CN1431539A - 像素式投影显示器的图像栅格去除方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种像素式投影显示器的图像栅格去除方法及系统。采用多像小尺度位移叠合实现像素间栅格去除的方法。它依次具有屏幕、物镜、分色、合光或偏振棱镜系统、空间光调制器，在阵列空间光调制器前面，或者在进入投影物镜之前的光路中放有图像平滑器。应用门函数卷积低通滤波原理，采用裂像元件实现矩阵像素空间光调制器投影显示中的黑色栅格图像去除，这些裂像元件可以是光学晶体或其他各项异性材料。这种像素矩阵投影成像栅格去除技术可以应用于液晶(LCD)投影、硅片上的液晶(LCOS)投影、数字光处理器件(DLP)投影以及其他阵列空间光调制器投影技术之中。
Description
技术领域
本发明涉及一种像素式投影显示器的图像栅格去除方法及系统。
背景技术
现代投影显示技术中像素式投影显示已经成为主流技术。如基于薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)的液晶投影显示技术、硅基上的液晶显示器的LCOS投影显示技术、以及基于数字微镜DMD的数字光处理投影显示技术DLP等。这些大屏幕的投影技术被广泛应用于办公、广告、电化教学以及家庭娱乐中。但是，像素式投影显示都有一个共同的缺点，由于图像画面是由一个一个像素构成的，而每个像素之间有一定的间隔，因此在显示的画面中就会形成黑色栅格，这种黑色栅格严重影响了图像的美观。这也正是数字投影显示技术与模拟的传统胶片电影投影显示的最大差异与劣势。本发明正是针对这种现象而做出的一种高效的去除数字投影显示中栅格的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种像素式投影显示器的图像栅格去除方法及系统。
像素式投影显示器的图像栅格去除方法是采用多像小尺度位移叠合实现像素间栅格去除的方法。
像素式投影显示器的图像栅格去除系统是依次具有屏幕、物镜、分色、合光或偏振棱镜系统、空间光调制器，在空间光调制器前面，或者在进入投影物镜之前的光路中放有图像平滑器。
本发明的优奌
去除空间光调制器投影系统的黑色栅格，实现理想的电影级高清晰度电视投影显示，系统简单，方便，结构紧凑。
克服了常规光学低通滤波器采用付氏光学，孔栏滤波系统复杂体积庞大的弱点。
低通滤波的频率方便可调，可以适用于不同分辨率的空间光调制器投影系统。
对投影系统的光能量影响小，光学效率高。
附图说明
图1是简化的空间光调制器投影系统中的成像部分原理结构图；
图2是空间光调制器的像素结构图；
图3是单轴晶体裂像原理图；
图4是单片晶体与组合晶体的图像错位叠合去除黑色栅格过程；
图5是简化的空间光调制器投影系统中加入图像平滑器的成像部分原理结构图。
具体实施方式
种像素式投影显示器的图像栅格去除方法是采用多像小尺度位移叠合实现像素间栅格去除的方法。
所说的产生多像的光学晶体波片是单片，一个方向的错位叠合的黑色栅格去除方法。产生多像的光学晶体波片，采用多片光学晶体的叠合构成图像空间多方向错位叠合的黑色栅格去除方法。产生多像的光学晶体波片或多片光学各向异性薄片的组合，放在像素空间光调制器前面，或者放在进入投影物镜之前的光路中。
像素式投影显示器的图像栅格去除系统依次具有屏幕1、物镜2、分色、合光或偏振棱镜系统3、空间光调制器4，在空间光调制器前面，或者在进入投影物镜之前的光路中放有图像平滑器5。图像平滑器5是光学各向异性材料或多片光学晶体薄片的组合件。
现代光阀式投影显示中，往往采用高效气体放电灯产生高亮度白光，由光学系统的光积分器，以及分色系统将白光分成红、绿、兰三色光照射在空间光调制器上，经空间光调制器反射或透射的光再有合色系统合成白光由投影物镜投影成像。无论TFT-LCD、LCOS还是DMD芯片，都必须采用光学投影技术才能构成高清晰度投影显示器，而投影物镜的作用就是将空间光调制器精确投影成像。另外一类投影显示是采用彩色时序技术彩色空间扫描技术，利用单个高响应速度的空间光调制器，配合投影物镜投影成像。
因此投影显示系统可以看成由两大部分构成，照明系统与投影成像系统。投影物镜的作用就是将空间光调制器的像素结构将全部成果成像在屏幕上。而像素之间的间隔形成的栅格黑线也就出现在屏幕上。这种叠在投影图像画面上的栅格，无论是单片式空间光调制器还是三片式空间光调制器的投影显示系统中均存在。不同的是不同的空间光调制器栅格的清晰程度不一样，主要取决于空间光调制器的像素的开口率。因此，为了获得电影品质的画面图像，去除高分辨空间光调制器投影显示系统的投影图像画面栅格是十分必要的技术。
不论何种空间光投影显示系统，其投影成像部分的原理可以简化为屏幕1、物镜2、分色、合光或偏振棱镜系统3、空间光调制器4几个部分组成如图1所示。空间光调制器4的像素图如图2所示，每个像素有一定的开口率，也有一定的间隔，因此屏幕上的画面就是空间光调制器的放大图像。
对投影显示的图像而言，黑色栅格的尺寸远小于一个像素的尺寸，因此是显示画面中的最高频率图像成分，如果能采用一个成像系统的图像低通滤波器，仅仅让低于此频率的图像经过投影物镜，则可以去除黑色栅格。可以设想，用一个门函数，去卷积图像函数这可以起到低通滤波的作用，可以去除阵列空间光调制器投影成像的黑色栅格。
在光学上，门函数与图像函数的卷积可以用多个不同移位量的图像的叠加来实现。因此只要可以使图像产生裂像，而且裂像的距离有可以控制的器件，就可以用于黑色栅格的去除。因此，各种能够产生裂像的双折射材料都可以应用于黑色栅格图像的去除。
利用光学双折射晶体的双折射效应可以去除空间光调制器像素之间将各所产生的黑色栅格。最简单地，我们采用单轴的水晶晶体来实现黑色栅格的去除。
我们知道对于一个单轴晶体的薄片，当光轴位于入射面内，且与晶片表面成φ度角时，如图3所示，入射光进入晶体后将被分成寻常光与非寻常光，即O光与e光。此两光束出射晶体后，成为两束平行光束，设晶体的O光与e光的折射率为：no，ne，则此两出射光束的间距为： 其中no，ne为晶体的折射率，φ为晶轴与入射表面的夹角。当采用水晶这类的晶片时，由于水晶在可见光区no的值在1.54左右，ne的值在1.55左右，如果我们取晶轴与表面的夹角φ为45°，则由上式可得，裂像的距离与晶片的厚度的关系为：
h＝0.0065d (μm)
我们可以选择晶片的厚度，使两束光束的偏移量等于半个像素大小。这样与原来的一个像素就变成错位半个像素的两个像素。像素之间的黑色栅格就被相邻像素的照明，黑色栅格去除。如图4a所示。假设空间光调制器阵列器件的像素大小为16微米，则半个像素就是8微米，因此水晶的厚度应为1.23mm。
注意当采用晶轴如图3标注的单轴晶体时，裂像的方向是沿着晶轴在晶体表面投影所指的方向。当然为了去除黑色栅格，我们没有必要移动半个像素，为了减少成本，同时也是为了减少引入水晶片对投影物镜成像质量的影响，应该尽量减薄晶片厚度，为此可以采用错位1/3像素的方法，这样水晶厚度将减薄至0.82mm。
一片晶体薄片只能产生往一个方向移动(错位)的两个像素。为了更全面去除栅格，可以采用多片晶轴方向相互交角的晶片组合，获得像素在多个方向上的错位叠合，以保证黑色栅格的彻底去除。多晶片的组合原理，是依据如何能使像素图像的叠合能够以最少的错位就能去除为原则进行的。一般采用两片至三片的晶片为佳。为了保证经过前一晶片后的光对后一晶片而言，均存在两种偏振分量，因此各相邻晶片的晶轴的在晶片表面上的投影必须有一定的夹角，不能为零或90度，一般而言以相互之间45度交角相组合最佳。如图4b所示。
多片晶片的组合在厚度选择上要考虑多片晶片错位像之间的位置排布间题。可以采用不等厚度的晶片组合，以便使错位图像在空间上均匀排布。
裂像元件放在投影系统中的位置十分重要。对于DLP投影显示系统，无论是单片式DLP投影显示，还是三片式投影显示，裂像元件(例如，晶片或晶片组合)可以直接放在DMD器件之前。
对LCD与LCOS投影显示系统而言，裂像元件(例如，晶片或晶片组合)对偏振光的依赖性以及裂像的偏振特性，都会影响系统的投影显示性能。依据系统构造的不同，如果裂像元件与偏振无关，则可以放在液晶板LCD与LCOS之前，如果裂像元件(例如，晶片或组合晶片)与偏振特性相关，则裂像元件(例如，晶片或晶片组合)只能放在LCD或LCOS的检偏器之后，也可以放在合色棱镜之后，投影物镜之前。组合晶片放的位置的正确与否，会影响系统的能量或系统的色平衡，特别是对于液晶等利用偏振光的投影显示系统。
Claims (6)
1.一种像素式投影显示器的图像栅格去除方法，其特征在于采用多像小尺度位移叠合实现像素间栅格去除的方法。
2.根据权利要求1所述的一种像素式投影显示器的图像栅格去除方法，其特征在于所说的产生多像的光学晶体波片是单片，一个方向的错位叠合的黑色栅格去除方法。
3.根据权利要求1或2所述的一种像素式投影显示器的图像栅格去除方法，其特征在于所说的产生多像的光学晶体波片，采用多片光学晶体的叠合构成图像空间多方向错位叠合的黑色栅格去除方法。
4.根据权利要求1或2所述的一种像素式投影显示器的图像栅格去除方法，其特征在于所说的产生多像的光学晶体波片或多片光学各向异性薄片的组合，放在像素空间光调制器前面，或者放在进入投影物镜之前的光路中。
6.一种像素式投影显示器的图像栅格去除系统，其特征在于它依次具有屏幕(1)、物镜(2)、分色、合光或偏振棱镜系统(3)、空间光调制器(4)，在空间光调制器前面，或者在进入投影物镜之前的光路中放有图像平滑器(5)。
7.根据权利要求6所述的一种像素式投影显示器的图像栅格去除系统，其特征在于所说的图像平滑器(5)是光学各向异性材料或多片光学晶体薄片的组合件。
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