专利名称：在两级系统中使用较大弧光灯和较小成像器的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用较大弧光灯和具有较小成像器的投影系统的多成像器投影系统。
背景技术：
使用数字光处理(DLP)和/或液晶显示(LCD)(特别是硅上液晶(LCOS))成像器的微显示器正在日渐流行于如背投电视(RPTV)等成像设备中。
数字光处理(DLP)成像器使用微镜阵列，其中每一个微镜都用作像素。微镜阵列以非常高的速率进行枢轴运动，以逐个像素地对光强进行时间调制。
液晶显示(LCD)系统，特别是硅上液晶(LCOS)系统，使用反射光引擎或成像器。在LCOS系统中，通过偏振分束器(PBS)使投影光偏振化，并投射到LCOS成像器或包括像素矩阵或阵列的光引擎上。在本说明书中以及与相关领域保持一致，术语像素用于表示图像中的小区域或点、光发射中的对应部分以及产生光发射的成像器中的部分。
DLP或LCOS成像器中的每一个像素都根据输入到成像器或光引擎的灰度等级因子对入射到像素上的光进行调制，以形成离散调制光信号或像素矩阵。调制光信号矩阵从成像器反射或输出，并投射到投影透镜系统上，投影透镜系统将调制光投影到显示屏上，组合光像素以形成可视图像。在这个系统中，像素到像素的灰度等级变化受到用于处理图像信号的位数的限制。从明亮状态(即最大发光)到黑暗状态(最小发光)的对比度受到成像器中光泄露的限制。
现有LCOS和DLP系统的一个主要缺点是难于减少黑暗状态中的光量，由此导致难于提供突出的对比度。这在部分程度上是由于这些系统中固有的光泄露所造成的。
另外，由于输入是固定数目的位(例如8、10等)，这些位必须定义出全部发光等级，所以只有非常少的位能够用于定义图像中较暗区域中的细微差别。这将导致轮廓假像。
一种提高LCOS在黑暗状态下的对比度的方法是使用COLORSWITCHTM或类似的装置基于特定帧中的最大值来对整个图像进行定标(scale)。这改善了一些图像，但是对包含高和低发光等级的图像作用很小。试图解决问题的其它方法已经把注意力放在制作更好的成像器上等，但是这些方法最多只能做出增量改进。
通常，在微显示系统中，非常理想的倾向是减小成像器面积。这种方法之所以理想是因为改进的成像器成品率和较小的光学组件，因此降低了系统的成本。减小成像器面积增加了弧光灯设计的约束。由于成像器缩小，弧光灯的尺寸也必须缩小以保持etandue常数。弧光灯尺寸的减小导致了更短的弧光灯寿命，致使维护和操作微显示器的成本增加。
发明内容
本发明提供了一种投影系统，所述投影系统使用两级投影架构提供了针对各个像素的改进对比度和光信号轮廓效应，从而改进了所有视频图像。所述投影系统使用两个成像器，第一个成像器较大以适应与第一成像器尺寸相符的大灯，而第二成像器较小。第一成像器具有像素矩阵，用于逐个像素地对光进行调制以形成第一调制光矩阵。第二成像器具有与第一成像器的像素相对应的像素矩阵，用于逐个像素地对第一调制光矩阵进行调制以形成第二调制光矩阵。第二成像器的尺寸小于第一成像器的尺寸。中继透镜组提供了小于1.0的放大率，从而将第一调制光矩阵中的每一个光像素中继到第二成像器中的相应像素上。
将参考附图对本发明进行描述，其中
图1示出了根据本发明典型实施例的具有两级投影架构的LCOS投影系统的框图；图2示出了图1中投影系统的典型透镜中继系统；以及图3示出了图2中透镜系统的计算正方形块内能量性能。
具体实施例方式
本发明提供了具有增强的对比度和减少的轮廓效应并同时提供了良好的灯寿命的投影系统，例如可用于电视显示器。这是通过使用较大成像器50作为第一级以维持较大灯10并使用较小成像器60作为第二级来实现的。在示出的实施例中，灯10可以是适于在LCOS系统中使用的产生白光1的弧光灯。例如可以使用短弧光水银灯。白光1进入积分器20，积分器20将白光1中的远心光束投向投影系统30。然后，将白光1分成其分量红、绿和蓝(RGB)频带光2。RGB光2可以由二色镜(未示出)来进行分离，并进入分离的红、绿和蓝投影系统30进行调制。然后，由棱镜组件(未示出)将调制后的RGB光2再次组合并由投影透镜组件40投影在显示屏(未示出)上。
可选择地，例如白光1可以在时域中通过色轮(未示出)分为RGB频带光2，从而每次一个地传送到单一的LCOS投影系统30中。
图1中示出了根据本发明的使用具有较大成像器50和较小成像器60的两级投影架构的典型LCOS投影系统30。两个不同尺寸的成像器50、60对单色RGB频带光2进行逐个像素地顺序调制。RGB频带光2包括任意偏振光。这些RGB频带光2进入第一PBS 71的第一表面71a并被第一PBS 71内部的偏振表面71p所偏振化。偏振表面71p允许RGB频带光2中的p-偏振分量3通过第一PBS 71到达第二表面71b，同时将s-偏振分量4以某一角度反射，偏离投影路径，经由第四表面71d通过第一PBS 71。第一成像器50设置在第一PBS 71的第二表面71b外，与RGB频带光进入第一PBS 71的第一面71a相对。因此，穿过PBS 71的p-偏振分量3入射到第一成像器50上。
在图1所示的典型实施例中，第一成像器50是包括与显示图像(未示出)中的像素相对应的偏振液晶矩阵在内的LCOS成像器(将在下文更加详细地描述)。这些晶体根据它们的朝向透射光，其朝向根据提供给第一成像器50的信号所创建的电场强度而发生变化。成像器像素与针对每个单独的像素而提供给第一成像器50的灰度等级值成比例地、逐个像素地调制p-偏振光3。作为各个像素的调制结果，第一成像器50提供包括像素矩阵或离散光点的第一光矩阵5。第一光矩阵5是通过第一PBS 71的第二表面71b从第一成像器50反射回的已调制s-偏振光的输出，它由偏振表面71p以某一角度反射，通过第三表面71c从第一PBS 71输出。第一光矩阵5中的每一个像素都具有与为第一成像器50中的相应像素而设置的单独灰度等级值成比例的强度或亮度。
s-偏振光的第一光矩阵5由PBS 71反射，穿过中继透镜系统80，中继透镜系统80提供了小于1的放大率以将第一光矩阵5中的每一个像素投影到较小成像器60中的相对应像素上。在图2示出的典型实施例中，中继透镜系统80包括一系列非球面透镜，其中一些形成为acromat透镜。这些透镜被配置为提供以小于1的放大率传输的图像的低失真，从而将第一成像器50中的每一个像素的输出投影到第二成像器60中的相应像素上。
如图2所示，典型的中继透镜系统80包括位于第一PBS 71与透镜系统的焦点或系统光阑83之间的第一非球面透镜81和第一acromatic透镜82(包括两个非球面)。在系统光阑83与第二成像器72之间，透镜系统80包括第二acromatic透镜84(包括两个非球面)和第二非球面透镜85。第一非球面透镜81具有第一表面81a和第二表面81b，将来自第一PBS 71的发散光模式弯曲为朝向透镜系统80的光轴会聚的光模式。第一acromatic透镜82具有第一表面82a、第二表面82b和第三表面82c，将来自第一非球面透镜81的会聚光模式聚焦到系统光阑83上。在系统光阑83处，光模式反转并发散。第二acromatic透镜84具有第一表面84a、第二表面84b和第三表面84c。第二acromatic透镜84的表面84a、84b和84c将发散光模式分布到第二非球面透镜85上。第二非球面透镜85具有第一表面85a和第二表面85b。表面85a和85b弯曲光模式以会聚，从而在第二成像器60上形成反转的图像，所述第二成像器60具有与来自第一成像器50的像素矩阵一一对应的像素。中继透镜系统80的表面被配置为与成像器50、60以及PBS 71、72一同工作，以实现第一成像器50与第二成像器60中的像素的一一对应关系。典型透镜组80是由发明人使用ZEMAXTM软件和发明人开发的设计准则来开发的。表1提供了典型两级投影系统30的表面的概述，表2提供了各个表面的非球面系数。表1和表2中描述的典型透镜系统提供了从0.7英寸的较大成像器50的像素到0.5英寸的较小成像器60的像素的一对一传输。基于如成本、尺寸、亮度等级等因素和其它设计因素，可以对该典型投影系统进行多种修改。
表1(以毫米为单位)
表2
表2(续1)
表2(续2)
在第一光矩阵5离开中继透镜系统80后，第一光矩阵5通过第一表面72a进入第二PBS 72。第二PBS 72具有偏振表面72p，所述偏振表面72p反射s-偏振第一光矩阵5，使其通过第二表面72到达第二成像器60。在图1所示的典型实施例中，第二成像器60是LCOS成像器，其与针对每个单独的像素而提供给第二成像器60的灰度等级值成比例地、逐个像素地对先前调制过的第一光矩阵5进行调制。第二成像器60的像素与第二成像器50的像素以及显示图像的像素一一对应。因此，对第二成像器60的特定像素(i，j)的输入是来自第一成像器50的对应像素(i，j)的输出。
然后，第二成像器60产生p-偏振光输出矩阵6。输出矩阵6中的每一个光像素在强度上由针对第二成像器60中的该像素而提供给成像器的灰度等级值来调制。因此，输出矩阵6中的特定像素(i，j)将具有与第一成像器中的对应像素(i，j)1和第二成像器60中的对应像素(i，j)2的灰度等级值成比例的强度。
灯10的尺寸必须与第一级成像器的尺寸相符以维持期望的etandue。在投影系统30的第一级中使用较大成像器50允许灯10更大，从而得到了较长的灯寿命。此外，可以将更为普通的成像器(在对比度方面)用于较大成像器50，这是因为第二较小成像器60也将用于调制投影图像。普通的较大成像器50接收灯10的亮度(来自较大的弧光灯)，然后使用小于单位放大率的透镜对光进行中继，从而逐个像素地照亮“高品质”的较小成像器60。在示出的典型实施例中，～0.7英寸的较大成像器50用作照亮成像器，～0.5英寸的较小成像器60用作图像形成成像器。如上所述的中继透镜系统80提供了较大成像器50与较小成像器60的像素之间的一一对应关系。
特定像素(i，j)的光输出L由入射到第一成像器50中的给定像素上的光、针对所述给定像素在第一成像器50处选择的灰度等级值以及在第二成像器60处选择的灰度等级值的乘积给出L＝L0×G1×G2L0是针对给定像素的常数(是灯10和照亮系统的函数)。因此，光输出L实际上主要由在每一个成像器50、60上为该像素选择的灰度等级值来确定。例如，将灰度等级标准化成最大值为1并假设每一个成像器具有非常普通的对比度200∶1，则像素(i，j)的明亮状态是1，而像素(i，j)的黑暗状态是1/200(不是0，因为泄露)。因此，两级投影仪架构具有的亮度范围是40,000∶1。
Lmax＝1×1＝1；Lmin＝.005×.005＝.000025由这些限制所限定的亮度范围给出了对比度1/.000025∶1，或40,000∶1。重要的是，典型两级投影仪架构的黑暗状态亮度将仅仅是其明亮状态的亮度的四万分之一，而不是当假定的成像器用于现有单成像器架构中时其明亮状态的二百分之一。本领域的普通技术人员将会理解，具有较低对比度的成像器的成本比具有较高对比度的成像器的成本要低得多。因此，使用两个对比度为200∶1的成像器的两级投影系统将提供40,000∶1的对比度，而使用更加昂贵的、具有500∶1对比度的成像器的单级投影系统将只能提供500∶1的对比度。而且，由一个具有500∶1对比度的成像器与一个具有200∶1对比度的便宜的成像器所组成的两级投影系统将具有100,000∶1的系统对比度。因此，能够实现成本/性能的折中，来创建最优的投影系统。
输出矩阵6通过第二表面72b进入第二PBS 72，由于它包括p-偏振光，所以它通过偏振表面72p并经由第三表面72c传输到第二PBS72外部。在输出矩阵6离开第二PBS 72后，进入投影透镜组件40，投影透镜组件40将显示图像7投影在屏幕(未示出)上以进行观看。
为了提供第一成像器50与第二成像器60的像素之间的一一对应关系，中继透镜组80必须提供良好的正方形块内光能量(ensquaredlight energy)。就是说，必须将来自第一成像器50中的像素(i，j)的光精确地投影在第二成像器60上的相应像素(i，j)上。图3示出了所示透镜组80的正方形块内能量的计算结果。典型透镜组80的正方形块内能量是使用ZEMAXTM软件计算得到的。如图3所示，来自第一级成像器50上的特定像素的光能量中的至少大约百分之五十(60％)被聚焦在十二平方微米(例如第二级成像器60中的对应像素)上。
上文示出了实现本发明的一些可能性。在本发明的范围和精神内，多种其它实施例是可能的。因此，上文的描述应该看作是说明性的而不是限制，而且本发明的范围由所附权利要求及其等价物的全部范围给出。
权利要求
1.一种投影系统，包括第一成像器，具有用于逐个像素地对光进行调制以形成第一调制光矩阵的像素矩阵，第一成像器具有第一尺寸；第二成像器，具有与第一成像器中的像素相对应的、用于逐个像素地对第一调制光矩阵进行调制以形成第二调制光矩阵的像素矩阵，第二成像器具有小于第一尺寸的第二尺寸；中继透镜组，具有小于1的放大率从而将第一调制光矩阵中的每一个光像素中继到第二成像器的对应像素上；以及尺寸与第一成像器相符的灯。
2.根据权利要求1所述的投影系统，其中第一成像器的尺寸约为0.7英寸，而第二成像器的尺寸约为0.5英寸。
3.根据权利要求1所述的投影系统，其中中继透镜组包括六个透镜元件。
4.根据权利要求3所述的投影系统，其中第一和第六透镜元件是非球面。
5.根据权利要求4所述的投影系统，其中第二和第三元件是在第二元件的出口面与第三元件的入口面处相结合以形成acromat透镜的非球面透镜元件。
6.根据权利要求5所述的投影系统，其中第四和第五元件是在第四元件的出口面与第五元件的入口面处相结合以形成acromat透镜的非球面透镜元件。
7.根据权利要求1所述的投影系统，其中来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.根据权利要求1所述的投影系统，其中中继透镜组在十二平方微米内具有约70％的正方形块内能量。
全文摘要
一种投影系统，具有改进的对比度和减小的假像，使用较大的灯以维持良好的灯寿命。所述投影系统使用两个成像器，第一成像器较大以适应与第一成像器尺寸相符的大灯，而第二成像器较小。第一成像器具有像素矩阵，用于逐个像素地对光进行调制以形成第一调制光矩阵。第二成像器具有与第一成像器的像素相对应的像素矩阵，用于逐个像素地对第一调制光矩阵进行调制以形成第二调制光矩阵。第二成像器的尺寸小于第一成像器的尺寸。中继透镜组提供了小于1.0的放大率，从而将第一调制光矩阵中的每一个光像素中继到第二成像器的相应像素上。
文档编号H04N5/74GK1957619SQ200480043023
公开日2007年5月2日 申请日期2004年5月11日 优先权日2004年5月11日
发明者埃斯蒂尔·索恩·小霍尔 申请人:汤姆森许可贸易公司