CN1755420A - 时序彩色投影 - Google Patents

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Abstract

一种时序彩色投影仪，包括一个像素化光阀(2)，例如液晶装置，和多个光源(30，31，32)。该多个光源(30，31，32)将光经过一个光学系统(1)导向到该光阀(2)的不同像素组上，该光学系统(1)例如为一个透镜阵列，其将光聚焦到该光阀(2)的像素上。至少光源(30，31，32)中的两个是多色光源，并且该多色光源在构成完整图像帧的每组帧期间发射不同颜色分量。

Description

时序彩色投影
技术领域
本发明涉及一种时序彩色投影仪。这种投影仪的应用包括用来投影来自电子数据源的图像的视频和数据投影仪。这种投影仪包括正投和背投、影院和家庭娱乐用投影仪、车载平视显示器用投影仪、商业和会议应用用投影仪和微型便携式投影仪。
背景技术
电子投影仪典型地利用一个或多个“光阀”，光阀通常是分成像素的平面设备。每个像素透射或反射的入射光部分可独立地控制。投影仪还包括一个用于照明例如光阀的光学系统，用于控制光阀的电子设备，和用于将由光阀显示的图像投影到屏幕上的光学系统。
当前，在已知的投影仪中，使有三种类型的光阀，即透射性液晶面板、反射性液晶面板和微镜装置。这些装置中的每一种都是单色的：每个像素反射或透射的光部分是可控的，但颜色不能控制。
彩色投影仪可以使用多个单色光阀以许多方式构造。大部分商业上可得到的投影仪不是使用三面板系统就是使用时序彩色系统。
在三面板投影仪中，红光经一个面板发送，绿光经另一个面板发送，蓝光经第三个面板发送。三个面板的图像使用例如二向色棱镜的组合光学装置来进行叠加。
在时序彩色投影仪中，使用单一的光阀。显示图像时，首先用红光照明光阀；然后，显示的图像改变，用绿光照明光阀；其后，图像再次改变，用蓝光照明光阀。这个顺序被快速重复，足以使观察者的眼睛将三个单色投影的图像混合成一个单一的彩色图像。
时序彩色系统具有下面的缺点。可能会看到闪烁或彩色假象。需要快速的光阀(例如微镜装置)，而且这些光阀通常比诸如透射性液晶面板这类相对慢速的光阀昂贵很多。如果使用白色光源，那么在任何时候都仅能使用低于三分之一的光输出。例如，当显示红色图像时，绿色和蓝色光必须从光源排除。这意味着投影仪的光学效率较低。
三面板系统具有的缺点是需要三个面板和色彩分离组合光学装置，这增加了系统的成本。并且，来自三个面板的图像必须以高精度会聚，这样就使制造过程变得复杂。
这些投影仪结构都是已知的，并在由Stupp和Brennesholtz著的书籍“投影显示器”(Wiley 1999)中被详细公开。
解决了三面板和时序设计的一些缺点的一种已知系统披露在US5161042。其中，灯发出白光。红色、绿色和蓝色分量被三个颜色选择(二向色)镜反射成些微不同的角度。该光阀是一个透射性面板。微透镜阵列靠近面板放置，位于面向光源的一侧，以便面板的像素位于微透镜的焦平面上。
由于红色、绿色和蓝色光束不同的传播方向，所以布置这些透镜，以使不同颜色输送到显示面板的不同像素。附图中的图1对其进行了说明。因此，从投影透镜看，该面板类似于在直视显示器中所用的微滤波器彩色显示面板。但是，在这种显示器中由滤波器的吸收而引起的损耗可以避免。
在EP1089115中公开了一种相关的系统。这里，角颜色分离被用于一个反射性面板，该反射像素的结构被改进以在投射系统的恰当的方向上反射光。
这些系统具有时序和三面板结构两者的一些优点。没有光在滤色器中损失并且只使用一个面板。其缺点是系统的空间分辨率被减少三倍的因数。
另一个缺点在于，为了实现光的高透射，该微透镜阵列必须具有低f数。每个透镜具有一个直径，其等于三个彩色子像素的宽度，以便随着光阀面板的尺寸变得越来越小，透镜和面板像素之间所需的间隔也变得很小。因为通常液晶光阀在玻璃基底上以0.5mm数量级的厚度制造，所以对该间隔有很低的限制，从而这能容易地实现。对于较小的间隔，透镜必须集成在面板自身中。这在原理上可能实现，但也意味着该光阀必须为此目的而专门制造，这样就增加了成本和复杂性。
如上所述，带有角彩色分离的系统，与基面板相比，会受到分辨率减少三倍因数这一问题的损害。
该问题可通过在不同方向之间快速切换颜色来消除。例如，在时帧1中，红光可能沿图1中点线示出的路径行进，绿光沿实线示出的路径行进，蓝光沿短划线示出的路径行进。在时帧2中，红光将用实线表示，绿光用短划线表示，蓝光用点线表示。在时帧3中，红光将用短划线表示，绿光用点线表示，蓝光用实线表示。由光阀显示的图像在每一个时帧上改变，以便通过三个帧组合出彩色图像。
如同在时序彩色投影仪中那样，如果投影仪在这三个状态间足够快地切换，眼睛就会将来自每个像素的红光、绿光和蓝光混合成单一的彩色图像。这种类型的投影仪设计称为“角时序显色”(ATSC)。由此，分辨率降低的问题对于角颜色分离来说可以被消除，但面板一挡板(panel-barrier)分离的问题仍然存在。
在所有已知的ATSC投影仪中，都使用的是白光源，并且具有一个机构，该机构将白光分离成以不同角度行进的三种颜色光束，并且能在不同方向上快速切换这些颜色。US5969832公开了用于此目的的两种不同机构。在第一个机构中，全息光学元件(HOE)使不同颜色的光沿不同的方向行进。这里有三种不同的HOE，每个HOE给出涉及方向的一种不同的颜色映象。通过在运送带上将三个HO E顺序移动进有效位置，来实现切换。在第二种机构中，三种颜色用二向色镜分离。在被这些反射镜反射后，光在到达与光阀邻近的微镜阵列前被另一反射镜反射。倾斜该第二反射镜来改变红色、绿色和蓝色光线的角度，并切换像素的颜色。同时，还披露了一种类似的系统，其中透镜阵列相对于面板进行偏移，以切换像素的颜色。
日本专利申请号2001223178公开了另一种机构，其根据可切换的全息光学元件来切换角之间的颜色。
US6547398公开了两种设计，在两者中，颜色被二向色镜分离，微镜阵列将不同颜色的会聚成其焦平面上的光点。这些设计和其它设计的不同在于微镜阵列并不靠近光阀。而是，系统的彩色光点被双透镜系统重新成像在面板上。在第一种设计中，微镜阵列在其自身的平面内移位来切换像素的颜色；在第二种设计中，反射镜的倾斜如同US5969832的第二机构中一样。
US6547398中公开的彩色光点的再次成像解决了角彩色分离投影仪和ATSC投影仪均遭受的透镜面板分离的问题。然而，不利的是，因为使用的是宏观透镜，所以像差会使系统的对准变得很难。同时，因为需要至少等于面板尺寸的透镜，所以微透镜阵列必须与面板分开至少两个面板直径的距离：这增加了系统的尺寸。
在上文中提及的所有投影仪的设计(以及实际上所有商业上可得到的电子投影仪)都使用白光源，例如高压放电灯。但是，该技术中的最近发展已经使LED照明用在小功率投影仪上成为可能。
在投影仪中使用LED作为光源的优点在于其具有小尺寸、长寿命、稳定性以及低温低压操作。作为单色光源，LED还可以比常规类型的灯更有效率。用LED可能替换各种应用中的常规灯在Bergh等人的“The promise and challenge ofsolid-state lighting”，Physics Today 2001年12月42-47中被评述。
已知设计的LED投影仪分成三种：使用微型滤波器面板的投影仪；使用时序彩色的投影仪；和三面板投影仪。
Keuper等人的文章“Ultra-compact LED based image projector for portableapplication”SID 2003Digest paper p-126公开了LED投影仪的三种设计。其中的两个使用带有微型滤波器面板的白色LED。微型滤波器面板是用在直视显示器的面板类型，其中像素布置成三组，每一组具有一个带有红色滤波器的像素，一个带有绿色滤波器像素，一个带有蓝色滤波器的像素。
这种类型的投影仪的主要优点在于低成本。微型滤波器面板在市场上可非常廉价地获得，因为它们用在便携式电话和其它的便携式电子设备中。而且，这种投影仪的设计非常简单。这种类型的LED投影仪的缺点在于，至少三分之二的光会被滤波器吸收。因此，其在光的利用上效率很低。同时，分辨率也比基面板的分辨率粗糙三倍的因数。
由于以下两个原因，诸如LED的电子光源特别适用于时序彩色投影仪。首先，LED可以有效地用作单色光源，其次LED可以非常快速地接通和切断。因此，通过使用LED，有可能避免使用滤波器，在用白光的时序彩色投影仪中滤波器可能会吸收三分之二的光。当红色LED照亮时，红色图像显示在光阀上，其它颜色类似与此。
Keuper等人的文章同样公开了时序彩色LED投影仪。其它的这类设计还公开在WO02080136、US20030133080、EP0888016和EA01347653中。这种类型的投影仪具有以下的优点：可以有效地利用光；仅使用一个面板；可以保持着基面板的分辨率。它的缺点是如果帧速度不够快，可能会出现闪烁和彩色假象，而且面板必须以至少三倍视频速度运转，从而这使得其很昂贵。
第三种类型的LED投影仪设计是用红色LED照明一个面板，用蓝色LED照明一个面板，用绿色LED照明一个面板。然后用与常规三面板投影仪相同的方式组合来自三个面板的图像。在US06224216和US06281949中公开了这种类型的投影仪。这种类型的投影仪具有的优点为：可以有效地利用光，而且可以保持着基面板的分辨率。然而，三个面板的使用会增加投影仪的成本和体积。
JP2001371785公开了一种不同的LED投影仪设计。LED阵列产生一个很小的块图像，随着LED照明图案的改变，垂直和水平扫描器快速地变换该块图像。因此，随着时间的过去，就建立了较大幅的图像。这种设计具有较高的光效率，但也具有需要高速的机械扫描装置的缺点，而该扫描装置很昂贵而且不可靠。
EP01024669公开了一种用于投影仪的LED照明系统的设计，其包括一个用于准直的反射面，以及用于将发出的大部分光转换成单一偏振态的装置。
V.Medvedev等人的：‘Uniform LED illuminator for miniature displays’SPIEProceedings第3428卷，142-153页(1998年)公开了一种类似的反射照明器。GHarbers等人的：SID Microdisplay 2002年，digest of paper 22-25页(2002年)也公开了高功率LED如何用在电子投影仪中。
众所周知，人的视觉系统在感知屏幕的细节时仅利用很少的蓝色，例如如在J.S Wolffsohn等人，‘Contrast is enhanced by yellow lenses because of selectivereduction of short-wavelength light’，Optometry and vision science第77卷，73-81页(2000年)，和J.K.Hovis等人，‘Physical characteristics and perceptual effects ofblue-blocking lenses’Optometry and vision science第66卷，682-689页(1989年)公开的那样。
在三面板投影仪中，通过使用比用于红色和绿色通道更低的分辨率的用于蓝色通道的面板，可以利用这个事实的优点，如在R.Martion等人的：‘Detectability of reduced blue pixel count in projection displays’Proceeding of theSociety for Information Displays，第24卷，606-609页(1993年)中所公开的。
这种对高频蓝色信息敏感度的缺乏还可以用于直视显示器，其中彩色滤波器的排列可以改变以使显示器的特性与人的视觉系统的特征相匹配。这公开在：WO02091348、US2002015110、美国申请20030128179、美国申请20030090581，C.H.Brown-Elliot的‘Reducing pixel count without reduing image quality’，Information Display，Vol.99(12)(1999年)，和T.L.Credelle等人的：‘MTF ofhigh-resolution Pentile matrix displays’ Eurodisplay 2002年Digest，第159-162页中。
通过将微透镜结构整合到光阀的像素中，就可能在一些类型的电子投影仪和直视显示器中提高光透射量。US5682215公开了这样一种技术，并给出了两种将透镜放置到透射型液晶显示面板结构中的方法。这些方法是：用离子注入来改变玻璃基板的局部折射率分布；和在基板上蚀刻浮雕(rdlief)结构，然后再填满不同折射率的聚合树脂。US5844644公开了一种可替换的方案，其中透镜被结合进一个置于彩色滤波器上的“外套”层。
发明内容
根据本发明，提供一个时序彩色投影仪，包括一个第一像素化(pixellated)光阀，第一和第二光源，和一个光学系统，其布置成将来自光源的光分别导向到第一光阀的第一和第二组像素上，该第一光源布置成分别在第一和第二时帧时序中发射第一和第二颜色，第二光源布置成分别在第一和第二时帧时序中发射不同于第一颜色的第三颜色和不同于第二颜色的第四颜色。
每个第一和第二光源可以包括多色光发射器。
每个第一和第二光源可以包括第一光发射器，用于发射第一或第三颜色，和第二光发射器，用于发射第二或第四颜色。
第一和第二光源可以布置成将第一和第二角范围中的光分别导向第一光阀。
第一和第二光源可以包括二维阵列的光发射器。光发射器可以被布置成行与柱面会聚透镜阵列协同操作将光导向到光阀的像素上。
第一颜色可以和第四颜色相同，第二颜色可以与第三颜色相同。第一和第四颜色可以是红色，第二和第三颜色可以是绿色。
投影仪可以包括一个布置成发射第五颜色的第三光源，该第五颜色不同于第一至第四颜色，该光源将该颜色导向第一光阀。该第五颜色可以是蓝色。第三光源可以包括一个二维阵列的光发射器，其布置在与上述第一和第二光源的二维光发射器阵列不同的平面上。
或者，该投影仪可以包括一个第二像素化光阀；一个第三光源，用于将蓝色光导向第二光阀；和一个光组合器，用于将来自第一和第二光阀的光组合到公共投射光路中。
投影仪可以包括：一个第三光源，布置成将光导向到第一光阀的第三组像素上，每一个光源被布置成以重复顺序射出第一、第二和第三颜色，以使光源在三个时帧为一组重复的时帧中，发出不同的颜色。该第一、第二和第三颜色可以分别是红色、绿色和蓝色。第三光源可以布置成将在第三角度范围中的光导向第一光阀。
光学系统可以包括第一微透镜阵列。第一微透镜阵列可以包括六角形阵列的球面会聚透镜。或者，第一微透镜阵列可以包括柱面会聚透镜阵列。光学系统可以包括一个与该第一阵列光学相连的第二微透镜阵列。作为选择，光学系统可以包括一个与该第一阵列光学相连的场镜。
每个光源可以是电子光源。
每个光源可以被布置成以每个时帧顺序射出单个颜色。至少一个光源可以包括一个与可转换的滤波器协同操作的宽频带发射器。
至少一个光源可以包括至少一个电子光发射器。至少一个光发射器可以包括一个氖灯。至少一个光发射器可以包括一个固态光发射器。至少一个光发射器可以包括一个半导体光发射器。至少一个光发射器可以包括发光二极管、谐振腔发光二极管、高能发光(superluminescent)二极管和激光二极管中的一个。至少一个光发射器可以适用于在窄发射带中发射光。
至少一个光源可以包括一个准直器和第一和第二透镜阵列，第一透镜阵列中的每个透镜具有与第一光阀基本相同的长宽比，并将光聚焦在第二透镜阵列上，第二透镜阵列中的每个透镜形成一个第一透镜阵列的相应透镜的图像，该第一透镜阵列基本覆盖第一光阀。
该光阀或每个光阀可以包括一个液晶装置。
这样就可能提供一个时序彩色投影仪，其具有已知此类投影仪的所有优点。例如，投影的图像具有单个或多个光阀的完全空间分辨率，没有光被彩色滤波器吸收以致于光效率相对较高。并且，与已知时序彩色设计相比，闪烁的可见性和彩色假象都被减少了，这是因为整个图像帧不同时改变颜色。另外，电子光源的使用提供了高照明效率、相对较长的光源寿命、坚固性和更少的成本。
附图说明
本发明将参照附图通过举例的方式作进一步描述，其中：
图1图示地说明了一种光阀像素的已知排列和在角彩色投影仪中的透镜阵列；
图2图示地说明了像素彩色顺序在三帧角时序彩色(ATSC)或时序彩色投影仪中的两个实施例；
图3图示地说明了在两帧ATSC或时序彩色投影仪中像素彩色顺序的三个实施例；
图4图示地说明了用于将光聚焦在像素上的两个微透镜阵列的排列；
图5图示地说明了在时序彩色投影仪中使用光源的重复阵列的照明系统；
图6图示地说明了用于将来自局部光源的光聚焦到周期阵列的光点上排列的两个实施例；
图7是说明构成本发明第一实施方案的时序彩色投影仪的图；
图8至图11图示地说明了可用于图7的投影仪中的光源的实施例；
图12图示地说明了一种构成本发明第二实施方案的时序彩色投影仪；
图13图示地说明了用于构成本发明实施方案的投影仪中的另一种光源的一个实施例；
图14图示地说明了一种构成本发明第三实施方案的时序彩色投影仪；
图15图示地说明了用于构成本发明实施方案的投影仪中的透镜阵列和像素构型的两个实施例；
图16说明了一种构成本发明第四实施方案的时序彩色投影仪，该投影仪包括图15所示类型的排列；
图17至图19图示地说明了适用于图16的投影仪中的光源；
图20图示地说明了一种构成本发明第五实施方案的时序彩色投影仪；
图21图示地说明了一种构成本发明第六实施方案的时序彩色投影仪；和
图22图示地说明了在时序彩色投影仪中使用两个光源阵列的照明系统。
在全部附图中相同的部分用相同的附图标记表示。
具体实施方式
如上文所述，图1说明了已知类型的角彩色投影仪中的部分光路。红光的光路用虚线加以说明，绿光的光路用实线加以说明，蓝光的光路用点线加以说明。红、绿和蓝色光线以不同角度或以不同的角度范围入射在透镜阵列1上。透镜阵列1放置在例如液晶设备的透射光阀2的像素的前面。透镜阵列1的节距基本上等于光阀2的像素的节距的三倍，该阵列1的每个透镜与该光阀的三个像素或三行像素对准。入射在透镜阵列1上的光被基本准直，光阀的像素基本布置在透镜阵列1的焦平面上。因此，该红、绿和蓝色光线被聚焦在各自的像素或像素行上。
如上文所述，通过循环改变沿每条光路导向的颜色，这种类型的投影仪还可以用在角时序彩色(ATSC)投影仪。例如，每个合成的全彩色图像以三个连续时帧的各个组的方式被显示。在第一时帧中，各个颜色的光路如图1所示。在第二时帧中，红光沿实线示出的光路行进，绿光沿点线示出的光路行进，蓝光沿虚线示出的光路行进。在第三时帧中，红光沿点线示出的光路行进，绿光沿虚线示出的光路行进，蓝光沿实线示出的光路行进。对于每个图像帧，都重复这个顺序，从而例如使全彩色全部运动的视频顺序投影在用于观看的屏幕上。
图2说明了可以由这种类型的布置提供的像素彩色顺序的两个例子。在(a)示出的第一顺序中，在示出的三个时帧的每一个期间，各个彩色像素在图案中被布置成行，该图案以每三行的方式垂直地重复。光源(下文描述)和透镜阵列1或其他光学系统被布置成以使红光被导向到光阀2的首行中例如10的像素上，绿光被导向到第二行中例如11的像素上，蓝光被导向到第三行中例如12的像素上。在第二时帧中，蓝光被导向到首行的像素上，红光被导向到第二行的像素上，绿光被导向到第三行的像素上。在第三时帧中，绿光被导向到首行的像素上，蓝光被导向到第二行的像素上，红光被导向到第三行的像素上。
图2的(b)示出了光阀2的第二顺序，其中交错行被水平地偏移。与在第一顺序中一样，提供到每个像素的颜色由R表示红色、由G表示绿色、由B表示蓝色。
如下文所述，由于人的视觉系统对于光的蓝色波长处的空间细节非常不敏感，因此在红光和绿光方向在连续时间帧中切换而蓝色方向保持不变的情况中可以采用一种可选择的像素颜色顺序。这样蓝光总入射在光阀的相同像素组上。
图3说明了像素彩色顺序的三个实施例，其可被用于提供这样一种排列。在(a)中示出的第一顺序与图2中的(a)示出的顺序类似，即在每个时帧中，每行像素接收单个颜色的光。这样，在第一时帧中，第一行接收红光，第二行接收绿光，而在第二时帧中，第一行接收绿光，第二行接收红光。在两个时帧期间，第三行接收蓝光，从而蓝光光源的位置和角度没有变化。对每对时帧，重复这个顺序。
在图3中的(b)和(c)中说明的两个其他的可能顺序将不再作进一步描述。
与图2中说明的顺序的图像空间分辨率相比，这种类型顺序的图像空间分辨率被降低。特别是，每个图像的红色和绿色分量占有光阀空间分辨率的大约三分之二，而蓝光分量占有该分辨率的大约三分之一。但是，在许多应用中，这是可以接受的，因为其反映了人类视觉系统的特性，即人类视觉系统对绿光和红光波段的细节的敏感度基本上是蓝色波段上的空间分辨率的两倍。
这种类型顺序的优点在于光阀只需要在两倍的“正常”视频速度(对于非时序技术而言)下工作，而对于图2中说明的类型的顺序，光阀需要以正常速度的三倍运转。因此，可使用不太昂贵的光阀。而且，由于只需要两个双色光源而不是三个三色光源，因此这种照明系统变得更为简单。
一般而言，需要一种光学系统，以将来自不同光源的光导向到光阀的适当像素上。在图1示出的排列中，单个透镜阵列1实现了这种功能。该透镜阵列1可以和光阀2分开制造或者可以是光阀的整体一部分。如果使用分开的透镜阵列，就可以使用现有的或商业上可获得的光阀，因此不再需要为了该目的而特别制造。但是，因为液晶光阀具有例如由玻璃或石英制成透明基板，而且基板具有0.5mm量级的厚度，所以基板的存在就决定了在阵列1的透镜平面和光阀2的像素平面之间的最小距离。
使用整体透镜阵列的一个优点在于透镜与像素的对准可以通过使用用来对准光阀其他部分一样的技术来实现；这使得精确对准可简单地实现并且成本低廉。而且，透镜可以靠近像素放置。因为透镜的f数决定了可被接收到并被聚焦在像素上的光的角度范围，所以较小的间隔允许较小的f数，因此就可有较宽的接收角。这导致一个较大的系统空间(etendue)，从而改善了在投影仪中光利用的效率。
图4说明了一种可选择的光学系统，其包括第一和第二透镜阵列1和3。该第一透镜阵列1等同于图1所示的透镜阵列，具有焦距f1。以不同角度或以不同角度范围入射到第一阵列1上的光被聚焦成第一焦平面5上的光点，例如4。
第二透镜阵列3放置在第一透镜阵列1和光阀2之间，具有焦距f2。该部件被布置成以使该阵列3距第一平面5和光阀2的像素平面中每个平面的距离为其焦距的两倍，因此第二阵列3形成在光点4的像素处的多个图像，例如6。
这样的一种布置具有的优点是，第一透镜阵列1可以具有小f数，因此可增加系统空间，从而增强投影图像的亮度。第二透镜阵列3可以具有相对较大的f数，并允许透镜与像素面隔开相对较大的距离f2。由此，透镜阵列可以与光阀2分开制造，以便能使用商业上可得到的光阀。
图5说明了另一种投影仪光源的排列，包括光源阵列15，其与透镜阵列1共同作用将光聚焦在光阀2的像素上。阵列15可以是如图5说明的一维阵列或者如下文描述的二维阵列。每个光源都是可控的，以在具有彩色图案的不同时帧期间，对于图5中表示的这样一个时帧提供两种或三种不同颜色的光。这种排列的一个优点在于每个单独光源(或二维阵列的成行光源)对着的角相对较小，以使透镜阵列1可以比在图1说明的只使用三个光源的排列中更加远离光阀2地放置。由此，透镜阵列1可以与光阀2分开制造。
在参照图1和4描述的排列中，光学系统将以特定方向入射的光聚焦成光阀上的光点。但是，实践中，光是由占据空间内特定位置的光源射出，而不是由以特定角度发出光的光源射出。考虑到这点，如图6(a)中说明的场镜20可以放置在光源和光学系统之间，该光学系统在图6中以单个透镜阵列1作为例子。场镜具有焦距fF，并且接近透镜阵列1的平面放置，以使从光源平面内任意点射出的光都可被场镜20准直，从而该光以基本公共的角度被导向到投影仪这部分的光轴21上。透镜阵列1将来自场镜20的光聚焦到一组用圆环表示的光点上，例如阵列1焦平面内的22。这些光点22以周期p间隔开，其基本等于透镜阵列的周期。
用于将来自点光源的光聚焦到规则间隔顺序的光点上的一种可替换的技术在图6(b)中被说明。透镜阵列1距包含点光源24的平面23距离u，距光阀像素的平面25距离v，以使平面25与平面23共轭。这可通过根据下式设置距离u和v实现：
1 u + 1 v = 1 f 1 ,
其中f1是阵列1的焦距。为了提供具有节距p的一组图像点，透镜阵列的节距将被制成小于p，且由下式给出：
q = pu u + v .
在图6(a)和(b)示出的透镜阵列1可以是如图1中所说明的单个透镜阵列光学系统，或者可以是如图4中所说明的双阵列系统的第一透镜阵列。
在(a)中示出的排列中，透镜阵列的节距基本上精确地是光阀像素节距的三倍。因此，这样的排列可以简化该系统的对准。而且光以相同的方式穿过阵列1的所有透镜。在(b)中示出的排列中，朝向阵列1边缘的透镜可以使得光以大角度穿过，而在该处光学像差可能会导致光效率的降低。但是，在(b)中示出的排列具有较少的部件，这能降低成本并减少反射光并因此产生光损耗的光学表面的数目。
如下文更详细描述的，光源可以包括多色光发射器或单色光发射器，其具有用于引导光的排列，其中光来自同一表面和/或在相同方向上或相同角度范围中的每个发射器。在多色光发射器的情况下，发射器可被电子地切换以产生不同颜色的光。这种类型光源的使用可使成本降低并可减小投影仪的尺寸。这种光源可以，例如，包括发光二极管或靠近放置在一起的不同颜色的其他半导体光产生元件。
使用一些方法，也可以在相同的芯片上集成发射的不同颜色，例如那些由Luo等人描述的‘Patterned three-colour ZnCdSe/ZnCdMgSe quantum-well forintegrated full-colour and white light emitters’Applied Physics Letters第77卷，4259-4261页(2000年)。发射不同颜色的层还可以垂直叠加，如在US5721160中所公开的，Z.Shen等人‘Three-colour，tunable，organic light-emitting divices’，Science第276卷，2009页，1997年，P.E.Burrows等人‘Achieving full-colourorganic light emitting devices for lightweight flat-panel displays’，IEEE Transactionson Electronic Devices，第44卷，第1188页(1997年)和A.J.Steckl等人，Materialsscience and engineering第B81卷，第97页(2001年)。
在单色发射器的情况下，光发射器可以例如是单色发光二极管。来自一组这样的发射器的光被促使以相同的方式出现，例如使用颜色选择反射元件例如二向色镜或交叉二向色棱镜。单色光发射器的优点在于目前可以较广泛地得到，并具有较高的光输出。而且，每个发射器只以整个图像刷新周期的三分之一或二分之一来切换，从而光源需要更少的冷却。
光发射器可以是任何能够电子地接通和切断的合适电子类型。这样的光发射器可以包括固态或半导体装置，和一些合适的例子，包括发光二极管，激光器，激光二极管例如边缘发射型或垂直发射型，高能发光(superluminescent)二极管和谐振腔发光二极管。光发射器可以是在任意一个时间只发射一个原色的类型，其能够快速的接通和切断(例如，对于单色光发射器)或快速地从一个颜色切换到另一颜色(对于多色光发射器)。这种快速切换发射器的例子不仅包括上述的发光二极管和激光器，而且还包括诸如与快速切换滤波器一起工作的宽频带灯或例如氖灯的窄反射频带发射器的这些装置。采用荧光或非线性光学效应将一个颜色转换成另一颜色的装置也可以适用，例如利用磷的LED、双频激光器和光子晶体基(photonic-crystal)装置。
图7图示地说明了一种投影仪的光学系统，该投影仪使用图1说明的类型的单个透镜阵列光学系统，并且图6(b)中使用了在图2(a)中说明的像素彩色顺序。该投影仪包括三个照明单元或光源30、31和32，其分别具有光输出表面A、B和C，这些输出表面是水平伸长的。每个光源包括一个或多个光发射器和一些其他所需的部件，适用光源的例子在下文中进行描述。每个光源都是可控的，以发射红色、绿色和蓝色光，光源被这样地控制，以使在第一、第二和第三时帧中，光源30分别射出蓝色、绿色和红色光，光源31分别射出绿色、红色和蓝色光，光源32分别射出红色、蓝色和绿色光。
光源30至32将光导向到透镜阵列1上，该透镜阵列包括具有水平延伸的柱面轴的柱面会聚透镜阵列。阵列1透镜的垂直节距比光阀2的像素的垂直节距稍小一些，如上文参照图6(b)示出的排列所描述的，因此来自光源30至32的光被聚焦到光阀2的各个像素组上。图1表示图7的阵列1的透镜中的两个透镜和六行相关像素列的示意性侧面图。入射在光阀2上的光根据合适的图像与光源30至32的颜色的切换相同步地进行调制。一个合成彩色图像或帧由三个时序帧构成，每个时序帧包括来自三色分量图像的交错行(inerlaced rows)。来自光阀2的调制过的光由聚光透镜33聚集，然后提供到投影透镜34，该投影透镜将该图像投射到正投或背投屏幕(未示出)上。聚光透镜33改变了自光阀2出来的光的方向，以便有效地使用投影透镜34的孔径。
对于每个颜色分量的图像，每个显示的合成图像或帧以光阀2的全空间分辨率来显示。光源30至32和由光阀2显示的单个或子图像以足够高的速度切换，例如大约为正常视频速度的三倍，以使观察者看到单一的全彩色图像或帧。
图8说明了光源的一个例子，其可以被用作光源30至32中的每一个。该光源包括集成的三色光发射器，其被电子地切换以产生红色、绿色或蓝色光。来自发射器40的光被准直光学系统41基本准直并导向到透镜阵列42和43上。透镜阵列42包括四个球面会聚透镜(附图标记1、2、3和4)的2×2的两维阵列，其将入射光聚焦成在阵列43的相应透镜(附图标记1’、2’、3’和4’)中心的光点。阵列43包括柱面会聚透镜的一维阵列，其有效地形成输出表面，例如在图7中光源30的情况下的A。阵列43的每个透镜在透镜阵列1上形成一个阵列42的相应透镜的图像。特别是，阵列42的每个透镜都具有与阵列1和光阀2相同的高×宽(height-to-width)或长宽比，而且该光学系统布置成以使阵列42的每个透镜的图像覆盖或充满光阀2。这样的一种排列在透镜阵列1上提供了一个照明基本均匀的图案，以使得到的投影图像具有均匀的亮度。而且，透镜阵列1照明的角度范围在水平方向上宽、在垂直方向上窄，这使得三个这样的光源30、31和32被如图7中所示地垂直叠加，并有效地使用光阀系统的可用空间。
图9在(a)中说明了可用于图7的光源30至32的每一个的可选择的排列。该光源不同于图8示出的光源之处在于三色集成光发射器40被三个带有连带准直光学系统41R、41G和41B的单色红、绿和蓝的光发射器40R、40G和40B代替。该光发射器和准直光学系统将光导向到交叉二向色棱镜的三个输入面中，该交叉二向色棱镜将来自三个发射器的光沿公共输出光路导向到透镜阵列42和43上。
图9在(b)中示出了另一种光源排列，其不同于图9(a)中所示情况之处在于该交叉二向色棱镜44被二向色镜代替，该二向色镜完成相同的作用，将来自光发射器的光沿公共光路径导向到透镜阵列42和43上。
图10在(a)中示出了一个光源，其与图8中示出光源的不同之处在于透镜阵列42和43被去掉，并且发射器40和准直光学系统41是多重的(multiplicated)，以便形成一个水平的线性阵列，来形成光源的水平延伸的输出表面。类似地，在(b)和(c)中说明的光源与图9的(b)和(a)中示出的光源的不同之处在于该透镜阵列被去掉，而且光发射器是水平多重的。在图10中示出的每个光源都可以设有均化器(homogeniser)，该均化器可在光阀2上提供更均匀的光分布。这样的一个均化器可以，例如包括双透镜阵列或积分棒。而且，图8-10示出的每个光源可以包括偏振转换系统，用于将由光发射器射出的所有光基本转换成单一相同的偏振态以与光阀所需的输入光匹配。合适的系统被公开在，例如Stupp和Brennesholtz，“Projection displays”，Wiley 1999年，和Itoh等人的“Ultra-high efficiency LC Projector using polarised light illuminatingsystem”，SID digest oftechnical papers，第28卷，993-996页，1998年。
图7中所示的投影仪可以作为选择地被用于根据图3说明的像素彩色顺序来工作，图8至10示出的光源可以据此改进。例如，为了实现图3(a)中说明的顺序，图9(b)示出的光源可以改进成图11中示出的样子，并用作光源30和31的每一个来提供绿光或红光，而光源32只提供蓝光。因此，对于光源30和31的每一个，只需要红色和绿色光发射器和准直光学系统加上一个单个二向色镜。光源32可以具有图8示出的排列，但光发射器40只发射蓝光。
图12说明了一个时序彩色投影仪，其不同于图7中所示情况之处在于该光学系统包括两个如图4所示的透镜阵列。
图13说明了一个双色光源，其不同于图10中(b)所示情况之处在于省去了蓝光发射器、准直光学元件及红光反射镜。
图14说明了一个如图12所示类型的时序彩色投影仪，但具有两个如图13所示类型的光源，并具有一个用于仅提供蓝光的光源，用于实现类似于图3中(a)所示类型的像素彩色排序。
前述的透镜阵列1和2为柱面透镜阵列，但也可使用其它类型的透镜阵列。例如，图15在(a)和(b)处示出了具有圆对称光学特性的六角形透镜阵列，以形成球面会聚透镜。每帧的像素颜色再次用R、G和B来表示红、绿和蓝色光。在图15(a)所示的排列中，每个透镜收集一个水平行中三种像素的光，这样的一种结构可被用于，例如，如图7所示类型的投影仪中。在图15(b)所示的排列中，每个透镜收集按三角形排列的三种像素的光，这样的一种结构可被用于如图16所示类型的时序彩色投影仪中。该投影仪不同于图7所示类型的投影仪之处在于输出表面形状以及光源30～32的相对位置。具体地，输出表面按三角形排列，以致被阵列1的每个透镜聚焦到一个相应的由三种像素组成的三角形排列上。代替延长的输出表面的是，该光源具有基本上与光阀2像素形状相同的输出表面。
图17示出了一个用于图17中投影仪的一个光源，该光源不同于图8所示光源之处在于第二透镜阵列43包括一个“2×2”二维阵列。类似地，图18中(a)和(b)所示的光源不同于图9中(a)和(b)分别所示光源之处在于它们具有与图17中所示透镜阵列43相同的排列。同样地，图19中所示双色光源不同于图11所示光源之处在于它具有图17的透镜阵列。
图20示出了一个时序彩色投影仪，其包括一个类似于图5所示类型的小光源的重复阵列。这样一种排列允许一个单一透镜阵列1被布置在距光阀2更大距离处。光源50被示为一个发光二极管(LED)阵列，各个LED以行和列排列。每列包括相同颜色的LED，且这些列按照红、绿、蓝列的重复顺序排列。LED颜色用R、G、B来表示，R表示红色，G表示绿色，B表示蓝色，用一个下标来表示在一个完整帧的三个连续的子帧中的那一个子帧里，LED被接通。这样，在帧1中，标记为R1、G1和B1的LED被接通，在第2个帧中，标记为R2、G2和B2的LED被接通，在第3个帧中，标记为R3、G3和B3的LED被接通。柱面透镜阵列1将来自LED的光聚焦，以使在帧1中，光阀像素的A、B和C行分别被绿、蓝和红光照亮。在第2个帧中，行A为蓝色，行B为红色，而行C为绿色。在第3个帧中，行A为红色，行B为绿色，而行C为蓝色。
由于在透镜阵列1中使用了水平柱面会聚透镜，因此只有阵列50中每个LED的垂直位置才能确定它照亮光阀2中的哪些像素。例如，标记为R2的LED在第2时帧中照亮所有B行中的所有像素。
在图20(b)所示投影仪的一个特定实施例中，阵列50包括24行LED，如图20(a)所示布置的。每行为1mm高。光阀2为一具有20微米像素直径的透射性液晶显示板，其以50mm距离与LED阵列50相间隔。柱面透镜阵列1具有大约为1mm的焦距，其每个透镜具有大约为60微米的直径。阵列1以大约1mm的距离与光阀2的像素平面相间隔。
与如图7所示类型的投影仪的相应实施例相比较，每个光源30～32将为8mm高。为了将来自光源的光在光阀上聚焦成20微米高的条纹，透镜阵列1将必须以大约125微米的距离与显示板相间隔。这可通过液晶显示板的玻璃基板的存在来避免。
图21示出了一个时序彩色投影仪，其不同于前述投影仪之处在于该合成图像或帧的蓝色分量在透镜34之前被单独处理。该投影仪包括红/绿类型的光源30和31，其可为例如任何前述类型。来自输出表面A和B的光被导向到透镜阵列1，该透镜阵列1在光阀2的像素上聚焦成光斑，如前所述。只有红色和绿色分量图像被光阀2显示，例如根据图3所示序列，但略去了所有蓝色像素。实际上，光阀2的所有像素可被用于显示红色或绿色分量分量，它们因而以光阀2的完全空间分辩率来显示。光阀2也被要求仅以两倍于正常视频速率来运转。来自光阀2的调制光被透镜33收集，并经过一个反射蓝色的二向色镜57，到达投影透镜34。
该投影仪包括另外一个，仅提供蓝光的光源55。该光源55可被持续地接通，或在蓝色分量图像被改变或更新时，例如在一个帧消隐(frame blanking)期间，可被暂时地切断。
来自光源55的蓝光被例如任何适合的光学系统引导，穿过一个仅显示图像中蓝色分量的光阀56。由于人类视觉系统对蓝色细节的敏感度低于对红色或绿色细节的敏感度，因此光阀56的空间分辨率可比光阀2的空间分辨率低，而在投影图像中感受到的细节没有削减。这样，光阀56可比光阀2的成本低。并且，光阀56仅需在标准视频速率下工作，这又使成本得以降低。
由光阀56调制的光被导向二向色镜57，并被反射到投影透镜34上。通过合适地准直投影仪的零件，使蓝色图像分量与投影到显示屏上的合成图像中的红色和绿色图像分量相匹配。
图22示出了一个类似于图5所示装置的投影仪光源装置，并且也在某些方面类似于例如图9所示的、使用了二向色棱镜或二向色镜的内部照明装置。在图5的装置中，单一光源陈列15与透镜阵列1协作，将光聚焦到光阀2的像素上。另一方面，图22的装置包括一个在第一平面中排列的第一光源阵列15R/B，和一个在第二平面中排列的第二光源阵列15G。
第一阵列15R/B中每个光源仅含有红色和蓝色光发射器，例如一对红色和蓝色LED，而第二光源阵列15G中每个光源仅含有绿光发射器，例如一个绿色LED。第一阵列15R/B中的光源可以控制，以在每个时帧中，相应于如图5的排列中光阀2上的光阀数据，提供一个恰当的红色和绿色照明图案。
图22的排列包括透镜阵列1和3、一个光阀2、一个聚光透镜33和一个投影透镜装置34，其中该透镜阵列1和3与图4和14中所示相同附图标记的零件起到对等的作用。在图22的排列中，一个反射器45被布置成用来将来自绿光发射器15G的绿光反射到透镜阵列1和光阀2，并使来自红色和蓝色发射器15R/B的光穿过，到达透镜阵列1和光阀2。具有恰当用途和镜子、棱镜或类似物定位的红、绿和蓝光发射器的其它排列，对于技术人员来说，将是显而易见的。

Claims (31)

1.一种时序彩色投影仪，包括第一像素化光阀(2)，第一和第二光源(30，31；15；15R/B)，和光学系统(1；20；3；45)，该光学系统布置成将来自上述光源(30，31；15；15R/B)的光分别导向到该第一光阀(2)的第一和第二组像素上，该第一光源(30)布置成分别在第一和第二时帧时序中发射第一和第二颜色，第二光源(31)布置成分别在第一和第二时帧时序中发射不同于第一颜色的第三颜色和不同于第二颜色的第四颜色。
2.如权利要求1所述的投影仪，其中每个第一和第二光源(30，31)包括多色光发射器(40)。
3.如权利要求1所述的投影仪，其中每个第一和第二光源(30，31)包括第一光发射器(40R，40G，40B)，用于发射第一或第三颜色，和第二光发射器(40R，40G，40B)，用于发射第二或第四颜色。
4.如权利要求1，2或3所述的投影仪，其中第一和第二光源(30，31)布置成将第一和第二角范围中的光分别导向第一光阀。
5.如权利要求1所述的投影仪，其中第一和第二光源(15；15R/B)包括二维阵列的光发射器。
6.如权利要求5所述的投影仪，其中该光发射器被布置成行，与柱面会聚透镜阵列(1)协同操作将光导向到光阀(2)的像素上。
7.如上述任一权利要求所述的投影仪，其中第一颜色和第四颜色相同，第二颜色与第三颜色相同。
8.如权利要求7所述的投影仪，其中第一和第四颜色是红色，第二和第三颜色是绿色。
9.如权利要求7或8所述的投影仪，包括布置成发射第五颜色的第三光源(32；15；15G)，该第五颜色不同于第一至第四颜色，该第三光源将该颜色导向第一光阀。
10.如权利要求9所述的投影仪，其中该第五颜色是蓝色。
11.如权利要求9或10所述的投影仪，当其引用权利要求5时，其中第三光源(15G)包括一个二维阵列的光发射器，其布置在与上述第一和第二光源15R/B的二维光发射器阵列不同的平面上。
12.如权利要求8所述的投影仪，包括第二像素化光阀(56)；第三光源(55)，用于将蓝光导向该第二光阀(56)；和光组合器(57)，用于将来自第一和第二光阀(2，56)的光组合到公共投射光路中。
13.如权利要求1至6任一所述的投影仪，包括第三光源(32)，布置成将光导向到第一光阀的第三组像素上，每一个光源被布置成以重复顺序射出第一、第二和第三颜色，以使光源在三个时帧为一组重复的时帧中，发出不同的颜色。
14.如权利要求13所述的投影仪，其中该第一、第二和第三颜色分别是红色、绿色和蓝色。
15.如权利要求13或14所述的投影仪，当其引用权利要求4时，其中第三光源(32)布置成将在第三角度范围中的光导向第一光阀(2)。
16.如上述任一权利要求所述的投影仪，其中光学系统(1；20；3；45)包括第一微透镜阵列(1)。
17.如权利要求16所述的投影仪，其中所述第一微透镜阵列(1)包括六角形阵列的球面会聚透镜。
18.如权利要求16所述的投影仪，其中所述第一微透镜阵列(1)包括柱面会聚透镜阵列。
19.如权利要求16、17或18所述的投影仪，其中光学系统(1；20；3；45)包括与该第一阵列(1)光学相连的第二微透镜阵列(3)。
20.如权利要求16、17或18所述的投影仪，其中光学系统(1；20；3；45)包括与该第一阵列(1)光学相连的场镜(20)。
21.如上述任一权利要求所述的投影仪，其中每个光源是电子光源。
22.如上述任一权利要求所述的投影仪，其中每个光源被布置成在每个时帧时序中射出单个颜色。
23.如权利要求22所述的投影仪，其中至少一个光源包括一个与可切换滤波器协同操作的宽带发射器。
24.如上述任一权利要求所述的投影仪，其中至少一个光源包括至少一个电子光发射器。
25.如权利要求24所述的投影仪，其中至少一个光发射器包括一个固态光发射器。
26.如权利要求25所述的投影仪，其中至少一个光发射器包括一个半导体光发射器。
27.如权利要求26所述的投影仪，其中至少一个光发射器包括发光二极管、谐振腔发光二极管、高能发光二极管和激光二极管中的一个。
28.如权利要求24至27任一所述的投影仪，其中至少一个光发射器适用于在窄发射带中发射光。
29.如上述任一权利要求所述的投影仪，其中至少一个光源是可电子切换地。
30.如上述任一权利要求所述的投影仪，其中至少一个光源包括准直器(41；41R；41G；41B)和第一和第二透镜阵列(42，43)，第一透镜阵列(42)中的每个透镜具有与第一光阀(2)基本相同的长宽比，并将光聚焦在第二透镜阵列(43)上，第二透镜阵列(43)中的每个透镜形成一个第一透镜阵列(42)的相应透镜的图像，该第一透镜阵列基本覆盖第一光阀(2)。
31.如上述任一权利要求所述的投影仪，其中该光阀或每个光阀包括一个液晶装置。
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