DE69033542T2

DE69033542T2 - Apparat und Verfahren für ein digitalisiertes Videosystem

Info

Publication number: DE69033542T2
Application number: DE69033542T
Authority: DE
Inventors: Thomas W Demond; E Earle Thompson
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1989-02-27
Filing date: 1990-02-27
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2010-02-28
Also published as: EP0635986B1; JPH0340693A; EP0635986A1; DE69019055D1; DE69019055T2; EP0391529B1; EP0391529A2; EP0391529A3; DE69033542D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen digitalisierter Videosysteme sowie auf integrierte Schaltungen und Einrichtungen dafür.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die vorliegende Erfindung ist auf dem Gebiet der Graphik- und Bildwiedergabesysteme, wie etwa für Anzeigen von Computersystemen, Endgeräten und Fernsehgeräten, nützlich. In letzter Zeit ist ein großer Bedarf an Betrachtungsflächen und/oder Betrachtungsflächen mit höherer Auflösung entstanden, die größer sind als jene, die durch herkömmliche Bildwiedergabevorrichtungen, wie etwa Katodenstrahlröhren (CRTs) oder Flüssigkristallanzeigen (LCDs), geschaffen werden können. Dies ist durch die Verbraucherforderung nach größeren Fernsehgeräten (TVs) und durch die Notwendigkeit hervorgerufen worden, daß ein großes Publikum entweder Shows oder in Konferenzen computererzeugte Darstellungen betrachtet.
LCDs, die für kleine Computersysteme und Endgeräte, speziell für Laptop-Computer und für tragbare Computer verwendet werden, verwenden für jedes Pixel auf der LCD einzelne Flüssigkristallzellen. LCDs sind temperaturempfindlich, mit großen Abmessungen schwierig zu produzieren, beim Zustandswechsel langsam und erfordern zum Betrachten äußere Lichtquellen.
Zur Überwindung der Größenbeschränkung von LCDs gab es Versuche zur Konstruktion von Projektionssystemen, die eine LCD als spatialen Lichtmodulator (SLM) verwenden. Leider sind verschiedene Probleme weiterhin vorhanden. Die LCD ist von Natur aus langsam und aus diesem Grund ist ein schnell wechselndes Bild unsauber ("verschmiert"). Die Auflösung der LCD ist durch die Komplexität der Ansteuerung beschränkt. Ferner erfordert die Komplexität der Ansteuerung außerdem, daß die Größe der LCD im allgemeinen proportional zur Auflösung ist. Dies bedeutet, daß die Projektionsoptik für ein System mit hoher Auflösung groß und dementsprechend teuer sein muß. Ein weiteres Problem besteht darin, daß das Licht, das durch die LCD durchgelassen wird (oder von dieser reflektiert wird) polarisiert ist. Dies kann eine nichtlineare Wahrnehmung der Bildhelligkeit von der Mitte des Bilds zum Rand hin zur Folge haben.
Das am meisten verbreitete Wiedergabesystem ist die CRT. In einer Katodenstrahlröhre wird ein Abtastelektronenstrahl mit einer veränderlichen Stromdichte über einen lichtemittierenden Phosphorschirm getastet. Dieser lichtemittierende Phosphorschirm wird durch den Elektronenstrahl beschossen und erzeugt Licht im Verhältnis zur Größe der Stromdichte des Elektronenstrahls. Katodenstrahlröhren können außerdem in einem Direktsichtmodus oder in einem Projektionsmodus verwendet werden. Sie besitzen jedoch verschiedene Nachteile. Ein erster dieser Nachteile sind die Kosten.
Die höheren Kosten werden durch die Schwierigkeiten beim Konstruieren großer Anzeigeröhren diktiert (gegenwärtig werden 45 Zoll-Röhren hergestellt). Ein weiterer Grund für die Kosten ist die gewaltige Menge von benötigten Rohstoffen (insbesondere Glas). Dies führt zu einer sehr schweren Anzeige, die nicht einfach zu transportieren ist.
Ein Problem bei CRTs ist außerdem die Auflösung. Dafür gibt es zwei Hauptgründe. Der erste bezieht sich auf die Lochmaske, die in Farb-CRTs verwendet wird. Eine Lochmaske wird verwendet, um die farbigen Phosphore zu trennen, die verwendet werden, um die drei Grundfarben (Rot, Blau und Grün) zu erzeugen und um die Führung des Elektronenstrahls zu unterstützen, der verwendet wird, um die Phosphore anzuregen. Die Helligkeit eines Pixels hängt von der Größe des Phosphorbildpunkts ab. Wenn jedoch die Größe des Phosphorbildpunkts erhöht wird, muß die Lochmaske größer gemacht werden und wird in stärkerem Maße sichtbar. Die Helligkeit hängt außerdem von der Ansteuerung des Elektronenstrahls ab. Wenn die Ansteuerung erhöht wird, erhöht sich auch die Helligkeit. Leider ist die Lochmaske ebenfalls auf den Elektronenstrahl empfindlich und wird sich bei hoher Ansteuerung thermisch deformieren. Das Bild ist dann sowohl durch die stärker sichtbar werdende Lochmaske als auch durch die Ablenkung des Elektronenstrahls zu einem unerwünschten Phosphor verschwommen.
Die zweite Auflösungsbegrenzung ist die Rasterung. Alle zu beleuchtenden Pixel werden sequentiell durch einen Elektronenstrahl abgetastet. Dieser Strahl streicht in einem Raster über die Phosphore hin und her. Der Strahl wird im allgemeinen abgeschaltet, wenn er über die Phosphore zurückspringt (bekannt als die Rücklaufzeit) und wird außerdem abgeschaltet, wenn er zum Startpunkt zurückkehrt (vertikales Dunkelsteuerungsintervall). Dies ist keine theoretische Begrenzung (alle Phosphorpunkte können erreicht werden) sondern es ist eine praktische Begrenzung. Der Grund liegt darin, daß die Fluoreszenz der Phosphore abzuklingen beginnt, sobald der Elektronenstrahl sich zur nächsten Stelle bewegt. Der Elektronenstrahl muß zurückkehren, bevor das menschliche Auge das Abklingen wahrnehmen kann, andernfalls wird das Bild flimmern. Als Ausgleich können Phosphore mit längerer Nachleuchtdauer verwendet werden, sie leiden jedoch unter einem Verwischungseffekt, wenn die Anzeigedaten sich ändern.
Die Rasterung besitzt einen weiteren heimtückischen Nebeneffekt. Sie setzt der wahrgenommenen Helligkeit einer Anzeige eine obere Begrenzung. Wie obenstehend erläutert ist, kann ein Phosphor nur für eine sehr kurze Zeitperiode angesteuert werden und wird dann beginnen abzuklingen. Wenn Phosphor stark angesteuert wird, beginnt es, größer zu werden (d. h. es beginnt, benachbarte Pixelstellen anzuregen), und die Anzeige verschwimmt. Wenn das Phosphor während einer ausgedehnten Zeitdauer ständig angeregt wurde, erscheint es heller, als wenn es nur während der Rasterperiode angeregt wurde. Der Grund besteht darin, daß das menschliche Auge eine Integrationszeit von ungefähr 0,1 Sekunden für helle Lichtquellen und ungefähr 0,2 Sekunden für gedämpfte Quellen besitzt.
CRT-gestützte Projektionssysteme besitzen nicht die Probleme der Lochmaske. Sie sind jedoch teuer, da sie gewöhnlich drei CRTs erfordern (jeweils eine für Rot, Blau und Grün). Sie leiden außerdem sehr unter einer geringen Helligkeit (da sie das erzeugte Bild vergrößern müssen). Dies gilt insbesondere, wenn eine einzelne CRT in einem Projektionsmodus verwendet wird. Jeder Typ weist alle Probleme auf, die mit dem Raster verbunden sind. Wenn sie in Konfigurationen mit Rückwärtsprojektion verwendet werden, sind sie außerdem aufgrund der komplexen optischen Wege, die erforderlich sind, sehr groß. Ein weiterer Nachteil von herkömmlichen Wiedergabesystemen besteht darin, daß sie grundsätzlich analog sind. Selbst wenn die anzuzeigenden Informationen in digitaler Form in einem Computer gespeichert sind, müssen sie in eine analoge Rasterabtastung umgesetzt werden, bevor sie in der Katodenstrahlröhre angezeigt werden können.
Weitere spatiale Lichtmodulatoren sind in Projektionsanzeigen verwendet worden. Die Verwendung eines spatialen Lichtmodulators zur Ansteuerung in einem Wiedergabesystem ist z. B. in den US-Patenten 4.638.309 und 4.680.579 an Ott gezeigt. Bei Ott wird eine verformbare Halbleiter-Spiegelvorrichtung in Verbindung mit einer optischen Schlierenvorrichtung verwendet, um den spatialen Lichtmodulator zu bilden. Verformbare Spiegelvorrichtungen sind in den US-Patenten 4.441.791, 4.710.732, 4.596.992, 4.615.595 und 4.662.746 gezeigt.
Eine weitere Anzeige, die ein Lichtventil verwendet, ist im US- Patent 3.576.394 an Lee gezeigt.
Verschiedene Informationen zu den Humanfaktoren bezüglich der kritischen Flimmerfrequenz sind in "Applied Optics and Optical Engineering" (1965), Band II (The Detection of Light and Infrared Radiation), von Rudolf Kingslake aufgezeigt.
Akustooptische Spektralfilter sind in IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Bd. su-23, Nr. 1, Januar 1976, S. 2-22 gezeigt.
Ein HDTV-System (High Density Television = hochauflösendes Fernsehen) ist im US-Patent 4.168.509 von Hartmann gezeigt.
Verschiedene Typen von TV-Tunern sind in US 3.918.002, 3.986.440, 4.031.474, 4.093.921 und 4.093.922 gezeigt.
Verschiedene mehrfrequenzempfindliche Werkstoffe für Anzeigen sind in SPIE Bd. 120 (Three-Dimensional Imaging, 1977), S. 62-67, "Present and Potential Capabilities of Three-Dimensional Displays Using Sequential Exitation of Fluorescence" von Carl M. Verber und IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. ED.-18, Nr. 9 (Sept. 1971), S. 724-732 "A True Three- Dimensional Display" von Jordan D. Lewis u. a., gezeigt.
Eine Art der Anzeige ist in Information Display, November/Dezember, 1965, S. 10-20, "Three Dimensional Display Its Cues and Techniques" von Petro Vlahos gezeigt.
Lasergestützte (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = Lichtverstärkung durch angeregte Emission von Strahlung) Projektionssysteme sind in der Technik wohlbekannt. Diese Systeme können außerdem fluoreszierende Pigmente mit unsichtbarem Laserlicht verwenden. Dies ist in SID Int. Symp. Digest, Artikel 10.1, Mai 1983, "Projection Display of Radar Image using Gas Laser and Organic Fluorescent Pugmant Screen" von H. Yamada, M. Ito, Y. Hagino und K. Miyaji gezeigt.
Weitere Einzelheiten zu verschiedenen Pigmenten können in Chemistry and Chemical Industry, Bd. 23, Nr. 3, 1970, "Increasing Application Field for Fluorescent Pigment" von R. Takano gefunden werden.
Lasergestützte Anzeigen arbeiten durch das Ablenken eines Strahls kohärenten Lichts, das durch einen Laser erzeugt wird, um ein Bild zu erzeugen. Die Ablenkeinheiten enthalten Vorrichtungen wie etwa schnellrotierende Spiegel und akustisch modulierte Ablenkeinheiten. Es gibt mit diesen Projektoren eine Reihe von Problemen, die verhindert haben, daß sie kommerziell nutzbar geworden sind.
Das erste dieser Probleme ist das Flimmern, das außerdem der erreichbaren Auflösung eine obere Begrenzung setzt (d. h. Anzahl der anzeigbaren Pixel). Aufgrund des Aufbaus der Ablenkeinheiten kann zu jedem gegebenen Zeitpunkt lediglich ein Lichtpunkt (Pixel) angezeigt werden. Es gibt außerdem kein Nachleuchten der Anzeige, da diese Ablenkeinheiten das Licht im allgemeinen auf eine Diffusionsfläche richten, die keine Mittel aufweist, um das Emittieren von Licht fortzusetzen, nachdem das Licht weg gelenkt wurde. Dies bedeutet, daß alle anzuzeigenden Punkte innerhalb einer Zeitperiode beleuchtet werden müssen, die kürzer als die kritische Flimmerfrequenz (CFF) des menschlichen Auges ist.
Ein zweites Problem ist das Laser-Tupfen (laser speckle). Dies Wird als ein zufälliges Interferenzmuster der Intensität angesehen, das aus der Reflexion oder dem Durchgang von stark kohärentem Licht von (oder durch) eine optisch rauhe Fläche resultiert (eine Fläche, deren lokale Unregelmäßigkeiten in der Tiefenrichtung größer als eine Viertelwellenlänge sind). Dieses Phänomen ist in Journal of the Optical Society of America, Bd. 66(11), 1976, S. 1316, "Topical issue on laser speckle" von N. George und D. C. Sinclair; Applications of Optical Coherence (W. H. Carter, Ed.), 1979, S. 86-94, "Role of coherence concepts in the study of speckle" von J. W. Goodman und Coherent Optical Engineering (F. T. Arecchi und V. Degiorgio, Eds.), 1977, S. 129-149, "Speckle interferometry" von A. E. Ennos behandelt.
Techniken zum Reduzieren des Tupfens sind außerdem in Journal of the Optical Society of America: Teil A, Bd. 5(10), 1988, S. 1767-1771, "Effect of luminance an photoptic visual acuity in the presence of laser speckle" von J. M. Artigas und A. Felipe und in Optics Communications, Bd. 3(1), 1971, "Elimination of granulation in laser beam projections by means of moving diffusers" von E. Schroder gezeigt.
Ein weiteres Problem ist die Erzeugung von Farbbildern. Dies erfordert die Verwendung von mehrfarbigen Lasern. Es gibt große technische Schwierigkeiten sowohl bei der Ausrichtung von mehreren Ablenkeinheiten als auch bei dem Bestreben, sie synchron zu halten, um die verschiedenen Farben an einer gegebenen Pixelstelle gleichzeitig anzuzeigen.
Wie in den oben genannten Artikeln und Patenten gezeigt ist, gab es Versuche, um dreidimensionale Anzeigen zu realisieren. Keine dieser Konstruktionen schafft eine tatsächlich wahre dreidimensionale Anzeige. Wie in den oben genannten Artikeln gezeigt ist, gab es ferner Versuche, um unter Verwendung von Lichtventilen, Lasern und verformbaren Spiegelvorrichtungen zweidimensionale Anzeigen zu realisieren. Keine dieser Konstruktionen schafft eine zweidimensionale Anzeige, die an viele unterschiedliche TV- und Computeranzeigeformate angepaßt werden kann, nach ein vollständig digitalisiertes Bildwiedergabesystem unter Verwendung von verformbaren Spiegelvorrichtungen.
EP-A-0 294 898 offenbart eine Fernsehprojektionseinrichtung mit einer Flüssigkristallmatrix. Ein Fernsehsignal bestimmt, ob jedes Element der Anzeige reflektierend ist oder nicht. Die Anzeige ist beleuchtet und ein Bild der Matrix wird auf einem Schirm erzeugt, wodurch das Fernsehbild reproduziert wird. Es werden Schaltzeiten der Elemente von weniger als 10 ms offenbart.
EP-A-0 114 553 offenbart ein Bildwiedergabesystem, das einen monochromen Lichtmodulator enthält, der durch eine Lampe beleuchtet wird. Ein Farbrad ist zwischen der Lampe und dem Modulator angeordnet und bewirkt, daß abwechselnd rotes, blaues und grünes Licht auf den Modulator auftrifft. Ein Signalverarbeitungssystem arbeitet wie folgt. Ein zusammengesetztes Bildsignal wird parallel in die parallelen Intensitäts- und Zweifarbdifferenzsignale zerlegt. Diese Signale werden in digitale 8-Bit-Signale umgesetzt, die in jeweiligen Speichern zwischengespeichert werden. Die Signale werden dann ausgelesen und zurück in analoge Signale umgesetzt. Die Intensitäts- und Farbdifferenzsignale werden dann in rote, grüne und blaue Signale umgesetzt, damit sie den Farben des Lichts entsprechen, das auf den Modulator auftrifft. Schließlich werden die roten, grünen und blauen Signale auf einem einzigen Leiter multiplexiert, der mit dem Eingang des Modulators verbunden ist. Jeder Rahmen des Bildssignals wird aus den Speichern mit der dreifachen normalen Geschwindigkeit dreimal ausgelesen und bei jedem Lesen sendet der Multiplexer lediglich die Informationen von einer der Farben. Das System ist so koordiniert, daß der Modulator die Informationen für jede Farbe empfängt und anschließend projiziert, wenn das Licht dieser Farbe auf ihm auftrifft. Das offenbarte Beispiel eines monochromen Projektors, der in diesem System verwendet werden kann, ist ein Projektor, bei dem das empfangene Signal mit einem Elektronenstrahl auf einen Ölfilm geschrieben wird, der zwischen zwei Beugungsgittern angeordnet ist.
US-A-4.006.298 offenbart eine Plasmatafelanzeige, bei der die Intensität jeder Zelle der Anzeige durch schnelles Ein- und Ausschalten und durch Steuern der Zeitdauer, während der die Zelle eingeschaltet ist, gesteuert wird. Durch Vorsehen einer Menge von sechs Perioden, wovon jede doppelt so lang wie die vorhergehende ist, und durch Einschalten oder Ausschalten der Zelle während jeder dieser Perioden als Antwort auf ein entsprechendes Bit eines Intensitätswertes für diese Zelle werden 64 Graupegel erreicht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Bildwiedergabesystem mit veränderlicher Helligkeit geschaffen, mit:
einer Lichtquelle zum Erzeugen sichtbaren oder unsichtbaren Lichts längs eines optischen Wegs;
einem spatialen Lichtmodulator, der im optischen Weg angeordnet ist und mehrere einzeln steuerbare Elemente besitzt; und
einer entfernten Fläche, auf der eine sichtbare Anzeige erzeugt wird, wobei jedes der Elemente des spatialen Lichtmodulators einen ersten Zustand, in dem es zuläßt, daß ein zugeordneter Teil des Lichts auf die entfernte Fläche auftrifft, und einen zweiten Zustand, in dem es verhindert, daß der zugeordnete Teil des Lichts auf die entfernte Fläche auftrifft, besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Wiedergabesystem Steuermittel enthält, die jedes Element zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand in einer Zeitperiode, die kleiner als die kritische Flimmerfrequenz des menschlichen Auges ist, in der Weise steuern, daß für jedes steuerbare Element eine gewünschte Wiedergabehelligkeit geschaffen wird,
und daß die Steuermittel so beschaffen sind, daß sie die gewünschte Intensität auf der entfernten Fläche durch Steuern des Verhältnisses der Zeiten, die jedes Element in seinen Zuständen verbringt, erzeugen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Anzeigen eines Bildes geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt:
Erzeugen von Licht längs eines optischen Wegs, und Vorsehen eines spatialen Lichtmodulators, der mehrere einzeln steuerbare optische Elemente in dem Weg enthält, um die Erzeugung des wiederzugebenden Bildes auf einer entfernten Fläche zu bewerkstelligen;
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt:
Schalten jedes Elements einzeln zwischen einem ersten Übertragungszustand und einem zweiten Nichtübertragungszustand und zwischen dem zweiten Zustand und dem ersten Zustand innerhalb einer Zeitperiode, die kürzer als die kritische Flimmerfrequenz des menschlichen Auges ist, in der Weise, daß an jedem entsprechenden Pixel des Bildes eine gewünschte Wiedergabeintensität geschaffen wird, wobei das Verhältnis der Zeiten, die jedes Element in seinen Zuständen verbringt, gesteuert wird.
Die hier gezeigten bevorzugten Ausführungsformen zeigen verschiedene Konzepte auf dem Gebiet der digitalisierten Videosysteme für zwei- und dreidimensionale Bilder. Es wird eine verformbare Spiegelvorrichtung gezeigt, die ein Bild oder ein Teil eines Bildes zum Anzeigen empfängt, während sie ein anderes Bild oder einen anderen Teil des Bildes anzeigt. Ein wahrhaftig dreidimensionales Videowiedergabesystem weist eine Anzeige auf, die entweder fest oder gasförmig sein kann.
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung schafft eine große kostengünstige Bildwiedergabeeinrichtung.
Eine Ausführung der Erfindung schafft eine leichte Bildwiedergabeeinrichtung.
Eine Ausführung der Erfindung eliminiert die Lochmaske.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie die Rasterung bei der optischen Wiedergabe von Bildern eliminiert.
Eine Ausführung der Erfindung schafft ein Bildwiedergabesystem mit einer kompakten Rückwärtsprojektion.
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung reduziert das Laser- "Tupfen" wesentlich.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft ein vollständig digitalisiertes Videosystem, das zwei- und dreidimensionale Bilder von Eingaben, die in vielen unterschiedlichen Formaten erfolgen, wiedergeben kann.
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung schafft eine vollständig digitalisierte Videowiedergabe, die zur Verwendung in aggressiven Umgebungen geeignet ist.
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung schafft ein elektronisches System für ein digitalisiertes Videosystem, das an zahlreiche unterschiedliche Typen von Anzeigen angepaßt werden kann.
Andere und weitere Vorteile sind in der Beschreibung der bevorzugten Ausführung sowie an deren Ende dargestellt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, worin:
Fig. 1a, 1b, 1c und 1d ein zweidimensionales digitales Videosystem zeigen, das eine verformbare Spiegelvorrichtung verwendet;
Fig. 2a, 2b und 2c ein zweidimensionales digitales Videosystem zeigen, das eine verformbare Spiegelvorrichtung und einen Laser verwendet;
Fig. 3 ein Blockschaltplan der Elektronik für ein digitalisiertes Videosystem ist;
Fig. 4 ein zweidimensionales digitalisiertes Bildsystem zeigt, das ein Farbbild erzeugen kann;
Fig. 5a, 5b und 5c graphische Darstellungen und ein Farbrad zeigen;
Fig. 6 eine zweidimensionale Anzeige zeigt;
Fig. 7 eine andere Ansicht der Anzeige von Fig. 6 zeigt;
Fig. 8 eine Draufsicht eines spatialen Lichtmodulators ist;
Fig. 9 ein Schaltplan einer Speicherzelle einer verformbaren Spiegelmatrix ist;
Fig. 10 ein Ablaufplan für die Elektronik von Fig. 3 ist;
Fig. 11 ein dreidimensionales digitalisiertes Wiedergabesystem zeigt;
Fig. 12 und 13 einen Zeiger für das System von Fig. 11 zeigen;
Fig. 14 einen Zeiger für das System von Fig. 11 zeigt;
Fig. 15 einen Zeiger für das System von Fig. 11 zeigt;
Fig. 16 einen Prozessor für eine mehrdimensionale Matrix zeigt; und
Fig. 17 eine Anzeige mit einer beweglichen Fläche zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Fig. 1a, 1b, 1c und 1d zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines zweidimensionalen digitalisierten Videosystems 75, das ein Bilderzeugungssystem 1 und einen Anzeigeschirm 2 aufweist. Der Anzeigeschirm 2 kann eine relativ flache Tafel eines geeigneten Werkstoffs sein, oder er kann einen geschwungenen Aufbau besitzen, um das reflektierte Licht zu einem Betrachter hin zu konzentrieren. Der Anzeigeschirm 2 kann wahlweise lichtdurchlässig sein, um eine Rückwärtsprojektion zu ermöglichen. Im Reflexionsmodus (oder Aufprojektionsmodus) kann der Anzeigeschirm 2 aus einem starren Werkstoff, wie etwa Kunststoff, Metall usw., bestehen und eine reflektierende Fläche aufweisen. Die Fläche kann ein mattbearbeitetes oder linsenförmiges Muster aufweisen, das in der Technik wohlbekannt ist. Im Rückwärtsprojektionsmodus kann der Anzeigeschirm 2 aus Glas oder einem lichtdurchlässigen Kunststoff aufgebaut sein und kann eine strukturierte Fläche aufweisen, um das Licht zu zerstreuen, das vom Bilderzeugungssystem 1 auf ihm auftrifft. Rückwärtsprojektionsschirme dieses Typs sind in der Technik wohlbekannt.
Eine Lichtquelle 10 wird verwendet, um Lichtenergie für die primäre Beleuchtung des Anzeigeschirms 2 zu erzeugen. Die Lichtquelle 10 kann einen herkömmlichen Aufbau haben, wie etwa eine Glühlampe, eine Halogenlampe, ein Lichtbogen oder eine weitere geeignete Form. Das Licht 9 wird weiter konzentriert und durch den Spiegel 11 zur Linse 12 gerichtet. Der Spiegel 11 kann jede geeignete Form, etwa eine Parabolform, eine Ellipsoidform usw., aufweisen.
Die Linsen 12, 13 und 14 bilden einen Strahlsäulenformer, der betreibbar ist, um das Licht 9 in eine Lichtsäule 8 zu formen. Dies erfolgt, um die Lichtenergie zu konzentrieren und um die Effektivität des Gesamtsystems zu erhöhen. Der Klappspiegel 20 wird verwendet, um das säulenförmige Licht 8 über den Weg 7 auf einen spatialen Lichtmodulator (SLM) 15 zu richten. Es können natürlich ohne von der Erfindung abzuweichen weitere Strukturen verwendet werden, um eine Quelle konzentrierter Lichtenergie auf einen SLM 15 zu richten.
Der SLM 15 ist betreibbar, um wahlweise Teile des Lichts vom Weg 7 zur Vergrößerungslinse 5 und zum Anzeigeschirm 2 umzulenken, um ein Bild zu erzeugen. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der SLM 15 von einem Typ, der als verformbare Spiegelvorrichtung (DMD) bekannt ist, die nachfolgend genau erläutert wird. Weitere SLNs (wie etwa Bragg-Zellen, LCDs usw.) könnten entweder im Reflexionsmodus (wie gezeigt) oder im Durchlaßmodus verwendet werden, vorausgesetzt, daß einzelne Lichtstrahlen bei einer ausreichend hohen Rate umgelenkt werden können. Die Wichtigkeit der Forderung von hohen Umschaltgeschwindigkeiten wird nachfolgend deutlich.
Der SLM 15 weist eine Fläche 16 auf, auf die Licht vom Weg 7 auftrifft. Die Fläche 16 weist eine Anzahl umschaltbarer Elemente (wie etwa das Element 17) auf, die steuerbar sind, um Licht zur Vergrößerungslinse 5 umzulenken. Wenn das Element 17 z. B. in der Ein-Stellung ist, wird ein Teil des Lichts vom Weg 7 längs des Wegs 6 zur Linse 5 umgelenkt, wo es vergrößert oder längs des Weges 4 gestreut wird und auf dem Anzeigeschirm 2 auftrifft, um ein beleuchtetes Pixel 3 zu bilden. Wenn das Element 17 in einer anderen Stellung ist, wird kein Licht zum Anzeigeschirm 2 umgelenkt und somit würde das Pixel 3 dunkel bleiben.
Der Computer 19 steuert die Funktion des SLM 15 über den Bus 18, um das Bild auf dem Anzeigeschirm 2 zu bilden, indem wahlweise Teile des Lichts im Weg 7 zu diesem umgelenkt werden. Der Bus 18 liefert die notwendigen Steuersignale und Bildinformationen vom Computer 19 zum Modulator 15. Der Computer 19 kann z. B. ein digitaler Signalprozessor sein (der nachfolgend genau erläutert wird).
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Fläche 16 eine Matrix verformbarer Spiegelzellen. Die verformbaren Spiegelzellen, die zur Verwendung in der Matrix 16 geeignet sind, sind in den Fig. 1b, 1c und 1d gezeigt. In Fig. 1b sind vier Zellen 17, 27, 37 und 47 gezeigt. Der Spiegel 32 der Zelle 17 ist durch das Scharnier 30 an der in der Fig. 1b gezeigten Stelle mit dem Modulator 15 verbunden. Wenn die Zelle 17 betätigt wird, wird der Spiegel 32 von seiner in der Fig. 1c gezeigten Stellung in seine Stellung gezogen, die in Fig. 1d gezeigt ist. Wenn die Zelle 17 in der unteren Stellung ist, richtet sie Licht längs des optischen Weges 6. Wenn der Spiegel in der oberen Stellung der Fig. 1c ist, wird der Teil des Strahls vom optischen Weg 7 vom optischen Weg 6 und von der Anzeige 2 weg gerichtet. Die weiteren Abschnitte der Matrix 16, die nicht schwenkbar sind, z. B. der Flächenabschnitt 34, richtet ebenfalls kein Licht zur Anzeige 2.
In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ist ersichtlich, daß Licht nur dann zum Anzeigeschirm 2 gerichtet wird, wenn ein Spiegel (wie etwa der Spiegel 32) in der unteren Stellung ist. Dies ist der Fall, weil andere Abschnitte der Matrix 16 (wie etwa der Flächenabschnitt 34) ebenfalls reflektierend sein können und der Anzeige eine optische Störung hinzufügen würden. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtweg 7 im wesentlichen senkrecht zum SLM 15 und der Lichtweg 6 verläuft unter einem Winkel. Weitere Ausführungsformen sind natürlich möglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Der Lichtweg 7 könnte z. B. unter einem Winkel zum SLM 15 verlaufen und der Lichtweg 6 könnte gebildet werden, wenn ein Spiegelelement, wie etwa das Element 32, in der oberen Stellung ist (oder senkrecht zum Flächenabschnitt 34). Vor der Linse 5 würde dann eine Schlierenstoppeinrichtung (Schlierenfalle) eingesetzt werden, um unerwünschtes Licht, wie etwa vom Flächenabschnitt 34, zurückzuhalten.
Fig. 2a zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines zweidimensionalen digitalisierten Wiedergabesystems der vorliegenden Erfindung. Es umfaßt ein Bilderzeugungssystem 50 und eine Anzeige 51. Die Anzeige weist ein Pixel 52 auf, das ein Pixel unter vielen Pixeln ist, die das Bild zur Anzeige auf dem Anzeigeschirm 51 aufbauen. Das Pixel 52 ist längs des optischen Wegs 53 von einem Bildvergrößerungssystem 54 angeordnet, das von einem geeigneten Typ ist, wie etwa ein Linsensystem, eine faseroptische Matrix usw.
Ein Laser 61 erzeugt einen Lichtstrahl 62. Eine Einrichtung zur Strahlerweiterung 60, die von jedem geeigneten Typ sein kann, dient dazu, um den Lichtstrahl 62 mit kleinem Durchmesser vom Laser 61 in einen Strahl 63 mit großem Durchmesser zu erweitern. Dieser Strahl wird dann längs des Wegs 64 durch den Klappspiegel 55 auf den SLM 56 abgelenkt. In dieser gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform weist der SLM 56 einen anderen Aufbau auf als jener, der in den Fig. 1a, 1b und 1c gezeigt ist (was nachfolgend deutlich wird, wenn die Fig. 2b und 2c erläutert werden). Die Spiegelelemente, wie etwa das Element 58 der Matrix 57, sind zwischen zwei Stellungen beweglich. In der "Ein"-Stellung lenkt das Element 58 ein Teil des Lichts vom Weg 64 längs des Wegs 66 zur Vergrößerungslinse 54, wobei es längs des Weges 53 vergrößert (gestreut) wird, um auf dem Anzeigeschirm 51 aufzutreffen, um das beleuchtete Pixel 52 zu bilden. In der "Aus"-Stellung wird das Licht längs des Weges 65 gerichtet, wobei es nicht auf den Anzeigeschirm 51 auftrifft.
Der Anzeigeschirm 51 kann einen herkömmlichen Aufbau besitzen, wie der Anzeigeschirm 2 von Fig. 1a. Wie jedoch im Abschnitt Hintergrund erläutert wurde, ist Lasertupfen die wahrscheinliche Folge, es sei denn, der Schirm 51 ist optisch eben. Aus praktischen Gründen, wie etwa Schwierigkeiten bei der Herstellung, ist dies unwahrscheinlich. Um den Sichtwinkel zu vergrößern, sollte ferner eine zerstreuende Fläche (wie etwa geschliffenes Glas) verwendet werden. Dies erhöht den Betrag des Tupfens, es sei denn, der Grad der Streuung bringt das auftreffende kohärente Licht nahezu vollständig aus der Phase. Leider hat dies den Nebeneffekt der Bildunschärfe und vermindert somit die scheinbare Auflösung. Das Tupfenproblem kann auf verschiedene Weise überwunden werden. Bilder, die auf dem Anzeigeschirm 51 erzeugt werden, sind aus mehreren Lichtstrahlen zusammengesetzt, die auf der Fläche gleichzeitig auftreffen. Aufgrund der Wirkung des Vergrößerungslinsensystems 54 hat ein gegebener Lichtstrahl beim Auftreffen auf den Schirm in bezug auf die anderen Lichtstrahlen einen etwas anderen Winkel. Ferner weist jeder Lichtstrahl eine etwas unterschiedliche Länge des Lichtwegs auf. Dies wird durch den Abstand zwischen allen Spiegelelementen der Matrix 57 zusätzlich verstärkt. Wegen der Unterschiede der jeweiligen Winkel und der Weglängen der gleichzeitig auftreffenden Lichtstrahlen ist die relative Phase der Strahlen beim Auftreffen auf den Anzeigeschirm 51 unterschiedlich. Dies hat den Effekt der Reduzierung der Gesamtkohärenz des Lichtbilds und reduziert auf diese Weise das scheinbare Tupfen, ohne die Auflösung zu verschlechtern.
Der Anzeigeschirm 51 weist außerdem einen Wandler 90 auf, der mit ihm verbunden ist. Der Wandler 90 erzeugt akustische Oberflächenwellen 91, die den Anzeigeschirm 51 in im wesentlichen parallelen Wellen überqueren. Ein zusätzlicher Wellenabsorber 92 absorbiert die Wellen, die den Anzeigeschirm 51 überquert haben, um Reflexionen zu vermeiden. In anderen Ausführungsformen kann der Wandler 90 bogenförmige oder kreisförmige Wellen erzeugen. Der Wandler 90 kann einen herkömmlichen Aufbau besitzen und ist vorzugsweise betreibbar, um Signale im Ultraschallbereich zu erzeugen, die außerhalb des Bereichs des menschlichen Hörens liegen. Die Amplitude der akustischen Oberflächenwellen 91 ist größer als eine Wellenlänge des Lichts. Dies dient nicht nur dazu, die jeweiligen Lichtstrahlen aus der Phase zu bringen, sondern außerdem dazu, einen einzelnen Strahl zu zerstreuen. Dies erfolgt, da der Winkel, bei dem der Strahl auf der Anzeigefläche 51 auftrifft (und somit der Winkel, bei dem der Strahl reflektiert oder gebrochen wird), aufgrund der akustischen Oberflächenwelle variiert. Der Anzeigeschirm 51 kann entweder im Aufprojektionsmodus oder im Rückwärtsprojektionsmodus verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Anzeigeschirm 51 Werkstoffe enthalten oder mit Werkstoffen beschichtet sein, die in der Technik bekannt sind, (wie etwa Uranylionen, Lanthanionen, Erbiumionen, organische tageslichtfluoreszierende Pigmente usw.), die eine optische Fluoreszenz aufweisen, wenn sie durch unsichtbares Licht angeregt werden. Der Laser 61 erzeugt entweder UV- oder IR-Licht (in Abhängigkeit von den gewählten Werkstoffen). Der Anzeigeschirm 51 wird vorzugsweise im Rückwärtsprojektionsmodus verwendet. Die Seite des Anzeigeschirms 51, die zum Betrachter zeigt (die der Seite gegenüberliegt, die zum Bildgenerator 50 zeigt), ist zusätzlich mit einem Werkstoff beschichtet, der das Licht vom Laser 61 absorbiert, um optische Gefährdungen zu minimieren. Wahlweise kann die Beschichtung das Licht reflektieren. Aus Gründen, die nachfolgend erläutert werden, besitzt der fluoreszierende Werkstoff eine Nachleuchtzeit, die im wesentlichen geringer ist als die der Phosphore, die in herkömmlichen CRTs verwendet werden.
Der SLM 56 ist durch einen Steuerungsbus 70 mit dem Computer 59 verbunden. Der Computer 59 steuert alle Spiegelelemente (wie etwa das Element 58) der Matrix 57. Diese Spiegelelemente werden zwischen den "Ein"- und den "Aus"-Stellungen umgeschaltet, um das Bild auf dem Anzeigeschirm 51 zu erzeugen.
In einer zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung ist der Computer außerdem mit dem Laser 61 verbunden. Der Laser 61 ist vom Mehrfachmodustyp oder vom abstimmbaren Typ, die in der Technik wohlbekannt sind. Der Computer 59 steuert die Ausgangslichtfrequenz des Lasers 61. Durch Techniken, die nachfolgend erläutert werden, kann durch eine zeitliche Folgesteuerung der durch den Laser 61 erzeugten Frequenzen eine Farbanzeige erzeugt werden. Der Anzeigeschirm 51 kann gleichfalls mehrere Werkstoffe aufweisen, die in Abhängigkeit von der Frequenz der auftreffenden Lichtstrahlen jeweils in einer unterschiedlichen Farbe fluoreszieren.
In Fig. 2b ist mit den verformbaren Spiegelzellen 48, 72, 73 und 74 ein Teil der Matrix 57 gezeigt. Lediglich die Zelle 48 ist genau erläutert. Der Spiegel 110 der Zelle 48 ist um die Drehscharniere 112 und 113 beweglich. Die Bewegung des Spiegels 110 ist in Fig. 2c am besten gezeigt. Der Spiegel 110 ist in bezug auf die Normalfläche 120 um eine Achse 116 von der in gestrichelten Linien 118 gezeigten Stellung zu der durch die gestrichelte Linie 134 gezeigten Stellung beweglich.
In der "Ein"-Stellung berührt die Kante 120 des Spiegels 116 die Aufsetzelektrode 122. Der Spiegel 110 wird durch das Anlegen einer geeigneten Spannung an die Steuerelektrode 124 in die "Ein"-Stellung bewegt. Die Spannung an der Elektrode wird an die positive Elektrode 128 und über den Inverter 129 an die negative Elektrode 130 angelegt. Über eine Elektrode 132 wird eine Differentialvorspannung an den Spiegel 130 angelegt. In der durch die Linie 118 gezeigten Stellung lenkt der Spiegel 130 einen Teil des Lichtstrahls vom optischen Weg 64 längs des optischen Wegs 66 durch das System 54 längs des optischen Wegs 53 zum Pixel 52 auf der Anzeige 51. Wenn eine negative Spannung (die "Aus"-Stellung) an die Elektrode 124 angelegt wird, dreht sich der Spiegel 110 in die Stellung, die in Fig. 2c durch die gestrichelte Linie 134 dargestellt wird, und lenkt einen Teil des Lichtstrahls längs des optischen Wegs 65.
In Fig. 3 ist eine Signalquelle 140, die beispielsweise ein TV- Tuner sein kann, wie etwa jene Quellen, die obenstehend eingeschlossen sind, über einen Bus 142 mit einem elektronischen System 144 verbunden. Der Bus 142 ist mit einem Analog- Digital- (A/D) Umsetzer 146 verbunden. Das analoge Signal, das am A/D-Umsetzer 146 vom Bus 142 empfangen wird, wird durch den A/D-Umsetzer 146 in digitale Codes auf dem Bus 148 umgesetzt. Diese digitalen Codes sind Darstellungen der Chrominanz- und Luminanzinformationen jedes Pixels eines Bilds. Der Bus 148 leitet die digitalen Codes vom Umsetzer 146 zu einem Pufferspeicher 150. Die digitalen Codes vom Umsetzer 146 werden in den Pufferspeicher 150 eingespeichert. In einem anderen Modus können digitale Codes oder Informationen über den Bus 152 beispielsweise von einem Computer oder einem Graphiksystem in den Pufferspeicher 150 geladen werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung könnten tatsächlich alle Informationen über den Bus 152 kommen, und die Signalquelle 140, der Bus 142 und die Umsetzer 146 und 148 würden nicht benötigt werden.
Der Pufferspeicher 150 kann ein Schreib-Lese-Speicher (RAM) mit Einzelport sein. In diesem Fall kann die Busarbitrierung zwischen den Bussen 148, 156 und 152 in einer herkömmlichen Weise durch DNA-(Speicherdirektzugriff) Controller bewältigt werden, wie in der Technik wohlbekannt ist. Erste Priorität erhält der Bus 148 (da es keinen praktischen Weg gibt, die Daten zu stoppen, die von der Signalquelle 140 ankommen). Der Bus 156 erhält die zweite Priorität, denn er muß die Anzeigedaten sehr schnell erhalten. Alternativ kann der Pufferspeicher 150 wegen einem erhöhten Durchsatz vom Typ Doppelport oder Dreifachport sein. Der Aufbau eines Speichers mit Mehrfachport ist ebenfalls in der Technik wohlbekannt.
Die digitalen Codes oder Informationen stellen gemeinsam ein Bild dar, das anzuzeigen ist. Die digitalen Codes im Pufferspeicher 150 werden über den Bus 156 zu einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 154 übertragen. Die CPU kann ein Standard-Mikroprozessor, wie etwa ein TMS 99000 (hergestellt durch Texas Instruments), oder besser ein digitaler Signalprozessor (DSP) sein, z. B. TMS 320C10, TMS 320C20, TMS 320C25 und TMS 320C30. Einzelheiten zur Verwendung und zum Aufbau dieser DSPs sind in Digital Signal Processing - Products and Applications "Primer" (1988), TMS 320C1x Benutzerhandbuch (1987), TMS 320C10 Benutzerhandbuch (1983), TMS 320C2x Benutzerhandbuch (1987), TMS 320C20 Benutzerhandbuch (1986), TMS 320C25 Benutzerhandbuch "Preliminary" (1986) und TMS 320C30 Benutzerhandbuch (1988) gegeben.
Die CPU 154 ist über den Bus 158 mit einem Videospeicher 160 verbunden, der vorzugsweise aus Video-DRAMs (VRAMs) aufgebaut ist, wie etwa dem TMS4461 von Texas Instruments, Inc., Dallas, Texas. Es werden vorzugsweise mehrere VRAMs verwendet, wobei die schnellen seriellen Ausgänge jedes VRAM einigen der Spalten der auf dem Anzeigeschirm 178 erzeugten Anzeige entsprechen. Dies erfolgt in dieser Weise, um die Belastungsbandbreite des ebenen Projektors 172 zu erhöhen. Der Grund für die Notwendigkeit einer großen Belastungsbandbreite wird aus dem nachfolgenden Erläuterungen deutlich.
Die CPU 154 decodiert die Videoinformationen, einschließlich Chrominanz und Luminanz, in den Informationen vom Speicher 150. Die CPU 154 ist so programmiert, daß sie aus diesen Informationen ein Bild extrahiert und dieses Bild einschließlich Chrominanz und Luminanz im Videospeicher 160 speichert. Das Bild kann außerdem durch die CPU 154 entsprechend der Befehle vom Bus 162 oder unter der Steuerung ihres Programms modifiziert werden. Der Pufferspeicher 150 und der Videospeicher 160 umfassen einen Speicher 164 und könnten als ein einziger Speicher aufgebaut sein. Ferner könnte der Videospeicher 160 von einem Graphiksystem oder von einem Computer 160 über den Bus 168 direkt geladen werden.
Das elektronische System 144 und das Projektionssystem 172 umfassen ein Bilderzeugungssystem 174, das das Bilderzeugungssystem 1 von Fig. 1a verwenden kann, wobei der spatiale Modulator 15 über den Bus 18 mit dem Videospeicher 160 verbunden ist. In der gleichen Weise kann der Speicher 160 über den Bus 70 mit dem Modulator 56 von Fig. 2a verbunden sein. Mit anderen Worten weist das Bilderzeugungssystem, das in Fig. 3 gezeigt ist, mehr Einzelheiten der Elektronik auf, und die Fig. 1a und 2a weisen mehr Einzelheiten bezüglich der Optik auf, und alle verschiedenen Ausführungsformen, die hier offenbart sind, können unter Verwendung der hier gegebenen Lehren kombiniert werden, um verschiedene digitalisierte Wiedergabesysteme aufzubauen. Das im Speicher 160 gespeicherte Bild wird über den Bus 170 zum Projektionssystem 172 übertragen, damit es wie in den Systemen, die in den Fig. 1a bis 1d und 2a bis 2c gezeigt sind, über einen optischen Weg 176 an der Anzeige 178 wiedergegeben wird.
Aus den obenstehenden Beschreibungen ist ersichtlich, daß das Projektionssystem 172 ein ebener Projektor ist. Mit anderen Worten werden alle Pixel, die auf dem Anzeigeschirm 178 anzuzeigen sind, gleichzeitig beleuchtet anstatt sequentiell durch ein Raster angezeigt zu werden. Ferner kommt die Dateneinspeisung des Projektors 178 vom Speicher 160, wobei ankommende Daten im Pufferspeicher 150 gepuffert werden. Somit ist die Datenrate zum Projektor 172 vollständig unabhängig von der Eingangsrate von der Signalquelle 140. Dies ermöglicht, daß die vorliegende Erfindung von der Rasterrate unabhängig ist.
In den Vereinigten Staaten ist die Fernsehsendenorm NTSC. Dieser erfordert eine Zeilen-Folgefrequenz von 60 Hz. In anderen Ländern können die Folgefrequenzen 50 Hz. betragen. Die Rasterrate ist natürlich direkt mit der Folgefrequenz verknüpft. Insbesondere Europa verwendet PAL und SECAM als Normen, die 50 Hz-Raten aufweisen. Da die vorliegende Erfindung von der Rasterrate und der Folgefrequenz unabhängig ist, kann sie in jedem Land beliebig verwendet werden. Die CPU 154 muß lediglich die Frequenz des Synchronisationssignals erfassen (oder muß Burst oder andere bekannte Techniken verwenden), um zu bestimmen, wie die Daten im Speicher 160 zu speichern sind. In einer alternativen Ausführungsform ist ein Schalter vorgesehen, um dem Benutzer zu ermöglichen, die verwendete Norm zu wählen. In einer weiteren Ausführungsform würde die Signalquelle 140 die CPU 154 mit einem Signal versorgen, das mit der abgestimmten Sendefrequenz verbunden ist, um die CPU 154 über die verwendeten Sendenorm zu informieren.
In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der SLM, der im Projektionssystem 172 verwendet wird, eine Matrix von 1280 · 800 Zellen. Somit besitzt die Bildwiedergabe auf dem Anzeigeschirm 178 eine Auflösung von 1280 · 800 Pixeln (jedes Pixel entspricht einer Zelle). Natürlich kann in Abhängigkeit von der Anwendung jede Größe gewählt werden.
Die NTSC-Sendenorm besitzt eine Bildauflösung von ungefähr 320 · 200 Pixeln. Ein einfacher Weg der Anzeige von NTSC-Daten auf der Anzeige der vorliegenden Erfindung würde darin bestehen, für jedes der Pixel eine Untermatrix aus 16 Zellen (eine 4 · 4 Untermatrix) zu steuern. Dies würde jedoch dazu neigen, daß ein vergrößert projiziertes Bild sehr grob erscheint. In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform werden die NTSC- Daten, die in den Pufferspeicher 150 geladen werden, durch die CPU 154 verarbeitet, bevor sie in den Speicher 160 geladen werden. Diese Verarbeitung verwendet den wohlbekannten Nächster-Nachbar-Algorithmus, um sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung dazwischenliegende Anzeigepixel zu interpolieren, da wenigstens ein vollständiger Datenrahmen (oder wenigstens mehrere Datenzeilen) im Pufferspeicher 150 gespeichert werden kann. Somit werden durch die CPU 154 für jedes Pixel der NTSC-Daten 15 zusätzliche Pixel berechnet. Zusätzliche und/oder alternative Verarbeitungen, einschließlich andere Algorithmen als der gegenwärtig bevorzugte Nächster- Nachbar-Algorithmus können verwendet werden. Dies dient zum Glätten des Bildes und erhöht die scheinbare Auflösung.
Gleichfalls wendet die CPU 162 dann, wenn die ankommenden Daten eine größere Bildauflösung aufweisen als durch den Projektor 172 angezeigt werden kann (d. h. größer als die Anzahl der Zellen der SLM), Verarbeitungsroutinen an den Daten im Pufferspeicher 150 an, bevor die Ergebnisse im Speicher 160 gespeichert werden. Diese Verarbeitung basiert wiederum auf dem Betrachten einer Matrixuntermenge (d. h. die horizontal und vertikal benachbarten Pixel) der Bilddaten im Pufferspeicher 150. Anschließend wird ein berechnetes Pixel zur Wiedergabe durch den Projektor 172 auf dem Anzeigeschirm 178 an den Speicher 160 ausgegeben. Da jedes anzuzeigende Pixel berechnet wird, gibt es keine Notwendigkeit, daß die Größe der Auflösung der ankommenden Daten irgendein ganzzahliges Vielfaches der Anzeigeauflösung sein muß. Auf diese Weise ist die vorliegende Erfindung in dieser Ausführungsform sowohl bei der Datenrate als auch bei der Auflösung vollständig normunabhängig.
Fig. 4 erläutert eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 4 weist das Bilderzeugungssystem 210 ein Elektroniksystem 212 und die Projektion 214 auf. Dies ist ein Farbsystem mit einem grünen Laser 216, einem roten Laser 218 und einem blauen Laser 220. Der grüne Laser 216 erzeugt einen Strahl grünen Lichts längs des optischen Wegs 222. Der rote Laser 218 erzeugt einen Strahl roten Lichts längs des optischen Wegs 224. Der blaue Laser 220 erzeugt einen Strahl blauen Lichts längs des optischen Wegs 226. Ein Kombinierspiegel 228 läßt das grüne Licht vom optischen Weg 220 zum optischen Weg 230 durch und lenkt das rote Licht vom optischen Weg 224 zum optischen Weg 230 um. Ein weiterer Kombinierspiegel 232 ist längs des optischen Wegs 230 angeordnet, um das grüne und rote Licht vom optischen Weg 230 zum optischen Weg 234 durchzulassen und um das blaue Licht vom optischen Weg 226 zum optischen Weg 234 umzulenken.
Eine Einrichtung zur Strahlerweiterung 236 erweitert das Licht vom optischen Weg 234 in einen Strahl mit größerem Durchmesser längs des optischen Wegs 238. Das Licht vom optischen Weg 238 wird vom Spiegel 240 auf einen spatialen Lichtmodulator 242 reflektiert, der eine verformbare Spiegelvorrichtung sein kann, wie etwa die in den Fig. 2b und 2c gezeigte Einrichtung. Der Spiegel 240 lenkt das Licht vom Weg 238 zum optischen Weg 250 um. Das Licht vom Weg 250 trifft auf den spatialen Lichtmodulator 242 auf. Wenn die Steuersignale vom Speicher im Elektroniksystem 212 (lediglich das Computersystem 243 und der Bus 244 sind gezeigt) eine positive Spannung an die verformbare Zelle 246 angelegt haben, dreht sie sich nach links (wie in Fig. 4 gezeigt ist) oder nach rechts, wenn eine negative Spannung angelegt ist. Wenn die Steuersignale vom Speicher im Elektroniksystem 212 (lediglich das Computersystem 243 und der Bus 244 sind gezeigt) eine negative Spannung an die verformbare Zelle 248 angelegt haben, dreht sie sich nach rechts (wie in Fig. 4 gezeigt ist) oder dreht sich nach links, wenn eine positive Spannung angelegt ist. Dies wird außerdem etwas genauer nachfolgend in den Fig. 8 und 9 erläutert.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird der Teil des Lichts vom optischen Weg 250, der der Zelle 246 zugeordnet ist, längs des optischen Wegs 252 umgelenkt. Der optische Weg 252 schneidet das Projektionssystem 254 oder die Anzeige (oder den Schirm) 256 nicht. Der Teil des Lichts vom Weg 250, der der Zelle 248 zugeordnet ist, wird längs des optischen Wegs 258 umgelenkt. Der optische Weg 258 schneidet die Projektionsoptik 254. Der Lichtstrahl, der von der Zelle 248 längs des optischen Wegs 248 umgelenkt wird, wird erweitert und durch die Projektionsoptik 254 gemeinsam mit allen anderen Zellen (nicht gezeigt) im spatialen Lichtmodulator 242, die so gedreht sind, daß sie Licht zur Projektionsoptik 254 lenken, auf die Anzeige 256 gelenkt. Dies erzeugt ein Bild auf der Anzeige 256, die längs des optischen Wegs 260 von der Projektionsoptik 254 angeordnet ist. Die Laser 216, 218 und 220 werden nacheinander durch das Elektroniksystem 212 betätigt. Der Computer 243 lädt die geeigneten Informationen für jede Farbe. Wenn beispielsweise der grüne Laser 216 zu betätigen ist, werden die Informationen des grünen Teils des Bilds in den Modulator 242 geladen. Dies wird nachfolgend genau erläutert. Die Projektionsoptik 254 könnte z. B. ein Linsensystem oder eine faseroptische Matrix sein.
Die kritische Flimmerfrequenz (CFF) des menschlichen Auges wird in der vorliegenden Erfindung berücksichtigt. Die CFF ist die Frequenz, bei der das Auge nicht mehr in der Lage ist, ein flimmerndes Bild (d. h. schnelle Wechsel von dunkel nach hell) als einzelne Blitze, sondern statt dessen als eine ununterbrochene Lichtquelle wahrzunehmen. Diese Frequenz verändert sich, wenn sich die Intensität der Quelle verändert. Die CFF beträgt beispielsweise bei geringer Helligkeit (Netzhautbeleuchtung von 1,6 Photonen) ungefähr 5 Hz. Bei höheren Pegeln der Luminanz (Netzbeleuchtung von 5 Photonen) ist die CFF größer als 60 Hz. Das Auge besitzt eine Integrationszeit von 100 bis 200 Millisekunden (abhängig von der Intensität), bevor es die relative Intensität einer Lichtquelle genau wahrnehmen kann. Deswegen kann die Helligkeit für jedes Pixel, das durch das System der vorliegenden Erfindung angezeigt wird, durch schnelles Modulieren einer konstanten Lichtquelle verändert werden.
In ähnlicher Weise besitzt das Auge außerdem eine Integrationszeit für die Farbe. Dies bedeutet, daß bei einer Aufeinanderfolge von mehreren Farben das Auge diese in eine einzige Farbe mischt. Wenn beispielsweise die Grundfarben Rot, Grün und Blau schnell aufeinanderfolgen, sieht das Auge eine weiße Quelle. Durch Verändern der Intensität jeder Grundfarbe (einschließlich durch die Zeitmodulation, die obenstehend erläutert wurde) kann eine beliebige Farbe gewählt werden.
Der SLM der vorliegenden Erfindung kann bei einer sehr hohen Rate moduliert werden. Die Spiegelzellen haben beispielsweise eine Umschaltzeit zwischen Aus und Ein von ungefähr 10 Mikrosekunden. Die Matrix ist gleichfalls in der Lage, Steuerdaten bei einer sehr hohen Rate aufzunehmen. Wie dies erreicht wird, ist in den Fig. 8 und 9 gezeigt. In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann während einer Zeitperiode von 20 Mikrosekunden die gesamte Spiegelzellenmatrix der SLM geladen und jede Zelle kann umgeschaltet werden.
Als Folge dieser Fähigkeit zum schnellen Umschalten kann der SLM der vorliegenden Erfindung jedes Pixel bei einer Datenrate modulieren, die 833 mal schneller ist als die CFF eines hellen Bildes. Bei geringeren Pegeln der gewünschten Luminanz ist die Differenzrate natürlich viel höher. Aufgrund dieser Geschwindigkeit kann die vorliegende Erfindung einen weiten dynamischen Bereich sowohl der Chrominanz als auch der Luminanz erreichen.
Ein Beispiel dafür, wie unterschiedliche Luminanzpegel erreicht werden, ist in Fig. 5a gezeigt. Wegen der Einfachheit wird angenommen, daß jede Zeitperiode (T1, T2, ... T25) vier Millisekunden beträgt, obwohl der SLM der vorliegenden Erfindung viel schneller arbeitet, wie festgestellt wurde. Dies erfolgt, um lediglich zu erläutern, daß verschiedene Luminanzpegel selbst bei diesen geringen Raten erreicht werden können und trotzdem schneller als die kritische Flimmerfrequenz sind. Jeder große Zeitschritt (der vier Zeitscheiben von jeweils vier Millisekunden entspricht) stellt die gleiche Pixelstelle auf den Schirm und die gewünschte Intensität dar, die von der Signalquelle empfangen wird. Die horizontalen Linien stellen das Signal dar, das zum SLM geliefert wird. Wenn die horizontale Linie z. B. in der unteren Lage ist, lenkt der SLM kein Licht zum Anzeigeschirm und wenn die horizontale Linie in der höheren Lage ist, wird das Licht zum Anzeigeschirm gelenkt.
Der erste große Schritt (der die Zeitscheiben T2 bis T5 umfaßt) zeigt den SLM, wenn er kein Licht zum Schirm richtet. Somit würde der angezeigte Ort des Pixels nicht beleuchtet. Während des zweiten großen Schrittes (der T6 bis T9 umfaßt) ist das Pixel vollständig beleuchtet und wäre in seinem Zustand mit der größten sichtbaren Helligkeit. Der nächste Schritt (dargestellt durch T10 bis T13) erläutert die halbe Intensität. Mit anderen Worten wird Licht während der Hälfte der Gesamtzeit nicht zum Schirm gerichtet und während der Hälfte der Zeit wird es zum Schirm gelenkt.
Die nächsten zwei großen Schritte (dargestellt durch T14 bis T17 und T18 bis T21) weisen gleiche Intensitäten auf. Dies bedeutet, daß die wahrgenommene Intensität des Lichts heller ist als im vorhergehenden Schritt, jedoch geringer als im zweiten Schritt. Das Auge kann jedoch die Schrittspanne T18 bis T21 als geringfügig heller empfinden als die von T14 bis T17. Dies ist so, da das Auge eine Integrationszeit der Intensität besitzt. Da es eine ausgedehnte Periode gibt (T15 bis T20), in der das Licht eingeschaltet ist, beginnt das Auge das Licht bei einem hohen Pegel der Helligkeit zu integrieren und kann demzufolge die Periode T18 bis T21 als heller wahrnehmen. Somit können Veränderungen im Muster verwendet werden, um den scheinbaren dynamischen Bereich der Helligkeit weiter zu erhöhen.
Fig. 5b erläutert, wie dieser dynamische Bereich weiter ausgedehnt werden kann. Während jedem von diesen großen Zeitschritten (T2 bis T5, T6 bis T9, usw.) wird die eigentliche Lichtquelle in der Intensität moduliert. Während das gezeigte Muster ein Sägezahn ist, können beliebige Muster verwendet werden, wie etwa logarithmische, exponentielle usw. Aus dem gemeinsamen Betrachten der Fig. 5a und 5b kann erkannt werden, daß die empfundene Helligkeit des Schritts T10 bis T13 größer sein würde als die von T22 bis T25, selbst obwohl beide Schritte zwei Ein- und zwei Aus-Phasen aufweisen.
Die Modulation der Lichtquelle kann auf vielfältige Weise erreicht werden. Im lasergestützten Projektionssystem von Fig. 2a kann z. B. der Laser entweder durch den Computer 59 oder weitere Schaltungseinrichtungen gesteuert werden, um seine Intensität des erzeugten Lichts schnell zu verändern. Bei Generatorsystemen mit herkömmlicher Lichtquelle, die in Fig. 1a gezeigt sind, könnte ein Rad mit variabler Rasterung, wie etwa jenes, das in Fig. 5c gezeigt ist, vor dem SLM 15 im Lichtweg gedreht werden. Dieses sich drehende Rad könnte vorzugsweise zwischen der Lichtquelle 10 und der Linse 12 angeordnet sein, um die Aufrechterhaltung des säulenförmigen Strahls zu unterstützen.
Farbe kann hinzugefügt werden, indem unterschiedliche Grundfarben (z. B. Rot, Grün und Blau) während eines Zeitintervalls aufeinander folgen, das kleiner als die CFF-Zeit ist. Das Auge wird zeitlich unterschiedliche Farben in eine einzige Farbe integrieren, wenn sie sich schnell genug abwechseln. Dem System von Fig. 1a kann Farbe hinzugefügt worden sein, indem ein Rad, wie etwa jenes, das in Fig. 5c gezeigt ist, im Lichtweg gedreht wird, der zum SLM 15 führt. Wenn es in dieser Weise verwendet wird, wirkt jeder Hauptsektor des Rads von Fig. 5c als ein unterschiedliches Farbfilter. Ein Abschnitt würde z. B. alles außer Rot filtern, der nächste alles außer Blau und der dritte alles außer Grün. Auf diese Weise würde ein einziges Rad sowohl die Helligkeitssteuerung als auch die Farbsteuerung ermöglichen. Das in Fig. 5c gezeigte Rad dient lediglich der Erläuterung, da das Rad in mehrere Farbabschnitte unterteilt sein könnte oder könnte aus Keilen bestehen oder es könnten weitere Konfigurationen geeignet sein. Andere Ausführungsformen könnten andere Filtersysteme verwenden, wie etwa akustooptische Spektralfilter.
Dem System von Fig. 2a könnte Farbe hinzugefügt werden, indem ein Laser mit Mehrfachmodus oder ein abstimmbarer Laser 61 verwendet wird. Jede Farbe könnte gewählt werden, indem der Laser 61 bei einer relativ schnellen Rate auf eine andere Frequenz abgestimmt wird. Das in Fig. 4 gezeigte System weist natürlich drei Farblaser auf (216, 218 und 220). Diese würden folgegesteuert sein. Alternativ könnten alle Pixel einer gegebenen Farbe (die von verschiedenen Kombinationen der drei Laser 216, 218 und 220 abgeleitet ist, die gleichzeitig Licht bei unterschiedlichen Intensitäten erzeugen) gleichzeitig angezeigt werden. Der nächste Satz von Pixeln einer anderen Farbe oder Intensität würden angezeigt, usw. Natürlich könnten Pixel von unterschiedlicher Helligkeit, aber von derselben Farbe durch die Technik des Modulierens des SLM innerhalb der Zeitscheiben behandelt werden, wie obenstehend erläutert ist.
Andere Abläufe als die obenstehend erläuterten sind möglich. Zum Beispiel neigen blaue Lichtquellen (wie etwa der Laser 220 von Fig. 4) danach, bei gleicher Lichtausbeute teurer zu sein als rote oder grüne. Es wäre somit besser, einem Muster zu folgen, wie etwa rot, blau, grün, blau, rot, usw.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die Farbe hinzufügt, besteht darin, drei Projektoren optisch zu kombinieren, wie etwa jene die in den Fig. 1a und 2a gezeigt sind, so daß ein einziges Bild erreicht wird. Jeder der Projektoren würde lediglich für eine der Grundfarben verantwortlich sein.
Die Fig. 6 und 7 sind ein weiteres Beispiel einer nützlichen Projektionsoptik 310. Eine Lichtquelle 312 erzeugt einen Strahl von im wesentlichen parallelem Licht längs des optischen Wegs 314. Der spatiale Lichtmodulator 316 ist längs des optischen Wegs 314 angeordnet. Wie bei den anderen spatialen Lichtmodulatoren wird ein Teil des Lichts längs eines optischen Wegs 316 zur Anzeige 320 geleitet, um ein Bild zu erzeugen, und der Rest des Lichts wird nicht in dieser Weise geleitet. In Fig. 7 wird dieser Rest des Lichts längs des optischen Wegs 322 geleitet und durch die Platte 324 aufgenommen und erreicht die Anzeige 320 nicht. Eine sägezahnförmige Linse 326, die ein einzelnes Stück gegossenen Kunststoffs sein kann, ist längs des optischen Wegs 318 angeordnet. Das Licht wird, wenn es empfangen wird, längs des optischen Wegs 328 parallel reflektiert, das Bild ist jedoch in vertikaler Richtung vergrößert, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Es wird auf die Unterschiede in der Breite zwischen den gestrichelten Linien der optischen Wege 318 und 328 hingewiesen. Das Licht, das längs des optischen Weges 328 reflektiert wird, wird auf eine sägezahnförmige Linse 330 geleitet. Das Licht, das von der Linse 330 auf die Anzeige 320 reflektiert wird, ist immer noch parallel, ist jedoch in horizontaler Richtung vergrößert, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Die Linse 330 ist hinter der Anzeige 320 angeordnet, in Fig. 7 ist lediglich ein Abschnitt gezeigt und sie ist in Fig. 6 besser gezeigt. In Fig. 6 ist das Projektionssystem 310 von Fig. 7 durch den ebenen Projektor 332 ersetzt worden. Die Linse 326 vergrößert das Licht vom optischen Weg 318 in der X-Richtung und die Linse 330 vergrößert das Licht vom optischen Weg 326 in der Y-Richtung. Das Licht wird von der Linse 330 in der Z-Richtung zur Anzeige 320 reflektiert. Die Linsen 326 und 330 sind sägezahnförmig oder treppenförmig, was am besten in Fig. 6 aus der Seitenansicht der Linse 326 ersichtlich ist. Jede Stufe weist eine reflektierende Fläche, z. B. die Fläche 340, sowie eine nichtreflektierende Fläche 342 auf. Die reflektierenden Flächen können gerade verlaufen (wie gezeigt ist) oder können wahlweise geschwungen sein. Eine geschwungene Reflektionsfläche wird einen auftreffenden Lichtstrahl spreizen oder vergrößern. Wenn die geschwungene Ausführungsform verwendet wird, könnte die Notwendigkeit entfallen, den Strahl in mehrere schmale Strahlen zu unterteilen, da die gewünschte Vergrößerung trotzdem auftritt. Die Linsen 326 und 330 sind deswegen an einem Ende schmal (das in Fig. 7 gezeigte untere Ende) und am anderen Ende dicker (das in Fig. 7 gezeigte obere Ende).
Wenn im Wiedergabesystem der Fig. 6 und 7 säulenförmig gebündeltes Licht verwendet wird, hat die Vergrößerung tatsächlich mehrere voneinander beabstandete kleinere Lichtstrahlen zur Folge, die auf die Anzeigefläche auftreffen. In der bevorzugten Ausführung ist die Anzeigefläche eine stark streuende Fläche (wie etwa geschliffenes Glas), die dazu dient, daß die Strahlen miteinander verschmelzen, um ein größeres Pixel zu bilden. In einer alternativen Ausführungsform kann die Anzeigefläche, wie obenstehend erläutert ist, mit Pigmenten beschichtet sein, die bei der Anregung durch auftreffendes Licht fluoreszieren.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist ein spatialer Lichtmodulator 410, der eine verformbare Spiegelvorrichtung 412 ist, auf einem einzelnen Substrat aufgebaut. Die Einzelheiten des Aufbaus der verformbaren Spiegelvorrichtungen sind in den oben bezeichneten Patenten dargestellt. Der Taktgeber für die Vorrichtung 412, beispielsweise die Taktgeberschaltung 414, kann an einer oder an mehreren Stellen angeordnet sein. Eine Flächenmatrix 416 verformbarer Spiegelzellen ist gezeigt. Die Zellen können jene sein, die in den Fig. 2b und 2c gezeigt sind und in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die Matrix ist mit 1280 · 840 Zellen gezeigt, sie kann jedoch jede geeignete Form aufweisen, z. B. rechteckig oder kreisförmig und kann jede geeignete Größe besitzen, wie etwa 320 · 200 Zellen. Ein Register 418 ist zwischen der Taktgeberschaltung 414 und der Matrix 416 längs der Oberseite der Matrix 416 angeordnet (wie in Fig. 8 gezeigt ist). Das Register 418 kann ein Schieberegister sein und kann aus verschiedenen unterschiedlichen Registern aufgebaut sein. Das Register hat eine Anzahl von Abgriffen 420, z. B. 10 oder 100, wenn dies notwendig ist, um zu sichern, daß das Register bei der geforderten Geschwindigkeit geladen werden kann. Die Abgriffe sind mit einem Bus verbunden (wie etwa der Bus 170 von Fig. 3). Die Taktgeberschaltung kann die meisten der notwendigen Adreßsignale zum Laden der Informationen in die Matrix 416 liefern oder diese können über den Bus geliefert werden.
Ein Decodierer 422 ist längs einer weiteren Seite der Matrix angeordnet (die linke Seite, wie in Fig. 8 gezeigt ist). Der Decodierer 422 liefert die notwendigen Steuersignale, um als Antwort auf eine Adresse die geeignete Zeile in der Matrix zu wählen, damit die Informationen im Register 418 geladen werden können. Der Decodierer 424 ist längs einer weiteren Kante der Matrix 416 an der Unterseite angeordnet, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Der Decodierer 424 liefert die notwendigen Steuersignale, um eine von mehreren Speicherzellen zu wählen, die allen oder wenigstens den meisten der verformbaren Spiegelzellen in der Matrix 416 zugeordnet ist. Ein Zähler oder ein Kommutator, der entweder in der Taktgeberschaltung 414 oder im Decodierer 424 angeordnet ist, liefert die Adresse der richtigen Speicherzelle, die zu wählen ist. Beispielsweise kann ein Pixelcode, der in die Speicherzelle 1 der drei jeder verformbaren Spiegelzelle zugeordneten Speicherzelle geladen wird, durch die gewählte Speicherzelle 1 aller oder wenigsten der meisten verformbaren Spiegelzellen angezeigt werden, z. B. die Speicherzelle 426 von Fig. 9. Es sollte angemerkt werden, daß der Decodierer 422 nicht nur bestimmen muß, welche Zeile der verformbaren Spiegelzellen zu wählen ist, sondern außerdem, welche Speicherzelle zu wählen ist, die jenen deformierbaren Spiegelzellen zugeordnet ist.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, sind die Zeilenwahlleitungen 428, 430, 431 und 432 vom Decodierer 422 mit den Gates der NMOS- Zugriffstransistoren 436, 437 bzw. 438 verbunden. Die Datenleitungen 440, 446, 447 und 448 vom Register 418 sind mit einer Seite der Source-Drain-Strecken der Transistoren 436, 437 bzw. 438 verbunden. Die andere Seite der Source-Drain-Strecken der Transistoren 436, 437 und 438 sind mit den Eingängen der CMOS- Inverter 454, 455 bzw. 456 verbunden. Die Inverter und die Zugriffstransistoren könnten durch Standard-DRAM-Zellen oder SRAM-Zellen ersetzt werden. Es wird lediglich der Inverter 454 genau erläutert. Der Inverter 454 weist einen BMOS-Transistor 460 und einen NMOS-Transistor 462 auf. Die Gates der Transistoren 460 und 462 sind mit dem Eingang des Inverters 454 verbunden. Ein Ende der Source-Drain-Strecken der Transistoren 460 und 462 ist mit dem Eingang des Inverters 454 verbunden. Das andere Ende der Source-Drain-Strecke des Transistors 460 ist mit der Versorgungsspannung (Vcc) und das andere Ende der Source-Drain-Strecke des Transistors 462 ist mit Masse verbunden.
Die Ausgänge der Inverter 454, 455 und 456 sind mit einem Ende der Source-Drain-Strecken der Transistoren 468, 469 bzw. 470 verbunden. Die anderen Seiten der Source-Drain-Strecken der Transistoren 468, 469 und 470 sind mit dem Knoten 472 verbunden. Der Knoten 472 ist mit dem Eingang des Inverters 474 verbunden. Der Inverter 474 weist einen PMOS-Transistor 478 und NMOS-Transistor 480 auf. Eine Seite der Source-Drain-Strecken der Transistoren 478 und 480 ist mit dem Ausgang des Inverters 474 verbunden, der den Eingang der verformbaren Spiegelzelle darstellt, wie etwa die Steuerelektrode 124 (Fig. 3). Die Gates der Transistoren 468, 469 und 470 sind mit den Wahlleitungen 484, 485 bzw. 486 der Speicherzelle verbunden, die drei der Wahlleitungen 488 vom Decodierer 424 darstellen. Der Decodierer 424 kann so betrachtet werden, daß er die Lesefunktion der Speicherzellen darstellt, und der Decodierer 424 in der Weise, daß er die Schreibfunktion darstellt. Es ist nützlich, mindestens zwei Speicherzellen pro verformbare Spiegelzelle zu haben, und während in der Fig. 9 drei Speicherzellen gezeigt sind, kann bei Bedarf jede Anzahl verwendet werden.
Im Betrieb wird die Wahlleitung 432 auf Hochpegel gebracht, der Transistor 436 schaltet ein und ermöglicht, daß ein Hochpegel ("1") oder ein Tiefpegel ("0") am Eingang des Inverters 454 gespeichert wird, wenn diese Pegel von der Leitung 446 anliegen. Die Wahlleitung 432 schaltet auf Tiefpegel, der Transistor 436 schaltet ab und speichert die angelegte Spannung an dem Gate der Transistoren 460 und 462. Wenn das Signal auf Hochpegel ist, ist der Transistor 462 eingeschaltet und legt Masse an den Ausgang des Inverters 454 und schaltet den Transistor 460 ab. Wenn das Signal auf Tiefpegel ist, ist der Transistor 460 eingeschaltet und legt die Versorgungsspannung an den Ausgang des Inverters 454 und schaltet den Transistor 462 ab. Wenn danach gewünscht ist, die Pixelinformationen anzuzeigen, die im Inverter 454 gespeichert sind, wird die Wahlleitung 484 auf Hochpegel gebracht und das Inverse von "0" oder "1" wird gespeichert. Der Inverter 474 wird seinen Eingang invertieren und die "1" oder die "0" wird von dem Ausgang des Inverters 474 an die verformbare Spiegelzelle angelegt.
Während die im Inverter 454 vorhandene Information angezeigt wird, können entweder einer oder beide Inverter 454 und 456 mit Informationen geladen werden. Ferner kann der Inverter 454 geladen werden, während die Informationen entweder vom Inverter 455 oder 456 angezeigt werden. Es sollte angemerkt werden, daß die Leitungen 446, 447 und 448 als eine Leitung ausgeführt werden können, die mit den Transistoren 436, 437 und 438 verbunden ist. Es sollte angemerkt werden, daß die Schaltungen der Fig. 9 in NMOS-, BMOS-, CMOS-, GaAs-, Bipolar-, CCD-Technologie oder in jeder weiteren geeigneten Technologie realisiert sein können. Somit ist in Fig. 9 eine bevorzugte Ausführungsform einer Wiedergabezelle 490 mit ihren Invertern, Zugriffstransistoren und Wahltransistoren gezeigt.
Fig. 10 zeigt einen Ablaufplan für den Betrieb der CPU 154 von Fig. 3. Der logische Fluß beginnt am Schritt 510 und verläuft über die Leitung 512 zum Logikschritt 514. Im Schritt 514 werden die Informationen im Speicher 150 überprüft, um zu bestimmen, welche Sendenorm empfangen wird, HDTV, NTSC, PAL usw. oder welche Computeranzeigeinformationen über den Bus 152 empfangen werden, z. B. von einem Farbgraphikadapter, einem verbesserten Farbgraphikadapter oder einer Videographikmatrix. Dies kann durch Auffinden der Synchronisationsimpulse, vertikal und horizontal, sowie der chromatischen Komponenten und Intensitätskomponenten der Informationen erfolgen. Die Logik geht dann über die Leitung 518 zum logischen Zustand 520. Während des Logikzustands 520 wird ein Test durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Norm bestimmt worden ist. Wenn die Norm nicht bestimmt worden ist, geht die Logik über die Leitung 522 und tritt nochmals in den Schritt 514 ein. Wenn die Norm bestimmt worden ist, verläßt die Logik den Zustand 520 und geht über die Leitung 524 zum Logikschritt 526. Im Schritt 526 findet die Logik die Informationen für ein Bild und vorzugsweise für den Beginn eines Bilds im Speicher 150 auf.
Wenn die Norm bekannt ist, können die Daten beispielsweise nach dem vertikalen Synchronisationsimpuls getestet werden. Die Logik verläßt dann den Schritt 526 über die Leitung 528 und geht zum Logikzustand 530. Wenn ein Bild vorhanden ist, verläßt die Logik den Zustand 530 über die Leitung 532 zum Schritt 534. Im Schritt 534 wird das Bild im geeigneten Format im Speicher 160 gespeichert. Die Logik geht vom Schritt 534 über die Leitung 538 und tritt wiederum in den Schritt 526 ein. Wenn kein Bild vorhanden ist, verläßt die Logik den Zustand 530 und tritt über die Leitung 540 wiederum in den Schritt 526 ein. Unter bestimmten Bedingungen, wie etwa beim Wechsel des Kanals, verläßt die Logik den Zustand 530 über die Leitung 543 zum Schritt 544. Der Schritt 544 könnte die Logik veranlassen, wiederum in den Schritt 510 einzutreten oder eine andere Operation könnte durchgeführt werden, wie etwa die Anzeige der Nummer des neuen Kanals.
Ferner könnte ein Schalter vorgesehen sein, um dem Benutzer zu ermöglichen, die Norm manuell einzustellen. Außerdem könnten die Normen für viele Kanäle in einem EPROM gespeichert werden, der durch die CPU 154 gelesen wird, indem die durch die Signalquelle 140 gelieferten Kanalinformationen verwendet werden. Deswegen würde im Schritt 514 der Schalter oder der EPROM überprüft und die Norm im Zustand 520 bestimmt werden.
In Fig. 11 ist ein wahrhaftig dreidimensionales digitalisiertes Videosystem 610 gezeigt. Das System 610 besitzt eine Anzeige 612, die wenigstens einen mehrfrequenzempfindlichen Werkstoff aufweist sowie zwei spatiale Modulatoren 616 und 617. Ein oder mehrere Energiestrahlen werden jeweils längs der optischen Wege 620 und 621 geliefert, um auf den Modulatoren 616 bzw. 617 aufzutreffen. Diese Strahlen sind vorzugsweise im wesentlichen parallel und Einrichtungen zur Strahlerweiterung (nicht gezeigt) erweitern die Strahlen, damit sie längs der optischen Wege 624 und 625 die Linsensysteme 628 bzw. 629 schneiden. Die Linsensysteme 628 und 629 lenken die Strahlen in im wesentlichen parallelen Strahlen auf die Anzeige 612. Ein Handzeiger 635 ist gezeigt, um dem Benutzer die Möglichkeit zu geben, mit dem Computer bei der Steuerung der Anzeige in Wechselwirkung zu treten, z. B. um ein gewähltes Gebiet zu vergrößern, ein Objekt in der Anzeige 612 zu plazieren oder zu bewegen, um einen gewählten Punkt zu schaffen, um den das Bild in der Anzeige sich dreht oder um alle Aufgabe durchzuführen, die computergestützten Entwicklungssystemen zugeordnet sind.
Die Modulatoren 616 und 617 können einer der verschiedenen hier beschriebenen Modulatoren sein. Der Modulator 617 kann jedoch ein anderer Typ sein, denn er schafft einen Ausgangsstrahl längs einer horizontalen Linie, die in Fig. 11 gezeigt ist (z. B. Linie 638). Der Modulator könnte außerdem ein horizontaler Abtaststrahl sein. Der Modulator 617 wird entweder intern oder extern gesteuert, um zu gewährleisten, daß die Leitungen in einer bekannten Folge mit den Informationen synchronisiert werden, die im Modulator 616 geladen sind. Die bekannte Folge könnten alle ungeradzahligen und anschließend alle geradzahligen Leitungen oder alle geradzahligen und anschließend alle ungeradzahligen Leitungen sein, oder von oben nach unten oder von unten nach oben. Somit definiert die Energieleitung, die durch den Modulator 617 geschaffen wird, eine Ebene in der Anzeige 612, z. B. die Ebene 640. Die anzuzeigenden Voxel sind jene, für die eine zugehörige Zelle im Modulator 616 einen einzelnen Teil des auftreffenden Energiestrahls längs eines optischen Wegs 624 lenkt. Somit wird zu einem Zeitpunkt eine Ebene des Bilds 650 angezeigt.
Wenn die Anzeige 612 monochrom ist, müssen allenfalls lediglich zwei Energiestrahlen unterschiedlicher Frequenzen längs der optischen Wege 620 und 621 geschaffen werden. Wenn Farbe gewährleistet sein muß, sollten verschiedene Strahlen unterschiedlicher Frequenzen in einer Folge geschaffen werden. Zum Beispiel könnten Strahlen längs der optischen Wege 620 und 621 verursachen, daß ein mehrfrequenzempfindlicher Werkstoff in der Anzeige 612 in der Ebene rot luminesziert, in der beide Strahlen vorhanden sind. Anschließend könnten Strahlen mit einer oder mehreren unterschiedlichen Frequenzen veranlassen, daß ein mehrfrequenzempfindlicher Werkstoff blau luminesziert und weitere Strahlen könnten verursachen, daß ein mehrfrequenzempfindlicher Werkstoff grün luminesziert. Anschließend würde die nächste Ebene in der Folge mit roten, grünen und blauen Informationen versorgt werden. Wenn gewünscht, könnte natürlich alle Ebenen der Anzeige 612 mit roten Informationen geschaffen werden, gefolgt von grünen und blauen Informationen. Wenn Intensitätsinformationen geliefert werden, könnten bei Bedarf mehrere unterschiedliche Intervalle zum Anzeigen der Rot-Grün-Blau-Informationen für jede der Ebenen vorhanden sein. Außer der Zelle 426 könnten zusätzlich Speicherzellen vorgesehen werden, um die zusätzlichen Intensitätsinformationen zu speichern. Auf diese Weise wird zur Anzeige eines vollständig dreidimensionalen Bilds das Bild 650 zu einem Zeitpunkt jeweils in einer Ebene erzeugt. Das System 610 von Fig. 16 kann so modifiziert sein, daß alle Farbinformationen gleichzeitig geliefert werden. Drei spatiale Modulatoren könnten mit den roten, grünen bzw. blauen Informationen versorgt werden. Ein geeignetes optisches System würde vorgesehen sein, um alle drei Strahlen längs des optischen Wegs 624 zu lenken. Die geeigneten zusätzlichen Energiestrahlen müßten außerdem längs des optischen Wegs 625 geliefert werden. Auf diese Weise könnte eine gesamte Ebene mit allen Farbinformationen gleichzeitig angezeigt werden.
Obwohl zweidimensionale Fernsehsignale in der Anzeige 612 angezeigt werden könnten, könnte das digitalisierte Videosystem von Fig. 11 weiter auf wenigstens zwei Arten modifiziert werden, um eine zweidimensionale Anzeige zu schaffen. Die Anzeige könnte erstens in horizontaler Richtung verschmälert werden, um am Linsensystem 629 eine flache Tafel zu schaffen. Der Modulator 616 würde gleichfalls verschmälert werden, wobei eine oder mehrere Zeilen aus Zellen verbleiben. Wenn mehrere Zeilen vorgesehen sind, könnten eine oder alle Zellen eine Redundanz schaffen, falls einige der Zellen in einer Zeile ausfallen. Wenn mehrere Zeilen verwendet werden, könnte außerdem die Intensität gemäß der Anzahl der angezeigten Zellen in dieser Spalte verändert werden. Wenn z. B. vier Bits Intensitätsinformationen geliefert werden, würden dann, wenn die maximale Intensität gewünscht wäre, alle vier Zellen in dieser Spalte eingeschaltet und alle vier Voxel würden zur geeigneten Zeit angezeigt werden. Der Modulator 617 würde so arbeiten, wie obenstehend erläutert ist. Die Anzeige könnte zweitens in vertikaler Richtung verschmälert werden, damit sie lediglich in der Nähe der Linse 628 einen flachen Bereich bildet. Der Modulator 617 könnte durch eine Energiequelle ersetzt werden, die eine durch die Anzeige verlaufende Energieebene schafft. Das gesamte zweidimensionale Bild wird gleichzeitig angezeigt.
Die Einrichtung zur Strahlverbeiterung und die Linsensysteme von Fig. 11 könnten durch die sägezahnförmigen Spiegel der Fig. 6 und 7 ersetzt werden. Die Sensoren 655 bis 660 sind vorgesehen, um Strahlung zu erfassen, die vom Zeiger 655 stammt oder durch diesen erzeugt wird. Bei Bedarf könnten mehr oder weniger Sensoren vorgesehen sein. In einer Ausführungsform erzeugt der Zeiger einen Energiestrahl bei einer Frequenz, der innerhalb der Anzeige mit einem weiteren Energiestrahl in Wechselwirkung tritt. Diese Wechselwirkung wird durch Sensoren erfaßt, um die Linie des Zeigers durch die Anzeige 612 zu bestimmen. In einer weiteren Ausführungsform werden die Emissionen des Zeigers durch die Sensoren 655 bis 660 direkt erfaßt, um die Linien zu bestimmen, entlang welcher der Zeiger 635 in die Anzeige 612 zeigt. Das System 610 von Fig. 16 ist in aggressiven Umgebungen nützlich, wie etwa in Flugzeugen und Panzern. Die Anzeige könnte ein Festkörper oder ein Gas mit einer räumlichen Begrenzung sein. Die Anzeige könnte jede geeignete Form aufweisen, z. B. eine sphärische. Die Anzeige 610 kann entweder an ihrer inneren oder an ihrer äußeren Fläche zwischen dem Benutzer und der Anzeige eine Beschichtung aufweisen, die für das in der Anzeige erzeugte sichtbare Sicht transparent ist und Energiestrahlen absorbiert oder reflektiert, die gelenkt werden, um Lumineszenz zu erzeugen. Die Beschichtung und der mehrfrequenzempfindliche Werkstoff können als die in den Fig. 6 und 7 gezeigte Anzeige 320 verwendet werden.
Ein Typ des Zeigers, der zur Verwendung im digitalisierten Videosystem 610 von Fig. 11 geeignet ist, ist in den Fig. 12 und 13 gezeigt. Der in den Fig. 12 und 13 gezeigte Zeiger 710 weist verschiedene Knöpfe 712 bis 714 auf, die verwendet werden können, um eine codierte Eingabe in die Anzeige 612 zu schaffen. Die Vorderseite des Zeigers 710 ist dreieckig und weist Strahlgeneratoren 718 bis 720 auf, die IR-Einrichtungen sein können. Der Ausgang von den Generatoren 718 bis 720 kann durch die Sensoren 655 bis 660 erfaßt werden, um die Linie zu bestimmen, entlang welcher der Zeiger in die Anzeige 612 gerichtet ist. Die Knöpfe 712 bis 715 können codierte Informationen schaffen, die anschließend durch die Generatoren 718 bis 720 zu senden sind, beispielsweise dadurch, daß die Generatoren in unterschiedlichen Folgen oder bei unterschiedlichen Frequenzen oder beides eingeschaltet werden, wenn ein bestimmter Knopf gedrückt wird. Die Knöpfe 712 und 713 könnten anzeigen, daß die interessierende Strecke innerhalb der Anzeige weiter weg bzw. näher liegt. Die Griffmulden 725 könnten vorgesehen sein. Der Cursor, der in der Anzeige geschaffen wird, könnte die gesamte Linie des Zeigers durch die Anzeige sein, wobei ein Punkt hervorgehoben ist, um die Strecke anzuzeigen. Der Cursor könnte eine sichtbare XYZ-Achse sein, wobei eine Achse längs der Linie des Zeigers verläuft, oder eine sichtbare XYZ-Achse, die nach der Anzeige ausgerichtet ist.
Fig. 14 zeigt einen weiteren Zeiger 730, der um den Drehpunkt 732 schwenkbar ist. Die Griffe 734 können vorgesehen sein. Die Knöpfe 736, die den Knöpfen 712 bis 715 ähnlich sind, sind vorgesehen. Die Strahlgeneratoren 739 und 740 sind an den Enden der Segmente 743 und 744 vorgesehen. Die Segmente 743 und 744 sind um den Drehpunkt 732 drehbar, wodurch der Punkt bewegt werden kann, an dem die Strahlen 646 und 647 zusammentreffen. Auf diese Weise könnten die Strahlen 466 und 467 verschiedene Frequenzen aufweisen, die verursachen, daß ein mehrfrequenzempfindlicher Werkstoff luminesziert, was durch die Sensoren 656 bis 660 erfaßt wird.
In Fig. 15 ist ein weiterer Zeiger 750 gezeigt. Dieser Zeiger 750 weist eine Auslöseeinrichtung 752 und einen verlängerten Körper 753 auf. Die Knöpfe 754 und 755 sind vorgesehen, und sind den Knöpfen 714 bzw. 715 ähnlich. Die Griffe 758 können vorgesehen sein. Die Auslöseeinrichtung 752 verändert den Winkel der Strahlen 760 und 761, wodurch sich der Abstand verändert, in dem die Strahlen aufeinandertreffen. Je näher beispielsweise die Auslöseeinrichtung zum Körper 753 bewegt wird, desto näher bewegt sich der Strahlschnittpunkt zum Körper. Die Strahlen werden durch Strahlgeneratoren erzeugt, wobei in Fig. 15 lediglich der Strahlgenerator 763 gezeigt ist. Die Strahlgeneratoren können den Strahlgeneratoren 739 und 740 von Fig. 14 ähnlich sein.
Fig. 16 erläutert einen mehrdimensionalen Matrixprozessor (MAP) 808, der mit einem Host-Prozessor 800 und einer dreidimensionalen Anzeige 801 verbunden ist. Der Host 800 kann jede Art von Computersystem enthalten, wie etwa einen Personalcomputer, einen Minicomputer oder lediglich ein Empfängersystem für Sendeinformationen. Die 3D-Anzeige 801 kann von dem Typ sein, der obenstehend beschrieben ist, von dem, der nachstehend in Verbindung mit Fig. 17 beschrieben ist oder von weiteren geeigneten Anzeigetypen.
In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt die Anzeige 801 das 3D-Bild als eine Anzahl von N XY- Ebenen an, wodurch eine XYZ-Darstellung gebildet wird. Weitere Ausführungsformen sind natürlich möglich, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Anzeige kann z. B. eine Anzahl von XYZ-Blöcken mit einem (oder mehreren) MAPs pro Block umfassen. Alternativ könnte jede Verarbeitungszelle (z. B. 810, 820 und 830) des MAP auf einer XYZ-Basis arbeiten anstatt auf der gegenwärtig bevorzugten Ebenenbasis.
Der MAP 808 ist im allgemeinen aus mehreren Verarbeitungszellen (PCs) 810, 820 und 830 aufgebaut. Wie dargestellt ist, arbeitet in der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform jede Verarbeitungszelle in einer XY-Ebene der N Bildebenen. Zur Erläuterung sind lediglich drei Verarbeitungszellen 810, 820 und 830 gezeigt. Die PC 810 ist für die erste Ebene, die PC 820 ist für die zweite Ebene und die PC 380 ist für N-te Ebene des Bildes vorgesehen. In weiteren Ausführungsformen kann jede PC für mehrere Bildebenen verantwortlich sein.
Jede Verarbeitungszelle 810, 820 und 830 enthält einen Prozessor (811, 821 bzw. 831), der über einen Bus (813, 823 bzw. 833) mit einem Ebenenspeicher (812, 822 bzw. 832) verbunden ist. Die Prozessoren 811, 821 und 831 können von mehreren unterschiedlichen Typen sein. Es könnten beispielsweise u. a. digitale Signalprozessoren (DSPs), wie etwa der TMS 320C30; herkömmliche Mikroprozessoren, wie etwa der TMS99000, oder Graphiksignalprozessoren (GSPs), wie etwa der TMS34020, verwendet werden. In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform werden GSPs verwendet, da sie nicht nur programmierbar sind, sondern auch dafür vorgesehen sind, zweidimensionale (XY) Daten einfach zu manipulieren. Gleichfalls kann der verwendete Speicher von unterschiedlichen Typen sein. Video-RAMs (wie etwa der TMS4461), DRAMs, SRAMs oder weitere Speicher könnten verwendet werden. Die Speicherarchitektur ist vorzugsweise die eines Zwei-Port-Typs. In der vorliegenden Ausführungsform werden VRAMs verwendet, da sie inhärent mit zwei Ports zur normalen Speicherschnittstelle, die für die Prozessorbusse 813, 823 und 833 verwendet werden, und mit schnellen seriellen Ports versehen sind, die zur Verbindung mit dem Anzeigebus 803 verwendet werden.
Der Host 800 kommuniziert über den Bus 809 der höheren Deskriptorsprache (HDL) und den Steuerungsbus 804 gleichzeitig mit jedem Prozessor 811, 821 und 831 im MAP. Der Steuerungsbus 804 wird verwendet, um zu signalisieren, wenn der Host 800 einen weiteren HDL-Befehl senden kann (wie nachfolgend beschrieben wird) sowie zur Synchronisation der PCs mit der Anzeige 801. Wahlweise kann jeder Prozessor mit seinen Nachbarn über weitere Busse kommunizieren. Zum Beispiel kommunizieren der Prozessor 811 und der Prozessor 821 über den Bus 805, der Prozessor 821 kommuniziert über den Bus 806 mit dem Prozessor für die Ebene 3 (nicht gezeigt) und der Prozessor N-1 (nicht gezeigt) kommuniziert über den Bus 807 mit dem Prozessor 831. Es wird deutlich, daß die Zwischenprozessorkommunikation bei einigen dreidimensionalen Bildmanipulationen nützlich ist.
Eine alternative Ausführungsform (nicht gezeigt) würde aufweisen, daß der Host lediglich mit dem Prozessor 811 kommuniziert. Alle Befehle an weitere Prozessoren (wie etwa 821 und 831) müßten über die Zwischenprozessorbusse (805, 806 und 807) "durchgeschleift" werden.
Der Anzeigebus 803 wird verwendet, um Anzeigedaten zur 3D- Anzeige 801 zu liefern. In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform wird jeder PC (810, 820 und 830) sequentiell ermöglicht, eine gesamte Ebene der Anzeigedaten vor der nächsten Ebene auf den Bus 803 zu legen. Zum Beispiel legt die PC 810 die erste Ebene der Bilddaten auf den Bus 803, anschließend legt die PC 820 die zweite Ebene der Bilddaten auf den Bus 803, jede nachfolgende PC (nicht gezeigt) legt ebenfalls ihre Daten auf den Bus 803, schließlich legt die PC 830 ihre Ebene auf den Bus 803. Dieser Vorgang beginnt dann erneut. Natürlich können andere Folgen verwendet werden. In anderen Ausführungsformen kann jede PC für einen Block von XY-Informationen verantwortlich sein und kann den gesamten Block auf den Bus 803 legen oder sie kann Ebenen verschachteln, wenn dies bei der Anzeige 801 erforderlich ist. In jedem Fall sind alle Bilddaten an einem Zeitpunkt auf dem Bus 803 vorhanden. Da die Anzeige 801 ferner häufig aufgefrischt werden muß (vorzugsweise schneller als die kritische Flimmerfrequenz), sind alle Bilddaten in einer relativ kurzen Zeitperiode verfügbar.
Wie nachfolgend ersichtlich wird, müssen jeder PC die Informationen zur Verfügung stehen, die in anderen Ebenen vorhanden sind. Wenn dies über die Zwischenprozessorbusse 805, 806 und 807 erfolgen würde, wäre dies relativ langsam, insbesondere dann, wenn die Informationen von mehreren weiter entfernten Ebenen geliefert werden müssen. Deswegen ist jeder Prozessor 811, 821, 831 außerdem über die Busse 816, 826 bzw. 836 mit dem Anzeigebus 803 verbunden. In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform sind die Busse 816, 826 und 836 mit den Prozessorbussen 813, 823 bzw. 833 gekoppelt. In einer weiteren Ausführungsform kann jeder Prozessor einen zusätzlichen Port aufweisen, der mit dem Anzeigebus 803 verbunden ist. In noch einer weiteren Ausführungsform könnten die Ebenenspeicher 812, 822 und 833 verwendet werden, um Daten vom Anzeigebus 803 zu puffern.
Die höhere Descriptorsprache (HDL), die vom Host 800 verwendet wird, um die PCs des MAP zu steuern, kann in drei grundlegende Ausführungsarten aufgeschlüsselt werden. Diese enthalten strukturbildende Ausführungsarten (einschließlich arithmetische und logische Operationen an einem vorgegebenen Satz von Punkten), Fülloperationen und Bewegungsoperationen (einschließlich Drehungen). All diese Operationen werden parallel ausgeführt, wie aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich wird.
Die Strukturbildung kann solche Ausführungsarten enthalten, wie etwa Zeichnen von Linien, Erzeugen einer Bruchstelle, Logikoperationen wie etwa XORs, Zeichnen von Rahmen, usw. Wenn z. B. eine Linie gezeichnet werden soll, die in der Anzeige 801 angezeigt werden soll, tritt der folgende Ablauf auf: der Host 800 sendet einen HDL-Befehl, der den Typ der Anweisung spezifiziert (d. h. Linie zeichnen) sowie eine Formel, die die Parameter der Linie angibt. Jede PC des MAP 808 empfängt diesen Befehl gleichzeitig über den HDL-Bus 809. Alle PCs bewerten die Formel parallel, um zu entscheiden, ob die Ebene, für die diese PC verantwortlich ist, betroffen ist. Wenn ja, hält die PC eine gemeinsame Steuerleitung des Steuerungsbusses 804 auf Tiefpegel, bis der Vorgang beendet ist. Dies verhindert, daß der Host 800 einen weiteren Befehl sendet, bis die gesamte Verarbeitung beendet ist. Jede PC, die einen Punkt in ihrem zugeordneten Ebenenspeicher modifizieren muß, tut dies und gibt anschließend die Steuerleitung frei. Wenn alle PCs fertig sind, wird ermöglicht, daß die Steuerleitung auf Hochpegel geht, und der Host kann einen weiteren HDL-Befehl ausgeben.
In der bevorzugten Ausführungsform wird die Steuerleitung etwas anders behandelt. Alle PCs sperren die Steuerleitung beim Empfang eines Befehls sofort und geben diese dann frei, wenn die PC entweder fertig ist oder bestimmt, daß die PC an der Operation nicht beteiligt ist.
Füllanweisungen beginnen in der gleichen Weise. Der Host 800 gibt einen HDL Füll-Befehl über den Bus 809 an alle PCs aus. Alle PCs, die sofort bestimmen, daß sie ihre jeweiligen Ebenen modifizieren müssen, halten die Steuerleitung des Steuerungsbusses 804 auf Tiefpegel. Da dies jedoch in diesem Fall ein dreidimensionales Füllen ist, können sich dann, wenn das Füllen in einer Ebene voranschreitet, "Löcher" oder "Hohlräume" in einer anderen Ebene öffnen, wodurch eine PC, die ihre Ebene zuvor nicht modifizieren mußte, gezwungen wird, dies zu tun. Es gibt zwei gegenwärtig bevorzugte Arten, zuvor nicht betroffene PCs zu informieren, daß sie ihre Ebenenspeicher modifizieren müssen.
Die erste Art verwendet die Zwischenprozessorbusse 805, 806 und 807. Wenn eine gegebene PC bestimmt, daß sie ihren zugeordneten Ebenenspeicher modifizieren muß, informiert sie ihre benachbarten PCs über den entsprechenden Interprozessorbus, daß sie dies tut. Die benachbarten PCs halten dann ebenfalls die Steuerleitung auf Tiefpegel. Wenn die gegebene PC fertig ist, informiert sie die benachbarten PCs über diese Tatsache und hebt ihre Sperrung der Steuerleitung auf. Die benachbarten PCs halten die Leitung auf Tiefpegel und überprüfen, ob sie ihren Ebenenspeicher modifizieren müssen. Um dies zu bestimmen, überprüfen sie entweder die gegebenen Ebenendaten der PC, wenn sie auf dem Anzeigebus 803 durchlaufen, oder sie können über den Interprozessorbus Daten von der gegebenen PC direkt anfordern. Wenn die Nachbarn bestimmen, daß sie keine Veränderungen aufweisen, geben sie die Steuerleitung frei. Wenn andererseits Änderungen notwendig sind, informieren sie ihre jeweiligen Nachbarn und der beschriebene Vorgang wiederholt sich.
Die zweite Technik erübrigt die Notwendigkeit der Zwischenprozessorbusse 805, 806 und 807 (wenigstens für diesen Fall). Jede PC muß nicht nur die Steuerleitung des Steuerungsbusses 804 auf Tiefpegel ziehen können, sie muß außerdem in der Lage sein, den Status der Steuerleitung zu lesen. Dies funktioniert wie folgt. Wenn eine gegebene PC aus der HDL-Anweisung (oder wie ersichtlich sein wird, aus den Daten, die auf dem Bus 803 durchlaufen) bestimmt, daß sie ihren Ebenenspeicher modifizieren muß, zieht sie die Steuerleitung auf Tiefpegel und modifiziert ihren Speicher. Wenn dies beendet ist, muß sie weiterhin wenigstens für einen vollständigen Zyklus der auf dem Bus 803 durchlaufenden gesamten Bilddaten die Steuerleitung auf Tiefpegel halten. Dies ermöglicht der gegebenen PC zu bestimmen, ob sie tatsächlich fertig ist. Mit anderen Worten, wenn sich eine andere Ebene verändert hat, kann die Möglichkeit bestehen, daß sich die gegebene PC nochmals verändern muß. Wenn nicht, gibt die gegebene PC die Leitung frei. Immer dann, wenn die Leitung nach einem HDL-Füllbefehl auf Tiefpegel ist, müssen alle PCs ständig die Ebenendaten ihrer Nachbarn abtasten, die auf dem Bus 803 durchlaufen, um zu bestimmen, ob sie mit der Modifikation beginnen müssen. Wenn ja, halten sie die Leitung auf Tiefpegel und wiederholen den obengenannten Vorgang.
Die letzte Klasse der HDL-Befehle ist die der Verschiebungen und Drehungen. Die Befehle beginnen in der gleichen Weise. Der Host 800 sendet den Befehl und alle betroffenen PCs sperren die Steuerleitung. Im Fall von lediglich einer XY-Verschiebung oder Drehung (d. h. keine Zwischenebene verschiebt sich oder dreht sich) können alle Prozessoren die Verschiebung in ihren zugeordneten Ebenen gleichzeitig ausführen und die Steuerleitung freigeben.
Im Fall einer Verschiebung oder Drehung, die die Z-Achse einschließt (d. h. eine Verschiebung der Zwischenebene ist erforderlich), sperren alle betroffenen PCs die Steuerleitung für wenigstens einen vollständigen Bildzyklus der Daten, die auf dem Anzeigebus 803 durchlaufen. Diese erfolgt in dieser Weise, damit die entsprechenden Prozessoren alle Zwischenebenendaten, die sie benötigen, puffern können. Nach dem vollständigen Bildzyklus können die betroffenen PC-Prozessoren ihre zugehörigen Ebenenspeicher modifizieren und anschließend die Sperrung der Steuerleitung aufheben. Während eines vollständigen Bildzyklusses ist es nicht möglich, daß Daten modifiziert werden, damit Daten, die eine andere PC benötigt, nicht verfälscht werden.
Wie aus der obenstehenden Erläuterung ersichtlich ist, ist die Architektur eines wahrhaft dreidimensionalen Anzeigeprozessors deutlich verschieden von derjenigen, die für einen Prozessor benötigt wird, der zur Darzustellung eines dreidimensionalen Bilds in einer zweidimensionale Anzeige vorgesehen ist. Die Rechenleistung ist nicht so kritisch, sondern der Datenfluß ist viel kritischer. Folglich können die in der PC verwendeten Prozessoren einfacher und kleiner sein, und es ist im stärkerem Maße möglich, daß sie mit dem Ebenenspeicher auf einen einzigen Chip gesetzt werden. Bei vielen wahrhaftig 3D-Anzeigen kann der gesamte MAP tatsächlich auf einem einzelnen Substrat realisiert sein.
In Fig. 17 wird eine Fläche mit einer 360º Spiralfläche 900 um eine Achse 902 gedreht, um einen dreidimensionalen zylindrischen Raum 904 zu erzeugen. Die Fläche 900 erstreckt sich von der Achse 902 zu den anderen Kanten des Raums 904, wie in Fig. 17 gezeigt ist. Wenn die Fläche 900 gedreht wird, wird jeder Punkt im Raum 904 während jeder Drehung ein Mal geschnitten. Die Fläche 900 könnte jede geeignete Form aufweisen, z. B. eine kreisförmige Scheibe. Ein Lichtstrahl wird längs des optischen Wegs 906 projiziert, um die Fläche 900 zu schneiden. Die Bildinformationen können durch jedes der Systeme geliefert werden, die hier gezeigt sind und längs des optischen Wegs 906 einen spatialen Lichtmodulator verwenden.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine digitalisierte Videoanzeige bei wünschenswerten Kosten und mit einer hohen Zuverlässigkeit zu schaffen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft eine digitalisierte Videoanzeige, die einfach modifiziert werden kann und/oder für verschiedene unterschiedliche und inkompatible Fernseh- und Videosysteme hergestellt werden kann.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft eine digitalisierte Videoanzeige, die eine verformbare Spiegelvorrichtung verwendet.
Nach der Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit deren bestimmten speziellen Ausführungsformen, ist selbstverständlich, daß Fachmänner weitere Modifikationen vorschlagen können, und es ist beabsichtigt, alle solche Modifikationen abzudecken, wenn sie in den Umfang der angefügten Ansprüche fallen.

Claims

1. Bildwiedergabesystem (75) mit veränderlicher Helligkeit, mit:

einer Lichtquelle (10, 61, 216, 218, 220, 312) zum Erzeugen sichtbaren oder unsichtbaren Lichts längs eines optischen Wegs;

einem spatialen Lichtmodulator (15, 56, 242, 316, 616, 617, 410), der im optischen Weg angeordnet ist und mehrere einzeln steuerbare Elemente (17, 58, 246) besitzt; und

einer entfernten Fläche (2, 51, 178, 256, 320), auf der eine sichtbare Anzeige erzeugt wird, wobei jedes der Elemente des spatialen Lichtmodulators einen ersten Zustand, in dem es zuläßt, daß ein zugeordneter Teil (3, 52) des Lichts auf die entfernte Fläche auftrifft, und einen zweiten Zustand, in dem es verhindert, daß der zugeordnete Teil des Lichts auf die entfernte Fläche auftrifft, besitzt,

dadurch gekennzeichnet, daß das Wiedergabesystem Steuermittel enthält, die jedes Element zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand in einer Zeitperiode, die kleiner als die kritische Flimmerfrequenz des menschlichen Auges ist, in der Weise steuern, daß für jedes steuerbare Element eine gewünschte Wiedergabehelligkeit geschaffen wird,

und daß die Steuermittel so beschaffen sind, daß sie die gewünschte Intensität auf der entfernten Fläche durch Steuern des Verhältnisses der Zeiten, die jedes Element in seinen Zuständen verbringt, erzeugen.

2. System nach Anspruch 1, mit Mitteln zum vorübergehenden Modulieren der Intensität des auf die Elemente auftreffenden Lichts, wobei die Steuermittel ferner so beschaffen sind, daß sie die gewünschte Intensität auf der entfernten Fläche durch Steuern der Zeitpunkte, zu denen jedes Element im ersten Zustand ist, erzeugen.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Elemente in der Zeitperiode mehrmals zwischen den ersten und zweiten Zuständen steuerbar sind.

4. System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der spatiale Lichtmodulator eine verformbare Spiegelvorrichtung (DMD) (16, 412) enthält.

5. System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der spatiale Lichtmodulator ein Lichtventil enthält.

6. System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der spatiale Lichtmodulator enthält:

die steuerbaren Elemente als eine Matrix einzelner Wiedergabezellen; wobei jeder Wiedergabezelle wenigstens zwei Speicherzellen (454, 455, 456) zugeordnet sind;

einen ersten Decodierer (422) zum Adressieren einer Speicherzelle in jeder von mehreren Wiedergabezellen, um darin Informationen zu speichern; und

einen zweiten Decodierer (424) zum Adressieren im wesentlichen aller Wiedergabezellen, um ein Bild wiederzugeben.

7. System nach Anspruch 6, wobei jede Speicherzelle wenigstens zwei Komponenten enthält.

8. System nach Anspruch 7, wobei eine Komponente ein Transistor ist.

9. System nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei eine Komponente ein Kondensator ist.

10. System nach Anspruch 7, wobei beide Komponenten Transistoren sind.

11. System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Lichtquelle einen Laser (61, 216, 218, 220) umfaßt.

12. System nach Anspruch 11, wobei der Laser einen Lichtstrahl im unsichtbaren Spektrum erzeugt.

13. System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Lichtquelle mehrere Strahlen unterschiedlicher Frequenzen aufweist, die in der Zeitperiode in einer Folge geordnet werden, um eine Farbhelligkeitsänderung zu schaffen.

14. System nach Anspruch 13, wobei die Lichtquelle mehrere Laser (216, 218, 220) umfaßt.

15. System nach Anspruch 13, wobei die Lichtquelle mehrere Lichtgeneratoren umfaßt, wovon jeder in der Weise arbeitet, daß er einen der Lichtstrahlen erzeugt, wobei jedem Lichtgenerator ein Lichtverschluß zugeordnet ist, wovon jeder synchron arbeitet, um die Lichtstrahlen in der Folge zu erzeugen.

16. System nach Anspruch 13, wobei die Lichtquelle einen Lichtgenerator zum Erzeugen von weißem Licht und ein Farbrad umfaßt; wobei das Farbrad mehrere Filter enthält; und wobei das Farbrad drehbar ist, wobei weißes Licht aufgrund der Drehung des Farbrades in die Lichtstrahlen gefiltert wird.

17. Verfahren zum Anzeigen eines Bildes, das die folgenden Schritte umfaßt:

Erzeugen von Licht längs eines optischen Wegs; und

Vorsehen eines spatialen Lichtmodulators, der mehrere einzeln steuerbare optische Elemente in dem Weg enthält, um die Erzeugung des wiederzugebenden Bildes auf einer entfernten Fläche zu bewerkstelligen;

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt:

Schalten jedes Elements einzeln zwischen einem ersten Übertragungszustand und einem zweiten Nichtübertragungszustand und zwischen dem zweiten Zustand und dem ersten Zustand innerhalb einer Zeitperiode, die kürzer als die kritische Flimmerfrequenz des menschlichen Auges ist, in der Weise, daß an jedem entsprechenden Pixel des Bildes eine gewünschte Wiedergabeintensität geschaffen wird, wobei das Verhältnis der Zeiten, die jedes Element in seinen Zuständen verbringt, gesteuert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, das ein vorübergehendes Modulieren der Intensität des auf die Elemente auftreffenden Lichts umfaßt, wobei die Zeitpunkte, zu denen sich jedes Element im ersten Zustand befindet, gesteuert werden.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei der Steuerschritt das Betätigen einer verformbaren Spiegelvorrichtung umfaßt.

20. Verfahren nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei der Steuerschritt das Betätigen des Lichtventils umfaßt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der Lichterzeugungsschritt umfaßt: Erzeugen mehrerer Lichtstrahlen, wovon jeder auf unterschiedliche Frequenzen zentriert ist, und Ordnen der Lichtstrahlen in einer Folge während der Zeitperiode, um dadurch die Farbhelligkeitsänderung zu steuern.