CN112470063A

CN112470063A - 用于使用傅里叶滤光器增大对比度的数字激光投影的系统和方法

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Publication number: CN112470063A
Application number: CN201980016145.1A
Authority: CN
Inventors: J·P·佩蒂耶拉; M·J·理查兹
Original assignee: Dolby Laboratories Licensing Corp
Current assignee: Dolby Laboratories Licensing Corp
Priority date: 2018-04-02
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2021-03-09
Also published as: WO2019195182A1; EP4270113A2; EP3776064A1; RU2020128414A; JP7379352B2; EP4270113A3; EP3776064B1; CA3090821A1; US20210141238A1; BR112020016998A2; JP2021517660A; JP2024026064A; BR112020016998B1; MX2020008973A

Abstract

一种用于增大由空间光调制器生成的图像的对比度的滤光器，包括用于对来自空间光调制器的调制光进行空间傅里叶变换透镜、以及定位于透镜的傅里叶平面处用于对调制光进行过滤的滤光器掩模。调制光具有多个衍射级，并且滤光器掩模透射调制光的衍射级中的至少一个衍射级并阻挡调制光的其余部分。一种改善由空间光调制器生成的图像的对比度的方法包括：将来自空间光调制器的调制光进行空间傅里叶变换到傅里叶平面上、以及通过在傅里叶平面处透射调制光的至少一个衍射级并在傅里叶平面处阻挡调制光的其余部分，对调制光进行过滤。

Description

用于使用傅里叶滤光器增大对比度的数字激光投影的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年4月2日提交的美国临时专利申请号62/651,657和2018年6月28日提交的欧洲专利申请号EP18180390.9的优先权，每个专利申请通过援引并入本文。

背景技术

投影仪的对比度表明投影仪的最亮输出相对于投影仪的最暗输出。对比度比率是对比度的量化度量，被定义为投影仪的最亮输出的亮度与投影仪的最暗输出的亮度之比。对比度比率的这种定义又称为“静态”或“原生”对比度比率。

由于人类视觉系统的视觉适应性，观看者可检测到的亮度范围对应于大约1,000,000,000:1的对比度比率，即使在任何时刻，可检测的亮度范围对应于小于这个值的对比度比率。例如，在暗视觉中，仅由人眼的视杆细胞介导，对于某些观看者而言，在任何时刻，可检测到的对比度比率可能高达1,000,000:1，这取决于观察的场景、用户的适应状态和生物学因素。

电影院环境中的观看者随时可能处于不同的适应状态，并因此可能观看到同一场景有不同的对比度比率。观看者之间的适应状态的变化可能是由于相对于屏幕的座位位置不同、每个观看者在屏幕上聚焦的位置以及每个观看者何时以及多久闭一次眼。当多个观看者使用电影院时，理想的投影仪的对比度比率足够高以为所有观看者准确地再现图像。

一些符合数字电影倡导组织(DCI)规范的投影仪的对比度比率为2,000:1或更小。对于这些数字投影仪，可以以足够高的亮度投影图像的暗区域和/或黑区域，以使这些区域显得比预期的更亮。

实施例的概述

在第一方面，一种用于增大由空间光调制器生成的图像的对比度的滤光器，包括透镜，该透镜被配置为对来自空间光调制器的调制光进行空间傅里叶变换，所述调制光包括多个衍射级。滤光器还包括滤光器掩模，所述滤光器掩模定位在透镜的傅里叶平面处，并且被配置为通过透射调制光的至少一个衍射级并阻挡调制光的其余部分来对通过透镜进行空间傅里叶变换的调制光进行过滤。

在第一方面的某些实施例中，至少一个衍射级是零级衍射级。

在第一方面的某些实施例中，滤光器掩模具有透射区域，该透射区域被配置为透射调制光的零级衍射级。

在第一方面的某些实施例中，至少一个衍射级包括零级衍射级和一个或多个一级衍射级。

在第一方面的某些实施例中，滤光器掩模具有透射区域，该透射区域被配置为透射零级衍射级和一级衍射级中的两个一级衍射级。

在第一方面的某些实施例中，调制光是红光、绿光和蓝光中的一种。

在第二方面，一种用于生成对比度增大的图像的调制器系统包括第一方面的滤光器、以及实现空间光调制器的数字微镜器件。

在第三方面中，一种用于生成对比度增大的图像的调制器系统包括第一方面的滤光器、以及准直透镜，该准直透镜被定位成准直由滤光器掩模透射的调制光的至少一个衍射级。

在第四方面，一种用于生成对比度增大的图像的调制器系统包括第一、第二和第三空间光调制器，第一、第二和第三空间光调制器被配置为根据图像调制相应的第一、第二和第三光，以生成相应的第一、第二和第三调制光。调制器系统还包括第一方面的滤光器的三个实例，其形成相应的第一、第二和第三滤光器，第一、第二和第三滤光器被配置为透射相应的第一、第二和第三调制光的至少一个衍射级从而生成相应的第一、第二和第三过滤光，并阻挡相应的第一、第二和第三调制光的其余部分。调制器系统还包括束组合器，该束组合器被配置为将第一、第二和第三过滤光组合成输出光。

在第四方面的某些实施例中，相应的第一、第二和第三滤光器的第一、第二和第三滤光器掩模中的每一个具有至少一个透射区域，透射区域被配置为分别透射所述第一、第二和第三调制光的零级衍射级和一个或多个一级衍射级。

在第四方面的某些实施例中，第一、第二和第三空间光调制器中的每一个是数字微镜器件。

在第四方面的某些实施例中，第一、第二和第三光分别是红色的、绿色的和蓝色的。

在第四方面的某些实施例中，调制器系统还包括第一、第二和第三输出透镜，第一、第二和第三输出透镜被定位成在通过束组合器组合之前分别准直第一、第二和第三过滤光。

在第四方面的某些实施例中，调制器系统还包括投影仪透镜，该投影仪透镜被配置为将输出光投影到屏幕上。

在第五方面中，一种用于生成对比度增大的图像的时分多路复用调制器系统包括空间光调制器，该空间光调制器被配置为根据图像将时分多路复用光调制为形成第一、第二和第三调制光的重复序列的时分多路复用调制光。时分多路复用调制器系统还包括透镜以及滤光轮。该透镜被配置为将所述时分多路复用调制光进行空间傅里叶变换到傅里叶平面上。滤光轮定位在傅里叶平面处，并且包括多个滤光器掩模的滤光轮，每个滤光器掩模被配置为通过透射第一、第二和第三调制光中的相应的一个的至少一个衍射级并阻挡第一、第二和第三调制光中的所述相应的一个的其余部分来对通过透镜进行空间傅里叶变换的第一、第二和第三调制光中的所述相应的一个进行过滤。滤光轮被配置为与时分多路复用调制光同步地旋转，使得当时分多路复用调制光是第一、第二和第三调制光中的所述相应的一个时，每个滤光器掩模被定位在傅里叶平面处的时分多路复用调制光中。

在第五方面的某些实施例中，空间光调制器是数字微镜器件。

在第五方面的某些实施例中，多个滤光器掩模是三组个滤光器掩模，为正整数，所述三组中的每一组均被配置为对所述第一、第二和第三调制光中的相应的一个调制光进行过滤。

在第五方面的某些实施例中，多个滤光器掩模包括分别被配置为过滤第一、第二和第三调制光的第一、第二和第三滤光器掩模。

在第五方面的某些实施例中，第一滤光器掩模具有被配置为透射第一调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级的透射区域，第二滤光器掩模具有被配置为透射第二调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级的透射区域，第三滤光器掩模具有被配置为透射第三调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级的透射区域。

在第五方面的某些实施例中，第一、第二和第三调制光分别是红色的、绿色的和蓝色的。

在第五方面的某些实施例中，滤光轮还被配置为：不均匀地旋转，以在每个滤光器掩模定位在所述时分多路复用调制光中时停止。

在第五方面的某些实施例中，时分多路复用调制器系统还包括投影仪透镜，该投影仪透镜被配置为将由滤光轮透射的相应的第一、第二和第三调制光的至少一个衍射级投影到屏幕上。

在第六方面，一种用于改善由空间光调制器生成的图像的对比度的方法包括将来自空间光调制器的调制光进行空间傅里叶变换到傅里叶平面上，该调制光包括多个衍射级。该方法还包括通过在傅里叶平面处透射调制光的至少一个衍射级并在傅里叶平面处阻挡调制光的剩余部分来对调制光进行过滤。

在第六方面的某些实施例中，至少一个衍射级是零级衍射级。

在第六方面的某些实施例中，透射包括将零级衍射级透射通过滤光器掩模的透射区域。

在第六方面的某些实施例中，至少一个衍射级包括零级衍射级和一个或多个一级衍射级。

在第六方面的某些实施例中，透射包括将零级衍射级和一个或多个一级衍射级透射通过滤光器掩模的透射区域。

在第六方面的某些实施例中，调制光是红光、绿光和蓝光中的一种。

在第六方面的某些实施例中，该方法还包括操纵空间光调制器的多个微镜以生成调制光。

在第六方面的某些实施例中，该方法还包括在透射之后准直至少一个衍射级。

在第七方面，一种投影对比度增大的彩色图像的方法包括根据彩色图像对第一、第二和第三输入光进行空间调制，以生成相应的第一、第二和第三调制光，第一、第二和第三调制光中的每一个都包括多个衍射级。该方法还包括通过以下方式将第一、第二和第三调制光过滤成相应的第一、第二和第三过滤光：(i)透射相应的第一、第二和第三调制光的衍射级中的至少一个衍射级，(ii)阻挡相应的第一、第二和第三调制光的其余部分，以及(iii)将第一、第二和第三过滤光组合成输出光。

在第七方面的某些实施例中，第一、第二和第三输入光分别是红色的、绿色的和蓝色的。

在第七方面的某些实施例中，该方法还包括将输出光投影到屏幕上。

在第八方面中，一种用于产生和投影对比度增大的图像的时分多路复用方法包括根据图像，通过空间光调制器对时分多路复用光进行调制，以生成形成第一、第二和第三调制光的重复序列的时分多路复用调制光。该方法还包括通过透镜对时分多路复用调制光进行空间傅里叶变换、以及通过与时分多路复用调制光同步地旋转滤光轮来对时分多路复用调制光进行过滤。滤光轮包括多个滤光器掩模，每个滤光器掩模被配置为对由透镜进行空间傅里叶变换的第一、第二和第三调制光中的相应的一个调制光进行过滤。旋转包括：当时分多路复用调制光是第一、第二和第三调制光中的对应调制光时，将每个滤光器掩模被定位在傅里叶平面处的时分多路复用调制光中。

在第八方面的某些实施例中，空间光调制器是数字微镜器件。

在第八方面的某些实施例中，多个滤光器掩模是三组个滤光器掩模，为正整数，所述三组中的每一组均被配置为对所述第一、第二和第三调制光中的相应一个调制光进行过滤。

在第八方面的某些实施例中，多个滤光器掩模是分别被配置为过滤第一、第二和第三调制光的第一、第二和第三滤光器掩模。

在第八方面的某些实施例中，过滤包括通过第一滤光器掩模的透射区域，透射第一调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级，通过第二滤光器掩模的透射区域，透射第二调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级；以及通过第三滤光器掩模的透射区域，透射第三调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级。

在第八方面的某些实施例中，第一、第二和第三调制光分别是红色的、绿色的和蓝色的。

在第八方面的某些实施例中，旋转还包括：不均匀地旋转，以及在第一、第二和第三滤光器掩模中的每一个定位在所述时分多路调制光中时停止。

在第八方面的某些实施例中，该方法还包括在过滤之后将经过滤的时分多路复用调制光投影到屏幕上。

附图说明

图1是在实施例中的滤光器的功能图，该滤光器改善由空间光调制器生成的图像的对比度。

图2和图3分别是作为数字投影仪的一部分、用于生成图像的数字微镜器件(DMD)的前视图和侧视图。

图4是实施例中对来自图2和图3的DMD的调制光进行空间过滤的滤光器的侧视图。

图5和图6是包括投影仪透镜和图2和图3的DMD但不包括图1的滤光器的示例数字投影仪的侧视图。

图7和图8分别是开(ON)和关(OFF)调制光的示例夫琅禾费衍射图形的强度图。

图9至图14是实施例中图4的滤光器掩模的示例的前视图，示出了(一个或多个)透射区域的示例配置。

图15是实施例中通过以空间多路复用方式对每个颜色通道进行光过滤实现投影仪对比度比率增大的示例多色数字投影仪的功能图。

图16是实施例中通过不同颜色通道的时分多路复用光过滤实现投影仪对比度比率增大的示例多色数字投影仪的功能图。

图17是根据实施例用作图16的多色数字投影仪的输入光的时分多路复用光的光功率与时间的曲线图。

图18是实施例中具有三个扇区的示例滤光轮的前视图，每个扇区包含一个滤光器掩模。

图19是实施例中具有六个扇区的示例滤光轮的前视图，每个扇区包含一个滤光器掩模。

图20示出了实施例中用于改善由空间光调制器生成的图像的对比度的方法。

图21示出了实施例中用于通过以空间多路复用的方式对每个颜色通道进行光过滤来投影对比度增大的彩色图像的方法。

图22示出了实施例中用于生成和投影对比度增大的彩色图像的时分多路复用方法。

图23是模拟实验的侧视图。

图24至图26是对比度比率和光效率与半角的曲线图，其是从图23的模拟实验数值地获得的。

图27是当光波长为532nm并且DMD的所有微镜均处于打开(ON)位置时图23的模拟实验的夫琅禾费衍射图形。

图28是当光波长为617nm并且DMD的所有微镜均处于ON位置时图23的模拟实验的夫琅禾费衍射图形。

图29是当微镜的ON和OFF倾斜角分别是+12.1°和-12.1°时，在617nm波长下操作的图23的模拟实验数值地获得的对比度比率与光效率的曲线图。

图30和图31是对比度比率与微镜倾斜角的曲线图，其是从图23的模拟实验数值地获得的。

图32是随输入光的角度分集而变的对比度比率和光学效率曲线图，其是在图23的模拟实验在532nm波长处数值地获得的。

图33和34是图23的模拟实验的夫琅禾费衍射图形，示出了由于输入光的角度分集引起的衍射峰的变宽。

图35示出了确定如何控制图2和图3的DMD的微镜以显示一个视频帧的示例性位平面的时间序列。

图36是重构帧，示出了当图35的示例性位平面控制图2和图3的DMD显示这一个视频帧时这一视频帧如何出现。

图37示出了实施例中形成随机化位平面序列的一部分的随机位平面的一个示例，该随机化位平面序列可以与本文的实施例一起使用以减少图36的重构帧中伪影的存在。

图38是重构帧，示出了当随机化位平面序列控制图2和图3的DMD显示这一视频帧时这一个视频帧如何出现。

具体实施方式

图1是滤光器110的功能图，该滤光器改善了通过空间光调制器(SLM)生成的图像的对比度。图1示出了在一个使用场景中的滤光器110，在该使用场景中，滤光器110被实现在数字投影仪100中以增大由数字投影仪100投影到屏幕116上的图像的对比度。数字投影仪100包括SLM 102，其根据表示要由数字投影仪100投影的图像的输入数据将输入光106调制为调制光104。

滤光器110通过阻挡调制光104的一部分114来过滤调制光104，在没有滤光器110时，甚至是在SLM 102被控制不向屏幕116输出光时，数字投影仪100也会将这部分调制光投影到屏幕116上。滤光器110输出调制光104的透射部分作为过滤光108。数字投影仪100包括将过滤光108投影到屏幕116上的投影透镜112。在没有滤光器110时，调制光104的被阻挡的部分114对应于数字投影仪100的发光强度的下界限，并因此决定了投影图像的暗度。通过阻挡调制光104的被阻挡的部分114，滤光器110减小了下界限，由此增大了数字投影仪100的对比度。

如下面更详细地描述的，调制光104的被阻挡的部分114对应于当输入光106从SLM102衍射时产生的调制光104的一个或多个衍射级。SLM 102可以是如下任何类型的空间光调制器：其(1)具有充当衍射光栅的周期性结构，并且(2)调制输入光106的光学相位以在两种状态(例如，开(ON)和关(OFF)状态)之间导向(steer)光。在一个示例中，SLM 102是数字微镜器件(DMD)，该数字微镜器件通过倾斜多个微镜以调制输入光106的光学相位来导向光。在其他示例中，SLM 102是反射式硅基液晶(LCOS)相位调制器或透射式液晶(LC)相位调制器，它们中的每个均通过调制液晶的折射率来导向光。

图2和图3分别是作为数字投影仪(例如，数字投影仪100)的一部分、用于生成图像的DMD 200的前视图和侧视图。DMD 200是SLM 102的一个示例。在以下描述中最好一起查看图2和图3。

DMD 200是微光机电系统(MOEMS)SLM，其具有多个正方形微镜202，这些正方形微镜成以二维矩形阵列布置在位于xy平面中的基板204上(参见右侧坐标系220)。在某些实施例中，DMD 200是Texas Instruments(德州仪器)的数字光处理器(DLP)。每个微镜202可以对应于图像的一个像素，并且可以通过静电致动(electrostatic actuation)而围绕旋转轴208(其与x轴成-45°定向)倾斜以导向输入光206。为了清楚起见，图2仅示出了在DMD 200的拐角和中心处的代表性微镜202，并且并非所有的微镜202都在图3中被标记。

图3示出了被倾斜以导向输入光206的微镜202。微镜202(1)被致动在ON位置，以将输入光206镜面反射成平行于z轴的“ON”反射光306(参见坐标系220)。微镜202(2)被致动在OFF位置，以将输入光206镜面反射为指向束收集器(未示出)的OFF反射光320，该束收集器吸收OFF反射光320。微镜202(3)未被致动，平行于基板204(例如，xy平面)处于平坦状态。每个微镜202的前表面304可以涂覆有沉积的金属(例如，铝)层，该金属层充当用于反射输入光206的反射表面。相邻微镜202之间的间隙310可以是吸收性的(absorptive)，即进入间隙310的输入光206被基板204吸收。为了清楚起见，未示出将微镜202物理地耦接到基板204的机械结构。在不脱离本发明的范围的情况下，DMD 200可以被实现为沿与图3所示的方向不同的相应方向引导ON反射光306和OFF反射光320。另外，DMD 200可以被配置为使得当未被致动时，每个微镜202与基板204成任何角度。

可以通过仅考虑输入光206离开微镜202的镜面反射来设计使用DMD 200的数字投影仪。然而，微镜202和间隙310协作以形成衍射输入光206的二维光栅。因此，远离DMD 200传播的调制光可以在DMD 200的远场区域中或在透镜的焦平面处形成多个衍射级，这些衍射级可作为夫琅禾费衍射图形(分别参见图7和图8的衍射图形700和800)来观察。每个衍射级对应于沿唯一的相应方向远离DMD 200传播的一个光束。通过设计，来自DMD 200的调制光的大部分光功率处于零级衍射级，对应于镜面反射的ON和OFF反射光306和320。

DMD 200对输入光206的衍射可以减少使用DMD 200的数字投影仪(例如，在没有滤光器110的情况下的图1的数字投影仪100)的投影仪对比度比率(PCR)。投影仪的PCR在本文中被定义为在由投影仪照射的(illuminated)投影屏幕(例如，图1的屏幕116)处测量的ON和OFF发光强度(或等效地，第一和第二测光亮度(photometric luminance))的比率。当控制投影仪分别输出其最亮的输出(例如，白色)和最暗的输出(例如，黑色)时，会生成ON和OFF发光强度。当数字投影仪使用DMD 200时，当所有微镜202分别处于ON和OFF位置时，将生成ON和OFF发光强度。

DMD 200如何衍射输入光206可以通过各种参数确定，比如(1)输入光206的波长，(2)输入光206的方向，(3)DMD 200的间距(pitch)212，(4)DMD 200的间隙310的宽度210，以及(5)微镜202的ON和OFF倾斜角。如图2所示，沿DMD 200的x和y方向，间距212等于宽度210和微镜边缘长度218之和。间距212可以在5微米到15微米之间。宽度210可以小于1微米。在一个示例中，间距212在7微米到8微米之间，而宽度210在0.7微米到0.9微米之间。

图4是滤光器400的侧视图，该滤光器对来自DMD 200的调制光402进行空间过滤以增大数字投影仪100的PCR。滤光器400是一个示例性滤光器110。在滤光器400中，在不脱离本发明的范围的情况下，DMD 200可以由另一类型的SLM 102(例如，反射式LCOS或透射式LC相位调制器)代替。滤光器400包括透镜404，该透镜通过将调制光402聚焦到傅里叶平面408上来对调制光402进行空间傅里叶变换。调制光402在图4中示出为多个箭头，每个箭头对应于一个衍射级并且指向该衍射级沿着其传播的唯一方向。在一个实施例中，如图4中所示，DMD 200以透镜404限定的光轴422为中心。在另一个实施例中，DMD 200相对于光轴422偏离中心(off-centered)。透镜404具有焦距410，并且傅里叶平面408位于透镜404的焦平面处。当通过透镜404进行傅里叶变换时，位于傅里叶平面408处的滤光器掩模412对调制光402进行空间过滤。通过透镜404施加的空间傅里叶变换将调制光402的每个衍射级的传播角转换为傅里叶平面408上的对应空间位置。透镜404由此能够通过在傅里叶平面408处进行空间过滤来选择期望的衍射级，并拒绝不期望的衍射级。调制光402在傅里叶平面408处的空间傅里叶变换等效于调制光402的夫琅禾费衍射图形。

滤光器掩模412具有至少一个透射区域416，该透射区域通过滤光器掩模412全部或部分地透射调制光402的至少一个衍射级，作为过滤光414。在某些实施例中，当入射了不期望的衍射级的调制光402时，滤光器掩模412是不透明的。在一些实施例中，滤光器掩模412是不透明的，其中滤光器掩模412不具有透射区域416。在其他实施例中，滤光器掩模412被配置为反射(与透射相反)期望的衍射级，以在空间上将期望的衍射级与不期望的衍射级分开。

在一个实施例中，滤光器400包括将过滤光414准直成准直光420的准直透镜418。准直透镜418可以简化滤光器400与其他光学元件或系统的集成。例如，透镜418可以将过滤光414耦合到位于滤光器400之后(after)的附加光学器件(例如，下面参考图15讨论的投影仪透镜112或束组合器1504)。准直透镜418具有焦距424，并且被定位成使得准直透镜418的焦平面与傅里叶平面408重合。虽然在图4中示出了焦距410和424是相等的，但是焦距410和424可以彼此不同而不脱离本公开的范围。在另一个实施例中，滤光器400包括类似于准直透镜418的透镜，其将过滤414光学耦合到位于滤光器400之后的附加光学器件(例如，投影仪透镜112)。

为了清楚起见，图4仅示出了在一个维度(例如，x方向)上衍射的衍射束。然而，DMD200在二维上衍射，使得调制光402还包括已经被DMD 200在垂直于光轴422的第二维度(例如，y方向)上衍射的衍射束。二维衍射图形中的每个衍射束可以用一对整数来标记，这对整数识别二维中的每个维度的衍射束的衍射级。在本文中，“零级”是指在两个维度上都具有零级的一个衍射束。同样在不脱离本发明的范围的情况下，图4中描绘的作为一部分调制光402的每个箭头可以指示一组相邻衍射级，比如由零级衍射级和多个一级衍射级构成的组。

图5和图6是示例数字投影仪500的侧视图，其包括DMD 200和投影仪透镜112，但是不包括滤光器110。图5和图6示出了来自DMD 200的调制光402的衍射级如何降低数字投影仪500的PCR。在图5中，数字投影仪500通过将DMD 200的所有微镜202致动到ON位置(参见放大视图516中的微镜202(1))来生成ON发光强度。在图6中，数字投影仪500通过将DMD 200的所有微镜202致动到OFF位置(参见放大视图616中的微镜202(1))来生成OFF发光强度。在图5和图6中，DMD 200和投影仪透镜112在x和y方向(参见坐标系220)上以光轴422为中心。在以下描述中最好一起查看图5和图6。

在图5中，DMD 200将输入光206衍射为具有多个ON衍射束504的ON调制光502。在图6中，DMD 200将输入光206衍射为具有多个OFF衍射束604的OFF调制光602。在DMD 200的远场区域中，每个ON衍射束504对应于由ON调制光502形成的夫琅禾费衍射图形的一个衍射级或峰，并且每个OFF衍射束604对应于由OFF调制光602形成的夫琅禾费衍射图形的一个衍射级或峰。在DMD 200的远场区域中，ON衍射束504和OFF衍射束604中的每一个对应于具有多个传播方向510中的一个传播方向的k向量。在图5和图6的示例中，传播方向510被表示为虚线；ON衍射束504和OFF衍射束604中的每一个都与传播方向510中的一个传播方向对准，并且由实线箭头表示，该箭头的长度与其功率或强度相对应。

本发明实施例的一个方面认识到，对于输入光206的固定方向，当DMD 200的微镜202在ON位置与OFF位置之间切换时，ON衍射束504和OFF衍射束604的功率/强度发生变化，然而，当DMD 200的微镜202在ON位置与OFF位置之间切换时，ON衍射束504和OFF衍射束604的传播方向510保持不变。

在图5的示例中，输入光206是单色平面波，其照射DMD 200并向DMD 200传播，使得ON衍射束504(1)沿着光轴422传播。ON衍射束504(1)包含ON调制光502的大部分功率。ON衍射束504(1)可以表示ON调制光502的零级衍射级或多个相邻的衍射级(例如，零级衍射级和几个一级衍射级)。

图5还示出了沿与ON衍射束504(1)的传播方向不同的方向传播ON衍射束504(2)，但是仍穿过投影仪透镜112的通光孔径(clear aperture)508。ON衍射束504(2)的功率小于ON衍射束504(1)的功率。包括ON衍射束504(1)和504(2)在内的多个ON衍射束518穿过投影仪透镜112的通光孔径508，其将ON衍射束518投射到投影屏幕上作为ON投影光514。

图5还示出了沿着没有通光孔径508的方向传播的ON衍射束504(3)。投影仪透镜112不将ON衍射束504(3)投影到投影屏幕上。ON衍射束504(3)的功率是ON调制光502的功率的一小部分。因此，从ON投影光514中排除ON衍射束504(3)对数字投影仪500的光功率效率非常小。

图6示出了与图5的相应ON衍射束504(1)、504(2)、504(3)相对应的OFF衍射束604(1)、604(2)、604(3)。OFF衍射束604(3)远离光轴422传播，没有通光孔径508。OFF调制光602的大部分功率在OFF衍射束604(3)中，因此将不会被投影到投影屏幕上。

在图6中，OFF衍射束604(1)和604(2)穿过通光孔径508，并作为OFF投影光614的一部分被投影。与OFF衍射束604(3)的功率相比，OFF衍射束604(1)和604(2)的功率较小。然而，OFF衍射束604(1)和604(2)的功率增加了数字投影仪500的OFF发光强度，由此降低了数字投影仪500的PCR。

在ON调制光502的大部分光功率在ON衍射束504(1)中的情况下，多个ON衍射束518中的穿过通光孔径508以形成ON投影光514的其他ON衍射束504包含相对较少的功率，因此对ON投射光514的功率的贡献可忽略不计。然而，穿过通光孔径508的对应的OFF衍射束604可以显着增加OFF投影光614的功率，降低数字投影仪500的PCR。

本实施例的另一方面认识到，可以过滤与光功率较低的ON衍射束相对应的衍射级，像上述ON衍射束504(2)，以增大PCR，而数字投影仪500的光功率输出和效率的降低最小。为了识别衍射级以进行过滤，可以使用衍射级对比度比率(DOCR)。对于穿过通光孔径508的每个传播方向510，DOCR在本文中被定义为具有相同衍射级和传播方向的一对相应的ON衍射束和OFF衍射束的光功率之比。例如，对应于ON衍射束504(1)和OFF衍射束604(1)的衍射级具有高DOCR。具有高DOCR的衍射级有利于增大PCR，并且可以被有利地选择以投影到投影屏幕。另一方面，ON衍射束504(2)和OFF衍射束604(2)对应于具有低DOCR的衍射级。具有低DOCR的衍射级会减小PCR，并且可以有利地被过滤掉以增大数字投影仪500的PCR。

为了清楚起见，图5和图6仅示出了在一个维度(例如，x方向)上衍射的衍射束504、604。然而，DMD 200在两个维度上衍射输入光206，使得调制光502和602还包括已经由DMD200在垂直于光轴512的第二维度(例如，y方向)上衍射的衍射束。

图7和图8分别是ON调制光502和OFF调制光602的示例夫琅禾费衍射图形700和800的强度图。当数字投影仪100与DMD 200和滤光器400一起操作时，衍射图形700和800对应于由透镜404在傅里叶平面408处产生的傅里叶变换。根据下面“数值分析”部分中更详细描述的过程，以数值方式生成衍射图形700和800。衍射图形700和800中的每一个包括分别对应于衍射束504和604的多个等间距衍射峰。在图7和图8中，水平轴线704和竖直轴线706分别指示相对于坐标系220的x轴和y轴的衍射峰的方向余弦。在图7和图8中，衍射图形700和800的强度根据强度标度(scale)708来指示。

图7和图8的圆702表示图5和图6的通光孔径508。位于圆702内的衍射峰分别表示由投影仪透镜112投影作为ON投影光514和OFF投影光614的衍射束518、618。在图7中，在圆702的中心处最亮(例如，最高的强度)的衍射峰710对应于图5的ON衍射束504(1)和/或ON调制光502的零级。位于圆702外部的衍射峰将不会投影到投影屏幕上。

在图8中，对应于OFF衍射束604(3)的最亮衍射峰810在圆702外的方向余弦的较高值处，因此将不会被投影到投影屏幕上。然而，圆702中的多个低功率衍射峰812将作为OFF投射光614投射到投影屏幕上，从而增大OFF发光强度并减小PCR。

为了增大PCR，滤光器400可以被实现为通过阻挡位于圆702内的衍射级来降低OFF发光强度，这些衍射级对OFF发光强度的贡献相对多于ON发光强度的贡献。夫琅禾费衍射图形700和800表示调制光402的傅里叶变换，并且示出了如何配置透射区域416，使得滤光器掩模412透射期望的衍射级以进行投影，并且阻挡否则将被投影的所有其他不期望的衍射级。具体地，使用透镜404的参数，可以将与每个期望的衍射峰相关联的方向余弦转换到滤光器掩模412上的空间位置，在该空间位置处可以定位透射区域416以将期望的衍射峰透射通过滤光器掩模412。类似地，与每个不期望的衍射峰相关联的方向余弦可以被转换到滤光器掩模412上的空间位置，在该空间位置处滤光器掩模412是不透明的，以阻挡(例如，过滤)不期望的衍射峰。

在一个实施例中，滤光器掩模412包括一个透射区域416，该透射区域具有被选择来优化数字投影仪的PCR和/或光功率效率的大小、几何形状、位置和取向。在另一个实施例中，滤光器掩模412具有多个透射区域416，并且为每个透射区域416选择大小、几何形状、位置和/或取向，以优化数字投影仪的PCR和/或光功率效率。

图9至图14是图4的滤光器掩模412的示例的前视图，示出了透射区域416的示例配置。在图9至图14中的每一个中，通过形成二维网格的X来表示衍射级的多个位置902，比如与不同对的相应ON衍射束504和OFF衍射束604相关联的衍射级。例如，在图9中，位置902(2)指示被滤光器掩模900阻挡的一个衍射级，而位置902(1)指示被滤光器掩模900透射的一个衍射级。

图9和图10分别示出了具有圆形透射区域904和1004的示例滤光器掩模900和1000。圆形透射区域904和1004中的每一个可以是孔或至少部分透射光的材料。圆形透射区域904和1004是透射区域416的示例。圆形透射区域904的大小被设置为将一个衍射级透射通过滤光器掩模900。圆形透射区域1004的大小被设置为通过滤光器掩模透射多个衍射级，例如如图9所示的形成3×3网格的九个衍射级。虽然图9和图10示出了圆形透射区域904和1004在相应的滤光器掩模900和1000上居中，并因此以光轴422为中心，但在不脱离本发明的范围的情况下，圆形透射区域904和1004可以偏离中心。

图11和图12分别示出了具有正方形透射区域1104和1204的示例滤光器掩模1100和1200。正方形透射区域1104和1204中的每一个可以是正方形孔或至少部分透光的正方形材料。正方形透射区域1104和1204是透射区域416的示例。正方形透射区域1104在滤光器掩模1100上居中，并且大小被设置为通过滤光器掩模1100透射多个衍射级透射，比如如图11中所示的形成3×3网格的九个衍射级。正方形透射区域1204在滤光器掩模1200上偏离中心，并且大小被设置为将多个衍射级透射通过滤光器掩模1200，比如形成2×2网格的四个衍射级。

图13示出了示例性滤光器掩模1300，该滤光器掩模具有不规则的多边形透射区域1304，该透射区域被配置为将三个相邻的衍射级透射通过滤光器掩模1300。不规则多边形透射区域1304是透射区域416的示例，并且可以是孔或至少部分透光的材料。

图14示出了示例滤光器掩模1400，该滤光器掩模具有多个圆形透射区域1404，每个圆形透射区域被定位并且大小被设置成将一个衍射级透射通过滤光器掩模1400，比如四个透射区域1404。圆形透射区域1404是多个透射区域416的示例。

在不脱离本发明的范围的情况下，透射区域416可以具有不同于图9至图14的示例中所示的另一形状、大小和/或位置。在一类实现方式中，图9至图14中所示的透射区域416的每个示例都是形成在滤光器掩模412中的孔(例如，通过钻孔、铣削或蚀刻)。在另一类实现方式中，图9至图14中所示的透射区域416的每个示例是透光窗口、半透光窗口、或物理地耦合到滤光器掩模412或嵌入滤光器掩模412内的彩色滤光器(例如，二向色滤光器或薄膜滤光器)。在不脱离本发明的范围的情况下，在图9至图14的示例中，滤光器掩模(例如，滤光器掩模900)是圆形的；这些滤光器掩模中的每一个可以替代地具有另一种形状(例如正方形或矩形)。在图9至图14的示例中的一些示例中(例如，滤光器掩模900和1000)，滤光器掩模被配置为以光轴422为中心；在不过离本发明的范围的情况下，这些滤光器掩模中的每一个可以替代地被配置为与光轴422偏离中心。

滤光器掩模412可以由比如铝或不锈钢的金属形成。金属可以被阳极氧化或变黑以增强被滤光器掩模412阻挡的光的吸收。可选地，滤光器掩模412可以由比如硅的半导体基板形成，透射区域416被蚀刻或研磨到其中。在另一个实施例中，滤光器掩模412由透光基板(例如，玻璃)形成，该透光基板涂覆有光吸收材料(例如，黑色涂料)以在不与透射区域416重合的区域中阻挡光。在另一个实施例中，滤光器掩模412是具有可动态配置的透射区域416的有源滤光器掩模，比如电子受控反射镜阵列。

在一些实施例中，滤光器掩模412包括在透射区域416(例如，透射区域904、1004、1104、1204、1304和/或1404)与滤光器掩模412的周围的不透明区域(例如，滤光器掩模900、1000、1100、1200、1300和1400)之间的渐变的或“软的”边缘。渐变边缘可以由光密度从接近透射区域416的点处的相对较低的值(例如，0)在空间上单调地增大到接近周围不透明区域的点处的相对较高的值(例如，10或更高)的材料(例如，玻璃，塑料)形成。对于渐变边缘，透射区域416不具有透射率突然降低(即，透射率的空间步长变化)的锐利边缘。有利地，渐变边缘减小了滤光器掩模412在傅里叶平面408上定位的精确度。在输入光106源自点扩展函数(point-spread function)较小的低光学扩展量(low-etendue)激光器时，这是特别有益的。相比之下，高光学扩展量激光器具有使光源模糊的宽的点扩散函数，由此放宽了定位滤光器掩模412所需的精度。在透射区域416是具有直径的圆的实施例中(例如，透射区域904和1004)，渐变边缘可以是以圆为中心的环，内径为d，并且外径介于例如1.1d到1.2d之间；滤光器掩模412的离圆心比外径更远的任何部分可以是不透明的。

图15是示例多色数字投影仪1500的功能图，该多色数字投影仪通过以空间多路复用的方式对每个颜色通道进行滤光来实现PCR增大。多色数字投影仪1500具有多个滤光器400和匹配数量的DMD 200。每个滤光器400与相应的DMD 200配对以使用不同的相应原色工作。在数字投影仪1500中，在不脱离本发明范围的情况下，每个DMD 200可以由另一种类型的SLM 102(例如，反射式LCOS或透射式LC相位调制器)代替。图15描绘了多色数字投影仪1500具有三个颜色通道，并且以下讨论与这三个颜色通道有关。然而，应当理解，多色数字投影仪1500可以替代地被配置为仅具有两个颜色通道，或者具有多于三个的颜色通道。

DMD 200(1)、200(2)和200(3)将相应的输入光206(1)、206(2)和206(3)调制为相应的调制光402(1)、402(2)和403(3)，这些调制光被相应的滤光器400(1)、400(2)和400(3)过滤成相应的过滤光414(1)、414(2)和414(3)。多色数字投影仪1500还包括束组合器1504，该束组合器将过滤光414(1)、414(2)和414(3)组合成多色光1510。投影仪透镜112被配置为将多色光1510投影到投影屏幕(例如，图1的屏幕116)。多色数字投影仪1500是被扩展为处理三个单独的颜色输入以输出多色光的数字投影仪100的实施例。

在一个实施例中，多色数字投影仪1500包括准直透镜418(1)、418(2)和418(3)，这些准直透镜将相应的过滤光414(1)、414(2)和414(3)准直为相应的准直光420(1)、420(2)和420(3)。在此实施例中，如图15中所示，束组合器1504组合准直光420(1)、420(2)和420(3)。在不包括准直透镜418的多色数字投影仪1500的实施例中，束组合器1504组合未被准直的过滤光414(1)、414(2)和414(3)。

在一个实施例中，多色数字投影仪1500包括全内反射(TIR)棱镜1502(1)、1502(2)和1503(3)，这些全内反射棱镜将输入光206(1)、206(2)和206(3)反射到相应的DMD 200(1)、200(2)和200(3)，并将相应的调制光402(1)、402(2)和402(3)透射到相应的滤光器400(1)、400(2)和400(3)。多色数字投影仪1500可以被配置成具有反射镜1506和1508，这些反射镜将准直光420(1)和420(3)导向束组合器1504，如图15中所示。虽然在图15中示出为交叉二向色或x-立方体棱镜，但束组合器1504可以是本领域中已知的另一种类型的束组合器。

在多色数字投影仪1500的一种实现方式中，第一、第二和第三原色分别是红色，绿色和蓝色。当输入光206(1)、206(2)和206(3)是单色的时，可以选择每个输入光206(1)、206(2)和206(3)的波长，使得输入光206(1)、206(2)和206(3)分别表示光谱纯的红色、绿色和蓝色原色。在一个这样的示例中，表示红色原色的输入光206(1)的波长是615nm、640nm和655nm之一，表示绿色原色的输入光206(2)的波长是525nm、530nm和545nm之一，并且表示蓝色原色的输入光206(3)的波长是445nm、450nm和465nm之一。替代地，输入光206(1)、206(2)和206(3)可以是多色的，使得红色、绿色和蓝色原色不是光谱纯色。在不脱离本发明的范围的情况下，三种原色可以是与红色，绿色和蓝色不同的一组颜色。

多色数字投影仪1500通过增大每种原色(例如，红色，绿色和蓝色)的PCR来增大PCR。多色数字投影仪1500使用的几个光学过程取决于波长，包括DMD 200对输入光206的衍射、TIR棱镜1502对调制光402的折射以及透镜404对调制光402的聚焦。因此，每个调制光402(1)、402(2)和402(3)的夫琅禾费衍射图形取决于波长。在一个实施例中，基于相应输入光206(1)、206(2)和206(3)中的每一个的波长单独配置滤光器掩模412(1)、412(2)和412(3)，以分别增大第一、第二和第三原色的PCR。

图16是示出了示例多色数字投影仪1600的功能图，该示例性多色数字投影仪通过不同颜色通道的时分多路复用光过滤来实现PCR的增大。数字投影仪1600包括一个DMD 200和一个具有滤光轮1612的滤光器1610。图17是用作多色数字投影仪1600的输入光的时分多路复用光1601的光功率与时间的曲线图。图18和图19示出了滤光轮1612的示例。在以下描述中最好一起查看图16至图19。

时分多路复用光1601包含时间分离(temporally-separated)的输入光206的重复序列1702。尽管多色数字投影仪1600可以被配置为接受并输出具有任何数量的不同颜色的输入光，但是图17至图19和以下讨论内容可以涉及多色数字投影仪1600的三色实施例。在此实施例中，时分多路复用光1601包括时间分离的输入光206(1)、206(2)和206(3)。图17示出了时分多路复用光1601的一个示例，其中序列1702包括输入光206(1)的第一脉冲、输入光206(2)的第二脉冲和输入光206(3)的第三脉冲。输入光206(1)、206(2)和206(3)可以表示例如红色、绿色和蓝色原色。输入光206(1)、206(2)和206(3)的脉冲在空间上重叠以使用相同的DMD 200、滤光器1610和投影仪透镜112。在图17中，输入光206(1)、206(2)和206(3)的脉冲被描绘为具有相似的功率(例如，脉冲高度)、持续时间(例如，脉冲宽度)以及脉冲之间的“关闭”时间(例如，脉冲间隔)。在不脱离本发明的范围的情况下，多色数字投影仪1600可以接受以功率、持续时间和“关闭”时间的其他配置为特征的输入光206。例如，输入光206(1)、206(2)和206(3)的第一、第二和第三脉冲中的一个选定脉冲可能具有较高的功率，以补偿在与选定脉冲相对应的输入光的波长下DMD 200的较低衍射效率。

DMD 200被配置为根据图像将时分多路复用光1601的输入光206(1)、206(2)和206(3)同步调制为时分多路复用调制光1602。换句话说，DMD 200的微镜202被操纵为：当时分多路复用调制光1602是第一输入光206(1)时，具有第一配置，当时分多路复用调制光1602是第二输入光206(2)时，具有第二配置，以及当时分多路复用调制光1602是第三输入光206(3)时，具有第三配置。第一、第二和第三配置可以是不同的。在不脱离本发明的范围的情况下，在数字投影仪1600中，DMD 200可以由另一类型的SLM 102(例如，反射式LCOS或透射式LC相位调制器)代替。

除了滤光轮1612代替滤光器掩模412之外，滤光器1610类似于图4的滤光器400。滤光轮1612包含多个滤光器掩模412，这些滤光器掩模被配置为对时分多路复用调制光1602的输入光206(1)、206(2)和206(3)进行同步过滤。例如，在滤光轮1612包含与第一、第二和第三输入光206(1)、206(2)和206(3)相对应的第一、第二和第三滤光器掩模的实施例中，马达1614旋转滤光轮1612，使得当时分多路复用调制光1602是第一输入光206(1)时，第一滤光器掩模412在傅里叶平面408处拦截并过滤时分多路复用调制光1602，当时分多路复用调制光1602是第二输入光206(2)时，第二滤光器掩模412在傅里叶平面408处截取并过滤时分多路复用调制光1602，并且当时分多路复用调制光1602是第三输入光206(3)时，第三滤光器掩模412在傅里叶平面408处拦截并过滤时分多路复用调制光1602。

在多色数字投影仪1600的一个实施例中，马达1614以逐步的方式旋转滤光轮1612，以与输入光206(1)、206(2)和206(3)的脉冲序列同步地在不同的滤光器掩模412之间切换，同时在这些脉冲中的每一个脉冲通过傅里叶平面408传播期间保持滤光轮1612的固定位置。在此实施例中，马达1614进行如下操作：在输入光206(1)、206(2)和206(3)的脉冲到达傅里叶平面408之前，马达1614旋转滤光轮1612，以将对应的滤光器掩模412定位在傅里叶平面408处的时分多路复用调制光1602的路径中。在对应的过滤的光脉冲已完成通过滤光器掩模412传播之后，马达1614然后旋转滤光轮1612，将下一个滤光器掩模412定位在傅里叶平面408处的时分多路复用调制光1602的路径中。

在某些实施例中，如在滤光器1610中实现以聚焦时分多路复用调制光1602的透镜404可以被配置为减小引起透镜404的焦距随波长改变的色差。在一个这样的实施例中，透镜404是消色差透镜，其被设计为类似地聚焦在输入光206(1)、206(2)、206(3)的波长上，使得对应于三个波长中的每一个的傅里叶平面被类似地定位。在另一个这样的实施例中，透镜404是复消色差透镜，超消色差透镜、物镜、具有多个透镜元件的复合透镜、几个透镜和/或其他光学元件的组件、或本领域已知的另一种类型的透镜。透镜404可以具有一个或多个防反射涂层，该涂层在输入光206(1)、206(2)、206(3)的波长处增强时分多路复用调制光1602通过透镜404的透射。

在一个实施例中，多色数字投影仪1600被配置成具有准直透镜1618，该准直透镜将由滤光轮1612透射的过滤后的时分多路复用光准直成准直时分多路复用光1606，该准直时分多路复用光被投影仪透镜112投影到屏幕上。在另一个实施例中，投影仪透镜112被配置为接受未准直的时分多路复用光，其中多色数字投影仪1600不包括准直透镜1618。

图18是具有三个扇区1802的示例滤光轮1800的前视图，每个扇区包含一个滤光器掩模。滤光轮1800是滤光轮1612的示例。马达1614使滤光轮1800绕轴线1804旋转，并且滤光轮1800的每一次旋转对应于时分多路复用光1602的一个序列1702。在一些实施例中，马达1614如前所述以逐步的方式旋转滤光轮1800。在图18的示例中，第一扇区1802(1)的第一滤光器掩模被示出为图9的滤光器掩模900，第二扇区1802(2)的第二滤光器掩模被示出为图13的滤光器掩模1300，并且第三扇区1802(3)的第三滤光器掩模被示出为图14的滤光器掩模1400。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，扇区1802的滤光器掩模可以被配置为具有不同于图18中所示的其他形状、大小和位置的透射区域(例如，透射区域416)。

在一个实施例中，多色数字投影仪1600被配置为显示没有某些时间伪影的图像，并且为此目的，序列1702的持续时间短于人类视觉系统的响应时间。例如，时分多路复用光1601的多路复用频率等于序列1702的持续时间的倒数，可以高于闪光融合率(flickerfusion rate)以利用视觉的持久性。多路复用频率可以是1千赫或更高，对应于每个输入光206(1)、206(2)和206(3)的小于1毫秒的脉冲宽度。

图19是示例滤光轮1900的前视图，该滤光轮具有六个扇区1902，每个扇区包含一个滤光器掩模。马达1614使滤光轮1900绕轴线1804旋转，使得滤光轮1900的每旋转一整圈对应于序列1702的两个连续迭代。滤光轮1900优于滤光轮1800的一个优点是，滤光轮1900以时分多路复用光1601的多路复用频率的一半旋转，从由此减少了马达1614的功耗和速度要求。在另一个实施例中，滤光轮1612具有3×个扇区，其中是正整数。每组三个扇区包含三个滤光器掩模，并且滤光轮1900每旋转一整圈对应于序列1702的n个连续迭代，由此允许马达1614和滤光轮1612以时分多路复用光1601的复用频率的1/n倍旋转。在一种使用情形中，马达1614以逐步的方式旋转滤光轮1900，使得滤光轮1900的每个滤光器掩模是固定的，同时对输入光206的对应脉冲进行过滤。

图20示出了用于改善由空间光调制器生成的图像的对比度的方法2000。方法2000可以由滤光器400执行。方法2000包括将来自空间光调制器的调制光进行空间傅里叶变换到傅里叶平面上的步骤2002。调制光包括多个衍射级。在步骤2002的一个示例中，透镜404将调制光402进行空间傅里叶变换到傅里叶平面408上。方法2000还包括对经步骤2002的傅里叶变换的调制光进行过滤的步骤2004。步骤2004包括可以同时进行的两个步骤2006和2008。步骤2006在傅里叶平面处透射调制光的至少一个衍射级。步骤2008在傅里叶平面处阻挡调制光的其余部分。在步骤2006和2008的一个示例中，滤光器掩模412将调制光402的至少一个衍射级透射通过在傅里叶平面408处的透射区域416，并且在傅里叶平面408处阻挡调制光402的其余部分。在步骤2006和2008的另一个示例中，滤光器掩模412将调制光402的零级衍射级透射通过在傅里叶平面408处的透射区域416，并且在傅里叶平面408处阻挡调制光402的其余部分。在方法2000的另一示例中，调制光402是单色光。在方法2000的另一示例中，调制光402是红光、绿光和蓝光中的一种。在方法2000的另一个示例中，调制光402是通过组合红光、绿光和蓝光形成的多色光。在这个示例中，调制光402可以是白光。在一个实施例中，方法2000在步骤2006之后还包括步骤2010：使透射的调制光的至少一个衍射级准直。在步骤2010的一个示例中，准直透镜418使过滤光414准直。

图21示出了用于通过以空间多路复用的方式对每个颜色通道进行光过滤来投影对比度增大的彩色图像的方法2100。方法2100可以由多色数字投影仪1500执行。方法2100包括步骤2102：根据彩色图像对第一、第二和第三输入光进行空间调制，以生成相应的第一、第二和第三调制光。如上面参考图15所讨论的，第一输入光、第二输入光和第三输入光可以表示彩色图像的三个不同的相应颜色通道的光。第一调制光、第二调制光和第三调制光的每一个包括多个衍射级。在步骤2102的一个示例中，图15的DMD200(1)、200(2)和200(3)将相应的第一、第二和第三输入光206(1)、206(2)和206(3)空间调制成相应的第一、第二和第三调制光402(1)、402(2)和402(3)。方法2100还包括步骤2104：将第一调制光、第二调制光和第三调制光(在步骤2102中生成的)过滤成相应的第一过滤光、第二过滤光和第三过滤光。在一个实施例中，步骤2104对第一调制光、第二调制光和第三调制光中的每一个执行方法2000，以产生第一过滤光、第二过滤光和第三过滤光。在步骤2104的这种实施例的一个示例中，多色数字投影仪1500的滤光器掩模412(1)、412(2)和412(3)将傅里叶变换后的相应的第一、第二和第三调制光402(1)、402(2)和402(3)过滤成相应的第一、第二和第三过滤光414(1)、414(2)和414(3)。步骤2104包括可以同时进行的步骤2106和2108。步骤2106透射第一调制光、第二调制光和第三调制光中的每一个的至少一个衍射级。步骤2108阻挡第一调制光、第二调制光和第三调制光的其余部分。在步骤2106和2108的一个示例中，多色数字投影仪1500的滤光器掩模412(1)、412(2)和412(3)透射傅里叶变换后的第一、第二和第三调制光402(1)、402(2)和402(3)中的每一个的至少一个衍射级，并阻挡第一、第二和第三调制光402(1)、402(2)和402(3)的其余部分。方法2100还包括步骤2110：组合在步骤2104中生成的第一过滤光、第二过滤光和第三过滤光，以形成输出光。在步骤2110的一个示例中，束组合器1504将第一、第二和第三过滤光414(1)、414(2)和414(3)组合成输出光1510。在一个实施例中，方法2100还包括将输出光投影到屏幕上的步骤2112。在步骤2112的一个示例中，投影仪透镜112将输出光1510投影到屏幕(例如投影屏幕116)上。

在不脱离本发明的范围的情况下，方法2100可以扩展为仅处理两个颜色通道，或者处理三个以上颜色通道，例如四个颜色通道。

图22示出了用于生成和投影对比度增大的彩色图像的时分多路复用方法2200。方法2200可以由多色数字投影仪1600执行。方法2200包括步骤2202：根据要投影的彩色图像通过空间光调制器调制时分多路复用光，以生成具有第一、第二和第三调制光的重复序列的时分多路复用调制光。如上面参考图16所讨论的，第一调制光、第二调制光和第三调制光可以表示彩色图像的三个不同颜色通道的光。在步骤2202的一个示例中，多色数字投影仪1600的DMD 200将时分多路复用光1601调制为时分多路复用调制光1602。方法2200还包括步骤2204：通过透镜对(在步骤2202中生成的)时分多路复用调制光进行空间傅里叶变换。在步骤2204的一个示例中，通过透镜404对时分多路复用调制光1602进行空间傅里叶变换。方法2200还包括步骤2206：通过与时分多路复用调制光同步地旋转滤光轮来对经步骤2204的空间傅里叶变换的时分多路复用调制光进行过滤。滤光轮包括多个滤光器掩模，每个滤光器掩模被配置为对在步骤2204中由透镜进行空间傅里叶变换的第一调制光、第二调制光和第三调制光中的相应一个进行过滤。当时分多路复用调制光是第一调制光、第二调制光和第三调制光中的相应一个时，步骤2206旋转滤光轮以将每个滤光器掩模定位在经空间傅里叶变换的光中。在步骤2206的一个示例中，如上面参考图16所讨论的，马达1614与时分多路复用调制光1602同步地旋转滤光轮1612。在步骤2206的另一个示例中，马达1614以逐步的方式旋转滤光轮1612，使得每个滤光器掩模是固定的，同时过滤对应的调制光。在一个实施例中，方法2200还包括步骤2208：将过滤后的时分多路复用调制光投影到屏幕上。作为步骤2208的示例，投影仪透镜112将由滤光器掩模1612过滤并且可选地由准直透镜1618准直的时分多路复用光投影到投影仪屏幕上。

在不脱离本发明的范围的情况下，方法2200可以扩展为仅处理两个颜色通道，或者处理三个以上颜色通道，例如四个颜色通道。

数值分析

以下讨论内容与数值分析有关，以研究配置有DMD 200的数字投影仪的对比度比率如何取决于各种参数，包括波长、微镜202的ON和OFF倾斜角度、ON和OFF倾斜角度的公差、滤光器掩模412的透射区域416的几何结构、输入光206的角度分集和光谱分集以及生成输入光206的照明源的有效大小。可以根据在这些数值分析中研究的参数来配置数字投影仪100、500、1500和1600。

图23是模拟实验2300的侧视图，在该部分中呈现了模拟实验的数值结果。在模拟实验2300中，DMD 200将输入光206调制成包含多个衍射级的调制光402。计算调制光402的夫琅禾费衍射图形，并根据空间滤光器2302的几何结构和配置，通过将夫琅禾费衍射图形的每个衍射级标记为被空间滤光器2302透射或阻挡，来对空间滤光器2302进行建模。空间滤光器2302是滤光器掩模412的一个示例。一旦当DMD 200的微镜202被配置为处于ON位置时，以及同样当DMD 200的微镜202被配置为处于OFF位置时，通过数值积分标记为由空间滤光器2302透射的衍射级来获得模拟实验2300的对比度比率。这两个数值积分分别对应于ON和OFF发光强度，其比率定义了对比度比率。

针对模拟实验2300，可以使用标量衍射理论的瑞利-索末菲(Rayleigh-Sommerfeld)形式体系计算夫琅禾费衍射图形。这种形式体系的特征是瑞利-索末菲积分，其将衍射电场的复振幅表示为球面波上的积分(例如和)。

应当理解，本文中呈现的数值分析不限于DMD 200，而是可以轻松地扩展到SLM102的其他实施例，比如反射式LCOS相位调制器或透射式LC相位调制器。

图24至图26是模拟实验2300数值上获得的对比度比率和光学效率与半角的曲线图。为了产生图24至图26的结果，空间滤光器2302被建模为以光轴422为中心并具有孔直径2304的圆形孔径。空间滤光器2302以调制光402(例如，第一ON和OFF衍射束504(1)和604(1))的零级衍射级为中心。空间滤光器2302的圆形孔径形成圆锥体的底部，该圆锥体具有位于DMD 200的正面的中心的顶点，圆锥体具有与光轴422重合的轴。半角2308在本文中被定义为圆锥体的顶角的一半。

在图24至图26中，在模拟实验2300中分别使用532nm、465nm和617nm的光波长。对于DMD 200的微镜202，使用分别为+12°和-12°的标称(nominal)ON位置和OFF位置倾斜角度。DMD 200使用的尺寸和面积填充系数分别为81％和90％。

当图24中半角2308减小时，随着空间滤光器2302越来越多地阻挡调制光402的衍射级，绿色对比度比率2402随着一系列“步长”而增大。当空间滤光器2302仅透射调制光402的零级衍射级时，获得757,000:1的最高绿色对比度比率。当增大半角2308时，由于空间滤光器2302越来越多地透射衍射级，绿色光效率2404随着一系列“步长”而增大。由于绿色调制光的大部分光功率处于低衍射级(例如，零级衍射级、一和二衍射级)，因此绿色效率2404中最大的步长出现在半角2308的较小值处。在最高的绿色对比度比率处，绿色光效率2404约为80％，即80％的调制光402被空间滤光器2302透射。

在图25中，蓝色对比度比率2502和蓝色光效率2504表现得分别与绿色对比度比率2402和绿色光效率2404相似。当空间滤光器2302仅透射调制光402的零级衍射级时，获得850,000:1的最高蓝色对比度比率。在最高蓝色对比度比率处，蓝色光效率2504从80％迅速下降至50％以下。

在图26中，红色对比度比率2602和红光效率2604表现得分别与绿色和蓝色对比度比率2402、2502以及绿色和蓝色光效率2404、2504相似。然而，最高红色对比度比率仅为450,000:1。最高红色对比度比率低于对应的最高绿色和蓝色对比度比率的原因之一是在617nm的红色波长处，DMD 200在距闪耀条件(blaze condition)较远处被照射。在最高红色对比度比率下，红光效率2604约为80％。

图27是当光的波长是532nm并且DMD 200的所有微镜202都处于ON位置时模拟实验2300的夫琅禾费衍射图形。在图27中，四个最亮衍射级中的每一个被方框2702之一围住。框2702(1)包含最大的光功率，并且对应于调制光402的零级衍射。对于每个方框2702，使用方框2702作为空间滤光器2302的矩形孔径(例如，透射区域416)来计算DOCR。数值计算出的DOCR打印在每个方框中。例如，在方框2702(1)中，调制光402的零级衍射级具有758,075:1的DOCR。在一个实施例中，滤光器掩模412被配置为透射调制光402的零级衍射级，并阻挡所有其他衍射级；滤光器掩模900是此实施例可以使用的滤光器掩模412的一个示例。在另一个实施例中，多色数字投影仪1500的滤光器掩模412(1)、412(2)和412(3)可以各自被配置为透射调制光402(1)、402(2)和402(3)的零级衍射级，并阻挡所有其他衍射级。

图28是当光的波长是617nm并且DMD 200的所有微镜202都处于ON位置时模拟实验2300的夫琅禾费衍射图形。在图28中，四个衍射级包含调制光402的大部分光功率。与图27相比，在该图中，使用532nm的波长，因为617nm的波长距DMD 200的闪耀条件更远，所以光功率在四个衍射级之间分布更均匀。通过形成仅在方框2802(1)中透射衍射级的空间滤光器2302，可以获得高达852,000:1的对比度比率。然而，通过在方框2802(2)，2802(3)和2802(4)中阻挡衍射级，光效率将大大降低。

作为对比度比率与光效率之间的折衷，空间滤光器2302可以被配置为透射具有最高DOCR的三个衍射级，对应于方框2802(1)、2802(2)和2802(4)。在空间滤光器2302的此示例中，与框2802(1)、2802(2)和2802(4)相对应的孔径不围绕光轴422对称地定位。在一个实施例中，根据图28，滤光器400被配置为透射调制光402的三个衍射级；滤光器掩模1300是此实施例可以使用的滤光器掩模412的一个示例。在其他实施例中，滤光器412被配置为透射调制光402的非零整数数量的衍射级，直到由透镜404的通光孔径确定的最大数量。

图29是当微镜202的ON和OFF倾斜角度分别为+12.1°和-12.1°时，在617nm的波长处操作的模拟实验2300数值地获得的对比度比率2902与光效率2904的曲线图。对比度比率可能对微镜倾斜角度的微小变化敏感。与图26相比，将倾斜角度改变0.1°会使最大红色对比度比率提高两倍以上，几乎达到1,000,000:1，而红光效率2904保持在大约80％。为了进行比较，通常将商用DMD指定为具有±0.5°的倾斜角度公差。

图30和图31是从模拟实验2300数值地获得的对比度比率与微镜倾斜角度的曲线图。在图30中，OFF位置倾斜角度固定在-12°，而ON位置倾斜角度在11.5°到12.5°之间变化。在图31中，ON位置倾斜角度固定在+12°，而OFF位置倾斜角度在-12.5°到-11.5°之间变化。在图30中，对比度比率3002、3004和3006分别对应于617nm、465nm和532nm的波长。在图31中，对比度比率3102、3104和3106分别对应于617nm、465nm和532nm的波长。在以下描述中最好一起查看图30和图31。

通常，对比度比率的值对OFF发光强度的变化比对ON发光强度更敏感。因此，对比度比率可能相较于ON倾斜角度更加明显取决于OFF倾斜角度。如图30中所示，在ON倾斜角度在±0.5°的倾斜角度公差内的情况下，对比度比率3002、3004和3006显示出极小的变化。另一方面，在OFF倾斜角度在类似的角度公差范围内情况下，图31的对比度比率3102、3104和3106变化明显更大。

在实施例中，提供了一种被优化用于调制绿光的数字微镜器件，其具有大于-12°(例如大于-11.8°或大于-11.6°)的标称OFF位置倾斜角度。在示例中，数字微镜器件具有-11.5°或更大的标称OFF位置倾斜角度。

当调制绿光时，根据此实施例的数字微镜器件可以改善ON与OFF对比度比率。

在示例中，被优化用于调制绿光的数字微镜器件具有在+11.5°到+12.5°(例如+12°)的范围内的标称ON位置倾斜角度。

在实施例中，提供了一种被优化用于调制红光的数字微镜器件，其具有小于-12°的标称OFF位置倾斜角度，比如小于-12.2°或小于-12.4°。在示例中，数字微镜器件具有-12.5°或更小的标称OFF位置倾斜角度。

当调制红光或蓝光时，根据此实施例的数字微镜器件可以提高ON与OFF对比度比率。

在一个示例中，被优化用于调制红光或蓝光的数字微镜器件具有在+11.5°到+12.5°(比如+12°)的范围内的标称ON位置倾斜角度。

在实施例中，提供了一种用于生成图像的调制器系统，该调制器系统包括：

-第一数字微镜器件，被配置为调制红光以生成调制的红光；

-第二数字微镜器件，被配置为调制绿光以生成调制的绿光；以及

-第三数字微镜器件，配置为调制蓝光以生成调制的蓝光，

其中，第二数字微镜器件的标称OFF位置倾斜角度不同于第一数字微镜器件和第三数字微镜器件的标称OFF位置倾斜角度。例如，第一数字微镜器件和第三数字微镜器件可以是第一类型，具有第一标称OFF位置倾斜角度，而第二数字微镜器件可以是第二类型，具有与第一类型的标称OFF位置倾斜角度不同的第二标称OFF位置倾斜角度。例如，第一数字微镜器件和第三数字微镜器件是被优化用于调制上述红光或蓝光的数字微镜器件，而第二数字微镜器件是被优化用于调制上述绿光的数字微镜器件。

调制器系统可以还包括：

-第一滤光器、第二滤光器和第三滤光器，每个滤光器包括：

-透镜，被配置为对来自相应的第一、第二和第三空间光调制器的调制光进行空间傅里叶变换，该调制光包括多个衍射级；以及

-滤光器掩模，定位在透镜的傅里叶平面处，并且被配置为通过透射调制光的至少一个衍射级、生成相应的第一、第二和第三过滤光并阻挡调制光的其余部分来对由透镜进行空间傅里叶变换的调制光进行过滤；以及

-束组合器，被配置为将第一过滤光、第二过滤光和第三过滤光组合成输出光。

此外，调制器系统可以可选地还包括本文中描述的任何特征，比如结合图9至图15描述的特征。

图32是随输入光的角度多样性对比度比率和光学效率曲线图，其是在图23的模拟实验在532nm波长处数值地获得的。图33和图34是模拟实验2300的夫琅禾费衍射图形，示出了由于输入光206的角度分集而引起的衍射峰的变宽。在图33中，输入光206是没有角度分集的平面波。在图34中，输入光206具有8°的角度分集的半角。为了获得图32中的数据，空间滤光器2302被配置成具有矩形孔径，由图33和图34中的方框3302表示。在以下描述中最好一起查看图32至图34。

在电影院和其他关键的观看环境中，图像的数字激光投影从角度分集和降低的激光照明相干性中受益，因为这会降低灰尘和其他有害衍射伪影的可见性。激光照明具有增加的带宽以减少屏幕上斑点的可见性也是有益的。

激光照明的角度分集和带宽增加可能会降低本文中呈现的滤光系统和方法的对比度比率。具体而言，在傅里叶平面处，增加的角度分集和带宽可能会使衍射峰变宽，从而引起其尾巴(tail)与相邻峰的其他尾巴模糊。峰的这种变宽可以防止各个衍射级透射通过空间滤光器2302，而也不会透射一部分打算要被阻挡的相邻衍射级。如图32所示，随着输入光206的半角增加到8°，对比度比率降低一半，从721,000:1降低到346,000:1。

因此，当考虑角度分集和光谱带宽时，在(1)灰尘的可见性和减少的斑点和(2)对比度比率之间需要折中。

应当理解，对比度降低可能是由于除DMD 200对输入光206的衍射以外的其他因素引起的，比如输入光206从微镜202的表面散射，放映室中不利的杂散光和反射、光学像差和/或偏振效应。然而，在大多数数字投影仪中，预期DMD 200的衍射是对比度下降的主要源头，或者至少一个主要源头。本发明公开的系统和方法可以轻松地扩展到除了衍射之外还通过其他因素(比如以上列出的那些)使对比度降低的场景。本发明公开的系统和方法甚至在存在其他这样的因素的情况下也可以增强对比度。

实验结果

上面呈现的数值分析已经使用类似于图4所示的实验设置进行了验证。为了展示最高对比度，实验设置被配置为在532nm处过滤零级衍射级。滤光器掩模412被配置成具有以光轴422为中心的圆形孔径。选择圆形孔径的直径和透镜(例如，透镜404)以在傅里叶平面处形成2°半角。通过M²<1.1的532nm偏振激光器向DMD 200提供输入光。使用由两个双合透镜形成的伽利略扩束器将输入光扩展为填充DMD 200的正面，从而产生衍射受限的性能。为简单起见，没有使用TIR棱镜将光耦合到DMD 200。DMD 200在最亮(例如，白色水平)和最暗(例如，黑色水平)输出下运行，并使用分光计测量对比度。

测量了两个相同的4K DMD的对比度。在532nm和2°半角处，由模拟实验2300预测的对比度比率为大约757,000:1(参见图24中的最高绿色对比度比率)。测得对比度比率为254,234:1和277,966:1。这些值大约是预测值的三分之一；该差异归因于源自DMD的过量填充的杂散光，源自DMD的微镜之间的间隙的杂散光、以及从微镜的表面和边缘的散射。

还已经观察到，如鉴于对比度比例对OFF倾斜角度的依赖性所预期的，输入光206朝向DMD 200的传播方向影响对比度比率。另外，已经观察到输入光206的偏振影响DMD 200的黑色电平，由此影响对比度比率。对于上述实验结果，使用波片旋转输入光的偏振以最大化对比度。

鉴于对比度比率对微镜倾斜角度和输入光206的传播方向的敏感性，合并(binning)可以用于对具有相似倾斜角度的DMD进行分组。在三色数字投影仪1500的一个实施例中，具有相似倾斜角度的三个合并的DMD被用于DMD 200(1)、200(2)和200(3)。在另一个实施例中，具有不同的倾斜角度的三个合并的DMD(例如，来自三个不同的仓)用于DMD200(1)、200(2)和200(3)，每个DMD具有被选择为最大化DMD使用的输入光206的特定波长的对比度比率的倾斜角度。

DLP位序列

图35示出了确定如何控制DMD 200的微镜202以显示一个视频帧的示例性位平面3502的时间序列3500。图36是重构帧3600，示出了当图35的示例性位平面3502控制DMD 200显示那一个视频帧时，这一视频帧如何出现。结合以下描述最好一起查看图35和图36。

向数字视频帧的每个像素分配一个表示所期望的像素强度的对应像素级。像素级可以被表示为n位整数，其中0是最低强度级，而2ⁿ-1是最高强度级。通过这种表示，帧可以形成为n位平面3502的总和。对于DMD 200的对应微镜202，任何位平面3502中的白色位表示ON，而对于对应的微镜202，黑色位表示OFF。在一个时间间隔2ⁱ×Δt内，根据每个位平面3502依序地控制DMD 200，其中Δt是最小时间间隔，并且i＝0...n-1索引位平面3502。因此，在图35的示例中，在该示例中，像素级被表示为6位整数，在第一时间间隔Δt内，根据第一位平面3502(0)控制DMD 200，在第二时间间隔2Δt内，根据第二位平面3502(1)控制DMD200，以此类推，直到第六时间间隔32Δ内的第六位平面3502(5)。选择位平面3502的位(即，对于每个位为0或1，分别对应于对应的微镜202的OFF和ON)，使得位平面3502的时间加权总和给出该帧的期望像素值。足够快地显示帧，以使人类视觉系统对位平面3502的显示序列3500的时间积分作出响应。

虽然图35和图36示出了像素值被表示为6位整数的示例，但在不脱离本发明的范围的情况下，像素值可以由不同数量的位以及相同数量的位平面表示。虽然为了清楚起见，图35示出了具有250个像素×250个像素的位平面3502，但在不脱离本发明的范围的情况下，位平面3502的大小可以被设置为控制DMD 200的所有微镜202。

在许多衍射级被投影到屏幕上的现有技术数字投影系统中，像素的期望像素级与生成像素的微镜的ON时间成比例。然而，当来自DMD 200的衍射级被滤光器(例如，滤光器412)阻挡以增大对比度时，穿过滤光器的光量(例如，零级衍射级)也取决于微镜202的空间图形。输入光离开空间图形的衍射影响将多少功率衍射到每个级中，从而影响有多少功率穿过滤光器。在一些帧中，空间图形和滤光器的这种组合可以在重构帧3600中生成伪影3602。例如，在图35中，位平面3502控制DMD 200形成具有不同空间频率的ON和OFF“条纹(stripe)”，并且由这个空间图案引起的相移改变穿过滤光器的光量，由此产生看起来像竖直“带(band)”的伪影3602。虽然在重构帧3600中仅识别了三个伪影3602，但是重构帧3600包含不同暗度水平的额外带，这些额外带也是伪影。伪影3602在重构帧3600中显现为竖直带，因为位平面3502形成具有不同水平空间频率的竖直ON和OFF条纹。然而，当位平面3502形成具有不同的竖直空间频率的水平ON和OFF条带时，伪影3602将是水平带。

图37示出了形成随机化位平面序列的一部分的随机位平面3700的一个示例，本文的实施例可以使用该随机化位平面序列以减少伪影3602的存在。图38是重构帧3800，示出了当随机化位平面序列控制DMD 200显示这一视频帧时那一个视频帧如何显现。有利地，与重构帧3600相比，重构帧3800中的伪影的可见度大大降低。结合以下描述最好一起查看图37和图38。

随机化位平面序列由2ⁿ-1随机化位平面形成，其中随机化位平面3700是一个示例。2ⁿ-1随机化位平面在视觉上是相似的(尽管不一定相同)，因此在图37中仅示出一个随机化位平面。类似于图35的位平面3502，白色位指示DMD 200的对应的微镜202为ON，黑色位指示DMD 200的对应的微镜202为OFF。与位平面3502的时间间隔增加2的幂的位平面序列3500不同，2ⁿ-1个随机化位平面中的每一个具有相同的时间间隔Δt。

随机化位平面3700中的ON位和OFF位的随机分配用随机化空间图形替代不同的空间图形，像图35中的那些，由此将衍射效应散布在帧的所有像素上并有利地降低伪影3602的可见性。

在一个实施例中，通过初始化个位平面使得所有位平面的所有位都为OFF，从而针对一帧生成随机化位平面序列。然后随机填充2ⁿ-1位平面(即，通过将位切换为“ON”)，同时确保对于每个像素，该像素的2ⁿ-1个位的和不会超过对应的像素值。对于帧中的每个像素，2ⁿ-1位的和等于对应的像素值时，停止填充2ⁿ-1位平面。

与图35的位平面序列3500相比，上述随机化位平面序列包含更多数量的位平面。然而，可以将两种方法结合起来，即，混合位平面序列可以形成为具有用一些位平面3502(即，较短时间间隔的位平面)和一些随机化位平面，前提是对于每个像素，混合序列中的所有位的时间加权总和等于对应的像素级。另外，可以将随机化位平面序列和混合位平面序列与其他技术相结合，以调整输出功率水平，比如微镜202的抖动。

随机化位平面序列可能导致像素响应的线性度小于当滤光器未与DMD 200一起使用时获得的像素响应。非线性像素响应在显示装置中可能是令人期望的，因为人类视觉感知是非线性过程，并且由随机化位平面序列引入的非线性与人类视觉感知匹配更紧密。在期望非线性响应的情况下，由于投影系统以更可感知的方式显示帧，因此有可能减少用于表示像素值的位数。

从随机化位平面序列或混合位平面序列中获得的益处取决于照射DMD 200的输入光的质量。当输入光是例如具有高相干性和低光学扩展量的单色激光束时，与当输入光具有高光学扩展量和/或低相干性时(例如，来自灯)相比，伪影3602更明显。因此，当输入光具有“高质量”时，随机化位平面序列和混合位平面序列对于减小伪影3602的可见性变得更加重要。

优点

有利地，本文呈现的实施例在不使用附加DMD的情况下增大了对比度比率。例如，作为本发明公开的系统和方法的替代方案，可以通过使用多级调制来增大对比度比率，即，两个或更多个DMD串联连接，使得来自第一DMD的OFF衍射束被第二DMD阻挡。作为增大对比度比率的方法，由于第二DMD和对应的电子装置，多级调制不利地增加了数字投影仪的成本和复杂性。此外，一种类型的数字投影仪使用三个DMD，红光、绿光和蓝光各一个DMD；在这种类型的数字投影仪中，每种颜色使用两个DMD会使DMD的总数从三个增加到六个，从而进一步增加成本和复杂性。

本文中呈现的实施例的另一个优点是，经光学过滤的投影光可以减少由于未过滤的投影光与投影光被投影到的屏幕的周期性穿孔之间的干涉引起的莫尔图案(Moirépattern)的出现。具体地，光学过滤可以被配置为减少投影光的高频分量，由此“平滑化”出现在屏幕上的像素之间的硬边缘。平滑化减少了投影光的周期性强度和屏幕的周期性穿孔之间的差拍(beating)。

本文呈现的滤光系统和方法的又一个优点是滤光可以增大使用得德州仪器的倾斜与滚动像素(TRP)DLP芯片的数字投影仪的对比度比率。TRP DLP芯片的微镜不围绕定向为45°的轴线(例如，图2的微镜旋转轴208)倾斜。结果，与其他类型的DMD芯片相比，调制光从TRP芯片传播开，使得OFF状态光的衍射级(例如，图6的OFF衍射束604)更亮，由此增大了OFF发光强度并降低对比度比率。通过减小OFF发光强度，本文提出的滤光系统和方法有利地使得TRP芯片能够包括在用于要求高对比度比率的应用的投影仪中，这些应该是比如符合数字电影倡导组织(DCI)规范的投影。

在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述方法和系统进行改变。因此，应当注意，包含在以上说明书中或在附图中示出的内容应当被解释为说明性的而不是限制性的意义。以下的权利要求旨在涵盖本文所描述的所有一般特征和特定特征，以及本方法和系统的范围的所有陈述在语言上可以被说成落在其间。

可以从以下枚举的示例实施例(EEE)中理解本发明的各个方面：

1.一种用于增大由空间光调制器生成的图像的对比度的滤光器，包括：

透镜，被配置为对来自所述空间光调制器的调制光进行空间傅里叶变换，所述调制光包括多个衍射级；以及

滤光器掩模，定位在所述透镜的傅里叶平面处，并且被配置为通过透射所述调制光的至少一个衍射级并阻挡所述调制光的其余部分来对通过所述透镜进行空间傅里叶变换的所述调制光进行过滤。

2.如EEE 1所述的滤光器，所述至少一个衍射级是零级。

3.如EEE 2所述的滤光器，所述滤光器掩模具有透射区域，所述透射区域被配置为透射所述调制光的零级。

4.如EEE 1所述的滤光器，所述至少一个衍射级包括零级衍射级和多个一级衍射级。

5.如EEE 4所述的滤光器，所述滤光器掩模具有透射区域，所述透射区域被配置为透射所述调制光的零级衍射级和所述一级衍射级中的两个一级衍射级。

6.如EEE 1至5中任一项所述的滤光器，所述调制光是红光、绿光和蓝光中的一种。

7.一种用于生成具有增大的对比度的图像的调制器系统，包括：

如EEE 1至6中任一项所述滤光器；以及

实现所述空间光调制器的数字微镜器件。

8.一种用于生成对比度增大的图像的调制器系统，包括：

如EEE 1至7中任何一项所述的滤光器；以及

准直透镜，被定位为准直透射通过所述滤光器掩模的调制光的至少一个衍射级。

9.一种用于生成对比度增大的图像的调制器系统，包括：

第一、第二和第三空间光调制器，所述第一、第二和第三空间光调制器被配置为根据所述图像调制相应的第一、第二和第三光，以生成相应的第一、第二和第三调制光；

如EEE 1至6中任一项所述的滤光器的三个实例，所述滤光器的三个实例形成相应的第一、第二和第三滤光器，所述第一、第二和第三滤光器被配置为透射所述相应的第一、第二和第三调制光的至少一个衍射级，生成相应的第一、第二和第三过滤光，并阻挡所述相应的第一、第二和第三调制光的其余部分；以及

束组合器，被配置为将所述第一、第二和第三过滤光组合成输出光。

10.如EEE 9所述的调制器系统，所述相应的第一、第二和第三滤光器的第一、第二和第三滤光器掩模中的每一个具有至少一个透射区域，所述透射区域被配置为分别透射所述第一、第二和第三调制光的零级衍射级和多个一级衍射级。

11.如EEE 9或EEE 10所述的调制器系统，所述第一、第二和第三空间光调制器中的每一个是数字微镜器件。

12.如EEE 9至11中任一项所述的调制器系统，所述第一、第二和第三光分别是红光、绿光和蓝光。

13.如EEE 9至12中任一项所述的调制器系统，还包括第一、第二和第三输出透镜，所述第一、第二和第三输出透镜分别被定位成在通过所述束组合器组合之前分别准直所述第一、第二和第三过滤光。

14.如EEE 9至13中任一项所述的调制器系统，还包括投影仪透镜，所述投影仪透镜配置为将所述输出光投影到屏幕上。

15.一种用于生成对比度增大的图像的时分多路复用调制器系统，包括：

空间光调制器，被配置为根据所述图像将时分多路复用光调制为时分多路复用调制光，所述时分多路复用调制光包括第一、第二和第三调制光的重复序列；

透镜，被配置为将所述时分多路复用调制光进行空间傅里叶变换到傅里叶平面上；以及

滤光轮，定位在所述傅里叶平面处，并且包括多个滤光器掩模，每个滤光器掩模被配置为通过透射所述第一、第二和第三调制光中的相应的一个的至少一个衍射级并阻挡所述第一、第二和第三调制光中的所述相应的一个的其余部分，对通过所述透镜进行空间傅里叶变换的所述第一、第二和第三调制光中的所述相应的一个进行过滤，所述滤光轮被配置为与所述时分多路复用调制光同步地旋转，使得当所述时分多路复用调制光是所述第一、第二和第三调制光中的所述相应的一个时，每个滤光器掩模定位在所述傅里叶平面处的所述时分多路复用调制光中。

16.如EEE 15所述的时分多路复用调制器系统，所述空间光调制器是数字微镜器件。

17.如EEE 15或EEE 16所述的时分多路复用调制器系统，其中，所述多个滤光器掩模是三个分别被配置为对所述第一、第二和第三调制光进行过滤的滤光器掩模。

18.如EEE 15-17中任一项所述的时分多路复用调制器系统，其中，所述多个滤光器掩模是三组滤光器掩模，n为正整数，所述三组中的每一组均被配置为对所述第一、第二和第三调制光中的相应一个调制光进行过滤。

19.如EEE 17所述的时分多路复用调制器系统，第一滤光器掩模具有被配置为透射所述第一调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级的透射区域，第二滤光器掩模具有被配置为透射所述第二调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级的透射区域，并且第三滤光器掩模具有被配置为透射所述第三调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级的透射区域。

20.如EEE 19所述的时分多路复用调制器系统，所述第一、第二和第三调制光分别是红光、绿光和蓝光。

21.如EEE 20所述的时分多路复用调制器系统，所述滤光轮还被配置为：不均匀地旋转，以在每个滤光器掩模定位在所述时分多路复用调制光中时停止。

22.如EEE 21所述的时分多路复用调制器系统，还包括投影仪透镜，所述投影仪透镜被配置为将由所述滤光轮透射的相应的所述第一、第二和第三调制光的至少一个衍射级投影到屏幕上。

23.一种改善由空间光调制器生成的图像的对比度的方法，包括：

将来自所述空间光调制器的调制光进行空间傅里叶变换到傅里叶平面上，所述调制光包括多个衍射级；以及

通过以下方式过滤所述调制光：

在所述傅里叶平面上透射所述调制光的至少一个衍射级；并且

在所述傅里叶平面处阻挡所述调制光的其余部分。

24.如EEE 23所述的方法，所述至少一个衍射级是零级衍射级。

25.如EEE 24所述的方法，所述透射步骤包括将所述零级衍射级透射通过滤光器掩模的透射区域。

26.如EEE 23所述的方法，所述至少一个衍射级包括零级衍射级和多个一级。

27.如EEE 26所述的方法，所述透射步骤包括将所述零级衍射级和所述多个一级衍射透射通过滤光器掩模的透射区域。

28.如EEE 23至27中任一项所述的方法，所述调制光是红光、绿光和蓝光中的一种。

29.如EEE 23至28中任一项所述的方法，还包括操纵所述空间光调制器的多个微镜以生成所述调制光。

30.如EEE 23至29中任一项所述的方法，还包括在所述透射步骤之后，准直所述调制光的至少一个衍射级。

31.一种用于投影对比度增大的彩色图像的方法，包括：

根据所述图像对第一、第二和第三输入光进行空间调制，以生成相应的第一、第二和第三调制光，所述第一、第二和第三调制光中的每一个包括多个衍射级；

通过以下方式将述第一、第二和第三调制光过滤成相应的第一、第二和第三过滤光：

透射所述相应的第一、第二和第三调制光的至少一个衍射级；并且

阻挡所述相应的第一、第二和第三调制光的其余部分；并且

将所述第一、第二和第三过滤光组合成输出光。

32.如EEE 31所述的方法，所述第一、第二和第三输入光分别是红光、绿光和蓝光。

33.如EEE 31或EEE 32所述的方法，还包括将所述输出光投影到屏幕上。

34.一种用于生成和投影对比度增大的图像的时分多路复用方法，包括：

根据所述图像，通过空间光调制器对时分多路复用光进行调制，以生成包括第一、第二和第三调制光的重复序列的时分多路复用调制光；

通过透镜对所述时分多路复用调制光进行空间傅里叶变换；以及

通过与所述时分多路复用调制光同步地旋转滤光轮来对所述时分多路复用调制光进行过滤，所述滤光轮包括多个滤光器掩模，每个滤光器掩模被配置为对由所述透镜进行空间傅里叶变换的所述第一、第二和第三调制光中的相应的一个调制光进行过滤，所述旋转包括当所述时分多路复用调制光是所述第一、第二和第三调制光中的所述对应调制光时，将每个所述滤光器掩模定位在傅里叶平面处的时分多路复用调制光中。

35.如EEE 34所述的时分多路复用调制器系统，所述空间光调制器是数字微镜器件。

36.如EEE 34或EEE 35所述的方法，所述多个滤光器掩模是三个分别被配置为对所述第一、第二和第三调制光进行过滤的滤光器掩模。

37.如EEE 34至36中任一项所述的方法，所述多个滤光器掩模是三组滤光器掩模，n为正整数，所述三组中的每一组均被配置为对所述第一、第二和第三调制光中的相应一个调制光进行过滤。

38.如EEE 36所述的方法，所述过滤步骤还包括：

通过第一滤光器掩模的透射区域，透射所述第一调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级；

通过第二滤光器掩模的透射区域，透射所述第二调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级；以及

通过第三滤光器掩模的透射区域，透射所述第三调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级。

39.如EEE 36或EEE 38所述的方法，所述第一、第二和第三调制光分别是红光、绿光和蓝光。

40.如EEE 36、EEE 38或EEE 39所述的方法，旋转还包括：不均匀地旋转，以及在所述第一、第二和第三滤光器掩模中的每一个定位在所述时分多路调制光中时停止。

41.如EEE 36、EEE 38、EEE 39或EEE 40所述的方法，还包括在所述过滤步骤之后，将经过滤的所述时分多路复用调制光投影到屏幕上。

Claims

1.一种用于生成图像的时分多路复用调制器系统，包括：

空间光调制器，被配置为根据所述图像将时分多路复用光调制为形成第一、第二和第三调制光的重复序列的时分多路复用调制光；

滤光轮，定位在所述傅里叶平面处并且包括多个滤光器掩模，每个所述滤光器掩模被配置为通过透射所述第一、第二和第三调制光中的相应的一个的至少一个衍射级并阻挡所述第一、第二和第三调制光中的所述相应的一个的其余部分，对通过所述透镜进行空间傅里叶变换的所述第一、第二和第三调制光中的所述相应的一个进行过滤，所述滤光轮被配置为与所述时分多路复用调制光同步地旋转，使得当所述时分多路复用调制光是所述第一、第二和第三调制光中的所述相应的一个时，每个所述滤光器掩模定位在所述傅里叶平面处的所述时分多路复用调制光中。

2.如权利要求1所述的时分多路复用调制器系统，所述空间光调制器是数字微镜器件。

3.如权利要求1或2所述的时分多路复用调制器系统，其中所述多个滤光器掩模是三组n个滤光器掩模，n为正整数，所述三组中的每一组均被配置为对所述第一、第二和第三调制光中的相应一个调制光进行过滤。

4.如权利要求1至3中任一项所述的时分多路复用调制器系统，所述多个滤光器掩模包括第一、第二和第三滤光器掩模，分别被配置为对所述第一、第二和第三调制光进行过滤。

5.如权利要求4所述的时分多路复用调制器系统，

所述第一滤光器掩模具有被配置为透射所述第一调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级的透射区域；

所述第二滤光器掩模具有被配置为透射所述第二调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级的透射区域；并且

所述第三滤光器掩模具有被配置为透射所述第三调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级的透射区域。

6.如权利要求1至5中任一项所述的时分多路复用调制器系统，所述第一、第二和第三调制光分别是红色的、绿色的和蓝色的。

7.如权利要求6所述的时分多路复用调制器系统，其中，过滤红光的每个滤光器掩模被配置为透射零级衍射级和多个但不是所有的一级衍射级。

8.如权利要求7所述的时分多路复用调制器系统，其中，过滤红光的每个滤光器掩模都具有L形的透射区域。

9.如权利要求6至8中任一项所述的时分多路复用调制器系统，其中，过滤绿光的每个滤光器掩模被配置为仅透射零级衍射级。

10.如权利要求6至9中任一项所述的时分多路复用调制器系统，其中，过滤蓝光的每个滤光器掩模被配置为透射多个但不是所有的一级衍射级，并且可选地还透射零级衍射级。

11.如权利要求1至10中任一项所述的时分多路复用调制器系统，所述滤光轮还被配置为：不均匀地旋转，以在每个滤光器掩模定位在所述时分多路复用调制光中时停止。

12.如权利要求1至11中任一项所述的时分多路复用调制器系统，还包括：投影仪透镜，所述投影仪透镜被配置为将由所述滤光轮透射的相应的所述第一、第二和第三调制光的至少一个衍射级投影到屏幕上。

13.一种用于生成图像的调制器系统，包括：

第一、第二和第三滤光器，每个滤光器包括：

透镜，被配置为对来自相应的所述第一、第二和第三空间光调制器的调制光进行空间傅里叶变换，所述调制光包括多个衍射级；以及

滤光器掩模，定位在所述透镜的傅里叶平面处，并且被配置为通过透射所述调制光的至少一个衍射级、生成相应的第一、第二和第三过滤光、并阻挡所述调制光的其余部分，对通过所述透镜进行空间傅里叶变换的所述调制光进行过滤；以及

14.如权利要求13所述的调制器系统，相应的所述第一、第二和第三滤光器的第一、第二和第三滤光器掩模中的每一个具有被配置为分别透射所述第一、第二和第三调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级的至少一个透射区域。

15.如权利要求13或权利要求14所述的调制器系统，所述第一、第二和第三空间光调制器中的每一个是数字微镜器件。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的调制器系统，所述第一、第二和第三光分别是红色的、绿色的和蓝色的。

17.如权利要求16所述的调制器系统，其中，过滤红光的每个滤光器掩模被配置为透射零级衍射级和多个但不是所有的一级衍射级。

18.如权利要求17所述的调制器系统，其中，过滤红光的每个滤光器掩模都具有L形的透射区域。

19.如权利要求16至18中任一项所述的调制器系统，其中，过滤绿光的每个滤光器掩模被配置为仅透射零级衍射级。

20.如权利要求16至19中任一项所述的调制器系统，其中，过滤蓝光的每个滤光器掩模被配置为透射多个但不是所有的一级衍射级，并且可选地还透射零级衍射级。

21.如权利要求13至20中任一项所述的调制器系统，还包括第一、第二和第三输出透镜，所述第一、第二和第三输出透镜定位成在通过所述束组合器组合之前分别准直所述第一、第二和第三过滤光。

22.如权利要求13至21中任一项所述的调制器系统，还包括投影仪透镜，所述投影仪透镜配置为将所述输出光投影到屏幕上。

23.一种投影彩色图像的方法，包括：

根据所述彩色图像，对第一、第二和第三输入光进行空间调制，以生成相应的第一、第二和第三调制光，所述第一、第二和第三调制光中的每一个都包括多个衍射级；

通过以下方式将所述第一、第二和第三调制光过滤成相应的第一、第二和第三过滤光：

透射相应的所述第一、第二和第三调制光的衍射级中的至少一个衍射级；

阻挡相应的所述第一、第二和第三调制光的其余部分；以及

将所述第一、第二和第三过滤光组合成输出光。

24.如权利要求23所述的方法，所述第一、第二和第三输入光分别是红色的、绿色的和蓝色的。

25.如权利要求23或权利要求24所述的方法，还包括将所述输出光投影到屏幕上。

26.一种用于生成和投影图像的时分多路复用方法，包括：

通过与所述时分多路复用调制光同步地旋转滤光轮，对所述时分多路复用调制光进行过滤，所述滤光轮包括多个滤光器掩模，每个所述滤光器掩模被配置为对由所述透镜进行空间傅里叶变换的所述第一、第二和第三调制光中的相应的一个进行过滤，所述旋转包括当所述时分多路复用调制光是所述第一、第二和第三调制光中的所述相应的一个时，将每个所述滤光器掩模定位在所述透镜的傅里叶平面处的所述时分多路复用调制光中。

27.如权利要求26所述的方法，所述空间光调制器是数字微镜器件。

28.如权利要求26或权利要求27所述的方法，所述多个滤光器掩模是三组n个滤光器掩模，n为正整数，所述三组中的每一组均被配置为对所述第一、第二和第三调制光中的相应一个调制光进行过滤。

29.如权利要求26至28中任一项所述的方法，所述多个滤光器掩模是分别被配置为过滤所述第一、第二和第三调制光的第一、第二和第三滤光器掩模。

30.如权利要求26至29中任一项所述的方法，其中，所述过滤包括：

通过所述第一滤光器掩模的透射区域，透射所述第一调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级；

通过所述第二滤光器掩模的透射区域，透射所述第二调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级；以及

通过所述第三滤光器掩模的透射区域，透射所述第三调制光的零级衍射级和/或一个或多个一级衍射级。

31.如权利要求26至30中任一项所述的方法，所述第一调制光、所述第二调制光和所述第三调制光分别是红色的、绿色的和蓝色的。

32.如权利要求26至31中任一项所述的方法，其中，所述旋转还包括：不均匀地旋转，以及在所述第一、第二和第三滤光器掩模中的每一个定位在所述时分多路调制光中时停止。

33.如权利要求26至32中任一项所述的方法，还包括在所述过滤后，将经过滤的所述时分多路复用调制光投影到屏幕上。