CN100477801C - 两级投影体系结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于投影图像的两级光投影系统，所述图像包括具有调制亮度的光象素矩阵。第一成像器配置用于基于逐一的象素，与提供给图像的每一个象素灰度级值成比例地调制光波段，以便提供第一输出矩阵。第二成像器被定位，并配置用于接收光的调制象素的第一输出矩阵，并基于逐一的象素，与提供给每一个象素的第二灰度级值成比例地调制来自第一成像器的单个调制的光象素。具有位于系统停机的单高斯透镜组和反射镜的中继透镜系统，基于逐一的象素，将输出自第一成像器的调制光聚焦在第二成像器的相应象素上。

Description

两级投影体系结构
本申请要求基于2002年12月4日提交的名为“简化两级投影仪体系结构”的美国临时专利申请号No.60/430,996(Atty.DocketNo.PU020474)的权益，其在此被一并参考。
技术领域
本发明通常涉及光投影系统，并且更具体地，涉及一种两级(two-stage)投影体系结构。
背景技术
液晶显示器(LCDs)以及使用反射光引擎(reflective light engine)或者成像器(imager)的部分液晶硅系统(LOS)，正在例如背投电视(RPTV)的成像设备中逐渐流行。在LCOS系统中，所投影的光由极化光束分光器(PBS)进行极化，并且被定向到LCOS成像器或者包括象素矩阵的光引擎。贯穿这种标准，并且与相关技术的实际应用相一致，术语象素用于指示小区域或图像的点、相应的光透射部分以及产生该光透射的部分成像器。
根据输入到成像器或光引擎从而形成离散调制的光信号或象素矩阵的灰度级因子，成像器的每一个象素调制其上的入射光。所调制的光信号矩阵从成像器反射或输出，并且定向到投影透镜系统，该系统将所调制的光投影到显示屏幕，与光的象素相结合，形成可观看的图像。在该系统中，通过用于处理图像信号的比特数目来逐象素地限制灰度级变化。成像器中的泄漏光限制了从亮状态(即，最大光)到暗状态(即，最小光)的对比率。
现有的LCOS系统的主要缺点是减小了暗状态中的光量，以及所导致的难以提供显著的对比率。这部分上是由于LCOS系统中固有的光泄漏。
此外，由于输入是固定比特数目(例如，8、10等)，其必须描述光的全部尺度，有助于成为用于描述画面的暗区域的微小差别的极少比特。这可以产生轮廓伪像(contouring artifacts)。
一种增强暗状态下的LCOS中对比度的方法是使用COLORSWITCHTM或者类似设备，根据在该具体帧中的最大值进行整个画面的分级。这改善了一些画面，但对于包含高和低光量级的画面作用极小。已经提出了得到较好的成像器等的另一种解决该问题的尝试，但这些最多是逐渐的改进。
所需要的是一种投影系统，对于具体在暗状态中的视频图形，能够增强对比率并且减少轮廓伪像。
发明内容
本发明提供了一种投影系统，该系统基于逐一的象素，使用两级投影体系结构来改进光信号的对比度和轮廓，因此改善了所有视频画面。第一成像器配置用于基于逐一的象素，与提供给图像的每一个象素灰度级值成比例地调制光波段(light band)，以便提供第一输出矩阵。定位第二成像器，并将其配置用于接收第一输出矩阵，并基于逐一的象素，与提供给每一个象素的第二灰度级值成比例地调制来自第一成像器的单个已调制象素。具有位于系统停机(system stop)的单高斯透镜组和反射镜的中继透镜系统，基于逐一的象素，将输出自第一成像器的调制光聚焦在第二成像器的相应象素上。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的典型实施例的具有两级投影体系结构的LCOS投影系统的方框图；
图2示出了根据本发明的典型两级投影系统；
图3示出了图2的投影系统的等价投影系统，具有展开(unfolded)的对称透镜系统；
图4示出了针对根据本发明的典型、简化两级投影体系结构的亮状态光路；
图5示出了针对根据本发明的典型、简化两级投影体系结构的暗状态下的光泄漏；
图6示出了针对根据本发明的典型、简化两级投影体系结构的场曲率变形；以及
图7示出了针对根据本发明的典型、简化两级投影体系结构的模数传递函数。
具体实施方式
本发明提供了一种具有增强的对比度率和减小的轮廓的投影系统，例如用于电视显示器。在图1所示的典型LCOS到LCOS投影系统中，白光1由灯10产生。灯10可以是适合在LCOS系统中使用的任何灯。例如可以使用短弧汞灯。白光1进入积分器20，积分器20将白光1的远距中心(telecentricity)光束导向投影系统30。于是，将白光1分解为光线2的分量红、绿和蓝(RGB)波段。RGB光线2可以由分色镜(未示出)分解并且导向独立的红、绿和蓝投影系统30，用于调制。然后，由棱镜组件(未示出)重新组合已调制的RGB光线2，并且由投影透镜组件40将其投影到显示屏幕(未示出)上。
可选地，在时域中，白光1可以被分解为光线2的RGB波段，例如，利用色轮(未示出)，并且因此一次一个地被导向到单个的LCOS到LCOS投影系统30中。
典型的LCOS-to-LCOS投影系统30使用根据本发明的两级投影体系结构。由两个不同的成像器50、60逐象素地顺序调制光线2的单色RGB波段。光线2的RGB波段包括p极化的分量3和s极化的分量4(未示出)。光线2的这些RGB波段进入第一PBS 71的第一表面71a，并在第一PBS 71中通过极化表面71p进行极化。极化表面71p使得光线2的RGB波段的p极化的分量3通过第一PBS 71通向第二表面71b，在以某角度反射s极化分量的同时，远离其通过第四表面71d穿出第一PBS 71的投影路径。第一成像器50位于面对第一表面71a的、第一PBS 71的第二表面71b之外，其中光线的RGB波段进入第一PBS 71。因此，通过PBS 71的p极化的分量3，入射到第一成像器50上。
在典型实施例中，如图1所示，第一成像器50是LCOS成像器，包括与显示图像(未示出)的象素相对应的极化的液晶。这些液晶根据其方向透射光线，反过来，根据提供给第一成像器50的信号的电场强度进行改变。成像器象素基于逐一的象素，与每一个单个象素提供给第一成像器50的灰度级值成比例地对p极化的光线3进行调制。作为单个象素调制的结果，第一成像器50提供第一光矩阵5，包括光线的离散点的象素矩阵。第一光矩阵5是已调制s极化光的输出，所述已调制s极化光从第一成像器50后部通过第一PBS 71的第二表面71b反射，其中由极化表面71p以某角度，通过第三表面71c在第一PBS 71之外进行反射。第一光矩阵5的每一个象素具有与为第一成像器50中的该象素所提供的单个灰度级值成比例的强度或亮度。
通过中继透镜系统80，由PBS 71反射s极化光的第一光矩阵5，所述中继透镜系统提供了第一光矩阵5的一对一透射。在一个典型实施例中，如图2所示，中继透镜系统80包括单高斯透镜组和反射镜81，以便通过透镜组来反射回图像。该单高斯透镜组包括：球面透镜81和消色差透镜(acromatic lens)82，配置用于向所透射的图像提供大约-1放大率的较低失真，从而将第一成像器50中的每一个象素的输出投影到第二成像器60的对应象素上。中继投影系统具有大约-0.9995和-1.0005之间的放大率，并且具有输入和输出角度偏差小于1.05度的远距中心。
如图2所示，典型的中继透镜系统80包括位于中继透镜系统80的焦点或者系统停机的反射镜83，位于第一PBS 71和反射镜83之间的球面透镜81，以及在球面透镜81和反射镜83之间的消色差透镜82。发明人已经确定，可以折叠(fold)投影系统30的投影路径，以便图像通过透镜81、82，被反射镜83反射，并且以相反的次序反向通过透镜81、82。为了通过具有较低失真和较高光学传递函数模数的折叠投影路径来中继图像，本发明人已经确定必须开发关于系统停机对称的等价透镜系统。
图3示出了等价透镜系统80’。等价透镜系统80’包括以上描述的单高斯透镜组的球面透镜81和消色差透镜82，具有没有反射镜的系统停机83’。在系统停机83’和第二成像器72之间，等价透镜系统80’包括等价消色差透镜82’和等价球面透镜81’。等价消色差透镜82’和等价球面透镜81’实际上是消色差透镜82和球面透镜81，其中图像按照相反的方向通过其。球面透镜81具有第一表面81a和第二表面81b，其将来自第一PBS 71的发散的光图案(pattern)集中到向等价透镜系统80’的光轴会聚的光图案。消色差透镜82具有第一表面82a、第二表面82b以及第三表面82c，其将会聚的光图案从球面透镜81聚焦到系统停机83’上。在系统停机83’处，光图案反向并且发散。具有第一表面82c、第二表面82b以及第三表面82a的等价消色差透镜82’是消色差透镜82的逆(即，相同的透镜顺序相反，从而使得等价消色差透镜82’的第一表面82c是消色差透镜82的第三表面82c，并且等价消色差透镜82’的第三表面82a是消色差透镜82的第一表面82a)。等价消色差透镜82’的表面82c、82b和82a将发散的光图案分布在等价球面透镜81’上。具有第一表面81b和第二表面81a的等价球面透镜81’是球面透镜81的逆。表面81b和81a将光图案会聚，从而在第二成像器60上形成相反的图案，其具有与来自第一成像器50的象素对象或矩阵的一对一的对应关系。配置等价中继透镜系统80’的表面，从而与成像器50、60和PBS的71、72一起完成第一成像器50和第二成像器60的象素的一对一的对应关系。表1提供了使用等价中继透镜系统80’的典型投影系统30的表面的总结。这些典型透镜表面由发明人使用ZEMAXTM软件和由发明人所确定的独特特性而开发。可以根据例如成本、尺寸、亮度级以及其它设计因素对本典型投影系统进行各种修改。
表1(尺寸为mm)
  设备   表面   类型   半径   厚度   玻璃   直径   圆锥曲线
  50   对象   std   无限   19.8249   20.4   0
  71   2nd(71b)   std   无限   28   SF2   26.74929   0
  71   3rd(71c)   std   无限   1.457079   32.16696   0
  81   1st(81a)   std   47.25938   12.01184   BAK2   33.58872   -1.021197
  81   2nd(81b)   std   -29.12938   0.9996844   33.36579   -2.209548
  82   1st(82a)   std   16.44959   10.00551   BAK2   25.54432   0
  82   2nd(82b)   std   121.3619   7.005045   SF15   20.37508   0
  82   3rd(82c)   std   10.52292   5.510076   11.49384   0
  83’   stop(83’)   std   无限   5.510076   9.737583   0
  82’   1st(82c)   std   -10.52292   7.005045   SF15   12.92177   0
  82’   2nd(82b)   std   -121.3619   10.00551   BAK2   23.27955   0
  82’   3rd(82a)   std   -16.44959   0.9996844   27.50165   0
  81’   1st(81b)   std   29.12938   12.01184   BAK2   37.49786   -2.209548
  81’   2nd(81a)   std   -47.25938   1.457079   37.57717   -1.021197
  71’   1st(71b)   std   无限   28   SF2   35.41905   0
  71’   2nd(71a)   std   无限   0.01   28.50347   0
  72   1st(72a)   std   无限   28   SF2   28.49931   0
  72   2nd(72b)   std   无限   2.946528   21.58373   0
  60   图像   std   无限   20.41337   0
如以上解释，第一光矩阵5包括已调制s极化光。为了由反射镜83反射之后穿过第一PBS 71，第一光矩阵5必须倒转为逆第一光矩阵5’。例如，这可以通过在透镜81、82和反射镜83之间放置四分之一波片(QWP)88来完成。在典型的实施例中，QWP 88是在反射镜83上压成薄片的宽带QWP。由于投影路径通过QWP 88两次，将第一光矩阵5倒转为逆第一光矩阵5’。在逆第一光矩阵5’离开等价中继透镜系统80’之后，其从表面71c到表面71d后退通过第一PBS 71，并且通过第一表面72a进入第二PBS 72，并且穿出表面72b到达第二成像器60。在典型实施例中，如图2所示，第二成像器60是LCOS成像器，其基于逐一的象素，与针对每一个单个象素的提供给第二成像器60的灰度级值成比例地调制以前已调制并倒转的第一光矩阵5’。第二成像器60基于成像器50的象素，一对一地与显示图像的象素相对应。因此，具体象素(i，j)到第二成像器60的输入是来自第一成像器50的相应象素(i，j)的输出。
然后，第二成像器60产生p极化光的输出矩阵6。由针对第二成像器60的该象素而提供给成像器的灰度级值，调制输出矩阵6中光线的每一个象素的强度。因此，输出矩阵6的具体象素(i，j)的强度将同时与针对其在第一成像器中的对应象素(i，j)1和其在第二成像器60中的对应象素(i，j)2的灰度级值成比例。
由第一成像器50的给定象素的入射光、在第一成像器50为给定象素选择的灰度级值，以及在第二成像器60处所选择的灰度级值的乘积，来给出具体象素(i，j)的光线输出L：
L＝L0×G1×G2
L0是用于给定象素的常量(是灯10和照明系统的函数)。因此，光输出L实际上主要由在每一个成像器50、60上为该象素所选择的灰度级值所确定。例如，将灰度级值归一化为最大值1，并假设每一个成像器具有最合适的对比率200∶1，则象素(i，j)的亮状态是1，而象素(i，j)的暗状态是1/200(非零，因为泄漏光)。因此，两级投影体系结构具有40,000∶1的亮度范围。
Lmax＝1×1＝1；
Lmin＝.005×.005＝.000025
由这些限制所定义的亮度范围给出了1/.000025∶1的对比率，或者40,000∶1。重要地是，针对典型两级投影体系结构的暗状态亮度将仅为亮状态亮度的四万分之一，而不是当假定成像器用于现有单个成像器体系结构时的亮状态的二百分之一。对于本领域的技术人员来说，具有较低对比率的成像器可以比具有较高对比率的成像器提供相当低的成本，这一点是容易理解的。因此，在单级投影系统使用更昂贵的对比率为500∶1的成像器，其仅能提供500∶1的对比率的同时，使用具有对比率为200∶1的两个成像器的两级投影系统将提供40,000∶1的对比率。此外，带有一个具有500∶1对比率的成像器和一个便宜的具有200∶1对比率的成像器的两级投影系统，将具行100,000∶1的系统对比率。因此，可以实现成本/性能的平衡，从而产生最佳的投影系统。
再一次参考图2，输出矩阵6通过第二表面72b进入第二PBS 72。第二PBS 72具有极化表面72p，其通过第三表面72c反射s极化输出矩阵6。在输出矩阵6离开第二PBS 72之后，其进入投影透镜组件40，透镜组件40将显示图像7投影到屏幕(未示出)上用于观看。
图4和图5分别示出了亮状态投影路径和光泄漏路径。首先参考图4，极化光束分光器(PBS)71、72直线通过极化光并且偏转为s极化光。当将第一成像器50的象素设置为亮状态时，其将p极化入射光反转为s极化光并反射该s极化光。第一PBS71则将s极化光偏转向两级投影系统30，其包括透镜、四分之一波片以及反射镜。因为光线两次穿过四分之一波片，其将半波反转为极化光，该极化光穿过PBS的71、72到达第二成像器60。第二成像器60将光线反转为s极化光，并对其反射，所述s极化光由第二PBS 72向投影透镜系统(未示出)偏转。
参考图5，当第一成像器的象素设置为暗状态时，第一成像器50不发送和反射p极化光。光线的一小部分从成像器50漏出，成为p极化第一光泄漏5’。该p极化第一光泄漏5’的大部分穿过第一PBS 71。但是，较小的第二光泄漏5”偏转到投影系统30上，在那里其反转为s极化的第二光泄漏5”’。s极化的第二光泄漏5”’的大部分由第一PBS71偏转，但一小部分穿过第一PBS 71，成为第三光泄漏5””。第二PBS 72将第三光泄漏5””的大部分偏转，但一小部分穿过第二PBS 72并且到达第二成像器60上，成为s极化的第四光泄漏5””’。第二成像器60反射s极化的第四光泄漏5””’而不对其反转，因为其是s极化的光，并且第二PBS 72将s极化光偏转向投影透镜系统(未示出)。因此，在暗状态，为了到达投影透镜系统，光线必须漏过第一成像器一次，第一PBS两次，以及第二PBS一次。如果第一成像器50和PBS的71、72的每一个都具有0.05的光泄漏，例如，净(net)光泄漏将为0.054或者6.25EE-06。
如上所述，在表1中所总结的透镜系统80在由发明人设计的系统约束下，使用ZEMAXTM软件包进行设计。通过针对图6和图7所示的典型透镜系统的ZEMAXTM软件包计算变形和调制传递函数。变形小于0.05％，如图6所示，并且每毫米为36转空间频率的光传递函数大于0.6，如图7所示。
再一次参考表1，为每一表面所提供的厚度是投影系统中到下一表面的距离。因此，第一PBS 71与反射镜之间的总距离小于37毫米，并且沿其最大尺寸的投影系统的长度小于100毫米，提供可非常紧凑的投影系统。
以上描述了实践本发明的一些可能性。在本发明的范围和实质之内可以有许多其它实施例。因此，以上描述认为是描述性的而不是限制性的，并且本发明的范围由附随的权利要求与其等价物的全部范围所给定。

Claims (17)

1.一种用于投影图像的投影系统，所述图像包括具有调制亮度的象素矩阵，所述投影系统包括：
第一成像器，配置用于基于逐一的象素，与提供给图像的每一个象素的灰度级值成比例地调制光波段，以便提供第一输出矩阵；
第二成像器，被定位并配置用于接收光线的调制象素的第一输出矩阵，并且基于逐一的象素，与提供给每一个象素的第二灰度级值成比例地调制来自第一成像器的单个调制的光象素；以及
中继透镜系统，配置用于基于逐一的象素，将输出自第一成像器的调制光聚焦在第二成像器的相应象素上，中继透镜系统包括位于系统停机处的单高斯透镜组和反射镜，从而通过透镜组将图像反射回去。
2.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，中继透镜系统还包括位于单高斯透镜组和反射镜之间的四分之一波片。
3.根据权利要求2所述的投影系统，还包括位于反射镜和第二成像器之间的第一和第二极化光束分光器。
4.根据权利要求3所述的投影系统，其特征在于，第一极化光束分光器还位于照明源和第一成像器之间。
5.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，单高斯透镜组包括单个球面透镜和消色差透镜，其中，消色差透镜位于单个球面透镜和系统停机之间。
6.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，中继投影系统具有小于大约0.05％的变形，其在每毫米36转的空间频率时具有大于0.6的光传递函数。
7.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，中继投影系统具有大约-0.9995和-1.0005之间的放大率。
8.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，中继投影系统具有输入和输出角度偏差小于1.05度的远距中心。
9.一种用于沿投影路径投影图像的两级投影系统，所述投影系统包括：
第一和第二成像器，每一个成像器包括象素矩阵，具有位于投影路径上的反射镜，所述反射镜沿投影路径位于第一和第二成像器之间，以及
具有在投影路径上的光轴的单高斯透镜组，一部分单高斯透镜沿投影路径位于反射镜和第一成像器之间，另一部分单高斯透镜沿投影路径位于反射镜和第二成像器之间，从而使得第一成像器的输出在沿单高斯透镜组的光轴的每一个方向通过单高斯透镜组一次，所述单高斯透镜组将第一成像器的具体象素的输出聚焦到第二成像器上的相应象素上。
10.根据权利要求9所述的两级投影系统，其特征在于，第一和第二成像器是LCOS成像器，并且第一和第二极化光束分光器位于反射镜和第二成像器之间。
11.根据权利要求10所述的两级投影系统，其特征在于，第一极化光束分光器同时位于照明源和第一成像器之间。
12.根据权利要求11所述的两级投影系统，还包括位于单高斯透镜组和反射镜之间的四分之一波片。
13.根据权利要求9所述的两级投影系统，其特征在于，单高斯透镜组包括单个球面透镜和消色差透镜，其中消色差透镜位于单个球面透镜和系统停机之间。
14.根据权利要求9所述的两级投影系统，其特征在于，单高斯透镜组具有小于大约0.05％的变形，其在每毫米36转的空间频率时具有大于0.6的光传递函数。
15.根据权利要求9所述的两级投影系统，其特征在于，单高斯透镜组具有在大约-0.9995和-1.0005之间的放大率。
16根据权利要求9所述的两级投影系统，其特征在于，单高斯透镜组具有输入和输出角度偏差小于1.05度的远距中心。
17.根据权利要求9所述的两级投影系统，其中投影系统沿其最大尺寸的长度小于100毫米。
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