CN113826380A - 减少发光二极管阵列中的峰值电流使用 - Google Patents

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Abstract

实施例涉及在发射帧的第一子帧期间驱动第一颜色的第一发光二极管(LED)发光，在发射帧的第二子帧期间驱动第二颜色的第二LED发光，以及在发射帧的第二子帧期间驱动第三颜色的第三LED发光。从第一、第二和第三LED发射的光被引导到反射镜上，该反射镜将光反射到图像场的多个像素位置上。第一、第二和第三LED在LED阵列上对齐，使得第一LED与第二LED相距第一距离，以及第一LED与第三LED相距第二距离。

Description

减少发光二极管阵列中的峰值电流使用
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年5月9日提交的第20190100204号希腊申请和2019年6月3日提交的第16/430,135号美国申请的优先权。出于所有目的，希腊专利申请第20190100204号和美国申请第16/430,135号的内容通过引用整体结合于此以用于所有目的。
背景
本公开涉及一种显示设备，且更具体地说涉及一种显示设备，其中至少一个发光二极管(LED)的子集在不同时间被开启(turn on)以降低峰值电流。
显示设备通常在虚拟现实(VR)或增强现实(AR)系统中用作头戴式显示器或近眼显示器。显示设备通常包括向观看者的眼睛发射光的LED阵列，以及位于显示器和眼睛之间的光学块。光学块包括接收从阵列发射的光并调节光的定向的光学部件，使得光被投射到像场上以形成图像。为了通过显示设备显示图像，LED阵列发射光，并且光被投射到图像场上的像素位置上。
在给定的显示设备中，对于用于显示图像的每种颜色(例如，红色、蓝色、绿色)，LED的阵列可以包括大量的LED(例如，2560个LED)，并且同时开启阵列中的所有LED(例如，7,680个LED)消耗大量的瞬时电流。当需要大量电流来驱动LED阵列时，可能需要显示设备的复杂系统设计来向LED阵列提供驱动电流。然而，开发和制造复杂的系统设计是一个耗时且成本高昂的过程。此外，当大量电流用于操作显示设备时，存在硅性能退化的风险，这可能导致缺陷产品的增加和显示设备寿命的缩短。
概述
实施例涉及将来自LED阵列的光投射到图像场上，以向用户显示图像。从LED阵列发射的光可以被导向旋转反射镜，并通过位于LED阵列和像场之间的旋转反射镜被重定向到像场。根据反射镜的定向，光被引导以照亮(illuminate)图像场上像素位置的特定子集。当反射镜旋转时，光被投射到像素位置的不同子集上，并且当反射镜扫描整个图像场时，在图像场上生成图像。LED的阵列可以包括用于每种颜色(例如，红色、蓝色、绿色)的多个LED(例如，2560个LED)，这些LED被布置成使得相同颜色的LED在同一行中。当驱动LED阵列发光时，LED的不同子集在发射帧的不同子帧被开启，以减少在给定时间的电流使用。
在一些实施例中，用于操作LED阵列的每个发射帧被分成两个子帧。在第一子帧期间，第一LED被开启以发射第一颜色(例如红色)的光，而第二颜色(例如绿色)的第二LED和第三颜色(例如蓝色)的第三LED被关闭。在第一子帧之后的第二子帧期间，第一LED被关闭，而第二LED和第三LED被开启。第一LED的行与第二LED的行相距第一距离，以及第三LED的行与第二LED的行相距第二距离，其中第一距离与第二距离不同。至少基于第一子帧和第二子帧的发射时序(timing)来确定第一距离和第二距离，使得从第一LED、第二LED和第三LED发射的光被投射到适当的像素位置上。
在一些实施例中，每个发射帧被分成三个子帧。在第一子帧期间，第一LED开启，而第二LED和第三LED关闭。在第二子帧期间，第二LED开启，而第一LED和第三LED关闭。在第三子帧期间，第三LED开启，而第一LED和第二LED关闭。第一LED的行与第二LED的行相距第一距离，且第三LED的行与第二LED的行相距第二距离，其中第一距离和第二距离相等。
附图简述
图1是根据实施例的近眼显示器(NED)的透视图。
图2是根据实施例的图1所示的NED的护眼装置的横截面图。
图3A是根据实施例的显示设备的透视图。
图3B示出了根据一个实施例的源组件的框图。
图4是示出根据实施例的发光二极管(LED)阵列的示意图。
图5A是示出根据一个实施例的从LED发射的光到图像场的投射的图。
图5B是示出根据实施例的图像场上的像素位置的行的图。
图6A是根据实施例的时序图，示出了在单个帧中具有两个子帧的LED的发射模式。
图6B是根据一个实施例的时序图，示出了在单个帧中具有三个子帧的LED的发射模式。
图7A-7C是示出根据实施例的对于具有两个子帧的发射帧，LED将光投射到其上的行的概念图。
图8A-8C是示出根据实施例的对于具有三个子帧的发射帧，LED将光投射到其上的行的概念图。
图9是描绘根据实施例的操作显示设备的过程的流程图。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。
详细描述
实施例涉及操作显示设备以减少用于显示图像的显示设备的LED阵列的峰值电流使用。代替在显示图像时同时开启阵列上的所有LED，第一颜色的第一LED在发射帧的第一子帧期间被驱动发光，而第二颜色的第二LED被禁用。在相同发射帧的第二子帧期间，第二LED被驱动发光，而第一LED被禁用。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，真实世界)内容组合地生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，并且它们中的任何一个都可以在单个通道或多个通道中呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式被使用(例如在人工现实中执行活动)。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
近眼显示器
图1是根据实施例的近眼显示器(NED)100的图示。NED 100向用户呈现媒体。由NED100呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频、音频或其某种组合。在一些实施例中，经由外部装置(例如，扬声器和/或耳机)呈现音频，该外部装置从NED 100、控制台(未示出)或两者接收音频信息并基于音频信息呈现音频数据。NED 100可以作为VR NED操作。然而，在一些实施例中，NED 100可以被修改为也作为增强现实(AR)NED、混合现实(MR)NED或其某种组合操作。例如，在一些实施例中，NED 100可以用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)增强物理、真实世界环境的视图。
图1中所示的NED 100包括框架105和显示器110。框架105包括一起向用户显示媒体的一个或更多个光学元件。显示器110被配置用于使用户看到由NED 100呈现的内容。如下面结合图2讨论的，显示器110至少包括源组件，以生成图像光来将媒体呈现给用户的眼睛。源组件包括例如光源、光学系统或其某种组合。
图1仅是VR系统的示例。然而，在替代实施例中，图1还可以被称为头戴式显示器(HMD)。
图2是根据实施例的图1所示的NED 100的截面图200。横截面200示出了至少一个波导组件210。出射光瞳(exit pupil)是当用户佩戴NED 100时眼睛220在视窗区域230中所处的位置。在一些实施例中，框架105可以表示一副眼镜的框架。出于说明的目的，图2示出了与单只眼睛220和单个波导组件210相关联的横截面200，但是在未示出的替代实施例中，与图2中所示的波导组件210分离的另一个波导组件向用户的另一只眼睛220提供图像光。
如下面在图2中所示，波导组件210通过出射光瞳将图像光引导到眼睛220。波导组件210可以由具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)组成，该一个或更多个折射率有效地最小化NED 100的重量并加宽其视场(以下简称为‘FOV’)。在替代配置中，NED 100包括在波导组件210和眼睛220之间的一个或更多个光学元件。光学元件可以起作用(例如，校正从波导组件210发射的图像光中的像差)，以放大从波导组件210发射的图像光、从波导组件210发射的图像光的某种其他光学调整或其某种组合。光学元件的示例可以包括光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光片或影响图像光的任何其他合适光学元件。在一个实施例中，波导组件210可以以下面将结合图5B进一步详细讨论的方式，产生许多光瞳副本并将其引导到视窗区域230。
图3A示出了根据实施例的显示装置300的透视图。在一些实施例中，显示装置300是NED 100的部件(例如，波导组件210或波导组件210的一部分)。在替代实施例中，显示装置300是一些其他NED的一部分或将显示图像光引导到特定位置的另一系统。根据实施例和实施方式，显示装置300还可以被称为波导显示器和/或扫描显示器。然而，在其他实施例中，显示设备300不包括扫描反射镜。例如，显示设备300可以包括光发射器矩阵，其通过波导将光投射到图像场，但是没有扫描反射镜。在另一个实施例中，由光发射器的二维矩阵发射的图像可以在光到达波导或屏幕之前由光学组件(例如，透镜)放大。
对于使用波导和光学系统的特定实施例，显示装置300可以包括源组件310、输出波导320和控制器330。显示装置300可以为双眼或单眼提供图像。出于说明的目的，图3A示出了与单眼220相关联的显示装置300。与显示装置300分离(或部分分离)的另一个显示装置(未示出)向用户的另一只眼睛提供图像光。在部分分离的系统中，可以在用于每只眼睛的显示装置之间共享一个或更多个部件。
源组件310生成图像光355。源组件310包括光源340和光学系统345。光源340是使用以矩阵排列的多个光发射器生成图像光的光学部件。每个光发射器可以发射单色光。光源340产生图像光，包括但不限于红色图像光、蓝色图像光、绿色图像光、红外图像光等。虽然在本公开中经常讨论RGB，但是这里描述的实施例不限于使用红色、蓝色和绿色作为原色。其他颜色也可以用作显示设备的原色。此外，根据实施例的显示设备可以使用多于三种原色。
光学系统345执行一组光学过程，包括但不限于对由光源340生成的图像光的聚焦、组合、调节和扫描过程。在一些实施例中，光学系统345包括组合组件、光调节组件和扫描反射镜组件，如下面结合图3B详细描述的。源组件310生成图像光355并将图像光355输出到输出波导320的耦合元件350。
输出波导320是将图像光输出到用户的眼睛220的光波导。输出波导320在一个或更多个耦合元件350处接收图像光355，并将接收到的输入图像光引导到一个或更多个去耦元件360。耦合元件350可以是例如衍射光栅、全息光栅、将图像光355耦合到输出波导320中的某个其他元件或其某种组合。例如，在其中耦合元件350是衍射光栅的实施例中，选择衍射光栅的节距(pitch)，使得全内反射发生，并且图像光355内部地朝向去耦元件360传播。衍射光栅的节距可以是在300nm至600nm的范围内。
去耦元件360将来自输出波导320的全内反射图像光去耦。去耦元件360可以是例如衍射光栅、全息光栅、将图像光从输出波导320去耦出去的一些其他元件或其某种组合。例如，在其中去耦元件360是衍射光栅的实施例中，选择衍射光栅的节距，以使入射图像光离开输出波导320。通过改变进入耦合元件350的图像光355的取向和位置，控制从输出波导320离开的图像光的取向和位置。衍射光栅的节距可以是在300nm至600nm的范围内。
输出波导320可以由促进图像光355的全内反射的一种或更多种材料组成。输出波导320可以由例如硅、塑料、玻璃或聚合物或其某种组合组成。输出波导320具有相对小的形状因数。例如，输出波导320可以沿X维度大约50mm宽、沿Y维度大约30mm长和沿Z维度大约0.5-1mm厚。
控制器330控制源组件310的成像渲染操作。控制器330至少基于一个或更多个显示指令确定用于源组件310的指令。显示指令是用于渲染一个或更多个图像的指令。在一些实施例中，显示指令可以简单地是图像文件(例如，位图)。显示指令可以从例如VR系统的控制台(此处未示出)接收。扫描指令是由源组件310用来生成图像光355的指令。扫描指令可以包括例如图像光源的类型(例如单色、多色)、扫描速率、扫描装置的定向、一个或更多个照明参数或其某种组合。控制器330包括此处未示出(以免模糊本公开的其他方面)的硬件、软件和/或固件的组合。
图3B是示出根据实施例的示例源组件310的框图。源组件310包括发射光的光源340，该光被光学系统345光学处理以产生将被投射到图像场(未示出)上的图像光335。光源340由驱动电路370基于从控制器330或图像处理单元375发送的数据来驱动。在一个实施例中，驱动电路370是连接并机械保持光源340的各种光发射器的电路面板。组合的驱动电路370和光源340有时可以被称为显示面板380或LED面板(如果某些形式的LED被用作光发射器)。
光源340可以生成空间相干或部分空间相干的图像光。光源340可以包括多个光发射器。光发射器可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)设备、发光二极管(LED)、微LED、可调谐激光器和/或一些其他发光设备。在一个实施例中，光源340包括光发射器矩阵。在另一个实施例中，光源340包括多组光发射器，每组光发射器按颜色分组并以矩阵形式排列。光源340以可见波段(例如，从大约390nm至700nm)发射光。光源340根据由控制器330设置并可能由图像处理单元375和驱动电路370调整的一个或更多个照明参数发射光。照明参数是由光源340使用以生成光的指令。照明参数可以包括例如源波长、脉冲速率、脉冲幅度、光束类型(连续的或脉冲的)或影响发射的光的其他参数或其某种组合。光源340发射源光385。在一些实施例中，源光385包括多束红光、绿光和蓝光或其某种组合。
光学系统345可以包括一个或更多个光学部件，其光学调节并潜在地重新引导来自光源340的光。光的示例调节的一种形式可以包括调节光。调节来自光源340的光可以包括例如扩展、准直、校正一个或更多个光学误差(例如，场曲、色差等)、光的一些其他调整或其某种组合。光学系统345的光学部件可以包括例如透镜、反射镜、光圈、光栅或它们的某种组合。从光学系统345发射的光被称为图像光355。
光学系统345可以经由其一个或更多个反射和/或折射部分来重定向图像光335，使得图像光355以特定的定向朝向输出波导320(如图3A所示)投射。其中图像光被重定向的方向是基于该一个或更多个反射和/或折射部分的特定取向。在一些实施例中，光学系统345包括在至少两个维度上进行扫描的单个扫描反射镜。在其他实施例中，光学系统345可以包括多个扫描反射镜，每个扫描反射镜在彼此正交的方向上进行扫描。光学系统345可以执行光栅扫描(水平或垂直)、双谐振扫描(biresonant scan)或它们的某种组合。在一些实施例中，光学系统345可以用特定的振荡频率沿水平和/或垂直方向执行受控振动，以沿2个维度扫描，并生成呈现给用户眼睛的媒体的二维投射线图像。在其他实施例中，光学系统345还可以包括与一个或更多个扫描反射镜功能相似或相同的透镜。
在一些实施例中，光学系统345包括检流计反射镜。例如，检流计反射镜可以表示通过用一个或更多个反射镜偏转图像光束指示它已经感测到电流的任何机电仪器。检流计反射镜可以在至少一个正交维度中扫描，以生成图像光355。来自检流计反射镜的图像光355表示呈现给用户眼睛的媒体的二维线图像。
在一些实施例中，源组件310不包括光学系统。光源340发出的光直接投射到波导320(如图3A所示)。
控制器330控制光源340的操作，并且在一些情况下，控制光学系统345的操作。在一些实施例中，控制器330可以是显示装置的图形处理单元(GPU)。在其他实施例中，控制器330可以是其他种类的处理器。由控制器330执行的操作包括获取用于显示的内容，以及将内容分成离散的部分。控制器330指示光源340使用对应于最终显示给用户的图像中的相应行的光发射器顺序呈现离散部分。控制器330指示光学系统345执行光的不同调节。例如，控制器330控制光学系统345将呈现的离散部分扫描到输出波导320的耦合元件的不同区域(如图3A所示)。因此，在输出波导320的出射光瞳处，每个离散部分在不同位置中呈现。虽然每个离散部分在不同时间呈现，但是离散部分的呈现和扫描发生得足够快，使得用户的眼睛将不同的部分整合成单个图像或一系列图像。控制器330还可以向光源340提供扫描指令，该扫描指令包括与光源340的单独源元件对应的地址和/或施加到单独源元件的电偏压。
图像处理单元375可以是通用处理器和/或专用于执行本文所述特征的一个或更多个专用电路。在一个实施例中，通用处理器可以耦合到存储器以执行使处理器执行本文描述的特定过程的软件指令。在另一实施例中，图像处理单元375可以是专用于执行特定特征的一个或更多个电路。虽然在图3B中，图像处理单元375被示为独立于控制器330和驱动电路370的独立单元，但是在其他实施例中，图像处理单元375可以是控制器330或驱动电路370的子单元。换句话说，在那些实施例中，控制器330或驱动电路370执行图像处理单元375的各种图像处理过程。图像处理单元375也可以被称为图像处理电路。
发光二极管阵列
图4是根据一个实施例的可以包括在图3A和图3B的光源340中的发光二极管(LED)阵列400的俯视图。阵列400包括被组织成行和列的多个LED。在图4所示的示例中，阵列400包括红色LED 410、绿色LED 420和蓝色LED 430，它们被布置成使得相同颜色的LED在同一行中。绿色LED 420在绿色LED 420的一侧沿着红色LED 410对齐。蓝色LED 430沿着平行于红色LED 410的线放置，而绿色LED 420放置在绿色LED 420的相反侧。
红色LED 410的行与绿色LED 420的行相距第一距离D1，而蓝色LED 430的行与绿色LED 420的行相距第二距离D2。第一距离D1和第二距离D2至少在显示模式期间与发射帧的多个子帧相关，如下面参考图6A和图6B详细描述的。第一距离D1和第二距离D2可以彼此相等或不同。尽管图4中未示出，但是LED的各种其他配置也在本公开的范围内。例如，阵列400可以包括不同颜色的LED，可以具有不同的颜色排列，和/或用于每种颜色的LED的附加行。
虽然图4所示的LED以行和垂直于行的列排列，但是在其他实施例中，阵列400上的LED可以以其他形式布置。例如，一些LED可以对角排列或以其他布置方式(规则或不规则、对称或不对称)排列。同样，术语行和列可以描述元素的两个相对空间关系。虽然为了简单起见，本文描述的列通常与元素的垂直线相关联，但是应该理解，列不必垂直地(或纵向地)排列。同样，行不必水平地(或横向地)排列。行和列有时也可以描述非线性的排列。行和列也不一定意味着任何平行或垂直排列。有时一行或一列可以被称为排(line)。在其他实施例中，对于每种颜色，可以有两排或更多排的LED。在一些实施例中，基于每种颜色的亮度，LED的排数因颜色而异。例如，红色LED可能比蓝色LED亮。为了补偿阵列中的亮度差异，阵列上可能有2排红色LED和5排蓝色LED。
在一个实施例中，LED可以是微LED。在其他实施例中，可以使用其他类型的光发射器，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。“微LED”可以是具有小的有源发光区域(例如，在一些实施例中小于2,000μm2，在其他实施例中小于20μm2或小于10μm2)的特定类型的LED。在一些实施例中，微LED的发射表面可以具有小于大约5μm的直径，尽管在其他实施例中可以利用发射表面的更小(例如，2μm)或更大的直径。在一些示例中，微LED还可以具有准直或非朗伯(non-Lambertian)光输出，这可以增加从小的有源发光区域发射的光的亮度水平。
图像形成示例
图5A是示出根据一个实施例的从LED发射的光到图像场的投射的图。图5A示出了如何使用从光源340发射的光在显示设备中形成图像。图像场是接收由光源340发射的光并形成图像的区域。例如，图像场可以对应于图3A中耦合元件350的一部分或去耦元件360的一部分。在一些情况下，图像场不是实际的物理结构，而是图像光投射到并且图像形成于的区域。在一个实施例中，图像场是耦合元件350的表面，并且当光穿过输出波导320时，在图像场上形成的图像被放大。在另一个实施例中，在光通过波导之后形成图像场，波导组合不同颜色的光以形成图像场。在一些实施例中，图像场可以直接投射到用户的眼睛中。
在扫描操作期间，显示设备500使用扫描反射镜520将来自光源340的光投射到图像场530。显示设备500可以对应于近眼显示器100或另一个扫描型显示设备。光源340可以对应于图3B所示的光源340，或者可以用在其他显示设备中。光源340包括具有多行和多列发光器件的阵列400，如插图515中的点所示。在一个实施例中，光源340可以包括用于每种颜色的单排发光二极管。在其他实施例中，对于每种颜色，光源340可以包括多于一排的LED。光源340发射的光502可以是一组准直光束。例如，图5A中的光502示出了由LED的行发射的多个光束。在到达反射镜520之前，光502可以由例如调节组件的不同的光学设备调节。反射镜520将来自光源340的光502反射并投射到图像场530。反射镜520围绕轴522旋转。反射镜520可以是微机电系统(MEMS)反射镜或任何其他合适的反射镜。反射镜520可以是图3B中光学系统345的实施例，或者是光学系统345的一部分。随着反射镜520旋转，光502被引导到图像场530的不同部分，如实线所示的光504的反射部分和虚线所示的光504的反射部分。
在反射镜520的特定定向(即，特定旋转角度)下，阵列400照射图像场530的一部分(例如，图像场530上多个像素位置532的特定子集)。在一个实施例中，LED被布置和间隔开，使得来自每个LED的光束被投射到相应的像素位置532上。LED的相邻行之间的距离参照图6A和图6B描述。在另一个实施例中，小的光发射器例如微LED用于LED，使得来自多个光发射器的子集的光束一起投射在相同的像素位置532。换句话说，多个LED的子集一次共同照亮单个像素位置532。
图像场530也可以被称为扫描场，因为当光502被投射到图像场530的区域时，图像场530的区域被光502照亮。图像场530可以由行和列中的像素位置532的矩阵(由插图534中的块表示)在空间上定义。这里的像素位置指的是单个像素。图像场530中的像素位置532(或简称为像素)有时实际上可能不是附加的物理结构。相反，像素位置532可以是划分图像场530的空间区域。此外，像素位置532的大小和位置可以取决于来自光源340的光502的投射。例如，在反射镜520的给定旋转角度，从光源340发射的光束可以落在图像场530的区域上。这样，图像场530的像素位置532的大小和位置可以基于每个光束的位置来定义。在一些情况下，像素位置532可以在空间上细分为子像素(未示出)。例如，像素位置532可以包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素。红色子像素对应于投射一个或更多个红色光束的位置，等等。当存在子像素时，像素532的颜色基于子像素的时间和/或空间平均值。
光源340的阵列400中的LED的行数和列数可以与图像场530中的像素位置532的行数和列数相同或不同。在一个实施例中，阵列400中的一行中的LED的数量等于图像场530的一行中的像素位置532的数量，而阵列400中的一列中的LED的数量是两个或更多个，但小于图像场530的一列中的像素位置532的数量。换句话说，在这样的实施例中，光源340在阵列400中具有与图像场530中像素位置532的列数相同的列数LED，但是具有比图像场530更少的行。例如，在一个特定实施例中，光源340在阵列400中具有大约1280列LED，这与图像场530的像素位置532的列数相同，但是只有3行LED。光源340可以具有第一长度L1，该长度是从LED的第一行到最后一行测量的。图像场530具有从扫描场530的第1行到第p行测量的第二长度L2。在一个实施例中，L2比L1大(例如，L2比L1大50到10,000倍)。
在一些实施例中，由于像素位置532的行数大于阵列400中LED的行数，所以显示设备500使用反射镜520在不同时间将光502投射到不同的像素行。随着反射镜520旋转并且光502快速扫描通过图像场530，在图像场530上形成图像。在一些实施例中，光源340也具有比图像场530更少的列数。反射镜520可以二维旋转，以用光填充图像场530(例如，光栅型向下扫描行，然后移动到图像场530中的新列)。
显示装置可以在预定义的显示周期内操作。显示周期可以对应于形成图像的时间的持续。例如，显示周期可以与表示发射帧在给定时间(例如，1秒)内重复的频率的帧速率相关联(例如，帧速率的倒数)。在包括旋转反射镜的显示设备500的特定实施例中，显示周期也可以被称为扫描周期。反射镜520的完整旋转循环可以被称为扫描周期。这里的扫描周期是指整个图像场530被完全扫描的预定循环时间。扫描周期可以被分成多个发射帧，每个发射帧对应于投射到图像场530上的像素位置的特定子集(例如，图像场的三行像素位置)上的光。图像场530的扫描由反射镜520控制。显示设备500的光的产生可以与反射镜520的旋转同步。例如，在一个实施例中，反射镜520从将光投射到图像场530的第1行的初始位置到将光投射到图像场530的第p行的最后位置，然后回到初始位置的移动等于扫描周期。扫描周期也可以与显示设备500的帧速率相关。通过完成扫描周期，每个扫描周期在图像场530上形成图像(例如，帧)。因此，帧速率可以对应于一秒钟内扫描周期的数量。
随着反射镜520旋转，光扫描通过图像场并形成图像。给定像素位置532的实际颜色值和光强度(亮度)可以是扫描周期期间照射像素位置的各种颜色光束的平均值。在完成扫描周期之后，反射镜520回复到初始位置，以再次将光投射到图像场530的前几行上，除了一组新的驱动信号可以被馈送到LED。随着反射镜520循环旋转，可以重复相同的过程。这样，在不同的帧中，在扫描场530中形成不同的图像。
图5B是示出根据实施例的图像场上的像素位置的行的图。图像场530可以包括像素位置的行，每行包括多个像素位置。在图5B所示的例子中，图像场530上有z行。随着扫描反射镜520旋转，从阵列400发射的光被投射到图像场530的不同部分，以在给定时间照亮图像场530的不同行。
在一个实施例中，阵列400上的所有LED在发射帧开始时被驱动开启，并在对应于发射帧的前半部分的发射周期期间发射光。在发射周期期间，从阵列400发射的光被投射到图像场530上的前三行像素位置(例如，第1行、第2行、第3行)上。例如，从红色LED 410发射的红光投射到第1行，从绿色LED 420发射的绿光投射到第2行，以及从蓝色LED 430发射的蓝光投射到第3行。在发射帧之后，反射镜520旋转，使得在随后的发射帧中，从阵列400发射的光被投射到图像场530上的三行像素位置上，与前一发射帧相比偏移了一行。例如，红光现在投射到第2行，绿光投射到第3行，而蓝光投射到第4行。
然而，当阵列400上的所有LED在发射周期期间被驱动以同时发射光时，需要大的瞬时电流来同时开启所有LED。但是为了提供同时开启阵列400的所有LED所需的电流，近眼显示器100可能体积庞大，因为它需要大电流源，并且由于设计和制造的高成本而变得昂贵。此外，随着时间的推移，由于以高电流工作，硅不能正常工作的风险增加，并且由于不容易吸收的较大的热预算，因此存在安全风险。为了降低峰值电流，可以使用时分方法将每个发射帧分成子帧，并且在每个子帧中开启阵列400上的LED的不同部分，而不是同时开启阵列400上的所有LED，如下面参考图6A和图6B详细描述的。
图6A是示出根据实施例的LED的发射模式的时序图，其中每个发射帧具有两个子帧A、B。操作阵列400的方法是在发射帧的不同子帧开启阵列400上的LED子集。控制器330或图像处理单元375确定施加到每个LED 410的电压值，使得从LED发射的光对应于图像场530上的像素位置中的子像素。在图6A所示的例子中，阵列400上的LED的第一子集在发射帧的子帧A期间发光，以及阵列400上的LED的第二子集在子帧A之后的发射帧的子帧B期间发光。在一个实施例中，LED的第一子集是红色LED 410，而LED的第二子集是绿色LED 420和蓝色LED 430。在另一个实施例中，LED的第一子集和LED的第二子集可以具有不同的颜色。例如，LED的第一子集可以是绿色LED 420，而LED的第二子集可以是红色LED 410和蓝色LED 430。
在图6A所示的时序图中，设置在阵列400的第一行上的红色LED 410在每个发射帧的子帧A期间发光。当红色LED 410被开启以发光时，绿色LED 420和蓝色LED 430关闭。绿色LED 420设置在阵列400的第二行上，并且在每个发射帧期间在子帧A之后的子帧B期间发光。蓝色LED 430设置在绿色LED 420下方的阵列400的第三行上，并且在子帧B期间与绿色LED 420同时发光。当绿色LED 420和蓝色LED 430被开启以发光时，红色LED 410关闭。
为了在图像场530上生成图像，从红色LED 410、绿色LED 420和蓝色LED 430发射的光被投射到图像场530上。图像场530上的每个像素被分成红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素。当阵列400上的所有LED同时发光时，阵列400上的LED的行在两个相邻行之间相等。
然而，当LED的不同部分在不同时间被驱动发光时，阵列400上的行之间的距离需要补偿时间延迟以保持图像场530上的图像对准。如图4所示，红色LED 410和绿色LED 420之间的距离是D1，绿色LED 420和蓝色LED 430之间的距离是D2，其中绿色LED 420的行在红色LED 410的行和蓝色LED 430的行之间。当阵列400被配置为在子帧A期间开启红色LED并在子帧B期间开启绿色LED时，红色LED 410和绿色LED 420之间的距离D1等于绿色LED 420和蓝色LED 430之间的距离D2的(n+1/2)倍，其中n是0或大于0的整数。
图6B是示出根据实施例的LED的发射模式的时序图，其中每个发射帧具有三个子帧A’、B’、C’。在子帧A’期间，LED的第一子集发射第一颜色的光。在子帧B’期间，LED的第二子集发光，LED的第二子集具有不同于LED的第一子集的第二颜色。在子帧C’期间，LED的第三子集发射不同于第一和第二颜色的第三颜色的光。在图6B所示的例子中，LED的第一子集是红色LED 410，LED的第二子集是绿色LED 420，LED的第三子集是蓝色LED 430。在其他示例中，LED的子集可以具有不同于图6B所示的颜色。子帧A’、B’、C’可以具有相等的持续时间或者具有不同的持续时间。然而，子帧A’、B’和C’的持续时间总和必须等于或短于一帧的持续时间。
在子帧A’期间，红色LED 410开启，而绿色LED 420和蓝色LED 430关闭。在子帧B’期间，绿色LED 420开启，而红色LED 410和蓝色LED 430关闭。在子帧C’期间，蓝色LED 430开启，而红色LED 410和绿色LED 420关闭。
如图6B的时序图所示，当存在三个子帧并且阵列400上的每一行LED在不同的子帧期间被驱动发光时，红色LED 410和绿色LED 420之间的距离D1以及绿色LED 420和蓝色LED430之间的距离D2是相同的。然而，对于被配置为在发射帧期间同时从阵列400的所有三行发射光(例如，阵列的所有三行在发射帧的前半部分期间发射光)的显示设备来说，距离D1和D2大于相邻行之间的距离。
图7A-7C是示出根据实施例的对于具有如上参考图6A所述的两个子帧的发射帧，LED将光投射到其上的行的概念图。在每个发射帧的第一子帧期间，阵列400上的LED的第一子集被开启，而阵列400上的LED的第二子集被关闭。在第一子帧之后的每个发射帧的第二子帧期间，阵列400上的LED的第一子集被关闭，而阵列400上的LED的第二子集被开启。红色LED 410、绿色LED 420和蓝色LED 430由控制器330操作，以在适当的发射子帧期间开启和关闭以发射光。从LED发射的光被反射离开反射镜520的表面，反射镜520旋转以在图像场530上扫描光。
图7A示出了在第一发射帧期间光在图像场530上的投射。阵列400的每行中的LED的数量与图像场530的一行中的像素位置的数量相匹配。如左图所示，阵列400上的红色LED410在三个连续发射帧的第一发射帧的第一子帧期间开启。在第一子帧期间，从红色LED410发射的光被投射到图像场530的第n行上。绿色LED 420和蓝色LED 430在第一子帧期间关闭。从每个红色LED 410发射的光照亮图像场530的第n行上的像素位置的红色子像素。
如右图所示，在第一发射帧的第二子帧期间，红色LED 410被关闭，绿色LED 420和蓝色LED 430被开启。从绿色LED 420发射的光被投射到图像场530的第n-1行。第n-1行与第n行相邻，红色LED 410在第一子帧期间将光投射到第n行上。从蓝色LED 430发射的光被投射到图像场530的第n-2行。
图7B示出根据一个实施例，在第一发射帧之后的第二发射帧期间，光投射到图像场530上。反射镜520重定向从阵列400发射的光，使得从红色LED 410、绿色LED 420和蓝色LED 430发射的光投射到与图7A相比偏移一行的行上。如左图所示，在第二发射帧的第一子帧期间，来自阵列400上的红色LED 410的光被投射到第n+1行上，其中红色LED 410对应于第n+1行上的像素位置的红色子像素。如右图所示，来自绿色LED 420的光投射到第n行，而来自蓝色LED 430的光投射到第n-1行。从绿色LED 420发射的光对应于第n行上的像素位置的绿色子像素，且从蓝色LED 430发射的光对应于第n-1行上的像素位置的蓝色子像素。
图7C示出了在第三发射帧期间光在图像场530上的投射。如左图所示，在第三发射帧的第一子帧期间，来自红色LED 410的光被投射到第n+2行上。在第三发射帧的第二子帧期间，来自绿色LED 420的光被投射到第n+1行，来自蓝色LED 430的光被投射到第n行。
因为每个发射帧持续很短的时间(例如345ns)，所以当从一个发射帧发射到下一个发射帧的光对于人眼来说是不可区分的。在图7A-7C所示的三个连续发射帧上，从红色LED 410、绿色LED 420和蓝色LED 430发射的光被投射到第n行上。在第一发射帧的第一子帧期间从红色LED 410发射的光、在第二发射帧的第二子帧期间从绿色LED 420发射的光以及在第三发射帧的第二子帧期间从蓝色LED 430发射的光作为图像场的第n行上的一行像素出现。尽管不同颜色的光在不同的时间被投射，但是由于人眼对光的模糊和空间整合，每个像素表现为单一颜色，而不是三个不同的子像素，每个子像素呈现在不同的发射帧中。
尽管未示出，在图7A-7C所示的三个发射帧之后的第四发射帧中，来自红色LED410的光在第一子帧期间投射到第n+3行，来自绿色LED 420的光在第二子帧期间投射到第n+2行，而来自蓝色LED 430的光在第二子帧期间投射到第n+1行。在第二发射帧的第一子帧期间从红色LED 410发射的光、在第三发射帧的第二子帧期间从绿色LED 420发射的光以及在第四发射帧的第二子帧期间从蓝色LED 430发射的光作为第n+1行上的一行像素出现。
图8A-8C是示出根据实施例的具有三个子帧A’、B’、C’的发射帧中LED将光投射到其上的行的概念图。图8A示出了在第一发射帧期间光在图像场530上的投射。第一发射帧被分成三个子帧A’、B’、C’，并且在每个子帧期间，不同行的LED被开启以发射光。如左图所示，红色LED 410在第一发射帧的第一子帧期间被开启，并被投射到第n行，而绿色LED 420和蓝色LED 430被关闭。如中间图所示，绿色LED 420在第一发射帧的第二子帧期间被开启，并被投射到第n-1行，而红色LED 410和蓝色LED 430被关闭。如右图所示，蓝色LED 430在发射帧的第三子帧期间被开启，并被投射到第n-2行，而红色LED 410和绿色LED 420被关闭。
图8B示出了紧接在第一发射帧之后的第二发射帧期间光在图像场530上的投射。反射镜520重定向从阵列400发射的光，使得从红色LED 410、绿色LED 420和蓝色LED 430发射的光投射到与图7A相比偏移一行的行上。如左图所示，红色LED 410在第二发射帧的第一子帧期间被开启，并被投射到第n+1行，而绿色LED 420和蓝色LED 430被关闭。如中间图所示，绿色LED 420在第二发射帧的第二子帧期间被开启，并被投射到第n行，而红色LED 410和蓝色LED 430被关闭。如右图所示，蓝色LED 430在第二发射帧的第三子帧期间被开启，并被投射到第n-1行，而红色LED 410和绿色LED 420被关闭。
图8C示出了紧接在第二发射帧之后的第三发射帧期间光在图像场530上的投射。如左图所示，红色LED 410在第三发射帧的第一子帧期间被开启，并被投射到第n+2行，而绿色LED 420和蓝色LED 430被关闭。如中间图所示，绿色LED 420在第三发射帧的第二子帧期间被开启，并被投射到第n+1行，而红色LED 410和蓝色LED 430被关闭。如右图所示，蓝色LED 430在第三发射帧的第三子帧期间被开启，并被投射到第n行，而红色LED 410和绿色LED 420被关闭。
在第一发射帧的第一子帧期间从红色LED 410发射的光、在第二子帧的第二子帧期间从绿色LED 420发射的光以及在第三子帧的第三子帧期间从蓝色LED 430发射的光在图像场的第n行上显示为一行像素。
操作显示设备的示例方法
图9是描绘根据实施例的操作显示设备的过程的流程图。显示设备被配置为在发射帧的第一子帧期间操作910第一颜色的第一LED，以从第一LED发射光。显示设备被配置成将从第一LED发射的光引导920到图像场的多个像素位置上。从第一LED发射的光可以被引导到旋转反射镜，该旋转反射镜将光投射到多个像素位置上。多个像素位置可以对应于图像场上的一行像素。当第一LED在第一子帧期间发射光时，显示设备被配置为在发射帧的第一子帧期间禁用930第二颜色的第二LED。
显示设备被配置为在发射帧的第二子帧期间操作940第二LED。显示设备被配置成将从第二LED发射的光引导950到图像场的多个像素位置上。当第二LED在第二子帧期间发射光时，显示设备被配置为在发射帧的第二子帧期间禁用960第一LED。
在一些实施例中，显示设备包括第三颜色的第三LED。显示设备可以在发射的第二子帧期间操作第三LED，使得第二LED和第三LED在第二子帧期间发射光。
在其他实施例中，显示设备可以在发射帧的第三子帧期间操作第三LED。显示设备可以被配置为在第三子帧期间禁用第一LED和第二LED，同时第三LED发光。
在一些实施例中，第一LED沿着阵列的第一行布置，第二LED沿着平行于第一行的第二行布置在第一行的一侧，以及第三LED沿着平行于第一行和第二行的第三行布置在第一行的相反侧。
在说明书中使用的语言主要出于可读性和指导性的目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制发明的主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开意图对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (20)

1.一种显示设备，包括：
多个第一发光二极管(LED)，其被配置为至少将第一颜色的光发射到图像场上的对应的多个像素位置上；
多个第二LED，其被配置为至少将第二颜色的光发射到所述图像场上的所述多个像素位置上；和
控制器，其被配置为：
在发射帧的第一子帧期间操作所述第一LED并禁用所述第二LED，以及
在所述发射帧的第二子帧期间，操作所述第二LED并禁用所述第一LED。
2.根据权利要求1所述的显示设备，还包括与所述第一LED和所述第二LED分离的反射镜，所述反射镜被操作来：
在所述发射帧中的一个发射帧的第一子帧期间，将来自所述第一LED的光反射到所述多个像素位置上，以及
在所述发射帧中的另一个发射帧的第二子帧期间，将来自所述第二LED的光反射到所述多个像素位置上。
3.根据权利要求2所述的显示设备，其中所述多个像素位置是所述图像场中的一行像素位置。
4.根据权利要求3所述的显示设备，还包括：
多个第三LED，其被配置为将第三颜色的光发射到所述多个像素位置上，
其中所述第一LED沿着第一行对齐，所述第二LED沿着平行于所述第一行的第二行在所述第一行的一侧对齐，以及所述第三LED沿着与所述第一行和所述第二行平行的第三行在所述第一行的相反侧对齐。
5.根据权利要求4所述的显示设备，其中，所述第三LED在所述第一子帧期间由所述控制器操作，并且在所述第二子帧期间由所述控制器禁用。
6.根据权利要求5所述的显示设备，其中所述第一行与所述第二行相距第一距离，并且所述第一行与所述第三行相距第二距离，并且其中所述第一距离是所述第二距离的(n+1/2)倍，其中n是0或大于0的整数。
7.根据权利要求4所述的显示设备，其中，所述第三LED由所述控制器在第三子帧期间操作，并且在所述第一子帧和所述第二子帧期间被禁用。
8.根据权利要求7所述的显示设备，其中所述第一行与所述第二行相距第一距离，并且所述第一行与所述第三行相距第二距离，并且其中所述第一距离等于所述第二距离。
9.一种方法，包括：
在发射帧的第一子帧期间操作第一颜色的第一LED，以从所述第一LED发射光；
将从所述第一LED发射的光引导到图像场的多个像素位置上；
在所述发射帧的所述第一子帧期间禁用第二颜色的第二LED
在所述发射帧的第二子帧期间操作所述第二LED，以从所述第二LED发射光；
将从所述第二LED发射的光引导到所述图像场的所述多个像素位置上；和
在所述发射帧的所述第二子帧期间禁用所述第一LED。
10.根据权利要求9所述的方法，其中引导来自所述第一LED的光包括在所述发射帧中的一个发射帧的第一子帧期间通过反射镜将来自所述第一LED的光反射到所述多个像素位置上，以及
其中引导来自所述第二LED的光包括在所述发射帧中的另一个发射帧的第二子帧期间通过所述反射镜将来自所述第二LED的光反射到所述多个像素位置上。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个像素位置是所述图像场中的一行像素位置。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
操作多个第三LED以从所述第三LED发射光，其中所述第一LED沿着第一行对齐，所述第二LED在所述第一行的一侧沿着平行于所述第一行的第二行对齐，且所述第三LED在所述第一行的相反侧沿着平行于所述第一行和所述第二行的第三行对齐。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述控制器在所述发射帧的第一子帧期间操作所述第三LED，并且在所述发射帧的第二子帧期间禁用所述第三LED。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一行与所述第二行相距第一距离，并且所述第一行与所述第三行相距第二距离，并且其中所述第一距离等于所述第二距离的(n+1/2)倍，其中n是0或大于0的整数。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第三LED在第三子帧期间被操作，并且在所述第一子帧和所述第二子帧期间被禁用。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一行与所述第二行相距第一距离，并且所述第一行与所述第三行相距第二距离，并且其中所述第一距离等于所述第二距离。
17.一种LED阵列，包括：
多个第一LED，其沿着第一行排列，并被配置为将第一颜色的光发射到图像场上的多个像素位置上；
多个第二LED，其沿着在所述第一行的一侧并与所述第一行隔开第一距离的第二行布置，所述第二LED被配置为将第二颜色的光发射到所述图像场上的所述多个像素位置上；和
多个第三LED，其沿着在所述第一行的另一侧并与所述第一行隔开第二距离的第三行布置，所述第三LED被配置为将第三颜色的光发射到所述图像场上的所述多个像素位置上，所述第一距离对应于所述第二距离的(n+1/2)倍，其中n是0或大于0的整数。
18.根据权利要求17所述的LED阵列，其中所述第二LED和所述第三LED被配置为在发射帧的第一子帧期间当所述第一LED被禁用时被操作。
19.根据权利要求18所述的LED阵列，其中所述第一LED被配置为在发射帧的第二子帧期间当所述第二LED和所述第三LED被禁用时被操作。
20.根据权利要求17所述的LED阵列，其中从所述第一LED、所述第二LED和所述第三LED发射的光从反射镜反射到所述多个像素位置上。
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