DE69024120T2 - Matrix-Farbanzeigevorrichtung und ihr Entwurfverfahren - Google Patents

Matrix-Farbanzeigevorrichtung und ihr Entwurfverfahren

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DE69024120T2
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diffraction grating
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entwurf eines optischen Rekonstruktionsfilters.
  • Insbesondere ist diese Erfindung auf das Gebiet der optischen Rekonstruktionsfilter für Farbmosaik (Matrix)-Displays gerichtet, wie z.B. Flachbildschirm-Fiüssigkristall-Displays.
  • Hintergrund
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • Die Erfindung ist ein Beugungsgitterfilter mit definierter Ortsfrequenz- Durchlaßcharakteristik, welches verwendet wird, um Rauschen zu eliminieren, das durch die Farbmatrix-Punktstruktur erzeugt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Figur 4 veranschaulicht, wie das Punktbild auf einem Flachbildschirm durch das Beugungsgitter aufgespreizt wird.
  • 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.
  • Figur 6A veranschaulicht, wie Licht in Ordnungen aufgebrochen wird, nachdem es ein Beugungsgitter durchläuft, wobei p der Ordnungsnummer entspricht.
  • Figur 6B veranschaulicht ein Beugungsmuster von Licht durch ein zweidimensionales Beugungsgitter, wobei p, q die Beugungsordnungen sind.
  • Figur 7 ist ein Bild eines Laserstrahles, der durch ein Beugungsgitter verläuft und aufgebrochen wird. x = 100 Linien/mm, y = 100 Linien/mm.
  • Figur 8 zeigt ein diagonales Matrixmuster, wobei die rote primäre Gitterstruktur überlagert ist.
  • Figur 9 zeigt das räumliche Abtastfeld für eine einzelne Primärfarbe auf dem diagonalen Matrix-Pixelmuster.
  • Figur 10 veranschaulicht das Ortsfrequenzfeld für eine einzige Primärfarbe auf dem diagonalen Matrix-Pixelmuster und die entsprechenden Nyquist-Grenzen.
  • Figur 11 zeigt die ideale Tiefpaß-Übertragungsfunktion für das diagonale Pixelmuster entsprechend den Nyquist-Grenzen in Figur 10.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Figur 14 zeigt eine Nahaufnahme des Oberflächenprofils für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, ein Phasen- Beugungsgitter, das für die RGBY-Quad-Pixelanordnung entworfen ist.
  • 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.
  • 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.
  • Figur 17 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters mit dichromatischem Gelatin.
  • Figur 18 zeigt ein Beispiel eines Flachbildschirm-Farbmatrix-Displays zusammen mit einem davor angeordneten Beugungsgitter- Rekonstruktionsfilter.
  • Figur 19 ist eine Darstellung eines Gitters, das mit einer Maske mit 100 Linien/mm hergestellt wird, und
  • Figur 20 zeigt das gebildete Muster, wenn ein Laserstrahl durch das Gitter verläuft.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • in der Form sin αp = pλ/x dargestellt,
  • wobei p der Ordnungszahl entspricht und x dem Beugungsintervall entspricht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • diagonalen Farbmosaiks Δa/Δb = 1,414/2,12.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • sin αp = pλ/X (1)
  • 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:
  • x = pλt/X (2)
  • 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
  • x = pλt/X und y = qλt/Y, (3)
  • 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
  • x = λt/X oder λt/Y. (4)
  • 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.
  • 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:
  • wobei w(x,y) die durch den Durchgang durch das Gitter eingeführte Phasenverschiebung ist, welche vorgegeben ist durch
  • w(x,y) = 2π (n&sub0;-n&sub1;) s(x,y)/λ (6)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Entwurf eines zweidimensionalen Beugungsgitter-Rekonstruktionsfilters (10, 20, 31, 42) zur Korrektur der anhaftenden zugrundeliegenden Gitterstruktur, welche gemeinhin als Abtastgitterrauschen bezeichnet wird, eines Matrix-Farbanzeigeschirmes des Typs, der mehrere regelmäßige und überlagerte räumliche Abtastbereiche von Punkten besitzt, wobei jeder Bereich einer unterschiedlichen Primärfarbe entspricht und das Verfahren aulweist:
    Festlegung des Ortfrequenzmusters des Abtastbereiches von Punkten entsprechend einer der Farben durch Aufhahme seiner Fourier-Transformierten;
    Festlegung der Nyquist-Grenzen in dem Ortsfrequenzmuster durch Ziehen einer Linie von jedem Gitterpunkt des Ortsfrequenzmusters zu jedem nächsten Gitterpunkt, wobei die Ansammlung von senkrechten Halbierungslinien selbst die Nyquist-Grenzen bilden und die Grenzen die maximale Frequenz definieren, die durch den Abtastbereich dieser einen Farbe in allen Richtungen dargestellt werden kann;
    Festlegung einer gewünschten zweidimensionalen Interpolationsfunktion durch Auswahl einer eindimensionalen Interpolationsfunktion und ihre Erstreckung in zwei Dimensionen gemäß der Form der Bereiche, die durch die gefundenen Nyquist-Grenzen umschrieben werden;
    Festlegung eines Oberflächenprofils für das Beugungsgitter, das eine Punkt-Spreizfunktion erzeugt, welche zusammen mit der Tiefpaß-Filtercharakteristik des Auges die gewünschte zweidimensionale Interpolationsfunktion liefert; und
    Festlegung des Abstandes, in dem das Beugungsgitter über dem Matrix-Farbanzeigeschirm angeordnet werden soll, so daß das Ausmaß der erhaltenen Interpolation der gewünschten Korrektur des Abtastgitterrauschens entspricht.
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