CN101542354B - 具有由振荡及定位状态所控制的灰度级的图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种使用空间光调制器SLM的图像显示装置，该图像显示装置包括：设置在SLM中的偏转调制单元，其用于根据所述偏转调制单元本身的偏转状态来对照明光进行偏转；数据转换单元，其用于将根据图像信号的二进制数据的至少连续N位转换成非二进制数据；以及控制单元，其用于利用所述非二进制数据来对所述偏转调制单元进行控制。

Description

具有由振荡及定位状态所控制的灰度级的图像显示装置
技术领域
本发明涉及图像显示装置。更具体地说，本发明涉及将二进制图像信号的一部分或全部转换成非二进制数据的图像数据显示装置。
背景技术
虽然近年来在将机电微镜(electromechanical micromirror)装置实现为空间光调制器(SLM)的技术方面作出了显著进步，但是在将这种技术用于提供高质量图像显示时仍然存在局限和困难。具体地说，当对显示图像进行数字控制时，由于未按照足够数量的灰度级来显示图像，所以图像质量会受到不良影响。
机电微镜装置由于其作为空间光调制器(SLM)的应用而受到很大关注。空间光调制器要求相当大数量的微镜装置的阵列。通常，每个SLM要求的装置数量从60,000到数百万个。参照图1A，图1A示出了在相关美国专利5,214,420中公开的包括显示屏2的数字视频***1。光源10用于产生最终照明显示屏2的光能。所产生的光9由镜11进一步会聚并引导向透镜12。透镜12、13及14形成用于将光9柱化(columnate)成光柱8的光束柱化器(beam columnator)。由计算机19利用通过数据线缆18而发送的数据来控制空间光调制器15，以选择性地将来自光路7的光的一部分再导向透镜5，以显示在屏2上。SLM15具有表面16，表面16包括可开关反射(switchable reflective)单元(例如微镜装置32，微镜装置32如图1B所示的作为接合到铰链(hinge)30的反射单元的单元17、27、37及47)的阵列。当单元17处于一个位置时，沿光路6将来自光路7的光的一部分再导向透镜5，在透镜5处该部分光沿光路4被放大或扩展而照射到(impinge)显示屏2，以形成照亮像素3。当单元17处于另一位置时，不会将光再导向显示屏2，因此像素3是暗的。
如由专利5,214,420及大部分传统显示***所实现的微镜控制方案的开关(on-and-off)状态对显示质量产生了限制。具体地说，当应用传统的控制电路设置时，存在传统***的灰度级(在ON与OFF状态之间的PWM)受LSB(最低有效位，或最小脉宽)限制的局限。由于传统***中所实现的开-关状态，所以无法提供比LSB更短的脉宽。确定灰度级的最小亮度是在最小脉宽期间反射的光。受限制的灰度级导致图像显示的劣化。
具体地说，图1C示出了根据专利5,285,407的微镜的现有技术的控制电路的示例性电路图。该控制电路包括存储器单元32。各个晶体管称为“M*”，其中*表示晶体管号码，而且各个晶体管都是绝缘栅极场效应管。晶体管M5和M7是p沟道晶体管；晶体管M6、M8及M9是n沟道晶体管。电容C1和C2代表针对存储器单元32的电容性负载。存储器单元32包括基于静态随机存取开关存储器(SRAM)设计的存取开关晶体管M9及锁存器32a。按照行来设置全部存取晶体管M9，而各个晶体管从不同的位线(bit-line)接收DATA信号。通过用作字线(word-line)的ROW信号使适当的行选择晶体管M9导通，来对要被写入的特定存储器单元32进行存取。锁存器32a由两个交叉耦合倒相器M5/M6与M7/M8构成，以按照两个稳定状态工作，即，状态1是Node A高和Node B低，而状态2是Node A低和Node B高。
由该控制电路例示的双状态开关将微镜控制为位于ON或OFF角度取向，如图1A所示。数字控制图像***的显示器的亮度(即，灰度级)由微镜保持在ON位置的时长来确定。微镜被控制在ON位置的时长又由多位的字来控制。为了简化例示，图1D示出了当由四位的字控制时的“二进制时间间隔”。如图1D所示，该持续时长具有依次限定了所述4个位中的每个位的相对亮度的相对值1、2、4、8，其中1为最低有效位，而8为最高有效位。根据所示的控制机制，在用于显示不同亮度的灰度级之间的最小可控差是由将微镜保持在ON位置的“最低有效位”所代表的亮度。
当由于可控灰度级的非常粗略的分级而按照非常大的灰度级差来显示相邻图像像素时，会在这些相邻图像像素之间产生伪像(artifact)。这会导致图像劣化。当在相邻图像像素之间存在灰度级的“较大间隙”时，图像劣化在显示器的亮区中特别明显。在女性模特的图像中观察到，在其前额、鼻子两侧及上臂上显示出伪像。这些伪像是由于数字控制的显示器未提供足够的灰度级的技术局限而产生的。在显示器的亮点处，例如前额、鼻子两侧及上臂，显示的相邻像素具有可见的光强度间隙。
由于将微镜控制为具有全开(fully on)和全关(fully off)位置，所以由微镜位于全开位置的时长来确定光强度。为了增大显示器的灰度级的数量，必须提高微镜的速度，使得可以将数字控制信号提高到更高的位数。然而，当微镜的速度提高时，微镜需要强韧的铰链以在指定的工作寿命内保持所要求的工作周期数。为了驱动由经过加强的铰链所支承的微镜，需要更高的电压。这种更高的电压可能超过20伏特，甚至可能高达30伏特。采用CMOS技术的微镜制造工艺可能并不适合于在这种更高范围的电压下工作，因此可能需要DMOS微镜。当实现DMOS微镜时，为了实现更高程度的灰度级控制，需要更复杂的制造工艺及更大的装置面积。因此，微镜控制的传统模式会面临以下这种技术挑战：由于工作电压的限制，为了实现尺寸更小且费效比更高的微镜显示器，必须牺牲灰度级精度。
已经有许多关于光强度控制的专利。这些专利包括美国专利5,589,852、6,232,963、6,592,227、6,648,476及6,819,064。还有关于不同形状的光源的专利及专利申请。这些专利包括美国专利5,442,414、6,036,318及申请20030147052。美国专利6,746,123公开了用于防止光损耗的特殊偏振光源。然而，这些专利和专利申请并未提供能够克服由于数字控制的图像显示***中的灰度级不足所造成的局限的有效解决方案。
此外，还有很多关于空间光调制的专利，包括美国专利20,25,143、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、4,907,862、5,214,420、5,287,096、5,506,597、5,489,952、6064,366、6535,319及6,880,936。然而，这些发明并未为本领域普通技术人员解决并提供克服上述局限和困难的直接解决方案。
因此，在将数字控制应用到作为空间光调制器的微镜阵列的图像显示***领域中，仍然需要新的并经过改进的***，以解决上述困难。
发明内容
本发明的优选实施方式是一种使用空间光调制器(SLM)的图像显示装置，该图像显示装置包括：入射到设置在SLM中的偏转调制单元的照明光，所述偏转调制单元用于根据所述偏转调制单元本身的偏转状态来对照明光进行偏转；根据图像信号的二进制数据；用于将所述二进制数据的至少连续N位转换成非二进制数据的数据转换单元；以及用于利用所述非二进制数据来对所述偏转调制单元进行控制的控制单元。
对于本领域技术人员来说，经过阅读以下对优选实施方式(其例示在各个附图中)的详细描述，本发明的这些及其它目的和优点毫无疑问将变得明显。
附图说明
将参照以下附图对本发明进行详细描述。
图1A和1B是示出在现有技术专利中所公开的传统显示***的数字视频显示***的被实现为空间光调制器的微镜阵列的一部分的功能框图和俯视图。
图1C是示出将微镜控制成定位在空间光调制器的ON或OFF状态的现有技术电路的电路图。
图1D是示出4位灰度级的二进制时间间隔的图。
图2A示出了现有技术方案，而图2B和2C示出了本发明的中间状态控制。
图3A示出了使用非二进制数据的控制***，而图3B是示出在SLM中按照阵列形式设置的各个偏转调制单元的一个示例的剖视图。
图4A示出了现有技术方案，而图4B和4C示出了本发明的使用非二进制数据的PWM控制***。
图5示出了例示本发明的照明控制方法的控制框图。
图6A示出了SLM的功能框图，而图6B示出了执行数字信号控制方案的控制电路图。
图7A和7B示出了另一优选实施方式的数据及相应显示器状态，其中以N位作为输入图像信号的位数与要按灰度级显示的位数之间的位数差。
图8A按照帧周期示出了SLM的控制信号的脉宽及相应的光强度的图，而图8B示出了实现来自半导体激光源或LED光源的照明光的控制电路图。
图9到图12示出了用于执行作为本发明实施方式的不同灰度级控制方案的不同控制电路图的电路图。
图13示出了根据本发明优选实施方式的单板图像显示装置的光学设置示例。
图14A、14B以及14C示出了根据本发明优选实施方式的两板图像显示装置的光学设置示例。
图15示出了根据本发明优选实施方式的三板图像显示装置的光学设置示例。
具体实施方式
参照图2A，现有技术方案具有由D0到D4表示的5位的输入数据作为二进制数据(“0”或“1”)，以对帧周期进行控制，其中D0是其加权因子为1的最低有效位，而D4是其加权因子为16的最高有效位(MSB)。与之相对照的是，图2B和2C是示出本发明的两个实施方式的图，这两个实施方式包括如稍后图3A所示的数据转换器，该数据转换器用于将二进制输入数据转换成非二进制数据，以对SLM中的镜的振荡或定位进行控制，从而进一步增加图像显示装置的灰度级。如图2B所示，将非二进制数据用于对镜进行控制，以使其具有中间定位状态，而在图2C中，将非二进制数据用于对镜进行控制，以使其具有中间振荡状态。因此，稍后将进一步讨论的图像显示装置包括控制器，该控制器接收非二进制数据以对SLM中的微镜执行振荡控制或定位控制。
根据本发明优选实施方式的图像显示装置是采用了空间光调制器(SLM)的图像显示装置，并且包括用于投射照明光使其入射到SLM的偏转调制单元的光源。使用偏转调制单元以使照明光根据该偏转调制单元的偏转状态进行偏转，而偏转调制单元的状态由根据图像信号的二进制数据来控制。图像显示装置还包括数据转换单元，该数据转换单元用于将至少连续N位的二进制数据转换成非二进制数据。图像显示装置还包括控制单元，该控制单元用于利用非二进制数据对偏转调制单元进行控制。
采用具有这种设置的图像显示装置，可以在全ON方向的状态下投射强度减小的的光。全ON状态是静止偏转状态。通过偏转调制单元，可以根据振荡状态或静止中间方向状态来控制微镜以使其移动。此外，通过将非二进制数据应用于振荡状态，可以实现更灵活的中间状态。因此，可以实现不只取决于微镜的偏转角的具有更高灰度级的显示器。
图2A是用于例示在传统图像显示装置中投射显示光的一个帧周期的图。实现了以下这种SLM，该SLM包括用于根据全ON方向或全OFF方向的静止偏转方向状态来对照明光进行偏转的偏转调制单元。图2A例示了根据偏转调制单元的偏转方向状态来控制一个帧周期中的显示光投射。镜保持在全ON方向或全OFF方向的时长取决于二进制数据中的从LSB到MSB的各个位的值。该二进制数据是输入数据，然后针对从LSB到MSB的各个位应用预分配给各个位的加权因子，以控制时长，如图2A所示。因此，传统上根据输入数据通过二进制数据来控制用于显示图像的投射光的强度，而该输入数据是直接的不经改变的。
图2B是用于示出在根据本发明优选实施方式的图像显示装置中在一个帧周期内的光强度控制的时序图。该显示装置实现了以下这种SLM，该SLM包括用于根据诸如全ON方向、全OFF方向或中间方向的静止偏转方向状态来对照明光进行偏转的偏转调制单元。该中间方向可以是介于全ON方向与全OFF方向之间的静止方向。将在该调制单元沿中间方向倾斜时的静止偏转方向的状态称为中间状态。如图2B所示，采用根据本优选实施方式的图像显示装置，将作为输入数据的二进制数据的至少连续N位转换成非二进制数据，而其余位作为二进制数据保持不变。在图2B所示的示例中，将作为输入数据的二进制数据的低3位转换成非二进制数据，而其余高2位作为二进制数据保持不变。根据保持不变的各个位的值及具有预分配给这些位的加权因子的二进制数据，来将偏转调制单元的偏转方向状态控制为工作在全ON方向或全OFF方向的状态。根据转换得到的非二进制数据来将偏转调制单元控制为工作在连续中间方向的状态，由此控制在一个帧周期内的投射光。在本优选实施方式中，通过将输入的二进制数据的一部分转换成非二进制数据并通过使用该非二进制数据及其余的二进制数据，来控制用于图像显示的投射光，以更灵活地调节图像显示器的灰度级。
图2C是用于示出在根据本发明优选实施方式的图像显示装置中在一个帧周期内的控制方案的另一图。该显示***包括以下这种SLM，该SLM具有用于根据静止偏转方向的状态来对照明光进行偏转的偏转调制单元。偏转方向的状态包括全ON方向或全OFF方向，还包括振荡状态。这里，振荡状态是偏转方向随时间而变化的状态。振荡状态下的偏转方向介于全ON方向与全OFF方向之间。振荡状态也称为中间状态。如图2C所示，在图像显示装置中接收输入的二进制数据并将所输入的二进制数据转换成非二进制数据。然后，根据转换得到的非二进制数据来将偏转调制单元的偏转方向的状态控制为工作在全ON方向或全OFF方向状态、或振荡状态，由此控制在一个帧周期内的投射光。更具体地说，将偏转调制单元的偏转方向状态控制成工作在连续全ON方向或全OFF方向的状态，并且通过利用从连续二进制数据转换的非二进制数据而将其控制为工作在连续振荡状态。具体地说，在本优选实施方式中，通过首先将所输入的二进制数据转换成非二进制数据，然后将该非二进制数据用于控制偏转单元，来控制用于显示的投射光。
本发明的替换实施方式还包括将图2B的中间状态替换成图2C所示的振荡状态的控制序列，或者相反地将图2C的中间状态替换成图2B所示的中间方向状态的控制序列。
参照图3A，图3A例示了控制***的功能框图。图像信号101被接收到控制器中作为数字数据，然后被存储在存储器102中。然后将数字图像数据读入数据转换器103中，将数字图像数据的一部分或全部转换成非二进制数据，并输入到带有驱动器的空间光调制器(SLM)104，该驱动器接收该信号以对偏转微镜进行控制。控制器还包括用于对数据转换器103和SLM 104进行控制的控制处理器105。参照图3B，图3B示出了在SLM 104的镜控制处理中利用从图3A的数据转换器103所生成的非二进制数据来进行控制。
根据本发明优选实施方式的上述图像显示装置还公开了一种用于控制图像显示装置的方法，该方法包括投射用于由偏转调制单元进行偏转的光的步骤。该偏转单元具有非均匀强度分布的剖面，由此可以通过调节该偏转调制单元的偏转状态来控制显示器的灰度级。
采用具有这种设置的图像显示装置，投射光具有非均匀强度分布的剖面。进而将非均匀光分布中的减小的光强度用于产生具有更高级灰度级的图像显示。
图3A示出了根据本发明优选实施方式的图像显示装置的***设置示例。在图3A中，在处理器105的控制下数据转换器103将二进制数据的至少连续N位转换成非二进制数据。如上所述，在处理器105的控制下SLM 104根据由数据转换器103从二进制数据的一部分转换得到的非二进制数据及其余二进制数据，或者根据由数据转换器103从全部二进制数据转换得到的非二进制数据，来对偏转调制单元进行驱动。按照这种方式，SLM 104例如可以执行图2B所示的控制或图2C所示的控制。
图3B是示出在SLM 104中按照二维阵列形式而设置的各个偏转调制单元示例的剖视图。图3B示出了用作偏转调制单元的镜单元。该镜单元包括由铰链112(铰链112又由基板111支承)支承以自由地倾斜到不同角位置的镜113。玻璃层114覆盖并保护镜113。该镜单元还包括位于基板111上的OFF电极115、OFF阻挡器(stopper)115a、ON电极116以及ON阻挡器116a，OFF电极115及OFF阻挡器115a与ON电极116及ON阻挡器116a被设置为相对于铰链112对称。
当施加到OFF电极115的信号向电极115施加预定电势时，该信号通过利用库仑力吸引(draw)镜113，使得镜113倾斜到镜113接触OFF阻挡器115a的位置。结果，将入射到镜113的入射光117反射到OFF位置的光路118上。反射光偏离投射光***的光轴。将此时的镜单元的偏转状态称为全OFF状态，或简称为OFF状态。
当施加到ON电极116的信号向ON电极116施加预定电势时，该信号通过利用库仑力吸引镜113，使得镜113倾斜到镜113接触ON阻挡器116a的位置。结果，将入射到镜113的入射光117反射到ON位置的光路119上。反射光沿着对准投射光***的光轴的光路投射。将此时的镜单元的偏转状态称为全ON状态，或简称为ON状态。
此外，通过在施加预定电势时停止施加该预定电势，OFF电极115或ON电极116利用铰链112的弹性使得镜113开始进行自由振荡。结果，将入射到镜113的入射光117反射到随时间而在OFF位置的光路118与ON位置的光路119之间变化的光路(例如，某个时刻在光路120)上。将此时的镜单元的偏转状态称为振荡状态。
此外，作为分别向OFF电极115和ON电极116施加第一电势和第二电势(比第一电势低)的结果，施加到OFF电极115和ON电极116的电信号通过利用库仑力吸引镜113，使得镜113倾斜到尚未接触OFF阻挡器115a的位置。由于此时还在镜113与ON电极116之间施加库仑力，所以镜113停止在到达OFF阻挡器115a之前的位置而不接触OFF阻挡器115a。结果，将入射到镜113的入射光117反射到介于OFF位置的光路118与ON位置的光路119之间的静止光路(例如，光路120)上。将此时的镜单元的偏转状态称为中间方向状态。
参照示出现有技术方案的图4A以及示出使用非二进制数据的PWM控制***的图4B和4C。当通过使用非二进制数据执行PWM控制时，按照以下方式来设置根据本发明优选实施方式的图像显示装置。具体地说，使用空间光调制器(SLM)的图像显示装置包括用于投射照明光以入射到SLM的偏转调制单元的光源。
偏转调制单元根据偏转单元的至少两个偏转状态来对照明光进行偏转。图像显示***根据图像信号接收输入的二进制数据。图像显示***还包括用于将二进制数据的至少连续N位转换成非二进制数据的数据转换单元。并且，图像显示***还包括用于利用非二进制数据来对偏转调制单元进行控制的控制单元，其中该控制单元对偏转调制单元进行控制，使得连续地保持偏转调制单元的偏转状态。
使用具有这种设置的图像显示装置，在将非二进制数据施加到偏转调制单元的静止偏转方向状态时，还可以预期得到以下效果。
1)可以通过使用具有相同显示时长的子帧进行图像显示，由此可以使得控制单元上的时间负载变得均匀(参见图4B和4C)。
2)在偏转调制单元的一个或更多个持续偏转状态下可以实现期望的灰度级，由此可以减少偏转状态切换(偏转状态切换会导致灰度级显示器的误差)的次数或者使其变得均匀。因此，可以改进灰度级显示器的精度(参见图4B和4C)。
图4A示出了在使用SLM的传统图像显示装置中在一个帧周期内利用二进制数据执行的PWM控制的示例。SLM包括用于根据诸如全ON方向或全OFF方向的静止偏转方向状态来对照明光进行偏转的偏转调制单元，并且还示出了图2A所示的投射光的控制示例。如图4A所示，采用传统图像显示装置，根据分别预分配给所输入二进制数据的从LSB到MSB的各个位的加权因子，来将一个帧周期划分成具有不同时长的多个子帧周期。根据各个子帧周期中的相应位的值，来将偏转调制单元控制为全ON方向或全OFF方向的偏转状态。采用这种控制，如果作为输入数据的二进制数据是图4A所示的5位“10101”，则偏转状态切换6次(偏转状态从全OFF方向切换为全ON方向，或者相反)(参见图4A的转变点)。
与之相对照的是，图4B示出了在根据本发明优选实施方式的图像显示装置中在一个帧周期内利用非二进制数据执行的PWM控制示例。SLM具有用于根据诸如全ON方向或全OFF方向的静止偏转方向状态来对照明光进行偏转的偏转调制单元，并且还示出了投射光的控制示例。根据本优选实施方式的图像显示装置接收所输入的二进制数据，并将该输入的二进制数据转换成非二进制数据。更具体地说，将5位输入二进制数据中的最高2位数据转换成6位的位串。这4位的加权因子全部为4，并将5位二进制数据中的其余最低3位的数据转换成7位的位串。这7位的加权因子全部为1。然后，将一个帧周期划分成13个子帧周期，该13个子帧周期包括具有与加权因子4相对应的时长tl的6个子帧周期和具有与加权因子1相对应的时长t2的7个子帧周期。根据该非二进制数据的各个位的加权因子，来将偏转调制单元控制成在各个子帧周期内根据非二进制数据中的对应位的值而工作在连续全ON方向或全OFF方向的偏转状态。采用这种控制，在根据本优选实施方式的图像显示装置中，偏转状态切换的时段数量是4，并且可以使其小于图4A所示的传统图像显示装置的偏转状态切换时段数量。
图4C示出了在根据本发明优选实施方式的图像显示装置中在一个帧周期内利用非二进制数据执行的另一PWM控制示例。SLM具有用于根据诸如全ON方向或全OFF方向的静止偏转方向状态来对照明光进行偏转的偏转调制单元，并且还示出了投射光的另一控制示例。同样，根据本优选实施方式的图像显示装置接收所输入的二进制数据，并将输入的二进制数据转换成非二进制数据。更具体地说，将作为输入数据的连续5位二进制数据转换成其中全部位的加权因子都相等(未示出)的位串。例如，将二进制数据转换成其中全部位的加权因子都是1的位串。然后，根据非二进制数据的各个位的加权因子，来将一个帧周期划分成多个子帧周期，并且将偏转调制单元控制成在各个子帧周期内根据该非二进制数据中的对应位的值而工作在连续全ON方向或全OFF方向的偏转状态。在如图所示用于控制偏转单元的根据本优选实施方式的图像显示装置中，偏转状态切换的次数是2(参见图4C的转变点)，并且可以使其小于图4A所示的传统图像显示装置的偏转状态切换次数。
参照图5，图5示出了用于例示照明控制方法的控制框图。除了上述根据本发明优选实施方式的图像显示装置以外，还可以将根据本发明本优选实施方式的图像显示装置设置成进一步包括用于对照明光的光量、发光周期或诸如强度分布的发光状态进行控制的光源控制单元。采用具有这种设置的图像显示装置，可以将投射光的量控制成在偏转调制单元的偏转状态处于振荡状态或中间方向状态时具有更精细的等级。由此，可以在相同的偏转调制单元中实现更高灰度级。
图5示出了利用这种设置而实现的图像显示装置的示例性***设置。图5所示的示例性***设置是通过将光源控制电路130和光源/光学***131加入到图3A所示的***设置示例中而实现的设置。光源控制电路130对从光源发射的照明光的光量、发光周期或诸如强度分布的发光状态等进行控制。
参照示出SLM的功能框图的图6A和示出执行数字信号控制方案的控制电路图的图6B。除了上述根据本发明优选实施方式的图像显示装置以外，还可以将控制单元设置成采用数字控制信号来对偏转调制单元进行控制。
采用具有这种设置的图像显示装置，可以通过使用非二进制数据作为未改变的数字信号(未由D/A转换器等将该数字信号转换成模拟信号)来对振荡状态进行控制。从这种***不需要包括D/A转换器的角度来看，通过使用未改变非二进制数据作为数字信号来执行该控制也是优选的。信号输入线的数量等于位线的数量(参见图6B)。当增大偏转调制单元的像素大小并不实际时，这种***设置是优选的。
图6A是示出在图像显示装置中实现的SLM的内部设置的示例性布局的概念图。在图6A中，SLM 104包括作为偏转调制单元阵列的镜单元阵列141。该显示***还包括列驱动器142、行驱动器143、定时控制器144以及并行/串行接口145。定时控制器144基于数字控制信号(例如，来自处理器105的数字控制信号)来对行驱动器143进行控制。并行/串行接口145将作为并行信号的数字信号(例如，来自数据转换器103的数字信号)转换成串行信号，并将该信号馈送给列驱动器142。在镜单元阵列141中，按照栅格(lattice)的形式在位线146的位置设置多个镜单元。位线沿垂直方向从列驱动器142延伸，而字线147沿水平方向从行驱动器143延伸，与位线相交。
图6B是示出在SLM中按照栅格形式而设置的镜单元的示例性设置的概念图。在图6B中，OFF电容器151b连接到OFF电极151(例如，对应于图3B的OFF电极115)，并且还经由栅极晶体管151c连接到位线146-1和字线147。此外，ON电容器152b连接到ON电极152(例如，对应于图3B的ON电极116)，并且还经由栅极晶体管152c连接到位线146-2和字线147。由字线147控制栅极晶体管151c和152c的开/关，即，ON-OFF状态。也就是说，同时选择任意字线147的行中的连续多个镜单元，并由位线146-1和146-2来控制OFF电容器151b和ON电容器152b的充电/放电，由此分别控制该行中的各个镜单元中的镜153的ON/OFF。在根据本发明优选实施方式的上述图像显示装置中，还将非二进制数据设置为十进制数据。此外，在上述图像显示装置中，可以将已被转换成非二进制数据的至少连续N位二进制数据的最低有效位的加权因子，设置为等于非二进制数据的最小位的加权因子。具体地说，这是为了使得N位二进制数据的最低有效位的显示时段，等于非二进制数据的最小显示时段。例如，这显示于图4B的示例中。
参照示出了另一优选实施方式的图7A和7B，其中，N位是输入图像信号的位数与要按照灰度级显示的位数之差的数量。当图像信号的输入位数不同于显示器灰度级的数量时，还可将上述图像显示装置设置成实现至少连续N位二进制数据。将该二进制数据转换成非二进制数据，以控制偏转调制单元的偏转方向状态工作在振荡状态下。将图像信号的输入位数与显示器灰度级的位数之差的位数，设置成包括该位数差。
图7A是示出图像显示装置的一个帧周期内的投射光的示例性控制的图。图像信号的输入位数和显示器灰度级的位数分别是10和7。它们之间的位数差为3，在这种情况下，将输入二进制数据的至少连续3位转换成非二进制数据。将该非二进制数据用于控制偏转调制单元的偏转方向状态，以使工作在振荡状态下。此外，输入二进制数据的未转换成非二进制数据的其余位保持不变。图7A示出了以下这种示例性实施方式，其中将输入二进制数据的最低3位转换成非二进制数据，而其余7位保持不变。然后，根据保持不变的各个位的值并根据预分配给这些位的加权因子，来将偏转调制单元的偏转方向状态控制成工作在全ON方向状态或全OFF方向状态下。同时，根据转换得到的非二进制数据，来将经过调制的偏转单元控制成工作在振荡状态下，由此完全地控制一个帧周期内的投射光。在一个示例性实施方式中，转换器将非二进制数据转换成十进制数据。
图7B是示出应用图像信号的输入位数与显示器灰度级的位数之间的位数差的另一示例性控制的图。与图7A所示的示例类似，该位数差为3。在本示例中，将全部输入二进制数据转换成非二进制数据，以控制偏转调制单元的偏转状态。请注意，根据从输入二进制数据的最高7位转换得到的非二进制数据，来将偏转调制单元的偏转方向状态控制成工作在全ON方向状态下。根据从输入二进制数据的最低3位转换得到的非二进制数据，来将经过调制的偏转单元控制成工作在振荡状态下。在示例性实施方式中，该非二进制数据被转换成十进制数据。
除了在上述图像显示装置中所公开的创新性特征以外，本发明的替换示例性实施方式还可以包括应用非均匀光强度分布的照明光。此外，本发明的替换优选实施方式还可以包括通过使用非二进制数据来控制照明光的光量或强度分布的显示***。
参照图8A，图8A示出了一个帧周期内SLM的控制信号及相应光强度的脉宽图。图8B示出了实现从半导体激光源或LED光源投射的照明光的控制电路图。
根据图8B中作出的公开，上述本发明的图像显示装置还可以使用半导体激光光源或LED光来作为光源。
图8A是示出图像显示装置的一个帧周期内的投射光的示例性控制的图。图8B是示出用于操作被实现为偏转调制单元的镜单元的示例性实施方式的功能框图。从半导体激光源投射光，并根据原始二进制数据来将输入二进制数据的一部分转换成非二进制数据，而其余二进制数据保持不变。图8A示出了根据保持不变的二进制数据位而将镜单元的偏转状态控制成工作在全ON方向(+X°)或全OFF方向(-X°)的状态下。根据非二进制数据而将SLM的经过调制的偏转单元控制成工作在振荡状态(+X°～-X°)下。此外，图8A还例示出除了调节并控制镜单元的偏转状态之外，还并行地控制半导体激光源的输出光量和发光时长。图8A所示的发光模式还例示出在将镜单元控制为工作在振荡状态下时所输出的光量小于在图8A的中间阶段的发光模式下时所输出的光量。
图8B是示出图像显示装置的示例性***设置的功能框图，通过将光源控制电路160、光源驱动电路161及半导体激光源162或LED光源163添加到图3A所示的***来实现该图像显示装置。光源控制电路160在处理器105的控制下控制光源驱动电路161。光源驱动电路161在光源控制电路160的控制下驱动半导体激光源162或LED光源163，以用作光源。采用这种设置，可以控制镜单元和发光模式，以执行图8A所示的时间及振幅调制的显示。
图9是示出用于执行实现非二进制数据转换功能的处理的数字电路的功能框图。
根据图9作出的公开，上述图像显示装置可以具有包括由数字电路实现的数据转换单元的替换实施方式。
图9示出了通过将计数器171添加到图3A所示的图像显示***而实现的示例性图像显示装置。此外，数据转换器103包括位比较器103a和数字计算电路103b，作为附加数字电路。计数器171在处理器105的控制下执行计数操作。位比较器103a在输入二进制数据与计数器171的计数值之间进行比较，使得基于比较结果在数字计算电路103b之间生成输出数据，作为“H(1)”或“L(0)”的数字信号。数字计算电路103b根据由位比较器103a作出的比较结果，通过执行生成输出数据的数字计算处理来生成非二进制数据。
除了上述图像显示装置以外，还可以将数据转换单元设置成具有图像信号校正功能，以将图像信号转换成非二进制数据，并且可以对转换得到的数据执行校正。该校正功能可以包括对图像信号进行γ去除(γremoval)或γ校正(γ correction)的功能。或者，该校正功能可以包括对由偏转调制单元调制的光强度或强度分布进行校正的功能。或者，该校正功能还可以包括对图像信号(诸如图像信号处理中的量化误差量、由偏转调制单元引入的光电转换误差、照明光的不均匀误差及伪轮廓(false contour)、抖动(dithering)、由于IP转换(隔行到逐行转换，InterlaceProgressive conversion)、缩放、动态范围变化而引入的误差等)进行视觉校正的功能。
图10是示出由数据转换器103实现的图像显示装置的功能框图，数据转换器103除图9所示的电路以外还包括校正电路181。校正电路181对二进制数据进行如上列出的不同类型的校正。在处理器105的控制下，这些校正可以应用于输入数据，并且可以应用于输出数据，以对在后续阶段输出给位比较器103a的二进制数据进行校正。
因此，在根据本发明优选实施方式的上述图像显示装置中，还可以将数据转换单元设置成具有灰度级转换功能，以提高二进制数据的灰度级。这里，灰度级转换功能例如是将8位二进制数据转换成10位二进制数据的功能。
在根据本发明优选实施方式的上述图像显示装置中，也可以将由数据转换单元转换得到的非二进制数据设置成直接传送给SLM或经由存储器传送给SLM。如果通过存储器来传送非二进制数据，则优选的是，该存储器具有与包括在SLM中并涉及照明光调制的偏转调制单元的数量相同或更多的容量。
图11是示出被设置成经由存储器来传送非二进制数据的图像显示装置的功能框图。该示例性***设置包括位于数据转换器103与SLM 104之间的缓冲存储器191。将数据转换器103转换得到的非二进制数据经由缓冲存储器191传送给SLM 104。优选的是，缓冲存储器191具有与包括在SLM 104中并涉及照明光调制的偏转调制单元的数量相同或更多的容量。通过根据数据转换器103的处理速度及SLM 104的显示速率进行优化，可以减小缓冲存储器191的容量。
在根据本发明优选实施方式的上述图像显示装置中，还可以将控制单元设置成将用于确定偏转调制单元的偏转状态的模式信号馈送给SLM。
图12是示出以下这种图像显示装置的功能框图，其中，处理器105将用于确定偏转调制单元的偏转状态的模式信号馈送给图9所示的显示***中的SLM 104。根据该模式信号以及由SLM 104的数据转换器103转换得到的非二进制数据，来对偏转调制单元的偏转状态进行控制。结果，将传送给SLM 104中的各个镜单元的ON电容器152b和OFF电容器151b的数据中的任意一个数据从数据转换器103馈送给SLM 104。利用经过减小的馈送数据量来对偏转调制单元的偏转状态进行控制。
还可以将根据本发明优选实施方式的上述图像显示装置设置成包括一个SLM的单板图像显示装置，或者另选地设置成包括多个SLM的多板图像显示装置。
图13是示出单板图像显示装置的光学设置示例的功能框图，该单板图像显示装置包括一个SLM 104、处理器105、TIR(全内反射，TotalInternal Reflection)棱镜203、投射光学***204以及光源光学***205。将SLM 104和TIR棱镜203设置在投射光学***204的光轴上，并将光源光学***205设置成使其光轴垂直于投射光学***204的光轴。TIR棱镜203执行以下特定功能，使得来自光源光学***205的照明光206按照预定倾斜角入射到SLM 104的侧边(入射光207)，以生成被SLM 104反射而得到的垂直于该侧边的反射光208，反射光208经过TIR棱镜203并且到达投射光学***204。投射光学***204将从SLM 104和TIR棱镜203反射得到的反射光208投射在屏210上，作为投射光209。光源光学***205包括用于生成照明光206的可变光源211、用于会聚照明光206的会聚透镜212、杆集中器(integrator)213以及会聚透镜214。将可变光源211、会聚透镜212、杆集中器213以及会聚透镜214设置在从可变光源211输出并入射到TIR棱镜203的侧边的照明光206的光轴上。
在图13所示的示例性光学设置中，通过使用一个SLM 104采用色序(color sequential)方法可以在屏210上进行彩色显示。在这种情况下，可以将可变光源211设置为红光激光源、绿光激光源以及蓝光激光源发光状态。可以对这些状态中的每一个状态进行单独控制，由此将一个帧的显示数据划分成多个子场(在这种情况下是分别对应于R(红光)、G(绿光)以及B(蓝光)的3个子场)，并根据对应于各个颜色的子场的持续时间而在时序中划分红光、绿光以及蓝光激光源的彩色光。
图14A、14B以及14C示出了两板图像显示装置的示例性光学设置，其中图14A是其侧视图，图14B是其正视图，图14C是其后视图。在图14A、14B以及14C中，以相同的附图标记来表示与图13所示的那些组成光学单元相同的组成光学单元。然而，在该示例性实施方式中，将可变光源211单独地表示为光源光学***205。
图14A、14B以及14C所示的光学设置示例包括装置封装104A，其中将两个SLM 104安装在一起，并且该图像显示装置还包括颜色合成光学***221、光源光学***205以及可变光源211。将安装在装置封装104A中的两个SLM固定成使得它们的矩形轮廓在水平面上相对于同样具有矩形轮廓的装置封装104A的各侧大约以45度倾斜。颜色合成光学***221设置在装置封装104A的上方。颜色合成光学***221包括直角三角形柱(pole)棱镜221b和221c以及直角三角形柱光导块221a，棱镜221b和221c在长侧面上接合以大致形成等边三角形柱，在棱镜221b和221c的侧面上光导块221a的斜面在向上取向的情况下与其底面接合。在棱镜221b和221c中，在与接合有光导块221a的面相对的一侧上设置有光吸收器222。在光导块221a的底面上，设置有绿光激光源211a的光源光学***205以及红光激光源211b和蓝光激光源211c的光源光学***205，这两个光源光学***的光轴彼此垂直。从绿光激光源211a输出的照明光，作为入射光207经由光导块221a和棱镜221b入射到位于棱镜221b直接下方的一个SLM 104。同时，从红光激光源221b及蓝光激光源211c输出的照明光，作为入射光207经由光导块221a和棱镜221c入射到位于棱镜221c直接下方的另一SLM 104。当将偏转调制单元的偏转状态调制为全ON状态时，入射到SLM 104的红色和蓝色入射光207在棱镜221c内被垂直向上反射为反射光208，并按照从棱镜221c的外侧然后接合面的次序从棱镜221c的外侧及接合面进一步被反射，然后入射到投射光学***204，由此得到投射光209。与之对照的是，当将偏转调制单元的偏转状态调制为全ON状态时，入射到SLM 104的绿色入射光207在棱镜221b内被垂直向上反射为反射光208，在棱镜221b的外侧进一步被反射，通过与绿色及蓝色反射光208相同的光路而入射到投射光学***204，由此得到投射光209。
如上所述，在图14A、14B以及14C所示的示例性光学设置中，只有来自绿光激光源211a的入射光207照射到包括在装置封装104A中的SLM 104中的一个，而来自红光激光源211b及蓝光激光源211c中至少任意一个激光源的入射光207照射到其它SLM 104。这些光分别被两个SLM 104调制并且仅被投射在颜色合成光学***221内，被投射光学***204放大，然后作为上述投射光209投射在屏上，以显示彩色图像。
图15是示出三板图像显示装置的示例性光学设置的功能框图，其中以相同的附图标记来表示与图13所示的那些组成单元相同的组成单元。根据本优选实施方式的三板图像显示装置包括3个SLM 104，并且在投射光学***204与这3个SLM 104中的每一个SLM之间设置有光分离/合成光学***231。通过使用3个TIR棱镜231a、231b以及231c来构成光分离/合成光学***231。TIR棱镜231a执行如下功能：将从投射光学***204的光轴的侧面入射的照明光206引导到SLM 104的侧面，作为入射光207。TIR棱镜231b执行如下功能：从经由TIR棱镜231a而来的入射光207中分离出红色(R)光，使分离得到的光入射到用于红色的SLM 104，并将其反射光208引导到TIR棱镜231a。类似的是，TIR棱镜231c执行如下功能：从经由TIR棱镜231a而来的入射光207分离出蓝色(B)光和绿色(G)光，使分离得到的光入射到用于蓝色和绿色的SLM 104，并将其反射光208引导到TIR棱镜231a。因此，用于诸如R、G及B的3个颜色的空间光调制同时执行了光调制功能，而通过调制得到的反射光208经由投射光学***204成为投射光209，然后投射在屏210上以显示彩色图像。
虽然参照目前的优选实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解的是，这种公开不应被理解为限制性的。对于本领域技术人员来说，经过阅读上述公开，各种替换和修改毫无疑问将变得明显。因此，旨在将所附权利要求解释为覆盖落入本发明的真实精神及范围内的全部替换和修改。
本申请是针对于2006年6月30日提交的临时申请60/818,119的正式申请。临时申请60/818,119是于2005年5月4日提交的在审美国专利申请11/121,543的部分继续(CIP)申请。申请11/121,543是之前提交的三个申请的部分继续(CIP)申请。这三个申请是由本专利申请的申请人中的一位申请人于2003年11月1日提交的10/698,620、于2003年11月1日提交的10/699,140以及于2003年11月1日提交的10/699,143。在此通过引用将这些专利申请作出的公开并入本专利申请中。

Claims (13)

1.一种图像投射装置，该图像投射装置通过照明光学单元接收来自光源的光，以将该光投射到具有多个可偏转微镜的空间光调制器SLM，其中，所述微镜还包括：
控制器，该控制器包括转换器，该转换器用于接收一输入二进制数据的多个位并将所述输入二进制数据的多个位转换成非二进制数据，以控制所述空间光调制器SLM的所述微镜按照中间状态工作；
光源控制器单元，该光源控制器单元对所述光源进行控制使得所述光源根据发光状态按照发光周期来投射照明光，以进一步增大对图像显示的灰度级进行控制的灵活度；
所述控制器还应用所述二进制数据的最低有效位的加权因子，并且根据非二进制数据的各个位的加权因子，来将一个帧周期划分成多个子帧周期，并且将偏转微镜控制成在各个子帧周期内根据非二进制数据中的对应位的值而对所述空间光调制器SLM进行脉宽调制，从而按照额外的图像显示亮度级来操作所述微镜。
2.根据权利要求1所述的图像投射装置，其中：
所述控制器还应用所述非二进制数据，以控制所述空间光调制器SLM的所述微镜按照振荡状态工作。
3.根据权利要求1所述的图像投射装置，其中：
所述转换器还将所述输入二进制数据转换成十进制数据，作为所述非二进制数据。
4.根据权利要求1所述的图像投射装置，其中：
所述转换器还包括校正功能，该校正功能用于对由所述转换器生成的所述非二进制数据执行图像数据校正。
5.根据权利要求1所述的图像投射装置，其中：
所述转换器还包括校正功能，该校正功能用于通过对由所述转换器生成的所述非二进制数据进行r去除或r校正来执行图像数据校正。
6.根据权利要求1所述的图像投射装置，其中：
所述转换器还向所述空间光调制器SLM馈送用于确定所述微镜的偏转状态的模式信号。
7.一种图像投射装置，该图像投射装置通过照明光学单元接收来自光源的光，以将该光投射到具有多个可偏转微镜的空间光调制器SLM，其中，所述微镜还包括：
控制器，该控制器包括转换器，该转换器用于接收一输入二进制数据的连续多个位并将所述输入二进制数据的连续多个位转换成非二进制数据，以控制所述空间光调制器SLM的所述微镜按照中间状态工作，其中，在预定时长内连续保持所述中间状态；
光源控制器单元，该光源控制器单元对所述光源进行控制使得所述光源根据发光状态按照发光周期来投射照明光，以进一步增大对图像显示的灰度级进行控制的灵活度；
所述控制器还应用所述二进制数据的最低有效位的加权因子，并且根据非二进制数据的各个位的加权因子，来将一个帧周期划分成多个子帧周期，并且将偏转微镜控制成在各个子帧周期内根据非二进制数据中的对应位的值而对所述空间光调制器SLM进行脉宽调制，从而按照额外的图像显示亮度级来操作所述微镜。
8.根据权利要求7所述的图像投射装置，其中：
所述控制器还应用所述输入二进制数据的一些二进制位，以控制所述微镜按照全ON及全ON状态工作。
9.根据权利要求7所述的图像投射装置，其中：
所述转换器还将所述输入二进制数据的所述连续多个位转换成十进制数据。
10.根据权利要求7所述的图像投射装置，其中：
所述转换器还包括校正功能，该校正功能用于对由所述非二进制数据控制的所述空间光调制器SLM所生成的图像数据执行图像数据校正。
11.根据权利要求7所述的图像投射装置，其中：
所述转换器还包括校正功能，该校正功能用于通过对由所述非二进制数据控制的所述空间光调制器SLM所生成的图像数据进行r去除或r校正来执行图像数据校正。
12.根据权利要求7所述的图像投射装置，其中：
所述转换器还包括校正功能，该校正功能用于对由所述非二进制数据控制的所述空间光调制器SLM所生成的图像数据执行强度分布校正。
13.根据权利要求7所述的图像投射装置，其中：
所述转换器还向所述空间光调制器SLM馈送用于确定所述微镜的偏转状态的模式信号。
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