具有用于增强对比度的额外串联光阀的投影系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种投影系统，其使用与传统颜色分离-会聚棱镜串联的附加光阀，以增大投影图像的对比度，其中位序列被生成以用于附加光阀，并且该位序列不会导致与传统彩色光阀位序列的干扰。
【专利说明】具有用于增强对比度的额外串联光阀的投影系统
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及投影系统，更具体地涉及使用与传统颜色分离-会聚棱镜相串联的附加光阀以增大投影图像的对比度的投影系统。
【背景技术】
[0002]典型的彩色数字投影仪包括灯、照明系统、以及包括颜色分离-复合棱镜(例如氧化铅摄像管棱镜)的光引擎。光引擎的光学功能为使均匀的照明光分离并进入红色通道/绿色通道/蓝色通道，使每个颜色中继到光阀(如DMD (数字微镜装置)上，然后使所有三个通道复合到单个照明光束中，该照明光束通过投影透镜投影到屏幕上。
[0003]DMD是一种包括数百万个微镜的机电装置，该数百万个微小镜子通过独立地使每个镜子翻转预定的角度而调制光。在颜色分离-复合棱镜上使用三个这种DMD，来自灯的白色光锥被分到红色通道、绿色通道、以及蓝色通道中。每种颜色独立地通过各自的DMD调制，然后通过棱镜复合。
[0004]在一视频帧期间，DMD通过打开或关闭镜子数次而调制光。基于位序列和帧速率，帧被分成约20至60个具有不同持续时间的位平面。在给定的位平面期间，屏幕上的每个像素通过单个比特控制，并对于该平面的整个持续时间其被驱动为’ 0N’或’ OFF’。〃0N"时间的地点、持续时间、以及数目根据帧的时序进行调节，以控制光水平。结合用于给定像素的’0N’时间给予像素其适当的强度。
[0005]可增加与传统颜色(RGB) DMD串联的附加光阀如白色DMD，以提高图像对比度，并且没有由于使用动态光圈所导致的损害或伪影。附加光阀通过逐像素减少入射在彩色DMD上的光而增强对比度，以使得在不同的时间不同强度水平打开和关闭光。然而，因为DMD通过在一系列位平面中随时间打开和关闭镜子来调制光，因而增加附加光阀在大多数情况下导致白色像素的强度不同于用于该像素的R值、G值或B值之一的强度(B卩，白色DMD和彩色DMD在不相关的时间打开和关闭)。从而，这样导致不可预知的颜色、强度变化以及图像伪影。
[0006]虽然通过使用用于附加光阀的某些不同的技术(例如LCOS, IXD)可多少克服不可预知的颜色和强度变化的问题，但是通过使用这些不同的技术引入了其他问题。具体地，这些技术操作使得所有光(即，不仅是关闭状态的光)变暗，从而必须放大输入信号以补偿并使图像光输出回到其原始水平。这种放大必须空间上匹配白色图像。然而，由于无论什么都存在任何的会聚误差，因而准确的空间匹配是不可能的。虽然可通过柔和化白色图像的边缘和应用至图像的增益功能解决后一问题，但是相反地减小了有效增益。此外，白色图像不能包括任何急剧的强度倾斜，因为其将通过任何会聚错误变换至图像伪影。LCOS和LCD技术还是热限制的，并且在高亮度投影仪中不能很好的工作。
【发明内容】
[0007]本发明的一方面是提供投影系统，其使用与传统颜色分离-会聚棱镜串联的附加光阀，以增大投影图像的对比度，其中位序列被生成用于白色DMD，该位序列不会导致与彩色DMD位序列的干扰。
[0008]参照附图，通过下文中更全面地描述和要求的详细的构造和操作，本发明的以上及其他方面和优点将变得显而易见，在附图中相同的附图标记指示相同的部分。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是传统彩色数字投影仪的示意图；
[0010]图2是图1所示投影仪的光引擎的示意图；
[0011]图3是示出用于将图像数据应用至图2的光引擎的图像处理模块的框图；
[0012]图4A是根据本发明实施方式的光引擎的电学示意图，其具有额外的白色DMD;
[0013]图4B是根据图4B的实施方式的光引擎的光学示意图；
[0014]图5是示出根据实施方式的在图4A和图4B的光引擎中生成用于白色DMD的位平面的框图；
[0015]图6是示出使用图5的白色面生成模块从红色、绿色及蓝色位平面数据生成白色位平面的示例性时序图；
[0016]图7A示出了用于一个位平面的绿色数据的示例，图7B示出了使用图5的白色面生成模块所得到的白色位平面的示例，其中白色区域扩展成超过绿色数据的两个像素和一个像素；
[0017]图8是根据可替代性实施方式的图4所示的光引擎的白色面生成模块的框图，其中白板上具有光的梯形失真校正；
[0018]图9A示出了根据实施方式光成像板分割成多个部分，图9B示出了根据实施方式的用于图9A所示的部分的显示的位平面的序列。
【具体实施方式】
[0019]图1示出了典型投影仪，其包括氙灯和用于形成光锥3的抛物面型反射器1，光锥3穿过紫外线滤光器4进入照明系统2。氙灯位于抛物面型反射器I的第一焦点处，用于使光锥3再成像在与聚光柱12相重合的照明系统2内的第二焦点处。聚光柱将来自氙灯的照明图案输出变换为统一矩形图案。然后从聚光柱12输出的矩形光束通过中继透镜系统13成像到光引擎5上，之后通过投影透镜14投影到屏幕(未示出)上以形成图像。
[0020]如图2所示，光引擎5包括颜色分离-会聚棱镜(通常为氧化铅摄像管(plumbicon)棱镜)，其具有三个棱镜元件。棱镜包括分别的红色通道组件9、绿色通道组件8以及蓝色通道组件7，各通道组件均包括光阀10。棱镜元件包括二向色涂层6a、6b，以使进入的白光分离成蓝色、绿色、及红色。然后在每个光阀10处独立地调制每个颜色。根据示例性实施方式，光阀10为DMD。如上所述，DMD为机电装置,其通常包括通过独立地使每个微镜翻转预定角度(例如+-12度，但也可以是其他角度)来调制光的数百万个微镜。每个DMDlO反射调制的光，该调制的光通过棱镜再会聚到用于投影在屏幕上的彩色图像光束11中。
[0021]参照图3，图像像素数据(例如动画)选自源输入，并在模块30处进行测量，在图像处理模块32内进行修改(包括缩放、弯曲、颜色匹配等)，以及应用至格式器，格式器包括用于将像素数据变换至二进制位平面的变换器34。变换到位平面中的像素数据均包括一系列帧，其中每个帧包括像素阵列，该像素阵列包括图像。然后位平面加载到帧缓存36中，由此加载到DMDlO中。
[0022]应用至变换器34的像素数据的源可以是图像处理模块32，或存储在存储器中的图像，或通过任何视频接口接收的数据，并且该数据可以但不需要使用模块30进行测量或处理。如果执行测量，其通常包括水平和竖直同步脉冲的频率，并经常还包括活动窗口的位置。上述图像处理功能为几个公知的示例，但是本领域技术人员应理解，还可包括较少或许多其他功能。
[0023]图4A和图4B分别是根据本发明实施方式的光引擎的电学示意图和光学示意图，该光引擎包括用于对比度增强的额外的光阀，即白色DMD10’、以及4色棱镜43，其中4色棱镜43具有用于白色DMD10’和多个彩色DMDlO中每个的多个面。棱镜43在图4B中功能性地示为包括颜色分离器43A和颜色复合器43B。图像像素数据从源40 (例如硬盘)接收并通过电子设备41进行处理，电子设备41包括图3的模块32和模块30。然后，如下面参照图5的描述，白色面生成模块42基于红色位平面、绿色位平面以及蓝色位平面的内容生成白色位平面，其中切换白色DMD与彩色DMD的时序相关联，以防止不可预知的颜色、强度变化以及图像伪影。
[0024]本领域技术人员应理解，白色DMD10’可放置在彩色DMDlO之前，如图所示，或可放置在彩色DMDIO之后。
[0025]如图5和图6所示，通过经由或门53将从各个变换器34R、34G以及34B输出的R 二进制位平面数据、B 二进制位平面数据以及G 二进制位平面数据混合，在白色面生成模块42内生成白色位平面，从而形成白色位平面，该白色位平面保证只要红色DMD10、绿色DMDlO或蓝色DMDlO中任一个打开时，白色DMD10’就打开。然而，当所有颜色都为黑色时，白色DMD也关闭，从而形成显著更黑的黑色。
[0026]虽然图5中未示出，但从各个变换器34R、变换器34G以及变换器34B输出的R 二进制位平面数据、B 二进制位平面数据以及G 二进制位平面数据还以传统方式发送至各个帧缓存36，以用于应用至彩色DMDlO。
[0027]根据上述描述，应注意，来自任何颜色的所有“0N”状态的光经过或门53且没有修改。这与使用用于额外光阀的LCD或LCOS形成对比，其使在帧期间用于像素的所有光变暗，因此需要放大颜色数据，以精确地补偿由白色光值导致的变暗。
[0028]参照图6，应注意不必精确地将用于白色位平面中的像素的边界与用于R、G或B位平面中的像素的边界匹配，只要白色像素的区域完全包括所有的彩色像素即可。如果白色区域仅比R位平面、G位平面或B位平面宽较少的量(例如几个像素)，则仅有的效果为较亮区域边缘周围对比度的小损失。
[0029]图7A示出了用于I个位平面的绿色数据以及其所制造的白色位平面的示例。然而，因为R光阀10、G光阀10以及B光阀10与白色光阀10’之间的理想配准有时难以实现或者是不实际的，所以可利用白色位平面中’0N’像素区域可能比来自彩色位平面的图像数据更宽的事实。如果白色区域扩展成超过绿色数据一个像素，则白色位平面对于图7B中所示的黑灰色区域为’0N’。如果白色区域扩展成超过绿色数据两个像素，则白色位平面对于图7B中所示的黑灰色区域和结合的光为’ 0N’。[0030]根据本发明的实施方式，通过包括在图4A所示的块42中的逻辑来执行白色区域超过绿色数据的扩展，块42包括图5中块53的或(OR)功能。因此，如果OR功能53生成白色像素，则块42生成三个扩展像素(即，OR功能生成的白色像素的左侧和右侧各一个)，并还保证该白色像素之上和之下的像素也被设置。本领域技术人员应理解，白色像素数据可扩展成超过彩色像素两个或更多邻近像素，以容纳未对准的像素。
[0031]所需的扩展量(S卩，一个或两个像素)完全通过投影仪的光学会聚系统的准确度确定。如上所述，提供这种白色像素扩展的唯一折衷是较亮区域边缘周围对比度的很小损失。
[0032]虽然可以使所有DMDlO和DMD10’对准成彼此成直角，以使得呈现至其中每个的图像呈矩形，但是如果这样不可能的，可向白色图像应用梯形失真校正。
[0033]如果白色DMD10’在光路中定位在R DMD10、G DMDlO以及B DMDlO之前，则仅需要对白色数据应用梯形失真校正，并且因为白色DMD10’仅提供门功能，所应用的梯形失真校正仅需要是几何校正(参照图8中的模块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强度，则必须利用图8所示的强度校正模块61在白色数据形成之前向颜色数据应用校正。
[0034]优选地，白色DMD10’具有与其他DMDlO相同的分辩率，以提供最大的益处和图像边缘周围的最佳对比度。锐聚焦也是一个优点，因为其减小了所需过多白色的量。然而，锐聚焦还可能形成莫尔图案，其作为白色板与其他板中任一个上像素网格图案之间混叠的结果，在这种情况下白色DMD10’可能必须稍微散焦。
[0035]段式显示可用于增大有效带宽和减少一些伪影，其中多个段位于单个DMD板中，并且用于一个位平面的数据显示在一段上，与此同时，来自不同位平面的数据显示在另一段上，如图9A所示，图9A为4k板的简化显示(为了清晰起见仅示出了 8段，而实际的板可具有32段)。本领域技术人员应理解，图9A所示的竖直设置的多个段还可水平地设置，并且可改变段的数目。
[0036]如图9B所示，不同的板可分成具有不同数目的位平面的不同设置。
[0037]每段具有不同的复位信号，该复位信号致使加载的位平面被显示。这样允许在不同段中，每个位平面在段中的开始和结束发生在不同时间。图9B中每个编号块表示单个段中的单个位平面被显示的时间序列。块内的数字示出了位平面写入DMDlO的顺序。
[0038]当来自一段的边缘的像素未对准，以使得其与来自邻近段的白色像素排成行时，位平面将不再对准并且像素将不能正确地显示。虽然该问题存在多个解决方案，但是最佳解决方案是输出用于所有位序列的辅助时序，以辨别何时激活位平面、其用于哪段、以及其为哪个位平面。这样提供了足够的数据，以精确地确定邻近段中的哪些位平面在时间上重叠。如上所述，然后边沿区域中用于所有相关位平面的数据逻辑上进行或操作。
[0039]位序列在帧缓存36的输出侧上进行操作并且与输入具有不同且延迟的时序。因此必须在帧缓存36的输出侧捕获辅助数据并将该辅助数据通过额外的缓冲器(未示出)传给输入。因此在加载新序列之后，将不能获得用于第一帧的数据，在这种情况下，导致位于段的任一边缘上并用于白色位平面的最少数目像素保持用于第一帧。这样导致所有像素正确地显示，但是具有成可能可见光线形式的较小图像伪影，位于用于一帧的非常黑的景象上的图像中。
[0040]在基本实施中，3颜色板的输出提供到单个对比DMD (白色)中，其增强所有颜色的对比度。在可替代性实施中，3颜色中每个可具有其自己的对比DMD。在这种情况下，3颜色没有取或，但是包括扩展用于会聚错误以及段式输入的位区域的所有其他处理仍然应用。
[0041]此外，在可替代性实施中，三颜色(R，G和B)中每个可设有其自己的对比DMD，而在这种情况下，三颜色没有被一起取或，虽然采取了用于白色扩展、段式显示处理、以及位平面时序的上述处理。
[0042]本领域技术人员可设想其他实施方式和变型。例如，可利用三颜色DMDlO替换白色DMD10’，如:两个红色+两个绿色+两个蓝色，导致更好的热处理、更简单的算法，但是更高的费用。该实施方式及其他实施方式被认为落入所附权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.用于投影系统的光引擎，包括: 颜色分离-会聚棱镜，具有多个颜色组件及各自的颜色光阀； 至少一个附加光阀，与所述多个颜色组件和所述各自的颜色光阀中至少之一串联；以及 用于将源像素数据变换至颜色位平面并从所述颜色位平面生成另一位平面的模块，所述颜色位平面驱动所述各自的颜 色光阀并且所述另一位平面驱动所述附加光阀，其中切换所述附加光阀与所述各自颜色光阀的时序相关联，以防止不可预知的颜色、强度变化以及图像伪影。
2.根据权利要求1所述的光引擎，其中所述模块包括或门，所述或门用于结合所述颜色位平面并输出白色位平面，以使得:只要所述各自的颜色光阀中的任意颜色光阀打开，所述附加光阀打开；并且只要所有所述各自的颜色光阀关闭，所述附加光阀关闭。
3.根据权利要求2所述的光引擎，还包括强度校正模块，所述强度校正模块用于在所述源像素数据变换至颜色位平面之前将每个颜色的强度调节至统一的强度。
4.根据权利要求2所述的光引擎，还包括几何校正模块，所述几何校正模块用于所述白色位平面的梯形失真校正。
5.根据权利要求1所述的光引擎，其中所述附加光阀和所述各自的颜色光阀为数字微镜装置。
6.根据权利要求5所述的光引擎，其中每个所述数字微镜装置是分段的，以使得用于一个位平面的数据显示在一段上，与此同时，来自不同位平面的数据显示在另一段上。
7.根据权利要求6所述的光引擎，其中，每段水平地设置。
8.根据权利要求6所述的光引擎，其中，每段竖直地设置。
9.根据权利要求1所述的光引擎，包括三个附加光阀，所述三个附加光阀用于增强所述各自的颜色光阀的对比度。
10.根据权利要求2所述的光引擎，其中，所述附加光阀在光路中位于所述颜色光阀之N /.刖。
11.根据权利要求2所述的光引擎，其中，所述附加光阀在光路中位于所述颜色光阀之后。
12.用于增大投影图像的对比度的方法，包括: 将源像素数据变换至颜色位平面； 利用所述颜色位平面驱动各自的颜色光阀，以生成所述投影图像； 从所述颜色位平面生成另一位平面；以及 利用所述另一位平面驱动至少一个附加光阀，以增大所述投影图像的对比度，并且防止不可预知的颜色、强度变化以及图像伪影。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，生成另一位平面包括结合所述颜色位平面并输出白色位平面，以使得:只要所述各自的颜色光阀中的任意颜色光阀打开，所述附加光阀打开；并且只要所有所述各自的颜色光阀关闭，所述附加光阀关闭。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述源像素数据变换至颜色位平面之前将每个颜色的强度调节至统一的强度。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括所述白色位平面的梯形失真校正。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述投影图像的每个彩色像素的每侧上生成至少一个白色像素。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括将应用至所述光阀中每个的数据分段，以使得一个位平面显示在一段上，与此同时，来自不同位平面的数据显示在另一段上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中每段在时序信号的控制下加载有位平面，所述时序信号允许在不同段中，每个位平面在一段中的开始和结束发生在不同的时间。
【文档编号】H04N9/31GK103945202SQ201310581631
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年1月18日
【发明者】劳伦斯·格岑 申请人:美国科视数字系统公司