CN1279801A - 电光显示装置 - Google Patents

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A·罗森塔尔
A·利夫尼
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Abstract

一种电光显示装置,包括:多个模块单元(M1－M4),每个模块单元包括一个接收电信号、把电信号转换成光学图象并经光学投影***(18)把光学图象投影到显示屏(4)的投射器(5)。模块单元(M1－M4)以并联阵列排列从而在显示屏上产生合成显示。校准***,用于检测每个模块单元的投影***导致的畸变并修正施加到每个模块单元的投射器上的电信号以针对于检测到的畸变校正合成显示。

Description

电光显示装置
本发明涉及一种电光显示装置。这种显示装置尤其适用于能够使一个或多个人利用显示器通过加入、删除或改变显示信息而与显示器交流的大型互动式显示器；以下将对本发明关于这种应用进行描述。
已知有各种类型的互动式显示器，如美国专利US5，495，269和WO95／34881中所述。这种已知的显示器一般由根据具体应用的合适大小的屏幕构成。因此，必须对各个大小的屏幕具体地设计每个显示器。而且显示器的厚度一般随屏幕的大小而增加。
本发明的目的在于提供一种其结构能使其可以根据不同的应用而以不同的尺寸组装的显示器。本发明的另一个目的在于提供一种能够以具备较大的显示尺寸但又具有较小的厚度组装的显示装置。本发明的再一个目的在于提供一种可由用户以互动方式使用但用户又不妨碍屏幕的电光装置。本发明的还有一个目的在于提供一种制造互动式电光显示器的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种电光显示装置，装置包括：一个显示屏；多个模块单元，每个模块单元包括一个接收电信号、把电信号转换成光学图象并经光学投影***把光学图象投影到显示屏的投射器；多个以并联阵列排列从而在显示屏上产生合成显示的模块单元；装置还包括一个用于检测每个模块单元的投影***导致的畸变并修正施加到每个模块单元的投射器上的电信号以针对于检测到的畸变校正合成显示的校准***。
根据上述优选实施例的另一个特点，每个模块单元还包括一个用于传感显示屏上的光学图象并将图象转换成电信号的图象传感器；和一个把图象传感器成象到显示屏上的光学成象***。校准***还检测由光学成象***在合成显示中产生的畸变并修正施加到每个模块单元的投射器的电信号，从而还针对这些检测到的畸变校正合成的显示。
根据上述优选实施例的另一个特点，显示屏是一种尺寸和结构覆盖了所有模块单元的透光显示屏。另外，校准***还包括一个屏幕表面上给定位置处的基准点二维阵列。
在上述的一个优选实施例中，基准点的二维阵列由显示屏上多个水平基准线和多个垂直基准线的交叉点确定。在上述第二实施例中，基准点的二维阵列是显示屏上的光纤端点。基准线也可以是各个模块显示屏的边界连线。在任何情况下，选择的校准技术可以用于联机校准或仅用于脱机校准。
因而可以知道，本发明的上述特点使得显示装置能够由相同设计、大小和结构的一个或多个模块单元构成并根据具体应用组配。例如，装置可以根据具体应用所需的显示屏的大小用布置成直线的两个模块单元、布置成2×2阵列的四个模块单元或布置成3×3的九个模块单元等组装成。还可以知道，整个显示屏的厚度对于任意大小的显示屏都将相同。
此装置能够捕获显示在显示屏上的任何图象，包括由光投射器投射到显示屏上的图象或利用干抹去标识器(dry-erase marker)、电子笔等的任何手写稿。装置也可捕获任何目标图象，如对着显示屏放置的文件。因此，该装置不仅可用于显示文件，而且也可用于储存或传递文件。因为合成的显示屏不受用户的阻挡，所以用户可以自然流畅地显示。因为***是模块化的，所以合成显示屏的结构和大小可适合于任何用途；并且因为***的厚度相对较小，所以可以在办公室的环境或其他空间受局限的环境中如会议室、机场通道(走廊)等地方使用。
校准***最好作为装置的一个整体部分筑造在装置上，使得能够按照需要经常方便地再校准***，如对光-机械***随时间和温度移动的趋势做补偿。而校准***对于由多个如上所述的模块单元构成的大视野装置尤其有用，校准装置还可以用在单单元的装置中。
根据本发明上述多单元和单单元两个优选实施例中的又一个特点，校准***产生一个图象路线校正表，对于每个单元校正显示屏上基准点二维阵列的已知位置和成象在显示屏上的基准点二维阵列的对应位置之间的偏差。还产生一个投射器路线校正表，对于每个单元校正在显示屏上的基准点二维阵列的已知位置和投影到显示屏上的基准点二维阵列的对应位置之间的偏差。
根据本发明的再一个方面，提供了一种制造电光显示器的方法，包括：提供多个模块单元，每个模块单元包括一个接收电信号、将电信号转换成光学图象并通过光学投影***把光学图象投射到显示屏上的投射器；以并排的阵列设置多个模块单元，以便合成各个显示从而产生一个合成的显示；通过检测光学***在合成的显示中产生的畸变并修正施加到每个模块单元的投射器上的电信号、以针对于检测到的畸变校准合成的显示，来校准模块单元。
按照前述特点构成的电光显示装置可以用于大量的用途当中，包括会议室、控制中心和电子广告牌，以及大的前／后投影***。
本发明的其它优点和特点将通过下列的描述变得更加清楚。
以下通过参考附图对本发明做以描述。
图1表示根据本发明的显示装置，包括四个模块单元和一个覆盖了所有模块单元的显示屏的合成的显示屏；
图2表示用于图1所述装置中的一个模块单元的结构；
图3表示图2所示装置中的一个模块单元的光学***；
图4具体表示了一个模块单元中光学***内的折叠反射镜；
图5表示可用于每个模块单元中的另一种类型的光学***；
图6a-6e表示在模块单元的光学***中产生的各种类型的畸变，这些畸变通过模块单元的校准***校正；
图7表示用于校准模块单元的合成显示屏上的校准格栅。
图8a和8b分别表示沿图7中8a-8a和8b-8b的横向和纵向截面图；
图9表示了一种校正模块单元中光强分布的非均匀性的技术；
图10表示用于校正模块中光学***导致的畸变以及模块中光强分布不均匀的合成显示屏的另一种结构；
图11a和11b表示一种校正模块单元的成象***中空间畸变的技术；
图12a和12b表示一种分别校正模块单元的成象光路***和投影光学***中空间畸变的技术；
图13表示一种消除多个模块单元的显示屏中的显示之间重叠和间隙的技术；
图14是一个整体校准技术实例的流程图，由四项操作A，B，C和D构成；
图15是图14中操作A的流程图；
图16是图14中操作B的流程图；
图16a，16b和16c是操作B的某项子操作；
图17a和17b总体合成，构成图14中所示操作C的流程；
图18是图14中操作D的流程图，该操作用于校准各个模块单元之间光强的非均匀性；
图19表示一种电光显示装置，包括多个配置有菲涅耳透镜并具有共用散射屏以产生对于任何视角均匀的投射器；
图20是图19所示装置中菲涅耳透镜简图；
图21a，21b和21c分另是带有机械装置的投射器的前视、侧视和顶视图，机械装置用于进行的机械校正是数字校正的备选方案；
图22a，22b和22c是关于图21a-21c所示机械校正的一种更具体的方式的前视、侧视和顶视图；
图23a，23b，23c是说明能进行更好的畸变校正的不同摄像机定位设置的图；
图24是利用图23c所示摄像机定位设置的操作的流程图；该操作用于校正单投射器中的彩色会聚畸变；图25和26是有益于对图24的流程图解释的示意图；
图27是用在类似的校正几何畸变的操作流程图；
图28是有益于对图27的流程图进行解释的示意图；
模块结构
图1是根据本发明构成的一种形式的显示装置，显示装置由布置成2×2阵列的四个模块单元M1-M4以邻接的关系构成，合并各个显示以产生一个合成显示。该装置还包括大小和形状覆盖整个模块单元的合成屏幕，由标号2表示。四个模块单元为相同的设计、大小和形状，使得可以组装成任何具体应用所需的大小和结构的合成显示屏。
每个模块单元M1-M4的结构示于图2。每个模块单元包括一个壳体3和一个接收电信号并将电信号转换成光学信号、再经过光学投影***把光学图象投影到显示屏2上的后投射器5。后投射器5由一个绘图计算机6驱动，该计算机经输入端口7从***计算机SC接收电信号。绘图计算机6最好构造成一个分离的单元并且不形成在模块上。
每个模块单元还包括一个图象传感器8，用于接收各个单元的显示屏上经过光学成象***的光学图象并将图象转换成电信号。这些电信号提供给绘图计算机6，用于驱动后投射器5以再包含显示在显示屏2上的图象。
后投射器5最好是一种有源彩色LCD(液晶显示器)投射器。但也可以是一种数字微镜装置投射器，或其它任何公知类型的投射器。图象传感器8最好是一种现今在摄像机领域通用的CCD(电荷耦合器件)。但也可以是任意其它类型的图象传感仪，如管装摄像机、扫描仪等。
绘图计算机6经输入端口7接收来自图象传感器8，以及从***计算机SC输出的电信号，并产生驱动后投射器5的信号(如视频信号)。绘图计算机6还包括一个内设的校准***，用于针对各个模块单元中投射的图象中的畸变校准模块单元，从而减小出现在所有模块单元的合成显示屏中的畸变。校准***还消除四模块单元显示的显示屏2上合成显示的重叠和间隙。
光学***
图3和4表示在显示屏2上投射由各个模块单元的后投射器5产生的图象的光学投影***，以及在各个模块单元的图象传感器8上对显示屏2成象的光学成象***。
因此，如图3和4所示，光学投影***包括一个灯泡和一个反射器10。此灯泡可以是任意一种公知的类型(如卤钨灯，卤化银灯，弧灯等)，光经过会聚透镜11、IR／UV滤光器11a和由一对菲涅耳透镜13跨越其上的LCD光模板，由投影透镜14放大，并由折叠透镜15a，15b，15c投射到显示屏2上。光学成象***把显示屏2经反射镜15a-15c和透镜***17成象到图象传感器16上。
因此，从显示屏2反射的光表示一个合成图象，即后投射器5产生的图象和任何写入并投射到显示屏正面以及成象到图象传感器8的图象的叠加。绘图计算机6储存后投射图象及捕获的合成图象的复制件。从这两个图象中，***可以确定用户的输入，即从显示屏的正面写入或投射到显示屏上的图象。
捕获写入或投射到显示屏前表面上的图象的另一种技术是瞬间关上后投射器产生的图象，并随后读出写入或投射到正面上的图象。这种技术简化了用户输入的判断过程，因为捕获的图象不包括后投射的图象。
光学投影***和光学成象***固有的会产生畸变，此畸变由绘图计算机6检测并校正，从而在合并了每个模块单元M1-M4产生的图象的显示屏2上产生更令人满意的显示，如下列具体的描述。
图5表示可用于每个模块单元M1-M4的另一种光学布局。因此，取代利用通常的光学***合成被后投射器5投射到显示屏2上的图象和由图象传感器8接收的显示屏2的图象，给模块单元配置一个图中18处所示的分离的光学投影***和图中19处所示的分离的光学成象***。
光学机械***产生的畸变
放大图象时产生畸变是光学***的固有特性。图6a表示一种具有纵轴LA和横轴TA的无畸变或理想的图象UI。图6a还表示一种枕型畸变图象，其中可以知道畸变量随离纵轴LA和横轴TA的距离而改变。图6b表示一种相对于无畸变图象UI为桶形畸变的图象BDI。图6c表示一种合成了四个模块M1-M4的显示的显示器如何以对四个模块中的每一个产生的畸变无校正的显示。
图6d表示一个投射到由四个模块单元M1-M4合成的显示屏上的无畸变水平直线UL；而图6a表示如果畸变不被校正，则在DLpc处直线如何受枕形畸变影响而发生畸变，以及在DSI处表示最终显示屏图象灰度水平。
当观察只包含一个来自单模块单元的单显示的显示屏时，光学***产生的畸变可以频繁地通过而感觉不到；但当产生一个合成图象，其中多个(这种情况下是四个)显示以“无缝”的形式“缝合”到一起时，合成显示中每个模块产生的畸变非常显著。主要的畸变是：
1．平直度畸变，产生于枕形(PC)或筒形效应；
2．沿合成显示邻接边的叠盖和缝隙，产生于枕形(PC)或筒形失真效应；
3．照明(单色和彩色)中的不均匀，产生于各个模块单元的光强水平差；
4．色差；
5．梯形(KS)失真效应；
6．相邻投射器之间的放大率(M)之差；
7．旋转(R)畸变；
8．平移(X，Y)畸变；和
9．各个投射器所固有的会聚畸变。
校正***
可以看出，为了合并多个模块的显示，需要校正***检测这些畸变并针对这些畸变校正合成的图象。下面将要描述的校正***用于校正上述畸变的大部分。同时，校正***可提供作为一个分离***，在显示***的第一安装阶段使用，或在希望校准***的任何时候使用，而包括在下面将要描述的设备中的校准***制作在***中成为一体。因此，该***有一个重要的优点，即可以以简便的方式更频繁地用于校正光-机械***随时间和温度偏移的趋势。
图7中所示的内置式校准***包括形成在合成显示屏2表面上的多个水平基准线20和多个垂直基准线21，使得两组基准线的交叉点确定了一个二维阵列或在合成显示屏2表面上精确定位的基准点的格栅。如图8a和8b所示，基准线20和21通过在合成显示屏2的表面上形成一个V形槽23并用荧光材料24填充而产生，其中发光材料24由沿合成显示屏2的一边(上边)延伸的水平光源25和沿合成显示屏2的一边(左边)延伸的垂直光源26激发。两个光源25、26的每一个由反射器25a和25b封住，形成开口25a和26b，面朝合成显示屏2，从而把光导向合成示屏承载的发光材料24。发光材料24最好是一种紫外线(UV)荧光材料，光源25、26是致使材料24发光的UV光源。
作为一个例子，合成的显示屏2可以由一种刚性透光(透明)板27构成，板的内表面27a上形成有填充着发光材料24的V形槽23，限定了基准线20、21的格栅，透明板的反面27b充当用户的写入面。合成显示屏2还包括一个挠性塑料片28，如具有粗糙表面的“Mylar”片，覆盖透明板27的刻槽面27a和V形槽23内的发光材料24。
由水平和垂直线20、21的交点限定的基准点22的二维阵列用于检测并校正光学***在每个模块单元中造成的畸变，具体如下所述。
图9表示一种用于校准模块单元M1-M4的光强中非均匀性的技术。为此目的，合成显示屏2配置有多个光纤30，光纤的一端31位于合成显示屏2的内表面，以传感各个位置的光强。每个光纤30的另一端连接到光探测器32，产生一个对应于各个地点31处光强的输出。光探测器32的输出连接到控制后投射器(图2中的5)中光源强度的控制电路33，构成图9中标号34表示的投影***，从而减少模块单元中光源光强的不均匀性。包括模块单元的光传感器8的成象***35与投影***34分离，类似于图5的布局，并且成象***还控制控制电路33。
图10表示另一种不仅可用于检测并校正各个模块单元M1-M4的光学***中的畸变，而且还可检测并校正这些模块单元中投射器装置的光强非均匀性的技术。如图10所示，合成显示屏2包括多个光纤41，光纤的一端42在已知精确的位置处嵌入合成显示屏，在合成显示屏表面上限定已知位置的基准点的二维阵列。每个光纤41的另一端连接到光发射器43(如LED)，并还经分束立方体45连接到光传感器44(如光探测器)。每个光纤41的光发射器43和光传感器44并联连接，从而可以选择性地启用。
因此，当光纤41用于产生基准点42(对应于图7中的忌嘴地2)的二维阵列时，光纤41的光发射器43被激励；并且当光纤41用于探测并校正模块中后投射器光强的不均匀性时，启用光传感器44。
总体操作
下面将参考图11a-13和流程图14-18描述上述校准***用于检测并校正几个模块的光学***中的畸变以及模块中光强水平的不均匀性的一种方式。
图14是总体校准技术的一般流程图。校准由四个主操作组成，分别标予操作A、B、C和D，出现在块51-54中。
操作A、块51涉及每个模块中成象路径的校准。在此操作中，由各个模块的绘图计算机6探测并校准各个模块中从显示屏2到图象传感器8的光学成象***中的畸变。此操作更具体地列举在图15的流程中。
操作B、块52涉及每个模块中投射器路径的校准。在此操作中，也由各个模块的绘图计算机6探测并校准各个模块中从后投射器5到显示屏2的光学成象***中的畸变。此操作更具体地列举在图16、16a、16b和16c的流程中。
操作C、块53涉及在多个模块M1-M4中的投射器阵列的校准以微调投射在合成显示屏2上的合成图象，包括消除由光学***中的畸变导致的每个模块中显示之间的叠盖和间隙。此操作和前述其它的畸变-校正操作通过各个模块M1-M4中的绘图计算机6和控制所有模块的***计算机SC进行，如图17和17a所示的流程。
操作D、块54涉及对所有的模块中光强水平不均匀性的校准。在此操作中，探测并控制从所有的模块单元透射到合成显示屏上的图象的光强水平以减小非均匀性。此操作还通过模块单元的绘图计算机6以及通过***计算机SC控制所有的模块单元执行，如图18中的流程图所示。
操作A(图15)
如图15中的操作A(块51，图14)的流程图所示，第一个步骤是激励第一模块单元M1的两个管25、26(图7)，以便在模块单元中产生视觉基准线20、21(图7)，在基准线的交点22处，确定合成显示屏2的面上已知位置上基准点的二维阵列。此步骤由图15中的块61表示。由这些基准线产生的理想格栅分别由图11a中的水平线HL0-HL6和垂直线VL0-VL6’表示。
每个模块中的图象传感器8捕获产生在合成显示屏2上对于各个模块(块62)的图象。但是，因为由光学***在从显示屏2到图象传感器8的成象路径中产生的畸变，图象传感器“看到”的实际图象不是图11a中所示的理想格栅，而是图11b中所示的畸变格栅。这是因为图11a中理想格栅的所有水平和垂直线是直线并且彼此垂直，而图11b所示的畸变格栅中所有水平线HL0’-HL6’和垂直线VL’0-VL’6(除了沿纵轴和横轴TA的线HL3和VL3)因成象光路的固有畸变而畸变。这些畸变随着从纵轴LA和横轴TA到各个线的距离而增大。
限定基准点二维阵列的水平和垂直线的交点被确定在图11b的畸变格栅中(块63)，并与图11a所示理想格栅中的基准点的已知位置相关联(块64)。然后，每个模块的绘图处理器6计算二维最佳拟合三次函数，把畸变格栅的交点转换成理想格栅的交点。这些计算是公知的方法，例如见第23，258-272期的“计算机视觉、绘图和成象处理 (Computer vision，graphics and image processing)” 中发表的Stephen K．Park and Robert A．Schowengerdt 所著的“通过参数立方卷积进行图象重构 (Image Reconstruction by Parametric CubicConvolution )”。 对每对水平线(框65)和每对垂直线(框66)执行此程序。
之后，对于二维阵列基准点中每个基准点的各个模块产生二维图象路径校正表，并将该表储存在绘图计算机6中(块67)。对所有其余的模块M2-M4重复上述步骤(块68)。
块65和66的结果是对于储存的理想格栅(图7)的每个水平线20和每个垂直线21的一组畸变函数，即七个(在图11a所述的实例中)水平函数和七个垂直函数。块67中计算出的图象路径校正表是一个能够启用***硬件把捕获的成象路径的畸变图象转换成无畸变图象的校正表。
上述执行操作A的技术有很多优点，包括：最佳拟合函数的计算滤除(光滑)了任何由成象路径产生的局域噪声或基准格栅中的局域误差。另外，对每个基准线的三次函数的计算能够通过内插法判定不在基准格栅上的所有其它点。另外，通过三次函数表示畸变数据(区别于表)能够以更紧凑的方式处理和储存数据。
操作B(图16、16a、16b、16c)
图16表示涉及每个模块中投射器路径校准的操作B(图14中块52)的步骤。此操作探测投射器光路、即从各个模块的后投射器5到合成显示屏2中产生的畸变，并产生用于校正这些畸变的投射器路径校正表。
因此，如图16所述，储存的理想格栅(图11a)投影到合成显示屏2上(块71)，由于投射器的光路使象发生畸变。投射的图象从显示屏部分地反射到各个模块的图象传感器(图2中的8)上，传感器捕获的图象由于成象光路中的畸变而发生畸变。格栅的这种畸变图象示于图11b。
根据图16a中的流程，各个模块的绘图处理器(图2中的6)校正畸变格栅(块73)中的交点(基准点)。因此，如图16a所述，对于捕获的图象中的每个象素，从图象路径校正表(根据图15的流程在操作A中产生)中计算四个环绕的格栅基准点；并且通过利用双线性内插法将每个象素重新定位到正确的位置。
图16a流程中的块73a和73b的步骤更具体地列举图12的示图。因此，畸变格栅中畸变象素的位置标在DP，畸变格栅中四个环绕象素的位置标在DP1-DP4。理想(校正的)格栅上对应的四象素的位置标在CP1-CP4；对应象素的校正位置标在CP。
再看图16中块73(以及图16a中块73a、73b)表示的步骤，各个模块的绘图计算机有一个无成象光路畸变的投影显示屏的图象，并且只包括投影光路的畸变。
然后为每个投影光路(块74)计算投影路径校正表。投影路径校正表为每个理想格栅的基准位置提供畸变格栅中投射基准点的校正位置。计算投影路径校正表(块74)的方式通过图16b中的步骤74a-74f更具体地表现出来。
如图16所述，核查畸变是否小于阈值(块75)。如果不小于阈值(即畸变大于阈值)，则根据图16c中所示的流程和图12所示的简图判定并储存基准点的正确位置。
然后，对投影图象(图12b)中的每个象素从投射器路径校正表中判定四个环绕的格栅基准点PP1-PP4(图16c中的块76a)。通过利用双线性内插法(块76b)，确定理想的正确格栅上的对应点CP1-CP4，把象素重新定位到正确的位置CP(块76b)。
在上述对各个模块的投射器路径进行的畸变校准完成之后，对其它的三个模块M2-M4(块77)重复该程序。一旦完成对所有的模块单元实施B操作，则对每个模块单元的投射器关于各自光学***中的畸变进行校正。
操作C(图17、17a)
执行操作C(图14中的块53)以校准投射器阵列，形成一个合成的投影图象。在此操作中，把四个模块单元的投影显示作为合成显示屏2平面上的四个具有平行坐标系的平铺显示对待，水平和垂直地电移动，直到无叠盖地且无间隙地覆盖合成显示屏2的表面。图17和17a中更具体地表示了此操作，图13是此操作的示意图。
因此，如图17所示，从第一模块中投射出水平线(块81)，并且来自第一模块成象路径的水平线的图象被捕获(块82)。然后，从第二模块投射水平线(块83)，并且来自第一模块成象路径的水平线的图象被捕获(块84)。之后，第二模块投射器中储存的图象的位置横向水平偏移和垂直偏移，直到线对准(块85)。通过对这些模块计算水平偏移和垂直偏移而对第三和第四模块重复前述的步骤(块86)。
对垂直线重复同样的程序(块87)，具体地如同图17a中的流程，对应的步骤由块87a-87f所示。
操作D(图8)
操作C一结束(图14中的块53)，就执行操作D，检测并校正所有模块中光强的非均匀性。此操作具体如图18中的流程图所示，并且为此目的使用光强探测器(图9中的光纤30或图10中的41)。
在对合成显示屏2上照明非均匀性的校准中，做下列假设：
1．模块之间的照明差总体呈自然状态，意指模块的非均匀性分布轮廓形状类似，但在幅度上不相似。幅度之差是每个模块中灯泡亮度之差以及每个模块中光学衰减之差的结果。
2．每个模块内的亮度变化以极低的空间频率渐变。
3．每个模块的显示屏上亮度的非均匀性表现是根据公知的物理特性，如根据下式：
I=k*cos(0)**4    方程1
其中
I=观察者看到的显示屏上的照明亮度；
0=显示屏上的点相对于光轴的角度；
k=随机系数。
对于焦距=100cm的模块，投影面积=60cm×80cm，显示屏角部的下降为-31．4％。此下降是非常平缓的并具有相对于模块光轴的圆对称性。
如图18所示，照明非均匀性的校准包括两个主要步骤：
1．每个模块范围内的非均匀性的校准(例如，如上所述)。
通过调节每个储存模块图象的灰度水平来对每个模块校准非均匀性。灰度水平的调节采用光调制器的容量，以几乎连续的方式调节其透射率。例如，假设把均匀的白色区域投射到整个模块的显示屏上，并且假设光调制器有256个灰度级。绘图处理器将产生一个在显示屏的中间象素中具有灰度级为255*(1-0．314)或175、在显示屏的角部灰度级为255的图象。其它象素的灰度级将根据方程1计算。这些值将造成光调制器以模块的显示屏上的照明在显示屏的整个表面均匀分布的比例衰减透射光。
前述操作通过图18的块90和91执行，并对所有模块适用。该操作的结果是在每个模块之内显示屏的亮度均匀，但模块与模块之间的平均亮度水平将不同。模块之间的差异通过块92和93实施的下一个步骤进行校准。
2．模块之间差异的校准：
如上所述，假设在步骤(1)(块90，91)的校准之后，每个模块的场是均匀的，但模块与模块的平均(DC)强度不同。因此，为了校准模块之间的差异，***在每个模块中采用传感探测器，能够读出投射到显示屏上的光的平均亮度水平。如上所述，光传感器包括数根光纤，光纤的顶端连接到显示屏的表面，如图9中的31和图10中的42所示。每个光纤的顶端汇集一部分投射到显示屏的光并将此光束传递到光探测器。由于光纤极薄(约100μm)且只有光纤顶端与显示屏接触这种事实，光纤本身最低限度地干扰投射的图象，而光纤长度的大部分远离显示屏和焦点。光传感器的读出(投射到显示屏上的光强度)将输入到绘图处理器。绘图处理器将利用这种输入计算模块之间的差异并控制光调制器的衰减，如步骤(1)所述的校准。
下列为一个设计实例：投影透镜，E1-Nikkor，f=135，f／5．6；成象透镜， Panasonic WV-Lf6；LCD 板， Sharp model LQ64p312； 光源，400W Tungsten-Halogen lamp，Osram HLX 64665； 绘图计算机，Texas Instruments TMS320C80。
显示屏结构
图19和图20是四个投射器100(只有两个在图19的俯视图中可看到)，每个投射器提供六度的移动。每个投射器包括一个对各个投射器投射的光进行准直的菲涅耳透镜104。所有的菲涅耳透镜被公共显示屏106覆盖，如用一个双凸或散射面构成的显示屏覆盖，用于散射光并由此对任意观察角提供均匀性。通过元件110把闭塞元件108安置于相邻菲涅尔透镜之间的接头以下，以便减少投射器发出的光束的重叠，并由此产生一个无缝的合成显示。
机械校正畸变
下列畸变可以机械地或光学地校正：
1．枕形(PC)畸变和桶形畸变导致的笔直度畸变和重叠的间隙。；
2．梯形失真效应；
3．相邻投射器之间的放大率之差；
4．旋转畸变；和
5．平移畸变。
图21a-21c也表示如何控制投射器100的驱动器102校正平移畸变(x，y)，旋转畸变(R)，放大畸变(M)，以及由于梯形失真效应(Ksx，KSy)所致的畸变。枕形(PC)和桶形畸变可以通过利用曲面镜如图4中折叠镜15a-15c的一个或多个来校正。但彩色会聚畸变可以通过将各个象素元件移动所需的子象素距离而数字地校正。
图22a-22c分别表示给每个投影驱动器102提供六度移动的一种方式的前视、侧视和顶视图。因此图22a-22c中所示的布局包括一个支撑在另一个顶部的七个板111-117，最上面的板117支撑投射器100。板112相对于板111垂直移动以校正Y向平移畸变；板113在板112上可水平滑动以校正放大率之差(M)；板114在板113上沿x轴移动以校正X平移畸变(X)；板115可绕轴115a转动地安置在板114上以校正梯形失真畸变KSy；板116可绕中心轴116a转动地安置以校正梯形失真畸变KSy；板117绕板116的枢轴117a转动以校正旋转畸变(R)。
图23a-23c表示对于四个投射器的显示屏的不同摄像位置(最好以对称的方式垂直于显示屏)。图23a表示将图象置于投射器各显示屏131-134中心的四个摄像机121-124；图23b表示被定位以成象四个显示屏151-154边缘的四个摄像机141-144；图23c表示被定位以成象四个显示屏171-174角部的五个摄像机161-165。图23b中所示的边缘定位布局和图23c中所示的角部定位布局使得能够更好地校正畸变，因为同样的摄像机拍到不止一个模块图象并且可以成为更多的有问题区域的中心。
校正颜色和强度畸变
颜色畸变的校正通过变更每个投影象素的R／G／B成分实施。强度均匀性校正通过相同的机制实施，并尤其是颜色校正机构的副作用。例如，如果G和B(即分别是绿色和蓝色成分)不改变并且R(红色成分)放大0．5倍，则象素变成“微红”。但如果G，B和R全都放大0．5倍，则颜色不改变但强度下降。
导致颜色和强度畸变的有两个主要原因。第一个是每个投射器利用其自己的灯泡投影图象，并且每个灯泡有一个由精确的制作条件决定的并且也随时间变化的唯一的发射谱特征(通常发射光随时间变红且光强减弱；这对于投射器中通常使用的金属卤灯成立)。因此，每个投射器相对于其邻近的投射器产生颜色上的轻微差异。第二个原因(主要适用于强度校正)是由于内部的光学***致使投射器发出非均匀的光强(通常图象的中心比较靠外的部分受到更多的照射)。
在***中关于颜色(并因而关于强度)有两个不同的操作。
(1)估算颜色畸变(作为校正阶段的一部分进行)。
(2)每个投影帧中所有象素的颜色校正(由控制投射器的硬件执行)。
颜色畸变预算作为***校准阶段的一部分进行。它基于把摄像机(CCD)作为颜色测定的工具。每个摄像机瞄准多个相邻区域的边界，如图23b或图23c所示。因此，摄像机首先用于测定相邻投射器之间的颜色差异。这通过重复数次下列的基本步骤(包括下列操作)进行：
(1)由两个(或四个)相邻的投射器投射相同的颜色和强度(如相同的R／G／B数字值)。
(2)捕获由投射器覆盖的区域的快拍(snapshot)。此步骤可以重复数次以通过平均快拍而提高SNR。
(3)分析捕获的图象以预算两个(或多个)投射器的Ri／Gi／Bi，如同摄像机所见的如图23b和23c中的布局。这只要通过简单地平均每个投射器分别投射的象素即可实现。
对各种R／G／B结构重复多次此基本步骤，但是有一个限制：只有一种颜色成份取非零值。不需要测定复杂的R／G／B结构，因为它们都是基本的R／0／0，0／G／0和0／0／R的线性合成。
下一个步骤是把Ri／Gi／Bi转变成CIE-XYZ色度坐标***。这是一个在文献中已被解决的问题，例如见1995年2月“染料与色彩协会学报”(Journal of society of dyers and colorists)发表的Connoly C．，Leung T．W．W．and Nobbs J．所著的“使用摄像机进行远程颜色测量”(‘The use of video cameras for remote colour measurement’)。
解决的问题在文献中作为“全色映象”(或作为“颜色空间变换”)是公知的。其目的是利用一组限定的(即减小的空间)颜色表现一个彩色图象，使得普通的观众可以尽可能近的接近原始图象。Roy Hall的“计算机绘图中的照明和颜色(Illumination and color in computergenerated imagery)”(Spring Verlag 1989)和A．S．Glassner et al在ACM，Transaction on Graphics，Vol 14 No．1 Jan-95；pages58-76中的“针对装置的粉饰(Device Directed Rendering)”都是很好的参考。
利用硬件对每个象素进行颜色校准。校准包括三个校准：
(1)线性化：利用查询表，用X=X-X0代替每个R／G／B值，其中X分别代表R／G／B，并且(Gamma)是一个公知常数，代表投射器的电光特性。此步骤称作“线性化”是因为新值与投射器产生的实际测定照度成线性比例。
(2)变换：一种导致新的R／G／B三元组的简单线性变换(使用3×3矩阵)。
图24的流程表示校正单投射器中彩色会聚畸变所采用的前述步骤，图25和26是此操作的示意图。完成图24所示流程中的四个步骤产生一个校正表，表中每个彩色象素被移动到所需的子象素值以校正彩色会聚畸变。
校正几何形状的畸变
下列描述表示对操作B和C的另一实施例，操作B和C表述在图14中作为主要实施例的一部分。
本实施例基于检测固定基准线的存在和可能性，其中基准线精确地位于相邻菲涅耳透镜之间。通过调整每个投影图象的形状去精确地填充由基准线形成的矩形，避免全面调整(即上述操作)的需要。基准线的探测能够通过摄像机接收元件108背侧(在图19中)发射的光束这一事实而实现。
通过执行公知的重新抽样的算法进行数字化的图象形状调整(如上述操作B)。以完全相同的方式单独地对每个投影图象进行重新抽样。利用无变化、非匀质、非线性的象素分布进行重新抽样。由此意味着一旦利用考虑了象素在显示屏上的理想位置和确定投射器特性的各种畸变参数的复杂公式，就可以预先确定每个重新抽样的象素的位置。例如，如果发现投影原始图象时投射器与右侧偏差0．5个象素，则在重新整形的图象中每个投射的象素对应的原始象素的左侧0．5个象素重新抽样。本实施例中的实际的公式类似地考虑了垂直移动(表述成Y)，放大因子(M)，轴向旋转(R)，水平和垂直梯形失真(KSx，KSy)以及枕形畸变效应(PC)或筒形效应。
在利用图27所示算法的***校准步骤中发现这些畸变参数，参数如下：
每个模块按这种方案单独校准。该算法以设置当前模块(开始时已知)的所有畸变参数为零开始(图27中的步骤201)。这导致投影原始的图象，图象没有被重新定形。该算法只使用一种类型的图象，其是基准线内部的一个矩形(图28中可以看出)。形成内矩形的点到外矩形(由基准线形成)之间的距离恒定。迭代使用该算法，力求改进每次迭代中畸变参数的值。
在步骤202中(图27)，投射了一个利用畸变参数的当前值校正的形成一个内矩形的图象。在步骤203中捕获该图象并测定图28中所示的距离。在步骤204中，利用在步骤203中测定的距离计算对畸变参数(即dX，dY，dM等)的校正。下列步骤是此算法的关键：如果畸变参数是正确的，则恰当地投影内矩形；因此在步骤203中测得的所有距离都相等，并且在步骤204中计算的量都等于零。
在步骤205中，利用步骤204中的校正方程更新畸变参数，方程表述为X=X+dY，Y=Y+dY等。对采用的迭代算法用特定的准确表述以控制畸变参数的收敛。一种可能的算法是“方向设置”(或“共轭梯度”技术)(如W．H．Press，B．P．Flannery，S．A．Teukalsky和W．T．Betterling在“Mumerical Recipies in C”，Cambrigde University Press，ISBN-0-521-35465-X，Chapt 10(函数的最大化或最小化)第一辑，1988中所述)。
在步骤206中，计算畸变参数的相对变化。如果该值非常接近零，则算法结束。否则，回到步骤202开始新的迭代。但此时内矩形以不同于前一次迭代的方式被重新抽样。因此，投影以尽可能接近其应有的完美的矩形的形式执行。
尽管关于几个优选实施例对本发明已做了描述，但应理解这些描述只是出于举例的目的，还可以做多种变化。例如，每个模块单元可以包括自己的显示屏，用一个分离的合成显示屏覆盖模块单元的整个显示屏。另外，校准操作可以通过外部计算机进行。本发明的许多其它改型、调整和应用是显而易见的。

Claims (57)

1．一种电光显示装置，包括：
一个显示屏；
多个模块单元，每个模块单元包括一个接收电信号、把电信号转换成光学图象并经光学投影***把光学图象投影到显示屏的投射器；
多个以并联阵列排列从而在显示屏上产生合成显示的模块单元；
该装置还包括一个校准***，用于检测每个模块单元的投影***导致的畸变并修正施加到每个模块单元的投射器上的电信号以针对于检测到的畸变校正合成显示。
2．根据权利要求1所述的装置，其特征在于每个模块单元还包括一个传感显示屏上的光学图象并将图象转换成电信号的图象传感器；和一个把显示屏成象到图象传感器上的光学成象***；
并且其中所述校准***还检测由光学成象***在合成显示中产生的畸变并修正施加到每个模块单元的投射器的电信号，从而针对这些检测到的畸变校正合成的显示。
3．根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述显示屏是一种尺寸和结构覆盖在所有模块单元上的透光显示屏。
4．根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述校准***包括一个显示屏表面上给定位置的基准点的二维阵列。
5．根据权利要求4所述的装置，其特征在于基准点的二维阵列由显示屏上多个水平基准线和多个垂直基准线的交叉点确定。
6．根据权利要求5所述的装置，其特征在于水平基准线和垂直基准线由承载在显示屏表面上的发光材料产生，一个光源用于激发发光材料以促使其发光。
7．根据权利要求6所述的装置，其特征在于发光材料的基准线处于显示屏的后表面上，显示屏的前表面充当写入表面。
8．根据权利要求4所述的装置，其特征在于基准点的二维阵列是显示屏上光纤的一个端点。
9．根据权利要求5所述的装置，其特征在于校准***对每个模块单元产生一个投射器路径校正表，用于校正显示屏上基准点二维阵列的已知位置和投射到显示屏上的基准点二维阵列的对应位置之间的偏差。
10．根据权利要求9所述的装置，其特征在于校准***还对每个模块单元产生一个图象路径校正表，用于校正显示屏上基准点二维阵列的已知位置和投射到显示屏上的基准点二维阵列的对应位置之间的偏差。
11．根据权利要求4所述的装置，其特征在于校准***还利用显示屏上基准点的二维阵列合并显示，以消除合成显示中的叠盖和间隙。
12．根据权利要求4所述的装置，其特征在于显示屏还包括多个光纤，它们的一端处于显示屏内表面上的多个间隔位置用于检测上述位置的光强。
13．根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
每个投射器包括一个具有多个移动自由度的驱动器；
校准***通过控制投射器的驱动器至少校准一些探测到的畸变。
14．根据权利要求1所述的装置，其特征在于校准***通过下列步骤检测并校正彩色会聚畸变：
对多个相邻的投影区域成象，以在图象传感器上产生这些相邻区域的光学图象；
分析上述光学图象，以测算图象的彩色象素中的彩色会聚畸变；
把上述合成显示中的每个彩色象素重新数字定位到一个子象素值，以校正彩色会聚畸变。
15．根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
每个投射器包括一个对各个投射器发出的光束进行准直的菲涅耳透镜；
一个具有覆盖所有所述菲涅耳透镜的光散射面的公共显示屏；
和一个位于相邻菲涅耳透镜之间的接点以下的闭塞元件，以便减少投射器发出的光束的重叠，并由此产生一个无缝的合成显示。
16．一种电光显示装置，包括：
一个在一端由显示屏闭合的腔体；
一个在上述腔体内包括光学投影***的投射器，用于接收电信号，把电信号转化成光学图象，并把光学图象作为一个显示投射到显示屏上；
一个把电信号提供给后投射器的计算机；
一个传感显示屏上的光学图象并把图象转化成电信号的图象传感器；
一个把显示屏成象到图象传感器上的光学成象***；
和一个校准***，用于检测显示在显示屏上的图象中的畸变并修正施加到后投射器上的电信号以针对检测到的畸变校正显示的图象。
17．根据权利要求16所述的装置，其特征在于显示屏是一种透光材料的写入屏。
18．根据权利要求17所述的装置，其特征在于校准***建在上述装置中。
19．根据权利要求18所述的装置，其特征在于校准***包括一个在写入屏表面上已知位置的基准点二维阵列。
20．根据权利要求19所述的装置，其特征在于基准点的二维阵列由写入屏上多个水平基准线和多个垂直基准线的交叉点确定。
21．根据权利要求20所述的装置，其特征在于水平基准线和垂直基准线由沉积在写入屏表面上的发光材料和一个用于激发发光材料以促使其发光的光源产生。
22．根据权利要求21所述的装置，其特征在于发光材料的基准线位于写入屏后表面，写入屏的前表面用作写入表面。
23．根据权利要求19所述的装置，其特征在于基准点的二维阵列是写入屏上光纤的端点。
24．根据权利要求19所述的装置，其特征在于校准***产生一个投射器路径校正表，用于校正写入屏上基准点二维阵列的已知位置和投射到写入屏上的基准点二维阵列的对应位置之间的偏差。
25．根据权利要求24所述的装置，其特征在于校准***还产生一个图象路径校正表，用于校正写入屏上基准点二维阵列的已知位置和成象到写入屏上的基准点二维阵列的对应位置之间的偏差。
26．包括多个根据权利要求16所述的装置的电光显示装置，
所述多个装置由布置成并排关系的相同大小和形状的模块单元构成，合并各个显示以产生一个合成显示；
所述合成的透光型显示屏的大小和形状覆盖所有的模块单元；
所述校准***检测合成显示中的畸变并修正由每个模块单元的计算机提供的电信号，以针对检测到的畸变校正合成显示。
27．根据权利要求26所述的装置，其特征在于：
每个投射器包括一个具有多个移动自由度的驱动器；
校准***通过控制投射器的驱动器至少校准一些检测到的畸变。
28．根据权利要求26所述的装置，其特征在于校准***通过下列步骤检测并校正彩色会聚畸变：
对多个相邻的投影区域成象，以在图象传感器上产生这些相邻区域的光学图象；
分析上述光学图象，以测算图象的彩色象素中的彩色会聚畸变；
把上述合成显示中的每个彩色象素重新数字定位到一个子象素值，以校正彩色会聚畸变。
29．根据权利要求26所述的装置，其特征在于
每个投射器包括一个对各个投射器发出的光束准直的菲涅耳透镜；
一个具有覆盖所有所述菲涅耳透镜的光散射面的公共显示屏；
和一个位于相邻菲涅耳透镜之间的接点以下的闭塞元件，以便减少投射器发出的光束的重叠，并由此产生一个无缝的合成显示。
30．一种电光显示装置，包括：
一个显示屏；
一个后投射器，包括一个接收第一电信号、把电信号转变成光学图象并把光学图象投射到显示屏上成为一个显示的光学***；
一个图象传感器，包括一个把显示屏成象到图象传感器上，并把光学图象转换成第二电信号的光学成象***；
和一个用于接收并处理上述第一和第二电信号的计算机。
31．如权利要求30所述的装置，其特征在于该装置还包括一个腔体，所述显示屏是一种透光材料屏，所述后投射器和图象传感器都包含在腔体中。
32．如权利要求31所述的装置，其特征在于该装置还包括一个校准***，用于检测由光学投影***和光学成象***导致的在所述显示屏上显示中的畸变并用于修正计算机的输出以针对检测到的畸变校正显示。
33．如权利要求32所述的装置，其特征在于所述校准***包括写入屏面上已知位置的基准点的二维阵列。
34．如权利要求33所述的装置，其特征在于所述基准点的二维阵列由写入屏上多个水平基准线和多个垂直基准线的交叉点确定。
35．根据权利要求34所述的装置，其特征在于水平基准线和垂直基准线由沉积在写入屏表面上的发光材料和一个用于激发发光材料以促使其发光的光源产生。
36．根据权利要求35所述的装置，其特征在于发光材料的基准线处于写入屏的后表面上，写入屏的前表面充当写入表面。
37．根据权利要求33所述的装置，其特征在于基准点的二维阵列是写入屏上光纤的端点。
38．根据权利要求32所述的装置，其特征在于校准***产生一个投射器路径校正表，用于校正写入屏上基准点二维阵列的已知位置和投射到写入屏上的基准点二维阵列的对应位置之间的偏差。
39．根据权利要求38所述的装置，其特征在于校准***还产生一个图象路径校正表，用于校正写入屏上基准点二维阵列的已知位置和成象到写入屏上的基准点二维阵列的对应位置之间的偏差。
40．根据权利要求32所述的装置，其特征在于校准***制作在投射器中。
41．根据权利要求32所述的装置，其特征在于校准***构造为与所述投射器分开的单元。
42．包括多个根据权利要求32所述装置的电光显示装置，
所述多个装置由布置成并排关系的相同大小和形状的模块单元构成，合并它们的各个显示以产生一个合成显示；
所述显示屏是一种大小和形状覆盖所有模块单元的透光型显示屏；
所述校准***检测合成显示中的畸变并修正由每个模块单元的计算机提供的电信号，以针对检测到的畸变校正合成显示。
43．一种产生电光显示的方法，包括：
提供多个模块单元，每个模块单元包括一个投射器，投射器用于接收电信号、把电信号转换成光学图象并经光学投影***把光学图象投影到显示屏上；
以并联阵列排列所述多个模块单元从而在显示屏上产生合成显示；
检测合成显示中的畸变；
并修正施加到每个模块单元的投射器上的电信号以针对于检测到的畸变校正合成显示。
44．根据权利要求43所述的方法，其特征在于模块单元还包括一个传感显示屏上光学图象并把图象转化成电信号的图象传感器；和一个把显示屏成象到图象传感器上的光学成象***；
并且，其中通过修正施加到每个模块单元的投射器上的电信号来检测并校正光学成象***导致的合成显示中的畸变。
45．根据权利要求4所述的方法，其特征在于通过在显示屏表面已知位置处产生基准点的二维阵列检测畸变。
46．根据权利要求45所述的方法，其特征在于基准点的二维阵列由显示屏上多个水平基准线和多个垂直基准线的交叉点确定。
47．根据权利要求46所述的方法，其特征在于水平基准线和垂直基准线由沉积在显示屏表面上的发光材料和一个用于激发所述发光材料以促使其发光的光源产生。
48．根据权利要求47所述的方法，其特征在于发光材料的基准线施加到显示屏的后表面上，显示屏的前表面充当写入表面。
49．根据权利要求45所述的方法，其特征在于基准点的二维阵列由显示屏承载的光纤的端点产生。
50．根据权利要求43所述的方法，其特征在于对每个模块产生一个投射器路径校正表，用于校正写入屏上基准点二维阵列的已知位置和投射到写入屏上的基准点二维阵列的对应位置之间的偏差。
51．根据权利要求50所述的方法，其特征在于对每个模块产生一个图象路径校正表，用于校正写入屏上基准点二维阵列的已知位置和成象到写入屏上的基准点二维阵列的对应位置之间的偏差。
52．根据权利要求45所述的方法，其特征在于显示屏上基准点的二维阵列用于合并模块单元的显示，从而消除合成显示中的叠盖和间隙。
53．根据权利要求43所述的方法，其特征在于在显示屏内表面上多个相隔位置的每一处检测光强；并且控制模块单元的光学投射器以使光强均匀。
54．根据权利要求43所述的方法，其特征在于
每个投射器包括一个具有多种移动自由度的驱动器；
控制投射器的驱动器以至少校正一些检测到的畸变。
55．根据权利要求43所述的方法，其特征在于通过检测合成显示中的每个彩色成分的强度来校正彩色畸变，并修正施加到每个模块单元的投射器的电信号，从而针对彩色畸变校正合成显示。
56．根据权利要求43所述的方法，其特征在于彩色会聚畸变通过下列步骤校正：
对多个相邻的投影区域成象，以在图象传感器上产生这些相邻区域的光学图象；
分析上述光学图象，以测算图象的彩色象素中的彩色会聚畸变；
把上述合成显示中的每个彩色象素重新数字定位到一个子象素值，以校正彩色会聚畸变。
57．根据权利要求43所述的方法，其特征在于
每个投射器包括一个对各个投射器发出的光束准直的菲涅耳透镜；
一个具有覆盖所有所述菲涅耳透镜的光散射面的公共显示屏；
和一个位于相邻菲涅耳透镜之间的接点以下的闭塞元件，以便减少投射器发出的光束的重叠，并由此产生一个无缝的合成显示。
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