JPH08146934A - 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

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】入力画像データをスケール変換することなく、
経済的、容易に、ディジタルパルス変調表示画素の輝度
及びコントラストを調節する。 【構成】輝度は、ビット表示持続時間、すなわち、表示
期間を変更することによって又は帰線消去期間中に画素
をターンオンすることによって表示画素のデューティサ
イクルを変化させることで以て調節される。コントラス
ト比は、少なくとも１つのＬＳＢ表示期間と異なるよう
に少なくとも１つのＭＳＢ表示期間を変化させることに
よって変更される。コントラストは、ＭＳＢ表示期間を
伸長しかつＬＳＢ表示期間を短縮することにより増大さ
れ、また、ＭＳＢ表示期間を短縮しかつＬＳＢ表示期間
を伸長することにより減少される。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り
変更される。

Description

【発明の詳細な説明】

【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 Ｍｅｔｈｏ
ｄ）」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、ＤＭ
Ｄ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３
８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、ＬＣ
Ｄ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】画像の輝度を増大するために、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、１つ以上のＭ
ＳＢ期間が伸長されるのに対して、１つ以上のＬＳＢ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、全ての可
能な強度語の半分に当たる最明輝語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、全ての
半端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、２つのＬＳＢ期間５２及び５４は短縮されて
いる。１つの代替実施例は、１つ以上のＬＳＢ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期間が伸長されるのに対し
て、ＬＳＢ期間が短縮される。これが、最明輝画素の輝
度を増大し、かつ最薄明画素の輝度を減少させる。やは
り、ＭＳＢ期間は、同じ効果を達成するために、ＬＳＢ
期間を伸長することなくして短縮されることはあり得な
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、ＬＳ
Ｂ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の少なくとも１つの表示持続時間と異なるように
ＭＳＢ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、Ｍ
ＳＢ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

【手続補正書】

【提出日】平成７年２月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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。
2. 【請求項２】 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。