专利名称：一种高帧频真彩色高分辨投影显示方法
技术领域：
本发明属于光电子显示技术领域，特别光电投影显示，三维显示、体三维 显示以及高帧频显示器，硅上液晶显示器，数字微镜显示器等应用场合。目的 是通过光学编码将最高帧频时仅具有亮暗两态的彩色投影仪变成二进制数字灰 度或真彩色的投影显示系统。
背景技术：
现代三维显示技术的发展的一个重要趋势就是真实三维显示，以体三维显示为代表的真三维显示成为发展的主流。在体三维显示中，每秒钟需要至少8000 到10000帧图像，即需要高帧频、高分辨的显示器，因为三维空间显示需要大 量的体数据，因此当前高帧频投影显示器在满足体三维帧频显示的情况下，已 经无法满足彩色显示的需求，因此需要发展一种能够在保持高帧频下实现真彩 色显示的投影显示器。另一方面，现代投影显示用的图像发生器，特别是MEMs型的空间光调制 器，其调制仅有开和关两种状态，彩色的实现主要是依靠这些空间光调制器的 开关速度很快，利用多个开关脉冲产生灰度。当空间光调制器的开关速度相对 于应用较慢时，我们就无法采用开关的脉冲数进行灰度调制的方法，否则就会 影响帧频，影响动态显示的效果。在MEMs器件响应速度和分辨率受技术、工 艺等条件的限制，而无法实现较大跨越的情况下，器件本身就限制了它在应用 上的扩展。这就需要一种新型的能够将使用开关两态空间光调制器的显示组合出具有 与MEMs器件相同的帧频和分辨率的彩色灰阶的全彩色显示的方法，即在不影 响帧频数和分辨率的情况下，利用开关型的空间光调制器实现全彩色显示的方 法。本专利就是针对这一需求提出的一种利用高帧频的开关型空间光调制器， 构造高帧频高分辨真彩色投影显示的方法。发明内容本发明提出了一种高帧频真彩色高分辨率投影显示方法。 高帧频真彩色高分辨投影显示方法，利用多台具有光强二值化特征的图像 发生器(1)的投影显示仪(l一l、 l一2、 1_3、……)，使它们的图像完全重合在投影屏幕(3)上，并使每台投影仪到达目标区的光强按2的密次方进行光学 编码，形成具有2"的灰度图像(n为投影系统台数)。同理，每台投影仪均为光强二值化特征型的红、绿、蓝三个图像发生器(6、 7、 8)构成的彩色二值化投影系统时，使它们的图像完全重合在投影屏幕上， 并使每台投影仪到达目标区的光强按2的密次方进行光学编码，则每种颜色可 以形成具有2n种灰度，可形成总共2nX2nX2n种颜色的图像。利用投影仪和分光镜(2_1、 2—2、 2 — 3、……)通过空间排布组合，任 意一台投影仪的图像都经过其后面的所有分光镜的折射和反射，并保证多台的 投影图像完全重合在投影屏幕上，构成2^、 21、 22、 23等比规律变化的光强组合。投影仪与分光镜的排布组合中为了保证分台的共轭距相同，可以使相同的 投影仪投影距离相同来实现；也可以使每台投影仪的投影镜头焦距不同而投影 仪与分光镜的距离相同来实现；还可以在投影仪相同并且投影仪与分光镜的距 离也相同的情况下，每个分光镜的后侧加一个望远透镜组(11)来实现(最后 一个分光镜后侧可以加，也可以不加)。投影仪与分光镜的排布组合，其在系统中使用的分光镜具有可见光区 (410nm-690nm)宽带的半透半反特性，即宽光谱的50%中性分光。图像发生 器可以为空间光调制器，如数字微反射镜器件(DMD)、反射型液晶空间光调制 器(LCOS)等。本发明提出的高帧频真彩色高分辨率投影显示方法，不会以降低空间光调 制器帧频或减少像素为代价，使得组合系统可以获得高帧频的高分辨真彩色的 投影显示。
图1 基本投影显示系统原理结构图示意图；图2 两台投影仪的分光镜合成4灰阶系统图；图3 三台投影仪与分光镜组合3bits灰度投影显示系统图；图4 n台投影仪与n个分光镜组合nbits灰度投影显示系统图；图5 真彩色系统组合结构图；图6 本方法的对称排列方式示意图；图7 本方法的其它保证共轭距相同的排列方式；具体实施方式
利用多台具有光强二值化特征型的图像发生器的投影显示仪，通过半透半反分光镜(2_1、 2_2、 2 — 3、……)使它们的图像完全重合在投影屏幕(3) 上，并使每台投影仪到达目标区的光强按2的幂次方进行光学编码，形成具有 2n的灰度图像(n为投影系统台数)。基本投影显示系统原理结构图示意图如图 1所示。单色多灰度实现方式。利用系统原理，设图1中，2-1至2-8为半透半反分 光镜，投影仪1-1至1-8为开关特性型的空间光调制器(DMD)为显示器件的 投影系统，该投影系统仅仅使用一个光强二值化的空间光调制器构成的单色投 影显示系统(黑白显示系统)，则投影图像只有两种图像灰度白与黑(编码为 1与0)。为了用这样的投影系统构成具有多阶灰度的投影图像，我们可以将两个投 影仪用半透半反分光镜合成一个投影光束，如图2所示，图2中(1)为空间光 调制器(DMD)、 (2)为TIR棱镜。半透半反分光镜的反射率与透射率分别为 50%。可以得到这样的合成图像投影仪(1-1)通过本机空间光调制器调制后 的出射光a通过分光镜(2-1)反射后为1/2光强的c， c透过分光镜(2-2)后的 光强为a的l/4;投影仪(l-2)通过空间光调制器调制后的出射光d经分光镜(2-2) 的反射光的光强为d的1/2， f则由c和d分别经过分光镜(2-2)透射和反射叠 加而成，投影仪中空间光调制器每个像素有开关两个灰阶，出射光a和d光强 相同，因此一共可以有3*1/4+(1*1/2 (a、 d=0、 1)四种图像高灰度组合，这时我 们可以获得0、 1/4、 2/4、 3/4共4种光强的图像，即22=4个灰阶的图像。系统中使用的分光镜(2—1、 2_2、 2 — 3、……)具有可见光区 (410nm-690nm)宽带的半透半反特性，即宽光谱的50%中性分光。为此可以 采用介质膜+金属膜+介质膜的结构形式的光学薄膜在获得半透半反分光镜，也 可以用多层介质膜的形式构成无吸收的半透半反分光镜。为了获得更多的灰阶图像，采用多台投影仪配合多个半透半反镜，合成出 多灰阶的图像，图3显示出三台投影仪与分光镜的组合系统，可以得到三台的 合成光强分别为1/8， 1/4， 1/2，因此三台投影仪的合成灰度有23=8种。如果 采用四台投影仪与四个分光镜的组合，可以看到这样的组合可以获得24灰阶图 像，由此可以类推，采用n台投影仪以及n各分光镜，可以形成2n个灰度的图 像。真彩色形成方式。每台投影仪均为光强二值化特征型的红、绿、蓝三个空间光调制器(6、 7、 8)构成的彩色二值化投影系统，并采用上述n台投影仪与 n个分光镜的组合，则形成每种颜色具有2"种灰度的，总共2nX2"X2"种颜色的 图像。如果n=8就是每种颜色有8 bits的灰度，即构成真彩色图像，如图5所示， 图中(4)为投影仪内部的光源平行光、(6)为作用于红色光的空间光调制器 (DMD)、 (7)为作用于绿色光的空间光调制器(DMD)、 (8)为作用于蓝色光 的空间光调制器(DMD)、 (9)为分色棱镜组。本方法基本排列方式如图4所示，根据需要，还可以用对称排列方式，如 图6所示，1-1号投影仪也可垂直放置，此时其它结构保持不变。为了保证共轭 距相同，除了调整分光镜与投影仪的距离处，还可以将不同位置投影仪的投影 镜头焦距进行调整，以保证最终像素点的完全重合，图2、图3和图4都表达了 用这种方式后的结构形式；或者在分光镜靠近屏幕区一侧加一个望远镜头结构 的透镜组(11)，使本层投影仪的外焦距拉长了两投影仪光程差的距离，这样投 影仪、分光镜和望远镜头形成组合投影基本单元，这种单元顺序排列就形成彩 色多灰度系统如图7所示。其中图1、图5倾斜排列是为了保证每台投影仪共轭 距相同。本系统所形成的显示多灰度，由于采用了多台投影仪的并行系统，因此不 会以降低单台投影仪的帧频或减少像素为代价，使得组合系统可以获得高帧频 的高分辨真彩色的投影显示。基于高速DMD (数字微镜)空间光调制器的投影显示仪，其中的空间光 调制器具有1024X768的分辨率，其开关态的速度极快，可以达到8000Hz到 12000Hz的图像二值化帧频。本发明应用于此高速芯片时，就用8台这样的投影 仪组合成具有真彩色高帧频高分辨的投影显示，为体三维显示技术的发展奠定 ^石出。
权利要求
1、一种高帧频真彩色高分辨投影显示方法，其特征在于多台具有光强二值化特征的图像发生器的投影显示仪，使它们的图像完全重合在投影屏幕上，并使每台投影仪到达目标区的光强按2的幂次方进行光学编码，形成具有2n的灰度图像(n为投影系统台数)。
2、 根据权利要求1所述的一种高帧频真彩色高分辨投影显示方法，其特征 在于每台投影仪均为开关特性型的红、绿、蓝三个图像发生器构成的彩色二值 化投影系统，使它们的图像完全重合在投影屏幕上，并使每台投影仪到达目标 区的光强按2的幂次方进行光学编码，则每种颜色可以形成具有2n种灰度，可 形成总共2n X 2n X 2n种颜色的图像。
3、 根据权利要求1所述的一种高帧频真彩色高分辨投影显示方法，其特征 在于利用投影仪和分光镜通过空间排布组合，任意一台投影仪的图像都经过其 后面的所有分光镜的折射或反射，并保证多台的投影图像完全重合在投影屏幕 上，构成2、 21、 22、 23等比规律变化的光强组合。
4、 根据权利要求3所述的投影仪与分光镜的排布组合，其特征为可用以下 三种方法来保证共轭距相同，首先可以使各投影仪保持投影距离相同来实现； 其次可以使每台投影仪的投影镜头焦距不同而投影仪与分光镜的距离相同来实 现；再者可以在投影仪相同并且投影仪与分光镜的距离也相同的情况下，给每 个分光镜的后侧加一个成像光学系统(最后一个分光镜后侧可以加，也可以不 加)来实现。
5、 根据权利要求3所述的投影仪与分光镜的排布组合，其特征在系统中使 用的分光镜应该具有可见光区(410nm-690nm)宽带的半透半反特性，即宽光谱 的50%中性分光。图像发生器可以为空间光调制器，如数字微反射镜器件(DMD)、反射型液晶空间光调制器(LCOS)等。
全文摘要
本发明公开了一种新型高帧频真彩色高分辨率的投影显示方法。该方法利用高帧频高分辨投影显示系统的灰度二值化特征，使多台投影仪的图像重叠，通过光强进行二进制编码，在不降低单台投影仪帧频的基础上，实现灰度阶数的扩大，进而实现真彩色的高帧频高分辨投影显示。该二进制编码是一种投影仪图像光强的二进制编码，这种编码技术不仅可以实现真彩色投影，还可扩展到实现更高彩色数或灰阶数的超高帧频彩色投影显示之中。本发明所提出的二进制组合彩色投影显示方法，可以用于像8000Hz帧频的灰度二进制的DMD高速投影显示，经实验证实只要用八台此帧频的投影仪，就可以构成真彩色8000Hz高分辨投影显示系统。
文档编号H04N9/31GK101217672SQ20081005906
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者旭 刘, 姜文锋, 李海峰 申请人:浙江大学