微镜装置的控制系统的制作方法

专利名称：微镜装置的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像显示系统。具体而言，本发明涉及具有(多个)空 间光调制器的显示系统。
背景技术：
尽管近年来在将机电微镜装置实现为空间光调制器的技术方面取得 了显著的进步，但是当图像显示系统将机电微镜实现为空间光调制器以 提供高质量图像显示时，仍然存在限制和困难。尤其是，当将微镜实现 为色序显示系统的空间光调制器以投射显示图像时，图像具有令人讨厌 的"彩虹"效应。
具体地，在基于HDTV格式的显示系统中彩虹效应甚至变得更为明 显。随着在屏幕上显示的图像尺寸变得越来越大(例如对角尺寸超过 100〃)， HDTV显示格式也变得普遍起来。当规格是100"尺寸的图像包括 1920x1080个像素时，屏幕上的像素尺寸超过了 lmm。类似地，对于根 据XGA格式显示在50〃对角尺寸的屏幕上的图像，像素尺寸也是lmm。 对于如此大尺寸的显示像素，观察者可以看见屏幕上的各个像素。由于 这些原因，显示系统需要多于10位或16位的高数量灰度级以消除彩虹效应从而提供高质量的显示系统。此外，当以数字方式对显示图像进行 控制时，由于图像没有以足够数量的灰度级进行显示，图像质量受到了 不利的影响。
机电微镜装置由于可用作能够方便地以数字方式进行控制的空间光
调制器(SLM)的应用，因此受到广泛关注。空间光调制器需要相对较 大量的微镜装置的阵列。通常，对于各SLM，所需要的装置数量的范围 从60， 000到几百万。参考图1A的包括显示屏2的数字视频系统1 (在 参考文献美国专利5,214,420中公开)。使用光源10生成光能作为照明光 源以在显示屏2上显示图像。从光源投射的光9通过反射镜11进一步聚 焦并指向透镜12。透镜12、 13和14用作光束聚焦器(beamcolumnator) 以将光9聚焦为光柱8。计算机通过经由数据线缆18传输的数据对空间 光调制器15进行控制以可选择地将光的一部分从路径7改为指向透镜5 从而显示在屏幕2上。SLM 15具有包括可切换的反射元件阵列的表面16 (例如，图1B所示，诸如元件17、 27、 37和47的微镜装置32作为连 接到铰链30的反射元件)。当元件17处于一个位置时，来自路径7的光 的一部分改为沿着路径6指向透镜5，在透镜5中，其被放大或沿着路径 4传播而撞击在显示屏2上，由此形成被照明的像素3。当元件17处于 另一位置时，光指向显示屏2以外的区域，因此像素3是暗的。
如在美国专利5， 214， 420中以及由大部分常规的显示系统所实施 的微镜控制方案的ON和OFF状态对显示质量构成限制。具体而言，常 规结构的控制电路的应用面临的限制是具有通过在ON状态和OFF状 态之间应用脉冲宽度调制(PWM)来实现控制的微镜的常规系统的灰度 级受到由LSB (最低有效位，或最小脉冲宽度)确定的增量照明的最小 可控量的限制。由于在常规系统中实现的ON-OFF状态，无法提供比LSB 更短的脉冲宽度。可由空间光调制器进行控制的增量亮度的最小量确定 了灰度级的分辨率，并且其又由在最小脉冲宽度所控制的时间长度期间 反射的光来确定。受限的灰度级导致图像显示的劣化。
详细来说，图1C示出了根据美国专利5， 285， 407的现有技术的微 镜控制电路的示例性电路图。控制电路包括存储单元32。各种晶体管被表示为"M",其中"*"代表晶体管数量，并且各个晶体管是绝缘栅场效应
晶体管。晶体管M5和M7是p沟道晶体管，晶体管M6、 M8和M9是n 沟道晶体管。电容Cl和C2代表提供给存储单元32的电容性负载。存储 单元32包括存取开关晶体管M9和锁存器32a，这是静态随机存取开关 存储器(SRAM)设计的基础。以行排列的各个存取晶体管M9从不同位 线31a接收DATA信号。通过使用施加到字线(wordline)的ROW信号 导通行选择晶体管M9，使得能够进行对存储单元32写入数据的操作。 锁存器32a由两个交叉耦合的反相器，M5/M6和M7/M8 (其允许有两个 稳定状态)形成。状态1是节点A高且节点B低，状态2是节点A低且 节点B高。通过由控制电路控制微镜移动到处于如图1A所示的ON或 OFF角取向的位置来执行双状态切换操作。亮度(即，以数字方式控制 的图像系统的显示灰度级)由微镜处于ON位置的时间长度来确定。微 镜被控制处于ON位置的时间长度又由多位字进行控制。为了简化说明， 图1D示出了当由4位字进行控制时的"二进制时间间隔"。如图1D所示， 该时间间隔具有相对值l、 2、 4和8，该相对值又限定了4位中的每一个 的相对亮度，其中"1"代表最低有效位而"8"代表最高有效位。根据所示的 控制机构，用于显示不同亮度的灰度级之间的最小可控差异是由将微镜 保持在ON位置的"最低有效位"所表示的亮度。
当相邻图像的像素由于可控灰度级的非常粗糙的比例而用很大程度 的不同灰度级进行显示时，这些相邻的图像像素之间出现了伪像。这导 致图像劣化。当相邻图像像素之间存在灰度级的"更大间隙"时，在显示 的明亮区域，图像的劣化尤其明显。在女性模特的图像中可以观察到， 在其前额、鼻子的侧面和上臂处显示有伪像。伪像是由以数字方式控制 的显示不能提供足够数量的灰度级这一技术限制而生成的。在显示的明 亮处，例如，在前额、鼻子的侧面和上臂处，相邻像素显示有光强的可 视间隙。
由于对微镜进行控制以具有完全的ON位置和完全的OFF位置，因 此光强由微镜处于完全的ON位置的时间长度来确定。为了递增显示的 灰度级的数量，必须将微镜的速度增大到这样的程度，即，能够将以数字方式控制的信号增大到更高的位数。然而，当微镜的速度增大时，微 镜需要更坚固的铰链来维持所需的工作循环数以进行指定使用寿命的操 作。为了驱动由进一步加强的铰链所支撑的微镜，需要更高的电压。该
更高的电压有可能超过20伏特，甚至可能高达30伏特。通过应用CMOS
技术而制造的微镜很可能不适合在如此更高的电压范围下工作，因而需
要DMOS微镜装置。为了实现更高程度的灰度级控制，当实施DMOS微
镜时，需要更复杂的制造工艺和更大的装置区域。因此，常规模式的微
镜控制面临着技术挑战，g卩，由于工作电压的限制，为了更小和更为成
本有效的微镜显示的利益而必须牺牲灰度级的准确性。
有许多与光强控制相关的专利。这些专利包括美国专利5,589,852、
6,232,963、 6,592,227、 6,648,476禾B 6,819,064。还有与不同形状的光源相
关的专利和专利申请。这些专利包括美国专利5,442,414、 6，036，318和专
利申请20030147052。美国专利6,746,123公开了用于防止光损失的特殊
的偏振光源。然而，这些专利或专利申请没有提供有效的方案来克服以
数字方式控制的图像显示系统中由不充足的灰度级而造成的限制。
有若干与应用非二进制数据以进行图像控制的显示系统相关的专
利。这些专利包括美国专利5,315,540、 5,619,228、 5,969,710、 6,052,112、
6,970,148和美国专利申请US2005/0190429。此外，还有许多与空间光调
制相关的专利，这些专利包括美国专利2,025,143、 2，682,010、 2,681,423、
4,087,810、 4，292，732、 4，405，209、 4,454,541 、 4，592，628 、 4,615,595 、
4,728,185、 4,767,192、 4，842，396、 4,卯7，862、 5,214,420、 5,287,096、
5，506,597、 5,489,952、 5,827,096、 6064,366、 6535,319、 6,719,427、 6,880,936
和6,999,224。然而，这些发明没有为本领域的普通技术人员提出或提供
克服上述限制和困难的直接方案。
因此，在对作为空间光调制器的微镜阵列应用数字控制的图像显示
系统领域中，仍然存在提供新的和改进的系统的需要从而可以解决上述困难。

发明内容
10本发明涉及一种用于控制具有多个反射镜的微镜阵列的新的显示控 制系统。
在显示系统中，可视图像质量的改进是非常重要的主题。运动轮廓 和运动图像的重影就是这方面的主题。
作为这些主题的手段之一，改变帧周期的光模式是有效的方法。
作为这种光模式的改变己知有在帧周期中对二进制数据的各个位的 位置进行设置的方法。
本发明提供具有将图像信号的二进制数据变换成非二进制数据的方 法的图像显示系统。
对于本领域的技术人员来说，在阅读了下面的优选实施方式(在不 同的附图中示出)的详细描述之后，本发明的这些和其他目的和优点将 毫无疑问地变得明显。


下面参考以下附图详细地描述本发明。
图1A是提供了本发明的背景和现有技术的显示技术的图； 图1B是提供了本发明的背景和现有技术的显示技术的图； 图1C是提供了本发明的背景和现有技术的显示技术的图； 图1D是提供了本发明的背景和现有技术的显示技术的图； 图2是示出了 SLM显示系统的系统图，其中该SLM显示系统具有
控制器以接收N位二进制数据从而将该数据转换为非二进制数据，并且
该SLM显示系统在将非二进制数据应用于SLM之前，将非二进制数据
存储在数据保持电路中；
图3是示出了由图2的转换器所执行的将二进制数据转换为非二进
制数据的处理的流程图4是示出了由数据转换器所执行的转换数据的处理的功能图； 图5A是示出了使用PWM的二进制反射镜控制信号的数据框图； 图5B是示出了将二进制数据转换为分段的非二进制数据的数据框
图；图5C是示出了将二进制数据部分转换为分段的非二进制数据以及
控制图像显示的光模式的数据框图6是示出了由不同功能块所执行的将非二进制数据应用于SLM以 生成不同灰度级的图像的处理的电路图7是示出了在计算非二进制数据的处理中对不同的数据段进行处 理的数据框图8是示出了在本发明的图像显示系统中实现的计算非二进制数据 和对光模式进行控制的处理的图，
图9是示出了在本发明的图像显示系统中实现的计算非二进制数据 的方法的图IO是实现有校正电路的图像显示系统的电路图； 图11是实现有校正电路的图像显示系统的电路图； 图12是示出了实现有计数器的显示系统的功能框图，其中该计数器
用于对与至少M位数据的连续块(consecutivepiece)相对应的计算出的
非二进制数据的段数进行计数；
图13是示出了被实现为无需大存储器来保持作为将二进制数据转
换为非二进制数据的结果的非二进制数据的显示系统的电路图14是示出了在显示系统中实现的用于计算非二进制数据的方法
的图15是更详细地例示了图2所例示的图像显示系统的结构的概念
图16是构成根据本发明的优选实施方式的图像显示系统的空间光
调制器的单独像素元件的截面图17A是示出了根据本发明的优选实施方式的图像显示系统中的反 射镜元件的示例操作的概念图17B是示出了根据本发明的优选实施方式的图像显示系统中的反 射镜元件的示例操作的概念图17C是示出了根据本发明的优选实施方式的图像显示系统中的反 射镜元件的示例操作的概念12图18A是示出了实现微镜的ON状态的方法的概念图18B是示出了实现微镜的OFF状态的方法的概念图； 图18C是示出了实现微镜的振荡状态的方法的概念图。
具体实施例方式
图2是示出了实现本发明的图像数据处理技术的图像显示系统5000 的示例性实施方式的功能框图。该图像显示系统包括多个空间光调制器 5100、用于控制调制器的控制单元5500、可变光源5210和投射光学系统 5400。可变光源5210包括向各个空间光调制器5100发射各自颜色(即， 红色(R)、绿色(G)和蓝色(B))的入射光5601的红色激光源5211、 绿色激光源5212和蓝色激光源5213。控制单元5500包括帧存储器5520、 控制器5530、数据保持电路5540和数据转换器5550。控制器5530包括 光源控制器5532和SLM控制器5531 ，以控制单独的空间光调制器5100。 帧存储器5520将从外部接收的输入数字视频数据100临时地存储为输入 二进制数据。
SLM控制器5531生成二进制数据110和非二进制数据210，这些数 据是用于基于输入数字视频数据100控制空间光调制器5100的各个微镜 5112的ON/OFF和振荡的控制信号。视频数据存储在帧存储器5520中并 且通过数据保持电路5540发送到各个空间光调制器5100。光源控制器 5532通过控制红色激光源5211、绿色激光源5212和蓝色激光源5213的 每一个的发光强度和发光定时来控制可变光源5210。
参考图2的包括控制系统的显示系统，其中该控制系统用于基于图 像信号的二进制数据控制空间光调制(SLM)装置以显示具有灰度级的 图像。该图像信号包括N位的二进制数据。该系统还包括数据转换器 5550，该数据转换器5550用于针对各个子帧将连续的至少M位(N^M) 的二进制数据转换为多个非二进制的分段数据。SLM具有多个像素并且 由非二进制数据进行控制。
参考图3和4的在根据本发明的处理的系统中所执行的控制处理。 该控制处理具有以下特征其中N和M是正整数。处理器5530从与第一像素元件相对应的M位二进制数据中计算出第一段非二进制数据(即，
通过第一子帧控制第一像素元件的数据)，并将该数据传送到SLM。处理 器5530顺序地计算与所有像素相对应的第一段数据并将该数据传送到 SLM。处理器5530还顺序地计算与所有像素相对应的第二段数据(即， 用于控制各像素的数据)并将该数据传送到SLM。重复计算和传送所有 分段数据的处理，直到全体的M位二进制数据都被转换为非二进制数据 并被传送到SLM。
上述的处理具有如下的优点控制处理使得在与非二进制数据相对 应的子帧的时间内能够高速地处理所有像素元件。此外，数据转换器5550 不需要大的存储空间来保持作为将二进制数据转换为非二进制数据的结 果的非二进制数据。根据本实施方式的控制单元5500的数据转换器5550 被配置成按照图3所示的流程图的步骤，执行用于将数字视频数据100 (即，二进制数据)转换为非二进制数据210的处理。
具体而言，数据转换器5550首先将平面数S初始化为"O"(步骤901 )， 随后使该平面数S递增(步骤902)。然后，数据转换器5550将像素数P 初始化为"O"(步骤903)并且使该像素数P递增(步骤卯4)。接着，输 入与当前像素数P相对应的M位二进制数据llO (步骤905),随后从平 面数S的二进制数据110中计算非二进制数据210 (步骤906)并将计算 结果传送到空间光调制器5100 (步骤907)。重复该处理直到像素数P达 到"ri"(步骤908)。接着，如果像素数P达到"n"，则数据转换器5550确 定平面数S是否已经达到平面数m (步骤909)，如果没有达到，则重复 步骤902及其后的步骤。
参考图5A、 5B和5C的用于示出应用二进制数据以控制脉冲宽度的 N位，在该脉冲宽度中，二进制数据的各个二进制位具有从最低有效位 (LSB)到最高有效位(MSB)的不同的加权因子。在图5A所例示的通 过应用PWM控制来进行灰度级的控制中，各个位的加权因子是应用脉 冲控制的持续时间，即，各个段的周期长度(即，子帧)。图5A示出了 通过施加二迸制反射镜控制信号130而进行的PWM控制，其中PWM控 制的ON或OFF波形与二进制数据110的各个位的连续的加权因子120相对应。
图5B示出了可替换实施方式，其中输入视频数据的5位被转换为具 有一致加权因子"l"的非二进制数据。针对各个段，将5位二进制数据转 换为非二进制数据并将其传送到SLM，其中子帧的周期由LSB的权重来 确定(权重二l)。换而言之，计算在LSB的周期中ON状态的数量，并 且根据非二进制数据来确定灰度级以继续该ON状态的周期。图5B示例 出将非二进制数据210生成为二十三(23)个数字的位串的情况，其中 各个数字都被应用了一致的加权因子"l"(即，16 + 0+4+2+1=23)。该位 串由5位二进制数据110 "10111"生成并以"头向前(head first)"的方式 输出非二进制数据210，由此生成具有连续23个ON段的非二进制控制 信号230。
图5C示出另一个示例性实施方式，其中中间3位被转换为非二进制 数据。因此，基于该二进制数据的最低位由SLM或光源进行光强调制(光 强比是1/2)。结果，在该实施方式中，除了MSB之外，二进制数据的所 有位都被应用了一致的加权因子"2"。图5C示出了如下的控制方法从5 位二进制数据110 "10111"中提取出居中的3位"Oll"以生成包括连续'T' 的3个数字(g卩，0+2+1 =3)的位串的非二进制数据210，并且将"2"分 配为各个位的加权值220，从而通过分配段221来生成非二进制反射镜控 制信号230，其中该段221的脉冲宽度被扩展为各个位的两倍。还生成有 时间周期等于与二进制数据110的MSB相对应的段221的8倍的二进制 反射镜控制信号130。对于二进制数据110的LSB，分配了与段221的宽 度相对应的两倍(即，2x)的脉冲宽度，并且还将ON时间处的光强设 定为1/2。生成反射镜控制信号300并将该信号输入到空间光调制器5100。 反射镜控制信号是混合的反射镜控制信号300，其包括与二进制数据110 的MSB相对应的二进制反射镜控制信号130、从与居中的3位"011"相对 应的非二进制数据210中生成的非二进制反射镜控制信号230、以及与二 进制数据110的LSB相对应的二进制反射镜控制信号130。
参考图6，该图是接收N位二进制数据的图像信号以基于图像信号 的二进制数据显示具有灰度级的图像的显示系统的功能框图。该系统还包括数据分离电路5560以将二进制数据分割成具有K组M位二进制数
据的第一二进制数据和具有剩余位的第二二进制数据。该系统还包括数
据转换器5550，其用于将第一和第二二进制数据转换为多组非二进制分 段数据以对各个子帧的数据应用PWM控制。该系统还包括具有多个像 素元件的SLM5100，并且这些像素元件的每一个都用非二进制数据进行 控制。
图6所示的系统采用如下步骤以将二进制输入数据转换为非二进制
数据
步骤A)，从与第一像素元件相对应的M位二进制数据中计算第一 段非二进制数据(即，用于控制第一像素元件的数据)并将该数据传送
至SLM;
步骤B)，顺序地计算与所有像素相对应的第一段数据并将该数据传
送到SLM;
步骤C)，顺序地计算与所有像素相对应的第二段数据(即，用于控 制各像素的数据)并将该数据传送到SLM;
步骤D)，重复计算和传送所有的分段数据的步骤(直到全体M位 二进制数据都被转换为非二进制数据并被传送到SLM);
步骤E)，对上面步骤A至D中所列的处理重复K次(即，第一二
进制数据的数量)；以及
步骤F)，针对第二二进制数据，重复步骤A至D的相同处理。 作为通过数据分离器(即，数据分离电路)将二进制数据分割成相 等的K组M位二进制数据的结果，本实施方式能够在整个显示周期内显 示具有一致灰度级的图像。本实施方式能够在与非二进制数据相对应的 子帧周期中高速地控制所有像素。数据转换器5550不需要大的存储空间 来保持作为将二进制数据转换为非二进制数据的结果的非二进制数据。 图6所示的控制单元5500A具有设置在数据转换器5550的前级的数据分 离电路5560。数据分离电路5560对从帧存储器5520接收到的输入二进 制数据110进行分割，将该输入二进制数据110分成K段彼此相等的二 进制数据，并将该分割后的数据发送到数据转换器5550。数据转换器5550
16执行将从数据分离电路5560接收到的被分割的二进制数据转换为非二进 制数据，并将该非二进制数据存储在数据保持电路5540的操作。
图7示出了用于例示将总共5位的输入二进制数据分割成相等的四 (4)块二进制数据和剩余的2位数据的可选方法的数据框图。分割的二 进制位数据块被转换为非二进制数据段并被传送到SLM，在SLM中子帧 的周期由LSB的权重确定(权重=1)。换而言之，计算LSB周期中ON 状态的数量，并且对灰度级进行表示以在由应用了 LSB的加权因子的非 二进制数据所限定的时间周期中保持ON状态的周期。结果，如图7所 示，可以在整个显示时期中示出用一致灰度级显示的图像。具体而言， 图7示出了 K=4的情况。二进制数据110被分成"101"，该"101"是原始 二进制数据110 "10101"的四分之一 (1/4)，并且二进制数据110被分成4
块"ior，(即，第一二进制数据iii、第一二进制数据i12、第一二进制数
据113和第一二进制数据114)并且第二二进制数据115是LSB侧上的 剩余2位。第一二进制数据111至114以及第二二进制数据115分别被转 换为4块非二进制数据211、 212、 213和214以及1块第二非二进制数 据215。此外，从第一非二进制数据211、 212、 213和214分别生成非二 进制反射镜控制信号231、 232、 233和234，并且从第二非二进制数据 215生成非二进制反射镜控制信号235;而且这些信号被输入到空间光调 制器5100。
根据本发明的实施方式，还公开了用于保持由数据转换器5550转换 的非二进制数据的数据保持电路5540。数据保持电路5540保持等于水平 像素数量的至少1/2a的非二进制数据，其中"a"是整数，并将该非二进制 数据传送到SLM5100。此外，在不同的实施方式中，公开了包括用于保 持由数据转换器5550转换的非二进制数据的数据保持电路5540的图像 显示系统。该数据保持电路5540具有如下能力保持与至少第一二进制 数据相对应的所有像素的非二进制数据和保持与第一次计算出的第一二 进制数据相对应的所有像素的非二进制数据。数据转换器5550不重复计 算与第一二进制数据相对应的非二进制数据，并且保持电路重复K次地
将所保持的非二进制数据传送到SLM。本实施方式实现了具有相对较小容量的小电路。根据图7，数据保持电路5540的存储容量是31个子帧的 10 (=7+3)个段的存储器。因此减少了计算量，并且显著减轻了数据 转换器5550的负担。
图8示出了作为可选实施方式的将二进制数据转换为分段的非二进 制数据以控制像素的各个元件作为具有定位状态或振荡状态或中间状态 的微镜元件。振荡状态或中间状态用非二进制数据进行控制。由于通过 用非二进制数据对用于光的SLM进行调制而实现了段时间的延长，所以 放松了用于处理的时间要求。具体而言，图8中从5位"10111"的较高的 3位生成PWM的二进制反射镜控制信号130。该二进制反射镜控制信号 130用于对微镜5112进行ON/OFF控制。同时，二进制数据110的下2 位"ll"被转换为3块(2 + 1=3)非二进制数据210 (在这种情况下具有 加权值'T')，由此生成非二进制反射镜控制信号230。该非二进制反射镜 控制信号230用于实现对微镜5112进行振荡控制或实现在微镜5112的 ON位置和OFF位置之间的中间位置的控制。因此，包括二进制反射镜 控制信号130和非二进制控制信号230的混合反射镜控制信号300对微 镜5112的调制进行控制。
图9示出了数据转换器将数据转换为多个分段的非二进制数据，这 些多个段中的每一个代表构成图像显示子帧的段的周期。对这些段中的 每一个应用等于M位二进制数据的LSB的加权因子。由于非二进制数据 段的显示时间，放松了处理的时间要求。具体而言，在从5位二进制数 据110 "IOIOI"中提取出居中的M位(即，在这种情况下为3位"010") 并将其转换为非二进制数据210的处理中，图9所示的示例生成非二进 制数据210以将周期"2"(其为3位中最低位的加权值120)作为非二进 制数据210侧的加权值220。将从"010"生成的非二进制数据210转换为 4 (=0*8+1*4+0*2)块位串，并且考虑到"2"是加权值220 (即，M位 的最低位的权重)的值，该非二进制数据210被转换为2位(即， 一半) 的位串。通过应用与非二进制数据210的各个段相对应的非二进制数据 而得到显示周期，并且显示周期变长，因而在转换处理中，放松了对于 控制和计算处理时间的时间要求。图IO示出了实现有数据转换器的图像显示系统的功能框图，其中该 数据转换器包括图像信号的校正电路。与数据转换器针对各个段的重复 处理一起，校正电路执行与图像信号或SLM的特性相关的校正。具体而
言，图10示出了控制单元5500B，与控制单元5500相比，控制单元5500B 与控制单元5500类似但进行了修改。控制单元5500B在数据转换器5550 中配备有校正电路5551。数据转换器5550使校正电路5551在上述的将 二进制数据110转换为非二进制数据210的转换处理的处理中执行所期 望的校正。校正电路5551提供用于校正图像数据的数据，该数据包括轮 廓(contouring) /运动轮廓/抖动/比例縮放/I/P转换/A/D工作误差/其他电 路的工作误差。此外，校正电路5551校正空间光调制器的工作误差。校 正电路5551还校正空间光调制器的多个元件的特性之间的不平均性。
图11是显示用于通过应用包括N位二进制数据的视频信号的图像信 号的二进制数据而显示具有灰度级的图像的图像显示系统5000的功能 块。该系统还包括至少一个计数器5553，其对与至少M位数据(N^M)
的连续段相对应的计算出的非二进制数据的段数(即，子帧的数量)进 行计数。该系统还包括至少一个位比较器5552，其将M位二进制数据与 由计数器生成的段计数进行比较。该系统还包括处理电路5554，其通过 应用从比较器5552生成的数据并应用非二进制数据来控制包括多个像素 的SLM5100而计算各个非二进制数据段，g卩，各个子帧的数据。
通过根据如下步骤的计算来生成非二进制数据
步骤A)，从与第一像素元件相对应的M位二进制数据中计算第一 段非二进制数据(即，控制第一像素元件的数据)并将该数据传送到SLM
5100;
步骤B),顺序地计算与所有像素相对应的第一段数据并将该数据传 送到SLM5100;
步骤C)，顺序地计算与所有像素相对应的第二段数据(即，控制各 像素的数据)并将该数据传送到SLM 5100;
步骤D)，重复计算和传送所有的分段数据的步骤，直到全体M位 二进制数据都被转换为非二进制数据并被传送到SLM 5100;图12示出了在图IO的系统中实现的M位幅值比较器。图12示出 了一个示例性实施方式，并且可以将不同的减法电路用作比较器。如图 11所示的控制电路5500C中，数据转换器5500包括位比较器5552、计 数器5553和处理电路5554。计数器5553是以时钟5553a而递增的M位 计数器。位比较器5552针对时钟5553a的各个输入，将输入的M位二进 制数据110 (其中A-(A-O)至(A-M))与M位计数器5553 (其中B=(B-0) 至(B-M))进行比较，并基于上述两组数据之间的大小关系向处理电路 5554输出"r或"O"。具体而言，如果比较结果为A〉B，则位比较器5552 向处理电路5554输出'T'，而如果比较结果为A^B，则向处理电路5554 输出"O"。因此，连续的位串'T'被输入到处理电路5554，直到计数器5553 的值变为与二进制数据UO的值相同，随后将被输出到处理电路5554的 位串"O"输出直到计数器5553溢出。处理电路5554根据从位于前级的位 比较器5552输出的上述位串而生成非二进制反射镜控制信号230。如上 述图11和12所示的控制单元5500C使得在与非二进制数据相对应的子 帧周期内能够对全体像素进行高速地控制。包括上述控制单元5500C的 这种系统不需要大的存储空间来保持作为将二进制数据转换为非二进制 数据的结果的非二进制数据。
图13示出了根据本发明的不同实施方式的示例性图像显示系统 5000的结构的功能框图。在图13所示的控制单元5500D中，控制单元 5500D与上述控制单元5500不同。图13所示的控制单元5500D除了帧 存储器5520、包含数据保持电路5540的控制器5530以外，还包括处理 电路5555、计数器5556和输出电路5557。图13例示了将接收到的视频 信号应用为二进制数据中的N位二进制数据100以显示具有额外灰度级 级别的图像的图像显示系统。该系统包括至少一个处理电路5555，其从 M位二进制数据的连续段中计算多个分段数据作为非二进制子帧 (N^M)。该系统还包括至少一个计数器5556，其对第一像素元件的处 理循环的数量(即，非二进制计算后段的数量(即，子帧的数量))进行 计数。该系统还包括用于输出分段的非二进制数据(即，子帧的数据) 的输出电路5557，其中该分段的非二进制数据与由计数器根据计算出的非二进制数据而生成的计数相对应。该系统还包括具有多个像素元件的
SLM 5100，其中各个元件由非二进制数据进行控制。输出电路5557执行如下功能
A) ，选择与第一像素元件相对应地由处理电路计算的第一段非二进制数据(即，控制第一像素元件的数据)并将该第一段非二进制数据传送到SLM5100;
B) ，顺序地选择与所有像素相对应的第一段非二进制数据并将该非二进制数据传送到SLM 5100;
C) ，顺序地选择与所有像素相对应的第二段数据(即，控制各像素的数据)并将该数据传送到SLM5100;以及
D) ，重复计算和传送所有分段数据的操作，直到全体M位二进制数据都被转换为非二进制数据并被传送到SLM 5100。
图14是示出了在本发明所公开的系统中实现的对非二进制数据进行计算的处理的数据框图，其中该系统在图13所示的实施方式中实现。图像显示系统5000包括控制单元5500D，该控制单元5500D包括不需要大量存储空间来保持非二进制数据的数据保持电路5540。通过将二进制数据转换为非二进制数据的操作来生成非二进制数据。
图15是更详细地概念性地例示图2所示的图像显示系统的结构的功能框图。图15示出了图像显示系统5000包括单个空间光调制器(SLM)5100、控制单元5500、全内反射(TIR)棱镜5300、投射光学系统5400、光源光学系统5200和控制单元5500 (或控制单元5500A、控制单元5500B、控制单元5500C或控制单元5500D)。图像显示系统5000通常是指利用单个空间光调制器5100来实现的单板(single-plate)图像显示系统5000。
如上所述，为了简单起见，单板图像显示系统5000利用单个空间光调制器5100来实现。但是，本发明所公开的方法和技术可适用于利用两个空间光调制器来实现的双板图像显示系统或利用三个空间光调制器来实现的三板图像显示系统。
单个空间光调制器5100和TIR棱镜5300设置在投射光学系统5400的光轴上。将光源光学系统5200特地设置为投射具有与投射光学系统5400的光轴以直角相交的光轴的光。从位于紧邻TIR棱镜5300侧的光源光学系统5200入射的照明光5600以规定的倾斜角从TIR棱镜5300投射以作为照射到空间光调制器5100的入射光5601 。 TIR棱镜5300进一步使垂直于空间光调制器5100的反射光5602透射以到达投射光学系统5400。投射光学系统5400将从空间光调制器5100反射并通过TIR棱镜5300的反射光5602作为投射光5603投射到屏幕5900等。
光源光学系统5200包括用于生成照明光5600以投射到用于对照明光5600进行聚集的聚光透镜5220的可变光源5210。光源光学系统5200还包括棒型集光器主体5230和聚光透镜5240。可变光源5210、聚光透镜5220和聚光透镜5240顺序地沿着照明光5600的光路设置，其中该照明光5600从可变光源5210发出以透射到TIR棱镜5300的侧面。图像显示系统5000被配置成通过采用单个空间光调制器5100来在顺序彩色系统中的屏幕5900上实现彩色显示。具体而言，可变光源5210包括红色激光源5211、绿色激光源5212和蓝色激光源5213。这些多个不同色彩的光源使得能够对发光状态进行独立控制以将一帧显示数据分割成多个子场，即，分别与红(R)、绿(G)、蓝(B)相对应的3个子场。如下面将要介绍的，在这些子帧中的每一个中，控制器分别开启红色激光源5211、绿色激光源5212、和蓝色激光源5213。
图16是在根据本实施方式的空间光调制器5100中实现的单独像素元件的截面图。图16示出了反射镜元件包括由形成在基板5114上的基本垂直的铰链所支撑的微镜5112，以相对于铰链5113倾斜不同角度位置而自由回转。微镜5112由玻璃盖5150覆盖和保护。反射镜元件还包括OFF电极5116、 OFF停止器5116a以及ON电极5115、ON停止器5115a，并且将这些元件放置于在基板5114上的中央位置设置的铰链5113周围的对称位置。铰链电极5113a放置在铰链5113下面。通过在铰链电极5113a和OFF电极5116之间施加规定的电压，利用库仑力吸引微镜5112以使微镜5112回转到某一角度位置而与OFF停止器5116a接触。微镜5112将入射光5601反射到沿着远离投射光学系统5400的光轴的OFF方
22向的光路。
通过在铰链电极5113a和ON电极5115之间施加规定的电势，微镜5112被库仑力吸引而回转到另一角度位置以与ON电极5115接触。微镜5112对入射光5601进行反射以沿着与投射光学系统5400的光轴一致的ON方向的光路进行投射。
图17A、 17B和17C是概念性地示出根据本实施方式的图像显示系统中的微镜元件5111的示例性操作的图。图17A示出了微镜5112的ON状态。微镜5112沿着投射光学系统5400的光轴反射从可变光源5210投射的入射光5601以作为反射光5602。发射光5602投射到与投射光学系统5400的光轴一致的光路上并将全体反射光5602投射到屏幕5900上。
图17B示出了微镜5112的OFF状态。反射光5602的光路从投射光学系统5400的光轴偏移并且被光吸收体5160吸收，因此反射光5602不投射到屏幕5900上。图17C例示了通过使微镜5112在ON状态和OFF状态之间振荡而产生ON光和OFF光之间的中间灰度级(或半色调)的情况。具体而言，当微镜在ON和OFF角度位置之间振荡时，反射光5602的光路的一部分在微镜5112振荡期间与投射光学系统5400交叠。
图18A、 18B和18C是概念性地示出了实现上述微镜5112的ON状态、OFF状态和振荡状态中的每一个的方法的图。图18A示出了将微镜控制为在ON状态下工作。基于二进制数据110和非二进制数据210，对ON电极5115施加驱动电压Va (即，充电)以利用库仑力吸引微镜5112以使微镜5112回转到与ON停止器5115a接触的位置，从而将微镜5112置于ON状态。图18B示出了将微镜控制为在OFF状态下工作。基于二进制数据110和非二进制数据210，对OFF电极5116施加驱动电压Va(即，充电)以利用库仑力吸引微镜5112以使微镜5112回转到与OFF停止器5115b接触的位置，从而将微镜5112置于OFF状态。图18C示出了当微镜在ON状态和OFF状态之间振荡时，将微镜控制为在中间状态下工作。对ON电极5116a和OFF电极5116b施加接地电压。铰链5113的弹性振动使得微镜5112在ON状态和OFF状态之间振荡以提供可控的中间状态。虽然通过例示当前优选的实施方式而对本发明进行了描述，应当理解这种公开不能解释为对其进行限制。对于本领域的技术人员来说，在阅读上述公开内容之后，各种变型和修改将毫无疑问地变得明显。因此，本发明旨在将所附的权利要求解释为涵盖落入本发明的真实精神和范围内所有变型和修改。
权利要求
1、一种显示系统，其接收包含N位二进制数据的图像信号以显示具有与所述二进制数据相对应的灰度级的图像，其中N是正整数，所述显示系统包括数据转换器，其用于将所述二进制数据的所述N位中的M位转换为非二进制数据，以在显示所述图像时对所述灰度级进行控制的过程中将所述非二进制数据用作为子帧，其中M是正整数且N≥M。
2、 根据权利要求1所述的显示系统，其中所述数据转换器用于将所述二进制数据的所述N位中的连续M位转换为所述非二进制数据。
3、 根据权利要求1所述的显示系统，该显示系统还包括具有多个像素元件的空间光调制器(SLM)，并且所述SLM接收所述非二进制数据以控制所述像素元件。
4、 根据权利要求3所述的显示系统，其中所述数据转换器还执行包括如下步骤的数据转换处理a) 根据与所述空间光调制器的第一像素元件相对应的M位二进制数据计算第一段非二进制数据，并且将该数据传送到所述空间光调制器；b) 顺序地计算与所有像素相对应的第一段数据并将该数据传送到所述空间光调制器(SLM);c) 进一步顺序地计算与所有像素相对应的第二段数据并将该数据传送到所述空间光调制器；d) 重复地计算和传送所有分段数据，直到全体M位二进制数据都被转换为非二进制数据并且该数据被传送到所述空间光调制器。
5、 根据权利要求3所述的显示系统，该显示系统还包括-保持电路，其用于保持由所述数据转换器转换的非二进制数据，其中，所述保持电路对等于所述空间光调制器(SLM)的水平像素数量的至少l/2a的非二进制数据进行保持，并将所述非二进制数据传送到所述空间光调制器，其中"a"是整数。
6、 根据权利要求3所述的显示系统，其中所述数据转换器还包括用于图像信号的校正电路，其中，在所述数据转换器转换所述二进制数据的重复处理期间，所述校正电路进行与图像信号或所述空间光调制器(SLM)的特性相关的校正。
7、 根据权利要求3所述的显示系统，其中所述空间光调制器(SLM)的像素的各元件还包括由定位状态或振荡状态或中间状态进行控制的微镜元件，并且通过应用所述非二进制数据来对振荡状态或中间状态进行控制。
8、 根据权利要求1所述的显示系统，其中所述数据转换器通过应用与所述M位二进制数据的LSB (最低有效位)加权因子相等的加权因子，将所述二进制数据转换为所述非二进制数据。
9、 一种显示系统，其接收包含N位二进制数据的图像信号以显示具有与所述二进制数据相对应的灰度级的图像，其中N是正整数，所述显示系统包括用于将所述二进制数据分割成具有K组M位数据的第一二进制数据和具有剩余位的第二二进制数据的电路，其中M和K是正整数；数据转换器，其用于将所述第一二进制数据和第二二进制数据转换为多组非二进制分段数据，以在显示所述图像时对所述灰度级进行控制的处理中将所述非二进制数据用作为子帧。
10、 根据权利要求9所述的显示系统，该显示系统还包括具有多个像素元件的空间光调制器(SLM)，并且所述SLM接收所述非二进制数据以控制所述像素元件。
11、 根据权利要求9所述的显示系统，该显示系统还包括--保持电路，其用于保持由所述数据转换器转换的所述非二进制数据，其中，所述保持电路对等于所述空间光调制器(SLM)的水平像素数量的至少l/2a的非二进制数据进行保持，并将所述非二进制数据传送到所述空间光调制器，其中"a"是整数。
12、 根据权利要求9所述的显示系统，其中所述数据转换器还执行包括如下步骤的数据转换处理A) 根据与所述第一像素元件相对应的M位二进制数据计算控制所述第一像素元件的第一段非二进制数据；B) 顺序地计算与所有像素相对应的第一段数据并将该数据传送到所述空间光调制器(SLM);C) 顺序地计算与所有像素相对应的、控制各像素的第二段数据并将该数据传送到所述空间光调制器；D) 重复计算和传送所有分段数据，直到全体M位二进制数据都被转换为非二进制数据并且该数据被传送到所述空间光调制器；E) 将所述步骤A至D中所列的上述处理重复K次(g卩，所述第一二进制数据的块的数量)；以及F) 针对所述第二二进制数据，重复所述步骤A至D的相同处理。
13、 根据权利要求10所述的显示系统，该显示系统还包括保持电路，其用于保持由所述数据转换器转换的所述非二进制数据，其中，所述保持电路具有如下能力保持与至少第一二进制数据相对应的所有像素的非二进制数据和保持与刚好在所述非二进制数据被传送到所述保持电路之前所计算出的第一二进制数据相对应的所有像素的非二进制数据，并且所述保持电路还将保持在其中的非二进制数据反复地传送到所述空间光调制器(SLM)。
14、 根据权利要求13所述的显示系统，其中所述保持电路还将保持在其中的非二进制数据至少两次地反复传送到所述空间光调制器(SLM)。
15、 根据权利要求10所述的显示系统，其中所述数据转换器还包括用于校正图像信号的校正电路，其中，在所述数据转换器转换所述二进制数据的重复处理期间，所述校正电路进行与图像信号或所述空间光调制器(SLM)的特性相关的校正。
16、 根据权利要求10所述的显示系统，其中所述空间光调制器(SLM)的像素的各元件还包括由定位状态或振 荡状态或中间状态进行控制的微镜元件，并且通过应用所述非二进制数 据对振荡状态或中间状态进行控制。
17、 根据权利要求1或2所述的显示系统，其中所述数据转换器通过应用与所述M位二进制数据的LSB (最低有效 位)加权因子相等的加权因子，将所述二进制数据转换为所述非二进制 数据。
18、 一种显示系统，其接收包含N位二进制数据的图像信号以显示 具有与所述二进制数据相对应的灰度级的图像，其中N是正整数，所述 显示系统包括至少一个计数器，其用于对与至少M位数据的连续段相对应的计算 出的非二进制数据的段的数量或子帧的数量进行计数，其中M是正整数且论M;至少一个位比较器，其用于将M位二进制数据与所述计数器的计数 进行比较；处理电路，其用于利用所述非二进制或各个子帧的数据以及从所述 位比较器生成的数据来执行计算；具有多个像素元件的空间光调制器(SLM)，其用于接收和应用所述 非二进制数据以控制所述像素元件。
19、 根据权利要求18所述的显示系统，其中 所述处理电路执行如下功能A) 根据与所述第一像素元件相对应的M位二进制数据计算控制所 述第一像素元件的第一段非二进制数据，并将该数据传送到所述空间光 调制器(SLM);B) 顺序地计算与所有像素相对应的第一段数据并将该数据传送到所 述空间光调制器；C) 顺序地计算与所有像素相对应的、控制各像素的第二段数据并将 该数据传送到所述空间光调制器；D)重复所有分段数据的计算和传送，直到全体M位二进制数据都 被转换为非二进制数据并且该数据被传送到所述空间光调制器。
20、 一种显示系统，其接收包含N位二进制数据的图像信号以显示 具有与所述二进制数据相对应的灰度级的图像，其中N是正整数，所述 显示系统包括至少一个处理电路，其用于根据至少M位数据的连续块计算非二进 制的多段数据，其中M是正整数且N^M;至少一个计数器，其用于对第一像素元件的处理循环的数量或各个 像素元件的计算出的非二进制段的段数进行计数；输出电路，其用于从计算出的非二进制段数据中输出与所述计数器 的计数相对应的段数据；具有多个像素元件的空间光调制器(SLM)，其用于接收和应用所述 非二进制数据以控制所述像素元件。
21、 根据权利要求21所述的显示系统，其中所述处理电路执行如下功能A) 选择用于控制第一像素元件的第一段非二进制数据，并将该段传 送到所述空间光调制器(SLM)，其中该第一段非二进制数据是与所述第 一像素元件相对应地由所述处理电路计算的；B) 顺序地选择与所有像素相对应的第一段数据并将该数据传送到所 述空间光调制器；C) 顺序地选择与所有像素相对应的、控制各像素的第二段数据并将 该数据传送到所述空间光调制器；以及D) 重复所有分段数据的计算和传送，直到全体M位二进制数据都 被转换为非二进制数据并且该数据被传送到所述空间光调制器。
全文摘要
本发明提供一种显示系统，其接收包含N位二进制数据的图像信号以显示具有与所述二进制数据相对应的灰度级的图像，其中N是正整数。所述显示系统还包括数据转换器，该数据转换器用于将二进制数据的N位中的M位转换为非二进制数据，以在显示所述图像时对所述灰度级进行控制的处理中将所述非二进制数据用作为子帧，其中M是正整数且N≥M。在示例性实施方式中，数据转换器将二进制数据的N位中的连续M位转换为所述非二进制数据。所述显示系统还包括具有多个像素元件的空间光调制器(SLM)，并且所述SLM接收M位的非二进制数据以控制所述像素元件。
文档编号G09G5/02GK101496093SQ200780028320
公开日2009年7月29日 申请日期2007年7月27日 优先权日2006年7月27日
发明者前田义浩, 市川博敏, 石井房雄, 荒井一马 申请人:硅探索株式会社;奥林巴斯株式会社