专利名称：用于自对准可折叠显示器的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及显示设备，更具体地但不排他地，本发明提供了一种用于能够对准组件来确保基本最优的聚焦(focus)和对准(alignment)的可折叠显示器的系统和方法。
背景技术：
制造大型显示器的最有效的方法之一是利用投影图像。传统上，最高级的投影系统使用诸如数字微镜(DMD)、硅上液晶(LcoS)或者透射型LCD微显示器之类的成像器件。通常，一个或两个折镜被用在投影显示器中，以便折叠光路并且使其部分垂直，从而减少投影显示器的箱体深度。在单折镜背投显示器中，光学引擎利用一个或多个微显示器，将数字图像转换成光学图像，然后将光学图像投影到一个大镜子，该大镜子通过背投屏幕将光学图像中继到屏幕前的观众。光学引擎还管理光的颜色，来产生全色图像并放大该图像。在双折镜背投显示器中，从光学引擎投射的光学图像被第一折镜反射到第二折镜，然后通过背投屏幕到观众。双折镜结构与单折镜结构相比，进一步减小了TV箱体深度，但是通常要求屏幕以下的额外箱体高度。屏幕下面的箱体高度被称作下巴高度(chinheight)，由于光学引擎投射到一般位于屏幕下的第一折镜，所以该下巴高度就变高了。
由于投影显示器中的成像器件较小，一般其对角线小于1”，所以制造上比较低廉。但是，成像器件产生的较小的图像需要高至100的放大因子，以便产生一般消费级投影电视中对角线为50”-80”的图像。这种高倍放大使得在这些投影系统中光学元件的对准对于最终的图像质量非常关键。如果光学引擎、大镜子和/或小镜子相对于屏幕的位置改变，图像质量将受损害。这些元件之间的任意相对关系相对标称设计的改变都可能导致图像梯形畸变(keystoning)或失真、图像从其在屏幕上的最佳位置旋转或移位，或者图像失焦。因此，在制造时需要非常小心以保证显示器光学元件的精确对准。
这些背投显示器的深度随它们的对角线尺寸而变，但是传统的光学元件的屏幕对角线与箱体深度的典型比例是2.5-3.5∶1。因此，对角线为70”的显示器将有23”深，而对角线为55”的显示器深度为18.3”。大投影显示器极其难搬运、运输昂贵，并且因为它们的尺寸和易碎，在从制造厂家将它们运送到经销商或者客户时，或者在使用时将它们从一个家庭移动到另一个家庭时，它们的光学对准可能很容易被破坏。一旦失去对准，这些显示器一般需要被返回到制造厂家处重新对准，或者如果前述不实际，则制造厂家将支付昂贵的现场叫修服务。通常，客户接受具有低质量图像的显示器，这是由于难以维修或者维修太昂贵。另外，因为每个箱体配置必须在工厂被对准，所以对于制造厂家来说提供满足客户需求的大小的定制显示器也是不实际的。
因此，需要新的系统和方法来以成本有效的方式克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是使客户能够选择唯一地适合他的家庭或商业的定制背投显示器大小。这种定制显示器然后被制造、递送和安装到他们的家庭和办公室里。本发明允许定制显示器被制造、以折叠形式被包装和运输、安装、并且自动自对准并优化地产生最优图像质量。自对准和优化允许背投显示器箱体能够在折叠状态中被运输，并且光学引擎或投影器在定制显示器箱体外被运输。
在本发明的一个实施例中，该显示器包括光学引擎、第一镜、反馈照相机和电子器件。光学引擎基于数字测试图像投射光学测试图像。第一镜被定位来将该光学测试图像反射到屏幕上。反馈照相机被定位来捕捉至少一部分光学测试图像。通信地耦合到该反馈照相机的电子器件将所捕捉到的图像与数字测试图像相比较，并且基于该比较产生聚焦或对准调节(例如，校正)中的至少一种。
在本发明的实施例中，该方法包括基于数字测试图像投射光学测试图像；将该光学测试图像反射到屏幕上；捕捉该光学测试图像的至少一部分；将捕捉到的图像与数字测试图像相比较；基于该比较产生聚焦或对准调节中的至少一种。
现在参考下面的附图描述本发明的非限定性并且非排他的实施例，其中除非专门指出，否则在所有附图中，相似的标号指代相似的部件。
图1是示出了根据本发明实施例的经折叠并且包装的显示器的图；图2是示出了组装后的具有反馈照相机的双镜显示器的图；图3是示出了截取朝向屏幕和观众投射的图像的多个部分的两个照相机芯片的图；图4是示出了根据本发明实施例的显示器的图；图5是示出了显示器的图像优化电子器件的图；图6是示出了显示器的视频驱动电子器件的图；以及图7是示出了用于校正显示器上的图像的方法的流程图。
具体实施例方式
下面的描述被提供来使得本领域技术人员能够实现和利用本发明，并且下面的描述是在特定应用及其需求的上下文中提供的。对实施例的各种修改对于本领域技术人员来说清楚的，并且这里限定的原理在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以被应用到其他实施例和应用。因此，本发明不是要被限于所示实施例，而是要包括与这里公开的原理、特征和教导一致的最光的范围。
图1是示出了根据本发明实施例的经折叠并包装的显示器100的图。已包装的显示器100包括第一(小型，compact)包装110，该包装110装入了箱体前侧和投影屏幕120、下箱体外壳130、背箱体外壳140、大镜子150和小镜子160。已包装的显示器100还包括第二包装(装运包)170，该第二包装170容纳光学引擎180。在本发明的实施例中，第一包装110和第二包装170可以装入不同的元件。在本发明的实施例中，第一包装110和第二包装170可以被组合进单个包装。已包装的显示器100的显示器组装和安装包括箱体展开和组装、光学引擎安装、加电自测，以及自对准和图像优化。在本发明的实施例中，这些例程被嵌入在显示器100内的电子元件中，下面将详细讨论。
已折叠并包装的显示器100使得易于运输，因为折叠并包装的显示器100占用较少的空间。因此，在单个集装箱中可以装运比传统的显示器更多的已包装的显示器100，从而降低了运输成本。此外，因为运输成本较低，因此可以在劳动力成本较低的国家进行制造，而不会因运输成本也耗费掉省下的任何劳动力成本。另外，能够折叠和包装的显示器100使得与传统的大显示器相比，能够在入口通道较窄的地方安装，传统的大显示器可能不能通过门或较窄的走廊。
图2是示出了组装的双镜显示器200，其具有一个或多个反馈照相机260。组装显示器200包括将图像投射到小镜子160上的光学引擎，小镜子160将图像反射到大镜子150上，大镜子150再将图像反射到屏幕120上。反馈照相机260被定位以捕捉从屏幕120的背面反射的投射图像的至少一部分。下面将讨论，对投射图像的对准和优化是利用来自反馈照相机260的数据通过对以下各项进行调节来执行的执行的1)镜子位置，2)光学引擎位置，3)透镜位置和/或4)对数字视频图像进行预处理以在最终观测表面上重映射(remap)图像。
图3是示出了组装的具有两个反馈照相机310的双镜显示器300的图。从光学引擎180投射的图像被投射到屏幕120的有效显示区域320上，并穿过观众210观看该图像的区域。反馈照相机310位于屏幕120的有效显示图像区域320的(顶)角处。这些照相机310在正常的TV操作期间在屏幕120的有效显示区域330外基本对准。在自动对准和图像优化过程期间，照相机310朝屏幕的中心移动来与有效显示区域320部分重叠。在这种部分重叠配置中，照相机310截取部分投射图像330。该部分投射图像330可以包含专门的对准和测试图像，这些图像具有不同颜色的线、点和图案。另外，照相机310截取的投射图像330的不同颜色(红、绿和蓝)可能被误对准。因此，使照相机310位于能够捕捉这种误对准的位置上，以使得显示系统300能够针对所有颜色计算最优图像。
图4是示出了根据本发明实施例的显示器400的图。显示器400基本上是显示器200的代表。显示器400包括被定位来将图像投射到小镜子160上的光学引擎180，小镜子160将图像反射到大镜子150上，大镜子150将图像反射到屏幕120上。将小镜子160和大镜子150耦合到光学引擎180的分别是执行器(actuator)491、492和493。一个或多个反馈照相机260被定位来对屏幕120的至少一部分成像，如图2所示。反馈照相机260经由照相机接口线路485被通信地耦合到图像优化电子器件420，图像优化电子器件420经由执行器控制线路495通信地耦合到执行器491、492和493，并且经由图像重映射线路494通信地耦合到视频驱动电子器件410。驱动电子器件410经由光学引擎视频接口425通信地耦合到光学引擎180。驱动电子器件410还经由视频接口415接收来自图像优化电子器件420和视频源(例如，线缆盒、卫星接收机等)的图像数据。
对投影显示器的光学系统400的对准和优化开始于以下过程图像优化电子器件420按第一颜色生成对准和测试数字图像，所述第一颜色可能是主色红、绿或蓝中的一种，并且依次针对每种颜色进行重复。但是，系统不限于仅三原色或三种颜色通道。在原理上，可以存在许多其他的主色，例如，黄、青和紫。此外，数字测试图像可以以单色或者同时以多种颜色生成，如同使用具有红、绿和蓝图像数据的全色测试图像一样。
数字测试图像通过显示系统视频接口415被提供给驱动电子器件410。在这里，数字图像被格式化并且通过光学引擎视频接口425被提供到光学引擎180。光学引擎180生成相应的光学图像435，并且将它们反射到第一镜160，然后反射到第二镜150，然后反射到背投屏幕120的背面直到屏幕120前方的观众210。
来自投射的光学测试图像435的一些光线475从投射屏幕120的背面反射，并被照相机260截取。这种投射图像的反射475的数字图像被照相机260捕捉到，并且经由照相机接口线路485传递到图像优化电子器件420。图像优化电子器件420然后将捕捉到的测试图像与期望的图像相比较，产生镜子和光学引擎执行器492、493和491信号来调节图像的聚焦和对准，并且对数字图像数据进行处理来产生用于重映射数字视频以补偿光学失真的数据。在本发明的实施例中，按照顺序确定的调节可以是用于聚焦、用于光学组件对准和用于光学失真，同时顺序执行测试图像投射和调节。
对准和聚焦控制信号通过执行器控制线路495被发送到光学引擎位置执行器491、小镜子位置执行器492和/或大镜子位置执行器493。图像重映射数据通过图像重映射线路494被传递到驱动电子器件410。聚焦控制信号通过调节光学引擎180的位置(例如，沿光学路径)或者通过调节光学引擎180内的元件的位置，从而可以调节光学引擎180的聚焦。
系统然后再次利用照相机260测量经补偿的投射图像，并且重复该过程，直到图像质量满足某些预定的阈值，或者直到补偿不再产生图像质量提高为止。然后针对剩余的颜色重复该过程，直到完整地优化了显示器的光学传输函数。该过程可以利用白色投射再重复一次，白光由系统中同时被投射的所有原色形成。
这些对准和优化技术也可以利用直接捕捉一部分投射图像的多个照相机芯片实现，或者利用截取从光学引擎180内的成像器出发的光路或者光学引擎180和观众210之间的光路中的图像的任何部分的任意多个照相机芯片实现，或者甚至利用放在屏幕前侧的观众位置210处的照相机260实现。
图像优化电子器件420包括可以与照相机260接口的数字图像处理器，它们对数字照相机图像进行处理来产生用于利用光学引擎执行器491、小镜子执行器492和大镜子执行器493进行的图像对准和聚焦调节的对准和位置调节信号，并且通过驱动电子器件410对数字照相机图像进行处理以用于图像重映射。驱动电子器件410和图像优化电子器件420将在下面更详细地描述。
这种对准和优化过程允许实现若干有用的特征。其允许投影显示系统400在引擎180的光学器件的范围内按照任意对角线尺寸增大被制造，因为自动对准特征可以针对镜子尺寸、位置和形状的范围来调整大小、重聚焦、定位和重映射光学图像，以产生期望的最终图像尺寸。这克服了用于制造固定的屏幕大小的固定制造方法的限制，并且允许显示器唯一地适合其设计所针对的家庭或办公室。
投影显示系统400可以利用各种技术运输到全球，而不用担心失去对准并且要求现场服务或者返还到工厂。它们的内置对准系统将对运输和搬运导致的任何误对准进行调节，从而极大地降低保修和返还成本。
由于显示器400已在工厂对准，并且可以现场重新校准其自己，所以显示器400可以在折平或者拆解后被运输到零售商、家庭或办公室。这种具有镜子和支撑固件的投影显示器箱体可以折叠的形式被包装，如图1所示。光学引擎180及其安装和对准硬件可以分别包装，如图1所示的显示电子器件可以被包装一样。这允许以更紧凑有效的方式运输到商店或客户。一旦到现场，显示器400就可以被打开或者重组装，并且自对准。
在安装时，该投影显示系统被展开或者重组装，光学引擎和显示电子器件被安装和测试，这都是由不需要太多技能的劳力或者最终用户执行的。最终的对准和优化过程被发起来产生全功能的投影显示系统，该系统满足原始图像质量规范，如同工厂制造的一样。
图5是示出了显示器400的图像优化电子器件420的图。图像优化电子器件420可以作为ASIC或者ASICS、软件被实现，并且/或者利用其他技术实现。图像优化电子元件420包括通信地耦合到照相机260的照相机接口510、图像分析引擎520和对准&聚焦引擎560。图像分析引擎520还通信地耦合到重映射发生器530。图像优化电子器件420还包括通信地耦合到测试图案发生器550和存储器540的控制器570。控制器还通信地耦合到照相机接口510、重映射发生器530、图像分析引擎520和对准&聚焦引擎560。
测试图案发生器550从控制器570接收数字测试图案，并且生成适当的数字测试图像，该数字测试图像可以包括图案，这些图案通过视频接口415被发送到驱动电子器件410以投射到屏幕120上。照相机接口510然后通过照相机接口线路485接收被屏幕反射并且被照相机260捕捉到的测试图像的至少一部分的数据，然后将捕捉到的光学图像传递到图像分析引擎520。图像分析引擎520然后对捕捉到的光学图像和数字测试图像进行分析来确定适当的校正动作。
具体而言，图像分析引擎520确定校正聚焦和对准动作，并且发出命令到对准和聚焦引擎560，对准和聚焦引擎560进而激活执行器控制线路495来运行光学引擎执行器491、小镜子执行器492和大镜子执行器493，以便修改显示器的光学元件400的光学对准和聚焦。在应用了对准和聚焦调节后，控制器570使测试图案发生器550通过视频接口415发送图案或其他图像到驱动电子设备410以用于显示，并且图像分析引擎然后将所产生的捕捉图像与测试图案进行比较。图像分析引擎520然后提供图像变换信息到重映射发生器530，重映射发生器530然后基于图像分析引擎520的比较生成像素重映射数据，并且将像素重映射数据通过图像重映射线路494发送到驱动电子器件410中的映射引擎610(图6)。本领域技术人员将意识到，像素重映射数据可以包括具有映射、图像变换或者其他补偿数据的任何数据结构(例如，链表)。本发明的实施例可以利用任何类型的图像映射和变换算法，例如，在Digital Image Processing，Gonzoalez，Raphael C.，et al，Prentice Hall，Second Edition，2002，pg 117，等式3.5.1g(x,y)=Σs=-aaΣt=-bbw(s,t)f(x+s,y+t)]]>中描述的空间滤波算法。在该映射生成过程之后，测试图案发生器550生成并发送测试图像到驱动电子器件410以进行投射。图像分析引擎520然后将接收到的数字图像与测试图案进行比较，以便确定结果图像质量是否满足一些预定的标准，并且或者结束图像优化过程，或者继续对准、聚焦和图像变换优化的其他迭代。
在本发明的实施例中，对准、聚焦和映射(或者它们的子集)可以以不同的顺序执行，同时执行，并且/或者可以对多种颜色、单色等执行。在本发明的另一个实施例中，对准、聚焦和映射(或者它们的子集)可以以迭代的方式执行，以使得第一调节被应用，然后通过在应用了该调节后对相同或不同的测试图案成像，该调节的适宜性得到测试。然后可以应用第二调节，并且第二调节被测试并且该过程被重复，直到该调节被认为合适为止。在本发明的另一个实施例中，调节可以被执行一次(例如，在安装时)，只要在被观众启动时，在显示器被开启时，并且/或者在通过在非测试图像的帧之间散布测试图像的帧而显示任何非测试图像(例如，足球游戏)以使得观众不会注意到测试图像期间。反馈照相机260可以捕捉非测试图像帧之间的测试图像，并且然后可以发生上述调节。
图6是示出了显示器400的驱动电子器件410的图。驱动电子器件410可以以软件方式实现、作为一个或多个ASIC实现，并且/或者利用其他技术实现。驱动电子器件410包括通信地耦合到格式引擎620的映射引擎610。映射引擎610接收从通信地耦合到图像优化电子器件420的测试图案发生器550和接收器(例如，线缆盒、卫星接收机等)的视频接口415输入的视频图像。映射引擎610还从重映射发生器530接收图像重映射或变换数据(或保存映射和/或变形数据的其他数据结构)用于映射输入视频图像。映射引擎610利用该数据来重映射接收到的视频数据，并且将重映射的视频数据反馈到格式引擎620，格式引擎620将映射的视频格式化成适于光学引擎180使用的格式。格式引擎620然后将格式化后的图像传递到光学引擎180，光学引擎180然后投射该图像，如上所述。
图7是示出了对显示器上的图像进行校正的方法700的流程图。在本发明的实施例中，显示器400实现方法700。首先，测试图案图像被生成(710)并被投射(720)。所显示的图像的至少一部分然后被光学器件(例如照相机)捕捉到(730)。如果必要的话，然后通过将捕捉到的图像与所生成的测试图像进行比较从而生成(740)图像的重映射数据。这种对数字视频图像的重映射可以补偿图像失真，例如由于光学引擎和投射透镜中的不完美的光学元件和不完美的镜子所导致的那些(有意的和偶然的)。在生成了(740)重映射数据后，该数据被用来对驱动电子器件410中的映射引擎610中的映射过程(750)进行修改(750)，以实现映射调节。第二测试图案然后被生成(760)、投射(770)和捕捉(780)。对准和聚焦调节数据然后被生成(790)，并且在光学引擎中对准和聚焦调节被激活(795)(例如，执行器491调节光学引擎180对准、执行器492调节小镜子160对准、并且执行器493调节大镜子150对准)。方法700然后可以被重复。在本发明的实施例中，方法700可以连续重复，直到调节被认为是可接受的，并且所有调节都被应用(例如，聚焦、颜色、对准和映射)为止。在本发明的实施例中，方法700可以被重复以一次运行单个测试和调节，例如，聚焦、然后映射、然后对准。在另一个实施例中，可以基本同时确定所有调节。在本发明的另一个实施例中，反馈照相机调节可以在捕捉(720)后被应用到捕捉到的图像，来对反馈照相机引入到数据中的任何错误进行调节。
前面对本发明的说明性实施例的描述仅是示例性的，并且考虑到前面的教导，对上述实施例和方法的其他各种改变和修改也是可以的。例如，本发明的组件可以利用编程的通用数字计算机实现，利用专用集成电路实现、或者利用互连的传统组件和电路的网络实现。连接可以是有线的、无线的、调制解调器等。这里所述的实施例不是穷尽性的或限制性的。本发明仅由所附权利要求限制。
权利要求
1.一种显示器，包括光学引擎，其能够基于数字测试图像投射光学测试图像；第一镜，其被定位来将所述光学测试图像反射到屏幕上；反馈照相机，其被定位来捕捉所述光学测试图像的至少一部分；以及被通信地耦合到所述反馈照相机的电子器件，其能够将所捕捉到的图像与所述数字测试图像进行比较，并且基于所述比较生成聚焦或对准调节中的至少一种。
2.如权利要求1所述的显示器，还包括第二镜，其被定位来将来自所述光学引擎的所述光学测试图像反射到所述第一镜上。
3.如权利要求2所述的显示器，其中所述对准调节包括对所述第一或第二镜的对准调节。
4.如权利要求2所述的显示器，还包括耦合到所述第一和第二镜的多个执行器，并且其中所述电子器件还能够将所述调节发送到所述执行器中的至少一个。
5.如权利要求1所述的显示器，其中所述聚焦调节包括通过对所述光学引擎的位置进行调节或者通过对所述光学引擎内的元件的位置进行调节来对所述光学引擎的聚焦进行调节。
6.如权利要求1所述的显示器，其中所述电子器件还能够生成映射调节，并且所述电子器件顺序生成聚焦调节、映射调节和对准调节。
7.如权利要求1所述的显示器，还包括耦合到所述光学引擎的执行器，并且其中所述对准调节被发送到所述执行器来对准所述光学引擎。
8.如权利要求1所述的显示器，其中非测试图像散布在光学测试图像之间。
9.如权利要求1所述的显示器，其中所述电子器件在所述显示器被加电时被激活。
10.一种显示器，包括用于基于数字测试图像投射光学测试图像的装置；用于将所述光学测试图像反射到屏幕上的装置；用于捕捉所述光学测试图像的至少一部分的装置；用于将所捕捉到的图像与所述数字测试图像进行比较的装置；以及用于基于所述比较生成聚焦或对准调节中的至少一种的装置。
11.一种方法，包括基于数字测试图像投射光学测试图像；将所述光学测试图像反射到屏幕上；捕捉所述光学测试图像的至少一部分；将所捕捉到的图像与所述数字测试图像进行比较；以及基于所述比较生成聚焦或对准调节中的至少一种。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述反射包括将所述光学测试图像从第一镜反射到第二镜上，以及将所述光学测试图像从所述第二镜反射到所述屏幕上。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述对准调节包括对所述第一或第二镜的对准调节。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述执行器被耦合到所述第一和第二镜，并且所述方法还包括将所述调节发送到至少一个所述执行器。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述聚焦调节包括通过对投射所述光学测试图像的所述光学引擎的位置进行调节或者通过对所述光学引擎内的元件的位置进行调节来对所述光学引擎的聚焦进行调节。
16.如权利要求11所述的方法，还包括生成映射调节，并且其中所述生成聚焦调节、映射调节和对准调节是顺序执行的。
17.如权利要求11所述的方法，还包括将所述对准调节发送到耦合到所述光学引擎的执行器来对准所述光学引擎。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述投射使非测试图像散布在光学测试图像之间。
19.如权利要求11所述的方法，其中所述方法在显示器被加电时在所述显示器内被执行。
全文摘要
一种使得能够实现投影系统中的大屏幕上的图像的自对准和自聚焦的显示器和方法。
文档编号G03B21/14GK101073032SQ200580041706
公开日2007年11月14日 申请日期2005年9月20日 优先权日2004年12月6日
发明者威廉·罗伯特·伯内特, 迈克尔·欧'康诺尔, 约翰·迪克·吉尔伯特 申请人:美国影来登显示技术(上海)有限公司