DE102016115032A1

DE102016115032A1 - Projektor zum Projizieren von Bildern und Projektionsverfahren für einen solchen Projektor

Info

Publication number: DE102016115032A1
Application number: DE102016115032.0A
Authority: DE
Inventors: Enrico Geissler; Christoph Nieten; Bryce Anton Moffat
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Es wird ein Projektor zum Projizieren von Bildern bereitgestellt, der eine Lichtquelleneinheit (2), die mehrere Lichtquellen (8, 9, 10), die jeweils Licht mit einem vorbestimmten Spektrum abgeben, aufweist, eine einen ersten Modulator (5) aufweisende Modulatoreinheit (4), die mit Licht der Lichtquellen (8–10) beaufschlagt wird und dieses zur Erzeugung der Bilder moduliert, eine Projektionsoptik (6), und eine Steuereinheit (7) aufweist, wobei die Steuereinheit (7) die Lichtquelleneinheit (2) so ansteuert, – dass die Lichtquellen (8–10) zeitlich nacheinander jeweils für eine vorbestimmte Teilbeleuchtungsdauer ihr Licht mit einer vorbestimmten Intensität als Hauptbeleuchtung abgeben, und – dass während mindestens einer Teilbeleuchtungsdauer zusätzlich zur Hauptbeleuchtung das Licht mindestens einer der anderen Lichtquellen mit zeitlich variierender Intensität abgegeben wird, um eine temperaturbedingte Änderung des Spektrums der Hauptbeleuchtung zu kompensieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Projektor zum Projizieren von Bildern und ein Projektionsverfahren für einen solchen Projektor.
Bei solchen Projektoren werden Farbbilder häufig dadurch erzeugt, dass zeitsequentiell der Modulator mit den drei Primärfarben Rot, Grün und Blau beleuchtet wird, um mittels Modulation ein rotes, grünes und blaues Teilbild zu erzeugen. Die Teilbilder werden zeitlich so schnell aufeinanderfolgend erzeugt und projiziert, dass ein Benutzer die Farbteilbilder nicht unterscheiden kann, sondern nur die Überlagerung als mehrfarbiges Bild wahrnimmt.
Bei einem solchen Projektor kann es vorkommen, dass das Spektrum der jeweiligen Lichtquelle und somit der Farbort während der Beleuchtungsdauer für das entsprechende Farbteilbild nicht konstant ist. Dies führt zu Verschiebungen der Farbtöne, die den Bildeindruck für den Benutzer verschlechtern.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen Projektor zum Projizieren von Bildern bereitzustellen, mit dem die eingangs genannten Schwierigkeiten möglichst vollständig behoben werden können. Ferner soll ein entsprechendes Projektionsverfahren bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird durch einen Projektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Da während der mindestens einen Teilbeleuchtungsdauer das Licht der mindestens einen anderen Lichtquelle mit zeitlich variierender Intensität abgegeben wird, kann eine Farbmischung durchgeführt werden, die die temperaturbedingte Änderung des Spektrums der Hauptbeleuchtung und somit die temperaturbedingte Änderung des Farbortes der Hauptbeleuchtung kompensiert. Man kann somit in vorteilhafter Weise erreichen, dass die Modulatoreinheit stets mit Licht des selben Farbortes (z. B. nach CIE-Norm) bzw. derselben wahrnehmbaren Farbe beleuchtet wird. Der Farbort der Beleuchtung während der Teilbeleuchtungsdauer kann somit (durch die Zumischung von Licht der mindestens einen anderen Lichtquelle) konstant gehalten werden. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einem besseren Bildeindruck.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Projektors sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Spektren der einzelnen Lichtquellen sind bevorzugt unterschiedliche Spektren. Insbesondere sind die unterschiedlichen Spektren so, dass sie unterschiedliche Hauptwellenlängen aufweisen und/oder dass sie unterschiedliche Farborte ergeben. Bevorzugt kann es sich beispielsweise um die Farben rot, grün und blau handeln.
Die Lichtquelleneinheit ist insbesondere so ausgebildet, dass das Licht der mehreren Lichtquellen in Überlagerung als Beleuchtungsstrahlung für die Modulatoreinheit und insbesondere für den ersten Modulator abgegeben werden kann. Aufgrund des Zumischens von Licht der mindestens einen anderen Lichtquelle während der Teilbeleuchtungsdauer kann erfindungsgemäß die gewünschte Kompensation der temperaturbedingten Änderung des Spektrums der Hauptbeleuchtung erreicht werden.
Die Steuereinheit kann die Lichtquelleneinheit insbesondere so ansteuern, dass die zeitliche Variation der Intensität des Lichtes der mindestens einen anderen Lichtquelle so durchgeführt wird, dass der Farbort der Beleuchtungsstrahlung dem Farbort der Lichtquelle entspricht, deren Licht als Hauptbeleuchtung während der Teilbeleuchtungsdauer abgegeben wird. Mit dem erfindungsgemäßen Projektor kann somit in der Beleuchtungsstrahlung der Farbort konstant gehalten werden.
Unter einem konstant gehaltenen Farbort wird hier insbesondere verstanden, dass der Abstand des Farbortes der Beleuchtungsstrahlung zum Farbort der entsprechenden Lichtquelle für die Hauptbeleuchtung so gering ist, dass der Unterschied zwischen beiden Farborten, sofern er vorhanden ist, von einem Benutzer nicht wahrnehmbar ist (der Benutzer empfindet beide Farben als gleich). Ein Unterschied von Δu'v' von kleiner oder gleich 0,01 kann hier als Farbunterschied verstanden werden, der unter der Wahrnehmungsschwelle für den Benutzer liegt und somit können Farborte, die diesen Farbabstand aufweisen, hier als gleiche Farborte angesehen werden. Bevorzugt ist der Farbabstand Δu'v' kleiner oder gleich 0,005, kleiner oder gleich 0,003 oder kleiner oder gleich 0,001.
Die Farbkoordinaten u' und v' sind aus dem CIELUV-Farbraumsystem (siehe auch DIN EN ISO 11664-5), bei dem die Farbunterschiede über alle Farben einen gleichen Farbabstand aufweisen. Dieses Farbsystem kann aus dem CIE 1931 Farbraumsystem wie folgt abgeleitet werden: u' = 4x / –2x + 12y + 3 v' = 9y / –2x + 12y + 3
Farbabstände zweier Farborte (u'₁, v'₁) und (u'₂, v'₂) berechnen sich als:
Die Steuereinheit kann die Lichtquelleneinheit so ansteuern, dass die Lichtquellen zeitlich nacheinander jeweils für eine vorbestimmte Teilbeleuchtungsdauer Licht mit einer konstanten vorbestimmten Intensität als Hauptbeleuchtung abgeben. Hierunter kann insbesondere verstanden werden, dass die Lichtquellen dafür mit einem konstanten Ansteuerungssignal angesteuert werden. Beispielsweise kann das Ansteuerungssignal eine Stromstärke sein. In diesem Fall können die Lichtquellen mit konstanter Stromstärke angesteuert werden. In Abhängigkeit der verwendeten Lichtquelle, kann jedoch ein Erhitzen der Lichtquelle während der Ansteuerung auch dazu führen, dass die Intensität des abgegebenen Lichtes sich ändert. Diese in der Regel geringe Intensitätsänderung soll hier noch als Licht mit konstanter vorbestimmter Intensität verstanden werden. Es ist jedoch möglich, diese Änderung der Intensität durch eine Änderung des Ansteuersignales zu kompensieren, so dass eine möglichst konstante Intensität des abgegebenen Lichtes der Hauptbeleuchtung vorliegt. Wenn der Modulator mittels Pulsweitenmodulation angesteuert wird, kann das Ansteuerungssignal für die Lichtquellen in den entsprechendem Zeitscheiben der Pulsweitenmodulation jeweils (geringfügig) angepasst wird, um die gewünschte konstante Intensität des abgegebenen Lichtes der Hauptbeleuchtung zu erzielen. In der Regel nimmt die Intensität des abgegebenen Lichtes mit zunehmender Erwärmung der Lichtquelle ab, so dass das Ansteuerungssignal dann entsprechend erhöht wird.
Die synchrone Ansteuerung der mindestens einen anderen Lichtquelle wird bevorzugt so durchgeführt, dass die durch die Pulsweitenmodulation des Modulators vorgegebenen Zeitscheiben auch für die Ansteuerung der mindestens einen anderen Lichtquelle benutzt werden.
Ferner kann das Ansteuersignal für die Lichtquelle der Hauptbeleuchtung während der Teilbeleuchtungsdauer konstant gehalten werden. Die unerwünschte Intensitätsänderung des abgegebenen Lichtes der Hauptbeleuchtung kann dann durch die entsprechende Ansteuerung des Modulators kompensiert werden. Wenn beispielsweise die Intensität des abgegebenen Lichtes der Hauptbeleuchtung während der Teilbeleuchtungsdauer abnimmt, kann das entsprechende Pixel des Modulators beispielsweise länger in seinen Ein-Zustand geschaltet werden. Wenn der Modulator beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation angesteuert wird, können die emittierten Intensitäten pro Zeitscheibe der Pulsweitenmodulation gemessen werden, so dass man Kenntnis über die Änderung der Intensität erlangt. Diese Daten können dann bei der Berechnung der Pulsweitenmodulations-Sequenz berücksichtigt werden.
Der erfindungsgemäße Projektor kann beispielsweise als Projektor ausgebildet sein, der für Flugsimulatoren verwendet wird. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Projektor als Gerät ausgebildet sein, das geeignet platziert wird, um die gewünschte Projektion zu bewirken. Der erfindungsgemäße Projektor kann z. B. ein reelles Bild erzeugen, das mittels der Projektionsoptik auf eine Projektionsfläche abgebildet ist.
Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Projektor als eine auf einen Kopf eines Benutzers aufsetzbare Anzeigevorrichtung ausgebildet sein, wobei die Projektionsoptik bevorzugt ein virtuelles Bild projiziert, das der Benutzer im aufgesetzten Zustand der Anzeigevorrichtung wahrnehmen kann. Dabei kann die Anzeigevorrichtung so ausgebildet sein, dass der Benutzer nur das projizierte Bild wahrnehmen kann. Alternativ ist es möglich, dass der Benutzer das projizierte Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann.
Der Modulator kann insbesondere als flächiger Modulator ausgebildet sein. Des Weiteren kann der Modulator als reflektiver Modulator oder transmissiver Modulator ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Modulator als Kippspiegelmatrix, als LCD-Modul oder als LCoS-Modul ausgebildet sein.
Die Projektionsoptik kann das von der Modulatoreinheit kommende Licht beispielsweise als reales Bild auf eine Projektionsfläche abbilden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Projektionsoptik das von der Modulatoreinheit kommende Licht als virtuelles Bild abbildet.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Projektionsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst.
Das erfindungsgemäße Projektionsverfahren kann so weitergebildet werden, dass es die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Projektor beschriebenen Verfahrensschritte durchführt. Ferner kann der erfindungsgemäße Projektor Merkmale aufweisen, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Projektionsverfahren einschließlich seiner Weiterbildungen beschrieben sind.
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.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektors;
2 eine schematische Draufsicht des Modulators 5 von 1;
3A–3C Darstellungen zur Erläuterung der Ansteuerung der Lichtquelleneinheit 2;
3D eine Darstellung zur Erläuterung der Ansteuerung des Modulators 5;
4 eine schematische Darstellung der Normfarbtafel;
5A–5C Darstellungen zur Erläuterung der Ansteuerung der Lichtquelleneinheit 2;
5D eine Darstellung zur Ansteuerung des Modulators 5;
6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektors, und
7 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektors.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Projektor 1 zum Projizieren von Bildern eine Lichtquelleneinheit 2, eine Beleuchtungsoptik 3, eine Modulatoreinheit 4, die einen Modulator 5 umfasst, eine Projektionsoptik 6 sowie eine Steuereinheit 7.
Der Modulator 5 ist hier als Kippspiegelmatrix (nachfolgend auch DMD genannt) ausgebildet, die mehrere in Zeilen und Spalten angeordnete Kippspiegel aufweist, wie in der schematischen Draufsicht in 2 gezeigt ist, bei der jeder Kippspiegel K durch ein Quadrat dargestellt ist. Die Kippspiegel K können jeweils voneinander unabhängig in eine erste und zweite Kippstellung gebracht werden, wobei zur Vereinfachung der Darstellung in 2 der Modulator 5 mit lediglich 7 × 6 Kippspiegeln K gezeigt ist. Natürlich kann der Modulator 5 sehr viel mehr Kippspiegel K aufweisen. So kann er beispielsweise 1920 × 1080 Kippspiegel K umfassen.
Die Lichtquelleneinheit 2 umfasst hier eine erste, eine zweite und eine dritte Lichtquelle 8, 9, 10, die jeweils als LED-Lichtquelle (LED = light emitting diode = Leuchtdiode) ausgebildet sind. Jede der drei Lichtquellen 8–10 gibt Licht mit einer anderen Hauptwellenlänge ab. Die Lichtquellen 8–10 sind dabei so gewählt, dass die erste Lichtquelle 8 rotes Licht, die zweite Lichtquelle 9 grünes Licht und die dritte Lichtquelle 10 blaues Licht abgibt. Das Licht der Lichtquellen 8–10 wird mittels eines Strahlvereinigerwürfels 11 der Lichtquelleneinheit 2 überlagert (wenn sie gleichzeitig eingeschaltet sind) und über die Beleuchtungsoptik 3 als Beleuchtungsstrahlung auf den Modulator 5 so gerichtet, dass eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung aller Kippspiegel K des Modulators 5 vorliegt. Die Lichtquelleneinheit 2 und somit die Lichtquellen 8–10 werden mittels der Steuereinheit 7 basierend auf der Steuereinheit 7 geführten Bilddaten BD grundsätzlich so angesteuert, dass die drei Lichtquellen 8–10 zeitsequentiell nacheinander ihr Licht abgeben, wodurch der Modulator 5 zeitlich nacheinander mit rotem, grünem und blauem Licht beleuchtet wird. Gleichzeitig steuert die Steuereinheit 7 die Kippstellung der einzelnen Kippspiegel K des Modulators 5 so an, dass das rote, grüne und blaue Licht zur Erzeugung eines roten, grünen und blauen Teilbildes moduliert wird. Bevorzugt kann z. B. das von den Kippspiegeln K reflektierte Licht, wenn sie in ihrer ersten Kippstellung stehen, zur Bilderzeugung verwendet werden, wohingegen das von den Kippspiegeln K reflektierte Licht, wenn sie in ihrer zweiten Kippstellung stehen, auf eine nicht gezeigte Strahlfalle gerichtet wird und nicht zur Bilderzeugung beiträgt. Somit ist eine Helligkeitsmodulation für das Licht von jedem Kippspiegel K (jeder Kippspiegel K kann auch als Pixel bezeichnet werden) möglich, so dass die gewünschten modulierten Farbteilbilder (rotes, grünes und blaues Farbteilbild) erzeugt werden kann. Jedes der Farbteilbilder für sich und alle Farbteilbilder nacheinander werden so schnell erzeugt, dass ein Benutzer die mittels der Projektionsoptik 6 auf eine Projektionsfläche 12 projizierten Farbteilbilder zeitlich nicht aufgelöst wahrnehmen kann, sondern nur die Überlagerung der Farbteilbilder als mehrfarbiges Bild wahrnimmt.
Diese grundsätzlich bekannte Art der Ansteuerung der Lichtquelleneinheit 2 ist schematisch in 3A–3C dargestellt. Entlang der x-Achse ist jeweils die Zeit t und entlang der y-Achse die Intensität der jeweiligen Lichtquelle (IR = Intensität der ersten Lichtquelle 8, IG = Intensität der zweiten Lichtquelle 9 und IB = Intensität der dritten Lichtquelle 10) aufgetragen. Die Intensität ist jeweils im Bereich von 0 bis 1 aufgetragen, wobei 0 der minimalen Intensität und 1 gleich einer vorbestimmten maximalen Intensität entspricht. Wie den Darstellungen in 3A–3C zu entnehmen ist, ist während der Zeitdauer von 0 bis t1 nur die erste Lichtquelle 8 eingeschaltet, so dass der Modulator 5 mit rotem Licht beleuchtet wird. In 3D ist beispielhaft die Ansteuerung eines Kippspiegels K des Modulators 5 gezeigt. Die Ansteuerung erfolgt mittels Pulsweitenmodulation, wobei hier zur Vereinfachung der Darstellung davon ausgegangen wird, dass die Zeitdauer für das rote Farbteilbild und somit die Zeitdauer von 0 bis t1 in fünf Zeitscheiben B1, B2, B3, B4 und B5 aufgeteilt ist. In jeder dieser Zeitscheiben B1–B5 kann der Kippspiegel K entweder in die erste Kippstellung, die hier auch mit H bezeichnet wird, oder in die zweite Kippstellung, die hier mit L bezeichnet ist, geschaltet sein. Die Zeitscheiben, in denen der Kippspiegel K in der ersten Kippstellung steht, sind hier durch ein Rechteck eingezeichnet. Daraus ergibt sich, dass während der Zeitscheiben B2 und B4 der Kippspiegel in der ersten Kippstellung steht. Während der anderen Zeitscheiben B1, B3 und B5 steht der Kippspiegel in der zweiten Kippstellung. Dies ist für die Zeit von 0 bis t1 durch schraffierte Bereiche angedeutet.
In der Zeitdauer von t1 bis t2 ist nur die zweite Lichtquelle 9 eingeschaltet, so dass der Modulator 5 mit grünem Licht beleuchtet wird. Die Zeitdauer von t1 bis t2 ist bei der hier beschriebenen Ausführungsform gleich lang wie die Zeitdauer von 0 bis t1. Ferner ist hier die Zeitdauer von t1 bis t2 in gleiche Zeitscheiben B1 bis B5 für die Ansteuerung der Kippspiegel aufgeteilt ist, wie die Zeitdauer von 0 bis t1. Es ist jedoch auch möglich, dass die Zeitdauer von t1 bis t2 länger oder kürzer ist als die Zeitdauer von 0 bis t1. Ferner können die Zeitscheiben B1–B5 in den beiden Zeitdauern (von 0 bis t1 und von t1 bis t2) unterschiedlich sein. Bei dem hier beschriebenen Beispiel wird davon ausgegangen, dass für das grüne Teilbild der Kippspiegel K gemäß 3D nur während der ersten Zeitscheibe B1 in der ersten Kippstellung steht und während der anderen Zeitscheiben B2–B5 in der zweiten Kippstellung steht. Ab der Zeit t1 sind in 3D nur noch die Zeitscheiben durch Rechtecke dargestellt, während derer der Kippspiegel K in der ersten Kippstellung steht. Die Zeitscheiben, während derer er in der zweiten Kippstellung steht, sind nicht mehr durch Schraffur gekennzeichnet.
Während der Zeit t2 bis t3 ist nur die dritte Lichtquelle 10 eingeschaltet, so dass der Modulator 5 mit blauem Licht beleuchtet wird. Die Zeitdauer von t2 bis t3 kann (muss aber nicht) gleich lang sein wie die Zeitdauer von 0 bis t1 und es kann wieder (muss aber nicht) die gleiche Aufteilung in die Zeitscheiben B1 bis B5 für die Ansteuerung der Kippspiegel K vorliegen. Während der Zeit von t2 bis t3 ist der Kippspiegel K gemäß 3D während der Zeitscheiben B2 und B3 in der ersten Kippstellung und während der anderen Zeitscheiben in der zweiten Kippstellung.
Die Zeitdauer von 0 bis t1, von t1 bis t2 sowie von t2 bis t3 kann auch jeweils als Teilbeleuchtungsdauer bezeichnet werden, wobei während jeder Teilbeleuchtungsdauer der Modulator 5 mit Licht einer der drei Lichtquellen 8–10 beleuchtet wird. Dies kann als Hauptbeleuchtung für die jeweilige Teilbeleuchtungsdauer bezeichnet werden. Alle drei Teilbeleuchtungszeiten (von 0 bis t1, von t1 bis t2 und von t2 bis t3) ergeben zusammen eine Einzelbilddauer.
Es hat sich nun gezeigt, dass das Spektrum z. B. der ersten Lichtquelle 8 bereits während der Zeitdauer von 0 bis t1 temperaturbedingt so stark ändert, dass die dadurch bedingte Änderung des Farbortes bzw. der Farbe einem Betrachter auffällt. So verschiebt sich das Spektrum der ersten Lichtquelle 8 zu größeren Wellenlängen. Das bedeutet beispielsweise, dass bei gleicher Helligkeit des Rotanteils eines Pixels, das gemäß den Bilddaten darzustellen ist, der Farbton (oder Farbort) aber unterschiedlich ist, wenn während der Zeitdauer von 0 bis t1 der entsprechende Kippspiegel K entweder nur während der Zeitscheibe B1 oder nur während der Zeitscheibe B3 in die erste Kippstellung geschaltet ist. Aufgrund der größer werdenden Wellenlängen mit der Zeit, erscheint bei Verwendung von nur der Zeitscheibe B3 der Farbton etwas röter im Vergleich zu dem Fall, wenn nur die Zeitscheibe B1 verwendet wird. Dies ist schematisch in 4 dargestellt, in der die Normfarbtafel in bekannter Weise gezeigt ist. Entlang der x-Achse sind die x-Werte und entlang der y-Achse die y-Werte aufgetragen. Zur Verdeutlichung sind noch exemplarische Wellenlängen eingetragen. Der Farbort (der auch als Farbvalenz bezeichnet werden kann) der ersten Lichtquelle 8 während der Zeitscheibe B1 ist mit dem Bezugszeichen LR1 bezeichnet. Die Farborte der zweiten und dritten Lichtquellen 9 und 10 sind mit den Bezugszeichen LG1 und LB1 bezeichnet. Die Farborte LR1, LG1 und LB1 spannen ein Farbdreieck auf, das die möglichen darstellbaren Farben enthält.
In 4 sind noch die Farborte für die erste Lichtquelle 8 für die dritte Zeitscheibe B3 (mit dem Bezugszeichen LR3 bezeichnet) und für die fünfte Zeitscheibe B5 (mit dem Bezugszeichen LR5 bezeichnet) eingezeichnet. Daraus ergibt sich, dass eine Verschiebung des Farbortes zu größeren Wellenlängen während der An-Zeit von 0 bis t1 der ersten Lichtquelle 8 temperaturbedingt auftritt. Dies ist selbst dann der Fall, wenn die Zeitdauer von 0 bis t1 nur wenige ms beträgt.
Um diese unerwünschte Verschiebung des Farbortes (und somit der darstellbaren Farbe) zu kompensieren, werden erfindungsgemäß während der Zeitdauer von 0 bis t1 die zweite und dritte Lichtquelle 9 und 10 mit einer zeitlich variierenden Intensität angesteuert, wie in 5A bis 5C dargestellt ist. Die Darstellungen in 5A–5C entsprechen den Darstellungen von 3A–3C. Ferner ist in 5D in gleicher Weise wie in 3D die Ansteuerung eines Kippspiegels K dargestellt, wobei jedoch bereits in dem Zeitbereich von 0 bis t1 auf eine schraffierte Darstellung der Zeitscheiben B1, B3 und B5 verzichtet wurde. Wie ein Vergleich zeigt, sind die zweite und dritte Lichtquelle 9 und 10 während der ersten Zeitscheibe B1 noch ausgeschaltet. Während der Zeitscheibe B2 sind sie mit geringer Intensität als die der ersten Lichtquelle 8 eingeschaltet, wobei dann die Intensität mit zunehmender Zeitscheibe wächst, wie schematisch in 5A–5C eingezeichnet ist. Die Intensitäten der zweiten und dritten Lichtquelle 9, 10 während den Zeitscheiben B2–B5 sind so gewählt, dass der Modulator 5 auch während dieser Zeitscheiben B2–B5 mit Licht des selben Farbortes beleuchtet wird wie während der ersten Zeitscheibe B1. Man kann auch sagen, dass der Farbort LR1 nicht nur während der Zeitscheibe B1, sondern auch während der Zeitscheiben B2–B5 vorliegt. Da die Intensitäten der zweiten und dritten Lichtquelle 9, 10 während der Zeit von 0 bis t1 bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel maximal 25% (oder z. B. maximal 10%) der Maximalintensität von 1 betragen, ist die thermische Belastung der zweiten und dritten Lichtquelle 9, 10 so gering, dass es zu keinen wahrnehmbaren Verschiebungen der Spektren dieser beiden Lichtquellen 9, 10 kommt. Somit wird erfindungsgemäß während der ersten Teilbeleuchtungsdauer (von 0 bis t1) der Modulator 5 nicht nur mit der Hauptbeleuchtung (Licht der ersten Lichtquelle 8), die während der ersten Teilbeleuchtungsdauer mit konstanter Intensität vorliegt, sondern zusätzlich noch mit Licht der zweiten und dritten Lichtquelle 9, 10 mit variierender Intensität beleuchtet.
Somit wird während der ersten Teilbeleuchtungsdauer Beleuchtungsstrahlung erzeugt, deren Farbort dem Farbort LR1 der ersten Lichtquelle 8, wenn sie sich nicht erwärmt hat, entspricht. Unter einem gleichen Farbort wird hier insbesondere auch ein Abstand des Farbortes der Beleuchtungsstrahlung vom Farbort LR1 der ersten Lichtquelle 8 verstanden, der unter der Wahrnehmungsschwelle eines Betrachters liegt. Dies soll nachfolgend noch näher ausgeführt werden.
Von der CIE (Internationalen Beleuchtungskomission) wurden Bewertungsfunktionen erarbeitet, die es erlauben, einem Lichtspektrum einen Farbort zuzuweisen. Diese Bewertungsfunktionen x(λ), y(λ) und z(λ) werden Normvalenzen genannt. 1931 wurden für einen „Normalbeobachter” (gemittelt über mehrere Testpersonen) für eine Sichtfeld von 2° die Normvalenzen festgelegt (CIE 1931; kann unter http://files.cie.co.at/204.xls von der CIE heruntergeladen werden; siehe auch DIN EN ISO 11664-1:2011-07). Für ein Lichtspektrum S(λ) lassen sich mit den Normvalenzen die Tristimuluskoordinaten X, Y und Z berechnen: X = ∫ 780 nm / 380 nmS(λ)·x(λ)dλ Y = ∫ 780 nm / 380 nmS(λ)·y(λ)dλ Z = ∫ 780 nm / 380 nmS(λ)·z(λ)dλ
Diese drei Werte beschreiben sowohl die Farbe (Farbort) als auch die Helligkeit des Spektrums (X beschreibt den Rot-Grün-Anteil des Lichtes, Y entspricht der Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Auges, Z beschreibt den Blau-Gelb-Anteil des Lichts).
Durch eine Normierung der Tristimuli reduzieren sich die Angaben auf die Farbe: x = X / X + Y + Z y = Y / X + Y + Z
Die dritte Koordinate z hängt dann von x und y ab: z = Z / X + Y + Z = 1 – x – y
Die Farbkoordinaten (x, y) lassen sich dann in einer Normfarbtafel wie z. B. in 4 dargestellt, eintragen. Der in 4 dargestellte Kurvenzug für die Zuordnung von monochromatischem Licht zu Farbkoordinaten ergibt sich aus den Bewertungsfunktionen:
Zwei Spektren S₁(λ) und S₂(λ) lassen sich wie oben beschrieben die Farborte (x₁, y₁) und (x₂, y₂) zuordnen. Der Farbunterschied oder Farbabstand Δxy ist als geometrischer Abstand zwischen den beiden Farborten definiert:
Die Größe Δxy ist ein Maß für den Farbunterschied von zwei Spektren. Auf diese Weise lassen sich Farbabweichungen quantifizieren.
Im Jahr 1976 wurde eine Farbraum entwickelt, bei dem Farbunterschiede über alle Farben einen gleichen Farbabstand aufweisen (CIELUV-Farbraumsystem; siehe auch DIN EN ISO 11664-5). Die Farbkoordinaten (u', v') in diesem Farbsystem errechnen sich aus den (x, y) nach CIE 1931 wie folgt: u' = 4x / –2x + 12y + 3 v' = 9y / –2x + 12y + 3
Farbabstände zweier Farborte (u'₁, v'₁) und (u'₂, v'₂) berechnen sich als:
Das CIELUV-Farbraumsystem ist so ausgelegt, dass über den gesamten Farbraum gleiche Farbabstände Δu'v' als gleicher Farbunterschied wahrgenommen werden. Umgekehrt kann man den Farbabstand natürlich dazu verwenden, ein Maß anzugeben, für den zwei Farben noch als gleich empfunden werden. Dabei ist die Wahrnehmungsschwelle für Farbunterschiede jedoch auch von der Helligkeit der Farben abhängig.
Hier sollen zwei Spektren insbesondere als gleichfarbig gelten, wenn für den resultierenden Farbabstand gilt:
Δu'v' ≤ 0.01, besser Δu'v' ≤ 0.005 oder Δu'v' ≤ 0.003 oder Δu'v' ≤ 0.001
Es kann vorkommen, dass die Intensität der Hauptbeleuchtung während der ersten Teilbeleuchtungsdauer aufgrund der Erwärmung der ersten Lichtquelle 8 etwas abnimmt. Dies soll aber hier immer noch als konstante Intensität der Hauptbeleuchtung verstanden werden. Wenn also die erste Lichtquelle 8 mit einem konstanten Ansteuerungssignal (hier mit konstanter Stromstärke) angesteuert wird, wird das dadurch erzeugte Licht als Licht mit konstanter Intensität verstanden. Es ist natürlich möglich, die Ansteuerung der ersten Lichtquelle 8 so durchzuführen, dass die geringe Abnahme der Intensität des Lichtes durch eine Erhöhung des Ansteuerungssignals kompensiert wird, so dass dann eine sehr konstante Intensität der Hauptbeleuchtung während der ersten Teilbeleuchtungsdauer vorliegt.
Alternativ kann die Intensitätsänderung messtechnisch ermittelt werden und können die Messdaten bei der Berechnung der Pulsweitenmodulations-Sequenz berücksichtigt werden, um somit quasi eine Beleuchtung mit konstanter Intensität nachzustellen.
Zur Verdeutlichung sind in 5A gestrichelt noch jeweils die entsprechenden Grenzen der Zeitscheiben B1–B5 eingezeichnet. Tatsächlich wird die erste Lichtquelle 8 während der Zeit von 0 bis t1 konstant auf der Intensität 1 gehalten.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass die zweite und dritte Lichtquelle 9, 10 zur Kompensation notwendig sind. Es kann jedoch auch möglich sein, dass nur eine der beiden Lichtquellen 9, 10 zur Kompensation notwendig ist. Die andere der beiden Lichtquellen 9, 10 würde dann in der Zeit von 0 bis t1 stets auf der Intensität 0 sein.
In Abhängigkeit der jeweiligen Lichtquelle (z. B. je nach verwendeter LED-Technologie) kann auch ein inverser Verlauf vorliegen im Vergleich zu dem beschriebenen Verlauf der ersten Lichtquelle. Dies ist hier beispielshalber für die zweite Lichtquelle 9 angenommen. In diesem Fall ist die Intensität des beigemischten Lichtes der anderen beiden Lichtquellen (der ersten und dritten Lichtquelle 8, 10) während der ersten Zeitscheibe B1 am höchsten und nimmt dann mit jeder weiteren Zeitscheibe ab. Bei der letzten Zeitscheibe B5 kann dann die Intensität der beiden anderen Lichtquellen 8 und 10 Null betragen.
Es ist auch möglich, dass keinerlei Spektrumsverschiebung auftritt. Dies ist beispielshalber für die dritte Lichtquelle 10 dargestellt. In diesem Fall ist keine Beimischung durch die anderen beiden Lichtquellen (erste und zweite Lichtquelle 8, 9) notwendig.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass die Lichtquelleneinheit 2 drei Lichtquellen 8–10 mit den Primärfarben Rot, Grün und Blau enthält. Neben der Verwendung dieser Primärfarben ist es auch möglich, Sekundärfarben (wie z. B. Cyan, Magenta, Gelb und/oder Weiß) einzusetzen. Dies kann entweder durch zusätzliche Lichtquellen (nicht eingezeichnet) oder durch gleichzeitiges Einschalten von mindestens zwei Lichtquellen 8, 9, 10 der Primärfarben erzeugt werden.
Auch hier tritt der beschriebene Effekt der Verschiebung des Spektrums bzw. der Spektren und somit des resultierenden Farbortes auf. Dieser Effekt kann dann erfindungsgemäß analog zu der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Lösung durch pro Zeitscheibe B1–B5 variables Zumischen von Licht einer oder mehrerer eigentlich ausgeschalteter Lichtquellen der Lichtquelleneinheit 2 während dieser Zeitdauer erfolgen.
Die Zumischung kann beispielsweise durch Ansteuerung einer jeweiligen steuerbaren Stromquelle 15, 16, 17 der entsprechenden Lichtquelle 8–10 erfolgen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform kann diese variable Ansteuerung über die Stromhöhe (bzw. Stromstärke) synchron zu den Zeitscheiben B1–B5 mittels der Steuereinheit 7 durchgeführt werden. Die gesteuerten Stromhöhen können z. B. aus einem programmierbaren Speicher, der in der Steuereinheit 7 enthalten sein kann, abgerufen und als Analogwert dem jeweiligen Stromregler der steuerbaren Stromquelle 15–17 zugeführt werden.
Die Ermittlung der Intensität bzw. der Stromhöhe für die zuzumischenden Farben kann beispielsweise durch eine Kalibrierung erfolgen. Dazu wird durch Messung der Zielfarbort der ersten Zeitscheibe B1 ermittelt und dann für alle anderen Zeitscheiben dieser Zielfarbort durch Variation der Zumischung eingestellt. Dies kann für die Primärfarbe Rot der ersten Lichtquelle 8 so durchgeführt werden. Für die Primärfarbe Grün der zweiten Lichtquelle 9 wird der Zielfarbort der letzten Zeitscheibe B5 ermittelt und dann dieser Farbort für die vorhergehenden Zeitscheiben B4 bis B1 durch Zumischung der anderen Farben eingestellt. Die so bestimmten Werte werden in dem programmierbaren Speicher abgelegt.
Bei der bisher beschriebenen Ausführungsform umfasst die Modulatoreinheit 4 einen einzelnen flächigen Modulator 5. Es ist jedoch auch möglich, dass die Modulatoreinheit 4 zwei hintereinander geschaltete Modulatoren 5 und 5' aufweist, wie in 6 gezeigt ist. Die Modulatoreinheit 4 kann ferner eine Zwischenabbildungsoptik 18 aufweisen, die den ersten Modulator 5 auf den zweiten Modulator 5' abbildet. Die Zwischenabbildungsoptik 18 kann insbesondere als 1:1-Abbildungsoptik ausgebildet sein. Bei der Ausführungsform gemäß 6 umfasst die Zwischenabbildungsoptik 18 eine Linse 13 und einen Spiegel 14. Die Ansteuerung der Lichtquelleneinheit 2 ist die gleiche wie in Verbindung mit 1 bis 5 beschrieben wurde. Die Hintereinanderschaltung von zwei Modulatoren 5 und 5' führt zu dem Vorteil, dass ein besserer Kontrast erreicht werden kann und dass die Resthelligkeit bei schwarzen Pixeln geringer ist. Die beiden Modulatoren 5 und 5' können als Kippspiegelmatrizen ausgebildet sein. Bevorzugt weisen sie die gleiche Anzahl von Kippspiegeln auf.
In 7 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektors gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Projektor 1 als eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Anzeigevorrichtung 1 ausgebildet.
Dazu umfasst die Anzeigevorrichtung eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 20, die z. B. in Art eines Brillengestells ausgebildet sein kann, sowie ein erstes und ein zweites Brillenglas 21, 22, die an der Haltevorrichtung 20 befestigt sind. Die Haltevorrichtung 20 mit den Brillengläsern 21 und 22 kann z. B. als Sportbrille, Sonnenbrille und/oder Brille zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit ausgebildet sein, wobei dem Benutzer über das erste Brillenglas 21 das Bild als virtuelles Bild in sein Gesichtsfeld projiziert und eingespiegelt werden kann. Der Benutzer kann das virtuelle Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen, so dass eine augmentierte Darstellung realisiert ist.
Die Lichtquelleneinheit 2, die Beleuchtungsoptik 3, die Modulatoreinheit 4 sowie die Steuereinheit 7 können beispielsweise im Bereich des rechten Brillenbügels ausgebildet sein, wie schematisch in 7 dargestellt ist. Das mittels des Modulators der Modulatoreinheit 4 modulierte Bild wird dann über das Brillenglas 21 dem die Haltevorrichtung 20 tragenden Benutzer als virtuelles Bild dargeboten. Der entsprechende Abschnitt des Brillenglases 21 kann somit als Projektionsoptik bezeichnet werden. Bevorzugt wird das modulierte Licht in das Brillenglas 21 eingekoppelt und in diesem bis zu einem gewissen Abschnitt vor dem Auge des Benutzers geführt und dann in Richtung zum Auge des Benutzers hin ausgekoppelt. Die Führung im Brillenglas kann beispielsweise durch interne Totalreflexion an der Vorder- und Rückseite des Brillenglases 20 erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, entsprechende reflektierende oder teilreflektierende Beschichtungen auf der Vorder- oder Rückseite des Brillenglases oder sogar im Brillenglas vorzusehen.
Natürlich muss die Einspiegelung des virtuellen Bildes nicht über das rechte Brillenglas 21 erfolgen. Es ist auch möglich, eine Einspiegelung über das linke Brillenglas 22 durchzuführen. Ferner ist es möglich, die Anzeigevorrichtung 1 so auszubilden, dass über beide Brillengläser 21 und 22 eine Einspiegelung erfolgt. Dies kann beispielsweise benutzt werden, um einen dreidimensionalen Bildeindruck bereitzustellen.
Die Brillengläser 21 und 22 können eine Brechkraft von 0 oder eine von 0 verschiedene Brechkraft (insbesondere zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten) aufweisen.
Die Haltevorrichtung 20 muss nicht als brillenartige Haltevorrichtung 20 ausgebildet sein. Es ist auch jede andere Art der Haltevorrichtung 20 möglich, mit der ein Aufsetzen oder Tragen der Anzeigevorrichtung 1 auf den Kopf des Benutzers erfolgen kann.
Die Beleuchtungsoptik 3 kann auch weggelassen werden. Dies gilt für alle beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Projektors 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 11664-5 [0012]
http://files.cie.co.at/204.xls [0045]
DIN EN ISO 11664-1:2011-07 [0045]
DIN EN ISO 11664-5 [0052]

Claims

Projektor zum Projizieren von Bildern, mit einer Lichtquelleneinheit (2), die mehrere Lichtquellen (8, 9, 10), die jeweils Licht mit einem vorbestimmten Spektrum abgeben, aufweist, einer einen ersten Modulator (5) aufweisenden Modulatoreinheit (4), die mit Licht der Lichtquellen (8–10) beaufschlagt wird und dieses zur Erzeugung der Bilder moduliert, einer Projektionsoptik (6), die von der Modulatoreinheit (2) kommendes Licht abbildet, um die Bilder zu projizieren, und einer Steuereinheit (7), die die Lichtquelleneinheit (2) und die Modulatoreinheit (4) anhand von zugeführten Bilddaten (BD) ansteuert, wobei die Steuereinheit (7) die Lichtquelleneinheit (2) so ansteuert, – dass die Lichtquellen (8–10) zeitlich nacheinander jeweils für eine vorbestimmte Teilbeleuchtungsdauer ihr Licht mit einer vorbestimmten Intensität als Hauptbeleuchtung abgeben, und – dass während mindestens einer Teilbeleuchtungsdauer zusätzlich zur Hauptbeleuchtung das Licht mindestens einer der anderen Lichtquellen mit zeitlich variierender Intensität abgegeben wird, um eine temperaturbedingte Änderung des Spektrums der Hauptbeleuchtung zu kompensieren.
Projektor nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinheit (7) die Lichtquelleneinheit (2) so ansteuert, dass während der mindestens einen Teilbeleuchtungsdauer das Licht der mindestens einen anderen Lichtquelle mit nur steigender oder nur sinkender Intensität abgegeben wird.
Projektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steuereinheit (7) die Modulatoreinheit (4) mittels Pulsweitenmodulation ansteuert und die Lichtquelleneinheit (2) so ansteuert, dass die Intensität der mindestens einen anderen Lichtquelle während der mindestens einen Teilbeleuchtungsdauer synchron zur Pulsweitenmodulation variiert wird.
Projektor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Lichtquellen (8–10) Leuchtdioden aufweisen.
Projektor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (7) die Variation der Intensität der mindestens einen anderen Lichtquelle während der mindestens einen Teilbeleuchtungsdauer durch Variation der Stromstärke, mit der die mindestens eine andere Lichtquelle beaufschlagt wird, bewirkt wird.
Projektor nach Anspruch 5, bei dem die Steuereinheit (7) die einzustellende Stromstärke aus einem Speicher ausliest.
Projektor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Modulatoreinheit (5) zwei Modulatoren (5, 5') und eine Zwischenabbildungsoptik (18) aufweist, wobei die Zwischenabbildungsoptik (18) einen der beiden Modulatoren (5, 5') auf den anderen der beiden Modulatoren (5, 5') abbildet.
Projektor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (7) die mindestens eine andere Lichtquelle während der mindestens einen Teilbeleuchtungsdauer so ansteuert, dass die Intensität der mindestens einen anderen Lichtquelle maximal 25% der Intensität der Hauptbeleuchtung beträgt.
Projektor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Projektor (1) als auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Anzeigevorrichtung ausgebildet ist.
Projektor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (7) die Lichtquelleneinheit (2) so ansteuert, dass die Hauptbeleuchtung mit konstanter Intensität abgegeben wird.
Projektor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Licht jeder Lichtquelle (8, 9, 10) einem vorbestimmten Farbort zuzuordnen ist, wobei die vorbestimmten Farborte verschieden sind und wobei die Steuereinheit (7) die Lichtquelleneinheit (2) so ansteuert, dass mittels der variierenden Intensität des Lichtes der mindestens einen anderen Lichtquelle die temperaturbedingte Änderung des Spektrums der Hauptbeleuchtung so kompensiert wird, dass die Überlagerung des abgegebenen Lichtes der Lichtquellen (8–10) während der Teilbeleuchtungsdauer dem vorbestimmten Farbort der Lichtquelle entspricht, dessen Licht als Hauptbeleuchtung abgegeben wird.
Projektor nach Anspruch 11, bei dem der Unterschied
im CIELUV-Farbraumsystem zwischen dem vorbestimmten Farbort der Lichtquelle, deren Licht als Hauptbeleuchtung abgegeben wird, und dem Farbort der Überlagerung des Lichtes der Lichtquellen während der Teilbeleuchtungsdauer kleiner oder gleich 0,01 ist.
Projektionsverfahren für einen Projektor zum Projizieren von Bildern, wobei der Projektor eine Lichtquelleneinheit (2), die mehrere Lichtquellen (8, 9, 10), die jeweils Licht mit einem vorbestimmten Spektrum abgeben, aufweist, eine einen ersten Modulator (5) aufweisende Modulatoreinheit (4), die mit Licht der Lichtquellen (8–10) beaufschlagt wird und dieses zur Erzeugung der Bilder moduliert, und eine Projektionsoptik (6), die von der Modulatoreinheit (4) kommendes Licht abbildet, um die Bilder zu projizieren, umfasst, wobei die Lichtquelleneinheit (2) so angesteuert wird, – dass die Lichtquellen (8–10) zeitlich nacheinander jeweils für eine vorbestimmte Teilbeleuchtungsdauer ihr Licht mit einer vorbestimmten Intensität als Hauptbeleuchtung abgeben, und – dass während mindestens einer Teilbeleuchtungsdauer zusätzlich zur Hauptbeleuchtung das Licht mindestens einer der anderen Lichtquellen mit zeitlich variierender Intensität abgegeben wird, um eine temperaturbedingte Änderung des Spektrums der Hauptbeleuchtung zu kompensieren.