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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entwurf eines
optischen Rekonstruktionsfilters.
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Insbesondere ist diese Erfindung auf das Gebiet der optischen
Rekonstruktionsfilter für Farbmosaik (Matrix)-Displays gerichtet, wie z.B.
Flachbildschirm-Fiüssigkristall-Displays.
Hintergrund
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Die Verwendung von Flachbildschirm-Farbmatrix-Displays wächst rasch an.
Diese Displays besitzen regelmäßige Strukturen von Farbpixeln, wie z.B. in
Figur 1 gezeigt, welche benutzt werden, um das Farbbild zu bilden. Ein
bestehendes Problem liegt darin, daß die gepunktete und diskontinuierliche
Erscheinung der auf Farbmosaik-Displays gezeigten Bilder unerwünscht ist
und eine Verbesserung erfordert. Das heißt, daß die zugrundeliegende
Gitterstruktur zu bemängelbaren visuellen Fehlern führt, die allgemein als
Abtastrauschen bezeichnet werden. Beispiele des Abtastrauschens sind
Pixelkanten und Lücken. Diese Fehler führen dazu, daß Flachbildschirm-
Farbmatrix-Displays eine bemerkenswert niedrigere Bildqualität als
Kathodenstrahlröhren aufweisen, die sie für viele Fälle ungeeignet erscheinen
lassen.
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Dieses Problem der sichtbaren Punktstruktur in Farbmatrix-Displays kann als
eine zweidimensionale Bild-Verarbeitungssituation angesehen werden, die
leichter verständlich wird durch ihren Vegleich mit ihrem eindimensionalen
analogen Bild, wie in Figur 3 gezeigt. Das Segment 3a in Figur 3 zeigt ein
ideales Signal (Bild), welches zu verarbeiten ist. Ein Anfangsfilter, das
Entzerrungsfilter 3b, wird am Anfang verwendet, um die Bandbreite des idealen
Signales auf Frequenzen zu begrenzen, die das Verarbeitungssystem
handhaben kann. Frequenzen, die zu hoch sind, führen zu Störrauschen und
Moiré-Mustern.
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Die Grenzfrequenz des Entzerrungsfilters wird durch die Abtasttheorie
festgelegt und liegt auf der halben Frequenz, die das System benutzt, um das
eingehende Signal abzutasten. Das System besteht im zweidimensionalen Fall
aus einem Bildgenerator und einer Farbmatrix-Displayeinrichtung. Diese
Grenzfrequenz wird allgemein als Nyquist-Frequenz bezeichnet. Der Ausgang
des Entzerrungsfilters ist das tatsächliche Signal (Bild), das in das System
eingegeben wird, wie im Abschnitt 3c gezeigt. Das Signal (Bild) wird sodann
durch einen ND-Wandler (Bildgenerator) digitalisiert, der im Abschnitt 3d
gezeigt ist, und es ist für die Übertragung zu dem restlichen System bereit.
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Am anderen Ende des Systems verläuft das digitale Singal (Bild) durch einen
D/A-Wandler, der im Abschnitt 3e gezeigt ist. Die Ausgangs-Signalform des
D/A-Wandlers, die im Abschnitt 3f gezeigt ist, ist ein Signal (Bild), in dem
unerwünscht hohes Frequenzrauschen vorliegt. Das Rauschen ist
zurückzuführen auf das zugrundeliegende Abtastgitter und es resultiert aus
einem unvollständigen Rekonstruktionsprozeß. Um den Prozeß zu
vervollständigen, wird das Signal durch ein weiteres Filter, das
Rekonstruktionsfilter, geführt, das im Abschnitt 3g gezeigt ist, wobei seine
Grenzfrequenz erneut durch das Nyquist-Kriterium festgelegt wird. An dieser
Stelle ist unter Annahme einer idealen Filterung die im Abschnitt 3a gezeigte
Ausgangsform identisch zu dem Systemeingang im Abschnitt 3c.
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Alle Farbmatrix-Displays stützen sich absichtlich oder nicht auf eines von zwei
Arten von optischen Rekonstruktionsfiltern; 1) das Auge selbst mit seiner
zugeordneten Tiefpaßfilter-Charakteristik oder 2) eine diffuse oder streuende
optische Oberfläche.
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Das Auge als Rekonstruktionsfilter arbeitet nicht befriedigend bei
gegenwärtigen Flachbildschirm-Displayauflösungen. Beispielsweise besitzen
gegenwärtige Farbmatrix-Displays typischerweise Pixel mit einer
Querabmessung von 0,015 bis 0,02 mm (6 bis 8 mils). Experimente mit dem
menschlichen Faktor haben ergeben, daß diese Pixelgrößen zu Abtastgittern
führen, die allzu leicht durch das Auge gesehen werden. Der Frequenzinhalt
der Farbmatrix-Displaystruktur, das Display-Abtastgitter, liegt deutlich innerhalb
der Bandpaßcharakteristik der menschlichen Sicht. Das Auge kann nicht derart
niedrige Ortsfrequenzen bei typischen Betrachtungsentfernungen herausfiltern.
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Die Auflösung von Farbmatrix-Displays muß beträchtlich erhöht werden, bevor
das Auge alleine ein ausreichendes Tiefpaßfilter sein kann. Dieses ist jedoch
das am häufigsten benutzte Rekonstruktionsfilter für Farbmatrix-
Displayanwendungen.
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Einige Farbmatrix-Displayanwendungen haben eine diffuse streuende
Oberfläche verwendet, um Abtastgitter-Fehler zu eliminieren. Eine diffuse
Oberfläche streut das Licht und gibt ihm eine optische Tiefpaßfilter-
Charakteristik. Um so mehr die Oberfläche eine Streuung verwirklicht, um so
mehr diffus ist das Filter und um so mehr glättet es das Bild. Ein übliches
Beispiel ist das diffuse Bildglas, das häufig über Photographien angeordnet
wird, um spiegelnde Reflexionen zu vermindern. Etwas optische Tiefpaß-
Filterung ergibt sich ebenso. Plötzliche Helligkeitsänderungen werden
gedämpft und geben dem Bild ein weicheres, sanfteres Aussehen. Während
diese Filter eine spiegelnde Reflexion eliminieren und das Bild weicher
machen, zeigen sie aber starke diffuse Reflexionen des Umgebungslichtes.
Um so mehr ein Filter diffus ist, um so mehr wird Licht über einen breiten
Bereich der Betrachtungswinkel reflektiert.
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In Displayanwendungen sind auch noch geringe Beiträge des reflektierten
Umgebungslichtes zu bemängeln. Bei höheren Umgebungslichtpegeln
waschen die duffusen Reflexionen das Bild ingesamt aus und machen es
unbetrachtbar. Der Betrag an Diffusion, der erforderlich ist, um das
Abtastrauschen der gegenwärtigen Farbmatrix-Displaytechnologie zu
eliminieren, macht die Reflexionen nicht akzeptierbar, insbesondere bei
Displayanwendungen im Cockpit.
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Aus "SPIE Vol. 579 Current Developments in Optical Engineering and
Diffraction Phenomena" 1986, Seiten 165 bis 168 ist der Entwurf von
brechenden optischen Diffusern und insbesondere von Brechungsgittern und
ihrer zugrundeliegenden Theorie wohlbekannt.
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Ferner zeigt die US-A-39 14 761 eine Displayvorrichtung, bei der ein
Beugungsgitter mit mehreren Beugungslöchern vor einem Plasma-
Displayschirm angeordnet ist und bei dem die Entfernung und die Drehung des
Beugungsgitters in bezug auf den Display-Bildschirm einstellbar ist.
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Ein Nachteil der bekannten Filter liegt darin, daß ihre Durchlaßcharakteristik
nicht an die Betrachtungsrichtung anpaßbar ist. Die Grenzfrequenz ist in allen
Richtungen die gleiche. Bei typischen Farbmatrix-Displays, deren
zugrundeliegende Gitterstruktur nicht kreisförmig symmetrisch ist, ist ein Filter
mit einer Durchlaßcharakteristik, die an die Betrachtungsrichtung anpaßbar ist,
äußerst erwünscht. Andernfalls wird der vollständige Frequenzinhalt des
Farbmatrix-Displays nicht voll ausgenutzt. Zu viel Filterung erfolgt in einigen
Richtungen und zu wenig in anderen Richtungen. Idealerweise soll das
Tiefpaßprofil eine Charakteristik zeigen, die direkt durch das eigene
zweidimensionale Frequenzverhalten des Farbmatrix-Displays festgelegt ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Entwurf eines optischen Rekonstruktionsfilters anzugeben, das eine
verbesserte Bildqualität erzielt. Diese Aufgabe wird gelöst gemäß den
Merkmalen des Patentanspruches 1.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung ist ein Beugungsgitterfilter mit definierter Ortsfrequenz-
Durchlaßcharakteristik, welches verwendet wird, um Rauschen zu eliminieren,
das durch die Farbmatrix-Punktstruktur erzeugt wird.
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Die Erfindung verwendet die Abtasttheorie, um das Frequenzvermögen des
speziellen Displays festzulegen. Dieses wird gefunden durch Festlegung der
Nyquist-Grenzen in zwei Dimensionen, die die Oberfläche des Displays
abdecken. Die Erfindung verwendet diese zweidimensionalen Grenzen, um das
Ausmaß der traditionellen Interpolationsfunktionen zu definieren. Schließlich
verkörpert die Erfindung physikalisch diese Interpolationsfunktionen in der
Form eines Phasen-Beugungsgitters zusammen mit der Filtercharakteristik des
Auges. Das Phasen-Beugungsgitter (kann vom binären Stufentyp sein) wird
sodann über die Oberfläche eines Farbmosaik-Displays gelegt, um die Punkt-
Spreizfunktion eines jeden Pixels zu verändern.
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Nachfolgend wird die in jeder Abtastung enthaltene Helligkeit als eine Funktion
des Abstandes von dem Abtastpunkt verteilt, wie dies durch die
Interpolationsfunktion definiert ist. Dementsprechend wird in jeder Abtastung
enthaltene Information zu der Information von umgebenden Abtastungen
gleicher primärer Farbe addiert, um kontinuierliche Helligkeitsfunktionen für
jede Primärfarbe vorzugeben. Eine getreuere Wiedergabe der gewünschten
Ausgangssignale ergibt sich daraus. Eine Kontinuität der Bildfunktion kann
durch erste, zweite und Ableitungen höherer Ordnung in Abhängigkeit davon
hergestellt werden, welche Interpolationsfunktion für die Verwirklichung des
Beugungsgitters ausgewählt wird. Die Berücksichtigung der Gitterstruktur einer
jeden Primärfarbe ist ein Schlüsselelement dieser Erfindung. Sie kann auf
Farbmosaikmuster im allgemeinen angewendet werden, die Streifen-,
Diagonal-, Delta- und Quad-Pixelmuster umfassen.
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Das heißt, die Erfindung gibt eine Kontinuität der Helligkeitsfunktionen jeder
Primärfarbe auf einem Farbmosaik-Display vor, um die Bildqualität der
abgetasteten Bilder zu verbessern. Bei der Erfindung verwendet ein
Beugungsgitter, das als ein optisches Rekonstruktionsfilter für Farbmatrix-
Displays verwendet wird, das Phänomen der Beugung, um das Bild zu filtern,
anstatt die Streuung zu verwenden. Das Beugungsgitter bricht jedes Pixelbild
in verschiedene Beugungsordnungen auf, wenn es durch das Gitter verläuft.
Diese Ordnungen können überlappen und in der Intensität abfallen, wie es in
Figur 5 gezeigt ist. Die gebeugten Pixel überlappen und rufen eine
Interpolation zwischen den Pixeln gleicher Farbe hervor, wodurch das
Ortsfrequenz-Gitterrauschen mit hoher Frequenz entfernt wird. Die exakt
verwendete Interpolationsfunktion wird durch die Position und die Intensität der
Beugungsordnungen festgelegt, welche seinerseits durch die Geometrie und
die Periode der Beugungsgitterstruktur und den Brechungsindex des Materials
festgelegt werden.
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Die Verwendung des Beugungsgitters als ein Rekonstruktionsfilter ist sehr
vorteilhaft bei Displayanwendungen. Durch Verwendung der Beugung anstatt
der Streuung sind Reflexionen des Filters spiegelnd anstatt diffus. Diese
Reflexionen müssen noch behandelt werden, aber sie sind leichter zu
handhaben als diffuse Reflexionen. Spiegelnde Reflexionen können auf
weniger als 0,5 % herabgedrückt werden mit optischen Standard-
Antireflexionsschichten. Aufhebende Interferenztechniken können verwendet
werden, um die Reflexionen noch weiter herunterzudrücken.
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Zusätzlich kann das Beugungsgitter so zugeschnitten werden, daß es die
gewünschte Durchlaßcharakteristik und Interpolationsfunktionen vorgibt. Die
Durchlaßcharakteristik des Filters muß über der Richtung nicht konstant sein.
Der nahezu unbegrenzte Bereich der Ordnungsintensitäten und der
Positionierung gibt dem Designer Freiheit, die besten Interpolationsfunktionen
für die Ausführung zu wählen. Figur 12 zeigt einige übliche
Interpolationsfunktionen, die alle die Flachbildschirm-Bilder glätten. Das
Oberflächenprofil des Beugungsgitters kann entworfen werden, um diese
Interpolationsfunktionen zu bilden. Dies gestattet die Anpassung des
Rekonstruktionsfilters an die genaue Struktur des Farbmatrix-Displays.
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Die Erfindung ist einfach in der Farbmatrix-Displaystruktur enthalten. Das Filter
wird in Glas geätzt und kann mit der Vorderseite des Bildschirmes verbunden
werden oder sogar in dem flachen Bildschirm-Substratglas hergestellt werden.
Ein Beispiel der Struktur des Flachbildschirm-Farbmatrix-Displays zusammen
mit dem Beugungsgitter-Rekonstruktionsfilter in der Nähe der Frontseite ist in
Figur 18 dargestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 zeigt einen Teil eines Farbmatrix-Displays einschließlich der
individuellen Pixel, die verwendet werden, um ein Bild auf dem
Display zu bilden. Das gezeigte Pixelmuster ist das RGB-Delta-
Matrixmuster.
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Figur 2 veranschaulicht das Problem des Abtastrauschens auf
Farbmatrix-Displays. Die Figur zeigt zwei Bilder, wobei eines
das diagonale Pixelmuster verwendet und das andere ein
Quad/Grün-Pixelmuster verwendet. Jedes dieser Bilder ist
entzerrt. Diskrete Pixel können noch unterschieden werden
sowie die Lücken zwischen den Pixeln. Ein
Rekonstruktionsfilter ist erforderlich, um diese Gitter-
Strukturfehler zu eliminieren.
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Figur 3 zeigt die Analogie zwischen dem Signalverarbeitungsmodell
und dem Bildverarbeitungsmodell und zeigt, wie ein Tiefpaß-
Rekonstruktionsfilter zwischen dem Display und dem Auge
benötigt wird.
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Figur 4 veranschaulicht, wie das Punktbild auf einem Flachbildschirm
durch das Beugungsgitter aufgespreizt wird.
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Figur 5 zeigt, wie die ursprüngliche quadratische Pixelhelligkeit durch
die Beugung aufgespreizt und geglättet wird. Wenn mehr
Beugungsordnungen verwendet werden, wird das sich
ergebende gebeugte Pixel glatter.
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Figur 6A veranschaulicht, wie Licht in Ordnungen aufgebrochen wird,
nachdem es ein Beugungsgitter durchläuft, wobei p der
Ordnungsnummer entspricht.
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Figur 6B veranschaulicht ein Beugungsmuster von Licht durch ein
zweidimensionales Beugungsgitter, wobei p, q die
Beugungsordnungen sind.
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Figur 7 ist ein Bild eines Laserstrahles, der durch ein Beugungsgitter
verläuft und aufgebrochen wird. x = 100 Linien/mm,
y = 100 Linien/mm.
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Figur 8 zeigt ein diagonales Matrixmuster, wobei die rote primäre
Gitterstruktur überlagert ist.
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Figur 9 zeigt das räumliche Abtastfeld für eine einzelne Primärfarbe auf
dem diagonalen Matrix-Pixelmuster.
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Figur 10 veranschaulicht das Ortsfrequenzfeld für eine einzige
Primärfarbe auf dem diagonalen Matrix-Pixelmuster und die
entsprechenden Nyquist-Grenzen.
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Figur 11 zeigt die ideale Tiefpaß-Übertragungsfunktion für das
diagonale Pixelmuster entsprechend den Nyquist-Grenzen in
Figur 10.
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Figur 12 zeigt Kurvenverläufe a bis f für einige übliche Interpolations-
Kurvenverläufe. Der sinc-Kurvenverlauf ist der ideale Verlauf
und führt zu einer vollkommenen Rekonstruktion, ist aber
schwierig zu erzielen. Die Kurvenverläufe g, h und i in Figur 12
zeigen sich ergebende Interpolationen. Somit zeigen die
Kurvenverläufe g, h und i Beispiele der Signalrekonstruktion
unter Verwendung der idealen sinc-Funktion, der Dreieck- und
der Impuls-Funktion.
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Figur 13A gibt ein Beispiel einer eindimensionalen Rekonstruktion eines
einzelnen primären Signales unter Verwendung der Dreieck-
Interpolationsfunktion. Die Interpolationsfunktionen höherer
Ordnung geben eine bessere Rekonstruktion vor.
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Figur 13B zeigt die ideale zweidimensionale Interpolationsfunktion, die
sinc-Funktion. Da diese Funktion schwierig zu erzielen ist,
werden die Interpolationsfunktionen niedrigerer Ordnung, wie
beispielsweise die kubische B-Nutenfunktion oder die
Gauss'sche Funktion, gewöhnlicherweise benutzt.
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Figur 14 zeigt eine Nahaufnahme des Oberflächenprofils für ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung, ein Phasen-
Beugungsgitter, das für die RGBY-Quad-Pixelanordnung
entworfen ist.
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Figur 15 veranschaulicht das sich ergebende Pixel-Helligkeitsprofil,
wenn eine kubische B-Nuten-Interpolationsfunktion auf ein
diagonales Farbmosaik-Pixel angewendet wird, wobei das
relative Längen/Breiten-Verhältnis gezeigt ist.
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Figur 16 ist ein Bild eines Beugungsgitter-Rekonstruktionsfilters, das
über einem Farbmatrix-Display verwendet wird. Dies
veranschaulicht, wie das Filter das Aufspreizen der
individuellen Pixelhelligkeiten hervorruft, wodurch das Bild
geglättet und interpoliert wird.
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Figur 17 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters mit
dichromatischem Gelatin.
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Figur 18 zeigt ein Beispiel eines Flachbildschirm-Farbmatrix-Displays
zusammen mit einem davor angeordneten Beugungsgitter-
Rekonstruktionsfilter.
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Figur 19 ist eine Darstellung eines Gitters, das mit einer Maske mit
100 Linien/mm hergestellt wird, und
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Figur 20 zeigt das gebildete Muster, wenn ein Laserstrahl durch das
Gitter verläuft.
Detaillierte Beschreibung
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Wie zuvor beschrieben, ist die Erfindung ein Beugungsgitter mit definierter
Ortsfrequenz-Durchlaßcharakteristik zur Verwendung als Rekonstruktionsfilter
für Farbmatrix-Displays, insbesondere für Flüssigkristall-Displays einschließlich
aktiver Matrix-Flüssigkristall-Flachbildschirm-Farbmatrix-Displays, wie sie in
der EP-A-0 316 708 beschrieben sind.
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Die Erfindung interpoliert zwischen Helligkeitswerten, die an jeder Pixelstelle
gespeichert sind, und zusammen mit der Tiefpaß-Charakteristik des Auges
führt sie zu einem kontinuierlichen Bild im Bereich einer jeden Primärfarbe. Mit
anderen Worten wird ein Beugungsgitterfilter verwendet, um Flachbildschirm-
Fehler, wie beispielsweise Lücken, Treppenstufen und Farbverzerrungen, zu
vermindern. Dieses Filter, welches über einem Flachbildschirm mit hunderten
von Pixeln angeordnet wird, glättet und spreizt genau das Helligkeitsprofil
eines jeden Pixels auf. Das Beugungsgitter hat verschiedene Charakteristiken,
welche es für Displayanwendungen nützlich machen, einschließlich einer
ersten Charakteristik, daß die Licht-Spreizfunktion über der Richtung variabel
ist, und einer zweiten Charakteristik, daß die nicht-rückstreuende
Reflexionscharakteristik Reflexionen leichter steuerbar macht.
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Bezugnehmend nunmehr auf Figur 6A ist dort ein Beugungsgitter 10
dargestellt, das hier ebenfalls als Beugungsdiffusor bezeichnet wird. Der
Beugungsdiffusor verwendet das Phänomen der Beugung, welches
auftreffendes Licht in Beugungsordnungen "aufbricht", nachdem es durch eine
periodische Kante 11 des Beugungsgitters verlaufen ist. Die nullte, erste und
zweite Beugungsordnungen sind in der Figur dargestellt. Das Bild, das gerade
durch das Filter verläuft, wird als die nullte Beugungsordnung bezeichnet. Die
Bilder auf jeder Seite der nullten Beugungsordnung sind die +1- und -1-
Beugungsordnung. Die nächsten Bilder auf jeder Seite sind die +2- und -2-
Beugungsordnung. Die Winkelbeziehung 12 ist
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in der Form sin αp = pλ/x dargestellt,
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wobei p der Ordnungszahl entspricht und x dem Beugungsintervall entspricht.
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In Figur 6B ist ein zweidimensionales Beugungsgitter 20 dargestellt mit
Beugungsintervallen x und y. Für ein zweidimensionales Gitter ist das
Beugungsmuster des Lichtes aus dem auftreffenden Lichtstrahl
zweidimensional, wie dies in der Ebene 21 gezeigt ist. Die Buchstaben p und q
repräsentieren die Beugungsordnungen in den zwei Dimensionen x und y. In
einem tatsächlichen Fall können zwei oder drei Beugungsordnungen
verwendet werden, um ein glatteres endgültiges Bild zu ergeben.
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Figur 7 ist ein Bild eines zweidimensionalen Beugungsmusters, das durch
einen Laserstrahl erzeugt wird, der durch ein Beugungsgitter verläuft und in
Beugungsordnungen aufgebrochen wird, wobei x = 100 Linien/mm und
y = 100 Linien/mm. Die Position und Intensität der verschiedenen
Beugungsordnungen werden durch die Geometrie und die Periode der
Beugungsgitterstruktur und die Indexveränderung des Materials festgelegt. Im
Falle des Flachbildschirm-Pixelbildes wird das Gitter so hergestellt, daß die
Beugungsordnungen überlappen und in der Intensität abfallen, wodurch ein
Bild geschaffen wird, das einen mehr Gauss'schen Verlauf gegenüber dem
ursprünglichen Stufenbild des Pixels aufweist, wie dies in Figur 5a-e gezeigt
ist. Diese gebeugten Pixel überlappen und rufen eine Interpolation zwischen
den Pixeln hervor. Die Charakteristik eines Beugungsgitters kann so ausgelegt
werden, daß sie eine Funktion der Richtung bildet, so daß die Licht-
Spreizfunktion auf das Flachbildschirm-Pixelmuster zugeschnitten werden
kann.
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Bezieht man sich nunmehr auf Figur 5, wo I die Intensität darstellt und
insbesondere auf Figur 5a, wo das ursprüngliche Pixelbild veranschaulicht ist,
das eine Intensität besitzt, die durch die Höhe I&sub0; dargestellt wird und
horizontale Abmessungen von -a bis +a. Die Pixel-Beugungsordnungen
verändern das Pixel-Helligskeitsprofil. Die Figuren 5b, 5c und 5d
veranschaulichen die Beugungsordnungen 0, +1 und -1 und die
Beugungsordnungen +2 und -2 entsprechend. Figur 5b veranschaulicht die
Beugungsordnung 0 mit einer Intensität von 2I&sub0;/5 und eine Abmessung von
-a bis +a. Figur 5c veranschaulicht die Beugungsordnungen +1 und -1 und
zeigt eine Intensität von I&sub0;/5 mit einer horizontalen Abmessung von 3a (das
heißt von -3/2a bis +3/2a). Figur 5d veranschaulicht die Beugungsordnungen
+2 und -2 und zeigt eine Intensität von I&sub0;/10 und Abmessungen von 4a. Wenn
sich die relative Intensität und die Position der gebeugten Ordnung verändert,
so verändert sich das endgültige Pixelbild. Figur 5e veranschaulicht das
gebeugte Pixelbild. Im tatsächlichen Fall können mehr als zwei
Beugungsordnungen verwendet werden, um ein sanfteres endgültiges Bild
vorzugeben.
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Es gibt verschiedene unterschiedliche Arten von Beugungsgittern. Diese
umfassen Amplituden- oder Phasentypen und durchlässige oder reflektierende
Typen. Es gibt verschiedene Herstellungstechniken einschließlich der
holographischen, der linierten und der photolithographischen Techniken. Für
den Flachbildschirm-Beugungsdiffusor dieser Erfindung wird ein Phasen-
Übertragungsgitter bevorzugt, da es die höchste Durchlässigkeit besitzt. Es
kann vom binären Schrittyp sein. In einem Phasengitter ist das aktive
beugende Material transparent mit einer Dickenveränderung über der
Oberfläche. Figur 4 veranschaulicht, wie das Bild eines Punktes auf dem
Flachbildschirm 30 durch ein Beugungsgitter 31 aufgespreizt wird. Das Gitter
31 wird vor dem Bildschirm 30 positioniert, wie dies in Figur 4 gezeigt ist, wobei
der Betrachter 32 auf das gebeugte Bild schaut.
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Ein Gitter mit zwei Achsen wird benutzt. Die Achsen des Gitters sind
vorzugsweise auf die Hauptachsen des Flachschirm-Pixelmusters ausgerichtet.
Das Profil des Gitters in x- und y-Richtung wird so festgelegt, daß die Helligkeit
gleicher Farbpixel in jeder Richtung interpoliert wird. Der Abstand zwischen
gleichen Farbpixeln ist gewöhnlicherweise in beiden Achsen nicht der gleiche.
Dieser Abstand ist ebenfalls unterschiedlich für unterschiedliche Pixel-
Auslegungen, wie beispielsweise diagonale Auslegungen gegenüber Quad-
Auslegungen. Das Gitterprofil wird daher auf einen Bildschirm mit einer
spezifischen Größe, Abstand und Auslegung des Pixels zugeschnitten. In
einem Ausführungsbeispiel ist das Gitter spezifisch für den diagonalen
Mosaikbildschirm der Firma Hosiden mit 0,017 mm (6,7 mil) ausgelegt.
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Es ist erkennbar aus Figur 4, daß ein Abstand oder eine Entfernung "t"
zwischen dem Flachbildschirm 30 und dem Beugungsgitter 31 gezeigt ist.
Durch Steuerung des Abstandes "t" kann das Ausmaß der erwünschten
Interpolation leicht erhalten werden.
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Das Beugungsgitter 31 bewirkt eine Aufspreizung des Helligkeitsprofiles eines
jeden Pixels und eine Interpolation zwischen Pixelbildern gleicher Farbe. Beim
Entwurf des Oberflächenprofiles des Beugungsgitters ist die endgültige
Pixelhelligkeit ein Entwurfsfaktor. Es ist festgestellt worden, daß die
tatsächliche Form der Interpolationsfunktion nicht so kritisch wie der Betrag der
Interpolation ist, der verwendet wird, um das Flachschirmbild zu glätten. Wenn
beispielsweise die Interpolationsfunktion verschiedene Pixel überspannt, so
vermischen sich die Farben einzelner Pixel wirksamer mit benachbarten Pixeln,
um einen üblichen Schwachpunkt der Flüssigkristall-Flachbildschirm-Displays
zu vermeiden, wobei sie einen bemängelbaren Betrag an Farbmischung bei
Fehlkonvergenz zeigen.
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Ein gegenwärtiges Problem des Standes der Technik liegt darin, daß die
Pixelgröße und die Muster zu einer gepunkteten Darstellung des Bildes führen.
Die Verwendung irgendeiner linearen oder Gauss'schen oder kubischen B-
Nutenform für die Interpolation kann die gepunktete Erscheinungsform
eliminieren oder auf ein Minimum bringen und einen beträchtlichen Fortschritt
in der Qualität des Bildes erzeugen. Sorgfalt muß ausgeübt werden, um nicht
zu viel Interpolation einzuführen, da andernfalls ein übertriebenes
Verschmieren bzw. Defokussieren wahrgenommen wird. Glücklicherweise kann
das Ausmaß der Interpolation leicht gesteuert werden durch Veränderung des
Abstandes zwischen dem Beugungsgitter 31 und dem Displayschirm 30.
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Figur 1 zeigt die individuellen roten, grünen und blauen Pixel eines typischen
Farbmatrix-Displays. Figur 2 veranschaulicht die Pixel-Strukturfehler, die bei
dieser Art von diskretem Bild-Displaysystem auftreten können. Gezackte
Übergänge bei Linien, die glatt sein sollen, stören die Positionsgenauigkeit,
und im Falle von beweglichen Symbolen scheinen sich Linien in sprunghafter
diskreter Weise zu bewegen. Idealerweise würde das Flachbildschirm-
Farbmatrix-Display glatt geformte Symbole zeichnen, welche sich in einer
glatten analogen Weise bewegen und eine Farbreinheit aufweisen. Das als ein
optisches Rekonstruktionsfilter verwendete Beugungsgitter wird verwendet, um
dieses glatte Bild auf einem Farbmatrix-Display zu erhalten. Die Art und Weise,
in der das Beugungsgitter als ein Rekonstruktionsfilter für Farbmatrix-Displays
verwendet wird, wird in den folgenden Absätzen erläutert.
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Die Festlegung der gewünschten Ortsfrequenz-Durchlaßcharakteristik des
Rekonstruktionsfilters ist von Bedeutung und beginnt mit dem Erkenntnis der
zugrundeliegenden Gitterstruktur des zu verwendenden Farbmatrix-Displays.
Beispielsweise zeigt Figur 8 ein diagonales Matrixmuster, wobei die rote
primäre Gitterstruktur überlagert ist. Diese Gitterstruktur legt das räumliche
Abtastfeld der Primärfarbe fest, wie dies in Figur 9 gezeigt ist. Für das
diagonale Matrix-Pixelmuster ist das räumliche Abtastfeld für alle drei
Primärfarben das gleiche.
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Das Ortsfrequenzgitter des Farbmatrix-Displays wird als nächstes festgelegt.
Dies wird gefunden durch Aufnahme der Fourier-Transformierten des
räumlichen Abtastfeldes. Die Nyquist-Theorie wird verwendet, um die
Durchlaßcharakteristik des Rekonstruktionsfilters festzulegen. Die Nyquist-
Abtasttheorie legt fest, daß die maximale Frequenz, die auf einem Farbmatrix-
Display dargestellt werden kann, ohne Verzerrungen zu erzeugen, der Hälfte
der Abtastfrequenz entspricht. Die Grenzen der maximal darstellbaren
Frequenzen fallen daher in die Mitte zwischen die Gitterpunkte des
Ortsfrequenzfeldes. Diese Grenzen, die als Nyquist-Grenzen bezeichnet
werden, sind in Figur 10 für das diagonale Matrixmuster gezeigt. Die Nyquist-
Grenzen definieren die maximale Frequenz-Darstellungsmöglichkeit des
Farbmosaiks in allen Richtungen. Daher ist die Übertragungsfunktion des
idealen Bandpaßfilters für das Diagonalmuster so, wie es in Figur 11
dargestellt ist.
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Der nächste Schritt liegt in der Festlegung der zu verwendenden
Interpolationsfunktion, wobei das Ausmaß der Interpolation durch die Nyquist-
Grenzen definiert wird. Figur 12 zeigt einige mögliche Interpolationsfunktionen,
welche akzeptierbare Resultate ergeben. Die Dreieckfunktion ist eine der
einfachsten Funktionen, während einige andere Funktionen, wie beispielsweise
die kubische B-Nutenform, genauere Ergebnisse ergibt. Figur 13A gibt ein
Beispiel einer eindimensionalen Rekonstruktion unter Verwendung der
Dreiecksfunktion. Die Interpolationen höherer Ordnung geben eine bessere
Rekonstruktion des Signales. Idealerweise wird die sinc-Funktion (der Form
sinus (x) / x) verwendet, wie dies in Figur 13B gezeigt ist.
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Somit sind eine Anzahl von Interpolations-Kurvenformen möglich, wie dies in
Figur 12 mit den Kurvenformen a, b, c, d, e und f gezeigt ist. Die sich
ergebenden Interpolationen sind in Figur 12 mit den Kurvenformen g, h und
dargestellt. Unter der Annahme, daß die Ausdehnung des gebeugten Musters
beliebig verändert werden kann durch den Abstand des Gitters von dem
Bildschirm, wird entschieden, welche Form die beste Gesamtleistung bietet.
Basierend auf der Theorie und der Praxis wurde ein dreidimensionales
kubisches B-Nutenform-Gitter (oder eine enge Annäherung an dieses) als die
gewünschte Form ausgewählt, siehe Figur 12e. Über den geeigneten
Interpolationsabstand verbindet es jede Abtastung sanft mit ihren Nachbarn,
indem über die ersten und die zweiten Ableitungen eine Kontinuität
sichergestellt wird. In diesem zweidimensionalen Fall wird das Verhältnis der
langen Achse gegenüber der kurzen Achse durch das diagonale Pixelmuster
selbst festgelegt.
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Nachdem einmal die gewünschte Interpolationsfunktion ausgewählt worden ist,
wird sodann das optische Beugungsgitter-Rekonstruktionsfilter entworfen, um
die entsprechende Punktspreizfunktion (PSF) zu bilden. Die PSF des
Beugungsgitters ist festgelegt durch die Position und die Intensität der
verschiedenen gebeugten Ordnungen. Die Position und die Intensität der
gebeugten Ordnungen wird durch das Oberflächenprofil des Beugungsgitters
festgelegt. Die Gleichungen, welche die Position und Intensität der gebeugten
Ordnungen mit dem Oberflächenprofil des Beugungsgitters in Verbindung
setzen, sind Standard-Beugungsgleichungen. Von primärer Bedeutung für die
Erfindung ist, daß das Obeflächenprofil des Gitters die sich ergebende PSF
des Gitters steuert. Durch Veränderung des Obeflächenprofiles wird die PSF
verändert und kann zugeschnitten werden, um die gewünschte
Interpolationsfunktion zu ergeben. Es gibt verschiedene Wege, dies zu
verwirklichen, einschließlich empirischer, simulierter Temperungs- oder
holographischer Techniken.
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Figur 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, ein Phasen-
Beugungsgitter, das für die RGBY-Quad-Pixelanordnung entworfen ist. Die
Interpolationsfunktion, die für diese Anwendung gewählt wurde, ist der
kubischen B-Nutenform angenähert, wie dies in Figur 15 gezeigt ist.
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Figur 15 zeigt das Intensitätsprofil eines Pixels von einem diagonalen
Farbmosaik-Display, nachdem es einer kubischen B-Nutenform-Interpolation
unterworfen worden ist. Dieses kann ebenfalls als das resultierende Pixel-
Helligkeitsprofil beschrieben werden, wenn die kubische B-Nutenform-
Interpolation auf das diagonale Farbmosaikmuster angewendet wird. Somit ist
in Figur 15 die ursprüngliche Pixelgröße 40 dargestellt, wobei die Größe
Δa= 1,414 Pixel und Δb = 2,12 Pixel beträgt. Die Figur zeigt ebenfalls das
Verhältnis des
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diagonalen Farbmosaiks Δa/Δb = 1,414/2,12.
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Die Ausrichtung der Interpolationsfunktion kann ebenfalls verändert werden,
wenn dies erwünscht ist. Figur 16 zeigt dieses Gitter über einen Bildschirm
und veranschaulicht die Interpolation und die sich ergebende Glättung des
abgetasteten Bildes.
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Das Beugungsgitter-Rekonstruktionsfilter kann für irgendeines der
Pixelmuster verwendet werden, die bei Farbmatrix-Displays verwendet
werden. In jedem Fall wird durch Anpassung des Filters an die Gitterstruktur
in der zuvor erläuterten Weise das volle Frequenzverhalten eines jeden
speziellen Musters ausgenutzt. Frequenzen außerhalb dieser Fähigkeit
werden eliminiert. Das Ergebnis ist eine verbesserte Bildqualität bei
Farbmatrix-Displays.
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In Figur 8 sind die Hauptachsen a und b und die Trennung zwischen
gleichen Farbpixeln R, G und B des diagonalen Farbmosaikmusters
dargestellt. In dieser Figur ist die Interpolationsfunktion entlang der 45 Grad-
Achsen des diagonalen Mosaikmusters ausgerichtet. Die Trennung
zwischen benachbarten Pixeln R ist dargestellt und beträgt
da-Achse = (1 Pixel)² + (1 Pixel)² = 1,414 Pixel. Auf der anderen Achse der
Trennung zwischen Pixeln R ist die Trennung dargestellt und beträgt
db-Achse = (1,5 Pixel)² + (1,5 Pixel)² = 2,12 Pixel.
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Die Ausrichtung der Interpolationsfunktion kann ebenfalls verändert werden,
um die Frage nach der bevorzugten Achsenausrichtung des gewünschten
Bildes zu beantworten. Im Falle von statischen Zeichen, welche
beispielsweise vorherrschend mit vertikalen und horizontalen Abtastungen
erzielt werden, kann es erwünscht sein, die Interpolationsfunktion vertikal
und horizontal anstelle entlang der 45-Grad-Achsen des diagonalen
Mosaiksmusters (Figur 8) auszurichten. Obgleich dieses Extrem nicht
bevorzugt ist, können diese und Zwischenausrichtungen durch Drehung des
Beugungsgitters um eine Achse senkrecht zu der Darstellungsoberfläche
ausgewertet werden.
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Um das Oberflächenprofil des Beugungsgitters festzulegen, ist es
notwendig, exakt zu wissen, wie dieses Profil das Beugungsmuster steuert.
Bei der Festlegung des Beugungsmusters eines speziellen Gitters müssen
zwei Faktoren festgelegt werden: 1.) Der seitliche Abstand der
Beugungsordnungen und 2.) die Lichtintensität (oder relative Wirksamkeit)
der Beugungsordnungen.
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Der seitliche Abstand der Beugungsordnungen ist sehr leicht festzulegen.
Gemäß der Beugungstheorie ist der Beugungswinkel αp (der Winkel, den
eine gebeugte Ordnung mit der senkrechten bildet) durch die folgende
Gleichung vorgegeben:
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sin αp = pλ/X (1)
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wobei p die Ordnungsnummer, λ die Wellenlänge und X die Gitterperiode in
der x-Richtung (siehe Figur 6a) ist. Der Fall, wo ein Betrachter ein
gebeugtes Bild betrachtet, ist in Figur 4 gezeigt. Unter Verwendung der
Gleichung 1 wird der Abstand einer Beugungsordnung von der senkrechten
wie folgt festgelegt:
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x = pλt/X (2)
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wobei t der Abstand zwischen dem Flachbildschirm und dem Beugungsgitter
ist. Dies wird leicht erweitert auf den Fall mit zwei Dimensionen, wo der Ort
der Beugungsordnungen vorgegeben ist durch
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x = pλt/X und y = qλt/Y, (3)
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wobei q die Ordnungszahl und y die Gitterperiode in der y-Richtung ist. Der
Abstand zwischen irgendzwei benachbarten Ordnungen ist daher
vorgegeben durch den Ordnungsabstand
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x = λt/X oder λt/Y. (4)
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Diese Gleichungen können verwendet werden, um den Bereich der
Beugungsfrequenzen abzuschätzen, die für Flachschirmanwendungen
erforderlich sind. Es sei eine Wellenlänge von 550 mm und ein Abstand
zwischen dem Schirm und dem Gitter von 1 mm angenommen. Für einen
Schirm mit einer Pixelgröße von 0,015 mm (6 mil) kannn ein ungefährer
Beugungsordnungsabstand von 0,0025 - 0,015 mm angenommen werden
(es wird gewünscht, das Bild erster Ordnung um 0,0025 - 0,015 mm von dem
Bild nullter Ordnung hinwegzubewegen). Setzt man diese Zahlen in die
Gleichung 4 ein, so reicht die Gitterperiode von 3,6 bis 22 x 10&supmin;³ mm und
führt zu einem Frequenzbereich von 45-275 Zyklen/mm. Die genaue
Frequenz wird durch den Entwurf festgelegt, wie weit genau die
Beugungsordnungen zu bewegen sind.
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Um die Intensität einer jeden der Beugungsordnungen aufzufinden, ist eine
mathematische Ableitung der Fraunhofer (Fernfeld)-Beugungsordnung-
Wirksamkeit für ein zweidimensionales Gitter hergeleitet worden. Die
Wirksamkeit np,q oder die relative Intensität einer jeden Beugungsordnung ist
ungefähr:
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wobei w(x,y) die durch den Durchgang durch das Gitter eingeführte
Phasenverschiebung ist, welche vorgegeben ist durch
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w(x,y) = 2π (n&sub0;-n&sub1;) s(x,y)/λ (6)
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wobei n&sub0; der Brechungsindex des umgebenden Mediums
(gewöhnlicherweise Luft, n&sub0; = 1) und n&sub1; der Brechungsindex des
Gittermateriales ist und s(x,y) die Funktion ist, die das Oberflächenprofil des
Beugungsgitters beschreibt.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters mit dichromatischem
Gelatin unter Verwendung von photolithographischen Techniken ist in Figur
17 veranschaulicht. Eine Schicht aus Photoresistmaterial, wie beispielsweise
dichromatisches Gelatin, wird auf einem Glassubstrat gesponnen oder
anderweitig abgelagert. Sodann wird durch eine Maske das
Photoresistmaterial mit UV-Licht belichtet. Die Bereiche, die belichtet
worden sind, werden mit Wasser weggewaschen, wodurch ein
Oberflächenprofil von dichromatischem Gelatin verbleibt. In einem Beispiel
besitzt die Maske zur Herstellung des Gitters 100 Linien/mm sowohl in der
x- als auch in der y-Richtung. Figur 18 zeigt die Flachbildschirmstruktur 41
und wie das Beugungsgitter-Rekonstruktionsfilter (Diffusor) 42 angeordnet
werden kann. Der Beugungsdiffusor 42 besitzt hier die Form eines dünnen
Glassubstrates mit einer darauf abgelagerten Phasen-Reliefstruktur, das
über dem letzten Polarisator 43 in dem Flachbildschirmstapel angeordnet ist.
Unterhalb des Polarisators 43 befindet sich ein oberes Substrat-Farbfilter
44, eine gemeinsame Elektrode 45, ein Abstandsglied 46, das
Flüssigkristallmaterial 47 und das Flachbildschirm-Display 48 auf dem
unteren Substrat 49. Der Polarisator 50 kann unterhalb des unteren
Substrates 49 angeordnet sein. Eine Beleuchtung 51 von hinten ist
vorgesehen. Ein vergrößerter Abschnitt 52 des Diffusors 42 ist in dem Kreis
53 dargestellt.
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Eine Zeichnung eines Bildes eines Gitters, das mit einer Maske mit
100 Linien/mm hergestellt wurde, ist in Figur 19 gezeigt. Die Kreise sind
"Einbuchtungen", wo das dichromatische Gelatin entfernt worden ist. Figur
20 zeigt das Muster, das gebildet wird, wenn ein Laserstrahl durch das Gitter
verläuft. Eine große Beleuchtungsentfernung wurde verwendet, um die
Beugungsordnungen aufzuspreizen und ihre relativen Wirksamkeiten zu
veranschaulichen. Zur Verwendung mit einem Flachbildschirm wird das
Beugungsgitter eng zu dem Bildschirm benachbart, so daß die
Beugungsordnungen alle einander überlappen.
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Somit gibt die vorliegende Erfindung wieder, wie man vorgeht bei der
Festlegung der Filteranforderungen für ein Beugungsgitter, um als ein
optisches Rekonstruktionsfilter zu arbeiten, wenn ein spezielles
Flachbildschirm-Flüssigkristall-Farbmosaikmuster vorgegeben ist. Es wird
ein Verfahren zum Festlegen der Filter-Grenzfrequenzanforderungen bei
irgendeinem vorgegebenen Pixelmuster des Farbmatrix-Displays
angegeben; und es werden die Filter-Grenzfrequenzenanforderungen
aufgrund eines jeden primären Farbgitters in dem Mosaik festgelegt. Die
vorliegende Erfindung führt zu einem Entwurf, der die verfügbare
Farbmosaik-Ortsfrequenz maximal auszunutzen gestattet.