專利名稱：在兩級(jí)系統(tǒng)中使用較大弧光燈和較小成像器的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用較大弧光燈和具有較小成像器的投影系統(tǒng)的多成像器投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
使用數(shù)字光處理(DLP)和/或液晶顯示(LCD)(特別是硅上液晶(LCOS))成像器的微顯示器正在日漸流行于如背投電視(RPTV)等成像設(shè)備中。
數(shù)字光處理(DLP)成像器使用微鏡陣列，其中每一個(gè)微鏡都用作像素。微鏡陣列以非常高的速率進(jìn)行樞軸運(yùn)動(dòng)，以逐個(gè)像素地對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行時(shí)間調(diào)制。
液晶顯示(LCD)系統(tǒng)，特別是硅上液晶(LCOS)系統(tǒng)，使用反射光引擎或成像器。在LCOS系統(tǒng)中，通過(guò)偏振分束器(PBS)使投影光偏振化，并投射到LCOS成像器或包括像素矩陣或陣列的光引擎上。在本說(shuō)明書中以及與相關(guān)領(lǐng)域保持一致，術(shù)語(yǔ)像素用于表示圖像中的小區(qū)域或點(diǎn)、光發(fā)射中的對(duì)應(yīng)部分以及產(chǎn)生光發(fā)射的成像器中的部分。
DLP或LCOS成像器中的每一個(gè)像素都根據(jù)輸入到成像器或光引擎的灰度等級(jí)因子對(duì)入射到像素上的光進(jìn)行調(diào)制，以形成離散調(diào)制光信號(hào)或像素矩陣。調(diào)制光信號(hào)矩陣從成像器反射或輸出，并投射到投影透鏡系統(tǒng)上，投影透鏡系統(tǒng)將調(diào)制光投影到顯示屏上，組合光像素以形成可視圖像。在這個(gè)系統(tǒng)中，像素到像素的灰度等級(jí)變化受到用于處理圖像信號(hào)的位數(shù)的限制。從明亮狀態(tài)(即最大發(fā)光)到黑暗狀態(tài)(最小發(fā)光)的對(duì)比度受到成像器中光泄露的限制。
現(xiàn)有LCOS和DLP系統(tǒng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是難于減少黑暗狀態(tài)中的光量，由此導(dǎo)致難于提供突出的對(duì)比度。這在部分程度上是由于這些系統(tǒng)中固有的光泄露所造成的。
另外，由于輸入是固定數(shù)目的位(例如8、10等)，這些位必須定義出全部發(fā)光等級(jí)，所以只有非常少的位能夠用于定義圖像中較暗區(qū)域中的細(xì)微差別。這將導(dǎo)致輪廓假像。
一種提高LCOS在黑暗狀態(tài)下的對(duì)比度的方法是使用COLORSWITCHTM或類似的裝置基于特定幀中的最大值來(lái)對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行定標(biāo)(scale)。這改善了一些圖像，但是對(duì)包含高和低發(fā)光等級(jí)的圖像作用很小。試圖解決問(wèn)題的其它方法已經(jīng)把注意力放在制作更好的成像器上等，但是這些方法最多只能做出增量改進(jìn)。
通常，在微顯示系統(tǒng)中，非常理想的傾向是減小成像器面積。這種方法之所以理想是因?yàn)楦倪M(jìn)的成像器成品率和較小的光學(xué)組件，因此降低了系統(tǒng)的成本。減小成像器面積增加了弧光燈設(shè)計(jì)的約束。由于成像器縮小，弧光燈的尺寸也必須縮小以保持etandue常數(shù)?；」鉄舫叽绲臏p小導(dǎo)致了更短的弧光燈壽命，致使維護(hù)和操作微顯示器的成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種投影系統(tǒng)，所述投影系統(tǒng)使用兩級(jí)投影架構(gòu)提供了針對(duì)各個(gè)像素的改進(jìn)對(duì)比度和光信號(hào)輪廓效應(yīng)，從而改進(jìn)了所有視頻圖像。所述投影系統(tǒng)使用兩個(gè)成像器，第一個(gè)成像器較大以適應(yīng)與第一成像器尺寸相符的大燈，而第二成像器較小。第一成像器具有像素矩陣，用于逐個(gè)像素地對(duì)光進(jìn)行調(diào)制以形成第一調(diào)制光矩陣。第二成像器具有與第一成像器的像素相對(duì)應(yīng)的像素矩陣，用于逐個(gè)像素地對(duì)第一調(diào)制光矩陣進(jìn)行調(diào)制以形成第二調(diào)制光矩陣。第二成像器的尺寸小于第一成像器的尺寸。中繼透鏡組提供了小于1.0的放大率，從而將第一調(diào)制光矩陣中的每一個(gè)光像素中繼到第二成像器中的相應(yīng)像素上。


將參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明典型實(shí)施例的具有兩級(jí)投影架構(gòu)的LCOS投影系統(tǒng)的框圖；圖2示出了圖1中投影系統(tǒng)的典型透鏡中繼系統(tǒng)；以及圖3示出了圖2中透鏡系統(tǒng)的計(jì)算正方形塊內(nèi)能量性能。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了具有增強(qiáng)的對(duì)比度和減少的輪廓效應(yīng)并同時(shí)提供了良好的燈壽命的投影系統(tǒng)，例如可用于電視顯示器。這是通過(guò)使用較大成像器50作為第一級(jí)以維持較大燈10并使用較小成像器60作為第二級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在示出的實(shí)施例中，燈10可以是適于在LCOS系統(tǒng)中使用的產(chǎn)生白光1的弧光燈。例如可以使用短弧光水銀燈。白光1進(jìn)入積分器20，積分器20將白光1中的遠(yuǎn)心光束投向投影系統(tǒng)30。然后，將白光1分成其分量紅、綠和藍(lán)(RGB)頻帶光2。RGB光2可以由二色鏡(未示出)來(lái)進(jìn)行分離，并進(jìn)入分離的紅、綠和藍(lán)投影系統(tǒng)30進(jìn)行調(diào)制。然后，由棱鏡組件(未示出)將調(diào)制后的RGB光2再次組合并由投影透鏡組件40投影在顯示屏(未示出)上。
可選擇地，例如白光1可以在時(shí)域中通過(guò)色輪(未示出)分為RGB頻帶光2，從而每次一個(gè)地傳送到單一的LCOS投影系統(tǒng)30中。
圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的使用具有較大成像器50和較小成像器60的兩級(jí)投影架構(gòu)的典型LCOS投影系統(tǒng)30。兩個(gè)不同尺寸的成像器50、60對(duì)單色RGB頻帶光2進(jìn)行逐個(gè)像素地順序調(diào)制。RGB頻帶光2包括任意偏振光。這些RGB頻帶光2進(jìn)入第一PBS 71的第一表面71a并被第一PBS 71內(nèi)部的偏振表面71p所偏振化。偏振表面71p允許RGB頻帶光2中的p-偏振分量3通過(guò)第一PBS 71到達(dá)第二表面71b，同時(shí)將s-偏振分量4以某一角度反射，偏離投影路徑，經(jīng)由第四表面71d通過(guò)第一PBS 71。第一成像器50設(shè)置在第一PBS 71的第二表面71b外，與RGB頻帶光進(jìn)入第一PBS 71的第一面71a相對(duì)。因此，穿過(guò)PBS 71的p-偏振分量3入射到第一成像器50上。
在圖1所示的典型實(shí)施例中，第一成像器50是包括與顯示圖像(未示出)中的像素相對(duì)應(yīng)的偏振液晶矩陣在內(nèi)的LCOS成像器(將在下文更加詳細(xì)地描述)。這些晶體根據(jù)它們的朝向透射光，其朝向根據(jù)提供給第一成像器50的信號(hào)所創(chuàng)建的電場(chǎng)強(qiáng)度而發(fā)生變化。成像器像素與針對(duì)每個(gè)單獨(dú)的像素而提供給第一成像器50的灰度等級(jí)值成比例地、逐個(gè)像素地調(diào)制p-偏振光3。作為各個(gè)像素的調(diào)制結(jié)果，第一成像器50提供包括像素矩陣或離散光點(diǎn)的第一光矩陣5。第一光矩陣5是通過(guò)第一PBS 71的第二表面71b從第一成像器50反射回的已調(diào)制s-偏振光的輸出，它由偏振表面71p以某一角度反射，通過(guò)第三表面71c從第一PBS 71輸出。第一光矩陣5中的每一個(gè)像素都具有與為第一成像器50中的相應(yīng)像素而設(shè)置的單獨(dú)灰度等級(jí)值成比例的強(qiáng)度或亮度。
s-偏振光的第一光矩陣5由PBS 71反射，穿過(guò)中繼透鏡系統(tǒng)80，中繼透鏡系統(tǒng)80提供了小于1的放大率以將第一光矩陣5中的每一個(gè)像素投影到較小成像器60中的相對(duì)應(yīng)像素上。在圖2示出的典型實(shí)施例中，中繼透鏡系統(tǒng)80包括一系列非球面透鏡，其中一些形成為acromat透鏡。這些透鏡被配置為提供以小于1的放大率傳輸?shù)膱D像的低失真，從而將第一成像器50中的每一個(gè)像素的輸出投影到第二成像器60中的相應(yīng)像素上。
如圖2所示，典型的中繼透鏡系統(tǒng)80包括位于第一PBS 71與透鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)或系統(tǒng)光闌83之間的第一非球面透鏡81和第一acromatic透鏡82(包括兩個(gè)非球面)。在系統(tǒng)光闌83與第二成像器72之間，透鏡系統(tǒng)80包括第二acromatic透鏡84(包括兩個(gè)非球面)和第二非球面透鏡85。第一非球面透鏡81具有第一表面81a和第二表面81b，將來(lái)自第一PBS 71的發(fā)散光模式彎曲為朝向透鏡系統(tǒng)80的光軸會(huì)聚的光模式。第一acromatic透鏡82具有第一表面82a、第二表面82b和第三表面82c，將來(lái)自第一非球面透鏡81的會(huì)聚光模式聚焦到系統(tǒng)光闌83上。在系統(tǒng)光闌83處，光模式反轉(zhuǎn)并發(fā)散。第二acromatic透鏡84具有第一表面84a、第二表面84b和第三表面84c。第二acromatic透鏡84的表面84a、84b和84c將發(fā)散光模式分布到第二非球面透鏡85上。第二非球面透鏡85具有第一表面85a和第二表面85b。表面85a和85b彎曲光模式以會(huì)聚，從而在第二成像器60上形成反轉(zhuǎn)的圖像，所述第二成像器60具有與來(lái)自第一成像器50的像素矩陣一一對(duì)應(yīng)的像素。中繼透鏡系統(tǒng)80的表面被配置為與成像器50、60以及PBS 71、72一同工作，以實(shí)現(xiàn)第一成像器50與第二成像器60中的像素的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。典型透鏡組80是由發(fā)明人使用ZEMAXTM軟件和發(fā)明人開發(fā)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)開發(fā)的。表1提供了典型兩級(jí)投影系統(tǒng)30的表面的概述，表2提供了各個(gè)表面的非球面系數(shù)。表1和表2中描述的典型透鏡系統(tǒng)提供了從0.7英寸的較大成像器50的像素到0.5英寸的較小成像器60的像素的一對(duì)一傳輸?；谌绯杀?、尺寸、亮度等級(jí)等因素和其它設(shè)計(jì)因素，可以對(duì)該典型投影系統(tǒng)進(jìn)行多種修改。
表1(以毫米為單位)

表2

表2(續(xù)1)

表2(續(xù)2)

在第一光矩陣5離開中繼透鏡系統(tǒng)80后，第一光矩陣5通過(guò)第一表面72a進(jìn)入第二PBS 72。第二PBS 72具有偏振表面72p，所述偏振表面72p反射s-偏振第一光矩陣5，使其通過(guò)第二表面72到達(dá)第二成像器60。在圖1所示的典型實(shí)施例中，第二成像器60是LCOS成像器，其與針對(duì)每個(gè)單獨(dú)的像素而提供給第二成像器60的灰度等級(jí)值成比例地、逐個(gè)像素地對(duì)先前調(diào)制過(guò)的第一光矩陣5進(jìn)行調(diào)制。第二成像器60的像素與第二成像器50的像素以及顯示圖像的像素一一對(duì)應(yīng)。因此，對(duì)第二成像器60的特定像素(i，j)的輸入是來(lái)自第一成像器50的對(duì)應(yīng)像素(i，j)的輸出。
然后，第二成像器60產(chǎn)生p-偏振光輸出矩陣6。輸出矩陣6中的每一個(gè)光像素在強(qiáng)度上由針對(duì)第二成像器60中的該像素而提供給成像器的灰度等級(jí)值來(lái)調(diào)制。因此，輸出矩陣6中的特定像素(i，j)將具有與第一成像器中的對(duì)應(yīng)像素(i，j)1和第二成像器60中的對(duì)應(yīng)像素(i，j)2的灰度等級(jí)值成比例的強(qiáng)度。
燈10的尺寸必須與第一級(jí)成像器的尺寸相符以維持期望的etandue。在投影系統(tǒng)30的第一級(jí)中使用較大成像器50允許燈10更大，從而得到了較長(zhǎng)的燈壽命。此外，可以將更為普通的成像器(在對(duì)比度方面)用于較大成像器50，這是因?yàn)榈诙^小成像器60也將用于調(diào)制投影圖像。普通的較大成像器50接收燈10的亮度(來(lái)自較大的弧光燈)，然后使用小于單位放大率的透鏡對(duì)光進(jìn)行中繼，從而逐個(gè)像素地照亮“高品質(zhì)”的較小成像器60。在示出的典型實(shí)施例中，～0.7英寸的較大成像器50用作照亮成像器，～0.5英寸的較小成像器60用作圖像形成成像器。如上所述的中繼透鏡系統(tǒng)80提供了較大成像器50與較小成像器60的像素之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
特定像素(i，j)的光輸出L由入射到第一成像器50中的給定像素上的光、針對(duì)所述給定像素在第一成像器50處選擇的灰度等級(jí)值以及在第二成像器60處選擇的灰度等級(jí)值的乘積給出L＝L0×G1×G2L0是針對(duì)給定像素的常數(shù)(是燈10和照亮系統(tǒng)的函數(shù))。因此，光輸出L實(shí)際上主要由在每一個(gè)成像器50、60上為該像素選擇的灰度等級(jí)值來(lái)確定。例如，將灰度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化成最大值為1并假設(shè)每一個(gè)成像器具有非常普通的對(duì)比度200∶1，則像素(i，j)的明亮狀態(tài)是1，而像素(i，j)的黑暗狀態(tài)是1/200(不是0，因?yàn)樾孤?。因此，兩級(jí)投影儀架構(gòu)具有的亮度范圍是40,000∶1。
Lmax＝1×1＝1；Lmin＝.005×.005＝.000025由這些限制所限定的亮度范圍給出了對(duì)比度1/.000025∶1，或40,000∶1。重要的是，典型兩級(jí)投影儀架構(gòu)的黑暗狀態(tài)亮度將僅僅是其明亮狀態(tài)的亮度的四萬(wàn)分之一，而不是當(dāng)假定的成像器用于現(xiàn)有單成像器架構(gòu)中時(shí)其明亮狀態(tài)的二百分之一。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解，具有較低對(duì)比度的成像器的成本比具有較高對(duì)比度的成像器的成本要低得多。因此，使用兩個(gè)對(duì)比度為200∶1的成像器的兩級(jí)投影系統(tǒng)將提供40,000∶1的對(duì)比度，而使用更加昂貴的、具有500∶1對(duì)比度的成像器的單級(jí)投影系統(tǒng)將只能提供500∶1的對(duì)比度。而且，由一個(gè)具有500∶1對(duì)比度的成像器與一個(gè)具有200∶1對(duì)比度的便宜的成像器所組成的兩級(jí)投影系統(tǒng)將具有100,000∶1的系統(tǒng)對(duì)比度。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)成本/性能的折中，來(lái)創(chuàng)建最優(yōu)的投影系統(tǒng)。
輸出矩陣6通過(guò)第二表面72b進(jìn)入第二PBS 72，由于它包括p-偏振光，所以它通過(guò)偏振表面72p并經(jīng)由第三表面72c傳輸?shù)降诙BS72外部。在輸出矩陣6離開第二PBS 72后，進(jìn)入投影透鏡組件40，投影透鏡組件40將顯示圖像7投影在屏幕(未示出)上以進(jìn)行觀看。
為了提供第一成像器50與第二成像器60的像素之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，中繼透鏡組80必須提供良好的正方形塊內(nèi)光能量(ensquaredlight energy)。就是說(shuō)，必須將來(lái)自第一成像器50中的像素(i，j)的光精確地投影在第二成像器60上的相應(yīng)像素(i，j)上。圖3示出了所示透鏡組80的正方形塊內(nèi)能量的計(jì)算結(jié)果。典型透鏡組80的正方形塊內(nèi)能量是使用ZEMAXTM軟件計(jì)算得到的。如圖3所示，來(lái)自第一級(jí)成像器50上的特定像素的光能量中的至少大約百分之五十(60％)被聚焦在十二平方微米(例如第二級(jí)成像器60中的對(duì)應(yīng)像素)上。
上文示出了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一些可能性。在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)，多種其它實(shí)施例是可能的。因此，上文的描述應(yīng)該看作是說(shuō)明性的而不是限制，而且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物的全部范圍給出。
權(quán)利要求
1.一種投影系統(tǒng)，包括第一成像器，具有用于逐個(gè)像素地對(duì)光進(jìn)行調(diào)制以形成第一調(diào)制光矩陣的像素矩陣，第一成像器具有第一尺寸；第二成像器，具有與第一成像器中的像素相對(duì)應(yīng)的、用于逐個(gè)像素地對(duì)第一調(diào)制光矩陣進(jìn)行調(diào)制以形成第二調(diào)制光矩陣的像素矩陣，第二成像器具有小于第一尺寸的第二尺寸；中繼透鏡組，具有小于1的放大率從而將第一調(diào)制光矩陣中的每一個(gè)光像素中繼到第二成像器的對(duì)應(yīng)像素上；以及尺寸與第一成像器相符的燈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中第一成像器的尺寸約為0.7英寸，而第二成像器的尺寸約為0.5英寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中中繼透鏡組包括六個(gè)透鏡元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的投影系統(tǒng)，其中第一和第六透鏡元件是非球面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其中第二和第三元件是在第二元件的出口面與第三元件的入口面處相結(jié)合以形成acromat透鏡的非球面透鏡元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的投影系統(tǒng)，其中第四和第五元件是在第四元件的出口面與第五元件的入口面處相結(jié)合以形成acromat透鏡的非球面透鏡元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中來(lái)自第一成像器的光能中至少60％被聚焦在第二成像器上的十二平方微米上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中中繼透鏡組在十二平方微米內(nèi)具有約70％的正方形塊內(nèi)能量。
全文摘要
一種投影系統(tǒng)，具有改進(jìn)的對(duì)比度和減小的假像，使用較大的燈以維持良好的燈壽命。所述投影系統(tǒng)使用兩個(gè)成像器，第一成像器較大以適應(yīng)與第一成像器尺寸相符的大燈，而第二成像器較小。第一成像器具有像素矩陣，用于逐個(gè)像素地對(duì)光進(jìn)行調(diào)制以形成第一調(diào)制光矩陣。第二成像器具有與第一成像器的像素相對(duì)應(yīng)的像素矩陣，用于逐個(gè)像素地對(duì)第一調(diào)制光矩陣進(jìn)行調(diào)制以形成第二調(diào)制光矩陣。第二成像器的尺寸小于第一成像器的尺寸。中繼透鏡組提供了小于1.0的放大率，從而將第一調(diào)制光矩陣中的每一個(gè)光像素中繼到第二成像器的相應(yīng)像素上。
文檔編號(hào)H04N5/74GK1957619SQ200480043023
公開日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2004年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月11日
發(fā)明者埃斯蒂爾·索恩·小霍爾 申請(qǐng)人:湯姆森許可貿(mào)易公司