专利名称：彩色显示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个图像显示系统。具体而言，本发明涉及的图像显示装置包含一 个或多个空间光调制器和由控制电路控制、以获得较高图像显示质量的可调光源。
背景技术：
尽管近年来在制作空间光调制器(SLM)这样的机电微镜装置方面已经取得了 显著的进展，但要将其应用于高质量画面的显示仍有一些限制和困难。特别对于数字信 号控制的显示图像，反而会由于灰度等级足够导致图像不能显示，使得图像质量受到影 响。机电镜面器件作为空间光调制器(SLM)引起了广泛关注。机电镜面器件通常 由包含大量镜面单元的镜面阵列组成。机电镜面器件的衬底表面上通常排列着六万到几 百万个不等受电路控制的镜面单元。如图1A所示，带有屏幕2的数字视频系统1在美国专利5,214,420中已做公开。 光源10用于产生照亮屏幕2的光能。产生的光束9通过镜面11的聚集投射到透镜12 上。透镜12、13、14形成光束聚焦器，将光束9聚焦成为光束8。空间光调制器15通 过总线18受电脑19输入的数据控制，选择性地将部分光线从路径7指向放大镜5并最终 显示在屏幕2上。SLM15具有包含一个可开关的反射单元阵列的表面16，例如微镜器 件32，如作为反射单元的单元17、27、37和47，如图1B所示与铰链30相连。当单元 17处于一个位置时，从路径7射出的一部分光沿路径6指向透镜5，这一路径的光被放大 或是沿着路径4投射在显示屏幕2上，从而形成一个照明像素3。当单元17处于另一个 位置时，光束就不会打到显示屏幕2上，因此像素3就是暗的。如美国专利5,214,420中提到的一样，大多数传统的图像显示装置都是使用镜面 的两态控制，即开态和关态。图像显示质量受到有限灰度等级的限制。尤其是在使用 PWM(脉冲宽度调节器)的传统控制电路中，控制开关状态的最低有效位(LSB)或最小 脉冲宽度限制了图像的质量。由于镜面受控工作在开态或关态，传统的图像显示装置无 法提供比LSB更短的脉冲来控制镜面。调整灰度时，决定亮度最小可调等级的最低光 强，是在最短脉冲宽度时间内反射的光。由LSB限制导致的有限的灰度等级引起图像质 量的下降。
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图1C为专利5,285,407中一个微镜的控制电路的电路图。该控制电路包含一个 存储单元32。每个晶体管都标记为“M*”，其中*为晶体管编号，所有晶体管均为绝 缘栅场效应晶体管。M5、M7为p沟道晶体管；M6、M8、M9为n沟道晶体管。电容 CI、C2代表存储单元32的容性负载。存储单元32包含一个存取开关晶体管M9和一个 基于静态随机存储区(SRAM)设计的锁存器32a。一行中的所有存取晶体管M9从不同 的位线31a接收数据信号。需要写入的某特定存储单元32通过使用作为字线的行信号来 开启适当的行选择晶体管M9从而进行访问。锁存器32a由两个交叉耦合的反相器M5/ M6和M7/M8组成，能够提供两种稳态。状态1 节点A为高电位，节点B为低电位； 状态2:节点A为低电位，节点B为高电位。图1D显示了用四位字控制SLM时的“二进制时间长度”。如图1D所示，时 间周期有1、2、4、8四个相对值，它们依次决定着每一位字的相对光强。其中“1”为 最低有效位(LSB)，“8”为最高有效位。在PWM控制机制下，决定灰度分辨率的最 低光强就是受“最低有效位”控制，在最短可控时间内将镜面保持在开态时的亮度。例如，假定灰度为n位，则一帧时间被分为2n_l个相等的时间段。对16.7微秒 的帧长和n位强度值，时间段为16.7/(2n-l)微秒。当临近的图像像素间的灰度由于粗糙的灰度控制而差异较大时，这些临近的图 像像素间出现伪像。这导致了图像的劣化。当临近的图像像素间的灰度差异较大时，明 亮的显示区域这种劣化尤为明显。例如，可以从一张女模特的图像中观察到，其前额、 鼻梁以及上臂处存在伪像。数控显示技术无法提供足够灰度这一技术局限导致了伪像的 产生。因此，在显示明亮区域，临近像素的光强差别明显。当微镜被控制在全开或者全关位置时，光的强度由微镜处在全开态的时间决定。如图2所示范例使用了早前公布的技术，通过SLM方式来显示彩色动态图片， 每一帧被分成三个与三原色红、绿、蓝相应的子帧，执行颜色顺序控制。如图2所示， 绿色子帧0&中绿色激光脉冲的光强保持为定值Pe2，微镜受PWM控制处于开态或关态位 置。因此，观众感觉到的投影图像的绿光强度由一个绿色子帧Gfl中微镜处于开态位置的 时间长度决定。蓝光和红光也一样。为了提高显示器的灰度等级，必须提高微镜转换速度以使数字控制信号有更多 的位数。然而，当微镜转换速度提高后，需要一个更牢固的铰链来达到要求的工作周期 量，进而保证指定的工作寿命。为了驱动加固铰链支撑下的微镜，需要更高的电压。这 种情况下，该电压可能会超过20伏，甚至30伏。CMOS (互补金属氧化物半导体)技术 制造的微镜可能不适合工作在如此高的电压下，因此可能需要DMOS (双扩散金属氧化物 半导体)微镜器件。为了更好的控制灰度，DMOS微镜的制作需要更为复杂的制作工艺 和更大的器件面积。受到工作电压的限制，为了制作更小、更低成本的微镜显示器就不 得不牺牲灰度的精度，这使微镜控制的传统模式面临到技术挑战。目前有许多关于光强控制的专利。这些专利包括美国专利5,589,852、 6,232,963、6,592,227、6,648,476和6,819,064。还有更多关于不同形态光源的专利或专利 申请。这些专利包括美国专利 5,442,414、6,036,3185、617,243、5,668,611、5,767,828 禾口 发表申请2003/0147052、2006/0181653。美国专利6,746,123提出了能够防止光损耗的特殊偏振光源。然而，这些专利和专利应用并没有提供克服数字控制图像显示系统中由灰 度等级不足引起局限的有效解决方案。此外，还有许多关于空间光调制器的专利和专利申请，包括美国专利 20,25,143, 2,682,010, 4,087,810, 4,292,732, 4,405,209, 4,454,541, 4,592,628, 4,767,192, 4,842,396, 4,907,862, 5,287,096, 5,506,597, 5,489,9525, 751,397, 6,897,884 和发表专利申请 2005/0,259,121、2007/0,120,786 和 2008/0,068,359
发明内容
本发明的一个方面是提供一种新的、改进的图像显示装置，通过使用空间光调 制器提高图像显示的灰度分辨率来获得更加平滑的灰度显示。基于本发明实施例的图像显示装置包含用于发射光强可调的照明光的光源； 至少一个用于接收和发出图像信号、用于调制来自光源照明光的空间光调制器(SLM)； 一个用于控制光源和/或空间光调制器为图像显示投影调制光线的控制电路，其中调制 光在至少两连续帧之间具有不同的可调亮度动态范围。显示图像中的亮度分辨率可以由每单位时间的照明光强度控制，灰度等级差异 由亮度的动态范围决定。因此，通过这些图像显示装置，可以使灰度显示具有更平滑和 更高的分辨率。参考以下图片，下面对本发明进行了详细描述。
图IA是显示传统投影装置结构的功能框图。图IB为展示传统投影装置微镜阵列一个部分中的镜面单元结构的顶视图。图IC为展示传统投影装置镜面单元的控制电路结构的电路图。图ID是传统投影装置中图像数据的格式图。图2为传统单片系统中颜色顺序控制的时钟图。图3为基于本发明实施例的使用可调光源的单片投影系统结构的功能框图。图4为基于本发明实施例的使用可调光源的单片投影系统结构的功能框图。图5为基于本发明实施例的使用可调光源的投影系统中光源驱动器结构的功能 框图。图6为描述产生一帧图像的功能框图。图7为基于本发明实施例使用可调光源的单片投影系统中颜色顺序控制的时钟 图。图8为基于本发明实施例使用可调光源的单片投影系统中颜色顺序控制的时钟 图。图9为基于本发明实施例使用可调光源的单片投影系统中颜色顺序控制的时钟 图。图10为基于本发明实施例使用可调光源的单片投影系统中颜色顺序控制的时钟 图。图IlA为空间光调制器中执行脉冲宽度调制时的示例光分布图。
图IlB为空间光调制器中执行振荡控制时的示例光分布图。图IlC为空间光调制器中执行振荡控制时的示例光分布图。图12为基于本发明实施例使用可调光源的单片投影系统中颜色顺序控制的时钟 图。图13为基于本发明实施例的使用可调光源的双片投影系统结构的功能框图。图14为基于本发明实施例的使用可调光源的双片投影系统结构的功能框图。图15为基于本发明实施例使用可调光源的双片投影系统中颜色顺序控制的时钟 图。
具体实施例方式下面将参考图片，对本发明实施例进行详细描述。图3为基于本发明优选实施例的使用可调光源的单片投影系统结构的功能块状 图。基于本发明实施例，一个单片投影系统IOOa包含一个空间光调制器 (SLM) 105a,它根据从外部输入的图像信号101向屏幕108投影图像。除了屏幕108，图 中所有部件都可以集成和封装在图像显示装置中。图3所示投影系统包含一个图像处理器102。图像处理器102从外部器件接收图 像信号输入101并将其转换成传输到SLM控制器103a、用于控制SLM105a的数据。确 切地说，图像处理器102输出转换数据，传输到SLM控制器103a。帧存储器104与图像 处理器102相连。在一典型实施例中，帧存储器104存储运动图片数据的一帧数据。用于显示运动图片的数据包含用图像信号输入101表示的数据。下面将会讲 至|J，在一些实施例中，图像处理器102可以根据图像信号输入101产生/删除数据，以显 示一帧图像。在这种情况下，产生的数据也是显示运动图片的数据的一部分，帧存储器 104能够存储一帧图像的数据。一个SLM105a包含多个构成二维阵列的微调制单元。每一调制单元对应显示图 像的每一像素。有多种安装了不同种类的调制单元的SLM。例如，SLM可以安装如投 射液晶、反射液晶或微镜等调制 单元。在以下描述中，SLM105a为安装了微镜阵列作为 调制单元的DMD(数字微镜器件)。本发明也可以安装其他种类的SLM。一个可调光源112a通过照明光学系统117a和TIR(全内反射)棱镜106将照明 光投射到SLM105a上。可调光源112a间接受系统处理器109控制，因此每单位时间的 照明光强度可以得到灵活控制。可调光源112a可以作为照明单元(未画出)的一部分， 投影系统IOOa可以包含该照明单元。照明光学系统117a包含一个聚光透镜113a，一个棒状聚光体114a和一个聚光透 镜115a，照明光学系统117a的光轴与其发射的照明光116a的光轴相匹配。可调光源112a直接由系统处理器109控制。具体而言，系统处理器109产生数 据和信号，来为光源控制器110提供信息，以控制可调光源112a(将在后面描述)的发 射时钟和/或光强。光源控制器110根据从系统处理器109接收的信息控制光源控制器 111a。光源驱动器Illa根据光源控制器110的控制驱动可调光源112a。可调光源112a包括一个红色激光光源136r，一个绿色激光光源136g和一个蓝色激光光源136b，并可对这三个光源进行发射状态的单独控制。后面将参照图4详细描 述。确切地说，这些激光光源未在图3中显示。入射到TIR棱镜106的光为从照明光学系统117a经照明光轴116a传输的光。 入射光在TIR棱镜106中反射，以预置角度指向SLM105a。进一步地，TIR棱镜106传 输由SLM105a经投影光轴118a反射的光，投射向作为投影光学系统一部分的投影透镜 107。投影透镜107将来自TIR棱镜106的反射光5602作为投影光投射到屏幕108上。总体而言，SLM105a根据图像信号输入101调制来自可调光源112a的光，通过 投影光学系统投射调制光束。然后，可调光源112a和SLM105a直接或间接地受控于图 像处理器102、SLM控制器103a、系统处理器109和光源控制器110。参照图4，以下描述进一步阐述了图3所示投影系统IOOa中图像数据的顺序控 制过程和传输。图4为基于本发明实施例的使用可调光源的单片投影系统结构的功能框 图。 图3所示本实施例的图像处理器102包含一个帧发生器130。图4显示了图像 信号输入101从外部器件输入到帧发生器130的过程。下面将参照图6描述，帧发生器 130产生用于显示一帧图像的数据的过程，例如著名的帧插入技术。当由图像信号输入 101代表的运动图片帧频为60fps(帧/秒)时，帧发生器130可能通过产生帧图像将帧频 提高到120fps。用于显示图像信号输入101原本包含的图像的一帧的数据和在帧发生器130产生 的用于显示一帧图像的数据均存储在帧存储器104中。如图4所示，SLM控制器103a和 光源控制器110 (如图3所示)可以安装在一个单片控制电路132中。进一步地，图4显示了控制SLM控制器103a的序列器131和同样安装在控制电 路132上的光源控制器110。序列器131可以是图3所示系统处理器109的一部分。该序列器131控制分别控制SLM控制器103a和光源控制器110的运算时钟。详 细的时钟控制和所需控制精度将在后面参照图9进行描述。如图3所述，SLM控制器103a控制SLM105a。在如图3和4所示典型实施例 中，SLM105a为DMD，该DMD中装置了微镜阵列133a，其中排列成行和列的微镜与列 驱动器134a和行驱动器135a相连。SLM控制器103a将信号传输到列驱动器134a和行驱动器135a中，驱动微镜阵 列133a中的单个微镜。微镜受到驱动，工作在至少包含开态和关态的几个状态中的一个 中。在一些实施例中，微镜可以受驱动工作在中间振荡状态。具体而言，照明光经图3所示照明光学系统117a和TIR棱镜106，以相对照明 光轴116a的预置角度投射到SLM105a。开态指微镜偏转至将入射光沿投影光轴118a反 射时的状态。关态指微镜偏转至将入射光反射到图3所示投影光轴118a以外，即不进入投影 透镜107时的状态。入射光以与可变光轴116a指定的角度投射到SLM105a。中间振荡态指微镜振荡、其偏转角度在开态偏转角和关态偏转角之间时的状 态。中间振荡态中，开态和关态之间的光强投射到屏幕108上。如图3所述，可调光源112a包括一个红色激光光源136r，一个绿色激光光源 136g和一个蓝色激光光源136b，并可单独控制这三个光源处于不同的发射状态。在可选实施例中，LED(发光二极管)光源可以取代本上述三个激光光源。半导体光源可以排列 成子阵列。具体而言，光源可以包括大量子光源，每一子光源可以使用上述提到的排成 阵列的激光光源或LED光源。所有这些不同光源可以用于如图3所示可调光源112a。如图4所示，光源控制单元110单独将每个控制数据传输到光源驱动器111a，如 下所述，以驱动红色激光光源136r，绿色激光光源136g和蓝色激光光源136b。图4中从 光源控制器110指向光源驱动器Illa的三个箭头分别代表驱动红色激光光源136r，绿色 激光光源136g和蓝色激光光源136b的控制数据。图4所示红、绿、蓝分别用“R”、
“G”、“B” 表示。 图5进一步阐述了图3和图4所示光源驱动器111a。图5为基于本发明实施例 的使用可调光源的投影系统中光源驱动器结构的功能框图。光源驱动器Illa包含三个恒流电路，即IR、Ie和^，三个对应的切换电路，即 SWR、SWe*SWB，以在分别安装在可调光源112a中、作为它一部分的红色激光光源 136r,绿色激光光源136g和蓝色激光光源136b中投影指定的光强。恒流电路IR、Ie和 Ib为可变恒流电路。具体而言，光源驱动器Illa高速运转，通过包含恒流电路来驱动电 流，其中恒流电路为激光光源(未画出)提供阈值电流。切换电路SWr切换恒流电路Ir和红色激光光源136r间的开/关连接。切换电 路SWe切换恒流电路Ie和红色激光光源136g之间的开/关连接。切换电路SWb切换恒 流电路Ib和红色激光光源136b之间的开/关连接。光源控制器110根据来自系统处理器109的控制信号，控制恒流电路IR、Ie和 Ib，切换电路SWr、SWe和SWb。同时，系统处理器109向光源控制器110输出对应每一子帧的开启时钟的控制信 号。在图5中，该控制信号显示为“子帧门”。图3至图5阐述了具有上述构造的单片投影系统中的各种彩色序列控制方法。以 下描述进一步解释了将每一帧划分为三个子帧和实现彩色序列控制的典型过程，其中三 个子帧对应红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色。在如图7至12所示典型控制方法中，每单 位时间内可调光源112a发射的照明光强度由每种颜色的帧或子帧控制。进一步地，光源控制器110也可以根据响应图像信号输入101的序列器132的配 置信号，通过改变恒流电路IR、IjP Ib的电路设置来控制光源。图6阐述了控制一个显示帧中发射的照明光强度的典型实施例。更确切地说， 图6为将一个显示帧划分为子帧，从而在每一显示帧中产生图像的功能框图。例如，当图像信号输入的帧频为60Hz时，一显示帧中的图像通常在1/60秒的 时间内显示。然而近年来，如动态图片插入的新技术在产生和显示图像的技术中得到使 用，例如液晶显示电视机屏幕。一旦使用动态图片插入技术在一帧中产生了新的图像，两帧或多帧图像会相继 在1/60秒内显示，其中1/60秒为图像信号输入中一帧的时间。因此，可以更平滑地显 示更高的切换速度或灰度改变。图6展示了代表60Hz帧频时动态图片的图像信号输入的例子。在图像信号输入 代表的第一帧图像201的左下侧，显示了一个物体204。同时，在图像信号输入代表的第 二帧图像202的右上侧，显示了一个物体204。
已知 有多种插入动态图片的方法。一种方法包含物体204的运动向量。其他方 法可以在帧图像201和204之前和之后直接包含至少一个插入数据。在帧图像201和202 之间产生的插入帧图像的数量可以根据显示系统的特定要求灵活调整。在图6中，帧图 像201和202之间只产生了一帧图像。图4所示帧发生器130根据输入的图像信号输入101选择的方法，在第一帧图像 201和第二帧图像202之间产生了插入帧图像203。根据图6所示时间划分，物体204显 示在产生的插入帧图像203中接近中间的位置。因此，通过使用插入帧图像203，物体 204的运动显示得更加平滑。图3和4所示帧存储器104不但能够存储图像信号输入101代表的帧图像201和 202的数据，还能够存储产生的插入帧图像203的数据。因此，在调整和提高帧频以调 节插入帧图像203的产生时，帧存储器104中存储的帧图像数据相继传递到SLM控制器 103a中，传输到SLM的每一帧中显示的图像继而显示在图3所示屏幕108上。因而图6展示了由图像信号输入101代表的原本存在的帧图像201和202，以及 产生的插入帧图像203在1/120秒时间内的显示。因此，帧频变成了 120Hz，即为图像 信号输入101的两倍帧频。如图6所示，从图像信号输入101代表的帧图像201开始，到产生的插入帧图像 203，再到图像信号输入101代表的帧图像202，帧图像相继显示。随后的帧也通过类似 的方式显示。当执行以红(R)、绿(G)、蓝(B)三色的彩色序列显示时，120Hz的帧分成三个 子帧，分别对应红色、绿色和蓝色，如图6所示。为了简化，以下假定图像信号输入101是代表对应RGB色空间的帧图像的信 号，RGB格式的数据存储在帧存储器104中。实际上，以下实施例可以根据图像信号输 入101的格式来调整和实施。例如，图像信号输入101可以是由亮度信号和色度信号组成的YUV格式。在 这种情况下，处理器102可以使用已知的方法将图像信号输入101的格式转换成RGB格 式，再将转换后的帧图像数据存储在帧存储器104中。在如图7至12所示实施例中，可调光源112a发射的照明光强度在一显示帧中发 生改变。具体而言，当显示产生的插入帧图像203的照明光亮度与显示图像信号输入101 对应的帧图像201或202的照明光亮度不同时，图3和图4所示光源控制器会控制照明光 的亮度。如图7至图10所示，可调光源112a在相等的帧长中进一步受到控制。然而， 可替代的，在不同实施例中每一帧的长度也可以调整。图7为基于本发明实施例使用可调光源的单片投影系统中颜色顺序显示的时钟 图。在图7所示例子中，单位时间内从可调光源112a发出的照明光量通过改变发射光的 光强来改变。在图7中，每一帧FJj = 1，2...n)的显示周期被分成绿色子帧Gg、蓝色子帧Bg 和红色子帧Rs。子帧的顺序可以是如图6所示RGB顺序、图7所示GBR顺序或其他任意顺序。在图7所示例子中，从绿色可调光源136g发出的照明光强度可以设置为至少三个等级Pe(l、P01和Pe2。从蓝色可调光源136b发出的照明光强度可以设置为至少三个 等级PB(I、Pbi和PB2。从红色可调光源136r发出的照明光强度可以设置为至少三个等 级Pro、Pri 和 PR2。图7中显示了如下关系Pgq < Pgi < Pg2Pbo < Pbi < Pb2Pro < Pri < Pr2其中Pg。= Pb。= Pr。= 0。同时，PG2、Pb2和Pr2代表为以需要的亮度将图像显 示在屏幕108上所要求的照明光强度。例如，所需亮度可以由确切地投影系统IOOa要求 的灰度特性来决定。Pc^ Pb2和Pr2的确切值也由激光光源的流明系数和/或发射特性决 定，因而这些值不必相同。类似的，Pei、Pm和Pri的值也不必相等。下文中，红色激光光源136r，绿色激光光源136g和蓝色激光光源136b发射的照 明光强度的不同分布曲线分别指301g、301b和301r的光线分布曲线。确切地说，绿色 激光光源136g的光线分布曲线301g至少包含绿色子帧中的控制图形数据，但可以不包含 蓝色和红色子帧的控制图形数据。因为当数据不明确指定绿光时，在单片投影系统IOOa 的彩色序列显示的蓝色和红色子帧中不发射绿光。同时，在蓝光分布曲线301b和红光分 布曲线301r中，不同颜色子帧中的控制图形数据同样可以忽略。第一帧F1中彩色序列显示按如下方式实现。首先，将绿色子帧Gfl中将绿色激光光源136g的光强设置为Pe2。同时，将蓝色 激光光源136b和红色激光光源136r的光强分别设置为Pbci和PR(I。激光光源的光强通过光源控制器110设置，其中光源控制器110根据图4中序 列发生器131的指令，在不同颜色的子帧起始处或子帧周期中控制光源驱动器111a。同 时，通过依据光分布曲线来控制排列在图5所示恒流电路IR、Ic^PIb下的切换电路SWR、 SWg和SWB，可以控制光源发射脉冲。在绿色子帧Gfl中，不必设置蓝色激光光源136b和红色激光光源136r的光强。 只要图5的光源控制器110将切换电路SWb和SWr设置为关，不管恒流电路Ib和Ir如何 设置，蓝色激光光源136b和红色激光光源136r发射的照明光强度分别变为PBCI( = 0)和 PRO( = 0)。在帧F1 (即由图像 信号输入101代表的一帧图像)中一帧图像的RGB三色像素 数据存储在帧存储器104中。SLM控制器103a根据从帧存储器104读出的像素数据控制 SLM105a。在图7的绿色子帧Gfl中，微镜受PWM (脉冲宽度调制)控制，根据帧F1中 的绿色像素数据，受开/关控制。举例而言，当使用类似图2的PWM控制时，SLM105a 可以在PWM控制时间周期的起始位置从帧存储器104中读出像素数据的位，其中PWM 控制时间周期从MSB开始，与各位对应。在接下来的蓝色子帧Bfl中，蓝色激光光源103b发射的蓝光光强为Pb2，SLM控 制器103a以绿色子帧Gfl中相同的方式，根据代表蓝色的像素数据来控制SLM105a。在 蓝色子帧8(1中，不发射绿光和红光。同样，在接下来的红色子帧Bfl中，红色激光光源103r发射的红光光强为Pr2， SLM控制器103a根据代表红色的像素数据来控制SLM105a。在红色子帧Rfl中，不发射绿光和蓝光。如上所述，在绿色、蓝色和红色子帧Gg、中，控制分别相继进行，该过 程移至帧F2的控制。在绿色子帧Gf2的起始处(或在帧？工和^之间的空白间隙处)，绿色激光光源 136g的光强调整为Pei，蓝色激光光源136b的光强调整为Pm，红色激光光源136r的光 强调整为PR1。然后，与帧F1中一样，SLM控制器103a基于帧F2中显示的帧图像来控 制SLM105a。光源控制器110控制光源驱动器Illa的切换电路SWe、SWb和SWr，使 得在绿色子帧Gf2中只有绿色激光光源136g发射光，在蓝色子帧Bf2中只有蓝色激光光源 136b发射光，在红色子帧Rf2中只有绿色激光光源136r发射光。在帧F2中，不必在绿色子帧Gf2的起始处设置蓝色激光光源136b和红色激光光 源136r的光强。这些强度的设置可以分别在子帧Bf2和Rf2开始前的任意点完成。如上所述，在绿色、蓝色和红色子帧Ge、Bf2和Rf2中，控制分别相继进行，然 后该过程移至帧F3的控制(图7中未显示帧F3的控制)。接下来，与上述帧F1中相同 的控制在帧F2h中实现，然后与上述帧F1中相同的控制在帧Fq中实现(j为大于等于1的 整数)。换句话说，绿色激光光源136g的光分布曲线301g包含以下图形(1)在帧F2h的绿色子帧Gsh中，绿色激光光源136g的光强保持为Pe2 ；(2)在帧Fg的绿色子帧Gq中，绿色激光光源136g的光强保持为Pei ；(3)在蓝色和红色子帧中，绿色激光光源136g的光强保持为Petl(即保持绿色激 光光源136g关断)；蓝色激光光源136b和红色激光光源136r的光线分布曲线301b和301r从一帧到 另一帧中包含不同的图形，与上述绿色激光光源136g的光线分布曲线301g类似。在图7所示实施例中，第(2j_l)帧图像是原本图像信号输入101代表的帧图像， 第(2j)帧图像是由帧发生器130产生的插入帧图像。在这种情况下，由插入显示图像产 生的更加平滑移动的帧图像和更细腻的显示灰度等级的获得主要发生在图像有很少或没 有运动的部分。绿色子帧Gf2和Gfl之间绿光的照明光强度比例为(Pei/Pe2)，在子帧Gf2中的灰 度分辨率改善至子帧Gfl中(Pe2/Pei)倍。因此，通过一帧一帧的改变图7所示可调光源 112a发出的照明光强度，可以获得更平滑的灰度显示，而保持显示一帧图像的数据位数 相同。接下来，参照图8描述了另一个控制可调光源112a的例子。图8为基于本发明 实施例使用可调光源的单片投影系统中颜色顺序控制的时钟图。在图8所示例子中，与图7相同，在帧F2h和Fq之间，绿色激光光源136g的光 分布曲线302的图形不同。蓝色激光光源136b和红色激光光源136r的光分布曲线302b 和302r也一样。图8的例子中，可调光源112a，即激光光源，可以执行脉冲发射。同样，图8中显示 了如下关系PGCI < PGIPbo < Pbi
PRO < PRI其中Pra = Pbq = Prq = 0。P01, Pbi和Pri为以需要的亮度将图像显示在屏幕 108上所要求的照明光水平。与图7例子类似，所需亮度由特定投影系统IOOa和/或其 灰度特性决定，Pm、Pbi和Pri的值不必相同。下文中，为了间接，不再重复描述与图7 类似的图8。在图8的例子中，第一帧F1中彩色序列显示按如下方式实现。首先，在绿色子帧Gfl中，光源控制器110控制绿色激光光源136g发射多个光脉 冲。发射频率最好高于控制SLM105a的控制频率。例如，用PWM控制SLM105a时， 光发射周期最好短于与LSB对应的时间长度。图8所绘光分布曲线302g、302b和303r 并未有意代表发射的优选频率。光源控制器110控制光源驱动器11 Ia来控制绿色激光光源136g的发射状态。光 源驱动器11 Ia根据光分布曲线302g驱动绿色激光光源136a(即通过控制光源驱动器Illa 来开/关切换电路SWe)。 同样，在绿色子帧Gfl中，从光源控制器110控制光源驱动器11 Ia中的切换电路 SWb和SWr工作在关态来关闭蓝色激光光源136b和红色激光光源136r。SLM控制器103a施加帧存储器104中代表绿色子帧的像素来控制SLM105a。图 8的例子中同样采用了 PWM。类似的，在蓝色子帧Bfl和红色子帧Rfl中，光源控制器110控制光源驱动器Illa 来分别控制蓝色激光光源136b和红色激光光源136r的发射状态，以分别根据光分布曲线 302b和302r来驱动蓝色激光光源136b和红色激光光源136r。如上所述控制流程在绿色、蓝色和红色子帧Gs、Bs和R5中相继进行。每种颜 色的激光光源发射频率可以不同。每种颜色的激光光源的脉冲占空比也可以不同。例 如，光分布曲线302g、302b和302r的数据、指定发射频率和脉冲宽度的数据、或指定占 空比的数据。在帧F1的控制后，进行帧F2的控制。在帧F2的控制中，发射脉冲宽度从W1变 至w2，其发射频率与帧F1相等。确切地说，发射脉冲的占空比发生了改变。对激光光 源和SLM的详细控制与帧F1中的类似。如上所述，绿色、蓝色和红色子帧Gg、Bg和Rs的控制过程相继进行，然后该过 程移至帧F3的控制。接下来，与帧Fl中相同的控制过程在帧F2h中实现，然后与上述 帧F2中相同的控制过程在帧Fg中实现(j为大于等于1的整数)。相比图8的绿色子帧Gfl和Gf2,脉冲光强彼此相等(Pei)，发射频率也彼此相 等，但脉冲宽度彼此不同。换句话说，子帧Gfl和Gf2的脉冲占空比不同。因此，单位时间内绿色激光光源136g发射的照明光强度根据脉冲宽度发生改 变。确切地说，根据光分布曲线302，每个子帧中绿色激光光源136g发射的照明光强度 在帧F2h和Fq之间依据发射脉冲宽度而不同，即一种发射状态。帧与帧之间蓝色激光光 源136b和红色激光光源136r的光分布曲线302b和302r图形不同。同样，在图8所示实施例中，第(2j_l)帧可以显示原本图像信号输入101代表的 帧图像，第(2j)帧可以显示由帧发生器130产生的插入帧图像。与图7例子类似，在图 8的例子中，更平滑显示的获得和灰度等级的提高这一效果主要发生在图像有较少或没有运动的部分。接下来，参照图9描述了另一个控制可调光源112a发射光强度的例子。图9为 基于本发明实施例使用可调光源的单片投影系统中颜色顺序控制的时钟图。在图9所示例子中，绿色激光光源136g、蓝色激光光源136b和红色激光光源 136r受到控制，使上述光源发射的照明光强度在帧与帧之间不同，与图8所示例子类似。 简洁起见，不再累述与图8类似的部分。图8和图9的不同之处如下。在图8所示例子中，激光光源以相同的频率为各 帧发射脉冲光，每一帧的发射脉冲占空比各不相同，因此，每一帧的显示灰度等级发生 变化。在图9的例子中，执行了一种控制来保证每一子帧中脉冲发射的占空比或脉冲宽 度为常数，而每一帧的脉冲发射频率发生变化。图9所示发射频率并不代表优选频率， 但与SLM105a的控制相兼容的频率可以保证脉冲发射的良好实现。例如，用PWM控制 SLM105a时，光发射周期最好短于LSB的时间长度。在图9的例子中，绿色子帧Gf2中的脉冲发射频率控制为绿色子帧Gfl频率的一 半。如上所述，子帧间的发射脉冲宽度一致。因此，单位时间内绿色激光光源136g发 射的照明光强度根据脉冲发射频率发生改变。根据光分布曲线302，每个子帧中绿色激光 光源136g发射的照明光强度在帧F2h和Fg之间依据发射频率而不同，即一种发射状态。 可替换的，图9的发射频率也可以指发射的数量。帧与帧之间蓝色激光光源136b和红色激光光源136r的光分布曲线303b和303r 图形不同。通过类似的方式，光源控制器Iio也根据光分布曲线303b和303r来分别控 制蓝色激光光源136b和红色激光光源136r。在图9所示实施例中，第(2j_l)帧可以显示原本图像信号输入101代表的帧图 像，第(2j)帧可以显示由帧发生器130产生的插入帧图像。与图7和图8例子类似，在 图9的例子中，平滑显示的获得和灰度等级的提高这一效果主要发生在图像有较少或没 有运动的部分。序列器131对SLM控制器103a和光源控制器110的控制在上述图4中作了简要 说明。更详细的描述将参照图9的示例给出如下。SLM105a和可调光源112a至少需要在子帧的起始处同步工作。因此，图4的序 列器131向SLM控制器103a和光源控制器110输出代表子帧开始时钟的控制型号。然
而，并不需要在每一子帧中进行多于一次的同步性微调。在图9的例子中，为了绘图方便，子帧Gfl中的绿光发射数量为12。但是，激 光光源的发射/关闭切换可以在很高的速率下进行。根据实施例，相比SLM105a的单个 微镜的控制，一个子帧中发射脉冲的频率被驱动在足够高的速率下。具体而言，绿色激 光光源136g被驱动在于PWM控制的LSB时段内至少有数个脉冲的高速率下。在这种情 况下，单个发射脉冲的时钟、PWM控制下每一位时段的起始时钟不必严格的同步。即使这些时间并不严格同步，但每 一位的时间内，只要发射速率足够高，绿色 激光光源136g发射的照明光强度仍主要由每一位的时间长度来决定。因此，单个脉冲发 射的时钟和微镜的控制时钟在一帧中不必同步一次以上。缺乏微调的同步性并不会影响 显示图像的质量。为了表明上述提到的一个子帧中同步性的微调并不是必须的而是可选的，在图3中省略了 SLM控 制器103a和系统处理器109的连接线。当然，有实施例能够达到上述 微调的同步性；在该实施例中，图4中序列发生器131除了输出代表一个子帧的起始时钟 的控制信号外，还可以向SLM控制器103a和光源控制器110在一个子帧中为微调的同步 性输出控制信号。参考图10，描述了另一个可调光源112a发射光强度的控制过程的例子。具体而 言，图10为基于本发明实施例使用可调光源的单片投影系统中颜色顺序控制的时钟图。在图10所示例子中，绿色激光光源136g、蓝色激光光源136b和红色激光光源 136r发射的脉冲数受到控制，使绿色激光光源136g、蓝色激光光源136b和红色激光光源 136r发射的照明光强度在帧与帧之间不同。该控制过程与图9所示控制过程类似。进一 步地，激光光源的强度至少能在两个等级间调节，如图9;因此，此处不再重复描述控 制过程。在图10的例子中，当像素数据为η-位时，每一子帧被平均分成η个时段，每一 个时段指定给每一位。图10中为了绘图方便，在SLM105a的镜面调制控制波形304m中 绘出了 “n = 3”的例子。实际上，“η”可以为更大的数字，如8。这里，LSB、倒数第二低有效位.......和最高有效位分别只第一位、第二
位、......和第η位。注意，下面。在图10的例子中，执行了一种控制来保证每一子帧中对应第k位的时段中脉冲 发射的数量为第一位对应时段中发射数量的(2H)倍。换句话说，由于脉冲宽度为常数， 子帧中执行的这种控制是通过让对应第k位的时段中脉冲发射频率为第一位对应时段中 发射频率的(2H)倍来实现的。因此，对应各位的时段中照明光强度由位的位置来控制。更确切地说，在第一帧F1的绿色子帧Gfl中，光源控制器110根据光分布曲线 304g来控制绿色激光光源136g，使其发射脉冲光。在图10中，为了绘图方便，给出了像 素数据位数η = 3的情况。举例而言，这种情况下，在绿色子帧Gfl中，对应第一位的时 段内完成了一次脉冲发射，对应第二位的时段内完成了 “1 · 2Η = 2”次脉冲发射，对 应第三位的时段内完成了 “1 ·2η = 4”次脉冲发射。注意上面提到的数值“1”、
“2”和“4”为示例数值，并非指定优选的数值。在绿色子帧Gfl中，由于图5所示切 换电路SWb和SWr受控处于关态，蓝色激光光源136b和红色激光光源136r不发射光。进一步地，在上述光源驱动器Illa控制可调光源112a的同时，SLM控制器103a 根据帧存储器104中存储的像素数据控制SLM105a。在下一个子帧Bfl中，蓝色激光光源136b根据类似的控制完成脉冲发射。同时， SLM控制器103a根据帧存储器104中存储的像素数据控制SLM105a。在接下来的红色 子帧中，控制以类似的方式完成。然后，该过程转移至帧F2的控制。帧F2的子帧控制方式与帧F1的子帧控制方 式类似。然而，帧？工和&之间对应每一位的时段内发射数量并不相同(换句话说，帧？1 和F2之间对应每一位的时段内的脉冲发射频率不同)。同样与帧F1中相似，在帧F2的子帧中，对应第k位的时段内脉冲发射的数量为 对应第一位的时段内发射数量的(2H)倍。但是，帧F1和F2之间对应第一位的时段内发 射数量并不相同。
因此，举例而言，当关注绿色子帧时，在帧F1和F2之间，一个子帧内绿色激光 光源136g的发射数量不同。换句话说，帧与帧之间的占空比不同。因此，帧？工和&之 间，一个子帧内绿色激光光源136g发射的照明光强度不同。蓝光和红光的子帧也一样。 也就是说，可调光源112a受到控制，使帧与帧之间的照明光强度发生改变。图10所示 例子中帧与帧之间的照明光强度发生变化的情况与图7至9类似。具体而言，如图所示，在帧F2的绿色子帧Gf2中，对应第一位的时段内完成 了零次脉冲发射(0.5次发射被舍弃)，对应绿色子帧Gf2第二位的时段内完成了一次 (“0.5 · 22—1 = 2” )脉冲发射，对应第三位的时段内完成了 “0.5 · 23—1 = 2”次脉冲 发射。注意，这里0.5次发射被舍弃，所示绿光分布曲线304g的发射数量是为了绘图方 便。事实上，绿色子帧Gf2中对应第一位的时段内发射数量至少为1次，可以多至几 十至几百次。因此，不管对应哪一位的时段内，子帧Gfl和Gf2间的发射数量之比固定。在蓝色子帧Bf2和红色子帧Rf2中，蓝色激光光源136b和红色激光光源136r受 到控制，使其照明光强度与帧F1不同。因此，在图10中，根据帧与帧的不同，可调光 源112a发射的照明光强度也不同。在第三帧巧中和其后，控制过程以类似的方式继续 进行。在图10的例子中，第(2㈠)帧可以显示原本图像信号输入101代表的帧图像， 第(2j)帧可以显示由帧发生器130产生的插入帧图像。这种情况下，第(2j)帧的照明光 强度设置为低于第(2j_l)帧的照明光强度，从而能够期望图像质量的改进。图10的例子中，通过改变每帧的发射数量(换句话说，通过改变帧与帧之间的 发射频率)，可以改变可调光源112a发射的照明光强度，但通过改变光强或脉冲宽度， 也可以改变照明光强度。图10只是一个典型实施例，包括-在一个子帧中保持对应每一位的时段内光分布曲线的图形相对关系不变；-改变帧与帧之间定义光分布曲线图形的参数(例如发射频率、发射数量、光 强或脉冲宽度等)；-因此，改变了帧与帧之间的照明光强度。换句话说，图10所示例子描述了单位时间内从可调光源112a发出的照明光强度 的改变，其中单位时间为一帧的长度。可调光源112a的发射状态是通过改变某帧的脉冲 发射图形，同时保持一帧中多个图形的相对关系来改变的。参照图1至10，描述了控制可调光源112a发射光强度的例子，但在不同的实施 例中，上述例子还可以得到优化。图7至10阐述了光分布曲线周期为两帧的情况，但光分布曲线的周期可以长于 或等于三帧。例如，当周期为三帧时，在第(3j-2)帧中可能执行类似图7所示帧F1中的 控制，在第(3j-l)和第(3j)帧中可能执行类似图7所示帧F2中的控制。图8至10所示 实施例也可以通过类似的方式优化。当帧发生器130在图6所示帧图像201和202之间 产生了两幅插入帧图像，如帧频为ISOi^s时，最好用三帧长的周期来控制。图7至10阐述了以下情况，第(2j-l)帧显示原本图像信号输入101代表的帧图 像，第(2j)帧显示由帧发生器130产生的插入帧图像。然而，当没有帧插入、只显示原 本图像信号输入101代表的帧 图像时，如上所述，光源控制器110也可以执行控制来改变帧与帧之间可调光源112a发射的照明光强度。例如，可以根据帧图像的亮度来切换控制。S卩，在上述第(2j_l)帧中的控制可 以在一幅明亮图像的帧中实现，第(2j)帧中的控制可以在一幅灰暗图像的帧中实现。这 种情况下，根据帧与帧的不同，控制了可调光源112a发射的照明光强度，但这种控制并 无周期性。同时，举例而言，图像处理器102可以配置为计算所有像素的像素数据的平 均值，当一帧的平均值高于或等于一阈值时，将其确定为“明亮帧”，或者当平均值小 于该阈值时，确定一帧为“灰暗帧”，并将该确定结果输出至光源控制器110。一帧的 亮度也可以由其他标准确定。在上述例子中，每一帧可调光源112a发射的照明光强度控制为两等级中的一 个。然而，有一种显而易见的实施例，根据帧与帧的不同，可调光源112a发射的照明光 强度被控制为三个或更多个等级。注意图7至10中的所有图片都阐述了 SLM105a的微镜被驱动为开态或关态的 情况。然而，微镜也可以被驱动为其他状态。例如，SLM控制器103可以实现一种控制，使微镜振荡，并设置为图3所述振 荡中间振荡状态。通过执行振荡控制，可以将朝向屏幕108的投影光路上的反射光强度 控制在微镜固定在开态和固定在关态之间的反射光强度的中间等级。
当使用振荡控制时，考虑到微镜的偏转角度，最好在一个光分布曲线中确定脉 冲发射时钟。进一步地，在一个子帧中最好将次脉冲发射时钟与微镜偏转角度的相位同 步一次以上。因此，序列器131可以为了该微调的同步性，向SLM控制器103a和光源 控制器110输出控制信号。这里，参照图IlA至IlC描述了优选的脉冲发射时钟。为了描述方便，将绿色 激光光源136g作为光源的绿色子帧的控制作为例子，但同样的控制也可以在蓝色和红色 子帧中实现。图IlA阐述了在SLM105a中执行PWM控制的情况下的光分布曲线。下文中的 实施例描述了用PWM控制SLM105a的微镜，分别实现RGB颜色η位灰度显示的例子。 该例中，“LSB”为η位的最低有效位，RGB每种颜色的亮度有2η个梯度。投影到屏幕108上的图像中绿光的亮度分辨率由对应LSB的时段内绿色激光光 源136g发射的光强决定。S卩，对应LSB的时间长度确定了显示梯度的最小等级。当使用PWM控制、代表绿色的像素数据的LSB值为“1”时，绿色子帧中的镜 面调制控波形401如图IlA所示。具体而言，对应LSB的时段内，微镜的偏转角保持为 开态。使绿色激光光源136g提供对应LSB的最低光强的光分布曲线需要具有一个图 形，其中绿色激光光源136g的脉冲发射包含在LSB时段内。注意可以选择各种图形 的光分布曲线。这是因为在LSB时段内微镜的偏转角保持不变，使得微镜的反射光状态 不变。因此，可以灵活控制发射脉冲的时钟来控制脉冲发射的多个可调特性。例如，如代表光分布曲线402的实线所示，光源控制器110可以控制光源驱动器 111a，使光源控制器Illa让绿色激光光源136g发射脉冲光，其中该脉冲的强度在LSB时 段的时刻12和t5之间为P115可选的，发射时钟可以提前，使光源控制器110控制光源驱动器111a，让绿色激光光源136g在LSB时段的时刻、和t4之间发射脉冲光，其脉冲宽度与光分布曲线402 相同。相反，发射时钟可以延后，使光源控制器110控制光源驱动器111a，让绿色激光 光源136g在LSB时段的时刻t3和t6之间发射脉冲光，其脉冲宽度与光分布曲线402相 同。在LSB时段内的脉冲发射数量并不限于，如光分布曲线402的例子所示的一个 脉冲。可以采用光分布曲线403所示的光分布情况，其中有多个重复脉冲。注意由于图7至10的空间限制，为了绘图方便，并未显示LSB时段中的某 些发射脉冲。然而，至少在控制可调光源112a发射相对其他帧最高的照明光强度的帧中 (例如，图7至图10中的帧F1),可调光源112a在LSB时段内发射光，如图11所述。同 时，在控制可调光源112a发射相对低照明光强度的帧中(例如，图7至图10中的帧F2), 希望在LSB时段内包含光发射，如图11所示。相比上述如图IlA所示的PWM控制，参考图IlB和图11C，下面描述振荡控制 的例子。执行振荡控制时，不但要求在LSB时段中包含一个脉冲发射，还要求发射与振 荡的相位同步。具体而言，要求振荡相位与发射时钟成一特定关系。
图IlB和图IlC阐述了执行振荡控制的光分布曲线。执行振荡控制时，微镜振 荡的时间长度是控制的最小时间单元。图IlB和图IlC阐述了将微镜振荡周期作为LSB 时间长度的例子。在图IlB和图IlC中，显示了从微镜的偏转角最接近“关态”偏转角(即图中 所示“最小”角度)的时刻t7起，至微镜的偏转角仍接近“最小”的时刻t8 WLSB时 段。如图IlB和图IlC的镜面调制控制波形404所示，在时刻质检，微镜的偏 转角按以下顺序变化一开始，镜面处于最接近“最小”偏转角的状态，然后为最接近
“开态”偏转角(即所示“最大”角度)的0°，再到0°，然后回到最接近“最小” 偏转角的角度。镜面调制控制波形404的相位越接近，即微镜的偏转角达到“最大”偏转角， 从SLM105a投影到屏幕108的投影光路上的反射光越强。若偏转角小于0°，几乎没有 光反射到朝向屏幕108的光路上。在微镜的振荡控制中，微镜经常处于中间态，反射到 朝向屏幕108的投影光路上的光根据微镜的中间态而不同，即由微镜的偏转角度决定。如果一个光分布曲线中只有当镜面偏转角小于若偏转角小于0°时才发射光，即 使可调光源112a发射光，也几乎没有光反射到朝向屏幕108的投影光路上，因而没有图 像显示。因此，在光分布曲线中，必须考虑镜面调制控制波形404的相位。图IlB和图IlC所示的光分布曲线405至408描述了考虑了镜面调制控制波形 404的相位的光分布曲线。光分布曲线405和406描述了从时刻t7至t8，即LSB时段内 保持一致图形的情况，光分布曲线407和408描述了时刻17至^之间，对应镜面调制控制 波形404的相位，图形发生改变的情况。光分布曲线405至408都是在某时间将光强设置为P。或P1,以使可调光源112a 执行脉冲发射的光分布曲线，其中PtlCP1, P1代表“光发射”，Ptl代表“关断”。其 关系可以是Pcl = 0。当Ptl = O时，可以通过图5所示切换电路的开/关控制来控制脉冲 发射。确切地说，光分布曲线405控制可调光源112a(如绿色子帧中包含在调光源112a内的绿色激光光源136g)发射光，在LSB时段内的时刻t7至t8保持光强为Pp更精确地，在图IlB中，为了将各脉冲分开，时刻两端非常短的时段内光强为Po。然而，如镜面调制控制波形404所示，^和^都是几乎没有光反射到朝向屏 幕108的光路上的时刻。因此，可以认为光分布曲线405具有一个在LSB时段内保持光 强为常数P1W图形。根据光分布曲线405，从微镜到朝向屏幕108的投影光路上的光反射为高的相位 中，发射得到保证(即保证了镜面调制控制波形404的峰值部分的发射)。类似的，根据光分布曲线406，从微镜到投影光路上的光反射为高的相位中，发 射也得到保证。这是因为光分布曲线406包含一个图形，其中光强为P1的脉冲发射以相 对时刻t7至t8，即LSB时段内镜面调制控制波形404的频率足够高的频率反复。LSB时段内，从对应投影光轴118a方向上的一个像素的微镜上投射的光强由如 投影系统IOOa的规格等因素提前决定。光分布曲线406指定的脉冲发射频率越高，镜面 调制控制波形404的相大于0°的时间内光强为P1的次数越多。因此，在LSB时段内执行从微镜向投影光轴118a的方向上投影光线A的强度所 要求的脉冲发射数量时，定义该脉冲发射频率为相比“镜面调制控制波形404的频率足 够高的频率”。图11所示光分布曲线406表明，在时刻^至^之间有五次发射，但数值
“5”在图中只是作为例子。可以选用在时刻^至^之间有数十至数百次发射的光分布 曲线。如上所示，光分布曲线405或406的特征是，它们不但包含考虑了振荡控制中镜 面调制控制波形404的相，还由于是一致的图形，易于控制发射时钟。具体而言，当采 用光分布曲线405或406时，只要时钟以LSB为单位进行控制，就不需要短语LSB的时 钟微调控制。下面，将描述图IlC所示光分布曲线407和408。如上所述，微镜投影光路上光的反射根据镜面调制控制波形404而不同。这 里，微镜投影光路上光的反射处于一特定阈值R的镜面调制控制波形404的相位用X。表 示，的光分布曲线。关系为0<Χ<ΜΑΧ。在时亥Ijt7禾口 t8、时刻t9、t1Q和tn之间的LSB时段定义如下。-有两个时间点镜面调制控制波形404的相位，即微镜的偏转角度，为X°。时 刻t9为两者中更靠近时刻t7的时刻。-时刻t1(1为镜面调制控制波形404的相位最大的时刻。_在镜面调制控制波形404的相位为X°的两个时间点中，时刻tn为两者中更靠 近时刻t8的时刻。根据以上定义，在时刻之间的LSB时段内，只有时刻I9和。之间的时段 反射大于R。光分布曲线407和408阐述了发射只发生在时刻之间的例子。也 就是说，当在时刻、至19之间、在时刻。至、之间只能获得低于R的反射时，光分布曲 线407和408指定不发射光。光分布曲线407在时刻t9和tn之间指定了保持光强为P1的脉冲发射。光分布曲线408指定了在时刻t9和tn之间，以相比镜面调制控制波形404的振 荡频率足够高的频率重复脉冲发射。在图Iic的示例中，“足够高的频率”是指在时刻t9和tn之间的脉冲发射次数大于三次的频率。只要在时刻t9和tn之间执行了多余三次的脉冲发射，就能保证反射最高的时刻 t10附近有发射。在图IlB和IlC的例子中，镜面调制控制波形404的周期为LSB，但也可以采用 长于镜面调制控制波形404的周期。在下面的例子中，与光分布曲线405-408类似，最 好在光分布曲线中，在使光从微镜反射到屏幕108的投影光路上的镜面调制控制波形404 的相位周期中保证一次发射，以满足预定的要求。下面，参照图12描述了图7所示控制的调制。图12为基于本发明实施例使用 可调光源的单片投影系统中颜色顺序控制的时钟图。在图12的例子中，与图7的例子类 似，根据帧与帧的不同，单位时间内可调光源112a发射的照明光强度不同。图12中的 第一行为由图像信号输入101代表的第一帧图像数据的示意图。例如，基于第一帧图像 的数据和第二帧图像(图12中未画出)的数据，帧发生器130产生插入帧图像，帧存储 器104保存插入帧图像的数据。图12中的第二行为显示的第一帧F1和第二帧F2的示意图。在帧F1中，显示由 图像信号输入101代表的帧图像，在帧F2中，显示产生的插入帧图像。在图7的例子中，帧F1和F2的长度相同。但在图12的例子中，帧F1长于帧 F20同样，在后面的帧中，帧长度减小，使帧F2h长于帧Fq其中j = 1，2，......)。如图12所示，帧？工和&都被分成绿色、蓝色和红色子帧。然后，光源控制 器110分别根据光分布曲线305g、301b和301r，控制红色激光光源136r，绿色激光光源 136g和蓝色激光光源136b的发射状态，例如，光分布曲线305g在以下方面与图7所示光分布曲线301g相似在绿色子 帧Gfl中控制绿色激光光源136g的光强保持为Pe2 ；在绿色子帧Gf2中控制绿色激光光源 136g的光强保持为Pei ；在蓝色或红色子帧中控制绿色激光光源136g的光强保持为Pe(l。 光分布曲线301g和305g之间唯一的区别是由帧的长度导致的子帧转换时钟。在图7中，SLM105a由对应任意帧的相同位数(如8位)的PWM控制，而在图 12中，在帧F2h和Fq中分别执行了对应不同位数(如8位和5位)的PWM控制。原因 如下。由于微镜驱动速度的限制，对LSB时段长度的控制更小。因此，对应m位数据 的PWM控制SLM105a所需时间的限制更小。例如，当图像信号输入101代表的运动图片帧频为60fps、帧发生器130产生插 入帧图像来使帧频倍增时，图7中每一帧的显示时间长度为1/120秒，但图12中帧F2的 显示时间长度短于1/120秒。因此，在帧F2的显示时段中，最多执行5位PWM控制， 这里数值“5”为举例数字。另一方面，在显示时间长于1/120秒的帧F1中，可以执行 8位PWM控制，数值“8”仍为举例数字。因此，在图12中，对应帧间不同 位数的PWM控制得以执行。基于图12的例子，帧Fq的PWM控制中使用的位数少于帧F2H。然而，亮度分 辨率由LSB长度和可调光源112a发射的照明光强度决定。因此，根据Pei、Pbi, Pri, PG2、Ρβ2，禾口 PR2 的值，和的 比值，在帧Fq中可以获得比帧F2h更平滑的表现 等级。相比图7的例子，图12所示帧F2h更长，因而显示的图像更亮。
如上所述，在包含如插入等方式新产生的帧的图像显示中，观众通过结合不同 显示灰度等级的帧，能够观察到更高分辨率的灰度图像。这是因为观众观察到的这些显 示帧是在时间轴上结合起来的一幅图像。结果，不基于如显示设备的响应速度、或数据 处理书读的高灰度等级显示得以获得。在如图7至12所示的不同例子中，亮度动态范围受控，在帧F2h和帧Fq中互不 相同。例如在图7的例子中，帧F2h和帧Fq中绿光亮度的动态范围比为Pe2 Pei。如 图7的例子所述，通过控制帧F2h和帧Fg中的照明光强度级别，亮度的动态范围可以根 据帧与帧的不同而不同。类似的，如图8至12所示例子中，可以根据发射脉冲的脉冲宽 度、脉冲占空比、脉冲发射频率和脉冲发射数量等来控制亮度的动态范围。在图12的例子中，亮度的动态范围也根据空间调制器的控制方法而改变。例 如，当微镜由PWM控制时，亮度的动态范围由对应PWM控制中的一帧的位数(例如 图12所示例子中对应帧F2h的八位、对应帧Fq的五位)来调节。在如图7至12所示例子中，实现了灰度特性根据帧与帧的不同而不同的控制。 根据帧与帧的不同来控制的灰度特性有，例如显示灰度等级的数量或显示灰度等级的分 辨率。在如图7至12所示例子中，帧F2h和帧Fq中显示了图像信号相同，即像素数据 值相等而亮度不同的像素也就是说，帧与帧之间，SLM105a显示的对应预定图像信号的 像素亮度不同。同时，也可以根据图像信号输入101或用户设定，由序列发生器来切换 上述帧中显示灰度等级的设定。在上述描述中，描述了单片投影系统的不同的实施例。下面将描述一个双片投 影系统的实施例。图13为基于本发明实施例的使用可调光源的双片投影系统结构的示意图。图13 中的双片投影系统IOOb包含一个光学系统和一个绿光控制系统、以及一个光学系统和一 个蓝光和红光控制系统。投影系统IOOb为一个双片投影系统，包含第一空间光调制器SLM105b和第二空 间光调制器SLM105C，它们根据从外部输入的图像信号101向屏幕108(未画出)投影图像。投影系统IOOb包含一个图像处理器102。图像处理器102接收图像信号输入101 并将其转换成SLM控制器103b用来控制SLM105b的数据，以及SLM控制器103c用来 控制SLM105c的数据。SLM控制器103b和SLM105b用于绿光空间光调制，SLM控制 器103c和SLM105c用于蓝光和红光空间光调制。图像处理器102分别向SLM控制器103b和103c输出转换数据。同样，类似图 3中的帧存储器104与图像处理器102相连。SLM105b和SLM105C都含有多个构成二维阵列的微调制单元。单个调制单元对 应显示图像的每一像素。与图3中一样，下面描述了用DMD作为SLM105b和SLM105C 的实施例。SLM105b和SLM105c安装在器 件封装124中。在图13中，器件封装位于色彩 综合光学系统图121的下方。可调光源112b经照明光学系统117b和色彩综合光学系统121的光入射到SLM105b中。如图4所示，可调光源112b包含一个绿色激光光源136g。可调光源112c经照明光学系统117c和色彩综合光学系统121的光入射到 SLM105c中。如图4所示，可调光源112c包含一个蓝色激光光源136b和一个红色激光 光源136r。色彩综合光学系统121包含一个由光学棱镜122b和122c组成的等边三棱镜、多 个粘附在表面125上的直角三棱镜和一个光导模块123、一个粘附在上述等边三棱镜上的 直角三棱镜。在图13中，色彩合成光学系统121显示的是正面。粘附表面125是直角三棱镜中对应组成直角三角形的两直角边中较长一边的侧表面。粘附到等边三棱镜上的光导模块123的表面是对应直角三角形斜边的侧面。在 图13中，对应直角三角形直角的两条边的侧表面画成了矩形。第一照明光学系统117b包含一个聚光透镜113b，一个棒状聚光体114b、一个透 镜119b和一个透镜120b，它们的排列方式是，其光轴与第一照明光轴116b，即第一照明 光学系统117b的光轴相匹配。同样地，第二照明光学系统117c包含一个聚光透镜113c， 一个棒状聚光体114c、一个透镜119c和一个透镜120x，它们的排列方式是，其光轴与第 一照明光轴116c，即第一照明光学系统117c的光轴相匹配。照明光轴116b和116c与光导模块123的直角三棱镜在如图13所示的侧面上垂 直，其中光导模块两侧面的上部不与等边三棱镜(由光学冷静122b和122c组成)粘附。可调光源112b发射的绿光经照明光学系统117b和色彩综合光学系统121入射到 SLM105b中。SLM105b的开态微镜反射的绿光垂直向上入射到第一光学棱镜122b对应 直角三角形侧边的侧面上。然后，光从第二光学棱镜122c对应直角三角形斜边的侧面出 发，穿过粘附表面125，入射到投影光学系统(未画出)，在经过投影光学系统的投影光 轴投影到屏幕(未画出)上。由SLM105b关态微镜反射的绿光发射到了投影光学系统投 影光轴以外的方向上。可调光源112c发射的绿光经照明光学系统117c和色彩综合光学系统121入射到 SLM105C中。第二 SLM105C的开态微镜反射的蓝光或红光垂直向上入射到第二光学棱镜 122c对应直角三角形斜边的侧面上。然后光再被反射到粘附表面125上，通过绿光相同 的光路向上入射到投影光学系统(未画出)。系统处理器109为光源控制器110提供信息(如光分布曲线的数据)，以图3中 相同的方式控制可调光源112b和112c的发射时钟和/或照明光强。光源控制器110根 据系统处理器109指定的信息控制光源控制器111b。光源驱动器Illb根据光源控制器 110的控制分别驱动可调光源112b和112c。也就是说，可调光源112b和112c直接由系 统处理器109控制。下面，参照图14描述了图13所示投影系统IOOb中的控制流程和数据情况。图 14为基于本发明实施例的使用可调光源的双片投影系统结构的示意图。在本实施例中，图13所示图像处理器102包含一个图14所示帧发生器130、以 及从外部器件输入到帧发生器130的图像信号输入101。帧发生器130通过使用如著名的 帧插入技术等方法产生用于显示一帧图像的数据。图像信号输入101中原本包含的帧图像数据和帧发生器产生的插入帧图像203的
22数据都存储在帧存储器104中。如图13所示LSM控制器103b和103c以及光源控制器110可以作为一个控制电 路132，如图14所示。在图14的例子中，控制SLM控制器103b和103c以及光源光源控制器110的序 列发生器131同样装置在控制电路132中。控制电路132中的组件通过总线137相互连 接。帧存储器104也与总线137相连。当序列发生器131实现时钟控制时，SLM105b和105c的空间光调制的时钟、可 调光源112b和112c的发射时钟因而受到控制。与图4描述类似，只要在子帧起始处获 得了同步性，序列发生器131的时钟控制就足够，如果在子帧中有微调的同步性，也一 样足够。图14中的序列发生器131也可以作为图13所示系统处理器109的一部分。如图13所述，SLM控制器103b和103c分别控制SLM105b和SLM105c。与图 3所示SLM105a类似，SLM105b包含一个微镜阵列133b，一个列驱动器134b和一个行 驱动器135b。SLM105c的构造也类似。与图4类似，图13所示可调光源112b包含一个绿色激光光源136g。与图4中 类似，如图13所示可调光源112c包含一个蓝色激光光源136b和一个红色激光光源136r。 除了三个激光光源，也可以使用排成子阵列LED光源或半导体光源等光源。光源驱动器Illb驱动红色激光光源136r、绿色激光光源136g和蓝色激光光源 136b的光分布曲线数据由光源控制器110分别给至红色、绿色和蓝色光源。图15为基于本发明实施例使用可调光源的双片投影系统中颜色顺序控制的时钟 图。在图15的例子中采用了 PWM控制和振荡控制来作为控制SLM105b和105c的 方法。具体而言，在图15的例子中，SLM控制器103b和103c根据将被显示在像素中 的绿色、红色和蓝色灰度等级值，来控制微镜固定在“关”态、“开”态和振荡态的时 间长度。下面描述了一帧被平均分为红色和蓝色子帧的实施例。同样，在绿光投影中， 一帧被分成长度相等或不等的两帧。在图15所示例子中，从绿色可调光源136g发出的照明光强度可以设置为至少三 个等级Petl, Pei，andPe2。从蓝色激光光源136b发出的光强至少可以设置为两个等级 Pki和Pm。从红色激光光源136r发出的光强也可以设置为至少两个等级Prci和PR1。这里，如图所示，有如下关系Pgo < P01 < Pg2Pbo < Pbi < Pb2Pro < Pri < Pr2其中Pra = Pbq = Prq = 0。光强等级的特性与图7中描述的类似，因此不再累 述。对Gfl和Rfl代表的第一帧的第一子帧的控制按如下例子中的方式实现。在图14的序列发生器131给出的第一子帧的起始时刻，光源控制器110控制光 源驱动器lib的恒流电路ie、Ii^PIb,使绿色激光光源I36g的光强设定为Pe2，红色激光 光源136r的光强设定为Pr2，蓝色激光光源136b的光强设定为PB2。进一步地，光源控制器110控制分别与绿色激光光源136g和红色激光光源136r相连的切换电路SWc^n SWR， 使它们为“开态”；控制与蓝色激光光源136b相连的切换电路SWB，使它为“关态”。由于蓝色光源136b在第一子帧中不发射光，可以在第一子帧中执行如蓝色激光 光源136b光强的设定(即恒流电路Ib的设置)。在光源控制器110执行上述控制的同时，在第一子帧中，SLM控制器103g 从帧存储器104中为每一帧读出代表绿色的像素数据，并根据读出的像素数据控制 SLM105b。进一步地，SLM控制器103c从帧存储器104中为每一帧读出代表红色的像 素数据，并根据读出的像素数据控制SLM105C。另外，在PWM控制的例子中，代表η位灰度等级的像素数据位串，本身也可以 用作控制SLM105a的数据。这是因为，对“l《k《n”中(其中LSB为第一位)的每一 个“k”，像素数据的位串中的第k位代表对应第k位时段中微镜的状态。确切地说，像 素数据的位串中的第k位代表当其为“0”时将微镜驱动至关态，当其为“1”时将微镜 驱动至开态。在这种情况下，用作SLM105a控制数据的η位像素数据的位串中的权重并不相 同。也就是说，投影到屏幕上的光强会根据位的位置，由于位值“1”的不同而不同。 具体而言，第k位的权重为LSB权重的2k—1。下面将每位权重不同的数据用“二进制数 据”表示。另一方面，在图15所示控制中，代表η位灰度等级的像素数据位串由SLM103b 和103c转换，用于控制SLM105b和105c。例如，为了实现SLM105b和105c的控制，
也可以使用由如三部分组成的固定长度位串。可以根据实施例来定义该固定长度位串。例如，第一、第二和第三部分由多于 零位的相连“0”组成，第一和第二部分的边界以及第二和第三部分的边界可以用值为
“1”的一位分隔符表示。根据上述格式的固定长度位串，控制信息将指定以下内容-在第一部分位数的部分时间长度内将微镜驱动至关态；-在第二部分位数的部分时间长度内将微镜驱动至开态；-在第三部分位数的部分时间长度内将微镜驱动至振荡态。在上述格式的数据中，位数有所不同，但位的权重相同。不考虑位的位置，下 面用“非二进制数据”来代表每一位的权重相等的数据。明显地，微镜的驱动状态确 定、每一位的权重相等的固定长度位串的格式并不局限于以上例子。如上所述，对Gfl和Rfl代表的第一帧的第一子帧的控制、然后对G’代 表的第一帧的第二子帧的控制按如下例子所述方式实现。在图14所示序列发生器131给定的第二子帧起始时刻，光源控制器110控制光 源驱动器Illb来将绿色激光光源136g的光强设定为Pei。由于红色激光光源136r和蓝 色激光光源136b的光强已经提前设定为Pr2和Pb2，不必再次设定。同时，在第二子帧起始时刻，SLM控制器103b根据从帧存储器104读出的代表 绿光像素数据控制SLM105b。进一步地，SLM控制器103c从帧存储器104中为每一帧 读出代表蓝色的像素数据，并根据读出的像素数据控制SLM105C。在第二帧后的帧中，重复进行与第一帧中类似的控制。也就是说，在图15的例 子中，根据帧与帧的不同，至少对一种确切的颜色的光，即绿光实现了改变照明光强度的控制。当然，也可以优化图15所示实施例，根据帧与帧的不同改变可调光源112a发 射的照明光强度、为一帧的每一子帧改变至少绿色激光光源136g的照明光强度。根据图15中的例子，在双片投影系统IOOb中，绿光分辨率可以提高至高于红光 和蓝光的分辨率。确切地说，可以提高绿光灰度等级的数量。这是因为子帧Gfl和G’ fl 之间单位时间内绿色激光光源136g发射的照明光强度不同。观众观察到具有细腻中间等 级的亮度，该亮度不能在一个子帧中用两个子帧的平均值来表示。因此，根据图15的例 子，可以获得更平滑的图像显示。将代表绿色的像素数据位串分别为子帧Gfl和G’ fl转换成非二进制数据段的转 换过程根据要求的绿光分辨率、Pe2和Pei之间光强的比值、子帧Gfl和G’ 度的比 值、开态和振荡态之间光反射的比值等因素进行调整。优选地，执行适合实施例转换的 确切过程。以上详细描述了数个实施例，本发明并不局限于上述举例的实施例，可以在本 发明的精神范围内对其进行各种变更。无论投影系统是单片或多片，都可以从PWM控制、振荡控制或其他控制方法中 灵活选择DMD的微镜控制方法。PWM控制可以使用本身为二进制数的像素数据来实现，但也可以使用基于非二 进制数的PWM控制。例如，在图15的镜面调制控制波形502中，在一个子帧中将微镜 控制至关态或开态的时间段是PWM控制模式的时间段。也就是说，图15也示范了使用 非二进制数据的PWM控制。为了在SLM控制器103a控制一个子帧中关态和开态的时间长度中使用非二进制 数据，可以修改图7的例子。在这些例子中，一个子帧内的关态可以只有唯一时段、开 态也只有唯一时段，或者在一个子帧内分散有开态的多个时段。根据关态和开态图形， SLM控制器103a可以将像素数据转换为一定格式的非二进制数据，并使用该非二进制数 据来控制SLM105a。只要不同实施例中的控制过程不相互冲突，就可以将它们结合起来。例如， 可以根据帧与帧的不同，通过结合上述多个实施例来同时改变每一帧中的光强和脉冲宽 度，改变可调光源的照明光强度。具体而言，一个实施例可以根据帧与帧的不同，通过 使用发射脉冲光的激光光源、改变包括发射脉冲峰值(即激光光源的光强)、发射脉冲脉 宽、发射脉冲发射频率和发射脉冲数等特性中的至少两个来调整动态范围。同样，在双片投影系统中，除了改变激光光源的光强，可以通过改变脉冲宽 度、发射频率、发射数量或发射间隔来改变可调光源照明光强度。与单片投影系统中一 样，在双片投影系统中，根据帧与帧的不同，改变至少一种颜色的亮度动态范围(即灰 度特性)的控制可以通过各种各样的方式实现。虽然目前已经通过上述优选实施例描述了本发明，但应该明白这种说明并不局 限于以上表述。熟读上述详细介绍并熟练掌握这一技巧的人肯定会想到许多种对装置的 变动和更改。因此，我们的目的是要让附加声明能涵盖一切体现本发明思想、属于本发 明范围的变动与更改。
权利要求
1.一个图像显示装置，包括一个光源，发射强度可调的照明光；至少一个空间光调制器(SLM)，用于接收和施加图像信号、以调制从光源发射的照 明光；和一个控制电路，用于控制光源和空间光调制器，为在至少两个相连帧中具有不同亮 度可调动态范围的图像显示投影经调制的光。
2.权利要求1所述图像显示装置，其中该控制电路控制光源发射的照明光可调的光强。
3.权利要求1所述图像显示装置，其中该控制电路控制光源发射脉冲光形式的照明光；该控制电路进一步改变光源发射的光脉冲的发射状态。
4.权利要求3所述图像显示装置，其中该控制电路至少改变光脉冲包括脉冲幅度、脉冲宽度和光源发射的光脉冲数等特性 的一种。
5.权利要求3所述图像显示装置，其中该控制电路进一步噶年光脉冲的图形，其中光脉冲的图形至少保持包括脉冲幅度、 脉冲宽度、脉冲发射频率和光脉冲数等光脉冲特性中的一种。
6.权利要求3所述图像显示装置，其中该控制电路进一步控制光源发射脉冲宽度短于空间光调制器最短可控调制时间长度 的光脉冲。
7.权利要求1所述图像显示装置，其中该光源进一步包含一个半导体光源。
8.权利要求1所述图像显示装置，其中该光源进一步包含大量排成子光阵列的子光源。
9.权利要求1所述图像显示装置，其中为控制光源，该控制电路进一步接收和施加图像信号。
10.权利要求1所述图像显示装置，其中该控制电路进一步为空间光调制器的大量像素中的每一个像素接收图像信号并将其 转换为非二进制数，根据该非二进制数控制空间光调制器和/或光源。
11.权利要求1所述图像显示装置，其中该控制电路被控制在一连串显示帧中运作，其中一连串显示帧中至少有一帧与其他 帧的时间长度不同。
12.权利要求1所述图像显示装置，其中该控制电路被控制在一连串显示帧中运作，其中一连串显示帧中至少有一帧的显示 灰度等级数与其他帧的显示灰度等级数不同。
13.权利要求1所述图像显示装置，其中该控制电路被控制在一连串显示帧中运作，其中一连串显示帧中至少有一帧是由插 入过程产生的。
14.权利要求1所述图像显示装置，其中该空间光调制器进一步包括一个由一个阵列的可偏转镜面单元组成镜面器件，其中 可偏转镜面单元阵列根据控制电路施加的控制可偏转镜面单元阵列的图像信号，将照明 光偏转和反射至多个方向。
15.专利声明14所述图像显示装置，进一步包括一个投影光学系统，用于投影空间光调制器传输的调制光束，其中控制电路施加图 像信号来控制每一个微镜单元，将照明光偏转至投影光学系统，工作于开态；将照明光 偏转至投影光学系统以外，工作于关态；或在开态和关态之间振荡，工作于振荡态。
16.权利要求15所述图像显示装置，其中该控制电路控制光源发射频率高于工作在振荡态的镜面单元的振荡频率的光脉冲。
17.权利要求14所述图像显示装置，其中该控制电路控制光源根据工作于振荡态的镜面单元运转条件发射光脉冲。
18.—个图像显示装置，包括一个光源，发射强度可调的照明光；至少一个空间光调制器(SLM)，用于接收和施加图像信号、以调制从光源发射的照 明光；和一个控制电路，用于控制光源或空间光调制器，为在至少两个相连帧中具有不同亮 度可调动态范围的图像显示投影经调制的光。
全文摘要
一个用于显示图像的图像显示装置，包含一个用于发射光强可调的照明光的光源；至少一个用于接收和发出图像信号、用于调制来自光源照明光的空间光调制器(SLM)；一个用于控制光源和/或空间光调制器为图像显示投影调制光线的控制电路，其中调制光线在至少两连续帧之间具有不同的亮度动态范围。
文档编号G02F1/00GK102016695SQ200880126413
公开日2011年4月13日 申请日期2008年12月6日 优先权日2007年12月6日
发明者特若安度, 石井房雄, 荒井一马 申请人:石井房雄