CN105719610B - 用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制方法及装置。所述方法包括：获取所述液晶微显示器像素的数量N_total*M_total，将其分为多个子区域，各子区域的像素数量为N*M；获取各子区域所需调制的像素灰度值V_i(V_i∈[0,1])；从子区域i中随机选取V_i*N*M个像素，将其设置为最大二进制时域序列编码；其余(1‑V_i)*N*M个像素设置为最小二进制时域序列编码。本发明提供的装置基于上文所述的幅值调制方法实现。本发明保持了时域调制型液晶微显示器高刷新率，高分辨率等优势，不仅可实现时间积分效应下的振幅调制和空间积分效应下的振幅调制，也可以实现基于时域型空间光调制器不同像素间在空间域上的可相干性。

Description

用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制方法及装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制方法及装置。

背景技术

随着显示技术的发展，对大屏幕光信息显示系统的研究已经成为当代社会不可逆的潮流，而空间光调制器又是光学信息处理的关键器件。空间光调制器主要应用于成像、投影、相位调制、全息投影等，是实时光学信号处理，自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件。在很大程度上，微显示器即其中的空间光调制器的性能决定了这些领域的实用价值和发展前景。

空间光调制器按照调制参量的不同，可分为振幅型、相位型和混合型。振幅型空间光调制微显示器通常有振幅直接调制型和时域调制型两种，如图1所示，其中图1(a)为振幅直接调制型，即将输入光的振幅直接调制成介于最大值与最小值之间的某一个振幅值；图1(b)为时域调制型，即通过对输入光振幅的最大值和最小值的持续时间进行调制从而实现时间积分效应下的振幅调制。与振幅直接调制型微显示器相比，基于时域调制的微显示器具有无亚像素成像困扰、对比度高、刷新率和分辨率可与人眼比拟等优势，因此得到广泛的应用。

时域调制型液晶微显示器的有效活动调制区域是由一层铁电液晶材料组成的分离式像素单元组成，其双折射单晶膜的厚度等同于某一波长下其四分之一波片的厚度，如图2所示，两侧的铁电液晶材料的偏振夹角为45度，在该像素设置为“开”的状态时，即将该像素设置为最大二进制时域系列编码时，偏振态为竖直方向的入射光在经过两侧铁电液晶材料后其偏振态将被调制成水平方向；在该像素设置为 “关”的状态时，即将该像素设置为最小二进制时域系列编码时，入射光的偏振态不改变。因此如图3所示，可通过设置单个像素的状态为“开”或“关”使其调制后的光在通过检偏器后灰度为明或暗，归一化后其幅值可视为1或0。通过快速地设置像素“开”或“关”的状态，使其调制后的光振幅持续为0或1的时间不同，从而实现时间积分效应下的幅值的变化，例如4位编码可实现2⁴个幅值的变化即可实现从0到15步长为1的幅值调制，归一化后分别为从0到1步长为0.0625的幅值调制。通过对微显示器上多像素进行如上的调制，即可得到由多像素经过调制后的灰度图像阵列图进而输出到探测器。如果在时序上一直采用单一的光源输入，可以实现单色幅值的调制；如果在时序上采用不同的光源例如红、绿、蓝输入，可以实现积分效应下彩色幅值的变化。

然而采用时序编码技术实现的时间积分效应下的幅值的变化，即幅值的调制是通过1和0两种状态的持续时间不同而得出的时间积分效应，因此在某一固定时刻，其幅值或为1或为0，而不是固定在某一预定的调制幅值上。这一特点使得时域调制型微显示器无法实现该微显示器上不同区域间像素的干涉，因为所得到的干涉图像在时域上不是稳定的预定幅值例如0.5与0.8的叠加或抵消，而是随着时间快速变动的0与1的叠加或抵消。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制方法及装置，可以解决现有技术无法实现时域调制型液晶微显示器上不同区域间像素的干涉问题。

第一方面，本发明提供了一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制方法，所述方法包括：

获取所述液晶微显示器像素的数量N_total*M_total，并分为多个子区域；N_total表示像素总行数，M_total表示像素总列数；

获取每个子区域的像素的数量N*M以及所需要调制的像素灰度值V_i；所述像素灰度值V_i取值范围为[0，1]；N表示该子区域的像素行数，M表示该子区域的像素列数，i表示子区域的序号；

从所述每个子区域中随机选取V_i*N*M个像素，设置为最大二进制时域序列编码；对应每个子区域中剩余的(1-V_i)*N*M个像素设置为最小二进制时域序列编码。

可选地，所述获取每个子区域的像素的数量N*M以及所需要调制的像素灰度值V_i的步骤中包括：

获取所述液晶微显示器的一帧待显示图像；

获取每个子区域与所述待显示图像对应位置的灰度值。

可选地，从所述子区域中随机选取V_i*N*M个像素，该V_i*N*M个像素的位置随微显示器的刷新而再次随机选取。

可选地，从所述子区域中随机选取V_i*N*M个像素，该V_i*N*M个像素的位置不随微显示器的刷新而改变。

可选地，当该时域调制型液晶微显示器的灰度调制方式采用n bits二进制数字进行调制时，所述最小二进制时域序列编码为An{0，0，……，0}，所述最大二进制时域序列编码为An{1，1，……，1}。

可选地，当V_i*N*M为非整数时，采用四舍五入方法以获取V_i*N*M值比较接近的整数。

可选地，所述每个子区域中随机选取V_i*N*M个像素，设置为最大二进制时域序列编码时，在不同时间段内输入红色、绿色或者蓝色的单一颜色的光源以实现彩色幅值调制。

第二方面，本发明实施例还提供了一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制装置，所述装置包括：

子区域分区模块，用于获取所述液晶微显示器像素的数量N_total*M_total，并分为多个子区域；N_total表示像素总行数，M_total表示像素总列数；

子区域灰度值获取模块，用于获取每个子区域的像素的数量N*M以及所需要调制的像素灰度值V_i；所述像素灰度值V_i取值范围为[0，1]；N表示该子区域的像素行数，M表示该子区域的像素列数，i表示子区域的序号；

像素编码模块，用于从所述每个子区域中随机选取V_i*N*M个像素，设置为最大二进制时域序列编码；对应每个子区域中剩余的(1-V_i)*N*M个像素设置为最小二进制时域序列编码。

可选地，所述子区域灰度值获取模块通过以下步骤获取灰度值：

获取所述液晶微显示器的一帧待显示图像；

获取每个子区域与所述待显示图像对应位置的灰度值。

可选地，所述像素编码模块随机选取V_i*N*M个像素，该V_i*N*M个像素的位置可以随微显示器的刷新而再次随机选取，也可以不随微显示器的刷新而改变。

由上述技术方案可知，本发明通过获取像素灰度值，将液晶微显示器的一定数量的像素设置为最大二进制时域序列编码，剩余的像素设置为最小二进制时域序列编码，从而实现了时域调制型液晶微显示器的空间积分效应幅值调制。本发明保持了时域调制型液晶微显示器高刷新率，高分辨率等优势，不仅可实现时间积分效应下的振幅调制和空间积分效应下的振幅调制，也可以实现基于时域型空间光调制器不同像素间在空间域上的可相干性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1(a)是现有技术中振幅直接调制型微显示器原理示意图；

图1(b)是现有技术中时域调制型微显示器原理示意图；

图2是现在技术中基于铁电液晶材料的微显示器偏振状态调制原理图；

图3是现有技术中时域调制型液晶微显示器的灰度图像调制系统架构图；

图4是本发明实施例提供的一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制方法流程图；

图5是本发明实施例提供的灰度值调制时域序列编码图；

图6是本发明实施例提供的一维调制方式下空间积分效应的幅值调制结果示意图；

图7～8是本发明实施例提供的二维调制方式下空间积分效应的幅值调制结果示意图；

图9是本发明实施例提供的一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制装置框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一方面，本发明实施例提供了一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制方法，如图4所示，所述方法包括：

S11、获取所述液晶微显示器像素的数量N_total*M_total，并分为多个子区域；N_total表示像素总行数，M_total表示像素总列数；

S12、获取每个子区域的像素的数量N*M以及所需要调制的像素灰度值V_i；所述像素灰度值V_i取值范围为[0，1]；N表示该子区域的像素行数，M表示该子区域的像素列数，i表示子区域的序号；

S13、从所述每个子区域中随机选取V_i*N*M个像素，设置为最大二进制时域序列编码；对应每个子区域中剩余的(1-V_i)*N*M个像素设 置为最小二进制时域序列编码。

需要说明的是，本发明实施例中获取每个子区域的像素的数量N*M以及所需要调制的像素灰度值V_i的步骤中包括：

获取所述液晶微显示器的一帧待显示图像；

获取每个子区域与所述待显示图像对应位置的灰度值V_i。

本发明不采用时域调制型液晶微显示器固有的灰度调制模式，仅保留时域调制型液晶微显示器的灰度输出最小值和最大值两种状态，对于具有n个bits的时域调制型液晶微显示器有2ⁿ个灰度调制模式，十进制为从0到2ⁿ-1共2ⁿ个灰度调制模式，对应的时域序列编码为从An{0，0，……，0}到An{1，1，……，1}共2ⁿ个灰度调制模式。

本发明仅采用An{0，0，……，0}和An{1，1，……，1}两种模式。其中的An{0，0，……，0}表示由n个0组成的二进制时域序列编码，An{1，1，……，1}表示由n个1组成的二进制时域序列编码。例如2bits的时域调制型液晶微显示器有4个灰度调制模式，十进制为0、1、2和3共四种调制模式，对应的时域序列编码为00、01、10和11四种调制模式，本发明仅保留0和3，即时域序列编码为00和11最小值和最大值两种状态。如图5所示，4bits的时域调制型液晶微显示器有16个灰度调制模式，十进制为从0到15步长为1共十六种调制模式，时域序列编码为0000到1111十六种调制模式，本发明仅采用其中的0000和1111两种调制模式；下面以4bits举例说明。

本发明实施例中，在一维情况下，即当N_total＝1时，假如时域调制型液晶微显示器共有M_total个像素，将该M_total个像素分为多个子区域，每个子区域中含有M个像素。依据上文所述，每个子区域中这M个像素中的每个像素时域序列编码或为0000或为1111，不出现介于二者中间的其他编码即中间的灰度值，归一化后的灰度值为0和1；设需要调制的灰度值为V_i(V_i∈[0,1])。

调制方法为：在M个像素中随机选取V_i*M个将其在时域调制上设置为“开”的方式，即将其编码设为最大二进制时域序列编码1111， 其余的(1-V_i)*M个像素设置为最小二进制时域序列编码0000，即可实现在M个像素上空间积分效应的灰度值为V_i的调制结果。

优选地，如果V_i*M为非整数，则四舍五入以保证获取的像素数量为整数。由于像素值较多，因此这一近似仍能保证调制结果的可靠。

如图6所示，像素数量M为10。当像素灰度值V_i为0(图6(a)左侧示意图)时，共0个像素设置为“开”取最大值1(即光能透过)，其余10个像素设置为“关”取最小值0(即光不能透过)，从而使得空间积分效应为0，调制后的光强最弱即全暗。

当像素灰度值V_i为1(图6(a)右侧示意图)时，共10个像素设置为“开”取最大值1(即光能透过)，其余0个像素设置为“关”取最小值0(即光不能透过)，从而使得空间积分效应为1，调制后的光强最亮达到最大。

当像素灰度值V_i为介于0和1之间例如0.5(对应图6(a)中标记为0.5示意图)时，共0.5*10即5个像素设置为“开”取最大值1(即光能透过)，其余5个像素设置为“关”取最小值0(即光不能透过)，从而使得空间积分效应为0.5，调制后的光强为最大值的一半而介于最亮与最暗之间。

一维调制情况下，本发明的调制精度取决于有效的可调制像素数量，即像素数量越多，调制精度越高。如图6(b)所示，一维调制下灰度值为0.5，像素数量分别为8、16、24时的调制结果图。当像素数量为8时，理论上应该有4个像素值为1(亮)，4个像素值为0(暗)，由于随机选取像素，实际的调制结果为5个像素值为1(亮)，3个像素值为0(暗)；当像素数量为16时，理论上应该有8个像素值为1(亮)，8个像素值为0(暗)，由于随机选取像素，实际的调制结果为9个像素值为1(亮)，7个像素值为0(暗)；当像素数量为24时，理论上应该有12个像素值为1(亮)，12个像素值为0(暗)，由于随机选取像素，实际的调制结果为13个像素值为1(亮)，11个像素值为0(暗)。实际应用中，像素数量通常在500以上，因此精度较高。

在二维平面情况下，即N_total≥2时，假如时域调制型液晶微显示器共有N_total*M_total个像素，将该N_total*M_total个像素分为多个子区域，每个子区域中含有N*M个像素。依据上文所述，这N*M个像素中的每个像素时域系列编码或为0000或为1111，不出现介于二者中间的其他编码即中间的灰度值，归一化后的灰度值为0和1。

调制方法为：在N*M个像素中随机选取V_i*N*M个将其在时域调制上设置为“开”的方式，即将其编码设为最大二进制时域序列编码1111，剩余的(1-V_i)*N*M个像素设置为最小二进制时域序列编码0000，即可实现在N*M个像素上空间积分效应的灰度值为V_i的调制结果。

优选地，如果V_i*N*M为非整数，则四舍五入以保证获取的像素数量为整数。由于像素值较多，因此这一近似仍能保证调制结果的可靠。

图7给出了二维铁电液晶微显示器具有空间积分效应的幅值调制方法示意图，像素数量N*M为20*20共400个，当像素灰度值V_i为0(图7(a)左上示意图)时，共0个像素设置为“开”取最大值1(即光能透过)，其余400个像素设置为“关”取最小值0(即光不能透过)，从而使得空间积分效应为0，调制后的光强最弱即全暗。

当像素灰度值V_i为1(图7(a)右下侧示意图)时，共400个像素设置为“开”取最大值1(即光能透过)，其余0个像素设置为“关”取最小值0(即光不能透过)，从而使得空间积分效应为1，调制后的光强最亮达到最大。

当调制灰度值V_i为介于0和1之间例如0.2(对应图7(a)中标记为0.2示意图)时，共0.2*400即80个像素设置为“开”取最大值1(即光能透过)，其余320个像素设置为“关”取最小值0(即光不能透过)，从而使得空间积分效应为0.2，调制后的光强为入射光的20％；图7(a)中标记为0.4的为0.4*400即160个像素设置为“开”，其余240个像素设置为“关”，共40％的光透过；0.6或0.8的方法类似，分别使得在空间积分的效应下60％或80％的光透过。

二维调制情况下，本发明的调制精度仍取决于有效的可调制像素数量，即像素数量越多，调制精度越高。如图7(b)所示，二维调制下灰度值为0.5，像素数量分别为10*10、20*20、30*30时的调制结果图。当像素数量为10*10时，理论上应该有50个像素值为1(亮)，50个像素值为0(暗)，由于随机选取像素，实际的调制结果为53个像素值为1(亮)，其余47个像素值为0(暗)；当像素数量为20*20时，理论上应该有200个像素值为1(亮)，200个像素值为0(暗)，由于随机选取像素，实际的调制结果为196个像素值为1(亮)，其余204个像素值为0(暗)；当像素数量为30*30时，理论上应该有450个像素值为1(亮)，450个像素值为0(暗)，由于随机选取像素，实际的调制结果为448个像素值为1(亮)，其余452个像素值为0(暗)。实际应用中，二维铁电液晶显示器像素数量通常在512*512以上，因此精度较高。

实际应用中，本发明随机选取V_i*N*M个像素，该V_i*N*M个像素的位置可以不随微显示器的刷新而改变，也可以随微显示器的刷新而再次随机选取。如图8所示，像素数量为20*20，二维调制灰度固定为0.5时，三次随机产生的不同调制分布示意图。当微显示器刷新时，可以固定使用其中的一个分布图，也可以再次随机选取其中的一个分布图。

另外，本发明实施例中在时序上一直采用单一颜色的光源输入，可以实现单色情况下时域调制型液晶微显示器的空间积分式幅值调制。根据液晶微显示器成像原理，在像素单元的编码为最大二进制编码时即像素设置为“开”时，此时在时序上采用不同颜色的光源，例如红色、绿色、蓝色，可以同步实现时间积分效应下和空间积分效应下彩色幅值的调制。

需要说明的是，本发明实施例中根据每个子区域包括相同数量的像素单元的情况对本发明提供的方法作了说明。本领域技术人员应当理解的是，当每个子区域包括不同数量的像素单元时，本发明提供的 方法同样可以实现，在此不再一一赘述。

第二方面，本发明实施例还提供了一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制装置，如图9所示，所述装置包括：

子区域分区模块M11，用于获取所述液晶微显示器像素的数量N_total*M_total，并分为多个子区域；N_total表示像素总行数，M_total表示像素总列数；

子区域灰度值获取模块M12，用于获取每个子区域的像素的数量N*M以及所需要调制的像素灰度值V_i；所述像素灰度值V_i取值范围为[0，1]；N表示该子区域的像素行数，M表示该子区域的像素列数，i表示子区域的序号；

像素编码模块M13，用于从所述每个子区域中随机选取V_i*N*M个像素，设置为最大二进制时域序列编码；对应每个子区域中剩余的(1-V_i)*N*M个像素设置为最小二进制时域序列编码。

可选地，子区域灰度值获取模块M12通过以下步骤获取灰度值：

获取所述液晶微显示器的一帧待显示图像；

获取每个子区域与所述待显示图像对应位置的灰度值。

可选地，像素编码模块M13随机选取V_i*N*M个像素，该V_i*N*M个像素的位置可以随微显示器的刷新而再次随机选取，也可以不随微显示器的刷新而改变。

需要说明的是，由于本发明实施例提供的幅值调制装置基于上文所述的幅值调制方法实现，因而可以与方法一样，解决相同的技术问题、达到相同的技术效果，在此不再赘述。

应当注意的是，在本实施例公开的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多 个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取所述液晶微显示器像素的数量N_total*M_total，并分为多个子区域；N_total表示像素总行数，M_total表示像素总列数；

获取每个子区域的像素的数量N*M以及所需要调制的像素灰度值V_i；所述像素灰度值V_i归一化后的取值范围为[0，1]；N表示该子区域的像素行数，M表示该子区域的像素列数，i表示子区域的序号；

从所述每个子区域中随机选取V_i*N*M个像素，设置为最大二进制时域序列编码；对应每个子区域中剩余的(1-V_i)*N*M个像素设置为最小二进制时域序列编码。

2.根据权利要求1所述的幅值调制方法，其特征在于，所述获取每个子区域的像素的数量N*M以及所需要调制的像素灰度值V_i的步骤中包括：

获取所述液晶微显示器的一帧待显示图像；

获取每个子区域与所述待显示图像对应位置的灰度值。

3.根据权利要求1或2所述的幅值调制方法，其特征在于，从所述子区域中随机选取V_i*N*M个像素，该V_i*N*M个像素的位置随微显示器的刷新而再次随机选取。

4.根据权利要求1或2所述的幅值调制方法，其特征在于，从所述子区域中随机选取V_i*N*M个像素，该V_i*N*M个像素的位置不随微显示器的刷新而改变。

5.根据权利要求1所述的幅值调制方法，其特征在于，当该时域调制型液晶微显示器的灰度调制方式采用n bits二进制数字进行调制时，所述最小二进制时域序列编码为An{0，0，……，0}，所述最大二进制时域序列编码为An{1，1，……，1}。

6.根据权利要求1所述的幅值调制方法，其特征在于，当V_i*N*M为非整数时，采用四舍五入方法以使得V_i*N*M值为整数。

7.根据权利要求1所述的幅值调制方法，其特征在于，所述每个子区域中随机选取V_i*N*M个像素，设置为最大二进制时域序列编码时，在不同时间段内输入红色、绿色或者蓝色的单一颜色的光源以实现彩色幅值调制。

8.一种用于时域调制型液晶微显示器的幅值调制装置，其特征在于，所述装置包括：

子区域分区模块，用于获取所述液晶微显示器像素的数量N_total*M_total，并分为多个子区域；N_total表示像素总行数，M_total表示像素总列数；

子区域灰度值获取模块，用于获取每个子区域的像素的数量N*M以及所需要调制的像素灰度值V_i；所述像素灰度值V_i归一化后的取值范围为[0，1]；N表示该子区域的像素行数，M表示该子区域的像素列数，i表示子区域的序号；

像素编码模块，用于从所述每个子区域中随机选取V_i*N*M个像素，设置为最大二进制时域序列编码；对应每个子区域中剩余的(1-V_i)*N*M个像素设置为最小二进制时域序列编码。

9.根据权利要求8所述的幅值调制装置，其特征在于，所述子区域灰度值获取模块通过以下步骤获取灰度值：

获取所述液晶微显示器的一帧待显示图像；

获取每个子区域与所述待显示图像对应位置的灰度值。

10.根据权利要求8或9所述的幅值调制装置，其特征在于，所述像素编码模块随机选取V_i*N*M个像素，该V_i*N*M个像素的位置可以随微显示器的刷新而再次随机选取，也可以不随微显示器的刷新而改变。