專利名稱：一種高幀頻真彩色高分辨投影顯示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子顯示技術(shù)領(lǐng)域，特別光電投影顯示，三維顯示、體三維 顯示以及高幀頻顯示器，硅上液晶顯示器，數(shù)字微鏡顯示器等應(yīng)用場合。目的 是通過光學(xué)編碼將最高幀頻時(shí)僅具有亮暗兩態(tài)的彩色投影儀變成二進(jìn)制數(shù)字灰 度或真彩色的投影顯示系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代三維顯示技術(shù)的發(fā)展的一個(gè)重要趨勢就是真實(shí)三維顯示，以體三維顯示為代表的真三維顯示成為發(fā)展的主流。在體三維顯示中，每秒鐘需要至少8000 到10000幀圖像，即需要高幀頻、高分辨的顯示器，因?yàn)槿S空間顯示需要大 量的體數(shù)據(jù)，因此當(dāng)前高幀頻投影顯示器在滿足體三維幀頻顯示的情況下，已 經(jīng)無法滿足彩色顯示的需求，因此需要發(fā)展一種能夠在保持高幀頻下實(shí)現(xiàn)真彩 色顯示的投影顯示器。另一方面，現(xiàn)代投影顯示用的圖像發(fā)生器，特別是MEMs型的空間光調(diào)制 器，其調(diào)制僅有開和關(guān)兩種狀態(tài)，彩色的實(shí)現(xiàn)主要是依靠這些空間光調(diào)制器的 開關(guān)速度很快，利用多個(gè)開關(guān)脈沖產(chǎn)生灰度。當(dāng)空間光調(diào)制器的開關(guān)速度相對 于應(yīng)用較慢時(shí)，我們就無法采用開關(guān)的脈沖數(shù)進(jìn)行灰度調(diào)制的方法，否則就會(huì) 影響幀頻，影響動(dòng)態(tài)顯示的效果。在MEMs器件響應(yīng)速度和分辨率受技術(shù)、工 藝等條件的限制，而無法實(shí)現(xiàn)較大跨越的情況下，器件本身就限制了它在應(yīng)用 上的擴(kuò)展。這就需要一種新型的能夠?qū)⑹褂瞄_關(guān)兩態(tài)空間光調(diào)制器的顯示組合出具有 與MEMs器件相同的幀頻和分辨率的彩色灰階的全彩色顯示的方法，即在不影 響幀頻數(shù)和分辨率的情況下，利用開關(guān)型的空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的方 法。本專利就是針對這一需求提出的一種利用高幀頻的開關(guān)型空間光調(diào)制器， 構(gòu)造高幀頻高分辨真彩色投影顯示的方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種高幀頻真彩色高分辨率投影顯示方法。 高幀頻真彩色高分辨投影顯示方法，利用多臺(tái)具有光強(qiáng)二值化特征的圖像 發(fā)生器(1)的投影顯示儀(l一l、 l一2、 1_3、……)，使它們的圖像完全重合在投影屏幕(3)上，并使每臺(tái)投影儀到達(dá)目標(biāo)區(qū)的光強(qiáng)按2的密次方進(jìn)行光學(xué) 編碼，形成具有2"的灰度圖像(n為投影系統(tǒng)臺(tái)數(shù))。同理，每臺(tái)投影儀均為光強(qiáng)二值化特征型的紅、綠、藍(lán)三個(gè)圖像發(fā)生器(6、 7、 8)構(gòu)成的彩色二值化投影系統(tǒng)時(shí)，使它們的圖像完全重合在投影屏幕上， 并使每臺(tái)投影儀到達(dá)目標(biāo)區(qū)的光強(qiáng)按2的密次方進(jìn)行光學(xué)編碼，則每種顏色可 以形成具有2n種灰度，可形成總共2nX2nX2n種顏色的圖像。利用投影儀和分光鏡(2_1、 2—2、 2 — 3、……)通過空間排布組合，任 意一臺(tái)投影儀的圖像都經(jīng)過其后面的所有分光鏡的折射和反射，并保證多臺(tái)的 投影圖像完全重合在投影屏幕上，構(gòu)成2^、 21、 22、 23等比規(guī)律變化的光強(qiáng)組合。投影儀與分光鏡的排布組合中為了保證分臺(tái)的共軛距相同，可以使相同的 投影儀投影距離相同來實(shí)現(xiàn)；也可以使每臺(tái)投影儀的投影鏡頭焦距不同而投影 儀與分光鏡的距離相同來實(shí)現(xiàn)；還可以在投影儀相同并且投影儀與分光鏡的距 離也相同的情況下，每個(gè)分光鏡的后側(cè)加一個(gè)望遠(yuǎn)透鏡組(11)來實(shí)現(xiàn)(最后 一個(gè)分光鏡后側(cè)可以加，也可以不加)。投影儀與分光鏡的排布組合，其在系統(tǒng)中使用的分光鏡具有可見光區(qū) (410nm-690nm)寬帶的半透半反特性，即寬光譜的50%中性分光。圖像發(fā)生 器可以為空間光調(diào)制器，如數(shù)字微反射鏡器件(DMD)、反射型液晶空間光調(diào)制 器(LCOS)等。本發(fā)明提出的高幀頻真彩色高分辨率投影顯示方法，不會(huì)以降低空間光調(diào) 制器幀頻或減少像素為代價(jià)，使得組合系統(tǒng)可以獲得高幀頻的高分辨真彩色的 投影顯示。


圖1 基本投影顯示系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖示意圖；圖2 兩臺(tái)投影儀的分光鏡合成4灰階系統(tǒng)圖；圖3 三臺(tái)投影儀與分光鏡組合3bits灰度投影顯示系統(tǒng)圖；圖4 n臺(tái)投影儀與n個(gè)分光鏡組合nbits灰度投影顯示系統(tǒng)圖；圖5 真彩色系統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)圖；圖6 本方法的對稱排列方式示意圖；圖7 本方法的其它保證共軛距相同的排列方式；具體實(shí)施方式
利用多臺(tái)具有光強(qiáng)二值化特征型的圖像發(fā)生器的投影顯示儀，通過半透半反分光鏡(2_1、 2_2、 2 — 3、……)使它們的圖像完全重合在投影屏幕(3) 上，并使每臺(tái)投影儀到達(dá)目標(biāo)區(qū)的光強(qiáng)按2的冪次方進(jìn)行光學(xué)編碼，形成具有 2n的灰度圖像(n為投影系統(tǒng)臺(tái)數(shù))?；就队帮@示系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖示意圖如圖 1所示。單色多灰度實(shí)現(xiàn)方式。利用系統(tǒng)原理，設(shè)圖1中，2-1至2-8為半透半反分 光鏡，投影儀1-1至1-8為開關(guān)特性型的空間光調(diào)制器(DMD)為顯示器件的 投影系統(tǒng)，該投影系統(tǒng)僅僅使用一個(gè)光強(qiáng)二值化的空間光調(diào)制器構(gòu)成的單色投 影顯示系統(tǒng)(黑白顯示系統(tǒng))，則投影圖像只有兩種圖像灰度白與黑(編碼為 1與0)。為了用這樣的投影系統(tǒng)構(gòu)成具有多階灰度的投影圖像，我們可以將兩個(gè)投 影儀用半透半反分光鏡合成一個(gè)投影光束，如圖2所示，圖2中(1)為空間光 調(diào)制器(DMD)、 (2)為TIR棱鏡。半透半反分光鏡的反射率與透射率分別為 50%。可以得到這樣的合成圖像投影儀(1-1)通過本機(jī)空間光調(diào)制器調(diào)制后 的出射光a通過分光鏡(2-1)反射后為1/2光強(qiáng)的c， c透過分光鏡(2-2)后的 光強(qiáng)為a的l/4;投影儀(l-2)通過空間光調(diào)制器調(diào)制后的出射光d經(jīng)分光鏡(2-2) 的反射光的光強(qiáng)為d的1/2， f則由c和d分別經(jīng)過分光鏡(2-2)透射和反射疊 加而成，投影儀中空間光調(diào)制器每個(gè)像素有開關(guān)兩個(gè)灰階，出射光a和d光強(qiáng) 相同，因此一共可以有3*1/4+(1*1/2 (a、 d=0、 1)四種圖像高灰度組合，這時(shí)我 們可以獲得0、 1/4、 2/4、 3/4共4種光強(qiáng)的圖像，即22=4個(gè)灰階的圖像。系統(tǒng)中使用的分光鏡(2—1、 2_2、 2 — 3、……)具有可見光區(qū) (410nm-690nm)寬帶的半透半反特性，即寬光譜的50%中性分光。為此可以 采用介質(zhì)膜+金屬膜+介質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)形式的光學(xué)薄膜在獲得半透半反分光鏡，也 可以用多層介質(zhì)膜的形式構(gòu)成無吸收的半透半反分光鏡。為了獲得更多的灰階圖像，采用多臺(tái)投影儀配合多個(gè)半透半反鏡，合成出 多灰階的圖像，圖3顯示出三臺(tái)投影儀與分光鏡的組合系統(tǒng)，可以得到三臺(tái)的 合成光強(qiáng)分別為1/8， 1/4， 1/2，因此三臺(tái)投影儀的合成灰度有23=8種。如果 采用四臺(tái)投影儀與四個(gè)分光鏡的組合，可以看到這樣的組合可以獲得24灰階圖 像，由此可以類推，采用n臺(tái)投影儀以及n各分光鏡，可以形成2n個(gè)灰度的圖 像。真彩色形成方式。每臺(tái)投影儀均為光強(qiáng)二值化特征型的紅、綠、藍(lán)三個(gè)空間光調(diào)制器(6、 7、 8)構(gòu)成的彩色二值化投影系統(tǒng)，并采用上述n臺(tái)投影儀與 n個(gè)分光鏡的組合，則形成每種顏色具有2"種灰度的，總共2nX2"X2"種顏色的 圖像。如果n=8就是每種顏色有8 bits的灰度，即構(gòu)成真彩色圖像，如圖5所示， 圖中(4)為投影儀內(nèi)部的光源平行光、(6)為作用于紅色光的空間光調(diào)制器 (DMD)、 (7)為作用于綠色光的空間光調(diào)制器(DMD)、 (8)為作用于藍(lán)色光 的空間光調(diào)制器(DMD)、 (9)為分色棱鏡組。本方法基本排列方式如圖4所示，根據(jù)需要，還可以用對稱排列方式，如 圖6所示，1-1號(hào)投影儀也可垂直放置，此時(shí)其它結(jié)構(gòu)保持不變。為了保證共軛 距相同，除了調(diào)整分光鏡與投影儀的距離處，還可以將不同位置投影儀的投影 鏡頭焦距進(jìn)行調(diào)整，以保證最終像素點(diǎn)的完全重合，圖2、圖3和圖4都表達(dá)了 用這種方式后的結(jié)構(gòu)形式；或者在分光鏡靠近屏幕區(qū)一側(cè)加一個(gè)望遠(yuǎn)鏡頭結(jié)構(gòu) 的透鏡組(11)，使本層投影儀的外焦距拉長了兩投影儀光程差的距離，這樣投 影儀、分光鏡和望遠(yuǎn)鏡頭形成組合投影基本單元，這種單元順序排列就形成彩 色多灰度系統(tǒng)如圖7所示。其中圖1、圖5傾斜排列是為了保證每臺(tái)投影儀共軛 距相同。本系統(tǒng)所形成的顯示多灰度，由于采用了多臺(tái)投影儀的并行系統(tǒng)，因此不 會(huì)以降低單臺(tái)投影儀的幀頻或減少像素為代價(jià)，使得組合系統(tǒng)可以獲得高幀頻 的高分辨真彩色的投影顯示?；诟咚貲MD (數(shù)字微鏡)空間光調(diào)制器的投影顯示儀，其中的空間光 調(diào)制器具有1024X768的分辨率，其開關(guān)態(tài)的速度極快，可以達(dá)到8000Hz到 12000Hz的圖像二值化幀頻。本發(fā)明應(yīng)用于此高速芯片時(shí)，就用8臺(tái)這樣的投影 儀組合成具有真彩色高幀頻高分辨的投影顯示，為體三維顯示技術(shù)的發(fā)展奠定 ^石出。
權(quán)利要求
1、一種高幀頻真彩色高分辨投影顯示方法，其特征在于多臺(tái)具有光強(qiáng)二值化特征的圖像發(fā)生器的投影顯示儀，使它們的圖像完全重合在投影屏幕上，并使每臺(tái)投影儀到達(dá)目標(biāo)區(qū)的光強(qiáng)按2的冪次方進(jìn)行光學(xué)編碼，形成具有2n的灰度圖像(n為投影系統(tǒng)臺(tái)數(shù))。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高幀頻真彩色高分辨投影顯示方法，其特征 在于每臺(tái)投影儀均為開關(guān)特性型的紅、綠、藍(lán)三個(gè)圖像發(fā)生器構(gòu)成的彩色二值 化投影系統(tǒng)，使它們的圖像完全重合在投影屏幕上，并使每臺(tái)投影儀到達(dá)目標(biāo) 區(qū)的光強(qiáng)按2的冪次方進(jìn)行光學(xué)編碼，則每種顏色可以形成具有2n種灰度，可 形成總共2n X 2n X 2n種顏色的圖像。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高幀頻真彩色高分辨投影顯示方法，其特征 在于利用投影儀和分光鏡通過空間排布組合，任意一臺(tái)投影儀的圖像都經(jīng)過其 后面的所有分光鏡的折射或反射，并保證多臺(tái)的投影圖像完全重合在投影屏幕 上，構(gòu)成2、 21、 22、 23等比規(guī)律變化的光強(qiáng)組合。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的投影儀與分光鏡的排布組合，其特征為可用以下 三種方法來保證共軛距相同，首先可以使各投影儀保持投影距離相同來實(shí)現(xiàn)； 其次可以使每臺(tái)投影儀的投影鏡頭焦距不同而投影儀與分光鏡的距離相同來實(shí) 現(xiàn)；再者可以在投影儀相同并且投影儀與分光鏡的距離也相同的情況下，給每 個(gè)分光鏡的后側(cè)加一個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)(最后一個(gè)分光鏡后側(cè)可以加，也可以不 加)來實(shí)現(xiàn)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的投影儀與分光鏡的排布組合，其特征在系統(tǒng)中使 用的分光鏡應(yīng)該具有可見光區(qū)(410nm-690nm)寬帶的半透半反特性，即寬光譜 的50%中性分光。圖像發(fā)生器可以為空間光調(diào)制器，如數(shù)字微反射鏡器件(DMD)、反射型液晶空間光調(diào)制器(LCOS)等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型高幀頻真彩色高分辨率的投影顯示方法。該方法利用高幀頻高分辨投影顯示系統(tǒng)的灰度二值化特征，使多臺(tái)投影儀的圖像重疊，通過光強(qiáng)進(jìn)行二進(jìn)制編碼，在不降低單臺(tái)投影儀幀頻的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)灰度階數(shù)的擴(kuò)大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真彩色的高幀頻高分辨投影顯示。該二進(jìn)制編碼是一種投影儀圖像光強(qiáng)的二進(jìn)制編碼，這種編碼技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)真彩色投影，還可擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)更高彩色數(shù)或灰階數(shù)的超高幀頻彩色投影顯示之中。本發(fā)明所提出的二進(jìn)制組合彩色投影顯示方法，可以用于像8000Hz幀頻的灰度二進(jìn)制的DMD高速投影顯示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)只要用八臺(tái)此幀頻的投影儀，就可以構(gòu)成真彩色8000Hz高分辨投影顯示系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H04N9/31GK101217672SQ20081005906
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月9日
發(fā)明者旭 劉, 姜文鋒, 李海峰 申請人:浙江大學(xué)