TW200403517A - Projection system - Google Patents

Description

200403517 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種投射系統，其具有一投射顯示器、至 少一光源及一感應器構件，該感應器構件用於感應及補償 該至少一光源所發出的光通量之變化。 【先前技術】 力又休斤」一或夕個鬲壓氣體放電燈(高強 τ 在投射系統 度放電（high丨ntensUy (Hscharge; HID)燈或超高效能㈤tra Mgh performance; UHP)燈）用作光源。理論上’此類燈可 用直流電與交流電操作。兩種操作模式既有優點也有缺點 。雖然採用交流電可防止電極的快速侵#並能改善燈的效 率，但由於極性變化及因此可能出現的投射影像亮度的週 期波動或其他缺陷’電弧放電經常是不穩定的。然而，即 使採用直流電操作的燈，也不能消p入、上 ^ K ^，肖除現個問題，特別是接 近其使用奇命末期時，因（例如）那時d纟、 ’丨哼兒柄 < 間所具有的間隙 變得太大，電弧放電可能不穩定。 為確保在放電燈的整個壽命中辉 / 、 可P T彳又侍取佳且無品質缺陷的 影像，因此應在兩種操作模式中啤 Μ天、丫白袄供電感器，以監視所 發出的光通量，並對短期波動及 勒I任何長期下降進行適當補 償。 ，…。廿侧馒&形（sequen color recaptui，e)(單面板顯示哭 口口）的投射顯示器上時特另丨 &討厭。該類顯示器包括：如 夕 /夜晶（Liquid Crystal S i 1】· c ο η，L C〇S)顯示器，立中：a ” 原巴以彩色條帶形式# 86766 200403517 通過螢幕(有關其内容請參閱Shimizu所撰寫的「用於高畫質 數位後投射電視的捲動彩色LCOS」（Scrolling Color LCOS for HDTV Rear Projection)資訊顯示協會（SID)科技論文一 號文摘2001年、卷χχχπ第i〇72至1 075頁），及SCR-DMD投 射顯示器（有關其内容請參閱Dewald、Penn、Davis所撰寫 的1循序再捕獲色彩及動態過濾：捲動色彩的方法」 (Sequential Color Recapture and Dynamic Filtering： A Method of Scrolling Color)資訊顯示協會（SID)科技論文一

號文摘2 001年、卷χχχ!^ 1 076至1〇79頁）Q 為產生三原色光，該類系統具有一配置於光源與顯示器 之間的色彩調變器，其能夠引起系統中亮度的明顯波動。 這帶來的問題是上述感應器必定不能感應出此類波動。事 «上感應益所應做的是產生一信號，其較佳與光通量成 比例，該光通量在光學整合之後’作為一定時間的平均值 八射至顯示器。但是，在以上投射系統中，由於光學整合 與色彩調變彼此相鄰且彼此相關，因此很難找到—適當： 位置，使感應器能夠在此毫無問題地感應出該光通量。 即使在黑白投射系統中，週期性變化或在燈泡壽命週期 中下降的光通量也可能產生影像缺陷或至少影像可能：理 才Θ 〇 【發明内容】 ,=發明的—项目的是提供上述序言中所說明類型的投射 系：其中至少很大程度地避免由光源所發出的光通：了 無意變化所引起的對影像品質的不利影響。 里又 86766 200403517 本發明特別旨在提供—至 射系統，其中至少很大程度地避：光=氣體放電燈的投 所造成的不利^ p 圪里波動射影像品質 波動。“ 成的該類 最後’本發明的另一目的是提 投射系統，其中至少極大的避免Μ =捕獲色彩的 血奇變化所丨也士，Α ^ > '、斤；文出的光通量之 … 〜成的色_，特別是以交、、“… 多個高壓氣體放電制作—光源時。㈣4作的-或 如_請專利範圍第1項中詳述，本目的 來實現，該投射系統具有一投射顯示器、至少=㈣ 一用於感應及補償由該至少一光源所發出的;;3源，及 的感應器構件，該構件至少遇里ο化 導入該投射系統之1學組件“口二於感應 光的成分。 面只圍Ε域中光源之 投=:的:特!優勢在於其非常容易找到感應器在 通*位且’使其可感應出其中光之該等成分。 “ϋ的是’還發現光之該等成分與實際用於生成影 其他成分之間具有高度相關性。這意味著通常可 ::由(例如)不穩定暢放電所造成的影像亮度波動的範 能約高達可降低至約…的波動範圍，因而其 不再視為可見。

如申請專利範圍附屬項係關於本發明的較佳具體實施例。 如申請專利範圍第2與3項中詳述的具體實施例，使得將 非常容易補償由感應器配置所感應的光通量波動。 7 T 867()6 200403517 如申請專利範圍第4至7項係關於感應器配置的較佳具體 實施例，其能夠感應出光之該等成分，且特別是不會中斷 。申請專㈣圍第8項侧於—光學組件，該感應器配置最 好定位於其入口面周圍。 最後，申請專利範圍第9項定義一投射系統，其特別適合 與依據本發明之感應器構件一起使用。 本發明之這些及其它方面可參考以下所述的具體實施例 說明且更加瞭解。 【實施方式】 下面將參考具有一循序再捕獲色彩-數位微鏡（seq uentia] color recapture digital micro mirror ; SCR_DMD)顯示器的 投射系統說明本發明。該類投射系統的設計與操作之詳述 見Dewald、Penn、Dav1S所撰窝的論文，標題為「循序再捕 獲色彩及動態過濾：捲動色彩的方法」（Sequential

Recapture and Dynamic Filtering； A Method of Scrolling C o 1 o i)(賀说f續示協會（SID)科技論文一號文摘2 〇 〇】年、卷 XXXII第1 076至1079頁）。該論文以提及方式併入本說明。 圖1顯示1¾類投射系統之照射區段的一般配置。在本例中 ，顯示一光源1 〇具有一反射器1 0a及基本光學組件，即桿式 積分器（光共振器）11、一色輪1 2、一中繼透鏡（投射透鏡）n 及由驅動器構件20a所驅動的DMD顯示器20。 光源1 〇包括一或多個高壓氣體放電燈，及將光錐1 引導 至桿式積分器1 1之入口面的一或多個反射器1 〇a。一電源供 應單元l〇c用於為光源10供電。 Α Ό I K). 86766 - 8 - 200403517 圖2係圖1之箭頭A方向的入口面側視圖。入口面由一中心 (貫質為圓形）的透明第一區域1 1 1及圍繞該第一區域丨n的 第二鏡像區域112組成，其面積約為入口面總面積的三分之 選擇的入口面大小使得藉此投射光的效率最佳。其一般 取決於燈及整體配置的範圍。 才干式積分器1 1包括一高反射性玻璃外殼丨丨3，其中封閉一 旱光咨1〗4。孩導光器可由一腔室或一適當的導光材料構成 。耦合進入導光器114的光在外殼113中反射複數次，且若 才干式積分器丨丨足夠長，其係均勻的，因此使光在積分器u 的出口面實質上具有均勾的強度分佈。 色輪丨2(色彩調變器）具有透明的紅、綠及藍色塗層，各自 反射兩種顏色，並展示為阿基米德螺旋線的RGB圖案形式 所疋的圖案大小使得在任意給定時間，一或多個彩色螺 旋線覆蓋積分器之出口面的斷面區域。圖案具有的特性係 色輪U轉動時，紅、綠及藍色之間的邊界以恒定速度沿徑 向和動因此，RGB圖案以一接近恒定的速度移動穿越桿 式和刀态的出口面。桿式積分器1 1之出口面與色輪1 2之間 的距，邊應保持儘可能小，以避免光損失。 ，最終RGB圖案藉由中繼透鏡]3投射至dmd顯示器2〇上。 百巴輪12旋轉時，該RGB圖案在DMD顯示器2〇上連續移動。 在咸過程中，色輪12上之相應塗層（如三分之二的照射區 域）不^許通過的兩種彩色成分，反射回來進入桿式積分器 Π亚精由多次反射進-步均勻化。光抵達桿式積分器"之

86766 200403517 _o.cn 入口面後，三分之一的光強度在光源ι〇方向離開桿式積分 器11，而H的光強度在鏡像第4域1丨2反射^ 由多次反射送回至出口自。此等過程重復數次，直至從光 源10進人桿式積分之人口面的所有光已到達色輪12, 或已被吸收’或已再次經入口面的第一區域⑴離 分器Π。 ;、 因此光源_發出的光匕由第—成W、第二成分R =構成/該第-成分經入口面透明的第一區域⑴進： 杯式知分姦1 1 ’該第二成分係在入口面的鏡像第二區域丨丨2 反射’該第三成分未能照射至入口面i，而是由入口面周 圍所吸收，其一般為黑色。因此所用之方程式為： L - I + R + M. 若=為（例如）所關注的放電燈之電弧放電不穩定’使位於 样式積分H 1 1之入口面的光源1()的聚焦平面變化或移位， 則相應的光之三成分丨、R&M的比例也會改變。 此即圖3所示的情形。垂直車由方向表示光強度，而水平轴 則表示桿式積分器U之入口面的直徑。入口面的中心透明 第一區域丨]丨约處於值_〇.6與+〇 6之間，而鏡像第二區域丨^ 向上與第-區域⑴相連，並從值，”的那些點擴展至入 口面的外圍。 實線為光強度曲線，在此（正常M青形下，光源]Q之聚焦平 面聚焦在桿式積分器丨1的入口面之中心。另一方面，若放 電燈之電極間的電狐放電因不穩定而跳至一不同位置，則 聚焦平面也會改變，因此假定為（例如）圖3中之虛線所表示 86766 -10 200403517 的移位位置。 這會引起經桿式積分器Π之入口面的透明第一區域1 1 1 進入的光之第一成分I減少，必須要感應出該減少並予以補 償以防止影像亮度的任何波動。 已證實由於桿式積分器1 1中的多次反射及色輪1 2對其的 影響，不可能或不值得直接感應出光之第一成分I。但是令 人驚奇的是，傾發現光之第三成分Μ，即未能照射至桿式 積分器11之入口面上，而是直接導入入口面周圍區域的成 分，表現出與光之第一成分I具有非常高的相關性。 圖4顯示所討論之關係圖表，其中垂直軸表示感應器信號 位準，而水平軸表示由光之第一成分I在顯示器上產生的壳 度。圖中顯示若光之第一成分I變化，則感應光之第二成分 R的感應器信號幾乎不會變化，而光之第一成分I之變化與 感應光之第三成分Μ的感應器信號變化之間實際上存在一 線性關係。 也發現即使僅感應到光之第三成分Μ的一部分，仍可繼 續使用該線性關係。 為能感應光之第三成分Μ，如圖2所示，提供一感應器配 置，其為複數個沿桿式積分器1 1周圍配置的個別感應器30 ，最好配置在其入口面區域内，且導向光源1 0。 為使獲得的光之第一成分I的變化與感應光之第三成分Μ 的感應器信號變化儘可能呈線性關係，應在桿式積分器1 1 整體周圍感應該第三成分Μ，且加權儘可能相等。如圖2所 示，因此感應器30沿周圍儘可能均勻配置。 -11 - 86766 200403517 以上另一替代方法，係沿桿式積分器n周圍配置的不是 複數個個々彳感應器3〇，而是由（例如）一略不透明的塑膠材料 的導光結構3 1，如圖5所示。該結構3 1上的部分入射光 形成 將散射進入孩結構，並以總反射之導入角沿其行進，直至 遇到一感愚器32 ’使得能夠感應其強度。在此情形下，該 感彪备j 一 I位於結構3 1内，且為更清楚起見，圖5中顯示 為彼此刀冰選擇形成結構3 1之不透明材料是為了產生在 桿式積分器11周圍均勻的敏感性。 最後，圖6為類似於第三項具體實施例的圖1之側视圖。 在Μ圖中’也可看到光源1〇具有反射器1〇a，及由高度反射 性外殼1 1 3及其所封閉之導光器114形成的桿式積分器η。 光源10再次將一光錐10b導至桿式積分器】丨之人口面上。 。為了能夠感應光之第三成分M，提供一（藍伯特）散射表面 ” ”位万、#式知分器】i之人口面周圍，代替圖$所示的道 光結構3丨，及-感應器34，其與統1Q橫向配置 : 在光錐10b之外。 〜 特定言之，散射表面33可以為具有白色表面的 我置為圍繞桿式積分器η的人，面，因而至少將光 二成分Μ的一部分散射回來至感應器34上。在此情 號與散射環上的人射光數量成比例，因此與光 〜申一成矢Μ的大小成比例。 f之第二成分R’即從入口面之第二區域π2 的光產生的成分，保持在光源之光錐叫中， 丨回去 一區域⑴重新出來的任何光也是如此，因為：需 -L2- 86766 200403517 步步驟將感應器34從螢幕中去除。 但是，由於熱的原因，感應益3 4不應安裝得太靠近光源 1〇。可能的話，桿式積分器11的鏡像第二區域112之外部區 域也可塗一黑色塗層。 從圖6也可看出，散射表面33的不同區域位置與感應器μ 的距離不同◦為了使散射表面33的所有區域對光之第二成 分Μ的敏雜㈣，而該光之第三成分有區域所處位 置的特定距離無關，故表面33的散射特徵最好配置為係該 距離之函數而不同。這可藉由（例如）使該等區域進—步遠離 更I的感應器34來實現。或者及/或除此之外，散射彩色塗 層之厚度大小可做適當變化。 & 所需的進人桿式積分器U之光的第—成们之大小# 用以下方程式，對感應器3〇、32、34所感應的光〈第三成 刀Μ的位準進行線性插值處理得出： 1 = -(Μ - b) / a. 」目應的光學裝設(，lcal set_up)常數績b必須由眘,驗決 Γ且可用於抹用琢裝設的所有投射系統。該等常數取決 :鲁)入口面之反射性第二區域112的特性 1 1的大小與形狀，及桿式浐八叩彳n 刀口口 弋％ 77裔11周圍散射或向後反射 Oetro-reilectmg)區域的大小。 方程式中的負號表示光泛 , 〈罘一成分1的降低引起其第：r 成分Μ的增加。 、 一 最後，也發現實際對於先> _ 、、rt + 一 、尤〜弔一成分I較現實的约1 0%的 ，皮動範圍，由上逑方程式 〃 式叶异所得的變化顯示的誤差約小 -13 - ^^766 碎丨％。由於1 %的強度變化是不可見的，因而如此小的誤差 士於任何投射系統類型都是可接受的，而且實際上也不會 "运光之第一成分I的變化大於10%。因此，利用依據本發 • \投射；f'統，對於導致影像壳度波動的電派放電的不穩

定性可以抑制在至少1 0 :1的比率内Q _上述用於感應光之第三成分Μ的感應器配置3 〇、3 1與 <、j 3與3 4 —樣，感應益構件也最好具有一電路（圖中未顯 Γ )，藉此光源1 0所發出 < 光通量的波動利用感應器之户號 補債。因此，電路之配置使其控制投射顯示器2〇的驅動哭 構件20a，以校正灰階（gray step)亮度，及/或該等至少—光 1 〇的4源供應單元10 c，以校正所發出的光通量，其和制 方式使其以-適當方式校正影像亮度，並以該方式補： 動。 /足 或者，驅動器構件20a及/或電源供應單元1〇〇當然也可1— 置為使感應器30、32、34可直接與其連接。 ί_& —放電 的方向） 其垂直 面之光 在上述具體實施例的情形中，假定反射器丨中有 燈，其電極的頂端實質上沿反射器的縱軸（即發射光 隔開。因此，電弧放電實質上沿該方向過度擴展， 方向的任何電弧跳動都會使定義桿式積分器的入口 強度曲線（圖3中所示）移位。 於燈中 此電弧放電實質上在該方向過度 理仍可使用。料藉由（例如）以適當的方式將電極 ，或將燈安裝在反射器1〇a中可9〇。旋轉的 86766 -14- 200403517 現。 在此情形下，—τ右 、思疋的電弧放電可能導致電弧也沿反 射器之㈣跳動。這反過來會導致不是圖3中所示的光強度 橫向移位二而是離焦（de_focuslng)，其將使圖3所示的實線 曲線开> 狀變平並换I q 痂I開。由於這一般會增大照射在依據本 發明之感應器配置上 勺尤度’因此在此情形下也會感 應到波動，並以上付〔士斗^ 一 、、 万式控制顯7^器及/或燈之電源供應單

元予以補償D 旦若必須補償因為（例如）使用壽命造成的燈所發出之光通 量衰減’也同樣正確。此類下降將使得圖3所示之實線曲線 按一比例量變得更平更窄，目此感應器配置上人射光的強 〇 Ί k⑥下降可再次藉由控制顯示器及/或燈之電源 供應單元來補償。 、藉由過濾感應器的信號也可感應光波動及任㈤長期光亮 度衰減，該過濾係所要求的基於時間的適當過滹。 _最後I本發明也係㈣補償燈所發出之光通量的此類 長^降’且此時電極頂端係以上述方式，沿反射器之縱 軸隔開，則圖2所示第一項具體實施例也適用於本目的，其 中’“干式積分器之人口面周圍配置有複數個個別感應器。 因而藉由分析個別感應器之信號，即可區分圖3所示的情 形（電i跳動）與另—情形，前一情形中，光^高強度人射 :某些感應器上，㊉光之較低強度入射於相對位置的感應 後—情形中，由於燈發出之光量減少’故所有感應 器皆曝露於對應的低強度光中。所說明的補償動作也可用 86766 200403517 於該等情形中。 【圖式簡單說明】 圖1為側視圖，顯示彩色投射系統的一般配置。 圖2為在圖1之箭頭A方向所視之第一項具體實施例圖。 圖3顯示燈之聚焦平面中的不同光強度曲線。 圖4顯示感應器信號變化與強度實際變化之間的不同相 關性。 圖5為在圖1之箭頭A方向所視之第二項具體實施例圖，以 及 圖6為第三具體實施例之側視圖。 【圖式代表符號說明】 10 光源 10a 反射器 10b 光錐 10c 電源供應單元 11 桿式積分器 12 色輪 13 中繼透鏡（投射透鏡） 20 投射顯示器 2 0a 驅動器構件 3 0 感應器 3 1 導光結構 3 2 感應器 86766 200403517 3 3 散射表面 34 感應器 111 第一區域 1 12 第二區域 1 13 高反射性玻璃外殼 1 14 導光器 A 箭頭 I 第一成分 R 第二成分 M 第三成分 86766 -17 -

Claims (1)

1. 200403517 拾、申請專利範圍： 光源（10)及一用於 種具有一投射顯示器（2 0 )、至少 感應及補償由該至少一光源（1 0 )所發 I 出的光通量之變 化的感應器構件之投射系統，該構件 丨丹丨十具有至少一咸麻哭 配置(3Q;3〗及32;33;34)，用於感應導人該投 之一光學組件（11)的一入口面周 」_ E域中該光源（10)之 光的成分（M)。 如申請專利範圍第】項之投射系統， 具中—用於驅動該 :射顯示器(2〇)的驅動器構件(20a)可藉由該感應器配 i(30 ; 31及32 ; 33 ; 34)控制，以補償該光通量之波 動。 如申請專利家έ圍第1項之投射系、统，其中該至少一光源 :1〇)之一電源供應單元(1〇c)可藉由該感應器配置㈠〇 ; 3丨及32 ; 33 ; 34)控制，以補償該光通量之波動。 如中請專利範圍第i項之投射系統，其中該感應器配置 =複數個感應器（30)形成，其沿該光學組件⑴)周圍配 置，且導向該光源（1 0 )。 如申請專利範圍第1項之投射系統，其中該減器配置 由一圍繞該光學組件（11)的光學波導結構（3丨），其用以 耦合入來自該光源（ίο)的入射光，及至少一感應器（32) 形成，其用以感應該耦合入的光。

   如申請專利範圍第1項之投射系統，其中該感應器配置 由一圍鉍II光學組件（11)的表面（3 3 )，其用以散射來自 邊光源（10)的入射光，及至少一感應器（34)形成，其用 ^)766 200403517 以感應該散射光。 7 ·如117請專利範圍第6項之投射系統’其中該感應器（3 4) 實質上與該光源（10)相鄰配置，其方向與該光源（10)所 產生之該光的傳播方向垂直。 8. 如申請專利範圍第1項之投射系統，其中該光學組件為 一桿式積分器（11)，用以使該光源（10)所產生的該光均 質化Q 9. 如申請專利範圍第1項之投射系統，其具有一用於循序 彩色再捕獲的彩色顯示器，及由交流電操作的至少一高 壓氣體放電燈，用作一光源（1 0)。 86766 -2 -