投影仪光学器件.pdf

描述了用于黑电平的高度降低而不降低或有限降低亮像素的照明以便与例如基于RGB激光器或荧光体转换激光器的高对比度和高动态范围投影仪联用的投影仪方法、设备、软件。例如，此类投影仪可被用在数字影院、家庭影院、虚拟现实系统、用于训练的模拟器中。投影仪光学系统被配置成根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，由此在该成像系统处，投影仪光学扩展量与光源的有效光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量受控于平均图像级。

权利要求书1.  一种用于投影具有平均图像级的图片并与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用的投影仪光学系统，包括用于在屏幕上制作空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的真实图像的成像系统和控制单元，其中所述投影仪光学系统被配置成根据平均图像级来改变所述光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，由此在所述成像系统处，所述投影仪光学扩展量与所述光源的有效光学扩展量匹配，所述有效光源光学扩展量和所述投影仪光学扩展量由所述控制单元来控制并适配所述平均图像级。2.  如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：第一照明系统；用于增加所述光源光学扩展量的装置；第二照明系统，其从用于增加所述光源光学扩展量的装置上的光斑捕捉光并均匀化所述光，从而使得在空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的照明对所述空间光调制器上的所有区域和图像几乎相等；以及可控孔径，其由所述控制单元在所述成像系统的受限孔径中控制，所述可控孔径被适配成阻挡来自所述空间光调制器的黑色状态的杂散光。3.  如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述光是可任选具有0.6μm2sr的光学扩展量的激光。4.  如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述第一照明系统将来自所述光源的光带至所述用于增加所述光源光学径角性的装置的照明位置。5.  如权利要求2到4中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述用于增加所述光源光学扩展量的装置是漫射器元件。6.  如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述漫射器元件是静态的或 移动的或旋转型的。7.  如权利要求6所述的系统，其特征在于，当所述漫射器元件是移动类型时，所述激光束的入射功率的分布是在一区域上扩展的。8.  如权利要求5到7中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述漫射器元件是透射型或反射型的。9.  如权利要求8所述的系统，其特征在于，漫射层附连或沉积在透射基板和反射基板之一上。10.  如权利要求7到9中任一权利要求所述的系统，其特征在于，对于反射基板上的移动类型的所述漫射器元件，在所述基板的背侧上提供热沉。11.  如权利要求7到9中任一权利要求所述的系统，其特征在于，对于反射基板上的静态类型的所述漫射器元件，在所述基板的背侧上提供热沉并提供可任选热管。12.  如权利要求5到11中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述漫射器元件具有散射半锥角并且散射漫射器元件的所述出射侧处的光斑具有直径d1且由所述漫射器元件发出的光的光学扩展量增加至值。13.  如权利要求5到12中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述漫射器元件是块漫射器、表面漫射器或基于全息光学元件的漫射器。14.  如权利要求2到13中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述 第一照明系统可包括光束扩展器，以便降低所述用于增加所述光学扩展量的装置上的入射光的功率密度。15.  如权利要求2到14中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第一照明系统包括光束成形器元件，以便创建所述用于增加所述光学扩展量的装置上的平顶照明密度函数。16.  如权利要求5到15中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述漫射器元件具有可变强度，具有取决于所述光束在所述漫射器上的位置的不同散射半锥角。17.  如权利要求16所述的系统，其特征在于，在旋转漫射器的情形中，所述可变强度性质可以根据垂直于所述旋转的方向而变化。18.  如权利要求5到16中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二照明系统随着所述空间光调制器上的可变最大照明锥角来维持从所述漫射器位置的可变最大散射角的性质，以便如果所述漫射器元件处的最大漫射角较低，则所述空间光调制器上的最大照明锥角也较低，而如果所述漫射器元件处的所述最大漫射角较大，则所述空间光调制器上的所述最大照明锥角也较大。19.  如权利要求2到18中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二照明系统均匀化所述光以便所述空间光调制器上的照明几乎或基本上对所有区域、对所有漫射角相等。20.  如权利要求2到19中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二照明系统是光管。21.  如权利要求2到20中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述 空间光调制器是反射型或透射型的光阀或微型显示器(5)。22.  如权利要求2到21中任一权利要求所述的系统，其特征在于，进一步包括至少一个附加孔径(11，12)，所述至少一个附加孔径的光传送部分的直径根据所述用于增加所述光学扩展量的装置的所述散射半锥角用来自控制单元的控制信号来调整。23.  如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述至少一个进一步孔径是所述第二照明系统的整合部分。24.  如权利要求1到22中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制单元被适配成控制所述光束落入到所述用于增加所述光学扩展量的装置上的位置。25.  如权利要求22到24中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制单元被适配成控制所述成像系统以及所述至少一个进一步孔径中的可控孔径。26.  如权利要求1到24中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制单元被适配成接收输入控制信号，由此所述输入控制信号能直接从图像生成器生成。27.  如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述控制信号是指示所述黑电平和亮度电平的时辰信号。28.  如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述控制信号由计算所述平均图像级的单元来生成。29.  如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述黑电平和亮度电平适 配所述平均图片级。30.  如权利要求5到29中任一权利要求所述的系统，其特征在于，存在多个颜色通道且所述漫射器元件是共享漫射器或每颜色一漫射器，或者存在与多种颜色的时间复用联用的单颜色通道。31.  如权利要求30所述的系统，其特征在于，使用共享漫射器且所述多个颜色通道在所述漫射器处组合并随后重新拆分。32.  如权利要求1到31中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述系统被适配成使得所述用于增加所述光学扩展量的装置具有小散射锥角，并且同时使得可控孔径具有对应小开口，以使得εL eff和εP eff是相等的。33.  如权利要求1到32中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制单元控制所述系统以便εL eff和εP eff适配所述平均图片级。34.  如权利要求1到33中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制单元控制所述系统以便所述光源的有效光学径角性和所述投影仪的有效光学径角性保持相等并且被设为取决于所述平均图片内容的值εLeff(w)＝εPeff(w)＝f(w)，其中f(w)被定义为w∈[0，1]并且f(1)＝εP max＝εLeff max且f(0)＝εP min＝εLeff min。35.  如权利要求1到34中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制单元控制所述系统以便所述可接受斑点对比度的绝对最大电平定义f(w)的最小值εP min。36.  如权利要求5到35中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述漫射器元件是保持与输入端处相同波长的漫射器，对于所述漫射器元件，不仅存在特定最大漫射角内的光漫射，还存在入射光的波长向更长波长的射出频谱 (下转换荧光体)或更短波长的射出频谱(上转换荧光体)的转换。37.  如权利要求5到36中任一权利要求所述的系统，其特征在于，漫射器元件具有由散射半锥角可变照明斑点直径和具有直径d1的所述漫射器元件的出口侧处的光斑。38.  如权利要求5到37中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二照明系统将所述漫射器元件位置上的可变光照明斑点的性质转换为所述空间光调制器上的可变最大照明锥角，以便如果所述漫射器元件上的所述光束斑点大小较小，则所述空间光调制器上所述最大照明锥角也较小，而如果所述漫射器元件处的所述光束斑点大小较大，则所述空间光调制器上的所述最大照明锥角也较大。39.  一种与投影仪光学系统联用的控制器，所述投影仪光学系统用于投影具有平均图片级的图片并与具有实质上低固有光学径角性的光源联用，所述光学系统包括：用于在屏幕上制作真实图像的成像系统，其中所述控制器被适配成根据所述平均图片级来改变所述光源的有效光学径角性并将光功率限定于可变锥角内，由此在所述成像系统处，所述投影仪光学径角性与所述光源的光学径角性匹配，有效光源光学径角性和所述投影仪光学径角性由控制单元来控制并适配所述平均图片级。40.  如权利要求39所述的控制器，其特征在于，所述光学系统进一步包括：第一照明系统，用于增加光源光学径角性的装置(诸如漫射器元件)，第二照明系统，其从所述用于增加光源光学径角性的装置(诸如漫射器元件)上的光斑捕捉光并均一化所述光，从而在所述空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的照明对所述空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的所有区域和图像几乎相同，以及一种在成像系统的受限孔径中控制的可控孔径(诸如虹膜)，所述可控孔径被适配成阻挡来自空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的暗状态的杂散光。41.  如权利要求39或40所述的控制器，其特征在于，所述用于增加所述光源光学径角性的装置由所述控制器来控制。42.  如权利要求40或41所述的控制器，其特征在于，所述控制器被适配成控制光束落入到所述用于增加光学径角性的装置上的位置。43.  如权利要求39到42中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制器被适配成控制所述成像系统中的所述可控孔径。44.  如权利要求39到43中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制器被适配成控制至少一个进一步孔径。45.  如权利要求39到43中任一权利要求所述的控制器，其特征在于，所述控制单元被适配成接收输入控制信号，由此所述输入控制信号可直接从图像生成器生成。46.  如权利要求45所述的控制器，其特征在于，所述控制信号是指示所述黑电平和亮度电平的时辰信号。47.  如权利要求45所述的控制器，其特征在于，所述控制信号由计算所述平均图片级的单元来生成。48.  如权利要求39到47中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述光学系统进一步包括至少一个进一步孔径(11，12)，所述至少一个进一步孔径的光传送部分的直径根据所述用于增加所述光学径角性的装置的所述散射 半锥角用来自控制单元的控制信号来调整。49.  如权利要求39到48中任一权利要求所述的控制器，其特征在于，所述光学系统具有用于将所述光学径角性增加一一小的散射锥角的装置，并且同时具有有对应小开口的可控孔径，并且所述控制器控制以便εL eff和εP eff是相等的。50.  如权利要求39到49中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制器控制所述系统以便εL eff和εP eff适配所述平均图片级。51.  如权利要求39到50中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制器控制所述系统以便所述光源的有效光学径角性和所述投影仪的有效光学径角性保持相等并且被设为取决于所述平均图片内容的值εLeff(w)＝εPeff(w)＝f(w)，其中f(w)被定义为w∈[0，1]并且f(1)εP max＝εLeff max且f(0)＝εP min＝εLeff min。52.  如权利要求39到51中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制器控制所述系统以便所述可接受斑点对比度的绝对最大电平定义f(w)的最小值εP min。53.  一种操作投影仪光学系统的方法，所述投影仪光学系统用于投影具有平均图片级的图片并与具有实质上低固有光学径角性的光源联用，所述系统包括用于在屏幕上制作真实图像的成像系统，以及控制单元，所述方法包括：根据平均图片级来改变所述光源的有效光学径角性并将光功率限定于可变锥角内，以及在所述成像系统处，所述投影仪光学径角性与所述光源的光学径角性匹配，所述有效光源光学径角性和所述投影仪光学径角性适配所述平均图片级。54.  如权利要求53所述的方法，其特征在于，所述光学系统包括：第一照明系统，用于增加所述光源光学径角性的装置(诸如漫射器)，第二照明系统，其从用于增加所述光源光学径角性的装置(诸如漫射器元件)上的光斑捕捉光并均一化所述光，从而在空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的照明对所述空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的所有区域和图像几乎相等，控制单元，以及由所述控制单元在所述成像系统的受限空间中控制的可控孔径(诸如虹膜)，所述可控孔径被适配成阻挡来自所述空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的暗状态的杂散光。55.  如权利要求53或54所述的方法，其特征在于，包括根据所述平均图片级来改变具有实质上低固有孔径的所述光源的所述有效光学径角性，以及因此改变所述空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的入射锥角，同时将总的光功率限定于可变锥角内。56.  如权利要求55所述的方法，其特征在于，所述光源光学径角性在所述用于增加所述光源光学径角性的装置处改变，而在所述成像系统处，所述投影仪光学径角性匹配所述光源的有效光学径角性。57.  如权利要求53到54中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述用于增加光源光学径角性的装置处改变所述入射光束的大小。58.  如权利要求57所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述可变照明斑点转换为所述空间光调制器(类似光阀或微型显示器)上的最大照明锥角。59.  一种计算机程序产品，包括用于在处理引擎上(诸如在计算机中)执行的代码段，所述计算机程序产品被适配成操作用于投影具有平均图片级的图片并与具有实质上低固有光学径角性的光源联用的投影仪光学系统，由此所述系统可包括：用于在屏幕上制作真实图像的成像系统，其中软件被适配成：根据平均图片级来改变所述光源的有效光学径角性并将光功率限定于可变锥角内，由此在所述成像系统处，所述投影仪光学径角性与所述光源的有效光学径角性匹配，有效光源光学径角性和所述投影仪光学径角性由控制单元来控制并适配所述平均图片级。60.  如权利要求59所述的计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品被适配成执行权利要求53到58的方法中的任一方法，或者实现权利要求39到52中的任一控制器。61.  一种存储权利要求60的计算机程序产品的非瞬态信号记录介质。

说明书投影仪光学器件
本申请涉及在投影仪中使用的投影仪光学器件、操作此类光学器件的方法、用于控制此类光学器件的控制器以及用于执行本发明的任何方法的软件。
技术背景
已知投影仪具有光源、光学系统、微型显示器，藉此光学系统包括用于将图像投射在屏幕上的投影透镜。
对比度对感知到的图像[30]、[31]、[32]质量具有很强的影响。在基于微型显示器的投影显示器中，多种因素确定所投影图像的对比度。在黑色状态中，始终存在通过光学系统的小量光漏泄，从而导致具有有限亮度电平的暗电平。这可由各种机制导致并且取决于微型显示器技术的类型，例如，有限的消光率、斜射光、双折射、光散射、衍射等。
已经提出了用于减少暗电平的各种现有办法。在[26]中，提出了用照明射线集束中孔径和投影透镜两者来阻挡衍射光的方法。投影仪的效率的减少通过照明和投影仪孔径的光学形状和朝向来最小化。在[28]中，提出了停在投影透镜的两组透镜之间的光路径上的非对称孔径以阻挡散射光而不阻挡期望投射光。在[29]中，提出了可调整非对称照明孔径和可调整非对称投影孔径以增加灰度分辨率。在[27]中，提出了根据作为图像亮度电平的函数的控制信号来调制照明路径中的光强度的对称孔径。用于减少暗电平的现有办法都经受亮像素的亮度损失。
发明概述
这在一些实施例中向本发明呈现了提供方法、设备和软件，即用于暗电平的高度下降而不降低或有限降低亮像素的亮度的手段的优点。
本发明可被用于例如具有高对比度和高动态范围投影仪，例如，基于RGB激光器或荧光体转换激光器。例如，此类投影仪可被用在数字影院、家庭影院、 虚拟现实系统、用于训练的模拟器中。
本发明的各实施例基于以下认知：在具有非常低的平均图像级的应用中需要105到107的CR开_关。
本发明的各实施例基于以下认知：εLeff和εPeff被适配成平均图像级w。在各实施例中，εLeff和εPeff保持相等。为了减少或避免几何光损失，光源的有效光学扩展量和投影仪的有效光学扩展量被保持相等并且被设为取决于平均图片内容的值：
εLeff(w)＝εPeff(w)＝f(w)。f(w)被定义用于w∈[θ,l]且f(1)＝εLeff max且f(0)＝εPmin＝εLeff min。
本发明的各实施例基于以下认知：尽管一般来说，暗电平可通过使用照明系统和投影透镜两者中的孔径来减少，但始终存在大的几何光损失并因此导致全白亮度的强减少。本发明的各实施例避免了CR开-关的结果产生的实质但仍不充分的增加的问题。
本公开的各个实施例涉及用于实现非常高的CR开-关以及对全白亮度的零或最小光损失的方法和装置。
本发明提供了用于投影具有平均图像级并与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用的投影仪光学系统，包括用于在屏幕上制作真实图像的成像系统，以及控制单元，其中该投影仪光学系统被适配成根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，由此在成像系统处，投影仪光学扩展量与光源的有效光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量由控制单元来控制并且适配于平均图像级。
在各实施例中，本发明提供了用于投影具有平均图像级的图片并与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用的投影仪光学系统，该系统包括：
第一照明系统，
用于增加光源光学扩展量的装置，诸如漫射器元件，
第二照明系统，其从用于增加光源光学扩展量的装置(诸如漫射器元件)上的光斑捕捉光并均匀化该光，从而在空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的照明对空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的所有区域和图像几乎相等。
一种用于在屏幕上制作空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的真实图像的成像系统，包括：
控制单元，以及
可控孔径(诸如虹膜)，其由控制单元在成像系统的受限孔径中控制，该可控孔径被适配成阻挡来自空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的黑色状态的杂散光，其中
投影仪光学系统被配置成根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，由此在该成像系统处，投影仪光学扩展量与光源的有效光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量由控制单元来控制并适配平均图像级。
本发明还提供了与投影仪光学系统联用的控制器，该投影仪光学系统用于投影具有平均图像级的图片并与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用，该光学系统包括：用于在屏幕上制作真实图像的成像系统，其中控制器被适配成根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，由此在该成像系统处，投影仪光学扩展量与光源的有效光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量由控制单元来控制并适配平均图像级。
本发明的各实施例还提供了与投影仪光学系统联用的控制器，该投影仪光学系统用于投影具有平均图像级的图片并与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用，该光学系统包括：第一照明系统，
用于增加光源光学扩展量的装置，诸如漫射器元件，
第二照明系统，其从用于增加光源光学扩展量的装置(诸如漫射器元件)上的光斑捕捉光并均匀化该光，从而在空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的照明对空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的所有区域和图像几乎相等。
一种用于在屏幕上制作空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的真实图像的成像系统，以及
可控孔径(诸如成像系统的受限孔径中的虹膜)，该可控孔径被适配成阻挡来自空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的黑色状态的杂散光，其中该 控制器被适配成根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，由此在该成像系统处，投影仪光学扩展量与光源的有效光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量由控制单元来控制并适配平均图像级。
本发明还提供了一种操作投影仪光学系统的方法，该投影仪光学系统用于投影具有平均图像级的图片并与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用，该系统包括用于在屏幕上制作真实图像的成像系统，以及控制单元，该方法包括：
根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，并且在该成像系统处将投影仪光学扩展量与光源的光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量适配平均图像级。
本发明还提供了一种操作投影仪光学系统的方法，该投影仪光学系统用于投影具有平均图像级的图片并与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用的投影仪光学系统，该系统包括：
第一照明系统，
用于增加光源光学扩展量的装置，诸如漫射器，
第二照明系统，其从用于增加光源光学扩展量的装置(诸如漫射器元件)上的光斑捕捉光并均匀化该光，从而在空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的照明对空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的所有区域和图像几乎相等。
一种用于在屏幕上制作空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的真实图像的成像系统，包括：
控制单元，以及
可控孔径(诸如虹膜)，其由控制单元在成像系统的受限孔径中控制，该可控孔径被适配成阻挡来自空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的黑色状态的杂散光，其中该方法包括以下步骤：
根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，并且在该成像系统处将投影仪光学扩展量与光源的光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量由控制单元来控制并适配平均图像级。
本公开的一个实施例根据平均图像级来改变具有固有的相当低的孔径的光源的有效光学扩展量，以及因此改变空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的入射锥角，同时将总的光功率限定于可变锥角内。该光源光学扩展量用具有不同散射角的漫射器元件来改变。在投影透镜点处，投影仪光学扩展量与光源的有效光学扩展量匹配。因此，没有发生几何光损失。有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量由控制单元来控制并且可适配平均图像级。
本公开的第二实施例改变漫射器元件上的入射光束的大小以达成与第一实施例中相同的目的。在这一实施例中，漫射器元件是常规漫射器或荧光体类型的漫射器。荧光体类型的漫射器将入射波长转换为具有比入射光的波长更长或更短波长的光。因为在这一实施例中，通过改变入射照明斑点来改变有效光源光学扩展量，所以使光系统将可变激光照明斑点的性质转换为类似光阀或微型显示器的空间光调制器上的最大照明锥角是必要的。
本发明提供了一种包括代码段的计算机程序产品，该代码段在诸如计算机之类的处理引擎上执行，该计算机程序产品被适配成操作投影仪光学系统用于投影具有平均图像级的图片并与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用的投影仪光学系统，由此该系统可包括：用于在屏幕上制作真实图像的成像系统，其中软件被适配成：
根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，由此在该成像系统处，投影仪光学扩展量与光源的有效光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量由控制单元来控制并适配平均图像级。
本发明的各实施例还提供了一种包括代码段的计算机程序产品，该代码段在诸如计算机之类的处理引擎上执行，该计算机程序产品被适配成操作投影仪光学系统用于投影具有平均图像级的图片并与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用的投影仪光学系统，由此该系统可包括：
第一照明系统，
用于增加光源光学扩展量的装置，诸如漫射器元件，
第二照明系统，其从用于增加光源光学扩展量的装置(诸如漫射器元件)上的光斑捕捉光并均匀化该光，从而在空间光调制器(诸如光阀或微型显示器) 上的照明对空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的所有区域和图像几乎相等。
一种用于在屏幕上制作空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的真实图像的成像系统，包括：
控制单元，以及
可控孔径(诸如虹膜)，其由控制单元在成像系统的受限孔径中控制，该可控孔径被适配成阻挡来自空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的黑色状态的杂散光，其中软件被适配成控制这些元件以：
根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，并且在该成像系统处将投影仪光学扩展量与光源的光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量由控制单元来控制并适配平均图像级。
定义
平均图像级
视频信号的平均图像级被定义为表示为全白信号电平的百分比的亮度电平的时间平均[35]。
对比度
人类视觉的公知现象是其约10个十进位的庞大的动态范围(从大约10-5～10+5cd/m2)，然而仅大约2个十进位的亮度变化被同时感知。亮度的动态范围被分为3个范围：其中仅锥体是活跃的范围(适光视觉，从105到1cd/m2)，其中锥体或杆两者是活跃的范围(过渡视觉，从1到10-3cd/m2)，以及其中杆是活跃的范围(暗视觉，从10-3到10-5cd/m2)。人类视觉系统的时间、空间和颜色感知性质在三个亮度范围中是不同的。适配环境光的等级对于调整灵敏度范围是必要的[33]。
对比度的概念指亮度中的差异。标示为C的对比度是比率其中LO是对象或刺激的亮度而Lb是背景的亮度。
标示为CR的对比度比率是比率标示为M的调制深度是比率M=LO-LbLb+Lb.]]>
对比度比率可根据不同方法[30]、[31]和[32]来测量。标示为CRANSI的ANSI 对比度使用16个相等的黑色和白色矩形的棋盘图像。标示为CR开_关的全开/全关对比度比率是全白亮度对全黑亮度的比率。CRANSI具有150:1到300:1的典型值。CR开_关取决于微型显示器技术而具有2000:1与10000:1之间的典型值。对于标示为w且w∈[0,1]的具有高平均图像级的图像而言，CRANSI是对比度的良好近似。对于具有非常低的w的图像而言，CR开_关是对比度的相关测量。在[1]中，给出了针对白图片内容的CR、CR开_关和CRANSI之间的关系的公式：
1CR=1CRout-off+2w(1CRANSI-1CRout-off)for0≤w≤0.5]]>
参见图1，其作为针对CRANSI＝150:1且CR开_关分别等于1000:1、3000:1、10000:1和100000:1的白内容的函数示出了CR。
上述公式仅针对w∈[0,0.5]来定义。在实践中，平均图像级可以具有[0,1]范围中的值，并且对于w>0.5，对比度将另外降低低于CRANSI。
对于适配的眼睛，在暗视觉范围中，最低可感知亮度电平大约是10-5cd/m2。黑电平或全黑亮度是对于具有例如100cd/m2的全白亮度的显示器，需要CR开_关≈107。如果我们假定最低要求的黑电平对应于10-3cd/m2的锥体阈值亮度电平，则CR开_关≈105对于具有100cd/m2的全白亮度的显示器是必要的[34]。参见图2，其示出了作为针对具有100cd/m2的全白亮度的显示器的CR开_关的函数的黑电平。
用于减少暗电平的现有办法都经受亮像素的照明损失。
投影仪和光源的公知性质是其CR开_关是其光学扩展量。这是纯几何数量并且其是对投影仪的成像光学器件和光源的射线集束的程度的光集中功率的测量。
投影仪光学扩展量εP
标示为εP的投影仪的成像光学器件的光学扩展量被定义为：
ϵP=n2·∫A∫ΩdA·cosθ·dΩ=n2∫AdA·∫φ=02πdφ·∫θ=0θ0cosθ·sinθ·dθ=n2·A·π·sin2θ0=A·π(NA)2≈A·π4·(Fno)2]]>
其中A是微型显示器的表面，n是对象空间的折射指数，2θ0是投影透镜的角孔径，NA＝n sinθ0是投影透镜的数值孔径而Fno是投影透镜的第f个 [7]pp.271-281。参见图3，其示出了具有平坦表面A的微型显示器和具有角孔径2θ0的投影透镜，N是表面A的法线。
图4示意性地示出了入射和出射光瞳。入射光瞳是物理孔径的图像限制器(stop)(即，受限孔径)的图像，如从轴向点P0看到的。其入射光瞳的直径在P0处对向成角的角2θ0的是角孔径－参见[6]PP.186-188。
示例：
具有241.9mm2的表面的微型显示器(对角0.94英寸并且纵横比b:h＝16:9，b是宽度而h是高度)结合具有24°的角孔径的投影透镜具有30mm2sr的光学扩展量。电学的投影显示器的光学扩展量在大约11与50mm2sr之间。
有效投影仪光学扩展量εP
当可调整孔径位于投影透镜的受限孔径中时，则投影透镜的数值孔径和光学扩展量可被减少并且在这里被叫做有效投影仪光学扩展量，标记为εP eff。在受限孔径的最大直径处，投影仪光学扩展量是εP max。当孔径完全关闭时，则投影仪光学扩展量是零：
光源光学扩展量εP eff
光源光学扩展量被标记为εP eff。当光源具有平坦表面AL且光的辐射在具有半角的锥体中时，则：

当光的辐射在具有半角和的椭圆形锥体中时，则：

固有光源光学扩展量εLint
标记为εLint的光源的固有光源光学扩展量，作为包含(几乎)所有的光源光功率的光源的可能最小的光学扩展量。这一固有光学扩展量取决于发射器的表面和发射机的角辐射特性。任何实际光分量将增加光源和这一光分量的组合的光学扩展量。
短弧UHP灯和反射器
由具有来自现有技术的(以抛物线或椭圆反射器的焦点中的弧为中心的)短弧UHP灯(高强度气体放电灯的具体类型)的状态的光学扩展量εPeff的投影系统所收集的光在参考文献[3]中由以下给出：
Φ=32Patan(ϵPeff3.8d2+0.9d+0.8).]]>
1,3.8dz+0.9d+0.8
其中Φ是所收集的光通量(lm)，P是灯功率(W)，d是弧长度(mm)而εPeff是投影仪的有效光学扩展量(mm2sr)。
对于给定值，弧长度为随渐近线的εPeff严格增大的函数Φ。由投影仪的成像光学器件收集的光的分数是图5示出了由来自反射器中具有弧长度为1mm的短弧灯的具有光学扩展量εPeff(以mm2sr计)的投影仪的成像光学器件收集的光的分数。对于具有弧长度为1mm的UHP灯而言，要求69.5mm2sr的光学扩展量用于总的光通量的95％的光收集，90％达到34.5mm2sr。
高亮度LED
本领域的高亮度LED的光辐射表面是具有几乎Lambertian的角辐射方向的平面矩形。各示例是Osram红色LE A P3W、绿色LE T P3W和蓝色LE B P3W高亮度LED和Luminus设备PT120型高亮度LED。
示例：Osram红色LE A P3W、绿色LE T P3W和蓝色LE B P3W高亮度LED各自具有11.75mm2的辐射表面。作为全锥角2<p的函数的所收集的光通量的分数在图6中示出的图表中给出。这示出了来自在具有全锥角2<p的立体角(solid angle)中收集的LE X P3W高亮度LED的光通量的分数。
对于半锥角几乎95％的光通量被收集，对应的光学扩展量是εLint＝32.6mm2sr。
这大致与具有241.9mm2的表面(对角0.94”且纵横比b:h＝16:9，b是宽度而h是高度)并结合具有24°的角孔径的投影透镜的微型显示器的投影仪光学扩展量匹配。在这一情形中，投影仪光学扩展量的降低或者有效光源的光学扩展量的降低将导致几何光损失。
RGB激光器
用于投影显示器的RGB激光器正在开发中。在参考文献[14]、[15]、[17]、[18]和[19]中，讨论了用于投影显示器的这些光源的性质。对于这些光源，εLint＜＜εPmax。
示例：蓝色(X＝447nm)激光器二极管Nichia NDB7352具有通常的发 散半角且两者1/e2≈0.1353。所估计的固有光学扩展量是0.6μm2sr。
这一激光器二极管的εLint的计算：
如果假定辐射表面具有高度Dx和宽度Dy的矩形形状，则远场中的距离d处的Fraunhofer衍射图案是：
I(x,y)=I0&CenterDot;sinc2(Dxxλd)&CenterDot;sinc2(Dyyλd)]]>
with:sinc(x)=sin(πx)πx]]>
I(x,y)=I0&CenterDot;sinc2(Dxxλd)&CenterDot;sinc2(Dyyλd).]]>其中sinc(x)=sin(πx)πx,]]>参见参考文献[2]pp. 128-131。
则在x和y轴上具有值1/e2的相对强度对应于自变量：
Dxxλd=0.7004andDyyλd=0.7004]]>和和
因此，Dx＝6.664λ＝2.979μm且Dy＝1.924λ＝0.860μm。
辐射表面是：Dx·Dy＝2.562μm2。
如果假定所有功率包含在具有半角的椭圆锥体中(该半角对应于经衍射的强度图案的对应于第一零)：

光学扩展量为：

并且对于衍射指数n＝1为：εLint＝0.597μm2sr。
激光器光源的固有光学扩展量因此比LED和高强度气体放电灯的光学扩展量小得多；εLint也比εPmax小得多。
荧光体转换
藉由激励一个或多个转换荧光体的手段将蓝光或近紫外光从InGaN LED转换为更长波长光的技术对于本领域的白光LED和荧光体转换的绿光LED是公知的。对于黄色发射广泛采用的荧光体是例如Y3A15012(钇铝金刚砂)，因为与光学活跃元件掺杂的基质材料是Ce3+，参考文献[8]、[9]pp.179-190和[10]。图7示出了荧光体转换的LED[参见参考文献11]。
对于投影显示器，在[12]和[13]中提出并采用了使用来自InGaN激光器二 极管的荧光体转换方案。蓝色激光器藉由高壁式插头效率和一些荧光体具有高转换效率，因此可以实现高效率的具有空间紧凑发光区的光源。图8示出了例如由准直的蓝色激光束照明的荧光体层，该荧光体层被应用在反射基板上。
一个重要方面是转换荧光体的热行为。通常，对转换荧光体而言是升高温度处的量子效率和总发射功率的下降，这称为热淬火。这由这些升高温度处的若干非辐射衰落机制导致[8]。这意味着实现荧光体层的良好的热疏散和温度控制是非常重要的。图9示出了积分发射强度的热淬火和温度依赖性。
荧光体转换的蓝色激光器光源的光学扩展量取决于荧光体层上的照明区域。
有效光源光学扩展量εLeff
从光源发出的所有光可由微型显示器的光学系统以及(在εLeff≤εPeff的情况下)投影透镜在几何上收集。一些光源具有εLint＜＜εLeff＜εPmax。在这些情形中，光源的有效光学扩展量可从εLint增加到εPeff而没有几何损失。增加光源的有效光学扩展量超过εPeff将导致几何光损失，因为所发射光的一部分将不由微型显示器的光学扩展量和投影透镜收集。图10示出了有效光源和投影仪光学扩展量，在阴影区没有几何损失。
根据本发明的各实施例，固有光源光学扩展量可通过用于增加光源光学扩展量的装置(诸如举例而言漫射器的光学元件)来增加。假定具有圆形横截面和直径d0的经准直的激光束入射到漫射器板上。该漫射器具有散射半锥角并且漫射器的发光区(从位置A看去)变为具有直径dl的圆。由于漫射器板的散射是dl>d0。漫射器板可以是块漫射器或表面漫射器。本领域的漫射器是来自日本的Sigma Koki的磨砂玻璃漫射器。图11示出了在照明系统中具有漫射器的固有光学扩展量的增加。
在漫射器后，光学扩展量增加至一值：
通过降低光源的光学扩展量(例如，通过孔径)来降低光源的固有光学扩展量也是可能的。在这一情形中，几何损失将减少光功率的传输，因为光线的一部分将被该孔径阻挡。
可调整孔径(诸如照明系统的光路径中的适合位置处的虹膜)将充当由于降低光源光学扩展量的手段，因为其将减少从光源射出的立体角并且因此减少 有效光源光学扩展量。图12示出了在照明系统中具有可调整孔径的固有光学扩展量的降低。
对于介质的单位折射指数而言，光源的光学扩展量在这一示例中从减小至
标示为εLeff的光源的有效光学扩展量在这里被定义为在由光学元件增加或降低了光源光学扩展量后从接收方微型显示器看到的有效光学扩展量。
增加光源光学扩展量超过有效投影仪光学扩展量是没有意义的，因为光将因几何损失而丢失。有效光源光学扩展量的最小值是固有光源光学扩展量。
εLint≤εLeff≤εPeff
将光源光学扩展量降低至低于固有光源光学扩展量的值将始终导致几何光损失，并且因此减少了从光源到成像光学器件的功率传输。
具有εLint≈εPmax的投影仪的对比度比率增加
考虑使用相对大的光学扩展量的光源(诸如短弧灯或LED)的实际情形。如已经解释的，增加光源光学扩展量在这一情形中是没有意义的。另一方面，降低有效光源光学扩展量结合降低有效投影仪光学扩展量增加对比度比率。
通过降低εLeff和εPeff，开启状态(白电平)中的光输出将降低但关闭状态(暗电平)中的光输出将降低得更多。因此，CR开-关将增加。图1解说了CR开-关正针对降低εLeff＝εPeff而增加。
经验上知道基于(单芯片微型显示器)DMD的投影仪的CR开-关使用两个可调整孔径从2000:1增加至15000:1，一个可调整孔径在照明系统中(可调整孔径1)而另一个在投影透镜中(可调整孔径2)。在照明系统中孔径直径从40mm变为8.47mm，而在透镜透镜中孔径直径从20.8mm变为6.44mm。
这一方法的缺陷在于投影仪的总光输出被强烈减少。在实验中，具有8.47mm和9.44mm的开启状态光输出的与具有孔径40mm和20.8mm的光输出的比率仅为5％。这是明显的，因为大部分光被孔径所阻挡。
斑点噪声
斑点噪声是在使用具有高度空间和时间相干的光源的其它投影显示器中遭遇的现象。必须被最小化的随机噪声模式是不期望的。斑点噪声的量被定义为测得噪声模式与测得噪声模式的标准差的比率，称为斑点对比度并且这里被 标记为CRS。
斑点对比度取决于各种参数：(1)投影显示器、(2)投影屏幕和(3)观察者的人类视觉系统和(4)关于观察者的屏幕的位置。斑点对比度可通过添加未校正的统计独立斑点噪声模式来减少。在参考文献[4]，详细讨论了减少斑点噪声的各种方法。用于斑点噪声减少的方法基于由检测器进行的空间平均或时间平均。在显示器的情形中，检测器通常是人类视觉系统。
HVS的空间解决方案取决于眼镜光瞳的直径，在低亮度级处，光瞳直径增加并且失常正减少视觉空间解决方案[24]。时间解决方案还在低亮度级处降低，费里-波特定律声称闪烁恰好变得引起注意的频率随亮度的算法而变化[25]。这意味着HVS的积分时间在较低亮度级处增加。眼睛的积分时间从适光亮度范围中的大约10到15ms增加到暗范围中的大约100ms。因此，在较低亮度级处，大量统计独立斑点图案上的平均将导致较低的斑点对比度。
投影显示器和屏幕还对斑点对比度具有强烈影响。增加有效投影透镜出射光瞳直径将减少屏幕上的空间相干面积并且因此减少斑点噪声，参考文献[4]和[5]。其它斑点减少方法基于通过运动漫射器实现的时间平均，参考文献[20]、[21]和[22]。对于基于时间相干的每一种方法，斑点对比度随着增加积分时间而降低。
附图简述
图1作为针对CRANSI＝150:1且CR开_关分别等于1000:1、3000:1、10000:1和100000:1的白内容的函数示出了CR。
图2示出了作为针对具有100cd/m2的全白亮度的显示器的CR开_关的函数的黑电平。
图3具体示出了具有平坦表面A的微型显示器和具有角孔径2θ0的投影透镜，N是表面A的法线的空间光调制器。图4示出了入射和出射光瞳。
图5示出了由来自反射器中具有弧长度为1mm的短弧灯的具有光学扩展量εPeff(以mm2sr计)的投影仪的成像光学器件收集的光的分数。
图6示出了来自在具有全锥角2<p的立体角中收集的LE X P3W高亮度LED的光通量的分数。
图7示出了荧光体转换的LED[参见参考文献11]。
图8示出了例如由准直的蓝色激光器光束照明的荧光体层，该荧光体层被应用在反射基板上。
图9示出了积分发射强度的热淬火、温度依赖性。
图10示出了有效光源和投影仪光学扩展量，在阴影区没有几何损失。
图11示出了在照明系统中具有漫射器的固有光学扩展量的增加。
图12示出了在照明系统中具有可调整孔径的固有光学扩展量的降低。
图13解说了CR开-关正针对降低εLeff＝εPeff而增加。
图14示出了具有散射半锥角和光散射斑点d1的漫射器元件。
图15示出了具有取决于漫射器上的位置η的散射半锥角(η)和光散射斑点d1(η)的漫射器元件。
图16解说了斑点对比度、开-关对比度和w。
图17示出了根据本发明的光学系统的第一实施例。
图18示出了具有散射半锥角可变照明斑点直径和可变发射斑点直径的漫射器元件。
图19示出了在由经准直激光束照明的反射基板上的荧光体层。
图20示出了漫射器上的可变激光照明斑点转换为微型显示器上的可变最大照明锥角的实施例。
图21示出了根据本发明的光学系统的第二实施例。
优选实施例详细描述
以下，各实施例将被详细参照，在附图中解说了各实施例。
本发明并不限于所描述的实施例，但由权利要求来限定。所示附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明目的，将某些元素的尺寸放大且未按比例绘出。在术语“包括”在本说明书和权利要求书中使用的情形中，它并不排除其他元素或步骤。在参照单数名词时使用的不定冠词或定冠词，例如“一”或“一个”、“该”的情形中，其包括名词的复数除非另外明确声明。权利要求中使用的术语“包括”不应被解读为限定于其后列出的手段，它并不排除其他元素或步骤。因此，“包括装置A和B的设备”的表达不应被限定于仅由组件A和B构成的设备。其意指关于本发明，设备A的仅相关组件是A和B。此外，在说明书和权利要求书中术语第一、第二、第三和类似描述用于在类似元素间加 以区别，而没有必要描述顺序或时间次序。应该理解如此使用的这些术语在合适环境下可以互换，并且在此描述的本发明的实施方式能够以除了本文描述或示出的之外的其他顺序来操作。此外，在说明书和权利要求书中术语顶部、底部、以上、以下和类似描述用于描述性目的并且对于描述相关位置不是必要的。应该理解，如此使用的这些术语在合适环境下可以互换，并且在此描述的本发明的实施方式能够以除了本文描述或示出的之外的其他方向来操作。
此外，应理解，在给出由数值范围界定的参数范围的情形中，该范围被认为包括这些限定值，除非另外声明并非如此。
在附图中，相同的参考标记指示相同的特征；并且一副以上图中出现的参考标记指代同一元件。
以下描述了高对比度比率投影仪的各个实施例，其包括RGB激光器和荧光体转换光源，尽管本发明并不限于此。
第一实施例(参见图17)
根据本发明的一实施例的投影仪光学器件系统包括以下：
光源(诸如激光器(1))具有实质上低光学扩展量(作为一示例为0.6μm2sr)。该光源可由控制单元8，例如，光源(例如，激光器)的光功率输出来控制。
第一照明系统(2)将来自光源(例如，激光器)的光带至漫射器元件(3)的照明位置上。光源光束大小(例如，激光束)在用于增加光源光学扩展量的装置上(诸如在漫射器元件上)的入射位置处具有直径d0。漫射器元件可由控制单元8来控制。
漫射器元件可以是静态的或移动的(例如，旋转)。对于移动类型，激光束的入射功率的分布在较大面积上扩展并且因此将实现漫射器的较低温度。移动的漫射器也将减少斑点噪声。漫射器元件的旋转速度可由控制单元8来控制。
漫射器元件可以是发射类型或反射类型的。在第一情形中，漫射层被附连或沉积在透射基板(例如，玻璃板)上。在第二情形中，漫射层被附连或沉积在反射基板(例如，抛光铝)上。
对于反射基板上的移动类型的漫射器元件，热可由基板的背侧上的热沉来疏散。
对于反射基板上的静态类型的漫射器元件，热可由基板的背侧上的热沉和可任选热管来疏散。
漫射器元件由散射半锥角和具有直径d1的漫射器元件的出射侧处的光斑来表征。由漫射器元件发出的光的光学扩展量增加至一值：漫射器元件可以是例如块漫射器、表面漫射器或基于全息光学元件的漫射器(参见图14)。
第一照明系统可包括光束扩展器，以便降低漫射器上的入射光的功率密度。
第一照明系统可包括光束成形器元件，以便创建漫射器上平顶(top-hat)照明密度函数。
漫射器元件(3)可具有可变强度，例如，具有取决于漫射器上光斑的位置的不同散射半锥角。漫射器元件上的光斑位置可由控制单元8来控制。在旋转漫射器的情形中，可变强度性质可以根据垂直于该旋转的方向而变化。旋转漫射器元件上的光斑的径向位置可由控制单元8来控制。该功能性可用例如，基于全息光学元件的漫射器来实现。图15示出了具有取决于漫射器上的位置η的散射半锥角(η)和光散射斑点d1(η)的漫射器元件。
第二照明系统(4)具有以下功能：
a)其捕捉来自漫射器上的光斑的光并且将其在空间光调制器(诸如光阀或微型显示器(5)(诸如微镜器件(MMD)))上成像。
b)其还随着空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的可变最大照明锥角来维持从漫射器位置的可变最大散射角的性质，即，如果漫射器处的最大漫射角较小，则空间光调制器(例如，光阀或微型显示器)上的最大照明锥角也较小，而如果漫射器处的最大漫射角较大，则空间光调制器(例如，光阀或微型显示器)上的最大照明锥角也较大。
c)其较佳地均匀化光，以便空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的照明对于所有区域、对于所有漫射角是几乎相等的。
可执行这些功能的示例是具有足够长度的光管以便即使在最小的最大漫射角的情形中在具有良好均匀化的光管中也存在足够的反射。
反射或透射类型的空间光调制器(例如，光阀或微型显示器(5))，例 如，DMD或DLP、LCD高温度多晶硅或LCoS。
一种用于在屏幕(7)上制作空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的真实图像的成像系统(6)。该屏幕可以是前投影屏幕或后投影屏幕，例如或简单地为墙壁。这一成像系统可以是单个投影透镜，或投影透镜的组合。
可调整或较佳可控孔径(诸如虹膜(9))在成像系统的受限孔径中。虹膜的可控孔径通过阻挡来自微型显示器的黑色状态的杂散光来对主对比度改善作出例如显著贡献。可控孔径(诸如虹膜)的孔径可由控制单元8来控制。
孔径(11)和孔径(12)是可任选可控孔径，这些孔径的发光部分的直径根据漫射器的散射半锥角用来自控制单元(8)的控制信号来调整。这些孔径将阻挡通过在漫射器元件(3)或第二照明系统(4)中散射在不希望方向中造成的光线。例如，孔径(11)或(12)之一可以是第二照明系统的整合部分。
控制单元(8)控制激光器光束落入漫射器元件上的位置并控制空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)与投影屏幕之间的成像系统中的虹膜以及控制可任选孔径(11)和(12)。控制单元具有输入控制信号(10)。
输入控制信号可直接从图像生成器生成，如同在针对其中所谓的时辰信号指示必要的黑电平和亮度电平的模拟器的情形中。
控制信号还可由计算平均图像级w的系统来生成。在这一情形中，必要的黑电平和亮度电平自动在平均图像级处适配。
注意，以上已经针对一种颜色通道操作进行了描述。在3种颜色通道的正常情形中，本发明的任何实施例在适配颜色时可具有共享漫射器或替换地每一颜色一个漫射器，并且随后拆分光。本发明的任何实施例可以利用具有三种或更多种颜色的时间复用的单个通道。
第一实施例具有其允许对平均图像级w非常小的情况很大地增加对比度的优点。这通过使用用于增加光源仪光学扩展量的装置(诸如具有小散射锥角的漫射器元件(3))，以及同时使用可控孔径(诸如具有对应小开口的虹膜(9))来较佳地完成。在这一情形中，εLeff和εPeff是较小和相等的。因为激光器光源的小固有光学扩展量，漫射器上的入射光的几乎所有光功率被限定于用于增加光源光学扩展量的装置(诸如漫射器)的小散射锥角中并且贯穿整个光学系统是透明的，即没有或存在减少量的几何光损失。在实践中，将始终存 在小量的光损失，因为漫射器元件将在具有大于散射锥角的角度的方向上散射小量的光。这些光线将被可任选孔径(11)和(12)所阻挡。由于虹膜(9)的小开口，斑点对比度可能会增加。然而在非常低的平均图像级的情形中，HVS(人类视觉系统)的积分时间将变大并且HVS的空间分辨率将变低。这两个效果将再次减少感知到的斑点噪声。
当平均图片内容增加时，则斑点早上将变得更为可见。但是在增加的平均图片内容处，允许增加黑电平因为眼睛的可见性阈值电平也将适配的HVS的动态范围限定于大约2个十进位。因此，根据本发明的各实施例，控制器将作出反应，因为漫射器元件(3)的较大散射锥角将允许虹膜(9)的较大对应开口。当然，可任选空间(11)和(12)应被相应地调整。虹膜(9)的开口的增加将再次减少斑点噪声。
该系统并且尤其是控制器被适配成使得εLeff和εPeff适配平均图像级w。为了避免几何光损失，光源的有效光学扩展量和投影仪的有效光学扩展量被保持相等并且被设为取决于平均图片内容的值：
εLeff(w)＝εPeff(w)＝f(w).f(w)被定义用于w∈[0，1]且f(1)＝εPmax＝εLeff max且f(0)＝εPmin＝εLeff min。
假定影响斑点对比度的所有参数为：(1)f(w)、(2)HVS的时间分辨率和(3)HVS的空间分辨率。还假定CRS(f(w))是f(w)的单调递减或严格减少的函数。
还定义绝对最大可接受斑点对比度CRSmax，可接受斑点对比度的绝对最大电平因此定义f(w)的最小值εPmin。
还假定开-关对比度CR开_关是f(w)的单调递减或严格减少的函数。
函数CR开_关(f(w))、CRS(f(w))和f(w)在图16中描绘。
对于函数f(w)，存在许多可能性，可适当地选择其中任何可能性与本发明的各实施例联用。
可选择用于区间w∈[0，0.5]中但在该区域中的较高斑点噪声处的最高对比度的函数f(w)，图16中的函数(a)。图16示出了斑点对比度、开-关对比度和f(w)。另一可能性是具有线性增长函数(c)，这具有斑点噪声的增长更为渐进的优点。另一可能性是函数(b)，其中对比度增长和斑点噪声增长更多的是折衷。
在实践中，f(w)可被经验地定义，并被存储在查找表中。
第二实施例(参见图21)
光源(诸如激光器(1))具有实质上低光学扩展量(作为一示例为0.6μm2sr)。该光源可由控制单元8，例如，光源(例如，激光器)的光功率输出来控制。
第一照明系统(2)将来自光源(诸如激光器)的光带至漫射器元件(3)的照明位置上。光束(例如，激光束)在用于增加光源的光学扩展量的装置(诸如漫射器元件)上的入射位置处具有直径d0。第一照明系统可由控制单元8来控制。
漫射器元件可以是静态的或移动的(例如，旋转)。对于移动类型，光束(例如激光束)的入射功率的分布在较大面积上扩展并且因此将实现漫射器的较低温度。移动的漫射器也将减少斑点噪声。漫射器元件上的光斑位置可由控制单元8来控制。
对于反射基板上的移动类型的漫射器元件，热可由基板的背侧上的热沉来疏散。
对于反射基板上的静态类型的漫射器元件，热可由基板的背侧上的热沉和可任选热管来疏散。
漫射器元件可以是发射类型或反射类型的。在第一情形中，漫射层被附连或沉积在透射基板(例如，玻璃板)上。在第二情形中，漫射层被附连或沉积在反射基板(例如，抛光铝)上。
漫射器元件可以是块漫射器、表面漫射器或基于全息光学元件的漫射器。
漫射器元件由散射半锥角可变照明斑点直径和具有直径d1的漫射器元件的出射侧处的光斑来表征。由漫射器元件发出的光的光学扩展量为(参见图18)。
第一照明系统可包括光束成形器元件，以便创建漫射器元件上平顶照明密度函数。
第一照明系统包括可变光束扩展器，其可以改变漫射器上的入射照明斑点的大小。照明斑点可具有圆形并且随后由直径来表征并且将导致在漫射器元件的出射侧处具有直径的可变发光斑点。可变光束直径将随后导致可变光学扩展量照明斑点的大小可由控制单元8来控制。
用于增加光源光学扩展量的装置(诸如漫射器元件(3))可以是保持与输入端处相同波长的常规漫射器，或者荧光体类型的漫射器元件(其中不仅有某些最大漫射角的内部的光漫射，还有激光波长向更长波长的射出频谱(下转换荧光体)更短波长的射出频谱(上转换荧光体)的转换)。
荧光体类型的漫射器元件可以是透射类型，即荧光体材料和粘结剂被沉积在透明基板(例如玻璃基板)上，或者反射类型，即荧光体材料和粘结剂被沉积在高反射性基板(例如，抛光铝)上。对于反射类型，反射系数对于入射激励波长范围和由受激励的荧光体层发出的光的频谱两者都应为高(例如>95％)。
对于沉积在反射基板上的荧光体层，波长λ0处的入射激光束的功率导致荧光体层中的光致发光，因此荧光体层将发出围绕中心波长λ1＞λ0(对于荧光体下转换的情形)的波长范围Δλ中的经转换光(参见图19)。
图19示出了在由经准直激光束照明的反射基板上的荧光体层。激光和经转换光由荧光体材料和粘合剂来散射。荧光体层的发光面积将因此比直径为的入射激光斑点更大(直径为)。与之差取决于荧光体层的厚度和荧光体和粘合剂的散射性质。从荧光体层发出的光具有由Lambertian辐射器来近似的角扩展。荧光体层上的发光面积的大小可通过改变荧光体上激光照明图案来改变。大的照明图案将导致大斑点和大光学扩展量，较小的照明图案将导致较小的光学扩展量。假定几乎所有光功率被限定在半角为70°的锥体中，则光学扩展量为
较大斑点具有针对激励功率的较低荧光体温度的优点，并且因此更长的荧光体寿命。相等激励功率处的较小斑点将导致更高亮度，只要不存在荧光体层的热淬火。
基于荧光体的漫射器元件可以是静态的或移动的(例如，旋转)。对于移动类型，激光束的入射光的分布在较大面积上扩展并且因此将达成受激励荧光体层的较低温度。漫射器元件上的光斑位置可由控制单元8来控制。
第二照明系统具有以下功能：
它捕捉来自漫射器元件上的光斑的光并且将其在空间光调制器(诸如光阀或微型显示器(诸如微镜器件)上成像。
b)它将漫射器位置上的可变光的性质(例如，激光器照明斑点大小)转换为空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的可变最大照明锥角，即，如果漫射器上的光或激光束斑点大小较小，则空间光调制器(例如，光阀或微型显示器)上的最大照明锥角也较小，而如果漫射器处的光或激光束斑点大小较大，则空间光调制器(例如，光阀或微型显示器)上的最大照明锥角也较大。这一功能的实施例在图20中描绘。
|A B|和|A″ B″|表示假定在漫射器出射表面上发光斑点的圆形直径，对于两种情形而言，|A B|＜|A″ B″|。L是将A B和A″ B″成像在A′ B′上的透镜系统的旁轴近似当量(equivalent)。这一透镜系统的性质用来自控制单元(8)的输出控制信号来控制。当发光斑点从|A B|增大至|A″ B″|时，则透镜系统L将改变其透镜元件、其孔径的位置以及其孔径直径(若必要)以便(i)图像大小|A′ B′|被保持恒定并且(ii)角直径2u保持恒定两者。从Langrange(拉格朗日)不变h1u＝h′u′1且h1u＝h′u′2中，得出
图20示出了漫射器上的可变激光照明斑点转换为微型显示器上的可变最大照明锥角的实施例。
c)它均匀化光，以便空间光调制器(例如光阀或微型显示器)上的照明对于所有区域、对于光(例如，激光束斑点大小)是几乎相等的。
反射或透射类型的空间光调制器(例如，光阀或微型显示器(5))，例如，DMD或DLP、LCD高温度多晶硅或LCoS。
一种用于在屏幕(7)上制作空间光调制器(例如光阀或微型显示器)的真实图像的成像系统(6)。该屏幕可以是前投影屏幕或后投影屏幕，或简单地为墙壁。这一成像系统可以是单个投影透镜，或投影透镜的组合。
一种在投影仪屏幕(7)上对照明的空间光调制器(例如光阀或微型显示器(5))成像的成像系统(6)的受限孔径中的可调整和可控孔径，诸如虹膜(9)。这一成像系统可以是单个投影透镜，或投影透镜的组合。虹膜的可控孔径通过阻挡来自空间光调制器(诸如光阀或微型显示器(类似LcoS或DLP器件))的黑色状态的杂散光来对主对比度改善作出巨大贡献。可调整和可控孔径可由控制单元8来控制。
孔径(11)和孔径(12)是可任选可控孔径，这些孔径的发光部分的直径 根据漫射器的散射半锥角用来自控制单元(8)的控制信号来调整。这些孔径将阻挡通过在漫射器元件(3)或第二照明系统(4)中散射在不希望方向中造成的光线。孔径(11)或(12)之一可以是第二照明系统的整合部分。可任选孔径11和12可由控制单元8来控制。
控制单元(8)控制第一照明系统、第二照明系统、虹膜(9)、可任选孔径(11)和(12)。控制单元还可控制光源(例如，激光器(1))的光功率输出。控制单元具有输入控制信号(10)。
控制信号可直接从图像生成器生成，如同在针对其中所谓的时辰信号指示必要的暗电平和亮度电平的模拟器的情形中。控制信号还可由计算平均图像级的系统来生成。在这一情形中，必要的黑电平和亮度电平自动在平均图像级处适配。
注意，以上已经针对一种颜色通道操作进行了描述。本发明的任何实施例可被用于3种或更多种颜色通道。在本发明的任何实施例中，可以使用共享漫射器(组合并随后重新拆分)或每颜色一漫射器，并且随后拆分光。具有三种颜色的时间复用的单通道一包括在本方面的任何实施例的范围内。
如上所述，控制器可包括处理引擎(诸如中央处理单元(“CPU”)，例如，由美国英特尔公司供应的奔腾处理器的常规的微处理器仅是一示例，或者例如FPGA)以及经由总线系统互连的数个其它单元。
总线系统可以是任何合适的总线系统。控制器可被实现为微控制器。控制器可包括至少一个存储器。存储器可包括本领域技术人员所知的多种数据存储的任一种，诸如本领域即技术人员所知的随机存取存储器(“RAM”)、只读存储器(“ROM”)和非易失读/写存储器(诸如硬盘)。例如，控制器可进一步包括随机存取存储器(“RAM”)、只读存储器(“ROM”)。可任选地，控制器可包括显示适配器，其用于连接至将视频显示器终端，和可任选输入/输出(I/O)适配器，其用于将外围设备(例如，磁盘或磁带驱动器)连接至系统总线。视频显示器终端可以是控制器的视觉输出，并且可以是任何合适的显示器设备，诸如本领域公知的计算机硬件的基于CRT的视频显示器或基于LCD或基于气体等离子的平板显示器。
控制器还可包括驻留在机器可读介质内的图形用户界面。任何合适的机器 可读介质可保留图形用户界面，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁盘、磁带、或光盘(最后三个位于磁盘或磁带驱动器中)。任何合适的操作系统和相关联的图形用户界面(例如，微软Windows、Linux)可引导CPU。另外，控制器可包括驻留在计算机存储器存储中的控制程序。控制程序包含当在CPU上执行时允许控制器执行关于本发明的任何方法描述的操作的指令。
本领域技术人员将领会，其它外围设备(诸如光盘介质、音频适配器、或芯片编程设备(诸如计算机硬件领域公知的PAL或EPROM编程设备)等)可被附加地或替代已经描述的硬件来使用。
根据本发明的任何实施例，以上的控制器被适配成与用于投影具有平均图像级的图片的投影仪光学系统联用。该光学系统可与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用。在本发明的实施例中，控制器被适配成根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，由此在该成像系统处，投影仪光学扩展量与光源的有效光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量由控制单元来控制并适配平均图像级。
计算机程序产品可包括用于在处理引擎(诸如计算机)上执行的代码段，该计算机程序产品被适配成操作用于投影具有平均图像级的图片并与具有固有的相当低的光学扩展量的光源联用的投影仪光学系统。该光学系统可包括：
第一照明系统，
漫射器元件或其它用于增加光源光学扩展量的装置。
第二照明系统，其从用于增加光源光学扩展量的装置(诸如漫射器元件)上的光斑捕捉光并均匀化该光，从而在空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的照明对空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)上的所有区域和图像几乎相等。
一种用于在屏幕上制作空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的真实图像的成像系统，包括：
控制单元，以及
可控孔径(诸如虹膜)，其由控制单元在成像系统的受限孔径中控制，该可控孔径被适配成阻挡来自空间光调制器(诸如光阀或微型显示器)的黑色状 态的杂散光。该软件被适配成根据平均图像级来改变光源的有效光学扩展量并将光功率限定于可变锥角内，并且在该成像系统处将投影仪光学扩展量与光源的光学扩展量匹配，有效光源光学扩展量和投影仪光学扩展量由控制单元来控制并适配平均图像级。
该变化通过控制光学系统的元件来获得，如在关于图17和21的第一和第二实施例中所述。
该软件可被适配成控制用于增加光源光学扩展量的装置。该软件可被适配成控制光束落入到用于增加光学扩展量的装置上的位置。该软件可被适配成控制成像系统中的可控孔径和/或适配成控制至少一个附加孔径。该软件可被适配成控制光学系统使得εLeff和εPeff相等并且例如可以将其适配平均图像级。该软件可被适配成控制光学系统以便光源的有效光学扩展量和投影仪的有效光学扩展量保持相等并且被设为取决于平均图片内容εLeff(w)＝εPeff(w)＝f(w)的值，其中f(w)被定义为w∈[0，1]并且f(1)＝εPmax＝εLeff max以及f(0)＝εPmin＝εLeff min。
该软件可被适配成控制光学系统以便可接受斑点对比度的绝对最大电平定义f(w)的最小值εPmin。
计算机程序产品可被存储在非瞬态信号记录介质(诸如光盘，类似DVD或CD-ROM，磁盘(诸如硬盘)、固态存储器、磁带、FLASH存储器等)上。
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