具有用于增強對比度的額外串聯(lián)光閥的投影系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種投影系統(tǒng)，其使用與傳統(tǒng)顏色分離-會聚棱鏡串聯(lián)的附加光閥，以增大投影圖像的對比度，其中位序列被生成以用于附加光閥，并且該位序列不會導(dǎo)致與傳統(tǒng)彩色光閥位序列的干擾。
【專利說明】具有用于增強對比度的額外串聯(lián)光閥的投影系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及投影系統(tǒng)，更具體地涉及使用與傳統(tǒng)顏色分離-會聚棱鏡相串聯(lián)的附加光閥以增大投影圖像的對比度的投影系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]典型的彩色數(shù)字投影儀包括燈、照明系統(tǒng)、以及包括顏色分離-復(fù)合棱鏡(例如氧化鉛攝像管棱鏡)的光引擎。光引擎的光學(xué)功能為使均勻的照明光分離并進(jìn)入紅色通道/綠色通道/藍(lán)色通道，使每個顏色中繼到光閥(如DMD (數(shù)字微鏡裝置)上，然后使所有三個通道復(fù)合到單個照明光束中，該照明光束通過投影透鏡投影到屏幕上。
[0003]DMD是一種包括數(shù)百萬個微鏡的機電裝置，該數(shù)百萬個微小鏡子通過獨立地使每個鏡子翻轉(zhuǎn)預(yù)定的角度而調(diào)制光。在顏色分離-復(fù)合棱鏡上使用三個這種DMD，來自燈的白色光錐被分到紅色通道、綠色通道、以及藍(lán)色通道中。每種顏色獨立地通過各自的DMD調(diào)制，然后通過棱鏡復(fù)合。
[0004]在一視頻幀期間，DMD通過打開或關(guān)閉鏡子數(shù)次而調(diào)制光?；谖恍蛄泻蛶俾剩瑤环殖杉s20至60個具有不同持續(xù)時間的位平面。在給定的位平面期間，屏幕上的每個像素通過單個比特控制，并對于該平面的整個持續(xù)時間其被驅(qū)動為’ 0N’或’ OFF’?！?N"時間的地點、持續(xù)時間、以及數(shù)目根據(jù)幀的時序進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制光水平。結(jié)合用于給定像素的’0N’時間給予像素其適當(dāng)?shù)膹姸取?br> [0005]可增加與傳統(tǒng)顏色(RGB) DMD串聯(lián)的附加光閥如白色DMD，以提高圖像對比度，并且沒有由于使用動態(tài)光圈所導(dǎo)致的損害或偽影。附加光閥通過逐像素減少入射在彩色DMD上的光而增強對比度，以使得在不同的時間不同強度水平打開和關(guān)閉光。然而，因為DMD通過在一系列位平面中隨時間打開和關(guān)閉鏡子來調(diào)制光，因而增加附加光閥在大多數(shù)情況下導(dǎo)致白色像素的強度不同于用于該像素的R值、G值或B值之一的強度(B卩，白色DMD和彩色DMD在不相關(guān)的時間打開和關(guān)閉)。從而，這樣導(dǎo)致不可預(yù)知的顏色、強度變化以及圖像偽影。
[0006]雖然通過使用用于附加光閥的某些不同的技術(shù)(例如LCOS, IXD)可多少克服不可預(yù)知的顏色和強度變化的問題，但是通過使用這些不同的技術(shù)引入了其他問題。具體地，這些技術(shù)操作使得所有光(即，不僅是關(guān)閉狀態(tài)的光)變暗，從而必須放大輸入信號以補償并使圖像光輸出回到其原始水平。這種放大必須空間上匹配白色圖像。然而，由于無論什么都存在任何的會聚誤差，因而準(zhǔn)確的空間匹配是不可能的。雖然可通過柔和化白色圖像的邊緣和應(yīng)用至圖像的增益功能解決后一問題，但是相反地減小了有效增益。此外，白色圖像不能包括任何急劇的強度傾斜，因為其將通過任何會聚錯誤變換至圖像偽影。LCOS和LCD技術(shù)還是熱限制的，并且在高亮度投影儀中不能很好的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一方面是提供投影系統(tǒng)，其使用與傳統(tǒng)顏色分離-會聚棱鏡串聯(lián)的附加光閥，以增大投影圖像的對比度，其中位序列被生成用于白色DMD，該位序列不會導(dǎo)致與彩色DMD位序列的干擾。
[0008]參照附圖，通過下文中更全面地描述和要求的詳細(xì)的構(gòu)造和操作，本發(fā)明的以上及其他方面和優(yōu)點將變得顯而易見，在附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是傳統(tǒng)彩色數(shù)字投影儀的示意圖；
[0010]圖2是圖1所示投影儀的光引擎的示意圖；
[0011]圖3是示出用于將圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用至圖2的光引擎的圖像處理模塊的框圖；
[0012]圖4A是根據(jù)本發(fā)明實施方式的光引擎的電學(xué)示意圖，其具有額外的白色DMD;
[0013]圖4B是根據(jù)圖4B的實施方式的光引擎的光學(xué)示意圖；
[0014]圖5是示出根據(jù)實施方式的在圖4A和圖4B的光引擎中生成用于白色DMD的位平面的框圖；
[0015]圖6是示出使用圖5的白色面生成模塊從紅色、綠色及藍(lán)色位平面數(shù)據(jù)生成白色位平面的示例性時序圖；
[0016]圖7A示出了用于一個位平面的綠色數(shù)據(jù)的示例，圖7B示出了使用圖5的白色面生成模塊所得到的白色位平面的示例，其中白色區(qū)域擴展成超過綠色數(shù)據(jù)的兩個像素和一個像素；
[0017]圖8是根據(jù)可替代性實施方式的圖4所示的光引擎的白色面生成模塊的框圖，其中白板上具有光的梯形失真校正；
[0018]圖9A示出了根據(jù)實施方式光成像板分割成多個部分，圖9B示出了根據(jù)實施方式的用于圖9A所示的部分的顯示的位平面的序列。
【具體實施方式】
[0019]圖1示出了典型投影儀，其包括氙燈和用于形成光錐3的拋物面型反射器1，光錐3穿過紫外線濾光器4進(jìn)入照明系統(tǒng)2。氙燈位于拋物面型反射器I的第一焦點處，用于使光錐3再成像在與聚光柱12相重合的照明系統(tǒng)2內(nèi)的第二焦點處。聚光柱將來自氙燈的照明圖案輸出變換為統(tǒng)一矩形圖案。然后從聚光柱12輸出的矩形光束通過中繼透鏡系統(tǒng)13成像到光引擎5上，之后通過投影透鏡14投影到屏幕(未示出)上以形成圖像。
[0020]如圖2所示，光引擎5包括顏色分離-會聚棱鏡(通常為氧化鉛攝像管(plumbicon)棱鏡)，其具有三個棱鏡元件。棱鏡包括分別的紅色通道組件9、綠色通道組件8以及藍(lán)色通道組件7，各通道組件均包括光閥10。棱鏡元件包括二向色涂層6a、6b，以使進(jìn)入的白光分離成藍(lán)色、綠色、及紅色。然后在每個光閥10處獨立地調(diào)制每個顏色。根據(jù)示例性實施方式，光閥10為DMD。如上所述，DMD為機電裝置,其通常包括通過獨立地使每個微鏡翻轉(zhuǎn)預(yù)定角度(例如+-12度，但也可以是其他角度)來調(diào)制光的數(shù)百萬個微鏡。每個DMDlO反射調(diào)制的光，該調(diào)制的光通過棱鏡再會聚到用于投影在屏幕上的彩色圖像光束11中。
[0021]參照圖3，圖像像素數(shù)據(jù)(例如動畫)選自源輸入，并在模塊30處進(jìn)行測量，在圖像處理模塊32內(nèi)進(jìn)行修改(包括縮放、彎曲、顏色匹配等)，以及應(yīng)用至格式器，格式器包括用于將像素數(shù)據(jù)變換至二進(jìn)制位平面的變換器34。變換到位平面中的像素數(shù)據(jù)均包括一系列幀，其中每個幀包括像素陣列，該像素陣列包括圖像。然后位平面加載到幀緩存36中，由此加載到DMDlO中。
[0022]應(yīng)用至變換器34的像素數(shù)據(jù)的源可以是圖像處理模塊32，或存儲在存儲器中的圖像，或通過任何視頻接口接收的數(shù)據(jù)，并且該數(shù)據(jù)可以但不需要使用模塊30進(jìn)行測量或處理。如果執(zhí)行測量，其通常包括水平和豎直同步脈沖的頻率，并經(jīng)常還包括活動窗口的位置。上述圖像處理功能為幾個公知的示例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，還可包括較少或許多其他功能。
[0023]圖4A和圖4B分別是根據(jù)本發(fā)明實施方式的光引擎的電學(xué)示意圖和光學(xué)示意圖，該光引擎包括用于對比度增強的額外的光閥，即白色DMD10’、以及4色棱鏡43，其中4色棱鏡43具有用于白色DMD10’和多個彩色DMDlO中每個的多個面。棱鏡43在圖4B中功能性地示為包括顏色分離器43A和顏色復(fù)合器43B。圖像像素數(shù)據(jù)從源40 (例如硬盤)接收并通過電子設(shè)備41進(jìn)行處理，電子設(shè)備41包括圖3的模塊32和模塊30。然后，如下面參照圖5的描述，白色面生成模塊42基于紅色位平面、綠色位平面以及藍(lán)色位平面的內(nèi)容生成白色位平面，其中切換白色DMD與彩色DMD的時序相關(guān)聯(lián)，以防止不可預(yù)知的顏色、強度變化以及圖像偽影。
[0024]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，白色DMD10’可放置在彩色DMDlO之前，如圖所示，或可放置在彩色DMDIO之后。
[0025]如圖5和圖6所示，通過經(jīng)由或門53將從各個變換器34R、34G以及34B輸出的R 二進(jìn)制位平面數(shù)據(jù)、B 二進(jìn)制位平面數(shù)據(jù)以及G 二進(jìn)制位平面數(shù)據(jù)混合，在白色面生成模塊42內(nèi)生成白色位平面，從而形成白色位平面，該白色位平面保證只要紅色DMD10、綠色DMDlO或藍(lán)色DMDlO中任一個打開時，白色DMD10’就打開。然而，當(dāng)所有顏色都為黑色時，白色DMD也關(guān)閉，從而形成顯著更黑的黑色。
[0026]雖然圖5中未示出，但從各個變換器34R、變換器34G以及變換器34B輸出的R 二進(jìn)制位平面數(shù)據(jù)、B 二進(jìn)制位平面數(shù)據(jù)以及G 二進(jìn)制位平面數(shù)據(jù)還以傳統(tǒng)方式發(fā)送至各個幀緩存36，以用于應(yīng)用至彩色DMDlO。
[0027]根據(jù)上述描述，應(yīng)注意，來自任何顏色的所有“0N”狀態(tài)的光經(jīng)過或門53且沒有修改。這與使用用于額外光閥的LCD或LCOS形成對比，其使在幀期間用于像素的所有光變暗，因此需要放大顏色數(shù)據(jù)，以精確地補償由白色光值導(dǎo)致的變暗。
[0028]參照圖6，應(yīng)注意不必精確地將用于白色位平面中的像素的邊界與用于R、G或B位平面中的像素的邊界匹配，只要白色像素的區(qū)域完全包括所有的彩色像素即可。如果白色區(qū)域僅比R位平面、G位平面或B位平面寬較少的量(例如幾個像素)，則僅有的效果為較亮區(qū)域邊緣周圍對比度的小損失。
[0029]圖7A示出了用于I個位平面的綠色數(shù)據(jù)以及其所制造的白色位平面的示例。然而，因為R光閥10、G光閥10以及B光閥10與白色光閥10’之間的理想配準(zhǔn)有時難以實現(xiàn)或者是不實際的，所以可利用白色位平面中’0N’像素區(qū)域可能比來自彩色位平面的圖像數(shù)據(jù)更寬的事實。如果白色區(qū)域擴展成超過綠色數(shù)據(jù)一個像素，則白色位平面對于圖7B中所示的黑灰色區(qū)域為’0N’。如果白色區(qū)域擴展成超過綠色數(shù)據(jù)兩個像素，則白色位平面對于圖7B中所示的黑灰色區(qū)域和結(jié)合的光為’ 0N’。[0030]根據(jù)本發(fā)明的實施方式，通過包括在圖4A所示的塊42中的邏輯來執(zhí)行白色區(qū)域超過綠色數(shù)據(jù)的擴展，塊42包括圖5中塊53的或(OR)功能。因此，如果OR功能53生成白色像素，則塊42生成三個擴展像素(即，OR功能生成的白色像素的左側(cè)和右側(cè)各一個)，并還保證該白色像素之上和之下的像素也被設(shè)置。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，白色像素數(shù)據(jù)可擴展成超過彩色像素兩個或更多鄰近像素，以容納未對準(zhǔn)的像素。
[0031]所需的擴展量(S卩，一個或兩個像素)完全通過投影儀的光學(xué)會聚系統(tǒng)的準(zhǔn)確度確定。如上所述，提供這種白色像素擴展的唯一折衷是較亮區(qū)域邊緣周圍對比度的很小損失。
[0032]雖然可以使所有DMDlO和DMD10’對準(zhǔn)成彼此成直角，以使得呈現(xiàn)至其中每個的圖像呈矩形，但是如果這樣不可能的，可向白色圖像應(yīng)用梯形失真校正。
[0033]如果白色DMD10’在光路中定位在R DMD10、G DMDlO以及B DMDlO之前，則僅需要對白色數(shù)據(jù)應(yīng)用梯形失真校正，并且因為白色DMD10’僅提供門功能，所應(yīng)用的梯形失真校正僅需要是幾何校正(參照圖8中的模塊63)。然而，如果白色DMD10’放置在彩色DMDlO之后并且彩色DMDlO上的光不具有一致的強度，則必須利用圖8所示的強度校正模塊61在白色數(shù)據(jù)形成之前向顏色數(shù)據(jù)應(yīng)用校正。
[0034]優(yōu)選地，白色DMD10’具有與其他DMDlO相同的分辯率，以提供最大的益處和圖像邊緣周圍的最佳對比度。銳聚焦也是一個優(yōu)點，因為其減小了所需過多白色的量。然而，銳聚焦還可能形成莫爾圖案，其作為白色板與其他板中任一個上像素網(wǎng)格圖案之間混疊的結(jié)果，在這種情況下白色DMD10’可能必須稍微散焦。
[0035]段式顯示可用于增大有效帶寬和減少一些偽影，其中多個段位于單個DMD板中，并且用于一個位平面的數(shù)據(jù)顯示在一段上，與此同時，來自不同位平面的數(shù)據(jù)顯示在另一段上，如圖9A所示，圖9A為4k板的簡化顯示(為了清晰起見僅示出了 8段，而實際的板可具有32段)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，圖9A所示的豎直設(shè)置的多個段還可水平地設(shè)置，并且可改變段的數(shù)目。
[0036]如圖9B所示，不同的板可分成具有不同數(shù)目的位平面的不同設(shè)置。
[0037]每段具有不同的復(fù)位信號，該復(fù)位信號致使加載的位平面被顯示。這樣允許在不同段中，每個位平面在段中的開始和結(jié)束發(fā)生在不同時間。圖9B中每個編號塊表示單個段中的單個位平面被顯示的時間序列。塊內(nèi)的數(shù)字示出了位平面寫入DMDlO的順序。
[0038]當(dāng)來自一段的邊緣的像素未對準(zhǔn)，以使得其與來自鄰近段的白色像素排成行時，位平面將不再對準(zhǔn)并且像素將不能正確地顯示。雖然該問題存在多個解決方案，但是最佳解決方案是輸出用于所有位序列的輔助時序，以辨別何時激活位平面、其用于哪段、以及其為哪個位平面。這樣提供了足夠的數(shù)據(jù)，以精確地確定鄰近段中的哪些位平面在時間上重疊。如上所述，然后邊沿區(qū)域中用于所有相關(guān)位平面的數(shù)據(jù)邏輯上進(jìn)行或操作。
[0039]位序列在幀緩存36的輸出側(cè)上進(jìn)行操作并且與輸入具有不同且延遲的時序。因此必須在幀緩存36的輸出側(cè)捕獲輔助數(shù)據(jù)并將該輔助數(shù)據(jù)通過額外的緩沖器(未示出)傳給輸入。因此在加載新序列之后，將不能獲得用于第一幀的數(shù)據(jù)，在這種情況下，導(dǎo)致位于段的任一邊緣上并用于白色位平面的最少數(shù)目像素保持用于第一幀。這樣導(dǎo)致所有像素正確地顯示，但是具有成可能可見光線形式的較小圖像偽影，位于用于一幀的非常黑的景象上的圖像中。
[0040]在基本實施中，3顏色板的輸出提供到單個對比DMD (白色)中，其增強所有顏色的對比度。在可替代性實施中，3顏色中每個可具有其自己的對比DMD。在這種情況下，3顏色沒有取或，但是包括擴展用于會聚錯誤以及段式輸入的位區(qū)域的所有其他處理仍然應(yīng)用。
[0041]此外，在可替代性實施中，三顏色(R，G和B)中每個可設(shè)有其自己的對比DMD，而在這種情況下，三顏色沒有被一起取或，雖然采取了用于白色擴展、段式顯示處理、以及位平面時序的上述處理。
[0042]本領(lǐng)域技術(shù)人員可設(shè)想其他實施方式和變型。例如，可利用三顏色DMDlO替換白色DMD10’，如:兩個紅色+兩個綠色+兩個藍(lán)色，導(dǎo)致更好的熱處理、更簡單的算法，但是更高的費用。該實施方式及其他實施方式被認(rèn)為落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.用于投影系統(tǒng)的光引擎，包括: 顏色分離-會聚棱鏡，具有多個顏色組件及各自的顏色光閥； 至少一個附加光閥，與所述多個顏色組件和所述各自的顏色光閥中至少之一串聯(lián)；以及 用于將源像素數(shù)據(jù)變換至顏色位平面并從所述顏色位平面生成另一位平面的模塊，所述顏色位平面驅(qū)動所述各自的顏 色光閥并且所述另一位平面驅(qū)動所述附加光閥，其中切換所述附加光閥與所述各自顏色光閥的時序相關(guān)聯(lián)，以防止不可預(yù)知的顏色、強度變化以及圖像偽影。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光引擎，其中所述模塊包括或門，所述或門用于結(jié)合所述顏色位平面并輸出白色位平面，以使得:只要所述各自的顏色光閥中的任意顏色光閥打開，所述附加光閥打開；并且只要所有所述各自的顏色光閥關(guān)閉，所述附加光閥關(guān)閉。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光引擎，還包括強度校正模塊，所述強度校正模塊用于在所述源像素數(shù)據(jù)變換至顏色位平面之前將每個顏色的強度調(diào)節(jié)至統(tǒng)一的強度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光引擎，還包括幾何校正模塊，所述幾何校正模塊用于所述白色位平面的梯形失真校正。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光引擎，其中所述附加光閥和所述各自的顏色光閥為數(shù)字微鏡裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光引擎，其中每個所述數(shù)字微鏡裝置是分段的，以使得用于一個位平面的數(shù)據(jù)顯示在一段上，與此同時，來自不同位平面的數(shù)據(jù)顯示在另一段上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光引擎，其中，每段水平地設(shè)置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光引擎，其中，每段豎直地設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光引擎，包括三個附加光閥，所述三個附加光閥用于增強所述各自的顏色光閥的對比度。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光引擎，其中，所述附加光閥在光路中位于所述顏色光閥之N /.刖。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光引擎，其中，所述附加光閥在光路中位于所述顏色光閥之后。
12.用于增大投影圖像的對比度的方法，包括: 將源像素數(shù)據(jù)變換至顏色位平面； 利用所述顏色位平面驅(qū)動各自的顏色光閥，以生成所述投影圖像； 從所述顏色位平面生成另一位平面；以及 利用所述另一位平面驅(qū)動至少一個附加光閥，以增大所述投影圖像的對比度，并且防止不可預(yù)知的顏色、強度變化以及圖像偽影。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，生成另一位平面包括結(jié)合所述顏色位平面并輸出白色位平面，以使得:只要所述各自的顏色光閥中的任意顏色光閥打開，所述附加光閥打開；并且只要所有所述各自的顏色光閥關(guān)閉，所述附加光閥關(guān)閉。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括在所述源像素數(shù)據(jù)變換至顏色位平面之前將每個顏色的強度調(diào)節(jié)至統(tǒng)一的強度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括所述白色位平面的梯形失真校正。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括在所述投影圖像的每個彩色像素的每側(cè)上生成至少一個白色像素。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括將應(yīng)用至所述光閥中每個的數(shù)據(jù)分段，以使得一個位平面顯示在一段上，與此同時，來自不同位平面的數(shù)據(jù)顯示在另一段上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中每段在時序信號的控制下加載有位平面，所述時序信號允許在不同段中，每個位平面在一段中的開始和結(jié)束發(fā)生在不同的時間。
【文檔編號】H04N9/31GK103945202SQ201310581631
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月18日
【發(fā)明者】勞倫斯·格岑 申請人:美國科視數(shù)字系統(tǒng)公司