CN101069117A - 单板彩色图像投影*** - Google Patents

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Abstract

一种彩色投影***包括灯和至少一片衍射光栅或至少一块棱镜，其将来自灯的光衍射到LC微显示板。通过相对于来自灯的入射光移动至少一片衍射光栅或至少一块棱镜的任一个，被LC微显示板接收的衍射光顺序地包括红、绿和蓝光。

Description

单板彩色图像投影***
技术领域
本发明涉及彩色图像投影***，具体而言，本发明涉及只需要单片液晶(LC)微显示板的彩色图像投影***。
背景技术
使用液晶(LC)微显示板调制投影到屏幕(诸如，用于大屏幕电视)的光的彩色图像投影***面临许多技术挑战和加工成本挑战。这些挑战还要相对于传统的以LC微显示板为基础的彩色图像显示***来解释。在这种***中，必须有光源，在获得的调制光投影到用户观看的屏幕之前，光源用包含一片或多片LC微显示板的光阀调制。为了实现理想的看得见的彩色图像，由光源提供的白光分离出三原色(一般为红(R)、绿(G)、和蓝(L))。这些原色分别被一个或多个光阀调制，然后，重新组合或重叠以形成图像。
因为图像由RGB颜色的光分开调制的光束形成，必须有一些装置由光源提供的白光分离出这些颜色。这些颜色分离装置包括分光镜、立方棱镜、和色轮。光阀可以包含三片LC微显示板：一片调制红光、一片调制绿光、和一片调制蓝光。可替换地，光阀可以只有单片LC微显示板，其利用子像素同时调制RGB光(一个子像素用于每种要调制的颜色)。最近，菲利浦提出利用称为“滚动颜色”方案的单片LCOS(硅上液晶)微显示板投影***，即，在RGB颜色分离后，采用三个旋转棱镜分别按照红、绿、和蓝光束的场序来“滚动”RGB颜色。在投影到屏幕之前，滚动RGB光束用单微显示板重新组合和调制。
无论光阀包含一个还是三个LC微显示板，在这种传统的彩色投影***设计中出现许多问题。例如，使用三个分光镜增加元件成本，并且导致重新组合分离的RGB信号的问题。任何不对准将弄糊和/或导致投影图像的色移。可替换地，如果色轮用于分离RGB光，实际上导致功率损失，抑制光源的有效使用。而且，三片分离的LC微显示板应该用于单独调制分离的RGB光束，需要昂贵和笨重的对准棱镜来将分开调制的光束重新组合成单个RGB图像，增加提供三片LC微显示板的费用。而且，如果只有包含RGB子像素的单片LC微显示板用于同时调制红、绿、和蓝光束，仍然需要昂贵和笨重的对准棱镜将光束准确地照射到各个RGB子像素。此外，每个像素包含R、G和B颜色子像素的单片LC微显示板需要复杂的设计和加工过程，其降低整个生产率和增加成本。更先进的菲利浦单片LCOS板设计仍然具有重新组合分离的RGB光束、相关的复杂光学元件，以及增加成本的问题。
因此，本领域需要改善彩色图像投影***，其具有更有效地使用光源的简化光学***，不需要重新组合和重新混合分离的RGB彩色图像。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种彩色投影***，其包括灯；至少一片衍射光栅，设置为将来自灯的光衍射成衍射光束；LC微显示板，设置为调制来自至少一片衍射光栅的衍射光，其中相对于来自灯的光移动至少一片衍射光栅，衍射光束顺序地包括红、绿和蓝光束。
根据本发明的另一方面，提供一种彩色投影***，其包括灯；至少一块棱镜，设置为将来自灯的光衍射成衍射光束；和LC微显示板，设置为调制来自至少一块棱镜的衍射光，其中相对于来自灯的光移动至少一块棱镜，衍射光束顺序地包括红、绿和蓝光束。
根据本发明的另一方面，提供一种方法，其包括提供入射到至少一片衍射光栅的光束的动作；相对于入射光束移动至少一片衍射光栅，其中至少一片衍射光栅的移动使得来自至少一衍射光栅的衍射光束顺序地包括红、绿和蓝光束；和调制被LC微显示板接收的所述顺序地提供的红、绿和蓝光，以将图像投影到屏幕上。
根据本发明的又一方面，提供一种方法，其包括提供入射到至少一块棱镜的光束的动作；相对于入射光束移动至少一块棱镜，其中至少一块棱镜的移动是使得来自至少一块棱镜的衍射光束顺序地包括红、绿和蓝光束；和调制被LC微显示板接收的所述顺序地提供的红、绿和蓝光，以将图像投影到屏幕上。
附图说明
图1是根据本发明实施例利用单片LC微显示板和反射光栅的彩色图像投影***的示图。
图2a图示入射光束和反射光栅的第一级衍射光束之间的关系。
图2b图示入射光束和透射光栅的第一级衍射光束之间的关系。
图3图示超高压灯的典型光谱功率。
图4是根据本发明一个实施例利用单片LC微显示板和透射光栅的彩色图像投影***的示图。
图5图示在用于图1和4的单片LC微显示板的驱动图像数据、和投影到单片LC微显示板的理想分离的R、G和B光束之间的同步关系。
图6图示设置为摆动图1和4的衍射光栅的电机。
图7是根据本发明一个实施例利用单片LC微显示板和色散棱镜的彩色图像投影***的示图。
图8a是根据本发明一个实施例用于分离RGB光的三个衍射光栅的布置的顶视图。
图8b是图8a的三个衍射光栅的布置的侧视图。
参照下列详细的描述，可最好地理解本发明的实施例和它们的优点。应该理解，相同的附图标记用于识别在一个或多个附图中图示的相同的元件。
具体实施方式
图1图示彩色投影***100，其改善在白光分离成红、绿和蓝光束的过程中一般经历的固有损失。灯105提供白色光束，其可以是超高压(UHP)灯或其它合适的灯。单片LC微显示板110接收由灯105提供的白光分离的红、绿和蓝光束。LC微显示板110调制这些光束在本领域是已知技术，使得用于投影到屏幕120的图像的像素包括红、绿和蓝光的合理值，从而实现每个像素的理想颜色。在所示的实施例中，LC微显示板110与反射结构的偏振分束器130组合。然而，应该理解，作为本领域的已知技术，也可以使用LC微显示板110的透射结构。无论LC微显示板110是由反射结构构成还是由透射结构构成，作为本领域的公知常识，LC微显示板110可以在轴上，也可以偏离轴。
衍射光栅140可以用于将灯105提供的白光光束145衍射成衍射光束。在图示的实施例中，衍射光栅140是反射光栅。然而，应该理解，衍射光栅140也可以是透射光栅，在此进一步解释。衍射光栅的物理性质是公知的。例如，考虑图2a，其图示反射光栅220的入射光束200和第一级折射光束205和负第一级折射光束210之间的关系。衍射光束205和210与入射光束200之间的关系取决于在衍射光栅220的表面上形成的凹槽之间的间隔“d”。这种关系从数学上给出：
               mλ＝d(sinα+sinβ)       公式1
其中角度α和β相对于由衍射光栅220定义的平面的法线225来定义的，λ是入射光束的波长，m是定义衍射级的整数值。角度α和β具有正值或负值，取决于得到的衍射光束位于法线225的哪一侧，图中示出邻近法线225的正符号和负符号。为了表示折射光束的衍射级，角度β给出下标。从公式1和图2a可以看出，给定角度α和入射光光束200的频率，角度β1和β-1分别对衍射光束205和210定义。
返回来参照图1，也示出角度α和β。一般说来，β的衍射级没有示出。通常，尽管能够想到使用任何衍射级，在衍射光束中m＝1或m＝-1的值提供最大的功率。因此，假定β对应于下列讨论的任一衍射级。入射到衍射光栅140上的光束145不是单色光束，诸如在图2a中讨论的入射光束200。取而代之，白色光束145一般具有光谱300，如图3所示。光谱300的试验表明亮度功率(毫瓦每纳米波长)集中在蓝、绿和红色波长，分别用字母B、G和R表示。蓝色波成对应于大约450纳米的波长，而绿色波长对应于大约550纳米的波长。最后，红色波长对应于大约690纳米的波长。当然，应该理解，灯105的实际光谱可以不同于光谱300。然而，本领域已知，实际光谱仍然集中在R、G和B波长。可以理解来自灯105的白色光束145被认为是主要由R、G和B光束组成。通过绕例如点155的轴旋转或摆动衍射光栅140，产生适当的α和β的值，使得衍射光束150包括R、G或B的任一个。例如，通过在角度范围160摆动衍射光栅140，衍射光束150顺序地包括R、G或B的任一个。
有利地，如果分光镜或色轮用于分离白色光束145，衍射光栅140引入衍射光束150的功率损失明显比经历的少。此外，相对于分离的R、G和B光束，不需要重新调整装置，使得彩色投影***100的加工更简单，从而实现成本节约。同样，使用单片LC微显示板不需要子像素，因为连续投影提供另外的成本节约和加工简化。而且，这些明显的优点也应该是透射光栅的衍射光栅140来实现，诸如图2b所示的光栅250。因为光栅250是透射光栅，衍射的第一级光束205和210从相对于入射光束200的光栅250的另一侧投射。公式(1)仍然保持这样，在图4所示的彩色图像投影***400中结合构成透射光栅的衍射光栅140，衍射光束150仍然顺序地包括R、G或B光束任一个。
LC微显示板110可以包括本领域已知的任何合适的LC微显示板。然而，在投影电视应用中，由LC微显示板110产生的RGB图像的时序应该比人眼的响应时间快。例如，为了达到电影院质量的投影图像，一般需要帧速为24帧每秒。每帧由三个RGB颜色的子帧(一个红色子帧、一个绿色子帧、一个蓝色子帧)组成，其对应于在24帧每秒的平均大约14毫秒每颜色子帧。因此，LC微显示板110应该有比14毫秒更快的响应时间，以符合现代电影帧率，而不需要软件来进行隔行扫描或“抓片(pull-down)”转换。例如，考虑如图5概念性地示出的用于驱动两个相邻视频帧的LC微显示板110的R、G和B颜色数据。为了保持衍射光束150与入射RGB数据同步，衍射光栅140(图1和4)可以摆动，使得衍射光束150提供R、G和B成分与所示的图设数据同步。然而，应该理解，衍射光束150的时序可以调整，以适合具体的设计和/或理想的颜色调整。例如，再考虑用于图3所示的超高压灯源的光谱300。尽管功率集中在R、G和B波长，强度不等。特别是，R波长的功率明显弱于G和B波长的功率。此外，人眼对不同颜色的灵敏度也取决于波长。因此，衍射光栅140能够摆动，使得衍射光束150包括一定周期的R光束，该一定周期比衍射光束150包括B或G光束的周期长。换言之，衍射光栅140移动，使得它停在合适的角度范围内，以形成衍射光束150，因为用于形成R光束的角度范围大于用于形成G和B光束的角度范围。LC微显示板110的时序颜色控制可以用本领域已知的ASIC或DSP处理器(未示出)来控制。这种传统的ASIC或DSP处理器可以进一步改型，同样用以控制衍射光栅140的运动。可替换地，分离处理器、状态机、或分析控制器(未示出)可以用于控制衍射光栅140的运动。然而，应该理解，在彩色幻灯片或图片投影应用中，LC微显示板110的处理速度限制可以相当宽松。
本领域的普通技术人员应该理解，彩色投影***100和400以简化的形式示出，其中需要许多附加元件(诸如其它的偏振滤光片)来完善这些***。然而，这些附加元件是传统的，因此，没有示出。为了沿衍射光束150的宽度更好地提供更均匀的光束功率，用于将白色光束145聚焦到衍射光栅140上的透镜组180可以包括微透镜阵列，如在的美国序列号No.10/758,989题为“微透镜阵列”未审申请所述，其内容在此并入作为参考。这种微透镜阵列在LC微显示板110的整个区域可以提供更均匀分布的光强，从而改善投影图像光强分布或亮度。
衍射光栅140的运动可以利用传统电机来完成，诸如图6所示的电机700。一般，衍射光栅140仅需要大约1/2平方英寸的尺寸，并且通过在小于10度的角度范围160内摆动，以实现R、G和B光束的合适时序衍射。因此，对电机700的要求非常低，允许使用便宜型号的电机700。
对***100和400可以进行许多改型。例如，衍射光栅140可以用图7所示的色散棱镜705来代替，用于彩色图像投影***700。其余元件可以如图1和4所述排列。因为在本领域已知，棱镜705反射的光将根据波长不同地反射。因此，从灯105接收的白光分离成R、G和B光束。通过在角度范围160摆动棱镜700，这些折射光束可以被LC微显示板110顺序地接收，从而应用合适的调制。有利地，棱镜700可以由刚性材料构成，诸如非晶熔合硅(合成石英)，其比用于衍射光栅240的材料更抗氧化。应该理解，尽管棱镜700结构为透射棱镜，也可以使用反射棱镜结构。
在另一实施例中，图1和4所示的单片衍射光栅140可以用三片分离光栅代替：用于红光的光栅805、用于绿光的光栅810、和用于蓝光的光栅815，如分别在图8a和8b的顶视图和侧视图所示。每片光栅用于以相同的角度衍射光。LC微显示板(未示出)可以被固定，以该角度接收衍射光，从而当光栅805、810和815在掩模830内相对于窗口820横向移动时，LC微显示板顺序地接收R、G和B衍射光。光栅805、810和815可以构成反射结构或透射结构的任何一种，如图1和4所述。线性致动器(未示出)或其它合适的电机可以用于以理想速度相对于窗口820横向移动光栅805、810和815。当光栅805、810和815相对于窗口820移动时，通过改变横向移动速度，具体颜色可以在LC微显示板上照射更长周期。可替换地，光栅805、810和815的相对宽度可以改变，以达到相同的效果。而且，可以构成相似的结构，用棱镜代替光栅。
因此，尽管参照具体实施例描述本发明，该说明书仅仅是本发明应用的实例，不应该构成限制。因此，本发明的范围在下列权利要求中阐述。

Claims (11)

1.一种彩色投影***，包括：
灯；
至少一片衍射光栅，设置为将来自所述灯的光衍射成衍射光束；和
LC微显示板，设置为接收来自所述衍射光栅的衍射光束，其中通过相对于来自所述灯的光移动所述至少一片衍射光栅，所述被LC微显示板接收的衍射光束顺序地包括衍射的红色光束、衍射的蓝色光束、和衍射的绿色光束，所述LC微显示板设置为顺序地将所述衍射的红色光束调制成图像的红色子帧，将所述衍射的绿色光束调制成图像的绿色子帧，和所述将衍射的蓝色光束调制成图像的蓝色子帧。
2.如权利要求1所述的彩色投影***，其中还包括：
电机，相对于来自所述灯的光移动所述少一片衍射光栅。
3.如权利要求2所述的彩色投影***，其中所述电机设置为在一角度范围内摆动所述衍射光栅来移动所述衍射光栅。
4.如权利要求1所述的彩色投影***，其中所述至少一片衍射光栅包括三片衍射光栅，每片衍射光栅用于衍射选自红、绿和蓝组中的不同颜色。
5.如权利要求1所述的彩色投影***，其中所述至少一片衍射光栅是反射光栅。
6.如权利要求1所述的彩色投影***，其中所述至少一片衍射光栅是透射光栅。
7.如权利要求1所述的彩色投影***，其中所述LC微显示板是反射LC微显示板。
8.如权利要求1所述的彩色投影***，其中所述LC微显示板是透射LC微显示板。
17.一种彩色投影的方法，包括：
提供入射到至少一片衍射光栅的光束；
相对于所述入射光束移动所述至少一片衍射光栅，其中所述衍射光栅的移动使得从所述至少一片衍射光栅衍射的光束顺序地包括衍射的红色光束、衍射的蓝色光束、和衍射的绿色光束，其中每一衍射光束投影到LC微显示板，和
顺序地，调制被LC微显示板接收的所述衍射的红色光束以形成图像的红色子帧，调制被LC微显示板接收的所述衍射的绿色光束以形成图像的绿色子帧，调制被LC微显示板接收的所述衍射的蓝色光束以形成图像的蓝色子帧。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述至少一片衍射光栅的移动包括在一角度范围内摆动所述至少一片衍射光栅。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述提供步骤包括提供入射到三片衍射光栅之一的光束，每片衍射光栅设置为衍射选自红、绿和蓝构成的组中的不同颜色，其中所述移动步骤包括相对于入射光束移动三片衍射光栅，使得每片衍射光栅顺序地将所述入射光束衍射成其选择的颜色。
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