CN101276052A - 用快速响应光源增大色深调制 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例一般地涉及使用一个或者多个快速响应光源和一个或者多个空间光调制器装置以调制光的显示系统和方法。更具体地，本发明的实施例涉及使用一个或者多个快速响应光源和一个或者多个空间光调制器装置提高光强度分辨率的显示系统和方法。

Description

用快速响应光源增大色深调制
技术领域
本发明实施例一般涉及空间光调制器装置，更具体而言，涉及一种显示系统和方法，其使用一个或者多个快速响应光源和一个或者多个空间光调制器装置来调制光。
背景技术
空间光调制器(SLM)装置在光信息处理、投影显示、视频和图形监视器、三维可视显示、全息存储、显微镜、光谱仪、医学成像和电子照相印刷领域有许多应用。
微镜装置(MMD)是SLM装置的一个示例。MMD显示器通常包括镜子阵列，其中可以将每个镜子电气地控制成具有两个位置——“开通”状态和“关闭”状态。处于开通状态的镜子将入射到投影镜头的光反射到屏幕而形成图像。处于关闭状态的镜子将入射光反射到束收集器(dump)，而不将入射光反射到投影镜头。
可以通过控制图像帧期间镜子处于开通状态和处于关闭状态的时间来产生MMD显示器的亮度或者强度。脉宽调制(PWM)是控制在每个帧期间每个镜子处于开通状态的时间的技术。
图1是二进制加权PWM方案一个示例的比特块(bit-block)示意图，该方案通过将帧分成八个二进制加权时间段(B7-B0)来控制帧的光强度。每块的长度表示该比特在SLM(诸如MMD显示器的镜子)上维持(assert)的时间量。与块B0对应的时间段的长度还称为最低比特(LSB)，并设定为预定值。与B1对应的时间段长度，即下一个有效比特，是与LSB对应的长度的两倍。与B2对应的时间段长度是与B1对应的长度的两倍，以此类推。因而，与B7对应的时间段的长度(还称为最高比特(MSB))是LSB时间长度的128倍。这样，从零强度或者全黑(其中MMD显示器中的镜子在整个帧时间保持处于关闭状态)到全强度或者全亮(其中MMD显示器中的镜子在整个帧时间保持开通状态)总共有256个可能的强度级。美国专利6,326,980和美国专利6,151,011公开了其它PWM方案，每个专利的全部内容通过引用而包含于此。
MMD显示器通常具有信号对光的线性响应，而阴极射线管(CRT)显示器具有信号对光的非线性响应-CRT显示器的涂有荧光粉的屏幕不会与电压成线性地响应。使用了校正因子gamma的功能用来补偿CRT非线性的信号对光响应。现存的视频信号通常设置有已经对其应用的gamma校正。因而，MMD显示器通常要求在显示之前从输入信号除去或者撤消gamma校正以模拟CRT响应。
图2是对于具有8比特输出分辨率的MMD，理论gamma曲线20和调制后的gamma曲线21的最初40个输入的曲线图。MMD显示器理论上具有与256个强度水平相关的256个输入。然而，对于具有8比特输出分辨率的MMD显示器，其强度以分段的序列22a-d方式变化，使得在低光强度水平的光强度分辨率较差。在低光强度水平，台阶的大小比较大，因为PWM方案由于LSB时间而不产生完全成比例的开/关循环以控制镜子。这些大的台阶强度变化可以由人的眼睛感知到，导致较差的显示。其它显示器会具有类似的问题，但是该问题会在gamma曲线的不同部位中。例如，一些LCD显示器在gamma曲线的中间位置具有台阶大小的问题。
因而，需要一种改进的空间光调制器装置和操作该装置以在低光强度水平改善光强度分辨率的方法。
发明内容
本发明的实施例一般地涉及使用一个或者多个快速响应光源和一个或者多个空间光调制器装置以调制光的显示系统和方法。更具体地，本发明的实施例涉及使用一个或者多个快速响应光源和一个或者多个空间光调制器装置提高光强度分辨率的显示系统和方法。
在一个实施例中，一种增大色深的方法包括针对色域的第一时间段从快速响应光源向空间光调制装置提供处于全强度的光；以及针对色域的第二时间段从快速响应光源向空间光调制器装置提供更小单元的光能。
在一个实施例中，一种控制器适于控制微镜阵列和快速响应光源。控制器在微镜阵列的镜子上维持第一组比特；控制第一快速响应光源，以在维持第一组比特的过程中以全强度向镜子提供入射光；在镜子上维持第二组比特；以及控制快速响应光源，以在维持第二组比特的过程中以更小单元的光能向镜子提供入射光。
在一个实施例中，一种显示系统包括一个或者多个空间光调制器装置；一个或者多个快速响应光源，其导向一个或者多个空间光调制器装置；以及控制器，其连接到一个或者多个快速响应光源以全单元光能模式或者更小单元的光能模式操作一个或者多个快速响应光源。
附图说明
以以上所述的本发明的特征可以得到详细理解的方式，参照实施例对以上简要概括的本发明进行更具体的描述，一些实施例图示在附图中。然而，还要注意附图仅仅图示本发明的典型的实施例，因而不能认为是对本发明的限制，因为本发明可以容许其它相同效果的实施例。
图1是二进制加权PWM方案的一个示例的比特块表示。
图2是对于具有8比特输出分辨率的MMD显示器，理论gamma曲线和调制gamma曲线的曲线图
图3是包括快速响应光源和单个微镜阵列的MMD显示系统的一个实施例的示意图。
图4是包括三个快速响应光源和一个微镜阵列的MMD显示系统的一个实施例的示意图。
图5是包括快速响应光源和三个微镜阵列的MMD显示系统的一个实施例的示意图。
图6是包括三个快速响应光源和三个微镜阵列的MMD显示系统的另一实施例的示意图。
图7的时间图表示在具有滤色器轮的MMD显示系统中被分成色域的视频帧的一个实施例。
图8的时间图表示在没有滤色器轮的MMD中分成色域的帧的一个实施例。
图9的时间图概念性图示了针对每个颜色具有单独的微镜阵列的MMD显示器中如何控制帧。
图10是图示了用于控制色域和快速响应光源的调制序列的一个示例的图。
图11A是通过使快速响应光源脉动关闭来从快速响应光源提供更小单元光能的一个示例的时间图。
图11B是通过降低快速响应光源的强度来从快速响应光源提供更小单元的光能的一个示例的时间图。
图12是进一步分成多个子比特的子比特段的一个实施例的比特块表示。
图13是MMD显示器中，理论gamma曲线和调制gamma曲线的曲线图，该显示器中以子比特方式对光强度进行调制，改善了台阶大小问题。
图14是用于控制色域和快速响应光源的调制序列的另一实施例的图。
具体实施方式
如此处使用，术语“快速响应光源”包括激光器、发光二极管、超高性能灯或者对于改变光强度具有快速响应时间的任何其它光源。可以使用从全强度改变到低强度或者从全强度改变到关闭的任何快速响应光源以有利于本发明。适合的LED的示例可从位于德国慕尼黑的OSRAM购得。
图3是MMD显示系统30一个实施例的示意图，该系统包括快速响应光源31和单个微镜阵列33。快速响应光源31布置成使来自快速响应光源的光束被导向为穿过旋转滤色器轮32，旋转滤色器轮32具有一个或者多个红色、绿色和蓝色部分。滤色器轮32还可以具有白色或者透明部分以增大所显示的白光量。红色、绿色、蓝色光和白光视情况然后照射到微镜阵列33上。一个或者多个控制器34连接到快速响应光源31、滤色器32和微镜阵列33以使从快速响应光源31发射的光的强度与旋转滤色器轮32的速率和微镜阵列33的状态同步。微镜阵列33布置成将光的像素偏转成离开投影镜头35或者穿过投影镜头35到显示屏幕36上。
图4是MMD显示系统50一个实施例的示意图，该系统包括三个快速响应光源51a、51b、51c和一个微镜阵列52。快速响应光源51a、51b、51c分别向微镜阵列52上提供红光、绿光和蓝光。一个或者多个控制器53连接到快速响应光源51a-c和微镜阵列52以将来自快速响应光源51a-c的光的强度与微镜阵列52的状态协调。微镜阵列52将光的像素偏转成离开投影镜头54或者穿过投影镜头54到显示屏幕55上。
图5是MMD显示系统40一个实施例的示意图，该系统包括快速响应光源41和三个微镜阵列43a、43b、43c。快速响应光源41布置成使来自快速响应光源的光束被导向穿过棱镜42。在其它实施例中，可以使用一个或者多个镜子和/或其它光学系统来代替棱镜或者与棱镜相结合。棱镜42将光分成红光、绿光和蓝光，每个光导向到相应的微镜阵列43a、43b、43c。一个或者多个控制器44连接到快速响应光源41和微镜阵列43a-c以将来自快速响应光源41的光的强度与微镜阵列43的状态相协调。微镜阵列43a-c布置成将光的像素偏转成离开投影镜头45或者穿过投影镜头45到显示屏幕46上。
图6是MMD显示系统60另一个实施例的示意图，该系统包括三个快速响应光源61a-c和三个微镜阵列62a-c。快速响应光源61a-c分别向微镜阵列62a-c上提供红光、绿光和蓝光。一个或者多个控制器63连接到快速响应光源61a-c和微镜阵列62a-c以将来自快速响应光源61a-c的光的强度与微镜阵列62a-c的状态相协调。微镜阵列62a-c将光的像素偏转成离开投影镜头64或者穿过投影镜头64到显示屏幕65上。
图7的时间图表示根据本发明的一个实施例，在具有滤色器轮的MMD显示系统(例如图3的显示系统)中将帧70分成色域71a-c。对于以两倍于帧速率旋转的三段滤色器轮，可以将帧分成6个色域。换言之，两个红色域71a、两个绿色域71b和两个蓝色域71c。可以在每个色域之间设置空白的间隔72以防止由于每个色轮的轮辐横贯照射光束而出现颜色异常。在其它实施例中，可以基于滤色器轮的段的数量和滤色器轮的旋转速度将帧分成任何数量或者任何顺序的色域。
图8的时间图表示在没有滤色器轮的MMD显示器(诸如图4的显示系统)中将帧80分成色域81a-c。如图8所示，可以将帧分成6个色域——两个红色域81a、两个绿色域82b和两个蓝色域83c。注意，在此情况下，由于没有采用滤色器轮，所以没有空白的间隔。在其它实施例中，可以将帧分成任何数量或者任何顺序的色域，这些色域可以交错。
图9的时间图概念性图示了在诸如图5和图6的显示系统的MMD显示器中如何控制帧，这些显示器中针对每个颜色有单独的微镜阵列。由于针对每个颜色有单独的微镜阵列，所以不需要将帧分成单独的色域。诸如红色域86a、绿色域86b和蓝色域86c的每个色域可以是相同的帧持续时间。
仅仅为了举例说明目的，一个控制显示系统的方法是将每个微镜阵列(例如图3-图6的微镜阵列)分成32个区域。例如，每个区域可以包括12行512个像素。其它构造也是可行的，其中基于任何数量的部分控制每个微镜阵列，还可以将每个部分分成任何数量的区域，每个区域可以包括任何数量的行，每行可以包括任何数量的像素。
图10是用于控制具有32图像区域的微镜阵列部分的色域和控制快速响应光源的调制序列90的一个示例的图，该色域可以是诸如图7-9中的色域之一。如图所示，将色域分成十六个时间片，并以八组来控制三十二个区域。可以将色域调制成一个模六二进制(six-binary)加权段，十四线性比特段和被分成任何数量的子比特时间的一个子比特段91。在其它实施例中，可以将色域分成任何数量的多个时间片，并可以以任何数量的组来控制这些区域，可以以二进制加权段、线性段和子比特段的任何组合方式来调制这些时间片。在子比特段91中，从快速响应光源提供更小单元的光能。快速响应光源提供更小单元的光能的子比特段的加入增大了调制单元的数量，因而提高了色深，因为减小了从一个强度到下一个强度的台阶变化。诸如一个或者多个Tsub-bit的子比特段可以是任何时间单元，只要整个微镜阵列具有适合的子比特状态。因而，一般，Tsub-bit的最小持续时间是写入微镜阵列的时间。
在一个实施例中，通过使快速响应光源脉动关闭来提供来自快速响应光源的更小单元的光能。例如，如图11A所示，光被脉动关闭一段时间并并被脉动开启到全强度(I)一段时间，关闭和开启的时间都是子比特持续时间的一半。这样，可以受到控制的该单元的光能是1/2Tsub-bit×I。可以理解到，快速响应光源可以脉动打开和关闭任何适合的持续时间和任何数量的脉动。
在另一实施例中，如图11B所示，此来自快速响应光源的更小单元的光能通过在子比特期间将光源的强度降低到更低强度(即，全强度(I)的光的任何一部分)来提供。例如，持续了子比特的光强度可以以全强度的一半1/2I来提供。因而，可以受到控制的光能单元是1/2Tsub-bit×I。可以理解到，可以将快速响应光源的强度降低到任何适合强度。可以理解到，在另一实施例中，此来自快速响应光源的更小单元的光能可以通过将光脉动打开和关闭相组合和降低光源的强度的方式来提供。例如，来自快速响应光源的光可以脉动关闭达子比特的持续时间一半，并以1/2全强度(1/2I)的光强度脉动开启达子比特持续时间的一半。因而，可以受到控制的光能单元是1/4Tsub-bit×I。
因而，通过将快速响应光源脉动关闭和开启和/或者通过降低快速响应光的强度，技术人员可以提供任何所需的更小单元的光能。可以理解到，在实际的快速响应光源中，光源的上升和下降时间非零。因而，在子比特期间能量输出将等于在那个时间期间光源的总能量(即，光强度的积分)。因而，在结合图11A和图11B描述的两个示例中，该单元的能量不会准确地为1/2Tsub-bit×I。
参照图10的示例，在其它时间片92期间，来自快速响应光源的光以全强度或者全单元光能模式工作。其它时间片92可以包括至少一个二进制加权段93。其它时间片可以包括多个线性比特段94，每个线性比特段94具有相等的时间长度。二进制加权段93可以以任何顺序布置在各组区域之间。如图所示，各组区域之间二进制加权段错开以降低控制器带宽。二进制加权段内的各比特还可以以任何顺序布置，并且二进制加权段内的各比特可以以相同或者不同顺序布置在一组图像区域内。
在一个特定实施例中，子比特段91在相同的时间片排序，这是因为每个区域共用相同的快速响应光源。在一些实施例中，子比特段91可以分成多个子比特时间。图12是分成两个子比特时间101的子比特段100的一个实施例的比特块表示。
例如，图10所示的调制序列90可以调制为一个模六二进制加权段、十四个线性比特段和一个分成两个子比特时间的子比特段。对于模六二进制加权段的时间片(相当于线性比特段的时间片长度)，如果模六二进制加权段的最低比特的亮度值为Y，则线性比特的亮度为63Y。在一个实施例中，通过在子比特段期间将光脉动开启和关闭和/或降低强度可以将光源的强度控制成更小单元的光能(诸如(2/3)*Y的强度)。因而，对于由两个子比特时间控制的子比特段，每个子比特时间会为1/3*Y的强度。所得到的序列具有由来自模n二进制加权时间长度的63LSB时间单元(2N-1)、来自m个线性比特段的15个全强度单元(m+1)，以及来自m’个子比特时间的3个子强度单元(m’+1)构成的2835(63×15×3)个唯一强度。相比之下，对于具有模六二进制加权时间长度和具有15个线性段的调制序列，将有1008个唯一的强度(63×16)。通过在子比特段期间控制更小单元的光能，色深增大了约2.8倍，而对于整个色域的总最大强度输出减小小于1/16。每个颜色的色深或者灰阶可以随着色域的总最大强度输出的合理减小而增大。随着在低光强度水平增加这些唯一的强度，对于gamma曲线，台阶大小和与台阶对应的输入的数量减小。为了与图2比较，图13是对于一种MMD显示器，理论gamma曲线和调制gamma曲线的一个示例的曲线图，所述显示器中光强度以子比特方式调制，改善了台阶大小方面的问题。
快速响应光源具有比镜子切换时间更快的响应时间。一个通常的镜子切换时间是约5微秒或者更小。在一些实施例中，快速响应光源具有3微秒或者更小的响应时间。当前可获得的弧光灯不具有足够的响应时间在镜子的切换时间内改变强度。
在其它实施例中，用于控制色域的调制序列可以包括多个子比特段。例如，图14是具有两个子比特段111a-b、一个二进制加权时间长度112和十三个线性比特段113的调制序列110的一个实施例的图。
尽管前述针对的是本发明的实施例，但也可以在不脱离本发明的基本范围的情况下设计本发明的其它和进一步的实施例，本发明的范围由权利要求书确定。例如，此处已经结合图10和图14的对准调制序列来描述本发明的实施例。还可以优选地以其它调制序列来使用本发明的实施例。例如，可以结合转让给Texas Instruments的美国专利5,777,589中描述的比特分割方法使用本发明实施例。在另一实施例中，本发明的实施例已经结合了包括微镜阵列的SLM来进行描述。还可以在其它SLM装置(诸如在LCD装置中)使用本发明的实施例。

Claims (20)

1.一种增大色深的方法，包括：
针对色域的第一时间段从快速响应光源向空间光调制器装置提供处于全强度的光；以及
针对所述色域的第二时间段从所述快速响应光源向所述空间光调制器装置提供更小单元的光能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使所述快速响应光源脉动关闭来提供所述更小单元的光能。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过降低所述快速响应光源的强度来提供所述更小单元的光能。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述色域的所述第二时间段包括多个子比特。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间段包括二进制加权时间段。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一时间段还包括多个线性比特段。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述空间光调制器装置包括微镜阵列区域。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或者多个快速响应光源的响应时间是约3微秒或者更小。
9.一种控制器，其适于控制微镜阵列和快速响应光源，所述控制器执行包括下述步骤的方法：
在所述微镜阵列的镜子上维持第一组比特；
控制所述快速响应光源，以在所述第一组比特维持的过程中向所述镜子提供处于全强度的入射光；
在所述镜子上维持第二组比特；以及
控制所述快速响应光源，以在所述第二组比特维持的过程中以更小单元的光能向所述镜子提供入射光。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过使所述快速响应光能脉动关闭来提供所述更小单元的光能。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，通过降低所述快速响应光源的强度来提供所述更小单元的光能。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二组比特包括至少两个比特。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一组比特包括二进制加权比特组。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一组比特还包括多个线性比特。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述控制器适于控制滤色器轮，所述方法还包括向所述滤色器轮发送信号以使在维持所述第一组比特和维持所述第二组比特的过程中颜色同步。
16.一种显示系统，包括：
一个或者多个空间光调制器装置；
一个或者多个快速响应光源，其导向所述一个或者多个空间光调制器装置；以及
控制器，其连接到所述一个或者多个快速响应光源，以全单元光能模式或者更小单元的光能模式操作所述一个或者多个快速响应光源。
17.根据权利要求16所述的显示系统，其中，所述一个或者多个空间光调制器装置包括一个或者多个微镜阵列。
18.根据权利要求16所述的显示系统，其中，所述一个或者多个快速响应光源包括一个或者多个激光器。
19.根据权利要求16所述的显示系统，其中，所述更小单元的光能模式是通过使所述快速响应光源脉动关闭来提供的。
20.根据权利要求16所述的显示系统，其中，所述更小单元的光能模式是通过降低所述快速响应光源的强度来提供的。
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