减轻场序彩色显示系统中的色分离伪像的机构的制作方法

专利名称：减轻场序彩色显示系统中的色分离伪像的机构的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及显示技术领域，尤其涉及在基于投影的系统或直观式系统中 利用场序色彩原理来生成色彩信息的显示器。
背景信息
使用场序色彩技术来生成色彩的显示系统(基于投影或直观式)被认为在某 些特定环境下呈现容易被观众察觉的极不合需要的视觉伪像。场序彩色显示器在快 速的刷新周期时间内顺序而非同时发射(例如)图像的红色、绿色和蓝色成分。如 果帧速率足够高，且观众的眼睛没有(因目标跟踪或其它头部/眼睛移动)相对屏 幕移动，则结果是令人满意的，并且很难与由更常规的技术(即，使用红色、绿色 和蓝色亚像素在空间上隔离色彩，而非与场序色彩技术一样地在时间上隔离色彩) 生成的视频输出区分开。
然而，在许多显示应用中，观众眼睛相对于显示屏幕确实发生运动(眼睛在 眼窝中转动、扫视运动、头部平移运动等)，这种运动通常与目标跟踪(当显示器 上的图像在显示器表面上移动时跟随它)相关。在这种涉及当观众跟随显示器屏幕 上移动的物体时由眼球运动而驱动的眼睛在眼窝中转动的图像跟踪的情形中，物体 的组成原色(例如红色、绿色和蓝色)在不同时刻到达观众的视网膜。即使在每秒
60帧的高帧速率下，来自显示器的红色、绿色和蓝色信息也以5.5毫秒的分离到达 视网膜。如果视网膜正在转动(正如观众跟踪在显示器上移动的图像(下文称为"目 标")的情形一样)，组成目标的红色、绿色和蓝色信息会在不同位置处撞击视网 膜。实际色彩为灰色的目标会分离成以交叠方式沿视网膜旋转路径分布的分离的红 色、绿色和蓝色成分。眼睛移动越快，"图像分离(image breakup)" —即由于组 成目标的各种色彩的原色成分撞击观众视网膜的位置而导致的这些色彩的分解越 严重。这些视觉伪像己被证明是场序彩色显示器在许多苛刻应用中的采用的障碍， 这些应用包括用于使用飞行模拟来训练战斗机飞行员的视频系统。这种飞行模拟器 中的受训者需要遇到与现实非常接近的环境，并且当受训者期望在瞄准器中看见敌
机的灰翼机身时，未恰当交叠的红色、绿色和蓝色幻像的不连续拖影不能构成可接 受的模拟目标。
作为更大类的直观式基于场序色彩的设备的代表，通过引用整体结合于此的
美国专利No. 5,319,491中公开的显示系统示出在这种设备中起作用的基本原理。 这种设备能够选择性地抑制在(一般为)平面波导中经受全内反射的光。当这种抑 制发生时，受抑区域组成适于外部控制的像素。这种像素可被配置成MEMS器件， 更具体地是在两个不同位置和/或形状之间推动可变形膜的平行板电容器系统，这 两个不同位置和/或形状中的一个对应于其中因膜与波导没有充分接近而不发生受 抑的全内反射(FTIR)的静止的、不活动的状态，另一个对应于其中因充分接近 而发生FTIR的活动的、耦合的状态，上述两种状态对应于该像素的关闭和打开状 态。这种通常由电气/电子装置控制的基于MEMS的像素区域的矩形阵列在平面波 导的顶部活动表面上制成。在适当配置的情况下，这种聚集的基于MEMS的结构 用作能够通过充分利用场序色彩和脉宽调制技术来生成色彩的视频显示器。将红 光、绿光和蓝光顺序引入到平面波导的边缘，并将像素适当打开或关闭(激活或停 用)，使得像素打开(激活)的持续时间确定了从其发射的光的多少，其中灰度由 脉宽调制来确定。
其它直观式显示器可使用场序色彩技术，但是用幅度调制代替脉宽调制。例 如，具有适当快速开关时间的单色液晶显示器可通过用可足够快速地连续顺序发射 红光、绿光和蓝光的背光代替白色背光而变成场序彩色显示器。液晶像素是通过幅
度调制而非脉宽调制来调制从其透过的光量的可变不透光窗口。出于相同的原因 图像(目标)的各个原色成分落在移动视网膜的不同位置上从而导致所觉察到的明 显的目标分离，这些系统也会出现不期望的视觉伪像，
基于投影的系统也可使用场序色彩。由Texas Instruments公司开发的DLP(数 字光处理器)使用了用于在红光、绿光和蓝光以快速连续的顺序引向其上时创建图 像的可变形微镜结构的密集阵列。来自激活的微镜像素的光穿过透镜系统并聚焦在 用于观察的最终投影屏幕上，而撞击非活动像素的光未通过透镜系统。这种系统往 往使用脉宽调制来生成灰度。引向微镜阵列的红光、绿光和蓝光可直接生成(以离 散的红色、绿色和蓝色源)或者作为白光透过由红色、绿色和蓝色滤色器段组成的 旋转色轮(colorwheel)的结果而生成。在任一情形中，不合需要的伪像在投影到 显示屏幕的图像上清晰可见，出于以下相同的原因，它们也出现在直观式设备上 相应的红色、绿色和蓝色图像并不落在移动视网膜的同一位置上，从而导致空间分
解以及因此引起的色分离伪像(color breakup artifact)。
无论是考虑直观式显示器(诸如平板显示系统)还是基于投影的系统，场序 彩色显示器都为显示领域带来许多优点。例如，在使用具有组成单个像素的红色、 绿色和蓝色亚像素的常规空间调制彩色的平板显示器中，需要三个控制元件(通常 为薄膜晶体管)来单独控制像素的红色、绿色和蓝色强度。具有一百万像素的显示 器需要三百万个晶体管来以彩色驱动它。对应的使用时间调制色彩(场序色彩)的 显示器只需要每个像素一个薄膜晶体管，从而将显示器表面上分布的晶体管数量从 三百万减少到一百万一对产率和生产成本影响显著的改进。此外，场序色彩像素可 以大得多，因为它适合通常由三个亚像素(红色、绿色和蓝色)占据的面积，从而 进一步提高产率并减小开口消耗(aperture drain)(显示器上未用于发光的表面 积)。相反，这种几何优点可用于提高像素密度而无需与标准的基于亚像素的架构 相关联的巨大的控制开销，从而提供出众的分辨率而无价格的指数上升。因此，场 序彩色显示器非常有前景。但是它们在彩色图像分离不可接受的应用中的使用急剧 减少。
因此，无论对于直观式或基于投影的系统，本领域都需要一种减轻并抑制通 常与使用场序色彩生成的原理的显示器相关联的彩色图像分离伪影的装置。得益于 场序色彩操作而不生成不可接受的运动伪影的显示设备将使(直观式和基于投影 的)场序架构的优点能够用于最需要这些优点的应用，例如苛刻的飞行模拟显示系统。
概述
以上列举的问题可至少部分地由若干方法之一解决，取决于讨论中的场序彩 色显示系统的固有特性(无论是直观式设备还是基于投影的设备)以及其灰度生成 方法(像素级的脉宽调制或幅度调制)。对给定系统可产生进一步的差别(例如基 于投影的系统可使用离散、单独可控的照明源来向投影系统提供原色光，或者可利 用白光从其通过的旋转色轮，其中该轮上的相应滤色器提供待调制和投影的所需原 色)。
一种优于现有技术的伪像抑制技术涉及制造对观众的头部和/或眼睛进行位置 跟踪，以及对顺序显示的原色(通常为红色、绿色和蓝色)进行补偿调节使得彩色 图像的子成分全部落在视网膜的同一区域的反馈机构。这种系统显然不是独立的， 而是受头部/眼睛跟踪技术的准确度以及计算机软件适当预测下一原子帧应显示在
移动目标(观众视网膜)上何处的能力的限制。其中不需要外来硬件或跟踪机构的 独立系统更有价值并且更容易实现。本发明刚好提供这种独立系统，其中伪像抑制 在显示系统自身中实现。
人眼的视网膜实际上不提供无限小的连续成像(虽然主观感觉相反)。眼睛 自身具有受其多个高度调谐的光接收器(视网膜的视锥和棒状体)中任一个占据的
面积限制的有限分辨能力。如果彩色图像被分解成其顺序显示的原色成分(例如红 色、绿色和蓝色子帧)，且这些图像成分落在视网膜的同一位置(在棒状体和视锥 尺寸的限制内)上，则会感觉这些子帧适当交叠而不会察觉到彩色图像分离。所得 的图像将是单一的。考虑到甚至在扫视运动期间眼睛的眼球转动的固有限制(每秒 700度弧的上限)以及视网膜棒状体和视锥的大致尺寸，有可能确定显示原色并使 其满足上述时间标准的机会窗口有多长。对于任何给定帧，原色传播的截断对所有
原色需要4毫秒的最小持续时间(之后完全没有任何图像信息直到下一帧开始)，
并且对所有原色，较佳持续时间短至一毫秒。
在使用红色、绿色和蓝色原色的每秒60帧的系统的情形中，常规显示系统将 一帧划分成三等份，每一份分配给一种原色。在这种情况下，帧持续16.6毫秒， 且每一原色占据该总帧的三分之一，即5.5毫秒。但是本发明示教了该策略的整体 更改。例如，为了对全部色彩信息实现3毫秒的时间截断，红色、绿色和蓝色原色 应该每个只有1 (而非5.5)毫秒的持续时间。它们一个接一个而没有插入延迟， 并且随后是13.6毫秒的黑色(没有成像数据)，从而总共是16.6毫秒。这样，组 成图像的红色、绿色和蓝色信息到达视网膜的同一位置，尽管有因跟踪或跟随在当 前显示的节目视频内容中显示的物体而发生的任何视网膜转动。
在所提供的示例中，仅仅将信号从每原色5.5毫秒截断到1毫秒(假设3毫秒 的总截断)是不够的。通过将时间减小5.5倍(从5.5毫秒到1毫秒)，落在视网 膜上的所感知的光强度减少相同的量。因此，需要增加受调制的光源的强度以补偿 可用于生成图像的縮短的时间。在所提供的示例中，需要将光强增大到基本光强的 5.5倍，使得在帧的持续时间内接收的平均光子量不变，而不管本发明是否用于显 示系统。该能量只需要在需要它的3毫秒内消耗，使得平均能量消耗在任意情况(其 中实现或不实现或本发明)下相等。
因此，本发明的实现具有若干必要条件。调制光的单个像素能够准确生成灰 度，虽然该灰度具有短得多的操作时间。光源能够更快速地循环，随后是连续帧之 间较长的静止时段，并且光源能够可靠地传送更高强度的光，虽然是以由帧之间不
需要光的延长时段所标记的缩短的占空比来进行的。
对于直观式显示，无论它们使用幅度调制还是脉宽调制灰度生成，以上原理 都具有直接实现途径。对于对相应原色使用离散光源的基于投影的显示系统，该适 应性同样显而易见。然而，使用旋转色轮通过过滤白色照明源来获得原色的基于投 影的系统需要不同的策略来实现本发明。但是基本原理相似。
常规的色轮通常将其面积分成分配给各个所需原色的等份。最通用的配置是 由红色、绿色和蓝色滤色器构成的色轮。每个滤色器占据120度弧(分成三等份的 色轮的圆周上)。当色轮旋转时，它快速顺序地连续提供红光、绿光和蓝光。如上 所述，使用这种轮产生的图像会如先前证明的那样遭遇彩色图像分离。对色轮进行 更改以实现本发明。
在使用以上示例的经更改的色轮中，红色、绿色和蓝色部分不再各自占据轮
上120度等份，而是该轮的小得多的"片"。将三个更细小的片(例如每个为24 度，其-.为红色、其--为绿色且其一为蓝色)靠近设置，而色轮的剩余部分(108 度)不透光。对白色照明源进行强度校正(在本情形中，由于可用照明时间减小5 倍，因此将照明源的强度增大相同倍数)。当在其匀速转动过程中照明源将光无用 地引导到经更改的色轮的不透光部分上时，它应该较佳地关闭以保存能量。
也可实现对基本发明的附加细化。已经假设截断的原色同步分布(将每个连 续原色的前沿在时间上等距间隔开)。在上述针对由连续的红色、绿色和蓝色原色 组成的3毫秒总彩色脉冲给出的示例中，发现红色在t = 0处起始(整个帧的前导)， 绿色在1=1毫秒处起始(紧随红色关闭之后)，以及蓝色在t-2毫秒处起始(紧 随绿色关闭之后)，随后在下一整个帧开始之前是13.6秒的静止(黑色)(假设 速率为每秒60帧)。然而，这种固定的起始时间结构只在程序内容需要之时才是 必要的，并且作出这种判定的机构允许本发明进一步实现图像生成的时间截断。
以上相当宽泛地概括了本发明一个或多个实施方式的特征和技术优点，以便 于获得对下文中本发明实施方式的详细描述的更好理解。本发明的附加特征和优点 将在下文中进行描述并形成权利要求的主题。
附图简述
通过结合附图参照以下详细描述可获得对本发明的更好理解，在附图中

图1示出根据本发明一实施方式，当观众观看使用场序色彩生成技术生成的 图像时在观众眼睛转动期间，什么导致了彩色图像分离现象；
图2A示出根据本发明一实施方式，与眼睛转动和/或其它运动无关的所期望 的感知图像；
图2B示出根据本发明一实施方式，因眼睛转动和/或其它运动引起的实际感
知图像；
图3示出适用于实现本发明的直观式平板显示器的立体图； 图4A示出根据图3的平板显示器实施方式的处于停用状态的像素的侧视图； 图4B示出根据图3的平板显示器实施方式的处于激活状态的像素的侧视图； 图5示出根据本发明一实施方式，图3的平板显示器中使用的用于生成场序 色彩的典型时序图6示出根据本发明一实施方式，用于以常规视频帧速率实现场序色彩生成 的未调整的典型顺序方案；
图7示出本发明一实施方式，其中在时间上同步截断所显示图像的连续原色 成分以便于通过使相应原色图像落在视网膜的几何部分上从而逼近非场序彩色显 示器的成像行为来减小和/或有效抑制彩色图像分离现象；
图8示出本发明一实施方式，其中在时间上同步截断所显示图像的连续原色 成分以便于通过使相应原色图像落在视网膜的几何部分上从而逼近非场序彩色显 示器的成像行为来减小和/或有效抑制彩色图像分离现象，其中上述截断由每个连 续帧的图像内容和聚集原色数量来确定；
图9示出本发明一实施方式，其中对每个连续帧的图像内容和聚集原色数量 进行实时分析，藉此对该图像进行重新编码以使时间交叠的原色的使用最大化以便 于通过使相应的原色图像落在视网膜的几何部分上从而逼近非场序彩色显示器的 成像行为来进一步减小和/或有效抑制彩色图像分离现象；
图IOA示出用于脉宽调制显示系统的现有技术的色轮；
图10B示出其中三种色彩被压縮成色轮总面积的较小角度部分的色轮虑色器
的本发明一实施方式；
图IIA示出根据本发明一实施方式，图IOA中示出的现有技术系统的三个色 彩中每—一个的光强值作为时间的函数的表；
图11B示出根据本发明一实施方式的两个周期上光强相对于时间的曲线图， 其中顺序示出三个色彩中每一个，每--个色彩的持续时间为五又三分之二毫秒； 图12A示出根据本发明一实施方式的光强相对于时间的曲线图； 图12B示出根据本发明一实施方式的更详细示出帧起点的光强相对于时间的
曲线图12C示出根据本发明一实施方式的光强相对于时间的关联表。 详细描述
在以下描述中，阐述许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对本 领域技术人员显而易见的是本发明可在没有这些具体细节的情况下实施。在其它情 况下，以广义形式示出诸部分以避免因不必要的细节而使本发明混淆。对于本文的 大部分，涉及使用场序色彩生成技术的给定显示器如何在其表面上实际创建并显示 图像的考虑事项的细节被省略，因为这些细节对获得对本发明的完整理解并不必 要，同时在相关领域普通技术人员的技术范围内，这些细节并不与本发明提供的效 用和价值直接相关。
以下即将公开的操作的原理假设希望去除在时间上聚集给定图像的原色成 分并通过快速连续生成每个原色成分来呈现视频信息的每个帧的显示器中的场序 彩色伪像。这种伪像被认为是在构成视频信息的合成帧的原色成分因视网膜与所显 示图像(或图像一部分，即所显示的推定目标)的相对运动而没有全部到达观众视 网膜的同一区域时出现。
在有助于实现本发明的技术(利用场序色彩生成的平板显示器或其它候选技 术)中，美国专利No.5,319,491公开了 -种平板显示器，该专利通过引用整体结合 f此。贯穿本详细说明对典型平板显示器示例的使用不应被解释为将本发明的适用 性限制于该应用领域，而是出于涉及本发明部署主题的说明性目的。此外，贯穿本 详细说明书剩余部分对三原色(红、绿和蓝)的使用类似地是出于说明目的，并且 不应被解释为将本发明的适用性只限制于这些原色，无论是关于其数量、色彩还是 其它属性。
这种典型平板显示器可包括通常称为像素或图元的光学快门的矩阵，如图3 所示。图3示出由还可包括平板像素矩阵302的导光基板301构成的平板显示器 300的简图。在导光基板301后并且与基板301平行的是透明(例如玻璃、塑料等) 基板303。注意，平板显示器300可包括除了所示出的之外的其它元件，诸如光源， 不透明开口、不透明背衬层、反射器和管状灯，如美国专利No. 5,319,491所公开 的。
如图4A和4B所示，每个像素302可包括导光基板401、底板402、可变形 弹性层403和透明电极404。
像素302还可包括为便于描述起见示为盘405 (并不限于盘状)、置于电极 404上表面并由高折射率材料(较佳地是与组成导光基板401的材料相同的材料) 形成的透明元件。
在该特定实施方式中，有必要非常准确地控制导光基板401与盘405之间的 距离。特别地，己发现在静止状态下，导光基板401与盘405之间的距离应该大致 为引导光波长的1.5倍，但是在任何情况下，该距离都应该大于一个波长。因此， 相应地调节底板402、可变形弹性层403和电极404的相对厚度。在活动状态下， 盘405如下所述地被电容性动作拉到距导光基板401上表面小于一个波长的距离 处。
在操作中，像素302利用迅衰耦合(evanescent coupling)效应，藉此通过更 改可变形弹性层402的几何形状使得在电容性吸引效应下产生凹陷406 (如图4B 可见)来妨碍像素302处的TIR (全内反射)。所造成的凹陷406使盘405处于导 光基板的迅衰场(通常从导光基板401向外延伸一个波长的距离)的限制之内。光 的电磁波特性使其"跳过"中间的低折射率覆层，即可变形弹性层403，横跨到附 连于静电致动的动态凹陷406的耦合盘405，从而破坏制导条件和TIR。光线407 (如图4A所示)表示了这种静止的、光制导状态。光线408 (如图4B所示)表 示了其中光被耦合出导光基板401的活动状态。
电极404与底板402之间的距离可以极小，例如1微米，并由诸如室温下硫 化硅氧烷的薄膜沉积等可变形层403占据。虽然电压很小，但是电容器(实际上， 电极404和底板402形成平行板电容器)的平行板之间的电场足够高，可以向硫化 硅氧烷施加变形力从而使弹性层403变形，如图4B所示。通过将硫化硅氧烷压縮 成适当的馏分，在导波基板401中传导的光以大于当前折射率的临界角的入射角撞 击该形变并将光透过电极404和盘405耦合出基板401。
电容器的平行板之间的电场可通过对电容器充电和放电来控制，该电场有效 地导致电极404与底板402之间的吸引。通过对电容器充电，板之间的静电力强度 增大，从而使弹性层403变形以将透过电极404和盘405光耦合出基板401，如图 4B所示。通过对电容器放电，弹性层403返回到其初始几何形状，从而停止将光 耦合出导光基板401，如图4A所示。
用于示出常规的、未经调节的场序色彩生成技术的实现的显示器根据图5所 公开的典型模式来操作。三原色，即红、绿和蓝，从适当光源顺序地连续入射到平 面波导，如图5所示。各个单独像素根据确定的快门顺序打开或关闭，如图5所示，
该顺序涉及到在给定视频帧期间从所考虑的像素(每个像素被单独控制)发射的红 光、绿光和蓝光量。如图3所公开并在图5中进一步说明的，这种系统利用脉宽调 制来生成灰度值，但是应该理解，本发明不只适用于结合了幅度调制(不同的不透 明性)以在像素级实现灰度的场序色彩系统。
如背景信息一节所述，诸如图3所示的特定场序彩色显示器在特定观看条件 和视频内容下呈现不合需要的视觉伪像。这种有害伪像的起因在于每个相应子帧原 色成分在时间上连续传输的过程中观众视网膜与给定视频帧的各个原色成分的相 对运动。无论在直观式系统还是基于投影的场序彩色显示器中出现的，这种伪像都 妨碍了这种色彩生成策略在因图像分离而不可能获取目标的许多苛刻的应用领域， 最著名的是飞行模拟系统中的使用。需要在利用场序色彩原理的显示系统中减少或 有效抑制这种伪像的机构。
基于如图5所示的色彩生成方案，图3的装置用作贯穿本说明书用于示出所
讨论的操作原理的相关示例，且为了一般化起见而作了某些更改。应该理解，出自
美国专利No. 5,319,491的该示例仅为说明目的而作为一类有效候选应用和实现之 一提供，且由利用存在场序色彩生成的原理的任何系统构成的任何设备可针对伪像 减少或抑制而得到增强，其中上述伪像来源于组成视频帧的原色成分因视网膜与显 示器的相对运动而落在观众视网膜的不同几何区域。本发明涉及用于为满足关于实 现场序色彩生成原理的特定具体操作准则的一大类设备去除上述彩色图像分离源 的机构，但是为了实施经过如此增强的任何特定设备的具体减少并不会对本发明增 强该设备的行为的能力施加任何限制。
图1根据本发明一实施方式示出场序彩色显示器中的彩色图像分离的一般现 象。在给定视频帧100期间，显示器表面上显示的信息作为由组成每个视频帧的相 应的连续生成的原色信息构成的一系列共线脉冲(例如101和105)射向观众的视 网膜109。因此，帧101的视频帧信息由时间上分离的原色102、 103和104组成， 而视频帧，即时间上在帧101之前的一个帧，类似地由时间分离的原色106、 107 和108组成。作为每个原色的经脉宽调制的彩色光阵列包含在内的信息到达视网膜 109以形成图像。如果原色子成分106、 107和108到达视网膜的同一位置，则眼 睛将原色合并并感知合成图像而无任何色分离。然而，如果视网膜109正在转动， 则视网膜处的现象遵循视频帧110的图案，其中各个原色成分lll、 112和113落 在视网膜不同部分，导致伪像可被感知。
在图2中，根据本发明一实施方式示出预期结果和实际感知结果的对比。例
如，如果组成视频帧iio的原色成分全部到达视网膜的同一位置，则眼睛会合并这
些原色子帧以准确形成合成图像201，在本示例中该合成图像是灰色飞机的图像。
然而，如果眼睛正在转动，则视网膜109相对于组成视频帧110的连续原色移动， 使得lll、 112和113 (组成整个帧110的原色成分)落在视网膜109的不同位置， 导致可感知的图像202,其中分离的原色成分203、 204和205不再被感知为完全 重叠，而是以不关联的形式分布在视场中，如图所示。预期图像201的恢复是伪像 抑制的目标，藉此通过消除这种不关联的起因来减少或抑制展开、不关联的图像 202。
图6根据本发明一实施方式示出使用每秒60帧视频信息的典型帧速率的场序 彩色显示系统的未经调整的同步行为。单个帧600的持续时间为16.67毫秒，并且 在同步方案中被所使用的原色数目等分。在所选的典型示例中，使用了通用的三原 色红、绿和蓝。视频帧600的三个相等子分区(601、 602和603)连续地顺序出现， 且显示阵列内的每个像素在可用时间窗口期间生成并显示适当的灰度水平(红色信 息604在时段603的前沿开始显示，绿色信息605在时段602的前沿开始显示，且 蓝色信息606在时段603的前沿开始显示)。原色光的每个连续脉冲串的前沿在时 间t等距分开，从而导致该不证自明的同步(时钟边界)行为。(在时间上，前沿 由时间块的左侧表示)。显示视频帧所用的时间量(最大达16.67毫秒，总视频帧 600的持续时间)足够大，使得因彩色图像分离导致的伪像可在视网膜相对于生成 该彩色图像的显示器运动的过程中出现。
图7示出在本发明示教下的伪像减少和抑制的第一实施方式，其中总的帧持 续时间700与未调整的情形(视频帧600)并无不同，但是光能随时间的分布发生 改变。显示器发射原色光的持续时间(701、 702和703)大大减小。需要光强补偿 机制来实现等效图像亮度，使得对于在图6和图7中显示的相同节目内容，脉宽持 续时间的比值(604除以701)是光强701增大的倍数以确保在两种情形中在视网 膜处随时间变化接收到等量的光；对702和703作同样的调整(下文中假设应用于 所有原色而无需对每个单独原色明确赘述)。在图7中，原色成分701、 702和703 是同步的，在这一意义上703的前沿落后702的前沿的量与702的前沿落后701 的前沿的量相等。没有发光的较长静止时段704填充视频帧700的剩余部分。结果， 取决于帧速率、眼睛运动和持续时间704与持续时间700之比，图像分离伪像可得 到减少或完全抑制(观众不可感知)。在给定显示技术的可操作性极限内，使704 相对于700最大化可得到最稳定的图像分离伪像减少和/或抑制。图8示出图7的机制的异步实施方式，其中每个连续原色的前沿不由对底层 管理时钟周期的严格遵守而是由节目内容确定。如果对于所显示的每个视频帧，节
目内容包含100%的每种原色，则本实施方式与图7所示的没有区别。然而，如果 原色中任一种小于100%，则每个顺序原色的前沿可依赖于在前的后沿。例如，如 果节目内容包含80%的红色内容，则在红色子帧801的末端(表示同步时间701 的80%可用于显示红色子帧)，则该系统可立即触发下一原色子帧(在本示例中 为绿色子帧802)的启动而非等待时钟信号来启动下一子帧(如图7所示的情形， 其中在红色脉冲701与绿色脉冲702之间出现明显的时间间隙)。这种时间间隙在 图8的异步机制中被关闭，其中在原色子帧之间不再设置这种静止时间而是全部分 配给单个较大块的静止不活动804。进而使用用于对组成所显示的每个连续视频帧 的原色成分进行实时采样的机制，来确定每个原色的正确起始和终止点以便于最大 化静止持续时间804与总体固定帧率800之比。在节目内容不允许这种原色信号的 异步重新分布时(例如，存在至少一个始终显示全部原色的像素，即图像内的白色 像素)，则默认的可操作模式重返到图7所公开的模式。
本发明的另一实施方式在图9中公开，其中静止时段904与总的视频帧持续 时间900之比通过在可能的情况下将原色重叠并重新编码帧速率以利用这种重叠 来进一歩增加。可对每个视频帧单独采样以确定这种原色重叠的可行性，并且这种 确定对每个视频帧是唯一的，从而需要一种实时机制来评估并应用这种视频数据釆 集和相关联的信号重新编码。在所提供的示例中，假设不仅存在红色信息(901) 和绿色信息(902)，而且存在足够的黄色信息(在红色和绿色同时显示时得到的 色彩)以允许原色重叠来创建黄色的"虚拟帧"。本实施方式需要标识具有黄色内 容的所有像素、对这种黄色内容进行重新编码(达到该帧中的最大可行性)以及使 用红色和绿色重新调整全部视频内容，使得最终显示结果与部署图7的原始实施方 式所获得的并无不同。
同理，对给定视频帧的实时分析可展示出重叠下一对原色(902和903)的可 能性。在所提供的示例中，绿色和蓝色可被同时发射以形成青色。然后，该机制确 定视频帧的青色内容并重新编码该帧以使青色的呈现适于脉宽调制或幅度调制来 创建青色灰度。在任一情形中，数据采集和重新编码之后所得的图像在色彩上与图 7中实现的并无不同，除了静止持续时间904与总视频帧持续时间900之比大于图 7的情形。如果给定视频帧包含只含有一个100%强度纯原色的至少一个像素，则 本实施方式默认为图7的可操作图案并且不存在重叠原色的情况，因为当节目内容 包含以100%强度显示每个原色且仅显示该原色的至少一个像素时，这种重叠会妨
碍正确的色彩生成。在任一情况下，图9的实施方式的强度补偿机制与图8和图7 中所使用的相同。由图8和图9的实施方式所实现的基于节目内容的增加改进允许 本发明提供扩充的性能优点。记录在现实世界中(相对于由计算机生成的)的图像 的大部分展示出对这种增强的截断的明显倾向，因为最大强度的纯三原色很少同时 出现在自然中或人工物体上(以及因此记录它们用于回放的视频图像中)。
本发明的其它实施方式提供用于减轻显示器中的图像分离的方法，其中色轮 滤色器用于从白光源产生多种原色。
旋转色轮用于产生连续时间周期的发光，使得对于每个帧，有多种原色可用， 其中每种原色在周期内的不同时刻可用。本领域技术人员应该知道，每种成分色的 灰度縮放可通过脉宽调制装置来实现。
本领域中这种色轮滤色器的示例在图10A中示出，其中轮1000等分成三份并 且三原色为红色1001、绿色1002和蓝色1003。每种色彩占据等量的轮；因此每种 色彩在一个周期中传输等量的光发射。如上发射实施方式中所述的，当这种色轮的 机制和几何结构确定所得色彩时序周期时，传输这些不同色彩的时距足够长来产生 图像分离伪像。
本发明提供消除上述伪像的解决方案，其中给定周期的发光持续时间被縮短 而且周期的一部分变成黑阶段，即没有发光。本实施方式提供由多种原色构成的色 轮滤色器，但是它还包括在周期内产生不发射光的显著的暗时距。轮上该不透明部 分的大小应被有利地选择成适于驱动来自每个像素的发光的部件和系统的定时和 关联特性。特别地，适于不透明区域的大小关键驱动器是可用的白光强度一由色轮 的较小部分造成的发射时间减少可以是本发明的一个组成部分，但是通常随其而来 的是对相应的更大光源强度的需要以使得在该较短时间内聚集的传输到视网膜的 光能等效于由现有技术的色轮1000在较长发射时间内所传输的光能。实际上，色 轮1004上不透明与彩色的面积比通常与本发明的白光强度比现有技术的白光强度 更强的倍数成比例。
上述色轮的剩余发射部分在原色之间平分，以便于对每个周期的相等时距传 输每个色彩，但是上述成分时距之和比完整周期短很多。
色轮滤色器的本发明一实施方式在图10B中示出，其中三种色彩被压縮到色 轮总面积的一小角度部分中。参照图IOB，轮1004包括三个原色滤色器段和一个 不透明段。在本实施方式中，三种原色为红1005、绿1006和蓝1007，不透明段被
示为黑色1008。上述轮以以下方式旋转以提供每种色彩的光的相等时距的连续 方式首先有利地滤除、然后阻挡白光源，上述时距共同构成一个周期的发射小部分。 不透明段1009导致发光中断以及周期中相应的黑色部分存在于上述连续周期的发 射部分之间。
如图IOA和图IOB所示，来自两个上述色轮滤色器的光输出明显不同，这对
本领域技术人员是显而易见的。这种差别的某些有益方面将在以下附图中详细公
开。来自如图10A中的现有技术的轮1000的光输出示例以表格方式在图11A中由 表1100示出。上述光输出在图11B中绘出，其中全部三种色彩在曲线图1101中 顺序示出，如同它们从轮输出的一样。这直接遵循现有技术，如美国专利No. 5,319,491的图14中相关曲线图明确示出的，该专利如以上所述并通过引用结合于 此。为了描述如何实现快门机构以在聚集输出发射中实现脉宽调制，并藉此在给定 帧内创建期望的成分色彩混合以传输上述实施方式所提供的可能的4,913种输出色 彩之一，上述曲线图包括示为三条分离的输出线，每个成分色彩一条。图11B中 的曲线1101与所引用的美国专利No. 5,319,491中的三条上述分离色彩线的聚集类 似，但示为叠加为一个输出。在上述现有技术中，示出三个完整色彩周期。
表1100和曲线1101示出在两个完整周期中由轮1000传输的光输出。因此， 示出该过程的重复方面，并示出重要的区别，即从每个周期起点开始，第一色彩起 点到后续的两种色彩起点的时间间隔分别是该周期的总持续时间的三分之 一 和三 分之二。用数字表示，上述时间间隔从红到绿为5 2/3毫秒(ms)，以及从红到蓝 为ll 1/3 ms。因此，即使该系统使用周期内每种色彩发射的更高的最高强度以及
减少的持续时间来运行，从而在更短时间内实现相同的总体光输出，该色轮设计的 基本特性仍确定在每种色彩起点之间的时间间隔。由于这种时间间隔由所示的几何
结构1000确定，因此可以不减小上述间隔，但因上述间隔造成的相关伪像有可能存在。
值得注意的两个细节，第一个是由用于组成该曲线和以下曲线中每个周期的 时间推断的周期时间对应于美国通用的60 Hz,其中周期持续时间为16 2/3毫秒 (ms)。类似地，对于该曲线和以下曲线，每个光发射从OFF到ON以及从ON 到OFF的转变时间可在表以及类似的关联曲线中推断。只要上述转变时间不长于 一给定色彩在周期内的预期发射时间，则它不成为问题。如将从以下附图中显而易 见的，在本发明中每种色彩的发射时间的可比持续时间比上述现有技术中的短得 多，但是如本领域技术人员应该理解的，上述持续时间不能过短而使可合理达到的
变换时间成为实现本发明优点的障碍。
图12A示出根据本发明一实施方式的光强相对于时间的曲线。参照图12A， 本发明的光输出在曲线1200中示出，再一次如先前曲线1101 —样示出两个完整周 期。类似地，强度标度与1101类似，使得曲线1101中现有技术的相对较长的持续 时间、较低强度的色彩发射可与曲线1200中示出的本发明的较短持续时间、较高 强度的色彩发射相比较。
图12B根据本发明一实施方式示出了详细示出帧启动的光强相对于时间的曲 线。即，图12B示出本发明的光输出，但只示出一个周期的初始部分。更具体地， 曲线1230在时间上仅对应于本发明的发射阶段。在本实施方式中，该发射阶段1201 比一个完整周期短得多。周期中的剩余时间包括具体对应于先前在图10B中描述 的作为色轮1005的不透明部分的预期结果的黑色阶段的T.dark. 1202。对应于曲线 1200并类似地在曲线1203中部分示出的光输出的数值在图12C中由表1204以表 格方式示出。
本发明的目的是有利地縮短周期的发射阶段，以及创建不发射光的后续黑色 阶段(T.dark.) 1202。上述黑色阶段作为选择性地阻挡光以避免发射的图10B的 色轮1005的不透明部分的结果出现。如上所述，期间发射周期内所有光能的縮短 的发射阶段与期间不发射光的具有持续时间(T.dark.) 1202的后续黑色阶段的组 合造成不同色彩对视网膜的撞击之间小得多的距离，因此显著改变所感知的伪像。 更具体地，帧内的随后色彩之间的距离足够小，使得该距离对观众而言不可感知且 伪像不再出现。
本发明的另一个实施方式包括应用与可在现有技术中找到的如图10A所示的 轮IOOO类似的色轮滤色器，但是使该轮以比用于将轮旋转一圈的时间与帧持续时 间匹配所需的更高的速度旋转。具体地，旋转可增加整数倍，即2、 3或更高，使 得在每个帧期间可完成多个完整旋转。在本实施方式中，也需要在其从像素显现之 前中断光源或光路的装置。如本领域技术人员应该知道的，上述中断装置可通过若 干合理可用的机构来实现，这些机构包括但不局限于，光路上的快门、光路上的可 选择偏光机构或者光所起源的光源的开关。
实现本发明优点的这些通常可用部件的独特构造和操作涉及在给定帧中首次 光流之后对所有色轮旋转中断光流，然后在下一帧起点处再次对色轮的精确一次旋 转去除对光路的中断。当重复这种过程时，来自该系统的输出使在帧启动处顺序传 输并只持续帧持续时间的一小部分的多种原色可用，如图12A中曲线1200所示。
当传输到脉宽调制装置时，这一縮短的原色序列可由本领域技术人员实施以实现本 发明的优点。
权利要求
1.一种场序彩色伪像抑制机构，包括直观式基于场序色彩的显示系统，该系统还包括用于在应用于所述显示器以向活动显示表面上的构成可控光调制器件阵列的各个像素提供原色光的相应原色照明源之间顺序循环的机构，所述光调制器件的受控激活通过光调制来生成期望图像；以及用于可控并选择性地在所述显示表面上的每一定义的像素处提供灰度生成，藉此所述显示器中可用的任何给定原色在每一像素与所调制的相应原色同步地激活和停用时通过所述每一像素来适当调制的装置。
2. 如权利要求1所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述灰度生成 包括每一像素处的脉宽调制法。
3. 如权利要求1所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述灰度生成 包括每一像素处的幅度调制法。
4. 如权利要求1所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述原色是采用任意或特定循环序列的工业标准三原色红、绿和蓝。
5. 如权利要求1所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述原色在照明序列期间与所显示的节目内容无关地以固定间隔同步循环。
6. 如权利要求2所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述原色在照 明序列期间与所显示的节目内容无关地以固定间隔同步循环。
7. 如权利要求3所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述原色在照明序列期间与所显示的节目内容无关地以固定间隔同步循环。
8. 如权利要求2所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述原色在照明序列期间异步循环，每一原色的相应间隔由每一所显示的帧的节目内容的要求确 定，使得每一单独原色的持续时间被縮短以与所显示图像数据帧中所需的该原色的 最长相应脉宽匹配，所述系统还包括重新编码每一帧以便能够经由用于所述显示器的照明装置来提供所述原色的 异步定序的装置；实时调节为每一连续帧提供所述照明的原色光源的打开和关闭时间的装置； 将像素操作与不再固定而是相对于为供各个像素经由脉宽调制来进行调制而 向所述显示器提供每一原色的时间长度可变的照明循环序列重新同步的装置；以及在每一相应帧的起点之间保持统一的持续时间使得全局帧速率保持不变，同 时如抑制彩色图像分离及其相关联的伪像所需地将图像生成压縮到每一帧的前沿 的装置。
9. 如权利要求1所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述对色彩信息的重新编码通过以下步骤实现增强的时间截断 分析每一相应的视频信息帧；确定每一帧中可在显示器照明循环序列内使用两种时间上相邻的原色的组合 来重新编码的图像信息阈值最小量；重新编码每一相应的视频信息帧以使可在所述照明循环序列期间交叠而非顺序激活的时间上相邻的原色的可用性和后续利用最大化；通过在所述照明序列内使用适当交叠的原色而非原始的顺序行进的原色来显 示经重新编码的帧，从而除了由于向所述显示器像素提供原色以供调制的所述相应 照明源的时间交叠而导致的更短的聚集时段之外，产生与未更改周期中所生成的相 同的视频信息；以及在每一相应帧的起点之间保持统一的持续时间，使得全局帧速率保持不变， 同时如抑制彩色图像分离及其相关联的伪像所需地将图像生成压縮到每一帧的前 沿中。
10. —种场序彩色伪像抑制机构，包括基于投影的基于场序色彩的显示系统，所述系统还包括用于在应用于所述显示器以向所述显示投影系统内构成可控的光调制器 件阵列的各个像素提供原色光的相应原色照明源之间顺序循环的机构，所述 光调制器件的受控激活通过光调制来生成期望图像；以及用于可控并选择性地在所述显示投影系统内每一定义的像素处提供灰度 生成，藉此可用于投影的任何给定原色在每一像素与所调制的相应原色同步 地激活和停用时通过所述每一像素来适当调制的装置。
11. 如权利要求IO所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述原色是 采用任意或特定循环序列的工业标准三原色红、绿和蓝。
12. 如权利要求IO所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述原色是 使用离散的红光、绿光和蓝光光源生成的，所述光源被单独控制以提供被调制以供 投影的所需原色光序列。
13. 如权利要求12所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述原色在 所述照明序列期间异步循环，每一原色的相应间隔由每一所投影的帧的节目内容的 要求确定，使得每一单独原色的持续时间被缩短以与所投影的图像数据帧中所需的 所述原色的最长相应脉宽匹配，所述系统还包括重新编码每一帧以便能够经由所述显示投影系统的照明装置来提供所述原色 的异步定序的装置；实时调节为每一连续投影帧提供所述照明的原色光源的打开和关闭时间的装置；将像素操作与不再固定而是相对于为供所述像素经由脉宽调制来进行调制而 向所述显示器提供各个原色的时间长度可变的照明循环序列重新同步的装置；以及在每一相应投影帧的起点之间保持统一的持续时间使得全局帧速率保持不 变，同时如抑制彩色图像分离及其相关联的伪像所需地将图像生成压縮到每一投影 帧的前沿的装置。
14. 如权利要求12所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述对色彩 信息的重新编码通过以下步骤实现增强的时间截断分析待投影的每一相应的视频信息帧；确定每一帧中可在显示器照明循环序列内使用两种时间上相邻的原色的组合 来重新编码的图像信息阈值最小量；重新编码每一相应的视频信息帧以使可在所述照明序列期间交叠而非顺序激 活的时间上相邻的原色的可用性和后续利用最大化；通过在所述照明序列内使用适当交叠的原色而非原始的顺序行进的原色来投 影经重新编码的帧，从而除了由于向所述显示投影系统像素提供原色以供调制和投 影的所述相应照明源的时间交叠导致的更短的聚集时段之外，产生与未更改周期中 所投影的相同的视频信息；以及在每一相应帧的起点之间保持统一的持续时间使得全局帧速率保持不变，同 时如抑制彩色图像分离及其相关联的伪像所需地将图像生成压縮到每一帧的前沿 中。
15. 如权利要求IO所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，所述原色由 所述显示投影系统通过使白光穿过旋转色轮系统而顺序且循环地生成，所述色轮系 统还包括使光穿过色轮的白光照明源，所述光然后被提供给所述显示投影系统的像素 调制系统；包括原色滤色器区域和黑色吸收区域的色轮，它在几何上被配置成使得 每一区域是所述轮上占据固定径向角的角度段； 每一原色滤色器的区域彼此相邻或几乎相邻；所述黑色吸收区域的区域占据所述色轮上未被所述滤色器区域占据的全 部几何面积；所述色轮的旋转速度被设定为与每帧一圈匹配；每--滤色器区域占据的角度被固定在一个值，使得在所述色轮的每次旋 转期间，白光穿过整个一系列原色滤色器区域的时间足够短(例如1至4毫 秒)以提供令人满意的彩色图像分离抑制；以及所述白光源的强度得到增大以补偿由所述色轮通过其配置实际将白光过 滤成彩色光的减少时间引起的可用照明时间的减少(例如如果持续时间因所 述色轮截断过滤光的机会窗口而变成四分之一，则光强应变成四倍来对其进 行补偿)。
16. 如权利要求15所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，在所述旋转 色轮的滤色器区域中使用的所述原色对应于采用任意或特定循环序列的工业标准 三原色红、绿和蓝。
17. 如权利要求15所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，在所述色轮 旋转期间所述白光源在照射到所述黑色吸收区域上时被关闭，而在照射通过所述原 色滤色器区域中的任一个时被打开，从而增强所述显示投影系统的能量效率。
18. 如权利要求17所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，灰度通过使 用脉宽生成而在所述显示投影系统中生成，且如权利要求17中所述的效率增加机 制还可由一种机构进一步扩充，所述机构包括实时确定待投影的每一相应的原色信息帧所需的最大脉宽的装置； 用于一旦得知给定原色所需的最大脉宽则将使投影光穿过所述旋转色轮的白色照明源的停用同步的装置；以及如果对给定视频信息帧的给定原色不存在要投影的图像内容则阻止所述白色光源的激活的装置。
19. 如权利要求15所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，使用常规色 轮代替更改的色轮，但是通过将所述轮的转速增大给定的固定整数倍并且只在基于所述显示投影系统的基本帧速率启动连续帧的前沿的第一整圈期间使白光穿过所 述轮，来实现实际投影时间的截断，所述系统还包括如上所述与所述色轮旋转适当同步地可控并选择性地打开和关闭提供白光的 所述照明源的装置；以及通过在其打开时增大所述白光源的强度来补偿减少的照明时间，以便于确保 其中实现本发明的器件与未实现本发明的器件之间的等效图像亮度的装置。
20. 如权利要求9所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，通过以下步骤 进一步增强时间截断向所述原色光源添加白光源；添加用于确定在整个场上所述原色交叠何时在某一持续时间内包括全部三原色(即白色)的装置；以及在对每一相应帧进行所述重新编码中添加装置，藉此可向所述三原色添加白 光使得全部三原色都被打开并交叠的持续时间根据所添加的白光源提供的增大强 度而得到縮短。
21. 如权利要求9所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，通过以下步骤进一步增强时间截断向所述原色光源添加一组或多组额外原色光源；以及在对每一相应帧进行所述重新编码中添加装置，藉此可向第一三原色添加所 述额外原色光源组，使得它们提供的附加强度使所述原色单独或交叠打开的持续时 间被縮短。
22. 如权利要求9所述的场序彩色伪像抑制机构，其特征在于，可通过以下步 骤进一步增强时间截断向所述原色光源添加一组或多组辅助光源；添加用于确定在整个场上所述原色交叠何时在某一持续时间内包括适当的原 色对(即红色加绿色得到辅助黄色)的装置；以及在对每一相应帧进行所述重新编码中添加装置，藉此可向原色对添加所述辅 助光源，使得所述原色对被打开并交叠的持续时间根据所述辅助光源提供的增大强 度而得到縮短。
全文摘要
一种用于减轻在利用场序色彩生成原理的显示系统中出现的不合需要的彩色图像分离伪像的机构。通过适当减小图像信息撞击移动视网膜的时间间隔，使得该图像的相应红色、绿色和蓝色成分落在移动视网膜上的不同位置不再超过视网膜视锥或棒状体的直径，该分离的起因得以消除且图像如期望地变得单一眼睛观看图像如同所有成分同时到达一样。将光发射截断成更短的时间帧需要对成像光强的补偿性增大，使得撞击视网膜的净光子通量随时间的平均保持不变。该机构可用于使用离散红光源、绿光源和蓝光源的系统以及基于色轮的系统。
文档编号G09G3/30GK101185112SQ200680018464
公开日2008年5月21日 申请日期2006年8月1日 优先权日2005年8月2日
发明者M·G·塞尔布莱迪, R·泽曼 申请人:单方图素显示股份有限公司