专利名称：像素偏移彩色投影系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种投影系统，并更具体地说涉及一种包含微显示器的投影系统，其中，离散的彩色像素的图案在所述微显示器中发生偏移。
背景技术：
微显示器投影系统被越来越多地使用在彩色图像或视频投影设备(例如背投电视(RPTV))中，所述系统使用一个诸如数字光脉冲(DLP)成像仪的反射光引擎或者成像仪。在一个如图1所示出的现有的投影系统中提供一个光源10，在这个例子中，一个UHP灯产生白光(也就是全彩色光谱)。来自光源10的光穿过一个具有多个二向色滤光元件的色轮20，所述每一个二向色滤光元件允许蓝色、绿色和红色当中的一个光带穿过并且反射其他颜色的光。色轮20被旋转，这样蓝色、绿色和红色的光带的时间图案可以穿过色轮。色轮通常旋转得足够快，以便在视频图像的每一帧期间为每个原色提供至少一个原色周期。使色轮旋转得更快或者对一个或多个原色使用多个滤光器段，从而能够产生彩色分离伪像，这使得观看者察觉到显示系统的顺序彩色的性质。举例来说，色乱(其也称之为彩虹效应)是由于光穿过一个旋转的具有顺序的彩色闪烁的色轮而引发的，并且当快速地从屏幕的一侧向另一侧观看时，或快速地将目光从屏幕转向一个屏幕外的物体时，色乱表现为通常跟随在明亮物体后的瞬间的类似彩虹带的闪烁。此外，彩色边缘效应也可以产生彩色分离伪像，所述边缘效应的表现是，在一个穿过屏幕移动的物体前沿处的顺序彩色光束中的三原色中的一种出现闪烁。
一个积分器30接收来自光源10并被允许通过色轮20的光带，并且通过中继光学器件40将其导入全内反射(TIR)棱镜50。TIR棱镜50将光带偏转到一个诸如DLP成像仪的成像仪60上。成像仪调制光束的各个像素的强度，并且通过TIR棱镜50将它们反射回去并进入一个投影透镜系统70。该投影透镜系统70将光像素聚焦在一个屏幕(未图示)上，以形成一个可视图像。一个彩色视频图像是通过三色(蓝、绿和红)中的每一种的像素的快速连续矩阵而形成的，通过观众的眼睛将这些矩阵混合为一个全彩色图像。
与现有技术的实践一致，在整个本说明书中，术语“像素”被用于表示图像中的一个很小的区域或一个点、光透射的对应部分以及产生该光透射的成像仪的部分。
DLP成像仪60包含一个微镜矩阵，该矩阵可以在一个使光反射穿过TIR棱镜50并进入投影透镜系统70的角度以及一个使光偏转从而无法被投影透镜系统70投影的角度之间进行移动。每一个微镜依据该特定微镜的一个连续角度范围反射具有所期望强度的光的一个像素，所述角度范围响应于寻址到DLP成像仪60的视频信号。因此，在DLP成像仪60中，每一个微镜或图像的每一个像素根据一个输入到该成像仪或光学引擎的灰度因数来调制入射光，以便形成一个离散的已调制光信号或像素的矩阵。
然而，现有的DLP成像仪存在着一些问题。色轮浪费了光，因为具有被反射彩色的光通常被丢弃了。而且如前所述，彩色分离或色乱伪像降低了投影系统的图像质量。此外，每一个微镜最多为每一帧的三个色带中的每一个枢轴转动(pivot)12次，这限制了帧速并且对机械可靠性有不利影响。因此，需要一种用于降低色度分离或色乱伪像并且/或者能够提高分辨率和改进可靠性的系统。
发明内容
本发明提供了一种用于投影全彩色图像的投影系统，其使用减少了机械运动和/或增加了分辨率的微显示器。在一个示范性实施例中，该投影系统包含一个具有一个输出端的积分器，在所述输出端中包含一个输出窗口矩阵。一个成像仪调制光的像素。一个光偏移设备偏移光像素矩阵，以便暂时形成一个不同彩色光的重叠的单色像素的图案(该图案可以作为彩色图像来观看)，以及/或者将光像素投影在先前投影的光像素的位置之间从而提高分辨率。
下面将结合附图对本发明进行说明附图1示出了一个现有的数字光脉冲(DLP)投影系统的示意图；附图2示出了一个依照本发明的示范性实施例的投影系统的示意图；附图3是一个来自于附图2所示的投影系统中的积分器的输入端的端视图；附图4是一个附图2和3所示的积分器的输出端的端视图，其示出了在积分器的输出窗口上的单色滤光器的图案；附图5示出了附图3所示的积分器的一个输入窗口；附图6示出了由附图2所示的投影系统所投影的重叠像素的图案；附图7示出了依照本发明的另一个示范性实施例的投影系统的示意图；附图8是一个用于附图7所示投影系统的积分器的输出端的端视图，其示出了在该积分器的输出窗口上的单色滤光器的图案；附图9是一个附图7所示的投影系统的成像仪输出的示图，其示出了连续的填色；附图10示出了依照本发明的一个替换实施例的投影系统的示意图；以及附图11和12分别是附图10所示的投影系统的像素偏移轮的俯视图和侧视图。
具体实施例方式
本发明提供了一种彩色投影系统(例如用于电视显示器)，其由于对单色像素图案的偏移而投影具有增强分辨率的视频图像，并且/或者减少了该投影系统的机械运动。在一个如附图2所示的示范性实施例中，灯110产生白光，并且通过一个抛物面反射镜111将光导入一个积分器120。在一个示范性实施例中，灯110是一个适合在投影显示器系统中使用的高强度多波长输出灯。出于这个目的，一个适合的灯110是UHP灯，其作为用于投影显示器的光源在本领域中是周知的。灯110的光输出被耦合至积分器120。积分器120被形成为一个矩形柱体，其以与成像仪140相对应的给定的矩形长宽比和尺寸将灯的光输出引导向成像仪140。在这个实施例中，积分器120具有一个外表面126，其具有基本上沿其整体延伸的诸如银涂层的反射涂层。参照附图5，积分器120的输入端122具有一个类似的反射涂层，该反射涂层被选择地施加，以便形成一个可以使来自灯的光穿过的透射部分125以及一个在外表面126内部以及沿着外表面126反射光的反射部分123。类似地，参照附图3，输出端128被形成为具有一个反射部分127和多个透射部分或窗口123。所述窗口123可以是多个允许光从内部穿出输出端128的孔径。每一个窗口123具有一个滤光器124，所述滤光器允许所选定的彩色或波段的光穿过，同时阻止其他彩色的光穿过。例如，如图4所示，滤光器124R允许积分器120的红色光输出通过，滤光器124B允许积分器120的蓝色光输出通过，并且滤光器124G允许积分器120的绿色光输出通过。因此，本领域普通技术人员应理解通过在所选择的窗口123上应用选择性的滤光器124，可以使每一个窗口123始终透射相同颜色的光。还应该明白并且理解反射部分127用来将入射光反射回积分器120，并且在各内表面上反射光，以便最终将光重新引导向输出端并穿过窗口123。这用于保留亮度并且降低穿过积分器120的光衰减。
如图3所示，输出窗口123的矩阵位于积分器120的输出端128上，并且被排列为一个矩形网格。每一个输出窗口123具有一个与其关联的单色滤光器124，该滤光器仅透射红、绿、蓝色带中的一个，而反射其他的色带。所述单色滤光器在本领域中是已知的，在此将不再描述。输出窗口123一一对应于DLP成像仪的微显示器，下文中将对其进行描述，并且其尺寸小于或等于单个微显示器的尺寸。因此，每一个经滤光的窗口允许一个其尺寸小于或等于单个微显示器的单色光像素通过。
在一个示范性实施例中，如图4所示，以一个彩色图案的形式提供所述单色滤光器124。输出窗口123的第一行包含交替的红色滤光器124R和绿色滤光器124G，也就是分别仅通过或透射红光和绿光的滤光器。输出窗口的第二行交替地包含绿色滤光器124G和蓝色滤光器124B，也就是分别仅通过或透射绿光和蓝光的滤光器。第三行和第一行相同；第四行和第二行相同；并且依此类推。对各滤光器124进行定位，以便使每一个红色滤光器124R和每一个蓝色滤光器124B在水平方向上以及垂直方向上邻近绿色滤光器124G。
再次参考图2，滤光后的输出窗口123通过一个中继光学系统130使具有不同彩色的单色光像素矩阵通过，并且将其传送到成像仪140上。成像仪140响应于寻址到成像仪140的视频信号来一个像素接一个像素地调制该单色光像素矩阵。在图示的并且在这里描述的实施例中，成像仪140是一个数字微显示器(DMD)，并且更具体地是一个包含矩形微镜网格的DLP成像仪，该成像仪根据被提供给成像仪的像素的信号，交替地沿着投影路径对入射到微镜上的该光像素进行偏转或者使所述光像素偏转离开投影路径。每一个微镜被定位预定的次数(也就是在一个调制周期内具有预定的位数)，以便调制该帧的该像素的强度。利用沿着投影路径被偏转的光的部分对所述像素进行时间上的调制。例如，在一个调制周期内具有12位的微镜将打开或关闭12次(也就是说，该微镜将被枢轴转动到打开位置或关闭位置12次)。一个具有12位并且被打开6次的像素或微镜将投影具有最大强度的一半的光像素。因此，成像仪140沿着最小运动投影系统的投影路径偏转一个在时间上经调制的单色光像素矩阵。
一个中继反射镜150被定位在投影路径中，以便将时间调制后的单色光像素矩阵反射至一个投影透镜系统160，所述投影透镜系统接着将各光像素投影在一个屏幕(未图示)上，以形成一个可见图像。所述中继反射镜150被配置为枢轴转动一个很小的角度，以便在屏幕上将所述像素垂直偏移一个像素位置。因此，连续的光像素在第一个像素位置处是红色的，而在矩阵被偏移之后是绿色。所述偏移在单个帧内发生，因此人眼将两个光像素混合在一起，从而形成一个同时包含红光和绿光的单个光像素。当投影一个纯白图像时，该像素将变成青色(R/G)，如图6所示的那样。在垂直相邻的像素位置上，在反射镜被移动之前和之后，连续的绿色和红色像素被分别投影。在水平相邻的像素位置上，在反射镜被移动之前和之后，连续的绿色和蓝色像素被分别投影。因此，由于反射镜150产生的像素的垂直偏移，一个纯白的图像将交替产生青色(绿和红)的列和黄色(绿和蓝)的列，如图6所示。因为这些列在宽度上仅有一个像素，它们由人眼混合在一起，并且在相邻的像素由观看者的眼睛混合之后，一个彩色图像将被投影以便产生一个全彩色图像。这样，对于每个视频帧而言，所述微镜只需要完成两个调制周期，而不是将三个不同彩色投影在每一个像素位置上所需的三个调制周期。同样，在一个视频帧期间，所述中继反射镜也只需要枢轴转动一次，并且对于在屏幕上偏移像素也只需要非常小的调节。这个最小运动安排降低了功率消耗并且增加了可靠性以及可能提高帧速。
本发明的一个替换实施例在图7中示出。该替换的投影系统包含一个灯110，其用于发射被光学耦合至一个积分器120的白光，所述积分器120通过一个成像透镜130将光输出至一个微显示器32。来自微显示器32的光穿过一个偏移板34到达一个投影透镜160，所述透镜160将图像输出至一个屏幕(未图示)。下面将对该系统中那些与前述实施例不同的部分进行详细说明。
本实施例的微显示器32是一个具有多个微镜的数字光脉冲(DLP)微显示器，所述每一个微镜对应于投影系统中的一个像素。应该明白，每一个窗口123具有一个施加在其输出端上的滤光器29，所述窗口被选择成总是以相同颜色的光照射微显示器32的一个特定微镜。如同在本领域中所周知的那样，所述微显示器32适于用输入视频信号调制每一个像素。微显示器32的像素输出接着通过一个偏移板34。该偏移板34由具有选定厚度的光透射材料构成，该材料与光路形成一定角度，并且被安装成可以在几个输出位置间轻微地枢轴转动。所述偏移板34可以枢轴转动以便通过折射将输出图像偏移一个希望的量，例如在其输出处偏移二分之一或一个像素的长度。一个投影透镜160接收来自偏移板34的输出，并且将其投影在一个屏幕上。
如图8所示，滤光器29按照如下顺序排列在一行中，一个红色滤光器29R之后跟随一个蓝色滤光器29B，之后是一个绿色滤光器29G。沿着该行，该图案接着以红色、蓝色、绿色继续。应该明白，图8所示的阵列只不过是举例说明了该排列的顺序特性，并且可以基于成像仪和系统的需求创建任何尺寸的阵列。第二行开始时是一个绿色滤光器29G并且接着按照红色、蓝色、绿色的彩色顺序继续下去。最后，第三行开始时是一个蓝色滤光器29B，并且之后按同样的图案继续，也就是绿色、红色、蓝色，从而用滤光器填充了整个阵列。
在使用中，微显示器32分别在每一个微镜处接收恒定彩色的光，然后依照视频输入信号调制每一个像素。现在参照图9，其示出了在连续调制间隔期间的投影透镜160的连续输入37。在这些图中，R表示一个红色像素，B表示一个蓝色像素，而G表示一个绿色像素。在第一调制间隔之后，偏移板34被轻微地倾斜，这使得入射在投影透镜160上的光偏移一个选定的间距，在本实施例中，该间距是两个像素的长度或一个微镜的长度。在第二调制间隔中，之前接收红光的像素位置现在将接收绿光，并且之前接收绿光的像素将接收蓝光。类似地，那些之前接收蓝光的像素将接收红光。在第三调制时间间隔中，偏移板34被再次移动，从而使光偏移另一个微镜间距，并将最后的原色添加到每一个像素位置上。接着，偏移板34将图像偏移回一个像素间距或者半个微镜间距，并且重复该处理，以便在先前用三原色当中的每一个照射的最初的像素之间、在相同行内添加像素。这样做具有这样的好处以两倍于每行微镜数的每行像素数来显示每隔一行的像素。接着偏移板24可以被向下偏移一个像素，以便通过重复前述的两个处理步骤来在各行之间进行填充。
在另一个替换实施例中，所述滤光器可以被去除，以使得积分器的输出配置为如图3所示，从而积分器使所有颜色的入射光穿过每一个窗口28，并且一个色轮可以重新被添加进该系统中并且按照图1所示的方式定位。在这个实施例中，各种光彩色按照色轮的位置顺序穿过积分器120。微显示器32在每一个调制间隔内调制每一个彩色的整个阵列，并且在连续的调制间隔内调制下一个连续彩色的整个阵列，并且最后在下一个连续调制间隔内调制第三个彩色。这使得能够用每一个彩色对由积分器的窗口28限定的每一个像素进行连续的照射，以便形成一个全彩色图像而不需要移动偏移板34。接着，偏移板34被倾斜或移动，以便填充由积分器输出端上的反射部分27限定的额外的像素，以便提高分辨率。
本实施例有利地使一个微显示器中的微镜阵列顺序地照射投影透镜上的一个相对较大的阵列，从而提高了系统的分辨率。
在又一个替换实施例中，如图10所示，一个投影系统包括一个用于发射被光学耦合至一个积分器120的白光的灯110，所述积分器120通过一个成像透镜阵列130将光输出至一个TIR棱镜31以及一个微显示器32上。来自微显示器32的光通过TIR棱镜31到达一个或多个像素偏移轮234和投影透镜160，该投影透镜将图像输出至一个屏幕(未图示)。现在将对该投影系统所特有的组件进行详细地描述。
灯110、积分器120、中继透镜130、微显示器32和投影投影160与在图7所示并在上文描述的相同。TIR棱镜类似于图1所示并在上文描述的TIR棱镜。
代替在图7所示并在上文描述的偏移板34，本实施例具有一个偏移轮234，其功能是通过折射来偏移单色光的离散像素。如图11所示，一个或多个像素偏移轮234包含一个或多个彼此分离的折射段52，它们在角度方向上被一个或多个非折射段51隔开。像素偏移轮234偏移被微显示器32调制的所有像素的位置，以便将其他彩色的相邻像素定位到相同像素位置上，从而在每一个像素位置上获得所有的三原色，进而降低彩色分离伪像。
如图12所示，所述像素偏移轮234绕轴235枢轴转动，轴235与来自微显示器32的光输出237不平行。相反，像素偏移轮234与光输出237成一定角度，这使得光输出被折射，从而使光输出237中的每一个像素的位置发生偏移。此外，像素偏移轮234基于每一个折射段52的特性将所有像素的位置偏移大致相同的偏移量和方向。随着像素偏移轮234绕着轴235旋转或转动，该轮的不同角度段位于光输出237的路径上，从而产生不同的偏移方向和/或偏移量。所述偏移量和或方向取决于所述一个或多个折射段的分辨率，光输出237行进通过这些折射段。如果偏移发生的频率足够高，人眼将对所有经偏移的像素位置的结果进行集成。在光输出237穿过一个或多个偏移轮234之后，投影透镜160接收所述光输出并将其投影在屏幕(未图示)上。此外，可以通过将像素空间偏移到未经偏移的图像的每一个像素位置之间的位置来提高所显示的图像的分辨率。
在使用中，由于使用图8中示出的滤光器图案，图10所示的微显示器32在每一个相应的微镜上接收恒定颜色的光，随后微显示器32根据视频输入信号来调制每一个像素。现在参照图9，图中示出了在连续的调制间隔器件的连续的投影透镜输入(也就是穿过像素偏移轮234之后的光输出237)。在这些图例中，R表示一个红色像素，B表示一个蓝色像素，而G表示一个绿色像素。当一个非折射段51与光输出237对准时，各像素在未被偏移的情况下进入投影透镜。在非折射段51之后，像素轮234被旋转，以使得第一折射段52与输出光237对准，从而使得入射在投影透镜160上的光偏移一个选定的间距，该间距在本实施例中是两个像素长度。对于该第一折射段52，之前接收红光的像素位置现在将接收绿光，并且之前接收绿光的像素现在将接收蓝光。类似地，在像素偏移轮234旋转之前接收蓝光的那些像素，现在将接收红光。对于与第一折射段不同的第二折射段52，像素偏移轮234再次旋转，从而对光进行偏移，以将最后的原色添加到每一个像素位置上。
可选地，在一个或多个像素偏移轮234上的第三折射段(未图示)将图像偏移回一个像素间距或大约半个微镜间距，并且重复上述处理，以便在先前用三原色当中的每一个照射的最初的像素之间、在相同行内添加像素。这样做具有这样的好处以两倍于每行微镜数的每行像素数来显示每隔一行的像素。一个或多个像素偏移轮234上的第四折射段(未图示)可以被向下偏移一个像素间距，以通过重复之前的两个处理步骤来在各行之间进行填充。
在一个替换实施例中，滤光器可以被去除，使得积分器的输出端将所有颜色的入射光穿过每一个窗口28，并且一个色轮可以重新被添加进该系统中并且按照图1所示的方式被定位。在这个实施例中，各个光彩色按照色轮的位置依次穿过积分器120。微显示器32在每一个调制间隔内调制一种彩色的整个阵列，并且在连续的调制间隔内调制下一个连续彩色的整个阵列，并且最后在下一个连续的调制间隔内调制第三个彩色。这使得能够用每一种彩色连续照射由积分器120的窗口28限定的每一个像素，以便通过使用一个或多个如前所述的像素偏移轮234来形成一个全彩色图像，进而提高分辨率。
上文描述了实施本发明的一些可能性。在本发明的范畴和精神之内，许多其他的实施例是可能的。因此，这意味着之前的描述应被认为是举例说明而不是限制性的，并且本发明的范围是由所附权利要求书及其等效表述给出的。
权利要求
1.一种投影系统，包括一个具有输出端的积分器；一个位于该积分器的输出端出的输出窗口的矩阵；该输出窗口的矩阵上的红色、绿色和蓝色的单色滤光器图案，其通过一个红色、绿色和蓝色的单色光像素矩阵；一个用于调制该单色光像素矩阵的成像仪；以及一个光偏移设备，其用于偏移该单色光像素矩阵，以便在时间上形成一个不同彩色光的重叠的单色像素的图案，该图案可以被看作一个彩色图像。
2.如权利要求1所述的投影系统，其中所述光偏移设备是一个绕小角度枢轴转动的反射镜，该角度足以将单色光像素偏移一个像素位置。
3.如权利要求1所述的投影系统，其中所述光偏移设备是一个偏移轮。
4.如权利要求3所述的投影系统，其中所述偏移轮包含在角度上连续的折射部分和非折射部分。
5.如权利要求4所述的投影系统，其中所述偏移轮绕一个轴旋转，所述轴与积分器的光输出成一个角度，并且所述折射部分包含光学透射材料，所述材料与该光学透射材料的厚度成比例地折射其上的入射光。
6.如权利要求1所述的投影系统，其中四分之一的输出窗口具有第一彩色的滤光器并且实质上是等距离间隔开的，四分之一的输出窗口具有第二彩色的滤光器并且实质上是等距离间隔开的，二分之一的输出窗口具有第三彩色的滤光器并且实质上是等距离间隔开的，并且每一个具有第一和第二彩色的滤光器的窗口在垂直和水平方向上与一个具有第三彩色的滤光器的窗口相邻。
7.如权利要求6所述的投影系统，其中第一彩色是红色，第二彩色是蓝色，并且第三彩色是绿色。
8.如权利要求1所述的投影系统，其中所述滤光器的图案包含交替的行，第一行具有交替的红色滤光器和绿色滤光器，第二行具有交替的绿色滤光器和蓝色滤光器，并且每一行的红色滤光器和蓝色滤光器在垂直方向上与绿色滤光器相邻。
9.如权利要求1所述的投影系统，其中所述成像仪是一个具有矩形微镜网格的DLP微显示器。
10.如权利要求9所述的投影系统，其中所述输出窗口比所述微镜小。
11.一种投影系统，其包含一个光源；一个积分器，其光学耦合到该光源并且在输出端具有一个窗口阵列，以便形成一个离散光像素阵列；一个微显示器，其光学耦合到该离散光像素阵列，以用于调制入射在该微显示器的对应位置上的每一个光像素；一个像素偏移轮，其光学耦合到该微显示器的光学输出，以用于在时间上偏移该光输出。
12.如权利要求11所述的投影系统，其中所述微显示器包含一个微镜阵列，并且来自该积分器的单独窗口的每一个离散光像素被投影到一个对应的微镜上并被该微镜调制。
13.如权利要求11所述的投影系统，其中所述偏移轮包含在角度上连续的各部分，其中包含至少一个非折射部分和一个或多个折射部分。
14.如权利要求12所述的投影系统，其中所述积分器的每一个窗口被一个滤光器所覆盖以便投影不同的单色光的像素，并且所述偏移轮被设置为将不同彩色的像素连续地偏移到同一位置。
15.一种投影系统，包括一个光源；一个积分器，其光学耦合到该光源并且在输出端具有一个窗口阵列，以便形成一个离散光像素阵列；一个微显示器，其光学耦合到该离散光像素阵列，以用于调制入射在该微显示器的对应位置上的每一个光像素；一个偏移板，其光学耦合到该微显示器的光输出，以用于在时间上偏移该光输出。
16.如权利要求15所述的投影系统，其中所述微显示器包含一个微镜阵列，并且来自该积分器的单独窗口的每一个离散光像素被投影到一个对应的微镜上并被该微镜调制。
17.如权利要求15所述的投影系统，其中所述积分器的每一个窗口被一个滤光器所覆盖以便投影不同的单色光的像素，并且所述偏移板可以枢轴转动，以便将不同彩色的像素连续地偏移到同一位置。
18.如权利要求15所述的投影系统，其中所述偏移板是可枢轴转动的，以便将来自所述微显示器的光输出像素投影在由该偏移板在先前位置处投影的阵列的离散像素的位置之间。
全文摘要
一种投影系统，包含一个具有输出端的积分器，在所述输出端处具有一个输出窗口矩阵。在所述输出窗口上设置一个红色、绿色和蓝色的单色滤光器的图案，其通过一个红色、绿色和蓝色的单色光像素矩阵。一个成像仪调制所述单色光的像素。一个光偏移设备偏移该单色光像素矩阵，以便在时间上形成一个不同彩色的重叠光像素的图案，该图案可以看作一个彩色图像。
文档编号H04N9/31GK1868217SQ200480030469
公开日2006年11月22日 申请日期2004年10月15日 优先权日2003年10月16日
发明者D·H·维利斯, B·W·拜尔斯, E·T·小哈尔, M·S·戴斯 申请人:汤姆森许可公司