СПОСОБ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОЖЕСТВА ИМПУЛЬСОВ
PULSE-WIDTH CONTROL METHOD USING MULTIPLE PULSES

Область техники
[0001] В известных способах модуляции характеристик поляризационного вращения (и, таким образом, оптического пропускания) в жидкокристаллическом микродисплее системы проекционного отображения используют электронные элементы, встроенные в дисплей для непосредственного управления напряжениями на пиксельных элементах. В этих микродисплеях нематический жидкий кристалл - наиболее распространенный тип жидкого кристалла (ЖК) - реагирует на среднеквадратичное значение (RMS, root mean square) напряжения пикселя. Для обеспечения полутонового управления в таких дисплеях необходимо модулировать отдельные напряжения пикселей. В принципе, существуют два подхода к осуществлению такой модуляции: аналоговый и цифровой.
[0002] В первых жидкокристаллических микродисплеях обычно использовались способы аналоговой модуляции. Однако они плохо подходят для дисплеев с высокой плотностью пикселей из-за малого размера пикселя и трудности хранения точных аналоговых напряжений. Эта проблема часто приводит к недостаточной эффективности устройства и неоднородности пикселей. Поэтому в индустрии изготовления микродисплеев все больше используются способы цифровой модуляции.
[0003] Способы цифровой модуляции обычно сводятся или к модуляции ширины импульса (PWM, pulse width modulation) или к модуляции коэффициента заполнения (DFM, duty factor modulation). Схемы PWM включают подачу в жидкокристаллический дисплей импульсов напряжения, которые имеют фиксированную амплитуду и переменную во времени ширину, причем эта ширина типично составляет от нуля до продолжительности всего кадра, что соответствует уровням серого от нуля до максимального. Схемы PWM могут давать превосходные полутоновые результаты и по существу монотонную характеристику и не зависят от времени включения и выключения жидкого кристалла. Однако они очень сложны для реализации в реальных дисплейных системах; они требуют большого объема системной памяти при высокой скорости передачи данных, а при использовании чередования цветов могут требовать наличия большого количества защелок данных в пикселе. Альтернативные способы модуляции PWM могут снизить сложность пиксельной схемы за счет чрезвычайно высоких требований к скорости передачи данных. Однако на практике схемы PWM вообще слишком сложны или дороги для использования в жидкокристаллических микродисплеях и не получили широкого распространения.
[0004] Наиболее широко используемой формой цифровой модуляции в жидкокристаллических микродисплеях являются схемы DFM. При модуляции DFM на жидкий кристалл подают импульсы напряжения фиксированной амплитуды для каждого бита полутона. В зависимости от конкретного отображаемого уровня серого обычно используется несколько импульсов напряжения для управления пикселем в течение кадра. Количество импульсов может доходить до половины числа битов уровней полутонов, при этом ширина отдельных импульсов соответствует двоичным весам отдельных битов. Как следует из названия, при модуляции коэффициента заполнения (DFM) полные суммарные продолжительности импульсов, деленные на полное время кадра, определяют коэффициент заполнения управляющего напряжения. Проблема этой схемы заключается в том, что она не учитывает конечности времени роста и спада напряжения для жидкокристаллического материала, в частности тот факт, что они часто отличаются друг от друга. В результате фактическое среднеквадратичное напряжение отличается от теоретического коэффициента заполнения, вычисленного только по напряжению. Более конкретно, эта погрешность зависит от количества передних и задних фронтов и, таким образом, от количества импульсов, и погрешность резко изменяется как функция желаемого уровня полутона. Результатом является то, что схемы DFM в общем случае дают немонотонные результаты для ряда полутонов, что является серьезной проблемой. Было разработано множество схем в попытке исправить такую немонотонность. Ни одна из этих схем не дала полностью удовлетворительных результатов, при этом большинство из них требует существенного увеличения стоимости, сложности и скорости передачи данных.
[0005] В заявке на патент США №60/803747, поданной тем же заявителем, включенной в настоящее описание путем ссылки и озаглавленной "Оптически адресуемый полутоновый пространственный модулятор света с накоплением электрического заряда", рассматриваются несколько вариантов DFM. Однако для них требуется очень высокая скорость переключения жидкого кристалла и импульсное освещение. Во многих системах отображения очень высокая скорость переключения жидкого кристалла и импульсное освещение невозможны. Имеется потребность в способе управления жидким кристаллом, который менее сложен, чем PWM, но способен устранить немонотонные характеристики, присущие большинству способов реализации DFM, и не требует очень быстрого срабатывания жидкого кристалла.
Сущность изобретения
[0006] Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ, который для множества областей пикселя в электрооптическом слое записывающего оптического затвора и в течение каждого из множества последовательных кадров включает модуляцию набора битов данных пикселя в течение первого и второго интервалов ширины импульса в кадре. В этом способе первый и второй интервалы ширины импульса и интервалы длительности соседних импульсов для последовательных кадров отделены друг от друга интервалами отсутствия импульсов, которые по меньшей мере равны времени реакции электрооптического слоя и в течение которых отсутствует модуляция каких-либо битов. Кроме того, в данном способе отдельно в каждом кадре записывающий свет выходит из каждого из множества областей пикселя согласно модулированным битам данных пикселя в кадре.
[0007] Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения предложен записывающий оптический затвор, который содержит электрооптический слой, коммутационную плату, определяющую область пикселя в электрооптическом слое, источник света и контроллер, соединенный с памятью. Источник света размещен в оптической связи с электрооптическим слоем. Контроллер способен в каждой области пикселя и в течение каждого из множества последовательных кадров подавать напряжение синхронно с освещением из источника света для модуляции набора битов данных пикселя в течение первого и второго интервалов ширины импульса в кадре, при этом первый и второй интервалы ширины импульса и интервалы длительности соседних импульсов для последовательных кадров отделены друг от друга интервалами отсутствия импульсов, которые по меньшей мере равны времени реакции электрооптического слоя и в течение которых отсутствует модуляция каких-либо битов. Электрооптический слой способен, отдельно в каждом кадре, выводить записывающий свет из каждой области пикселя согласно модулированным битам данных пикселя в кадре.
[0008] Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения предложена компьютерная программа, выполненная в виде памяти и считываемая компьютером для выполнения операций, направленных на вывод записывающего света. В этом варианте осуществления настоящего изобретения операции относятся к множеству областей пикселя в электрооптическом слое записывающего оптического затвора и действуют в течение каждого из множества последовательных кадров, и эти операции включают: модуляцию набора битов данных пикселя в течение первого и второго интервалов ширины импульса в кадре, при этом первый и второй интервалы ширины импульса и интервалы длительности соседних импульсов для последовательных кадров отделены друг от друга интервалами отсутствия импульсов, которые по меньшей мере равны времени реакции электрооптического слоя и в течение которых отсутствует модуляция каких-либо битов. Кроме того, указанные операции включают, отдельно для каждого кадра, вывод записывающего света из каждого из множества областей пикселя согласно модулированным битам данных пикселя в кадре.
[0009] Эти и другие аспекты настоящего изобретения подробно описаны ниже.
Краткое описание чертежей
[0010] На фиг.1 показана временная диаграмма, иллюстрирующая два интервала ширины импульса с интервалами отсутствия импульсов между ними и в начале кадра, когда на жидкокристаллический слой дисплея не подано напряжение.
[0011] На фиг.2 показана временная диаграмма, аналогичная изображенной на фиг.1, но иллюстрирующая интервал загрузки данных пиксельного электрода по одному ряду одновременно в первом и втором кадре.
[0012] На фиг.3 показана временная диаграмма, аналогичная изображенной на фиг.1, но дополнительно демонстрирующая импульсы освещения, модулированные по ширине импульса и ограниченные только четырьмя уникальными ширинами импульса, но обеспечивающие шкалу полутонов 512:1.
[0013] На фиг.4 показана временная диаграмма, аналогичная изображенной на фиг.3, но альтернативно демонстрирующая импульсы освещения, модулированные по уровням/амплитуде освещения.
[0014] На фиг.5 схематично показан известный оптически адресуемый пространственный модулятор света, который содержит электрооптический слой и фоточувствительный полупроводниковый слой.
[0015] На фиг.6 показана упрощенная блок-схема системы оптически адресуемого пространственного модулятора света, в которой осуществляется цифровая модуляция с получением на выходе света, характеризующегося по существу монотонной полутоновой характеристикой.
[0016] На фиг.7 показана последовательность операций способа согласно примеру осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
[0017] Во многих системах отображения на смену аналоговым схемам управления идут цифровые способы управления. Предложен новый цифровой способ управления, который особенно хорошо подходит для цифровых жидкокристаллических систем отображения с активной матрицей, в которых используется жидкокристаллическая технология. В новом цифровом способе управления данные пикселя кодируют двумя или более импульсами, модулированными по ширине. С помощью электронных средств импульсы разделяют по времени, чтобы учесть время отклика жидкого кристалла при выключении сигнала. Даже в случаях когда имеется значительная разница времен отклика жидкого кристалла при включении и выключении сигнала, разделение импульсов обеспечивает монотонную электрооптическую реакцию, что было бы невозможно при использовании более простых способов модуляции коэффициента заполнения (DFM). Широтно-импульсная модуляция с множеством импульсов (MPWM, Multiple pulse-width modulation) позволяет значительно снизить скорость передачи данных в электронных средствах системы отображения по сравнению с системами широтно-импульсной модуляции с одним импульсом (PWM). Для дальнейшего уменьшения ширины полосы данных можно использовать более низкие уровни освещения для частей импульсов управления с меньшими весами, чем для частей импульсов управления с большими весами. Вариация уровней падающего света может быть достигнута с помощью импульсного освещения с переменной шириной импульса, путем изменения амплитуды во времени или комбинацией обоих способов.
[0018] При цифровой модуляции светового затвора простая широтно-импульсная модуляция дает наилучший результат, но она в общем случае слишком сложна для осуществления. Модуляция коэффициента заполнения более проста, но ее реализация известными способами часто дает неудовлетворительные результаты. Ниже подробно описана модификация широтно-импульсной модуляции, которая дает почти такой же результат, как простая широтно-импульсная модуляция, но не так сложна в осуществлении. Концепция, лежащая в основе настоящего изобретения, заключается в модуляции записывающего оптического затвора двумя импульсами переменной ширины вместо одного (как при простой широтно-импульсной модуляции). Пока эти два импульса разделены во времени по меньшей мере на время отклика жидкого кристалла, результат может быть столь же хорош, как и при простой модуляции PWM, но реализация требует только 1/4 количества логики и ширины полосы. Варианты осуществления настоящего изобретения охватывают несколько способов, включающих также модуляцию записывающего света во времени и/или по амплитуде, что еще более упрощает реализацию и улучшает рабочие характеристики. Как будет очевидно из последующего описания, имеется ряд возможных вариантов выбора распределения битов полутоновой информации между импульсами (ниже в качестве не ограничивающего изобретение примера используются 10 битов) и выбора управления освещением.
[0019] Если время отклика жидкого кристалла значительно короче интервала кадра, то некоторую часть времени кадра можно отвести для включения и выключения жидкого кристалла без значительного уменьшения яркости дисплея. В этом случае это время можно использовать для разделения двух (или более) широтно-модулированных импульсов так, чтобы между импульсами жидкий кристалл полностью выключался. Полное выключение жидкого кристалла между импульсами гарантирует, что передние и задние фронты импульсов не будут перекрываться и не создадут взаимных помех. Это, в свою очередь, гарантирует, что их влияние на модуляцию ячейки абсолютно не зависит друг от друга, что является необходимым условием для монотонной полутоновой модуляции. Кроме того, этот режим модуляции намного упрощает компенсацию погрешностей коэффициента заполнения, обусловленных передними и задними фронтами импульсов, поскольку (в случае двух импульсов и для уровней серого выше нулевого) всегда будет иметься по меньшей мере одна пара переднего/заднего фронтов, а самое большее - 2 пары. Это отличается от случая с 10 импульсами, где может быть самое меньшее - только 1 пара, а максимально - целых 10 пар. Разделение полной модуляции PWM для кадра на два (или более) широтно-модулированных импульса позволяет значительно уменьшить объем памяти и скорость передачи данных в системе отображения по сравнению с модуляцией PWM с одним импульсом.
[0020] В качестве примера предположим, что требуется обеспечить управление уровнем полутонов с 10 разрядами. Для модуляции MPWM с использованием десяти битов уровней полутонов, данные разбивают между двумя группами на первую и вторую группу по 5 битов в каждой с общим начальным опорным положением. Каждая 5-разрядная группа может быть декодирована в 31 бит и соответствующие моменты времени в интервале кадра. Общее количество декодированных битов равно 62. Однако разбиение 10 битов данных на два раздельных 5-разрядных импульса данных и разбиение 5-разрядного импульса данных на две группы с 2 и 3 временами начала/конца импульсов в каждой позволяет сократить количество времен начала/конца кодированных импульсов до 22: 11 временных точек для каждого 5-разрядного импульса данных. В данном примере это снижает требования к объему памяти в системе отображения и ширину полосы или скорость передачи данных между контроллером дисплея и самим дисплеем приблизительно в 3 раза.
[0021] При использовании широтной модуляции с множеством импульсов можно уменьшить скорость передачи данных памяти, объем системной памяти и количество защелок данных в цепи пикселя. Количество необходимых защелок данных в цепи пикселя зависит от требований к кодированию данных, к контроллеру дисплея в отношении ширины полосы дисплея, к формату дисплея и от некоторых других системных требований. Коэффициент уменьшения в 3 раза очень важен при реализации экономичной системы отображения.
[0022] Кроме того, следует отметить, что 10-разрядное информационное слово может быть разбито на 4-разрядный импульс и 6-разрядный импульс. Объем памяти будет тем же, что и для двух 5-разрядных импульсов; при этом имеется 22 времени начала/конца кодируемых импульсов. Десятиразрядное информационное слово может быть разделено на два 3-разрядных импульса и один 4-разрядный импульс даже с меньшим количеством данных (17 времен начала/конца). Однако это потребовало бы более быстрой реакции жидкого кристалла или уменьшило бы полную длительность импульсов и соответствующее освещение. Аналогично, 10-разрядное информационное слово может быть разделено на два 3-разрядных импульса и два 2-разрядных импульса при 16 временах начала/конца импульсов. Кроме того, 10-разрядное информационное слово может быть разделено на пять 2-разрядных импульсов с образованием лишь 15 времен начала/конца импульсов. Выше приведен неполный список комбинаций нескольких импульсов. Возможны и другие комбинации импульсов.
[0023] При модуляции ширины двух или трех импульсов в кадре реакция жидкого кристалла не должна происходить с той же скоростью, которая потребовалась бы для способа монотонной модуляции DFM. Благодаря уменьшению количества импульсов оказывается допустимой более медленная реакция жидкого кристалла.
[0024] Из-за потребности в монотонной характеристике модулированные по ширине импульсы необходимо разделять с учетом инерционности жидкого кристалла. При использовании двух модулированных по ширине импульсов имеется два набора времен нарастания и спада, влияющих на полутоновую характеристику. Хотя эта характеристика, возможно, и не будет линейна, если времена нарастания и спада различны, но будет монотонна.
[0025] На фиг.1 временная диаграмма 100 иллюстрирует модуляцию MPWM при наличии двух импульсов в пределах кадра отображения. Предполагается, что освещение постоянно. Интервал 101 кадра отображения состоит из первого интервала 102 ширины импульса, второго интервала 103 ширины импульса, первого интервала 104 отсутствия импульсов и второго интервала 105 отсутствия импульсов. Каждый из первого интервала 102 ширины импульса и второго интервала 103 ширины импульса состоит из 5 кодовых битов данных пикселя, кодированных относительно центра 106 ширины первого импульса и центра 107 ширины второго импульса соответственно. Имеется первая подгруппа и вторая подгруппа временных интервалов декодированных данных до и после центра ширины импульса соответственно. Веса данных описаны здесь как самый младший бит (LSB, least significant bit) и самый старший бит (MSB, most significant bit) с добавлением или вычитанием цифр для перекрытия диапазона битов с двоичным весом. Относительные веса битов указаны ниже в круглых скобках.
[0026] На временной диаграмме 100 невозможно изобразить временные веса времен данных с двоичным весом, поскольку диапазон между самым старшим битом MSB и самым младшим битом LSB составляет 512:1. Время 108 LSB (1), время 117 MSB (512), время 111 LSB+3 (8), время 112 LSB+4 (16) и время 113 MSB-4 (32) имеют двоичный вес во времени относительно первого центра 106 ширины импульса. Точно так же время 109 LSB+1 (2), время 116 MSB-1 (256), время 110 LSB+2 (4), время 114 MSB-3 (64) и время 115 MSB-2 (128) имеют двоичный вес во времени относительно второго центра 107 ширины импульса.
[0027] В первой подгруппе первого интервала 102 ширины импульса первый импульс устанавливают в высокое состояние в начале первого интервала 102 ширины импульса или в момент 108 LSB (1), момент MSB (512) 117 или в центре 106 ширины импульса. Начало первого интервала 102 ширины импульса находится в высоком состоянии, если и бит LSB (1), и бит MSB (512) находятся в высоком состоянии. Вторую подгруппу первого интервала 102 ширины импульса устанавливают в низкое состояние в центре 106 ширины импульса, в момент 111 LSB+3 (8), момент 112 LSB+4 (16) или в момент 113 MSB-4 (32). Конец первого интервала 102 ширины импульса - это момент, когда первый импульс устанавливается в низкое состояние, если все биты LSB+3, LSB+4 и MSB-4 находятся в высоком состоянии. Другие необозначенные интервалы во второй подгруппе соответствуют другим комбинациям включенных битов LSB+3, LSB+4 и MSB-4.
[0028] В первой подгруппе второго интервала 103 ширины импульса второй импульс может быть установлен в высокое состояние в начале второго интервала 103 ширины импульса, в момент 109 LSB+1 (2), момент 116 MSB-1 (256) или в центре 107 ширины импульса. Начало второго интервала 103 ширины импульса находится в высоком состоянии, если и бит LSB (1), и бит MSB (512) находятся в высоком состоянии. Вторая подгруппа второго интервала 103 импульса устанавливается в низкое состояние в центре 107 ширины импульса, в момент 110 LSB+2 (4), момент 114 MSB-3 (64) или момент 115 MSB-2 (128). Конец второго интервала 103 импульса - это момент, когда второй импульс устанавливается в низкое состояние, если все биты LSB+2, MSB-3 и MSB-2 находятся в высоком состоянии. Другие необозначенные интервалы во второй подгруппе соответствуют другим комбинациям включенных битов LSB+2, MSB-2 и MSB-3.
[0029] Временные положения кодируемых битовых весов на фиг.1 выбраны так, чтобы снизить среднюю скорость передачи данных для массива пикселей. Следует отметить, что имеется много других конфигураций размещения возможных временных положений кодируемых битовых весов.
[0030] На фиг.2 показаны интервалы времени для ряда (строки) электродов в системе отображения с непрерывной засветкой, в которой новые данные для электродов пикселя обновляют одновременно для целой строки. На временной диаграмме 200 показана временная диаграмма 100, повторенная как время 201 первой строки первого кадра, время 202 второй строки первого кадра, время 203 последней строки первого кадра, время 204 первой строки второго кадра и время 205 второй строки второго кадра. Время 202 второй строки первого кадра и время 205 второй строки второго кадра немного отстают от времени 201 первой строки первого кадра и времени 204 первой строки второго кадра соответственно. Строки соответствуют первой, второй и последней строке в массиве пикселей. Задержка времени 203 последней строки первого кадра относительно времени 201 первой строки первого кадра показана как некоторое отставание после времени 202 второй строки первого кадра.
[0031] При прямом доступе к строке можно, чтобы задержка времени 203 последней строки первого кадра относительно начала кадра составляла почти целый кадр. Время кадра показано как интервал 206 кадра. Такая задержка привела бы к тому, что время последней строки первого кадра по существу наложилось бы на время 204 первой строки второго кадра. В зависимости от скорости передачи кадров такие критические задержки могут оказаться нежелательны.
[0032] При постоянном освещении и 10-разрядных данных полутонов разница во времени освещения частей MSB и LSB составляет от 512 до 1. Это подразумевает, что имеется очень мало времени для представления возрастания импульса LSB перед представлением данных возрастания следующего битового импульса. В общем случае это подразумевает, что все еще необходимы очень высокие скорости передачи данных или большая ширина полосы. Это требование можно несколько снизить способами, подробно изложенными ниже.
[0033] Для систем с постоянным освещением, не относящимся к системам с последовательной передачей цветов, данные могут быть поданы на электроды ряда пикселей последовательным способом, например сканированием от верхней строки к нижней, как показано на фиг.2. Следует отметить, что адресация с прямым доступом к строке может быть полезной для снижения скорости передачи данных массива в массив пикселей дисплея.
[0034] Альтернативно, если схема пикселя содержит два узла хранения данных, то данные пикселя могут быть представлены для всех электродов массива пикселей одновременно, что называют глобальным обновлением. Это в общем случае необходимо для работы с последовательной передачей цветов, освещением с переменной амплитудой или импульсным освещением. Импульсное освещение или освещение с переменной амплитудой может также способствовать ослаблению требований к ширине полосы данных для массива.
[0035] Хотя обычно освещение постоянно, при импульсном освещении с весом при очень быстрой реакции жидкого кристалла можно реализовать дополнительный контроллер дисплея и упростить коммутационную плату. На фиг.3 временная диаграмма 300 иллюстрирует способ управления жидким кристаллом двумя импульсами с 10 разрядами с использованием импульсного освещения. Интервал 301 кадра дисплея состоит из первого интервала 302 ширины импульса, второго интервала 303 ширины импульса, первого интервала 304 отсутствия импульсов и второго интервала 305 отсутствия импульсов. Каждый из первого интервала 302 ширины импульса и второго интервала 303 ширины импульса состоит из 5 битов данных, которые декодируются в 10 битов данных с 10 временными позициями одинаковой длительности. Биты данных LSB (1) и LSB+1 (2) декодируют в интервалы 306, 307 и 308 данных относительно начала интервала 308 данных, первого центра ширины импульса. Биты LSB+2 (4), LSB+3 (8) и LSB+4 (16) декодируют в интервалы 309, 310, 311, 312, 313, 314 и 315 данных относительно конца интервала 309 данных, первого центра ширины импульса. Биты MSB-4 (32) и MSB-3 (64) декодируют в интервал 316, 317 и 318 данных относительно начала интервала 318 данных, второго центра ширины импульса. Биты MSB-2 (128), MSB-1 (256) и MSB (512) декодируют в интервалы 319, 320, 321, 322, 323, 324 и 325 данных относительно конца интервала 319 данных, второго центра ширины импульса. Равная длина интервалов данных снижает скорость передачи данных дисплея.
[0036] Распределение 330 временных интервалов импульсов освещения включает четыре группы 331, 332, 333 и 334 импульсов, каждая из которых имеет различную ширину. Уровни 331, 332, 333 и 334 освещения соответствуют относительной ширине импульса 128, 32, 4 и 1 соответственно. Уровень 331 освещения по времени соответствует декодированным интервалам 319, 320, 321, 322, 323, 324 и 325 данных для битов MSB (512), MSB-1 (256) и MSB-2 (128). Уровень 332 освещения соответствует декодированным интервалам 316, 317 и 318 данных для битов MSB-3 (64) и MSB-4 (32). Уровень 332 освещения доходит до второго интервала 305 отсутствия импульсов. Уровень 333 освещения соответствует декодированным интервалам 309, 310, 311, 312, 313, 314 и 315 данных для битов LSB+2 (4), LSB+3 (8) и LSB+4 (16). Уровень 334 освещения соответствует декодированным интервалам 306, 307 и 308 данных для битов LSB (1) и LSB+1 (2). Уровень 334 освещения доходит до первого интервала 304 отсутствия импульсов для следующего интервала кадра, который не показан.
[0037] Временная диаграмма 300 позволяет значительно уменьшить ширину полосы данных между контроллером дисплея и дисплеем, более равномерно распределяя биты данных в течение интервала кадра благодаря использованию весов освещения в противоположность использованию весов времени во временной диаграмме 100 или 200. Каждый бит данных представлен интервалом приблизительно в 1/22 интервала кадра, что намного больше, чем экспозиция бита LSB во временной диаграмме 100, которая составляет 1/1024 интервала кадра.
[0038] Во временной диаграмме 300 уменьшение ширины полосы достигнуто за счет требования более быстрого отклика жидкого кристалла, чем требуется для диаграмм 100 и 200. Для временной диаграммы 300 время отклика должно быть меньше чем 1/22 интервала кадра. Во временных диаграммах 100 и 200 часть интервала кадра, отведенная на время отклика жидкого кристалла, является результатом компромисса с шириной полосы контроллера дисплея; время отклика жидкого кристалла должно быть намного меньше чем 1/2 интервала кадра.
[0039] Во временной диаграмме 300 декодирование данных и временная последовательность засветки не обязательно должны происходить в показанном порядке. Для выбранных двух 5-разрядных декодированных импульсов возможно много различных времен декодирования данных и освещения, а также множество различных способов назначения весов.
[0040] Хотя временные диаграммы 300 демонстрируют фиксированные или равные продолжительности интервалов 306-325 данных, интервалы для самого младшего бита могут быть уменьшены за счет времени, не необходимого для освещения, что оставляет больше времени для интервалов данных для самого старшего бита. Кроме того, допустимая погрешность освещения с весом составляет приблизительно 1/2 от обратного веса бита. Таким образом, меньшее время реакции жидкого кристалла можно использовать для более низких битов, и большее время реакции жидкого кристалла можно использовать для битов более высокого порядка. Это техническое решение позволяет учесть замедленную реакцию жидкого кристалла.
[0041] Диапазон яркостей импульсного освещения в интервале 330 составляет 128 к 1. При использовании оптически адресуемого пространственного модулятора света (OASLM), у которого интервал интегрирования начинается в начале первого импульса в интервале 330 освещения, диапазон яркости импульсного освещения можно снизить от 128:1 до приблизительно 25:1. Способность модулятора OASLM к интегрированию добавляет вес к данным, представленным в интервале кадра считывающего оптического затвора в более раннее время, уменьшая, таким образом, необходимый диапазон яркостей импульсного освещения. Благодаря влиянию интегрирования в OASLM каждый из 20 импульсов освещения имеет различную ширину импульса или амплитуду.
[0042] Последовательность 330 освещения демонстрирует, что импульсы освещения имеют меньшую продолжительность для младших битов и большую для старших битов. Вместо назначения весов длительности импульса можно менять амплитуду освещения. На фиг.4 показана временная диаграмма 400, иллюстрирующая способ управления жидким кристаллом с помощью двух импульсов с 10 разрядами с использованием переменной амплитуды освещения. Интервал 401 кадра дисплея состоит из первого интервала 402 ширины импульса, второго интервала 403 ширины импульса, первого интервала 404 отсутствия импульсов и второго интервала 405 отсутствия импульсов. Каждый из первого интервала 402 ширины импульса и второго интервала 403 ширины импульса состоит из 5 битов данных, которые декодированы в 10 битов данных и 10 временных позиций одинаковой длительности. Биты LSB (1) и LSB+1 (2) декодируют в интервалы 406, 407 и 408 данных относительно начала интервала 408 данных, первого центра ширины импульса. Биты LSB+2 (4), LSB+3 (8) и LSB+4 (16) декодируют в интервалы 409, 410, 411, 412, 413, 414 и 415 данных относительно конца интервала 409 данных, первого центра ширины импульса. Биты MSB-4 (32) и MSB-3 (64) декодируют в интервалы 416, 417 и 418 данных относительно начала интервала 418 данных, второго центра ширины импульса. Биты MSB-2 (128), MSB-1 (256) и MSB (512) декодируют в интервалы 419, 420, 421, 422, 423, 424 и 425 данных относительно конца интервала 419 данных, второго центра ширины импульса. Равная длина интервалов данных уменьшает полосу данных дисплея.
[0043] Временная диаграмма 430 импульсов освещения включает четыре различных уровня 431, 432, 433 и 434 амплитуды освещения. Уровни 431, 432, 433 и 434 освещения имеют относительные амплитуды 128, 32, 4 и 1 соответственно. Уровень 431 освещения по времени соответствует декодированным интервалам времени данных 419, 420, 421, 422, 423, 424 и 425 для битов MSB (512), MSB-1 (256) и MSB-2 (128). Уровень 432 освещения соответствует декодированным интервалам 416, 417 и 418 данных для битов MSB-3 (64) и MSB-4 (32). Уровень 432 освещения доходит до второго интервала 405 отсутствия импульсов. Уровень 433 освещения соответствует декодированным интервалам 409, 410, 411, 412, 413, 414 и 415 данных для битов LSB+2 (4), LSB+3 (8) и LSB+4 (16). Уровень 434 освещения соответствует декодированным интервалам 406, 407 и 408 данных для битов LSB (1) и LSB+1 (2). Уровень 434 освещения доходит до первого интервала отсутствия импульсов для следующего интервала кадра, который не показан.
[0044] Одним очевидным преимуществом использования освещения переменной амплитуды является то, что время реакции жидкого кристалла не должно быть таким малым, как при использовании импульсного освещения. Однако реакция жидкого кристалла, возможно, должна быть более быстрой, чем для случая постоянного освещения. С другой стороны, для этого способа управления скорость передачи данных массива оказывается самой низкой из всех возможных.
[0045] Если конструкция драйверов дисплея допускает одновременное выключение пикселей в массиве посредством дополнительного внешнего сигнала, то данные, необходимые для выключения жидкого кристалла между двух модулированных по ширине импульсов, могут быть отброшены в процессе декодирования. Эта особенность позволяет дополнительно уменьшить объем памяти и среднюю скорость передачи данных в массив на 10%.
[0046] Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть применены к другим устройствам отображения, в которых время включения и выключения различно, например к органическим светоизлучающим диодам (OLED, organic light emitting diode) или, возможно, даже к микрозеркальным матрицам (DMD, digital micromirror device). Помимо дисплеев, уменьшение скорости передачи данных и упрощение системы памяти могут также быть важными для принтерных систем. Широтно-импульсная модуляция с множеством импульсов (MPWM) может быть полезна также и в других приложениях.
12
20
[0047] Как отмечено выше, подход, подробно описанный здесь, особенно предпочтителен для использования при адресации оптически адресуемого пространственного модулятора света (OASLM). На фиг.5 показана схема существующего в настоящее время отражательного модулятора OASLM 10, раскрытого во включенном в настоящее описание путем ссылки документе "Оптически адресуемый полутоновый пространственный модулятор света с накоплением электрического заряда", заявка на патент США №60/803747. Модулятор OASLM 10 содержит слой 12 электрооптического материала (например, жидкого кристалла) и фоточувствительный слой 14, обычно выполненный из полупроводникового материала. В этом примере полупроводниковые материалы выбраны из различных материалов, поглощающих свет в видимой области длин волн (400 нм-700 нм), таких как, например, аморфный кремний, аморфный карбид кремния, монокристаллический BiSiO, кремний, GaAs, ZnS и CdS. Жидкокристаллический слой 12 и фоточувствительный слой 14 расположены между оптически прозрачными электродами 16 и 18, удерживаемыми на соответствующих подложках 20 и 22. Видимый выходящий свет (считывающий свет) отражается от диэлектрического зеркала 24. В режиме пропускания как записывающий свет, так и считывающий свет проходят через подложку 20, а диэлектрическое зеркало 24 отсутствует, поэтому фоточувствительный слой 14 должен поглотить записывающий свет и пропустить считывающий свет.
[0048] Данные пикселя, модулированные в кадры и интервалы ширины импульса, как описано выше, могут использоваться в качестве записывающего света, посредством которого полутоновое модулированное изображение записывается в модулятор OASLM 10, а затем считывается считывающим светом.
[0049] Более конкретный вариант выполнения, в котором кадры и интервалы ширины импульса используются в полной системе, раскрытой в документе 60/803747, показан на фиг.6. Этот чертеж представляет упрощенную блок-схему системы OASLM 600, в которой цифровую модуляцию выполняют так, чтобы свет на выходе характеризовался по существу монотонной полутоновой характеристикой. Система 600 модулятора OASLM определяет оптический тракт 602 записи и оптический тракт 604 считывания. Оптический тракт 602 записи состоит из участка, вдоль которого распространяется луч, задающий изображение. Ультрафиолетовый светодиод 605 представляет собой импульсный источник ультрафиолетового записывающего света. Импульсный ультрафиолетовый свет, выходящий из ультрафиолетового светодиода 605, проходит через туннельный интегратор 606, группу 608 объективов переноса и поляризационный светоделитель 610, обеспечивая однородное прямоугольное освещение, которое соответствует формату изображения в микродисплейном устройстве 612 LCoS ("жидкий кристалл на кремнии"). Часть света с p-поляризацией проходит через поляризационный расщепитель луча 610. Часть света с s-поляризацией отражается поляризационным расщепителем луча 610 в устройство 612 LCoS. Сигналы управления светом подаются в ультрафиолетовый светодиод 605 с помощью контроллера 614.
[0050] Устройство 612 в ответ на данные изображения, поступающие в него из контроллера 614, выдает изображение в виде ультрафиолетового записывающего света для выбранного цветового компонента из основных цветов (RGB, красный-зеленый-синий). Модулированный свет, отраженный назад из устройства 612 LCoS, поступает обратно в поляризационный расщепитель луча. Часть отраженного модулированного света с p-поляризацией проходит через поляризационный расщепитель луча, преобразуется линзой 640 формирования изображения и отражается от наклонного дихроического зеркала 642, падая на модулятор 644 OASLM. Модулятор 644 OASLM предпочтительно соответствует модулятору, показанному на фиг.5, или аналогичен ему, а также показан на фиг.1-3, 4А и 4В в заявке PCT/US 2005/018305. Модулированный свет, падающий на фоторецепторный слой модулятора 644 OASLM, приводит к созданию напряжения на жидкокристаллическом слое. Это напряжение вызывает ориентацию поля директоров, которая соответствует интегрированной интенсивности соответствующего падающего ультрафиолетового записывающего света. Контроллер 614 подает сигнал напряжения в модулятор 644, обеспечивая создание на жидком кристалле напряжения, должным образом синхронизированного с падением ультрафиолетового записывающего света.
[0051] Оптический тракт 604 считывания содержит дуговую лампу 646, которая испускает хаотически поляризованный белый свет. Белый свет проходит через поляризационный преобразователь 648, выполненный как интегральная часть узла из массива фасеточных линз [линз типа "мушиный глаз"] 650 и 652, а затем - через фокусирующую линзу 654 и линейный поляризатор 656, в результате чего образуется линейно поляризованный свет в виде однородного прямоугольного освещения, которое соответствует формату изображения на считывающем оптическом затворе 644 OASLM. Наклонное дихроическое зеркало 642 отделяет от белого света выбранный компонент основного цвета и направляет его через полевые линзы (не показаны) в модулятор OASLM 644 считывающего оптического затвора. В зависимости от изображения, определяемого ультрафиолетовым записывающим световым лучом, цветовой компонент или проходит через анализатор 658, или поглощается в этом анализаторе, расположенном вблизи модулятора 644 OASLM считывающего оптического затвора, что обеспечивает модуляцию интенсивности соответствующего контента цветового изображения. Модулированный световой луч, проходящий через модулятор 644 OASLM считывающего оптического затвора, направляется через проекционную линзу 660 для формирования цветного изображения для проецирования на экран дисплея (не показан).
[0052] Контроллер 614 координирует цифровую модуляцию устройства 612 LCoS в соответствии с данными плоскости изображения, временем испускания импульсного света из ультрафиолетовых диодов 605 и аналоговым управлением модуляцией считывающего модулятора OASLM 644 считывающего оптического затвора, обеспечивая создание видимого аналогового модулированного выходного света, имеющего по существу монотонную полутоновую характеристику. Выражение "по существу монотонный" используется для обозначения того, что имеется монотонная или почти монотонная характеристика уровней серого. В способах цифрового управления 8-разрядные пиксельные данные используются в просмотровой таблице для создания 10 битов данных. Дополнительные 2 бита данных используются для учета различных нелинейностей, например нелинейных электрооптических свойств жидкого кристалла. Например, может быть визуально приемлемо, если 10-разрядная функция передачи данных будет монотонной для 8 самых старших битов. Однако эти 10 битов данных пикселя используются, они отображаются и модулируются в кадре, как подробно описано выше.
[0053] В модуляторе OASLM напряжение на узле фоторецептора/жидкого кристалла в конце каждого кадра меняет полярность. Когда происходит инверсия полярности напряжения, интегрированный заряд, созданный в жидком кристалле, нейтрализуется, устраняя, таким образом, предыдущее фотоиндуцированное напряжение на жидкокристаллическом слое. Таким образом, в начале каждого кадра интегрирование напряжения на жидком кристалле вновь начинается с нуля. Поэтому электрические напряжения, обусловленные интегрированием заряда под влиянием фоторецептора, существуют в слое жидкого кристалла только с момента своего создания до конца кадра. Напряжения, созданные в кадре раньше, имеют больший эффективный вес, чем созданные вблизи конца кадра.
[0054] Теперь рассмотрим способ управления шириной импульса/амплитудой, раскрытый выше, совместно с интегрированием в жидком кристалле OASLM. Структура кадра, в котором происходит модуляция битов, не меняет вес битов при непрерывном интегрировании в жидком кристалле OASLM. Важным преимуществом такой структуры кадра является обеспечение более точной реакции записывающего оптического затвора при заданных значениях времени роста и спада в электрооптическом слое LCoS/записывающего оптического затвора. Использование структуры кадра управления шириной импульса/амплитудой вместе с установкой веса битов посредством времени кадра не является обязательным, но этот вариант является одним из особенно синергетических вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0055] В целом подход к созданию структуры кадра иллюстрируется на фиг.7, которая относится к каждой области пикселя и к каждому из множества последовательных кадров видеодисплея или другого дисплея с цифровым обновлением данных. При первой операции 702 в кадр вводят первый интервал отсутствия импульсов, как показано, например, на фиг.1. Некоторые из битов данных пикселя в наборе декодируют для определения фактических времен начала и конца импульса для первого интервала ширины импульса (5 выбранных битов для вышеописанного примера, в котором 5 битов модулируют в каждый из двух интервалов ширины импульса в кадре), и эти декодированные биты при выполнении операции 704 модулируют в первый интервал ширины импульса того же самого кадра, при этом первый интервал ширины импульса расположен рядом с первым интервалом отсутствия импульсов. Затем, операция 706, вводят второй интервал отсутствия импульсов, расположенный рядом с первым интервалом ширины импульса, и при выполнении операции 708 другие биты данных пикселя из набора модулируют во второй интервал, аналогично тому, как имело место при операции 704. Второй интервал ширины импульса заканчивается концом кадра. Очевидно, что интервалы, в которые модулированы данные, могут быть перемещены в кадре так, чтобы кадр начинался с интервала данных и заканчивался интервалом отсутствия импульсов. Кроме того, можно ввести более двух таких интервалов (интервалов данных и интервалов отсутствия импульсов); два интервала были рассмотрены для наглядности изложения, а не как ограничение.
[0056] Отметим, что интервалы отсутствия импульсов в операциях 702 и 704 нет необходимости вводить путем обнуления напряжения, приложенного к области пикселя электрооптического (жидкокристаллического) слоя LCoS. Вместо этого возможно уменьшение напряжения на время интервалов отсутствия импульсов до такого ненулевого значения, которое лишь ниже порога включения напряжения для данного электрооптического уровня. Это позволяет жидкокристаллическому слою реагировать с большей скоростью по сравнению со случаем фактического обнуления напряжения, а также обеспечивает размах напряжения, достаточный для нормальной работы электронных средств управления жидким кристаллом.
[0057] Затем модулируют полный набор данных пикселя для этой области пикселя в LCoS по обоим интервалам ширины импульса кадра и после синхронного освещения электрооптического слоя LCoS аналогично модулированным источником света записывающий свет выводят (операция 710) в область пикселя фоточувствительного слоя считывающего оптического затвора, например жидкого кристалла модулятора OASLM. Отметим, что записывающий свет подают, когда биты модулируют и жидкий кристалл LCoS освещают источником света, поэтому операция 710 непрерывно продолжается во время осуществления операций 704 и 708, а не выполняется после того, как эти две последние операции завершились. Затем считывающий оптический затвор производит считывание (операция 712, также непрерывно в течение кадра), и пиксель экрана дисплея, который соответствует этой области пикселя считывающего оптического затвора, демонстрирует такую полутоновую реакцию, которая была первоначально модулирована в записывающем оптическом затворе битами пикселя. Считывающий оптический затвор модулятора OASLM или сам микродисплей меняет полярность на обратную (мгновенно выключается) между кадрами, как отмечено выше, но это в общем случае не происходит в пределах типичного времени срабатывания жидкого кристалла модулятора OASLM, который отображает по существу усредненный уровень света. В течение интервала отсутствия импульсов в пределах кадра на экране дисплея поддерживается напряжение и, таким образом, значение модуляции, достигнутое в течение первого интервала ширины импульса. Таким образом, в течение одного кадра экран дисплея освещен уровнями с переменной яркостью, но переходы от одного кадра к последующему наблюдателю не заметны.
[0058] Как подробно описано выше, биты для каждого интервала кадра могут дополнительно разделяться на группы битов, в которых каждый бит группы битов модулируют одной и той же шириной импульса или уровнем освещения, как каждый другой бит в этой же группе битов. Это показано штриховыми стрелками в операциях 714 и 716 и представляет собой подход, посредством которого в этом примере десять битов модулируются только в четыре ширины импульса (фиг.3) или уровня освещения (фиг.4). Кроме того, как подробно описано при обсуждении этих иллюстраций, может использоваться разное количество битов (например, 2 и 3) в различных группах битов для одного интервала кадра, но одинаковое количество битов (например, 5) может быть модулировано в два различных интервала кадра. Как отмечено при описании фиг.1, как самый старший бит, так и самый младший бит для всего кадра могут находиться в пределах одной и той же подгруппы/группы битов одного интервала ширины импульса кадра. Альтернативно, на фиг.3-4 все биты в первом интервале могут быть более старшими, чем любой бит из второго интервала. Каждый из битов может быть модулирован в интервал времени кадра, который является константой для всех битов, хотя модуляцию PWM можно использовать так, чтобы на некоторые модулированные биты приходилось больше времени, чем на другие младшие биты.
[0059] Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы с помощью компьютерного программного обеспечения, выполняемого процессором, например показанным контроллером 614, аппаратных средств или с помощью комбинации программного обеспечения и аппаратных средств. Кроме того, в этом отношении следует заметить, что различные шаги логической последовательности операций на фиг.7 могут представлять собой шаги программы, соединенные между собой логические схемы, блоки и функции или комбинацию команд, логических схем, блоков и функций, позволяющих выполнить указанные задачи.
[0060] Понятно, что изобретение подразумевает возможные изменения предложенной концепции, включая различные способы анализа кадра согласно обобщенным концепциям, раскрытым в данном описании, и различные способы назначения битов различным частям кадра. Раскрыто несколько модификаций, но их не следует понимать как ограничивающие изобретение, а только как разъяснение концепции изобретения, предназначенное для специалистов в данной области техники. Различное количество битов полутонов, которые модулируются в кадре, различные разбиения интервалов ширины импульса в пределах кадра, различные интервалы отсутствия импульсов в пределах одного и того же кадра, различные уровни/подгруппы весов в пределах интервала ширины импульса и другие изменения не рассмотрены подробно на специальных примерах, но очевидны в рамках рассмотренной идеи. Хотя изобретение описано на примере конкретных вариантов его выполнения, специалистам в данной области техники понятно, что в них можно сделать множество изменений и различных модификаций. Определенные изменения или модификации могут быть сделаны без выхода за рамки изобретения, которые изложены выше, или за рамки формулы изобретения.