随着数字影院和相关的电子成像时机的到来，相当多的关注已经针 对电子投影设备的发展。为了提供对于传统的电影质量的电影放映机有 竞争力的可选方案，数字投影设备必需满足高的性能标准，提供高分辨 率(2048 x 1080像素或者更高)，宽色域，高亮度(5000流明或者更 大)，以及超过1500:1的帧顺序(frame-sequential)对比率。
液晶(LC)技术已被成功地开发用于很多显示器应用，从单色字 母数字显示面板到膝上型计算机，甚至到大规模全色显示器。如所熟 知的，LC器件通过为每一对应像素选择性地调制入射光的偏振状态而 将图像形成为像素阵列。LC技术的不断改进已产生了降低成本、提高 生产率及可靠性，及减少功率消耗的益处，且具有稳定改进的成像特 性，诸如分辨率、速度及色彩。
尽管已经开发了多种不同类型的像素化的LC装置，任何特定的LC 装置是根据两种基本架构之一来构造的：
微显示器架构提供了基于类似于用于在半导体晶片上制造的集成 电路装置的高密度微光刻的像素控制结构。这包括LCOS(硅上液晶) 和HTPS(高温多晶硅)透射LCD，其中像素结构小于50μm，通常 在8-20μm的量级。
直视式TFT(薄膜晶体管)架构，其中像素控制结构形成在透明基 板上，一般是非晶硅(玻璃)，并且像素尺寸对于眼睛是可见的(大 约50μm)。
在第一种基本LC架构中，LCOS利用微型化及微光刻技术的使用来 制造高度密集的空间光调制器，其中液晶光调制材料密封在硅电路的 结构化背板上。实质上，LCOS制造组合了LC设计技术与互补金属氧化 物半导体(CMOS)制造工艺。
LCOS LCD作为高品质数字影院投影系统的空间光调制器似乎具有 一些优势。这些优势包括易管理的器件尺寸(对角线高达大约1.7”)、 像素之间的小间隙及良好的器件成品率。使用LCOS技术，具有通常小 于一平方英寸的成像区域的LC芯片能够形成具有几百万像素的图像。 硅蚀刻技术相对成熟的水平已经被证明对于表现出高速度和出色的分 辨率的LCOS器件的快速发展是有利的。LCOS器件已经在诸如背投电视 和商业投影设备的应用中被用作空间光调制器。
参看图1A，显示了使用LCOS LCD器件的传统电子投影设备10的 简化框图。每一色彩路径(r＝红色，g＝绿色，b＝蓝色)使用相似部件 形成调制光束。每一路径内的个体部件用附加的r、g或b来适当地标 注。追随红色路径，红光源20r提供未调制的光，该光通过均匀化光 学器件22r调节以提供均匀光照。偏振分束器24r引导具有适当偏振 状态的光至空间光调制器30r，该空间光调制器30r在像素部位(pixel site)的阵列上选择性地调制入射红光的偏振状态。空间光调制器30r 的作用形成全色图像的红色分量。来自该图像的沿光轴Or传输经过偏 振分束器24r的调制光被导向至二向色组合器26，其通常为分合色立 方棱镜(X-cube)或Philips棱镜。二向色组合器26组合来自单独光轴 Or/Og/Ob的红色、绿色及蓝色调制图像，以形成供沿公共光轴O的投影 透镜32投影至显示表面40(诸如投影屏幕)上的组合的多色图像。蓝 色及绿色光调制的光程类似。通过均匀化光学器件22g调节的来自绿 色光源20g的绿光被导向经过偏振分束器24g到达空间光调制器30g。 来自该图像的沿光轴Og传输的调制光被导向至二向色组合器26。类似 地，通过均匀化光学器件22b调节的来自蓝色光源20b的蓝光被导向 经过偏振分束器24b到达空间光调制器30b。来自该图像的沿光轴Or 传输的调制光被导向至二向色组合器26。
在利用具有与图1A相类似的配置的LCOS LCD空间光调制器的电 子投影设备的示例中，有在美国专利号5808795(Shimomura等人)； 美国专利号5798819(Hattori等人)；美国专利号5918961(Ueda)； 美国专利号6010221(Maki等人)；美国专利号6062694(Oikawa等 人)；美国专利号6113239(Sampsell等人)；及美国专利号6231192 (Konno等人)中所公开的那些。
在空间尺度上类似于LCOS器件的一种相关的空间光调制器LC技术 是透射LCD微显示器。这种技术的示例是Seiko Epson最近宣布的高温 多晶硅(HTPS)TFT器件，其是2048 x 1080像素，1.6”对角线器件 (diagonal device)。HTPS调制器是通过使用类似于传统LCOS器件制 造所遵循的那些方法的方法，在石英晶片上光刻蚀刻来形成的。
通常用于膝上型计算机及较大显示器件的第二种类型的基本LC架 构是所谓的“直视式”LCD面板，其中液晶层夹在玻璃或其他透明材料 的两个薄片之间。背光照明组件与面板一起使用。该背光照明组件通常 由光照源加上一系列光学部件和光学薄膜构成，所述光照源诸如冷阴极 荧光管或者发光二极管，所述一系列光学组件和光学薄膜用于改进均匀 性，偏振状态，以及传送到透射面板的光的角分布。薄膜晶体管(TFT) 技术的不断改进已证实有益于直视式LCD面板，允许将晶体管愈加密集 地封装到单个玻璃片的区域中。另外，已开发了实现更薄层及更快响应 时间的新LC材料。这又有助于提供具有改进的分辨率及增加的速度的 直视式LCD面板。因此，具有改进的分辨率及色彩的更大、更快的LCD 面板正被设计并成功地用于显示器成像。这些发展主要针对桌上型监视 器以及家用电视市场中改进的性能的目标。
如上文引用的专利所示，电影品质投影设备的研发者已将其注意力 及精力主要贯注在使用LCOS LCD技术的第一种架构，而不是贯注在使 用基于TFT的直视式LC面板的第二种架构。对此存在许多非常明显的 原因。例如，使投影设备尽可能紧凑的要求支持采用微型化部件，包括 诸如LCOS LCD的微型化空间光调制器，或诸如数字微镜器件(DMD)的 其他类型的微显示器器件。像素大小通常在8至20微米范围中的高度 紧凑的像素布置允许单个LCOS LCD为大投影屏幕提供足够的分辨率， 该大投影屏幕需要在2048 x 1080或4096 x 2160像素或更好的范围中 的图像，如数字影院投影的电影与电视工程师协会(SMPTE)规范所要 求的。相比直视式LCD面板，对LCOS LCD更感兴趣的其他原因与当前 可用的LCOS部件的性能属性有关，所述属性诸如小于4ms的响应速度、 更大的色域以及2000:1及更高的对比率。此外，反射型LCOS部件在配 备有散热的时候允许更高的功率密度，具有高于70％的开口率，并且通 常不采用滤色器阵列或者背光单元。
倾向于使投影仪研制工作偏向微型化器件的又一因素与要更换的 胶片的尺度特性有关。也就是说，LCOS LCD空间光调制器或其数字微镜 器件(DMD)对应物的成像区域的大小与从电影印相胶片投影的图像帧 的面积相当。这可在一定程度上简化一些投影光学器件设计，包括适应 来自基于胶片的成像的已有设计。然而，对于LCOS LCD或DMD器件的 该兴趣还起因于设计者的假设：以较小尺度成像将是最有利的。因此， 出于意识原因，以及符合常规的推理及期望，研发者已假定微型化的 LCOS LCD或DMD提供最可行的图像形成部件用于高品质数字影院投影。
尽管紧凑的尺寸以及良好的响应速度是基于晶片的LCD器件架构提 供的优点，但是这些同样的器件具有一些固有的缺点，使它们在大规模 电影投影应用中的使用变得复杂。使用微型化LCOS及DMD空间光调制 器的一个内在问题与亮度及效率相关。如成像技术领域的技术人员所熟 知的，任何光学系统受几何考虑的约束，所述几何考虑按照光展量 (etendue)，或者替代地，按照拉格朗日(Lagrange)不变量表示， 拉格朗日不变量即光学系统中在任何给定平面的接受立体角 (acceptance solid angle)与孔径尺寸的乘积。在匹配并且对称的系 统情况下，拉格朗日和光展量是一致的。在不匹配或者不对称的光学系 统中，光展量是允许通过系统的光的最小值(参考Michael G.Robinson， Jianmin Chen，Gary D.Sharp，John Wiley&Sons Ltd的Polarization Engineering for LCD Projection，England，2005，第41页)
光展量和随之而来的拉格朗日不变量提供了一种方式来量化直观 性原则：从某一大小的区域只能提供这么多的光。如同拉格朗日不变量 所显示的，当发射面积较小时，需要大角度发射光来实现特定的亮度等 级。处理较大角度的光照的要求导致增加的复杂性及成本。共同受让的 授予Cobb等人的题为“Projection Apparatus Using Telecentric Optics”的美国专利号6758565；授予Cobb的题为“Projection Apparatus Using Spatial Light Modulator”的美国专利号6808269； 及授予Cobb等人的题为“Projection Apparatus Using Spatial Light Modulator with Relay Lens and Dichroic Combiner”的美国专利号 6676260中提到并且解决了高密度LCOS器件的该问题。这些专利公开了 在空间光调制器上使用更高数值孔径的电子投影设备设计，以用于获取 必需的光同时减少在系统中其他地方的角度要求。
与LCD相关的其他问题是关于所需的调制光的高角度。当入射光照 为高角度时，在LCD器件中形成图像的机制及LCD自身的内在双折射限 制了可以从这些器件得到的对比度及色彩品质。为了提供适合等级的对 比度，在LCD系统中必需常常使用一个或多个补偿器器件。然而，这进 一步增加了投影系统的复杂性及成本。这样的实例在授予Ishikawa等 人的题为“Compensation Films for LCDs”的共同受让的美国专利号 6831722中有所揭示，该专利公开了使用补偿器用于线栅偏振器及LCD 器件的角偏振效应(angular polarization effect)。由于这些原因， 应了解微显示器LCOS，HTPS LCD及DMD解决方案面临与部件尺寸及光 路几何形状相关的内在限制。
除了面积和光角度考虑，相关的考虑是图像形成部件还具有能量密 度上的限制。利用微型化的空间光调制器，特别是利用LCD，以该部件 等级仅可承受这么多的能量密度。也就是说，超过某一阈值等级的亮度 等级可损坏器件自身。通常，高于约15W/cm2的能量密度对于具有无机 配向膜的LCOS LCD而言是过量的。这在使用直径为1.3英寸的LCOS LCD 时将可用亮度限制为不超过约15000流明。还必需防止热提升，因为这 将导致图像不均匀和色像差，且可缩短光调制器及其支撑部件的使用寿 命。例如，使用的吸收型偏振部件的行为可显著地受到热提升的危害。 这需要用于空间光调制器自身的充分的冷却机制及对于支撑光学部件 的谨慎工程考虑。再一次，这增加了光学系统设计的成本及复杂性。
使这个问题更为复杂的是晶片器件制造技术中进一步微型化的持 续趋势，以便获得更高的成品率和改进的制造效率。很明显正在进行的 LCD空间光调制器的发展正追随该同样的朝着更高的密集度和微型化的 趋势。已经开发了接近0.5英寸对角线的光调制器，从较早代器件的1.3 英寸对角线显著地减小了这些器件的尺寸。然而，如之前描述的光展量 (或者类似地，拉格朗日不变量)和能量密度的考虑显示进一步的微型 化将妨碍使用LCD器件的大规模的剧院品质投影设备的发展，因为从越 来越小的光调制器件提供所需的亮度变得越来越困难。再一个困难涉及 相对缺陷尺寸和制造成品率。随着像素变得越来越小，诸如在8-20微 米的范围内，尺寸上仅1或2微米的小缺陷可能对显示质量有明显的影 响。具有更大像素的器件上相同大小的缺陷相应地对图像质量影响较 小。
除了光展量限制之外，对于任何LC器件，必需考虑对开口率的固 有限制。一般，由“黑矩阵”图案为每个像素提供孔径，以便防止入射 光负面地影响可能是光敏的控制晶体管，导致对比度损失。该孔径减小 了器件的有效透射，导致对于HTPS LC器件的60％或者更小的开口率， 对比于LCOS的大约90％。在大得多的透射面板以及因此更大的像素区 域的情况下，这样的相对小的开口率仍可以提供可接受的亮度。然而， 在微显示器(诸如HTPS器件)的小像素尺寸的情况下，这么低的开口 率是特别不利的。关于图像质量，该开口率在放大到典型的剧院所要求 的大约40英尺宽或者更宽的显示屏尺寸时，会引起可见的“屏蔽门 (screen door)”伪像。此外，在HTPS阵列的规模的微显示器中，器 件有效区域仍相对较小，来自强光源的该光吸收孔径的热耗散还会负面 地影响光调制器的性能，或者其支撑光学部件的性能。因此，尽管这种 器件类型对于诸如放映室或者商业展示的较小场所中的数字投影应用 可能是适合的，它似乎并不能够足以处理在典型的电影院屏幕环境中所 要求的光量，典型的影院屏幕环境中平均屏幕尺寸一般要求最小10000 流明，并且其中最大的影院显示屏可能要求超过60000流明。如果不采 取显著增加投影系统的潜在成本的用于热补偿以及其它因素的额外措 施，这种高要求远高于LCD微显示器器件(即，具有小于2英寸对角线 的HTPS和LCOS器件两者)在它们的物理极限处能够提供的。
在投影仪设计中使用传统光学方案，朝着色彩分离和调制部件引导 的光照光束被聚集，使得它具有如可以获得的那样窄的光束宽度。这种 策略是优选的，因为它允许有利地确定透镜、滤色器，偏振器以及其它 各个光学部件的尺寸，并允许用于调节，分裂，调制和重组光的整个光 学系统的紧凑封装。在图1A的传统LCOS实施例中，需要窄的光照光束 以便将光聚集到小的LCOS空间光调制器自身上。
从而，使用LCOS器件的传统设计方案的一个重要限制与亮度有关。 如之前关于拉格朗日不变量提到的，从给定宽度(即给定二维面积)的 窄角度的光束只能获得特定量的光。增加光束的角度降低在使用二色分 束器及组合器时获得的图像质量，因为二向色涂层偏移它们的作为角度 的函数的光谱边缘。在光路的任何部分上聚集或者扩展光束要求插入透 镜或者其它光调节光学部件。从而，在每个彩色通道中收缩或者扩展光 照和调制光束的任务给光学设计增加了成本和复杂性。图1B示出较早 的实施例，其中入射光角度在LCOS器件处是大幅度倾斜的以便增加收 集效率，但是在之前和之后是减小的，以便降低涂层的光谱偏移效应， 以及光学部件的速度。当对该问题应用传统的光学设计实践时，已经显 示提供高光输出的电子彩色投影设备的设计特别有挑战性，因为该系统 中的每个附加的光学部件趋向于减少光输出，并引入图像质量和光输出 之间的折衷。传统的解决方案限制光输出水平和整体图像质量两者。
低端的基于LCOS的电子投影设计已经被成功地商业化，用于在释 放约1000流明的背投电视中供家庭使用，以及用于其中低成本下的适 度量的光效率和亮度以及相当良好的图像质量是适当的商业展示市场。 然而，为了满足与基于胶片的投影设备相比有竞争力的更高亮度和改进 图像质量的投影仪输出的需要，似乎必需作出相当大的折衷。为了补偿 低于10％的光效率，传统的基于LC的电子成像设备必需采用非常亮的 光源。例如，Sanyo PLVHD20，一种具有1.6”对角线Seiko-Epson LC芯 片的HTPS LCD微显示器投影仪，使用四个300W UHP灯，然而只发出7000 流明。在此情况下，使用较低瓦数的多个灯，来增加输出而不会将光展 量放大到如同使用单个高瓦灯那么大，因为灯的弧隙在大小(光照光展 量)上增加快过可用的瓦数。类似地，具有1.55”LCOS微显示器的Sony SRX-R110使用两个更昂贵的2.0kW灯来发出10000流明。在这两种情况 下，灯输出都没有与LC空间光调制器充分匹配，伴随着对热，成本， 以及灯寿命的影响。为了经受住优化亮度所需的高能量密度水平，必需 在光照和调制光路中使用更昂贵的部件。例如，在很多设计中较低成本 的吸收型偏振器由更昂贵的线栅型偏振器代替。从而，在输出处获得每 一可用流明的努力中，传统的设计采用昂贵的，低可靠性的方案，所述 方案使用高成本、高性能的光学部件，或者使用多个较低成本、较低性 能的部件。
在电子投影设备中，每个色彩分量或者光谱带的光被单独调制；接 着通常将这些色彩分量通道的调制光重组以提供全色图像。调制光的重 组可以在每个色彩通道使用单独的投影光学器件时直接在投影表面上 进行；替代地，调制的色彩分量可以被重组以便从单个投影透镜组件投 影。当为单个投影透镜组件重组色彩时，一个目标是在每个色彩通道中 提供相等长度的光路。使光路长度相等的一些传统解决方案在授予 McKechnie等的题为“Display System with Equal Path Lengths”的 美国专利号4864390以及授予Tiao等人的题为“Triple-Lens Type Projection Display with Uniform Optical Path Lengths for Different Color Components”的美国专利号6431709中给出。
在使用诸如HTPS和LCOS的微显示器LCD器件创建高流明投影仪存 在这么大的挑战的情况下，用大面板“直视式”LC面板创建投影仪似乎 是可取的。这些“直视式”LC面板已经大大提高了它们的分辨率，对比 度和速度，使得它们比初始察觉的更加适合地作为微显示器的替代物。 然而，如目前制造的用于平板应用的“直视式”面板并不能很好地适用 于高流明投影仪。例如，吸收型偏振器的使用对于图像质量是不利的， 这些吸收型偏振器在通常制造TFT LCD面板时会被直接附接到TFT LCD 面板上。这些偏振器中由于光吸收所产生的热通常超过光能的约20％， 结果引起LCD材料的加热，潜在地导致对比度的损失以及面板上对比度 均匀性的损失。
类似地，专用于桌上型监视器和电视的高速度、高对比度LC面板 通常在面板的结构内包括滤色器阵列(CFA)，以便提供这些应用所需 的色彩性能。这些吸收型的滤色器阵列将不适合用于高流明投影仪中， 还是因为热吸收会导致不均匀的图像伪像以及对器件的损坏。尽管已经 为医疗工业制造了高分辨率单色面板，这些面板由于通常被用于观看静 态射线照相图像而具有慢的响应时间。正在开发具有更快的响应时间的 更新的面板技术以便提高视频性能。最重要的是一种称为光学补偿弯曲 模式(OCB)的面板技术，其提供大约2ms的速度。平板工业正在追求 这种模式，以允许提供“直视式”背光照明成本上的减少和随着去除昂 贵的CFA的更低的面板成本的场顺序彩色光照(field sequential color illumination)。OCB模式将理想地适用于高流明数字投影系统。
已经提出了各种使用可选的直视式TFT LC面板的投影设备解决方 案。然而，在大部分情况下，提出这些设备是为了用于专门的应用，而 不打算用于高端数字影院应用。例如，美国专利号5889614(Cobben等 人)公开了将TFT LC面板器件用作高射投影设备的图像源。美国专利 号6637888(Haven)公开了一种使用具有红色、绿色及蓝色色彩源的单 个细分的TFT LC面板的背屏幕TV显示器，其对于每一色彩路径使用单 独的投影光学器件。共同受让的美国专利号6505940(Gotham等人)公 开了一种低成本数字投影仪，其具有嵌置于亭结构(kiosk arrangement) 中以减少垂直空间要求的大面板LC器件。尽管这些实例的每一个都使 用较大的LC面板进行图像调制，但这些设计都不打算用于高分辨率的 电影投影。这些之前的实例也不具有足够高的亮度等级，或者与传统电 影胶片相当的色彩，或者可接受的对比度或高等级的整体电影图像质 量。结果，这些提出的方案中没有一个会是与传统的电影投影设备竞争 的适当候选者。
提供使用TFT LC面板的投影设备的一个尝试在授予Ogino等人的 题为“Liquid Crystal Projection Display”的美国专利号5758940 中予以公开。在Ogino等人的‘940设备中，一个或多个菲涅耳(Fresnel) 透镜用以将准直的光照提供至LC面板；接着，另一菲涅耳透镜充当聚 光器以将光提供至投影光学器件。因为其以校正的光照均匀性在大面积 上提供成像光束，所以基于上文所描述的拉格朗日不变量的考虑，Ogino 等人的‘940设备对于其相对高的光输出是有利的。值得注意的是，Ogino 等人的‘940还描述了将单个面板用于所有三种基色RGB(红色，绿色 和蓝色)的调制。然而为了单色LC面板的光照，以快速的序列提供色 彩。该系统不会有效地产生色彩，也不会足够快地调制连续的彩色帧以 防止运动伪像。因此，尽管它对于TV大小的投影设备及小尺寸投影仪 可能具有一些希望，但Ogino等人的‘940公开所提出的顺序色彩解决 方案仍然缺少提供具有5000流明及以上等级的高强度的成像光输出的 高分辨率投影系统所需的性能等级。
最近将直视式TFT LC面板用于命令和控制中心市场的投影的另一 种尝试在授予Clifton等人的题为“Image Projection System With Multiple Arc Lamps and Flyseye Lens Array Light Homogenizer Directing Polychromatic Light on a Liquid Crystal Display”的 美国专利号6924849中有所公开。在Clifton‘849设备中，使用具有 滤色器的15”TFT LC面板作为67”对角线投影系统的光调制器。在 Clifton‘849公开中提出的解决方案是通过在反射表面的布置中使用组 合的多个光源来形成小的有效光源，从而增加亮度而没有对比度损失。 在Clifton‘849设备的光照部分中，使用风车(pinwheel)镜结构来 组合来自多个灯的光。该结构帮助以几乎垂直于优选的LC最佳对比度 方向的低入射角对LC面板进行光照，从而帮助改进投影设备的对比率 而不使用补偿膜。‘849 Clifton等的专利中描述的方案还包括修改直视 式LCD面板以便增加对比度，去除通常与面板一起提供的宽视角膜。声 称通过将光照以偏离于法线的角度重定向通过LCD面板以便利用LC材 料固有的光调制特性，进一步增加了对比度。接着LCD的输出光侧的菲 涅耳透镜补偿在LCD的输入侧的光照的重定向。
尽管在‘849 Clifton解决方案中采取了一些有意义的措施，然而， 得到的投影仪设备的效率仍然保持相对较低。此外，尽管在‘849 Clifton 等人公开的设备中可能改进了对比度，该设备仍然不满足数字影院投影 的亮度要求。特别是，‘849 Clifton等人的设计提出的解决方案没有利 用当使用大LC面板尺寸时增加的光展量。提出的‘849 Clifton等人的 公开中的一些部件可能不利地影响图像质量。例如，在LC面板之前使 用输出菲涅耳透镜可能对于所描述的设备的SXGA分辨率等级是可以接 受的，但是当在具有最小2048 x 1080像素和5000流明的投影系统中 使用时可能引起严重的对比度和图像伪像。使用具有高达7mm的弧隙的 灯将不会提供高效率，即使在使用2英寸对角线的LC面板的情况下。 ‘849 Clifton等人专利中描述的单面板彩色或者单色配置在利用彩色光 时将不会是有效的，不管是使用会引起高流明系统中的问题的普通吸收 型滤色器阵列，还是使用将引起运动伪像的顺序彩色。此外，包括提高 的整体对比度的LCD面板设计中的持续改进会避免对于去除膜来获得高 对比度的需要，或者对于光照重定向解决方案的需要，这两者都在‘849 Clifton等人的公开中提出。
从而，可以看出，尽管一些数字影院投影设备解决方案已基于使用 LCOS LCD进行图像形成，但在出于此目的而使用微型化的LCOS LCD 部件时，存在亮度及效率的内在限制。另一方面，因为不具有与LCOS 器件相同的与光展量相关的限制，直视式TFT LC面板解决方案具有潜 力来提供优于LCOS解决方案的增强的亮度等级。然而，尽管已公开 使用TFT LC面板的投影设备，但这些设备表现出的效率水平令人失 望，并且尚未很好地适合于电影与电视工程师协会对于合乎标准的数字 影院投影仪规定的苛求的亮度等级，以及对比率，色彩均匀性，色域， 和分辨率的附加要求。
电影与电视工程师协会(SMPTE)目前正在建立关于合乎标准的数 字影院投影设备的一组标准。称为数字影院协会(DCI)的电影厂协会 建立了这些基准要求。DCI建立了严格的性能参数，包括对比率，像 素分辨率，屏幕上的光等级，ANSI对比度，以及色域和伪像容差。除 了一般竞争市场之外，这些标准要求数字影院投影仪具有在2000:1量 级的顺序对比度而没有色彩偏移，大约10000流明或者更高(对于大 多数屏幕)，以及2048 x 1080或者4096 x 2160的像素数。
电影的剧场放映的生意本质上不同于家庭或者传统商业环境中投 影的展示。传统上，剧场围绕胶片的使用，胶片投影设备，以及其中 不同的电影厂提供内容给剧场并以门票销售的价格的一部分作为回报 的收入分享流建立了它们的生意。设备对剧场的成本通常被分摊在十 到三十年上，该期间内很少有技术变化。保养是最小的，只有偶尔的 机械部件故障，以及周期性的灯更换。利润趋向于被压榨到投影灯自 身的瓦数会是影响偿付能力的一个重要成本因素的程度。
数字投影根本地改变了这个商业模型，但是冒着为剧场地点建立稍 微更昂贵的基础设施的风险。使用昂贵的高性能的部件构造的传统的基 于微显示器的投影仪，可能花费胶片投影设备的成本三倍那么多。此外， 现代数字投影设备的寿命预期是未知的。从电子工业中的其它基准(诸 如数字电视、计算机、和通信设备)的历史判断，该寿命可能小于传统 胶片投影设备的寿命，可能范围在五到十年。计划的伴随传统电子投影 设备的陈旧和部件故障增加了可收益性的顾虑。在最近的将来，如果没 有关于成本效率，光输出，和光学效率的显著增益，数字影院不会被有 利地平衡来与基于胶片的投影竞争。
从而，可以看出，存在对于以有利的成本利用LC器件技术、具有 增加的光学效率以及总体光吞吐量的数字影院性能等级的全色投影设 备的需要。

根据本发明的一个实施例，通过提供一种数字影院投影设备来解决 前面提到的需求，该数字影院投影设备包括：光照源，其具有第一光展 量值，用于提供偏振多色光；第一透镜元件，位于偏振多色光的光路中， 用于形成基本远心的偏振多色光束；分色器，用于将远心偏振多色光束 分为至少两个远心彩色光束；至少两个透射空间光调制器，其调制该两 个远心彩色光束并形成至少两个调制彩色光束，其中存在与每个空间光 调制器关联的光展量值，并且其中所述光展量值在对应于光照源的第一 光展量值的15％之内或者大于第一光展量值；色彩组合器，用于沿着公 共光轴组合调制彩色光束，从而形成多色调制光束；以及投影透镜，用 于将多色调制光束导向至显示表面。
本发明的特征是，不像当前的使用微型化的LCOS或者LCD器件的 方案，本发明的设备将使用大TFT LCD面板在打算用于高端电子成像应 用的投影设备中进行成像。
本发明的优点是它允许对于投影图像的至少5000流明的增加的亮 度。可以使用各种类型的光源。
结合附图阅读以下详细描述，本发明的这些及其他特征及优势对 本领域技术人员而言将变得显而易见，在附图中示出并描述了本发明 的示例性实施例。

尽管本说明书以特别指出并清楚地要求保护本发明的主题的权利 要求书作为总结，相信结合附图根据下列描述将会更好地理解本发明， 附图中：
图1A是示出传统的使用LCOS LCD器件的投影设备的框图；
图1B是示出较早的投影设备的框图；
图2是示出根据本发明一个实施例的使用大尺寸TFT LC显示器的 投影设备的框图；
图3是示出根据本发明的图2的投影设备的附加特征的框图；
图4是示出通过本发明的投影设备的光束路径的透视图；
图5是用于本发明的设备的光照源的框图；
图6是示出本发明的远心透镜的横向色差(lateral color)效应的 平面图；
图7A是传统大面板LC器件的横截面；
图7B是根据本发明的简化的大面板LC器件的横截面；
图8是示出用于本发明的设备的投影透镜的侧视图；
图9是本发明一个实施例中的投影透镜部件的侧视图；
图10是示出根据本发明一个实施例的调制光路中部件的替代布置 的透视图，其使用一对反射表面；
图11是从不同于图10的角度看的更近的透视图，示出根据本发明 一个实施例的调制光路中反射表面的替代布置；
图12是示出当使用反射表面时视场的失真的平面图；
图13是示出其中一个调制器旋转的替代布置的框图；
图14是比较不同f/#值下的投影仪吞吐率的曲线图；
图15是示出与LC面板尺寸相关的横向色差效应的曲线图；
图16是示出分析器的可选位置的框图；
图17是在每个色彩路径中使用投影透镜的本发明的一个实施例的 框图；
图18是根据图17的三投影透镜模型的本发明实施例中的部件的透 视图；
图19A，19B，19C和19D是比较可以使用的两个不同灯类型的强度 和其它特性的曲线图；
图20A和20B示出对于使用具有偏振校正的氙泡灯的本发明实施例 的点重叠(spot overlap)和能量密度分布特性；
图21A、21B和21C是在本发明的一个示例性实施例中使用泡灯光 照的实施例的前视图、侧视图和逐图像(image-wise)视图。
图22A和22B分别示出具有偏振校正部件的LED阵列的侧视图和前 视图；
图23是示出使用LED阵列作为光源的替代实施例的示意图；
图24示出一立体实施例，由此两个线性偏振的光路被分隔为用于 每个眼睛的投影的路径；
图25是示出在本发明的一个示例性实施例中与空间光调制器相关 的部件的布置的框图；
图26示出具有不同光路长度的实施例的透视图；以及
图27示出使用抖动(dither)机制的本发明的实施例的透视图。

本说明书特别针对形成根据本发明的设备的一部分或更直接地与 根据本发明的设备合作的元件。应理解，未具体示出或描述的元件可 采用本领域技术人员所熟知的各种形式。
电影与电视工程师协会(SMPTE)目前正在建立关于合乎标准的数 字影院投影设备的一组标准。称为数字电影协会(DCI)的电影厂协会 建立了这些基准要求。DCI建立了严格的性能参数，包括对比率，像 素分辨率，屏幕上的光等级，ANSI对比度，以及色域和伪像容差。除 了一般竞争市场之外，这些标准要求数字影院投影仪具有在2000:1量 级的顺序对比度而没有色彩偏移，大约10000流明或者更高(对于大 多数屏幕)，以及2048 x 1080或者4096 x 2160的像素数。
本发明提供一种具有高亮度等级、使用大规模TFT光调制器面板进 行光调制的数字影院投影设备。替代地，其它类型的大透射面板也可以 被用于本发明，诸如来自Panorama Labs Inc.的基于磁-光偏振切换的 显示器面板器件，称为磁-光子晶体(MPC)器件。不像传统的使用传统 的微型化LCOS LC或者透射LCD器件的数字影院投影仪设计，本发明采 用大的透射器件，诸如LC或者MPC器件，所述器件形成为面板并且具 有至少大约5英寸的对角线。大尺寸的LC或者MPC面板可以接受在更 大的面积上提供的光，从而根据之前在背景技术部分中描述过的光展量 或者拉格朗日不变量原理，增加可以提供的可用光。有利地，本发明在 光路中只需要少量的相对慢的透镜，镜子，或者其它部件。在光照和调 制光路中都提供相对宽的光束，使得亮度最大化而没有通常与高亮度投 影设备关联的、伴随的二向色表面性能和快速复杂光学器件的折衷。不 像使用诸如LCOS LC器件的微显示器器件的设计，每个LC调制器或者 大规模MPC调制器的光展量与光照源的光展量密切匹配，或者超过光照 源的光展量。
参考图2，示出根据本发明的为大规模，高亮度投影应用设计的投 影设备50的实施例。当与上面给出的背景技术部分中描述的传统投影 设备比较时，投影设备50具有最少数量的光学部件，然而能够提供超 过更复杂的采用诸如LCOS LC调制器的微显示器或者其它类型的LC透 射面板设计的投影设备的高亮度。例如，较早的系统，诸如颁发给Cobb 等人的美国专利号6758565中描述的并且示于图1B中的系统，或者需 要中继透镜来从微显示器器件创建中间图像，以便允许相对简单的投影 透镜，或者需要长工作距离的低f#投影透镜。在任一情况下，这些解决 方案需要复杂和非常昂贵的透镜。分色和偏振光学器件还必需能够处理 高角度的相对高能量的光而不产生偏振不均匀。传统上，这需要使用高 成本的特殊玻璃，以及线栅偏振器。此外，较早的解决方案对于微显示 器器件和至少一些偏振元件都要求相当多的冷却，以便处理高能量密 度。
在图2中所示的实施例中，投影设备50具有光照源28，分色器76， 色彩调制部分90，色彩组合器92，以及投影透镜70。光照源28具有提 供偏振均匀化的光的多色光源20，以及远心透镜62，所述远心透镜用 于调节该偏振均匀化的光以提供远心的、偏振的、多色光束作为用于调 制和显示的光照。冷镜52用于弯折光路并将远心的、偏振的多色光束 导向至分色器76。
分色器76具有用于多色光的光谱分离的第一二向色表面54，将第 一光谱带朝着第一空间光调制器60b反射，在本实施例中作为用于蓝光 调制的远心彩色光束，并透射其它光。透射的光去向第二二向色表面56 以便进一步分离光谱，其中第二光谱带被作为远心彩色光束朝着第二空 间光调制器60g反射，第二空间光调制器在本实施例中用于绿光调制， 并透射其它光。反射表面58也可以是二向色表面，其接着将第三光谱 带导向第三光谱光调制器60r。来自空间光调制器60r，60b和60g中每 个的调制彩色光束传送到色彩组合器92。在色彩组合器92中，使用二 向色表面68和72组合来自每个调制彩色光束的光，并且将该光沿着公 共光轴O朝着与公共光轴同轴的投影透镜70导向。镜子64，66用于朝 着二向色表面68和72的组合光学器件弯折光路。在图8和图9中为一 个实施例示出的投影透镜70将经过调制的组合的多色光束导向到显示 表面40上(未示于图2中，但示于图1和8中)。
图3的框图视图以及图4的透视图示出对图2的投影设备50适用 的尺度和空间关系。如图4中所示，可以在光照路径中有利地使用可选 的弯折镜102。
注意到以下事实是有益的：使用图2到图4的布置的投影设备50 的设计，除了邻近面板的一个(或多个)菲涅耳场透镜，可能不需要居 间的光学器件，所述居间的光学器件在光照源28中的远心透镜62和投 影透镜70之间延伸的光路中具有功率。可以提供孔径来最小化杂散光。 然而，在该实施例中在透镜62和投影透镜70之间的光路中不需要附加 的透镜。这种设计的简单性得到相对低的制造成本，并使得能够构造用 于高亮度投影的低重量的器件。
效率和光展量考虑
如较早在背景技术部分中所提到的，传统的采用LCOS微显示器部 件的电子投影设备具有低效率，通常最多小于10％。如以光展量表示的 它们的光学几何限制了这些传统系统的效率，从而使得诸如使用具有增 加的瓦数的灯之类的增加亮度的尝试对光输出具有很小的影响。
光展量的一种简单的计算对于显示使用微显示器的设备的这种限 制是有益的。作为第一示例，用f/2处的锥形光照射具有1.2”(30.48mm) 对角线(假定标准数字影院格式为1.9:1)的矩形微显示器SLM(空间 光调制器)面板。根据“Projection Displays”p.244，eq.11.3，使 用下式计算光展量：
$E=\frac{\mathrm{\pi A}}{4{(f/\#)}^2}---\left(1\right)$
其中：
E是面板的光展量
A是面板的面积
f/#是光照锥
对于在该示例中给出的值，光展量E＝.12平方英寸立体弧度(度 量：75mm2立体弧度)。这表示来自该投影设备中的光源的最大可使用 光展量。在实际中，f/2光照锥是非常快速的，实际的设计会使用不比 大约f/2.3快很多的值。还有，如后续的示例所示的，在系统效率方面 还必需计入由于开口率引起的损失。该值对于微显示器通常在0.60到 0.90的范围内，减小了面积A，从而成比例地减小了光展量。例如，对 于上面计算的75mm2立体弧度值，当计入开口率时实际的光展量通常在 大约45-53mm2立体弧度。
通过得出关于SLM对角线的理论吞吐率的分布曲线，可以观察到这 种微显示器和更大的直视式TFT LC或者MPC型器件之间吞吐量的显著 差异。图14的曲线图示出在大约1.3英寸到20英寸的范围上作为SLM 对角线的函数的吞吐率的关系。示出四条曲线，F/2，F/4，F/6和F/8 光学系统各有一条。如较早提到的，F/2光学器件在大部分情况下将是 不实际的。具有比F/8慢的光学器件(诸如F/16光学器件)的系统也 可以被使用，结果遵从图14中所示的一般模式。垂直的虚线以及其右 侧的区域指示当使用本发明的方法时用于LC TFT器件的区域。一般， 这包括5英寸对角线或更大的SLM器件。在这些尺寸之下，吞吐率相对 低，当使用较慢的光学器件时吞吐率显著下降。在高于大约5英寸对角 线的优选的尺度范围上，获得70％或者更好的吞吐率，即使用相对慢 (F/8)的光学器件也是如此。
使用较慢的f/#大大简化了分色中的色彩偏移和对比率的角度变化 的问题，如在现有技术中提到过的。二向色涂层按照薄膜堆叠设计，相 对于入射角偏移它们的光谱边缘。尽管这种变化的幅度改变，它通常落 在大约每度变化2nm。类似地，在现有技术中，二向色涂层通常被用于 制造偏振部件，诸如分束器。这样，部件的对比率也作为增加的角度的 函数降低。此外，在一些情况下，将可能通过将f/#从F/8减少到更小 的值增加面板处的光展量(即，捕获更多灯光并在屏幕上产生更大的亮 度)。
为了获得高效率的投影设备，期望匹配光源处的光展量，使得它接 近或者小于空间光调制器处的光展量。注意对于微显示器设备，这么做 需要具有非常小光源的光照系统。这个要求反过来对可获得的光输出量 (即，对到达屏幕的流明量)设定了限制。在传统弧灯中，需要更大的 弧隙以便提供更高的灯输出，然而，这种更大的弧隙同时也增加了光照 光展量。从而，在光照端，增加流明输出的大部分努力也必定将光展量 增加到在LC调制器处可用的光展量等级之上。那么，传统的使用微显 示器器件的设计的结果是非常低效的光展量受限制的系统，浪费功率并 产生会对小的电光部件特别有害的热量。
本发明的设备和方法提供一种投影设备，其能够使用透射单色直视 式TFT LC或者MPC型的器件提供更高的光展量。这些空间光调制器器 件是传统用于投影设备的可选的微显示器LC器件的几倍大，不仅提供 了更高的流明输出等级，还提供的优点是部件上更低能量密度，简化的 光学器件，以及通过色彩分离和重组部件的改进的光处理。
投影设备50提供高亮度和增加的效率，同时采用最少的光学部件。 在图3中给出的一个实施例显示光路中光展量基本相等的两个位置，使 得该设计高度有效，大大超过当使用传统LCOS LC器件时可获得的效率。 关于图3，基本上有：
光照光展量＝调制光展量
其它实施例可以进一步增加调制器的光展量。尽管不会获得流明输出中 进一步的增益，将得到部件上更低的能量密度。此外，对于给定的分辨 率在调制器处的像素尺寸将更大，提供后面讨论的其它优点。
图19A，19B，19C和19D示出对于复合反射器布置的1.5kW和2.4kW 氙弧灯和1.9kW泡灯，在最佳可能聚焦位置的光的强度和角度 分布。使用该数据，可以使用较早给出的等式(1)计算使用可以从 PerkinElmer Inc.，Wellesley，MA获得的2.4kW 氙弧灯的光 照光展量，该灯具有1.9mm弧隙，提供20mm直径光源(使用大约在图 19A中归一化的强度对于聚焦位置的曲线图最左上角1/e2点处的值)以 及f/1.3反射器。这种设置将在透镜62处提供下面的典型光展量值：E ＝146mm2-sr(假定没有光损失)。
如果使用偏振校正(polarization recovery)，灯系统的有效光 展量加倍到292mm2-sr。注意该灯提供一种相对极端的情况，因为这对 于由于其允许更高的气压的陶瓷结构而可用的这样的小弧隙提供最高 的额定瓦数。更典型的灯(诸如2kW的Osram氙泡灯)具有5mm的弧隙。
LC空间光调制器处的调制光展量可以大约等于或者高于该光照光 展量值。再次使用等式(1)，可以计算TFT实施例的调制光展量来确 定密切匹配光照和调制器光展量的面板尺寸和f#组合。下面的表格示出 前面对于具有和没有偏振校正的CERMAX灯系统讨论的计算：
        光展量＝      光展量＝
器件            146          292
对角线
英寸            f/#          f/#
5               6.0          4.2
10              12.0         8.5
15              17.9         12.7
20              23.9         16.9
当光照系统和调制系统的光展量匹配时，整个系统尽可能地接近高 效。使用甚至更大的LC调制器面板或者光学系统不会显著地改变投影 仪的光输出。尽管面板尺寸可以更大，面板的尺寸受到其它系统考虑的 限制。最佳地配置该系统，使得至少收集了大部分光展量，并且面板尺 寸变成根据面板成本(材料成本和制造容易度)和被供给能量的光元件 成本(材料成本和制造容易度)确定的折衷参数。
作为说明，区分现有的利用LCOS LCD技术的高流明微显示器投影 仪的光展量和使用本发明的设备获得的光展量不匹配是有益的。例如， 一个制造商已经引入了一种10000流明数字影院投影仪，其使用1.55” 对角线LCOS调制器和两个2kW灯。数字影院应用需要最少5000流明来 合适地照亮最小的实际影院场所。该10000流明等级是重要的，因为这 是适当地照亮美国大约80％的影院屏幕所需要的光量。此外，已经被商 业展示的最大LCD芯片是1.7”对角线(4:3)，然而还没有利用这种芯 片的投影仪面市。
使用第一示例的设备，在F/2.3的光照光学器件下(在更极端的示 例中，因为示例投影仪光学上较慢)，调制系统的光展量将是95mm2-sr。 对于这个设备中的光照，使用两个氙泡灯，在该光照系统中提供偏振校 正。再次为了极端比较，假定使用较早提到的具有1.9/mm弧隙的CERMAX 灯。如果光照系统中没有由于两个灯的组合或者偏振校正(PCS)而引 起的光展量增加，那么146mm2-sr的光照光展量和调制光展量之间的不 匹配将是54％。这在偏振校正(PCS)的情况下变得超过200％，并且如 果有来自多个灯的光展量增加会有更大的不匹配。
图20A和20B示出对于使用具有偏振校正的氙泡灯的实施例的点重 叠(spot overlap)和能量密度分布特性。如图20A中所示，可以看到 两个点206有稍微的重叠。如图20B中所示，它们的强度曲线208也会 表现出在均匀化光学器件之前测量的地方有稍微的空间重叠。
再次观察该同一投影系统可以帮助增强这种不匹配情况的比较。为 此，参考来自由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” 中的数据。在该论文中，(图6，394页)，F.E.Doany等人展示了关于 类似于光展量的参数(即数值孔径(NA)乘以调制器对角线)从具有变 化弧隙的弧灯中收集多少总功率。为了确定5mm弧隙灯的光展量的幅度， 考虑在微显示器投影仪的工作f/#的范围内的两种情况。该总功率值实 际上是调制器光展量和光照光展量之间的不匹配的系数优值(figure merit)。光照光展量的粗略估计可以通过取传感器光展量除以来自较 早提到的F.E.Doany等人文献中的测量的系统效率的比值来计算。f/# 发生变化，因为光照在空间和角度上确实是不均匀的，并且实际上光照 本质上是更为高斯的，如图19中最左上角的曲线图中对于复合反射器 布置的1.9kW ORC氙泡灯所示出的。下面给出估计的光照光展量计算：
对于f/2.3：
NA·DSLM(mm)＝8.56或者4.28具有PCS
对于f/4：
NA·DSLM(mm)＝4.92或者2.46具有PCS
对于具有5mm弧隙的光源，从较早提到的F.E.Doany文章的图6中 获得的对于具有PCS的f/2.3系统，收集的功率大约是22％。对于具有 PCS的f/4系统，大约为11％。如提到过的，这假定灯光展量可以通过 使用传感器光展量和百分比捕获来计算。从而，对于5mm间隙灯的光展 量(用f/2.3信息计算)是94.950/.22＝431.59mm2立体弧度。当用f/4 数据计算时它是31.393/.11＝285.39mm2立体弧度。从而，利用该基于 独立测量的新估计，对于高流明投影仪，光照系统进一步不匹配于调制 系统。尽管这是使用的实际光照光展量的估计，对于f/#值使用保守的 假定，假定不会有由于组合两个灯而引起的显著的光展量增加。从而， 可以看出用于高流明数字影院投影仪的常规微显示器解决方案具有由 于光展量不匹配而引起的相当多的光损失。
作为比较，利用本发明的设备，调制光展量在20％之内是匹配的， 或者超过光照光展量。这与现有的基于微显示器的设备形成对比，对于 这种现有的基于微显示器的设备输出和调制光展量值通常会彼此相差 大约50％或者更多。
图13示出一可选实施例，其使用图2中所示的相同基本布置，但 是在部件的取向上有变化，以便更有利于封装。在图13中，例如，空 间光调制器60b相对于其在图2中的初始位置旋转了90度。图26示出 的一个实施例以适合于数字影院的剧场放映间操作的配置，封装有三个 大的直视式TFT LC空间光调制器以及后续的三个投影透镜。
光照源和光学器件
图2-4中所示设计的另一个优点与光源20相关。光源20可以是 许多类型的灯或者其它发光部件的任意一种。可以理解将特别有利的是 选择商业可得到的部件作为光源20，以便利用由于高制造量而得到的低 成本和可用性。在一个实施例中，使用可以从PerkinElmer Inc.， Wellesley，MA获得的传统氙弧灯。与传统的泡灯相比，CERMAX 氙灯的优势在于提供更小弧隙的更高压力的封装。该更小弧隙在基于微 显示器的系统的情况下是期望的，因为它使得更多的光能够被系统有限 的光展量利用。然而，这些灯一般更昂贵，因为它们的产量少于传统氙 泡灯。由于其更高的光展量，大面板LC可以更容易地适用于具有较大 弧隙尺寸的传统氙泡灯，而仍然保持高的系统效率。当使用较大尺寸的 TFT LC器件时，使用这种常规现货供应的器件的能力是特别有利的。
氙泡灯可以被配置到将有效光展量减低到电影放映机中通常使用 的最便宜的椭圆反射器的有效光展量之下的布置中。这些布置有不同， 但是最常见的是使用复合反射器系统，诸如GE Taleria设计的系统。 使用的其它配置包括其中从弧隙自身的矩形侧轮廓产生矩形点的、来自 Bohemia，NY的EELE的方案，以及更多其他人的精心设计的配置。这些 通常将有效光照光展量减低到类似于CERMAX设计提供的等级附近。(参 考图19中将1.5kW Cermax与复合反射器布置中的1.9kW ORC泡灯比较 的各曲线图)。它们也显著增加了光照系统的成本和复杂性。实际上EELE 方案的简化布置是最便宜的并且最有效的将光耦合到优选实施例的方 法。其中从侧面对常规氙泡灯成像，使得弧隙图像大致匹配面板图像的 宽度，并且进行偏振校正以便使得高度匹配高宽比；后续接着均匀化光 学器件，诸如微透镜阵列(lenslet array)。
图21A示出具有弧隙182并且容纳在反射器184中的泡灯180的平 面图。图21B以侧视图示出具有焦点186的该光照结构。图21C示出当 使用偏振校正时，随着图像进入均匀化光学器件，来自弧隙182的等离 子体的图像188。该结构优点在于在两个圆点被转换成矩形以便更好地 匹配图像比例的均匀化过程中损失较小。
类似地，使用多灯系统来利用较小的弧隙，以及因此较低的光展量。 由于光照点和角度在形式上大致是高斯的，几个灯的多个高斯曲线被组 合以仅利用高斯曲线的峰值，使得在尾部区域中重叠函数以增加总体输 出。该方案仍然可以与优选实施例一起使用，同时仍捕获尾部区域的光 照中相当多的部分。这与使用较小的微显示器部件形成对比，较小的微 显示器部件通常需要这些更常规的光源解决方案中的一个或者多个，以 便提供所需的输出。
其它可选光源包括高功率LED，它们可以分布在具有偏振校正的阵 列中，如图22A和22B所示。LED阵列190具有形成在芯片基板198上 的LED 200的布置。LED阵列190配备有散热器196或者其它用于冷却 的支撑设备。每个LED 200具有位于偏振分束器阵列192中的对应的偏 振分束器202。半波板194提供偏振校正，如之前描述的。
图23示出将大面板LCD用于数字影院的实施例，该大面板LCD具 有单独的LED阵列190r，190g，190b，用于每个显示器面板的色彩通道 250r，250g，250b中的每种基色均有一个LED阵列。均匀化元件22和 光照中继204与每个LED阵列190r，190g，190b一起使用。如图22A 和22B中所示的一个示例将是制作单光谱带LED的区域阵列，并为该阵 列提供偏振校正的装置，诸如为每个LED使用分束器和半波板。可以利 用微透镜或其它技术对该光照进行均匀化，并接着将该光照中继到其中 一个显示器面板。类似地，每个面板将具有其自己的光谱专用的LED阵 列。
另一个选择是例如使用超高压水银灯。LED方案可以是对于氙灯的 直接替代，其中组合LED以提供被均匀化和分光的白色光源。来自诸如 具有他们的Luxeon line的Lumiled，具有他们的PhlatLightTM line 的Luminus，或者Osram和他们的高功率LED芯片的OstarTM line的公 司的LED功率的最新进展，目前依据色彩而在200-400mW/mm2之间发出 功率。LED的优点在于可以选择波长来发出期望的特定色域，而不需要 过滤光输出，从而提供增加的效率。然而，作为光源，这些器件相对较 大，单个芯片大约4平方毫米。从而，这些器件具有大的光展量。因此， 与微显示器相比，提出的实施例对于使用LED作为光源是有利的。
图5示出在一个实施例中用于提供远心偏振多色光束的光照源28 的结构。光源20提供不偏振的多色(白光)准直光照。该光照可以通 过使用抛物面镜或者通过使用与准直光学器件组合的椭圆镜来准直。光 源20将准直的光照导向至宽带波长偏振器34来提供基本偏振的光照光 束38。偏振器34发出具有p偏振的光。偏振分束器36发出具有p偏振 的光并反射具有s偏振的光。接着，反射偏振敏感涂层44将具有s偏 振的光导向通过半波板42。半波板42将该入射光转换成p偏振。通过 这种方式，完整的偏振光照光束具有相同的偏振状态。该偏振光可以接 着用诸如图中没有示出的微透镜阵列的基本保持光的偏振状态的方法 均匀化。从而，基本上来自光源20的全部光输出被转换成相同偏振状 态的远心均匀多色光。该方法提供在较大面积上的光，并且可以与较大 的透射LC面板(诸如在本发明的设备中使用的那些)一起使用。尽管 传统LCOS LCD投影系统使用与此相似的偏振校正方案，它们内在地受 到光展量限制的更多限制，从而它们不能完全利用这种类型的扩展的光 输出。
在该偏振校正方法的一个实施例中，偏振分束器36使用线栅偏振 器，诸如授予Hansen等人的题为“Polarizer Apparatus for Producing a Generally Polarized Beam of Light”的美国专利号6452724中所 公开的偏振器类型。各种类型的线栅偏振器可以在市场上从Moxtek， Inc.，Orem，Utah买到。线栅类型的偏振器对于处理高光强等级特别有 利，并且对于角度相对不敏感，不像传统类型的薄膜分束器。在该实施 例中，优选的是使该线栅偏振器放置为使得其线表面侧上的线元件面向 系统的成像路径。该特定的配置可以减少热致双折射，如授予Kurtz等 人的题为“Digital Cinema Projector”的共同受让的美国专利号 6585378中所公开的。偏振分束器36可以替代地是传统的棱镜偏振器， 诸如MacNeille偏振器，该偏振器对于电子成像领域的技术人员是熟悉 的。
协同灯和偏振校正系统，大TFT LC投影利用均匀化光学器件12来 从光源20提供均匀的光照。均匀化光学器件12调节来自光源20的输 出，以便提供用于调制的均匀亮度的光照光束。在一个实施例中，积光 棒(integrating bar)提供均匀化光学器件12。替代实施例包括使用 微透镜阵列或者微透镜和其它积光部件的某种组合。
偏振
力图保持到空间光调制器的光的偏振状态的质量以便实现要求的 1500:1或更好的高对比率是重要的。在偏振校正方案，均匀化光学器件， 或者远心透镜62之后可以使用附加的偏振器，以便进一步增加光照的 偏振率。在其中能量密度高或者偏振器处的角度要求相当苛刻的情况 下，优选使用诸如线栅偏振器的非吸收偏振器，其中线面向调制器。在 能量密度低并且空间面积大的情况下，由于成本或者部件可用性，优选 使用基于膜的偏振器，诸如吸收染料或者碘偏振器，或者像称为漫反射 偏振器膜的DBEFTM膜的复杂偏振结构。在任一种情况下，注意光照等级 对光学部件的影响是重要的。
在优选的实施例中，如果在远心透镜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，但是优选与LCD面板间隔开。
补偿
本发明的一个优点是可以不需要补偿器，或者至少可以将对于补偿 器的需要最小化。如本领域中所熟知的，有几种基本类型的补偿器膜。 一种其光轴平行于膜平面的单轴膜被称为A-plate。一种其光轴垂直于 膜平面的单轴膜被称为C-plate。双轴膜中折射率在所有三个维度上变 化，通常称为O-plate。替代地，A-plate可以被描述为在补偿器的平 面中提供XY双折射(具有XY迟滞的各向异性介质)，而C-plate沿着 光束传播通过补偿器的方向上的光轴提供Z双折射。ne大于no的单轴材 料称为正双折射的。类似地，ne小于no的单轴材料称为负双折射的。取 决于它们的ne和no值，A-plate和C-plate都可以是正的或者负的。如 本领域中所熟知的，C-plate可以通过使用单轴压缩的聚合物或者铸造 醋酸纤维素来制造，而A-plate可以通过诸如聚乙烯醇或者聚碳酸酯的 拉伸的聚合物膜来制造。由于使用较大的LC面板作为调制器面板60r， 60b，60g得到减少的角度敏感度，本发明最小化或者消除了对于C-plate 补偿器的需要。类似地，可以使用双轴膜，其中折射率在x，y，和z 平面变化，以提供所需的迟滞来优化系统对比度。
首先，光照的基本线性偏振的光必需匹配于LC材料的优选偏振轴。 在LC使其取向平行或者垂直于系统中的弯折时，诸如在垂直对准的结 构中，可能只需要少量的A-plate补偿来细调偏振匹配。在其中面板是 TN的情况下，该偏振通常与光照偏振的成45度旋转。这需要接近半波 板的迟滞来校正该偏振状态。最后可能期望C-plate补偿来处理进入面 板的小锥角，其通常是12度或者之下。尽管减少到LC的输入锥的角度 改进了对比度而不需要C-plate补偿，适当的补偿已被商业化；例如， LG Philips LCD具有1600:1对比率的监视器，并且在100”展示LCD面 板上展示了3000:1的对比度。
在需要光学补偿的地方，期望将光学补偿部件或者放在该“整理” 预偏振器之后，或者就放在LCD面板之后并且在第一偏振分析器之前。 在一个实施例中，补偿会受到就在LCD面板之前和就在LCD面板之后的 部件的组合的影响。
能量密度
使用大面板TFT LC器件而不是微显示器的一个重要优点涉及在光 调制器处以及在光路中的其它部件处的能量密度。能量密度是用微显示 器器件设计时的顾虑，主要因为从光吸收产生的热量会是破坏性的。因 为能量密度顾虑，使用微显示器的高亮度投影设备必需使用更昂贵的并 且对于较高的热等级更稳健更有弹性的部件，或者必需提供复杂的冷却 设备。例如，薄吸收型偏振膜不能在强能量光束中使用；相反，必需使 用更具热弹性的线栅器件。
作为比较，对于诸如图2到图4的实施例中所示的应用，即使当提 供高很多的输出时，空间光调制器60r，60b和60g处的能量密度远低 于用高亮度微显示器设计时所需要的能量密度。例如，对于使用1.3英 寸对角线LCD微显示器器件并在输出处提供约10000到15000流明的投 影设备，用于内部光调制和偏振部件的能量密度在大约6W/cm2的范围 内，而诸如LCD器件的部件限制具有大约15W/cm2的损坏阈值，最终将 光量限制到不超过大约20000流明。作为比较，当使用基于15英寸对 角线大面板LCD的、在输出处提供多达70000流明的系统时，用于内部 光调制和偏振部件的能量密度低得多，在大约1W/cm2的范围内。这种较 低的密度意味着之前因为高密度热顾虑而不可用的诸如薄膜吸收型偏 振器的较低成本的支撑光部件，现在可以在提供高光输出的电子投影设 备中使用。反过来，较高的光输出容量意味着可以照亮更大尺寸的显示 屏幕。通过这种和类似的方式，使用高光展量设计的本发明的设备和方 法以较低的成本获得较高的性能。
作为相关的能量密度顾虑，远心透镜62中的材料被选择为或者具 有低的光吸收，或者具有低的应力双折射系数，以便减小热致双折射的 影响。高质量的模制菲涅耳透镜通常用具有相当高等级的耐热性以及高 透射的丙烯酸制造。由于来自该工艺的较低的内在双折射，使用压缩成 型制造的丙烯酸部件是优选的。可选地，可以为该远心透镜62使用玻 璃或者耐受性更高的聚合物，诸如来自Zeon Chemicals，Louisville， KY的Zeonex。
远心透镜
回头参考图2，远心透镜62调节光照来提供远心行为。透镜可以在 物体空间，图像空间，或者两者中是远心的。在远心光的情况下，物体 或图像上所有点的主光线是准直的并且平行于光轴。实际上，远心透镜 的入射光瞳和出射光瞳在无限远，从而通过透镜的光的角分布相当均 匀。然而，在图2实施例中，仅出射光光瞳是在无限远。这里只在图像 空间(接近LCD面板)是远心的；出射光光瞳被投影到无限远的结果。 远心性在该应用中是重要的，因为如果来自空间光调制器中的不同像素 包含不同的角空间，来自单独的色彩光照通道的色彩伪像和变化的面板 角度将导致最终图像处的色彩不均匀。这在多面板投影系统中是一个重 要问题。远心透镜62可以是球面的或者非球面的。在一个实施例中， 远心透镜62是菲涅耳透镜。对于使用菲涅耳透镜作为远心透镜62的一 种可选方案是使用至少一个反射元件。反射元件不引起横向色差 (lateral color)或者结构所致的莫尔纹，并且会较容易制造，例如 通过塑造大的塑胶元件。尽管来自透镜62的远心性对于该方案是重要 的，离完美远心性的一些偏差是可接受的，并且期望作为允许较小的光 束通过二向色分束器的折衷。在这种情况下，还可以利用光束扩展器以 便适当地确定显示面板处的光照大小。
如图2的实施例中所示，从光照源28输出的远心偏振多色光束进 入分色器76，并且被分为两个或者更多个光谱带。对于全色操作，分色 器76形成至少三个分离的光谱带，通常为红色，绿色和蓝色。有利的 是，大部分多色光照中的入射角是在受限的范围内，将角度上引起的光 谱偏移效应最小化。
对于本发明的设备，远心透镜62可以相当大，在空间光调制器60r， 60g或者60b中的任何一个的有效面积的尺寸的量级上。当使用相对大 直径的透镜元件时的一个可能困难涉及横向色差，横向色差致使不同的 色彩通道形成在尺寸上稍微不同的图像。参考图6的平面图，分别示出 了红色，蓝色和绿色通道的叠加的图像14r，14g，14b的相对大小。由 于横向色差，红色通道的图像14r分别稍微大于绿色和蓝色通道的图像 14g和14b。蓝色通道的图像，图像14b，在尺寸上最小。图15的曲线 图示出了横向色差相对于空间光调制器60r，60g或60b的对角线尺寸 的增加。
横向色差的校正可以通过在光照路径中使用任选的校正透镜来获 得。在一个实施例中，可以将菲涅耳透镜添加到一个或者多个色彩通道 来校正横向色差。这些透镜可以与远心透镜62一起放置，或者沿着透 镜62和LCD面板之间的光路放置。
补偿横向色差的可选方案是在远心透镜62之前使用任选的色散元 件，使得在光路中引起相等但是相反幅度的横向色差。一种方案将是设 计对于中心光谱带(例如绿色波长)具有最佳性能的远心透镜62，并让 横向色差出现在红色和蓝色通道中。接着可以设计任选的引起横向色差 的透镜，该透镜具有补偿远心透镜62中固有的横向色差的色散特性。
在任何情况下，重要的是设计光照路径，使得包括每个光谱通道的 边缘滚降(edge rolloff)的光照等级和均匀性最接近地匹配相邻通道 的那些光照等级和均匀性，从而使得光效率不会浪费在为了屏幕上均匀 性的色彩平衡上。
一般，认为最佳的是在每个色彩通道的成像路径(显示面板和投影 透镜之间)中实现相等的光路长度，例如在较早提到的‘390 Mckechnie 等人的专利和‘709 Tiao等人的专利中所公开的。然而，已经显示对光 照路径中光路长度的调节对于投影设备50在使用大尺寸的TFT LCD面 板时是有利的，如在本发明的实施例中那样。在本发明的特定布置下， 沿光照的光路的光的焦点变得没有传统设计下那么关键。这意味着例如 沿着光轴O调节其中一个空间光调制器60r，60g，60b的相对位置可以 不需要调制器确切地放在远心透镜62的焦点上而完成。这允许调整考 虑均等化成像侧光学器件的路径长度，其对于匹配的路径长度更为敏 感。
莫尔补偿
莫尔纹是与诸如大面板LCD的重复性结构一起使用如图17中所示 的菲涅耳透镜84导致的一种潜在伪像。减小莫尔效应的一种可能的策 略是使光照光充分散开到足以减小菲涅耳透镜的成像属性，使得强度周 期振动(intensity beating)不会发生。一种可选方案将是利用以适 当角度旋转的交叉柱镜，使得两个空间图案之间的频率周期振动被减少 或者消除。参考图25，可以使用来自任选的漫射层146的非常小角度的 漫射来去除残留结构。此外，通过将菲涅耳场透镜84从LCD面板移开， 莫尔图案减少并且最终从视觉上消失。
校正这个问题的一种方式是增大射在场透镜84上的远心光束的尺 寸，从而使得即使场透镜与LCD面板有一定量的间隔，会聚的光束仍然 大得足以填满整个面板。至少有两种技术可以实现这种结果。一种技术 是修改远心透镜(在光照二向色分束器之前的某个位置)，从而使得从 其出来的光束宽于LCD面板宽度。另一种技术是通过增加负透镜，在光 束经过二向色分束器之后将其增大，使得远心进入光束形成为发散光 束。接着，场透镜84将截取放大的光束并将其重定向到投影透镜光瞳。
在优选的实施例中，菲涅耳场透镜84在LCD面板的光照侧。尽管 这具有优点，它也意味着射在LC面板上的光不是远心的。这要求面板 具有良好的角度偏振补偿(在大约12度场上的C-plate)。否则，对比 率将朝着器件边缘下降。可选实施例是将菲涅耳场透镜84移动到LCD 调制器面板之前(即，在成像侧)的位置。这将要求相对好的图像质量 并要求通过交替方式校正莫尔效应。除了上面的方法或者与上面的方法 相结合，可以将漫射层增加到远心透镜62和偏振器之间的面板之前的 吸收型偏振器，以便进一步减少莫尔效应。
空间光调制器60r，60g，60b的配置
对于图2-4的实施例，空间光调制器面板60r，60g，60b是透射TFT LC面板，每个都具有5英寸或者更大的对角线。高分辨率面板部件(2048 x 1080或者4096 x 2160像素)对于诸如数字影院的应用特别有利。在 图2到图4的实施例中，将LC调制器面板60r，60g，60b从作为“直 视式”面板的传统使用进行修改并简化，以便用于投影应用中。首先参 考图7A，示出由制造商提供用于显示器应用的传统LC调制器面板118。 在该传统结构中，其控制电极包括ITO层124和薄膜晶体管122的LC 材料120与滤色器阵列132一起被夹在玻璃板126之间。前偏振器和后 偏振器128是吸收型片材，其性能受到高热等级的损害。吸收型的本质 是自损害的，降低了对比度和光谱透射，并且通过热传导影响液晶层的 性能。最终地，高热等级导致变化的对比度和图像不均匀。还提供补偿 膜130来增强对比度，特别是在增加显示器的观看视角的努力中。这些 补偿膜通常被设计为保留可能在二维上完全180度地利用该器件的直接 观看者可接受的对比度等级。在很多器件中，使用其它增强膜，但是未 示出，诸如漫射层，用于帮助再循环偏振的层，以及甚至使来自背光的 光照出来的层。接着将面板与背光单元组合，背光单元通常组合冷阴极 荧光管，这些冷阴极荧光管装进到全内反射光学部件(即光导)中，其 允许相对均匀地朝着面板发光。
图7B示出如本发明中所使用的简化的LC空间光调制器60r，60g， 60b面板的结构。该LC面板包括像素化的结构，其中晶体管位于包围透 射区域的边界中。晶体管由黑矩阵保护，然而，不需要色彩的子像素和 滤色器阵列。LC材料夹在具有至少一些刚性的两个透射基板之间。该基 板优选是带有电介质抗反射涂层的(这可以提供在单独的膜基上)，但 是不具有抗眩光或者其它漫射处理。去除偏振膜，以及漫射膜，角度控 制膜，以及其它特定功能膜。可以去除补偿膜130；即使保留，也显著 减少了补偿膜130的性能要求和成本，因为光与LC表面法线的角度偏 差极低。尽管典型的“直视式”显示器通常需要在观看者整个轴(在两 个方向上都高至180度)上的均匀对比率，本系统对于15”面板具有大 约2度的角度要求。前偏振器和后偏振器128也被从与空间光调制器 60r，60g，60b自身的直接接触中去除掉。诸如在较早提到的Clifton 公开中的其他人尝试将大LCD面板用于较低流明的系统。在该技术中， Clifton公开中描述的方案使用滤色器阵列(CFA)，并且具有与子像素 关联的额外的黑矩阵。这两种部件在试图提供高流明和大有效光展量时 都存在缺陷。此外，Clifton讨论了去除诸如偏振器，补偿膜，和抗眩 光层的材料，使得可以通过保持到面板的小的入射角来增强顺序对比 度。尽管将偏振器分出对于高流明应用是期望的以防止影响均匀性的热 量，但是补偿膜可能是更期望的并且在适当设计时将改进对比度。 Clifton还没有认识到需要抗反射涂层来防止来自基板的背反射，这会 引起ANSI或者棋盘形对比度的损失(黑色像素与相邻白色像素的对比 度的减小)。对于数字影院投影仪，需要200:1或者更大的高ANSI对 比度。此外，传统解决方案没有认识到从引起“屏蔽门”伪像的开口率 的图像质量角度看的负面影响。
位于LC面板附近的任选的线栅偏振器能够处理高光等级而不吸收 很多的光能，并且特别好地适合于投影设备50中的高强度应用。线栅 偏振器被设计为反射未透射的偏振状态。理想地，片形式的偏振器将是 不昂贵的，如Mi等人的美国专利申请公开2006/0061862中所公开的。 对比率不需要非常高(在100:1的量级，因为预偏振器能够提供相当等 级的偏振)。在显示面板的成像侧，期望将线栅偏振器放置在使得该反 射光不回到LCD的位置，以便不影响ANSI对比度。这有两种可选办法 来实施：第一种是使用成像光的反射偏振状态。第二种可选办法是使线 栅倾斜，从而使得反射的返回光避开LCD调制器，或者由孔径光阑阻断， 或者由简单的空间分隔阻断。在这种情况下，发散的图像光透射通过倾 斜的板，这将光学像差引入系统中。使用薄线栅结构将这种效应最小化。 此外，可以相反的角度将第二板放置到光束中，以便直接补偿光束中的 散光。剩余的像差一般不会严重到足以需要进一步的补偿来保持图像质 量。
将偏振器与LC材料120隔开防止了负面影响图像均匀性的热传导。 不再需要滤色器阵列132，因为光谱光是空间分开的。这种滤色器阵列 的去除对于诸如将用于数字影院的高流明系统是特别有利的，其中滤色 器阵列的吸收本质将由于产生的热量而存在性能和退化问题。使用反射 型滤色器阵列是可能的，然而，反射光的损失是不期望的。在该情况下 可以使用色彩还原(color recovery)系统来保持系统级亮度。滤色器 阵列结构的一部分包括黑掩膜，其被提供为阻断光直接射到晶体管结构 的装置，并且用于提供滤色器材料的保持装置。尽管仍需要光阻断，不 再需要保持装置。可以使用诸如反射涂层的其它装置或者继续使用黑掩 膜来保护晶体管免受入射光。可以在玻璃126的两个外表面上都提供任 选的抗反射涂层134，136。抗反射涂层134，136将帮助减少棋盘图案 效应并增加ANSI对比率，将来自杂散光的相邻像素的交互作用最小化。
在优选的实施例中，在LCD面板的成像侧，使用相对高透射的吸收 型偏振器作为系统中的第一层次分析器。这使得透过该分析器的光的偏 振状态基本是线性的，从而较少受到由于可能引入到系统中的反射部件 的任何相移的影响。该对比率随后可以如图17所示通过将较小的较高 对比率的倾斜偏振器137放在系统中较后的地方而得到改进，例如，使 用对于该能量密度适合的在投影透镜空间倾斜的线栅或者其它偏振器， 从而使得返回光不会射到空间光调制器上。例如，这可以放在投影透镜 之前或者对于较小的部件，放在孔径光阑附近的投影透镜内。
屏蔽门效应
由于“直视式”LCD显示器的开口率与微显示器器件的开口率相比 较大，像素周围的边界负面地影响图像质量。与直视式的情况不同，这 些边界在大屏幕上相当明显，特别是在显示被放大的情况下。这种效应 通常称为屏蔽门伪像，并且被认为对于数字影院投影的高质量要求是不 可接受的。有可能通过在单个运动帧的曝光(exposure)中将个体的像 素图像偏移约1/2孔径边界(aperture boarder)的距离，使得这些明 确的像素边缘以及包围它们的边界弱化。通过这种方式，像素的光能扩 展到孔径区域中，并且观看的眼睛在时间上平均这个效应，从而使得像 素看起来填充该区域。可以调整定时或者驱动信号来控制曝光轮廓；例 如，可以使用正弦或者阶跃函数。称为抖动的这种技术有时候在打印中 使用，以便提供边缘弱化或者增加的分辨率，如共同转让的Ramanujan 的美国专利号6930797中所显示的。抖动可以通过很多方法执行，包括 通过移动显示面板，通过移动投影透镜，或者通过旋转成像路径中的倾 斜的平光学板或者光楔。在一个实施例中，就设置在投影透镜之前的线 栅偏振器在两个正交方向上重复地倾斜，从而提供运动来平滑像素的顶 孔径和侧孔径两者。在部分示于图27中的一个实施例中，使用无摩擦 弯曲枢轴承139将抖动板138安装到双轴万向接头。绕轴旋转的抖动运 动可以使用电机上的凸轮，压电推动器，螺线管，或者某种其它受控致 动器来执行。在一个实施例中，在系统中在此点要求的抖动运动小于5 度。
对于元件的物理致动来减少屏蔽门效应的可选方案将是使用偏振 模糊滤光器，如在数字相机中通常使用的。散焦可能是用于屏蔽门伪像 补偿的最简单的方式，然而，这导致能量从一个像素到其相邻像素的某 种交迭。利用散焦，损失一些边缘锐度，导致调制传递函数上的一些减 少。另一种方案是建立对于孔径的特定频率的截止频率滤光器，并将这 设计到系统中。
空间光调制器的安装结构
在一个实施例中(未示出)，空间光调制器60r，60g，60b被一起 安装到名义上在公共平面中相邻保持的预对准组件中。例如，使用 100-250um之间的典型“直视式”像素尺寸，机械上可以较容易地使三 个空间光调制器60r，60g，60b预对准到剩余的投影光学器件，使得投 影透镜调整可以在现场进行以提供正确聚焦的和会聚的图像。这种模块 化方案对于数字影院应用是有利的，因为包含空间光调制器60r，60g， 60b的整个部件可以作为现场可更换单元被去除和更换。例如，如果面 板变得损坏或者技术上陈旧，可以用未损坏的或者性能更高的部件替换 该组件。这对于基于微显示器的投影系统不是那么容易。
此外，该空间光调制器组件可以用窗口142，143保护，窗口142， 143与空间光调制器组件自身间隔开，位于调制器的成像和/或光照侧。 这些窗口可以用于散开在操作中可能累积的灰尘。这些相同的窗口可以 是偏振和/或补偿组件的一部分，其中膜成为窗口，或者接合到窗口基 板自身。在任一种情况下，需要AR涂层(147，148)来减少背反射和 光损失。此外，还期望具有可以被清洁的耐用表面，用于长期操作。图 25中示出的通风口144可以合并在子面板和LC面板之间，在那里可以 用经过过滤的空气来充分地冷却面板和偏振器部件。
类似地，面板到面板的容差显著大于微显示器系统下的容差。例如， 保持到1/2像素的对准在微显示器器件中大约是5微米，而在大面板中 这大约是50到100微米。因此，可能替换系统中的单个面板，并且或 者具有相对于调制器安装系统中的基准结构的工厂参考对准，或者简单 地在现场将单个面板与其它两个重新对准。这对于蓝色通道特别重要， 因为LCD材料和聚酰亚胺对准层对于蓝色和UV光的较高能谱最敏感。 因此，预计蓝色空间光调制器将具有每个面板相对于机器和/或相对于 彼此的较短的参考安装。示例可以包括在LCD之前间隔开的至少包含偏 振器的子面板和在LCD之后间隔开的至少包含在两侧都有AR涂层的偏 振器的子面板。
LC调制器面板
如较早关于图14提到的，LC调制器面板60的尺寸可以被优化来适 合投影设备50的性能要求。与以前使用的微型化LCOS LCD解决方案相 反，LC调制器面板60可以是大于典型的膝上型显示器的较大尺度的器 件，大约5到20对角线英寸或者更多。尽管早期的LC面板令人失望地 慢，正在进行的工作已经提供了100％或者更好的速度改进，并且看起 来增加的速度是可行的。已经报道了4毫秒或者更短的改进的响应时间。 对于数字影院的苛刻要求，重要的是在使用的每个面板的所有码值之间 尝试并平衡这些响应时间。这将有助于减少运动伪像。使用快门的遮蔽 或遮隐也可以被用来有效地阻断图像过渡期间的光。
理想地，可以将调制器面板60的大小设置为大得刚好足以利用完 全的灯系统光展量，而又小得足以给出最快的响应时间，具有使用标准 TFT LC面板方法制造的像素结构和电子器件的最佳尺寸。此外，大小尺 寸影响投影透镜尺寸，从而与投影透镜设计关联的制造和技术因素是重 要的考虑。一个关键的考虑是在可实现并且商业可得到的像素尺寸下实 现数字影院系统要求的分辨率，以便利用电视和监视器使用的大面板制 造基础设施。
传统TFT LC面板器件具有在60-70％范围的开口率，明显小于LC 微显示器器件的大约90％的开口率。损失的开口的一些比例是由于驱动 晶体管和互连部件。然而，减少的开口率的一部分是由于作为LC器件 的滤色器阵列132(图7A)的一部分制造的黑矩阵。然而，因为本发明 使用具有分离的色彩通道的实施例，不需要并去除了LC器件的滤色器 阵列。至少黑矩阵的将一种色彩与另一种色彩分开的那部分也可以被去 除，从而使得例如重新得到红色和绿色部分之间失去的孔径区域，产生 额外的有效区域(图7B)。对于某些LC面板设计这可以得到高达8-12％ 或者更多的开口率改进。尽管大部分单色LC面板保持例如这个为直视 式医疗应用制作的高分辨率TFT LC面板，该应用将受益于不再保留这 些像素遮蔽的定制面板。然而，重要的是保持晶体管结构上最高程度的 光阻断，因为与传统的大面板直视式光照相比光等级相对较高。
大TFT LC面板相对于微器件的这种减小的开口率产生了20-40％之 间任意的光损失。可以通过按照逐像素的基础使用微透镜 (micro-lens)，将光聚焦到LCD结构的未开口区域，来获得更高的效 率。该微透镜(micro-lens)阵列可以与面板分离，但是优选地在形成 晶体管或者孔径阻断阵列的相同工艺下，制造在LCD玻璃上，从而使得 像素与透镜之间的对准是制造工艺的一部分。类似地，可以在面板的图 像侧利用微透镜(micro-lens)阵列，来填充由于面板中的光阻断孔径 引起的光间隙。
投影光学器件
在图2-4的实施例下，图8中所示的投影透镜70具有在直径上相 当大的部件透镜。为了适当地捕获调制的彩色光束中的所有光，第一透 镜元件(图9的结构中最左边)的透镜直径可以大致与空间光调制器 60r，60g，60b的对角线相同。尽管这对于传统的玻璃光学器件是困难 的，应当指出尽管透镜部件和调制器的尺寸增加，元件的光功率和需要 的光表面质量下降。从而，可以更容易地制造传统的薄玻璃或者塑料光 学器件，甚至可以通过模制来制造这些器件。可以考虑将菲涅耳光学器 件，衍射光学器件，梯度指数，以及反射光学器件用于该应用。
使用反射部件的示例性实施例示于图10和11的实施例中。这些使 用反射光学器件来弯折和会聚从空间光调制器60g和从空间光调制器 60r和60b(图10和11中未示出)得到的多色调制彩色光束，使用二 向色表面68，72将该光重新组合到单个输出轴上。如之前提到过的， 反射表面有优势，因为它们不表现出横向或者轴向色差。然而，它们表 现出其它误差，诸如图12中所示的不对称失真。图11中所示的第一弯 曲反射表面78将多色调制彩色光束朝着第二弯曲反射表面80重定向。 使用这种配置，第二弯曲反射表面80可以放置在投影透镜70的焦平面 处，或者可以被用于弯折光路。在所示出的实施例中，第一弯曲反射表 面78是凹的，第二弯曲反射表面80是凸的。第一，第二弯曲反射表面 78，80中的任一或者两者可以是非球面的。第一反射表面78可以是环 形的来帮助减少沿着两个主轴的失真。图12示出将实际图像14a与更 理想的近轴图像14p相比，在垂直和水平视场上的失真。可以使用各种 类型的涂层来提供反射表面，包括二向色涂层。
图10和11中所示的结构的另一个优点涉及偏振。在更多偏振是有 用的情况下，该结构允许在使用分开的投影透镜时，增加单个偏振元件， 诸如线栅偏振器，而不是每个色彩通道中都需要偏振元件。
除了在光路中增加部件，对色彩模式(color profile)的改变在 一些实施例中可能是有利的。例如，尽管图2，3，和13示出使用传统 的红色，绿色和蓝色色彩分量的集合的投影设备50，其它结构也是可能 的，包括使用额外的色彩，来提供增强的色域，伴随将这些色彩合并到 光路中的对应的变化。或者，可以使用不同的色彩分量来形成投影的彩 色图像。
通过与图1A中的传统投影设备10相比较，图2以及之后中的投影 设备50的结构提供了一种能够实现高得多的亮度等级的系统。在图1A 中的传统结构的空间光调制器30r，30g和30b是微型化的LC器件的情 况下，这些器件的拉格朗日不变量和能量承载容量，将可得到的亮度的 量限制到约5000到不超过约25000流明的范围。相反，图2以及之后 的实施例享有扩展的流明范围，允许大大超过30000流明、高达70000 流明或者更多的投影。
多投影透镜实施例
参考图17，示出为每个色彩通道使用单独的投影光学器件的投影设 备50的实施例。投影透镜70r，70g和70b是分别为红色，绿色和蓝色 通道提供的。在每个色彩通道中还有额外的透镜84用于为每个投影透 镜70r，70g和70b会聚光。图18的透视图示出一个实施例中的光学部 件的布置。该实施例优点在于需要的透镜元件不是非常大，并且相当容 易制造，与微显示器系统中的投影透镜相比提供了成本优势。尽管可以 制作替代的多投影透镜的配置，诸如水平的和圆形的，垂直取向具有的 优点是能够利用单个变形透镜来改变投影的开口率。数字影院应用有时 候对于特定的图片具有范围从1.85到2.39的格式差异。因此，图片格 式可能不匹配调制器的格式。通常，使用上下加框(letter-boxing) 来获得不同的开口率，然而，在使用这种方案中会损失有价值的像素。 这可以通过使用变形透镜来光学地校正，借此图像的一个轴比其相应的 正交轴被更多地放大。优选实施例中该多个投影透镜的垂直布置允许应 用单个变形透镜附件(柱面透镜)来拉伸或者缩小图像宽比例。
由于空间光调制器30可能较大，如果调制器的光轴被直接导向至 投影仪之外，该多个投影透镜将自然地在空间上间隔相当的量。这些空 间上隔开的投影透镜不利的地方是它们将引起图像中的视差，以及需要 多个变形透镜附件，或者需要非常大的单个附件。类似地，一起保持和 调整所有三个透镜聚焦的机构将增大。在优选的实施例中，使用如图26 中所示的潜望镜布置152来将透镜之间的距离最小化。该镜结构进一步 有利的是通过允许旋转镜子对准来控制面板相互之间的横向图像对准， 而不用旋转实际的面板图像。
因为偏振校正，投影透镜必须捕获的水平方向上的光锥是在垂直方 向上需要的两倍那么大。制造捕获所有光的投影透镜的最简单方法是用 旋转对称来构造它，从而使得透镜的f/#足以捕获所有方向上来自光照 系统的最快的锥形。光照光束只不过在垂直方向上未充满透镜。
对于考虑在两个正交方向上具有不同的f/#的投影透镜存在不那么 明显的原因。这可以通过将椭圆光阑放在投影透镜中来实现。这样做的 一个优点是在垂直方向上较小的孔径将有助于消除杂散光并因而潜在 地改进系统对比度。垂直方向上较慢的f/#的另一个优点是投影透镜通 光孔径在该方向上变得更小，并允许切掉(slab off)投影透镜的顶部 和底部；相应地，允许更接近彼此地安装透镜，从而减少来自三个分开 的投影透镜的视差的影响。
立体效果投影
对于基于影院的投影，在获得立体的、或者所谓的“3-D”投影方 面有相当的兴趣，特别是随着剧场中的数字投影仪的出现。最高质量的 立体效果系统对于左眼和右眼使用不同的偏振状态，利用观看者使用的 适当设计的眼镜来根据光的偏振透射和阻断光。通常，对于两个不同的 视图使用左手和右手圆偏振状态。旋转离开投影仪的光的偏振状态的LC 转换器件通过用这两种偏振状态工作，能够更好地处理具有彩色伪像的 全光谱。大面板LC投影在这种应用中的优点在于离开成像系统的光由 于LC调制的本质而已经是以特定状态偏振的。从而，可以将转换装置 与投影透镜合并或者合并在其中，来在时序的基础上将偏振的输出状态 转换到用于每个眼睛的正确状态。这种系统在亮度上优于基于DMD的系 统，基于DMD的系统必须在进行这种转换之前对光进行偏振。目前，仅 显示了5ft朗伯的大屏幕数字3-D投影，这明显低于对于传统数字影 院投影标准化的14ft朗伯。很清楚当前系统不满足可以由该高光展 量系统给出的最佳成像性能。
参考图16，诸如来自Colorlink，Boulder，Co，的ALPStm器件的偏 振转换器件82可以放置在“整理”分析器之后的成像器的输出侧上。 在单透镜系统的情况下，偏振转换器件82需要为所有色彩带消色。在 图17的三投影透镜方案中，可以使用三个单独的偏振转换器件(旋转 偏振状态用于左眼和右眼)。这种替代布置简化了偏振转换器件的结构， 从而使得它只需要在较小的光谱带上的消色性能，潜在地允许使用线偏 振。线偏振具有成本优势，因为它需要没有迟滞材料的偏振器，不像通 常使用的圆偏振观看眼镜。
另一种立体效果实施例使用线偏振光，其中用于左眼的光相对于用 于右眼的光被再次正交偏振，并且为左眼和右眼图像使用单独的LC面 板，如图24中所示。偏振分束器210将一种偏振导向第一色彩调制部 90a，将正交偏振导向第二色彩调制部90b，在图24中仅以轮廓表示； 实践中，第二色彩调制部90b将具有与用于第一色彩调制部90a相同的 部件布置。利用这种布置，两种不同的偏振状态可以被同时投影到眼睛， 而眼睛之间没有可感知的闪烁，在存在对于每个眼睛交替的暗状态时发 生这种闪烁。此外，通过为每个眼睛使用单独的LC面板将减少运动伪 像，因为不需要两倍于单面板实施那么快地驱动这些面板。相应地，在 其中一个投影通道(左或右眼)上使用半波板来旋转偏振，使得直到调 制LC面板，两个光路是一致的，使用进入光学器件和LC器件的相同的 优选偏振状态。例如，不是使用偏振校正方案来将光照偏振旋转到单个 状态，而是每个正交偏振状态可以被用于发出光照到一组大的TFT面板 上，每组用于通过单个眼睛的观看。在面板之前使用半波板从而使得进 入面板的偏振状态是相同的。在成像侧，需要另一半波板来旋转一个面 板的偏振状态，使得每个眼睛看到正交偏振状态的光。
使用偏振来提供左眼和右眼之间不同的信息的一种可选方案是采 用偏移的光谱点。在这种情况下，每个眼睛的光照源可以使光谱偏移以 顺序方式发生，由此观看者佩戴仅允许优选的光谱进入各个眼睛的装 置。另一个选择将是为每个眼睛提供单独的LC面板组，由此光照被导 向至适当的面板组。在任一情况下，重要的是适当地色彩平衡每个眼睛， 从而使得白色点基本匹配。
具有使用更亮的光源的能力以及对于大面积图像发生器的使用，如 图2以及后面中的使用TFT LC调制器面板60r，60g，60b的投影设备 50提供在40-50％量级的总体效率。这与图1A中所示的较早的LCOS LCD 设计的典型效率形成对比，在其中，如较早提到的，低很多的效率是常 见的。此外，本发明的投影设备50比传统投影仪设计提供更高的亮度， 以更高的光展量工作，与增加的光展量导致更复杂和昂贵的光学设计的 一般概念形成对比。
已经特别参考某些优选实施例详细描述了本发明，但是将理解，在 如上所述以及如同所附权利要求书中记载的本发明的范围内，本领域技 术人员可以在不偏离本发明的范围的情况下实现各种变化和修改。例 如，可以使用可选的新近提出的TFT部件类型，包括基于共轭聚合物、 低聚物或者其它分子的有机薄膜晶体管(OTFT)，以及利用散布良好的 单层单壁碳纳米管的薄膜晶体管。空间光调制器可以使用液晶技术进行 光调制，或者可以使用最近开发的、使用法拉第效应调制光的磁光子晶 体(MPC)器件。因此，所提供的是使用TFT LC面板来形成投影图像的 电子投影设备的设备和方法。
部件列表
10.投影设备
12.均匀化光学器件
14a，14p，14r，14g，14b.图像
20.光源
20r，20g，20b.光源，红色；光源，绿色；光源，蓝色
22.均匀化元件
22r，22g，22b.均匀化元件，红色；均匀化元件，绿色；均匀化元件， 蓝色
24r，24g，24b.偏振分束器，红色；偏振分束器，绿色；偏振分束器， 蓝色
26.二向色组合器
28.光照源
30r，30g，30b.空间光调制器，红色；空间光调制器，绿色；空间光调 制器，蓝色
32.投影透镜
34.偏振器
36.偏振分束器
38.光照光束
40.显示表面
42.半波板
44.涂层
48r，48g，48b.偏振器
50.投影设备
52.冷镜
54，56.二向色表面
58.反射表面
60r，60g，60b空间光调制器
62.远心透镜
64，66镜子
68.二向色表面
70，70r，70g，70b.投影透镜
72.二向色表面
76.分色器
78，80.反射表面
82.偏振转换器件
84.菲涅耳场透镜
90，90a，90b.色彩调制部
92.色彩组合器
94.半波板
96.偏振器
98.镜子
102.镜子
118.LC调制器面板
120.LC材料
122.薄膜晶体管
124.ITO层
126.玻璃
128.偏振器
130.补偿膜
132.滤色器阵列
134，136.抗反射涂层
137.倾斜的偏振器
138.抖动板
139.无摩擦弯曲枢轴承
140.介质电子电路
141.电源
142，143.窗口
146.任选的散射层
147，148.抗反射涂层
150.除尘密封
152.潜望镜(periscopic mirror)布置
180.泡灯(bubble lamp)
182.弧隙
184.反射器
186.焦点
188.图像
190，190r，190g，190b.LED阵列
192.偏振分束器
194.波板
196.散热器
198.芯片基板
200.LED
202.偏振分束器
204.光照中继
206.点
208.强度曲线
210.偏振分束器
250r，250g，250b.色彩通道
O，Or，Og，Ob.光轴