專利名稱：脈寬調(diào)制式空間光調(diào)制器的位分割的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用空間光調(diào)制器(SLM)的圖像顯示系統(tǒng)，尤其涉及在SLM上顯示像素數(shù)據(jù)的方法。
基于空間光調(diào)制器(SLM)的視頻顯示系統(tǒng)正日益被用作使用陰極射線管(CRT)的顯示系統(tǒng)的替代品。SLM系統(tǒng)提供了高分辨率的顯示器，而沒有CRT系統(tǒng)的體積和功率消耗。
數(shù)字微鏡器件(DMD)是一種SLM，它們可用于直接觀看或投影顯示應(yīng)用。DMD具有微機械像素的陣列，每個陣列具有可由電信號獨立尋址的微小的鏡子。每個鏡子依據(jù)其尋址信號的狀態(tài)而傾斜，從而它可向成像平面反射光或不反射光。這些鏡子常被叫做“像素”，以相應(yīng)于它們產(chǎn)生的圖像的像素。一般，通過裝載連到像素的存儲部件來顯示像素數(shù)據(jù)。在控制的顯示時間里，這些像素可保持它們的開或關(guān)狀態(tài)。
其它的SLM根據(jù)類似的原理工作，也具有可同時發(fā)射光或反射光的像素陣列，從而通過對像素進行尋址而不是掃描屏幕來產(chǎn)生一幅完整的圖像。SLM的另一個例子是具有獨立驅(qū)動像素的液晶顯示器(LCD)。
為了實現(xiàn)白(開)和黑(關(guān))之間發(fā)光的中間級，使用了脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)?；镜腜WM方案涉及首先確定圖像呈現(xiàn)給觀看者的速率。這就確立了幀速率和相應(yīng)的幀周期。例如，在標準的電視系統(tǒng)中，以每秒30幀的速率發(fā)送圖像，每幀持續(xù)大約33.3毫秒。然后，確立每個像素的強度分辨率。在簡單的例子中，假定分辨率是n位，幀時間被分成2n-1個相等的時間片。對33.3毫秒的幀周期和n位的強度值，此時間片是33.3/(2n-1)毫秒。
確立了這些時間，對于每幀的每個像素，像素強度被量化，從而黑是0時間片，由LSB代表的強度級是1時間片，最大亮度是2n-1時間片。每個像素被量化的強度確定了它在幀周期中的開時間。因此，在一個幀周期中，量化值大于0的每個像素對于相應(yīng)于其強度的時間片數(shù)目是開的。觀看者的眼睛集中于像素的亮度，從而圖像就象以光的模擬級產(chǎn)生一樣。
對于尋址SLM，PWM要求數(shù)據(jù)被格式化為“位平面”，每個位平面相應(yīng)于強度值的位權(quán)重。因此，如果每個像素的強度由n位的值代表，則每幀數(shù)據(jù)具有n個位平面。每個位平面對于每個像素具有0或1的值。在以上章節(jié)描述的簡單PWM的例子中，在一幀期間，分別輸入每個位平面，依據(jù)它們的相關(guān)位平面值對像素進行尋址。例如，在1時間片里顯示代表每個像素LSB的位平面，而在2n/2時間片里顯示代表MSB的位平面。因為一個時間片只有33.3/(2n-1)毫秒，所以SLM必須能在此時間內(nèi)輸入LSB位平面。用于輸入LSB位平面的時間是“峰值數(shù)據(jù)速率”。
名為“用于脈寬調(diào)制顯示系統(tǒng)中的DMD結(jié)構(gòu)和定時關(guān)系”并轉(zhuǎn)讓給德克薩斯儀器股份有限公司的第5,278,652號美國專利描述了在基于DMD的顯示系統(tǒng)中對DMD進行尋址的多種方法。這些方法旨在減少峰值數(shù)據(jù)速率而保持光學效率。其中討論的一些方法包括清除像素元的阻塞并使用額外的“關(guān)”時間來輸入數(shù)據(jù)。在一個方法中，把顯示最高位的時間分割成更小的段，從而在這些段期間允許輸入最低位。
減少峰值數(shù)據(jù)速率的另一個方法叫做“存儲器多路復用”或“分割復位”。此方法使用特殊構(gòu)成的SLM，其像素組成可分別輸入和尋址的復位組。這就減少了在任一時間內(nèi)要輸入的數(shù)據(jù)的量，并允許在幀周期中的不同時間輸入每個復位組的LSB數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)讓給德克薩斯儀器股份有限公司的第08/002,627號美國專利中描述了此結(jié)構(gòu)。
無論對SLM的所有像素進行同時尋址還是多路復用，獲得的顯示必須具有最少的視覺人為干擾(artifact)。一種位平面數(shù)據(jù)可能具有的人為干擾是“暫時仿形”。一個例子是，對于8位的系統(tǒng)，如果在一幀中，一像素具有128的強度級且在第一個半幀時間內(nèi)產(chǎn)生MSB顯示時間，則此像素在此時間長度是開的，而在余下的幀時間是關(guān)的。如果在下一個幀中，像素的強度是127，則此像素在MSB時間是關(guān)的，而在該幀期間其它所有位的顯示時間內(nèi)是開的。當所有位的狀態(tài)都改變時的時間點可引起視覺人為干擾，這更可被認為亮度增加。
本發(fā)明的一個方面是一種在具有獨立可尋址像素的空間光調(diào)制器上顯示像素數(shù)據(jù)的方法，用于脈寬調(diào)制顯示器。接收到的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)的一系列幀。此數(shù)據(jù)被格式化為位平面，每個位平面具有每個像素的一位數(shù)據(jù)。每個位平面代表要被像素顯示的強度值的位權(quán)重，且每個位平面具有相應(yīng)于其位權(quán)重的顯示時間。一個或多個更高位權(quán)重的位平面的顯示時間被分割成更小的顯示時間。每個段具有相同的位平面數(shù)據(jù)，但對該位平面的整個顯示時間的一部分進行顯示。在每幀中，在該幀的周期中分配這些段的顯示時間。事實上，該方法用同樣的位平面數(shù)據(jù)再尋址SLM，但對分布于幀周期的更短的顯示時間，此方法則用其它位平面數(shù)據(jù)對SLM進行再尋址。
本發(fā)明在技術(shù)上的一個優(yōu)點是它減少了以其它脈寬調(diào)制方法會感覺到的視覺人為干擾。


圖1和2是圖像顯示系統(tǒng)的方框圖，每個圖都具有依據(jù)本發(fā)明顯示數(shù)據(jù)的SLM。
圖3A和3B示出依據(jù)本發(fā)明如何顯示數(shù)據(jù)。
圖4示出構(gòu)成存儲器復用(分割復位)尋址的圖1或圖2的SLM。
在專利號為5,079,544名為“標準的獨立數(shù)字化視頻系統(tǒng)”美國專利、流水號為08/147,249名為“數(shù)字電視系統(tǒng)”的美國專利，以及流水號為08/146,385名為“DMD顯示系統(tǒng)”的美國專利中，對基于DMD的數(shù)字顯示系統(tǒng)作了詳細描述。這些專利和專利申請中的每一個都轉(zhuǎn)讓給德克薩斯儀器股份有限公司，并且在這里引用作為參考。以下結(jié)合圖1和2討論此系統(tǒng)的概述。
圖1是使用SLM15從廣播電視信號等模擬視頻信號中產(chǎn)生實時圖像的投影顯示系統(tǒng)10的方框圖。圖2是類似的系統(tǒng)20的方框圖，其中輸入信號已代表數(shù)字數(shù)據(jù)。在圖1和2中，都只示出對主屏幕像素數(shù)據(jù)處理顯得重要的那些元件。沒有示出其它的元件，諸如可用于處理同步和聲頻信號或關(guān)閉字幕等副屏幕特征的那些元件。
信號接口部件11接收模擬視頻信號并分離出視頻、同步和聲頻信號。它分別把視頻信號傳遞給把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成像素-數(shù)據(jù)樣本的A/D轉(zhuǎn)換器12a和從色度(chrominance)(“C”)數(shù)據(jù)中分離出亮度(“Y”)數(shù)據(jù)的Y/C分離器12b。在圖1中，信號在進行Y/C分離前被轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)，而在其它的實施例中，可在A/D轉(zhuǎn)換前用模擬濾波器進行Y/C分離。
處理器系統(tǒng)13通過執(zhí)行不同的像素數(shù)據(jù)處理任務(wù)來準備顯示數(shù)據(jù)。處理器系統(tǒng)13包括用于此任務(wù)的任何處理存儲器，諸如字段和行緩沖器。由處理器系統(tǒng)13執(zhí)行的任務(wù)可包括直線化(以補償伽瑪修正)、色區(qū)轉(zhuǎn)換以及行的產(chǎn)生。可改變執(zhí)行這些任務(wù)的次序。
顯示存儲器14接收來自處理器系統(tǒng)13的處理過的像素數(shù)據(jù)。把輸入或輸出的數(shù)據(jù)格式化為“位平面”格式，并每次把一個位平面?zhèn)鬟f給SLM15。如背景技術(shù)中所討論的，位平面的格式允許SLM15的每一個像素相應(yīng)于每次數(shù)據(jù)1位的值而通或斷。在此描述的例子中，由有關(guān)顯示存儲器14的硬件執(zhí)行此格式化。然而，在其它的實施例中，也可由處理器系統(tǒng)13或由顯示存儲器14前后數(shù)據(jù)通路中的專用格式化硬件來執(zhí)行此格式化。
在典型的顯示系統(tǒng)10中，顯示存儲器14是一個“雙緩沖器”存儲器，即它具有至少兩個顯示幀的容量。一個顯示幀的緩沖器可讀出到SLM15，而另一個顯示幀的緩沖器可被寫入。可以“乒乓”方式控制這兩個緩沖器，從而數(shù)據(jù)可連續(xù)用于SLM15。
來自顯示存儲器14的位平面數(shù)據(jù)傳遞給SLM15。如以下所述，不只一次地裝入更高位的位平面，從而可分段顯示這些位平面?？赏ㄟ^再尋址顯示存儲器14中數(shù)據(jù)的位平面進行分段輸入，每次顯示一段位平面。
雖然借用了DMD型SLM15進行了描述，但可把其它類型的SLM裝入顯示系統(tǒng)10描述本發(fā)明。例如，SLM15可以是LCD型SLM。在專利號為4,956,619名為“空間光調(diào)制器”的美國專利中給出了合適的SLM15的細節(jié)，該專利已轉(zhuǎn)讓給德克薩斯儀器股份有限公司并在這里引用作為參考。DMD15必須使用顯示存儲器14里的數(shù)據(jù)對其像素陣列的每一個像素進行尋址。每一個像素的“開”或“關(guān)”狀態(tài)形成了一幅圖像。
顯示光學部件16具有用于接收來自SLM15的圖像并照亮顯示屏等圖像平面的光學元件。對于彩色顯示器，此顯示光學部件可包括色輪，每種顏色的位平面可被排序并可與色輪同步。或者，可同時在三個SLM上顯示不同顏色的數(shù)據(jù)并可由顯示光學部件16進行組合。主計時部件17可提供不同的系統(tǒng)控制功能。
位分割本發(fā)明的一個方面是識別PWM可導致視覺上的人為干擾，它可通過改變顯示數(shù)據(jù)的序列來避免。如背景技術(shù)中所述，由于強度的變化引起暫時仿形，特別是當更高位的狀態(tài)改變時。
圖3A和3B示出防止暫時仿形采用的“位分割”方法。首先，如圖3A所示，更高位的位平面的顯示時間被分成更小的段。例如，對于具有255個時間片和8位像素值的幀周期，MSB(位平面7)的位平面數(shù)據(jù)具有128個時間片(大約是整個幀時間的1/2)的顯示時間(其間每個像素是開或關(guān))。當MSB的顯示時間被分成多段時，每段包含整數(shù)個這些128個時間片。這些段最好是等間隔的，但也不一定。在圖3A中，MSB位平面顯示時間被分成8個相等的段。同樣地，MSB-1位平面(位平面6)和MSB-2位平面(位平面5)的顯示時間被分成更小的時間周期。特別是，MSB-1位平面的顯示時間被分成四段，而MSB-2位平面的顯示時間被分成兩段。分段選擇的位平面可以是除了LSB以外的任何一種或多種位平面。
此外，如圖3B所示，在整個幀周期中分配這些段的顯示時間。此分布在幀周期內(nèi)是基本上均勻的。例如，在圖3B中，MSB(位7)顯示時間的8個段被位6-4的顯示時間分隔。在幀結(jié)束時一起產(chǎn)生位3-0的顯示時間。
分割和分配位平面的許多其它的組合都是可能的。通過實驗，我們相信把顯示時間限制在不多于整個幀周期的1/16可有效地減少人為干擾。對于8位像素數(shù)據(jù)，這可導致圖3B中示出的8、4、2、1、1、1、1、1的分段。產(chǎn)生更好結(jié)果的另一個分段方法使用了8、4、2、2、1、1、1、1的形式，其中位平面4被分割成位平面7-5的尺寸一半的兩段。段越小，則需要更多的時間把數(shù)據(jù)裝入SLM，這就使帶寬受到段的數(shù)目的制約。一般，分布是足夠均勻的，從而減小了強度變化的作用。因此，由其它位的段的顯示時間分隔MSB的段。
如上所述，SLM顯示系統(tǒng)10或20可通過色輪連續(xù)顯示每種顏色的數(shù)據(jù)或通過用三個SLM同時顯示每種顏色的數(shù)據(jù)來提供色彩。當使用色輪時，幀時間被分成三部分，每種顏色一個部分。對于色輪系統(tǒng)，可使用上述位分割方法，“幀時間”等價于分配給每種顏色的幀時間部分。然而，在色輪系統(tǒng)中，因為顯示時間較短，所以顯示不容易出現(xiàn)人為干擾。與相同亮度的多芯片彩色顯示系統(tǒng)相比，色輪系統(tǒng)需要的段更少。使用均勻分布的3、2、1、1、1、1、1、1形式的位分割方法可適用于色輪系統(tǒng)。
分割復位尋址圖4示出構(gòu)成分割-復位尋址的SLM像素陣列的一部分。只清楚地示出少量像素31及其相關(guān)的存儲單元32，但如圖所示，SLM15具有附加的像素31和存儲單元32的行和列。典型的SLM15具有成百上千個這樣的像素31。
在圖4的例子中，幾組四個像素31共享一個存儲單元32，這就把SLM15分成四個像素31的復位組。在每四行像素31屬于一個不同的復位組的意義上，“水平地”分隔復位組。
這些復位組的數(shù)據(jù)格式化為復位組數(shù)據(jù)。因此，當p是像素的數(shù)目而q是復位組的數(shù)目時，位的數(shù)目為p的位平面被格式化為具有p/q位數(shù)據(jù)的復位組。
在流水號為08/002,627名為“空間光調(diào)制器的像素控制電路”的美國專利(它已轉(zhuǎn)讓給德克薩斯儀器股份有限公司，并在這里引用作為參考)中描述了DMD的分割-復位數(shù)據(jù)的輸入和尋址。這些內(nèi)容一般可應(yīng)用于SLM。
通過把數(shù)據(jù)的一位裝入它們的存儲單元32，并把由該位指示的電壓加到通過地址線33連到像素31的地址電極，可控制像素從開到關(guān)的轉(zhuǎn)換。換句話說，對于每組四個像素31，1或0的數(shù)據(jù)值可傳遞到它們的存儲單元32，并作為“+”或“-”電壓加到這些像素31上。復位線34上的信號確定該組中的像素31是否將改變狀態(tài)。
分割-復位尋址的一個方面是每次只裝載整個SLM陣列的一個子集。換句話說，在幀周期內(nèi)的不同時間裝載復位組的該位平面的數(shù)據(jù)，而不是立即裝載數(shù)據(jù)的整個位平面?？捎善鋸臀痪€34上的公共信號控制整個復位組。一旦特定復位組的像素31的所有存儲單元32都已裝滿，則復位線34提供復位信號，使這些像素31的狀態(tài)依據(jù)與它們相關(guān)的存儲單元32中的數(shù)據(jù)而改變。
本發(fā)明的位分割方法可應(yīng)用到分割-復位SLM。如上所述，數(shù)據(jù)被格式化為位平面。此位平面進一步格式化為復位組，從而此數(shù)據(jù)可以所需的序列傳遞給SLM15。在每個復位組中，可如上述方法分割和分配其位平面的顯示時間。
作為一個例子并使用四個復位組(a-d)而改變的圖3B的形式，可以下列次序顯示一幀的數(shù)據(jù)位平面7，復位組a，段1…位平面7，復位組d，段1位平面6，復位組a，段1…位平面7，復位組a，段2…位平面5，復位組a，段1…位平面3，復位組a…位平面0，復位組d在同步彩色(多SLM)系統(tǒng)中，可把同一種形式用于每種顏色。然而，在連續(xù)彩色(色輪)系統(tǒng)中，用于每種顏色的上述形式可以是相同的，或者是可變的。
動態(tài)位分割本發(fā)明的提高在于依據(jù)圖像的內(nèi)容改變位分割的形式。當在圖像中產(chǎn)生運動或強度的變化時，可實現(xiàn)位分割，可能只顯示更高的位，以改善增加的帶寬的需要。例如，在這些圖像中，可能只顯示8位數(shù)據(jù)中的6個MSB，但對位平面數(shù)據(jù)進行更高的分段和分配。可使用不同的眾所周知的運動和強度檢測方法來控制動態(tài)位分割。
在連續(xù)彩色(色輪)系統(tǒng)中，可對每種顏色實現(xiàn)這些動態(tài)的變化。例如，與一種低強度的顏色相比，高強度的顏色可能需要更多的位分割。
其它實施例雖然已參考特殊實施例描述了本發(fā)明，但此描述不意味著限定的意思。對于本領(lǐng)域中的那些熟練的技術(shù)人員來說，對揭示的實施例以及變化的實施例進行的不同的改變將變得明顯起來。因此，說明附加的權(quán)利要求書將覆蓋本發(fā)明真實范圍內(nèi)所有的變化形式。
權(quán)利要求
1.一種使用脈寬調(diào)制，由具有獨立可尋址像素的空間光調(diào)制器(SLM)來顯示像素數(shù)據(jù)的方法，接收到的數(shù)據(jù)作為一系列數(shù)據(jù)的幀，其特征在于該方法包括以下步驟把數(shù)據(jù)的每個所述幀格式化為位平面，每個所述位平面具有每個所述像素的數(shù)據(jù)的一位，每個所述位平面代表要由像素顯示的強度值的位權(quán)重，且每個所述位平面具有相應(yīng)于其位權(quán)重的顯示時間；把一個或多個更高位權(quán)重的所述位平面的顯示時間分隔成段；以及在該幀的整個周期中分配一個所述幀的所述段的顯示時間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括把所述幀的周期分成相等的時間片的步驟，其中以正比于該位平面的位權(quán)重的方式對每個所述位平面分配一些所述時間片來實行所述格式化步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所有的所述段都具有相等的顯示時間。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于任一個所述位平面的所有所述段都具有相等的顯示時間。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括再把所述位平面格式化為復位組的步驟，每個所述復位組具有來自其它像素的用于一組要在不同時間裝入所述SLM的所述像素的數(shù)據(jù)，其中如此實行所述分段步驟，從而所述復位組的所述位平面的顯示時間被分段。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述分段方法以前是檢測所述像素數(shù)據(jù)中運動的步驟，所述分段和分配步驟的實行依據(jù)所述檢測步驟的結(jié)果。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于還包括除去用于一個或多個較低位權(quán)重的顯示時間的步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述分段步驟以前是檢測所述像素數(shù)據(jù)中強度的步驟，所述分段和分配步驟的實行依據(jù)所述檢測步驟的結(jié)果。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于還包括除去用于一個或多個較低位權(quán)重的顯示時間的步驟。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述顯示器是連續(xù)彩色顯示器，對所述幀的一部分顯示幾種顏色中的每一種，從而依據(jù)每種所述顏色的數(shù)據(jù)來實行所述格式化和分段步驟，以及在所述部分中實行所述分配步驟。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于如此實行分配步驟，從而基本上均勻地分配所述段。
12.一種使用空間光調(diào)制器的顯示系統(tǒng)，用于改進顯示來自像素數(shù)據(jù)的幀的圖像，其特征在于包括可用于把數(shù)據(jù)的每個所述幀格式化為位平面的數(shù)據(jù)格式器，每個所述位平面具有每個所述像素的數(shù)據(jù)的一位，每個所述位平面代表要由像素顯示的強度值的位權(quán)重，每個所述位平面具有相應(yīng)于其位權(quán)重的顯示時間；能存儲所述位平面并把所述位平面?zhèn)鬟f給所述SLM的顯示存儲器，從而在相應(yīng)于該位平面的幀周期內(nèi)，所述一個或多個更高位權(quán)重的所述位平面被多次傳遞給所述SLM；以及在其上顯示所述位平面的空間光調(diào)制器，根據(jù)從所述顯示存儲器傳遞的所述數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個或多個較重要的所述位平面的顯示時間，從而所述一個或多個較重要的所述位平面被分段并在所述幀的整個所述周期內(nèi)分配。
13.如權(quán)利要求12所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)格式器是處理器。
14.如權(quán)利要求12所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)格式器是所述顯示存儲器的電路。
15.如權(quán)利要求12所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于所述SLM是存儲器多路復用的SLM，所述數(shù)據(jù)格式器再把所述位平面格式化為復位組，每個所述復位組具有在不同于其它所述像素的時間裝入所述SLM的一組像素的所述數(shù)據(jù)，從而所述SLM對所述復位組的所述位平面的顯示時間進行分段。
全文摘要
一種使用空間光調(diào)制器(SLM)在顯示系統(tǒng)中實行脈寬調(diào)制的方法。每幀數(shù)據(jù)分成位平面,每個位平面具有SLM每個像素的數(shù)據(jù)的一位并代表要由該像素顯示的強度值的位權(quán)重。每個位平面具有相應(yīng)于一部分幀周期的顯示時間,更高位的位平面具有較長的部分。然后,對一個或多個更高位的顯示時間進行分段,從而可分段地而不是以連續(xù)時間方式顯示這些位的數(shù)據(jù)。在整個幀周期中分配這些段,以減少視覺上的人為干擾。
文檔編號G02B26/08GK1170881SQ9611250
公開日1998年1月21日 申請日期1996年9月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月31日
發(fā)明者B·D·多爾蒂, C·W·戴維斯, J·G·伊根, R·J·戈夫 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司