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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Projektor und ein Verfahren
zum Projizieren eines Bildes.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung einen Projektor zum Projizieren eines Bildes
mit einem ersten und zweiten räumlichen Modulator mit jeweils
n × m Modulatorpixeln, die mittels einer Abbildungsoptik pixelgenau
aufeinander abgebildet werden, wobei der erste Modulator mit Licht
beaufschlagt wird und das Bild mittels des zweiten Modulators erzeugt
wird. Ein solcher Projektor ist beispielsweise aus dem
US 7,050,122 B2 bekannt.
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Mit
einer solchen Anordnung kann der Schwarzlichtpegel im erzeugten
Bild reduziert werden. Jedoch tritt die Schwierigkeit auf, daß eine
absolut exakte pixelgenaue Abbildung in der Praxis quasi nicht realisierbar
ist. Dies führt dazu, daß die Modulatorpixel des
zweiten Modulators, die eine vorbestimmte Helligkeit im Bild darstellen
sollen und zu Modulatorpixeln benachbart sind, die Schwarz darstellen
sollen und daher z. B. nicht beleuchtet werden, mit geringerer Intensität
beleuchtet werden als Modulatorpixel, die nur von Modulatorpixeln
umgeben sind, die auch helle Bildpunkte darstellen sollen. Dies
führt zu unerwünschten Helligkeitsschwankungen
in solchen Bereichen.
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Dieser
Effekt kann aufgrund chromatischer Fehler der Abbildungsoptik wellenlängenabhängig sein,
so daß bei der Darstellung von mehrfarbigen Bildern, wenn
Farbteilbilder zeitlich nacheinander so schnell erzeugt werden,
daß für ein Benutzer die Farbteilbilder nicht
einzeln erfaßbar sind, sondern nur in zeitliche Überlagerung,
die Farbanteile der einzelnen Farbbilder in unerwünschter
Weise schwanken, was zu Farbfehlern im zu projizierenden Bild führt.
Die gleiche Schwierigkeit tritt auf, wenn die Farbteilbilder mit
mehreren Modulatoren gleichzeitig erzeugt und auf den zweiten Modulator
abgebildet werden.
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Erfindungsgemäß soll
ein Projektor zum Projizieren eines Bildes bereitgestellt werden,
mit dem diese Schwierigkeiten gelöst werden können.
Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zum Projizieren eines Bildes
bereitgestellt werden.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch einen Projektor zum Projizieren
eines Bildes gemäß Anspruch 1.
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Da
bei dem erfindungsgemäßen Projektor die Beleuchtungssteuerdaten
derart erzeugt werden, daß sie für jedes Beleuchtungspixel,
das einem Bildpixel zugeordnet ist, das gemäß den
Bilddaten einen über einem vorbestimmten Schwellwert liegenden Helligkeitswert
im Bild darstellen soll, den Ein-Wert und für alle anderen
Beleuchtungspixel den Aus-Wert mit der Ausnahme aufweisen, daß die
Beleuchtungssteuerdaten für zumindest ein der anderen Beleuchtungspixel,
dessen zugeordnetes Bildpixel von einem Bildpixel, das gemäß den
Bilddaten einen über dem vorbestimmten Schwellwert liegenden
Helligkeitswert darstellen sollen, um nicht mehr als eine vorbestimmte
Pixelanzahl beabstandet ist, den Ein-Wert aufweisen, werden helle
Randbildpixel, mit denen helle Randbildpunkte neben dunklen Bildpunkten
im zu projizierenden Bild erzeugt werden sollen, in gleicher Weise
beleuchtet wie helle Bildpixel, die ausschließlich von
hellen Bildpixeln umgeben sind. Damit wird eine sehr gleichmäßige
Beleuchtung auch der Randbildpixel erreicht, wodurch die eingangs
beschriebenen Schwierigkeiten überwunden werden können.
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Insbesondere
kann die Steuereinheit die Beleuchtungssteuerdaten so erzeugen,
daß sie für jedes der anderen Beleuchtungspixel,
dessen zugeordnetes Bildpixel von einem Bildpixel, das gemäß den
Bilddaten einen über dem vorbestimmten Schwellwert liegenden
Helligkeitswert darstellen soll, um nicht mehr als eine vorbestimmte
Pixelanzahl beabstandet ist, den Ein-Wert aufweisen. Damit kann sichergestellt
werden, daß alle Randbildpixel in gleicher Weise beleuchtete
werden.
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Die
vorbestimmte Pixelanzahl kann 0 sein, so daß die Beleuchtungssteuerdaten
für jedes andere Beleuchtungspixel, dessen zugeordnetes
Bildpixel direkt zu einem Bildpixel benachbart ist, das gemäß den
Bilddaten einen über dem vorbestimmten Schwellwert liegenden
Helligkeitswert darstellen soll, den Ein-Wert aufweisen. Wenn die
vorbestimmte Pixelanzahl 0 ist, werden nur die schwarzen Bildpixel beleuchtet,
die direkt zu einem Bildpixel benachbart sind, das gemäß den
Bilddaten einen über dem vorbestimmten Schwellwert liegenden
Helligkeitswert darstellen soll.
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Wenn
nicht nur direkt benachbarte schwarze Bildpixel sondern weiter beabstandete
schwarze Bildpixel auch beleuchtet werden sollen, kann die Pixelanzahl
einen entsprechenden höheren Wert als 0 aufweisen.
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So
kann die vorbestimmte Pixelanzahl 1, 2, 3 oder einen anderen Wert
aufweisen. Ein Wert von größer oder gleich 1 kann
gewählt werden, wenn z. B. die Abbildungsoptik unerwünschte
Pixelverschiebungen erzeugt. Auch kann dadurch das sogenannte räumliche
Dithering berücksichtigt werden, bei dem die Steuereinheit
zur Bildverbesserung auch Bildpixel hell schaltet, die gemäß den
Bilddaten eigentlich keine über dem vorbestimmten Schwellwert
liegende Helligkeit darstellen sollen.
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Bei
dem Projektor können die Beleuchtungspixel jeweils in einen
ersten Zustand, in dem das von dem Beleuchtungspixel kommende Licht
auf das zugeordnete Bildpixel abgebildet wird, und in einem zweiten
Zustand geschaltet werden, in dem kein Licht vom Beleuchtungspixel
auf das zugeordnete Bildpixel abgebildet wird, und die Bildpixel
können jeweils in einen ersten Zustand, in dem das von
dem Bildpixel kommende Licht zur Bilderzeugung verwendet wird, und
in einen zweiten Zustand geschaltet werden, in dem kein Licht vom
Bildpixel zur Bilderzeugung verwendet wird. Damit ist eine digitale
Ansteuerung der beiden Modulatoren möglich. Insbesondere
können beispielsweise LCD-, LCoS-Modulatoren oder Kippspiegelmatrizen
als Modulatoren eingesetzt werden. Die Modulatoren können
reflektiv oder transmissiv sein. Der erfindungsgemäße
Projektor kann Modulatoren des gleichen Typs oder unterschiedlichen
Typs enthalten. Bevorzugt enthält sie Modulatoren des gleichen
Typs, beispielsweise zwei Kippspiegelmatrizen.
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In
den Beleuchtungssteuerdaten kann der Ein-Wert für die Beleuchtungspixel
durch die Steuereinheit so gewählt werden, daß jedes
Beleuchtungspixel, das einem Bildpixel zugeordnet ist, das gemäß den
Bilddaten einen über dem vorbestimmten Schwellwert liegenden
Helligkeitswert im Bild darstellen soll, immer zu den Zeiten in
den ersten Zustand geschaltet ist, wenn das zugeordnete Bildpixel
in den ersten Zustand geschaltet ist. Damit wird sichergestellt,
daß der gewünschte Helligkeitswert des Bildpixels
erreicht werden kann, wobei gleichzeitig eine Reduzierung des Schwarzpegels
erreichbar ist.
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Die
Steuereinheit kann den Ein-Wert für die Beleuchtungspixel
in den Beleuchtungssteuerdaten so wählen, daß jedes
Beleuchtungspixel, das einem Bildpixel zugeordnet ist, das gemäß den
Bilddaten einen Helligkeitswert darstellen soll, der über
dem vorbestimmten Schwellwert und unter einem vorbestimmten Maximalwert
liegt, während den Zeiten, wenn das zugeordnete Bildpixel
in den zweiten Zustand geschaltet ist, zumindest zeitweise auch
in den zweiten Zustand geschaltet ist. Damit wird eine an die Schaltzustände
der Bildpixel angepaßte Beleuchtung ermöglicht,
wodurch störende Hintergrundhelligkeit reduziert werden
kann.
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Ferner
kann in den Beleuchtungssteuerdaten der Ein-Wert für die
anderen Beleuchtungspixel so gewählt werden, daß die
anderen Beleuchtungspixel immer zu den Zeiten in den ersten Zustand
geschaltet sind, wenn zumindest eines von den von dem zugeordneten
Bildpixel um nicht mehr als die vorbestimmte Pixelanzahl beabstandeten
Bildpixel in den erste Zustand geschaltet ist. Dabei kann der Ein-Wert
für die anderen Beleuchtungspixel insbesondere so gewählt
sein, daß jedes andere Beleuchtungspixel, dessen zugeordnetes
Bildpixel von zumindest einem anderen Bildpixel, das einen Helligkeitswert
darstellen soll, der über dem vorbestimmten Schwellwert
und unter einem Maximalwert liegt, um nicht mehr als die vorbestimmte
Pixelanzahl beabstandet ist, während der Zeiten, wenn das
zumindest eine andere Bildpixel in den zweiten Zustand geschaltet
ist, zumindest zeitweise auch in den zweiten Zustand geschaltet
ist. Damit wird die an die Schaltzeiten angepaßte Beleuchtung
auch für die anderen Bildpixel, denen der Ein-Wert zugeordnet
ist, durchgeführt. Dies führt zu einer weiteren
Reduzierung der unerwünschten Hintergrundhelligkeit.
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Bei
dem Projektor kann die Steuereinheit den Ein-Wert für die
Beleuchtungspixel in den Beleuchtungssteuerdaten auch so wählen,
daß jedes Beleuchtungspixel, das einem Bildpixel zugeordnet ist,
das gemäß den Bilddaten einen über dem
vorbestimmten Schwellwert liegenden Helligkeitswert im Bild darstellen
soll, immer genau nur zu den Zeiten in den ersten Zustand geschaltet
ist, wenn das zugeordnete Bildpixel in den ersten Zustand geschaltet
ist. Damit wird eine absolut an die Zeiten des ersten Zustands angepaßte
Beleuchtung erreicht.
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Insbesondere
kann der Ein-Wert für die anderen Beleuchtungspixel auch
so gewählt sein, daß die anderen Beleuchtungspixel
immer genau nur zu den Zeiten in den ersten Zustand geschaltet sind, wenn
zumindest eines von den von dem zugeordneten Bildpixel um nicht
mehr als die vorbestimmte Pixelanzahl beabstandeten Bildpixeln in
den ersten Zustand geschaltet ist.
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Die
Beleuchtungs- und Bildsteuerdaten können jeweils pulsweitenmodulierte
Steuerdaten sein. Insbesondere können die Steuerdaten für
jedes Beleuchtungs- und Bildpixel jeweils einen Binärdatenwert
gleicher Bittiefe enthalten, wobei der Ein-Wert für jedes
Beleuchtungspixel, das einem Bildpixel zugeordnet ist, das gemäß den
Bilddaten einen über dem vorbestimmten Schwellwert liegenden
Helligkeitswert im Bild darstellen soll, so gewählt ist,
daß zumindest die gleichen Bits gesetzt sind wie bei Binärdatenwert
des zugeordneten Bildpixels. Damit kann eine an die Bitschaltzeiten
angepaßte Beleuchtung des Bildpixels realisiert werden.
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Insbesondere
kann der Ein-Wert für die Beleuchtungspixel so gewählt
sein, daß alle Bits gesetzt sind, die im Binärdatenwert
des zugeordneten Pixels und in den Binärdatenwerten aller
von den vom zugeordneten Bildpixel um nicht mehr als die vorbestimmte
Pixelanzahl beabstandeten Bildpixeln gesetzt sind.
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Der
vorbestimmte Schwellwert ist bevorzugt so gewählt, daß die
geringste noch darstellbare Helligkeit im Bild bereits über
dem Schwellwert liegt. Damit wird vorteilhaft erreicht, daß nur
für Bildpixel, die einen schwarzen Bildpunkt darstellen
sollen, die Beleuchtungspixel den Aus-Wert aufweisen können.
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Der
erfindungsgemäße Projektor kann insbesondere als
Projektor für Anwendungen in einem Planetarium so ausgebildet
sein, daß das zu projizierende Bild auf eine gekrümmte
Projektionsfläche projiziert wird. Die gekrümmte
Projektionsfläche kann Teil einer Planetariumskuppel sein.
Bei dieser Ausbildung erfolgt die Projektion in der Regel im Dunklen, so
daß die erreichte Schwarzpegelreduzierung eine deutliche
Bildverbesserung mit sich bringt.
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Der
Projektor kann ferner als Projektor für die Frontprojektion
oder als Projektor für die Rückprojektion ausgebildet
sein. Die Projektionsfläche kann Bestandteil des Projektors
sein.
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Die
Abbildungsoptik kann als 1:1-Abbildungsoptik, als vergrößernde
oder als verkleinernde Abbildungsoptik ausgebildet sein. Die Ausbildung
als vergrößernde oder als verkleinernde Abbildungsoptik wird
z. B. gewählt, wenn die beiden Modulatoren unterschiedliche
Größe aufweisen. Wesentlich ist dabei insbesondere,
daß die gewünschte Zuordnung der Beleuchtungs-
und Bildpixel verwirklicht wird.
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Ferner
wird ein Verfahren gemäß Anspruch 14 bereitgestellt.
Vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sind in den abhängigen
Verfahrensansprüchen angegeben.
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Es
versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen
Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten
Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren,
noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Projektors;
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2 eine
schematische Ansicht der Steuereinheit 7 des Projektors 1 von 1;
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3 eine
Darstellung zur Erläuterung der Erzeugung der Muster- und
Bilddaten M, B;
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4 eine
Darstellung zur Erläuterung der pulsweitenmodulierten Mustersteuerdaten
MS für den Wert 255;
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5 eine
Darstellung zur Erläuterung der pulsweitenmodulierten Bildsteuerdaten
BS für den Wert 20;
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6–9 schematische
Darstellungen des Lichteinfalls auf den Bildmodulator 5;
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10 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung der Erzeugung
der Muster- und Bilddaten M, B;
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11 eine
Darstellung zur Erläuterung der Steuerdaten MS für
den Wert 20;
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12 eine
Darstellung zur Erläuterung der Steuerdaten BS für
den Wert 20;
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13 eine
Darstellung zur Erläuterung zur Erzeugung der Muster- und
Bilddaten;
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14 eine
Darstellung zur Erläuterung der Steuerdaten MS für
den Wert 52;
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15 eine
Darstellung zur Erläuterung der Steuerdaten BS für
den Wert 20;
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16 eine
Darstellung zur Erläuterung der Erzeugung der Muster- und
Bilddaten M, B;
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17 eine
Darstellung zur Erläuterung der Steuerdaten MS für
den Wert 23;
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18a–18e Darstellungen
zur Erläuterung der Steuerdaten BS für die Werte 18–22;
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19 eine
Darstellung zur Erläuterung der Erzeugung der Muster- und
Bilddaten M, B;
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20 eine
Darstellung zur Erläuterung der Steuerdaten MS für
den Wert 63;
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21 eine
Darstellung zur Erläuterung der Steuerdaten BS für
den Wert 19;
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22 eine
Darstellung zur Erläuterung der Erzeugung der Muster- und
Bilddaten M, B;
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23a und 23b Darstellungen
zur Erläuterung der Steuerdaten MS für die Werte 63 und 127;
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24a und 24b Darstellungen
zur Erläuterung der Steuerdaten BS für die Werte 20 und 52,
und
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25 eine
schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Projektors.
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Bei
der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform
umfaßt der erfindungsgemäße Projektor 1 zum
Projizieren eines Bildes eine Lichtquelle 2, einen Beleuchtungsmodulator 3,
eine Abbildungsoptik 4, einen Bildmodulator 5,
eine Projektionsoptik 6 sowie eine Steuereinheit 7.
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Die
beiden Modulatoren 3, 5 sind jeweils als Kippspiegelmatrix
ausgebildet, die n × m Kippspiegel in Spalten und Zeilen
aufweisen, wobei die Kippspiegel voneinander unabhängig
in eine erste und in eine zweite Kippstellung gebracht werden können.
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Die
Abbildungsoptik 4 ist als 1:1-Abbildungsoptik mit einer
Linse 8 und einem Spiegel 9 ausgebildet und bildet
jeden Kippspiegel des Beleuchtungsmodulators 3 genau auf
einen Kippspiegel des Bildmodulators 5 ab, so daß zu
jedem Kippspiegel (nachfolgend auch Beleuchtungspixel genannt) des
Beleuchtungsmodulators 3 genau ein Kippspiegel (nachfolgend
auch Bildpixel genannt) des Bildmodulators 5 zugeordnet
ist.
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Die
beiden Modulatoren 3 und 5 werden von der Steuereinheit 7 basierend
auf zugeführten Bilddaten BD so angesteuert, daß der
Beleuchtungsmodulator 3, der mit dem Licht (z. B. weißem
Licht) der Lichtquelle 2 beaufschlagt wird, eine flächig
modulierte Lichtquelle für den Bildmodulator 5 ist,
mit dem das zu projizierende Bild erzeugt bzw. moduliert wird, das
dann mittels der Projektionsoptik 6 auf eine Projektionsfläche 10 projiziert
wird.
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Um
die flächig modulierte Lichtquelle bereitzustellen, ist
der Projektor 1 so ausgebildet, daß nur das Licht,
das von den sich in der ersten Kippstellung befindenden Kippspiegeln
des Beleuchtungsmodulators 3 reflektiert wird, auf die
zugeordneten Kippspiegel des Bildmodulators 5 abgebildet
wird. Das von den in der zweiten Kippstellung stehenden Kippspiegeln
des Beleuchtungsmodulators 3 kommende Licht wird von einer
(nicht gezeigten) Strahlfalle aufgenommen und wird somit nicht auf
den Bildmodulator 5 abgebildet. Die Bilderzeugung bzw.
-modulation erfolgt dann mittels der Kippstellung der Bildpixel
(= Kippspiegel des Bildmodulators 5), da nur das von den
in der ersten Kippstellung stehenden Bildpixeln kommende Licht über
die Projektionsoptik 6 auf die Projektionsfläche 10 projiziert
wird. Das von den sich in der zweiten Kippstellung befindenden Bildpixeln reflektierte
Licht wird nicht auf die Projektionsfläche 10 projiziert,
sondern z. B. in einer (nicht gezeigten) Strahlfalle aufgenommen.
Durch die Kippstellungen der Bildpixel wird somit das zu projizierende
Bild moduliert bzw. erzeugt, das mittels der Projektionsoptik 6 projiziert
wird.
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Um
im projizierten Bild den Schwarzlichtpegel (also die unerwünschte
Resthelligkeit, die ein schwarzer Bildpunkt noch aufweist) zu reduzieren, erzeugt
die Steuereinheit 7 aus den zugeführten Bilddaten
BD Beleuchtungssteuerdaten MS für den Beleuchtungsmodulator 3 und
Bildsteuerdaten BS für den Bildmodulator 5 in
der nachfolgend in Verbindung mit 2–5 beschriebenen
Art und Weise. Bei dieser Beschreibung wird davon ausgegangen, daß bei
beiden Modulatoren 3, 5 jeweils eine Pulsweitenmodulation
bezüglich der ersten und zweiten Kippstellung der Kippspiegel
zur Intensitätsmodulation des auf sie fallenden Lichtes
durchgeführt wird.
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Die
Bilddaten BD liegen bereits in digitaler Form mit der geeigneten
Pixelauflösung vor (jedes Bild weist somit n × m
Bildpunkte auf) und werden in der Steuereinheit 7 gleichzeitig
an einen Mustergenerator 11 sowie an ein Verzögerungselement 12 angelegt.
Der Mustergenerator 11 erzeugt anhand der zugeführten
Bilddaten BD Musterdaten M, die an eine erste Ansteuerelektronik 13 angelegt
werden. Die erste Ansteuerelektronik 13 erzeugt basierend auf
den Musterdaten M die pulsweitenmodulierten Beleuchtungssteuerdaten
MS und legt diese an den Beleuchtungsmodulator 3 an.
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Das
Verzögerungselement 12 verzögert die zugeführten
Bilddaten BD so, daß sie gleichzeitig mit dem Anlegen der
Musterdaten M an die erste Ansteuerelektronik 13 als Bilddaten
B an eine zweite Ansteuerelektronik 14 für den
Bildmodulator 4 angelegt werden. Die zweite Ansteuerelektronik 14 erzeugt
die pulsweitenmodulierten Bildsteuerdaten BS und legt diese an den
Bildmodulator 5 an.
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Gemäß den
Beleuchtungs- und Bildsteuerdaten MS, BS werden während
der Einzelbilddauer T zur Erzeugung des Bildes die Beleuchtungs-
und Bildpixel so in die erste und zweite Kippstellung gebracht,
daß das gewünschte Bild erzeugt und projiziert
wird. Die Einzelbilddauer T ist die Dauer, während der
ein einzelnes Bild dargestellt wird. Bei Filmen beträgt
sie z. B. 1/24 Sekunden, wenn 24 Bilder pro Sekunde dargestellt
werden. Dies gilt für den hier beschriebenen Fall der Darstellung
von einfarbigen Bildern. Bei mehrfarbigen Bildern werden häufig
für jedes Bild ein rotes, ein grünes und ein blaues
Teilbild nacheinander erzeugt. Dann beträgt die Einzelbilddauer
z. B. 1/3·1/24 Sekunden. Um diese Teilbilder zu erzeugen,
erzeugt die Lichtquelle 2 z. B. zeitlich nacheinander rotes,
grünes und blaues Licht, mit dem der Beleuchtungsmodulator 3 beleuchtet
wird. Für nachfolgende Beschreibung wird zunächst
angenommen, daß einfarbige Bilder erzeugt und projiziert werden.
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Die
erste und zweite Ansteuerelektronik 13 und 14 kann
z. B. die vom Hersteller der Modulatoren 3 und 5 mitgelieferte
Ansteuerelektronik sein. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
handelt es sich um Modulatoren 3, 5 und Ansteuerelektroniken 13, 14 von
Texas Instruments.
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Sowohl
das Anlegen der Daten M, B an die beiden Steuerelektroniken 13, 14 sowie
die Steuerelektroniken 13 und 14 selbst sind bevorzugt
synchronisiert, wie durch die Pfeile F1 und F2 angedeutet ist.
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Nachfolgend
wird ein Beispiel der Erzeugung der Steuerdaten MS, BS aus den zugeführten
Bilddaten BD angegeben, wobei zur Vereinfachung angenommen wird,
daß das Bild 7 × 6 Bildpunkte aufweist und die
beiden Modulatoren ebenfalls jeweils 7 × 6 Kippspiegel
umfassen. Ferner wird angenommen, daß jeder Bildpunkt mit
einer Bittiefe von 8 (und somit mit einem Helligkeitswert von 0–255)
dargestellt werden kann, wobei 0 die geringste Helligkeit (also schwarz)
und 255 die höchste Helligkeit sein soll.
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Bei
den zugeführten Bilddaten BD in 3 sind alle
Bildpunkte BD(n,m) (n = Spaltennummer, m = Zeilennummer) bis auf
einen schwarze Bildpunkte (Wert 0). Der Bildpunkt BD(5,3) in der
fünften Spalte (m = 5) und dritten Zeile (n = 3) ist nicht
schwarz, sondern ist mit einer Helligkeit von 20 darzustellen. Die Steuereinheit 7 generiert
aus den zugeführten Bilddaten BD wie folgt die Musterdaten
M für die erste Ansteuerelektronik 13 und die
Bilddaten B für die zweite Ansteuerelektronik 14.
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Die
Musterdaten M weisen n × m Musterpunkte M(n,m) auf, von
denen jeder einem Beleuchtungspixel zugeordnet ist. Die Bilddaten
weisen n × m Bildpunkte B(n,m) auf, von denen jeder einem
Bildpixel zugeordnet ist. Die Werte der Musterpunkte M(n,m) und
die Werte der Bildpunkte B(n,m) werden jeweils mit einer Bittiefe
von 8 angegeben. Wenn der Wert = 0 ist, wird er auch als Aus-Wert
bezeichnet und wenn der Wert > 0
ist, wird er auch als Ein-Wert bezeichnet.
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Die
Bilddaten B für die zweite Ansteuerelektronik 14 werden
von der Steuereinheit 7 im Vergleich zu den ursprünglich
zugeführten Bilddaten BD nicht verändert, sonder
nur zeitlich verzögert synchron mit den Musterdaten M ausgegeben.
Wie in 3 gezeigt ist, ist nur der Wert des Bildpunktes
B(5,3) der Bilddaten B20, die Werte der restlichen Bildpunkte sind
0.
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In
den Musterdaten M werden zunächst alle Musterpunkte M(n,m)
auf 0 gesetzt. Dann werden die Musterpunkte M(n,m) für
die Beleuchtungspixel, die einem Bildpixel zugeordnet sind, das
einen Intensitätswert von ungleich 0 darstellen soll, auf
255 gesetzt. Dies kann auch so beschrieben werden, daß der
Ein-Wert Musterpunkten für die Beleuchtungspixel zugewiesen
wird, denen jeweils ein Bildpixel zugeordnet ist, das gemäß den
Bilddaten BD einen über einem vorbestimmten Schwellwert
(hier gleich 0) liegenden Helligkeitswert darstellen soll. Somit wird
in diesem Schritt nur der Musterpunkt M(5,3) auf 255 gesetzt.
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Dann
werden alle zu diesem Musterpunkt M(5,3), der auf 255 gesetzt wurde,
unmittelbar benachbarten Musterpunkte ebenfalls auf 255 gesetzt. Dies
trifft hier für die acht umgebenden Musterpunkte M(4,2),
M(4,3), M(4,4), M(5,2), M(5,4), M(6,2), M(6,3) und M(6,4) zu. Diese
acht Musterpunkte werden nachfolgend auch Nachbarmusterpunkte zum
Bildpunkt B(5,3) genannt.
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Das
Setzen der Nachbarmusterpunkte auf 255 entspricht dem Zuweisen des
Ein-Wertes zu Musterpunkten für die Beleuchtungspixel,
deren zugeordnete Bildpixel zwar den Helligkeitswert 0 darstellen
sollen, von einem Bildpixel, das einen Helligkeitswert größer
als 0 darstellen soll, aber um nicht mehr als eine vorbestimmte
Pixelanzahl (hier gleich Null, was den direkten Nachbarpixeln entspricht)
beabstandet ist.
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Mit
diesen Schritten werden die Musterdaten gemäß 3 erzeugt.
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Alle
neun auf 255 gesetzten Musterpunkte werden nachfolgend auch als
mit dem einem Bildpunkt B(5,3) verknüpfte Musterpunkte
bezeichnet.
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In 4 sind
schematisch die Pulsweitenansteuerdaten MS der ersten Ansteuerelektronik 13 für die
Einzelbilddauer T (Zeit von t = 0 bis t = t1) für den Wert 255 des
Musterpunktes M(5,3) dargestellt. In 5 sind die
Pulsweitenmodulationsdaten BS der zweiten Ansteuerelektronik 14 für
den Bildpunkt B(5,3) mit der Intensität 20 schematisch
dargestellt. Dabei entspricht ein BS- bzw. MS-Wert von 1 einem in
der ersten Kippstellung stehenden Kippspiegel und ein BS- bzw. MS-Wert
von 0 einem in der zweiten Kippstellung stehenden Kippspiegel.
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Wie 4 und 5 entnommen
werden kann, wird der Kippspiegel des Bildmodulators 5 für den
Bildpunkt B(5,3) während der gesamten Einzelbilddauer und
somit auch während den Bitschaltzeiten P3 und P5, zu denen
der Kippspiegel für den Bildpunkt B(5,3) in seine erste
Stellung gebracht ist, beleucht. Da auch die Nachbarmusterpunkte
M(4,2), M(4,3), M(4,4), M(5,2), M(5,4), M(6,2), M(6,3), M(6,4) auf 255 gesetzt
sind, werden nicht zu vermeidende Abbildungsfehler der Optik 4,
die z. B. dazu führen, daß das Licht eines Beleuchtungspixels
nicht exakt auf den zugeordneten Bildpixel sondern zum Teil auch
auf benachbarte Bildpixel abgebildet wird, kompensiert. Dieser Effekt
wird in Verbindung mit den schematischen Darstellungen in 6 und 7 beschrieben.
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6 zeigt
die Anordnung von n × m Kippspiegeln K(n,m) des Bildmodulators 5 sowie
die vorliegende Beleuchtung (schraffierte Ellipse) des Kippspiegels
K(5,3), wenn nur dieser beleuchtet werden würde (also wenn
in den Musterdaten nur der Musterpunkt M(5,3) den Wert 255 und
alle anderen Musterpunkte den Wert 0 aufweisen würden).
Wie 6 zu entnehmen ist, wird der Kippspiegel K(5,3)
nicht vollständig beleuchtet.
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Bei
der erfindungsgemäßen Beleuchtung werden jedoch,
wie in 7 dargestellt ist, nicht nur der Kippspiegel K(5,3)
beleuchtet, sondern auch alte angrenzenden Kippspiegel K(4,2), K(4,3),
K(4,5), K(5,2), K(5,4), K(6,2), K(6,3) und K(6,4). Im Ergebnis wird
der Kippspiegel K(5,3), der der einzige Kippspiegel des Bildmodulators 5 ist,
der in der ersten Stellung steht, flächig äußerst
gleichmäßig beleuchtet. Damit kann der gewünschte
Intensitätswert mit hoher Genauigkeit dargestellt werden.
Da ferner Bereiche des Bildmodulators 5, in denen mehrere
benachbarte Bildpixel die Helligkeit 0 darstellen sollen, aufgrund der
räumlich modulierten Beleuchtung über den Beleuchtungsmodulator 3 nicht
beleuchtet werden, kann auch wirksam der Schwarzlichtpegel in diesen Bereichen
verringert werden. Bei dem beschriebenen Beispiel trifft dies auf
die Bereiche zu, in denen die Kippspiegel K(n,m) mit n = 1, 2 und
7 sowie m = 1 bis 6 und mit n = 3 bis 6 und m = 1 und 6 sind.
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Bei
der Projektion mehrfarbiger Bilder kann die Schwierigkeit auftreten,
daß die tatsächliche Beleuchtung von der Wellenlänge
(also des Farb-Teilbildes) abhängt. In 8 (Beleuchtung durch
nur ein Beleuchtungspixel) und 9 (Beleuchtung
durch neun Beleuchtungspixel gemäß 3)
ist schematisch die Beleuchtung (schraffierte Ellipse(n)) des Kippspiegels
K(5,3) für eine andere Wellenlänge im Vergleich
zu 6 und 7 dargestellt. Wie ein Vergleich
mit 6 und 7 zeigt, werden in Abhängigkeit
der Wellenlänge unterschiedlich große Anteile
der Kippspiegelfläche des Kippspiegels K(5,3) beleuchtet.
Dies führt zu Farbartefakten bei der Bilddarstellung, da
dann die Farbanteile nicht wie gewünscht im projizierten
Bild vorliegen.
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Durch
die erfindungsgemäße Ansteuerung kann dies vermieden
werden, da aufgrund der Nachbarmusterpunkte die tatsächliche
Beleuchtung auf dem Bildmodulator 5 schematisch der Darstellung von 7 und 9 entspricht.
Ein Vergleich der Darstellungen in 7 und 9 zeigt,
daß jeweils in etwa die gleiche Beleuchtungsintensität
des Kippspiegels K(5,3) unabhängig von der Beleuchtungswellenlänge
vorliegt. Damit werden die unerwünschten Farbartefakte
vermieden.
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Wie
in 5 gezeigt ist, weisen die Bildsteuerdaten BS Bitschaltzeiten
P3 und P5 auf. Die Bildschaltzeit P3 entspricht dem dritt-niedrigsten
Bit und die Bitschaltzeit P5 dem fünf-niedrigsten Bit für
die vorliegende Acht-Bit-Kodierung, da 20 als Binärzahl als
00010100 zu schreiben ist.
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Die
Bitschaltzeiten P1–P8 für alle acht möglichen
Bits sind innerhalb der Einzelbilddauer immer gleich und in
4 schematisch
mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Wie bei der Pulsweitenmodulation üblich,
ist die Bitschaltzeit P2 doppelt so lang wie die Bitschaltzeit P1,
ist P3 doppelt so lang wie P2 und so weiter, wobei die Summe aller
Bitschaltzeiten P1 bis P8 der Einzelbilddauer T entspricht. Die
kürzeste Bitschaltzeit P1 beträgt
wobei T die Einzelbilddauer
und q die Bittiefe (hier 8) ist.
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Die
einzelnen Bitschaltzeiten P1–P8 können, wie es
in 4 gezeigt ist, jeweils ein zusammenhängender
Zeitabschnitt innerhalb der Einzelbilddauer T sein. Es ist jedoch
auch möglich, daß die eine oder andere Bitschaltzeit
(z. B. P8) in kleinere Zeitscheiben aufgeteilt ist, die über
die Einzelbilddauer T verteilt sind. Wesentlich ist hier nur, daß die
Bitschaltzeiten immer die gleiche zeitliche Verteilung bezogen auf
die Einzelbilddauer aufweisen. Daher ist es möglich, in
den Musterdaten die mit dem Bildpunkt (5,3) verknüpften
Musterpunkte M(4,2), M(4,3), M(4,4), M(5,2), M(5,3), M(5,4), M(6,2),
M(6,3) und M(6,4) nicht auf den Intensitätswert 255 zu
setzen, sondern auf 20, wie in 10 dargestellt
ist.
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Die
Pulsweitenmodulationsdaten MS für den Intensitätswert 20 der
Musterdaten M sind in 11 gezeigt. Die Pulsweitenmodulationsdaten
BS für den Intensitätswert 20 der Bilddaten
B sind in 12 gezeigt. Diesen Darstellungen
kann entnommen werden, daß die verknüpften Beleuchtungspixel
(= Beleuchtungspixel, die gemäß den mit dem Bildpunkt (5,3)
verknüpften Musterpunkten angesteuert werden) immer nur
dann eingeschaltet (erste Kippstellung) sind, wenn das zugeordnete
Bildpixel (= Bildpixel zum Bildpunkt B(5,3)) eingeschaltet (erste
Kippstellung) ist. Wenn das zugeordnete Bildpixel ausgeschaltet
(zweite Kippstellung) ist, sind auch die verknüpften Beleuchtungspixel
ausgeschaltet (zweite Kippstellung). Damit kann eine optimal an
die Bitschaltzeiten angepaßte Beleuchtung der Bildpixel (mit
maximaler Intensität) durchgeführt werden. Störende
Hintergrundhelligkeit von den Bildpixeln, die zu dem Bildpixel des
Bildpunktes B(5,3) unmittelbar benachbart sind und aufgrund der
Musterdaten der Musterpunkte M(4,2), M(4,3), M(4,4), M(5,2), M(5,4), M(6,2),
M(6,3) und M(6,4) beleuchtet werden, wird stark unterdrückt,
da auch diese Bildpixel nur während der Bitschaltzeit P3
und P5 beleuchtet werden.
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In 13 ist
ein Beispiel gezeigt, bei dem zwei Bildpunkte in den Bilddaten BD
einen Intensitätswert von ungleich 0 aufweisen, nämlich
den Intensitätswert 20 (Bildpunkt BD(5,3)) und 52 (Bildpunkt
BD(4,3)).
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In
diesem Fall werden die Musterdaten M Musterpunkte M(n,m) aufweisen,
die mit zwei Bildpunkten B(n,m) verknüpft sind (so ist
z. B. der Musterpunkt M(5,3) dem Bildpunkt B(5,3) durch die Abbildungsoptik 4 zugeordnet
und aufgrund der Nachbarschaft zum Bildpunkt B(4,3) mit diesem als
Nachbarmusterpunkt verknüpft). In diesem Fall werden die Musterdaten
M so erzeugt, daß stets der höhere der beiden
Intensitätswerte, die sich aus der Verknüpfung
zu zwei Bildpunkten mit Helligkeitswerten ungleich 0 ergeben, als
Musterpunktwert erzeugt wird, wie in 13 schematisch
dargestellt ist. In 14 und 15 sind
die Pulsweitenmodulationsdaten MS, BS für die Intensitätswerte 52 und 20 gezeigt.
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Natürlich
ist es auch möglich, alle verknüpften Musterpunkte
M(n,m) auf 255 zu setzen (nicht gezeigt). Dies läßt
sich leicht in der Steuereinheit 7 implementieren und benötigt
nur geringen Rechenaufwand.
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In 16 ist
ein Beispiel gezeigt, bei dem bei der Erzeugung der Musterdaten
M das sogenannte zeitliche Dithering der zweiten Ansteuerelektronik 14 berücksichtigt
wird. Bei dem zeitlichen Dithering erzeugt die Ansteuerelektronik 14 zufällig
Pulsweitenmodulationsdaten, die einen etwas abgewandelten Intensitätswert
darstellen. Beispielsweise kann die zweite Ansteuerelektronik 14 so
ausgelegt sein, daß sie einen Intensitätswert
im Bereich von ±2 zu dem gewünschten Intensitätswert
erzeugt. Bei dem hier beschriebenen Beispiel kann somit ein Intensitätswert
von 18–22 erzeugt werden. Die Pulsweitenmodulationsdaten
BS für die Werte 18 bis 22 sind in 18a bis 18e dargestellt.
Die Figuren zeigen, daß bei diesem Pulsweitenmodulationswerten
die Bitschaltzeiten P1, P2, P3 und P5 auftreten.
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Daher
erzeugt die Steuereinheit 7 als Wert für die verknüpften
Musterpunkte den Wert 23 (= 10111). Damit ist sichergestellt,
daß bei jedem möglichen Pulsweitenmodulationswert
BS das entsprechende Bildpixel zu allen Bitschaltzeiten beleuchtet wird,
wie z. B. ein Vergleich der pulsweitenmodulierten Beleuchtungssteuerdaten
MS für den Wert 23 in 17 mit
den Pulsweitenmodulationsdaten in 18a–18e zeigt.
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Diese
Art der Erzeugung der Musterdaten M liefert die kürzest
mögliche Beleuchtungsdauer, bei der für jeden
aufgrund des zeitlichen Dithering möglichen Pulsweitenbildsteuerwert
BS sichergestellt ist, daß das Bildpixel beleuchtet wird,
wenn es eingeschaltet ist. Damit wird die unerwünschte
Hintergrundhelligkeit der umgebenden Bildpixel, die während
der gesamten Einzelbilddauer T ausgeschaltet sind, minimiert.
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Um
den Rechenaufwand für die Erzeugung der Musterdaten zu
verringern, können sie auch wie folgt erzeugt werden.
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Die
Steuereinheit 7 ermittelt den Musterpunktwert dadurch,
daß sie mit dem Wert des Bildpunktes auf eine Tabelle zugreift,
in der für jeden möglichen Bildpunktwert ein Musterdatenwert
hinterlegt ist, der das zeitliche Dithering in der beschriebenen
Art und Weise berücksichtigt. Dieser Musterdatenwert wird
dann in den Musterdaten verwendet.
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Alternativ
kann das zeitliche Dithering auch wie folgt bei der Erzeugung der
Musterdaten M berücksichtigt werden. Die Steuereinheit 7 ermittelt
das höchstwertige Bit des Bildpunktes B(5,3), das in der Binärdarstellung
des Intensitätswertes 20 auf 1 gesetzt ist, und
setzt dann alle niedrigwertigeren Bits sowie das nächsthöherwertige
Bit auf 1. Bei dem hier beschriebenen Beispiel (19)
von 20 (= 00010100) führt dies zu der Binärzahl
00111111, was dezimal dem Wert 63 entspricht. Daher weisen
die Musterdaten in den Musterpunkten M(4,2), M(4,3), M(4,4), M(5,2),
M(5,3), M(5,4), M(6,2), M(6,3), M(6,4) jeweils den Wert 63 auf
und sind alle restlichen Musterpunkte auf 0 gesetzt. In 20 sind
die pulsweitenmodulierten Steuerdaten MS für 63 und
in 21 für 19 als Beispiel gezeigt.
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Damit
wird zwar auch die Bitschaltzeiten P6 und P4 auf 1 gesetzt, so daß etwas
länger als unbedingt notwendig beleuchtet wird. Im Vergleich
mit den Musterdaten von 3, in der der Wert 255 gewählt wurde,
jedoch immer noch deutlich kürzer.
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Die
Bestimmung der Musterdaten kann wie folgt vereinfacht werden. Die
Steuereinheit ermittelt das höchstwertige Bit und verwendet
dann den Wert, der in einer Tabelle für diese Bit hinterlegt
ist. Die Tabelle kann z. B. wie folgt vorliegen:
| höchstwertiges
Bit n | Wert |
| 1 | 00000011 |
| 2 | 00000111 |
| 3 | 00001111 |
| 4 | 00011111 |
| 5 | 00111111 |
| 6 | 01111111 |
| 7 | 11111111 |
| 8 | 11111111 |
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Alternativ
kann die Bestimmung in der Steuereinheit 7 so erfolgen,
daß der Binärwert 00010100 des Bildpunktes B(5,3)
um eine Stelle nach links verschoben wird, was zu 00101000 führt,
und dann von rechts mit 1 aufgefüllt wird, wodurch man
wiederum zu dem Wert 00111111 (= 63) kommt.
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In 22 ist
das Beispiel von 13 mit zwei Werten ungleich
0 in den Bilddaten BD dargestellt. Wenn bei diesem Beispiel auch
das zeitliche Dithering berücksichtigt wird, wird bei Musterpunkten M(n,m)
der Musterdaten M, die mit beiden Bildpunkten mit Intensitätswerten
ungleich 0 in den Bilddaten B verknüpft sind, zuerst eine
ODER-Verknüpfung der Intensitätswerte der Bilddaten
durchgeführt.
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Hier
wird also eine ODER-Verknüpfung von 00010100 (= 20) mit
00110100 (= 52) durchgeführt, die zu dem Wert 00111111
führt. Dieser ODER-Wert ist dann die Basis für
eine der beschriebenen Varianten zur Berücksichtigung des
zeitlichen Ditherings. So kann z. B. das höchstwertige
Bit, das auf 1 gesetzt ist, ermittelt, alle Bits rechts daneben
auf 1 gesetzt (hier schon der Fall) sowie das nächsthöhere
Bit auf 1 gesetzt werden, so daß man zu dem Wert 01111111 (=
127) gelangt.
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Die
entsprechenden Pulsweitenmodulationsdaten der Musterdatenwerte 63 und 127 sind
in 23a und 23b dargestellt.
Die Pulsweitenmodulationsdaten der Bilddatenwerte B(4,3) = 52 und B(5,3)
= 20 sind in 24a und 24b dargestellt.
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Aus
diesen Darstellungen läßt sich entnehmen, daß sichergestellt
ist, daß die Bildpixel immer dann beleuchtet werden, wenn
sie in die erste Kippstellung gebracht werden.
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Die
beschriebenen Möglichkeiten der Erzeugung der Muster- und
Bilddaten kann auch bei der Erzeugung und Projektion von mehrfarbigen
Bildern eingesetzt werden. Wenn die mehrfarbigen Bilder zeitsequentiell
dadurch erzeugt werden, daß z. B. ein rotes, ein grünes
und ein blaues Farbteilbild nacheinander erzeugt werden, kann für
die Erzeugung jedes Farbteilbildes eine der oben beschriebenen Möglichkeiten
eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, für
alle Farbteilbilder eines Bildes die gleichen Musterdaten zu erzeugen
und zu verwenden. Die gleichen Musterdaten werden insbesondere auch
dann verwendet, wenn die Farbteilbilder gleichzeitig mittels mehrerer
Bildmodulatoren erzeugt werden.
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Bei
den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurden die Musterdaten
so erzeugt, daß neben den Bildpixeln, die einen Helligkeitswert
größer als 0 darstellen sollen, nur die Bildpixel,
die einen Helligkeitswert von 0 darstellen sollen, zusätzlich
beleuchtet werden, die dazu unmittelbar benachbart angeordnet sind.
Natürlich ist es möglich, nicht nur unmittelbar
benachbarte Bildpixel, die den Helligkeitswert 0 darstellen sollen,
zusätzlich zu beleuchten, sondern auch weiter entfernte
Bildpixel. Man kann z. B. von den Bildpixeln, die einen Helligkeitswert
0 darstellen sollen, die beleuchten, die zu einem Bildpixel, das
einen Helligkeitswert von ungleich 0 darstellen soll, um nicht mehr
als ein, zwei oder z. B. drei Bildpixel (also eine vorbestimmte
Pixelanzahl) beabstandet ist. Dadurch kann ein sogenanntes räumliches Dithering
der zweiten Steuerelektronik 14 berücksichtigt
werden, bei dem die Steuerelektronik 14 in den Bildsteuerdaten
BS z. B. zufällig einem zu einem Ein-Bildpixel benachbarten
Aus-Bildpixel einen Ein-Wert zuweist.
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In 25 ist
eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Projektors 1 gezeigt, bei der die Modulatoren 3, 5 als
transmissive Modulatoren (beispielsweise LCD-Module) ausgebildet
sind. Die Ansteuerung der Modulatoren erfolgt in gleicher Weise wie
dies im Zusammenhang mit dem Projektor von 1 beschrieben
wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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