具有反向光路的偏振光源系统的制作方法

专利名称：具有反向光路的偏振光源系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及偏振光源领域，例如直接或通过投影观看显示的偏振转换系统(PCS)。更详细地说，本发明涉及一种用于增强亮度的具有反向光路的偏振光源系统。
背景技术：
许多用于投影和直接观察系统的显示器都基于偏振光工作。这样的显示器包括例如LCoS(硅上液晶)、超扭转向列(STN)和铁电体(FLC)的反射型显示器以及例如薄膜晶体管(TFT)、多晶硅(p-si)和硅-绝缘体(SOI)的透射型显示器。这些显示器可通过改变入射光透射或反射的偏振态产生高分辨率图像。例如在LCoS显示器中，在暗状态(dark state)下，像素基本上不改变偏振态地反射所有的光，在亮状态(bright state)下，像素将反射的入射光的偏振态旋转成与其对应的正交偏振态。通过用偏振光照明显示器，然后滤除几乎所有所述偏振态的反射光，显示图像可由人眼观察或投射到观看屏幕上。
在单板投影系统中，当显示器与脉冲光源同步以反射图像的适当的颜色分量时，显示器由红、绿和蓝光的短脉冲群照明。白光或其他颜色的光脉冲群可以单独使用或与红、绿和蓝光结合使用。短脉冲群可来自色轮或脉冲LED(发光二极管)。快速交替的红、绿和蓝图像在人的感觉中混合以形成显示的全色图像。然而，显示器也可以被用于数据或目标显示器的单色光照明。这种显示器还可用于私人显示观察或虚拟现实系统中，例如在头盔、挡风板和护目镜投影系统中，以及小型便携式投影仪和手机中。
由于大部分传统的低成本的光源产生具有混合偏振态的光，光一般由PBS(偏振光束分离器)分解。一个偏振方向的光(通常为S偏振光)经PBS传播，而其正交偏振方向的光(通常为P偏振光)被PBS反射。另一种常见的处理是采用吸收一个偏振方向的光的偏振滤波器。通常在这种没有偏振转换系统的系统中，由于或者被反射或者被吸收而损耗一半的光。其导致灯光减暗的显示或需要更亮的光源。在投影仪中，灯光减暗的显示更不便于观察，而更亮的光源增加了功率消耗和投影系统的成本。由于通常产生额外的热量，更亮的光源需要更大的外壳来提供足够的冷却空间或容纳风扇来冷却光源。风扇将增加附加成本、功率消耗和噪声。
为了提高效率，用多个PBS代替简单的单一PBS。多个PBS具有小偏振光束分离器和关联的透镜的二维阵列。精确对准光束分离器和透镜以便使多个PBS的出射光基本上是准直的，并且具有单一偏振态。多个PBS将几乎所有的入射光转换成相同的偏振态。但是，由于其所需的结构复杂以及需要每个PBS与每个透镜精密对准，因此制造费用昂贵。所以多个PBS增加了投影系统的成本。
多个PBS系统和单个PBS系统的另一个缺点在于，在一般的PBS中，在水平轴和垂直轴之间不同的入射角度透射率不同。在大多数情况下，PBS将以一个轴方向上比另一个轴方向上更大的入射角范围透射接收的光。因此，PBS在垂直方向比在水平方向更有效。通过在所述方向上扩展光可以提高PBS的效率，然而传统的PCS(偏振转换系统)的角向强度分布是关于中心点对称的。

发明内容
本发明提供一种用于显示系统的增强型偏振光源。在一个实施方案中，本发明包括将来自光源的光成像在显示器的光学系统；接收所述光学系统的光的反射偏振器，其将第一偏振态的光射向显示器，并将第二偏振态的光向光源反射；反射镜，其接收来自反射偏振器的具有第二偏振态的光，并将其反射回反射偏振器；和位于反射偏振器和反射镜之间的偏振转换系统，其将被反射的第二偏振态的光的偏振态转换成第一偏振态。
从附图和下面的详细描述将明白本发明的其他特征。


附图中以举例的方式而不是限制的方式说明本发明，附图中相同的元件用相同的标号表示，其中
图1是用于透射型显示器的包含本发明第一实施方案的投影照明系统的横截面侧视图，包括轴向光线和非轴向光线的光线追迹；图2是用于反射型显示器的包含本发明第二实施方案的投影照明系统的横截面俯视图，示出了中心光线；图3是用于透射型显示器的包含本发明第三实施方案的投影照明系统的横截面侧视图，包括轴向光线和非轴向光线的光线追迹；图4是用于反射型显示器的包含本发明第四实施方案的投影照明系统的横截面俯视图，示出了中心光线；图5是用于反射型显示器的包含本发明第五实施方案的投影照明系统的横截面俯视图，其除了包括两个偏振光束分离器之外与图4类似；图6是适用于本发明的锥形光学积分通道的横截面图，示出了边缘光线的路径；和图7是适用于本发明的形状如复合抛物面聚光器的锥形光学积分通道的横截面图。
具体实施例方式
本发明提供一种低价高效的照明光源，其用于使用反向光路连同前向光路的反射和透射型显示器。本发明还提供在一个方向上扩展的强度图，还通过典型的反射型偏振器或PBS(偏振光束分离器)部件来提高效率。在投影系统以及许多其他方法中，其可以用作反射型LCD(液晶显示器)的PCS(偏振转换系统)。从而，能以更低的成本在亮度和对比度上获得同等或更高系统性能。
图1示出了本发明的第一实施方案的实施例。图1的实施方案特别适用于使用例如液晶显示器或液晶光阀的透射型显示器的投影装置，不过通过适当修改也能使用任何其他的反射或透射型显示器。在图1的实施方案中，图示组件构成了用于透射型显示器的背光。简单地说，来自投影灯系统11的光，由红、绿、蓝的色轮13滤光，并且在由反射型偏振器45滤光后入射到显示器43上。在一些实施方案中，除了红色、绿色、蓝色部分之外色轮还可包括白色部分或任何其他的颜色或者可以包括替代红色、绿色、蓝色部分的白色部分或任何其他的颜色。另外，也可使用LED照明系统或各种其他的照明系统。
投影透镜(未示出)将图像成像到屏幕(未示出)上。图像可以是来自任何类型图像或视频媒介的静止或运动的图像。所述系统可用作计算机合成幻灯片的投影装置和数字源映像的投影装置，另一方面，也能获得许多其他应用，例如游戏、电影、电视、广告和数据显示。本发明还可容易地适应于需要偏振照明的反射型显示器以及任何类型的薄膜和板。图1的系统可连接到各种显示驱动器(未示出)。显示驱动器接收图像或视频信号并将所述信号驱动和转换成适用于驱动显示器和灯系统的形式。
更详细地考虑图1的实施例，灯系统11和色轮13，将来自灯系统的光耦合到通道通道21中。所述通道通道将光部分地准直并使所述光具有所需的截面形状。典型的通道具有矩形截面，在其接近光源的入口处或者是直的或者较小，而在其出口处较大，但是也可使用任何类型的光准直装置或光源。对于传统的投影装置，理想的截面形状是设计成适应投影图像的长宽比的矩形。例如，对于计算机显示器图像可具有4∶3的长宽比，对于影片显示器可具有16∶9的长宽比。还可以选择长宽比来匹配显示器43的长宽比。如果需要，可运用各种公知技术来使投射图像获得不同于显示器的长宽比。
灯系统、色轮和通道可以具有传统的设计或者任何其他的设计，取决于特定的应用。色轮可以用其他任何类型的颜色选择或调制系统代替，或者，如果灯系统能够产生不同颜色的光，或如果在实施例中只需要一个颜色，那么可取消色轮。在一个实施例中，灯系统是一组红、绿和蓝色LED(发光二极管)，所述LED被与显示器同步的脉冲调制以产生向观察者显示的不同颜色。在另一实施方案中，提供具有三个不同显示器43的三个不同系统，红、绿和蓝中每一种颜色一个系统，并且三个图像光学组合以用于显示。这样的系统可采用具有利用本领域公知的棱镜或分光镜分离的各种颜色的单个灯。
由于通道的设计，射出通道21的光基本上是远心的。来自通道的光进入成像透镜25，然后进入由另一个光学元件41组成的中继光学系统23。这些元件可以是传统的的球面透镜。各种非球面表面、衍射表面或菲涅尔表面都可包括在实现系统的成本和尺寸目标的所需表面中。对于指定的应用，也可适当地加入棱镜、反射镜和附加的校正元件，以便将照明光折叠、弯曲或修正。中继光学系统设计成在显示器上产生灯系统照明的远心图像。成像透镜25在两个透镜25、41之间的中间位置26处构造灯系统的中间图像。第二透镜是用于在显示器上产生中间图像的远心图像的中继系统。如果采用不同的灯系统或显示器尺寸，那么可对光学系统进行适当的变形来适应这种差异。
对于本实施方案的远心光源，假定灯系统在无限远处。第一元件25具有焦距f1，焦距f1等于从其焦平面到通道的出射孔端的距离，还等于从其焦平面到中间图像位置26之间的距离。因此，通道的出射孔端成像在无限远处。来自灯系统的光成像在系统的中间位置26，所述光在通道出口基本上是远心的。如上所述，任何其他远心或非远心的照明源都可用于代替图中所示的灯、色轮和通道系统。因此成像光学元件25可以适合于在中间位置产生灯图像，取决于照明系统的性质。如上所述，在适当的时候，第一透镜25可以被多个各种类型的光学元件取代。因此，进行适当调整的会聚或发散光源可应用于光学中继系统。
更详细地考虑焦距，第一透镜25具有焦距f1并且设置在距灯通道21近似相同的距离f1处。因此，其形成灯图像并且在位置26具有出射光瞳，所述位置26离透镜的距离为f1。第二透镜41具有焦距f2并且设置在距中间位置26和显示器距离为f2的位置上。第二透镜在远心照明的无限远处将来自第一透镜的光瞳(即在中间位置26处的灯的图像)再次成像在显示板上。第二透镜还将通道的出射端在显示板的位置上成像。
从图1中可看出，第一透镜以通道为中心。换句话说，成像透镜的光轴与通道的中心对准，不过，也可使用其他的配置。第二透镜41相对于通道和光源是偏心的。这使显示板上的照明成为离轴的，其填充系统尺寸(étendue)的一半。第二透镜非常偏心，以致其光轴位于灯系统的图像的光路边缘附近，或者完全在灯系统的图像的光路外面。这种偏心为下面所讲的反向光路作好准备。但是，如图1所示，第二透镜基本上以显示器为中心。这意味着虽然来自灯系统的的光到达相对于显示器偏心的第一透镜，但第二透镜可将灯的图像置于显示器的中心。
如图所示，这些透镜不需要严格地关于通道或显示器定中心。如果一个透镜偏心，那么，每一个透镜可以作轻微的移动。另外，如果反射型偏振器以一个角度放置，那么可以将第二透镜相应地移动。在图示实施方案中所选择的透镜布置，可使光学系统的尺寸最小化。如果移动第一透镜，或者如果反射型偏振器或反射镜以一个角度放置，那么可能会增加一些尺寸，但是元件以各种不同方式移动能满足特殊的尺寸和形状因子的限制。
PBS45，例如栅网网偏振器、胆甾型偏振器、聚合物膜堆堆叠或介质涂层堆叠堆叠透射一种偏振态(P偏振态)并且反射另一种偏振态(S偏振态)。在例如Perkins等人申请的美国专利No.6,122,103中记述了适当的栅网偏振器能被用作PBS以代替典型的各向异性-各向同性的聚合物膜堆叠。合适的栅网偏振器为ProFluxTM偏振器，其可以从美国犹他州的Moxtek公司获得。
来自透射的P偏振态的光被第二透镜41成像在显示板43上。为了通过投影仪或观察光学系统观察，可从这里对其再次成像。来自反射的S偏振态的光在灯图像的位置26处可被第二透镜41成像在具有四分之一波长膜或涂层的反射镜47上。偏振方向在反射镜处旋转，”窗口”被再次成像回PBS上，PBS这时将透射改变后的偏振态，从而填充系统尺寸(étendue)的另一半。四分之一波片或某种其他偏振转换装置可以放置在反射镜和反射型偏振器间的任何位置。所述系统可以包括在显示器后(未示出)的检偏器(例如碘基PVA(聚乙烯醇)膜或栅网偏振器)来滤除其他杂散的P偏振光，以增强对比度。对于特殊应用或灯系统，检偏器和偏振滤波器还可适当地放置在系统的其他位置上。
在图示实施方案中直接来自灯的P偏振光成像在显示器的整个表面上，就像来自四分之一波片的偏振态转换过的光一样。来自上部反向路径的照明重叠在下部的路径上以增强显示器的亮度。作为选择，所述光可用于增加被照亮的面积。例如，正向下部路径的照明能成像在显示器的第一部分上，而反射的上部路径能成像在显示器的第二部分上。这可通过调整反射镜和透镜位置来完成。
在图1中示意性地示出光的S偏振分量的路径。S偏振态以点示出，表明偏振态向量垂直于图的纸面。由虚线示出的S偏振光在光学系统下部经过通道穿过第一和第二透镜到达反射型偏振器。S偏振光从这里被反射，其穿过第二透镜到达反射镜47，如光学系统上部的虚线所示。反射后，S偏振态被旋转成P偏振态，其用短线表示。所述线表明偏振态向量垂直对准图的纸面。由线示出的P偏振态经过第二透镜返回到反射型偏振器，在这里P偏振态可通过反射型偏振器入射到显示器43上。从图中可看出，入射到显示器上的全部的光都是P偏振光，几乎所有经过色轮的照明光都入射到显示器上。损耗仅存在于组件的固有缺陷中，例如反射镜和透镜的吸收、在通道和偏振器中的损耗等等。所述系统以紧凑廉价的组件提供非常高的效率。
根据显示器的设计，显示器暗部分的光将被显示器吸收或被显示器反射回光学系统。如果所述光偏振态不改变地反射回来(P偏振态)，那么其将经过偏振器45向反射镜41和灯系统11返回。如果所述光向反射镜反射，那么其将被四分之一波片转换成S偏振态，被反射出反射型偏振器并被四分之一波片转换回P偏振态以照明显示器。根据灯的设计，可经灯的光学系统回收向灯反射的光。在本发明的实施例中，光可在很大程度上得到回收，同样还可以增强显示器的亮度。此外，吸收性偏振器(例如二向色滤光片)可放置在合适的位置以吸收反射回的光。除了反射镜、透镜和其他组件的损耗和散射外，显示器上照明的强度与许多不包括多个PBS系统成本的系统相比被加倍了。
另外，在图示的实施方案中，这样设置反射镜，使得从灯系统经反射镜到显示器的光程长度变为从灯系统直接到显示器的光程长度的两倍。灯系统的确切位置可以有些不精确。其可作为光源出射光瞳的像来测量。在图示的实施方案中，可考虑将灯定位在通道的出射光瞳附近，即紧接中继系统的通道末端。可以这样设置光学组件，使得光程长度相差不等于二的任何整数倍。这确保反射镜和四分之一波片反射出的光也成像在显示器上。当所述光与从灯系统直接入射到显示器的光组合时，能获得更亮，更清晰的图像。
在显示器43上，灯系统产生的光在投影透镜入射光瞳中的角向强度分布(即角向扩展或随入射角，例如方位角θ和极角φ而变的光透射)， 看起来像一个在另一个上的两个拉长的亮斑。下部亮斑来自直接由灯系统射出的下部光路。上部亮斑来自被四分之一波片反射的上部光路。光强度水平地在两个垂直对准的点(水平线可看作是通过图纸平面的线)上扩展。两个亮斑对应于具有与显示器接近垂直的平均入射角度的中心区域。入射光的平均角度总是从与中心有一段距离的垂线处有规则的地发散。传统的系统可能产生中心圆环的角强度分布亮斑而不是图示实施方案的两个扩展的椭圆形亮斑。如果适当地选择并定位反射型偏振器，可利用照明的椭圆形扩展性来改善反射型偏振器的效率。
许多类型的反射型偏振器和偏振光束分离器(PBS)都具有与正交轴之间不同的透射率相依存的角度。在一个轴上(例如水平轴)透射的入射光的角度范围大于另一正交轴(例如垂直轴)的角度范围。二向色PBS棱镜、栅网偏振器、胆甾型反射偏振器和一些PBS堆叠都显示出这种性质。通过如图1的配置所示在水平轴上扩展光的角向强度，其与角向强度关于中心点对称地逐渐减小相比，将会有更多的光透射过偏振器。可以通过适当地设置偏振部件使得具有较大角向透射特性或较大角向接收(acceptance)的轴与照明的角强度分布对准来利用这种性质。换一种说法，系统透射率的提高可通过将亮斑的扩展方向与特定偏振器的等对比度曲线中高对比度的方向匹配来实现。伴随着透射率的提高，亮度和对比度也将相应地增强。
同样的偏振回收系统还可以应用于单板反射系统，例如使用如图2所示的反射型栅网PBS 15的LCOS或STN显示板17PBS 15。图2显示出与图1相比较的系统的俯视横截面图。图2中，来自任何各种不同光源11中的光，在PBS上被分离成S偏振光和P偏振光。PBS可以是棱镜、光束分离立方体、栅网或薄膜。各种不同的已知光束分离装置都可使用，例如胆甾型偏振器、在对角线光束分离表面上的聚合物薄膜堆叠或介质涂层堆叠。栅网偏振器可用作PBS来代替典型的各向异性-各向同性聚合物薄膜堆叠。在图示的实施方案中，PBS配置成具有与传统的光束分离立方体类似的几何形状，其中PBS与显示器和从灯传播出的光成45度角。也可以选择其它几何形状以满足封装和价格因素的考虑。
反射出PBS的来自灯的S偏振光被反射镜33或第二反射型偏振器再次反射回反射型PBS 15，然后返回第二中继透镜41。第二透镜直接将所述光射到包括四分之一波片膜的反射镜47上。如同图1的实施方案一样，S偏振光被转换成P偏振态再次反射回PBS。这次，PBS将所述光透射到显示器17上。可加入附加的检偏器通过吸收经过或射出PBS而没被完全滤掉的光来增强对比度。
在图2的实施方案中，同一个PBS可用于偏振转换和成像，以节约成本。栅网偏振器可被成像PBS棱镜或任何其它棱镜代替。通过将反射镜放置在和显示器相同的距离上来运用图1中使灯在显示器上成像的同一成像原理。这使灯的图像成像在反射镜和四分之一波片上。所述系统还可产生上面提及的两个水平扩展强度亮斑。如上所述可利用水平扩展来改善观察图像的亮度和对比度。
图3显示使用透射型显示器的另一个实施方案，所述显示器可例如是液晶显示器，但也可使用任何其它透射型显示器。在图3的实施方案中，中继透镜系统23包括两个透镜27、29。如图1和2所示，附加的透镜定位在聚焦透镜25的焦点26上。如图1中，来自投影灯系统11的光经过红、绿、蓝色轮13滤光，并经过反射型偏振器45滤光后入射到透射型显示器43上。入射到显示器的P偏振光被显示器反射成S偏振光，被反射出偏振器的另一面并入射到投影透镜(未示出)中。投影透镜将图像成像在屏幕(未示出)上。
来自通道的光被第一透镜成像在中继光学系统23中。这些元件可以是传统的的球面透镜或任何其它类型的光学元件。第一透镜25在第二透镜27上形成灯系统的中间像。第二和第三透镜组成中继系统在显示器上产生中间像的远心图像。在本发明的远心光源下，入射到第一元件25上的光是远心的。在图3的实施方案中，第一元件具有与其到通道的距离相等的焦距。因此，通道成像在无限远处而灯成像在第二光学元件27上。
如同图1，第一透镜以通道为中心以在第二透镜上产生图像。中继透镜组27、29相对于灯系统、通道和第一透镜是偏心的。其偏心为如图1和2的反向光路作好准备。但是，中继透镜组基本上以显示器为中心，使得来自灯系统的光到达相对于显示器偏心的第一透镜，而中继透镜组将光的图像置于显示器的中心。
与上面所述的实施方案的情况一样，由于中继系统相对于通道和成像透镜25偏移(偏心)，所以出自这些透镜的光相对于中继透镜形成半个光锥。来自灯的光经图3所示的中继透镜的下半部分到达显示器。偏振器45反射的光经过两个中继透镜27、29的上半部分。紧接在两个中继透镜后，有一个将光反射回PBS的第二反射镜。第二反射镜具有旋转偏振态的四分之一波片。所述反射镜可以是中继透镜后的单独部件或者可以是直接涂敷在中继透镜上的银涂层。在所示的实施方案中，中继透镜是曲面面向显示器的平凸透镜。因此，可涂敷平坦的平表面来形成反射镜。涂敷反射镜作为涂层可减少零件数和最终产品的装配成本。四分之一波片可以像涂层一样制造在反射镜、中继透镜或单独部件上。四分之一波片可置于反射镜和PBS之间的任何位置。作为选择，任何其它偏振转换装置都可用四分之一波片代替。
在返回经过中继透镜后，反射的S偏振光然后被四分之一波片转换成P偏振光，并再次通过中继系统到达显示器。这使得所有反射的S偏振光被回收并成像在显示器17上。所述光以非常类似于图1和2的方式显示出水平扩展，而来自反射型偏振器的大部分反射的S偏振光被旋转并回收。
图4显示本发明的一个实施方案，其除了为了适应使用而采用了使用PBS的反射型显示器外，非常类似于图3的实施方案。所述图是很清楚地显示PBS的俯视截面图。如同图2的实施方案一样，PBS可采用任何各种不同形式。上述的许多相同部件将被用于相同的配置，并且不再对其描述。
运行中，如图4中描绘的中心光线所示，出自色轮和通道的光入射到成像系统中，所述成像系统在这种情况下由单透镜25组成。所述成像系统在光学中继系统23的第一透镜27的位置上产生灯的中间像。光从这里经中继透镜27、29的下半部分传播到显示器。在入射到显示器之前，光先到达PBS 15。P偏振光被传播并在显示器成像。从显示器反射的光作为S偏振图像被从PBS反射到投射光学装置19上。从显示器反射的P偏振光经PBS被反射回到灯，作为可能的回收。S偏振光从PBS反射到反射镜再返回到PBS，然后到达偏心中继透镜的上半部。第二反射镜和四分之一波片将S偏振光反射成P偏振光并经中继透镜返回到PBS，并经过PBS到达显示器。
所述系统还能回收大部分滤去的偏振光并产生上述两个水平扩展角向强度亮斑。可利用角向强度的水平扩展性来改善观察图像的亮度和对比度。本说明书中所用的水平和垂直意在帮助理解并提供方便。可采用指定的特定轴来适合任何特定应用，其并不需要是笛卡尔坐标或正交坐标。对角线和极线方向也可用于扩展光的角向强度分布以提高透射率。
图5示出本发明的另外一个实施方案的实施例。图5的实施方案还适用于使用反射型显示器的投影仪，反射型显示器例如LCOS或STN显示器，不过也可使用任何其它反射型或透射型的显示器。图4的实施方案和图5的实施方案之间主要的不同在于，图5的方案中加入了另一个PBS 31，以及移动反射镜33使其与加入的PBS 31对准。这提高了系统的对比度但也增加了系统的成本和尺寸。偏振光束分离器在实施中并不理想，虽然几乎所有的S偏振光都被PBS反射，但仍有一些S偏振光被透射，一些P偏振光被反射。图5的实施例中，经过两个PBS的照明有助于增强对比度。在经过两者后，仅有很少量的S偏振光入射到显示器。如同另一个实施方案一样，如上所述，附加的检偏器可用于更进一步增强投影光学装置19的对比度。检偏器可例如是吸收偏振器或栅网偏振器，或者任何其他适用形式的检偏器。
一对PBS31、15设置在中继光学系统和显示器之间。但是如图4所示系统也可具有一个PBS或如图3所示没有PBS。第一个PBS接收来自中继系统23的光，反射来自灯系统光的S偏振分量，并透射P偏振分量。P偏振分量传播到第二PBS 15上。第二PBS将光的P偏振分量透射到显示器1 7上。如同上面另一个实施方案一样，出自通道末端的光将通过中继光学系统成像在显示器17上。在显示器上，显示图像亮区的光经偏振态旋转变成S偏振光，然后从显示器反射回第二PBS 15。第二PBS设置成和显示器构成一定角度，并且入射光来自中继光学系统。虽然这不会影响穿过第二PBS的光的方向，但是其可改变反射光的方向。
观察光学装置19设置在可接收被PBS反射的光的位置上。在图5的实施方案中，观察光学装置和显示器垂直。因此，构成所观察图像的来自显示器的光从第二PBS反射到观察光学装置19。在一个实施方案中，观察光学装置是将图像投射到屏幕的投影透镜系统。观察光学装置可包括检偏器，例如碘基PVA(聚乙烯醇)膜或栅网偏振器(未示出)来滤除其他杂散的P偏振光，以增强对比度。对于特殊应用或灯系统，检偏器和偏振滤波器还可适当地设置在系统的其他位置上。
显示器暗区的光将在偏振态不变的情况下以P偏振光的形式从显示器反射。所述光经过两个PBS返回到灯系统11。所述光的一部分可被系统回收，并反射回显示器。图中仅以实施例示出了特定的显示器和投影光学装置的配置，但本发明还可应用于透射型显示器和其他类型的显示和观察配置。
如上所述，入射到第一PBS 31上的S偏振光将被反射。然而，由于PBS并不完美，透过的少量的S偏振光仍可到达第二PBS 15上。几乎所有剩下的S偏振光都可被第二PBS反射。由于PBS与入射光的方向构成角度，所以所述光将被反射出系统的光路。然后其可被漏出系统或被构造成吸收任何杂散光的外壳所吸收(未示出)。作为选择，可在第二PBS下面加入第二反射镜33b来将被第二PBS反射的光反射回系统。这些反射镜中的任何一个都可添加例如四分之一波片或栅网偏振器来校正反射光的偏振态。
第一PBS31的方向平行于第二PBS 15，但在不影响其他组件的情况下其方向也可垂直于第二PBS。因此，反射的S偏振光被引导出灯和显示器的光路并到达反射镜33。所述反射镜设置成平行于中继光学系统的光轴，使得反射自第一PBS的光被反射到反射镜，反射镜将反射光在偏振态没有显著变化的情况下反射回第一PBS。从第一PBS反射的光朝向灯反射回到中继光学系统。
利用关于另一个实施方案所述的反向光路，被反射镜33和第一PBS反射的光经反向光路向第二反射镜和四分之一波片35行进，所述四分之一波片将光反射回PBS。反射的S偏振光被四分之一波片转换成P偏振光，所述光再次经过中继透镜后，将经过PBS到达显示器。这使得几乎所有反射的S偏振光都被回收并在显示器上成像。
在所示的实施方案中，这样设置第一和第二反射镜使得从灯系统经第二反射镜到达显示器的光程长度是从灯系统直接到显示器的光程长度的两倍。实际上，如图4所示，附加的PBS设置在中继透镜29和单个PBS之间。
通过通道的仔细设计可更进一步增强角向强度分布和系统的总亮度，虽然当使用任何形式的光源时，本发明上述实施方案的实施例都可具有优势。矩形通道沿一对相对的侧壁从在入口端的正方形或矩形横截面至出口端的正方形或矩形横截面(例如4∶3或16∶9)逐渐变细。还可这样设计锥形，使出口端更大。这可用于减少出自通道的光的出射角度。作为选择，也可将所述锥形设计为入口端较大。这可增加出自通道的光的出射角度。特定的选择取决于光源和将光传播到显示器上的光学系统。在每一种情况下，增加适当的锥度可使通道更有效地填充投影透镜的光瞳。这也可使灯的图像成椭圆形，并增加光瞳的填充因数以及对给定F数的聚光。
如图6所示，在一个实施例中，50mm长的中空通道21具有16∶9长宽比的5.75mm×3.24mm的出射孔径51。所述通道可由能形成适当形状的任何固体材料制成，以便使经所述通道传播的光经周围环境、空气或选定的气体传播。通过使通道的两个相对的侧壁53、57各自以大约一度的方式逐渐变细(对于两个侧壁为两度)，入射光瞳57可为4mm×3.24mm。作为选择，通道可以是由任何光学透射材料制成的固体通道，所述光学透射材料包括丙烯酸树脂、聚碳酸酯和其他塑性材料。如果通道需保持偏振态，那么可选择低双折射材料。
因此，如果光具有30度的入射锥角，每次从渐缩形侧壁反射的角将减小2度。跟踪30度的边缘光线59，表明将有五次反射，因此出射角减小到20度，其有10度的变化。在一个实施例中，由于全内反射，光从固体玻璃棒的壁反射。如果光的入射角更大，那么棒可沿其长度方向具有反射涂层。也可使用其他相位或抗反射涂层。可以制造其内壁上具有反射表面的中空通道。
其他两个相对的壁，在图5的横截面图上看不到，在所述实施例中这两个壁没有逐渐变细。通过仅仅使一对侧壁逐渐变细，使角向强度是椭圆形的。在逐渐变细方向上的出射锥角被减小到20度，而在直线方向上的出射锥角和入射锥角相同，为30度。如上所述，可利用椭圆的角向强度改善系统中任何偏振反射器的效率。
应用这些原理，可以改变积分通道的长度和每一侧上锥度来适应任何所需的入射和出射锥角和任何所需的入射和出射孔径尺寸。例如如果两侧壁倾斜2度而不是1度，那么出射锥角在每一次反射时减小4度。改变通道长度可控制发生反射的次数。改变两壁上的相对锥度能改变在出射孔径上角向强度分布的椭圆率。类似地，可以使锥度反向，使得入射孔径大于出射孔径。这可减小入射孔径上的接收角，并能相对于入射孔径增加出射锥角。
各通道的侧壁可具有不同或相反的锥度，通道也可由更多或更少的侧壁构成。换句话说，虽然如图5所示的整个纸面上所呈现的，在沿通道的每个点上通道的横截面都是矩形，但是其形状可由具有任何边数的多边形或例如圆形和椭圆形的环形代替。所述最佳形状将取决于显示器和中继光学系统的形状，将光经通道传递到显示器上。对于矩形显示器，可发现所示和所述的矩形横截面很紧凑并高效，不过也可使用其他配置的显示器。
可以通过利用CPC(复合抛物面聚光器)原理使侧壁弯曲为抛物线形状来设计一种可供选择的通道形状。CPC已用于太阳能聚光器阵列或一些照明光学装置中。CPC在没有尺寸损耗的情况下，可提供从入射光束到出射光束的良好转换。CPC可遵循下列关系来设计CPCsinθ1D1＝sinθ2D2，其中θ1和θ2分别是通道的入射锥角和出射锥角，D1和D2是入射孔径和出射孔径的高度。
参照图7，图中示出基于CPC的通道61的横截面图。所示的CPC表面应用在相对的抛物线形内侧顶壁63和内侧底壁65上。如同图6的实施方案一样，图7的通道在整个纸面上具有矩形横截面。类似的处理也可应用于所述侧壁和任何其他的壁，结果可使用圆形通道或具有不同于矩形横截面形状的通道。图7显示一个具有等于1的入射孔径D167和90度的入射角θ1，选择等于2的出射孔径D269，使出射锥角θ2为30度。从所述实施例可看出，CPC在非常紧凑的尺寸下能有效地减小极限入射角(90度)。
在另一实施方案中，也可使用上面用到的直边式渐缩通道的比例。在所述实施例中，入射孔径为4mm×3.24mm，出射孔径5.75mm×3.24mm。为了获得20度的出射锥角，入射锥角可由sinθ1＝sinθ2(D2/D1)确定。在这种情况下，CPC可接收30度的入射锥角。这样，基于CPC的通道在保持尺寸较小的封装中可产生类似于直边式渐缩通道的效果。
任何一种类型的渐缩通道都可使用，其不仅可控制射出通道的光的角向强度分布，还可以改变入射对出射的长宽比。例如，如果采用正方形的光源照明矩形显示器(例如4∶3或16∶9)，那么将在水平方向(如显示给观察者)上使通道逐渐变细。这将致使在水平方向上的角向强度扩展。水平扩展可使上述系统中任何偏振器的透射率和反射率增强。具有矩形出射和大角度分布的光源很容易获得，其可增强渐缩通道的价值。
渐缩通道的另一优点在于其可使灯系统的光瞳成为椭圆形。当照明系统使用如上述实施例中的双光路时，其有助于更好地填充投影或观察透镜的圆形光瞳。为了进一步增强椭圆形光瞳的好处，可使用产生椭圆形光瞳的灯系统。许多传统的灯系统可以适合于这个目的。
例如在Li的美国专利No.6,227,682中，示出一个这样的对小尺寸系统特别有效的椭圆形灯系统。所述灯使用双抛物面反射器，在确定的位置上，以一个方向90度的角扩展、另一方向45度的角扩展将弧光灯光源再次成像。通常被认为是不利的角扩展的所述差异，当光被第一次耦合入楔形通道中，却可以增强结果光束的积累和均匀性。还可利用弧光灯上的涂层代替底部反射器使其进一步简化。这可减少反射器的数量并使灯更紧凑。
在本说明书中，出于解释的目的，为了对本发明提供详尽的理解而阐述了许多具体细节。但是，本领域的技术人员应该明白，本发明没有某些具体细节也可以实施。在另一例中，以图表形式示出了公知的结构和装置。可由本领域普通技术人员提供适合于任何特殊设备的特定细节。
重要的是，尽管根据视频投影仪对本发明的实施方案进行了描述，但无论是用于投影或是直接观看，无论紧凑与否，这里描述的装置同样可应用于基于偏振光的显示器的任何形式的照明系统中。例如，在此描述的技术可认为有助于与计算机和数据装置显示器、电视和电影投影仪、互联网适用的显示器、视频娱乐系统和游戏机的连接。
在前述的描述中，根据其中的具体实施方案对本发明进行描述。但是很明显，可以对其进行的各种修改和变化而不脱离本发明的主要精神和范围。因此说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性。
权利要求
1.一种偏振光源系统，它包括光源，它产生具有多个偏振态的光，所述光源包括灯和通道，所述通道被构造成产生具有对应于显示器的长宽比的光锥；光学系统，它将来自所述光源的光成像在所述显示器上，所述光学系统具有在所述光源一侧并且对准所述显示器的中心的光轴；反射型偏振器，它接收来自所述光学系统的光，将具有第一偏振态的光射向所述显示器并将具有第二偏振态光反射到所述光学系统；反射镜，它位于所述光学系统光轴的一侧，与所述光源相对，以便接收来自所述反射型偏振器的具有所述第二偏振态的光，并将其反射回所述反射型偏振器；四分之一波片，它位于所述反射镜和所述反射型偏振器之间，用于将从所述反射型偏振器反射的光的偏振态转换成所述第二偏振态；其中从所述反射镜到所述偏振转换反射镜系统再到所述显示器的光程长度是从所述光源到所述显示器的光程长度的整数倍。
2.权利要求1所述的系统，其中所述反射型偏振器与来自所述光学系统的入射光的光轴构成角度，所述偏振光源系统还包括第二反射镜，所述第二反射镜设置成接收来自偏振光束分离器的具有第二偏振态的光并将其反射回所述偏振光束分离器，以便向所述反射镜反射。
3.权利要求1所述的系统，其中所述光学系统还包括一组中继光学元件，用于将来自所述光源的光成像到所述显示器上。
4.权利要求3所述的系统，其中所述中继光学元件相对于所述反射镜偏心，并且所述反射镜位于所述中继光学元件的光轴的与所述光源相对的一侧。
5.权利要求1所述的系统，其中所述四分之一波片包括在所述反射镜上的涂层。
6.权利要求1所述的系统，其中所述反射镜包括在主动(powered)光学元件上的反射涂层，所述主动光学元件还形成所述中继光学系统的一部分。
7.权利要求4所述的系统，其中从所述显示器到所述反射镜的光程长度是从所述光源到所述显示器的光程长度的整数倍。
8.一种偏振光源系统，它包括光学系统，它将来自光源的光成像在显示器上；反射型偏振器，它接收来自所述光学系统的光，将具有第一偏振态的光射向所述显示器并将具有第二偏振态光反射到所述光源；反射镜，它接收来自所述反射型偏振器的具有所述第二偏振态的光并将其反射回所述反射型偏振器；以及偏振转换系统，它位于所述反射型偏振器和所述反射镜之间，用于将所述第二偏振态的所述反射光的偏振态转换成第一偏振态。
9.权利要求8所述的系统，其中还包括第二反射镜，所述第二反射镜设置成接收来自所述反射型偏振器的反射光并将其反射回所述反射型偏振器。
10.权利要求8所述的系统，其中所述光学系统包括中继光学系统，用于将来自所述光源的光成像到所述显示器上。
11.权利要求10所述的系统，其中所述中继光学系统相对于所述光源偏心但与所述显示器对中。
12.权利要求11所述的系统，其中所述中继光学系统相对于所述反射镜偏心，并且所述反射镜在所述中继光学系统的光轴的与所述光源相对的一侧。
13.权利要求12所述的系统，其中从所述反射镜到所述显示器的光程长度是从所述光源到所述显示器的光程长度的整数倍。
14.权利要求9所述的系统，其中从所述第二反射镜到所述第一反射镜再到所述显示器的光程长度是从所述光源到所述显示器的光程长度的整数倍。
15.权利要求8所述的系统，其中所述偏振转换系统包括反射镜涂层。
16.权利要求8所述的系统，其中所述反射镜由在所述中继光学系统的一部分上的涂层形成。
17.权利要求8所述的系统，其中所述光学系统包括一组中继光学元件，用于将来自所述光源的光成像到所述显示器上，其中所述光源在所述中继光学系统的光轴的一侧，其中所述反射镜在所述光轴的离开所述光源的另一侧，并且其中所述反射镜包括涂敷在所述一组中继光学元件的一个元件上的涂层。
18.权利要求8所述的系统，其中还包括第二反射型偏振器，用于接收来自所述反射型偏振器的光，将所述接收的光中的具有所述第一偏振态的部分射向所述显示器，并将所述接收的光中具有所述第二偏振态的部分反射出所述显示器。
19.权利要求8所述的系统，其中所述反射型偏振器包括偏振光束分离器。
20.权利要求8所述的系统，其中所述反射型偏振器包括胆甾型偏振器。
21.权利要求8所述的系统，其中来自所述光学系统的光具有伸长的亮斑，其中来自所述反射镜的光具有伸长的亮斑，并且其中所述反射型偏振器根据所述亮斑的伸长方向定向。
22.权利要求8所述的系统，其中所述反射型偏振器具有较大接收轴，并且其中所述较大接收轴与从所述灯和所述反射镜射到所述反射型偏振器上的照明的强度分布对准。
24.权利要求8所述的系统，其中所述光源包括灯和细长的光导管；所述光导管在其一端具有入射孔径，用于接收来自光源的光，并且在所述光导管的相对的另一端具有出射孔径，以便允许光从所述入射孔径进入而从所述出射孔径射出，所述出射孔径具有和所述入射孔径不同的尺寸，所述细长的光导管包括在所述入射孔径和所述出射孔径之间的反射内侧壁，使所述反射内侧壁与所述入射孔径和所述出射孔径的相对尺寸成比例地倾斜。
25.权利要求24所述的系统，其中所述光学积分器具有在所述入射孔径和所述出射孔径之间的矩形横截面，并且其中所述反射内侧壁包括两个逐渐变细的相对的侧壁。
26.权利要求24所述的系统，其中所述光学积分器具有在所述入射孔径和所述出射孔径之间的矩形横截面，其中所述反射内侧壁成矩形，并且其中两个相对的内侧壁是倾斜的，使得在一端的所述入射孔径的各边缘以及在另一端的所述出射孔径的各边缘相交。
27.权利要求24所述的系统，其中选择所述光学积分器的所述入射孔径和所述出射孔径的相对尺寸来满足入射角度和出射角度的标准。
28.权利要求24所述的系统，其中所述细长的光导管包括光透明固体棒，并且其中所述内侧壁包括所述固体棒的外边界。
29.权利要求24所述的系统，其中所述积分器的所述内侧壁包括在所述入射孔径和所述出射孔径之间的弯曲抛物面。
30.权利要求29所述的积分器，其中所述细长的光导管构造成复合抛物面聚光器。
31.一种产生用于显示器的偏振光的方法，所述方法包括接收具有多个偏振态的光；将所述接收的光成像在所述显示器上；在反射型偏振器上将所述成像光的具有第一偏振态的部分射向所述显示器，并且在所述反射型偏振器上将所述成像光的具有第二偏振态的部分向所述光源反射；将所述反射的成像光反射回到所述显示器；以及将所述第二偏振态的所述反射光的偏振态转换成所述第一偏振态。
32.权利要求31所述的方法，其中还包括接收来自所述反射型偏振器的反射光并且在其向所述光源反射之前将其反射回到所述反射型偏振器。
33.权利要求31所述的方法，其中将所述成像光向所述光源反射的步骤包括沿着这样的路径反射所述成像光所述路径平行于来自所述光源的所述成像光的路径并且偏移来自所述光源的所述成像光的路径。
34.权利要求31所述的方法，其中将所述接收的光成像在所述显示器的步骤包括将所述接收的光成像在所述显示器的第一部分上，并且其中将所述反射的成像光反射回到所述显示器的步骤包括将所述反射的成像光反射回到所述显示器的第二部分。
35.权利要求31所述的方法，其中还包括在通道的入射孔径处将光接收到通道中，所述光具有第一锥角；从所述通道的倾斜的侧面反射所述光的边缘光线以便改变所述光的所述锥角；使所述光以第二锥角穿过所述通道的出射孔径；以及其中接收光的步骤包括接收来自所述通道的所述出射孔径的光。
36.权利要求35所述的方法，其中反射边缘光线的步骤包括从所述通道的逐渐变细的侧面反射所述光的边缘光线，以便减小所述光的所述锥角，并且其中所述第二锥角小于所述第一锥角。
全文摘要
一种用于显示系统的偏振光源包括光学系统(23)，用于将来自光源(11)的光成像在显示器上(43)；反射型偏振器(45)，用于接收来自光学系统(23)的光，将具有第一偏振态的光射向显示器(43)，并将具有第二偏振态光反射到光源(11)；反射镜(47)，用于接收来自反射型偏振器(45)的具有第二偏振态的光并将其反射回到反射型偏振器(45)；以及偏振转换系统，它位于反射型偏振器(45)和反射镜(47)之间，用于将反射的第二偏振态的光的偏振态转换成第一偏振态。
文档编号G02B27/28GK1669066SQ03816732
公开日2005年9月14日 申请日期2003年5月16日 优先权日2002年5月17日
发明者S·比尔惠岑 申请人:因佛卡斯公司