專利名稱：多色生成的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于從白光源提供彩色分離和照明的裝置，例如，微反射鏡(DMD)或反射式硅上液晶(LCOS)型成像裝置。
背景技術：
目前，用于電影或計算機產生文稿投影的不同類型投影儀市場不斷增長。此外，數字攝像機的擴大使用對投影儀的要求也不斷增大，它要求投影儀能夠顯示高質量的照片。
最通用的投影儀類型是基于產生圖像的液晶裝置。這種方案的缺點是，在屏幕上形成相對低強度的圖像，因為LCD至少包含一個偏振濾波器，它能夠吸收光源中一半以上的光。此外，每個像素至多僅發(fā)射30％的光，因為它僅發(fā)射一種基色。因此，大量的光強度損失是這種類型投影儀的固有特征。Philips公司目前生產的LCOS是新型反射式LCD是一個例子，它具有較快的速度和優(yōu)于透射式LCD。
另一種較為昂貴的方案是基于使用有不同顏色的三個獨立控制激光源。
第三種方案在高質量投影儀中是十分流行的，它是基于微反射鏡技術，例如，Texas Instruments公司生產的所謂DMD，它是基于光投影到大量的小反射鏡上，這些小反射鏡適合于反射或不反射通過透鏡系統到屏幕上的光。每個反射鏡的位置以及每次反射持續(xù)的時間和反射光的顏色可以在屏幕上重顯圖像。因為這種方案是基于反射方式，它的光強遠遠優(yōu)于傳統的LCD投影儀。
在US Patent No.5,592,188，5,467,146，5,452,024和5,448,314中描述DMD投影儀的例子，而在US Patent No.6,023,309和6,053,165以及US Patent Application No.2002/0159033中描述與LCOS投影儀有關的方案。這些方案的共同點是，它們按順序投影有不同基色的光，這意味著，白光源中的光在投影到反射式成像裝置之間被濾波。因此，產生的光中有2/3的損失，從而使投影圖像的亮度有相應的減小。
濾波操作通常是由旋轉彩色轉盤完成的，如在US 2002/0176055，US 2002/0135862，WO 02/096123和US 2002/0057402中所描述的，其中彩色轉盤可以有螺旋狀彩色濾波器特征，從而使不同的彩色在反射式成像裝置上掃描。如上所述，這導致投影光強的損失，因為每個時刻僅允許一種顏色通過濾波器。在US 2003/0020839和2001/0008470中，提出一種解決這個問題的方案，其中其余的顏色光反射回到與來自光源的光混合的光桿中。該理論的結果應當是，它可以增大發(fā)送并通過濾波器的光量。然而，實際上，它僅有有限的效應。
按照已知技術的另一種方案是利用旋轉棱鏡分離彩色，例如，在ms-2001-095_SPIE_version中Duncan J.Anderson“Uniform colorscrolling color LCoS projection”一文所描述的。這是一種昂貴和復雜的解決方案。
在US Patent Application No.2003/0117592中描述這樣一種方案，它利用可移動的全息元件陣列作為濾波器。如在以上已知技術中所描述的，全息濾波器用于提取選取的彩色并把它投影到成像裝置上。因此，在這個發(fā)明中僅僅約1/3的過濾光到達成像裝置。此外，這種方案說明得到濾波操作需要復雜的光學系統。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種彩色分離裝置，它可以增大照明成像裝置的光量。本發(fā)明的另一個目的是提供改進的投影儀，其中利用衍射光學元件分離和控制光。按照獨立權利要求所描述的內容可以實現這個目的。
這種方法對照明系統有重大的改進，因為產生的大部分光用于投影通過投影儀的圖像。按照本發(fā)明的方案還是價廉和容易制作的，且不需要復雜的部件，例如，在US 2003/0020839和2001/0008470中所用的光混合桿。
在WO 02/44673中描述衍射光學元件的理論。從說明書中可以看出，衍射光學元件(DOEs)可以在表面上提供光譜圖像。應當明白，此處所用的縮寫詞“DOE”是指這個國際申請中所述類型的全息和衍射元件。
若提供白光源，則可以投影整個可見光譜到選取區(qū)域上的不同部分。在這種情況下，選取的區(qū)域是成像DMD或LCoS裝置。利用與制作光盤的相同技術，可以容易地制作WO 02/44673中描述的大量DOE，且在批量生產的情況下也是廉價的。還可以利用其他的復制技術，即，基片頂部上的UV可固化聚合物。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，把DOE放置在旋轉部分上，為的是在預定區(qū)域上形成重復的波長掃描。DOE可以放置在鼓形表面或平面圓盤形表面上。在這兩種情況下，轉動DOE，從而使衍射圖形以及投影的光譜圖形轉動，在轉動360度之后重復地產生光譜圖形。當然，這種圖形還可以在較小的圓分段上重復，例如，每轉動90度產生重復的光譜圖形。
按照本發(fā)明的另一個實施例，在視頻投影儀中應用分離器，所述投影儀包括有選取光譜的燈；聚焦裝置，用于引導光到分離器的選取部分；在所述預定區(qū)域內放置的成像裝置；和用于投影圖像的光學系統。
按照本發(fā)明的另一個實施例，提供一種包含彩色分離器的視頻投影儀，其中利用DOE元件，也包括有選取光譜的燈；聚焦裝置，用于引導光到分離器的選取部分；在所述預定區(qū)域內放置的成像裝置，所述成像裝置與所述彩色分離器同步，用于提供對應于投影到成像裝置中每個部分上的顏色的圖像；和用于投影圖像的光學系統。
按照另一個實施例，提供具有WO 02/44673中所述的聚焦裝置的DOE，為的是可以去掉與投影儀有關的一些光學系統，所述文件合并在此供參考。


以下參照附圖可以更好地理解本發(fā)明，這些附圖作為說明本發(fā)明的例子。
圖1表示彩色圖形在成像單元上運動的例子。
圖2表示圍繞選取軸轉動的圓形DOE以及光源和成像裝置。
圖2a表示圖2所示系統的另一個實施例。
圖3表示聚焦DOE元件的原理。
圖4表示按照一個優(yōu)選實施例的聚焦DOE。
圖5表示傳統RGB彩色光譜的強度譜。
圖6表示利用按照本發(fā)明裝置得到3D圖像分離的彩色光譜分配。
具體實施例方式
圖1中的彩色圖形是在成像裝置6(例如，DMD)上轉動，因此，光譜圖形沿環(huán)的徑向發(fā)生位移。若DOE的運動和特性是已知的，則可以知道光到達成像裝置上每個部分的波長。因此，這種成像裝置可以提供當前顏色的反射或非反射光。
它與現有技術比較有以下的優(yōu)點，成像裝置可以反射現有光譜中任何選取的顏色，因此，可以擴展相對于常規(guī)RGB基顏色的圖像顏色空間。若把光譜分離成多于3種基色，則可以得到包含顏色和顏色強度的高質量圖像投影，這在RGB顏色空間中是不可實現的。在這種情況下，還可以提供有部分反射白光的DOE，為的是增大投影圖像中的對比度。此外，去掉顏色之間的過渡，因此，可以延伸成像裝置的有效周期。
用于控制成像裝置以獲得這種特性的控制裝置可以基于標準電子學，但此處不再給予詳細的描述。然而，它可以配置用于檢測選取點顏色的監(jiān)視檢測器，從而使DOE的轉動與成像裝置同步?；蛘?，可以形成一個或多個DOE圖形，用于分割一個或多個波長，并發(fā)送其部分的DOE圖形到與成像裝置耦合的一個或多個監(jiān)視檢測器。
圖2表示彩色分離系統的簡化圖。提供一種有已知發(fā)射光譜的光源2，可以引導光通過光闌4到旋轉DOE。DOE 1衍射光到成像裝置3，該光被分割成彩虹圖形。當DOE轉動不同部分時，它被光源照明。DOE適合于投影不同的顏色圖形，取決于它沿表面的位置。最好是，當DOE轉動時，顏色在成像裝置上連續(xù)地發(fā)生位移，例如，當DOE轉動時，紅光波帶在成像裝置上運動，且當它到達邊緣時，新的紅光波帶出現在成像裝置的相反邊緣。實際上，這可以在生產時通過編程DOE實現，例如，使它有重疊的一級和二級衍射圖形。
如上所述，當DOE圓盤或鼓轉動360度時，成像裝置上的顏色圖形重復再現。然而，為了生產目的，有利的是在較短的區(qū)段上重復再現顏色圖形，例如，每隔90度。
為了在真實的投影儀中實現，可以參照引用的文件，它描述有一些自適應的解決方案以實現本發(fā)明，由于DOE具有聚焦和光束整形能力，可以去掉某些光學元件。然而，圖2所示的本發(fā)明原理是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，因為DOE可以適合于聚焦光譜到成像裝置上。
圖2a表示包含DOE 1和一些傳統光學元件6的另一個方案。如上所述，DOE可以有不同于此處所示平坦環(huán)形結構的其他形狀。它可以放置在鼓上，或者，它可以由相對于DOE平面上軸傾斜或轉動的平面DOE構成，取決于在具體情況下的使用和技術要求。主要的特征是，DOE可以提供成像裝置的重復光譜照明。
在這種情況下，DOE可以包含不連續(xù)的衍射圖形，其中包括大量的小DOE，例如，上述WO 02/44673以及圖3和圖4中所展示的DOE。通過定制設計合成表面全息圖，可以制作DOE，并對它進行編程，用于提供有選取的彩色分離和聚焦的能力。因為它可以利用CD模壓設備進行批量生產，可以低成本大批量進行生產，其成本為每個約1美元。
圖3中的DOE可以使多種不同的彩色光譜引導到成像裝置3。當掃描通過多個不同的DOE時，例如，在按照本發(fā)明的圓環(huán)或鼓上，光譜在彩色分布的位置上發(fā)生位移，為的是改變成像裝置接收的光譜。
在圖4中，對DOE進行編程，用于發(fā)射覆蓋整個成像裝置的彩色光譜。若按照本發(fā)明的DOE圓環(huán)包括圖4所示連續(xù)系列的DOE，則可以在成像裝置中得到投影光譜的連續(xù)或半連續(xù)位移。通過成像裝置與DOE光譜的同步，成像裝置可以在合適的時間反射正確的顏色，從而使它能夠產生任何所需顏色的圖像。
此外，若光源的精確光譜是已知的，則可以對DOE或成像裝置進行編程，其中考慮到燈的相干色和強度偏差。
按照本發(fā)明的另一個實施例，利用產生整個彩色光譜而不僅是寬的濾波器頻帶，可以得到單個投影儀的3D彩色投影。因此，可以同時投影兩個重疊的圖像，例如，分離成紅，綠和藍波帶編碼顏色圖像。通過左眼和右眼之前放置的相應濾波器觀看投影圖像，可以得到3D感覺。例如，利用Fabry-Perot濾波器，可以實現這種濾波器。與偏振基解決方案比較，這個實施例僅要求普通的漫射屏。
圖5表示標準RGB光譜，它包括代表每種顏色的相當寬帶波長范圍。圖6表示本發(fā)明如何能夠區(qū)分各個波長和擴展顏色空間，因此，觀察者可以利用這兩組圖像呈現全彩色RGB圖像。若給觀察者配置一組正確的濾波器，例如，Fabry-Perot濾波器，它能夠通過受限制選取波長范圍內的光，觀察者可能僅僅看到一個投影圖像。若給觀察者配置兩種不同的濾波器，每個眼睛有一種濾波器，則兩個眼睛能夠看到兩個不同的圖像。在圖6中，虛線代表左眼看到的波長，而連續(xù)線代表右眼看到的波長。左眼看到RGB的圖像復合物，其波長略微不同于右眼看到的波長。Fabry-Perot濾波器選取兩個不同的圖像，一個濾波器用于左眼，互補濾波器用于右眼。在本發(fā)明系統中通過信號處理和RGB校正，可以矯正顏色。
因此，通過同時投影略微不同波長集合的兩個圖像，可以投影立體圖像。唯一的圖像質量損失是投影流明，因為眼睛檢測的彩色空間是在標準的RGB彩色空間內。事實上，在所示的例子中，在每個眼睛中仍然允許6種基色的投影，因此，它仍然代表對標準投影儀的改進。
這種3D圖像投影儀與已知技術比較有許多優(yōu)點，因為它僅要求一個有標準漫射屏的投影儀，而不是偏振基3D投影儀所要求的保偏屏，例如，IMAX。
權利要求
1.一種彩色分離器，例如，用于視頻投影儀的彩色分離器，包括適合于運動通過光束的表面，該光束包含待分離的多個波長，該表面包含衍射或全息光學元件(DOE)，它適合于至少部分聚焦大部分所述光束到預定區(qū)域，所述聚焦光束包含被引導到預定區(qū)域不同部分的不同波長，因此，所述衍射/全息光學元件產生重復的彩色圖形，例如，連續(xù)的彩色光譜，在所述預定表面上掃描的彩色圖形作為衍射/全息光學元件運動通過光束的函數。
2.按照權利要求1的分離器，其中該表面是在轉動部分上，為的是在預定區(qū)域上形成重復的波長掃描。
3.按照權利要求1的分離器，其中該表面是圍繞鼓軸可轉動的鼓形表面。
4.按照權利要求1的分離器，其中該表面是平面圓盤形表面。
5.按照權利要求1的分離器，其中DOE是由多個聚焦DOE構成，每個DOS用于引導分離的彩色到成像裝置的選取部分。
6.按照權利要求5的分離器，其中聚焦DOEs至少是部分重疊的。
7.按照權利要求1的分離器，其中DOE適合于引導一級和二級衍射到成像裝置，且當DOE沿運動方向運動時，在這兩級衍射之間有平滑的過渡。
8.按照權利要求1的分離器，其中DOE是反射式DOE。
9.按照權利要求1的分離器，其中DOE是透明DOE，用于衍射光透射通過光學元件。
10.按照權利要求1的分離器，其中DOE是由厚膜全息元件構成。
11.按照權利要求1的分離器，其中DOE是由表面全息圖構成。
12.按照權利要求1的分離器，其中DOE形成在相對于選取軸傾斜或轉動的平坦表面上，用于掃描通過衍射光譜。
13.在視頻投影儀中使用按照權利要求1的彩色分離器，所述投影儀包括有選取光譜的燈；聚焦裝置，用于引導光到分離器的選取部分；在所述預定區(qū)域內放置的成像裝置；和用于投影圖像的光學系統。
14.視頻投影儀包括按照權利要求1的彩色分離器，還包括有選取光譜的燈；聚焦裝置，用于引導光到分離器的選取部分；在所述預定區(qū)域內放置的成像裝置，所述成像裝置與所述彩色分離器同步，可以形成對應于投影到成像裝置中每個部分上彩色的圖像；和用于投影圖像的光學系統。
15.使用按照權利要求14的視頻投影儀，用于投影立體圖像，其中對成像裝置編程，可以投影不同波長集合的兩個圖像，它們代表立體圖像，所述兩個波長集合對應于全RGB彩色光譜，利用兩個自適應濾波裝置可以觀看所述圖像，每個濾波裝置允許一個所述波長集合通過。
全文摘要
本發(fā)明涉及彩色分離器，和在投影儀中使用這種彩色分離器，特別是用于視頻投影儀，包括適合于運動通過待分離光束的表面，該表面包含衍射/全息光學元件(DOE)，它能夠引導光束中包含的不同波長到預定區(qū)域的不同部分。衍射光學元件在沿運動通過光束的表面上一個方向是基本連續(xù)的，且分離彩色的方向取決于沿該表面的位置，為的是在預定區(qū)域的每個部分上形成彩色掃描，它取決于衍射表面的照明部分。
文檔編號G02B27/10GK1823533SQ200480019919
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月8日 優(yōu)先權日2003年7月11日
發(fā)明者埃伯－拉內·約翰森, 奧德·洛夫豪根, 埃里克·沃爾德 申請人:辛文特公司