專利名稱：一種高幀頻真彩色高分辨投影顯示方法
技術領域：
本發明屬于光電子顯示技術領域，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，數字微鏡顯示器等應用場合。目的 是通過光學編碼將最高幀頻時僅具有亮暗兩態的彩色投影儀變成二進制數字灰 度或真彩色的投影顯示系統。
背景技術：
現代三維顯示技術的發展的一個重要趨勢就是真實三維顯示，以體三維顯示為代表的真三維顯示成為發展的主流。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，因為三維空間顯示需要大 量的體數據，因此當前高幀頻投影顯示器在滿足體三維幀頻顯示的情況下，已 經無法滿足彩色顯示的需求，因此需要發展一種能夠在保持高幀頻下實現真彩 色顯示的投影顯示器。另一方面，現代投影顯示用的圖像發生器，特別是MEMs型的空間光調制 器，其調制僅有開和關兩種狀態，彩色的實現主要是依靠這些空間光調制器的 開關速度很快，利用多個開關脈沖產生灰度。當空間光調制器的開關速度相對 于應用較慢時，我們就無法采用開關的脈沖數進行灰度調制的方法，否則就會 影響幀頻，影響動態顯示的效果。在MEMs器件響應速度和分辨率受技術、工 藝等條件的限制，而無法實現較大跨越的情況下，器件本身就限制了它在應用 上的擴展。這就需要一種新型的能夠將使用開關兩態空間光調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 響幀頻數和分辨率的情況下，利用開關型的空間光調制器實現全彩色顯示的方 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型空間光調制器， 構造高幀頻高分辨真彩色投影顯示的方法。發明內容本發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，利用多臺具有光強二值化特征的圖像 發生器(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，并使每臺投影儀到達目標區的光強按2的密次方進行光學 編碼，形成具有2"的灰度圖像(n為投影系統臺數)。同理，每臺投影儀均為光強二值化特征型的紅、綠、藍三個圖像發生器(6、 7、 8)構成的彩色二值化投影系統時，使它們的圖像完全重合在投影屏幕上， 并使每臺投影儀到達目標區的光強按2的密次方進行光學編碼，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 意一臺投影儀的圖像都經過其后面的所有分光鏡的折射和反射，并保證多臺的 投影圖像完全重合在投影屏幕上，構成2^、 21、 22、 23等比規律變化的光強組合。投影儀與分光鏡的排布組合中為了保證分臺的共軛距相同，可以使相同的 投影儀投影距離相同來實現；也可以使每臺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現；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，每個分光鏡的后側加一個望遠透鏡組(11)來實現(最后 一個分光鏡后側可以加，也可以不加)。投影儀與分光鏡的排布組合，其在系統中使用的分光鏡具有可見光區 (410nm-690nm)寬帶的半透半反特性，即寬光譜的50%中性分光。圖像發生 器可以為空間光調制器，如數字微反射鏡器件(DMD)、反射型液晶空間光調制 器(LCOS)等。本發明提出的高幀頻真彩色高分辨率投影顯示方法，不會以降低空間光調 制器幀頻或減少像素為代價，使得組合系統可以獲得高幀頻的高分辨真彩色的 投影顯示。


圖1 基本投影顯示系統原理結構圖示意圖；圖2 兩臺投影儀的分光鏡合成4灰階系統圖；圖3 三臺投影儀與分光鏡組合3bits灰度投影顯示系統圖；圖4 n臺投影儀與n個分光鏡組合nbits灰度投影顯示系統圖；圖5 真彩色系統組合結構圖；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；具體實施方式
利用多臺具有光強二值化特征型的圖像發生器的投影顯示儀，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，并使每臺投影儀到達目標區的光強按2的冪次方進行光學編碼，形成具有 2n的灰度圖像(n為投影系統臺數)。基本投影顯示系統原理結構圖示意圖如圖 1所示。單色多灰度實現方式。利用系統原理，設圖1中，2-1至2-8為半透半反分 光鏡，投影儀1-1至1-8為開關特性型的空間光調制器(DMD)為顯示器件的 投影系統，該投影系統僅僅使用一個光強二值化的空間光調制器構成的單色投 影顯示系統(黑白顯示系統)，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構成具有多階灰度的投影圖像，我們可以將兩個投 影儀用半透半反分光鏡合成一個投影光束，如圖2所示，圖2中(1)為空間光 調制器(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)通過本機空間光調制器調制后 的出射光a通過分光鏡(2-1)反射后為1/2光強的c， c透過分光鏡(2-2)后的 光強為a的l/4;投影儀(l-2)通過空間光調制器調制后的出射光d經分光鏡(2-2) 的反射光的光強為d的1/2， f則由c和d分別經過分光鏡(2-2)透射和反射疊 加而成，投影儀中空間光調制器每個像素有開關兩個灰階，出射光a和d光強 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，這時我 們可以獲得0、 1/4、 2/4、 3/4共4種光強的圖像，即22=4個灰階的圖像。系統中使用的分光鏡(2—1、 2_2、 2 — 3、……)具有可見光區 (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 采用介質膜+金屬膜+介質膜的結構形式的光學薄膜在獲得半透半反分光鏡，也 可以用多層介質膜的形式構成無吸收的半透半反分光鏡。為了獲得更多的灰階圖像，采用多臺投影儀配合多個半透半反鏡，合成出 多灰階的圖像，圖3顯示出三臺投影儀與分光鏡的組合系統，可以得到三臺的 合成光強分別為1/8， 1/4， 1/2，因此三臺投影儀的合成灰度有23=8種。如果 采用四臺投影儀與四個分光鏡的組合，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臺投影儀以及n各分光鏡，可以形成2n個灰度的圖 像。真彩色形成方式。每臺投影儀均為光強二值化特征型的紅、綠、藍三個空間光調制器(6、 7、 8)構成的彩色二值化投影系統，并采用上述n臺投影儀與 n個分光鏡的組合，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，即構成真彩色圖像，如圖5所示， 圖中(4)為投影儀內部的光源平行光、(6)為作用于紅色光的空間光調制器 (DMD)、 (7)為作用于綠色光的空間光調制器(DMD)、 (8)為作用于藍色光 的空間光調制器(DMD)、 (9)為分色棱鏡組。本方法基本排列方式如圖4所示，根據需要，還可以用對稱排列方式，如 圖6所示，1-1號投影儀也可垂直放置，此時其它結構保持不變。為了保證共軛 距相同，除了調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 鏡頭焦距進行調整，以保證最終像素點的完全重合，圖2、圖3和圖4都表達了 用這種方式后的結構形式；或者在分光鏡靠近屏幕區一側加一個望遠鏡頭結構 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 色多灰度系統如圖7所示。其中圖1、圖5傾斜排列是為了保證每臺投影儀共軛 距相同。本系統所形成的顯示多灰度，由于采用了多臺投影儀的并行系統，因此不 會以降低單臺投影儀的幀頻或減少像素為代價，使得組合系統可以獲得高幀頻 的高分辨真彩色的投影顯示。基于高速DMD (數字微鏡)空間光調制器的投影顯示儀，其中的空間光 調制器具有1024X768的分辨率，其開關態的速度極快，可以達到8000Hz到 12000Hz的圖像二值化幀頻。本發明應用于此高速芯片時，就用8臺這樣的投影 儀組合成具有真彩色高幀頻高分辨的投影顯示，為體三維顯示技術的發展奠定 ^石出。
權利要求
1、一種高幀頻真彩色高分辨投影顯示方法，其特征在于多臺具有光強二值化特征的圖像發生器的投影顯示儀，使它們的圖像完全重合在投影屏幕上，并使每臺投影儀到達目標區的光強按2的冪次方進行光學編碼，形成具有2n的灰度圖像(n為投影系統臺數)。
2、 根據權利要求1所述的一種高幀頻真彩色高分辨投影顯示方法，其特征 在于每臺投影儀均為開關特性型的紅、綠、藍三個圖像發生器構成的彩色二值 化投影系統，使它們的圖像完全重合在投影屏幕上，并使每臺投影儀到達目標 區的光強按2的冪次方進行光學編碼，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、 根據權利要求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，任意一臺投影儀的圖像都經過其 后面的所有分光鏡的折射或反射，并保證多臺的投影圖像完全重合在投影屏幕 上，構成2、 21、 22、 23等比規律變化的光強組合。
4、 根據權利要求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現； 其次可以使每臺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 現；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 個分光鏡的后側加一個成像光學系統(最后一個分光鏡后側可以加，也可以不 加)來實現。
5、 根據權利要求3所述的投影儀與分光鏡的排布組合，其特征在系統中使 用的分光鏡應該具有可見光區(410nm-690nm)寬帶的半透半反特性，即寬光譜 的50%中性分光。圖像發生器可以為空間光調制器，如數字微反射鏡器件(DMD)、反射型液晶空間光調制器(LCOS)等。
全文摘要
本發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的灰度二值化特征，使多臺投影儀的圖像重疊，通過光強進行二進制編碼，在不降低單臺投影儀幀頻的基礎上，實現灰度階數的擴大，進而實現真彩色的高幀頻高分辨投影顯示。該二進制編碼是一種投影儀圖像光強的二進制編碼，這種編碼技術不僅可以實現真彩色投影，還可擴展到實現更高彩色數或灰階數的超高幀頻彩色投影顯示之中。本發明所提出的二進制組合彩色投影顯示方法，可以用于像8000Hz幀頻的灰度二進制的DMD高速投影顯示，經實驗證實只要用八臺此幀頻的投影儀，就可以構成真彩色8000Hz高分辨投影顯示系統。
文檔編號H04N9/31GK101217672SQ20081005906
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月9日 優先權日2008年1月9日
發明者旭 劉, 姜文鋒, 李海峰 申請人:浙江大學