具有两个二元空间光调制器的显示器的制作方法
专利名称：具有两个二元空间光调制器的显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子显示器，如计算机显示器、电视机显示器、数字电影投影机、家庭 影院显示器、用于交通工具(如飞机、船、卡车、小汽车等)的模拟装置中的显示器、游戏系 统显示器、仿真型娱乐乘具中的显示器、数字相框、HDTV监视器、高动态范围(HDR)成像系 统等。本发明尤其涉其中光被调制成两个状态的显示器。
背景技术：
电子显示器在广泛的应用范围内使用。一些电子显示器具有空间光调制器。响应 于图像数据来对空间光调制器的元件进行控制，以产生观看者可以观察的图像。一些空间 光调制器的元件是具有两个状态的“二元”元件。在一个状态中，元件将光传递到观看区域， 而在另一个状态中，元件不将光传递到观看区域。数字微镜器件(DMD)是二元空间光调制器的一个例子。DMD提供了反射镜阵列。 每个反射镜可以在两个状态之间切换。反射镜的状态可以判断在反射镜的位置入射到DMD 上的光是否沿着可以将其导向至观看区域的路径传递。当反射镜处于“ON”状态时，光被引 导至观看区域中对应于反射镜的位置。当反射镜处于“OFF”状态时，沿不会将光导向至观 看区域的路径来引导光。通常处于OFF状态的光被引导至热沉。二元空间光调制器的元件可以通过快速开启和关闭而被控制以显示中间亮度值。 通过调节元件处于ON和OFF状态的相对时间量可以改变观察者察觉到的亮度。一些显示器提供串行光调制器。在这种显示器中，通过第一和第二光调制器对光 进行串行调制。显示器的例子在PCT专利公布No. W02003/077013和美国专利No. 6891672 中描述。PCT专利公布NO.W02003/077013描述了具有可控发光元件阵列的光源以及具有用 于对来自光源的光进行调制的可控透射率元件阵列的空间光调制器。美国专利No. 6891672 描述了串联排列的第一和第二空间光调制器，用于对来自光源的光进行调制。每个空间光 调制器具有可控像素阵列，其中，一个空间光调制器的每个像素对应于另一个空间光调制 器的多个像素。需要能够提供高图像质量的节省成本的显示器。
发明内容
本发明具有多个方面。本发明的一方面提供一种显示器。该显示器例如可以包括 计算机显示器、电视机、数字投影机等。该显示器包括能够将光引导至第一空间光调制器上 的光源。第一空间光调制器包括可以在ON和OFF状态之间切换的多个第一元件。该显示 器具有传递光器件，其被设置成将由第一空间光调制器调制的光引导至第二空间光调制 器上；以及驱动器，其被配置成基于图像数据产生分别用于第一和第二空间光调制器的第 一和第二控制信号。驱动器被配置成基于图像数据来产生图案。该图案具有空间变化的密 度。该图案可以包括例如从图像数据得到的空间抖动。驱动器被配置成产生第一控制信号， 以便根据图案来设置第一空间光调制器的元件。传递光器件的特征在于传递功能部，其使得在第二空间光调制器处、源于第一空间光调制器的光变得模糊。第二空间光调制器也可以包括能够在ON和OFF状态之间切换的多个元件。在这种 情况下，驱动器可以被配置成在一个图像帧期间将第二空间光调制器的元件在其ON和OFF 状态之间切换多次。例如可以根据二元脉宽调制方案来进行对第二空间光调制器的元件的 切换。在一些实施例中，驱动器被配置成估计第二空间光调制器处的对应于图案的光 场，以及使第二控制信号基于光场。本发明的另一个方面提供一种显示器，包括用于产生光的装置；用于对光进行 二元调制的第一装置，该第一装置包括可以在ON和OFF状态之间切换的多个第一元件；用 于使通过第一装置调制的光变得模糊并将该模糊的光引导至二元空间光调制器上的装置； 用于根据图像数据来产生用于第一装置的第一控制信号的装置，用于产生第一控制信号的 装置包括基于图像数据产生图案的装置，该图案具有空间变化的密度；以及用于根据图像 数据产生用于二元空间光调制器的第二控制信号的装置。本发明的另一方面提供一种用于显示图像的方法。该方法包括根据基于图像的二 元图案来设置第一二元空间光调制器的元件。该图案具有空间变化的密度。该方法这样进 行将第一二元光调制器的图像变得模糊并将其传送到第二空间光调制器，以在第二空间 光调制器处产生光场；利用第二空间光调制器调制光场以重现该图像。在一些实施例中，利用第二空间光调制器调制光场包括通过将第二空间光调制 器的元件在ON和OFF状态之间切换来进行光场的时间抖动。一些实施例包括计算对应于图案的光场的估计，并根据图像数据和光场的估计来 控制第二空间光调制器。计算得到的估计可以考虑特征在于模糊的传递功能部。本发明的另一方面提供一种用于包括第一和第二空间光调制器的显示器的控制 器。该控制器被配置成产生用于第一空间光调制器的第一控制信号，用以根据基于图像的、 具有空间变化的密度的二元图案将第一空间光调制器的多个元件中的每个设置成ON或 OFF状态；并产生用于第二空间光调制器的第二控制信号，以在ON和OFF状态之间切换第 二空间光调制器的多个元件中的每个，用以进行入射到元件上的光的时间抖动。第二控制 信号响应于由第一空间光调制器调制的光的估计光场以及图像数据。以下对本发明的其它方面以及本发明的特定实施例的特征进行描述。
附图示出了本发明的非限制性实施例。图1是示出了根据本发明的简单实施例的单色显示器的示意图；图2是示出了根据本发明的实施例的用于显示图像的方法的流程图；图3A示出了具有不同亮度级的部分的图像；图:3B示出了用于表示图3A中所示的 图像的抖动图案(dithering pattern)的例子；图4是示出了各种特征随图像中位置的变化的图；图5是根据本发明的示例性实施例的、连接以控制两个空间光调制器的用于显示 器的控制器的框图；图6是示出了根据本发明的另一个实施例的彩色显示器的示意图7是示出了根据本发明的另一个实施例的彩色显示器的示意图；图8是根据本发明的另一个实施例的控制器的框图；图9是示出了根据本发明的另一个实施例的彩色显示器的示意图。
具体实施例方式贯穿以下描述，对特定细节进行阐述以便于更加彻底地理解本发明。然而在没有 这些细节的情况下也可以实施本发明。在其它情况下，未对已知的元件进行详细显示或描 述以避免不必要的混淆本发明。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。图1示出了根据本发明的示例性实施例的单色显示器10。显示器10包括光源12。 来自光源12的光13照射第一空间光调制器14。光源12例如可以包括·激光器；·氙气灯；·激光二极管或其它固态光发射器阵列；·弧光灯；等等。第一空间光调制器14包括多个可控元件16。可以通过合适的控制电路18将元件 16在ON和OFF状态之间切换。当元件16处于ON状态时，元件16允许射到该元件上的入 射光13传递到第二空间光调制器20的相应区域。当元件16处于OFF状态时，从元件16 传递到第二空间光调制器20的相应区域的光量减少。理想地，当元件16处于OFF状态时， 基本上没有光从元件16到达第二空间光调制器20的相应区域。可以以很多种方式来实现第一空间光调制器14。在一些实施例中，第一空间光调 制器14包括DMD。在其它实施例中，第一空间光调制器14包括可以通过其它机制在ON和 OFF状态之间切换的光反射或透射元件阵列。例如，在一些这种实施例中，第一空间光调制 器14包括IXD板、LCOS芯片等。在其它实施例中，光源12和第一空间光调制器14的功能 被结合。在这种实施例中，第一空间光调制器14可以包括可以被切换成开启或关闭(或在 发光状态和暗状态之间切换)的光源(如激光器)阵列。第二空间光调制器20包括多个可控元件22。可以控制每个可控元件22以从第一 空间光调制器14入射到元件22上的光25选择一定比例的光传输到观看区域。可以通过任何合适的技术来提供第二空间光调制器22，例如·液晶显示(LCD)板；·硅基液晶(LC0Q芯片；·微镜阵列；·磁光器件； 光阀等。在一些实施例中，第二空间光调制器20包括可以在ON和OFF状态之间切换的光 反射或透射元件。在这种实施例中，第二空间光调制器20可以由其元件被设置成ON或OFF 的控制器来控制。在一些实施例中，第一空间光调制器14和第二空间光调制器20每个包括DMD或 其它可控微镜的二维阵列。这种实施例的优点是，可以相对便宜地获得DMD并且当前对合 并DMD的器件的设计和制造存在广泛支持。
传递光器件沈将光25从第一空间光调制器14传送到第二空间光调制器20。当 第一空间光调制器14的所有元件16为ON时，光25能够照射第二光光调制器20的整个有 效区域。光25可以散布越过第二空间光调制器20的边缘。传递光器件沈使光25变得模糊。传递光器件沈的特征在于传递功能部，该传递 功能部至少接近于从第一空间光调制器14的一点发出的光25如何遍布于第二空间光调 制器20。入射到第二光调制器20上的光的图案可以根据第一调制器14的配置(即，根据 哪些元件16为ON而哪些元件15为OFF)以及传递功能部来估计和确定。可以理解，由于通过传递光器件沈引入的模糊，入射到第二空间光调制器20的任 何元件22上的光25可以由第一空间光调制器14的多个元件16产生。可以贡献大量的光 来照射第二空间光调制器20的元件22的第一空间光调制器14的元件16的数量主要取决 于第一空间光调制器14的元件16的尺寸以及传递功能部的宽度。在一些实施例中，第一和第二空间光调制器14和20具有相同或相似的可控元件 数量。在一些实施例中，第一空间光调制器14具有的可控元件16显著少于第二空间光调 制器20具有的可控元件22。在一些实施例中，第一空间光调制器14包括大约140到大约 1600个元件16的阵列。其中，第一和第二空间光调制器具有不同的空间分辨率，在一些实 施例中，第二空间光调制器具有更高的分辨率，而在一些实施例中，第一空间光调制器具有 更高的分辨率。在一些实施例中，第一空间光调制器14的可控元件16被排列成规则阵列。该阵 列可以是矩形的，并且可以包括M行和N列可控元件16。在一些实施例中，第二空间光调制 器20的可控元件22被排列成规则阵列。例如，该阵列可以是矩形的，并且可以包括P行和 Q列。在一些实施例中，第二空间光调制器20具有比例为16 9的宽度和高度。一些实施例利用以下事实在相同面积中具有较少元件的DMD或其它空间光调制 器可以比在相同面积中具有较多元件的DMD或其它空间光调制器具有更高的填充因数。这 样，较低分辨率的第一空间光调制器可以传递到第二空间光调制器的最大光量可以比可以 由较高分辨率的空间光调制器传递的最大光量更大。在一些实施例中，第一和第二空间光调制器中的较低分辨率的一个的光填充因数 至少为85%。在一些实施例中，第一和第二空间光调制器两者的光填充因数至少为85%。在一些实施例中，第一空间光调制器14的元件16的总数至少是第二空间光调制 器20中的元件22的总数的二分之一到四分之一。由传递光器件沈引入的模糊减少或消 除了由第一空间光调制器14的低分辨率导致的“成块”。传递光器件沈可以包括任何适当排列的透镜、反射镜、漫射器等，其将源于第一 空间光调制器14 (主要是在其ON状态的元件16)的光25传送到第二空间光调制器20。合 适的传递光器件26的一些例子是·将第一调制器14的离焦图像投影到第二调制器20上的透镜或透镜系统；·与漫射器结合的透镜或透镜系统。有利的是，提供一种光学系统沈，其传递功能部对于第一调制器14的所有元件基 本相同。但是，如果失真可以被特征化，则可以使用引入模糊和失真两者的光学系统26。还 有利的是，提供一种光学系统26，其传递功能部为圆对称。但是，可以使用具有更加复杂的传递功能部的光学系统26，只要该传递功能部可以被适当地特征化。如以下所讨论的，一些实施例针对第一调制器14的不同配置来估计第二调制器 20处的光的分布。在这些实施例中，希望提供特征在于在较小区域上进行模糊的传递功能 部的传递光器件26，因为这样降低了用于估计所产生的第二空间光调制器20处的光场的 计算要求。在一些示例实施例，通过特征在于大于第一空间光调制器14的相邻元件16之 间的间距的标准偏差的空间低通滤波器或平滑算子，可以使得传递光器件沈的传递功能 部接近可接受的精确度。其中，显示器10是投影类显示器，适当的投影透镜观将来自第二空间光调制器20 的光聚焦到屏四上用于观看。屏四可以包括前投影屏或后投影屏。在示例实施例中，第一和第二调制器14和20每个包括DMD，光源12包括激光光 源。图2示出了用于使用如显示器10的显示器来显示图像的方法40。在块42中，提 供图像数据43。图像数据43限定了要使用显示器10来显示的图像。例如，图像数据可以 针对第二空间光调制器20的每个元件指定根据位置的希望的亮度。图像数据43可以包括 视频序列帧、静止图像等。可以以任何合适的格式来表示图像数据。可以表示图像数据的 一些示例性格式为· JPEG· JPEG-HDR· TIFF· GIF· OpenEXR· Artizen 文件格式· Radiance 文件格式· PNG (便携式网络图形) 位图(例如，BMP)· JPEG2000· MPEG· MPEG-HDR.DPX格式(ANSI/SMPTE 268M-1994，用于数字活动图像交换(DPX)的文件格式的 SMPTE 标准，版本 1. 0，1994. 2. 18).DCI数字电影格式· Cineon 格式等在一些实施例中，该格式是提供每像素大于M比特的高动态范围(HDR)格式。在块44到50中，方法40得到用于第一空间光调制器14的元件16的驱动信号。可 以应用该驱动信号按适于再现图像数据43的图像的模式将每个元件16设置为ON或OFF。 块44确定应该为要被投影到屏四上的输出图像的每个不同区域提供的灰度亮度级。这些 区域中对每个对应于第一空间光调制器14的一个区域。第一空间光调制器14的这些区域 中的每个包含多个元件16。块44例如可以包括对由图像数据43限定的图像中与输出图像 的每个区域对应的各部分的像素值一起进行平均。
块46确定可以应用于第一空间光调制器14的元件的ON和OFF状态的图案，使得 在第一空间光调制器14的每个区域中，ON元件16的比例随在块44中确定的相应的灰度 亮度级水平而变化。例如，对于与图像的亮部对应的区域，该图案可以指定在第一空间光调 制器14的相应区域中的所有元件16应该为ON。对于与图像的暗部对应的区域，该图案可 以指定在第一空间光调制器14的相应区域中的大部分或所有元件16应该为OFF。当图案的某一区域对应于中间亮度时，则该区域中的适当比例的元件16为ON而 其余为OFF。在这种情况下，希望ON元件16合理地均勻地分布于该区域。例如，该区域中 的元件16可以根据具有所需的ON元件16与OFF元件16比例的合适的抖动图案来分布。抖动图案例如可以通过以下方式来产生·对于图像的每个像素，产生指示应该允许多少亮度传递到观看者的亮度图；·对亮度图进行增强以产生增强的亮度图；·将增强的亮度图下采样为与第一空间光调制器14的分辨率匹配的分辨率，以产 生下采样的灰度图像；以及·对产生的下采样的灰度图像进行抖动以产生二元图像。对亮度图进行增强是希望保证有充分的光在第二空间光调制器20的每个元件 处，从而由图像数据43指定的光量可以传递到观看者。可以按任何适当的方式进行抖动。抖动软件和硬件可从商业上得到。在一些实施 例中，对于第一空间光调制器14上的元件16的块进行抖动。例如，在16X 16的元件16的 块上执行抖动可以产生光输出，该光输出按照256梯级变化，从块中的全部256个元件均为 OFF的无输出(除了任何泄漏光之外)到块中的全部256个元件均为ON的最大输出级。抖 动可以包括在表中或其它合适的数据结构中查找预定的抖动图案，或通过应用合适的抖动 算法来计算提供ON元件16的合适密度的抖动图案。可以在软件、硬件或其适当的组合中 实现抖动算法。一些示例性的抖动算法包括 将图像划分成多个分片，将舍入偏量(rounding bias)分配给分片中的每个像素 位置，将舍入偏量加到像素值上，然后对得到的值进行四舍五入。于是，分片中每个像素具 有高值(例如“1”或0N)或低值(例如“0”或OFF)。· Floyd-Steinberg 抖动算法。 平均抖动(其例如可以包括选择像素阈值(其可以是图像像素的平均值)，然后 基于像素的值大于阈值还是小于阈值将像素量化为低值或高值(例如0或1))，并将其用作 确定像素是否应该被量化成0或1的全局阈值。可以通过任何适当的方式来处理像素值等 于阈值的情况。在一个实施例中，值在阈值之上的所有像素被量化为1，而所有其它像素被 量化为0值。·随机抖动。 误差扩散抖动· Veryovka-Buchanan 抖动算法· Riemersma 抖动等Matlab 和其它计算和/或图像处理软件包包括可以用在本发明的实施例中的实 现抖动算法的软件。
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图3A示出了被划分成多个部分57A、58A、59A和60A(每个部分画有不同阴影以表 示各种灰度亮度级水平)的图像阳。部分57A处于最大(即100%)亮度级，部分58A处 于50%的亮度级、部分59A处于67%的亮度级，而部分60A处于最小(即0% )的亮度级。图:3B示出了抖动图案56的一个例子，该抖动图案56可以应用于第一空间光调制 器14以产生具有包括图3A中所示的亮度级的各部分的光场。抖动图案56具有区域57B、 58B、59B和60B，每个区域具有8X8的像素阵列。每个像素对应于第一空间光调制器14中 的元件16中的一个，每个像素可以被设置成0N(示为无阴影像素)或0FF(示为有阴影像 素)。图像55(图3A)的一部分的亮度级确定了抖动图案56 (图3B)的对应区域中的ON 或OFF状态中的像素比例。在区域57B中，所有像素被设置成0N，以产生对应于部分57A的 最大亮度级。在区域60B中，所有像素被设置成OFF，以产生对应于部分60A的最小亮度级。 在区域58B中，50%的像素被设置成0N，以产生对应于部分58A的亮度级。在区域59B中， 67%的像素被设置成0N，以产生对应于部分59A的亮度级。除了图;3B中所示的抖动图案之外，各种其它的抖动图案可以用于表示图3A中所 示的图像。例如，在区域58B中，不同的像素组合可以被设置成ON(该组合包括区域58B中 的总像素的50% )以将该区域的平均亮度级保持在50%。如果第一调制器14的元件根据在块46中确定的图案来设置，则块48预测将入射 到第二光调制器20的每个元件22上的光25的量。该预测例如可以通过以下方式来进行 将近似于传递光器件26的传递功能部的数学函数应用于光的图案，通过根据在块46中确 定的图案来设置元件16而在第一空间光调制器14处产生该光的图案。块48的光场估计可以按各种细节等级来进行。在一些实施例中，块48的光场估 计可以包括(如果必要)将在块46中产生的空间抖动图像上采样为与第二空间光调制器 20的分辨率匹配或超过其分辨率的分辨率，并对该结果应用平滑函数，如模糊滤波器(blur filter)或低通滤波器。在一些实施例中，模糊滤波器具有小的内核(kernel)，如3X3或 5X5的内核。在一些实施例中，模糊滤波器具有不超过5X5的内核。平滑函数近似于光器 件26的传递功能部。块50确定允许通过第二光调制器20的每个元件22的入射光25的比例以产生希 望的图像。块50例如可以包括通过如在块48中估计的元件22处的光25的亮度将由图 像数据43指定的用于元件22的亮度值进行划分，以产生指示元件22应该将入射光25减 弱多少的值。所产生的一系列值可以被称为“校正遮罩”，这是因为其对入射到第二空间光 调制器25上的模糊光场进行校正以产生希望的图像。块50可选择地可以包括对校正遮罩 进行锐化操作。在块52中，在块46中得到的图案被用于驱动第一调制器14的元件16，并且在块 54中，在块50中得到值被用于驱动第二调制器20的元件22。块52和M同时进行。在第二调制器20包括DMD或具有二元元件22的其它调制 器的情况下，块讨可以包括改变元件22处于其ON状态的时间比例，例如·可以根据合适的脉宽调制(PWM)方案来驱动元件22 ；·可以根据元件22在取决于相应值的若干脉冲的每一时间段中被切换为ON的方 案来驱动元件22 ；
元件22可以在每一时间段的开始变为0N，然后在该时间段过去取决于相应值的 一部分之后切换为OFF，等等。第一调制器14的元件16可以保持设置为其ON或OFF状态，只要适于显示该图像。在示例性实施例中，第一空间光调制器14在一帧期间基本连续地显示空间抖动 图案，传输光器件26使得来自第一空间光调制器14的光变模糊并将其投影到第二空间光 调制器20上，以在第二空间光调制器20上产生模糊的灰度图像，并且第二空间光调制器的 元件在该帧期间在其ON和OFF状态之间切换以允许希望的光量到达观看者。如果需要，可以通过响应于要被显示的图像的最亮部分而控制光源12的亮度来 选择性地扩充方法40。在整个图像是暗的或者不具有任何非常亮的部分的情况下，则可以 降低光源12的光强。对于包括亮区域的图像，光源12可以操作于其全光强的状态。图4针对延伸跨越示例性图像的某一区域的线示出了以下曲线·曲线60，代表原始图像数据；·曲线61，代表空间抖动图像(如果传递光器件沈将第一空间光调制器14的图 像聚焦到第二空间光调制器20上，则该空间抖动图像出现在第二空间光调制器20上)；·曲线62，代表由通过传递光器件沈对空间抖动图像中的光进行散布而产生的第 二空间光调制器20处的亮度图像；·曲线63，代表第二空间光调制器20的元件的透射水平；·曲线64，代表已经被锐化的第二空间光调制器20的元件的透射水平；以及·曲线65(其与曲线60相符，代表显示的图像)。可以利用很多种方式来实现合并了这里描述的一些或全部构思的显示器。有利 地，第一空间光调制器14不需要无缺陷。即使偶然的个别元件16停留在其ON或OFF配置 中，由传递光器件26引入的模糊能保证少量的这种个别元件的缺陷对于产生的图像不会 具有大的不利效果。如果希望明确地容纳有缺陷的元件，则可以进行一些选择，包括·维护指示任何有缺陷的元件16的状态的缺陷图，并在进行光场估计(例如在块 48中)时考虑这些状态；以及·维护指示任何有缺陷的元件16的状态的缺陷图，并安排ON元件16的图案以考 虑这些有缺陷的状态。例如，如果块46确定，在第一空间光调制器14的具体区域中，一半 的元件16应该为0N，而另一半的元件16应该为OFF，则块46可以包括试图将区域中停留 在ON的那些有缺陷的元件包括在图案中作为0N，并将区域中停留在OFF的那些有缺陷的像 素包括在图案中作为OFF。图5示出了根据本发明的实施例的显示器控制器70。显示器控制器70例如可以 用于驱动显示器10的第一和第二空间光调制器。显示器控制器70具有输入端72，其接收 用于限定要被显示的图像的图像数据43。编解码器74从图像数据43中提取图像的帧75。 帧75由指定亮度值或对于帧中的每个位置(X，y)均相等的数据构成。构成该帧的数据可 用于抖动引擎76和校正遮罩发生器78。抖动引擎76以对应于帧75的第一空间光调制器14的分辨率建立空间抖动图案 77。图案77可用于光场模拟器80和第一空间光调制器驱动电路82。光场模拟器80估计在第二空间光调制器20处对应于图案77的光场。估计79可 用于校正遮罩发生器78。校正遮罩发生器78计算用于第二空间光调制器20的元件22的希望的透射值，以产生校正遮罩81，该校正遮罩81可用于第二空间光调制器驱动电路84。 校正遮罩发生器78至少部分地基于帧数据75和光场估计79来产生校正遮罩81。第一空间光调制器驱动电路82被配置成将第一空间光调制器14的元件16设置 成如图案77所指定的ON或OFF，并在一帧的时间中将这些元件保持在所选状态。第二空间 光调制器驱动电路84被配置成将第二空间光调制器20的元件设置成具有如校正遮罩81 所指示的透射值。在第二空间光调制器20包括DMD的情况下，第二空间光调制器驱动电路 84可以将元件22在其ON和OFF状态之间快速切换，使得对于每个元件来说，ON时间和OFF 时间之间的比对应于如在校正遮罩81中指定的元件的透射值。第二空间光调制器驱动电 路84例如可以包括PWM DMD驱动器电路。用于驱动DMD的电路可从商业上得到。一个例 子是可从德州仪器获得的DMD Discovery 芯片集。时序系统86协调装置70的操作，使得在一帧的时间内用于该帧的驱动信号通过 驱动电路82和84分别被施加到第一和第二空间光调制器14、20。在整个一帧中驱动第一空间光调制器14是便利的但不是强制性的。例如，如果在 第二空间光调制器20的所有元件为OFF的任何时间段中不驱动第一空间光调制器14，所产 生的图像也不会有任何差别。本发明可以应用于彩色显示器以及单色显示器。这可以通过各种方式来实现。一 种方法是以时间复用方式显示不同的颜色。这可以通过将不同的彩色滤波器引入光路中来 完成。例如，图1的显示器10可以被改变成包括色轮。在一些彩色显示器中，多个颜色通道(例如，红色通道、绿色通道和蓝色通道)被 分别处理，来自不同颜色通道的光在显示屏或其上游被结合以产生彩色图像。本发明可以 按这种方式来实施。例如，图6示出了分别具有红色部分90R、绿色部分90G和蓝色部分 90B(统称为部分90)的彩色显示器88。每个部分90包括产生相应颜色的光的光源。光 源可以是独立的，或者可以包括被设置成从单个白色光源获得所需颜色的光的合适的滤波 器。在所示实施例中，提供了独立的红色光源12R、绿色光源12G和蓝色光源12B。每个部分90以与上述显示器10基本相同的方式工作，所不同的是，部分90响应 于相应颜色的图像数据而被驱动。每个部分90的部件由与显示器10的部件相同的附图标 记分别附上R、G和B来标识。图7示出了具有可替选设计的彩色显示器95。显示器95具有照射第一空间光调 制器99的光源97。第一空间光调制器99包括可以在ON和OFF状态之间切换的元件100 的阵列。通过第一空间光调制器99调制的光经由传递光器件103而被引导至三个第二空 间光调制器102A、102B和102C (统称为第二空间光调制器10 ，其中传递光器件103包括 棱镜104、105A、105B以及滤波器106和107。滤波器106和107导致从第一空间光调制器99入射的光被分成三个光谱分量(例 如，红、绿和蓝)。每个光谱分量被引导至第二空间光调制器102A、102B和102C(统称为第 二空间光调制器102)中的一个，并进行调制。每个光谱分量的特征在于具有空间变化的光 强的光场，其中光强由在第一空间光调制器99中设置为ON的元件100的图案来确定。光 场是如由传递光器件103传递的模糊的第一空间光调制器99的图像。由第二空间光调制器102调制的光从棱镜104、105A和105B传出到达投影透镜 110和屏111。屏111可以包括前投影屏和后投影屏。
在一帧期间，显示器95的第一空间光调制器99的元件被设置成显示具有空间变 化的密度的图案。该密度可以基于用于要被显示的图像的图像数据。在一些实施例中，在 第一空间光调制器99的一个区域中被设置成ON的元件100的密度可以基于由图像数据确 定的亮度值来确定。被设置成ON以实现希望的密度的元件100的具体图案可以通过例如 将适当的空间抖动算法或空间抖动引擎应用到图像数据来确定。上述用于控制显示器10 的第一空间光调制器14的方法和装置在进行适当修改以便控制显示器95的第一空间光调 制器99的情况下应用。可以按与显示器10的第二光调制器20基本相同的方式来控制第二空间光调制器 102AU02B和102C，所不同的是，基于图像数据中用于相应的光谱分量的信息来确定用于 第二空间光调制器102A、102B和102C的元件的透射值。图8是用于像显示器95那样的显示器的控制系统112的框图。在输入端114接 收图像数据113。帧的亮度信息115被提取并被提供给图案生成器116。图案生成器116 基于亮度数据输出具有空间变化的密度的图案117。图案117被施加到用于第一空间光调 制器99的驱动电路118。图案117还被提供给输出估计光场120的光场估计器119。如果第一空间光调制 器99和第二空间光调制器102A、102B和102C之间的光路的光传输特征不同，光场估计器 119可以产生对应于用于每个第二空间光调制器102A、102B和102C的图案117的独立的估 计光场(102AU02B 和 102C)。包括第一、第二和第三光谱分量颜色信息(分别为121A、121B和121C)和相应的 估计光场120(或120A、120B和120C)的用于帧的颜色信息被提供给校正遮罩发生器122A、 122B和122C。校正遮罩发生器122A、122B和122C产生被提供给可以分别驱动第二空间光 调制器102A、102B和102C的驱动电路125A、125B和125C (统称为驱动电路12 的校正遮 罩 123AU23B 和 123C。像显示器95那样的显示器可以通过与图2中的方法40类似的方法来操作。在一些实施例中，第二空间光调制器102是DMD。在一些实施例中，驱动电路125 是PWM驱动电路。图9示出了另一种可替选设计的彩色显示器130，其具有多个第一空间光调制器 132AU32B和132C(统称为第一空间光调制器132)和第二空间光调制器134，该第二空间 光调制器134在来自于第一空间光调制器132的光被结合之后对其进一步调制以形成彩色 图像。显示器130具有接收从光源135入射的光的光学子系统137。光学子系统137具有 多个棱镜138和滤波器140，用于将来自于光源135的光划分成三个光谱分量(例如，红、 绿和蓝)，并将每个光谱分量引导至第一空间光调制器132A、132B和132C中相应的一个。 第一空间光调制器132A、132B和132C中的每个具有可在ON和OFF状态之间切换的元件阵 列，用于调制传递到该调制器的光。由第一空间光调制器132A、132B和132C调制的光然后 被合并到彩色图像中，并通过传递光器件传送到第二空间光调制器134。传递光器件将光变 得模糊。由第二空间光调制器134调制的光传递到投影透镜145和屏146。通过使得图像投影到屏146上的方式来驱动第一和第二光调制器，以再现由图像 数据指定的希望的图像。为了简化对上述本发明的实施例的说明，不再具体描述在投影机和其它基于DMD的设备中共同发现的并且还可以存在于根据本发明的显示器中的各种元件。这些元件对于 设计投影类显示器的领域的技术人员来说是已知的。一些例子是电源、用于将红外辐射引 出光路的冷光镜、收集光用于照射DMD的积分棒、弯曲光器件、外壳、用户控制部等。可从以上描述理解，存在许多种这里所描述的设计和方法可以有效应用的情况。 一些例子包括·单色显示器，其中，第一二元光调制器对来自于光源的光进行调制，并且该光进 一步由第二二元光调制器进行调制。·彩色显示器，其中，第一二元光调制器对来自于光源的光进行调制，该光进一步 由第二二元光调制器进行调制，并且来自于光源的光的颜色在子帧之间切换。例如，光源可 以包括独立的红、绿和蓝光源，每个光源仅在相应的子帧期间照射第一调制器，或者，来自 于白色光源的光在其照射第一光调制器等之前被引导通过色轮。这种颜色的实现具有简单 的优点，但是要求调制器可以高速更新，以允许红、绿、蓝子帧按快得足以提供满意的观看 体验的速率顺序显示。 独立的第一和第二二元光调制器可以被提供用于多个颜色通道中的每个。例如， 独立的红、绿、蓝颜色通道每个可以具有如这里描述的那样安排和操作的第一和第二二元 调制器。来自于颜色通道的图像可以被视觉重叠，以实现彩色图像。可以从独立的光源或 者通过将白光分离成所需数量的色带来提供用于每个颜色通道的光。这些实施例可以有利 地提供高的亮度，但是制造可能更加昂贵(因为它们需要6个调制器以及相关的控制电路 和光器件以控制三个颜色通道)。 第一二元光调制器可以对来自于发射具有多个颜色分量的光的光源的光进行调 制。该光然后可以被分离成独立的颜色分量并且每个颜色分量(例如，红、绿和蓝分量)被 引导至相应的第二二元光调制器。通过第二二元光调制器调制的光被结合以提供彩色图 像。在一些实施例中，第一二元光调制器具有显著低于第二二元光调制器的空间分辨率的 空间分辨率。·独立的第一二元光调制器可以被提供用于多个颜色通道中的每个。例如，独立 的红、绿、蓝颜色通道每个可以具有第一二元调制器。可以通过独立的光源或者通过将来自 于白色光源或其它多分量光源的光分离成多个色带来提供用于每个颜色通道的光。通过第 一二元光调制器调制的光可以被视觉结合，该结合的光照射第二二元光调制器，第二二元 光调制器对结合的光进行调制以提供彩色图像。第一和第二二元调制器如这里所描述的那 样安排和操作。在一些实施例中，第二空间光调制器具有显著低于第一空间光调制器的空 间分辨率的空间分辨率。·在直接前述的两个实施例的任何一个中，单个的二元光调制器(其可以具有较 低的空间分辨率)作用于组合的图像(仅亮度调制)，而独立的调制器为每个颜色通道提供 调制。由独立的调制器提供的颜色调制可以具有较高的空间分辨率。·在本段中上述实施例中，在第一和第二二元调制器具有不同的空间分辨率的情 况下，这些二元调制器中的较低分辨率的一个或多个例如比较高分辨率的调制器的空间分 辨率低64倍或更多的空间分辨率(例如可控元件的数量)，或者在一些情况下为低IOM或 更多倍的分辨率。·在一些进一步的实施例中，独立的第一二元光调制器被提供用于多个颜色通道中的每个。例如，独立的红、绿、蓝颜色通道每个可以具有第一二元调制器。用于每个颜色通 道的光可以由独立的光源或者通过将来自于白色光源或其它多分量光源的光分离成多个 色带来提供。通过第一二元光调制器调制的光可以被光学地组合，该组合的光照射第二二 元光调制器，其对组合的光进行调制以提供彩色图像。第一和第二二元调制器如这里所描 述的那样安排和操作。在该实施例中，每个对一个颜色通道中的光进行调制的第一二元光 调制器可以具有小于第二空间光调制器的空间分辨率的空间分辨率。优选地，第一彩色光 调制器的空间分辨率至多是第二空间光调制器的空间分辨率的大约1/2到1/6。人的视觉 系统对于局部亮度的改变比对于局部(高空间频率)颜色的改变更敏感。·第一二元光调制器可以对来自于光源的光进行调制。来自于第一二元光调制器 的光可以被变得模糊并被传递到包括LCD板的第二光调制器或能够在相当宽的范围内连 续或多步控制光的传输的其它调制器。·如这里所描述的光调制方法可以在用于3D数字电影系统中的左右图像的单独 通道上执行。该左右图像可以以不同的方式进行偏振，具有不同的光谱特征或以时间交错 的方式显示。可以在每个通道中提供适当的偏振片或滤谱器。在部件(例如，软件模块、处理器、组件、设备、电路等)在上文中被提及的情况下， 除非另外指明，对该部件的引用(包括对“装置”的引用)应该被解释成包括该部件的等同 物，实现所描述的部件的功能的任何部件(即功能上的等同物)，包括在结构上不等同于所 公开的实现本发明所描述的示例性实施例中的功能的结构。在如这里所描述的用于显示器的控制器通过软件来实现的情况下，该控制器可以 包括数据处理器和存储在可接入数据处理器的实体介质上的软件指令。数据处理器可以通 过执行用于处理图像数据以产生第一和第二信号的软件指令来产生用于控制一个或多个 第一空间光调制器的第一信号，和用于控制一个或多个第二空间光调制器的第二信号。在 可替选的实施例中，固定硬件或可配置硬件如逻辑电路或现场可编程门阵列(FPGA)被提 供用于执行处理图像数据以产生第一和第二控制信号过程中的一些或全部步骤。对于本领域技术人员来说明显的是，根据上述公开，在实施本发明时可以进行许 多变更和修改而不脱离本发明的精神或范围。例如·对于第一空间光调制器中ON元件的任何希望的空间密度(除了所有元件为ON 或所有元件为OFF)，存在能够应用到第一空间光调制器的区域的多种图案。可以在一帧中， 在不改变ON元件的空间密度的情况下对第一空间光调制器的元件进行切换以改变ON元件 的图案，这不会对显示的图像造成不利影响。因此，本发明的范围要根据由以下权利要求限定的实质来解释。
权利要求
1.一种显示器，包括光源，能够将光引导至第一空间光调制器，第一空间光调制器包括能够在ON和OFF状 态之间切换的多个第一元件；传递光器件，其被设置成将由第一空间光调制器调制的光引导至第二空间光调制器上；驱动器，其被配置成基于图像数据产生分别用于第一和第二空间光调制器的第一和第 二控制信号，其中，驱动器被配置成基于图像数据来产生图案，该图案具有空间变化的密度； 驱动器被配置成产生第一控制信号，以便根据图案设置第一空间光调制器的元件；以及传递光器件的特征为传递功能部，其使得在第二空间光调制器处、源于第一空间光调 制器的光变得模糊。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中第二空间光调制器包括能够在ON和OFF状态之 间切换的多个元件，驱动器被配置成在一个图像帧期间将第二空间光调制器的元件在其ON 和OFF状态之间切换多次。
3.根据权利要求2所述的显示器，其中驱动器被配置成根据二元脉宽调制方案将第二 空间光调制器的元件在其ON和OFF状态之间切换。
4.根据权利要求2所述的显示器，其中驱动器被配置成估计第二空间光调制器处的对 应于图案的光场，以及根据估计的光场建立第二控制信号。
5.根据权利要求4所述的显示器，其中驱动器包括数字低通空间滤波器，该驱动器被 配置成通过将数字低通空间滤波器应用于图案来估计光场。
6.根据权利要求1所述的显示器，包括抖动引擎，其中第一控制信号包括由抖动引擎 输出的图案。
7.根据权利要求1所述的显示器，其中传递光器件包括透镜，其被设置成在第二空间 光调制器处产生第一空间光调制器的离焦图像。
8.根据权利要求1所述的显示器，其中第一和第二空间光调制器每个包括数字微镜器件。
9.根据权利要求1所述的显示器，其中光源包括激光光源。
10.一种显示器，包括 用于产生光的装置；用于对光进行二元调制的第一装置，该第一装置包括可以在ON和OFF状态之间切换的 多个第一元件；用于使得通过第一装置调制的光变得模糊并将该模糊的光引导至二元空间光调制器 上的装置；用于根据图像数据来产生用于第一装置的第一控制信号的装置，用于产生第一控制信 号的该装置包括基于图像数据产生图案的装置，该图案具有空间变化的密度；以及 用于根据图像数据产生用于二元空间光调制器的第二控制信号的装置。
11.根据权利要求10所述的显示器，包括用于根据图案将第一装置的元件保持在状态 中同时根据第二控制信号来操作二元空间光调制器以对模糊的光进行调制的装置。
12.根据权利要求11所述的显示器，包括用于估计二元空间光调制器处的模糊光的光 场的装置，其中用于产生第二控制信号的装置响应于图像数据和估计的光场两者。
13.一种用于显示图像的方法，该方法包括根据基于图像的二元图案来设置第一二元空间光调制器的元件，该图案具有空间变化 的密度；将第一二元光调制器的图像变得模糊并将其传送到第二空间光调制器，以在第二空间 光调制器处产生光场；利用第二空间光调制器调制光场以重现该图像。
14.根据权利要求13所述的方法，其中利用第二空间光调制器来调制光场包括通过将 第二空间光调制器的元件在ON和OFF状态之间切换来进行光场的时间抖动。
15.根据权利要求13所述的方法，包括计算对应于图案的光场的估计，并根据图像数 据和光场的估计来控制第二空间光调制器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中计算光场的估计包括将低通滤波器应用于图案。
17.根据权利要求16所述的方法，其中低通滤波器具有尺寸为5X5或更小的内核。
18.一种用于显示器的控制器，其中显示器包括第一和第二空间光调制器，该控制器被 配置成产生用于第一空间光调制器的第一控制信号，用以根据基于图像的、具有空间变化的 密度的二元图案将第一空间光调制器的多个元件中的每个设置成ON或OFF状态；以及产生用于第二空间光调制器的第二控制信号，以在ON和OFF状态之间切换第二空间光 调制器的多个元件中的每个，用以进行入射到元件上的光的时间抖动，其中第二控制信号 响应于由第一空间光调制器调制的光的估计光场以及图像数据。
19.根据权利要求18所述的控制器，其中控制器被配置成根据二元脉宽调制方案将第 二空间光调制器的元件在其ON和OFF状态之间切换。
20.根据权利要求18所述的控制器，其中二元图案是由抖动引擎产生的抖动图案。
21.—种显示器，包括第一空间光调制器，包括多个可以在元件发光的ON状态和元件为暗的OFF状态之间切 换的多个第一元件；传递光器件，其被设置成将来自于第一空间光调制器的光引导至第二空间光调制器上；驱动器，其被配置成基于图像信号来产生分别用于第一和第二空间光调制器的第一和 第二控制信号，其中，驱动器被配置成基于图像数据来产生图案，该图案具有空间变化的密度； 驱动器被配置成产生第一控制信号，以便根据图案设置第一空间光调制器的元件；以及传递光器件的特征为传递功能部，其使得在第二空间光调制器处、源于第一空间光调 制器的光变得模糊。
22.根据权利要求21所述的显示器，其中第一空间光调制器包括光发射器阵列。
23.根据权利要求22所述的显示器，其中光发射器包括发光半导体器件。
24.根据权利要求21所述的显示器，其中显示器包括照射第一空间光调制器的光源， 该第一空间光调制器的元件在处于ON状态时将来自于光源的光传递到第二空间光调制
25.根据权利要求21所述的显示器，其中第一空间光调制器包括数字镜器件。
26.根据权利要求21所述的显示器，其中第二空间光调制器包括可以在ON和OFF状 态之间切换的多个元件，驱动器被配置成在图像帧期间将第二空间光调制器的元件在其ON 和OFF状态之间切换多次。
27.根据权利要求沈所述的显示器，其中驱动器被配置成根据二元脉宽调制方案将第 二空间光调制器的元件在其ON和OFF状态之间切换。
28.根据权利要求沈所述的显示器，其中驱动器被配置成估计第二空间光调制器处的 对应于图案的光场，以及根据估计的光场建立第二控制信号。
29.根据权利要求观所述的显示器，其中驱动器包括数字低通空间滤波器，该驱动器 被配置成通过将数字低通空间滤波器应用于图案来估计光场。
30.根据权利要求21所述的显示器，包括抖动引擎，其中第一控制信号包括由抖动引 擎输出的图案。
31.根据权利要求21所述的显示器，其中传递光器件包括透镜，其被设置成在第二空 间光调制器处产生第一空间光调制器的离焦图像。
全文摘要
一种显示器，具有第一(14)和第二(20)空间光调制器，用于对来自于光源(12)的光进行调制。第一空间光调制器具有可以根据具有空间变化的密度的图案在ON和OFF状态之间切换的多个元件(16)。传递光器件(26)将通过第一空间光调制器调制的光变得模糊并将其传送到第二空间光调制器，以在第二空间光调制器处产生光场。第二空间光调制器具有可以在ON和OFF状态之间切换的多个元件(22)，用以执行光场的时间抖动，以重现图像。
文档编号G09G3/20GK102089705SQ200980103324
公开日2011年6月8日 申请日期2009年1月27日 优先权日2008年1月28日
发明者格温·丹贝格, 格里戈里·J·沃德, 赫尔格·西岑 申请人:杜比实验室特许公司
技术领域：
本发明涉及电子显示器，如计算机显示器、电视机显示器、数字电影投影机、家庭 影院显示器、用于交通工具(如飞机、船、卡车、小汽车等)的模拟装置中的显示器、游戏系 统显示器、仿真型娱乐乘具中的显示器、数字相框、HDTV监视器、高动态范围(HDR)成像系 统等。本发明尤其涉其中光被调制成两个状态的显示器。
背景技术：
电子显示器在广泛的应用范围内使用。一些电子显示器具有空间光调制器。响应 于图像数据来对空间光调制器的元件进行控制，以产生观看者可以观察的图像。一些空间 光调制器的元件是具有两个状态的“二元”元件。在一个状态中，元件将光传递到观看区域， 而在另一个状态中，元件不将光传递到观看区域。数字微镜器件(DMD)是二元空间光调制器的一个例子。DMD提供了反射镜阵列。 每个反射镜可以在两个状态之间切换。反射镜的状态可以判断在反射镜的位置入射到DMD 上的光是否沿着可以将其导向至观看区域的路径传递。当反射镜处于“ON”状态时，光被引 导至观看区域中对应于反射镜的位置。当反射镜处于“OFF”状态时，沿不会将光导向至观 看区域的路径来引导光。通常处于OFF状态的光被引导至热沉。二元空间光调制器的元件可以通过快速开启和关闭而被控制以显示中间亮度值。 通过调节元件处于ON和OFF状态的相对时间量可以改变观察者察觉到的亮度。一些显示器提供串行光调制器。在这种显示器中，通过第一和第二光调制器对光 进行串行调制。显示器的例子在PCT专利公布No. W02003/077013和美国专利No. 6891672 中描述。PCT专利公布NO.W02003/077013描述了具有可控发光元件阵列的光源以及具有用 于对来自光源的光进行调制的可控透射率元件阵列的空间光调制器。美国专利No. 6891672 描述了串联排列的第一和第二空间光调制器，用于对来自光源的光进行调制。每个空间光 调制器具有可控像素阵列，其中，一个空间光调制器的每个像素对应于另一个空间光调制 器的多个像素。需要能够提供高图像质量的节省成本的显示器。
发明内容
本发明具有多个方面。本发明的一方面提供一种显示器。该显示器例如可以包括 计算机显示器、电视机、数字投影机等。该显示器包括能够将光引导至第一空间光调制器上 的光源。第一空间光调制器包括可以在ON和OFF状态之间切换的多个第一元件。该显示 器具有传递光器件，其被设置成将由第一空间光调制器调制的光引导至第二空间光调制 器上；以及驱动器，其被配置成基于图像数据产生分别用于第一和第二空间光调制器的第 一和第二控制信号。驱动器被配置成基于图像数据来产生图案。该图案具有空间变化的密 度。该图案可以包括例如从图像数据得到的空间抖动。驱动器被配置成产生第一控制信号， 以便根据图案来设置第一空间光调制器的元件。传递光器件的特征在于传递功能部，其使得在第二空间光调制器处、源于第一空间光调制器的光变得模糊。第二空间光调制器也可以包括能够在ON和OFF状态之间切换的多个元件。在这种 情况下，驱动器可以被配置成在一个图像帧期间将第二空间光调制器的元件在其ON和OFF 状态之间切换多次。例如可以根据二元脉宽调制方案来进行对第二空间光调制器的元件的 切换。在一些实施例中，驱动器被配置成估计第二空间光调制器处的对应于图案的光 场，以及使第二控制信号基于光场。本发明的另一个方面提供一种显示器，包括用于产生光的装置；用于对光进行 二元调制的第一装置，该第一装置包括可以在ON和OFF状态之间切换的多个第一元件；用 于使通过第一装置调制的光变得模糊并将该模糊的光引导至二元空间光调制器上的装置； 用于根据图像数据来产生用于第一装置的第一控制信号的装置，用于产生第一控制信号的 装置包括基于图像数据产生图案的装置，该图案具有空间变化的密度；以及用于根据图像 数据产生用于二元空间光调制器的第二控制信号的装置。本发明的另一方面提供一种用于显示图像的方法。该方法包括根据基于图像的二 元图案来设置第一二元空间光调制器的元件。该图案具有空间变化的密度。该方法这样进 行将第一二元光调制器的图像变得模糊并将其传送到第二空间光调制器，以在第二空间 光调制器处产生光场；利用第二空间光调制器调制光场以重现该图像。在一些实施例中，利用第二空间光调制器调制光场包括通过将第二空间光调制 器的元件在ON和OFF状态之间切换来进行光场的时间抖动。一些实施例包括计算对应于图案的光场的估计，并根据图像数据和光场的估计来 控制第二空间光调制器。计算得到的估计可以考虑特征在于模糊的传递功能部。本发明的另一方面提供一种用于包括第一和第二空间光调制器的显示器的控制 器。该控制器被配置成产生用于第一空间光调制器的第一控制信号，用以根据基于图像的、 具有空间变化的密度的二元图案将第一空间光调制器的多个元件中的每个设置成ON或 OFF状态；并产生用于第二空间光调制器的第二控制信号，以在ON和OFF状态之间切换第 二空间光调制器的多个元件中的每个，用以进行入射到元件上的光的时间抖动。第二控制 信号响应于由第一空间光调制器调制的光的估计光场以及图像数据。以下对本发明的其它方面以及本发明的特定实施例的特征进行描述。
附图示出了本发明的非限制性实施例。图1是示出了根据本发明的简单实施例的单色显示器的示意图；图2是示出了根据本发明的实施例的用于显示图像的方法的流程图；图3A示出了具有不同亮度级的部分的图像；图:3B示出了用于表示图3A中所示的 图像的抖动图案(dithering pattern)的例子；图4是示出了各种特征随图像中位置的变化的图；图5是根据本发明的示例性实施例的、连接以控制两个空间光调制器的用于显示 器的控制器的框图；图6是示出了根据本发明的另一个实施例的彩色显示器的示意图7是示出了根据本发明的另一个实施例的彩色显示器的示意图；图8是根据本发明的另一个实施例的控制器的框图；图9是示出了根据本发明的另一个实施例的彩色显示器的示意图。
具体实施例方式贯穿以下描述，对特定细节进行阐述以便于更加彻底地理解本发明。然而在没有 这些细节的情况下也可以实施本发明。在其它情况下，未对已知的元件进行详细显示或描 述以避免不必要的混淆本发明。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。图1示出了根据本发明的示例性实施例的单色显示器10。显示器10包括光源12。 来自光源12的光13照射第一空间光调制器14。光源12例如可以包括·激光器；·氙气灯；·激光二极管或其它固态光发射器阵列；·弧光灯；等等。第一空间光调制器14包括多个可控元件16。可以通过合适的控制电路18将元件 16在ON和OFF状态之间切换。当元件16处于ON状态时，元件16允许射到该元件上的入 射光13传递到第二空间光调制器20的相应区域。当元件16处于OFF状态时，从元件16 传递到第二空间光调制器20的相应区域的光量减少。理想地，当元件16处于OFF状态时， 基本上没有光从元件16到达第二空间光调制器20的相应区域。可以以很多种方式来实现第一空间光调制器14。在一些实施例中，第一空间光调 制器14包括DMD。在其它实施例中，第一空间光调制器14包括可以通过其它机制在ON和 OFF状态之间切换的光反射或透射元件阵列。例如，在一些这种实施例中，第一空间光调制 器14包括IXD板、LCOS芯片等。在其它实施例中，光源12和第一空间光调制器14的功能 被结合。在这种实施例中，第一空间光调制器14可以包括可以被切换成开启或关闭(或在 发光状态和暗状态之间切换)的光源(如激光器)阵列。第二空间光调制器20包括多个可控元件22。可以控制每个可控元件22以从第一 空间光调制器14入射到元件22上的光25选择一定比例的光传输到观看区域。可以通过任何合适的技术来提供第二空间光调制器22，例如·液晶显示(LCD)板；·硅基液晶(LC0Q芯片；·微镜阵列；·磁光器件； 光阀等。在一些实施例中，第二空间光调制器20包括可以在ON和OFF状态之间切换的光 反射或透射元件。在这种实施例中，第二空间光调制器20可以由其元件被设置成ON或OFF 的控制器来控制。在一些实施例中，第一空间光调制器14和第二空间光调制器20每个包括DMD或 其它可控微镜的二维阵列。这种实施例的优点是，可以相对便宜地获得DMD并且当前对合 并DMD的器件的设计和制造存在广泛支持。
传递光器件沈将光25从第一空间光调制器14传送到第二空间光调制器20。当 第一空间光调制器14的所有元件16为ON时，光25能够照射第二光光调制器20的整个有 效区域。光25可以散布越过第二空间光调制器20的边缘。传递光器件沈使光25变得模糊。传递光器件沈的特征在于传递功能部，该传递 功能部至少接近于从第一空间光调制器14的一点发出的光25如何遍布于第二空间光调 制器20。入射到第二光调制器20上的光的图案可以根据第一调制器14的配置(即，根据 哪些元件16为ON而哪些元件15为OFF)以及传递功能部来估计和确定。可以理解，由于通过传递光器件沈引入的模糊，入射到第二空间光调制器20的任 何元件22上的光25可以由第一空间光调制器14的多个元件16产生。可以贡献大量的光 来照射第二空间光调制器20的元件22的第一空间光调制器14的元件16的数量主要取决 于第一空间光调制器14的元件16的尺寸以及传递功能部的宽度。在一些实施例中，第一和第二空间光调制器14和20具有相同或相似的可控元件 数量。在一些实施例中，第一空间光调制器14具有的可控元件16显著少于第二空间光调 制器20具有的可控元件22。在一些实施例中，第一空间光调制器14包括大约140到大约 1600个元件16的阵列。其中，第一和第二空间光调制器具有不同的空间分辨率，在一些实 施例中，第二空间光调制器具有更高的分辨率，而在一些实施例中，第一空间光调制器具有 更高的分辨率。在一些实施例中，第一空间光调制器14的可控元件16被排列成规则阵列。该阵 列可以是矩形的，并且可以包括M行和N列可控元件16。在一些实施例中，第二空间光调制 器20的可控元件22被排列成规则阵列。例如，该阵列可以是矩形的，并且可以包括P行和 Q列。在一些实施例中，第二空间光调制器20具有比例为16 9的宽度和高度。一些实施例利用以下事实在相同面积中具有较少元件的DMD或其它空间光调制 器可以比在相同面积中具有较多元件的DMD或其它空间光调制器具有更高的填充因数。这 样，较低分辨率的第一空间光调制器可以传递到第二空间光调制器的最大光量可以比可以 由较高分辨率的空间光调制器传递的最大光量更大。在一些实施例中，第一和第二空间光调制器中的较低分辨率的一个的光填充因数 至少为85%。在一些实施例中，第一和第二空间光调制器两者的光填充因数至少为85%。在一些实施例中，第一空间光调制器14的元件16的总数至少是第二空间光调制 器20中的元件22的总数的二分之一到四分之一。由传递光器件沈引入的模糊减少或消 除了由第一空间光调制器14的低分辨率导致的“成块”。传递光器件沈可以包括任何适当排列的透镜、反射镜、漫射器等，其将源于第一 空间光调制器14 (主要是在其ON状态的元件16)的光25传送到第二空间光调制器20。合 适的传递光器件26的一些例子是·将第一调制器14的离焦图像投影到第二调制器20上的透镜或透镜系统；·与漫射器结合的透镜或透镜系统。有利的是，提供一种光学系统沈，其传递功能部对于第一调制器14的所有元件基 本相同。但是，如果失真可以被特征化，则可以使用引入模糊和失真两者的光学系统26。还 有利的是，提供一种光学系统26，其传递功能部为圆对称。但是，可以使用具有更加复杂的传递功能部的光学系统26，只要该传递功能部可以被适当地特征化。如以下所讨论的，一些实施例针对第一调制器14的不同配置来估计第二调制器 20处的光的分布。在这些实施例中，希望提供特征在于在较小区域上进行模糊的传递功能 部的传递光器件26，因为这样降低了用于估计所产生的第二空间光调制器20处的光场的 计算要求。在一些示例实施例，通过特征在于大于第一空间光调制器14的相邻元件16之 间的间距的标准偏差的空间低通滤波器或平滑算子，可以使得传递光器件沈的传递功能 部接近可接受的精确度。其中，显示器10是投影类显示器，适当的投影透镜观将来自第二空间光调制器20 的光聚焦到屏四上用于观看。屏四可以包括前投影屏或后投影屏。在示例实施例中，第一和第二调制器14和20每个包括DMD，光源12包括激光光 源。图2示出了用于使用如显示器10的显示器来显示图像的方法40。在块42中，提 供图像数据43。图像数据43限定了要使用显示器10来显示的图像。例如，图像数据可以 针对第二空间光调制器20的每个元件指定根据位置的希望的亮度。图像数据43可以包括 视频序列帧、静止图像等。可以以任何合适的格式来表示图像数据。可以表示图像数据的 一些示例性格式为· JPEG· JPEG-HDR· TIFF· GIF· OpenEXR· Artizen 文件格式· Radiance 文件格式· PNG (便携式网络图形) 位图(例如，BMP)· JPEG2000· MPEG· MPEG-HDR.DPX格式(ANSI/SMPTE 268M-1994，用于数字活动图像交换(DPX)的文件格式的 SMPTE 标准，版本 1. 0，1994. 2. 18).DCI数字电影格式· Cineon 格式等在一些实施例中，该格式是提供每像素大于M比特的高动态范围(HDR)格式。在块44到50中，方法40得到用于第一空间光调制器14的元件16的驱动信号。可 以应用该驱动信号按适于再现图像数据43的图像的模式将每个元件16设置为ON或OFF。 块44确定应该为要被投影到屏四上的输出图像的每个不同区域提供的灰度亮度级。这些 区域中对每个对应于第一空间光调制器14的一个区域。第一空间光调制器14的这些区域 中的每个包含多个元件16。块44例如可以包括对由图像数据43限定的图像中与输出图像 的每个区域对应的各部分的像素值一起进行平均。
块46确定可以应用于第一空间光调制器14的元件的ON和OFF状态的图案，使得 在第一空间光调制器14的每个区域中，ON元件16的比例随在块44中确定的相应的灰度 亮度级水平而变化。例如，对于与图像的亮部对应的区域，该图案可以指定在第一空间光调 制器14的相应区域中的所有元件16应该为ON。对于与图像的暗部对应的区域，该图案可 以指定在第一空间光调制器14的相应区域中的大部分或所有元件16应该为OFF。当图案的某一区域对应于中间亮度时，则该区域中的适当比例的元件16为ON而 其余为OFF。在这种情况下，希望ON元件16合理地均勻地分布于该区域。例如，该区域中 的元件16可以根据具有所需的ON元件16与OFF元件16比例的合适的抖动图案来分布。抖动图案例如可以通过以下方式来产生·对于图像的每个像素，产生指示应该允许多少亮度传递到观看者的亮度图；·对亮度图进行增强以产生增强的亮度图；·将增强的亮度图下采样为与第一空间光调制器14的分辨率匹配的分辨率，以产 生下采样的灰度图像；以及·对产生的下采样的灰度图像进行抖动以产生二元图像。对亮度图进行增强是希望保证有充分的光在第二空间光调制器20的每个元件 处，从而由图像数据43指定的光量可以传递到观看者。可以按任何适当的方式进行抖动。抖动软件和硬件可从商业上得到。在一些实施 例中，对于第一空间光调制器14上的元件16的块进行抖动。例如，在16X 16的元件16的 块上执行抖动可以产生光输出，该光输出按照256梯级变化，从块中的全部256个元件均为 OFF的无输出(除了任何泄漏光之外)到块中的全部256个元件均为ON的最大输出级。抖 动可以包括在表中或其它合适的数据结构中查找预定的抖动图案，或通过应用合适的抖动 算法来计算提供ON元件16的合适密度的抖动图案。可以在软件、硬件或其适当的组合中 实现抖动算法。一些示例性的抖动算法包括 将图像划分成多个分片，将舍入偏量(rounding bias)分配给分片中的每个像素 位置，将舍入偏量加到像素值上，然后对得到的值进行四舍五入。于是，分片中每个像素具 有高值(例如“1”或0N)或低值(例如“0”或OFF)。· Floyd-Steinberg 抖动算法。 平均抖动(其例如可以包括选择像素阈值(其可以是图像像素的平均值)，然后 基于像素的值大于阈值还是小于阈值将像素量化为低值或高值(例如0或1))，并将其用作 确定像素是否应该被量化成0或1的全局阈值。可以通过任何适当的方式来处理像素值等 于阈值的情况。在一个实施例中，值在阈值之上的所有像素被量化为1，而所有其它像素被 量化为0值。·随机抖动。 误差扩散抖动· Veryovka-Buchanan 抖动算法· Riemersma 抖动等Matlab 和其它计算和/或图像处理软件包包括可以用在本发明的实施例中的实 现抖动算法的软件。
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图3A示出了被划分成多个部分57A、58A、59A和60A(每个部分画有不同阴影以表 示各种灰度亮度级水平)的图像阳。部分57A处于最大(即100%)亮度级，部分58A处 于50%的亮度级、部分59A处于67%的亮度级，而部分60A处于最小(即0% )的亮度级。图:3B示出了抖动图案56的一个例子，该抖动图案56可以应用于第一空间光调制 器14以产生具有包括图3A中所示的亮度级的各部分的光场。抖动图案56具有区域57B、 58B、59B和60B，每个区域具有8X8的像素阵列。每个像素对应于第一空间光调制器14中 的元件16中的一个，每个像素可以被设置成0N(示为无阴影像素)或0FF(示为有阴影像 素)。图像55(图3A)的一部分的亮度级确定了抖动图案56 (图3B)的对应区域中的ON 或OFF状态中的像素比例。在区域57B中，所有像素被设置成0N，以产生对应于部分57A的 最大亮度级。在区域60B中，所有像素被设置成OFF，以产生对应于部分60A的最小亮度级。 在区域58B中，50%的像素被设置成0N，以产生对应于部分58A的亮度级。在区域59B中， 67%的像素被设置成0N，以产生对应于部分59A的亮度级。除了图;3B中所示的抖动图案之外，各种其它的抖动图案可以用于表示图3A中所 示的图像。例如，在区域58B中，不同的像素组合可以被设置成ON(该组合包括区域58B中 的总像素的50% )以将该区域的平均亮度级保持在50%。如果第一调制器14的元件根据在块46中确定的图案来设置，则块48预测将入射 到第二光调制器20的每个元件22上的光25的量。该预测例如可以通过以下方式来进行 将近似于传递光器件26的传递功能部的数学函数应用于光的图案，通过根据在块46中确 定的图案来设置元件16而在第一空间光调制器14处产生该光的图案。块48的光场估计可以按各种细节等级来进行。在一些实施例中，块48的光场估 计可以包括(如果必要)将在块46中产生的空间抖动图像上采样为与第二空间光调制器 20的分辨率匹配或超过其分辨率的分辨率，并对该结果应用平滑函数，如模糊滤波器(blur filter)或低通滤波器。在一些实施例中，模糊滤波器具有小的内核(kernel)，如3X3或 5X5的内核。在一些实施例中，模糊滤波器具有不超过5X5的内核。平滑函数近似于光器 件26的传递功能部。块50确定允许通过第二光调制器20的每个元件22的入射光25的比例以产生希 望的图像。块50例如可以包括通过如在块48中估计的元件22处的光25的亮度将由图 像数据43指定的用于元件22的亮度值进行划分，以产生指示元件22应该将入射光25减 弱多少的值。所产生的一系列值可以被称为“校正遮罩”，这是因为其对入射到第二空间光 调制器25上的模糊光场进行校正以产生希望的图像。块50可选择地可以包括对校正遮罩 进行锐化操作。在块52中，在块46中得到的图案被用于驱动第一调制器14的元件16，并且在块 54中，在块50中得到值被用于驱动第二调制器20的元件22。块52和M同时进行。在第二调制器20包括DMD或具有二元元件22的其它调制 器的情况下，块讨可以包括改变元件22处于其ON状态的时间比例，例如·可以根据合适的脉宽调制(PWM)方案来驱动元件22 ；·可以根据元件22在取决于相应值的若干脉冲的每一时间段中被切换为ON的方 案来驱动元件22 ；
元件22可以在每一时间段的开始变为0N，然后在该时间段过去取决于相应值的 一部分之后切换为OFF，等等。第一调制器14的元件16可以保持设置为其ON或OFF状态，只要适于显示该图像。在示例性实施例中，第一空间光调制器14在一帧期间基本连续地显示空间抖动 图案，传输光器件26使得来自第一空间光调制器14的光变模糊并将其投影到第二空间光 调制器20上，以在第二空间光调制器20上产生模糊的灰度图像，并且第二空间光调制器的 元件在该帧期间在其ON和OFF状态之间切换以允许希望的光量到达观看者。如果需要，可以通过响应于要被显示的图像的最亮部分而控制光源12的亮度来 选择性地扩充方法40。在整个图像是暗的或者不具有任何非常亮的部分的情况下，则可以 降低光源12的光强。对于包括亮区域的图像，光源12可以操作于其全光强的状态。图4针对延伸跨越示例性图像的某一区域的线示出了以下曲线·曲线60，代表原始图像数据；·曲线61，代表空间抖动图像(如果传递光器件沈将第一空间光调制器14的图 像聚焦到第二空间光调制器20上，则该空间抖动图像出现在第二空间光调制器20上)；·曲线62，代表由通过传递光器件沈对空间抖动图像中的光进行散布而产生的第 二空间光调制器20处的亮度图像；·曲线63，代表第二空间光调制器20的元件的透射水平；·曲线64，代表已经被锐化的第二空间光调制器20的元件的透射水平；以及·曲线65(其与曲线60相符，代表显示的图像)。可以利用很多种方式来实现合并了这里描述的一些或全部构思的显示器。有利 地，第一空间光调制器14不需要无缺陷。即使偶然的个别元件16停留在其ON或OFF配置 中，由传递光器件26引入的模糊能保证少量的这种个别元件的缺陷对于产生的图像不会 具有大的不利效果。如果希望明确地容纳有缺陷的元件，则可以进行一些选择，包括·维护指示任何有缺陷的元件16的状态的缺陷图，并在进行光场估计(例如在块 48中)时考虑这些状态；以及·维护指示任何有缺陷的元件16的状态的缺陷图，并安排ON元件16的图案以考 虑这些有缺陷的状态。例如，如果块46确定，在第一空间光调制器14的具体区域中，一半 的元件16应该为0N，而另一半的元件16应该为OFF，则块46可以包括试图将区域中停留 在ON的那些有缺陷的元件包括在图案中作为0N，并将区域中停留在OFF的那些有缺陷的像 素包括在图案中作为OFF。图5示出了根据本发明的实施例的显示器控制器70。显示器控制器70例如可以 用于驱动显示器10的第一和第二空间光调制器。显示器控制器70具有输入端72，其接收 用于限定要被显示的图像的图像数据43。编解码器74从图像数据43中提取图像的帧75。 帧75由指定亮度值或对于帧中的每个位置(X，y)均相等的数据构成。构成该帧的数据可 用于抖动引擎76和校正遮罩发生器78。抖动引擎76以对应于帧75的第一空间光调制器14的分辨率建立空间抖动图案 77。图案77可用于光场模拟器80和第一空间光调制器驱动电路82。光场模拟器80估计在第二空间光调制器20处对应于图案77的光场。估计79可 用于校正遮罩发生器78。校正遮罩发生器78计算用于第二空间光调制器20的元件22的希望的透射值，以产生校正遮罩81，该校正遮罩81可用于第二空间光调制器驱动电路84。 校正遮罩发生器78至少部分地基于帧数据75和光场估计79来产生校正遮罩81。第一空间光调制器驱动电路82被配置成将第一空间光调制器14的元件16设置 成如图案77所指定的ON或OFF，并在一帧的时间中将这些元件保持在所选状态。第二空间 光调制器驱动电路84被配置成将第二空间光调制器20的元件设置成具有如校正遮罩81 所指示的透射值。在第二空间光调制器20包括DMD的情况下，第二空间光调制器驱动电路 84可以将元件22在其ON和OFF状态之间快速切换，使得对于每个元件来说，ON时间和OFF 时间之间的比对应于如在校正遮罩81中指定的元件的透射值。第二空间光调制器驱动电 路84例如可以包括PWM DMD驱动器电路。用于驱动DMD的电路可从商业上得到。一个例 子是可从德州仪器获得的DMD Discovery 芯片集。时序系统86协调装置70的操作，使得在一帧的时间内用于该帧的驱动信号通过 驱动电路82和84分别被施加到第一和第二空间光调制器14、20。在整个一帧中驱动第一空间光调制器14是便利的但不是强制性的。例如，如果在 第二空间光调制器20的所有元件为OFF的任何时间段中不驱动第一空间光调制器14，所产 生的图像也不会有任何差别。本发明可以应用于彩色显示器以及单色显示器。这可以通过各种方式来实现。一 种方法是以时间复用方式显示不同的颜色。这可以通过将不同的彩色滤波器引入光路中来 完成。例如，图1的显示器10可以被改变成包括色轮。在一些彩色显示器中，多个颜色通道(例如，红色通道、绿色通道和蓝色通道)被 分别处理，来自不同颜色通道的光在显示屏或其上游被结合以产生彩色图像。本发明可以 按这种方式来实施。例如，图6示出了分别具有红色部分90R、绿色部分90G和蓝色部分 90B(统称为部分90)的彩色显示器88。每个部分90包括产生相应颜色的光的光源。光 源可以是独立的，或者可以包括被设置成从单个白色光源获得所需颜色的光的合适的滤波 器。在所示实施例中，提供了独立的红色光源12R、绿色光源12G和蓝色光源12B。每个部分90以与上述显示器10基本相同的方式工作，所不同的是，部分90响应 于相应颜色的图像数据而被驱动。每个部分90的部件由与显示器10的部件相同的附图标 记分别附上R、G和B来标识。图7示出了具有可替选设计的彩色显示器95。显示器95具有照射第一空间光调 制器99的光源97。第一空间光调制器99包括可以在ON和OFF状态之间切换的元件100 的阵列。通过第一空间光调制器99调制的光经由传递光器件103而被引导至三个第二空 间光调制器102A、102B和102C (统称为第二空间光调制器10 ，其中传递光器件103包括 棱镜104、105A、105B以及滤波器106和107。滤波器106和107导致从第一空间光调制器99入射的光被分成三个光谱分量(例 如，红、绿和蓝)。每个光谱分量被引导至第二空间光调制器102A、102B和102C(统称为第 二空间光调制器102)中的一个，并进行调制。每个光谱分量的特征在于具有空间变化的光 强的光场，其中光强由在第一空间光调制器99中设置为ON的元件100的图案来确定。光 场是如由传递光器件103传递的模糊的第一空间光调制器99的图像。由第二空间光调制器102调制的光从棱镜104、105A和105B传出到达投影透镜 110和屏111。屏111可以包括前投影屏和后投影屏。
在一帧期间，显示器95的第一空间光调制器99的元件被设置成显示具有空间变 化的密度的图案。该密度可以基于用于要被显示的图像的图像数据。在一些实施例中，在 第一空间光调制器99的一个区域中被设置成ON的元件100的密度可以基于由图像数据确 定的亮度值来确定。被设置成ON以实现希望的密度的元件100的具体图案可以通过例如 将适当的空间抖动算法或空间抖动引擎应用到图像数据来确定。上述用于控制显示器10 的第一空间光调制器14的方法和装置在进行适当修改以便控制显示器95的第一空间光调 制器99的情况下应用。可以按与显示器10的第二光调制器20基本相同的方式来控制第二空间光调制器 102AU02B和102C，所不同的是，基于图像数据中用于相应的光谱分量的信息来确定用于 第二空间光调制器102A、102B和102C的元件的透射值。图8是用于像显示器95那样的显示器的控制系统112的框图。在输入端114接 收图像数据113。帧的亮度信息115被提取并被提供给图案生成器116。图案生成器116 基于亮度数据输出具有空间变化的密度的图案117。图案117被施加到用于第一空间光调 制器99的驱动电路118。图案117还被提供给输出估计光场120的光场估计器119。如果第一空间光调制 器99和第二空间光调制器102A、102B和102C之间的光路的光传输特征不同，光场估计器 119可以产生对应于用于每个第二空间光调制器102A、102B和102C的图案117的独立的估 计光场(102AU02B 和 102C)。包括第一、第二和第三光谱分量颜色信息(分别为121A、121B和121C)和相应的 估计光场120(或120A、120B和120C)的用于帧的颜色信息被提供给校正遮罩发生器122A、 122B和122C。校正遮罩发生器122A、122B和122C产生被提供给可以分别驱动第二空间光 调制器102A、102B和102C的驱动电路125A、125B和125C (统称为驱动电路12 的校正遮 罩 123AU23B 和 123C。像显示器95那样的显示器可以通过与图2中的方法40类似的方法来操作。在一些实施例中，第二空间光调制器102是DMD。在一些实施例中，驱动电路125 是PWM驱动电路。图9示出了另一种可替选设计的彩色显示器130，其具有多个第一空间光调制器 132AU32B和132C(统称为第一空间光调制器132)和第二空间光调制器134，该第二空间 光调制器134在来自于第一空间光调制器132的光被结合之后对其进一步调制以形成彩色 图像。显示器130具有接收从光源135入射的光的光学子系统137。光学子系统137具有 多个棱镜138和滤波器140，用于将来自于光源135的光划分成三个光谱分量(例如，红、 绿和蓝)，并将每个光谱分量引导至第一空间光调制器132A、132B和132C中相应的一个。 第一空间光调制器132A、132B和132C中的每个具有可在ON和OFF状态之间切换的元件阵 列，用于调制传递到该调制器的光。由第一空间光调制器132A、132B和132C调制的光然后 被合并到彩色图像中，并通过传递光器件传送到第二空间光调制器134。传递光器件将光变 得模糊。由第二空间光调制器134调制的光传递到投影透镜145和屏146。通过使得图像投影到屏146上的方式来驱动第一和第二光调制器，以再现由图像 数据指定的希望的图像。为了简化对上述本发明的实施例的说明，不再具体描述在投影机和其它基于DMD的设备中共同发现的并且还可以存在于根据本发明的显示器中的各种元件。这些元件对于 设计投影类显示器的领域的技术人员来说是已知的。一些例子是电源、用于将红外辐射引 出光路的冷光镜、收集光用于照射DMD的积分棒、弯曲光器件、外壳、用户控制部等。可从以上描述理解，存在许多种这里所描述的设计和方法可以有效应用的情况。 一些例子包括·单色显示器，其中，第一二元光调制器对来自于光源的光进行调制，并且该光进 一步由第二二元光调制器进行调制。·彩色显示器，其中，第一二元光调制器对来自于光源的光进行调制，该光进一步 由第二二元光调制器进行调制，并且来自于光源的光的颜色在子帧之间切换。例如，光源可 以包括独立的红、绿和蓝光源，每个光源仅在相应的子帧期间照射第一调制器，或者，来自 于白色光源的光在其照射第一光调制器等之前被引导通过色轮。这种颜色的实现具有简单 的优点，但是要求调制器可以高速更新，以允许红、绿、蓝子帧按快得足以提供满意的观看 体验的速率顺序显示。 独立的第一和第二二元光调制器可以被提供用于多个颜色通道中的每个。例如， 独立的红、绿、蓝颜色通道每个可以具有如这里描述的那样安排和操作的第一和第二二元 调制器。来自于颜色通道的图像可以被视觉重叠，以实现彩色图像。可以从独立的光源或 者通过将白光分离成所需数量的色带来提供用于每个颜色通道的光。这些实施例可以有利 地提供高的亮度，但是制造可能更加昂贵(因为它们需要6个调制器以及相关的控制电路 和光器件以控制三个颜色通道)。 第一二元光调制器可以对来自于发射具有多个颜色分量的光的光源的光进行调 制。该光然后可以被分离成独立的颜色分量并且每个颜色分量(例如，红、绿和蓝分量)被 引导至相应的第二二元光调制器。通过第二二元光调制器调制的光被结合以提供彩色图 像。在一些实施例中，第一二元光调制器具有显著低于第二二元光调制器的空间分辨率的 空间分辨率。·独立的第一二元光调制器可以被提供用于多个颜色通道中的每个。例如，独立 的红、绿、蓝颜色通道每个可以具有第一二元调制器。可以通过独立的光源或者通过将来自 于白色光源或其它多分量光源的光分离成多个色带来提供用于每个颜色通道的光。通过第 一二元光调制器调制的光可以被视觉结合，该结合的光照射第二二元光调制器，第二二元 光调制器对结合的光进行调制以提供彩色图像。第一和第二二元调制器如这里所描述的那 样安排和操作。在一些实施例中，第二空间光调制器具有显著低于第一空间光调制器的空 间分辨率的空间分辨率。·在直接前述的两个实施例的任何一个中，单个的二元光调制器(其可以具有较 低的空间分辨率)作用于组合的图像(仅亮度调制)，而独立的调制器为每个颜色通道提供 调制。由独立的调制器提供的颜色调制可以具有较高的空间分辨率。·在本段中上述实施例中，在第一和第二二元调制器具有不同的空间分辨率的情 况下，这些二元调制器中的较低分辨率的一个或多个例如比较高分辨率的调制器的空间分 辨率低64倍或更多的空间分辨率(例如可控元件的数量)，或者在一些情况下为低IOM或 更多倍的分辨率。·在一些进一步的实施例中，独立的第一二元光调制器被提供用于多个颜色通道中的每个。例如，独立的红、绿、蓝颜色通道每个可以具有第一二元调制器。用于每个颜色通 道的光可以由独立的光源或者通过将来自于白色光源或其它多分量光源的光分离成多个 色带来提供。通过第一二元光调制器调制的光可以被光学地组合，该组合的光照射第二二 元光调制器，其对组合的光进行调制以提供彩色图像。第一和第二二元调制器如这里所描 述的那样安排和操作。在该实施例中，每个对一个颜色通道中的光进行调制的第一二元光 调制器可以具有小于第二空间光调制器的空间分辨率的空间分辨率。优选地，第一彩色光 调制器的空间分辨率至多是第二空间光调制器的空间分辨率的大约1/2到1/6。人的视觉 系统对于局部亮度的改变比对于局部(高空间频率)颜色的改变更敏感。·第一二元光调制器可以对来自于光源的光进行调制。来自于第一二元光调制器 的光可以被变得模糊并被传递到包括LCD板的第二光调制器或能够在相当宽的范围内连 续或多步控制光的传输的其它调制器。·如这里所描述的光调制方法可以在用于3D数字电影系统中的左右图像的单独 通道上执行。该左右图像可以以不同的方式进行偏振，具有不同的光谱特征或以时间交错 的方式显示。可以在每个通道中提供适当的偏振片或滤谱器。在部件(例如，软件模块、处理器、组件、设备、电路等)在上文中被提及的情况下， 除非另外指明，对该部件的引用(包括对“装置”的引用)应该被解释成包括该部件的等同 物，实现所描述的部件的功能的任何部件(即功能上的等同物)，包括在结构上不等同于所 公开的实现本发明所描述的示例性实施例中的功能的结构。在如这里所描述的用于显示器的控制器通过软件来实现的情况下，该控制器可以 包括数据处理器和存储在可接入数据处理器的实体介质上的软件指令。数据处理器可以通 过执行用于处理图像数据以产生第一和第二信号的软件指令来产生用于控制一个或多个 第一空间光调制器的第一信号，和用于控制一个或多个第二空间光调制器的第二信号。在 可替选的实施例中，固定硬件或可配置硬件如逻辑电路或现场可编程门阵列(FPGA)被提 供用于执行处理图像数据以产生第一和第二控制信号过程中的一些或全部步骤。对于本领域技术人员来说明显的是，根据上述公开，在实施本发明时可以进行许 多变更和修改而不脱离本发明的精神或范围。例如·对于第一空间光调制器中ON元件的任何希望的空间密度(除了所有元件为ON 或所有元件为OFF)，存在能够应用到第一空间光调制器的区域的多种图案。可以在一帧中， 在不改变ON元件的空间密度的情况下对第一空间光调制器的元件进行切换以改变ON元件 的图案，这不会对显示的图像造成不利影响。因此，本发明的范围要根据由以下权利要求限定的实质来解释。
权利要求
1.一种显示器，包括光源，能够将光引导至第一空间光调制器，第一空间光调制器包括能够在ON和OFF状 态之间切换的多个第一元件；传递光器件，其被设置成将由第一空间光调制器调制的光引导至第二空间光调制器上；驱动器，其被配置成基于图像数据产生分别用于第一和第二空间光调制器的第一和第 二控制信号，其中，驱动器被配置成基于图像数据来产生图案，该图案具有空间变化的密度； 驱动器被配置成产生第一控制信号，以便根据图案设置第一空间光调制器的元件；以及传递光器件的特征为传递功能部，其使得在第二空间光调制器处、源于第一空间光调 制器的光变得模糊。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中第二空间光调制器包括能够在ON和OFF状态之 间切换的多个元件，驱动器被配置成在一个图像帧期间将第二空间光调制器的元件在其ON 和OFF状态之间切换多次。
3.根据权利要求2所述的显示器，其中驱动器被配置成根据二元脉宽调制方案将第二 空间光调制器的元件在其ON和OFF状态之间切换。
4.根据权利要求2所述的显示器，其中驱动器被配置成估计第二空间光调制器处的对 应于图案的光场，以及根据估计的光场建立第二控制信号。
5.根据权利要求4所述的显示器，其中驱动器包括数字低通空间滤波器，该驱动器被 配置成通过将数字低通空间滤波器应用于图案来估计光场。
6.根据权利要求1所述的显示器，包括抖动引擎，其中第一控制信号包括由抖动引擎 输出的图案。
7.根据权利要求1所述的显示器，其中传递光器件包括透镜，其被设置成在第二空间 光调制器处产生第一空间光调制器的离焦图像。
8.根据权利要求1所述的显示器，其中第一和第二空间光调制器每个包括数字微镜器件。
9.根据权利要求1所述的显示器，其中光源包括激光光源。
10.一种显示器，包括 用于产生光的装置；用于对光进行二元调制的第一装置，该第一装置包括可以在ON和OFF状态之间切换的 多个第一元件；用于使得通过第一装置调制的光变得模糊并将该模糊的光引导至二元空间光调制器 上的装置；用于根据图像数据来产生用于第一装置的第一控制信号的装置，用于产生第一控制信 号的该装置包括基于图像数据产生图案的装置，该图案具有空间变化的密度；以及 用于根据图像数据产生用于二元空间光调制器的第二控制信号的装置。
11.根据权利要求10所述的显示器，包括用于根据图案将第一装置的元件保持在状态 中同时根据第二控制信号来操作二元空间光调制器以对模糊的光进行调制的装置。
12.根据权利要求11所述的显示器，包括用于估计二元空间光调制器处的模糊光的光 场的装置，其中用于产生第二控制信号的装置响应于图像数据和估计的光场两者。
13.一种用于显示图像的方法，该方法包括根据基于图像的二元图案来设置第一二元空间光调制器的元件，该图案具有空间变化 的密度；将第一二元光调制器的图像变得模糊并将其传送到第二空间光调制器，以在第二空间 光调制器处产生光场；利用第二空间光调制器调制光场以重现该图像。
14.根据权利要求13所述的方法，其中利用第二空间光调制器来调制光场包括通过将 第二空间光调制器的元件在ON和OFF状态之间切换来进行光场的时间抖动。
15.根据权利要求13所述的方法，包括计算对应于图案的光场的估计，并根据图像数 据和光场的估计来控制第二空间光调制器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中计算光场的估计包括将低通滤波器应用于图案。
17.根据权利要求16所述的方法，其中低通滤波器具有尺寸为5X5或更小的内核。
18.一种用于显示器的控制器，其中显示器包括第一和第二空间光调制器，该控制器被 配置成产生用于第一空间光调制器的第一控制信号，用以根据基于图像的、具有空间变化的 密度的二元图案将第一空间光调制器的多个元件中的每个设置成ON或OFF状态；以及产生用于第二空间光调制器的第二控制信号，以在ON和OFF状态之间切换第二空间光 调制器的多个元件中的每个，用以进行入射到元件上的光的时间抖动，其中第二控制信号 响应于由第一空间光调制器调制的光的估计光场以及图像数据。
19.根据权利要求18所述的控制器，其中控制器被配置成根据二元脉宽调制方案将第 二空间光调制器的元件在其ON和OFF状态之间切换。
20.根据权利要求18所述的控制器，其中二元图案是由抖动引擎产生的抖动图案。
21.—种显示器，包括第一空间光调制器，包括多个可以在元件发光的ON状态和元件为暗的OFF状态之间切 换的多个第一元件；传递光器件，其被设置成将来自于第一空间光调制器的光引导至第二空间光调制器上；驱动器，其被配置成基于图像信号来产生分别用于第一和第二空间光调制器的第一和 第二控制信号，其中，驱动器被配置成基于图像数据来产生图案，该图案具有空间变化的密度； 驱动器被配置成产生第一控制信号，以便根据图案设置第一空间光调制器的元件；以及传递光器件的特征为传递功能部，其使得在第二空间光调制器处、源于第一空间光调 制器的光变得模糊。
22.根据权利要求21所述的显示器，其中第一空间光调制器包括光发射器阵列。
23.根据权利要求22所述的显示器，其中光发射器包括发光半导体器件。
24.根据权利要求21所述的显示器，其中显示器包括照射第一空间光调制器的光源， 该第一空间光调制器的元件在处于ON状态时将来自于光源的光传递到第二空间光调制
25.根据权利要求21所述的显示器，其中第一空间光调制器包括数字镜器件。
26.根据权利要求21所述的显示器，其中第二空间光调制器包括可以在ON和OFF状 态之间切换的多个元件，驱动器被配置成在图像帧期间将第二空间光调制器的元件在其ON 和OFF状态之间切换多次。
27.根据权利要求沈所述的显示器，其中驱动器被配置成根据二元脉宽调制方案将第 二空间光调制器的元件在其ON和OFF状态之间切换。
28.根据权利要求沈所述的显示器，其中驱动器被配置成估计第二空间光调制器处的 对应于图案的光场，以及根据估计的光场建立第二控制信号。
29.根据权利要求观所述的显示器，其中驱动器包括数字低通空间滤波器，该驱动器 被配置成通过将数字低通空间滤波器应用于图案来估计光场。
30.根据权利要求21所述的显示器，包括抖动引擎，其中第一控制信号包括由抖动引 擎输出的图案。
31.根据权利要求21所述的显示器，其中传递光器件包括透镜，其被设置成在第二空 间光调制器处产生第一空间光调制器的离焦图像。
全文摘要
一种显示器，具有第一(14)和第二(20)空间光调制器，用于对来自于光源(12)的光进行调制。第一空间光调制器具有可以根据具有空间变化的密度的图案在ON和OFF状态之间切换的多个元件(16)。传递光器件(26)将通过第一空间光调制器调制的光变得模糊并将其传送到第二空间光调制器，以在第二空间光调制器处产生光场。第二空间光调制器具有可以在ON和OFF状态之间切换的多个元件(22)，用以执行光场的时间抖动，以重现图像。
文档编号G09G3/20GK102089705SQ200980103324
公开日2011年6月8日 申请日期2009年1月27日 优先权日2008年1月28日
发明者格温·丹贝格, 格里戈里·J·沃德, 赫尔格·西岑 申请人:杜比实验室特许公司
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