在使用空间光调制器的成象装置中用于增强位深度的方法

摘要

一种用于增加在采用空间光调制器(22)的成象装置(10)中的一个或多个颜色通道上可获得的强度级数量的方法。当数据被导引到多个空间光调制器(22)时，多个LUT(52)被加载到成象数据路径，其中每个空间光调制器(22)具有一单独的偏置电压设置。在另一个可供选择的实施例中，一个单空间光调制器(22)可以采用多个LUT(52)并采用适合于每个LUT(52)的变化的偏置电压设置。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种使用空间光调制器的成象装置，并且更具体而言涉及一种用于向由空间光调制器所调制的光束提供可变光强度值扩展范围的装置及方法。

技术背景

两维空间光调制器正在广泛地被应用在从彩色图像投影到向感光媒体上打印单色及彩色图像的成象应用范围中。因为它在某一时刻构成一个完整的两维图像而不需要机械运动，所以空间光调制器提供出优于其它类型成象装置如例如扫描激光器的大量优点。

空间光调制器基本上可以被看成是一个光阀元件的两维阵列，所述的每个元件对应于一个图像像素。每个阵列元件被单独地寻址并且被数字地控制以便通过透射(或反射)来自光源的入射光或通过阻挡其的透射对光进行调制。存在两个显著类型的在投影和打印装置中被用来成象的空间光调制器。液晶装置(LCD)通过选择性地改变每个像素的光偏振对入射束进行调制。通过选择性地将入射束透射通过单独的阵列元件，透射性的LCD运行。反射性LCD选择性地改变在单独阵列元件处反射束的偏振。目前在应用中的空间光调制器的第二基本类型是在美国专利No.5,061,049中公开的数字微镜装置(DMD)。所述DMD通过在每个单独像素位置的反射对光进行调制。

空间光调制器最初是为数字投影应用而研制的。实例包括如在Konno等人的美国专利No.5,325,137及在Yajima等人的美国专利No.5,743,610所公开的那些显示装置；以及在Handschy等人在美国专利No.5,808,800所公开的安装在头盔内或由护眼镜所支撑的小型化图像显示器。有利地是，空间光调制器通过在某一时刻显示一个完整图像帧来操作。

最近空间光调制器已经被使用在从线打印系统如美国专利No.5,521,748(Sarraf)所公开的打印机到区域打印系统如在美国专利No.5,652,661(Gallipeau等人)所公开的打印机的打印装置中。

考虑投影和打印对空间光调制器装置要求之间的一些更重要差异是有益的。有效图像投影要求图像形成装置提供高的亮度级。在显示呈现时，因为所显示的图像被连续地更新且离开一个距离对其观看，所以人的肉眼相对于许多类型的图像假象及象差不灵敏。运动及变化也有助于将许多类型的图像假象效应最小化。通常令许多类型图像满意的每英寸72像素的高分辨率对于投影应用并不是至关重要的。

与此同时，图像打印呈现大量不同的问题。例如，当观察来自高分辨率打印系统的输出时，因为光学响应的不规则性在打印的输出上更容易观看及观察，所以人的肉眼并不是几乎“饶恕”假象、象差及非均匀性。取决于应用，高分辨率可能要求打印输出在1200dpi或更高。对于本应用目的，通用术语“成象装置”旨在包括投影及打印装置。

空间光调制器的一个公知局限是：一个装置仅有一个有限位范围用于寻址，因此可能仅提供一个离散的强度值数量。典型地256个强度值可以被寻址并且可以用于传统的空间光调制器。虽然这可能对于许多成象应用已经足够，但是存在这样的环境，对于此环境获得多于所述这个离散的强度值数目的能力将变成有利。其中用于表示各种强度状态的能力得到增加的应用将包括医疗成象、娱乐及模拟环境。

空间光调制器具有基于为空间光调制器所提供的偏置电压获取一系列强度值的能力，使对于给定代码值可用的实际离散强度值稍微可变。偏置电压的略微变化可能意味着对于同一数据的不同强度值结果。

按照惯例，用于空间光调制器的偏置电压值被设置在校准，因而将强度值集合与其对应的输入代码值集合以1∶1的关系固定。一旦被校准，空间光调制器被配置成交付这个离散强度值集合，除非在随后日期被重新校准否则没有变化。

对于早期的空间光调制器，在成象操作期间，反应迟缓的装置反映时间阻止“再调谐”或改变偏置电压。甚至在目前，随着导致减小反映和设定时间的不断的装置研制，成象装置设计者未曾利用在操作期间使空间光调制器调谐动态变化这一能力。

成象装置设计已经被提议具有这样的设置，所述设置使用多个用于打印或投影的空间光调制器，甚至每个颜色通道使用不只一个空间光调制器。然而，设计者并未开发对于一个颜色通道中的同一像素集合用于获取附加输出强度的能力。因此，可以看出这样一种基于空间光调制器的成象系统是有利的，所述成象系统提供在一个范围内增加的光强度值数量。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用从输出图像数据构成图像的空间光调制器的成象装置，其中所述的空间调制器在一个预先设定的偏置电压设定处具有这样的能力，即在图像的每个输出像素处为n个输入代码值中的任何一个提供n个对应输出强度级的任何一个的能力。

简要地，根据本发明的一个方面，形成对于一组输入数据值具有增加的输出强度级数量m(其中m＞n)的图像的方法包括下述顺序：

(a)将第一偏置电压施加到空间光调制器；

(b)将在所述输入图像数据值的所述组中的每个输入图像数据值映射到从第一查询表中获得的对应第一输入代码值，其中所述的第一输入代码值从包含直至n个输入代码值的第一集合中选择；并且将每个所述第一输入代码值提供到空间光调制器；

(c)为了构成输出图像像素的第一阵列，根据每个所述的第一输入代码值在空间光调制器处对入射光束进行调制，其中在所述输出图像像素的所述第一阵列中每个输出图像像素的强度由每个所述的第一输入代码值来决定；

(d)将第二偏置电压施加到空间光调制器；

(e)将在所述输入图像数据值的所述组中的每个输入图像数据值映射到从第二查询表中获得的对应第二输入代码值，其中所述的第二输入代码值从包含直至n个输入代码值的第二集合中选择，其中所述的第二集合包含至少一个不在所述第一集合中的输入代码值；并且将每个所述第二输入代码值提供到空间光调制器。

(f)为了构成输出图像像素的第二阵列，根据每个所述的第二输入代码值在空间光调制器处对入射光束进行调制，其中在所述输出图像像素的所述第二阵列中每个输出图像像素的强度由每个所述的第二输入代码值来决定；

在另一个可供选择的实施例中，通过在两个或多个电平之间改变施加到空间光调制器的偏置电压，仅利用一个具有多于n个可能的输出强度级的单查询表，本发明提供一个用于获取增加的输出强度级数量的方法。在另外一个可供选择的实施例中，简单地通过在多个查询表之间切换而不改变偏置电压电平(即，省略上述的步骤(d))本发明可以被采用。

本发明的一个特点是：它利用基于空间光调制器上所施加的偏置电压的空间光调制器的响应特征，这样使用单空间光调制器装置或使用多个所述装置可以获得更高位的强度。

本发明的一个优点是：它提供一种以最小的增加成本来增加由空间光调制器所提供的可用光强度级数量的方法。

本发明的另一个优点是：它可以用于应用单空间光调制器的成象系统或应用多个空间光调制器的成象系统，包括每个颜色通道使用多个空间光调制器的系统。

本发明的另一个优点是：它允许在采用空间光调制器的成象装置中使用不同的性能设置，允许成象装置将其行为适应于不同的输出媒体或观看条件。

对于本领域中那些普通技术人员，在其结合其中示出且说明了本发明的示例性实施例的附图阅读了下述详细说明时，本发明的这些及其它目的、特点及优点将变得显而易见。

附图简介

虽然技术说明以具体地指出且清楚地提出本发明主题权利要求的权利要求而结束，但是认为：结合所附的附图，根据下述说明本发明将得到更好的理解，其中

图1是示出采用反射性空间光调制器的现有技术成象装置设计的示意性方框图；

图2是示出采用透射性空间光调制器的现有技术成象装置设计的示意性方框图；

图3示出一个典型光电装置基于偏置电压级的调制响应；

图4a和4b示出对于被提供有同样偏置电压电平的空间光调制器，输入代码值到离散强度值的两种不同的映射；

图4c示出利用本发明的方法，到具有图4a和4b实例值的代码值的增强光强度映射的实例；

图5a和5b示出输入代码值的另一可选择的映射，其中所映射的强度值可以被群集或被广泛地扩展；

图5c示出利用本发明的方法，到具有图5a和5b实例值的代码值的增强光强度映射的实例；

图6是示出在本发明的一个实施例中沿着单颜色通道的主要元件的示意性方框图；

图7是示出在本发明一个实施例中在加载和使用查询表之间的时序相互关系的时序图；

图8是示出在本发明的另一个实施例中沿着单颜色通道的主要元件的示意性方框图；

图9示出在用于浸入式系统的本发明的一个实施例中沿着单颜色通道的主要元件的示意性方框图；

图10是示出用于图9所示的浸入式系统实施例的单颜色通道设定的流程图；以及

图11是示出图9所示的浸入式系统实施例的投影步骤的流程图。

本发明将更具体地指向构成部分根据本发明的装置或更直接地与根据本发明的装置共同合作的元件。要理解为：没有具体地示出或说明的元件可以采取本领域的普通技术人员所公知的各种形式。

现在参考图1，其中以方框图的形式示出采用众多反射类型的空间光调制器22的成象装置10。为了比较，图2示出采用透射类型的空间光调制器22的成象装置10。必须要注意到：本发明的方法和装置应用于采用反射或透射类型的空间光调制器22的成象装置10。为了简单起见，随后的说明遵从图1的基本模型仅说明采用反射式空间光调制器22的成象装置10。然而，本发明方法和装置的实施同样可以应用于采用透射式空间光调制器22的成象装置10中，仅存在对成象技术中那些普通技术人员将熟悉的微小变化。

更具体地参考图1，跟踪被简化到其更基本元件的光学路径及成象装置10的图像数据路径是有益的。光源12提供通过均匀化光学器件14调节的照明。然后利用一系列二色性的束分裂器16所述源光束被分裂成单独的颜色组分，典型地为红、绿和蓝(R，G，B)并且由一个或多个镜18导引。每个单独的颜色组分通过空间光调制器22被调制以形成一个经调制的束。然后典型地利用X棱镜30，所述单独的R，G和B经调制的束被重新组合，并且被聚焦到平面40。当使用如图1所示的反射类型空间光调制器22时，放置一个偏振束分裂器来将具有适当偏振特征的未调制光传递到空间光调制器22上。然后具有合适偏振的经调制的光被从偏振束分裂器20反射以在平面40上形成最终的图像。

一个控制逻辑处理器24接收来自图像源的输入图像数据，并且向空间光调制器22提供输出调制数据。此外，所述控制逻辑处理器24还控制提供到每个空间光调制器22的偏置电压。为了简单起见，控制逻辑处理器24未在图2中示出；然而，同样类型的逻辑控制对于透射类型的空间光调制器22是必要的。

必须强调：图1和2所示成象装置的结构被广泛地广义化，并且允许众多不同的实施例和附加物。例如，光源12和其相伴随的均匀化光学器件14可以采用众多形式中的一种形式。照明可以以单独颜色如采用单独的LED或LED阵列或通过提供滤色器而被提供。控制逻辑处理器24典型地可以以众多的方式被具体化，但并不局限于使用专用的微处理器和支持电路。为了简单起见，在图1和2中并未示出透镜如投影透镜、聚光镜等。然而，取决于成象装置10的类型，将需要众多不同类型的透镜设置来导引且调节非调制和已调制光。对于打印机，例如将需要聚焦透镜来将光导引到表面40，其中表面40包括一些形式的感光媒体。另一方面，对于投影仪，将需要投影透镜以将最终的图像投影到表面40，其中表面40是一个屏幕、镜子或其它图像投影表面。

为了说明本发明的目的，如图1和2概览所示的成象装置10可以被广泛地理解成一个利用一个或多个空间光调制器22形成图像的装置。强调本发明的方法和装置可以被广泛地应用到这样宽范围的成象装置10设备中是有益的。空间光调制器22的响应特征

参考图3，其表示出基于一个输入代码值提供一个输出光强度级的空间光调制器22的典型响应特征。正如在成象技术中所公知的那样，通过改变其被施加的偏置电压电平，空间光调制器22的响应特征可以被改变。响应曲线42a示出空间光调制器22在第一偏置电压电平处的响应特征。为了比较，响应曲线42b示出同一空间光调制器22在一个不同的偏置电压电平处的响应特征。通过设定最大和最小强度级，电压偏置确定出空间光调制器22的总反差比。

假定如图3所表示的其特征曲线，空间光调制器22展现出基于其输入代码值在相关强度方面的专门响应。参考图4a，其中示出为一个代码值集合所获得的离散映射的强度级50a。为了简单起见，仅示出几个代表性的经映射强度级50a。取决于空间光调制器22装置的类型，通过施加不同电平的输入寻址电压或通过使用不同脉冲宽度调制间隔，或者通过所述这些方法的组合，可以提供由此获得的经映射的强度级50a集合。如随后实例所示，强度值不需要沿着空间光调制器22的特征响应曲线被均匀地隔开，但是可以具有在一个范围内的任何适当分布，注意到上面所述是有益的。

假定相同的偏置电压，即从而相同的特征响应曲线，如图4b所示，对于相同的空间光调制器22有可能获得不同的离散映射强度级50b集合。这是这样的一种情况，例如，如果空间光调制器22在其输出上具有增加的位深度，但是在其输入处仅可以接受更小数量的输入代码值。借助于查询表(LUT)，通过使相同的输入图像数据值与被提供给空间光调制器22的两个或更多的输入代码值相关联，单独的映射可以提供不同的强度输出级。因此，例如，第一LUT将一个专用输入图像数据值映射到第一输入代码值；第二LUT将相同的输入图像数据值映射到第二输入代码值。在成象装置10是打印机的情况下，例如，这个设置允许通过所述第一LUT将一个像素集合曝光且通过所述第二LUT将另一个像素曝光。另一方面，在成象装置10是一个投影仪的情况下，相同像素获得不同输出强度级的能力可以被用来获得在一个范围内扩展的强度值数量。获得增加的强度级数量

在任何成象装置10实施中，基于设备的特征，空间光调制器被限制成离散的可能的输出强度级数量。本发明的方法应用偏置、映射和时序技术，以便于增加当使用一个或多个空间光调制器22是可获得的有效的强度值数量。

使用LUT和复用时序装置的组合，可以轻易地看出：有可能将图4a和4b所表示出的不同响应曲线42a/b组合，以便于取得如图4c所表示的组合响应。在此，可以由空间光调制器22提供的映射强度级50集合是所示的映射强度级50a和50b的组合。

返回参考图3，可以轻易地理解到：通过以另一方式向空间光调制器22施加两个不同偏置电压中的一个，也有可能从空间光调制器22获得不同的映射强度级50。这个调节，与通过使用不同LUT提供输入图像数据到输入代码值的不同映射相结合，可以用来有效地增加利用单空间光调制器22可以实现的输出强度级的可利用数量。

对于一些成象条件，更具体地是在打印应用中，在清晰的范围内获得增强的强度响应可能是有用的。例如，为了再现面色和中性色彩，在一中色调范围内提供精细的强度等级可能是有利的。参考图5a，其中示出对于空间光调制器22，带有宽的映射强度级50c分布的映射，以便于对于获取饱合颜色将最为有益。通过比较，参考图5b，其中示出带有较窄映射强度级50d分布的映射，以便于最为有益于获取面色或中色调。参考图5c，其中表示出在成象应用宽(图5a)及窄(图5b)分布的映射强度级50c和50d的组合可能意味着什么。对于两个针对这种输出强度装置所校准的空间光调制器22，例如，一个空间光调制器22可以被用于对饱合颜色成象；另一个空间光调制器22可能被用于对中性色调成象。结果是，利用这种方法为成象提供对颜色的更多控制。作为另一选择，假定电压偏置及LUT映射的合适设置，如图5c从图形上所表明的那样，单空间光调制器22可以被调节以提供增加强度范围这样的益处。实施选项

可以容易地理解到：可以有众多可供选择的实施方案被用来操纵偏置电压设置、输入图像到输入代码值的映射以及时序，以便于获取成象装置10增加的强度值数量。

参考图6，其中以示意性的形式示出在优选实施例的最简单情况下单颜色通道的实施。提供两个LUT52以允许输入图像数据到输入代码值的不同映射。空间光调制器驱动器54为调制空间光调制器22提供支持电路。控制逻辑处理器24控制将每个输入图像数据组切换到第一或第二LUT52，并且控制每组图像数据的空间光调制器驱动器54的操作。在一个优选的实施例中，一次所处理的图像数据组表示一个完整的图像帧。其它分组是可能的，典型地是以帧成的单元或帧的一些片段。控制逻辑处理器24也提供偏置控制用于调节空间光调制器22的电压偏置。这允许最适合于使用第一或第二LUT52的设置偏置电压的选项。当在LUT52之间切换时，所述偏置电压可能不需要被改变。

参考图7，其示出用于分别启动且使用LUT52以及利用图6中的实例实施用于任选地改变电压偏置的时序关系。如图7所示，简单的另选方案将允许用于获取增加强度级数量的条件设定。因此，例如，图4a中映射的强度级50a将被存储在图6的第一LUT52中。同样地，图4b中映射强度级50b将被存储在图6的第二LUT52中。在图7的时间间隔T期间，借助于设置在第一电平的电压偏置，通过图6中第一LTU52映射的输入图像数据组将正在主动地调制空间光调制器22。在所述同一时间间隔T期间，控制逻辑处理器24将正在被加载一组准备就绪用于使用第二LUT#2的输入图像数据。在下一个间隔T+1时，借助于设置在第二电平的电压偏置，通过第二LUT52映射的输入图像数据将被调制。相同输入图像数据组可能被加载到LUT#1和LUT#2用于在连续时间间隔内在不同映射和偏置条件下的调制，注意到这点是有益的。

正如那些熟悉成象技术的人所容易理解的那样，当使用如参考图6和7所述的时序装置时，必须考虑人肉眼的平均或综合行为。为了避免在投影装置中的闪烁，时间间隔T必须足够短以允许连续照明的出现。为此目的，16ms或更短的时间间隔是足够的。

参考图8，其以示意性的形式示出一个更复杂实施例的实施，其中单颜色通道采用两个空间光调制器22。图8的装置虽然实施成本更高，但是提供增加的亮度这一优点，因为将没有必要交替使用用于调制的第一和第二LUT52。相反，两个空间光调制器22将在同时激活，每个空间光调制器22调制适当的图像像素集合。两个空间光调制器22的电压偏置电平将被分别加以设置。控制逻辑处理器34将利用用于解析输入图像数据的逻辑指令进行编程，以便于确定如何将每个图像帧的数据分割成两个集合，一个集合用于每个空间光调制器22。

容易理解到：图6和8中成象装置10的元件设置可以被扩展到每个颜色通道。虽然图6和8示出用于反射式空间光调制器22的元件，但是相似的装置将用于采用透射式的空间光调制器22。校准

成象装置10的校准允许在成象操作期间使用多个LUT及多个电压偏置设置。用于LUT#1和LUT#2设定以提供扩展的位深度的校准步骤同典型地用于传统成象装置校准那些步骤相似。概括地，这将需要下述基本步骤：

(1)将第一偏置电压施加到空间光调制器22上；

(2)对于n个输入代码值中的每个值，照明且调制空间光调制器22以获得对应的第一光强度；

(3)将相应的第一光强度与n个输入代码值中的每个值相关联以产生第一LUT52；

(4)将第二偏置电压施加到空间光调制器22上；

(5)对于n个输入代码值中的每个值，照明且调制空间光调制器22以获得对应的第二光强度；

(6)将相应的第二光强度与n个输入代码值中的每个值相关联以产生第二LUT52；

对于LUT52的产生，取决于成象装置10的设计及其预计的环境，可能有众多的变化。例如，取决于本发明如何被实施，可能没有必要在上述步骤(4)中改变空间光调制器22的偏置电压。立体投影系统的实施

本发明的方法和装置也非常适合于具有立体投影系统的实施，其中单独的图像被提供给观察者的左及右眼。

图9是示出在本发明立体成象装置100的实施例中沿着单颜色通道的主要元件的示意性方框图。在此，单独的左侧图像56l和单独的右侧图像56r分别由到达观察者58的对应左侧光学系统46l和在右侧光学系统46r表示。如图9中所示，用于左侧和右侧光学系统46l和46r中的图像处理及光学元件基本上相同；为了提供左侧和右侧图像56l和56r的适合景象内容仅需要改变图像数据。光学路径、控制功能及时序与参考上述图6、7和8所说明的那些相类似。

利用如图7所示的复用时序方案设计立体成象装置100的具体担心是维持在左侧和右侧图像56l和56r的亮度之间适当的平衡。使头脑中确立了这种类型的平衡设定，图10示例出在用于如图9所示实施例中的立体成象装置100的单颜色通道设定中典型的步骤流程。在特征步骤60中，为在左侧的光学系统46l的空间光调制器22获得与图3所示相类似的响应曲线。电压偏置被确定以为空间光调制器22设置必要的反差比。然后在左侧光学系统46l跟着进行第一和第二LUT52a和52b的LTU映射步骤62，以便于获得与图4a和4b的那些相类似的代码值到强度的映射以及获得所要求映射强度级50所需的相应输入图像数据到代码值的映射。在特征及平衡调节步骤64中，对于在右侧光学系统46r的空间光调制器22，可同样地获得响应曲线。电压偏置被确定以为在右侧光学系统46r的空间光调制器22设置必要的反差比。此外，为了合适的左及右眼响应，可以进行调节来平衡亮度设置及反差比。

然后跟着进行针对在右侧光学系统46r中的第三和第四LUT52c和52d的附加LUT映射步骤62，以便于获得与图4a和4b的那些相类似的代码值到强度的映射以及获得所要求映射强度级50所需的相应输入图像数据到代码值的映射。这为本发明在立体成象装置100中的实施提供了所必要的初始设定。

参考图11，其中示出包括在立体成象装置100中的左和右图像56l和56r的立体图像投影步骤的全部顺序。在初始的照明步骤中，用于左和右侧光学系统46l和46r两者的光源12被启动。初始化步骤72开始排序，在图11中其被表示为用于随后进行的循环操作的变量n。在帧调制步骤74中，对于一个图像帧的持续时间，左侧光学系统461利用第一LUT52a调制光。同时，右侧光学系统46r利用第三LUT52c调制光。随后进行增量步骤76以移动到下一个帧。在接下来的帧调制步骤78中，对于一个图像帧的持续时间，左侧光学系统46l利用第二LUT52b调制光。同时，右侧光学系统46r利用第四LUT52d调制光。再一次，随后进行增量步骤76以移动到下一个帧。测试及重复步骤80通过帧调制步骤74和78以及插入控制步骤76继续循环操作直至成象操作完成。另一可供选择的实施例

本发明允许众多可供选择的实施例。例如，当每个通道示出有两个LUT52时，将有可能建立任何数量的附加LUT52来适合不同类型的媒体、不同类型的图像、听众优先选择及其它变量。图像数据本身可能包括用于规定LUT52设置的的数据以及用于为空间光调制器22设置电压偏置级的数据，以获得特定的成象效果。

当成象系统10是一台打印机时，附加的元件可以被应用以允许控制逻辑处理器24来检测和响应于被用作表面40的感光媒体的特定类型。在某些方面，被编码在媒体或被耦合到媒体上或耦合到媒体包装上的信息可以被用来规定LUT数据本身、给出推荐的偏置电压设置或规定一种模式，针对这种模式应该设置单独设备用于成象。同样地，用于投影的图像数据可能包括在LUT数据上或使用中的已编码信息、电压偏置设置或用于操作成象装置10的预先设定模式。

具体地参考某些优选的实施例，本发明已经得到详细的说明，但是要明白：在上述说明的发明范围内，并且如所附的权利要求所注释，可以由在本领域的普通技术人员进行改动及修改，而且不偏离本发明的范围。

因此，所提供的是用于在采用空间光调制器的成象系统中提供可变光强度值的扩展范围的装置及方法。