兩級投影體系結構的制作方法

專利名稱：兩級投影體系結構的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及光投影系統，并且更具體地，涉及一種兩級(two-stage)投影體系結構。
背景技術：
液晶顯示器(LCDs)以及使用反射光引擎(reflective light engine)或者成像器(imager)的部分液晶硅系統(LOS)，正在例如背投電視(RPTV)的成像設備中逐漸流行。在LCOS系統中，所投影的光由極化光束分光器(PBS)進行極化，并且被定向到LCOS成像器或者包括象素矩陣的光引擎。貫穿這種標準，并且與相關技術的實際應用相一致，術語象素用于指示小區域或圖像的點、相應的光透射部分以及產生該光透射的部分成像器。
根據輸入到成像器或光引擎從而形成離散調制的光信號或象素矩陣的灰度級因子，成像器的每一個象素調制其上的入射光。所調制的光信號矩陣從成像器反射或輸出，并且定向到投影透鏡系統，該系統將所調制的光投影到顯示屏幕，與光的象素相結合，形成可觀看的圖像。在該系統中，通過用于處理圖像信號的比特數目來逐象素地限制灰度級變化。成像器中的泄漏光限制了從亮狀態(即，最大光)到暗狀態(即，最小光)的對比率。
現有的LCOS系統的主要缺點是減小了暗狀態中的光量，以及所導致的難以提供顯著的對比率。這部分上是由于LCOS系統中固有的光泄漏。
此外，由于輸入是固定比特數目(例如，8、10等)，其必須描述光的全部尺度，有助于成為用于描述畫面的暗區域的微小差別的極少比特。這可以產生輪廓偽像(contouring artifacts)。
一種增強暗狀態下的LCOS中對比度的方法是使用COLORSWITCHTM或者類似設備，根據在該具體幀中的最大值進行整個畫面的分級。這改善了一些畫面，但對于包含高和低光量級的畫面作用極小。已經提出了得到較好的成像器等的另一種解決該問題的嘗試，但這些最多是逐漸的改進。
所需要的是一種投影系統，對于具體在暗狀態中的視頻圖形，能夠增強對比率并且減少輪廓偽像。

發明內容
本發明提供了一種投影系統，該系統基于逐一的象素，使用兩級投影體系結構來改進光信號的對比度和輪廓，因此改善了所有視頻畫面。第一成像器配置用于基于逐一的象素，與提供給圖像的每一個象素灰度級值成比例地調制光波段(light band)，以便提供第一輸出矩陣。定位第二成像器，并將其配置用于接收第一輸出矩陣，并基于逐一的象素，與提供給每一個象素的第二灰度級值成比例地調制來自第一成像器的單個已調制象素。具有位于系統停機(system stop)的單高斯透鏡組和反射鏡的中繼透鏡系統，基于逐一的象素，將輸出自第一成像器的調制光聚焦在第二成像器的相應象素上。


現在將參考附圖描述本發明，其中圖1示出了根據本發明的典型實施例的具有兩級投影體系結構的LCOS投影系統的方框圖；圖2示出了根據本發明的典型兩級投影系統；圖3示出了圖2的投影系統的等價投影系統，具有展開(unfolded)的對稱透鏡系統；
圖4示出了針對根據本發明的典型、簡化兩級投影體系結構的亮狀態光路；圖5示出了針對根據本發明的典型、簡化兩級投影體系結構的暗狀態下的光泄漏；圖6示出了針對根據本發明的典型、簡化兩級投影體系結構的場曲率變形；以及圖7示出了針對根據本發明的典型、簡化兩級投影體系結構的模數傳遞函數。
具體實施例方式
本發明提供了一種具有增強的對比度率和減小的輪廓的投影系統，例如用于電視顯示器。在圖1所示的典型LCOS到LCOS投影系統中，白光1由燈10產生。燈10可以是適合在LCOS系統中使用的任何燈。例如可以使用短弧汞燈。白光1進入積分器20，積分器20將白光1的遠距中心(telecentricity)光束導向投影系統30。于是，將白光1分解為光線2的分量紅、綠和藍(RGB)波段。RGB光線2可以由分色鏡(未示出)分解并且導向獨立的紅、綠和藍投影系統30，用于調制。然后，由棱鏡組件(未示出)重新組合已調制的RGB光線2，并且由投影透鏡組件40將其投影到顯示屏幕(未示出)上。
可選地，在時域中，白光1可以被分解為光線2的RGB波段，例如，利用色輪(未示出)，并且因此一次一個地被導向到單個的LCOS到LCOS投影系統30中。
典型的LCOS-to-LCOS投影系統30使用根據本發明的兩級投影體系結構。由兩個不同的成像器50、60逐象素地順序調制光線2的單色RGB波段。光線2的RGB波段包括p極化的分量3和s極化的分量4(未示出)。光線2的這些RGB波段進入第一PBS 71的第一表面71a，并在第一PBS 71中通過極化表面71p進行極化。極化表面71p使得光線2的RGB波段的p極化的分量3通過第一PBS 71通向第二表面71b，在以某角度反射s極化分量的同時，遠離其通過第四表面71d穿出第一PBS 71的投影路徑。第一成像器50位于面對第一表面71a的、第一PBS 71的第二表面71b之外，其中光線的RGB波段進入第一PBS 71。因此，通過PBS 71的p極化的分量3，入射到第一成像器50上。
在典型實施例中，如圖1所示，第一成像器50是LCOS成像器，包括與顯示圖像(未示出)的象素相對應的極化的液晶。這些液晶根據其方向透射光線，反過來，根據提供給第一成像器50的信號的電場強度進行改變。成像器象素基于逐一的象素，與每一個單個象素提供給第一成像器50的灰度級值成比例地對p極化的光線3進行調制。作為單個象素調制的結果，第一成像器50提供第一光矩陣5，包括光線的離散點的象素矩陣。第一光矩陣5是已調制s極化光的輸出，所述已調制s極化光從第一成像器50后部通過第一PBS 71的第二表面71b反射，其中由極化表面71p以某角度，通過第三表面71c在第一PBS 71之外進行反射。第一光矩陣5的每一個象素具有與為第一成像器50中的該象素所提供的單個灰度級值成比例的強度或亮度。
通過中繼透鏡系統80，由PBS 71反射s極化光的第一光矩陣5，所述中繼透鏡系統提供了第一光矩陣5的一對一透射。在一個典型實施例中，如圖2所示，中繼透鏡系統80包括單高斯透鏡組和反射鏡81，以便通過透鏡組來反射回圖像。該單高斯透鏡組包括球面透鏡81和消色差透鏡(acromatic lens)82，配置用于向所透射的圖像提供大約-1放大率的較低失真，從而將第一成像器50中的每一個象素的輸出投影到第二成像器的對應象素上。
如圖2所示，典型的中繼透鏡系統80包括位于中繼透鏡系統80的焦點或者系統停機的反射鏡83，位于第一PBS 71和反射鏡83之間的球面透鏡81，以及在球面透鏡81和反射鏡83之間的消色差透鏡82。發明人已經確定，可以折疊(fold)投影系統30的投影路徑，以便圖像通過透鏡81、82，被反射鏡83反射，并且以相反的次序反向通過透鏡81、82。為了通過具有較低失真和較高光學傳遞函數模數的折疊投影路徑來中繼圖像，本發明人已經確定必須開發關于系統停機對稱的等價透鏡系統。
圖3示出了等價透鏡系統80’。等價透鏡系統80’包括以上描述的單高斯透鏡組的球面透鏡81和消色差透鏡82，具有沒有反射鏡的系統停機83’。在系統停機83’和第二成像器72之間，等價透鏡系統80’包括等價消色差透鏡82’和等價球面透鏡81’。等價消色差透鏡82’和等價球面透鏡81’實際上是消色差透鏡82和球面透鏡81，其中圖像按照相反的方向通過其。球面透鏡81具有第一表面81a和第二表面81b，其將來自第一PBS 71的發散的光圖案(pattern)集中到向等價透鏡系統80’的光軸會聚的光圖案。消色差透鏡82具有第一表面82a、第二表面82b以及第三表面82c，其將會聚的光圖案從球面透鏡81聚焦到系統停機83’上。在系統停機83’處，光圖案反向并且發散。具有第一表面82c、第二表面82b以及第三表面82a的等價消色差透鏡82’是消色差透鏡82的逆(即，相同的透鏡順序相反，從而使得等價消色差透鏡82’的第一表面82c是消色差透鏡82的第三表面82c，并且等價消色差透鏡82’的第三表面82a是消色差透鏡82的第一表面82a)。等價消色差透鏡82’的表面82c、82b和82a將發散的光圖案分布在等價球面透鏡81’上。具有第一表面81b和第二表面81a的等價球面透鏡81’是球面透鏡81的逆。表面81b和81a將光圖案會聚，從而在第二成像器60上形成相反的圖案，其具有與來自第一成像器50的象素對象或矩陣的一對一的對應關系。配置等價中繼透鏡系統80’的表面，從而與成像器50、60和PBS的71、72一起完成第一成像器50和第二成像器60的象素的一對一的對應關系。表1提供了使用等價中繼透鏡系統80’的典型投影系統30的表面的總結。這些典型透鏡表面由發明人使用ZEMAXTM軟件和由發明人所確定的獨特特性而開發。可以根據例如成本、尺寸、亮度級以及其它設計因素對本典型投影系統進行各種修改。
表1(尺寸為mm)


如以上解釋，第一光矩陣5包括已調制s極化光。為了由反射鏡83反射之后穿過第一PBS 71，第一光矩陣5必須倒轉為逆第一光矩陣5’。例如，這可以通過替換透鏡81、82和反射鏡83之間的四分之一波片(QWP)88來完成。在典型的實施例中，QWP 88是在反射鏡83上壓成薄片的寬帶QWP。由于投影路徑通過QWP 88兩次，將第一光矩陣5倒轉為逆第一光矩陣5’。在逆第一光矩陣5’離開等價中繼透鏡系統80’之后，其從表面71c到表面71d后退通過第一PBS 71，并且通過第一表面72a進入第二PBS 72，并且穿出表面72b到達第二成像器60。在典型實施例中，如圖2所示，第二成像器60是LCOS成像器，其基于逐一的象素，與針對每一個單個象素的提供給第二成像器60的灰度級值成比例地調制以前已調制并倒轉的第一光矩陣5’。第二成像器60基于成像器50的象素，一對一地與顯示圖像的象素相對應。因此，具體象素(i，i)到第二成像器60的輸入是來自第一成像器50的相應象素(i，j)的輸出。
然后，第二成像器60產生p極化光的輸出矩陣6。由針對第二成像器60的該象素而提供給成像器的灰度級值，調制輸出矩陣6中光線的每一個象素的強度。因此，輸出矩陣6的具體象素(i，j)的強度將同時與針對其在第一成像器中的對應象素(i，j)1和其在第二成像器60中的對應象素(i，j)2的灰度級值成比例。
由第一成像器50的給定象素的入射光、在第一成像器50為給定象素選擇的灰度級值，以及在第二成像器60處所選擇的灰度級值的乘積，來給出具體象素(i，j)的光線輸出LL＝L0×G1×G2L0是用于給定象素的常量(是燈10和照明系統的函數)。因此，光輸出L實際上主要由在每一個成像器50、60上為該象素所選擇的灰度級值所確定。例如，將灰度級值歸一化為最大值1，并假設每一個成像器具有最合適的對比率200∶1，則象素(i，i)的亮狀態是1，而象素(i，i)的暗狀態是1/200(非零，因為泄漏光)。因此，兩級投影體系結構具有40,000∶1的亮度范圍。
Lmax＝1×1＝1；Lmin＝.005×.005＝.000025由這些限制所定義的亮度范圍給出了1/.000025∶1的對比率，或者40,000∶1。重要地是，針對典型兩級投影體系結構的暗狀態亮度將僅為亮狀態亮度的四萬分之一，而不是當假定成像器用于現有單個成像器體系結構時的亮狀態的二百分之一。對于本領域的技術人員來說，具有較低對比率的成像器可以比具有較高對比率的成像器提供相當低的成本，這一點是容易理解的。因此，在單級投影系統使用更昂貴的對比率為500∶1的成像器，其僅能提供500∶1的對比率的同時，使用具有對比率為200∶1的兩個成像器的兩級投影系統將提供40,000∶1的對比率。此外，帶有一個具有500∶1對比率的成像器和一個便宜的具有200∶1對比率的成像器的兩級投影系統，將具有100,000∶1的系統對比率。因此，可以實現成本/性能的平衡，從而產生最佳的投影系統。
再一次參考圖2，輸出矩陣6通過第二表面72b進入第二PBS 72。第二PBS 72具有極化表面72p，其通過第三表面72c反射s極化輸出矩陣6。在輸出矩陣6離開第二PBS 72之后，其進入投影透鏡組件40，透鏡組件40將顯示圖像7投影到屏幕(未示出)上用于觀看。
圖4和圖5分別示出了亮狀態投影路徑和光泄漏路徑。首先參考圖4，極化光束分光器(PBS)71、72直線通過極化光并且偏轉為s極化光。當將第一成像器50的象素設置為亮狀態時，其將p極化入射光反轉為s極化光并反射該s極化光。第一PBS71則將s極化光偏轉向兩級投影系統30，其包括透鏡、四分之一波片以及反射鏡。因為光線兩次穿過四分之一波片，其將半波反轉為極化光，該極化光穿過PBS的71、72到達第二成像器60。第二成像器60將光線反轉為s極化光，并對其反射，所述s極化光由第二PBS 72向投影透鏡系統(未示出)偏轉。
參考圖5，當第一成像器的象素設置為暗狀態時，第一成像器50不發送和反射p極化光。光線的一小部分從成像器50漏出，成為p極化第一光泄漏5’。該p極化第一光泄漏5’的大部分穿過第一PBS 71。但是，較小的第二光泄漏5”偏轉到投影系統30上，在那里其反轉為s極化的第二光泄漏5。s極化的第二光泄漏5的大部分由第一PBS71偏轉，但一小部分穿過第一PBS 71，成為第三光泄漏5””。第二PBS 72將第三光泄漏5””的大部分偏轉，但一小部分穿過第二PBS 72并且到達第二成像器60上，成為s極化的第四光泄漏5”。第二成像器60反射s極化的第四光泄漏5”而不對其反轉，因為其是s極化的光，并且第二PBS 72將s極化光偏轉向投影透鏡系統(未示出)。因此，在暗狀態，為了到達投影透鏡系統，光線必須漏過第一成像器一次，第一PBS兩次，以及第二PBS一次。如果第一成像器50和PBS的71、72的每一個都具有0.05的光泄漏，例如，凈(net)光泄漏將為0.054或者6.25EE-06。
如上所述，在表1中所總結的透鏡系統80在由發明人設計的系統約束下，使用ZEMAXTM軟件包進行設計。通過針對圖6和圖7所示的典型透鏡系統的ZEMAXTM軟件包計算變形和調制傳遞函數。變形小于0.05％，如圖6所示，并且每毫米為36轉空間頻率的光傳遞函數大于0.6，如圖7所示。
再一次參考表1，為每一表面所提供的厚度是投影系統中到下一表面的距離。因此，第一PBS 71與反射鏡之間的總距離小于37毫米，并且沿其最大尺寸的投影系統的長度小于100毫米，提供可非常緊湊的投影系統。
以上描述了實踐本發明的一些可能性。在本發明的范圍和實質之內可以有許多其它實施例。因此，以上描述認為是描述性的而不是限制性的，并且本發明的范圍由附隨的權利要求與其等價物的全部范圍所給定。
權利要求
1.一種用于投影圖像的投影系統，所述圖像包括具有調制亮度的象素矩陣，所述投影系統包括第一成像器，配置用于基于逐一的象素，與提供給圖像的每一個象素的灰度級值成比例地調制光波段，以便提供第一輸出矩陣；第二成像器，被定位并配置用于接收光線的調制象素的第一輸出矩陣，并且基于逐一的象素，與提供給每一個象素的第二灰度級值成比例地調制來自第一成像器的單個調制的光象素；以及中繼透鏡系統，配置用于基于逐一的象素，將輸出自第一成像器的調制光聚焦在第二成像器的相應象素上，中繼透鏡系統包括位于系統停機處的單高斯透鏡組和反射鏡，從而通過透鏡組將圖像反射回去。
2.根據權利要求1所述的投影系統，其特征在于，中繼透鏡系統還包括位于單高斯透鏡組和反射鏡之間的四分之一波片。
3.根據權利要求2所述的投影系統，還包括位于反射鏡和第二成像器之間的第一和第二極化光束分光器。
4.根據權利要求3所述的投影系統，其特征在于，第一極化光束分光器還位于照明源和第一成像器之間。
5.根據權利要求1所述的投影系統，其特征在于，單高斯透鏡組包括單個球面透鏡和消色差透鏡，其中，消色差透鏡位于單個球面透鏡和系統停機之間。
6.根據權利要求1所述的投影系統，其特征在于，中繼投影系統具有小于大約0.05％的變形，其在每毫米36轉的空間頻率時具有大于0.6的光傳遞函數。
7.根據權利要求1所述的投影系統，其特征在于，中繼投影系統具有大約-0.9995和-1.0005之間的放大率。
8.根據權利要求1所述的投影系統，其特征在于，中繼投影系統具有輸入和輸出角度偏差小于1.05度的遠距中心。
9.一種用于沿投影路徑投影圖像的兩級投影系統，所述投影系統包括第一和第二成像器，每一個包括象素矩陣，具有位于成像器之間的投影路徑中的反射鏡，以及具有在投影路徑上的光軸并且位于反射鏡和成像器之間的單高斯透鏡組，從而使得第一成像器的輸出在沿單高斯透鏡組的光軸的每一個方向通過單高斯透鏡組一次，所述單高斯透鏡組將第一成像器的具體象素的輸出聚焦到第二成像器上的響應象素上。
10.根據權利要求9所述的兩級投影系統，其特征在于，第一和第二成像器是LCOS成像器，并且第一和第二極化光束分光器位于反射鏡和第二成像器之間。
11.根據權利要求10所述的兩級投影系統，其特征在于，第一極化光束分光器同時位于照明源和第一成像器之間。
12.根據權利要求11所述的兩級投影系統，還包括位于單高斯透鏡組和反射鏡之間的四分之一波片。
13.根據權利要求9所述的兩級投影系統，其特征在于，單高斯透鏡組包括單個球面透鏡和消色差透鏡，其中消色差透鏡位于單個球面透鏡和系統停機之間。
14.根據權利要求9所述的兩級投影系統，其特征在于，單高斯透鏡組具有小于大約0.05％的變形，其在每毫米36轉的空間頻率時具有大于0.6的光傳遞函數。
15.根據權利要求9所述的兩級投影系統，其特征在于，單高斯透鏡組具有在大約-0.9995和-1.0005之間的放大率。
16根據權利要求9所述的兩級投影系統，其特征在于，單高斯透鏡組具有輸入和輸出角度偏差小于1.05度的遠距中心。
17.根據權利要求9所述的兩級投影系統，其中投影系統沿其最大尺寸的長度小于100毫米。
全文摘要
一種用于投影圖像的兩級光投影系統，所述圖像包括具有調制亮度的光象素矩陣。第一成像器配置用于基于逐一的象素，與提供給圖像的每一個象素灰度級值成比例地調制光波段，以便提供第一輸出矩陣。第二成像器被定位，并配置用于接收光的調制象素的第一輸出矩陣，并基于逐一的象素，與提供給每一個象素的第二灰度級值成比例地調制來自第一成像器的單個調制的光象素。具有位于系統停機的單高斯透鏡組和反射鏡的中繼透鏡系統，基于逐一的象素，將輸出自第一成像器的調制光聚焦在第二成像器的相應象素上。
文檔編號H04N5/74GK1717941SQ200380104138
公開日2006年1月4日 申請日期2003年11月26日 優先權日2002年12月4日
發明者瓦爾特·德拉日奇, 哈拉德·薩拉耶丁, 小埃斯蒂爾·索恩·霍爾, 尤金·墨菲·奧唐奈 申請人:湯姆森許可貿易公司