ОПТИЧЕСКИ АДРЕСУЕМЫЙ ПОЛУТОНОВЫЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА С НАКОПЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА
OPTICALLY ADDRESSED GREY SCALE ELECTRIC CHARGE-ACCUMULATING SPATIAL LIGHT MODULATOR

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к пространственным модуляторам света и, в частности, к способу модуляции света посредством оптически адресуемого пространственного модулятора света с накоплением фотогенерированного электрического заряда, обеспечивающего по существу монотонную полутоновую характеристику.
Уровень техники
[0002] Пространственная модуляция световых лучей связана с изменением свойств светового луча, таких как, например, интенсивность или поляризации световой волны. Известным примером пространственного модулятора света [SLM, spatial light modulator] является жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (AMLCD, active matrix liquid crystal display), работающий в системе проецирования изображений, который преобразует данные изображения из электронной среды в видимое изображение на дисплее. В электронном дисплее AMLCD электрическая схема, которая интегрирована в дисплей, в каждом кадре производит наложение на слой жидкокристаллического материала двумерного массива напряжений, которые индуцируют двумерный массив модификаций оптических свойств жидкокристаллического материала и таким образом пространственно модулируют свет, проходящий насквозь или отражающийся от жидкого кристалла. Управление полутонами в таких дисплеях обеспечивается модуляцией напряжений на отдельных пикселях обычно путём аналоговой модуляции или двоичной цифровой модуляции.
[0003] В первых жидкокристаллических микродисплеях обычно использовались способы аналоговой модуляции, но они плохо подходят для дисплеев с большим объёмом информации. Это связано с тем, что малый размер пикселя и сопутствующая этому трудность хранения точных аналоговых напряжений часто приводят к недостаточной эффективности устройства и неоднородности отображения пикселей. Поэтому в индустрии изготовления микродисплеев все больше используются способы цифровой модуляции.
[0004] 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 подают в жидкокристаллический микродисплей импульс напряжения, который имеет фиксированную амплитуду и переменную во времени ширину (то есть продолжительность). Переменная ширина типично составляет от нуля до продолжительности всего кадра, что соответствует уровням серого от нуля до максимального. В идеале модуляция DFM характеризуется такой же результирующей интегрированной продолжительностью импульсов, что и модуляция PWM, но в ней для достижения того же эффекта используется один или несколько импульсов фиксированной масштабированной продолжительности. Например, импульсы, соответствующие битам от самого старшего до самого младшего, каждый с двоичным весом, могут быть последовательно поданы один за другим с начала периода кадра до конца периода кадра. Для шестиразрядных данных со значением 101010 будут поданы три отдельных импульса различной продолжительности. Как известно специалистам в данной области техники, жидкокристаллические устройства реагируют на среднеквадратичное [RMS, root-mean square] значение поданного напряжения, усредненное за время отклика жидкого кристалла. Схемы PWM могут давать превосходные полутоновые результаты и по существу монотонную модуляционную характеристику, поскольку во всех случаях большие значения яркости непосредственно соответствуют более высоким значениям продолжительности одиночного импульса, что, в свою очередь, всегда дает более высокие среднеквадратичные значения поданного напряжения. Кроме того, схемы PWM минимизируют эффекты, связанные с длительностью переднего и заднего фронтов в жидком кристалле. Однако они очень сложны для реализации в реальных дисплеях из-за временного положения самого младшего бита в периоде кадра. Например, при 10-разрядных данных младший бит может быть помещен в 512 различных временных позициях в пределах периода кадра. Дисплейная система должна быть в состоянии обработать это временное разрешение. 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.
[0005] Наиболее широко используемой формой цифровой модуляции в жидкокристаллических микродисплеях являются схемы DFM. При модуляции DFM, как и при модуляции PWM, на микродисплей подаются импульсы напряжения фиксированной амплитуды. Однако при модуляции DFM имеется один импульс напряжения для каждой "единицы" в пакете данных, в зависимости от конкретного отображаемого уровня серого. При модуляции DFM полные суммарные продолжительности импульсов, разделенные на полное время кадра, определяют коэффициент заполнения для напряжения и, таким образом, его эквивалентное среднеквадратичное значение. Проблема этой схемы для случая оптически адресуемого жидкокристаллического пространственного модулятора света заключается в том, что она не учитывает конечное время роста и спада напряжения для жидкокристаллического материала (в частности, тот факт, что они часто отличаются друг от друга). Не учитывается также различие времени, в которое световые импульсы для различных битов в пределах битовых плоскостей для каждого кадра, идущие из записывающего оптического затвора, достигают устройства фотогенерации считывающего оптического затвора (так что они воздействуют на устройство считывания в различные периоды времени). Так, относительное положение двоичных импульсов с весом в записывающем оптическом затворе может привести к немонотонной оптической реакции считывающего оптического затвора. (Оптическая реакция для 100 может оказаться меньше чем для 011.) Иначе говоря, фактическая оптическая реакция может отличаться от теоретического коэффициента заполнения, вычисленного только по импульсам напряжения. Эта погрешность зависит от количества передних и задних фронтов и, таким образом, количества импульсов, и эта погрешность резко меняется как функция от желаемого уровня шкалы яркости. Результатом является то, что схемы DFM в общем случае дают немонотонные результаты для некоторого количества полутонов. Это является серьезной проблемой для рынка. Было разработано множество схем в попытке исправить такую немонотонность, но ни одна из них не дала полностью удовлетворительных результатов, при этом большинство из них требует существенного увеличения стоимости, сложности или уменьшения скорости передачи данных.
12
20
[0006] Оптически адресуемый пространственный модулятор света (OASLM) может работать либо в режиме пропускания, либо в режиме отражения. На фиг.1 показана схема известного в настоящее время отражательного модулятора OASLM 10, который 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 (400-700 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 выходной свет (считывающий свет) отражается от диэлектрического зеркала 24. В режиме пропускания как записывающий свет, так и считывающий свет проходят через подложку 20, а диэлектрического зеркала 24 нет, поэтому фоточувствительный слой 14 должен поглотить записывающий свет и пропустить считывающий свет.
[0007] Для проекционных схем адресация модуляторов OASLM происходит с использованием оптического сигнала или изображения. На фиг.2 показана схема известной в настоящее время проекционной системы 30, в которой входные изображения формируются, например, в виде люминесцентного рисунка на экране электронно-лучевой трубки 32, а затем переносятся на фоточувствительный слой модулятора OASLM 10 с помощью оптических компонентов, которые включают оптоволоконные пластины, оптические линзы или и то, и другое. Более конкретно, электронно-лучевая трубка 32 работает как источник входного изображения, создавая входное изображение, которое передаётся через линзу 34 на фоточувствительный слой модулятора OASLM 10. Фоточувствительный процесс, происходящий в модуляторе OASLM 10, приводит к пространственным изменениям характеристик отражения света (или пропускания света в режиме передачи) в слое электрооптического материала (например, жидком кристалле) модулятора OASLM 10. Компонент считывающего света с S-поляризацией, испускаемый дуговой лампой 38, проходит через конденсор 40 и отражается поляризационным расщепителем 36 луча, падая на модулятор OASLM 10, где подвергается пространственной модуляции в режиме реального времени, отражается назад через поляризационный расщепитель 36 луча и, наконец, проецируется на экран проекционной линзой 42. (Компонент с S-поляризацией считывающего света проходит через конденсор 40, проходит прямо через поляризационный расщепитель 36 луча и теряется.) В этом случае оптический сигнал, идущий из электронно-лучевой трубки 32 в модулятор OASLM 10, имеет по существу аналоговый характер. Когда происходит адресация области пикселя электронно-лучевой трубки, ток луча электронно-лучевой трубки регулируют для управления яркостью пикселя. Люминофор пикселя возбуждается электронным лучом с интенсивностью, соответствующей току луча электронно-лучевой трубки, и испускает свет. Инерция люминофора в каждом пикселе после времени возбуждения определяет продолжительность свечения пикселя. Соответственно, изображение, созданное электронно-лучевой трубкой, или записывающий свет, падает на модулятор OASLM 10 так, чтобы изменилось выходное состояние модулятора OASLM 10 в виде изменения отражения (или пропускания) света. Из-за природы растровой развертки, с помощью которой формируется изображение электронно-лучевой трубки, сигнал напряжения, который подаётся на прозрачные электроды 16 и 18, меняет полярность много тысяч раз в секунду.
[0008] Формированию изображения посредством электронно-лучевой трубки присуще много недостатков, включая высокую степень нелинейности амплитуды и геометрии, большие занимаемый объём и площадь и работу при высоком напряжении.
Сущность изобретения
[0009] Согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения предложен способ оптической записи в считывающий оптический затвор. В этом способе в течение кадра выполняют следующие операции. Выбранное напряжение записи ячейки подают в область пикселя записывающего оптического затвора; после того, как область пикселя переходит в оптически стационарное состояние, эту область пикселя освещают модулированным импульсом из источника света, чтобы из области пикселя был испущен записывающий световой импульс; и записывающий световой импульс направляют в ограниченную область электрооптического слоя считывающего оптического затвора. В течение одного и того же кадра вышеуказанные операции подачи, освещения и направления последовательно повторяют для множества выбранных напряжений записи ячейки и модулированных импульсов источника света.
[0010] Согласно другому примеру осуществления настоящего изобретения предложен записывающий оптический затвор, который содержит электрооптический слой, коммутационную плату, определяющую области пикселей на электрооптическом слое, источник света, установленный в оптической связи с электрооптическим слоем, и контроллер, соединенный с памятью. Контроллер способен в течение кадра последовательно и с перерывами подавать множество выбранных напряжений записи ячейки в область пикселя записывающего оптического затвора, а после того как область пикселя переходит в оптически стационарное состояние для каждого из поданных напряжений записи ячейки, модулировать источник света в соответствии с временем, в которое подают выбранные напряжения записи ячейки.
[0011] Согласно ещё одному примеру осуществления настоящего изобретения предложена компьютерная программа, реализованная в виде устройства памяти. Компьютерная программа содержит считываемые компьютером команды, предназначенные для выполнения операций, которые направлены на испускание оптического записывающего луча, и эти операции в пределах кадра включают: подачу выбранного напряжения записи ячейки в область пикселя записывающего оптического затвора после того, как область пикселя переходит в оптически стационарное состояние, освещение области пикселя импульсом из модулируемого источника света так, чтобы из области пикселя был испущен записывающий световой импульс; направление записывающего светового импульса в ограниченную область электрооптического слоя считывающего оптического затвора; и последовательное повторение подачи, освещения и направления для множества выбранных напряжений записи ячейки и импульсов модулируемого источника света.
[0012] Эти и другие аспекты настоящего изобретения подробно описаны ниже.
Краткое описание чертежей
[0013] На фиг.1 схематично показан известный оптически адресуемый пространственный модулятор света, который содержит электрооптический слой и фоточувствительный полупроводниковый слой.
[0014] На фиг.2 схематично показана известная проекционная система, состоящая из электронно-лучевой трубки, оптически связанной с оптически адресуемым пространственным модулятором света.
[0015] На фиг.3 показан ряд временных диаграмм, демонстрирующих модуляционные характеристики пространственного модулятора света, работающего в режиме накопления заряда и адресуемого посредством оптических импульсов различной амплитуды и различной ширины, каждый из которых освещает различные места пространственного модулятора света со считывающим оптическим затвором.
[0016] Фиг.4 аналогична фиг.3, но здесь два адресующих импульса интегрируются в одном и том же месте пространственного модулятора света.
[0017] На фиг.5 показана упрощенная блок-схема системы оптически адресуемого пространственного модулятора света, в которой цифровая модуляция выполняется так, чтобы выходящий свет характеризовался по существу монотонной полутоновой характеристикой.
[0018] На фиг.6 показан ряд диаграмм, демонстрирующий результаты локального интегрирования напряжения в жидком кристалле в ответ на световые импульсы записи с шаблонами (10000), (00001) и (10001), идущие из устройства типа "жидкий кристалл на кремнии" (LCoS, Liquid Crystal On Silicon).
[0019] На фиг.7 показан пример, в котором биты данных выводятся равномерно за время кадра для снижения требований к ширине полосы для микродисплейного устройства LCoS.
[0020] На фиг.8 показан ряд временных диаграмм, иллюстрирующих полутоновую модуляцию микродисплея LCoS, освещаемого пространственно разделёнными световыми импульсами с различной шириной импульса.
[0021] На фиг.9 показана логическая схема цифровой пиксельной схемы коммутационной платы, состоящая из защёлки для записи данных и защёлки для считывания данных.
[0022] На фиг.10 показан график, иллюстрирующий локальные напряжения фоторецептора, создаваемые длительностями импульса освещения с двоичным весом в устройстве LCoS для случая, когда пакет полутоновых данных представляет собой последовательность (1111111111).
[0023] На фиг.11 показана итоговая временная диаграмма, иллюстрирующая формы волны модуляции для одного пикселя устройства LCoS и соответствующее положение пикселя в пространственном модуляторе света.
[0024] На фиг.12 показан график измеренной функции передачи полутонов или электрооптическая кривая (ЕО), иллюстрирующая немонотонные скачки между старшим битом и битом "старший бит - 1".
[0025] На фиг.13 показана кривая ЕО, модифицированная по сравнению с кривой на фиг.12 так, чтобы подогнать данные к желательной форме характеристики.
[0026] На фиг.14 показана последовательность операций способа согласно приведённому для примера варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
[0027] В вариантах осуществления настоящего изобретения используется цифровая модуляция электрооптических элементов в пространственном модуляторе света записывающего оптического затвора с частотой, соответствующей произведению частоты кадров OASLM считывающего оптического затвора, количества битов полутонов для каждого изображения OASLM считывающего оптического затвора и количества модуляторов; OASLM считывающего оптического затвора, к которым адресуется пространственный модулятор света записывающего оптического затвора. Кроме того, сигнал прямоугольного напряжения чередующейся полярности подают на слой фоторецептора и многослойную жидкокристаллическую структуру модулятора OASLM считывающего оптического затвора с частотой - приблизительно 100 раз в секунду - выходного сигнала считывания. Отношение ёмкости на единичную площадь для фоторецептора и жидкого кристалла определяет пропорцию сигнала напряжения, возникающего на каждом слое считывающего оптического затвора. Начальное напряжение на жидком кристалле для состояния ВЫКЛЮЧЕНО (обычно уровень чёрного в модуляторе OASLM) устанавливают достаточно низким. Каждое изменение полярности сигнала напряжения в считывающем оптическом затворе соответствует новому периоду кадра OASLM. В зависимости от конкретных используемых материалов фоторецептор может работать с использованием наведённого светом распределения заряда или наведённой светом омической проводимости (например, в сульфиде кадмия CdS).
[0028] Варианты осуществления настоящего изобретения представляют собой альтернативный подход по сравнению с известными техническими решениями по созданию пространственной модуляции света с помощью оптически адресуемых пространственных модуляторов света (OASLM) или световых затворов. В модуляторе OASLM локальные изменения оптических свойств жидкокристаллического материала в устройстве вывода, то есть считывающем оптическом затворе, вызваны вводом оптического сигнала из записывающего оптического затвора. Современные источники изображения, такие как массивы светодиодов, массивы жидкокристаллических устройств (включая "жидкий кристалл на кремнии" [LCoS, liquid-crystal-on-silicon]), устройства на поликремнии и другие тонкопленочные транзисторные устройства, не имеют большинства недостатков, отмеченных выше при описании источника записи на основе электроннолучевой трубки (фиг.2). Они работают при низких напряжениях, занимают мало места и демонстрируют высокую геометрическую линейность. Однако они всё ещё имеют характеристики, которые препятствуют их использованию в качестве источника аналогового изображения в конфигурации, аналогичной показанной на фиг.2. Например, массив светодиодов может иметь ограничения по яркости, размеру массива, разрешающей способности или требовать наличия подвижных частей. Жидкий кристалл на кремнии (LCoS), возможно, лучше всего подходит для небольшого цифрового устройства, которое для создания полутоновой характеристики может работать в режиме широтно-импульсной модуляции. Однако отметим, что реализация на базе материала LCoS, подробно описанная ниже, является лишь представленным для примера вариантом осуществления настоящего изобретения, и изобретение не ограничивается только этим вариантом.
[0029] В течение кадра OASLM локализованный падающий свет подходящей длины волны производит на фоточувствительном слое разделение заряда, которое создаёт локальное увеличение напряжения на жидком кристалле. Благодаря влиянию локального разделения заряда в фоторецепторе на напряжение на нём и жидком кристалле двумерный массив записывающего света для каждой полутоновой плоскости данных преобразуется в двумерный массив инкрементов напряжения на жидком кристалле, которое накапливается за каждый период кадра OASLM. Когда полярность сигнала напряжения OASLM меняется, напряжение на жидком кристалле сбрасывается, и начинается новый период интегрирования света. Одним из способов сброса напряжения на жидком кристалле между изменениями полярности является установка сигнала напряжения OASLM в нуль и освещение фоторецептора записывающим световым лучом для разряда как напряжения на фоторецепторе, так и напряжения на жидком кристалле.
[0030] Схема цифровой модуляции, используемая здесь, обеспечивает освещение фоторецептора рядом импульсных световых изображений, идущих из записывающего оптического затвора, причём продолжительности или интенсивности импульсных световых изображений и их положения в периоде кадра комбинируют должным образом, как описано здесь, для создания монотонных напряжений на жидком кристалле. Записывающий свет генерируется светодиодом (LED, light emitted diode), другим источником света с управляемой амплитудой или переключаемым источником света. Если источник записывающего света включают и выключают, то временем записывающих световых импульсов управляют так, что они испускаются только тогда, когда соответствующий записывающий оптический затвор находится в стационарном оптическом состоянии. Если источник записывающего света имеет управляемую амплитуду, но никогда не выключается, то амплитудой записывающего света управляют так, чтобы произвести по существу эквивалентный результат. Оба способа создают последовательность импульсных световых изображений, одно для каждого полутона в каждом кадре. Схема имеет низкую стоимость и эффективна в отношении ширины полосы. Поэтому она хорошо подходит для использования с пространственными модуляторами света.
[0031] Метод полутоновой адресации влечет за собой работу модулятора OASLM в режиме накопления заряда для каждого кадра с использованием последовательности подаваемых импульсов напряжения для битового полутонового изображения, так что сумма продолжительностей для каждого кадра не превышает максимального времени накопления фоторецептора, которое зависит от параметров структуры. Для достижения надлежащей модуляции шкалы яркости с использованием одного записывающего оптического затвора, который должен последовательно производить запись каждой полутоновой битовой плоскости, необходимо разделить эти процессы записи во времени на время, достаточное для того, чтобы жидкий кристалл записывающего оптического затвора смог достичь стационарного состояния (заданное приложенным напряжением записи) до того, как он получит записывающий световой импульс из источника света.
[0032] Эта цель достигается в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения путём назначения равных периодов для каждого бита от самого старшего бита (MSB, most significant bit) до самого младшего бита (least significant bit) для каждого пакета полутоновых данных. Например, в случае 10 полутоновых битов продолжительность каждого кадра полутоновых битов может быть 1 мс для периода кадра 10 мс. Затем входные импульсные световые изображения сдвигают относительно переднего фронта сигнала, подаваемого на модулятор OASLM считывающего оптического затвора, и множество входных импульсных световых изображений сдвигают во времени относительно друг друга. Каждый записывающий световой импульс может быть отрегулирован с разностью в продолжительности в пределах периода 1 мс для полутоновой битовой плоскости, или отрегулирован на различную интенсивность, или отрегулирован как по продолжительности, так и по интенсивности с формированием требуемого эффекта полутонов, как раскрыто в данном документе.
[0033] Система с использованием модуляторов OASLM, предложенная в данном варианте осуществления настоящего изобретения, включает три считывающих оптических затвора, один для каждого из трёх цветов (красный, зелёный и синий) считывающего света. Фоторецептор в каждом считывающем оптическом затворе определяет двумерный массив долей полного напряжения считывающего оптического затвора модулятора OASLM, создаваемого на множестве пикселей в жидкокристаллическом материале считывающего оптического затвора. Этот массив уровней напряжения, возникающих в жидком кристалле, получается в результате временного интегрирования фототока, генерируемого в ответ на каждую полутоновую битовую плоскость освещения, которая, в варианте осуществления настоящего изобретения, задаётся микродисплеем типа "жидкий кристалл на кремнии" (LCoS), освещаемом последовательностью полутоновых импульсов из источника записывающего света (например, ультрафиолетового светодиода или другого источника подходящей длины волны вне ультрафиолетового диапазона).
[0034] Последовательность импульсных световых изображений, управляющих количеством света, падающего на считывающий оптический затвор, достигает желаемого диапазона модуляции (то есть полутоновой, или яркостной, модуляции) для считывающего оптического затвора, когда интенсивность и продолжительность записывающих световых импульсов отрегулированы так, как раскрыто в настоящем описании. В случае системы OASLM импульсные световые изображения или записывающий свет распространяются из микродисплея LCoS (то есть записывающего оптического затвора), который модулирует выходной сигнал ультрафиолетового светодиода или другого источника света соответствующей длины волны.
[0035] Таким образом, задача управления параметрами передачи считывающих оптических затворов OASLM сводится к проблеме модуляции света, выходящего из записывающего оптического затвора. Те же соображения, рассмотренные выше по поводу применимости аналогового, цифрового PWM или цифрового DFM способов модуляции, применимы также к модуляторам OASLM. Однако проблема модуляции выходного сигнала записывающего оптического затвора имеет дополнительные сложности. В частности, источником ультрафиолетового света также нужно управлять, и при разработке схемы модуляции следует учитывать параметры интегрирования модуляторов OASLM. Рассматриваемые варианты осуществления настоящего изобретения достигают этой цели без значительного повышения стоимости или усложнения системы, а кроме того, используют с выгодой некоторые уникальные параметры модуляторов OASLM.
[0036] Принципы работы схемы полутоновой модуляции с использованием структуры OASLM, работающей в режиме накопления фотогенерированного электрического заряда, иллюстрируются на фиг.3 и 4. На фиг.3 показано, что световые импульсы 50 и 52 различной продолжительности и различной амплитуды/интенсивности в результате приводят к ступенчатому увеличению напряжения 54 и 56 в различных местах жидкокристаллического материала. Из-за различных начальных времён t1 и t2 и различных времён роста и спада сигнала в жидком кристалле падение световых импульсов 50 и 52 приводит к различным оптическим откликам 58 и 60 жидкого кристалла соответственно. Для наглядности показана относительно быстрая реакция жидкого кристалла. Для реализации вариантов осуществления настоящего изобретения нет необходимости, чтобы реакция считывающего оптического затвора на жидком кристалле была быстрой. Сигнал 68 напряжения, поданный на модулятор OASLM считывающего оптического затвора, работающий в области накопления заряда, обеспечивает ступенчатое увеличение 70 напряжения и оптическую реакцию 72 жидкого кристалла.
[0037] На фиг.3 на различные пиксели а и b считывающего оптического затвора поступают два входных световых импульса, соответствующие "единицам" различных битов полутонов, которые достигают различных мест в модуляторе OASLM в моменты времени, сдвинутые относительно переднего фронта 74 поданного сигнала 68 напряжения. Как показано, световые импульсы 50 и 52 имеют различную продолжительность и различную интенсивность; на практике или продолжительность, или интенсивность, или как продолжительность, так и интенсивность одного из импульсов может быть отрегулирована относительно других импульсов для обеспечения соответствующего веса бита.
[0038] На фиг.4 иллюстрируется комбинация световых импульсов 50 и 52, которые приходят в различные моменты и соответствуют "единицам" для различных битов в пакете полутоновых данных для одного и того же пикселя. Комбинация световых импульсов 50 и 52 обусловливает полутоновую реакцию 82, которая является результатом различного накопления заряда в модуляторе OASLM. На это накопление влияет как приход этих импульсов в различные моменты времени, так и общее количество фотонов записывающего света в каждом полутоновом импульсе, который достигает каждой пиксельной области считывающего оптического затвора. В частности, вклад 84, связанный со вторым световым импульсом 52, в полной полутоновой реакции 82 аналогичен вкладу 86, связанному с первым импульсом 50, в полной полутоновой реакции 82. Хотя более поздний импульс 52 имеет меньшую амплитуду, чем более ранний импульс 50, импульс 52 шире, чем импульс 50, в результате чего результирующее влияние на напряжение 54 на жидком кристалле и реакция 82 жидкого кристалла отличаются незначительно. Это ясно указывает, что модуляция может быть осуществлена изменением амплитуды, ширины импульса или, как показано на фиг.4, комбинацией изменения обоих параметров импульса.
[0039] Хотя для создания полутоновой реакции может непосредственно использоваться разность результирующей реакции для световых импульсов, приходящих в разное время, световые импульсы, приходящие в разное время, могут также иметь различные энергетические параметры (являющиеся результатом различных значений интенсивности, ширины или и того, и другого). Таким образом, световые импульсы, имеющие различные энергетические параметры и приходящие в разное время в течение периода накопления, могут иметь равные соответствующие полутоновые реакции. Кроме того, большая полутоновая реакция может быть достигнута для второго (позднего), более высокоэнергетического светового импульса по сравнению с реакцией от первого (раннего), более низкоэнергетического светового импульса. Свойство модулятора OASLM накапливать фотогенерированный электрический заряд позволяет значительно уменьшить диапазон амплитуд или длительностей импульсных световых изображений. Например, для 10-разрядных пиксельных данных, которые представлены в четных временных интервалах за период кадра и в которых каждый световой импульс изображения представляет битовую плоскость данных, амплитуда изображения или продолжительность могут варьироваться приблизительно в диапазоне 40:1 для битового весового диапазона от наиболее старшего бита до наиболее младшего бита, составляющего 512:1.
[0040] В большей части современных цифровых схем модуляции диапазон временных периодов между самым старшим битом и самым младшим битом косвенно определяет требования к ширине полосы данных системы. Для обычных систем с 10 битовой разрешающей способностью разность временных периодов от старшего к младшему битам составляет 512:1. Такую ширину полосы данных, которая связана с этой разностью диапазонов, может быть трудно обеспечить. Накопление заряда или интегрирование фотогенерированного заряда совместно с использованием импульсных световых изображений может значительно снизить ширину полосы данных. Это связано с тем, что способность создавать импульсные световые изображения эффективно уменьшает время, необходимое для создания изменения напряжения для каждого полутонового импульсного изображения по сравнению с фактическим временем, затрачиваемым для записи битовой плоскости. Когда изображения на записывающем оптическом затворе подаются в виде импульсов, электрические заряды формируются, и напряжение на жидком кристалле модулятора OASLM меняется (или интегрируется) до нового значения, которое пропорционально уровню освещения и ширине импульса. С другой стороны, когда нет никакого локализованного импульсного света, напряжение на фоторецепторе остаётся постоянным.
[0041] На фиг,5 показана упрощенная блок-схема системы 100 модулятора OASLM, в которой цифровую модуляцию выполняют так, чтобы свет на выходе характеризовался по существу монотонной полутоновой зависимостью. В частности, на фиг.5 показан вариант осуществления настоящего изобретения, в котором используется режим передачи OASLM, так что источник записывающего света и фоторецептор работают в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, чтобы избежать интерференции со считывающим светом. В соответствующем диапазоне длин волн может применяться режим отражения OASLM с использованием тех же принципов, которые проиллюстрированы на фиг.5 и подробно обсуждаются ниже. Система 100 модулятора OASLM имеет оптический тракт 102 записи и оптический тракт 104 считывания. Оптический тракт 102 записи состоит из участка, вдоль которого распространяется луч, задающий изображение. Ультрафиолетовый светодиод 105 представляет собой импульсный источник ультрафиолетового записывающего света. Импульсный ультрафиолетовый свет, выходящий из ультрафиолетового светодиода 105, проходит через туннельный интегратор 106, группу 108 объективов переноса и поляризационный светоделитель 110 для обеспечения однородного прямоугольного освещения, которое соответствует формату изображения в микродисплейном устройстве 112 LCoS. Часть света с S-поляризацией проходит через поляризационный расщепитель луча 110. Часть света с s-поляризацией отражается поляризационным расщепителем луча 110 в устройство 112 LCoS. Сигналы управления светом подаются в ультрафиолетовый светодиод 105 с помощью контроллера 114.
[0042] Устройство 112 в ответ на данные изображения, поступающие в него из контроллера 114, выдаёт изображения в виде ультрафиолетового записывающего света для выбранного цветового компонента из основных цветов (RGB, красный-зелёный-синий). Модулированный свет, отраженный назад от устройства 112 LCoS, поступает обратно в поляризационный расщепитель луча. Часть отраженного модулированного света с S-поляризацией проходит через поляризационный расщепитель луча, преобразуется линзой 140 формирования изображения и отражается от наклонного дихроического зеркала 142, падая на модулятор 144 OASLM. Модулятор 144 OASLM предпочтительно соответствует модулятору, показанному на фиг.1-3, 4А и 4В в заявке PCT/US 2005/018305. Модулированный свет, падающий на фоторецепторный слой модулятора 144 OASLM, приводит к созданию напряжения на жидкокристаллическом слое. Это напряжение вызывает ориентацию поля директоров, которая соответствует интегрированной интенсивности соответствующего падающего ультрафиолетового записывающего света. Контроллер 114 подаёт сигнал напряжения в модулятор 144, обеспечивая создание на жидком кристалле напряжения, должным образом синхронизированного с падением ультрафиолетового записывающего света.
[0043] Оптический тракт 104 считывания содержит дуговую лампу 146, которая испускает хаотически поляризованный белый свет. Белый свет проходит через поляризационный преобразователь 148, выполненный как интегральная часть узла из массива фасеточных линз [линз типа "мушиный глаз"] 150 и 152, а затем через фокусирующую линзу 154 и линейный поляризатор 156, в результате чего образуется линейно поляризованный свет в виде однородного прямоугольного света, который соответствует формату изображения на считывающем оптическом затворе 144 OASLM. Наклонное дихроическое зеркало 142 отделяет от белого света выбранный компонент основного цвета и направляет его через полевые линзы (не показаны) в модулятор OASLM 144 считывающего оптического затвора. В зависимости от изображения, определяемого ультрафиолетовым записывающим световым лучом, цветовой компонент или проходит через анализатор 158, или поглощается в этом анализаторе, расположенном вблизи модулятора 144 OASLM считывающего оптического затвора, обеспечивая модуляцию интенсивности соответствующего контента цветового изображения. Модулированный световой луч, проходящий через модулятор 144 OASLM считывающего оптического затвора, направляется через проекционную линзу 160 для генерации цветного изображения для проецирования на экран дисплея (не показан).
[0044] Контроллер 114 координирует цифровую модуляцию устройства 112 LCoS в соответствии с данными плоскости изображения, временем испускания импульсного света из ультрафиолетовых диодов 105 и аналоговым управлением модуляцией считывающего модулятора 144 OASLM 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 учёта 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.
[0045] 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.
[0046] На фиг.6 показан ряд графиков, демонстрирующих результирующий фотогенерированный заряд и результат интегрирования напряжения на жидком кристалле в ответ на воздействие световых импульсов на LCoS. Записывающий, или освещающий, импульс 200, идущий из устройства 112 LCoS, в начале периода кадра считывающего оптического затвора создаёт фотогенерированный заряд, который изменяет напряжение на жидком кристалле с достижением уровня 202 напряжения, который сохраняется большую часть периода кадра. Записывающий импульс 204 такой же продолжительности и интенсивности, как и записывающий импульс 200, но появляющийся в конце периода кадра, создаёт такой же уровень 206 напряжения в жидком кристалле, но имеющий небольшую продолжительность. Для ширины импульса, показанной для записывающего импульса 200 и записывающего импульса 204, средняя инкрементальная разность напряжений на жидком кристалле может составлять 16:1. Формы 202, 206 и 208 волны соответствуют пакетам полутоновых данных (10000), (00001) и (10001) соответственно. Большие разности в напряжении на жидкокристаллическом считываемом оптическом затворе могут быть получены, если уменьшить ширину импульса записи относительно времени кадра.
[0047] Форма напряжения является величиной аддитивной, как иллюстрируется уровнем 208 напряжения на жидком кристалле для записывающего импульса 210, представленного комбинацией записывающих импульсов 200 и 204. Среднеквадратические значения таких кривых напряжения в общем случае не складываются. Поскольку оптическая реакция жидкого кристалла связана со среднеквадратичным напряжением и если результирующие кривые среднеквадратичного напряжения не аддитивны, в результате может иметь место немонотонное поведение. Исключения составляют постоянный ток (DC), напряжение постоянной частоты и гармонически связанные напряжения.
[0048] Однако на практике оказывается, что для ситуаций, когда большая часть света сконцентрирована в относительно коротком периоде вблизи начала периода кадра, погрешности, возникающие из-за сложения среднеквадратических значений напряжения, не являются достаточно большими, чтобы привести к немонотонной полутоновой реакции. В этом подходе используется приближение амплитудно-модулированного прямоугольного напряжения на жидком кристалле. Одним из преимуществ сосредоточения светового импульса вблизи начала кадра состоит в том, что благодаря интегрирующей характеристики модулятора OASLM достигается более высокое напряжение на жидком кристалле. Для достижения заданного среднеквадратичного напряжения требуется меньшее освещение, и можно подать меньший сигнал напряжения на модулятор OASLM, что позволяет улучшить характеристики фоторецептора.
[0049] Использование импульсов данных освещения для записи изображения считывающего оптического затвора предполагает, что жидкокристаллический материал LCoS достигает стационарного оптического состояния (например, состояния ВКЛЮЧЕНО или ВЫКЛЮЧЕНО) прежде, чем начинается импульс освещения. Это влияет на требования к скорости переключения в жидкокристаллическом материале. В частности, должно иметься достаточно времени для десяти или двадцати интервалов установки директоров записывающего жидкого кристалла и достаточно времени для десяти импульсов светодиода или изменений интенсивности соответственно, во время длительности кадра (для 10-битовой системы). При условии, что это требование выполнено, можно использовать любой тип жидкокристаллического материала. Например, подходят сегнетоэлектрические жидкокристаллические материалы с временами переключения 200 микросекунд, в которых используется управляющее напряжение ±1,65 В при 50 градусах по Цельсию. Доступным является также узкощелевой вертикально упорядоченный нематический жидкокристаллический материал с достаточно малыми временами переключения для работы с чередованием цветов.
[0050] Хотя для достижения правильных двоичных весов можно использовать только интегрирование в фоторецепторе, ширина полосы данных LCoS должна была бы быть нереально большой из-за очень высокой разрешающей способности по времени, которая необходима для различения уровней полутонов, соответствующих самому младшему биту. В описанном ниже способе поток данных распределён в периоде кадра настолько равномерно, насколько это возможно. Способ может быть реализован путём модуляции амплитуды импульса освещения, ширины импульса, коэффициента заполнения или различные комбинаций вышеперечисленного пропорционально весам битов для желаемого значения полутона в цифровой кодировке.
[0051] На фиг.7 показан пример, в котором для снижения требований к ширине полосы LCoS биты данных распределены равномерно по времени кадра LCoS. Период кадра разделен на двадцать периодов 220 данных напряжения на пикселях, при этом десять периодов 222 предусмотрены для выключения пиксельного жидкокристаллического материала LCoS. Интенсивность 224 освещения LCoS варьируется в зависимости от бита данных, отображаемого на микродисплее LCoS. Приблизительные относительные уровни освещения показаны на фиг.7. Комбинации позиции бита в течение кадра и уровня освещения задают двоичные весовые уровни напряжения фоторецептора. Схема освещения, показанная на фиг.7, постоянна в течение каждого битового интервала, перекрывая рост и спад реакции жидкокристаллического материала 226, так чтобы каждый бит испытал одинаковое влияние времени роста и спада реакции жидкокристаллического материала, что позволяет компенсировать этот эффект. Получившийся в результате световой "рисунок", созданный материалом LCoS для битовой пиксельной последовательности 1 (1010101011) показан в виде данных 228 оптически адресуемого пикселя считывающего оптического затвора. Хотя на фиг.7 показано, что отклики жидкого кристалла имеют трапецеидальную форму, практически передний и задний фронты имеют S-образную форму для сегнетоэлектрических жидкокристаллических материалов или демонстрируют экспоненциальное затухание для нематических жидкокристаллических материалов. Это не особенно важно для предлагаемого способа, поскольку подразумевает только различную регулировку интенсивности битовой освещенности или длительности для достижения нужного веса.
[0052] Поскольку LCoS работает в режиме чередования цветов, LCoS должен последовательно адресовать каждый из трех считывающих оптических затворов в течение каждого кадра. Это подразумевает, что длина кадра для считывающего оптического затвора в три раза превышает аналогичный параметр для LCoS. В такой системе период кадра для каждого из трёх считывающих оптических затворов сдвинут на 1/3 кадра относительно периода предыдущего считывающего оптического затвора. Это позволяет обеспечить, чтобы импульсы данных для оптически адресуемых пикселей для каждого считывающего оптического затвора были расположены в той же самой части периода кадра этого оптического затвора. На практике для минимизации требуемой освещённости и минимизации напряжения, подаваемого на модулятор OASLM, предпочтительно разместить относительные времена так, чтобы импульсы данных для оптически адресуемого пикселя для каждого считывающего оптического затвора были расположены вблизи начала периода кадра этого считывающего оптического затвора. Если оптически адресуемые импульсы расположены в начале периода кадра, амплитуды могут иметь приблизительные двоичные веса, поскольку имеется меньшая погрешность, обусловленная результатом интегрирования среднеквадратичного значения реакции считывающего оптического затвора при интегрировании модулятором OASLM взвешенных битовых импульсов.
[0053] Способ, иллюстрируемый на фиг.7, действительно выравнивает ширину полосы данных, но не уменьшает ширину полосы до минимума во время кадра, поскольку имеются дополнительные интервалы отсутствия данных, необходимые для работы. Кроме того, в каждом импульсе данных имеют место потери эффективного освещения из-за времени переднего и заднего фронтов реакции жидкокристаллического материала. Кроме того, возможна потребность в диапазоне амплитуды освещения более 512:1. Должен ли меняться диапазон амплитуды освещения - зависит от того, имеется ли достаточное управление и может ли уровень освещения быть переключён достаточно быстро. Наиболее вероятными источниками такого освещения являются светодиоды или лазерные диоды. Светодиод способен обеспечить высокую частоту модуляции, приблизительно в 200 раз превышающую скорость передачи кадров. Альтернативой электронной выборке освещения может являться выборка оптических уровней в материале LCoS оптическими средствами.
[0054] На фиг.8 иллюстрируется способ задержанного импульсного освещения LCoS, в котором амплитуду 232 освещения LCoS поддерживают постоянной, а ширину отдельных импульсов светодиодов варьируют. Период кадра разделён на десять периодов 230 данных напряжения на пикселе. Ширина импульса освещения 232 LCoS меняется при подаче на микродисплей LCoS бита данных. Приблизительная относительная ширина импульса показана на фиг.8. Комбинация битовых позиций по протяжённости кадра и ширины импульса освещения обеспечивают двоичные весовые уровни напряжения для фоторецептора. Схема освещения, показанная на фиг.8, выдаёт импульс после того, как реакция жидкокристаллического материала 234 стабилизируется, чтобы действие каждого бита не зависело от реакции жидкокристаллического материала. Реакция пикселя жидкокристаллического материала для битовой последовательности 1010101011 пикселя показана позицией 234, а результирующий световой рисунок, созданный материалом LCoS для битовой последовательности данных для пикселя, показан как данные 236 оптически адресуемого пикселя считывающего оптического затвора
[0055] Как и в способе, иллюстрируемом на фиг.7, отклики 234 жидкокристаллического материала на фиг.8 показаны как имеющие трапецеидальную форму. На практике передний и задний фронты имеют S-образную форму для сегнетоэлектрических жидкокристаллических материалов или демонстрируют экспоненциальное затухание для нематических жидкокристаллических материалов. Однако, поскольку в способе, иллюстрируемом на фиг.8, светодиод не выдаёт импульс до тех пор, пока отклик LCoS не установится, и поскольку времена нарастания и спада для светодиода чрезвычайно малы, удаётся избежать любых погрешностей, обусловленных временами роста и спада для материала LCoS и можно ожидать монотонной полутоновой реакции. Кроме того, как и в способе на фиг.7, на практике период кадра для каждого из трёх считывающих оптических затворов сдвинут на 1/3 кадра относительно периода предыдущего считывающего оптического затвора. Это снижает требования к уровням освещения и напряжения в модуляторе OASLM.
[0056] Другое возможное ограничение способа управления LCoS, проиллюстрированного на фиг.7, состоит в том, что напряжение фоторецептора OASLM, возможно, должно быть выше из-за времени нарастания для LCoS, чем в том случае, если бы влияния времени отклика LCoS можно было избежать. Как показано на фиг.8, было бы предпочтительно представить данные самого старшего бита LCoS до начала периода кадра считывающего оптического затвора для стабилизации отклика LCoS и начала освещения с полностью заданным весом.
[0057] В способе, показанном на фиг.8, работа светодиода 105 происходит в цикле с относительно низким заполнением, поскольку светодиод 105 должен быть выключен как на время, необходимое для загрузки данных битовой плоскости, так и на время, необходимое для того, чтобы жидкокристаллическое устройство 112 отреагировало на данные битовой плоскости. В проекционной системе, описанной в отношении модулятора OASLM 100, сумма этих двух времён может превысить 400 микросекунд. Для десяти импульсов это составит 4 миллисекунды. Если всего имеется только 5,56 миллисекунд, доступных для обращения к ячейке (последовательная кадровая операция), то лишь 1,5 миллисекунды остаётся для импульса светодиода 105. При этом для достижения достаточного значения интегрированного заряда на фоторецепторе может потребоваться светодиод с довольно высокой пиковой мощностью.
[0058] Этот способ также позволяет записывать данные в пиксель с более или менее постоянной скоростью. Чтобы выделить больше времени для более значащих импульсов освещения, время между пиксельными данными для младшего бита может быть сокращено, поскольку для световых импульсов светодиода требуется меньше времени. Другое изменение заключается в выделении меньшего времени для стабилизации жидкого кристалла для менее старших битов по сравнению с более старшими. Например, погрешность, связанная со стабилизацией жидкого кристалла для соответствующего битового освещения, может иметь двоичный вес.
[0059] На фиг.9 показана логическая схема цифровой пиксельной схемы 250 коммутационной платы, которая реализует изменение способа импульсного освещения, показанного на фиг.8. Пиксельная схема 250 содержит защёлку 252 для записи данных и защёлку 254 для считывания данных. Сигнал Строка установлен в высокое состояние для записи колонки Данные в защёлку 252 для записи данных. После того как сигнал Строка будет установлен в низкое состояние, данные остаются в защёлке для записи данных. Сигнал Загрузка подаётся в защёлку для записи данных, разрешая подачу данных с выхода защёлки 252 для записи данных в защёлку 254 для считывания данных. Сигнал Загрузка связан со всеми пиксельными схемами в массиве LCoS, что обеспечивает одновременную подачу пиксельных данных массива в жидкий кристалл. После того как сигнал Загрузка будет установлен в низкое состояние, данные остаются в защёлке для считывания данных. Конструкция каждой защёлки данных может быть столь же проста, как проходной вентиль (один или два транзистора) и при необходимости инвертор (два транзистора).
[0060] Пиксельная схема 250 позволяет записывать данные плоскости изображения в пиксельный массив устройства 112 LCoS почти непрерывно. Например, время записи младшего бита данных во все пиксели в пиксельном массиве может составлять время срабатывания жидкого кристалла и ширину импульса светодиода. Это снижает ширину полосы устройства 112 LCoS. Альтернативно, этот способ может использоваться для увеличения коэффициента заполнения светодиода 105 и, таким образом, для снижения необходимой пиковой мощности светодиода.
[0061] Предыдущее обсуждение фиг.7 и 8 предполагает, что время кадра устройства 112 LCoS разделено на десять (или двадцать) равных периодов записи данных. На практике имеется существенное преимущество, если вся десятиимпульсная схема модуляции может быть завершена в первой половине времени кадра LCoS. Это связано с тем, что ранняя передача всей энергии светодиодов 105 на фоторецептор модулятора OASLM 144 повышает эффективность временного взвешивания и уменьшает отношение пикового напряжения к среднему на жидком кристалле модулятора OASLM и многослойной структуре жидкокристаллического фоторецептора OASLM. Уменьшение отношения пикового к среднему напряжений, в свою очередь, упрощает конструкцию фоторецептора. Однако сосредоточение всех импульсов освещения в первой части кадра вызывает ограничение максимальной ширины импульса светодиода 105.
[0062] Например, если время кадра 2,78 мс разделить на десять равных субкадров, длительность каждого субкадра составляет 278 микросекунд. Если установленное время реакции жидкокристаллического материала для устройства LCoS 112 составляет 200 микросекунд, при использовании вышеописанной схемы максимальный импульс светодиода 105 составляет 78 микросекунд. Может быть затруднительно передать в этот временной промежуток достаточно света для битовых весов самого старшего бита (MSB), следующего по старшинству бита (MSB-1) и последующего по старшинству бита (MSB-2). Решение этой проблемы вытекает из того факта, что биты более низкого веса фактически требуют намного более коротких импульсов освещения от светодиода 105, и поэтому для них не требуется полные 78 микросекунд. Таким образом, временные слоты для битов более низкого веса могут быть сокращены, типично до чуть более 200 микросекунд, а сэкономленное время может использоваться для расширения импульсов светодиода 105 для более старших битов. Ниже в таблице представлен пример битов и относительных времён для схемы десятиимпульсной модуляции, в которой используются переменные периоды записи данных.
Бит №
Вес бита
Ширина импульса светодиода (микросекунды)
В9
512
336
В8
256
172
В7
128
88
В6
64
45
В5
32
23
В4
16
11
B3
8
6
В2
4
3
В1
2
1.5
В0
0
0,75
[0063] На фиг.10 показан график, демонстрирующий теоретическую форму напряжения на жидком кристалле считывающего оптического затвора при временах возбуждения светодиода, установленных с использованием вышеуказанной таблицы для смоделированной комбинации фоторецептор жидкий кристалл SLM 144. (Начальное значение 2 В возникает из-за влияния ёмкостного делителя управляющего напряжения на комбинации фоторецептора и жидкокристаллического слоя.)
[0064] На фиг.11 показана итоговая диаграмма синхронизации, демонстрирующая формы модулирующего сигнала для одного модулятора OASLM считывающего оптического затвора во всем кадре для варианта осуществления настоящего изобретения, призванного решить технические проблемы, обсуждаемые выше. Ниже описана работа 10-битовой полутоновой модуляции на примере модулятора OASLM 100, изображённого на фиг.5.
[0065] Как показано на фиг.5 и 11, в показанной для примера полутоновой последовательности имеется 10 битов. В течение каждого периода кадра данные битовой плоскости изображения записываются 10 раз, по одному разу для каждого полутона, чтобы в конце 10-битовой последовательности каждый пиксель имел свою полутоновую комбинацию из десяти взвешенных значений, что обеспечивает уникальный уровень полутона для этого пикселя. В последующем описании прослеживается 10-битовая полутоновая модуляция для одного пикселя в устройстве 112 LCoS и соответствующего положения пикселя пространственного модулятора 144 света (SLM).
[0066] В момент t0 контроллер 114 обеспечивает подачу сигнала Загрузка в защёлку 254 для чтения данных пиксельной схемы 250 коммутационной платы (фиг.9) для одновременной загрузки в неё данных В9 (младший бит) пикселя плоскости изображения из защёлки 252 для записи данных (фиг.9). Эти данные были записаны в защёлку 252 в конце предыдущего кадра (не показан).
[0067] В момент t0 контроллер 114 обеспечивает подачу управляющего напряжения считывания ячейки на слои жидкокристаллического фоторецептора модулятора 114 OASLM, который в ответ испытывает переход напряжения от -V к +V к моменту t1, начиная период кадра продолжительностью 16,7 мс.
[0068] Директоры жидкого кристалла в области пикселя в устройстве 112 LCoS отвечают на логическое состояние пикселя данных В9, создавая соответствующее напряжение ON/OFF (Включено/Выключено) пикселя ячейки записи в области пикселя. Директорам жидкого кристалла пикселя требуется время для достижения стационарного состояния, соответствующего напряжению пикселя ячейки записи, показанное на фиг.11 как "Время отклика". После задержки на время отклика контроллер 114 заставляет ультрафиолетовый светодиод 105 испустить световой импульс указанной ширины для его попадания в устройство 112 LCoS. На чертеже это показано как время t1. Ультрафиолетовый свет, несущий информацию о старшем бите изображения для пикселя, выходит из устройства 112 LCoS и отражается от дихроического зеркала 142, которое направляет ультрафиолетовый свет вдоль тракта 102 записи в модулятор OASLM 144. Слои жидкокристаллического фоторецептора считывающего оптического затвора в модуляторе OASLM 144 реагируют на локализованный падающий ультрафиолетовый свет, который генерирует заряд и создает локальное напряжение на жидком кристалле, которое соответствует оптической мощности импульса ультрафиолетового светодиода и напряжению пикселя ячейки записи для данных В9 пикселя. Напряжение считывания ячейки жидкого кристалла длится до момента t2, когда световой импульс, соответствующий данным В9, заканчивается. Процесс, описанный выше, продолжается при появлении сигнала Загрузка для каждого из пиксельных данных В8-В0.
[0069] Временные интервалы, разделяющие последовательные соседние сигналы Загрузка, различаются, и ширина световых импульсов ультрафиолетовых светодиодов постепенно синхронно уменьшается по причинам, описанным выше при обсуждении фиг.8 и таблицы ширины импульсов светодиодов. Импульсы ультрафиолетовых светодиодов, соответствующие данным битовой плоскости для всех 10 битов, оканчиваются в момент t3, занимая 2,8 мс в периоде кадра. Напряжение считывания ячейки жидкого кристалла устанавливается на соответствующем значении полутона в момент t3 и остаётся таким в остальной части периода кадра. Этот процесс происходит также для каждого пикселя устройства 112 LCoS и для соответствующей области пикселя в модуляторе OASLM 144 считывающего оптического затвора.
[0070] В течение всего периода кадра, который продолжается от момента t1 до момента t4, видимый поляризованный свет, проходящий по тракту 104 считывания и падающий на модулятор OASLM 144, подвергается в каждой области пикселя вращению поляризации, соответствующей напряжению считывания ячейки жидкого кристалла. В результате вырабатывается реакция в виде полутонового изображения в видимом свете для отображения.
[0071] Для обеспечения по существу монотонной полутоновой характеристики в системе OASLM необходимо охарактеризовать записывающий свет (время нарастания/спада, выходной сигнал с весами битовой плоскости/временными параметрами при последовательной работе и температурные характеристики), параметры жидкого кристалла записывающего оптического затвора (время нарастания/спада, оптическая пропускная способность и контраст), модуляционную характеристику считывающего оптического затвора для временных параметров и веса изображений записывающего оптического затвора (оптическая пропускная способность, оптическая чувствительность, оптическая изоляция между временами записывающего и считывающего света и время срабатывания). Может быть необходимо охарактеризовать модуляционную характеристику считывающего оптического затвора в каждой области пикселя считывающего оптического затвора, если имеются значительные локальные изменения в такой характеристике. В контроллере 114, включающем программируемую вентильную матрицу (FPGA, field programmable gated array) или проблемно-ориентированную интегральную микросхему (ASIC, application specific integrated circuit), могут использоваться установленные на заводе калибровочные данные пикселя считывающего оптического затвора или может генерироваться управляющая последовательность либо тестовый "рисунок" для получения калибровочных данных пикселя во времени с целью определения масштаба данных для пикселя в устройстве LCoS для обеспечения однородной по пикселям характеристики считывающего оптического затвора.
[0072] В конечном счете для осуществления цифровой полутоновой модуляции OASLM, как описано выше, в процессе реализации вариантов осуществления настоящего изобретения нужно произвести несколько выборов для времени подачи импульсов светодиодом, продолжительностей и токов. Множество подходов или способов, поясняющих реализацию процессов такого выбора, было описано как здесь, так и в литературе.
[0073] Понятно, что на практике обнаружится, что некоторые из этих способов дают результаты лучше, чем другие способы в терминах достижения плавно-меняющейся монотонной полутоновой модуляции, и в общем случае будет использоваться тот способ, который даёт лучший результат. Однако, когда эти алгоритмы применяют к реальным физическим системам, например к преобразователю света с применением модулятора OASLM, используемому в рир-проекционном телевидении (RPTV, rear projection television), обычно отмечают, что фактически измеренная полутоновая функция преобразования (электрооптическая кривая) значительно отличается от прогнозируемого результата. Это отклонение может иметь много причин, включая:
- нелинейность (нелинейности) характеристики интегрирования OASLM;
- асимметрию характеристики интегрирования OASLM;
- изменения времени отклика жидкокристаллических материалов для записывающего оптического затвора;
- изменения контраста (отношение "Включено/Выключено") записывающего оптического затвора;
- неидеальные переключающие характеристики записывающего оптического затвора, в особенности в зависимости от температуры;
- погрешности в синхронизации или в управлении током светодиода записывающего оптического затвора.
[0074] В документах, на которые были сделаны ссылки, упоминается стратегия реагирования на эту вариативность. Эта стратегия состоит в измерении электрооптической кривой целевой системы с использованием одного из выбранных способов полутоновой модуляции. При этом создаётся идеальная функция преобразования с желаемой битовой глубиной, формой и Гаммой. Наконец, для каждой точки на идеальной функции преобразования выбирают значение на измеренной электрооптической кривой, которое наиболее близко к идеальной функции преобразования в этой точке. Эти результаты выбора записывают в просмотровую таблицу, которую затем встраивают в системную электронику. Для того чтобы всё это работало должным образом, важно, чтобы исходная электрооптическая кривая имела значительно более высокую битовую глубину, чем электрооптическая кривая для желаемой системы, чтобы дать широкий выбор для каждой точки на желаемой электрооптической кривой. В принципе эта стратегия может привести к почти совершенной электрооптической кривой системы, даже если результаты первоначального алгоритма полутоновой модуляции далеки от идеальных.
[0075] Однако эта стратегия не работает, если измеренная электрооптическая кривая содержит какие-либо значительные скачки положительной полярности или разрывы. На фиг.12 показана такая измеренная электрооптическая кривая 306. Здесь позицией 300 обозначен график, 301 - измеренная электрооптическая характеристика и 302 - входной код полутона. Здесь мы имеем три существенных скачка в точках, обозначенных позициями 303, 304 и 305. В этом примере скачок 304 связан с погрешностью в отклике "импульс старшего бита/импульс", а точки 303 и 305, вероятно, соответствуют погрешности в реакции, связанной с битом "старший - 1" битом. Это типичная ожидаемая погрешность, в которой эффективная сумма младших битов не в точности равна весу следующего более старшего бита. Эта электрооптическая кривая не может быть преобразована в гладкую электрооптическую кривую независимо от сделанных выборов поиска, поскольку в разрывах отсутствуют точки данных, доступные для выбора. Таким образом, некоторые выборы для начальных алгоритмов модуляции могут не дать приемлемых результатов, поскольку эти разрывы являются достаточно большими и создают нежелательные визуальные помехи.
[0076] Чтобы избежать такого непродуктивного выбора, полезна следующая стратегия. Вместо выбора времён генерации импульсов, их ширины и тока, которые по прогнозу должны дать желательную электрооптическую кривую, делают такие выборы, которые, как ожидается, дадут заведомо неидеальную электрооптическую кривую с немонотонными скачками в некоторых или всех "переносах бита". (Переносы бита для 10-битовой системы, описанной выше, - это переходы 511-512, 255-256, 127-128, 63-64, 31-32, 15-16, 7-8, 3-4 и тривиальный 1-2.) При создании этой заведомо немонотонной электрооптической кривой можно быть уверенным, что стратегия сортировки, описанная выше, будет работать всегда, даже если вариации системы приведут к значительному отклонению измеренной характеристики от оригинальной предсказанной характеристики.
[0077] Способ определения положения импульсов во времени, их ширины и токов для достижения этой заведомо неидеальной электрооптической кривой состоит в следующем. Отметим, что осуществление этого или любого другого аналогичного способа требует использования эффективного инструмента моделирования, который позволяет вычислить прогнозируемый совокупный эффект от различных схем, обеспечивающих положение импульсов во времени, их продолжительность и ток в импульсе. Эффективно создавать такие инструментальные средства с использованием любого из множества языков программирования, причём полезность такого инструмента очевидна.
- Сначала выбирают начальные значения положения во времени, ширины и токов импульсов с использованием любого из раскрытых выше способов, которые должны привести к полномасштабному значению приблизительно на 50% выше фактически желательного. (Это значение 50% призвано скорректировать кумулятивное влияние регулировок, описанных в следующих шагах. Значение 50% довольно хорошо подходит для описанного здесь случая. В зависимости от сделанного конкретного выбора могут использоваться и другие значения.)
- Начиная с (младшего бита + 1), делают эффективный вес каждого последующего более высокого бита приблизительно на 10% меньше, чем сумма битовых весов для битов, меньших, чем данный.
- Это повторяют для каждого последующего большего бита, заканчивая самым старшим битом. Таким образом, эффективный вес, выбранный для самого старшего бита, будет составлять 90% от суммы прогнозируемых весов всех более младших битов, или, альтернативно, мы можем сказать, что цифровой вес, соответствующий импульсу со значением 512, составляет 90% от цифровых весов импульсов, комбинация которых даёт значение 511.
- На практике можно, конечно же, использовать регулировки, отличные от 10%. Часто достаточным оказывается значение 5%. Кроме того, опять же на практике эта регулировка может оказаться необходимой для нескольких из самых старших битов, поскольку они с наибольшей вероятностью будут наиболее сильно затронуты изменениями, описанными выше.
- В случае необходимости всю вышеописанную последовательность можно повторять с использованием других начальных условий до получения желательной полномасштабной характеристики и достижения желательных немонотонных переносов битов.
[0078] На фиг.13 показана электрооптическая кривая (310), которая получается при изменении первоначального алгоритма, иллюстрируемого на фиг.12. Для наглядности показаны только переносы, связанные с "самым старшим битом" и "самым старшим битом - 1". Отметим немонотонные броски при значениях 256 (311), 512 (312), и 768 (313). Очевидно, что эта электрооптическая кривая может быть отсортирована так, чтобы обеспечить плавную характеристику и что всегда имеется 1 или 2 значения для выбора любой желательной измеряемой характеристики.
[0079] На фиг.14 иллюстрируется пример способа обработки записывающего света в модуляторе OASLM 144. На шаге 1402 управляющее напряжение подают на электрооптический (жидкокристаллический) слой OASLM считывающего оптического затвора. Это управляющее напряжение поддерживают в течение всего кадра. На шаге 1404 выбранное напряжение записи подают в область пикселя LCoS в записывающем оптическом затворе. Этому напряжению на пикселе позволяют стабилизироваться. На шаге 1406 источник света/ультрафиолетовый светодиод заставляют выдать луч света, который направляют в электрооптический слой LCoS (на передней плоскости). Отметим, что освещение LCoS источником света происходит только после того, как LCoS достигает оптически стационарного состояния. Это наиболее просто сделать, вводя задержку между временем, когда контроллер прикладывает напряжение, и временем, когда контроллер модулирует источник света в состояние ВКЛЮЧЕНО для того же самого импульса. Действительное значение необходимого запаздывания зависит от типа жидкого кристалла записывающего оптического затвора и от температуры жидкого кристалла. Для сегнетоэлектрических жидких кристаллов это запаздывание может лежать между 100 и 200 микросекундами. Показано, что для вертикально упорядоченных нематических кристаллов и тонких промежутков ячеек это значение составляет 200-250 микросекунд. Для плоско-упорядоченных магнитных жидкокристаллических материалов обычно требуется 250-500 микросекунд, другие типы жидких кристаллов, например скрученные нематические кристаллы, являются значительно более инерционными. Хотя эти временные задержки, особенно те, которые связаны с сегнетоэлектрическими и вертикально-упорядоченными материалами, кажутся весьма короткими, они важны для обеспечения монотонных характеристик считывающего оптического затвора.
[0080] Возвратимся к фиг.14; когда на пиксель в LCoS подано выбранное записывающее напряжение, на шаге 1408 свет источника вызывает испускание из LCoS записывающего светового импульса, который направляется в ограниченную область модулятора OASLM. На шаге 1410 в жидкокристаллическом слое OASLM создается напряжение, пропорциональное интегрированному импульсу записывающего света, падающего на этот слой, и амплитуде управляющего напряжения. Для последующих записывающих световых импульсов в кадре дополнительные записывающие световые импульсы вызывают дополнительное увеличение интегрированного напряжения по сравнению с предыдущими напряжениями в кадре, связанными с предыдущими записывающими световыми импульсами.
[0081] Внутри кадра промежутки между приложением отдельных напряжений для битов различного значения постоянны, как видно на временных диаграммах на фиг.7, 8 и 11, или по меньшей мере в каждый момент превышают заранее заданное значение. Пока (как определяется на шаге 1412) это не последний импульс в кадре (младший бит), шаги 1404, 1406, 1408 и 1410 повторяют для каждого очередного бита (шаг 1414) от самого старшего бита до самого младшего бита, так чтобы более значащие биты были представлены в кадре раньше и интегрировались в течение тем большего времени, чем больше вес бита, как описано выше. Дополнительный вес обеспечивается модуляцией: шириной импульса (временем, в течение которого источник света работает, и временем, в течение которого подаётся выбранное напряжение записи ячейки); амплитудой импульса (оптической мощностью исходного света и/или уровнем поданного напряжения записи ячейки); коэффициентом заполнения или некоторой комбинацией перечисленных факторов, как подробно рассмотрено выше. Это возможно потому, что один и тот же контроллер 114 управляет как подачей напряжения записи ячейки/напряжения на электроды LCoS, так и самим источником света.
[0082] Как только последний импульс в кадре будет подан в модулятор OASLM в качестве записывающего светового импульса, от шага 1412 происходит переход на шаг 1416, где происходит инициация следующего кадра OASLM либо путём краткого периода нулевого напряжения, либо изменения полярности управляющего напряжения. Отметим, что инициализация кадра OASLM не обязательно следует сразу же после того, как последний записывающий световой импульс записан и интегрирован. Как подробно сказано выше, предпочтительно сосредоточить все записывающие световые импульсы в пределах первой части или первой половины кадра, лишь бы ширина импульса позволяла должным образом подавать соответствующие битовые веса. В этом случае инициализацию не производят до конца кадра, хотя во второй половине кадра дальнейшие записывающие световые импульсы не посылаются, как видно на фиг.11 в момент t4. Кроме того, если единственный записывающий оптический затвор производит запись в три различных считывающих оптических затвора, длина кадра OASLM приблизительно в три раза превышает длину кадра записывающего оптического затвора и инициализируется в этих вариантах осуществления настоящего изобретения только после записи трёх записывающих кадров. Время реакции жидкокристаллического слоя в считывающем оптическом затворе OASLM в общем случае велико, обычно сопоставимо с временем кадра (считывающего оптического затвора) или превышает его. При этом сигнал считывания представляет среднеквадратичное значение напряжения, которое оптически наведено в кристалле. Модулятор OASLM производит "считывание" непрерывно, а не дискретно, и получившуюся в результате модуляцию можно считать средней модуляцией до желательного полутонового уровня.
[0083] Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы с помощью компьютерного программного обеспечения, выполняемого процессором, например показанным контроллером 114, с помощью аппаратных средств или комбинации программного обеспечения и аппаратных средств. Кроме того, в этом отношении следует заметить, что различные шаги логической последовательности операций на фиг.14 могут представлять собой шаги программы, связанные логические схемы, блоки и функции или комбинацию команд, логических схем, блоков и функций, позволяющих выполнить указанные задачи.
[0084] Понятно, что этот обобщённый способ следует интерпретировать как включающий вариации изложенной концепции, включая регулировку любого поднабора или всех отдельных битов, применение переменных регулировок для каждого бита, использование аддитивных регулировок вместо мультипликативных и т.д. Хотя описание сделано в контексте конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что может существовать множество модификаций и различных изменений изложенной концепции. Например, хотя конкретные детали были представлены в контексте 10-битового полутонового разрешения, данная концепция может быть легко распространена на другую разрешающую способность, например 8-битовую, 12-битовую, 14-битовую и т.д. Таким образом, хотя изобретение показано и описано, в частности, на примере одного или нескольких вариантов его выполнения, специалистам в данной области техники понятно, что определенные модификации или изменения могут быть сделаны без выхода за рамки изобретения, раскрытого выше, или за рамки формулы изобретения.