CN107589618B - 高刷新率的微型投影系统及提高微显示器刷新率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高刷新率的微型投影系统，包括：图像分流模块，将图像数据按照时间顺序分流为奇数序列图像数据和偶数序列图像数据；缓存模块，包括第一缓存器和第二缓存器，分别用于缓存奇数序列图像数据和偶数序列图像数据；控制模块，控制第一微显示器和第二微显示器交替地将奇、偶序列图像数据转化成光学图像；微显示模块，包括第一微显示器和第二微显示器，第一微显示器和第二微显示器通过控制模块的控制信号交替地将奇、偶序列图像数据转化成光学图像；光学组件，将微显示器输出的光学图像投射到显示屏幕上。该微型投影系统利用两个低刷新率的微显示器可实现高刷新率的图像输出。本发明还公开了一种提高微显示器刷新率的方法。

Description

高刷新率的微型投影系统及提高微显示器刷新率的方法

技术领域

本发明涉及硅基液晶显示技术领域，尤其涉及一种高刷新率的微型投影系统及提高微显示器刷新率的方法。

背景技术

LCOS(Liquid Crystal on Silicon)属于新型的反射式micro LCD投影技术，与穿透式LCD(Liquid Crystal Display)和DLP(Digital Light Processing)相比，LCOS具有利用光效率高、体积小、开口率高达90％以上、制造技术较成熟等特点，可以很容易的实现高分辨率和充分的色彩表现。

由于液晶本身的特性，随着工艺的不断更新，液晶的响应时间非常小(对于TN型液晶，响应时间为1.2ms左右)，也就是说液晶的响应速度很快。同时作为微显示器，LCOS尺寸小、分辨率高，可以随身携带，并能通过微型投影系统，产生各种尺寸的画面，有望取代目前所流行的大屏显示器，成为下一代显示器的主流趋势。

对于微显示器，除了分辨率，另一个参数——图像的刷新率也是非常重要的。但目前基于LCOS的投影机产品的刷新率都不高，大多处于30～60Hz，这对于一般的应用需求是足够的，但是对于高速运动的物体或者是动态图像还是不足的。对于高速运动的物体，特别是在电竞，游戏，观看高速电影等场景中，假如显示器的刷新率比较低，会导致部分图像的丢失，显示器输出的图像会出现运动模糊和拖影等现象，导致显示器的输出画质降低，极大地影响视觉体验。

目前，高的刷新率必然带来一个不可避免的问题，就是相应显示控制芯片的带宽。一般，刷新率越高，所能稳定输出的分辨率会有所降低。

人们对于显示器的刷新率要求越来越高，因此，提高微显示器的刷新率成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种高刷新率的微型投影系统，该微型投影系统结构紧凑，利用两个低刷新率的微显示器可实现高刷新率的图像输出。

一种高刷新率的微型投影系统，包括：

图像分流模块，将图像数据按照时间顺序分流为奇数序列图像数据和偶数序列图像数据；

缓存模块，包括第一缓存器和第二缓存器，分别用于缓存奇数序列图像数据和偶数序列图像数据；

控制模块，控制第一微显示器和第二微显示器交替地将奇、偶序列图像数据转化成光学图像；

微显示模块，包括第一微显示器和第二微显示器，第一微显示器和第二微显示器通过控制模块的控制信号交替地将奇、偶序列图像数据转化成光学图像；

光学组件，将微显示器输出的光学图像投射到显示屏幕上。

高帧率的图像数据按照时序拆分后形成两个新的图像数据源，两个新的图像数据源是原图像数据帧率的一半，两个新的图像数据源分别通过两个微显示器输出，总输出的帧率是单个微显示器帧率的两倍。这样，利用两个低刷新率的微显示器可实现高帧率图像数据的输出。

作为优选，本发明高刷新率的微型投影系统还包括处理模块，将视频数据解码成呈帧输出的图像数据。

作为优选，所述的微显示器为LCOS(Liquid Crystal on Silicon)微显示器或DLP(Digital Light Processing)微显示器。

进一步的，所述的微显示器为LCOS微显示器时，所述的光学组件包括：光源、匀光棒、聚光镜组、45°反射镜、PBS棱镜、投射镜头组；其中，光源发出的光束经所述匀光棒、聚光镜组、45°反射镜汇聚至所述PBS棱镜，经PBS棱镜后分为振动方向相互垂直的S光和P光，S光和P光经两个微显示器调制后发出显示光束，所述显示光束经过投射镜头组后在显示屏幕上显示。

进一步的，所述的微显示器为DLP微显示器时，所述的光学组件包括：光源、匀光棒、聚光镜组、45°反射镜、PBS棱镜、全内反射棱镜、半透半反镜和全反射镜；其中，光源发出的光束经所述匀光棒、聚光镜组、45°反射镜汇聚至所述PBS棱镜，经PBS棱镜后分为振动方向相互垂直的S光和P光，S光和P光经两个微显示器调制后发出显示光束，显示光束经全内反射棱镜、半透半反镜和全反射镜汇聚后通过投射镜头组显示在显示屏幕上。

本发明还提供了一种提高微显示器图像刷新率的方法，包括：

(1)通过图像分流模块将图像数据按照时间顺序分流为奇数序列图像数据和偶数序列图像数据，分别缓存入第一缓存器和第二缓存器中；

(2)控制模块控制第一微显示器和第二微显示器交替地将缓存器中的奇、偶数序列图像数据转化成光学图像；

(3)光学图像通过光学组件投射到显示屏幕上。

作为优选，步骤(1)前还包括通过处理模块将视频数据解码成呈帧输出的图像数据。

作为优选，步骤(2)包括：

(2-1)控制模块发出数据使能信号打开第一微显示器，片选第一缓存器中奇数序列图像数据的一帧图像数据，第一微显示器将该帧奇数序列图像数据转化为光学图像；

(2-2)该帧奇数序列图像数据转化后，控制模块发出数据使能信号关闭第一微显示器，同时打开第二微显示器，按时序片选第二缓存器中偶数序列图像数据的一帧图像数据，第二微显示器将该帧偶数序列图像数据转化为光学图像；

(2-3)依次重复步骤(2-1)和(2-2)，将奇数序列图像数据和偶数序列图像数据的每一帧图像交替地转化成光学图像。

进一步优选的，控制模块利用数据使能通道的高电平或低电平来控制微显示器的工作状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的方法可以利用价格较便宜的低刷新率LCOS和DLP产品，通过一定的结构和硬件配合，就能实现两倍于单片LCOS或DLP所能支持的刷新率。

附图说明

图1为本发明微型投影系统的程序控制示意图；

图2为RGB数据通道、微显示器使能控制信号通道的波形示意图；

图3基于LCOS微显示器的微型投影系统的光路示意图；

图4为基于DLP微显示器的微型投影系统的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，高刷新率的微型投影系统包括：微处理器、图像分流模块、第一SRAM(静态随机存取存储器)及驱动器、第二SRAM及驱动器、控制模块、第一微显示器和第二微显示器。

高帧率的视频数据经过微处理器解码后还原成一帧帧的图像数据，然后传输到图像分流模块，图像分流模块会将传输过来的图像数据按照时间顺序拆分成奇数序列部分和偶数序列部分，这两部分的图像是交替连续的。例如，经微处理器解码后生成的一帧帧的图像序列(A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，A9，、、、)，经过图像分流模块的处理之后，会生成奇数序列图像(A1，A3，A5，A7，、、、)和偶数序列图像(A2，A4，A6，A8，、、、)，相当于生成了两个新的图像数据源，其中，A1，A2，、、、分别对应不同的图像，并且这两张图像是连续的，两个微显示器在交替工作的时候，必须按照这个顺序依次将不同的图像呈现出来。

图像数据被拆分成奇数序列和偶数序列两部分后，新生成的两部分图像序列会分别输送到不同的SRAM及驱动器。奇数序列图像会传输到第一SRAM及驱动器，它负责控制第一微显示器的工作状态；而偶数序列图像会传输到第二SRAM及驱动器，它负责控制第二微显示器的工作状态。

其中，两个SRAM及驱动器是通过控制模块完成同步过程的。

控制模块会根据第一SRAM及驱动器和第二SRAM及驱动器的帧频信息，依次交替地选择SRAM中的图像数据，通过对应驱动器控制对应微显示器将该帧图像数据还原成光学图像。

该微型投影系统的控制方法如下：

为了方便描述，将图1中第一SRAM及驱动器到第一微显示器这条链路当作第一通道，将第二SRAM及驱动器到第二微显示器这条链路当作第二通道。当某一个微显示器处于工作状态时，我们定义为该通道是打开的，反之，则是关闭的。

具体的，当奇数序列图像的一帧图像缓存到第一SRAM之后，控制模块会立即产生一个高电平使第一通道处于打开状态，此时，第一SRAM缓存的一帧图像开始通过第一驱动器及第一微显示器呈现出来；当这一帧图像呈现完之后，控制模块会立即产生一个低电平来关闭第一通道，与此同时会产生另外一个高电平打开第二通道，之后缓存在第二SRAM中的偶数序列图像中的一帧图像开始通过第二驱动器及第二微显示器呈现出来；当该帧图像呈现完之后，控制模块会立即产生一个低电平来关闭第二通道，与此同时产生另外一个高电平打开第一通道，并通过第一驱动器及第一微显示器将缓存在第一SRAM里的下一帧图像呈现出来……依次往复，将奇数序列图像和偶数序列图像的每一帧图像交替地呈现出来。

控制模块是利用数据使能通道的高低电平来控制微显示器的工作状态的。

图2展示了RGB通道的时序模式以及两微显示器的数据使能时序模式。低电平表示对应的通道是关闭的，高电平表示对应的通道是打开的。

例如，当R通道处于高电平时红色的LED将开启，R通道处于低电平时红色LED灯将处于关闭状；第一微显示器的通道处于高电平时，第一微显示器处于工作状态将图像呈现出来，而第一微显示器的通道处于低电平时，第一微显示器将处于关闭状态，不能将图像呈现出来。只有当通道处于高电平时，微显示器才能工作。

具体的，当第一微显示器刚刚呈现完一张彩色图像A1后，第一微显示器数据使能通道会立即出现低电平，从而第一微显示器将进入关闭状态；同时，第二微显示器数据使能通道会立即出现高电平，第二微显示器将进入工作状态并会立即开始呈现彩色图像A2，当彩色图像A2呈现完后，会因为第二微显示器数据使能通道的低电平而进入关闭状态。此时，第一微显示器数据使能通道出现高电平，第一微显示器会再次进入工作状态，开始呈现彩色图像A3，当图像A3呈现完之后，第一微显示器数据使能通道会立即出现低电平……。就这样，第一微显示器和第二微显示器完成交替的工作，将图像呈现出来。

借助这种时序方式，能够实现两个微显示器的精确同步，从而两个微显示器能更交替地工作，依次将图像A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，A9，……呈现出来。

实施例1

如图3所示，基于LCOS微显示器的微型投影系统的光学组件包括：照明光源1-101、锥形匀光棒1-102、聚光镜组1-103、45°反射镜1-104、PBS棱镜1-105、LCOS微显示器1-106和1-107、投影镜头组1-108、显示屏幕1-109。

照明光源1-101为RGB三色片状LED灯，三色LED灯集成到同一块电路板上，可以节省空间，另外还能集中散热，使得光机组的尺寸可以进一步缩小。

当然，照明光源1-101也可以是RGB三色的激光二极管，经过合色棱镜合色之后入射到锥形匀光棒1-102。这样显示效果更好，光能利用率也越高。

照明光源1-101所发出的光束经过锥形匀光棒1-102后，被整形匀光并扩束，之后传输到聚光镜组1-103，经过聚光镜组1-103后的光束会变成平行光，传输到45°反射镜1-104，经45°反射镜1-104反射之后，会进入PBS棱镜1-105，之后光束会平分成S偏振光分量(图3中标注单条短线的光束)和P偏振光分量(图3中标注双条短线的光束)。

S偏振光分量会被PBS棱镜1-105的界面反射进入LCOS微显示器1-106，当LCOS微显示器1-106处于工作状态时，会将入射的S偏振光调制成P偏振光并反射出去，再次进入PBS棱镜1-105，由于P偏振光可以直接穿透PBS棱镜1-105，经LCOS微显示器1-106反射的P偏振光会直接穿透PBS棱镜1-105而进入投影镜头组1-108，经投影镜头组1-108的放大后在显示屏幕1-109上投射出来，至此，一张彩色图像就呈现出来了。

另外一条光路中，经PBS棱镜1-105分束后的P偏振光分量会穿透PBS棱镜1-105而进入LCOS微显示器1-107，但是由于我们所设置的工作时序，LCOS微显示器1-106工作时LCOS微显示器1-107处于关闭状态，并不能对P偏振光做调制处理，也不能将光束反射出来。从而，这一部分光束无法用于成像。

如图2和3所示，当LCOS微显示器1-106完成一张彩色图像的呈现之后，LCOS微显示器1-106数据使能通道会立即进入低电平状态，同时LCOS微显示器1-107数据使能通道会进入高电平状态，LCOS微显示器1-106被关闭而LCOS微显示器1-107进入工作状态。就如前面所描述的，当LCOS微显示器1-107处于工作状态时，会将经PBS棱镜1-105分束后的P偏振光分量转变成S偏振光，经PBS棱镜1-105的反射到投影镜头组1-108进行图像放大，最终投射在显示屏幕上。

按照上述的时序模式严格地同步两片LCOS的工作状态，能够实现与LED照明光源的精确同步，同时，由于LCOS是交替工作的，而对LED照明光源是分时复用的，最终实现的效果是，用低刷新率的LCOS成倍提高了系统整体的图像刷新率。

实施例2

如图4所示，基于DLP微显示器的微型投影系统的光学组件包括：照明光源1-101、锥形匀光棒1-102、聚光镜组1-103、45°反射镜1-104、PBS棱镜1-105、TIR全内反射棱镜1-206和1-208、DLP微显示器1-207和1-209、半透半反镜1-210、全反射镜1-211、投影镜头组1-108、显示屏幕1-109。

与实施例1稍有不同的是，DLP微显示器不会像LCOS那样改变出射光的偏振态，只会根据控制器的图像数据信息有选择地反射需要的光。

如图4所示，照明光源1-101发出光经锥形匀光棒1-102、聚光镜组1-103处理后均匀平行射出，经45°反射镜1-104后射入PBS棱镜1-105，并被分束成S偏振态的光束(图4中标注单条短线的光束)和P偏振态的光束(图4中标注双条短线的光束)。

S偏振态的光束会经过TIR全反射棱镜1-206而入射到DLP微显示器1-207上，DLP微显示器1-207会根据图像数据信息对入射的S偏振光进行调制并将带有图像信息的光束反射后再次进入TIR全反射棱镜1-206，并在TIR全反射棱镜1-206斜面上发生全反射，之后依次经过半反半透镜1-210、反射镜1-211、投影镜头组1-108最终投射在显示屏幕1-109上。

P偏振态的光束会经过TIR全反射棱镜1-208而入射到DLP微显示器1-209上，DLP微显示器1-209会根据图像数据信息对入射的P偏振光进行调制并将带有图像信息的光束反射后再次进入TIR全反射棱镜1-208，并在TIR全反射棱镜1-208斜面上发生全反射，之后依次经过半反半透镜1-210、反射镜1-211、投影镜头组1-108最终投射在显示屏幕1-109上。

其具体的控制方法与实施例1相同。

实施例1和实施例2的微型投影系统的优势在于：

市面上也有8位灰度模式速率高达1900Hz的微显示器产品，例如TI的DLP7000。DLP6500的8位灰度模式速率也高达1031Hz，虽然8位灰度模式速率较高，但是DLP的尺寸较大，不利于作为可穿戴设备的微显示器，单片DLP的价格也比较高，例如DLP6500的尺寸是0.65英寸，单片显示芯片的价格为6327元，而DLP7000的尺寸是0.7英寸，单片显示芯片的价格为8473元。其高昂的价格，势必不利于作为可穿戴设备的微显示器。而实施例1和实施例2的微型投影系统可以利用价格较便宜的低刷新率LCOS和DLP产品，通过一定的结构和硬件配合，就能实现两倍于单片LCOS或DLP所能支持的刷新率。这本质上是基于液晶和TI的DMD数字微镜的响应速度足够快。用低价格的微显示器来实现高价格微显示器的高刷新率，这就是本发明的核心之处。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高刷新率的微型投影系统，其特征在于，包括：

图像分流模块，将图像数据按照时间顺序分流为奇数序列图像数据和偶数序列图像数据；

缓存模块，包括第一缓存器和第二缓存器，分别用于缓存奇数序列图像数据和偶数序列图像数据；

控制模块，控制第一微显示器和第二微显示器交替地将奇、偶序列图像数据转化成光学图像；其中第一微显示器和第二微显示器交替地将奇、偶序列图像数据转化成光学图像是指：第一微显示器将奇数序列图像转换为光学图像，此时第二微显示器不工作，然后第二微显示器将偶数序列图像转换为光学图像，第一微显示器不工作；

微显示模块，包括第一微显示器和第二微显示器，第一微显示器和第二微显示器通过控制模块的控制信号交替地将奇、偶序列图像数据转化成光学图像；

光学组件，将微显示器输出的光学图像投射到显示屏幕上。

2.根据权利要求1所述高刷新率的微型投影系统，其特征在于，还包括处理模块，将视频数据解码成呈帧输出的图像数据。

3.根据权利要求1所述高刷新率的微型投影系统，其特征在于，所述的微显示器为LCOS微显示器或DLP微显示器。

4.根据权利要求3所述高刷新率的微型投影系统，其特征在于，所述的微显示器为LCOS微显示器时，所述的光学组件包括：光源、匀光棒、聚光镜组、45°反射镜、PBS棱镜和投射镜头组；其中，光源发出的光束经所述匀光棒、聚光镜组、45°反射镜汇聚至所述PBS棱镜，经PBS棱镜后分为振动方向相互垂直的S光和P光，S光和P光经两个微显示器调制后发出显示光束，所述显示光束经过投射镜头组后在显示屏幕上显示。

5.根据权利要求3所述高刷新率的微型投影系统，其特征在于，所述的微显示器为DLP微显示器时，所述的光学组件包括：光源、匀光棒、聚光镜组、45°反射镜、PBS棱镜、全内反射棱镜、半透半反镜和全反射镜；其中，光源发出的光束经所述匀光棒、聚光镜组、45°反射镜汇聚至所述PBS棱镜，经PBS棱镜后分为振动方向相互垂直的S光和P光，S光和P光经两个微显示器调制后发出显示光束，显示光束经全内反射棱镜、半透半反镜和全反射镜汇聚后通过投射镜头组显示在显示屏幕上。

6.一种提高微显示器刷新率的方法，其特征在于，包括：

（1）通过图像分流模块将图像数据按照时间顺序分流为奇数序列图像数据和偶数序列图像数据，分别缓存入第一缓存器和第二缓存器中；

（2）控制模块控制第一微显示器和第二微显示器交替地将缓存器中的奇、偶数序列图像数据转化成光学图像；其中第一微显示器和第二微显示器交替地将奇、偶序列图像数据转化成光学图像是指：第一微显示器将奇数序列图像转换为光学图像，此时第二微显示器不工作，然后第二微显示器将偶数序列图像转换为光学图像，第一微显示器不工作；

（3）光学图像通过光学组件投射到显示屏幕上。

7.根据权利要求6所述提高微显示器刷新率的方法，其特征在于，步骤（1）前还包括通过处理模块将视频数据解码成呈帧输出的图像数据。

8.根据权利要求6所述提高微显示器刷新率的方法，其特征在于，步骤（2）包括：

（2-1）控制模块发出数据使能信号打开第一微显示器，片选第一缓存器中奇数序列图像数据的一帧图像数据，第一微显示器将该帧奇数序列图像数据转化为光学图像；

（2-2）该帧奇数序列图像数据转化后，控制模块发出数据使能信号关闭第一微显示器，同时打开第二微显示器，按时序片选第二缓存器中偶数序列图像数据的一帧图像数据，第二微显示器将该帧偶数序列图像数据转化为光学图像；

（2-3）依次重复步骤（2-1）和（2-2），将奇数序列图像数据和偶数序列图像数据的每一帧图像交替地转化成光学图像。

9.根据权利要求6或8所述提高微显示器刷新率的方法，其特征在于，控制模块利用数据使能通道的高电平或低电平来控制微显示器的工作状态。

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