專利名稱：微型顯示器的動(dòng)態(tài)范圍和對比度增強(qiáng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光閥系統(tǒng)，更具體地，涉及一種具有微型顯示器的光閥系統(tǒng)，用于背投電視。
背景技術(shù)：
在如背投電視(RPTV)、數(shù)字影院等顯示器中的傳統(tǒng)光閥系統(tǒng)中，通過一系列積分和對準(zhǔn)光學(xué)裝置，將來自燈的白光引導(dǎo)到微型顯示器，例如液晶顯示器(LCD)、硅上液晶(LCOS)、或數(shù)字光處理系統(tǒng)(DLP)。在LCD或LCOS系統(tǒng)中，將白光分離為其分量紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)波段的光，在LCOS的情況下，由偏振分束器(PBS)進(jìn)行偏振，并且引導(dǎo)到微型顯示器。所述微型顯示器具有像素矩陣。微型顯示器進(jìn)行操作，以便根據(jù)視頻輸出信號，以來自控制器的灰度級因子控制輸出來調(diào)制入射光的分量RGB波段的每一個(gè)像素，從而形成離散調(diào)制光信號或像素的光矩陣。光矩陣發(fā)生反射或從微型顯示器中輸出，并且將其引導(dǎo)到投影透鏡系統(tǒng)，用于將調(diào)制光投影到顯示屏上，組合光像素以形成視頻圖像。
在DLP系統(tǒng)中，將白光分離為光分量RGB波段，并且將其反射到DLP微型顯示器上。所述微型顯示器是包含鉸鏈安裝的微觀反射器的陣列的半導(dǎo)體器件。每一個(gè)反射器對應(yīng)于輸入到微型顯示器的視頻圖像的一個(gè)像素。當(dāng)通過視頻輸入信號來驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體時(shí)，反射器發(fā)生傾斜或接通和斷開以反射全部或部分的入射光。從反射器反射的像素陣列形成與視頻輸入信號相對應(yīng)的光矩陣。光矩陣發(fā)生反射或從微型顯示器中輸出，并將其引導(dǎo)到投影透鏡系統(tǒng)，用于將調(diào)制光投影到顯示屏上，以形成視頻圖像。
這些顯示系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)在于在暗狀態(tài)下投影的視頻圖像比亮狀態(tài)場景中投影的視頻圖像質(zhì)量低劣。在LCD或LCOS系統(tǒng)中，由于引導(dǎo)到微型顯示器上的光量保持恒定而與輸入到微型顯示器的視頻圖像的亮度無關(guān)，因此，出現(xiàn)了質(zhì)量差別。由此，從像素到像素的灰度級變化受到用于處理視頻輸入信號的比特?cái)?shù)的限制。由于視頻輸入信號是固定數(shù)量的比特，這對應(yīng)于全尺寸的光，因此趨向于極其少的比特可用于視頻圖像的較暗區(qū)域中的細(xì)微差別。例如，如果當(dāng)節(jié)目僅包含0到64個(gè)灰影時(shí)，微型顯示器能夠再現(xiàn)1024個(gè)灰影(10比特輸出的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(DAC))，凈效應(yīng)在于對比度表現(xiàn)為較差，并且由于量化效應(yīng)和截?cái)嘈?yīng)，視頻圖像表現(xiàn)為具有嚴(yán)重程度的噪聲和輪廓。由于半導(dǎo)體的固有線性響應(yīng)，與LCOS或LCD系統(tǒng)相比，該DLP系統(tǒng)經(jīng)受到更嚴(yán)重的輪廓效應(yīng)。
為了緩和在亮和暗視頻圖像之間出現(xiàn)的質(zhì)量差別，已知的是增加微型顯示器自身的對比度。然而，增加微型顯示器的對比度將導(dǎo)致非常高的數(shù)據(jù)速率、非常高分辨率的DAC、以及非常關(guān)鍵的光學(xué)和液晶性能要求。因此，需要開發(fā)一種光閥系統(tǒng)，用于增強(qiáng)視頻圖像的對比度，特別是在暗視頻圖像中，并且減少輪廓假象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種光閥系統(tǒng)，包括顏色選擇器件，配置用于臨時(shí)衰減光的分量顏色波段以便與視頻輸入信號相對應(yīng)。第一偏振分束器配置用于將分量顏色波段偏振為反向偏振分量，并且微型顯示器配置用于接收所述反向偏振分量中的至少一個(gè)，以便形成投影光矩陣。
本發(fā)明還涉及一種光閥系統(tǒng)，包括顏色選擇器件，配置用于將光臨時(shí)分離為分量顏色波段以便與視頻輸入信號相對應(yīng)。第一偏振分束器配置用于將分量顏色波段偏振為第一組反向偏振分量。第一和第二液晶顯示器。第一和第二液晶顯示器中的每一個(gè)分別配置用于接收所述第一組反向偏振分量之一，以便形成第一和第二光矩陣。第二偏振分束器配置用于接收第一和第二光矩陣，以便將第一和第二光矩陣分離為第二組反向偏振分量，并且微型顯示器配置用于接收第二組反向偏振分量中的至少一個(gè)，以便形成投影光矩陣。


將參考以下附圖，更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光閥系統(tǒng)的方框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光閥系統(tǒng)的方框圖；以及圖3是用于圖2所示的系統(tǒng)的偏振分束器配置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光閥系統(tǒng)1。該系統(tǒng)1包括燈10。所述燈10產(chǎn)生白光4，并且向一組照明光學(xué)裝置11投影該白光4。例如，照明光學(xué)裝置11可以包括偏振器和/或積分器。在該實(shí)施例中，包括偏振器，以便將輸入光旋轉(zhuǎn)為s偏振。照明光學(xué)裝置11向顏色選擇器件5引導(dǎo)白色s偏振光4的遠(yuǎn)心光束。在所示實(shí)施例中，顏色選擇器件5是顏色切換器件，作為使多層液晶顯示器堆疊在一起的光學(xué)器件。這樣的顏色選擇器件5的示例包括由Boulder，Colorado的ColorLink公司制造的COLORSWITCH和由Sunnyvale，California的DigiLens公司制造的特定用途集成透鏡(ASIL)。白光4進(jìn)入顏色選擇器件5，并由顏色選擇器件5將輸入到其上的白光4臨時(shí)濾光為光12的順序分量—紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)波段。根據(jù)由顯示控制器3施加到顏色選擇器件5上的數(shù)字控制信號電壓，透射或反射所選波段的光。顏色選擇器件5還具有啟動(dòng)/斷開狀態(tài)電壓輸入，用于接收來自顯示控制器3的控制信號。當(dāng)來自顯示控制器3的電壓電平為高時(shí)，其將顏色選擇器件5驅(qū)動(dòng)為斷開狀態(tài)，而當(dāng)來自顯示控制器3的電壓電平為低時(shí)，其將顏色選擇器件5驅(qū)動(dòng)到啟動(dòng)狀態(tài)，其中使光透過。顯示控制器3通過其對去往微型顯示器7的視頻輸入信號的處理，對視頻信號進(jìn)行分析以確定其內(nèi)容。在該分析中，顯示控制器3針對要顯示的幀，逐像素地分析視頻輸入信號。如果沒有像素輸入值超過全尺寸的一半，則將顏色選擇器件5中的電壓電平控制衰減設(shè)置在全尺寸的50％處。如果另一方面，輸入像素值是全零從而表示全黑屏，則在狀態(tài)電壓上完全減小控制顏色選擇器件的電壓電平。該衰減控制增強(qiáng)了對比度，特別是在主要包含暗內(nèi)容的框架中。由于最終的對比度是通過系統(tǒng)中的光學(xué)分量實(shí)現(xiàn)的對比度的乘積，例如，如果顏色選擇器件5具有對比度50∶1，并且微型顯示器7具有對比度600∶1，則測量到的順序?qū)Ρ榷仁?0000∶1，能夠改善對比度等級，特別是在暗狀態(tài)下。
利用微型顯示器7的傳遞函數(shù)對顯示控制器3進(jìn)行編程。為了對顯示控制器3進(jìn)行編程，可以在工廠級處校準(zhǔn)微型顯示器7，或者通過殼體或投影光路徑中的光電傳感器(例如，在折疊式反射器之后)自動(dòng)校準(zhǔn)其。由于可以在二元步驟中執(zhí)行該校準(zhǔn)，因此，該校準(zhǔn)將花費(fèi)不超過幾秒的時(shí)間，并且可以在視頻輸入信號已知之后的正常操作期間執(zhí)行。結(jié)果，改善了系統(tǒng)1的動(dòng)態(tài)對比度，而沒有任何附加硬件的成本，并且客戶具有當(dāng)她進(jìn)行選擇時(shí)減少視頻圖像的峰值亮度的選擇，而不會(huì)產(chǎn)生不理想的輪廓效應(yīng)。
光12的順序分量RGB波段離開顏色選擇器件5，并且去往偏振分束器8(PBS)。將輸入光12的入射s偏振分量19從偏振表面17反射到第三表面15上。將微型顯示器7設(shè)置在超出PBS 8的第三表面5之外，并且將光12的s偏振分量19輸入到其上。
在所示實(shí)施例中，微型顯示器7是硅上液晶(LCOS)成像器?？蛇x地，可以使用液晶顯示器(LCD)，并且對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)節(jié)。LCOS微型顯示器7用于利用來自顯示控制器3的視頻信號來調(diào)制入射光。投影光矩陣18的每一個(gè)像素具有與在微型顯示器7中針對該像素提供的各個(gè)灰度級值成比例的強(qiáng)度或亮度。作為調(diào)制結(jié)果，LCOS微型顯示器7反射光矩陣18，包括通過PBS 8的第三表面15返回的p偏振光的像素或離散點(diǎn)的矩陣。投影光矩陣18的p偏振分量通過偏振表面17，并且通過第四表面16離開PBS 8。將已投影光矩陣18從第四表面16引導(dǎo)到投影透鏡系統(tǒng)9。投影透鏡系統(tǒng)9將光矩陣18輸入到顯示屏6上，組合光像素以形成與視頻輸入信號2相對應(yīng)的視頻圖像。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的光閥系統(tǒng)20。所述系統(tǒng)20包括燈35。所述燈35產(chǎn)生白光23，并且向照明光學(xué)裝置31投影白光23。例如，所述照明光學(xué)裝置31可以包括積分器，例如順序顏色重新捕獲(SCR)積分器。所述積分器31向顏色選擇器件24引導(dǎo)白光23的遠(yuǎn)心光束。在所示的實(shí)施例中，顏色選擇器件24是色輪，具有擁有沿盤的圓周均勻設(shè)置的扇形扇區(qū)的盤。所述扇區(qū)按照與色輪旋轉(zhuǎn)相對應(yīng)的定時(shí)順序?qū)⑷肷涞狡渖系陌坠?3濾波為光25的分量RGB波段。由電動(dòng)機(jī)(未示出)對顏色選擇器件24進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且由顯示控制器22進(jìn)行控制，以便與視頻輸入信號21同步地透射光25的相應(yīng)分量RGB波段，從而逐幀地透射光25的各個(gè)分量RGB波段。
向PBS配置50引導(dǎo)光25的分量RGB波段。PBS配置50包括第一和第二PBS 46、49、第一和第二反射棱鏡47、48、以及第一和第二LCD 26、28?？蛇x地，可以將第一和第二LCD 26、28設(shè)置在積分器31之前。如圖3所示，光25的分量RGB波段進(jìn)入第一PBS 46的第一面42，并且由第一偏振表面43進(jìn)行偏振以具有s偏振分量27和p偏振分量45。首先，將更詳細(xì)地描述通過PBS配置50的光25的RGB波段的s偏振分量27的棱鏡，然后，將更詳細(xì)地描述p偏振分量45的路徑。
通過第一PBS 46的第二面56對s偏振分量27進(jìn)行反射，并且在第一反射棱鏡47中對其進(jìn)行接收。由第一反射鏡表面59對s偏振分量27進(jìn)行反射，離開第一反射棱鏡47，去往第一LCD 26。例如，第一LCD 26是包含與來自顯示控制器22的電信號進(jìn)行耦合的液體單元的矩陣的單一單元板。所述電信號控制LCD 26以使其旋轉(zhuǎn)通過其的光的偏振或無需旋轉(zhuǎn)地使光通過。
結(jié)果，第一LCD 26透射包括具有s偏振和p偏振分量的光的像素或離散點(diǎn)的矩陣的第一光矩陣38。第一光矩陣38進(jìn)入第二PBS 49的第一面44，并且由第二偏振表面53進(jìn)行偏振。通過第二PBS 49的第二面57，對第一光矩陣38的s偏振分量(未示出)進(jìn)行反射，并且在第一光矩陣38的p偏振分量60通過第二偏振表面53且通過第三面52離開第二PBS 49去往照明透鏡33的同時(shí)，放棄第一光矩陣38的s偏振分量。
光25的分量RGB波段的p偏振分量27通過第一偏振表面43，并且通過第一PBS 46的第三面51去往第二LCD 28。第二LCD 28在結(jié)構(gòu)和功能上與第一LCD 26相同，因此省略對其的進(jìn)一步的描述。第二LCD 26透射第二光矩陣55，包括具有s偏振和p偏振分量的光的像素或離散點(diǎn)的像素矩陣。第二光矩陣55進(jìn)入第二反射棱鏡48，并且由第二反射鏡表面58反射，離開第二反射棱鏡48并去往第二PBS 49。第二光矩陣55進(jìn)入第二PBS 49的第四面54，并且由第二偏振表面53進(jìn)行偏振。第二光矩陣55的p偏振分量(未示出)通過第二偏振表面53，并且通過第二PBS 49的第二面57脫色。對第二光矩陣55的s偏振分量61進(jìn)行反射，通過第三面52離開第二PBS 49，并且在光闌(未示出)中接收第二光矩陣55的s偏振分量61，與s偏振分量45組合，從而存在相當(dāng)?shù)偷目偭炼葥p耗。
如圖2所示，由照明透鏡33將第二光矩陣55的s偏振分量61和第一光矩陣38的p偏振分量60同時(shí)聚焦到第三反射棱鏡34中，用于高吞吐效率。例如，第三反射棱鏡34可以是全內(nèi)反射(TIR)棱鏡或離軸光學(xué)裝置。第二光矩陣55的s偏振分量61和第一光矩陣38的p偏振分量60通過第三反射棱鏡34的第一表面36。以遠(yuǎn)離第三反射棱鏡34的角度對第二光矩陣55的s偏振分量61和第一光矩陣38的p偏振分量60進(jìn)行反射，并且通過第三反射棱鏡34的第三表面37。將DLP微型顯示器30設(shè)置在超出反射棱鏡37的第三表面37之外，并且將組合的s偏振和p偏振分量60、61輸入到其上。
DLP微型顯示器30可以是任意適當(dāng)?shù)臄?shù)字光處理器(DLP)，例如由Dallas，Texas的Texas儀器公司制造的DLP。所述微型顯示器30具有光學(xué)半導(dǎo)體(未示出)，例如由Dallas，Texas的Texas儀器公司制造的DIGITAL MICROMIRROR DEVICE。所述半導(dǎo)體包含鉸鏈安裝的微觀反射器的陣列。每一個(gè)反射器對應(yīng)于視頻輸入信號21的視頻圖像(未示出)中的一個(gè)像素。當(dāng)由控制器根據(jù)視頻輸入信號21來驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體時(shí)，對反射器簡略傾斜或啟動(dòng)或斷開以反射全部或部分的第一和第二光矩陣51、49。從已切換的透鏡反射的像素陣列形成與來自顯示控制器22的視頻輸入信號21相對應(yīng)的投影光矩陣40。
LED 26、28的操作用于衰減控制，由此，在重新組合之前丟棄部分p偏振和部分s偏振光。例如，如上面在第一實(shí)施例中所述的，如果沒有視頻輸入像素值超過全尺寸的一半，則第一和第二LCD 26、28控制百分之五十的入射光。在其中視頻輸入信號21表示全黑屏的示例中，由顯示控制器22將第一和第二LCD 26、28設(shè)置為最大，并且以零來驅(qū)動(dòng)微型顯示器30以實(shí)現(xiàn)非常高的順序?qū)Ρ榷?。因此，如果第一和第二LCD 26、28具有50∶1的峰值衰減，并且微型顯示器30具有至少600∶1的順序?qū)Ρ榷龋瑒t測量到的順序?qū)Ρ榷葹?0,000∶1。
通過TIR棱鏡34的第三表面37，從微型顯示器30反射回所投影的光矩陣40。所投影的光矩陣40通過TIR棱鏡34的反射表面41，并且通過第四表面39離開TIR棱鏡34。將所投影的光矩陣40從第四表面39引導(dǎo)到投影透鏡32的系統(tǒng)。投影透鏡32將投影光矩陣40投影到顯示屏29上，以形成與視頻輸入信號21相對應(yīng)的視頻圖像。
所述系統(tǒng)20具有利用交替偏振的光對微型顯示器30進(jìn)行照明的好處，這容許實(shí)現(xiàn)基于偏振的立體成像。
前面的描述示出了用于實(shí)施本發(fā)明的一些可能方案。許多其他實(shí)施例在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)也是可行的。因此，應(yīng)該注意，前面的描述應(yīng)看作說明性而非限定性的，并且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其完全范圍的等價(jià)物來給定。
權(quán)利要求
1.一種光閥系統(tǒng)，包括顏色選擇器件，配置用于臨時(shí)衰減光的分量顏色波段以便與視頻輸入信號相對應(yīng)；第一偏振分束器，配置用于將分量顏色波段偏振為至少兩個(gè)偏振分量；以及微型顯示器，配置用于接收所述至少兩個(gè)偏振分量中的至少一個(gè)，以便形成投影光矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于所述顏色選擇器件利用電壓電平輸入，對光的分量顏色波段進(jìn)行衰減。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于所述顏色選擇器件是顏色切換器件，包括多個(gè)堆疊的液晶顯示器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于所述微型顯示器是硅上液晶成像器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于還包括積分器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于還包括偏振器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于還包括投影透鏡和顯示屏。
8.一種光閥系統(tǒng)，包括顏色選擇器件，配置用于將光臨時(shí)分離為分量顏色波段以便與視頻輸入信號相對應(yīng)；第一偏振分束器，配置用于將分量顏色波段偏振為第一組反向偏振分量；以及第一和第二液晶顯示器，第一和第二液晶顯示器的每一個(gè)分別配置用于接收所述第一組反向偏振分量之一，以便形成第一和第二光矩陣；第二偏振分束器，配置用于接收第一和第二光矩陣，以便將第一和第二光矩陣分離為第二組反向偏振分量；以及微型顯不器，配置用于接收第二組反向偏振分量中的至少一個(gè)，以便形成投影光矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于所述微型顯示器是數(shù)字光處理器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于還包括積分器。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于還包括偏振器。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于還包括投影透鏡和顯示屏。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于還包括反射棱鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光閥系統(tǒng)，其特征在于還包括照明透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光閥系統(tǒng)，增強(qiáng)了亮和暗視頻圖像的對比度，并且減少了輪廓假象。所述光閥系統(tǒng)包括顏色選擇器件，配置用于臨時(shí)衰減光的分量顏色波段以便與視頻輸入信號相對應(yīng)。第一偏振分束器配置用于將分量顏色波段偏振為反向偏振分量，并且微型顯示器配置用于接收所述反向偏振分量中的至少一個(gè)，以便形成投影光矩陣。
文檔編號H04N9/31GK1720750SQ200380104732
公開日2006年1月11日 申請日期2003年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
發(fā)明者尤金·墨菲·奧多內(nèi), 埃斯蒂爾·索恩·小霍爾 申請人:湯姆森許可貿(mào)易公司