CN101371289A - 使用脉冲灯在视频显示系统中增加位深度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的教导，提供了一种用脉冲灯(102)增加视频显示系统(100)的位深度的系统和方法。在一个实施例中，该方法包括：用具有可变电源的光源照射数字微镜器件(116)；接收一信号，该信号表示在预先确定的时间段内光输出应减小到一目标水平，所述光输出是由光源提供给数字微镜器件的；响应于该信号，减小由可变电源提供给光源的功率，这样在预先确定的时间段内光源的光输出就减小到大约目标水平；在预先确定的时间段内在数字微镜器件上显示最低有效位；以及响应于在预先确定的时间段内偏离到目标水平之下的光源的光输出，降低控制数字微镜器件的主时钟(128)的速度。

Description

使用脉冲灯在视频显示系统中增加位深度的系统和方法

技术领域

【0001】本发明一般涉及使用空间光调制器的视频显示系统，更具体地涉及使用脉冲灯在视频显示系统中增加位深度的系统和方法。

背景技术

【0002】空间光调制器是可以在多种光通信和/或视频显示系统中使用的器件。这些器件通过控制多个单独元件而产生图像，所述多个单独元件是通过偏转光来形成图像的各个像素。空间光调制器的一个实例是数字微镜器件(“DMD”)。

【0003】典型地，空间光调制器，比如DMD，通过脉冲宽度调制(“PWM”)操作。一般地，对于每个元件，使用预先确定数量的比特位把引入的数据信号或图像数字化到多个样本。这个预先确定数量的比特位通常被称为调制器的“位深度”，特别是在使用二进制比特位权重的系统中。通常位深度越大，调制器可显示的色彩的数量(或者灰度梯度)越多。对于空间光调制器，且对于特定帧，分配给像素的比特位的数量通常取决于所述像素被感知的亮度。因此，与像素相关的像素编码值越大，在帧期间像素被照射的时间越长。在帧期间，最高有效位(“MSB”)显示的时间最长，而在帧期间，最低有效位(“LSB”)显示的时间最短。最短LSB的大小(或持续时间)设定了像素可以达到的亮度分辨率(或位深度)。

【0004】由于更大的位深度可以被用来表现图像的更多的细节，所以通常期望增加视频显示系统的位深度。此外，增加显示系统的位深度可以降低归因于量化噪声的空间轮廓伪影和/或暂态伪影。不幸的是，基于空间光调制器的显示系统的位深度是由LSB的最小大小限制的，而LSB的最小大小又被调制器的单独元件的最小过渡时间限制。在增加视频显示系统有效位深度的一些尝试中已经使用抖动技术来克服这种限制，比如蓝噪声STM。然而，虽然通过空间和暂态抖动可增加有效比特位数量(进而增加终端用户可感知的位深度)，但这些技术会在显示系统所表现的图像中引起可察觉的暂态抖动噪声。

发明内容

【0005】根据本发明的教导，提供了一种使用脉冲灯增加视频显示系统位深度的系统和方法。在一个实施例中，该方法包括：用具有可变电源的光源照射数字微镜器件；接收信号，该信号表示在预先确定的时间段内，由光源提供给数字微镜器件的光输出应该减小到目标水平；响应于该信号，减小由可变电源提供给光源的功率，这样在预先确定的时间段内光源的光输出就减小到大约的目标水平；在预先确定的时间段内在数字微镜器件上显示最低有效位；以及在预先确定的时间段内，响应于偏离到目标水平之下的光源的光输出，降低控制数字微镜器件的主时钟的速度。

【0006】本发明一些实施例的技术优点包括下述的能力：尽管空间光调制器在机械上有限制，但仍可以增加基于空间光调制器的视频显示系统的位深度。在特定实施例中，获得这种增加的位深度的同时，还可以降低归因于量化噪声的空间轮廓伪影和/或暂态伪影。

【0007】通过下面的附图、详细描述和所附的权利要求书，对于本领域技术人员来讲本发明的其他技术优势是显而易见的。此外，尽管特定优点已经在上面列举出，但各种实施例可以包括已列举优点的全部或一部分，也可以不包括已列举优点。

附图说明

【0008】为了更完整的理解本发明实施例及其特性和优点，可结合附图参考下面的详细描述，在附图中：

【0009】图1说明了按照本发明特定实施例的视频显示系统；

【0010】图2说明了按照本发明特定实施例可以使用的数字微镜器件；

【0011】图3说明了按照本发明特定实施例的低脉冲间隔；和

【0012】图4说明了本发明特定实施例的低脉冲上的时钟下降效应。

具体实施方式

【0013】根据本发明的教导，提供了一种增加视频显示系统的位深度的系统和方法。一般地，本发明的特定实施例通过降低来自照射空间光调制器的光源的光输出，并在降低的光输出期间应用较低有效位(此处称为“短比特位”)，来增加空间光调制器比如数字微镜器件(“DMD”)显示的比特位的数量。在这种方式下，位深度或显示系统可显示的色彩数量可以得到增加，而不依赖于抖动技术或其他技术，所述抖动技术或其他技术可能在显示图像中引入不期望的伪影。尽管此处描述的是以DMD为背景的特定实施例，本发明的教导也同样可应用于其他空间光调制器，并不局限于数字微镜器件。

【0014】图1说明了视频显示系统100中一部分的一个实施例的方框图，根据本发明的教导，所述视频显示系统100利用脉冲灯102来增加系统的位深度。在这个实例中，视频显示系统100包括脉冲灯102和第一光学组106，所述脉冲灯能够产生照射光束，所述第一光学组106能够将照射光束聚焦到集成杆110的入射光瞳。脉冲灯102可以包括任何合适的AC或DC光源，比如，例如金属卤化物光源或氙弧光源。第一光学组106可以包括聚光透镜和/或其他任意合适的光学器件。

【0015】在这一特定的实施例中，照射光束在进入集成杆110之前要通过色轮108。在照射光束的路径中，色轮108可以包括能够调制基(或其他合适的)色(例如，红、绿、和蓝)之一的任何器件。色轮108使能照射光束被过滤，以提供“帧序制的”图像。色轮108使系统100产生不同彩色图像的序列，这些彩色图像的序列作为正确的彩色图像由观察者通过投影透镜120察看。

【0016】在这个实例中，系统100也包括第二光学组112，其能够接收通过集成杆110的照射光束，也能够通过棱镜装置114将照射光束聚焦到调制器116上。第二光学组112可以包括例如，聚焦镜头和/或其他任意合适的光学器件。调制器116可以包括任意器件，只要该器件能够沿投影光路118和/或沿关闭状态光路122选择性地传送至少一些照射光束。在各种实施例中，调制器116可以包括空间光调制器，比如，例如液晶显示器或发光二极管调制器。

【0017】在这个特定实施例中，调制器116包括DMD。DMD是机电器件，其包括数千个倾斜反射镜的阵列。每个反射镜可以倾斜正的或负的十度，作为活动的“开”状态或者“关”状态。为了允许反射镜倾斜，每个反射镜连接到安置于支撑柱上的一个或多个铰链上，每个反射镜通过下面的控制电路上方的空间间隙隔开。控制电路至少部分地基于从控制器126接收的图像数据提供静电力。

【0018】静电力引起每个反射镜选择性地倾斜。反射镜阵列上的入射照射光被“开”反射镜沿投影路径118反射，被投影镜头120接收，入射照射光还可被“关”反射镜沿关闭状态光路122反射，被光废堆(light dump)(未明确示出)接收。“开”/“关”反射镜(例如，亮和暗反射镜)的模式形成了由投影镜头120投影的图像。如本实例所示，视频显示系统100只使用一个单个的DMD。然而，应该理解的是，本发明的教导也可应用于多个DMD的系统。

【0019】参考图2可以获得对用作调制器116的DMD的更好理解。图2图解说明了一种按照本发明的教导可以用于视频显示系统中的DMD200。如图2所示，DMD200包括微机电开关(“MEMS”)器件，所述器件包括具有千万个倾斜微反射镜204的阵列。在这个实例中，每个微反射镜204尺寸上为大约13.7平方微米，且与邻近的微反射镜之间有大约一微米的间隙。在一些实例中，每个微反射镜尺寸上可以小于13平方微米。在其他实例中，每个微反射镜尺寸上可以大约17平方微米。此外，每个微反射镜204可以向上倾斜正的或负的十度，以创建活动的“开”状态条件或活动的“关”状态条件。在其他实例中，每个微反射镜204可以倾斜正的或负的十二度，作为活动的“开”状态或者“关”状态。

【0020】在这个实例中，每个微反射镜204在其活动的“开”和“关”状态之间转换，以选择性地传送至少一部分光信号或光束。为允许微反射镜204倾斜，每个微反射镜204连接到装于装铰柱208上的一个或多个铰链216上，并通过在互补金属氧化物半导体(“CMOS”)基片202上的空气间隙分隔开。在这个实例中，微反射镜204以正的或负的方向倾斜，直到轭206接触到导电管道210。尽管本实例包括轭206，但其他实例可以不含轭206。在这些实例中，微反射镜204在正的或负的方向倾斜，直到微反射镜204接触到反射镜光阑(未明确示出)。

【0021】在这个特定实例中，电极212和导电管道210形成于导电层220内，所述导电层220朝着氧化物层203外安置。导电层220可以包括例如，铝合金或其他合适的导电材料。氧化物层203可操作用于将CMOS衬底202与电极212隔离、与导电管道210隔离。

【0022】导电层220接收偏压电压，所述偏压电压至少部分地促成了电极212、微反射镜204、和/或轭206之间所形成的静电力的产生。在这个特定实例中，偏压电压包括稳态电压。也就是说，在保持DMD200运行的同时，施加于导电层220的偏压电压保持大致不变。在这个实例中，偏压电压包括大约二十六伏特。尽管这个实例使用了二十六伏特的偏压电压，但在不偏离本发明范围的情况下，也可以使用其他偏压电压。

【0023】在这个特定实例中，CMOS衬底202包括与DMD200相关的控制电路。控制电路可包括任何硬件、软件、固件及它们的结合，只要其能够至少部分地促成电极212、微反射镜204、和/或轭206之间静电力的产生。与CMOS衬底202相关的控制电路，可至少部分地基于从控制器(未明确示出)接收的数据，用来使微反射镜204在“开”状态和“关”状态之间选择性的转换。

【0024】在这个特定实例中，微反射镜204a位于活动的“开”状态条件，而微反射镜204b位于活动的“关”状态条件。控制电路通过选择性地在特定微反射镜204的至少一个相关电极212上施加控制电压，使微反射镜204在“开”状态和“关”状态之间转换。例如，为将微反射镜204b转换到活动的“开”状态，控制电路从电极212b上去掉控制电压，并在电极212a上施加控制电压。在这个实例中，控制电压包括大约三伏特。尽管这个实例使用大约三伏特的控制电压，但在不偏离本发明范围的情况下，也可以使用其他控制电压。

【0025】一般地，存在与微反射镜204在“开”状态和“关”状态之间的移动相关的响应时间。为了使反射镜呈现新位置，需要一段称作反射镜飞越时间(mirror flight time)的时间间隔。在特定的实施例中，所述反射镜飞越时间限定每个微反射镜204的最小开-时间在大约16μs。这个16μs最小开-时间导致8位最大位深度。

【0026】重新参考图1，视频显示系统100尝试通过降低来自灯102的光输出并在低光线输出时应用短比特位(也被称作“低脉冲”)，来克服这16μs的最小开-时间限制。本发明的特定实施例通过降低经由可变电源104提供给灯102的功率，来实现这个低脉冲。之后控制器126使用PWM序列，以在低脉冲时使调制器116显示短比特位，使得低脉冲和短比特位是同步的。

【0027】一般地，通过可变电源104降低提供给灯的功率来降低脉冲灯102的亮度。在使用AC灯的特定实施例中是这样实现的：当电流已经下降到零点，简单地将电流在整流期间保持在零点。在典型的整流期间，通常随着电流跨越零点，出现光的瞬时负尖峰。可以调整所述负尖峰的振幅和持续时间，以产生合适于应用短比特位的低脉冲。

【0028】使用AC灯的其他实施例可以在各次整流之间降低给灯102的功率，因为电流不是必需改变方向以应用低脉冲的。类似地，使用DC灯的特定实施例可以简单地降低提供给灯102的功率，来产生低脉冲。

【0029】一般地，光强度的特定的降低将决定使用脉冲灯102时位深度可能的增加。例如，如果给灯的功率降低到其额定幅度的25％，那么在二进制下，位深度可以增加两位，在本实例中位深度从8位增加到10位。在本发明的特定实施例中，每个色彩的每帧有两个25％光强度的低脉冲间隔，由此所述位增加得以实现。应用的最短比特位的开-时间为16μs。之后使用低脉冲使得有效位的开-时间为4μs，对应于10位LSB。在帧中下一个低脉冲期间，可以显示32μs的比特位开-时间，使得有效位开-时间为8μs。总体上，当使用二进制比特位权重时，结果如下：

 

比特位	色彩数量	有效位开-时间(μs)
			B9	512	2048
B8	256	1024
			B7	128	512
B6	64	256
			B5	32	128
B4	16	64
			B3	8	32
B2	4	16

 

B1	2	8(在25％的低脉冲期间为32μs)
			B0	1	4(在25％的低脉冲期间为16μs)

【0030】在这个实例中，所有的比特位权重是二进制的。然而，本发明的特定实施例可使用非二进制比特位权重。此外，在低脉冲时间间隔内创建的LSB也可以是非二进制的。可以使用抖动技术比如蓝噪声STM来显示这些非二进制的LSB，所述抖动技术可显示比特位，且不会造成每个色彩在色泽上的非线性误差。

【0031】在上面讨论的实施例中，灯的光输出可以降低到其额定输出的大约25％。其他实施例可以根据本发明教导降低到其他数额的光的输出。例如，在一个实施例中，来自灯的光输出可以降低到额定光输出的75％、50％、或25％。此外，本发明的特定实施例可以在单个帧期间改变光输出的降低水平。例如，帧的第一低脉冲可以是额定光输出的25％，而帧的第二低脉冲可以是额定光输出的50％。根据本发明教导，对于低脉冲幅度和所用的PWM比特位定时存在许多其他可能性。此外，低脉冲的宽度和形状根据期望的执行方式也可以有多种形式，其全部落入本发明的教导内。

【0032】图3说明了低脉冲间隔300，其为根据本发明的特定实施例的低脉冲时间间隔的一个实例。如图3所示，对应于低脉冲312所表现的光输出中的降低的低脉冲间隔300，包括四个复位块，复位块302、304、306、和308。在典型的DMD视频显示系统中，有十六个复位块。然而，图3作为例子说明了简化的系统。在获得本公开的益处之后，本领域普通技术人员应该能够将本发明的教导应用到具有除了四个复位块之外的系统中。

【0033】在低脉冲间隔300，在低脉冲312期间发生大约25％的光降低。由于灯和电源的物理约束，低脉冲期间的光降低可能不是理想的方波。因此，在低脉冲间隔300期间的DMD序列可被写入，这样比特位包含非方波形状的脉冲。由于DMD从顶部到底部在时间上顺序加载并顺序复位，所以所显示的比特位的权重由于非方波低脉冲，将为每个复位块做出改变。因此，图3中比特位被这样安排，以使得低脉冲期间显示的非LSB(本实例中的B5)中的比特位权重误差是非常低的(由于脉冲的每一边关于低脉冲312的垂直轴314对称)。每个复位块的B5的镜像都出现在垂直轴314附近，这样B5左边的误差可以通过B5右边的误差抵消。在脉冲最平坦处的低脉冲时间期间，可以应用LSB自身(本实例中的B0)。由于在这个时间期间，块到块的复位误差是最小的，B0的不期望的伪影可得到最小化或避免。由于低脉冲312关于轴314对称，所以在每个复位块中B5也有同样的权重。因此，在本发明的特定实施例中，每个复位块中的B5的比特位权重不需要被纠正。

【0034】尽管如此，在图3的实例中，对于比特位权重B0和B5，从复位块到复位块可能存在轻微误差。然而，这些误差可以在每个复位块中的低脉冲期间通过使用“时钟下降”得到降低或消除。一般地，在时钟下降期间，运行视频显示系统的主时钟变慢，从而在低脉冲期间有效地增加了光的持续时间。这确保了在低脉冲期间的每个复位块有相同量的合成光能量，有效地使如上面提到的可能不是理想的方波的低脉冲底部“平直化”。

【0035】一般地，时钟下降的总量可使用发射装置中的传感器感应灯光来控制。因此，重新参考图1，视频显示系统100还包括光传感器124，其用于检测脉冲灯102光输出的总量。该信息回馈给控制器126，控制器基于光传感器124检测到的光输出来决定应用到主时钟128的时钟下降的合适量。在特定实施例中，控制器126也可基于光传感器124检测到的光输出调整由电源104提供给灯102的功率。如图1中所示，光传感器124定位在灯102和第一光组106之间的照射光束路径中。然而，应该意识到，根据本发明，灯传感器可以定位在视频显示系统100中沿照射光束路径的其他位置，只要所述位置允许传感器能充分检测到灯102的光输出量。

【0036】本发明的其他实施例可以先行使用传感器来促进时钟下降程序。除了使用传感器来确定灯102的光输出量(进而确定脉冲形状)，一些实施例可使用RAM查询表来确定在低脉冲的各时间期间内使用的时钟下降量。这种查询表可以帮助降低系统总成本。然而，这种方法只能在发射装置的使用寿命中波形的形状为可重复的时候才有效果。

【0037】图4所示为一个实施例的低脉冲期间的时钟下降的效应。如图4所示，灯光402在时刻408和时刻410之间有大约100μs的低脉冲412。然而，在所述低脉冲期间，灯的光输出不是均匀量。确切地说，光输出有轻微下降。在理论上，低脉冲期间的光输出应为均匀的。因此，为补偿非均匀部分，在低脉冲期间使能(或增强)时钟下降414，从而当光输出在25％以上时加速序列，在光输出低于25％时减慢序列。这样的结果在有效灯光406中显示，其在时刻408和410之间(即在低脉冲412的持续期间)有均匀有效的光输出。时钟下降有效地“平直化”了低脉冲的底部。

【0038】在图4所示实例中，假定序列只需要随着低脉冲期间的时钟下降而减慢。然而，本发明的其他实施例可在其他时刻使用时钟下降程序。例如，时钟下降可以在图4所示的整个低脉冲波形中运行，而不是只在低脉冲412期间运行。以这种方式使用时钟下降将使整个波形平直化，而不是只使低脉冲的底部平直化。

【0039】因此，尽管空间光调制器有机械上的限制，但通过减少来自基于空间光调制器的视频显示系统的光源的光输出，并在降低的光输出期间显示较低有效位或“短”比特位，本发明的特定实施例提供了增加视频显示系统位深度的能力。在特定实施例中，所述增加的位深度可以减少归因于抖动噪声的空间轮廓伪影和/或暂时伪影的出现。

【0040】尽管在附图中图解说明了且在前面的详细描述中描述了本发明方法和设备的特定实施例，应该理解，本发明不限制于所公开的实施例，在不偏离本文所阐述和定义的本发明范围的情况下，可以进行许多重新布置、改进及替换。

Claims (12)

1.一种增加视频显示系统的位深度的方法，包括：

用光源的光输出照射空间光调制器；

接收一信号，该信号表示在一时间段内由所述光源提供给所述空间光调制器的所述光输出应该从第一水平改变至第二水平；和

响应于所述信号，在所述时间段内将所述光源的光输出从大约所述第一水平改变至大约所述第二水平，并在所述时间段内在所述空间光调制器上显示最低有效位。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述时间段对应于所述光源的低脉冲间隔。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第二水平的所述光输出是在所述第一水平的所述光输出的大约25％到大约75％。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述时间段内检测所述光源的光输出；和

响应于在所述时间段内从所述第二水平偏离的所述光源的光输出，改变控制所述空间光调制器的主时钟的速率。

5.根据权利要求1-4中任意权利要求所述的方法，进一步包括：

接收一第二信号，所述第二信号表示在一第二时间段内提供给所述空间光调制器的所述光通量应改变到第三水平；

响应于所述第二信号，在所述第二时间段内将所述光源的光输出改变到大约所述第三水平；

在所述第二时间段内在所述空间光调制器上显示低有效位；

其中所述第三水平在所述第一和第二水平之间；和

其中所述低有效位在所述最低有效位和最高有效位之间具有有效位。

6.根据权利要求1-4中任意权利要求所述的方法，其中所述空间光调制器包括数字微镜器件；所述光源是具有可变电源的光源；所述接收的信号表示在预先确定的时间段内所述光输出应该降低到目标水平；通过响应于所述信号，降低由所述可变电源提供给所述光源的功率，所述光源的光输出被改变，这样在所述预先确定的时间段内所述光源的光输出降低到大约所述目标水平；且进一步包括，响应于在所述预先确定的时间段内偏离到所述目标水平之下的所述光源的光输出，减少控制所述数字微镜器件的主时钟的速率。

7.一种视频显示系统，其包括：

空间光调制器；

光源，其可操作用于照射所述空间光调制器；

可变电源，其可操作用于将所述光源的光输出从第一水平改变至第二水平；和

控制器，其可操作用于将所述空间光调制器的最低有效位的显示与所述光源的光输出从所述第一水平到所述第二水平的改变同步。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述空间光调制器包括数字微镜器件；且所述可变电源可操作用于通过降低提供至所述光源的功率来降低所述光源的光输出。

9.根据权利要求7所述的系统，进一步包括主时钟，其可操作用于控制所述空间光调制器的定时；其中当来自所述光源的光输出低于所述第二水平时，所述主时钟的速率可被操作降低。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括光传感器，其可操作用于检测来自所述光源的光输出；其中所述光传感器检测到的所述光输出用于确定是否调整所述主时钟的速率。

11.根据权利要求7-10中任意权利要求所述的系统，其中所述可变电源还可被操作用于改变所述光源的光输出至所述第一水平和第二水平之间的第三水平；

其中所述控制器还可操作用于将所述空间光调制器的最低有效位的显示与所述光源的光输出从所述第一水平向所述第三水平的改变同步；和

其中所述低有效位在所述最低有效位和最高有效位之间具有有效位。

12.根据权利要求11所述的系统，还包括主时钟，其可操作用于控制所述空间光调制器的定时；

其中当所述光源的光输出低于所述第三水平时，所述主时钟的速率可操作以降低。

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