專利名稱：投影系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于圖像顯示的投影系統，具有至少一個燈和至少一個傳感器，所述傳感器用于檢測所述至少一個燈發出的光通量的改變，并通過適當控制圖像顯示器和/或燈來補償這些改變。
背景技術：
在投影系統中，通常使用一個或多個高壓氣體放電燈(HID[高強度放電]燈或UHP[超高性能]燈)作為光源。這些燈的一個優點是它們具有相當短的放電電弧，從而發光表面的尺寸非常小，因而所產生的光中非常高的比例通過例如反射器(放電電弧處于其焦點處)被引到到成像系統中。近似點形的光發射的這種優點，還可以相應地用于其他應用中，例如用于聚光燈或用于照明目的，因為反射器的輻射特性基本上更接近于期望的理想梯度。
不過，在反射器與燈或放電電弧之間僅有小局部偏移的情況下，小發光區域存在系統發生散焦的危險，由此給定位置的輻射特性、從而光通量會發生相當大的改變。這些偏移具體而言可能是，例如由于電極的腐蝕以及其形狀或狀態的伴隨改變，由放電電弧的跳躍引起的。
這樣會導致所生成圖像的亮度發生干擾波動，這是人們所不希望的，特別是在成像系統的情形中更是如此，因為被耦合到成像系統中的光的比例相應地發生改變。
原則上可以用直流電和交流電使上述燈工作。這兩種操作模式具有其優點和缺點。交流電可防止電極的快速腐蝕，并能增大燈的發光效力，不過由于極性改變，電弧放電常常不穩定，從而有可能發生周期性的亮度波動或其他圖像擾動。不過，利用直流電，不能消除電弧放電產生的不穩定性，特別是隨著操作持續時間的延長，這例如歸因于在中間時間內電極間距會變得不均勻，這本身就具體地證明形成了電弧跳躍。
從而，為了保證在放電燈的壽命期間產生最佳的無干擾圖像質量，在兩種操作模式下應當設置傳感器，用于監測產生的光通量，并為短期波動提供適當的補償(并且還可以為長期發光衰減提供補償)。
如果按照與其他原色不同的亮度顯示一種原色，或者在顯示器的某些圖像區域中一種顏色的亮度與該顯示器其他區域中的亮度不同，則所發射光通量的波動特別令人不滿意，特別是在利用時序彩色再現方法控制彩色投影系統時更是如此。
當前具體區分和使用兩種時序彩色顯示方法在第一種方法中，通過用三種基本顏色(“場序制彩色”)相繼地顯示整個圖像，在顯示器上產生彩色圖像，可能加上第四種顏色，產生白色圖像。當今該方法用在例如大部分DLP(數字光處理)投影儀中。
在第二種方法中，原色按照彩色光束或色帶(“滾動顏色”)的形式一個接一個地顯示在顯示器上，產生彩色圖像。例如本申請人的LCOS(硅上液晶)顯示器(參照Shimizu“Scrolling Color LCOSfor HDTV Rear Projection”，SID 01 Digest of Technical Papersvol.XXXII，pp.1072到1075，2001)和SCR-DMD(順序顏色恢復-數字微鏡)投影顯示器(參照Dewald，Penn，Davis“SequentialColor Recapture and Dynamic FilteringA Method of ScrollingColor”SID 01 Digest of Technical Papers，vol.XXXII，pp.1076到1079，2001)使用該方法。
這些系統包括在燈與顯示器之間，用于顏色分量的色分離或濾色和調制器，用于產生具有三種原色的光。色分離與調制器可更大或更小限度地彼此集成。從而，通過旋轉SCR系統中的濾色輪，執行濾色和調制，而用反射器進行濾色，用本申請LCOS系統中的棱鏡進行調制。不過，所有系統的共同點在于，調制在光學系統中引起相當大的亮度波動。此外，常規傳感器對于各種顏色分量的靈敏性極為不同。從而，設置在輻射路徑中或顯示器處的傳感器的輸出信號中產生的波動，使該傳感器不能用于控制燈或圖像亮度。
此外，如果傳感器給予可能的正確控制，則檢測出與實際射中顯示器的光通量嚴格成正比的信號。對于光輻射路徑外部的傳感器位置以及集光裝置前面的位置，通常都不能保證這一點。
例如，DE 101 36 474.1披露了一種用于操縱HID或UHP燈的電子控制電路，包括為燈提供受控燈電流的燈驅動器，和用于產生傳感器信號的亮度傳感器，所述傳感器信號代表燈產生的光通量。此外還設置高通或帶通濾波器，通過濾波器將傳感器信號濾波，并隨后提供給燈驅動器，用于控制燈電流。
高通或帶通濾波器的目的是將燈形成的光通量的長期改變(特別是隨著燈壽命的延續，發光衰減)與電弧跳躍引起的短期波動相分離，從而燈驅動器在有效控制(active control)燈功率時僅使用后一種波動。
不過，如果傳感器信號與例如源自彩色調制器的亮度波動引起的干擾成分相疊加，則這種有效控制(LOC-光輸出控制)不能可靠地進行，如上所述。
發明內容
因而，本發明的目的在于提供一種開頭段落中所述類型的投影系統，其中至少能基本避免燈產生的光通量的不希望改變所引起的圖像質量下降(特別是歸因于電弧跳躍)，并且依然存在由投影系統的光學部件造成的規則的亮度波動。
特別的，本發明意在提供一種包括至少一個高壓氣體放電燈的投影系統，在該投影系統中，還使用時序顏色顯示，至少基本避免由所產生光通量的波動引起的圖像質量下降，特別是不穩定的電弧放電造成的光通量波動引起的圖像質量下降。
最后，本發明還意在提供一種具有時序顏色顯示的投影系統，其中至少基本避免由燈所產生的光通量的不希望改變所引起的顏色贗像，特別是如果使用工作于交流電的一個或數個高壓氣體放電燈作燈時更是如此。
根據權利要求1，利用用于圖像顯示的投影系統實現該目的，該投影系統具有至少一個燈和至少一個傳感器，所述傳感器用于檢測所述至少一個燈發出的光通量的改變，并通過適當控制圖像顯示器和/或燈，補償這些改變；所述投影系統具有光學積分器(lightintegrator)，燈所產生的至少一部分光被耦合到該光學積分器中，其中傳感器與光學積分器光耦合，從而檢測光學積分器中的發光強度。
由于進入光學積分器的光包括被彩色調制器向回反射到光學積分器的出射表面中的光分量，所述光分量通過多次反射被均勻化，所產生的傳感器信號至少基本上不與彩色調制器或投影系統中其他光學部件的干擾分量疊加，從而可用于控制圖像顯示器和/或燈。適當地設定光學積分器的長度，使之可將干擾分量減小到可接受的程度，或者實際上基本減小到任何期望的程度。
這種解決方案的一個獨特優點在于，這種光學積分器通常已經存在于開口段落中所提及的彩色投影系統中，從而引導光路中不需要任何措施，且可利用相當小的附加費用實現根據本發明的投影系統。
此外，傳感器未設置在投影系統的光路中，從而不會引起可察覺的干擾或陰影作用，即光損耗。
最后，根據本發明產生的傳感器信號可用于如上所述對燈(LOC)的有效控制。
從屬權利要求涉及本發明進一步優選的實施例。
權利要求2，3和4的實施例涉及將至少一個傳感器與光學積分器光學耦合的優選方法。
如權利要求5和/或6所述，至少一個傳感器在光學積分器的某些區域或位置中的適當排列或定位，使之可能優化對發光強度的檢測，特別是，在彩色光分量例如通過彩色調制器經由光學積分器的出射面被向回反射到光學積分器中的情形中更是如此。
權利要求7涉及一種對圖像顯示的優選控制，用于補償燈產生的光通量的改變。
根據權利要求8，對傳感器信號進行濾波，使之可以基于目的的選擇將要被補償的、與其頻率有關的光通量改變。
最后，權利要求9涉及本發明原理的一種優選應用。
通過接下來對附圖中所示實施例的描述，本發明的進一步細節、特征和優點將是顯而易見的，其中圖1示意地表示具有第一種傳感器布置的SCR投影系統的主要部件；圖2表示具有第二種傳感器布置的圖1的細節；以及圖3表示具有第三種傳感器布置的圖1的細節。
具體實施例方式
現在，將參考具有SCR-DMD顯示器、通過上述第二種方法(滾動顏色系統)操縱的投影系統來說明本發明。在所引用的Dewald，Penn，Davis的文章“Sequential Color Recapture and DynamicFilteringA Method of Scrolling Color”SID 01 Digest ofTechnical Papers，vol.XXXII，pp.1076到1079，2001)中詳細描述了這種投影系統的結構和操作方式。認為該文章包含在本說明書中作為參考。
圖1表示這種投影系統的照明部分的結構原理。該附圖表示一種光源，具有至少一個燈1和至少一個反射器2以及光學積分器(集光棒)3，燈1產生的光通過反射器2被聚焦成錐形光束L的形式，進入光學積分器的入射窗口31中。光學積分器3在與入射窗口31相對的一端具有出射表面32，在出射表面32處設置色輪4。
具體來說，燈1為高壓氣體放電燈(HID[高強度放電]燈或UHP[超高性能]燈)。
光學積分器3(假設其足夠長)在其出射表面32處產生局部和暫時均勻分布的發光強度。為此，光學積分器3包括密封一空腔34的高反射性外殼33。被耦合到入射窗口31內的光被外殼33多次反射，成為通過在色輪4處被反射，經由出射表面32而向回反射到光學積分器3中的光分量，并且假設光學積分器3的長度足夠大，光被均勻化，從而在其出射表面32處獲得均勻分布的發光強度。使入射窗口31盡可能小，以便使光損耗最小。
或者，可由導光材料實心光波導，特別是玻璃或適當的合成樹脂形成光學積分器3。
已知色輪4本身設置在出射表面32處。該色輪4(彩色調制器)包括紅、綠、藍和透明涂層，所有這些涂層都是歷時(diachronically)反射性的，設置成阿基米德螺旋形式的RGB圖案。將圖案的尺寸設定為，使得在任何時刻，一個或多個帶顏色的螺旋線覆蓋光學積分器10的出射表面32的橫截面。該圖案具有以下性質當色輪4旋轉時，紅色、綠色和藍色之間的邊界沿徑向以恒定速度移動。結果，色輪4的RGB圖案在光學積分器3的出射表面32上以大致恒定的速度移動。出射表面32與色輪4之間的距離應當盡可能小，以避免光損耗。
色輪4產生的RGB圖案通過中繼透鏡(投影光學裝置)被引導到DMD顯示器處，這兩個部件均沒有示出，控制裝置按照一種已知的方式控制顯示器。如上所述，色輪4的旋轉產生相繼地橫移過DMD顯示器的色帶。最終利用透鏡將DMD顯示器上產生的圖像投影到墻壁或屏幕或某些類似物品(未示出)上。
提供至少一個傳感器5，該傳感器與燈的燈驅動器(電源部件)6相連，用于避免由于燈光通量的改變(例如歸因于燈1中放電電弧的跳躍)引起的、由燈電流的不希望改變或其他作用引起的在圖像中的亮度波動，傳感器5基于所檢測出的發光強度來控制燈，使得當光通量減小時燈電流增大，當光通量增大時燈電流減小。
傳感器5與光學積分器3光耦合，從而傳感器檢測光學積分器3內部的發光強度。此時如上所述，光非常均勻，并且不發生色輪4引起的亮度波動。從而，可不受干擾地自由檢測燈1產生的光通量的改變，并且可通過適當控制燈驅動器6進行有效地補償。
最好將傳感器5設置成，使其專門用于檢測光學積分器3內的光。這可通過直接靠緊外殼33安裝傳感器5來實現，外殼為傳感器5設有至少部分透光的窗口。
此外，傳感器5也可以通過光波導與光學積分器3的空腔34光學連接，或者甚至于傳感器本身可以設置在光學積分器3的空腔34內部，前提是其具有足夠的耐溫性。
圖2和3用放大比例表示圖1的一部分。此處詳細地表示出具有外殼33和空腔34的光學積分器3。光源的錐形光束L再次被引導到入射窗口31中，同時在光學積分器3的相對端具有彩色調制器，該彩色調制器產生圖示出的原色紅色(R)，綠色(G)和藍色(B)。彩色調制器反射這些原色的光分量LR，使光分量LR通過光學積分器3的出射表面32向回進入光學積分器3中。
在選擇最佳的傳感器位置時，考慮色帶一個接一個地在光學積分器3的出射表面32上移動，并且在光學積分器3太短的情況下，由于反射次數較少，被向回反射的光分量LR有可能沒有與耦合到入射窗口31中的光L最佳地混合。在此情形中，在色帶的頻率內，傳感器信號將發生波動。
為了避免這種問題，選擇傳感器位置，使得其盡可能均勻地暴露于所有反射。這意味著所有顏色分量的光線應當以盡可能相等的量入射到傳感器，而且，如果這些光線與色帶的運動相一致地通過光學積分器3的出射表面32的話。
圖2通過例子表示第一種布置，其中為了這個目的，光接收帶51形式(例如由玻璃或合成樹脂制成)的傳感器表面，設置在光學積分器3的外殼33上，從而帶51基本上平行于光學積分器3的出射表面32延伸，并且在帶51下面，外殼33至少部分地透過光學積分器3內的光。帶51可以延伸到光學積分器3的整個外周(circumference)上，或者僅處于其外周的一部分上，或者處于其高度和/或寬度的一部分上。帶51的寬度最好近似與一個顏色周期相應。
在該位置，帶51接收基本上直接反射回的光分量LR，即之前沒有被光學積分器3的外殼33反射的光分量LR。
傳感器5可設置在沿帶51方向的適當位置處，并且例如可以為公知的半導體傳感器，或者帶51本身構成(硅)傳感器。
圖3表示第二種布置，其中設置在外殼33上的光接收帶51基本上垂直于出射表面32延伸，即在光學積分器3的軸向沿至少一部分其長度設置。在帶51的下面，外殼33也部分地透過光學積分器3中的光。基本上根據濾色器和外殼33所反射光線LR的角度，確定帶51的寬度。
通過這種布置，帶51接收被光學積分器3的外殼33再一次反射之后基本上被向回反射的光分量LR。
在此情形中，傳感器5可以適當地設置在沿帶51的某一位置處，并且，傳感器例如也可以為公知的半導體傳感器，或者帶51本身構成(硅)傳感器。
光接收帶51的使用，可改善光的耦出，這是由于在兩種情況下所有光分量都能更好地混合。
通常，隨著光學積分器3更長，傳感器結構和布置變得更加不關鍵。
傳感器裝置的優點還在于，可改善光學積分器3出射表面32處發光強度的局部和暫時均勻性，從而在該時間間隔期間，燈產生恒定的光通量。通過這種方式實現圖像質量的整體改善。
本發明的原理還可以有利地與用于操縱HID或UHP燈的電路結合，從所引用的DE 101 36 474.1可了解到這些內容(當其中所述的亮度傳感器被按照本發明方式設置的傳感器取代時)。
在上述實施例中，通過控制燈電流(從而控制圖像亮度)，對圖像顯示進行控制，從而對燈產生的光通量的改變進行補償，這是因為傳感器信號被施加給燈驅動器6。
不過，或者或除此之外，還可以利用光學濾波器改變圖像的亮度，可由傳感器信號對光學濾波器進行電控制，并且將光學濾波器引入(附加)到燈與顯示器之間的輻射路徑中，和/或利用因數形式的灰度掩模，由此根據傳感器信號影響顯示器上圖像顯示的亮度。
這兩種特別適用于DLP系統中使用的極快顯示器的可選擇的亮度控制方法，在DE 102 20 510.8中詳細地進行了說明。將該文獻視作參考、構成本說明的一部分，從而下面不必進行任何詳細說明。
本發明的原理顯然也可適用于本身不包括光學積分器的光照系統，在這一方面，該系統的應用和構成使其可在至少一部分光路中使用相應的光學積分器。
權利要求
1.一種用于圖像顯示的具有至少一個燈(1)的投影系統，具有至少一個傳感器(5)，用于檢測所述至少一個燈(1)發出的光通量的改變，并通過適當控制圖像顯示和/或燈來補償這些改變；光學積分器(3)，燈(1)產生的光的至少一部分被耦合到所述光學積分器(3)中，其中所述傳感器(5)與光學積分器(3)光耦合，從而檢測光學積分器(3)中的發光強度。
2.如權利要求1所述的投影系統，其中所述傳感器(5)設置在光學積分器(3)的外殼(33)處，所述外殼(33)具有至少部分地透過光學積分器(3)中的光的窗口，光通過該窗口入射到傳感器(5)上。
3.如權利要求1所述的投影系統，其中所述至少一個傳感器(5)設置在光學積分器(3)內部。
4.如權利要求1所述的投影系統，其中所述至少一個傳感器(5)通過光波導與光學積分器(3)光耦合。
5.如權利要求1所述的投影系統，其中所述至少一個傳感器(5)具有緊靠或處于光學積分器(3)內部的傳感器表面(51)，該表面基本上平行于光學積分器(3)的出射表面(32)延伸。
6.如權利要求1所述的投影系統，其中所述至少一個傳感器(5)具有緊靠或處于光學積分器(3)內部的傳感器表面(51)，該表面基本上垂直于光學積分器(3)的出射表面(32)延伸。
7.如權利要求1所述的投影系統，其中通過將所述至少一個傳感器(5)的輸出信號施加給燈驅動器(6)，而對圖像顯示進行控制。
8.如權利要求1所述的投影系統，其中利用濾波器將所述至少一個傳感器(5)的輸出信號濾波，以補償燈(1)在給定頻率下產生的光通量的改變。
9.如權利要求1所述的投影系統，通過在顯示器上時序地產生原色而顯示彩色圖像，所述投影系統包括光學積分器(3)，所述至少一個傳感器(5)與該光學積分器(5)光耦合。
全文摘要
本發明描述了一種用于圖像顯示的具有至少一個燈(1)的投影系統，具有至少一個傳感器(5)，用于檢測所述至少一個燈(1)發出的光通量的改變，并通過適當控制圖像顯示和/或燈來補償這些改變。該投影系統的獨特之處在于設有光學積分器(3)，燈(1)產生的光的至少一部分被耦合到所述光學積分器(3)中，所述傳感器(5)與光學積分器(3)光耦合，從而檢測光學積分器(3)中的發光強度。由于多次反射，發光強度非常均勻，并且不受諸如彩色調制器(4)之類的光學部件引起的亮度波動的影響，可由傳感器信號非常精確地補償燈(1)產生的光通量的改變。
文檔編號H05B41/392GK1806472SQ200480016750
公開日2006年7月19日 申請日期2004年6月3日 優先權日2003年6月16日
發明者P·羅伊肯斯, C·德佩, G·霍伊斯勒, H·門希 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司