CN1501123A - 具有非相干光源和激光光源的投影显示装置 - Google Patents

Abstract

一种用于在显示表面上形成叠加颜色图像的彩色图像的彩色显示装置，该显示装置具有第一颜色调制通道，用于利用激光光源来提供第一颜色源光束以形成第一颜色二维图像；线空间光调制器，用于调制第一颜色源光束；以及扫描部件，用于扫描调制光束以形成第一颜色二维图像。第二颜色调制通道采用非相干光源来为面空间光调制器提供第二颜色源光束以形成第二颜色二维图像，所述面空间光调制器用于调制第二颜色源光束以形成第二颜色二维图像。然后投影透镜投影第一和第二颜色二维图像以及任何第三颜色二维图像的叠加彩色图像。

Description

具有非相干光源和激光光源的投影显示装置

技术领域

本发明一般涉及在显示表面上形成二维图像的显示系统，更具体地说，涉及利用由来自非相干光源和激光光源的光照明的空间光调制器的彩色显示装置。

背景技术

目前有发展前途的数字影院投影和家庭影院系统的解决方案采用如下两种类型的空间光调制器(SLM)作为图像形成装置：面SLM和线SLM。面空间光调制器具有光阀元件的二维阵列，每个元件对应于一个像素。每个阵列元件是可独立寻址的，并以数字方式进行控制以调制来自光源的透射或反射光。常规用于在数字投影和打印装置中形成图像的有两种突出类型的面空间光调制器：数字微镜器件(DMD)和液晶器件(LCD)。

已经论证了采用一个或多个DMD的原型投影机。在多个专利中描述了DMD器件，例如1984年4月10日授予Hombeck的美国专利4441791，标题为“可变形镜光调制器”；1996年7月9日授予Hornbeck的美国专利5535047，标题为“隐藏活动轭的铰链数字微镜器件”；1997年2月4日授予Hombeck的美国专利5600383，标题为“扭转枢纽设在不同于扭转波束层的层的多层可变形镜器件”；以及1998年2月17日授予Heimbuch的美国专利5719695，标题为“具有上层结构光屏蔽的空间光调制器”。在以下专利中公开了采用DMD的投影装置的光学设计：Tejada等人的美国专利5914818，1999年6月22日授权，标题为“配合反射型空间光调制器使用的偏置投影透镜”；Dewald的美国专利5930050，1999年7月27日授权，标题为“用于提供空间光调制器生成的宽银幕图像的变形透镜”；Anderson的美国专利6008951，1999年12月28日授权，标题为“具有用于反射型空间光调制器的固定背组的偏置投影变焦透镜”以及Iwai的美国专利6089717，2000年7月18日授权，标题为“投影机装置”。在如下专利中部分地描述LCD装置：Ruiz等人的美国专利5570213，1996年10月29日授权，标题为“将双反射减到最小的液晶光阀”；以及Smith，Jr等人的美国专利5620755，1997年4月15日授权，标题为“引入液晶中的倾斜垂直排列”。按照常规，面SLM由灯或其它宽频段光源提供滤光光源照明。LCD可以是反射型的(硅基液晶或LCOS)，也可以是透射型的。

线SLM也可视为一维空间光调制器，它具有一些超过上述二维LCD和DMD面空间光调制器的优点。调制器线阵的固有性能优点包括实现更高分辨率、降低成本和简化照明光学系统的能力。而且，线阵比它们的二维对应物更适合作为激光的调制器。在1994年5月10日授予Bloom等人的题为“调制光束的方法和装置”的美国专利5311360中描述了光栅光阀(GLV)线阵，它是较早类型的调制器线阵，为利用例如激光源进行高亮度成像提供一种可操作的方案。

近年来，由Kowarz在共同转让的美国专利6307663(2001年10月23日授权，标题为“具有保角光栅器件的空间光调制器”)中公开了一种由通过周期性序列的中间支撑件悬置于基板上方的带状元件构成的机电保角光栅器件。机电保角光栅器件通过静电驱动来工作，这使得带状元件吻合于支撑子结构周围，从而产生光栅。‘663的器件已成为人们越来越熟悉的保角GEMS器件，其中GEMS代表光栅机电系统。保角GEMS器件拥有许多颇具吸引力的特点。它提供具有高对比度和良好效率的高速数字光调制。而且，在保角GEMS器件的线阵中，活动区域较大且光栅周期的取向与阵列方向垂直。光栅周期的这种取向使得衍射光束接近于线阵分散，以及在大部分光学系统上保持空间上分离，提供高的系统灵活度和允许采用成本较低的光学器件。当配合激光源使用时，GEMS器件提供优异的亮度、速度和对比度。

2002年6月25日授权的题为“具有空间分离光束的机电光栅显示系统”的共同转让的美国专利6411425以及2002年11月5日授权的题为“具有分段波片的机电光栅显示系统”的共同转让的美国专利6476848(均授予Kowarz等人)公开了在许多印刷和显示实施例中采用GEMS器件的成像系统。与GLV对应物一样，GEMS器件一次调制一种颜色和一行图像。因此，形成彩色图像需要适当的技术，或者把每种颜色的照明和调制数据排序送到单个线性调制器，或者组合分开调制的颜色图像。

在采用空间光调制器的数字投影显示器的已知优点中，被拓宽的色域使得所显示的图像在色彩逼真度和画面表现方面超过基于胶片或CRT的常规投影系统所提供的图像。利用国际照明委员会开发的熟悉的三色刺激CIE色彩模型最容易目测色域，CIE色彩模型表示标准人眼所感觉的色空间。图1a表示CIE色彩模型，其中将可见色域200表示成熟悉的“马蹄”曲线。纯的饱和光谱色映射为可见色域200的“马蹄”形周边。“马蹄”内部包括色混合的所有映射，包括纯色与白色的混合，如光谱红色与添加的红色混合，变成粉红色。在可见色域200内，器件色域202通常由顶点接近可见色域200的曲线的三角形表示。在图1a中，所绘制的器件色域202近似于例如熟悉的标准SMPTE(活动图像和电视工程师协会)磷光体的色域。

彩色投影技术中众所周知，显示器件最好提供尽可能多的可见色域200，以便如实地表现图像的实际色彩和提供鲜艳的色彩。显示屏的组成色[通常为红、绿和蓝(RGB)]定义器件色域202的多边形的顶点，从而定义器件色域202的面积和形状。

那么增加器件色域202的大小的一种基本策略是使用在光谱上纯的或者至少具有高的光谱纯度的光源。激光由于其固有的光谱纯度而对于将器件色域202最大化特别有利。实质上为单色的激光源有效地将器件色域202的顶点定位到可见色域200的周边上。

已经提出许多数字投影机设计来利用激光源的良好的光谱质量。例如，2001年2月6日授于Troyer的美国专利6183092，标题为“具有液晶光阀和扫描读取光束的激光投影装置”；2002年7月30日授于Lee的美国专利6426781，标题为“激光视频投影机”；2002年8月20日授予Kaelin等人的美国专利6435682，标题为“采用空间光调制器进行激光成像”；以及2001年11月13日授予Hwang等人的美国专利6317170，标题为“采用混合视频激光混色器的大屏幕小型图像投影装置”，这些专利仅说明了若干采用激光照明源进行数字投影的建议方法。诸如以上列出的这些专利中所公开的设计利用激光设计和制造方面的不断改进，实现更高功率、更长的使用寿命以及降低的激光照明方案整体成本。

尽管有显著的改善，但是缺少低成本的蓝色可见光谱的激光仍是一个问题。激光制造商至今仍无法在数字投影所需的功率范围内提供成本适当的蓝色激光。实际上，在所需功率水平上，蓝色可见光谱中可得到的激光的成本可能是绿色激光的成本的10倍。在稍微小点的程度上，在某些功率范围中，成本和可用性问题还影响红色激光，特别是为大屏幕投影提供照明时。这个问题会严重影响投影装置的成本，使激光投影不可能在短期内成为投影系统广为接受的替代技术。

虽然激光提供光谱上纯净的光，从而可以获得拓宽的色域，但是激光也有一些其它特征对于数字投影是不利的。特别是激光至少比较相干，而且可能高度相干。因此，对于采用激光照明的数字投影装置来说，斑纹及其它效应成问题。如上所述，面空间光调制器，尤其是透射型和反射型LCD，虽然它们在采用常规的非相干光源(比如灯和LED)时表现很好，但是不太适合用于激光调制。相反，线空间光调制器、如GLV和GEMS器件更适合与激光照明配合使用。

一般来说，非相干光源并不象激光那样在蓝光波长方面受约束。例如，汞弧灯在投影所需的功率范围上广泛可用，它们发出蓝色可见光范围内的光。实际上，标准436纳米谱线的汞弧灯提供清晰限定的特征蓝色光谱分量。这使滤光器可用于隔离和只通过这种可见蓝光分量。由此，汞弧灯可用作非相干光源，提供在采用激光无法以负担得起的费用获得的波长范围内的基本纯光谱的光。

虽然LED不如激光的光谱纯且不如其明亮，但是为小屏幕的数字投影系统提供了又一种可行的低成本非相干照明光源。LED可以为一些类型的显示装置提供良好的解决方案，特别是因为这些器件在所需波长上变得更广泛可用。

下面有必要就数字投影装置设计中照明光源的这些考虑进行总结：

(a)激光，提供最佳色域和高亮度，最适合与线SLM配合工作以提供高分辨率，但是目前可能无法在所有需要的波长上(尤其是蓝色可见光区)负担得起成本；

(b)非相干光源(如灯和LED光源)可能无法在可比波长上提供象激光那样宽的色域。非相干光源最适合与在较低分辨率下使用的面SLM配合工作，对于整个可见光谱上的波长(包括激光目前所负担不起的)都可用；

在数字投影装置设计中认识到，不同色域、SLM类型、分辨率以及波长这些对比因素代表了多种选择。决定是采用基于激光的照明系统还是采用非相干光源的照明系统(如更传统的灯)支配着设计者后续如何进行，以便优化装置性能和价值。

因为基于激光的照明系统与其它类型的照明系统之间，光处理光学器件和图像调制方法有很大的差异，所以混合型的解决方案看不出有吸引力、甚至可行。作为一种混合型解决方案，Mukawa等人的公布号为2002/0154277、公布日为2002年10月24日、标题为“图像显示装置”的美国专利申请公开了一种图像显示装置，其中将激光添加到基于常规灯的照明系统中，以便补充特定波长处的可用亮度。特别是，Mukawa等人的申请中公开的系统采用相同类型的空间光调制器来对激光和灯发出的非相干光进行调制。但是，这种方法并未在调制方面利用激光的特殊属性，也没有在与对常规光源优化的SLM配合使用时，对相干激光所导致的成像异常进行补偿。

众所周知，投影彩色图像包括叠加在一起的红色图像、绿色图像和蓝色图像，通称为RGB图像。所显示的彩色图像具有一定的分辨率，通常以水平和垂直像素的个数来表示。为了形成具有所需分辨率的RGB图像，红色、绿色和蓝色平面内各像素彼此对准。由此，利用常规方法，每种色平面和对应于各个色平面的各个SLM具有相同的分辨率。

众所周知，人眼将所显示的分离的红色、绿色和蓝色像素进行组合，以便感受组合色，人眼对不同颜色有不同的敏感度。例如，绿色敏感度非常高，绿色通道最接近地对应于人的亮度感觉。对红色的敏感度稍弱，对蓝色就更弱。实际上，特别就细节感受而言，人眼对蓝色较为不敏感。即蓝色通道的实际分辨率对于细节的感受而言相对不那么重要。对于所显示的图像，通过降低蓝色图像平面的分辨率而保持红色和绿色平面的原有分辨率，就可以明显看出这种效果。虽然在辨别细节方面人眼对蓝色相对不敏感已完备记录在案，但是常规数字投影设计无法利用此特性来减轻设计约束、从拓宽的色域中受益并且同时提供较低成本的投影装置。

发明内容

本发明提供一种改进的数字投影机方案，从而满足上述需要并弥补缺点，该方案在不同的颜色通道上采用不同类型的照明和成像部件。利用此方案，本发明提供一种用于在显示表面上形成包括多个叠加图像的彩色图像的显示装置，所述显示装置包括：

(a)用于形成第一颜色二维图像的第一颜色调制通道，包括：

(al)用于提供第一颜色源光束的激光光源；

(a2)线空间光调制器，用于调制所述第一颜色源光束以提供具有第一颜色的调制光束；

(a3)扫描部件，用于扫描具有所述第一颜色的所述调制光束以形成所述第一颜色二维图像；

(b)用于形成第二颜色二维图像的第二颜色调制通道，包括：

(b1)用于提供第二颜色源光束的非相干光源；

(b2)面空间光调制器，用于调制所述第二颜色源光束以形成第二颜色二维图像；以及

(c)至少一个投影透镜，用于将包含与所述第二颜色二维图像叠加的所述第一颜色二维图像的彩色图像投影到所述显示表面。

本发明的另一个方面提供一种用于在显示表面上形成包含多个叠加图像的彩色图像的系统，所述系统包括：

(a)用于形成第一个二维图像的第一颜色调制通道，包括：

(a1)用于提供源激光束的装置；

(a2)用于调制所述源激光束、从而提供至少一个具有第一颜色的调制光束的装置；

(a3)用于将包括所述至少一个具有所述第一颜色的调制光束的扫描线图像光束引导至颜色合成器的装置；

(b)用于形成第二个二维图像的第二颜色调制通道，包括：

(b1)用于提供第二颜色非相干源光束的装置；

(b2)用于调制所述第二颜色非相干源光束、从而向所述颜色合成器提供第二颜色图像光束的装置；

(c)至少组合所述扫描线图像光束和所述第二颜色图像光束以形成叠加彩色图像光束的所述颜色合成器；

(d)用于将所述叠加彩色图像光束投影到显示表面的装置。

本发明的第三个方面提供一种用于在显示表面上以多个叠加图像形成彩色图像的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)形成第一颜色线形图像光束，其中又包括以下步骤：

(a1)提供第一颜色激光源光束；

(a2)调制所述第一颜色激光源光束，从而提供至少一个具有第一颜色的衍射光束；

(b)形成第二颜色二维图像光束，其中包括以下步骤：

(b1)从非相干光源提供第二颜色源光束；

(b2)调制所述第二颜色源光束；

(c)将所述第一颜色线形图像光束与所述第二颜色二维图像光束组合，从而形成叠加图像光束；以及

(d)将所述叠加图像光束投影到显示表面。

本发明的一个特征是在同一个显示装置中采用不同类型的照明光源和不同类型的空间光调制器的组合。

本发明的优点在于，无需获得可见光范围、特别是蓝光范围中特定波长的激光。本发明提供采用非相干光源以及激光源的方法。

本发明的另一个优点在于，它使显示装置可以例如在激光最适合且最经济的情况中在任何数量的颜色通道上采用激光，而在采用其它光源会最有利的情况下采用其它光源。

本领域的技术人员通过结合附图阅读以下详细说明，会理解本发明的这些以及其它特征和优点，图中表示和描述了本发明的说明性的实施例。

附图说明

虽然本说明用具体指出并明确要求本发明主题的权利的权利要求书来总结，但是我们认为，通过下文说明并参考附图会更好地理解本发明，其中：

图1是说明标准SMPTE色域与可见色域的关系的曲线图；

图2是说明本发明的显示装置中图像调制部件的总体安排的示意框图；

图3a是说明采用不同类型调制部件的组合的显示装置的第一实施例的详细示意框图，其中蓝光调制通道采用反射型LCD空间光调制器；

图3b是说明采用不同类型调制部件的组合的显示装置的另一实施例的详细示意框图，其中蓝光调制通道采用透射型LCD空间光调制器；

图3c是说明显示装置的替代实施例的详细示意框图，其中蓝光调制通道采用透射型LCD空间光调制器，第二调制通道采用GEMS线空间光调制器，从而依次从激光源提供其它两种颜色；

图3d是说明显示装置的替代实施例的详细示意框图，其中蓝光调制通道采用透射型面空间光调制器，第二调制通道采用作为单个部件制作在同一基板上的两个GEMS线空间光调制器，以便用具有不同空间设置的激光源的照明提供其它两种颜色；

图3e是说明用于拓宽的色域的显示装置的替代实施例的详细示意框图，其中蓝光调制通道采用透射型LCD空间光调制器，第二调制通道采用三个或更多其它的激光为GEMS线空间光调制器提供光源照明；

图3f是说明显示装置的替代实施例的详细示意框图，其中一种颜色的调制通道采用发射显示器件，第二调制通道采用线空间光调制器、以便从激光源提供其它两种颜色；

图4是说明采用多个投影透镜的显示装置的替代实施例的详细示意框图；

图5是说明采用不同类型调制部件的组合的显示装置的替代实施例的详细示意框图；

图6是说明在一种颜色通道上采用DMD空间光调制器而在其它颜色通道上采用GEMS空间光调制器的显示装置的再一个替代实施例的详细示意框图；以及

图7是说明采用本发明的装置和方法可获得的色域改善的曲线图。

具体实施方式

本说明具体是针对构成本发明的装置或者更直接配合本发明的装置使用的部件。应当理解，未专门表示或描述的部件可采取本领域的技术人员众所周知的各种形式。由此，本发明提供一种采用激光和非相干光源的组合在显示表面上形成二维彩色图像的显示装置和方法。

为便于下文说明，专用于一种颜色通道的部件可以更具体地以字母附上该部分编号来标识。在使用中，字母对应于颜色通道；例如附上“r”表示红色、“b”表示蓝色以及“g”表示绿色。在所示附图中，“bg”表示第四种颜色通道，可能是蓝-绿、黄、黄-绿、橙色或其它适合的颜色，下文将进行说明。

整体模型

图2是说明本发明的简化实施例中显示装置10的主要部件的框图。对于本发明，如图2所示的显示装置10的各部件所示，以多种颜色调制通道传送的多种分辨率将会在像素分辨率上明显不同；与先有技术方案完全不同。显示装置10包括至少三种颜色调制通道：红色调制通道30r；绿色调制通道30g；以及蓝色调制通道30b。红色调制通道30r包括红色激光器20r和空间光调制器32r。同样地，绿色调制通道30g包括绿色激光器20g和空间光调制器32g。蓝色调制通道30b包括非相干光源22b、用作颜色分离器的透过蓝光的滤光器24b以及空间光调制器32b。颜色合成器73、如X-立方体或菲利普棱镜将来自各颜色调制通道30r、30g和30b的调制光合成，从而沿着至投影透镜300的单一输出轴O提供多色调制光。

在常规基于激光的投影系统设计中，激光是高度相干的光源，会被用于每种颜色调制通道30r、30g和30b中。但是图2所示的显示装置10的配置在蓝色调制通道30b中以非相干光源22b替代预期的激光。非相干光源22b最好是汞弧灯或其它类型的灯。汞弧灯的常见形式例如输出稳定且重要的436纳米波长输出，该波长输出可以通过透过蓝光的滤光器24b为空间光调制器32b提供照明。替代配置可以采用蓝色LED或包括多个蓝色LED的阵列作为非相干光源；对于这种替代配置，透过蓝光的滤光器24b不是必需的。采用替代的非激光的非相干光源用于蓝色照明，图2的配置提供了激光投影分别用于红色和绿色调制通道30r和30g的优势。但是，对于蓝色调制通道30b，避免了蓝色激光光源的高成本，并且提供足够的光来形成多色图像。

在一个实施例中，红色激光器20r是波长最好介于630纳米和660纳米之间的半导体激光器。绿色激光器20g是为得到期望的发射波长而倍频的532纳米二极管泵浦的固态激光器。空间光调制器32r、32g和32b可以属于同一类型，如某种透射型LCD调制器，例如图2所示的空间光调制器32r和32g。但是，如下文将详细说明的，空间光调制器32r、32g和32b也可以属于不同类型，经过选择而适合相应类型的照明。

采用线和面空间光调制器的装置

在图2所示的模型之后，图3a、3b、3c、3d、3e、3f、4、5和6说明了采用具有不同类型空间光调制器的组合的显示装置10的各种实施例。参考图3a，在所示实施例中，红色和绿色调制通道30r和30g分别在机电光栅光调制器85r和85g(如保角GEMS的线阵)上调制激光。另一方面，蓝色调制通道30b采用面空间光调制器32b。

参考图3a，在红色调制通道30r中，红色激光器20r提供的照明通过球面透镜72和柱面透镜74进行调节，然后被引至转向镜82。从转向镜82反射的光通过机电光栅光调制器85r上的衍射进行调制。来自机电光栅光调制器85r的调制衍射光经过转向镜82衍射，然后到达分色合成器94。然后，从分色合成器94出来的调制光由透镜75引导，通过可选的交迭(cross-order)滤光器110到达扫描镜77。转向镜82充当阻碍来自机电光栅光调制器85r的零次反射光的元件。

随着扫描镜77旋转，来自机电光栅光调制器85r、通过扫描透镜84引导并到达可选的移动漫射体86(用于斑纹补偿)的各个调制线图像被提供给分色合成器92。分色合成器92将来自扫描镜77的调制线图像沿着输出轴O引导到投影透镜300，由此将图像投影到显示表面90。可以将光学补偿元件89设在红色和绿色调制光的光路上，当需要时，使红色/绿色光路和蓝色光路对投影透镜300相似，从而降低图像像差。应当指出，当扫描刷新率足够高(通常至少为48Hz)时，分别来自绿色和红色调制通道30g和30r的扫描线图像被观看者感觉为二维图像。

如上所述，来自绿色调制通道30g的调制光的光路与红色调制光的光路相似。分色合成器94将红色和绿色调制光合成，并将合成光引导到扫描镜77。

还参考图3a，蓝色调制通道30b的操作不同于对红色和绿色调制通道30r和30g所述的操作。来自光源22b的非相干光在透过蓝光的滤光器24b中过滤，并在可选的偏振器34中起偏，然后被透镜76引导到偏振分束器93。偏振分束器93将具有适当偏振的光引导通过可选的四分之一波片42，然后到达空间光调制器32b。不同于线空间光调制器32r和32g，在图3a所示的实施例中，蓝色调制通道30b的空间光调制器32b是面空间光调制器、反射型LCD。来自空间光调制器32b的调制光通过偏振分束器93透射，到达分色合成器92，在此将蓝色调制光与红色和绿色调制光合成以用于投影。值得注意的是，作为替代方案，空间光调制器32b还可以是透射型LCD、DMD或其它类型的面空间光调制器，只需对支持光学器件进行成像技术中常用的必要更改。

就图3a的配置而言，来自空间光调制器32b的蓝色分量是二维图像，分别来自空间光调制器85r和85g的红色和绿色分量是构成足够扫描速率的二维图像的扫描线图像，如上所述。此外，因为如上面背景部分所述，人眼对蓝色的敏感度较低，来自空间光调制器32b的二维蓝色图像可以采用甚至明显比来自空间光调制器85r和85g的扫描线图像低的分辨率(即同样面积上显示较少的像素)。重要的是注意，二维蓝色图像的尺寸和形状应该基本等于红色和绿色扫描线图像。通过适当的透镜设计，透镜75和扫描透镜84可以用于将红色和绿色扫描线图像的尺寸和形状与二维蓝色图像的尺寸和形状匹配。如果需要，可以在将电子图像数据映射到空间光调制器85r、85g和32b时调整颜色图像尺寸定位中任何残余的失配。

图3b表示显示装置10的一个替代实施例，它采用透射型LCD作为蓝色调制通道30b中的面空间光调制器32b。来自光源22b的光通过偏振器34和透过蓝光的滤光器24b而提供偏振蓝光，然后偏振蓝光被引导通过透镜76到达面空间光调制器32b。然后，来自空间光调制器32b的调制光穿过偏振分束器93，所述偏振分束器93用于为蓝色调制光选择期望的偏振，以及将蓝色调制光与红色和绿色调制光合成，以便投影。图3b所示的红色和绿色调制通道30r和30g分别以与参考图3a所述方式相同的方式使用线空间光调制器85r和85g。

图3c表示一个具有红-绿色调制通道30rg的替代实施例，其中采用单个机电光栅光调制器85rg依序交替调制红光和绿光。激光源20r和20g提供红和绿照明，沿相同的照明光路提供红色激光束和绿色激光束。这些不同光束可以成像技术中许多常用方法中的任何一种进行合成，如采用分色合成器94。

图3d表示显示装置10的又一个实施例，其中红-绿色调制通道30rg采用分色合成器94，将红色和绿色激光同时引导到双机电光栅光调制器87rg。双机电光栅光调制器87rg作为单个部件提供制作在同一基板上的两个可独立寻址的机电光栅器件线阵。可以采用诸如通过分色合成器94提供的激光照明实现的空间位移或角位移将激光沿分离的光路引导，以便进行调制。就图3d的配置而言，双机电光栅光调制器87rg能够采用例如两个分离的机电光栅器件线阵来同时调制红光和绿光。

图3e表示显示装置10的四色实施例。X-立方体96用于将来自红色和绿色调制通道30r和30g的调制光与来自第四颜色调制通道30bg的调制光进行合成。机电光栅光调制器85bg调制来自激光源20bg的第四颜色的光束。在一种四色实施例中，激光源20bg发出蓝-绿光，但是也可采用其它波长。此外，颜色调制通道30r、30g、30b和30bg的替代配置可以包括成对设置的采用面空间光调制器(如蓝色面空间光调制器32b)和第四颜色面空间光调制器(未显示)的两个通道以及采用线空间光调制器(如机电光栅光调制器85r和85g)的两个通道。可以采用数字成像技术中众所周知的常规技术来调制第四颜色。这些技术可包括例如在调制两种颜色之间交替使用单个面空间光调制器32b或第四颜色面空间光调制器。诸如滤色盘或二向色分色器可以用来配合单一非相干光源使用，例如，利用数字成像技术中常用的方法获得未调制彩色光束，以便在空间光调制器32b或第四颜色面空间光调制器中进行调制。

图3f表示显示装置10的另一个实施例，其中在颜色调制通道30b中采用发射显示器46。发射显示器46可以是例如阴极射线管(CRT)、有机发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管(PLED)或等离子体显示器。本创新配置的优势在于：不需要蓝色调制通道30b和红色及绿色调制通道30r和30g具有相同的分辨率。采用偏振分束器93或其它某种合成器来合成用于投影透镜300的成像光输出。

参考图4，图中表示显示装置10的一个替代实施例，其中对于不同的颜色使用不同的投影光路。这里，蓝色调制通道30b将调制光引导到第一投影透镜300a。红色和绿色调制通道30r和30g将光引导到第二投影透镜300b。可选的交迭滤光器110对投影的红色和绿色线性调制光进行滤光，然后这些光到达扫描镜77，并且在分色合成器78处与从蓝色调制通道30b透射的蓝色调制光进行合成。分色合成器78是可选的，因为通过对整体布局进行适当修改，可以分别使第一和第二投影透镜300a和300b聚焦在显示表面90(图4未显示)。采用多个投影透镜300a和300b对于以上图3a-3f所示的任何实施例同样有利，因为它简化从不同类型调制器件投影成像光的光学要求。

如前面背景材料中所述，对某些颜色调制通道采用激光而对其它颜色调制通道采用其它光源的主要原因是产生某些波长的激光成本高昂。图3a、3b、3c、3d、3e、3f和4表示采用两个激光源20g、20r的实施例。但是，可能在有些情况中，更适合只在一个颜色通道上采用激光，而在其余通道上采用非相干光源。参考图5，图中表示显示装置10的一个替代实施例，其中绿色调制通道30g采用绿色激光源20g。红色和蓝色调制通道30r和30b都采用灯21作为非相干光源。所选的特定灯21具有主要的红色和蓝色波长分量。灯21发出的光到达可选的偏振器34，在透过红-蓝光的滤光器24rb处进行滤光。然后偏振的红和蓝光源光被透镜76引导到偏振分束器93，偏振分束器93将具有适当偏振的光反射到颜色合成器73。对此未调制的光，颜色合成器73还充当颜色分离器，使未调制的非相干红光通过可选的四分之一波片42转向反射型空间光调制器32r。同样地，颜色合成器73使未调制的非相干蓝光通过可选的四分之一波片42转向反射型空间光调制器32b。然后，通过颜色合成器73将来自空间光调制器32r的调制红光与来自空间光调制器32b的调制蓝光及来自绿色调制通道30g的调制相干绿光进行合成。然后，偏振分束器93使合成的调制光透射到投影透镜300。在一个实施例中，颜色合成器73可以是X-立方体。如成像技术中众所周知的，X-立方体对于不同波长下的不同偏振状态进行优化。在标准配置中，X-立方体反射具有S偏振的红和蓝光，并透射具有P偏振的绿光。但是，为了获得最大亮度，采用制造成基本上对偏振不敏感的X-立方体可能是有利的。

图3a、3b、3c、3d、3e和4所示的实施例表示非相干光源22b用于蓝光，而激光20r用于红光。对于红色和/或蓝色照明，可以采用其它替代的非相干光源，例如LED。

参考图6，图中表示本发明的另一个实施例，其中蓝色调制通道30b所用的空间光调制器32b是数字微镜器件(DMD)。在图6的配置中，非相干光源22b提供照明，经透镜76引导通过透过蓝光的滤光器24b，并由镜44以适当的角度反射到空间光调制器32b，以进行调制。分色合成器92将来自蓝色调制通道30b的调制光与来自红色和绿色调制通道30r和30g的调制光的扫描线合成，并将这种合成光引导到投影透镜300。

色域

如上文提供的背景信息中所述，采用单色激光照明光源的关键起因涉及到色域。再参考图1，其中指出，当定义器件色域202的顶点位于可见色域200的曲线上时就得到最佳色域。激光源使顶点位于可见色域200的曲线上；其它光源通常使色域顶点从可见色域200的曲线回退少许。

参考图7，图中表示采用提供红色顶点203r的红色激光源20r、提供绿色顶点203g的绿色激光源20g以及提供蓝色顶点203b的蓝色光源22b而改进的色域302的曲线。蓝色光源22b最好是具有稳定的436纳米波长输出的弧光灯。如上所述，红色和绿色顶点203r和203g位于可见色域200的周边上。虽然蓝色顶点203b未直接位于此周边上，但是非常接近它，如图7所示。应当指出，本发明的改进色域302相对于采用标准SMPTE磷光体可达到的器件色域202有显著的拓宽。因此，虽然本发明的方法尚未达到根据三顶点CIE模型可达到的最大可能色域，但是采用本发明可以获得实质性的改进。

如以上参考图3e所述，对常规红色、绿色和蓝色光源补充额外的其它颜色的单色光源可以获得拓宽的色域。参考图3e，显示装置10的配置通过有效地添加第四顶点203bg(参见图7)实现色域的拓宽，第四顶点可以是蓝绿区的发射光，用于定义更大器件色域202，如图7所示。

光路设计

应该可以看到，在处理线空间光调制器和面空间光调制器所提供的不同类型的调制光时存在差异。本发明的方法可能要求作出某些折衷，以便同时照顾到扫描线成像和整面成像。此外还要在颜色通道之间进行其它必要的更改，以便例如处理不同波长的光。

已经观察到，蓝色调制通道30b提供的调制图像是以完整图像帧的形式提供的，不同于红色或绿色调制通道30r和30g的扫描线光。再者，还与惯例不同的是，蓝色图像本身可能甚至比红色和绿色调制通道30r和30g中提供的调制图像的分辨率低些。因为人眼对细节的敏感度在蓝色可见光范围中是有限的，所以对于蓝色调制通道30b，分辨率要求可以放松些。基于同样的考虑，对于细节(以及从某种程度上来说、色度)较为重要的红色和绿色成像，还可以对调制光的光路进行优化。

图3a、3b、3c、3d、3e、3f和4表示和描述了采用GEMS器件作为线光调制器。但是，也可以使用GLV或其它线性器件，只要如成像技术中常用的，对支持部件进行必要的更改。

光学部件的选择

应该指出，图2、3a、3b、3c、3d、3e、3f、4、5和6只表示用于颜色调制的显示装置10的部件。扫描、投影和显示功能可以采用数字图像显示领域中技术人员众所周知的部件。扫描镜77是用于将图像一次一行扫描到显示表面90的可行器件集合中最简单的。但是，也可以采用其它类型的扫描部件，如旋转多面镜。

颜色合成器73通常包括一个或多个分色面，它们被制造成反射或透射不同波长的光。图2和5表示X-立方体或X-棱镜，它们基于相交分色面工作，用于颜色合成器73。但是，还可以采用颜色合成分色面的其它配置，将多个输入颜色引导到单个输出颜色通道中。

在一个实施例中，显示表面90是前投屏幕；但是还可以采用背投屏幕或其它表面。

显然，本发明的装置和方法针对先前限制经济的基于激光的投影系统的可行性的共识问题提出解决方案。再者，本发明的解决方案为显示装置10提供拓宽的色域，此色域接近于完全采用激光照明系统可获得的色域，且成本仅为这种系统的一部分。最后，与常规数字成像方法对照，本发明的方法和装置在一个投影系统的不同颜色通道中采用不同类型的空间光调制器，另外还可以选择在细节不太易感知的蓝色通道中采用较低分辨率。

可以分别更改红色、绿色和蓝色调制通道30r、30g和30b中的具体部件，以便适应正在执行的图像调制类型。例如在附加颜色可增加可用色域的情况中，还可以采用超过3或4种颜色通道。

Claims (13)

1.一种用于在显示表面上形成包括多个叠加颜色图像的彩色图像的显示装置，所述显示装置包括：

(a)用于形成第一颜色二维图像的第一颜色调制通道，包括：

(a1)用于提供第一颜色源光束的激光光源；

(a2)线空间光调制器，用于调制所述第一颜色源光束以提供具有第一颜色的调制光束；

(a3)扫描部件，用于扫描具有所述第一颜色的所述调制光束以形成所述第一颜色二维图像；

(b)用于形成第二颜色二维图像的第二颜色调制通道，包括：

(b1)用于提供第二颜色源光束的非相干光源；

(b2)面空间光调制器，用于调制所述第二颜色源光束以形成第二颜色二维图像；以及

(c)至少一个投影透镜，用于将包含与所述第二颜色二维图像组合的所述第一颜色二维图像的彩色图像投影到所述显示表面。

2.如权利要求l所述的显示装置，其特征在于还包括颜色合成器，用于至少合成所述第一颜色二维图像与所述第二颜色二维图像以用于投影。

3.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述第一颜色源光束是绿色的。

4.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述线空间光调制器是从由GEMS(光栅机电系统)和GLV(光栅光阀)器件构成的组中选择的。

5.如权利要求l所述的显示装置，其特征在于还包括颜色分离器，用于从所述非相干光源中分离出所述第二颜色源光束。

6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于所述颜色分离器包括分色面。

7.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述面空间光调制器是从由透射型液晶器件、反射型液晶器件和数字微镜器件构成的组中选择的。

8.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述非相干光源包括弧光灯。

9.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述非相干光源包括发光二极管。

10.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述扫描部件包括镜面。

11.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述第二颜色源光束是蓝色的。

12.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述面空间光调制器比所述线光调制器的像素分辨率低。

13.如权利要求17所述的显示装置，其特征在于所述第二颜色二维图像比所述第一颜色二维图像的像素分辨率低。

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