專利名稱：使用空間光調(diào)制和光源調(diào)制的彩色圖像投影方法
技術領域：
本發(fā)明涉及操作投影系統(tǒng)的方法，該投影系統(tǒng)包括多個具有不同顏 色的固態(tài)光源以及至少 一個具有可開關元件陣列的空間光調(diào)制器，其中 所述陣列由至少一個所述光源照射多個照射時段并且被尋址，使得光經(jīng) 過時間空間調(diào)制以便將圖像投影到屏幕上。本發(fā)明還涉及依照該方法操 作的投影設備。
背景技術：
具有空間光調(diào)制器的投影系統(tǒng)經(jīng)常用作顯示系統(tǒng)的基礎。空間光調(diào)
制器的實例有液晶設備(LCD)、數(shù)字微鏡設備(DMD)以及驅(qū)動鏡陣 列(AMA)。 一個或多個光源照射這些設備的單獨可開關元件陣列。尋 址該陣列，使得光被調(diào)制成其后投影到屏幕上的圖像。
一些種類的空間光調(diào)制器以數(shù)字方式起作用，其中每個單獨可開關 元件或者打開或者關閉，其中在打開狀態(tài)下這些元件將光傳送到屏幕。 這些類型的調(diào)制器一般使用脈寬調(diào)制(PWM)。在脈寬調(diào)制中，圖像中 每個像素的強度被賦予一定數(shù)字值，所述數(shù)字值是通過使陣列上與該像 素對應的元件在與所述值相等的時間內(nèi)處于打開狀態(tài)來獲得的。因此， 可以通過控制所述設備的每個可開關元件處于一定狀態(tài)的時間，使得來 自該元件的光到達被顯示圖像來顯示灰度圖像。由于人眼的積分響應， 觀察者將感覺到來自這些元件的相應的灰度圖像。
除了眾所周知的三板式LCD系統(tǒng)之外，還實現(xiàn)了單板式DLP (數(shù) 字光處理)系統(tǒng)。在這樣的單板式系統(tǒng)的已知實施例之一中，將白光源 的三個或更多顏色分量通過使用旋轉(zhuǎn)色輪而以順序的方式導向空間光 調(diào)制器。對于傳送顏色的每個照射時段，依照圖像中該顏色分量的部分 來控制空間光調(diào)制器。
代替使用白色光源和色輪而使用具有不同顏色的LED光源也是已 知的。然后，按順序操作這些LED光源以便產(chǎn)生與使用色輪類似的順序 顏色照射。從例如EP1489854A2獲悉的這種技術與采用色輪的解決方案 相比具有更高的效率，因為操作期間沒有光被阻擋。
這種投影系統(tǒng)的 一般缺陷在于可以達到的灰度分辨率較低。這歸因 于空間光調(diào)制器中所述陣列的可開關元件的有限的開關時間。下 一 代
DLP系統(tǒng)達到了大約lOps的開關時間。基于該值可以計算亮度的數(shù)字 分辨率。在60Hz的圖像頻率下，可以將三種基本顏色的投影劃分成550 個梯級，從而得到9比特的灰度分辨率。由于人眼的非線性特性，特別 是因為還出現(xiàn)了由其他效應引起的損失，這個分辨率是不充分的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供操作投影系統(tǒng)的方法以及相應的投影設備，其 允許以提高的灰度分辨率投影圖像。
這個目的是利用依照本發(fā)明權利要求1和10的方法和設備來實現(xiàn) 的。該方法和設備的有利實施例是從屬權利要求的主題或者在本說明書 后續(xù)部分和實例中加以描述。
在所提出的操作投影系統(tǒng)的方法中，所述至少 一個空間光調(diào)制器的 陣列由至少一個所迷光源照射多個照射時段并且被尋址，使得光經(jīng)過時 間和空間調(diào)制以便將圖像投影到屏幕上。該方法的特征在于，在所述陣 列的至少 一 個所述照射時段期間控制光源以便發(fā)出經(jīng)過幅度和/或時間 調(diào)制的光。這意味著在相應的照射時段期間照射所述陣列的每個光源不 僅在該照射時段的開始和結束時打開和關閉而且在該照射時段期間還 經(jīng)過有效的幅度和/或時間調(diào)制。幅度經(jīng)過調(diào)制以便實現(xiàn)幅度在至少兩個 大于零的不同幅度值之間變化。利用可替換或附加的時間調(diào)制，產(chǎn)生了 脈寬短于可開關元件的最短開關狀態(tài)的至少一個光脈沖，其中光被導向 屏幕(打開狀態(tài))。最短開關狀態(tài)取決于陣列的尋址并且受限于可開關 元件的開關時間。幅度和/或時間調(diào)制一般在所有照射時段期間執(zhí)行。然 而也可能的是，僅在減少的光量對相應投影時段的灰度分辨率產(chǎn)生貢獻 的照射時#史期間扭j亍該調(diào)制。
本方法可以用來操作具有多個空間光調(diào)制器的投影系統(tǒng)，例如三板 式系統(tǒng)，其中三個空間光調(diào)制器中的每一個由不同顏色的光源照射。然 后，在這些空間光調(diào)制器的陣列的照射時段期間控制所有光源以便發(fā)出 經(jīng)過幅度和/或時間調(diào)制的光。所提出的方法還可以用于只有一個空間光 調(diào)制器的投影系統(tǒng)，所述空間光調(diào)制器由所述多個具有不同顏色的固態(tài) 光源以順序的方式照射(單板式系統(tǒng))。在利用一種顏色照射可開關元
件陣列的每個時段期間，相應的光源 一或者在混合色的情況下相應的多 個光源一經(jīng)過有效的幅度和/或時間調(diào)制。
這種附加的調(diào)制是可能的，因為像LED或激光二極管或者這種元 件的陣列 一 樣的現(xiàn)代固態(tài)光源可以以相比于空間光調(diào)制器可開關元件 的開關時間的非常短的時間進行開關。在脈沖式操作中，大于正常電流 的電流可以用來驅(qū)動光源。開關時間的限制主要由功率的限制設定。例 如，LED具有遠低于lps的開關時間。這同樣適于上述激光二極管。因 此，由于固態(tài)光源的附加調(diào)制，投影系統(tǒng)的灰度分辨率可以通過除了由 空間光調(diào)制器對光進行調(diào)制之外還適當?shù)乜刂乒虘B(tài)光源的光發(fā)射而提 高。
優(yōu)選地，所操作的投影系統(tǒng)的不同顏色的所述多個固態(tài)光源為發(fā)出 紅光、綠光和藍光的至少三個固態(tài)光源。然而，也可以使用其他基本顏 色的光源和/或 一個或多個附加白色光源。這些光源的數(shù)量和顏色取決于 投影系統(tǒng)的各個應用。投影系統(tǒng)的數(shù)字光調(diào)制器的實例有液晶設備
(LCD),尤其是鐵電LCD設備以及數(shù)字微鏡設備(DMD)。
在單板式投影系統(tǒng)的操作期間，空間光調(diào)制器由所述光源的不同顏 色以順序的方式照射。為此，所述不同的光源在定義的時間段內(nèi)一個接 一個加以操作，所述定義的時間段在本申請中稱為照射時段。為了避免 出現(xiàn)可見的效應，這種順序照射的重復速率應當高于待顯示圖像的圖像 頻率。實際系統(tǒng)的實例是60Hz的圖像頻率下序列〉200Hz,例如240Hz
(4x系統(tǒng))。
在許多應用中，整個空間光調(diào)制器陣列的開關元件以連續(xù)尋址時段 之間的相同時間開關。在這種情況下，需要一定時間來將必要的信息寫 入光調(diào)制器的內(nèi)部存儲器中(充電時間)。這個時間可以是大約例如 lOOps,對于光的產(chǎn)生微不足道。在本方法中，優(yōu)選地在所述尋址時段 期間關閉固態(tài)光源以便節(jié)省能量。
在建議的方法的一個優(yōu)選實施例中，在所述可開關元件的至少一個 打開狀態(tài)期間控制光源以便發(fā)出幅度(即強度)降低的光。利用這種幅 度調(diào)制，可以通過添加 一 個或多個新比特來提高投影系統(tǒng)的灰度分辨 率，所述一個或多個新比特代表比前面的LSB (最低有效位)的灰度值 小的灰度值。固態(tài)光源的幅度調(diào)制可以例如通過控制這些光源的操作電 流來實現(xiàn)，對于LED而言情況尤其如此。
在可開關元件的至少 一 個打開狀態(tài)期間使用時間調(diào)制的另 一 個有 利實施例中，對光源進行控制以便發(fā)出持續(xù)時間短于該開關狀態(tài)的光脈 沖。通過改變這些光脈沖的脈寬，可以控制在打開狀態(tài)期間導向屏幕的 光量以便增強投影系統(tǒng)的灰度分辨率。
由于使用了固態(tài)光源，因而利用一種顏色照射空間光調(diào)制器的時間 段，即照射時段也可以依照所需的光量和灰度分辨率來調(diào)節(jié)。此外，對 于每種單 一 顏色而言，可以通過控制照射時段的持續(xù)時間來實現(xiàn)對最大 值的動態(tài)適應(最佳功率使用、對比度增強)。在單板式系統(tǒng)中，也可 以根據(jù)圖像中的飽和度通過在白色照射時段期間同時利用所有光源(例 如紅色、綠色和藍色)照射空間光調(diào)制器來產(chǎn)生這些照射時段。按照相 同的方式，可以根據(jù)圖像中的飽和度通過同時利用多個所述光源進行照 射來產(chǎn)生混合色。利用這種方法，可以實現(xiàn)在投影圖像中減少所謂的顏 色斷裂偽像。
關狀,:的光脈沖時，多^所述可開關元;牛優(yōu)選地在口所述陣列的連:尋址 時段之間的不同時間進行開關，即不同時進行開關。在這種情況下，必 須控制這些開關時間，使得得到的開關狀態(tài)仍然在時間上與所述光脈沖 一致。利用這種技術，所述陣列的開關可以分布在整個尋址時段上，從 而降低了形成所述陣列的芯片的電流需求的峰值。
利用本方法，投影系統(tǒng)被操作來產(chǎn)生具有更高質(zhì)量的圖像。在暗時 間期間光損耗的降低可得到更高的圖像亮度。光量的調(diào)節(jié)導致灰度和色
標(colour scale )的改善并且總體上產(chǎn)生更少的令人厭煩的偽像。
相應的投影設備包括不同顏色的多個固態(tài)光源、控制單元以及至少
一個具有可開關元件陣列的空間光調(diào)制器，其中所述控制被設計成依照
所建議的方法來操作該投影設備，即光源和空間光調(diào)制器。
在本說明書和權利要求中，"包括"一詞并不排除其他元件和步驟，
"一，，或"一個"并不排除復數(shù)。另外，權利要求中的任何附圖標記都不應
當被理解為限制了這些權利要求的范圍。


下列示例性實施例參照附圖示出了所提出的方法的實例，而不限制 由權利要求所限定的本發(fā)明的范圍。附圖中顯示了
圖1為可以依照本發(fā)明操作的投影系統(tǒng)的一個實例；
圖2為利用不同顏色的光順序照射空間光調(diào)制器的一個實例；
圖3為依照本發(fā)明通過控制光源進行幅度調(diào)制的一個實例；
圖4為依照本發(fā)明的方法通過控制光源進行時間調(diào)制的一個實例；
和
圖5為對可開關元件進行分布式開關的本方法的一個實例。
具體實施例方式
圖1示出了可以依照本方法操作的投影系統(tǒng)的一個實例。該投影系 統(tǒng)包括控制單元(未示出)、數(shù)字光調(diào)制器1以及紅色(陣列2)、綠 色(陣列3 )和藍色(陣列4 )的三個LED陣列。這三個LED陣列的光 被引導通過二向色組合器5和菲涅耳場透鏡6到達數(shù)字光調(diào)制器1的可 開關元件陣列。該光學系統(tǒng)還包括線柵網(wǎng)格PBS (偏振分束器)7以及 用于將從數(shù)字光調(diào)制器1反射的被調(diào)制光引導至屏幕的透鏡系統(tǒng)8。
在本實例中為LED陣列2、 3、 4的固態(tài)光源的光以順序的方式被導 向數(shù)字光調(diào)制器1。數(shù)字光調(diào)制器1的可開關元件依照待顯示的灰度和 顏色信息借助于在每個照射時間段期間利用所述三種顏色之一進行的 脈寬調(diào)制來進行開關?？焖俚亻_關這些可開關元件，使得人眼不能分辨 出光的開關。
圖2示意性地示出了通過不同顏色順序照射所述數(shù)字光調(diào)制器。每 種顏色的光源操作確定的照射時段，其中數(shù)字光調(diào)制器l依照圖像信息 僅將該光導向屏幕。在圖2的實例中，發(fā)出紅光12的LED陣列2首先 操作確定的時間段(照射時段)。在該照射時段之后，紅色光源2關閉。 接下來，發(fā)出綠光13的綠色LED陣列3操作確定的照射時段。在關閉 綠色LED陣列3之后，發(fā)出藍光14的藍色LED陣列4操作確定的照射 時段。這種順序照射以藍色LED陣列4之后紅色LED陣列2操作并且 依次類推來繼續(xù)。為了避免不必要的能量耗散，在一個光源的關閉與另 一個光源的后續(xù)操作之間進行暫停。這種暫停相應于數(shù)字光調(diào)制器1的 尋址時間11,其是必要的，以便裝載用于下一次開關所述可開關元件的 新控制信息。
圖2示出了在利用作為一個實例的綠光13的照射時段期間光源的 幅度調(diào)制。由圖可知，該綠光的強度在照射時段結束時降低一半，從而
向利用數(shù)字光調(diào)制器1可獲得的灰度分辨率添加了新的LSB (最低有效 位)。這種幅度調(diào)制可以加以使用以便如圖3中作為實例展示的那樣進 一步增加投影系統(tǒng)的灰度分辨率。
圖3示出了對綠色LED陣列3進行調(diào)制以便發(fā)出經(jīng)過幅度調(diào)制的綠 光13。在第一時間段中，綠光13以恒定幅度發(fā)出。在這個時段之后， 光源在數(shù)字光調(diào)制器1的尋址時間16期間關閉，并且然后以更低的幅 度發(fā)出光脈沖15 。這個過程重復兩次，其中綠光發(fā)射的幅度進一步降低。 這三種不同幅度示于該圖的較低部分，其中還示出了所述數(shù)字光調(diào)制器 的相應可開關元件處于打開狀態(tài)，即將光反射到屏幕的時間段。綠色光
由于幅度調(diào)制的原因，可以實現(xiàn)與圖像信號的較低值比特相應的更高的 灰度分辨率。
圖4示出了本方法的一個實施例，其中調(diào)制由光源2-4發(fā)出的光的 脈寬。這個實施例也僅僅參照綠光13來示意性地加以解釋。在這種情 況下，在更長時段的恒定光發(fā)射之后，三個脈沖18以不同的脈寬發(fā)出。 這些脈寬短于所述可開關元件的最短開關狀態(tài)17,這可以在該圖的較低 部分中看出。因此，到達屏幕的光量也可以利用這種對發(fā)射的光進行脈 寬調(diào)制的技術來減少，以便增大投影系統(tǒng)的灰度分辨率。
由于光源的開關時間顯著快于可開關元件的開關時間，因此該技術
進行開關并且不可以在相同時間進行開關以導致高的功率需求。圖5的 實施例中示意性地表示了這一點。該圖在上部分示出了已經(jīng)參照圖4說 明的相同調(diào)制。在較低部分，表示了所述可開關元件的開關狀態(tài)17的 一種可能的分布。只要保證被調(diào)制光脈沖仍然在時間上與得到的開關狀
段上。在這種情況下，到達屏幕的光量僅僅取決于光脈沖的脈寬，而不 取決于可開關元件的開關狀態(tài)的持續(xù)時間。
附圖標記列表
1 數(shù)字光調(diào)制器
2 紅色LED陣列
3 綠色LED陣列4 藍色LED陣列
5 二向色組合器
6 菲涅耳場透鏡
7 線柵PBS
8 透鏡系統(tǒng)
11 尋址時間
12 紅光
13 綠光
14 藍光
15 不同幅度的光脈沖
16 尋址時間
17 可開關元件的開關狀態(tài)(打開)
18 具有不同脈寬的光脈沖
權利要求
1. 操作投影系統(tǒng)的方法，所述投影系統(tǒng)包括多個具有不同顏色(12，13，14)的固態(tài)光源(2，3，4)以及至少一個具有可開關元件陣列的空間光調(diào)制器(1)，其中所述陣列由至少一個所述光源(2，3，4)照射多個照射時段，并且被尋址，使得光經(jīng)過時間和空間調(diào)制以便將圖像投影到屏幕上，其特征在于，在所述陣列的至少一個所述照射時段期間控制所述光源(2，3，4)以便發(fā)出經(jīng)過幅度(15)和/或時間(18)調(diào)制的光。
2. 依照權利要求1的方法， 其特征在于，所述陣列由所述光源(2， 3, 4)以順序的方式進行照射。
3. 依照權利要求1或2的方法， 其特征在于，所述光源(2, 3, 4)在所述陣列的尋址時段(11, 16)期間關閉。
4. 依照權利要求1或2的方法， 其特征在于，在所述可開關元件的至少一個開關狀態(tài)(17)期間控制所述光源(2, 3， 4)以便發(fā)出減少的光量，其中所述光被導向屏幕。
5. 依照權利要求1或2的方法， 其特征在于，所述光源(2, 3, 4)經(jīng)過時間調(diào)制以便發(fā)出持續(xù)時間短于所述可 開關元件的最短開關狀態(tài)的光脈沖(18)。
6. 依照權利要求5的方法， 其特征在于，在所述陣列的連續(xù)尋址時段(11, 16)之間，多個所述可開關元件 在不同的時間進行開關，其中控制這些開關時間，使得得到的開關狀態(tài) (17)在時間上與所述光脈沖(18)的發(fā)射一致。
7. 依照權利要求1或2的方法， 其特征在于，所述幅度調(diào)制通過調(diào)制所述光源(2， 3, 4)的操作電流來實現(xiàn)。
8. 依照權利要求1或2的方法， 其特征在于，依照所需的光量和灰度分辨率和/或依照圖像中相應顏色的最大值 針對每種顏色在持續(xù)時間和/或幅度上動態(tài)調(diào)節(jié)所述照射時段。
9. 依照權利要求1或2的方法，其特征在于，在至少一個所述照射時段期間，根據(jù)圖像生成的要求， 激活多于一個光源(2， 3, 4)以便產(chǎn)生混合基本顏色或白色光。
10. 投影設備，包括多個具有不同顏色(12, 13, 14)的固態(tài)光源 (2, 3, 4)、至少一個具有可開關元件陣列的空間光調(diào)制器(1)以及控制單元，所述控制單元被設計成依照前述權利要求中的 一 項或多個項 的方法操作所述投影設備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種操作投影系統(tǒng)的方法，該投影系統(tǒng)包括多個具有不同顏色(12，13，14)的固態(tài)光源(2，3，4)以及至少一個具有可開關元件陣列的空間光調(diào)制器(1)。所述陣列由至少一個所述光源(2，3，4)照射多個照射時段，并且被尋址，使得光經(jīng)過時間和空間調(diào)制以便將圖像投影到屏幕上。在本方法中，在所述陣列的所述照射時段期間控制所述光源(2，3，4)以便發(fā)出經(jīng)過幅度(15)和/或時間(18)調(diào)制的光。利用本方法，可以實現(xiàn)所述投影系統(tǒng)的灰度分辨率的增加。
文檔編號H04N5/74GK101390404SQ200780006382
公開日2009年3月18日 申請日期2007年2月12日 優(yōu)先權日2006年2月22日
發(fā)明者C·德佩, H·莫恩克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司