CN100385291C - 具有偏振和颜色回收的成像光源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于显示***的偏振彩色光源，在该显示***内其它偏振态和颜色的光被再循环。颜色可以与显示器同步地滚动。在一种实施方式中，本发明包括具有面对灯(11)的输入孔径(19)的管道(21)，接收来自所述灯的具有多偏振态的光，并将来自所述灯的光引导到与所述输入孔径(19)相对的输出孔径(23)，所述管道在所述输入孔径附近具有反射面(29)，以在所述管道内向所述输出孔径反射光；反射偏振器(25)，将一种偏振态的光向所述输入孔径反射，并透射另一种偏振态的光；颜色反射器(25)，透射一种色域内的光，并朝所述输入孔径反射另一种色域的光。

Description

具有偏振和颜色回收的成像光源
技术领域
本发明总的涉及偏振彩色光源领域，例如用于直接或通过投影观看计算机和视频显示器的光引擎。具体地，本发明涉及回收舍弃的(rejected)偏振态和颜色以提高亮度的光源。
背景技术
许多用于投影和直接观察***的显示器都是基于偏振进行工作的。这类显示器包括反射式显示器，如LCoS(硅基液晶)、超扭转向列(STN)、铁电显示器，以及透射式显示器，如薄膜晶体管(TFT)、多晶硅(p-si)和硅绝缘体(SOI)显示器。根据入射光的反射或透射，这些显示器可以通过改变偏振态生成高分辨率的图像。
例如在LCoS显示器中，在暗态下，像素反射所有的光，偏振态基本不发生改变。而在光亮状态下，像素将反射的入射光的偏振态旋转为相应的正交态。通过用偏振光照明显示器然后滤掉该偏振态的接近所有的反射或透射光，显示图像就可以被人眼观察到，或者可以通过投影到观看屏幕上观察。
因为大部分传统的低成本光源产生混合偏振态的光，所以通常用PBS(偏振分束器)分解光。一种偏振方向的光传播穿过PBS，而正交偏振方向的光被PBS反射。另一种常用的方法是使用吸收一种偏振方向的光的偏振滤光器。通常，在这种没有偏振转换***的***中，有一半的光会因为反射或吸收而损失。从而导致比较昏暗的显示，或者需要比较亮的光源。在投影仪中，比较昏暗的显示更难看清，而较亮的光源会增加能耗和投影***的成本。由于通常产生的额外热量，这种较亮光源可能需要较大的外壳来提供足够的空间用于冷却，或者容纳一个风扇来冷却光源。然而，风扇增加了额外成本，能耗和噪音。已经研制偏振转换***来回收一些损失光。然而，大部分通常所用的偏振转换***采用昂贵的多PBS(偏振分束器)。
近年来，对更快速开关液晶和铁电LC技术的研制已经使单面板投影***成为可能。在单面板投影***中，需要偏振光以及顺序或滚动的颜色。在场序制单面板投影***中，用短脉冲(burst)红、绿和蓝光照明显示器，同时显示器同步于脉冲光源来反射图像的合适彩色分量。白光或者其它颜色的光脉冲也可以单独使用，或者结合红、绿和蓝光使用。这些短脉冲可以来自于色轮或来自于脉冲LED(发光二极管)。在人类感知中，快速交替的红、绿和蓝色图像混合形成全色的显示图像。然而，对于每个脉冲，场序制***都需要一个明亮的单色光源。而这些光源通常并不很亮或者效率很低。
在滚动或行(row顺序单面板***中，颜色可以在显示器上滚动，并且显示器每次更新一行而不是更新整个帧。在一些具有低响应时间的液晶显示器中，这种方法特别有用。已经研制色轮和彩色转鼓来提供随显示器各行的更新、在显示器上滚动的色带。这些色轮和彩色转鼓使用滤光器来透射通常为红、绿或蓝中仅仅一种颜色的光。而剩余(约三分之二)的光被损失掉，从而又降低了显示的亮度。从而又需要较亮的光源来补偿这些损失。在另一种***中，使用棱镜和滤光器的复杂组合使彩色光在显示器上滚动，然后将该光重新引导向投影屏幕。这种***不会损失与前述同量的光，然而却需要复杂的精确对准和同步旋转的棱镜***。
发明内容
本发明提供一种用于显示***的偏振彩色光源，在该显示***内其它偏振态和颜色的光被重复利用。该颜色可以与显示同步地滚动。在一种实施方式中，本发明包括具有面对灯的输入孔径的管道，接收来自所述灯的具有多偏振态的光，并将来自所述灯的光引导到与所述输入孔径相对的输出孔径，所述管道在所述输入孔径附近具有反射面，以将光在所述管道内向所述输出孔径反射；反射偏振器，将一种偏振态的光向所述输入孔径反射，并透射另一种偏振态的光；颜色反射器，透射一种色域内的光，并将另一种色域的光向所述输入孔径反射。
本发明的其他特征将从所附附图以及以下的详细描述中显而易见。
附图说明
本发明借助于实施例进行说明，这些实施例并不是为了限制本发明。在附图中，相同的附图标记表示类似的元件，其中：
图1是依照本发明一种实施方式、具有管道和带调制滤光器的光源的横截面图；
图2是示出应用滚动颜色的带调制滤光器的横截面图；
图3A是在特定时刻由图1所示实施方式生成的滚动颜色的光帧的示意图；
图3B是在另一时刻图3A的光帧的示意图；
图4是依照本发明一种实施方式的光源和结合了显示器的带调制滤光器的横截面图；
图5是依照本发明第二实施方式的具有管道和彩色转鼓的光源的横截面图；
图6是示出图5所示光源的顶视图的横截面图；
图7是示出可以用在图1、4、5和6任一实施方式中的基于LED的可替代光源的横截面图。
具体实施方式
本发明在用于投影或直接观看的反射式和透射式显示器的照明光源内提供颜色和偏振回收。通过利用光管道和紧密设置的反射滤色器如带调制滤光器(BMF)或彩色转鼓，所得到的照明***与现有设计相比，具有较低的成本，以及在亮度和对比度方面具有相同或更高的***性能。这种***可以用作投影***以及很多其它***内反射液晶(LC)显示器的PCS(偏振转换***)。
本发明一种实施方式的一个实施例在图1中示出。图1的这种实施方式特别适合于采用单反射式显示器如LcoS显示器的投影仪，然而，任何其它的反射式或透射式显示器也可以采用。在图1所示的这种实施方式中，示出的各部分构成反射式显示器的前灯(front light)。简单地说，来自投影仪灯***11的光通过反射器15向聚焦透镜13引导。或者，聚焦透镜的功能可以结合在反射器内。聚焦透镜引导光通过紫外和红外滤光器17，然后所述光进入光管道21的输入孔径19。光传播穿过管道的输出孔径，进入BMF 25。从那里开始，光被引导通过一些光学***27，然后入射到反射式或透射式显示器(未示出)上。
在LCoS***中，来自BMF的被滤色的P偏振光可以引导至分束立方体(beam cube)并被反射以入射到显示器上。然后，该P偏振光从显示器反射作为S偏振光，该S偏振光被反射通过分束立方体，然后进入投影透镜。该投影透镜将显示成像在屏幕上。这些图像可以是来自任何类型的图像或视频介质的静止或运动图像。这种***可以用作计算机生成幻灯片和数字源成像的投影仪，然而，许多其它应用例如游戏、电影、电视、广告以及数据显示都可以进行。本发明也可以很容易地适合于透射式显示器以及用于需要偏振、滤色照明的任何类型的膜或板。为了简化附图，这种显示和投影***没有在图1中示出。图1的***也可以结合到多种显示驱动器(未示出)上。这些显示驱动器接收图像或视频信号以及电源，并将信号转换成适合驱动BMF、显示器和灯***的形式。
管道对光进行部分准直，并使其具有所需的均匀横截面形状。一般的管道具有矩形横截面，然而，任何类型的光准直器件或光源也可以使用。对于一般的投影仪，所需横截面形状为矩形，其设计成适应投影图像的长宽比。例如，这些图像对于计算机显示可以具有4∶3的长宽比，对于电影显示可以具有16∶9的长宽比。该长宽比可以选择以与显示器17的长宽比相匹配。如果需要，多种已知的技术都可以用来补偿在长宽比方面与显示器不同的投影图像。
这种显示和投影***(未示出)可以采取多种不同的形式。在一种实施方式中，这种观察光学***是将图像投射到屏幕上的投影透镜***。在另一种实施方式中，这种观察光学***是具有放大光学***的观看屏幕。这种观察光学***可以包括检偏器，如碘类PVA(聚乙烯醇)膜，或者线栅偏振器，以滤除任何杂射的P偏振光，增强对比度。检偏器和偏振滤光器也可以放置在***的其它位置处，只要其适用于特定的应用或灯***。
更详细地考虑图1的实施例，灯11可以是任何类型的不同光源。对于投影仪，合适的例子是称作超高性能(UHP)弧光放电灯的小型弧光灯，目前它在消耗大约100W的能量下产生约6000流明的具有混合随机偏振的白光。这类灯通常包括双曲线反射器15，以在很小的区域内引导放电。取决于具体的应用，可以采用其它的光源和灯设计，包括LED(发光二极管)和其它固态照明源。
来自弧光灯11的光通过小透镜13聚焦到管道21的输入孔径19。这种管道21也称作偏振再循环棒或者偏振再循环管道或者棒型积分器。这种管道可以由具有矩形横截面的固态玻璃棒或高反射率的光管道材料制成。中空管道可以采用中空光积分棒的形式。它可以由任何具有或涂覆有反射内壁的刚性材料制成。任何类型的反射涂层，如银或反射镜涂层都可以使用。输入孔径和输出孔径可以由位于相对的端壁上的开口形成，并且反射镜涂层也可以涂覆在开口周围的端壁上。如下所述，玻璃棒积分器的特征在很大程度上也可以应用于中空的棒积分器。
在玻璃棒管道内，端面和侧面可以抛光为平面。这使得管道内光的传播有规则。输入孔径19可以通过在管道的端面上涂覆反射镜涂层29而形成在一端。该端面例如约三分之一的环形透明区域并不反射，以形成输入孔径。在一种实施方式中，反射镜涂层完全包围输入孔径。基于灯和投影或显示光学***的集光率(Etendue)，输入孔径的精确尺寸可以选择以最大化棒的效率。管道内的光在向输出孔径23传播的路径上多次反射离开积分器的壁从而变得均匀。在足够的管道长度下，管道末端处的光分布会变得充分均匀，从而照明显示器。该管道可以依赖于沿其长度的全内反射，并且也可以覆盖反射涂层。
为了进行偏振回收(recovery)或再循环，在管道的出射端处放置胆甾偏振器31(参看图2)。然而，也可以采用其他类型的反射偏振结构，例如各向异性-各向同性聚合物膜叠层或介质膜叠层。也可以使用线栅偏振器替代胆甾偏振器。这类偏振器例如在授予Perkins等人的美国专利US6,122,103中有所描述。合适的线栅偏振器有ProFluxTM偏振器，可以从美国犹他州的Moxtek获得。这种反射偏振器仅允许一种偏振态的光透过。其他的偏振态会被反射回输入孔径。当胆甾滤色器用在如BMF中时，该偏振器是圆偏振器。对于其他类型的滤色器，可以采用线偏振器。在一种实施方式中，输出孔径23仅覆盖管道端面的小部分，而偏振器覆盖整个输出孔径。端面的剩余部分进行反射，以使反射镜完全包围输出孔径。在另一种实施方式中，输出孔径是管道的整个端面。偏振器可以横跨整个端面放置。输出孔径的最佳尺寸取决于所用滤色器的类型和集光率以及***整体光学设计的其他方面。
从输出孔径反射的光向输入孔径返回。其中一些光通过输入孔径返回至灯，这些光或者被吸收，或者被散射，或者被灯反射器11再次聚焦进管道。剩余的光反射离开输入孔径周围的端面。通过管道的路径可以包含许多离开管道壁的斜反射，并且当光被反射回输出孔径时，该许多斜反射可能引起光偏振态的变化。这足以允许至少一些光通过输出孔径，从而被用来照明显示器。剩余的光被再次反射，并具有第三次机会向后反射。
为了提高被回收的光量，可以将偏振旋转器放置在光管道内的某处。结果，当大部分反射光回到输出孔径时，其偏振态发生旋转，透射通过偏振器。该偏振旋转器可以为多种不同的形式，而且可以放置在多种不同的位置处，如现有技术中已知的那样。在一个实施例中，四分之一波长的箔片放置在反射偏振器上，另一个四分之一波片放置在具有反射镜的输入孔径附近。这些四分之一波片共同旋转反射光的偏振方向，并在出口处使其具有第二次机会。与没有偏振旋转器的管道相比，一对四分之一波长偏振旋转器件可以将管道的光输出提高百分之八十五。
当胆甾偏振器用作反射偏振器时，则反射的圆偏振态将被围绕输入孔径的反射镜转换，或者如果光通过输入孔径则被灯反射器转换。这可以极大地提高回收的光量，同时不需要管道内的偏振旋转器。当采用线反射偏振器如线栅偏振器时，两次通过单个四分之一波片后的反射光会沿正交方向线性偏振。然后通过反射偏振器。在任一情形中，偏振的变化也可以根据来自管道侧面的反射发生。相位涂层可以涂敷到管道的侧面，以进一步地提高效率。
在图1所示的实施方式中，胆甾偏振器结合在电学可控的固态胆甾带调制滤光器(BMF)25内，该BMF 25反射一种偏振态和任何不需要颜色的光，而透射所需颜色和偏振态的光。如图2更详细示出的，该BMF具有对每种颜色可单独控制的结构33、35、37。每种结构或者透射特定颜色的光且同时反射剩余颜色的光，或者透射所有颜色的光。一起工作时，这些结构也可以用来反射所有颜色。通过控制这些结构，任何三种颜色以及黑和白色的光都可以透射。例如，通过反射红色和绿色，蓝色被透射。该BMF起着类似于传统投影仪***内色轮的功能，产生用于显示器的红色、绿色、蓝色，以及在某些情形中，产生白色或者不产生光。
这种BMF可以由堆叠的胆甾滤色器结合四分之一波片和快速铁电液晶(FLC)开关制成。胆甾滤色器起着用于特定色域的反射式圆偏振器的作用。该滤光器仅透射一种圆偏振和色带的光，而反射其余的光。四分之一波片将圆偏振光转换成线偏振光。依据液晶的状态，FLC开关透射具有或不具有偏振旋转的线性偏振光。通过在FLC开关之后放置另一个四分之一波片和胆甾滤色器，可以透射所需颜色，反射剩余的颜色。使用具有适当四分之一波片的三组滤色器和三个FLC开关，就可以制得开关三色滤色器(switching three-color filter)。也可以采用其它的方式来生成不同类型的BMF。通常，红33、绿35和蓝37的光带被选择用于胆甾滤色器，因为这些颜色通常用作彩色显示器的成分。然而，胆甾滤色器可以设计用于任何所需的色带。其它的层也可以增加用于需要增强的具体颜色，或用于特定的显示功能。
在图2的视图中，在前置偏振器31之后，示出的五条光线30入射到基于胆甾滤色器、分段FLC开关和四分之一波片的红色滤色器结构33上。该FLC开关为具有足够分辨率的分段器件，以便每条光线可以单独地处理。换句话说，对于该三个滤色器结构中每一个处的每条光线，滤色功能都是可以独立地控制的，从而每条光线的输出型式(version)都可以切换成所需颜色。在一个实施例中，红色滤色器结构被切换成仅仅透射顶部三条光线32的青色光，同时透射底部两条光线34的所有光。剩余光被反射。然后，青色光和白光入射到绿色滤光器35上。该绿色滤光器可以使第三条青色光线32和第五条白色光线34不受影响地通过。而其余三条光线被滤掉，使顶部的两条青色光32被转变成蓝光36，第四条白色光线34被转变成品红色光38。然后，这些光线入射到蓝色滤色器结构37上。在本实施例中，这个滤色器被切换成仅滤掉第一、第三和第四条光线。
第一条蓝色光线36被蓝色滤光器滤掉，从而完全没有光通过，得到黑色光线42。第二条蓝色光线被透射，得到蓝色光线36。第三条青色光线32被滤掉，得到绿色光线44。第四条品红色光线38被滤掉，得到红色光线46，第五条白色光线34没有被滤掉，保持白色。因而，任何一条输入的白色光线都可以转换成三种颜色中的任何一个，黑色或白色。从而，这允许显示器上的照明可以通过合适的驱动器进行控制，而且该照明同步于显示器。
通过改变各个FLC开关的状态，就可以改变BMF的光输出的颜色。若胆甾滤色器是红色、绿色和蓝色，则输出可以在红色、绿色和蓝色之间进行切换，从而交替地照明显示器。关闭所有的滤色器就提供黑色或者没有光，并且组合各个输出可以提供白色，以及红色、绿色和蓝色。这种类型的BMF具有的优点在于其没有显著的吸收，从而大部分舍弃的光被反射回管道内。也可以使用其它类型的BMF或其它的颜色反射结构。上述的BMF仅仅作为一个例子给出。
一些显示器以场序制的方式来使用，其中显示器顺序地生成三基色中的每种颜色或者白色的整个图像。这需要显示器和光源可以快速地切换，并且需要不连续的照明，以降低投影或观看图像的亮度。对于比较平滑和较亮的图片，或者为了供较低而且通常较廉价的显示器使用，可以采用滚动的颜色。在滚动显示器中，显示器每次单行地循环通过各基色。在任一时刻，显示器可以被不同行上的红、绿和蓝光照明。光源必须是同步的，以在合适时刻用适宜的颜色照明每行。
图3A和3B示出在光被聚焦在显示器上时从滚动光源出射的光的视图。在图3A中，光场40分段为三个色带，红色带43、绿色带45以及蓝色带47。这些色带也可以参看图2，其中示出光线如何产生出图3A的色带。这些色带横移过光场，从而在图3B(示出稍后时刻的相同光场40)中，这些色带沿光场下移。蓝色带已经部分地滚动出光场的底部，并且部分已经在顶部再次出现。这种方法可以使除显示器一些行外的其它所有行几乎恒定地照明。仅仅那些改变成下一颜色的行不对图像做出任何贡献。黑色带(未示出)可以置于这些色带之间，以避免发生变化的行影响显示。采用旋转棱镜、旋转彩色转鼓以及顺序颜色重获(SCR)转盘，已经对同步滚动彩色显示器进行了研究。
通过利用每个LCF开关的可寻址液晶结构这种优点，这种滚动颜色方法可以适合于BMF。在BMF的每个LCF开关内，采用目前应用于液晶显示器的已知寻址分段技术，可以进行单独地可寻址水平分段。由于水平行是不复杂的像素结构，而且由于这些行是密集结合的，因此两个水平段之间的接缝与***的分辨率相比可以非常小。接缝在最后的图片内并不会注意到，部分因为BMF并未精确地成像在显示器处，减小了接缝的清晰度，部分因为照明光学***内很小的成像人为因素易于使接缝变得模糊不清。
不同的段可以单独寻址，以与显示面板同步滚动。或者，如果使用较慢且较廉价的LCD面板，则可以使BMF的时间稍稍先于面板，以便在显示面板切换的同时BMF已经改变颜色。这种些微的时间差也可以提高较快LCD的图像质量。如果显示面板也基于液晶技术，如铁电液晶，则这会使两个***的同步和构建更加容易。这类技术已经能够使切换时间快于100微秒。现有的技术能够很容易地适合于使BMF同步于显示器。
每个水平段的颜色可以单独地控制。通过单独地寻址该三个FLC开关，可以使红、绿、蓝和白色宽条纹在显示器上垂直地滚动。通过使BMF的滚动速度与显示器相匹配，该***可以产生出会被人类视觉合并为单色显示的滚动颜色。密集结合的水平段的数目可以为获得最大的***性能而最优化。换句话说，这些段沿与显示器的行写入速度相匹配的垂直扫描方向改变颜色(R、G、B、W)。这种方式既可以应用于透射式显示器也可以应用于反射式显示器。为了提高颜色饱和度，在有色条纹之间可以将BMF的一个或多个水平段改变为黑色。这就给显示器更多的时间进行切换。这里给出的水平和垂直是作为滚动颜色的一些例子。各个段和滚动的具体方向可以改变。另外，采用直线不是必要的，在显示器上任何形状和任何方向的颜色行进移动都是可以采用的。
BMF也可以配置成具有行值和列值的单个可寻址像素。这些像素可以对应于单个显示面板像素或者对应于一组显示面板像素，以便采用类似于显示器所用的传统LCD寻址技术，可以在不同的时刻用不同的颜色照明图像的不同部分。BMF像素组的颜色可以以任何所需图案在显示面板上滚动。像素的单色块或者BMF的各个段在尺寸方面可以动态地改变，以最优化显示结果，如图3B的滚动色带所示，或者，像素的单色块或者BMF的各个段也可以固定。上述实施方式的直线被认为是易于实施和理解的。
BMF不吸收不需要的偏振和颜色的光，但将所有舍弃的光反射回管道内。如所示的实施方式中，通过设置BMF使其覆盖管道的整个出射端面来确保反射。在另一种实施方式中，BMF可以放置在离输出孔径很短的距离处，以使从管道输出孔径出射的光入射到BMF上并被反射回输出孔径内。透镜可以放置在输出孔径与BMF之间，以允许孔径和BMF之间的距离增大同时不引起显著的光损耗。
通过配置BMF使其同时透射不止一种颜色，该管道可以用来回收一些向后反射的不需要颜色的光，这类似于管道怎样用于回收不需要的偏振。若两种或多种滚动或者静态的颜色可以同时透射通过BMF，如图3A所示，则任何反射回光导管的颜色都得到第二次机会。从BMF反射的颜色会再进入光导管，并通过输入孔径附近的反射镜向光导管的输出孔径反射。由于具有偏振回收，因此错过反射器并传播到输入孔径外的一部分光可以被灯反射器15通过输入孔径反射回管道内。从而，该光可以被回收。在从输入孔径到输出孔径的来回行进期间，管道内可能存在着一些反射，这些反射将改变向后反射的光线的方向。然后，光可能会从输出孔径出射，再次入射到BMF上。如果光在第二次入射到BMF上时入射到BMF透射这种颜色的部分上，则光就被回收。如果不是，则光被再次反射且具有第三次机会，直到其最终被***吸收或者从***逸出。
利用偏振回收，光很有可能第二次通过输出孔径被回收，因为管道旋转了向后反射的光的偏振。利用颜色回收，不需要波长或颜色切换器。从BMF反射的彩色光会被反射，这是因为该彩色光入射到BMF上的部分被设定成反射该具体颜色。BMF的另一部分可以透射这种颜色。在被反射回管道然后向输出孔径反射期间，任何一条反射光线都可能入射到BMF的不同位置处。若该位置设定成透射另一种不同颜色，则该部分就可以透射先前被舍弃的光。若BMF允许所有颜色同时透射通过BMF的不同段，则大部分反射的颜色可以回收。具有红绿蓝滚动颜色的三色***可以配置成使得所有三种颜色同时透射通过图3A和3B所示的不同滚动色带。这种颜色回收***可以提高百分之三十至百分之四十的光输出。
应当理解，对于本领域的技术人员而言，一些色带经常会反射离开显示器，以提高对比度、锐化颜色并减少热量。这些色带包括视觉范围外的颜色，例如红外和紫外以及所选择透射颜色之间的色带。另外，在一些特殊应用中，包括具有多色光源的单色显示器，适合向管道添加一些颜色切换***，以提高回收的光量。没有这类切换器的彩色显示器比不很复杂的吸收***更加有效。
BMF也可以动态地使用，以提高观看到的图像的对比度。许多显示面板在亮度范围的暗端(dark end)处不能一致性地工作。例如，当面板接近黑色(反射)状态时，许多透射式面板的电压曲线会变成非线性。显示灰度级的这些限制会导致与预定图像的可视偏离。在亮的景象期间，BMF可以***作以减少对景象的照明，以便显示器可以在更亮、更线性和可预测的动态范围部分内操作。对于特定图像，考虑将像素亮度减小全亮度的二十分之一的显示面板，并假定对于每个像素，该显示面板的电压响应曲线都变成非线性，而且在约十五分之一亮度和暗态(darker)下，像素之间的电压响应曲线变得不一致。BMF可以用来将整个显示面板或者特定像素上的亮度削减一半，然后，为了产生二十分之一的亮度，面板仅需要减少十分之一的光。在该例子中，十分之一在面板的线性范围内。在本领域中已知的运算法则可以用来分析具体的景象(scene)，并确定例如对于合适的黑暗景象，何时需要这种动态的对比调整。然后，用于BMF和LCD的驱动器可以调整BMF和LCD的设置，获得所需效果。
图4示出本发明的另一种实施方式，其中显示面板51与BMF相结合。如图1那样，来自灯11的光通过反射器15和聚焦透镜13聚焦到光管道21的输入孔径19内。具有图1所示结构的光管道可以在输入孔径附近设有反射面29，而且在管道内的某处设有偏振切换器如四分之一波片，以旋转来自BMF 25的向后反射光的偏振。BMF覆盖管道的与输入孔径相对的整个端部，然而也可以仅覆盖端面的较少输出孔径部分。与图1相比，液晶显示面板51结合在BMF的端部上。或者，该显示面板可以与BMF相距一段短距离。如果这段距离足够短，则如图1所给出的，不需要任何额外的成像光学***。该显示面板用作透射式显示光调制器。透射通过显示器的光被投影透镜53成像在观看屏上。该投影透镜可以是简单的、复合的或者折叠的透镜，或者可以采用本领域公知的任何多种不同的形式。
光源可以是弧光灯，如上面在图1中所提到的，或者可以是混合偏振白光的包括发光二极管的任何光源。显示面板也可以采用透射式显示面板的任何多种不同形式。液晶显示面板可以很容易地结合在具有铁电液晶(FLC)开关的单个结构内，这些铁电液晶开关例如是通常BMF内所用的那些开关。然而，任何其它类型的透射式显示面板也可以与BMF成夹层结构。BMF部件与显示面板之间的距离可以进行修改，以适应具体的应用。在一种实施方式中，显示面板与最近的FLC开关之间的距离基本上与FLC开关间的距离相同。
以与图1所示实施方式相同的方式，图4的实施方式通过这种管道提供偏振回收和颜色回收。不需要的偏振态从最初的反射偏振器31反射回管道用于再循环。不需要的颜色从BMF的胆甾滤光器反射回管道用于再循环。另外，来自显示器的不需要的光也被反射回管道用于再循环。如上所述，利用具有胆甾滤光器的BMF，如果在管道输入孔径附近存在着反射镜，则向后反射的圆偏振光在管道内被旋转。从而，这将该圆偏振光切换为所需偏振态，而不需要在管道内设置单个的偏振旋转器。
结合具有显示器的再循环性质的管道还有助于提高观看图像的亮度。另外，这种投影或观看光学***53可以放置得距显示器51非常近。因而就允许该投影或观看光学***以非常短的后焦距进行制作，从而产生更加紧凑的光学***。这种短后焦距和紧凑光源在一起能够提供更加紧凑的整体***设计。
在一些显示面板内，对应于景象的黑色部分的光被反射回光源。在图4的实施例中，以及在本发明各个实施方式的任何其它实施例中，这都可以促使反射光进行再循环。如果光反射回到显示器的景象的明亮部分处，则光将再循环，从而使这些明亮部分变亮。结果，不仅改善了观察者对景象亮度的视觉，而且提高了***的效率。尽管整体亮度并未得到提高，但是峰值亮度却得以提高。由于大部分的视频和摄影景象具有显著的黑暗部分，因此再循环的光量非常显著。景象内暗区的数量越多，明亮像素被照亮的就越多。这使得明亮像素更加清晰地在黑暗环境中突出。这也更加接近于一般的阴极射线管显示器所产生的效果。
在透射具有不同偏振的景象的明亮部分和黑暗部分的显示器内，通常使用吸收性二向色偏振器来透射明亮部分同时吸收黑暗部分。从而，显示出正确的景象，但同时也吸收照明的显著的一部分光量。然而，具有本发明的颜色回收能力，即使利用透射黑暗部分而不是吸收黑暗部分的显示面板，大部分被吸收的光也可以被重获。显示面板与观看者之间的二向色偏振器可以用上面提到的任何类型的反射偏振器替换，包括二向色偏振器或无源BMF滤光器。通常，透射光是线偏振的，从而例如放置得非常解决于显示器的适当定向的线栅偏振器将促使对于黑暗像素而言的所有透射光通过显示器和BMF透射到管道内。在该管道内，光经历几次反射，返回到光可能进行再循环的管道的输出孔径。这种反射偏振器的方式可以应用于此处描述的任何实施方式。
在另一种实施方式中，BMF和显示面板或光调制面板可以进一步地合并。在一些显示面板中，每个像素被指定透射或反射具体的颜色，而且相应的反射式滤色器定位在每个像素之上。从而，例如，显示器被制作成使反射式红色滤色器(反射除红色外的所有颜色)置于指定为红色的每个像素之上。相邻的蓝和绿像素具有相应的蓝色和绿色滤色器。这种采用液晶技术的显示器在商业上可以用于微计算机直观显示面板，而且有时称作反射式胆甾LCD。这种反射式像素滤色器也可以基于二向色涂层。它们可以具有多种不同像素图案的任何一种，该图案包括RGB和Bayer。通过用上述的无源反射式像素面板替代单个的滚动BMF和图4所示的显示器，采用非常简单的结构就可以实现颜色的再循环。
在这种替代下，每个像素都将除所需颜色外的所有颜色反射回管道内。在几次反射(包括离开管道相对端的反射)后，从显示器反射的光再次入射到显示器上，最可能的是入射到不同的位置即不同的像素处。入射到适当的像素上的颜色分量可以透射，或者在另一像素处为了第三次机会再次反射。这个过程反复进行直到光或者被透射或者被吸收。如上所述，对于反射离开黑暗像素的光，可以获得类似的效果。取决于显示器的设计，入射到黑暗像素或部分变黑像素上的光或者被反射回管道内，或者以特定的偏振态透射。如果舍弃的光被直接反射进管道内，则该光在反射作用下入射到不同像素时可以进行再循环。如果由于偏振效应，像素变黑，那么如上所述，合适的反射偏振器可以用来将光反射进管道内进行再循环。
本实施方式并不需要滚动的颜色以进行颜色再循环，然而仍旧可以获得对亮度的类似改进。同时，上述增强峰值亮度的效果也可以获得。另外，显示器可以配置成像素之间的区域也是反射性的。通常，在可切换的透射和反射像素元件之间设置黑色掩模。该掩模可以由反射涂层例如铝涂层制成，以保护下面的电路不受辐射和热量的影响。该反射掩模也将舍弃光反射回管道内，在管道内该光进一步被再循环。或者，该光在晶体结构内被吸收，由此降低显示器的寿命和景象的亮度。
在另一种实施方式中，透射鼓以光导管的方式使用。该透射鼓同时调节滚动彩色显示器，如透射或反射***中的液晶显示器。折叠的光学***将光反射出透射鼓，引导到单面板型投影或观察***。
参看图5和6，来自弧光灯11的光被滤光器17过滤并被透镜13聚焦到光管道或光导管21的输入孔径内。在管道的相对端处，反射偏振器61将一种偏振态向管道的输入孔径反射。该反射偏振器可以是上述多种类型的任何一种。它可以覆盖整个端面，或者仅覆盖端面中的较少的输出孔径。如上述实施方式中那样，在管道的输入端处，四分之一波片和反射镜旋转偏振方向，并将光向输出处反射。在反射的圆偏振光下，管道输入处的反射镜可以用作偏振旋转器。
圆柱形透射色轮或彩色转鼓63直接放置在输出孔径外。短焦距透镜65中继(relay)该光，以使其在折叠反射镜67的作用下折叠出透射鼓。进一步的光学***67将光引导到显示面板(未示出)上。由于具有BMF，因此如果在管道前的转鼓上存在着两种或多种颜色，则在光进入管道并反射离开管道输入孔径附近的反射镜后，一部分反射的色光可以进行再循环。图6示出穿过该鼓直径的横截面图，以便可以更好地理解这种折叠反射镜。
转鼓相对于管道输出孔径的具体定位取决于具体的实施过程。如果从转鼓反射的光耦合进管道的输出孔径内，则效率提高。类似地，如果来自管道输出孔径、透射通过转鼓的光可以成像在显示器上，则效率提高。一种简单有效的设计是将转鼓靠近管道放置，使其能够在合理的制造容差内物理上实现。由于透射转鼓有效地非常接近于管道的出口，而且转鼓的直径与管道的输出孔径相比很大，因此转鼓和其上的任何涂层都可以近似为平面。
在将光折叠出转鼓后，所述光可以成像到透射或反射滚动彩色面板上。由于具有BMF，因此转鼓各段的旋转速度与面板的行写入速度同步。转鼓和面板(未示出)的驱动器可以利用本领域的现有技术构造。
转鼓可以以多种不同的方式构造。一种转鼓可以在其圆柱表面上具有若干二向色滤色部分，在红、绿、蓝和白色之间交替。各段之间的黑暗和反射部分可以允许显示器象素在颜色之间的转换状态。二向色滤光器构造成透射所需颜色，反射其他颜色。它们可以与单独透明基底或薄膜上的转鼓连接，或者它们可以作为涂层涂敷到转鼓的表面。转鼓的透明表面可以由多种光学透明材料的任一种构成。由于通过转鼓的光已经发生偏振，因此转鼓基底可以由光学玻璃或者任何适当的具有低应力双折射的塑料如聚碳酸酯和丙烯腈系纤维(acrylic)构成。该基底和任何抗反射和粘合涂层是透射的。因此，由于具有BMF，不需要的颜色被反射回管道内用于再循环。所需颜色通过转鼓到达折叠光学***。作为选择，转鼓可以在透明基底上使用胆甾滤色器。胆甾滤色器也起反射偏振器的作用，因此单个胆甾滤色涂层或表面可以同时完成偏振和颜色过滤的功能。
对于12mm宽、6.75mm高(用于16∶9长宽比)的管道输出孔径和在输出孔径上垂直滚动颜色的转鼓，每个颜色段可以约为2.25mm高。如果也使用白色带，那么该段必须更薄，约1.6mm高。在这种例子中，直径为36.5mm的转鼓具有约114mm的圆周。这允许51个2.25mm的段或者17个红、绿和蓝的像域。转鼓的尺寸可以增加以允许更慢的旋转速度。这可能减小噪音、振动和功耗。作为选择，可以使用进一步减小的转鼓以实现更紧凑的***。由于转鼓的尺寸日益减小，因此面对管道的表面变得愈加弯曲。这可以减小在边缘反射回输出孔径内的光量，也影响光如何纯净地成像在显示器上。
在BMF的例子和彩色转鼓的例子中，附图和描述建议红、绿和蓝色带应当为相同尺寸。相反地，BMF、转鼓和任何等同结构上的滚动色带可以具有不同的尺寸。这允许白色点对于光源、屏幕、显示器、光学组件和***的任何其他方面得到最优化。此外，白色带可以增加到任一***中以增加图像内白色域的亮度。除红、绿和蓝之外的颜色也可以使用和结合以形成彩色显示。这允许本发明适应光源和显示效果的更大范围。
在一个实施方式中，输出孔径处的反射偏振器改为结合在转鼓基底和滤色器之间的转鼓中。当光入射到转鼓上时，它首先通过滤色器或被滤色器反射，然后通过反射偏振器或被反射偏振器反射。反射偏振器可以为上述任一种类型。在另一个实施方式中，使无源胆甾色带滤光器的色条在转鼓上成层。这些滤光器构造成透射一种颜色的一种偏振态，将其余的反射。这允许以非常简单的结构同时进行偏振和颜色回收。
图7示出可以供上述本发明任一种实施方式使用的一种替代光源。尽管白光LED或者基于LED的光源可以用作灯11，但是如上所述，包括LED的彩色光源也可以使用。在图7中，示出的光源11是红色71、绿色73和蓝色75成行堆叠的LED阵列，然而其他颜色也可以替代地或者另外地使用。如上所述，在投影仪的实施方式中，本发明可以提供长宽比为从4∶3到16∶9或者更宽的光。如果管道21的设计使得输入的长宽比与输出的长宽比相匹配，那么每行LED可以是从4到6个LED的宽度。或者，可以仅使用仅三个LED。LED的实际数目可以改变，这取决于所需的管道输入孔径和LED外壳的尺寸，以及价格、功率和尺寸限制。这些LED也可以设置成除如图所示的一行和一列之外的其他阵列。
LED安装在设计用来向管道反射光并尽可能紧地将LED封装在一起的托架或者支架(未示出)内。LED的外壳也可以用来向管道反射光。这些LED放置得靠近管道的输入孔径19，以使来自LED的光最佳地耦合进管道内。在输入孔径处，为每个LED设有单独的颜色反射器，如二向色或胆甾透射彩色涂层。若管道是固态玻璃棒积分管道，则该涂层可以涂覆在管道的外表面上。对于中空的管道，输入孔径可以由透明材料制成，而且可以涂覆在内侧或外侧或者内侧和外侧上。替代地，或者另外地，用于所有LED的外壳或支架可以涂覆有合适的反射滤色器。这些涂层的效率可以通过将涂覆面靠近或靠着管道以使来自管道、反射离开LED的光耦合回管道而得以改进。
依照这种实施方式，每个红色LED面对红色的二向色涂层77，该红色的二向色涂层77将来自LED的红光透射进管道，并将任何其它颜色反射离开管道。不同颜色的LED可以用托架或一些其它部件相互隔开，使得例如仅仅来自红色LED的光入射到红色涂层上。这些涂层可以成行地设置以与LED的行对准，或者以任何其他的方式排列，这取决于LED阵列的顺序。类似地，绿色的二向色涂层79为每个绿色LED设置，蓝色的二向色涂层81为每个蓝色LED设置。对于管道内已有的任何向后反射光，这些二向色涂层也起着反射镜面的作用。若红色外的任何其它颜色光入射到该红色二向色涂层上，则都会被反射。而红光通过该红色二向色涂层到达LED，在此处，根据LED外壳和任何托架或支架的设计，该光被反射回管道内。
在管道的输出孔径处，可以使用偏振反射器和反射滤光器件25，如BMF、反射胆甾LCD，以及上述的彩色转鼓，或者任何其他的器件。通过滤光器件的光入射到用于投影或如上述实施方式那样用于观察的显示器上。在工作时，来自每个LED的光通过各个胆甾滤光器耦合进管道内。其中一些光反射离开管道的侧壁，而另外一些光直接入射到滤光器25上。若该光入射到正确的彩色区域内，则就被透射并入射到显示器上。若该光没有入射到正确的彩色区域内，则该光或者其分量将会朝向LED向后反射。从这里开始，该光反射离开输入孔径处的二向色表面，然后随着其向管道输出孔径的传播，该光有可能被回收。在其他的实施方式中，不必使滤光器如所示那样覆盖整个输出和输入孔径。在其任一端或两端处，可以具有由镜面围绕的较小孔径。管道内可能的很多反射会使光均匀化，并在每次返回时将反射光引导到输出孔径的不同部分上。因而，很多光可以被回收。
在本说明书中，为了说明的目的，描述了许多具体的细节以提供对本发明的完全理解。然而，对于本领域的技术人员，很显然可以不用这些具体细节而实施本发明。在其它的实例中，已知的结构和器件以图解的方式示出。这些具体的细节可以由本领域的任何一位普通技术人员给出，只要其适合于具体实施。
重要地是，尽管已经参考视频投影仪说明了本发明的各种实施方式，然而此处说明的装置可以同等地适用于基于偏振显示器的任何类型照明***，而无论是用于投影还是用于直接观察，以及无论紧凑与否。例如，此处说明的技术被认为在计算机和数据显示器、电视和电影投影仪、互联网应用观察器以及视频和游戏玩家的娱乐***中都是有用的。
在前面的叙述中，已经参考具体的实施方式描述了本发明。然而，很显然，可以在不脱离本发明更宽泛的精神和范围下对本发明做出各种修改和改变。因此，本说明书和附图应当认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种偏振光源***，包括：
具有面对灯的输入孔径的管道，接收来自所述灯的具有多种偏振态的光，并将来自所述灯的光引导到与所述输入孔径相对的输出孔径，所述管道在所述输入孔径附近具有反射面，以将所述管道内的光向所述输出孔径反射；
带调制滤光器，将一种偏振态的光向所述输入孔径反射，并透射另一种偏振态的光，并且，用以透射一种色域内的光，并将另一种色域的光向所述输入孔径反射。
2.如权利要求1所述的***，其中还包括位于所述管道内的偏振旋转器，将从所述带调制滤光器反射来的光的偏振转换成另一种偏振态。
3.如权利要求2所述的***，其中所述偏振旋转器包括最接近所述输入孔径附近的反射面的四分之一波片。
4.如权利要求3所述的***，其中所述反射面和所述四分之一波片包括位于所述管道表面上的涂层。
5.如权利要求1所述的***，其中所述灯包括弧光灯。
6.如权利要求1所述的***，其中所述灯包括发光二极管。
7.如权利要求1所述的***，其中所述管道包括具有反射内壁的中空光积分棒，所述输入孔径受该棒中包围所述输入孔径的内壁上的涂覆镜面包围。
8.如权利要求1所述的***，其中所述管道包括实心玻璃光积分棒，所述输入孔径由包围所述输入孔径的所述棒上的涂覆镜面确定。
9.如权利要求1所述的***，其中该带调制滤光器被配置，制成不同滤色器的多个带，而不同的滤光器同时在该带调制滤光器的整个面上。
10.如权利要求1所述的***，其中所述***还包括与在该带调制滤光器整体结合的透射式显示面板。
11.如权利要求1所述的***，其中所述带调制滤光器包括胆甾滤光器。
12.如权利要求1所述的***，其中所述带调制滤光器包括用铁电液晶堆叠的胆甾滤光器。
13.如权利要求12所述的***，其中所述铁电液晶包括若干个单独可寻址的分段，可对每个分段进行寻址，将有效偏振转换状态切换成无效状态。
14.如权利要求1所述的***，其中还包括显示面板，调制来自所述管道的光以再现图像，该显示面板具有对应于该图像各个部分的若干个像素，所述带调制滤光器包括相邻于每个像素的若干个反射滤色器，以便对各个像素进行滤光。
15.如权利要求13所述的***，其中所述胆甾滤光器包括在液晶基底上的涂层。
16.如权利要求15所述的***，其中所述液晶基底包括所述带调制滤光器的基底。
17.一种产生构成颜色图案的偏振光的方法，包括：
在管道的输入孔径处接收光，该光具有多种偏振态；
将来自灯并穿过所述管道的光引导至与所述输入孔径相对的输出孔径；
用带调制滤光器将来自所述管道的一种偏振态的光从所述管道的输出孔径反射到所述输入孔径，并将来自所述管道的另一种偏振态的光透射；
通过所述带调制滤光器，将来自所述管道的一个色域内的光向所述输入孔径反射，并将来自所述管道的另一个色域内的光透射；以及
将向所述输入孔径反射的光向所述输出孔径反射。
18.如权利要求17的方法，其中将另一种偏振态的光透射的步骤包括使光透射通过所述输出孔径。
19.如权利要求17的方法，其中将一种偏振态的光向所述输入孔径反射的步骤包括把进入所述输出孔径的光向所述输入孔径反射。
20.如权利要求17的方法，其中还包括将向所述管道输入孔径反射的光的偏振态进行旋转。
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