CN110114721B - 具有多激光宽带光源的rgb投影仪和用于动态控制图像对比度的系统 - Google Patents

Abstract

一种大动态范围投影仪(HDRP)配置有：至少一个空间光调制器，具有红色、绿色和蓝色数字光投影仪(DPL)芯片；光激光源，包括操作为照射相应DLP芯片的红光、绿光和蓝光(RGB)激光系统；以及中央处理单元(CPU)，耦接到DLP引擎和相应RGB激光系统，其中CPU操作为基于期望的对比度以帧速率确定RGB光激光系统中的每一个的最佳平均功率。

Description

具有多激光宽带光源的RGB投影仪和用于动态控制图像对比 度的系统

技术领域

本公开涉及具有多激光光源的RGB(红色、蓝色和绿色)投影仪。特别地，本公开涉及有助于散斑减小的单独受控的宽带光纤型红色、绿色和蓝色二极管激光器，并且还涉及用于动态控制图像对比度的激光束输送系统。

背景技术

对于高质量投影显示器的需求不断增长，无论是消费者还是创意产业，都希望提高图像质量并最大化电影式体验。电影业的主要努力之一是提高图像亮度和衬比度。最近，强大的电影院和投影仪公司已转向激光技术。与使用氙灯的传统投影仪相比，使用基于激光的投影仪以更低的拥有成本(包括更长的寿命)提供了具有更宽色域和更高对比度的更亮的图像。然而，仅仅改善显示器的亮度可以清除暗色调并将它们变成中灰色。因此，除了新的激光光源之外，业界还需要显著扩大图像衬比度，其是场景亮度的最低部分的强度与场景的最大亮度部分的强度之比。换句话说，随着衬比度的扩大，图像可能更忠实地表现真实世界的场景。大动态范围(HDR)技术的投影显示器部分地满足了这种需要。

先进的HDR显示器设计基于数字光投影仪(DLP)，其允许动态范围超过50000∶1并声称高达1000000∶1。DLP投影仪是基于DLP芯片的，所述DLP芯片是一种数字微镜器件(DMD)，由数百万个小镜子组成，宽度不超过人类头发宽度的五分之一。该芯片中的每个镜子都能够独立调节，从而改变其相对于光源的角位置，以产生暗像素或亮像素。然而，此时，图像是灰度的。通过在到达芯片之前穿过旋转棱镜的光束将颜色馈送给DMD。棱镜的每个部分都传递一种颜色。最初只支持红色、蓝色和绿色这些基本颜色。在更高级的系统中，除原色外，棱镜还支持青色、品红色和黄色。虽然这些芯片可以产生高达1670万种颜色，但是采用三芯片架构的DLP投影仪可以传达高达35万亿种颜色。在颜色到达DMD后，图像被馈送通过透镜并被馈送到投影屏幕上。

在产生阶段期间，相机视频信息由HDR投影仪显示器的基于计算机的处理单元来处理。通常，通过基于最初存储在具有图像转换单元或缩放器的相机控制单元中的各种标准输入图像信号来完成上述操作。缩放器将输入图像信号积分成具有投影格式的图像信号，将这些信号存储在视频RAM中，然后将它们发送给处理单元。处理单元每个均使用发送的图像信号来基于以下项来驱动反射型微元件：符合预定格式的帧速率(例如，每秒60帧)、颜色成分的划分数和其中乘以了显示灰度数的更高速度的分时共享驱动。

实际上，处理单元被设计成基于从相机传输的数据来增强衬比度。因此，该单元的操作基于特定算法，该特定算法对基于激光的光源的输出和DMD的选择性“开”、“关”位置进行控制管理。然而，在一些已知的HDR投影仪中，基于激光的光源不一定有效地操作，这导致光源的相对短的使用寿命、高维护成本和其他已知缺点。因此，期望优化在HDR投影仪中基于激光的光源的操作。

此外，至少一些HDR投影仪进行操作使得摄像师、电影制作者和其他人没有改变激光源的输出以根据他/她的创意改变预编程的衬比度的手段。因此，期望提供具有衬比度改善方案的HDR显示器，从而允许电影制作者调制基于激光的光源的强度。

附图说明

图1是包括对激光源输出的调制的HDR的本发明构思的示意图。

图2示出了基于RGB激光的光源的一种配置。

图3示出了基于激光的光源的另一种配置。

图4A至图4C示出了所公开的绿光光纤激光系统的架构和工作原理。

图5示出了DMD芯片的示意性端部视图。

图6示出了光学方案的示意图，该光学方案包括图1至图3的一个或多个光源，从而为若干显示器供电。

具体实施方式

图1示出了HDR投影显示系统50，其分别在红光、绿光和蓝光激光源52、54和56中的每一个与HDR投影仪60的控制单元18之间设置有控制信道，从而允许操作者调制每个光源的输出，以便在需要的情况下改变最初根据机载算法创建的图像的亮度。

特别地，所公开的显示器50可操作为根据任何给定视频帧(构成完整运动画面的许多单独静止图像之一)以及在连续帧之间改变激光器的操作。这可以通过使用与激光系统52、54和56的输入耦接的控制器55并且响应于输入到控制器55的外部信号而改变激光器输出中的每一个或任何组合的强度来实现。例如，一旦对比度满足电影制作者的要求，则将改变的强度存储在HDR投影仪60的控制处理单元18中。后者具有至少一个光调制器，但也可以配置有两个光调制器，其中每个光调制器包括与相应原色(红色、绿色和蓝色)相对应的三个DLP引擎。

简要回顾HDR显示器50的操作，两个或所有三个激光系统发射相应输出光束，然后将其组合成白光，该白光在矩形积分棒中经历均匀化，以输出均匀化的组合光束。然后，均匀化的光束入射到飞利浦棱镜上，在该棱镜处被分成红色、绿色和蓝色分量。这些分量照亮各自的DLP引擎，每个DLP引擎形成像素阵列中相应颜色的图像。从相应DLP引擎反射的相应入射光分量的片段可以被进一步重新组合以进一步增强衬比度，和/或通过透镜40直接投影在屏幕30上。

在某些RGB显示器中，每种原色有2¹⁶或65636且甚至更高的可能等级。通常，与包含多色图像的帧相比，很少出现具有均匀白色或黑色的帧。这些彩色图像的衬比度需要将两种或三种原色的光混合在一起，其中，所述两种或三种原色的光具有由算法操作控制器18确定的不同程度的光强度，且算法操作控制器18将相应DMD定位在期望的开、关位置和位置之间。

任何给定的帧或图像通常具有由已知传感器系统确定的最亮点和最暗点。众所周知，即使当DMD处于“关闭”位置并且不反射光时，后者仍然会泄漏到屏幕上。没有人会真正惊讶于因为漏光而看到带有浅色痕迹的应当是黑色的屏幕。然而，本发明构思允许例如通过根据任何给定帧减小选择性的一个激光器或多个激光器的输出强度或者完全关闭不必要的激光系统来显著减小暗帧上的不需要的光迹。针对任何给定帧的与每个激光系统的强度有关的所有必要信息被存储在控制器18中，并被用于在如此编辑的帧将要在屏幕30上成像时分别通过反馈回路R62、G 64和B 66自动降低/增加光源的输出强度。

激光系统52、54和56以脉冲制式工作，并且可以选择性地受控以与镜子到“开”或“关”位置的位移同步地输出脉冲。如下面详细讨论的，红色和绿色光纤系统52、54分别以明显超过帧速率的脉冲重复率工作。通常，每帧的持续时间约为15μs，其基本上大于脉冲重复率。帧和脉冲重复率的差异有助于增强的动态对比度控制，如下面所解释的。

结合图5可以更好地理解以上内容，图5示出了DLP芯片84。假设只有位于例如芯片84底部的DMD 86的一部分需要处于“开”位置。可以操作光纤系统的脉冲源或光源，使得光纤激光系统根据来自控制器18的命令与所需DMD到“开”位置的位移同步地输出脉冲。通过控制相应光纤系统的脉冲光源的占空比，可以容易地建立DMD和光纤系统52-56的脉冲光源的这种同步操作。除了预编程的同步之外，操作者还可以通过使用外部输入55手动地重写程序并改变预定的对比度。对光纤激光系统输出的调制进行控制，使得绿色、红色和蓝色系统中的每一个中的光的频率转换效率不受影响。

除非需要完全黑暗，否则每个帧总是具有最亮点，该点通常低于与芯片的所有DMD的开位置相对应的最大可能亮度。这允许根据任何给定帧优化激光器操作。由投影仪60的控制器18从相机接收的数据包括在每个帧的每个DLP处的处于“开”位置的DMD的数量以及处于关闭位置的相应DMD的数量，以提供期望的衬比度。然而，通常，光激光源的输出功率保持在可以提供所需对比度的所需最小值以上的恒定水平或等级。激光器的这种操作可能不利地影响其功能和维护成本。

为了最小化上述缺点，控制器18可操作为确定为获得在任何给定帧上确定的最亮像素和最暗像素之间的期望对比度所需的所有激光系统或选择性激光系统52-56的最小平均功率，而最亮像素和最暗像素通过技术人员已知的手段94确定。一旦确定了对于计算出的比率的最小平均功率，控制器18可操作为以帧速率可控地降低所有激光系统或选择性激光系统的平均输出功率。所公开的结构和方法有助于降低操作温度并减小激光源的功耗，这些都导致其更长的使用寿命和低成本维护。

图1的结构还具有可由电影制作者访问的外部输入55。有时需要覆写激光系统的预编程输出或新确定的输出。利用输入55，电影制作者可以根据他/她的创意手动地调制输出强度，以获得可以进一步存储在CPU 18中的期望比率。

优选地，所公开的光源分别包括红色、绿色和蓝色光纤激光系统52、54和56。然而，本公开的范围不仅仅限于光纤系统，并且可以包括二极管、光纤和其他激光器配置的组合。例如，蓝光激光系统56优选地基于二极管激光器，而红光和绿光激光系统52、54可以是基于光纤激光器的系统。光纤激光器系统被配置为经由传输光纤串(fiber train)输出被引导到投影仪60的脉冲光。激光系统52-56中的每一个可以具有一个或多个激光器模块，每个激光器模块仅包括光纤振荡器，但通常具有主振荡器功率光纤放大器(MOPFA)架构。

图2示出了所公开的光源的一种配置，其中所选择的光纤激光器系统52-56均包括具有相应的传输光纤72₁-72_n的多个模块70₁-70_n。发出均匀彩色光的模块由控制器18控制，控制器18可操作为根据给定帧需要，降低一些或所有模块的输出强度，或者完全关闭它们。

图3示出了所公开的光源的另一种配置，其中所选择的光纤激光器系统52-56均包括单个模块74。然而，模块74的输出可以通过多个传输光纤72₁-72_n被选择性地引导到投影仪60。传输光纤72之间的光分布可以通过由控制器18操作的扫描器76来实现，控制器18使扫描器的操作与所选DMD的开/关位置和定位同步。

图2和图3所示的所公开的激光源的方案均可以另外具有光纤组合器80，该光纤组合器80具有将来自多个光纤72₁-72_n的累积光引导到图1的投影仪60的输出光纤82。类似于没有组合器的图2和图3的配置，具有组合器的方案进行操作使得相同颜色的光可以在被耦接进入单个输出光纤82之前沿选择性的传输光纤72₁-72_n被引导。

回到上面讨论的图5，在没有组合器80的修改的图2和图3的任何相应配置中，引导相同颜色的相应传输光纤72的输出端可以与对应的DMD芯片84直接并置。利用图1的控制电路的灵活性，相同颜色的光可以仅由与芯片84的所需段相对的那些光纤72引导。除了DMD和光源的同步操作之外，还可以利用该特征。

已知光纤激光器具有长寿命和高墙插效率、超高空间亮度以及在近乎准直的光束中非常小的光点的输送功率。这种独特的光学性质实现了电影的关键性能以及最终实现新型的激光照明：将几乎无限量的RGB光输入到数字投影仪的能力以及通过高效、灵活的光纤输送千瓦可见光的能力。光纤激光器的另一个显著特征是其固有的窄带，这有助于感知完全饱和的颜色。

不幸的是，入射在随机粗糙表面(例如，投影屏幕30)上的窄带光也引入了被称为“散斑”的不可接受的图像伪像。散斑的视觉效果降低了图像的美学质量，并且还导致图像分辨率的降低。因此，在高分辨率显示系统的背景下，通常认为必须消除散斑。理想地，投影显示光源的光谱带宽应是几纳米量级，最小值为4nm，并且理想的宽度约为20nm。这种光源可以被认为是准单色的，对于消除散斑而言频带足够宽，但是对于色纯度而言频带足够窄。所公开的光源被配置为输出宽线辐射，其使散斑效应最小化，如下所述。

众所周知，帧速率至多为每秒120帧。事实上，帧速率通常不高于60fps或60Hz。这远低于可以调制激光输出的频率，该频率通常在KHz和更高的频率范围内。这种高频率甚至可以允许在连续帧之间完全关闭激光源。同样，光源的效率提高，这是竞争激烈的电影和显示器行业的决定性优势。

还有一种光源修改包括使用一个大功率光纤激光源，其通过光束开关组件65为若干HDR显示器供电，如图6所示。这种架构特别适合主题公园。对具有图1至图3的单个激光源的多个显示器的使用可以通过利用光束开关来实现。

众所周知，通常用作光纤中的发光离子的稀土金属离子在相应的预定波长范围内发光。如果所需波长范围在任何给定类型的发光离子的自然可用范围之外，则使用其他技术。例如，红色、绿色和蓝色波长范围中的每一个可以通过使用频率转换技术来获得。

图4A示意性地示出了根据本公开的绿色光纤激光器系统52的一种修改。光纤激光泵85优选地具有在1微米范围内输出脉冲宽带光的MOPFA架构，例如对于镱(Yb)离子通常是1064μm，并且具有小于2且优选地小于1.1的良好M²因子。线宽在1nm和30nm之间的宽带光入射在二次谐波发生器(SHG)上，该二次谐波发生器包括非临界相位匹配的非线性晶体90(例如，硼酸锂(LBO))，其被可控地定位以在晶体内具有光束束腰。晶体90的输出包括宽带绿光，其光谱线宽λ1-λn高达10nm，甚至15nm，并以约532nm波长为中心。

可以通过沿着晶体90的基本整个长度产生恒定的温度梯度来引发频率转换带宽。晶体90的相位匹配波长取决于晶体温度。当在晶体内施加恒定的温度梯度时，在沿提供宽转换带宽的晶体的不同位置处满足针对限定λ1-λn范围的不同波长的相位匹配条件。后者不仅仅足以抑制散斑。

通过分别实施由图1的控制器18控制的两个热电冷却器(TEC)92、94，可以实现期望的温度梯度T_n-T₁，以便保持期望的温度梯度而不管环境条件如何。随着温度T1高于T_n，转换的波长从λ1增加到λn。

激光泵的光束可以具有钟形形状，如图4B所示。然而，线宽λ1-λn略小于图4B的平顶光束的线宽。在许多情况下，平顶光束因此是优选的。可以通过任何合适的方法沿双箭头A移动TEC 92和94来控制转换的波段。目前，晶体90可以具有高达5mm的长度，但是更长的晶体有待测试。

绿色光纤激光器系统的另一种配置在与本申请共同拥有的WO20150916(′916)中公开，并且通过引用完全并入本文。红色光纤激光源可以具有也在WO′916中公开的配置，并且通过引用完全并入本文。

尽管以所公开的示例描述了本公开，然而在不脱离所附权利要求的范围和精神的前提下，本领域技术人员应清楚对上述实施例的多种修改和/或添加。

Claims (12)

1.一种大动态范围投影仪，包括：

至少一个空间光调制器，具有红色数字光投影仪DLP芯片、绿色DLP芯片和蓝色DLP芯片；

光激光源，包括用于照射相应DLP芯片的红色脉冲光激光系统、绿色脉冲光激光系统和蓝色脉冲光激光系统，所述绿色脉冲光激光系统包括：

泵，输出具有1nm至20nm带宽的脉冲型的宽带光束，

二次谐波发生器，包括非线性晶体并被配置为接收所述宽带光束；和

多个热电冷却器，操作用于在所述非线性晶体内施加温度梯度，以便沿所述非线性晶体的整个长度为所述宽带光束的带宽内的多个波长提供相位匹配条件，其中来自所述非线性晶体的绿色光束具有宽转换带宽，所述宽转换带宽是所述宽带光束的带宽的一半且足以抑制屏幕上的散斑；和

中央处理单元CPU，耦接到所述红色DLP芯片、所述绿色DLP芯片、所述蓝色DLP芯片和相应脉冲光激光系统，其中CPU可操作用于以基于期望对比度的帧速率确定所述红色脉冲光激光系统、所述绿色脉冲光激光系统和所述蓝色脉冲光激光系统中的每一个的优化平均功率，其中每个脉冲光激光系统可操作用于与相应脉冲光激光系统的数字微镜到“开”位置的位移同步地输出脉冲。

2.根据权利要求1所述的大动态范围投影仪，还包括：传感器系统，可操作用于检测每个帧上的最亮像素和最暗像素，并产生耦接到CPU中的相应信号，其中所述CPU可操作用于确定所述期望对比度。

3.根据权利要求1或2所述的大动态范围投影仪，还包括：控制信道，所述控制信道接收来自电影制作者的外部输入，并且可操作用于调制所述光激光源的输出，以便改变所述期望对比度。

4.根据权利要求1所述的大动态范围投影仪，其中，所述红色脉冲光激光系统和所述绿色脉冲光激光系统中的每一个被配置为具有主振荡器功率光纤放大器MOPFA架构。

5.根据权利要求1所述的大动态范围投影仪，其中，所述红色脉冲光激光系统和所述绿色脉冲光激光系统中的每一个包括单个主振荡器功率光纤放大器MOPFA模块和多个传输光纤。

6.根据权利要求1所述的大动态范围投影仪，其中，所述红色脉冲光激光系统和所述绿色脉冲光激光系统中的每一个均包括多个主振荡器功率光纤放大器MOPFA模块，每个MOPFA模块设置有传输光纤。

7.根据权利要求5或6所述的大动态范围投影仪，还包括：光纤组合器，将传输光纤的输出端组合成单个系统输出光纤。

8.根据权利要求1所述的大动态范围投影仪，其中，来自所述泵的宽带光束具有钟形形状或平顶形状。

9.根据权利要求1所述的大动态范围投影仪，其中，所述CPU可操作用于使所述光激光源在连续图像之间被完全去激励。

10.一种在根据权利要求1所述的大动态范围投影仪中动态增强对比度的方法，包括：

确定每帧的最大对比度；以及

调制激光源的输出，使得所述输出具有在一帧速率下提供所确定的对比度所需的最小平均功率。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：响应于外部信号将控制信号输入到所述激光源中，从而选择性地调制所述输出，以便改变所述输出的最小平均功率。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述激光源在连续图像之间被去激励。

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