CN103543585A

CN103543585A - 光处理装置、高帧频灰度显示成像装置和光处理方法

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Publication number: CN103543585A
Application number: CN201210245336.5A
Authority: CN
Inventors: 耿征
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2032-07-16
Also published as: CN103543585B

Abstract

本发明涉及一种光处理装置、高帧频灰度显示成像装置和光处理方法。光处理装置包括：光源、光源亮度调节装置和数字光处理模块。光源用于产生第一色光。光源亮度调节装置位于光源的输出光路上，用于接收第一色光，并将第一色光调节为以一定亮度等级分布的第二色光并输出。数字光处理模块位于光源亮度调节装置的输出光路上，用于接收光源亮度调节装置输出的第二色光，将第二色光调制为第三色光输出。本发明可以在相同时间周期内产生比现有的脉冲宽度调制技术更多数量的帧。

Description

光处理装置、高帧频灰度显示成像装置和光处理方法

技术领域

本发明涉及显示技术，特别是涉及一种光处理装置、高帧频灰度显示成像装置和一种光处理方法。

背景技术

裸眼式真三维显示有多种显示模式及相关技术，大体包括体三维（volumetric3D display），光场三维（Light Field3D Display），全息三维（Holographic3D Display）等。高速投影成像引擎是这些真三维显示模式共同需要的一项核心技术，用以产生每秒千乃至数万幅高清晰度二维灰度或者三维彩色图像的投影，通过真三维显示的机理，转换成为动态高清晰度真三维显示图像。高速投影成像引擎可以采用反射式空间光调制器。反射式空间光调制器包括DLP（Digital Light Processing）和LCOS（Liquid Crystal on Silicon）等。现有DLP投影成像技术本身可以产生每秒数万幅黑白二维图像的投影，每幅图像只有0／1灰度。为了产生出具有多个灰度等级的图像，现有技术利用“脉冲宽度调制（PWM）”方法。

图1说明现有“脉冲宽度调制”方法的工作原理。以TI（TexasInstruments)生产的Discovery4100系列DLP芯片(0.7”or0.55”XGA)为例，它可以产生出最高每秒32,550幅黑白图像投影。用Tc表示其芯片周期，则T_c＝1／32550秒。为了产生8位亮度级别（2⁸＝256个亮度）的图像，现有“脉冲宽度调制”技术需要利用256个芯片周期。具体地说，将每一帧8位亮度级别的图像需要用256个芯片周期来产生。在此情况下，帧周期T_f与芯片周期T_c的关系为

T_f=256T_c (1)

在这256个芯片周期中，芯片像素“ON”的时间（芯片周期个数）与该像素的亮度等级成正比。基于人眼的视觉暂留效应，观察者可以看到具有256个亮度级的图像。

根据公式（1），4100系列DLP芯片（Tc＝1／32550秒）最多每秒可以产生127帧（＝32550／256）8位亮度等级图像。这样的帧率，与真三维显示所需要的每秒数千幅亮度图像的要求相差甚远。比如，用这样的方法生成体三维显示，其三维图像刷新率仅为每秒一幅（假设体三维图像为127层），不能达到实时动态显示（三维图像刷新率需要达到每秒24幅以上）。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个主要目的在于提供一种光处理装置、高帧频灰度显示成像装置和光处理方法，有利于改善三维图像实时动态显示的效果。

根据本发明的一个方面，一种光处理装置，包括：光源、光源亮度调节装置和数字光处理模块；

其中：

所述光源用于产生第一色光；

所述光源亮度调节装置位于所述光源的输出光路上，用于接收所述第一色光，并将所述第一色光调节为以一定亮度等级分布的第二色光并输出；

所述数字光处理模块位于所述光源亮度调节装置的输出光路上，用于接收所述光源亮度调节装置输出的第二色光，将所述第二色光调制为第三色光输出。

根据本发明的第二方面，一种高帧频灰度显示成像装置，包括光处理装置和投影光学元件；

所述投影光学元件位于所述数字光处理模块的输出光路上，用于接收所述数字光处理模块输出的第三色光，并将所述第三色光投射至屏幕上显示。

根据本发明的第三方面，一种光处理方法，包括：

步骤一：光源发出第一色光；

步骤二：光源亮度调节装置接收所述第一色光，并将所述第一色光调节为以一定亮度等级分布的第二色光并输出；

步骤三：数字光处理模块接收光源亮度调节装置输出的第二色光，将所述第二色光调制为第三色光输出。

采用本发明的光处理装置、高帧频灰度显示成像装置和光处理方法，与现有的脉冲宽度调制（PWM）技术相比，得到同样数量的亮度等级所需要的处理周期少，因而可以在相同单位时间周期之内产生更多数量的帧。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为现有“脉冲宽度调制”方法的工作原理示意图；

图2为本发明的光处理装置的一种实施方式的结构图；

图3为本发明的光处理装置的第二实施方式的光强滤波器旋转轮的结构示意图；

图4为本发明的高帧频灰度显示成像装置的一种实施方式的结构图；

图5为本发明的光处理方法的一种实施方式的流程图；

其中：

10——光处理装置；

11——高帧频灰度显示成像装置；

101——光源；

203——光强滤波器旋转轮；

204——滤波片；

103——光源亮度调节装置；

105——数字光处理模块；

106——投影光学元件。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

<第一实施方式>

参见图2所示，为本发明的光处理装置的一种实施方式的结构图。

本实施方式的光处理置10包括光源101、光源亮度调节装置103和数字光处理模块105。

光源101用于产生第一色光，例如光源101可以产生白光或者其它颜色的光。光源101例如可以是激光光源或者LED光源。

光源亮度调节装置103位于光源101的输出光路上，用于接收第一色光，并将第一色光调节为以一定亮度等级分布的第二色光并输出。

数字光处理模块105位于光源亮度调节装置103的输出光路上，用于接收光源亮度调节装置103输出的第二色光，将第二色光调制为第三色光输出。在一种实施方式中，“调制”可以指：从以一定亮度等级分布的第二色光中选择一个或者多个亮度等级的光，并将该一个或者多个亮度等级的光合成为第三色光。第一色光的亮度大于等于第三色光的亮度。

以光处理装置10输出的光（即第三色光）的亮度位数为8为例（也即是说，具有2⁸个亮度等级），光源亮度调节装置103接收光源101输出的第一色光，并调节第一色光的亮度。例如，光源发出的第一色光的亮度等级为255，光源亮度调节装置103可以周期性地将第一色光的亮度调整为以例如1,2,4,8,16,32,64,128的亮度等级分布的第二色光。经亮度调节的第二色光后输出至数字光处理模块105。数字光处理模块105接收光源亮度调节装置103输出的第二色光，并将第二色光调制为第三色光输出。例如，光处理装置10输出的色光（即第三色光）的亮度为128，那么，光源亮度调节装置103将光源输出的第一色光的分解为亮度等级分别为例如1,2,4,8,16,32,64,128的第二色光，并将亮度调节后的第二色光输出至数字光处理模块105。数字光处理模块105对第二色光进行调制，将第二色光调制为亮度为128的第三色光，并将调制后的第三色光输出。

同样以光处理装置10输出的光（即第三色光）的亮度位数为8为例，由于光源亮度调节装置103和数字光处理模块105仅需调节8次，即可实现色光0~255级的亮度，而相应的在采用PWM调制时，由于脉冲的宽度代表了相应的亮度等级，因此必须要调节2⁸次，才能够实现0~255级的亮度。在光处理装置10输出的光的亮度位数为8的情况下，本发明所采用的方法的处理速度是PWM调制方法的2⁸/8=32倍。同样的，在光处理装置10输出的光的亮度位数为12的情况下，本发明所采用的方法的处理速度是PWM调制方法的2¹²/12=341倍。

这样一来，由于本发明的方法与PWM调制方法相比，可以在单位时间周期内产生更多的帧数，因而非常适合应用在需要较高帧频的显示成像，例如，真三维显示技术中。

<第二实施方式>

与第一实施方式不同，在本实施方式的光处理装置中，采用光强滤波器旋转轮203来调节光的亮度。

如图3所示，光强滤波器旋转轮203包括多个滤波强度互不相同的滤波片204。光强滤波器旋转轮203上的多个滤波片204例如可以按照亮度逐级递增的顺序排列。光强滤波器旋转轮203以第一频率旋转，由光源输出的第一色光入射至光强滤波器旋转轮203的多个滤波片204上，并输出不同亮度等级的第二色光。

在一种实施方式中，光强滤波器旋转轮203可以为圆形，其中的多个滤波片204为大小相同的扇形。

在一种实施方式中，光强滤波器旋转轮203中的滤波片204数量与第三色光的亮度位数相同。例如，当欲得到的亮度位数为8的第三色光时，可以在光强滤波器旋转轮203中设置8个滤波片204，对第一色光进行亮度调节成第二色光，然后输出。

数字光处理模块105可以包括一个数字光处理芯片，用于对光强滤波器旋转轮203输出的第二色光进行调制。

以光处理装置10输出的色光（即第三色光）的亮度位数为8为例（也即是说，该第三色光具有2⁸个亮度等级）。光强滤波器旋转轮203可以包含8个滤波强度的滤波片204，该8个滤波片204例如可以将亮度为255的第一色光分别调节成以亮度为1,2,4,8,16,32,64,128分布的第二色光。第一色光入射到光强滤波器旋转轮203中的某个滤波片204上，使其亮度发生改变，光强滤波器旋转轮203旋转一周，即可将第一色光分解为按照1,2,4,8,16,32,64,128的亮度等级分布的第二色光输出。

数字光处理模块105包括一个数字光处理芯片，用于对第二色光进行调制成第三色光。

例如，光处理装置10输出的色光的亮度等级为111，则该亮度可分解为64+32+8+4+2+1。随着光强滤波器旋转轮203的旋转，数字光处理模块105中的数字光处理芯片在滤波片204亮度分别为64、32、8、4、2、1时调制为ON（即全白帧）的状态，而在滤波片204处于其他亮度值时调制为OFF（即全黑帧）的状态。基于人眼的视觉暂留效应，即可得到最终亮度等级为111的光。

光强滤波器旋转轮203每旋转一次，数字光处理芯片可进行一次调制（即输出一全白帧或全黑帧），即：数字光处理模块的图像帧频率可为第一频率的k倍，k与光处理装置10输出的色光（即第三色光）的亮度位数相同。以第三色光的亮度位数为8为例，光强滤波器旋转轮203旋转一周，需要8个数字光处理芯片的芯片处理周期，光强滤波器旋转轮203的旋转周期为数字光处理芯片的芯片处理周期的八倍（即：数字光处理芯片的图像帧频率为第一频率的八倍）。从而，只需要8个芯片周期，即可得到0~255亮度中的任意一个亮度等级。

参见图4所示，为本发明的高帧频灰度显示成像装置11的一种实施方式的结构图。

在该实施方式中，高帧频灰度显示成像装置11在光处理装置10的基础上，还增加了投影光学元件106。

投影光学元件106位于数字光处理模块105的输出光路上，用于接收数字光处理模块105输出的第三色光，并将其投射至屏幕上显示。

参见图5所示，为本发明的光处理方法的一种实施方式的流程图，在本实施方式中，包括：

S10：光源101发出第一色光；

S20：光源亮度调节装置103接收第一色光，并将第一色光调节为以一定亮度等级分布的第二色光并输出；

S30：数字光处理模块105接收光源亮度调节装置103输出的第二色光，将第二色光调制为第三色光输出。

作为一种实施方式，步骤S20还可以包括：

光源亮度调节装置103的光强滤波器旋转轮203以第一频率旋转，由光源101输出的光入射至光强滤波器旋转轮203的多个滤波片204上，并输出不同亮度等级的第二色光。

作为一种实施方式，步骤S20还可以包括：

光强滤波器旋转轮203中的滤波片数量204与第三色光的亮度位数相同。

步骤S30还可以包括：

数字光处理模块105包括一个数字光处理芯片，用于对第二色光进行调制；数字光处理芯片的图像帧频率为第一频率的k倍，k为第三色光的亮度位数。

作为一种实施方式，本发明的光处理方法还可以包括：

S40：投影光学元件106接收数字光处理模块105输出的第三色光，并将第三色光投射至屏幕上显示。

与现有的脉冲宽度调制技术相比，本发明的光处理装置、高帧频灰度显示成像装置和光处理方法可以在更少的处理周期中实现与脉冲宽度调制技术相同亮度等级数量的光，进而可以在相同时间内产生比现有的脉冲宽度调制技术更多数量的帧，将本发明的光处理装置、高帧频显示成像装置和光处理方法应用到显示中，可以提高图像的刷新率，这将满足那些需要高帧频的显示需求，例如真三维成像显示。

上面对本发明的一些实施方式进行了详细的描述。如本领域的普通技术人员所能理解的，本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算设备（包括处理器、存储介质等）或者计算设备的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在了解本发明的内容的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的，因此不需在此具体说明。

此外，显而易见的是，在上面的说明中涉及到可能的外部操作的时候，无疑要使用与任何计算设备相连的任何显示设备和任何输入设备、相应的接口和控制程序。总而言之，计算机、计算机系统或者计算机网络中的相关硬件、软件和实现本发明的前述方法中的各种操作的硬件、固件、软件或者它们的组合，即构成本发明的设备及其各组成部件。

在本发明的设备和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。还需要指出的是，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims

1.一种光处理装置，其特征在于，包括：光源、光源亮度调节装置和数字光处理模块；

其中：

所述光源用于产生第一色光；

2.根据权利要求1所述的光处理装置，其特征在于：所述光源亮度调节装置包括光强滤波器旋转轮；

所述光强滤波器旋转轮包括多个滤波强度互不相同的滤波片；

所述光强滤波器旋转轮用于在以第一频率旋转，且由所述光源输出的所述第一色光入射至光强滤波器旋转轮的多个滤波片上时，输出不同亮度等级的第二色光。

3.根据权利要求2所述的光处理装置，其特征在于：所述光强滤波器旋转轮为圆形，其中的各滤波片为大小相同的扇形滤波片。

4.根据权利要求2所述的光处理装置，其特征在于：

所述光强滤波器旋转轮中的滤波片数量与所述第三色光的亮度位数相同；

所述数字光处理模块包括一个数字光处理芯片，用于将所述第二色光调制成第三色光。

5.根据权利要求4所述的光处理装置，其特征在于：

所述数字光处理芯片具体为图像帧频率为所述第一频率的k倍的处理芯片，k为所述第三色光的亮度位数。

6.一种高帧频灰度显示成像装置，包括如权利要求1-5任意一项所述的光处理装置，其特征在于：还包括投影光学元件；

7.一种光处理方法，其特征在于，包括：

步骤一：光源发出第一色光；

8.根据权利要求7所述的光处理方法，其特征在于：

所述步骤二包括：

光强滤波器旋转轮以第一频率旋转，由光源输出的光入射至光强滤波器旋转轮的多个滤波片上，并输出不同亮度等级的第二色光。

9.根据权利要求8所述的光处理方法，其特征在于：

所述步骤二包括：光强滤波器旋转轮中的滤波片数量与第三色光的亮度位数相同；

所述步骤三包括：数字光处理模块包括一个数字光处理芯片，用于对所述第二色光进行调制；数字光处理芯片的图像帧频率为所述第一频率的k倍，k为所述第三色光的亮度位数。

10.根据权利要求7-9任意一项所述的光处理方法，其特征在于，还包括：

步骤四：投影光学元件接收数字光处理模块输出的第三色光，并将所述第三色光投射至屏幕上显示。