СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ЦИФРОВОГО ЛАЗЕРНОГО ПРОЕЦИРОВАНИЯ С УСИЛЕННЫМ КОНТРАСТОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФУРЬЕ-ФИЛЬТРА
SYSTEMS AND METHODS FOR DIGITAL LASER PROJECTION WITH ENHANCED CONTRAST, USING FOURIER FILTER

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Данная заявка заявляет приоритет предварительной заявки на патент США № 62/651657, поданной 2 апреля 2018 г., и заявки на Европейский патент № EP18180390.9, поданной 28 июня 2018 г., каждая из которых во всей своей полноте включена в данный документ посредством ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Контрастность проектора указывает отношение самого яркого вывода проектора к самому темному выводу проектора. Коэффициент контрастности представляет собой количественно измеримую меру контраста, определяемую как отношение яркости самого яркого вывода проектора к яркости самого темного вывода проектора. Это отношение коэффициента контрастности также называют «статическим» или «природным» коэффициентом контрастности.
Вследствие зрительной адаптации зрительной системы человека диапазон значений яркости, заметный для зрителя, соответствует коэффициенту контрастности, составляющему приблизительно 1000000000:1, хотя в любой момент заметный диапазон значений яркости соответствует коэффициенту контрастности, который меньше, чем это значение. Например, в скотопическом зрении, осуществляемом исключительно палочковыми клетками в глазе человека, заметный коэффициент контрастности в любой момент для некоторых зрителей может составлять вплоть до 1000000:1, в зависимости от наблюдаемой сцены, состояния адаптации пользователя и биологических факторов.
Зрители в обстановке кинотеатра могут находиться в разных состояниях адаптации в любой момент, и поэтому могут видеть одну и ту же сцену с разными коэффициентами контрастности. Различия в состояниях адаптации между зрителями могут объясняться разными положениями сидения относительно экрана, тем, на каком месте на экране сфокусирован каждый зритель, и тем, когда и как часто каждый зритель закрывает глаза. Поскольку кинотеатр используется многими зрителями, идеальный проектор имеет коэффициент контрастности, являющийся достаточно высоким, чтобы точно воспроизводить изображения для всех зрителей.
Некоторые проекторы, которые совместимы со спецификацией Digital Cinema Initiatives (DCI), имеют коэффициенты контрастности 2000:1 или менее. Для этих цифровых проекторов темные и/или черные области изображений могут быть спроецированы с яркостью, достаточно высокой настолько, что эти области оказываются ярче, чем должны быть.
Суть изобретения
В первом аспекте оптический фильтр для усиления контраста изображения, генерируемого с помощью пространственного модулятора света, содержит линзу, сконфигурированную для пространственного Фурье-преобразования модулированного светового сигнала из пространственного модулятора света, при этом модулированный световой сигнал содержит множество порядков дифракции. Оптический фильтр также содержит маску оптического фильтра, расположенную на Фурье-плоскости линзы и сконфигурированную так, чтобы фильтровать модулированный световой сигнал, прошедший пространственное Фурье-преобразование посредством линзы, путем пропускания по меньшей мере одного порядка дифракции модулированного светового сигнала и блокирования остальной части модулированного светового сигнала.
В определенных вариантах осуществления первого аспекта по меньшей мере один порядок дифракции является нулевым порядком дифракции.
В определенных вариантах осуществления первого аспекта маска оптического фильтра имеет пропускную область, сконфигурированную для пропускания нулевого порядка дифракции модулированного светового сигнала.
В определенных вариантах осуществления первого аспекта по меньшей мере один порядок дифракции включает нулевой порядок дифракции и один или более первых порядков дифракции.
В определенных вариантах осуществления первого аспекта маска оптического фильтра имеет пропускную область, сконфигурированную для пропускания нулевого порядка дифракции и двух первых порядков дифракции.
В определенных вариантах осуществления первого аспекта модулированный световой сигнал представляет собой один из красного света, зеленого света и синего света.
Во втором аспекте система модулятора для генерирования изображения с усиленным контрастом содержит оптический фильтр первого аспекта и цифровое микрозеркальное устройство, реализующее пространственный модулятор света.
В третьем аспекте система модулятора для генерирования изображения с усиленным контрастом содержит оптический фильтр первого аспекта и коллиматорную линзу, расположенную так, чтобы коллимировать по меньшей мере один порядок дифракции модулированного светового сигнала, пропускаемого маской оптического фильтра.
В четвертом аспекте система модулятора для генерирования изображения с усиленным контрастом содержит первый, второй и третий пространственные модуляторы света, сконфигурированные так, чтобы модулировать, в соответствии с изображением, соответствующие первый, второй и третий световые сигналы для генерирования соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов. Система модулятора также содержит три экземпляра оптического фильтра первого аспекта, образующих соответствующие первый, второй и третий оптические фильтры, сконфигурированные так, чтобы пропускать по меньшей мере один порядок дифракции соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов с генерированием соответствующих первого, второго и третьего фильтрованных световых сигналов и блокировать остальную часть соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов. Система модулятора также содержит блок объединения пучков, сконфигурированный так, чтобы объединять первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы в выходной световой сигнал.
В определенных вариантах осуществления четвертого аспекта каждая из масок первого, второго и третьего оптических фильтров соответствующих первого, второго и третьего оптических фильтров имеет по меньшей мере одну пропускную область, сконфигурированную так, чтобы пропускать нулевой порядок дифракции и один или более первых порядков дифракции первого, второго и третьего модулированных световых сигналов соответственно.
В определенных вариантах осуществления четвертого аспекта каждый из первого, второго и третьего пространственных модуляторов света представляет собой цифровое микрозеркальное устройство.
В определенных вариантах осуществления четвертого аспекта первый, второй и третий световые сигналы представляют собой красный, зеленый и синий соответственно.
В определенных вариантах осуществления четвертого аспекта система модулятора дополнительно содержит первую, вторую и третью выходные линзы, расположенные так, чтобы коллимировать соответственно первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы перед объединением блоком объединения пучков.
В определенных вариантах осуществления четвертого аспекта система модулятора дополнительно содержит проекционную линзу, сконфигурированную для проецирования выходного светового сигнала на экран.
В пятом аспекте система модулятора с временным мультиплексированием для генерирования изображения с усиленным контрастом содержит пространственный модулятор света, сконфигурированный модулировать, в соответствии с изображением, световой сигнал с временным мультиплексированием в модулированный световой сигнал с временным мультиплексированием с формированием повторяющейся последовательностью первого, второго и третьего модулированных световых сигналов. Система модулятора с временным мультиплексированием также содержит линзу, сконфигурированную для выполнения пространственного Фурье-преобразования модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием на Фурье-плоскость, и диск со светофильтрами, расположенный на Фурье-плоскости и содержащий множество масок оптического фильтра, причем каждая из масок оптического фильтра сконфигурирована так, чтобы фильтровать соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, прошедших пространственное Фурье-преобразование посредством линзы, путем пропускания по меньшей мере одного порядка дифракции соответствующего одного из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов и блокирования остальной части соответствующего одного из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов. Диск со светофильтрами сконфигурирован поворачиваться синхронно с модулированным световым сигналом с временным мультиплексированием так, что каждая из масок оптического фильтра располагается в модулированном световом сигнале с временным мультиплексированием на Фурье-плоскости, когда модулированный световой сигнал с временным мультиплексированием представляет собой соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов.
В определенных вариантах осуществления пятого аспекта пространственный модулятор света представляет собой цифровое микрозеркальное устройство.
В определенных вариантах осуществления пятого аспекта множество масок оптического фильтра представляет собой три набора из  масок оптического фильтра, где является положительным целым числом, при этом каждый из трех наборов сконфигурирован так, чтобы фильтровать соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов.
В определенных вариантах осуществления пятого аспекта множество масок оптического фильтра содержит маски первого, второго и третьего оптических фильтров, соответственно сконфигурированные так, чтобы фильтровать первый, второй и третий модулированные световые сигналы.
В определенных вариантах осуществления пятого аспекта маска первого оптического фильтра имеет пропускную область, сконфигурированную так, чтобы пропускать нулевой порядок дифракции и один или более первых порядков дифракции первого модулированного светового сигнала, маска второго оптического фильтра имеет пропускную область, сконфигурированную так, чтобы пропускать нулевой порядок дифракции и один или более первых порядков дифракции второго модулированного светового сигнала, и маска третьего оптического фильтра имеет пропускную область, сконфигурированную так, чтобы пропускать нулевой порядок дифракции и один или более первых порядков дифракции третьего модулированного светового сигнала.
В определенных вариантах осуществления пятого аспекта первый, второй и третий модулированные световые сигналы представляют собой красный, зеленый и синий соответственно.
В определенных вариантах осуществления пятого аспекта диск со светофильтрами дополнительно сконфигурирован поворачиваться неравномерно, чтобы останавливаться, когда каждая из масок первого, второго и третьего оптических фильтров располагается в модулированном световом сигнале с временным мультиплексированием.
В определенных вариантах осуществления пятого аспекта система модулятора с временным мультиплексированием дополнительно содержит проекционную линзу, сконфигурированную проецировать на экран по меньшей мере один порядок дифракции соответствующего первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, пропускаемых диском со светофильтрами.
В шестом аспекте способ усиления контраста изображения, генерируемого с помощью пространственного модулятора света, включает пространственное Фурье-преобразование модулированного светового сигнала из пространственного модулятора света на Фурье-плоскость, при этом модулированный световой сигнал содержит множество порядков дифракции. Способ также включает фильтрование модулированного светового сигнала путем пропускания по меньшей мере одного порядка дифракции модулированного светового сигнала на Фурье-плоскости и блокирование остальной части модулированного светового сигнала на Фурье-плоскости.
В определенных вариантах осуществления шестого аспекта по меньшей мере один порядок дифракции является нулевым порядком дифракции.
В определенных вариантах осуществления шестого аспекта пропускание включает пропускание нулевого порядка дифракции через пропускную область маски оптического фильтра.
В определенных вариантах осуществления шестого аспекта по меньшей мере один порядок дифракции включает нулевой порядок дифракции и один или более первых порядков дифракции.
В определенных вариантах осуществления шестого аспекта пропускание включает пропускание нулевого порядка дифракции и одного или более первых порядков дифракции через пропускную область маски оптического фильтра.
В определенных вариантах осуществления шестого аспекта модулированный световой сигнал представляет собой один из красного света, зеленого света и синего света.
В определенных вариантах осуществления шестого аспекта способ дополнительно включает управление множеством микрозеркал пространственного модулятора света так, чтобы генерировать модулированный световой сигнал.
В определенных вариантах осуществления шестого аспекта способ дополнительно включает коллимирование, после пропускания, по меньшей мере одного порядка дифракции.
В седьмом аспекте способ проецирования цветного изображения с усиленным контрастом включает пространственное модулирование первого, второго и третьего входных световых сигналов, в соответствии с цветным изображением, для генерирования соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, при этом каждый из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов содержит множество порядков дифракции. Способ также включает фильтрование первого, второго и третьего модулированных световых сигналов в соответствующие первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы путем (i) пропускания по меньшей мере одного из порядков дифракции соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, (ii) блокирования остальной части соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов и (iii) объединения первого, второго и третьего фильтрованных световых сигналов в выходной световой сигнал.
В определенных вариантах осуществления седьмого аспекта первый, второй и третий входные световые сигналы представляют собой красный, зеленый и синий соответственно.
В определенных вариантах осуществления седьмого аспекта способ дополнительно включает проецирование выходного светового сигнала на экран.
В восьмом аспекте способ с временным мультиплексированием для генерирования и проецирования изображения с усиленным контрастом включает модулирование, в соответствии с изображением, светового сигнала с временным мультиплексированием с помощью пространственного модулятора света, чтобы генерировать модулированный световой сигнал с временным мультиплексированием, образующий повторяющуюся последовательность первого, второго и третьего модулированных световых сигналов. Способ также включает пространственное Фурье-преобразование модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием с помощью линзы и фильтрование модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием путем поворачивания диска со светофильтрами синхронно с модулированным световым сигналом с временным мультиплексированием. Диск со светофильтрами содержит множество масок оптического фильтра, каждая из масок оптического фильтра сконфигурирована фильтровать соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, прошедших пространственное Фурье-преобразование посредством линзы. Поворачивание включает расположение каждой из масок оптического фильтра в модулированном световом сигнале с временным мультиплексированием на Фурье-плоскости линзы, когда модулированный световой сигнал с временным мультиплексированием представляет собой соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов.
В определенных вариантах осуществления восьмого аспекта пространственный модулятор света представляет собой цифровое микрозеркальное устройство.
В определенных вариантах осуществления восьмого аспекта множество масок оптического фильтра представляет собой три набора из  масок оптического фильтра, где является положительным целым числом, при этом каждый из трех наборов сконфигурирован так, чтобы фильтровать соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов.
В определенных вариантах осуществления восьмого аспекта множество масок оптического фильтра представляет собой маски первого, второго и третьего оптических фильтров, соответственно сконфигурированные так, чтобы фильтровать первый, второй и третий модулированные световые сигналы.
В определенных вариантах осуществления восьмого аспекта фильтрование включает пропускание нулевого порядка дифракции и одного или более первых порядков дифракции первого модулированного светового сигнала через пропускную область маски первого оптического фильтра, пропускание нулевого порядка дифракции и одного или более первых порядков дифракции второго модулированного светового сигнала через пропускную область маски второго оптического фильтра и пропускание нулевого порядка дифракции и одного или более первых порядков дифракции третьего модулированного светового сигнала через пропускную область маски третьего оптического фильтра.
В определенных вариантах осуществления восьмого аспекта первый, второй и третий модулированные световые сигналы представляют собой красный, зеленый и синий соответственно.
В определенных вариантах осуществления восьмого аспекта поворачивание дополнительно включает неравномерное поворачивание и останов, когда каждая из масок первого, второго и третьего оптических фильтров располагается в модулированном световом сигнале с временным мультиплексированием.
В определенных вариантах осуществления восьмого аспекта способ после фильтрования дополнительно включает проецирование фильтрованного модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием на экран.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического фильтра, который усиливает контраст изображения, генерируемого с помощью пространственного модулятора света в вариантах осуществления.
На фиг. 2 и 3 представлены виды спереди и сбоку соответственно цифрового микрозеркального устройства (DMD), применяемого для генерирования изображения, который представляет собой часть цифрового проектора.
На фиг. 4 представлен вид сбоку оптического фильтра, который выполняет пространственное фильтрование модулированного светового сигнала из DMD, представленного на фиг. 2 и 3, в вариантах осуществления.
На фиг. 5 и 6 представлены виды сбоку примера цифрового проектора, который содержит DMD, представленный на фиг. 2 и 3, и проекционную линзу, но не содержит оптический фильтр, представленный на фиг. 1.
На фиг. 7 и 8 представлены графики интенсивности примеров дифракционных картин Фраунгофера модулированных в режимах ВКЛ и ВЫКЛ световых сигналов соответственно.
На фиг. 9–14 представлены виды спереди примеров маски оптического фильтра, представленной на фиг. 4, показывающие примеры конфигураций пропускной области (областей) в вариантах осуществления.
На фиг. 15 представлена функциональная схема примера разноцветного цифрового проектора, который добивается увеличенного коэффициента контрастности проектора посредством оптического фильтрования каждого цветового канала с пространственным мультиплексированием, в вариантах осуществления.
На фиг. 16 представлена функциональная схема примера разноцветного цифрового проектора, который добивается увеличенного коэффициента контрастности проектора посредством оптического фильтрования с временным мультиплексированием разных цветовых каналов, в вариантах осуществления.
На фиг. 17 представлен график зависимости оптической мощности от времени для светового сигнала с временным мультиплексированием, используемого в качестве входного светового сигнала разноцветного цифрового проектора, представленного на фиг. 16, согласно одному варианту осуществления.
На фиг. 18 представлен вид спереди примера диска со светофильтрами, имеющего три сектора, каждый из которых содержит одну маску оптического фильтра, в вариантах осуществления.
На фиг. 19 представлен вид спереди примера диска со светофильтрами, имеющего шесть секторов, каждый из которых содержит одну маску оптического фильтра, в вариантах осуществления.
На фиг. 20 представлен способ усиления контраста изображения, генерируемого с помощью пространственного модулятора света, в вариантах осуществления.
На фиг. 21 представлен способ проецирования цветного изображения с усиленным контрастом посредством оптического фильтрования каждого цветового канала с пространственным мультиплексированием, в вариантах осуществления.
На фиг. 22 представлен способ с временным мультиплексированием для генерирования и проецирования цветного изображения с усиленным контрастом, в вариантах осуществления.
На фиг. 23 представлен вид сбоку модельного эксперимента.
На фиг. 24–26 представлены графики зависимости коэффициента контрастности и оптической эффективности от половинного угла, полученные численно для модельного эксперимента, представленного на фиг. 23.
На фиг. 27 представлена дифракционная картина Фраунгофера для модельного эксперимента, представленного на фиг. 23, когда длина волны света равна 532 нм и все микрозеркала DMD находятся в положении ВКЛ.
На фиг. 28 представлена дифракционная картина Фраунгофера для модельного эксперимента, представленного на фиг. 23, когда длина волны света равна 617 нм и все микрозеркала DMD находятся в положении ВКЛ.
На фиг. 29 представлен график коэффициента контрастности и оптической эффективности, полученный численно для модельного эксперимента, представленного на фиг. 23, при работе на длине волны 617 нм, когда углы наклона в режимах ВКЛ и ВЫКЛ микрозеркал равны +12,1° и -12,1° соответственно.
На фиг. 30 и 31 представлены графики зависимости коэффициента контрастности от угла наклона микрозеркал, полученные численно для модельного эксперимента, представленного на фиг. 23.
На фиг. 32 представлен график коэффициента контрастности и оптической эффективности, зависящих от углового разнесения входного светового сигнала, полученный численно для модельного эксперимента, представленного на фиг. 23, при длине волны 532 нм.
На фиг. 33 и 34 представлены дифракционные картины Фраунгофера модельного эксперимента, представленного на фиг. 23, показывающие расширение дифракционных максимумов, вызванное угловым разнесением входного светового сигнала.
На фиг. 35 показана временная последовательность примерных битовых плоскостей, которая определяет, как управляют микрозеркалами DMD, представленного на фиг. 2 и 3, для отображения одного видеокадра.
На фиг. 36 представлен восстановленный кадр, показывающий, как выглядит один видеокадр, когда примерные битовые плоскости, представленные на фиг. 35, управляют DMD, представленным на фиг. 2 и 3, для отображения одного видеокадра.
На фиг. 37 показан один пример рандомизированной битовой плоскости, которая образует часть последовательности рандомизированных битовых плоскостей, которая может быть использована с вариантами осуществления настоящего изобретения для сокращения наличия артефактов в восстановленном кадре, представленном на фиг. 36, в вариантах осуществления.
На фиг. 38 представлен восстановленный кадр, показывающий, как выглядит один видеокадр, когда последовательность рандомизированных битовых плоскостей управляет DMD, представленным на фиг. 2 и 3, для отображения одного видеокадра.
Подробное описание вариантов осуществления
На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического фильтра 110, который усиливает контраст изображения, генерируемого с помощью пространственного модулятора света (SLM). На фиг. 1 оптический фильтр 110 показан в одном сценарии применения, в котором оптический фильтр 110 реализован в цифровом проекторе 100 для усиления контраста изображения, проецируемого цифровым проектором 100 на экран 116. Цифровой проектор 100 содержит SLM 102, который модулирует входной световой сигнал 106 на модулированный световой сигнал 104 согласно введенным данным, представляющим изображение, которое необходимо спроецировать цифровым проектором 100.
Оптический фильтр 110 фильтрует модулированный световой сигнал 104, блокируя часть 114 модулированного светового сигнала 104, которую цифровой проектор 100, в отсутствии оптического фильтра 110, проецировал бы на экран 116 даже тогда, когда SLM 102 получает команды не выдавать свет в направлении экрана 116. Оптический фильтр 110 выдает, в виде фильтрованного светового сигнала 108, пропускаемую часть модулированного светового сигнала 104. Цифровой проектор 100 содержит проекционную линзу 112, которая проецирует фильтрованный световой сигнал 108 на экран 116. В отсутствие оптического фильтра 110 блокируемая часть 114 модулированного светового сигнала 104 соответствует нижней границе силы света цифрового проектора 100 и поэтому определяет, насколько темным является проецируемое изображение. Путем блокирования блокируемой части 114 модулированного светового сигнала 104 оптический фильтр 110 уменьшает нижнюю границу, тем самым повышая контраст цифрового проектора 100.
Как более подробно описано ниже, блокируемая часть 114 модулированного светового сигнала 104 соответствует одному или более порядкам дифракции модулированного светового сигнала 104, производимым, когда входной световой сигнал 106 дифрагирует на SLM 102. SLM 102 может представлять собой пространственный модулятор света любого типа, который (1) имеет периодическую структуру, действующую в качестве дифракционной решетки, и (2) модулирует оптическую фазу входного светового сигнала 106 так, чтобы перенаправлять световой сигнал между двумя состояниями (например, состояниями ВКЛ и ВЫКЛ). В одном примере SLM 102 представляет собой цифровое микрозеркальное устройство (DMD), которое направляет световой сигнал, наклоняя множество микрозеркал так, чтобы модулировать оптическую фазу входного светового сигнала 106. В других примерах SLM 102 представляет собой фазовый модулятор на основе отражающего жидкого кристалла на кремнии (LCOS) или фазовый модулятор на основе пропускного жидкого кристалла (LC), каждый из которых направляет свет, модулируя показатель преломления жидкого кристалла.
На фиг. 2 и 3 представлены виды спереди и сбоку, соответственно, для DMD 200, применяемого для генерирования изображения в качестве части цифрового проектора (например, цифрового проектора 100). DMD 200 является одним примером SLM 102. Фиг. 2 и 3 в последующем описании лучше рассматривать вместе.
DMD 200 представляет собой SLM с микрооптоэлектромеханической системой (MOEMS), имеющий множество квадратных микрозеркал 202, расположенных двумерным прямоугольным массивом на субстрате 204, лежащем в плоскости x-y (см. правостороннюю систему 220 координат). В определенных вариантах осуществления DMD 200 представляет собой цифровой процессор световых сигналов (DLP), поставляемый «Texas Instruments». Каждое из микрозеркал 202 может соответствовать одному пикселю изображения и может наклоняться относительно оси 208 вращения, ориентированной под углом -45° к оси x, посредством электростатической активации, чтобы направлять входной световой сигнал 206. Для ясности на фиг. 2 показаны только соответствующие микрозеркала 202 в углах и центре DMD 200, и не все микрозеркала 202 обозначены на фиг. 3.
На фиг. 3 показаны микрозеркала 202, наклоненные, чтобы направлять входной световой сигнал 206. Микрозеркало 202(1) активировано в положении ВКЛ таким образом, чтобы зеркально отражать входной световой сигнал 206 в отраженный в режиме ВКЛ световой сигнал 306, параллельный оси z (см. систему 220 координат). Микрозеркало 202(2) активировано в положении ВЫКЛ таким образом, чтобы зеркально отражать входной световой сигнал 206 в отраженный в режиме ВЫКЛ световой сигнал 320, направленный к ловушке пучка (не показана), которая поглощает отраженный в режиме ВЫКЛ световой сигнал 320. Микрозеркало 202(3) не активировано, когда лежит параллельно субстрату 204 (например, плоскости x-y) в плоском состоянии. Лицевая поверхность 304 каждого из микрозеркал 202 может быть покрыта слоем нанесенного металла (например, алюминия), который действует как отражающая поверхность для отражения входного светового сигнала 206. Зазоры 310 между соседними микрозеркалами 202 могут быть поглощающими, т. е. входной световой сигнал 206, который попадает в зазоры 310, поглощается субстратом 204. Для ясности механические структуры, физически соединяющие микрозеркала 202 с субстратом 204, не показаны. Без отклонения от объема настоящего изобретения, DMD 200 может быть реализовано так, чтобы направлять отраженный в режиме ВКЛ световой сигнал 306 и отраженный в режиме ВЫКЛ световой сигнал 320 в соответствующих направлениях, отличающихся от показанных на фиг. 3. В дополнение, DMD 200 может быть сконфигурировано так, что каждое из микрозеркал 202, когда не активировано, лежит под любым углом к субстрату 204.
Цифровой проектор, в котором применяется DMD 200, может быть спроектирован с учетом только зеркальных отражений входного светового сигнала 206 от микрозеркал 202. Однако микрозеркала 202 и зазоры 310 взаимодействуют с образованием двухмерной решетки, которая осуществляет дифракцию входного светового сигнала 206. Поэтому модулированный световой сигнал, распространяющийся от DMD 200, может формировать множество порядков дифракции, наблюдаемых в виде дифракционных картин Фраунгофера (см. дифракционные картины 700 и 800 на фиг. 7 и 8 соответственно) в дальней зоне DMD 200 или в фокальной плоскости линзы. Каждый порядок дифракции соответствует одному световому лучу, распространяющемуся от DMD 200 в уникальном соответствующем направлении. Согласно конструкции большая часть оптической мощности модулированного светового сигнала из DMD 200 находится в нулевом порядке дифракции, соответствующем зеркально отраженным в режимах ВКЛ и ВЫКЛ световым сигналам 306 и 320.
Дифракция входного светового сигнала 206 посредством DMD 200 может уменьшать коэффициент контрастности проектора (PCR) цифрового проектора, в котором применяется DMD 200 (например, цифрового проектора 100, представленного на фиг. 1, в отсутствие оптического фильтра 110). PCR проектора определяется в данном документе как отношение величин сил света в режимах ВКЛ и ВЫКЛ (или, эквивалентно, значений первой и второй фотометрической яркости), измеренных на проекционном экране (например, экране 116, представленном на фиг. 1), освещенном проектором. Величины силы света в режимах ВКЛ и ВЫКЛ генерируются, когда проектором управляют так, чтобы выдавать соответственно его самый яркий вывод (например, белый) и его самый темный вывод (например, черный). Когда в цифровом проекторе применяется DMD 200, величины силы света в режимах ВКЛ и ВЫКЛ генерируются, когда все микрозеркала 202 находятся соответственно в положениях ВКЛ и ВЫКЛ.
То, как DMD 200 осуществляет дифракцию входного светового сигнала 206, может определяться множеством параметров, таких как (1) длина волны входного светового сигнала 206, (2) направление входного светового сигнала 206, (3) шаг 212 DMD 200, (4) ширина 210 зазоров 310 DMD 200 и (5) углы наклона в режимах ВКЛ и ВЫКЛ микрозеркала 202. В обоих направлениях x и y DMD 200 шаг 212 равен сумме ширины 210 и длины 218 края микрозеркала, как показано на фиг. 2. Шаг 212 может составлять от 5 до 15 микрон. Ширина 210 может составлять менее 1 микрона. В одном примере шаг 212 составляет от 7 до 8 микрон и ширина 210 составляет от 0,7 до 0,9 микрона.
На фиг. 4 представлен вид сбоку оптического фильтра 400, который выполняет пространственное фильтрование модулированного светового сигнала 402 из DMD 200 для усиления PCR цифрового проектора 100. Оптический фильтр 400 является одним примером оптического фильтра 110. Без отступления от объема настоящего изобретения в оптическом фильтре 400 DMD 200 может быть заменено SLM 102 другого типа (например, фазовым модулятором на основе отражающего LCOS или пропускного LC). Оптический фильтр 400 содержит линзу 404, которая выполняет пространственное Фурье-преобразование модулированного светового сигнала 402 посредством фокусирования модулированного светового сигнала 402 на Фурье-плоскость 408. Модулированный световой сигнал 402 показан на фиг. 4 как множество стрелок, каждая из которых соответствует одному порядку дифракции и указывает в уникальном направлении, в котором распространяется один порядок дифракции. В одном варианте осуществления DMD 200 центрировано на оптической оси 422, определенной линзой 404, как показано на фиг. 4. В другом варианте осуществления DMD 200 расположено эксцентрично относительно оптической оси 422. Линза 404 имеет фокусное расстояние 410, и Фурье-плоскость 408 лежит на фокальной плоскости линзы 404. Маска 412 оптического фильтра, расположенная на Фурье-плоскости 408, выполняет пространственное фильтрование модулированного светового сигнала 402, прошедшего Фурье-преобразование в линзе 404. Пространственное Фурье-преобразование, выполненное линзой 404, преобразует угол распространения каждого порядка дифракции модулированного светового сигнала 402 в соответствующее пространственное положение на Фурье-плоскости 408. Таким образом, линза 404 обеспечивает возможность выбора желаемых порядков дифракции и отсеивания нежелаемых порядков дифракции, посредством пространственного фильтрования на Фурье-плоскости 408. Пространственное Фурье-преобразование модулированного светового сигнала 402 на Фурье-плоскости 408 эквивалентно дифракционной картине Фраунгофера модулированного светового сигнала 402.
Маска 412 оптического фильтра имеет по меньшей мере одну пропускную область 416, которая полностью или частично пропускает по меньше мере один порядок дифракции модулированного светового сигнала 402 через маску 412 оптического фильтра как фильтрованный световой сигнал 414. В определенных вариантах осуществления маска 412 оптического фильтра является непрозрачной там, где падают нежелаемые порядки дифракции модулированного светового сигнала 402. В некоторых вариантах осуществления маска 412 оптического фильтра является непрозрачной там, где маска 412 оптического фильтра не имеет пропускной области 416. В других вариантах осуществления маска 412 оптического фильтра сконфигурирована так, чтобы отражать, а не пропускать, желаемые порядки дифракции, чтобы пространственно отделять желаемые порядки дифракции от нежелаемых порядков дифракции.
В одном варианте осуществления оптический фильтр 400 содержит коллиматорную линзу 418, которая коллимирует фильтрованный световой сигнал 414 в коллимированный световой сигнал 420. Коллиматорная линза 418 может облегчать интеграцию оптического фильтра 400 с другими оптическими элементами или системами. Например, линза 418 может соединять фильтрованный световой сигнал 414 с дополнительными оптическими устройствами, расположенными за оптическим фильтром 400 (например, проекционной линзой 112 или блоком 1504 объединения пучков, который обсуждается ниже со ссылкой на фиг. 15). Коллиматорная линза 418 имеет фокусное расстояние 424 и расположена так, что фокальная плоскость коллиматорной линзы 418 совпадает с Фурье-плоскостью 408. Хотя фокусные расстояния 410 и 424 показаны на фиг. 4 как равные, фокусные расстояния 410 и 424 могут отличаться друг от друга без отступления от объема настоящего изобретения. В другом варианте осуществления оптический фильтр 400 содержит линзу, подобную коллиматорной линзе 418, которая оптически соединяет фильтрованный световой сигнал 414 с дополнительными оптическими устройствами, расположенными за оптическим фильтром 400 (например, проекционной линзой 112).
Для ясности на фиг. 4 показаны только дифрагированные пучки, дифрагирующие в одном измерении (например, в направлении x). Однако DMD 200 осуществляет дифракцию в двух измерениях, так что модулированный световой сигнал 402 также содержит дифрагированные пучки, которые были дифрагированы DMD 200 во втором измерении, перпендикулярном оптической оси 422 (например, в направлении y). Каждый дифрагированный пучок в двухмерной дифракционной картине может быть обозначен парой целых чисел, идентифицирующих порядок дифракции дифрагированного пучка для каждого из двух направлений. В данном документе «нулевой порядок» относится к одному дифрагированному пучку, который имеет нулевой порядок в обоих из двух направлений. Также без отступления от объема настоящего изобретения, каждая стрелка, представленная на фиг. 4 как часть модулированного светового сигнала 402, может указывать группу соседних порядков дифракции, например, группу, состоящую из нулевого порядка дифракции и множества первых порядков дифракции.
На фиг. 5 и 6 представлены виды сбоку примера цифрового проектора 500, который содержит DMD 200 и проекционную линзу 112, но не содержит оптический фильтр 110. На фиг. 5 и 6 показано, как порядки дифракции модулированного светового сигнала 402 из DMD 200 ослабляют PCR цифрового проектора 500. На фиг. 5 цифровой проектор 500 генерирует силу света в режиме ВКЛ путем активации всех микрозеркал 202 DMD 200 в положении ВКЛ (см. микрозеркало 202(1) в увеличенном виде 516). На фиг. 6 цифровой проектор 500 генерирует силу света в режиме ВЫКЛ путем активации всех микрозеркал 202 DMD 200 в положении ВЫКЛ (см. микрозеркало 202(1) в увеличенном виде 616). На фиг. 5 и 6 DMD 200 и проекционная линза 112 центрированы в направлениях x и y (см. систему 220 координат) на оптической оси 422. Фиг. 5 и 6 в последующем описании лучше рассматривать вместе.
На фиг. 5 DMD 200 осуществляет дифракцию входного светового сигнала 206 в модулированный в режиме ВКЛ световой сигнал 502, имеющий множество дифрагированных в режиме ВКЛ пучков 504. На фиг. 6 DMD 200 осуществляет дифракцию входного светового сигнала 206 в модулированный в режиме ВЫКЛ световой сигнал 602, имеющий множество дифрагированных в режиме ВЫКЛ пучков 604. В дальней зоне DMD 200 каждый из дифрагированных в режиме ВКЛ пучков 504 соответствует одному порядку дифракции или пику дифракционной картины Фраунгофера, сформированной модулированным в режиме ВКЛ световым сигналом 502, а каждый из дифрагированных в режиме ВЫКЛ пучков 604 соответствует одному порядку дифракции или пику дифракционной картины Фраунгофера, сформированной модулированным в режиме ВЫКЛ световым сигналом 602. В дальней зоне DMD 200 каждый из дифрагированных в режимах ВКЛ и ВЫКЛ пучков 504, 604 соответствует k-вектору, имеющему одно из множества направлений 510 распространения. В примере на фиг. 5 и 6 направления 510 распространения представлены как тонкие линии; каждый из дифрагированных в режимах ВКЛ и ВЫКЛ пучков 504, 604 выровнен с одним из направлений 510 распространения и представлен жирной стрелкой, имеющей длину, соответствующую его мощности или интенсивности.
Один аспект настоящих вариантов осуществления заключается в понимании того, что для фиксированного направления входного светового сигнала 206 мощность/интенсивность дифрагированных в режимах ВКЛ и ВЫКЛ пучков 504, 604 изменяется, когда микрозеркала 202 DMD 200 переключаются между положениями ВКЛ и ВЫКЛ, тогда как направления 510 распространения дифрагированных в режимах ВКЛ и ВЫКЛ пучков 504, 604 остаются неизменными, когда микрозеркала 202 DMD 200 переключаются между положениями ВКЛ и ВЫКЛ.
В примере на фиг. 5 входной световой сигнал 206 представляет собой монохроматическую плоскую волну, освещающую DMD 200 и распространяющуюся в направлении к DMD 200 так, что дифрагированный в режиме ВКЛ пучок 504(1) распространяется вдоль оптической оси 422. Дифрагированный в режиме ВКЛ пучок 504(1) содержит большую часть мощности модулированного в режиме ВКЛ светового сигнала 502. Дифрагированный в режиме ВКЛ пучок 504(1) может представлять нулевой порядок дифракции или множество соседствующих порядков дифракции (например, нулевой порядок дифракции и несколько первых порядков дифракции) модулированного в режиме ВКЛ светового сигнала 502.
На фиг. 5 также показан дифрагированный в режиме ВКЛ пучок 504(2), распространяющийся в направлении, отличающемся от направления дифрагированного в режиме ВКЛ пучка 504(1), но все же проходящий через прозрачную апертуру 508 проекционной линзы 112. Мощность в дифрагированном в режиме ВКЛ пучке 504(2) меньше, чем мощность в дифрагированном в режиме ВКЛ пучке 504(1). Множество дифрагированных в режиме ВКЛ пучков 518, включая дифрагированные в режиме ВКЛ пучки 504(1) и 504(2), проходят через прозрачную апертуру 508 проекционной линзы 112, которая проецирует дифрагированные в режиме ВКЛ пучки 518 на проекционный экран в виде проецируемого в режиме ВКЛ светового сигнала 514.
На фиг. 5 также показан дифрагированный в режиме ВКЛ пучок 504(3), распространяющийся в направлении мимо прозрачной апертуры 508. Проекционная линза 112 не проецирует дифрагированный в режиме ВКЛ пучок 504(3) на проекционный экран. Мощность в дифрагированном в режиме ВКЛ пучке 504(3) составляет малую долю мощности модулированного в режиме ВКЛ светового сигнала 502. Поэтому исключение дифрагированного в режиме ВКЛ пучка 504(3) из проецируемого в режиме ВКЛ светового сигнала 514 мало влияет на световой КПД цифрового проектора 500.
На фиг. 6 показаны дифрагированные в режиме ВЫКЛ пучки 604(1), 604(2), 604(3), соответствующие соответствующим дифрагированным в режиме ВКЛ пучкам 504(1), 504(2), 504(3), представленным на фиг. 5. Дифрагированный в режиме ВЫКЛ пучок 604(3) распространяется в сторону от оптической оси 422, проходя мимо прозрачной апертуры 508. Большая часть мощности модулированного в режиме ВЫКЛ светового сигнала 602 находится в дифрагированном в режиме ВЫКЛ пучке 604(3) и поэтому не будет проецироваться на проекционный экран.
На фиг. 6 дифрагированные в режиме ВЫКЛ пучки 604(1) и 604(2) проходят через прозрачную апертуру 508 и проецируются как часть проецируемого в режиме ВЫКЛ светового сигнала 614. Мощность в дифрагированных в режиме ВЫКЛ пучках 604(1) и 604(2) является малой в сравнении с мощностью в дифрагированном в режиме ВЫКЛ пучке 604(3). Однако мощность в дифрагированных в режиме ВЫКЛ пучках 604(1) и 604(2) увеличивает силу света в режиме ВЫКЛ цифрового проектора 500, тем самым уменьшая PCR цифрового проектора 500.
Поскольку большая часть оптической мощности модулированного в режиме ВКЛ светового сигнала 502 находится в дифрагированном в режиме ВКЛ пучке 504(1), другие дифрагированные в режиме ВКЛ пучки 504 во множестве дифрагированных в режиме ВКЛ пучков 518, проходящих через прозрачную апертуру 508 с формированием проецируемого в режиме ВКЛ светового сигнала 514, содержат относительно малую мощность и поэтому незначительно влияют на мощность проецируемого в режиме ВКЛ светового сигнала 514. Однако соответствующие дифрагированные в режиме ВЫКЛ пучки 604, проходящие через прозрачную апертуру 508, могут значительно увеличивать мощность в проецируемом в режиме ВЫКЛ световом сигнале 614, уменьшая PCR цифрового проектора 500.
Другой аспект настоящих вариантов осуществления состоит в понимании того, что порядки дифракции, соответствующие дифрагированным в режиме ВКЛ пучкам с малыми величинами оптической мощности, таким как дифрагированный в режиме ВКЛ пучок 504(2), описанный выше, может быть отфильтрован, чтобы увеличивать PCR с минимальным уменьшением вывода оптической мощности и КПД цифрового проектора 500. Для того чтобы найти порядки дифракции, которые необходимо отфильтровать, можно использовать коэффициент контрастности порядка дифракции (DOCR). Для каждого из направлений 510 распространения, проходящих через прозрачную апертуру 508, DOCR в данном документе определяют как отношение оптических мощностей пары соответствующих дифрагированных в режимах ВКЛ и ВЫКЛ пучков с одинаковым порядком дифракции и направлением распространения. Например, порядок дифракции, соответствующий дифрагированным в режимах ВКЛ и ВЫКЛ пучкам 504(1) и 604(1), имеет высокий DOCR. Порядки дифракции с высоким DOCR являются выгодными для увеличения PCR, и их можно преимущественно выбрать для проецирования на проекционный экран. С другой стороны, дифрагированные в режимах ВКЛ и ВЫКЛ пучки 504(2) и 604(2) соответствуют порядку дифракции с малым DOCR. Порядки дифракции с малым DOCR уменьшают PCR и могут быть преимущественно отфильтрованы для увеличения PCR цифрового проектора 500.
Для ясности на фиг. 5 и 6 показаны только дифрагированные пучки 504, 604, дифрагирующие в одном измерении (например, в направлении x). Однако DMD 200 осуществляет дифракцию входного светового сигнала 206 в двух измерениях, так что модулированные световые сигналы 502 и 602 также содержат дифрагированные пучки, которые были дифрагированы DMD 200 во втором измерении, перпендикулярном оптической оси 512 (например, в направлении y).
На фиг. 7 и 8 представлены графики интенсивности примеров дифракционных картин 700 и 800 Фраунгофера модулированных в режимах ВКЛ и ВЫКЛ световых сигналов 502 и 602, соответственно. Дифракционные картины 700 и 800 соответствуют Фурье-преобразованиям, производимым линзой 404 на Фурье-плоскости 408, когда цифровой проектор 100 работает с DMD 200 и оптическим фильтром 400. Дифракционные картины 700 и 800 были сгенерированы численно в соответствии с процедурой, более подробно описанной ниже в разделе «Численный анализ». Каждая из дифракционных картин 700 и 800 содержит множество разнесенных на равное расстояние дифракционных максимумов, соответствующих дифрагированным пучкам 504 и 604 соответственно. На фиг. 7 и 8 горизонтальная ось 704 и вертикальная ось 706 обозначают направляющие косинусы дифракционных максимумов относительно соответственно осей x и y системы 220 координат. На фиг. 7 и 8 интенсивности дифракционных картин 700 и 800 обозначены в соответствии со шкалой 708 интенсивности.
Окружность 702 на фиг. 7 и 8 представляет прозрачную апертуру 508, представленную на фиг. 5 и 6. Дифракционные максимумы, лежащие внутри окружности 702, представляют дифрагированные пучки 518, 618, которые проецируются проекционной линзой 112 как проецируемые в режимах ВКЛ и ВЫКЛ световые сигналы 514, 614 соответственно. На фиг. 7 самый яркий (например, с наивысшей интенсивностью) дифракционный максимум 710 в центре окружности 702 соответствует дифрагированному в режиме ВКЛ пучку 504(1), представленному на фиг. 5, и/или нулевому порядку модулированного в режиме ВКЛ светового сигнала 502. Дифракционные максимумы, лежащие вне пределов окружности 702, не проецируются на проекционный экран.
На фиг. 8 самый дифракционный максимум 810, соответствующий дифрагированному в режиме ВЫКЛ пучку 604(3), находится при более высоких значениях косинусов направленности за пределами окружности 702 и поэтому не проецируется на проекционный экран. Однако множество дифракционных максимумов 812 низкой мощности в окружности 702 проецируются на проекционный экран как проецируемый в режиме ВЫКЛ световой сигнал 614, увеличивая силу света в режиме ВЫКЛ и уменьшая PCR.
Чтобы увеличить PCR, оптический фильтр 400 может быть реализован так, чтобы уменьшать силу света в режиме ВЫКЛ путем блокирования порядков дифракции, лежащих внутри окружности 702, которые вносят относительно больший вклад в силу света в режиме ВЫКЛ, чем в силу света в режиме ВКЛ. Дифракционные картины 700 и 800 Фраунгофера представляют Фурье-преобразования модулированного светового сигнала 402 и иллюстрируют то, как пропускные области 416 могут быть сконфигурированы так, чтобы маска 412 оптического фильтра пропускала желаемые порядки дифракции для проецирования и блокировала все другие нежелаемые порядки дифракции, которые в ином случае бы проецировались. Более конкретно, с использованием параметров линзы 404 косинусы направленности, связанные с каждым желаемым дифракционным максимумом, могут быть преобразованы в пространственное положение на маске 412 оптического фильтра, в котором может быть расположена пропускная область 416 для пропускания желаемого дифракционного максимума через маску 412 оптического фильтра. Аналогично косинусы направленности, связанные с каждым нежелаемым дифракционным максимумом, могут быть преобразованы в пространственное положение на маске 412 оптического фильтра, в котором маска 412 оптического фильтра является непрозрачной, чтобы блокировать (например, отфильтровывать) нежелаемый дифракционный максимум.
В одном варианте осуществления маска 412 оптического фильтра содержит одну пропускную область 416, имеющую размер, геометрическую форму, положение и ориентацию, выбранные так, чтобы оптимизировать PCR и/или световой КПД цифрового проектора. В другом варианте осуществления маска 412 оптического фильтра имеет множество пропускных областей 416 и размер, геометрическую форму, положение и/или ориентацию выбирают для каждой пропускной области 416 так, чтобы оптимизировать PCR и/или световой КПД цифрового проектора.
На фиг. 9–14 представлены виды спереди примеров маски 412 оптического фильтра, представленной на фиг. 4, показывающие примеры конфигураций пропускной области (областей) 416. На каждой из фиг. 9–14 множество положений 902 порядков дифракции, например, порядков дифракции, связанных с разными парами соответствующих дифрагированных в режимах ВКЛ и ВЫКЛ пучков 504 и 604, обозначены знаками «X», образующими двумерную решетку. Например, на фиг. 9, положение 902(2) обозначает один порядок дифракции, заблокированный маской 900 оптического фильтра, тогда как положение 902(1) обозначает один порядок дифракции, пропущенный маской 900 оптического фильтра.
На фиг. 9 и 10 показаны примеры масок 900 и 1000 оптического фильтра, имеющих круглые пропускные области 904 и 1004 соответственно. Каждая из круглых пропускных областей 904 и 1004 может представлять собой отверстие или материал, который является по меньшей мере частично пропускающим свет. Круглые пропускные области 904 и 1004 являются примерами пропускной области 416. Круглая пропускная область 904 имеет такой размер, чтобы пропускать один порядок дифракции через маску 900 оптического фильтра. Круглая пропускная область 1004 имеет такой размер, чтобы пропускать множество порядков дифракции через маску оптического фильтра, например, девять порядков дифракции, образующих решетку 3 x 3, как показано на фиг. 9. Хотя на фиг. 9 и 10 круглые пропускные области 904 и 1004 показаны как центрированные на соответствующих масках 900 и 1000 оптического фильтра и таким образом центрированные на оптической оси 422, круглые пропускные области 904 и 1004 могут быть расположены эксцентрично, без отступления от объема настоящего изобретения.
На фиг. 11 и 12 показаны примеры масок 1100 и 1200 оптического фильтра, имеющих квадратные пропускные области 1104 и 1204 соответственно. Каждая из квадратных пропускных областей 1104 и 1204 может представлять собой квадратное отверстие или материал квадратной формы, который является по меньшей мере частично пропускающим свет. Квадратные пропускные области 1104 и 1204 являются примерами пропускной области 416. Квадратная пропускная область 1104 центрирована на маске 1100 оптического фильтра и имеет такой размер, чтобы пропускать множество порядков дифракции через маску 1100 оптического фильтра, например, девять порядков дифракции, образующих решетку 3 x 3, как показано на фиг. 11. Квадратная пропускная область 1204 расположена эксцентрично на маске 1200 оптического фильтра и имеет такой размер, чтобы пропускать множество порядков дифракции через маску 1200 оптического фильтра, например, четыре порядка дифракции, образующих решетку 2 x 2.
На фиг. 13 показан пример маски 1300 оптического фильтра, имеющей неправильную прямоугольную пропускную область 1304, приспособленную пропускать три соседних порядка дифракции через маску 1300 оптического фильтра. Неправильная прямоугольная пропускная область 1304 является примером пропускной области 416 и может представлять собой отверстие или материал, который является по меньшей мере частично пропускающим свет.
На фиг. 14 показан пример маски 1400 оптического фильтра, имеющей множество круглых пропускных областей 1404, каждая из которых расположена и выполнена в таком размере, чтобы пропускать один порядок дифракции через маску 1400 оптического фильтра, например, четыре пропускные области 1404. Круглые пропускные области 1404 представляют собой пример множества пропускных областей 416.
Пропускная область 416 может иметь другие форму, размер и/или положение, чем показанные в примерах на фиг. 9–14, без отхода от объема настоящего изобретения. В одном классе вариантов реализации каждый из примеров пропускных областей 416, показанных на фиг. 9–14, представляет собой отверстие, образованное в маске 412 оптического фильтра (например, просверливанием, фрезерованием или травлением). В другом классе вариантов реализации каждый из примеров пропускных областей 416, показанных на фиг. 9–14, представляет собой оптически прозрачное окно, оптически полупрозрачное окно или цветовой фильтр (например, дихроичный фильтр или тонкопленочный фильтр), физически соединенные с маской 412 оптического фильтра или встроенные в маску 412 оптического фильтра. В примерах, представленных на фиг. 9–14, маски оптического фильтра (например, маска 900 оптического фильтра) имеют круглую форму; каждая из этих масок оптического фильтра может вместо этого иметь другую форму (например, квадратную или прямоугольную) без отхода от объема настоящего изобретения. В некоторых из примеров, представленных на фиг. 9–14, (например, масках 900 и 1000 оптического фильтра) маски оптического фильтра сконфигурированы так, чтобы быть центрированными на оптической оси 422; каждая из этих масок оптического фильтра вместо этого может быть сконфигурирована так, чтобы быть эксцентричной относительно оптической оси 422, без отхода от объема настоящего изобретения.
Маска оптического фильтра 412 может быть выполнена из металла, такого как алюминий или нержавеющая сталь. Металл может быть анодированным или черненым, чтобы повышать поглощение света, блокируемого маской 412 оптического фильтра. Альтернативно маска 412 оптического фильтра может быть выполнена из полупроводникового субстрата, такого как кремний, в котором может быть вытравлена или выточена пропускная область 416. В другом варианте осуществления маска 412 оптического фильтра выполнена из оптически прозрачного субстрата (например, стекла), который покрыт светопоглощающим материалом (например, черной краской), чтобы блокировать свет в зонах, не совпадающих с пропускной областью (областями) 416. В другом варианте осуществления маска 412 оптического фильтра представляет собой активную маску оптического фильтра, имеющую динамически конфигурируемые пропускные области 416, например, массив зеркал с электронным управлением.
В некоторых вариантах осуществления маска 412 оптического фильтра содержит постепенный, или «тонкий», край между пропускной областью 416 (например, пропускными областями 904, 1004, 1104, 1204, 1304 и/или 1404) и окружающими непрозрачными областями маски 412 оптического фильтра (например, масок 900, 1000, 1100, 1200, 1300 и 1400 оптического фильтра). Постепенный край может быть выполнен из материала (например, стекла, пластмассы) с оптической плотностью, которая в пространстве монотонно возрастает от относительно низкого значения (например, 0) в точках, близких к пропускной области 416, до относительно высокого значения (например, 10 или выше) в точках, близких к окружающим непрозрачным областям. При наличии постепенного края пропускная область 416 не имеет четкого края, на котором прозрачность резко падает (например, ступенчатое изменение прозрачности в пространстве). Преимущественно постепенный край уменьшает точность расположения маски 412 оптического фильтра на Фурье-плоскости 408. Это является особенно выгодным, когда входной световой сигнал 106 исходит из лазера с низким геометрическим фактором, для которого функция рассеяния точки является малой. Для сравнения, лазер с высоким геометрическим фактором имеет широкую функцию рассеяния точки, которая размывает источник света, тем самым ослабляя точность, необходимую для расположения маски 412 оптического фильтра. В вариантах осуществления, в которых пропускная область 416 представляет собой окружность диаметра  (например, пропускные области 904 и 1004), постепенный край может представлять собой кольцо, которое центрировано на окружности, имеет внутренний диаметр  и имеет наружный диаметр от, например, 1,1 до 1,2; при этом любая часть маски 412 оптического фильтра, которая расположена от центра окружности дальше, чем наружный диаметр, может быть непрозрачной.
На фиг. 15 представлена функциональная схема примера разноцветного цифрового проектора 1500, который добивается увеличенного PCR посредством оптического фильтрования каждого цветового канала с пространственным мультиплексированием. Разноцветный цифровой проектор 1500 имеет множество оптических фильтров 400 и соответствующее количество DMD 200. Каждый оптический фильтр 400 образует пару с соответствующим DMD 200 так, чтобы работать с разным соответствующим основным цветом. Без отступления от объема настоящего изобретения в цифровом проекторе 1500 каждое DMD 200 может быть заменено SLM 102 другого типа (например, фазовым модулятором на основе отражающего LCOS или пропускного LC). На фиг. 15 разноцветный цифровой проектор 1500 представлен как имеющий три цветовых канала, и следующее описание относится к этим трем цветовым каналам. Однако следует понимать, что разноцветный цифровой проектор 1500 вместо этого может быть сконфигурирован только с двумя цветовыми каналами или более с чем тремя цветовыми каналами.
DMD 200(1), 200(2) и 200(3) модулируют соответствующие входные световые сигналы 206(1), 206(2) и 206(3) в соответствующие модулированные световые сигналы 402(1), 402(2) и 403(3), которые проходят оптическую фильтрацию со стороны соответствующих оптических фильтров 400(1), 400(2) и 400(3) в соответствующие фильтрованные световые сигналы 414(1), 414(2) и 414(3). Разноцветный цифровой проектор 1500 дополнительно содержит блок 1504 объединения пучков, который объединяет фильтрованные световые сигналы 414(1), 414(2) и 414(3) в сложный свет 1510. Проекционная линза 112 сконфигурирована так, чтобы проецировать сложный свет 1510 на проекционный экран (например, экран 116, представленный на фиг. 1). Разноцветный цифровой проектор 1500 представляет собой один вариант осуществления цифрового проектора 100, расширенный для работы с тремя отдельными цветными входными сигналами для выдачи сложного света.
В одном варианте осуществления разноцветный цифровой проектор 1500 содержит коллиматорные линзы 418(1), 418(2) и 418(3), которые коллимируют соответствующие фильтрованные световые сигналы 414(1), 414(2) и 414(3) в соответствующие коллимированные световые сигналы 420(1), 420(2) и 420(3). В этом варианте осуществления блок 1504 объединения пучков объединяет коллимированные световые сигналы 420(1), 420(2) и 420(3), как показано на фиг. 15. В вариантах осуществления разноцветного цифрового проектора 1500, которые не содержат коллиматорные линзы 418, блок 1504 объединения пучков объединяет фильтрованные световые сигналы 414(1), 414(2) и 414(3), которые не являются коллимированными.
В одном варианте осуществления разноцветный цифровой проектор 1500 содержит призмы 1502(1), 1502(2) и 1503(3) с полным внутренним отражением (TIR), которые отражают входные световые сигналы 206(1), 206(2) и 206(3) в соответствующие DMD 200(1), 200(2) и 200(3) и пропускают соответствующие модулированные световые сигналы 402(1), 402(2) и 402(3) на соответствующие оптические фильтры 400(1), 400(2) и 400(3). Разноцветный цифровой проектор 1500 может быть сконфигурирован с зеркалами 1506 и 1508, которые направляют коллимированные световые сигналы 420(1) и 420(3) на блок 1504 объединения пучков, как представлено на фиг. 15. Хотя и показан на фиг. 15 как поперечная дихроичная, или x-кубическая, призма, блок 1504 объединения пучков может представлять собой блок объединения пучков другого типа, известный в данной области техники.
В одном варианте реализации разноцветного цифрового проектора 1500 первым, вторым и третьим основными цветами являются красный, зеленый и синий соответственно. Когда входные световые сигналы 206(1), 206(2) и 206(3) являются монохроматическими, длину волны каждого входного светового сигнала 206(1), 206(2) и 206(3) можно выбрать так, что входные световые сигналы 206(1), 206(2) и 206(3) представляют соответственно красный, зеленый и синий основные цвета, которые являются спектрально чистыми. В одном таком примере длина волны входного светового сигнала 206(1), представляющего красный основной цвет, представляет собой одну из 615 нм, 640 нм и 655 нм, длина волны входного светового сигнала 206(2), представляющего зеленый основной цвет, представляет собой одну из 525 нм, 530 нм и 545 нм, и длина волны входного светового сигнала 206(3), представляющего синий основной цвет, представляет собой одну из 445 нм, 450 нм и 465 нм. Альтернативно входные световые сигналы 206(1), 206(2) и 206(3) могут быть полихроматическими, так что красный, зеленый и синий основные цвета не являются спектрально чистыми цветами. Без отступления от объема настоящего изобретения, три основных цвета могут представлять собой набор цветов, отличный от красного, зеленого и синего.
Разноцветный цифровой проектор 1500 увеличивает PCR путем увеличения PCR каждого основного цвета (например, красного, зеленого и синего). Несколько оптических процессов, используемых разноцветным цифровым проектором 1500, зависят от длины волны, включая дифракцию входного светового сигнала 206 посредством DMD 200, преломление модулированного светового сигнала 402 посредством TIR призмы 1502 и фокусирование модулированного светового сигнала 402 посредством линзы 404. Поэтому дифракционная картина Фраунгофера каждого из модулированных световых сигналов 402(1), 402(2) и 402(3) зависит от длины волны. В одном варианте осуществления маски 412(1), 412(2) и 412(3) оптического фильтра конфигурируют по отдельности на основании длины волны каждого из соответствующих входных световых сигналов 206(1), 206(2) и 206(3) так, чтобы увеличивать PCR первого, второго и третьего основных цветов соответственно.
На фиг. 16 представлена функциональная схема, показывающая пример разноцветного цифрового проектора 1600, который добивается увеличенного PCR посредством оптического фильтрования с временным мультиплексированием разных цветовых каналов. Цифровой проектор 1600 содержит одно DMD 200 и один оптический фильтр 1610, имеющий диск 1612 со светофильтрами. На фиг. 17 представлен график зависимости оптической мощности от времени для светового сигнала 1601 с временным мультиплексированием, используемого в качестве входного светового сигнала разноцветного цифрового проектора 1600. На фиг. 18 и 19 представлены примеры диска 1612 со светофильтрами. Фиг. 16–19 в последующем описании лучше рассматривать вместе.
Световой сигнал 1601 с временным мультиплексированием содержит повторяющуюся последовательность 1702 разделенных во времени входных световых сигналов 206. Хотя разноцветный цифровой проектор 1600 может быть сконфигурирован так, чтобы принимать и выдавать входные световые сигналы любого количества разных цветов, на фиг. 17–19 и в следующем обсуждении рассматривается трехцветный вариант осуществления разноцветного цифрового проектора 1600. В этом варианте осуществления световой сигнал 1601 с временным мультиплексированием содержит разделенные во времени входные световые сигналы 206(1), 206(2) и 206(3). На фиг. 17 показан один пример светового сигнала 1601 с временным мультиплексированием, где последовательность 1702 содержит первый импульс входного светового сигнала 206(1), второй импульс входного светового сигнала 206(2) и третий импульс входного светового сигнала 206(3). Входные световые сигналы 206(1), 206(2) и 206(3) могут представлять, например, красный, зеленый и синий основные цвета. Импульсы входных световых сигналов 206(1), 206(2) и 206(3) перекрываются в пространстве, чтобы использовать одни и те же DMD 200, оптический фильтр 1610 и проекционную линзу 112. На фиг. 17 импульсы входных световых сигналов 206(1), 206(2) и 206(3) представлены как имеющие одинаковые мощность (например, высоту импульса), длительность (например, ширину импульса) и время «отключения» между импульсами (например, интервал между импульсами). Без отступления от объема настоящего изобретения разноцветный цифровой проектор 1600 может принимать входные световые сигналы 206, характеризующиеся другими конфигурациями мощности, длительности и времени «отключения». Например, выбранный один из первого, второго и третьего импульсов входных световых сигналов 206(1), 206(2) и 206(3) может иметь более высокую мощность, чтобы компенсировать более низкую эффективность дифракции DMD 200 на длине волны входного светового сигнала, соответствующей выбранному импульсу.
DMD 200 сконфигурировано так, чтобы синхронно модулировать, согласно изображению, входные световые сигналы 206(1), 206(2) и 206(3) светового сигнала 1601 с временным мультиплексированием в модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием. Другими словами, микрозеркала 202 DMD 200 переводят в первую конфигурацию, когда модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием представляет собой первый входной световой сигнал 206(1), во вторую конфигурацию, когда модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием представляет собой второй входной световой сигнал 206(2), и в третью конфигурацию, когда модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием представляет собой третий входной световой сигнал 206(3). Первая, вторая и третья конфигурации могут быть разными. Без отступления от объема настоящего изобретения в цифровом проекторе 1600 DMD 200 может быть заменено SLM 102 другого типа (например, фазовым модулятором на основе отражающего LCOS или пропускного LC).
Оптический фильтр 1610 подобен оптическому фильтру 400, представленному на фиг. 4, за исключением того, что диск со светофильтрами 1612 заменяет маску 412 оптического фильтра. Диск 1612 со светофильтрами содержит множество масок 412 оптического фильтра, сконфигурированных так, чтобы синхронно фильтровать входные световые сигналы 206(1), 206(2) и 206(3) модулированного светового сигнала 1602 с временным мультиплексированием. Например, в варианте осуществления, где диск 1612 со светофильтрами содержит маски первого, второго и третьего оптических фильтров, соответствующие первому, второму и третьему входным световым сигналам 206(1), 206(2) и 206(3), мотор 1614 поворачивает диск 1612 со светофильтрами так, что маска 412 первого оптического фильтра перехватывает и фильтрует модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием на Фурье-плоскости 408, когда модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием представляет собой первый входной световой сигнал 206(1), маска 412 второго оптического фильтра перехватывает и фильтрует модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием на Фурье-плоскости 408, когда модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием представляет собой второй входной световой сигнал 206(2), и маска 412 третьего оптического фильтра перехватывает и фильтрует модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием на Фурье-плоскости 408, когда модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием представляет собой третий входной световой сигнал 206(3).
В одном варианте осуществления разноцветного цифрового проектора 1600 мотор 1614 поворачивает диск 1612 со светофильтрами поэтапно так, чтобы осуществлять переключение между разными масками 412 оптического фильтра синхронно с последовательностью импульсов входных световых сигналов 206(1), 206(2) и 206(3), при этом поддерживая неподвижное положение диска 1612 со светофильтрами во время распространения каждого из этих импульсов через Фурье-плоскость 408. В этом варианте осуществления мотор 1614 работает следующим образом. До того как импульс входных световых сигналов 206(1), 206(2) и 206(3) достигнет Фурье-плоскости 408, мотор 1614 поворачивает диск 1612 со светофильтрами в положение соответствующей маски 412 оптического фильтра на пути модулированного светового сигнала 1602 с временным мультиплексированием на Фурье-плоскости 408. После того, как соответствующий импульс фильтрованного светового сигнала завершает распространение через маску 412 оптического фильтра, мотор 1614 поворачивает диск 1612 со светофильтрами в положение следующей маски 412 оптического фильтра на пути модулированного светового сигнала 1602 с временным мультиплексированием на Фурье-плоскости 408.
В определенных вариантах осуществления линза 404, как реализованная в оптическом фильтре 1610 для фокусирования модулированного светового сигнала 1602 с временным мультиплексированием, может быть сконфигурирована уменьшать хроматические аберрации, которые приводят к изменению фокусного расстояния линзы 404 с длиной волны. В одном таком варианте осуществления линза 404 представляет собой ахроматическую линзу, спроектированную выполнять фокусирование одинаково на длинах волн входных световых сигналов 206(1), 206(2), 206(3) так, что Фурье-плоскости, соответствующие каждой из трех длин волн, являются расположенными одинаково. В другом таком варианте осуществления линза 404 представляет собой апохроматическую линзу, суперахроматическую линзу, линзу объектива, составную линзу с несколькими элементами линзы, узел из нескольких линз и/или других оптических элементов или линзу другого типа, известного в данной области техники. Линза 404 может иметь одно или более антиотражательных покрытий, которые улучшают пропускание модулированного светового сигнала 1602 с временным мультиплексированием через линзу 404 на длинах волн входных световых сигналов 206(1), 206(2), 206(3).
В одном варианте осуществления разноцветный цифровой проектор 1600 сконфигурирован с коллиматорной линзой 1618, которая коллимирует фильтрованный световой сигнал с временным мультиплексированием, который пропускается диском 1612 со светофильтрами, в коллимированный световой сигнал 1606 с временным мультиплексированием, который проецируется на экран проекционной линзой 112. В другом варианте осуществления проекционная линза 112 сконфигурирована так, чтобы получать световой сигнал с временным мультиплексированием, который не является коллимированным, при этом коллиматорная линза 1618 не включена в разноцветный цифровой проектор 1600.
На фиг. 18 представлен вид спереди примера диска 1800 со светофильтрами, имеющего три сектора 1802, каждый из которых содержит одну маску оптического фильтра. Диск 1800 со светофильтрами является примером диска 1612 со светофильтрами. Мотор 1614 поворачивает диск 1800 со светофильтрами вокруг оси 1804, при этом каждый поворот диска 1800 со светофильтрами соответствует одной последовательности 1702 светового сигнала 1602 с временным мультиплексированием. В некоторых вариантах осуществления мотор 1614 поворачивает диск 1800 со светофильтрами поэтапно, как описано ранее. В примере на фиг. 18 маска первого оптического фильтра первого сектора 1802(1) показана как маска 900 оптического фильтра, представленная на фиг. 9, маска второго оптического фильтра второго сектора 1802(2) показана как маска 1300 оптического фильтра, представленная на фиг. 13, и маска третьего оптического фильтра третьего сектора 1802(3) показана как маска 1400 оптического фильтра, представленная на фиг. 14. Однако маски оптического фильтра секторов 1802 могут быть сконфигурированы с пропускными областями (например, пропускной областью 416), имеющими другие формы, размеры и положения, чем показанные на фиг. 18, без отступления от объема настоящего изобретения.
В одном варианте осуществления разноцветный цифровой проектор 1600 сконфигурирован так, чтобы отображать изображения без определенных временных артефактов, и с этой целью длительность последовательности 1702 является более короткой, чем время ответа зрительной системы человека. Например, частота мультиплексирования светового сигнала 1601 с временным мультиплексированием, представляющая собой величину, обратную длительности последовательности 1702, может быть выше, чем частота слияния мельканий, чтобы использовать инертность зрительного восприятия. Частота мультиплексирования может составлять 1 килогерц или выше, соответствуя ширине импульса менее 1 миллисекунды для каждого из входных световых сигналов 206(1), 206(2) и 206(3).
На фиг. 19 представлен вид спереди примера диска 1900 со светофильтрами, который имеет шесть секторов 1902, каждый из которых содержит одну маску оптического фильтра. Мотор 1614 поворачивает диск 1900 со светофильтрами вокруг оси 1804 так, что каждый полный поворот диска 1900 со светофильтрами соответствует двум последовательным итерациям последовательности 1702. Одно преимущество диска 1900 со светофильтрами над диском 1800 со светофильтрами заключается в том, что диск 1900 со светофильтрами поворачивается с половиной частоты мультиплексирования светового сигнала 1601 с временным мультиплексированием, тем самым снижая требования к потреблению энергии и скорости мотора 1614. В другом варианте осуществления диск 1612 со светофильтрами имеет  секторов, где  является положительным целым числом. Каждый набор из трех секторов содержит маски трех оптических фильтров, и каждый полный поворот диска 1900 со светофильтрами соответствует  последовательным итерациям последовательности 1702, тем самым позволяя мотору 1614 и диску 1612 со светофильтрами поворачиваться с  частоты мультиплексирования светового сигнала 1601 с временным мультиплексированием. В одном сценарии использования мотор 1614 поворачивает диск 1900 со светофильтрами поэтапно, так, что каждая маска оптического фильтра диска 1900 со светофильтрами является неподвижной во время фильтрования соответствующего импульса входного светового сигнала 206.
На фиг. 20 представлен способ 2000 усиления контраста изображения, генерируемого с помощью пространственного модулятора света. Способ 2000 может быть выполнен оптическим фильтром 400. Способ 2000 включает этап 2002 для выполнения пространственного Фурье-преобразования модулированного светового сигнала из пространственного модулятора света на Фурье-плоскость. Модулированный световой сигнал содержит множество порядков дифракции. В одном примере этапа 2002 линза 404 выполняет пространственное Фурье-преобразование модулированного светового сигнала 402 на Фурье-плоскость 408. Способ 2000 также включает этап 2004 фильтрования модулированного светового сигнала, прошедшего Фурье-преобразование на этапе 2002. Этап 2004 включает два этапа 2006 и 2008, которые могут происходить одновременно. Этап 2006 включает пропускание по меньшей мере одного порядка дифракции модулированного светового сигнала на Фурье-плоскости. Этап 2008 включает блокирование остальной части модулированного светового сигнала на Фурье-плоскости. В одном примере этапов 2006 и 2008 маска 412 оптического фильтра пропускает по меньшей мере один порядок дифракции модулированного светового сигнала 402 через пропускную область (области) 416 на Фурье-плоскости 408 и блокирует остальную часть модулированного светового сигнала 402 на Фурье-плоскости 408. В другом примере этапов 2006 и 2008 маска 412 оптического фильтра пропускает по меньшей мере нулевой порядок дифракции модулированного светового сигнала 402 через пропускную область (области) 416 на Фурье-плоскости 408 и блокирует остальную часть модулированного светового сигнала 402 на Фурье-плоскости 408. В другом примере способа 2000 модулированный световой сигнал 402 представляет собой монохроматический свет. В другом примере способа 2000 модулированный световой сигнал 402 представляет собой один из красного света, зеленого света и синего света. В другом примере способа 2000 модулированный световой сигнал 402 представляет собой сложный свет, образованный путем комбинирования красного света, зеленого света и синего света. В этом примере модулированный световой сигнал 402 может представлять собой белый свет. В одном варианте осуществления способ 2000 дополнительно включает этап 2010 коллимирования, после этапа 2006, по меньшей мере одного порядка дифракции пропущенного модулированного светового сигнала. В одном примере этапа 2010 коллиматорная линза 418 коллимирует фильтрованный световой сигнал 414.
На фиг. 21 представлен способ 2100 проецирования цветного изображения с усиленным контрастом посредством оптического фильтрования каждого цветового канала с пространственным мультиплексированием. Способ 2100 может быть выполнен разноцветным цифровым проектором 1500. Способ 2100 включает этап 2102 пространственной модуляции первого, второго и третьего входных световых сигналов, в соответствии с цветным изображением, для генерирования соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов. Первый, второй и третий входные световые сигналы могут представлять свет для трех разных соответствующих цветовых каналов цветного изображения, как обсуждается выше со ссылкой на фиг. 15. Каждый из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов содержит множество порядков дифракции. В одном примере этапа 2102 DMD 200(1), 200(2) и 200(3), представленные на фиг. 15, осуществляют пространственную модуляцию соответствующих первого, второго и третьего входных световых сигналов 206(1), 206(2) и 206(3) в соответствующие первый, второй и третий модулированные световые сигналы 402(1), 402(2) и 402(3). Способ 2100 также включает этап 2104 фильтрования первого, второго и третьего модулированных световых сигналов (сгенерированных на этапе 2102) в соответствующие первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы. В одном варианте осуществления на этапе 2104 выполняют способ 2000 для каждого из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, чтобы получать первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы. В одном примере такого варианта осуществления этапа 2104 маски 412(1), 412(2) и 412(3) оптического фильтра разноцветного цифрового проектора 1500 фильтруют соответствующие первый, второй и третий модулированные световые сигналы 402(1), 402(2) и 402(3), прошедшие Фурье-преобразование, в соответствующие первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы 414(1), 414(2) и 414(3). Этап 2104 включает этапы 2106 и 2108, которые могут происходить одновременно. Этап 2106 включает пропускание по меньшей мере одного порядка дифракции каждого из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов. Этап 2108 включает блокирование остальной части первого, второго и третьего модулированных световых сигналов. В одном примере этапов 2106 и 2108 маски 412(1), 412(2) и 412(3) оптического фильтра разноцветного цифрового проектора 1500 пропускают по меньшей мере один порядок дифракции каждого из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов 402(1), 402(2) и 402(3), прошедших Фурье-преобразование, и блокируют остальную часть первого, второго и третьего модулированных световых сигналов 402(1), 402(2) и 402(3). Способ 2100 также включает этап 2110 объединения первого, второго и третьего фильтрованных световых сигналов, сгенерированных на этапе 2104, для формирования выходного светового сигнала. В одном примере этапа 2110 блок 1504 объединения пучков объединяет первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы 414(1), 414(2) и 414(3) в выходной световой сигнал 1510. В одном варианте осуществления способ 2100 дополнительно включает этап 2112 проецирования выходного светового сигнала на экран. В одном примере этапа 2112 проекционная линза 112 проецирует выходной световой сигнал 1510 на экран, такой как проекционный экран 116.
Без отхода от объема настоящего изобретения способ 2100 может быть расширен на обработку только двух световых каналов или более трех световых каналов, например, четырех световых каналов.
На фиг. 22 представлен способ 2200 временного мультиплексирования для генерирования и проецирования цветного изображения с усиленным контрастом. Способ 2200 может быть выполнен разноцветным цифровым проектором 1600. Способ 2200 включает этап 2202 модуляции светового сигнала с временным мультиплексированием, в соответствии с цветным изображением, которое необходимо проецировать, пространственным модулятором света, чтобы генерировать модулированный световой сигнал с временным мультиплексированием, имеющий повторяющуюся последовательность первого, второго и третьего модулированных световых сигналов. Первый, второй и третий модулированные световые сигналы могут представлять свет для трех разных цветовых каналов цветного изображения, как обсуждается выше со ссылкой на фиг. 16. В одном примере этапа 2202 DMD 200 разноцветного цифрового проектора 1600 модулирует световой сигнал 1601 с временным мультиплексированием в модулированный световой сигнал 1602 с временным мультиплексированием. Способ 2200 также включает этап 2204 пространственного Фурье-преобразования модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием (сгенерированного на этапе 2202) с помощью линзы. В одном примере этапа 2204 линза 404 выполняет пространственное Фурье-преобразование модулированного светового сигнала 1602 с временным мультиплексированием. Способ 2200 дополнительно включает этап 2206 фильтрования модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием, прошедшего пространственное Фурье-преобразование на этапе 2204, посредством поворачивания диска со светофильтрами синхронно с модулированным световым сигналом с временным мультиплексированием. Диск со светофильтрами содержит множество масок оптического фильтра, каждая из которых сконфигурирована фильтровать соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, прошедших пространственное Фурье-преобразование посредством линзы на этапе 2204. Этап 2206 включает поворачивание диска со светофильтрами так, чтобы располагать каждую из масок оптического фильтра в прошедшем Фурье-преобразование световом сигнале, когда модулированный световой сигнал с временным мультиплексированием является соответствующим одним из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов. В одном примере этапа 2206 мотор 1614 поворачивает диск 1612 со светофильтрами синхронно с модулированным световым сигналом 1602 с временным мультиплексированием, как обсуждалось выше со ссылкой на фиг. 16. В другом примере этапа 2206 мотор 1614 поворачивает диск 1612 со светофильтрами поэтапно так, что каждая маска оптического фильтра является неподвижной, когда фильтрует соответствующий модулированный световой сигнал. В одном варианте осуществления способ 2200 дополнительно включает этап 2208 проецирования модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием, после фильтрации, на экран. В качестве примера этапа 2208 проекционная линза 112 проецирует световой сигнал с временным мультиплексированием, фильтрованный маской 1612 оптического фильтра и необязательно коллимированный коллиматорной линзой 1618, на экран проектора.
Без отхода от объема настоящего изобретения способ 2200 может быть расширен на обработку только двух световых каналов или более трех световых каналов, например, четырех световых каналов.
ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ
Следующее обсуждение относится к численному анализу для изучения того, как коэффициент контрастности цифрового проектора, оснащенного DMD 200, зависит от различных параметров, включая длину волны, углы наклона в режимах ВКЛ и ВЫКЛ микрозеркала 202, допуски углов наклона в режимах ВКЛ и ВЫКЛ, геометрические формы пропускной области 416 маски 412 оптического фильтра, угловые и спектральные разнесения входного светового сигнала 206 и эффективный размер источника освещения, генерирующего входной световой сигнал 206. Цифровые проекторы 100, 500, 1500 и 1600 могут быть сконфигурированы в соответствии с параметрами, изученными при этом численном анализе.
На фиг. 23 представлен вид сбоку модельного эксперимента 2300, для которого численные результаты представлены в этом разделе. В модельном эксперименте 2300 DMD 200 модулирует входной световой сигнал 206 в модулированный световой сигнал 402, содержащий множество порядков дифракции. Вычисляют дифракционную картину Фраунгофера модулированного светового сигнала 402 и моделируют пространственный фильтр 2302, обозначая каждый порядок дифракции дифракционной картины Фраунгофера или как пропускаемый, или как блокируемый пространственным фильтром 2302, в зависимости от геометрической формы и конфигурации пространственного фильтра 2302. Пространственный фильтр 2302 является одним примером маски 412 оптического фильтра. Коэффициент контрастности модельного эксперимента 2300 получают путем численного интегрирования порядков дифракции, обозначенных как пропускаемые пространственным фильтром 2302, один раз, когда микрозеркала 202 DMD 200 переведены в положение ВКЛ, и еще раз, когда микрозеркала 202 DMD 200 переведены в положение ВЫКЛ. Эти два значения численного интегрирования соответствуют величинам силы света в режимах ВКЛ и ВЫКЛ, соответственно, отношение которых определяет коэффициент контрастности.
Дифракционная картина Фраунгофера может быть вычислена для модельного эксперимента 2300 с использованием формального описания Рэлея-Зоммерфельда для скалярной теории дифракции. Это формальное описание основано на интеграле Рэлея-Зоммерфельда, который выражает комплексную амплитуду дифрагированного электрического поля в виде интеграла (например, суммы) на сферических волнах.
Следует понимать, что численный анализ, представленный в данном документе, не ограничен DMD 200, а легко расширяется на другие варианты осуществления SLM 102, такие как фазовый модулятор на основе отражающего LCOS или фазовый модулятор на основе пропускного LC.
На фиг. 24–26 представлены графики зависимости коэффициента контрастности и оптической эффективности от половинного угла, полученные численно для модельного эксперимента 2300. Для получения результатов, представленных на фиг. 24–26, пространственный фильтр 2302 моделировали как круглую апертуру, центрированную на оптической оси 422 и имеющую диаметр 2304 апертуры. Пространственный фильтр 2302 центрировали на нулевом порядке дифракции модулированного светового сигнала 402 (например, первых дифрагированных в режимах ВКЛ и ВЫКЛ пучках 504(1) и 604(1)). Круглая апертура пространственного фильтра 2302 образует основание конуса, имеющего вершину, расположенную в центре лицевой поверхности DMD 200, при этом конус имеет ось, совпадающую с оптической осью 422. Половинный угол 2308 здесь определяют как половину угла при вершине конуса.
На фиг. 24–26 для светового сигнала в модельном эксперименте 2300 были использованы длины волн 532 нм, 465 нм и 617 нм соответственно. Для микрозеркал 202 DMD 200 были использованы номинальные углы положения ВКЛ и положения ВЫКЛ, равные +12° и -12° соответственно. Для DMD 200 были использованы коэффициенты заполнения размерности и площади, составляющие 81% и 90% соответственно.
С уменьшением половинного угла 2308 на фиг. 24 коэффициент 2402 контрастности зеленого возрастает как ряд «ступенек», по мере того как порядки дифракции модулированного светового сигнала 402 все больше блокируются пространственным фильтром 2302. Наивысший коэффициент контрастности зеленого, равный 757000:1, получают, когда только нулевой порядок дифракции модулированного светового сигнала 402 пропускается пространственным фильтром 2302. С увеличением половинного угла 2308 оптическая эффективность 2404 зеленого возрастает как ряд «ступенек», по мере того как порядки дифракции все больше пропускаются пространственным фильтром 2302. Поскольку большая часть оптической мощности зеленого модулированного светового сигнала находится в низких порядках дифракции (например, нулевом, первом и втором порядках дифракции), наибольшие ступени эффективности 2404 зеленого возникают при малых значениях половинного угла 2308. При наивысшем коэффициенте контрастности зеленого оптическая эффективность 2404 зеленого составляет приблизительно 80%, т. е. 80% модулированного светового сигнала 402 пропускается пространственным фильтром 2302.
На фиг. 25 коэффициент 2502 контрастности синего и оптическая эффективность 2504 синего имеют поведение, подобное коэффициенту 2402 контрастности зеленого и оптической эффективности 2404 зеленого соответственно. Наивысший коэффициент контрастности синего, равный 850000:1, получают, когда только нулевой порядок дифракции модулированного светового сигнала 402 пропускается пространственным фильтром 2302. При наивысшем коэффициенте контрастности синего оптическая эффективность 2504 синего быстро падает с 80% до менее 50%.
На фиг. 26 коэффициент 2602 контрастности красного и оптическая эффективность 2604 красного имеют поведение, подобное коэффициентам 2402, 2502 контрастности зеленого и синего и оптической эффективности 2404, 2504 зеленого и синего соответственно. Однако наивысший коэффициент контрастности красного составляет лишь 450000:1. Одна причина того, что наивысший коэффициент контрастности красного ниже, чем соответствующие коэффициенты контрастности зеленого и синего, заключается в том, что при длине волны 617 нм красного света DMD 200 освещается далеко от состояния сверкания. При наивысшем коэффициенте контрастности красного оптическая эффективность 2604 красного составляет приблизительно 80%.
На фиг. 27 представлена дифракционная картина Фраунгофера для модельного эксперимента 2300, когда длина волны света равна 532 нм и все микрозеркала 202 DMD 200 находятся в положении ВКЛ. На фиг. 27 каждый из четырех самых светлых порядков дифракции окружен одной из рамок 2702. Рамка 2702(1) содержит самую большую оптическую мощность и соответствует нулевому порядку дифракции модулированного светового сигнала 402. Для каждой рамки 2702 DOCR вычисляли с использованием рамки 2702 как прямоугольной апертуры (например, пропускной области 416) пространственного фильтра 2302. Численно полученный DOCR напечатан внутри каждой рамки. Например, в рамке 2702(1) нулевой порядок дифракции модулированного светового сигнала 402 имеет DOCR, равный 758075:1. В одном варианте осуществления маска 412 оптического фильтра сконфигурирована так, чтобы пропускать нулевой порядок дифракции и блокировать все другие порядки дифракции модулированного светового сигнала 402; маска 900 оптического фильтра является одним примером маски 412 оптического фильтра, которая может быть использована с этим вариантом осуществления. В другом варианте осуществления каждая маска 412(1), 412(2) и 412(3) оптического фильтра разноцветного цифрового проектора 1500 может быть сконфигурирована так, чтобы пропускать нулевой порядок дифракции и блокировать все другие порядки дифракции модулированных световых сигналов 402(1), 402(2) и 402(3).
На фиг. 28 представлена дифракционная картина Фраунгофера для модельного эксперимента 2300, когда длина волны света равна 617 нм и все микрозеркала 202 DMD 200 находятся в положении ВКЛ. На фиг. 28 четыре порядка дифракции содержат большую часть оптической мощности модулированного светового сигнала 402. В сравнении с фиг. 27, где была использована длина волны 532 нм, оптическая мощность более равномерно распределена среди четырех порядков дифракции, поскольку длина волны 617 нм находится дальше от состояния сверкания DMD 200. Коэффициент контрастности вплоть до значения 852000:1 можно получить путем формирования пространственного фильтра 2302, пропускающего только порядок дифракции в рамке 2802(1). Однако при блокировании порядков дифракции в рамках 2802(2), 2802(3) и 2802(4) оптическая эффективность будет значительно ухудшена.
В качестве компромисса между коэффициентом контрастности и оптической эффективностью, пространственный фильтр 2302 может быть сконфигурирован так, чтобы пропускать три порядка дифракции с наивысшим DOCR, соответствующим рамкам 2802(1), 2802(2) и 2802(4). В этом примере пространственного фильтра 2302 апертуры, соответствующие рамкам 2802(1), 2802(2) и 2802(4), не расположены симметрично относительно оптической оси 422. В одном варианте осуществления оптический фильтр 400 сконфигурирован так, чтобы пропускать три порядка дифракции модулированного светового сигнала 402, согласно фиг. 28; маска 1300 оптического фильтра является одним примером маски 412 оптического фильтра, которая может быть использована с этим вариантом осуществления. В других вариантах осуществления оптический фильтр 412 сконфигурирован так, чтобы пропускать ненулевое целое число порядков дифракции модулированного светового сигнала 402, вплоть до максимального числа, определенного прозрачной апертурой линзы 404.
На фиг. 29 представлен график коэффициента 2902 контрастности и оптической эффективности 2904, полученный численно для модельного эксперимента 2300 при работе с длиной волны 617 нм, когда углы наклона в режимах ВКЛ и ВЫКЛ микрозеркал 202 равны +12,1° и -12,1° соответственно. Коэффициент контрастности может быть чувствительным к малым изменениям угла наклона микрозеркал. В сравнении с фиг. 26 изменение углов наклона на 0,1° приводит к увеличению наивысшего коэффициента контрастности красного более чем в два раза до почти 1000000:1, тогда как оптическая эффективность 2904 красного остается на уровне приблизительно 80%. Для сравнения, коммерческие DMD, как правило, характеризуются наличием допуска угла наклона, равного ±0,5°.
На фиг. 30 и 31 представлены графики зависимости коэффициента контрастности от угла наклона микрозеркал, полученные численно для модельного эксперимента 2300. На фиг. 30 угол наклона в положении ВЫКЛ зафиксирован равным -12°, а угол наклона в положении ВКЛ изменяется от 11,5° до 12,5°. На фиг. 31 угол наклона в положении ВКЛ зафиксирован равным +12°, а угол наклона в положении ВЫКЛ изменяется от -12,5° до -11,5°. На фиг. 30 коэффициенты 3002, 3004 и 3006 контрастности соответствуют длинам волны 617 нм, 465 нм и 532 нм соответственно. На фиг. 31 коэффициенты 3102, 3104 и 3106 контрастности соответствуют длинам волны 617 нм, 465 нм и 532 нм соответственно. Фиг. 30 и 31 в последующем описании лучше рассматривать вместе.
Значения коэффициента контрастности обычно являются более чувствительными к вариациям силы света в режиме ВЫКЛ, чем силы света в режиме ВКЛ. Поэтому коэффициент контрастности может зависеть сильнее от угла наклона в режиме ВЫКЛ, чем угла наклона в режиме ВКЛ. Как показано на фиг. 30, коэффициенты 3002, 3004 и 3006 контрастности демонстрируют малую вариацию для угла наклона в режиме ВКЛ, находящегося в диапазоне допуска угла наклона, составляющем ±0,5°. С другой стороны, коэффициенты 3102, 3104 и 3106 контрастности, представленные на фиг. 31, изменяются более сильно для угла наклона в режиме ВЫКЛ, находящегося в подобном диапазоне допуска угла наклона.
В одном варианте осуществления предоставлено цифровое микрозеркальное устройство, оптимизированное для модулирования зеленого света, которое имеет номинальный угол наклона в положении ВЫКЛ, составляющий более чем -12°, например, более чем -11,8° или более чем -11,6°. В одном примере цифровое микрозеркальное устройство имеет номинальный угол наклона в положении ВЫКЛ, составляющий -11,5° или более.
Цифровое микрозеркальное устройство согласно этому варианту осуществления может улучшать коэффициент контрастности ВКЛ-ВЫКЛ при модулировании зеленого света.
В одном примере цифровое микрозеркальное устройство, оптимизированное для модулирования зеленого света, имеет номинальный угол наклона в положении ВКЛ, находящийся в диапазоне от +11,5° до +12,5°, например +12°.
В одном варианте осуществления предоставлено цифровое микрозеркальное устройство, оптимизированное для модулирования красного или синего света, которое имеет номинальный угол наклона в положении ВЫКЛ, составляющий менее чем -12°, например менее чем -12,2° или менее чем -12,4°. В одном примере цифровое микрозеркальное устройство имеет номинальный угол наклона в положении ВЫКЛ, составляющий -12,5° или менее.
Цифровое микрозеркальное устройство согласно этому варианту осуществления может улучшать коэффициент контрастности ВКЛ-ВЫКЛ при модулировании красного или синего света.
В одном примере цифровое микрозеркальное устройство, оптимизированное для модулирования красного или синего света, имеет номинальный угол наклона в положении ВКЛ, находящийся в диапазоне от +11,5° до +12,5°, например +12°.
В одном варианте осуществления предоставлена система модулятора для генерирования изображения, эта система модулятора содержит:
- первое цифровое микрозеркальное устройство, сконфигурированное так, чтобы модулировать красный световой сигнал для генерирования модулированного красного светового сигнала;
- второе цифровое микрозеркальное устройство, сконфигурированное так, чтобы модулировать зеленый световой сигнал для генерирования модулированного зеленого светового сигнала; и
- третье цифровое микрозеркальное устройство, сконфигурированное так, чтобы модулировать синий световой сигнал для генерирования модулированного синего светового сигнала,
при этом номинальный угол наклона в положении ВЫКЛ второго цифрового микрозеркального устройства отличается от номинального угла наклона в положении ВЫКЛ первого и третьего цифровых микрозеркальных устройств. Например, первое и третье цифровые микрозеркальные устройства могут относиться к первому типу, имеющему первый номинальный угол наклона в положении ВЫКЛ, а второе цифровое микрозеркальное устройство может относиться ко второму типу, имеющему второй номинальный угол наклона в положении ВЫКЛ, отличающийся от номинального угла наклона в положении ВЫКЛ первого типа. Например, первое и третье цифровые микрозеркальные устройства представляют собой цифровые микрозеркальные устройства, оптимизированные для модулирования красного или синего света, описанные выше, тогда как второе цифровое микрозеркальное устройство представляет собой цифровое микрозеркальное устройство, оптимизированное для модулирования зеленого света, описанное выше.
Система модулятора может дополнительно содержать:
- первый, второй и третий оптические фильтры, каждый из которых содержит:
- линзу, сконфигурированную для пространственного Фурье-преобразования модулированного светового сигнала из соответствующих первого, второго и третьего пространственных модуляторов света, при этом модулированный световой сигнал содержит множество порядков дифракции; и
- маску оптического фильтра, расположенную на Фурье-плоскости линзы и сконфигурированную так, чтобы фильтровать модулированный световой сигнал, прошедший пространственное Фурье-преобразование посредством линзы, путем пропускания по меньшей мере одного порядка дифракции модулированного светового сигнала, генерирования соответствующих первого, второго и третьего фильтрованных световых сигналов и блокирования остальной части модулированного светового сигнала; и
- блок объединения пучков, сконфигурированный так, чтобы объединять первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы в выходной световой сигнал.
Кроме того, система модулятора может необязательно также содержать любой из признаков, описанных в данном документе, таких как признаки, описанные в отношении фигур 9–15.
На фиг. 32 представлен график коэффициента 3202 контрастности и оптической эффективности 3204, зависящих от углового разнесения входного светового сигнала 206, полученного численно для модельного эксперимента 2300 при длине волны 532 нм. На фиг. 33 и 34 представлены дифракционные картины Фраунгофера модельного эксперимента 2300, показывающие расширение дифракционных максимумов, вызванное угловым разнесением входного светового сигнала 206. На фиг. 33 входной световой сигнал 206 представляет собой плоскую волну без углового разнесения. На фиг. 34 входной световой сигнал 206 имеет 8° половинный угол углового разнесения. Для получения данных на фиг. 32 пространственный фильтр 2302 был сконфигурирован с прямоугольной апертурой, представленной рамкой 3302 на фиг. 33 и 34. Фиг. 32–34 в последующем описании лучше рассматривать вместе.
В кинотеатре и других вариантах обстановки, где важным является качество просмотра, цифровое лазерное проецирование изображений получает выгоду от углового разнесения и уменьшенной когерентности лазерного облучения, поскольку это уменьшает видимость пыли и других нежелательных рассеивающих артефактов. Также выгодным для лазерного облучения является наличие увеличенной ширины спектра, чтобы уменьшать видимость спекл-структур на экране.
Увеличение углового разнесения и ширины спектра лазерного облучения может привести к ухудшению коэффициента контрастности систем и способов оптического фильтрования, представленных в данном документе. А именно, на Фурье-плоскости, увеличенные угловое разнесение и ширина спектра могут расширить дифракционные максимумы, приводя к смешиванию их краев с другими краями соседних максимумов. Такое расширение максимумов может мешать пропусканию отдельных порядков дифракции через пространственный фильтр 2302 без пропускания при этом части соседних порядков дифракции, которые необходимо блокировать. Как показано на фиг. 32, коэффициент контрастности уменьшается наполовину, с 721000:1 до 346000:1, когда половинный угол входного светового сигнала 206 увеличивается до 8°.
Поэтому при рассмотрении углового разнесения и ширины спектра существует компромисс между (1) видимостью пыли и уменьшением спекл-структур и (2) коэффициентом контрастности.
Понятно, что ухудшение контраста может быть результатом других факторов, чем дифракция входного светового сигнала 206 устройством DMD 200, например, рассеивания входного светового сигнала 206 на поверхностях микрозеркал 202, нежелательного рассеянного света и отражений в кинозале, оптических аберраций и/или эффектов поляризации. Однако для большинства цифровых проекторов ожидается, что дифракция устройством DMD 200 будет преобладающим источником, или по меньшей мере одним из преобладающих источников, ухудшения контраста. Раскрытые в данном документе системы и способы легко расширяются на случаи, в которых контраст ухудшается другими факторами в дополнение к дифракции, например, перечисленными выше. Раскрытые в данном документе системы и способы могут улучшать контраст даже при наличии других подобных факторов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
2
Численный анализ, представленный выше, был верифицирован с использованием экспериментальной установки, подобной представленной на фиг. 4. Для демонстрации наибольшего контраста экспериментальная установка была сконфигурирована так, чтобы фильтровать нулевой порядок дифракции при 532 нм. Маска 412 оптического фильтра была сконфигурирована с круглой апертурой, центрированной на оптической оси 422. Диаметр круглой апертуры и линза (например, линза 404) были выбраны так, чтобы формировать 2° половинный угол на Фурье-плоскости. Входной световой сигнал в DMD 200 предоставляли посредством поляризованного 532 нм лазера с M < 1,1. Входной световой сигнал расширяли для заполнения лицевой поверхности DMD 200 с использованием галилеева расширителя пучка, образованного из двух дублетов, который обеспечивал производительность с ограниченной дифракцией. Для простоты TIR призму для подачи света на DMD 200 не использовали. DMD 200 применяли с самым светлым (например, уровень белого) и самым темным (например, уровень черного) выходными сигналами и контраст измеряли с помощью спектрометра.
Измеряли коэффициенты контрастности двух идентичных 4K DMD. При 532 нм и 2° половинном угле коэффициент контрастности, предсказанный модельным экспериментом 2300, составляет приблизительно 757000:1 (см. наивысший коэффициент контрастности зеленого на фиг. 24). Были измерены коэффициенты контрастности, равные 254234:1 и 277966:1. Эти значения приблизительно в три раза меньше, чем предсказанное значение; расхождение объясняется рассеянным светом, происходящим из переполнения DMD, рассеянным светом, происходящим из зазоров между микрозеркалами DMD, и рассеянием на поверхности и краях микрозеркал.
Также наблюдалось, что направление распространения входного светового сигнала 206 к DMD 200 оказывает влияние на коэффициент контрастности, как ожидается при условии зависимости коэффициента контрастности от угла наклона в режиме ВЫКЛ. В дополнение наблюдалось, что поляризация входного светового сигнала 206 оказывает влияние на уровень черного DMD 200, тем самым оказывая влияние на коэффициент контрастности. Для экспериментальных результатов, описанных выше, поляризацию входного светового сигнала поворачивали волновой пластинкой, чтобы максимизировать контраст.
С учетом чувствительности коэффициента контрастности к углам наклона микрозеркал и направлению распространения входного светового сигнала 206, для группирования DMD, имеющих подобные углы наклона, может быть использовано разнесение по интервалам. В одном варианте осуществления трехцветного цифрового проектора 1500 DMD для трех интервалов, имеющие подобные углы наклона, используют для DMD 200(1), 200(2) и 200(3). В другом варианте осуществления DMD для трех интервалов, имеющие разные углы наклона (например, из трех разных интервалов), используют для DMD 200(1), 200(2) и 200(3), при этом каждое устройство DMD имеет угол наклона, выбранный так, чтобы максимально увеличивать коэффициент контрастности для конкретной длины волны входного светового сигнала 206, используемого с этим DMD.
БИТОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ DLP
На фиг. 35 показана временная последовательность 3500 примерных битовых плоскостей 3502, которая определяет, как микрозеркалами 202 DMD 200 управляют для отображения одного видеокадра. На фиг. 36 представлен восстановленный кадр 3600, показывающий, как выглядит один видеокадр, когда примерные битовые плоскости 3502, представленные на фиг. 35, управляют DMD 200 для отображения одного видеокадра. Фиг. 35 и 36 лучше рассматривать вместе с последующим описанием.
Каждому пикселю цифрового видеокадра приписывают соответствующий пиксельный уровень, который представляет желаемый уровень интенсивности пикселя. Пиксельные уровни могут быть представлены как -битные целые числа, где 0 представляет самый низкий уровень интенсивности, а  представляет самый высокий уровень интенсивности. При таком представлении кадр может быть образован как сумма  битовых плоскостей 3502. Белый бит на любой из битовых плоскостей 3502 представляет ВКЛ для соответствующего микрозеркала 202 DMD 200, тогда как черный бит представляет ВЫКЛ для соответствующего микрозеркала 202. Устройством DMD 200 последовательно управляют в соответствии с каждой из битовых плоскостей 3502 в течение временного интервала , где  представляет минимальный временной интервал, а  = 0… представляет индексы битовых плоскостей 3502. Таким образом, в примере, представленном на фиг. 35, где пиксельные уровни представлены как 6-битные целые числа, устройством DMD 200 управляют в соответствии с первой битовой плоскостью 3502(0) в течение первого временного интервала , второй битовой плоскостью 3502(1) в течение второго временного интервала  и так далее, аж до шестой битовой плоскости 3502(5) в течение шестого временного интервала . Биты битовых плоскостей 3502 выбирают (например, 0 или 1 для каждого бита, соответствующие ВЫКЛ и ВКЛ, соответственно, для соответствующего микрозеркала 202) таким образом, что взвешенная по времени сумма битовых плоскостей 3502 дает желаемые пиксельные значения для кадра. Кадр отображается достаточно быстро, так что зрительная система человека отвечает на интеграл по времени отображаемой последовательности 3500 битовых плоскостей 3502.
Хотя на фиг. 35 и 36 показан пример, в котором пиксельные значения представлены как 6-битные целые числа, пиксельные значения могут быть представлены другим числом битов и тем же числом битовых плоскостей, без отхода от объема настоящего изобретения. Хотя на фиг. 35 для ясности показаны битовые плоскости 3502, имеющие размер 250 пикселей  250 пикселей, битовые плоскости 3502 могут иметь такой размер, чтобы управлять всеми микрозеркалами 202 DMD 200 без отступления от объема настоящего изобретения.
В системах цифрового проецирования известного уровня техники, в которых на экран проецируют много порядков дифракции, желаемый пиксельный уровень пикселя пропорционален времени ВКЛ для микрозеркала, которое генерирует пиксель. Однако когда порядки дифракции из DMD 200 блокируются оптическим фильтром (например, оптическим фильтром 412) для усиления контраста, количество света, проходящее через оптический фильтр, (например, нулевой порядок дифракции) также зависит от пространственной структуры микрозеркала 202. Дифракция входного светового сигнала на пространственной структуре влияет на то, какое количество мощности дифрагирует в каждый порядок, а значит какое количество мощности проходит через оптический фильтр. В некоторых кадрах эта комбинация пространственной структуры и оптического фильтра может порождать артефакты 3602 в восстановленном кадре 3600. Например, на фиг. 35 битовые плоскости 3502 управляют DMD 200 с образованием ВКЛ и ВЫКЛ «полос», имеющих выраженные пространственные частоты, и фазовые сдвиги, возникающие из-за этой пространственной структуры, изменяют количество света, проходящее через оптический фильтр, тем самым создавая артефакты 3602, которые проявляются как вертикальные «полосы». Хотя только три артефакта 3602 указаны на восстановленном кадре 3600, восстановленный кадр 3600 содержит и другие полосы разных уровней затемнения, которые также являются артефактами. Артефакты 3602 проявляются как вертикальные полосы на восстановленном кадре 3600 из-за того, что битовые плоскости 3502 образуют вертикальные полосы ВКЛ и ВЫКЛ с выраженной горизонтальной пространственной частотой. Однако артефакты 3602 будут горизонтальными полосами, когда битовые плоскости 3502 образуют горизонтальные полосы ВКЛ и ВЫКЛ с выраженной вертикальной пространственной частотой.
На фиг. 37 показан один пример рандомизированной битовой плоскости 3700, которая образует часть последовательности рандомизированных битовых плоскостей, которая может быть использована с вариантами осуществления настоящего изобретения для сокращения наличия артефактов 3602. На фиг. 38 представлен восстановленный кадр 3800, показывающий, как выглядит один видеокадр, когда последовательность рандомизированных битовых плоскостей управляет DMD 200 для отображения одного видеокадра. Преимущественно видимость артефактов в восстановленном кадре 3800 значительно сокращается в сравнении с восстановленным кадром 3600. Фиг. 37 и 38 лучше рассматривать вместе с последующим описанием.
Последовательность рандомизированных битовых плоскостей образована из  рандомизированных битовых плоскостей, одним примером которых является рандомизированная битовая плоскость 3700.  рандомизированных битовых плоскостей являются визуально похожими (хотя не обязательно идентичными), и поэтому только одна показана на фиг. 37 для ясности. Как и для битовых плоскостей 3502 на фиг. 35, белый бит указывает, что соответствующее микрозеркало 202 DMD 200 находится в положении ВКЛ, а черный бит указывает, что соответствующее микрозеркало 202 DMD 200 находится в положении ВЫКЛ. В отличие от последовательности 3500 битовых плоскостей, где временные интервалы битовых плоскостей 3502 увеличиваются на степени 2, каждая из  рандомизированных битовых плоскостей имеет одинаковый временной интервал .
Случайное распределение битов ВКЛ и ВЫКЛ на рандомизированной битовой плоскости 3700 заменяет выраженные пространственные структуры, подобные представленным на фиг. 35, рандомизированными пространственными структурами, тем самым распространяя эффекты дифракции по всем пикселям кадра и преимущественно уменьшая видимость артефактов 3602.
В одном варианте осуществления последовательность рандомизированных битовых плоскостей генерируют для одного кадра путем инициализации  битовых плоскостей таким образом, что все биты всех битовых плоскостей представляют ВЫКЛ.  битовых плоскостей затем случайным образом заполняют (т. е. переключают биты в «ВКЛ»), при этом убеждаясь, что для каждого пикселя сумма  битов для этого пикселя никогда не превышает соответствующего пиксельного значения. Заполнение  битовых плоскостей останавливают, когда для каждого пикселя в кадре сумма  битов равняется соответствующему пиксельному значению.
Последовательность рандомизированных битовых плоскостей, описанная выше, содержит большее число битовых плоскостей, чем последовательность 3500 битовых плоскостей, представленная на фиг. 35. Однако эти два подхода можно объединить, т. е. можно сформировать последовательность гибридных плоскостей с некоторыми из битовых плоскостей 3502 (т. е. для более коротких временных интервалов) и некоторыми из рандомизированных битовых плоскостей, при условии, что для каждого пикселя взвешенная по времени сумма всех битов в гибридной последовательности равняется соответствующему пиксельному уровню. В дополнение последовательности рандомизированных и гибридных битовых плоскостей могут быть объединены с другими методами регулирования уровней мощности выходных сигналов, такими как дизеринг микрозеркал 202.
Последовательность рандомизированных битовых плоскостей может приводить к пиксельному ответу, который является менее линейным, чем пиксельный ответ, получаемый в случае, когда оптический фильтр с DMD 200 не используют. Нелинейный пиксельный ответ может быть желательным в устройствах отображения, потому что зрительное восприятие человека является нелинейным процессом, и нелинейность, вносимая последовательностью рандомизированных битовых плоскостей, более точно соответствует нелинейности зрительного восприятия человека. Там, где желательным является нелинейный ответ, может быть возможно сократить число битов, используемых для представления пиксельных значений, поскольку проекционная система отображает кадры с возможностью лучшего восприятия.
Преимущества, получаемые от последовательности рандомизированных или гибридных битовых плоскостей, зависят от качества входного светового сигнала, освещающего DMD 200. Когда входной световой сигнал представляет собой, например, монохроматический лазерный пучок с высокой когерентностью и малым геометрическим фактором, артефакты 3602 являются лучше видимыми в сравнении с тем, когда входной световой сигнал имеет большой геометрический фактор и/или низкую когерентность (например, из лампы). Таким образом, последовательности рандомизированных и гибридных битовых плоскостей становятся более важными для уменьшения видимости артефактов 3602, когда входной световой сигнал имеет «высокое качество».
ПРЕИМУЩЕСТВА
Преимущественно варианты осуществления, представленные в данном документе, увеличивают коэффициент контрастности без использования дополнительных DMD. Например, в качестве альтернативы раскрытых в настоящем документе систем и способов коэффициент контрастности можно увеличить посредством использования многоэтапной модуляции, т. е. двух или более DMD, соединенных последовательно так, что дифрагированные в режиме ВЫКЛ пучки от первого DMD блокируются вторым DMD. В качестве способа увеличения коэффициента контрастности многоэтапная модуляция невыгодно увеличивает стоимость и сложность цифрового проектора из-за второго DMD и соответствующей электроники. Кроме того, в одном типе цифрового проектора используется три DMD, одно DMD для каждого из красного света, зеленого света и синего света; использование двух DMD для каждого света в этом типе цифрового проектора увеличивает общее количество DMD с трех до шести, дополнительно повышая стоимость и сложность.
Другое преимущество вариантов осуществления, представленных в данном документе, заключается в том, что оптически фильтрованный проецируемый световой сигнал может уменьшать появление муаровых картин, вызываемое интерференцией между нефильтрованным проецируемым световым сигналом и периодическими перфорациями экрана, на который проецируют проецируемый световой сигнал. Более конкретно, оптическое фильтрование может быть сконфигурировано так, чтобы уменьшать высокочастотные компоненты проецируемого светового сигнала, тем самым «сглаживая» резкие границы между пикселями, когда они появляются на экране. Это сглаживание уменьшает взаимодействие между периодической интенсивностью проецируемого света и периодическими перфорациями экрана.
Еще одним преимуществом систем и способов оптического фильтрования, представленных в данном документе, является то, что оптическое фильтрование может повышать коэффициент контрастности цифрового проектора, в котором применяется чип DLP с технологией «Tilt-and-roll pixel» (TRP), поставляемый «Texas Instruments». Микрозеркала чипа DLP TRP не наклоняются относительно оси, ориентированной под углом 45° (например, оси 208 поворота зеркал, представленной на фиг. 2). В результате, в сравнении с другими типами чипов DMD, модулированный световой сигнал распространяется в сторону от TRP чипа так, что дифрагированные порядки светового сигнала в состоянии ВЫКЛ (например дифрагированные в режиме ВЫКЛ пучки 604, представленные на фиг. 6) являются более светлыми, тем самым увеличивая силу света в режиме ВЫКЛ и уменьшая коэффициент контрастности. Благодаря уменьшению силы света в режиме ВЫКЛ системы и способы оптического фильтрования, представленные в данном документе, преимущественно позволяют включать TRP чипы в проекторы для применений, требующих высокого коэффициента контрастности, таких как проецирование в соответствии со спецификацией Digital Cinema Initiatives (DCI).
Изменения могут быть внесены в вышеописанные способы и системы без отхода от объема настоящего изобретения. Поэтому следует отметить, что предмет, содержащийся в описании выше или показанный на сопроводительных графических материалах, следует интерпретировать как иллюстративный, а не в ограничивающем смысле. Следующие пункты формулы изобретения предназначены для покрытия всех производных и специальных признаков, описанных в данном документе, а также всех формулировок объема способа и системы согласно изобретению, о которых можно сказать, что они попадают в их рамки.
Различные аспекты настоящего изобретения можно понять из следующих пронумерованных примерных вариантов осуществления (ППВО):
1. Оптический фильтр для усиления контраста изображения, генерируемого с помощью пространственного модулятора света, содержащий:
линзу, сконфигурированную для пространственного преобразования Фурье модулированного светового сигнала из пространственного модулятора света, при этом модулированный световой сигнал содержит множество порядков дифракции; и
маску оптического фильтра, расположенную на Фурье-плоскости линзы и сконфигурированную так, чтобы фильтровать модулированный световой сигнал, прошедший пространственное Фурье-преобразование посредством линзы, путем пропускания по меньшей мере одного порядка дифракции модулированного светового сигнала и блокирования остальной части модулированного светового сигнала.
2. Оптический фильтр согласно ППВО 1, в котором по меньшей мере один порядок дифракции является нулевым порядком.
3. Оптический фильтр согласно ППВО 2, в котором маска оптического фильтра имеет пропускную область, сконфигурированную так, чтобы пропускать нулевой порядок модулированного светового сигнала.
4. Оптический фильтр согласно ППВО 1, в котором по меньшей мере один порядок дифракции включает нулевой порядок и множество первых порядков.
5. Оптический фильтр согласно ППВО 4, в котором маска оптического фильтра имеет пропускную область, сконфигурированную так, чтобы пропускать нулевой порядок и два из первых порядков модулированного светового сигнала.
6. Оптический фильтр согласно любому из ППВО 1–5, в котором модулированный световой сигнал представляет собой один из красного света, зеленого света и синего света.
7. Система модулятора для генерирования изображения с усиленным контрастом, содержащая:
оптический фильтр согласно любому из ППВО 1–6; и
цифровое микрозеркальное устройство, реализующее пространственный модулятор света.
8. Система модулятора для генерирования изображения с усиленным контрастом, содержащая:
оптический фильтр согласно любому из ППВО 1–7; и
коллиматорную линзу, расположенную так, чтобы коллимировать по меньшей мере один порядок дифракции модулированного светового сигнала, пропускаемого маской оптического фильтра.
9. Система модулятора для генерирования изображения с усиленным контрастом, содержащая:
первый, второй и третий пространственные модуляторы света, сконфигурированные так, чтобы модулировать соответствующие первый, второй и третий световые сигналы в соответствии с изображением, чтобы генерировать соответствующие первый, второй и третий модулированные световые сигналы;
три экземпляра оптического фильтра согласно любому из ППВО 1–6, образующих соответствующие первый, второй и третий оптические фильтры, сконфигурированные так, чтобы пропускать по меньшей мере один порядок дифракции соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов с генерированием соответствующих первого, второго и третьего фильтрованных световых сигналов и блокировать остальную часть соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов; и
блок объединения пучков, сконфигурированный так, чтобы объединять первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы в выходной световой сигнал.
10. Система модулятора согласно ППВО 9, в которой каждая из масок первого, второго и третьего оптических фильтров соответствующих первого, второго и третьего оптических фильтров имеет по меньшей мере одну пропускную область, сконфигурированную так, чтобы пропускать нулевой порядок дифракции и множество первых порядков дифракции соответственно первого, второго и третьего модулированных световых сигналов.
11. Система модулятора согласно ППВО 9 или ППВО 10, в которой каждый из первого, второго и третьего пространственных модуляторов света представляет собой цифровое микрозеркальное устройство.
12. Система модулятора согласно любому из ППВО 9–11, в которой первый, второй и третий световые сигналы представляют собой соответственно красный свет, зеленый свет и синий свет.
13. Система модулятора согласно любому из ППВО 9–12, которая дополнительно содержит первую, вторую и третью выходные линзы, расположенные так, чтобы соответственно коллимировать первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы перед объединением блоком объединения пучков соответственно.
14. Система модулятора согласно любому из ППВО 9–13, которая дополнительно содержит проекционную линзу, сконфигурированную так, чтобы проецировать выходной световой сигнал на экран.
15. Система модулятора с временным мультиплексированием для генерирования изображения с усиленным контрастом, содержащая:
пространственный модулятор света, сконфигурированный модулировать, в соответствии с изображением, световой сигнал с временным мультиплексированием в модулированный световой сигнал с временным мультиплексированием, содержащий повторяющуюся последовательность первого, второго и третьего модулированных световых сигналов;
линзу, сконфигурированную для пространственного Фурье-преобразования модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием на Фурье-плоскость; и
диск со светофильтрами, расположенный на Фурье-плоскости и содержащий множество масок оптического фильтра, причем каждая маска оптического фильтра сконфигурирована так, чтобы фильтровать соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, прошедших пространственное Фурье-преобразование посредством линзы, путем пропускания по меньшей мере одного порядка дифракции соответствующего одного из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов и блокирования остальной части соответствующего одного из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, при этом диск со светофильтрами сконфигурирован так, чтобы поворачиваться синхронно с модулированным световым сигналом с временным мультиплексированием так, что каждая маска оптического фильтра располагается в модулированном световом сигнале с временным мультиплексированием на Фурье-плоскости, когда модулированный световой сигнал с временным мультиплексированием представляет собой соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов.
16. Система модулятора с временным мультиплексированием согласно ППВО 15, в которой пространственный модулятор света представляет собой цифровое микрозеркальное устройство.
17. Система модулятора с временным мультиплексированием согласно ППВО 15 или ППВО 16, в которой множество масок оптического фильтра представляет собой маски трех оптических фильтров, соответственно сконфигурированные так, чтобы фильтровать первый, второй и третий модулированные световые сигналы.
18. Система модулятора с временным мультиплексированием согласно любому из ППВО 15–17, в которой множество масок оптического фильтра представляет собой три набора масок оптического фильтра, где является положительным целым числом, при этом каждый из трех наборов сконфигурирован так, чтобы фильтровать соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов.
19. Система модулятора с временным мультиплексированием согласно ППВО 17, в которой маска первого оптического фильтра имеет пропускную область, сконфигурированную так, чтобы пропускать нулевой порядок дифракции и множество первых порядков дифракции первого модулированного светового сигнала, маска второго оптического фильтра имеет пропускную область, сконфигурированную так, чтобы пропускать нулевой порядок дифракции и множество первых порядков дифракции второго модулированного светового сигнала, и маска третьего оптического фильтра имеет пропускную область, сконфигурированную так, чтобы пропускать нулевой порядок дифракции и множество первых порядков дифракции третьего модулированного светового сигнала.
20. Система модулятора с временным мультиплексированием согласно ППВО 19, в которой первый, второй и третий модулированные световые сигналы представляют собой соответственно красный свет, зеленый свет и синий свет.
21. Система модулятора с временным мультиплексированием согласно ППВО 20, в которой диск со светофильтрами дополнительно сконфигурирован поворачиваться неравномерно, чтобы останавливаться, когда каждая маска оптического фильтра располагается в модулированном световом сигнале с временным мультиплексированием.
22. Система модулятора с временным мультиплексированием согласно ППВО 21, которая дополнительно содержит проекционную линзу, сконфигурированную проецировать на экран по меньшей мере один порядок дифракции соответствующего первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, пропускаемых диском со светофильтрами.
23. Способ усиления контраста изображения, генерируемого с помощью пространственного модулятора света, включающий:
пространственное Фурье-преобразование модулированного светового сигнала из пространственного модулятора света на Фурье-плоскость, при этом модулированный световой сигнал содержит множество порядков дифракции; и
фильтрование модулированного светового сигнала путем:
пропускания по меньшей мере одного порядка дифракции модулированного светового сигнала на Фурье-плоскости; и
блокирования остальной части модулированного светового сигнала на Фурье-плоскости.
24. Способ согласно ППВО 23, в котором по меньшей мере один порядок дифракции является нулевым порядком дифракции.
25. Способ согласно ППВО 24, в котором этап пропускания включает пропускание нулевого порядка дифракции через пропускную область маски оптического фильтра.
26. Способ согласно ППВО 23, в котором по меньшей мере один порядок дифракции включает нулевой порядок дифракции и множество первых порядков.
27. Способ согласно ППВО 26, в котором этап пропускания включает пропускание нулевого порядка дифракции и множества первых порядков дифракции через пропускную область маски оптического фильтра.
28. Способ согласно любому из ППВО 23–27, в котором модулированный световой сигнал представляет собой один из красного света, зеленого света и синего света.
29. Способ согласно любому из ППВО 23–28, который дополнительно включает управление множеством микрозеркал пространственного модулятора света так, чтобы генерировать модулированный световой сигнал.
30. Способ согласно любому из ППВО 23–29, который дополнительно включает, после этапа пропускания, коллимирование по меньшей мере одного порядка дифракции модулированного светового сигнала.
31. Способ проецирования цветного изображения с усиленным контрастом, включающий:
пространственное модулирование первого, второго и третьего входных световых сигналов, в соответствии с изображением, для генерирования соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, при этом каждый из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов содержит множество порядков дифракции;
фильтрование первого, второго и третьего модулированных световых сигналов в соответствующие первый, второй и третий фильтрованные световые сигналы путем:
пропускания по меньшей мере одного порядка дифракции соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов; и
блокирования остальной части соответствующих первого, второго и третьего модулированных световых сигналов; и
объединения первого, второго и третьего фильтрованных световых сигналов в выходной световой сигнал.
32. Способ согласно ППВО 31, в котором первый, второй и третий входные световые сигналы представляют собой соответственно красный свет, зеленый свет и синий свет.
33. Способ согласно ППВО 31 или ППВО 32, который дополнительно включает проецирование выходного светового сигнала на экран.
34. Способ с временным мультиплексированием для генерирования и проецирования изображения с усиленным контрастом, включающий:
в соответствии с изображением, модулирование светового сигнала с временным мультиплексированием с помощью пространственного модулятора света для генерирования модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием, содержащего повторяющуюся последовательность первого, второго и третьего модулированных световых сигналов;
пространственное Фурье-преобразование модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием с помощью линзы; и
фильтрование модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием путем поворачивания диска со светофильтрами синхронно с модулированным световым сигналом с временным мультиплексированием, при этом диск со светофильтрами содержит множество масок оптического фильтра, каждая маска оптического фильтра сконфигурирована так, чтобы фильтровать соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов, прошедших пространственное Фурье-преобразование посредством линзы, при этом указанное поворачивание включает расположение каждой маски оптического фильтра в модулированном световом сигнале с временным мультиплексированием в Фурье-плоскости линзы, когда модулированный световой сигнал с временным мультиплексированием представляет собой соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов.
35. Система модулятора с временным мультиплексированием согласно ППВО 34, в которой пространственный модулятор света представляет собой цифровое микрозеркальное устройство.
36. Способ согласно ППВО 34 или ППВО 35, в котором множество масок оптического фильтра представляет собой маски трех оптических фильтров, соответственно сконфигурированные так, чтобы фильтровать первый, второй и третий модулированные световые сигналы.
37. Способ согласно любому из ППВО 34–36, в котором множество масок оптического фильтра представляет собой три набора масок оптического фильтра, где является положительным целым числом, при этом каждый из трех наборов сконфигурирован так, чтобы фильтровать соответствующий один из первого, второго и третьего модулированных световых сигналов.
38. Способ согласно ППВО 36, в котором этап фильтрования включает:
пропускание нулевого порядка и множества первых порядков первого модулированного светового сигнала через пропускную область маски первого оптического фильтра;
пропускание нулевого порядка и множества первых порядков второго модулированного светового сигнала через пропускную область маски второго оптического фильтра; и
пропускание нулевого порядка и множества первых порядков третьего модулированного светового сигнала через пропускную область маски третьего оптического фильтра.
39. Способ согласно ППВО 36 или ППВО 38, в котором первый, второй и третий модулированные световые сигналы представляют собой соответственно красный свет, зеленый свет и синий свет.
40. Способ согласно ППВО 36, ППВО 38 или ППВО 39, в котором поворачивание дополнительно включает неравномерное поворачивание и останов, когда каждая маска оптического фильтра располагается в модулированном световом сигнале с временным мультиплексированием.
41. Способ согласно ППВО 36, ППВО 38, ППВО 39 или ППВО 40, который после этапа фильтрования дополнительно включает проецирование модулированного светового сигнала с временным мультиплексированием после фильтрования на экран.