TW201509183A - 灰階控制方法及光學投影系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種灰階控制方法，於一總期間輸出一總灰階，包括：將該總期間分割為M個單位期間；使每一單位期間選擇性地輸出一0灰階或一選定的灰階；將該M個單位期間所輸出的灰階積分出該總灰階，其中在該M個單位期間中的連續的N個單位期間中該選定的灰階為一第一灰階，在該連續的N個單位期間以外的(M-N)個單位期間中該選定的灰階低於該第一灰階。

Description

灰階控制方法及光學投影系統

本發明係有關於一種灰階控制方法及光學投影系統，且特別有關於能夠有效利用光調製器的頻寬、提昇總亮度、降低光源切換頻率的灰階控制方法及光學投影系統。

投影機中有一種利用脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)的方式來控制光調製器(例如，數位微鏡裝置，Digital Micromirror Device)的切換次數，藉以形成投影影像的灰階的技術。由於裸視立體投影機是目前投影機發展的重要方向，當裸視立體投影機利用多光源並以時間分割的方式來輸出不同視域畫面時，在同一顯示週期內要顯示的視域數目會與投影機中的光調製器的切換頻率成正比。然而，光調製器(例如，數位微鏡裝置)的切換頻率會有物理上的極限，進而會限制最大的視域數目。

為了更有效利用光調製器的有限頻寬，可進一步搭配以脈衝寬度調變或脈衝振幅調變(Pulse Amplitude Modulation，PAM)的方式調變光源亮度的技術，來降低光調製器輸出每一灰階所需的切換次數。然而，此方法係使光源配合光調製器的開關時間來改變亮度，所以會降低總亮度。再 者，快速切換光源實質上也有其物理上的極限。

有鑑於此，本發明係提出一種灰階控制方法及光學投影系統，能夠有效利用光調製器的頻寬、提昇總亮度、並且降低光源切換頻率。

本發明提供一種灰階控制方法，於一總期間輸出一總灰階，包括：將該總期間分割為M個單位期間；使每一單位期間選擇性地輸出一0灰階或一選定的灰階；將該M個單位期間所輸出的灰階積分出該總灰階，其中在該M個單位期間中的連續的N個單位期間中該選定的灰階為一第一灰階，在該連續的N個單位期間以外的(M-N)個單位期間中該選定的灰階低於該第一灰階。

上述灰階控制方法中，該連續的N個單位期間以外的(M-N)個單位期間所輸出的灰階可積分出小於該第一灰階的任意灰階。

上述灰階控制方法中，N與M的比值係60%以上。例如，M等於19，N等於15，該第一灰階為16灰階，該低於該第一灰階的灰階包括8灰階、4灰階、2灰階、1灰階。

上述灰階控制方法中，該0灰階或該選定的灰階係對應一光源可提供之亮度，該0灰階係對應到該光源全暗且該第一灰階係對應到該光源最大之亮度。

上述灰階控制方法中，該光源為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation)光源，而每個單位期間所輸出的灰階係對應到該脈衝寬度調變光源的點亮次數。或是光源為脈衝 寬度調變光源或脈衝振幅調變(Pulse Amplitude Modulation)光源，該總期間係同步於該光源一次開關所產生的亮度變化波形的週期。

上述灰階控制方法中，該連續的N個單位期間係等於該亮度變化波形中最大亮度的期間，該連續的N個單位期間以外的(M-N)個單位期間係分布於該亮度變化波形中亮度遞增或遞減的期間。

上述灰階控制方法，更包括：根據該亮度變化波形的變動調整該總期間長度或該M個單位期間的分布，或者是根據該M個單位期間的分布調整該光源的該亮度變化波形。

本發明也提供一種光學投影系統，包括：一光源；一光源驅動器，驅動該光源用以改變該光源的亮度；一光調製器，選擇性地切換該光源的光是否輸出；以及一控制器，控制該光調製器與該光源驅動器，其中該控制器控制該光調製器的在一總期間內有M個切換期間，且控制該光源驅動器驅動該光源在每一切換期間輸出一選定亮度。該光源在該M個切換期間中連續的N個切換期間的亮度為一第一亮度，該光源在該連續的N個切換期間以外的(M-N)個切換期間的亮度係低於該第一亮度。而該M個切換期間中該光調製器輸出的總亮度係對應一灰階值。

上述光學投影系統中，該連續的N個切換期間以外的(M-N)個切換期間中該光調製器輸出的總亮度係可對應出小於該第一亮度的任意灰階值。

上述光學投影系統中，N與M的比值係60%以上。 例如M等於19，N等於15，該第一亮度對應16灰階，該低於該第一亮度的任意灰階值包括8灰階、4灰階、2灰階、1灰階。

上述光學投影系統中，該第一亮度係該光源的最大亮度。

上述光學投影系統中，該光源為脈衝寬度調變光源，而每個切換期間所輸出的亮度係對應到該脈衝寬度調變光源的點亮次數。或者是該光源為脈衝寬度調變光源或脈衝振幅調變光源，該控制器控制該光調製器與該光源驅動器使該總期間係同步於該光源一次開關所產生的亮度變化波形的週期。

上述光學投影系統中，該連續的N個切換期間係等於該亮度變化波形中最大亮度的期間，該連續的N個單位期間以外的(M-N)個單位期間係分布於該亮度變化波形中亮度遞增或遞減的期間。

上述光學投影系統，更包括：一感測器，感測該光源透過該光調製器之光線的該亮度變化波形。該控制器可根據該感測器所感測的該亮度變化波形的變動控制該光調製器來調整該總期間長度或該M個切換期間的分布。或是該控制器可根據該M個切換期間的分布控制該光源驅動器來調整該光源的該亮度變化波形。

51‧‧‧光源

52‧‧‧光源驅動器

53‧‧‧光調製器

54‧‧‧透鏡組

55‧‧‧控制器

56‧‧‧感測器

第1圖係以調變光調製器的方式來形成灰階的示意圖。

第2圖係以調變光調製器搭配調變光源的方式來型成灰階的示意圖。

第3圖係根據本發明實施例1以調變光調製器搭配調變光源的方式來形成灰階的示意圖。

第4圖係根據本發明實施例2以調變光調製器搭配光源亮度變化波形的方式來形成灰階的示意圖。

第5圖係根據本發明實施例3的光學投影系統的架構圖。

第1圖係以調變光調製器的方式來形成灰階的示意圖。當使用脈衝寬度調變控制光調製器的開關來調製灰階時，傳統方法如第1圖所示，橫軸代表時間，數字編號為光調製器的切換時序；縱軸代表亮度，在第1圖中亮度固定在光源的最大亮度，但根據光調製器的開或關，光調製器可選擇性地切換是否輸出光源的光，因此每次切換的單位期間可輸出0灰階或1灰階。

在第1圖中，輸入一8位元的灰階信號至光調製器，光調製器即必須在一指定的顯示期間內產生256(=2⁸)個灰階中的任意灰階值。而灰階的產生方式就依靠光調製器的255次開或關的組合來達成，由於光調製器每一次開或關可輸出0灰階或1灰階，因此在255次開關後光調製器可輸出總和為0灰階至255灰階中的任意灰階。例如，光調製器連續開啟255次即為255灰階，光調製器連續關閉255次即為0灰階。也就是說，要顯示幾個灰階就開啟光調製器幾次。

在這個灰階形成方法下，最大灰階數等於光調製器的切換次數，因此當投影機的最大灰階數要求越高(例如，要產生1024個灰階)或是投影機要顯示的視域數目越多(例 如，要顯示2個以上的視域)，光調製器就必須在有限的時間內負擔更多的切換次數，但光調製器的切換頻率有其物理極限。

第2圖係以調變光調製器搭配調變光源的方式來型成灰階的示意圖。當使用光調製器的開關與光源亮度的變化來調製灰階時，傳統方法如第2圖所示，橫軸代表時間，數字編號為光調製器的切換時序；縱軸代表亮度，在第2圖中光源亮度會配合光調製器的切換時序而改變。在此，光源的亮度配合光調製器的8次切換時序，在8個單位期間中分別輸出亮度比為128：64：32：16：8：4：2：1的亮度。根據光調製器的開或關，光調製器可選擇性地切換是否輸出光源的光，因此第1個單位期間可輸出0灰階或128灰階；第2個單位期間可輸出0灰階或64灰階；依此類推。因此每一單位期間的矩形上方的數字為該單位期間可輸出的0灰階以外的灰階。

在第2圖中，藉由光調製器的調變搭配光源的調變，可同樣顯示出256個灰階中的任意灰階值。例如，137灰階為光調製器在第1、5、8個單位期間，在第2、3、4、6、7個單位期間關閉，因此共輸出128灰階、8灰階、1灰階，合計共137灰階。

相比於第1圖的灰階形成方法，使用第2圖的方法輸出同樣的灰階總數僅需要8次光調製器的切換，因此光調製器輸出一灰階值的所佔資料量會降低至第1圖的1/32(=8/256)，有效地利用光調製器有限的頻寬。然而，對光源來說，光源僅在第1個單位期間輸出最大亮度，後續每個單位期間的亮度遞減。因此，最大灰階的總亮度降至光源可輸出的最大總 亮度的約25%(=(128+64+32+16+8+4+2+1)/128×8)。亮度大幅降低為這個灰階形成方法的最大缺點。再者，光源亮度的調變可用脈衝寬度調變或脈衝振幅調變的方式來達成，若光源也是用脈衝寬度調變的光源，則光源至少在單位期間內點亮或關閉128次，產生128：1的最大與最小亮度比。換言之，光源的切換頻率必須在光調製器的切換頻率的128倍以上。但快速切換光源實質上也有其物理上的極限，並不容易實行。

第3圖係根據本發明實施例1以調變光調製器搭配調變光源的方式來形成灰階的示意圖。本實施例中光源亮度同樣會配合光調製器的切換時序而改變。在此，光源的亮度配合光調製器的19次切換時序，在19個單位期間中分別輸出亮度比為16：16：16：16：…：16：16：16：8：4：2：1的亮度。也就是說，各單位期間可輸出的灰階如該單位期間的矩形上方的數字所示，第1至第15個單位期間可輸出0灰階或16灰階；第16個單位期間可輸出0灰階或8灰階；第17個單位期間可輸出0灰階或4灰階；第18個單位期間可輸出0灰階或2灰階；第19個單位期間可輸出0灰階或1灰階。

在第3圖中，藉由光調製器的調變搭配光源的調變，也同樣可顯示出256個灰階中的任意灰階值。例如，137灰階為光調製器在第1至15個單位期間中的任意8個單位期間以及第16、19單位期間開啟，其餘單位期間關閉，因此共輸出8個16灰階、1個8灰階、1個1灰階，合計共137灰階。

雖然本實施中的光調製器的切換次數為19次，相比於第2圖的8次略為增加，但相對於第1圖的255次仍是大幅地 減少。然而，本實施例由於光源可在第1至15個單位期間輸出最大亮度，只有最後4次輸出的亮度較低，因此，最大灰階的總亮度僅降至光源可輸出的最大總亮度的約84%(=(16×15+8+4+2+1)/16×19)。相比於第2圖的灰階形成方法，灰階亮度有顯著地提昇。再者，若光源是用脈衝寬度調變的光源，則光源至少在單位期間內點亮或關閉16次，產生16：1的最大與最小亮度比。換言之，光源的切換頻率必須在光調製器的切換頻率的16倍以上。相比於第2圖的灰階形成方法，光源的切換頻率也大幅地下降，提高實作的可能。

然而，上述的光調製器的切換次數與光源亮度的組合僅為一個例子，實際上有更多種可能的組合方式。而本發明的概念在於增加光源在單位期間輸出最大亮度的次數，舉例來說，光源輸出最大亮度的單位期間的數目最好在總單位期間數目的60%以上。如此一來，可在降低光調製器的資料頻寬與提高整體亮度之間取得平衡。

接著，本發明實施例2將說明另一種可能的灰階形成方法。由於調變光源亮度的反應時間決定於光源本身的特性以及光源驅動器，故光源的切換速度不一定能比光調製器的切換速度快。若光源驅動器一次開關(一個脈波)驅動光源時光源的反應期間長於光調製器的單位期間，則光源來不及在每個單位期間調整亮度，這樣一來，上述實施例1的灰階形成方法即無法適用。

第4圖係根據本發明實施例2以調變光調製器搭配光源亮度變化波形的方式來形成灰階的示意圖。在第4圖中， 近似梯形的曲線表示光源一次開關時所產生的亮度變化波形，因此在一個光源亮度變化的週期內，光源亮度會先從0遞增，接著維持在亮度最大值一段時間後，再遞減至0。而本實施例則將此光源亮度變化的週期做為產生一個加總的灰階的總期間，在此總期間內劃分複數個單位期間，並根據這個亮度變化波形，分配每個單位期間所輸出的灰階。以第4圖的例子來說，一個光源亮度變化的週期有21個單位期間，每個單位期間能輸出的0灰階以外的灰階會對應到該單位期間內的亮度積分，而依序輸出2、8、13、16、16、16、…、16、16、14、10、8、4、1灰階。換言之，在第4至16個單位期間，光源輸出的最大亮度，第1至3個單位期間及第17至21個單位期間光源輸出較低的亮度。

在這個實施例的灰階形成方法下，無論是脈衝寬度調變光源或脈衝振幅調變光源，光源需要的切換頻率可降低至光調製器的切換頻率的1/21倍，比起高速的光源切換頻率更容易實施。當然，上述的亮度變化波形與光調製器的調製灰階的單位期間總數僅為一範例，實際上可有無數種組合的變化。

然而，光源的亮度變化波形並不會總是不變，因為製造或使用環境等因素，亮度變化波形可能會有所變動，因此本發明所提出的概念可進一步根據新的亮度變化波形來調整光調製器加總出一個灰階的總期間長度及每個單位期間所輸出的灰階的分布。另一方面，本發明也可以反過來，設定出一個灰階的總期間長度及每個單位期間所輸出的灰階的分布，以脈衝寬度調變或脈衝振幅調變的方式調整光源的亮度變 化波形來配合。

以下將說明實行實施例1與2的灰階控制方法的系統架構。第5圖係根據本發明實施例3的光學投影系統的架構圖。如第5圖所示，光學投影系統的基本構成要素包括光源51、光源驅動器52、光調製器53、透鏡組54、控制器55、感測器56。

光源51為脈衝寬度調變光源或脈衝振幅調變光源，受到光源驅動器52的驅動而改變照射的亮度。光調製器53選擇性地切換是否將光源51的光線輸出。當光調製器53切換至開，光源51的光線可透過光調製器53照射至透鏡組54後成像；當光調製器53切換至關，光源51的光線朝向感測器56照射。控制器55則是用來控制該光調製器53與光驅動器52，使光調製器53每次切換的單位期間與光源亮度變化期間同步。

當此光學投影系統實行前述實施例1的灰階控制方法時，感測器56可以省略。但當此光學投影系統實行前述實施例2的灰階控制方法時，因為必須考量到光源的亮度變化波形可能會產生變動，所以感測器56是不可或缺的。也就是說，感測器56是用來感測出光源51輸出的光源亮度變化波形，並將感測到的波形資訊回傳至控制器55。控制器55可以如前所述，根據光源亮度變化波形，控制光調製器53來加總出一個灰階的總期間長度及每個單位期間所輸出的灰階的分布，或者是根據控制器55預設一個灰階的總期間長度及每個單位期間所輸出的灰階的分布，調整光源驅動器52輸出的脈波來改變光源的亮度變化波形。

根據以上各實施例所述灰階控制方法或光學投影 系統，本發明能夠有效利用光調製器的頻寬以利用於需要更多視域的裸視立體投影機中，並且能提昇灰階對應的亮度、以及降低光源切換頻率。

雖本發明以上述實施例來說明，但並不限於此。更進一步地說，在熟習該領域技藝人士不脫離本發明的概念與同等範疇之下，申請專利範圍必須廣泛地解釋以包括本發明實施例及其他變形。

Claims (20)

1. 一種灰階控制方法，於一總期間輸出一總灰階，包括：將該總期間分割為M個單位期間；使每一單位期間選擇性地輸出一0灰階或一選定的灰階；以及將M個單位期間所輸出的灰階積分出該總灰階，其中在該M個單位期間中的連續的N個單位期間中該選定的灰階為一第一灰階，在該連續的N個單位期間以外的(M-N)個單位期間中該選定的灰階低於該第一灰階。
2. 如申請專利範圍第1項所述之灰階控制方法，其中該連續的N個單位期間以外的(M-N)個單位期間所輸出的灰階可積分出小於該第一灰階的任意灰階。
3. 如申請專利範圍第1項所述之灰階控制方法，其中N與M的比值係60%以上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之灰階控制方法，其中M等於19，N等於15，該第一灰階為16灰階，該低於該第一灰階的灰階包括8灰階、4灰階、2灰階、1灰階。
5. 如申請專利範圍第1項所述之灰階控制方法，其中該0灰階或該選定的灰階係對應一光源可提供之亮度，該0灰階係對應到該光源全暗且該第一灰階係對應到該光源最大之亮度。
6. 如申請專利範圍第5項所述之灰階控制方法，其中該光源為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation)光源，而 每個單位期間所輸出的灰階係對應到該脈衝寬度調變光源的點亮次數。
7. 如申請專利範圍第5項所述之灰階控制方法，其中該光源為脈衝寬度調變光源或脈衝振幅調變(Pulse Amplitude Modulation)光源，該總期間係同步於該光源一次開關所產生的亮度變化波形的週期。
8. 如申請專利範圍第7項所述之灰階控制方法，其中該連續的N個單位期間係等於該亮度變化波形中最大亮度的期間，該連續的N個單位期間以外的(M-N)個單位期間係分布於該亮度變化波形中亮度遞增或遞減的期間。
9. 如申請專利範圍第7項所述之灰階控制方法，更包括：根據該亮度變化波形的變動調整該總期間長度或該M個單位期間的分布。
10. 如申請專利範圍第7項所述之灰階控制方法，更包括：根據該M個單位期間的分布調整該光源的該亮度變化波形。
11. 一種光學投影系統，包括：一光源；一光源驅動器，驅動該光源用以改變該光源的亮度；一光調製器，選擇性地切換該光源的光是否輸出；以及一控制器，控制該光調製器與該光源驅動器，其中該控制器控制該光調製器的在一總期間內有M個 切換期間，且控制該光源驅動器驅動該光源在每一切換期間輸出一選定亮度，其中該光源在該M個切換期間中連續的N個切換期間的亮度為一第一亮度，該光源在該連續的N個切換期間以外的(M-N)個切換期間的亮度係低於該第一亮度，其中該M個切換期間中該光調製器輸出的總亮度係對應一灰階值。
12. 如申請專利範圍第11項所述之光學投影系統，其中該連續的N個切換期間以外的(M-N)個切換期間中該光調製器輸出的總亮度係可對應出小於該第一亮度的任意灰階值。
13. 如申請專利範圍第11項所述之光學投影系統，其中N與M的比值係60%以上。
14. 如申請專利範圍第11項所述之光學投影系統，其中M等於19，N等於15，該第一亮度對應16灰階，該低於該第一亮度的任意灰階值包括8灰階、4灰階、2灰階、1灰階。
15. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影系統，其中該第一亮度係該光源的最大亮度。
16. 如申請專利範圍第15項所述之光學投影系統，其中該光源為脈衝寬度調變光源，而每個切換期間所輸出的亮度係對應到該脈衝寬度調變光源的點亮次數。
17. 如申請專利範圍第15項所述之光學投影系統，其中該光源為脈衝寬度調變光源或脈衝振幅調變光源，該控制器控制該光調製器與該光源驅動器使該總期間係同步於該 光源一次開關所產生的亮度變化波形的週期。
18. 如申請專利範圍第17項所述之光學投影系統，其中該連續的N個切換期間係等於該亮度變化波形中最大亮度的期間，該連續的N個單位期間以外的(M-N)個單位期間係分布於該亮度變化波形中亮度遞增或遞減的期間。
19. 如申請專利範圍第17項所述之光學投影系統，更包括：一感測器，感測該光源透過該光調製器之光線的該亮度變化波形，其中該控制器根據該感測器所感測的該亮度變化波形的變動控制該光調製器來調整該總期間長度或該M個切換期間的分布。
20. 如申請專利範圍第17項所述之光學投影系統，更包括：一感測器，感測該光源透過該光調製器之光線的該亮度變化波形，其中該控制器根據該M個切換期間的分布控制該光源驅動器來調整該光源的該亮度變化波形。