CN100469117C - 具有顺序色彩过滤器和高压放电灯的照明系统 - Google Patents

具有顺序色彩过滤器和高压放电灯的照明系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到操作具有顺序色彩过滤器和交流高压放电灯之照明系统的一种新方法。本发明还涉及到用于所述照明系统的相应的镇流器。根据本发明，在色彩过滤序列期间针对供给所述灯的电流至少采用三次换向以便有利地操作放电灯而又不过度地增加色彩过滤的工作频率。

Description

具有顺序色彩过滤器和高压放电灯的照明系统
技术领域
本发明涉及到具有用交流电操作的高压放电灯以及色彩过滤系统的照明系统。在这种情况下使用术语高压放电灯以使其与低压放电灯相区别。但是，本发明特别涉及到例如用内部压力在200巴左右，即特别高压力所操作的投射用放电灯。
背景技术
照明系统中已知的色彩过滤系统被设计成使其利用多个彩色滤光片，通常是至少三个彩色滤光片束在时间上按顺序过滤出放电灯的光线。通常，按照时间顺序的色彩过滤是周期性的，故不同色彩的顺序保持不变。特别在投影应用中这种色彩过滤系统与数字镜面系统(DMD：digital mirror device)一起使用，为了能够通过不同色彩阶段中镜面的不同的电子控制来产生具有由过滤系统的色彩所组成的彩色图像。在此所利用的事实是：在给出的各种色彩序列足够快时，在人眼中会产生混色印象。这种照明系统本身是人们所熟知的，并且特别极为广泛地用在背投显示设备和所谓的投影仪上，即前投设备(DLP“数字光线处理”)。不过，本发明也一般地涉及具有高压放电灯和时间顺序的色彩过滤系统的照明系统。
通常，投影系统中的色彩过滤系统，其具有绕轴线转动且由滤光片节段(segment)组成的转轮形式，其中放电灯的光线由转轮过滤，而通过不同节段的转动由光线得到所述按照时间顺序的序列。这因此在本技术领域中也常常谈到色彩转轮。不过本发明并不局限于这些机械解决方案，而是还可以用任何其他的按时间顺序的色彩过滤系统来实施。
发明内容
在根据本发明的系统中，色彩过滤系统的操作与交流放电灯的操作必须相互同步或一起计时或触发。
本发明的技术问题在于详细说明这种照明系统的一种改进方法。
本发明旨在一种方法，此方法用来操作具有由交流电操作之高压放电灯和借助多个彩色滤光片按照时间顺序过滤放电灯的光线之色彩过滤系统的照明系统，在这种方法中，放电灯的交流供电在一个完整的色彩过滤序列之内至少要换向三次。
本发明还旨在一个相应配置的电子镇流器，除包括电子镇流器外还包括色彩过滤系统的相应配置的照明系统，以及作为优选应用的背投显示器和投影仪。
在从属权利要求中详细说明了优选的改进。在此，权利要求的特征和下述说明中公开的特征，每次都应理解为既是关于本发明方法性质的，也是关于本发明设备性质的，而无需其间还明确区分。
本发明的特征在于，放电灯的交流供电在一个完整的序列之内，也就是说在常规周期性色彩过滤情况下的一个色彩过滤周期之内，其至少要换向三次。术语“换向”表示灯电流符号的改变或符号相反的两个连续灯电流阶段之间的零点。
在现有技术中，迄今为止用周期性交流电源驱动所述的灯，其周期为顺序色彩过滤周期的两倍。这具有，例如，依据现有技术DE 100 23342 A1中公开的现有技术：在此优选考虑投影系统的情况下，在每次均处在两次换向之间的灯电流阶段的末端，引入具有过高的灯电流的较短短的阶段在当时已非常普遍。利用过高灯电流的这个阶段能够(重新)配置该放电灯的电极或稳定灯的运行。除了所引用的文件以外，还可以参考与本领域普通技术人员所熟知之电极烧损基本现象的详细情况相关的DE 100 21 537 A1。在这方面，把过高灯电流的阶段总是准确地分配给一个彩色滤光片被认为是有利的，例如，参见DE 100 23342的第19段。
由此出发，发明人已经发现，一方面，常常不可能没有严重缺点地提高色彩过滤系统的工作频率。这些缺陷可能是增加色彩转轮的磨损，或是增加了噪声的发生。然而，另一方面也显露出，放电灯的工作频率，或者是更为通用地表达灯电流的平均换向频率，不应当太低。否则的话，在发光期间就会有弧光不稳定的危险。本发明通过灯电流在一个周期内，或更一般地说，在色彩过滤的一个完整序列内的至少三次换向解决了以放电灯过滤系统低工作频率为一方面与以电灯电流高换向频率为另一方面这两者之间的这种利益冲突。
如从下述说明中更加详尽表明的那样，在本发明的说明中不仅必须考虑到在原则上还可以构想色彩过滤的非周期性(按时间顺序)工作方式，而且此外还必须考虑到由换向而分隔的灯电流阶段在本发明的范围内也无需对称。在实际的数学意义上，灯电流的周期也能够包括远不止两个换向。不过，对所述灯的操作来说，重要的是换向而不是严格的周期性，为此，本发明通过提高平均换向频率已经使放电灯的操作得到改进。
本发明的一个优选特征甚至做到了由换向所分隔的连续的灯电流阶段至少彼此部分地不同。这样，就可以以这种方式特别有利地使这些阶段适合于色彩过滤系统的操作模式，如果需要使之适合于整个投影系统电子控制的技术边界条件。特别是，通过这一自由度能够以特别有利的方式利用和/或改变参考现有技术已经提到的所谓灯电流脉冲，亦即过高灯电流的时间阶段，此阶段最好在由两个换向所分隔的灯电流阶段的末端，也就是说紧挨着一个换向之前。
在除了原来的色彩滤光片外还具有白色或无过滤区域的普通的色彩过滤系统中，灯电流的这种过高脉冲可以设置在色彩过滤的这种白色阶段的起始端。在本说明的意义上，白色阶段在这里也可以理解为是色彩过滤的过滤阶段。其通常用来放大亮度，而其余的色彩过滤阶段则负责原来色彩的产生，特别是色彩饱和。过高脉冲的位置至少部分处在白色阶段起始端的好处是，相应的短暂增强的发光并不因色彩产生中的干扰，特别是不因投影图像的色彩图像干扰例如彩色条纹而变得明显。此外，对控制电子学来说，如果需要的话，更较容易处理白色阶段中增强的发光。
另一可供选择或额外的可能性在于把过高脉冲置于色彩过滤阶段之间的，有时表示成辐状(spokes)的中间阶段。为了在灯的光线不仅是由一个彩色滤光片而是由两个彩色滤光片过滤的渐隐或以特殊的方式进行处理，可以使用这些中间阶段。这项工作通常是通过使DMD的电子控制镜面倾斜，或通过特定的光混合技术来完成。因而，色彩的产生只使用放电灯光线恰好透过一个彩色滤光片(包括白色区域)的那些时间区域。现在，过高脉冲至少部分地置于这种中间阶段，那么其通过增强的发光对原来的色彩过滤阶段没有干扰，或只有很小的干扰作用。
本发明一个特别优选的应用提供了这两种可能性的组合，亦即过高脉冲在白色阶段的起始端同时在至少一个中间阶段。实施例详细地表示出了在白色阶段前中间阶段内延伸到白色阶段的过高脉冲以及每次在另两个中间阶段内的过高脉冲。在此实施例的情况下，这两个另外的中间阶段与白色阶段相反(在转轮的意义上)。此外，过高脉冲最好设置在各灯电流换向之前。
在所说明的形式中，通过针对这一位置选择中间阶段以及白色阶段起始端。此外，通过一方面将过高脉冲保持在各色彩过滤阶段之前的中间阶段之内，另一方面把在白色阶段之前进入到这个色彩过滤阶段的过高脉冲延长，并在操作期间在这一阶段之内改变过高脉冲，这样一来，能够使灯电流过高脉冲地位置还有长度适应于色彩过滤系统的操作。
特别是，除了稳定放电灯的操作和电极成形之外，在此本发明还允许控制亮度或色彩饱和度。因为已经表明所有过高脉冲平均长度或白色阶段之前在时间上可变的过高脉冲长度的区域是相当宽的，该区域对放电灯操作和电极成形都是有利的。因此，在这个有利区域，有可能通过延长过高脉冲在白色阶段起始端来增强白色分量，从而以影响色彩饱和度为代价来增强亮度，或者反过来，在缩短(过高脉冲)的情况下以影响亮度为代价来增强色彩饱和度。
在本发明的另一优选改进中，灯电流的极性不仅在所说的换向之一时进行交变，而且具有交变极性的相互对称的灯电流阶段还彼此邻接。这些灯电流阶段每个都包括两个或多个各具相同极性的较短的灯电流阶段，或者换句话说在每个都包含灯电流的至少一次换向。灯电流在较长时间范围内周期的配置能够特别简单而有利地将在换向之间的阶段对于色彩过滤系统或控制的边界条件的匹配与避免灯电流的净直流分量结合起来。在此，每半个周期最好是分别分配给色彩过滤系统的一个周期。换言之：由互相对称的半周期所组成的因而相应于至少六个换向的灯电流周期相应于色彩过滤周期的两倍。
此外，为消除对过高脉冲可变性的限制，因此最好是每半周期的换向次数为奇数，最好是三。为说明上述细节，参见所述的实施例。
已经引用的现有技术DE 100 21 537 A1提出改变灯的工作频率用于电极成形或稳定放电灯操作。与此相反，在本发明的范围之内最好规定，为这一目的利用已经提到的过高脉冲的长度和/或高度，而不是利用它们的频率。尽管在本发明的范围内原则上也可以考虑去改变这一频率，或是通过适当地协同控制色彩过滤系统的工作频率或者通过将过高脉冲删除并插入到灯电流的时间模式中改变此频率，而其他则保持不变，但是，最好是使灯电流的时间模式(还有色彩过滤的时间模式)基本上保持不变，而只改变处在灯电流相应换向之间灯电流阶段中的过高脉冲分量，或是改变灯电流的过增高度。这么做已经表明在技术上是比较简单的，且除此之外最好是无论如何都允许在每个换向之前而不只是在某些换向之前插入过高脉冲。
具体而言，最好是(只)改变处在白色阶段之前及其起始端的过高脉冲的脉冲长度，而允许其余的过高脉冲保持不变。由此可以确保其余的最好是处在中间阶段的过高脉冲仍保留在这些中间阶段之内，而这些中间阶段中在任何情况下都是没有太多时间的。另一方面，延伸进白色阶段起始端的过高脉冲还能够加长或缩短而不产生严重的影响，因为它不损害混色。关于这方面请参考上面的说明。
色彩过滤系统的常用工作频率在100Hz-150Hz，故常规的灯电流频率在50Hz-75Hz。因此，在每时间单位灯电流换向数的意义上，本发明在这里导致至少300Hz的换向频率(即与实际灯电流频率相比要加倍)。不过，在原则上本发明也能够降低色彩过滤系统的频率。在这一点上已经证明最好是使灯电流的换向频率尽可能地不低于180Hz，最好不低于200Hz。从这些列举的数值出发，得到在所述灯中特别有利的工作条件，因此应用具有相应降低的色彩过滤系统频率的发明不可能令人感兴趣。
产生灯电流的电子镇流器必须能够按照本发明方法的方式以与色彩过滤系统的操作相适应地工作。为此在原则上可以利用外部时钟信号来控制色彩过滤系统和镇流器，或还可以利用在色彩过滤系统(例如在色彩转轮的标记上)取出的时钟信号，或最后还可以利用由镇流器所产生的时钟信号来控制色彩过滤系统。不过，根据本发明的镇流器最好具有对相应数字时钟信号的信号输入，该数字时钟信号是在相应照明系统，特别是背投显示器或投影仪(Beamer)的电子控制中产生的。特别是，这一信号可能是所谓的SCI信号，其数字脉冲沿，特别是上升沿确定了灯电流过高脉冲的时间位置，而且实际上最好是瞬时地。此外，数字SCI脉冲的时间长度还规定了过高脉冲的时间长度。在此情况下可以设置一个数字SCI脉冲的时间长度不是确定的灯电流基本上同时的过高脉冲的时间长度而是确定紧随其后的过高脉冲的时间长度。这就防止SCI脉冲不允许持续超出灯电流的过高脉冲。请再次参照本发明的实施例。
如前面已指出的那样，本发明不仅是针对一种操作方法，而且也涉及一种相应设置的电子镇流器，该镇流器根据用于操作色彩过滤系统且最好从外部施加的时钟信号能够向高压放电灯供给交变电流同时该交变电流在一个完整的色彩过滤顺序中至少有三次换向。本发明特别涉及到一种这样的市售镇流器，这种镇流器可以与高压放电灯及其反射器结合起来使用。
此外，本发明还涉及到一种照明系统，该系统除了所说的镇流器之外(有或没有放电灯以及反射器)还包括色彩过滤系统，具体地说，特别是以背投显示器形式，例如电视机，或以投影仪形式。
附图说明
下面借助一个具体实例对本发明予以更详细的说明，在此实例情况下，方法中所公开的特征首先既对装置的特性也对本发明方法的特征来说都是重要的，而且其对其他组合下的本发明来说也是至关重要的。
附图示出了控制根据本发明之电子镇流器的SCI时钟信号以及通过高压放电灯之灯电流IL的简略时间曲线图。
具体实施方式
附图中，用SCI标识的上边的连续直线说明一个由本发明投影仪，实际上由其电子控制输出的并输入到根据本发明之镇流器输入端的时钟信号。这一时钟信号包括高度相同但长度不同在时间上依次相连的数字脉冲。附图示出四个脉冲1，2，3和4，其中脉冲1和4长度，超过900μs，而脉冲2和3长度短于150μs。
位于其下方是一连续曲线，其用IL表示，该曲线表示通过高压放电灯的灯电流。此放电灯通过镇流器供电，镇流器和放电灯同样都是根据本发明的投影仪的组成部分。
投影仪还具有本身常规的色彩转轮形式的色彩过滤系统，它包括四个节段，其颜色为蓝、红、绿以及白色(也就是说无过滤)。三个彩色滤光片和白色区分别构成彩色滤光片转轮的90°节段，同时彩色滤光片转轮在转动期间和放电灯光束透射时提供三个彩色光和一个白色光的周期性序列。这一序列在图中用自左至右(沿自左至右所设想的时间轴方向)彼此相随的G，W，B和R区表示，能认为在左面的G区之前又为R区，而在右面的R区之后又为G区。图中用P标识的包括全部四个区G，W，B，R的色彩过滤系统的周期在此实例中对应于8.3ms，亦即频率为120Hz。
可以看出，沿色彩阶段G的全长，灯电流IL有一个符号为负用5表示的坪，其后紧随的是相对来说较短、绝对幅度较大同样为负的坪6。坪6之后为为一次符号的改变，亦即灯电流IL的换向，其用7表示。在它之后是另一坪8，其符号为正，绝对幅度与坪5的相同，而其长度相对坪5则明显加长。接下去是绝对幅度与坪6相同的坪9，但其符号为正而其长度显著缩短。紧随坪9之后的是另一换向点10，与坪5对应的坪11，以及在坪11之后的灯电流IL的坪12。坪12的符号与坪6的符号相同，而长度与坪9的相同，并且其绝对幅度与坪6和坪9这两者相同。紧随坪12的是换向点13。在本实例中，短坪9和12的长度各为220μs，而坪6的长度是660μs。其余的时间长度根据周期P的总持续时间得出。
坪5和6对应于在坪5之前时间发生但未示出的换向与换向7之间的放电灯操作阶段，坪8和9对应于符号与其相反在换向下与10之间的另一操作阶段，而坪11和12对应于换向10与13之间符号再次相反的操作阶段。在这种情况下，坪6，9和12相应于迄今表示成为过高脉冲的过高灯电流的阶段，就绝对电流幅度而言这些阶段彼此相同。过高脉冲6的应用由第二SCI脉冲2的上升沿同步，而就相对较长的长度来说其由第一SCI脉冲1的同样相对较长的长度所决定。同样地，过高脉冲9的应用由SCI脉冲3的上升沿和第二SCI脉冲2的相对较短的长度所决定。类似地，过高脉冲12的使用由SCI脉冲4的上升沿所决定，但其长度由SCI脉冲3的较短长度所决定。
紧随换向13之后的是另一半周期，其与图中所示的半周期呈对称而符号相反。因此，在图边缘最右侧所表示但并未表明数字的灯电流坪与灯电流坪5相等但符号相反，而在图中最左侧所表示但并未标明数字的过高脉冲对应于过高脉冲12但符号相反。因而，所述灯电流的整个周期为16.6ms，其平均电流值为0。因此，所述灯电流是纯交变电流。
因此，放电灯是使用60Hz×3＝180Hz的平均换向频率来操作，而现有技术则为本实例提供了60Hz的放电灯工作频率。这里，各灯电流阶段5，6和8，9，以及最后，11，12各自以已知的方式分别由较长灯电流坪5，8和11以及其后绝对幅度较大而灯电流坪较短的坪6，9，12所组成。过高脉冲6，9，12处在图中所示的色彩过滤阶段G和W，B和R，以及R和G之间的中间阶段，其中在G与W之间的过高脉冲6达到阶段W的起始端。因而，原来色彩过滤阶段G，B和R并未受到过高脉冲的损害。通过将进入阶段W的时间长度进行不同的延长能够逐一地改变过度增长脉冲6。相对地，过高脉冲9和12则维持时间长度不变。特别是，在此能够把中间阶段中过高脉冲的排列的优点与过高脉冲的总时间结合起来，而这个总时间在时间上并不完全是受中间阶段总长度的限制，因为还使用了一部分白色阶段。首先就在大体上提高了投影仪的亮度，因而被认为是有利的。
与坪5和11相比较，灯电流坪8的时间延长是根据如下事实得出的：在W与B之间的中间阶段未设置过高脉冲，同时在阶段B的起始端也没有提供换向。这么做的优点是，尽管色彩转轮节段的总数是偶数，但是仍然能够得到奇数的灯电流的操作阶段的数目，因而在整个周期能够得到纯的交变电流。在没有白色节段的三段色彩转轮情况下，举例来说，所有的中间阶段都能够用于过高脉冲及接下来的换向。例如，通过过高脉冲在时间上的恒定部分扩展进各色彩过滤阶段从而改变在中间阶段内的份额就能够对过高脉冲的总持续时间进行可变的控制，。
此外本发明的其他优点和特点，请参看具体实施方案具体说明之前的一般说明，也可以借助实施方案更清楚地了解这些优点和特点而无需在此重复。当然，本发明可以应用于大型显示器中的投影系统，或可用在有时序色彩过滤作用和交流电操作放电灯的照明系统的任何其他应用中。
附图标记列表
7，10，13                   换向
(5，6)；(8，9)；(11，12)    连续间隔
IL                          交变电电；灯电流
P                  周期
1，2，3，4         脉冲
5，6，9，11，12    坪
G                  绿色
W                  白色
B                  蓝色
R                  红色

Claims (16)

1.用于运行具有一个由交变电流(IL)驱动的高压放电灯和一个色彩过滤系统的照明系统的方法，该色彩过滤系统借助多个彩色滤光片(G，W，B，R)依时间顺序来过滤所述灯的灯光，
其中，所述灯的交流供电(IL)在色彩过滤的一个完整序列(G，W，B，R)之内至少换向三次(7，10，13)，
其特征在于:
利用镇流器
-在换向(7，10，13)之间的时间间隔(5，6；8，9；11，12)内，在该时间间隔的大部分(5，8，11)期间给出在时间上恒定的灯电流(IL)，其中出现与该时间间隔相比较短但灯电流(IL)相对过高的阶段(6，9，12)，以及
-在顺序的序列中单个的色彩过滤阶段(G，W，B，R)之间分别设置了覆盖时间区域的中间阶段，在此时间区域中所述灯的灯光同时由彩色滤光片(G，W，B，R)中的两个进行过滤，而且具有过高灯电流(IL)的阶段(6，9，12)至少部分地处在这些中间阶段之中。
2.按照权利要求1所要求的方法，其中灯电流(IL)换向(7，10，13)之间的依次相随的间隔(5，6；8，9；11，12)互不相同。
3.按照权利要求1所要求的方法，其中没有色彩过滤的白色阶段(W)包括在色彩过滤(G，W，B，R)的序列之中，且一个过高的灯电流的阶段至少部分地处在没有色彩过滤的这一白色阶段(W)中。
4.按照权利要求1所要求的方法，其中具有过高灯电流(IL)的阶段(6，9，12)紧接在各灯电流换向(7，10，13)之前。
5.按照权利要求4所要求的方法，其中，在色彩过滤的时间序列中设置包括白色阶段在内的四个色彩过滤阶段(G，W，B，R)，而所述过高灯电流(IL)的一个阶段(6)处在白色阶段(W)之前的中间阶段和白色阶段(W)起始端，而在另外的两个中间阶段各设置一个所述的过高灯电流(IL)的阶段(9，12)。
6.按照权利要求1-5之一所要求的方法，其中，灯电流(IL)在时间上呈周期性，并且每个周期有两个对称但符号相反的半周期(5-13)，这些半周期分别相应于所述灯电流(IL)的至少三个换向(7，10，13)。
7.按照权利要求6所要求的方法，其中所述灯电流(IL)的半周期(5-13)对应顺序的色彩过滤(G，W，B，R)的周期(P)。
8.按照权利要求1-5之一所要求的方法，其中为了电极成形和/或稳定放电灯，改变过高灯电流(IL)阶段(6，9，12)的长度和/或该阶段中灯电流(IL)的过增量。
9.按照权利要求1所要求的方法，其中只有过高灯电流(IL)阶段(6)的长度，具体地说只有处在白色阶段(W)之前及其起始端的过高灯电流阶段(6)的长度是可以被改变的。
10.按照权利要求8所要求的方法，其中只有过高灯电流(IL)阶段(6)的长度，具体地说只有处在白色阶段(W)之前及其起始端的过高灯电流阶段(6)的长度是可以被改变的。
11.按照权利1-5之一所要求的方法，其中，所述灯电流(IL)换向(7，10，13)的平均频率至少是180Hz。
12.按照权利要求1-5之一所要求的方法，其中，所述的灯电流(IL)由电子镇流器产生，该电子镇流器通过数字控制信号(SCI)调至与色彩过滤的顺序的序列(G，W，B，R)上，在该数字控制信号中(SCI)，脉冲沿决定过高灯电流(IL)阶段(6，9，12)的时间位置，而脉冲长度决定过高灯电流(IL)阶段(6，9，12)的时间长度。
13.电子镇流器，该电子镇流器被设计成用于运行具有一个由交变电流(IL)驱动的高压放电灯和一个色彩过滤系统的照明系统，该色彩过滤系统借助多个彩色滤光片(G，W，B，R)依时间顺序来过滤所述灯的灯光，其中所述电子镇流器利用从外部施加的时钟信号按照在色彩过滤的一个完整序列(G，W，B，R)之内至少交流换向三次(7，10，13)的方式给所述高压放电灯进行交流供电。
14.电子镇流器的照明系统，该照明系统具有交变电流运行的放电灯、色彩过滤系统以及按照权利要求13所要求的电子镇流器，其中借助多个彩色滤光片(G，W，B，R)对所述灯的灯光依时间顺序进行过滤并且所述灯的交流供电(IL)在色彩过滤的一个完整序列(G，W，B，R)之内至少换向三次(7，10，13)。
15.背投显示器，该背投显示器具有权利要求14所要求的照明系统。
16.投影仪，该投影仪具有权利要求14所要求的照明系统。
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