CN1605214A - 具有减小的色彩变化的彩色投影显示*** - Google Patents

Abstract

用于单板滚动彩色投影***的发光机包括源滤色镜，用于滤除在滚动以前来自光源灯的输出光谱中不想要的分量，以及光束分离滤色镜，其滤色特性被选择为掩蔽由重新组合滤色镜的角度敏感度引起的光束操控影响。这样的发光机产生彩色带条，它们在滚动期间保持稳定的彩色，而无需使用具有低的角度敏感度的分离和重新组合滤色镜。

Description

具有减小的色彩变化的彩色投影显示***

本发明涉及发光机(light engine)和使用这样的发光机的投影显示***。

单板滚动彩色投影显示***的特征在于单个光源调制器板，诸如具有单独的图象单元或象素的光栅的液晶显示(LCD)板，该板由水平延伸的红色、绿色和蓝色发光带或条照明。这些带条垂直地在板上连续地滚动，而同时用与然后入射的带条的彩色相对应的显示信息被同步地编址成各个象素行。经调制的滚动着的红色、绿色和蓝色带条然后被投影在显示屏幕上，产生可看见的整体全彩色的显示。例如，参阅1994年3月25日授权给P.Janssen的、题目为“Single panel colorprojection video display improved scanning(单板彩色投影视频显示器改进的扫描)”的美国专利5,410,370和1995年5月16日授权给P.Janssen等的、题目为“Single panel color projectionvideo display having control circuitry for synchronizing thecolor illumination system with reading/writing of the lightvalve(具有用于同步彩色照明***与光阀的读/写的控制电路的单板彩色投影视频显示器)”的美国专利5,416,514。

这样的单板***是与更传统的三板***不同的，在三板***中分开的红色、绿色和蓝色光束其每个光束都充分照明，并被分开的板调制。经调制的光束然后叠加在显示屏幕上以产生全彩色显示。例如，参阅1999年6月29日授权给Hatanaka的、题目为“Liquid-crystalimage projecting apparatus having a color purity correctionfilter(具有彩色纯度校正滤色镜的液晶图象投影设备)”的美国专利5,917,561。

用于单板和三板彩色投影显示***的发光机通常利用高强度弧光灯，以便提供为明亮的显示所需要的强度水平，并利用分色滤色镜，以便把灯光分离成用于调制的红色、绿色和蓝色分量，然后重新组合这些分量以便显示。

这两个***的问题都是由于分色滤色镜的截止波长的角度敏感性引起的图象上的彩色变化。也就是，从分色滤色镜的表面反射的光的波长随反射光的入射角而改变。这个问题在利用其光谱输出中具有发射峰值的某些高效率弧光灯(诸如具有很强的橙色分量的超高压(UHP)灯和在橙色和蓝色光谱区域中有很大能量的氙灯)的***中被加重。

在美国专利5.917,561中，对于三板***，通过把校正滤色镜以10度的角度***到光路中而解决这个问题，据说是通过生成角度偏移的逆效应(列5，行33以及下列等等)而补偿分色滤色镜的角度偏移。然而，在单板***中，通过如图1A到1C示意地显示的所谓“光束操控效应(beamsteering effect)”，角度移位反而加剧。

在这些图上，显示了单个彩色光束在板上滚动，虽然实际上，每个彩色光束，红色，绿色和蓝色，是通过分开的光路滚动的。形成带条形状的光束10射线束12，被玻璃棱镜16折射，该棱镜围绕垂直于图的纸面的轴旋转，光束由此被场透镜18，20和22导向而通过重新组合分色滤色镜C和D以及极化棱镜24而到达板26。

旋转棱镜使得带条在板26上从上到下地滚动，造成光束操控效应，在其中带条到滤色镜C和D的入射角在一个数值范围内变化，其极端值大于在三板***中所遇到其光束位置是固定的情形。例如，在图2A所示的照明路径中，光束操控效应导致到滤色镜C和D的入射角变化分别为+/-8.1和+/-5.3度。对于典型的-1.4mm/度的角度敏感度，这样的变化转换到截止波长变化将高达23mm，这对于发射的光谱有重大的影响。

在1999年12月7日授权给Bradley的、题目为“Dichroicfilters with low nm per degree sensitivity(具有低的每度纳米数的敏感度的分色滤色镜)”的美国专利5,999,321中给出了这种光束操控问题的一个解决方案。然而，为这些滤色镜规定的薄膜介质叠层包括薄到约波长的1/16的层，并且必须以高的精确度制作。

本发明的一个目的是提供一种具有减小的光束操控影响的发光机和投影显示***，它不需要使用具有低的角度敏感度的分色滤色镜。

这个目的可以通过如权利要求1阐述的按照本发明的发光装置和如权利要求10阐述的投影显示***达到。

用于滚动彩色投影***的发光机包括至少一个源滤色镜，用于排除在受到任何光束操控影响之前的、来自光源的光谱输出的不想要的分量；以及光束分离滤色镜，它具有被选择滤色镜特性，以便掩蔽光束操控对于重新组合分色滤色镜的影响。

通常，分离滤色镜的截止波长被选择为截止在各重新组合滤色镜的相应滤色镜的边缘以外的红色光谱的较低边缘和蓝色光谱的较高边缘，从而使得，发射的红色和蓝色光谱的分量相对地不受到重新组合滤色镜的变动的滤色镜边缘的影响。这导致相对较宽的绿色光谱，因为绿色光谱是由在红色和蓝色之间的其余的波长规定的。绿色光谱分量的较高和较低波长的边缘然后可通过使用一个或多个附加的“源”滤色镜而被固定(clamped)以排除来自在红色和蓝色波长区域之间的照明。

在它的最广义方面，发光机包括：

光源，用于提供输出光束；

第一和第二分离滤色镜，用于把输出光束分离成红色、绿色和蓝色分量；

场透镜，把红色、绿色和蓝色分量形成光束；

第一、第二和第三旋转棱镜，用于滚动红色、绿色和蓝色光束；

第一和第二重新组合滤色镜，用于重新组合红色、绿色和蓝色光束；以及

至少一个滤色镜，用于在滚动之前消除来自输出光束的不想要的光谱分量；

该分离滤色镜的边缘被选择成能掩蔽对重新组合滤色镜的光束操控的影响。

在一个实施例中：

第一分离滤色镜反射来自光源的红色光，以及透射来自光源的绿色和蓝色光；

第二分离滤色镜反射绿色光，以及透射蓝色光；

第一重新组合滤色镜反射绿色光，以及透射红色光；

第二重新组合滤色镜反射红色和绿色光，以及透射蓝色光。

在以上实施例中，如果选择具有很大的橙色分量的UHP灯作为光源，则优选的滤色镜特性为如下：

源滤色镜具有约568nm的截止波长；

第一分离滤色镜具有从约593到604nm的范围的截止波长；以及

第二分离滤色镜具有约501nm的截止波长；

第一重新组合滤色镜具有从约574到579nm的范围的截止波长；以及

第二重新组合滤色镜具有约518nm的截止波长。

在以上的实施例中，滤色镜O最好放置在滤色镜A与B之间的绿色/蓝色光路中，允许使用简单的低通滤色镜以去除橙色峰值。替换地，滤色镜O也可被放置在光路的红色段，假设滤色镜A被设计来同时重新导引红色和橙色光谱区域。分色陷波滤色镜也被包括在光路中，以阻挡橙色峰值，虽然陷波滤色镜比起标准低通或高通滤色镜通常具有较高的***损耗。

用于单板滚动彩色投影***的这样的发光机包括源滤色镜，以便在滚动之前滤除来自光源灯的输出光谱的不想要的分量；并包括光束分离滤色镜，它们的滤光特性被选择成能掩蔽由重新组合滤色镜的角度敏感度引起的光束操控影响，这样的发光机在滚动期间能产生保持稳定彩色的彩色带条，而无需使用具有低的角度敏感度的分离和重新组合滤色镜。

滚动彩色投影***包括光调制器板；如权利要求1中给出的发光机，用来对板进行照明；驱动装置，用于按照显示信号驱动光调制器板；以及投影透镜，用于把已调制的光照投影到显示面上。包括本发明的发光机的这种显示***在整个板上具有改进的彩色均匀性。

另外的有利的实施例在附属权利要求中阐述。此后将参照这里描述的实施例来阐述和了解本发明的这些和其他方面。

在图上：

图1A，1B和1C是滚动的彩色发光机的一个彩色带条的光路的示意图，分别显示光的调制板的中心、顶部和底部光照；

图2A和2B分别是对于单板彩色投影***的、现有技术和本发明的滚动彩色发光机的示意的布局；

图3是显示图2B的布局中蓝色分色光谱的透射光谱的图；

图4是显示图2B的布局中红色分色光谱的透射光谱的图；

图5是显示图2B的布局中绿色分色光谱的透射光谱的图；

图6是显示本发明的发光机的发光和ITU709全彩色域的彩色坐标的图；

图7是显示本发明的发光机的基色输出光谱相对于光源的光谱的透射光谱的图；

图8是包括本发明的滚动彩色发光机的单板彩色投影显示***的示意性布局。

参照图2A和2B，分别示意地显示对于本发明的一个实施例和现有技术的滚动彩色发光机的光路。在这两个安排中，来自LAMPL(具有很大的橙色分量的超高压(UHP)弧光灯)的输出光束经过聚光透镜22以及遇到光束分离分色滤色镜A和B，它们把光束20分离成红色。绿色和蓝色分量。场透镜14和16把这些分量形成光束，这些光束藉助于棱镜R，G和B的旋转而滚动。滚动的光束进一步被场透镜28到36限制，以及被重新组合分色滤色镜C和D重新组合。

在以上的两个安排中，对于紧凑光学的要求迫使滤色镜C和D放置在非焦阑出射孔位置上，导致上面描述的光束操控影响。按照本发明，通过以下措施将明显减小这一影响，即在滚动之前的光束路径中放置滤色镜O，以便去除不想要的分量，以及通过选择分离滤色镜A和B的截止波长，以掩蔽光束操控对于重新组合分色滤色镜C和D的影响，从而允许使用具有比起美国专利5,999,321的专门滤色镜更高的角度敏感度的分色滤色镜。

在图2A的原先的路径中，滤色镜A反射蓝色光以及透射红色和绿色光，而滤色镜B反射绿色光以及透射红色光，而在图2B的修正的路径中，滤色镜A反射红色光以及透射绿色和蓝色光，而滤色镜B反射绿色光以及透射蓝色光。虽然本发明的原理可被应用于这两种安排的任一种，但蓝色和红色路径的交换，如图2B所示，允许通过在蓝/绿色路径中使用简单的低通滤色镜而去除橙色峰值。

用于图2B的修正路径的分色滤色镜的基本功能，连同实验测量的角度敏感度和截止波长一起，被列出在下面表1中。第一滤色镜A可被选择为反射红色光的波长，或如果灯的位置被调节，可透射红色光波长。红色光透射滤色镜比起红色光反射滤色镜对于角度变化通常不太敏感。在图2B的安排中表1的滤色镜的使用导致板上均匀的基色，这由彩色稳定度ΔC＜0.015表示，其中ΔC表示在1960CIE彩色空间( μν)中的彩色均方根偏差。

表1.修正路径的滤色镜功能的说明(ΔC＜0.015)

滤色镜	类型	功能	典型的滤色镜边缘的角度敏感度mm/度	截止波长(nm)	滤色镜边缘Δλ(nm)
						A	短或长路径	通过反射或( 透 射)把红色从蓝色和绿色中分开	-2.5或(-1.4)	593	18
B	短路径	通过反射把绿色与蓝色分开	-1.4	501	20
						C	长路径	把通过透射的红色和通过反射的绿色组合	-1.4	574	20
D	短路径	把通过透射的蓝色和反射的红色与绿色组合	-1.1	518	20
						O	短路径(0度入射角)	把橙色峰值反射回灯。透射蓝色和绿色	-0.3	568	20

由于使用以上滤色镜所得到的、在板的上部、中心和底部处的光照彩色坐标，相对于ITU709全彩色域，被显示在图6的1960CIE彩色空间(μν)。可以看到，本发明的滤色镜的结果是更大的全彩色域，它轻松地包围ITU标准。

使用表2的滤色镜可以达到甚至更严格的彩色稳定度(ΔC＜0.01)。

表2.用于修正路径的滤色镜(ΔC＜0.01)

滤色镜   λ50％(nm)     滤色镜边缘Δλ     角度敏感度(nm)         (nm/度)
	A    截止    604             18           -2.5B    截止    501             20           -1.4C    接通    579             20           -1.4D    截止    518             20           -1.1O    截止    568             20           -0.3

以上的滤色镜特性是藉助于使用MathCad软件实施的模型进行选择的。模型按比例放大各种透射和反射分色滤色镜光谱作为带条在板上的位置的函数，以及计及光束在每个分色滤色镜的F/#。模型也需要角度敏感度；滤色镜截止波长；滤色镜边缘宽度；和在每个分色滤色镜处的AOI作为带条在板上的位置的函数。模型还假设在发光出射孔上恒定的强度分布，以及远离滤色镜边缘的100％透射或反射。模型预测基色带条的透射谱特性作为板位置的函数。

对于每个基色(红色，绿色和蓝色)的分色透射谱的影响，作为板位置(顶部：位置1；底部：位置2)的函数，用图3，4和5所示的理论曲线被示出。表1所示的滤色镜技术指标用来产生这些曲线。

图3显示对于滤色镜B；在位置1和2的滤色镜D；和被表示为CMA1，CMA2，在位置1和2的组合滤色镜B与D的蓝色透射光谱。D，1和D，2的曲线分别表示对于板的顶部和底部的移位的D截止滤色镜边缘。滤色镜D的有效光谱的移位对于蓝色的总的透射光谱产生最小的影响，因为滤色镜B的截止波长小于滤色镜D的最小截止波长。所以可以得到稳定的蓝基色光谱。

图4显示对于滤色镜A；在位置1和2的滤色镜C，；和被表示为CMB1，CMB2，在位置1和2的组合滤色镜A与C的红色透射光谱。C，1和C，2的曲线分别表示对于板的顶部和底部的移位的C滤色镜边缘。滤色镜C的有效光谱边缘的移位对于红色的总的透射光谱产生最小的影响，因为滤色镜A的截止波长大于滤色镜C的最大截止波长。所以可以得到稳定的红基色光谱。

图5显示对于在位置1和2的滤色镜C；在位置1和2的滤色镜D；被表示为CMC1，CMC2在位置1和2的组合的滤色镜C与D；和滤色镜O的绿色透射光谱。蓝色和红色基色通过保证至少有一个另外的滤色镜边缘确定该基色的频带边缘而被有效地固定。然而，组合的滤色镜C和D的移位滤色镜边缘会引起在有效的绿色波长通带的下部和上部的不可接受的彩色移位。

研究发光的120瓦UHP灯的功率谱，表明在550nm附近的光谱峰值主要是绿基色。在较低波长边缘的移位的通带对投射的彩色不会有多大改变，因为比起550nm峰值这个区域具有相对较小的光能。然而，在通带的较高的波长边缘处在580nm附近存在来自橙色峰值的很大的能量。在组合滤色镜C和D的较高波长滤色镜边缘处有效的移位在绿色通带的这个边上产生明显的彩色改变。然而，低通滤色镜O掩蔽在较高波长滤色镜边缘上的这个移位，而不会明显地限制其余的绿色光谱峰值。

替换地，滤色镜O也可以放置在光路的红色段上，假设滤色镜A被设计成重新导引红色和橙色光谱区域。分色陷波滤色镜也可以包括在光路中以阻断橙色峰，虽然陷波滤色镜通常比起标准低通或高通滤色镜具有更高的***损耗。

图7显示与UHP灯的输出光谱相对照的、在位置1和2处照亮板的红色，蓝色和绿色的基色输出光谱。可以看到，光束操控影响被最小化，导致基色的相对较稳定的输出。在红色与绿色峰值之间，以及在蓝色与绿色峰值之间的UHP灯的输出分量被大大地减小，而在580-590nm附近，则基本上被消除。

图8以方框图形式显示单板滚动彩色型的投影显示***，其中LCD板80被基色红色、绿色和蓝色的滚动带条照明，滚动带条由按照本发明的教导的发光机82生成。LCD板80按照来自显示驱动器84的显示信号调制来自带条的发光。来自板的调制的光通过投影透镜86发射到显示面。

本发明必须通过有限数目的实施例被描述。从这些说明出发，其他实施例和实施例的变例对于本领域技术人员是显而易见的，因此打算把它们全部包括在本发明和附属权利要求的范围内。例如，可以采用除了UHP灯以外的高的强度的源，诸如氙灯，它除了橙色分量以外还具有强度的蓝色分量，要由适当源滤色镜来滤除。

Claims (10)

1.用于滚动彩色投影***的发光机，包括：

光源，用于提供输出光束；

具有滤色镜边缘的第一和第二分离滤色镜，用于把输出光束分离成具有较高和较低波长边缘的红色、绿色和蓝色分量；

场透镜，用于把红色、绿色和蓝色分量形成红色、绿色和蓝色光束；

第一、第二和第三旋转棱镜，用于滚动红色、绿色和蓝色光束；

具有滤色镜边缘的第一和第二重新组合滤色镜，用于重新组合红色、绿色和蓝色光束；以及

具有至少一个滤色镜边缘的至少一个源滤色镜，用于在滚动之前消除来自输出光束的不想要的分量；

该分离滤色镜的滤色镜边缘被选择来掩蔽对重新组合滤色镜的光束操控影响。

2.如权利要求1中要求的发光机，其中第一和第二分离滤色镜的滤色镜边缘被选择来截止在第一和第二重新组合滤色镜的相应的滤色镜边缘以外的红色分量的较低波长边缘和蓝色分量的较高波长边缘，从而使得透射的红色和蓝色分量相对地不受到重新组合滤色镜的滤色镜边缘的影响，以及光源滤色镜的滤色镜边缘被选择来消除在红色分量的较低波长边缘与蓝色分量的较高波长区域之间的波长区域中的、来自输出光束的分量。

3.如权利要求1中要求的发光机，其中

第一分离滤色镜反射来自光源的红色光以及透射来自光源的绿色和蓝色光；

第二分离滤色镜反射绿色光以及透射蓝色光；

第一重新组合滤色镜反射绿色光以及透射红色光；

第二重新组合滤色镜反射红色和绿色光以及透射蓝色光。

4.如权利要求3中要求的发光机，其中源滤色镜放置在第一分离滤色镜与第二分离滤色镜之间。

5.如权利要求4中要求的发光机，其中源滤色镜是低通滤色镜。

6.如权利要求5中要求的发光机，其中

光源是UHP灯；

源滤色镜具有约568nm的截止波长；

第一分离滤色镜具有从约593到604nm的截止波长；以及

第二分离滤色镜具有约501nm的截止波长；

第一重新组合滤色镜具有从约574到579nm的截止波长；以及

第二重新组合滤色镜具有约518nm的截止波长。

7.如权利要求4中要求的发光机，其中第一分离滤色镜反射红色和橙色光，以及源滤色镜放置在第一分离滤色镜与第一重新组合滤色镜之间。

8.如权利要求1中要求的发光机，其中源滤色镜是陷波滤色镜。

9.如权利要求1中要求的发光机，其中光源是氙灯。

10.一个滚动彩色投影***，包括：

光调制器板；

如权利要求1提供的用于对所述板进行照明的发光机；

驱动装置，用于按照显示信号驱动该光调制器板；以及

投影透镜，用于把已调制的光照投影到显示面上。

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