JP3790277B2 - パルス幅変調ディジタル表示画素の強度調節方法及びこの方法を適用される表示システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、可視表示システムの分野、特にディジタルパルス幅変調表示システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
表示システムは、長い間、視聴者に、周囲状態に適合するために表示特性を調節し、低品質入力信号に対して調節し、エージング表示デバイスを補償し、及び個人的好みに適応する能力を与えてきている。調節のための主要な手段の２つは、輝度制御とコントラスト制御であってきている。
【０００３】
輝度制御は、その表示によって発射される、反射される、又は透過させられる光の量を変化させることによってその表示の輝度又は強度を理論的に調節する。コントラスト制御は、スクリーンの明領域と暗領域との間の輝度比を調節する。典型的に、輝度調節及びコントラスト調節の両方共に、画像信号路への利得特性又はオフセット特性のどちらかを、又は利得特性及びオフセット特性の両方を変化させることによって、実現される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
全ディジタル画像表示システム内での輝度制御及びコントラスト制御の実現は、困難であると云ってよい。典型的に、これは、画像データをスケール変換する乗算器又はルックアップテーブルのような追加のハードウエアに係わる。ソフトウエアもまた、画像データをスケール変換するのに使用されるが、しかしこれは追加の処理能力を要しない。
【０００５】
【課題を解決するために手段】
各画素が強度語によって表現され、かつそのビットの重みに依存する持続時間にわたって逐次表示されるようになっている、パルス幅変調ディジタル表示画素の強度を調節する方法が、開示される。開示される発明の１実施例によれば、強度語の各ビットの表示持続時間は、その画素のデューティサイクルを増大する結果画素輝度を増大するか、又はその画素のデューティサイクルを減少する結果画素輝度を減少するかのどちかのために変更される。ディジタル表示のコントラスト比を調節するために、或るビットの持続時間は増大されるのに対して、他のビットの持続時間は減少される。開示される方法及びシステムは、経済的にかつ容易に実現されると云う利点を有する。
【０００６】
【実施例】
ここに教示される発明は、画像の強度を制御するためにパルス幅変調を使用するどの表示システムにも適用されると云える。説明の目的のために、次の議論は、ディジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤと称する）空間光変調器（以下、ＳＬＭと称する）に焦点を当てることにする。ＤＭＤは、片持ちレバービーム、たわみビーム、及びねじれビームのようないくつかの型式で実現されると云える。本開示は、テキサスインスツルメント社に讓受された、米国特許第５，０６１，０４９号、「空間光変調器及び方法（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ）」に集中することにする。他の表示デバイスは、液晶デバイス（以下、ＬＣＤと称する）アレイ及び発光デバイス（以下、ＬＥＤと称する）アレイを含んで使用され得よう。
【０００７】
ディジタル表示の各要素は、２つの強度レベル、すなわち、オン及びオフを生成できるだけである。パルス幅変調は、輝度の他のレベルを生成するために使用される。パルス幅変調は、画素の所望強度に従って各画素のデューティサイクルを変更する。視聴者の眼が、異なるデューティサイクルを提供する時間にわたる各画素からの光を積分するので、これが異なる強度レベルに見える。パルス幅変調表示システムにおいては、各画素に対するデューティサイクルは、ｎビット語を指定される。各ビットの有効桁は、いかにそのビットが長く表示されるかを決定する。例えば、ビットｎは、ビットｎ−１より２倍長く表示される。所与のビットが表示される時間の長さは、そのビットの重み値、フレーム周期、及び最大デューティサイクルによって決定される。典型的に、１つの重み値の全てのビットが同時に表示され、これに続き次の重み値の全てのビットが表示される。
【０００８】
図１は、５ビットディジタルパルス幅変調表示システムの１フレームの間の典型的時間線を示す。図１において、水平軸は時間を表し、垂直軸は画素強度、すなわち、オン又はオフのどちらかを表す。５ビットシステムによれば、３２の特有の強度を表示することができる。説明される実施例については、５ビットデータ語の選択は任意であり、図解目的のために選択されたのである。本発明は、少なくとも２ビットを有するどの寸法のデータ語で以ても実現されると云える。典型的に、表示される各カラー毎に８ビットデータが使用される。
【０００９】
フレーム期間３０は、ＤＭＤベース表示システム上にデータの１つの５ビット語をロードしかつ表示するために要する時間区間である。ビット期間３２は最下位ビット（以下、ＬＳＢと称する）、すなわち、ビット０に対する表示期間（以下、ＬＳＢ期間と称する）であり、ビット期間３４は最上位ビット（以下、ＭＳＢと称する）、すなわち、ビット４に対する表示期間（以下、ＭＳＢ期間と称する）である。図１から図５を通して、画素は各ビット期間にわたりターンオンされるが、これは図解目的のために行われ、各ビット期間はどの他のビット期間とも無関係にオン又はオフされることもあり得る。ＤＭＤの各要素はメモリセルを含むので、ＤＭＤは、他のビットが表示されている間に１つのビットをロードされ得る。これは、ＤＭＤベース表示の最大デューティサイクルを増大し、かつＤＭＤインタフェースの帯域幅要件を減少させる。１つのビットに対する表示期間がそのアレイをロードするのに要する時間より短いとき、帰線消去期間が使用される。帰線消去期間中、各画素はターンオフされ、この間次の重み値に対するデータがそのアレイに書き込まれる。ＤＭＤアレイは、典型的に、このアレイに単一データ語を書き込むことによってミラーの大きな群を敏速にセットするか又はクリヤするように設計されている。この動作は、ブロックセット又はブロッククリヤと呼ばれる。
【００１０】
図１は、２つの帰線消去期間３６、及び３８を示し、これらの期間中に画素がターンオフされる。これらの期間の持続時間は、データのフレームを表示内へロードするに要する時間に典型的に等しいが、しかし全ての表示システムにおいては等しいことを要しないことがある。他の表示システムは、各画素に対してもっと多くの帰線消去期間を有することがある。例えば、ＬＣＤ及びＬＥＤシステムにおいては、データが、表示内へ、１回に１ビットずつ行から行式に、走査される。この場合、各画素が各ビット期間の間でターンオフされる一方、表示の残りの行が駆動される。
【００１１】
画像の最大輝度は、時間の所与の区間内に表示デバイスによって、いかに多く光が発射され、反射され、又は透過させられ得るかによって決定される。輝度は、画素のデューティサイクルを増大することによって増大されることがある。先行技術は、画像データ語をスケール変換し、それによってデータ語の値を変化させることに依存する。乗算器又はルックアップテーブルのようなデータをスケール変換する手段が、先行技術解決によって、通常、必要とされる。本発明は、画像データのスケール変換を要することなく、表示の輝度を変更する方法を開示する。開示される方法は、データ語を変化されることなく画素に対するデューティサイクルを変更することに依存する。１つの実現は、表示される各ビットに対するビット期間を伸長することである。しかしながら、表示システムは、典型的に、フルスケールデータのデューティサイクルを最大化するように設計されており、ビット期間は、フレームレートを低下することなくしてが更に伸長され得ない。
【００１２】
帰線消去期間は、表示内の各画素のデューティサイクルを限定し、したがって、その表示の最大輝度能力を低下させる。本発明の１実施例によれば、表示輝度は、ブロッククリヤ期間の１つ以上をブロックセット期間に変化させることによって増大させると云える。図２は、本発明の第１実施例による増大輝度を有する典型的５ビット表示の時間線を示す。図示されるように、１つのブロッククリヤ期間４０は、いまや、１つのブロックセット期間である。もしなお更に大きい輝度を要するならば、第２ブロッククリヤ期間３８をブロックセット期間に変化させることができよう。表示の輝度を増大するこの方法は、輝度のやや大きなステップ増大になると云う欠点を有し、その増大は所望輝度に関係しない。この大きなステップ増大をオフセットするために、重み付けビット期間を同時に短縮して輝度のより漸次的増大を達成することもできる。教示される方法は、表示のコントラスト比も、減少することがある。カラーシステムにおいては、ブロックリセットをブロックセットに変化させることが、画像の真のカラーを洗い流す傾向を有すると云える。しかしながら、これらの欠点にもかかわらず、たとえ或るアーチファクトが導入されても、増大輝度が視聴者にとって望ましい応用がある。
【００１３】
画像の輝度を減少させるために、１つ以上のビットに対する表示期間が短縮されることがある。図３は、各ビットに対する表示期間がＬＳＢの１／２に等しい量だけ短縮されている本発明の第２実施例による典型的５ビット時間線を示す。図３において、ブロッククリヤ期間４８が、いまや、表示をロードするのに要する時間より長いことに注意されたい。図３は同じ量だけ短縮された各ビットを示すが、異なる短縮を各ビットに施しても同様の効果を達成することができる。例えば、或る応用においては、ＬＳＢ期間のみが短縮されるであろう。他の応用は、異なる量だけ各期間を短小するかもしれない。１方法は、各重みの相対的減少を維持するために各期間を比例的に短縮することである。ビット期間がＳＬＭの応答時間より短いまでに短縮されると、そのビットは表示されない。これらの期間を短縮するために使用される方法によってはアーチファクトが作り出されることがある。
【００１４】
この点までの例では、モノクローム表示のような、単一強度語を持つ表示システムに焦点を当ててきた。本発明は、各カラー毎に分離データ語を有するカラーシステムのような少なくとも２つのデータ語を有するシステムにも適用され得よう。カラーシステムに適用されるとき、データ語の取り扱いが各カラー語に等しく行われ得るか、又は特定のいくつかのカラーが表示画像のトーンを変更するために異なって取り扱われ得よう。
【００１５】
本発明を使用して制御されると云える他の表示特性は、コントラスト比である。コントラスト比を変化させるために、或るビット期間が伸長されるのに対して、他の或るビット期間が短縮される。もし視聴者がコントラストを増大しようと望むならば、ＭＳＢを含む１つ以上の上位ビットの期間が伸長されるのに対して、ＬＳＢを含む１つ以上の下位ビットの期間が短縮される。この結果、明画素の輝度を増大すること及び低強度画素の輝度を減少することの両方となる。例えば、もしＭＳＢ期間が伸長されるならば、全ての強度語の明るいほう半分が輝度を増大することになる。もしＬＳＢ期間が短縮されるならば、残りの半分の強度語が輝度を減少することになる。最薄明値の減少は、最も目立つことになる。
【００１６】
図４は、本発明の第３実施例による増大コントラストを持つシステムに対する５ビット時間線を示す。図４において、ＭＳＢ期間５０が伸長されているのに対して、ＬＳＢを含む２つの下位ビットの期間５２及び５４は短縮されている。１つの代替実施例は、ＬＳＢを含む１つ以上の下位ビットの期間を単に短縮することであろう。ＭＳＢ期間は、そのシステムが各フレーム内に特別の帰線消去時間を含むように設計されたのではないならば、ＬＳＢ期間を短縮することなくしては伸長され得ないであろう。
【００１７】
コントラスト比を減少させるために、これと反対が行われる。ＭＳＢ期間が短縮されるのに対して、ＬＳＢ期間が伸長される。これが、最明輝画素の輝度を減少し、かつ最薄明画素の輝度を増大させる。同じ効果を達成するために、ＬＳＢ期間を伸長することなく、ＭＳＢ期間が短縮されても良い。図５は、本発明の第４実施例による減少コントラスト比を持つシステムに対する時間線を示す。図５において、ＭＳＢ期間５６が短縮されているのに対して、ＬＳＢ期間５８は伸長されている。
【００１８】
先の議論においては、視聴者が、画像の輝度、淡彩、及びコントラストを調節した。１つの代替実施例は、表示システムに画像を自動的に調節できるようにさせる。図６は、視聴者か又はシステムコントローラ６２のどちらかによって調節される表示システム６０を示す。視聴者は、輝度制御６４、淡彩制御６６、及びコントラスト制御６８を使用して画像を調節する。このシステムは、いつ画像センサ７０で以て画像を監視することによって、又は入力データ流７２を処理することによってのどちらかで画像特性を調節するべきかを決定することができる。カラー及びコントラスト情報もまた得られて、システムコントローラへの帰還に供せられることがある。画像センサ７０は、また、適正な輝度レベルを決定するに当たって助援するため周囲光を監視するのに使用されることがある。
【００１９】
したがって、ディジタルパルス幅変調表示システムに対する輝度及びコントラスト制御のための特定の実施例が、ここまでに、開示されたが、このような特定の引用は、前掲の特許請求の範囲に記載されている限りを除き、本発明の範囲への限定と考えられることを意図してはいない。更に、本発明は、その或る特定の実施例に関連して説明されたが、更に他の変形がいまや当業者に自ずから提示することは云うまでもなく、全てのこのような変形は前掲の特許請求の範囲に包含されることを意図する。
【００２０】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
【００２１】
（１） パルス幅変調ディジタル表示画素の強度を調節する方法であって、
少なくとも２ビットを有する強度語で以て各画素を表現するステップ、
前記少なくとも２ビットを逐次表示するステップであって、各前記ビットは前記ビットの重みを表現する持続時間にわたって表示される、前記逐次表示するステップ、
前記画素の表示持続時間を変更するステップ
を含む、方法。
【００２２】
（２） 第１項記載の方法において、前記表示持続時間が短縮され、それによって前記画素の輝度を減少させる、方法。
【００２３】
（３） 第１項記載の方法において、全てのビットに対する前記表示持続時間が変更される、方法。
【００２４】
（４） 第１項記載の方法において、全ての前記ビットに対する前記表示持続時間が等しく変更される、方法。
【００２５】
（５） 第１項記載の方法において、２つ以上の前記ビットに対する前記表示持続時間が比例的に変更される、方法。
【００２６】
（６） 第１項記載の方法において、前記画素が少なくとも２つのカラー強度語を逐次表示し、前記変更するステップは前記カラー強度語の各々に等しく遂行される、方法。
【００２７】
（７） 第１項記載の方法において、前記画素が少なくとも２つのカラー強度語を逐次表示し、前記変更するステップは前記強度語の各々に異なって遂行される、方法。
【００２８】
（８） 第１項記載の方法において、前記画素が表示期間の間において帰線消去期間を有し、前記画素は前記帰線消去期間中にターンオンされる、方法。
【００２９】
（９） 第１項記載の方法において、最上位ビットの少なくとも１つの前記表示持続時間が伸長され、それによって前記コントラスト比を増大させる、方法。
【００３０】
（１０） 第１項記載の方法において、最下位ビットの少なくとも１つの前記表示持続時間が短縮され、それによって前記コントラスト比を増大させる、方法。
【００３１】
（１１） 第１項記載の方法において、前記最上位ビットの少なくとも１つの前記表示持続時間が短縮され、それによって前記コントラスト比を減少させる、方法。
【００３２】
（１２） 第１項記載の方法において、前記最下位ビットの少なくとも１つの前記表示持続時間が伸長され、それによって前記コントラスト比を減少させる、方法。
【００３３】
（１３） 第１項記載の方法において、最上位ビットの少なくとも１つの前記表示持続時間が伸長され、かつ最下位ビットの少なくとも１つの前記表示持続時間が短縮され、それによって前記コントラスト比を増大させる、方法。
【００３４】
（１４） 第１項記載の方法において、前記最上位ビットの少なくとも１つの前記表示持続時間が短縮され、かつ前記最下位ビットの少なくとも１つの前記表示持続時間が伸長され、それによって前記コントラスト比を減少させる、方法。
【００３５】
（１５） データ語からなる入力画像データ流、
前記画像データ流を受信しかつ前記データ語を表現する画像を表示するディジタル表示デバイス、
少なくとも１つの入力画像変調信号、
前記画像変調信号に基づいて前記ビットの表示持続時間を変更する表示システムコントローラ
を含むディジタル表示システム。
【００３６】
（１６） 第１５項記載のシステムにおいて、前記画像変調信号が前記データ語を表現する前記画像の輝度を決定する、システム。
【００３７】
（１７） 第１５項記載のシステムにおいて、前記画像変調信号が前記データ語を表現する前記画像のカラー淡彩を決定する、システム。
【００３８】
（１８） 第１５項記載のシステムにおいて、前記画像変調信号が前記データ語を表現する前記画像のコントラスト比を決定する、システム。
【００３９】
（１９） 第１５項記載のシステムにおいて、前記画像変調信号が視聴者によって発生される、システム。
【００４０】
（２０） 第１５項記載のシステムにおいて、前記画像変調信号が画像センサによって発生される、システム。
【００４１】
（２１）入力画像データをスケール変換することなくディジタルパルス変調表示の輝度及びコントラストを調節する方法及びシステムが開示される。輝度は、ビット表示持続時間を変更することによって又は帰線消去期間３６中に画素をターンオンすることによってのどちらかで、表示画素のデューティサイクルを変化させることによって、調節される。コントラスト比は、ＬＳＢを含む下位ビットの少なくとも１つの表示持続時間と異なるようにＭＳＢを含む上位ビットの少なくとも１つの表示持続時間を変化させることによって変更されることがある。コントラストは、ＭＳＢ表示持続時間５０を伸長させかつＬＳＢ表示持続時間５２を短縮することによって増大されることがある。コントラストは、ＭＳＢ表示持続時間５６を短縮させかつＬＳＢ表示持続時間５８を伸長することによって減少されることがある。表示画像のカラー淡彩は、構成カラーの輝度を個別に変化させることによって変更されることがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】パルス幅変調を使用する典型的５ビットディジタル表示に対する時間線の１例を示す線図。
【図２】本発明の第１実施例による増大輝度を有する典型的５ビットディジタル表示に対する時間線の１例を示す線図。
【図３】本発明の第２実施例による減少輝度を有する典型的５ビットディジタル表示に対する時間線の１例を示す線図。
【図４】本発明の第３実施例による増大コントラストを有する典型的５ビットディジタル表示に対する時間線の１例を示す線図。
【図５】本発明の第４実施例による減少コントラストを有する典型的５ビットディジタル表示に対する時間線の１例を示す線図。
【図６】本発明による表示システムの概略図。
【符号の説明】
３０ フレーム期間
３２ ＬＳＢ期間
３４ ＭＳＢ期間
３６、３８ 帰線消去期間
４０、４８ ブロッククリヤ期間
５０ ＭＳＢ期間
５２、５４ ＬＳＢ期間
５６ ＭＳＢ期間
５８ ＬＳＢ期間
６０ 表示システム
６２ システムコントローラ
６４ 輝度制御
６６ 淡彩制御
６８ コントラスト制御
７０ 画像センサ
７２ 入力データ流

Claims (2)

1. パルス幅変調ディジタル表示を操作する方法であって、
   輝度を表す２進語である２進輝度語内の各ビットに、表示期間の１部分を、各表示期間部分の持続時間がビットの２進重みに対応するように割り当てるステップと、
   少なくとも２ビットを有する２進輝度語を受信するステップと、
   前記受信２進輝度語内のビットに割り当てられた期間、表示を行なうステップと、
   前記受信するステップと前記表示を行なうステップをコントラスト調整信号を受信するまで繰り返すステップと、
   前記コントラスト調整信号に応答して、少なくとも１つのビットに割り当てられた表示期間部分を長くし、少なくとも１つの他のビットに割り当てられた表示期間部分を短くするステップと、
   前記長さを変更された表示期間部分を採用して、前記受信するステップと前記表示を行なうステップを繰り返すステップと、
   を含む、方法。
2. ディジタル表示システムであって、
   ２進重み付けされたデータ語を受信し、前記２進重み付けされたデータ語によって表される画像を表示するディジタル表示デバイスであって、各データ語のための表示期間が、データ語内の各２進ビットに対応するビット表示期間によって決まるディジタル表示デバイスと、
   コントラスト修正信号を受信し、前記コントラスト修正信号に応答して少なくとも１つのビット表示期間を長くし、少なくとも１つのビット表示期間を短くする表示システムコントローラ、
   を含むディジタル表示システム。

Images