專利名稱：用快速響應光源增大色深調(diào)制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實施例一般涉及空間光調(diào)制器裝置，更具體而言，涉及一種顯 示系統(tǒng)和方法，其使用一個或者多個快速響應光源和一個或者多個空間光 調(diào)制器裝置來調(diào)制光。
背景技術(shù)：
空間光調(diào)制器(SLM)裝置在光信息處理、投影顯示、視頻和圖形監(jiān) 視器、三維可視顯示、全息存儲、顯微鏡、光譜儀、醫(yī)學成像和電子照相 印刷領(lǐng)域有許多應用。微鏡裝置(MMD)是SLM裝置的一個示例。MMD顯示器通常包括 鏡子陣列，其中可以將每個鏡子電氣地控制成具有兩個位置——"開通" 狀態(tài)和"關(guān)閉"狀態(tài)。處于開通狀態(tài)的鏡子將入射到投影鏡頭的光反射到 屏幕而形成圖像。處于關(guān)閉狀態(tài)的鏡子將入射光反射到束收集器 (dump)，而不將入射光反射到投影鏡頭。可以通過控制圖像幀期間鏡子處于開通狀態(tài)和處于關(guān)閉狀態(tài)的時間來 產(chǎn)生MMD顯示器的亮度或者強度。脈寬調(diào)制(PWM)是控制在每個幀期間每個鏡子處于開通狀態(tài)的時間的技術(shù)。圖1是二進制加權(quán)PWM方案一個示例的比特塊(bit-block)示意 圖，該方案通過將幀分成八個二進制加權(quán)時間段(B7-B0)來控制幀的光 強度。每塊的長度表示該比特在SLM (諸如MMD顯示器的鏡子)上維持 (assert)的時間量。與塊B0對應的時間段的長度還稱為最低比特 (LSB)，并設(shè)定為預定值。與Bl對應的時間段長度，即下一個有效比 特，是與LSB對應的長度的兩倍。與B2對應的時間段長度是與Bl對應 的長度的兩倍，以此類推。因而，與B7對應的時間段的長度(還稱為最 高比特(MSB))是LSB時間長度的128倍。這樣，從零強度或者全黑(其中MMD顯示器中的鏡子在整個幀時間保持處于關(guān)閉狀態(tài))到全強度或者全亮(其中MMD顯示器中的鏡子在整個幀時間保持開通狀態(tài))總共 有256個可能的強度級。美國專利6,326,980和美國專利6,151,011公開了 其它PWM方案，每個專利的全部內(nèi)容通過引用而包含于此。MMD顯示器通常具有信號對光的線性響應，而陰極射線管(CRT) 顯示器具有信號對光的非線性響應一CRT顯示器的涂有熒光粉的屏幕不會 與電壓成線性地響應。使用了校正因子gamma的功能用來補償CRT非線 性的信號對光響應?，F(xiàn)存的視頻信號通常設(shè)置有已經(jīng)對其應用的gamma校 正。因而，MMD顯示器通常要求在顯示之前從輸入信號除去或者撤消 gamma校正以模擬CRT響應。圖2是對于具有8比特輸出分辨率的MMD，理論gamma曲線20和 調(diào)制后的gamma曲線21的最初40個輸入的曲線圖。MMD顯示器理論上 具有與256個強度水平相關(guān)的256個輸入。然而，對于具有8比特輸出分 辨率的MMD顯示器，其強度以分段的序列22a-d方式變化，使得在低光 強度水平的光強度分辨率較差。在低光強度水平，臺階的大小比較大，因 為PWM方案由于LSB時間而不產(chǎn)生完全成比例的開/關(guān)循環(huán)以控制鏡 子。這些大的臺階強度變化可以由人的眼睛感知到，導致較差的顯示。其 它顯示器會具有類似的問題，但是該問題會在gamma曲線的不同部位中。 例如， 一些LCD顯示器在gamma曲線的中間位置具有臺階大小的問題。因而，需要一種改進的空間光調(diào)制器裝置和操作該裝置以在低光強度 水平改善光強度分辨率的方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施例一般地涉及使用一個或者多個快速響應光源和一個或 者多個空間光調(diào)制器裝置以調(diào)制光的顯示系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明 的實施例涉及使用一個或者多個快速響應光源和一個或者多個空間光調(diào)制 器裝置提高光強度分辨率的顯示系統(tǒng)和方法。在一個實施例中， 一種增大色深的方法包括針對色域的第一時間段從 快速響應光源向空間光調(diào)制裝置提供處于全強度的光；以及針對色域的第二時間段從快速響應光源向空間光調(diào)制器裝置提供更小單元的光能。在一個實施例中， 一種控制器適于控制微鏡陣列和快速響應光源?？?制器在微鏡陣列的鏡子上維持第一組比特；控制第一快速響應光源，以在 維持第一組比特的過程中以全強度向鏡子提供入射光；在鏡子上維持第二 組比特；以及控制快速響應光源，以在維持第二組比特的過程中以更小單 元的光能向鏡子提供入射光。在一個實施例中， 一種顯示系統(tǒng)包括一個或者多個空間光調(diào)制器裝 置； 一個或者多個快速響應光源，其導向一個或者多個空間光調(diào)制器裝 置；以及控制器，其連接到一個或者多個快速響應光源以全單元光能模式 或者更小單元的光能模式操作一個或者多個快速響應光源。


以以上所述的本發(fā)明的特征可以得到詳細理解的方式，參照實施例對 以上簡要概括的本發(fā)明進行更具體的描述， 一些實施例圖示在附圖中。然 而，還要注意附圖僅僅圖示本發(fā)明的典型的實施例，因而不能認為是對本 發(fā)明的限制，因為本發(fā)明可以容許其它相同效果的實施例。圖1是二進制加權(quán)PWM方案的一個示例的比特塊表示。圖2是對于具有8比特輸出分辨率的MMD顯示器，理論gamma曲線 和調(diào)制gamma曲線的曲線3是包括快速響應光源和單個微鏡陣列的MMD顯示系統(tǒng)的一個實 施例的示意圖。圖4是包括三個快速響應光源和一個微鏡陣列的MMD顯示系統(tǒng)的一 個實施例的示意圖。圖5是包括快速響應光源和三個微鏡陣列的MMD顯示系統(tǒng)的一個實 施例的示意圖。圖6是包括三個快速響應光源和三個微鏡陣列的MMD顯示系統(tǒng)的另 一實施例的示意圖。圖7的時間圖表示在具有濾色器輪的MMD顯示系統(tǒng)中被分成色域的 視頻幀的一個實施例。圖8的時間圖表示在沒有濾色器輪的MMD中分成色域的幀的一個實 施例。圖9的時間圖概念性圖示了針對每個顏色具有單獨的微鏡陣列的 MMD顯示器中如何控制幀。圖10是圖示了用于控制色域和快速響應光源的調(diào)制序列的一個示例 的圖。圖11A是通過使快速響應光源脈動關(guān)閉來從快速響應光源提供更小單 元光能的一個示例的時間圖。圖11B是通過降低快速響應光源的強度來從快速響應光源提供更小單 元的光能的 一個示例的時間圖。圖12是進一步分成多個子比特的子比特段的一個實施例的比特塊表圖13是MMD顯示器中，理論gamma曲線和調(diào)制gamma曲線的曲線 圖，該顯示器中以子比特方式對光強度進行調(diào)制，改善了臺階大小問題。 圖14是用于控制色域和快速響應光源的調(diào)制序列的另一實施例的圖。
具體實施方式
如此處使用，術(shù)語"快速響應光源"包括激光器、發(fā)光二極管、超高 性能燈或者對于改變光強度具有快速響應時間的任何其它光源。可以使用 從全強度改變到低強度或者從全強度改變到關(guān)閉的任何快速響應光源以有 利于本發(fā)明。適合的LED的示例可從位于德國慕尼黑的OSRAM購得。圖3是MMD顯示系統(tǒng)30—個實施例的示意圖，該系統(tǒng)包括快速響應 光源31和單個微鏡陣列33。快速響應光源31布置成使來自快速響應光源 的光束被導向為穿過旋轉(zhuǎn)濾色器輪32，旋轉(zhuǎn)濾色器輪32具有一個或者多 個紅色、綠色和藍色部分。濾色器輪32還可以具有白色或者透明部分以 增大所顯示的白光量。紅色、綠色、藍色光和白光視情況然后照射到微鏡 陣列33上。 一個或者多個控制器34連接到快速響應光源31、濾色器32 和微鏡陣列33以使從快速響應光源31發(fā)射的光的強度與旋轉(zhuǎn)濾色器輪32的速率和微鏡陣列33的狀態(tài)同步。微鏡陣列33布置成將光的像素偏轉(zhuǎn)成 離開投影鏡頭35或者穿過投影鏡頭35到顯示屏幕36上。圖4是MMD顯示系統(tǒng)50 —個實施例的示意圖，該系統(tǒng)包括三個快速 響應光源51a、 51b、 51c和一個微鏡陣列52?？焖夙憫庠?1a、 51b、 51c分別向微鏡陣列52上提供紅光、綠光和藍光。 一個或者多個控制器53 連接到快速響應光源51a-c和微鏡陣列52以將來自快速響應光源51a-c的 光的強度與微鏡陣列52的狀態(tài)協(xié)調(diào)。微鏡陣列52將光的像素偏轉(zhuǎn)成離開 投影鏡頭54或者穿過投影鏡頭54到顯示屏幕55上。圖5是MMD顯示系統(tǒng)40 —個實施例的示意圖，該系統(tǒng)包括快速響應 光源41和三個微鏡陣列43a、 43b、 43c?？焖夙憫庠?1布置成使來自 快速響應光源的光束被導向穿過棱鏡42。在其它實施例中，可以使用一個 或者多個鏡子和/或其它光學系統(tǒng)來代替棱鏡或者與棱鏡相結(jié)合。棱鏡42 將光分成紅光、綠光和藍光，每個光導向到相應的微鏡陣列43a、 43b、 43c。 一個或者多個控制器44連接到快速響應光源41和微鏡陣列43a-c以 將來自快速響應光源41的光的強度與微鏡陣列43的狀態(tài)相協(xié)調(diào)。微鏡陣 列43a-c布置成將光的像素偏轉(zhuǎn)成離開投影鏡頭45或者穿過投影鏡頭45 到顯示屏幕46上。圖6是MMD顯示系統(tǒng)60另一個實施例的示意圖，該系統(tǒng)包括三個快 速響應光源61a-c和三個微鏡陣列62a-c?？焖夙憫庠?1a-c分別向微鏡 陣列62a-c上提供紅光、綠光和藍光。 一個或者多個控制器63連接到快速 響應光源61a-c和微鏡陣列62a-c以將來自快速響應光源61a-c的光的強度 與微鏡陣列62a-c的狀態(tài)相協(xié)調(diào)。微鏡陣列62a-c將光的像素偏轉(zhuǎn)成離開投 影鏡頭64或者穿過投影鏡頭64到顯示屏幕65上。圖7的時間圖表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在具有濾色器輪的 MMD顯示系統(tǒng)(例如圖3的顯示系統(tǒng))中將幀70分成色域71a-c。對于 以兩倍于幀速率旋轉(zhuǎn)的三段濾色器輪，可以將幀分成6個色域。換言之， 兩個紅色域71a、兩個綠色域71b和兩個藍色域71c?？梢栽诿總€色域之間 設(shè)置空白的間隔72以防止由于每個色輪的輪輻橫貫照射光束而出現(xiàn)顏色 異常。在其它實施例中，可以基于濾色器輪的段的數(shù)量和濾色器輪的旋轉(zhuǎn)速度將幀分成任何數(shù)量或者任何順序的色域。圖8的時間圖表示在沒有濾色器輪的MMD顯示器(諸如圖4的顯示 系統(tǒng))中將幀80分成色域81a-c。如圖8所示，可以將幀分成6個色域一 一兩個紅色域81a、兩個綠色域82b和兩個藍色域83c。注意，在此情況 下，由于沒有采用濾色器輪，所以沒有空白的間隔。在其它實施例中，可 以將幀分成任何數(shù)量或者任何順序的色域，這些色域可以交錯。圖9的時間圖概念性圖示了在諸如圖5和圖6的顯示系統(tǒng)的MMD顯 示器中如何控制幀，這些顯示器中針對每個顏色有單獨的微鏡陣列。由于 針對每個顏色有單獨的微鏡陣列，所以不需要將幀分成單獨的色域。諸如 紅色域86a、綠色域86b和藍色域86c的每個色域可以是相同的幀持續(xù)時 間。僅僅為了舉例說明目的， 一個控制顯示系統(tǒng)的方法是將每個微鏡陣列 (例如圖3-圖6的微鏡陣列)分成32個區(qū)域。例如，每個區(qū)域可以包括 12行512個像素。其它構(gòu)造也是可行的，其中基于任何數(shù)量的部分控制每 個微鏡陣列，還可以將每個部分分成任何數(shù)量的區(qū)域，每個區(qū)域可以包括 任何數(shù)量的行，每行可以包括任何數(shù)量的像素。圖10是用于控制具有32圖像區(qū)域的微鏡陣列部分的色域和控制快速 響應光源的調(diào)制序列90的一個示例的圖，該色域可以是諸如圖7-9中的色 域之一。如圖所示，將色域分成十六個時間片，并以八組來控制三十二個 區(qū)域?？梢詫⑸蛘{(diào)制成一個模六二進制(six-binary)加權(quán)段，十四線性 比特段和被分成任何數(shù)量的子比特時間的一個子比特段91。在其它實施例 中，可以將色域分成任何數(shù)量的多個時間片，并可以以任何數(shù)量的組來控 制這些區(qū)域，可以以二進制加權(quán)段、線性段和子比特段的任何組合方式來 調(diào)制這些時間片。在子比特段91中，從快速響應光源提供更小單元的光 能?？焖夙憫庠刺峁└卧墓饽艿淖颖忍囟蔚募尤朐龃罅苏{(diào)制單元 的數(shù)量，因而提高了色深，因為減小了從一個強度到下一個強度的臺階變化。諸如一個或者多個Tsub—b,t的子比特段可以是任何時間單元，只要整個微鏡陣 列具有適合的子比特狀態(tài)。因而， 一般，Ts^b,t的最小持續(xù)時間是 寫入微鏡陣列的時間。在一個實施例中，通過使快速響應光源脈動關(guān)閉來提供來自快速響應 光源的更小單元的光能。例如，如圖IIA所示，光被脈動關(guān)閉一段時間并 并被脈動開啟到全強度(I) 一段時間，關(guān)閉和開啟的時間都是子比特持續(xù)時間的一半。這樣，可以受到控制的該單元的光能是l/2Tsub.bitXI。可以理解到，快速響應光源可以脈動打開和關(guān)閉任何適合的持續(xù)時間和任何數(shù)量 的脈動。在另一實施例中，如圖IIB所示，此來自快速響應光源的更小單元的 光能通過在子比特期間將光源的強度降低到更低強度(即，全強度(I)的 光的任何一部分)來提供。例如，持續(xù)了子比特的光強度可以以全強度的 一半1/2I來提供。因而，可以受到控制的光能單元是l/2Tsub_bitXI。可以 理解到，可以將快速響應光源的強度降低到任何適合強度?？梢岳斫獾?， 在另一實施例中，此來自快速響應光源的更小單元的光能可以通過將光脈 動打開和關(guān)閉相組合和降低光源的強度的方式來提供。例如，來自快速響 應光源的光可以脈動關(guān)閉達子比特的持續(xù)時間一半，并以1/2全強度 (1/21)的光強度脈動開啟達子比特持續(xù)時間的一半。因而，可以受到控 制的光能單元是l/4Tsub.bltXI。因而，通過將快速響應光源脈動關(guān)閉和開啟和/或者通過降低快速響應 光的強度，技術(shù)人員可以提供任何所需的更小單元的光能?？梢岳斫獾?， 在實際的快速響應光源中，光源的上升和下降時間非零。因而，在子比特 期間能量輸出將等于在那個時間期間光源的總能量(即，光強度的積 分)。因而，在結(jié)合圖IIA和圖IIB描述的兩個示例中，該單元的能量不 會準確地為l/2Tsub-bitXI。參照圖IO的示例，在其它時間片92期間，來自快速響應光源的光以 全強度或者全單元光能模式工作。其它時間片92可以包括至少一個二進 制加權(quán)段93。其它時間片可以包括多個線性比特段94，每個線性比特段 94具有相等的時間長度。二進制加權(quán)段93可以以任何順序布置在各組區(qū) 域之間。如圖所示，各組區(qū)域之間二進制加權(quán)段錯開以降低控制器帶寬。 二進制加權(quán)段內(nèi)的各比特還可以以任何順序布置，并且二進制加權(quán)段內(nèi)的 各比特可以以相同或者不同順序布置在一組圖像區(qū)域內(nèi)。在一個特定實施例中，子比特段91在相同的時間片排序，這是因為 每個區(qū)域共用相同的快速響應光源。在一些實施例中，子比特段91可以分成多個子比特時間。圖12是分成兩個子比特時間101的子比特段100的一個實施例的比特塊表示。例如，圖IO所示的調(diào)制序列90可以調(diào)制為一個模六二進制加權(quán)段、 十四個線性比特段和一個分成兩個子比特時間的子比特段。對于模六二進 制加權(quán)段的時間片(相當于線性比特段的時間片長度)，如果模六二進制 加權(quán)段的最低比特的亮度值為Y，則線性比特的亮度為63Y。在一個實施 例中，通過在子比特段期間將光脈動開啟和關(guān)閉和/或降低強度可以將光源 的強度控制成更小單元的光能(諸如(2/3) *Y的強度)。因而，對于由 兩個子比特時間控制的子比特段，每個子比特時間會為1/3*Y的強度。所 得到的序列具有由來自模n 二進制加權(quán)時間長度的63LSB時間單元(2N-1)、來自m個線性比特段的15個全強度單元(m+l)，以及來自m'個子 比特時間的3個子強度單元(m' + l)構(gòu)成的2835 (63X 15X3)個唯一強 度。相比之下，對于具有模六二進制加權(quán)時間長度和具有15個線性段的 調(diào)制序列，將有1008個唯一的強度(63X16)。通過在子比特段期間控 制更小單元的光能，色深增大了約2.8倍，而對于整個色域的總最大強度 輸出減小小于1/16。每個顏色的色深或者灰階可以隨著色域的總最大強度 輸出的合理減小而增大。隨著在低光強度水平增加這些唯一的強度，對于 gamma曲線，臺階大小和與臺階對應的輸入的數(shù)量減小。為了與圖2比 較，圖13是對于一種MMD顯示器，理論gamma曲線和調(diào)制gamma曲線 的一個示例的曲線圖，所述顯示器中光強度以子比特方式調(diào)制，改善了臺 階大小方面的問題。快速響應光源具有比鏡子切換時間更快的響應時間。 一個通常的鏡子 切換時間是約5微秒或者更小。在一些實施例中，快速響應光源具有3微 秒或者更小的響應時間。當前可獲得的弧光燈不具有足夠的響應時間在鏡 子的切換時間內(nèi)改變強度。在其它實施例中，用于控制色域的調(diào)制序列可以包括多個子比特段。 例如，圖14是具有兩個子比特段llla-b、 一個二進制加權(quán)時間長度112和十三個線性比特段113的調(diào)制序列110的一個實施例的圖。盡管前述針對的是本發(fā)明的實施例，但也可以在不脫離本發(fā)明的基本 范圍的情況下設(shè)計本發(fā)明的其它和進一步的實施例，本發(fā)明的范圍由權(quán)利 要求書確定。例如，此處已經(jīng)結(jié)合圖10和圖14的對準調(diào)制序列來描述本 發(fā)明的實施例。還可以優(yōu)選地以其它調(diào)制序列來使用本發(fā)明的實施例。例如，可以結(jié)合轉(zhuǎn)讓給Texas Instruments的美國專利5,777,589中描述的比特 分割方法使用本發(fā)明實施例。在另一實施例中，本發(fā)明的實施例已經(jīng)結(jié)合 了包括微鏡陣列的SLM來進行描述。還可以在其它SLM裝置(諸如在 LCD裝置中)使用本發(fā)明的實施例。
權(quán)利要求
1.一種增大色深的方法，包括針對色域的第一時間段從快速響應光源向空間光調(diào)制器裝置提供處于全強度的光；以及針對所述色域的第二時間段從所述快速響應光源向所述空間光調(diào)制器裝置提供更小單元的光能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，通過使所述快速響應光源脈動 關(guān)閉來提供所述更小單元的光能。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過降低所述快速響應光源的 強度來提供所述更小單元的光能。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述色域的所述第二時間段包 括多個子比特。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一時間段包括二進制加 權(quán)時間段。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第一時間段還包括多個線 性比特段。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述空間光調(diào)制器裝置包括微 鏡陣列區(qū)域。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一個或者多個快速響應光 源的響應時間是約3微秒或者更小。
9. 一種控制器，其適于控制微鏡陣列和快速響應光源，所述控制器執(zhí) 行包括下述步驟的方法-在所述微鏡陣列的鏡子上維持第一組比特；控制所述快速響應光源，以在所述第一組比特維持的過程中向所述鏡 子提供處于全強度的入射光；在所述鏡子上維持第二組比特；以及控制所述快速響應光源，以在所述第二組比特維持的過程中以更小單 元的光能向所述鏡子提供入射光。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中動關(guān)閉來提供所述更小單元的光能。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中 的強度來提供所述更小單元的光能。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中 個比特。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中 加權(quán)比特組。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中 線性比特。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中 輪，所述方法還包括向所述濾色器輪發(fā)送信號以使在維持所述第一組比特 和維持所述第二組比特的過程中顏色同步。
16. —種顯示系統(tǒng)，包括 一個或者多個空間光調(diào)制器裝置；一個或者多個快速響應光源，其導向所述一個或者多個空間光調(diào)制器 裝置；以及控制器，其連接到所述一個或者多個快速響應光源，以全單元光能模 式或者更小單元的光能模式操作所述一個或者多個快速響應光源。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的顯示系統(tǒng)，其中，所述一個或者多個空間 光調(diào)制器裝置包括一個或者多個微鏡陣列。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的顯示系統(tǒng)，其中，所述一個或者多個快速 響應光源包括一個或者多個激光器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的顯示系統(tǒng)，其中，所述更小單元的光能模 式是通過使所述快速響應光源脈動關(guān)閉來提供的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的顯示系統(tǒng)，其中，所述更小單元的光能模 式是通過降低所述快速響應光源的強度來提供的。，通過使所述快速響應光能脈 ，通過降低所述快速響應光源 ，所述第二組比特包括至少兩 ，所述第一組比特包括二進制 ，所述第一組比特還包括多個 ，所述控制器適于控制濾色器
全文摘要
本發(fā)明的實施例一般地涉及使用一個或者多個快速響應光源和一個或者多個空間光調(diào)制器裝置以調(diào)制光的顯示系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明的實施例涉及使用一個或者多個快速響應光源和一個或者多個空間光調(diào)制器裝置提高光強度分辨率的顯示系統(tǒng)和方法。
文檔編號H04N9/31GK101276052SQ20081008169
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月5日
發(fā)明者威廉·托馬斯·威特赫爾福德 申請人:明銳有限公司