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Die
vorliegende Erfindung betrifft Flüssigkristallanzeigevorrichtungen
und Verfahren zur Steuerung einer Anzeige oder eines räumlichen
Lichtmodulators, bei denen die durch die Anzeige oder den Modulator
erzeugte augenblickliche Intensitätsverteilung binärer Natur
ist, die aber in einer solchen Weise geändert wird, dass die über die
Zeit gemittelte Verteilung effektiv oder dem Anschein nach mehrfache Intensitätsniveaus
aufweist. Für
Anzeigezwecke bedeutet dies, dass die Änderung ausreichend schnell sein
muss, damit eine Mittelung im Auge erfolgt, vorzugsweise unter Vermeidung
von jeglichem Flimmern. Diese Forderung gilt gegebenenfalls auch
für andere
Einsatzzwecke.
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Die
Verfahren der Erfindung können
in Verbindung mit beliebigen räumlichen
Lichtmodulatoren angewandt werden, die befähigt sind, ein binäres Bild zu
erzeugen, einschließlich
solcher Modulatoren, die eine Anordnung individuell adressierbarer
Zellen oder Pixel aufweisen, sowie solcher Modulatoren, bei denen
das binäre
Bild beispielsweise durch Abtasten mit einem modulierten Lichtstrahl
erzeugt wird. Der hier verwendete Ausdruck "binärer
räumlicher
Lichtmodulator" soll
alle derartigen Vorrichtungen umfassen, ob sie nun für Anzeigezwecke
oder andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise zur Informationsaufzeichnung,
sowie variable Komponenten (zum Beispiel Linsen, Filter und Beugungsgitter)
in optischen Systemen. Dieser Ausdruck soll passive Modulatoren
umfassen, bei denen ein vorliegender Lichtstrahl durch den Modulator
beeinflusst wird, sowie solche Modulatoren, die als Lichtquellen
wirken, zum Beispiel Anordnungen von Lichtemittern, sowie Elektrolumineszenzvorrichtungen.
Die Vorrichtung der Erfindung umfasst auch einen passiven binären räumlichen
Lichtmodulator in Form eines Arrays von Flüssigkristallpixeln.
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Der
hier verwendete Ausdruck "Bild" wird verwendet,
um eine beliebige räumlich
variierte Lichtverteilung zu bezeichnen, normalerweise, jedoch nicht
zwingend, die Verteilung der Lichtintensität, und die Erzeugung oder die
resultierende Verteilung wird als "Anzeige" bezeichnet.
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Obgleich
ferner der Ausdruck "Grauskala" hier zur Bezeichnung
einer mehrstufigen Verteilung verwendet ist, sollte deutlich gemacht
werden, dass der Ausdruck in Bezug auf eine beliebige Farbe einschließlich Weiß verwendet
wird. Obwohl darüber
hinaus die Verfahren, Arrays, Backplanes, die Schaltkreise, etc.,
der Erfindung und ihrer Ausführungsform in
Bezug auf eine einzige Farbe (monochrome Bilder), einschließlich Weiß, beschrieben
sind, ist vorgesehen, dass Bilder oder Anzeigen, etc., mit variablen
Farben auf an sich bekannte Arten erzeugt werden, etwa durch räumliche
Unterteilung eines einzigen Arrays in verschiedene Farbpixel, Überlagerung von
Anzeigen von unterschiedlich gefärbten
monochromen Arrays zum Beispiel durch Projektion oder zeitliches
Multiplexen, zum Beispiel sequentielle Projektion von roten, grünen und
blauen Bildern.
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Die
zeitliche Variierung einer binären
Modulation zur Erzielung der Wirkung einer mehrfachen Intensität ist bekannt
und kann durch Verwendung von mehrfachen Bitebenen bewirkt werden.
In einem solchen Schema wird ein Array von digitalisierten Werten
von Amplituden, die den Grauskalenwerten entsprechen, die den Pixeln des
Arrays zugeordnet sind, in eine Vielzahl von Bitebenen zerlegt.
Dieses Mehrfach-Bitebenen-Verfahren kann mit beliebigen binären räumlichen
Lichtmodulatoren, wie sie oben definiert wurden, angewandt werden.
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Es
ist möglich,
ein Grauskalenbild mit n Niveaus in eine Vielzahl von binären Bildebenen
gleicher Dauer bei einer entsprechenden Vielzahl von Bitebenen gleicher
Dauer zu zerlegen. In einer bevorzugten Form, die als Bitebenen-Verfahren
mit Gewichtung bekannt ist, wird allerdings die Dauer der Bitebenen
gewichtet, wobei jede Bitebene für
ein Niveau (Exponent) der Digitalisierung repräsentativ ist. Hierdurch wird
die Anzahl der zur Synthese eines Bildes erforderlichen Bitebenen
verringert und auch eine gewisse Verringerung der Adressierungsanforderungen
erzielt. Beispiele für
dieses Verfahren finden sich in der europäischen Patentanmeldung Nr.
0 774 745 (Matsushita Electronics) und in
JP 05 127612 (Nippon Hoso Kyokai).
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Obgleich
es in bestimmten Fällen
möglich wäre, andere
digitale Basen als die Basis 2 zu verwenden, macht dies die Materie
insofern kompliziert, als dann jede Bitebene nicht binär ist und
somit nicht so leicht gespeichert werden kann. Darüber hinaus würde dann
jeder Ort einer solchen Bitebene mehr als einen von Null verschiedenen
Wert aufweisen, und die Variation der von Null verschiedenen Werte über die
Bitebene müsste
für die
Dauer der Ansteuerung jedes Pixels berücksichtigt werden (möglicherweise
durch weiteres Zerlegen der nicht-binären Ebene in zwei oder mehr
binäre
Ebenen). Die nachfolgende Erläuterung
ist auf die binäre
Gewichtung beschränkt,
jedoch wird davon ausgegangen, dass die in einem solchen Kontext
dargelegten Prinzipien ausreichend sind, eine Fachperson in die
Lage zu versetzen, eine Extrapolation auf andere Exponentialbasen
vorzunehmen, falls dies verlangt oder gewünscht ist.
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Wenn
die Digitalisierung binär
ist, sodass jede Bitebene eine Anordnung von digitalen Einsen und
Nullen darstellt, ist es dann lediglich erforderlich, jede Bitebene
für eine
Gesamtzeitdauer anzuzeigen, die ihrer binären Gewichtung proportional
ist, um ein dem digitalisierten Grauskalenbild äquivalentes zeitlich gemitteltes
Bild zu erzielen.
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Wo
es möglich
ist, ist es günstig,
jede binäre Bitebene
für die
gesamte Zeitdauer, die erforderlich ist, um zum Grauskalenbild beizutragen,
einmal anzuzeigen; es ist jedoch auch möglich, eine oder mehrere der
Bitebenen mehrmals, aber nicht notwendigerweise sequentiell, anzuzeigen,
sofern die für
die Anzeige jeder Bitebene aufgewandte Gesamtzeitdauer, bezogen
auf die zur Anzeige sämtlicher
Bitebenen aufgewandte Gesamtzeitdauer, ihrer binären Gewichtung proportional
ist.
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In
jüngster
Zeit wurde ein neuartiger räumlicher
Lichtmodulator in Form einer smektischen Flüssigkristallschicht, die zwischen
einer aktiven Halbleiter-Backplane und einer gemeinsamen Frontelektrode
angeordnet ist, entwickelt. Die Entwicklung erfolgte als Reaktion
auf die Forderung nach einem schnellen und, wenn möglich, auch
kostengünstigen
räumlichen
Lichtmodulator, der eine relativ große Anzahl von Pixeln (320 × 240 bis
zu 640 × 480)
aufweist und sich nicht nur als Anzeigevorrichtung, sondern auch für andere
Formen optischer Verarbeitung wie etwa Korrelation und holographisches
Schalten verwenden lässt.
Je nach der Art der Ansteuerung und des Wertes der angelegten Spannung
kann der Modulator bei einer Zeilenrate von mindestens 10 MHz und einer
Bildwiederholrate von bis zu 15 bis 20 kHz betrieben werden, was
eine Dateneingabe von etwa 1 bis 1,5 Gigapixel pro Sekunde erfordert.
Während
die Pixeladressierungszeit etwa 100 Nanosekunden beträgt, erfordert
das Pixel typischerweise gegenwärtig etwa
1 bis 5 Mikrosekunden zum Umschalten zwischen optischen Zuständen; während ferner
die Gesamt-Bildschreibdauer größenordnungsmäßig 24 Mikrosekunden
beträgt,
beträgt
die Bild-zu-Bild-Schreibdauer etwa 80 Mikrosekunden.
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Dieser
räumliche
Lichtmodulator kann gemäß Single-Pass-Schemata
angesteuert werden, bei denen die Frontelektrode relativ zu den
Backplane-Pixeln, die auf Null Volt oder V Volt geschaltet werden,
auf ein Potential von V/2 gesezt wird.
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Alternativ
kann der Modulator nach Double-Pass-Schemata angesteuert werden,
bei denen bei einem Durchgang die Frontelektrode auf Null Volt gesetzt
wird und ausgewählte
Pixel durch Schalten von Pixelelementen des Backplane-Arrays auf
V Volt in den EIN-Zustand geschaltet werden und im anderen Durchgang
die Frontelektrode auf V Volt gesetzt wird und ausgewählte Pixel
durch Schaltelemente des Arrays auf Null Volt in den AUS-Zustand
geschaltet werden. Für
Pixel, die nicht an dem Schaltprozess teilnehmen, folgen die Elemente
der Backplane der Spannung der Frontelektrode. Zur Aufrechterhaltung der
gleichen Potentialdifferenz dazwischen wird die Spannung an allen
Backplane-Pixelelementen des Arrays gleichzeitig geschaltet, wenn
die Spannung an der Frontelektrode zwischen Null Volt und V Volt wechselt.
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Unsere
gleichzeitig anhängigen
internationalen Patentanmeldungen (WO 0037994; WO 0037998; WO 0037997;
WO 0037996; WO 0037999; WO 0038168; WO 0038162; WO 0038767 und WO 0038166)
beziehen sich auf andere erfinderische Aspekte im Zusammenhang mit
diesem räumlichen Lichtmodulator
einschließlich
der Single-Pass- und Double-Pass-Schemata, die im vorhergehenden
Abschnitt genannt wurden.
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Der
oben erwähnte
räumliche
Lichtmodulator ist in idealer Weise für die Anwendung des oben erwähnten Bitebenen-Verfahrens
geeignet. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht auf Flüssigkristallmodulatoren
beschränkt,
sondern kann auf beliebige räumliche
Lichtmodulatoren angewandt werden, wie sie oben erwähnt wurden.
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Ein
Problem, das insbesondere beim Betrieb einer Flüssigkristallanzeige und Modulatoren
auftritt, besteht darin, eine Ausgeglichenheit von 0 und 1 (DC balance)
an individuellen Pixeln aufrechtzuerhalten. Ursprünglich lagen
Flüssigkristall-Lichtmodulatoren in
Form einer einzigen Zelle vor, die eine Schicht eines Flüssigkristallmaterials
enthielt, das zwischen einander gegenüberliegenden, mit Elektroden
versehenen Platten eingeschaltet war, wobei mindestens eine der
Platten transparent war. Derartige Zellen waren im Betrieb langsam,
wobei die Tendenz zu einer kurzen Lebensdauer aufgrund des Abbaus
des Flüssigkristallmaterials
bestand. Sehr früh
wurde erkannt, dass das Anlegen einer endlichen mittleren Gleichspannung
an die Flüssigkristallzelle
nicht günstig
war und zumindest in einigen Fällen
einen Abbau des Flüssigkristallmaterials
selbst durch Elektrolyse erzeugte; daher wurden Schemata entwickelt,
um die mittlere Gleichspannung auf Null zu bringen (Ausgeglichenheit
von 0 und 1 (DC balance)).
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Es
ist nun anerkannt, dass auch andere Effekte eine Rolle spielen,
wenn eine Gleichspannung angelegt wird. Wenn elektrooptische Flüssigkristallvorrichtungen
eine längere
Zeit betrieben werden, kann das als Einbrennbild bekannte Phänomen auftreten.
Obgleich die genaue Ursache dieses Effekts nicht bekannt ist, gibt
es Theorien, wonach unter Ansprechen auf ein insgesamt vorliegendes
Gleichspannungsfeld Ionen innerhalb des Materials eingeschlossen
werden oder eine Raumladung im Material induziert wird, was zu einem
Restfeld führt,
auch wenn das äußere Gleichspannungsfeld
entfernt ist.
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Es
ist offensichtlich wünschenswert,
dass die zeitlich gemittelte Spannung (d.h., der Mittelwert der Spannung über die
Zeit, während
der die Spannung tatsächlich
von einer äußeren Quelle
am Flüssigkristall
anliegt), die am Flüssigkristallmaterial
anliegt, gleich Null ist, um einen Abbau oder die Bildung von Einbrennbildern
zu vermeiden.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Bitebenen-Verfahren mit Gewichtung,
wie es oben beschrieben wurde, gerichtet, bei dem mindestens einige
der Bitebenen modifiziert werden. Es ist insbesondere, aber nicht
ausschließlich,
für die
Erzeugung von wirkungsvollen Grauskalen-Intensitätsverteilungen für Anzeigezwecke
von Bedeutung, wobei die wirksame Dauer der binären Bilder (Länge und/oder Anzahl
der Wiederholungen) so ist, dass ihre zeitliche Integration, zum
Beispiel durch einen Betrachter, das Grauskalenbild ergibt. Die
Verfahren der Erfindung finden insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Anwendung
auf räumliche
Flüssigkristall-Lichtmodulatoren.
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Die
verschiedenen Bitebenen für
ein Grauskalenbild können
als sequentielle binäre
Strings in einem Computer gespeichert werden und werden eine nach
der anderen in einer gewünschten
Reihenfolge ausgelesen, wonach sie verworfen werden können, wenn
keine Bildwiederholung erforderlich ist. Es ist von der rechnerischen
Verarbeitung her am leichtesten, die Bitebenen in der Reihenfolge
auszulesen, in der sie gespeichert wurden, da dann die einzige Adresse,
die gespeichert werden muss, die Startadresse der ersten gespeicherten
Bitebenen ist, wobei sämtliche
Bitebenen dann nacheinander ausgelesen werden, indem einfach durch
Austakten eine vorgegebene Anzahl von Datenbits in Abfolge für jede Bitebene
ausgelesen wird.
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Es
wäre möglich, Bitebenen,
die ausgelesen wurden, unmittelbar durch die Bitebenen für ein nachfolgendes
Bild zu ersetzen, insbesondere, wenn die Bitebenen in Echtzeit erzeugt
werden. Unter anderen Umständen
könnte
dies allerdings schwierig sein, und der Satz von Bitebenen für ein Folgebild wird
dann normalerweise an einem anderen Ort gespeichert. In bestimmten
Fällen
wäre es
möglich, eine
Speicherung für
genau zwei Bitebenen vorzusehen, von denen eine eingeschrieben wird,
während die
andere ausgelesen wird, und umgekehrt.
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Es
wäre auch
möglich,
die Prozesse des Auslesens und/oder des Schreibens so zu steuern, dass
die Bildstandards in einer gewünschten
Weise umgewandelt werden, zum Beispiel von Zeilenabfolge zu Zwischenzeilenabtastung.
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Wenn
jede Bitebene aus dem Speicher ausgelesen wird oder ausgelesen wurde,
wird sie anschließend
geschrieben, zum Beispiel unter Anwendung des oben beschriebenen
Single-Pass-Schemas, und während
einer Zeitdauer angezeigt, die ihrer Gewichtung entspricht, sodass
das Auge das angestrebte Grauskalenbild synthetisiert. Das Single-Pass-Schema
ist insofern bevorzugt, als es lediglich den vorhergehenden Bit-Frame überschreibt, ohne
dass ein zweiter Durchgang erforderlich ist mit zugeordnetem Schalten
der Frontelektrode und Löschimpulsen.
Die Vermeidung von Zeitverlust zwischen aufeinanderfolgenden gültigen Bildern
erlaubt eine kontinuierliche Beleuchtung und eine leichtere Erzeugung
von Bit-Frames genau
gewichteter Dauer.
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Bei
einem solchen Schema wird jedes Pixel entsprechend dem Punkt in
der Grauskala, den es darstellt (wie z.B. die Zahl, welche die Grauskalenstufe
darstellt, und üblicherweise,
jedoch nicht zwingend, in dieser Reihenfolge), einer Reihe von Spannungsimpulsen
unterwofen. In der Grauskala liegen mehr Punkte vor als, wegen der
angewandten Gewichtung, angelegte Spannungen vorliegen, was von Vorteil
ist, da hierdurch die zur jeweiligen Ansteuerung des Arrays aufzuwendende
Zeit verringert wird. Jede angelegte Spannung kann im Vergleich
zur vorhergehenden Spannung von gleicher oder entgegengesetzter
Polarität
sein, und die gleiche Anzahl von Spannungsimpulsen, die gleich der
Anzahl der Bitebenen ist (ohne Beachtung der Polarität), wird
an jedes Pixel angelegt, um das Bild zu synthetisieren.
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So
liegen zum Beispiel bei einer Grauskala mit 64 Stufen bei binärer Gewichtung
6 Bitebenen mit einer relativen Dauer von 2nt
vor, wobei n im Bereich von 0 bis 5 liegt und jedes Pixel durch
eine entsprechende Binärzahl
mit 6 Ziffern dargestellt werden kann.
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Alternativ
könnten
jedoch auch Double-Pass-Schemata zur Verwendung bei mehrfachen oder
gewichteten Bitebenen-Schemata angepasst werden.
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Zur
Erzielung der Ausgeglichenheit von 0 und 1 (DC balance) wäre es möglich, jede
binäre
Bitebene durch ein binäres
Bildverfahren zu erzeugen, das selbst die Ausgeglichenheit von 0
und 1 erzeugt – zum
Beispiel durch Beginnen mit einem Blank-Bild, Schreiben, Anzeigen
und Löschen
des binärend
Bildes lediglich durch selektive Energiezufuhr (+V) und Löschansteuerung
(–V) ausgewählter Pixel.
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Bei
den meisten oder sämtlichen
derartigen Schemata ist allerdings die konkrete Dauer des binären Bildes
nicht direkt proportional zu der ihm zugeordneten Zeit, zum Beispiel
wegen dazwischenliegender Löschschritte,
etc., was zu einem Grad von Verzerrung in der binären Natur
der Bitebenenperioden und damit der wahrgenommenen Grauskalenwerte
führt.
Obgleich dies erforderlichenfalls kompensiert werden könnte, stellt
es eine zusätzliche Komplikation
dar.
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Die
vorliegende Erfindung gibt eine mehrfache oder gewichtete Bitebenenvorrichtung
sowie Verfahren an, bei denen die Ausgeglichenheit von 0 und 1 (DC
balance) auf eine andere Weise als durch Anwendung hinsichtlich
0 und 1 ausgeglichener binärer
Bilder per se angenähert
oder erzielt wird, wozu die Änderung
einer Zahl oder von Zahlen, welche die Pixelintensität darstellen,
gehört.
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden
Beschreibung und dem Lesen der beigefügten Ansprüche hervor, worauf der Leser
hingewiesen wird.
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Für ein ausgewähltes Pixel
kann jede Grauskalenstufe durch eine Binärzahl dargestellt werden, und
es gibt bestimmte Binärzahlen,
die eine gleiche Anzahl von Digits mit dem Wert 0 und dem Wert 1 aufweisen,
zum Beispiel die Binärzahlen
111000 und 010101. In diesen Fällen
ist der Mittelwert der Gleichspannung über die 6 Bitebenen gleich
Null. Andere Binärzahlen,
wie etwa 011000 und 010001 kommen dem Ideal nahe, während andere
Binärzahlen,
insbesondere 111111 und 000000, sehr weit davon entfernt sind.
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Zur
Erzielung der Ausgeglichenheit von 0 und 1 in einem solchen Schema
besteht eine andere Möglichkeit
(a) darin, lediglich die Zahlen zu verwenden, die selbst eine Ausgeglichenheit
von 0 und 1 ergeben, oder (b) darin, zumindest die Grauskalenzahlen
in eng benachbarte Zahlen zu ändern,
die der Ausgeglichenheit von 0 und 1 sehr nahekommen. Dies erlaubt
die Anwendung eines Single-Pass-Schemas
oder eines Double-Pass-Schemas (vgl. oben sowie unsere gleichzeitig
anhängigen
Anmeldungen WO 0038166 und WO 0038167), wobei sämtliche Elemente während jeder
Abtastung adressiert werden. Einige dieser Schemata führen normalerweise
nicht per se zu einer inhärenten
Ausgeglichenheit von 0 und 1, jedoch kann in diesem Fall die Ausgeglichenheit
von 0 und 1 oder zumindest eine Annäherung daran über die
Grauskalen-Bilddauer erzielt werden.
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Beim
Betrieb gemäß der Erfindung
gemäß dem ersten
Beispiel (a), bei dem die gewünschten Graustufen
unterschiedlich sind, erfolgt eine Annäherung durch den nächsten solchen
Zahlenwert; so wird zum Beispiel die Zahl 000110 zu 000111, und
die Zahl 100010 wird zu 100011. Ein Nachteil besteht hierbei darin,
dass eine signifikante Verzerrung der Grauskala auftreten kann.
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Im
zweiten Beispiel (b) kann die Verzerrung der Grauskala verringert
werden, jedoch auf Kosten der genauen Ausgeglichenheit von 0 und
1. So kann zum Beispiel die Zahl 001000 die Zahl 001001 werden,
und die Zahl 110111 kann 110110 werden.
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In
beiden Beispielen werden Extremwerte der Grauskala, wenn nicht weitere
Korrekturschritte unternommen werden, weggelassen (z.B. durch einen
benachbarten, weniger extremen Wert ersetzt), wodurch der Kontrastbereich
etwas verringert oder komprimiert wird.
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Die
europäische
Patentanmeldung Nr. 0 720 139 (Pioneer Electronic Corporation) offenbart
ein Verfahren zur Korrektur von Grauskalendaten für ein Bitebenen-Verfahren
mit Gewichtung, bei dem die Zahlen, welche die Intensität der Pixel
bezeichnen, in einer Weise gändert
werden, die dazu dient, die Entstehung des sog. False Contouring
zu verhindern, das sonst bei selbstleuchtenden Anzeigen auftritt, etwa
bei Elektrolumineszenzanzeigen oder Plasmaanzeigen. In einem solchen
Fall kann die Änderung an
einem Pixel die Unausgeglichenheit von Einsen und Nullen verringern,
beibehalten oder erhöhen, wobei
im letzteren Fall die Ausgeglichenheit von 0 und 1 weiter verschlechtert
ist, und es wird angenommen, dass das False Contouring ein Problem
ist, das für
selbstleuchtende Anzeigen typisch ist, im Gegensatz zu passiven
Flüssigkristallanzeigen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt gibt die Erfindung ein Verfahren zur Bildsignalverarbeitung
an, wie es gemäß Anspruch
12 beansprucht ist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt gibt die Erfindung ein Verfahren zum Schreiben eines
gewünschten
Grauskalenbildes an, wie es gemäß Anspruch
13 beansprucht ist.
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Die
Verfahren gemäß dem ersten
und dem zweiten Aspekt der Erfindung (und auch dem vierten Aspekt – siehe
unten) sind in der Tat bei der Ansteuerung eines Arrays von Flüssigkristallpixeln
besonders nützlich.
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Gemäß einem
dritten Aspekt gibt die Erfindung eine Lichtmoduliervorrichtung
an, wie sie gemäß Anspruch
1 beansprucht ist.
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Bei
dem Bitebenen-Verfahren mit Gewichtung kann die Ansteuereinrichtung
aus dem Bildsignal eine Gruppe von n binären Bitebenen-Signalen liefern,
von denen jedes für
eine entsprechende Ziffer jeder Zahl der Gruppe von Zahlen, d.h.,
einen entsprechenden Exponenten der Digitalzahldarstellung, repräsentativ
ist, und die Anzeige mit jedem Bitebenen-Signal mindestens einmal
in einer vorgegebenen Sequenz und mit vorgegebener Zeitsteuerung schreiben,
um so ein gewünschtes
Grauskalenbild mit integrierten Pixelintensitäten zu schreiben, die im Wesentlichen
dem Bildsignal entsprechen.
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Bei
einer Verfeinerung wird die zeitliche Mittelung sowohl des Gleichspannungsniveaus
als auch des Grauskalenniveaus durch geeignete Wahl der Binärzahlen über mehr
als einen Frame durchgeführt. Auf
diese Weise kann die Ausgeglichenheit von 0 und 1 eng angenähert oder,
vorzugsweise, erzielt werden, während
das mittlere Grauskalenniveau angenähert oder, bevorzugt, aufrechterhalten
werden kann. So könnte
zum Beispiel 110110 (27) in einem ersten Frame durch 001110 (28)
und durch 010110 (26) im zweiten Frame ersetzt werden. Das mittlere Grauskalenniveau
ist dann wie erwünscht
gleich 27, und die beiden in diesem Fall verwendeten Binärzahlen
ergeben per se eine Ausgeglichenheit von 0 und 1.
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Bei
einem komplizierteren Beispiel könnte das
Grauskalenniveau 15 (111100) zweimal zusammen mit einem zusätzlichen
Frame für
das Grauniveau 14 (011100) und einem weiteren zusätzlichen Frame
für das
Grauniveau 16 (000010) verwendet werden, wobei die Frames in irgendeiner
gewünschten
Reihenfolge verwendet werden können. Über die vier
Frames gemittelt beträgt
das Grauniveau 15, und es liegen gleiche Anzahlen von binären Einsen
und Nullen vor.
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Gemäß einem
vierten Aspekt gibt die Erfindung ferner ein Verfahren an, wie es
gemäß Anspruch
14 beansprucht ist.
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Die
Unausgeglichenheit in dem mindestens einen Pixel wird vorzugsweise
eliminiert. Die über
die mehreren Frames gemittelte Intensität ist zumindest angenähert, jedoch
vorzugsweise beibehalten.
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Gemäß einem
fünften
Aspekt gibt die Erfindung eine Lichtmoduliervorrichtung an, wie
sie gemäß Anspruch
2 beansprucht ist.
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Auch
in diesem Fall werden Extremwerte der Grauskala bevorzugt weggelassen.
Wenn in jedem Fall die vollen Grauskalenbereiche beibehalten werden,
kann die Ausgeglichenheit von 0 und 1 durch andere Maßnahmen
periodisch wiederhergestellt werden, zum Beispiel durch Anlegen
geeigneter korrigierender Gleichspannungsimpulse nach Computersimulation
der Unausgeglichenheit von 0 und 1, die sich ansammelte, wie oben
erwähnt.
Dies ist allerdings normalerweise nicht bevorzugt, da es möglicherweise
die Verwendung einer Anzahl von korrigierenden Gleichspannungsimpulsen
gleicher Zahl wie die Zahl der Bitebenen, die verwendet wurden,
mit sich bringt, um die Möglichkeit
zu eröffnen,
dass mindestens ein Pixel während
der gesamten Bilderzeugungsperiode auf einem extremen Grauskalenwert verblieb.
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Diese
Möglichkeiten
der Aufrechterhaltung der Ausgeglichenheit von 0 und 1 bei der Grauskalen-Bilderzeugung
rühren
zumindest teilweise von der Verringerung der Anzahl der Adress-Schritte
im Vergleich mit der Anzahl der Graustufenniveaus her. Eine Möglichkeit
der Ableitung des Grauskalenwerts oder von Kombinationen von Grauskalenwerten
zur Verwendung im Betrieb des Mehrfach-Bitebenen-Schemas oder des
Bitebenenschemas mit Gewichtung, also des Ersatzes des vom angestrebten Bild
selbst abgeleiteten Eingangs-Grauskalenwerts, besteht darin, ein
Kennfeld zu verwenden.
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Das
Bitebenenverfahren mit Gewichtung, wie es oben angewandt wurde,
erfordert, dass die Relaxation der Pixel gegenüber der Dauer der längsten Bitebene
vernachlässigbar
ist, was nicht immer möglich
ist, insbesondere im Fall von Flüssigkristallpixeln.
In einem solchen Fall können
die Bitebenen während
der Bitebenen-Periode(n) aufgefrischt werden, jedoch möglicherweise
auf Kosten der Ausgeglichenheit von 0 und 1. Trotzdem liegen hier
Vorteile vor, da es leicht ist, eine genau simulierte Grauskala zu
erzielen.
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Ein
Auffrischungsschritt umfasst grundsätzlich die Wiederholung des
Anlegens der gleichen Spannung, die am Beginn der Bitebene angelegt wurde,
um so den Schaltzustand des Pixels wiederherzustellen. Es kann auch
sein, dass die binäre
gewichtete Bitebene der n-ten Potenz (2n-1-1)
mal im Anschluss an das erste Schreiben aufgefrischt werden muss,
sodass eine (2n-1)-Grauskala 2n-1 Frame-Schreibvorgänge von
binären
Bildern mit sich bringt, wenn die Auffrischungs-Schreibstufen eingeschlossen
sind. Die steigende Zahl von Schreibschritten macht es allerdings
zunehmend schwierig, die Bit-Frames gemäß der Erfindung in Richtung
der Erzielung einer Ausgeglichenheit von 0 und 1 zu verändern, und
im Grenzzustand von 2n-1 Frame-Schreibvorgängen (wobei
die Bitebene der niedrigsten Ordnung als einzige nicht aufgefrischt
wird) kann die vorliegende Erfindung nicht erfolgreich angewandt
werden.
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Es
gibt allerdings Fälle,
in denen eine Auffrischung lediglich bei Bitebenen längerer Dauer
erforderlich ist. In einem solchen Fall wäre es wiederum möglich, ein
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zu praktizieren, wobei die konkreten Binärzahlen,
welche die Pixel beschreiben, verwendet werden, wie zuvor beschrieben wurde.
Ein bevorzugtes Verfahren gemäß der Erfindung
wird allerdings so praktiziert, dass die Ansammlung von Einsen und Nullen
ermittelt wird, die über
den gesamten Frame (Ein-Bild-Verfahren)
oder die gesamten Frames (Mehrfach-Bild-Verfahren) hinweg, einschließlich der aufgefrischten
Werte, auftraten, und die Zahl für
ein Pixel mit einer so ermittelten Unausgeglichenheit von Einsen
und Nullen geändert
wird, um die Unausgeglichenheit zu verringern. Dies bedeutet, dass
dieses bevorzugte Verfahren auf die Binärzahlen für jedes Pixel einwirkt, das
gemäß dem Auffrischungsbedarf expandiert
wurde.
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Wenn
beispielsweise ein einfaches Beispiel für Pixel angenommen wird, die
durch eine Binärzahl mit
lediglich vier Ziffern pro Pixel dargestellt werden, wobei die ersten
beiden Ziffern höherer
Wertigkeit aufzufrischen sind, aber die dritte und die vierte Ziffer ohne
Notwendigkeit der Auffrischung angezeigt werden können, ist
es erforderlich, die längste
Bitebene viermal und die nächstlängste Bitebene
zweimal aufzufrischen. Wenn die Zahl 1001 angenommen wird, wird
diese dann (1111)(00)01, wobei die Klammern die ursprünglichen
Ziffern eingrenzen, die fünf
Werte 1, jedoch nur drei Werte 0 aufweisen. Die Umwandlung der ursprünglichen
Zahl in 1000 ergibt Ausgeglichenheit der Werte 0 und 1 bei der expandierten
Zahl (11110000).
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In
dem Auffrischungsschema werden die Bitebenen in Abhängigkeit
von ihrer Dauer mehr als einmal ausgelesen. Es ist somit nicht möglich, die
Bitebene zu verwerfen, bevor sie zum letzten Mal gelesen wurde.
Wenn ferner jede Bitebene die erforderliche Anzahl von Malen wiederholt
gelesen wurde, bevor zum nächsten
Bit-Frame übergegangen
wird, ist es erforderlich, die Startadresse der beiden Bitebenen
zu speichern. Wenn beispielsweise der einfache Fall von drei Bitebenen
A, B und C mit der relativen Dauer von 4t, 2t bzw. t angenommen
wird, wäre
es möglich,
diese Bitebenen in der Reihenfolge AAAABBC auszulesen. Dies erfordert
allerdings die Speicherung der Startadressen jeder der Bitebenen,
abgesehen vom Frame C, der lediglich einmal gelesen wird, damit
der korrekte Platz für
das Auslesen zur Auffrischung erreicht werden kann.
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Es
gibt ferner, was vielleicht noch wichtiger ist, Fälle, in
denen es erforderlich ist, das gesamte Grauskalenbild vor dem Fortschreiten
zu einem neuen Bild wieder zu schreiben, z.B., wenn die Anzeigezeiten
lang sind oder die Relaxation schnell ist. In einem solchen Fall
ist es erforderlich, nicht nur die Startadresse der als nächste zu
verwendenden Bitebene zu speichern, sondern auch die Startadresse der
ersten Bitebene der gesamten Sequenz, bis diese Bildinformation
nicht mehr länger
gebraucht wird.
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Ein
verbessertes Verfahren zum Auslesen in solchen Fällen ermöglicht es, die Speicherung
einer Vielzahl von Startadressen zu vermeiden. Bei den zum Auslesen
der Bilder stattfindenden hohen Geschwindigkeiten kann dieser scheinbar
kleine Schritt bei Verwendung des räumlichen Lichtmodulators der bevorzugten
Ausführungsform
im Hinblick auf den Rechenaufwand signifikant und vorteilhaft sein.
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Im
Wesentlichen werden eine Vielzahl der Bitebenen der höchsten Ordnung
(oder sämtliche
Bitebenen) als binäre
Strings an sequentiellen Orten in abnehmender Reihenfolge der beabsichtigten Dauer (Gewichtung)
in einem Speicher gespeichert, eine vorgegebene Anzahl von Lesedurchgängen werden aus
dem Satz der gespeicherten Bitebenen, die gleich der Vielzahl der
gewichteten Bitebenen ist, erzeugt, wobei jeder Durchgang mit der
Bitebene höchster
Ordnung beginnt und längs
der gespeicherten Bitebenen sequentiell fortgefahren wird, wobei die
Längen
der Sequenzen so ausgewählt
und variiert werden, dass am Ende der vorgegebenen Anzahl von Lesedurchgängen jeder
Bit-Frame mehrmals ausgelesen wurde, wobei die Anzahl seiner Dauer (Gewichtung)
proportional oder gleich ist. Dieses allgemeine Verfahren des schnellen
Auslesens ist Gegenstand unserer gleichzeitig anhängigen internationalen
Patentanmeldung WO 0038162, die am gleichen Tag wie die vorliegende
Anmeldung eingereicht wurde.
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Nach
diesem Schema kann entsprechend das oben als Beispiel angeführte dreifache
Bit-Frame-Bild mit Lesedurchgängen
ABC (einmal), AB (einmal) und A (zweimal) ausgelesen werden, die
bei Kombination, wie erwünscht,
eine Gesamtreihenfolge ergeben, z.B. ABCABAA oder ABCAAAB oder ABAAABC.
Da jeder Lesedurchgang an der gleichen Stelle beginnt und zu einer
durch Zähler
bestimmten Adresse fortschreitet, muss lediglich die Startadresse gespeichert
werden.
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Wenn
die Grauskalen-Bilderzeugung gemäß der Erfindung
praktiziert wird, wobei jedoch eine Vielzahl der Bitebenen höchster Ordnung
aufgefrischt werden, ist es möglich,
dieses schnelle Ausleseverfahren auf den Satz anzuwenden, der die
Bitebenen, die aufgefrischt werden, sowie zusätzlich die Bitebene der nächstniedrigeren
Ordnung umfasst. Eine oder mehrere verbleibende Bitebenen niedrigerer Ordnung,
die nicht aufgefrischt werden, werden einmal für eine jeweilige Dauer ausgelesen,
die kleiner ist als die der Bitebene niedrigster Ordnung des Sets gemäß ihrer
Gewichtung. Dies kann zu jedem Zeitpunkt erfolgen, einschließlich einer
Zeitperiode oder von Zeitperioden innerhalb des Auslesens der Vielzahl
von Bitebenen, wird jedoch bevorzugt durchgeführt, bevor oder nachdem der
gesamte Satz einem schnellen Auslesen unterzogen wurde.
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Während einige
der obigen Grauskalen- und Auffrischungsschemata automatisch eine
Ausgeglichenheit von 0 und 1 ergeben, besteht eine weitere Option
für Schemata,
bei denen dies nicht der Fall ist, darin, eine Ansammlung von Unausgeglichenheit von
0 und 1 zuzulassen, zum Beispiel während des Schreibens von Bildern
und dem anschließenden Relaxierenlassen,
die Unausgeglichenheit (zum Beispiel in einer begleitenden Computersimulation)
zu berechnen und anschließend
lokal Spannungen einer solchen Größe und Dauer an die Pixel anzulegen,
dass im Mittel Ausgeglichenheit zu Null vorliegt.
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Obgleich
oben auf eine Flüssigkristallzelle mit
einem adressierbaren Array Bezug genommen wurde, können die
Verfahren der Erfindung selbstverständlich auch bei beliebigen
anderen binären räumlichen
Lichtmodulatoren angewandt werden. Wenn die Bildanzeigevorrichtung
eine Flüssigkristallvorrichtung
ist, kann eine zeitliche Verlängerung
der zur Synthese des Grauskalenbildes verwendeten binären Bilder
in bekannter Weise durch Anlegen eines kleinen Wechselfelds zwischen
aufeinanderfolgenden binären
Bildern erzielt werden.