的橫截面圖；圖6是與圖1和圖4相似的并適于應用在反射顯示面板上的投影儀照明系統的橫截面頂視圖；圖7是本發明透射型顯示面板的另一實施例中投影儀照明系統的橫截面側視圖；圖8是與圖7相似的并適于應用在反射顯示面板上的投影儀照明系統的橫截面頂視圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種用于反射型和透射型顯示器的低成本高效率的照明光源，該光源同時利用雙光路，每個光路對于該光路的一部分具有不同的偏振態。本發明還提供在一個方向上擴展的輻射強度圖，進一步提高通過一般PBS(偏振分束器)材料的效率。其可在投影系統中用作反射型LCD(液晶顯示器)的PCS(偏振轉換系統)，也可用在許多的其它方面。因此，能以較低的成本在亮度和對比度上獲得相同或較高的系統性能。
圖1中示出了本發明一個實施方案的例子。圖1的實施例尤其適于使用透射型顯示器(如LCD)或光閥顯示器的投影儀，然而，也可用于其它的反射型或透射型顯示器。在圖1的實施例中，所示的組件構成了透射型顯示器的背光。簡言之，來自投影燈系統11的光由紅、綠和藍色色輪13濾光，再由反射偏振器15濾光，入射至透射型顯示器17上。在一些實施方案中，色輪還可包括附加的或是代替紅、綠和藍部分的白色部分。另外，也可使用LED照明系統或任何各種其它的照明系統。
P偏振光經過偏振器并入射至顯示器上，圖像的亮部分P偏振光透射經過顯示器，圖像的暗部分P偏振光被反射或吸收。該透射光直接進入或通過其它光學元件進入投影透鏡(未示出)或其它成像系統。該投影透鏡將顯示投影至一屏上(未示出)。該圖像可為來自任一類型圖像或視頻介質的靜止或運動圖像。該系統可用作生成幻燈片的計算機的投影裝置和數字源映像的投影裝置，然而，也可有許多其它的應用，諸如游戲、電影、電視、廣告和數字顯示。本發明還易于適合反射型顯示器以及偏振照明所需的任何類型的薄膜或板。圖1的系統也連接多種顯示驅動器(未示出)。該顯示驅動器接收圖像或視頻信號，并將將該信號驅動和轉換為適合于驅動顯示器和燈系統的形式。
更詳細的考慮圖1的實施方案，燈系統11和色輪13將來自燈系統的光耦合至光管21。該光管部分地照明并準直光，并給出所需的均勻的照明截面形狀。一般的光管具有矩形橫截面，并且可以是直的或者是在靠近光源的入口處較小，在出口處較大，但也可使用任何類型的光準直器件或光源。對于普通投影儀來說，理想的橫截面形狀是適合投影圖像長寬比的矩形。例如，對于電腦顯示器圖像的長寬比為4∶3，對于電影顯示器圖像的長寬比為16∶9。可選擇與顯示器17的長寬比相匹配的長寬比。如果需要，可使用多種已知的技術以不同于顯示器的長寬比顯示圖像。
燈系統、色輪和光管可以是傳統設計或是根據特殊應用的任何其它設計。色輪可以用任何其它類型的顏色選擇裝置或是調制系統替換，或是如果燈系統可產生不同顏色的光或是僅需要一種顏色時可取消色輪。在一實施例中，燈系統是一組與顯示器同步脈沖的紅、綠和藍LED(發光二極管)，以產生示于觀察者的不同顏色。在另一實施例中，帶有三個不同顯示器43的三個不同的系統，每一個系統對應紅、綠和藍中的一個顏色，并且三個圖像光學組合以用于顯示。這種系統可采用通過本領域中公知的棱鏡或二色鏡分離顏色的單個燈。
來自光管21的光進入成像元件25和由單個光學元件45組成的中繼光學系統23。這些元件可以是傳統的球面透鏡。達到系統的成本和尺寸目標所需的表面可包括各種非球面、衍射表面或是菲涅爾表面。折疊、彎曲或是修正照明光作為指定需求時，也可適當的添加棱鏡、反射鏡和其它的校正元件。中繼系統設計為在顯示器上產生基本上均勻的光管出射光的遠心照明圖像。成像元件25在該中繼系統的中間位置26產生燈系統的中間像。中繼系統的透鏡41還在無限遠處使該中間燈圖像再成像。如果使用不同的燈系統，可對成像元件和中繼光學系統作適當的修改以適應這種差異。如果不受到降低圖像品質的角相關影響，顯示器也可采用非遠心照明。
對于本發明的遠心光源，假設燈系統在無限遠處。第一元件25的焦距為f1，其等于從該元件的焦平面至光管出射孔末端的距離，該焦距還等于從該元件的焦平面至中間成像位置26的距離。因此，光管的出射孔末端在無限遠處成像。來自燈系統的光在系統的中間位置26處成像，該光在光管末端上基本上是遠心的。如上所提到的，可使用任何其它的遠心或非遠心照明的光源取代圖中所示的燈、色輪、光管系統。因此可根據照明系統的性質修改光學元件25從而在中間位置產生燈圖像。如上所述，如果適當，可用各種類型的多個光學元件取代透鏡25。經過適當調整的發散和會聚光源可應用到成像和中繼光學系統中。
更詳細的考慮焦距，第一透鏡25的焦距為f1，并且其設置在距離光管21近似相同的距離f1處。因此，其形成燈圖像，并且在位置26處具有出瞳，該出瞳遠離透鏡的距離為f1。第二透鏡41的焦距為f2，其設置在距離中間位置26和顯示器為f2的位置。第二透鏡在遠心照明的無限遠處使來自第一透鏡的光瞳(即，在中間位置26的燈圖像)再成像到顯示面板上。也可使光管的輸出端在顯示面板位置處成像。
從圖1中可看出，成像透鏡25以光管定中心，在中心位置26產生圖像。換言之，成像透鏡的光軸與光管的中心對準，然而，也可以為其它的結構。中繼系統的透鏡41也可關于燈系統、光管和第一透鏡定中心。如圖1所示，兩個透鏡粗略地關于顯示器定中心。這意味著來自燈系統的光到達成像透鏡并且直到顯示器都保持居中。
如圖所示，這些透鏡不必關于光管或是顯示器精確對中心。如果其它的偏心，每一個都可作稍稍地移動。另外，如果任一組件以一角度放置，那么第一和第二透鏡可相應的移動。在所示的實施例中所選擇的透鏡設置可使光學系統的尺寸最小化。如果移動了第一透鏡，或是以一角度放置反射型偏振器或反射鏡，那么某些尺寸可能會增大，但是，可以以各種不同的方式移動元件，使其滿足特定的尺寸和形狀因子的限制。
反射偏振器15置于中繼光學系統和顯示器之間。該偏振器可以是棱鏡、偏振分束器(PBS)、光束分離立方體、線柵或是薄膜。可使用已知的多種不同的反射偏振器件，諸如聚合物薄膜疊層或是電介質涂層組。可使用線柵偏振器用作偏振器以取代傳統的各向異性—各向同性聚合物薄膜疊層。例如，在Perkins等人的美國專利No.6,122,103中記述了這種偏振器。適合的線偏振器為ProFluxTM偏振器，由美國猶他州Moxtsek提供。另外，還可以使用吸收型偏振器(例如，分色鏡)。
反射型偏振器15接收來自中繼透鏡41的光，反射或是吸收來自燈系統光的S偏振組分，并透射P偏振組分。P偏振組分將傳播至顯示器17。如上所述，來自光管末端的光將通過中繼光學系統23成像至顯示器17上。觀察光學系統(例如，投影透鏡)將該圖像投影至屏上。在另一實施例中，該觀察光學系統是具有放大光學系統的觀察屏。該觀察光學系統可包括檢偏器(如，碘基的PVA(聚乙烯醇)薄膜)或是線柵偏振器以濾出任何雜散的P偏振光，增加對比度。也可為適合特定的需要或是特定的燈系統將檢偏器和偏振濾光器放置在系統的其它位置。
顯示器上暗部分的光將被顯示器不改變偏振的反射，如P偏振光。它將經過PBS反射回燈系統11。該光的一部分將在系統中再現并反射回顯示器。示于圖中的特定的顯示器或投影儀光學系統結構僅僅是舉例。本發明還可應用到其它類型的顯示器和觀察系統結構。
在上述描述中，僅P偏振光用于照明顯示器，然而，一般的燈產生P和S偏振光。目前一般的燈類型包括鎢燈、鹵素燈和金屬鹵化物燈，但是任何含有LED的燈都可以使用。因此，經過光調制器13后從光管21出射的光將具有混合偏振。甚至來自LED的彩色發散光也具有混合偏振。為了提高光源的效率，該系統還具有偏振分離器35。該偏振分離器可位于光管21和成像透鏡25之間的任意位置。圖1所示例子中的偏振分離器以向下的角度引導P偏振光并以向上的角度引導S偏振光。如下文所解釋，在不同方向發射兩種偏振態允許它們得到不同的處理。
偏振分離器可采用幾種不同形式中的任一種。在一個實施例中，該偏振分離器是沃拉斯頓(Wollaston)棱鏡或是沃拉斯頓棱鏡陣列。沃拉斯頓棱鏡可通過正單軸材料(例如偏振軸彼此正交的石英)制成的兩個棱鏡粘合而成。在晶狀棱鏡材料的正交方向上不同的相對折射率將導致兩個分離開的偏振光束之間不同的角度。已發現折射率差大于1.5會具有較好的角度分散。
作為選擇，偏振分離器可由在其間具有偏振分束層的兩個棱鏡粘合而成。參照圖2，第一棱鏡51是在對角線切割的半立方體，第二棱鏡53是具有粘合到對角線切面上的平坦表面的光楔。在兩棱鏡之間，將偏振分束器薄膜涂層或是表面55涂敷在對角線表面上。光楔棱鏡在與對角線切面相對的平坦表面上具有反射涂層57。進入半立方體棱鏡平坦表面61的S偏振光59被對角線表面上的分束器反射。P偏振光63傳輸至光楔棱鏡并被反射面表面反射，但由于反射面關于分束器薄膜的角度，P偏振光以不同于P偏振的方向反射。另外，如果需要，棱鏡或是反射鏡可用于將光路展開為圖1所示的直線型。
作為選擇，可使用軸交替垂直的多層薄膜。該薄膜可由精密節距成型工藝(fine pitch molding process)制造。在另一實施例中，可利用液晶層制造偏振分離器。圖3A和圖3B示出了夾于具有鋸齒形溝槽的棱鏡112和玻璃層113之間的液晶層111。這種結構已經被公開，如Itoh等人的美國專利No.6,147,802。液晶分子在棱鏡112的溝槽內平行排列，使垂直入射至棱鏡上的光對應液晶分子分為P偏振尋常光116和S偏振非尋常光117。尤其是，來自光管的混合偏振光114進入棱鏡112的平坦表面，其入射到棱鏡112的溝槽的傾斜表面。當對應于尋常光的液晶分子的折射率等于棱鏡112的折射率時，尋常光線116在棱鏡的傾斜面115處不折射，而是以直線行進。然而，非尋常光線117被折射。尋常光線和非尋常光線行進方向的角度差是液晶和棱鏡折射率比值的函數。
如果棱鏡112由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或是聚碳酸酯制成，那么用市售的液晶，輸出光線關于棱鏡法線的發散角在每個方向上可從大約5度至20度變化。特定的角度將依靠棱鏡的結構。較大的角度允許偏振分離器和成像透鏡之間的較短距離。這允許使兩個偏振態仍然完全分離的同時，整個光源具有較小的尺寸。也可調整在棱鏡112的平坦表面和傾斜表面之間的角度，從而獲得兩個偏振態之間所需的的分離量。已經發現37度時工作的較好。也可增加光管和其它組件的角度以獲得特定需要的所需罩形。
可選擇用有機膜代替液晶制造偏振分離器。例如，可制造具有鋸齒狀溝槽的延遲膜。另外，可排列單聚膜然后利用紫外光或熱能聚合。無論所使用的構成材料如何，如果偏振分離器制造的盡可能薄，其與其它的光學組件都將提供較高的性能。另一方面，為了減少散射并保持低成本，應保持較低的棱鏡數目(每平方毫米為10的數量級)。厚度和棱鏡數量之間的最佳平衡取決于特定的需要。
再次參照圖1，中繼透鏡41關于光管、中間像26和成像透鏡25定中心，以使來自偏振分離器的兩個發散的偏振態每一個都關于中繼透鏡形成半光錐。P偏振尋常光經過圖1中所示的成像和中繼透鏡的下半部分行進。S偏振非尋常光經過透鏡的上半部分行進。在成像透鏡25產生的中間像26的所在位置處，光路的上半部分中設有一個半波片，該半波片使任何通過其中的光的偏振方向旋轉。該半波片位于S偏振光的光路中，并使S偏振光旋轉為P偏振光，以使所有在中繼透鏡41上成像的光都成為P偏振光。也可用任何其它的偏振轉換器件代替半波片。半波片可安裝在偏振分離器和顯示器之間的多個不同位置上。因為從偏振分離器散發出的兩個不同偏振態在中間像位置較好的分離，所以在該中間像位置具有較好的效果。在第二透鏡41和顯示器之間兩個光路趨向于重疊。
由偏振分離器和成像透鏡偏離的S偏振光被半波片轉換為P偏振光，其經過中繼透鏡41后，還將經過反射偏振器15至顯示器17。偏振分離器和半波片的結合實質上允許重現所有來自光源的S偏振光并在顯示器17上成像。除了在偏振分離器、透鏡和其它組件中的損耗和散射，與許多沒有多PBS個或是其它昂貴偏振轉換系統的系統相比，該系統在顯示器上的照明強度是它們的兩倍。從燈系統至顯示器，上部分光路中的光和在下部分光路中行進的光相結合，將會產生更亮、更清晰的圖像效果。
但是，從光源至顯示器的實際光路將根據偏振分離器和中繼光學系統的性質而變化，通過使從燈系統至顯示器的兩個光路近似為同一長度以提高顯示器的成像質量。燈系統的確切位置可以有些不精確。可測定為光源出瞳的像。在所示的實施例中，可考慮將燈定位在光管出瞳附近，即，緊靠著中繼光學系統的光管末端。光學組件可定位成讓光程長度相差不等于二的整數倍，這就保證了來自上部分和下部分光路的光都成像在顯示器上。在所示的實施例中，分別對應兩個偏振態的上部分和下部分光路長度相同。這樣就提供了良好的窗口成像，然而為適應特定需要，也可以使光路的長度不同。當來自兩個光路的光結合時，會產生更亮、更清晰的圖像效果。
在顯示器17處，燈系統產生的光在投影透鏡入瞳中的角強度分布，即，角擴展或是或作為入射角的函數的光透射率，例如，方位角θ和極性角φ，看上去像一個在另一個上方的兩個伸長的光斑。下方光斑來自直接從燈系統發射的下部分光路。第二光斑來自經過半波片的上部分光路。光強度關于兩個垂直對準的點在水平方向上擴展(在圖1中，可認為水平線是經過紙面所在平面的線，而垂直線是圖1中的垂直線)。兩光斑對應平均入射角接近于垂直顯示器的中心區域。入射光的平均角從與中心有一段距離的垂線處有規則的發散。傳統的系統可產生中心圓環狀的角強度分布的光斑，而不是所示實施例的兩個擴展橢圓形光斑。如果適當的選擇并定位反射型偏振器，可利用照明的橢圓形擴展特性來提高反射型偏振器的效率。
許多類型的反射型偏振器和偏振光分束器(PBS)都具有透射率與角度的依存關系，兩正交軸之間的透射率不同。在一個軸上(例如，水平軸)透射的入射光的角度范圍大于另一正交軸上(例如，垂直軸)透射的角度范圍。二色性PBS棱鏡，線柵偏振器，膽甾型反射偏振器和一些PBS薄膜疊層都顯示了這種性質。如圖1中所示的結構通過在水平軸上擴展光的角強度，其與角強度關于中心點對稱的逐漸減小相比，將會有更多的光透射過偏振器。通過適當的定位偏振材料可利用該特性，以使較大的角透射特性或是較大的角接收的軸與照明的角強度分布對準。換一種說法，通過使光斑的擴展方向和特定偏振器的等對比度曲線中高對比度的方向相匹配，來提高系統的透射率。伴隨透射率的增加，相應的增強亮度和對比度。
角強度水平方向擴展的優點多于多個偏振器和PBS的優點。在一些投影系統中，例如，幾個棱鏡用于為不同光調制面板分離顏色，然后再為顯示器重新混合顏色。因此，在單個系統中要使用八個或九個PBS表面。其優點也多于當偏振層與入射照明光的中心光線成角度放置時的情況，例如，一般的偏振光分束器立方體。角強度的水平擴展對顯著增強顯示的亮度和對比度的每一個棱鏡都有益處。對于較小的以直接觀察棱鏡為基礎的顯示器也具有很大的益處。在本發明描述中使用的水平和垂直旨在幫助理解并提供方便。特定軸的指定可適于滿足任意特定的需要，并且不必為笛卡兒座標或是正交坐標。對角線和極線方向也可用于擴展光的角強度分布，從而增加透射率。
圖4示出了另一實施例，其中使用了不同的偏振分離器，例如，羅歇棱鏡。該棱鏡產生不相同的S和P偏振光的偏移。取而代之的是，如關于圖5更詳細的描述，當P偏振光向下偏移時，S偏振光基本上不受到影響。這種差異易于調節，例如，使成像透鏡偏心。使成像透鏡足夠偏心以補償并校正來自光管照明的偏移，其沒有混合來自偏振分離器34的兩個光路。然而，如圖1中所示，中繼光學系統41基本上關于顯示器定中心。在其被偏振分離器偏移后，這允許中繼透鏡使光的圖像在顯示器上定中心。
在工作中，如圖4中的光線追蹤所示，來自色輪和光管的光被偏振分離器34分離為兩種不同的偏振態，它們以不同的角度射出偏振分離器。由成像透鏡25在中繼位置26形成兩個燈圖像并經過中繼透鏡41將其中繼至顯示器。在圖中P偏振尋常光線向下偏移并經過透鏡的下半部分。S偏振分非尋常光線不被偏移并經過所有透鏡的上半部分。該光路包括在中繼像處的半波片35，半波片將非尋常光轉換為P偏振光。
在入射到顯示器之前，所有的光都入射到反射偏振器15。經過的偏振光在顯示器上成像。通過觀察用投影儀光學系統使經過顯示器透射的光作為S偏振圖像成像。任何來自燈的入射到偏振反射器上的S偏振光都被反射回燈，在燈中其將被回收或被偏振分離器發散。如圖1的實施例中，偏振反射器可為棱鏡或線柵偏振器。線柵分離器可提供減小的角相關以及不交軸光線(skew ray)補償需要。該系統還會產生如上所述的兩個水平擴展的強度亮斑。如上所述，可利用水平擴展提高觀察圖像的亮度和對比度。
如圖5所示，圖4的偏振分離器34還將混合的偏振光分離為尋常P偏振光線和非尋常S偏振光線。然而，非尋常光線并不與其入射的進入角偏離。另一方面，尋常光線比較顯著的偏離入射的原始角。以這種方式工作的多種結構，其中一種結構是如圖5所示的具有正交定向棱鏡結構的羅歇型棱鏡。羅歇棱鏡可以利用具有不同折射率的材料以與上述沃拉斯頓棱鏡相同的方法構造而成。圖5的結構示出了來自兩片材料的一列中構造的一連串棱鏡。如上所述，也可用各種其它偏振分離器件取代之。
圖6表示本發明的另一實施例，其中光源適合于反射型顯示器，諸如LCoS或是STN顯示器。因此，該系統被設計為起正面光的作用。以頂截面圖示出的該系統與圖1和4的側視圖相比較。燈系統、光管、偏振分離器、成像光學系統和中繼光學系統與圖1和圖4所示的這些基本上相同。在該頂視圖中，圖4所示的偏心顯然不同于圖1的定中心透鏡。還與圖1和4相比較，為簡單起見，只示出了中心光線。
在工作中，如中心光線所示的，來自色輪13和光管21的光被偏振分離器34分離為兩種不同的偏振態，它們以不同的角度出射偏振分離器。它們都由成像透鏡25在中間位置26成像并通過中繼透鏡41中繼至顯示器17上，在圖中，P偏振尋常光學向下偏離進入紙面并經過這些透鏡的下半部分。S偏振非尋常光線穿過所有透鏡的上半部。該光路包括半波片35，其將非尋常光轉換為P偏振光。
PBS 15設置在中繼光學系統和顯示器之間，PBS可以是棱鏡、分束立方體、線柵或是薄膜。可使用已知的各種不同的分束器件，例如在對角線分束表面上的聚合物薄膜疊層或是二色性涂覆疊層。PBS 15接收來自中繼透鏡41的光，反射來自燈系統的S偏振組分的光，并且透射P偏振組分。P偏振組分將傳播至顯示器17上。如上所述，來自光光管末端的光將通過中繼光學系統23成像到顯示器17上。在顯示器處，將顯示圖像亮部分的光的偏振旋轉為S偏振光，并將其從顯示器反射回PBS。該PBS與顯示器成角度設置并入射來自中繼光學系統的光，將來自顯示器的反射圖像引導至觀察光學系統19。如上所述，觀察光學系統可采取各種不同的形式，包括目鏡和投影透鏡。
在所示的實施例中，PBS具有與傳統分束立方體相同的幾何結構，其中PBS與顯示器和從燈傳播的光成45度角。也可選擇其它幾何形狀以符合裝配和價格的考慮。觀察光學系統19，例如投影透鏡，設置在垂直于顯示器的位置以接收從PBS反射的光。因此，來自顯示器構成將被觀察到的圖像的光，將被反射至觀察光學系統19。該觀察光學系統可包括一檢偏器(例如碘基PVA(聚乙烯醇)薄膜或是線柵偏振器)以濾除任何雜散的P偏振光，增強對比度。為了適應特定的需要和燈系統，檢偏器和偏振濾光片也可設置在系統的其它位置。
顯示的暗部分的光將從顯示器不改變偏振的反射，如P偏振光。其將經過PBS返回燈系統11。該光的一部分可在系統中恢復并反射回顯示器。任何來自燈系統入射到PBS上的S偏振光線都從PBS反射出燈和顯示器的光路并顯示到反射鏡33上。反射鏡平行于中繼光學系統的光軸設置，以使來自PBS的反射光反射到反射鏡并且使偏振無明顯改變的從反射鏡朝向燈反射回中繼光學系統。另外，該反射鏡可由光吸收材料或由將光透射出系統的窗口代替。因為入射到PBS上的S偏振光的總量很小，所以光損耗將會很小。該系統也將產生上述兩個水平擴展的強度亮斑。如圖6所示，PBS具有成角度的分束表面，水平擴展仍舊是更有益的。
圖7示出了與圖1相似的本發明的實施例，只是中繼光學系統23包括兩個透鏡。如圖1所示，第一透鏡27設置在中繼位置26，第二透鏡29取代了圖1的中繼透鏡41。半波片35可與第一中繼透鏡27結合。這種三透鏡系統可使用包括上述各種不同的偏振分離器。可調整透鏡位置和焦距(例如，如圖1和圖4所示的)以適應來自偏振分離器和光源的不同的光輸出圖案。尤其是，可使成像透鏡25偏離中心以適應作為偏振分離器的羅歇棱鏡。
在工作中，如圖7所示的光線軌跡，來自色輪和光管的光被偏振分離器34分為兩個不同的偏振態，這兩種偏振光以不同的角度出射偏振分離器。它們都由成像透鏡25成像在第一中繼透鏡27上并通過第二中繼透鏡29中繼并成像在顯示器17上。在圖中，P偏振尋常光線116向下偏離并經過透鏡的下半部分。S偏振非尋常光線117向上偏離并經過透鏡的上半部分。該光路包括將非尋常光線的S偏振光轉換為P偏振光的半波片35。
在圖7所示的實施例中，使S偏振光方向旋轉的半波片35直接放置在第二中繼透鏡27前面。該半波片可以是在中繼透鏡后的單獨的元件或者可以是直接涂覆到中繼透鏡上的涂層。在一個實施例中，第二中繼透鏡可以是曲面面向顯示器的平凸透鏡。因此，可涂覆平坦的平面形成半波片。使用具有涂層的半波片取代使用單獨的元件可減少最終成品的部件總數和組裝成本。另外，在上述任意位置的任何其它偏振轉換器件都可以取代半波片。
圖8示出了供反射型顯示器使用的圖7的系統的變型。光源，色輪13、光管21、偏振分離器34、成像透鏡25、中繼透鏡系統23和半波片35與圖8中基本上相同。然而，與圖6中一樣，PBS 15添加至系統17中以照明反射型顯示器。和圖1、4和7一樣，任何本領域已知的各種類似的元件都可代替光源、色輪和光管。
如圖6中的實施例，對于圖像亮部分，經過PBS 15的P偏振光入射到顯示器17上，并從顯示器作為S偏振光反射。S偏振光被反射離開PBS 15的另一側并進入觀察光學系統19。對應圖像暗部分的光作為P偏振光朝向燈反射經過PBS。任何來自燈的入射到PBS上的S偏振光被引導出燈至顯示器的光路并引導到反射鏡33上。該反射鏡與中繼光學系統的光軸平行放置，以使從PBS反射的光反射回反射鏡并且其偏振無顯著變化的朝向燈反射回中繼光學系統，并可在燈處回收。由于偏振分離器和半波片，來自燈的十分少的S偏振光將入射到PBS。觀察光學系統19將顯示成像到屏上或是觀察者的眼中。
如圖7所示，來自光管21的光進入成像透鏡25和由兩個光學元件27、29構成的光學系統23。該中繼光學系統在顯示器17處產生來自燈系統的照明遠心圖像。該成像元件25在中繼系統的第一透鏡27處產生燈系統的中間圖像。中繼系統的透鏡在顯示器處產生中繼圖像的遠心圖像。因此，光管的出射末端在無限遠處成像，而燈在顯示器處成像。與圖4的實施例相同，成像透鏡可在光管上偏心以將燈圖像中繼至中繼系統。
在圖1和圖4中，所示的光管在長度方向上具有均勻的橫截面尺寸，而在圖6、7和8中，所示的光管為錐形。
通過精心設計的光管可增強角強度分布和整個系統的亮度。矩形光管可從入口端的正方形或矩形截面至出口端的正方形或矩形截面(例如，4∶3或16∶9)在一對相對邊上逐漸變細。該錐形可被設計為出口端較大。這可用于降低來自光管光的出射角度。另外，也可將該錐形設計為入口端較大。這樣就增大了來自光管的光的出射角度。可以根據光源和將光中繼至顯示器上的光學系統作出特定的選擇。在另一種情況中，增加適當的錐形可允許光管更有效的填充投影透鏡的光瞳。這可使燈圖像變為橢圓并增加光瞳的填充因數以及對給定F數的聚光。
在本發明中為了解釋的目的，為了提供對本發明的全面理解，列出了多個特定的細節。然而，對本領域人員顯而易見的是沒有這些特定的細節也可實現本發明。在另一實例中，在圖示中示出了公知的結構和器件。可由本領域普通技術人員對適合任何特殊設備提供特定細節。
更重要的是，當本發明的實施例參照視頻投影儀描述時，在此描述的裝置同樣的可應用到任何類型針對偏振顯示器的照明系統，無論對于投影或是直接觀察系統，無論是否為緊湊的。例如，在此描述的技術可用于與計算機和數字器件顯示器、電視機和電影投影儀、互聯網設備觀察器相連接，以及用于視頻娛樂系統和游戲機。
在前述的描述中，參照其的特定實施例描述了本發明。然而，明顯的是在不脫離本發明的精神和范圍下可進行修改和變化。因此，本說明書和附圖為示意性的而不是限定性的。
權利要求
1.一種偏振光源系統，包括一光源，其產生具有多個偏振態的光；一中繼光學系統，其中繼在中繼光學系統上成像的光至一顯示器上；一光學成像元件，其將光源的光成像至中繼光學系統；一偏振分離器，其引導第一偏振態的光至該光學成像元件的第一部分，并引導第二正交偏振態的光至該光學成像元件的第二部分；以及一光學轉換元件，位于光學成像元件和中繼光學系統之間，以接收來自光學成像元件具有第二偏振態的光并將其偏振態轉換為第二偏振態。
2.一種根據權利要求1的系統，其中光學成像元件包括一單個透鏡，以及其中第一部分包括透鏡的一半，第二部分包括該透鏡的另一半。
3.一種根據權利要求1的系統，其中偏振分離器在第一單獨光錐中引導第一偏振態的光，并在第二單獨光錐中引導第二偏振態的光，光錐由光學成像元件成像到中繼光學系統的不同部分上。
4.一種根據權利要求3的系統，其中偏振轉換系統定位在中繼系統的第二光錐成像的部分上。
5.一種根據權利要求1的系統，其中該偏振轉換元件包括一半波片。
6.一種根據權利要求5的系統，其中偏振轉換元件由在光學中繼系統的一光學元件的一部分上的涂層形成。
7.一種根據權利要求5的系統，其中光學中繼系統包括一組使來自成像光學元件的光成像到顯示器上的中繼光學元件，其中第一偏振態的光在中繼光學系統的光軸的一側上傳播，第二偏振態的光在光軸的另一側上傳播，以及其中偏振轉換系統包括一涂敷到一組中繼光學元件的一個元件上的涂層。
8.一種根據權利要求1的系統，其中中繼光學系統和光學成像元件關于光源偏心并關于顯示器定中心。
9.一種根據權利要求4的系統，其中中繼光學系統關于偏振轉換元件偏心，以及偏振轉換元件在中繼光學元件光軸的與光源相對的一側上。
10.一種根據權利要求1的系統，其中光源包括一燈和一光管，該光管構造為產生具有與顯示器的長寬比相對應的光錐。
11.一種根據權利要求1的系統，還包括一偏振分束器，接收來自中繼光學系統的光并將第二偏振態的光引導至顯示器。
12.一種根據權利要求1的系統，其中偏振分離器包括具有正交方向和不同折射率的鄰接透鏡。
13.一種根據權利要求12的系統，其中折射率差大于1.5。
14.一種根據權利要求1的系統，其中偏振分離器包括多個沃拉斯頓棱鏡。
15.一種根據權利要求1的系統，其中偏振分離器包括具有交替垂直的軸的薄膜疊層陣列。
16.一種偏振光源系統，包括一光源，其產生具有多個偏振態的光；一光管，在入射孔接收來自光源的光并在出射孔提供基本遠心的光；一偏振分離器，其緊靠著出射孔，接收來自光管出射孔的光并將第一偏振態的光引導至第一方向，以及將第二正交偏振態的光引導至第二方向；一中繼光學系統，其將來自偏振分離器的第一偏振態的光和第二偏振態的光中繼至一顯示器上；一偏振轉換元件，位于偏振分離器和顯示器之間，以接收具有第二偏振態的光并將其偏振態轉換為第二偏振。
17.一種根據權利要求16的系統，其中中繼光學系統具有關于顯示器定中心的光軸，其中第一方向在中繼光學系統光軸的第一側，并且第二方向在中繼光學系統的第二相對側，以及其中偏振轉換元件在中繼光學系統光軸的第一側上。
18.一種根據權利要求16的系統，其中光軸關于顯示器定中心。
19.一種根據權利要求16的系統，還包括一光學成像元件，使來自光管的光成像至中繼光學系統上。
20.一種根據權利要求16的系統，其中光學成像元件包括一單個透鏡，以及其中透鏡的一半使第一偏振態的光成像，透鏡的另一半使第二偏振態的光成像。
21.一種根據權利要求19的系統，其中偏振分離器在第一光錐中引導第一偏振態的光，在第二光錐中引導第二偏振態的光，由中繼光學系統的不同部分上的成像元件使光錐成像。
22.一種根據權利要求21的系統，其中偏振轉換系統位于第二光錐成像在中繼光學系統的部分上。
23.一種方法，包括接收具有多個偏振態的光；準直該接收到的光；將該準直光的偏振態分離為兩個正交的偏振光束；在偏離的方向上引導兩光束；在光學中繼系統的第一部分接收兩個光束的第一個，并第一光束中繼到顯示器；在光學中繼系統的第二部分接收兩個光束的第二個，并第二光束中繼到顯示器；在偏離的方向上引導兩光束之后，將第一光束的偏振態旋轉至第二光束的偏振態。
24.一種根據權利要求23的方法，其中分離偏振態包括在第一單個光錐中引導第一光束，以及在第二單個光錐中引導第二光束，該方法還包括將兩個光錐成像至中繼光學系統的不同部分上。
25.一種根據權利要求24的方法，其中中繼第一光束包括使第一光束在光學中繼系統光軸的一側上傳播，其中中繼第二光束包括使第二光束在光學中繼系統光軸相對一側上傳播，以及其中旋轉偏振包括使第一光束經過在光軸一側的光學中繼系統的一個元件上涂敷的涂層。
全文摘要
本發明提供一種用于顯示系統的增強型偏振光源。在一個實施例中，該系統包括一光源(11)，其產生具有多個偏振態的光；一中繼光學系統(23)，其中繼在中繼光學系統上成像的光至一顯示器(17)上；一光學成像元件(25)，其將光源的光成像至中繼光學系統(23)；一偏振分離器(34)，其引導第一偏振態的光至該光學成像元件的第一部分，并引導第二正交偏振態的光至該光學成像元件的第二部分；以及一光學轉換元件(35)，位于光學成像元件和中繼光學系統之間，以接收來自光學成像元件具有第二偏振態的光并將其偏振轉換為第二偏振態。
文檔編號H04N9/31GK1668959SQ03816729
公開日2005年9月14日 申請日期2003年5月16日 優先權日2002年5月17日
發明者S·比爾惠岑 申請人:因佛卡斯公司