TWI396927B - 發光二極體照明控制系統及方法 - Google Patents

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Description

發光二極體照明控制系統及方法
本發明係關於一種發光二極體(LED)照明系統，且更特定言之，本發明係關於一種用於控制LED照明系統以在一或多個***色循環框中之輻週期期間提供亮度調節光的系統及方法。
投影顯示系統可包括光源、照明光學器件、影像形成裝置、投影光學器件及投影螢幕。照明光學器件收集來自光源之光且將其導引至一或多個影像形成裝置。由電子調節及處理之數位視訊訊號控制之影像形成裝置產生一對應於該視訊訊號的影像。接著投影光學器件放大該影像且將其投射至投影螢幕上。與色片轉盤一起的諸如弧光燈之白光源已經且仍然用作投影顯示系統之光源。然而，最近已引入了發光二極體(LED)作為替代性光源。LED之某些優點包括更長之使用壽命、更高之效率及更優越之熱特性。
常用於數位光處理系統中之影像形成裝置之實例為數位微鏡裝置(DMD)及液晶型成像裝置(諸如矽上液晶(LCoS)及高溫多晶矽(HTP)成像器)。此等成像器以可個別控制之元件之一陣列為特徵，該等元件之狀態可個別地由被載入與每一元件關聯之記憶體單元中之資料控制，以操控反射或透射光且將視訊資料之一像素空間映射至投影螢幕上之一像素。由處於ON狀態(接通狀態)之元件反射或透射之光通過投影光學器件且投射於螢幕上以產生一明視場。另一方面，由處於OFF狀態(斷開狀態)之元件反射或透射之光不通過投影光學器件，其產生一暗視場。使用此等成像器亦可產生彩色影像，諸如藉由利用色序或替代性地藉由使用三個成像器，每一個各用於一種原色(紅色、藍色及綠色)。
傳統上，已在利用弧光燈光源及濾色盤之投影顯示器中採用色序。隨著LED光源在投影顯示器中變得愈來愈普及，對色序系統及經特定設計以解決LED光源之獨特操作的方法的需求會不斷增加。
本發明為一具有第一、第二及第三彩色LED之LED照明系統及一種控制此系統之方法。提供控制電路以在一具有相對工作循環之色循環框中順序驅動第一、第二及第三彩色LED，該等相對工作循環具有達成色彩平衡之已知關係。該控制電路亦運作以將至少一輻週期引入該色循環框中，在此期間，第一、第二及第三LED以受控方式而驅動以在其順序驅動期間提供與藉由第一、第二及第三LED之相對工作循環達成之色彩平衡匹配的亮度調節光。
色序投影顯示器在為每一原色(通常為紅色、綠色及藍色)顯示一獨立的單色影像之基礎上操作，其速率足夠高以避免影像閃爍及色亂。圖1為一說明微顯示器類型之投影顯示系統10中之組件的傳統布局的圖，該等組件包括光源12、彩色調變器14、照明光學器件16、成像裝置18、投影光學器件20、觀看螢幕22及控制電路24。光源12傳統上為提供寬頻譜光(意即"白光")之弧光燈。來自弧光燈之光被導引於彩色調變器14處，該彩色調變器14可為由電馬達旋轉之濾色盤、濾色碟、濾色鼓或濾色桶。隨著彩色調變器14旋轉，寬頻譜光經過濾以順序產生原色。來自彩色調變器14之過濾光藉由使用照明光學器件16而照明成像裝置18。
當前消費者市場中所使用之兩種主要類型的色序成像裝置為矽上液晶(LCoS)裝置及數位微鏡裝置(DMD)。此等裝置均具有以色序操作所需之高更新速率運作的能力，且任何一種裝置(或能夠達成所需更新速率之其他類型成像裝置)可用於建構圖1中所示之成像裝置18。目前，高溫多晶矽(HTPS)裝置不夠快而不能執行色序操作，但是彼技術之將來進展可使彼等裝置成為吾人對成像裝置18之一選擇。投影光學器件20將成像裝置18形成之影像導引至觀看螢幕22。
電子控制電路24在投影顯示系統10內執行許多功能。兩個此等功能為定時同步及影像資料處理。定時同步電路協調成像裝置18與彩色調變器14之活動以確保在個別色彩週期期間成像裝置18所呈現之恰當的影像資料。又，光源12通常以AC波形驅動且可在交換時產生不規則性。在對影像複製具有最小影響之特定時間期間或在允許執行補償之時間期間使此等不規則性同步發生。
對於每一原色而言，中間亮度位準(灰度階)係藉由在接通或斷開之變化程度之間調變驅動像元(像素)之類比電壓位準或藉由調變待接通而持續更長或更短時期之像素的脈寬而達成。影像資料之轉換(自數位至類比)由影像資料處理電路執行。
傳統色序投影系統在有效利用自彩色調變器發出之所有光方面受到阻礙。在兩個彩色濾光片之接縫處發生之光轉變(此項技術領域中已知為"輻光")並不產生清晰色彩，且並非為兩個濾光片之清晰混合且可含有未過濾光。又，由於製造變化(尤其在製造色片轉盤之過濾器方面)，此光為非連續的且不可預估的。因為此等原因，某些系統藉由將成像裝置置於"斷開"狀態而避免使用輻光以阻止光到達螢幕。
圖2為一說明在典型投影成像系統中之原色之間輻光之出現的圖表。輻光可佔據一圖框週期(界定為濾色盤之一完整旋轉或經過所有原色之完整循環)之顯著一部分(在某些系統中高達20%)。因此，已開發了複雜之演算法及額外控制電路來利用輻光。然而，由於此光之不可預估之性質，每一系統必須特定地與其特定彩色調變器校準。
某些彩色調變器包括一無過濾(暢通)區段以增強白光亮度及影像之不飽和部分，但是犧牲了色飽和度且增加了輻週期。此在此項技術中已知為"白色峰值"。白色峰值提供了比可由圖框中之原色的總和獲得之白位準更亮的白位準。雖然此白光本質上比輻光更可預估，但是其不能提供與過濾色彩區段之總和相同的色溫，且因此不能簡單地添加於螢幕上形成之影像。無過濾光(比如輻光)之利用需要複雜的演算法、額外的控制電路及色彩平衡校準。
目前LED技術之發展已使LED能夠甚至在需要高亮度之應用(諸如許多投影顯示應用)中用作光源。圖3中展示了一例示性基於LED之投影顯示系統30。系統30包括LED驅動器電路32、LED陣列34、照明光學器件36、成像裝置38、投影光學器件40、觀看螢幕42及控制電路44。照明光學器件36、成像裝置38、投影光學器件40及觀看螢幕42提供與圖1之照明光學器件16、成像裝置18、投影光學器件20及觀看螢幕22大體上相同之功能。LED驅動器32包括至少三個個別電流源以提供功率至LED陣列34之紅色、藍色及綠色LED，從而形成每一色彩之個別電路。
基於LED之投影系統(有時比採用弧光燈光源之傳統系統更甚)可自改良之亮度獲益，此歸因於電腦及電視行業對更亮顯示器之強烈需求及LED亮度方面之技術限制。因此，白色峰值可用於基於LED之投影系統。然而，在基於LED之系統中，無濾色盤可經修改以包括一用於提供白光之暢通區段，且現有演算法、電子學及校準方案不適用於具有LED光源之系統。達成白色峰值之適當的LED驅動及控制系統為本發明之目的。
LED照明器之主要目標為獲得規定的紅色、綠色及藍色(RGB)。將每一色彩描述為國際照明委員會(CIE)色空間中之一點。白光之色溫或色調為紅色、綠色及藍色之總和的結果。色點及其相對亮度之定義見於為NTSC所撰寫之標準SMPTE－C、Rec.709及其他電視標準中。紅色、綠色及藍色之色彩平衡係根據藉由定義光源組件之紅色、綠色及藍色LED之工作循環的適當規格而加以控制。圖4為一說明一例示性系統中之紅色、綠色及藍色之相對工作循環的圖表。圖4中所示之時間週期(包括紅色循環、綠色循環及藍色循環)在本文中稱為光循環框。圖4亦說明了在色彩之間的轉變(紅色至綠色、綠色至藍色及藍色至紅色)期間之輻週期，但是LED照明系統不需要利用傳統輻週期，此係因為以下事實：LED可幾乎在瞬間接通及斷開，此意謂一色彩至下一色彩之轉變可幾乎為瞬時的。
本發明將一或多個輻週期***LED照明系統中以改良可形成之影像的總亮度。引入一或多個輻週期將減小個別色彩所處的每循環之總時間量，但是可用於藉由在輻週期期間提供色彩混合以執行白色峰值來改良亮度。
圖5為一說明根據本發明之例示性實施例具有在每一色彩轉變時引入之輻週期(由圖表之散列區域指示)的紅色、綠色及藍色之相對工作循環的圖表。紅色、綠色及藍色所消耗之總循環時間之比率保持與圖4中所展示之比率相同，但是所提供之每一色彩的時間根據相同比率而減小以在色彩轉變期間引入輻週期。在輻週期期間，接通所有三種色彩之燈以產生與紅色、綠色及藍色週期期間由色彩之總循環產生的白色之色溫匹配之白光。此概念可稱為"白平衡"。
白平衡在輻週期期間產生之白光阻止了顯示器之總色溫被白色峰值更改。舉例而言，若在輻週期期間三種原色全部同樣地接通，則在許多系統中此色彩組合在光循環框中提供之綠光與紅光及藍光之比率較一般色序操作期間所提供之比率低。因此，白色峰值過程可改變顯示器之總色調(若未執行如本文揭示之白平衡)。
控制輻週期期間提供之白光的色溫有兩種方法：或藉由脈寬調變或藉由振幅調變。採用脈寬調變時，可接通具有最大基礎工作循環之色彩(通常為綠色)持續整個輻週期。接著可在輻週期期間接通其他色彩持續一時間量，該時間量給出了與總循環時間之工作循環相同的接通時間之比率。下文參看實例1可最清晰地說明此關係，其圖表在圖6中展示。
實例1
紅色基礎工作循環：0.278綠色基礎工作循環：0.444藍色基礎工作循環：0.278輻週期：240微秒(μs)輻週期期間綠色接通時間：240 μs輻週期期間紅色接通時間：0.278/0.444×240 μs＝150.3 μs輻週期期間藍色接通時間：0.278/0.444×240 μs＝150.3 μs
實例1展示了在每一輻週期期間產生白平衡光脈衝之情況。應瞭解，藉由合計一圖框內所有輻週期之不同色彩之LED的接通時間及控制每一圖框之總LED接通時間以具有適當比率，亦可在每圖框基礎(而非每輻基礎)上達成白平衡。舉例而言，在實例1之情況中，存在三個輻週期，每一輻週期具有240 μs之綠色接通時間、150.3 μs之紅色接通時間及150.3 μs之藍色接通時間。此導致光循環框期間總綠色接通時間為720 μs，光循環框期間總紅色接通時間為450.9 μs，且框期間總藍色接通時間為450.9 μs。在一替代性每框色彩平衡方案中，不同色彩之光源可按以下排列接通：
作為用於驅動LED之方法的脈寬調變之一優勢在於：在輻週期及各自之紅色、綠色及藍色週期期間均可使用恆定的驅動功率位準。由於每一驅動器僅需遞送一個功率位準，故此使得驅動器電路之成本較低。又，當LED老化時，由於兩週期之色彩以相同速率降級，故與整個紅色/綠色/藍色循環之色溫相比，輻之色溫較少可能變化。
在一振幅調變方法中，白平衡係藉由根據LED所需亮度之比率調節遞送至紅色、綠色及藍色LED之功率而達成。此情況在圖7中說明。
在許多LED照明系統中，需要接通綠色LED持續更大百分比之總循環時間以確保正確產生綠色且達成光源之正確"白點"(當三個LED全部接通持續整個循環時產生純白色)。此由上述實例1之紅色、綠色及藍色LED的相對接通時間來說明。在輻週期期間產生之白光(為了提供不影響照明系統之總色彩平衡的有效白色峰值)具有模仿整個系統之白點的色溫，諸如藉由脈寬調變或振幅調變以相對於紅色及藍色LED來提高由綠色LED產生之光的亮度。
以類似於上述白色峰值操作之方式，亦可達成灰階"位元擴展"。某些微顯示器不容易產生非常暗淡之光位準，因為此需要非常小的光脈衝。可達成之最小光脈衝對應於最小脈寬調變時間週期，其可受到成像器之最大運作速度的限制。因此，在傳統的基於濾色盤之系統中有時使用一額外的"黑"區段。該黑區段藉由提供產生更黑之光脈衝之方式而促進灰階位元擴展。
LED照明器可經操作以在上文關於白色峰值而界定之輻週期期間提供位元擴展，或代替輻週期期間之白色峰值或外加白色峰值輻週期(導致白色峰值及灰階位元擴展輻週期)。藉由控制紅色、綠色及藍色LED之亮度與整個圖框之比率相同(如以上關於白色峰值所描述)，"黑"輻週期得以色彩平衡，使得照明器提供之整個色彩平衡未受影響。藉由提供具有一半亮度之輻週期來達成灰階位元擴展之黑輻週期在下文被描述為實例2且在圖8中說明。
實例2
紅色基礎工作循環：0.278綠色基礎工作循環：0.444藍色基礎工作循環：0.278輻週期：240 μs輻週期期間之綠色接通時間：120 μs輻週期期間之紅色接通時間：0.278/0.444×120 μs＝75.14 μs輻週期期間之藍色接通時間：0.278/0.444×120 μs＝75.14 μs
實例2展示了在每一輻週期期間產生色彩平衡之"黑"脈衝的情況。應瞭解，藉由合計一圖框內所有輻週期之不同色彩之LED的接通時間及控制每一圖框之總LED接通時間以具有適當比率，亦可在每圖框基礎(而非每輻基礎)上達成色彩平衡，其方式與以上關於實例1所描述之方式相同。
如以上關於例示性實施例所述之本發明在LED照明系統之色循環框期間引入一或多個輻週期。雖然以上實施例中所述輻週期發生在原色之間的轉變期間(與對指代濾色盤上之色彩轉變的"輻"週期的傳統理解一致)，但是應瞭解，在LED照明系統中，歸因於LED幾乎瞬時接通及斷開之能力，可在色循環框之任何點處***輻週期。在輻週期期間提供亮度調節光(以白色峰值及/或灰階位元擴展(或"黑色峰值")的形式)，控制在輻週期期間的白或黑色調之色彩平衡以使之與藉由每一色彩循環中原色之工作循環達成的色彩平衡匹配。因此，由LED照明系統提供之影像的亮度可按需要加以調節而不影響色彩平衡或影像之"白點"。
以上描述係關於具有三個彩色LED光源(紅色、綠色及藍色)之例示性系統。雖然在LED照明系統中相繼提供此等三種原色之系統最普及，但是彼等熟習此項技術者應瞭解，本發明之原理(在***色循環框之輻週期期間提供具有光之色彩平衡組合的白色或黑色峰值)可同等地應用於提供更多數目之色彩或不同原色組之系統。舉例而言，一系統可採用提供多達6種不同色彩(紅色、綠色、藍色、黃色、青色及洋紅色)之光源，其中將一或多個輻週期***色循環框中以使影像變亮或以上述方式達成灰階位元擴展。
雖然已參考較佳實施例描述了本發明，但是熟習此項技術之工人將意識到，在不背離本發明之精神及範疇的前提下可在形式及細節上進行改動。舉例而言，所揭示之實施例已描述為採用紅色、綠色及藍色LED光源。熟習此項技術者應瞭解，本發明之原理可適用於任何能夠幾乎瞬時接通及斷開以使得在色循環框之輻週期期間提供之亮度調節光可經控制而與框中光源之色序操作提供之光的色彩平衡匹配的光源。
10．．．投影顯示系統
12．．．光源
14．．．彩色調變器
16．．．照明光學器件
18．．．成像裝置
20．．．投影光學器件
22．．．觀看螢幕
24．．．控制電路
30．．．投影顯示系統
32．．．LED驅動電路
34．．．LED陣列
36．．．照明光學器件
38．．．成像裝置
40．．．投影光學器件
42．．．觀看螢幕
44．．．控制電路
圖1為一說明投影顯示系統中之組件之傳統布局的圖。
圖2為一說明在典型投影成像系統中之原色之間輻光之出現的圖表。
圖3為一說明例示性基於LED之投影顯示系統之圖。
圖4為一說明投影成像系統之例示性色循環框中之紅色、綠色及藍色的相對工作循環的圖表。
圖5為一說明根據本發明之例示性實施例在具有於每一色彩轉變時引入之輻週期的色循環框中紅色、綠色及藍色之相對工作循環的圖表。
圖6為一說明根據本發明之一實施例脈寬調變訊號以在輻週期期間驅動不同色彩之LED以達成白色峰值的圖表。
圖7為一說明根據本發明之另一實施例振幅調變訊號以在輻週期期間驅動不同色彩之LED以達成白色峰值的圖表。
圖8為一說明根據本發明之另一實施例脈寬調變訊號以在輻週期期間驅動不同色彩之LED以達成灰階位元擴展的圖表。

Claims (25)

  1. 一種控制一發光二極體(LED)照明系統之方法，該照明系統包括一第一彩色LED、一第二彩色LED及一第三彩色LED，該方法包含：在一具有相對工作循環之色循環框中順序操作該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED，該等相對工作循環具有一達成一色彩平衡之已知關係；及在該色循環框中之至少一輻週期期間操作該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED，在該至少一輻週期期間該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之操作經控制以在其順序操作期間提供與藉由該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之該等相對工作循環達成之該色彩平衡匹配的亮度調節光。
  2. 如請求項1之方法，其中在該至少一輻週期期間該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之該操作由驅動該等LED之訊號的脈寬調變控制。
  3. 如請求項1之方法，其中在該至少一輻週期期間該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之該操作由驅動該等LED之訊號的振幅調變控制。
  4. 如請求項1之方法，其中在該至少一輻週期期間提供之該亮度調節光經提供以達成白色峰值。
  5. 如請求項1之方法，其中在該至少一輻週期期間提供之該亮度調節光經提供以達成灰階位元擴展。
  6. 如請求項1之方法，其中該至少一輻週期發生於該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之不同者之順序操作之間的一轉變期間。
  7. 如請求項1之方法，其中該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED為紅色、綠色及藍色。
  8. 如請求項7之方法，其中該綠色LED之該相對工作循環比該紅色LED及該藍色LED之該等相對工作循環大。
  9. 一種發光二極體(LED)照明系統，其包含：一第一彩色LED；一第二彩色LED；一第三彩色LED；控制電路，其可操作地連接至該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED，該控制電路可操作以：在一具有相對工作循環之色循環框中順序驅動該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED，該等相對工作循環具有一達成一色彩平衡之已知關係；及在該色循環框中之至少一輻週期期間驅動該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED，在該至少一輻週期期間該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之以一受控方式之該驅動在其順序驅動期間提供與藉由該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之該等相對工作循環達成之該色彩平衡匹配的亮度調節光。
  10. 如請求項9之LED照明系統，其中該控制電路在至少一輻週期期間藉由驅動該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之訊號的脈寬調變來控制該等LED之該驅動。
  11. 如請求項9之LED照明系統，其中該控制電路在至少一輻週期期間藉由驅動該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之訊號的振幅調變來控制該等LED之該驅動。
  12. 如請求項9之LED照明系統，其中該控制電路在至少一輻週期期間驅動該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED以達成白色峰值。
  13. 如請求項9之LED照明系統，其中該控制電路在至少一輻週期期間驅動該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED以達成灰階位元擴展。
  14. 如請求項9之LED照明系統，其中該至少一輻週期發生於該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之不同者之順序操作之間的一轉變期間。
  15. 如請求項9之LED照明系統，其中該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED為紅色、綠色及藍色。
  16. 如請求項15之LED照明系統，其中該綠色LED之該相對工作循環比該紅色LED及該藍色LED之該等相對工作循環大。
  17. 一種投影顯示系統，其包含：一第一彩色LED； 一第二彩色LED；一第三彩色LED；控制電路，其可操作地連接至該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED，該控制電路可操作以：在一具有相對工作循環之色循環框中順序驅動該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED，該等相對工作循環具有一達成一色彩平衡之已知關係；及在該色循環框中之至少一輻週期期間驅動該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED，在該至少一輻週期期間該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之以一受控方式之該驅動在其順序驅動期間提供與藉由該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之該等相對工作循環達成之該色彩平衡匹配的亮度調節光；投影光學器件；及一影像形成裝置，其可操作地與該控制電路協作以選擇性地將來自該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED之光導引通過該投影光學器件以形成全色影像。
  18. 如請求項17之投影顯示系統，其中該第一彩色LED、該第二彩色LED及該第三彩色LED為紅色、綠色及藍色。
  19. 如請求項18之投影顯示系統，其中該綠色LED之該相對工作循環比該紅色LED及該藍色LED之該等相對工作循 環大。
  20. 如請求項17之投影顯示系統，其中該影像形成裝置為一數位微鏡裝置(DMD)。
  21. 一種控制一照明系統之方法，該照明系統包括第一、第二及第三光源以用於分別提供第一、第二及第三色彩之光，該控制機制包含：在一具有相對工作循環之色循環框中順序操作該第一光源、該第二光源及該第三光源，該等相對工作循環具有一達成一色彩平衡之已知關係；及在該色循環框中之至少一輻週期期間以一受控方式操作該第一光源、該第二光源及該第三光源以在其順序操作期間提供與藉由該第一光源、該第二光源及該第三光源之該等相對工作循環達成之該色彩平衡匹配的亮度調節光。
  22. 如請求項21之方法，其中在該至少一輻週期期間該第一光源、該第二光源及該第三光源之該操作由驅動該等光源之訊號的脈寬調變來控制。
  23. 如請求項21之方法，其中在該至少一輻週期期間該第一光源、該第二光源及該第三光源之該操作由驅動該等光源之訊號的振幅調變來控制。
  24. 如請求項21之方法，其中在該至少一輻週期期間提供之該亮度調節光經提供以達成白色峰值。
  25. 如請求項21之方法，其中在該至少一輻週期期間提供之該亮度調節光經提供以達成灰階位元擴展。
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