ПРОЕКЦИОННЫЕ ДИСПЛЕИ С ВЫСОКОЙ СВЕТИМОСТЬЮ И СВЯЗАННЫЕ СПОСОБЫ
HIGH-LUMINOSITY PROJECTION DISPLAYS AND RELATED METHODS

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Данная заявка заявляет приоритет предварительной заявки на патент США №61/476949, поданной 19 апреля 2011 г., которая ссылкой полностью включается в настоящее раскрытие.
Область технического применения
Изобретение относится к проекционным дисплеям. Один из иллюстративных вариантов осуществления изобретения предусматривает дисплей для цифровой кинематографии. Другие варианты осуществления изобретения предусматривают такие дисплеи, как телевизоры, компьютерные дисплеи, и такие дисплеи специального назначения, как рекламные дисплеи, дисплеи виртуальной реальности, игровые дисплеи и дисплеи для работы с медицинскими изображениями.
Предпосылки
Существует возрастающий интерес к созданию дисплеев, которые способны воспроизводить реалистично выглядящие изображения. Одной из особенностей достижения реалистичных изображений является обеспечение высокой пиковой светимости и высокого динамического диапазона. Типичная реальная сцена включает зоны, которые являются очень яркими, например солнце в небе, и светá ярко освещенных объектов, а также зоны, которые являются тусклыми, например объекты в тенях. Достижение реалистичных изображений сцен в целом невозможно на дисплеях, которые не способны к высокой пиковой светимости.
Современная проекционная технология эффективно не масштабирует к высокой светимости. Например, во многих общепринятых конструкциях проекторов источник света, такой как ксеноновая лампа, освещает один или несколько пространственных модуляторов света. Пространственные модуляторы света направляют некоторую часть света на экран, при этом поглощая или перенаправляя другой свет. Достижение высокой светимости требует пропорционального увеличения мощности источника света. Возрастающее потребление мощности источником света становится препятствием для увеличения яркости источника света до уровней, достаточных для обеспечения пиковой светимости на уровне типичных реальных сцен. Кроме того, мощный источник света может, помимо прочего, вызывать трудности, связанные с перегревом пространственных модуляторов света и других компонентов проектора.
2
Например, современный проектор для цифровой кинематографии может содержать источник света, который потребляет для освещения большого экрана 8 киловатт электроэнергии, генерируя пиковую светимость 48 нит (48 кд/м). Для достижения пиковой светимости 12000 нит (светимости, обычно встречающейся в повседневной жизни), мощность источника света необходимо было бы пропорционально увеличить до, около, 2 мегаватт. Ясно, что в большинстве случаев это неосуществимо на практике.
Дальнейшая трудность, которая препятствует значительным увеличениям пиковой светимости многих традиционных проекционных дисплеев, заключается в том, что с пиковой светимостью не увеличивается контрастность. Во многих указанных дисплеях, увеличение интенсивности источника света для достижения повышенной пиковой светимости также увеличивает и уровень черного. Поэтому попытки увеличить пиковую светимость свыше некоторого порогового значения будут в результате приводить к недопустимо высокому уровню черного.
Дальнейшим препятствием для создания дисплеев, обладающих достаточно высокой светимостью для представления реалистичных изображений, является то, что отклик зрительной системы человека на свет является приблизительно логарифмическим. В отличие от этого, потребляемые мощности увеличиваются приблизительно линейно относительно светимости. При условии одинакового КПД источника света, удвоение светимости изображения требует удвоения мощности. Однако удвоение светимости не приводит к результирующему изображению, которое будет восприниматься зрителем как в два раза более яркое. Удвоение видимой яркости требует возведения светимости, приблизительно, в квадрат.
Вышеизложенные примеры из связанной области техники и связанные с ними ограничения, как предполагается, являются иллюстративными и не исключающими. Другие ограничения связанной области техники будут очевидны специалистам в данной области при прочтении описания и изучении графических материалов.
Краткое описание
Изобретение имеет ряд особенностей. Варианты осуществления изобретения предусматривают, среди прочих, проекционные дисплеи, способы эксплуатации проекционных дисплеев, дисплеи с двойной модуляцией, носители информации, содержащие машиночитаемые команды, которые при их исполнении процессором данных вызывают исполнение процессором данных способа согласно изобретению, способы демонстрации изображений и способы обработки данных изображения для демонстрации.
Одна из иллюстративных особенностей изобретения предусматривает дисплейную систему, которая включает: основной проектор, расположенный для проецирования на экран изображения, определяемого данными базового изображения, и проектор высокой яркости, расположенный для проецирования на экран изображения высокой яркости, определяемого данными изображения высокой яркости, в совмещении с базовым изображением. Процессор изображений является сконфигурированным для обработки данных изображения с целью генерирования данных изображения высокой яркости.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, проектор высокой яркости включает проектор развертывающих лучей. Проектор развертывающих лучей может создавать, например, лазерные лучи нескольких основных цветов (например, красный, зеленый и синий лучи). Лучи могут развертываться совместно или независимо, приводя к тому, что зоны высокой яркости будут обладать требуемой видимой яркостью и цветами. В других вариантах осуществления изобретения, проектор развертывающих лучей создает развертывающий луч белого света.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, проектор высокой яркости включает двумерный голографический проектор.
Другая особенность предусматривает проекторную систему высокой яркости, включающую процессор изображений, сконфигурированный для обработки данных изображения с целью выдачи изображения высокой яркости; и проектор света, действующий для проецирования света в соответствии с изображением высокой яркости в совмещении с базовым изображением.
Другая иллюстративная особенность предусматривает дисплей, включающий источник пространственно-модулированного света, расположенный для освещения пространственного модулятора света, где источник пространственно-модулированного света включает двумерный голографический источник света.
Другая иллюстративная особенность предусматривает способ демонстрации изображения, определяемого данными изображения. Способ включает сосредоточение света из источника света с целью выдачи света, который был пространственно модулирован способом, основывающимся на данных изображения; освещение пространственного модулятора света пространственно-модулированным светом; и регулирование пространственного модулятора света с целью демонстрации изображения в соответствии с данными изображения. Сосредоточение света может, например, включать генерирование машиногенерируемой двумерной голограммы. В некоторых вариантах осуществления изобретения, свет включает когерентный свет, и сосредоточение света включает регулирование фаз света в Фурье-плоскости оптической системы.
Другая иллюстративная особенность предусматривает способ демонстрации изображения в соответствии с данными изображения. Данный способ включает обработку данных изображения для генерирования базового изображения и изображения высокой яркости, включающего пикселы высокой яркости; приведение в действие основного проектора для демонстрации базового изображения; и приведение в действие проектора высокой яркости для демонстрации изображения высокой яркости в совмещении с базовым изображением.
В дополнение к иллюстративным особенностям и вышеописанным вариантам осуществления изобретения, дальнейшие особенности и варианты осуществления изобретения будут очевидны с отсылкой к графическим материалам и путем изучения нижеследующих подробных описаний.
Краткое описание графических материалов
Сопроводительные графические материалы иллюстрируют неограничивающие варианты осуществления изобретения.
Фигура 1 - схематическое изображение дисплейной системы согласно одному из иллюстративных вариантов осуществления изобретения.
Фигура 1A - схематическое изображение дисплейной системы согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения.
Фигуры 2A и 2B - примеры гистограмм, показывающих количество пикселов на изображении в зависимости от светимости этих пикселов для, соответственно, яркого изображения и темного изображения.
Фигура 3 - схематическое изображение примера устройства, которое объединяет проектор высокой яркости и основной проектор.
Фигура 4 - блок-схема, иллюстрирующая компоненты обработки данных изображения систем дисплея согласно одному из иллюстративных вариантов осуществления изобретения.
Фигура 5 - схематическое изображение, иллюстрирующее проектор высокой яркости, включающий проектор, перенаправляющий свет, согласно одному из иллюстративных вариантов осуществления изобретения. Проекторы высокой яркости, относящиеся к типу, проиллюстрированному на фигуре 5, могут конфигурироваться для проецирования света, например, на экран, на один из компонентов основного проектора или на пространственный модулятор света.
Фигура 6A - схематическое изображение, иллюстрирующее один из примеров голографического проектора, сконфигурированного для проецирования требуемого изображения высокой яркости на пространственный модулятор света, который регулируется для перенаправления, вывода на экран или поглощения света в зонах изображения за пределами зон высокой яркости.
Фигура 6B - схематическое изображение, иллюстрирующее голографический проектор, сконфигурированный для проецирования изображения высокой яркости непосредственно на пространственный модулятор света основного проектора согласно одному из иллюстративных вариантов осуществления изобретения.
Фигура 7 - схематическое изображение, иллюстрирующее проектор высокой яркости, включающий источник света, расположенный для освещения двумерного пространственного модулятора света с пространственным фильтром в Фурье-плоскости, предназначенным для устранения рассеянного света, согласно одному из иллюстративных вариантов осуществления изобретения.
Фигура 8 - схематическое изображение, иллюстрирующее проектор высокой яркости, включающий источник света, который освещает пространственный модулятор света, согласно одному из иллюстративных вариантов осуществления изобретения.
Фигура 9 показывает дисплей согласно другому варианту осуществления изобретения. Дисплеи, в целом имеющие архитектуру, схематически показанную на фигуре 9, могут использоваться как автономные дисплеи (например, как телевизор, компьютерный монитор, дисплей специального назначения и т.п.) или как часть дисплейной системы, которая включает проектор высокой яркости.
Подробное описание
Повсюду в нижеследующем описании конкретные подробности излагаются с целью обеспечения более полного понимания специалистами в данной области техники. Однако хорошо известные элементы могут быть не показаны или не описаны подробно во избежание неоправданного затруднения раскрытия. Соответственно, описание и графические материалы следует рассматривать в иллюстративном, а не в ограничительном смысле.
Некоторые варианты осуществления изобретения предусматривают проекционные дисплеи, включающие основной проектор и проектор высокой яркости. Основной проектор может обладать относительно низкой пиковой светимостью и может использоваться для проецирования полного изображения. Светимость светóв на изображении, проецируемом основным проектором, является меньшей, чем требуется. Проектор высокой яркости может проецировать сосредоточенный свет для повышения светимости в местоположении (местоположениях) светóв, таким образом, существенно повышая светимость светóв.
Фигура 1 показывает проекционную систему 10 согласно первому иллюстративному варианту осуществления изобретения. Проекционная система 10 включает основной проектор 12, содержащий объектив 14, который проецирует изображение 16 на экран 18. Экран 18 может представлять собой фронтпроекционный экран или рирпроекционный экран. Система 10 также включает отдельный проектор 20 высокой яркости, содержащий объектив 22, который проецирует изображение 16А на экран 18. Изображения 16 и 16А являются наложенными таким образом, чтобы зритель видел изображение, возникающее в результате объединения изображений 16 и 16А.
Основной проектор 12 может включать любой подходящий проектор изображения. Например, основной проектор 12 может включать проектор на основе DLP, проектор, который использует один или несколько пространственных модуляторов света на основе жидкого кристалла на кремнии (LCOS), проектор, включающий предназначенную для модулирования света жидкокристаллическую дисплейную (LCD) панель, работающую на пропускание, проектор с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и т.п.
Проектор 20 высокой яркости относится к типу, который способен доставлять направленный свет к, по меньшей мере, некоторым зонам в пределах зоны изображения 16, предпочтительно, без существенного повышения уровня освещенности в других зонах в пределах изображения 16. Например, проектор 20 высокой яркости может включать один или несколько развертывающих лучей, которые могут быть направленными для добавления дополнительной освещенности только в выбранные зоны высокой яркости изображения 16.
Проектор 20 высокой яркости и основной проектор 12 совмещаются таким образом, что проектор 20 высокой яркости может точно доставлять дополнительный свет в небольшие зоны высокой яркости в пределах изображения 16, проецируемого основным проектором 12. В некоторых вариантах осуществления изобретения, проектор 20 высокой яркости имеет пространственную разрешающую способность, равную или бóльшую, чем пространственная разрешающая способность основного проектора 12. В других вариантах осуществления изобретения, проектор 20 имеет пространственную разрешающую способность меньше, чем у основного проектора 12. В других вариантах осуществления изобретения, проектор 20 имеет пространственную разрешающую способность меньше, чем у основного проектора 12.
В некоторых вариантах осуществления изобретения предусматривается использование проектора 20 и процессора изображений для использования в качестве приставки для существующего основного проектора, такого как доступный для приобретения проектор для цифровой кинематографии. Процессор изображений может быть сконфигурирован для приема данных изображения, предназначенных для проецирования, и для генерирования изображения высокой яркости, предназначенного для демонстрации проектором высокой яркости. Процессор изображений может, в некоторых вариантах осуществления изобретения, модифицировать данные изображения для создания базового изображения, предназначенного для демонстрации существующим основным проектором. Проектор высокой яркости может в ходе установки калиброваться для генерирования изображений высокой яркости, которые совмещаются с изображениями, генерируемыми существующим основным проектором.
Преимущественно, в типичных сценах только относительно очень небольшую долю пикселов на изображении необходимо для усиления реалистичности демонстрировать со светимостью выше, чем пиковая светимость стандартного проектора 12. Было обнаружено, что усиленная реалистичность может достигаться путем чрезвычайно селективного создания ярких светóв. Фигуры 2А и 2 В представляют собой гистограммы, показывающие количества пикселов на изображении в зависимости от светимости этих пикселов для, соответственно, яркого изображения и темного изображения, подготовленных художником-колористом для просмотра на дисплее, имеющем высокую пиковую светимость. В каждом случае, художник-колорист корректировал изображение, для чего художник-колорист рассматривал его оптимальный внешний вид.
Довольно неожиданно, средняя яркость всех пикселов на ярком изображении по-прежнему является относительно очень низкой. Даже если яркое изображение имеет гистограмму по фигуре 3А, можно видеть, что только относительно очень небольшая доля пикселов имеет высокие светимости (например, светимости выше, чем, около, 1000 или 2000 нит). Несколько ярких пикселов с высокими и очень высокими светимостями могут в результате приводить к изображению, имеющему намного более реалистичный внешний вид, не оказывая значительного влияния на световую адаптацию глаз зрителя. Это отличается от реальных сцен из природы, в которых многие, или все, пикселы могут обладать очень большой светимостью. Например, реальная сцена на леднике в солнечный день может быть настолько яркой, что ее неудобно или даже пагубно просматривать в течение длительных промежутков времени без темных солнцезащитных очков. Художник-колорист может подготовить эту сцену таким способом, который в результате приводит к относительно низкой средней светимости и, в то же время, обеспечивает высокую светимость в нескольких ключевых зонах, обеспечивая более реалистичные впечатления от просмотра.
Некоторые варианты осуществления изобретения эксплуатируют то, что даже очень яркие сцены могут воспроизводиться с удивительно низкой средней светимостью и в то же время сохранять реалистичное впечатление от просмотра, если небольшие зоны высокой яркости представлены с пиковой светимостью, которая является намного более высокой, чем средняя светимость, с которой изображение представляется зрителям. Некоторые варианты осуществления изобретения используют проектор высокой яркости, который имеет слишком малую мощность для того, чтобы поднять все пикселы изображения 16 до уровня самых ярких светóв, но способен усиливать освещение светóв до требуемого уровня. В таких вариантах осуществления изобретения, свет от проектора высокой яркости сосредоточивается на светáх, обеспечивая в светáх требуемую яркость.
Существует множество способов расположения основного проектора и проектора высокой яркости в сочетании. Например, могут предусматриваться системы, предусматривающие основной проектор и проектор высокой яркости, предназначенный для селективного усиления светимости зон высокой яркости, расположенные так, чтобы они обладали любым сочетанием следующих характерных признаков:
• Основной проектор и проектор высокой яркости могут использовать одни и те же общие технологии или различные технологии.
• Основной проектор и проектор высокой яркости могут предусматриваться в форме отдельных модулей или в форме совмещенного модуля (например, интегрированного форм-фактора). Там, где основной проектор и проектор высокой яркости предусматриваются в форме совмещенного модуля, основной проектор и проектор высокой яркости могут совместно использовать некоторые оптические компоненты и/или некоторые оптические пути. Например, основной проектор и проектор высокой яркости могут совместно использовать один или несколько следующих компонентов: проекционный объектив, оптическую систему переноса изображений, один или несколько пространственных модуляторов света и т.п. Различные примеры совместно используемых компонентов и оптических путей изложены ниже.
• Система может включать один или несколько основных проекторов, которые совместно проецируют основное изображение. Например, система 10 может включать ряд основных проекторов 12, которые совместно освещают экран 18, создавая изображение 16.
• Система может включать один или несколько проекторов высокой яркости, которые могут совместно проецировать изображение высокой яркости для усиления освещения зон высокой яркости. Например, проектор 20 высокой яркости может включать несколько модулей, которые могут регулироваться так, чтобы они совместно направляли свет на зоны высокой яркости изображения 16.
• Проектор высокой яркости может быть одноцветным (например, проецировать белый свет) или многоцветным.
• Проектор высокой яркости может, необязательно, включать фильтрацию (такую как, например, пространственный фильтр в Фурье-плоскости), предназначенную для подавления освещения за пределами зон высокой яркости.
• Проектор высокой яркости может, необязательно, включать один или несколько пространственных модуляторов света. Пространственный модулятор (модуляторы) света может регулироваться для выполнения одного или нескольких следующих действий: направления света для освещения зон высокой яркости, исправления ошибок в проецируемом изображении высокой яркости, подавления освещения за пределами зон высокой яркости, корректировки изображения высокой яркости для плавного перехода в основное изображение, проецируемое основным проектором, и перенаправления света снаружи зон высокой яркости внутрь зон высокой яркости. В тех вариантах осуществления изобретения, где проектор высокой яркости включает один или несколько пространственных модуляторов света, пространственный модулятор (модуляторы) света может включать пространственный модулятор (модуляторы) света, совместно используемый основным проектором, и/или может включать пространственный модулятор (модуляторы) света, выделенный проектору высокой яркости.
• Основной проектор и проектор высокой яркости могут располагаться для фронтальной проекции или рирпроекции. Необязательно чтобы проектор 20 высокой яркости и основной проектор 12 освещали экран 18 с одной и той же стороны. В тех вариантах осуществления изобретения, где экран 18 является полупрозрачным (например, там, где экран 18 включает экран рирпроекционного типа), проектор 20 высокой яркости и основной проектор 12 могут освещать экран 18 с противоположных сторон.
Указанные различные подходы и их перестановки и сочетания не являются ограничивающими, но предназначены для предоставления примеров некоторых вариантов осуществления изобретения в пределах объема изобретения.
Преимущественно, комбинированное изображение, просматриваемое зрителем, включает некоторые светá, в которых пиковая светимость существенно превышает пиковую светимость основного проектора 12. Например, основной проектор может обладать пиковой светимостью 500 нит или менее, в то время как зоны высокой яркости могут обладать пиковой светимостью 2000 нит или более. Некоторые основные проекторы, предназначенные для использования в темных окружающих условиях просмотра (например, в кинотеатрах), могут предусматривать пиковую светимость, например, 15-50 нит или около того. Некоторые такие проекторы рассчитаны на изображение на экранах с большой площадью. Некоторые основные проекторы, предназначенные для использования в ярких окружающих условиях просмотра, могут обеспечивать пиковую светимость, например, 100-300 нит или около того.
Поскольку зоны высокой яркости, освещаемые проектором 20 высокой яркости, могут включать лишь очень малую долю (например, менее 10%, 5%, 1% или даже менее 0,1%) площади изображения 16, проектор 20 высокой яркости может быть способен достигать требуемой высокой светимости в зонах высокой яркости, не требуя входной мощности, неосуществимой на практике.
На фигуре 1А изображена проекторная система согласно одному из иллюстративных вариантов осуществления изобретения, в котором проектор высокой яркости включает источник 20А светового пятна, который генерирует узкий луч 21 света и дефлектор 23, включающий развертывающие зеркала 23A и 23B. Зеркала 23A и 23B смонтированы на шарнирах и приводятся в действие приводами (не показаны) так, чтобы луч 21 мог быть направлен, образуя небольшое пятно 25 в любом желаемом местоположении на изображении 16. Интенсивность светового луча 21 и местоположения, в которых демонстрируется пятно 25, могут регулироваться контроллером 24 для достижения повышенной светимости в выбранных зонах высокой яркости. В некоторых вариантах осуществления изобретения, яркость зоны высокой яркости, по меньшей мере, частично регулируется путем изменения количества времени, в течение которого регулируется пребывание пятна 25 на зоне высокой яркости. В некоторых вариантах осуществления изобретения, яркость зоны высокой яркости, по меньшей мере, частично регулируется путем регулирования интенсивности и/или рабочего цикла луча 21 в то время, когда луч 21 освещает зону высокой яркости.
Луч 21 может, например, включать лазерный луч. В некоторых вариантах осуществления изобретения, проектор высокой яркости включает три лазерных луча разных цветов, которые могут объединяться, образуя белые светá. Например, проектор высокой яркости может включать красный, зеленый и синий лазерные лучи. В таких вариантах осуществления изобретения лучи могут направляться для освещения зон высокой яркости единым дефлекторным узлом (например, единым набором зеркал 23A, 23B). В альтернативных вариантах осуществления изобретения, для каждого из нескольких лучей 21 предусматривается отдельный дефлекторный узел.
Поскольку светá, как правило, проявляются лишь в небольшой доле общей площади изображения 16, лазер может повышать воспринимаемую яркость зон высокой яркости, дольше задерживаясь в этих зонах. Лазеру не приходится освещать какие-либо части изображения 16 за пределами зон высокой яркости.
В тех вариантах осуществления изобретения, где проектор высокой яркости включает управляемый световой луч, контроллер, который направляет световой луч (например, контроллер 24), может конфигурироваться для регулирования зеркал 23А и 23 В (или такого альтернативного механизма направления луча, как механизм, использующий цифровые светоотражатели, решеточные оптические затворы и т.п.), вызывающего следование пятна 25 по траектории, которая зависит от местоположений зон высокой яркости, подлежащих освещению. Для механизма направления луча не является необходимой развертка по растровой или другой схеме, которая охватывает все пикселы изображения 16. Направляя пятно 25 по траектории, которая приводит пятно в зоны высокой яркости и при этом, избегая, по меньшей мере, некоторых пикселов, находящихся за пределами зон высокой яркости, контроллер 25 может вызывать задержку пятна 25 на зонах высокой яркости в течение промежутков времени, достаточных для достижения требуемой светимости зон высокой яркости.
Основной проектор 12 и проектор 20 высокой яркости могут, необязательно, быть объединены друг с другом так, чтобы оба проектора совместно использовали некоторые общие оптические пути. Например, оптические системы проектора 20 высокой яркости и основного проектора 12 могут размещаться так, чтобы они совместно использовали общий проекционный объектив 14. Один из таких примеров проиллюстрирован на фигуре 3. Фигура 3 представляет собой принципиальное схематическое изображение. Такие необязательные компоненты, как объективы переноса, зеркала, фильтры и т.п., которые могут присутствовать на оптических путях, для ясности были пропущены.
В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фигуре 3, основной проектор 12 включает источник 30 света, который может испускать свет 31, предназначенный для освещения пространственного модулятора 32 света. Источник света 30 может включать источник с равномерным распределением света или источник света, который может являться пространственно-модулированным в соответствии с данными изображения (например, основного изображения). Свет, модулированный пространственным модулятором 32 света, направляется проекционным объективом 14 на экран 18 (на фигуре 3 не показан), создавая изображение 16 (на фигуре 3 не показано).
В данном варианте осуществления изобретения, проектор высокой яркости включает высокоинтенсивный источник 34 узкого светового луча, который может регулироваться для испускания узкого луча света 35, который направляется двухкоординатным дефлектором 36 и оптическим сумматором 37, генерирующими ярко освещенное пятно 38 на пространственном модуляторе 32 света. Регулируя интенсивность и/или включая или выключая источник 34 света при развертке двухкоординатным развертывающим устройством 36, можно освещать светом из источника 34 света несколько зон высокой яркости на пространственном модуляторе 32 света. Этот дополнительный свет после модуляции пространственным модулятором 32 света также отображается объективом 14, дополняя светимость зон высокой яркости на изображении 16.
В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения, между пространственным модулятором 32 света и проекционной линзой 14 располагается оптический сумматор 37, и, таким образом, пятно 38 проецируется непосредственно на экран 18. В данном альтернативном варианте осуществления изобретения оптические пути основного проектора и проектора высокой яркости могут совместно содержать только проекционный объектив 14.
Фигура 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую компоненты обработки данных изображения дисплейной системы согласно одному из иллюстративных вариантов осуществления изобретения. Система 40 обработки изображений принимает данные 42 изображения и обрабатывает данные 42 изображения, распознавая зоны высокой яркости. Обработка может включать, например, сравнение значений светимости пикселов с первым пороговым значением и распознавание как принадлежащих к зонам высокой яркости тех пикселов, которые имеют значения светимости, превышающие первое пороговое значение. В некоторых вариантах осуществления изобретения, зоны высокой яркости могут ограничиваться зонами, включающими предварительно определяемую зону связанных пикселов, имеющих значения светимости, превышающие первое пороговое значение. В качестве другого примера, обработка может распознавать зоны высокой яркости как составленные из М пикселов с самой высокой яркостью (где М - некоторое число) или из тех пикселов, которые выше N-го процентиля по светимости (где N - такой процентиль как 90-й процентиль, 98-й процентиль, или 99-й процентиль, или 99,9-й процентиль). Обработка может включать применение нескольких таких критериев (например, зоны высокой яркости могут распознаваться как включающие до М пикселов, для которых светимость превышает пороговое значение).
В некоторых вариантах осуществления изобретения, обработка включает соотнесение пиковой светимости пикселов с площадью, заключенной в зоне высокой яркости. Эта обработка может включать анализ гистограмм. Например, для изображения, на котором обработка распознает относительно большое количество пикселов как принадлежащих зонам высокой яркости согласно первому критерию, обработка может делать выбор между сохранением зон высокой яркости согласно первому критерию и стоимостью пониженной светимости пикселов, достижимой в зонах высокой яркости, или применять второй критерий для снижения количества пикселов, включенных в зоны высокой яркости. Такая обработка может включать анализ гистограмм.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, обработка выполняется относительно некоторой точки адаптации. Точка адаптации может, например, включать логарифмическую среднюю светимость, или определяться исходя из логарифмической средней светимости изображения. В случае видеоизображений, точка адаптации может включать временнóе среднее по нескольким предыдущим изображениям. В таких вариантах осуществления изобретения, обработка для распознавания зон высокой яркости может включать распознавание пикселов, которые обладают светимостью выше точки адаптации, по меньшей мере, на пороговое значение.
Система 40 обработки изображений генерирует изображение 43 высокой яркости, которое доставляется в проектор 20 высокой яркости. Изображение 43 высокой яркости демонстрируется проектором 20 высокой яркости, обеспечивая повышенную яркость в зонах высокой яркости. Пикселы за пределами зон высокой яркости могут иметь на изображении 43 высокой яркости очень небольшие, или нулевые, значения. Система 40 обработки изображений также доставляет основное изображение 44 для проецирования основным проектором 12.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, основное изображение 44 является таким же, как данные 42 изображение. В других вариантах осуществления изобретения, основное изображение 44 обрабатывается для создания плавного перехода между зонами высокой яркости, которые освещаются в первую очередь проектором 20 высокой яркости, и зонами основного изображения 16, которое освещается в первую очередь или полностью основным проектором 12. Эта обработка может включать, например, извлечение составляющих светóв из данных 42 изображения для создания основного изображения 44. В некоторых вариантах осуществления изобретения, обработка включает оценку светимости, которая будет доставляться пикселам изображения проектором 20 высокой яркости при его приведении в действие для демонстрации изображения 43 высокой яркости, и компенсацию этой оценочной светимости при генерировании основного изображения 44. В некоторых вариантах осуществления изобретения, оценка может моделировать свойства оптической системы проектора 20 высокой яркости. В некоторых вариантах осуществления изобретения, оценка может оценивать свет, доставляемый проектором 20 высокой яркости пикселам за пределами зон высокой яркости. Цвет и светимость основного проектора 12 и проектора 20 высокой яркости могут калиброваться, способствуя указанным плавным переходам.
Изображение 43 высокой яркости может принимать разнообразные формы. В некоторых вариантах осуществления изобретения, изображение 43 высокой яркости может включать или считаться двоичным изображением (все пикселы, которые являются «ВКЛЮЧЕННЫМИ» устанавливаются на одном уровне). Такие варианты осуществления изобретения могут использоваться, например, в сочетании с процессом выбора зоны высокой яркости, который выбирает зоны высокой яркости, которые составлены из пикселов, имеющих светимости намного выше точки адаптации. Такие варианты осуществления изобретения могут эксплуатировать то, что зрительная система человека сходным образом откликается на свет, который находится намного выше точки адаптации. Например, зритель может не иметь способности много сказать о каких-либо различиях между одним изображением, на котором некоторые пикселы высокой яркости имеют светимость 10000 нит, и другим изображением, на котором те же самые пикселы высокой яркости имеют светимость 15000 нит, поскольку указанные пикселы высокой яркости на обоих изображениях имеют светимости намного выше точки адаптации. Некоторые указанные варианты осуществления изобретения могут действовать, распределяя светимость из проектора высокой яркости по пикселам высокой яркости поровну и/или отсекая светимость пикселов высокой яркости до заданного уровня.
В других вариантах осуществления изобретения, проектор высокой яркости может регулироваться для подачи разных светимостей разным пикселам или зонам. В других вариантах осуществления изобретения, проектор высокой яркости может регулироваться в соответствии с сочетанием подходов. Например, процессор высокой яркости может регулироваться для подачи разных светимостей тем пикселам высокой яркости, для которых данные изображения указывают светимость в первом диапазоне, и для подачи такой же светимости тем пикселам высокой яркости, для которых данные изображения указывают светимость выше верхнего предела первого диапазона. Первый диапазон может быть фиксированным или может изменяться. Например, переменный первый диапазон может основываться на текущей точке адаптации, на количестве пикселов, распознаваемых как находящихся в зонах высокой яркости, на статистике пикселов, распознаваемых как находящихся в зонах высокой яркости (например, максимум, среднее и т.п. для пикселов высокой яркости), на сочетаниях этих факторов и т.п.
Обработка данных изображения может быть распределена различными способами. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения, система 40 обработки изображений выполняется заодно с проектором высокой яркости, и, таким образом, данные 42 изображения доставляются непосредственно в проектор высокой яркости, внутри которого получается изображение 43 высокой яркости. В некоторых альтернативных вариантах осуществления изобретения, обработка выполняется в восходящем направлении, и, таким образом, данные 43 изображения высокой яркости передаются совместно с данными 44 основного изображения. Например, данные 43 изображения высокой яркости могут кодироваться совместно с данными 44 основного изображения в потоке, файле или другой структуре данных. В таких вариантах осуществления изобретения проекторная система может конфигурироваться для извлечения данных 43 изображения высокой яркости и для регулирования проектора высокой яркости с использованием данных 43 основного изображения, в то же время вызывающих демонстрацию основным проектором изображений в соответствии с данными 44 основного изображения.
Проектор высокой яркости может принимать множество различных форм. Некоторые примеры различных технологий, которые могут использоваться для проектора высокой яркости, включают: проекторы c развертывающими пятнами (некоторые иллюстративные варианты осуществления таких проекторов описаны выше); голографические проекторы (например, проекторы, которые выполняют модуляцию фазы света в Фурье-плоскости оптической системы, и таким образом, сосредоточивающие свет для формирования изображений на поверхности изображения).
Развертывающий проектор альтернативного типа включает одномерный модулятор света, который генерирует на экране 18 полосу пространственно-модулированного света, и развертывающее устройство, которое развертывает полосу на экране 18. В качестве неограничивающего примера, одномерный модулятор может включать одномерный модулятор поляризации в сочетании с поляризующим светоделителем и развертывающим зеркалом.
Другой иллюстративный вариант осуществления изобретения проиллюстрирован на фигуре 5. Фигура 5 схематически показывает проектор 50 высокой яркости, включающий проектор, перенаправляющий свет. Один из общих типов таких проекторов включает проекторы, которые сосредоточивают свет в некоторых зонах, исключая другие зоны, путем применения основанного на дифракции подхода к модуляции фазы. Этот подход иногда называют «голографической двумерной проекцией».
В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фигуре 5, проектор высокой яркости включает источник 51 когерентного света (в иллюстрированном варианте осуществления изобретения, источник 51 света включает лазер 51А и расширитель 51 В пучка), фазомодулирующую панель 52, расположенную в оптической Фурье-плоскости на световом пути проектора, и контроллер 54, который варьирует в пространстве фазосдвигающее действие модулятора 52 фазы в соответствии с действительной составляющей обратного преобразования Фурье требуемого изображения высокой яркости. Контроллер 54 может конфигурироваться для определения на основе преобразования Фурье голограммы (иногда называемой цифровой голограммой), соответствующей изображению высокой яркости, и для установки фазы в различных местоположениях на фазомодулирующей панели 52 в соответствии с цифровой голограммой. Взаимодействие света из источника 51 света с фазомодулирующей панелью 52, регулируемое согласно голограмме на основе преобразования Фурье, генерируемой контроллером 54, в результате приводит к воссозданию изображения высокой яркости. Объектив 22 проецирует результирующее изображение на экран 18 (на фигуре 5 не показан).
В некоторых вариантах осуществления изобретения, проектор высокой яркости включает один или несколько голографических проекторов, содержащих источники света с переменной интенсивностью. Интенсивность источника (источников) света может регулироваться для обеспечения дополнительного контроля над демонстрацией изображения высокой яркости.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, проектор высокой яркости включает несколько голографических проекторов, каждый из которых проецирует свет другого цвета. Например, один голографический проектор может включать источник 51 красного цвета и может регулироваться для демонстрации красного канала изображения высокой яркости. Такой проектор может использоваться в сочетании с голографическими проекторами, которые включают источники зеленого и синего цвета и, соответственно, являются отрегулированными для отображения зеленого и синего каналов изображения высокой яркости.
Современные проекторы, относящиеся к типу, который генерирует изображения путем изменения модулятора фазы, обладают тем недостатком, что в них может происходить значительное рассеяние света из-за конечной разрешающей способности модулятора фазы и/или по причине того, что обратное преобразование Фурье требуемого изображения будет, в общем, иметь действительную и мнимую части, а типичный модулятор фазы реализует только одну из частей обратного преобразования Фурье. Указанное рассеяние света можно частично или почти полностью компенсировать в проекторах высокой яркости в тех вариантах осуществления изобретения, где фазомодулированный свет отображается для освещения пространственного модулятора света (такого, как матрица DMD, модулятор LCOS, LCD-панель и т.п.). В таких вариантах осуществления изобретения пространственный модулятор может приводиться в действие для приведения в порядок проецируемого изображения высокой яркости путем уменьшения количества света за пределами зон высокой яркости. Используемый для этой цели пространственный модулятор может быть таким же или отличающимся от пространственного модулятора, используемого в основном проекторе.
Рассеяние света можно уменьшить путем создания панели 52 фазового модулятора, имеющей высокую пространственную разрешающую способность. В некоторых вариантах осуществления изобретения, панель 52 фазового модулятора имеет пространственную разрешающую способность, превышающую таковую для изображения высокой яркости. В некоторых вариантах осуществления изобретения, количество регулируемых элементов панели 52 фазового модулятора в 9 или более раз больше количества пикселов на изображении высокой яркости.
Голографический проектор может, необязательно, конфигурироваться для проецирования изображения высокой яркости на неплоскую фокальную поверхность. Контроллер 54 может регулироваться для генерирования управляющих сигналов для модулятора фазы, что в результате приводит к фокусировке на требуемой неплоской поверхности. Например, голограф может конфигурироваться для выдачи сфокусированного изображения на изогнутый экран или пространственный модулятор света.
В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фигуре 6А, голографический проектор 72 проецирует требуемое изображение высокой яркости на пространственный модулятор 74 света, который регулируется или для перенаправления, или для вывода на экран, или для поглощения света в зонах изображения за пределами зон высокой яркости. Свет из пространственного модулятора 74 света затем отображается на экран 18, например, посредством проекционного объектива 22. Пространственный модулятор 74 света может, например, регулироваться для выполнения моделирования работы голографического проектора 72 с целью получения оценки фактического распределения света, генерируемого голографическим проектором 72. Эту оценку можно затем сравнить с изображением высокой яркости. Сравнение может включать, например, определение соотношения или разности оценки и изображения высокой яркости. Пространственный модулятор 74 света может регулироваться в соответствии с результатом сравнения с целью компенсации разностей между световой картиной, фактически проецируемой голографическим проектором 72, и требуемым изображением высокой яркости. Вычисление оценки может выполняться, например, путем использования программируемого процессора данных, жестко сконфигурированных логических схем и/или конфигурируемых логических схем (например, вентильных матриц с эксплуатационным программированием (FPGA)). Вычисление может включать оценку сдвинутого по фазе светового поля, генерируемого модулятором фазы или голографическим проектором 72, и вычисление преобразования Фурье оценочного светового поля.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, распространение света за пределы зон высокой яркости уменьшается путем блокирования постоянной составляющей тока в Фурье-плоскости.
В иллюстративном варианте осуществления изобретения, показанном на фигуре 6 В, голографический проектор 72 проецирует изображение высокой яркости непосредственно на пространственный модулятор 76 света основного проектора. Пространственный модулятор 76 света также освещается источником 73 света.
На фигуре 7 схематически показан проектор 60, имеющий альтернативную архитектуру. Проектор 60 включает источник 62 света (который необязательно должен быть источником когерентного света). Источник 62 света освещает двумерный пространственный модулятор 64 света, такой как матрица зеркал DMD. Пространственный модулятор 64 света содержит регулируемые элементы, которые могут направлять свет в различные местоположения на экране 18. В некоторых вариантах осуществления изобретения, пространственный модулятор 64 света отображается непосредственно на экран 18 проекционным объективом 66, создавая изображение высокой яркости. В некоторых вариантах осуществления изобретения, пространственный модулятор 64 света освещает еще один пространственный модулятор 65 света. Пространственный модулятор 65 света может включать пространственный модулятор света, также используемый, например, основным проектором (на фигуре 7 не показан).
На фигуре 8 проиллюстрирован проектор 80 высокой яркости согласно дальнейшему альтернативному варианту осуществления изобретения. Проектор 80 высокой яркости включает источник 82 света, который освещает пространственный модулятор 83 света. В одном из иллюстративных применений, пространственный модулятор 83 света регулируется таким образом, чтобы все пикселы за пределами зон высокой яркости устанавливались так, чтобы они не пропускали свет на экран 18. Поскольку пространственный модулятор 83 света несовершенен, некоторая часть света пропускается пикселами за пределами зон высокой яркости. Этот рассеянный свет может восприниматься зрителями как повышение уровня черного (например, черные цвета на всем изображении приобретают серый внешний вид). Проектор 80 высокой яркости включает пространственный фильтр 84, который в иллюстрируемом варианте осуществления изобретения включает маску 85, созданную в Фурье-плоскости на оптическом пути между пространственным модулятором 83 света и экраном 18. Маска 85 блокирует составляющую постоянного тока в пространственной частоте (т.е. составляющую сигнала, оказывающую воздействие на все пикселы на демонстрируемом изображении), посредством чего понижается уровень черного и, в то же время, по-прежнему пропускаются светá.
Системы, в которых источник света для основного проектора или для голографического проектора включает источник когерентного света, могут включать один или несколько оптических компонентов, сконфигурированных для уменьшения проявления лазерного спекла на проецируемых изображениях. Может применяться любая технология уменьшения спекла. Например, в данной области техники известны разнообразные технологии уменьшения лазерного спекла. Они включают такие технологии, как технологии, предусматривающие: вибрирующий рассеиватель на оптическом пути; рандомизацию фазы источника когерентного света и рандомизацию поляризации источника когерентного света.
Описываемые в настоящем раскрытии проекторы высокой яркости могут применяться в трехмерных проекционных системах так же, как и в двумерных проекционных системах. В тех вариантах осуществления изобретения, где зрители надевают поляризующие или спектрально-чувствительные очки с тем, чтобы разные составляющие проецируемого света направлялись к левым и правым глазам зрителей, проектор высокой яркости может регулироваться для испускания света для просмотра левыми глазами зрителей, правыми глазами или обоими глазами. В качестве альтернативы, для проецирования изображений высокой яркости для левых и правых глаз зрителей могут предусматриваться отдельные проекторы высокой яркости. В некоторых вариантах осуществления изобретения проектор (проекторы) высокой яркости испускает свет, имеющий различный спектральный состав для просмотра левыми и правыми глазами зрителей. Например, описываемые в настоящем раскрытии проекционные системы могут использоваться в сочетании с системами, проецирующими трехмерные изображения, описанными, например, в документах WO2008/140787; WO2011/002757; и US7784938; все эти документы ссылкой включаются в настоящее раскрытие во всех отношениях.
На фигуре 9 изображен дисплей 100 согласно еще одному варианту осуществления изобретения. Дисплей 100 может представлять собой, например, телевизор, компьютерный дисплей, рекламный дисплей и т.п. Дисплей 100 может использоваться совместно с проектором высокой яркости или без него. Дисплей 100 включает панель 102 пространственного модулятора света, освещаемую узлом 104 подсветки. Панель 102 пространственного модулятора света может включать пропускающую светомодулирующую панель, такую как, например, LCD-панель. Узел 104 подсветки включает голографический проектор, например, описанный в настоящем раскрытии. Голографический проектор включает источник 106 когерентного света и светомодулирующую панель 108. Свет из источника 106 света подвергается модуляции фазы панелью 108 и направляется на панель 102 пространственного модулятора света.
Контроллер 109 дисплея принимает изображение, подлежащее демонстрации, определяет требуемое распределение подсвечивающего света и регулирует голографический проектор для проецирования требуемого распределения подсвечивающего света на панель 102 пространственного модулятора света. Требуемое распределение подсвечивающего света может быть медленно изменяющимся (т.е. состоящим из менее высоких пространственных частот). В Фурье-плоскости может, необязательно, предусматриваться маска 107 (которая может быть фиксируемой или регулируемой), предназначенная для ослабления или исключения составляющих преобразования Фурье, соответствующих более высоким пространственным частотам. Контроллер 109 может, например, определять требуемое распределение подсвечивающего света путем пространственной фильтрации данных изображения с пропусканием нижних частот, применяя к данным изображения фильтр размывки, и/или вычисляя локальные средние, или взвешенные средние, локальных групп пикселов в данных изображения, и т.п. Управляющие значения для пикселов фазомодулирующей панели 108 могут определяться путем вычисления обратного преобразования Фурье требуемого распределения подсвечивающего света.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, контроллер вычисляет оценку фактического распределения света на панели 102 пространственного модулятора света. Эта оценка может использоваться при установке пикселов панели 102 пространственного модулятора света с целью создания изображения в соответствии с данными изображения. Например, значение пиксела панели 102 пространственного модулятора света может быть установлено путем сравнения интенсивности света, оцененного как падающий на пиксел от подсветки 104, с интенсивностью света, которую указывают для этого пиксела данные изображения, и установки пиксела панели пространственного модулятора света с целью снижения интенсивности падающего света до интенсивности, указываемой данными изображения. Это сравнение может включать, например, пересчет данных изображения на оценочную интенсивность падающего света.
Вычисление оценочной интенсивности падающего света может включать оценку того, какое воздействие светомодулирующая панель 108 будет оказывать на свет из источника 106 света при приведении ее в действие управляющими сигналами, установленными контроллером, и использование этой информации для вычисления светового поля, являющегося результатом применения указанных сигналов к фазомодулирующей панели 108. Тогда, вычисляя преобразование Фурье светового поля, можно оценить световое поле на пространственном модуляторе 102 света.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, дисплей 100 включает цветной дисплей. В некоторых таких вариантах осуществления изобретения, панель 102 пространственного модулятора света включает одноцветный пространственный модулятор света. В таких вариантах осуществления изобретения, подсветка 104 может включать три или большее количество одноцветных источников света (например, красный, зеленый и синий лазеры), каждый из которых приводится в действие для освещения фазомодулирующей панели 108. Изображение может демонстрироваться посредством уплотненных по времени изображений различных цветов. Например, красное изображение может демонстрироваться на основе красного канала данных изображения с использованием источника 106 красного света. За ним могут подряд следовать зеленое изображение, основывающееся на зеленом канале данных изображения с использованием источника 106 зеленого света, и синее изображение, демонстрируемое на основе синего канала данных изображения с использованием источника 106 синего света. Контроллер может учитывать длину волны света от каждого из источников 106 света при установке пикселов фазомодулирующей панели 108 с целью модуляции фазы света из источника света. В некоторых вариантах осуществления изобретения, подсветка 104 включает отдельный модуль (например, голографический проектор) для каждого из нескольких основных цветов.
Необязательно, чтобы данные изображения высокой яркости, предназначенные для приведения в действие проектора высокой яркости, получались из данных изображения в реальном времени в ходе демонстрации изображения. Данные изображения высокой яркости могут определяться заранее и доставляться как часть данных изображения, или доставляться отдельно. В тех вариантах осуществления изобретения, которые используют голографический проектор высокой яркости, значения изображения, предназначенные для регулирования фазомодулирующей панели, могут определяться заранее и доставляться как часть данных изображения.
Некоторые реализации изобретения включают компьютерные процессоры, которые исполняют команды программного обеспечения, вызывающие выполнение процессорами способа изобретения. Например, один или несколько процессоров в дисплейной системе могут реализовывать описанные в данном раскрытии способы обработки изображений, исполняя команды программного обеспечения (которые могут представлять собой, или включать, команды программно-аппаратного обеспечения) в памяти программ, доступной для процессоров. Изобретение также может предусматриваться в форме программного продукта. Программный продукт может включать какой-либо носитель информации, который переносит набор непреходящих машиночитаемых сигналов, включающих команды, которые при исполнении процессором данных вызывают исполнение процессором одного из способов изобретения. Программные продукты согласно изобретению могут иметь любую форму из широкого разнообразия форм. Программный продукт может включать, например, такие физические носители информации, как магнитные носители данных, в том числе гибкие диски, накопители на жестком диске, оптические носители данных, в том числе диски CD ROM, DVD, электронные носители данных, в том числе постоянные запоминающие устройства ROM, PROM, EPROM, флеш-память RAM и т.п. Машиночитаемые сигналы программного продукта могут, необязательно, быть сжатыми или зашифрованными.
Там, где выше упоминается какой-либо компонент (например, программный модуль, процессор, узел, устройство, схема и т.д.), если не оговорено противное, ссылку на этот компонент (в том числе ссылку на «средства») следует толковать как включающую в качестве эквивалентов этого компонента любые компоненты, которые выполняют функцию описываемого компонента (т.е. являются функционально эквивалентными), в том числе компоненты, которые не являются структурно эквивалентными раскрываемой конструкции, и которые выполняют указанную функцию в проиллюстрированных иллюстративных вариантах осуществления изобретения.
Несмотря на то, что выше было обсуждено несколько иллюстративных особенностей и вариантов осуществления изобретения, специалисты в данной области техники обнаружат некоторые их модификации, перестановки дополнения и субкомбинации. Поэтому предполагается, что нижеследующая прилагаемая формула изобретения и представленная ниже формула изобретения будут толковаться как включающие все указанные модификации, перестановки, дополнения и субкомбинации как находящиеся в пределах их истинного смысла и объема.