DE102005028671B4

DE102005028671B4 - Verfahren zur Einstellung der Farbanteile einer Beleuchtungsanordnung

Info

Publication number: DE102005028671B4
Application number: DE102005028671A
Authority: DE
Inventors: Enrico Geissler; Bryce Anton Dr. Moffat; Karsten Lindig
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2025-06-18
Also published as: DE102005028671A1

Abstract

Verfahren zur Einstellung der Farbanteile einer Beleuchtungsanordnung für ein Mikrodisplay-Projektionssystem mit mehreren Farblichtquellen für eine vorgegebene Videonorm, wobei die Farblichtquellen unabhängig voneinander angesteuert werden und zur Erzeugung des Farbbildes Zeitscheiben (ts) vorgesehen sind, welche Zeitscheibenanteile (tg, tr, tb) enthalten, in denen Farbteilbilder, farbsequentiell erzeugt werden, mit den Verfahrensschritten
a) Empirische Festlegung der Initialwerte für die Zeitscheibenanteile (tg, tr, tb) bei einer definierten Intensität der Farblichtquellen zur Ermittlung der Koordinaten eines in der Nähe des Zielweißlichtpunktes (Wz) liegenden ersten Weißpunktes (W1) im CIE Farbdreieck,
b) Ermittlung der Lage der Lichtquellenfarborte (LQFOg, LQFOr, LQFOb) und der Leistungsanteile (P) der Farblichtquellen in jeder Zeitscheibe (ts),
c) Transformation der Lichtquellenfarborte (LQFOg, LQFOr, LQFOb) in den Zeitscheiben (ts) zu den von den Transmissionseigenschaften des Projektionssystems und den gewünschten Abbildungsformat abhängigen Zielfarborten (ZFOg, ZFOr, ZFOb) der Grundfarben im CIE Farbdreieck durch Beimischen der jeweils anderen Farben mit definierten Anteilen in die Zeitscheiben der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Farbanteile einer Beleuchtungsanordnung für Mikrodisplay-Projektionssysteme mit mehreren Farblichtquellen, wobei die Lichtquellen unabhängig voneinander angesteuert werden und zur Erzeugung des Farbbildes Zeitscheiben vorgesehen sind, in denen Farbteilbilder farbsequentiell erzeugt werden.
Beleuchtungseinheiten für Projektionssysteme, die mit mehreren farbigen Lichtquellen, wie beispielsweise mit LEDs arbeiten, müssen das Licht dieser Farblichtquellen geeignet kombinieren und dem Projektionssystem zuführen. Die Anforderung an ein Projektionssystem umfasst unter anderem die Einstellung der Farbkoordinaten (Farbraum) auf eine der der üblichen Normen (PAL, NTSC, HDTV). Der Videostrom wird dabei so modifiziert, dass die Kombination aus den transformierten Daten, den spektralen Übertragungseigenschaften des Projektionssystems und den Lichtquellenfarborten die gewünschte Lage der projizierten Farbkoordinaten ergibt. Die Lichtquellenfarborte müssen außerhalb der durch die Zielfarborte aufgespannten Fläche im CIE Farbdreieck liegen, um den Farbraum optimal anzupassen. Liegen die Lichtquellen außerhalb kann die fehlende Fläche (Farbe) nicht erzeugt werden.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass eine Mischung der Farbanteile nur unter Verringerung der anteiligen Farbkanalleistung möglich ist und damit die Gesamtleistung des Systems reduziert wird. Darüber hinaus führt die elektronische Umrechnung der Farbkanäle zu Quantisierungsfehlern. Produktbedingte Schwankungen der Nennleistungen der Farblichtquellen führen zu unterschiedlichen Quantisierungen.
Die DE 103 45 433 A1 beschreibt einen Weißabgleich eines Projektors durch eine Variation der Farbanteile innerhalb einer Zeitscheibe. Eine Anpassung der Lichtquellenfarborte auf den Farbraum der Fernseh- oder Video-Norm erfolgt nicht. Soll ein Bild farbrichtig dargestellt werden, ist nach dem Stand der Technik eine Umrechnung jedes Bildpunktes erforderlich, wie dieses beispielsweise in DE 103 08 904 A1 beschieben ist.
Die EP 1 499 136 A1 beschreibt die Einstellung des Weißpunktes. Eine Transformation von Farborten wird nicht behandelt.
In EP 1 491 923 A1 wird ein Projektor beschrieben, in dem verschiedenfarbige LED's als Lichtquelle eingesetzt werden. Weißpunktanpassung und Farbraumanpassung, die für die Darstellung farbgetreuer Bilder erforderlich sind, werden nicht vorgennommen.
Ausgehend von diesen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einstellung der Farbanteile einer Beleuchtungsanordnung für ein Mikrodisplay-Projektionssystem dahingehend weiter zu entwickeln, dass die Farborttransformation der Lichtquellenfarborte zu den systemabhängigen Zielfarborten im CIE Farbdreieck nicht zu einer Leistungsreduzierung führt, sondern dass damit sogar eine Leistungsverbesserung bei unverfälschten Videodaten möglich wird und gleichzeitig produktbedingte Schwankungen in den Nennleistungen der Farblichtquellen (z.B. bei LED's oder OLED's) kompensiert werden können. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte nach Patentanspruch 1 gelöst.
In den Unteransprüchen werden dazu zweckmäßige, beziehungsweise vorteilhafte, Verfahrensschritte aufgezeigt.
Aus dem Spektrum der verfügbaren Farblichtquellen (Rot, Grün, Blau) werden zunächst bei voller Intensität der Farblichtquellen die Initialwerte der Zeitscheiben ermittelt, so dass sich ein in der Nähe des Zielweißlichtpunktes befindlicher Ort eines „Mischpunktes" im CIE Farbdreieck erfassen lässt. Im Anschluss daran erfolgt die Ermittlung (Messung) der Lichtquellenfarborte und Leistung (X-, y-Koordinaten im CIE Farbdreieck) der Farblichtquellen in den einzelnen Zeitscheiben. Durch Beimischen der jeweils anderen Farbanteile zu den Farblichtquellen der Grundfarben in den Zeitscheiben kommt es zur Transformation der Lichtquellenfarborte in die Zielfarborte, die von den Transmissionseigenschaften des Projektionssystems und dem gewünschten Abbildungsformat (Farbraum) abhängen. Der „Mischpunkt" im durch die Zielfarborte definierten CIE Farbdreieck verändert dabei seine vorherige, durch die Lichtquellenfarborte, bestimmte Lage.
Mit der darauf folgenden Zeitscheibenvariation (Optimierung) in Abhängigkeit von den adaptiven Leistungsdaten und Zielfarborten verändert sich die Lage des „Mischpunktes" in den Ort des erwünschten Zielweißpunktes mit maximaler Leuchtdichte im CIE Farbdreieck, ohne dass sich dabei die zuvor eingestellten Zielfarborte der Farblichtquellen verändern.
Die Kombination von sequentieller additiver Farbmischung und der Farbmischung nach dem Superpositionsprinzip (Mischungsverhältnis) führt zu einer relativ einfachen Anpassung der Beleuchtungsanordnung an den systemabhängigen Farbraum, beziehungsweise an die spektralen Transmissionseigenschaften des Projektionssystems, wie die der Optik, des Modulators oder des Schirms, ohne dass es dabei zu einer Reduzierung der Lichtleistung kommt.
Die Ansteuerung der Farblichtquellen erfolgt synchron zum Bildsignal, wobei jedes Farbteilbild eine eindeutige Anfangserkennung (Trigger) aufweisen muss.
Üblicherweise würde nun die jeweilige Farblichtquelle beim Erreichen des Triggerpunktes der dazugehörenden Farbsequenz eingeschaltet und die anderen Farblichtquellen der Grundfarben ausgeschaltet. Dies bedeutet, dass nur im eingeschalteten Zustand eine Leistung von den Farblichtquellen abgegeben wird. Die eingangs beschriebene nachteilige Verringerung der Farbkanalleistung erfolgt durch eine Absenkung des Modulationsgrades des Bildmodulators.
Erfindungsgemäß wird diese Leistungsreduzierung dadurch vermieden, dass der Modulationsgrad aller Farbkanäle maximal bleibt und die gewünschte Veränderung der Farbkoordinaten durch gezieltes Zumischen anteiliger Leistungen der jeweils andersfarbigen Quellen zu der Grundfarbe in der jeweiligen Zeitscheibe erfolgt.
Möglichkeiten dazu werden darin gesehen, dass entweder kontinuierliche, aber leistungsreduzierte Farbanteile der anderen Grundfarben über die Sequenzzeit zugeführt werden oder es erfolgt eine Leistungsabgabe mit maximaler Momentanleistung für eine entsprechend angepasste Zeit innerhalb der Zeitscheibe.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Die dazugehörenden Figuren zeigen:
1: das CIE Farbdreieck mit der Darstellung der Lichtquellenfarborte und der Zielfarborte,
2: ein Ansteuerschema der unmodifizierten Farblichtquellen und
3: ein Ansteuerschema der modifizierten Farblichtquellen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird einem nicht dargestellten Projektionssystem ein digitalisiertes Bildsignal zugespielt, welches in den Farbkomponenten RGB vorliegt (8 Bit je Farbe). Diese Signal ist auf an sich bekannte Art und Weise als PAL Signal kodiert. Es wird einem Bildmodulator ohne Anpassung der Farbkoordinaten (Matrizierung) zugespielt. Dieser wandelt die Farbkomponenten Rot, Grün, Blau (RGB) des Bildes in farbsequentielle Intensitätsinformationen (Zeitscheiben), welche synchron von einer Lichtquelle beleuchtet werden. Ein ebenfalls an sich bekanntes optisches System überträgt entsprechend seiner spektralen Übertragungsfunktion das modulierte Licht an den Bildbereich, wo es als farbiges Bild wahrgenommen wird.
Zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der Farbanteile zeigt 1 ein CIE Farbdreieck, in welchem ein durch die Lichtquellenfarborte LQFOg für die Grundfarbe Grün, LQFOr für die Grundfarbe Rot und LQFOb für die Grundfarbe Blau aufgespanntes Farbdreieck integriert ist. In diesem Farbdreieck ist ein weiteres Farbdreieck, gebildet durch die Zielfarborte ZFOg, ZFOr und ZFOb der Grundfarben eingezeichnet.
Ausgehend von der empirischen Ermittlung der Initialwerte der Farblichtquellen für definierte Zeitscheiben ts (2) wird ein in der Nähe des Zielweißpunktes Wz liegender Weißpunkt W1 definiert.
Nach der Ermittlung der Lage (Koordinaten) der Lichtquellenfarborte LOFOg, LOFOr und LOfOb und der Leistungsanteile der Farblichtquellen in jeder Zeitscheibe ts werden die Lichtquellenfarborte LOFOg, LOFOr und LOfOb, wie aus 1 ersichtlich in die erwünschten Zielfarborte ZFOg, ZFOr und ZFOb transformiert, wobei sich ein weiterer, in der Nähe des Zielweißpunktes Wz liegender Weißpunkt W2 ausbildet.
Die Transformation erfolgt durch Beimischen der jeweils anderen Farbanteile in den Zeitscheiben der Grundfarben, so dass beispielsweise zur Farblichtquelle Rot grüne und blaue Farbanteile mit definierten Intensitäten beigemischt werden. In 3 ist dies schematisch dargestellt.
In Abhängigkeit von den adaptiven Leistungsdaten und den Koordinaten der Zielfarborte ZFOg, ZFOr und ZFOb erfolgt eine Variation der Zeitscheiben ts, so dass sich die farbspezifischen Zeitanteile tr, tg und tb verändern. Durch diese Variation (Optimierung) wird der erwünschte Zielweißpunkt Wz ohne Verringerung des zuvor angepassten Farbraumes erreicht.
Die folgenden Tabellen zeigen beispielhaft die Leistungsdaten P in den einzelnen Verfahrensschritten zur Steuerung der Farbanteile.
Die optische Leistung P und die Farbkoordinaten xy der LEDs nach Durchgang durch das optische System (20,0: 50,0: 30,0 initial):
Weißlicht: 112,8
Die optische Leistung P und die Farbkoordinaten xy der LEDs nach Durchgang durch das optische System (21,7: 52,6: 25,7 optimale Zeitscheiben):
Weißlicht: 118,3
Die optische Leistung P und die Farbkoordinaten xy nach Anpassung Farbraum:
Weißlicht: 138,6
Leistungsverhältnisse:
Die optische Leistung P und die Farbkoordinaten xy nach Anpassung Weißpunkt (16,7: 55,6: 27,6):
Weißlicht: 135,2
Der Vergleich der Ausgangsleistung für Weiß des unangepassten Systems mit 118,3 lm mit dem farbraumangepassten System 135,2 lm bei gleichem Weißort ergibt einen Zuwachs von 14,3%.

Claims

Verfahren zur Einstellung der Farbanteile einer Beleuchtungsanordnung für ein Mikrodisplay-Projektionssystem mit mehreren Farblichtquellen für eine vorgegebene Videonorm, wobei die Farblichtquellen unabhängig voneinander angesteuert werden und zur Erzeugung des Farbbildes Zeitscheiben (ts) vorgesehen sind, welche Zeitscheibenanteile (tg, tr, tb) enthalten, in denen Farbteilbilder, farbsequentiell erzeugt werden, mit den Verfahrensschritten a) Empirische Festlegung der Initialwerte für die Zeitscheibenanteile (tg, tr, tb) bei einer definierten Intensität der Farblichtquellen zur Ermittlung der Koordinaten eines in der Nähe des Zielweißlichtpunktes (Wz) liegenden ersten Weißpunktes (W1) im CIE Farbdreieck, b) Ermittlung der Lage der Lichtquellenfarborte (LQFOg, LQFOr, LQFOb) und der Leistungsanteile (P) der Farblichtquellen in jeder Zeitscheibe (ts), c) Transformation der Lichtquellenfarborte (LQFOg, LQFOr, LQFOb) in den Zeitscheiben (ts) zu den von den Transmissionseigenschaften des Projektionssystems und den gewünschten Abbildungsformat abhängigen Zielfarborten (ZFOg, ZFOr, ZFOb) der Grundfarben im CIE Farbdreieck durch Beimischen der jeweils anderen Farben mit definierten Anteilen in die Zeitscheiben der Grundfarben, wobei sich ein in der Nähe des Zielweißpunktes (Wz) liegender zweiter Weißpunkt (W2) ausbildet und d) Einstellung der Zeitscheibenanteile (tg, tr, tb) in Abhängigkeit von den adaptiven Leistungsdaten und den Koordinaten der Zielfarborte (ZFOg, ZFOr, ZFOb) so, daß der Zielweißlichtpunkt (Wz) im CIE Farbdreieck erreicht wird, wobei die im Schritt c) erhaltenen Zielfarborte (ZFOg, ZFOr, ZFOb) der Grundfarben erhalten bleiben.
Verfahren zur Einstellung der Farbanteile einer Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über Farbmatrizen der Lichtquellenfarborte (LQFOg, LQFOr, LQFOb) der getakteten Farblichtquellen mit den Initial-Sequenzzeiten (SZ) der prozentualen Zeitscheibenanteile tr: tg: tb:
eine Matrix mit Normfarbwertanteilen
ermittelt wird.
Verfahren zur Einstellung der Farbanteile einer Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die additive Farbmischung einer Displaynorm über ein direktes Matrixverfahren, inklusive der Weißpunktmischung über folgende Verfahrensschritte vorgenommen wird: – Erzeugen der Quellenmatrix mit dem Ort des Zielweißpunktes Wz als Eingangsgröße
ergibt, – Erzeugung der Koeffizientenmatrix für das RGB-Bezugssystem
– Erzeugung der Leuchtdichtebeiwerte-Matrix, wobei im ersten Schritt über einen Skalierungsvektor S (α, β, γ), der das Maximum an Leuchtdichte für die Primärfarben und dem angestrebten Weißpunkt erzielt, das Leuchtdichteverhältnis erzeugt wird Y_rot:Y_grün-:Y_blau = α·YR_rel:β·YG_rel:γ·YB_relso dass sich durch Multiplikation des Leuchtdichtevektors Y_gesamt (Y_rot,Y_grün, Y_blau) mit den jeweiligen Elementen der Koeffizientenmatrix [M]_{Koeffizienten} die optimierte Leuchtdichtebeiwertematrix:
ergibt.
Verfahren zur Einstellung der Farbanteile einer Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch so dass sich damit sich für die Rot-Quellenmatrix
ergibt und äquivalent die Berechnung der Grün- und Blau-Quellenmatrizen nach
erfolgt, – Berechnung der RGB-Leuchtdichtebeiwerte-Matrix, wobei das reale Leuchtdichtebeiwerte-Verhältnis für die drei Primärfarben bestimmt wird, wobei die Farbmessmatrix MSZMess erforderlich ist, in dem der jeweilige Primärfarbkanal-Maximalteiler wie folgt bestimmt wird: Rot:
Max_rot = max/{teiler_rRot, teiler_bRot)und die Teiler Max_grün und Max_blau auf die gleiche Weise wie Max_rot berechnet werden, danach ergeben sich die Leuchtdichtebeiwerte für die RGB-Farbkanäle für den Rotkanal
und dementsprechend für Grün und Blau, wobei diese als Leuchtdichtebeiwertematrix den Endzusammenhang zwischen Display -und Quellenfarbraum:
definieren.
Verfahren zur Einstellüng der Farbanteile einer Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der sequentiellen Farbmischung zur Helligkeitsoptimierung durch die Eingangsgrößen
und das Zielweiß
vorgenommen wird, wobei das Zielweiß für die Berechnung der neuen Sequenzzeiten erforderlich ist, danach die Berechnung neuer Ausgleichsfaktoren nach
vorgenommen wird, wonach sich für den Farbvektor
ergibt, danach das Lichtstromverhältnis für das Ziel-Weiß mit maximalem Lichtstrom berechnet wird, in dem Teilerverhältnisse zur optimalen Aussteuerung mit maximal möglicher Lumenzahl nach
ermittelt werden und diese Teiler zur Bestimmung der relativen Teilsequenzverhältnisse nach
Summe_t = t1_R + t1_G + t1_Bdienen, so dass sich das optimierte Zeitscheibenverhältnis von:
ergibt.
zur Ermittlung der Ausgleichsfaktoren
woraus sich mit den jeweiligen Elementen der Messmatrix die Quellmatrix
ergibt, – Erzeugung der Displaymatrix mit der Eingangsgröße der Display-Zielfarbnorm
dem Zielweißort Wz
und den Ausgleichsfaktoren
wonach sich äquivalent zur Quellenmatrixberechnung die Displaymatrix gekennzeichnet, dass die additive Farbmischung der Displaynorm mittels Optimierung der Leuchtdichte der RGB-Farbkanäle nach folgenden Verfahrensschritten vorgenommen wird: – Definition des Zieldisplayfarbsystems durch die Display-Zielfarbnorm
Ermittlung leuchtdichtemaximierender Zielfarbwerte, wobei die Relativ-Matrizen für die Primärfarben unter der Bedingung maximaler Leuchtdichte nach der Vorschrift über die Bestimmung der leuchtdichtemaximierenden Zielnormfarbwerte bestimmt werden, sich danach für den Rotkanal
und äquivalent dazu die Berechnung der leuchtdichtmaximierenden Ziel-Normfarbwerte für den Grün -und Blaukanal (X_G, Y_G, Z_G; X_B, Y_B, Z_B) erfolgt, – Berechnung der RGB-Quellenmatrizen, wobei im ersten Schritt die Ermittlung der Ausgleichsfaktoren für den Rotkanal vorgenommen wird