CN1033890C - 彩色显示装置及其中的光阀的编址电路 - Google Patents

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Abstract

一种彩色投影视频系统，只采用一个光阀。将白光源分解成红、绿、蓝色带。由光学扫描装置在一个光阀(例如透射LCD板)上顺序横扫RGB带。在各色通过光阀上各板的某给定行之前，先由显示电子设备用图象正在显示中的部分的适当彩色含量来进行编址。由投影透镜将图象投射到供观看的表面(例如屏幕)上。各光带的顺序出现的速率足够快，从而使人眼看到的是同时出现的全色图象。

Description

彩色显示装置及其中的光阀的编址电路
本发明涉及一种带有光阀装置的彩色显示装置。本发明还涉及用来对这种显示装置的光阀进行编址的电路。
应用投影显示法制成的显示装置，比起基于非投影显示法制成的显示装置不仅重量轻、更便宜，而且在亮度和对比度方面更优异，因而制造大型屏幕的显示装置(即图象的对角线尺寸为40英寸或以上的显示装置)时都普遍采用投影电视(PTV)和视频彩色显示系统，特别是背面投影显示系统。以直观式阴极射线管(CRT)为主要组成部分的系统，目前在非投影显示技术特别是9英寸至30英寸的彩色显示装置中仍然占统治地位。在销售量和销售总额方面，这类显示装置的主要市场是消费者的市场。尺寸大小、价格、亮度、对比度，以及在较低程度上来说的分辨率，都是为消费者设计显示装置应考虑的重要特性。由于以大型直观式CRT为主要组成部分的显示装置既笨重又庞大，而且价钱较贵，因而供消费者用的投影式显示装置在40英寸以上尺寸占主要地位。
采用三个小型单色式CRT(每一个CRT分别供图象的红、绿、蓝部分用)和三个投影透镜的系统，历来在供消费者用的投影技术中占统治地位。这些系统采用许多复杂的电子电路来改变至少其中两个CRT上图象光栅的形状，使合成的投影图象会聚。为获得会聚的图象而对电子设备进行的妥善调节是既费时又乏味的过程。而且还有这样的情况：系统的会聚虽然在出厂之前已调整好，但继续保持这样的会聚质量仍然是一个问题。
以CRT为主要组成部分的投影显示系统，要求有一个稳定的高压电源，还要求认真注意避免产生过量的X射线。CRT和投影透镜这两种部件的价钱并不便宜，因而“这两种部件各需三个”的使用要求大大提高了系统的成本。在三CRT、三透镜的PTV系统中，还有这样一种倾向，即图象的彩色随着水平视角而变化，这种现象称为“彩色偏移(Colorshift)。。彩色偏移可以通过采用特殊的投影屏幕设计得到部分控制。这些设计需要制造时在屏幕的配准和厚度方面符合难以达到的容差。若不是为了满足控制彩色偏移的要求，在投影屏幕的设计和生产过程中达到最佳的光照分布状态就容易得多。
考虑到投影系统比起直观显示系统的优越性，同时也考虑到上面详细谈到的一些缺点，工程技术人员们历来都在寻求设计投影显示系统的其它方法。因此，一些已颁发的专利和已生产的产品都不是采用CRT而是采用三个矩阵编址的小型光阀板(light valve panel)，最常用的是TFT(薄膜晶体管)阵列LCD板。在这些系统中如果来自三个LDC板的光是用二向色滤光器、a.k.a.分色镜进行混合的，则只需要一个单独的投影透镜。图象是通过精确调节其中两个板的对准情况而达到会聚的。人们开始时是对这类显示装置用作直接投影(front projection)时的紧凑性以及这种装置优异的对比度感兴趣的。这些LCD板都是由昂贵的部件构成的，因而这些LCD投影机的价格比以CRT为主要组成部分的投影机贵。
此外，已经知道一种叫做“单板”(Single panel)的设计，这种设计采用特殊的光阀板，其中利用分立的子象素(Sub-pixels)来调制各基色。这种彩色板技术有三个局限性：首先，由于需用子象素，因而限制了图象有效的分辨率。其次，白光落在各子象素上，但可使用的光的彩色只是其中的一部分(子象素就是为这部分光的彩色而设计的)，其余的都浪费掉了。因此，效率的损失达三分之二。引起进一步的效率损失的原因是，在多色分解能力给定的情况下，板的有效孔径减小了，这是因为存在子象素以及随之产生的屏蔽和扫迹所致。第三，由于采用子象素，目前技术水平的板分辨率较低，或者板的成本较高。
本发明的目的是提供一种克服上述局限性的单板彩色显示装置。
本发明的显示装置的特点在于：一个同时产生不同颜色的光带(linghtband)的发光系统；一个单独的光阀；一个用来使所述不同颜色的光带横贯所述光阀的表面移动，从而使不同颜色的各部分同时出现在该光阀上的光学系统；以及用来对被色带(Color band)所照射的光阀的各部分进行编址、从而使所述部分提供所述色带的颜色的图象信息并用所述信息调制所述色带的电子光阀驱动电路。
在本发明中，来自强白光光源(例如弧光灯)的光被聚集后，经过二向色滤光器分离成三基色：红、绿、蓝。令经过分离的彩色光形成三个毗邻排列的光源，使各光源在“垂直”方向上较窄，在“水平”方向上较宽。采用扫描光学装置(Scanning optics)使三个光带(三色)中的每一颜色处在透光的光阀板后面。这个光阀板可以是带TFT编址的扭转向列LCD(twisted nematic LCD)板或其它类型的光阀。扫描光学装置使这些光带横贯LCD板移动。当一个光带通过板的作用区的“顶部”时，该颜色的光带也出现在板的“底部”。就这样，三种颜色连续地横扫整个板面。
本发明的第二方面是关于新型的显示装置的光阀的编址电路。这种电路的特点在于：视频信号提供装置，用以提供对应于各所述第一、第二和第三种颜色的分立的视频信号；延时装置用以将所述分立的视频信号以变化的延时量进行延时；串行装置(serializing means)，用以按一定的次序提供对应于所述第一、第二和第三种颜色的单一的串行的信号流；串行信号流施加装置，用以将所述串行信号流施加到所述光阀的列驱动器(column driver)上；和行驱动器(row driver)启动装置，所述行驱动器不按顺序启动，以便与加到该行的色带相对应。
在各颜色通过板上某给定象素行(row of pixels)之前，该行应已用该颜色的适当信息编址。这就是说，对每一个待显示的视频场来说，要对面板的各行编址三次。这可通过采用板阵列的额外编址线，然后对各水平行并行进行写操作而实现，或者通过顺次地写三个分立的行，但以三倍场频的速率进行该写操作而实现。写到这些分立行的信息必须与在显示中的图象部分的彩色含量相适应。
来自LCD板的光由一个彩色校正投影透镜投射。另外，本发明也可以以直观方式使用。本发明可与传统的投影屏幕配用。在这种情况或在背面投影系统的情况，现可采用不校正“彩色编移”的屏幕设计。
同时地利用通过单光阀板可得到的大部分红、绿、蓝光，这是本发明的一个重要特点。这就是说，本发明的投影视频系统的光效率至少可与采用同样的显示板技术的三板系统比美。由于只采用单板，因而无需用机械方法会聚图象，从而进一步降低了系统的成本。另外，这里也无需使用二向色滤光器来进行光束的组合，因而进一步节约成本。
下面参照附图以举例的方式通过本发明的一些实施例来具体说明本发明的上述和其它特点。附图中：
图1是按本发明构制的单板彩色投影显示装置光学系统的侧视图；
图2是本发明分色和扫描机构的侧向透视图；
图3是光阀驱动器的示意图；
图4是对驱动光阀的视频信号进行处理的示意图。
图1是本发明单板彩色投影视频显示装置的一个实施例的光学系统的一般示意图，该显示装置包括：一个灯光箱10；一个分色镜系统12，用以将光分解成红、绿、蓝光带；一个旋转三棱镜14，用以扫描红、绿、蓝光带；中继透镜(relay lens)16、18；一个光阀20(视频信号即加到该光阀上)；和一个投影透镜22。灯光箱10中有一个诸如氙弧光灯之类的任何适当的强光型灯24和一个椭圆球面反射器25。灯的输出射向“冷”镜26上，冷镜26用以反射可见光谱的光，同时则让红外光通过。冷镜26以90度角反射来自灯24的光，并将其投射向一系列透镜(图中未示出)上，该一系列透镜用以改变光束，使其形成通常是均匀的矩形光束，该矩形光束则从灯光箱10中通过孔28射出。灯光箱10中还可以装设用于吸收紫外线和冷却灯24的部件。灯24的弧光长度(arc length)最好较短一些，这样便于成象，从而提高亮度。
从图2的详图可以看到，光束30从灯光箱10的孔28出现，照射到分色镜系统12上。分色镜系统12用来将光束30分解成红、绿、蓝三个分开的光束。分色镜系统12包括交叉地配置在中心的分色镜32、34，这两个分色镜只让光束30的绿光成分通过，将红光向上反射到镜面36，将兰光向下反射到镜面38上。上镜36(也可以是分色镜)系构制和配置成使其对投射来的红光成分进行反射，下镜38则只反射投射到其上的蓝光成分。因此，由镜32、34、36和38组成的镜系是用来将光束30分解成垂直向排列的阵列形式的红、绿、蓝光成分。垂直孔板40上有三个垂直配置的矩形孔42、44、46，这三个孔用以使RGB各光束分别通过之后形成矩形，并使红、绿、蓝光束按上中下的位置次序排列。
红、绿、蓝光束离开孔板40之后投射到以旋转棱镜装置14的形式实现的光扫描机构上。棱镜装置14有一个棱镜构件50，棱镜构件50例如是取四个侧边相等的形状(即其截面呈方形)，构件由一个与加到光阀20上的视频信号同步驱动的电动机带动而绕着其本身的纵向中心轴线旋转。棱镜构件50的旋转作用是使红、绿、蓝三色带通过折射被顺序地向下(或向上)扫描。通过中继透镜16、18使得被顺序扫描后的RGB色带投射向光阀20。透镜16和18构成变形成象系统(anamorphic imagingsystem)(其比率为4×1)，使得从孔42、44、46出来的光在光阀20上成象。照这样，光阀20(这是一个透射LCD)的矩形作用表面接收对红绿蓝矩形色带所进行的顺次扫描。LCD板52根据所要求的、投射到其上各个不同部分的各颜色的输入视频信息来调制投射到其上的光。这之后，经过视频调制的顺序的各光带由投影透镜装置22投射到适当的观看表面(例如投影屏幕)上。
将旋转棱镜的各表面制造成如图2中虚线形成的表面62那样的圆柱凹面可以大幅度地改善光学系统的扫描线性。当棱镜上的毗邻的各镜面之间的长度为2.4英寸时，曲率半径达到约为10英寸的优选值。要使投影设备达到最佳的工作性能，最好采用凹面。负圆柱面可通过直接加工(研磨)形成，或通过将一面平、一面凹的柱面透镜粘接到普通棱镜的四个表面上形成。这些表面透镜的折射率不需要特别高，但整个棱镜的折射率要高(N＞1.6)。若折射率太低，则理应通过某一镜面的光可能会通过毗邻的镜面。若出现这种情况，则产生了内部全反射(total internal reflection，即TIR)的现象，从而使现有光线的最终方向不会在有用光的正确方向上。
在本发明显示装置的电子设备中，分立的红(R)、绿(G)和蓝(B)信号来自适当的输入源(广播、电缆、或直接输入)，这是熟悉本技术领域的人士所熟知的。但为了按顺序的各色带而驱动光阀20，还需要对视频信号进行某种处理。并行的RGB信号必须形成串行的信号流，其中例如绿色信号在红色信号之后，比红色信号延迟1/3视频场；蓝色信号在绿色信号之后，比绿色信号延迟1/3视频场。这之后，必须处理这个串行信号流，使其与光阀20的列驱动器以及几何结构布局相适应。举例说，如果具有四个列驱动器，必然就要有四个并行视频信号。这种信号处理方法中对光阀驱动器的利用方式与通常用以驱动LCD显示装置的方式不一样。然而，由于采用相同数量和相同类型的驱动器，这样就无需从根本上改变光阀在与普通视频显示装置配用时的布局。
图3是可按本发明使用的薄膜晶体管(TFT)LCD阵列上的行驱动器和列驱动器的一般示意图。如本技术领域所周知的那样，在这类显示装置中，各行是在一行中所有的TFT由行驱动器R1、R2、R3中之一通过公共选通线路驱动而同时导通的情况下，进行顺序编址的。成一行排列的各象素是由按图3所示方式配置的一系列列驱动器来驱动的。LCD阵列配置成使驱动器1和3与奇数列的象素相连接、驱动器2和4与偶数列的象素相连接的方式。在本质上即是存储装置的各列驱动器对输送进来的视频信号取样，并将取样值存入各存储单元中。
在标准的单色工作方式中，各列驱动器可能按这样的顺序方式存储：在图象行(video line)的前半行时，驱动器1接收所有的奇数象素值，同时驱动器2接收所有的偶数象素值。在图象行的后半行时，驱动器3和4存储相应的值。在该图象行完全写好之后，各驱动器就被允许输出，同时相应的行就被启动，从而使视频信息“转储”到板上的特定象素行上。整个LCD阵列就以这种方式按图象行1，2，3，4，……478，479，480顺序每一图象帧“重新编程”一次。
在本发明中，LCD阵列需要用不同的顺序进行编程。红、绿、蓝三色带沿板的垂直方向进行扫描。在一个图象帧期间，各行(row)在本实施例中是通过先让红光带通过，然后绿光带，最后蓝光带这样的方式加以照射的。对一个特定行的编程是按这种方式完成的，即：使得例如绿值是在绿光带到达此行之前、但在红带业已经过之后加上的。鉴于所有的三色带都在任何时间使板发光，因而三个行(row)必顺在一个正常图象行(video line)的时间编程。由于列驱动器的排列方式使得每次被单独进行编程的不能超过一行，因而编程操作必须顺序进行。
在等间距的色带的情况下(这些等间距色带系严格地按线性方式扫描，不出现过扫描且每帧450行(row)(图象行))，LCD板的编程应按下列程序进行(R＝红，G＝绿，B＝蓝，(XX)＝行数即row number)：
R(1)，G(151)，B(301)，R(2)，G(152)，B(302)，R(3)…R(150)，G(300)，B(450)，R(151)，G(301)，B(1)…当各色带在板上移动时该编程过程将会跟踪各色带。各数字还表示红色视频信息比绿色视频信息滞后150行(line)或1/3帧，绿色视频信息又比蓝色视频信息滞后1/3帧。
当由于棱镜14旋转而使对色带的扫描出现非线性，和/或引起了过扫描，则必须改变两个视频信号的定时和顺序，以便适应各色带的变化着的扫描速度和空间分离。这可按如下的方式实现，即：例如根据(当前的行驱动器布局方式下的)板上的相应位置来改变每种颜色的系统时钟，给图象引入变化着的“消隐”时间，或改变行的顺序从而解释这种非线性性质(这种非线性性质需要对LCD板各行进行随机存取编程)。
图4以图示的方式说明RGB信号的信号处理过程。将各信号输入到模/数转换器62、64和66中，从而使信号处理以数字的形式进行。然后将R信号输入到第一延迟线68，由该延迟线使红信号延迟一段时间τ1。将G信号输入到延迟线70，由该延迟线将其延迟一段时间τ2，蓝信号则输入到延迟线72，使其延迟一段时间τ3。时间τ1、τ2和τ3是按各色带在板上的位置和扫描速度选择的。如果扫描操作不是完全按线性方式进行，则这些延迟时间就会在一个图象帧期间绝对地和彼此相对地变化。
接着，上述各信号传到开关74，由该开关依次选择延迟电路68、70、72的各输出，从而使开关74的输出成为一个串行流，在该串行流中例如使图象行的各象素按上面已叙述的顺序排列。这之后，如下面即将谈到的那样，各信号被输入到开关机构中，以便将延迟的串行流加到光阀上。
在此，场频事实上增加到三倍，这超过了本列驱动器的额定速率。为此采用了附加的信号分离和缓冲以便用四个独立的并行信号对列驱动器进行编程，各信号的数据速率(data rate)仅为总数据速率的四分之一。
如图4所示，视频流被传送到开关76，以便将视频流分离成第一和第二流78、80。开关76以这样的速率操作，以便将视频流分成两半，分别对应于每行的第一半行和第二半行。然后线78将开关76的输出连接到开关82，开关82以这样的速率操作，以便分离奇数和偶数象素。奇数象素送到存储量例如为120象素(一行的四分之一)的缓冲存储器84，然后缓冲存储器84的输出送出到数/模转换器86，该转换器的输出又传到如图3所示的列驱动器1中。偶数象素传送到缓冲存储器88和数/模转换器90中，然后再传送到图3的列驱动器2。线80所承载的图象行的第二半行同样由奇/偶开关92进行处理，将奇数象素传送到缓冲器94和数/模转换器96，再传送到列驱动器3。偶数象素则通过缓冲器98和数/模转换器100传送到列驱动器4。
应该注意的是，有许多其它的部件都可用以代替上述光学系统。其它能在光阀表面上形成按红、绿、蓝顺序的色带的部件装置可与本发明配用。举例说，可以不采用单个白光光源而是采用适当的红、绿、蓝三色光源来与一个扫描机构配用。同样，可用例如彩色滤光器组成的旋转轮或彩色滤光器组成的旋转鼓代替分色镜系统12和旋转棱镜50。分色镜系统可用耐火材料棱镜代替，旋转棱镜50可用多边的多角形镜系统代替。扫描方向不一定非垂直不可，也可取水平或斜向(对光阀信号附带进行适当处理)。
还应该指出的是，本发明可与任何型式的已知电子光阀配用，例如透射或反射式LCD、铁电性器件、可变形镜体等等。此外，光路可以如图所示的那样走直线或在较小型的装置中走曲折的路线。上述光阀还可用于直观系统中。在某些应用场合中，可以用二色带系统而不用三色带系统。对于光阀有这样一个特殊要求，它的开关速率应大于用于单色LCD板的开关的标准速率的三倍，这是由于LCD的各个象素在不同的瞬间是红、绿和蓝象素。加快LCD的响应时间的方法有：对板进行加热、采用低粘度的液晶材料、采用高对比度的材料和/或减小液晶层的厚度。这些方法还可以任意组合起来使用。
虽然到此为止已结合本发明的一些最佳实施例说明本发明的内容，但不言而喻，在不脱离本发明精神实质和范围的前提下，是可以对上述实施例进行修改和变更的，这是熟悉本技术领域的人士所熟知的。但这些修改和变更都属于本发明和本说明书所附的权利要求书的范围。

Claims (16)

1.一种具有光阀装置的彩色显示装置，其特征在于：一个发光系统，该发光系统能同时提供不同颜色的光带；一个单独的光阀；一个光学系统，该光学系统用来使所述不同颜色的光带横贯所述光阀表面移动，从而使不同颜色的各部分同时出现在所述光阀上；和一个电子光阀驱动电路，用来对被色带所照射的光阀的各部分进行编址，从而使所述部分提供所述色带的颜色的图象信息，并用所述信息调制所述色带。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述发光系统包括：一个白光光源；一个选色性的子系统，用以将所述白光分解成第一、第二和第三色带；和色带移动装置，用以将所述各色带顺序地横贯所述光阀移动。
3.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述选色性的子系统包括一个分色镜系统。
4.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述用以移动所述第一、第二和第三光色带的装置包括旋转棱镜装置。
5.如权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述棱镜装置包括一个四边的透射棱镜。
6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，所述透射棱镜的各边呈柱形凹面形状。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的显示装置，其特征在于，所述光阀包括一个透射液晶显示器件。
8.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的显示装置，其特征在于，所述第一、第二和第三光带包括红、绿、蓝三色。
9.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的显示装置，其特征在于，所述色带通过卷动方式横贯所述光阀表面移动。
10.如权利要求1、2、3、4、5或6述的显示装置，其特征在于，所述卷动是在垂直方向上进行。
11.一种用于对权利要求1至6中任一项所述的显示装置中的光阀进行驱动的彩色显示装置专用的驱动电路，其特征在于：视频信号提供装置，用以提供对应于所述第一、第二和第三颜色的分立的视频信号；延迟装置，用以按可变的延时量延迟所述分立视频信号；串行装置，用以提供在顺序上对应于所述第一、第二和第三颜色的单一的串行流；串行流施加装置，用以将所述串行流加到所述光阀的各列驱动器上；和启动装置，用于启动所述各行驱动器，所述各行驱动器不按顺序启动，以使其对应于加到该行的色带。
12.如权利要求11所述的驱动电路，其特征在于，它还包括配置在所述延迟装置之前的模/数转换器和配置在所述电路与所述光阀之间的数/模转换器，从而使信号的处理以数字方式进行。
13.如权利要求11所述的驱动电路，其特征在于，所述各色之间的延迟时间为1/3帧。
14.如权利要求11所述的驱动电路，其特征在于，所述各列驱动器每隔1/3帧就启动一次，以跟踪所述光带。
15.如权利要求11所述的驱动电路，其特征在于，所述光阀包括四个列驱动器，且所述电路包括串行流施加装置，用以有选择地将串行流加到所述四个列驱动器上。
16.如权利要求11所述的驱动电路，其特征在于，所述各行驱动器由三个行驱动器组成。
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C15 Extension of patent right duration from 15 to 20 years for appl. with date before 31.12.1992 and still valid on 11.12.2001 (patent law change 1993)
OR01 Other related matters
C19 Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee