СПОСОБ ПРОЕЦИРОВАНИЯ ЦВЕТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ МОДУЛЯЦИИ СВЕТА И МОДУЛЯЦИИ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
METHOD OF PROJECTING COLOUR IMAGES USING LIGHT SPATIAL MODULATION AND LIGHT SOURCE SPATIAL MODULATION

Настоящее изобретение относится к способу управления проекционной системой, проекционная система содержит несколько твердотельных источников света разного цвета и по меньшей мере один пространственный модулятор света, содержащий матрицу переключаемых элементов, при этом упомянутая матрица освещается по меньшей мере одним из упомянутых источников света в течение нескольких периодов освещения и адресуется, из условия чтобы свет модулировался временным и пространственным образом для проецирования изображений на экран. Изобретение также относится к проекционному устройству, управляемому согласно способу.
Проекционные системы с пространственными модуляторами света часто используются в качестве основы для систем отображения. Примерами для пространственных модуляторов света являются жидкокристаллические устройства (LCD), цифровые микрозеркальные устройства (DMD) и исполнительные зеркальные матрицы (AMA). Один или несколько источников света освещают матрицу отдельных переключаемых элементов этих устройств. Матрица адресуется, из условия чтобы свет модулировался в изображения, которые затем проецируются на экран.
Некоторые виды пространственных модуляторов света функционируют цифровым образом, где каждый отдельный переключаемый элемент является включенным (ON) или выключенным (OFF), где во включенном состоянии элементы переносят свет на экран. Эти типы модуляторов типично используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, PWM). При широтно-импульсной модуляции, интенсивности каждого пикселя в изображении назначается цифровое значение, которое получается содержанием элемента в матрице, соответствующего пикселю, во включенном состоянии в течение времени, которое равно упомянутому значению. Поэтому можно отображать изображения шкалы яркостей, регулируя время, в течение которого каждый переключаемый элемент устройства находится в состоянии, таком что свет из элемента приходит в отображаемое изображение. Вследствие интегрирующей характеристики (отклика) человеческого глаза, наблюдатель будет воспринимать соответствующее изображение шкалы яркостей с элементов.
В дополнение к широко известным 3-панельным системам с LCD также реализованы 1-нопанельные системы с DLP (цифровой обработкой света). В одном из известных вариантов осуществления таких 1-нопанельных систем три или более цветовых составляющих источника белого света направляются последовательным образом на пространственный модулятор света посредством использования вращающегося цветного колеса. В течение каждого периода освещения, в котором передается цвет, пространственный модулятор света управляется в соответствии с долей этой цветовой составляющей в изображении.
Вместо использования источника белого света и цветного колеса, также известно, что следует использовать источники света на СИД (LED, светоизлучающих диодах) разных цветов. Эти источники света на СИД в таком случае функционируют последовательным образом, для того чтобы создавать аналогичное цветное освещение, как при использовании цветного колеса. Такая технология, которая известна, например, из EP 1489854 A2, обладает большей эффективностью по сравнению с решением с цветным колесом, поскольку никакой свет не перекрывается во время работы.
Основным недостатком такой проекционной системы является небольшое разрешение шкалы яркостей (серого), которое может быть достигнуто. Это обусловлено ограниченными временными интервалами переключения переключаемых элементов матрицы в пространственных модуляторах света. Системы с DLP следующего поколения достигают времен переключения приблизительно в 10 мкс. На основании этого значения может быть рассчитано цифровое разрешение по яркости. На частоте изображения в 60 Гц проецирование трех основных цветов может делиться на 550 этапов, имея следствием разрешение шкалы яркостей в 9 битов. По причине нелинейного поведения человеческого глаза это разрешение является недостаточным, в частности, так как возникают дополнительные потери, вызванные другими эффектами.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить способ управления проекционной системой и соответствующее проекционное устройство, которые предоставляют возможность проецирования изображений с улучшенным разрешением шкалы яркостей.
Эта цель достигается способом и устройством согласно представленным пунктам 1 и 10 формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления способа и устройства являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения или описаны в последующей части описания и примерах.
В предложенном способе управления проекционной системой матрица по меньшей мере из одного пространственного модулятора света освещается по меньшей мере одним из источников света в течение нескольких периодов освещения и адресуется, из условия чтобы свет модулировался временным и пространственным образом для проецирования изображений на экран. Способ отличается тем, что источники света управляются, чтобы испускать свет, модулированный по амплитуде и/или времени, в течение по меньшей мере одного из периодов освещения упомянутой матрицы. Это означает, что источник света, который освещает матрицу в течение соответствующего периода освещения, включается и выключается не только в начале и в конце периода освещения, но дополнительно активно модулируется по амплитуде и/или времени в течение этого периода освещения. Амплитуда модулируется, чтобы достигать изменения в амплитуде между по меньшей мере двумя значениями амплитуды, которые являются бóльшими чем ноль. При альтернативной или дополнительной модуляции по времени формируется по меньшей мере один световой импульс, который имеет длительность импульса, меньшую, чем самое короткое состояние переключения переключаемых элементов, в котором свет направлен на экран (включенное состояние). Самое короткое (наикратчайшее состояние) переключения зависит от адресации матрицы и ограничено временем переключения переключаемых элементов. Модуляция по амплитуде и/или времени типично выполняется во время всех периодов освещения. Тем не менее, также можно выполнять эту модуляцию только во время периодов освещения, в которых пониженное количество света вносит вклад в разрешение шкалы яркостей для соответствующего периода проецирования.
Способ может использоваться для управления проекционной системой с несколькими пространственными модуляторами света, например, 3-панельной системой, в которой каждый из трех пространственных модуляторов света освещается источником света разного цвета. Все источники света в таком случае управляются, чтобы излучать свет, модулированный по амплитуде и/или времени, в течение периодов освещения матриц пространственных модуляторов света. Предложенный способ, кроме того, может использоваться для проекционной системы только с одним пространственным модулятором света, который освещается несколькими твердотельными источниками света разного цвета последовательным образом (1-панельной системы). Во время каждого периода освещения матрицы переключаемых элементов одним цветом соответствующий источник света - или источники света в случае смешения цветов - активно модулируется по амплитуде и/или времени.
Эта дополнительная модуляция возможна, поскольку современные твердотельные источники света, подобные СИД или лазерным диодам либо матрицам таких элементов, могут переключаться за очень короткие промежутки времени по сравнению с временем переключения переключаемых элементов пространственного модулятора света. При импульсном управлении токи, большие, чем номинальный ток, могут использоваться для возбуждения источников света. Ограничение по времени переключения устанавливается, главным образом, ограничением по мощности. СИД, например, имеют времена переключения, гораздо меньшие чем 1 мкс. То же самое применяется к вышеупомянутым лазерным диодам. Поэтому вследствие дополнительной модуляции твердотельных источников света разрешение шкалы яркостей проекционной системы может повышаться посредством надлежащего управления излучением света твердотельных источников света в дополнение к модуляции света пространственным модулятором света.
Несколько твердотельных источников света разного цвета управляемой проекционной системы предпочтительно являются тремя твердотельными источниками света, испускающими красный, зеленый и голубой свет. Тем не менее, также можно использовать источники света других основных цветов и/или один или несколько источников белого света. Количество цветов источников света зависит от индивидуального применения проекционной системы. Примерами цифровых модуляторов света проекционной системы являются жидкокристаллические устройства (LCD), в частности ферроэлектрические устройства LCD и цифровые микрозеркальные устройства (DMD).
Во время работы 1-панельной проекционной системы пространственный модулятор света освещается разными цветами источников света последовательным образом. Для этой цели разные источники света управляются один за другим в течение определенного периода времени, который называется периодом освещения в настоящей заявке. Для того чтобы избежать видимых эффектов, частота повторения этого последовательного освещения должна быть выше, чем частота смены кадров изображения у изображений, которые должны отображаться. Примерами реальных систем являются последовательности >200 Гц, например 240 Гц, при частоте изображения в 60 Гц (система 4x).
Во многих применениях элементы переключения всей матрицы пространственного модулятора света переключаются одновременно между следующими друг за другом периодами адресации. В этом случае это иногда необходимо для того, чтобы записывать необходимую информацию во внутреннюю память модулятора света (время загрузки). Это время может быть, например, в порядке 100 мкс и потеряно для формирования света. В настоящем способе твердотельные источники света предпочтительно выключены во время этих периодов адресации, для того чтобы сберегать энергию.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предложенного способа источники света управляются, чтобы излучать свет, уменьшенный по амплитуде, то есть интенсивности, в течение по меньшей мере одного включенного состояния упомянутых переключаемых элементов. С этой амплитудной модуляцией разрешение шкалы яркостей проекционной системы может улучшаться добавлением одного или более новых битов, которые представляют значения шкалы яркостей, меньшие, чем значения шкалы яркостей предшествующего LSB (младшего значащего разряда). Амплитудная модуляция твердотельных источников света может достигаться, например, регулированием рабочего тока этих источников света, в частности, в случае СИД.
В другом преимущественном варианте осуществления, использующем модуляцию по времени в течение по меньшей мере одного включенного состояния переключаемых элементов, источники света управляются, чтобы испускать световые импульсы, имеющие длительность, меньшую, чем это состояние переключения. Посредством изменения длительностей импульсов этих световых импульсов количество света, направляемого на экран во время включенного состояния, может регулироваться, для того чтобы улучшать разрешение шкалы яркостей проекционной системы.
Благодаря использованию твердотельных источников света периоды времени освещения пространственного модулятора света одним цветом, то есть периоды освещения, также могут настраиваться согласно требуемому количеству света и разрешению шкалы яркостей. Более того, для каждого одиночного цвета может достигаться динамическая адаптация к максимальному значению посредством управления длительностью периодов освещения (оптимальное использование мощности, улучшение контрастности). В 1-нопанельной системе также возможно формировать периоды освещения белого цвета, зависимые от степени насыщения в изображении, освещением пространственного модулятора света в течение этих периодов освещения всеми источниками света одновременно (например, красным, зеленым и голубым). Таким же образом могут генерироваться цвета смешения, зависящие от степени насыщения в изображении, посредством освещения одновременно несколькими источниками света. С этим способом может достигаться снижение так называемых артефактов срыва цвета в проецируемых изображениях.
При модуляции источников света по времени для испускания световых импульсов, имеющих длительность, меньшую, чем наикратчайшее состояние переключения переключаемых элементов, несколько из переключаемых элементов предпочтительно переключаются в разные моменты времени, то есть неодновременно, между следующими друг за другом периодами адресации матрицы. В этом случае моменты времени переключения должны регулироваться, из условия чтобы результирующие состояния переключения по-прежнему совпадали по времени со световыми импульсами. С этой технологией переключение матрицы может распределяться по всему периоду адресации, тем самым снижая пики потребления тока микросхемы, формирующей матрицу.
С настоящим способом проекционная система управляется, чтобы создавать изображения с более высоким качеством. Снижение потерь света во время темных промежутков времени предоставляет возможность более высокой яркости изображения. Настройка количества света имеет следствием улучшенную шкалу яркостей и цветности и суммарно создает менее раздражающие артефакты.
Соответствующее проекционное устройство содержит несколько твердотельных источников света разного цвета, устройство управления и по меньшей мере один пространственный модулятор света, содержащий матрицу переключаемых элементов, при этом упомянутое управление предназначено для управления проекционным устройством, то есть источниками света и пространственным модулятором(ами) света, согласно предложенному способу.
В представленном описании и формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, так же как единственное число не исключает множественности. К тому же любые символы ссылок в формуле изобретения не должны истолковываться в качестве ограничивающих объем этой формулы изобретения.
Последующие примерные варианты осуществления показывают примеры предложенного способа со ссылкой на прилагаемые фигуры, не ограничивая объем изобретения, который определен в формуле изобретения. Фигуры показывают:
Фиг.1 - пример проекционной системы, функционирующей согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 - пример последовательного освещения пространственного модулятора света светом разного цвета;
Фиг.3 - пример амплитудной модуляции посредством управления источниками света согласно представленному способу;
Фиг.4 - пример временной модуляции посредством управления источниками света согласно способу по настоящему изобретению; и
Фиг.5 - пример представленного способа с распределенным переключением переключаемых элементов.
Фиг.1 показывает пример проекционной системы, которая может функционировать согласно настоящему изобретению. Проекционная система содержит блок управления (не показано), цифровой модулятор 1 света, три матрицы СИД красного (матрица 2), зеленого (матрица 3) и голубого (матрица 4) цвета. Свет трех матриц СИД направляется через дихроичные цветовые комбинаторы 5 и полевую линзу 6 Френеля на матрицу переключаемых элементов цифрового модулятора 1 света. Оптическая система дополнительно содержит PBS 7 (поляризационный светоделитель) с проволочной сеткой и систему 8 линз для направления модулированного света, отраженного от цифрового модулятора 1 света, на экран.
Свет твердотельных источников света, в представленном примере матриц 2, 3, 4 СИД, направляется в цифровой модулятор 1 света последовательным образом. Переключаемые элементы цифрового модулятора 1 света переключаются в соответствии с информацией о шкале яркостей и цветности, которая должна отображаться, посредством модуляции длительности импульсов в течение каждого периода времени освещения одним из трех цветов. Переключаемые элементы переключаются так быстро, что человеческий глаз не может различить переключение света.
Фиг.2 схематически показывает последовательное освещение цифрового модулятора света разными цветами. Источник света каждого цвета управляется в течение конечного периода освещения, в котором цифровой модулятор 1 света направляет только этот свет в соответствии с информацией об изображении на экран. В примере по фиг.2 первая матрица 2 СИД, излучающая красный свет 12, функционирует в течение заданного периода времени (периода освещения). После этого периода освещения источник 2 красного света выключается. В последующем функционирует матрица 3 зеленых СИД, излучающая зеленый свет 13 в течение заданного периода освещения. После выключения матрицы 3 зеленых СИД функционирует матрица 4 голубых СИД, излучающая голубой свет 14 в течение заданного периода освещения. Это последовательное освещение продолжается матрицей 2 красных СИД, функционируемой после матрицы 4 голубых СИД, и так далее. Для того чтобы избежать излишнего рассеяния энергии, делается пауза между выключением одного источника света и последующей работой другого источника света. Эта пауза соответствует времени 11 адресации цифрового модулятора 1 света, которое необходимо для загрузки новой управляющей информации для следующего переключения переключаемых элементов.
Фиг.2 в качестве примера показывает амплитудную модуляцию источников света во время периода освещения зеленым светом 13. Как может быть видно из фигуры, интенсивность этого зеленого света снижается в конце периода освещения на одну половину, тем самым добавляя новый LSB (наименьший значащий разряд) в разрешение шкалы яркостей, достигаемое с помощью цифрового модулятора 1 света. Такая амплитудная модуляция может использоваться для того, чтобы дополнительно повышать разрешение шкалы яркостей проекционной системы, как продемонстрировано в качестве примера на фиг.3.
Фиг.3 показывает модуляцию матрицы 3 зеленых СИД для излучения зеленого света 13, модулированного по амплитуде. В первом периоде времени зеленый свет 13 испускается с постоянной амплитудой. После этого периода источник света выключен в течение времени 16 адресации цифрового модулятора 1 света, а затем испускает световой импульс 15 с меньшей амплитудой. Это повторяется два раза с дополнительно уменьшенными амплитудами излучения зеленого света. Три разные амплитуды показаны в нижней части фигуры, на которой также показан период времени, в котором соответствующие переключаемые элементы цифрового модулятора света находятся во включенном состоянии, то есть отражают свет на экран. Длительность испускания света источника зеленого света такова, что она превышает длительность состояния 17 переключения переключаемого элемента. Благодаря амплитудной модуляции может быть достигнуто разрешение шкалы яркостей, соответствующее битам меньшего значения сигнала изображения.
Фиг.4 показывает вариант осуществления настоящего способа, в котором модулируется длительность импульса света, излучаемого источниками 2-4 света. Этот вариант осуществления также схематично пояснен со ссылкой на зеленый свет 13. В этом случае после более длинного периода постоянного излучения света испускаются три импульса 18 с разной длительностью импульса. Эти длительности импульсов короче, чем наикратчайшее состояние 17 переключения переключаемых элементов, как может быть видно в нижней части фигуры. Поэтому количество света, поступающего на экран, также может уменьшаться с помощью этой технологии широтно-импульсной модуляции излучаемого света, для того чтобы повышать разрешение шкалы яркостей проекционной системы.
Поскольку временные интервалы переключения источников света значительно быстрее, чем временные интервалы переключения переключаемых элементов, эта технология имеет дополнительное преимущество, что переключаемые элементы цифрового модулятора света могут переключаться в разные моменты времени и не должны переключаться одновременно, давая в результате высокое потребление мощности. Это схематически показано в варианте осуществления по фиг.5. Эта фигура показывает в верхней части такую же модуляцию, как уже поясненная со ссылкой на фиг.4. В нижней части показано возможное распределение состояний 17 переключения переключаемых элементов. Переключение этих элементов может быть распределено по большому периоду между следующими друг за другом периодами адресации, поскольку гарантировано, что модулированный световой импульс по-прежнему совпадает по времени с результирующим состоянием переключения. Количество света, достигающего экрана, в этом случае зависит только от длительности импульса светового импульса, а не от продолжительности состояния переключения переключаемого элемента.
Список символов ссылки
1
Цифровой модулятор света
2
Матрица красных СИД
3
Матрица зеленых СИД
4
Матрица голубых СИД
5
Дихроичный цветовой комбинатор
6
Полевая линза Френеля
7
PBS с проволочной сеткой
8
Система линз
11
Время адресации
12
Красный свет
13
Зеленый свет
14
Голубой свет
15
Световые импульсы разных амплитуд
16
Время адресации
17
Состояние переключения (включено) переключаемого элемента
18
Световые импульсы с разными длительностями импульса.