专利名称：具有改善的彩色平衡的图像投影系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像投影系统，特别涉及一种用来改善由这种投影系统生成的图像的亮度和彩色平衡的方法。
背景技术：
很多年来，使用图像投影系统将动态图片和静态照片投射到观看屏幕上。最近，采用多媒体投影系统的放映在销售演示、业务会议和课堂教学方面已经变得很普遍。
彩色图像投影系统的工作原理是由三种基色，即红(“R”)、绿(“G”)和蓝(“B”)来生成彩色图像。参看图1，现有技术的图像投影系统100包括设在椭球体反光镜104焦点处的基本光源102，产生沿基本光路106传播穿过旋转彩色转盘组件108的多色光光线105(未示出)。彩色转盘组件108包括至少三个滤光器部分，每一个都由基色R、G和B中的不同一个来着色。由基本光源102发出的多色光光线105沿光路106穿过一个集光器件，优选为实心型或空心型的光通道110，以在其出口端生成均匀的光照图形。(在图1中示出的是实心型的光通道110)。光通道110的工作原理是多次反射，从而在具有与最终投影图像具有相同尺寸比例的矩形区域上获得均匀的光强度。光照图被透镜元件系统112成像，被反射而离开光反射面114，然后穿过投影透镜116形成图像。商业上通用的上述这种类型的图像投影系统包括由本申请的受让人俄勒冈州的Wilsonville的InFocus公司制造的LP300系列。
已经投入了大量的努力来研制能够产生明亮的高质量彩色图像的图像投影系统。然而，传统投影仪的光学性能经常不令人满意。尤其是例如在光线很好的场所内使用小型便携式彩色投影仪时，很难获得合适的投影图像亮度。
为了改善投影图像的亮度，图像投影系统一般采用高强度的放电(“HID”)弧光灯来作为基本光源102。图2示出一种实例的HID弧光灯120，它包括被弧隙126隔开的第一电极122和第二电极124，弧隙126的宽度优选在0.8至2.0mm之间。第一电极122和第二电极124以及弧隙126包含在一个充满离子化气体和固体的密封加压室128内。由外部电压源(未示出)施加到第一电极122上的高压脉冲促使包含在室128内的气体和固体离子化，以便产生一种稳态的可逆反应，从而形成等离子体。在弧隙126上产生的电流流动是由外部灯驱动电路来维持，由此维持由稳态可逆反应产生的等离子体。该等离子体发出明亮的多色光。弧光灯120的组成部分置于在玻璃壳130内，导电箔板132连接在电极122和124上来分散热量，从而避免玻璃壳130的破裂。
这样，HID弧光灯就产生高强度多色光的点光源。从而，将HID弧光灯邻近椭球体反光镜放置，就能够以很高的精度将高强度多色光聚焦在彩色转盘上。HID弧光灯具有很多有利的性质，诸如高强度、高效率和可靠性；但不利的是，由HID弧光灯发出的多色光在其发射能量的含量方面并不平衡。尤其是，HID弧光灯在色谱的蓝色端处比在红色端处提供更高的发射能量的含量，从而引起发射能量的不平衡。为了解决这一问题，存在着几种尝试的方法。
一种将照明发射能量不平衡降至最小的尝试是，需要相对于B滤光器部分的角度范围增大彩色转盘R滤光器部分的角度范围(物理尺寸)，和/或相对于R滤光器部分的衰减来增大彩色转盘B滤光器部分的衰减。第二种尝试需要借助于颜色检查电子仪器来降低整体的亮度级以获得用于彩色调节的“头上空间(headroom)”。不幸的是，这些尝试要么会引起暂时的假象，要么会降低图像的亮度。第三种尝试需要给彩色转盘增加一个白光滤光器部分，以提供“白色峰值”功能。添加白光滤光器部分改善了图像的亮度但却导致饱和色亮度的损失。不幸的是，这些光学部件会引起很大一部分光量从基色中漏出。第四种尝试是在投影系统中简单需要使用功率更强的弧光灯。但是，当在小型便携式投影仪中进行实施时，这种方法会引起热量、尺寸、重量、成本和可靠性等问题。
因此，就需要使用改进的技术实现一种具有改善的图像亮度和可调节的彩色平衡、同时能够最小化光损失的一种图像投影系统。
发明内容
因此，本发明的一个目标是提供一种装置和方法，以改善由图像投影系统投影的图像的亮度和彩色平衡，并且最小化图像投影系统的光损失。
本发明的另一个目标是将投影图像的色温调至希望的设置而不会引入可察觉的图像假象、损失比特深度或者可察觉地降低图像亮度。
本发明能够获得由多色光基本光源所照射的、图像投影系统的改善的图像亮度和彩色平衡。本发明需要向图像投影系统添加一个辅助光源，从该辅助光源发出的补偿光与多色光沿基本光路共同传播。该补偿光具有一种发射能量含量，能够将由基本光源引入的发射能量不平衡最小化。例如，在上述提及的彩色光谱红色端处发射能量的含量不充足的情况中，辅助光源能够提供其发射能量含量与红光相一致的补偿光，由此将发射能量的不平衡最小化。
在第一优选实施方案中，辅助光源固定在靠近图像投影系统的集光器件的入口端位置，以便在发生第一次近轴反射的上游位置处补偿光与基本光路重合。将辅助光源固定在靠近集光器件入口端的位置处就能够将光损失降至最小，这是因为只有最少量的多色光入射在集光器件的入口端附近。出于这种原因，该第一优选实施方案的辅助光源就能够改善投影图像的亮度和/或彩色平衡，同时将图像投影系统内的光损失量降至最小。
在第二优选实施方案中，辅助光源耦合到邻近基本光源的反光镜，从而允许由辅助光源发出的补偿光借助于图像投影系统、以具有与基本光源所产生的多色光相同的效率来进行引导。反光镜优选涂覆一层颜色选择性透射涂层，该涂层能够透射由辅助光源发出光的发射能量且反射所有其他的发射能量。从而，这种涂层就将由基本光源发出、穿过固定有辅助光源的区域的光的损失降至最小。
在第三优选实施方案中，可以调节流进辅助光源的电能的量，以便获得希望的色温，而不会引入可察觉的图像假象、损失比特深度或者降低可察觉的图像亮度，其中与第一优选实施方案或第二优选实施方案的教导相同，辅助光源可以被耦合到图像投影系统上。
参看下面附图，从优选实施方案的详细描述中本发明其它的目标和优点将更加显而易见。
图1是一种现有技术彩色图像投影系统的等比例视图；图2是一种现有技术HID弧光灯的放大、概略侧面正视图；图3a是添加到图1现有技术的图像投影系统中的照明子系统的第一实施方案的局部斜视图，其中辅助光源固定在靠近实心光通道的入口端且在第一次近轴反射位置之前的一个位置处；图3b是用可替换的棱镜实施的图3a的照明子系统第一实施方案的放大局部侧面正视图；图4a和4b是用可替换的光纤实施的照明子系统的第一实施方案的不同实现方式的局部侧面正视图；图5是用附着在集光器件上的光纤束实施的图3a的照明子系统的第一实施方案的局部等比例视图；图6和7示出对于所有共轴的方位角，分别表示从图1现有技术的图像投影系统和从图3a或3b的图像投影系统的光通道出射的光强度分布的锥体；图8是第一照明子系统实施方案第一个可替换实现方式的局部斜视图，其中辅助光源偏离实心光通道的一个角；图9是第一照明子系统实施方案的第二个可替换实现方式的局部斜视图，其中辅助光源固定在空心光通道的一个入口端上；图10a、10b和10c是用可替换的集光器件实施的图9的照明子系统的局部侧面正视图；图11a和11b是描绘第一照明子系统实施方案的第三个可替换实现方式的两种结构的局部斜视图，其中多个辅助光源分别固定在实心光通道相对表面的相应角或相对角上；图12是第一照明子系统实施方案的第四个可替换实现方式的局部斜视图，其中多个光源固定在实心光通道的相同表面上；图13a是第一照明子系统实施方案的第五个可替换实现方式的放大、概略侧面正视图，其中实施一对蝇眼微透镜来作为集光器件；图13b是图13a的照明子系统的放大图；图14是照明子系统的第二实施方案，其中辅助光源邻近反光镜设置，且发出与基本光源相耦合的补偿光；图15是图14的照明子系统的第二实施方案的可替换实现方式，其中使用多个辅助光源；图16是一个电流控制器件的简化电路图，该电流控制器件设定由本发明的辅助光源发出的光量。
具体实施方案借助于实例所描述的本发明的各种实施方案，将一个辅助光源定位在图1图像投影系统100的不同位置处，以补偿基本光源102的发射光谱中发射能量的不平衡。熟练的技术人员很容易理解，本发明可以在其它类型的图像投影系统中实施，例如三路投影系统。
图3a示出本发明第一种实施方案的示意图，其中辅助光源140固定在邻近集光器件(优选是光通道110)的入口端142处。辅助光源140优选地包括固态发光器件144如发光二极管(LED)，其发出的补偿光通过光纤146进入光耦合器件，优选是棱镜148。棱镜148引导补偿光以一个合适的角度进入光通道110，从而使补偿光与沿基本光路106传播的多色光光线105重合。在图3a示出的实施方案中，光纤146固定到棱镜148的输入棱镜面150上，该输入棱镜面150基本上与棱镜148所固定于的第一光通道表面152相平行。棱镜148固定在一个靠近光通道110的入口端142的位置，所述入口端142位于发生第一近轴反射的位置154的上游。在发生第一近轴反射的位置154之前提供棱镜148与第一光通道表面152之间的光学接触，使得从光路106进入棱镜148的多色光的损失降至最小。
在图3a中示出的光通道110是一种实例的集光器件；后面将参考该第一实施方案的某些实现方式来详细地描述可替换的集光器件。通常，在图像投影系统中实施光通道来产生具有与最终希望图像相同比例尺寸的均匀光照图形。光通道工作的原理是多次反射，其中透射光反射离开光通道的所有表面，从而在光通道的输出端发出强度基本均匀的光。光通道110优选具有矩形的形状，以便从矩形光通道110的出射端156传播的光具有均匀的光照图形。光通道110优选的是由固体玻璃棒构成。光通道110优选比棱镜148更宽，以使支撑棱镜148的光通道110的总表面区域最小化，由此将来自基本光路106的多色光的损失量降至最小。一种实例的实心光通道有4.5mm×6.0mm×40mm长。
发光器件144可以是任何光源，包括LED、激光器和弧光灯。LED是一种优选的固态发光器件，因为它实际上发出单色光，而且体积紧凑、价格低廉。其发射光的发射光谱与红光相对应的LED典型是发出约30流明的红光。这种附加的红光一般会使沿基本光路106的红光发射能量含量提高百分之十。因而，红光的引入就允许使用具有更小红色部分、更大绿色部分和白色部分的彩色转盘来改善全部光的传输。
光纤146可以由任何适当的材料制成，但优选由塑料或玻璃制成。光纤146可以具有任何适于图像投影系统的尺寸，但优选具有大约1mm的直径，因为这样的光纤比较廉价而且比具有更小直径的光纤更加健壮。光纤146可以具有任何适于图像投影系统的合适形状。在图3a中示出的光纤146是直线光纤。可替换地，光纤146也可以是曲线形的，如图4a中所示。
光纤146可以直接耦合到光通道110。这种耦合可以以任何适宜的传统方式来实现，但下面两种方式中的一种是优选的。在空心光通道的情况下，光纤146的出口端302是邻接光通道110的入口端142，如图4a中所示。在这种可替换方式中，光纤146优选附着在光通道110的入口端142的一个角上，以使由基本光源102发出、反射或折射出光纤146的多色光的损失最小化。在第二种可替换方式中，光纤146的出口端302邻接第一光通道表面152，如图4b中所示。这两种方法都允许从固态发光器件144传播的补偿光从光纤146出射，并与基本光源102发出的多色光重合。
不用将光纤146耦合至辅助光源140也可以获得本发明的这种照明子系统的优点。在没有配置光纤146的照明子系统中，从固态发光器件144传播的补偿光直接进入棱镜148。
可替换地，本发明这种照明子系统的优点也可以这样来获得，即通过提供以光纤束形式的多根光纤146来将固态发光器件144发出的补偿光引导入集光器件内。图5示出多个单独的光纤束，每一个都由多根光纤形成。多根光纤146的末端可以嵌入进集光器件306内，该集光器件306是由折射率与形成光通道110所用材料的折射率相一致的光学材料制成。光纤146相对于光路106以一种角度嵌入，以使光纤发出的补偿光与光通道110内来自基本光源102的多色光重合。光学组件308，包括光纤146和集光器件306，可以固定到光通道110的任一侧(可替换的固定方式用假想线示出)。采用这种可替换实施方案的一个优点在于光学组件208、光纤146和集光器件306能够单个地构建并用光学粘合剂来安置，从而降低制造成本。可替换地，多个光学组件308可以附着在光通道110。
借助于光耦合器件，可以将由固态发光器件144发出并穿过光纤146的补偿光耦合进光通道110内。实例的光耦合器件包括棱镜、玻璃棒和反射镜；然而，优选的光耦合器件是棱镜148。棱镜148优选采用光学透明的粘合剂附着在光纤146上，例如UV固化粘合剂。棱镜148附着到光纤146上，以便通过光纤146引导的补偿光以入射角反射离开棱镜反射面158，其中该入射角使得补偿光与沿基本光路106传播的多色光光线105重合。例如，图3b示出一种实例的照明子系统，其中从光纤146出射的补偿光相对于棱镜148a的棱镜反射面158具有大约45度的入射角，从而使得补偿光在第一近轴反射位置154之前与光路106重合。正如图3b所示，棱镜148a具有相对于光通道表面152成角度倾斜的输入棱镜面150a，用于示意一种由固态发光器件144发出光的可替换传播光路。棱镜148不必具有倾斜的棱镜面，这种实现方式仅仅是实例性的。
棱镜148可以具有适于图像投影系统的任何尺寸或形状。例如，图3a中示出的输入棱镜面150基本平行于其上安装有棱镜148的第一光通道表面152，而图3b中示出的输入棱镜面150a并不平行于第一光通道表面152。
不用将光耦合器件并入辅助光源140就可以获得本发明照明子系统的优点。在没有配置光耦合器件的照明子系统中，补偿光经由光纤146或者固态发光器件144直接射入光通道110中。
在第一反射位置154之前设置棱镜148与第一光通道表面152间的光学接触，使通过入口端142进入光通道110的多色光的损失降至最小，这是因为很少有多色光入射到靠近入口端142的光通道110的侧面上。这种最小化的光损失由图6和7所示的光强度分布的相对关系来进行说明。图6示出图1现有技术的图像投影系统100的光通道110出射的光锥。对于轴上的所有方位角，该光锥近似于由基本光源102发出的多色光的角度光强分布，其中多色光通过光通道110进行传输并在出射端156处从光通道110出射。作为比较，图7的示意图示出图3a或图3b的图像投影系统的光通道110出射的光锥，其中辅助光源140将补偿光引入图像投影系统。图7中示出的光锥近似于由基本光源102发出的多色光的角度光强度分布，其中多色光通过光通道110进行传输，并在出射端156处从光通道110出射。在图7示出的光锥顶部处的凹口160表示由于固定光耦合棱镜148造成的，大约有百分之三的多色光损失。考虑到将辅助光源140包含在本发明图像投影系统中所引起的对应于红光的发射能量含量的总增益，这种光损失是极小的。
本发明第一实施方案的辅助光源140可以在靠近入口端142的任何位置处固定在集光器件上。在靠近集光器件入口端142的位置处固定辅助光源140会引起最小的光损失，这是因为有最少量的光入射到邻近入口端的集光器件上。尽管辅助光源140优选固定在邻近入口端142的任何位置处，但固定在某些位置会带来各种优点，这将在下面进行说明。
图8示出本发明第一种实施方案的第一个可替换的实现方式，其中辅助光源140固定到第一光通道表面152上，且偏移光通道110一个角。该第一个可替换实现方式是特别有利的，因为它能够减少穿过辅助光源140的固定点传播的多色光的损失。
图9示出本发明第一种实施方案的第二个可替换实现方式，其中辅助光源140固定在空心光通道110a的入口端170的表面上。这种可替换实现方式可以向光通道110a的入口端170引入额外的厚度，并由此压紧彩色转盘组件108的间隔，同时这种实现方式也允许使用空心的光通道来可替换图3a、3b和8中所示类型的实心光通道。与在通道输出端处获得相同照明均匀性的实心光通道相比，空心光通道更加廉价，且长度更短。
图10a、10b和10c示出可以用在图9所示图像投影系统中的三种可替换的集光器件。图10a示出使用入射棱镜312，其中入射棱镜312具有一个与光通道110的入口端142成45度角的反射面。入射棱镜312可以与图9中所示类型的空心光通道一起使用，或者与图8中所示类型的实心光通道一起使用。图10b示出在图9的图像投影系统中使用分束棱镜320。分束棱镜320包括一个具有补偿棱镜322的二向色镜316a，该补偿棱镜322以45度角设置在光通道110的入口端142，由此形成一个分束立方体，以允许来自基本光源102的光穿过该分束立方体而不损失。图10c示出使用二向色镜316b，该二向色镜316b与图9的图像投影系统的光通道110的入口端142成一个锐角。
本发明的图像投影系统也可以包括多个辅助光源。多个辅助光源的使用使得用户能够实现更低输出、从而实现更加廉价的固态发光器件，同时能够实现类似于通过使用单个高输出固态光源来减小发射能量的不平衡。可替换方案是，使用多个辅助光源以允许用户通过引入更多数量的补偿光来进一步减小发射能量的不平衡，其中补偿光的发射能量含量可减小发射能量的不平衡。所述的多个辅助光源可以固定在光通道110或110a的任何侧面上，但优选固定在靠近入口端142或170且位于第一近轴反射位置154之前的一个位置处。
图11a和11b示出本发明第一种实施方案的第三个可替换实现方式的两个优选方式，其中多个辅助光源中的一个固定在第一光通道表面152上，而且还有一个固定在与第一光通道表面152相对的第二光通道表面174上。图11a示出一种配置，其中第一辅助光源176固定在第一光通道表面152上，第二辅助光源178固定在第二光通道表面174上，以便第一辅助光源176和第二辅助光源178分别位于光通道110的对角上。图11b示出一种可替换的配置，其中第一辅助光源176和第二辅助光源178分别位于光通道110的相应角上。
图12示出本发明第一种实施方案的第四个可替换实现方式，其中多个辅助光源176和178固定在第一光通道表面152(实线)或第二光通道表面174(假想线)上。
因而，技术人员能够理解，棱镜可以放置在实心或空心光通道的入口表面、任何侧面、或者顶面或底面上。
图13a和13b示出本发明的第五个可替换实现方式，其中实施的是第二种实例集光器件。这种集光器件是一对蝇眼集光板(flyeyeintegrator plate)，每一个都包含一排微透镜，用于产生多个交叠的图像以便将在一个微透镜内产生的任何不均匀都集中到显示器件(DMD)380处。图13a示出本发明的一种实施方案，其中由HID弧光灯10发出的光到达(或入射到)第一组蝇眼微透镜350。每个第一微透镜350具有与显示器件380相同的纵横比。光从第一组蝇眼微透镜350出射并且进入第二组蝇眼微透镜352，该第二组蝇眼微透镜352的每一个在空间上对准相应的第一组蝇眼微透镜350。第二组蝇眼微透镜352将第一组蝇眼微透镜350的孔径成像在显示装置380上。聚光透镜116将在微透镜350处由相应微透镜352产生的多个图像交叠在显示器件380上。第一组蝇眼透镜350和第二组蝇眼透镜352可以分别具有适于图像投影系统的任何尺寸和形状，但优选是4×6mm的矩形。
如图13a所示，辅助光源140固定在靠近第一组蝇眼透镜350的位置处。由固态发光器件144发出的补偿光在到达反射镜360之前优选穿过光收集透镜354、集光通道356和集光成像透镜358。反射镜360可以是金属型或多层介质型。若反射镜360是多层介质型，则它可设计用来在反射补偿光的同时仍旧透射大部分来自基本光源的多色光。从集光成像透镜358出射的补偿光从反射镜360反射，穿过第一组蝇眼微透镜350的其中一个并穿过第二组蝇眼微透镜352的其中一个，该反射使得补偿光的光线与多色光光线105重合。这种可替换实现方式使得第一组蝇眼微透镜350均匀地充满补偿光，从而使由投影器件投影的最终图像具有良好的彩色均匀性。
蝇眼集光板的实施还可以包含一个不带有集光通道356的辅助光源。由此，固态发光器件144发出的补偿光在被反射镜360反射穿过蝇眼集光器件之前穿过光收集透镜354和集光成像透镜358。第一组蝇眼微透镜350的其中一个充满从辅助光源出射的补偿光；从而没有从基本光源102出射的多色光进入第一组蝇眼微透镜350。这种可替换实现方式的一个优点是辅助光器件能够很容易地并入图像投影系统的其它部件上。然而，这种可替换实现方式会导致在最终图像中存在较差的彩色均匀性，这是由于第一组蝇眼微透镜350的不均匀填充所引起的。
如图13b所示，辅助光源可以没有集光成像透镜358。在这种图像投影系统中，固态发光器件144发出的补偿光在反射离开位于集光通道356出射端362附近的反射镜360之前穿过光收集透镜354和集光通道356。借助于全内反射或反射镜涂层，补偿光以45度角反射离开集光通道356的出射端362，并被引导穿过第一组蝇眼微透镜350。
在第二优选实施方案中，辅助光源耦合到邻近基本光源的反光镜，由此允许补偿光以与由基本光源所产生光的相同的效率传播穿过图像投影系统。
图14示出本发明第二实施方案的示意图，其中辅助光源140设置在邻近反光镜104的外表面186，并耦合到基本光源102，优选是HID弧光灯120。辅助光源140发出补偿光束，该补偿光束由光聚焦元件180进行聚焦，并通过位于反光镜104上的补偿光进入区184传播穿过弧光灯120的弧隙126，照射在反光镜104的内表面188。
为了允许补偿光束传播穿过反光镜104，位于补偿光进入区184处反光镜104的内表面188没有涂覆涂层、低反射涂层或者优选的波长选择性透射涂层，其中波长选择性透射涂层用于透射波长等于补偿光波长的光，同时反射波长不等于补偿光波长的可见光。这种补偿光进入区涂层的涂层材料一般不同于涂覆在反光镜104内表面188剩余部分上的涂层材料。内表面188典型地具有金属涂层或介质涂层，以获得图像投影系统100的工作波长范围上最大的反射率。反光镜104优选涂有一层光谱选择性透射涂层，从而该涂层以与由HID弧光灯120所产生的多色光相同的效率透射补偿光，使其穿过图像投影系统，并且该涂层反射由其它光源传输的光。由弧光灯HID120发出的多色光可能在通过反光镜104的补偿光进入区184时遭受损失。该波长选择性透射涂层能将HID弧光灯120发出的多色光的损失降至最低，否则该多色光会穿过未涂覆的补偿光进入区184。
反光镜104优选是由能透射光的材料(诸如玻璃)制成，以便补偿光能够沿其光路传播穿过反光镜壁到达弧隙126。根据设计目标和图像投影系统下游光学部件的具体情况，反光镜104可以具有椭球体、抛物线体、普通非球面体或多面体的形状。因为反光镜104提供照明光束的收集和聚焦功能，所以它优选包括冷光镜。由于反光镜104的外表面186在有效情况下是一个使入射补偿光折射的附加透镜表面，因此外表面186优选是光滑的和受到良好的控制的。其它的细节，诸如尺寸、长度、焦距和热性能取决于图像投影系统的设计目标。
如上面参照本发明第一实施方案所述的，包含在辅助光源140内的固态发光器件可以是包括LED、激光器或弧光灯的任何固态光源。优选的LED，这是因为LED实际发出的是单色光，且体积较小、价格低廉。发出的光的发射光谱与红光相一致的LED一般发射大约30流明的红光。这种附加量的红光通常引起在基本光路中红光发射能量含量增加百分之十。
补偿光可以可替换地用光纤来进行传送，以将来自辅助光源140的补偿光传送至光学聚焦元件180，该光学聚焦元件180将传播穿过反光镜104补偿光进入区184的补偿光收集并聚焦进弧隙126中。
图15示出本发明照明子系统的第二实施方案的一个可替换实现方式，其中多个辅助光源140(未示出)放置在反光镜104的周边，以更均匀地将补偿光分布在照射彩色转盘组件108(未示出)的照明光束内，从而改善补偿光在最终投影图像内的分布均匀性。每个辅助光源140通过弧隙126来进行聚焦并对准，以便每个已经穿过弧隙126的补偿光束不会入射到穿过补偿光进入区184的任何其它补偿光束上。这些辅助光源140的数量、光束尺寸、位置和方位取决于图像投影系统的具体性能目标。
因此，发出补偿光的辅助光源可以固定在本发明图像投影系统的任何上述的位置上，以实现改进的图像亮度和彩色平衡，其中补偿光具有的发射能量的含量可以使得发射能量的不平衡降至最小。添加辅助光源还允许用户控制投影图像的色温，而不会可察觉地降低图像亮度或比特深度。
如图1所示，现有技术的图像投影系统具有一个工作在恒定电流下的基本光源102，从而产生色温为8000-10,000开尔文的图像。因为投影图像的希望色温大约是6500开尔文，所以进行色温调节是必要的。在现有技术的图像投影系统中，色温调节需要丢弃光谱选择光，典型的是绿色波长和蓝色波长范围中的光，通过应用软件来减小对应于这些颜色的光的透射率。然而，丢弃光来实现希望的色温会引起图像投影系统的出射光减少，导致图像亮度随之降低。而且，在光谱上光的选择性配置会在投影图像中产生不希望的阴影假象。
例如，由本申请的受让人俄勒冈州的Wilsonville的InFous公司制造的实例的LP335图像投影系统包括一个45度的白色部分，且具有7100开尔文的色温。为了将色温调节至希望的6500开尔文，就要将每种绿光和蓝光透射减少40％。这种减少会导致图像亮度降低27％、绿色比特深度和蓝色比特深度分别损失40％，从而在投影图像内产生阴影假象。
对照的是，本发明的图像投影系统允许用户获得希望的色温，而不会降低图像亮度或者产生阴影假象。具体地，本发明的图像投影系统允许用户控制流过辅助光源的电能并从而实现色温调节，并且不丢弃光谱选择光。
图16是一种电流控制器件的简化电路图，该电流控制器件设定流过发光二极管144的电流量，从而设定发出的红光的量。参看图16，使彩色转盘组件108的操作和光反射面114的定位同步的控制器(未示出)在特定的时刻向运算放大器402的倒相输入端施加一个电压。放大器402的输出端连接在PNP晶体管404的基极端上，以响应于控制器施加的电压来控制流过它的电流量。晶体管404的发射极端和集电极端分别连接在偏置电压源和发光二极管144的阳极上，以使得电流流过。发光二极管144的阴极连接在采样电阻器406上，该采样电阻器406接地。采样电阻器406的值产生施加在放大器402非倒相输入端的电压。
无论放大器402的倒相输入端和非倒相输入端间何时存在着零稳态的潜在电势差，流过发光二极管144的电流都保持固定在对应于由控制器设定的电压电平的一个值。因而，运算放大器402和晶体管404就起到一个电压-电流转换器的作用，从而设定流过发光二极管144的电流量。在工作中，旋转彩色转盘组件108的R滤光器部分截断从基本光源102传播的多色光线105以增加红光透射量，在此期间，控制器向放大器402的倒相输入端施加一个特定的电压。
因此，由辅助光源140发出的补偿光量就能够被调节来获得希望的色温。参看上述提及的实例LP355图像投影系统，本发明的用户可以通过增大流过辅助光源140的电能的量来获得6500开尔文的希望色温，从而发出45％的总红光。因为补偿光被添加到这种图像投影系统中，所以与现有技术图像投影系统中丢弃补偿光的情形相比，图像的亮度提高4％，而且不会引入图像假象。
很显然，对于本领域的技术人更来说，只要不脱离本发明的基本原理，可以对本发明上述这些实施方案的细节进行很多改变。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求书来限定。
权利要求
1.在包括基本光源的图像投影系统中，其中从该基本光源发出的多色光沿基本光路进行传播，所述多色光具有的发射光谱由多种基色的混合物组成，每一种基色具有一个发射能量含量，一个或多个所述基色的发射能量含量不同于其它基色的发射能量含量，由此对发射光谱中发射能量的不平衡作出贡献，一种减小基本光源中的发射光谱能量不平衡的方法，其中从该基本光源发出的多色光进行传播以改善所述图像投影系统的整体光传输效率并由此改进由所述图像投影系统投影的图像的亮度和/或彩色再现，所述方法包括提供辅助的光源，从该辅助光源传播具有补偿发射能量含量的补偿光，该补偿发射能量含量处于一个弥补所述基本光源发射能量不平衡的光谱范围内，所述补偿发射能量含量具有的强度部分是通过向所述辅助光源施加一定量的电能来确定的；沿所述基本光路设置集光器件；引导所述补偿光，使其与所述多色光组合并在一个位置处与所述基本光路重合，使得具有基本上平衡的发射光谱能量的、代表组合的多色光和补偿光的光从所述集光器件出射，以作为投影图像来进行显示，该投影图像具有对应于所述基本平衡发射光谱能量的彩色再现；和调节施加到所述辅助光源上的电能的量，由此控制所述图像的色温，而不会引起所述投影图像的亮度或彩色再现上的可察觉的降低。
2.权利要求1的方法，其中所述基本光源包括弧光灯。
3.权利要求2的方法，其中所述发射光谱中的发射能量不平衡是由于所述弧光灯发出的对应于红光的发射能量含量不足而引起的；和所述补偿发射能量含量处于包含具有一种强度的红光的光谱范围内，所述红光的强度使得所述发射能量不平衡得到减小。
4.权利要求1的方法，其中所述辅助光源包含一种选自下组的发光器件，该组包括发光二极管、激光器和弧光灯。
5.权利要求1的方法，其中所述集光器件包括光通道，在该集光器件内，通过光通道传播的光经历多次反射，以使从所述光通道出射的光在显示区域内具有基本上均匀的光强度，所述显示区域具有与所述图像投影系统所投影的图像相似的纵横比；所述光通道具有第一侧面、第二侧面和入口端，第一次反射发生在距该入口端较近的位置处；和在第一次发生光反射的位置上游，或者基本上在第一次发生光反射的位置上，所述补偿光与所述基本光路发生重合。
6.权利要求5的方法，其中所述辅助光源包括光纤，所述补偿光穿过该光纤进行传播，在第一次发生光反射的位置上游，或者基本上在第一次发生光反射的位置上，所述光纤光学耦合到所述光通道的第一侧面、第二侧面和入口端其中之一。
7.权利要求6的方法，其中所述光纤具有出射端，而且还包括设在所述光纤出射端和所述光通道之间的反射面，所述反射面将通过所述光纤传播的所述补偿光沿与所述基本光路量合的方向和角度光学耦合至所述光通道。
8.权利要求6的方法，其中所述光纤具有出射端，而且还包括设在所述光纤出射端和所述光通道之间的模制光学材料或元件中的一个，所述模制光学材料或元件中的一个将通过所述光纤传播的所述补偿光沿与所述基本光路重合的方向和角度光学耦合至所述光通道。
9.权利要求1的方法，其中所述基本光源包括具有内表面和外表面的反射镜，其中所述辅助光源位于所述外表面附近，以便所述补偿光在所述基本光路进入所述集光器件的入口之前与所述基本光路重合，由此以与由所述基本光源产生的多色光相同的效率来引导所述通过图像投影系统的补偿光。
10.权利要求9的方法，其中所述反射镜内表面的至少一部分被颜色选择性透射涂层所覆盖，该颜色选择性透射涂层透射所述补偿光的发射能量含量且反射与所述补偿光的发射能量含量不同的光的发射能量含量。
11.权利要求1的方法，其中所述集光器件包括第一和第二蝇眼集光板，每个集光板包含微透镜阵列，其中补偿光填充第一蝇眼集光器的一个或多个微透镜，使得所述补偿光沿与所述基本光路重合的方向和角度被引入图像投影系统中。
12.权利要求11的方法，其中所述补偿光在与所述基本光路重合之前穿过集光通道。
13.权利要求1的方法，其中所述辅助光源包括发光二极管。
14.权利要求13的方法，其中调节施加到所述辅助光源上的电能的量的步骤包括调节流过所述发光二极管的电流的量，从而控制发射光的量。
15.权利要求14的方法，其中由所述发光二极管发射的所述补偿光处于包含红光的光谱范围内。
16.权利要求1的方法，其中所述投影图像的色温介于约6000开尔文和7500开尔文之间。
17.权利要求1的方法，其中施加到所述辅助光源上的电能的量是利用晶体管驱动电压源来调节的。
全文摘要
本发明的图像投影系统改善投影图像亮度和彩色平衡中的一项或者两项。该系统包括辅助光源(140)，从该辅助光源发出的补偿光与从一个基本光源(120)发出的沿基本光路的多色光共同传播。该补偿光具有的发射能量的含量能够将基本光源引入的发射能量不平衡降至最低，且该补偿光具有一种强度，该强度是部分地通过向辅助光源施加电能来确定的。调节施加到辅助光源上的电能的量也就调整了投影图像的色温，而不会可察觉地降低其亮度。
文档编号G03B21/20GK1608228SQ02824558
公开日2005年4月20日 申请日期2002年10月4日 优先权日2001年10月15日
发明者M·彼得森 申请人:因佛卡斯公司