DE102008045075B4

DE102008045075B4 - Bildwiedergabevorrichtung und Bildwiedergabeverfahren

Info

Publication number: DE102008045075B4
Application number: DE102008045075.8A
Authority: DE
Inventors: Arne Schob; Enrico Geissler
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2028-08-30
Also published as: DE102008045075A1

Abstract

Verfahren zum Wiedergeben eines Bildpunktes, wobei einem Farbanteil des Bildpunktes ein Grauwert zugeordnet ist, umfassend:
Diskontinuierliches Beleuchten eines Lichtmodulators (12; 22, 24, 26) während n aufeinanderfolgenden Zeitsegmenten, n>1, wobei sich eine Dauer der Beleuchtung von Zeitsegment zu Zeitsegment unterscheidet, wobei der Lichtmodulator (12; 22, 24, 26) ausgestaltet ist, in einem ersten Zustand Licht zu einer Ausgabe zu lenken und in einem zweiten Zustand Licht nicht zu der Ausgabe zu lenken, und
Ansteuern des Lichtmodulators (12; 22, 24, 26) in Abhängigkeit von dem Grauwert derart, dass während jedem der n Zeitsegmente der Lichtmodulator jeweils entweder durchgehend in dem ersten Zustand oder durchgehend in dem zweiten Zustand ist,
wobei die n Zeitsegmente jeweils die gleiche Dauer aufweisen, Beleuchten des Lichtmodulators (12; 22, 24, 26) während m weiterer Zeitsegmente unterschiedlicher Dauer, m≥1, wobei die Beleuchtung während der m weiteren Zeitsegmente kontinuierlich erfolgt, und
Ansteuern des Lichtmodulators (12; 22, 24, 26) in Abhängigkeit von dem Grauwert während der m weiteren Zeitsegmente derart, dass während jedes Zeitsegments der m weiteren Zeitsegmente der Lichtmodulator (12; 22, 24, 26) jeweils durchgehend in dem ersten Zustand oder durchgehend in dem zweiten Zustand ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Bildwiedergabevorrichtungen und Bildwiedergabeverfahren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Bildwiedergabevorrichtungen und Bildwiedergabeverfahren, welche zur Projektion von Bildern nutzbar sind.
Herkömmliche Vorrichtungen zu Projizieren von Bildern sind beispielsweise Projektoren, welche ein Mikrospiegel-Array umfassen. Derartige Mikrospiegel-Arrays sind unter der Bezeichnung DMD (Digital Micromirror Device) bekannt und umfassen eine Vielzahl von beweglichen Spiegeln, wobei jeder Spiegel einem Bildpunkt des zu projizierenden Bildes zugeordnet ist. Die Mikrospiegel sind dabei individuell zwischen einer Position, in welcher auf den jeweiligen Mikrospiegel fallendes Licht zu einem Ausgang des Projektors, beispielsweise einer Projektionslinse, gelenkt wird, und einer Position, bei welcher das Licht nicht zu dem Ausgang gelangt und beispielsweise einfach auf eine absorbierende schwarze Fläche gelenkt wird, beweglich. Durch Umschalten der einzelnen Spiegel zwischen den beiden Positionen kann das dann beispielsweise zu einer Projektionsoptik gelenkte Licht digital moduliert werden. Durch eine entsprechende Modulation können damit für die einzelnen Bildpunkte gewünschte Helligkeiten erzeugt werden. Bei derzeitigen Mikrospiegel-Arrays kann die Zeitspanne zwischen zwei Umschaltvorgängen dabei nicht kleiner als etwa 15 µs werden.
Zur Erzeugung von farbigen Bildern kann dabei eine farbsequenzielle oder eine farbparallele Beleuchtung verwendet werden. Bei einer farbsequenziellen Beleuchtung wird ein einzelnes Mikrospiegel-Array verwendet, welches hintereinander mit verschiedenen Farben, üblicherweise den Primärfarben rot, grün und blau, beleuchtet wird. Hierzu kann beispielsweise eine Weißlichtquelle in Verbindung mit einem Farbrad, oder es können entsprechend schaltbare Lichtquellen für die gewünschten Farben, beispielsweise rote, grüne und blaue Leuchtdioden, verwendet werden. Bei einer farbparallelen Beleuchtung werden üblicherweise drei Mikrospiegel-Arrays verwendet, wobei jedes Array mit einer Farbe, üblicherweise rot, grün oder blau, beleuchtet wird. Die Ausgaben der einzelnen Mikrospiegel-Arrays werden dann von einem Strahlvereiniger vereinigt und beispielsweise zu einer Projektionsoptik gelenkt.
Eine weitere charakteristische Größe eines derartigen Mikrospiegel-Arrays ist eine Bandbreite B, mit welcher Daten zu dem Mikrospiegel-Array transferiert werden können, um ein Schalten der Mikrospiegel wie oben erläutert zu steuern. Bei einer Auflösung von n_x·n_y Bildpunkten ergibt sich eine Zeit τ_plane, welche für den Transfer einer kompletten Bitebene, d.h. einer ein Bitinformation für jeden Bildpunkt benötigt wird, zu $τ_{p l a n e} = \frac{n_{x} \cdot n_{y}}{B} .$
Eine typische Bandbreite B für ein Mikrospiegel-Array mit HDTV-Auflösung (1920x1080 Bildpunkte) beträgt 25,6 GBit/s, was zu einer Zeit τ_plane von 81 µs führt. Diese Zeit liegt deutlich über der oben erwähnten Schaltzeit für einen einzigen Mikrospiegel und ist somit der limitierende Faktor, welcher beispielsweise eine Bildwiederholrate bestimmt.
Zur Darstellung von Grauwerten wird bei herkömmlichen Projektoren mit Mikrospiegel-Arrays ein Pulsweitenmodulationsverfahren verwendet, d.h. das Schalten der Mikrospiegel zwischen den beiden Positionen wird durch ein pulsweitenmoduliertes Signal gesteuert, wobei sich die Pulsweitenmodulierung aus einem gewünschten Grauwert ergibt. Dies ist beispielsweise aus der DE 199 48 542 A1 bekannt. Zu bemerken ist, dass der Begriff „Grauwert“ im Sinne dieser Anmeldung nicht impliziert, dass es sich um einen farblich gesehen grauen Bildpunkt handelt. Dieser Begriff bezeichnet vielmehr entsprechend dem üblichen technischen Gebrauch des Wortes die Helligkeit eines Bildpunktes oder einer Farbkomponente (z.B. rot, grün oder blau) eines Bildpunktes.
Bei vielen Systemen wird eine Farbtiefe von insgesamt 24 Bit, d.h. 8 Bit pro Primärfarbe rot, grün und blau, verwendet. Bei einem derartigen System, d.h. drei Farbkanäle mit 8 Bit pro Farbkanal, ist $τ_{f r a m e} = τ_{p l a n e} \cdot 3 \cdot (2^{8} - 1)$
diejenige Zeit, welche für die Darstellung eines kompletten Bildes (engl. frame) benötigt wird. Die sich daraus ergebende Bildwiederholrate ist das Inverse dieser Zeit, d.h. $τ_{f r a m e}^{- 1},$
und beträgt für das obige Beispiel etwa 16 Hz. Bei manchen Bildwiedergabevorrichtungen, welche auf dieser Technologie basieren, lässt sich durch segmentweisen Datentransfer diese Frequenz noch etwa vervierfachen, so dass sich bei dem obigen Beispiel eine Bildwiederholrate von 64 Hz realisieren lässt.
Aus der US 2002/0044262 A1 ist zur Graustufenerzeugung bekannt, ein Mikrospiegel-Array kontinuierlich zu beleuchten, wobei die Mikrospiegel auf mehr als zwei verschiedene Positionen gesetzt werden können, um einfallendes Licht auch nur teilweise zu einer Ausgabe zu lenken.
Aus der US 2006/0250336 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher eine kontinuierliche Beleuchtung mit verschiedenen Beleuchtungsintensitäten benutzt wird.
Die DE 10 2005 061 182 A1 offenbart eine Beleuchtungsanordnung zur Farbbildprojektion.
Diese Bildwiederholrate ist zumindest für manche Anwendungen unzureichend, beispielsweise für eine flackerfreie, hochauflösende stereoskopische Darstellung, bei welcher zwei Bildkanäle verwendet werden, welche von derselben Bildwiedergabevorrichtung erzeugt werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bildwiedergabevorrichtung und ein entsprechendes Bildwiedergabeverfahren zu schaffen, bei welchen eine höhere Bildwiederholrate erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Bildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Lichtmodulator-Array zur Erzeugung eines Helligkeitswertes in n aufeinanderfolgenden Zeitsegmenten gleicher Dauer durch eine Lichtquelle beleuchtet, wobei die Lichtquelle derart angesteuert wird, dass jedem der n Zeitsegmente eine unterschiedliche Beleuchtungsdauer zugeordnet ist. n ist >1, beispielsweise ≥2 oder ≥3.
Im Gegensatz zu einer reinen Pulsweitenmodulation von Lichtmodulatorelementen, welche beispielsweise Mikrospiegel sein können, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also n Zeitsegmente gleicher Dauer verwendet, und eine Wertigkeit der Zeitsegmente hinsichtlich der Helligkeit wird durch die jeweilige Beleuchtungsdauer festgelegt. Hierdurch lassen sich höhere Bildwiederholraten und/oder höhere Farbtiefen erreichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die Beleuchtungsdauer einem k-ten Zeitsegment der n Zeitsegmente t₀/2^k, k=1...n. In anderen Worten verhalten sich die Beleuchtungsdauern wie 1 :2:4:...
Auf diese Weise können die Lichtmodulationselemente mit einer entsprechenden Bitfolge angesteuert werden.
Erfindungsgemäß wird das Lichtmodulations-Array zur Erzeugung des Helligkeitswertes zudem mit m weiteren Zeitsegmenten beleuchtet, wobei jedem der m Zeitsegmente eine unterschiedliche Zeitdauer zugeordnet ist und wobei das Lichtmodulations-Array während der m weiteren Zeitsegmente kontinuierlich beleuchtet wird. m ist ≥1, beispielsweise ≥2 oder ≥3.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist to die Dauer eines der n Zeitsegmente.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist einem I-ten der m weiteren Zeitsegmente eine Zeitdauer von 2^l·t₀ zugeordnet, I=1...m. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann die Helligkeit eines Bildpunktes durch einen (n+m)-Bitwert angegeben werden, wobei n Bits dem jeweiligen Bildpunkt zugeordnete Lichtmodulationselement während der n Zeitsegmente und m Bits das jeweilige Lichtmodulationselement während der m weiteren Zeitsegmente steuern.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bildwiedergabevorrichtung,
2 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bildwiedergabevorrichtung, und
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dargestellten Ausführungsbeispiele basieren dabei auf Mikrospiegel-Arrays, welche auch unter der Abkürzung DMD (Digital Micromirror Device) bekannt sind und welche in der Beschreibungseinleitung bereits beschrieben wurden. Bei derartigen Mikrospiegel-Arrays ist wie bereits erläutert üblicherweise eine Anzahl von Mikrospiegeln matrixartig angeordnet, wobei jeder Mikrospiegel einem Bildpunkt entspricht. Die Herstellung und Steuerung derartiger Mikrospiegel-Arrays ist für sich genommen bekannt und wird daher nicht näher beschrieben.
In 1 ist ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bildwiedergabevorrichtung dargestellt. Die in 1 dargestellte Bildwiedergabevorrichtung umfasst eine Steuerung 10, eine Leuchtdiodenanordnung 11 und ein Mikrospiegel-Array 12. Die Steuerung 10 steuert bei dem Ausführungsbeispiel von 1 sowohl die Leuchtdiodenanordnung 11 als auch das Mikrospiegel-Array 12 in Abhängigkeit von der Steuerung zugeführter Bilddaten 15, um eine gewünschte Bildausgabe 14 zu erhalten.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Leuchtdiodenanordnung 11 Leuchtdioden in den drei Primärfarben rot, grün und blau, so dass durch abwechselndes Beleuchten des Mikrospiegel-Arrays 12 mit rotem, blauem und grünem Licht entsprechend Pfeilen 13 eine farbige Bildausgabe 14 erhalten werden kann. Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 steuert die Steuerung 10 insbesondere die Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays 12 an, um gewünschte Farbwerte und Grauwerte (d.h. Helligkeiten) für einzelne Bildpunkte zu erhalten, wobei bei dem Ausführungsbeispiel von 1 jedem Bildpunkt ein Mikrospiegel des Mikrospiegel-Arrays 12 zugeordnet ist.
Des Weiteren werden bei einem Ausführungsbeispiel die Leuchtdioden der leuchtenden Diodenanordnung 11 derart angesteuert, dass sie Lichtpulse mit verschiedenen Pulsdauern emittieren. Dies wird später unter Bezugnahme auf 3 beispielhaft näher erläutert. Durch eine derartige Ansteuerung der Leuchtdiodenanordnung 11 kann erreicht werden, dass ein Teil einer Helligkeits- bzw. Grauwertinformation für einen Bildpunkt mit Hilfe der verschiedenen Pulsdauern der Leuchtdioden erzeugt wird.
Zu bemerken ist, dass die Leuchtdiodenanordnung 11 für jede Grundfarbe rot, grün und blau jeweils ein oder mehrere Leuchtdioden aufweisen kann, wobei die Anzahl und Anordnung der Leuchtdioden in Abhängigkeit von der Dimensionierung und Anordnung des Mikrospiegel-Arrays 12 derart gewählt wird, dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Ausleuchtung des Mikrospiegel-Arrays 12 erreicht wird. Hierzu können zwischen der Leuchtdiodenanordnung 11 und dem Mikrospiegel-Array 12 ein oder mehrere optische Elemente wie Linsen oder Spiegel angeordnet sein, um das von der Leuchtdiodenanordnung 11 erzeugte Licht auf das Mikrospiegel-Array 12 zu lenken. Zu bemerken ist weiterhin, dass neben den in 1 dargestellten Komponenten weitere herkömmliche Elemente vorgesehen sein können, beispielsweise eine Projektionsoptik zum Projizieren des ausgegebenen Lichtes 14 beispielsweise auf eine Leinwand oder einen Schirm und/oder Signalverarbeitungselemente und/oder Speicher zum Verarbeiten bzw. Speichern der Bilddaten 15.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ist ein einziges Mikrospiegel-Array 12 vorgesehen, welches hintereinander mit Licht in den Grundfarben rot, grün und blau beleuchtet wird. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, welches schematisch in 2 dargestellt ist, sind drei Mikrospiegel-Arrays 22, 24 und 26 vorgesehen, welche von einer Leuchtdiodenanordnung 21, welche rotes Licht emittiert, einer Leuchtendiodenanordnung 23, welche grünes Licht emittiert bzw. einer Leuchtdiodenanordnung 25, welche blaues Licht emittiert, entsprechend Pfeilen 29, 30 bzw. 31 beleuchtet werden. Die Ausgaben 32, 33 und 34 der Mikrospiegel-Arrays 22, 24 bzw. 26 werden auf einem Strahlvereiniger 27, welcher ein oder mehrere Prismen und/oder ein oder mehrere teildurchlässige Spiegel umfassen kann, gelenkt, wobei der Strahlvereiniger 27 die Ausgaben vereinigt und eine Ausgabe 35, welche einem farbigen Gesamtbild entspricht, ausgibt.
Die Leuchtdiodenanordnungen 21, 23 und 25 sowie die Mikrospiegelanordnungen 22, 24 und 26 werden bei dem Ausführungsbeispiel von 2 von einer Steuerung 20 in Abhängigkeit von Bilddaten 28 angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt bei einem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen wie bereits unter Bezugnahme auf 1 für die Leuchtdiodenanordnung 11 und das Mikrospiegel-Array 12 beschrieben mit dem Unterschied, dass die Grundfarben rot, grün und blau nicht hintereinander, sondern gleichzeitig zum Einsatz kommen, wobei wie beschrieben jeweils eine Leuchtdiodenanordnung und ein Mikrospiegel-Array zur Erzeugung eines Teilbildes in der jeweiligen Grundfarbe verwendet wird.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf 3 ein Bildwiedergabeverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert, wobei ein derartiges Bildwiedergabeverfahren beispielsweise in der Steuerung 10 von 1 oder der Steuerung 20 von 20 implementiert sein kann, um die Leuchtdiodenanordnung 11 und das Mikrospiegel-Array 12 bzw. die Leuchtdiodenanordnungen 21, 23, 25 und die Mikrospiegel-Arrays 22, 24 und 26 entsprechend anzusteuern. Bei der in 3 schematisch dargestellten Ansteuerung werden wie im Folgenden näher erläutert wird, Leuchtdioden derart angesteuert, dass sie Lichtpulse verschiedener Länge erzeugen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 3 wird beispielhaft angenommen, dass ein Grauwert bzw. Helligkeitswert für jede Grundfarbe (z.B. rot, grün, blau) durch einen 6-Bit-Wert ausgedrückt wird, was einem Dezimalwert zwischen 0 und 63 entspricht. Dies wird auch als Farbtiefe von 6 Bit bezeichnet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine andere Anzahl von Bits pro Farbe, d.h. eine andere Farbtiefe, verwendet werden, beispielsweise eine Farbtiefe von 8 Bit, eine Farbtiefe von 4 Bit oder eine Farbtiefe von 12 Bit.
Zur Erläuterung werden die Bits von Null bis fünf durchnummeriert, wobei Bitnummer Null das niedrigstwertigste Bit (LSB, least significant bit) und Bit Nummer fünf das höchstwertigste Bit (MSB, most significant bit) ist.
In dem Beispiel von 3 wird weiter als Beispiel davon ausgegangen, dass ein bestimmter Bildpunkt in einer bestimmten Farbe den Grauwert 43 entsprechend 101011 erhalten soll. In 3 ist eine Sequenz zur Ausgabe dieses Grauwerts für eine Farbe schematisch dargestellt. In der obersten Zeile ist die Bitnummer angegeben, in der zweiten Zeile, mit DMD gekennzeichnet, ist der Zustand eines Mikrospiegels, welcher dem jeweiligen Bildpunkt zugeordnet ist, dargestellt, wobei ein nicht ausgefülltes Kästchen eine Position des Mikrospiegels angibt, bei welchem Licht nicht zu der Ausgabe gelenkt wird, und ein ausgefülltes Kästchen eine Position des Mikrospiegels angibt, bei welchem das Licht zu der Ausgabe gelenkt wird.
In der dritten Zeile ist die Ausgabe einer Leuchtdiodenanordnung in der entsprechenden Farbe dargestellt, wobei in schwarz die Zeiten dargestellt sind, während der die Leuchtdiodenanordnung aktiviert ist, d.h. Licht emittiert.
In der vierten Zeile ist schließlich die Ausgabe der Anordnung angegeben, was im Wesentlichen eine „Multiplikation“ der zweiten mit der dritten Zeile entspricht. In schwarz sind die Zeiten dargestellt, während derer Licht ausgegeben wird, d.h. sowohl die Leuchtdiodenanordnung Licht emittiert als auch der Mikrospiegel in der Position ist, in welcher er Licht zur Ausgabe lenkt.
Bei dem in 3 illustrierten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Zeit T, welche zur Erzeugung des Grauwertes zur Verfügung steht, in eine Anzahl von Segmente unterteilt, welche der Anzahl von Bits entspricht, bei dem dargestellten Beispiel also in sechs Zeitsegmente. In jedem der Zeitsegmente ist der Mikrospiegel entweder in der Position, in welcher Licht zur Ausgabe gelenkt wird, oder in der Position, in welcher das Licht nicht zur Ausgabe gelenkt wird, wobei am Ende der Zeitsegmente oder zwischen den Zeitsegmenten umgeschaltet wird. Wird die Umschaltzeit nicht zu den Segmenten hinzugerechnet, wird diese zusätzlich zu den oben erwähnten Zeitsegmenten bereitgestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 3 wird der Mikrospiegel in jedem Zeitsegment durch ein zugeordnetes Bit des 6-Bit-Wertes gesteuert. Bei dem Ausführungsbeispiel von 3 steuert das niedrigstwertige Bit (Bit Nummer Null) die Position des Mikrospiegels in einem ersten Zeitsegment, das nächst höherwertige Bit steuert die Position des Mikrospiegels in einem auf das erste Zeitsegment folgende zweite Zeitsegment usw., bis schließlich das höchstwertigste Bit, Bit Nummer fünf, die Position des Mikrospiegels einem sechsten Zeitsegment steuert.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 sind die ersten vier Zeitsegmente gleich lang und weisen jeweils eine Zeitdauer von to auf. Das fünfte Zeitsegment, welches durch Bit Nummer vier gesteuert wird, weist verglichen mit den ersten vier Zeitsegmenten die doppelte Länge (2to) auf, und das sechste Zeitsegment weist verglichen mit dem fünften Zeitsegment die doppelte Länge, d.h. 4to, auf. Die gesamte die sechs Zeitsegmente umfassende Sequenz weist somit eine Dauer von T=10to auf. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können die ersten vier Zeitsegmente unterschiedliche Zeitdauern aufweisen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 wird der Mikrospiegel in den letzten drei Segmenten (Bit Nummer 3 bis 5) kontinuierlich durch eine Leuchtdiodenanordnung beleuchtet. Während der ersten drei Segmente findet hingegen eine gepulste Beleuchtung durch die Leuchtdiodenanordnung statt, wobei eine Pulsdauer im ersten Segment (Bit Nummer Null) bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Achtel der Segmentdauer $(d .h . \frac{1}{8} t_{0})$
beträgt, im zweiten Segment (Bit Nummer eins) ein Viertel der Segmentdauer $(d .h . \frac{1}{4} t_{0})$
und im dritten Zeitsegment (Bit Nummer zwei) die Hälfte der Segmentdauer $(d .h . \frac{1}{2} t_{0})$
beträgt.
Somit verdoppelt sich bei dem dargestellten Beispiel die bei aktiviertem Spiegel ausgegebene Lichtmenge von einem Zeitsegment zum nächsten, wobei für die ersten drei Zeitsegmente (Bit Nummern Null bis zwei) die Lichtmenge durch die Pulslänge der Leuchtdiodenanordnung eingestellt wird und für die letzten drei Segmente (Bit Nummern drei bis fünf) die Lichtmenge bei durchgehender Beleuchtung durch die Leuchtdiodenanordnung durch die Länge der Zeitsegmente bestimmt wird. Es ist zu bemerken, dass bei dem dargestellten Beispiel das vierte Zeitsegment auch zu den ersten drei Zeitsegmenten gerechnet werden kann, da sich hier im Vergleich zum dritten Zeitsegment die Pulsdauer der Leuchtdiodenanordnung verdoppelt, während die Länge des Zeitsegments gleich bleibt. Dies ist lediglich eine Frage der Betrachtungsweise und macht technisch keinen Unterschied. Im Folgenden werden diejenigen Bits, bei denen in den zugeordneten Zeitsegmenten keine durchgehende Beleuchtung erfolgt, als „über eine Modulation der Beleuchtung kodiert“ bezeichnet.
Durch diese Wahl der Pulslängen bzw. der Längen der Zeitsegmente kann wie bereits angesprochen mittels eines 6-Bit-Wertes eine von 64 Graustufen bzw. Helligkeitswerten erzeugt werden. Bei dem dargestellten Beispiel (Grauwert 43 entsprechend 101011) ist bei den Bitwerten 0, 1, 3 und 5 der Mikrospiegel in der Position, in welcher Licht zur Ausgabe gelenkt wird, was der in der dritten Zeile von 3 dargestellten Ausgabe entspricht.
Es ist zu beachten, dass die in 3 dargestellten Zeitsegmente nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge angeordnet sein müssen. Vielmehr kann jede beliebige Reihenfolge gewählt werden.
Insgesamt wird bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Teil der Bits, nämlich in dem Fall Bits Null, eins und zwei, über eine Modulation der Beleuchtung kodiert, während die übrigen Bits (Bits drei bis fünf) durch verschieden lange Zeitsegmente kodiert sind. Selbstverständlich ist diese Aufteilung nur als Beispiel zu verstehen, und es kann insgesamt auch eine höhere oder niedrigere Anzahl von Bits vorhanden sein, von denen ein oder mehrere Bits über eine Modulation der Beleuchtung, d.h. über verschieden lange Beleuchtungspulse, moduliert sind.
Zu bemerken ist, dass bei einem Ausführungsbeispiel wie beispielsweise den Ausführungsbeispielen von 1 oder 2 die Beleuchtung für alle Mikrospiegel eines Mikrospiegel-Arrays gemeinsam erfolgt.
Das unter Bezugnahme auf 3 beschriebene Verfahren lässt sich beispielsweise bei der unter Bezugnahme auf 1 besprochenen Vorrichtung oder bei der unter Bezugnahme auf 2 besprochenen Vorrichtung einsetzen, wobei bei der Vorrichtung von 1 bei einem Farbbild wie diskutiert die Ausgabe der verschiedenen Farben sequentiell erfolgt, wobei für jede Farbe das unter Bezugnahme auf 3 dargestellte Verfahren angewendet werden kann, während bei der Vorrichtung von 2 die Farbausgaben wie beschrieben parallel erzeugt werden. Auch in diesem Fall kann das Verfahren von 3 auf jede der Farben angewendet werden. Dabei ist zu bemerken, dass Bitzahl und/oder die Anzahl von Bits, welche über die Beleuchtung moduliert werden, nicht notwendigerweise nicht für jede Farbe gleich sein müssen.
Da die kürzest mögliche Pulsdauer zur Beleuchtung bei Leuchtdioden typischerweise deutlich geringer ist als die kürzest mögliche Sequenzdauer aufgrund von Schaltzeiten von Mikrospiegeln, wird durch das unter Bezugnahme auf 3 erläuterte Verfahren, bei welchem ein Teil der Bits mit Hilfe der Modulation der Beleuchtung moduliert sind, eine kürzere Zeitdauer (T in 3) zur Darstellung eines Grauwertes benötigt. Wird beispielsweise davon ausgegangen, dass die in 3 dargestellte Dauer des ersten Zeitsegments aufgrund von Schaltzeiten die kürzest mögliche Dauer für ein derartiges Zeitsegment ist, wäre bei durchgehender Beleuchtung die nötige Zeit für eine Sequenz zur Darstellung des Grauwertes, d.h. für sechs entsprechende Zeitsegmente, deren Dauer sich von einem Zeitsegment zum nächsten Zeitsegment verdoppelt, 63to, gegenüber 10t₀ im Beispiel von 3. Durch diese verkürzte Zeitdauer kann die Bildwiederholrate erhöht werden.
Beispielsweise ergibt sich verglichen mit Gleichung (2) für eine zur Darstellung eines kompletten Bildinhaltes notwendige Zeitspanne τ*_frame bei einer Bittiefe von 8 Bit pro Farbkanal wie bei Gleichung (2) $τ_{f r a m e}^{*} = τ_{p l a n e} \cdot 3 \cdot [2^{(8 - b)} - 1 + b] \approx \frac{τ_{f r a m e}}{2^{b}},$
wobei b die Anzahl der Bits ist, die über eine Modulation der Beleuchtung kodiert wird. Eine Grenze für die Anzahl von Bits stellt bei einem Ausführungsbeispiel die kleinstmögliche Beleuchtungspulsdauer τ_puls dar, welche von der verwendeten Beleuchtung abhängt.
Bei dem unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Verfahren erfolgt die Beleuchtung des oder der Mikrospiegelanordnung (en) nicht kontinuierlich, und insbesondere gibt es in dem Beispiel von 3 in den ersten drei Zeitsegmenten unabhängig von der Stellung des Mikrospiegels Zeiten, in welchen nie Licht zur Ausgabe gelenkt wird, nämlich diejenigen Zeiten, in welchen die Leuchtdiodenanordnung kein Licht erzeugt. Somit ergibt sich verglichen mit einem herkömmlichen Fall kontinuierlicher Beleuchtung eine geringere Helligkeit, was bei einem Ausführungsbeispiel durch Erhöhung der Helligkeit der Leuchtdiodenanordnung kompensiert werden kann. Die folgende Tabelle erläutert einige Parameter bei einer derartigen gemischten Kodierung, d.h. teilweise über gepulste Beleuchtung und teilweise über die Länge der Zeitsegmente, für eine 8-Bit-Sequenz:

b 0 1 2 3 4 5 6 7

τ_puls/µs cw 40 20 10 5.1 2.5 1.3 0.64

f/Hz 64 32 63 121 216 342 456 512

k_illum 1 1.00 1.02 1.07 1.19 1.51 2.26 4.02

b gibt dabei wie bereits in Gleichung (3) die Anzahl von Bits an, welche über die Modulation der Beleuchtung kodiert werden. b=0 entspricht somit dem herkömmlichen Fall einer kontinuierlichen Beleuchtung.
τ_puls gibt die benötigte minimale Pulslänge der Leuchtdioden der Leuchtdiodenanordnung an, wobei „cw“ für eine kontinuierliche Beleuchtung (continous wave) steht. Als Vergleichsbasis wird für den Fall einer kontinuierlichen Beleuchtung (b=0) wird von einer Bildwiederholrate f von 64 Hz mit dem eingangs erwähnten segmentweisen Datentransfer und einer entsprechenden Dauer des kürzesten Zeitsegments ausgegangen. Bei einer gemischten Kodierung (b>0) wird die Bildwiederholrate f ohne einen derartigen segmentweisen Transfer angegeben. Der Parameter k_illum gibt an, um welchen Faktor die Helligkeit der Leuchtdiodenanordnung zu erhöhen ist, um verglichen mit dem Fall b=0 die gleiche Gesamthelligkeit zu erzeugen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Anzahl von Bits, welche zur Modulation der Beleuchtung kodiert wird, einstellbar sein, d.h. der Parameter b einstellbar sein. Diese Einstellung kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer von einem Benutzer einstellbaren Bildwiederholrate erfolgen, beispielsweise gemäß der obigen Tabelle. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann zudem die Helligkeit einer entsprechenden Leuchtdiodenanordnung wie oben beschrieben angepasst werden, beispielsweise ebenso gemäß der obigen Tabelle, um so unabhängig von der gewählten Bildwiederholrate einen konstanten Helligkeitseindruck für einen Benutzer bereitzustellen.
Zu bemerken ist, dass die obigen Zahlenbeispiele für eine sogenannte Einmalsequenz dienen. Im Falle einer Einfachsequenz bei einem Ausführungsbeispiel mit farbsequentieller Beleuchtung wie in 1 wird bei jedem Frame jede Beleuchtungsfarbe einmal verwendet, z.B. erst rot, dann grün, dann blau, bevor zum nächsten Frame übergegangen wird. Die oben beschriebene Kodierung von Bits über Modulation der Beleuchtung ist jedoch ebenso für sogenannte Mehrfachsequenzen möglich. Bei einer Mehrfachsequenz wird für jeden Frame jede Beleuchtungsfarbe mehrmals verwendet, z.B. rot, grün, blau, rot, grün, blau, bevor zum nächsten Frame übergegangen wird. Bei einem derartigen Fall hängt die erreichbare Bildwiederholrate von einem Parameter ks ab, welcher die Länge der Mehrfachsequenz charakterisiert und für eine Einfachsequenz gleich eins ist. Beispielsweise kann für drei Farben mit jeweils 8 Bit Farbtiefe und einer Vierfachsequenz (k_s=4) mit b=4 eine Bildwiederholrate von 132 Hz erreicht werden. Bei Verwendung eines Verfahrens für eine stereoskopische Darstellung mit einem einzigen Bildgeber ergeben sich dann etwa 65 Hz pro Bildkanal, wobei die Umschaltzeit eines hierfür verwendeten optischen Demultiplexers bereits berücksichtigt ist.
Zu bemerken ist, dass bei den obigen Beispielen für Modulation der Beleuchtung eine Erhöhung der Bildwiederholrate erreicht wird, z.B. zur verbesserten stereoskopischen Darstellung. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann stattdessen auch die Farbtiefe, d.h. beispielsweise die Anzahl der Bits, welche zur Darstellung eines Grauwerts verwendet werden, erhöht werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sowohl die Bildwiederholrate als auch die Farbtiefe erhöht werden.
Bei den oben diskutierten Ausführungsbeispielen wurden Leuchtdiodenanordnungen zur Beleuchtung verwendet. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Beleuchtungsquellen, beispielsweise Laser, verwendet werden. Zudem wurde bei den obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen, dass farbige Bilder erzeugt werden, so dass drei Grundfarben, beispielsweise rot, grün und blau benötigt werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein monochromes Bild, beispielsweise ein Schwarz-Weiß-Bild, erzeugt. In derartigen Fällen wird beispielsweise nur eine einzige Beleuchtungsquelle mit weißem Licht benötigt, was zum Beispiel durch weiße Leuchtdioden oder durch eine Kombination roter, grüner und blauer Leuchtdioden erreicht werden kann. Auch sind andere Lichtquellen als Leuchtdioden, beispielsweise Laser, bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendbar. Zudem können, während bei den obigen Ausführungsbeispielen DMD-Arrays als Lichtmodulatoren beschrieben wurden, auch andere Arten von Lichtmodulatoren, z.B. digitale LCOS (Liquid Crystal on Silicon)-Elemente, zum Einsatz kommen. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Verfahren zum Wiedergeben eines Bildpunktes, wobei einem Farbanteil des Bildpunktes ein Grauwert zugeordnet ist, umfassend: Diskontinuierliches Beleuchten eines Lichtmodulators (12; 22, 24, 26) während n aufeinanderfolgenden Zeitsegmenten, n>1, wobei sich eine Dauer der Beleuchtung von Zeitsegment zu Zeitsegment unterscheidet, wobei der Lichtmodulator (12; 22, 24, 26) ausgestaltet ist, in einem ersten Zustand Licht zu einer Ausgabe zu lenken und in einem zweiten Zustand Licht nicht zu der Ausgabe zu lenken, und Ansteuern des Lichtmodulators (12; 22, 24, 26) in Abhängigkeit von dem Grauwert derart, dass während jedem der n Zeitsegmente der Lichtmodulator jeweils entweder durchgehend in dem ersten Zustand oder durchgehend in dem zweiten Zustand ist, wobei die n Zeitsegmente jeweils die gleiche Dauer aufweisen, Beleuchten des Lichtmodulators (12; 22, 24, 26) während m weiterer Zeitsegmente unterschiedlicher Dauer, m≥1, wobei die Beleuchtung während der m weiteren Zeitsegmente kontinuierlich erfolgt, und Ansteuern des Lichtmodulators (12; 22, 24, 26) in Abhängigkeit von dem Grauwert während der m weiteren Zeitsegmente derart, dass während jedes Zeitsegments der m weiteren Zeitsegmente der Lichtmodulator (12; 22, 24, 26) jeweils durchgehend in dem ersten Zustand oder durchgehend in dem zweiten Zustand ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zeitdauer der Beleuchtung in einem k-ten Zeitsegment, k=1... n, 1/(2^k) mal der Zeitdauer eines der n Zeitsegmente beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem Bildpunkt eine Mehrzahl von Farbanteilen zugeordnet ist, wobei jedem Farbanteil ein jeweiliger Grauwert zugeordnet ist, wobei das Beleuchten und das Ansteuern für jeden Farbanteil separat durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei jedem Farbanteil ein separater Lichtmodulator (22, 24, 26) und eine separate Lichtquelle (21, 23, 25) zur Beleuchtung zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zeitdauern der Beleuchtung durch entsprechendes Ansteuern einer Lichtquelle (11; 21, 23, 25) zur Erzeugung der Beleuchtung erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Länge eines I-ten Zeitsegments der m weiteren Zeitsegmente, I=1...m, 2^l-1 mal der Zeitdauer eines der n Zeitsegmente ist.
Verfahren zur Wiedergabe eines Bildes, wobei das Bild eine Mehrzahl von Bildpunkten aufweist, wobei zur Wiedergabe jedes Bildpunktes des Bildes das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchgeführt wird, wobei jedem Bildpunkt ein separater Lichtmodulator zugeordnet ist, und wobei die Beleuchtung der den Bildpunkten zugeordneten Lichtmodulatoren gemeinsam erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die den Bildpunkten zugeordneten Lichtmodulatoren ein Mikrospiegel-Array (12; 22, 24, 26) bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei n einstellbar ist, wobei eine Helligkeit der Beleuchtung in Abhängigkeit von n eingestellt wird.
Bildwiedergabevorrichtung zur Wiedergabe eines Bildes, wobei das Bild eine Mehrzahl von Bildpunkten aufweist, wobei einem Farbanteil jedes Bildpunktes ein jeweiliger Grauwert zugeordnet ist, umfassend: mindestens eine Lichtmodulatoranordnung (12; 22, 24, 26) mit einer Mehrzahl von Lichtmodulatoren, wobei jedem Bildpunkt ein Lichtmodulator der Lichtmodulatoranordnung zugeordnet ist, wobei jeder Lichtmodulator ausgestaltet ist, entweder einen ersten Zustand anzunehmen, in welchem der Lichtmodulator Licht zu einer Ausgabe der Bildwiedergabevorrichtung weiterleitet, oder einen zweiten Zustand anzunehmen, in dem der Lichtmodulator Licht nicht für eine Ausgabe der Bildwiedergabevorrichtung weiterleitet, mindestens eine Beleuchtung (11; 21, 23, 25) zum Beleuchten der mindestens einen Lichtmodulatoranordnung, und eine Steuerung (20) zum Steuern der Lichtmodulatoranordnung (12; 22, 24, 26) und der Beleuchtung, wobei die Steuerung ausgestaltet ist, die Beleuchtung (11; 21, 23, 25) während n aufeinanderfolgenden Zeitsegmenten, n>1, derart anzusteuern, dass die Lichtmodulatoranordnung diskontinuierlich beleuchtet wird und sich eine Dauer der Beleuchtung von Zeitsegment zu Zeitsegment unterscheidet, und wobei die Steuerung (20) derart ausgestaltet ist, die Lichtmodulatoren der Lichtmodulatoranordnung (12; 22, 24, 26) jeweils in Abhängigkeit von dem Grauwert des ihnen zugeordneten Bildpunktes derart anzusteuern, dass jeder Lichtmodulator während jedem der n Zeitsegmente jeweils entweder den ersten Zustand oder den zweiten Zustand annimmt, wobei die n Zeitsegmente jeweils die gleiche Dauer aufweisen, wobei die Steuerung (20) weiter ausgestaltet ist, die Beleuchtung (11; 21, 23, 25) zum Beleuchten der Lichtmodulatoranordnung (12; 22, 24, 26) während m weiterer Zeitsegmente unterschiedlicher Dauer, wobei die Beleuchtung während der m weiteren Zeitsegmente kontinuierlich erfolgt, anzusteuern und die Lichtmodulatoren in Abhängigkeit von dem Grauwert während der m weiteren Zeitsegmente derart anzusteuern, dass während jedes Zeitsegments der m weiteren Zeitsegmente jeder Lichtmodulator jeweils durchgehend in dem ersten Zustand oder durchgehend in dem zweiten Zustand ist.
Bildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Beleuchtung eine erste Beleuchtung für einen ersten Farbanteil, eine zweite Beleuchtung für einen zweiten Farbanteil und eine dritte Beleuchtung für einen dritten Farbanteil umfasst, wobei die Steuerung ausgestaltet ist, die erste Beleuchtung, die zweite Beleuchtung und die dritte Beleuchtung sequentiell anzusteuern.
Bildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 10, wobei die mindestens eine Lichtmodulatoranordnung eine erste Lichtmodulatoranordnung (22) für einen ersten Farbanteil, eine zweite Lichtmodulatoranordnung (24) für einen zweiten Farbanteil und eine dritte Lichtmodulatoranordnung (26) für einen dritten Farbanteil umfasst, wobei die Beleuchtung eine der ersten Lichtmodulatoranordnung zugeordnete erste Beleuchtung (21), eine der zweiten Lichtmodulatoranordnung zugeordnete zweite Beleuchtung (23) und eine der dritten Lichtmodulatoranordnung zugeordnete dritte Beleuchtung (25) umfasst.
Bildwiedergabevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Zeitdauer der Beleuchtung in einem k-ten Zeitsegment, k=1... n, 1/(2^k) mal der Zeitdauer eines der n Zeitsegmente beträgt.
Bildwiedergabevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei eine Länge eines I-ten Zeitsegments der m weiteren Zeitsegmente, I=1...m, 2^l-1 mal der Zeitdauer eines der n Zeitsegmente ist.
Bildwiedergabevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die mindestens eine Lichtmodulatoranordnung (12; 22, 24, 26) ein Mikrospiegel-Array umfasst.