专利名称：多色生成的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于从白光源提供彩色分离和照明的装置，例如，微反射镜(DMD)或反射式硅上液晶(LCOS)型成像装置。
背景技术：
目前，用于电影或计算机产生文稿投影的不同类型投影仪市场不断增长。此外，数字摄像机的扩大使用对投影仪的要求也不断增大，它要求投影仪能够显示高质量的照片。
最通用的投影仪类型是基于产生图像的液晶装置。这种方案的缺点是，在屏幕上形成相对低强度的图像，因为LCD至少包含一个偏振滤波器，它能够吸收光源中一半以上的光。此外，每个像素至多仅发射30％的光，因为它仅发射一种基色。因此，大量的光强度损失是这种类型投影仪的固有特征。Philips公司目前生产的LCOS是新型反射式LCD是一个例子，它具有较快的速度和优于透射式LCD。
另一种较为昂贵的方案是基于使用有不同颜色的三个独立控制激光源。
第三种方案在高质量投影仪中是十分流行的，它是基于微反射镜技术，例如，Texas Instruments公司生产的所谓DMD，它是基于光投影到大量的小反射镜上，这些小反射镜适合于反射或不反射通过透镜系统到屏幕上的光。每个反射镜的位置以及每次反射持续的时间和反射光的颜色可以在屏幕上重显图像。因为这种方案是基于反射方式，它的光强远远优于传统的LCD投影仪。
在US Patent No.5,592,188，5,467,146，5,452,024和5,448,314中描述DMD投影仪的例子，而在US Patent No.6,023,309和6,053,165以及US Patent Application No.2002/0159033中描述与LCOS投影仪有关的方案。这些方案的共同点是，它们按顺序投影有不同基色的光，这意味着，白光源中的光在投影到反射式成像装置之间被滤波。因此，产生的光中有2/3的损失，从而使投影图像的亮度有相应的减小。
滤波操作通常是由旋转彩色转盘完成的，如在US 2002/0176055，US 2002/0135862，WO 02/096123和US 2002/0057402中所描述的，其中彩色转盘可以有螺旋状彩色滤波器特征，从而使不同的彩色在反射式成像装置上扫描。如上所述，这导致投影光强的损失，因为每个时刻仅允许一种颜色通过滤波器。在US 2003/0020839和2001/0008470中，提出一种解决这个问题的方案，其中其余的颜色光反射回到与来自光源的光混合的光杆中。该理论的结果应当是，它可以增大发送并通过滤波器的光量。然而，实际上，它仅有有限的效应。
按照已知技术的另一种方案是利用旋转棱镜分离彩色，例如，在ms-2001-095_SPIE_version中Duncan J.Anderson“Uniform colorscrolling color LCoS projection”一文所描述的。这是一种昂贵和复杂的解决方案。
在US Patent Application No.2003/0117592中描述这样一种方案，它利用可移动的全息元件阵列作为滤波器。如在以上已知技术中所描述的，全息滤波器用于提取选取的彩色并把它投影到成像装置上。因此，在这个发明中仅仅约1/3的过滤光到达成像装置。此外，这种方案说明得到滤波操作需要复杂的光学系统。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种彩色分离装置，它可以增大照明成像装置的光量。本发明的另一个目的是提供改进的投影仪，其中利用衍射光学元件分离和控制光。按照独立权利要求所描述的内容可以实现这个目的。
这种方法对照明系统有重大的改进，因为产生的大部分光用于投影通过投影仪的图像。按照本发明的方案还是价廉和容易制作的，且不需要复杂的部件，例如，在US 2003/0020839和2001/0008470中所用的光混合杆。
在WO 02/44673中描述衍射光学元件的理论。从说明书中可以看出，衍射光学元件(DOEs)可以在表面上提供光谱图像。应当明白，此处所用的缩写词“DOE”是指这个国际申请中所述类型的全息和衍射元件。
若提供白光源，则可以投影整个可见光谱到选取区域上的不同部分。在这种情况下，选取的区域是成像DMD或LCoS装置。利用与制作光盘的相同技术，可以容易地制作WO 02/44673中描述的大量DOE，且在批量生产的情况下也是廉价的。还可以利用其他的复制技术，即，基片顶部上的UV可固化聚合物。
按照本发明的一个优选实施例，把DOE放置在旋转部分上，为的是在预定区域上形成重复的波长扫描。DOE可以放置在鼓形表面或平面圆盘形表面上。在这两种情况下，转动DOE，从而使衍射图形以及投影的光谱图形转动，在转动360度之后重复地产生光谱图形。当然，这种图形还可以在较小的圆分段上重复，例如，每转动90度产生重复的光谱图形。
按照本发明的另一个实施例，在视频投影仪中应用分离器，所述投影仪包括有选取光谱的灯；聚焦装置，用于引导光到分离器的选取部分；在所述预定区域内放置的成像装置；和用于投影图像的光学系统。
按照本发明的另一个实施例，提供一种包含彩色分离器的视频投影仪，其中利用DOE元件，也包括有选取光谱的灯；聚焦装置，用于引导光到分离器的选取部分；在所述预定区域内放置的成像装置，所述成像装置与所述彩色分离器同步，用于提供对应于投影到成像装置中每个部分上的颜色的图像；和用于投影图像的光学系统。
按照另一个实施例，提供具有WO 02/44673中所述的聚焦装置的DOE，为的是可以去掉与投影仪有关的一些光学系统，所述文件合并在此供参考。
以下参照附图可以更好地理解本发明，这些附图作为说明本发明的例子。
图1表示彩色图形在成像单元上运动的例子。
图2表示围绕选取轴转动的圆形DOE以及光源和成像装置。
图2a表示图2所示系统的另一个实施例。
图3表示聚焦DOE元件的原理。
图4表示按照一个优选实施例的聚焦DOE。
图5表示传统RGB彩色光谱的强度谱。
图6表示利用按照本发明装置得到3D图像分离的彩色光谱分配。
具体实施例方式
图1中的彩色图形是在成像装置6(例如，DMD)上转动，因此，光谱图形沿环的径向发生位移。若DOE的运动和特性是已知的，则可以知道光到达成像装置上每个部分的波长。因此，这种成像装置可以提供当前颜色的反射或非反射光。
它与现有技术比较有以下的优点，成像装置可以反射现有光谱中任何选取的颜色，因此，可以扩展相对于常规RGB基颜色的图像颜色空间。若把光谱分离成多于3种基色，则可以得到包含颜色和颜色强度的高质量图像投影，这在RGB颜色空间中是不可实现的。在这种情况下，还可以提供有部分反射白光的DOE，为的是增大投影图像中的对比度。此外，去掉颜色之间的过渡，因此，可以延伸成像装置的有效周期。
用于控制成像装置以获得这种特性的控制装置可以基于标准电子学，但此处不再给予详细的描述。然而，它可以配置用于检测选取点颜色的监视检测器，从而使DOE的转动与成像装置同步。或者，可以形成一个或多个DOE图形，用于分割一个或多个波长，并发送其部分的DOE图形到与成像装置耦合的一个或多个监视检测器。
图2表示彩色分离系统的简化图。提供一种有已知发射光谱的光源2，可以引导光通过光阑4到旋转DOE。DOE 1衍射光到成像装置3，该光被分割成彩虹图形。当DOE转动不同部分时，它被光源照明。DOE适合于投影不同的颜色图形，取决于它沿表面的位置。最好是，当DOE转动时，颜色在成像装置上连续地发生位移，例如，当DOE转动时，红光波带在成像装置上运动，且当它到达边缘时，新的红光波带出现在成像装置的相反边缘。实际上，这可以在生产时通过编程DOE实现，例如，使它有重叠的一级和二级衍射图形。
如上所述，当DOE圆盘或鼓转动360度时，成像装置上的颜色图形重复再现。然而，为了生产目的，有利的是在较短的区段上重复再现颜色图形，例如，每隔90度。
为了在真实的投影仪中实现，可以参照引用的文件，它描述有一些自适应的解决方案以实现本发明，由于DOE具有聚焦和光束整形能力，可以去掉某些光学元件。然而，图2所示的本发明原理是按照本发明的优选实施例，因为DOE可以适合于聚焦光谱到成像装置上。
图2a表示包含DOE 1和一些传统光学元件6的另一个方案。如上所述，DOE可以有不同于此处所示平坦环形结构的其他形状。它可以放置在鼓上，或者，它可以由相对于DOE平面上轴倾斜或转动的平面DOE构成，取决于在具体情况下的使用和技术要求。主要的特征是，DOE可以提供成像装置的重复光谱照明。
在这种情况下，DOE可以包含不连续的衍射图形，其中包括大量的小DOE，例如，上述WO 02/44673以及图3和图4中所展示的DOE。通过定制设计合成表面全息图，可以制作DOE，并对它进行编程，用于提供有选取的彩色分离和聚焦的能力。因为它可以利用CD模压设备进行批量生产，可以低成本大批量进行生产，其成本为每个约1美元。
图3中的DOE可以使多种不同的彩色光谱引导到成像装置3。当扫描通过多个不同的DOE时，例如，在按照本发明的圆环或鼓上，光谱在彩色分布的位置上发生位移，为的是改变成像装置接收的光谱。
在图4中，对DOE进行编程，用于发射覆盖整个成像装置的彩色光谱。若按照本发明的DOE圆环包括图4所示连续系列的DOE，则可以在成像装置中得到投影光谱的连续或半连续位移。通过成像装置与DOE光谱的同步，成像装置可以在合适的时间反射正确的颜色，从而使它能够产生任何所需颜色的图像。
此外，若光源的精确光谱是已知的，则可以对DOE或成像装置进行编程，其中考虑到灯的相干色和强度偏差。
按照本发明的另一个实施例，利用产生整个彩色光谱而不仅是宽的滤波器频带，可以得到单个投影仪的3D彩色投影。因此，可以同时投影两个重叠的图像，例如，分离成红，绿和蓝波带编码颜色图像。通过左眼和右眼之前放置的相应滤波器观看投影图像，可以得到3D感觉。例如，利用Fabry-Perot滤波器，可以实现这种滤波器。与偏振基解决方案比较，这个实施例仅要求普通的漫射屏。
图5表示标准RGB光谱，它包括代表每种颜色的相当宽带波长范围。图6表示本发明如何能够区分各个波长和扩展颜色空间，因此，观察者可以利用这两组图像呈现全彩色RGB图像。若给观察者配置一组正确的滤波器，例如，Fabry-Perot滤波器，它能够通过受限制选取波长范围内的光，观察者可能仅仅看到一个投影图像。若给观察者配置两种不同的滤波器，每个眼睛有一种滤波器，则两个眼睛能够看到两个不同的图像。在图6中，虚线代表左眼看到的波长，而连续线代表右眼看到的波长。左眼看到RGB的图像复合物，其波长略微不同于右眼看到的波长。Fabry-Perot滤波器选取两个不同的图像，一个滤波器用于左眼，互补滤波器用于右眼。在本发明系统中通过信号处理和RGB校正，可以矫正颜色。
因此，通过同时投影略微不同波长集合的两个图像，可以投影立体图像。唯一的图像质量损失是投影流明，因为眼睛检测的彩色空间是在标准的RGB彩色空间内。事实上，在所示的例子中，在每个眼睛中仍然允许6种基色的投影，因此，它仍然代表对标准投影仪的改进。
这种3D图像投影仪与已知技术比较有许多优点，因为它仅要求一个有标准漫射屏的投影仪，而不是偏振基3D投影仪所要求的保偏屏，例如，IMAX。
权利要求
1.一种彩色分离器，例如，用于视频投影仪的彩色分离器，包括适合于运动通过光束的表面，该光束包含待分离的多个波长，该表面包含衍射或全息光学元件(DOE)，它适合于至少部分聚焦大部分所述光束到预定区域，所述聚焦光束包含被引导到预定区域不同部分的不同波长，因此，所述衍射/全息光学元件产生重复的彩色图形，例如，连续的彩色光谱，在所述预定表面上扫描的彩色图形作为衍射/全息光学元件运动通过光束的函数。
2.按照权利要求1的分离器，其中该表面是在转动部分上，为的是在预定区域上形成重复的波长扫描。
3.按照权利要求1的分离器，其中该表面是围绕鼓轴可转动的鼓形表面。
4.按照权利要求1的分离器，其中该表面是平面圆盘形表面。
5.按照权利要求1的分离器，其中DOE是由多个聚焦DOE构成，每个DOS用于引导分离的彩色到成像装置的选取部分。
6.按照权利要求5的分离器，其中聚焦DOEs至少是部分重叠的。
7.按照权利要求1的分离器，其中DOE适合于引导一级和二级衍射到成像装置，且当DOE沿运动方向运动时，在这两级衍射之间有平滑的过渡。
8.按照权利要求1的分离器，其中DOE是反射式DOE。
9.按照权利要求1的分离器，其中DOE是透明DOE，用于衍射光透射通过光学元件。
10.按照权利要求1的分离器，其中DOE是由厚膜全息元件构成。
11.按照权利要求1的分离器，其中DOE是由表面全息图构成。
12.按照权利要求1的分离器，其中DOE形成在相对于选取轴倾斜或转动的平坦表面上，用于扫描通过衍射光谱。
13.在视频投影仪中使用按照权利要求1的彩色分离器，所述投影仪包括有选取光谱的灯；聚焦装置，用于引导光到分离器的选取部分；在所述预定区域内放置的成像装置；和用于投影图像的光学系统。
14.视频投影仪包括按照权利要求1的彩色分离器，还包括有选取光谱的灯；聚焦装置，用于引导光到分离器的选取部分；在所述预定区域内放置的成像装置，所述成像装置与所述彩色分离器同步，可以形成对应于投影到成像装置中每个部分上彩色的图像；和用于投影图像的光学系统。
15.使用按照权利要求14的视频投影仪，用于投影立体图像，其中对成像装置编程，可以投影不同波长集合的两个图像，它们代表立体图像，所述两个波长集合对应于全RGB彩色光谱，利用两个自适应滤波装置可以观看所述图像，每个滤波装置允许一个所述波长集合通过。
全文摘要
本发明涉及彩色分离器，和在投影仪中使用这种彩色分离器，特别是用于视频投影仪，包括适合于运动通过待分离光束的表面，该表面包含衍射/全息光学元件(DOE)，它能够引导光束中包含的不同波长到预定区域的不同部分。衍射光学元件在沿运动通过光束的表面上一个方向是基本连续的，且分离彩色的方向取决于沿该表面的位置，为的是在预定区域的每个部分上形成彩色扫描，它取决于衍射表面的照明部分。
文档编号G02B27/10GK1823533SQ200480019919
公开日2006年8月23日 申请日期2004年7月8日 优先权日2003年7月11日
发明者埃伯－拉内·约翰森, 奥德·洛夫豪根, 埃里克·沃尔德 申请人:辛文特公司