CN104423125B - 灰阶控制方法及光学投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灰阶控制方法及光学投影系统，该方法于一总期间输出一总灰阶，包括：将该总期间分割为M个单位期间；使每一单位期间选择性地输出一0灰阶或一选定的灰阶；将该M个单位期间所输出的灰阶积分出该总灰阶，其中在该M个单位期间中的连续的N个单位期间中该选定的灰阶为一第一灰阶，在该连续的N个单位期间以外的（M-N）个单位期间中该选定的灰阶低于该第一灰阶。

Description

灰阶控制方法及光学投影系统

技术领域

本发明有关于一种灰阶控制方法及光学投影系统，且特别有关于能够有效利用光调制器的频宽、提升总亮度、降低光源切换频率的灰阶控制方法及光学投影系统。

背景技术

投影机中有一种利用脉冲宽度调变（PulseWidthModulation，PWM）的方式来控制光调制器（例如，数字微镜装置，DigitalMicromirrorDevice）的切换次数，藉以形成投影影像的灰阶的技术。由于裸视立体投影机是目前投影机发展的重要方向，当裸视立体投影机利用多光源并以时间分割的方式来输出不同视域画面时，在同一显示周期内要显示的视域数目会与投影机中的光调制器的切换频率成正比。然而，光调制器（例如，数字微镜装置）的切换频率会有物理上的极限，进而会限制最大的视域数目。

为了更有效利用光调制器的有限频宽，可进一步搭配以脉冲宽度调变或脉冲振幅调变（PulseAmplitudeModulation，PAM）的方式调变光源亮度的技术，来降低光调制器输出每一灰阶所需的切换次数。然而，此方法使光源配合光调制器的开关时间来改变亮度，所以会降低总亮度。再者，快速切换光源实质上也有其物理上的极限。

有鉴于此，本发明提出一种灰阶控制方法及光学投影系统，能够有效利用光调制器的频宽、提升总亮度、并且降低光源切换频率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灰阶控制方法，于一总期间输出一总灰阶，包括：将该总期间分割为M个单位期间；使每一单位期间选择性地输出一0灰阶或一选定的灰阶；将该M个单位期间所输出的灰阶积分出该总灰阶，其中在该M个单位期间中的连续的N个单位期间中该选定的灰阶为一第一灰阶，在该连续的N个单位期间以外的（M-N）个单位期间中该选定的灰阶低于该第一灰阶。

上述灰阶控制方法中，该连续的N个单位期间以外的（M-N）个单位期间所输出的灰阶可积分出小于该第一灰阶的任意灰阶。

上述灰阶控制方法中，N与M的比值是60％以上。例如，M等于19，N等于15，该第一灰阶为16灰阶，该低于该第一灰阶的灰阶包括8灰阶、4灰阶、2灰阶、1灰阶。

上述灰阶控制方法中，该0灰阶或该选定的灰阶对应一光源可提供的亮度，该0灰阶对应到该光源全暗且该第一灰阶对应到该光源最大的亮度。

上述灰阶控制方法中，该光源为脉冲宽度调变（PulseWidthModulation）光源，而每个单位期间所输出的灰阶对应到该脉冲宽度调变光源的点亮次数。或是光源为脉冲宽度调变光源或脉冲振幅调变（PulseAmplitudeModulation）光源，该总期间同步于该光源一次开关所产生的亮度变化波形的周期。

上述灰阶控制方法中，该连续的N个单位期间等于该亮度变化波形中最大亮度的期间，该连续的N个单位期间以外的（M-N）个单位期间分布于该亮度变化波形中亮度递增或递减的期间。

上述灰阶控制方法，还包括：根据该亮度变化波形的变动调整该总期间长度或该M个单位期间的分布，或者是根据该M个单位期间的分布调整该光源的该亮度变化波形。

本发明也提供一种光学投影系统，包括：一光源；一光源驱动器，驱动该光源用以改变该光源的亮度；一光调制器，选择性地切换该光源的光是否输出；以及一控制器，控制该光调制器与该光源驱动器，其中该控制器控制该光调制器的在一总期间内有M个切换期间，且控制该光源驱动器驱动该光源在每一切换期间输出一选定亮度。该光源在该M个切换期间中连续的N个切换期间的亮度为一第一亮度，该光源在该连续的N个切换期间以外的（M-N）个切换期间的亮度低于该第一亮度。而该M个切换期间中该光调制器输出的总亮度对应一灰阶值。

上述光学投影系统中，该连续的N个切换期间以外的（M-N）个切换期间中该光调制器输出的总亮度可对应出小于该第一亮度的任意灰阶值。

上述光学投影系统中，N与M的比值是60％以上。例如M等于19，N等于15，该第一亮度对应16灰阶，该低于该第一亮度的任意灰阶值包括8灰阶、4灰阶、2灰阶、1灰阶。

上述光学投影系统中，该第一亮度该光源的最大亮度。

上述光学投影系统中，该光源为脉冲宽度调变光源，而每个切换期间所输出的亮度对应到该脉冲宽度调变光源的点亮次数。或者是该光源为脉冲宽度调变光源或脉冲振幅调变光源，该控制器控制该光调制器与该光源驱动器使该总期间同步于该光源一次开关所产生的亮度变化波形的周期。

上述光学投影系统中，该连续的N个切换期间等于该亮度变化波形中最大亮度的期间，该连续的N个单位期间以外的（M-N）个单位期间分布于该亮度变化波形中亮度递增或递减的期间。

上述光学投影系统，还包括：一感测器，感测该光源通过该光调制器的光线的该亮度变化波形。该控制器可根据该感测器所感测的该亮度变化波形的变动控制该光调制器来调整该总期间长度或该M个切换期间的分布。或是该控制器可根据该M个切换期间的分布控制该光源驱动器来调整该光源的该亮度变化波形。

附图说明

图1是以调变光调制器的方式来形成灰阶的示意图。

图2是以调变光调制器搭配调变光源的方式来型成灰阶的示意图

图3是根据本发明实施例1以调变光调制器搭配调变光源的方式来形成灰阶的示意图。

图4是根据本发明实施例2以调变光调制器搭配光源亮度变化波形的方式来形成灰阶的示意图。

图5是根据本发明实施例3的光学投影系统的架构图。

其中，附图标记说明如下：

51～光源；

52～光源驱动器；

53～光调制器；

54～透镜组；

55～控制器；

56～感测器。

具体实施方式

图1是以调变光调制器的方式来形成灰阶的示意图。当使用脉冲宽度调变控制光调制器的开关来调制灰阶时，传统方法如图1所示，横轴代表时间，数字编号为光调制器的切换时序；纵轴代表亮度，在图1中亮度固定在光源的最大亮度，但根据光调制器的开或关，光调制器可选择性地切换是否输出光源的光，因此每次切换的单位期间可输出0灰阶或1灰阶。

在图1中，输入一8位元的灰阶信号至光调制器，光调制器即必须在一指定的显示期间内产生256（＝28）个灰阶中的任意灰阶值。而灰阶的产生方式就依靠光调制器的255次开或关的组合来达成，由于光调制器每一次开或关可输出0灰阶或1灰阶，因此在255次开关后光调制器可输出总和为0灰阶至255灰阶中的任意灰阶。例如，光调制器连续开启255次即为255灰阶，光调制器连续关闭255次即为0灰阶。也就是说，要显示几个灰阶就开启光调制器几次。

在这个灰阶形成方法下，最大灰阶数等于光调制器的切换次数，因此当投影机的最大灰阶数要求越高（例如，要产生1024个灰阶）或是投影机要显示的视域数目越多（例如，要显示2个以上的视域），光调制器就必须在有限的时间内负担更多的切换次数，但光调制器的切换频率有其物理极限。

图2是以调变光调制器搭配调变光源的方式来型成灰阶的示意图。当使用光调制器的开关与光源亮度的变化来调制灰阶时，传统方法如图2所示，横轴代表时间，数字编号为光调制器的切换时序；纵轴代表亮度，在图2中光源亮度会配合光调制器的切换时序而改变。在此，光源的亮度配合光调制器的8次切换时序，在8个单位期间中分别输出亮度比为128：64：32：16：8：4：2：1的亮度。根据光调制器的开或关，光调制器可选择性地切换是否输出光源的光，因此第1个单位期间可输出0灰阶或128灰阶；第2个单位期间可输出0灰阶或64灰阶；依此类推。因此每一单位期间的矩形上方的数字为该单位期间可输出的0灰阶以外的灰阶。

在图2中，通过光调制器的调变搭配光源的调变，可同样显示出256个灰阶中的任意灰阶值。例如，137灰阶为光调制器在第1、5、8个单位期间，在第2、3、4、6、7个单位期间关闭，因此共输出128灰阶、8灰阶、1灰阶，合计共137灰阶。

相比于图1的灰阶形成方法，使用图2的方法输出同样的灰阶总数仅需要8次光调制器的切换，因此光调制器输出一灰阶值的所占数据量会降低至图1的1/32（＝8/256），有效地利用光调制器有限的频宽。然而，对光源来说，光源仅在第1个单位期间输出最大亮度，后续每个单位期间的亮度递减。因此，最大灰阶的总亮度降至光源可输出的最大总亮度的约25％（＝（128+64+32+16+8+4+2+1）/128×8）。亮度大幅降低为这个灰阶形成方法的最大缺点。再者，光源亮度的调变可用脉冲宽度调变或脉冲振幅调变的方式来达成，若光源也是用脉冲宽度调变的光源，则光源至少在单位期间内点亮或关闭128次，产生128：1的最大与最小亮度比。换言之，光源的切换频率必须在光调制器的切换频率的128倍以上。但快速切换光源实质上也有其物理上的极限，并不容易实行。

图3是根据本发明实施例1以调变光调制器搭配调变光源的方式来形成灰阶的示意图。本实施例中光源亮度同样会配合光调制器的切换时序而改变。在此，光源的亮度配合光调制器的19次切换时序，在19个单位期间中分别输出亮度比为16：16：16：16：…：16：16：16：8：4：2：1的亮度。也就是说，各单位期间可输出的灰阶如该单位期间的矩形上方的数字所示，第1至第15个单位期间可输出0灰阶或16灰阶；第16个单位期间可输出0灰阶或8灰阶；第17个单位期间可输出0灰阶或4灰阶；第18个单位期间可输出0灰阶或2灰阶；第19个单位期间可输出0灰阶或1灰阶。

在图3中，通过光调制器的调变搭配光源的调变，也同样可显示出256个灰阶中的任意灰阶值。例如，137灰阶为光调制器在第1至15个单位期间中的任意8个单位期间以及第16、19单位期间开启，其余单位期间关闭，因此共输出8个16灰阶、1个8灰阶、1个1灰阶，合计共137灰阶。

虽然本实施中的光调制器的切换次数为19次，相比于图2的8次略为增加，但相对于图1的255次仍是大幅地减少。然而，本实施例由于光源可在第1至15个单位期间输出最大亮度，只有最后4次输出的亮度较低，因此，最大灰阶的总亮度仅降至光源可输出的最大总亮度的约84％（＝（16×15+8+4+2+1）/16×19）。相比于图2的灰阶形成方法，灰阶亮度有显着地提升。再者，若光源是用脉冲宽度调变的光源，则光源至少在单位期间内点亮或关闭16次，产生16：1的最大与最小亮度比。换言之，光源的切换频率必须在光调制器的切换频率的16倍以上。相比于图2的灰阶形成方法，光源的切换频率也大幅地下降，提高实作的可能。

然而，上述的光调制器的切换次数与光源亮度的组合仅为一个例子，实际上有更多种可能的组合方式。而本发明的概念在于增加光源在单位期间输出最大亮度的次数，举例来说，光源输出最大亮度的单位期间的数目最好在总单位期间数目的60％以上。如此一来，可在降低光调制器的数据频宽与提高整体亮度之间取得平衡。

接着，本发明实施例2将说明另一种可能的灰阶形成方法。由于调变光源亮度的反应时间决定于光源本身的特性以及光源驱动器，故光源的切换速度不一定能比光调制器的切换速度快。若光源驱动器一次开关（一个脉波）驱动光源时光源的反应期间长于光调制器的单位期间，则光源来不及在每个单位期间调整亮度，这样一来，上述实施例1的灰阶形成方法即无法适用。

图4是根据本发明实施例2以调变光调制器搭配光源亮度变化波形的方式来形成灰阶的示意图。在图4中，近似梯形的曲线表示光源一次开关时所产生的亮度变化波形，因此在一个光源亮度变化的周期内，光源亮度会先从0递增，接着维持在亮度最大值一段时间后，再递减至0。而本实施例则将此光源亮度变化的周期做为产生一个加总的灰阶的总期间，在此总期间内划分多个单位期间，并根据这个亮度变化波形，分配每个单位期间所输出的灰阶。以图4的例子来说，一个光源亮度变化的周期有21个单位期间，每个单位期间能输出的0灰阶以外的灰阶会对应到该单位期间内的亮度积分，而依序输出2、8、13、16、16、16、…、16、16、14、10、8、4、1灰阶。换言之，在第4至16个单位期间，光源输出的最大亮度，第1至3个单位期间及第17至21个单位期间光源输出较低的亮度。

在这个实施例的灰阶形成方法下，无论是脉冲宽度调变光源或脉冲振幅调变光源，光源需要的切换频率可降低至光调制器的切换频率的1/21倍，比起高速的光源切换频率更容易实施。当然，上述的亮度变化波形与光调制器的调制灰阶的单位期间总数仅为一范例，实际上可有无数种组合的变化。

然而，光源的亮度变化波形并不会总是不变，因为制造或使用环境等因素，亮度变化波形可能会有所变动，因此本发明所提出的概念可进一步根据新的亮度变化波形来调整光调制器加总出一个灰阶的总期间长度及每个单位期间所输出的灰阶的分布。另一方面，本发明也可以反过来，设定出一个灰阶的总期间长度及每个单位期间所输出的灰阶的分布，以脉冲宽度调变或脉冲振幅调变的方式调整光源的亮度变化波形来配合。

以下将说明实行实施例1与2的灰阶控制方法的系统架构。图5是根据本发明实施例3的光学投影系统的架构图。如图5所示，光学投影系统的基本构成要素包括光源51、光源驱动器52、光调制器53、透镜组54、控制器55、感测器56。

光源51为脉冲宽度调变光源或脉冲振幅调变光源，受到光源驱动器52的驱动而改变照射的亮度。光调制器53选择性地切换是否将光源51的光线输出。当光调制器53切换至开，光源51的光线可通过光调制器53照射至透镜组54后成像；当光调制器53切换至关，光源51的光线朝向感测器56照射。控制器55则是用来控制该光调制器53与光驱动器52，使光调制器53每次切换的单位期间与光源亮度变化期间同步。

当此光学投影系统实行前述实施例1的灰阶控制方法时，感测器56可以省略。但当此光学投影系统实行前述实施例2的灰阶控制方法时，因为必须考量到光源的亮度变化波形可能会产生变动，所以感测器56是不可或缺的。也就是说，感测器56是用来感测出光源51输出的光源亮度变化波形，并将感测到的波形信息回传至控制器55。控制器55可以如前所述，根据光源亮度变化波形，控制光调制器53来加总出一个灰阶的总期间长度及每个单位期间所输出的灰阶的分布，或者是根据控制器55预设一个灰阶的总期间长度及每个单位期间所输出的灰阶的分布，调整光源驱动器52输出的脉波来改变光源的亮度变化波形。

根据以上各实施例所述灰阶控制方法或光学投影系统，本发明能够有效利用光调制器的频宽以利用于需要更多视域的裸视立体投影机中，并且能提升灰阶对应的亮度、以及降低光源切换频率。

虽本发明以上述实施例来说明，但并不限于此。更进一步地说，在熟习该领域技艺人士不脱离本发明的概念与同等范畴之下，权利要求范围必须广泛地解释以包括本发明实施例及其他变形。

Claims (20)

1.一种灰阶控制方法，于一总期间输出一总灰阶，包括：

将该总期间分割为M个单位期间；

使每一单位期间选择性地输出一0灰阶或一选定的灰阶；以及

将M个单位期间所输出的灰阶积分出该总灰阶，

其中在该M个单位期间中的连续的N个单位期间中该选定的灰阶为一第一灰阶，在该连续的N个单位期间以外的M-N个单位期间中该选定的灰阶低于该第一灰阶。

2.如权利要求1所述的灰阶控制方法，其中该连续的N个单位期间以外的M-N个单位期间所输出的灰阶能够积分出小于该第一灰阶的任意灰阶。

3.如权利要求1所述的灰阶控制方法，其中N与M的比值为60％以上。

4.如权利要求1所述的灰阶控制方法，其中M等于19，N等于15，该第一灰阶为16灰阶，该低于该第一灰阶的灰阶包括8灰阶、4灰阶、2灰阶以及1灰阶。

5.如权利要求1所述的灰阶控制方法，其中该0灰阶或该选定的灰阶对应一光源可提供的亮度，该0灰阶对应到该光源全暗且该第一灰阶对应到该光源最大的亮度。

6.如权利要求5所述的灰阶控制方法，其中该光源为脉冲宽度调变光源，而每个单位期间所输出的灰阶对应到该脉冲宽度调变光源的点亮次数。

7.如权利要求5所述的灰阶控制方法，其中该光源为脉冲宽度调变光源或脉冲振幅调变光源，该总期间同步于该光源一次开关所产生的亮度变化波形的周期。

8.如权利要求7所述的灰阶控制方法，其中该连续的N个单位期间等于该亮度变化波形中最大亮度的期间，该连续的N个单位期间以外的M-N个单位期间分布于该亮度变化波形中亮度递增或递减的期间。

9.如权利要求7所述的灰阶控制方法，还包括：

根据该亮度变化波形的变动调整该总期间长度或该M个单位期间的分布。

10.如权利要求7所述的灰阶控制方法，还包括：根据该M个单位期间的分布调整该光源的该亮度变化波形。

11.一种光学投影系统，包括：

一光源；

一光源驱动器，驱动该光源用以改变该光源的亮度；

一光调制器，选择性地切换该光源的光是否输出；以及

一控制器，控制该光调制器与该光源驱动器；

其中该控制器控制该光调制器的在一总期间内有M个切换期间，且控制该光源驱动器驱动该光源在每一切换期间输出一选定亮度，

其中该光源在该M个切换期间中连续的N个切换期间的亮度为一第一亮度，该光源在该连续的N个切换期间以外的M-N个切换期间的亮度低于该第一亮度，

其中该M个切换期间中该光调制器输出的总亮度对应一灰阶值。

12.如权利要求11所述的光学投影系统，其中该连续的N个切换期间以外的M-N个切换期间中该光调制器输出的总亮度能够对应出小于该第一亮度的任意灰阶值。

13.如权利要求11所述的光学投影系统，其中N与M的比值是60％以上。

14.如权利要求11所述的光学投影系统，其中M等于19，N等于15，该第一亮度对应16灰阶，该低于该第一亮度的任意灰阶值包括8灰阶、4灰阶、2灰阶和1灰阶。

15.如权利要求11所述的光学投影系统，其中该第一亮度是该光源的最大亮度。

16.如权利要求15所述的光学投影系统，其中该光源为脉冲宽度调变光源，而每个切换期间所输出的亮度对应到该脉冲宽度调变光源的点亮次数。

17.如权利要求15所述的光学投影系统，其中该光源为脉冲宽度调变光源或脉冲振幅调变光源，该控制器控制该光调制器与该光源驱动器使该总期间同步于该光源一次开关所产生的亮度变化波形的周期。

18.如权利要求17所述的光学投影系统，其中该连续的N个切换期间等于该亮度变化波形中最大亮度的期间，该连续的N个单位期间以外的M-N个单位期间分布于该亮度变化波形中亮度递增或递减的期间。

19.如权利要求17所述的光学投影系统，还包括：

一感测器，感测该光源通过该光调制器的光线的该亮度变化波形；

其中该控制器根据该感测器所感测的该亮度变化波形的变动控制该光调制器来调整该总期间长度或该M个切换期间的分布。

20.如权利要求17所述的光学投影系统，还包括：

一感测器，感测该光源通过该光调制器的光线的该亮度变化波形，

其中该控制器根据该M个切换期间的分布控制该光源驱动器来调整该光源的该亮度变化波形。