CN1198286A - 视频投影设备及由规定了大小的像点构成的视频图象的表示方法 - Google Patents

Abstract

一种视频投影设备,它在屏幕(7)上显示由规定了大小的像点构成的视频图象,使用至少一个光源(1)用来发射具有预定光束横截面的光束(2),在预定的时间段内照亮屏幕上每个像点,光束(2)的横截面扩展得比要照亮的各个像点规定的大小要大,并且时间段短到在观察者的眼中看到的视频图象的大小与定义的像点的大小一致。一种方法,在屏幕(7)上由像点形成的视频图象,借助具有预定光束横截面的光束(2)投射在屏幕(7)上,用于在预定的时间段内,分别照亮规定大小的像点的情况下,其特征在于,在本方法中使用的光束(2)的横截面扩展得比要照亮的各个像点规定的大小要大,并且每个像点在很短的时间段内照亮,使观察者的眼中看到的视频图象的大小与定义的像点的大小一致。

Description

视频投影设备及由规定了大小的像点 构成的视频图象的表示方法

本发明涉及一种视频投影设备，它在屏幕上显示由规定了大小的像点构成的视频图象，使用至少一个光源用来发射具有预定光束横截面的光束，在预定的时间段内照亮屏幕上每个像点。本发明还涉及一种方法，其中屏幕上的视频图象由像点构成，具有预定光束横截面的光束投射在屏幕上，使得在预定的时间段内照亮每个规定了大小的像点。

自从发明了视频-或电视技术，它以令人印象深刻的方式获得了可观的市场。一年内全世界生产约六千万台电视机。

更新的发展基本上就是改善图象质量。它涉及清晰度、对比度和色度。

首先图象再生元件对于图象的清晰度是决定性的。电视显像管内为了给单个的像点清晰确定边界使用所谓的缝隙掩模或孔板掩模。这些掩模执行的第一个任务是针对彩色的显示，分开三束电子束可及的范围，经屏幕上的磷化物产生红、绿和兰色光。第二是在视频图象的形成时通过缝隙掩模也产生像点清晰的边界。从最近距离观看电视显象管时，人的眼睛可以捕捉到由像点(Pixel)定位给出的像素结构。

除了电视显象管外，还有其它的方法来显示视频图象。其中有些方法使用装置内部原始图象的投影。其效果是借助投影镜头在屏幕上放大原始图象。

也许最通用的这种形式的设备是LCD-投影仪。要投影的原始图象由液晶矩阵(LCD-矩阵)形成。它规定了像点的固定的数目，由此每个像点由一个LCD-元件提供。在投影屏幕上，LCD-矩阵分为单个的LCD元件，特别是单个的LCD-元件的外部轮廓清晰可辨。

在视频投影设备上像素结构同样是根据德克萨斯仪器公司的一个建议而准备的，采用可倾斜的镜子通过单个的镜子的边棱照亮像点，像素结构是清晰可辩的。

在用所谓的“光束”的图象投影中将电视显象管的前表面投影到投影屏幕上。这里单个的像点也是基于单个显象管的掩模结构的成像来限定边界的。

用于建立视频图象由像点显示的单个像元的数目，在上述所有的方法中由相应的图象再生***的结构所决定。为此这些***通常只适用于一种电视标准。例如PAL电视显象管使用625×830像元来显示视频***的像点。

在使用液晶矩阵的PAL-显示中，就像前面提到的反射镜***，必须具有相同数量的反射镜一样，需要同样数量的LCD元件。

因此所有这些***都具有一个固有的缺点。如果一个像元失效图象质量就明显地下降。由于前面提到大量像元用于显示像点，可以估计到单个像元的失效概率是非常高的。

特别是对靠增加像点的数量改善图象质量这个问题越加意义重大，以HDTV-标准所追求的目标为例，其中需要大约三百万个像元。首先这种高失效概率对前述的德克萨斯仪器公司的倾斜镜矩阵是很不利的。因为对于商业应用废品的比例太高，这种设备到目前为止还没有发展成可以销售的视频设备。

此外，上述技术还有缺陷，即视频图象只能按唯一的一种标准显示。不可能修改显示的图象格式，因为，例如帧型也由固定的标准决定。

像元的尺寸可以用简单的方法由图象格式和相应的像元数来决定。这个大小依不同的标准而改变。因而不能应用不同的标准和***。

这些缺点在同类的现有技术中可以被克服。这样的***例如在DE43 06 797 C1已公开。根据这个文献光束在屏幕上扫描偏转，其中被偏转光束的光强度或光的颜色，类似于显示管中被偏转电子束为控制像点而调制。

根据扫描，每个像点仅仅在短至几分之一微秒的时间段内被光束照亮。原理上，由于人眼的惰性，在大于1/100秒的时间段内，将接收到的光信息平均才在观察者的眼中形成图象。

在这些***中，投影仪内不存在设备内部的图象。原理上不需要借助于实际的遮光物来确定像元的边界。

像点的大小基本上由用于照亮单个像点的光束直径决定。由于激光的高度准直性，所以激光器通常使用在这类视频投影设备。原理上比激光器便宜许多的LED也可使用，然而，必须考虑到在准直镜头上和为了补偿在遮光物和准直仪上造成的光损失增加光功率的花费。

对由激光照亮的光斑决定的大小要有严格的定义。由于激光束的强度横截面通常可以借助高斯函数近似，并因此没有清晰的边界，其直径通常定义为强度衰减至最大强度的1/e²。

激光束允许的传输条件必须保持高质量以满足基于某种标准的像点大小所要求的分辨率。可以使用光束聚焦的光学***改善质量。由此产生，为实现根据要求所需激光聚焦的光学花费的上升与对分辨率的要求超出比例。

本发明的任务是提供一种视频投影***和一种方法，用此方法显示视频图象参照规定的像点大小可以使用比较少的花费用于产生光束的光源或光学***。

从现今技术出发本任务适合于，光束的横截面扩展得要比照亮的各个像点规定的尺寸大，且时间段窄小到使观察者眼中看到的视频图象的大小与定义的像点的大小一致。

如上所述，人们可能设想光束在屏幕上应当具有与要照亮的像点相同的大小。然而出乎意料的是，由于观察者眼中视觉小区的短暂曝光，在屏幕上短时产生的光点被感觉是一个较实际直径小很多的光点。

这个结果一下子还不能理解，但是如果考虑到，在每个画面具有上百万个像点的情况下，根据已述照亮单个像点的原理，眼中光的强度似乎比静止照亮每个视觉小区大百万倍，以这种形式接收图象时与静态观察时比较，观察者眼中的视觉小区工作在不适配的范围内。

然而这还是不能解释，为什么光束的直径表现得比它的实际尺寸要小。恰恰相反，对通常放大器特性的电工技术模拟结构，似乎可以预料，观察者眼中的视觉小区被大大地过刺激，以致眼睛感受到的直径似乎会远远大于光强度降到1/e²时的结果。然而正如实验所证实的，这样的结论并不正确。这可能是因为视觉小区能够容易地适应的亮度差为10⁴的量级，以致于生理上没有所预料的与电子光敏感元件类似的过激励。

然而，根据视觉小区可达到的动态范围还不易解释观察到的现象。下文将参考具体实施例给出两个模型观点，说明视觉感受的光点直径的较小的道理。

与这个现象的解释无关，采用这类视频投影设备对于解决本发明提出的问题是减少了费用。用激光投影***进行的测试表明，在通常相应于PAL-标准的扫描速度下，由此标准规定的像点大小和给定的用来照亮每个像点的预定时间段可以利用的光束横截面，其直径定义为激光光束最大光强度衰减至1/e²甚至可以是大到四倍于符合该标准期望的、静态下可检测到的光束直径。由前面所述可以确信，在光学***上的花费或是对光源所必须的费用大大低于严格按照像点尺寸来聚焦要用的费用。

检测到的现象还可以用于矢量图形。无论如何该效应可有利地应用在每个像点尽可能相同的时间段内。为此，本发明有利的进一步发展提供了一种用于逐行及逐帧扫描的扫描装置，用它在扫描时保持规定的行间距。

前述的倍数四由一种视频设备的特殊结构决定。正如下文中由生理模型计算的考查会明了，所观察到的效应甚至可以用于更大的光束直径，因为我们可以预料光束直径甚至可大至十倍于希望像点大小时在此仍然是可信的。因此本发明的有利的进一步发展的特征在于，在垂直方向上相对于逐行扫描在光强度衰减为最大值的1/e²时定义的宽度附加在光束横截面上，其宽度范围在规定的行间距的一到十倍之间。

在此进一步发展中，采用逐行扫描并且光束直径与行间距有关。每种所用标准中规定的行间距基本上优于像点的大小。因此行间距的表示也适于光束直径的规定。该进一步发展有利于考虑光束直径可以到十倍的行间距。

然而，要获得高质量的分辨率激光聚焦应当尽可能地小。为此本发明的优选的进一步发展中，光束横截面的宽度在行间距的一到五倍之间并且特别是，光束横截面的宽度与行间距之比为4±1。

正如上面已清楚地表明，作为本发明的基础效应是难于理解的。然而似乎是，该效应发生在每个像点并因此，间接地每个用于感受视频图象的视觉小区只是非常短暂地被照亮。为了放大这个作用，在本发明的另一个有利的发展中建议，光源是脉冲式的并且特别是一个脉冲激光器。

以下所述的考虑将清楚说明，当脉冲持续时间小于1μs特别是少于10ps时，该效应表现特别明显。根据本发明的另一个优选的进一步发展，确实可以实现该效应更好的应用，其中每个像点由持续时间小于1ps的脉冲照亮。

从现今通用技术出发，根据本发明的一种方法的特征在于，在本方法中使用的光束具有的横截面扩展得比依据规定的要照亮的像点的大小要宽，并且每个像点在足够短的时间段内被照亮，观看视频图象的观察者的眼中看到的像点大小和定义的这个像点的大小一致。

本方法也很好地利用装置中认识到的观察者眼睛的性能。由光束成像的像点远大于各个标准规定的要显示的像点。由于眼睛的生理特性，将感受到较大的光斑，该光斑的直径相当于所需像点的大小。

根据本发明的方法和装置不只用于显示被扫描的视频图象。例如也已知在演示应用时，用于显示矢量图形的偏转。为此，对每个画面，一个光束将分别沿着要显示的曲线移动。

在本发明的方法中，正如上面已叙述的，时间特性是重要的。因此对于矢量图形要注意，每个面元基本上在相同的时间段内被照亮。正如已知在演示应用中的矢量图形那样，经过拐点时每个路段可能持续较长的时间。这在演示应用中可能显示特别的刺激。为了防止这种现象，也可用相应的电子装置来解决，即在矢量图形中拐点处保持短时间段的曝光。

理论上均匀地照亮所有的像点时，图象显示的花费少。因此本发明推荐的另一个发展提出，用扫描光束显示视频图象。

正如以上所述，当显示像点的时间段变窄时，可以把这里显示生理引起的效应加以提高。在本发明的另一个优选的发展中实现了这点，即在照亮每个像点时光束是脉冲式的。

下面用实施例参考附图和模型计算进一步解释本发明。如图所示：

图1：一个实施例的示意图；

图2：散光片上光束的强度分布；

图3：提高阈值时可感受到的光束直径的示意图；

图4：基于图2和图3取得的认识眼睛生理学的模型说明。

图1中示出一种视频设备，它如现今技术所知道的那样，但是它是根据本发明构成的。

调制的光源1用于强度的调制，根据强度调制的光束2由光源出发。此光束落在多边镜3和旋转镜4上。

多边镜3和偏转镜4共同构成一个扫描装置，它依据一种视频标准的帧频和行频均匀地扫描光束。与已知的电视技术中的阴极射线管比较，光束2相当于电子束，多边镜3和偏转镜4相当于用来偏转电子束的磁线圈。光束2的调制、偏转和同步类似于用显象管的电视技术，因而此处不必作进一步的解释。

用多边镜3和偏转镜4扫描偏转后，光束2通过光学***5。设计这种光学***5是用来放大可得到的图象的大小。另外它还用于缩小光束2的焦点。在本实施例中使用的光学***5，已在DE 43 24 849 C2中公开。这基本上是一个远焦点透镜***，它用已知的方法增大角度的同时减小焦点。

接着光束2落在费涅耳镜6上，使光束平行并保证，不管每个显示的像点的位置如何光束2具有与后面的屏7相同的角度。利用费涅耳镜6保证在整个被扫描的屏7上具有均匀的光照度。

屏7构造成散射屏。借助这个散射屏光按其特性在预定的立体角度范围内散射，因此不论观察者位于该屏的任何角度，都可以看到由这个装置产生的视频图象。

在本实施例中根据PAL-标准扫描，因而每个像点仅在小于1μs的时间段内被照亮。由此出乎意料的是，由屏7发射的光束可能扩展得大大宽于视频标准定义的像点大小。假定光束2具有高斯型光束横截面并且令光束宽度由最大值衰减至1/e²的侧沿所规定，可以确信，这个宽度甚至可以是图象直径的四倍，也不会感到图象清晰度降低了。这个特性带来了特别的优点，因为这样可使光学***5或光源1明显地减少花费予以实现，而且仍然可实现所希望的像点大小。然而扫描装置一停，静态光点就在屏7上成像，就像基于光学***5和光源1的设计所期待的在静态下的那样，即可观察到增大了的像点大小。

观察到的小得多的光束直径归因于眼睛的生理作用。为此单个视觉小区的短暂曝光代替在通常观看图象时提供刺激的均匀曝光，于是像点大小显得比光束2的宽度小得多。这里利用的效应可以根据图2至图4由下文的观察来解释明白。

图2中示出了在子午截面的光束强度曲线8。横坐标上标出距最大强度点的距离Φ，纵坐标标出强度曲线8的各个强度J。

光束2穿过作为散射屏构成的屏7后，散射的激光进入该散射屏前面的半空间。这在图3中给出了示意图。通过包含的微观的小散射粒子屏幕7的散射结构，形成大量散射中心。每个散射中心作为一个独立的点光源发射散射的激光。因此经激光光束的强度分布产生发射具有不同强度的光的散射中心。

强度曲线8在光束横截面的边沿实现了较小值。除了散射特性，出于提高对比度的目的散射屏被染成黑色，于是某些光被吸收。由此可以看见的激光横截面直径被限制。

图2示出起限制作用的吸收量作为直线9平行于Φ-轴。于是直线9与强度曲线8的交点10和11决定了基于散射屏的吸收可检测到的强度。交点10和11间的距离表现为激光束的直径，它借助散射中心在屏7中成像。这种关系客观上真实而不是像在静态那种情况由人的视觉估价的。

正如可由图2中看到的例如，如果直线9位于更高强度的话，决定光束直径的两点11和12还能移得更近些。

人眼通常能够感受到的动态范围为10⁴量级。这一方面与视觉小区非线形的灵敏度有关，另一方面也和通过瞳孔大小的改变调节的可能性有关。由于眼睛的惰性时间常数约为1/30s，在视频投影期间得到的瞳孔大小，是由在视觉小区上在该确定惰性的时间段内到达的总光强度调定的。事实上由于降低了曝光时间，每个像点的光强度瞬时内约高出10⁵倍(像点频率高于几兆赫)。观察者的眼睛也就不能正确地适应这么高的强度。这意味着，眼睛刚能检测到正确强度的视觉阈值不在相对自然光即静态情形下存在的最佳范围内。图1的实施例的观察，即眼睛感受的光束直径要比光束2的实际直径小得多，明确地表明这个事实，即由于不匹配决定的阈值要比正常观看时高得多。

这是在图4中具体阐明的。这点又在J-Φ图中示出了一条高斯曲线。这个图中标出的直线位于标出的高斯曲线的最大值附近，于是点12和13之间的宽度表现得比在图2中给出的静态下的宽度要小得多。

图4中示出的实例自然没有考虑到生理现象中的非线形特性。根据个人经验人人都知道，在极度的黑暗里和在灿烂的阳光下都能够良好地观看，因此眼睛可以感受很宽的动态范围，并且在刺目的光线下也可以辨认细微的亮度差别。

关于人的耳朵也已知道有类似的性能。技术上这种性能在考虑音量时是按对数值(由dB表示)来度量。

与类似视神经的刺激，同样可假设成一种对数特性。这种对数的激励特性也是有意义的，以此，神经网络才能够传输高达10⁶的动态范围。

可以用神经激励R解释观察到的现象：

                   R＝F×ln(I/I₀)

这里I表示光强度，I0表示适合各个光条件的视觉小区的阈值，F是一个因数，它此外由瞳孔为最佳控制对激励R进行调节。

另一方面按对数急骤衰减的对比度同样也可辨别。这意味着，感觉函数应当至少是将所示的激励函数反转或者甚至增加对比度。因此对于感觉W必须相应地设定一个指数特性：

                      W＝ke^R可能包含感觉W中的不主要的量，而且可能在以下的考虑中没有重要意义，就在这个简化模型中略去了。然而加上了因数k，从而使得感觉W总是可以正确地以激励R标准化。

在静态情况下，其中感觉函数还可再现实际的强度或是实际强度分布，必须假定k、F和I₀之间的一种函数关系。特别是在I渐变的情况下，必须设定每个任意的分布I是与位置无关的，表示为：

                  k＝I₀  和  F＝1因而总感受到正确的强度。

此外在动态情况下各量f、k和I₀之间的关系也有类似的假定。尽管I随时间很快的变化不再是能够感觉到的，然而通过眼睛的惰性在时间上将强度平均。于是，该强度是由眼睛的适应给出，其中的平均值与正确感觉的强度相同。所以f、k和I₀之间的函数关系正是所期望的，其中I的时间积分等于W的时间积分，而积分范围将是选择的对于眼睛惰性的时间常数的量级。

借助上面给出的等式下面将决定，描述形如高斯横截面的光束强度分布状态的是如何感受到的。光束横截面相应地描述为： $I=e^{-x^2/2{\mathrm{\σ}}^2}$

这里x是至中心点的距离，σ是方差。通常宽度用来表示由x表示强度由最大降至e^-2的这类光束的横截面。这意味着，在这种情况下规定x＝2σ。因此上面更进一步规定的宽度相应于四倍的方差。

当这个强度分布用在上面给出用于激励和接收的公式时，表示为： $W=k{e}^{-F{x}^2/2{\mathrm{\σ}}^2}/{I_0}^F$ 正如通过比较I的光束横截面将要看到，感受的光强度具有方差σ/。在静态情况下，给出F＝1，光束的横截面正如所期待的那样逼真地看到了。就像所有设计的那样，此外F还由瞳孔的大小决定，它就是通过期望的不匹配F≠1得到的期望值。

在微秒的时间段内瞳孔张开的宽度比静态时大得多。通常改变瞳孔大小的时间常数在几分之一秒的量级，因而在动态情况下相对静态情况下F值就过高了，即感受到的光束横截面要比光束实际照射在视觉小区上的要窄得多。

一个简单的估计也可以用来表示F。由于视觉小区在低于1μs的时间常数范围内被照射并且眼睛的惰性在1/30s的范围内，此激励相对视觉小区的通常的、静态激励要大10⁵倍。另一方面视觉小区可以测到10⁴的动态范围。可以做这样的估计，眼睛通常适于可允许的动态范围(10²)的中间，因而可以过高估算I/I₀为10⁷。这意味着，系数F较系数In(I/I₀)是太大了。系数F大约为16，就是说，如上所述的感受的高斯函数的宽度，表现得要比 小，比投射光束的宽度窄4倍。

对这个简单估计结果已被实验证实，对此证明的解释是生理作用产生的效果。不管这相当粗糙的估计类似于计算中得到的观察到的值，要归因于这个事实，首先对数是要考虑的，即小的误差估计具有小的影响。

据本申请人所知，还没有测量法能给出即使大小为10⁷的在激励与光强度之间的对数行为。因此上述的模型必须看作被简化的并在主要细节上仍可改进。

然而正如上述考虑要弄清楚的，要实现生理效应根本的是，使瞬时强度尽可能地高。当非常高的强度尽可能短暂地进入视觉小区时，这个效应可以增强。为了增强这个效应首先提供了脉冲式激光器的替代物。正如要弄明白的，在1μs至10ps的脉冲时间范围内期望系数大于4。在甚至小于1ps的更小的脉冲持续时间内根据上面给出的模型计算，感受到的光束宽度还要比光束2的宽度小得多。根据这些考虑并有可能根据激励函数的对数行为中的偏差，成像条件可以选择为，使用的光束直径是要显示的像点大小的十倍。在通常条件下，诸如当遵循像点时间大于100ps的标准时，只有范围在1到5倍的光束直径可以实现。这由实验结果确认为4。另一方面由于光束横截面的定义只近似地确定并且相对像点大小20％的像点大小的偏差对于质量是可以接受的，本发明可以主要在光束宽度与行间距的比例在4±1的范围内实现。

适当的限制可以由专业人员通过对独立像点给定曝光时间实验轻松地确定。

Claims (11)

1.一种视频投影设备，它在屏幕(7)上显示由规定了大小的像点构成的视频图象，使用至少一个光源(1)用来发射具有预定光束横截面的光束(2)，在预定的时间段内照亮屏幕上每个像点，其特征在于，

光束(2)的横截面扩展得比要照亮的各个像点规定的大小要大，并且时间段短到在观察者的眼中看到的视频图象的大小与定义的像点的大小一致。

2.根据权利要求1的视频投影设备，其特征在于，设置一种用于光束(2)逐行及逐帧扫描的扫描装置(3，4)，用它在扫描时保持规定的行间隙。

3.根据权利要求2的视频投影设备，其特征在于，在相对于逐行扫描的，垂直方向上把大于光强度衰减为最大值的1/e²所定义的宽度附加在光束的横截面上，该宽度在规定的行间距的一到十倍之间。

4.根据权利要求3的视频投影设备，其特征在于，光束横截面的宽度在行间距的一到五倍之间。

5.根据权利要求4的视频投影设备，其特征在于，光束横截面的宽度与行间距之比为4±1。

6.根据权利要求1到5之一的视频投影设备，其特征在于，光源(1)是脉冲式的并且特别是一个脉冲激光器。

7.根据权利要求6的视频投影设备，其特征在于，脉冲持续时间小于1μs，特别是小于10ps。

8.根据权利要求7的视频投影设备，其特征在于，脉冲持续时间小于1ps。

9.一种方法，在屏幕(7)上由像点形成的视频图象，具有预定光束横截面的光束(2)直射在屏幕(7)上，用于在预定的时间段内分别照亮规定大小的像点，其特征在于，在本方法中使用的光束(2)所具有的横截面扩展得比要照亮的各个像点规定的大小要大，并且在很短的时间段内照射每个点，使观察者的眼中看到的视频图象的大小与定义的像点的大小一致。

10.根据权利要求8的方法，其特征在于，用扫描光束(2)显示视频图象。

11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，照亮每个像点的光束(2)是脉冲式的。