发明内容
本发明的一个目的是避免上述缺点。
为此,本发明涉及一种用于顺序照明成像器的系统,包括:一光源,其向所述图像器射出在包括至少红、绿和蓝波长范围内的多色光光束;光学装置,其用于将来自所述光源的光在所述成像器的工作部位上均匀分布;一色轮,其包括至少两个透射色段共面子集,并且定位使得这些段中的至少一个与所述光束相切,安装在旋转装置上使得所述段顺序通过所述光束相切区域,每个色段的共面子集包括三个不同颜色的共面色段,其色相、饱和度、透射性以及尺寸设置成使得当它们顺序通过所述相切区域时相配成参考白,所述色轮包括至少一个原色色段子集,其中包括在对应于红的波长范围内透射的色段,在对应于绿的波长范围内透射的色段,以及在对应于蓝的波长范围内透射的色段,其中,所述色轮包括至少一个合成色共面色段子集,其中包括至少部分在对应于红和对应于绿的波长范围内透射的色段,至少部分在对应于绿和对应于蓝的波长范围内透射的色段,至少部分在对应于蓝和对应于红的波长范围内透射的色段,所述一个及相同的色段中的合成色无一生成白色。设置合成色色段的优点在于每个合成色色段等同于同样大小的两个原色色段。由此,该色轮包括例如三个原色色段以及三个合成色色段,所有的色段尺寸相同,等同于包括同样大小的九个原色色段的色轮。这使得亮度级增加50%。另外,该照明系统的色轮包括,例如,六个不同颜色的色段,当所述色轮旋转时,其顺序截切由光源发出的多色光光束,使得以两倍于包括具有三个色段的色轮的装置的照明频率照明成像器。成像器的照明频率的增加有助于减小色乱现象。
IBM专利US5863125描述了一种包括两个色段子集的色乱。然而,与本发明不同,该照明系统利用空间色分(spatiochromatic splitting)来照明两个成像器,并且色轮上的色段不共面(图4)。
根据本发明的变型,所述光源射出的多色光光束的波长范围也包括黄和/或青。这包括利用在图像投影仪(视频)领域公知的光源,其费用低而且使用寿命得以延长,而不受特定种类的限制。
根据本发明的另一方面,在至少一个合成色色段共面子集中,所述至少部分在对应于红和对应于绿的波长范围内透射的色段)也至少部分在等同于黄色色调的波长范围内透射,和/或至少部分在对应于绿和对应于蓝的波长范围内透射的色段)也至少部分在等同于青色色调的波长范围内透射,至少部分在对应于蓝和对应于红的波长范围内透射的色段)也至少部分在等同于洋红色色调的波长范围内透射。除了合成色色段,使用在对应于青和/或黄和/或洋红的波长范围内透射的滤色器使得当光源发出这些波长的光时,可透射这些波长范围内的光。由此,根据本发明的除了原色子集外还包括合成色色段子集的色轮透射的光通量,在色轮的一次旋转中平均而得的光通量,大于现有技术中所述的包括两个常规原色子集的色轮所透射的光通量。这有助于增加图像的光通量,换句话说,即亮度。根据本发明的其它特征,所述每个共面子集色段定位成每个合成色色段定位于该合成色色段所透射的两个原色的色段之间。合成色色段相对于原色色段的特定定位方式使得可极大地减小色乱现象。特别的,由于在两个原色色段之间设置了透射至少部分在对应于红和对应于绿和/或对应于黄的波长范围的光的合成色色段,使得现有技术中所述的从原色红色段,例如,突然切换到原色绿色段的情况有利地缓和了。
根据本发明的一个实施例,所述色轮包括至少一个不饱和色色段共面子集,其中包括在对应的相对于原色色段共面子集中的红色段中的红色不饱和的红色的波长范围内透射的色段,在对应的相对于原色色段共面子集中的绿色段中的绿色不饱和的绿色的波长范围内透射的色段,在对应的相对于原色色段共面子集中的蓝色段中的蓝色不饱和的蓝色的波长范围内透射的色段。由于,由于不饱和色色段使得比非不饱和原色色段更多地通过来自光源的光通量,提高了所述成像器在色轮一次旋转中平均而得的亮度。另外,在该实施例中,不饱和色色段定位成在色轮旋转方向上每个不饱和色色段与同等色相的原色色段相邻,两个原色色段之间的切换由于通过中间的不饱和色色段而变得缓和了,也减小了色乱现象。
根据其它特征,所述色轮不包括黑色段。液晶成像器,例如LCOS成像器,由于液晶的响应时间在当一帧的写像素数据被电子寻址时并且在该像素稳定时具有几微秒量级周期的停滞时间。这就是为什么,由于成像器在该周期内不能被照明,一些色轮也包括黑色段以便阻挡光束的原因。由此该系统的整体亮度被减小了,最好使用不设置黑色段的色轮。现在可使用DMD型的成像器,其不具有停滞时间周期,并且也可使用新一代的LCOS成像器,其在每个像素或者像素组处具有存储器或者晶体管。由于色轮上的黑色段而使得黑色或者非常暗的元素出现在屏幕上的时间被减小或者完全消除,使得可减少可观察到的由顺序照明系统显示的每个彩色图像之间的色乱现象。
这特别有利于,根据黑色段出现的时间与帧时间的比例来提高图像显示系统的亮度。
由此,不包括黑色段的色轮构成的成像器的亮度更好,也难以观察到色乱现象。
根据本发明的一个特征,一种所述的包括在图像投影和/或显示系统中的照明系统,还包括:包括成行成列排列的像素阵列的一成像器,将所述成像器的图像投射到投影屏幕上的投影透镜。
由此获得的图像观看和/或投影系统特别具有高亮度等级以及观看者难以觉察的色乱现象。
根据本发明的另一特征,所述用于观看和/或投影的系统,包括根据本发明的照明系统,包括:视频数据管理装置,其用于管理所述成像器的视频数据,以便指令写成像器的像素;同步装置,其用于根据照射在所述成像器上的颜色同步所述视频输出数据,所述视频数据管理装置包括:用于接收原色对应的视频输入数据的视频输入接口,用于发送视频输出数据以便写所述成像器的视频输出接口,以及存储器。所述视频数据管理装置在所述存储器中包括用于将原色对应的视频输入数据转换为原色和/或合成色和/或不饱和色对应的视频输出数据的系数和/或数值的至少一个表。
所述视频数据管理装置由此将来自三个RGB并联总线的视频数据转换为串联得传输色轮的各个段对应的数据的单个总线。
根据本发明的一个特征,将来自所述视频数据管理装置的原色和/或合成色和/或不饱和色对应的视频输出数据与照射在成像器上的颜色同步。由此,观看者看到高质量的彩色图像,而不会产生色混现象。
本发明也涉及一种用于顺序照明成像器的系统,包括:一光源,其向所述图像器射出在包括至少红、绿和蓝的波长范围内的多色光光束;光学装置,其用于将来自所述光源的光在所述成像器的工作部位上均匀分布;一色轮,其包括至少两个反射色段共面子集,并且定位使得这些段中的至少一个与所述光束相切,安装在旋转装置上使得所述段顺序通过所述光束相切区域,每个色段的共面子集包括三个不同颜色的共面色段,其色相、饱和度、反射性以及尺寸设置成使得当它们顺序通过所述相切区域时相配成参考白,所述色轮包括至少一个原色色段子集,其中包括在对应于红的波长范围内反射的色段,在对应于绿的波长范围内反射的色段,以及在对应于蓝的波长范围内反射的色段。
特别的,所述色轮包括至少一个合成色共面色段子集,其中包括至少部分在对应于红和对应于绿的波长范围内反射的色段,至少部分在对应于绿和对应于蓝的波长范围内反射的色段,至少部分在对应于蓝和对应于红的波长范围内反射的色段,所述一个及相同的色段中的合成色无一生成白色。
另外,本发明还涉及一种投影仪,其包括至少一个成像器,用于顺序照明每个所述成像器的系统,以及将所述成像器生成的图像投影的装置。
本发明将通过下面结合附图、对非限制性实施例的说明中更好的理解。
具体实施方式
参考图1,说明包括一个成像器的这种类型的图像显示和/或投影系统的一般工作原理。
在图1中描述了一种包括单个成像器或者单个阀系统的投影系统。该系统包括照明系统1,该照明系统1包括特别是光源2,通过中间光学装置3(通常为准直装置)将光照射到分色器10上,该分色器10例如用于以交替的红、绿和蓝(RGB)彩色光束顺序照明单个成像器12,或者用于将来自光源2的光分成不同颜色的光带(即已知的彩色滚动处理)。下文将不对彩色滚动照明系统进行详述。
来自照明系统1的光照明透射式或者反射式成像器12,该成像器12包括像素阵列,像素的写是通过特别地与同步装置11协作的视频数据管理装置111控制的,以将来自照明系统1的光与由所述视频数据管理装置产生的视频数据同步,或者相反地,根据接收到的照明色彩来同步指令写成像器12的像素的视频数据以便调制入射光。当在成像器12透射或者反射后,由此被调制的光经由投影透镜4投影到屏幕5上。装置3和4,以及光源2是公知的并且不再详述。
根据本发明的顺序分光器10包括色轮6。色轮是一种轴安装在旋转装置上的一个盘状物,其包括透射式的色段61,通常为红61R、绿61G以及蓝61B滤色器,当色轮6旋转时,该滤色器交替与白光光源2发出的多色光(通常为白光)光束相交。这样,根据色段是透射式还是反射式的,通过色轮6或者被反射离开色轮6的光源2发出的光束为红光光束R、绿光光束G以及蓝光光束B交替的光束。参考图2a和2b,图2a示出了现有技术中的四段式的色轮6,即三个色段61R、61G以及61B和一个白色色段61W,而图2b是现有技术中的具有六个RGB色段的色轮6。
图3a 显示了根据本发明一实施例的色轮6,61R-61Y(RG)-61G-61C(GB)-61B-61M(BR),包括两个共面的色段子集,一个是三色段子集,即在对应于红光的波长范围内透射的红色段61R、在对应于绿光的波长范围内透射的绿色段61G以及在对应于蓝光的波长范围内透射的蓝色段61B,一个是在对应于合成色的波长范围内透射的三个色段子集,即特别的在对应于黄和/或红、绿的波长范围内透射的合成色色段61Y(RG)、在对应于青和/或绿、蓝的波长范围内透射的合成色色段61C(GB)以及在对应于洋红和/或蓝、红的波长范围内透射的合成色色段61M(BR)。通常透射通过对应黄色的合成色色段61Y(RG)、对应青色的合成色色段61C(GB)以及对应洋红色的合成色色段61M(BR)的黄、洋红及青光光通量可提高成像器上的亮度。合成色色段61Y(RG)、61C(GB)以及61M(BR)优选设置成所述段中的每一个设置在两个原色色段61R、61G及61B之间,使得在该波长范围内它至少部分同时透射。
图3b显示了根据本发明的变型的色轮6,其包括原色色段61R、61G及61B的子集,合成色色段61Y(RG)、61C(GB)以及61M(BR)的子集,以及不饱和红色段61R′、不饱和绿色段61G′以及不饱和蓝色段61B′的不饱和原色色段子集。
图4显示了包括原色色段61R、61G及61B的子集,以及不饱和原色色段61R′、61G′及61B′的第二子集的色轮6。
图5a和5b显示了对于在现今的采用例如汞的UHP(超高压)类型的图像投影和/或观看系统中常用的光源2的发射光谱分布图(profile)S,其中图5a还对应标示了通过RGB原色过滤器或者段透射的波长的范围的分布图,图5b中对应标示了通过青C、洋红M以及黄Y合成色过滤器或者段透射的波长的范围的分布图。例如,对于所使用的滤色器,相对强度或者透射超出50%的波长范围:
蓝色滤色器B:小于500纳米(nm),
红色滤色器R:大于600nm,
绿色滤色器G:在520和564nm之间
青色滤色器C:小于564纳米,
洋红色滤色器R:大于600nm且小于520nm
黄色滤色器G:在530和684nm之间
由此可知,所选的UHP类型的光源的发射光谱S对应于特别是蓝或青或者洋红色的色段透射的近440纳米的第一发射峰,绿或者青或者黄色色段透射的接近550纳米的第二发射峰,以及黄色色段透射的接近580纳米的第三发射峰。如前所述,由于设置了合成色色段以及滤色器,使得除了对应于原色R、G和B的光通量以外,还透射对应于青、洋红和黄的光通量,其中例如,青色是由蓝和绿组成,洋红是由蓝和红组成,黄色是由红和绿组成。由此,例如包括三原色色段R、G和B的子集以及三个合成色色段C(GB)、M(BR)和Y(RG)的子集的色轮,其中每个色段为盘的六分之一,即以盘的轴成60度角所对的色段,将与也以轴成60度角所对的九个段可比(comparable),该九个段中除了透射对应于青C,或洋红M或黄Y的波长范围的光的合成色色段以外,三个段透射对应于蓝色B的波长范围的光,三个段透射对应于绿色G的波长范围的光,三个段透射对应于红色R的波长范围的光。
图6显示了透射通过的颜色的CIE 1931色度图(国际照明委员会),一方面包括通过三原色色段R、G和B(即RGB三角)的子集的颜色,另一方面包括通过三个合成色色段C、M、Y(即CMY三角)的子集的颜色。每个色段的子集产生特定的白色。由合成色C、M、Y的子集产生的白色可由于UHP光源发射并且透射通过所述子集的高的黄色峰值而略偏黄。然而,可根据系统的规格利用下游的软件处理或者通过使得黄色过滤器61Y(RG)颜色饱和度降低来校正这种白色的色相。为示意,由原色色段子集和由复合色色段子集产生的白色W在图上是可见的。根据本发明并且如图3所示,色轮6上的原色色段和合成色色段的这种有规律的交替61R-61Y(RG)-61G-61C(GB)-61B-61M(BR)是以在CIE 1931色度图上红和洋红、然后是洋红和蓝、然后是蓝和青、然后是青和绿,然后是绿和黄、最后是黄和红的坐标接近为依据的。通过以RMBCGY的颜色顺序过滤颜色较少产生突变并且减少色乱现象。
图7显示了透射通过的颜色的CIE 1931色度图(国际照明委员会),一方面包括通过三原色色段R、G和B(即RGB三角)的子集的颜色,另一方面包括通过三个不饱和色色段R′、G′、B′(即R′G′B′三角)的子集的颜色。通常,公知所显示的图像中的大部分颜色是处于一个相对狭小的范围内的。假定所显示的图像的颜色不总是饱和的,设置在色轮上的不饱和段使得可提高所显示的图像的亮度,而不影响图像的质量。
图8描述了根据本发明的优选实施例的视频数据管理装置11,该装置接收输入的常规RGB视频信号9并且将其转换为R-M-B-C-G-Y视频信号91,使得在如图3所示的使得成像器由下述的颜色R、Y(RG)、G、C(GB)、B、M(BR)颜色的光交替照射的61R-61Y(RG)-61G-61C(GB)-61B-61M(BR)轮6的情况下,色轮之间进行同步并且尽可能精确地进行写成像器的像素。
图9更具体的描述了视频数据管理装置11,特别是在存储器7中存储的系数表71,使得将输入的信号9R、9G和9B转换成RGBCMY输出信号91,以便写成像器12。
根据本发明的优选实施例的使用的色轮6包括红、绿和蓝(RGB)三原色色段子集,青、洋红和黄(CMY)三合成色色段子集,如图3a所示,并且其中每个色段占据色轮的总面积的六分之一。然而,每个色段的面积可不同并且变化以便获得不同的彩色平衡和/或更高的屏幕亮度。光源2,例如UHP类型的光源发射出光束,围绕其轴旋转的色轮6顺序在其所具有的色段61R、61Y(RG)、61G、61C(GB)、61B、61M(BR)处截切该光束。由于通过色轮6的色段所得到的彩色光束照射在包括像素的成像器12上。液晶(例如LCOS)类型或者微镜(例如DMD)类型的成像器的所述像素可以平行六边形等形状交错或者成菱形对准。
由彩色光束,红R,然后是洋红M,然后是蓝B,然后是青C,然后是绿G,然后是黄Y,顺序照射的成像器12由视频数据管理装置111驱动,该装置111的作用是与该成像器被照射的颜色同步地写成像器12的每个像素或者像素组。为此,参考图8,以与R、G、B数据对应的三总线9R、9G、9B的形式接收RGB类型的视频数据的视频数据管理装置111,顺序处理输出视频信号并且用于写成像器12,以便产生与包括与原色R、G和B对应的视频信号SR、SG和SB以及与合成色C、M和Y对应的视频信号SC、SM和SY的R-M-B-C-G-Y输出数据相对应的单个总线91,所述信号与利用例如测量色轮6的位置的测量装置(未示出)来照射成像器12的颜色同步。利用一组各自对应一个输入总线9的三个乘法器8以及加法器13,基于9R、9G和9B输入数据来计算R-M-B-C-G-Y视频输出数据91。SR、SG和SB视频输出信号91对应于SR、SG和SB视频输入信号9(KRR=KGG=KBB=1),但是合成色CMY的视频信号是根据存储在存储器7中的表71中的系数KRR、KRM、KRB、KRC、KRG、KRY、KGR、KGM、KGB、KGC、KGG、KGY、KBR、KBM、KBB、KBC、KBG、KBY计算而得的。
例如,利用SR、SG和SB计算SC、SM和SY的值如下:
SC=KGC×SG+KBC×SB+KRC×SR
SM=KGM×SG+KBM×SB+KRM×SR
SY=KGY×SG+KBY×SB+KRY×SR
系数值可如下表:
视频输出(91) |
系数KR |
系数KG |
系数KB |
红 |
KRR=1 |
KGR=0 |
KBR=0 |
洋红 |
KRM=0.1-1 |
KGM=0 |
KBM=0.1-1 |
蓝 |
KRB=0 |
KGB=0 |
KBB=1 |
青 |
KRC=0 |
KGC=0.1-1 |
KBC=0.1-1 |
绿 |
KRG=0 |
KGG=1 |
KBG=0 |
黄 |
KRY=0.1-1 |
KGY=0.1-1 |
KBY=0 |
包括系数KRR、KRM、KRB、KRC、KRG、KRY、KGR、KGM、KGB、KGC、KGG、KG、KBR、KBM、KBB、KBC、KBG、KBY的表71优选存储在例如非易失性EEPROM类型的存储器7中,并且根据色轮6的位置顺序读取该系数。
另一实施例中所用的色轮如图3b所示。该色轮6包括三个共面的色段子集61,及原色色段RGB子集、合成色色段CMY子集以及不饱和原色色段61R′(在不饱和红色段的情况下)、61G′(在不饱和绿色段的情况下)和61B′(在不饱和蓝色段的情况下)子集。所述的不饱和色色段61R′、61G′和61B′优选组织成不饱和原色色段61R′、61G或61B′分别与具有同等的色相(tint)的非不饱和原色色段61R、61G或61B相邻。这将使得可例如交替原色色段、不饱和原色色段和合成色色段。
如图4所示的另一实施例所使用的色轮包括两个色段子集:原色RGB子集以及不饱和原色R′、G′、B′子集。在该实施例中,如上述实施例中,色段的不饱和度以及尺寸可变,以便获得所需的屏幕亮度。不饱和色色段优选组织成不饱和原色色段与同等色相的非不饱和原色色段相邻。
最后,无论哪个实施例中,视频数据管理装置111将在存储器7中存储至少一个系数表71,包括系数KRR、KRM、KRB、KRC、KRG、KRY、KGR、KGM、KGB、KGC、KGG、KGY、KBR、KBM、KBB、KBC、KBG、KBY,系数值可变,使得写到成像器12中的输出视频数据91由于与成像器12被照射的颜色恰好一致。
当然,本发明不限于上述实施例。
特别地,本领域技术人员可采用适合的色轮,以及其他色轮色段设置,特别是顺序以及数量不同的。
如上所述,合成色色段可透射两种颜色(绿-蓝;绿-红或者蓝-红)。根据本发明的变型,绿-蓝和绿-红色段也分别透射中间频率的颜色,青和黄。由此,过滤后的光束的亮度提高并且可优化使用发出对应于这些彩色可见光波长范围的光的光源。
根据本发明的变型,色轮的色段只用於反射而不透射,由此,在如图1所示的投影系统中,光源2和中间光学装置3反射照射成像器12。该色轮的轴优选相对于成像器12的轴倾斜,使得所述照明系统的元件不妨碍由反射离开色轮而获得的彩色光束的传播。
根据本发明的该变型,该色轮包括两个共面色段子集:
-三色段子集,其于红色段R反射对应于红光的波长范围内的光,于绿色段G反射对应于绿光的波长范围内的光,并且于蓝色段B反射对应于蓝光的波长范围内的光;以及
-三色段子集,其反射对应于合成色的波长范围内的光,特别地,于合成色色段Y(RG)反射对应于红和绿以及可能为黄的波长范围内的光,于合成色色段C(GB)反射对应于绿和蓝以及可能为青的波长范围内的光,并且于合成色色段M(BR)反射对应于蓝和红以及可能为洋红的波长范围内的光,所述相同合成色色段中任何一个均不会产生白色。
在黄的情况下合成色色段Y(RG),在青的情况下合成色色段C(GB)以及在洋红的情况下合成色色段M(BR)所反射的黄光、洋红光、以及青光的光通量有助于提高成像器的亮度。合成色色段C(GB)、M(BR)以及Y(RG)优选定位成每个色段位于两个原色色段RGB之间,由此在该波长范围内是至少部分反射的。
根据该变型的一个特定实施例,每个共面子集的色段定位成每个合成色色段位于该合成色色段反射的两个原色的色段之间。由此,可极大地减小色乱现象。
根据该变型的另一特定实施例,色轮包括至少一个不饱和色反射色段共面子集,包括:在对应于红色的波长范围内反射的相对于原色色段共面子集中的红色不饱和的色段;在对应于绿色的波长范围内反射的相对于原色色段共面子集中的绿色不饱和的色段;在对应于蓝色的波长范围内反射的相对于原色色段共面子集中的蓝色不饱和的色段。由此,在色轮的一次旋转中平均得到的图像的亮度得到了改善。另外,在一实施例中,在色轮旋转的方向上,每个不饱和色色段与同等色相的原色色段相邻,也减小了色乱现象。
根据该变型(具有反射色段的色轮)的再一特定实施例,色轮没有黑色段。由此,提高了亮度,并且色乱现象也不明显了。
根据本发明的一变型,与根据前述实施例的包括透射色段的色轮相比,包括反射使用的色段的色轮可以两种方式使用。由此相同的变型应用于反射色段,并且得到相同的优点。将不会对它们进一步说明。
通常,分别设计为向成像器透射或者反射光通量的透射式和反射色段色可类似设计为向成像器传播光通量的光学过滤色段。
本发明也涉及一种正投影或者背投影仪,该投影仪包括至少一个成像器,以透射式和反射式色段顺序照明每个成像器的系统,以及用于投影由成像器产生的图像的装置,例如透镜,一个或多个反射镜(在紧凑或者非紧凑的背投影仪中),以及屏幕(在背投影仪中)。
由此,根据本发明,该投影仪包括,例如,一或两个成像器(每个成像器由传播通过包括由三个原色和三个合成色色段组成的至少六个色段的色轮的光束照射;在这种情况下,一个及相同的色轮可用于两个成像器(例如,在其中对两个成像器使用反射式或者透射式的一个及相同的色轮的结构中,或者在其中对两个成像器一个使用反射式而另一个使用透射式的一个及相同的色轮的结构中),或者,使用两个单独的色轮)。