用快速响应光源提高对比度的制作方法

专利名称：用快速响应光源提高对比度的制作方法
技术领域：
本发明实施例一般地涉及空间光调制器，更具体而言，涉及一种显示 系统和方法，其使用一个或者多个诸如固态光源的快速响应光源和一个或 者多个空间光调制器来改进显示系统的对比度。
背景技术：
空间光调制器(SLM)装置在光信息处理、投影显示、视频和图形监 视器、三维视频显示、全息存储、显微镜、分光镜、医学成像和电子照相 印刷领域有许多应用。微镜装置(MMD)是SLM装置的一个示例。 MMD显示器通常包括镜子阵列，其中可以将每个镜子电气控制成具有两 个位置——"开通"状态和"关闭"状态。处于开通状态的镜子将入射到 投影镜头的光投影到屏幕而形成图像。处于关闭状态的镜子将入射光反射 到束收集器(dump)，而不将入射光反射到投影镜头。通过控制图像帧期 间镜子处于开通状态和处于关闭状态的时间来操纵MMD显示器的亮度或 者强度。脉宽调制(PWM)是控制在每个帧期间每个镜子处于开通状态的 时间的技术。图1是二进制加权PWM方案一个示例的比特块(bit-block)示意 图，该方案通过将帧分成八个二进制加权时间段(B7-B0)来控制帧的光 强度。每块的长度表示该比特在SLM上维持(assert)的时间量，诸如 MMD显示器的镜子处于开通状态的时间量。与块B0对应的时间段的长度 还称为最低比特(LSB)，并设定为预定值。与Bl对应的时间段长度， 即下一个有效比特，是与LSB对应的长度的两倍。与B2对应的时间段长 度是与B1对应的长度的两倍，以此类推。因而，与B7对应的时间段的长 度(还称为最高比特(MSB))是LSB时间长度的128倍。这样，从零强 度或者全黑(其中MMD显示器中的镜子在整个帧时间保持处于关闭状态)到全强度或者全亮(其中MMD显示器中的镜子在整个帧时间保持开 通状态)总共有256个可能的强度级。美国专利6,326,980和美国专利 6,151,011公开了其它PWM方案，每个专利的全部内容通过引用而包含于 此。由于光的泄漏，MMD显示存在的一个问题是如何产生良好的黑水 平。因而，难以提供真实的"黑"；或者说，黑色调趋于呈现灰色。使该 问题恶化的一个问题是许多MMD显示器试图通过提供更亮的光源而增大 总的最大亮度。结果，更多光能趋于从标准化强度为零的显示漏出来，从 而更加限制了产生真实"黑"的能力。因而，这些MMD显示器提供的对 比度和黑水平都较差。为了解决此问题，已经在光路中使用光圈削弱光，从而提高对比度。 然而，由于机械式光圈的速度较慢，仅能在整个帧(包括帧中每个基色 域)上削弱光。此技术的一个问题是如果任何一个基色要求光的强度较 高，则不能在其它色域削弱光。如前所述，在现有技术中需要改进的空间光调制器装置和操作空间光 调制器以提高显示系统对比度的方法。发明内容本发明实施例涉及使用诸如固态光源的一个或者多个快速响应光源以 及一个或者多个空间光调制器装置来提高显示系统的对比度的显示系统和 方法。操作微镜阵列的方法的一个实施例包括提供适于将光导向到微镜阵列 的快速响应光源。如果在时间段期间微镜阵列的镜子都不会处于开通状 态，则为该时间段提供来自快速响应光源的低强度光。操作微镜阵列的方法的另一实施例包括在帧的色域的时间段期间提供 从快速响应光源导向到微镜阵列的高强度光，并在同一帧的其他色域的其 他时间段期间提供来自快速响应光源的低强度光。显示系统的一个实施例包括一个或者多个空间光调制器装置。 一个或 者多个快速响应光源导向到一个或者多个空间光调制器装置。控制器耦合到一个或者多个快速响应光源以在高强度光模式和低强度光模式下操作每 个快速响应光源。


以以上所述的本发明的特征可以得到详细理解的方式，参照实施例对 以上简要概括的本发明进行更具体的描述， 一些实施例图示在附图中。然 而，还要注意附图仅仅图示本发明的典型的实施例，因而不能认为是对本 发明的限制，因为本发明可以容许其它相同效果的实施例。图1是二进制加权PWM方案的一个示例的比特块表示。图2是根据本发明一个实施例包括快速响应光源和单个微镜阵列的 MMD显示系统的示意图。图3是根据本发明一个实施例包括三个快速响应光源和一个微镜阵列 的MMD显示系统的示意图。图4是根据本发明一个实施例包括快速响应光源和三个微镜阵列的 MMD显示系统的示意图。图5是根据本发明一个实施例包括三个快速响应光源和三个微镜阵列 的MMD显示系统的示意图。图6的时间图概念性图示了根据本发明一个实施例在具有滤色器轮的 MMD显示系统中如何将帧分成色域。图7的时间图概念性图示了根据本发明一个实施例在没有滤色器轮的 MMD中如何将帧分成色域。图8的时间图概念性图示了根据本发明一个实施例针对每个颜色有单 独的微镜阵列的MMD显示器中如何控制帧。图9图示了根据本发明一个实施例用于控制色域和快速响应光源的调 制序列。图10是根据本发明一个实施例， 一组成像器区域的二进制加权段 (诸如图9的一组成像器区域中的二进制加权序列之一)的比特块表示。 图11是用于根据本发明一个实施例控制色域的快速响应光源以提供 更高对比度的方法步骤的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及使用一个或者多个快速响应光源(如多个快速响 应光源)和一个或者多个空间光调制器装置以提高显示系统的对比度的显 示系统和方法。例如，在某个实施例中，使用一个或者多个快速响应光 源，其能够在镜子不处于开通状态的调制时间单元期间被快速关闭或者快 速改变到较低强度。因而，提高了对比度或者黑水平。如此处使用，术语"快速响应光源"包括激光器、发光二极管、超高 性能灯或者对于改变光强度具有比较快的响应时间(诸如约40微秒或者 更小的响应时间)的任何其它光源。快速响应光源具有的改变光强度的响 应时间一般应该比调制时间单元小。响应时间越快，将固态光源关闭或者 将其改变到较低强度的机会就越多。能够从高强度改变到低强度的任何快 速响应光源都可以有利地用作本发明的一部分。如此处所使用，术语"低强度光"包括从暗的快速响应光源提供的 光，包括被关闭时的快速响应光源。在某些实施例中，优选地，可以仅使 该光源变暗的。在某些实施例中，可以优选地关闭该光源以提供最大的对 比度可能提高量。如此处使用，术语"高强度光"是指从强度比低强度光高的快速响应 光源提供的光。如此处所使用，术语"对比度"是指显示器屏幕针对处于全开通状态 的色域所输出的光与该显示器屏幕针对处于全关闭状态的该色域所输出的 光的比率。在"全关闭"水平中非常小的变化也会显著降低所测量的对比度。例如，如果全开通被测量为750单位(流明、尼特等)并且全关闭是 0.5单位，则对比度是1500:1。如果能将全关闭状态降低到0.4单位，则对 比度将增大到1875:1。此处所用的对比度不是指通过黑色矩形和白色矩形 交替的图案(用从白色矩形输出的平均光除以从黑色矩形输出的平均光) 测量的ANSI对比度。图2是根据本发明一个实施例的MMD显示系统30的示意图，该系统 包括快速响应光源31和单个微镜阵列33。快速响应光源31布置成使来自快速响应光源的光束被导向为穿过旋转滤色器轮32，旋转滤色器轮32具 有一个或者多个红色、绿色和蓝色部分。滤色器轮32还可以具有白色或 者透明部分以增大所显示的白光量。红色、绿色、蓝色光和白光视情况然 后照射到微镜阵列33上。 一个或者多个控制器34连接到快速响应光源 31、滤色器32和微镜阵列33以使从快速响应光源31发射的光的强度与旋 转滤色器轮32的速率和微镜阵列33的状态同步。微镜阵列33布置成将光 的像素偏转成离开投影镜头35或者穿过投影镜头35到显示屏幕36上。图3是根据本发明一个实施例的MMD显示系统50的示意图，该系统 包括三个快速响应光源51a、 51b、 51c和一个微镜阵列52。快速响应光源 51a、 51b、 51c分别向微镜阵列52上提供红光、绿光和蓝光。 一个或者多 个控制器53连接到快速响应光源51和微镜阵列52以将来自快速响应光源 51的光的强度与微镜阵列52的状态协调。微镜阵列52布置成将光的像素 偏转成离开投影镜头54或者穿过投影镜头54到显示屏幕55上。图4是根据本发明一个实施例的MMD显示系统40的示意图，该系统 包括快速响应光源41 (具有全RGB色谱)和三个微镜阵列43a、 43b、 43c。快速响应光源41布置成使来自快速响应光源的光束被导向穿过棱镜 42。在其它实施例中，可以使用一个或者多个镜子和/或其它光学系统来代 替棱镜或者与棱镜相结合。如所示，棱镜42将光分成红光、绿光和蓝 光，每个光导向到相应的微镜阵列43a、 43b、 43c。 一个或者多个控制器 44连接到快速响应光源41和微镜阵列43以将来自快速响应光源41的光 的强度与微镜阵列43相协调。微镜阵列43布置成将光的像素偏转成离开 投影镜头45或者穿过投影镜头45到显示屏幕46上。图5是根据本发明一个实施例的MMD显示系统60的示意图，该系统 包括三个快速响应光源61a-c和三个微镜阵列62a-c。快速响应光源61a-c 分别向微镜阵列62a-c上提供红光、绿光和蓝光。 一个或者多个控制器63 连接到快速响应光源61a-c和微镜阵列62a-c以将来自快速响应光源61a-c 的光的强度与微镜阵列62a-c的状态相协调。微镜阵列62a-c布置成将光的 像素偏转成离开投影镜头64或者穿过投影镜头64到显示屏幕65上。图6的时间图概念性图示了根据本发明的一个实施例，在具有滤色器轮的MMD显示系统(例如图2的显示系统)中如何将帧70分成色域71a-c。对于以两倍于帧速率旋转的三段滤色器轮，可以将帧分成6个色域。换 言之，两个红色域71a、两个绿色域71b和两个蓝色域71c。可以在每个色 域之间设置空白的间隔72以防止由于每个色轮的轮辐横贯照射光束而出 现颜色异常。在其它实施例中，可以基于滤色器轮的段的数量和滤色器轮 的旋转速度将帧分成任何数量或者任何顺序的色域。图7的时间图概念性图示了在没有滤色器轮的MMD显示器(诸如图 3的显示系统)中如何将帧80分成色域81a-c。如所示，可以将帧分成6 个色域——两个红色域81a、两个绿色域82b和两个蓝色域83c。注意，在 此情况下，由于没有采用滤色器轮，所以没有空白的间隔。在其它实施例 中，可以将帧分成任何数量或者任何顺序的色域，这些色域可以交错。图8的时间图概念性图示了在诸如图4和图5的显示系统的MMD显 示器中如何控制帧，这些显示器中针对每个颜色有单独的微镜阵列。由于 针对每个颜色有单独的微镜阵列，所以不需要将帧分成单独的色域。诸如 红色域86a、绿色域86b和蓝色域86c的每个色域可以是相同的帧持续时 间。仅仅为了图示目的， 一个控制显示系统的方法是将每个微镜阵列(例 如图2-图5的微镜阵列)分成32个区域。例如，每个区域可以包括12行 512个像素。其它构造也是可行的，基于任何数量的部分控制每个微镜阵 列，其中还可以将每个部分分成任何数量的区域，每个区域可以包括任何 数量的行，每行可以包括任何数量的像素。图9图示了根据本发明用于控制MMD显示器内色域和快速响应光源 的调制序列90。色域可以是帧内的任何时间段，诸如图6-8中的色域之 一。也可以使用其它调制序列以有利于本发明。如所示，将色域分成八个 时间片，并以八组四个区域来控制三十二个区域。在其它实施例中，可以 将色域分成任何数量的时间片，并可以以任何数量的组来控制这些区域。 时间片可以包括至少一个二进制加权时间段93，并且可以包括多个线性比 特段94，每个线性比特段94具有相等的持续时间。二进制加权段93可以 以任何次序布置在不同组的区域之间。此处，各组区域之间的二进制加权宽。二进制加权段内的比特还可以布置成任何次 序。因而，比特顺序可以与成像器区域或者成像器区域组相同或者不同。图10是根据本发明一个实施例的成像器区域组中一个组(例如图9 的成像器区域组中一个组的其中一个二进制加权序列之一)的二进制加权段的比特块示意图。如所示，成像器区域组中的最高比特(B5)对齐，但 是其它比特彼此错开以降低控制器的带宽。在所示的镜子切换时间102 中， 一个或者多个区域的镜子状态经过更新。在某些实施例中，如果整个微镜阵列的镜子状态在色域的时间段期间 会关闭，则快速响应光源(例如图2-图3的快速响应光源之一)提供低强 度光。利用快速响应光源的快速响应时间和对于给定的镜子切换所知道的 显示状态，该光源可以在调制时间单元不在开通状态下的期间提供低强度 光。为了易于图示，将参照9和图IO对以下示例进行说明。如果对于一 个时间段，微镜阵列中没有镜子处于开通状态，则对于该时间段，快速响 应光源可以提供低强度光。该时间段可以是一个或者多个局部或者全部二 进制比特、 一个或者多个局部或者全部线性比特、和它们的组合。在一方面，对一个时间段提供来自快速响应光源的低强度光是在镜子 切换时间或者该时间之后进行，因为一组或者多组镜子可能在此时改变状 态。例如，在图9的色域时间片期间(在图9中，二进制加权时间段以图 10中的方式布置)，如果在镜子切换之后，用于色域的整个微镜阵列中没 有镜子处于开通状态，则快速响应光源可以提供低强度光，直到下一次镜 子切换。例如，如果在用于色域的整个镜子阵列的二进制加权比特或者线 性比特(图9)中，在镜子切换102m (图10)之后没有镜子处于开通状 态，则快速响应光源可以提供低强度光，直到镜子切换102n。因而，对于 用于色域的整个微镜阵列，在二进制调制段的最高比特(B5)期间和在其 它区域的线性段的一部分期间，快速响应光源可以提供低强度光。在其它 示例中，如果用于色域的微镜阵列的镜子在镜子切换时间之间(诸如镜子 切换时间102a和102b (图10)之间，或者诸如对于局部或者全部的二进 制比特(图9)和全部或者局部线性比特94 (图9)中任一者或者其组合的镜子切换时间之间)都不处于开通状态，则快速响应光源可以在任何镜 子切换时间之间提供低强度光。因而，如果微镜阵列不需要光能，则在调制时间期间，快速响应光源 可以提供低强度光，由此减小了从显示器中泄露的光量。结果，显示系统 的对比度得到提高，全开/全关对比度得到增大，并且/或者黑水平可以得 到提高。在另一方面，如果在色域的时间段期间微镜阵列不需要光能，则 即使微镜阵列要求在帧内另一色域的时间段期间要求高强度光，快速响应 光源也能够提供低强度光，这是因为快速响应光源快到足以在这些时间段 期间改变强度。如图9和图10所示，每个基色调制是独立的，因此与现 有技术的光阑系统相比，光源可以在低强度光下保持更多时间。可以理 解，可以使用本发明在色域的时间段期间提供来自快速响应光源的低强度 光，这对任何调制方案都是有利的。利用某些调制方案，将有若干个调制单元，其中在镜子切换发生之前 对整个阵列迸行更新。通过将来自控制器的数据扫描到成像装置可以完成 对这些状态的跟踪。另一方法可以包括对显示器的内部状态进行主动跟踪 以判定在下次镜子切换之后是否会有像素处于开通状态，这样可以使提供 低强度光的时间更长。 一般，提供低强度光的时间越多，光泄露越少，因 而对比度将得到更大的提高。在某些实施例中，如果在该时间段期间所有微镜阵列的所有镜子的镜 子状态是关闭，则快速响应光源(例如图4的快速响应光源)提供低强度光。为了易于图示，将参照图4描述这些实施例。由于有单一的快速响应 光源41，所以单个光被导向到三个微镜阵列43a、 43b和43c。为了提高对 比度或者黑水平，如果所有微镜阵列的镜子都不在开通状态，则可以提供 低强度光。在某些实施例中，如果各个微镜阵列的所有镜子在该时间段会处于关 闭状态，则快速响应光源(例如图5的快速响应光源中一者)提供低强度 光。为了易于图示，将参照图5描述这些实施例。由于有用于个别的微镜 阵列62的个别快速响应光源，每组快速响应光源和其相应的微镜阵列可 以独立于其它组快速响应光源和其相应的微镜阵列而工作。例如，如果不管微镜阵列62b和62c的任何镜子是否处于开通状态，微镜阵列62a的镜 子都不处于开通状态，则可以从快速响应光源61a提供低强度光。图11是根据本发明一个实施例，用于通过主动跟踪阵列中镜子的状 态来控制色域的快速响应光源以提高对比度的方法步骤的流程图。在步骤 110中，控制器(例如图2-图5的控制器)判定或者监视对于下一个时间 段，微镜阵列是否会有任何镜子处于开通状态。在步骤120，取决于微镜 阵列是否会有任何镜子对下一个时间段处于开通状态，控制器进行到步骤 130或者步骤140。如果微镜阵列会有任何镜子对下一个时间段处于开通 状态，则在步骤130，快速响应光源在该时间向微镜阵列提供高强度光。 如果对于下一个时间段，微镜阵列的镜子都不会处于开通状态，则在歩骤 140，快速响应光源对于该时间段向微镜阵列提供低强度光。步骤110可 以对随后的下一个时间段重复。控制器不要求存储所有的镜子状态来执行 此方法。只要在时间段期间微镜阵列中的一个镜子处于开通状态，则在此 时间段期间快速响应光源提供高强度光。在某些方面，优选地利用对准调 制方案(例如图9和图IO的对准调制方案)执行图11的方法，这是因为 镜子切换时间是对准的。可以设计其它实施例来从快速响应光源提供低强度光以提高对比度。 例如，在将镜子在开通状态和关闭状态之间切换所用的时间中，快速响应 光源可以提供低强度光。因而，可以减少在这些切换状态时间期间所提供 的额外的光。尽管前述针对的是本发明的实施例，但也可以在不脱离本发明的基本 范围的情况下设计本发明的其它和进一步的实施例，本发明的范围由后面 的权利要求书确定。例如，此处已经结合图9和图10的对准调制序列来 描述本发明的实施例。还可以优选地以其它调制序列来使用本发明的实施 例。例如，可以结合在转让给Texas Instruments的美国专利5,777,589中描述的比特分割方法使用本发明实施例。不管调制方案如何，如果对于一时 间段微镜阵列不要求光，则快速响应光源可以提供低强度光，由此降低了 "泄露"的光量，并提高了对比度。本发明的实施例己经结合了包括微镜 阵列的SLM来进行描述。还可以在任何数字调制显示器中(诸如在LCD装置中)使用本发明的实施例。因而，本发明的范围由权利要求书来限定o
权利要求
1.一种操作微镜阵列的方法，包括提供适于将光导向到微镜阵列的快速响应光源；以及如果在时间段期间所述微镜阵列没有镜子会处于开通状态，则为所述时间段提供来自所述快速响应光源的低强度光。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括，如果在所述时间段期间所述 微镜阵列中一个或者多个所述镜子会处于开通状态，则为所述时间段提供 来自所述快速响应光源的高强度光。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述时间段在第一镜子切换时 间和第二镜子切换时间之间。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一镜子切换时间用于所 述微镜阵列的一个或者多个区域。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一镜子切换时间用于所述微镜阵列的所有区域。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述时间段覆盖所述微镜阵列的多个区域的二迸制加权段的多个最高比特。
7. 根据权利要求1所述方法，其中，所述时间段覆盖单个色域。
8. 根据权利要求1所述的方法，还包括在从所述快速响应光源提供低 强度光之前，判定对于所述时间段，所述镜子中是否会有任何一者处于开 通状态。
9. 一种显示系统，包括一个或者多个空间光调制器装置；一个或者多个快速响应光源，其导向所述一个或者多个空间光调制器 装置；以及控制器，其耦合到所述一个或者多个快速响应光源以在高强度光模式 和低强度光模式下操作每个快速响应光源。
10. 根据权利要求9所述的显示系统，其中，所述一个或者多个空间光调制器装置包括一个或者多个微镜阵列。
11. 根据权利要求IO所述的显示系统，其中，所述控制器判定在时间 段期间每个微镜阵列是否有任何镜子会处于开通状态。
12. 根据权利要求11所述的显示系统，其中，当所述微镜阵列中任何 镜子在所述时间段期间处于开通状态时，所述控制器在高强度光模式下操 作各个被导向到所述微镜阵列的所述快速响应光源。
13. 根据权利要求U所述的显示系统，其中，当所述微镜阵列中没有 镜子会在所述时间段期间处于开通状态时，所述控制器在低强度光模式下 操作各个被导向到所述微镜阵列的所述快速响应光源。
14. 根据权利要求9所述的显示系统，其中，所述控制器耦合到所述 一个或者多个空间光调制器装置，并在对准调制模式下操作所述一个或者 多个空间光调制器装置。
15. —种操作微镜阵列的方法，包括在帧的色域的时间段期间提供从快速响应光源导向到微镜阵列的高强度光；以及在同一帧的其他色域的其他时间段期间提供来自所述快速响应光源的 低强度光。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述快速响应光源包括多个 快速响应光源，并且其中，所述微镜阵列包括多个微镜阵列，每个快速响 应光源对应于每个微镜阵列。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述微镜阵列包括与多个色 域相对应的多个微镜阵列。
18. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述色域覆盖所述帧的不同 时间。
19. 根据权利要求15所述的方法，其中，至少一个镜子在所述色域的 所述时间段期间处于开通状态，并且其中，所述镜子在所述其他色域的所 述其他时间段期间都不处于开通状态。
20. 根据权利要求15所述的方法，其中，提供低强度光包括关闭所述 快速响应光源。
全文摘要
本发明实施例一般涉及空间光调制器装置，更具体地，涉及一种显示系统和方法，其使用诸如固态光源的一个或者多个快速响应光源和一个或者多个空间光调制器装置来提高显示系统的对比度。
文档编号G02B26/08GK101251645SQ200810005980
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月20日 优先权日2007年2月20日
发明者威廉·托马斯·威特赫尔福德 申请人:明锐有限公司