專利名稱：具有均衡脈沖寬度段的脈沖寬度調(diào)制顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及操作順序脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)的技術(shù)，減小了運動假像的發(fā)生率。
背景技術(shù)：
目前，存在利用被稱為數(shù)字微鏡器件(DMD)的半導(dǎo)體器件的電視投影系統(tǒng)。典型的DMD包括按照矩形陣列排列的多個可獨立運動的微鏡。每個微鏡在其中對比特進行鎖存的相應(yīng)驅(qū)動單元的控制下，圍繞有限的弧進行樞軸運動，通常在10°～12°的量級。在施加預(yù)先鎖存的“1”比特時，驅(qū)動單元使其相關(guān)微鏡樞軸運動到第一位置。相反，向驅(qū)動單元施加預(yù)先鎖存的“0”比特使驅(qū)動單元將其相關(guān)微鏡進行樞軸運動到第二位置。通過將DMD適當?shù)囟ㄎ辉诠庠春屯队巴哥R之間，DMD器件的每個單獨微鏡在通過其相應(yīng)的驅(qū)動單元將其樞軸運動到第一位置時、對來自光源的光進行反射，通過透鏡并到達顯示屏幕上，以照亮顯示器中的單獨畫面元素(像素)。當樞軸運動到其第二位置時，每個微鏡反射光以使其偏離顯示屏幕，使對應(yīng)的像素表現(xiàn)為暗。這種DMD器件的示例是可以從Texas Instruments，Dallas Texas夠得的DLPTM投影系統(tǒng)的DMD。
包括上述類型的DMD的現(xiàn)代電視投影系統(tǒng)通過控制單獨的微鏡保持“開”(即，樞軸運動到第一位置)的工作循環(huán)(duty cycle)對微鏡保持“關(guān)”(即，樞軸運動到第二位置)的間隔，來控制單獨像素的亮度(照度)。為此，這種現(xiàn)代DMD型投影系統(tǒng)通過根據(jù)脈沖寬度段序列中的脈沖狀態(tài)改變每個微鏡的工作循環(huán)，利用脈沖寬度調(diào)制來控制像素亮度。每個脈沖寬度段包括不同持續(xù)時間的一串脈沖。脈沖寬度段中每個脈沖的激活狀態(tài)(即，接通或斷開每個脈沖)確定了對于該脈沖的持續(xù)時間，微鏡是保持開還是關(guān)。換句話說，脈沖寬度段中接通(激活)的脈沖的寬度和越大，每個微鏡的工作循環(huán)越長。
在利用DMD的電視投影系統(tǒng)中，幀間隔(即，顯示連續(xù)圖像之間的時間)取決于所選擇的電視標準。美國目前所使用的NTSC標準要求1/60秒的幀間隔，而特定的歐洲電視標準采用1/50秒的幀間隔?，F(xiàn)代DMD型電視投影系統(tǒng)通常通過在每個幀間隔期間同時或順序投影紅、綠和藍圖像來提供彩色顯示。典型的順序DMD型投影系統(tǒng)利用插入在DMD的光路徑中的電動機驅(qū)動顏色輪。顏色輪具有多個分離的原色窗口，通常為紅色、綠色和藍色，從而在連續(xù)的間隔期間，紅光、綠光和藍光分別落在DMD上。
為了獲得彩色畫面，在每個連續(xù)的幀間隔內(nèi)，紅光、綠光和藍光至少落在DMD上一次。如果只安排一幅紅圖像、一幅綠圖像和一幅藍圖像并且每幅圖像均占用幀間隔的1/3，則顏色間的較大時間間隔將隨著運動產(chǎn)生可感知的顏色中斷?，F(xiàn)代DMD系統(tǒng)通過將每個顏色分解為幾個間隔并在時間上對所述間隔進行交織從而減小了顏色之間的延遲來解決此問題。每個顏色間隔對應(yīng)于脈沖寬度段，針對每種顏色的脈沖寬度段與其他顏色的脈沖寬度段相互交織。不幸地，由于瞬時強度的光再分布效應(yīng)，將每種顏色分解為段經(jīng)常會產(chǎn)生運動假像。取決于對段中的脈沖進行編碼的編碼方案，亮度上的遞增通常需要激活至少一個段中的一個或多個脈沖，同時去活(de-actuate)相同或不同段中的一個或多個脈沖。激活一個段中的一個或多個脈沖、同時去活其他段中的一個或多個脈沖來實現(xiàn)像素亮度的遞增將限制復(fù)雜性，但通常以視覺干擾為代價，尤其是在低像素亮度電平處。
因此，需要一種用于減小脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)中由于瞬時強度的光再分布效應(yīng)而引起的運動假像的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地，根據(jù)本發(fā)明，提出了一種用于操作具有多個像素的脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)的技術(shù)，響應(yīng)于脈沖寬度段序列中的脈沖，控制每個像素的照度。脈沖寬度段中的每個單獨脈沖的狀態(tài)確定在與該脈沖相關(guān)聯(lián)的間隔期間是否保持相應(yīng)的像素被照亮。為了改變位于第一和第二像素亮度邊界之間的范圍內(nèi)的像素亮度，改變第一脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)(接通或斷開)。為了改變高于第二像素亮度邊界的像素亮度，改變至少一個額外脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)，從而在存在遞增亮度改變時，改變該額外段中的至少一個脈沖，使得該段內(nèi)被激活(接通)的脈沖的總寬度與相同段內(nèi)被去活(斷開)的總脈沖寬度幾乎相等。


圖1示出了現(xiàn)代脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)的方框示意圖；圖2示出了構(gòu)成圖1所示的顯示系統(tǒng)的一部分的彩色輪的正視圖；圖3～6共同示出了描述了多個脈沖寬度段序列中的每一個的脈沖映射，根據(jù)本發(fā)明，所述脈沖寬度段序列用于控制圖1所示的顯示系統(tǒng)內(nèi)的一個像素的對應(yīng)顏色的亮度。
具體實施例方式
圖1示出了2001年6月由Texas Instruments出版的應(yīng)用報告“Single Panel DLPTMProjection System Optics”中所公開的類型的現(xiàn)代脈沖寬度調(diào)制順序顯示系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括位于拋物線反射器13的焦點處的燈12，拋物線反射器13反射來自燈的光，通過顏色輪14，到達積分桿15。電動機16旋轉(zhuǎn)顏色輪14，以便將原色紅、綠、藍窗口中的單獨一個設(shè)置在燈12和積分桿15之間。在圖2所示的典型實施例中，顏色輪14具有分別沿直徑相對的紅色、綠色和藍色窗口171和174、172和175、以及173和176。因此，當電動機16沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)圖2的顏色輪14時，紅光、綠光和藍光將到達圖1所示的積分桿15。實際上，電動機16以足夠高的速度旋轉(zhuǎn)顏色輪14，從而在1/60秒的幀間隔期間，紅光、綠光和藍光中的每一個都將到達積分桿四次，產(chǎn)生幀間隔內(nèi)的十二幅彩色圖像，四幅紅色、四幅綠色和四幅藍色相互交織。
參照圖1，在其通過顏色輪14的連續(xù)紅、綠、藍窗口時，積分桿15將來自燈12的光會聚到一組中繼光學(xué)裝置18上。中繼光學(xué)裝置18將光線擴散為多個平行光束，到達折疊反射鏡20，其反射光束，通過透鏡組22，到達全內(nèi)反射(TIR)棱鏡23。TIR棱鏡23將平行光束反射到數(shù)字微鏡器件(DMD)24(如由Texas Instruments制造的DMD器件等)上，以便有選擇地反射到投影透鏡26中和屏幕28上。
DMD 24采用具有按照矩陣排列的多個單獨微鏡(未示出)的半導(dǎo)體器件的形式。作為示例，由Texas Instruments制造和銷售的DMD具有1280列乘720行的微鏡陣列，在投影到屏幕28上的最終畫面中產(chǎn)生了921,600個像素。其他DMD可以具有微鏡的不同排列。如上所述，DMD中的每個微鏡響應(yīng)于預(yù)先鎖存在驅(qū)動單元中的二進制比特的狀態(tài)、在相應(yīng)驅(qū)動單元(未示出)的控制下，圍繞有限弧進行樞軸運動。根據(jù)施加到驅(qū)動單元的鎖存比特是“1”還是“0”，每個微鏡分別旋轉(zhuǎn)到第一和第二位置之一。當樞軸運動到第一位置時，每個微鏡將光反射到透鏡26中和屏幕28上，以照亮相應(yīng)的像素。在每個微鏡保持樞軸運動到其第二位置時，相應(yīng)的像素表現(xiàn)為暗。其中每個微鏡將光反射通過投影透鏡26并到達屏幕28上的總持續(xù)時間(微鏡工作循環(huán))決定了像素亮度。
DMD 24的單獨驅(qū)動單元接收來自驅(qū)動電路30的驅(qū)動信號，在R.J.Grove等人發(fā)表在International Workshop on HDTV(1994年10月)上的文章“High Definition Display System Based on MicromirrorDevice”中描述了這種驅(qū)動電路。驅(qū)動電路30根據(jù)處理器31施加到驅(qū)動電路上的脈沖寬度段序列產(chǎn)生針對DMD 24中的驅(qū)動單元的驅(qū)動信號。每個脈沖寬度段包括不同持續(xù)時間的一串脈沖，每個脈沖的狀態(tài)決定了對于該脈沖的持續(xù)時間微鏡是保持開還是關(guān)。脈沖寬度段內(nèi)所能發(fā)生的最短可能脈沖(即，1脈沖)(有時將其稱為最低有效比特或LSB)通常具有15微秒的持續(xù)時間，而段中的較大脈沖每一個均具有大于一個LSB的持續(xù)時間。實際上，脈沖寬度段中的每個脈沖對應(yīng)于數(shù)字比特流中的比特(此后稱為“像素控制”比特)，所述數(shù)字比特流的狀態(tài)決定了接通或斷開相應(yīng)的脈沖?！?”比特表示接通的脈沖，而“0”比特表示斷開的脈沖。針對給定顏色的所有脈沖寬度段中的激活脈沖的總和(持續(xù)時間)控制相應(yīng)像素針對該顏色的亮度。
驅(qū)動電路31產(chǎn)生每個幀中的每個像素的每個顏色的四個分離的脈沖寬度段中的每一個。因此，在每個幀間隔期間，驅(qū)動電路31產(chǎn)生針對十二個段(四個紅色、四個藍色和四個綠色)的脈沖的像素控制比特。像素控制比特到DMD 24的傳輸與顏色輪的旋轉(zhuǎn)同步，從而使給定顏色的每個段對應(yīng)于照射在DMD 24上的顏色的出現(xiàn)。為了提高像素亮度，驅(qū)動電路31使在較低亮度電平被預(yù)先去活的一個或多個脈沖變?yōu)楸患せ睢８鶕?jù)脈沖寬度段內(nèi)的脈沖的編碼方案，在特定亮度電平被激活的脈沖會在較高亮度電平變?yōu)楸蝗セ睢Ｈセ罱o定段內(nèi)的脈沖、同時激活其他段內(nèi)的脈沖以實現(xiàn)亮度遞增可能會導(dǎo)致運動假像，這是因為瞬時強度的光再分配效應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明，驅(qū)動電路31實現(xiàn)變?yōu)榧せ?被接通)的脈沖與變?yōu)槿セ?被斷開)的脈沖之間的緊密配合。具體地，驅(qū)動電路31對變?yōu)榧せ詈腿セ畹拿}沖進行配合，從而在遞增亮度改變時，使一個段內(nèi)變?yōu)榧せ畹拿}沖的總寬度與相同段內(nèi)變?yōu)槿セ畹拿}沖的總寬度幾乎相等。在任何情況下，段中被接通的所有脈沖的和減去段中被斷開的所有脈沖的和等于亮度變化。
為了更好地理解發(fā)生在變?yōu)榧せ畹拿}沖和變?yōu)槿セ畹拿}沖之間的這種緊密配合的方式，參照圖3～6，其共同示出了脈沖寬度段的脈沖映射，根據(jù)本發(fā)明，用于實現(xiàn)給定顏色的亮度電平#1到#255中的每一個(八比特分辨率)。最暗的非零亮度電平(電平#1)以段3中的1-LSB脈沖開始，在所述實施例中，最暗的非零亮度電平構(gòu)成了第一像素亮度邊界。當像素亮度增加超過亮度電平#1時，當采用二進制編碼時，針對前63個亮度電平，將激活脈沖限制到段3中，以亮度電平#63構(gòu)成第二亮度邊界。根據(jù)本發(fā)明，在前63個像素亮度電平內(nèi)，段3內(nèi)變?yōu)楸患せ畹拿}沖的總寬度保持近似等于變?yōu)楸蝗セ畹拿}沖，因為在達到像素亮度電平#64之前，其他段內(nèi)的脈沖保持去活。
在高于亮度電平#63的像素亮度電平處，根據(jù)本發(fā)明發(fā)生在脈沖激活和去活之間的配合的方式將變得更加顯而易見。在此像素亮度電平以上，存在六種脈沖組合，具有段1、2和4中的脈沖。如圖4所示，一個示例是從像素亮度電平#74到亮度電平#75的遞增過渡。為了實現(xiàn)像素亮度的這種遞增，三個4-LSB脈沖的組合必須變?yōu)榧せ?，每個段1、2、4中一個，同時去活這三個段中的脈沖。如從圖4中可以看到的那樣，在段1中，一個2-LSB脈沖和兩個1-LSB脈沖變?yōu)槿セ睿詮浹a段1中的激活4-LSB脈沖。相同的脈沖激活和去活發(fā)生在段4中。在段2中，在一個1-LSB脈沖和一個2-LSB脈沖變?yōu)槿セ畹耐瑫r，一個4-LSB脈沖變?yōu)榧せ睢４?-LSB差異實現(xiàn)了這兩個像素亮度電平之間的亮度遞增。類似的策略實現(xiàn)了其他遞增亮度過渡，除了對于以下這種情況。如圖5所示，從像素亮度電平#158到電平#159的過渡包括段3中1-LSB脈沖去活，在相同的段內(nèi)未激活其他脈沖，以及段2具有33LSB的總脈沖被激活，同時31LSB的脈沖被去活。這構(gòu)成了對尋求逐段均衡激活和去活脈沖的總權(quán)重的原則的惟一違背，如圖3～6所示。此違背是次要的，并發(fā)生在足夠高的亮度處，從而不可視。
前面描述了通過在遞增亮度改變時實質(zhì)上均衡變?yōu)榧せ詈腿セ畹拿恳粋€段內(nèi)的脈沖的總寬度來減少脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)中的運動假像的技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于操作具有多個像素的脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)的技術(shù)，響應(yīng)于脈沖寬度段序列中的脈沖的激活狀態(tài)，控制每個像素的照度，脈沖寬度段中的每個單獨脈沖的狀態(tài)確定在與該脈沖相關(guān)聯(lián)的間隔期間是否保持相應(yīng)的像素被照亮，所述方法包括以下步驟改變第一脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)，以改變位于第一和第二像素亮度邊界之間的范圍內(nèi)的像素亮度；以及改變至少一個額外脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)，以改變高于第二像素亮度邊界的像素亮度，從而改變所述至少一個額外段中的至少一個脈沖，使得該段內(nèi)變?yōu)榧せ畹拿}沖的總寬度與相同段內(nèi)變?yōu)槿セ畹目偯}沖寬度幾乎相等，以實現(xiàn)遞增亮度改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于激活第一段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞增。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于去活第一段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞減。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于激活至少一個額外段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞增。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于去活至少一個額外段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞減。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)通過順序投影三原色中的每一個來顯示彩色圖像，并且每個顏色均包括與其他原色相交織的分離脈沖寬度段序列。
7.一種用于操作用于顯示彩色圖像的脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)的方法，響應(yīng)于針對一組原色中給定的一個顏色的脈沖寬度段序列中的脈沖，控制具有針對所述一組原色的給定的一個顏色的每個像素的照度的多個像素的系統(tǒng)，與給定顏色相關(guān)聯(lián)的每個段和與其他顏色相關(guān)聯(lián)的段相互交織，該顏色的脈沖寬度段中的每個單獨脈沖的狀態(tài)確定針對該顏色、在與該脈沖相關(guān)聯(lián)的間隔期間是否保持相應(yīng)的像素被照亮，所述方法包括以下步驟改變給定顏色的第一脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)，以增加位于第一和第二像素亮度邊界之間的范圍內(nèi)的像素亮度；以及改變給定顏色的至少一個額外脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)，以改變高于第二像素亮度邊界的像素亮度，從而改變所述至少一個額外段中的至少一個脈沖，使得該段內(nèi)變?yōu)榧せ畹拿}沖的總寬度與相同段內(nèi)變?yōu)槿セ畹目偯}沖寬度幾乎相等，以實現(xiàn)遞增亮度改變。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于激活第一段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞增。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于去活第一段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞減。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于激活至少一個額外段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞增。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于去活至少一個額外段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞減。
12.一種用于操作具有多個像素的脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)的技術(shù)，響應(yīng)于脈沖寬度段序列中的脈沖的激活狀態(tài)，控制每個像素的照度，脈沖寬度段中的每個單獨脈沖的狀態(tài)確定在與該脈沖相關(guān)聯(lián)的間隔期間是否保持相應(yīng)的像素被照亮，所述方法包括以下步驟改變至少一個脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)，以改變像素亮度，從而改變所述至少一個段中的至少一個脈沖，使得該段內(nèi)變?yōu)榧せ畹拿}沖的總寬度與相同段內(nèi)變?yōu)槿セ畹目偯}沖寬度幾乎相等，以實現(xiàn)遞增亮度改變。
13.一種脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)，包括光源；投影透鏡，用于將入射光聚焦在屏幕上；數(shù)字微鏡器件，具有按照陣列排列的多個單獨的微鏡，每個微鏡響應(yīng)于對施加到與該微鏡相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動單元上的驅(qū)動信號的接收，圍繞弧進行樞軸運動，以便將來自光源的光反射到投影透鏡中和屏幕上，以照亮其中的畫面元件(像素)；旋轉(zhuǎn)顏色輪，插入在光源和數(shù)字微鏡之間，連續(xù)為光賦予三原色中的每一個，所述光到達數(shù)字微鏡器件，并反射到投影透鏡中；處理器，用于通過以下處理形成脈沖寬度段序列改變第一脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)，以改變位于第一和第二像素亮度邊界之間的范圍內(nèi)的像素亮度；以及改變至少一個額外脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)，以改變高于第二像素亮度邊界的像素亮度，從而改變所述至少一個額外段中的至少一個脈沖，使得該段內(nèi)變?yōu)榧せ畹拿}沖的總寬度與相同段內(nèi)變?yōu)槿セ畹目偯}沖寬度幾乎相等，以實現(xiàn)遞增亮度改變；以及驅(qū)動電路，響應(yīng)于由處理器形成的脈沖寬度段序列，驅(qū)動數(shù)字微鏡器件以照亮相應(yīng)的像素。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于激活第一段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞增。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于去活第一段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞減。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于激活至少一個額外段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞增。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于去活至少一個額外段中的至少一個脈沖，以實現(xiàn)像素亮度的遞減。
全文摘要
一種場序脈沖寬度調(diào)制顯示系統(tǒng)(10)包括具有多個微鏡的數(shù)字微鏡器件(DMD)(24)，每個微鏡有選擇地樞軸運動，將光反射到屏幕(28)上，以照亮相應(yīng)的像素。驅(qū)動電路(30)響應(yīng)于由處理器(31)形成的脈沖寬度段序列，控制DMD(24)。處理器(31)改變給定顏色的第一脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)，以改變位于第一和第二像素亮度邊界之間的范圍內(nèi)的像素亮度。此外，處理器改變至少一個額外脈沖寬度段中的至少一個脈沖的激活狀態(tài)，以改變高于第二像素亮度邊界的像素亮度，從而使該段內(nèi)變?yōu)榧せ畹拿}沖的總寬度與相同段內(nèi)變?yōu)槿セ畹目偯}沖寬度幾乎相等，以實現(xiàn)遞增亮度改變。逐段地均衡激活脈沖和非激活脈沖的總持續(xù)時間的權(quán)重用于減少由于瞬時強度光的殘留效應(yīng)所導(dǎo)致的運動假像。
文檔編號H04N9/31GK1703903SQ03825511
公開日2005年11月30日 申請日期2003年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
發(fā)明者唐納德·亨利·威利斯 申請人:湯姆森許可貿(mào)易公司