專利名稱：具有增加的光展量的數(shù)字影院投影系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及電子投影，更具體地涉及使用多個透射光調(diào)制器面 板來形成全色投影圖像的電子投影設備。
背景技術：
隨著數(shù)字影院和相關的電子成像時機的到來，相當多的關注已經(jīng)針 對電子投影設備的發(fā)展。為了提供對于傳統(tǒng)的電影質(zhì)量的電影放映機有 竟爭力的可選方案，數(shù)字投影設備必需滿足高的性能標準，提供高分辨
率(2048 x 1080像素或者更高)，寬色域，高亮度(5000流明或者更 大)，以及超過15 00:1的幀順序(frame-sequential )對比率。
液晶(LC)技術已被成功地開發(fā)用于很多顯示器應用，從單色字 母數(shù)字顯示面板到膝上型計算機，甚至到大規(guī)模全色顯示器。如所熟 知的，LC器件通過為每一對應像素選擇性地調(diào)制入射光的偏振狀態(tài)而 將圖像形成為像素陣列。LC技術的不斷改進已產(chǎn)生了降低成本、提高 生產(chǎn)率及可靠性，及減少功率消耗的益處，且具有穩(wěn)定改進的成像特 性，諸如分辨率、速度及色彩。
盡管已經(jīng)開發(fā)了多種不同類型的像素化的LC裝置，任何特定的LC 裝置是根據(jù)兩種基本架構之一來構造的
微顯示器架構提供了基于類似于用于在半導體晶片上制造的集成 電路裝置的高密度微光刻的像素控制結(jié)構。這包括LCOS(硅上液晶) 和HTPS (高溫多晶硅)透射LCD,其中像素結(jié)構小于50pm,通常 在8-20nm的量級。
直視式TFT (薄膜晶體管)架構，其中像素控制結(jié)構形成在透明基 板上， 一般是非晶硅(玻璃)，并且像素尺寸對于眼睛是可見的(大 約5 0 )i m )。
在第一種基本LC架構中，LCOS利用微型化及微光刻技術的使用來 制造高度密集的空間光調(diào)制器，其中液晶光調(diào)制材料密封在硅電路的 結(jié)構化背板上。實質(zhì)上，LCOS制造組合了 LC設計技術與互補金屬氧化 物半導體(CMOS)制造工藝。LCOS LCD作為高品質(zhì)數(shù)字影院投影系統(tǒng)的空間光調(diào)制器似乎具有 一些優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括易管理的器件尺寸(對角線高達大約1. 7")、 像素之間的小間隙及良好的器件成品率。使用LC0S技術，具有通常小 于一平方英寸的成像區(qū)域的LC芯片能夠形成具有幾百萬像素的圖像。 硅蝕刻技術相對成熟的水平已經(jīng)被證明對于表現(xiàn)出高速度和出色的分 辨率的LCOS器件的快速發(fā)展是有利的。LCOS器件已經(jīng)在諸如背投電視 和商業(yè)投影設備的應用中被用作空間光調(diào)制器。
參看圖1A,顯示了使用LCOS LCD器件的傳統(tǒng)電子投影設備10的 簡化框圖。每一色彩路徑(r-紅色，g-綠色，b-藍色)使用相似部件 形成調(diào)制光束。每一路徑內(nèi)的個體部件用附加的r、 g或b來適當?shù)貥?注。追隨紅色路徑，紅光源20r提供未調(diào)制的光，該光通過均勻化光 學器件22r調(diào)節(jié)以提供均勻光照。偏振分束器24r引導具有適當偏振 狀態(tài)的光至空間光調(diào)制器3Or,該空間光調(diào)制器3Or在像素部位(pixel site)的陣列上選擇性地調(diào)制入射紅光的偏振狀態(tài)?？臻g光調(diào)制器30r 的作用形成全色圖像的紅色分量。來自該圖像的沿光軸Or傳輸經(jīng)過偏 振分束器24r的調(diào)制光被導向至二向色組合器26,其通常為分合色立 方棱鏡(X-cube)或Philips棱鏡。二向色組合器26組合來自單獨光軸 0r/0g/0b的紅色、綠色及藍色調(diào)制圖像，以形成供沿公共光軸0的投影 透鏡32投影至顯示表面40 (諸如投影屏幕)上的組合的多色圖像。藍 色及綠色光調(diào)制的光程類似。通過均勻化光學器件22g調(diào)節(jié)的來自綠 色光源20g的綠光被導向經(jīng)過偏振分束器24g到達空間光調(diào)制器30g。 來自該圖像的沿光軸Og傳輸?shù)恼{(diào)制光被導向至二向色組合器26。類似 地，通過均勻化光學器件22b調(diào)節(jié)的來自藍色光源20b的藍光被導向 經(jīng)過偏振分束器24b到達空間光調(diào)制器30b。來自該圖像的沿光軸0r 傳輸?shù)恼{(diào)制光被導向至二向色組合器26。
在利用具有與圖U相類似的配置的LCOS LCD空間光調(diào)制器的電 子投影設備的示例中，有在美國專利號5808795 (Shimonmra等人)； 美國專利號5798819 (Hattori等人)；美國專利號5918961 ( Ueda ); 美國專利號6010221 (Maki等人)；美國專利號6062694 (Oikawa等 人)；美國專利號6113239 ( Sampsell等人)；及美國專利號6231192 (Konno等人)中所公開的那些。
在空間尺度上類似于LCOS器件的一種相關的空間光調(diào)制器LC技術是透射LCD微顯示器。這種技術的示例是Seiko Epson最近宣布的高溫 多晶硅(HTPS) TFT器件，其是2048 x 1080像素，1.6"對角線器件 (diagonal device) 。 HTPS調(diào)制器是通過使用類似于傳統(tǒng)LC0S器件制 造所遵循的那些方法的方法，在石英晶片上光刻蝕刻來形成的。
通常用于膝上型計算機及較大顯示器件的第二種類型的基本LC架 構是所謂的"直視式"LCD面板，其中液晶層夾在玻璃或其他透明材料 的兩個薄片之間。背光照明組件與面板一起使用。該背光照明組件通常 由光照源加上一系列光學部件和光學薄膜構成，所述光照源諸如冷陰極 熒光管或者發(fā)光二極管，所述一系列光學組件和光學薄膜用于改進均勻 性，偏振狀態(tài)，以及傳送到透射面板的光的角分布。薄膜晶體管(TFT) 技術的不斷改進已證實有益于直視式LCD面板，允許將晶體管愈加密集 地封裝到單個玻璃片的區(qū)域中。另外，已開發(fā)了實現(xiàn)更薄層及更快響應 時間的新LC材料。這又有助于提供具有改進的分辨率及增加的速度的 直視式LCD面板。因此，具有改進的分辨率及色彩的更大、更快的LCD 面板正被設計并成功地用于顯示器成像。這些發(fā)展主要針對桌上型監(jiān)視 器以及家用電視市場中改進的性能的目標。
如上文引用的專利所示，電影品質(zhì)投影設備的研發(fā)者已將其注意力 及精力主要貫注在使用LCOS LCD技術的第一種架構，而不是貫注在使 用基于TFT的直視式LC面板的第二種架構。對此存在許多非常明顯的 原因。例如，使投影設備盡可能緊湊的要求支持采用微型化部件，包括 諸如LCOS LCD的微型化空間光調(diào)制器，或諸如數(shù)字微鏡器件(DMD)的 其他類型的微顯示器器件。像素大小通常在8至20微米范圍中的高度 緊湊的像素布置允許單個LCOS LCD為大投影屏幕提供足夠的分辨率， 該大投影屏幕需要在2048 x 1080或4096 x 2160像素或更好的范圍中 的圖像，如數(shù)字影院投影的電影與電視工程師協(xié)會(SMPTE)規(guī)范所要 求的。相比直視式LCD面板，對LCOS LCD更感興趣的其他原因與當前 可用的LCOS部件的性能屬性有關，所述屬性諸如小于4ms的響應速度、 更大的色域以及2000: 1及更高的對比率。此外，反射型LCOS部件在配 備有散熱的時候允許更高的功率密度，具有高于70%的開口率，并且通 常不采用濾色器陣列或者背光單元。
傾向于使投影儀研制工作偏向微型化器件的又一 因素與要更換的 膠片的尺度特性有關。也就是說，LCOS LCD空間光調(diào)制器或其數(shù)字微鏡器件(DMD)對應物的成像區(qū)域的大小與從電影印相膠片投影的圖像幀 的面積相當。這可在一定程度上簡化一些投影光學器件設計，包括適應 來自基于膠片的成像的已有設計。然而，對于LC0S LCD或DMD器件的 該興趣還起因于設計者的假設以較小尺度成像將是最有利的。因此， 出于意識原因，以及符合常規(guī)的推理及期望，研發(fā)者已假定微型化的 LC0S LCD或DMD提供最可行的圖像形成部件用于高品質(zhì)數(shù)字影院投影。
盡管緊湊的尺寸以及良好的響應速度是基于晶片的LCD器件架構提 供的優(yōu)點，但是這些同樣的器件具有一些固有的缺點，使它們在大規(guī)模 電影投影應用中的使用變得復雜。使用微型化LC0S及DMD空間光調(diào)制 器的 一個內(nèi)在問題與亮度及效率相關。如成像技術領域的技術人員所熟 知的，任何光學系統(tǒng)受幾何考慮的約束，所述幾何考慮按照光展量 (etendue),或者替代地，按照拉格朗日(Lagrange)不變量表示， 拉格朗日不變量即光學系統(tǒng)中在任何給定平面的接受立體角 (acceptance solid angle)與孑L徑尺寸的乘積。在匹配并且只t稱的系 統(tǒng)情況下，拉格朗日和光展量是一致的。在不匹配或者不對稱的光學系 統(tǒng)中，光展量是允許通過系統(tǒng)的光的最小值(參考Michael G. Robinson, Jianmin Chen, Gary D.Sharp, John Wiley&Sons Ltd的Polarization Engineering for LCD Projection, England, 2005, 第 41頁)
光展量和隨之而來的拉格朗日不變量提供了一種方式來量化直觀 性原則從某一大小的區(qū)域只能提供這么多的光。如同拉格朗日不變量 所顯示的，當發(fā)射面積較小時，需要大角度發(fā)射光來實現(xiàn)特定的亮度等 級。處理較大角度的光照的要求導致增加的復雜性及成本。共同受讓的 授予 Cobb 等人的題為 "Projection Apparatus Using Telecentric Optics"的美國專利號6758565;授予Cobb的題為"Projection Apparatus Using Spatial Light Modulator"的美國專利號6808269; 及授予Cobb等人的題為 "Projection Apparatus Using Spatial Light Modulator with Relay Lens and Dichroic Combiner" 的美國專利號 667 626 0中提到并且解決了高密度LC0S器件的該問題。這些專利公開了 在空間光調(diào)制器上使用更高數(shù)值孔徑的電子投影設備設計，以用于獲取 必需的光同時減少在系統(tǒng)中其他地方的角度要求。
與LCD相關的其他問題是關于所需的調(diào)制光的高角度。當入射光照 為高角度時，在LCD器件中形成圖像的機制及LCD自身的內(nèi)在雙折射限制了可以從這些器件得到的對比度及色彩品質(zhì)。為了提供適合等級的對
比度，在LCD系統(tǒng)中必需常常使用一個或多個補償器器件。然而，這進 一步增加了投影系統(tǒng)的復雜性及成本。這樣的實例在授予Ishikawa等 人的題為"Compensation Films for LCDs"的共同受讓的美國專利號 6831722中有所揭示，該專利公開了使用補償器用于線柵偏振器及LCD 器4牛的角偏才展歲文應(angular polarization effect)。由于這些原因， 應了解微顯示器LCOS, HTPS LCD及DMD解決方案面臨與部件尺寸及光 路幾何形狀相關的內(nèi)在限制。
除了面積和光角度考慮，相關的考慮是圖像形成部件還具有能量密 度上的限制。利用微型化的空間光調(diào)制器，特別是利用LCD,以該部件 等級僅可承受這么多的能量密度。也就是說，超過某一閾值等級的亮度 等級可損壞器件自身。通常，高于約15W/cir^的能量密度對于具有無機 配向膜的LCOS LCD而言是過量的。這在使用直徑為1. 3英寸的LCOS LCD 時將可用亮度限制為不超過約15000流明。還必需防止熱提升，因為這 將導致圖像不均勻和色像差，且可縮短光調(diào)制器及其支撐部件的使用壽 命。例如，使用的吸收型偏振部件的行為可顯著地受到熱提升的危害。 這需要用于空間光調(diào)制器自身的充分的冷卻機制及對于支撐光學部件 的謹慎工程考慮。再一次，這增加了光學系統(tǒng)設計的成本及復雜性。
使這個問題更為復雜的是晶片器件制造技術中進一步微型化的持 續(xù)趨勢，以便獲得更高的成品率和改進的制造效率。很明顯正在進行的 LCD空間光調(diào)制器的發(fā)展正追隨該同樣的朝著更高的密集度和微型化的 趨勢。已經(jīng)開發(fā)了接近0. 5英寸對角線的光調(diào)制器，從較早代器件的1. 3 英寸對角線顯著地減小了這些器件的尺寸。然而，如之前描述的光展量 (或者類似地，拉格朗日不變量)和能量密度的考慮顯示進一步的微型 化將妨礙使用LCD器件的大規(guī)模的劇院品質(zhì)投影設備的發(fā)展，因為從越 來越小的光調(diào)制器件提供所需的亮度變得越來越困難。再一個困難涉及 相對缺陷尺寸和制造成品率。隨著像素變得越來越小，諸如在8-20微 米的范圍內(nèi)，尺寸上僅1或2微米的小缺陷可能對顯示質(zhì)量有明顯的影 響。具有更大像素的器件上相同大小的缺陷相應地對圖像質(zhì)量影響較 小。
除了光展量限制之外，對于任何LC器件，必需考慮對開口率的固 有限制。 一般，由"黑矩陣，，圖案為每個像素提供孔徑，以便防止入射光負面地影響可能是光敏的控制晶體管，導致對比度損失。該孔徑減小
了器件的有效透射，導致對于HTPS LC器件的60%或者更小的開口率， 對比于LC0S的大約90%。在大得多的透射面板以及因此更大的#^素區(qū) 域的情況下，這樣的相對小的開口率仍可以提供可接受的亮度。然而， 在微顯示器(諸如HTPS器件)的小像素尺寸的情況下，這么低的開口 率是特別不利的。關于圖像質(zhì)量，該開口率在放大到典型的劇院所要求 的大約40英尺寬或者更寬的顯示屏尺寸時，會引起可見的"屏蔽門 (screen door )"偽像。此外，在HTPS陣列的規(guī)沖莫的微顯示器中，器 件有效區(qū)域仍相對較小，來自強光源的該光吸收孔徑的熱耗散還會負面 地影響光調(diào)制器的性能，或者其支撐光學部件的性能。因此，盡管這種 器件類型對于諸如放映室或者商業(yè)展示的較小場所中的數(shù)字投影應用 可能是適合的，它似乎并不能夠足以處理在典型的電影院屏幕環(huán)境中所 要求的光量，典型的影院屏幕環(huán)境中平均屏幕尺寸一般要求最小1 0000 流明，并且其中最大的影院顯示屏可能要求超過60000流明。如果不采 取顯著增加投影系統(tǒng)的潛在成本的用于熱補償以及其它因素的額外措 施，這種高要求遠高于LCD微顯示器器件(即，具有小于2英寸對角線 的HTPS和LCOS器件兩者)在它們的物理極限處能夠提供的。
在投影儀設計中使用傳統(tǒng)光學方案，朝著色彩分離和調(diào)制部件引導 的光照光束被聚集，使得它具有如可以獲得的那樣窄的光束寬度。這種 策略是優(yōu)選的，因為它允許有利地確定透鏡、濾色器，偏振器以及其它 各個光學部件的尺寸，并允許用于調(diào)節(jié)，分裂，調(diào)制和重組光的整個光 學系統(tǒng)的緊湊封裝。在圖1A的傳統(tǒng)LCOS實施例中，需要窄的光照光束 以便將光聚集到小的LCOS空間光調(diào)制器自身上。
從而，使用LCOS器件的傳統(tǒng)設計方案的一個重要限制與亮度有關。 如之前關于拉格朗日不變量提到的，從給定寬度(即給定二維面積)的 窄角度的光束只能獲得特定量的光。增加光束的角度降低在使用二色分 束器及組合器時獲得的圖像質(zhì)量，因為二向色涂層偏移它們的作為角度 的函數(shù)的光譜邊緣。在光路的任何部分上聚集或者擴展光束要求插入透 鏡或者其它光調(diào)節(jié)光學部件。從而，在每個彩色通道中收縮或者擴展光 照和調(diào)制光束的任務給光學設計增加了成本和復雜性。圖1B示出較早 的實施例，其中入射光角度在LCOS器件處是大幅度傾斜的以便增加收 集效率，但是在之前和之后是減小的，以便降低涂層的光譜偏移效應，以及光學部件的速度。當對該問題應用傳統(tǒng)的光學設計實踐時，已經(jīng)顯 示提供高光輸出的電子彩色投影設備的設計特別有挑戰(zhàn)性，因為該系統(tǒng) 中的每個附加的光學部件趨向于減少光輸出，并引入圖像質(zhì)量和光輸出 之間的折衷。傳統(tǒng)的解決方案限制光輸出水平和整體圖像質(zhì)量兩者。
低端的基于LC0S的電子投影設計已經(jīng)被成功地商業(yè)化，用于在釋 放約1000流明的背投電視中供家庭使用，以及用于其中低成本下的適 度量的光效率和亮度以及相當良好的圖像質(zhì)量是適當?shù)纳虡I(yè)展示市場。 然而，為了滿足與基于膠片的投影設備相比有竟爭力的更高亮度和改進 圖像質(zhì)量的投影儀輸出的需要，似乎必需作出相當大的折衷。為了補償 低于10%的光效率，傳統(tǒng)的基于LC的電子成像設備必需采用非常亮的 光源。例如，Sanyo PLVHD20, —種具有1. 6"對角線Seiko-Epson LC芯 片的HTPSLCD微顯示器投影儀J吏用四個300WUHP燈，然而只發(fā)出7000 流明。在此情況下，使用較低瓦數(shù)的多個燈，來增加輸出而不會將光展 量放大到如同使用單個高瓦燈那么大，因為燈的弧隙在大小(光照光展 量)上增加快過可用的瓦數(shù)。類似地，具有1. 55"LCOS微顯示器的Sony SRX-R110使用兩個更昂貴的2. 0kW燈來發(fā)出10000流明。在這兩種情況 下，燈輸出都沒有與LC空間光調(diào)制器充分匹配，伴隨著對熱，成本， 以及燈壽命的影響。為了經(jīng)受住優(yōu)化亮度所需的高能量密度水平，必需 在光照和調(diào)制光路中使用更昂貴的部件。例如，在很多設計中較低成本 的吸收型偏振器由更昂貴的線柵型偏振器代替。從而，在輸出處獲得每 一可用流明的努力中，傳統(tǒng)的設計采用昂貴的，低可靠性的方案，所述 方案使用高成本、高性能的光學部件，或者使用多個較低成本、較低性 能的部件。
在電子投影設備中，每個色彩分量或者光語帶的光被單獨調(diào)制；接 著通常將這些色彩分量通道的調(diào)制光重組以提供全色圖像。調(diào)制光的重 組可以在每個色彩通道使用單獨的投影光學器件時直接在投影表面上 進行；替代地，調(diào)制的色彩分量可以被重組以便從單個投影透鏡組件投 影。當為單個投影透鏡組件重組色彩時， 一個目標是在每個色彩通道中 提供相等長度的光路。使光路長度相等的一些傳統(tǒng)解決方案在授予 McKechnie等的題為 "Display System with Equal Path Lengths" 的 美國專利號4864390以及授予Tiao等人的題為"Triple-Lens Type Projection Display with Uniform Optical Path Lengths forDifferent Color Components"的美國專利號6431709中給出。
在使用諸如HTPS和LCOS的微顯示器LCD器件創(chuàng)建高流明投影儀存 在這么大的挑戰(zhàn)的情況下，用大面板"直視式，，LC面板創(chuàng)建投影儀似乎 是可取的。這些"直視式，，LC面板已經(jīng)大大提高了它們的分辨率，對比 度和速度，使得它們比初始察覺的更加適合地作為微顯示器的替代物。 然而，如目前制造的用于平板應用的"直視式"面板并不能很好地適用 于高流明投影儀。例如，吸收型偏振器的使用對于圖像質(zhì)量是不利的， 這些吸收型偏振器在通常制造TFT LCD面板時會被直接附接到TFT LCD 面板上。這些偏振器中由于光吸收所產(chǎn)生的熱通常超過光能的約20%, 結(jié)果引起LCD材料的加熱，潛在地導致對比度的損失以及面板上對比度 均勻性的損失。
類似地，專用于桌上型監(jiān)視器和電視的高速度、高對比度LC面板 通常在面板的結(jié)構內(nèi)包括濾色器陣列(CFA),以便提供這些應用所需 的色彩性能。這些吸收型的濾色器陣列將不適合用于高流明投影儀中， 還是因為熱吸收會導致不均勻的圖像偽像以及對器件的損壞。盡管已經(jīng) 為醫(yī)療工業(yè)制造了高分辨率單色面板，這些面板由于通常被用于觀看靜 態(tài)射線照相圖像而具有慢的響應時間。正在開發(fā)具有更快的響應時間的 更新的面板技術以便提高視頻性能。最重要的是一種稱為光學補償彎曲 沖莫式(OCB)的面板技術，其提供大約2ms的速度。平板工業(yè)正在追求 這種模式，以允許提供"直視式"背光照明成本上的減少和隨著去除昂 貴的CFA的更低的面板成本的場順序彩色光照(field sequential color illumination) 。 OCB才莫式將理想地適用于高流明數(shù)字投影系統(tǒng)。
已經(jīng)提出了各種使用可選的直視式TFT LC面板的投影設備解決方 案。然而，在大部分情況下，提出這些設備是為了用于專門的應用，而 不打算用于高端數(shù)字影院應用。例如，美國專利號5889614 (Cobben等 人)公開了將TFT LC面板器件用作高射投影設備的圖像源。美國專利 號6637888 ( Haven )公開了 一種使用具有紅色、綠色及藍色色彩源的單 個細分的TFT LC面板的背屏幕TV顯示器，其對于每一色彩路徑使用單 獨的投影光學器件。共同受讓的美國專利號6505940 ( Gotham等人)公 開了 一種低成本數(shù)字投影儀，其具有嵌置于亭結(jié)構(kiosk arrangement ) 中以減少垂直空間要求的大面板LC器件。盡管這些實例的每一個都使 用較大的LC面板進行圖像調(diào)制，但這些設計都不打算用于高分辨率的電影投影。這些之前的實例也不具有足夠高的亮度等級，或者與傳統(tǒng)電 影膠片相當?shù)纳?，或者可接受的對比度或高等級的整體電影圖像質(zhì) 量。結(jié)果，這些提出的方案中沒有一個會是與傳統(tǒng)的電影投影設備竟爭 的適當候選者。
提供使用TFT LC面板的投影設備的一個嘗試在授予0gino等人的 題為"Liquid Crystal Projection Display"的美國專利號5758940 中予以公開。在0gino等人的'940設備中，一個或多個菲涅耳(Fresnel ) 透鏡用以將準直的光照提供至LC面板；接著，另一菲涅耳透鏡充當聚 光器以將光提供至投影光學器件。因為其以校正的光照均勻性在大面積 上提供成像光束，所以基于上文所描述的拉格朗日不變量的考慮，0gino 等人的'940設備對于其相對高的光輸出是有利的。值得注意的是，0gino 等人的'940還描述了將單個面板用于所有三種基色RGB (紅色，綠色 和藍色)的調(diào)制。然而為了單色LC面板的光照，以快速的序列提供色 彩。該系統(tǒng)不會有效地產(chǎn)生色彩，也不會足夠快地調(diào)制連續(xù)的彩色幀以 防止運動偽像。因此，盡管它對于TV大小的投影設備及小尺寸投影儀 可能具有一些希望，但0gino等人的'940公開所提出的順序色彩解決 方案仍然缺少提供具有5000流明及以上等級的高強度的成像光輸出的 高分辨率投影系統(tǒng)所需的性能等級。
最近將直視式TFT LC面板用于命令和控制中心市場的投影的另一 種嘗試在授予Clifton等人的題為"Image Projection System With Multiple Arc Lamps and Flyseye丄ens Array Light Homogenizer Directing Polychromatic Light on a Liquid Crystal Display" 的 美國專利號6924849中有所公開。在Clifton '849設備中，使用具有 濾色器的15"TFT LC面板作為67"對角線投影系統(tǒng)的光調(diào)制器。在 Clifton '849公開中提出的解決方案是通過在反射表面的布置中使用組 合的多個光源來形成小的有效光源，從而增加亮度而沒有對比度損失。 在Clifton '849設備的光照部分中，使用風車(pinwheel)鏡結(jié)構來 組合來自多個燈的光。該結(jié)構幫助以幾乎垂直于優(yōu)選的LC最佳對比度 方向的低入射角對LC面板進行光照，從而幫助改進投影設備的對比率 而不使用補償膜。'849 Clifton等的專利中描述的方案還包括修改直視 式LCD面板以便增加對比度，去除通常與面板一起提供的寬視角膜。聲 稱通過將光照以偏離于法線的角度重定向通過LCD面板以便利用LC材料固有的光調(diào)制特性，進一步增加了對比度。接著LCD的輸出光側(cè)的菲 涅耳透鏡補償在LCD的輸入側(cè)的光照的重定向。
盡管在'849 Clifton解決方案中采取了一些有意義的措施，然而， 得到的投影儀設備的效率仍然保持相對較低。此外，盡管在'849 Clifton 等人公開的設備中可能改進了對比度，該設備仍然不滿足數(shù)字影院投影 的亮度要求。特別是，'849 Clifton等人的設計提出的解決方案沒有利 用當使用大LC面板尺寸時增加的光展量。提出的'849 Clifton等人的 公開中的一些部件可能不利地影響圖像質(zhì)量。例如，在LC面板之前使 用輸出菲涅耳透鏡可能對于所描述的設備的SXGA分辨率等級是可以接 受的，但是當在具有最小2048 x 1080像素和5000流明的投影系統(tǒng)中 使用時可能引起嚴重的對比度和圖像偽像。使用具有高達7mm的弧隙的 燈將不會提供高效率，即使在使用2英寸對角線的LC面板的情況下。 '849 Clifton等人專利中描迷的單面板彩色或者單色配置在利用彩色光 時將不會是有效的，不管是使用會引起高流明系統(tǒng)中的問題的普通吸收 型濾色器陣列，還是使用將引起運動偽像的順序彩色。此外，包括提高 的整體對比度的LCD面板設計中的持續(xù)改進會避免對于去除膜來獲得高 對比度的需要，或者對于光照重定向解決方案的需要，這兩者都在'849 Clifton等人的公開中提出。
從而，可以看出，盡管一些數(shù)字影院投影設備解決方案已基于使用 LCOS LCD進行圖像形成，但在出于此目的而使用微型化的LCOS LCD 部件時，存在亮度及效率的內(nèi)在限制。另一方面，因為不具有與LCOS 器件相同的與光展量相關的限制，直視式TFT LC面板解決方案具有潛 力來提供優(yōu)于LCOS解決方案的增強的亮度等級。然而，盡管已公開 使用TFT LC面板的投影設備，但這些設備表現(xiàn)出的效率水平令人失 望，并且尚未很好地適合于電影與電視工程師協(xié)會對于合乎標準的數(shù)字 影院投影儀規(guī)定的苛求的亮度等級，以及對比率，色彩均勻性，色域， 和分辨率的附加要求。
電影與電視工程師協(xié)會(SMPTE)目前正在建立關于合乎標準的數(shù) 字影院投影設備的一組標準。稱為數(shù)字影院協(xié)會(DCI)的電影廠協(xié)會 建立了這些基準要求。DCI建立了嚴格的性能參數(shù)，包括對比率，像 素分辨率，屏幕上的光等級，ANSI對比度，以及色域和偽像容差。除 了一般竟爭市場之外，這些標準要求數(shù)字影院投影儀具有在2000:1量級的順序?qū)Ρ榷榷鴽]有色彩偏移，大約10000流明或者更高(對于大 多數(shù)屏幕)，以及2048 x 1080或者4096 x2160的像素數(shù)。
電影的劇場放映的生意本質(zhì)上不同于家庭或者傳統(tǒng)商業(yè)環(huán)境中投 影的展示。傳統(tǒng)上，劇場圍繞膠片的使用，膠片投影設備，以及其中 不同的電影廠提供內(nèi)容給劇場并以門票銷售的價格的 一部分作為回報 的收入分享流建立了它們的生意。設備對劇場的成本通常被分攤在十 到三十年上，該期間內(nèi)很少有技術變化。保養(yǎng)是最小的，只有偶爾的 機械部件故障，以及周期性的燈更換。利潤趁向于被壓榨到投影燈自 身的瓦數(shù)會是影響償付能力的 一 個重要成本因素的程度。
數(shù)字投影根本地改變了這個商業(yè)模型，但是冒著為劇場地點建立稍 微更昂貴的基礎設施的風險。使用昂貴的高性能的部件構造的傳統(tǒng)的基 于微顯示器的投影儀，可能花費膠片投影設備的成本三倍那么多。此夕卜， 現(xiàn)代數(shù)字投影設備的壽命預期是未知的。從電子工業(yè)中的其它基準(諸 如數(shù)字電視、計算機、和通信設備)的歷史判斷，該壽命可能小于傳統(tǒng) 膠片投影設備的壽命，可能范圍在五到十年。計劃的伴隨傳統(tǒng)電子投影 設備的陳舊和部件故障增加了可收益性的顧慮。在最近的將來，如果沒 有關于成本效率，光輸出，和光學效率的顯著增益，數(shù)字影院不會被有 利地平衡來與基于膠片的投影竟爭。
從而，可以看出，存在對于以有利的成本利用LC器件技術、具有 增加的光學效率以及總體光吞吐量的數(shù)字影院性能等級的全色投影設 備的需要。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過提供一種數(shù)字影院投影設備來解決 前面提到的需求，該數(shù)字影院投影設備包括光照源，其具有第一光展 量值，用于提供偏振多色光；第一透鏡元件，位于偏振多色光的光路中， 用于形成基本遠心的偏振多色光束；分色器，用于將遠心偏振多色光束 分為至少兩個遠心彩色光束；至少兩個透射空間光調(diào)制器，其調(diào)制該兩 個遠心彩色光束并形成至少兩個調(diào)制彩色光束，其中存在與每個空間光 調(diào)制器關聯(lián)的光展量值，并且其中所述光展量值在對應于光照源的第一 光展量值的15%之內(nèi)或者大于第一光展量值；色彩組合器，用于沿著公 共光軸組合調(diào)制彩色光束，從而形成多色調(diào)制光束；以及投影透鏡，用于將多色調(diào)制光束導向至顯示表面。
本發(fā)明的特征是，不像當前的使用微型化的LC0S或者LCD器件的 方案，本發(fā)明的設備將使用大TFT LCD面板在打算用于高端電子成像應 用的投影設備中進行成像。
本發(fā)明的優(yōu)點是它允許對于投影圖像的至少5000流明的增加的亮 度?？梢允褂酶鞣N類型的光源。
結(jié)合附圖閱讀以下詳細描述，本發(fā)明的這些及其他特征及優(yōu)勢對 本領域技術人員而言將變得顯而易見，在附圖中示出并描述了本發(fā)明 的示例性實施例。
盡管本說明書以特別指出并清楚地要求保護本發(fā)明的主題的權利 要求書作為總結(jié)，相信結(jié)合附圖根據(jù)下列描述將會更好地理解本發(fā)明， 附圖中
圖1A是示出傳統(tǒng)的使用LCOS LCD器件的投影設備的框圖； 圖IB是示出較早的投影設備的框圖2是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的使用大尺寸TFT LC顯示器的 投影設備的框圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的圖2的投影設備的附加特征的框圖； 圖4是示出通過本發(fā)明的投影設備的光束路徑的透視圖； 圖5是用于本發(fā)明的設備的光照源的框圖6是示出本發(fā)明的遠心透鏡的橫向色差(lateral color)效應的 平面圖7A是傳統(tǒng)大面板LC器件的橫截面；
圖7B是根據(jù)本發(fā)明的簡化的大面板LC器件的橫截面；
圖8是示出用于本發(fā)明的設備的投影透鏡的側(cè)視圖9是本發(fā)明一個實施例中的投影透鏡部件的側(cè)視圖10是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的調(diào)制光路中部件的替代布置
的透視圖，其使用一對反射表面；
圖ll是從不同于圖10的角度看的更近的透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明
一個實施例的調(diào)制光路中反射表面的替代布置；圖12是示出當使用反射表面時視場的失真的平面圖； 圖13是示出其中一個調(diào)制器旋轉(zhuǎn)的替代布置的框圖； 圖14是比較不同f/何直下的投影儀吞吐率的曲線圖； 圖15是示出與LC面板尺寸相關的橫向色差效應的曲線圖； 圖16是示出分析器的可選位置的框圖17是在每個色彩路徑中使用投影透鏡的本發(fā)明的一個實施例的 框圖18是根據(jù)圖17的三投影透鏡模型的本發(fā)明實施例中的部件的透 視圖19A， 19B， 19C和19D是比較可以^使用的兩個不同燈類型的強度 和其它特性的曲線圖2OA和20B示出對于使用具有偏振校正的氣泡燈的本發(fā)明實施例 的點重疊(spot overlap)和能量密度分布特性；
圖21A、 21B和21C是在本發(fā)明的一個示例性實施例中使用泡燈光 照的實施例的前視圖、側(cè)視圖和逐圖像(image-wise)視圖。
圖22A和22B分別示出具有偏振校正部件的LED陣列的側(cè)^L圖和前 視圖23是示出使用LED陣列作為光源的替代實施例的示意圖24示出一立體實施例，由此兩個線性偏振的光路被分隔為用于
每個眼睛的投影的路徑；
圖25是示出在本發(fā)明的一個示例性實施例中與空間光調(diào)制器相關
的部件的布置的框圖26示出具有不同光路長度的實施例的透視圖；以及
圖27示出使用抖動(dither)機制的本發(fā)明的實施例的透一見圖。
具體實施例方式
本說明書特別針對形成根據(jù)本發(fā)明的設備的 一部分或更直接地與 根據(jù)本發(fā)明的設備合作的元件。應理解，未具體示出或描述的元件可 采用本領域技術人員所熟知的各種形式。
電影與電視工程師協(xié)會(SMPTE)目前正在建立關于合乎標準的數(shù) 字影院投影設備的一組標準。稱為數(shù)字電影協(xié)會(DCI)的電影廠協(xié)會 建立了這些基準要求。DCI建立了嚴格的性能參數(shù)，包括對比率，像素分辨率，屏幕上的光等級，ANSI對比度，以及色域和偽像容差。除 了一般竟爭市場之外，這些標準要求數(shù)字影院投影儀具有在2000:1量 級的順序?qū)Ρ榷榷鴽]有色彩偏移，大約10000流明或者更高(對于大 多數(shù)屏幕)，以及2048 x 1080或者4096 x 2160的像素數(shù)。
本發(fā)明提供一種具有高亮度等級、使用大規(guī)模TFT光調(diào)制器面板進 行光調(diào)制的數(shù)字影院投影設備。替代地，其它類型的大透射面板也可以 被用于本發(fā)明，諸如來自Panorama Labs Inc.的基于磁-光偏振切換的 顯示器面板器件，稱為磁-光子晶體(MPC)器件。不像傳統(tǒng)的使用傳統(tǒng) 的微型化LC0S LC或者透射LCD器件的數(shù)字影院投影儀設計，本發(fā)明采 用大的透射器件，諸如LC或者MPC器件，所述器件形成為面板并且具 有至少大約5英寸的對角線。大尺寸的LC或者MPC面板可以接受在更 大的面積上提供的光，從而根據(jù)之前在背景技術部分中描述過的光展量 或者拉格朗日不變量原理，增加可以提供的可用光。有利地，本發(fā)明在 光路中只需要少量的相對慢的透鏡，鏡子，或者其它部件。在光照和調(diào) 制光路中都提供相對寬的光束，使得亮度最大化而沒有通常與高亮度投 影設備關聯(lián)的、伴隨的二向色表面性能和快速復雜光學器件的折衷。不 像使用諸如LC0S LC器件的微顯示器器件的設計，每個LC調(diào)制器或者 大規(guī)模MPC調(diào)制器的光展量與光照源的光展量密切匹配，或者超過光照 源的光展量。
參考圖2,示出根據(jù)本發(fā)明的為大規(guī)模，高亮度投影應用設計的投 影設備50的實施例。當與上面給出的背景技術部分中描述的傳統(tǒng)投影 設備比較時，投影設備50具有最少數(shù)量的光學部件，然而能夠提供超 過更復雜的采用諸如LC0S LC調(diào)制器的微顯示器或者其它類型的LC透 射面板設計的投影設備的高亮度。例如，較早的系統(tǒng)，諸如頒發(fā)給Cobb 等人的美國專利號6758565中描述的并且示于圖IB中的系統(tǒng)，或者需 要中繼透鏡來從微顯示器器件創(chuàng)建中間圖像，以便允許相對簡單的投影 透鏡，或者需要長工作距離的低f財殳影透鏡。在任一情況下，這些解決 方案需要復雜和非常昂貴的透鏡。分色和偏振光學器件還必需能夠處理 高角度的相對高能量的光而不產(chǎn)生偏振不均勻。傳統(tǒng)上，這需要使用高 成本的特殊玻璃，以及線柵偏振器。此外，較早的解決方案對于微顯示 器器件和至少一些偏振元件都要求相當多的冷卻，以便處理高能量密 度。在圖2中所示的實施例中，投影設備50具有光照源28,分色器76, 色彩調(diào)制部分90,色彩組合器92,以及投影透鏡70。光照源28具有提 供偏振均勻化的光的多色光源20,以及遠心透鏡62,所述遠心透鏡用 于調(diào)節(jié)該偏振均勻化的光以提供遠心的、偏振的、多色光束作為用于調(diào) 制和顯示的光照。冷鏡52用于彎折光路并將遠心的、偏振的多色光束 導向至分色器76。
分色器76具有用于多色光的光譜分離的第一二向色表面54，將第 一光譜帶朝著第一空間光調(diào)制器60b反射，在本實施例中作為用于藍光 調(diào)制的遠心彩色光束，并透射其它光。透射的光去向第二二向色表面56 以便進一步分離光譜，其中第二光譜帶被作為遠心彩色光束朝著第二空 間光調(diào)制器60g反射，第二空間光調(diào)制器在本實施例中用于綠光調(diào)制， 并透射其它光。反射表面58也可以是二向色表面，其接著將第三光譜 帶導向第三光譜光調(diào)制器60r。來自空間光調(diào)制器60r， 60b和60g中每 個的調(diào)制彩色光束傳送到色彩組合器92。在色彩組合器92中，使用二 向色表面68和72組合來自每個調(diào)制彩色光束的光，并且將該光沿著公 共光軸O朝著與公共光軸同軸的投影透鏡70導向。鏡子64， 66用于朝 著二向色表面68和72的組合光學器件彎折光路。在圖8和圖9中為一 個實施例示出的投影透鏡70將經(jīng)過調(diào)制的組合的多色光束導向到顯示 表面40上(未示于圖2中，但示于圖1和8中)。
圖3的框圖視圖以及圖4的透視圖示出對圖2的投影設備50適用 的尺度和空間關系。如圖4中所示，可以在光照路徑中有利地使用可選 的彎折鏡102。
注意到以下事實是有益的使用圖2到圖4的布置的投影設備50 的設計，除了鄰近面板的一個(或多個)菲涅耳場透鏡，可能不需要居 間的光學器件，所述居間的光學器件在光照源28中的遠心透鏡62和投 影透鏡70之間延伸的光路中具有功率。可以提供孔徑來最小化雜散光。 然而，在該實施例中在透鏡62和投影透鏡70之間的光路中不需要附加 的透鏡。這種設計的簡單性得到相對低的制造成本，并使得能夠構造用 于高亮度投影的低重量的器件。
效率和光展量考慮
如較早在背景技術部分中所提到的，傳統(tǒng)的采用LCOS微顯示器部件的電子投影設備具有低效率，通常最多小于10%。如以光展量表示的 它們的光學幾何限制了這些傳統(tǒng)系統(tǒng)的效率，從而使得諸如使用具有增 加的瓦數(shù)的燈之類的增加亮度的嘗試對光輸出具有很小的影響。
光展量的一種簡單的計算對于顯示使用微顯示器的設備的這種限
制是有益的。作為第一示例，用f/2處的錐形光照射具有1. 2"( 30. 48mm ) 對角線(假定標準數(shù)字影院格式為1.9:1)的矩形微顯示器SLM (空間 光調(diào)制器)面4反。才艮據(jù)"Projection Displays" p. 244, eq, 11.3， 4吏 用下式計算光展量
E是面板的光展量 '
A是面板的面積
f/并是光照錐
對于在該示例中給出的值，光展量E = .12平方英寸立體弧度(度 量75,2立體弧度)。這表示來自該投影設備中的光源的最大可使用 光展量。在實際中，f/2光照錐是非?？焖俚?，實際的設計會使用不比 大約f/2. 3快很多的值。還有，如后續(xù)的示例所示的，在系統(tǒng)效率方面 還必需計入由于開口率引起的損失。該值對于微顯示器通常在0.60到 0.90的范圍內(nèi)，減小了面積A,從而成比例地減小了光展量。例如，對 于上面計算的75nW立體弧度值，當計入開口率時實際的光展量通常在 大約45-53,2立體弧度。
通過得出關于SLM對角線的理論吞吐率的分布曲線，可以觀察到這 種微顯示器和更大的直視式TFT LC或者MPC型器件之間吞吐量的顯著 差異。圖14的曲線圖示出在大約1. 3英寸到20英寸的范圍上作為SLM 對角線的函數(shù)的吞吐率的關系。示出四條曲線，F(xiàn)/2， F/4, F/6和F/8 光學系統(tǒng)各有一條。如較早提到的，F(xiàn)/2光學器件在大部分情況下將是 不實際的。具有比F/8慢的光學器件(諸如F/16光學器件)的系統(tǒng)也 可以被使用，結(jié)果遵從圖14中所示的一般模式。垂直的虛線以及其右 側(cè)的區(qū)域指示當使用本發(fā)明的方法時用于LC TFT器件的區(qū)域。 一般， 這包括5英寸對角線或更大的SLM器件。在這些尺寸之下，吞吐率相對 低，當使用較慢的光學器件時吞吐率顯著下降。在高于大約5英寸對角線的優(yōu)選的尺度范圍上，獲得70%或者更好的吞吐率，即使用相對慢
(F/8)的光學器件也是如此。
使用較慢的f鄺大大簡化了分色中的色彩偏移和對比率的角度變化 的問題，如在現(xiàn)有技術中提到過的。二向色涂層按照薄膜堆疊設計，相 對于入射角偏移它們的光譜邊緣。盡管這種變化的幅度改變，它通常落 在大約每度變化2nm。類似地，在現(xiàn)有技術中，二向色涂層通常被用于 制造偏振部件，諸如分束器。這樣，部件的對比率也作為增加的角度的 函數(shù)降低。此外，在一些情況下，將可能通過將f"從F/8減少到更小 的值增加面板處的光展量(即，捕獲更多燈光并在屏幕上產(chǎn)生更大的亮 度)。
為了獲得高效率的投影設備，期望匹配光源處的光展量，使得它接 近或者小于空間光調(diào)制器處的光展量。注意對于微顯示器設備，這么做 需要具有非常小光源的光照系統(tǒng)。這個要求反過來對可獲得的光輸出量
(即，對到達屏幕的流明量)設定了限制。在傳統(tǒng)弧燈中，需要更大的 弧隙以便提供更高的燈輸出，然而，這種更大的弧隙同時也增加了光照 光展量。從而，在光照端，增加流明輸出的大部分努力也必定將光展量 增加到在LC調(diào)制器處可用的光展量等級之上。那么，傳統(tǒng)的使用微顯 示器器件的設計的結(jié)果是非常低效的光展量受限制的系統(tǒng)，浪費功率并 產(chǎn)生會對小的電光部件特別有害的熱量。
本發(fā)明的設備和方法提供一種投影設備，其能夠使用透射單色直視 式TFT LC或者MPC型的器件提供更高的光展量。這些空間光調(diào)制器器 件是傳統(tǒng)用于投影設備的可選的微顯示器LC器件的幾倍大，不僅提供 了更高的流明輸出等級，還提供的優(yōu)點是部件上更低能量密度，簡化的 光學器件，以及通過色彩分離和重組部件的改進的光處理。
投影設備5 0提供高亮度和增加的效率，同時采用最少的光學部件。 在圖3中給出的一個實施例顯示光路中光展量基本相等的兩個位置，使 得該設計高度有效，大大超過當使用傳統(tǒng)LC0S LC器件時可獲得的效率。 關于圖3,基本上有
光照光展量-調(diào)制光展量 其它實施例可以進一步增加調(diào)制器的光展量。盡管不會獲得流明輸出中 進一步的增益，將得到部件上更低的能量密度。此外，對于給定的分辨 率在調(diào)制器處的像素尺寸將更大，提供后面討論的其它優(yōu)點。圖19A， 19B， 19C和19D示出對于復合反射器布置的1. 5kW和2. 4kW CERI^U^氛弧燈和1.9kW泡燈，在最佳可能聚焦位置的光的強度和角度 分布。使用該數(shù)據(jù)，可以使用較早給出的等式(1 )計算使用可以從 PerkinElmer Inc., Wellesley, MA獲得的2. 4kW CERMAX⑧氮弧燈的光 照光展量，該燈具有1.9mm弧隙，提供20隱直徑光源(使用大約在圖 19A中歸一化的強度對于聚焦位置的曲線圖最左上角1"2點處的值)以 及f/1.3反射器。這種設置將在透鏡62處提供下面的典型光展量值E =146mm2-sr (假定沒有光損失)。
如果寸吏用偏才展才交正(polarization recovery),燈系統(tǒng)的有步丈光 展量加倍到292 mm2-sr。注意該燈提供一種相對極端的情況，因為這對 于由于其允許更高的氣壓的陶瓷結(jié)構而可用的這樣的小弧隙提供最高 的額定瓦數(shù)。更典型的燈(諸如2kW的0sram氙泡燈)具有5mm的弧隙。
LC空間光調(diào)制器處的調(diào)制光展量可以大約等于或者高于該光照光 展量值。再次使用等式(1),可以計算TFT實施例的調(diào)制光展量來確 定密切匹配光照和調(diào)制器光展量的面板尺寸和f #組合。下面的表格示出 前面對于具有和沒有偏振校正的CERMAX燈系統(tǒng)討論的計算
光展量=光展量=
器件146292
對角線
英寸f/#f/#
56. 04, 2
1012. 08, 5
1517. 912. 7
2023. 916. 9
當光照系統(tǒng)和調(diào)制系統(tǒng)的光展量匹配時，整個系統(tǒng)盡可能地接近高
效。使用甚至更大的LC調(diào)制器面板或者光學系統(tǒng)不會顯著地改變投影 儀的光輸出。盡管面板尺寸可以更大，面板的尺寸受到其它系統(tǒng)考慮的 限制。最佳地配置該系統(tǒng)，使得至少收集了大部分光展量，并且面板尺 寸變成根據(jù)面板成本(材料成本和制造容易度)和被供給能量的光元件 成本(材料成本和制造容易度)確定的折衷參數(shù)。
作為說明，區(qū)分現(xiàn)有的利用LC0S LCD技術的高流明微顯示器投影 儀的光展量和使用本發(fā)明的設備獲得的光展量不匹配是有益的。例如，一個制造商已經(jīng)引入了一種1 0000流明數(shù)字影院投影儀，其使用1.55" 對角線LCOS調(diào)制器和兩個2kW燈。數(shù)字影院應用需要最少5000流明來 合適地照亮最小的實際影院場所。該10000流明等級是重要的，因為這 是適當?shù)卣樟撩绹蠹s80%的影院屏幕所需要的光量。此外，已經(jīng)被商 業(yè)展示的最大LCD芯片是1. 7"對角線(4:3),然而還沒有利用這種芯 片的投影儀面市。
使用第一示例的設備，在F/2. 3的光照光學器件下(在更極端的示 例中，因為示例投影儀光學上較慢)，調(diào)制系統(tǒng)的光展量將是95nW-sr。 對于這個設備中的光照，使用兩個氙泡燈，在該光照系統(tǒng)中提供偏振校 正。再次為了極端比較，假定使用較早提到的具有1. 9/mra弧隙的CERMAX 燈。如果光照系統(tǒng)中沒有由于兩個燈的組合或者偏振校正(PCS)而引 起的光展量增加，那么146咖2-sr的光照光展量和調(diào)制光展量之間的不 匹配將是54°/。。這在偏振校正(PCS)的情況下變得超過200 % ,并且如
果有來自多個燈的光展量增加會有更大的不匹配。
圖2 OA和2 0B示出對于使用具有偏振校正的氛泡燈的實施例的點重 疊(spot overlap)和能量密度分布特性。如圖20A中所示，可以看到 兩個點206有稍微的重疊。如圖20B中所示，它們的強度曲線208也會 表現(xiàn)出在均勻化光學器件之前測量的地方有稍微的空間重疊。
再次觀察該同 一投影系統(tǒng)可以幫助增強這種不匹配情況的比較。為 jt匕，參考來自由F. E. Doany等人在IBM J. Research Development Vol. 42, No. 3/4 May/July 1998 中的 "Projection Display Throughput: Efficiency of Optical Transmission and Light Source Collection" 中的數(shù)據(jù)。在該論文中，(圖6, 394頁)，F(xiàn).E. Doany等人展示了關于 類似于光展量的參數(shù)(即數(shù)值孔徑(NA)乘以調(diào)制器對角線)從具有變 化弧隙的弧燈中收集多少總功率。為了確定5薩弧隙燈的光展量的幅度， 考慮在微顯示器投影儀的工作"#的范圍內(nèi)的兩種情況。該總功率值實 際上是調(diào)制器光展量和光照光展量之間的不匹配的系數(shù)優(yōu)值(figure merit)。光照光展量的粗略估計可以通過取傳感器光展量除以來自較 早提到的F.E. Doany等人文獻中的測量的系統(tǒng)效率的比值來計算。f/# 發(fā)生變化，因為光照在空間和角度上確實是不均勻的，并且實際上光照 本質(zhì)上是更為高斯的，如圖19中最左上角的曲線圖中對于復合反射器 布置的1.9kW ORC氣泡燈所示出的。下面給出估計的光照光展量計算對于f/2. 3:
NA . DSLM(mm)=8. 56或者4. 28具有PCS 對于f/4:
NA ' DSL"mm)=4. 92或者2. 46具有PCS
對于具有5咖弧隙的光源，從較早提到的F. E. Doany文章的圖6中 獲得的對于具有PCS的f/2. 3系統(tǒng)，收集的功率大約是22%。對于具有 PCS的f/4系統(tǒng)，大約為11%。如提到過的，這假定燈光展量可以通過 使用傳感器光展量和百分比捕獲來計算。從而，對于5mm間隙燈的光展 量(用f/2. 3信息計算)是94. 950/. 22=431. 59mm2立體弧度。當用f/4 數(shù)據(jù)計算時它是31. 393/. 1 1=285. 39 mW立體弧度。從而，利用該基于 獨立測量的新估計，對于高流明投影儀，光照系統(tǒng)進一步不匹配于調(diào)制 系統(tǒng)。盡管這是使用的實際光照光展量的估計，對于f/W直使用保守的 假定，假定不會有由于組合兩個燈而引起的顯著的光展量增加。從而， 可以看出用于高流明數(shù)字影院投影儀的常規(guī)微顯示器解決方案具有由 于光展量不匹配而引起的相當多的光損失。
作為比較，利用本發(fā)明的設備，調(diào)制光展量在20%之內(nèi)是匹配的， 或者超過光照光展量。這與現(xiàn)有的基于微顯示器的設備形成對比，對于 這種現(xiàn)有的基于微顯示器的設備輸出和調(diào)制光展量值通常會彼此相差 大約50%或者更多。
圖13示出一可選實施例，其使用圖2中所示的相同基本布置，但 是在部件的取向上有變化，以便更有利于封裝。在圖13中，例如，空 間光調(diào)制器60b相對于其在圖2中的初始位置旋轉(zhuǎn)了 90度。圖26示出 的 一 個實施例以適合于數(shù)字影院的劇場放映間操作的配置，封裝有三個 大的直視式TFT LC空間光調(diào)制器以及后續(xù)的三個投影透鏡。
光照源和光學器件
圖2-4中所示設計的另一個優(yōu)點與光源20相關。光源20可以是 許多類型的燈或者其它發(fā)光部件的任意一種?？梢岳斫鈱⑻貏e有利的是 選擇商業(yè)可得到的部件作為光源20，以便利用由于高制造量而得到的低 成本和可用性。在一個實施例中，使用可以/人PerkinElmer Inc., Wellesley, MA獲得的傳統(tǒng)CERMAX 氛弧燈。與傳統(tǒng)的泡燈相比，CERMAX氙燈的優(yōu)勢在于提供更小弧隙的更高壓力的封裝。該更小弧隙在基于微 顯示器的系統(tǒng)的情況下是期望的，因為它使得更多的光能夠被系統(tǒng)有限 的光展量利用。然而，這些燈一般更昂貴，因為它們的產(chǎn)量少于傳統(tǒng)氙 泡燈。由于其更高的光展量，大面板LC可以更容易地適用于具有較大 弧隙尺寸的傳統(tǒng)氙泡燈，而仍然保持高的系統(tǒng)效率。當使用較大尺寸的
TFT LC器件時，使用這種常規(guī)現(xiàn)貨供應的器件的能力是特別有利的。
氙泡燈可以被配置到將有效光展量減低到電影放映機中通常使用 的最便宜的橢圓反射器的有效光展量之下的布置中。這些布置有不同， 但是最常見的是使用復合反射器系統(tǒng)，諸如GE Taleria設計的系統(tǒng)。 使用的其它配置包括其中從弧隙自身的矩形側(cè)輪廓產(chǎn)生矩形點的、來自 Bohemia, NY的EELE的方案，以及更多其他人的并青心設計的配置。這些 通常將有效光照光展量減低到類似于CERMAX設計提供的等級附近。(參 考圖19中將1. 5kW Cermax與復合反射器布置中的1. 9kW 0RC泡燈比較 的各曲線圖)。它們也顯著增加了光照系統(tǒng)的成本和復雜性。實際上EELE 方案的簡化布置是最便宜的并且最有效的將光耦合到優(yōu)選實施例的方 法。其中從側(cè)面對常規(guī)氛泡燈成像，使得弧隙圖像大致匹配面板圖像的 寬度，并且進行偏振校正以便使得高度匹配高寬比；后續(xù)接著均勻化光 學器件，諸如微透鏡陣列(lenslet array)。
圖21A示出具有弧隙182并且容納在反射器184中的泡燈180的平 面圖。圖21B以側(cè)^L圖示出具有焦點186的該光照結(jié)構。圖21C示出當 使用偏振校正時，隨著圖像進入均勻化光學器件，來自弧隙182的等離 子體的圖像188。該結(jié)構優(yōu)點在于在兩個圓點被轉(zhuǎn)換成矩形以便更好地 匹配圖像比例的均勻化過程中損失較小。
類似地，使用多燈系統(tǒng)來利用較小的弧隙，以及因此較低的光展量。 由于光照點和角度在形式上大致是高斯的，幾個燈的多個高斯曲線被組 合以僅利用高斯曲線的峰值，使得在尾部區(qū)域中重疊函數(shù)以增加總體輸 出。該方案仍然可以與優(yōu)選實施例一起使用，同時仍捕獲尾部區(qū)域的光 照中相當多的部分。這與使用較小的微顯示器部件形成對比，較小的微 顯示器部件通常需要這些更常規(guī)的光源解決方案中的一個或者多個，以
便提供所需的輸出。
其它可選光源包括高功率LED,它們可以分布在具有偏振校正的陣 列中，如圖22A和22B所示。LED陣列190具有形成在芯片基板198上的LED 200的布置。LED陣列190配備有散熱器196或者其它用于冷3卩 的支撐設備。每個LED 200具有位于偏振分束器陣列192中的對應的偏 振分束器202。半波板194提供偏振校正，如之前描述的。
圖23示出將大面板LCD用于數(shù)字影院的實施例，該大面板LCD具 有單獨的LED陣列190r, 190g， 190b,用于每個顯示器面板的色彩通道 250r, 250g, 250b中的每種基色均有一個LED陣列。均勻化元件22和 光照中繼204與每個LED陣列190r, 190g, 190b —起使用。如圖22A 和22B中所示的一個示例將是制作單光譜帶LED的區(qū)域陣列，并為該陣 列提供偏振校正的裝置，諸如為每個LED使用分束器和半波板?？梢岳?用微透鏡或其它技術對該光照進行均勻化，并接著將該光照中繼到其中 一個顯示器面板。類似地，每個面板將具有其自己的光譜專用的LED陣 列。
另一個選擇是例如使用超高壓水銀燈。LED方案可以是對于氙燈的 直接替代，其中組合LED以提供被均勻化和分光的白色光源。來自諸如 具有他們的Luxeon line的Lumiled,具有他們的PhlatLight line 的Luminus,或者Osram和他們的高功率LED芯片的Os tar line的公 司的LED功率的最新進展，目前依據(jù)色彩而在2 00-400mW/mi^之間發(fā)出 功率。LED的優(yōu)點在于可以選擇波長來發(fā)出期望的特定色域，而不需要 過濾光輸出，從而提供增加的效率。然而，作為光源，這些器件相對較 大，單個芯片大約4平方毫米。從而，這些器件具有大的光展量。因此， 與微顯示器相比，提出的實施例對于使用LED作為光源是有利的。
圖5示出在一個實施例中用于提供遠心偏振多色光束的光照源28 的結(jié)構。光源20提供不偏振的多色(白光)準直光照。該光照可以通 過使用拋物面鏡或者通過使用與準直光學器件組合的橢圓鏡來準直。光 源20將準直的光照導向至寬帶波長偏振器34來提供基本偏振的光照光 束38。偏振器34發(fā)出具有p偏振的光。偏振分束器36發(fā)出具有p偏振 的光并反射具有s偏振的光。接著，反射偏振敏感涂層44將具有s偏 振的光導向通過半波板42。半波板42將該入射光轉(zhuǎn)換成p偏振。通過 這種方式，完整的偏振光照光束具有相同的偏振狀態(tài)。該偏振光可以接 著用諸如圖中沒有示出的微透鏡陣列的基本保持光的偏振狀態(tài)的方法 均勻化。從而，基本上來自光源20的全部光輸出被轉(zhuǎn)換成相同偏振狀 態(tài)的遠心均勻多色光。該方法提供在較大面積上的光，并且可以與較大
27的透射LC面板(諸如在本發(fā)明的設備中使用的那些) 一起使用。盡管 傳統(tǒng)LC0S LCD投影系統(tǒng)使用與此相似的偏振校正方案，它們內(nèi)在地受 到光展量限制的更多限制，從而它們不能完全利用這種類型的擴展的光 輸出。
在該偏振校正方法的一個實施例中，偏振分束器36使用線柵偏振 器,諸如授予Hansen等人的題為"Polarizer Apparatus for Producing a Generally Polarized Beam of Light"的美國專利號6452724中所 公開的偏振器類型。各種類型的線柵偏振器可以在市場上從Moxtek, Inc., 0rem, Utah買到。線柵類型的偏振器對于處理高光強等級特別有 利，并且對于角度相對不敏感，不像傳統(tǒng)類型的薄膜分束器。在該實施 例中，優(yōu)選的是使該線柵偏振器放置為使得其線表面?zhèn)壬系木€元件面向 系統(tǒng)的成像路徑。該特定的配置可以減少熱致雙折射，如授予Kurtz等 人的題為"Digital Cinema Projector"的共同受讓的美國專利號 6585378中所公開的。偏振分束器36可以替代地是傳統(tǒng)的棱鏡偏振器， 諸如MacNeille偏振器，該偏振器對于電子成像領域的技術人員是熟悉 的。
協(xié)同燈和偏振校正系統(tǒng)，大TFT LC投影利用均勻化光學器件12來 從光源20提供均勻的光照。均勻化光學器件12調(diào)節(jié)來自光源20的輸 出，以便提供用于調(diào)制的均勻亮度的光照光束。在一個實施例中，積光 棒(integrating bar)提供均勻化光學器件12。替代實施例包括使用 微透鏡陣列或者微透鏡和其它積光部件的某種組合。
偏振
力圖保持到空間光調(diào)制器的光的偏振狀態(tài)的質(zhì)量以便實現(xiàn)要求的 1500: 1或更好的高對比率是重要的。在偏振校正方案，均勻化光學器件， 或者遠心透4竟62之后可以-使用附加的偏振器，以便進一步增加光照的 偏振率。在其中能量密度高或者偏振器處的角度要求相當苛刻的情況 下，優(yōu)選使用諸如線柵偏振器的非吸收偏振器，其中線面向調(diào)制器。在 能量密度低并且空間面積大的情況下，由于成本或者部件可用性，優(yōu)選 使用基于膜的偏振器，諸如吸收染料或者碘偏振器，或者像稱為漫反射 偏振器膜的DBEFTM膜的復雜偏振結(jié)構。在任一種情況下，注意光照等級 對光學部件的影響是重要的。在優(yōu)選的實施例中，如杲在遠心透鏡62之后需要附加的偏振控制， 可以在LCD面板之前放置偏振器，但是優(yōu)選與LCD面板間隔開。
補償
本發(fā)明的 一個優(yōu)點是可以不需要補償器，或者至少可以將對于補償 器的需要最小化。如本領域中所熟知的，有幾種基本類型的補償器膜。 一種其光軸平行于膜平面的單軸膜被稱為A-plate。 一種其光軸垂直于 膜平面的單軸膜被稱為C-plate。雙軸膜中折射率在所有三個維度上變 化，通常稱為0-plate。替代地，A-plate可以被描述為在補償器的平 面中提供XY雙折射(具有XY遲滯的各向異性介質(zhì))，而C-plate沿著 光束傳播通過補償器的方向上的光軸提供Z雙折射。116大于n。的單軸材 料稱為正雙折射的。類似地，n。小于n。的單軸材料稱為負雙折射的。取 決于它們的ru和n。值，A-plate和C-plate都可以是正的或者負的。如 本領域中所熟知的，C-plate可以通過使用單軸壓縮的聚合物或者鑄造 醋酸纖維素來制造，而A-plate可以通過諸如聚乙烯醇或者聚碳酸酯的 拉伸的聚合物膜來制造。由于使用較大的LC面板作為調(diào)制器面板60r, 60b，60g得到減少的角度敏感度，本發(fā)明最小化或者消除了對于C-plate 補償器的需要。類似地，可以使用雙軸膜，其中折射率在x, y,和z 平面變化，以提供所需的遲滯來優(yōu)化系統(tǒng)對比度。
首先，光照的基本線性偏振的光必需匹配于LC材料的優(yōu)選偏振軸。 在LC使其取向平行或者垂直于系統(tǒng)中的彎折時，諸如在垂直對準的結(jié) 構中，可能只需要少量的A-plate補償來細調(diào)偏振匹配。在其中面板是 TN的情況下，該偏振通常與光照偏振的成45度旋轉(zhuǎn)。這需要接近半波 板的遲滯來校正該偏振狀態(tài)。最后可能期望C-plate補償來處理進入面 板的小錐角，其通常是12度或者之下。盡管減少到LC的輸入錐的角度 改進了對比度而不需要C-plate補償，適當?shù)难a償已被商業(yè)化；例如， LG Philips LCD具有1600: 1對比率的監(jiān)視器，并且在1 OO"展示LCD面 板上展示了 3000: 1的對比度。
在需要光學補償?shù)牡胤剑谕麑⒐鈱W補償部件或者放在該"整理" 預偏振器之后，或者就放在LCD面板之后并且在第一偏振分析器之前。 在一個實施例中，補償會受到就在LCD面板之前和就在LCD面板之后的 部件的組合的影響。
29能量密度
使用大面板TFT LC器件而不是微顯示器的一個重要優(yōu)點涉及在光 調(diào)制器處以及在光路中的其它部件處的能量密度。能量密度是用微顯示 器器件設計時的顧慮，主要因為從光吸收產(chǎn)生的熱量會是破壞性的。因 為能量密度顧慮，使用微顯示器的高亮度投影設備必需使用更昂貴的并 且對于較高的熱等級更穩(wěn)健更有彈性的部件，或者必需提供復雜的冷卻 設備。例如，薄吸收型偏振膜不能在強能量光束中使用；相反，必需使 用更具熱彈性的線柵器件。
作為比較，對于諸如圖2到圖4的實施例中所示的應用，即使當提 供高很多的輸出時，空間光調(diào)制器60r, 60b和60g處的能量密度遠低 于用高亮度微顯示器設計時所需要的能量密度。例如，對于使用1.3英 寸對角線LCD微顯示器器件并在輸出處提供約1 0000到15 000流明的投 影設備，用于內(nèi)部光調(diào)制和偏振部件的能量密度在大約6W/cm2的范圍 內(nèi)，而諸如LCD器件的部件限制具有大約15W/cm"的損壞閾值，最終將 光量限制到不超過大約20000流明。作為比較，當使用基于15英寸對 角線大面板LCD的、在輸出處提供多達70000流明的系統(tǒng)時，用于內(nèi)部 光調(diào)制和偏振部件的能量密度低得多，在大約1W/cm2的范圍內(nèi)。這種較 低的密度意味著之前因為高密度熱顧慮而不可用的諸如薄膜吸收型偏 振器的較低成本的支撐光部件，現(xiàn)在可以在提供高光輸出的電子投影設 備中使用。反過來，較高的光輸出容量意味著可以照亮更大尺寸的顯示 屏幕。通過這種和類似的方式，使用高光展量設計的本發(fā)明的設備和方 法以較低的成本獲得較高的性能。
作為相關的能量密度顧慮，遠心透鏡62中的材料被選擇為或者具 有低的光吸收，或者具有低的應力雙折射系數(shù)，以便減小熱致雙折射的 影響。高質(zhì)量的模制菲涅耳透鏡通常用具有相當高等級的耐熱性以及高 透射的丙烯酸制造。由于來自該工藝的較低的內(nèi)在雙折射，使用壓縮成 型制造的丙烯酸部件是優(yōu)選的。可選地，可以為該遠心透鏡62使用玻 璃或者耐受性更高的聚合物，諸如來自Zeon Chemicals, Louisville, KY的Zeo駆。
遠心透鏡回頭參考圖2,遠心透鏡62調(diào)節(jié)光照來提供遠心行為。透鏡可以在 物體空間，圖像空間，或者兩者中是遠心的。在遠心光的情況下，物體 或圖像上所有點的主光線是準直的并且平行于光軸。實際上，遠心透鏡 的入射光瞳和出射光瞳在無限遠，從而通過透鏡的光的角分布相當均 勻。然而，在圖2實施例中，僅出射光光瞳是在無限遠。這里只在圖像 空間(接近LCD面板)是遠心的；出射光光瞳被投影到無限遠的結(jié)果。 遠心性在該應用中是重要的，因為如果來自空間光調(diào)制器中的不同像素 包含不同的角空間，來自單獨的色彩光照通道的色彩偽像和變化的面板 角度將導致最終圖像處的色彩不均勻。這在多面板投影系統(tǒng)中是一個重 要問題。，遠心透鏡62可以是球面的或者非球面的。在一個實施例中， 遠心透鏡62是菲涅耳透鏡。對于使用菲涅耳透鏡作為遠心透鏡62的一 種可選方案是使用至少一個反射元件。反射元件不引起橫向色差 (lateral color )或者結(jié)構所致的莫爾紋，并且會較容易制造，例如 通過塑造大的塑膠元件。盡管來自透鏡62的遠心性對于該方案是重要 的，離完美遠心性的一些偏差是可接受的，并且期望作為允許較小的光 束通過二向色分束器的折衷。在這種情況下，還可以利用光束擴展器以 便適當?shù)卮_定顯示面板處的光照大小。
如圖2的實施例中所示，從光照源28輸出的遠心偏振多色光束進 入分色器76,并且被分為兩個或者更多個光譜帶。對于全色操作，分色 器76形成至少三個分離的光譜帶，通常為紅色，綠色和藍色。有利的 是，大部分多色光照中的入射角是在受限的范圍內(nèi)，將角度上引起的光 i普偏移效應最小化。
對于本發(fā)明的設備，遠心透鏡62可以相當大，在空間光調(diào)制器60r, 60g或者60b中的^f壬何一個的有效面積的尺寸的量級上。當4吏用相對大 直徑的透鏡元件時的一個可能困難涉及橫向色差，橫向色差致使不同的 色彩通道形成在尺寸上稍微不同的圖像。參考圖6的平面圖，分別示出 了紅色，藍色和綠色通道的疊加的圖^f象14r, 14g, 14b的相對大小。由 于橫向色差，紅色通道的圖像14r分別稍微大于綠色和藍色通道的圖像 14g和14b。藍色通道的圖像，圖像14b,在尺寸上最小。圖15的曲線 圖示出了橫向色差相對于空間光調(diào)制器60r, 60g或60b的對角線尺寸 的增力口。
橫向色差的校正可以通過在光照路徑中使用任選的校正透鏡來獲得。在一個實施例中，可以將菲涅耳透鏡添加到一個或者多個色彩通道
來校正橫向色差。這些透鏡可以與遠心透鏡62 —起放置，或者沿著透 鏡62和LCD面板之間的光路放置。
補償橫向色差的可選方案是在遠心透鏡62之前使用任選的色散元 件，使得在光路中引起相等但是相反幅度的橫向色差。 一種方案將是設 計對于中心光語帶(例如綠色波長)具有最佳性能的遠心透鏡62,并讓 橫向色差出現(xiàn)在紅色和藍色通道中。接著可以設計任選的引起橫向色差 的透鏡，該透鏡具有補償遠心透鏡62中固有的橫向色差的色散特性。
在任何情況下，重要的是設計光照路徑，使得包括每個光譜通道的 邊緣滾降(edge rolloff )的光照等級和均勻性最接近地匹配相鄰通道 的那些光照等級和均勻性，從而使得光效率不會浪費在為了屏幕上均勻 性的色彩平衡上。
一般，認為最佳的是在每個色彩通道的成像路徑(顯示面板和投影 透鏡之間)中實現(xiàn)相等的光路長度，例如在較早提到的'390 Mckechnie 等人的專利和'709 Tiao等人的專利中所公開的。然而，已經(jīng)顯示對光 照路徑中光路長度的調(diào)節(jié)對于投影設備50在使用大尺寸的TFT LCD面 板時是有利的，如在本發(fā)明的實施例中那樣。在本發(fā)明的特定布置下， 沿光照的光路的光的焦點變得沒有傳統(tǒng)設計下那么關鍵。這意味著例如 沿著光軸O調(diào)節(jié)其中一個空間光調(diào)制器60r, 60g, 60b的相對位置可以 不需要調(diào)制器確切地放在遠心透鏡62的焦點上而完成。這允許調(diào)整考 慮均等化成像側(cè)光學器件的路徑長度，其對于匹配的路徑長度更為敏 感。
莫爾補償
莫爾紋是與諸如大面板LCD的重復性結(jié)構一起使用如圖17中所示 的菲涅耳透鏡84導致的一種潛在偽像。減小莫爾效應的一種可能的策 略是使光照光充分散開到足以減小菲涅耳透鏡的成像屬性，使得強度周 期振動(intensity beating)不會發(fā)生。 一種可選方案將是利用以適 當角度旋轉(zhuǎn)的交叉柱鏡，使得兩個空間圖案之間的頻率周期振動被減少 或者消除。參考圖25,可以使用來自任選的漫射層146的非常小角度的 漫射來去除殘留結(jié)構。此外，通過將菲涅耳場透鏡84從LCD面板移開， 莫爾圖案減少并且最終從視覺上消失。校正這個問題的一種方式是增大射在場透鏡84上的遠心光束的尺 寸，從而使得即使場透鏡與LCD面板有一定量的間隔，會聚的光束仍然 大得足以填滿整個面板。至少有兩種技術可以實現(xiàn)這種結(jié)果。 一種技術 是修改遠心透鏡(在光照二向色分束器之前的某個位置)，從而使得從 其出來的光束寬于LCD面板寬度。另一種技術是通過增加負透鏡，在光 束經(jīng)過二向色分束器之后將其增大，使得遠心進入光束形成為發(fā)散光 束。接著，場透鏡84將截取放大的光束并將其重定向到投影透鏡光瞳。
在優(yōu)選的實施例中，菲涅耳場透鏡84在LCD面板的光照側(cè)。盡管 這具有優(yōu)點，它也意味著射在LC面板上的光不是遠心的。這要求面板 具有良好的角度偏振補償(在大約12度場上的C-plate)。否則，對比 率將朝著器件邊緣下降?？蛇x實施例是將菲涅耳場透鏡84移動到LCD 調(diào)制器面板之前(即，在成像側(cè))的位置。這將要求相對好的圖像質(zhì)量 并要求通過交替方式校正莫爾效應。除了上面的方法或者與上面的方法 相結(jié)合，可以將漫射層增加到遠心透鏡62和偏振器之間的面板之前的 吸收型偏振器，以便進一步減少莫爾效應。
空間光調(diào)制器60r， 60g, 60b的配置
對于圖2-4的實施例，空間光調(diào)制器面板60r， 60g, 60b是透射TFT LC面板，每個都具有5英寸或者更大的對角線。高分辨率面板部件(2048 x 1 080或者4096 x 2160像素)對于諸如數(shù)字影院的應用特別有利。在 圖2到圖4的實施例中，將LC調(diào)制器面板60r, 60g, 60b從作為"直 視式"面板的傳統(tǒng)使用進行修改并簡化，以便用于投影應用中。首先參 考圖7A,示出由制造商提供用于顯示器應用的傳統(tǒng)LC調(diào)制器面板118。 在該傳統(tǒng)結(jié)構中，其控制電極包括ITO層124和薄膜晶體管122的LC 材料120與濾色器陣列132—起被夾在玻璃板126之間。前偏振器和后 偏振器128是吸收型片材，其性能受到高熱等級的損害。吸收型的本質(zhì) 是自損害的，降低了對比度和光譜透射，并且通過熱傳導影響液晶層的 性能。最終地，高熱等級導致變化的對比度和圖像不均勻。還提供補償 膜130來增強對比度，特別是在增加顯示器的觀看視角的努力中。這些 補償膜通常被設計為保留可能在二維上完全18 0度地利用該器件的直接 觀看者可接受的對比度等級。在很多器件中，使用其它增強膜，但是未 示出，諸如漫射層，用于幫助再循環(huán)偏振的層，以及甚至使來自背光的光照出來的層。接著將面板與背光單元組合，背光單元通常組合冷陰極 熒光管，這些冷陰極熒光管裝進到全內(nèi)反射光學部件(即光導)中，其 允許相對均勻地朝著面板發(fā)光。
圖7B示出如本發(fā)明中所使用的簡化的LC空間光調(diào)制器60r, 60g, 60b面板的結(jié)構。該LC面板包括像素化的結(jié)構，其中晶體管位于包圍透 射區(qū)域的邊界中。晶體管由黑矩陣保護，然而，不需要色彩的子像素和 濾色器陣列。LC材料夾在具有至少一些剛性的兩個透射基板之間。該基 板優(yōu)選是帶有電介質(zhì)抗反射涂層的(這可以提供在單獨的膜基上)，但 是不具有抗眩光或者其它漫射處理。去除偏振膜，以及漫射膜，角度控 制膜，以及其它特定功能膜?？梢匀コa償膜130;即使保留，也顯著 減少了補償膜130的性能要求和成本，因為光與LC表面法線的角度偏 差極低。盡管典型的"直視式"顯示器通常需要在觀看者整個軸(在兩 個方向上都高至180度)上的均勻?qū)Ρ嚷?，本系統(tǒng)對于15"面板具有大 約2度的角度要求。前偏振器和后偏振器128也被從與空間光調(diào)制器 60r, 60g, 60b自身的直接接觸中去除掉。諸如在較早提到的Clifton 公開中的其他人嘗試將大LCD面板用于較低流明的系統(tǒng)。在該技術中， Clifton公開中描述的方案使用濾色器陣列(CFA),并且具有與子像素 關聯(lián)的額外的黑矩陣。這兩種部件在試圖提供高流明和大有效光展量時 都存在缺陷。此外，Clifton討論了去除諸如偏振器，補償膜，和抗眩 光層的材料，使得可以通過保持到面板的小的入射角來增強順序?qū)Ρ?度。盡管將偏振器分出對于高流明應用是期望的以防止影響均勻性的熱 量，但是補償膜可能是更期望的并且在適當設計時將改進對比度。 Clifton還沒有認識到需要抗反射涂層來防止來自基板的背反射，這會 引起ANSI或者棋盤形對比度的損失(黑色像素與相鄰白色像素的對比 度的減小)。對于數(shù)字影院投影儀，需要200: 1或者更大的高ANSI對 比度。此外，傳統(tǒng)解決方案沒有認識到從引起"屏蔽門"偽像的開口率 的圖像質(zhì)量角度看的負面影響。
位于LC面板附近的任選的線柵偏振器能夠處理高光等級而不吸收 很多的光能，并且特別好地適合于投影設備50中的高強度應用。線柵 偏振器被設計為反射未透射的偏振狀態(tài)。理想地，片形式的偏振器將是 不昂貴的，如Mi等人的美國專利申請公開2006/0061862中所公開的。 對比率不需要非常高(在100:1的量級，因為預偏振器能夠提供相當?shù)燃壍钠?。在顯示面板的成像側(cè)，期望將線柵偏振器放置在使得該反
射光不回到LCD的位置，以便不影響ANSI對比度。這有兩種可選辦法 來實施第一種是使用成像光的反射偏振狀態(tài)。第二種可選辦法是使線 柵傾斜，從而使得反射的返回光避開LCD調(diào)制器，或者由孔徑光闌阻斷， 或者由簡單的空間分隔阻斷。在這種情況下，發(fā)散的圖像光透射通過傾 斜的板，這將光學像差引入系統(tǒng)中。使用薄線柵結(jié)構將這種效應最小化。 此外，可以相反的角度將第二板放置到光束中，以便直接補償光束中的 散光。剩余的像差 一般不會嚴重到足以需要進一 步的補償來保持圖像質(zhì) 量。
將偏振器與LC材料120隔開防止了負面影響圖像均勻性的熱傳導。 不再需要濾色器陣列132,因為光鐠光是空間分開的。這種濾色器陣列 的去除對于諸如將用于數(shù)字影院的高流明系統(tǒng)是特別有利的，其中濾色 器陣列的吸收本質(zhì)將由于產(chǎn)生的熱量而存在性能和退化問題。使用反射 型濾色器陣列是可能的，然而，反射光的損失是不期望的。在該情況下 可以使用色彩還原(color recovery )系統(tǒng)來保持系統(tǒng)級亮度。濾色器 陣列結(jié)構的一部分包括黑掩膜，其被提供為阻斷光直接射到晶體管結(jié)構 的裝置，并且用于提供濾色器材料的保持裝置。盡管仍需要光阻斷，不 再需要保持裝置?？梢允褂弥T如反射涂層的其它裝置或者繼續(xù)使用黑掩 膜來保護晶體管免受入射光?？梢栽诓Ａ?26的兩個外表面上都提供任 選的抗反射涂層1 34, 136?？狗瓷渫繉?34， 136將幫助減少棋盤圖案 效應并增加ANSI對比率，將來自雜散光的相鄰像素的交互作用最小化。
在優(yōu)選的實施例中，在LCD面板的成像側(cè)，使用相對高透射的吸收 型偏振器作為系統(tǒng)中的笫 一 層次分析器。這使得透過該分析器的光的偏 振狀態(tài)基本是線性的，從而較少受到由于可能引入到系統(tǒng)中的反射部件 的任何相移的影響。該對比率隨后可以如圖17所示通過將較小的較高 對比率的傾斜偏振器137放在系統(tǒng)中較后的地方而得到改進，例如，使 用對于該能量密度適合的在投影透鏡空間傾斜的線柵或者其它偏振器， 從而使得返回光不會射到空間光調(diào)制器上。例如，這可以放在投影透鏡 之前或者對于較小的部件，放在孔徑光闌附近的投影透鏡內(nèi)。
屏蔽門歲丈應
由于"直視式，，LCD顯示器的開口率與微顯示器器件的開口率相比較大，像素周圍的邊界負面地影響圖像質(zhì)量。與直視式的情況不同，這 些邊界在大屏幕上相當明顯，特別是在顯示被放大的情況下。這種效應 通常稱為屏蔽門偽像，并且被認為對于數(shù)字影院投影的高質(zhì)量要求是不
可接受的。有可能通過在單個運動幀的曝光(exposure)中將個體的像 素圖像偏移約1/2孔徑邊界(aperture boarder )的距離，使得這些明 確的像素邊緣以及包圍它們的邊界弱化。通過這種方式，像素的光能擴 展到孔徑區(qū)域中，并且觀看的眼睛在時間上平均這個效應，從而使得像 素看起來填充該區(qū)域。可以調(diào)整定時或者驅(qū)動信號來控制曝光輪廓；例 如，可以使用正弦或者階躍函數(shù)。稱為抖動的這種技術有時候在打印中 使用，以便提供邊緣弱化或者增加的分辨率，如共同轉(zhuǎn)讓的Ramanujan 的美國專利號6930797中所顯示的。抖動可以通過很多方法執(zhí)行，包括 通過移動顯示面板，通過移動投影透鏡，或者通過旋轉(zhuǎn)成像路徑中的傾 斜的平光學板或者光楔。在一個實施例中，就設置在投影透鏡之前的線 柵偏振器在兩個正交方向上重復地傾斜，從而提供運動來平滑像素的頂 孔徑和側(cè)孔徑兩者。在部分示于圖27中的一個實施例中，使用無摩擦 彎曲樞軸承139將抖動板138安裝到雙軸萬向接頭。繞軸旋轉(zhuǎn)的抖動運 動可以使用電機上的凸輪，壓電推動器，螺線管，或者某種其它受控致 動器來執(zhí)行。在一個實施例中，在系統(tǒng)中在此點要求的抖動運動小于5 度。
對于元件的物理致動來減少屏蔽門效應的可選方案將是使用偏振 模糊濾光器，如在數(shù)字相機中通常使用的。散焦可能是用于屏蔽門偽像 補償?shù)淖詈唵蔚姆绞?，然而，這導致能量從一個像素到其相鄰像素的某 種交迭。利用散焦，損失一些邊緣銳度，導致調(diào)制傳遞函數(shù)上的一些減 少。另一種方案是建立對于孔徑的特定頻率的截止頻率濾光器，并將這 設計到系統(tǒng)中。
空間光調(diào)制器的安裝結(jié)構
在一個實施例中(未示出)，空間光調(diào)制器60r, 60g, 60b被一起
100-250um之間的典型"直視式"像素尺寸，機械上可以較容易地使三 個空間光調(diào)制器60r， 60g， 60b預對準到剩余的投影光學器件，使得投 影透鏡調(diào)整可以在現(xiàn)場進行以提供正確聚焦的和會聚的圖像。這種模塊
36化方案對于數(shù)字影院應用是有利的，因為包含空間光調(diào)制器60r, 60g, 60b的整個部件可以作為現(xiàn)場可更換單元^^皮去除和更換。例如，如果面 板變得損壞或者技術上陳舊，可以用未損壞的或者性能更高的部件替換 該組件。這對于基于微顯示器的投影系統(tǒng)不是那么容易。
此外，該空間光調(diào)制器組件可以用窗口 142， 143保護，窗口 I", 14 3與空間光調(diào)制器組件自身間隔開，位于調(diào)制器的成像和/或光照側(cè)。 這些窗口可以用于散開在操作中可能累積的灰塵。這些相同的窗口可以 是偏振和/或補償組件的一部分，其中膜成為窗口，或者接合到窗口基 板自身。在任一種情況下，需要AR涂層(147, 148 )來減少背反射和 光損失。此外，還期望具有可以被清潔的耐用表面，用于長期操作。圖 25中示出的通風口 144可以合并在子面板和LC面板之間，在那里可以 用經(jīng)過過濾的空氣來充分地冷卻面板和偏振器部件。
類似地，面板到面板的容差顯著大于微顯示器系統(tǒng)下的容差。例如， 保持到1/2像素的對準在微顯示器器件中大約是5微米，而在大面板中 這大約是50到100微米。因此，可能替換系統(tǒng)中的單個面板，并且或 者具有相對于調(diào)制器安裝系統(tǒng)中的基準結(jié)構的工廠參考對準，或者簡單 地在現(xiàn)場將單個面板與其它兩個重新對準。這對于藍色通道特別重要， 因為LCD材料和聚酰亞胺對準層對于藍色和UV光的較高能語最敏感。 因此，預計藍色空間光調(diào)制器將具有每個面板相對于機器和/或相對于 彼此的較短的參考安裝。示例可以包括在LCD之前間隔開的至少包含偏 振器的子面板和在LCD之后間隔開的至少包含在兩側(cè)都有AR涂層的偏 振器的子面板。
LC調(diào)制器面板
如較早關于圖14提到的，L C調(diào)制器面板6 0的尺寸可以被優(yōu)化來適 合投影設備50的性能要求。與以前使用的微型化LC0S LCD解決方案相 反，LC調(diào)制器面板60可以是大于典型的膝上型顯示器的較大尺度的器 件，大約5到20對角線英寸或者更多。盡管早期的LC面板令人失望地 慢，正在進行的工作已經(jīng)提供了 100%或者更好的速度改進，并且看起 來增加的速度是可行的。已經(jīng)報道了 4毫秒或者更短的改進的響應時間。 對于數(shù)字影院的苛刻要求，重要的是在使用的每個面板的所有碼值之間 嘗試并平^f這些響應時間。這將有助于減少運動偽像。使用快門的遮蔽或遮隱也可以被用來有效地阻斷圖像過渡期間的光。
理想地，可以將調(diào)制器面板60的大小設置為大得剛好足以利用完 全的燈系統(tǒng)光展量，而又小得足以給出最快的響應時間，具有使用標準
TFTLC面板方法制造的像素結(jié)構和電子器件的最佳尺寸。此外，大小尺 寸影響投影透鏡尺寸，從而與投影透鏡設計關聯(lián)的制造和技術因素是重 要的考慮。 一個關鍵的考慮是在可實現(xiàn)并且商業(yè)可得到的像素尺寸下實 現(xiàn)數(shù)字影院系統(tǒng)要求的分辨率，以便利用電視和監(jiān)視器使用的大面板制 造基礎設施。
傳統(tǒng)TFT LC面板器件具有在60-70°/ 范圍的開口率，明顯小于LC 微顯示器器件的大約90%的開口率。損失的開口的一些比例是由于驅(qū)動 晶體管和互連部件。然而，減少的開口率的一部分是由于作為LC器件 的濾色器陣列132 (圖7A)的一部分制造的黑矩陣。然而，因為本發(fā)明 使用具有分離的色彩通道的實施例，不需要并去除了 LC器件的濾色器 陣列。至少黑矩陣的將一種色彩與另一種色彩分開的那部分也可以被去 除，從而使得例如重新得到紅色和綠色部分之間失去的孔徑區(qū)域，產(chǎn)生 額外的有效區(qū)域(圖7B)。對于某些LC面板設計這可以得到高達8-12% 或者更多的開口率改進。盡管大部分單色LC面板保持例如這個為直視 式醫(yī)療應用制作的高分辨率TFT LC面板，該應用將受益于不再保留這 些像素遮蔽的定制面板。然而，重要的是保持晶體管結(jié)構上最高程度的 光阻斷，因為與傳統(tǒng)的大面板直視式光照相比光等級相對較高。
大TFT LC面板相對于微器件的這種減小的開口率產(chǎn)生了 20-40%之 間任意的光損失?？梢酝ㄟ^按照逐像素的基礎使用微透鏡 (micro-lens),將光聚焦到LCD結(jié)構的未開口區(qū)域，來獲得更高的效 率。該微透鏡(micro-lens )陣列可以與面板分離，但是優(yōu)選地在形成 晶體管或者孔徑阻斷陣列的相同工藝下，制造在LCD玻璃上，從而使得 像素與透鏡之間的對準是制造工藝的一部分。類似地，可以在面板的圖 像側(cè)利用微透鏡(micro-lens )陣列，來填充由于面板中的光阻斷孔徑 引起的光間隙。
投影光學器件
在圖2-4的實施例下，圖8中所示的投影透鏡70具有在直徑上相 當大的部件透鏡。為了適當?shù)夭东@調(diào)制的彩色光束中的所有光，第一透
38鏡元件(圖9的結(jié)構中最左邊)的透鏡直徑可以大致與空間光調(diào)制器 60r, 60g, 60b的對角線相同。盡管這對于傳統(tǒng)的玻璃光學器件是困難 的，應當指出盡管透鏡部件和調(diào)制器的尺寸增加，元件的光功率和需要 的光表面質(zhì)量下降。從而，可以更容易地制造傳統(tǒng)的薄玻璃或者塑料光 學器件，甚至可以通過模制來制造這些器件?？梢钥紤]將菲涅耳光學器 件，衍射光學器件，梯度指數(shù)，以及反射光學器件用于該應用。
使用反射部件的示例性實施例示于圖10和11的實施例中。這些使 用反射光學器件來彎折和會聚從空間光調(diào)制器60g和從空間光調(diào)制器 60r和60b (圖10和11中未示出)得到的多色調(diào)制彩色光束，使用二 向色表面68, 72將該光重新組合到單個輸出軸上。如之前提到過的， 反射表面有優(yōu)勢，因為它們不表現(xiàn)出橫向或者軸向色差。然而，它們表 現(xiàn)出其它誤差，諸如圖12中所示的不對稱失真。圖11中所示的第一彎 曲反射表面78將多色調(diào)制彩色光束朝著第二彎曲反射表面80重定向。 使用這種配置，第二彎曲反射表面80可以放置在投影透鏡70的焦平面 處，或者可以被用于彎折光路。在所示出的實施例中，第一彎曲反射表 面78是凹的，第二彎曲反射表面80是凸的。第一，第二彎曲反射表面 78, 80中的任一或者兩者可以是非球面的。第一反射表面78可以是環(huán) 形的來幫助減少沿著兩個主軸的失真。圖12示出將實際圖像14a與更 理想的近軸圖像14p相比，在垂直和水平視場上的失真?？梢允褂酶鞣N 類型的涂層來提供反射表面，包括二向色涂層。
圖10和11中所示的結(jié)構的另一個優(yōu)點涉及偏振。在更多偏振是有 用的情況下，該結(jié)構允許在使用分開的投影透鏡時，增加單個偏振元件， 諸如線柵偏振器，而不是每個色彩通道中都需要偏振元件。
除了在光^各中增加部件，對色彩才莫式(color profile)的改變在 一些實施例中可能是有利的。例如，盡管圖2, 3,和13示出使用傳統(tǒng) 的紅色，綠色和藍色色彩分量的集合的投影設備50,其它結(jié)構也是可能 的，包括使用額外的色彩，來提供增強的色域，伴隨將這些色彩合并到 光路中的對應的變化?；蛘?，可以使用不同的色彩分量來形成投影的彩 色圖像。
通過與圖1A中的傳統(tǒng)投影設備10相比較，圖2以及之后中的投影 設備50的結(jié)構提供了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高得多的亮度等級的系統(tǒng)。在圖1A 中的傳統(tǒng)結(jié)構的空間光調(diào)制器30r, 30g和30b是微型化的LC器件的情況下，這些器件的拉格朗日不變量和能量承載容量，將可得到的亮度的
量限制到約5000到不超過約25000流明的范圍。相反，圖2以及之后 的實施例享有擴展的流明范圍，允許大大超過30000流明、高達70000 流明或者更多的投影。
多投影透鏡實施例
參考圖17,示出為每個色彩通道使用單獨的投影光學器件的投影設 備50的實施例。投影透鏡70r, 70g和70b是分別為紅色，綠色和藍色 通道提供的。在每個色彩通道中還有額外的透鏡84用于為每個投影透 鏡70r, 70g和70b會聚光。圖18的透視圖示出 一個實施例中的光學部 件的布置。該實施例優(yōu)點在于需要的透鏡元件不是非常大，并且相當容 易制造，與微顯示器系統(tǒng)中的投影透鏡相比提供了成本優(yōu)勢。盡管可以 制作替代的多投影透鏡的配置，諸如水平的和圓形的，垂直取向具有的 優(yōu)點是能夠利用單個變形透鏡來改變投影的開口率。數(shù)字影院應用有時 候?qū)τ谔囟ǖ膱D片具有范圍從1. 85到2. 39的格式差異。因此，圖片格 式可能不匹配調(diào)制器的才各式。通常，使用上下加框(letter-boxing) 來獲得不同的開口率，然而，在使用這種方案中會損失有價值的像素。 這可以通過使用變形透鏡來光學地校正，借此圖像的一個軸比其相應的 正交軸被更多地放大。優(yōu)選實施例中該多個投影透鏡的垂直布置允許應 用單個變形透鏡附件(柱面透鏡)來拉伸或者縮小圖像寬比例。
由于空間光調(diào)制器30可能較大，如果調(diào)制器的光軸被直接導向至 投影儀之外，該多個投影透鏡將自然地在空間上間隔相當?shù)牧?。這些空 間上隔開的投影透鏡不利的地方是它們將引起圖像中的視差，以及需要 多個變形透鏡附件，或者需要非常大的單個附件。類似地， 一起保持和 調(diào)整所有三個透鏡聚焦的機構將增大。在優(yōu)選的實施例中，使用如圖26 中所示的潛望鏡布置152來將透鏡之間的距離最小化。該鏡結(jié)構進一步 有利的是通過允許旋轉(zhuǎn)鏡子對準來控制面板相互之間的橫向圖像對準， 而不用旋轉(zhuǎn)實際的面板圖像。
因為偏振校正，投影透鏡必須捕獲的水平方向上的光錐是在垂直方 向上需要的兩倍那么大。制造捕獲所有光的投影透鏡的最簡單方法是用 旋轉(zhuǎn)對稱來構造它，從而使得透鏡的f〃足以捕獲所有方向上來自光照 系統(tǒng)的最快的錐形。光照光束只不過在垂直方向上未充滿透鏡。對于考慮在兩個正交方向上具有不同的f鄺的投影透鏡存在不那么 明顯的原因。這可以通過將橢圓光闌放在投影透鏡中來實現(xiàn)。這樣^L的 一個優(yōu)點是在垂直方向上較小的孔徑將有助于消除雜散光并因而潛在 地改進系統(tǒng)對比度。垂直方向上較慢的f〃的另一個優(yōu)點是投影透鏡通
光孔徑在該方向上變得更小，并允許切掉(slab off)投影透鏡的頂部 和底部；相應地，允許更接近纟皮此地安裝透鏡，,人而減少來自三個分開 的投影透鏡的視差的影響。
立體效果投影
對于基于影院的投影，在獲得立體的、或者所謂的"3-D"投影方 面有相當?shù)呐d趣，特別是隨著劇場中的數(shù)字投影儀的出現(xiàn)。最高質(zhì)量的 立體效果系統(tǒng)對于左眼和右眼使用不同的偏振狀態(tài)，利用觀看者使用的 適當設計的眼鏡來根據(jù)光的偏振透射和阻斷光。通常，對于兩個不同的 視圖使用左手和右手圓偏振狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)離開投影儀的光的偏振狀態(tài)的LC 轉(zhuǎn)換器件通過用這兩種偏振狀態(tài)工作，能夠更好地處理具有彩色偽像的 全光譜。大面板LC投影在這種應用中的優(yōu)點在于離開成像系統(tǒng)的光由 于LC調(diào)制的本質(zhì)而已經(jīng)是以特定狀態(tài)偏振的。從而，可以將轉(zhuǎn)換裝置 與投影透鏡合并或者合并在其中，來在時序的基礎上將偏振的輸出狀態(tài) 轉(zhuǎn)換到用于每個眼睛的正確狀態(tài)。這種系統(tǒng)在亮度上優(yōu)于基于DMD的系 統(tǒng)，基于DMD的系統(tǒng)必須在進行這種轉(zhuǎn)換之前對光進行偏振。目前，僅 顯示了 5 ft 朗伯的大屏幕數(shù)字3-D投影，這明顯低于對于傳統(tǒng)數(shù)字影 院投影標準化的14 ft 朗伯。很清楚當前系統(tǒng)不滿足可以由該高光展 量系統(tǒng)給出的最佳成像性能。
參考圖16,諸如來自Colorlink, Boulder, Co，的ALPStra器件的偏 振轉(zhuǎn)換器件82可以放置在"整理"分析器之后的成像器的輸出側(cè)上。 在單透鏡系統(tǒng)的情況下，偏振轉(zhuǎn)換器件82需要為所有色彩帶消色。在 圖17的三投影透鏡方案中，可以使用三個單獨的偏振轉(zhuǎn)換器件(旋轉(zhuǎn) 偏振狀態(tài)用于左眼和右眼)。這種替代布置簡化了偏振轉(zhuǎn)換器件的結(jié)構， 從而使得它只需要在較小的光謙帶上的消色性能，潛在地允許使用線偏 振。線偏振具有成本優(yōu)勢，因為它需要沒有遲滯材料的偏振器，不像通 常使用的圓偏振觀看眼鏡。
另 一種立體效果實施例使用線偏振光，其中用于左眼的光相對于用于右眼的光被再次正交偏振，并且為左眼和右眼圖像使用單獨的LC面
板，如圖24中所示。偏振分束器210將一種偏振導向第一色彩調(diào)制部 90a,將正交偏振導向第二色彩調(diào)制部90b，在圖24中僅以輪廓表示； 實踐中，第二色彩調(diào)制部90b將具有與用于第一色彩調(diào)制部90a相同的 部件布置。利用這種布置，兩種不同的偏振狀態(tài)可以被同時投影到眼睛， 而眼睛之間沒有可感知的閃爍，在存在對于每個眼睛交替的暗狀態(tài)時發(fā) 生這種閃爍。此外，通過為每個眼睛使用單獨的LC面板將減少運動偽 像，因為不需要兩倍于單面板實施那么快地驅(qū)動這些面板。相應地，在 其中一個投影通道(左或右眼)上使用半波板來旋轉(zhuǎn)偏振，使得直到調(diào) 制LC面板，兩個光路是一致的，使用進入光學器件和LC器件的相同的 優(yōu)選偏振狀態(tài)。例如，不是使用偏振校正方案來將光照偏振旋轉(zhuǎn)到單個 狀態(tài)，而是每個正交偏振狀態(tài)可以被用于發(fā)出光照到一組大的TFT面板 上，每組用于通過單個眼睛的觀看。在面板之前使用半波板從而使得進 入面板的偏振狀態(tài)是相同的。在成像側(cè)，需要另一半波板來旋轉(zhuǎn)一個面 板的偏振狀態(tài)，使得每個眼睛看到正交偏振狀態(tài)的光。
使用偏振來提供左眼和右眼之間不同的信息的一種可選方案是采 用偏移的光譜點。在這種情況下，每個眼睛的光照源可以使光譜偏移以 順序方式發(fā)生，由此觀看者佩戴僅允許優(yōu)選的光譜進入各個眼睛的裝 置。另一個選擇將是為每個眼睛提供單獨的LC面板組，由此光照被導 向至適當?shù)拿姘褰M。在任一情況下，重要的是適當?shù)厣势胶饷總€眼睛， 從而使得白色點基本匹配。
具有使用更亮的光源的能力以及對于大面積圖像發(fā)生器的使用，如 圖2以及后面中的使用TFT LC調(diào)制器面板60r, 60g, 60b的投影設備 50提供在40-50 %量級的總體效率。這與圖1A中所示的較早的LCOS LCD 設計的典型效率形成對比，在其中，如較早提到的，低很多的效率是常 見的。此外，本發(fā)明的投影設備50比傳統(tǒng)投影儀設計提供更高的亮度， 以更高的光展量工作，與增加的光展量導致更復雜和昂貴的光學設計的 一般概念形成對比。
已經(jīng)特別參考某些優(yōu)選實施例詳細描述了本發(fā)明，但是將理解，在 如上所述以及如同所附權利要求書中記載的本發(fā)明的范圍內(nèi)，本領域技 術人員可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下實現(xiàn)各種變化和修改。例 如，可以使用可選的新近提出的TFT部件類型，包括基于共軛聚合物、低聚物或者其它分子的有機薄膜晶體管(0TFT),以及利用散布良好的
單層單壁碳納米管的薄膜晶體管。空間光調(diào)制器可以使用液晶技術進行 光調(diào)制，或者可以使用最近開發(fā)的、使用法拉策效應調(diào)制光的磁光子晶
體(MPC)器件。因此，所提供的是使用TFT LC面板來形成投影圖像的 電子投影設備的設備和方法。部件列表 10.投影設備 12.均勻化光學器件
14a， 14p， 14r, 14g, 14b.圖像 2 0.光源
20r，20g，20b.光源，紅色；光源，綠色；光源，藍色 22.均勾化元件
22r,22g，22b.均勻化元件，紅色；均勻化元件，綠色；均勻化元件， 藍色
24r,24g, 24b.偏振分束器，紅色；偏振分束器，綠色；偏振分束器， 藍色
26. 二向色組合器 28.光照源
30r，30g，30b.空間光調(diào)制器，紅色；空間光調(diào)制器，綠色；空間光調(diào)
制器，藍色
32.投影透鏡
34.偏振器
36.偏振分束器
38.光照光束
40.顯示表面
42.半波板
44.涂層
48r，48g, 48b.偏振器 5 0.投影設備 52.冷鏡
54, 56. 二向色表面 58.反射表面
60r，60g, 60b空間光調(diào)制器
62. 遠心透鏡
64, 66鏡子
68. 二向色表面
70, 70r, 70g, 70b.沖殳影透鏡72. 二向色表面
76.分色器
78， 80.反射表面
82.偏振轉(zhuǎn)換器件
84.菲涅耳場透鏡
90，90a，90b.色彩調(diào)制部
92.色彩組合器
94.半波板
96.偏振器
98.鏡子
102.鏡子
118. LC調(diào)制器面板
12 0. LC材料
122.薄膜晶體管
124. ITO層
126.玻璃
128.偏振器
130.補償膜
132.濾色器陣列
134,136.抗反射涂層
137. 傾斜的偏振器
138. 抖動板
139. 無摩擦彎曲樞軸承
140. 介質(zhì)電子電3各
141. 電源 142,143.窗口 146.任選的散射層 147,148.抗反射涂層 150.除塵密封
152. 潛望鏡(periscopic mirror)布置 180.泡燈(bubble lamp) 182.弧隙
45190, 190r， 190g, 190b. LED陣列
192.偏振分束器
194.波板
196.散熱器
198.芯片基板
200. LED
202.偏振分束器
2 04.光照中繼
2 06.點
208.強度曲線
210.偏振分束器
250r， 250g， 250b.色彩通道
0，Or, Og，Ob.光軸
，
射點像
t焦圖
4 6 8
8 oo OO
權利要求
1. 一種數(shù)字影院投影設備，包括a)光照源，具有第一光展量值，用于提供偏振多色光；b)第一透鏡元件，位于偏振多色光的路徑中，用于形成基本遠心的偏振多色光束；c)分色器，用于將遠心的偏振多色光束分為至少第一遠心彩色光束和第二遠心彩色光束；d)位于第一遠心彩色光束的路徑中的第一透射空間光調(diào)制器，其調(diào)制第一遠心彩色光束來形成第一調(diào)制彩色光束，其中存在與第一空間光調(diào)制器關聯(lián)的第二光展量值，并且其中第二光展量值超過第一光展量值；e)位于第二遠心彩色光束的路徑中的第二透射空間光調(diào)制器，其調(diào)制第二遠心彩色光束來形成第二調(diào)制彩色光束，其中存在與第二空間光調(diào)制器關聯(lián)的第三光展量值，并且其中第三光展量值超過第一光展量值；f)至少第一和第二投影透鏡，用于將至少第一和第二調(diào)制彩色光束朝顯示表面導向。
2. 如權利要求1所述的設備，還包括第一會聚透鏡，用于將第一 遠心彩色光束導向通過第 一透射液晶空間光調(diào)制器。
3. 如權利要求1所述的設備，其中第一空間光調(diào)制器具有大于約5 英寸的有效表面對角線。
4. 如權利要求1所述的設備，其中多色調(diào)制光束超過5000流明。
5. 如權利要求1所述的設備，其中第一透鏡元件包括菲涅耳透鏡。
6. 如權利要求1所述的設備，還包括至少一個調(diào)制彩色光束的路 徑中的第二透鏡元件。
7. 如權利要求1所述的設備，還包括至少一個調(diào)制彩色光束的路 徑中的第一補償器。
8. 如權利要求7所述的設備，還包括設置在笫一補償器和投影透 鏡之間的第 一 偏振分析器。
9. 如權利要求7所述的設備，還包括至少一個遠心彩色光束的路 徑中的第二補償器。
10. 如權利要求1所述的設備，還包括至少一個調(diào)制彩色光束的路 徑中的偏振旋轉(zhuǎn)器。
11. 如權利要求1所述的設備，還包括光學耦合到光照源的均勻化器。
12. 如權利要求1所述的設備，其中光照源包括從LED, LED陣列， 氛燈和水銀燈構成的組中取的元件。
13. 如權利要求11所述的設備，其中均勻化器包括微透鏡陣列。
14. 如權利要求11所述的設備，其中均勻化器包括積光棒。
15. 如權利要求1所述的設備，其中光照源還包括用于一部分光照 的偏振旋轉(zhuǎn)元件。
16. 如權利要求1所述的設備，還包括提供色彩再循環(huán)的反射型濾 色器陣列。
17. 如權利要求l所述的設備，其中至少一個空間調(diào)制器是透射薄 膜晶體管液晶調(diào)制器。
18. 如權利要求17所述的設備，其中薄膜晶體管是有機薄膜晶體管。
19. 如權利要求17所述的設備，其中薄膜晶體管包括碳納米管。
20. 如權利要求l所述的設備，其中光照源還包括線柵偏振器。
21. 如權利要求10所述的設備，其中偏振旋轉(zhuǎn)器是吸收型偏振器。
22. 如權利要求IO所述的設備，其中偏振旋轉(zhuǎn)器是反射型偏振器。
23.如權利要求1所述的設備，還包括位于遠心偏振多色光的路徑中的漫反射偏振器膜。
24. 如權利要求1所述的設備，還包括位于第一遠心彩色光束的路 徑中的色散式光學部件。
25. 如權利要求1所述的設備，其中至少一個透射液晶空間光調(diào)制 器具有大于約IO英寸的有效表面對角線。
26. 如權利要求1所述的設備,其中至少一個透射液晶空間光調(diào)制 器形成在非晶體基板上。
27. 如權利要求1所述的設備，其中分色器還形成第三遠心彩色光 束，并且該設備還包括位于第三遠心彩色光束的路徑中的笫三透射空間 光調(diào)制器，其調(diào)制第三遠心彩色光束來形成第三調(diào)制彩色光束，以及；還包括第三投影透鏡，用于將第三調(diào)制彩色光束朝顯示表面導向。
28. 如權利要求l所述的設備，其中至少一個透射液晶空間光調(diào)制 器包括抗反射涂層。
29. 如權利要求1所述的設備，其中該至少兩個透射液晶空間光調(diào) 制器和它們各自的投影透鏡之間的光路長度不同。
30. 如權利要求10所述的設備，其中偏振旋轉(zhuǎn)器包括堆疊的偏振器。
31. 如權利要求l所述的設備，其中至少一個投影透鏡是變形的。
32. 如權利要求l所述的設備，其中至少一個透射液晶空間光調(diào)制 器包括灰塵阻擋器。
33. 如權利要求l所述的設備，其中光照源包括泡燈。
34. 如權利要求33所述的設備，其中光照源對泡燈的側(cè)輪廓成像。
35. 如權利要求1所述的設備，其中光照源包括至少兩個具有不同 光譜范圍的LED。
36. 如權利要求1所述的設備，還包括從電機，壓電致動器和螺線 管構成的組中取的至少一個抖動致動器。
37. 如權利要求36所述的設備，其中該至少一個抖動致動器驅(qū)動線柵偏振器。
38. 如權利要求1所述的設備，還包括至少一個調(diào)制彩色光束的路 徑中的模糊濾光器。
39. 如權利要求1所述的設備，還包括至少一個調(diào)制彩色光束的路 徑中的模糊濾光器。
40. 如權利要求l所述的設備，還包括至少一個調(diào)制彩色光束的路 徑中的旋轉(zhuǎn)板。
41. 如權利要求40所述的設備，其中旋轉(zhuǎn)板相對于光軸傾斜。
42. 如權利要求1所述的設備，還包括遠心偏振多色光的路徑中的 快門。
43. 如權利要求1所述的設備，其中該至少兩個透射液晶空間光調(diào) 制器被安裝為單個現(xiàn)場可替換單元。
44. 如權利要求2所述的設備，還包括第一調(diào)制彩色光束的路徑中 的第二會聚透鏡。
45. 如權利要求1所述的設備，還包括至少一個調(diào)制彩色光束的路 徑中的偏振器。
46. 如權利要求45所述的設備，其中偏振器是從吸收型偏振器和 線柵偏振器構成的組中取的。
47. 如權利要求1所述的設備，還包括至少一個潛望鏡組件來將拔 影透鏡更接近地封裝在 一起。
48. 如權利要求l所述的設備，其中至少一個透射空間光調(diào)制器使 用磁-光子晶體調(diào)制。
全文摘要
一種數(shù)字影院投影設備，包括光照源，該光照源具有第一光展量值用于提供偏振多色光。第一透鏡元件位于偏振多色光的光路中，用于形成基本遠心的偏振多色光束。分色器將遠心偏振多色光束分為至少兩個遠心彩色光束。至少兩個透射空間光調(diào)制器調(diào)制該兩個遠心彩色光束。存在與每個空間光調(diào)制器關聯(lián)的光展量值。所述光展量值在對應于光照源的第一光展量值的15％之內(nèi)或者大于第一光展量值。色彩組合器沿著公共光軸組合調(diào)制彩色光束，由此形成多色調(diào)制光束；以及投影透鏡將多色調(diào)制光束朝顯示表面導向。
文檔編號H04N5/74GK101455077SQ200780019325
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月22日 優(yōu)先權日2006年5月26日
發(fā)明者B·D·西爾弗斯坦, J·R·基歇爾, J·R·比特里 申請人:伊斯曼柯達公司