CN1720750A - 微型显示器的动态范围和对比度增强 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光阀系统,增强了亮和暗视频图像的对比度,并且减少了轮廓假象。所述光阀系统包括:颜色选择器件,配置用于临时衰减光的分量颜色波段以便与视频输入信号相对应。第一偏振分束器配置用于将分量颜色波段偏振为反向偏振分量,并且微型显示器配置用于接收所述反向偏振分量中的至少一个,以便形成投影光矩阵。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2002年12月4日递交的题为“微型显示器的动态范围和对比度增强”的美国专利申请序列号No.60/430,818(代理记录号No.PU020470)的权益,其全文包括在此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种光阀系统,更具体地,涉及一种具有微型显示器的光阀系统,用于背投电视。
背景技术
在如背投电视(RPTV)、数字影院等显示器中的传统光阀系统中,通过一系列积分和对准光学装置,将来自灯的白光引导到微型显示器,例如液晶显示器(LCD)、硅上液晶(LCOS)、或数字光处理系统(DLP)。在LCD或LCOS系统中,将白光分离为其分量红色、绿色和蓝色(RGB)波段的光,在LCOS的情况下,由偏振分束器(PBS)进行偏振,并且引导到微型显示器。所述微型显示器具有像素矩阵。微型显示器进行操作,以便根据视频输出信号,以来自控制器的灰度级因子控制输出来调制入射光的分量RGB波段的每一个像素,从而形成离散调制光信号或像素的光矩阵。光矩阵发生反射或从微型显示器中输出,并且将其引导到投影透镜系统,用于将调制光投影到显示屏上,组合光像素以形成视频图像。
在DLP系统中,将白光分离为光分量RGB波段,并且将其反射到DLP微型显示器上。所述微型显示器是包含铰链安装的微观反射器的阵列的半导体器件。每一个反射器对应于输入到微型显示器的视频图像的一个像素。当通过视频输入信号来驱动半导体时,反射器发生倾斜或接通和断开以反射全部或部分的入射光。从反射器反射的像素阵列形成与视频输入信号相对应的光矩阵。光矩阵发生反射或从微型显示器中输出,并将其引导到投影透镜系统,用于将调制光投影到显示屏上,以形成视频图像。
这些显示系统的一个缺点在于:在暗状态下投影的视频图像比亮状态场景中投影的视频图像质量低劣。在LCD或LCOS系统中,由于引导到微型显示器上的光量保持恒定而与输入到微型显示器的视频图像的亮度无关,因此,出现了质量差别。由此,从像素到像素的灰度级变化受到用于处理视频输入信号的比特数的限制。由于视频输入信号是固定数量的比特,这对应于全尺寸的光,因此趋向于极其少的比特可用于视频图像的较暗区域中的细微差别。例如,如果当节目仅包含0到64个灰影时,微型显示器能够再现1024个灰影(10比特输出的数字到模拟转换器(DAC)),净效应在于:对比度表现为较差,并且由于量化效应和截断效应,视频图像表现为具有严重程度的噪声和轮廓。由于半导体的固有线性响应,与LCOS或LCD系统相比,该DLP系统经受到更严重的轮廓效应。
为了缓和在亮和暗视频图像之间出现的质量差别,已知的是增加微型显示器自身的对比度。然而,增加微型显示器的对比度将导致非常高的数据速率、非常高分辨率的DAC、以及非常关键的光学和液晶性能要求。因此,需要开发一种光阀系统,用于增强视频图像的对比度,特别是在暗视频图像中,并且减少轮廓假象。
发明内容
本发明涉及一种光阀系统,包括颜色选择器件,配置用于临时衰减光的分量颜色波段以便与视频输入信号相对应。第一偏振分束器配置用于将分量颜色波段偏振为反向偏振分量,并且微型显示器配置用于接收所述反向偏振分量中的至少一个,以便形成投影光矩阵。
本发明还涉及一种光阀系统,包括颜色选择器件,配置用于将光临时分离为分量颜色波段以便与视频输入信号相对应。第一偏振分束器配置用于将分量颜色波段偏振为第一组反向偏振分量。第一和第二液晶显示器。第一和第二液晶显示器中的每一个分别配置用于接收所述第一组反向偏振分量之一,以便形成第一和第二光矩阵。第二偏振分束器配置用于接收第一和第二光矩阵,以便将第一和第二光矩阵分离为第二组反向偏振分量,并且微型显示器配置用于接收第二组反向偏振分量中的至少一个,以便形成投影光矩阵。
附图说明
将参考以下附图,更详细地描述本发明,其中:
图1是根据本发明第一实施例的光阀系统的方框图;
图2是根据本发明第二实施例的光阀系统的方框图;以及
图3是用于图2所示的系统的偏振分束器配置的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明第一实施例的光阀系统1。该系统1包括灯10。所述灯10产生白光4,并且向一组照明光学装置11投影该白光4。例如,照明光学装置11可以包括偏振器和/或积分器。在该实施例中,包括偏振器,以便将输入光旋转为s偏振。照明光学装置11向颜色选择器件5引导白色s偏振光4的远心光束。在所示实施例中,颜色选择器件5是颜色切换器件,作为使多层液晶显示器堆叠在一起的光学器件。这样的颜色选择器件5的示例包括由Boulder,Colorado的ColorLink公司制造的COLORSWITCH和由Sunnyvale,California的DigiLens公司制造的特定用途集成透镜(ASIL)。白光4进入颜色选择器件5,并由颜色选择器件5将输入到其上的白光4临时滤光为光12的顺序分量—红色、绿色和蓝色(RGB)波段。根据由显示控制器3施加到颜色选择器件5上的数字控制信号电压,透射或反射所选波段的光。颜色选择器件5还具有启动/断开状态电压输入,用于接收来自显示控制器3的控制信号。当来自显示控制器3的电压电平为高时,其将颜色选择器件5驱动为断开状态,而当来自显示控制器3的电压电平为低时,其将颜色选择器件5驱动到启动状态,其中使光透过。显示控制器3通过其对去往微型显示器7的视频输入信号的处理,对视频信号进行分析以确定其内容。在该分析中,显示控制器3针对要显示的帧,逐像素地分析视频输入信号。如果没有像素输入值超过全尺寸的一半,则将颜色选择器件5中的电压电平控制衰减设置在全尺寸的50%处。如果另一方面,输入像素值是全零从而表示全黑屏,则在状态电压上完全减小控制颜色选择器件的电压电平。该衰减控制增强了对比度,特别是在主要包含暗内容的框架中。由于最终的对比度是通过系统中的光学分量实现的对比度的乘积,例如,如果颜色选择器件5具有对比度50∶1,并且微型显示器7具有对比度600∶1,则测量到的顺序对比度是30000∶1,能够改善对比度等级,特别是在暗状态下。
利用微型显示器7的传递函数对显示控制器3进行编程。为了对显示控制器3进行编程,可以在工厂级处校准微型显示器7,或者通过壳体或投影光路径中的光电传感器(例如,在折叠式反射器之后)自动校准其。由于可以在二元步骤中执行该校准,因此,该校准将花费不超过几秒的时间,并且可以在视频输入信号已知之后的正常操作期间执行。结果,改善了系统1的动态对比度,而没有任何附加硬件的成本,并且客户具有当她进行选择时减少视频图像的峰值亮度的选择,而不会产生不理想的轮廓效应。
光12的顺序分量RGB波段离开颜色选择器件5,并且去往偏振分束器8(PBS)。将输入光12的入射s偏振分量19从偏振表面17反射到第三表面15上。将微型显示器7设置在超出PBS 8的第三表面5之外,并且将光12的s偏振分量19输入到其上。
在所示实施例中,微型显示器7是硅上液晶(LCOS)成像器。可选地,可以使用液晶显示器(LCD),并且对光学系统进行相应地调节。LCOS微型显示器7用于利用来自显示控制器3的视频信号来调制入射光。投影光矩阵18的每一个像素具有与在微型显示器7中针对该像素提供的各个灰度级值成比例的强度或亮度。作为调制结果,LCOS微型显示器7反射光矩阵18,包括通过PBS 8的第三表面15返回的p偏振光的像素或离散点的矩阵。投影光矩阵18的p偏振分量通过偏振表面17,并且通过第四表面16离开PBS 8。将已投影光矩阵18从第四表面16引导到投影透镜系统9。投影透镜系统9将光矩阵18输入到显示屏6上,组合光像素以形成与视频输入信号2相对应的视频图像。
图2示出了根据本发明的第二实施例的光阀系统20。所述系统20包括灯35。所述灯35产生白光23,并且向照明光学装置31投影白光23。例如,所述照明光学装置31可以包括积分器,例如顺序颜色重新捕获(SCR)积分器。所述积分器31向颜色选择器件24引导白光23的远心光束。在所示的实施例中,颜色选择器件24是色轮,具有拥有沿盘的圆周均匀设置的扇形扇区的盘。所述扇区按照与色轮旋转相对应的定时顺序将入射到其上的白光23滤波为光25的分量RGB波段。由电动机(未示出)对颜色选择器件24进行旋转,并且由显示控制器22进行控制,以便与视频输入信号21同步地透射光25的相应分量RGB波段,从而逐帧地透射光25的各个分量RGB波段。
向PBS配置50引导光25的分量RGB波段。PBS配置50包括第一和第二PBS 46、49、第一和第二反射棱镜47、48、以及第一和第二LCD 26、28。可选地,可以将第一和第二LCD 26、28设置在积分器31之前。如图3所示,光25的分量RGB波段进入第一PBS 46的第一面42,并且由第一偏振表面43进行偏振以具有s偏振分量27和p偏振分量45。首先,将更详细地描述通过PBS配置50的光25的RGB波段的s偏振分量27的棱镜,然后,将更详细地描述p偏振分量45的路径。
通过第一PBS 46的第二面56对s偏振分量27进行反射,并且在第一反射棱镜47中对其进行接收。由第一反射镜表面59对s偏振分量27进行反射,离开第一反射棱镜47,去往第一LCD 26。例如,第一LCD 26是包含与来自显示控制器22的电信号进行耦合的液体单元的矩阵的单一单元板。所述电信号控制LCD 26以使其旋转通过其的光的偏振或无需旋转地使光通过。
结果,第一LCD 26透射包括具有s偏振和p偏振分量的光的像素或离散点的矩阵的第一光矩阵38。第一光矩阵38进入第二PBS 49的第一面44,并且由第二偏振表面53进行偏振。通过第二PBS 49的第二面57,对第一光矩阵38的s偏振分量(未示出)进行反射,并且在第一光矩阵38的p偏振分量60通过第二偏振表面53且通过第三面52离开第二PBS 49去往照明透镜33的同时,放弃第一光矩阵38的s偏振分量。
光25的分量RGB波段的p偏振分量27通过第一偏振表面43,并且通过第一PBS 46的第三面51去往第二LCD 28。第二LCD 28在结构和功能上与第一LCD 26相同,因此省略对其的进一步的描述。第二LCD 26透射第二光矩阵55,包括具有s偏振和p偏振分量的光的像素或离散点的像素矩阵。第二光矩阵55进入第二反射棱镜48,并且由第二反射镜表面58反射,离开第二反射棱镜48并去往第二PBS 49。第二光矩阵55进入第二PBS 49的第四面54,并且由第二偏振表面53进行偏振。第二光矩阵55的p偏振分量(未示出)通过第二偏振表面53,并且通过第二PBS 49的第二面57脱色。对第二光矩阵55的s偏振分量61进行反射,通过第三面52离开第二PBS 49,并且在光阑(未示出)中接收第二光矩阵55的s偏振分量61,与s偏振分量45组合,从而存在相当低的总亮度损耗。
如图2所示,由照明透镜33将第二光矩阵55的s偏振分量61和第一光矩阵38的p偏振分量60同时聚焦到第三反射棱镜34中,用于高吞吐效率。例如,第三反射棱镜34可以是全内反射(TIR)棱镜或离轴光学装置。第二光矩阵55的s偏振分量61和第一光矩阵38的p偏振分量60通过第三反射棱镜34的第一表面36。以远离第三反射棱镜34的角度对第二光矩阵55的s偏振分量61和第一光矩阵38的p偏振分量60进行反射,并且通过第三反射棱镜34的第三表面37。将DLP微型显示器30设置在超出反射棱镜37的第三表面37之外,并且将组合的s偏振和p偏振分量60、61输入到其上。
DLP微型显示器30可以是任意适当的数字光处理器(DLP),例如由Dallas,Texas的Texas仪器公司制造的DLP。所述微型显示器30具有光学半导体(未示出),例如由Dallas,Texas的Texas仪器公司制造的DIGITAL MICROMIRROR DEVICE。所述半导体包含铰链安装的微观反射器的阵列。每一个反射器对应于视频输入信号21的视频图像(未示出)中的一个像素。当由控制器根据视频输入信号21来驱动半导体时,对反射器简略倾斜或启动或断开以反射全部或部分的第一和第二光矩阵51、49。从已切换的透镜反射的像素阵列形成与来自显示控制器22的视频输入信号21相对应的投影光矩阵40。
LED 26、28的操作用于衰减控制,由此,在重新组合之前丢弃部分p偏振和部分s偏振光。例如,如上面在第一实施例中所述的,如果没有视频输入像素值超过全尺寸的一半,则第一和第二LCD 26、28控制百分之五十的入射光。在其中视频输入信号21表示全黑屏的示例中,由显示控制器22将第一和第二LCD 26、28设置为最大,并且以零来驱动微型显示器30以实现非常高的顺序对比度。因此,如果第一和第二LCD 26、28具有50∶1的峰值衰减,并且微型显示器30具有至少600∶1的顺序对比度,则测量到的顺序对比度为30,000∶1。
通过TIR棱镜34的第三表面37,从微型显示器30反射回所投影的光矩阵40。所投影的光矩阵40通过TIR棱镜34的反射表面41,并且通过第四表面39离开TIR棱镜34。将所投影的光矩阵40从第四表面39引导到投影透镜32的系统。投影透镜32将投影光矩阵40投影到显示屏29上,以形成与视频输入信号21相对应的视频图像。
所述系统20具有利用交替偏振的光对微型显示器30进行照明的好处,这容许实现基于偏振的立体成像。
前面的描述示出了用于实施本发明的一些可能方案。许多其他实施例在本发明的范围和精神内也是可行的。因此,应该注意,前面的描述应看作说明性而非限定性的,并且本发明的范围由所附权利要求及其完全范围的等价物来给定。
Claims (14)
1、一种光阀系统,包括:
颜色选择器件,配置用于临时衰减光的分量颜色波段以便与视频输入信号相对应;
第一偏振分束器,配置用于将分量颜色波段偏振为至少两个偏振分量;以及
微型显示器,配置用于接收所述至少两个偏振分量中的至少一个,以便形成投影光矩阵。
2、根据权利要求1所述的光阀系统,其特征在于所述颜色选择器件利用电压电平输入,对光的分量颜色波段进行衰减。
3、根据权利要求2所述的光阀系统,其特征在于所述颜色选择器件是颜色切换器件,包括多个堆叠的液晶显示器。
4、根据权利要求1所述的光阀系统,其特征在于所述微型显示器是硅上液晶成像器。
5、根据权利要求1所述的光阀系统,其特征在于还包括积分器。
6、根据权利要求1所述的光阀系统,其特征在于还包括偏振器。
7、根据权利要求1所述的光阀系统,其特征在于还包括投影透镜和显示屏。
8、一种光阀系统,包括:
颜色选择器件,配置用于将光临时分离为分量颜色波段以便与视频输入信号相对应;
第一偏振分束器,配置用于将分量颜色波段偏振为第一组反向偏振分量;以及
第一和第二液晶显示器,第一和第二液晶显示器的每一个分别配置用于接收所述第一组反向偏振分量之一,以便形成第一和第二光矩阵;
第二偏振分束器,配置用于接收第一和第二光矩阵,以便将第一和第二光矩阵分离为第二组反向偏振分量;以及
微型显不器,配置用于接收第二组反向偏振分量中的至少一个,以便形成投影光矩阵。
9、根据权利要求8所述的光阀系统,其特征在于所述微型显示器是数字光处理器。
10、根据权利要求8所述的光阀系统,其特征在于还包括积分器。
11、根据权利要求8所述的光阀系统,其特征在于还包括偏振器。
12、根据权利要求8所述的光阀系统,其特征在于还包括投影透镜和显示屏。
13、根据权利要求8所述的光阀系统,其特征在于还包括反射棱镜。
14、根据权利要求8所述的光阀系统,其特征在于还包括照明透镜。
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