DE69933238T2 - Modifizierte Bitebenen mit Gewichtung zur Graustufenanzeige in optischen Anordnungen - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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)).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Alternativ könnten jedoch auch Double-Pass-Schemata zur Verwendung bei mehrfachen oder gewichteten Bitebenen-Schemata angepasst werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß einem ersten Aspekt gibt die Erfindung ein Verfahren zur Bildsignalverarbeitung an, wie es gemäß Anspruch 12 beansprucht ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt gibt die Erfindung ein Verfahren zum Schreiben eines gewünschten Grauskalenbildes an, wie es gemäß Anspruch 13 beansprucht ist.
  • 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.
  • Gemäß einem dritten Aspekt gibt die Erfindung eine Lichtmoduliervorrichtung an, wie sie gemäß Anspruch 1 beansprucht ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß einem vierten Aspekt gibt die Erfindung ferner ein Verfahren an, wie es gemäß Anspruch 14 beansprucht ist.
  • Die Unausgeglichenheit in dem mindestens einen Pixel wird vorzugsweise eliminiert. Die über die mehreren Frames gemittelte Intensität ist zumindest angenähert, jedoch vorzugsweise beibehalten.
  • Gemäß einem fünften Aspekt gibt die Erfindung eine Lichtmoduliervorrichtung an, wie sie gemäß Anspruch 2 beansprucht ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (15)

  1. Lichtmoduliervorrichtung, die eine Anordnung von lichtmodulierenden Pixeln und eine Ansteuereinrichtung aufweist, die zur Ansteuerung der Anordnung in der Weise ausgebildet ist, dass sie ein gewünschtes Grauskalenbild durch ein Bitebenen-Verfahren mit Gewichtung unter Ansprechen auf ein Bildsignal schreibt, das einen Satz von n-ziffrigen Binärzahlen darstellt, welche die vorgesehenen Intensitäten der betreffenden Pixel der Anordnung festlegen, wobei n eine ganze Zahl größer als eins ist und wobei die Ansteuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die n-ziffrige Binärzahl bezüglich mindestens eines solchen Pixels auf einen nahe benachbarten Wert ändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel Flüssigkristallpixel sind und die n-ziffrige Zahl so geändert wird, dass die Anzahl der dort geschriebenen Werte 1 und die Anzahl der dort geschriebenen Werte 0 beim Schreiben eines gewünschten Grauskalenbildes näher an die Gleichheit gebracht werden, um dadurch die Ausgeglichenheit von 1 und 0 für den Gleichstrombetrieb zu verbessern.
  2. Lichtmoduliervorrichtung, die eine Anordnung von Flüssigkristallpixeln und eine Ansteuereinrichtung aufweist, die zur Ansteuerung der Anordnung in der Weise ausgebildet ist, dass sie ein gewünschtes Grauskalenbild durch ein Bitebenen-Verfahren mit Gewichtung unter Ansprechen auf ein Bildsignal schreibt, das einen Satz von n-ziffrigen Binärzahlen darstellt, welche die vorgesehenen Intensitäten der betreffenden Pixel der Anordnung festlegen, wobei n eine ganze Zahl größer als eins ist und wobei die Ansteuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl aufeinanderfolgender Grauskalen-Frames schreibt, die eine Näherung des gewünschten Grauskalenbilds darstellen, wobei jeder Grauskalen-Frame unter Anwendung eines Bitebenen-Verfahrens mit Gewichtung geschrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die n-ziffrige Zahl bezüglich mindestens eines solchen Pixels in mindestens einem Grauskalen-Frame auf einen nahe benachbarten Wert so ändert, dass die Anzahl der Werte 1 und die Anzahl der Werte 0, die an diesem mindestens einen Pixel geschrieben werden, über die Vielzahl von Grauskalen-Frames näher an die Gleichheit gebracht werden, um dadurch die Ausgeglichenheit von 1 und 0 für den Gleichstrombetrieb zu verbessern.
  3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Ansteuereinrichtung so ausgebildet ist, dass die Werte dieser Zahl über die Vielzahl der Grauskalen-Frames eine mittlere Intensität an dem mindestens einen Pixel ergeben, die im wesentlichen gleich der vorgesehenen Intensität ist.
  4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Vielzahl der Frames zwei oder vier Frames bedeutet.
  5. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinrichtung so ausgebildet ist, dass die Anzahl der Werte 1 und die Anzahl der Werte 0, die an diesem mindestens einen Pixel geschrieben werden, zur Gleichheit gebracht werden.
  6. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinrichtung zur Bestimmung, wie die mindestens eine Zahl zu ändern ist, eine Look-Up-Table aufweist.
  7. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinrichtung so ausgebildet ist, dass zumindest die gewichtete Bitebene, die der Ziffer mit der höchsten Wertigkeit der Zahlen in dem Satz entspricht, während des Schreibens des gewünschten Grauskalenbildes aktualisiert wird.
  8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Ansteuereinrichtung so ausgebildet ist, dass eine Vielzahl m der gewichteten Bitebenen, die einer gleichen Vielzahl der Ziffern mit der höchsten Wertigkeit der Zahlen in dem Satz entsprechen, während des Schreibens eines gewünschten Grauskalenbildes aktualisiert werden, wobei m eine positive ganze Zahl von mindestens 2 bedeutet, die kleiner als n ist, und die Ansteuereinrichtung einen Speicher sowie eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Signalen für die erste Vielzahl von Bitebenen in diesem Speicher als entsprechende erste Vielzahl von binären Strings an sequentiellen Orten in diesem Speicher in der Reihenfolge abnehmender Wertigkeit der Ziffern mit höchster Wertigkeit aufweist und wobei die Ansteuereinrichtung ferner Mittel aufweist, die so ausgebildet sind, dass eine Abfolge von Lesezyklen zum Auslesen aus den gespeicherten Strings vorliegt, wobei jeder Lesezyklus aus dem Auslesen von einem oder mehreren der gespeicherten Strings in der gespeicherten Abfolge besteht, beginnend mit dem String für die Ziffer mit der höchsten Wertigkeit, und die Zahlen der in den Lesezyklen ausgelesenen Strings so variiert werden, dass am Ende der Abfolge von Lesezyklen jeder String der ersten Vielzahl in Proportionalität zum Exponenten seiner zugeordneten Ziffer mehrmals ausgelesen wurde.
  9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Speichereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie sämtliche Bitebenen-Signale als Strings an sequentiellen Orten im Speicher in der Reihenfolge abnehmender Wertigkeit der zugeordneten Ziffer speichert.
  10. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Ansteuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie Bitebenen, die sich nicht in der Vielzahl befinden, für durch die Exponenten ihrer zugeordneten Ziffern bestimmte Zeitperioden einmal pro Abfolge schreibt.
  11. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Einrichtung zum Anlegen einer kleinen Wechselstrom-Potentialdifferenz an Pixel der Anordnung in Zeitperioden aufweist, in denen keine Bitebenen geschrieben werden, um die Anzeige zu verlängern.
  12. Verfahren zur Bildsignalverarbeitung für ein Bitebenen-Verfahren mit Gewichtung, das den Schritt der Aufnahme eines Bildsignals, das einen Satz von n-ziffrigen Binärzahlsignalen umfasst, wobei jede n-ziffrige Binärzahl das gewünschte Intensitätsniveau eines betreffenden Pixels einer entsprechenden Anordnung von binären Pixeln angibt und wobei mindestens eine dieser Binärzahlen hinsichtlich der Werte 1 und der Werte 0 Ungleichheit aufweist, sowie den Schritt der Änderung der mindestens einen Binärzahl auf einen nahe benachbarten Wert umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt der Änderung der mindestens einen Binärzahl unter Verminderung oder Beseitigung der Ungleichheit darin umfasst, um so die Ausgeglichenheit von 1 und 0 für Gleichstrombetrieb bei der Anordnung der Pixel zu verbessern.
  13. Verfahren zum Schreiben eines gewünschten Grauskalenbildes in eine Anzeige, das den Schritt der Aufnahme eines Bildsignals, das einen Satz von n-ziffrigen Binärzahlen darstellt, wobei jede n-ziffrige Binärzahl das gewünschte Intensitätsniveau eines betreffenden Pixels einer entsprechenden Anordnung von binären Pixeln angibt, und den Schritt des Schreibens des gewünschten Graukalenbildes unter Anwendung eines Bitebenen-Verfahrens mit Gewichtung umfasst, wobei mindestens eine dieser Binärzahlen auf einen nahe benachbarten Wert geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Binärzahl so geändert wird, dass beim Schreiben des gewünschten Grauskalenbildes eine Ungleichheit der Werte 1 und der Werte 0 an den entsprechenden Pixeln vermindert oder beseitigt wird, um so die Ausgeglichenheit von 1 und 0 für Gleichstrombetrieb bei der Anordnung der Pixel zu verbessern.
  14. Verfahren zum Schreiben eines gewünschten Grauskalenbildes in eine Anzeige, das den Schritt der Aufnahme eines Bildsignals, das einen Satz von n-ziffrigen Binärzahlen darstellt, wobei jede n-ziffrige Binärzahl das gewünschte Intensitätsniveau eines betreffenden Pixels einer entsprechenden Anordnung von binären Pixeln angibt, wobei mindestens eine binäre Zahl eine Ungleichheit der Werte 1 und der Werte 0 an ihrem Pixel beim Schreiben eines gewünschten Graubildes erzeugt, und den Schritt des Schreibens des gewünschten Grauskalenbildes unter Anwendung eines Bitebenen-Verfahrens mit Gewichtung umfasst, wobei eine Vielzahl von Frames, die jeweils eine Näherung des gewünschten Grauskalenbildes darstellen, in einer Abfolge geschrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Binärzahl in mindestens einem Frame der Vielzahl von Frames auf einen nahe benachbarten Wert geändert wird, sodass bei dieser Abfolge die Ungleichheit der Werte 1 und der Werte 0 vermindert oder beseitigt wird, um so die Ausgeglichenheit von 1 und 0 für Gleichstrombetrieb bei der Anordnung der Pixel zu verbessern.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem mindestens eine Bitebene während des Schreibens des gewünschten Grauskalenbildes aktualisiert wird.
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