一种降低数字视频系统中暂态伪像的方法

专利名称：一种降低数字视频系统中暂态伪像的方法
技术领域：
本发明涉及一种投影显示系统，具体而言，本发明通过将二进制控制信号转换 成非二进制信号控制空间光调制器，实现微镜工作状态的重新组合分布，从而改善 投影显示系统中的暂态伪像。
背景技术：
在阴极射线管(CRT)技术在显示业界占据主导地位100多年后的今天，平板显 示(FPD)和投影显示技术以显示控制系统的小波形系数实现了较大显示屏幕上投射 显示更大的图像，因而受到了广泛欢迎。在几种投影显示技术中，基于微显示技术 的投影显示由于具有比平板显示(FPD)更好的画面质量、更低的制造成本而获得了 认可。市场上投影显示装置中的微显示技术主要有两种， 一种是微液晶显示技术 (micro-LCD)，另一种为微镜技术。微镜装置使用非偏振光，因而与使用偏振光 的微液晶显示相比有亮度上的优势。
尽管近年来在制作空间光调制器这样的机电微镜装置方面取得了显著的进展， 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。
机电镜面装置作为一种空间光调制器引起了广泛关注。机电镜面装置由许多镜 面排列成的镜面阵列组成。机电镜面装置的衬底表面上通常排列着六万到几百万个 不等的镜面单元。图1A所示，带有屏幕2的图像显示系统1在美国专利5214420 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(SLM) 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。如图1B， SLM 15包含一个反 射镜阵列，该阵列由可开关的反射单元17， 27， 37和47组成，反射单元均由通过 铰链30连接到机电反射镜装置衬底表面16的反射镜33组成。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，光束就不会打到屏幕2上，因此像素3就是暗的。
每一个组成镜面装置的镜面单元都具有空间光调制器(SLM)的功能，并且每 一个镜面单元都由一个镜面和电极构成。加在电极上的电压产生了镜面与电极间的 库伦力，使控制和倾斜镜面成为可能。本文中将镜面单元的工作状态规范为术语 镜面是"偏转的"。
施加于电极上的电压使镜面偏转，由于对入射光线的反射作用，偏转的镜面将 改变反射光的传播方向，改变量与镜面的偏转角度相关。本说明书中把能将几乎所 有入射光都反射到图像显示投射路径上的镜面状态称为"开态"；而把入射光反射
到非图像显示投射路径上的镜面状态称为"关态"。
如果反射到投射路径的光(如开态)与没有反射进投射路径的光(如关态)的 比值为一特定值，即反射到投影路径上的光量少于开态时，镜面状态为"中间态"。
如美国专利5214420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P丽(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。由于镜面要么工作在开态，要么工作在关态， 传统的图像显示设备没办法提供比最低有效位可以接受的控制时间更短的脉冲来 控制镜面。由灰度决定的最小光量，是在最短脉冲宽度时间内反射的光量。有限的 灰度等级导致了图像质量的下降。
具体而言，图1C给出了美国专利5285407中一个典型的镜面单元控制电路， 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C1、 C2代表存储单元32中的容性负载。存储单元32包 含一个存取开关晶体管M9和一个基于SRAM设计的锁存器32a。连接到行线的M9 通过位线接收数据信号。当M9从字线上收到行信号后呈导通状态，使存储单元32 中的数据可以被读取。锁存器32a由两个交叉耦合的反相器M5/M6和M7/M8组成。
这两个反相器能够提供两种稳态状态l: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。
镜面由施加在相邻定位电极上电压的驱动，并且在电极上呈现一预定的偏转角 度。弹性"着陆片"就是在定位电极一端形成的，它能使镜面与电极相接触，并且在镜面偏转状态开启时使微镜反向偏转。着陆片与定位电极有相同的电位，这样 避免了定位电极与微镜接触时发生短路。
制备在衬底上的镜面呈方形或矩形，边长4至15微米不等。在这样的布局下，
相邻镜面间的空隙不可避免地产生反射光，无法用于图像的显示。镜面间隙的反射 而不是镜面本身的反射弱化了相邻镜面产生显示图像的对比度，从而导致图像显示 质量的降低。为了克服这样的问题，可以使用版图技术把镜面排列在半导体衬底上， 使镜面间隙减到最小。镜面装置通常设计成包含适合数量镜面单元的阵列，每个单
元作为一个偏转微镜面显示图像中的一个像素。按照视频电子标准协会制定的VESE 标准，用于图像显示的单元数需与显示分辨率一致，或与电视广播标准相一致。当 装置的镜面单元数量符合VESA标准中的WXGA (分辨率为1280x768)时，镜面间 距为10微米，镜面阵列的对角线长度为0. 6英尺。
图1C中的控制电路控制微镜面在两个状态之间转换，同时驱动镜面在如图1A
所示的幵或关的偏转角度(或位置)间振荡。
每个镜面单元反射的用于图像显示的最低可控光量，如数控图像显示设备中图
像的灰度分辨率，是由镜面可受控维持在"开态"位置的最短时间所决定的。每一 个镜面可以维持在"开态"位置的最短时间由多位字依次控制。图1D显示了四位 字控制下SLM的二进制时间周期。正如图1D所示，时间周期有l、 2、 4、 8四个相 对值，它们依次决定着每一位字的相对光通量。其中"1"为最低有效位(LSB)， "8" 为最高有效位(MSB)。在PWM控制机制下，决定灰度分辨率的最小光量就是受"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。
图2A为一灰度等级不足的的例子。该例中，亮度变化梯度较大，伪像显而易 见。图2B为灰度改进后的例子，其中的伪像没那么明显了。
如图2A所示，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了伪像。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。从图3A女孩图像中可以观 察到，在其前额、鼻梁以及上臂处存在较为明显的伪像。由于数控显示技术不能提 供足够的灰度等级，这一技术局限导致了伪像的产生。在显示亮点，如前额、鼻梁 以及上臂处，临近像素的光强差别明显。随着灰度等级的提高，即使像图2B中一 样只提高一倍，图像劣化也会得到有效改善。
由于微镜被控制在全开或者全关位置，光的强度由微镜处在全开态的时间所决 定。为了提高显示器的灰度等级，必须要提高微镜速度以使数字控制信号有更多的 位数。
然而，当微镜速度提高后，需要一个更稳定的铰链来达到所需工作周期，进而 使微镜保证要求的工作寿命。为了驱动加固铰链支撑下的微镜，需要更高的电压。该电压可能会超过20伏，甚至30伏。CMOS技术制造的微镜可能不适合工作在如 此高的电压下，因此需要DMOS或者高压MOSFET技术。为了更好的控制灰度，DM0S 微镜的制作需要更为复杂的制作工艺和更大的器件面积。
由于工作电压的限制，为了制作更小更低成本的微镜显示器就需要牺牲灰度的 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、 6,036,318,申请20030147052。美国专 利6746123提出了能够防止光损耗的特殊偏振光源。然而，这些专利并没有提供克 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，包括美国专利20,25,143， 2， 682, 010、 2， 681， 423、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， 214， 420、 5,287,096、 5,506,597和 5， 489, 952.
然而，对于普通技术人员，这些发明并没有指出或提供克服以上讨论的限制和 困难的方法。提高灰度最大的困难在于，传统的系统只存在着开关两种状态和最短 开态时间。最短开态时间决定了图2A和2B中灰度的梯度高度。
无法提供比梯度更低的亮度。如果能够产生比灰度梯度高度更低的亮度，就可 以提高灰度等级，降低图片质量劣化的问题。前面提到的未决申请11/121,543、 11/136,041和11/183, 216都提出过提高灰度等级的解决方法。
虽然灰度等级的提高可以去除静态图像的伪像，但不能解决动态图像中所谓的 临时伪像。
当图像是由数字信号控制且处于运动中时，能够观察到临时伪像，正如图3B 所示，其上臂和前额上的伪像比图3A中的更为明显。
图4A、 4B和4C阐述了一个8位数字信号的例子。图4A中，输入信号的最低 有效位(LSB)显示在左边最小的方框内，最高有效位显示在右边最大的方框内。 每一位都有一个二进制时间宽度，称为二进制脉冲宽度调制(PWM)。在一帧中， 最低有效位有最少的时间宽度，最高有效位有最大的时间宽度。如果所有位都为 0FF，则输出为零。如果从第一到第七位都为0N，而第八位为0FF，则输出为图4B 所示的127。如果从第一到第七位都为0FF，而第八位为0N，则输出为图4C所示 的128。
这两个信号在数字上只相差l，但在显示时间上却不一样。第一个信号在帧的 前半区，第二个在帧的下半区。人眼对于入射光有一定的反应时间。如果两个光脉冲入射到眼睛的时间间隔很 短，则眼睛会将其识别为单一光脉冲。随着入射时间间隔延长，眼睛开始逐渐将它
们识别为两个不同的脉冲。通常认为人眼的反应时间为20毫秒即50赫兹。欧洲电 视的扫描频率为50Hz，所以我们能够感觉到欧洲电视的闪烁，而在美国电视的扫 描频率为60Hz，我们就不能够感觉到它的闪烁。
由于人眼的反应时间高于60Hz的帧频，图4B和图4C中脉冲的间隔时间足够 短，所以人眼对光的合成使画面看起来足够流畅。如果图4B4C所示这两个像素的 亮度等级为127和128，它们彼此相邻并且图像移动时，则会产生另一种伪像，称 为"暂态伪像"。
图5阐述了这些伪像产生的原因。当画面处于运动中时，观众的眼睛会追踪它。 人眼对入射光的合成是两个相邻像素来完成的，这与静态画面由单像素完成不同。 如果显示器由数字信号控制，在一帧的下半区某像素为开态(如图4B)，在上半 区其相邻像素为开态，那么观众眼睛中的合成光将会是双倍的亮度，如图5亮线所 示。这就是为人们所熟知的等离子体显示当中的临时伪像现象。然而这些伪像不仅 发生在等离子体显示中，在数控显示中也会发生。本发明提供了一些避免或减少这 种临时伪像的解决方案。
通过上述讨论，图1A从一维角度描述了传统的显示技术。图2A和2B定义了 灰度，并通过应用传统显示系统中的图1A至1D阐述了由低灰度引起的伪像增加。 图3A中用一位女性照片说明了伪像的问题，由于灰度等级不足，照片中人物的前 额与上臂区域存在明显的非自然亮线条或亮块。图3B为一临时伪像的例子， 一些 非自然线条在显示图像中清晰可见。图5说明了这些非自然线条产生的原因。如图 4B和图4C中所示，只是亮度的提高也能引起两相邻像素在开态时间上的较大差别。 这是因为127级亮度的开态处于帧的上半区，而128级亮度的开态处于帧的下半区。 当如女性图片这样的画面在屏幕中运动时，人眼会对画面进行追踪。由于这种视角 的变化，入射光的合成并不发生在同一像素，而是发生在像素之间。在图5中，第 四像素的亮度在帧的上半区得到提高，第五像素的亮度在帧的下半区得到提高。这 导致邻近像素不自然地比第五像素亮。图3B所示伪像会让观众感觉到不舒服。消 除这种伪像十分必要。
由上可知，有必要改进显示系统以避免这种图像质量的劣化。因此需要进一步 改进图像显示系统来解决上述讨论的各种困难和限制。

发明内容
一方面，本发明通过消除造成暂态伪像的一帧内存在多个开态这一原因来消除 或者减少暂态伪像。通过对一帧图像的开态和关态时段迸行重新排列，消除或减少了暂态伪像。
另一方面，本发明利用非二进制P丽设置高位数据，减小了一帧内图像开态时 间的间隔。
在一个优选实施例中，本发明的显示系统控制过程使用了将输入信号最高的m 位转换成位于帧首或帧末的非二进制开态脉冲，而其余的低位处于中间态的方法。


对照附图阅读下面的详细说明，会对本发明的上述以及其他目标更加明晰。 图1A展示了微镜面器件的投影显示基本原理；
图1B展示了使用微镜面器件的投影显示的基本原理；
图1C给出了一个早前的驱动电路的例子；
图1D显示了用于产生灰度的传统数字微镜面的二进制脉宽调制(Binary P丽) 机制；
图2A展示了灰度等级不足的例子，其亮度差别很大，有明显的伪像； 图2B展示了灰度得以提高的例子，其伪像得到改善； 图3A展示了灰度不足，伪像明显的例子；
图3B展示了灰度提高后的同一图像的例子；
图4A展示了 8位数字信号的例子；
图4B展示了 8位数字信号的例子；
图4C展示了 8位数字信号的例子；
图5为描述暂态伪像发生原因的图像；
图6阐述了一实施例的基本结构；
图7阐述了一微镜器件的例子；
图8阐述了一传统二进制P丽；
图9举例说明了基于本发明一实施例使用五位二进制输入信号的基础显示系
统；
图10阐述了把五位输入二进制信号分为将前三位转换为最低有效位第三位和 将后两位转换为最低有效位第五位的另一实施例；
图11阐述了，将5位输入信号分成两部分，并进一步将高位数据分成4部分 的另一实施例；
图12阐述了各种类型的中间态；
图13阐述了将输入的5位数字信号分为两部分，其中的低位由中间态驱动的 另一实施例；
图14阐述了利用振荡态实现中间态的微镜器件的例子；图15A阐述了交替利用若干光轴实现中间态的微镜器件的例子；
图15B阐述了交替利用若干光轴实现中间态的微镜器件的例子；
图16A阐述了开态微镜完全反射入射光的例子；
图16B阐述了关态微镜不反射入射光的例子；
图16C阐述了振荡态微镜反射部分入射光的例子；
图17A举例说明了偏转单元的另一种结构；
图17B显示了微镜在开态和振荡态下透过投射棱镜的光强之比；
图17C举例说明图17A所示偏转单元在一帧中微镜的状态；
图18A举例说明偏转单元的另一结构；
图18B显示了开态、关态、中间态下反射光的光轴；
图18C显示了对应图18B所示每条光轴的反射光通量；
图19为基于本发明优选实施例的投影装置结构概念图20为基于本发明另一优选实施例的单板投影装置结构概念图21A为基于本发明优选实施例的投影装置中光学合成系统侧面图;
图21B为基于本发明优选实施例的投影装置中光学合成系统正视图;
图21C为基于本发明优选实施例的投影装置中光学合成系统后视图;
图21D为基于本发明优选实施例的投影装置中光学合成系统顶视图。
具体实施例方式
为详细描述本发明的优选实施例，将上述图示作为参考。上述图示及与之对应 的说明仅作为本发明的范例，并不限制附加于本实施例详细描述的专利范围。具体 而言，通过参考图6至图16，下面将对本发明的典型实施例进行描述。
图6为按照本发明实现的一个投影显示装置的功能方框图。图7为在该投影显 示装置中应用的空间光调制器像素单元布局的截面图。
参照图6，投影显示装置100包含一个空间光调制器(SLM)200、控制器件110、 投影光学系统130和光源光学系统140。投影光学系统130将投射光313投射到显 示屏幕上(未画出)，光源140发出入射光311。空间光调制器件200接收入射光 311产生反射光312。显示系统还包括控制装置110，它由处理器111、帧存储器 112和数据转换器113组成。处理器111包含一个控制控制装置工作时间的微处理 器和光调制器件200。
帧存储器112保持从外部器件(未画出)接收到的数字视频数据(如二进制数 据400)。在一个帧周期内接收并存储至帧存储器的总数据量用于工作和控制。二 进制数据400的一次更新实现一帧的显示。数据转换器113处理从帧存储器112中读出的二进制数400，产生由位串组成的非二进制数500作为输出数据，这将在下 面阐述。然后，空间光调制器件200将预置权重分配给字串中的每一位，下面将进
一步阐述。
在本典型实施例中，空间光调制器200包括一个像素阵列210、 一个列驱动器 220和一个行驱动器230。来自列驱动器220的垂直位线(未在图中标识)与来自行 驱动230器的水平字线(未在图中标识)相交叉，大量的像素单元211就置于这些交 叉点上。
图7表明每一个像素单元211都是由衬底上铰链213支撑的镜面212组成的。 镜面212可以绕着铰链213振荡到任意倾斜角。
衬底214上的镜面单元还包括一个关闭电极215和在铰链213两边对称放置的 关闭制动器215a，同样的还有一个开启电极216和衬底214上的开启制动器。关 闭电极215被施加一预置电压，用以产生库仑力来使镜面212偏转至与关闭制动器 215a。镜面212将入射光311反射至偏离投影光学系统130光轴的光闭方向的光路 上。开启电极216被施加一预置电压，用以产生库仑力来使镜面212偏转至与开启 电极216。镜面212将入射光311反射至与投影光学系统130光轴的开启方向匹配 的光路上。
衬底214上的微镜单元还包括一个关闭电极215和在铰链213两边对称放置的 关闭制动器215a，同样的还有一个开启电极216和衬底214上的开启制动器。
图8描述了一个典型实施例的工作过程。图8为传统二进制P丽的例子，每一 位拥有一个用作乘数的预置权重来产生时间长度，用以控制一个镜面单元。由于某 位为1时驱动像素为开为0时驱动像素至关，这种方法很容易实现。
然而，由于使用分散的多脉冲来控制微镜，并且在一帧中的开态时间分散，图 8所示的方法就导致了显示伪像的问题更为严重。图9为本发明的典型实施例，它 将开态时间限制到一个连续的脉冲内。第二行的脉冲宽度控制方案标记为"非二进 制光模式1"。将开态脉冲的时间段放在帧首，相邻像素的开态脉冲时间段相重合。
第三行的脉冲宽度控制方案标记为"非二进制光照模式2"。该控制方案描述 了开态脉冲位于帧末的例子。这也保证了相邻像素开态时间段相互重合。模式1和 模式2中的最小时间段用图9中的位标记，与用入射光信号的LSB预置的最短可控 时间相对应。
用图8波形所代表的二进制数据400来控制微镜的开态/关态位置，将会导致 微镜振荡的不稳定。由于在一帧中有许多分散的开态时间段，控制模式402无法提 供稳定的控制模式。这种不稳定性因为在"1" / "0"这种二进制控制方案下用 以产生总开态时间(它代表着像素的显示亮度)的每一位的权重是不同的。
相反，在本实施例中，二进制数据转换成非二进制数据500。这种转换避免了在一帧内开态或关态时间段的分散。因此，开态和关态时间段就分成了两个较长的 连续时间段，从而避免了微镜振荡的不稳定性。镜面控制模式502是由非二迸制数
据500产生的。在非二进制数据中，首先设置位串为"1"，然后设置位串为"0"， 用以控制微镜单元的振荡。图9第二行的二进制模式1清晰地阐述了这种控制。非 二进制数据500的权重501为"1"，这与二进制数据400的最低有效位(LSB)相等。
当帧首为连续的"l"位，其对应的开态时间持续，此后为与"O"位对应的关 态时间时，不稳定的问题得到解决。不同于传统的PWM控制过程，对开态和关态时 段的控制在一帧内不再随机分布。而传统的P丽控制过程中，开-关模式并不严格 对应于二进制数据400这样的输入数字视频数据。通过使用转换后的非二进制数据 控制过程得以改善，从而降低了控制信号的噪声。这些噪声通常会导致类似由非二 进制数据500的镜面控制模式显示图像的暂态伪像问题。
图9第三行为指定的非二进制产生镜面控制模式502的一种方法。首先用非二 进制数"0"控制微镜的关态，与0的位数相对应。然后用若干"1"使镜面在连续 的时间段内保持开态，开态时间同样与"1"的位数对应。在一帧的显示过程中， 通过将镜面212的开-关状态分为完整连续的时间段，减少了图像显示中的伪像问 题。
图10为本发明的另一控制过程的实施例。标记为"非二进制模式3"的一行 将输入信号分成两部分数据。高位数据有着较大的最短时段，或者位。低位数据有 较低的时间段，这和原始输入信号中的最低有效位(LSB) —样。因为计算量的减 少，这种控制过程减轻了系统设计师的负担。在模式3中开态时间置于帧首，在第 三行所示控制模式4中，开态时间置于帧末。这两种控制过程都减少了一帧内不必 要的开-关转换。具体而言，图10中的控制过程将5位二进制数据400分成两段二 进制数据410和420并将其转换成模式3中的非二进制数据。然后分别施加不同的 权重到二进制数据段410和420，用以生成非二进制数据510和520。非二进制数 据520的权重521由与二进制数据400最低两位相对应的二进制数据420转换而成。 将其设置为"l"，与二进制数据400的最低有效位相同。同时，图10位于非二进 制模式3下一行的非二进制模式4中。非二进制数据510的权重由二进制数据400 的前三位二进制数据410产生，设置为"4"，是非二进制数据520权重的四倍。
非二进制数据510和520的总位数(如子帧数量)与二进制数据400的十进制 数值的位数相比得以减少。非二进制模式3描述了一个通过应用非二进制数据510 和520中的"1"位串产生镜面控制模式511和522的例子。同时非二进制模式4 显示了产生镜面控制模式512和522的过程，即前面的非二进制数510中首先设置 "0"位串，而后面的非二进制数520中首先设置"1"位串。
在应用非二进制模式4进行镜面控制时， 一帧内的镜面开态时间集中为一个时间段，而不是若干个分散的时间。前面的镜面控制模式512与后面的控制模式522
的开态时间连接成了连续的时间，有效地抑制了临时伪像的显示。同时该控制过程 中运用的非二进制数据量也得到了降低。
图11描述了本发明的另一控制过程实施例。输入数据被分成两部分高位数 据和低位数据，高位数据再被分为等值的四部分。这四部分数据分配在一个帧之中， 这样降低了镜面的开态时间间隔。除此之外，这样的控制过程对于存在高速颜色轮 盘的工作过程还有额外的益处。因为可以通过划分控制时间段来实现与多部分颜色 轮盘相同步。
在基于非二进制数据模式5的控制过程中，二进制数据的高位部分被分为相同 位数的四部分二进制数据431、 432、 433和434。然后分别转换为七位非二进制数 据531、 532、 533和534。接下来二进制数据400的低位部分435转换为三位的非 二进制数据535。图11所示非二进制模式5中，上面一行通过将"1"位串置于始 部分产生非二进制镜面控制模式541、 542、 543、 544和545。下面一行为先将"0" 位串置于非二进制数据531、 532、 533和534开始部分，再将"1"位串置于非二 进制数据535后面部分产生非二进制镜面控制模式541、 542、 543和544的过程。
非二进制模式5的下面一行描述了一种能有效抑制临时伪像的过程。该过程 中，镜面控制模式544的开态时间跟后面非二进制数据535的控制模式545的开态 时间紧密相接。对应于前面非二进制数据的镜面控制模式531、 532、 533和534被 应用在时间段中来与一帧中色轮的每个颜色合成。
图12阐述了在多种中间态下工作的微镜器件控制典型实施例。例1中处于开 关状态间的振荡态控制调制光来实现投射图像的显示。例2为另一通过在开关位置 间振荡来实现中间态的例子。例3为一通过开关间两个振荡态实现中间态的例子。
图13为应用非二进制模式6的例子，其中的低位数据为稳定的中间态。模式 7为使用非二进制数据的例子，其低位数据为振荡态。
非二进制模式6和7包含一个由非二进制数据产生的镜面控制模式551，它被 用来定义一个值为帧长Tf 3/34的时间宽度，然后作为时间宽度为tl的位的权重。 而由非二进制数据生成的镜面控制模式552，被用来定义一个值为帧长Tf 4/34的 时间宽度，然后作为时间宽度为t2的位的权重。非二进制模式6中的控制模式552 通过将微镜调控在中间态的位置上控制图像的亮度，这一点将在后面作进一步介 绍。非二进制模式7中的镜面控制模式552通过调控停留在开态和关态之间的镜面 212控制显示图像的亮度，这一点也将在后面介绍。
图14所示的截面图阐明了一个微镜工作在中间态和振荡态的典型实现方案。 具体而言，图14显示了镜面212在开态位置的第一倾斜状态在关态位置的第二倾 斜状态。中间态位置处的第三状态。镜面212被控制停在开态和关态之间交替振荡，即为振荡态。
以上描述的图13中非二进制模式6的镜面控制模式552是让镜面212处于开 态和关态位置之间的中间态来控制显示图像的亮度而实现的。非二进制模式6的镜 面控制模式552也可以让镜面212处于开态和关态之间振荡来实现。
接下来将描述操作处于中间态像素单元211的方法。通过控制镜面212停止在 开和关之间来控制镜面在开态和关态位置之间震荡。下图中对各种光学部件、不同 的功能单元和操作元素的数字标记与上述图示相同。
图15A和15B为有多个转轴的典型微镜装置工作在中间态的示意图。具体而言， 图15A和15B中的微镜装置包括一套中间态电极217和中间态制动器217a，它们 对称置于铰链213的两侧。铰链位于与关电极215和开电极216连线垂直的方向上。 电极215和216对称置于铰链213的两侧。
图15B所示像素单元211产生的中间态反射光321a投射到入射光311和反射 光312交叠这一固定的角度范围内的光路。当镜面212被控制倾斜在中间态时，反 射光即投射于中间态。通过操控中间态电极217，中间态处于与关态电极215和开 态电极216相关的平面上。
正如图16A和16B所示，可以通过改变镜面角度来调整反射率。在可调节的角 度范围内，设计镜面在开态位置处供最大的显示亮度，在关态位置处提供最低的显 示亮度。调整微镜的位置使其反射部分光线，这样就可以控制显示系统投射出低于 LSB亮度的图像，从而提高显示图像的灰度等级。
相比之下，传统的系统中，将对(0， 1)信号作用到镜面内的电极，会使微镜 处于开态位置，(0， 1)信号定义为左边电极施加零电压、右边电极作用开态高电 压，如图16A所示。信号(1， 0)则用以驱动微镜至关态位置。
图16C为工作在振荡状态的镜面控制示意图，在该状态微镜的反射光密度低于 开态位置的光密度。通过对镜面下的两电极施加零电压，即(0， 0)信号控制微镜 的振荡。通过对电极施加电压，微镜又会回到开态或关态。而图1C所示的传统驱 动电路中，要使微镜工作在这样的状态下需要有多位的输入系统。
各种计算机仿真已计算出微镜处于中间态或者振荡态时的平均反射率根据光
学配置结构的不同在20%到40%之间。如果系统选择合适，反射率可以达到25%也 就是1/4。这使得在不改变输入光密度的情况下，显示系统可以控制微镜调制出亮 度为原来l/4的光。当多个脉冲作用于处在开态中间位置的镜面下的电极时，反射 率可达3/4，如图16C左边的箭头。
除了上述图16A、 16B和16C外，本实施例的空间光调制器200中的每个按阵 列摆放的像素单元也可以有如下构造。
图17A为像素单元211的另一种典型结构。参照图17A，右上图为铰链213支撑的像素单元211的镜面212，左上图为去除镜面后像素单元211的顶视图。图17A 底图为镜面212倾斜于不同角度时像素单元211沿A-A'方向的截面图。在本实施 例中，像素单元211包括一个开态制动器216a和一个关态制动器215a。它们分别 在开态电极216和关态电极215上。开态制动器216a和可变光轴AX间的距离与关 态制动器215a和开态制动器216a间的距离相同。同时，开态制动器216a的高度 要低于关态制动器215a。
对于这样设置的像素镜面，开态电极216施加预置电压会使镜面212转动至开 态并逐渐靠近至开态制动器216a。镜面把入射光311反射到投射光学系统130上 (这里指开态时的反射光)。
入射光311以指定的与可变光轴垂直的入射角度投射到镜面212上。对关态电 极215施加一定的预置电压，使镜面212转动到关态角度位置上，逐渐靠近至关态 制动器215a。镜面反射入射光311，使反射光不能投射到光学系统130 (这里指关 态时的反射光)。当镜面212处于关态时，终止作用于关态电极215上的电压，会 使镜面212进入振荡状态。振荡的镜面会将入射光反射到镜面212振荡态对应的方 向。在一个良好的实施例中，镜面的倾斜角在正15度以内时为开态(即开态角)， 倾斜角在-13度以内时为关态(即开态角)。在典型的实施例中，开态制动器216a 的高度低于关态制动器215a的高度，这与两制动器高度相等的情况相比，前者的 入射光311的入射角可以得到提到。
相反，如果关态制动器215a较低，中断开态时作用于开态电极的电压，此时 微镜可能会处于振荡状态。
应用本实施例中的像素单元211，通过控制镜面212使其只投射开态时光密度 的1/4，可以使可控灰度提高四倍。
相比传统的单板连续系统中应用8位控制信号的LSB时长，有256个灰度，时 间长度约为20微秒，本实施例能够应用IO位的控制信号，也就是说1024个灰度。 此外，应用三个镜面212的装置能够应用12位的控制信号，即4096个灰度。
与传统技术不同，为了应用上面提到的振荡态来提高灰度等级，铰链2113的 弹簧最好要柔软灵活。镜面212振荡的时间要比设定的时间T要长。通过投影光学 系统130的光密度比很容易设定为所需值，因此作用于铰链213弹簧上的压力很小。 灰度等级的提高不会受到铰链213寿命的限制，用于延长镜面振荡周期的控制信号 时间间隔也会变得更长。这种较长的控制周期对即使提高的像素数量都是有益的。 视频图像信号提供到镜面212阵列的每一条线上。为了实际操作，为单线的第一个 像素提供一个存储区，同时为最后一个像素提供一个数字信号。为所有线提供视频 信号和再次为第一个像素提供视频信号的时间之和要短于最低有效位LSB的时间。 考虑到数据传输时间的问题，可以允许更长的最低有效位、更长的时间来传输更多的数据。这样系统可以拥有更多的像素来处理更高分辨率的图像显示。
图17C为解释在一帧的时间内像素单元211的镜面212状态的时间显示图。在 本实施例中，像素单元211设定为控制镜面212使其处于+15°内的开态或者处于 -13°内的关态。同时，还可以控制微镜装置使其处于如图17所示-13°和13°间 的振荡态，以产生另外的灰度级。
图18A为像素单元211的另一典型构造的顶视图和截面图。在图18A中，中上 图为像素单元211的镜面212 (连同铰链)，左图为去除镜面的像素单元211的顶 视图，右图为像素单元211 (包括镜面212)沿B-B'方向的截面图。下图为像素 单元211 (包括镜面212)沿C-C'方向的截面图。
如图18A所示，在本实施例中像素单元211具有一个中间态电极217和中间态 制动器217a，以便控制镜面工作在中间态。当然微镜还包括开态电极216、关态电 极215、开态制动器216a和关态制动器215a。开态制动器216a与可变光轴AX1的 间距与关态制动器215a和可变光轴AX1的间距相等。开态制动器216a和关态制动 器215a的高度也相等。中间态制动器217a的高度设计为高于开态制动器216a和 关态制动器215a。中间态制动器217a要有特殊的横截面结构，以避免镜面212绕 光轴AX1倾斜时与它物理接触。中间态制动器217a的高度也需要满足同样的要求。 铰链213的横截面接近圆形。
通过在开态电极216上施加一预定电压，镜面212绕光轴AX1倾斜直至接触开 态制动器216a，到达开态位置。镜面将入射光311反射到投射光学系统130上(这 里指开态时的反射光)。注意入射光311以垂直于光轴AX1的预定角度反射。
同样，作用于关态电极215上的预定电压使镜面212绕反射光轴AX1转动至关 态位置，直至微镜212接触到关态制动器215a。
对中间态电极施加一预定电压，镜面212接触中间态制动器217a，然后终止 该电压，微镜212工作于摆动态。镜面以光轴AX2为偏转轴自由振荡，根据振荡位 置的不同将入射光反射到相应的方向上。
同时，可以控制镜面212与中间态制动器217a接触而处于中间态的时间。而
处于中间态。
在本典型实施例中，设定镜面单元倾斜角为13°时为开态(即开态角度)， -13°时为关态(即关态角度)，在+4°与-4°之间时为振荡态(即中间态角度)。
图18B为镜面212在开态、关态和中间态这三个状态时反射光312光轴的情况。 镜面212绕反射光轴AX1倾斜，在开态时将入射光311反射到投射系统130上(开 态光轴)，在关态时反射到系统130以外(关态光轴)。
同时，当镜面212处于振荡态时，将入射光311反射到对应中间态的方向(中 间态光轴)。镜面同样绕作为偏转轴的可变形光轴AX2振荡。图18C展示了对应图18B中每个光轴的反射光312的通量。如图18C所示，在 开态时，反射光312的光通量进入投影光学系统130，覆盖了整个投影区域。本实 施例能够在开态反射出比投影光学系统130直径更大的反射光柱。另一方面，关态 时的反射光的通量不投射到投影光学系统130。在振荡态或中间态，仅有部分反射 光通量投射到与系统130交叠的区域上。
图19为基于本发明的另一投影装置布局框图。有图可见，基于本实施例的投 影装置5010包括一个单空间光调制器(SLM) 500 (对应于上面描述的空间光调制 器件200)， 一个控制单元5500， 一个全内反射棱镜(TIR) 5300， 一个投影光学 系统5400，以及一个光源光学系统5200。投影装置5010也就是所谓的单极板投影 装置5010由单空间光调制器构成。显示系统5400包括空间光调制器5100和位于 投射系统5400光轴处的全内反射棱镜5300。显示系统还包括一个光源光学系统 5200，其光轴的角度不同于光学系统5400。
全内反射棱镜5300生成照明光束5600，该光束从旁边的光源光学系统5200 发出，入射到具有特定倾斜角的空间光调制器5100上，同时产生反射光5602。这 些反射光基本是垂直反射到空间光调制器5100上，再传输到投影光学系统5400。
被投影光学系统5400投射的反射光5602经过光学调制器5100和全反射棱镜 5300，投射到屏幕5900上，或像投射光5603 —样用于图像显示。光源光学系统 5200由可调光源5210、聚光镜头5220和5240，以及棒状聚光镜体5230组成。聚 光镜头5220聚焦从可调光源射出的光量。可调光源5210、用于汇聚从可调光源5210 发出光通量的聚光透镜5220，棒状聚光镜体5230和聚光透镜5240在光线5600的 光轴方向依次放置。光线5600从上述可调光源5210射出，入射到全内反射棱镜 5300的侧面。
运用单空间光调制器5100连续彩色显示方法，投影装置5010实现了在屏幕 5900上的彩色显示。可调光源5210可以包括一个红色激光光源5211，绿色激光光 源5212和蓝色激光光源5213，并可对该三个光源进行发射状态的单独控制。可调 光源将显示数据中的帧分成许多的子域(在此三个子域对应于红(R)、绿(G)、蓝
(B))，使得红色激光光源5211、绿色激光光源5212和蓝色激光光源5213在时间 上轮流连续开启，每一颜色将在后面详细介绍。在所示结构，投影装置5010和与 前述控制装置300结构相似的控制单元5500 —起，利用图16所示控制方法来实现 对空间光调制器(即空间光调制单元200) 5100的控制。
图20给出了基于本发明的另一优选实施例投影装置的功能框图。投影装置 5020，也就是所谓的多板投影仪，是由许多空间光调制器5100 (例如 5100R，5100G,5100B)构成的，这正是与前述投影装置的不同之处。投影装置5020
由若干空间光调制器5100组成，在投影光学系统5400和每个空间光调制器间都有一个光的分离/合成光学系统5310。分离/合成光学系统5310由一个全内反射棱镜 5311、色散棱镜5312和色散棱镜5313组成。棱镜5311引导从投影光学系统5400 光轴射出的光线5600照射到空间光调制器5100的一边。色散棱镜5312将经由全 内反射棱镜5311的红色入射光分离，使其入射到红光空间调制器5100R，同时引 导红光的反射光5602R照射到全内反射棱镜5311上。同前述图像显示系统类似， 色散棱镜也能分离出经由全内反射棱镜5311入射光中的蓝光(B)和绿光(G)， 并将其分别投射到蓝光空间调制器和绿光空间调制器上，同时将蓝光的反射光 5602B和绿光的反射光5602G引导至全内反射棱镜5311上。
因此，红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色的分别由对应的光调制器5100同 时进行调制，调制后的反射光5602R， 5602B和5602G经由投射光学系统5400后 成为入射光5603，投射到屏幕5900上实现了彩色显示。在这个投影装置5020典 型实施例中，控制单元5500同前面描述的控制装置300相似，通过使用由第一镜 面控制信号411和第二镜面控制信号421合成的调制控制信号440来控制若干个光 调制器5100。为了避免受限于光分离/合成光学系统5310，我们还可以想到一些光 分离/合成光学系统的改进方法。
图21A、 21B、 21C和21D为应用若干空间光调制器5100的投影装置光学系统 构造框图。图27A为基于本实施例的合成光学系统的侧面图，27B为正面图，27C 为后视图，27D为顶视平面图。本实施例中投影装置5030的光学系统由器件包5100A 构成，它包括了若干光调制器5100， 一个色彩合成光学系统5340， 一个光源光学 系统5200以及一个可调光源5210。器件包5100A中的这些空间光调制器5100以 这样一种方式固定调制器5100的矩形边框与器件包5100A的每条边在同一水平 面与呈近45度角。
色彩合成光学系统5340置于器件包5100之上，它包括的两直角形棱镜5341 和5342在纵向上相接成为等边三角形柱体，而在两棱镜边上的光导模块5343为由 斜面相接而成底部朝上的直角三角形柱体。光吸收体5344和固定的光导模块5343 分别位于棱镜5341和5342的两侧。
光导向模块5343的底部装置着绿色激光光源5212的光源光学系统5200，红 色激光光源5211的光源光学系统5200，蓝色激光光源5213的光源光学系统5200， 并且每个光源都有垂直光轴。从绿色激光光源5212发出的光线5600入射到空间光 调制器5100上，在棱镜5341的底面以入射光5601入射穿过光波导5343和棱镜 5341。同样，从红色激光光源5211和蓝色激光光源5213发出的光线5600入射到 空间光调制器5100上。
投射到空间光调制器5100上的红色和蓝色入射光5106经过棱镜5342后从固 定外表面垂直向上反射。光线按照这个顺序传播，即经过棱镜5342入射到光学系统5400，生成投射光5603用于图像显示。同时，入射到空间光调制器5100上的 绿色入射光5601经过垂直反射后作为反射光5602穿过棱镜5341，被其外表面再 次反射，然后沿着与红色和蓝色反射光5602相同的光路入射到光学系统5400上。 当镜面212处于开态时，投射到投影光学系统5400上的光经过处理成为投射光 5603。
如上所述，基于本实施例的镜面装置单个器件包5100A至少包括两个光调制器 5100。 一种发光模式为只从绿色激光光源5212发出入射光5601。光调制器5100 的另一发光模式为从红色激光光源5211或蓝色激光光源5213发出入射光。由这两 个空间光调制器调制出来的调制光分别入射到相对应的色彩合成光学系统5340 上，经过投射系统5400的放大投射到屏幕5900上，或像投射光5603 —样用于图 像显示。基于本实施例的投影装置5030由控制装置300构成，它通过使用调制控 制信号440和多种如前所述控制方法相结合的方式控制空间光调制器5100。其中 调控信号440由第一镜面控制信号411和第二镜面控制信号421合成。
虽然本发明目前已经用上述优化的实施例进行了描述，但是我们应该明白，这 种实施例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
1.一种图像显示系统，包括接收N位二进制图像信号的信号处理器，其中N为正整数；上述信号处理器还包括一个将至少M位二进制信号转换为多位非二进制信号的数据转换器，其中M为正整数，且满足N≥M≥2；非二进制数据的每一位都有一用以调制图像显示的权重，该权重小于或等于二进制数的M位最低有效位权重。
2、 如权利要求1所述图像显示系统，其中上述数据转换器还要把N位二进制数据中的连续M位转换为非二进制数据。
3、 如权利要求1所述图像显示系统，其中数据转换器以先输出全部非零位，后输出零位的方式输出转换后的非二进制数据。
4、 如权利要求1所述图像显示系统，其中数据转换器以先输出全部零位，后输出非零位的方式输出转换后的非二进制数据。
5、 如权利要求1所述图像显示系统，其中数据转换器把N位二进制数据分为至少两部分，然后将其转换为非二进制数据。
6、 如权利要求5所述图像显示系统，其中数据转换器输出的上述至少两部分数据时，从与邻位数值不同的那一位开始输出。
7、 如权利要求1所述图像显示系统，其中数据转换器把N位二进制数据分成至少两部分，并进一步至少将上述两部分的其中一部分再分为至少两个次部分；N位二进制数据最低有效位的权重要小于其最低有效位的权重；同一二进制数据至少有一个上述次部分转换成非二进制数据。
8、 如权利要求7所述图像显示系统，其中数据转换器先将上述次部分二进制数据转换成的非二进制的所有非零位输出，然后再输出零位。
9、 如权利要求7所述图像显示系统，其中数据转换器先将上述次部分二进制数据转换成的非二进制的所有零位输出，然后再输出非零位。
10、 如权利要求7所述图像显示系统，其中对于由次部分转换成的非二进制数据，数据转换器从与邻位数值不同的数据位开始输出。
11、 一种显示器件，包括一个接收N位二进制图像信号的信号处理器，其中N为正整数；该信号处理器还包括一个将至少M位二进制信号转换为多位非二进制信号的数据转换器，M是正整数，且满足N》M》2;至少一个包含许多镜面单元的偏转镜面器件非二进制数据的每一位都有一个用以调制上述偏转镜面实现图像显示的权重，非二进制数据的每一位都有一个权重，该权重小于或等于二进制数据的M位的最低 有效位权重。(e) 每个镜面单元至少有两个偏转状态，(f) 镜面角度固定的偏转状态和/或镜面角度变化的偏转状态，(g) 镜面单元受非二进制数据控制，(h) 非二进制数据每位数值相等时，镜面偏转状态保持不变。
12、 如权利要求ll所述显示器件，其中数据转换器从一个相等数值开始按 顺序对非二进制数据的每一位进行输出。
13、 如权利要求ll所述显示器件，其中每个上述镜面单元至少有镜面角度 固定和/或镜面角度变化两种偏转状态，每个镜面单元都受非二进制数据信号控制， 当非二进制数据各位数值相等时，每种偏转状态都在连续时段中保持状态不变。
14、 如权利要求13所述显示器件，其中镜面角度固定的偏转状态包括镜面 处于开态角的偏转态、处于关态角的偏转态、在开态角和关态角之间某角度上的偏 转态或既不处于开态角也不处于关态角的偏转态。
15、 如权利要求13所述显示器件，其中镜面角度变化的偏转状态包括在上 述镜面在开态与关态中某一角度变化或振荡的偏转态，以及不在开态与关态中任一 角度变化或振荡的偏转态。
16、 如权利要求ll所述显示器件，其中上述数据转换器将上述二进制数据的上述N位中的M个连续位转换为非二进制数据。
17、 如权利要求ll所述显示器件，其中数据转换器输出非二进制数据的方 式为先输出上述非二进制数据的全部非零位，再输出上述非二进制数据的零位。
18、 如权利要求ll所述信号处理器，其中数据转换器输出非二进制数据的 方式为先输出上述非二进制数据的全部非零位，再输出上述非二进制数据的零位。
19、 如权利要求ll所述信号处理器，其中数据转换器输出上述非二进制数 据的方式为从与相邻位有不同数值的那一位开始输出。
20、 一种显示装置的控制方法，包括 接收N位二进制字的图像信号，其中N为正整数；将二进制数据中的至少M位转换为一组非二进制数据，每一个非二进制数据的最低有效位权重小于或等于二进制数据的最低有效位权重，其中M为正整数且满足 N》M^2;从与相邻位有相同数值的那一位开始顺序输出；通过使用非二进制数据来控制空间光调制单元。
21、 如权利要求18所述显示装置的控制方法，其中上述M位二进制数据的 上述转换步骤还包括对把上述M为数据作为上述二进制数据的上述N位中的连续M位进行转换。
22、 如权利要求18所述显示装置的控制方法，其中上述非二进制数据的上 述输出步骤还包括从"1"位开始顺序输出非二进制数据。
23、 如权利要求18所述显示装置的控制方法，其中上述非二进制数据的上 述输出步骤还包括从"0"位开始顺序输出非二进制数据。
24、 如权利要求18所述显示装置的控制方法，其中将二进制数据分为至少两部分连续二进制数据，然后把这两部分二进制数据转换成非二进制数据。
25、 如权利要求22所述显示装置的控制方法，其中上述非二进制数据的上述输出步骤还包括从数据位上数值与相邻位不同的那一位开始输出。
全文摘要
本发明提供了一种图像信号处理器，包括(a)一个用于接收和/或保持N位二进制字图像信号的输入电路，其中N为正整数；(b)一个将至少M位二进制信号转换为多位非二进制信号的数据转换器，其中M是正整数，且满足N≥M≥2，其中(c)非二进制数据的每一位都有一个权重，该权重小于或等于二进制数据的M位的最低有效位权重；(d)数据转换器从相等数值开始顺序输出非二进制数据的每一位。
文档编号H04N7/01GK101595729SQ200780040246
公开日2009年12月2日 申请日期2007年8月17日 优先权日2006年8月29日
发明者前田义浩, 市川博敏, 石井房雄, 荒井一马 申请人:硅索株式会社