专利名称：多源高性能立体投影系统的制作方法
技术领域：
总的来说，本发明涉及一种投影系统，更具体地，涉及一种多源高性能立体投影系统。
背景技术：
自从二十世纪七十年代以来，大格式2D和3D电影投影已经为观众提供了沉浸剧院体验，并且很好地建立了投影技术。大格式(70mm)商业展示者受益于由相同的投影系统展现二维(“2D”)和三维(“3D”)电影的能力。这增加了他/她的投资收益。如果在2D 和3D操作模式下投影系统均能有效地运行，那么经营者能受益。在标准35mm和大格式70mm投影设备之间存在技术上的差别。由70mm/15perf格式提供的大电影画格(film frame)的尺寸造成了所有这些差别。大格式电影画格的尺寸大约是标准35mm电影画格尺寸的十倍。由此，关于大格式投影系统的几乎所有方面一般都比其标准35mm电影画格更大、更快或功率更大。大格式技术的限定特征是所需大功率的照明系统，以照明水平移动的70mm宽胶片。投影系统中的照明系统是运行该系统成本中的重要因素。弧光灯具有有限的使用寿命(1000小时)，因此必须持续地监控弧光灯，并且当其不再符合性能要求时周期性地予以替换。灯的替换是一项潜在危险的任务，需要由受过训练的个人进行谨慎的校准过程。高功率灯消耗非常大量的电能，并产生极大量的热量。热量通常从投影室中排出并排到室外，所以空调必须足够使小投影厅制冷。这就对展示者产生了增加的使用费用。在放映过程中关闭灯以节约成本并不是一个经常可行的选择。标准高能弧光灯一般不能熄灭和重启，才不会对弧光灯的使用寿命造成损害(每次灯开启损失I. 5到2. 5小时寿命)。对于3D投影来说，对照明系统的要求可能加倍还多。在两个通道的一些情况下， 每个眼睛对应一个通道，从两个物理上分离但同步的投影仪同时投影，其中，每个投影仪都具有自己的胶片夹。每个通道可以不同的偏振进行偏振，且两个偏振互相垂直。在其它情况中，单通道用于顺序地投影每个眼睛。通过单通道3D投影仪，投影仪可具有能够交换每个眼睛的偏振器或对于被投影的图像同步使用的活性LCD玻璃。照明的偏振导致与没有偏振的2D投影显示相比超过50%的光损失，同时屏幕亮度需要保持不变。使用活性玻璃还导致与2D投影相比的光损失。这导致在3D和2D显示之间，屏幕亮度存在显著差别。标准弧光灯只可在接近其全额输出功率的状态下工作(以保护灯的使用寿命)，因此，在现有系统中，调节灯的功率以补偿变化的2D和3D的功率要求并不是可行的选择。对于长期荷载的2D投影，存在额外的光无效。对容纳胶片的卷轴单元的物理尺寸的限制要求这些长期荷载的显示在两个不同的卷轴单元之间分离。通过系统的一个通道播放显示的第一部分，然后转换为通过第二通道播放显示的最后部分。与灯点亮相关的不利结果通常导致在整个显示过程中需要上和下通道灯保持开启。大胶片格式不仅要求更有力的照明系统，还要求传送比70mm格式的电影画格大很多的所需均匀性和稳定性的照明系统。大格式照明系统的性能要求超过标准35_系统的要求。一些传统的投影系统使用多个灯。例如，美国专利第4，916，485号披露了具有可用于大格式电影的3D和2D投影的具有并排光源的投影系统。虽然该投影系统使用两个灯，但是对于每个通道只有一个灯，没有提供标准立体投影系统的优点。具体地，没有平衡 2D和3D运行模式之间的光级，而没有发生效率的显著损失的方法。美国专利第3，914，645号披露了用于以照相投影仪的方式使用的多灯单元。‘645 专利提供了单灯投影仪，其具有多个安装在可以旋转的转盘上的“备份”灯以将连续的灯移入工作位置的，从而当其失效时自动替换灯。在美国专利申请第2003/0128427号中披露了用于使用双投影仪灯的系统。其使用双光源和偏振光学器件，以在一个光源和另外一个光源之间选择，每次使用一个光源。美国专利第6，545，814号披露了用于使用集成在集成杆上的棱镜结构结合多个用于电子投影仪的弧光灯源的方法。美国专利申请第2002/0145708号披露了具有广谱光源和窄谱光源的双灯投影机照明系统。窄谱光源是LED，并用于补足广谱光源的频谱，其中，广谱光源具有光谱能量不足的缺点。美国专利第5，997，150号披露了多辐射体照明引擎，其具有对静电印刷机特定应用的全息漫射器并用于以高亮度光照明射空间光调制器。在美国专利第6，341，876中披露了一种用于将两个灯结合进光波导(light pipe)的方法。‘876专利披露了用于弧光灯的抛物面反射镜的使用。‘876专利披露了将两个灯源的输出结合进具有两个直角棱镜的光波导的方法。美国专利第5，504，544号披露了用于使用一系列Fresnel收集和聚焦元件结合多个灯的方法。美国专利第4，372，656号披露了单灯投影仪，其可通过引入偏振装置用于3D 投影机以及2D投影。这些现有的投影系统并没有披露投影系统的3D和2D运行模式之间光级的平衡， 也没有提出这些投影系统的2D和3D操作的效率优化及减少运行成本的方法。在人类视觉系统敏感的频率范围之上的频率范围中光输出的时间稳定性是重要的投影系统特性。闪烁和闪光是由人眼对由频率决定的敏感度与光线输出稳定性共同作用的产物。闪烁是屏幕光级的全局波动(global fluctuation)。当从投影仪输出的总光通量随时间变化时出现闪烁。闪光是屏幕局部的空间波动。当观察到闪光时，照明度在屏幕上局部地变化，而不管从投影仪输出的恒定总光通量。因此，屏幕上一个区域中照明度的减少通过屏幕上别处照明度的增加补偿。引起时间不稳定的弧光灯给基于投影系统的弧光灯照明系统提出了特定的挑战。 这些不稳定性可表现为投影图像的闪烁和闪光。人的感知能力对这些波动尤其敏感，并且人们能够辨别出的时间波动小至二百分之一。这就对照明系统提出了比整个屏幕静态照明均匀性的要求更为严格的要求。为了不减损显示，闪光和闪烁保持在人类检测阈值之下。弧光灯不稳定性可由在灯壳内电弧的位置和形状的调制所引起。这些调制导致照明信号的空间和角度变化。随着照明信号传播通过紊乱(turbulence)区域，壳内的紊乱引起其它局部角度偏离照明。这种灯照明的时间角度调制被在光学系统随后的位置中转换为辐照图样的角度和空间波动，其又被观众感知为闪光或闪烁。随着灯功率的增加及其尺寸的减小，弧光灯的时间不稳定性的量级变得更加剧烈。还知道弧光灯的稳定性随着灯的老化而变差。为了满足大屏幕的照明要求，大功率灯被使用。为了满足紧凑型投影系统的需求，存在使灯尽可能小的要求。紧凑型大功率灯壳内更高量级的对流导致更大量的时间不稳定性。弧光灯输出波动是公认的问题，并且有几种涉及其减少的常规解决方案的实例。 这些方案一般涉及修改或操控驱动灯的电源特性，例如，美国专利第6，525，491号、美国专利第6，479，946号以及美国专利第6，239，556号，或者修改灯壳内的成分，例如日本专利申请第02-01-01 01035447以及日本专利申请第00-77-76 05151932号。减少闪光的光学装置也被一些传统方案所使用。日本专利申请第03-01-00 00066135号披露了多个分立的“半透明反射镜(half mirror) ”，以使由闪光引起的光波动变平。在日本专利申请第00-95-7656149180号中，光敏材料装置与反馈电路一起使用，以控制光敏材料装置的传递(transmission)。美国专利第6，341，876号披露了用于光学地消除投影图像的闪光影响的方法。 ‘876专利披露了在光波导输入处的聚光透镜，具有消除光波导输出处的弧光灯内紊乱区域的图像的明确意图。在标题为“Design Improvement for Motion Picture Film Projectors”(C. L DuMont等人,SMPTE Journal, vol. 110, no. 11,2001)的论文中，作者介绍了将蚬眼集成器 (fly’s eye integrator)应用于35mm电影投影仪的工作成果。该论文论述了蝇眼集成器被提供用于减少投影图像中的灯引起的闪光的优势。还论述了在投影系统中Cermax封闭型光束灯的使用。美国专利申请第2003/0142296号披露了用于通过使用检测器加上集成箱 (integrating box)并且加上位于主镜后面的镜组件来监控光级的装置，其中，该主镜反射朝向光成像装置的可见光的一大部分。该应用披露了需要采样并集合通过主镜传输的光线的10%到50%，以实现足够的信噪比。美国专利第5，818，575号披露了检测弧光灯的空间分布中稳定性的方法，尤其用于光刻投影光学器件。穿过圆平面(wafer plane)或圆平面的共轭(conjugate)平面的照明区域横向放置至少两个检测器。从两个检测器输出的比率指示弧光灯的稳定性。这些参考文件并没有披露抑制在投影图像中由灯引起的闪光和闪烁的照明效率和成本效率方法。如上所述，由于使用紧凑型大瓦数灯，所以这些调制可能比通常的调制处于更高的量级。虽然蝇眼和光波导均化器减少了这些波动，但是制造方法和效率考虑的限制使得充分的均匀化不切实际且效率低下。此外，大物理尺寸的典型70mm格式投影系统使其与标准的35mm投影设备不兼容。 大多数剧场场地是为标准35mm格式投影系统所设计的。剧场经营者考虑到安装现代大格
5式投影装置必须因此考虑更新以转换现有35mm投影厅的因素。这将增加安装费用，扰乱剧场运营，并且拖延安装进程。这些因素可能全部会增加剧场运营者所有权的成本。
发明内容
本发明的实施例包括多源高性能立体投影系统。本发明的投影系统的一个实施例包括第一投影通道；第一光源，能够提供用于第一投影通道的光；以及第二光源，能够提供用于第一投影通道的光，其中，当投影系统处于第二显示模式时，第一和第二光源开启， 以及其中，当投影系统处于第一显示模式时，第一光源开启，并且第二光源处于减小功率的状态。在一个实施例中，第一显示模式是二维显示模式，以及第二显示模式是三维显示模式。在一个实施例中，当投影系统处于二维显示模式时，第二光源关闭。每个投影通道可使用两个以上的光源。投影系统还可具有第二投影通道；第三光源，能够提供用于第二投影通道的光； 以及第四光源，能够提供用于第二投影通道的光，其中，当投影系统处于第二显示模式时， 第三和第四光源开启，以及其中，当投影系统处于第一显示模式时，第三光源和第四光源关闭。在另一个实施例中，本发明的系统包括投影通道；第一光源，能够提供用于投影通道的光；第二光源，能够提供用于投影通道的光；合成装置，用于将由第一光源和第二光源产生的光结合为合成光；以及蝇眼集成器，用于集成合成光。此处提到的示例性实施例并不用于限制或限定本发明，只是提供帮助理解本发明的一个示例。在详细的描述中对示例性实施例进行讨论，并且将提供本发明进一步的描述。 通过检验说明书可进一步理解由本发明的各个实施例所提供的优点。
当参照附图理解下述详细描述时，更好的理解本发明的这些和其它特征、方面及优点，其中图I示出了投影系统的光学系统的示例性实施例的示意图；图2更为详细地示出了根据本发明一个实施例的一个灯处于工作状态的灯的组图3更为详细地示出了根据本发明一个实施例的两个灯处于工作状态的灯的组合；图4示出了根据本发明一个实施例的通过透镜阵列输入处的光分布在图像框 (image gate)转换为均勻的光斑,而具有最小光损失的方法；图5示出了根据本发明一个实施例的在主灯焦点处的角度和空间调节如何传播穿过第一透镜阵列；图6示出了根据本发明一个实施例的使用光纤集成器以减小图像框处闪光的漫射体；以及图7示出了根据本发明一个实施例的使用光纤集成器以减小胶片框处闪光的漫射体。
具体实施例方式绪论本发明的实施例包括多源高性能立体投影系统。本发明具有多个实施例。通过介绍和实例，本发明的一个示例性实施例为提供了一种投影系统，其具有每个通道包括诸如弧光灯的多个光源的小型照明系统，并且公开了光源操作策略以最优化系统效率、性能、以及具有双重3D/2D显示模式的投影系统的操作成本，并且为两种操作模式下保持一致的光级。例如，在一个实施例中，立体投影系统具有两个投影通道，其中，每个通道使用两个光源。在该实施例中，当两个通道都被使用时，所有四个光源可用于3D显示模式。在2D显示模式中，当使用单通道时，不使用与该通道相关的光源中的一个或减小两个光源的输出。本发明的投影系统可避免获取、安装和操作高分辨率立体投影系统的高费用，并且还能够有效地投影高分辨率的2D显示。本发明的投影系统可应用于大的和35mm格式电影以及电子投影系统。在一个实施例中，投影系统包括偏振部件，其可以随着立体投影的需要而自动插入和缩进。该系统与光源使用程序相合作来工作，以优化系统效率、降低操作成本、简化系统操作、以及提高显示的可靠性和质量。在一个实施例中，投影系统用于消除由弧光灯壳内的紊乱所引起的图像中的闪光。这通过漫射元件的引入而解决，该漫射元件与“蝇眼”或光纤集成光学器件相合作来工作。虽然蝇眼或光纤集成光学器件减少了这些波动，但是制造方法中的限制使充分的集成不切实际和效率低下。如下文所述，在系统中加入漫射元件，将残留闪光降至显著低于人类视觉系统所能够检测到的水平。除了减少闪光，漫射器还用于提供穿过胶片框更加均匀的照明。本发明的其它方面涉及减少系统的成本和尺寸。在投影系统的一个实施例中，在系统中结合冷光镜和机械挡光板的功能，从而减少了零件数量、系统尺寸以及制造成本。在一个实施例中，投影系统使用简洁且有效的方法以合成每个通道多个光源的输出。给出上述介绍以向读者介绍该应用的全面主旨。本发明决不限于这样的主旨。在下文中描述示例性实施例。示例性系统描述图I示出了投影系统的光学系统的示例性实施例的示意图。图I的实施例示出了通过传送至图像框的胶片在屏幕上生成图像的系统。本发明同样地适用于在图像框使用其它空间光调制技术的电子投影仪，包括但不限于微电机械系统(MEMS)、反射液晶面板 (LCOS)、以及透射型液晶面板或CRT。图I示出了单通道。在一些实施例中，投影系统在同一壳体内具有两个光学系统100,以投影3D内容。照明列由两个光源组成，例如弧光灯组件1A、1B，每个组件都集成有椭圆反射镜 (未示出)。灯1A、1B将它们的灯光直接照射在组合棱镜2的入射面上。在一个实施例中， 棱镜2通过全内反射来改变灯光照明方向。然后，来自两个组合棱镜2的光进入包括全息漫射器3、平行光学器件(collimating optics) 4、透镜阵列对7A、7B、以及中继(relay)光学器件9的集成光学器件。透镜阵列对7A、7B起蝇眼集成器的作用。照明系统的入射光瞳位于透镜阵列7B处。中继光学器件9用于放大透镜阵列的图像以充分照射图像框10并且将光与投影透镜11的光瞳匹配。光有效子系统将不存在可觉察的灯闪烁和闪光的均匀光分布投影到图像框上。通过传送到图像框10中的胶片(未示出)，根据图像框10处的均匀光斑显示期望图像。然后，投影透镜11通过可拆卸的偏振器(polarizer) 12将显示在图像框10的图像偏振器投影到屏幕(未示出)上。位于透镜阵列Ik上游的紫外线滤光镜6抑制破坏性短波的辐射，并且阻止其传播通过蝇眼集成器(7A、7B)并到达图像框10。混合冷光镜/挡光板5设置在透镜阵列对7A、7B的前面。冷光镜/挡光板5具有两个功能滤出照明的红外分量以及起到投影仪挡光板的作用。当翻转或旋转出光程时，光照传送至光束收集器(beam dump) 13，其有效地阻止任何照明离开投影仪。第二冷光镜8反射从透镜阵列对7A、7B射出的光照并将其沿着由投影透镜11限定的光轴射出。其还起到二次冷光镜的作用，滤出剩余在照明中的任何残留IR辐射。检测器14可设置在该镜的后面，以监控光级以及诸如闪烁和闪光的时间不稳定性。在一个实施例中，照明系统被设计的足够紧凑以允许将两个分离的通道(例如， 单独的左眼和右眼通道)集成到与每个通道的独立投影仪相对的单投影系统单元中。这能够简化投影系统的控制电路，减少放映室或放映厅中所需地板的空间，以及减少安装时间。灯两个封闭式光束氩弧灯(1A、1B)与椭圆反射镜(未示出)对准以产生电弧聚焦图像。在一个实施例中，Cermax牌密闭式光束弧光灯被用作光源。由perkin elmer制造并出售的这些灯是具有好几种独特的特性的高强度放电灯(弧光灯)，在此处所提到的照明体系中使用具有很大的好处。尽管Cermax灯受到比泡沫灯(bubble lamp)功率低的限制, 但连接至有效照明系统的多个Cermax灯可以达到相同的输出功率。还要介绍优于单个高功率泡沫灯设计的多个显著优点。Cermax灯比泡沫灯更紧凑，并且甚至一对Cermax灯可具有优于单个泡沫灯设计尺寸的优点。这允许更为紧凑的3D投影系统的设计。紧凑系统的重要性是将投影仪安装在现有35_放映厅的需要以及可充分减少安装成本的能力所要求的。此外，在两个通道用于3D显示模式的情况下，较小的投影仪允许左图像和右图像的投影点更加靠近，这可以是性能优点。例如，这可以允许屏幕上图像更好的一致性，并且减少由于高增益屏幕上不同入射角所引起的左眼图像和右眼图像之间的差异，而当观察3D显示时，这两种情况均可导致较少的眼疲劳。另外，紧凑型灯允许左通道和右通道集成在单个投影仪中。虽然机械不同的左和右光学系统可使得投影点之间的间隔较小，但是整个投影系统将变的更大并且由于不同元件更高的存货成本而使得制造成本更加昂贵。Cermax灯与制造时与由阴极和阳极限定的弧隙预校准的集成反射器一起制造。外部数据特征有助于弧光灯和光学系统之间精确的对准。由Cermax灯发出的光的光学扩展量(etendue)小于由每个灯所观测到的胶片框(film gate)的光学扩展量的部分。这种特性在本发明的实施例中以多种方式使用。当与例如下文中所描述的适当设计的照明系统结合时，通过廉价的加工公差可以容易地满足灯需要被定位以实现一致的均匀屏幕亮度的精度。这样就不需要熟练的电影放映员或技师来执行灯的校准，而这是需要训练、技巧以及耐心的任务。这个优点可以减少操作该投影系统的费用，并且确保更稳定和可靠的照明质量。不同于标准弧光灯(为了实现稳定的运行和最大的使用寿命，其通常在全功率或接近全功率下使用)，Cermax灯可在较宽的功率级的范围下操作。另外，在较低功率下运转Cermax灯能够显著地延长灯的寿命。与标准的泡沫灯不同，Cermax灯可以熄灭和重启，对灯的寿命只是很小的损伤。通过用于组合3D/2D照明系统的灯操作策略的应用，可以利用这些性能以显著地改善系统性能。对于使用双通道系统的3D显示模式，通过线性偏振器可偏振每个通道。结果每个通道中的偏振损失一般大于50%。对于2D显示模式并不需要偏振器，由此，如果拆下偏振器，对于2D显示模式也不会产生偏振损失。类似地，如果3D投影系统使用活性玻璃，也会产生照明损失。通过本发明的投影系统，可使用灯使用策略以最优化该投影系统的运行成本。对于3D显示模式，对于双通道系统中的每个通道(或单通道系统中的单通道)，操作两个灯以提供高照明功率，从而克服了偏振或其它照明损失，例如当使用时序3D时所产生的损失。两个灯可以在显著低于其全功率的水平上运行以延长寿命。连接至反馈或控制系统的传感器(例如，图I中所示的检测器14)可以监控每个灯的输出。随着灯的老化，增加灯的驱动电流可以补偿输出电平的减小。输出偏振光的电子投影仪(例如，LCOS和LC投影仪)可以被设置为与2D显示相比只以较小的亮度损失就可呈现3D图像。在该系统中，并不需要克服偏振损失。然而，由于3D显示中的重像，需要减小光级。重像是当光线进入不正确的眼中时，观察者所看到的双重图像。在3D显示中，在感觉到的重像和亮度之间存在折中。具体地，感觉到的重像随着亮度的减少而减少。在这种情形下，期望以与上述相反的方式来操作灯。对于2D显示需要更多的光输出，导致需要开启两个灯。对于3D显示需要较少的光输出，使得允许以减小的功率级操作单个灯或两个灯。对于双通道系统中的2D显示模式，仅需要运行投影通道中的一个。如果选择第一通道，其偏振器被取消，并且第一通道中的一个灯可以减小的功率(例如零功率，所以其熄灭)来运行。第二通道中的两个灯也都熄灭。这使得该系统中的四个灯中的一个处于运行状态，将用于照明的电能需要减少到3D显示模式所需的25%。通过减少的冷却需要、减少的投影室通风和空调负载、以及增加的灯的寿命，获得更高的效率。为了保持两灯相似的灯的寿命，在每次2D显示中交替使用这两个灯。在一个灯失灵的情况下，第二个灯提供快速备份，从而为运行2D显示模式提供备份。对于2D显示，又一个策略是以显著减小的功率 (但大于零)同时操作与投影通道相关的两个灯，这可以延长每个灯的寿命。在一个实施例中，在单显示过程中，投影系统可允许显示模式的转换，例如，在二维显示模式和三维显示模式之间的转换。例如，可在2D显示之前示出3D显示预览尾片(trailer)，以及在2D显示过程中示出3D序列。虽然Cermax灯是该系统优选的光源，但本领域技术人员应该明白，在该系统中可使用其它光源。从多个不同的选择中，容易使用具有与反射镜预校准的泡沫灯的集成模块。 还具有封闭式光束弧光灯的其它选择。具有较小光学扩展量的其它灯(例如，高压汞灯和金属卤化物灯)也可应用在本发明中，以具有较好的优点。也可以使用具有抛物面反射镜的灯，通过使用透镜将其输出聚焦在组合棱镜中。 虽然上述实施例在每个通道使用两个灯，但可选实施例可在每个通道结合两个以上的灯。组合棱镜在一个实施例中，图I中所示的每个组合棱镜2使用全内反射(TIR)以将灯的照明反射到普通光程中。TIR机构避免使用易于损坏的反射涂层，并且提供来自棱镜TIR表面100%的反射。棱镜材料典型但不限于石英，其具有对于从辐射和从与棱镜接触的部件中所吸收热量的较高耐性。抗反射涂层可应用于棱镜的入射和出射面。本领域技术人员应该明白，虽然在一个实施例使用棱镜用于灯组合，但是也可使用包括抛光的铝镜和分色镜的其它组合方法。本领域技术人员还应该明白，根据需要使用棱镜以组合多个灯的输出。例如，组合三个灯的一个方法是分离两个棱镜2，使得从第三个灯输出的光在两个棱镜之间没有偏移的通过。图2通过来自两个灯中IB中的少许选择光更加详细地示出了灯1A、IB的组合(为了示意性的目的，在该图中未示出挡光板，并且假定灯电弧的点源)。注意到，灯焦点(lamp focus) 16相对于随后的平行光学器件4的光轴偏移。关于该光轴的棱镜的定向由如图I中所示的图像框10和投影透镜11形成的拉格朗日算子所表示。图像框10处的拉格朗日算子可用于确定棱镜输出处的光圈15的尺寸，其中，光必须经过该系统并投影在屏幕上。由于连接有不失真的投影透镜的矩形图像框，所以光圈15通常也是矩形的。为了使损失最小化，灯焦点16的偏移量应当与矩形光圈15的长度一致。图2中所示的光圈15示出了矩形光圈15的两维中较大的宽度。来自每个灯1A、1B的光线能够看到整个光圈15的一半。选择灯焦点16相对于光轴的偏移量，使得照明分布在该灯所使用的一半光圈内居中。随着灯的老化以及灯焦点16处照明分布尺寸的增加，光输出将会保持不变，直到由于通过光圈15 和距离灯焦点16最近的棱镜2的顶点所形成的边界使光线逐渐模糊。图3示出了具有来自开启的灯1A、IB的光的灯的组合(为了示意性的目的，在该图中未示出挡光板，并且假定灯电弧的点源)。注意到，对于两个灯1A、1B中的每一个，输出光是校准的，但是由于灯焦点相对于光轴的偏移，从而输出光相对于光轴倾斜一定角度。在这种情况下，为了修正反射照明光束的特性，棱镜2相对于与反射平面相垂直的轴轻微地倾斜。这种倾斜可有助于减少在图像框10处的梯形失真，这种失真由电弧16的图像偏移量所引起并且被设计为将照明光与照明系统的入射光瞳(位于透镜阵列7B处)相匹配，用于提高效率。通过来自两个灯的光会聚进入透镜阵列7A上单个光斑中来示出这种匹配。图2和图3示出平行光学器件4作为单透镜。本领域技术人员熟知，如果需要减少像差，可以由多透镜执行校准。虽然图3示出紧凑的灯组合的示例性实施例，但是本领域技术人员应该明白，这是可替换的。例如，如果灯组件由抛物面反射镜制成，则可通过使灯的输出相对于光轴倾斜使得光束在透镜阵列处叠加来结合灯的校准输出。这种方法可不必如图2和图3的示例性实施例所示的那样紧凑，并且与这些灯相比，由于灯和透镜阵列之间的距离，使得在透镜阵列处光学扩展量增加。该系统中可以添加光学器件以消除低效，但是这样会进一步增加系统尺寸。光束集成器图4示出了透镜阵列7A、7B输入处的光分布在图像框处转换成均匀的光斑并具有最小光损失的方法。两个透镜阵列7A、7B可以相同并校准的，使得第一阵列7A的每一个元件与第二阵列7B上的对应元件使用共同的光轴。选择阵列元件的光圈以匹配将被照明的图像框10的几何形状。透镜阵列对7A、7B和中继光学器件9起到在图像框10上产生均匀的照明分布的作用。有时，称为“蝇眼”的光线均化器的这些部件起到如下作用。两个透镜阵列7A和7B虚拟地由与组合成阵列的独立元件的焦距相等的距离所分离。第一透镜阵列7A的每个透镜元件(或透镜组)在光圈内和第二透镜阵列7B中对应透镜的平面处产生光源图像。然后，第二透镜阵列7B的每个元件形成第一透镜阵列7A的对应元件的光圈图像。 这些子图像通过第二阵列7B的透镜投影为无穷大。中继光学器件9用作将子图像叠加在具有光圈轻微过满(overfilling)的图像框10上，以允许用于光学器件和组件的容差。为了示出图像的组合，图4示出了表示两条主光线的实线以及从阵列中的两个特定透镜组射出的轴光线17。这些光线被示出在图像框10的22处彼此重叠。图4中的尺寸并不表示相对关系。来自透镜阵列7A中每个透镜组的光照射在整个图像框10上。重新参照图3，每个灯1A、1B用于照明整个图像框10。由图像框10的面积和投影透镜11的数字光圈规定光学系统的光学扩展限制量。 使用光学扩展量守恒的规律，选择中继透镜9的焦距以平衡系统紧凑性的竞争目标，限制透镜阵列7A、7B的尺寸以适应制造限制，以及提供充足区域以支持透镜的大阵列。通过在图像框处叠加多个子图像来操作蝇眼光束集成器系统，使得照明分布为第一透镜阵列7A每个独立光圈的照明分布的总和(不相干)。一致性是阵列元件数和独立分数的函数。随着阵列元件目的增加，子图像的合成叠加总和的一致性将得到改善。可将独立透镜的尺寸选择作为均化程度和系统光照效率之间的平衡。更小的透镜可导致更低的填充系数(透镜通光孔径与透镜尺寸的比率)以及散射的增加，因此降低了系统效率。这是在透镜组之间有限尺寸转变区的结果，以及由制造技术所限制的特征。存在许多限制透镜阵列7A和7B中透镜密度的因素。由中继光学器件9的焦距与透镜阵列的焦距的比率给出输出透镜阵列7A比图像平面10的放大倍数。如上所述，中继光学器件的焦距确定阵列总的尺寸。随着阵列中透镜变得越小，由于更小的焦距，必需注意以确保透镜组最终的曲率半径保持在模制光学元件的制造公差限制内。此外，应该理解，为了保持两个阵列之间的相对校准，更小的透镜组将要求更好的侧面和旋转精度，因此增加了制造费用。为了示例性的目的，在图I和图4中示出的中继光学器件9作为单独元件而被绘制出来。本领域技术人员应该明白，满足上述要求的中继光学器件可包括多个透镜以减少像差。本领域技术人员还应该明白，使用在图像框处的调制器类型将影响中继光学器件9 的设计。例如，包括但不限于MEMS、LCOS以及透射型液晶面板空间光调制器需要分色和色彩再合成的光学元件，其又需要中继光学器件设计的焦距和远心要求。在一个实施例中，合成在一个通道中的光源的组合光学扩展量少于由图像平面所限定的光学扩展量。这就确保了第二透镜阵列保持未填满的状态，并且不容易受到光源的精确机械位置以及在集成光源和反射镜组件的制造中所涉及的公差的影响。然后，灯可被替换而不需要实现最佳性能的校准。包括CERMAX灯的DC弧光灯的特性是阴极随着灯的老化而烧接(burn back)。这增加了电极间距，导致光学扩展量的增加。假设合成光学扩展量小于随后光学系统的光学扩展量，则光输出随着灯的使用而保持不变。闪光和全息漫射体弧光灯在弧光灯壳内通常经受电弧位置的持续空间调制。这种调制是由弧光灯壳内的气体紊乱所引起的。另外，随着灯的老化，通常电极会磨损或有凹痕，导致电弧连接点的波动。从弧光灯输出的合成光被灯壳内气体的由密度决定的波动进一步调制。电弧位置的调制与气体中的密度波动相结合导致来自反射镜的角度强度分布的调制。这使得主 (primary)灯焦点16在空间和角度上均被调制。图5示出了主灯焦点16处的角度和空间调制如何传送通过第一透镜阵列7A。准直透镜4用于将主焦点16处的角度调制转换为第一透镜阵列7A的空间调制。类似地，焦点16处的空间调制转换为第一透镜阵列7A处的角度调制。如果其中一个被光源的光学扩展量限制，那么透镜阵列7A处角度调制的第一顺序效果能够调制第二透镜阵列7B处出现的光线过装(over fill)。这在系统中引入了由时间决定的损失，导致图像框处的闪烁。标准的闭环反馈机构可以被使用以消除这种全局 (global)调制。例如，监控从投影仪输出的光的检测器能够发送信号来进行灯的电流控制， 以减少全局调制。在一个实施例中，在光源的合成光学扩展量少于由图像框和投影透镜所限定的光学扩展量的情况下，由于第二透镜阵列7B未充满，所以透镜阵列处的角度调制不影响图像框10处光的稳定性。由灯焦点处的角度调制所引起的第一透镜阵列7A处的空间调制变成局部空间调制或图像框10处的等量闪光。无论灯或光学系统是否限制光学扩展量，这也是真实的。与闪烁不同，标准闭环反馈系统不会减少闪光。图像框10处的调制量通常地少于阵列7A内任意单透镜的调制量，这是因为各个透镜的调制通常是随机的，并且来自多透镜上的光叠加在胶片面上。通过被照射透镜数目的平方根粗略地减少在胶片面处引起的合成时间噪声。 如上所述，透镜阵列的可制造性和发光效率的负面影响对能够用在阵列7A和7B中的透镜的数目产生了限制。期望减少这些由空间决定的时间波动更甚于增加透镜的数目。当灯是新灯时，将闪烁减少到低于视觉检测阈值的水平是首要要求。次要要求是减少闪烁程度，使得随着灯的使用，电弧中更大的不稳定性不会转换为可感觉到的闪烁。在这样的一个系统中，次要要求可能变得重要。反之，普通灯的失效机理是由于增加的弧隙和增加的光学扩展量以及其引起的光损失，Cermax的小光学扩展量在其光学扩展量降低系统性能之前提供弧隙尺寸更多的变化。在一个实施例中，也可通过在低于其全额输出功率的情况下操作来延长Cermax 灯的寿命。结果，期望在根据本发明设计的投影系统中，通过稳定性灯的寿命变得有限，但是光学扩展量并不增加。闪光减少的改善能够进一步增加灯的寿命，使得节约了灯的成本和养护要求。漫射器3的作用是进一步减少空间闪烁并延长弧光灯的寿命，而对蝇眼集成器没有更严格的要求。图5中的示意图披露了当与用于闪光减少的蝇眼集成器合作使用时漫射器3的工作原理。集成灯组件I将其输出聚焦到虚拟(nominal)的形成电弧图像的焦平面 16。光的会聚锥形限定包含灯输出的虚拟壳。反射镜焦平面16处的角度调制通过准直透镜4转换为第一透镜阵列7A处的空间波动。由于焦平面16处照明扰动的限制角偏移，所以在第一透镜阵列7A处存在感生辐照度波动的有限空间范围。这在图5中由虚线表示，示出了从焦平面到第一透镜阵列7A的最大偏移锥形传播的范围。由透镜阵列表面上的锥形投影所限定的区域限定了闪烁可延伸过的区域。
通过在灯I的焦平面16或接近灯I的焦平面16处嵌入设计的漫射器3，并且设计漫射器3使其在超过由灯I的角度扰动锥形所表示的角度范围漫射光，能够消除可感觉的闪光。来自焦点的每一个和所有的基本照明分步(无论是微小的还是混乱的)都被漫射或“模糊”以在透镜阵列处照射更大的区域。这等效于通过漫射器3的响应，在透镜阵列对 7A、7B的入射面上的瞬时辐照度分布进行卷积(convolve)。然后，第一透镜阵列7A上任意点的辐照度分布与表面上临近点的辐照度取平均，平均区域具有由漫射器3的漫射角所限定的尺寸和长度。下面的表I示出了闪光随着相对于漫射量的角扰动量函数的减少。示出了对于具有W的半幅值全宽(FWHM)的高斯散射轮廓的漫射器的简单情况的结果。漫射器 3去除闪光的效率随着角扰动的减少而提高。实际上，已经发现以2. 4kw的CERMAX灯作为光源，具有等于I度的FWHM的高斯漫射器去除80%的现有闪光，在这种情况下，剩余的闪烁低于视觉检测阈值。表I表不灯扰动小于I. 5度的基本光源。表I
权利要求
1.一种闪光降低投影系统，包括a)至少一个光源；b)投影透镜；c)位于所述至少一个光源与所述投影透镜之间的闪光降低漫射器；其中所述闪光降低漫射器定位在I)所述至少一个光源的焦平面处或附近；II)所述闪光降低投影系统的光瞳附近或者该光瞳的任何共轭平面附近；或者III)来自组合装置的光的焦点处或附近，其中来自所述至少一个光源的光被聚焦到所述组合装置。
2.根据权利要求I所述的闪光降低投影系统，还包括位于所述投影透镜与所述至少一个光源之间的集成光学器件。
3.根据权利要求2所述的闪光降低投影系统，其中所述集成光学器件包括蝇眼集成器。
4.根据权利要求2所述的闪光降低投影系统，其中所述集成光学器件包括集成条，并且其中所述闪光降低漫射器定位在所述至少一个光源与所述集成条之间。
5.根据权利要求2所述的闪光降低投影系统，其中所述集成光学器件包括集成条，并且其中所述闪光降低漫射器定位在所述集成条的输入附近。
6.根据权利要求5所述的闪光降低投影系统，其中所述闪光降低漫射器定位在照明中继器的光瞳附近或者所述照明中继器的所述光瞳的任何共轭平面附近。
7.根据权利要求I到6任一项所述的闪光降低投影系统，其中所述闪光降低漫射器是全息漫射器、光散射元件或者衍射元件。
8.根据权利要求I到6任一项所述的闪光降低投影系统，其中所述闪光降低漫射器是设计的漫射器，定位在所述至少一个光源的焦平面处或附近，被配置用于在由所述至少一个光源的角度扰动锥形所表示的角度范围上对来自所述至少一个光源的光进行漫射。
9.根据权利要求8所述的闪光降低投影系统，其中所述至少一个光源是2.4kW CERMAX 灯，并且所述闪光降低漫射器具有半幅值全宽FWHM等于I度的高斯散射轮廓，由此消除 80 %的现有闪光以便使波动低于视觉检测阈值。
10.根据权利要求I到6任一项所述的闪光降低投影系统，其中所述闪光降低漫射器是活动元件。
11.根据权利要求I到6任一项所述的闪光降低投影系统，其中所述闪光降低漫射器是各向异性的。
全文摘要
本发明公开了一种多源高性能立体投影系统。所描述的一个投影系统包括第一投影通道；第一光源，能够提供用于第一投影通道的光；以及第二光源，能够提供用于第一投影通道的光，其中，当投影系统处于第一显示模式时，第一和第二光源开启，以及其中，当投影系统处于第二显示模式时，第一光源开启并且第二光源处于降低功率的状态。
文档编号H04N13/00GK102591125SQ20121003233
公开日2012年7月18日 申请日期2005年5月5日 优先权日2004年5月5日
发明者史蒂文·查尔斯·里德, 马修·阿诺德·奥多尔 申请人:图象公司