CN1678079A

CN1678079A - 像素化彩色图像的投影

Info

Publication number: CN1678079A
Application number: CNA2005100626410A
Authority: CN
Inventors: W·D·齐尔德斯
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2005-10-05
Also published as: TWI278715B; JP3993201B2; JP2005284288A; TW200534026A; US20050213053A1; KR100745242B1; KR20060044824A; US7044606B2

Abstract

投影系统(2)将像素化彩色图像投影到显示表面(4)上。投影系统(2)包括光源(6)、干涉式调制器(10)以及反射式光调制器(8)。干涉式调制器(10)配置成调制光的波长并将已调制光反射到显示表面(4)上。反射式光调制器(8)设置成接收来自光源(6)的光并选择性地将光反射到干涉式调制器(10)和显示表面(4)。

Description

像素化彩色图像的投影

技术领域

本发明一般涉及视频技术，更具体地说，涉及具有干涉式调制器和反射式光调制器的显示装置。

背景技术

业界已知各种类型的数字投影仪。一种常见的类型使用分色光学元件组合、三个光调制器芯片和组合光学元件。分色光学元件将光分成基色光束，使得每个光束可由三个光调制器芯片之一来调制。调制后，光束重新组合，然后在显示表面上显示。提供三个光调制器芯片增加了这类投影仪的尺寸和成本。

作为一种备选方案，使用LCD芯片或板可在一定程度上节约成本。但是，LCD板要求使光偏振。使光偏振降低了输出强度，却增加了偏振的成本。

另一种类型的投影仪利用顺序色彩生成的组合，诸如白光源通过旋转的滤色轮和微镜阵列。相当部分的潜在色饱和度会丢失，而且因使用顺序色彩而产生视觉赝像，例如色彩分离。卷动色轮等设计可以部分缓解这些问题，但增加了系统的复杂程度以及困难的定时和组装问题。

发明内容

按照本发明的原理，在一个实施例中，投影系统将像素化彩色图像投影到显示表面上。投影系统包括光源、干涉式调制器和反射式光调制器。干涉式调制器被配置成调制光的波长并将已调制光反射到显示表面。反射式光调制器被设置成接收来自光源的光并选择性地反射在干涉式调制器和显示表面之间的光。

附图说明

图1是说明本发明投影系统的一个实施例的框图。

图2-4说明图1所示的反射式光调制器的工作。

图5是说明将像素化彩色图像投影到显示表面上的本发明方法的一个实施例的流程图。

图6是按照本发明的一个实施例用于生成色彩的示范工作定时图。

具体实施方式

图1说明用于将像素化彩色图像投影到显示表面4上的投影系统2的一个实施例。投影系统2包括光源6、反射式光调制器或基于反射的调制器阵列8、色彩调制器或色彩调制器阵列10、光阱14、图像处理单元16以及观看光学元件18。在一个实施例中，观看光学元件18包括投影光学元件12和显示表面4。图1未说明各种光学组件，诸如积分杆(integrating rods)、均化器和中继光学元件，这些组件对于本发明所用的具体投影系统实现是特定的。

在说明本发明时，采用各种术语一般地反映复杂的概念。例如，术语“色彩”在用于光束或像素或光点时是指光束或像素的特定光谱分布，可有不止一个符合本公开的意思。例如，红色可以指非常单色的红光束，或者可以指光谱分布中光谱峰值接近红色的光。

光源6是适合用在投影系统2中的任何光源。这种适合的光源6的一个实例是超高压汞灯。此外，本发明的优点之一是对光源6的聚光本领要求较低。所以，氙和等离子体灯泡也是适用的光源6的实例。

色彩调制器阵列10是配置成调制光的波长并将已调制光反射到显示表面4上的任何装置或系统。在一个实施例中，色彩调制器10配置成产生强度对波长的分布，该分布在单一波长附近达到峰值。在另一实施例中，色彩调制器10配置成通过吸收大部分入射光来改变入射光的谱分布。

在一个实施例中，色彩调制器10是基于干涉的或干涉式调制器，它对所加电压信号作出响应，调制照射光的谱分布以产生输出色彩。这样，干涉式调制器10选择一种色彩或谱分布，将其传送到显示表面4。在干涉式调制器的情况下，色彩调制器10也称为基于Fabry Perot的光处理装置。

在一个实施例中，色彩调制器阵列10是包括单元或彩色像素元件阵列的装置。每个彩色像素元件都有能力接收白光并输出具有一定色谱分布的光，该分布的峰值在特定波长附近，诸如红、绿、蓝、青、黄、品红、紫或其它颜色，视色彩调制器10的设计而定。

在一个实施例中，每个单元包括光学空腔，其垂直于单元阵列的维度响应在帮助定义空腔的相对板上电压的施加。控制相对板上的电压或控制注入一个或两个相对板的电荷，就可做到这一点。

白光照射到每个单元上。由于光学干涉的结果，每个单元反射的光具有强度对波长的分布，在特定波长附近形成峰值。这样，每个单元的输出就是电压或电荷选择的峰值波长。然后光从单元反射到观看光学元件18和/或显示表面4。

在一个示范实施例中，每个单元还有黑色位置(作为输入电压或电荷的结果)，其中从单元反射非常少的光或不反射光。这可称为光调制器元件的黑色情况。

反射式光调制器8是投影系统2中适合用于选择性反射光的任何装置。反射式光调制器8被设置成接收来自光源6的光，并选择性地将光反射到色彩调制器10和显示表面4。反射式光调制器8可具有与色彩调制器10相同或不同的分辨率。适用的反射式光调制器8的一个实例是数字微镜装置，也称为数字镜面装置DMD，或数字光处理器DLP芯片。

在一个实施例中，反射式光调制器8包括反射面20(图2-4)或镜面元件20的阵列。每个镜面元件20配置成定义至少两条可能的路径供光通过投影系统2。在第一光路中，光从镜面元件20传到观看光学元件18，而不通过色彩调制器10。在第二光路中，光由色彩调制器10调制，然后再传到观看光学元件18。

为便于讨论，在本公开中，光被称作从一个元件“传”到另一元件。对诸如中继光学元件、均化或积分光学元件以及偏振光学元件等介入的光学元件的讨论在此省略，因为这些介入光学元件的详情在业界已知。

投影光学元件12接收来自调制器8和10的已调制光，并将光成像到显示表面4上。在放映式正面投影系统实施例中，投影光学元件10包括“长投”光学元件，且显示表面4包括与投影系统2物理分离的投影屏或其它表面。在背投电视(RPTV)的另一实施例中，投影光学元件10包括“短投”光学元件，且显示表面4包括作为投影系统2的一部分的屏幕。

光阱14是配置成接收从反射式光调制器8反射的光并防止其在显示表面4上被看见或者以其它方式影响投影系统2的正常工作或图像形成的任何装置或系统。在本发明的具有光阱14的实施例中，反射式光调制器8还配置成选择性地将光反射到光阱14。

图像处理单元16是硬件和可执行代码的任何组合，配置成接收视频、图像信号或二者，并生成用于调制器8和10的适当控制信号，以便正确调制来自光源6的光束。图像处理单元16可包括诸如坐标转换装置等装置，用于将输入信息转换成坐标，诸如红、绿、蓝(R，G，B)坐标，还包括在控制信息传到调制器8和10之前缓冲控制信息的装置。

图2-4说明单一镜面元件20或反射像素元件20的工作的一个示范实施例。其它实施例也是可能的，在此未示出，但本领域技术人员是可以预见的。设想反射式光调制器8包括这种镜面元件20的阵列。图2-4中所示各项的位置，相对大小以及形状都已简化，以便更清晰地说明本发明。例如，镜面元件20可包括诸如覆盖有反射结构的单独轭和铰链结构之类的结构，从而得到双层镜面外观。对这种结构的复杂性在此不作讨论，因为它并不说明本发明。

在一个实施例中，镜面元件20包括下面的衬底和相关联的寻址电子元件。在一个示范实施例中，寻址电子元件允许镜面元件20取三个位置：(1)中性、复位或未闩锁位置，此时镜面元件20的表面基本上平行于镜面元件下面的衬底表面；(2)第一闩锁或偏转位置，此时镜面元件20静电地和成角度地偏转到第一侧；或者(3)第二闩锁或偏转位置，此时镜面元件成角度地偏转到与第一侧相对的第二侧。在备选实施例中，寻址电子元件允许镜面元件20取两个位置或任何数量的所需位置。

图2所示的是单个镜面元件20处于第一偏转位置，这样镜面元件20将来自光源6的光传到观看光学元件18，没有介入色彩调制。避免色彩调制降低了光的吸收损耗，且在色彩调制器10中产生较少的热量。在色彩调制器10中产生较少热量就降低了对色彩调制器10的冷却要求。

降低光的吸收损耗使更多的光可以传到观看光学元件18。由于镜面元件20处于第一偏转位置，明亮白色像素元件出现在显示表面4上。

而且，由于该光避免了色彩光调制，色彩调制器10就只有较少的光需要调制。提供较少的光给色彩调制器10调制，结果允许色彩调制器10处理的数据位数减少。减少数据位数就允许色彩调制器10具有较低的数据速率要求。

图3所示的是单一镜面元件20处于中性位置，此时镜面元件20基本上平行于下面的衬底。在此位置，来自镜面元件20的光被传到色彩调制器阵列10的一个或多个像素元件。

图4所示的是单一镜面元件20处于第二偏转位置。在此位置，来自镜面元件20的光被传到光阱14。在投影系统2的另一实施例中，第二偏转位置用来使来自光源6的光传到色彩调制器阵列10的一个或多个像素元件。在此备选实施例中，镜面阵列的中性位置可用来使光传到光阱14。

再参照图1-4，来自光源6的光束被反射式光调制器8分成较小的光束。每个较小的光束取两个光路之一，然后定义显示表面4上的一个像素。若是第一光路，较小的光束从反射式光调制器8传到显示表面4，而未经过色彩调制器10的色彩调制，这样在显示表面4上产生的像素具有与光源6基本上相同的谱分布或色彩。若是第二光路，较小的光束从反射式光调制器8传到色彩调制器10，然后到达显示表面4，在显示表面4上形成的像素具有依照发送到色彩调制器10的控制信号的色彩或谱分布。

每个较小光束所取路径的选择取决于显示表面4上期望的像素色彩。如果期望像素是白色或基本上是光源6的颜色，则光束传播到反射式光调制器8，在此沿第一光路偏转到显示表面4，而不经过色彩调制器10的色彩调制。所得的像素色彩未经调制，因此基本上白色的像素显示在显示表面4上。

如果期望像素具有不同于光源6的色彩，则光传播到反射式光调制器8，在此光被偏转到色彩调制器10。色彩调制器10调制光的色彩或谱分布，并将光偏转到显示表面4。

如果期望像素为黑色，则光束传播到反射式光调制器8，在此光束被偏转到光阱14。这就避免光到达显示表面4，从而得到黑色像素。如果色彩调制器10具有黑色状态，则将它们偏转到色彩调制器10也可产生黑色像素。

图5是代表本发明的一个实施例的步骤的流程图。虽然图5所示步骤按特定顺序给出，但是本发明包括步骤顺序上的各种改变。而且，在图5所示的步骤之间也可执行附加步骤，这也不背离本发明的范围。

在22产生光。在一个实施例中，由光源6产生(22)光。在一个备选实施例中，光在其它地方产生22，并送入投影系统2中。

在一个实施例中，对于像素化彩色图像的每个像素，标识一个时间，使反射式光调制器8定位为将光反射到干涉式调制器10和显示表面4。

在一个实施例中，所产生的光被选择性地反射或传到26干涉式调制器10或显示表面4。在一个备选实施例中，所产生的光被选择性地反射26到干涉式调制器10、显示表面4或光阱14。干涉式调制器10调制28光线的波长并将已调制光反射到显示表面4。在一个实施例中，通向显示表面4的光由投影光学元件12聚焦30，然后再传到显示表面4。

再参照图1，信息在图像处理单元16接收，图像处理单元16定义一个图像、图像系列或视频序列。图像处理单元16处理该信息，然后适当地控制包括调制器8和10在内的各种组件，以便在显示表面4上产生图像、图像系列或视频序列。

输入信号可以是许多可能标准之一，包括S-Video、PAL信号(欧洲视频标准)或NTSC信号、即美国在一段时间的电视标准。有许多方式可实现用于投影系统2的控制电子元件，以下是一个实例。

为简化这种讨论，将光源6作为足够平衡的白光源来处理。如果不是这样，则可通过指定一部分帧周期用于色彩校正，采用色彩光调制器10进行校正。

图像处理单元6包括坐标转换装置，它将接收的信息转换为图像处理单元16的帧缓冲器可使用的信息。例如，输入的信息可以逐帧转换为红、绿、蓝(RGB)值。对于每个视频帧，要显示在显示表面4上的每个像素都有一个RGB值阵列。

对于每个像素位置，R、G、B分量可以分别表达为Nr、Ng和Nb，其中Nr是要显示的红色分量，Ng是绿色分量，Nb是蓝色分量。进一步说，Nr、Ng和Nb是在特定帧周期内与像素位置的红、绿、蓝分量强度成比例的归一化值。

为了对调制器8和10提供控制信号，需要分离出定义第一光路的纯白信号，该光路如上所述绕过色彩调制器。这可以计算如下：

Nw＝“白色分量”＝Nr、Ng和Nb的最小值。这个值定义了在帧周期上该像素采用第一光路的时间周期。换句话说，这定义了将白光导向像素位置的帧的一部分。

在帧周期的其余部分，可利用第二光路产生光的非白色部分。这部分从将白色分量减去后的系数来计算。

Nr-Nw、Ng-Nw和Nb-Nw＝分别利用色彩调制器10产生的R、G、B分量。这些分量以下称为色彩分量的“剩余量”。

大多数实际的白光源并非完全平衡。例如，超高压汞(UHP Hg)光源往往红色有些不足。文中提到的“基本上白色”光源包括光谱平衡的光源或者有某些不足的光源，诸如UHP Hg光源。图像处理单元16可包括校正因子“查找表”，以校正不完全平衡的广谱或基本白色的光源。或者，可以使用附加光源，诸如红色LED，来补充光源的不足。

图6所示的是在图像显示表面4上的单一像素在帧周期T中产生色彩信号的示范工作定时图。调制器8和10协同工作以正确产生像素。

如上所述，白色分量Nw由图像处理单元16按上述计算。这定义了“路径1”或“P1”时隙，它们是指使用第一光路的那部分时间周期，如图6所示。对于最大白色强度，例如夜空中非常明亮的星星，P1可延伸到几乎整个帧周期T。注意，为了减少视觉赝像和闪烁，路径1的时间周期可以分成帧周期T上的多个时隙，如图所示。

其次，计算其余的色彩坐标。这些是利用图6中以“路径2”表示的第二光路产生的。同样，信号扩展到整个帧周期以使闪烁和/或视觉赝像最少。在此示范定时图中，在减去白色之后，其余的信号是红色和绿色的组合，如图6所示。

以上描述仅为说明本发明。本领域技术人员可以设计各种变更和修改，而不背离本发明。因此，本发明包括属于所附权利要求的范围内的所有这些变更、修改和变化。

Claims

1.一种投影系统(2)，用于将像素化彩色图像投影到显示表面(4)上，所述投影系统(2)包括：

光源(6)；

色彩调制器(10)，配置成调制光的光谱分布，并将已调制光传到所述显示表面(4)；以及

反射式光调制器(8)，设置成接收来自所述光源(6)的光，并选择性地将所述光反射到包括所述色彩调制器(10)的第一光路和绕过所述色彩调制器(10)的第二光路。

2.如权利要求1所述的投影系统(2)，其特征在于，所述反射式光调制器(8)包括镜面元件(20)的阵列，每个镜面元件(20)具有第一偏转位置，在此位置，光从所述镜面元件(20)传到所述显示表面(4)，从而在所述显示表面(4)上形成基本上白色的像素。

3.如权利要求1所述的投影系统(2)，其特征在于，所述投影系统(2)在所述反射式光调制器(8)与所述显示表面(4)之间定义两条光路，包括第一和第二光路，以及其中所述第一光路将光从所述反射式光调制器(8)传送到所述显示表面(4)，而不经过所述色彩调制器(10)。

4.如权利要求1所述的投影系统(2)，其特征在于，还包括光阱(14)，以及其中所述反射式光调制器(8)还配置成选择性地将光反射到所述光阱(14)。

5.一种将像素化彩色图像投影到显示表面(4)的方法，所述方法包括：

产生(22)光；

在干涉式调制器(10)与所述显示表面(4)之间选择性地传递(26)所产生的光；

所述干涉式调制器(10)调制(28)光的波长并将已调制光传到所述显示表面(4)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括将传到所述显示表面(4)的所述光聚焦(30)。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括对于所述像素化彩色图像的每个像素标识一个使所述反射式光调制器(8)定位的时间，以便将光传到所述干涉式调制器(10)和传到所述显示表面(4)。

8.一种投影系统(2)，用于在显示表面(4)上产生彩色图像，所述投影系统(2)包括：

色彩调制器(10)，其中包括彩色像素元件的阵列；

光源(6)：

观看光学元件(18)；以及

反射式光调制器(8)，设置成接收来自所述光源(6)的光，所述反射式光调制器(8)具有镜面元件(20)的阵列，其中每个镜面元件(20)定义至少两条光路，包括第一光路和第二光路，在第一光路中，发射光从所述镜面元件(20)传到所述观看光学元件(18)而不经过所述色彩调制器(10)，而在第二光路中，反射(26)光从所述光源(6)传到所述色彩调制器(10)，然后到达所述观看光学元件(18)。

9.如权利要求8所述的投影系统(2)，其特征在于，所述色彩调制器(10)是干涉式调制器(10)，它配置成改变在每个彩色像素元件处的光的光谱分布。

10.如权利要求8所述的投影系统(2)，其特征在于，还包括图像处理单元(16)，所述图像处理配置成确定光的基本白色分量并利用所述第一光路产生光的基本白色分量。