CN104618699A - 用于高动态范围的两级光调制 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于高动态范围的两级光调制。在高清数字投影或照相机中用于两级光调制的成像装置可以包括两个光调制器。各个光调制器可以包括如下的多芯片成像系统，该多芯片成像系统耦接到具有光输入面和开启状态面的全内反射棱镜(TIR)系统。中继光学器件可以位于两个光调制器之间。中继光学器件可以被构造为使从预调制器接收到的光离焦，并且使用大致高斯像素成形函数向主调制器提供离焦光。主调制器可以被定向为在其TIR棱镜系统的光输入面处从中继光学器件接收离焦光。预调制器可以被反向定向，以便在其TIR棱镜系统的开启状态面处接收源光，并且经由TIR棱镜系统的光输入面向中继光学器件输出预调制光。

Description

用于高动态范围的两级光调制

技术领域

本公开涉及数字成像，更具体地说，涉及两级光调制。

背景技术

在诸如数字投影系统这样的成像装置中，图像的动态范围被所选成像器的能力限制。这应用于数字光处理(DLP)成像器(例如，数字微镜显示器)、硅基液晶(LCOS：liquid crystal on silicon)成像器、液晶显示(LCD)成像器以及使用其他技术的成像器。两级调制可以用于增大动态范围以及提高对比度。然而，很多已知的两级调制系统效率低，并且未提供适当高的动态范围，或者未提供适当的对比度。

发明内容

根据本公开的一个方面，一种成像装置包括：被构造为发出源光(source light)的光源；和位于源光的路径中的预调制器。预调制器包括预调制成像系统，该预调制成像系统被构造为根据图像数据对源光执行粗调，并且在预调制器输出处发出预调制光。预调制器还包括第一全内反射棱镜系统，该第一全内反射棱镜系统被定向为使源光折射到预调制成像系统中，并且将从预调制成像系统接收到的预调制光反射到预调制器输出。该装置还包括：中继光学器件(relay optics)，该中继光学器件位于预调制光的路径中，并且被构造为使预调制光离焦，以输出离焦光；和主调制器，该主调制器位于离焦光的路径中。该主调制器包括主调制成像系统，该主调制成像系统被构造为根据图像数据利用离焦光来生成图像。主调制器还包括第二全内反射棱镜系统，该第二全内反射棱镜系统被定向为使离焦光反射到主调制成像系统中，并且使从主成像系统接收到的图像折射到主调制器输出。

根据本公开的另一个方面，一种成像装置包括：被构造为发出源光的光源；和两个光调制器。各个光调制器包括耦接到全内反射棱镜系统的多芯片成像系统。全内反射棱镜系统具有光输入面和开启状态面。该装置还包括中继光学器件，该中继光学器 件位于所述两个光调制器的预调制器与所述两个光调制器的主调制器之间。中继光学器件被构造为使从预调制器接收到的光离焦，并且向主调制器提供离焦光。主调制器被定向为在全内反射棱镜系统的光输入面处从中继光学器件接收离焦光。预调制器被定向为在全内反射棱镜系统的开启状态面处接收源光，并且经由全内反射棱镜系统的光输入面向中继光学器件输出预调制光。

根据本公开的另一个方面，一种成像装置包括：被构造为发出源光的光源；和位于源光的路径中的预调制器。预调制器包括耦接到色彩分量分离器和组合器的三个数字微镜器件并且全内反射棱镜系统。预调制器被构造为根据图像数据对源光执行粗调，并且发出预调制光。该装置还包括：中继光学器件，该中继光学器件位于预调制光的路径中，并且被构造为使预调制光离焦，以输出离焦光；和主调制器，该主调制器位于离焦光的路径中。主调制器包括耦接到色彩分量分离器和组合器的三个数字微镜器件并且包括全内反射棱镜系统。主调制器被构造为根据图像数据使用离焦光来生成图像。

附图说明

附图仅以示例的方式来例示本公开的实施方式。

本专利或申请文件含有至少一个以色彩实现的附图。具有色彩附图的该专利或专利申请公报的副本将在请求和支付必要费用时由官方提供。

图1是成像装置的框图。

图2A-图2B是示出过满区域(overfill region)的比较的图。

图3是成像装置的图像处理组件的框图。

图4A是示出源图像、预调制器图像和主调制器图像的示例的图。

图5A-图5C是示出半色调图像的色彩分量的图。

图6是用于成像器的脉冲宽度调制的图。

图7是用于串联的两个成像器的脉冲宽度调制的图。

图8是示出如由中继光学器件的像素成形函数产生的、预调制器的像素的高斯形点的曲线图。

图9A-图9B是示出由于预调制器经由中继光学器件组合到主调制器上而产生的 稀疏和密集半色调图案的图。

图9C-图9D是图9A-图9B的灰度表示。

图10是示出光路径的调制器的图。

图11是示出补偿板的成像装置的一部分的框图。

图12示出了单个源图像用于生成两个相关的显示图像。

具体实施方式

本文描述的用于两级调制的技术可以增大动态范围并提高成像装置(诸如数字视频/电影院中使用的图像投影仪)的对比度。本文描述的调制器是减法的，原因在于它们在全场光上工作，并且去除不需要形成要显示或投影的图像的光的部分。第一级或预调制器对光执行粗调，并且第二级或主调制器执行细调。预调制器工作，使得主调制器的局部区域只接收与支持该位置处的图像所需要的光同样多的光。图像的暗部接收少量光，而亮区域接收大量光。因此，在具有暗区域和亮区域的图像中，将使主调制器不均匀地点亮(lit)。进一步地，因为主调制器独立于预调制器的动态范围而维持其自身的动态范围，所以主调制器工作以向亮区域和暗区域这两个区域施加微细节。

图1例示根据本公开的实施方式的成像装置10。成像装置10包括：光源12、二色性组合器14、积分器16、过满光学器件18、预调制器20、中继光学器件22、主调制器24和投影光学器件26。由光源12发出的光被预调制器20粗调，以便为主调制器24提供合适量的光，这生成图像。中继光学器件22在向光施加受控离焦的同时，使来自预调制器20的光中继到主调制器24，以便分散主调制器24上的粗调光。因此，与用现有的两级调制技术得到的相比，可以实现更高的动态范围和更好的对比度。

光源12被构造为发出源光，并且可以包括不同色彩分量(例如，红色、绿色和蓝色)的多个激光光源。不同色彩分量的光可以独立地生成，然后通过光纤28耦接到二色性组合器14。光源12可以包括多个光模块30，以便为各个色彩分量提供亮度可分级性(brightness scalability)。即，各个模块30提供特定量的红色、绿色或蓝色光，并且可以基于亮度要求来提供、省略、或开启/关闭模块30。添加或开启模块30允许亮度以离散量增大。相反，去除或关闭模块30允许亮度以离散量减小。在给定实现中所使用的模块30的数量可以随着要投影的屏幕的尺寸而变化。预期更大的屏 幕需要更多的模块30。进一步地，可以选择各个色彩分量的波长和相对功率，以便在实现大色域和合适白点的同时增加效率。

二色性组合器14将分量源光(例如，红色、绿色和蓝色)光学组合成单个白光束。如图所示，二色性组合器14可以是单独组件，或可以被包括在光源12中。

在其他实施方式中，光源12包括：激光器和自由空间光学器件、一个或更多个灯(例如，氙灯或水银弧光灯)、发光二极管(LED)、磷光体转换型激光器或类似物。

积分器16包括如下各项的组合：一个或更多个积分杆32和一个或更多个扩散器34，所述一个或更多个分散器34被构造为使源光空间地并有角度地均匀，并且使源光成形为矩形或近似矩形。在本实施方式中，积分器16包括两个积分杆32和布置在两个积分杆之间的分散器34。

积分器16可以被构造为使得：调节源光36的输出矩形的纵横比的大小，以便尽可能接近实际地与预调制器20的成像器件的纵横比匹配。例如，如果预调制器20设置有具有2048×1080个像素的分辨率的数字微镜器件(DMD)，则积分器16被构造为在其输出处具有1.89:1(即,2048/1080)的纵横比。积分器16可以设置有积分杆(只要空间允许内部更多的反射)，以便改善光源36的输出矩形的均匀性。当高度准直的源(诸如激光)用在光源12时，这尤其有用。

积分器16设置有分散器34可以具有许多益处。首先，分散器34可以使光行进的角度随机化，以提高第二积分杆32在均化和向光提供均匀性方面的有效性。第二，由分散器导致的光束的角视差的增大可以有助于减少散斑，这是激光照明的公知问题。第三，分散器34可以有助于使光束的角分布均匀。

从最后一个积分杆32输出的源光36的矩形最终被成像到预调制器20上。通过将该积分杆32放置在分散器34后面(与将分散器34放置在积分器16的端部相反)，分散器34本身不在预调制器20上成像，同时仍然提供良好均匀性和良好的角分布的益处。

过满光学器件18可以包括诸如一个或更多个透镜和一个或更多个镜这样的元件，它们被定位为用少量过满而将由积分器16所输出的源光36的矩形中继到预调制器20上。在本实施方式中，最后一个积分杆32的输出面可以小于预调制器20的成像器件。过满光学器件18可以被构造为提供放大，以实现适当的过满。折叠镜可以包括有过满光学器件，以减小成像装置10的整体尺寸。过满光学器件可以具有可调 变焦和对准，其被构造为允许精确定义过满形状和过满量。过满光学器件18可以称作成像光学系统(IOS)。

预调制器20因为由过满光学器件18输出，所以位于源光的路径38中。预调制器20包括预调制成像系统40，该预调制成像系统40被构造为根据图像数据来对源光执行粗调。在其输出处，预调制器20向中继光学器件22发出预调制光42。预调制器20还包括第一全内反射棱镜(TIR)系统44，该第一全内反射棱镜(TIR)系统44耦接到预调制成像系统40，用于将源光38传送到预调制成像系统40并将预调制光42传送到中继光学器件22。预调制器20可以称作光引擎。

预调制成像系统40可以包括一个或更多个成像器件(或成像器)。预调制成像系统40可以是如下的多芯片成像系统，该多芯片成像系统可以包括耦接到色彩分量分离器和组合器的一个或更多个DMD。合适的DMD可从德克萨斯达拉斯的Texas Instruments Inc.获得。在本实施方式中，预调制器20包括用于诸如红色、绿色和蓝色这样的三种色彩分量的三个DMD 46、48、50，这三个DMD46、48、50耦接到色彩分量分离器和组合器，诸如一个或更多个二色性棱镜。进入预调制成像系统40的光被分开为红色、绿色和蓝色分量，并且各个颜色的光被导向到独立可控的DMD 46、48、50上。各个DMD 46、48和50的关闭状态光51被导向到光挡板，该光挡板吸收与实际同样多的关闭状态光，这可有助于增大对比度。预调制成像系统40可以称作DLP系统。

第一全内反射棱镜系统44被定向为将源光38折射到预调制成像系统40中，并且将从预调制成像系统40接收到的预调制光42朝向中继光学器件22反射。这在图10中示出，其中光在120处进入全内反射棱镜系统44，并且折射到色彩分量分离器和组合器122中，在经由在124处反射离开全反射棱镜系统44之前由DMD 46、48、50处理。

预调制器20可以使用已知设计或可以是现成单元。因此，全内反射棱镜系统44可以具有光输入面52和开启状态(或输出)面54。然而，在本实施方式中，预调制器20被定向为使得从光输入面52获得预调制器20的输出。光通过已知应用中的开启状态面54进入预调制器20。这就是说，反向操作预调制器20。当以该定向使用时，在与已知应用中其会行进的方向相同的总方向上导向关闭状态光51，但以一半的角度。开启状态光被导向出到名义上是光输入面52的外部。

将预调制器20定向为与其在常规应用中使用的相反，提供至少一个优点。参照图2A，在常规应用中，光可以以近似24度的角度接近DMD，由此，光倾向于在DMD(DMD的较大区域56具有过满损失)上形成梯形斑。在装置10中，如图2B所示，光几乎垂直地撞击DMD 46、48、50，这由于矩形或近似矩形的区域58的过满而导致更有效地过满，浪费更少的光。

中继光学器件22位于预调制光42的路径中的预调制器20与主调制器24之间。中继光学器件22被构造为对预调制光42进行离焦，以便输出离焦光60。中继光学器件22可以被构造为将像素成形函数应用于预调制光42，并且可以称作像素成形函数光学器件。

中继光学器件22被构造为提供受控离焦。在本实施方式中，中继光学器件22被构造为：在主调制器24处将从预调制器20接收到的预调制光42的各个像素变形为高斯或伪高斯成形点。另外，如果预调制器20的成像器件(例如，DMD 46、48、50)的尺寸与主调制器24的成形器件的尺寸不同，则中继光学器件22可以被构造为提供合适的放大量。因此，中继光学器件22可以包括合适的透镜62布置。即使当预调制器20的成像器件的尺寸与主调制器24的成像器件的尺寸相同时，中继光学器件22也可以被构造为提供小的放大量，以便稍稍过满填充主调制器24。然后，可以由处理器电子地执行两个调制器20、24之间的图像对齐，这可以放宽中继光学器件22上的制造公差。可以有益的是，将主调制器22上的任何过满保持为与实际一样小，以减少光浪费。

伪高斯不严格符合高斯函数，但导致光以类似方式分布。更接近于真高斯函数可以导致更好的光分布。然而，应当考虑处理复杂性或光学复杂性的任何增加。期望图像质量和装置复杂性中的权衡，并且术语“大致高斯”用于指示：对于点的形状期望一些灵活性，以及真高斯函数在实现期间评估候选点形状时有助于可参考的合适理想的示例。

中继光学器件22可以还包括折叠镜64，以使由离焦光60表示的中继图像与主调制器24对齐。折叠镜64减小由离焦光60表示的图像与主调制器24之间的旋转差。如果可以容许光和分辨率的任何产生的无效使用，则可以省略折叠镜64。

中继光学器件22可以被构造为向离焦光60提供小色差或无色差。然而，因为独立地处理红色、绿色和蓝色，所以可以允许由中继光学器件22提供的像素成形函数 的尺寸和形状在颜色之间变化。几何失真(即，枕形或桶形失真)(如果存在)可以由图像处理来补偿。

主调制器24位于离焦光60的路径中。主调制器24包括主调制成像系统66，该主调制成像系统66被构造为利用离焦光60和图像数据来生成图像68。主调制器24可以称作光引擎。

在其输出，主调制器24向投影光学器件26发出图像68。主调制器24还包括第二全内反射棱镜系统70，该第二全内反射棱镜系统70耦接到主调制成像系统66，用于将离焦光传送到主调制成像系统66并将图像68传送给投影光学器件26。

主调制成像系统66可以包括一个或更多个成像器件。主调制成像系统66可以是如下的多芯片成像系统，该多芯片成像系统可以包括耦接到色彩分量分离器和组合器的一个或更多个DMD。在本实施方式中，主调制器24包括用于诸如红色、绿色和蓝色这样的三种色彩分量的三个DMD 72、74、76，这三个DMD 72、74、76耦接到色彩分量分离器和组合器，诸如一个或更多个二色性棱镜。进入主调制成像系统66的光被分开为红色、绿色和蓝色分量，并且各个颜色的光被导向到独立可控的DMD 72、74、76上。各个DMD 72、74、76的关闭状态光77被导向到光挡板，该光挡板吸收与实际同样多的关闭状态光，这可有助于增大对比度。正如预调制成像系统40，主调制成像系统66可以称作DLP系统。

第二全内反射棱镜系统70被定向为将离焦光60反射到主调制成像系统66，并且使从主调制成像系统66接收到的图像组合并折射到主调制器24的输出，作为图像68。第二全内反射棱镜系统70包括光输入面78和开启状态(或输出)面80。正如预调制器20，主调制器24可以使用已知设计或可以是现成单元。然而，在本实施方式中，主调制器24被定向为使得离焦光60在光输入面78处进入并且从开启状态面80获得主调制器24的输出。由此，主调制器24被常规定向并且方位与预调制器20的方位相反。这如图10示出，其中光在124处进入全内反射棱镜系统70并且，反射到色彩分量分离器和组合器122，在经由120处的折射离开全反射棱镜系统70之前由DMD 72、74、76处理。

有利的是，主调制器24和预调制器20相反定向。调制器20、24可以是类似的光学设计、不同分辨率的相同设计、或相同分辨率的相同设计，并且它们背靠背的布置可以导致DMD之间的光路径在各个介质(例如，空气和棱镜材料，诸如玻璃、丙 烯酸、或其他材料)中花费的时间量方面大约平衡。

预调制器20的DMD 46、48、50和主调制器24的DMD 72、74、76可以具有任意合适的分辨率。预调制器的DMD 46、48、50可以的分辨率可以等于、大于、或小于主调制器的DMD 72、74、76的分辨率。在一个示例中，如上所述，预调制器的DMD 46、48、50各具有2048×1080个像素的分辨率，并且主调制器的DMD 72、74、76各具有两倍的该分辨率，即，4096×2160个像素。因此，各个主调制器DMD的72、74、76的2×2组像素对应于各个预调制器DMD 46、48、50的单个像素。

可以选择预调制器20的纵横比，以与主调制器24的纵横比匹配。预调制器20处的更大像素可以导致低衍射损失。因此，可以选择调制器20、24为具有相同的纵横比，但是可以选择预调制器20为具有小于主调制器24的分辨率，而不牺牲更多或任何动态范围。另外，为了高亮度应用，物理上大型的装置可以提高可用展度(etendue)，并有助于热管理。虽然更高的分辨率可能导致更少的伪像(artifact)(例如，亮物体周围的光晕)，但是许多市场上可买到的DMD的分辨率超过合适的高动态范围所需的期望分辨率，因此，在选择用于预调制器20的专用DMD方面分辨率不是主要考虑因素。几乎任何市场上可买到的DMD都可以适合在预调制器20中使用。

投影光学器件26被定位为从主调制器24的输出接收图像68，并且将投影图像82投射到屏幕或类似表面上。投影光学器件26可以是已知设计，或者可以是现成单元，这是使用调制器20、24的背靠背布置的益处。即，因为以已知方式布置主调制器24，所以没有必要给予投影光学器件26特殊的考虑，或给予其很少的考虑。

图3示出成像装置10的图像处理组件。成像装置10可以还包括处理器84、存储器86和输入/输出(I/O)接口88、90。

处理器84连接到I/O接口88和存储器86。处理器84被构造为从存储器86接收指令、逻辑信号、可编程代码或类似物，并且执行这些以向I/O接口88输出命令。这种命令去往成像装置10的任何可控光学元件，诸如光源12、预调制器20和主调制器24。处理器84可以包括单个处理器、多个处理器、微处理器、中央处理单元(CPU)、场可编程选通阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或类似器件。虽然为了说明，分开例示并讨论了处理器84和存储器86，但是不旨在进行限制，并且一些实现(例如，FPGA或ASIC)在相同器件内可以具有处理和存储能力。

存储器86包括非暂时计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、FPGA存储器元件、闪存、磁性或光学存储器或类似物。存储器86存储图像数据92以及在图像数据92上操作的一个或更多个程序94，并且给处理器84提供指令，以控制可控光学元件。存储器86可以存储用于要在68处输出的一个或更多个图像或视频的一些或所有数据。

I/O接口88可以是适合于接收图像数据96的内部或外部接口，该图像数据96可以内部或外部存储在非暂时计算机可读介质(诸如上述类型的)上，或可以提供为视频数据流(例如，直播视频、计算机渲染等)。例如，高速工作存储器86中存储的图像数据92可以是在外部长期存储器(诸如在可移除光学或磁盘或可移除存储卡)中作为图像数据96存储的视频的多个帧。

程序94被构造为控制如文本中参照图像数据92在别处讨论的光源12、预调制器20和主调制器24中的一个或更多个。程序94可以被构造为基于图像数据92的色彩强度来控制预调制器20和主调制器24。程序94可以被进一步构造为基于图像数据92的色彩强度来控制光源12的模块30的开启和关闭。程序94还可以被构造为执行图像对齐，以校正调制器20、24和中继光学器件22中的任何不对齐，并且进一步补偿主调制器24处的图像的任何几何失真。

为了使处理器84生成用于主调制器24的各个DMD 72、74、76的图像，处理器84可以参考光场模拟的结果，该光场模拟的结果可以从校准数据98(该校准数据98可被程序94存取或者作为程序94本身的一部分)生成。这种光场模拟可以被构造为使用在预调制器20上所显示的校准图像，并且确定中继光学器件22对校准图像的影响。程序94可以被构造为将实际生成的光场与从模拟产生的估计光场进行比较，并且使用其差异来改善校准数据98，直到获得合适的校准数据98为止。

在操作中，如图12所示，单个源图像140用于生成两个相关的显示图像142、144：一个用于预调制器20的图像142和一个用于主调制器24的图像144。膨胀滤波器146可以应用到用于预调制器图像142的单个像素，以便展开像素以覆盖主调制器24上的更大面积。如果最终图像需要亮像素，则可以选择预调制器图像142上的合适大小的块的像素来支持这种亮度。膨胀滤波器146可以被构造为将输出像素设置为与给定半径之内的最亮像素的强度相同的强度。可以对预调制器图像142执行缩放和弯曲148，以补偿预调制器20与主调制器24之间的不对齐，以便使主调制器24 上的像素与预调制器20上的像素关联。可以对缩放/弯曲且膨胀后的图像执行半色调处理150，使得预调制器图像142是半色调图像，如本文在别处讨论的。可以使用上面讨论的校准数据98来执行光场估计152。即，用源图像140的半色调150来卷积像素成形函数，以确定多少光到达主调制器24的给定像素。该光场也可以弯曲并缩放156，以对不对齐和失真进行计数，并且应用于光场的弯曲函数可以是预调制器图像142上使用的弯曲/缩放函数148的逆转。然后，通过经由光场估计的结果划分(158)原始图像的像素来确定在主调制器24上显示的图像144。

图4A示出与示例图像数据92(图3)对应的源图像100和图像100的变换的示例。源图像100是被再现为输出图像68(图1)的图像。预调制器20设置有基于图像100的修改图像102。修改图像102可以参照图像数据92由程序94(图3)生成。图4A还示出从源图像100的图像数据92生成且为在主调制器24处显示而提供的示例主调制器图像104。虽然它们在图4A中以黑白再现，但是图像100、102、104是全色彩图像，并且任何明显的抖动或像素化仅用于例示目的(在黑白线附图的范围之内)，并且通常不出现。

在本实施方式中，修改图像102是源图像100的数字半色调图像(参见图4A的特写区域)。各个色彩分量由其相应的DMD 46、48、50独立处理，并且数字半色调图像102可以是如图5A-C所示分开的颜色。因此，各个预调制器的DMD 46、48、50接收数字半色调图像的相应色彩分量，诸如数字半色调图像的红色分量(图5A)、绿色分量(图5B)和蓝色分量(图5C)。在其他实施方式中，可以使用其他种类的空间抖动，而不是半色调。

数字半色调可以有助于避免可能在脉冲-宽度调制(PWM)用于生成像素亮度级时出现的位序列(bit sequence)干扰。对于视频的特定帧，给定的DMD镜可以翻转100次，开启时间的百分比对应于像素亮度级。如图6所示，开启和关闭的特定图案(对开启和关闭进行组合，以产生给定亮度级)可以称作位序列。当在两个调制器20、24处使用PWM时，在预调制器20和主调制器24这两者的相应镜在它们的开启状态时给定像素接通。如图7所示，对于给定像素，预调制器处的50％开启位序列和主调制器20处的25％开启位序列不会通常导致12.5％亮度(即，50％*25％)级。相反，仅同时开启状态有助于输出亮度。在所示的示例中，提供给调制器20、24的光的大约3％将有助于像素的亮度。

向预调制器提供数字半色调图像102允许预调制器的DMD 46、48、50的各个像素在图像100的显示的整个时间段(诸如用于一个视频帧的显示时间段)保持接通或断开。预调制器20处的亮度由此受各个色彩分量的空间抖动控制，而不是受PWM控制。

当选择用于数字半色调的内核尺寸时，预期的是，更大的内核趋向于在动态范围方面呈现更好性能，但可能导致诸如光晕这样的伪像。更大的内核尺寸还可能增大生成图像所需的处理电力的量。在一些示例中，5×5内核用于生成半色调图像102。

如上所述，中继光学器件22被构造为提供受控离焦。如图8所示，中继光学器件22可以被构造为执行受控离焦，使得预调制器24上的单个像素在主调制器20上成为光的高斯或伪高斯形点。当选择主调制器的DMD 72、74、76为具有4096×2160个像素的分辨率时，那么中继光学器件22可以被构造为提供大小为大致30×30个像素的这种高斯形点。这仅仅是一个示例，并且如果更大点所需的任何附加处理资源可用，或可以容许从更小点的动态范围的任何改善的降低，则可以使用任何点尺寸。进一步地，高斯形点预期可能不精确符合高斯函数的其他形状。

在离焦之后，预调制器20的各个像素在主调制器24处变得模糊为光的连续斑点。因为来自相邻预调制器像素的相邻高斯形点在主调制器24处彼此重叠，所以在预调制器20处接通的像素的密度控制主调制器24上的光斑的亮度。如图9A和图9C所示，在预调制光束42的区域中的完全接通(即，不是脉冲宽度调制的)的像素的稀疏半色调图案导致较暗的光斑。如图9B和图9D所示，在预调制光束42的区域中的完全的接通像素的密集半色调图案导致较亮的光斑。这对于各个色彩分量和各种光斑而出现。要注意的是，图9A和图9B的右手侧示出朝向中心增大亮度的不同光强度的区域，而图9C和图9D例示连续灰度的相同概念。图9A和图9B中的任何抖动或像素化仅用于例示目的(在黑白线图的范围内)，并且通常不出现。

如上所述，积分器16使源光的分布空间地和有角度地均匀，这可以导致改进由中继光学器件22实现的像素成形函数的性能，由此处理器84和程序94中因像素成形函数而需要的更低复杂性，向主调制器24提供较均匀的光斑。预期的是，在许多实现中，源光将具有大致或甚至高度非均匀角分布。由此，可以考虑光源的所选类型和所选像素成形函数来设计积分器16，以便简化所需的处理。

参照图11，因为可以在调制器20、24之间提供少量放大，并且因为调制器20、 24的DMD可以是不同尺寸，所以DMD之间的光路径可以得益于补偿板130(例如，倾斜玻璃片)，该补偿板130位于中继光学器件22与主调制器24之间的离焦光60的路径中。

在本实施方式中，补偿板130是如下倾斜平行玻璃板，其可以帮助补偿来自第一全内反射棱镜系统44和预调制器20的色彩分量分离器和组合器122的光学像差。这种像差可以包括非对称像散、彗差和像平面倾斜(例如，由于光不对齐而导致的图像的离焦)。可以选择补偿板130的厚度、倾斜角、倾斜方向或其他参数，以减少这种像差。

补偿板130对具有两个调制器20、24提供益处，这些益处在具有一个调制器的系统中不明显。在具有一个调制器的系统中，通常不太关心上述类型的像差，是因为它们出现在光引擎的照明路径中，并且效率的一些损失通常是它们导致的。然而，在成像装置10中，因为预调制器20和主调制器24这两者在相同的图像路径中，并且都像楔形棱镜起作用，所以这些像差可能成为顾虑。像散可以是更大的顾虑，其次是彗差。

在另一个实施方式中，调制器20、24各包括用于一个分量颜色的一个DMD，并且为各个色彩分量提供独立的成像装置10。可以省略二色性组合器14，并且各个成像装置10的光源12仅需要提供相应颜色。可以在投影光学器件26前面组合不同色彩分量的光。在本实施方式的变型中，主调制器24包括多个DMD，并且在主调制器24前面组合色彩分量。

在各种实施方式中，如果可以对处理复杂性的任何增加进行充分处理，并且可以容许低光级，则LCD和LCOS器件可以代替DMD使用。

虽然上述内容提供了某些非限制示例实施方式，但是应当理解的是，预期上述内容的组合、子集和变型。由权利要求来限定本专利所寻求的目的。

Claims (21)

1.一种成像装置，该成像装置包括：

光源，该光源被构造为发出源光；

预调制器，该预调制器位于所述源光的路径中，所述预调制器包括预调制成像系统，该预调制成像系统被构造为根据图像数据对所述源光执行粗调制，并且在预调制器输出处发出预调制光，所述预调制器还包括第一全内反射棱镜系统，该第一全内反射棱镜系统被定向为使所述源光折射到所述预调制成像系统中，并且将从所述预调制成像系统接收到的所述预调制光反射到所述预调制器输出；

中继光学器件，所述中继光学器件位于所述预调制光的路径中，并且被构造为使所述预调制光离焦，以输出离焦光；以及

主调制器，该主调制器位于所述离焦光的路径中，所述主调制器包括主调制成像系统，该主调制成像系统被构造为根据所述图像数据利用所述离焦光来生成图像，所述主调制器还包括第二全内反射棱镜系统，该第二全内反射棱镜系统被定向为使所述离焦光反射到所述主调制成像系统中，并且使从所述主调制成像系统接收到的所述图像折射到主调制器输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中继光学器件被构造为在所述主调制器处将所述预调制光的像素变换成大致高斯形点。

3.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括补偿板，该补偿板位于所述中继光学器件与所述主调制器之间，以在所述主调制器处减小像散和彗差。

4.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括积分器，该积分器位于所述光源与所述预调制器之间，所述积分器包括两个积分杆和布置在所述两个积分杆之间的分散器。

5.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括处理器，该处理器耦接到所述预调制器和所述主调制器，所述处理器被构造为根据所述图像数据来控制所述预调制器和所述主调制器。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述处理器对所述图像数据执行半色调处理，并且向所述预调制器提供半色调图像。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源包括多个色彩分量的激光光源，并且所述装置还包括投影光学器件，该投影光学器件被定位为从所述主调制器输出接收光。

8.一种成像装置，该成像装置包括：

光源，该光源被构造为发出源光；

两个光调制器，各个光调制器包括耦接到全内反射棱镜系统的多芯片成像系统，所述全内反射棱镜系统具有光输入面和开启状态面；以及

中继光学器件，该中继光学器件位于所述两个光调制器的预调制器与所述两个光调制器的主调制器之间，所述中继光学器件被构造为使从所述预调制器接收到的光离焦，并且向所述主调制器提供离焦光；

所述主调制器被定向为在全内反射棱镜系统的所述光输入面处从所述中继光学器件接收离焦光；

所述预调制器被定向为在所述全内反射棱镜系统的开启状态面处接收源光，并且经由所述全内反射棱镜系统的所述光输入面向所述中继光学器件输出预调制光。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述中继光学器件被构造为在所述主调制器处将所述预调制光的像素变换成大致高斯形点。

10.根据权利要求8所述的装置，该装置还包括补偿板，该补偿板位于所述中继光学器件与所述主调制器之间，以在所述主调制器处减小像散和彗差。

11.根据权利要求8所述的装置，该装置还包括积分器，该积分器位于所述光源与所述预调制器之间，所述积分器包括两个积分杆和布置在所述两个积分杆之间的分散器。

12.根据权利要求8所述的装置，该装置还包括处理器，该处理器耦接到所述预调制器和所述主调制器，所述处理器被构造为根据所述图像数据来控制所述预调制器和所述主调制器。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述处理器对所述图像数据执行半色调处理，并且向所述预调制器提供半色调图像。

14.根据权利要求8所述的装置，其中，所述光源包括多个色彩分量的激光光源，并且所述装置还包括投影光学器件，该投影光学器件被定位为从所述主调制器接收光。

15.一种成像装置，该成像装置包括：

光源，该光源被构造为发出源光；

预调制器，该预调制器位于所述源光的路径中，所述预调制器包括耦接到色彩分量分离器和组合器的三个数字微镜器件并且包括全内反射棱镜系统，所述预调制器被构造为根据图像数据对所述源光执行粗调制，并且发出预调制光；

中继光学器件，该中继光学器件位于所述预调制光的路径中，并且被构造为使所述预调制光离焦，以输出离焦光；以及

主调制器，该主调制器位于所述离焦光的路径中，所述主调制器包括耦接到色彩分量分离器和组合器的三个数字微镜器件并且包括全内反射棱镜系统，所述主调制器被构造为根据所述图像数据使用所述离焦光来生成图像。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述中继光学器件被构造为在所述主调制器处将所述预调制光的像素变换成大致高斯形点。

17.根据权利要求15所述的装置，该装置还包括补偿板，该补偿板位于所述中继光学器件与所述主调制器之间，以在所述主调制器处减小像散和彗差。

18.根据权利要求15所述的装置，该装置还包括积分器，该积分器位于所述光源与所述预调制器之间，所述积分器包括两个积分杆和布置在所述两个积分杆之间的分散器。

19.根据权利要求15所述的装置，该装置还包括处理器，该处理器耦接到所述预调制器和所述主调制器，所述处理器被构造为根据所述图像数据来控制所述预调制器和所述主调制器。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述处理器对所述图像数据执行半色调处理，并且向所述预调制器提供半色调图像。

21.根据权利要求15所述的装置，其中，所述光源包括多个色彩分量的激光光源，并且所述装置还包括投影光学器件，该投影光学器件被定位为从所述主调制器接收光。