CN102197644A - 用于降低光谱干涉的图像投射系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种图像投射系统，具有第一发光二极管子系统和第二发光二极管子系统，所述第一发光二极管子系统被配置为产生处于第一极化状态的具有第一光谱范围的第一源光束，所述第二发光二极管子系统被配置为产生具有与所述第一光谱范围交迭的第二光谱范围的第二源光束。提供处于与所述第一源光束的所述第一极化状态正交的第二极化状态的所述第二源光束。所述图像投射系统还包括x立方体棱镜，被配置接收所述第一和所述第二源光束并合并所述第一源光束和所述第二源光束以形成共同输出光束。

Description

用于降低光谱干涉的图像投射系统

技术领域

本申请要求2008年10月27日提交的Roger E.Yaffe的题目为“METHOD FOR BLUE-GREEN LED CROSS-TALK REDUCTION”的美国临时专利申请No.61/108,819的优先权，由此在整个申请中将通过参考结合上述专利所公开的内容并将其用于所有的目的。

背景技术

出于例如进行销售演示、商务会议、课堂培训以及用于家庭影院的目的，利用图像投射系统的显示装置变得流行起来。在一个实例中，此类显示装置从个人计算机接收模拟视频信号并将视频信号转化为数字视频信号。使信号满足电学条件并被处理信号以控制例如液晶装置和/或硅基液晶(LCOS)装置的成像装置。

在显示装置中包括的图像投射系统可以采用例如能够提供广谱高强度光的高强度放电(HID)灯的光源。然而，HID灯相对于例如发光二极管(LED)的其它光源，具有一些缺点，例如高功耗、短寿命、大尺寸。出于这个原因，LED被用作光源用于这些图像投射系统。更亮、更有效、而且更便携的多媒体投影仪装置通过采用发光二极管(LED)作为光源来实现。LED也更便宜而且比HID具有更长的寿命。

然而，不像是在其红、绿和蓝谱分量之间具有宽分离的基于HID灯的系统，基于LED的系统在其蓝和绿谱分量之间具有大量的交迭，这引起明显的蓝绿串扰(cross-talk)。同样地，可以采用带通滤波器除去蓝绿LED的串扰。然而，此带通滤波器的使用同样会导致系统整个色域、白点平衡和亮度的明显改变。

发明内容

提供了一种具有配置为产生处于第一极化状态的具有第一光谱范围的第一源光束的第一发光二极管子系统和配置为产生具有与所述第一光谱范围交迭的第二光谱范围的第二源光束的第二发光二极管子系统的图像投射系统。提供处于与所述第一源光束的所述第一极化状态正交的第二极化状态的所述第二源光束。所述图像投射系统还可以包括x立方体棱镜(prism)，被配置为接收所述第一和所述第二源光束并将所述第一源光束和所述第二源光束合并以形成共同输出光束。

提供发明内容以介绍简化形式的概念，在下面的具体实施方式中进一步描述了上述概念。不旨在发明内容识别所要求保护的主题的关键特征和必要特征，也不旨在发明内容被用于限定所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不局限于用于解决在本公开的任何部分中提及的任何或所有缺点的实施方式。

附图说明

图1示出了基于HID灯的投射系统中光谱分量之间的分离。

图2示出了基于LED的投射系统中光谱分量之间的蓝绿串扰。

图3示出了使用带通滤波器的基于LED的投射系统中的蓝绿串扰的消除。

图4示出了本公开的图像投射系统的第一实施例。

图5示出了本公开的图像投射系统的第二实施例。

图6示出了可用于在图4和图5中所示的图像投射系统中的彩色图像合并的x立方体棱镜。

图7示出了显示出p极化和s极化的光之间的二向色涂覆(dichroic-coated)的表面上的反射差异的图。

图8示出了描述用于操纵图像投射系统的示例方法的处理流程。

具体实施方式

本发明旨在降低图像投射系统中光谱分量之间的串扰。图1-2示出了对比由一些现有系统中利用的高强度放电(HID)灯产生的光的谱分量和由基于发光二极管(LED)的光源产生的光的谱分量的两个图。

具体地讲，图1的图100示出了来自现有图像投射系统中的例如基于高强度放电(HID)灯的光源的宽谱光源的光成分的谱分离。来自HID灯的光被分离为蓝光谱分量102、绿光谱分量104和红光谱分量106。每个光谱分量具有光谱范围(108、110和112)和峰值波长(114、116和118)。光谱范围可以表明可在每个光谱分量中包括的波长的范围。如图所示，光谱范围较远分离而且非交迭。因此，在光谱分量之间没有遇到串扰。

图像投射系统可以采用基于LED的光源，这出于多种原因，例如当与利用HID灯的图像投射系统相比时的增加的寿命、降低的成本、增加的色域，以及LED被脉冲以形成彩色顺序图像的能力。因此，当利用基于LED的光源时可以形成更亮、更紧凑和更有效的图像投射系统。

然而，不像由HID灯形成的较远分离的光谱，由基于LED的光源产生的光谱可能具有交迭的光谱分量。图2中的图表200示出了基于LED的光源的蓝、绿和红光谱分量(202、204和206)，对应的光谱范围(208、210和212)以及峰值波长(214、216和218)。应该理解，在一些实例中可以用单独的LED产生每种光谱分量。如图所示，因为LED的特性，蓝色光谱分量和绿色光谱分量在区域220中交迭。这样，会出现蓝色和绿色光谱分量之间的串扰，由此退化系统的图像特性。如所示，绿色和红色光谱分量204和206具有明显的分离而且不会交迭。因此，红色光谱范围在蓝色和绿色光谱范围之外。然而在其它实例中，可能会在绿色和红色光谱分量之间存在交迭。

在一些利用基于LED的光源的现有系统中，可以使用带通滤波器消除或降低来自图2中所示的光谱的蓝绿串扰，如图3中的图300中所示。具体地讲，具有上截止波长302的带通滤波器可用于去除蓝色光谱分量202的一部分304，由此阻止它与绿色光谱分量204混合。红色光谱分量206可以保持不被影响。然而，通过除去蓝色光谱分量的实质部分，就会降低可以达到的全部色域。此外，系统的白点平衡和亮度也会受到负面影响。因此，利用带通滤波器消除或降低蓝绿串扰，可能产生其它问题，这些问题会不利地影响系统的图像特性。需要另一解决方案以降低基于LED的图像投射系统中的串扰。

因此，为了降低光谱分量之间的串扰，提供了一种图像投射系统，具有配置为产生处于第一极化状态的具有第一光谱范围的第一源光束的第一发光二极管子系统和配置为产生处于与第一极化状态正交的第二极化状态的具有与第一光谱范围交迭的第二光谱范围的第二源光束的第二发光二极管子系统。图像投射系统还可以包括x立方体棱镜，其被配置为接收第一源光束和第二源光束并合并第一源光束和第二源光束以形成具有正交极化的光谱分量的共同输出光束。以此方式，例如蓝色和绿色光谱分量的光谱分量可以被正交极化，由此消除光谱分量之间的干涉并避免系统图像特性的劣化。

图4示出了本发明的采用x立方体棱镜430以充分消除或抑制系统中光谱分量之间的串扰的图像投射系统400的示例性实施例。图像投射系统可以包括在显示装置中。适合的显示装置可以包括但不局限于适于显示包括文档、图形、视频图像、静止图象、演示等的图像的前和背投电视、显示器、手持显示装置，数字投影仪。此类限制装置可以在家庭环境和应用、教育环境和应用、商业机构、会议室和其它集会场合等地找到。

在图示的实施例中，图像投射系统包括具有红色LED子系统404、绿色LED子系统406和蓝色LED子系统408的光源402。红色LED子系统可以包括配置为产生具有在可见光谱的红色区域(例如620-750纳米(nm))内的峰值波长的光的LED。相类似地，绿色LED子系统可以包括配置为产生具有在可见光谱的红色区域(例如495-570纳米(nm))内的峰值波长的光的LED，以及蓝色LED子系统可以包括配置为产生具有在可见光谱的红色区域(例如450-495纳米(nm))内的峰值波长的光的LED。如上面关于图2所述，由蓝色和绿色LED产生的光的光谱范围会交迭。在上述实施例中，红色、绿色和蓝色LED子系统的每个包括极化器(分别是410、412和414)。可以配置极化器410以s状态极化光，可以配置极化器412以p状态极化光，而且可以配置极化器414以s状态极化光。应该明白，在其它实施例中，极化器可以与LED子系统分离。换句话说，极化器可以位于LED子系统的光学下游。在另一个实施例中，LED的集群或阵列可以布置在LED子系统中，以形成色彩通道(color channel)。不考虑配置，光源402可以由电源416供电。在一些实例中，LED子系统的每个可以具有包括在电源中的对应供电模块。然而，在其它实例中，LED子系统可以由单个模块供电。

可以配置红色LED子系统404以将s极化的源光束417导向第一光传导导引器418、一个或多个透镜(未示出)和第一光积分器420。同样，可以配置绿色LED子系统406以将p极化的源光束421导向第二光传导导引器422、一个或多个透镜(未示出)和第二光学积分器424，并可以配置蓝色LED子系统406以将s极化的源光束425导向第三光传导导引器426、一个或多个透镜(未示出)和第三光学积分器428。适合的光传导导引器包括光纤波导、光子晶体纤维波导等。具体地讲，在一个实施例中，光传导导引器中包括的光纤的末端可以与LED子系统中包括的LED以一对一的关系配合。光纤由此可以成束设置。可以配置光积分器(integrator)(420、424和428)接收来自光传导导引器(分别为418、422和426)的光并通过采用多种光学元件积分(integrate)光。应该明白，在一些实例中，在一些实施例中第一、第二和第三光传导导引器可以分享同一个机箱。在其它实施例中，光积分器可以不包括在图像投射系统中。

光积分器可以将来自LED子系统的源光束导向具有二向色涂覆的表面的x立方体棱镜430的各个面。X立方体棱镜的结构将在此结合图6更加详细地讨论。可以配置x立方体棱镜430以接收源光束并将其合并为共同输出光束431。作为一个实例，s极化的蓝色和红色光线可以反射越过x立方体棱镜，而p极化的绿色光线可以透过x立方体棱镜。在上述实施例中，共同输出光束431为具有s极化状态下的红色光谱分量、p极化状态下的绿色极化分量和s极化状态下的蓝色光谱分量的白光。因此，蓝色和绿色光谱分量处于正交极化的状态。因为正交极化的光在特性上的固有差异，在蓝色和绿色光谱分量之间现在不会观察到明显的干扰，由此消除了蓝色和绿色分量之间的串扰。以此方式，就可以避免由光谱干扰引起的对系统图像特性的负面影响。应该明白，这样的系统也可以基本上消除或抑制例如绿色和红色光谱分量的其它光谱分量之间的串扰。

共同输出光束431可以在一个或多个光学路径透镜(未示出)和/或光传导导引器(例如光纤传导导引器)的帮助下传递到成像装置432。作为一个实例，成像装置432可以是例如液晶显示(LCD)装置和/或硅基液晶(LCOS)装置的液晶成像装置。提供LCD和LCOS作为实例，成像装置432可以是任何适于产生用于投射的图像的适当装置。

包括微处理器的显示控制器434可以接收来自例如个人电脑或视频装置的多媒体装置436的彩色图像数据，而且可以将图像数据处理为帧顺序的红色、绿色和蓝色图像数据。然后，与送到电源416以开启和关闭发射相应颜色的LED子系统的信号适宜同步地，顺序的帧数据被传送到成像装置432。显示控制器434也可以由电源416供电。

在一个实施例中，成像装置可以是通过显示控制器434独立控制的包括像素阵列的LCD成像装置。在上述实施例中，可以配置显示控制以解译来自多媒体装置的视频信号并传送像素图像图形，像素图像图形控制每个像素以根据像素是被切换到黑暗状态条件还是明亮状态条件而反射处于两个正交极化方向中的一个的光。黑暗状态条件下的像素在不改变极化方向的情况下反射光线，而明亮状态下的像素在极化方向90度旋转的情况下反射入射光线。应该明白，LCD成像装置实际上是示例性的，在其它实施例中可以使用另一种适合的成像装置。

当成像装置为LCD/LCOS种类时，光可以通过成像装置传播并继续到达投射透镜组438，而不具有任何实质上的弯曲。如此，如果任何光反射离开投射透镜，它可以被光吸收表面(未示出)所吸收。可以配置投射透镜组以将顺序产生的图像直接导向用于观看的显示表面。可以通过投影仪壳体440(虚线仅示出了其一部分)内的模铸光学框架(未示出)将多个光学元件固定在一起。使框架和壳体适于包括用于冷却光学元件冷却扇(未示出)。电源416可用于给此冷却扇供电。也可以在此图像投射系统中包括本领域内技术人员熟悉的各种其它光学元件。

图5示出了图像投射系统400的另一个实施例。在图示的实施例中，x立方体棱镜位于成像装置432的下游。可以配置成像装置以分开处理由LED子系统产生的源光束并输出处理过的源光束510、512和514。处理过的源光束可以对应于输入源光束417、421和425的极化和光谱范围。换句话说，成像装置可以处理单独的光谱分量(例如，红色、绿色和蓝色)用于在x立方体棱镜下游合并以形成图像。具体地，在一个实例中，成像装置可以包括蓝色、绿色和红色成像器。可以配置每个成像器以处理相应的源光束，以产生一系列各自颜色的图像。接着可以将处理过的源光束传输到x立方体棱镜，用于合并和随后的投射。以此方式，成像装置在产生图像时维持光谱分量的分离，防止了光谱分量的串扰。然而，应该明白，在其它实例中，成像装置可以合并源光束并处理信号光束以产生图像。

上述成像装置432可以是LCOS装置。而在一些实例中，LCOS装置可以包括LCOS面板，其被配置为逐像素地选择性旋转(rotate)极化光的入射光束的一部分。光束接着可以通过下游的滤除旋转的光的极化器。然而，在其它实例中，下游的极化器可以滤除光未被旋转的部分。而在其它实例中，可以利用其它适合的LCOS装置。

图6示出了图4和图5中所示的x立方体棱镜430。X立方体棱镜430包括结合在一起用以形成一个立方体的四个棱镜600、602、604和606。在一些实例中，每个棱镜可以包括形成90度角的两个面。然而，在其它实例中，可以形成备选角度。每个棱镜的第三面可以是立方体的外面(608、610、612和614)。每个棱镜包括二向色涂覆的反射性表面，该表面形成第一反射表面616和第二反射表面618。如下面将要参考图7详细描述的，反射表面616和618的二向色特性有利于反射s极化的光线超过p极化的光线。结果，p极化的光线的主要部分可以透射穿过x立方体棱镜(而非被反射)。X立方体棱镜能通过将不同波长的光沿x立方体棱镜的不同面导引，并接着根据它们的极化方向重组所有波长范围的入射线来进行彩色图像合并。

如图所示，具有第一光谱范围和第一极化状态的第一源光束620，在此为对应于绿色光谱范围的p极化的光线，行进通过x立方体棱镜430，具体地通过棱镜602，并基本上被没有反射地透射。应该明白，第一源光束620对应于图4和图5中所示的源光束421或者处理过的源光束512。第一源光束在第二反射性表面618上具有入射角621。可以基于二向色涂覆的表面的特性选择入射角，在本文中将结合图7更加详细地描述。

具有第二光谱范围和第二极化状态的第二源光束622，在此为对应于蓝色波长的s极化的光线，行进通过x立方体棱镜430，具体地通过棱镜600，并且被基本上没有透射地反射。相类似地，具有第三光谱范围(在此是红色)和第三极化状态(在此是s极化)的第三源光束624也行进通过x立方体棱镜430透射，具体地通过棱镜604，并且被基本上没有透射地反射。应该明白，第二源光束622对应于图4和图5中所示的源光束425或处理过的源光束514，而第三源光束624对应于图4和图5中所描绘的源光束417或510。第二源光束在第一反射表面616上具有入射角626，而第三源光束在第二反射性表面618上具有入射角628。可以基于二向色涂覆的表面的特性选择入射角，在本文中将结合图7更加详细地描述。

然后可以在x立方体棱镜的另一面上合并不同波长范围的源光束，以产生预定颜色和亮度的光，从而形成白光的共同输出光束630。共同输出光束630对应于图4和5中所示的共同输出光束431。以此方式，共同输出光束的蓝色和绿色光谱分量被正交极化。在一些实例中，用于涂覆第一和第二反射性表面616和618的二向色材料可以是相似的。然而，在另一实例中，用于涂覆第一反射性表面的二向色材料可有助于可见光谱中蓝色区域内的光的反射率，而用于涂覆第二反射性表面的二向色材料可有助于可见光谱中红色区域内的光的反射率。

图7示出了二向色涂覆的表面上的p极化和s极化的光之间反射率的差别。具体地讲，图700示出了由其依赖于菲涅耳系数(R_s对R_p)的极化确定的、s极化的光(曲线702，实线)和p极化的光(曲线704，虚线)的反射率(沿y轴)随入射角(沿x轴)变化的变化。曲线702和704的比较表明对于射在二向色涂覆的表面上的任何波长的光，在任何给定的入射角下，可以对于s极化的光可以获得比p极化的光的充分更高的菲涅耳系数。如此，这转化为s极化的光在二向色涂覆的表面上的有效反射，而p极化的光在二向色涂覆的表面上难反射。结果，迫使p极化的光的主要部分穿过二向色涂覆的表面。图是由菲涅耳方程推断而来。因此，应该明白，菲涅耳方程可用于选择第一源光束620的入射角621，并用于增加通过二向色涂覆的p极化的光的透射。另外，菲涅耳方程也可以用于选择第二源光束622的入射角626和第三源光束624的入射角628，以增加s极化的光的反射率。以此方式，可以增加共同输出光束的强度。

图8示出了用于操作图像投射系统的方法800。可以使用在此所述的系统、装置和元件和/或其它适合的系统、装置和元件来实施方法800。

在步骤802中，方法800包括在第一发光二极管子系统中产生具有第一光谱范围的第一源光束，所述第一源光束处于第一极化状态。在步骤804中，该方法800包括在第二发光二极管子系统中产生具有与第一光谱范围交迭的第二光谱范围的第二源光束，所述第二源光束处于与所述第一极化状态正交的第二极化状态。在步骤806中，该方法包括在x立方体棱镜处接收第一和第二源光束，以及在步骤808中，该方法包括在x立方体棱镜中合并所述第一源光束和所述第二源光束以形成共同输出光束。

在一些实例中，合并第一和第二源光束包括在步骤810中穿过x立方体棱镜中的二向色涂覆的表面透射第一源光束，而在步骤812中从所述x立方体棱镜中的所述二向色涂覆的表面反射第二源光束。以此方式，基本上可以消除光谱分量之间的干扰，由此避免图像投射系统的图像特性的退化。

还应该理解，本质上在此描述的配置和/或方法是示例性的，而这些具体的实施例或实例并不认为具有限制意义，这是因为多种变化是可以的。在此描述的具体程序或方法可以代表任何数目的处理策略中的一个或多个。如此，例举的各种过程可以按例举的顺序、按其它顺序、按并行顺序、或按一些省略的例子进行。同样地，任何上述处理的顺序并非必需用以获得在此所述实施例的特征和/或结果，但在此提供是为了易于示例和描述。本公开的主要内容包括各种处理、系统和配置的所有新颖的和不明显的结合和次结合、和在此公开的其它特征、功能、过程、和/或特性以及其任何和所有等价物。

Claims (20)

1.一种图像投射系统，包括：

第一发光二极管子系统，被配置为产生具有第一光谱范围的处于第一极化状态的第一源光束；

第二发光二极管子系统，被配置为产生具有与所述第一光谱范围交迭的第二光谱范围的第二源光束，所述第二源光束处于与所述第一极化状态正交的第二极化状态；以及

x立方体棱镜，被配置为接收所述第一源光束和所述第二源光束并合并所述第一源光束和所述第二源光束以形成共同输出光束。

2.根据权利要求1的图像投射系统，其中所述第二源光束被反射离开所述x立方体棱镜中的二向色涂覆的表面。

3.根据权利要求2的图像投射系统，其中选择所述二向色涂覆的表面上的所述第二源光束的入射角，以增加p极化的光在所述二向色涂覆的表面上的透射和s极化的光在所述二向色涂覆的表面上的反射。

4.根据权利要求1的图像投射系统，其中所述第一源光束透射通过所述x立方体棱镜中的二向色涂覆的表面。

5.根据权利要求4的图像投射系统，其中选择所述二向色涂覆的表面上的所述第一源光束的入射角，以增加通过所述二向色涂覆的表面的p极化的光的透射。

6.根据权利要求1的图像投射系统，还包括第三发光二极管子系统，其被配置为产生具有所述第一或所述第二光谱范围以外的第三光谱范围的第三源光束，以及其中所述x立方体棱镜被配置为接收所述第三源光束并将所述第三源光束合并到所述共同输出光束中。

7.根据权利要求1的图像投射系统，其中所述x立方体棱镜包括四个结合的具有二向色涂覆的表面的棱镜。

8.根据权利要求1的图像投射系统，还包括成像装置，其被配置为接收所述共同输出光束并产生用于投射的图像。

9.根据权利要求8的图像投射系统，其中所述成像装置为液晶装置。

10.根据权利要求1的图像投射系统，其中所述第一源光束具有可见光谱的绿色区域内的峰值波长强度，而所述第二源光束对于可见光谱的蓝色区域具有峰值波长强度。

11.一种图像投射系统，包括：

第一发光二极管子系统，被配置为产生对于可见光谱的绿色区域具有峰值波长和第一光谱范围的处于p极化状态的第一源光束；

第二发光二极管子系统，被配置为产生具有与所述第一光谱范围交迭的第二光谱范围的处于s极化状态的第二源光束；以及

x立方体棱镜，被配置为接收所述第一源光束和所述第二源光束并合并所述第一源光束和所述第二源光束以形成共同输出光束。

12.根据权利要求11的图像投射系统，其中所述x立方体棱镜为二向色立方体。

13.根据权利要求11的图像投射系统，其中所述x立方体棱镜包括四个结合的具有二向色涂覆的表面的棱镜。

14.根据权利要求11的图像投射系统，其中所述第二分量被反射离开所述x立方体棱镜中的二向色涂覆的表面。

15.根据权利要求14的图像投射系统，其中选择所述二向色涂覆的表面上的所述第二源光束的入射角，以增加所述二向色涂覆的表面上的p极化的光的透射和s极化的光的反射。

16.根据权利要求11的图像投射系统，还包括成像装置，其被配置为接收和处理用于在下游合并以形成图像的所述第一源光束和所述第二源光束，并将处理过的处于p极化状态的第一源光束和处理过的处于s极化状态的第二源光束传输到所述x立方体棱镜。

17.一种用于操作图像投射系统的方法，包括：

在第一发光二极管子系统中产生具有第一光谱范围的第一源光束，所述第一源光束处于第一极化状态；

在第二发光二极管子系统中在第二发光二极管子系统中产生具有与所述第一光谱范围交迭的第二光谱范围的第二源光束，所述第二源光束处于与所述第一极化状态正交的第二极化状态；以及

在x立方体棱镜处接收所述第一和第二源光束；以及

在所述x立方体棱镜中合并所述第一源光束和所述第二源光束以形成共同输出光束。

18.根据权利要求17的方法，其中所述合并包括使所述第一源光束透射通过所述x立方体棱镜中的二向色涂覆的表面而使所述第二源光束反射离开所述x立方体棱镜中的所述二向色涂覆的表面。

19.根据权利要求17的方法，其中选择所述二向色涂覆的表面上的所述第二源光束的入射角以增加p极化的光的透射和s极化的光的反射。

20.根据权利要求17的方法，其中所述第一源光束具有可见光谱的绿色区域内的峰值波长强度，以及所述第二源光束对于可见光谱的蓝色区域具有峰值波长强度。

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