LCoS阵列中的闪烁消减的制作方法

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LCoS阵列中的闪烁消减的制作方法

公知的是,在LCoS设备以数字驱动模式操作时,在LCoS设备中会发生闪烁。通过数字驱动,脉宽调制方案将灰度级编码为一系列二进制脉冲。在该实现方式中,脉宽不会变化而编码通过位序列实现。为了避免LCoS中的电荷迁移,对这些位数施加具有50%占空比的交流电压从而使得平均电压是零而RMS是非零。液晶分子,其具有有限的旋转粘性,响应电压的RMS。由于液晶分子的粘性限制了分子响应快速变化电压的能力,闪烁增加。



技术实现要素:

根据本发明的一个方面,提供了一种方法,用于减少沿液晶基阵列诸如LCoS阵列的轴的像素中出现的闪烁。沿该轴的像素呈现相同的灰度级。根据该方法,选择多个数字数据命令序列来驱动该相同灰度级处的像素。多个数字数据命令序列中的第一个施加至沿该轴的第一像素。多个数字数据命令序列中的第二个施加至沿该轴的第二像素。第二像素与第一像素毗邻。第一和第二数字命令序列引起施加至这两个像素的电压具有相位相反且量值相等的频率分量。

附图简要说明

图1示出了用于获得液晶基阵列各个像素的灰度级的脉宽调制时域方案的简化示例。

图2示出了具有10个时间片序列的帧的示例,其中分配至时间片的导通(ON)状态占用率从100%(针对5个时间片)变化至2%(针对一个时间片)。

图3示出了具有10个时间片序列的帧的另一示例。

图4示出了具有分别沿x和y轴在行和列上延伸的像素的LCoS阵列的平面图。

图5示出了施加至图4的阵列中一个像素的电压随时间的变化(实线)以及施加至相邻像素的电压随时间的变化(虚线)。

图6A和图6B分别是可以和本发明各实施方式结合使用的简化光学装置诸如自由空间WSS的一个示例的顶视图和侧视图。

具体实施方式

介绍——通过LCoS阵列获得灰度级

液晶基阵列诸如硅基液晶(LCoS)阵列中任意给定像素的灰度级可通过控制每帧期间像素处于ON状态的时长来获得。每帧可分割为时间片序列。通过保持引导至LCoS阵列上的光线处于固定亮度以及通过在该序列的某些时间片期间导通(ON)或断开(OFF)特定像素以使得该序列期间像素处于ON的累积时间与该像素的期望灰度级成比例,能够实现给定灰度级。这针对阵列的每个像素针对每帧来实现。

参照图1,示出了用于获得单个像素的灰度级的脉宽调制时域方案的简化示例。图1是示意单个像素的ON/OFF状态相对于单个帧的时间的图表。如上所述,每个像素的感知性灰度级随着每个完整帧期间像素处于ON状态的累积时间增加。

如图1中所示,帧F1分割为时间上相同长度的时间片TS序列。在该示例中,帧F1分割为三个时间片序列,其中像素占据第一时间片TS1的1/7(即,整个帧F1长度的1/21)、第二时间片TS2的2/7(即,整个帧F1长度的2/21)、以及第三时间片TS1的4/7(即,整个帧F1长度的4/21)。针对这些时间片中的每个,单个二进制位用于确定像素在每个时间片期间是处于ON还是OFF状态。仅需要一个位数来确定像素的状态。因此,以零和一形式的数字数据命令可用于控制任意给定时间片期间的每个像素的ON/OFF状态。在该示例中,零(0)用于将像素从ON转向OFF状态或将该像素保持在OFF状态以及一(1)用于将像素从OFF转向ON状态或将该像素保持在ON状态。

通过如上所述的将帧分割为其中每个像素占据每个时间片的特定分数时段的三个相同持续时间的时间片,实现了在灰度上级到级具有相等变化的八个灰度级。这些灰度级从对应于帧的全部三个时间片的像素处于OFF状态的等级0到对应于整个帧F1的最大7/21的像素处于ON状态的等级7。等级0和等级7之间的任意灰度级可通过在合适时间片期间像素转向ON来获得。

如上所提及的,通过将帧的整个三个时间片TS1、TS2和TS3的像素转向OFF来获得灰度级0,使得对于该帧来说像素尽可能的黑。这是每个时间片TS1、TS2和TS3的传输数据命令零(0)的结果,这可表示为二进制位0-0-0的序列,其中该序列的第一或最高有效位对应于时间片TS1,第二位对应于时间片TS2,以及第三或最低有效位对应于时间片TS3。通过将时间片TS1期间整个帧时长的1/7的像素接通以及将针对时间片S2和S3的断开来获得灰度级1。

因此,灰度级1对应于针对时间片TS1一(1)和针对时间片S2和S3零(0)的数据命令,这可表示为二进制数1-0-0的序列。通过仅接通帧长的2/7的时间片TS2期间的像素来获得灰度级2。这引起像素针对整个帧的2/7来说处于接通。灰度级2对应于数据命令0-1-0。通过使用这样的三位数据命令格式,灰度级3对应于数据命令1-1-0,等级4对应于命令0-0-1,等级5对应于1-0-1,等级6对应于0-1-1,以及灰度级对应于数据命令1-1-1,对此,像素针对整个帧F1的7/21来说处于接通。因此,对于每个连续灰度级,像素对于整个帧时间的另外1/7来说处于接通并因此导致像素比先前灰度级亮1/7的最大亮度。因此,包括对应于全部三个时间片的像素处于断开的灰度级0,通过每个等级在灰度上级到级具有相等变化来实现八个灰度级。

尽管上述示例描述了将帧分割为三个时间片以获得八个灰度级,应该理解的是相同的技术可应用于帧可分割的任意数量的时间片。通过增加时间片,灰度级的数量对于每增加1个时间片来说增加至两倍。因此,四个时间片序列将提供16个灰度级(0-15),五个时间片将提供32级(0-31),以此类推增加至更多或超过八个时间片,这将提供256灰度级(0-255)。

另外,时间片由处于接通状态的像素占据的分数部分不限于如上所述的用于示意目的1/7的倍数。更一般而言,0-100%之间的任意百分比可分配至一个时间片中该时间片由接通状态的像素占据的期间。这些百分比通常由LCoS厂商来分配。例如,在一个情形中,为LCoS的像素分配每帧10个时间片序列(对应于10位数据命令,提供10240灰度级)。图2示出了具有10个时间片序列的帧,其中分配至时间片的导通(ON)状态占用率从100%(针对5个时间片)变化至2%(针对一个时间片)。

闪烁

因为LCoS分子仅能够响应以限定方式快速变化施加的电压,在LCoS中出现闪烁。也就是说,LCoS就像低通滤波器,因为分子不能够跟随高频电压的施加。闪烁反应量将因此依靠所施加的电压。因此,引起相同灰度级的不同时间片序列会呈现不同的闪烁量。例如,考虑下面两个可施加至LCoS的8位序列。为了简单起见,各时间片设定为在持续时间上相同,其中时间片的100%由处于接通状态的像素占用的(即,在1的数位施加至时间片时)。

1 0 1 0 1 0 1 0(序列A)

1 1 1 1 0 0 0 0(序列B)

由两个序列A和B的数据命令驱动的像素产生相同灰度级,这是因为在这两种情形中,像素针对40%时间处于接通。然而,这两个序列将呈现不同的闪烁量。序列A的数据命令引起所施加的电压具有包括最低分量fA的频率分量。类似的,序列B的数据命令引起所施加的电压具有包括最低分量fB的频率分量。这两个序列的测试示出了序列A的最低频率分量fA大于序列B的最低频率分量fB。也就是说fA>fB。因此,根据序列A驱动的像素将通常呈现相比根据序列B驱动的像素来说更低的闪烁。

通过该相同推理,不同时间片序列,其具有不同接通状态占用率(即由处于接通状态像素占用的时间片分数部分)分配至它们,将引起不同的闪烁量。例如,图2中所示的针对10位序列示出的占用率分布将通常引起相比图3中所示的10位序列示出的占用率分布来说更高的闪烁水平。这是因为图2中所示的序列包含100%占用率的多个时间片。这种高占用时间片实际上将所施加的电压振荡集中在相对短的时段,这引起所施加电压的最低频率分量高于诸如图3中所示的序列,对于图3的序列来说,没有所施加电压振荡的这种集中。因此,由图3的序列中产生的所施加电压的最低频率分量低于针对图2的序列来说的。因此,通过使用图3中所示类型的序列产生的固有闪烁会小于通过使用图2中所示类型的序列产生的固有闪烁。应该注意的是,图2和3两者中所示出的序列都允许以各等级之间相对细粒度来获得广泛的灰度级。

各个像素的闪烁消减

因此,消减闪烁的一种方式是考虑上述因素来分配接通状态占用率至时间片序列,同时确保所分配的占用率能够提供具有期望细度的期望灰度级范围。能够使用公知的仿真技术来确定以接通状态占用率减少闪烁的这些序列。

一旦已经限定了具有接通状态占用率的时间片序列,针对任意给定灰度级来说期望减少闪烁的另外方式,选择相比产生相同灰度级的其他位序列来说具有更少闪烁的特定位序列。例如,在上面呈现的示例中,其中序列A和B产生相同灰度级,序列A相比序列B是优选的,这是因为序列A的减少闪烁。当然,以该方式选择低闪烁位的性能需要产生相同灰度级的多个位序列的可获得性。确保具有许多这种简并序列可用的一种方式是使用相比实现期望数量的灰度级所需要的来说更多位数的序列。例如,在期望256个灰度级时,则8位序列将是足够的。然而,在替代地使用多于8位的序列时,将具有产生256灰度级中的每个可用的更多序列。例如,如果利用11位序列,具有211序列可用于从中选择。这些位序列中的一些将产生相同灰度级。这些位序列的绝大多数将是相当高的闪烁序列并将被排除。211序列中的仅具有相对低闪烁并产生所需的256灰度级的少数需要被保留。

LCoS像素阵列中的闪烁消减

在一些应用中,并不是在所关注的任意单个像素中出现闪烁量。例如,图4示出了LCoS 110的平面图,其中像素100分别在沿x和y轴的行和列上延伸。出于某些目的,在相同一行和多行(或在相同一列或多列)上所有像素布置为呈现相同灰度级。另一方面,在相同多行(或相同多列)上的像素可呈现变化的灰度级。

如果给定行中的像素全部呈现相同灰度级,针对该行的相邻像素对的位序列可选择为使得一个像素中出现的闪烁抵消相邻像素的闪烁。

例如,考虑图4中示出的像素10011、10012、10013……的行,其中具有相邻像素10011和10012。为了简单起见,设定像素由4位的数字数据命令序列驱动,其中每个序列中的时间片在持续时间上相等且在像素处于接通状态时(即,数位1施加至时间片时)被占据100%时间。此外还设定该行中所有像素具有对应于整个系列上像素接通50%时间的灰度级。该灰度级可使用下述4位序列中的任意一个来实现:

1 1 0 0(序列C)

0 0 1 1(序列D)

1 0 1 0(序列E)

0 1 0 1(序列F)

序列E和F在时间上互补并因此可分配至相同行中的相邻像素(例如,图4中的像素10011和10012),从而以成对地方式消除闪烁。由于随着施加至一个像素的电压增加(在施加数位1的数据命令时),施加至相邻像素的电压降低(在施加数位0的数据命令时),各序列是互补的。也就是说,互补位序列引起施加至两个像素的电压具有在相位上相反且在量值上大约相同的低频分量。互补关系在图5中示意,其示出了通过使用1010序列(实线)施加至像素10011的电压随时间的变化,以及通过使用0101序列(虚线)施加至像素10012的电压随时间的变化。该互补位序列能够出于两个原因来消减闪烁。首先,从附图中明显的是,一个像素中的功率电平增加伴随另一个像素中功率电平降低。其次,由于边缘场效应,相邻像素实际上并不彼此独立。而是,边缘场效应引起各像素之间的串扰,这实际上消除了两个像素的闪烁。

因此,在需要来自LCoS的灰度级沿一个轴恒定且可能沿另一轴变化时,能够通过使用防止闪烁相干叠加的互补位序列来抵消沿该恒定轴的像素对之间的闪烁。应该注意的是,在以该方式抵消或减少闪烁时,不需要针对各个像素选择针对每个像素最小化闪烁的位序列。而是,在一些情形中,可在各个像素的闪烁水平相当高时实现相邻像素之间的更好闪烁抵消。

说明性的波长选择开关

其中可结合具有本文中所述类型的消减闪烁的LCoS阵列的波长选择开关的一个示例将参照图6A-6B来描述。关于该光学开关的其他细节可在名称为“具有集成线路通道监视器的波长选择开关”(“Wavelength Selective Switch Having Integrated Channel Monitor”)的、共同未决美国申请序列号[Docket No.2062/16]中找到。

图6A和图6B分别是可以和本发明各实施方式结合使用的简化光学装置例如自由空间WSS 100的一个示例的顶视图和侧视图。光通过用作输入端口与输出端口的光波导诸如光纤被输入与输出至WSS 100。如图6B最佳地所示,光纤准直器阵列101可包括多个单根光纤1201、1202和1203,该多个单根光纤分别耦合到准直器1021、1022和1023。来自一个或多个光纤120的光线通过准直器102转换为自由空间光束。从端口阵列101出射的光线平行于z轴。在图6B中,尽管端口阵列101仅示出了三个光纤/准直器对,更一般地说可以使用任何合适数量的光纤/准直器对。

一对望远镜或者光束扩展器将来自端口阵列101的自由空间光束放大。第一望远镜或者第一光束扩展器由光学元件106和107组成,以及第二望远镜或者第二光束扩展器由光学元件104和105组成。

在图6A和图6B中,在两个轴线上影响光线的光学元件在两个视图中都用实线表示为双凸光学器件。另一方面,仅在一个轴线上影响光线的光学元件用实线表示为在被影响的轴线上的平凸透镜。仅在一个轴线上影响光线的光学元件同样以虚线表示在它们不影响的轴线上。例如,在图6A和图6B中,光学元件102、108、109以及110在两个图中都用实线描绘。另一方面,光学元件106和107在图6A中用实线描绘(因为它们具有沿着y轴线聚焦的能力)并且在图6B中用虚线描绘(因为它们使光束沿着x轴线未受影响)。光学元件104和105在图6B中用实线描绘(因为它们具有沿着x轴线聚焦的能力)并且在图6A中用虚线描绘(因为它们使光束沿着y轴线未受影响)。

每个望远镜可以建立为具有对于x和y方向的不同的放大倍数。例如,由在x方向上放大光线的光学元件104和105形成的望远镜的放大率,可以小于由在y方向上放大光线的光学元件106和107形成的望远镜的放大率。

该对望远镜放大了来自端口阵列101的光束并且将它们光学地耦合至波长色散元件108(例如,衍射光栅或者棱镜),其将自由空间光束分离至它们的构成波长或者通道中。波长色散元件108用于根据其波长在x-y平面上沿着不同方向分散光线。来自色散元件的光线被引导至光束聚焦光学器件109。

光束聚焦光学器件109将来自波长色散元件108的波长成分耦合至可编程光相位调制器,其可以是例如基于液晶的相位调制器,例如LCoS设备110。波长分量沿着x轴线分散,其被称为波长色散方向或者波长色散轴线。因此,给定波长的每个波长分量集中在沿着y方向延伸的像素阵列上。作为示例而不是作为限制,具有被表示为λ1、λ2和λ3的中心波长的三个这样的波长分量在图6A中示出为沿着波长色散轴线(x轴线)被聚焦在LCoS设备110上。

如图6B中最佳地所示,在从LCoS设备110反射之后,每个波长分量能够通过光束聚焦光学器件109、波长色散元件108和光学元件106和107被返回耦合到端口阵列101中选择的光纤。

控制器或处理器150选择性地应用数字数据命令序列来驱动LCoS设备110中的像素从而操纵每个波长分量。控制器150可以硬件、软件、固件或其任意组合来实现。例如,控制器可利用一个或多个处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、离散逻辑、或其任意组合。在控制器部分地以软件实现时,设备可将针对软件的计算机可执行指令存储在合适的、非瞬态计算机可读存储介质中并可在硬件中使用一个或多个处理器来执行指令以运行本公开的技术。

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