用于投影显示装置中的色彩控制的装置、系统及方法

专利名称：用于投影显示装置中的色彩控制的装置、系统及方法
技术领域：
本发明涉及图像的投影，尤其涉及用于匹配多个投影显示装置间的颜色的方法和装置。
背景技术：
空间光调制器(Spatial Light Modulator，缩写为SLM)型投影显示装置通常用于减少显示装置中的色调变化的应用中，并且这些显示装置间的色匹配是很重要的。用于呈现高质量图像的显示装置，例如用于电影的应用，由于色彩控制是影片映像表现度的重要部分，所以要求较好的色匹配。这些显示装置的使用者希望在每个电影院中，由该投影系统所再现的颜色都应该匹配在该电影的后期制造的过程中所确定的这些颜色。
在其他应用中，可能将在同一时间使用多个投影显示装置，例如，当所给类型的单个投影显示系统的空间解析度不够时。当投影面覆盖很大的面积时或者某形状的表面不能由单个投影显示系统以希望的亮度和画质所覆盖时，也将要求多个投影显示装置。
在此情况下，通常以平铺布置方式来使用多个投影显示装置。将两个或多于两个的投影显示装置布置为使得其图像邻接并形成具有水平和垂直元素的矩阵，从而所得合成图像具有比如果使用单个投影显示装置来覆盖该投影面区域而更高的解析度和亮度。该显示的分格还使得投影面不需要投影透镜额外的聚焦深度或专门的变形矫正，就可从投影点来改变投影面的外形或距离。还可将多个显示装置相互完全重叠以获得增强的亮度或来自于重叠图像的结合的其他好处，例如采样伪像的抑制。为了将多个图像显示装置配置为具有最好的画质，应该将各投影装置的彩色特性进行很好地匹配。
基于空间光调制器(SLM)例如变形镜装置(deformable mirrordevice，缩写为DMD)的投影显示装置，通常采用了多个SLM以制造采用了基于三原色的附加装置的彩色显示装置。这些系统通常利用所谓的分色滤光器元件以将来自于照明光源的光分成对应于期望原色(常规地为红、绿、和蓝)的三段光谱带。于是采用三个SLM装置，每个SLM装置用于一种原色，以调制分解光的亮度，然后将其再结合为单个光束，并通过投影透镜投影至显示屏上。这些SLM装置由传达这三个SLM装置的每一个象素(像素)的亮度的输入信号所激励，从而在显示屏上形成期望的连续色调彩色图像。
为了产生具有均衡且协调颜色的图像，应该非常谨慎地匹配分色滤光器的特性。另外，由于分色滤光器滤波通带的波长依赖于入射角，所以各滤光器的照射角应当非常谨慎地加以控制。由于该角依赖于滤光器特性的性质并且由于在任何大规模生产系统中都会出现的不可避免的制造公差，所以很难精确地控制装备有分色滤光器的显示装置的色平衡。由于实用性和稳定性的原因，通常将这些滤光器容纳于不允许选择或者调节滤光器的光学合成装置中。因此，这些显示装置在显示中会呈现色移，从而例如，表示均衡白色场的信号被显示成一边泛蓝，而另一边泛红。
基于SLM装置的投影显示装置通常采用电子线路以允许控制图像的外观。这些控制包括用于调节显示装置的整体对比度或增益、黑水平(black level)、色调以及饱和度的装置。控制通常还用于分别地调节各色通道的增益和黑水平色的等级。这些控制还通常用于调节显示装置的色平衡，例如将显示的白色设置为特定色调，以确保显示的灰度级具有中性外观。还可提供调节投影装置色通道的附加装置，其包括查值表，对各色通道接收输入象素值并对各输入象素值向SLM装置输出新象素值。该查值表可用于将各通道的相对亮度以及输入象素值转变成各通道的图像象素亮度转换函数。
因此，附加显示装置的色平衡可以通过改变该显示装置的各通道的相对亮度进行调节。然而，通过减小显示装置的一个或多个色通道的最大亮度而实现该调节，其进而减小了该显示装置的最大亮度。此外，实现多投影显示装置结构中的投影装置组的期望整体色平衡，将要求降低所有多投影显示装置的所有一个或多个红、绿和蓝色通道的亮度，进而减小了该合成显示装置的亮度。
其次，通过操作三原色的相对亮度来调节色移和色平衡仅在显示色包含一定比率的所有三原色的一般情况下才会有效。饱和色或仅包含三原色中的一个或两个的颜色通常无法通过调节各显示装置的红、绿和蓝成分的亮度，来在多个显示装置之间匹配。
通过利用例如三维矩阵运算或三维查值表将输入颜色映射到显示颜色，可实现色匹配中的改进。然而，该两个或多个显示装置之间的色匹配方法要求显示的颜色处于所有显示装置的共同色域范围内。这使得减小了可显示色的色域范围。例如在Pettitt的美国专利申请2002/0041708A1中就说明了该情况。如该申请的图5所示，该专利申请示出了将多个投影装置与“标准色域”相匹配的方法，该标准色域必须是要匹配的多个投影装置的色域的子集。当Pettitt利用矩阵方法将输入信号颜色映射至投影装置的各色通道的亮度值时，将输入值转换成新值以提供给对应三个通道的多个SLM装置的三维查值表也能满足需要。通过改变提供给投影装置中的SLM装置的象素亮度值来执行色校正的如Pettitt的系统，只可以通过添加一些其他两种原色中的各原色，来匹配不饱和的颜色。
最后，调节投影装置显示通道的亮度并不能补偿显示装置中的色移，这是因为该调节平均地作用于该显示装置的所有象素。
Fielding的美国专利第5,386,253号描述了用于改进基于SLM的(SLM based)投影装置中的投影图像的均衡性的方法。在Fielding中，监测远场的传感器用于测量投影图像的区域亮度，并且通过改变提供给SLM的象素区域的亮度值来将该信息用于校正屏幕上的亮度分布。该象素亮度中的改变可用于改变投影图像的区域亮度以实现任意的期望亮度分布的外观。Fielding中的方法不能使屏幕的所给区域或面积的亮度增加到超过未校正系统中的所给区域可实现的亮度。因此，改变投影图像区域的象素亮度以实现例如均衡亮度的平面场，这将通常使显示亮度限制为投影图像的最小亮度区域的亮度。
Fielding对于彩色投影装置中所用的三个SLM装置中的每一个提供了独立的象素值改变装置。Fielding中的方法试图确保投影装置各色通道的象素亮度均衡。此减小了显示装置中的色移效果，但对于整体色平衡调节其具有前面所提及的同样的局限性，即该调节通常只对包含一定比率的所有三原色的显示色才起作用。
Fielding还以如下情况为根据，即任何应用于象素值以改进显示的整体均衡性的总增益调节应该对所有三个色通道相同，以避免改变色平衡。对于本领域的技术人员来说，不同的总增益调节可应用于各色通道的象素值，并且该调节本质上倍增了通常基于SLM的投影装置中所提供的色通道增益调节。
Mayer，III等人的美国专利第6,115,022号描述了与Fielding中的方法相类似的方法，其中对红、绿、和蓝象素值的分别调节可用于校正显示图像中的色移。首先，因为在Fielding中的方法不能使原色的亮度增加到超过未校正系统所产生的亮度，所以只能在各色通道上执行亮度的减小。该色移的校正通常要求减小象素较亮的显示区域中的红、绿、和蓝象素亮度，以匹配象素不够亮的区域中的亮度。类似地，通过本方法匹配邻近的显示装置将导致额外的亮度下降。此外，使合成显示装置实现期望整体亮度会要求降低所有多个投影显示装置红、绿、和蓝色通道中的一个或多个中的所有象素的亮度，进而降低了该合成显示装置的亮度。
其次，通过操作三原色的相对象素亮度来调节色移和色平衡，其只在显示的颜色包含一定比率的所有三原色的一般情况下才有效。这意味着在多个显示装置之间，饱和色或只包含三原色中的两个的颜色将通常不能通过调节各显示装置的红、绿和蓝成分的象素亮度进行匹配。
其中，将例如Mayer，III等人的方法应用于如CRT显示装置的具有高基本一致性的显示装置，这些原色很有可能会匹配，该显示装置中原色由CRT中所用的荧光物质确定并且大部分色失衡源于电子。因此，上述情况并不适用于由分色滤光器产生三原色的基于SLM的显示装置。
现有技术未能提供一种完全解决单个的显示装置中的色均衡和色移的问题的解决方法。此外，现有技术的方法在亮度上有局限性，并且不能有效地匹配这些显示装置的原色。
因此，由于这些显示装置中的色调变化和投影显示装置之间很差的色匹配导致了基于SLM的投影显示装置的效果不令人满意。

发明内容
本发明试图通过提供用于控制输入光的光谱能量分布的装置、系统及方法，而不用降低显示装置的整体亮度，来解决上述均衡性和色匹配的问题。所披露的装置、系统及方法采用了副照明源，其增加了附加光，以达到各原色的期望色度。此外，所披露的装置、系统及方法采用了可调带通滤光器，结合照明源，以控制输入光中的原色值，以达到各原色的期望色度。此外，所披露的装置、系统及方法通过基于SLM的投影装置的场用于校正基于SLM的投影装置上的随场色调变化。


图1示出了根据现有技术的投影系统；图2是表示根据图1系统的基于SLM的投影显示装置的彩色特性的曲线图；图3是表示根据图1系统的基于SLM的投影显示装置的彩色特性的更精确比例图；图4是图1的系统中所用的有色滤光器的光谱透射中由于改变到达该滤光器的光的入射角而产生的偏移的曲线图；图5是通过改变到达图1的系统中所用的滤光器的光的入射角而产生的显示白点中的色差的曲线图；图6示出了由图1的系统中所用的有色滤光器产生的色域；图7示出了用于减少显示装置的色调变化和用于调节图1的系统中各显示装置的颜色的系统的典型实施例；
图8示出了用作图7、图9、和图10的系统中的副照明源的光谱能量分布的曲线图；图9示出了用于减少显示装置的色调变化和用于调节图1的系统中各显示装置的颜色的系统的另一典型实施例；图10示出了用于减少显示装置的色调变化和用于调节图1的系统中各显示装置的颜色的系统的另一典型实施例；图11示出了图9和图10的系统中所用的电灯的光谱能量分布；图12是表示图7、图9、和图10的本发明的颜色调节方法的曲线图；图13是表示改变图7、图9、和图10的系统中的原色滤光器上的入射角的效果的曲线图；图14是表示改变图7、图9、和图10的系统中的原色滤光器上的入射角的效果的第二曲线图；图15是基于图7、图9、和图10的本发明的显示装置的亮度调节装置的电路图；图16是表示用于调节应用了图7、图9、和图10的本发明的显示装置的颜色的典型方法的方框图；图17是表示图7的本发明调节图1中的系统的色度中的效果的曲线图；图18是表示图7的系统中所用的照明进行图16中的颜色调节的相对光谱功率的曲线图；
图19示出了由图7的系统产生的用于图1的系统的已调节的色域；图20是表示具有颜色调节附加装置的图7、图9、和图10的系统的绿色通道中所用的滤光器的通带的曲线图；图21是表示用于具有图20的滤光器通带的图7、图9、和图10的系统的绿色通道的，主和副照明光源的色度坐标的曲线图；图22是图1的系统中所用的类型的三个滤光器的光谱透射的曲线图，示出了这些滤光器的透射上的波长偏移的效果；图23示出了有关带通滤光器的光谱透射的波长偏移的效果；图24示出了用于调节显示系统的颜色的可选系统；图25是表示图24的本发明调节图1中的系统颜色的效果的曲线图；图26示出了用于图24的系统的可选滤光器配置的滤光器的光谱透射；图27示出了根据本发明的调节依赖基于SLM的投影装置色调变化的场的方法；以及图28是用在图27的本发明中依赖图1中色调变化调节系统的场的方法的详细图。
具体实施例方式
为了方便说明，下面将以两个投影装置组成合成显示装置的实例进行描述，其中这两个投影图像沿水平方向并排布置。此为可包括多于两个投影装置的更复杂系统的子集，这些投影装置布置为其中合成图像由沿水平、垂直或既水平又垂直重叠或排列的图像矩阵所产生。可以看出，本文所披露的本发明可应用于更复杂的结构且当只使用一个显示装置时，可应用于调节投影显示装置的颜色的一般应用。
图1示出了根据现有技术采用两个基于SLM的投影显示装置构成合成图像的投影系统的平面示意图。可应用包括变形镜装置(DMD)、或反射式或透射式液晶装置的各种类型的SLM装置，本实例中示出了DMD型SLM装置。将要显示的图像分成两半(即左半部和右半部)各半部具有相同的高度，但是各半部是最终图像总宽度的一半。该合成图像在显示屏幕100上形成，其接收来自于两个投影系统(即左手边投影装置115和右手边投影装置135)的左半部和右半部投影图像。左手边投影装置接收对应于想要的图像的左半部的图像输入信号，右手边投影装置接收对应于想要的图像的右半部的图像输入信号。各投影系统相同且以下可根据左手边投影装置115进行详细描述。图1中，括号中的标号表示右手边投影装置135的对应部件。
将表示要显示图像的一半的输入视频或图像数据信号114(134)提供给输入电路112(132)，其提供了各种本领域内技术人员公知的用于根据输入格式要求将合成输入分离成红、绿和蓝或“RGB”信号成分的装置，并且提供了用于提取图像帧定时信息的装置以及用于诸如对比度控制、色平衡调节、图像定标以及本领域内技术人员公知的其他特性的装置。电路112(132)的输出是对应于图像的三种颜色成分RGB的三个离散信号111(131)，以及帧定时信号113(133)。这些信号被提供给显示控制和格式化电路110(130)，其进而提供SLM装置106、107和108(126、127和128)所要求的控制信号109(129)。各SLM装置包括调节元素或象素的二维矩阵，并且通过各种控制信号，各象素调节要被投影的光的对应部分的亮度，以形成对应于要被投影图像的期望象素亮度图案。每个SLM装置对应于要显示图像的三种颜色成分中的一种，并且色分离及再合成装置(color separation and re-combining device)105(125)提供了将输入的白光过滤成对应于可视光谱的红、绿和蓝部分的三个光谱色带所必须的光学部件，于是该分离的光分别以红、绿和蓝光对SLM装置106、107和108(126、127和128)进行照明。控制信号109(129)使独立的象素受到控制，以调节到达SLM上的红、绿和蓝光的亮度，其进而由色分离及再合成装置105(125)再合成为覆盖了红、绿和蓝成分的单一图像，其进而由透镜104(124)投影到屏幕100上。本领域的技术人员应该明白，图1为了方便说明，省去了投影装置结构中的一些细节，其包括了照明源以及色分离及再合成装置105(125)的细节，其详细结构和部件根据所用SLM的类型而变化。
图1中的左手边投影装置115在屏幕100上产生投影图像102，其从透镜104发出如图1中所示的或多或少锥形的，如将104连接至102的虚线所示的光。类似地，图1中的右手边投影装置135在屏幕100上产生投影图像122，其从透镜124发出如图1中所示的或多或少锥形的，如将124连接至122的虚线所示的光。
基于SLM的彩色投影装置通常采用的色分离及再合成系统采用了二向性带通滤光器，以在照明SLM之前将白光分离成三个光谱带(对应于红、绿、和蓝色)，然后在投影透镜之前将来自于三个SLM中的每一个的调制光再合成。通常利用各滤光器的可选反射和透射特性的相结合来设置这些分色滤光器。与这些特性有关的准确频带是入射光的角度的函数。因此投影图像上的色均衡性要求光到达色分离及再合成系统中的各分色滤光器的角度要均衡。该均衡通过具有远心输入和输出的照明中继装置来实现。该远心条件确保了分色滤光器上的所有点看上去都是来自于照明源的相同角度分布的光。
图1的系统可通过利用正常的投影装置功能更改红、绿、和蓝图像通道的相对亮度来调节多投影显示装置中的该投影装置的色平衡，用于实现对红、绿、和蓝图像通道的调节。但是该方法具有两个严重的局限。第一，要实现组合显示装置的期望整体色平衡将要求降低两个投影显示装置的红、绿和蓝亮度中的一个或多个的亮度，这减小了该组合显示装置的亮度。
其次，通过操作这些原色的相对亮度来调节色移和色平衡，其只在显示颜色包含一定比率的所有三原色的一般情况下才会有效。即，饱和色或只包含三原色中的两种原色的颜色通常不能通过调节各显示装置的红、绿和蓝成分的亮度来在显示装置之间进行匹配。
为了评估改进装置在调节投影显示装置的颜色方面的必要条件和好处，此方法必须可量化投影显示装置中发现的差异或色调变化的明显度和范围，并还可评估使用改进装置调节颜色的调节效果。这可利用基于色测量和色差评估系统的心理物理学系统来实现。
对于本领域的技术人员而言，在文献中已经披露了大量用于评估色差明显度的技术。这些技术基于某些三维色空间的形式，其中沿着各轴的等增量运动在大部分色正常观测者感受的色感中，将产生知觉上的均衡变化。均衡色空间允许测量色差和比较色差度。利用色差技术可分析单个显示装置中的色变化和多个显示装置之间预计的色变化，并可评估用于修正这些差异的方法的效果。
光学国际协会(International Commission On Illumination)，简称CIE(法语“Commission Internationale De L’eclairage”)，其被国际标准化组织(International Organization for Standardization)(ISO)承认为国际标准化团体。CIE的分部1具有涉及色度系统的建立的条款。CIE具有标准色匹配函数，其允许数字化表示人眼看到的色刺激，其与表示目测系统的色匹配特性相一致。例如当照明源由SLM装置进行调制，并由基于SLM的投影装置中的色分离及再合成装置进行过滤时所得的光谱能量分布，可利用本领域的技术人员已知的对这些色匹配函数的适当计算来转换成数字值。
可将所得数字值和色度绘制到各种曲线图上，这些曲线图已由CIE进行了标准化。其中的一种是xy曲线图，其根据表示刺激的色成分的坐标对(基于其亮度)来绘制色度值。
在CIE xy曲线图上，用直线将由曲线图上的点表示的刺激的相加混色进行连接。这些混色遵循“重心”规则，其中所得色刺激的位置通过与刺激值成比例地划分该线来定位。例如，两个色刺激的等混色导致了位于连接这两个初始刺激的线的中点的新色刺激。
CIE还建立了预测感知的色差度的方法。CIE L*u*v*颜色系统(简称为LUV)是基本均衡色空间，其可用于图形化示出不同色的关系。LUV是CIE三色值的线性转换。在本文所提供的实例当中，将应用CIE19312°观测者的色匹配函数计算三色值。LUV色度可二维绘制L*根据u*和v*的所选值，在此形式下其表示CIE xy曲线图的投影变换。利用本领域中公知的等式将CIE三色值转换成LUV值。LUV值也是通过结合在u*v*曲线图上通常绘制为0，0点的所选白点来考虑观测者的色适应性。
u*v*曲线图还具有如下特性，用直线由曲线图上的点表示的刺激的相加混色进行连接。因为所分析的是相加混合色系统，所以这使得简化了本发明所用的色修正方法的计算机模型。尽管大部分当前工作显示出当用于预测色表现特性时，LUV会包含一些严重缺陷，但是u*v*曲线图预测与CIExyqxt的普朗克轨迹附近的相关色温相关的色差，比比较方案均衡色空间预测得更好。而且对于使用相加色系统而言，u*v*曲线图是最简单的，因为其如上所述对相加混合色进行线性处理。尽管使用更复杂的色表现模型可改变所测投影显示系统的色差的量级和特征，但是本发明的其他颜色调节原理将仍不受影响，并且本领域的技术人员也可使用其他色表现模型。
通过考虑多个显示装置之间的色调变化的根源可理解用于匹配投影显示装置的色调节条件。在设计良好的基于SLM的投影显示装置中存在四个主要的色调变化根源。这些根源为电灯和反射镜；光学系统中所用的各种滤光器的透射光谱；由于到达色分离及再合成装置中的有色滤光器的光入射角的变化导致色移，基于该色移的场；以及透镜系统中所用的玻璃和涂层的颜色。本发明的目的在于发现最初的三个组中的变化的作用，即，由于使用照明电灯的聚焦反射镜的特性导致的色调变化，由于到达色分离及再合成装置中的有色滤光器的光入射角的变化，以及滤光器部件的透射光谱中的变化所导致的随场色移。
如上所讨论的，用于基于SLM的彩色投影装置中所用的色分离及再合成装置中的滤光器通常为分色滤光器。这些滤光器具有光谱反射系数和透射系数，其为穿过滤光器的光入射角的函数。在通常的色分离及再合成系统中，所用的入射角不会是0度。分色滤光器的波长偏移由下式(1)近似确定λs=λn*n2-sin2θ]]>(1)其中λs＝从倾角θ所得的波长λ＝入射角为零的波长n＝分色涂层堆积的有效折射率该等式示出了，非零入射角下使用的滤光器当向较大角度倾斜时，其透射光谱将向较短波长偏移；而当向较小角度倾斜时，其透射光谱将向较长波长偏移。
在以下描述中，将考虑一对投影装置，如图1所示进行布置。将一个投影装置作为参考，将其用于常规的电灯光谱发射的白点和用于滤光器部件的设计中心作为用于u*v*计算的照明白点，进而根据下式(2)计算delta E色差值ΔE=ΔL*2+Δu*2+Δv*2]]>(2)其中ΔE＝delta E色差ΔL*＝|L*reference-L*shifted|Δu*＝|u*reference-u*shifted|Δv*＝|v*reference-v*shified|图2是其中L*＝100的u*v*曲线图，示出了普朗克光谱轨迹201的u*、v*坐标，纯光谱色202的u*、v*坐标，以及用于采用了DMD的典型基于SLM的投影装置的白点203的色坐标。图3是图2中的虚线204中所示的区域图。同样，301是普朗克轨迹，303对应采用了DMD的典型基于SLM的投影装置的白点。圆304表示从白点303以两delta E单位色差为半径的范围。线305表示由照明光的倾斜角变化至比投影装置的色分离及再合成装置中所用的红、绿和蓝分色滤光器上的期望角更大的角，所导致的关于投影装置白点的色移方向。
图4示出了将用于投影装置的色分离及再合成装置中的绿色滤光器的照明的入射角增大3度和6度的效果。曲线401是以修正入射角进行透射，曲线402和403分别对应于入射角增大了3度和6度。滤光器主波长的偏移量约为对应入射角增大6度的2.5纳米波长。关于所有三种颜色的该偏移量在图3的曲线图中对应于线305上的半径为两个delta E的圆304外部的第一X306。对应各三原色和偏移2.5纳米的白点的delta E值如下Delta E

图5示出了随着增大三个分色滤光器的入射角的函数，关于显示装置的白点的delta E值。应该明白的是，这些实例中入射角的变化用作代表更复杂的变化。通常，基于投影装置中的色分离及再合成装置的设计，分色滤光器的入射角可发生更复杂的变化。在某些情况下，可完全优化这些滤光器中的至少一个滤光器的入射角。入射角的变化还用作代表滤光器透射光谱中的其他偏移的根源，诸如由关于这些滤光器中所用的复杂多层堆积的层的涂层厚度中的变化导致的这些根源。在用于颜色分离及再合成的基于SLM的投影装置中所用的分色滤光器的生产当中，±5nm的主波长和整体通带误差将被认为是非常细的误差，接近可重复性的极限。
这些实例中所用的delta E方法最适用于对颜色的邻近区域评估色差，诸如在平铺显示装置的接缝区域的两边上发现的这些色差。对应于可视差异的delta E的程度并不是绝对的。色差受到观测条件的显著影响。两个delta E相当好地对应于平铺结构中的两个投影显示装置上，屏幕亮度为12到16英尺朗伯(亮度单位英尺·流明/厘米)的白点间的最小可视色差。显示装置的位深限制了显示装置可用于显示色差的色彩模拟的能力。在大部分计算机通常的8位色显示上，三个的模拟色差在理想观测条件下刚好可见。然而，适用于高画质应用的投影显示装置要么使用10位色对数数据格式，要么使用14到16位线性格式，以提供所要求的动态范围和保真度。
在色分离及再合成装置的投影装置中，色移的其他作用是改变了可显示颜色的色域。图6将参考投影装置601的色域与投影装置602的色域进行比较，其中三个色分离及再合成滤光器的通带偏移了5纳米。
本发明允许通过控制进入色分离及再合成装置的光的光谱能量分布来调节基于SLM的投影系统中的颜色。这可用于修正由电灯和反射镜系统中的变化导致的输入光的色调变化，还可用于修正由色分离及再合成装置中的有色滤光器产生的色调变化。本发明实现了对于相加混合色系统而言，将较宽频带的有色滤光器用于色分离及再合成装置中，其进而产生由人眼观测感知的宽带色刺激，人眼观测也具有对应于颜色的宽带。通过将色分离及再合成装置中的各宽带有色滤光器的通带中的窄带光能量加入到输入至色分离及再合成装置的照明光中，可改变感知色。如果窄带源的光功率和波长范围可调，那么就可控制系统中的色调变化，并可将所得显示中的原色匹配至期望标准色。
图7示出了本发明的典型实施例的示意图，该实施例形成了结合本发明的方法的投影装置的照明系统。在701处，主照明源包括反光镜部件和高压氙弧灯。图中示出了椭圆反光镜和球形反向反射镜组合装置，但对于本领域的技术人员来说，公知地，也可使用其他反光镜和电灯组合装置。来自于701的光的多余红外线成分通过选择反射镜702来消除。然后通过光混频系统713将来自于滤光器702的光703导向照明聚光棒(integrating bar)714。然后通过中继装置715将聚光棒714的输出聚焦至期望照明锥中，并然后导向色分离及再合成装置716中，在此处该输出对SLM装置进行照明。该色分离及再合成装置716类似于图1中所示的色分离及再合成装置105，并且包括SLM、电子及投影透镜的该投影光学系统的平衡可参照图1来推断。
在典型的投影装置中，主照明源可以是输入功率为3kW或大于3kW的氙弧灯。该照明源提供了用于投影图像照明的主照明源。所提供的副照明源用于颜色修正。这些照明源包括电灯和反光镜部件704、707及710连同波长选择滤光器705、708及711。电灯和反光镜部件704以及波长选择滤光器705产生的照明光706光能约为主照明源光能的20％，其波长分布限定于光谱的红色部分，例如图8中的曲线图800上的曲线801。然后光706与来自于主照明源701的光进行混频，并通过光混频系统713导向照明聚光棒714。
类似地，电灯和反光镜707以及波长选择滤光器708产生的照明光709约为主照明源光能的20％，其波长分布限定于光谱的绿色部分，例如图8中的曲线图800上的曲线802。然后照明光709与来自于主照明源701的光和来自于副照明源704的光进行混频，并通过光混频系统713导向照明聚光棒714。
类似地，电灯和反光镜710以及波长选择滤光器711产生的照明光712约为主照明源光能的20％，其波长分布限定于光谱的蓝色部分，例如图8中的曲线图800上的曲线803。然后照明光712与来自于主照明源701的光和来自于副照明源704和707的光进行混频，并然后通过光混频系统713导向照明聚光棒714。
因此，由聚光棒714接收的总照度是来自于4个电灯和反光镜系统以及相关的滤光器的光的总和。各副照明源配备控制装置，从而可调节对于总照明光输入714各照明源的分布。这可例如通过控制提供给电灯和反光镜组合装置704、707及710中的各副照明电灯的功率来实现，或通过利用可变光学衰减器装置例如可调孔径或可变中性密度滤光器控制到达聚光棒的光量706、709、及712来实现。副功率控制信号例如参照下面图15所述进行计算。
图7中的光混频系统713可用各种方式构造。反光镜方式即为一简单实例，例如在四个照明源之间均分聚光棒714输入孔径的四面棱锥。该均分方式很有效。色分离及再合成装置716上SLM装置的面积和投影透镜的焦距比数通常确定了投影装置照明系统中的有限范围(étendue)。无论透射光学装置715提供多大的放大倍数，聚光棒的输入孔径通常与该范围相匹配。照明源的该范围通常非常大，并随后仅有部分来自于照明源的总光通量耦合至投影装置的照明系统中。
与图7中的系统相类似的系统必须在主和副照明源之间均分SLM范围，并且该均分将对系统的效率有影响。因为主照明源将具有最大的弧，所以对主照明源的效率将影响最大，因此其对于SLM的范围将具有最大的不匹配。
对于某些显示装置中所用的较宽的屏幕高宽比，例如电影应用中所要求的这些屏幕高宽比，聚光棒的输入孔径通过主照明源701可能在一个方向上不能填满。于是可以设置混频系统713利用来自于副照明源704、707、及710的光来填满输入孔径的边缘。
如下所示，对于某些应用，可能要求提供三个副照明源，在此情况下，可减少均分SLM范围的问题。对于本领域的技术人员来说，公知地，光混频系统713还有其他可选结构，应用这些系统不会背离本发明的精神。
图9示出了第二典型实施例，其将主和副照明源设置成不必在多个照明源之间均分SLM范围。主照明源901同样包括了反光镜部件和高压氙弧灯。图中示出了椭圆反光镜和球形反向反射镜组合装置，但对于本领域的技术人员来说，公知地，也可使用其他反光镜和电灯组合装置。来自于901的光902的多余红外线成分通过选择反射镜903来消除。然后使来自于滤光器903的光904到达照明聚光棒917。然后通过中继装置918将聚光棒917的输出聚焦至期望照明锥中，并然后导向色分离及再合成装置919，在此处该输出对SLM装置进行照明。该色分离及再合成装置919类似于图1中所示的色分离及再合成装置105，并且包括SLM、电子及投影透镜的该投影光学系统的平衡可参照图1来推断。
灯和反光镜部件905产生副照明光906，通过波长选择反光镜907将其转折90度。光906被907反射的部分成为照明光908，其光能约为主照明源光能的20％，波长分布限定于光谱的红色区域很少的部分，例如图8中的曲线图804上的曲线805。波长选择反射镜907反射来自于副照明源905的期望部分的光，并透射来自于主照明源901的光904的与反射光908的光谱以外的部分相对应的所有部分。接下来照明聚光棒917的输入孔径对于照明源901和905是完全可用的，而来自于主照明源901的光904的损失限定于与反射光908相对应的光谱的很少的部分。
灯和反光镜部件909产生副照明光910，通过波长选择反光镜911将其转折90度。光910被911反射的部分成为照明光912，其光能约为主照明源光能的20％，波长分布限定于光谱的绿色区域很少的部分，例如图8中的曲线图804上的曲线806。波长选择反射镜911反射来自于副照明源909的期望部分的光，并透射来自于主照明源901的光904的与反射光912的光谱以外的部分相对应的所有部分。波长选择反射镜911还透射来自于副光源905的所有光908。接下来照明聚光棒917的输入孔径对于照明源901、905、和909是完全可用的，而来自于主照明源901的光904的损失限定于与反射光908和反射光912相对应的光谱的很少的部分。
灯和反光镜部件913产生副照明光914，通过波长选择反光镜915将其转折90度。光914被915反射的部分成为照明光916，其光能约为主照明源光能的20％，波长分布限定于光谱的蓝色区域很少的部分，例如图8中的曲线图804上的曲线807。波长选择反射镜915反射来自于副照明源913的期望部分的光，并透射来自于主照明源901的光904的与反射光916的光谱以外的部分相对应的所有部分。波长选择反射镜915还透射来自于副照明源905的所有光908以及来自于副照明源909的所有光912。接下来照明聚光棒917的输入孔径对于照明源901、905、909和913是完全可用的，而来自于主照明源901的光904的损失限定于与反射光908、反射光912和反射光916相对应的光谱的很少的部分。所得光901通过滤光器907、911和915透射的光谱约为图8中曲线图808上的曲线809。各副照明源配备控制装置，从而可调节各照明源对总照明光输入917的分布。这可例如通过控制提供给电灯和反光镜组合装置905、909及913中的各副照明电灯的功率来实现，或通过利用可变光学衰减器装置例如可调孔径或可变中性滤光器控制到达聚光棒的光量908、912、及916来实现。副功率控制信号例如参照下面图15所述进行计算。
图10中示出了第三典型实施例，其也将主和副照明源设置成不必在多个照明源之间均分SLM范围。主照明源1001同样包括了反光镜部件和高压氙弧灯。图中示出了椭圆反光镜和球形反向反射镜组合装置，但对于本领域的技术人员来说，公知地，也可使用其他反光镜和电灯组合装置。反射镜1003当将想得到的照明光1004反射90度时，同时透射光1002的多余红外线成分。然后使照明光到达照明聚光棒1017。然后通过中继装置1018将聚光棒1017的输出聚焦至期望照明锥中，并然后导向色分离及再合成装置1019中，在此处该输出对SLM装置进行照明。该色分离及再合成装置1019类似于图1中所示的色分离及再合成装置105，并且包括SLM、电子及投影透镜的该投影光学系统的平衡可参照图1来推断。
灯和反光镜部件1005产生副照明光1006，其穿过了波长选择反光镜1007。波长选择反射镜1007反射来自于照明源1005的光的多余部分并透射期望部分，该期望部分成为照明光1008，其光能约为主照明源光能的20％，波长分布限定于光谱的红色区域很少的部分，例如图8中的曲线图804上的曲线805。波长选择反射镜1003透射光1008，并反射来自于主照明源1001的光1004的与反射光1008的光谱以外的部分相对应的所有部分。接下来照明聚光棒1017的输入孔径对于主照明源1001是完全可用的，而来自于主照明源1001的光1004的损失限定于与反射光1008相对应的光谱的很少的部分。
如图10所述，可增加另外的副照明源，其中电灯和反光镜部件1009产生副照明光1010，并与波长选择反射镜1011结合产生照明光1012，其光能约为主照明源光能的20％，波长分布限定于光谱的绿色区域很少的部分，例如图8中的曲线图804上的曲线806。类似地，电灯和反光镜部件1013产生副照明光1014，并与波长选择反射镜1015结合产生照明光1016，其光能约为主照明源光能的20％，波长分布限定于光谱的蓝色区域很少的部分，例如图8中的曲线图804上的曲线807。由于各副照明源1005、1009和1013将具有较小的电灯，并因此将具有范围相应较小的弧，所有由聚光装置1017的输入孔径所呈现的SLM装置的可用范围可以由来自于各副照明源的适当形状的亮度分布均分。这些照明源可布置为例如，处于三角形(图10的平面图中示出由三个副照明源部分重叠而成)的顶点以及对每个照明源都分配一部分的聚光棒总受光角。各副照明源配备控制装置，从而可调节各照明源对总照明光输入1017的分布。这可例如通过控制提供给电灯和反光镜组合装置1005、1009、及1013中的各副照明电灯的功率来实现，或通过利用可变光学衰减器装置例如可调孔径或可变中性滤光器控制到达聚光棒的光量1008、1012、及1016来实现。副功率控制信号例如参照下面图15所述进行计算。
通过考虑例如主照明源901的光谱能量分布可优化图9和图10的设计，例如类似于图11中1101所示的氙气灯。如图所示，一些部分的曲线包含的能量小于总能量，如果副照明源波长处于这些区域中，那么将减少主照明源的功率损失。
值得注意的是，在图7、图9、和图10中，各副照明源的光谱能量分布将由投影装置的色分离及再合成装置中的有色滤光器滤波。这对于副照明源，影响了光谱的选择，并且其对于效率很重要，这些照明源所处的光谱区域，其中对应于色分离及再合成装置滤光器的通带具有相当高的透射性。
对于色分离及再合成装置的滤光器，要求使用宽带宽，以有效地使用来自于白色光源，例如氙气灯的光。宽带宽还减少了光在色分离及再合成系统中散射的趋势，并减少了通带波长的偏移效果，这是因为该孔眼(eye)将通过各滤光器的整个光进行了平均。窄带照明源的缺点在于效率较低并且对波长偏移更敏感，因为由这些照明源的波长中的变化导致的色移将更容易被人眼观测到。
然而，如果使得波长选择反射镜907、911、和915(1007、1011和1015)上的入射角可以进行调节，那么就可消除来自于副照明源的色调变化。正如本领域的技术人员所知道的，必须提供一些装置来补偿反射方向中的变化，以将光保持聚焦至聚光棒917(或1017)的输入上。
图9和图10的装置的另一个实施例可通过完全除去主照明源901或1001，并增加照明源905(1005)、909(1009)和913(1013)的功率来实现。在某些应用中，经证实这是更有效的设置，特别地，由于对这三个照明源的功率的适光加权导致绿光源具有比红蓝光源更高的总光通量要求，其通过要求较少的红蓝副照明源的功率而提高了该设置的整体效率。
此外，要求主和副照明源的亮度分布要相匹配，从而颜色中多余的非均衡性不会在应用中出现，其中后续的光学系统可改变该组合照明源的亮度分布。
参照图12，可理解图7的装置的操作。该讨论也可应用于图9和图10的系统及其对应的部件。图12示出了利用对应19312度观测者的色匹配函数的CIE xy曲线图。实线连接的三角形1201连接了三个点1202、1203和1204，其为图7中的色分离及再合成装置716的红、绿和蓝色滤光器的xy坐标值。该三角形表示如果其由主照明源而不含副照明源(所有副照明源光功率设置为零)进行照明，那么由应用了图7的色分离及再合成装置716的投影系统的三个色通道的亮度的所有组合可形成的色域。
类似地，虚线连接的三角形1211连接了三个点1212、1213和1214，其为图7中的红、绿和蓝副照明源及滤光器704及705、707及708，以及710及711的xy坐标值。三角形1211表示当由图7中的滤光器705、708和711滤波并随后由图7的色分离及再合成装置716的有色滤光器滤波而不含主照明源时，三个副照明源704、707和710的亮度的所有组合可形成的色域。
投影装置的三个色通道控制SLM装置调制光，通过色分离及再合成装置以及投影透镜将其导向屏幕。如上所述，进入色分离及再合成装置的光是主照明源和副照明源的总和。当将投影装置的三个通道的亮度提高至其最大值、或100％满值时，习惯上，称所显示的颜色为显示装置的白点。对于投影装置色域的白点，如1205所示，其副照明源的光功率被设置为零。任意三原色色域的白点的计算如下式(3)进行WPx=Rx+Gx+Bx3]]>WPy=Ry+Gy+By3]]>(3)其中Rx，Ry＝红原色的色度Gx，Gy＝绿原色的色度Bx，By＝蓝原色的色度WPx，Wpy＝白点的色度其中R＝G＝B＝100％换言之，显示装置的白点是由三原色形成的三角形的形心。原色指一组三个光谱能量分布，所选择的原色为三个光谱能量分布中没有任何一个能由其他两个的混合进行匹配。根据色度图，这将得到一个三角形，因为根据定义，三个不共线的点将构成一个三角形。对于图像投影系统，原色的选择并不是任意的。通常，所选原色使得由三原色构成的色域包括该系统要求再现的所有颜色。
如上所述，通过改变投影装置中一个或多个色通道的增益可以调节该白点的颜色，从而各红、绿和蓝为100％的输入象素亮度值，根据期望白点，用对于三色中的一种或多种颜色小于100％的象素亮度值来显示。然而，同样正如所讨论过的，这减小了显示装置的最大亮度，而且通常仅对中间色调和混合了所有三种原色的颜色修正了色平衡。
对系统增加第二组原色以允许不减少三色中任何一种颜色的亮度来改变显示装置的色平衡，并允许调节导致白点及相关色域的实际偏移的显示装置的原色色度。以下参照图12可更好地理解这一点。
连接点1203和1213的向量(vector)1223是条直线，沿着该直线可得到将绿主照明源和绿副照明源混合的所有组合。这两个照明源的光功率比等于沿向量1223的距离的比例。当各照明源光功率相同时，形成混合，该混合处于向量1223的中点。在图7的实例系统中，所选副照明源的最大光功率为主照明源光功率的20％。这限定了沿向量1223的距离，即该混合可从主1203行进至副1213，图12中的1226处的“X”示出了该距离。
类似地，连接点1202和1212的向量1222是条直线，沿着该直线可得到将红主照明源和红副照明源混合的所有组合。这两个照明源的光功率比等于沿向量1222的距离的比例。当两个照明源光功率相同时，形成混合，该混合处于向量1222的中点。在图7的实例系统中，所选副照明源的最大光功率为主照明源光功率的20％。这限定了沿向量1222的距离，即该混合可从主1202行进至副1212。
连接点1204和1214的向量1224是条直线，沿着该直线可得到将红主照明源和红副照明源混合的所有组合。这两个照明源的光功率比等于沿向量1224的距离的比例。当两个照明源光功率相同时，形成混合，该混合处于向量1224的中点。在图7的实例系统中，所选副照明源的最大光功率为主照明源光功率的20％。这限定了沿向量1224的距离，即该混合可从主1204行进至副1214。
图13是表示改变图7中色分离及再合成装置716中的各原色滤光器的色度上的入射角的效果的CIExy曲线图。所示1301处的三角形，其实线连接三个原色滤光器为正常入射角的三原色色度轨迹红1305、绿1308、以及蓝1311，并表示可由这些原色显示的色域。关于这三原色色度所得的白点在1314处示出。三角形1302，其虚线轮廓线连接三个原色滤光器入射角大于正常入射角的三原色色度轨迹红1304、绿1307、以及蓝1310，并表示可由这些原色显示的色域。关于这三原色色度所得的白点在1313处示出。三角形1303，其虚线轮廓线连接三个原色滤光器入射角小于正常入射角的三原色色度轨迹红1306、绿1309、以及蓝1312，并表示可由这些原色显示的色域。关于这三原色色度所得的白点在1315处示出。
图13中的曲线图示出了改变入射角或偏移各滤光器的通带的预期效果。该效果是将原色色度或多或少沿光谱轨迹移动，该移到朝向对应减小入射角的较长波长，并朝向对应增大入射角的较短波长。前面所给的式(1)还预测了对于更长的波长，伴随有入射角的改变的波长偏移将更大，而图13显示出绿原色偏移得最大。
图14示出了和图13相同的信息，但是该图绘制成了u*v*曲线图，将具有标称入射角的三原色的白点1404定为中心。三角形1401及其顶点表示标称入射角的原色的色度，三角形1402表示增大入射角的效果，而三角形1403表示减小入射角的效果。此处因为u*v*曲线图具有更均衡特性，所以各原色所行进的距离更接近相等。
因为对于给定的入射角改变，较长的波长将偏移得更多，所以对于分色滤光器，通带的带宽中也将有变化。随着入射角的增大，通带的较长波长侧比通带的短波长侧更进一步地移向较短的波长。这导致通带随着入射角的增大而略微变窄。这是由于色度的非线性运动造成的，其在图14的蓝原色中很容易看出来。
显然，确定副照明源的光功率设置的优选方法是，首先确定单独主照明源的色度，并随后将所要求数量的各副照明源增加到主照明源上，从而使所得混合尽可能地接近各原色的期望色度。当该操作完成时，所得白点也将处于期望色度。
两种颜色混合的色度坐标可由下式(4)进行计算Mx=C1x-[(C1x-C2x)*αC2αC1+αC2]]]>My=C1y-[(C1y-C2y)*αC2αC1+αC2]]]>(4)其中Mx，My＝色C1与C2的混合的x，y色度坐标C1x，C1y＝色C1的x，y色度坐标C2x，C2y＝色C2的x，y色度坐标αC1＝色值1αC2＝色值2色值可以是任意单位，通常采用0到1的范围。例如，在图9中的绿主照明源903的色度可由C1表示，在图9中的绿副照明源913的色度可由C2表示。于是C1的值为1，而C2的值(例如副照明源功率为C1的20％)为0.2。
图7、图9、和图10中本发明的优选实施例将使用副照明源，其色度位于沿表示色分离及再合成装置中的原色预期的色移的向量的地方，并且位于沿与预期偏移相反的方向的地方。该设计的优化将要求选择这些滤光器的误差和规格，其将在色分离及再合成原色的色度范围中产生合适的偏差，并还容许副照明源的有色滤光器中的误差。
有可能无法要求给定的系统调节所有三原色色度。然而三个照明源提供了最常规的结构，如果要在特殊应用中细致地估算由特殊显示系统呈现的色移的性质，那么可以只要求一个或两个副照明源。还很显然的是，如果要求匹配该白点，而不完全修正原色的颜色，那么单个最优定位副照明源将允许沿将该副照明源与该显示装置的未修正白点相连接的向量来调节白点。
再来参照图13，通常，对副照明源的色度选择其方法是，确保该系统的色域可沿要求的方向调节，并且当将副照明源的功率保持尽可能地低时，特别地，当要求两个或多于两个照明源时，将超出所要求的范围。提供最常规操作的系统优选地将对连接主和副照明源的所有三个向量具有相同的长度，极有可能沿任何方向偏移原色色度。
同样优选地是，图7、图9、和图10的系统结合了用于以消色差方式调节显示装置的整体亮度的装置。即，用于亮度调节的该装置应该起当调节显示装置的亮度时，保持主照明源和副照明源之间光通量程度比的作用。该调节系统可参照电路图15进行描述。
显示装置的整体亮度由主亮度调节装置1501控制。其可以是，例如，软件选择的值，以从0到100％的满值的百分比来调节。类似地，1502是主照明源光功率调节装置，同样，软件选择的值变动范围从0到100％。1503处的函数是乘法器，其导致主照明源光功率命令1504由主亮度控制值1501与主照明源光功率控制值1502的乘积形成。主照明源光功率命令1504可以是例如对应于所选光功率的二进制数，其进而被提供给数字模拟转换器，并且所得电压用于通过可调输出电灯电源控制主照明源电灯功率。
调节装置1505是用于红副照明源的光功率调节装置。其可以是软件选择的值，以从0到100％的满值的百分比来调节，将该值设置为由上述计算确定的值，以调节显示系统的红色通道的色度。该值通过乘法器函数1506来处理，其形成了红副照明源光功率命令1507，其为红副照明源光功率控制值1505与主亮度控制值1501的乘积。红副照明源光功率命令1507可以是例如对应于所选光功率的二进制数，其进而被提供给数字模拟转换器，并且所得电压用于通过可调输出电灯电源控制红副照明源电灯功率。
类似地，调节装置1508是用于绿副照明源的光功率调节装置。其可以是软件选择的值，以从0到100％的满值的百分比来调节，将该值设置为由上述计算确定的值，以调节显示系统的绿色通道的色度。该值通过乘法器函数1509来处理，其形成了绿副照明源光功率命令1510，其为绿副照明源光功率控制值1508与主亮度控制值1501的乘积。绿副照明源光功率调节装置1510可以是例如对应于所选光功率的二进制数，其进而被提供给数字模拟转换器，并且所得电压用于通过可调输出电灯电源控制绿副照明源电灯功率。
类似地，调节装置1511是用于蓝副照明源的光功率调节装置。其可以是软件选择的值，以从0到100％的满值的百分比来调节，将该值设置为由上述计算确定的值，以调节显示系统的蓝色通道的色度。该值通过乘法器函数1512来处理，其形成了蓝副照明源光功率命令1513，其为蓝副照明源光功率控制值1511与主亮度控制值1501的乘积。蓝副照明源光功率命令1513可以是例如对应于所选光功率的二进制数，其进而被提供给数字模拟转换器，并且所得电压用于通过可调输出电灯电源控制蓝副照明源电灯功率。
乘法器函数1503、1506、1509、和1512使主亮度调节装置1501可成正比地调节所有4个照明源的光功率，当通过主亮度调节装置改变显示装置的整体亮度时，保持这些照明源之间相同的相对平衡。
可根据图16的程序来实现图7、图9、和图10的系统的调节。首先，在步骤1600中，对于所有三个输入通道红、绿和蓝，将输入图像增益设置为最大(100％)。也将主亮度调节装置(图15中的1501)设置为满值(100％)。接下来，在步骤1602中，将所有三个副照明源的光功率设置为零。接下来，在步骤1604中，向投影装置提供全白输入信号，并调节主照明源的光功率以设置期望显示亮度。在步骤1606中，将全红输入信号提供给投影装置，从而将投影装置中的红图像SLM的全部象素激励至满亮度。接下来在步骤1608中，测量红图像的光谱能量分布。类似地，在步骤1610中，将全绿输入信号提供给投影装置，在步骤1612中，测量绿图像的光谱能量分布。类似地，在步骤1614中，将全蓝输入信号提供给投影装置，在步骤1616中，测量蓝图像的光谱能量分布。接下来在步骤1618中，利用CIE色匹配函数计算关于红、绿和蓝图像的三色刺激值。接下来在步骤1620中，由三色刺激值计算关于红、绿和蓝原色的CIE xy值。
接下来在步骤1622到1640中，通过将主照明源光功率设置为零，随后通过测量进而仅由各副照明源照射的全白图像的光谱能量分布，并计算关于这些光谱能量分布的三色刺激值，并将其转换成CIExy坐标，来获得副照明源的CIExy坐标。接下来表示三色中的每一色的可调节范围的向量是将在步骤1620中计算的原色CIExy坐标与在步骤1640中计算的副照明源的CIExy坐标相连接的直线。假定关于期望原色的CIExy坐标已知，那么通过找到来自于各期望CIE坐标的最短直线与关于各原色的主照明源色度和副照明源色度之间的向量相交的位置，就可确定所要求的副照明源光功率。主照明源-副照明源直线上到期望CIE坐标的最近的点的位置可计算如下d=|(C2y-C1y)(C3x-C1x)-(C2x-C1x)(C3y-C1y)|(C2x-C1x)2+(C2y-C1y)2]]>(5)
|→C1CM|=|→C1C3|2-d2---(6)k=|→C1CM||→C1C2|---(7)CMx=[k*|C1x-C2x|]+C1x---(8)CMy=[k*|C1y-C2y|]+C1y---(9)]]>其中C1是主光源原色度的CIE坐标C2是副光源色度的CIE坐标C3是期望原色度的CIE坐标 是C1与C2之间的向量 是C1与C3之间的向量d是C3与 之间的最短距离 是长度为d的沿C1到 与C3之间的垂直向量的向量，k是 的长度与C1与C2之间的距离的比CM是 上最接近C3的点的CIE坐标一旦坐标CM已知，就可计算形成与C1的混合导致色度CM所要求的C2的值。主照明源光功率将保持在步骤1604中所设置的值，所以C1所表示的色值将是1，可利用下式计算C2的值αC2=k1-k]]>(10)其中k来自于上式(7)αC2由CIE坐标C2表示的色值这些计算可在图1 6的步骤1642和1644中执行。接下来，在步骤1646设置副照明源光功率，在步骤1648中，主照明源返回至步骤1604中所建立的设置。接下来在步骤1650中，根据要求利用主亮度调节装置调节亮度，以补偿来自于副照明源的额外的光。
图17示出了图7的系统在图6中所示的6度偏移的情况下，在调节显示装置色域的过程中的作用。在此情况下，如图17所示，白点从原始位置1702偏移至处于参考投影装置白点1701的两deltaE单位内的新位置1703。这导致关于三原色和白点的delta E值如下表所示

Delta E图18中示出了该实例的关于主照明源的相关光谱分布和副照明源的设置。将主照明源光谱能量分布标准化为1并显示为曲线1801。图中示出了作为红1802、绿1803和蓝1804的各成比例功率处的副照明光谱。图19示出了相对于参考色域1901的色域位置1902的所得修复(restoration)。图19示出了显示装置原色的色坐标通过增加图7的系统中的副照明源而被重新调直。因此实现了饱和色的匹配。如前面所讨论的，所有基于SLM的投影系统都具有有限且非零的黑水平。因为在SLM装置之前实现了色平衡，所以直至最小可显示值以及直至显示装置黑水平，都可获得色匹配。对于通过调节输入信号来操纵颜色的系统而言，这将不成立，因为当没有信号显示时，所得到的将是黑色。
图7、图9、和图10的系统的另一个实施例对各副照明源结合了可调分色滤光器。在此实施例中，各副滤光器关于副照明源入射光束的角度是可调的，允许各副照明源的所得光谱能量分布向较长或较短的波长偏移。图20示出了关于绿原色和绿副色滤光器的通带。2001处的实线表示图7中的色分离及再合成装置716中的绿原色滤光器的通带。2002处的点线表示图7中的绿副色滤光器708的通带。粗实线2003表示当该滤光器上的入射角增大6度时绿原色通带的偏移。2004处的粗点线表示对副色滤光器上的入射角中的偏移作补偿的结果。
图21示出了基于图20的所示的通带而所得的关于主和副照明源的色度坐标。点2101对应于关于图20中2001处所示的绿原色滤光器的通带。点2102对应于关于图20中2002处所示的绿副色滤光器的通带。类似地，点2103对应于关于图20中2003处所示的入射角增大了6度的绿原色滤光器的通带，点2104对应于关于当偏移图20中2004处所示的补偿值时的绿副色滤光器的通带。
为了使偏移色度2103回至未偏移色度2101，副照明源必须位于表示通带向较长波长偏移的坐标处。这可通过调节绿副色滤光器上的入射角以产生该偏移来实现。图21示出了此情况，其中图21中连接点2101和2103的向量2105是一直线，沿着该直线绿原色的色度随着滤光器上的入射角改变而移动。箭头2106表示色度随着入射角增大时移动的方向。类似地，连接点2102和2104的向量2107是一直线，沿着该直线绿原色的色度随着滤光器上的入射角改变而移动。箭头2108表示色度随着入射角减少时移动的方向。
当主和副照明源光谱混频时，所得投影装置的绿色通道的色度将位于图21的向量2105和2107之间的地方。从图21中可以得知，关于绿原色的变化范围和目标色度将确定这两个向量的优选位置。应该明白的是，上述描述仅仅出于说明的目的，图21中并不一定示出了实际系统中要修正的变化程度，但是本发明的精神覆盖了任何结构的主和副光谱，并且为了调节投影显示装置中的颜色，可以实现所得色度。
图7、图9、和图10的系统基于常规弧光灯照明源。当屏幕尺寸和照明要求优选地使用例如氙弧灯的高输出照明源用于主照明源时，副照明源应该为氙弧灯或其他类型的弧光灯，同时或可选地，副照明源可为白炽灯照明源、激光或发光二极管(LED)。如果将白炽灯照明源、激光或发光二极管(LED)阵列照明源用于图7、图9、和图10的系统中，那么正如本领域的技术人员所知道的，副照明源电灯和反光镜部件的光学结构需要作适当地变化。使用激光或LED阵列作为副照明源在所提供的这些照明源中具有特别的优势，因为其直接发射对应于光谱的红、绿和蓝部分的所选光谱带。白炽灯和LED照明源两者都还具有可简单地直接电子控制亮度的好处。
第三可选结构还应考虑如图3中的直线305所示的波长偏移的效果。图22中示出了图1的系统中所用的色分离及再合成装置中所用的三个滤光器的通带上的这些偏移的效果。例如，2201处示出了关于红色滤光器的参考光谱透射曲线，2202处示出了偏移后的样式。这些图是关于由增大滤光器的倾角导致的偏移，但是从滤光器的涂层堆积中层厚的变化当中也会产生类似的偏移。类似地，2203处示出了关于绿色滤光器的参考光谱透射曲线，2204处示出了偏移后的样式，而2205处示出了关于蓝色滤光器的参考光谱透射曲线，2206处示出了偏移后的样式。无论如何，所示朝向光谱蓝色端的偏移将由增大到达各滤光器的光的入射角而得到。
图23示出了关于带通滤光器的曲线。2301处示出了关于该滤光器的光谱透射的参考曲线，2302处示出了关于该滤光器的光谱透射的偏移曲线。该曲线示出了朝向光谱蓝色端的偏移，类似于图22中的曲线所示的偏移。
根据图24中所示的典型实施例，示出了用于颜色修正的可选实施例，其形成了结合本发明的方法的投影装置的照明系统。照明源2401包括反光镜部件和高压氙弧灯。图中示出了椭圆反光镜和球形反向反射镜的组合装置，但对于本领域的技术人员来说，公知地，也可使用其他反光镜和电灯的组合装置。来自于2401的光的多余红外线成分通过选择反射镜2402来消除。照明光2403然后通过可调带通滤光器2404，然后进入照明聚光棒2405。然后通过照明中继装置2406将聚光棒2405的输出聚焦至期望照明锥中，并然后导向色分离及再合成装置2407中。该色分离及再合成装置2407类似于图1中所示的色分离及再合成装置105，并且包括SLM、电子及投影透镜的该投影光学系统的平衡可参照图1来推断。
可调带通滤光器2404的角度相对于照明系统的光轴(常规地为θ角)可调节，从而可改变光2403的入射角。滤光器2404具有与图23中所示带通特性相类似的带通特性。该特性以图23中所示的方式变化，该滤光器的倾角相对于入射光2403而变化。通过调节该滤光器的角度，可使得该带通特性或多或少地减少进入聚光棒2405的光的蓝色部分。同时，滤光器将或多或少地切去光谱的红色部分。该调节操作调节颜色的方式类似于由图25的u*v*曲线图所示的图7的系统的方式。图25是一个区域图，该区域源于类似图2的曲线图，并占据了与图2中204处的虚线轮廓线相同的区域。2501处是普朗克光谱轨迹，2503对应典型的采用了DMD装置的三基于SLM的投影装置的白点。圆2504示出了从白点2503以两delta E单位色差为半径的范围。直线2505表示由色分离及再合成装置中所用的红、绿和蓝分色滤光器上的照明光的倾斜角变化所导致的投影装置白点的色移方向。点2506表示图1的系统中的第二投影装置的偏移白点坐标，点2507表示由图24的系统调节的偏移白点。
还可增加可进行类似于滤光器2404的调节的第二滤光器。图26是可用作图24的系统中的两个可调滤光器的光谱透射曲线的实例。滤光曲线2601对应于第一高通滤光器，该第一高通滤光器调节关于照明光切去的红色光谱的边界。滤光曲线2602对应于第二低通滤光器，该第二低通滤光器调节关于照明光切去的蓝色光谱的边界。这两个滤光器提供了更灵活的调节，可实现与图25中所示相同的好处。
图24的系统可采用与图16中所示的方法相类似的方法进行调节。在此情况下，当投影装置由全白输入信号激励时，只需确定投影装置的白点的三色刺激值，并随后调节2404处的该滤光器和这些滤光器的角度，直到获得期望白点色度。
就倾角的效果而言，一般认为其在照明场上是均衡的。采用了用于色分离及再合成用照明系统的分色滤光器的投影装置试图确保各有色滤光器上的所有点看上去有相同的角度分布。这可以通过采用例如对色分离及再合成装置中的滤光器产生照明光源的远心图像的照明光学系统来实现。通过远心结构，图像主光线角相对于所有场点都将是零，边缘光线相对于各场点具有基本相同的角度。
入射角较小地变化如6°或±3°，将导致delta E偏移3个单位，在将使用本发明的某些实施例中这足以看得见了。已知图1系统中所用类型的基于SLM的投影装置将呈现出该色移，同时整体图像具有，例如，从右至左三个delta E或更多的水平偏移，使得投影图像的一侧当相比于另一侧时具有整体上的蓝色偏色。设置具有两个各具有相对的色移的投影装置的系统增大了这两个投影装置之间接缝的明显度，此情况应该避免出现。
通过在照明光线中配置可调带通滤光器，类似于图24中的2404并可类似地在中继装置中调节θ角，例如靠近远心照明中继装置的光瞳，则可通过调节带通滤光器上的入射角来控制屏幕上的色移。图27中示出了此情况，其对应于图24的照明系统的一部分。图27中的2701是聚光棒，其对应于图24中的2405。照明中继装置2702对应于图24中的2406。2703是色分离及再合成系统，其对应于图24中的2407。2705处表示可调带通滤光器，2704处表示中继装置的远心光阑，以及2706处表示中继装置的末级透镜。
图28是中继装置2702的详细图，示出了2801处的光阑和2802处的可调带通滤光器。透镜2803对应于图27中的末级中继透镜部件2706。2804处表示来自于光轴上方的物场点的光束，主光线以虚线来表示，边缘光线以实线来表示。类似地，2805处表示沿着光轴的光束，2806处表示来自于光轴下方的物场点的光束。如图28所示，来自于光轴上方的物场点的光线2804以比光轴2805处的光线或光轴2806下方处的光线更倾斜的角度撞击可调滤光器2802。这导致了光轴上方的光线更大的波长偏移。这些光线在光线穿过色分离及再合成装置并通过投影透镜聚焦至投影屏幕上之后，对应于投影装置显示的一条边。光线2805对应于至投影装置显示中心的光线，光线2806对应于与2804处的光线相对的投影装置显示的另一条边。2805和2806处的光线由于其与滤光器2802相交处的角度减小导致越来越小的波长偏移。通过适当地调节滤光器2802的角度，可由滤光器2802来补偿显示装置上的色移。如果使该中继装置或该中继装置包含可调滤光器2802的部分围绕光轴旋转，允许以常规的φ方向进行调节，则可调节色移修正的方向，例如，从显示装置上的水平方向到对角方向。
图27的系统可利用与图16中所述的方法相类似的方法进行调节。在此情况下，投影装置由全白输入信号激励时，只需确定投影装置相对边缘的白点的三色刺激值，并随后调节2705处的滤光器的角度和旋转，直到在各边缘处的白点色度之间获得期望匹配。
应该理解，以上所述是为了对本发明进行说明，本发明的原理可应用于单个投影装置、两个或多于两个投影装置，以及可应用于投影装置被设置为以水平、垂直、或既水平又垂直布置的图像矩阵来产生合成图像。本发明还可应用于不是基于用于色分离和/或再合成的分色滤光器的投影装置，因为颜色调节方法与投影装置中所用的用于颜色分离和/或再合成的滤光器类型无关。本发明可包含所有这些可选结构，应用于所有这些结构并不背离本发明的精神。
权利要求
1.一种投影系统，具有三个色通道，每个色通道对应一种原色，包括多个空间光调制器装置，每个空间光调制器装置对应一个色通道，各空间光调制器可调制每个象素基上的光；主照明源，用于产生光；多个副照明源，每个副照明源均用于产生光；多个光功率控制装置，用于控制由所述副照明源产生的光通量；聚光装置，用于汇聚由所述主照明源和所述副照明源产生的光；色分离及再合成装置，用于接收来自于所述聚光装置的所述汇聚光，将所述光分离成所述色通道，将在各色通道中的所述光导向所述对应的空间光调制器，以及将来自于各空间光调制器的所述调制光再合成以形成图像；以及投影透镜，用于接收来自于所述色分离及再合成装置的所述图像，并将所述图像投影，其中，增加来自于所述副照明源的所述光起控制所述图像中的色调变化的作用。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述主照明源和所述副照明源均具有亮度分布，并且所述主照明源和副照明源的亮度分布是匹配的。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，对应每个色通道均存在副照明源。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，通过利用副光功率控制信号控制所述光功率控制装置。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，通过确定仅使用了所述主照明源的所述原色的色度，并随后确定使所产生的混合达到各原色的期望色度所需要的各副照明源的光量，来计算所述副光功率控制信号。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述副光功率控制信号通过以下方法进行计算，包括a)对于所有三原色通道，将输入图像通道增益设至最大；b)将所述副照明源的光功率设为零；c)由所述主照明源提供最大白光功率；d)将所述主照明源的所述光功率设为期望显示亮度；e)提供第一原色输入，从而将所述第一原色空间光调制器的全部象素激励至满亮度，以产生第一原色图像；f)测量所述第一原色图像的所述光谱能量分布；g)重复步骤(e)和(f)，用于第二原色输入和第三原色输入；h)计算所述原色图像的三色值；i)计算对应所述原色图像三色值的xy坐标；j)将所述主照明源的所述光功率设为零，并向所述投影装置提供全白输入，从而将所有空间光调制器装置的所有象素激励至满亮度，以产生全白图像；k)只将所述第一副照明源设置为最大功率以产生第一副色图像；l)测量所述第一副色图像的光谱能量分布；m)重复步骤(k)和(l)，用于第二副照明源和第三副照明源；n)计算所述副色图像的三色值；o)计算对应所述副色图像三色值的xy坐标；p)在所述第一原色图像xy坐标和第一副色图像xy坐标之间的第一主-副色向量上找到最接近第一期望显示原色xy坐标的第一xy坐标；q)计算用于第一副照明源的第一副光功率控制信号，以产生与步骤(p)中得到的第一xy坐标相对应的颜色；r)重复步骤(p)用于在所述第二原色图像xy坐标和第二副色图像xy坐标之间的用于最接近第二期望显示原色xy坐标的xy坐标的第二主-副色向量，以及用于在所述第三原色图像xy坐标和第三副色图像xy坐标之间的用于最接近第三期望显示原色xy坐标的xy坐标的第三主-副色向量；以及s)重复步骤(q)以计算用于第二副照明源的第二副光功率控制信号，以及计算用于第三副照明源的第三副光功率控制信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述用于设置所述副光功率控制信号的方法还包括a)将所述副照明源设置为基于所述副光功率控制信号的光功率；b)提供全白输入信号；以及c)根据要求调节所述整体显示亮度。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，在步骤(p)和(q)中确定的所述副光功率控制信号通过下式来计算d=|(C2y-C1y)(C3x-C1x)-(C2x-C1x)(C3y-C1y)|(C2x-C1x)2+(C2y-C1y)2;]]>|C1CM→|=|C1C3→|2-d2;]]>k=|C1CM→||C1C2→|;]]>CMx＝[k*|C1x-C2x|]+C1x； 以及αC2=k1-k,]]>其中C1是主光源原色度的xy坐标C2是副光源色度的xy坐标C3是期望原色度的xy坐标 是C1与C2之间的向量 是C1与C3之间的向量d是C3与 之间的最短距离 是沿C1到 与C3之间的垂直向量的、长度为d的向量k是 的长度与C1与C2之间的距离的比CM是 上最接近C3的点的xy坐标αC2是由C2的xy坐标表示的色值
9.根据权利要求7所述的系统，其中，利用主亮度控制电路来调节整体显示亮度。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述主亮度控制电路包括主亮度控制值；主照明源光功率控制值；主乘法器，用于由所述主亮度控制值与所述主照明源功率控制值的乘积来计算主照明源光功率命令值；第一副照明源功率控制值；第一乘法器，用于由所述主亮度控制值与所述第一副照明源功率控制值的乘积来计算第一副照明源光功率命令值；第二副照明源功率控制值；第二乘法器，用于由所述主亮度控制值与所述第二副照明源功率控制值的乘积来计算第二副照明源光功率命令值；第三副照明源功率控制值；以及第三乘法器，用于由所述主亮度控制值与所述第三副照明源功率控制值的乘积来计算第三副照明源光功率命令值。
11.根据权利要求1所述的系统，其中各副照明源具有相关的可调分色滤光器，其中所述可调分色滤光器用于进行调节以改变对各副照明源的所述入射角，以调节所述图像中的色调变化。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括光混合系统，用于将由所述主照明源和所述副照明源产生的所述光聚焦至所述聚光装置中。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述主和副照明源是灯。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，各副照明源包括波长选择滤光器。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述主照明源和所述副照明源是白炽照明源。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述主照明源和所述副照明源是发光二极管阵列照明源。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述副照明源是激光。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统用于多投影系统中，并且所述系统的所述图像与至少一个其他图像结合以形成合成图像。
19.在用于产生彩色图像的投影系统中调节所述图像的颜色的方法，所述投影系统具有用于三个色通道中的每一个色通道的空间光调制器，每个色通道对应一种原色，所述方法包括提供具有从至少一个照明源到分离及再合成装置的光谱能量分布的光；控制进入所述色分离及再合成装置的光的光谱能量分布，而不用减少所述图像的所述整体亮度；通过至少一个空间光调制器调制所控制的光以形成图像；以及将所述图像投影。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述照明源包括主照明源和至少一个副照明源，并且通过增加来自至少一个副照明源的光来控制所述光谱能量分布。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，通过确定仅使用了所述主照明源的所述原色的色度，随后确定使产生的混合达到各原色的期望色度所需要的各副照明源的光量，来计算来自于所述副照明源的增加的光量。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，存在三个副照明源，每个副照明源对应一个色通道。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述总照明的所述光谱能量分布通过控制来自于各副照明源的光的光功率来控制，以实现用于各原色的期望色度。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，各副照明源具有相关的可调分色滤光器，所述可调分色滤光器允许各副照明源的所得光谱能量分布向较长或较短的波长偏移。
25.根据权利要求19所述的方法，其中，所述光谱能量分布通过所述照明源与所述分离及再合成装置之间的可调带通滤光器来控制，其中所述可调带通滤光器用于控制所述色谱，以使进入所述分离及再合成装置的光中的各原色值受到控制。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，通过用处于中性位置的所述可调带通滤光器确定所述原色的所述色度，并通过随后调节所述带通滤光器，使所得混合达到各原色的期望色度，来计算进入所述分离及再合成装置的光中的各原色值。
27.根据权利要求19所述的方法，其中，所述投影系统用于多投影系统中，并且由所述系统产生的所述图像与由至少一个其他系统产生的至少一个其他图像结合以形成合成图像。
28.一种投影系统，具有三个色通道，每个色通道对应一种原色，包括多个空间光调制器装置，每个空间光调制器装置对应一个色通道；照明源，用于产生光；第一可调带通滤光器，用于控制至少一个色通道中的光的所述光谱能量分布；聚光装置，用于汇聚由所述照明源产生的并由所述第一可调带通滤光器滤波的光；色分离及再合成装置，用于接收来自于所述聚光装置的所述汇聚光，将所述光分离成所述色通道，将在各色通道中的所述光导向所述对应的空间光调制器，以及将来自于各空间光调制器的所述调制光再合成以形成图像；以及投影透镜，用于接收来自于所述色分离及再合成装置的所述图像，并将所述图像投影，其中，所述第一可调带通滤光器的调节起控制所述图像中的色调变化的作用。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，通过用处于中性位置的所述第一可调带通滤光器确定所述原色的所述色度，并随后确定为了实现使所产生的混合达到各原色的期望色度所需要的各主照明源的光量，用于所述第一可调带通滤光器的角度，来计算所述第一可调带通滤光器的调节。
30.根据权利要求28所述的系统，进一步包括第二可调带通滤光器，用于控制至少一个色通道中的光量，其中所述第一及第二可调带通滤光器的调节起控制所述图像中的色调变化的作用。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，通过用处于中性位置的所述第一及第二可调带通滤光器确定所述原色的所述色度，并通过随后确定为了实现产生的混合要达到各原色的期望色度所需要的各主照明源的光量的，用于所述第一可调带通滤光器的角度和用于所述第二可调带通滤光器的角度，来计算所述第一及第二可调带通滤光器的调节。
32.根据权利要求28所述的系统，还包括照明中继装置，所述中继装置位于所述聚光装置与所述分离及再合成装置之间的所述光路中，其中所述第一可调带通滤光器位于所述中继装置中。
33.根据权利要求28所述的系统，其中，所述投影系统用于多投影系统中，并且由所述系统产生的所述图像与由其他系统产生的至少一个其他图像结合以形成合成图像。
34.一种投影系统，具有三个色通道，每个色通道对应一种原色，包括多个空间光调制器装置，每个空间光调制器装置对应一个色通道，各空间光调制器装置可调制光；三个照明源，用于产生光，其中每个照明源对应一个色通道；多个光功率控制装置，用于控制由所述照明源产生的光通量；聚光装置，用于汇聚由所述照明源产生的光；色分离及再合成装置，用于接收来自于所述聚光装置的具有光谱能量分布的所述汇聚光，将所述光分离成所述色通道，将在各色通道中的所述光导向所述对应的空间光调制器，以及将来自于各空间光调制器的所述调制光再合成以形成图像；以及投影透镜，用于接收来自于所述色分离及再合成装置的所述图像，并投影所述图像，其中，控制进入所述分离及再合成装置的光的所述光谱能量分布，以控制所述图像的色调变化。
35.根据权利要求34所述的系统，其中，所述光谱能量分布通过控制来自于各照明源的所述光功率来控制，以实现各原色的期望色度。
36. 根据权利要求34所述的系统，其中，各照明源具有相关的可调分色滤光器，所述可调分色滤光器允许各照明源的所得光谱能量分布向较长或较短的波长偏移。
37.根据权利要求34所述的系统，其中，所述投影系统用于多投影系统中，并且由所述系统产生的所述图像与由至少一个其他系统产生的至少一个其他图像结合以形成合成图像。
38.根据权利要求22所述的系统，其中，各副照明源具有相关的可调分色滤光器，所述可调分色滤光器允许各副照明源的所得光谱能量分布向较长或较短的波长偏移。
全文摘要
本发明公开了一种可改进投影显示装置中的彩色调节的系统、装置以及方法。所公开的装置、系统以及方法用于匹配包括显示原色的各显示装置的色平衡，所公开的装置、系统以及方法还用于校正基于SLM的投影装置的场中的随场色调变化。
文档编号H04N9/31GK1695383SQ02829918
公开日2005年11月9日 申请日期2002年10月21日 优先权日2002年10月21日
发明者肖恩·阿德金斯, 迈克尔·吉本 申请人:图象公司