CN1669367A - 投影系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种投影系统，其具有投影显示器(20)、至少一个光源(10)以及用于感应和补偿由所述至少一个光源(10)发出的光通量变化的传感器设备。在这种情况下，该传感器设备包括至少一个传感器配置(30；31、32；33、34)，以用于感应来自光源(10)的光的成分(M)，该光的成分(M)引导到围绕该投影系统的光学部件(11)入射面的区域中。已经发现，在来自光源(10)的这些光的成分(M)和实际上到达该投影显示器(20)的光的那些其它成分(I)之间存在很好的相关性，这就意味着通过以适当的方式控制光源(10)的供电单元(10c)和/或驱动该投影显示器(20)的驱动单元(20a)，就可以很有效地抑制由于例如不稳定的弧放电导致的亮度波动。

Description

投影系统

本发明涉及一种投影系统，其具有投影显示器、至少一个光源和用于感应和补偿由所述至少一个光源发出的光通量变化的传感器设备。

在投影系统中用作光源的通常是一个或多个高压气体放电灯(高强度放电(HID)或者超高性能(UHP)灯)。原则上，这种灯既可以使用直流电工作也可以使用交流电工作。这两种工作模式都有优点和缺点。尽管使用交流电可以防止电极的迅速腐蚀并提高灯的效率，但是弧放电通常是不稳定的，这是由于极性的变化和亮度的周期性波动或者由此可能产生的其它涉及投影成像的错误造成的。然而，即使是使用用直流电工作的灯，也不能排除尤其在接近寿命结束时由于例如电极之间的间隙变得过大而导致的弧放电的不稳定性。

为了确保放电灯整个寿命过程中质量最佳无误的图像，故应在这些工作模式中都提供传感器，以监测所发出的光通量并且适当补偿短期波动和任何长期的衰减。

当以上类型的波动出现在采用连续彩色再捕获的投影显示器(单板显示器)上时，其是一种特别的损害。这种显示器包含例如LCOS显示器，其中三原色以彩色条的形式在屏幕上连续通过(参见这篇相关文献：2001年的SID 01 Digest of Technical Papers第XXXII卷第1072-1075页Shimizu著的“Scrolling Color LCOS for HDTV RearProjection”)，还包含例如SCR-DMD投影显示器(参见这篇相关文献：2001年的SID 01 Digest of Technical Papers第XXXII卷第1076-1079页Dewald、Penn、Davis著的“Sequential ColorRecapture and Dynamic Filtering：A Method of ScrollingColor”)。

为了生成三原色的光，这种系统具有设置在光源和显示器之间的颜色调制器，其能够使该系统的亮度发生相当大的波动。这就造成了上述传感器不必感应所述波动的问题。实际上，该传感器所要做的是生成理论上与光通量成比例的信号，该光通量经光学集成后作为时间平均值入射到该显示器上。然而，因为光学集成和颜色调制在上述投影系统中彼此紧密相邻并且相互关联，所以较难为该传感器找到一个适当的位置，在该位置传感器能够毫无问题地感应所述光通量。

即使在黑白投影系统中，在灯泡寿命中周期性改变或者衰减的光通量会引起图像错误或者至少是不希望发生的错误。

本发明的目的是提供一种上述第一段中所说明类型的投影系统，该投影系统至少很大程度上避免了由于光源发出的光通量的非故意变化而引起的对图像质量的任何不利影响。

本发明的目的特别是提供一种投影系统，其具有至少一个高压气体放电灯，其中至少很大程度上避免了由于光通量的波动引起的对图像质量的任何不利影响，所述波动尤其是由不稳定的弧放电造成的。

最后，本发明的另一个目的是提供一种采用连续颜色再捕获的投影系统，该系统至少很大程度上避免了由于光源发出的光通量的非故意变化而引起的彩色伪像，尤其是当将使用交流电工作的一个或多个高压气体放电灯用作光源时。

如权利要求1所述，本发明的目的是利用一种投影系统实现的，其具有投影显示器、至少一个光源、和用于感应和补偿所述至少一个光源发出的光通量变化的传感器设备，该装置具有至少一个传感器配置，用于感应从光源发出的光中被导入该投影系统的光学部件入射面周围区域中的成分。

这种解决方案的具体优点在于较容易在投影系统中找到该传感器配置的适当位置，即能够感应到该光的所述成分的位置。

意外的是，还发现光的这些成分与用于实际生成图像的其它成分之间具有高度的关联性。这意味着能够将诸如由不稳定的弧放电引起的而且可能达到大约10％的图像亮度波动的一般范围降低到大约1％的波动范围，因此可以认为其不再是可见的。

从属权利要求涉及本发明的优选实施例。

权利要求2和3所述的实施例可以比较容易地补偿传感器配置感应到的光通量波动。

权利要求4到7涉及该传感器配置的优选实施例，这些实施例使得能感应该光的所述成分而特别地不会破坏这些成分。权利要求8涉及光学部件，优选围绕该光学部件的入射面放置该传感器配置。

最后，权利要求9限定了尤其适合利用根据本发明的传感器设备的投影系统。

将参照以下所述的实施例说明并阐述本发明的这些和其它方面。

在附图中：

图1是表示彩色投影系统的一般配置的侧视图。

图2是沿着图1中箭头A的方向观察的第一实施例的视图。

图3表示了在灯的焦平面中光强度的不同曲线。

图4表示了传感器信号的变化与强度的实际变化之间的不同关联性。

图5是沿着图1中箭头A的方向观察的第二实施例的视图，和

图6是第三实施例的侧视图。

以下将参照具有SCR-DMD(连续颜色再捕获-数字微反射镜)显示器的投影系统来描述本发明。在2001年的SID 01 Digest ofTechnical Papers第XXXII卷第1076-1079页Dewald、Penn、Davis著的、标题为“Sequential ColorRecapture and DynamicFiltering：A Method of Scrolling Color”的论文中详细描述了这种投影系统的设计和操作。这篇论文引入本说明书中作为参考。

图1表示了这种投影系统的照明部分的一般配置。在这种情况下表示了一种具有反射器10a的光源10，以及基本的光学部件，即柱状积分器(光谐振器)11、颜色轮12、中继透镜(投影透镜)13和驱动器装置20a驱动的DMD显示器20。

该光源10包括一个或多个高压气体放电灯以及一个或多个反射器10a，通过该反射器将光锥10b引导到该柱状积分器11的入射面上。供电单元10c用于向光源10供电。

图2是沿着图1中箭头A的方向观察到的入射面的端视图。该入射面由中央、透明、基本上是圆形的第一区域111和围绕该第一区域111的第二镜面反射区域112构成，第二区域的面积约为入射面总面积的三分之二。

选择入射面的尺寸以便优化投射光的效率。这一般取决于灯和整个配置的范围。

柱状积分器11包括玻璃制成的高度反射外壳113，其围住光导114。该光导可以由空腔或者适当的光导材料构成。耦合到光导114中的光在外壳113处多次反射，并且如果该柱状积分器11足够长，则该光均匀化，从而使积分器11出射面上的光具有基本上均匀分布的强度。

颜色轮12(颜色调节器)具有透明的红、绿和蓝色涂层，每个涂层二向色地进行反射并且这些涂层布置成阿基米德螺旋线的RGB图案形式。该图案的大小使得在任意给定时刻，一种或多种彩色螺旋线覆盖了积分器出射面的横截面区域。该图案具有的性质在于当转动颜色轮12时，红色、绿色和蓝色之间的边界以恒定速度在径向上移动。结果，RGB图案在柱状积分器出射面上移动，移动的速度接近恒定。该柱状积分器11的出射面与颜色轮12之间的距离应保持尽可能的小，以避免光损失。

最终将RGB图案通过中继透镜13投影到DMD显示器20上。当该颜色轮20旋转时，所述的RGB图案连续地在DMD显示器20上移动。

在这个过程中，当时未被颜色轮12上的相关涂层(例如照明区域的三分之二)允许通过的两个颜色成分反射该回柱状积分器11，并且在该柱状积分器中经过多次反射进一步均匀化。当到达该柱状积分器11的入射面时，光强度的三分之一向着光源10的方向离开该柱状积分器11，而光强度的三分之二在第二镜面反射区域112处反射并经过多次反射传送回出射面。这些过程重复多次，直到来自光源10的入射到该柱状积分器11入射面的全部光进入颜色轮12，或者被吸收，或者通过入射面的第一区域111再次离开柱状积分器11为止。

因此，由光源10发出的光L由通过入射面的透明第一区域111入射到柱状积分器11的第一成分I、在入射面的第二镜面反射区域112处反射的第二成分R和第三成分M组成，第三成分M未能入射到入射面上，而是被入射面周围的通常是黑色的区域所吸收。适用的公式如下：

L＝I+R+M。

如果由于例如所涉及的放电灯的弧放电不稳定而使位于柱状积分器11入射面处的光源10的焦平面改变或移动，则该光的三种成分I、R和M的相对比例也改变。

这正是图3中所示的情况。光强沿着垂直轴绘制，而水平轴表示该柱状积分器11的入射面半径。该入射面的中心透明第一区域111大约在值-0.6到+0.6之间，而该第二镜面反射区域112与该第一区域111连接并从上述点延伸到该入射面外围的值-1到+1处。

实线是光源10的焦平面集中在柱状积分器11入射面中心的(通常)情况下的光强度曲线。另一方面，如果由于不稳定性造成的该放电灯电极之间的弧放电跳到了不同的位置，那么该焦平面也会变化，并且由此假设例如该位移后的位置由图3中的虚线表示。

必须感应出由此引起的通过柱状积分器11入射面的第一透明区域111入射的光的第一成分I的减少，并且对其进行补偿以防止图像亮度的任何波动。

由于柱状积分器11中的多次反射和颜色轮12对其的影响，已经证实不可能或不值得直接感应该光的第一成分I。然而令人惊奇的是，已经发现：未能入射到柱状积分器11入射面上而是被引导到该入射面周围区域中的该光的第三成分M表现出与该光的第一成分I足够高的相关性。

图4以图表形式表示了所讨论的相互关系，其中感应信号的电平沿垂直轴绘制，而光的第一成分I在该显示器上产生的亮度沿水平方向绘制。该图示出如果该光的第一成分I发生变化，则来自感应该光的第二成分R的传感器的信号几乎根本不变化，而该光的第一成分I的变化与来自感应光的第三成分M的传感器的信号变化之间实际上存在线性关系。

还发现即使只感应到该光的部分第三成分M时，所述后一种线性关系仍适用。

为了使该光的第三成分M能够被感应到，如图2所示，提供了一种多个单独传感器30形式的传感器配置，这些传感器30沿着该柱状积分器11的外围配置，优选配置在其入射面的区域中，并且这些传感器30正对光源10。

为了获得该光第一成分I的变化与来自感应该光第三成分M的传感器的信号变化之间尽可能线性的关系，应该沿着柱状积分器11的整个外围尽可能以等同的权重感应所述的第三成分M。由此，如图2所示，尽可能均匀地沿着外围设置该传感器30。

作为以上方案的可选方案，沿着柱状积分器11外围设置的可以不是多个单独的传感器30，而是如图5所示的由例如稍不透明的塑料材料形成的光导结构31。入射到该结构31上的部分光会散射到该结构中且以全反射引导角沿着该结构继续传输，直到其使传感器32能够感应到其强度为止。在这种情况下，所述传感器32通常位于该结构31内，并且为了更加清晰，由此在图5中简单地分离表示出来。选择形成该结构3 1的材料的不透明度，以便围绕该柱状积分器11外围产生均匀的感光度。

最后，图6是与图1相似的第三实施例的侧视图。在该视图中也能够看到具有反射器10a的光源10，以及由高度反射外壳113和该外壳密封的光导114形成的柱状积分器11。该光源10再次将光锥10b引导到该柱状积分器11的入射面上。

为了可以感应到该光的第三成分M，提供了(朗伯)散射表面33，其位于柱状积分器11的入射面周围，并且取代了图5所示的光导结构31，还提供了传感器34，其设置在光源10的旁边并明显地在光锥10b的外面。

该散射表面33可以特别地采用具有白色表面的环的形式并且可以设置为围绕该柱状积分器11的入射面，并由此将光的至少部分第三成分M散射回传感器34上。在这种情况下，来自该传感器的信号与入射到该散射环上的光量成比例，并且因此与该光的第三成分M的大小成比例。

由从该入射面的第二区域112反射回的光所产生的该光的第二成分R，仍保留在来自光源的光锥10b中，同样任何从该入射面的第一区域111重新出射的光也会如此，而且正是因为这样，就不再需要采取其它步骤来屏蔽该传感器34。

然而，由于温度的原因，传感器34不应安装在过于接近光源10的位置。尽可能的，在柱状积分器11的第二镜面反射区域112的外围区域也可以设置黑色涂层。

在图6所示的视图中，还可以看到该散射表面33的不同区域位于距离传感器34的不同位置处。为了使该散射表面33的所有区域都对光的第三成分M具有相同的感光度，该感光度不受这些区域设置的具体距离的影响，优选将该表面33的散射特性设置为作为所述距离的函数而改变。这可以通过例如使更加远离传感器34的区域变得更宽来实现。可选择地和/或另外，可以将该散射彩色涂层的厚度大小适当改变。

所需要的入射到该柱状积分器11的光的第一成分I的大小可以根据一个或多个传感器30、32、34感应到的该光第三成分M的电平，利用以下等式通过线性内插法来获得：

I＝-(M-b)/a

必须通过实验来确定相关光学机构的常量a和b，并且能够将常量a和b用于采用了这种机构的所有投影系统中。该常量取决于例如该入射面的第二反射区域112的性质、该柱状积分器11的大小和形状以及围绕该柱状积分器11的该散射或向后-反射区域的大小。

该等式中的负号表示：该光的第一成分I的减少造成其第三成分M的增加。

最后，本发明还发现，对于该光的第一成分I中实际存在的大约10％的波动范围而言，根据以上等式算得的由改变所表现出来的误差小于大约1％。对于任何类型的投影系统来说，这么小的误差都是能够接受的，这是因为1％的强度改变是不可见的，而且实际上该光的第一成分I大于10％的改变是不会发生的。因此，使用根据本发明的投影系统，能够将导致图像亮度波动的弧放电的不稳定性抑制到至少10∶1的比率。

还描述了用于感应上述该光的第三成分M的传感器配置30；31、32；33、34，该传感器设备也优选具有一种利用来自该传感器的信号来补偿光源10发出的光通量波动的电路(没有示出)。为此，该电路设置为对投影显示器20的驱动装置20a加以控制以便校正灰度阶的亮度和/或控制至少一个光源10的供电单元10c以便校正所发射的光通量，这样做可以以一种适当的方式来校正图像的亮度且以这样的方式来补偿所述的波动。

可选择地，驱动装置20a和/或供电单元10c当然也可以设置成使得传感器30；32；34能够与其直接连接。

在上述的实施例中，假设了放电灯在反射器10a中，该放电灯电极的端部基本上沿着该反射器纵轴间隔开，也就是说沿着光辐射的方向间隔开。因此，该放电弧也基本上在这个方向上延伸并且任何垂直该方向的弧跳跃都造成图3所示的限定该柱状积分器入射面处光强度的曲线的变化。

然而，当电极的端部在垂直于该反射器纵轴的方向上间隔开并且因此该放电弧基本上也沿着该方向延伸时，也可以采用根据本发明的原理。这可以通过例如将电极的端部以适当方式设置在灯中或者通过将该灯安装在该反射器10a中旋转了90°的位置处来实现。

在这种情况下，不稳定的弧放电会导致电弧也沿着该反射器的纵轴跳跃。这将导致光强度不以图3所示的侧横向改变，而是发生散焦，即使得图3所示的实线曲线形状扁平并展开。由于这样通常会增加入射到根据本发明的传感器配置的光强度，因此在这种情况下也会感应到波动并且以上述方式控制显示器和/或灯的供电单元来补偿该波动。

如果必须补偿由于例如老化的原因导致的该灯发出的光通量下降，这也将是正确的。这种下降会使图3所示的实线曲线变浅和变窄一定比例的量并且因此也会使入射到该传感器配置上的光强度下降。这种下降会再次通过控制显示器和/或该灯的供电单元而得到补偿。

通过过滤来自该传感器的信号，感应光的波动以及光的任何更长时间的下降也是可以的，如果需要该过滤是适当地按时进行的。

最后，如果当电极端部沿着反射器纵轴以上述第一种方式间隔开时，目的也是要补偿由该灯发出的光通量的这种长时间下降，图2所示的第一实施例适用于此目的，其中沿着该柱状积分器的入射面的外围设置了多个单独的传感器。

通过分析来自单独传感器的信号，就可以将图3所示的情况(电弧的跳跃)，其中更大强度量的光入射到某些传感器上而更小强度的光入射到相对放置的传感器上，与其中所有传感器都暴露于相应较低强度的光的情况区分开，这是由于该灯发出的光亮减少造成的。因此在这些情况中也可以采取所述的补偿动作。

Claims (9)

1.一种投影系统，其具有投影显示器(20)、至少一个光源(10)以及用于感应和补偿由所述至少一个光源(10)发出的光通量变化的传感器设备，该装置具有用于感应来自光源(10)的光的成分(M)的至少一个传感器配置(30；31、32；33、34)，所述光的成分引导到围绕该投影系统的光学部件(11)入射面的区域中。

2.如权利要求1所述的投影系统，其中用于驱动该投影显示器(20)的驱动装置(20a)可以由该传感器配置(30；31、32；33、34)来控制以补偿光通量的波动。

3.如权利要求1所述的投影系统，其中所述至少一个光源(10)的供电单元(10c)可以由该传感器配置(30；31、32；33、34)来控制以补偿光通量的波动。

4.如权利要求1所述的投影系统，其中该传感器配置由多个传感器(30)构成，这些传感器沿着光学部件(11)的外围设置并对准光源(10)。

5.如权利要求1所述的投影系统，其中该传感器配置由围绕光学部件(11)以便耦合入来自光源(10)的入射光的光波导结构(31)和用以感应所耦合入的光的至少一个传感器(32)构成。

6.如权利要求1所述的投影系统，其中该传感器配置由围绕该光学部件(11)以便散射来自光源(10)的入射光的表面(33)和用以感应所散射的光的传感器(34)构成。

7.如权利要求6所述的投影系统，其中该传感器(34)在与光源(10)产生的光的传播方向相垂直的方向上基本上接近该光源(10)设置。

8.如权利要求1所述的投影系统，其中该光学部件是用于使光源(10)产生的光均匀化的柱状积分器(11)。

9.如权利要求1所述的投影系统，具有用于连续色彩显示的彩色显示器以及作为光源(10)的由交流电操作的至少一个高压气体放电灯。

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