CN1806472A - 投影系统 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种用于图像显示的具有至少一个灯(1)的投影系统,具有至少一个传感器(5),用于检测所述至少一个灯(1)发出的光通量的改变,并通过适当控制图像显示和/或灯来补偿这些改变。该投影系统的独特之处在于设有光学积分器(3),灯(1)产生的光的至少一部分被耦合到所述光学积分器(3)中,所述传感器(5)与光学积分器(3)光耦合,从而检测光学积分器(3)中的发光强度。由于多次反射,发光强度非常均匀,并且不受诸如彩色调制器(4)之类的光学部件引起的亮度波动的影响,可由传感器信号非常精确地补偿灯(1)产生的光通量的改变。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于图像显示的投影系统,具有至少一个灯和至少一个传感器,所述传感器用于检测所述至少一个灯发出的光通量的改变,并通过适当控制图像显示器和/或灯来补偿这些改变。
背景技术
在投影系统中,通常使用一个或多个高压气体放电灯(HID[高强度放电]灯或UHP[超高性能]灯)作为光源。这些灯的一个优点是它们具有相当短的放电电弧,从而发光表面的尺寸非常小,因而所产生的光中非常高的比例通过例如反射器(放电电弧处于其焦点处)被引到到成像系统中。近似点形的光发射的这种优点,还可以相应地用于其他应用中,例如用于聚光灯或用于照明目的,因为反射器的辐射特性基本上更接近于期望的理想梯度。
不过,在反射器与灯或放电电弧之间仅有小局部偏移的情况下,小发光区域存在系统发生散焦的危险,由此给定位置的辐射特性、从而光通量会发生相当大的改变。这些偏移具体而言可能是,例如由于电极的腐蚀以及其形状或状态的伴随改变,由放电电弧的跳跃引起的。
这样会导致所生成图像的亮度发生干扰波动,这是人们所不希望的,特别是在成像系统的情形中更是如此,因为被耦合到成像系统中的光的比例相应地发生改变。
原则上可以用直流电和交流电使上述灯工作。这两种操作模式具有其优点和缺点。交流电可防止电极的快速腐蚀,并能增大灯的发光效力,不过由于极性改变,电弧放电常常不稳定,从而有可能发生周期性的亮度波动或其他图像扰动。不过,利用直流电,不能消除电弧放电产生的不稳定性,特别是随着操作持续时间的延长,这例如归因于在中间时间内电极间距会变得不均匀,这本身就具体地证明形成了电弧跳跃。
从而,为了保证在放电灯的寿命期间产生最佳的无干扰图像质量,在两种操作模式下应当设置传感器,用于监测产生的光通量,并为短期波动提供适当的补偿(并且还可以为长期发光衰减提供补偿)。
如果按照与其他原色不同的亮度显示一种原色,或者在显示器的某些图像区域中一种颜色的亮度与该显示器其他区域中的亮度不同,则所发射光通量的波动特别令人不满意,特别是在利用时序彩色再现方法控制彩色投影系统时更是如此。
当前具体区分和使用两种时序彩色显示方法:
在第一种方法中,通过用三种基本颜色(“场序制彩色”)相继地显示整个图像,在显示器上产生彩色图像,可能加上第四种颜色,产生白色图像。当今该方法用在例如大部分DLP(数字光处理)投影仪中。
在第二种方法中,原色按照彩色光束或色带(“滚动颜色”)的形式一个接一个地显示在显示器上,产生彩色图像。例如本申请人的LCOS(硅上液晶)显示器(参照Shimizu:“Scrolling Color LCOSfor HDTV Rear Projection”,SID 01 Digest of Technical Papersvol.XXXII,pp.1072到1075,2001)和SCR-DMD(顺序颜色恢复-数字微镜)投影显示器(参照Dewald,Penn,Davis:“SequentialColor Recapture and Dynamic Filtering:A Method of ScrollingColor”SID 01 Digest of Technical Papers,vol.XXXII,pp.1076到1079,2001)使用该方法。
这些系统包括在灯与显示器之间,用于颜色分量的色分离或滤色和调制器,用于产生具有三种原色的光。色分离与调制器可更大或更小限度地彼此集成。从而,通过旋转SCR系统中的滤色轮,执行滤色和调制,而用反射器进行滤色,用本申请LCOS系统中的棱镜进行调制。不过,所有系统的共同点在于,调制在光学系统中引起相当大的亮度波动。此外,常规传感器对于各种颜色分量的灵敏性极为不同。从而,设置在辐射路径中或显示器处的传感器的输出信号中产生的波动,使该传感器不能用于控制灯或图像亮度。
此外,如果传感器给予可能的正确控制,则检测出与实际射中显示器的光通量严格成正比的信号。对于光辐射路径外部的传感器位置以及集光装置前面的位置,通常都不能保证这一点。
例如,DE 101 36 474.1披露了一种用于操纵HID或UHP灯的电子控制电路,包括为灯提供受控灯电流的灯驱动器,和用于产生传感器信号的亮度传感器,所述传感器信号代表灯产生的光通量。此外还设置高通或带通滤波器,通过滤波器将传感器信号滤波,并随后提供给灯驱动器,用于控制灯电流。
高通或带通滤波器的目的是将灯形成的光通量的长期改变(特别是随着灯寿命的延续,发光衰减)与电弧跳跃引起的短期波动相分离,从而灯驱动器在有效控制(active control)灯功率时仅使用后一种波动。
不过,如果传感器信号与例如源自彩色调制器的亮度波动引起的干扰成分相叠加,则这种有效控制(LOC-光输出控制)不能可靠地进行,如上所述。
发明内容
因而,本发明的目的在于提供一种开头段落中所述类型的投影系统,其中至少能基本避免灯产生的光通量的不希望改变所引起的图像质量下降(特别是归因于电弧跳跃),并且依然存在由投影系统的光学部件造成的规则的亮度波动。
特别的,本发明意在提供一种包括至少一个高压气体放电灯的投影系统,在该投影系统中,还使用时序颜色显示,至少基本避免由所产生光通量的波动引起的图像质量下降,特别是不稳定的电弧放电造成的光通量波动引起的图像质量下降。
最后,本发明还意在提供一种具有时序颜色显示的投影系统,其中至少基本避免由灯所产生的光通量的不希望改变所引起的颜色赝像,特别是如果使用工作于交流电的一个或数个高压气体放电灯作灯时更是如此。
根据权利要求1,利用用于图像显示的投影系统实现该目的,该投影系统具有至少一个灯和至少一个传感器,所述传感器用于检测所述至少一个灯发出的光通量的改变,并通过适当控制图像显示器和/或灯,补偿这些改变;所述投影系统具有光学积分器(lightintegrator),灯所产生的至少一部分光被耦合到该光学积分器中,其中传感器与光学积分器光耦合,从而检测光学积分器中的发光强度。
由于进入光学积分器的光包括被彩色调制器向回反射到光学积分器的出射表面中的光分量,所述光分量通过多次反射被均匀化,所产生的传感器信号至少基本上不与彩色调制器或投影系统中其他光学部件的干扰分量叠加,从而可用于控制图像显示器和/或灯。适当地设定光学积分器的长度,使之可将干扰分量减小到可接受的程度,或者实际上基本减小到任何期望的程度。
这种解决方案的一个独特优点在于,这种光学积分器通常已经存在于开口段落中所提及的彩色投影系统中,从而引导光路中不需要任何措施,且可利用相当小的附加费用实现根据本发明的投影系统。
此外,传感器未设置在投影系统的光路中,从而不会引起可察觉的干扰或阴影作用,即光损耗。
最后,根据本发明产生的传感器信号可用于如上所述对灯(LOC)的有效控制。
从属权利要求涉及本发明进一步优选的实施例。
权利要求2,3和4的实施例涉及将至少一个传感器与光学积分器光学耦合的优选方法。
如权利要求5和/或6所述,至少一个传感器在光学积分器的某些区域或位置中的适当排列或定位,使之可能优化对发光强度的检测,特别是,在彩色光分量例如通过彩色调制器经由光学积分器的出射面被向回反射到光学积分器中的情形中更是如此。
权利要求7涉及一种对图像显示的优选控制,用于补偿灯产生的光通量的改变。
根据权利要求8,对传感器信号进行滤波,使之可以基于目的的选择将要被补偿的、与其频率有关的光通量改变。
最后,权利要求9涉及本发明原理的一种优选应用。
附图说明
通过接下来对附图中所示实施例的描述,本发明的进一步细节、特征和优点将是显而易见的,其中:
图1示意地表示具有第一种传感器布置的SCR投影系统的主要部件;
图2表示具有第二种传感器布置的图1的细节;以及
图3表示具有第三种传感器布置的图1的细节。
具体实施方式
现在,将参考具有SCR-DMD显示器、通过上述第二种方法(滚动颜色系统)操纵的投影系统来说明本发明。在所引用的Dewald,Penn,Davis的文章:“Sequential Color Recapture and DynamicFiltering:A Method of Scrolling Color”SID 01 Digest ofTechnical Papers,vol.XXXII,pp.1076到1079,2001)中详细描述了这种投影系统的结构和操作方式。认为该文章包含在本说明书中作为参考。
图1表示这种投影系统的照明部分的结构原理。该附图表示一种光源,具有至少一个灯1和至少一个反射器2以及光学积分器(集光棒)3,灯1产生的光通过反射器2被聚焦成锥形光束L的形式,进入光学积分器的入射窗口31中。光学积分器3在与入射窗口31相对的一端具有出射表面32,在出射表面32处设置色轮4。
具体来说,灯1为高压气体放电灯(HID[高强度放电]灯或UHP[超高性能]灯)。
光学积分器3(假设其足够长)在其出射表面32处产生局部和暂时均匀分布的发光强度。为此,光学积分器3包括密封一空腔34的高反射性外壳33。被耦合到入射窗口31内的光被外壳33多次反射,成为通过在色轮4处被反射,经由出射表面32而向回反射到光学积分器3中的光分量,并且假设光学积分器3的长度足够大,光被均匀化,从而在其出射表面32处获得均匀分布的发光强度。使入射窗口31尽可能小,以便使光损耗最小。
或者,可由导光材料实心光波导,特别是玻璃或适当的合成树脂形成光学积分器3。
已知色轮4本身设置在出射表面32处。该色轮4(彩色调制器)包括红、绿、蓝和透明涂层,所有这些涂层都是历时(diachronically)反射性的,设置成阿基米德螺旋形式的RGB图案。将图案的尺寸设定为,使得在任何时刻,一个或多个带颜色的螺旋线覆盖光学积分器10的出射表面32的横截面。该图案具有以下性质:当色轮4旋转时,红色、绿色和蓝色之间的边界沿径向以恒定速度移动。结果,色轮4的RGB图案在光学积分器3的出射表面32上以大致恒定的速度移动。出射表面32与色轮4之间的距离应当尽可能小,以避免光损耗。
色轮4产生的RGB图案通过中继透镜(投影光学装置)被引导到DMD显示器处,这两个部件均没有示出,控制装置按照一种已知的方式控制显示器。如上所述,色轮4的旋转产生相继地横移过DMD显示器的色带。最终利用透镜将DMD显示器上产生的图像投影到墙壁或屏幕或某些类似物品(未示出)上。
提供至少一个传感器5,该传感器与灯的灯驱动器(电源部件)6相连,用于避免由于灯光通量的改变(例如归因于灯1中放电电弧的跳跃)引起的、由灯电流的不希望改变或其他作用引起的在图像中的亮度波动,传感器5基于所检测出的发光强度来控制灯,使得当光通量减小时灯电流增大,当光通量增大时灯电流减小。
传感器5与光学积分器3光耦合,从而传感器检测光学积分器3内部的发光强度。此时如上所述,光非常均匀,并且不发生色轮4引起的亮度波动。从而,可不受干扰地自由检测灯1产生的光通量的改变,并且可通过适当控制灯驱动器6进行有效地补偿。
最好将传感器5设置成,使其专门用于检测光学积分器3内的光。这可通过直接靠紧外壳33安装传感器5来实现,外壳为传感器5设有至少部分透光的窗口。
此外,传感器5也可以通过光波导与光学积分器3的空腔34光学连接,或者甚至于传感器本身可以设置在光学积分器3的空腔34内部,前提是其具有足够的耐温性。
图2和3用放大比例表示图1的一部分。此处详细地表示出具有外壳33和空腔34的光学积分器3。光源的锥形光束L再次被引导到入射窗口31中,同时在光学积分器3的相对端具有彩色调制器,该彩色调制器产生图示出的原色:红色(R),绿色(G)和蓝色(B)。彩色调制器反射这些原色的光分量LR,使光分量LR通过光学积分器3的出射表面32向回进入光学积分器3中。
在选择最佳的传感器位置时,考虑色带一个接一个地在光学积分器3的出射表面32上移动,并且在光学积分器3太短的情况下,由于反射次数较少,被向回反射的光分量LR有可能没有与耦合到入射窗口31中的光L最佳地混合。在此情形中,在色带的频率内,传感器信号将发生波动。
为了避免这种问题,选择传感器位置,使得其尽可能均匀地暴露于所有反射。这意味着所有颜色分量的光线应当以尽可能相等的量入射到传感器,而且,如果这些光线与色带的运动相一致地通过光学积分器3的出射表面32的话。
图2通过例子表示第一种布置,其中为了这个目的,光接收带51形式(例如由玻璃或合成树脂制成)的传感器表面,设置在光学积分器3的外壳33上,从而带51基本上平行于光学积分器3的出射表面32延伸,并且在带51下面,外壳33至少部分地透过光学积分器3内的光。带51可以延伸到光学积分器3的整个外周(circumference)上,或者仅处于其外周的一部分上,或者处于其高度和/或宽度的一部分上。带51的宽度最好近似与一个颜色周期相应。
在该位置,带51接收基本上直接反射回的光分量LR,即之前没有被光学积分器3的外壳33反射的光分量LR。
传感器5可设置在沿带51方向的适当位置处,并且例如可以为公知的半导体传感器,或者带51本身构成(硅)传感器。
图3表示第二种布置,其中设置在外壳33上的光接收带51基本上垂直于出射表面32延伸,即在光学积分器3的轴向沿至少一部分其长度设置。在带51的下面,外壳33也部分地透过光学积分器3中的光。基本上根据滤色器和外壳33所反射光线LR的角度,确定带51的宽度。
通过这种布置,带51接收被光学积分器3的外壳33再一次反射之后基本上被向回反射的光分量LR。
在此情形中,传感器5可以适当地设置在沿带51的某一位置处,并且,传感器例如也可以为公知的半导体传感器,或者带51本身构成(硅)传感器。
光接收带51的使用,可改善光的耦出,这是由于在两种情况下所有光分量都能更好地混合。
通常,随着光学积分器3更长,传感器结构和布置变得更加不关键。
传感器装置的优点还在于,可改善光学积分器3出射表面32处发光强度的局部和暂时均匀性,从而在该时间间隔期间,灯产生恒定的光通量。通过这种方式实现图像质量的整体改善。
本发明的原理还可以有利地与用于操纵HID或UHP灯的电路结合,从所引用的DE 101 36 474.1可了解到这些内容(当其中所述的亮度传感器被按照本发明方式设置的传感器取代时)。
在上述实施例中,通过控制灯电流(从而控制图像亮度),对图像显示进行控制,从而对灯产生的光通量的改变进行补偿,这是因为传感器信号被施加给灯驱动器6。
不过,或者或除此之外,还可以利用光学滤波器改变图像的亮度,可由传感器信号对光学滤波器进行电控制,并且将光学滤波器引入(附加)到灯与显示器之间的辐射路径中,和/或利用因数形式的灰度掩模,由此根据传感器信号影响显示器上图像显示的亮度。
这两种特别适用于DLP系统中使用的极快显示器的可选择的亮度控制方法,在DE 102 20 510.8中详细地进行了说明。将该文献视作参考、构成本说明的一部分,从而下面不必进行任何详细说明。
本发明的原理显然也可适用于本身不包括光学积分器的光照系统,在这一方面,该系统的应用和构成使其可在至少一部分光路中使用相应的光学积分器。
Claims (9)
1、一种用于图像显示的具有至少一个灯(1)的投影系统,具有:至少一个传感器(5),用于检测所述至少一个灯(1)发出的光通量的改变,并通过适当控制图像显示和/或灯来补偿这些改变;光学积分器(3),灯(1)产生的光的至少一部分被耦合到所述光学积分器(3)中,其中所述传感器(5)与光学积分器(3)光耦合,从而检测光学积分器(3)中的发光强度。
2、如权利要求1所述的投影系统,其中所述传感器(5)设置在光学积分器(3)的外壳(33)处,所述外壳(33)具有至少部分地透过光学积分器(3)中的光的窗口,光通过该窗口入射到传感器(5)上。
3、如权利要求1所述的投影系统,其中所述至少一个传感器(5)设置在光学积分器(3)内部。
4、如权利要求1所述的投影系统,其中所述至少一个传感器(5)通过光波导与光学积分器(3)光耦合。
5、如权利要求1所述的投影系统,其中所述至少一个传感器(5)具有紧靠或处于光学积分器(3)内部的传感器表面(51),该表面基本上平行于光学积分器(3)的出射表面(32)延伸。
6、如权利要求1所述的投影系统,其中所述至少一个传感器(5)具有紧靠或处于光学积分器(3)内部的传感器表面(51),该表面基本上垂直于光学积分器(3)的出射表面(32)延伸。
7、如权利要求1所述的投影系统,其中通过将所述至少一个传感器(5)的输出信号施加给灯驱动器(6),而对图像显示进行控制。
8、如权利要求1所述的投影系统,其中利用滤波器将所述至少一个传感器(5)的输出信号滤波,以补偿灯(1)在给定频率下产生的光通量的改变。
9、如权利要求1所述的投影系统,通过在显示器上时序地产生原色而显示彩色图像,所述投影系统包括光学积分器(3),所述至少一个传感器(5)与该光学积分器(5)光耦合。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |