專利名稱：通過注入補(bǔ)償光在圖像投影系統(tǒng)中獲得色平衡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像投影系統(tǒng)，更具體地涉及用于改善由這樣的投影系統(tǒng)所產(chǎn)生的圖像的亮度和色平衡的方法。
背景技術(shù)：
多年以來，圖像投影系統(tǒng)已被用于將電影或者靜態(tài)照片投影到屏幕上，以便觀看。近來，對(duì)于進(jìn)行銷售演示、商務(wù)會(huì)晤以及課堂教學(xué)，使用多媒體投影系統(tǒng)的展示已變得十分普遍。
彩色圖像投影系統(tǒng)的工作原理在于彩色圖像是由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三種基色產(chǎn)生的。參照

圖1，現(xiàn)有技術(shù)的圖像投影系統(tǒng)100包括放置在橢球反光器104焦點(diǎn)處的主光源102，以產(chǎn)生沿主光路106傳播通過旋轉(zhuǎn)的顏色轉(zhuǎn)盤部件108的多色光光線105(未示出)。顏色轉(zhuǎn)盤部件108至少包括3個(gè)濾光器部分，分別著色為R、G、B三基色中不同的一個(gè)。由主光源102發(fā)射的多色光光線105沿光路106傳播通過光匯集(optical integrating)裝置，該裝置最好是實(shí)心或者空心型的光通道110，以在其出口端產(chǎn)生均勻的照明圖案。(在圖1中示出了一個(gè)實(shí)心類型的光通道110)。光通道110利用多次反射原理在一個(gè)矩形區(qū)域上獲得均勻的光強(qiáng)度，該矩形區(qū)域的尺寸比例和最終的投影圖像相同。該照明圖案由透鏡元件系統(tǒng)112成像，在一個(gè)光反射表面114反射，然后通過投射透鏡116傳送，形成圖像。上述類型的常見的商業(yè)上可得到的圖像投影系統(tǒng)包括LP300系列，它是由InFocus Corporation，ofWilsonville，Oregon，本申請(qǐng)的受讓人制造的。
對(duì)于研制可以產(chǎn)生明亮的、高質(zhì)量彩色圖像的圖像投影系統(tǒng)，已經(jīng)投入了巨大的努力。然而傳統(tǒng)投影儀的光性能常常不能使人滿意。例如，很難獲得合適的投影圖像亮度，特別是當(dāng)在一個(gè)光線良好的房間內(nèi)使用小型的便攜式彩色投影儀時(shí)。
為了增強(qiáng)其投影的圖像的亮度，圖像投影系統(tǒng)通常采用高強(qiáng)度放電(HID)弧光燈作為主光源102。圖2示出了一個(gè)示例HID弧光燈120，其包括由弧隙126分開的第一電極122和第二電極124，弧隙寬度最好在0.8到2mm之間。第一和第二電極122和124以及弧隙126被包含在一個(gè)密封增壓的腔室128中，該腔室內(nèi)充滿了可電離的氣體和固體物質(zhì)。通過外部電壓源(未示出)施加到該第一電極122上的高壓脈沖使包含在腔室128中的氣體和固體物質(zhì)電離，這樣產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)態(tài)可逆的反應(yīng)，由此形成等離子區(qū)?？缁∠?26上產(chǎn)生的電流由外部燈驅(qū)動(dòng)電子電路維持，從而維持由穩(wěn)態(tài)可逆反應(yīng)所產(chǎn)生的等離子區(qū)。該等離子區(qū)發(fā)出明亮的多色光。弧光燈120的組成部分被放置在玻璃殼130中，并將導(dǎo)電箔盤132附在電極122和124上，以消散熱量并由此防止損壞玻璃殼130。
因而，HID弧光燈產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)多色光的點(diǎn)光源。將HID弧光燈放置在橢球反射體附近便使該強(qiáng)多色光以高精度聚焦在顏色轉(zhuǎn)盤上。HID弧光燈具備很多有利的特性，例如高強(qiáng)度、高效以及高可靠性；但不幸的是，就其發(fā)射能量成分而言，由HID弧光燈所發(fā)射的多色光并不平衡。特別是，HID弧光燈提供的發(fā)射能量成分在色譜的藍(lán)色端比紅色端更大，導(dǎo)致發(fā)射能量不平衡。已經(jīng)嘗試幾種方法來解決這一問題。
一種最小化光發(fā)射能量的不平衡的嘗試是要求相對(duì)于顏色轉(zhuǎn)盤B濾光器部分的角范圍來增加R濾光器部分的角范圍(物理尺寸)和/或相對(duì)于顏色轉(zhuǎn)盤R濾光器部分的衰減來增加B濾光器部分的衰減。第二種嘗試要求通過顏色查找電子部件來降低整個(gè)的亮度級(jí)別，以獲得用于顏色調(diào)整的“凈空(headroom)”。不幸的是，這些嘗試或者引起時(shí)間上的非自然信號(hào)或者降低圖像亮度。第三種嘗試要求給顏色轉(zhuǎn)盤添加一個(gè)白色濾光器部分，以便提供“白峰(white peaking)”功能。添加白色濾光器部分增加了圖像亮度，但是會(huì)導(dǎo)致飽和色彩的亮度損失。不幸的是，這些光成分導(dǎo)致了大量的光從基色中逸出。第四種嘗試只要求在投影系統(tǒng)中采用更強(qiáng)大的弧光燈。當(dāng)將其實(shí)施于小型便攜式投影儀中時(shí)，這種方法會(huì)導(dǎo)致熱、尺寸、重量、成本以及可靠性的問題。
因此，需要一種圖像投影系統(tǒng)，其可以使用改善的技術(shù)實(shí)施，以便在最小化光損耗的同時(shí)，獲得增加的圖像亮度和可調(diào)的色平衡。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種設(shè)備和方法，用于改善圖像投影系統(tǒng)投影的圖像亮度和色平衡，并最小化圖像投影系統(tǒng)的光損耗。
本發(fā)明獲得由多色光的主光源所照射的圖像投影系統(tǒng)的改善的圖像亮度和色平衡。本發(fā)明需要給圖像投影系統(tǒng)增加一個(gè)輔助光源，來自該輔助光源的補(bǔ)償光同該多色光一起沿主光路共同傳播。該補(bǔ)償光具有一發(fā)射能量成分，其可以最小化由主光源引入的發(fā)射能量不平衡。例如，在上述示例中，在色譜紅端發(fā)射能量成分不充分的情況下，該輔助光源提供了補(bǔ)償光，其發(fā)射能量成分對(duì)應(yīng)于紅光，由此可以最小化發(fā)射能量不平衡。
在第一優(yōu)選實(shí)施例中，該輔助光源被固定在靠近圖像投影系統(tǒng)的光匯集裝置的入口端附近，這樣補(bǔ)償光在第一近軸反射發(fā)生的地方的上游位置與主光路重合。將輔助光源固定在靠近光匯集裝置的入口端的位置處使得光損耗最小，因?yàn)樵谠摴鈪R集裝置的入口端附近入射的多色光的量最少。因此，第一優(yōu)選實(shí)施例的輔助光源改善了投影圖像的亮度和/或色平衡，同時(shí)使在該圖像投影系統(tǒng)內(nèi)的光損耗量最小。
在第二優(yōu)選實(shí)施例中，輔助光源被耦合到鄰近主光源的反光器上，由此允許從該輔助光源發(fā)射的補(bǔ)償光被導(dǎo)引通過該圖像投影系統(tǒng)，其效率和由主光源所產(chǎn)生的多色光的效率相同。該反光器優(yōu)選地涂覆有顏色選擇透射涂層，其可以透射由輔助光源所發(fā)射的光的發(fā)射能量，而反射其它的所有發(fā)射能量。這種涂層可以使主光源的光通過輔助光源被固定的區(qū)域的損耗最小。
從以下參考附圖，對(duì)于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，將很容易明白本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡介圖1是現(xiàn)有技術(shù)的彩色圖像投影系統(tǒng)的等比例視圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)的HID弧光燈的放大的側(cè)視簡圖。
圖3a是添加到圖1的現(xiàn)有技術(shù)的圖像投影系統(tǒng)的照明子系統(tǒng)的第一實(shí)施例的不完整斜視圖，在該系統(tǒng)中輔助光源被固定在第一近軸反射位置之前的、靠近實(shí)心光通道的入口端的位置處。
圖3b是使用一個(gè)備選棱鏡實(shí)施的、圖3a的照明于系統(tǒng)的第一實(shí)施例的、放大的不完整側(cè)視簡圖。
圖4a到圖4b是使用備選光纖實(shí)現(xiàn)的、該照明子系統(tǒng)的第一實(shí)施例的不同實(shí)施方式的不完整側(cè)視簡圖。
圖5是使用連接到光匯集裝置的光纖束實(shí)施的、圖3a的照明子系統(tǒng)第一實(shí)施例的不完整等比例視圖。
圖6和7對(duì)于所有在軸線上的方位角示出了一個(gè)錐形，表示分別從圖1的現(xiàn)有技術(shù)圖像投影系統(tǒng)和圖3a或者圖3b的圖像投影系統(tǒng)的光通道射出的光線強(qiáng)度分布。
圖8是第一照明子系統(tǒng)實(shí)施例的第一替換實(shí)施方式的不完整斜視圖，其中輔助光源被偏置在實(shí)心光通道的一角。
圖9是第一照明子系統(tǒng)實(shí)施例的第二替換實(shí)施方式的不完整斜視圖，其中輔助光源被固定在空心光通道的入口端。
圖10a、10b以及10c是使用備選光匯集裝置實(shí)施的、圖9的照明子系統(tǒng)的不完整側(cè)視簡圖。
圖11a和11b是表示第一照明子系統(tǒng)實(shí)施例的第三備選實(shí)施方式的兩種配置的不完整斜視圖，其中多個(gè)輔助光源被分別固定到實(shí)心光通道相反面的對(duì)應(yīng)角或者相反角上。
圖12是第一照明子系統(tǒng)實(shí)施例的第四備選實(shí)施方式的不完整斜視圖，其中多個(gè)光源被固定到實(shí)心光通道的同一表面上。
圖13a是第一照明子系統(tǒng)實(shí)施例的第五備選實(shí)施方式的放大的、側(cè)視簡圖，其中將一對(duì)蠅眼小透鏡(flyseye lens)實(shí)施為光匯集裝置。
圖13b是圖13a的照明子系統(tǒng)的放大視圖。
圖14是照明子系統(tǒng)的第二實(shí)施例的框圖，其中輔助光源被放置在鄰近反光器的位置并且發(fā)射的補(bǔ)償光和主光源相耦合。
圖15是圖14照明子系統(tǒng)的第二實(shí)施例的備選實(shí)施方式，其中使用了多個(gè)輔助光源。
優(yōu)選實(shí)施例詳述通過示例描述的本發(fā)明不同實(shí)施例將輔助光源放置在圖1的圖像投影系統(tǒng)100中的不同位置上，用于在主光源102的發(fā)射譜中補(bǔ)償發(fā)射能量的不平衡。本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易明白，本發(fā)明可以在其它類型的圖像投影系統(tǒng)中實(shí)施，例如三路投影系統(tǒng)。
圖3a示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的原理圖，其中輔助光源140被固定在靠近光匯集裝置入口端142附近的位置，該光匯集裝置優(yōu)選為光通道110。輔助光源140優(yōu)選包括一固態(tài)發(fā)光裝置144，諸如發(fā)光二極管(LED)，補(bǔ)償光從該發(fā)光裝置通過光纖146傳播到光耦合裝置，該光耦合裝置最好是棱鏡148。棱鏡148以適當(dāng)角度將補(bǔ)償光導(dǎo)引進(jìn)入光通道110，使補(bǔ)償光與沿主光路106傳播的多色光的光線105重合。在圖3a所示的實(shí)施例中，光纖146在輸入棱鏡面150上被固定到棱鏡148，該輸入棱鏡面150基本與棱鏡148被固定的第一光通道表面152平行。棱鏡148被固定在第一近軸反射發(fā)生位置154上游的、光通道110入口端142附近的位置處。在第一近軸反射的位置154之前，在棱鏡148和第一光通道表面152之間提供光接觸，便最小化從光路106進(jìn)入棱鏡148的多色光損耗。
如圖3a所示，光通道110是一個(gè)示例光匯集裝置；后面將參考第一實(shí)施例的特定實(shí)施方式來詳細(xì)討論備選的光匯集裝置。通常在圖像投影系統(tǒng)中實(shí)施光通道，以便產(chǎn)生均勻的照明圖案，其具有和最終的期望圖像相同的尺寸比例。光通道的工作原理是多次反射，其中所傳輸?shù)墓庠诠馔ǖ赖母鱾€(gè)側(cè)面上反射，使具有基本均勻的強(qiáng)度的光從光通道的輸出端發(fā)射。光通道110優(yōu)選為矩形，使得光的該均勻照明圖案從矩形光通道110的出口端156傳播出來。光通道110優(yōu)選由實(shí)心玻璃棒組成。光通道110優(yōu)選寬于棱鏡148，以使支持棱鏡148的光通道110的整個(gè)表面積最小，且從而來自主光路106的多色光的損耗的量最小。示例的實(shí)心光通道為4.5mm×6.0mm×40mm長。
發(fā)光裝置144可以是任意的光源，包括LED、激光器以及弧光燈。LED是優(yōu)選的固態(tài)發(fā)光裝置，因?yàn)槠鋵?shí)際上發(fā)射單色光并且是小型的和低廉的。發(fā)射的光和紅光的發(fā)射譜相對(duì)應(yīng)的LED通常發(fā)射大約30流明的紅光。這個(gè)附加的紅光通?？梢詫?shí)現(xiàn)主光路106中的紅光發(fā)射能量成分增加10％。紅光的引入使得可以使用具有較小紅色部分和較大的綠色以及白色部分的顏色轉(zhuǎn)盤來提高整個(gè)光傳輸。
光纖146可以由任何合適的材料做成，但是優(yōu)選為塑料或玻璃。光纖146可以是適于圖像投影系統(tǒng)的任意尺寸，但其直徑優(yōu)選為大約1mm，因?yàn)檫@樣的光纖造價(jià)不會(huì)很貴并且比具有更小直徑的光纖更魯棒。光纖146可以具有適于該圖像投影系統(tǒng)的任何外形。圖3a中所示的光纖146是一個(gè)直光纖。備選地，其光纖146也可以被彎曲，如圖4a所示。
光纖146可以直接耦合到光通道110?？梢砸匀我膺m當(dāng)?shù)?、便利的方式?shí)現(xiàn)這種耦合，但優(yōu)選為以下兩種安排之一。在空心光通道的情況下，光纖146的出口端302與光通道110的入口端142鄰接，如圖4a所示。在這種選擇中，光纖146最好附接到光通道110入口端142的角上，這樣可以使主光源102所發(fā)射的和從光纖146反射或者折射出去的多色光的損耗最小。在第二種備選安排中，光纖146的出口端302與第一光通道表面152鄰接，如圖4b所示。兩種方法都使得從固態(tài)發(fā)光裝置144傳播的補(bǔ)償光射出光纖146，并且與主光源102所發(fā)射的多色光重合。
不必將光纖146并入到輔助光源140中也可以獲得本發(fā)明的照明子系統(tǒng)的益處。在一個(gè)沒有配置光纖146的照明子系統(tǒng)中，從固態(tài)發(fā)光裝置144傳播的補(bǔ)償光直接進(jìn)入棱鏡148。
可選地，本發(fā)明的照明子系統(tǒng)的益處也可以通過以光纖束的形式提供多個(gè)光纖146獲得，以便把由固態(tài)發(fā)光裝置144發(fā)射的補(bǔ)償光導(dǎo)引到光匯集裝置中。圖5示出了多個(gè)分開的光纖束，每個(gè)光纖束由多個(gè)光纖形成。多個(gè)光纖146的末端可以被嵌入在光匯集裝置306中，制造光匯集裝置306的光材料的折射率對(duì)應(yīng)于用于構(gòu)成光通道110的材料的折射率。光纖146相對(duì)于光路106以一個(gè)角度嵌入，這樣它們發(fā)射的補(bǔ)償光和來自主光源102的多色光在光通道110內(nèi)重合。光部件308包括光纖146和光匯集裝置306，它可被固定在光通道110的任一側(cè)(虛線示出了備選的附接方式)。使用這種備選實(shí)施方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，光部件208，光纖146以及光匯集裝置306可以被分別構(gòu)造并且使用光粘合劑安裝，由此降低了制造成本。可選地，多光纖部件308可以被附著在光通道110上。
由固態(tài)發(fā)光裝置144發(fā)射并傳輸通過光纖146的補(bǔ)償光可以由光耦合裝置耦合到光通道110中。示例光耦合裝置包括棱鏡、玻璃棒和鏡子，然而該優(yōu)選的光耦合裝置是棱鏡148。優(yōu)選地，使用光透明的粘合劑(例如紫外光硬化的(UV-cured)粘合劑)將棱鏡148附在光纖146上。將棱鏡148附在光纖146上，以使導(dǎo)引通過光纖146的補(bǔ)償光在棱鏡反射表面158上反射，其入射角使補(bǔ)償光和沿主路徑106傳播的多色光的光線105重合。例如，圖3b示出了一個(gè)示例照明子系統(tǒng)，其中從光纖146中出來的補(bǔ)償光相對(duì)棱鏡148a的棱鏡反射表面158的入射角為大約45度，以使補(bǔ)償光在第一近軸反射154位置前和光路106一致。如圖3b所示，棱鏡148a具有一輸入棱鏡面150a，其相對(duì)于光通道表面152有一傾斜角度，以示例由固態(tài)發(fā)光裝置144所發(fā)射的備選傳播路徑。棱鏡148不必具有傾斜的棱鏡面，這一實(shí)施方式只是示例性的。
棱鏡148可以具有適于圖像投影系統(tǒng)的任意尺寸或者形狀。例如，圖3a中所示的輸入棱鏡面150和其上安裝棱鏡148的第一光通道表面152基本平行，而圖3b中所示的輸入棱鏡面150a不和第一光通道表面152平行。
無需將光耦合裝置并入到輔助光源140中也可以獲得本發(fā)明照明子系統(tǒng)的益處。在一個(gè)沒有配置光耦合裝置的照明子系統(tǒng)中，補(bǔ)償光直接經(jīng)由光纖146或者固態(tài)發(fā)光裝置144注射到光通道110中。
在第一反射位置154之前、在棱鏡148和第一光通道表面152之間提供光接觸，使通過入口端142進(jìn)入光通道110的多色光的損耗最小，因?yàn)樵诳拷肟诙?42的光通道110的側(cè)表面上只有很少的多色光入射。通過圖6和7中描述的光強(qiáng)分布的比較關(guān)系示意了這種最少的光損耗。圖6的原理圖示出了從圖1的現(xiàn)有技術(shù)圖像投影系統(tǒng)100的光通道110輸出的光錐。該光錐近似了對(duì)于同軸的所有方位角的、由主光源102所發(fā)射的多色光在通過光通道110傳輸之后并在從光通道110的出口端156輸出之后的角度光強(qiáng)分布。與之對(duì)照，圖7的原理圖示出了從圖3a或者圖3b的圖像投影系統(tǒng)的光通道110輸出的光錐，其中輔助光源140將補(bǔ)償光引入到圖像投影系統(tǒng)中。圖7中所示的光錐近似了由主光源102所發(fā)射的多色光在通過光通道110傳輸之后并在從光通道110的出口端156輸出后的角度光強(qiáng)分布。在圖7中所示的光錐頂部的凹口160表示由于固定光耦合棱鏡148所引起的大約3％的多色光損耗?？紤]到對(duì)應(yīng)于將輔助光源140并入到本發(fā)明圖像投影系統(tǒng)中而產(chǎn)生的紅光的發(fā)射能量成分的總增益，這種光損耗最小。
本發(fā)明第一實(shí)施例的輔助光源140可被固定在入口端142附近的任何位置的光匯集裝置上。將輔助光源140固定在光匯集裝置入口端142附近的位置處會(huì)引起最少的光損耗，因?yàn)樵诠鈪R集裝置的入口端附近最少量的光被入射到該光匯集裝置上。盡管優(yōu)選地將輔助光源140的固定實(shí)現(xiàn)在入口端142附近的任何位置，但是將其固定在特定位置可以獲得不同的益處，這在下面討論。
圖8示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的第一備選實(shí)施方式，其中輔助光源140被固定在第一光通道表面152，并且被偏置在光通道110的一角。因?yàn)樵摰谝粋溥x實(shí)施方式減少了通過輔助光源140的固定點(diǎn)傳播的多色光的損耗，所以它特別有益。
圖9示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的第二備選實(shí)施方式，其中輔助光源140被固定在空心光通道110a入口端170的表面。盡管這種備選實(shí)施方式可使光通道110a的入口端170厚度增加并由此影響彩色轉(zhuǎn)盤部件108的間距，但是這種實(shí)施方式允許使用空心光通道，而不是圖3a、3b以及8中所示類型的實(shí)心光通道。與實(shí)心光通道相比，空心光通道更便宜并且長度更短，這在通道輸出端獲得等價(jià)的照明均勻性。
圖10a、10b以及10c示出了可以用在圖9所示的圖像投影系統(tǒng)中的三種備選光匯集裝置。圖10a示出了注射棱鏡312的使用，該注射棱鏡312有一個(gè)反射表面，其與光通道110的入口端142成45度角。注射棱鏡312可以和圖9所示類型的空心光通道類型一起使用，或者和圖8中所示類型的實(shí)心光通道一起使用。圖10b示出了在圖9的圖像投影系統(tǒng)中使用分束器棱鏡320。分束器棱鏡320包括分色鏡316a以及同光通道110的入口端142成45度放置的補(bǔ)償棱鏡322，由此構(gòu)成分束器立方體，它允許來自主光源102的光通過分束器立方體而不產(chǎn)生損耗。圖10c示出了使用分色鏡316b，該分色鏡316b與圖9的圖像投影系統(tǒng)的光通道110的入口端142成銳角地傾斜。
本發(fā)明的圖像投影系統(tǒng)還可以包括多個(gè)輔助光源。使用多個(gè)輔助光源允許用戶實(shí)施較低輸出并由此更加便宜的固態(tài)發(fā)光裝置，同時(shí)與使用單個(gè)高輸出固態(tài)光源所實(shí)現(xiàn)的相似的、實(shí)現(xiàn)在發(fā)射能量不平衡中的降低?？蛇x地，使用多個(gè)輔助光源便允許用戶通過引入增加的補(bǔ)償光的量來實(shí)現(xiàn)發(fā)射能量不平衡的減少，該補(bǔ)償光的發(fā)射能量成分降低了發(fā)射能量不平衡。多個(gè)輔助光源可以被固定在光通道110或者110a的任一側(cè)，但是優(yōu)選地固定在第一近軸反射154的位置之前、在入口端142或者170附近的位置處。
圖11a和11b示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的第三實(shí)施方式的兩種優(yōu)選實(shí)施，其中多個(gè)輔助光源中的一個(gè)被固定在第一光通道表面152，而多個(gè)輔助光源的另一個(gè)被固定在第一光通道表面152相反的第二光通道表面174上。圖11a示出了一種配置，其中第一輔助光源176被固定在第一光通道表面152上，而第二輔助光源178被固定在第二光通道表面174上，這樣第一和第二輔助光源176和178分別位于光通道110相反的角上。圖11b示出了備選配置，其中第一和第二輔助光源176和178分別位于光通道110的對(duì)應(yīng)角上。
圖12示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的第四實(shí)施方式，其中多個(gè)輔助光源176和178要么固定在第一光通道表面152上(實(shí)線)，要么固定在第二光通道表面174上(虛線)。
因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解棱鏡可以被放置在實(shí)心或者空心光通道的入口表面、任意側(cè)面或者上表面或者下表面上。
圖13a和13b示出了本發(fā)明的第五備選實(shí)施方式，其中實(shí)施了第二示例光匯集裝置。該光匯集裝置是一對(duì)蠅眼匯集器板(integratorplate)，每一個(gè)包含被設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生多個(gè)重疊圖像的小透鏡陣列，這樣在一個(gè)小透鏡中的任何不均勻性都在顯示裝置(DMD)380中匯集出。圖13a示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中由HID弧光燈120發(fā)出的光照到(或者入射到)第一組蠅眼小透鏡350。第一小透鏡350的每一個(gè)都具有與顯示裝置380相同的縱橫比。光從第一蠅眼小透鏡350出來，進(jìn)入第二組蠅眼小透鏡352，第二組小透鏡352的每一個(gè)在空間上和相應(yīng)的第一蠅眼小透鏡350對(duì)齊。第二蠅眼小透鏡352將第一蠅眼小透鏡350的孔徑(aperture)成像到顯示裝置380上。聚光鏡116將相應(yīng)的小透鏡352在小透鏡350處所產(chǎn)生的多個(gè)圖像重疊到顯示裝置380上。第一和第二蠅眼小透鏡350和352可能分別具有適于該圖像投影系統(tǒng)的任意尺寸和形狀，但是優(yōu)選為4×6mm的矩形。
如圖13a所示，輔助光源140被固定在靠近第一蠅眼小透鏡350的位置。由固態(tài)發(fā)光裝置144所發(fā)出的補(bǔ)償光優(yōu)選地在遇到鏡子360之前通過集光透鏡(light collection lens)354、匯集器通道356、以及匯集成像透鏡358。鏡子360可以是金屬或者多層電介質(zhì)類型。如果鏡子360是多層電介質(zhì)類型，則它可以被設(shè)計(jì)用于反射該補(bǔ)償光，同時(shí)仍然傳輸來自主光源的大部分的多色光。從匯集成像透鏡358輸出的補(bǔ)償光在鏡子360上反射、通過第一蠅眼小透鏡350之一或者通過第二蠅眼小透鏡352之一，該反射使得補(bǔ)償光線與多色光的光線105重合。這一備選實(shí)施方式使第一蠅眼小透鏡350被補(bǔ)償光均勻地填充，這樣使得由投影裝置所投影產(chǎn)生的圖像包含很好的色均勻性。
蠅眼匯集器板的實(shí)施方式也可以只包含輔助光源而沒有匯集器通道356。因而，由固態(tài)發(fā)光裝置144所發(fā)射的補(bǔ)償光在被鏡子360反射通過蠅眼光匯集裝置之前，經(jīng)過集光透鏡354和匯集成像透鏡358。第一蠅眼小透鏡350之一中充滿從輔助光源發(fā)出的補(bǔ)償光；因此沒有從主光源發(fā)出的多色光進(jìn)入第一蠅眼小透鏡350。這一備選實(shí)施方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輔助光裝置可以被很容易地耦合到圖像投影系統(tǒng)的其余部分。然而，由于第一蠅眼小透鏡350中的非均勻性填充，這種備選實(shí)施方式可能導(dǎo)致在最終圖像中比較差的色均勻性。
如圖13b所示，輔助光源可以缺乏匯集成像透鏡358。在這樣的圖像投影系統(tǒng)中，由固態(tài)發(fā)光裝置144所發(fā)出的補(bǔ)償光在被鏡子360反射之前經(jīng)過集光透鏡354以及匯集器通道356，其中的鏡子360靠近匯集器通道356的出口端362。補(bǔ)償光通過完全內(nèi)反射或者鏡子涂層而反射離開45度角的匯集器通道356出口端362，并且被導(dǎo)引通過第一蠅眼小透鏡350。
在第二優(yōu)選實(shí)施例中，輔助光源被耦合到鄰近主光源的反光器上，由此允許補(bǔ)償光通過圖像投影系統(tǒng)傳播，其效率與由主光源所產(chǎn)生的光線相同。
圖14示出了本發(fā)明第二實(shí)施例的原理圖，其中輔助光源140被放置在鄰近反光器140的外表面186處，并且被耦合到主光源102，后者優(yōu)選為HID弧光燈120。輔助光源140發(fā)出的補(bǔ)償光束被光聚焦元件180聚焦，并且經(jīng)由反光器104上的補(bǔ)償光入射區(qū)域184傳播，以便經(jīng)過弧光燈120的弧隙126并照到反光器104的內(nèi)表面188上。
為了使補(bǔ)償光束能夠經(jīng)由反光器104傳播，在補(bǔ)償光入射區(qū)域184處的反光器104內(nèi)表面188不帶有涂層、較低的反射涂層、或者優(yōu)選波長選擇透射涂層，波長選擇透射涂層透射那些波長等于補(bǔ)償光波長的光，而反射波長不等于補(bǔ)償光波長的可見光。該補(bǔ)償光入射區(qū)域涂層的材料通常不同于加到反光器104內(nèi)表面188其他部分的涂層材料。內(nèi)表面188通常載有金屬或者電介質(zhì)涂層，以便在圖像投影系統(tǒng)100的工作波長范圍內(nèi)獲得最大反射率。反光器104優(yōu)選地涂有光譜選擇透射涂層，它以和HID弧光燈120所生成的多色光同樣的效率透射經(jīng)過圖像投影系統(tǒng)的補(bǔ)償光，并反射由其它光源所發(fā)射的光。由HID弧光燈120所發(fā)出的多色光可能在經(jīng)過反光器104的補(bǔ)償光入射區(qū)域184時(shí)經(jīng)受損耗。波長選擇透射涂層最小化由HID弧光燈120所發(fā)射的多色光的損耗，否則弧光燈的光將經(jīng)過沒有涂層的補(bǔ)償光入射區(qū)域184。
反光器104優(yōu)選地使用諸如可以透射光的玻璃的材料制造，這樣在到弧隙126的路徑上補(bǔ)償光束可以穿過反光器的壁。根據(jù)設(shè)計(jì)目的以及圖像投影系統(tǒng)的下游光部件的詳細(xì)情況，反光器104的形狀可以為橢球、拋物面、一般的非球面或者是多面體形式。由于其提供了照明束集中和聚焦，反光器104優(yōu)選地包括一個(gè)冷光鏡。由于反光器104的外表面186實(shí)際是一個(gè)附加的透鏡表面，所以它折射輸入的補(bǔ)償光，外表面186最好是平滑的并且被很好地控制的。諸如尺寸、長度、焦距以及熱特性的其它技術(shù)規(guī)范由圖像投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)確定。
如以上針對(duì)本發(fā)明第一實(shí)施例所述，包含在輔助光源140中的固態(tài)發(fā)光裝置可以是任意的固態(tài)光源，包括LED、激光器、或者弧光燈。優(yōu)選為LED，因?yàn)槠鋵?shí)際發(fā)射單色光并且是小型和廉價(jià)的。發(fā)射光的發(fā)射譜對(duì)應(yīng)于紅光的LED通常發(fā)射大約30流明的紅光。這一附加紅光量通常會(huì)使主光路中的紅光發(fā)射能量成分增加10％。
可選地，可以使用光纖遞送補(bǔ)償光以便使該補(bǔ)償光從輔助光源140傳輸?shù)焦饩劢乖?80，光聚焦元件180聚集經(jīng)過反光器104的補(bǔ)償光入射區(qū)域184傳播的補(bǔ)償光，并將其聚焦到弧隙126中。
圖15示出了本發(fā)明照明子系統(tǒng)第二實(shí)施例的備選實(shí)施方式，其中多個(gè)輔助光源140(示出了兩個(gè))被放置在反光器104的周圍，以便更加均勻地分布在照到顏色轉(zhuǎn)盤部件108(未示出)的照明光束內(nèi)的補(bǔ)償光，因而增加補(bǔ)償光在最終的投影圖像中分布的均勻性。每個(gè)輔助光源140經(jīng)過弧隙126聚焦并且被對(duì)齊，以免已經(jīng)傳播通過弧隙126的每個(gè)補(bǔ)償光束影響通過補(bǔ)償光入射區(qū)域184進(jìn)入的任何其它補(bǔ)償光束。輔助光源140的數(shù)量、光束尺寸、位置以及方位由該圖像投影系統(tǒng)的特定性能目標(biāo)確定。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯然可以對(duì)本發(fā)明上述實(shí)施例的細(xì)節(jié)進(jìn)行許多修改，而不會(huì)背離本發(fā)明作為基礎(chǔ)的原理。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)該只由附加的權(quán)利要求所確定。
權(quán)利要求
1.一種在包含主光源的圖像投影系統(tǒng)中的方法，來自主光源的多色光沿主光路傳播，該多色光具有的發(fā)射譜由基色的混合組成，每個(gè)基色都具有發(fā)射能量成分，該基色的一個(gè)或者多個(gè)的發(fā)射能量成分不同于其他基色的發(fā)射能量成分，由此促使發(fā)射譜中的發(fā)射能量不平衡，該方法用于減小傳播多色光的主光源中的發(fā)射譜能量不平衡，以改善該圖像投影系統(tǒng)的總的光透射效率，并由此改善由該圖像投影系統(tǒng)所投影的圖像的亮度及其顏色重現(xiàn)之一或者改善這兩者，該方法包括提供一輔助光源，從該輔助光源中傳播補(bǔ)償光，該補(bǔ)償光具有有一強(qiáng)度且在一譜范圍內(nèi)的補(bǔ)償發(fā)射能量成分，其抵消該主光源的發(fā)射能量不平衡；沿該主光路放置一光匯集裝置；以及導(dǎo)引該補(bǔ)償光，使之和多色光組合并且和主光路在這樣一個(gè)位置重合，所述位置使得表示組合的多色光和補(bǔ)償光的、具有基本平衡的發(fā)射譜能量的光射出該光匯集裝置，以便作為投影圖像顯示，該投影圖像的顏色重現(xiàn)對(duì)應(yīng)于該基本平衡的發(fā)射譜能量。
2.權(quán)利要求1的方法，其中主光源包含一弧光燈。
3.權(quán)利要求2的方法，其中該發(fā)射譜中的發(fā)射能量不平衡是由對(duì)應(yīng)于弧光燈所發(fā)射的紅光的發(fā)射能量成分中的不足引起；以及該補(bǔ)償發(fā)射能量成分是在包含一強(qiáng)度的紅光的譜范圍內(nèi)，所述強(qiáng)度導(dǎo)致該發(fā)射能量不平衡的降低。
4.權(quán)利要求1的方法，其中輔助光源包含一發(fā)光裝置，該發(fā)光裝置選自包含發(fā)光二極管、激光器以及弧光燈的組。
5.權(quán)利要求1的方法，其中該光匯集裝置包含一光通道，在該光通道中傳播的光經(jīng)歷多次反射的發(fā)生，以使由該光通道射出的光在顯示區(qū)域上具有基本均勻的光強(qiáng)，所述顯示區(qū)域具有和該圖像投影系統(tǒng)所投影的圖像相似的縱橫比；該光通道具有一入口端以及第一和第二側(cè)表面，并且第一反射發(fā)生在靠近該入口端的位置；以及該補(bǔ)償光在第一光反射發(fā)生的上游位置或者基本在該第一光反射發(fā)生的位置處與主光路重合。
6.權(quán)利要求5的方法，其中輔助光源包括一光纖，補(bǔ)償光通過該光纖傳播，在第一光反射的上游位置或者基本在該第一光反射的位置處，該光纖被光耦合到該光通道的第一側(cè)表面、第二側(cè)表面以及入口端之一上。
7.權(quán)利要求6的方法，其中光纖具有一出口端，并且還包括在該光纖的出口端和光通道之間放置一反射表面，該反射表面將通過該光纖傳播的補(bǔ)償光以一個(gè)方向和角度光耦合到該光通道中，以便與該主光路重合。
8.權(quán)利要求6的方法，其中光纖具有一出口端，并且還包括在該光纖的出口端和光通道之間放置模制光材料或者元件之一，該模制光材料或者元件之一將通過光纖傳播的補(bǔ)償光以一個(gè)方向和角度光耦合到該光通道，以便與該主光路重合。
9.權(quán)利要求1的方法，其中主光源包括一具有內(nèi)表面和外表面的反射器，并且其中輔助光源被放置成鄰近該外表面，使得在主光路進(jìn)入到光匯集裝置之前使該補(bǔ)償光與該主光路重合，由此導(dǎo)引該補(bǔ)償光通過圖像投影系統(tǒng)，其效率與由主光源所產(chǎn)生的多色光相同。
10.權(quán)利要求9的方法，其中至少反射器的內(nèi)表面的一部分涂覆有顏色選擇透射涂層，該涂層透射該補(bǔ)償光的發(fā)射能量成分并且反射不同于該補(bǔ)償光的發(fā)射能量成分的光的發(fā)射能量成分。
11.權(quán)利要求1的方法，其中光匯集裝置包括第一和第二蠅眼匯集器板，它們每個(gè)都包括一個(gè)小透鏡陣列，并且其中補(bǔ)償光充滿第一蠅眼匯集器板的一個(gè)或者多個(gè)小透鏡，以使該補(bǔ)償光以一個(gè)方向和角度被導(dǎo)引進(jìn)入該圖像投影系統(tǒng)，以便與主光路重合。
12.權(quán)利要求11的方法，其中補(bǔ)償光在被導(dǎo)引以便和主光路重合之前，通過一匯集器通道。
全文摘要
本圖像投影系統(tǒng)改善了投影圖像的亮度和/或色平衡。該系統(tǒng)包括一輔助光源，來自該輔助光源的補(bǔ)償光和由主光源發(fā)射的多色光沿主光路共同傳播。該補(bǔ)償光具有一種發(fā)射能量成分，其可以最小化由主光源所引入的發(fā)射能量不平衡。在第一優(yōu)選實(shí)施例中，輔助光源被固定在光通道的入口端附近，以使該補(bǔ)償光在第一次反射發(fā)生之前和主光路重合。
文檔編號(hào)H04N9/31GK1539096SQ02815475
公開日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2002年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月8日
發(fā)明者B·D·維希納, B D 維希納, M·D·彼得森, 彼得森, K·A·斯塔爾, 斯塔爾 申請(qǐng)人:因佛卡斯公司