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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung
zur Bestimmung der Kontraste eines Bildschirms, besonders
hinsichtlich der Aufzeichnung der Isokontrastkurven, d.h. der
Kurven gleichen Kontrasts des Bildschirms in Abhängigkeit von der
Beobachtungsrichtung.
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Der Bildschirm kann vom alpha-numerischen Typ sein oder ein
Matrizen-Bildschirm mit einem Flüssigkristall-Film, einem
elektrolumineszenten Stoff, einem elektrochromatischen Stoff,
einem ionisierenden Gas als Anzeigemedium. Jedoch findet die
Erfindung besonders bei Flüssigkristall-Bildschirmen Anwendung.
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Die Verwirklichung komlexer Bilder mittels des Matizen-
Bildschirms stellt hohe Anforderungen bezüglich der
Sichtverhälnisse. Der Kontrast, abhängig von der
Beobachtungsrichtung zum Bildschirm, ist unter den Hauptfaktoren,
welche die Sichtverhälnisse beeinflussen, einer der wichtigsten.
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Besonders bei flachen Flüssigkristall-Bildschirmen, gleich
welcher Funktionsweise oder Flüssigkristallbeschaffenheit ändert
sich der Kontrast schnell in Abhängigkeit von der
Beobachtungsrichtung auf den Bildschirm, weil die physikalischen
Phänomene, die bei der Entstehung eines Bildes mitwirken, an die
optische Anisometrie der im Bildschirm enthaltenen
Flüssigkristall-Moleküle gebunden sind.
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Zudem verändert sich der Kontrast in Abhängigkeit vom
verwendeten Flüssigkristall, der Dicke des Flüssigkristallfilms,
der Art der Bildschirmbeleuchtung sowie der Art der Polarisatoren,
sofern letztere für die Anzeige erforderlich sind.
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Der Kontrast eines Bildschirms entsprechend der
Beobachtungsrichtung und besonders die Isokontrastkurven spiegeln
seine optischen Qualitäten. Dies erlaubt den Bildschirmherstellern
ihre Bildschirme während der verschiedenen Fabrikationsstadien zu
testen, um dieses oder jenes Bildschirmelement mit Auswirkungen
auf den Kontrast zu modifizieren und somit die optischen
Qualitäten zu verbessern. Dies erlaubt auch den Herstellern
komlexer Systeme mit Bildschirmen (Minitel, Mikrocomputer,
Textverarbeitungs-Systeme, etc.) den leistungsstärksten Bildschirm
auf dem Markt auszuwählen.
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Der Kontrast C eines Bildschirms wird bestimmt durch das
Messen des Verhältnisses der Leuchtdichte eines Anzeige-
Oberflächenelements im anzeigenden Zustand, bezeichnet LB oder
weißer Punkt, zur Leuchtdichte desselben Punktes in
nichtanzeigendem Zustand oder schwarzer Punkt, bezeichnet LN, also
C=LB/LN. Zur Bestimmung dieses Kontrasts, variabel je nach
Beobachtungsrichtung des Anzeigeflächenelements, sind bisher eine
gewisse Anzahl relativ komplexer Systeme entwickelt worden, s.
z.B. den Artikel von G.G.BARNA: "Apparatus for optical
characterization of displays",erschienen in REVIEW OF SCIENTIFIC
INSTRUMENTS, Vol. 47, Nr.10, Oktober 1976, Seiten 1258-1260.
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Die Messung des Bildschirmkontrasts wird im allgemeinen mit
einem Photometer ausgeführt, eventuell gekoppelt mit einer
Auswertungselektronik.
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In Figur 1 hat man schematisch das Meßprinzip des
Bildschirmkontrasts dargestellt, abhängig von der
Beobachtungsrichtung dieses Bildschirm.
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Die Ausrichtung der optischen Achse 2 des Photometers 4
bezogen auf den Bildschirm 6 stellt die Beobachtungsrichtung eines
Beobachters dieses Bildschirms dar. Sie ist definiert mit Hilfe
der beiden Winkel θ und φ. Der Winkel θ ist der Winkel, der die
optische Achse 2 des Photometers 4 mit der Normalen N auf der
Oberfläche des zu testenden Bildschirms 6 bildet oder, noch
genauer, mit der Normalen N auf der Oberfläche eines Anzeige-
Elementarpunktes 9 dieses Bildschirms. Winkel φ ist der definierte
Winkel zwischen der Projektion 8 der optischen Achse auf der
Bildschirmebene 6 im Verhälnis zu einer Referenzgeraden y auf der
Bildschirmebene.
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Die Kontrastbestimmung auf Grund der Werte θ und φ läßt
sich mit einem Bildschirm 6 ausführen, der drehbar ist um zwei
senkrecht zueinander stehenden Achsen und um die optische Achse 2,
und einem feststehenden Photometer 4 (oder umgekehrt einem
feststehenden Bildschirm und einem drehbaren Photometer). Diese
Kontrastbestimmungsmethode ist schematisiert in Figur 2.
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In diesem Fall sind die Blickwinkel θ und φ definiert durch
die Eulerschen Winkel im Verhältnis zu einem orthonormierten
festen Bezugspunkt xyz, dessen Achse z sich vereinigt mit der
optischen Achse 2 des Photometers. Der mit v bezeichnete Winkel
definiert den Rotationswinkel des Bildschirms 6 im Verhältnis zur
Richtung x des Bezugspunkts, wie in Figur 2a gezeigt, und h den
Rotationswinkel im Verhältnis zur Richtung y des gleichen
Bezugspunkts, wie in Figur 2b gezeigt.
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Die einfachen Verhältnisse sin v = -sin θ .cos φ und
cos h=cos θ /cos v erlauben θ und φ zu bestimmen, wobei man v
und h von einem Mikrocomputer erhält, der an das Photometer
angeschlossen ist.
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Die Verwendung der Eulerschen Winkel vor allem war
Gegenstand einer Veröffentlichung von J.C. DEUTSCH, erschienen in
Visu 86, journées ntionales dvotudes, Toulon, du 27 au 30 octobre,
"Automatisches Metesystem für die Charakterisierung von
Flüßigkristall-Bildschirmen".
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In einer anderen Lösung, dargestellt in Figur 3, ist der zu
untersuchende Bildschirm 6 um die Achse z schwenkbar, und das
Photometer 4 ist in einer senkrechten Ebene zum Bildschirm, in der
die Achse x liegt, schwenkbar; der Winkel φ wird nun bestimmt von
der Rotation des Bildschirms 6 und wird gemessen im Verhältnis zur
Achse y zum Beispiel und der Winkel θ wird bestimmt vom Schwenken
des Photometers 4 und ist gleich dem Winkel zwischen der Normalen
N auf dem Anzeigen-Oberflächenelement 9 und der optischen Achse 2
des Photometers.
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Diese verschiedenen Lösungen haben eine Reihe von
Nachteilen. Tatsächlich müssen die beiden Rotationsachsen des
Bildschirms (Figur 2a,2b) oder jeweils des Bildschirms oder des
Photometers (Figur 3) ebenso wie die optische Achse oder die Achse
z des Bezugspunkts xyz sich genau schneiden im Punkt 0, der sich
im Zentrum eines Anzeigen-Flächenelements 9 des Bildschirms 6
befindet.
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Dies verursacht große Schwierigkeiten bezüglich der
Realisierung der erforderlichen Mechanik für die Drehung von
Bildschirm und/oder Photometer
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Außerdem ist jedesmal wenn man den Bildschirm wechselt eine
lange und mühsame Justierung erforderlich für die richtige
Positionierung dieses Bildschirm zur optischen Achse des
Photometers, sowie die richtige Positionierung der mechanischen
Systeme für die beiden Rotationen. Die korrekte Positionierung
eines Bildschirms erfordert mindestens zwei Stunden Justierung.
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Zudem, die Darstellung des Isokontrastkurven in
Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung zum Bildschirm zu
untersuchen, ist lang und mühsam und erfordert mindestens 12
Arbeitsstunden.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eben eine
Vorrichtung für die Bestimmung des Bildschirmkontrasts in
Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung, die es erlaubt, die
verschiedenen oben genannten Nachteile zu vermeiden.
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Tatsächlich erfordert die Vorrichtung dieser Erfindung nur
eine einfache Justierung des Bildschirms und die Dauer der Messung
ist relativ kurz; einige Minuten genügen, um die Justierung
durchzuführen und verschiedene Isokontrastkurven aufzuzeichnen.
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Gegenstand dieser Erfindung ist genauer ausgedrückt eine
Vorrichtung zum Bestimmen des Kontrasts zwischen dem anzeigenden
Zustand und dem nichtanzeigenden Zustand eines Flächenelements
eines Bildschirms in Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung
dieses Punkts, dadurch gekennzeichnet, daß es enthält:
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-ein erstes konvergierendes Objektiv für die Bildung der Fourier-
Transformierten eines Bildschirm-Flächenelements in der
Bildfokusebene des ersten Objektivs,
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-eine zweites konvergierendes Ojektiv für die Projizierung des
Bilds der Transformierten auf eine Anordnung von Detektoren,
matrizenförmig angeordnet, wobei jeder Detektor ein elektrisches
Signal erzeugt, proportional der von dem Flächenelement
gelieferten Leuchtintensität gemäß einer bestimmten
Beobachtungsrichtung,
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-eine in der Nähe des zweiten Objektivs angebrachte Blende, deren
Öffnung eine Fläche abgrenzt,die gleich groß wie das
Flächenelement sein muß,
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-Mittel zur Verarbeitung des von jedem Detektor erzeugten Signals
zur Bestimmung der genannten Kontraste.
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Das Anzeigen-Flächenelement kann gleich, kleiner oder gößer
sein als ein Anzeigen-Elementarpunkt oder Pixel des Bildschirms.
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Die Vorrichtung der Erfindung, zusätzlich zu den oben
genannten Vorzügen, ist relativ einfach und billig.
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Auf vorteilhafte Weise enthält die Vorrichtung Speichermittel
und Mittel zur Sichtbarmachung um die Isokontrastkurven des zu
untersuchenden Bildschirms zu erstellen und sichtbar zu machen.
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Um die Verarbeitung der von der Detektor-Matrize kommenden
elektrischen Signale zu vereinfachen wird der zu untersuchende
Bildschirm vorteilhafterweise in die objektseitige Fokalebene des
ersten Objektivs gestellt.
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Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen besser aus
der Beschreibung hervor, die folgen wird, gemacht zur
Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung, mit Bezug zu den
angefügten Figuren, in welchen
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-Fig. 1, schon beschrieben, das Prinzip der
Bildschirmkontrastmessung in Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung
dieses Bildschirms erläutert,
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-Fig. 2a und2b, schon beschrieben, schematisch eine erste
Bildschirmkontrast-Meßmethode in Abhängigkeit von der
Beobachtungsrichtung dieses Bildschirms erläutern,
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-Fig. 3, schon beschrieben, schematisch eine zweite
Bildschirmkontrast-Meßmethode in Abhängigkeit von der
Beobachtungsrichtung darstellt,
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-Fig. 4 das in der Vorrichtung angewandte physikalische Prinzip
erfindungsgemäß erläutert,
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-Fig. 5 schematisch die Vorrichtung der Erfindung darstellt, und
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-Fig. 6 bis 8 die Kontrastkartographie von drei verschiedenen
Bildschirmen in Abhängigkeit von der
Bildschirmbeobachtungsrichtung wiedergeben.
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Figur 4 stellt das in der Vorrichtung angewandte optische
Prinzip erfindungsgemäß dar. In dieser Figur wird ein zu
untersuchender Bildschirm 6 gezeigt, der genau im objektseitigen
Brennpunkt F0 eines Objektivs 12 steht. Das Anzeigeflächenelement 9
des Bildschirms 6 z.B. streut Licht in alle räumlichen Richtungen
und insbesondere auf das gesamte Objektiv 12.
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Wenn ein Elementarlichtbündel 10 ein in der Fläche 9
enthaltenes Flächenelement S durchquert, bildet es zu der Normalen
N des Bildschirms einen Winkel θ und seine Projektion 8 in der
Bildschirmebene 6 bildet mit der senkrecht zur optischen Achse z
der Vorrichtung stehenden vertikalen Richtung y einen Winkel φ.
Dieses Elementarlichtbündel, geneigt bezogen auf den Bildschirm,
ist ein paralleles Lichtbündel, d.h. daß alle es bildende Strahlen
parallel zueinander sind und alle Lichtenergie dieses Bündels,
dessen Querschnitt gleich S ist, sich in einem Punkt M mit den
Koordinaten x&sub1;, y&sub1; konzentriert, der sich in der bildseitigen
Fokalebene Fi des Objektivs 12 befindet.
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Es besteht daher eine eineindeutige Beziehung zwischen der
Winkelrichtung, definiert durch die Winkel θ und φ , eines das
Objektiv 12 durchquerenden Lichtbündels und den Koordinaten eines
Punkts M der bildseitigen Fokalebene Fi dieses Objektivs 12.
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Für einen Bildschirm 6 im objektseitigen Brennpunkt des
Objektivs 12 hat man folgende geometrischen Verhältnisse für jeden
Punkt Mi mit den Koordinaten xi und yi in der bildseitigen
Fokalebene Fi:
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xi = sin θ . cos φ (1)
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yi = sin θ . sin φ (2)
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In Übereinstimmung mit der Erfindung ist es möglich, den
zu untersuchenden Bildschirm 6 stromauf vor den objektseitigen
Brennpunkt F0 des Objektivs 12 zu stellen. In diesem Fall müssen
die Relationen (1) und (2) zwischen den Koordinaten eines Punkts
Mi der bildseitigen Fokalebene 12 und die Winkel θ und φ
multipliziert werden mit einer Konstanten k, die abhängt vom
Abstand d, der den Bildschirm 6 und das Objektiv 12 trennt, ebenso
wie von den optischen Abweichungen, die sich einstellen können auf
Grund der Anordnung der verschiedenen optischen Elemente und der
Qualität dieser Elemente.
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Der anzuwendende Korrekturfaktor kann ermittelt werden
indem man vorher eine Eichung des optischen Systems durchführt,
darin bestehend, daß man die exakte Position der verschiedenen
Punkte Mi der bildseitigen Fokalebene Fi bestimmt in Abhängigkeit
von einer definierten Beobachtungsrichtung, und folglich von
bekannten Werten θ und φ.
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In Figur 5 hat man unter Anwendung des in Figur 4
dargestellten Prinzips die Vorrichtung der Erfindung dargestellt.
Diese Vorrichtung enthält ein erstes, dem zu untersuchenden
Bildschirm 6 gegenüberstehendes Objektiv 12, bestehend aus
mehreren konvergierenden Linsen, deren Fokaldistanz von 10 bis 50
mm variiert; die Bildschirm 6 und Objektiv 12 trennende Distanz
ist gleich der objektseitigen Fokaldistanz des Objektivs 12.
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Die Gesamtheit des die Elementarfläche 9 des Bildschirms 6
durchquerenden Lichts konvergiert in der bildseitigen Fokalebene
Fi des Objektivs 12. Das Bild 19 der Fourier-Transformierten des
Flächenelements 9, das sich in Fi bildet, stellt sich als
leuchtender Fleck von geringem Durchmesser dar.
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Der Begriff des Bilds der Fourier-Transformierten eines
Objekts ist dem Fachmann bekannt. Weitere Details kann man der
Abhandlung über Instrumentale Optik, Band 2, "DIFFRACTION ET
STRUCTURE DES IMAGES", von André Maréchal und Maurice Francon,
Ausgabe der Revue d'Optic Théorique et Instrumental, Paris 1960,
oder dem Buch Optics von Born und Wolf.
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Dieses Bild 19 wird mit Hilfe eines zweiten Objektivs 14,
das aus mehreren konvergierenden Linsen mit Brennweiten von 10 bis
50 mm besteht, auf eine Anordnung (16) von matrizenförmig
angeordneten Detektoren (18) projiziert.
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Gemäß der Erfindung dient das Objektiv 12 dazu, das Abbild
der Fläche S auf dem zweiten Objektiv 14 zu bilden, und in seiner
Fokalebene Fi die Abbildung Mi eines Punktes im Unendlichen zu
bilden, die Orientierung eines "parallen" Lichtbündels 10
darstellend, das die Analysefläche 9 des Bildschirms 6 durchquert.
das zweite Objektiv 14 projiziert dann die Abbildung des Punktes
im Unendlichen auf einen Detektor 18.
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Die Detektor-Anordung 16 kann ein matrizenförmiger
photoelektrischer Detektor sein des Ladungstransfer-Typs (CCD),
Reticon, Fernsehröhre, usw., dem Fachmann bekannt. Jeder
Elementardetektor 18 , durch die Koordinaten xi und yi festgelegt,
stellt die Lichtintensität fest, welche die Elementarfläche 9 nach
einer genau bestimmten Richtung durchquert, d.h. den Werten von θ
und φ entsprechend.
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Um nur die Lichtenergie zu messen, die vom Flächenelement 9
des Bildschirms 6 kommt, ist eine Blende mit verstellbarer Öffnung
auf dem zweiten Objektiv 14 befestigt, entweder auf der Seite des
Objektivs 12, wie dargestellt, oder auf der anderen Seite. Die
Öffnung der Blende 20 dient als Sehfeldblende für den Bildschirm
6, d.h., daß die Öffnung der Blende 20 die Dimensionen des
Flächenelements 9 des Bildschirms 6, den man untersucht, festlegt.
Anders ausgedrückt definiert die Öffnung der Blende 20 eine
Fläche, die gleich der Fläche der Anzeige-Elementarfläche 9 ist.
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Gegenwärtig stellen die Anzeige-Elementarpunkte eine Fläche
in der Größenordnung von 0,3×0,3 mm² dar und die Vorrichtung der
Erfindung kann eingesetzt werden für Analysen von Flächenelementen
9 von 0,1×0,1 mm² bis 1×1 mm².
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Die Justierung der Vorrichtung der Erfindung kann mit einem
angefügten System durchgeführt werden, das zwischen dem Objektiv
14 und der Anordnung 16 einen halbreflektierenden Spiegel 23
enthält, der einen Teil des aus der Anzeigefläche 6 austretenden
Lichts in Richtung eines dem Fachmann bekannten Visursystems
lenkt.
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Das von jedem Detektor 18 gelieferte Signal ist
proportional der Lichtintensität der Anzeigeelementarfläche 9
entsprechend einer bestimmten Orientierung; es wird aufgenommen
von einem Speicher 21 angeschlossen an einen Mikrocomputer 22.
Letzterer wandelt jedes elektrische , von den Elementardetektoren
18 gelieferte Signal in Leuchtdichte um , und bringt diesen
Leuchtdichtewert in Verbindung mit den genauen Werten von θ und φ
, bestimmt vom Rechner 22 auf Grund der Bezugsgrößen x und y der
verschiedenen Elementardetektoren mit den vorangegangenen
Gleichungen (1) und (2).
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Die Messung der Leuchtdichte für die verschiedenen
Beobachtungsrichtungen der Anzeigefläche 9 erfolgt simultan. Diese
Leuchtdichte wird zunächst bestimmt während das
Anzeigeflächenelement im Anzeige- oder Weißer Punkt-Zustand ist,
dann , während dieses Anzeigeflächenelement im Nichtanzeige- oder
Schwarzer Punkt-Zustand ist. Das dem Kontrast des Bildschirms
entsprechende Verhältnis der Leuchtdichten Weißer Punkt zu
Schwarzer Punkt in Abhängigkeit von einer durch die Winkel θ und φ
genau definierten Beobachtungsrichtung wird vom Mikrocomputer 22
berechnet.
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Um den optischen Abweichungen des Systems in seiner
Gesamtheit Rechnung zu tragen, kann eine vorhergehende Eichung
durchgeführt und im Mikrocomputer gespeichert werden um jedem
Detektor eine genaue Beobachtungsrichtung der Anzeigefläche 9
zuzuordnen.
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Um die verschiedenen Krontastkurven der Anzeigeoberfläche 9
des Bildschirms 6 zu zeichnen, kann der Rechner 22 ein
Visualisationsgerät 24 steuern, das der Bildschirm des
Mikrocomputers 22 selbst sein kann wenn er einen hat oder auch ein
xy-Plotter.
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Die elektronische Verarbeitung, die es ermöglicht, jedem
mit x und y festgelegten Detektor 18 einen Bildschirmkontrastwert
zuzuordnen ist einfach und jedem Fachmann verständlich.
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Zweck der Vorrichtung der Erfindung ist das Zeichnen der
Isokontrastkurven verschiedener Bildschirmtypen, die Gesamtheit
der Kontrastkurven eines bestimmten Bildschirms wird Kartographie
genannt.
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Die Figur 6 gehört zu einem Bildschirm von schlechter
Qualität, die Figur 7 gehört zu einem Bildschirm mittlerer
Qualität und Figur 8 gehört zu einem Bildschirm guter Qualität.
Diese drei Kartographien sind in der xy-Ebene ausgeführt.
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Die Linie A in Figur 6 zeigt den Ort der Punkte wo der
Kontrast gleich 1,6 ist. Diese Linie ist relativ dezentral im
Verhältnis zum Achsennullpunkt und der Kontrastwert ist sehr
niedrig. Tatsächlich sollte ein Bildschirm von guter Qualität
einen Kontrast von mindestens 3 haben und dies für die
größtmöglichen Werte von θ und φ. Nun, aus Figur 6 geht hervor,
daß der maximale Kontrast dieses Bildschirms gleich 1,6 ist und
die anderen Linien jeweils die Isokontrastkurven 1,5, 1,4 1,2 und
1 darstellen
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Der Kontrast des Bildschirms für eine vorgegebene
Beobachtungsorientierung, definiert durch die Winkel θ und φ wird
wie folgt aus den verschiedenen Kartographien gelesen: z.B. der
Punkt P&sub1;, auf der Kontrastkurve 1,2 liegend entspricht einer
Bildschirm-Beobachtungsorientierung, definiert durch Winkel θ
gleich dem Abstand &sub1; und durch den Winkel φ ,den die durch Punkt
0 und Punkt P&sub1; gehende Gerade mit der Abszissenachse x bildet. Im
vorliegenden Fall beträgt &sub1;=3,3 cm, was, übertragen auf den
Abszissenmaßstab, einen Winkel von 20º gibt, während zum Beispiel
Winkel φ bei 37º liegt, mit dem Winkelmeßgerät gemessen.
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Genauso entspricht der auf Kontrastkurve 1,6 liegende Punkt
P&sub2; einer Beobachtungsorientierung definiert durch Winkel θ gleich
dem Abstand &sub2;, d.h. 3,3 cm , was auf die Abszissenachse
übertragen einen Winkel von 20º ergibt, und durch Winkel φ den die
Gerade &sub2; mit der Richtung x bildet und der bei +296º liegt.
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Die Neigungswinkel θ sind relativ gering, was die schlechte
Qualität des Bildschirms noch unterstreicht.
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Figur 7 gehört zu einem mittleren Bildschirm, denn er hat
Isokontrastkurven von 4,5 bis 1,5 und die Isokontrastkurven mit
mindestens 3 entsprechen mittleren Winkeln θ und φ.
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Punkt P&sub3; zum Beispiel auf der Isokontrastkurve 3
entspricht einem Winkel θ , definiert durch den Abstand &sub3;,
angenommen ungefähr 4 cm, was auf die Ordinatenachse übertragen
einen Winkel von -29º ergibt, und einem Winkel φ, definiert
zwischen der durch Punkt 0 und Punkt P&sub3; verlaufenden Geraden und
der x-Achse mit 210º.
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Figur 8 stellt die Kontrastkartographie eines Bildschirms
von guter Qualität dar in Abhängigkeit von seinem
Beobachtungswinkel. Punkt P&sub4; auf der Isokontrastkuve 3 entspricht
einem Winkel θ definiert durch den Abstand &sub4; gleich 6 cm, 45º
entsprechend, und einem Winkel φ, definiert zwischen der x-Achse
und der durch Punkt 0 und Punkt P&sub4; laufenden Geraden, mit ungefähr
315º. Außerdem sind die Isokontrastkurven mit mindestens 3 viel
größer als jene in Figur 7, und viel zahlreicher; sogar eine
Isokontrastkurve 8 konnte gezeichnet werden.
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Jede der drei obigen Kartographien wurde in weniger als 10
Minuten hergestellt, was zeitlich deutlich unter dem liegt, was
bisher mit den Vorrichtungen der vorhergehenden Technik erzielt
wurde. Außerdem ist das System der Erfindung relativ einfach und
gänzlich statisch im Gegensatz zur vorhergehenden Technik.