CN101390404A - 使用空间光调制和光源调制的彩色图像投影方法 - Google Patents

使用空间光调制和光源调制的彩色图像投影方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种操作投影系统的方法，该投影系统包括多个具有不同颜色(12，13，14)的固态光源(2，3，4)以及至少一个具有可开关元件阵列的空间光调制器(1)。所述阵列由至少一个所述光源(2，3，4)照射多个照射时段，并且被寻址，使得光经过时间和空间调制以便将图像投影到屏幕上。在本方法中，在所述阵列的所述照射时段期间控制所述光源(2，3，4)以便发出经过幅度(15)和/或时间(18)调制的光。利用本方法，可以实现所述投影系统的灰度分辨率的增加。

Description

使用空间光调制和光源调制的彩色图像投影方法
技术领域
本发明涉及操作投影系统的方法，该投影系统包括多个具有不同颜色的固态光源以及至少一个具有可开关元件阵列的空间光调制器，其中所述阵列由至少一个所述光源照射多个照射时段并且被寻址，使得光经过时间空间调制以便将图像投影到屏幕上。本发明还涉及依照该方法操作的投影设备。
背景技术
具有空间光调制器的投影系统经常用作显示系统的基础。空间光调制器的实例有液晶设备(LCD)、数字微镜设备(DMD)以及驱动镜阵列(AMA)。一个或多个光源照射这些设备的单独可开关元件阵列。寻址该阵列，使得光被调制成其后投影到屏幕上的图像。
一些种类的空间光调制器以数字方式起作用，其中每个单独可开关元件或者打开或者关闭，其中在打开状态下这些元件将光传送到屏幕。这些类型的调制器一般使用脉宽调制(PWM)。在脉宽调制中，图像中每个像素的强度被赋予一定数字值，所述数字值是通过使阵列上与该像素对应的元件在与所述值相等的时间内处于打开状态来获得的。因此，可以通过控制所述设备的每个可开关元件处于一定状态的时间，使得来自该元件的光到达被显示图像来显示灰度图像。由于人眼的积分响应，观察者将感觉到来自这些元件的相应的灰度图像。
除了众所周知的三板式LCD系统之外，还实现了单板式DLP(数字光处理)系统。在这样的单板式系统的已知实施例之一中，将白光源的三个或更多颜色分量通过使用旋转色轮而以顺序的方式导向空间光调制器。对于传送颜色的每个照射时段，依照图像中该颜色分量的部分来控制空间光调制器。
代替使用白色光源和色轮而使用具有不同颜色的LED光源也是已知的。然后，按顺序操作这些LED光源以便产生与使用色轮类似的顺序颜色照射。从例如EP1489854A2获悉的这种技术与采用色轮的解决方案相比具有更高的效率，因为操作期间没有光被阻挡。
这种投影系统的一般缺陷在于可以达到的灰度分辨率较低。这归因于空间光调制器中所述阵列的可开关元件的有限的开关时间。下一代DLP系统达到了大约10μs的开关时间。基于该值可以计算亮度的数字分辨率。在60Hz的图像频率下，可以将三种基本颜色的投影划分成550个梯级，从而得到9比特的灰度分辨率。由于人眼的非线性特性，特别是因为还出现了由其他效应引起的损失，这个分辨率是不充分的。
发明内容
本发明的目的是提供操作投影系统的方法以及相应的投影设备，其允许以提高的灰度分辨率投影图像。
这个目的是利用依照本发明权利要求1和10的方法和设备来实现的。该方法和设备的有利实施例是从属权利要求的主题或者在本说明书后续部分和实例中加以描述。
在所提出的操作投影系统的方法中，所述至少一个空间光调制器的阵列由至少一个所述光源照射多个照射时段并且被寻址，使得光经过时间和空间调制以便将图像投影到屏幕上。该方法的特征在于，在所述阵列的至少一个所述照射时段期间控制光源以便发出经过幅度和/或时间调制的光。这意味着在相应的照射时段期间照射所述阵列的每个光源不仅在该照射时段的开始和结束时打开和关闭而且在该照射时段期间还经过有效的幅度和/或时间调制。幅度经过调制以便实现幅度在至少两个大于零的不同幅度值之间变化。利用可替换或附加的时间调制，产生了脉宽短于可开关元件的最短开关状态的至少一个光脉冲，其中光被导向屏幕(打开状态)。最短开关状态取决于阵列的寻址并且受限于可开关元件的开关时间。幅度和/或时间调制一般在所有照射时段期间执行。然而也可能的是，仅在减少的光量对相应投影时段的灰度分辨率产生贡献的照射时段期间执行该调制。
本方法可以用来操作具有多个空间光调制器的投影系统，例如三板式系统，其中三个空间光调制器中的每一个由不同颜色的光源照射。然后，在这些空间光调制器的阵列的照射时段期间控制所有光源以便发出经过幅度和/或时间调制的光。所提出的方法还可以用于只有一个空间光调制器的投影系统，所述空间光调制器由所述多个具有不同颜色的固态光源以顺序的方式照射(单板式系统)。在利用一种颜色照射可开关元件阵列的每个时段期间，相应的光源—或者在混合色的情况下相应的多个光源—经过有效的幅度和/或时间调制。
这种附加的调制是可能的，因为像LED或激光二极管或者这种元件的阵列一样的现代固态光源可以以相比于空间光调制器可开关元件的开关时间的非常短的时间进行开关。在脉冲式操作中，大于正常电流的电流可以用来驱动光源。开关时间的限制主要由功率的限制设定。例如，LED具有远低于1μs的开关时间。这同样适于上述激光二极管。因此，由于固态光源的附加调制，投影系统的灰度分辨率可以通过除了由空间光调制器对光进行调制之外还适当地控制固态光源的光发射而提高。
优选地，所操作的投影系统的不同颜色的所述多个固态光源为发出红光、绿光和蓝光的至少三个固态光源。然而，也可以使用其他基本颜色的光源和/或一个或多个附加白色光源。这些光源的数量和颜色取决于投影系统的各个应用。投影系统的数字光调制器的实例有液晶设备(LCD)，尤其是铁电LCD设备以及数字微镜设备(DMD)。
在单板式投影系统的操作期间，空间光调制器由所述光源的不同颜色以顺序的方式照射。为此，所述不同的光源在定义的时间段内一个接一个加以操作，所述定义的时间段在本申请中称为照射时段。为了避免出现可见的效应，这种顺序照射的重复速率应当高于待显示图像的图像频率。实际系统的实例是60Hz的图像频率下序列>200Hz，例如240Hz(4x系统)。
在许多应用中，整个空间光调制器阵列的开关元件以连续寻址时段之间的相同时间开关。在这种情况下，需要一定时间来将必要的信息写入光调制器的内部存储器中(充电时间)。这个时间可以是大约例如100μs，对于光的产生微不足道。在本方法中，优选地在所述寻址时段期间关闭固态光源以便节省能量。
在建议的方法的一个优选实施例中，在所述可开关元件的至少一个打开状态期间控制光源以便发出幅度(即强度)降低的光。利用这种幅度调制，可以通过添加一个或多个新比特来提高投影系统的灰度分辨率，所述一个或多个新比特代表比前面的LSB(最低有效位)的灰度值小的灰度值。固态光源的幅度调制可以例如通过控制这些光源的操作电流来实现，对于LED而言情况尤其如此。
在可开关元件的至少一个打开状态期间使用时间调制的另一个有利实施例中，对光源进行控制以便发出持续时间短于该开关状态的光脉冲。通过改变这些光脉冲的脉宽，可以控制在打开状态期间导向屏幕的光量以便增强投影系统的灰度分辨率。
由于使用了固态光源，因而利用一种颜色照射空间光调制器的时间段，即照射时段也可以依照所需的光量和灰度分辨率来调节。此外，对于每种单一颜色而言，可以通过控制照射时段的持续时间来实现对最大值的动态适应(最佳功率使用、对比度增强)。在单板式系统中，也可以根据图像中的饱和度通过在白色照射时段期间同时利用所有光源(例如红色、绿色和蓝色)照射空间光调制器来产生这些照射时段。按照相同的方式，可以根据图像中的饱和度通过同时利用多个所述光源进行照射来产生混合色。利用这种方法，可以实现在投影图像中减少所谓的颜色断裂伪像。
当在时间上调制光源以便发出持续时间短于可开关元件的最短开关状态的光脉冲时，多个所述可开关元件优选地在所述阵列的连续寻址时段之间的不同时间进行开关，即不同时进行开关。在这种情况下，必须控制这些开关时间，使得得到的开关状态仍然在时间上与所述光脉冲一致。利用这种技术，所述阵列的开关可以分布在整个寻址时段上，从而降低了形成所述阵列的芯片的电流需求的峰值。
利用本方法，投影系统被操作来产生具有更高质量的图像。在暗时间期间光损耗的降低可得到更高的图像亮度。光量的调节导致灰度和色标(colour scale)的改善并且总体上产生更少的令人厌烦的伪像。
相应的投影设备包括不同颜色的多个固态光源、控制单元以及至少一个具有可开关元件阵列的空间光调制器，其中所述控制被设计成依照所建议的方法来操作该投影设备，即光源和空间光调制器。
在本说明书和权利要求中，“包括”一词并不排除其他元件和步骤，“一”或“一个”并不排除复数。另外，权利要求中的任何附图标记都不应当被理解为限制了这些权利要求的范围。
附图说明
下列示例性实施例参照附图示出了所提出的方法的实例，而不限制由权利要求所限定的本发明的范围。附图中显示了：
图1为可以依照本发明操作的投影系统的一个实例；
图2为利用不同颜色的光顺序照射空间光调制器的一个实例；
图3为依照本发明通过控制光源进行幅度调制的一个实例；
图4为依照本发明的方法通过控制光源进行时间调制的一个实例；和
图5为对可开关元件进行分布式开关的本方法的一个实例。
具体实施方式
图1示出了可以依照本方法操作的投影系统的一个实例。该投影系统包括控制单元(未示出)、数字光调制器1以及红色(阵列2)、绿色(阵列3)和蓝色(阵列4)的三个LED阵列。这三个LED阵列的光被引导通过二向色组合器5和菲涅耳场透镜6到达数字光调制器1的可开关元件阵列。该光学系统还包括线栅网格PBS(偏振分束器)7以及用于将从数字光调制器1反射的被调制光引导至屏幕的透镜系统8。
在本实例中为LED阵列2、3、4的固态光源的光以顺序的方式被导向数字光调制器1。数字光调制器1的可开关元件依照待显示的灰度和颜色信息借助于在每个照射时间段期间利用所述三种颜色之一进行的脉宽调制来进行开关。快速地开关这些可开关元件，使得人眼不能分辨出光的开关。
图2示意性地示出了通过不同颜色顺序照射所述数字光调制器。每种颜色的光源操作确定的照射时段，其中数字光调制器1依照图像信息仅将该光导向屏幕。在图2的实例中，发出红光12的LED阵列2首先操作确定的时间段(照射时段)。在该照射时段之后，红色光源2关闭。接下来，发出绿光13的绿色LED阵列3操作确定的照射时段。在关闭绿色LED阵列3之后，发出蓝光14的蓝色LED阵列4操作确定的照射时段。这种顺序照射以蓝色LED阵列4之后红色LED阵列2操作并且依次类推来继续。为了避免不必要的能量耗散，在一个光源的关闭与另一个光源的后续操作之间进行暂停。这种暂停相应于数字光调制器1的寻址时间11，其是必要的，以便装载用于下一次开关所述可开关元件的新控制信息。
图2示出了在利用作为一个实例的绿光13的照射时段期间光源的幅度调制。由图可知，该绿光的强度在照射时段结束时降低一半，从而向利用数字光调制器1可获得的灰度分辨率添加了新的LSB(最低有效位)。这种幅度调制可以加以使用以便如图3中作为实例展示的那样进一步增加投影系统的灰度分辨率。
图3示出了对绿色LED阵列3进行调制以便发出经过幅度调制的绿光13。在第一时间段中，绿光13以恒定幅度发出。在这个时段之后，光源在数字光调制器1的寻址时间16期间关闭，并且然后以更低的幅度发出光脉冲15。这个过程重复两次，其中绿光发射的幅度进一步降低。这三种不同幅度示于该图的较低部分，其中还示出了所述数字光调制器的相应可开关元件处于打开状态，即将光反射到屏幕的时间段。绿色光源的光发射持续时间使得其超过可开关元件的开关状态17的持续时间。由于幅度调制的原因，可以实现与图像信号的较低值比特相应的更高的灰度分辨率。
图4示出了本方法的一个实施例，其中调制由光源2-4发出的光的脉宽。这个实施例也仅仅参照绿光13来示意性地加以解释。在这种情况下，在更长时段的恒定光发射之后，三个脉冲18以不同的脉宽发出。这些脉宽短于所述可开关元件的最短开关状态17，这可以在该图的较低部分中看出。因此，到达屏幕的光量也可以利用这种对发射的光进行脉宽调制的技术来减少，以便增大投影系统的灰度分辨率。
由于光源的开关时间显著快于可开关元件的开关时间，因此该技术的另一个优点在于，所述数字光调制器的可开关元件可以在不同的时间进行开关并且不可以在相同时间进行开关以导致高的功率需求。图5的实施例中示意性地表示了这一点。该图在上部分示出了已经参照图4说明的相同调制。在较低部分，表示了所述可开关元件的开关状态17的一种可能的分布。只要保证被调制光脉冲仍然在时间上与得到的开关状态一致，那么对这些元件的开关可以分布在连续寻址时段之间的大的时段上。在这种情况下，到达屏幕的光量仅仅取决于光脉冲的脉宽，而不取决于可开关元件的开关状态的持续时间。
附图标记列表
1 数字光调制器
2 红色LED阵列
3 绿色LED阵列
4  蓝色LED阵列
5  二向色组合器
6  菲涅耳场透镜
7  线栅PBS
8  透镜系统
11 寻址时间
12 红光
13 绿光
14 蓝光
15 不同幅度的光脉冲
16 寻址时间
17 可开关元件的开关状态(打开)
18 具有不同脉宽的光脉冲

Claims (10)

1.操作投影系统的方法，所述投影系统包括多个具有不同颜色(12，13，14)的固态光源(2，3，4)以及至少一个具有可开关元件阵列的空间光调制器(1)，
其中所述阵列由至少一个所述光源(2，3，4)照射多个照射时段，并且被寻址，使得光经过时间和空间调制以便将图像投影到屏幕上，
其特征在于，
在所述阵列的至少一个所述照射时段期间控制所述光源(2，3，4)以便发出经过幅度(15)和/或时间(18)调制的光。
2.依照权利要求1的方法，
其特征在于，
所述阵列由所述光源(2，3，4)以顺序的方式进行照射。
3.依照权利要求1或2的方法，
其特征在于，
所述光源(2，3，4)在所述阵列的寻址时段(11，16)期间关闭。
4.依照权利要求1或2的方法，
其特征在于，
在所述可开关元件的至少一个开关状态(17)期间控制所述光源(2，3，4)以便发出减少的光量，其中所述光被导向屏幕。
5.依照权利要求1或2的方法，
其特征在于，
所述光源(2，3，4)经过时间调制以便发出持续时间短于所述可开关元件的最短开关状态的光脉冲(18)。
6.依照权利要求5的方法，
其特征在于，
在所述阵列的连续寻址时段(11，16)之间，多个所述可开关元件在不同的时间进行开关，其中控制这些开关时间，使得得到的开关状态(17)在时间上与所述光脉冲(18)的发射一致。
7.依照权利要求1或2的方法，
其特征在于，
所述幅度调制通过调制所述光源(2，3，4)的操作电流来实现。
8.依照权利要求1或2的方法，
其特征在于，
依照所需的光量和灰度分辨率和/或依照图像中相应颜色的最大值针对每种颜色在持续时间和/或幅度上动态调节所述照射时段。
9.依照权利要求1或2的方法，
其特征在于，在至少一个所述照射时段期间，根据图像生成的要求，激活多于一个光源(2，3，4)以便产生混合基本颜色或白色光。
10.投影设备，包括多个具有不同颜色(12，13，14)的固态光源(2，3，4)、至少一个具有可开关元件阵列的空间光调制器(1)以及控制单元，所述控制单元被设计成依照前述权利要求中的一项或多个项的方法操作所述投影设备。
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