CN102318338A - 便携式lcos/lcd/dlp投影系统中的功率耗散的减少 - Google Patents

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Abstract

公开了一种投影系统，其具有功耗降低的一个或多个光源和可选的扫描能力。控制器处理图像数据以生成光源控制信号和像素屏幕控制信号，其被协调以生成图像。通过使光源输出的光与特定帧在像素屏幕上的最亮像素相匹配来降低功耗。通过将光输出水平设成只与对应于图像帧的最大水平相匹配的强度或持续时间，相比于将光源输出设成其最大水平或最大持续时间的实施例降低了功耗。可以是LCD屏幕的像素屏幕将对应于最亮像素的像素区域设成是透明的，像素屏幕上的其它亮度较低的像素被设成具有降低的合适的透明度。

Description

便携式LCOS/LCD/DLP投影系统中的功率耗散的减少
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年3月31日提交的、名为“便携式投影系统中的功率耗散的减少”的第61/072,446号美国临时专利申请和于2008年9月3日提交的、名为“具有扫描装置的便携式投影系统中的功率耗散的减少”的第61/190,978号美国临时专利申请的优先权和利益。
技术领域
本发明涉及投影系统，具体地涉及用于减少投影系统的功率耗散的方法和装置。
背景技术
基于显示系统的投影是一种流行且广泛使用的用于将图像投影在大屏幕上以供单人或多人观看的方法。与封闭系统相比，投影系统具有众多优点，其中包括与投影系统尺寸相比更大的图像尺寸、便携性及成本。然而，当前的投影系统仍可被改进。一种改进形式可以是降低功耗。
在扫描投影系统中，通过红色、绿色和蓝色光源束的逐像素的激活和随后光束通过MEMS反射镜扫过所投影的图像来产生图像。
在其它投影系统中，诸如在LCD/LCos便携式投影系统中，光由红光源、绿光源和蓝光源(激光器、LED或任何其它光源)这三种光源提供。有时，光源为单个LED，不同的颜色通过色轮或类似方法获得。通过将这些光源激发成满功率且将所产生的光照射到或通过LCD/LCos屏幕或DLP引擎来形成图像。LCD/LCoS被构造成像素阵列，其中每个像素可形成为透光的、不透光的或者具有一定的不透明度。通过(选择性地针对每个像素)控制来自光源的光穿过LCD/LCoS形成图像的量来形成所投影的图像。
现有技术的投影系统的缺陷在于：经过一段时间之后或者是在不同的温度下，由于光源的老化率不同或者光源的温度不同(其会影响白平衡性能、色彩保真度和图像质量)，投影系统会表现出不同光源的强度不一致。目前现有技术的系统会采用开环或查询表法来处理这些不一致。
开环法是目前普遍采用的。在开环结构中没有用于光源控制的反馈机构。这种方法的缺陷是当在工厂中组装系统时，白平衡和对比度是关于特定温度进行调节的。然而，当温度变化时，假定光源随温度变化可能表现出不同性能，白平衡和对比度偏离最优值，其继而使图像质量退化。光源还会出现老化，且三种不同光源的老化可能不同，这将对图像质量产生类似的不希望的影响。在这些系统中，通常设有一组风扇、散热片和/或TE冷却器来尽量维持操作温度稳定，将这些影响最小化，然而，启动(冷)状态可能需要加热时间，并且TE冷却器和风扇消耗额外的功率。这两个方面和变差的图像质量使得该方案并不吸引人。
另一种选择是建立和利用查询表。在查询表法中，系统中存在温度传感器，并且在系统的EEPROM中存有用于各个光源的查询表。逻辑电路(logic)或微控制器读取温度，并且针对需要的光源光学功率在光源驱动器中设计正确的电流。应注意：在目前的系统中，光源是以满功率开启的，因此对于每个光源都需要一套查询表。如果光源使用多个功率水平，如下面作为该创新的一部分提出的那样，会需要多个查询表，需要的EEPROM的数量将与需要的光源功率水平成正比地增长。这种方法的主要缺点来自以下事实：光源特性在卖家与卖家之间变化明显，甚至是对于同一卖家提供的来自不同批次的光源，光源特性也存在明显变化。这对生产造成巨大负担，因为需要针对每个光源和不同的温度建立查询表。这是极其费时和昂贵的(从设备成本和生产测试时间这两个角度来看)。
下列公开内容提供了用于在降低功耗和当时间和温度变化时维持图片质量的同时产生投影图像的方法和装置。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷和提供其它有益效果，公开了一种降低功耗的投影系统及操作方法。如文中所公开的那样，在一个实施例中，提供一种用于产生投影图像的方法，其中该图像包括多个图像像素，并且对于每种颜色，该方法包括接收和处理图像数据以形成像素阵列控制数据和光源控制数据。该方法还包括向一个或多个光源提供光源控制数据以逐帧选择性地控制光源输出强度的步骤。然后向一个或多个像素阵列提供像素阵列控制数据以逐帧选择性地控制该一个或多个像素阵列的像素的不透明度。该方法还包括对于特定一帧，通过幅度、脉宽调制或两者设定一个或多个光源之一的输出强度水平。这将产生具有最高颜色强度的图像像素所需要的颜色强度，并且设置像素阵列中的相应像素使得通过该像素的光强不降低。
在一个实施例中，像素阵列包括LCD/LCoS/DLP屏幕或其它逐像素地滤光的工具。设想该像素阵列可以包括比图像少的像素。另外，像素阵列中的至少一个像素被控制成是透明的。在该方法中，光源输出来自一个或多个光源的光能以生成图像。
本文中还公开一种用于控制一个或多个光源和一个或多个像素屏幕以生成图像帧的方法，其包括接收图像数据和处理该图像数据。该图像数据代表要投影的图像，并且在图像帧内，一个或多个像素具有用于该图像帧的最高光强。对于该图像帧，该方法处理图像数据以确定该图像帧中哪一个或多个像素具有最高光强。同样，该方法生成一个或多个像素屏幕控制信号以设定该像素屏幕中的该一个或多个像素的透明度。在这种构造中，将该一个或多个具有最大光强的像素设成是半透明(translucent)的。然后，该方法确定为生成该图像帧的最大光强所需要的光学信号功率水平，并且基于生成最大光强所需要的光学信号功率水平生成一个或多个光源控制信号。此后，该方法向像素屏幕输出该一个或多个像素屏幕控制信号，并且向一个或多个光源输出一个或多个光源控制信号。
在一个实施例中，该一个或多个光源包括一个或多个激光器。另外，该一个或多个像素屏幕可以包括一个或多个具有能够在基本透明状态和基本不透明状态之间受控的单独可控的像素区域的LCD屏幕。设想该一个或多个像素屏幕控制信号将像素屏幕上与图像帧上光强小于最大光强的像素相对应的像素控制成具有相应的半透明度以便让合适数量的光通过。例如，该一个或多个光源输出其光强对应于该图像帧的最大光强的光。这是基于用于确定该一个或多个光源产生的光的强度的一个或多个光源控制信号进行的。
还公开了一种投影系统，其包括：一个或多个光源，所述光源被配置成生成具有由一个或多个光源控制信号和一个或多个像素屏幕确定的强度的光输出，所述屏幕具有一个或多个可控制以基于一个或多个像素屏幕控制信号变化其半透明度的像素区域。该系统还包括：控制器，其被配置成具有一个或多个被配置成接收图像数据的输入端；以及处理器，其被配置成处理图像数据以形成一个或多个光源控制信号和一个或多个像素屏幕控制信号。一个或多个输出端被配置成向一个或多个光源输出一个或多个光源控制信号和向一个或多个像素屏幕输出一个或多个像素屏幕控制信号。因此，以逐帧的方式，光输出具有与特定帧的最大光强匹配的强度或持续时间，从而降低了功耗。
在一个实施例中，该一个或多个光源包括红光源、绿光源和蓝光源。该一个或多个光源可以包括一个或多个激光器。在一种变型中，该系统还包括一个或多个被配置成聚光以形成图像的反射镜和透镜。另外，在一个实施例中，像素屏幕中与图像中具有帧中的最大光强的像素对应的像素被设置成是透明的，从而允许由一个或多个光源产生的所有光通过像素屏幕中的对应像素。如文中讨论的那样，像素屏幕可以包括比要形成的图像少的像素。
在又一实施例中公开了用于控制图像投影的投影系统控制器。在该系统中，控制器具有配置成接收图像数据的输入端和配置成输出一个或多个光源控制信号的光源控制信号输出端。像素阵列控制信号输出端被配置成输出一个或多个像素阵列控制信号，处理器被提供和配置成处理图像数据以生成一个或多个像素阵列控制信号并且使其与一个或多个光源控制信号同步，从而降低一个或多个光源的功耗。这通过使得来自一个或多个光源的光强输出、光输出持续时间或两者与图像中一个或多个最亮的像素中的任何一个的光强匹配来实现。
在一个实施例中，控制器包括微处理器，其被配置成执行机器可读代码。该系统还可以包括驱动器，其被配置成接收光源控制信号输出和生成输出信号以驱动光源。在一种构造中，像素阵列控制信号在不同的透明度和不透明度之间控制LCD屏幕的一个或多个像素的透明度。
本发明的其它系统、方法、特征和优点将在本领域普通技术人员检查这些附图及该详细说明书之后显而易见或变得显而易见。希望所有这些额外的系统、方法、特征和优点均包括在该说明书中，落在本发明的范围内，并且受到所附权利要求书保护。
附图说明
附图中的部件并不是成比例的，重点放在示出发明原理。在附图中，相同的参考数字在不同视图中指示相应部件。
图1A和1B是示出示例性使用环境和光源及像素阵列控制器的方框图；
图2是光学信号功率关于光源电流消耗的视图；
图3A-3D示出了根据现有技术的方法、幅度调制、脉宽调制和占空比调制形成的光输出强度和持续时间的视图；
图4是关于温度升高或老化的光输出功率与光源电流的视图；
图5是本发明的数字实施方式的示例性实施例的方框图；
图6示出了功率控制环路的可能的实施方式；
图7是本发明的模拟实施方式的示例性实施例的方框图；
图8是示出关于脉冲宽度、功率目标和增益设置的功率水平映射的各种示例性期望功率水平的表格；
图9A示出了具有为整个图像像素组的子集的LCD阵列的扫描系统的示例性实施例；以及
图9B示出了LCD阵列的示例性实施例。
具体实施方式
在图1A和1B所示的示例性环境中公开了一种投影系统，其中由三个光源108(诸如红光源、绿光源和蓝光源)提供光104。在其它实施例中可以采用不同数量的光源。光源108可以包括激光器、LED或任何其它光源。光源的输出被提供给光学系统136。在该实施例中，光学系统136包括一个或多个透镜、反射镜或两者。光学系统136将光引导或聚焦到像素阵列120上。光学系统136可以是无源或有源的。通过让这些颜色照射并透过像素阵列120来形成图像112。在一个实施例中，像素阵列120为LCD/LCoS系统。在其它实施例中，它可以是DLP引擎。像素阵列120是像素124的阵列，其中每个像素均可成为透光或不透光的、或者介于透光和不透光之间具有一定不透光性。通过(关于每个像素选择性地)让来自光源108的光透过或将其挡住来形成投影图像112。所形成的图像112可被投射到观看屏116上。在一些实施例中，也可以采用多个(例如一种颜色一个)像素阵列(LCD/LCOs屏)。
控制器130向一个或多个驱动器134提供控制信号或低功率的输出。该一个或多个驱动器134将来自控制器130的信号放大至适于驱动光源108的水平。控制器130还连接像素阵列120以给这些设备提供一个或多个控制信号。在该示例性实施例中，控制器130接收图像数据，然而在其它实施例中可以给控制器发送其它类型的数据。该一个或多个控制信号被发送给像素阵列120以控制各个像素在不同时期和/或帧中的不透明度。术语“不透明度”被定义成指允许通过像素阵列120中的像素124的光量。
设想像素可以是透明的，从而允许光100％地通过(忽略可能在阵列自身中的损失)，或者是不透明的，从而不允许(或允许非常少量的)光通过，或者介于它们之间具有一定不透明度，从而允许光不同程度地通过像素阵列120的每个像素124。
提供给光源108的一个或多个控制信号可以控制从该一个或多个光源中发出的光的强度、持续时间或其它因子。应注意：在该示例性实施例中，光源不是同时全部开启的，因此3个光源中的每一个的开启时间为一帧的持续时间的1/3。人眼的缓慢反应时间使得即使这些颜色(光源)是依次打开的，看到的每帧都还是彩色的。
本文中描述的类似原理可用于扫描系统。下面的文献论及激光器，或任意光源，扫描图像的投影系统，因此它以参考的方式全文并入本文中：名为“用于可控地调制激光投影显示器中的激光器的方法和装置”的、第20080055557号申请的公开文本。
图1A上部是两个示例性的像素阵列120A和120B，其中任何一个均可采用。这些像素阵列位于光源108和屏幕116之间的光路上。在图1A上部示出的像素阵列120中，部件120已被旋转90度以帮助理解像素屏。在用于讨论目的的该示例性实施例中，与可视图像112上的第一像素对应的像素阵列中的像素124被标记为“1”。与可视图像112上的第二像素相关的像素被标记为“2”。可以想到的是，在该实施例中，关于可视图像中的每个像素，像素阵列120A具有三个像素124。在该实施例中，每个像素124被指定一种光源颜色，诸如红色、绿色和蓝色，且因此在该光源发光期间受到控制。在其它时间上，它可以是不透明的，以阻止或防止光通过。
在一个实施例中，如像素阵列120B中所示，在像素阵列120上的像素和图像112的像素之间存在一一对应关系。各个像素124在一帧的各个时期单独受到控制。例如，如果一帧时间被分成3个时间窗，一个窗口对应于红色、绿色和蓝色中的一个，则在这三个时间窗中的每一个期间，各个像素124的不透明度均可能不同，其取决于该帧中该像素的强度和颜色。因此，各个像素124的不透明度在该帧期间受到控制以允许各种颜色的光通过需要的量。眼睛会将光混合从而形成实际需要的颜色。设想可以开发其它选择性地允许光通过像素阵列120的方法，而这并不脱离权利要求书。
图1B示出了光源和像素阵列控制器的可选实施例。但这只是一个可能的、示例性的使用环境。在该实施例中，视频处理器150产生、处理或接收用于形成图像的图像数据。视频处理器150将图像数据输出给光源驱动器154，如图所示。在该实施例中，这种传输通过通信接口来进行，其中包括功率水平信息。光源驱动器154还从光电检测器166(其将在下面更详细地讨论)处接收反馈输入。
光源驱动器154向光源158输出驱动信号，如图所示。在该实施例中具有三个光源，其被调成红色、绿色和蓝色。在其它实施例中可以采用更多或更少的光源。光源158产生光输出，其被引向一个或多个反射镜162(如图所示)，或者直接被引向透镜或光束成形装置。
透镜或光束成形器170将来自反射镜162的光聚焦通过LCD174或其它光强控制单元。通过LCD174的光在形成图像178之前可以通过额外的透镜或光束成形器170。其它实施例可以不包括反射镜(其是可选的)。
设想透镜或光束成形器170可以将部分光引至光电检测器166。光电检测器166将光能转变为相应的电信号，从而给光源驱动器154(如图所示)或视频处理器提供闭环反馈。设想图1A和1B的实施例可以被构造成处理图像或视频。
假定投影仪是便携式的，则不可避免地要采用任何可能的技术来改善功率效率。该公开文本详述了用于显著改善光源和/或系统总体功率效率的技术。基本概念是一帧一帧地调节光源输出的光强，而不是使光源保持满强度地开启。这可以通过缩放光源的电流以使其与特定一帧所需要的颜色的最大亮度相对应来实现。每种光源的颜色均可通过这种方式来缩放或调节。
如图2所示，光学功率输出为输入电流的函数。垂直轴204示出光学功率输出，水平轴208示出光源的输入电流。通过降低光学功率输出，光源的功耗将被降低。因此，一种降低功耗的方法是降低光源输出的光的光强。另外，对于不同的输入电流，光源的压降一般保持不变。通过这种方式，通过降低光学功率输出，光源的电流消耗被降低，因此功率耗散也被降低。因此，要求将光输出强度从P2水平降至P1水平允许输入电流同样从I2降至I1。这降低了功耗。
并且，在光源可以在一帧的一部分时期内完全关闭的情况下将进一步降低功率的使用，因为即使在低功耗模式期间，类似半导体激光器或LED的光源也具有一个开启电流(也称做阈值电流Ith)。通过关闭光源，由阈值电流引起的功耗被避免。因此，Ith可被消除。应注意：在任何光发生系统(其可能具有与图2所示不同的传输特性)中，光学输出功率始终是输入功率的函数，并且转换率小于1(通常远小于1)。本发明显然适用于任何光源，此外无论采用何种光源，光学功率的节省都将转变成更大的电能节省。
为降低功耗，从光源发出的光的强度、激活时间(脉冲宽度)或两者被降低。与对于每一帧都将光强设在最大值上的现有技术的实施例相比，这又降低了功耗。
在调节光源的强度时，还调节像素阵列120的各个像素的透明度。例如，如果一帧上的像素在光源为全功率时处于某一强度下，则以用于满刻度的光强的反比或其它一些反比关系来标定像素阵列的该像素透明度。
图3A-3D示出了光学信号强度或光强输出的示例性视图。如本文中讨论的那样，在各帧期间，各种颜色可以只开启一部分时间。图3A示出了其中光源在整个周期中都处于开启状态的现有技术的系统，以及具有幅度调制方案和脉宽调制方案的功率节省模式。图3A示出了用于提供给LCD或其它类型屏幕的光强的示例性的现有技术的方法。正如在这两个示例性视图中能够看到的那样，在整帧或该帧的各个颜色部分的持续时间内，光强均为满强度。这以最大的速度消耗功率。
图3B的示例性视图示出了光的幅度调制的示例。在该示例性视图中，光强只形成为屏幕阵列在相应时期内需要的最大强度。因此对于每种颜色，光源输出的光强被设定为该像素上该种颜色的最大强度水平。因此，不同于现有技术，不是在每个时间周期内都最大水平地驱动光源。
图3C的示例性视图示出了光的示例性脉宽调制。在该示例性视图中，光脉冲持续时间只形成为LCD屏幕阵列在相应时期(诸如一帧)内需要的持续时间。因此，对于每种颜色，光源输出光的持续时间被设定为将形成一帧期间该特定颜色通过屏幕阵列之后的亮度的持续时间。因此，不同于现有技术，光源不是在整个帧颜色期间都被驱动的。
在一个实施例(诸如采用图3B所示的光源幅度调制的实施例)中，各个光源的颜色强度(发光度)等于或高于该帧内具有最大颜色强度的像素的颜色“强度”。考虑到眼睛(其有效充当光的低通滤波器)的有限的响应时间，降低的颜色强度可以通过降低光强或使光源开启时间小于帧持续时间和降低阵列屏幕的相应像素的不透明度来实现。
在一个实施例中，针对每种颜色对像素帧进行分析以确定具有该种颜色的最大强度(亮度)的像素和该强度水平与需要的光源输出水平的相对关系。然而将所识别的像素设成透明的(即无不透光的)，并将光源设成该光输出功率水平。因此，光源输出水平被设成在这种颜色上用于该帧的可能的最小光输出水平。从而降低了电流损耗，并可能延长了光源的使用寿命。这种方法还可以额外具有改善对比度的好处。
对于图像帧中的其它像素(其具有比先前识别的像素低的光强)中的每一个，像素阵列中的像素的不透明度被提高以降低用于图像中的这个像素的通过像素阵列的光强。对于不具有该特定颜色分量的像素，将像素阵列中的像素设成不透明的，以阻止这种颜色通过像素阵列。
此外且如上所述，还设想可以降低光脉冲的持续时间，而不是结合像素阵列中的像素的不透明度对光源输出幅度进行修改。这在上文中结合附图3C示出。这也将使功耗降低，因为各种特定颜色的光源将被开启更短时间。设想如上述那样，识别关于特定颜色具有最大颜色强度的图像像素，并且设置光源的开启持续时间以提供该光强水平。将像素阵列中的相应像素控制为透明的，即让光满强度地通过。对于图像中的所有其它像素，像素阵列中的像素的不透明度被提高成与该图像像素上该种颜色的强度相对应。这种方法的额外好处是节省了与光源(激光器、LED或任何其它光源)完全关闭时那段时间内的阈值电流对应的那部分功率。
图3D示出了示例性的关于脉宽调制上的变化的光输出。在该示例性的调制技术中，通过调整各种颜色的脉冲的占空比来降低光源功耗。虽然满强度地形成脉冲，但脉冲的占空比被调节成与该帧的最大光强相匹配。这通过减小光源开启时间来降低功耗，并且降低了阈值电流的消耗。另一优点是这种调制技术对主时钟的变化不敏感。这种调制技术还可以消除或减小所生成的图像上的假象。
还可以想到，这三种方法(幅度调制和脉宽调制)与像素不透明度控制的组合还能够在颜色强度选择上获得更好的分辨率，同时实现功率的节省。
另一种方法是利用某种形式的闭环功率控制，使得光电检测器或光电检测器阵列提供与由红色、绿色和蓝色光源提供的功率成正比的反馈。该信号可以被数字化以提供与输出功率水平有关的信息，控制器能够相应调节光源的增益电流设置。或者，可以在比一帧长的时间上对信号进行积分以提供平均功率的反馈和控制。然而，由于这些控制方法中存在的长时间积分或反馈时间，该方法将可能不允许逐帧地对输出功率进行有效控制。
这种想法的一个好处是节省功率，但是也存在其它好处。在典型的电影或显示图像中，平均颜色强度约为40％。因此，如果通过脉宽调制或光强(幅度)调制逐帧地对光源颜色进行“调制”，则理论上最多应当能够节省光源功耗的60％。如果采用幅度调制，则由于有限的光源阈值电流，理论上的功率节省量会略微小一些。另外，如果以较低功率工作和/或工作较短时间，则可以提高光源的使用寿命。同样，如果投影系统可以被设计成在较低平均功率下工作，则可以节约成本。
为克服与时间和/或温度有关的图片质量不一致性，本文所公开的创新包括光学信号强度反馈结构。
图4中示意出了光源光学输出功率作为电流的函数的典型传输曲线。在该示例性的视图中，在垂直轴404上示出光学输出功率，在水平轴408上示出光源电流。该视图示出了温度或老化对设备性能的影响。在该视图中，随着温度升高，光源的阈值电流Ith变大，转变效率(曲线斜率)降低。随着光源的老化也能够观察到类似结果。
在投影系统中，一个重要分量是光学功率输出，因此在一个实施例中，从系统角度来看，视频处理器在理想情况下可以与光源驱动器只通信视频信息(即，一帧所需要的颜色的量)，而不是在特定工作条件(温度和老化状态)下光源需要的电流。从图4中可以明显看到，相同的光学输出功率可能需要明显不同的电流。
创新的一个方面是利用监测光电检测器来监视光源发出的功率量(光强)和利用该信息自动将电流调节至适当水平。
用于一个或多个光源的监测光电检测器(PD)可以被放置成被从一个或多个光源中发出的光照射。这可以通过背面(back facet)监测PD或光学件来实现，因此本领域普通技术人员通过有限次实验就能够实现这样的系统。
应注意：监测PD的特性不随温度或因长期使用(老化)而变化，从光到电流的转换效率保持不变且在一定温度范围内和系统老化时可以预见。不同部件之间的PD转换效率的变化可以在初始生产测试过程中在单个温度下轻易地得到校准。
图5中的方框图给出了这种解决方案的一个可能实施例。在图5中已示出了一种数字方法。
如图5所示，模拟前端504从监测光电检测器(未在图5中示出)处接收电流值。TIA(跨阻抗放大器)、VGA(可变增益放大器，用于适当缩放输入)和抗混淆滤波器(AAF)可置于模拟前端(AFE)504之前(或成为AFE的一部分)。AFE504的输出向ADC508提供模拟信号，数据在ADC中转换成数字形式。包括模块516的自动功率控制环路(APC)利用PWM发生器512产生的信息(关于在什么时期开启什么光源)来确定ADC508的哪个采样需要被考虑。PWM发生器512还接收脉冲宽度信号和颜色光开启信号，其在该实施例中描述成红色开启/绿色开启/蓝色开启。APC模块516接收功率目标信号和增益设定信号，如图所示。
例如，如果来自PWM发生器512的信息表明光源被关闭，则可以冻结APC模块516的反馈。APC模块516可以包括数字积分器，该积分器将采样与特定帧的目标值进行比较，并且在适当进行缩放之后调节用于DAC输出的数字代码，其接着将数字代码转变成提供给光源驱动器的电流。APC模块516的输出提供给数字-模拟转换器520，其输出连接光源驱动器524。众所周知，数字-模拟转变器将数字信号转变为模拟格式。光源驱动器524将信号放大成适于驱动光源的功率水平。在该实施例中，光源驱动器524的输出被输出给激光器驱动器，然而也可以采用任何一种光源。
图6示出了功率控制环路的一种可能的实施方式。这只是一种可能的示例性的实施方式，因此下面给出的权利要求并不限于该特定实施例。在该实施例中，光电检测器信号被输入给ADC604，而输出来自增益设置DAC608。本领域普通技术人员将能理解APC模块(图5中的元件516)的该示例性实施方式，因此不对该实施方式作详细讨论。
图7示出了一种模拟实施方式，其中目标值被转变成模拟信号，并且由模拟比较器和模拟积分器来完成目标和监测PD信号之间的比较。在该示例性实施例中，来自监测光电检测器的反馈信号输入模拟前端704。功率目标信号被输入给数字-模拟转变器(DAC)708，同时脉冲宽度信号和红色开启/绿色开启/蓝色开启信号被提供给PWM发生器712。AFE704的输出提供给差分放大器716，其还从DAC708处接收功率目标值的模拟信号。差分放大器716的输出包括它的两个输入值之间的差值的放大信号。差分放大器716的输出提供给具有保持功能的积分器。从PWM发生器712处接收老的信号。积分器720的输出连接电压-电流转变器724。所形成的电流信号被输出给可编程的电流定标器728，其接收包括增益设定信号的控制输入，如图所示。经幅度调节的电流定标器728的输出被输入给驱动器732。驱动器732产生并且输出其功率水平适于驱动一个或多个光源的信号。PWM发生器712也向驱动器732提供输入，如图所示。
在该实施例中，模拟积分器优选能够保持从一帧到另一帧的信息(保持功能)。在一个实施例中，保持时间可以约为0.1kHz(刷新率为100帧/秒)。本领域普通技术人员能够认识到这可以通过合适的结构选择和仔细的设计来实现。由于电流可以合适地被缩放，该前端与数字实施例方式相似。在一个实施例中，假如信号将不被转变为数字形式，则AAF是不必要的，然而会进行一定量的过滤以降低信号带宽和输入相关噪声。
应注意：在提出的所有实施方式中，只示出了三个信道(每种颜色一个)中的一个。完整的系统可以包括三个并行的信道或系统以在信号链中多路传输一部分或所有的块。
在该实施例中，对于每个需要的功率水平，脉冲宽度、功率目标值和增益设定可以被关联，如图8所示。图8示出了示例性的功率水平映射表。这些参数可以在投影仪生产阶段在单个温度下一次性得到校准，该部分将针对温度变化和光源老化自动进行校正。
在这两种实施方式下，光源驱动器被构造成基于由PWM控制器提供的信息将递送给光源的电流快速(在一些实施例中为几十纳秒)降至0。这种快速的响应时间导致获得鲜明的图像和精确的亮度，特别是及时受到调节的光输出。
返回图7，PWM控制器可利用高速时钟(例如10MHz)和可编程的计数器来实现，使得各个光源的开启信号的脉冲宽度可以通过由计数器确定的时钟周期数来减小。假定刷新率为100Hz，则每帧的持续时间为10ms，并且在10MHz的时钟(周期为100ns)下，分辨率将为10ppm(百万分之一)。显然，为了防止PWM且因此光输出的调制，时钟优选不受温度供应和部件影响。多种廉价且非常稳定的MHz范围的时钟源可以轻易获得(例如19.44MHz的石英振荡器)，并且很有可能已存在于系统中。
这种实施例或环境是其中多脉冲调制技术将提供优势、而非利用单脉冲调制的示例。产生优势的原因是，如果利用不稳定的时钟产生多个脉冲，功率开启和功率关闭时时钟周期之间的比值是不变的，使得光学功率输出将是准确的，因为占空比将是准确的，其与时钟变化无关。设想一个周期内的全循环数足够高，使得如果最后一个循环因一帧的中断而变短，它将不会明显影响到平均占空比且因此功率。
PWM发生器的其它实施方式将利用多级延迟锁定环路。在这种实施例中，该环路可以关于周期性的光源开启信号被锁定，并且脉宽调制可以通过在开启信号被实际递送给光源驱动器时选择多级DLL的不同支线(tap)来实现。
还设想红色开启、绿色开启和蓝色开启信号可以被用于在外部对信号进行PWM。因此，在一个实施例中，具有1/3开启时间的普通红色开启、绿色开启和蓝色开启信号被提供给系统，然后控制器通过PWM发生器方框编程光源开启时间量。因此，系统将根据用于该帧的颜色光强(功率)在内部产生脉冲宽度。提供给系统的红色开启、绿色开启和蓝色开启信号的长度可以发生变化，使得能够利用外部视频数据来控制PWM。因此，可以利用红色开启、绿色开启和蓝色开启信号来实现PWM，从而实现目标功率水平。PWM可以在所示方框内执行，或者提供给系统的红色开启、绿色开启和蓝色开启信号的持续时间可以发生变化。
此外，还设想LCD阵列或其它像素阵列可以包括阵列方块，其为图像中的像素总数的子集。LCD阵列或其它光强控制过滤器可以包括任何形状或阵列，使得经过一段时间之后和通过使用扫描反射镜，通过该LCD阵列的光形成图像。图9示出了这样一个实施例。图9的系统和方法与图1的系统类似。因此，只讨论图9的与图1的系统不同的方面。
与图1相比，图9的LCD阵列900包括图像116中的像素总数的子集。在该示例性实施例中，LCD阵列900被构造成与图像的一排相对应。LCD阵列像素的数量可以是任意的，但在该实施例中为水平排上的像素数。在其它实施例中，LCD阵列900可以包括任何形状，诸如垂直列、排或列的一部分、方块或任何其它形状或设计。还设想可以采用滤光器而非LCD阵列。如上所述，控制器130控制LCD阵列900中的哪个像素是透明的、不透明的以及哪个像素具有变化的透明度。图9B示出了N个像素的LCD阵列的示例性实施例，其中N为一排像素的数量。
扫描反射镜904与LCD阵列900对准，所述反射镜904也受控制器130的输出的位置控制。扫描反射镜904被控制成将LCD阵列900输出的光反射至屏幕116并且对其进行扫描。扫描反射镜904可以包括任何类型的扫描反射器，其能够受到控制以基于控制系统定时机构(control timing)选择性地扫描从LCD阵列900输出至屏幕116上的光。
在操作过程中，光源108产生光输出，其被聚焦在LCD阵列900上。在一个实施例中，三个光源中的每一个的开启时间为LCD阵列在图像的一个位置上被扫描的时间的1/3。为降低功耗，光源可以在比最大强度低的水平下被驱动，或者可以只被开启有限的通常为一帧持续时间的1/3的时间。例如，光源照亮LCD阵列900，LCD阵列选择性地(逐像素地)，但一次一整排地滤光以降低传至扫描反射镜904和最后到达屏幕116的光的强度。
如上所述，对于要生成的图像的特定像素线，对该像素线上的像素进行估算以确定(总体上或基于颜色)具有最大强度的像素。然后，控制LCD阵列900以将LCD阵列上的相应像素设成透明的，将产生的所有光传至扫描反射镜904。该排的光强也被设成此最大水平，使得对于该排上的一个或多个透明的像素，光源的强度被设置成产生在这些一个或多个像素上具有需要亮度的图像。屏幕上的将为黑色的像素(如果有的话)将具有对应的完全不透光的LCD阵列像素，从而阻止光通过LCD阵列。对于LCD阵列900上的其它像素，控制LCD阵列上的像素的透明度以调节通过LCD阵列传至扫描反射镜904的光强，其基于该一个或多个最亮像素的光强。对于更暗的屏幕像素，使LCD阵列上的相应像素的透光性更小些，从而使相应的屏幕像素变暗。类似地，对于更亮的屏幕像素，使LCD阵列上的相应像素的透光性更大些，从而使相应的屏幕像素变亮。还设想阵列屏幕还可以被控制成与照到阵列上的光的颜色相对应，使得对于图像，各种颜色在一帧期间结合形成彩色图像。本文所公开的创新还可以用于黑和白或灰度投影系统中。
在LCD阵列对应图像上的一排像素且由扫描反射镜904逐排扫描的实施例中，可按照下述内容进行定时。对于具有3个光源的系统，每个光源的开启时间会是扫描该排所用时间的1/3。在一帧期间，扫描反射镜将扫描整个图像。因此，对于每一排，一组光源108中的单个光源的开启时间将等于1/3除以图像上的排数。或者，每个光源开启一帧的持续时间的1/3，同时扫描反射镜在继续下一种颜色之前扫描图像的每一排，关于该特定颜色构造图像。设想可以针对每一排改变激光的强度，即使激光器开启该帧的持续时间的1/3。激光器功率的控制可以通过幅度调制、PWM或这些方法的任意结合来实现。
光在通过LCD阵列900，且一次一排地逐像素地受到选择性衰减(如果完全地)之后入射至扫描反射镜904。扫描反射镜904与光源和LCD阵列900同步地在屏幕116上逐排扫描来自LCD阵列的光，从而形成图像。为实现同步和适当扫描，控制器130将控制或命令信号提供给扫描反射镜904或反射镜控制器(其在本次讨论中被视为扫描反射镜的一部分)和光源。以LCD阵列方块为基础在LCD阵列方块900上进行扫描，从而在屏幕116上形成图像。在一帧图像数据期间，扫描反射镜904在屏幕116上扫描来自LCD阵列900的输出，从而形成图像。
作为该实施例的有益效果，LCD阵列900(或除LCD以外的技术)被制成更小型，这可以减小投影系统的尺寸、费用，或者提供其它有益效果。此外，利用该实施例可以实现功率的节约。功率节约的原因是光源输出强度(其可以通过幅度调制、脉宽调制或两者来改变)由LCD阵列900中最亮的像素(其为构成屏幕图像的整个像素阵列的子集)来设定。因此，对于下半部分亮、上半部分黑的屏幕图像，当扫过上半部分(黑的半边)时，由光源108产生的光强可以被设为低水平(或没有)。然后在扫描屏幕的下半部分(亮的半边)时，则将光源108的光强提高。由于扫描屏幕图像上半部分时的光强和相应功耗降低了，因此实现了功率的节约。因此，对于该示例性图像，光源可以在半帧上被关闭，不消耗电流。相反地，如果LCD阵列900的尺寸与图像阵列相同，光源108将关于整帧输出高强度，LCD阵列900将使LCD阵列的上半部分中的像素不透光。还应注意：即使采用全帧/图像的LCD阵列，也能够获得同样的节省功率的优点。全图像的LCD可以始终被用作较小的平面LCD。作为举例而非限制性的方式，如果能够将图像分成2块，则在这种情况下，全图像的LCD必须有两倍那么快。尽管该实施例显然不提供任何面积上的有益效果，但是从光源的角度看，功率上的有益效果还是与其尺寸与使用的子图像(在该示例中为图像的1/2)相同的阵列LCD相同。还设想在其它实施例中可以将LCD分成任意块。
还设想本文所公开的实施例可以利用控制环路定时(其可以利用当前的技术实现)来实现。在一个实施例中，扫描线的持续时间为5微秒，现有的光源驱动器能够满足这种响应速度。不管光源控制类型是脉冲宽度/占空比调制、幅度调制、或两者的结合、或其它一些类型的光源强度控制，这种控制和控制速度都是可以实现的。
本发明的其它系统、方法、特征和优点将在本领域普通技术人员检查这些附图及该详细说明书之后显而易见或变得显而易见。希望所有这些额外的系统、方法、特征和优点均包括在该说明书中，落在本发明的范围内，并且受到所附权利要求书保护。虽然已描述了本发明的不同实施例，但对于本领域普通技术人员而言显而易见的是还存在很多落在本发明范围内的实施例和实施方式。另外，在本文中描述的各种特征、元件和实施例可以以任意组合和配置被主张或组合。

Claims (22)

1.一种用于产生包括多个图像像素的投影图像的方法，其中对于每种颜色，该方法包括：
接收和处理图像数据以形成像素阵列控制数据和光源控制数据；
向一个或多个光源提供光源控制数据，以逐帧选择性地控制光源的输出强度；
向一个或多个像素阵列提供像素阵列控制数据，以逐帧选择性地控制该一个或多个像素阵列的像素的不透明度；
其中，对于特定帧，通过幅度、脉宽调制或两者设定一个或多个光源之一的输出强度水平，其将产生具有最高颜色强度的图像像素所需要的颜色强度，并且设置像素阵列中的相应像素使得通过该像素的光强不降低。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述像素阵列包括LCD/LCoS/DLP屏幕或其它逐像素地滤光的工具。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述像素阵列包括比图像少的像素。
4.如权利要求1所述的方法，其中接收和处理图像数据通过控制器来执行。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述像素阵列中的至少一个像素被控制成是透明的。
6.如权利要求1所述的方法，还包括从一个或多个光源输出光能以生成图像。
7.一种用于控制一个或多个光源和一个或多个像素屏幕以生成图像帧的方法，其包括：
接收图像数据，该图像数据代表要投影的图像，其中在所述图像帧内，一个或多个像素具有用于该图像帧的最高光强；
对于该图像帧，处理所述图像数据以确定该图像帧中哪一个或多个像素具有最高光强；
生成一个或多个像素屏幕控制信号，以设定所述像素屏幕中的所述一个或多个像素的半透明度，其中将一个或多个具有最大光强的像素设成是半透明的；
确定为生成所述图像帧的最大光强所需要的光学信号功率水平；
基于生成最大光强所需要的光学信号功率水平生成一个或多个光源控制信号；
向所述像素屏幕输出所述一个或多个像素屏幕控制信号；
向所述一个或多个光源输出所述一个或多个光源控制信号。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个光源包括一个或多个激光器。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个像素屏幕包括一个或多个LCD屏幕，所述LCD屏幕具有能够在基本透明状态和基本不透明状态之间受控的单独可控的像素区域。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个像素屏幕控制信号将像素屏幕上的与图像帧上光强小于最大光强的像素相对应的像素控制成具有相应的半透明度以便让合适量的光通过。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个光源输出其光强对应于该图像帧的最大光强的光。
12.如权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个光源控制信号控制由所述一个或多个光源产生的光强。
13.一种投影系统，其包括：
一个或多个光源，所述光源被配置成生成具有由一个或多个光源控制信号确定的强度的光输出；
一个或多个像素屏幕，所述屏幕具有一个或多个像素区域，所述一个或多个像素区域可控制以基于一个或多个像素屏幕控制信号改变半透明度；
控制器，其被配置成具有：
一个或多个被配置成接收图像数据的输入端；
处理器，其被配置成处理图像数据以形成一个或多个光源控制信号和一个或多个像素屏幕控制信号；
一个或多个输出端，其被配置成向所述一个或多个光源输出所述一个或多个光源控制信号以及向所述一个或多个像素屏幕输出所述一个或多个像素屏幕控制信号，
其中，以逐帧的方式，光输出具有与特定帧的最大光强匹配的强度或持续时间，从而降低功耗。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个光源包括红光源、绿光源和蓝光源。
15.如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个光源包括一个或多个激光器。
16.如权利要求13所述的系统，其还包括一个或多个反射镜和被配置成聚焦光以形成图像的透镜。
17.如权利要求13所述的系统，其中所述像素屏幕中与图像中的具有帧中的最大光强的像素对应的像素被设置成是透明的，从而允许由一个或多个光源产生的所有光通过像素屏幕中的对应像素。
18.如权利要求13所述的系统，其中所述像素屏幕包括比要形成的图像少的像素。
19.一种用于控制图像的投影的投影系统控制器，其中所述图像包括两个或更多像素，该系统包括：
控制器，其具有：
配置成接收图像数据的输入端；
配置成输出一个或多个光源控制信号的光源控制信号输出端；
像素阵列控制信号输出端，其被配置成输出一个或多个像素阵列控制信号；
处理器，其被配置成处理图像数据以生成一个或多个像素阵列控制信号并且使其与一个或多个光源控制信号同步，从而通过使一个或多个光源的光强输出、光输出持续时间或两者与图像中一个或多个最亮的像素中的任何一个的光强匹配来降低一个或多个光源的功耗。
20.如权利要求19所述的控制器，其中所述控制器包括微处理器，其被配置成执行机器可读代码。
21.如权利要求19所述的控制器，其还包括驱动器，其被配置成接收光源控制信号输出和生成输出信号以驱动光源。
22.如权利要求19所述的控制器，其中所述像素阵列控制信号在不同的透明度和不透明度之间控制LCD屏幕的一个或多个像素的透明度。
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