专利名称：增加显示器色域的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及用数字数据显示影像的成像装置，具体涉及一种用来改善投影的高分辨率运动图像影像的色域的装置和方法。
背景技术：
有许多不同的色空间被用来描述人的视觉系统。有一种尝试是规定一个可操作的色空间，1931年出版的Commission Internationaldel′Eclairage(International Commission on Illumination)developed the CIE Chromaticity Diagram。这种CIE色彩模型采用了基于标准人类视觉的三色刺激值X，Y，Z。x和y图随后被修改成u′和v′图，图中的等距离代表相等的感觉色移。就色彩感觉和色彩模型有用的背景说明可以参见Billmeyer和Saltzmann的Principles of ColorTechnology，Third Edition，Wiley和Sons以及Dr.R.W.G.Hunt的The Reproduction，Thrid Edition，Wiley and Sons，and inDr.R.W.G.Huns′s The Reproduction of Color，Fifth Edition，Fountain Press，England。
图1表示采用CIE 1976L*u*v*规约的一种熟知的色域图，在u′-v′坐标空间中用可见域100表示感觉的眼-脑色域。将饱和的光谱色完美地绘制在可见域曲线100的“马蹄”形外围。“马蹄”的内部包含色彩混合的所有映像，例如是添加蓝色变成品红的光谱红。马蹄的内部还会包含白色与纯色的混合，例如是添加白色变成粉红的光谱红。由可见域曲线100的“马蹄”曲线所限定的全色区是人类视觉系统可感觉到的全色彩范围。希望能用彩色显示器显示尽可能多的这种区，以便尽可能接近原始场景，就象我们亲临其境时所能看到的感觉一样。
常规的电影显示无论是胶片的大规模商业彩色放映还是彩色电视阴极射线管(CRT)都是在相当完善的色域内操作。仍然参见图1的映像，观察可见域100可以看出，在理论上能够为电影显示提供人类感觉色彩的全范围。电影胶片色移104被绘制在可见域100内，显示用普通胶片介质所获的色彩显示范围有所缩小。NTSC TV色移104显示出采用普通彩色CRT磷光所获的色彩会受到进一步限制。应该注意到，由于NTSC TV色移104的CRT磷光的色彩通常是不饱和的，规定各种磷光色彩的点不是处在可见域100的外围。因此，在实际场景中能够用眼感觉到的色彩诸如绿蓝色和氖桔红色是在CRT磷光系统的色彩范围之外。由图1中可见，用普通胶片或TV介质所能显示的色彩范围比可见域100的全感觉范围要小得多。
供普通电影胶片使用的组成色采用红绿蓝染料(或是其互补的配对青，品红和黄)。供普通彩色电视CRT使用的组成色采用红绿蓝磷光。尽管初步限制了所能显示的色彩，采用这些染料和磷光的装置已经有稳定的改善。然而，从图1所绘制的色移中可见，仍然有余地对电影和TV环境中的近似可见域100进行改进。
随着数字技术和全数字投影系统示范的出现，重新引起了增大所能显示的色彩范围或色移的兴趣，以便提供一种比受到胶片染料或磷光限制的色移更加真实生动的影像。数字照相机投影的最有前途的方案是采用两种空间光调制器(SLM)之一作为成像装置。可以将一种空间光调制器当作光阀元件的一个二维阵列，每个阵列元件对应着一个影像象素。每个阵列元件可单独寻址，并对其进行数字控制来调制由一个光源发射或反射的光。有两种优质类型的空间光调制器可供采用在数字投影和印像装置中成像数字微镜器件(DMD)和液晶器件(LCD)。
Texas Instruments已经演示了采用一或多个DMD的原型投影仪。在诸如美国专利US 4,441,791；5,535,047；5,600,383(全都是Hornbeck的)；和US 5,719,695(Heimbuch)等许多专利中描述过DMD器件。在美国专利US 5,914,818(Tejada等人)；5,930,050(Dewald)；6,008,951中(Anderson)；和6,089,717(Iwai)中描述了对采用DMD的投影装置的光学设计。在美国专利US5,570,213(Ruiz等人)和5,620,755(Smith，Jr等人)中部分描述了LCD器件。
尽管对于采用空间光调制器的彩色显示有一些研究，为了增强特效和提高收视效果，长久以来一直需要进一步展宽投影色域。
面对色域不足的同样问题，印刷工业采用了许多对策来展宽在彩印中使用的染料的比较窄的色域。由于常规彩印使用由白纸反射的光，印刷的彩色显示方法采用一种减色系统。
一般是用加工色青(蓝+绿)，品红(红+蓝)和黄(红+绿)来显示宽范围的色彩。然而，由于缺乏染料的光谱纯度，青，品红和黄的组合不能产生黑色而是提供一种深褐色彩。为了改善阴影区的外观要添加第四种染料黑色。正如印刷业技术人员所知，在全色合成中可以采用底色去除，因为黑色染料比较便宜。因此，当今惯用的彩印是采用上述的四色CMYK(青，品红，黄和黑)方法。
然而，即使是添加黑色，印刷染料所能显示的色彩范围仍是有限的。采用CMYK“加工色”系统仍不能充分产生某些特殊的色彩例如是金属化金或银色，或是在理念和包装中用于统一识别的特殊色彩。为了满足这一需求，可以在选定的印刷过程中添加第五种染料，在图象的特定区域上提供“点色”。许多公司对其产品和统一识别采用这种技术，采用特殊色彩的墨水，并且对包装，广告和理念采用这些色彩，使消费者按这一特殊色彩来识别特定产品。此类解决方案不会增加印刷工艺的整体色域，至少能产生一或多种域外色彩。
在印刷工业中普遍采用对常规CMYK加工色组添加色彩来扩展整体色域的方法。例如，EP0586139(Litvak)公开了一种将采用四色CMYK空间的常规色域扩展到使用五种以上色彩的色彩空间的方法。
参见图1，应该注意到色域基本上是由应该多边形定义的，各个顶点对应着被用做组成色的一个纯色源。多边形的面积对应着色域的大小。为了扩展色域就需要朝可见域100的轮廓移动一或多个这种顶点。例如，添加在用来定义色域的多边形内部的一种色彩不能扩展色域。例如，如美国专利US5,982,992(Waldron)中所述是在印刷工艺中采用一种添加的“域内”色彩。然而，正如美国专利US5,982,992中所述，这种方法不能扩展色域本身，但是能用于其它用途，例如是为不是色域内部的彩色或其它色彩显示提供改进，但是难以用普通的颜色显示。
常规的三色刺激模型例如是上述的CIE LUV模型是在一个三维色空间中的一点表示各个单色，通常采用的三种独立特性是能够用三维坐标空间表示的色相，饱和及亮度。色彩数据例如是在彩色CRT上显示的一个象素的常规影像数据都是用三色成分表示的(例如是R，G，B)。常规的彩色投影胶片是用对红绿蓝照明敏感的三个光敏乳胶层形成影像。由于这些惯用的实践和影像显示格式，数字投影系统的开发商可以遵循一种三色刺激模型。依照惯例，设计者采用各种方案提供色源照明，例如是通过二向色光学镜片过滤明亮的白光源而获得全色影像投影所需的红绿蓝组成色。例如美国专利US6,053,615(Peterson等人)；6,220,713(Tadic-Galeb等人)；和6,254,237(Booth)就是用这种方案设计的投影仪的几个例子。
已经有了采用三色以上光源的一些投影方案。然而，所提出的设计大多数都是不是针对色域扩展的。有关采用三色以上光源的投影仪包括美国专利US6,256,073(Pettit)，它公开了采用滤光轮设备的投影装置，为维持亮度和白点纯度提供四种色彩。然而，在这一构造中添加的第四种色彩不是光谱中的纯色而是白色，用来为显示增加亮度并且减少不良的着色。必须注意到白色是模拟在US5,892,992的印刷设备中添加的“域内”色彩；按照色彩理论，添加白色实际上会缩小色域。同样，US6,220,710(Raj等人)描述了在投影装置中对标准R，G，B光通道增加白光通道。如上所述，增加白光能提供额外的亮度，但是会限制色域。
US6,191,826(Murakami等人)所描述的一种投影仪装置使用由单纯白色光源获得的四色，用添加的第四色橙色来补偿影响到原色绿色路径的光谱分配的不利影响。在US6,191,826的装置中采用的白光源有时候含有明晰的有害桔红色光谱成分。为了对此进行补偿，采用滤光来衰减绿光成分中的有害桔红色成分，获得具有改善的光谱纯度的绿光。而后用补偿所产生的亮度损失的移动来添加作为第四色彩的一种单独的桔红色光。说明中提到作为附带效果能够对色彩范围有一定的扩展。然而，对于色域而言，可以明显地看出US6,191,826中所述的方案不能充分扩展投影装置的色域。从图1所示的色域多边形来看，添加桔红色光会增加第四个顶点，然而所添加的桔红色顶点会非常靠近红绿顶点之间已经形成的线。因此，新形成的色域充其量只能稍稍增大用三种组成色构成的三角形的面积。另外，若是采用US6,191,826中所述的方法，除非能提供纯波长桔红色，不能有其它色彩光的泄漏，色域还有可能稍有减少。
US6,147,720(Guerinot等人)描述了一种具有扩展色域的六色投影系统。然而，US6,147,720中所述的方法有许多缺点。该系统需要能交替透射和反射的复杂的旋转滤光轮，还要高速切换灯来提供没有闪烁的光源。在使用按照所需速度切换的灯时难以获得良好的消光率。即使有多个光源，这种方案内在的不足是色轮过渡的延迟时间。时间限制会减少产生的亮度增益。
US6,280,034(Brennesholtz)描述了一种成像系统，采用白光源和选择偏振成分来提供常规的RGB色彩和互补的青，品红和黄(CMY)光源照明。然而，正如US6,280,034的说明书中所述，添加这些域内互补的CMY色彩尽管不能扩展色域，但是有助于增大域内现有的色彩并且改善白光加RGB溶液的亮度。
由此就能看出，对于投影装置已经有了采用三种以上色彩的方案，然而，这些方案难以获得扩展的色域和大规模投影所需的亮度。正如上述许多方案中所述，添加第四色甚至会使色域有损失。
与上述专利的描述相反，PCT专利申请WO01/95544 A2(Ben-David等人)描述了一种显示装置及采用四种以上饱和色彩扩展色域的方法。按照WO01/95544的一个实施例的指导，是使用色轮为单个空间光调制器分别提供四种以上色彩。该申请的另一个实施例指导由单个光源分离出四种以上组成色的光，并且为各个组成色配置专用的空间光调制器。然而，尽管申请WO01/95544的指导揭示了一种能够改善色域的装置，其中所述的常规设计方案仍然有一些缺点。在多路复用单个空间光调制器来处理三种以上色彩时，特别要关注与显示数据的定时有关的问题。所采用的空间光调制器必须能提供高速刷新性能，高速支持数据处理路径中的成分。为了按维持无闪烁动画显示所要求的速度向空间光调制器加载象素数据，很可能需要并行处理影像数据。还应该注意到常规LCD调制器的稳定时间对各种色彩大约是在10-20毫秒的范围，进一步缩短了有效的投影时间因而会限制亮度。另外，按足够高的速度使用滤光轮来提供连续的组成色还有其它缺点。这种滤光轮的转速要求很高，需要有精确的控制反馈环才能维持与数据加载和设备调制定时精确的同步。在滤色过渡期间的额外“延迟时间”在采用三色滤光轮的装置中是明显的，会进一步降低亮度并使定时同步复杂化。将滤光轮耦合到同样是在光路中高速旋转的一个中性密度滤光器会带来额外的成本和复杂性。这样的现实给申请WO01/95544所指导的滤光轮设计方案带来了能否实用的疑问。变更的方案采用各种色彩专用的空间光调制器会带来其它问题，包括如何对准组成色。按照申请WO01/95544说明书的指导，为各种色彩部署单独的投影系统会造成成本上升，并且对各种显示屏幕尺寸和距离需要单独的对准程序。由单一光源提供照明会使亮度和对比度降低。因此，尽管申请WO01/95544的说明书从理论上对色域扩展有指导意义，所建议的设计方案在实践中仍存在许多明显的缺陷。问题是如何解决三色投影的定时同步，色对准，并维持亮度和对比度，而在尝试采用四种以上组成色时则会更加复杂。另外，常规的组色装置例如是X-立方体，X-棱柱或Philips棱柱仅有供三源色彩的输入轴，不容易用在采用三种以上色彩的装置中。
回到图1，应该注意到当组成色也就是色域多边形的顶点所代表的色彩是光谱中的纯色时，有可能获得最大色域。从图1绘制的色域来看，光谱纯色可以表示成位于代表可见域100的曲线边界上的单点。正如光学领域中技术人员所知，激光器所提供的光源具备光谱纯度。因此认为激光器适合用做数字彩色投影的光源。按照一些常规设计，对激光束进行调制和组合，然后用机电高速垂直和低速水平扫描仪光栅扫描。典型的扫描仪包括用于高速扫描的旋转多面体和用于低速扫描的电流计驱动镜。例如，市场上早已出现了用于大面积室外激光显示的矢量扫描装置，它是用两个电流计扫描仪写出“卡通字母”轮廓。激光器已经配合着空间光调制器被用于数字投影。例如美国专利US5,537,258(Yamazaki等人)就公开了一种具有红绿蓝染色激光器的激光投影系统，用单个共享的空间光调制器来提供成像所需的原色。
已经有了在一个投影仪内使用三个以上激光器的方案，额外的激光器用于彩色投影以外的特殊用途。例如美国专利US6,020,937(Bardmesser)就公开了一种采用多达四个激光器的TV显示系统，然而，第四个激光器提供额外的光源来提高扫描速度而不是第四个色源。在上述美国专利US5,537,258和US5,828,424(Wallenstein)中提出了使用第四泵激光器，所描述的彩色投影系统是使用带倍频器的泵激光源来激发具有常规R，G，B彩色的投影激光器。它所使用的第四激光器也不能添加第四投影色彩。
总之可以看出，对于投影系统而言，尽管有了采用三种以上色彩的方案，仅有申请WO01/95544是为了扩展色域。添加色彩的其它方案会使有效色域变窄。另外，对于采用三种以上色彩的投影装置，常规设计方案不能达到便利，实用和经济的要求。
为了数字彩色投影与常规电影放映技术竞争，采用数字投影装置是有益的，它能够提供比现有色彩范围更宽的色域，不会损失亮度和对比度。希望能增大显示的色域，能够比现有的投影系统更加接近人眼的色域。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有扩展色域的数字投影装置和方法。简要地说，按照本发明一个方面的彩色投影系统包括(a)提供第一色光束的第一光源；(b)用来调制第一色光束的第一空间光调制器，在第一光轴上提供第一调制色光束；(c)提供第二色光束的第二光源；(d)用来调制第二色光束的第二空间光调制器，在第二光轴上提供第二调制色光束；(e)第三光源，用来提供穿透第一色合成器的第三色光束；(f)用来调制第三色光束的第三空间光调制器，提供第三调制色光束；(g)第四光源，用来提供被上述第一色合成器反射的第四色光束；(h)用来调制第四色光束的第四空间光调制器，提供第四调制色光束；(i)偏振分束器，用来将第三和第四调制色光束合成到第三光轴上；(j)第二色合成器，用来合成第一，第二和第三光轴上的光，形成一个多色调制光束；以及(k)投影系统，用来朝一个显示面投影多色调制光束。
本发明的特征在于使用具有高级光谱纯度的光源，能够提供完美的色域。在最佳实施例中使用的光源是激光器，因为它具有内在的饱和色。
本发明的优点在于，与常规的三色激光器加弧光灯式的设备相比，所提供的装置能够为播放数字电影获得更宽的色域。这样就能显示以往的系统不能显示的色彩。
本发明的优点在于采用了本征偏振的激光。因此，在引向LCD空间光调制器时不需要对激光进行滤光和偏振，也就没有滤光损失。另外，由于激光器具有高级光谱纯度，能够获得宽色域。
本领域的技术人员在参照附图阅读过以下的详细说明后就能看出本发明的这些及其它目的，特征和优点，在附图中表示和描述了本发明的实施例。
附图简述尽管说明书包括权利要求书特别指出并且明晰地提出了本发明所要求保护的要点，结合附图从以下的说明中还是能很好地理解本发明，在附图中图1的曲线表示NTSC TV和常规电影胶片的常规色域显示；图2的曲线表示采用本发明方法的一种扩展色域；图3的曲线表示人眼相对于波长的锥体灵敏度；图4a表示仅采用三个激光器的色域；图4b表示选择桔红色作为第四色激光器产生的色域增大；图4c表示选择黄-绿色作为第四色激光器产生的色域增大；图4d表示选择蓝-绿色作为第四色激光器产生的色域增大；图5的示意性框图表示一种采用四个空间光调制器的四色投影系统；图6的示意性框图表示一种采用单一空间光调制器顺序调制色彩的四色投影系统；图7的示意性框图表示一种带Acousto-Optical Modulators(AOM)的四色投影系统，在其中用多边形扫描仪和电流计对产生的调制光束执行光栅扫描；图8a和8b的曲线表示一个X-立方体彩色合成器的透射率；以及图9的示意性框图表示采用DMD空间光调制器的另一实施例。
优选实施例详述本文对按照本发明的装置的元件组成部分特别是配合给出了具体的说明。应该认识到元件不仅限于本文中所述的形式，其各种形式是本领域的技术人员所公知的。
扩展色域的理论背景仍然参见图1的色域映象布置，在其中要注意扩展显示色域的基本策略是挑选靠近马蹄形外围的那些色源。由于激光器能提供光谱纯净而饱和的色源，用于此目的是有效的，并且是最佳实施例的光谱纯净色源。可以直接将激光器色彩映象在位于可见域100的马蹄形曲线上的各点。注意到可以用RGB LED作为替代光源，其光谱基本上是纯净的，然而LED的实际光谱质量和亮度比激光器要差。
参见图2，图中表示了可以用于本发明装置的一种具有四-源色域106的可见域100。借助于四个激光器，本发明能够提供如图所示的可见域100的主要部分。按照最佳实施例，四-源色域106的四个顶点是由以下气体激光器提供的，在图2中表示了对应的顶点顶点108-Helium-Cadmium在442nm顶点112-Argon在488nm顶点114-Argon在515nm顶点116-Kryton在647nm当然也可以选择不同的激光器或具有不同波长的其它光谱纯净和明亮的光源，适当移动一或多个顶点108，112，114，116并相应地调节四-源色域106的形状。
对恰当光源波长的选择取决于可见域100的哪些部分需要处在投影装置的范围之内。所考虑的一个关键因素是人眼的响应。参见图3，图中表示视网膜中色彩受体(锥体)的三种正常灵敏度。用蓝色灵敏度曲线118b表示蓝色响应；用红色灵敏度曲线118r表示红色响应；并且用绿色灵敏度曲线118g表示绿色响应。垂直虚线代表图2中上述顶点108，112，114，116的四种激光器波长。注意到蓝色响应离开比较远，而红色和绿色受体有明显的重叠，根据绿色和红色的特性能够明显区分这一区域内的色彩。需要强调的是彩色投影的目的是要引出眼-脑色彩响应，使其尽可能接近原始场景内容所造成的响应。例如，原始场景物体可能包括会反射太阳光谱内的色彩的浅蓝色-绿色海水。投影提供尽可能接近场景内容的相同眼-脑响应。尽管用蓝色和绿色光源的近似组合也能实现，如图3所示，绿色光源会在无意中刺激眼睛的红色受体。因此，交替使用蓝-绿色光源对这种场景内容可能是最佳的。用图1和2中的CIE色品图最容易从曲线上观察到对预定色域的这一选择的作用。适当选择第四光谱纯净光源能够朝该方向扩展色域。根据图1和2的色品图和图3的特征响应就能看出，尽管由黄色和桔红色波长中选择多个激光器有一定的优点，选择具有蓝-绿色波长的一个额外激光器具有明显的优势。另一种合适的替代是选择一种具有黄-绿色范围内波长的激光器。
图4a-4d用色品图表示如何来选择第四激光器色彩对色域提供最佳的改进。其目的是尽可能增大以色域多边形为边界的面积。图4a表示按440nm，520nm和660nm标称波长的三个激光器得到的色域范围去近似采用RGB激光器色域96的可见域100。与图1中磷光的NTSC TV色域104相比，采用光谱纯净激光器的色域有明显的增大。图4b表示添加600nm桔红色激光器所发生的情况。与RGB激光器色域96相比，桔红色增强色域97没有任何改进，因为桔红色增强色域97的红-绿线几乎与该区域中的可见域100吻合。同样如图4c所示，添加560nm黄-绿色第四激光器只能使图4a中RGB激光器色域96上面的黄-绿色增强色域98稍有增大。反之，若按图4d所示将490nm的第四激光器波长放在蓝-绿色区域中，就能明显增大图4a中RGB激光器色域96上面的蓝-绿色增强色域99。RGB激光器色域96缺少蓝-绿色。因此，在蓝绿色区域中使用额外的色彩对色域有最明显的影响。以图4a-4d为例，绿色波长被随意选择在520nm上。如果这一波长有更多的黄-绿色例如是540nm或550nm，对第四蓝-绿色的最佳选择就可能接近500nm使蓝-绿色增强色域99的面积增大。同样，再添加460nm的第五激光器能够进一步扩展色域。采用这种技术就能通过选择添加更多的光谱纯净色彩不断改善蓝-绿色增强色域99。然而必须注意到，添加的色彩越多，系统的复杂性和成本就越高，可能会抵消扩展色域带来的优点。另外，若在有限的余地内继续这样的程序，色差会有损失，并且作用越来越小。必须承认有一些实际的限制。
投影系统10的最佳实施例参见图5，图中表示本发明一个实施例的投影系统10，四种组成色各有一个调制路径。在图5中，在必要时用后缀字母表示各个调制路径的色彩如下r用于红色调制路径中的成分，g用于绿色调制路径中的成分，b用于蓝色调制路径中的成分，而bg用于蓝-绿色或其它调制路径中的成分。然而，为了便于说明而省略了后缀字母，除非对特定色彩路径有必要加以区别。为了表示偏振取向而采用了标准方法，用双头箭头表示“在纸面上”，而用点符号代表“垂直于纸面”。各色路径具有单独的空间光调制器20和单独的光源12，根据需要添加光调节和偏振处理成分。在最佳实施例中，空间光调制器20是一种反射LCD。
随着蓝色或红色调制路径中的光很容易跟踪各色光调制路径的基本操作。由光源12提供被调制的光源。可以是单独的透镜但多数情况下是一组透镜的均匀化光学镜片14和远心聚光透镜16向偏振分束器18提供远心的光。偏振分束器18透射具有无用偏振状态的光，并引导有用偏振状态的光入射到空间光调制器20上。正如图像处理领域中所公知的那样，空间光调制器20对各个单独的象素采用选择的可变偏振光旋转来调制入射光，提供一个调制色光束。在蓝色和红色路径中由另外的半波片22提供必要的偏振旋转，与来自其它色彩路径的调制光实现兼容。偏振分束器18可以是标准的棱镜式分束器，也可以是美国专利US 6,122,103(Perkins等人)中所述的线格栅分束器。
用一个X-立方体86作为二向色合成器，合成来自三个输入轴的光，沿着一个公共轴O向投影透镜110提供输出的调制多色光，投影透镜将投影系统10形成的影像投影到一个显示面140上。在最佳实施例中，X-立方体86接受s-偏振的红色和蓝色光，但是能通过按绿色或蓝绿色经s-或p-偏振的光。
仍然参见图5，在绿色和蓝-绿色调制路径中对光的处理有一些值得注意的差别。蓝-绿色光源12bg是相对于偏振分束器18g被s-偏振的。二向色镜片87和偏振分束器18g将s-偏振的光反射成空间光调制器20bg的入射光。来自空间光调制器20bg的调制的蓝-绿色光变成p-偏振，然后透过偏振分束器18g到X-立方体86重组和投影。
在绿色调制路径中，光源12g发射的光相对于偏振分束器18g是p-偏振的。由光源12g入射的未调制光束透射过二向色镜片87进入偏振分束器18g。偏振分束器18g向空间光调制器20g发射的入射光是p-偏振光。来自空间光调制器20g的调制光是s-偏振光，并且被偏振分束器18g反射到X-立方体86重组并且投影。注意到空间光调制器20g和20bg是处在偏振分束器18g的不同侧，具有正交偏振的绿色和蓝绿色光束。X-立方体86向投影透镜87发射具有正交偏振的两种色彩绿色和蓝绿色。典型的X-立方体86在红色和蓝色通道中必须具备s-偏振光，唯独“绿色”通道可以采纳两种偏振。在这种情况下将“绿色”通道设计成放过正交偏振的绿色和蓝绿色光束。
参见图8a的曲线，图中表示X-立方体86对接近垂直入射的s-偏振光的效率曲线。值得注意的波长是大约490nm的蓝-绿色光。由图8a中可见，对于s-偏振光，X-立方体86对490nm的效率低于50％，而在大约515-530nm的绿光波长处，X-立方体86的效率接近90％。将这一形态与图8b所示用于p-偏振光的X-立方体86的性能相比较。对于p-偏振的490nm蓝-绿色光，X-立方体86的效率接近90％；对于p-偏振的绿色光，X-立方体86的效率接近95％。因此，通过对光效率的观察就能看出图5中结构的优点，调制的蓝-绿色光具有p-偏振，而调制的绿色光具有s-偏振。
激光器通常是平面偏振和单色的。这种固有的偏振对需要二向色滤光器和偏振器才能使用的灯源产生高效率的增强。二向色滤光器的透射可达80到85％，而偏振器的透射仅有35到40％。因此，在提供偏振光时，灯式投影仪的损失是激光器投影仪的3.5倍。另外，单色性意味着原色是饱和色并且正好在马蹄形外围上，提供可能的最大色域。
图5的最佳实施例容许许多不同类型的部件来执行各种光调节，调制，和偏振处理功能。如上所述，光源12最好是激光器。可用于惯用波长的激光器包括气体激光器，染料激光器和二极管泵固体激光器(DPSS)。也可以采用诸如LED等其它类型的光源。为了配合使用LCD空间光调制器20，光源12必须有足够高的光谱纯度，高亮度等级，和正确的偏振状态。
均匀化光学镜片包括各种小透镜阵列，积分棒，或是适合为空间光调制器20的足够宽视野提供照明的其它光学部件。偏振分束器可以是标准的McNeille棱镜，线格栅偏振分束器，或是其它合适的装置。
空间光调制器20可以采用DMD或其它空间光调制器装置例如是透射LCD，具有对照明和支持部件的必要改变，采用成像技术领域中公知的技术。选择使用投影透镜110和显示面140共同获得优化的投影效果。
参见图9，图中表示了采用四个调制装置的投影系统10的一个实施例红光路径32r的DMD空间光调制器，绿光路径32g的DMD空间光调制器，蓝光路径32b的DMD空间光调制器，和蓝-绿光路径32bg的DMD空间光调制器。同样，绿色和蓝-绿色调制光被引到单轴上通过X-立方体86透射。采用透射LCD的投影系统10用类似的布置将绿色和蓝绿色调制光引到一个公共轴上通过X-立方体86透射。
还有可能省略X-立方体86或其它色彩合成部件，并通过单独的投影透镜将各色调制光束投影到显示面140上。然而，这样的布置会更加复杂和昂贵。
采用连续色彩的变更实施例参见图6所示的另一个实施例，在其中对四种色彩各自采用连续成像。如图5所示采用平行组织的部件，各色路径中专用部件的后缀是r，g，b或bg。在各色路径中由光源12为调制提供光源照明光束。在最佳实施例中，各个光源12相对于偏振分束器18是s-偏振的。透镜27与输出透镜36配合构成一个光束扩展器。用一个快门26控制来自各个光源12的光束。在最佳实施例中，快门26是一个消光率超过1000∶1的声-光调制器。在图6中有四个快门，各色一个，即红光路径快门26r，绿光路径快门26g，蓝光路径快门26b和蓝-绿光路径快门26bg。由一个控制逻辑处理器(未示出)控制快门26r，26g，26b和26bg的定时和顺序。二向色合成器35将来自任一光源12各自轴上的光束引入一个公共光轴O。输出透镜36引导由均匀化光学镜片14也就是一个小透镜阵列或积分棒来调节的照明光束，提供一个均匀的照明视场。远心聚光透镜69将均匀化照明光束引向偏振分束器18和空间光调制器20。用空间光调制器20和最佳实施例中的一个LCD调制照明光束，提供一个调制光束，然后用投影透镜110投影到显示面140上。
对于图6中所示采用的空间光调制器20比光源12要少的实施例，各个组成色需要按顺序成像。采用数字成像领域中公知的技术，按照为感知全色投影要足够高的速度按顺序投影各色调制影像。顺序成像的刷新速度必须超过可见闪变的感知范围。所采用的典型速度是每秒六十个影像以上。
快门26是沿着快速高消光率快门。它们能独立导通。快门26有助于消除串色效应给采用普通灯和滤光轮设计方案带来的麻烦。例如是在提供下一种颜色的整组数据之前在滤色片之间的过渡过程中会发生这种串色。按照常规方案，快门需有快速升起和落下时间及很大的消光率来减少对设计造成困难和高昂费用的串色。
要控制快门26r，26g，26b和26bg，使各个快门26r，26g，26b和26bg在各自的时间间隔内打开，每次仅有一种颜色入射到空间光调制器20上。按照这种布置，根据场景色彩内容还需要禁止一或多种颜色。
采用扫描光栅光束的变更实施例图7表示采用扫描多边形镜片41的另一种变更实施例。光源12r，12g，12b和12bg按照与图6中相同的方式布置。在各色光路径中，光源12引导光通过透镜27提供照明光束。由调制器32r，32g，32b和32bg分别执行对各个光源的调制，它们可以是声-光调制器，电-光调制器或其它适合调制透射光的装置。在图7的实施例中，二向色合成器35合成来自各个光路径的调制光，在公共轴O上提供合成色调制光。然后用输出透镜36引导合成色调制光通过光束整形镜片38，由它将合成色调制光作为聚焦的调制光束提供给多边形镜41。采用激光扫描仪技术领域中公知的扫描技术用一个电机42旋转多边形镜片41，提供一种偏转聚焦的调制光束形成扫描光栅光束的高速水平扫描。由电流计驱动器44驱动的一个电流计驱动镜43为扫描光栅光束提供垂直偏转。投影透镜110将扫描光栅光束引向显示面140。
变更实施例参照图5，6和7所述的实施例主要适用于大规模投影用途，例如是电影院环境。这种大规模用途要求光源12能提供高亮度等级的高度饱和色彩。对于这种用途，激光器能为光源12提供合适的解决方案。然而本发明还可以用其它类型的光源12，特别是不需要大功率。例如是在较小的投影仪或TV设备中，LED就是光源12的一种合适的解决方案。仍然参见图2，LED不能提供窄带激光器的光谱纯度，因而不能提供大的色域。然而，窄带LED能提供本质上的单色，使得在图2所示的色域映象中对应的顶点能够靠近使用激光器所获得的可见域100的曲线上的位置。
同时还要注意到，尽管所述的变更实施例采用了四种色彩，本发明还能扩展到使用五六个以上光源12。然而要意识到这样的布置不仅要求光学部件有紧凑的包装还需要可观的复杂计算来确定在由此获得的色域中如何表示任一特定的色彩。
应该注意到可能有这样的成像条件，对规定的场景或影像所需的色彩少于四种。例如是参见图5，对于某些场景暂时禁止蓝-绿色空间光调制器20bg可能是有益的。一个逻辑部件(未示出)可以分析场景内容数据，根据场景确定在何时切换蓝-绿色空间光调制器20bg。
权利要求
1.一种彩色投影系统，包括(a)提供第一色光束的第一光源；(b)用来调制所述第一色光束的第一空间光调制器，在第一光轴上提供第一调制色光束；(c)提供第二色光束的第二光源；(d)用来调制所述第二色光束的第二空间光调制器，在第二光轴上提供第二调制色光束；(e)第三光源，用来提供穿透第一色合成器的第三色光束；(f)用来调制所述第三色光束的第三空间光调制器，提供第三调制色光束；(g)第四光源，用来提供被上述第一色合成器反射的第四色光束；(h)用来调制所述第四色光束的第四空间光调制器，提供第四调制色光束；(i)偏振分束器，用来将所述第三和第四调制色光束合成到第三光轴上；(j)第二色合成器，用来合成第一，第二和第三光轴上的光，形成一个多色调制光束；以及(k)投影系统，用来投影所述多色调制光束。
2.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述第一，第二，第三和第四空间光调制器是反射LCD。
3.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述第一，第二，第三和第四空间光调制器是透射LCD。
4.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述偏振分束器是一种线格栅分束器。
5.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述第一，第二，第三和第四空间光调制器是选通光阀。
6.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述第一，第二，第三和第四空间光调制器是与多边形扫描仪组合的电光调制器。
7.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述第一，第二，第三和第四光源是红，绿，黄-绿，蓝-绿或蓝色激光器。
8.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述第一，第二，第三和第四光源是由红色LED阵列，绿色LED阵列，蓝-绿色LED阵列，黄-绿色LED阵列和蓝色LED阵列所构成的组中选择的。
9.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述第一，第二，第三和第四光源是由激光器，LED阵列，滤光氙灯和钨灯所构成的组中选择的。
10.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述第一色合成器是一个二向色合成器。
11.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述第二色合成器是一个X-棱镜。
12.按照权利要求1的彩色投影系统，其特征是上述第二色合成器是一个Philips棱镜。
全文摘要
一种采用四色以上的光源(12)来增大投影到显示面(140)上的影像色域的方法和投影系统(10)，其中光源(12)是从高亮度和窄波长特性并且由色域扩展的优选波长中选择的。用于大规模投影环境的光源(12)最好是激光器。较小的系统可以采用LED或其它相对饱和较为明亮的光源(12)。
文档编号G03B21/14GK1459661SQ0313674
公开日2003年12月3日 申请日期2003年5月20日 优先权日2002年5月20日
发明者J·E·罗迪, R·J·佐拉, W·R·马基斯 申请人:伊斯曼柯达公司