用于操作高强度放电灯的方法、灯驱动器以及投影系统

摘要

描述了用于操作高强度放电灯(2)的方法，在该方法中，以预定电流幅度(I

说明书

技术领域

本发明涉及用于操作尤其在投影系统内的高强度放电灯的方法和灯驱动器。本发明还涉及包括高强度放电灯和这种灯驱动器的投影系统。

背景技术

高强度放电灯通常包括由例如石英玻璃的抗高温材料制成的管，电极通常从相反侧伸进该管中，所述电极通常由钨制成。所述管包含一种或多种惰性气体的填充物，就汞蒸气灯来说，主要包含汞。通过在电极之间施加高电压在电极端之间产生电弧，然后所述电弧能够维持较低的电压。由于它们的光学性质，高强度放电灯优选地尤其用于投影系统。对于这样的应用而言，要求光源尽可能地是点光源。此外，要求高的光强度，同时具有尽可能自然的光的光谱组成。目前，利用高强度放电灯特别是UHP灯(超高性能灯)能最好地达到这些要求，所述高强度放电灯也称为HID灯。

特别地，当这样的灯用在利用时间序列(time-sequential)方法来进行颜色生成的投影系统中时，必须保证不发生不期望的光强度的波动，因为这些能够导致在投影系统中一种原色不期望地影响其它原色，或者导致不同亮度存在于不同图像区域中。

当前有两种类型的时间序列颜色生成方法：

在第一方法中，通过以三原色的完整图像的序列表示来生成彩色图像。该方法也称为“场序彩色”。该方法用于例如大部分的DLP投影仪(DLP＝数字光处理，DLP是德州仪器公司的商标)中。可以选择地将作为第四种的白色图像混合进来。

在第二方法中，彩色图像主要是通过所有的原色以颜色束或颜色带的形式一个接一个地穿过显示器来生成。该方法也称为“滚动彩色”。例如，常规LCoS显示器(LCoS＝硅上液晶)借助这样的方法来操作。

在两种情况下，投影系统需要所谓的颜色变化系统，该颜色变化系统首先执行颜色分离或颜色过滤，其次具有用于改变光源和显示器之间颜色成分的调制器，这样能够以三原色生成光。通常或多或少可以在一个部件中结合彩色分离和彩色调制。例如，在某些颜色变化系统中，过滤以及颜色调制通过旋转的色轮来完成。相反，在其它的系统中，颜色过滤借助镜子进行，颜色调制借助棱镜进行。

为了尽可能均匀地加载(load)高强度放电灯的电极并因此增加灯的服务寿命，大多数灯使用AC电流来操作，AC电流通常是方波AC电流。在该情况下，为了防止不期望的电弧的不稳定(例如所谓的电弧跳跃(arcjumping)或抖动)，特殊形式的电源电流是必要的。当前使用的方法是脉冲的模式，其表现出非常好的服务寿命，同时具有完美的稳定性。在该模式中，灯用方波AC电流来操作，附加的电流脉冲(所谓的“防抖动脉冲”)叠加在每个半周期的末端，这保证了灯内的电弧的位置尽可能地保持稳定。然而，这导致上述用时间序列颜色显示器操作的显示系统中的许多问题。特别地，在某些系统中，完全不能使用防抖动脉冲或者只可以在如果能接受大的缺陷时使用。一个特别的缺陷在于，为了灯良好地工作，只能在窄的界限内选择脉冲的长度和幅度。

WO 02/091806 A1公开了可替换的利用恒定的光电流对灯的驱动。在该情况中，通过频率在250至20000Hz之间的相对较高频的AC电流作用高强度放电灯，在每种情形中，电流的幅度值恒定。调制正脉冲的脉宽和随后的或在前的负脉冲的脉宽之间的脉宽比率，使得两个连续的正和负脉冲的平均电流值在正值和负值之间周期性地波动，所述正和负脉冲具有例如达到250Hz的预定脉宽调制频率。换句话说，用预定的脉宽调制频率调制一个完整AC电流周期内换向时间的位置，所述完整的AC电流周期通过两个连续脉冲即一个正脉冲和一个负脉冲的长度来定义。这里的调制通常是正弦曲线。因此，在该方法中，为了实现两个电极加载相等，阳极和阴极以相对较快的节奏交换。然而，正值和负值之间平均电流值的相对较慢的调制保证两个电极的温度加载缓慢地和周期性地变化。借助这种脉宽调制模式(PWM模式)，同样实现非常好的服务寿命，同时处于恒定光电流的灯只具有最小的抖动倾向。

在现代投影系统中，特别是在那些利用时间序列颜色生成的系统中，如果能在某些时间周期内以精确定义的方式产生特定量的光，那么这是高度期望的。然而，这些时间必须根据用在投影系统中的显示器的要求精确调节。然后可以例如提高整体亮度、增大灰度分辨率以及更好地抵消图像的色点。为此，有必要不时地在精确定义的时间周期中(例如在精确指定的色带中)减少光功率，并在其它时间周期中增加之。

发明内容

本发明的目的是提供用于操作尤其在投影系统内的高强度放电灯的方法，也涉及合适的灯驱动器以及相应的投影系统，其允许根据预定的要求以简单和节省成本的方式对光强度进行更加精确的控制。

通过如权利要求1限定的方法、权利要求8限定的灯驱动器以及权利要求10限定的投影系统实现该目的。

在根据本发明的方法中，通过AC电流对高强度放电灯起作用，该AC电流以预定的换向频率在具有预定电流幅度的正脉冲和负脉冲之间换向，其中调制正脉冲的脉宽和邻近的负脉冲的脉宽之间的脉宽比率，使得两个连续的正和负脉冲-一个正脉冲和一个负脉冲-的平均电流值在正值和负值之间以预定的脉宽调制频率周期性地波动，换句话说，包括一个正脉冲和一个负脉冲的一个完整AC电流周期内换向时间的位置以预定的脉宽调制频率周期性地移动。根据本发明，电流的幅度值被调制为与预定调制函数一致的时间的函数。

因此，本发明利用在WO 02/091806 A1中描述的操作方法并在该方法上重叠另外的调制，即调幅，其中按照投影系统尤其是显示设备的要求来实现该调幅。因此，为了获取关于脉宽调制的方法和效果的更详细的细节，应当参见WO 02/091806 A1，其内容因而全部合并到本中请中。如前述文件描述的，脉宽调制可以是正弦曲线。然而，任何其它的外形原则上也是可以的，包括方波调制。就这种方波调制来说，将会仅仅存在以规则的间隔交替的两个离散占空比。唯一的关键问题是平均电流值在负值和正值之间换向。以脉宽调制频率变化和在正脉冲和负脉冲之间以预定换向频率交替的“基本AC电流”可以是方波AC电流。然而，其它AC电流形式也是可以的。待调制的预定电流幅度可以是最大的或有效的幅度。

由于根据本发明的方法，能够以极其稳定的方式操作灯，其中-因为不需要防抖动脉冲或其它附加脉冲-功率损失得以减小。附加的电流调幅保证能够产生具有精确定义的光强度曲线的理想光强度，以最优化投影系统的整体性能。

用于以根据本发明的方式操作高强度放电灯的合适的灯驱动器因而需要换向器电路以及脉宽调制单元，这样设计所述换向器电路，使得从DC电压源流出的DC电流被转换成用于高强度放电灯的AC电流，该AC电流以预定的电流幅度在正脉冲和负脉冲之间换向，这样设计所述脉宽调制单元，使得正脉冲的脉宽和邻近的负脉冲的脉宽之间的脉宽比率被调制成两个连续的正脉冲和负脉冲的平均电流值在正值和负值之间周期性地波动。根据本发明，还需要调幅单元，这样设计调幅单元，使得按照预定调制函数调制电流的幅度值。

如上面提到的，根据本发明的方法以及根据本发明的灯驱动器能够以特别有益的方式用在包括显示设备和相应高强度放电灯的投影系统中。然而，当在需要按照定义的时间强度曲线对高强度放电灯进行稳定操作的其它领域中使用高强度放电灯时，原则上也可以使用根据本发明的方法以及根据本发明的灯驱动器。

从属权利要求分别包含本发明的特别有益的改进和开发。还可以按照从属的方法权利要求进一步开发根据本发明的灯驱动器以及根据本发明的投影系统，反之亦然。

特别优选地，脉宽比率的调制和电流的幅度值的调制彼此匹配，使得-在预定的时间周期上考虑-所有正电流脉冲上的积分基本上相当于所有负电流脉冲上的积分。该时间周期可以例如是一个或多个脉宽调制周期，即小于十分之几秒的时间周期。这保证灯不接收任何显著的DC电流分量。因此灯驱动器优选地具有用于匹配同步的合适的控制单元。

调制函数可以采取任何形式，换句话说调制函数原则上可以适合于各自的要求-当用在投影系统中时，尤其适合于显示设备的要求。在这种情况下，还可以随着时间改变调制函数。然而，它优选地是周期函数。在一个特别优选的变形中，当用在时间序列投影系统中时，分阶段地调制电流的幅度值，以便在特定的时间周期上输出恒定的电流和因此恒定的光强度。例如，如果必要，能够在不同的时间周期里产生减小的或增大的光强度。在操作投影系统内的高强度放电灯时，用于调制电流的幅度值的调制函数尤其优选地与颜色变化系统的颜色变化序列同步，例如与投影系统的色轮同步。换句话说，就周期调制函数来说，例如，保证了调制函数的周期对应颜色变化周期。在这种情况下，投影系统除了颜色变化系统外必须具有合适的例如在中央控制设备内的同步设备，该同步设备控制灯驱动器以及颜色变化系统，使得用于调制电流的幅度值的调制函数与颜色变化系统的颜色变化序列同步。

可以通过调节调制函数来控制投影系统投影的颜色平衡。在这种情况下，首先可以对颜色平衡进行精确的设置，但是此外还可以借助于根据本发明的方法调节颜色平衡或使其保持恒定，例如以抵消老化效应。换句话说，例如，对于不同的原色可以生成可变的光的等级，可以调节颜色平衡使之在热和冷的图像印象之间变化，或改善投影系统另外的性质。一个可能性是例如将较暗的状态(darker phase)包含进来以改善亮度分辨率。优选地，这样设计灯驱动器，使得调制函数能够作为相应的控制指令的函数而变化，所述控制指令由用户通过用户接口预先定义或初始化，换句话说，可以调节调制函数或者可以从许多预定的调制函数中选择调制函数。

附图说明

将参考附图中所示的实施例的例子进一步描述本发明，然而本发明并不限于这些实施例。相同的特征由图中相同的附图标记表示。

图1示出了根据本发明投影系统实施例的一个例子的示意性表示。

图2a示出了脉宽调制AC电流的示意性表示(底部图)和一个脉宽调制周期上最终平均电流值的示意性表示(中间图)与投影系统内的颜色变化序列(顶部图)有时间上的关系。

图2b示出了图2a的颜色变化序列(顶部图)与根据图2a具有恒定电流幅度的相关的经过脉宽调制的AC电流(从顶部向下第二张图)的示意性表示，还示出了匹配的调幅函数的示意性表示(从顶部向下第三张图)以及相关的最终经过调幅和经过脉宽调制的AC电流的示意性表示(底部图)。

图3示出了根据本发明灯驱动器实施例的一个例子的框图。

具体实施方式

图1表示了典型的DLP投影系统1。该系统具有高强度放电灯2，优选地具有所谓的UHP(超高性能)灯，其设置在反射器3中。向灯2提供来自驱动器10的必要的电压或必要的电流。反射器3以成束的方式朝会聚透镜5的方向辐射灯2发射的光。在反射器3和会聚透镜5之间的颜色变化系统4(在该情况下以色轮4的形式)设置在光束路径中。色轮4优选地尽可能准确地放置在位于反射器3和会聚透镜5之间的焦点上，使得色轮4上的光点尽可能地小。会聚透镜5保证尽可能有效地照亮位于会聚透镜5后面的显示设备6，在该情况下即所谓的DMD(数字微镜器件)。这种DMD是包括作为显示元件7的非常小的镜7阵列的芯片(chip)，所述镜可以单独地倾斜，使得镜7通过投影透镜8将光反射到投影表面F上，或者在镜7经过合适倾斜的情况下，将光反射到吸收器表面(未示出)上。

在本情况下，色轮4包括具有颜色红r、绿g和蓝b的三个段。在一个图像周期BZ内，该色轮4通常绕其轴旋转许多次，以便一个接一个地产生单色的蓝色图像、单色的红色图像以及单色的绿色图像，由于观察者眼睛的惰性，这些图像被结合以形成彩色图像。当然也可以使用其它的色轮来替代包括三个段的色轮，例如包括四个段(一个红色、一个绿色、一个蓝色以及一个白色的段)或包括六个段的色轮，在所述包括六个段的色轮中，在每种情况下，两个绿色、两个红色以及两个蓝色段位于彼此的相对处。该最后的变形具有如下优势，即色轮只须以该频率的一半旋转。可替换地，还可以增加其它不同的颜色段，例如黄色、青色等。

控制设备9控制显示设备6(后面也简称为“显示器”)、色轮4以及灯驱动器10，因而保证了这些部件6、4、10的同步。作为输入信号，控制设备9能够接收例如视频信号V，该视频信号V包含将由投影系统1显示的视频数据。明显地，控制设备9还可以包括许多部分的控制器件。例如，也可以提供单独的控制器件用于控制显示器6的显示元件7，该单独的控制器件也可以尤其与DMD芯片一起设置在板上。同样可以将完整的控制设备例如与DMD芯片一起集成在一个模块中，可以将用于其它部件的同步指令从那里输出。其它的部件例如色轮或灯驱动器也可以具有它们自己的控制器件，这些控制器件反过来向其它部件发送同步指令。唯一的关键问题是以要求的方式使这些部件彼此同步，以便在投影表面F上生成期望的图像。

当然，根据本发明的灯驱动器以及根据本发明的方法不只是可用于图1所示的投影系统中，还可用于不同设计的投影系统中，例如LCoS系统中。

下面将参考图2a和2b进一步详细地说明根据本发明的操作方法。

图2a中最顶部表示的是颜色序列FS，它是通过旋转根据图1的投影系统1中的色轮4产生的。如图所示，蓝色b、绿色g和红色r图像总是循环地交替。在单独的原色图像b、g、r之间，常常有给定的短时间段(称作“轮辐”)，在轮辐中不定义彩色图像，因为光点精确地撞击在两种彩色段之间的边界上。在许多系统中，显示器被显示在该“轮辐时间”中。在其它系统中，这段时间期间产生的光被用来增大整体强度。

在这个颜色序列FS的下方显示了两条曲线。这个例子显示了用于高强度放电灯的经过脉宽调制的AC电流，其中如WO 02/091806A1所述，AC电流的幅度值保持恒定。在这个例子中，AC电流I_AK以1kHz换向，并以25Hz的脉宽调制频率进行80％的脉宽调制。上部的曲线表示了一个脉宽换向周期(即一个脉宽周期T_PWM)上的平均值I(以相对单位)。较低的曲线表示了电流的方向，即具有恒定幅度(以相对单位)的AC电流I_AK的正脉冲和负脉冲。

所述较低的图还表示了各种脉冲对的脉宽，所述脉冲对即正脉冲和对应的随后的负脉冲。就最左边所示的脉冲对来说，正脉冲的脉宽PW_p，1大致等于负脉冲的脉宽PW_n，1。就下一个显示的脉冲对来说，正脉冲的脉宽PW_p，2远小于负脉冲的脉宽PW_n，2，就显示的第三个脉冲对来说，正脉冲的脉宽PW_p，3大于负脉冲的脉宽PW_n，3。在每种情况下，从正脉冲的过零至负脉冲末端的过零的持续周期T是恒定的，所述周期对应换向频率的倒数。换句话说，在脉宽调制中，只有过零的位置通过从正脉冲到负脉冲的过渡来调制。结果，上部图中绘制的电流平均值I在换向周期T_PWM内于每个时间点处变化。该平均值I还对应脉宽比率。如图2a上部的曲线所示，脉宽调制遵循正弦曲线。然而可替换地，还可以使用不同的函数。

在颜色变化序列FS和上部图之间，表示了多种时间周期。首先，表示了包括绿色g、红色r和蓝色b图像的颜色周期FZ的时间距离。在当前的例子中，这种颜色周期FZ以300Hz的重复频率重复。还表示了可以用于PAL视频系统的50Hz短图像周期BZ以及25Hz长图像周期BZ，该长图像周期BZ对应双倍的50Hz短图像周期并可以用于例如DVD电影素材的情形中。还表示了脉宽调制周期T_PWM。

图2b表示了如何能够借助于调制函数M调制施加于高强度放电灯的AC电流I_AM的幅度值以实现以某种方式平衡的色点。

图2b再次在顶部表示了颜色变化序列FS，以及其下的对于颜色周期FZ、50Hz短图像周期BZ、25Hz长图像周期BZ和脉宽调制周期T_PWM的时间距离。在其下再次直接表示在图2a底部已经表示的曲线，所述曲线表示具有恒定电流幅度的经过脉宽调制的电流I_AK。其下，在下一张图中表示设想的电流或功率调制函数M。这表示了在0.5和1.5(相对单位)之间的相对电流幅度I_A。这里值1对应在红色段期间选作参考的电流值。在这种情况下，调制函数M是周期性的、步进的函数。如从图2b可看到的，该调制函数M还和颜色变化序列FS相关。在所说明的例子中，为了最佳的图像平衡，设想投影系统1和显示系统6需要较多的蓝色成分和较少的绿色成分。因此，在颜色序列FS的蓝色段b中将电流增大到1.5并在绿色段中将其减少到0.75。

底部的曲线表示了施加到灯1的最终的灯电流I_AM，该灯电流I_AM按照调制函数M相应地进行了脉宽调制和调幅。该灯电流I_AM的幅度在最大电流幅度1.5和最小电流幅度-1.5(相对单位)之间变动。对于功率调节，必须相应地调节该电流使之适合灯电压，以便该平均值对应于期望的标称电流。

图2a和2b还表示了如何补偿可能的DC电流分量，脉宽调制和调幅函数M的位置必须相互匹配。这里，首先已经通过稍微移动正弦脉宽调制的采样值来实现系统“更好的”性能，换句话说，系统不对例如同步频率的无意移动的误差作同样大的反应。而且，通过移动关于脉宽调制的调制函数的位置，已经保证了在脉宽调制周期T_PWM内使DC电流分量完全平坦。另外，还有用于防止DC电流分量的其它的可能。第一，换向可以完全地耦合到颜色段r、g、b之间的段过渡。第二，可以根据在灯驱动器中进行的测量和计算以设定目标的方式完成对任何不对称的平衡，所述不对称发生在每个脉宽调制周期T_PWM的一个或两个换向周期中，且在每个脉宽调制周期T_PWM的一个或两个换向周期中可能导致DC电流。最后，当考虑过去发生的误差时，每个换向周期得以调整。换句话说，例如可以总是朝着最小误差的方向完成对切换时间的舍入或最低限度的修改。

图3表示了灯驱动器10的实施例的一个例子，可以使用所述灯驱动器10以简单的方式实施根据本发明的方法，以便操作高强度放电灯2。

灯2通过合适的灯终端23连接到该驱动器10。灯驱动器10通过电压源终端16连接到DC电压源V1。在这种情况下，外部DC电源例如为380V。在输入侧，驱动器10具有负责施加期望的灯电流的DC/DC变换器12。该DC/DC变换器12由开关M1、二极管D1、电感L1以及电容C1(例如电容器)形成。

控制器件11借助于电平转换器14控制开关M1，进而控制灯2中的电流。根据本实施例，该电流还被控制器件11借助于感应测量元件19所监控。为了电压测量，通过包括两个电阻R1、R2的分压器24在电容器C1处释放出相应降低的电压，借助于模拟/数字转换器25在控制器件11中测量该电压。电容器C2仅仅用于减少被测信号中的干扰。

相应预先施加的电流然后被发送至换向器电路13，该换向器电路13包括以桥式电路方式切换四个开关M2、M3、M4、M5和因而相应地使灯2上的电流换向的换向器驱动器20。

为了点火的目的，灯2还连接到点火变压器22。如这里所示，点火变压器22通常对称地施加在灯2的两个终端23上。点火变压器22提供高达20kV用于点燃灯2。另外，点火变压器22的电感LT1、LT2在灯2的进一步操作期间仍然发生作用以使电流平稳。

迄今，图3中表示的灯驱动器10与常规灯驱动器并无不同。

然而，根据本发明，与常规灯驱动器不同的是，脉宽调制单元21位于换向器电路13中，在该情况下，所述脉宽调制单元21特别地位于换向器驱动器20中，以可编程处理器的形式设计所述换向器驱动器20。如上所述，这保证了在每种情况下，在换向周期内移动正脉冲和随后的负脉冲之间过零的位置，以便按照期望的调制形式调制正脉冲和邻近的负脉冲之间的脉宽比率。

另外，调幅单元15位于控制器件11中，同样可以可编程处理器的形式设计所述控制器件11，该调幅单元按照设置的调制函数M通过电平转换器14影响DC/DC变换器12，特别是开关M1，以便实现对AC电流值期望的调幅。该调幅单元15可以以控制器件11的可编程处理器上软件的形式来实施。

在这种情况下，控制器件11发送内部同步信号int至脉宽调制单元21，如上所示，以保证脉宽比率的调制和电流的幅度值的调制相互合适地匹配，以致避免了DC电流分量的产生。

控制器件11通过灯驱动器10的输入17接收来自中央控制设备9(参见图1)的同步信号Sync，以致保证了用于调制电流的幅度值的调制函数M与投影系统1的色轮4的颜色变化序列FS同步。

另外，控制设备9能够通过灯驱动器10的输入18向控制单元11和/或调幅单元15发送用于改变调制函数M的信号S_M，以便在需要的时候改变调制函数M。

例如，因而可以调节颜色平衡使之在热和冷的图像印象之间变化。可以通过简单地改变红色成分和蓝色成分之间的比率来设置显示器上不同的色温。这可以通过合适地调节调制函数以按照本发明的方式迅速地完成，而没有分辨率和光的损失。

同样，可以特别在黑色场景中实现更高的灰度分辨率，其中不必在色轮中使用黑色段-这正是当前可替换的概念的情况。而是，可以通过在调制函数中增加相应的低功率级以简单的方式实现灰度分辨率的增加，而没有光的损失。相反地，可以通过在现存的白色段中增大幅度来实现例如用于在照亮的房间中展示的更大的图像亮度。可以在任何时候关掉该图像亮度，以便再次实现例如用于视频展示的最大色饱和度。

优选地，投影系统的控制设备9具有合适的用户接口(未示出)，借助于它操作员可以手动调节调制函数M或者可以在各种最优调制函数M之间选择，在控制设备9中已经定义和存储了所述各种最优调制函数M，然后通过对应的控制信号S_M将它们发送到灯驱动器10。可替换地，已经被定义的各种最优调制函数M还可以存储在灯驱动器10中，然后借助于来自控制设备9的控制信号S_M对这些进行选择。

因此，借助于根据本发明的方法和灯驱动器，可以在每种情况下提供在许多随意选择的时间周期中的“无抖动”操作所需的精确光量，使得一方面，例如在背投电视中，图像亮度可以增大30％或更多，并且同时可以提高灰度分辨率。同样，可以以简单的方式无损失地选择不同的色温。因而，借助于简单的换向可以不具相当难度地、最优地适应几乎任何显示器。

最后，应该再次指出，图中和说明书中表示的系统和方法仅仅是实施例的例子，本领域的普通技术人员能够广泛地改变这些实施例而不会偏离本发明的范围。还应该指出的是，为了完整起见，不定冠词“一”或“一个”的使用不排除所述特征还可能以多个存在的可能性。