CN101185021A - 发光二极管（led）照明控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种LED照明系统，包括控制电路和第一、第二和第三有色LED。此控制电路以具有一个已知关系能获得色彩平衡的相对占空因数来在颜色循环帧内顺序地驱动第一、第二和第三有色LED。同时控制电路还引入至少一个轮辐时期(spoke period)到颜色循环帧内，在轮辐时期内，以进行控制使之提供亮度调节光的方式驱动第一、第二和第三LED，此亮度调节光与在顺序驱动过程中由第一、第二和第三LED的相对占空因数获得的色彩平衡相匹配。

Description

发光二极管（LED）照明控制系统和方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(LED)照明系统，尤其涉及一种在插入到颜色循环帧内的一个或者多个轮辐时期(spoke period)内控制LED照明系统以提供亮度调节光的系统和方法。
背景技术
投影显示系统可包括光源、照明光学系统、成像装置、投影光学系统和投影屏幕。照明光学系统收集从光源发出的光并引导光到达一个或多个成像装置。由受电子条件制约的且经过处理的数字视频信号控制的成像装置产生一个对应于该视频信号的图像。投影光学系统随后放大该图像并将其投影到投影屏幕上。与色轮一道使用的白光源(例如弧光灯)已经而且依然被用作投影显示系统的光源。然而，最近发光二极管(LED)作为一种可替代的光源被提出。LED的优点包括寿命长、效率高和热特性优越。
在数字光处理系统中，频繁使用的成像装置的例子是数字微镜装置(DMDs)和诸如硅基液晶(LCoS)和高温多晶硅(HTPS)成像器之类的液晶型成像装置。这些成像器以个体可控元件的阵列为特征，元件的状态是由载入到与每个元件相关联的存储单元中的数据来单独控制的，从而来引导反射光或发射光并且将视频数据的一个像素空间映射到投影屏幕上的一个像素。处于开启(ON)状态下的元件所反射或发射的光通过投影光学系统并被投影到屏幕上以产生一个亮区域。相反，处于关闭(OFF)状态下的元件所反射或发射的光就不通过投影光学系统，从而产生一个暗区域。使用这些成像器也可以生成彩色图像，例如通过应用颜色排序或可选地通过使用三个成像器，其中每个成像器对应一种基色(红色，蓝色和绿色)。
传统上，在利用弧光灯光源和滤色轮的投影显示中已采用了颜色排序。由于LED光源在投影显示系统的应用变得越来越普遍，所以越来越需要特别设计的颜色排序系统和方法用于LED光源的独特操作。
发明内容
本发明涉及一种具有第一、第二和第三有色LED的LED照明系统以及控制此系统的方法。提供控制电路从而以具有一个已知关系能获得色彩平衡的相对占空因数来在颜色循环帧内顺序地驱动第一、第二和第三有色LED。同时控制电路还引入至少一个轮辐时期到颜色循环帧内，在此轮辐时期内，以受控来提供亮度调节光的方式驱动第一、第二和第三LED，此亮度调节光与在顺序驱动过程中由第一、第二和第三LED的相对占空因数获得的色彩平衡相匹配。
附图说明
图1示出一个投影显示系统中的部件的传统布局图。
图2是示出在典型投影成像系统中基色之间的轮辐光(spokelight)的出现的示图。
图3示出一个示范性的基于LED的投影显示系统。
图4是示出一个投影成像系统的示范性颜色循环帧内的红色、绿色和蓝色的相对占空因数的示图。
图5是示出依照本发明的示范性实施例，在每种颜色过渡过程中引入了轮辐时期的颜色循环帧内的红色、绿色和蓝色相对占空因数的示图。
图6是示出依照本发明的一个实施例，在轮辐时期内对信号的脉宽调制以驱动不同有色LED从而获得白色峰值的示图。
图7是示出依照本发明的另一实施例，在轮辐时期内对信号的振幅调制以驱动不同有色LED从而获得白色峰值的示图。
图8是示出依照本发明的再一个实施例，在轮辐时期内对信号的脉宽调制以驱动不同颜色的LED从而获得灰度位扩展的示图。
具体实施方式
颜色顺序投影显示器是以针对每种基色(典型的是红色、绿色和蓝色)显示各自单色图像为基础在足够高的速度下运转的，以避免图像闪烁和颜色分离。图1示出一个微显示型投影显示系统10中部件的传统布局图，包括光源12、彩色调制器14、照明光学系统16、成像装置18、投影光学系统20、观看屏22、和控制电路24。传统上光源12是提供广谱光(即“白光”)的弧光灯。从弧光灯发出的光被引导到彩色调制器14，彩色调制器可以是一个由电动机旋转的滤色轮、滤色盘、滤色鼓或滤色桶。当彩色调制器14旋转时，广谱光被滤色从而顺序地产生基色。由彩色调制器14过滤的光通过使用照明光学系统16来照亮成像装置18。
当前，应用在消费市场上的两种主要类型的颜色顺序成像装置是硅基液晶(LCoS)装置和数字微镜装置(DMD)。这两种装置都具有在颜色顺序操作所需要的高更新速度下进行操作的能力，而且每种装置(或者能够获得所需更新速度的其它类型的成像装置)可以被用于实现图1中所示的成像装置18。目前，高温多晶硅(HTPS)装置对于执行颜色顺序操作来说不够快，但是此技术的进步可能会使得那些装置成为我们对成像装置18的一种选择。投影光学系统20把成像装置18形成的图像投影到观看屏22。
在投影显示系统10里，电子控制电路24执行着许多功能。其中的两个功能是定时同步和图像数据处理。定时同步电路调整成像装置18和彩色调制器14的活动以保证在分别的颜色时期由成像装置18呈现正确的图像数据。同时，光源12通常也是被交流波形驱动，并在转换点会产生不规则。这些不规则被同步从而使所述同步发生在对图像再现产生很小影响的特定时间期间、或者发生在允许执行补偿操作的时间期间。
对于每种基色，或者通过对用来驱动图像元素(像素)的在开启或关闭的变化等级之间的模拟电压电平进行调制的方式、或者通过对一个要被开启较长或较短时间的像素的脉宽进行调制的方式，来获得中间亮度水平(灰度级)。图像数据处理电路执行图像数据由数字到模拟的转换。
传统的颜色顺序投影系统的弊端是不能有效地利用从彩色调制器发出的所有光。在两种滤色器的接合处产生的光过渡，在本领域被称为“轮辐光”，不能生成一种定义明确的颜色，也不是定义明确的两个滤色器的混合并且可能包含未滤色的光。同时，由于制造过程中的变化因素，尤其是在滤色轮的制造过程中，从滤色器通过的光通常是不一致的和不可预知的。由于这些原因，一些系统通过将成像装置设置到“关闭”状态来避免使用轮辐光，从而防止光到达屏幕。
图2是示出在典型投影成像系统中基色之间出现轮辐光的示图。轮辐光会占用一个帧周期的相当大的部分(一个帧周期被定义为滤色轮的一次完整旋转或者通过所有基色的一个完整循环)，在某些系统中高达20％。因此，已经开发了复杂的算法和额外的控制电路以利用轮辐光。然而，由于这种光不可预知的特性，每个系统必须被特别校准到其专用的颜色调制器。
以颜色饱和及增加轮辐时期为代价，有些彩色调制器包括非滤色(透明的)段，用以增大图像的白色和不饱和部分的亮度。在本领域内这被称为“白色峰值”。白色峰值提供比在一个帧中由基色的相加获得的白色水平更亮的白色水平。虽然这种白光的特性比轮辐光的特性更可预知，但是它不能提供与滤色段的总和相同的色温，因此不能简单地把这种光添加到形成在屏幕上的图像里。非滤色光(例如轮辐光)的应用需要复杂的算法、额外的控制电路和色彩平衡校准。
LED技术的新发展使LED作为光源使用成为可能，甚至在要求高亮度的应用中使用，例如在许多投影显示应用中使用。图3示出一个示范性的基于LED的投影显示系统30。系统30包括LED驱动电路32、LED阵列34、照明光学系统36、成像装置38、投影光学系统40、观看屏42、和控制电路44。照明光学系统36、成像装置38、投影光学系统40、和观看屏42与图1示出的照明光学系统16、成像装置18、投影光学系统20、和观看屏22提供几乎同样的功能。LED驱动器32至少包括三个独立电流源来给LED阵列34的红、蓝和绿三种LED供电，形成每种颜色的独立电路。
基于LED的投影系统，有时甚至是采用弧光灯光源的传统系统，都能从亮度提高上获益，这是由于在计算机和电视产业中急需更高亮度的显示器及LED亮度的技术局限性的原因。因此，白色峰值在基于LED的投影系统中是有用的。然而，在基于LED的系统中，没有能被改良从而包含用于提供白光的透明段的滤色轮，并且现有的算法、电子系统和校正方法在以LED为光源的系统中都不适用。用来获得白色峰值的适合的LED驱动和控制系统是此发明的主题。
LED照明器的主要目标是获得指定的红色、绿色和蓝色(RGB)。每种颜色在国际照明委员会(CIE)颜色空间里被描述为一个点。白色的色温或色调是红色、绿色和蓝色相加的结果。颜色点和它们相对亮度的定义出现在NTSC、SMPTE-C、Rec.709和其它的电视标准里。依据适当的规范，通过定义光源装置的红色、绿色和蓝色LED的相对占空因数来控制红色、绿色和蓝色LED的色彩平衡。图4是示出一个示范系统中的红色、绿色和蓝色的相对占空因数的示图。图4中显示的包括红色循环、绿色循环和蓝色循环的时间周期在这里被称为一个光循环帧。图4还显示了在两种颜色的过渡(红色到绿色、绿色到蓝色和蓝色到红色)期间的轮辐时期，尽管LED照明系统不需要利用传统的轮辐时期，这是由于LED可以几乎瞬时地开启或关闭，这意味着从一种颜色到另一种颜色的过渡几乎是瞬时的。
本发明将一个或多个轮辐时期插入到LED照明系统中，其目的是提高所能形成的图像的整体亮度。一个或多个轮辐时期的引入将降低单个颜色处于开启状态的每个循环的时间总量，但是可被用于通过在轮辐时期内提供颜色的混合来实现白色峰值从而提高亮度。
图5是示出了依照本发明的一个示范性实施例，在每种颜色过渡过程中引入了轮辐时期(由图中切成细条的区域表示)的颜色循环帧中的红色、绿色和蓝色的相对占空因数的示图。被红色、绿色和蓝色占用的总循环时间的比率与图4所示的保持一致，但是为了引入颜色过渡期间的轮辐时期，提供给每种颜色的时间依据相同的比率降低。在轮辐时期内，光的三种颜色都被开启以产生的白光，该白光与在红色、绿色和蓝色时期内由颜色的整个循环产生的白光的色温相匹配。这个概念被称为“白平衡”。
在轮辐时期内产生的白光的白平衡防止显示的整体色温被白色峰值改变。例如，如果所有三种基色在轮辐时期内相等地开启，则在很多系统中，颜色的这种组合提供的绿色光相对于红色和蓝色光的比率将比在一个光循环帧内正常的颜色顺序操作期间提供的比率低。结果就是，白色峰值过程会改变显示的整体色调(如果此处揭示的白平衡没有被执行的话)。
控制在轮辐时期内产生的白光的色温的方法有两种，或者通过脉宽调制或者通过振幅调制。采用脉宽调制，具有最大基本占空因数的颜色(通常是绿色)可在整个轮辐时期内都开启。随后其它颜色在轮辐时期内开启与整体循环时间的占空因数一样比率的开启时间。这个关系在下面的例1中将清晰的描述出来，图6示出此示图。
例1
红色基本占空比：0.278
绿色基本占空比：0.444
蓝色基本占空比：0.278
轮辐时期：240微秒(μs)
轮辐时期内绿色开启时间：240μs
轮辐时期内红色开启时间：0.278/0.444×240us＝150.3μs
轮辐时期内蓝色开启时间：0.278/0.444×240us＝150.3μs
例1中显示了这样一个情况，在每个轮辐时期内产生一个白平衡的光脉冲。应该了解的是，通过将一个帧内所有轮辐时期的不同颜色LED的开启时间进行累加并控制针对每个帧的LED开启时间的总和以得到适合的比率，从而获得基于每个帧的白平衡(而不是基于每个轮辐的)也是可能的。例如，在例1的情况中，有三个轮辐时期，对于每个轮辐时期，绿色开启时间是240μs、红色开启时间是150.3μs、和蓝色开启时间是150.3μs。结果是在整个光循环帧内总的绿色开启时间是720μs、总的红色开启时间是450.9μs、并且总的蓝色开启时间是450.9μs。作为选择的每个帧色彩平衡方案，不同有色光源的开启时间可以如下安排：
轮辐1
绿色开启时间：240μs
红色开启时间：240μs
蓝色开启时间：0μs
轮辐2
绿色开启时间：240μs
红色开启时间：0μs
蓝色开启时间：240μs
轮辐3
绿色开启时间：240μs
红色开启时间：210.9μs
蓝色开启时间：210.9μs
作为驱动LED的方法，脉宽调制的一个优点是可以在轮辐时期和红色、绿色和蓝色各个时期都使用恒定的驱动功率电平。结果是降低了驱动电路的成本，因为每个驱动器仅仅需要提供一个功率电平。同时，考虑到LED的寿命，与整个红色/绿色/蓝色循环的色温相比轮辐时期的色温出现移位的可能性很小，这是因为两个阶段的颜色以同样的速度减弱。
在振幅调制方法中，根据LED所需亮度的比例，通过调节提供给红色、绿色和蓝色LED的功率来获得白平衡。图7显示这一情况。
很多LED照明系统中，在整个循环时间内需要绿色LED开启的时间比例更长，以保证绿色能正确地产生并获得光源的正确“白点”(在整个循环过程中，当三种LED全部被开启时产生纯白色)。上面描述的例1中，红、绿和蓝LED的相对开启时间说明了这点。为了提供有效的不影响照明系统整体色彩平衡的白色峰值，在轮辐时期内产生的白光具有模仿整个系统的白点的色温，例如通过脉宽调制或振幅调制来提高由绿色LED产生的光相对于红和蓝色LED产生的光的亮度。
以类似于上面描述的白色峰值操作的方式，也可以获得灰度“位扩展”。一些微显示器在产生非常微弱的光级上有很大的困难，这是因为这个过程需要一个非常小的光脉冲。可获得的最小光脉冲对应于最小脉宽调制时间段，并且可能被成像器的最大操作速度所限制。因此，附加的“暗”片段有时被用于传统的基于滤色轮的系统中。通过提供产生暗光脉冲的方式，暗片段大大方便了灰度位扩展的产生。
可操作LED照明器来在上面所定义的轮辐时期内提供相对于白色峰值的位扩展，用以或者在轮辐时期内代替白色峰值，或者增加到白色峰值轮辐时期(结果是既有白色峰值又有灰度位扩展的轮辐时期)。同如上关于白色峰值所描述的一样，通过将红、绿和蓝LED的亮度控制为与整个帧相对于白色峰值的比率相同，来使“暗”轮辐时期色彩平衡，从而照明器提供的整体色彩平衡不受影响。下述例2描述了一个通过给轮辐时期提供一半的亮度来获得灰度位扩展的暗轮辐时期，图8对此给与了图示。
例2
红色基本占空比：0.278
绿色基本占空比：0.444
蓝色基本占空比：0.278
轮辐时期：240μs
轮辐时期内绿色开启时间：120μs
轮辐时期内红色开启时间：0.278/0.444×120us＝75.14μs
轮辐时期内蓝色开启时间：0.278/0.444×120us＝75.14μs
例2描述了这样一个情况，即色彩平衡的“暗”脉冲产生于每个轮辐时期内。应该了解的是，以上面例1中描述的同样的方式，通过将一个帧内所有轮辐时期的不同颜色LED的开启时间进行累加并控制针对每个帧的LED开启时间的总和以得到适合的比率，从而获得基于每个帧的色彩平衡(而不是基于每个轮辐的)也是可能的。
如上所描述的示范性实施例，本发明引入了一个或者多个在LED照明系统的一个颜色循环帧期间内的轮辐时期。虽然在上面的实施例中轮辐时期被描述成在基色间的过渡过程中发生，这与在涉及滤色轮上的颜色过渡的传统“轮辐”时期的理解相一致，但是应该了解的是，在一个LED照明系统中，在颜色循环帧的任何点都可以插入轮辐时期，这是由于LED具有可以几乎瞬时地开启和关闭的能力。在轮辐时期内，(以白色峰值和/或灰度位扩展(或“暗峰值”)的形式)提供亮度调节光，使得在轮辐时期内的白或暗色调的色彩平衡被控制为与在每个颜色循环内由基色的占空因数获得的色彩平衡相匹配。因此，LED照明系统提供的图像的亮度可以根据需要被调节而不影响图像的色彩平衡或“白点”。
前面描述涉及到的是具有三种有色(红、绿和蓝)LED光源的示范性系统。虽然在LED照明系统中顺序提供这三种基色的系统最普遍，但是本专业技术人员应该了解本发明(在插入到颜色循环帧内的轮辐时期内提供具有光的色彩平衡组合的白色或暗峰值)的原理同样适用于提供更多颜色或一组不同基色的系统。例如，一个系统采用提供多达6种不同颜色(红、绿、蓝、黄、蓝绿和红紫)的光源，上面所描述的方式使得在颜色循环帧内插入的一个或多个轮辐时期照亮图像或者获得灰度位扩展。
虽然已通过优选的实施例描述了本发明，但是本专业技术人员应该意识到，在不偏离本发明的精髓和范围的情况下可以作出形式和细节的改变。例如，将公开的实施例描述为采用红、绿和蓝LED光源。但是本专业技术人员应该了解此发明的原理是适用于能够几乎瞬时地开启和关闭的任何光源，因此，颜色循环帧的轮辐时期内提供的亮度调节光能被控制从而与帧内光源的颜色顺序操作所提供的光的色彩平衡相匹配。

Claims (25)

1.一种控制发光二极管(LED)照明系统的方法，所述发光二极管(LED)照明系统包括第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED，此方法包括：
以具有一个已知关系能获得色彩平衡的相对占空因数来在颜色循环帧内顺序地操作所述第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED；以及
在颜色循环帧中的至少一个轮辐时期内操作第一有色LED、第二有色LED和第三个有色LED，控制所述在至少一个轮辐时期内对第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED的操作以提供亮度调节光，所述亮度调节光与在上述对有色LED的顺序操作过程中由第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED的相对占空因数获得的色彩平衡相匹配。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述在至少一个轮辐时期内对第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED的操作是通过对驱动LED的信号的脉宽调制来控制的。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述在至少一个轮辐时期内对第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED的操作是通过对驱动LED的信号的振幅调制来控制的。
4.如权利要求1所述的方法，其中提供所述在至少一个轮辐时期内提供的亮度调节光以获得白色峰值。
5.如权利要求1所述的方法，其中提供所述在至少一个轮辐时期内提供的亮度调节光以获得灰度位扩展。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个轮辐时期出现在对第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED中不同LED的顺序操作之间的过渡过程中。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一、第二和第三有色LED是红色LED、绿色LED和蓝色LED。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述绿色LED的相对占空因数大于所述红色LED和蓝色LED的相对占空因数。
9.一种发光二极管(LED)照明系统，包括：
第一有色LED；
第二有色LED；
第三有色LED；
控制电路，其操作性地连接到所述第一、第二和第三有色LED，所述控制电路是可操作的，用以：
以具有一个已知关系能获得色彩平衡的相对占空因数来在颜色循环帧内顺序地驱动所述第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED；并且
在颜色循环帧中的至少一个轮辐时期内驱动第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED，以进行控制使之提供亮度调节光的方式来对所述在至少一个轮辐时期内对第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED进行驱动，所述亮度调节光与在上述对有色LED的顺序驱动过程中由第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED的相对占空因数获得的色彩平衡相匹配。
10.如权利要求9所述的LED照明系统，其中所述控制电路通过对驱动LED的信号的脉宽调制来控制在至少一个轮辐时期内对第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED的驱动。
11.如权利要求9所述的LED照明系统，其中所述控制电路通过对驱动LED的信号的振幅调制来控制在至少一个轮辐时期内对第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED的驱动。
12.如权利要求9所述的LED照明系统，其中在至少一个轮辐时期内所述控制电路驱动第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED以获得白色峰值。
13.如权利要求9所述的LED照明系统，其中在至少一个轮辐时期内所述控制电路驱动第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED以获得灰度位扩展。
14.如权利要求9所述的LED照明系统，其中所述至少一个轮辐时期出现在对第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED中不同LED的顺序操作之间的过渡过程中。
15.如权利要求9所述的LED照明系统，其中所述第一、第二和第三有色LED是红色LED、绿色LED和蓝色LED。
16.如权利要求15所述的LED照明系统，其中所述绿色LED的相对占空因数大于所述红色LED和蓝色LED的相对占空因数。
17.一种投影显示系统，包括：
第一有色LED；
第二有色LED；
第三有色LED；
控制电路，其操作性地连接到所述第一、第二和第三有色LED，所述控制电路是可操作的，用以：
以具有一个已知关系能获得色彩平衡的相对占空因数来在颜色循环帧内顺序地驱动所述第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED；并且
在颜色循环帧中的至少一个轮辐时期内驱动第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED，以进行控制使之提供亮度调节光的方式来对所述在至少一个轮辐时期内对第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED进行驱动，所述亮度调节光与在上述对有色LED的顺序驱动过程中由第一有色LED、第二有色LED和第三有色LED的相对占空因数获得的色彩平衡相匹配；
投影光学系统；和
成像装置，其可与所述控制电路一起操作来选择性地引导光从所述第一、第二和第三有色LED穿过所述投影光学系统从而形成全色图像。
18.如权利要求17所述的投影显示系统，其中所述第一、第二和第三有色LED是红色LED、绿色LED和蓝色LED。
19.如权利要求18所述的投影显示系统，其中所述绿色LED的相对占空因数大于所述红色LED和蓝色LED的相对占空因数。
20.如权利要求17所述的投影显示系统，其中所述成像装置是数字微镜装置(DMD)。
21.一种控制照明系统的方法，所述照明系统包含第一、第二和第三光源用于分别提供第一、第二和第三颜色的光，所述控制方法包括：
以具有一个已知关系能获得色彩平衡的相对占空因数来在颜色循环帧内顺序地操作所述第一、第二和第三光源；以及
在颜色循环帧中的至少一个轮辐时期内以进行控制使之提供亮度调节光的方式来操作所述第一、第二和第三光源，所述亮度调节光与在对三个光源的顺序操作过程中由第一、第二和第三光源的相对占空因数获得的色彩平衡相匹配。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述在至少一个轮辐时期内对第一、第二和第三光源的操作是通过对驱动光源的信号的脉宽调制来控制的。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述在至少一个轮辐时期内对第一、第二和第三光源的操作是通过对驱动光源的信号的振幅调制来控制的。
24.如权利要求21所述的方法，其中提供所述在至少一个轮辐时期内提供的亮度调节光以获得白色峰值。
25.如权利要求21所述的方法，其中提供所述在至少一个轮辐时期内提供的亮度调节光以获得灰度位扩展。
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