用于減少投影系統中散射光的方法和裝置的制作方法

專利名稱：用于減少投影系統中散射光的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及彩色投影系統領域。更具體地說，本發明有助于反射式彩色投影系統中散射光的減少。
背景技術：
投影技術利用了若干用于高分辨率投影圖像的方法。投影技術可分為兩大類。一類是包括了利用陰極射線管(CRT)或液晶顯示器(LCD)技術的透射式投影系統。另一類是包括了利用微機電系統(MEMS)(如數字微反射鏡器件DMDTM或數字光處理器DLP)技術的反射式投影系統。新近，反射式投影系統包括硅基液晶(LCOS)技術。通常，與這些投影系統相關的是諸如分辨率、成本、可制造性和尺寸等的問題(這里僅列舉幾個例子)。
在透射式投影系統中，薄膜晶體管(TFT)的出現使技術得到了改善，尤其是使與LCD相關的透射式投影技術得到了改善。然而，當LCD的尺寸減小時，TFT就開始對光透過LCD造成干擾，這是因為當LCD的尺寸減小時，TFT占據了相當大的空間(也就是說，當分辨率增加時，開口比減小)。
反射式投影系統則不存在光受TFT干擾的問題，因為在反射式投影系統中光不是透射過LCD而是被反射的。然而，由于與尺寸范圍為16平方微米這樣小的機械器件相關的技術要求(即，制造和控制如此小的機械物體)，使用MEMS技術的代價可能是很高的。在反射式投影系統中，解決與MEMS技術有關的某些問題時所用到的技術是硅基液晶(LCOS)技術。LCOS技術將液晶技術和金屬氧化物半導體(MOS)集成在一起，以此產生了可提供高分辨率、低成本、可調為小尺寸、以及相對易于制造的反射式投影系統。
利用LCOS投影系統的一個方面包括投影系統內光的處理。例如，對光的處理包括將光分離成各種色分量、使其偏振化、以及重組各種色分量以此構成一幅適當的圖像這樣的過程。一個適合于LCOS投影系統的光處理裝置(可看作是一種結構)的例子可以是一個ColorQuadTM結構，該結構利用美國Colorado州Boulder的Colorlink公司的ColorSelectTM偏振濾光器技術。
ColorQuadTM結構選擇性地使一種色光的偏振相對于它的補色旋轉。利用ColorSelectTM偏振濾光器技術，包括偏振分束器(PBS)立方體，通過提供色彩分離和重組的偏振光完整性，ColorQuadTM結構將有助于高對比顯示。
因為通常在投影系統中使用的光為非相干光(也就是白光)，由于眾多因素的存在，對光的處理可能是很困難的。尤其是其中的光散射因素。
例如，通過使各種尺寸的PBS立方體結合在一起，可以一種非常緊湊的方式安置用來處理LCOS投影系統內光的PBS立方體。為了適當地控制PBS立方體內的光，使用了各種透鏡、濾光器和反射涂層。然而，光的非相干性質連同PBS立方體的緊湊安排會導致產生對投影圖像有損害的散射光。
即使LCOS技術提供了高分辨率、低成本、可縮小尺寸等等，但是在反射式投影系統中使用的光的非相干性質和PBS立方體的緊湊安排可導致損害投影圖像的散射光的產生，從而降低了對比度并引出了圖像均勻性問題。
附圖簡介將通過示范性(非限制性)實施例的方式對本發明進行描述，在附圖中，相同的附圖標記代表相同的組成部分，其中

圖1示意說明一例彩色投影系統，所述的彩色投影系統包括光學部件，使用所述的光學部件可實施本發明的實施例；圖2是本發明一實施例中的示范性光處理裝置的頂部視圖，所述光處理裝置有助于散射光的減少；以及圖3是本發明一可選實施例中的光處理裝置的頂部視圖，所述光處理裝置有助于散射光的減少。
具體實施方案本發明有助于反射式投影系統內散射光的減少。在下列說明中，將對本發明的各個方面進行描述。然而，相關領域的技術人員將會認識到在不具備一個或多個特定細節或者使用其它方法、材料、部件等的情況下也可實施本發明。在其它例子中，公知的結構、材料或操作未被顯示或詳細描述，以此避免混淆本發明各個實施例的若干方面。同樣地，出于解釋的目的，為了提供對本發明的全面了解，描述了特定的數量、材料和配置。盡管如此，在不具備特定細節的情況下也可實施本發明。在其它一些例子中，為了不混淆本發明，公知的特征被省略或簡化。此外應知圖中顯示的各種實施例只是圖示表達，沒有不必要地按比例繪制。
正如在本申請(尤其是權利要求書)中用到的，用語“包含”、“包括”、“具備”和其它類似的用語都是同義的。
在整個說明書中提到的“一個實施例”或“一實施例”指所描述的特定特征、結構、材料、或特性連同被包括在本發明至少一個實施例中的實施例。所以，短語“在一個實施例中”或“在一實施例中”出現在整個說明書各個地方不必都是指同一實施例或發明。此外，可以用任何適當的方式將特定特征、結構、材料或特性結合進一個或多個實施例。
為了描述本發明，光將作為直線進行說明。然而，相關領域的技術人員將會了解光可具有波動或粒子行為。另外，將不再對某些已確定的物理原理進行詳細描述，更具體地說，將不再詳細描述比如那些描述光行為的方程的出處。盡管如此，將對相關方程進行描述，而不說明其出處。相關領域的技術人員應當理解通過一個或多個透鏡，可使光聚焦；然而，由于光的性質，在投影系統中容易出現散射光，尤其是當反射發生時，這種情形更甚。
因此，將不詳細描述濾光和使光偏振化的概念。然而，從本發明的角度出發，在描述本發明時將涉及反射光的概念。
圖1對一例彩色投影系統進行示意性說明，所述的彩色投影系統包括光學部件，使用所述的光學部件可實施本發明的實施例。如圖1所示，彩色投影系統100可以是一個反射式彩色投影系統，例如(但不限于)硅基液晶(LCOS)投影系統。彩色投影系統100包括光源101。第一積分器板102設在光源101和第二積分器板103之間的光路上。偏振轉換系統(PCS)104設在第二積分器板103和第一延遲透鏡105之間的光路上。第二延遲透鏡106設在第一延遲透鏡105和光處理裝置120之間的光路上。投影鏡頭107設在光處理裝置120的另外一側即相對的一側，以此投射圖像。相關領域的技術人員應當理解可將光處理裝置120看作一個色管理結構；然而，為了描述本發明，光處理裝置120仍將看作是光處理裝置。
除了光處理裝置120中包含的發明內容之外，光學部件101-107以及它們的功能都是已知的。例如，在圖1所示的彩色投影系統中，光源101可以是一個產生白光130的弧光燈，例如(但不限于)金屬鹵化物弧光燈。第一積分器板102可以為任何類型，以便于在第二積分器板103處白光130的多幅圖像的生成。PCS 104設在第二積分器板103和第一延遲透鏡105之間的光路上，以便于光轉換成偏振光。延遲透鏡105和106使白光130聚焦，之后白光130在光處理裝置120中被處理而成為用于圖像投影的處理光130′。處理光130′被投影鏡頭107接收，從而投射出一幅圖像(圖中未示出)。
包含在本發明實施例中的光處理裝置120，有助于彩色投影系統100中散射光的減少。
圖2是本發明一實施例中的示范性光處理裝置的頂部視圖，所述的光處理裝置有助于散射光的減少。為了描述本發明，將對光處理裝置中各種光處理部件進行概述并簡要描述它們的布置。如圖2所示，光處理裝置120包括各種光處理部件。光處理部件可包括第一和第二偏振器201-202、第一組和第二組品紅和綠色(MG)濾光器205-206、第一組和第二組紅色和藍色(RB)濾光器207-208、紅色硅基液晶(LCOS)顯示器210、綠色LCOS顯示器211以及藍色LCOS顯示器212。另外，如圖2所示的，光處理裝置120包括光處理部件，所述的光處理部件用于在光處理裝置120內反射光，更具體地說，四個偏振分束器(PBS)立方體220-223以預定的式樣通過光耦合，以促使在光處理裝置120內往復于其他各種光處理部件201-202、205-208和210-212的光的反射和透射。為了便于理解本發明，可將四個PBS立方體220-223看作是立方體；盡管如此，四個PBS立方體220-223可以是類似的立方體。另外，也可采用線柵偏振器。
如圖2所示的，光處理部件、偏振器201-202、MG和RB濾光器205-208、LCOS顯示器210-212以及PBS立方體220-223以預定的方式光耦合，成為一個緊湊的正方形形狀(即，緊湊立方形狀)。該緊湊的正方形狀可能和美國Colorado州Boulder市的Colorlink公司的被稱為ColorQuadTM結構的光處理裝置相似。但是，在圖2中，四個PBS立方體220-223可在尺寸和形狀上發生變化。即使如此，第一和第二PBS立方體220-221可具有相同的尺寸，第三和第四PBS立方體222-223可具有相同的尺寸和形狀，第一和第二PBS立方體220-221的尺寸大于第三和第四PBS立方體222-223，并且第一和第二PBS立方體220-221中的每一個都帶有斜邊250-251。第一和第二PBS立方體220-221在斜邊250-251處光耦合。
斜邊250-251可方便PBS立方體內入射通量密度的調整，因為通過在直角三角形的斜邊處的受抑內全反射(FTIR)來控制透射。因此，可至少基于斜邊250-251的深度(即，直角三角形斜邊的長度)，改變PBS立方體220-223內的入射密度。而且，斜邊250-251有助于減小光處理裝置120的總尺寸，從而增加了緊湊性。如下面進一步詳細描述的，穿過斜邊250-251的散射光會有一些角度被投影鏡頭107收入，因此損害了投影圖像并引出對比度和圖像均勻性問題。
正如圖2所示，依據本發明的一個實施例，有一個不透光區域設在斜邊250-251之間。該不透光區域可通過不透明涂層260設置。不透明涂層260可以是任何類型的、防止光穿透斜邊250-251的不透明涂層，例如(但不限于)光吸收膜，或者PBS立方體可包含影響其光學特性的摻雜。光吸收膜可以是任何類型的，例如(但不限于)厚度為約70納米的不透明銀層層。而且，除了斜邊250-251之間的不透明涂層260，多個不透光區域可被設置到其他光處理部件的預定邊，例如(但不限于)濾光器205-208的邊以進一步抑制散射光。
在一個實施例中，第一偏振器201可以是一個不吸收偏振光的偏振器，例如線柵偏振器(圖中未顯示)。不像普通的偏振器(可以是聚碳酸酯類型的)，線柵偏振器可耐高溫并且通常不吸收光。然而，在彩色投影系統100處于黑色狀態期間，光被反射回光源101，此時線柵偏振器可將一些光反射進光處理裝置120。因此，可按預定的角度使線柵偏振器偏轉，以將朝向光源101的光反射到不透明涂層206。
結果，可有效地防止來自光處理裝置的散射光被投影鏡頭接收，從而減少了對投影圖像的損害并且減少了對比度和圖像均勻性問題。
在另一個實施例中，第二偏振器202可以是一個具有1/4波長性質的波片(圖中未顯示)相結合的偏振器。例如，在第二偏振器202和投影鏡頭107(在圖1中示出)之間、與第二偏振器202通過光耦合的可以是一個由BK7玻璃制成的、其表面具有1/4波長性質的氟化鎂(MgF2)涂層的波片。具有1/4波長性質的波片的增加便于調整來自第二偏振器202的光，通過該調整可以將可能為線偏振光的光轉變成圓偏振光。因此，從投影鏡頭107反射回光處理裝置120、320的光將再次穿過具有1/4波長性質的波片，從而產生具有正交偏振態的光。因為該光具有正交偏振態，從投影鏡頭107反射回光處理裝置120、320的光會被第二偏振器202吸收。與本實施例有關的光處理裝置可以是圖2、3中所示的光處理裝置；另一方案是，依據本發明的一個實施例，光處理裝置還可以設有單個PBS和多個顯示器(圖中未顯示)。
結果，可以有效地防止光被投影鏡頭接收，從而減少了不合乎需要的圖像，例如(但不限于)鬼像。
圖3說明的是本發明的一個可選實施例中有助于散射光減少的光處理裝置的頂視圖。如圖3所示，備選的光處理裝置320包括一些光處理部件并且具有與圖2所示的光處理裝置120相似的光耦合配置。然而，備選的光處理裝置320包含第四PBS立方體223，第四PBS立方體223與其它PBS立方體220-222之間以預定的距離310光耦合，從而使第一耦合區305和第二耦合區306暴露。第四PBS立方體223通過第一耦合區305與第一PBS立方體220進行光耦合，通過第二耦合區306與第二PBS立方體221進行光耦合。
在圖3所示的一個實施例中，將第四PBS立方體223和其它PBS立方體220-222隔開的預定距離310有助于對散射光的抑制，從而減少了散射光到達投影鏡頭107。預定距離310可以是足以在第四PBS立方體223和第一及第二PBS立方體220-221之間提供一個薄氣隙的距離，例如(但不限于)1毫米。
至少根據全內反射(TIR)原理，以垂直于第一耦合區305的方向傳播的光將從第一PBS立方體220行進至第四PBS立方體223。此外，以垂直于第二耦和區306的方向行進的光將從第四PBS立方體223行進至第二PBS立方體221。然而，依照TIR原理，沿著以某些角度入射到耦合區305-306的方向行進的光可不從一個PBS立方體行進至另一個PBS立方體。
例如，PBS立方體通常由玻璃制成，例如(但不限于)BK7玻璃。當光從第一PBS立方體220行進至第一耦合區305時，如果光以小于臨界角的角度(相對于折射率)入射到第一耦合區305上，則光不被折射，而是會被反射。該臨界角可根據斯涅耳定律確定。
結果，適當的光處理所所要求的垂直方向行進的光，可自由地在PBS立方體之間行進，更具體地說，以垂直方向行進的光可自由地在第四PBS立方體223和第一PBS立方體220以及第二PBS立方體221之間行進。然而，通常不是直接的而是會以各種角度行進的散射光，被反射進它們預期的PBS立方體，從而抑制散射光并防止散射光被投影鏡頭107接收。
另外，在一個實施例中，也可在耦合區305-306可設置各種界面來抑制散射光。因此，可使用帶不同光學特性的材料(比如(但不限于)相對于構成PBS立方體材料的折射率而言)。例如，如果第四PBS立方體223是由比如(但不限于)折射率為1.5168的BK7玻璃制成的，則可在耦合區305-306內提供和使用較高折射率的玻璃粘合物(例如(但不限于)折射率為1.7174的SF1玻璃)。另一方面，也可使用SF2和SF57玻璃。
正如前文提到的，經光處理裝置處理的光被偏振，作為結果，利用各種界面可使雙折射發生。因此，如果如前所述使用不同的材料，則材料之間的熱膨脹(CTE)系數應當匹配得基本相似。CTE匹配有助于減弱光彈性效應，而光彈性效應可引起雙折射，當光處理裝置120、320所在的環境在操作期間加熱或冷卻時就會發生CTE匹配。參見前例，BK7玻璃的CTE值為8.3×10-6/℃而SF1玻璃的CTE值為8.8×10-6/℃(這兩個值均在20℃-300℃的范圍測得)，因此折射率不同的這兩種不相似材料的CTE緊密地匹配。
發明人考慮到上述的實施例可結合到一個實施例中。例如，光處理裝置可結合不透明涂層、折射率不同而CTE緊密匹配的不相似材料以及上述的線柵偏振器。
因而，通過上面的描述可以看到一種新穎的、有助于反射式投影系統內散射光減少的方法和裝置。
對本發明的解說性實施例的以上描述(包括說明書摘要中的描述)不是窮舉的也不是將本發明嚴格限定為所公開的形式。本領域技術人員知道雖然這里出于說明目的對本發明的特定實施例和示例進行了描述，但是在本發明的范圍內可作出各種等效的修改。因而，應認為本說明書是對本發明的解說而非限定。
權利要求
1.一種裝置，包括多個偏振分束器(PBS)立方體，其一個或多個子部件彼此光耦合；以及至少一個不透光區，配置在多個PBS立方體中的第一和第二PBS立方體之間。
2.如權利要求1所述的裝置，還包括一個與多個PBS立方體中的至少一個光耦合的線柵偏振器。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，所述線柵偏振器配置在可使光從所述多個PBS立方體向所述至少一個不透光區反射的角度。
4.如權利要求1所述的裝置，其中，所述至少一個不透光區配置在第一PBS立方體的一個斜邊和第二PBS立方體的一個斜邊之間。
5.如權利要求1所述的裝置，其中，所述不透光區包含一光吸收膜。
6.如權利要求5所述的裝置，其中，所述光吸收膜是厚度為約70納米的不透明銀層。
7.如權利要求1所述的裝置，其中，所述至少一個不透光區包含一不透明涂層。
8.如權利要求1所述的裝置，其中，所述至少一個不透光區包含第一摻雜PBS立方體的至少一部分。
9.一種光處理裝置，包括以一種預定的方式彼此光耦合來處理供給投影鏡頭的光的四個偏振分束器(PBS)立方體，其中，至少第一和第二PBS立方體對應地設有第一和第二斜邊；以及一個不透光區，設在第一和第二PBS立方體的對應的第一和第二斜邊之間，以防止散射光被投影鏡頭接收。
10.如權利要求9所述的光處理裝置，還包括一個與四個PBS立方體中的至少一個光耦合的線柵偏振器。
11.如權利要求10所述的光處理裝置，其中，所述線柵偏振器配置在使光從所述四個PBS立方體向不透光區反射的角度。
12.如權利要求9所述的光處理裝置，其中，所述不透光區包含一光吸收膜。
13.如權利要求12所述的光處理裝置，其中，所述光吸收膜是厚度為約70納米的不透明銀層。
14.如權利要求9所述的光處理裝置，其中，所述不透光區包含一不透明涂層。
15.如權利要求9所述的光處理裝置，其中，所述不透光區包含第一摻雜PBS立方體的至少一部分。
16.一種裝置，包括多個偏振分束器(PBS)立方體，其一個或多個子部件彼此光耦合；以及至少一種其光學特性與所述多個PBS立方體的光學特性不相似的材料，配置在所述多個PBS立方體中的第一和第二PBS立方體之間。
17.如權利要求16所述的裝置，還包含一個與所述多個PBS立方體中的至少一個光耦合的線柵偏振器。
18.如權利要求17所述的裝置，其中，所述線柵偏振器配置在使光從所述多個PBS立方體向所述至少一種具有不相似光學特性的材料反射的角度。
19.如權利要求16所述的裝置，其中，所述四個PBS立方體為BK7玻璃體。
20.如權利要求16所述的裝置，其中，所述至少一種具有不相似光學特性的材料的折射率高于所述多個PBS立方體。
21.如權利要求16所述的裝置，其中，所述至少一種具有不相似光學特性的材料為SF1玻璃。
22.如權利要求16所述的裝置，其中，所述至少一種具有不相似光學特性的材料包括其膨脹系數與所述多個PBS立方體的材料基本相似的至少一種具有不相似光學特性的材料，以促進光彈性效應的減弱。
23.一種光處理裝置，包括以一種預定的方式彼此光耦合來處理供給投影鏡頭的光的四個偏振分束器(PBS)立方體，其中，四個PBS立方體中的至少第一個與其余的PBS立方體中的至少另一個分離，從而產生一個縫隙；以及一種其光學特性與所述PBS立方體的光學特性不相似的材料，配置在所述縫隙處以防止散射光被投影鏡頭接收。
24.如權利要求23所述的光處理裝置，其中，具有不相似光學特性的材料配置在所述縫隙內以防止光穿過所述隙縫。
25.如權利要求23所述的光處理裝置，其中，所述四個PBS立方體為BK7玻璃體。
26.如權利要求23所述的光處理裝置，其中，所述具有不相似光學特性的材料的折射率高于所述四個PBS立方體。
27.如權利要求23所述的光處理裝置，其中，所述具有不相似光學特性的材料是SF1玻璃。
28.如權利要求23所述的光處理裝置，其中，所述具有不相似光學特性的材料包括一種其熱膨脹系數(CTE)與所述PBS立方體的材料基本相似的具有不相似光學特性的材料。
29.一個彩色投影系統，包括光源；與所述光源光耦合的光處理裝置；與所述光處理裝置光耦合的偏振器；與所述偏振器光耦合的投影鏡頭；配置在所述偏振器和所述投影鏡頭之間的波片，所述波片具有1/4波長性質。
30.如權利要求29所述的彩色投影系統，其中，所述偏振器包含一線柵偏振器。
31.如權利要求29所述的彩色投影系統，其中，所述光處理裝置包含至少一個偏振分束器(PBS)立方體。
32.如權利要求29所述的彩色投影系統，其中，所述光處理裝置包括多個其一個或多個子部件彼此光耦合的偏振分束器(PBS)立方體；以及配置在所述多個PBS立方體中的第一和第二PBS立方體之間的至少一個不透光區。
33.如權利要求32所述的彩色投影系統，其中，所述至少一個不透光區配置在所述第一PBS立方體的一個斜邊和所述第二PBS立方體的一個斜邊之間。
34.如權利要求29所述的彩色投影系統，其中，所述波片包括由BK7玻璃制成的、具有1/4波長氟化鎂(MgF2)的波片，以促進將來自所述第二偏振器的光調整為具有圓偏振的光。
全文摘要
本發明包括一種彩色投影系統，其中包括一個與光處理裝置光耦合的光源。所述光處理裝置與一個偏振器光耦合。所述彩色投影系統還包括一個與偏振器光耦合的投影鏡頭。另外，有一個波片設在偏振器和投影鏡頭之間，所述波片具有1/4波長性質。所述光處理裝置設有其一個或多個子部件彼此光耦合的多個偏振分束器(PBS)立方體，并且至少有一個不透光區配置在多個PBS立方體中的第一和第二PBS立方體之間。其結果，可促進反射式投影系統中散射光的減少。
文檔編號H04N9/31GK1806451SQ200480016303
公開日2006年7月19日 申請日期2004年4月13日 優先權日2003年4月15日
發明者S·J·A·比爾惠真 申請人:因佛卡斯公司