WO2012136523A1 - Verfahren und einrichtung zur optischen fokussierung - Google Patents

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WO2012136523A1
WO2012136523A1 PCT/EP2012/055458 EP2012055458W WO2012136523A1 WO 2012136523 A1 WO2012136523 A1 WO 2012136523A1 EP 2012055458 W EP2012055458 W EP 2012055458W WO 2012136523 A1 WO2012136523 A1 WO 2012136523A1
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WO
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projector
image area
projection image
projection
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PCT/EP2012/055458
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Joachim Walewski
Michael Bahr
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Siemens Aktiengesellschaft
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Priority to US14/110,018 priority patent/US9069241B2/en
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    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/53—Means for automatic focusing, e.g. to compensate thermal effects
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G5/00—Control arrangements or circuits for visual indicators common to cathode-ray tube indicators and other visual indicators
    • G09G5/10—Intensity circuits
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    • H04N7/18—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast
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    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3191—Testing thereof
    • H04N9/3194—Testing thereof including sensor feedback

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for optical focusing of an image projected by a projector projection image, particularly for use in still image ⁇ projectors or film projectors.
  • Common autofocus methods essentially provide methods which are based on a phase comparison and / or a contrast measurement of at least one object.
  • a contrast measurement an image length of a lens, for example, as long vari ⁇ ated until a measured contrast reaches a maximum.
  • contrasting methods are only conditionally suitable for objects with low contrast, ie, in particular, objects or projections with a high proportion of monochrome and low-contrast background information or with little color or gray contrast.
  • the object of the invention is to specify a method for optical focusing of projected image information that is largely independent of the contrast of the projected image information.
  • a solution of the object is achieved by a device having the features of patent claim 1 and, in terms of its method aspect, by a method having the features of patent claim 14.
  • ⁇ see first pre-, Ready determine a detector for time-controlled creation of at least one observation housing of the projection image.
  • the inventive device comprises width ⁇ ren a calculation unit for defining at least one time ⁇ periodically with respect to its optical power and / or its optical spectrum modulated image area within the generated projection image by the projector and for substantially synchronous comparison of the at least one
  • the rake ⁇ unit is further configured to calculate a derived from the comparison of the respective image areas such as a so-size derived from this size control signal, and for outputting the control signal to a focusing device of the projector.
  • the detector provided according to the invention corresponds, for example, to an area detector with imaging optics, in particular a CCD camera ("charge coupled device").
  • CCD camera charge coupled device
  • the arithmetic unit according to the invention defines one hand min ⁇ least a time periodically with respect to its optical power and / or its optical spectrum modulated image area within the generated by the projector projective onstruckes. This means, for example, that through the
  • Projector generated projection image is superimposed in a defined within the de ⁇ defined image area image area with the image area defined by the arithmetic unit, so that the projection image generated by the projector is replaced in this image area by the image area defined by the arithmetic unit.
  • this replacement is an easy-to-use factory intervention in the image of the pro ⁇ tion defining ⁇ image data.
  • the arithmetic unit according to the invention is also set up to perform a substantially synchronous comparison of the at least one image area of Pro etechnischssentes and the corresponding respective image region of the Beobachtungsauf ⁇ acquisition.
  • a "corresponding" of respective image area of the observation housing means that the modulated image area is determined within the range generated by the projector projection image on the observation housing, so that the two compared image areas of the Pro ⁇ jetechnischssentes and the observation housing with respect to the projection image of substantially identical local position so - how largely identical dimensions.
  • the essentially "synchronous" comparison means that a temporal sequence of comparisons is carried out, wherein at a certain point in time the projection image defined at that time is compared with that of the observation image of the projection image acquired at substantially the same time.
  • the arithmetic unit is furthermore designed to calculate a variable derived from the comparison of the respective image regions and a control signal derived from this variable, and to output the control signal to a focusing device of the projector.
  • Another advantage of the invention results from a design of the measurement based on at least one image area.
  • a provision of a correspondingly dimensioned and plat ed ⁇ image area allows for focusing during imaging of a desired part of a presentation Proetechnischs Kunststoffes without a special test image ⁇ example, a line screen, would move to the projection.
  • a definition is precisely one image region of the projection image easily see ⁇ and, accordingly, a comparison with exactly one ent ⁇ speaking image area of the observation housing.
  • the quantity derived from the comparison of the respective image areas is determined as the signal-to-noise ratio or SNR ("signal to noise ratio").
  • the noise may be measured in advance or during the autofocusing process.
  • a suitable measure of the noise is the standard deviation of the intensity value of unmodulated pixels ("pixels") for a repeated measurement. It is also possible to store suitable values for the focusing in the memory of the arithmetic unit.
  • the pixel noise is too small, it can be artificially increased.
  • the pixels to be evaluated are modulated with a random amplitude.
  • the SNR corresponds to the dynamic contrast.
  • a definition of at least two image regions of the etechnischssentes provided, which are modulated time-periodic each with respect to their op ⁇ table performance and / or their optical spectrum.
  • a respective syn ⁇ chronous and in certain imple mentation forms also independent comparison of the respective image area of the projection image corresponding image area of the observation image is provided with the respective image area of the projection image.
  • the second embodiment of the invention offers the advantage of operating the method according to the invention with a slightly increased computational effort, which however is offset by the advantage of a more precise and rapid convergence of the focusing measures.
  • FIG. 1 is a structural diagram for schematically illustrating a device for optical focusing of a projection image projected by a projector.
  • the figure shows a possible embodiment of the invention with a projector PRJ for projecting a projection image onto a projection surface SCR.
  • the on projek ⁇ tion area to be displayed by the projector image data VS for example, about - an unillustrated - external computer via an interface of the projector PRJ supplied.
  • An arithmetic unit CTR defines at least part of the projection image generated by the projector PRJ in the form of focusing image data IS, which are supplied by the arithmetic unit CTR to the projector PRJ.
  • the projection image generated by the projector PRJ is replaced by the image region defined by the arithmetic unit SCR in an image region delimited within the defined image regions.
  • this definition is done by using the focusing image data IS supplied by the arithmetic unit CTR for the defined image areas instead of the originally provided by the projector PRJ image data.
  • a detector DTC is provided, wherein a respective observation image captures the projection image as a whole or as a part.
  • the Detek ⁇ tor DTC is verwirklich for example, by a sheet detector having imaging optics, which can generate the projected image with at least five millisecond time resolution and spacing successively observation images. For this purpose, the detector is aligned with the projection surface SCR.
  • the image content FDB of Beobachtungsstruction more accurately Cavities ⁇ Lich resolved measured values from the observation images are, by the detector DTC for a closed loop principle egg ner feedback ( "Feed Back") passed to the computing unit CTR.
  • the image contents FDB are compared with the observation images and a variable derived from the comparison of the respective image regions is determined.
  • a control signal AS is generated WEL ches a - not shown - s istseinrich- processing of the projector PRJ, for example, a stepping motor for adjustment of the objective, is passed.
  • the arithmetic unit CTR logically before or, as shown, logically after the return channel FDB.
  • the proposed autofocus method works best for focus adjustment mechanisms that vary only one independent size, eg the distance between the light source and the imaging optics of the projector.
  • the invention is also to realize in al ⁇ ternatives projection variants, for example, using a back projection technique or a screen technology.
  • a back projection technique or a screen technology.
  • the functions of the projection surface SCR and of the projector SCR are merged into an actively controllable screen SCR.
  • control unit SCR and the projector PRJ are designed as a single functional unit, the entire image content of the projection image, including the image area provided according to the invention, being defined by the control unit of this projector.
  • embodiments are to be realized within the scope of the invention in which either a further separation of the projector PRJ from the detection unit DTC, as well as a further integration of the said functional units is provided.
  • Lead form environmentally an off with a further separation summarizes a separate device, such as a as a PDA ( "Per ⁇ personnel Digital Assistant") executed mobile unit with egg ⁇ ner optical detection unit which for wireless communication with the control unit CTR of the projector PRJ suitable is.
  • a wireless data return channel FDB the observation recordings are transmitted to the control unit CTR, synchronized with the requirements of the control unit CTR.
  • the shifting of the calculations by the arithmetic unit CPU to be realized in this mobile unit.
  • An embodiment with a further integration of the projector PRJ with the detection unit DTC comprises arrangements in which both components mentioned are integrated in one device.
  • the modulation method used according to the invention is based on dynamically modulating adjacent or closely spaced image areas of the projected image.
  • the spatial dimensions of the image areas are incidentally arbitrary. Their lower dimension is limited only by the pixel resolution, depending on the quality of the optics used in the projector PRJ and in the detector DTC. With a corresponding choice of the optics, a respective image area can thus also extend over a single pixel.
  • the spatial dimensions of the image areas are limited to the top only by the dimensions of the projection image.
  • Both image areas are modulated with the same waveform, but with a phase difference of Ii, so that two oppositely modulated image area result, which undergo different light intensities in alternating order.
  • a spectrum modulo lation in which different color values are traversed.
  • the calculation of the quantity derived from the comparison of the respective image areas is thus carried out in such a way that the optical power of a first image area and a second image area are spatially integrated in each case and the integrated optical power of the first image area is subtracted from the integrated optical power of the second one image area.
  • the derived size increases the better the focus of the image. Accordingly, the rule ⁇ signal AS is adjusted so that an increase in selectleite ⁇ th size is reached.
  • the modulation frequency is preferably adjusted so that it is outside the perception range, so for example above a sampling frequency of the projector.
  • the modulation frequency is preferably further adjusted so that it is outside the range for photosensitive epilepsy, that is more than 70 Hz.
  • the frequency with which the observation images are collected is preferably an integer multiple of the frequency Modula ⁇ tion.
  • the observation housing is preferably synchronized with the Modulati ⁇ onsfrequenz.
  • standard methods from telecommunications can be used.
  • respective edges of the image areas to make identifiable by a greatly differed ⁇ Liche modulation If a Modula tion frequency f is selected, a modulation of the edges can be done with a different modulation frequency, for example, with a value f / 2 equal to half the modulation frequency.
  • Advantageous modulation formats belong to the family of pulse amplitude modulation. Examples include sine modulation and OOK ("on-off-keying").
  • a spatial over-sampling of the observation recording vorzuneh ⁇ men At least two sampling points are placed in each modulated area of the image.
  • the projected image has an uncontrolled flickering ⁇ , which may be caused for example by a resonance with the Ver ⁇ sorgungs batnapst, it is pre In part, to carry out the modulation and the observation shots only sporadically. It is advantageous to carry out the Modu ⁇ lation and the observation images of randomly selected times. It is also advantageous to average the measured signals from multiple measurements. The latter is especially recommended for relatively static images such case ⁇ game slide presentations.
  • the intensity of the modulated image areas is selected or controlled within a Refe rence ⁇ range.
  • temporal phases of modulation and non-modulation can follow one another closely, with the measured value for which the non-modulation phases are used for normalization.
  • An alternative to this is to refer to the peak during a Modulati ⁇ onsphase for normalization.
  • Another alternative are spatially delimited areas having A possible ⁇ lichst similar structure and illumination as the modulation region. It is altogether advantageous to evaluate only normalized values for each area.
  • the present focus adjustment can be determined by an iterative reduction of the modulation ranges.
  • the modu ⁇ lations Schemee be reduced strictly monotonically until the contrast between two modulation areas, or, when using only one modulation range according to an alternative disclosed embodiment of the invention, the modulation area and the sound decreases again.
  • the range setting before this Acceptance is then the optimal range setting for further focusing.
  • an area of the projected image can be selected which is to be focused optimally, for example a complex diagram to be displayed.
  • the proposed modulation may be performed on one or more of the elementary colors used for projection. In the latter case, care must be taken to preserve the color centroid of each modulated pixel.
  • the invention enables autofocusing of projected static or moving images during a presentation. There is no need for a test image, i. autofocusing can be done directly with the payload.
  • the invention makes it possible in a special way to focus on low-contrast images.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Fokussierung eines durch einen Projektor (PRJ) projizierten Projektionsbildes, umfassend, einen Detektor (DTC) zur zeitgesteuerten Erstellung mindestens einer Beobachtungsaufnahme des Projektionsbildes, einer Recheneinheit (CTR) zur Definition mindestens eines zeitperiodisch bezüglich seiner optischen Leistung und/oder seines optischen Spektrums modulierten Bildbereichs innerhalb des durch den Projektor (PRJ) erzeugten Projektionsbildes und zum im Wesentlichen synchronen Vergleich des mindestens einen Bildbereichs des Projektionsbildes und des entsprechenden jeweiligen Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme. Die Recheneinheit (CTR) ist weiter eingerichtet zur Berechnung einer aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereichen abgeleiteten Größe sowie eines aus dieser Größe abgeleiteten Regelsignals und zur Ausgabe des Regelsignals an eine Fokussierungseinrichtung des Projektors.

Description

Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zur optischen Fokussierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur optischen Fokussierung eines durch einen Projektor projizierten Projektionsbildes, insbesondere zum Einsatz in Standbild¬ projektoren oder Filmprojektoren.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene technische Ver¬ fahren für eine optische Fokussierung bekannt, bei der eine ScharfStellung ohne einen Eingriff eines Bedieners erfolgt. Auf derartige Verfahren wird daher häufig mit dem Begriff »Autofokus« Bezug genommen.
Gängige Autofokusverfahren sehen im Wesentlichen Verfahren vor, welche auf einen Phasenvergleich und/oder einer Kontrastmessung mindestens eines Objekts basieren. Bei letztge¬ nannten Verfahren unter Anwendung einer Kontrastmessung wird eine Bildweite eines Objektivs beispielsweise so lange vari¬ iert, bis ein gemessener Kontrast ein Maximum erreicht. Derartige Kontrastverfahren eignen sich indes nur bedingt für Objekte mit geringem Kontrast, also insbesondere Objekte oder Projektionen mit einem hohen Anteil an monochromer und kontrastarmer Hintergrundinformation oder mit wenig Färb- oder Graukontrast .
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für eine optische Fokussierung projizierter Bildinformationen anzugeben, dass vom Kontrast der projizierten Bildinformation weitgehend unabhängig ist.
Eine Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und, hinsichtlich ihres Verfahrensaspekts, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Zur optischen Fokussierung eines durch einen Projektor projizierten Projektionsbildes ist erfindungsgemäß zunächst vorge¬ sehen, einen Detektor zur zeitgesteuerten Erstellung mindestens einer Beobachtungsaufnahme des Projektionsbildes bereit- zustellen. Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst im Weite¬ ren eine Recheneinheit zur Definition mindestens eines zeit¬ periodisch bezüglich seiner optischen Leistung und/oder seines optischen Spektrums modulierten Bildbereichs innerhalb des durch den Projektor erzeugten Projektionsbildes und zum im Wesentlichen synchronen Vergleich des mindestens einen
Bildbereichs des Projektionsbildes und des entsprechenden je¬ weiligen Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme. Die Rechen¬ einheit ist ferner ausgebildet zur Berechnung einer aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereichen abgeleiteten Größe so- wie eines aus dieser Größe abgeleiteten Regelsignals, und, zur Ausgabe des Regelsignals an eine Fokussierungseinrichtung des Projektors.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Detektor entspricht gemäß ei- ner möglichen Aus führungs form der Erfindung beispielsweise einem Flächendetektor mit Abbildungsoptik, insbesondere CCD- Kamera (»Charge Coupled Device«) . Die zeitgesteuerte Erstel¬ lung von Beobachtungsaufnahmen erfolgt beispielsweise zeitpe¬ riodisch .
Die erfindungsgemäße Recheneinheit definiert einerseits min¬ destens eines zeitperiodisch bezüglich seiner optischen Leistung und/oder seines optischen Spektrums modulierten Bildbereichs innerhalb des durch den Projektor erzeugten Projekti- onsbildes. Dies bedeutet beispielsweise, dass das durch den
Projektor erzeugte Projektionsbild in einem innerhalb des de¬ finierten Bildbereichs begrenzten Bildbereich mit dem durch die Recheneinheit definierten Bildbereich überlagert wird, so dass das durch den Projektor erzeugte Projektionsbild in die- sem Bildbereich durch den durch die Recheneinheit definierten Bildbereich ersetzt wird. Mit den derzeit üblichen digitalen Projektoren entspricht diese Ersetzung einen einfach zu be- werkstelligenden Eingriff in die das Pro ektionsbild definie¬ renden Bilddaten.
Die erfindungsgemäße Recheneinheit ist darüber hinaus dazu eingerichtet, einen im Wesentlichen synchronen Vergleich des mindestens einen Bildbereichs des Pro ektionsbildes und des entsprechenden jeweiligen Bildbereichs der Beobachtungsauf¬ nahme durchzuführen. Ein »entsprechender« jeweiliger Bildbereich der Beobachtungsaufnahme bedeutet, dass der modulierte Bildbereich innerhalb des durch den Projektor erzeugten Projektionsbildes auch auf der Beobachtungsaufnahme bestimmt wird, so dass die beiden verglichenen Bildbereiche des Pro¬ jektionsbildes sowie der Beobachtungsaufnahme bezüglich des Projektionsbildes eine weitgehend identische lokale Lage so- wie weitgehend identische Ausmaße haben.
Der im Wesentlichen »synchrone« Vergleich bedeutet, dass eine zeitliche Folge von Vergleichen durchgeführt wird, wobei zu einem bestimmten Zeitpunkt das zu diesem Zeitpunkt definierte Projektionsbild mit der der zum im Wesentlichen selben Zeitpunkt erhobenen Beobachtungsaufnahme des Projektionsbildes verglichen werden.
Die Recheneinheit ist ferner ausgebildet zur Berechnung einer aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereichen abgeleiteten Größe sowie eines aus dieser Größe abgeleiteten Regelsignals, und, zur Ausgabe des Regelsignals an eine Fokussierungsein- richtung des Projektors. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass im Gegensatz zum Stand der Technik dem Prinzip einer Regelschleife bei der optischen Fokussierung gefolgt wird. Durch Auswerten von einem oder mehreren Bildpunkten, welche einerseits bezüglich ihres Orts und ihrer Ab- messungen bekannt sind und andererseits eine bezüglich ihrer optischen Leistung und/oder ihres optischen Spektrums vorbekannte Modulation aufweisen, ist eine Fokussierung wesentlich schneller und präziser zu bewerkstelligen als dies in bislang bekannten Maßnahmen der Fall ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich durch eine Gestaltung der Messung anhand mindestens eines Bildbereichs. Eine Vorsehung eines entsprechend dimensionierten und plat¬ zierten Bildbereichs gestattet eine Fokussierung während der Abbildung eines im Rahmen einer Präsentation gewünschten Proektionsbildes, ohne dass ein spezielles Testbild, beispiels¬ weise ein Linienraster, zur Projektion gelangen müsste.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer ersten Aus führungs form der Erfindung ist eine Definition genau eines Bildbereich des Projektionsbildes vorge¬ sehen und, entsprechend, ein Vergleich mit genau einem ent¬ sprechenden Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme. Die aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereiche abgeleitete Größe wird als Signal-Rausch-Verhältnis bzw. SNR (»Signal to Noise Ratio«) ermittelt. Das Rauschen kann vorab oder während des Autofokussierungsvorganges gemessen werden. Eine geeignete Maßzahl für das Rauschen ist dabei die Standardabweichung des Intensitätswertes von unmodulierten Bildpunkten (»Pixel«) für eine mehrmals wiederholte Messung. Es ist auch möglich, für die Fokussierung geeignete Werte im Speicher der Recheneinheit zu hinterlegen. Weiterhin kann bei zu kleinem Pixelrauschen dieses künstlich erhöht werden. Dazu werden die auszuwertenden Pixel mit einer zufälligen Amplitude moduliert. In optischen Kategorien ausgedrückt entspricht das SNR dabei dem dynamischen Kontrast. Diese erste Aus führungs form der Erfindung weist den Vorteil eines relativ geringen Rechenaufwandes bei einer dessen ungeachtet raschen Konvergenz des Autofokus- sierungsverfahrens auf.
Gemäß einer bevorzugten zweiten Aus führungs form der Erfindung ist eine Definition mindestens zweier Bildbereiche des Pro- ektionsbildes vorgesehen, welche jeweils bezüglich ihrer op¬ tischen Leistung und/oder ihrer optischen Spektrums zeitperiodischen moduliert werden. Entsprechend ist ein jeweils syn¬ chroner und in bestimmten Aus führungs formen auch unabhängiger Vergleich des dem jeweiligen Bildbereich des Projektionsbildes entsprechenden Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme mit dem jeweiligen Bildbereich des Projektionsbildes vorgesehen. Die zweite Aus führungs form der Erfindung bietet den Vorteil, das erfindungemäße Verfahren mit einem zwar leicht erhöhten Rechenaufwand zu betreiben, welcher jedoch durch den Vorteil einer präziseren und rascheren Konvergenz der Fokussierungs- maßnahmen aufgewogen wird. Eine Durchführung des Verfahrens anhand mehrerer Bildbereiche bietet nämlich den Vorteil einer vergleichenden Berechnung, durch welche Effekte vernachläs- sigbar sind, welche für eine Berechnung der aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereichen abgeleiteten Größe mit dem Ziel der optischen Fokussierung unnötig sind. Zu diesen vernachlässigbaren Effekten gehören beispielsweise die Eigenschaften des optischen Übertragungskanals sowie Spezifika der opti- sehen Elemente des Projektors.
Ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Vorteilen und Ausgestal¬ tungen der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt die:
Fig.: ein Strukturbild zur schematischen Darstellung einer Einrichtung zur optischen Fokussierung eines durch einen Projektor projizierten Projektionsbildes .
Die Figur zeigt eine mögliche Ausgestaltungsform der Erfindung mit einem Projektor PRJ zur Projektion eines Projekti- onsbildes auf eine Projektionsfläche SCR. Die auf der Projek¬ tionsfläche durch den Projektor darzustellenden Bilddaten VS werden beispielsweise über - einen nicht dargestellten - externen Rechner über eine Schnittstelle des Projektors PRJ zugeführt .
Eine Recheneinheit CTR definiert zumindest einen Teil des vom Projektor PRJ erzeugten Projektionsbildes in Form von Fokus- sierungsbilddaten IS, welche von der Recheneinheit CTR an den Projektor PRJ zugeführt werden. Zur Durchführung einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Fokussierungsverfah- rens werden zwei zeitperiodisch bezüglich ihrer optischen Leistung modulierte Bildbereiche innerhalb des durch den Pro¬ jektor PRJ erzeugten Projektionsbildes definiert.
Diese Definition hat zur Folge, dass das durch den Projektor PRJ erzeugte Projektionsbild in einem innerhalb der definier- ten Bildbereiche begrenzten Bildbereich mit dem durch die Recheneinheit SCR definierten Bildbereich ersetzt wird. Im di¬ gital arbeitenden Projektor PRJ erfolgt diese Definition durch Verwendung der von der Recheneinheit CTR für die definierten Bildbereiche gelieferten Fokussierungsbilddaten IS statt der ursprünglich durch den Projektor PRJ vorgesehen Bilddaten .
Zur Erstellung von Beobachtungsaufnahmen ist ein Detektor DTC vorgesehen, wobei eine jeweilige Beobachtungsaufnahme das Projektionsbild als Ganzes oder als Teil erfasst. Der Detek¬ tor DTC wird beispielsweise durch einen Flächendetektor mit Abbildungsoptik verwirklich, welcher mit mindestens fünf Millisekunden Zeitauflösung und -abstand nacheinander Beobachtungsaufnahmen vom projizierten Bild erzeugen kann. Dazu wird der Detektor auf die Projektionsfläche SCR ausgerichtet.
Der Bildinhalt FDB der Beobachtungssaufnahme, genauer, räum¬ lich aufgelösten Messwerte aus den Beobachtungsaufnahmen, werden vom Detektor DTC nach einem Regelschleifen-Prinzip ei- ner Rückkopplung (»Feed Back«) an die Recheneinheit CTR übergeben . In der Recheneinheit CTR werden die Bildinhalt FDB der Beo- bachtungssaufnähme vergleichen und eine aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereiche abgeleitete Größe ermittelt. Aus die¬ ser abgeleiteten Größe wird ein Regelsignal AS erzeugt, wel- ches an eine — nicht dargestellte - Fokussierungseinrich- tung des Projektors PRJ, beispielsweise einen Schrittmotor zur Einstellung des Objektivs, übergeben wird.
Dabei kann sich die Recheneinheit CTR logisch vor oder, wie dargestellt, logisch nach dem Rückkanal FDB befinden. Die vorgeschlagene Autofokusmethode funktioniert am besten für ScharfStellmechanismen, die nur eine unabhängige Größe variieren, z.B. der Abstand zwischen Lichtquelle und Abbildungs¬ optik des Projektors.
Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung auch in al¬ ternativen Projektionsvarianten, beispielsweise unter Anwendung einer Rückenprojektionstechnik oder auch mit einer Bildschirmtechnik zu verwirklichen ist. Bei der besagten Bild- schirmtechnik werden die Funktionen der Projektionsfläche SCR und des Projektors SCR verschmolzen in einen aktiv ansteuerbaren Bildschirm SCR.
Der Erfindungsgedanke ist selbstverständlich auch in einer Weise zu verwirklichen, bei der die Steuereinheit SCR und der Projektor PRJ als eine einzige Funktionseinheit ausgeführt sind, wobei der gesamte Bildinhalt des Projektionsbildes, einschließlich der erfindungsgemäß vorgesehenen Bildbereich, von der Steuereinheit dieses Projektors definiert wird.
Weiterhin sind im Rahmen der Erfindung Aus führungs formen zu verwirklichen, bei denen entweder eine weitergehende Trennung des Projektors PRJ von der Detektionseinheit DTC, als auch eine weitergehende Integration der besagten Funktionseinhei- ten vorgesehen ist. Eine Aus führungs form mit einer weitergehenden Trennung um- fasst ein separates Gerät, beispielsweise eine als PDA (»Per¬ sonal Digital Assistant«) ausgeführte mobile Einheit mit ei¬ ner optischen Erfassungseinheit, welche für eine drahtlose Kommunikation mit der Steuereinheit CTR des Projektors PRJ geeignet ist. Über einen drahtlosen Datenrückkanal FDB wer¬ den, synchronisiert mit den Anforderungen der Steuereinheit CTR, Beobachtungsaufnahmen an die Steuereinheit CTR übergeben. In einer Weiterbildung dieser Aus führungs form ist auch die Verlagerung der Berechnungen durch die Recheneinheit CPU in auf dieser mobilen Einheit zu verwirklichen.
Eine Aus führungs form mit einer weitergehenden Integration des Projektors PRJ mit der Detektionseinheit DTC umfasst Anord- nungen, bei der beide genannten Komponenten in einem Gerät integriert sind.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Modulationsverfahren beruht darauf, nebeneinander oder nahe beieinander liegende Bildbe- reiche des projizierten Bildes dynamisch zu modulieren. Die räumlichen Ausmaße der Bildbereiche sind im Übrigen beliebig wählbar. Ihre untere Dimension ist, je nach der Güte der eingesetzten Optiken im Projektor PRJ sowie im Detektor DTC lediglich durch die Pixel-Auflösung begrenzt. Bei einer ent- sprechenden Wahl der Optik kann sich ein jeweiliger Bildbereich also auch über ein einziges Pixel erstrecken. Die räumlichen Ausmaße der Bildbereiche sind nach oben nur durch die Abmaße des Projektionsbildes begrenzt. Beim Modulationsverfahren wird die pro Bildbereich ausgesendete optische Leistung beispielsweise um einen konstanten Mo¬ dulationsindex moduliert. Beide Bildbereiche werden mit der gleichen Wellenform moduliert, allerdings mit einer Phasendifferenz von Ii , so dass sich zwei gegenläufig modulierte Bildbereich ergeben, welche in wechselnder Reihenfolge verschiedene Lichtintensitäten durchlaufen. In einer alternativen Aus führungs form der Erfindung erfolgt eine Spektrumsmodu- lation, bei welcher verschiedene Farbwerte durchlaufen werden .
Werden die integrierten Signale von beiden Bereichen nume- risch subtrahiert, entsteht ein Differenzsignal, dessen Amp¬ litude steigt, je besser die Fokussierung des Bildes ist.
Die Berechnung der aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereichen abgeleiteten Größe, erfolgt also in der Weise, dass die optische Leistung eines ersten Bildbereichs und eines zweiten Bildbereichs jeweils räumlich integriert werden und die integrierte optische Leistung des ersten Bildbereichs subtrahiert wird von der integrierten optischen Leistung des zweiten Bildbereichs. Die abgeleitete Größe steigt, je besser die Fokussierung des Bildes ist. Entsprechend wird das Regel¬ signal AS so eingestellt, dass eine Steigerung der abgeleite¬ ten Größe erreicht wird.
Die Modulationsfrequenz wird vorzugsweise so eingestellt, dass diese außerhalb des Wahrnehmungsbereiches liegt, also beispielsweise oberhalb einer Abtastfrequenz des Projektors.
Die Modulationsfrequenz wird vorzugsweise weiterhin so eingestellt, dass diese außerhalb des Bereiches für photosensitive Epilepsie liegt, also mehr als 70 Hz beträgt.
Die Frequenz, mit der die Beobachtungsaufnahmen erhoben werden ist vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der Modula¬ tionsfrequenz .
Die Beobachtungsaufnahme wird vorzugsweise mit der Modulati¬ onsfrequenz synchronisiert. Dazu können Standardverfahren aus der Nachrichtentechnik benutzt werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, nur zusammenhängende Pixelbereiche zu modulieren, um die Auswer¬ tung der Beobachtungsaufnahme möglichst einfach zu gestalten. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, jeweilige Kanten der Bildbereiche durch eine stark unterschied¬ liche Modulation identifizierbar zu machen. Wird eine Modula tionsfrequenz f gewählt, kann eine Modulation der Kanten mit einer anderen Modulationsfrequenz erfolgen, beispielsweise mit einem Wert f/2 in Höhe der halben Modulationsfrequenz.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, alle Bereiche mit CDMA-Schlüsseln (»Code Division Multiple Ac¬ cess«) zu modulieren und für die Kanten einen anderen Schlüs sei zu verwenden als für die ScharfStellbereiche selbst.
Vorteilhafte Modulationsformate gehören zu der Familie der Puls-Amplituden-Modulation. Beispiele hierfür sind Sinusmodu lation und OOK (»On-Off-Keying«) .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, das Signal eines jeweiligen Bildbereichs vor der Auswertung auf- zusummieren. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass intrin sisches Pixelrauschen, beispielsweise ein Quantisierungsrau¬ schen im CCD (»Charge-Coupled Device«) des Detektors DTC, mi nimiert wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, nur solche Bereiche des Projektionsbildes auszuwählen, die eine Modulation noch zulassen, mit anderen Worten also Bereiche, deren Modulationspegel noch nicht gesättigt sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, eine räumliche Über-Abtastung der Beobachtungsaufnahme vorzuneh¬ men. Dabei werden mindestens zwei Abtastpunkte in jeden modu Herten Bildbereich gelegt.
Falls das Projektionsbild ein unkontrolliertes Flackern auf¬ weist, welches zum Beispiel durch eine Resonanz mit der Ver¬ sorgungswechselspannung hervorgerufen sein kann, ist es vor- teilhaft, die Modulation und die Beobachtungsaufnahmen nur sporadisch durchzuführen. Es ist dabei vorteilhaft, die Modu¬ lation und die Beobachtungsaufnahmen an zufällig ausgewählten Zeitpunkten durchzuführen. Es ist auch vorteilhaft, die gemessenen Signale von mehreren Messungen zu mittein. Letzteres wird vor allem für relativ statische Bildinhalte wie zum Bei¬ spiel Folienpräsentationen empfohlen.
Bei dynamisch veränderten Bildinhalten hingegen ist gemäß einer alternativen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, Intensitätsnormalisierungen durchzuführen. Hierbei wird die Intensität der modulierten Bildbereiche innerhalb eines Refe¬ renzbereiches gewählt bzw. eingestellt. Beispielsweise können zeitliche Phasen von Modulation und Nichtmodulation nahe aufeinander folgen, wobei der Messwert für die die Nichtmodula- tionsphasen zur Normalisierung herangezogen wird. Eine Alternative hierzu ist es, den Spitzenwert während einer Modulati¬ onsphase für die Normalisierung heranzuziehen. Eine weitere Alternative sind räumlich abgegrenzte Bereiche, die eine mög¬ lichst ähnliche Struktur und Ausleuchtung aufweisen wie der Modulationsbereich. Es ist insgesamt Vorteilhaft, jeweils nur normalisierte Werte für jeden Bereich auszuwerten.
Es ist weiterhin vorteilhaft, die Größe der modulierten Bild¬ bereiche and die Fokuseinstellung anzupassen. Bei unscharfer Einstellung sind die Bildbereiche relativ groß, für scharfe Einstellungen dagegen relativ klein zu wählen.
Weiterhin kann bei Beginn der Fokussierung die vorliegende Schärfeneinstellung durch eine iterative Verkleinerung der Modulationsbereiche bestimmt werden. Hierbei werden die Modu¬ lationsbereiche streng monoton verkleinert, bis der Kontrast zwischen zwei Modulationsbereichen oder, bei Verwendung lediglich eines Modulationsbereiches gemäß einer alternativen Aus führungs form der Erfindung, dem Modulationsbereich und dem Rauschen wieder abnimmt. Die Bereichseinstellung vor dieser Abnahme ist dann die optimale Bereichseinstellung für eine weitere Fokussierung .
Bei der Durchführung einer Fokussierung ist es vorteilhaft, den Kontrast bei mehreren aufeinanderfolgenden Fokuseinstellungen zu messen und aus der dadurch ermittelten Kurve das Maximum zu ermitteln. Dies kann durch Interpolation oder Wahl des am nahest gelegenen Fokuspunktes geschehen.
Bei Bedarf kann ein Bereich des projizierten Bildes gewählt werden, der optimiert fokussiert werden soll, beispielsweise ein darzustellendes komplexes Diagramm.
Die vorgeschlagene Modulation kann bei einer oder mehrer der zur Projektion verwendeten Elementarfarben durchgeführt werden. In letzterem Fall ist darauf zu achten, dass der Farbschwerpunkt jedes modulierten Pixels bewahrt wird.
Es ist außerdem möglich, das erfindungsgemäße Verfahren mit nicht sichtbarem Licht, beispielsweise im Infrarotbereich, durchzuführen und für Überwachungskameras in dunklen Berei¬ chen einzusetzen.
Bei der Modulation nur einer Farbe ist es außerdem vorteilhaft, die Beobachtungsaufnahme mit einem angepassten opti¬ schen Filter vorzunehmen.
Die Erfindung ermöglicht zusammenfassend eine Autofokussie- rung von projizierten statischen oder bewegten Bildern während einer Präsentation. Dazu ist kein Testbild notwendig, d.h. die Autofokussierung kann direkt mit dem Nutzbild durchgeführt werden. Die Erfindung ermöglicht in besonderer Weise eine Fokussierung von kontrastarmen Bildern.
Weiterhin ist ein vorteilhafter Einsatz der Erfindung bei wackelnden Projektoren möglich, beispielsweise von in der Hand gehaltenen Projektoren. Die durch die Erfindung ermöglichte dynamische Fokussierung ist von steigender Bedeutung, je kleiner und je energieeffizienter Projektoren werden, so dass diese verstärkt durch veränderliche Umweltbedingungen wie die Raumtemperatur beein flussbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur optischen Fokussierung eines durch einen Projektor (PRJ) projizierten Projektionsbildes, umfassend, - einen Detektor (DTC) zur zeitgesteuerten Erstellung mindestens einer Beobachtungsaufnahme des Projektionsbildes, einer Recheneinheit (CTR) zur
Definition mindestens eines bezüglich seiner optischen Leistung und/oder seines optischen Spektrums modulierten Bildbereichs innerhalb des durch den Pro¬ jektor (PRJ) erzeugten Projektionsbildes und zum im Wesentlichen synchronen Vergleich des mindestens einen Bildbereichs des Projektionsbildes und des ent¬ sprechenden jeweiligen Bildbereichs der Beobachtungs- aufnähme,
zur Berechnung einer aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereichen abgeleiteten Größe sowie eines aus dieser Größe abgeleiteten Regelsignals, und,
zur Ausgabe des Regelsignals an eine Fokussierungs- einrichtung des Projektors.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch,
eine Definition genau eines Bildbereich des Projektionsbildes zur bezüglich seiner optischen Leistung und/oder seines optischen Spektrums zeitperiodischen Modulation, und,
zum im Wesentlichen synchronen Vergleich des entsprechenden einen Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme wobei die aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereiche abgeleitete Größe einem Signal-Rausch-Verhältnis entspricht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch,
eine Definition mindestens zweier Bildbereiche des Projekti- onsbildes zur jeweiligen bezüglich ihrer optischen Leistung und/oder ihrer optischen Spektrums zeitperiodischen Modulation, und, zum im Wesentlichen synchronen Vergleich des dem jeweiligen Bildbereich des Pro ektionsbildes entsprechenden Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme mit dem jeweiligen Bildbereich des Proj ektionsbildes .
4. Einrichtung nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch,
eine lokale Nachbarschaft der mindestens zwei Bildbereiche des Projektionsbildes.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4,
gekennzeichnet durch,
eine Modulation eines jeweiligen Bildbereichs mit einer je¬ weils gleichen Wellenform, wobei in der Modulation eines zweiten Bildbereichs gegenüber einem ersten Bildbereich eine Phasenverschiebung vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch,
eine Phasenverschiebung mit einem Wert von π.
7. Einrichtung nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch,
eine Berechnung einer aus dem Vergleich der jeweiligen Bild- bereichen abgeleiteten Größe, bei der die optische Leistung des ersten Bildbereichs und des zweiten Bildbereichs jeweils räumlich integriert werden und die integrierte optische Leis¬ tung des ersten Bildbereichs subtrahiert wird von der integ¬ rierten optischen Leistung des zweiten Bildbereichs.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Modulation mit einer Frequenz oberhalb einer Abtastfrequenz des Projektors (PRJ) erfolgt.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation mit einer Frequenz oberhalb von 70 Hertz erfolgt .
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch,
eine Vorrichtung zur Intensitätsnormalisierung zur Einstellung einer Intensität der modulierten Bildbereiche innerhalb eines Referenzbereiches.
11. Einrichtung nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch,
eine Vorrichtung zur Intensitätsnormalisierung, bei welcher ein Messwert für die optische Leistung während einer nichtmo- dulierten Phase zur Auswertung kommt.
12. Einrichtung nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch,
eine Vorrichtung zur Intensitätsnormalisierung, bei welcher ein Spitzenwert für die optische Leistung während einer modu- Herten Phase zur Auswertung kommt.
13. Einrichtung nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch,
eine Vorrichtung zur Intensitätsnormalisierung, bei welcher räumlich abgegrenzte Bereiche mit einer weitgehend mit dem modulierten Bildbereich ähnlichen Struktur und/oder weitgehend ähnlichen optischen Leistung zur Auswertung kommen.
14. Verfahren zur optischen Fokussierung eines durch einen Projektor (PRJ) projizierten Projektionsbildes, umfassend, zeitgesteuerte Erstellung mindestens einer Beobachtungs¬ aufnahme des Projektionsbildes,
Definition mindestens eines zeitperiodisch bezüglich seiner optischen Leistung und/oder seines optischen Spekt- rums modulierten Bildbereichs innerhalb des durch den
Projektor (PRJ) erzeugten Projektionsbildes im Wesentlichen synchrones Vergleich des mindestens einen Bildbereichs des Pro ektionsbildes und des entsprechenden jeweiligen Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme,
Berechnung einer aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbe- reichen abgeleiteten Größe sowie eines aus dieser Größe abgeleiteten Regelsignals, und,
Ausgabe des Regelsignals an eine Fokussierungseinrichtung des Projektors (PRJ) .
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