專利名稱：具有非相干光源和激光光源的投影顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及在顯示表面上形成二維圖像的顯示系統(tǒng)，更具體地說，涉及利用由來自非相干光源和激光光源的光照明的空間光調(diào)制器的彩色顯示裝置。
背景技術(shù)：
目前有發(fā)展前途的數(shù)字影院投影和家庭影院系統(tǒng)的解決方案采用如下兩種類型的空間光調(diào)制器(SLM)作為圖像形成裝置面SLM和線SLM。面空間光調(diào)制器具有光閥元件的二維陣列，每個(gè)元件對(duì)應(yīng)于一個(gè)像素。每個(gè)陣列元件是可獨(dú)立尋址的，并以數(shù)字方式進(jìn)行控制以調(diào)制來自光源的透射或反射光。常規(guī)用于在數(shù)字投影和打印裝置中形成圖像的有兩種突出類型的面空間光調(diào)制器數(shù)字微鏡器件(DMD)和液晶器件(LCD)。
已經(jīng)論證了采用一個(gè)或多個(gè)DMD的原型投影機(jī)。在多個(gè)專利中描述了DMD器件，例如1984年4月10日授予Hombeck的美國(guó)專利4441791，標(biāo)題為“可變形鏡光調(diào)制器”；1996年7月9日授予Hornbeck的美國(guó)專利5535047，標(biāo)題為“隱藏活動(dòng)軛的鉸鏈數(shù)字微鏡器件”；1997年2月4日授予Hombeck的美國(guó)專利5600383，標(biāo)題為“扭轉(zhuǎn)樞紐設(shè)在不同于扭轉(zhuǎn)波束層的層的多層可變形鏡器件”；以及1998年2月17日授予Heimbuch的美國(guó)專利5719695，標(biāo)題為“具有上層結(jié)構(gòu)光屏蔽的空間光調(diào)制器”。在以下專利中公開了采用DMD的投影裝置的光學(xué)設(shè)計(jì)Tejada等人的美國(guó)專利5914818，1999年6月22日授權(quán)，標(biāo)題為“配合反射型空間光調(diào)制器使用的偏置投影透鏡”；Dewald的美國(guó)專利5930050，1999年7月27日授權(quán)，標(biāo)題為“用于提供空間光調(diào)制器生成的寬銀幕圖像的變形透鏡”；Anderson的美國(guó)專利6008951，1999年12月28日授權(quán)，標(biāo)題為“具有用于反射型空間光調(diào)制器的固定背組的偏置投影變焦透鏡”以及Iwai的美國(guó)專利6089717，2000年7月18日授權(quán)，標(biāo)題為“投影機(jī)裝置”。在如下專利中部分地描述LCD裝置Ruiz等人的美國(guó)專利5570213，1996年10月29日授權(quán)，標(biāo)題為“將雙反射減到最小的液晶光閥”；以及Smith，Jr等人的美國(guó)專利5620755，1997年4月15日授權(quán)，標(biāo)題為“引入液晶中的傾斜垂直排列”。按照常規(guī)，面SLM由燈或其它寬頻段光源提供濾光光源照明。LCD可以是反射型的(硅基液晶或LCOS)，也可以是透射型的。
線SLM也可視為一維空間光調(diào)制器，它具有一些超過上述二維LCD和DMD面空間光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)。調(diào)制器線陣的固有性能優(yōu)點(diǎn)包括實(shí)現(xiàn)更高分辨率、降低成本和簡(jiǎn)化照明光學(xué)系統(tǒng)的能力。而且，線陣比它們的二維對(duì)應(yīng)物更適合作為激光的調(diào)制器。在1994年5月10日授予Bloom等人的題為“調(diào)制光束的方法和裝置”的美國(guó)專利5311360中描述了光柵光閥(GLV)線陣，它是較早類型的調(diào)制器線陣，為利用例如激光源進(jìn)行高亮度成像提供一種可操作的方案。
近年來，由Kowarz在共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利6307663(2001年10月23日授權(quán)，標(biāo)題為“具有保角光柵器件的空間光調(diào)制器”)中公開了一種由通過周期性序列的中間支撐件懸置于基板上方的帶狀元件構(gòu)成的機(jī)電保角光柵器件。機(jī)電保角光柵器件通過靜電驅(qū)動(dòng)來工作，這使得帶狀元件吻合于支撐子結(jié)構(gòu)周圍，從而產(chǎn)生光柵。‘663的器件已成為人們?cè)絹碓绞煜さ谋＝荊EMS器件，其中GEMS代表光柵機(jī)電系統(tǒng)。保角GEMS器件擁有許多頗具吸引力的特點(diǎn)。它提供具有高對(duì)比度和良好效率的高速數(shù)字光調(diào)制。而且，在保角GEMS器件的線陣中，活動(dòng)區(qū)域較大且光柵周期的取向與陣列方向垂直。光柵周期的這種取向使得衍射光束接近于線陣分散，以及在大部分光學(xué)系統(tǒng)上保持空間上分離，提供高的系統(tǒng)靈活度和允許采用成本較低的光學(xué)器件。當(dāng)配合激光源使用時(shí)，GEMS器件提供優(yōu)異的亮度、速度和對(duì)比度。
2002年6月25日授權(quán)的題為“具有空間分離光束的機(jī)電光柵顯示系統(tǒng)”的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利6411425以及2002年11月5日授權(quán)的題為“具有分段波片的機(jī)電光柵顯示系統(tǒng)”的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利6476848(均授予Kowarz等人)公開了在許多印刷和顯示實(shí)施例中采用GEMS器件的成像系統(tǒng)。與GLV對(duì)應(yīng)物一樣，GEMS器件一次調(diào)制一種顏色和一行圖像。因此，形成彩色圖像需要適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，或者把每種顏色的照明和調(diào)制數(shù)據(jù)排序送到單個(gè)線性調(diào)制器，或者組合分開調(diào)制的顏色圖像。
在采用空間光調(diào)制器的數(shù)字投影顯示器的已知優(yōu)點(diǎn)中，被拓寬的色域使得所顯示的圖像在色彩逼真度和畫面表現(xiàn)方面超過基于膠片或CRT的常規(guī)投影系統(tǒng)所提供的圖像。利用國(guó)際照明委員會(huì)開發(fā)的熟悉的三色刺激CIE色彩模型最容易目測(cè)色域，CIE色彩模型表示標(biāo)準(zhǔn)人眼所感覺的色空間。圖1a表示CIE色彩模型，其中將可見色域200表示成熟悉的“馬蹄”曲線。純的飽和光譜色映射為可見色域200的“馬蹄”形周邊?！榜R蹄”內(nèi)部包括色混合的所有映射，包括純色與白色的混合，如光譜紅色與添加的紅色混合，變成粉紅色。在可見色域200內(nèi)，器件色域202通常由頂點(diǎn)接近可見色域200的曲線的三角形表示。在圖1a中，所繪制的器件色域202近似于例如熟悉的標(biāo)準(zhǔn)SMPTE(活動(dòng)圖像和電視工程師協(xié)會(huì))磷光體的色域。
彩色投影技術(shù)中眾所周知，顯示器件最好提供盡可能多的可見色域200，以便如實(shí)地表現(xiàn)圖像的實(shí)際色彩和提供鮮艷的色彩。顯示屏的組成色[通常為紅、綠和藍(lán)(RGB)]定義器件色域202的多邊形的頂點(diǎn)，從而定義器件色域202的面積和形狀。
那么增加器件色域202的大小的一種基本策略是使用在光譜上純的或者至少具有高的光譜純度的光源。激光由于其固有的光譜純度而對(duì)于將器件色域202最大化特別有利。實(shí)質(zhì)上為單色的激光源有效地將器件色域202的頂點(diǎn)定位到可見色域200的周邊上。
已經(jīng)提出許多數(shù)字投影機(jī)設(shè)計(jì)來利用激光源的良好的光譜質(zhì)量。例如，2001年2月6日授于Troyer的美國(guó)專利6183092，標(biāo)題為“具有液晶光閥和掃描讀取光束的激光投影裝置”；2002年7月30日授于Lee的美國(guó)專利6426781，標(biāo)題為“激光視頻投影機(jī)”；2002年8月20日授予Kaelin等人的美國(guó)專利6435682，標(biāo)題為“采用空間光調(diào)制器進(jìn)行激光成像”；以及2001年11月13日授予Hwang等人的美國(guó)專利6317170，標(biāo)題為“采用混合視頻激光混色器的大屏幕小型圖像投影裝置”，這些專利僅說明了若干采用激光照明源進(jìn)行數(shù)字投影的建議方法。諸如以上列出的這些專利中所公開的設(shè)計(jì)利用激光設(shè)計(jì)和制造方面的不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更高功率、更長(zhǎng)的使用壽命以及降低的激光照明方案整體成本。
盡管有顯著的改善，但是缺少低成本的藍(lán)色可見光譜的激光仍是一個(gè)問題。激光制造商至今仍無法在數(shù)字投影所需的功率范圍內(nèi)提供成本適當(dāng)?shù)乃{(lán)色激光。實(shí)際上，在所需功率水平上，藍(lán)色可見光譜中可得到的激光的成本可能是綠色激光的成本的10倍。在稍微小點(diǎn)的程度上，在某些功率范圍中，成本和可用性問題還影響紅色激光，特別是為大屏幕投影提供照明時(shí)。這個(gè)問題會(huì)嚴(yán)重影響投影裝置的成本，使激光投影不可能在短期內(nèi)成為投影系統(tǒng)廣為接受的替代技術(shù)。
雖然激光提供光譜上純凈的光，從而可以獲得拓寬的色域，但是激光也有一些其它特征對(duì)于數(shù)字投影是不利的。特別是激光至少比較相干，而且可能高度相干。因此，對(duì)于采用激光照明的數(shù)字投影裝置來說，斑紋及其它效應(yīng)成問題。如上所述，面空間光調(diào)制器，尤其是透射型和反射型LCD，雖然它們?cè)诓捎贸Ｒ?guī)的非相干光源(比如燈和LED)時(shí)表現(xiàn)很好，但是不太適合用于激光調(diào)制。相反，線空間光調(diào)制器、如GLV和GEMS器件更適合與激光照明配合使用。
一般來說，非相干光源并不象激光那樣在藍(lán)光波長(zhǎng)方面受約束。例如，汞弧燈在投影所需的功率范圍上廣泛可用，它們發(fā)出藍(lán)色可見光范圍內(nèi)的光。實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)436納米譜線的汞弧燈提供清晰限定的特征藍(lán)色光譜分量。這使濾光器可用于隔離和只通過這種可見藍(lán)光分量。由此，汞弧燈可用作非相干光源，提供在采用激光無法以負(fù)擔(dān)得起的費(fèi)用獲得的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的基本純光譜的光。
雖然LED不如激光的光譜純且不如其明亮，但是為小屏幕的數(shù)字投影系統(tǒng)提供了又一種可行的低成本非相干照明光源。LED可以為一些類型的顯示裝置提供良好的解決方案，特別是因?yàn)檫@些器件在所需波長(zhǎng)上變得更廣泛可用。
下面有必要就數(shù)字投影裝置設(shè)計(jì)中照明光源的這些考慮進(jìn)行總結(jié)(a)激光，提供最佳色域和高亮度，最適合與線SLM配合工作以提供高分辨率，但是目前可能無法在所有需要的波長(zhǎng)上(尤其是藍(lán)色可見光區(qū))負(fù)擔(dān)得起成本；(b)非相干光源(如燈和LED光源)可能無法在可比波長(zhǎng)上提供象激光那樣寬的色域。非相干光源最適合與在較低分辨率下使用的面SLM配合工作，對(duì)于整個(gè)可見光譜上的波長(zhǎng)(包括激光目前所負(fù)擔(dān)不起的)都可用；在數(shù)字投影裝置設(shè)計(jì)中認(rèn)識(shí)到，不同色域、SLM類型、分辨率以及波長(zhǎng)這些對(duì)比因素代表了多種選擇。決定是采用基于激光的照明系統(tǒng)還是采用非相干光源的照明系統(tǒng)(如更傳統(tǒng)的燈)支配著設(shè)計(jì)者后續(xù)如何進(jìn)行，以便優(yōu)化裝置性能和價(jià)值。
因?yàn)榛诩す獾恼彰飨到y(tǒng)與其它類型的照明系統(tǒng)之間，光處理光學(xué)器件和圖像調(diào)制方法有很大的差異，所以混合型的解決方案看不出有吸引力、甚至可行。作為一種混合型解決方案，Mukawa等人的公布號(hào)為2002/0154277、公布日為2002年10月24日、標(biāo)題為“圖像顯示裝置”的美國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種圖像顯示裝置，其中將激光添加到基于常規(guī)燈的照明系統(tǒng)中，以便補(bǔ)充特定波長(zhǎng)處的可用亮度。特別是，Mukawa等人的申請(qǐng)中公開的系統(tǒng)采用相同類型的空間光調(diào)制器來對(duì)激光和燈發(fā)出的非相干光進(jìn)行調(diào)制。但是，這種方法并未在調(diào)制方面利用激光的特殊屬性，也沒有在與對(duì)常規(guī)光源優(yōu)化的SLM配合使用時(shí)，對(duì)相干激光所導(dǎo)致的成像異常進(jìn)行補(bǔ)償。
眾所周知，投影彩色圖像包括疊加在一起的紅色圖像、綠色圖像和藍(lán)色圖像，通稱為RGB圖像。所顯示的彩色圖像具有一定的分辨率，通常以水平和垂直像素的個(gè)數(shù)來表示。為了形成具有所需分辨率的RGB圖像，紅色、綠色和藍(lán)色平面內(nèi)各像素彼此對(duì)準(zhǔn)。由此，利用常規(guī)方法，每種色平面和對(duì)應(yīng)于各個(gè)色平面的各個(gè)SLM具有相同的分辨率。
眾所周知，人眼將所顯示的分離的紅色、綠色和藍(lán)色像素進(jìn)行組合，以便感受組合色，人眼對(duì)不同顏色有不同的敏感度。例如，綠色敏感度非常高，綠色通道最接近地對(duì)應(yīng)于人的亮度感覺。對(duì)紅色的敏感度稍弱，對(duì)藍(lán)色就更弱。實(shí)際上，特別就細(xì)節(jié)感受而言，人眼對(duì)藍(lán)色較為不敏感。即藍(lán)色通道的實(shí)際分辨率對(duì)于細(xì)節(jié)的感受而言相對(duì)不那么重要。對(duì)于所顯示的圖像，通過降低藍(lán)色圖像平面的分辨率而保持紅色和綠色平面的原有分辨率，就可以明顯看出這種效果。雖然在辨別細(xì)節(jié)方面人眼對(duì)藍(lán)色相對(duì)不敏感已完備記錄在案，但是常規(guī)數(shù)字投影設(shè)計(jì)無法利用此特性來減輕設(shè)計(jì)約束、從拓寬的色域中受益并且同時(shí)提供較低成本的投影裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的數(shù)字投影機(jī)方案，從而滿足上述需要并彌補(bǔ)缺點(diǎn)，該方案在不同的顏色通道上采用不同類型的照明和成像部件。利用此方案，本發(fā)明提供一種用于在顯示表面上形成包括多個(gè)疊加圖像的彩色圖像的顯示裝置，所述顯示裝置包括(a)用于形成第一顏色二維圖像的第一顏色調(diào)制通道，包括(al)用于提供第一顏色源光束的激光光源；
(a2)線空間光調(diào)制器，用于調(diào)制所述第一顏色源光束以提供具有第一顏色的調(diào)制光束；(a3)掃描部件，用于掃描具有所述第一顏色的所述調(diào)制光束以形成所述第一顏色二維圖像；(b)用于形成第二顏色二維圖像的第二顏色調(diào)制通道，包括(b1)用于提供第二顏色源光束的非相干光源；(b2)面空間光調(diào)制器，用于調(diào)制所述第二顏色源光束以形成第二顏色二維圖像；以及(c)至少一個(gè)投影透鏡，用于將包含與所述第二顏色二維圖像疊加的所述第一顏色二維圖像的彩色圖像投影到所述顯示表面。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種用于在顯示表面上形成包含多個(gè)疊加圖像的彩色圖像的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(a)用于形成第一個(gè)二維圖像的第一顏色調(diào)制通道，包括(a1)用于提供源激光束的裝置；(a2)用于調(diào)制所述源激光束、從而提供至少一個(gè)具有第一顏色的調(diào)制光束的裝置；(a3)用于將包括所述至少一個(gè)具有所述第一顏色的調(diào)制光束的掃描線圖像光束引導(dǎo)至顏色合成器的裝置；(b)用于形成第二個(gè)二維圖像的第二顏色調(diào)制通道，包括(b1)用于提供第二顏色非相干源光束的裝置；(b2)用于調(diào)制所述第二顏色非相干源光束、從而向所述顏色合成器提供第二顏色圖像光束的裝置；(c)至少組合所述掃描線圖像光束和所述第二顏色圖像光束以形成疊加彩色圖像光束的所述顏色合成器；(d)用于將所述疊加彩色圖像光束投影到顯示表面的裝置。
本發(fā)明的第三個(gè)方面提供一種用于在顯示表面上以多個(gè)疊加圖像形成彩色圖像的方法，所述方法包括如下步驟(a)形成第一顏色線形圖像光束，其中又包括以下步驟
(a1)提供第一顏色激光源光束；(a2)調(diào)制所述第一顏色激光源光束，從而提供至少一個(gè)具有第一顏色的衍射光束；(b)形成第二顏色二維圖像光束，其中包括以下步驟(b1)從非相干光源提供第二顏色源光束；(b2)調(diào)制所述第二顏色源光束；(c)將所述第一顏色線形圖像光束與所述第二顏色二維圖像光束組合，從而形成疊加圖像光束；以及(d)將所述疊加圖像光束投影到顯示表面。
本發(fā)明的一個(gè)特征是在同一個(gè)顯示裝置中采用不同類型的照明光源和不同類型的空間光調(diào)制器的組合。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，無需獲得可見光范圍、特別是藍(lán)光范圍中特定波長(zhǎng)的激光。本發(fā)明提供采用非相干光源以及激光源的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，它使顯示裝置可以例如在激光最適合且最經(jīng)濟(jì)的情況中在任何數(shù)量的顏色通道上采用激光，而在采用其它光源會(huì)最有利的情況下采用其它光源。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)說明，會(huì)理解本發(fā)明的這些以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)，圖中表示和描述了本發(fā)明的說明性的實(shí)施例。


雖然本說明用具體指出并明確要求本發(fā)明主題的權(quán)利的權(quán)利要求書來總結(jié)，但是我們認(rèn)為，通過下文說明并參考附圖會(huì)更好地理解本發(fā)明，其中圖1是說明標(biāo)準(zhǔn)SMPTE色域與可見色域的關(guān)系的曲線圖；圖2是說明本發(fā)明的顯示裝置中圖像調(diào)制部件的總體安排的示意框圖；圖3a是說明采用不同類型調(diào)制部件的組合的顯示裝置的第一實(shí)施例的詳細(xì)示意框圖，其中藍(lán)光調(diào)制通道采用反射型LCD空間光調(diào)制器；圖3b是說明采用不同類型調(diào)制部件的組合的顯示裝置的另一實(shí)施例的詳細(xì)示意框圖，其中藍(lán)光調(diào)制通道采用透射型LCD空間光調(diào)制器；圖3c是說明顯示裝置的替代實(shí)施例的詳細(xì)示意框圖，其中藍(lán)光調(diào)制通道采用透射型LCD空間光調(diào)制器，第二調(diào)制通道采用GEMS線空間光調(diào)制器，從而依次從激光源提供其它兩種顏色；圖3d是說明顯示裝置的替代實(shí)施例的詳細(xì)示意框圖，其中藍(lán)光調(diào)制通道采用透射型面空間光調(diào)制器，第二調(diào)制通道采用作為單個(gè)部件制作在同一基板上的兩個(gè)GEMS線空間光調(diào)制器，以便用具有不同空間設(shè)置的激光源的照明提供其它兩種顏色；圖3e是說明用于拓寬的色域的顯示裝置的替代實(shí)施例的詳細(xì)示意框圖，其中藍(lán)光調(diào)制通道采用透射型LCD空間光調(diào)制器，第二調(diào)制通道采用三個(gè)或更多其它的激光為GEMS線空間光調(diào)制器提供光源照明；圖3f是說明顯示裝置的替代實(shí)施例的詳細(xì)示意框圖，其中一種顏色的調(diào)制通道采用發(fā)射顯示器件，第二調(diào)制通道采用線空間光調(diào)制器、以便從激光源提供其它兩種顏色；圖4是說明采用多個(gè)投影透鏡的顯示裝置的替代實(shí)施例的詳細(xì)示意框圖；圖5是說明采用不同類型調(diào)制部件的組合的顯示裝置的替代實(shí)施例的詳細(xì)示意框圖；圖6是說明在一種顏色通道上采用DMD空間光調(diào)制器而在其它顏色通道上采用GEMS空間光調(diào)制器的顯示裝置的再一個(gè)替代實(shí)施例的詳細(xì)示意框圖；以及圖7是說明采用本發(fā)明的裝置和方法可獲得的色域改善的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本說明具體是針對(duì)構(gòu)成本發(fā)明的裝置或者更直接配合本發(fā)明的裝置使用的部件。應(yīng)當(dāng)理解，未專門表示或描述的部件可采取本領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的各種形式。由此，本發(fā)明提供一種采用激光和非相干光源的組合在顯示表面上形成二維彩色圖像的顯示裝置和方法。
為便于下文說明，專用于一種顏色通道的部件可以更具體地以字母附上該部分編號(hào)來標(biāo)識(shí)。在使用中，字母對(duì)應(yīng)于顏色通道；例如附上“r”表示紅色、“b”表示藍(lán)色以及“g”表示綠色。在所示附圖中，“bg”表示第四種顏色通道，可能是藍(lán)-綠、黃、黃-綠、橙色或其它適合的顏色，下文將進(jìn)行說明。
整體模型圖2是說明本發(fā)明的簡(jiǎn)化實(shí)施例中顯示裝置10的主要部件的框圖。對(duì)于本發(fā)明，如圖2所示的顯示裝置10的各部件所示，以多種顏色調(diào)制通道傳送的多種分辨率將會(huì)在像素分辨率上明顯不同；與先有技術(shù)方案完全不同。顯示裝置10包括至少三種顏色調(diào)制通道紅色調(diào)制通道30r；綠色調(diào)制通道30g；以及藍(lán)色調(diào)制通道30b。紅色調(diào)制通道30r包括紅色激光器20r和空間光調(diào)制器32r。同樣地，綠色調(diào)制通道30g包括綠色激光器20g和空間光調(diào)制器32g。藍(lán)色調(diào)制通道30b包括非相干光源22b、用作顏色分離器的透過藍(lán)光的濾光器24b以及空間光調(diào)制器32b。顏色合成器73、如X-立方體或菲利普棱鏡將來自各顏色調(diào)制通道30r、30g和30b的調(diào)制光合成，從而沿著至投影透鏡300的單一輸出軸O提供多色調(diào)制光。
在常規(guī)基于激光的投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，激光是高度相干的光源，會(huì)被用于每種顏色調(diào)制通道30r、30g和30b中。但是圖2所示的顯示裝置10的配置在藍(lán)色調(diào)制通道30b中以非相干光源22b替代預(yù)期的激光。非相干光源22b最好是汞弧燈或其它類型的燈。汞弧燈的常見形式例如輸出穩(wěn)定且重要的436納米波長(zhǎng)輸出，該波長(zhǎng)輸出可以通過透過藍(lán)光的濾光器24b為空間光調(diào)制器32b提供照明。替代配置可以采用藍(lán)色LED或包括多個(gè)藍(lán)色LED的陣列作為非相干光源；對(duì)于這種替代配置，透過藍(lán)光的濾光器24b不是必需的。采用替代的非激光的非相干光源用于藍(lán)色照明，圖2的配置提供了激光投影分別用于紅色和綠色調(diào)制通道30r和30g的優(yōu)勢(shì)。但是，對(duì)于藍(lán)色調(diào)制通道30b，避免了藍(lán)色激光光源的高成本，并且提供足夠的光來形成多色圖像。
在一個(gè)實(shí)施例中，紅色激光器20r是波長(zhǎng)最好介于630納米和660納米之間的半導(dǎo)體激光器。綠色激光器20g是為得到期望的發(fā)射波長(zhǎng)而倍頻的532納米二極管泵浦的固態(tài)激光器?？臻g光調(diào)制器32r、32g和32b可以屬于同一類型，如某種透射型LCD調(diào)制器，例如圖2所示的空間光調(diào)制器32r和32g。但是，如下文將詳細(xì)說明的，空間光調(diào)制器32r、32g和32b也可以屬于不同類型，經(jīng)過選擇而適合相應(yīng)類型的照明。
采用線和面空間光調(diào)制器的裝置在圖2所示的模型之后，圖3a、3b、3c、3d、3e、3f、4、5和6說明了采用具有不同類型空間光調(diào)制器的組合的顯示裝置10的各種實(shí)施例。參考圖3a，在所示實(shí)施例中，紅色和綠色調(diào)制通道30r和30g分別在機(jī)電光柵光調(diào)制器85r和85g(如保角GEMS的線陣)上調(diào)制激光。另一方面，藍(lán)色調(diào)制通道30b采用面空間光調(diào)制器32b。
參考圖3a，在紅色調(diào)制通道30r中，紅色激光器20r提供的照明通過球面透鏡72和柱面透鏡74進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后被引至轉(zhuǎn)向鏡82。從轉(zhuǎn)向鏡82反射的光通過機(jī)電光柵光調(diào)制器85r上的衍射進(jìn)行調(diào)制。來自機(jī)電光柵光調(diào)制器85r的調(diào)制衍射光經(jīng)過轉(zhuǎn)向鏡82衍射，然后到達(dá)分色合成器94。然后，從分色合成器94出來的調(diào)制光由透鏡75引導(dǎo)，通過可選的交迭(cross-order)濾光器110到達(dá)掃描鏡77。轉(zhuǎn)向鏡82充當(dāng)阻礙來自機(jī)電光柵光調(diào)制器85r的零次反射光的元件。
隨著掃描鏡77旋轉(zhuǎn)，來自機(jī)電光柵光調(diào)制器85r、通過掃描透鏡84引導(dǎo)并到達(dá)可選的移動(dòng)漫射體86(用于斑紋補(bǔ)償)的各個(gè)調(diào)制線圖像被提供給分色合成器92。分色合成器92將來自掃描鏡77的調(diào)制線圖像沿著輸出軸O引導(dǎo)到投影透鏡300，由此將圖像投影到顯示表面90?？梢詫⒐鈱W(xué)補(bǔ)償元件89設(shè)在紅色和綠色調(diào)制光的光路上，當(dāng)需要時(shí)，使紅色/綠色光路和藍(lán)色光路對(duì)投影透鏡300相似，從而降低圖像像差。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)掃描刷新率足夠高(通常至少為48Hz)時(shí)，分別來自綠色和紅色調(diào)制通道30g和30r的掃描線圖像被觀看者感覺為二維圖像。
如上所述，來自綠色調(diào)制通道30g的調(diào)制光的光路與紅色調(diào)制光的光路相似。分色合成器94將紅色和綠色調(diào)制光合成，并將合成光引導(dǎo)到掃描鏡77。
還參考圖3a，藍(lán)色調(diào)制通道30b的操作不同于對(duì)紅色和綠色調(diào)制通道30r和30g所述的操作。來自光源22b的非相干光在透過藍(lán)光的濾光器24b中過濾，并在可選的偏振器34中起偏，然后被透鏡76引導(dǎo)到偏振分束器93。偏振分束器93將具有適當(dāng)偏振的光引導(dǎo)通過可選的四分之一波片42，然后到達(dá)空間光調(diào)制器32b。不同于線空間光調(diào)制器32r和32g，在圖3a所示的實(shí)施例中，藍(lán)色調(diào)制通道30b的空間光調(diào)制器32b是面空間光調(diào)制器、反射型LCD。來自空間光調(diào)制器32b的調(diào)制光通過偏振分束器93透射，到達(dá)分色合成器92，在此將藍(lán)色調(diào)制光與紅色和綠色調(diào)制光合成以用于投影。值得注意的是，作為替代方案，空間光調(diào)制器32b還可以是透射型LCD、DMD或其它類型的面空間光調(diào)制器，只需對(duì)支持光學(xué)器件進(jìn)行成像技術(shù)中常用的必要更改。
就圖3a的配置而言，來自空間光調(diào)制器32b的藍(lán)色分量是二維圖像，分別來自空間光調(diào)制器85r和85g的紅色和綠色分量是構(gòu)成足夠掃描速率的二維圖像的掃描線圖像，如上所述。此外，因?yàn)槿缟厦姹尘安糠炙?，人眼?duì)藍(lán)色的敏感度較低，來自空間光調(diào)制器32b的二維藍(lán)色圖像可以采用甚至明顯比來自空間光調(diào)制器85r和85g的掃描線圖像低的分辨率(即同樣面積上顯示較少的像素)。重要的是注意，二維藍(lán)色圖像的尺寸和形狀應(yīng)該基本等于紅色和綠色掃描線圖像。通過適當(dāng)?shù)耐哥R設(shè)計(jì)，透鏡75和掃描透鏡84可以用于將紅色和綠色掃描線圖像的尺寸和形狀與二維藍(lán)色圖像的尺寸和形狀匹配。如果需要，可以在將電子圖像數(shù)據(jù)映射到空間光調(diào)制器85r、85g和32b時(shí)調(diào)整顏色圖像尺寸定位中任何殘余的失配。
圖3b表示顯示裝置10的一個(gè)替代實(shí)施例，它采用透射型LCD作為藍(lán)色調(diào)制通道30b中的面空間光調(diào)制器32b。來自光源22b的光通過偏振器34和透過藍(lán)光的濾光器24b而提供偏振藍(lán)光，然后偏振藍(lán)光被引導(dǎo)通過透鏡76到達(dá)面空間光調(diào)制器32b。然后，來自空間光調(diào)制器32b的調(diào)制光穿過偏振分束器93，所述偏振分束器93用于為藍(lán)色調(diào)制光選擇期望的偏振，以及將藍(lán)色調(diào)制光與紅色和綠色調(diào)制光合成，以便投影。圖3b所示的紅色和綠色調(diào)制通道30r和30g分別以與參考圖3a所述方式相同的方式使用線空間光調(diào)制器85r和85g。
圖3c表示一個(gè)具有紅-綠色調(diào)制通道30rg的替代實(shí)施例，其中采用單個(gè)機(jī)電光柵光調(diào)制器85rg依序交替調(diào)制紅光和綠光。激光源20r和20g提供紅和綠照明，沿相同的照明光路提供紅色激光束和綠色激光束。這些不同光束可以成像技術(shù)中許多常用方法中的任何一種進(jìn)行合成，如采用分色合成器94。
圖3d表示顯示裝置10的又一個(gè)實(shí)施例，其中紅-綠色調(diào)制通道30rg采用分色合成器94，將紅色和綠色激光同時(shí)引導(dǎo)到雙機(jī)電光柵光調(diào)制器87rg。雙機(jī)電光柵光調(diào)制器87rg作為單個(gè)部件提供制作在同一基板上的兩個(gè)可獨(dú)立尋址的機(jī)電光柵器件線陣?？梢圆捎弥T如通過分色合成器94提供的激光照明實(shí)現(xiàn)的空間位移或角位移將激光沿分離的光路引導(dǎo)，以便進(jìn)行調(diào)制。就圖3d的配置而言，雙機(jī)電光柵光調(diào)制器87rg能夠采用例如兩個(gè)分離的機(jī)電光柵器件線陣來同時(shí)調(diào)制紅光和綠光。
圖3e表示顯示裝置10的四色實(shí)施例。X-立方體96用于將來自紅色和綠色調(diào)制通道30r和30g的調(diào)制光與來自第四顏色調(diào)制通道30bg的調(diào)制光進(jìn)行合成。機(jī)電光柵光調(diào)制器85bg調(diào)制來自激光源20bg的第四顏色的光束。在一種四色實(shí)施例中，激光源20bg發(fā)出藍(lán)-綠光，但是也可采用其它波長(zhǎng)。此外，顏色調(diào)制通道30r、30g、30b和30bg的替代配置可以包括成對(duì)設(shè)置的采用面空間光調(diào)制器(如藍(lán)色面空間光調(diào)制器32b)和第四顏色面空間光調(diào)制器(未顯示)的兩個(gè)通道以及采用線空間光調(diào)制器(如機(jī)電光柵光調(diào)制器85r和85g)的兩個(gè)通道?？梢圆捎脭?shù)字成像技術(shù)中眾所周知的常規(guī)技術(shù)來調(diào)制第四顏色。這些技術(shù)可包括例如在調(diào)制兩種顏色之間交替使用單個(gè)面空間光調(diào)制器32b或第四顏色面空間光調(diào)制器。諸如濾色盤或二向色分色器可以用來配合單一非相干光源使用，例如，利用數(shù)字成像技術(shù)中常用的方法獲得未調(diào)制彩色光束，以便在空間光調(diào)制器32b或第四顏色面空間光調(diào)制器中進(jìn)行調(diào)制。
圖3f表示顯示裝置10的另一個(gè)實(shí)施例，其中在顏色調(diào)制通道30b中采用發(fā)射顯示器46。發(fā)射顯示器46可以是例如陰極射線管(CRT)、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、聚合物發(fā)光二極管(PLED)或等離子體顯示器。本創(chuàng)新配置的優(yōu)勢(shì)在于不需要藍(lán)色調(diào)制通道30b和紅色及綠色調(diào)制通道30r和30g具有相同的分辨率。采用偏振分束器93或其它某種合成器來合成用于投影透鏡300的成像光輸出。
參考圖4，圖中表示顯示裝置10的一個(gè)替代實(shí)施例，其中對(duì)于不同的顏色使用不同的投影光路。這里，藍(lán)色調(diào)制通道30b將調(diào)制光引導(dǎo)到第一投影透鏡300a。紅色和綠色調(diào)制通道30r和30g將光引導(dǎo)到第二投影透鏡300b?？蛇x的交迭濾光器110對(duì)投影的紅色和綠色線性調(diào)制光進(jìn)行濾光，然后這些光到達(dá)掃描鏡77，并且在分色合成器78處與從藍(lán)色調(diào)制通道30b透射的藍(lán)色調(diào)制光進(jìn)行合成。分色合成器78是可選的，因?yàn)橥ㄟ^對(duì)整體布局進(jìn)行適當(dāng)修改，可以分別使第一和第二投影透鏡300a和300b聚焦在顯示表面90(圖4未顯示)。采用多個(gè)投影透鏡300a和300b對(duì)于以上圖3a-3f所示的任何實(shí)施例同樣有利，因?yàn)樗?jiǎn)化從不同類型調(diào)制器件投影成像光的光學(xué)要求。
如前面背景材料中所述，對(duì)某些顏色調(diào)制通道采用激光而對(duì)其它顏色調(diào)制通道采用其它光源的主要原因是產(chǎn)生某些波長(zhǎng)的激光成本高昂。圖3a、3b、3c、3d、3e、3f和4表示采用兩個(gè)激光源20g、20r的實(shí)施例。但是，可能在有些情況中，更適合只在一個(gè)顏色通道上采用激光，而在其余通道上采用非相干光源。參考圖5，圖中表示顯示裝置10的一個(gè)替代實(shí)施例，其中綠色調(diào)制通道30g采用綠色激光源20g。紅色和藍(lán)色調(diào)制通道30r和30b都采用燈21作為非相干光源。所選的特定燈21具有主要的紅色和藍(lán)色波長(zhǎng)分量。燈21發(fā)出的光到達(dá)可選的偏振器34，在透過紅-藍(lán)光的濾光器24rb處進(jìn)行濾光。然后偏振的紅和藍(lán)光源光被透鏡76引導(dǎo)到偏振分束器93，偏振分束器93將具有適當(dāng)偏振的光反射到顏色合成器73。對(duì)此未調(diào)制的光，顏色合成器73還充當(dāng)顏色分離器，使未調(diào)制的非相干紅光通過可選的四分之一波片42轉(zhuǎn)向反射型空間光調(diào)制器32r。同樣地，顏色合成器73使未調(diào)制的非相干藍(lán)光通過可選的四分之一波片42轉(zhuǎn)向反射型空間光調(diào)制器32b。然后，通過顏色合成器73將來自空間光調(diào)制器32r的調(diào)制紅光與來自空間光調(diào)制器32b的調(diào)制藍(lán)光及來自綠色調(diào)制通道30g的調(diào)制相干綠光進(jìn)行合成。然后，偏振分束器93使合成的調(diào)制光透射到投影透鏡300。在一個(gè)實(shí)施例中，顏色合成器73可以是X-立方體。如成像技術(shù)中眾所周知的，X-立方體對(duì)于不同波長(zhǎng)下的不同偏振狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。在標(biāo)準(zhǔn)配置中，X-立方體反射具有S偏振的紅和藍(lán)光，并透射具有P偏振的綠光。但是，為了獲得最大亮度，采用制造成基本上對(duì)偏振不敏感的X-立方體可能是有利的。
圖3a、3b、3c、3d、3e和4所示的實(shí)施例表示非相干光源22b用于藍(lán)光，而激光20r用于紅光。對(duì)于紅色和/或藍(lán)色照明，可以采用其它替代的非相干光源，例如LED。
參考圖6，圖中表示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中藍(lán)色調(diào)制通道30b所用的空間光調(diào)制器32b是數(shù)字微鏡器件(DMD)。在圖6的配置中，非相干光源22b提供照明，經(jīng)透鏡76引導(dǎo)通過透過藍(lán)光的濾光器24b，并由鏡44以適當(dāng)?shù)慕嵌确瓷涞娇臻g光調(diào)制器32b，以進(jìn)行調(diào)制。分色合成器92將來自藍(lán)色調(diào)制通道30b的調(diào)制光與來自紅色和綠色調(diào)制通道30r和30g的調(diào)制光的掃描線合成，并將這種合成光引導(dǎo)到投影透鏡300。
色域如上文提供的背景信息中所述，采用單色激光照明光源的關(guān)鍵起因涉及到色域。再參考圖1，其中指出，當(dāng)定義器件色域202的頂點(diǎn)位于可見色域200的曲線上時(shí)就得到最佳色域。激光源使頂點(diǎn)位于可見色域200的曲線上；其它光源通常使色域頂點(diǎn)從可見色域200的曲線回退少許。
參考圖7，圖中表示采用提供紅色頂點(diǎn)203r的紅色激光源20r、提供綠色頂點(diǎn)203g的綠色激光源20g以及提供藍(lán)色頂點(diǎn)203b的藍(lán)色光源22b而改進(jìn)的色域302的曲線。藍(lán)色光源22b最好是具有穩(wěn)定的436納米波長(zhǎng)輸出的弧光燈。如上所述，紅色和綠色頂點(diǎn)203r和203g位于可見色域200的周邊上。雖然藍(lán)色頂點(diǎn)203b未直接位于此周邊上，但是非常接近它，如圖7所示。應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的改進(jìn)色域302相對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)SMPTE磷光體可達(dá)到的器件色域202有顯著的拓寬。因此，雖然本發(fā)明的方法尚未達(dá)到根據(jù)三頂點(diǎn)CIE模型可達(dá)到的最大可能色域，但是采用本發(fā)明可以獲得實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。
如以上參考圖3e所述，對(duì)常規(guī)紅色、綠色和藍(lán)色光源補(bǔ)充額外的其它顏色的單色光源可以獲得拓寬的色域。參考圖3e，顯示裝置10的配置通過有效地添加第四頂點(diǎn)203bg(參見圖7)實(shí)現(xiàn)色域的拓寬，第四頂點(diǎn)可以是藍(lán)綠區(qū)的發(fā)射光，用于定義更大器件色域202，如圖7所示。
光路設(shè)計(jì)應(yīng)該可以看到，在處理線空間光調(diào)制器和面空間光調(diào)制器所提供的不同類型的調(diào)制光時(shí)存在差異。本發(fā)明的方法可能要求作出某些折衷，以便同時(shí)照顧到掃描線成像和整面成像。此外還要在顏色通道之間進(jìn)行其它必要的更改，以便例如處理不同波長(zhǎng)的光。
已經(jīng)觀察到，藍(lán)色調(diào)制通道30b提供的調(diào)制圖像是以完整圖像幀的形式提供的，不同于紅色或綠色調(diào)制通道30r和30g的掃描線光。再者，還與慣例不同的是，藍(lán)色圖像本身可能甚至比紅色和綠色調(diào)制通道30r和30g中提供的調(diào)制圖像的分辨率低些。因?yàn)槿搜蹖?duì)細(xì)節(jié)的敏感度在藍(lán)色可見光范圍中是有限的，所以對(duì)于藍(lán)色調(diào)制通道30b，分辨率要求可以放松些?；谕瑯拥目紤]，對(duì)于細(xì)節(jié)(以及從某種程度上來說、色度)較為重要的紅色和綠色成像，還可以對(duì)調(diào)制光的光路進(jìn)行優(yōu)化。
圖3a、3b、3c、3d、3e、3f和4表示和描述了采用GEMS器件作為線光調(diào)制器。但是，也可以使用GLV或其它線性器件，只要如成像技術(shù)中常用的，對(duì)支持部件進(jìn)行必要的更改。
光學(xué)部件的選擇應(yīng)該指出，圖2、3a、3b、3c、3d、3e、3f、4、5和6只表示用于顏色調(diào)制的顯示裝置10的部件。掃描、投影和顯示功能可以采用數(shù)字圖像顯示領(lǐng)域中技術(shù)人員眾所周知的部件。掃描鏡77是用于將圖像一次一行掃描到顯示表面90的可行器件集合中最簡(jiǎn)單的。但是，也可以采用其它類型的掃描部件，如旋轉(zhuǎn)多面鏡。
顏色合成器73通常包括一個(gè)或多個(gè)分色面，它們被制造成反射或透射不同波長(zhǎng)的光。圖2和5表示X-立方體或X-棱鏡，它們基于相交分色面工作，用于顏色合成器73。但是，還可以采用顏色合成分色面的其它配置，將多個(gè)輸入顏色引導(dǎo)到單個(gè)輸出顏色通道中。
在一個(gè)實(shí)施例中，顯示表面90是前投屏幕；但是還可以采用背投屏幕或其它表面。
顯然，本發(fā)明的裝置和方法針對(duì)先前限制經(jīng)濟(jì)的基于激光的投影系統(tǒng)的可行性的共識(shí)問題提出解決方案。再者，本發(fā)明的解決方案為顯示裝置10提供拓寬的色域，此色域接近于完全采用激光照明系統(tǒng)可獲得的色域，且成本僅為這種系統(tǒng)的一部分。最后，與常規(guī)數(shù)字成像方法對(duì)照，本發(fā)明的方法和裝置在一個(gè)投影系統(tǒng)的不同顏色通道中采用不同類型的空間光調(diào)制器，另外還可以選擇在細(xì)節(jié)不太易感知的藍(lán)色通道中采用較低分辨率。
可以分別更改紅色、綠色和藍(lán)色調(diào)制通道30r、30g和30b中的具體部件，以便適應(yīng)正在執(zhí)行的圖像調(diào)制類型。例如在附加顏色可增加可用色域的情況中，還可以采用超過3或4種顏色通道。
權(quán)利要求
1.一種用于在顯示表面上形成包括多個(gè)疊加顏色圖像的彩色圖像的顯示裝置，所述顯示裝置包括(a)用于形成第一顏色二維圖像的第一顏色調(diào)制通道，包括(a1)用于提供第一顏色源光束的激光光源；(a2)線空間光調(diào)制器，用于調(diào)制所述第一顏色源光束以提供具有第一顏色的調(diào)制光束；(a3)掃描部件，用于掃描具有所述第一顏色的所述調(diào)制光束以形成所述第一顏色二維圖像；(b)用于形成第二顏色二維圖像的第二顏色調(diào)制通道，包括(b1)用于提供第二顏色源光束的非相干光源；(b2)面空間光調(diào)制器，用于調(diào)制所述第二顏色源光束以形成第二顏色二維圖像；以及(c)至少一個(gè)投影透鏡，用于將包含與所述第二顏色二維圖像組合的所述第一顏色二維圖像的彩色圖像投影到所述顯示表面。
2.如權(quán)利要求l所述的顯示裝置，其特征在于還包括顏色合成器，用于至少合成所述第一顏色二維圖像與所述第二顏色二維圖像以用于投影。
3.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于所述第一顏色源光束是綠色的。
4.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于所述線空間光調(diào)制器是從由GEMS(光柵機(jī)電系統(tǒng))和GLV(光柵光閥)器件構(gòu)成的組中選擇的。
5.如權(quán)利要求l所述的顯示裝置，其特征在于還包括顏色分離器，用于從所述非相干光源中分離出所述第二顏色源光束。
6.如權(quán)利要求5所述的顯示裝置，其特征在于所述顏色分離器包括分色面。
7.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于所述面空間光調(diào)制器是從由透射型液晶器件、反射型液晶器件和數(shù)字微鏡器件構(gòu)成的組中選擇的。
8.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于所述非相干光源包括弧光燈。
9.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于所述非相干光源包括發(fā)光二極管。
10.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于所述掃描部件包括鏡面。
11.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于所述第二顏色源光束是藍(lán)色的。
12.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于所述面空間光調(diào)制器比所述線光調(diào)制器的像素分辨率低。
13.如權(quán)利要求17所述的顯示裝置，其特征在于所述第二顏色二維圖像比所述第一顏色二維圖像的像素分辨率低。
全文摘要
一種用于在顯示表面上形成疊加顏色圖像的彩色圖像的彩色顯示裝置，該顯示裝置具有第一顏色調(diào)制通道，用于利用激光光源來提供第一顏色源光束以形成第一顏色二維圖像；線空間光調(diào)制器，用于調(diào)制第一顏色源光束；以及掃描部件，用于掃描調(diào)制光束以形成第一顏色二維圖像。第二顏色調(diào)制通道采用非相干光源來為面空間光調(diào)制器提供第二顏色源光束以形成第二顏色二維圖像，所述面空間光調(diào)制器用于調(diào)制第二顏色源光束以形成第二顏色二維圖像。然后投影透鏡投影第一和第二顏色二維圖像以及任何第三顏色二維圖像的疊加彩色圖像。
文檔編號(hào)G03B21/00GK1501123SQ20031011638
公開日2004年6月2日 申請(qǐng)日期2003年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月13日
發(fā)明者M·W·科瓦爾滋, M W 科瓦爾滋 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司