[发明专利]多光源光束扩展量的有效组合

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年2月9日申请的美国临时申请No.60/651079的权益，并且本申请是申请于2005年9月30日的序列号为No.11/240169的部分继续申请，后者是2003年1月21日申请的序列号为No.10/347522(即现在美国专利No.6982830)的继续申请，而后者又是2001年3月23日申请的序列号为No.09/814970(即现在美国专利No.6587269)的继续申请，后者要求2000年8月24日申请的美国临时申请No.60/227312和2000年11月8日申请的美国临时申请No.60/246683的权益。以上所有申请被全文引用于本申请。 

技术领域

本发明涉及一种未增加系统光束扩展量(etendue)而提供多色照明的系统和方法。 

背景技术

液晶显示器(LCD)是一种已知的用于控制偏振光能透射的装置。受对其施加的电流影响，LCD可能透明或不透明。因该功能问题，投影系统通常使用一种包含多个LCD的阵列形成图像源。具体的说，就是投影系统将高强度偏振光能输入到LCD阵列(也称成像器)，后者选择性的透射部分输入的光能用于形成一个所需的图像的投影。由于单个LCD相对较小，将多个LCD组装在一起形成阵列，就会形成一个能够产生高分辨率图像的成像器。 

正如以上所设想的，一个投影系统必须首先将输入到LCD中的光偏振。然而，来自光源(比如灯泡)的光能可能具有p偏振态或s偏振态。由于这种输入到LCD成像器的光必须是在一个取向上(比如p偏振态或s偏振态)，而LCD投影仪通常仅用了光源中一半的光能，人们期望在投影系统中将光输出的亮度和强度最大化。为此，人们已开发过各种方法捕获那些无用偏振状态的光能，并改变所捕获的光能的偏振状态，然后将其改向于LCD成像器。已知的偏振校正(polarization recovery)方法涉及产生一个光的扩展束， 该光束中未使用部分(也就是非期望的极性)的光被发送通过一个半波片使其偏振状态发生改变，然后与原偏振光束进行再组合。不幸的是，这种已知方法在实施上需要复杂而庞大的系统，该系统通常包括二维透镜阵列组和一个偏振分束器阵列。此外，该已知的方法会损失大量光能，因此影响了投影仪产生高强度输出的目的。 

导光管系统利用导光管、棱镜和分束器将白光分离为单独的红色(R)、蓝色(B)和绿色(G)分量。该系统可逆向应用于在不增加光束扩展量的情况下组合具有不同光谱的多光源。所以，就需要有一种无需增加光束扩展量而提供多色照明的系统。 

发明内容

为了满足上述需求，本发明利用一个波导系统在LCD投影系统中实现偏振校正功能。具体的说，就是本发明中的波导偏振校正系统既能偏振输入光能使其用于LCD成像器，又可改变无用光能的极性以增加LCD成像器的照明。这种小型偏振校正波导系统通常包含以下被集成为一个独立单元的光学元件：(1)一个将非偏振光能输入到系统的输入波导；(2)一个将偏振光能移出该系统的输出波导；(3)一个偏振分束器，用于接收来自输入波导的光能、透射第一种偏振类型的光能并反射第二种偏振类型的光能，和(4)一个波片，该波片能够修改透射的或反射的任一光能的偏振状态。偏振校正系统通常还包括一个或多个置于所需位置的反射镜，用于引导透射的和(或)反射的光能到输出波导。输入波导和输出波导可由投影系统根据需要而成形，例如该输入和输出波导两者或其一可以根据需要逐渐变细或逐渐变粗，从而产生所需的图像。 

在波导偏振校正系统中，输入和输出波导可构造为大体上平行或大体上垂直的取向。在二者大体上平行的构造中，输出波导直接接收分束器透射的光能。这样，光能大体上在相同方向进入和射出偏振校正系统。作为另一种选择，输入和输出波导可置于彼此大体上垂直的位置，这样光能可在与其进入方向呈直角的方向从偏振校正系统射出。在输入和输出波导呈垂直取向的构造中，反射镜接收由偏振分束器透射的光能，并将其改向90°至输出波导。 

本发明中的波导偏振校正系统将上述列举的光学元件组成为一个独立的小型单元。在一个实施例中，波导偏振校正系统还包括一个或多个置于光学元件之间的光学透明材料的“间隙”(gaps)，以通过该系统促进能将光能损 失减至最小的全内部反射的发生。