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Dokumentenidentifikation DE60103524T2 30.06.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001269756
Titel VERBESSERUNGEN AN DMD-BILDANZEIGEVORRICHTUNGEN
Anmelder IMAX Corp., Mississauga, Ontario, CA
Erfinder GIBBON, A., Michael, Oakville, CA;
READ, Steven, Mississauga, CA;
ZHOU, Ziheng, Samuel, North York, CA;
ADKINS, Sean, Vancouver, CA
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60103524
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.03.2001
EP-Aktenzeichen 019148824
WO-Anmeldetag 15.03.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/CA01/00339
WO-Veröffentlichungsnummer 0001069941
WO-Veröffentlichungsdatum 20.09.2001
EP-Offenlegungsdatum 02.01.2003
EP date of grant 26.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.06.2005
IPC-Hauptklasse H04N 9/00

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf Bildanzeigesysteme, die sogenannte reflektierende räumliche Lichtmodulatoren (SLMs – Spatial Light Modulators) wie etwa diejenigen in Form von digitalen Mikrospiegelvoxrichtungen (DMDs – Digital Micro-mirror Devices) einsetzen. Insbesondere bezieht sie sich auf Verfahren zur Verwendung mehrfacher SLM-Vorrichtungen, die seriell angeordnet sind.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Patentschrift US-A-5 612 753 „Poradish" erläutert ein System, bei dem die Bilder zweier SLMs auf eine Leinwand projiziert werden. Die beiden Bilder sind gleich groß und überlappen sich vollständig. Bei dieser Anordnung besteht eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den Pixeln oder Bildpunkten jedes SLMs. Dieses Dokument bezieht sich hauptsächlich auf den Einsatz dieser parallelen SLM-Technik zur Verbesserung der Lichtabgabe und der Abschwächung von Farbartefakten, die durch die Verwendung eines Rasterwechselfarbsystems entstehen, das üblicherweise eine Farbfilterscheibe und einen einzelnen SLM einsetzt.

Das Patent „Poradish" erwähnt zwar den Gebrauch paralleler SLM-Vorrichtungen für die Abschwächung von Artefakten, die die Umrisse grau tönen oder den dynamischen Bereich der Anzeige vergrößern, gibt aber kein Verfahren an, wodurch dies erzielt werden kann.

Wenn auf SLM basierende Projektionssysteme für eine filmtechnische Darstellung verwendet werden sollen, ist es wünschenswert, dass die Bildqualität des Systems derjenigen von auf Film beruhenden Projektionssystemen, die gemeinhin in Gebrauch sind, nahe kommt. Dies macht es erforderlich, dass das System eine hohe räumliche Auflösung hat, und dass das System einen breiten dynamischen Bereich besitzt. Während auf Film beruhende Systeme problemlos Kontrastbereiche von 1000 : 1 oder darüber herstellen, sind auf SLM beruhende Systeme wie diejenigen, die auf DMDs beruhen, auf Kontrastbereiche von 500 : 1 oder darunter beschränkt.

Insbesondere haben SLM-Vorrichtungen einen endlichen Schwarzpegel. Das heißt, die angezeigte Mindestintensität ist bei jedem SLM im Ausschaltzustand größer als Null. Unter in Filmtheatern anzutreffenden Umständen wird dieser Mindestschwarzpegel oftmals als zu hoch empfunden, und das „Grau"-Bild, das zu sehen ist, wenn das Bild „schwarz" ist, verwirrt und trägt zur Betonung dessen bei, dass sich das System von einem filmbasierenden Projektionssystem unterscheidet.

SLM-Vorrichtungen bestehen aus einer Anzahl von separat adressierbaren Bildelementen oder Pixeln in einer x-y-Anordnung. Verschiedene Arten von SLMs verwenden verschiedene Verfahren, um eine Grauskalenintensitätssteuerung für jedes Pixel zu erzielen. Manche Vorrichtungen verwenden ein kontinuierlich variierendes analoges Signal (wie etwa reflektierende Flüssigkristallvorrichtungen), während DMD-Vorrichtungen eine Pulsbreitenmodulation von pixelgroßen Spiegeln einsetzen, die nur zwischen zwei Zuständen, „aktiv" und „inaktiv", umschalten.

Eine DMD ist im Wesentlichen ein Anordnung von mikroskopisch kleinen Spiegeln auf einem Computerchip. Eine Stütze, um die der Spiegel kippen kann, haltert jeden Spiegel. Der Chip umfasst eine elektronische Schaltung, um jeden Spiegel unter Verwendung eines elektrostatischen Felds zwischen einer aktiven und einer inaktiven Position zu bewegen. Wenn sich der DMD-Spiegel in der aktiven Position befindet, wird Licht von der DMD auf eine Leinwand oder eine andere Bildebene reflektiert.

Befindet sich die DMD im inaktiven Zustand, wird Licht zu einer „Lichthalde" reflektiert und erreicht die Leinwand oder Bildebene nicht.

Die Spiegel sind einzeln adressierbar, so dass das Bild dadurch bestimmt wird, welcher Spiegel zu einer bestimmten Zeit aktiv und welcher inaktiv ist. Eine jedem Spiegel zugeordnete Speicherzelle speichert ein Datenbit, das den aktiven oder inaktiven Zustand des Adressensignals speichert. Jeder Spiegel wird mit einem Signal adressiert, das angibt, ob der Spiegel aktiv oder inaktiv' sein soll und deshalb, ob Licht zur Bildebene oder Leinwand reflektiert werden soll oder nicht.

Eine Grauskala wird durch eine Technik erzielt, die binäre Pulsbreitenmodulation (PWM – Pulse Width Modulation) genannt wird.

Unter PWM wird ein Teilbildintervall T in " Zeitdauern von

aufgeteilt, die jeweils ein Bit in einem n-Bit Binärwort x = {bn, bn-1, bn-2 ...bj} darstellen. Im Ergebnis wird der Wert des Binärworts x durch y, die Zeitdauer, während der der Spiegel aktiv ist, dargestellt, und v kann berechnet werden durch:

Die kürzeste Zeitdauer

stellt das niedrigstwertige Bit (LSB) des Binärworts dar und wird LSB-Zeit genannt, ausgedrückt als:

Die LSB-Zeit ist hauptsächlich durch die mechanische Schaltzeit eines DMD-Chips beschränkt. Typischerweise beträgt die LSB-Zeit ca. 20 &mgr;sec. Deshalb wird die Bit-Tiefe bzw. die Anzahl von Bits in einem Binärwort, das die Intensität jedes Pixels in dem durch DMD gebildeten Bild darstellt, sowohl von der LSB-Zeit als auch der Bildfolge beschränkt. Für eine Bildfolge von 24 Einzelbildern pro Sekunde beträgt die maximale Bit-Tiefe, die eine DMD unterstützen kann, n = 11.

Jeder einzelne Mikrospiegel auf einem DMD-Chip ist eine reflektierende Vorrichtung, und die Gesamtmenge des für ein Binärwort x abgegebenen Lichts ist proportional zur „aktiven" Zeit Tx, falls die optische Schaltzeit vernachlässigt werden kann. Die optische Schaltzeit einer DMD beträgt nämlich um die 2 &mgr;s, was ungefähr ein Zehntel der LSB-Zeit ist, und kann bei der folgenden Analyse vernachlässigt werden. Ist das eingegebene Binärwort x einfach codiert, um linear zur Hintergrundhelligkeit zu sein, dann kann ein DMD-Chip als lineare Vorrichtung im Hinblick auf Helligkeit angesehen werden.

Ein vereinfachter Querschnitt einer einzelnen DMD-Spiegelanordnung ist in 1 gezeigt. Es wird angenommen, dass das aus einer Lichtquelle einfallende Licht L ist. Das Licht aus dieser Quelle fällt auf die Spiegelanordnung, und wenn ein Spiegel im aktiven Zustand ist, wird das Licht durch den Spiegel mit einer optischen Pixelleistung von a < 1 reflektiert. Die abgegebene Pixelhelligkeit P kann berechnet werden durch: P = (&agr;&ggr; + &dgr;)L= &agr;&ggr;L + Ldark

Der zweite Begriff Ldark = &dgr;L stellt den „Dunkelheitspegel" einer DMD dar. Dieser entspricht dem von einem Pixel der Anordnung reflektierten Licht, wenn sich der zugeordnete Spiegel im inaktiven Zustand befindet. Der Dunkelheitspegel ist das kombinierte Ergebnis aus von den Spiegelrändern ausgehender Lichtbeugung, vom darunter liegenden Substrat ausgehender Reflexion und von der Spiegeloberfläche ausgehender Streuung, insbesondere um die Vertiefung herum, die an der Stelle der Halterungsstütze entstanden ist. Dieser kombinierte Effekt wird modellhaft durch einen Faktor &dgr; dargestellt und ist typischerweise:

Der „Dunkelheitspegel" bestimmt das Kontrastverhältnis einer DMD-Vorrichtung. Er kann gesenkt werden, indem an den DMD-Pixeln eine architektonische Verbesserung vorgenommen wird, kann aber nicht vollständig beseitigt werden.

Die einfachste Umsetzung eines PWM-Schemas legt die Dauer des höchstwertigen Bits (MSB) als Hälfte der gesamten Bildzeit aus. Die Dauer des nächsten höchstwertigen Bits beträgt davon ½, oder ¼ des Ganzen, usw.

Bei bestimmten Bitübergängen wie beispielsweise in einem 8-Bit-System, bei dem das MSB abschaltet und die restlichen Bits anschalten, das heißt, der angezeigte Codewert von 1000000 binär auf 01111111 binär übergeht, ändert sich die zeitliche Position des dazugehörigen Lichts, das von einem diesen Codeübergang durchmachenden Pixel reflektiert wird, von der ersten Hälfte des Bildintervalls zur zweiten Hälfte. Im Ergebnis entstehen zeitliche Artefakte, die sich als problematisch bei der Anzeige von Bewegtbildern herausstellen.

Diese Artefakte können reduziert werden, indem solche Übergänge vermieden werden, und indem die Zeit gleichmäßiger über die Bilddauer hinweg verteilt wird, in der ein Bit während des Bilds aktiv ist. Dies wird beispielsweise dadurch erzielt, dass das höchstwertige Bit in 4 separate Teile aufgeteilt wird, die vier gleiche Aktiv-/Inaktiv-Übergänge für das Bit während der Bildzeit ausmachen, was dieselbe Intensität ergibt, aber die aktive Zeit in vier Teile zerlegt, die über die Bilddauer hinweg gleich beabstandet sind. Es kann eine zusätzliche Komplexität eingeführt werden, um die Übergänge noch glatter zu machen, die während einer Graustufenflanke auftreten, und um das Entstehen von Niedrigfrequenzen zu vermeiden, die als Bildflimmern stärker auffallen.

Wo Vollfarbenbilder erforderlich sind, können drei DMDs verwendet werden, eine für jede Grundfarbe (RGB). Das Licht aus den DMDs konvergiert, so dass der Betrachter Farbe wahrnimmt. Eine andere Technik ist es, eine einzelne DMD und eine sogenannten „Farbscheibe" mit Abschnitten in den Grundfarben einzusetzen, so dass sich das auf die DMD einfallende Licht sequentiell Rot/Grün/Blau färbt. Das Auge des Betrachters setzt dann die sequentiellen Bilder zu einem durchgehenden Farbbild zusammen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein Bildprojektionssystem mehrere räumliche Lichtmodulatoren, wovon jeder ein Feld adressierbarer Pixel aufweist, wobei ein Steuergerät vorgesehen ist, um Bilddaten zu korrelieren; und mehrere räumliche Lichtmodulatoren operativ angeschlossen sind, um korrelierte Bilddaten aus dem Steuergerät zu empfangen, und in Reihe angeordnet sind, um Licht aus einer Lichtquelle zu empfangen und bilderzeugendes Licht, das mit den Bilddaten korreliert ist, zu reflektieren.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein erster reflektierender räumlicher Lichtmodulator dazu ausgelegt, Licht aus der Lichtquelle zu empfangen und moduliertes Licht zu reflektieren; ein zweiter reflektierender räumlicher Lichtmodulator ist in Reihe mit dem ersten reflektierenden räumlichen Lichtmodulator angeordnet, um moduliertes Licht aus dem ersten reflektierenden räumlichen Lichtmodulator zu empfangen und dieses Licht zu reflektieren; das Steuergerät ist mit dem ersten reflektierenden räumlichen Lichtmodulator gekoppelt, um dem ersten reflektierenden räumlichen Lichtmodulator erste Bilddaten zu liefern, und ist mit dem zweiten reflektierenden räumlichen Lichtmodulator gekoppelt, um dem zweiten reflektierenden räumlichen Lichtmodulator zweite Bilddaten zu liefern.

Auch nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bilderzeugung, Licht aus einer Lichtquelle auf mehrere reflektierende räumliche Lichtmodulatoren zu projizieren, wobei jeder ein Feld von gesondert adressierbaren Pixeln aufweist; Bilddaten in einem Steuergerät zu korrelieren; die korrelierten Bilddaten aus dem Steuergerät an mehrere reflektierende räumliche Lichtmodulatoren zu übertragen; und die reflektierenden räumlichen Lichtmodulatoren in Reihe auszurichten, um Licht aus der Lichtquelle zu empfangen und bilderzeugendes Licht, das mit den Bilddaten korreliert wurde, zu reflektieren.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen 3 bis 16 und 18 bis 20 dargelegt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird nun rein beispielhaft mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile beziehen:

1 ist eine Schemadarstellung einer Reihe von Mikrospiegeln auf einer DMD, die die Lichtübertragung durch die Mikrospiegel in der „aktiven" und „passiven" Position veranschaulicht;

2 ist eine Schemadarstellung der Bestandteile eines seriellen DMD-Bildanzeigesystems, das entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

3 ist eine Schemadarstellung der Bestandteile eines seriellen Farb-DMD-Bildanzeigesystems, das entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

4 ist eine Tabelle, die eine Codiervorlage zum Einstellen der Pixelwerte einer seriellen DMD mit zwei vier-Bit-DMD-Feldern zeigt, die entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und die die durch die serielle DMD erzielten Helligkeitspegel mit denjenigen einer sechs-Bit-DMD korreliert;

5 ist eine grafische Darstellung der Verteilung der Codes für die in 4 angegebene serielle DMD, die gegenüber der sechs-Bit-DMD von 4 dargestellt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bei SLMs, also räumlichen Lichtmodulatoren, wie etwa DMDs, also digitalen Mikrospiegelvorrichtungen, bei denen mechanisches Schalten eingesetzt wird, wird die maximale Anzahl von möglichen Bits mit einem binären PWM-Schema durch die Zeitdauer des niedrigstwertigen Bits LSB bestimmt. Bei geläufigen DMD-Vorrichtungen ist die Mindestzeitdauer des LSBs gleich der mechanischen Schaltzeit der Spiegel, welche ca. 20 &mgr;sec. beträgt. Bei einer Bildfrequenz von 24 Bildern pro Sekunde bedeutet die Zeitdauer des LSBs, dass insgesamt 11 Bits in den 41,67 msec. Dargestellt werden können, die für jedes Bild zur Verfügung stehen. Die Anzahl möglicher Bits bestimmt die Gesamtanzahl der Stufen die zur Darstellung eines Graustufenbilds verfügbar sind, und dies entspricht dem dynamischen Bereich des sich ergebenden Bildes.

Es sollte auch klar sein, dass das Erhöhen der Bildfrequenz die Zeit reduziert, die für das Erzeugen verschiedener Bitdauern unter Verwendung binärer PWM zur Verfügung steht, und im Ergebnis ist die Anzahl verfügbarer Bits wie auch der entsprechende dynamische Bereich reduziert.

Das Kontrastverhältnis eines Systems wird durch den maximalen Unterschied zwischen dem Dunkelpegel des SLMs und dem maximalen Lichtpegel bestimmt, den der SLM abgeben kann, der einem Eingangssignal bei vollem Weißpegel entspricht.

Die verfügbare Bit-Tiefe von 11 Bits, bzw. ein dynamischer Bereich von 2048 Stufen, ist einem auf Film basierenden System unterlegen, welches eine gleichwertige Bit-Tiefe von annähernd 14 (16.383 Stufen) in Schattenbereichen erreichen kann. Das gegenwärtige DMD-Kontrastverhältnis beträgt ca. 500 : 1, was niedriger ist als das Verhältnis 1000 : 1, das von auf Film basierenden Systemen benötigt wird.

Schließlich muss für bestimmte Anwendungen, wie dem Projektionssystem Imax HD mit 48 Bildern pro Sekunde oder dem System Imax 3D, das alternierende LCD-Abdeckblenden verwendet, die Bildfrequenz eines Projektionssystems erhöht werden. Im Falle der DMD reduziert die Anhebung der Bildfrequenz die effektive Bit-Tiefe noch mehr.

Indem zwei reflektierende räumliche Lichtmodulatoren in Reihe angeordnet werden, können die Einschränkungen einer einzigen DMD durch den sich vervielfachenden Effekt der beiden SLMs überwunden werden, wenn eine Grauskala gezeigt wird. Dies lässt sich mit Bezug auf das Projektionssystem besser verstehen, das in 2 allgemein als 2 gezeigt ist.

Wie durch den in unterbrochener Linie dargestellten Lichtstrahlvektor 4 veranschaulicht ist, beleuchten ein/e Lichtquelle/Lichtreflektor 10 einen Integrierstab 12 über einen Kaltspiegel 11. Ein Relais 14 leitet das Licht 4 aus 12 mit einem geeigneten Winkel so auf die Fläche einer ersten DMD-Vorrichtung 16, dass das Licht im aktiven Zustand durch das Relais 18 geleitet wird, welches das Licht aus 16 auf der Fläche einer zweiten DMD-Vorrichtung 20 so abbildet, dass eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den Pixeln von 16 und 20 besteht. Im aktiven Zustand läuft das Licht aus der zweiten DMD 20 dann zu der (nicht gezeigten) Projektionsoptik oder einem anderen bilderzeugenden System und dann zur Projektionsleinwand.

Wie klar wird, umfasst das System 2 auch ein Steuergerät 22, das operativ an die erste und zweite DMD 16, 20 angeschlossen ist. Das Steuergerät 22 ist geeignet programmiert, um den DMDs 16, 20 Bilddaten zur Verfügung zu stellen. Wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird, umfassen die Bilddaten Pulsbreitenmodulationsdaten, die jedem Mikrospiegel im Feld jeder DMD 16, 20 entsprechen.

Optional kann das System 2 eine (in durchbrochener Linie gezeigte) Farbscheibe 9 umfassen, die zur Farbenanzeige operativ mit dem Steuergerät 22 verbunden ist. In einer solchen Konfiguration umfassen die vom Steuergerät 22 generierten Daten Pulsbreitenmodulationssignale, die mit jeder Farbe auf der Farbscheibe (typischerweise Rot, Grün und Blau) korreliert und synchronisiert sind.

Wie dem Fachmann klar sein wird, werden, wenn die optische Konfiguration des Systems 2 zu einem umgekehrten oder spiegelverkehrten Bild führt, die vom Steuergerät 22 der ersten DMD 16 zur Verfügung gestellten Bilddaten dementsprechend auch umgekehrt oder spiegelverkehrt sein.

Obwohl das System 2 so gezeigt wurde, dass es zwei in Reihe angeordnete DMDs 16, 20 umfasst, sollte klar sein, dass das System 2 auch mehr als zwei in Reihe angeordnete DMDs umfassen kann, wodurch zusätzliche Verbesserungen bei den Kontrastpegeln der projizierten Bilder bereitgestellt werden. Typischerweise schränkt der Lichtverlust als Ergebnis der Unzulänglichkeiten optischer Übertragung die Anzahl der DMDs ein, die in Reihe ausgerichtet und akzeptable Ergebnisse hervorbringen können.

Eine Farbversion des seriellen SLM-Systems der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf das in 3 allgemein als 3 gezeigte Farbprojektionssystem verständlich.

Wie durch den in unterbrochener Linie gezeigten Lichtstxahlvektor 4 veranschaulicht ist, beleuchten die/der Weißlichtquelle/Weißlichtreflektor 10 den Integriexstab 12 über den Kaltlichtspiegel 11. Unter Verwendung von Spiegeln 21 und 23, welche dichroitische Spiegel sind, die selektiv einige Wellenlängen von Licht reflektieren und andere durchlassen, wird das Weißlicht aus der Quelle 10 in drei Wellenlängenbänder zerlegt, die dem roten, grünen und blauen Anteil des Spektrums entsprechen. Der die Wellenlänge selektiv reflektierende Spiegel 21 reflektiert den roten Anteil des Lichts aus dem Integriexstab 12 zu einem Relais 14A, und lässt den grünen und blauen Anteil des Lichts zu den Spiegeln 23 und 24 durch.

Das Relais 14A leitet das rote Licht aus dem Spiegel 21 mit einem geeigneten Winkel so auf die Fläche einer ersten DMD-Vorrichtung 16A, dass das Licht im aktiven Zustand durch ein Relais 18A geleitet wird, welches das Licht aus 16A auf der Fläche einer zweiten DMD-Vorrichtung 20A so abbildet, dass eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den Pixeln von 16A und 20A besteht. Im aktiven Zustand erreicht das Licht aus der zweiten DMD-Vorrichtung 20A einen Flachspiegel 25 und wird zu wellenlängenselektiven Spiegeln 26 und 27 gelenkt, die das rote Licht zur (nicht gezeigten) Projektionsoptik oder einem anderen bilderzeugenden System und dann zur Projektionsleinwand durchlassen.

Auf ähnliche Weise leitet ein die Wellenlänge selektiv reflektierender Spiegel 23 den grünen Anteil des Lichts zu einem Relais 14B und den nachfolgenden Bauteilen, während er den blauen Anteil des Lichts zu einem Spiegel 24 weiterlaufen lässt.

Der Flachspiegel 24 leitet das übrige blaue Licht zu einem Relais 14C und den nachfolgenden Bauteilen.

Der Ausgang des zweiten seriellen DMD-Systems, das aus den Bauteilen 14B, 20B besteht, wird vom wellenlängenselektiven Spiegel 26 zur Projektionsoptik geleitet, welcher das rote Licht aus dem Spiegel 24 durchlässt und das grüne Licht aus 20B zur Projektionsoptik reflektiert. Auf ähnliche Weise wird der Ausgang des dritten seriellen DMD-Systems 14C20C von einem wellenlängenselektiven Spiegel 27 zur Projektionsoptik geleitet, welcher das rote Licht aus dem Spiegel 25 und das grüne Licht aus dem Spiegel 26 durchlässt, während er das blaue Licht aus 20C zur Projektionsoptik reflektiert.

Es sollte auch klar sein, dass auch andere Systeme zum Zerlegen des Eingangslichts in Farbbänder und zum Kombinieren des Ausgangs der seriellen DMD-Systeme verwendet werden können, ohne dass dabei der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen würde. Es sollte auch klar sein, dass drei Farblichtquellen mit Reflektoren, Kaltspiegeln und Integxierstäben verwendet werden könnten, um die drei seriellen DMD-Systeme einzeln zu beleuchten. Es sollte auch klar sein, dass das System 3 eine schematische Darstellung eines Dxeifarbensystems ist, und der Fachmann wird erkennen, dass zusätzliche optische Elemente erforderlich sein können, um das Zusammenfassen des Ausgangs jedes Farbkanals in einer einzigen Projektionsoptik oder Bildebene zuzulassen.

Wie klar wird, umfasst das System 3 auch ein Steuergerät 22, das operativ mit den drei Gruppen der ersten und zweiten DMDs 16A16C und 20A20C verbunden ist. Der Klarheit halber zeigt 3 aber nur die operative Verbindung zwischen dem Steuergerät 22 und der ersten DMD 16A und der zweiten DMD 20A, obwohl klar wird, dass gleiche Verbindungen zwischen dem Steuergerät 22 und den übrigen DMDs 16B16C und 20A20C bestehen. Das Steuergerät 22 ist geeignet programmiert, um die DMDs 16B16C und 20A20C mit Bilddaten zu versorgen. Wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird, umfassen die Bilddaten Pulsbreitenmodulationsdaten, die jedem Mikrospiegel im Feld jeder DMD 16B16C und 20A20C entsprechen.

Der Betrieb eines seriellen DMD-Systems lässt sich wie folgt beschreiben.

Unter der Annahme, daß die optische Ausbeute der ersten und zweiten DMD durch &agr;1, &agr;2 und die „Dunkelpegel"-Faktoren und durch &dgr;1, und &dgr;2 dargestellt werden kann, die abgegebene Pixelhelligkeit der beiden seriellen DMDs beschrieben werden durch (die serielle DMD-Gleichung): P2 = (&agr;2, y2 + d2)P1

= (&agr;2, y2 + &dgr;2) (&agr;1, y1 + &dgr;1)L

= (&agr;1,&agr;2, y1,y2 + &agr;2,&dgr;2,y1 + &agr;2,&dgr;1,y2 + &dgr;1&dgr;2)L

= &agr;Sy1y2L + &egr;3L +&dgr;S1

Worin P1 die abgegebene Helligkeit der ersten DMD 1G ist, und &agr;1, &dgr;1, und &ggr;1, die optische Ausbeute, der Dunkelpegelfaktor bzw. die Bit-Dauer der ersten DMD 16 sind. Gleichermaßen sind P2, &agr;2, &dgr;2 und &ggr;2 die optische Ausbeute, der Dunkelpegelfaktor bzw. die Bit-Dauer der zweiten DMD 20.

Vergleichen wir nun die serielle DMD-Gleichung mit der einzelnen DMD-Gleichung, die vorstehend im Abschnitt Hintergrund der Erfindung aufgezeigt wurde. Hier haben die beiden seriellen DMDs eine optische Gesamtausbeute von &agr;2 = &agr;1&agr;2 und einen Dunkelpegelfaktor von &dgr;S = &dgr;1&dgr;2.

Da die optische Ausbeute einer einzelnen DMD mit der gegenwärtigen Technologie ca. 60% beträgt, wird die kombinierte optische Ausbeute auf &agr;S,∪0,36 reduziert. Der kombinierte Dunkelpegelfaktor &dgr;s wird aber auch viel niedriger sein als derjenige einer einzelnen DMD. Der zweite Satz &egr;SL = &agr;1,&dgr;2,&ggr;1, + &agr;2,&dgr;1,&ggr;2 in der seriellen DMD-Gleichung stellt das Ubersprechen zwischen zwei DMDs dar und sollte als signalabhängiges Rauschen angesehen werden. Wenn n hoch ist, sollten sowohl &dgr;1 als auch &dgr;2 im Vergleich zu den Signalen in der seriellen DMD-Gleichung niedrig sein und können vernachlässigt werden.

Wird der Punkt Übersprechen Es vernachlässigt, kann die von zwei seriellen DMDs abgegebene Helligkeit als linear zum Produkt der Bit-Zeitdauern y1 y2 angesehen werden. Damit die beiden PWM-Sequenzen der seriellen DMDs auf diese Weise ablaufen, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt werden:

  • 1. Die PWM-Sequenzen der beiden seriellen DMDs müssen synchron sein.
  • 2. Jede Bit-Dauer oder Bit-Teildauer der zweiten DMD muss den verfügbaren Dauern der Bits für die erste DMD entsprechen, das heißt, jede Bit-Sequenz der zweiten DMD muss durch jede Bit-Sequenz der ersten DMD erhellt werden, um den sich vervielfachenden Effekt der Bit-Zeitdauern für alle Intensitäten herzustellen.

In der Praxis beschränkt obige Voraussetzung 2 typischerweise die Bit-Sequenzen der ersten DMD auf einfache PWM-Auslegungen, während bei der zweiten DMD komplexere Bit-Aufteilungsauslegungen eingesetzt werden können.

In dieser Ausführungsform besteht ein Verfahren zum Zuteilen der Bits eines größeren Binärworts zwischen den beiden DMD-Vorrichtungen darin, die k höchsten höchstwertigen Bits jedes m-Bit-Binärworts der ersten DMD zuzuteilen, und den Rest der zweiten. Dies kann durch ein einfaches Beispiel erklärt werden.

Angenommen, jede DMD in einer seriellen DMD-Konfiguration hat eine 100%-ige optische Ausbeute und unterstützt eine Bit-Tiefe von n = 4 Bit. Wenn die erste DMD einen Helligkeitswert erzeugt, der genau die Hälfte des gesamten Helligkeitsbereichs beträgt, wird die zweite DMD den halben Helligkeitsbereich mit 2n = 24 = 16 Helligkeitsstufen darstellen. Das Ergebnis ist gleichwertig einer Bit-Tiefe von m = 5, indem tatsächlich ein Bit zur Bit-Tiefe in der unteren Hälfte des Helligkeitsbereichs hinzugefügt wird. Steigt die DMD-Ausgabe auf höchste Helligkeit an, erzeugt die DMD 24 = 16 Stufen für den gesamten Helligkeitsbereich. Da jedoch die untere Hälfte bereits eine Darstellung von 16 Stufen hat, benötigt nur die obere Hälfte zusätzliche 8 Stufen. Die sich ergebende Codierung wird 24 Stufen aufweisen, wobei die obere Hälfte durch eine 4-Bit-Tiefe und die untere Hälfte durch eine 5-Bit-Tiefe dargestellt wird. In Anbetracht dessen, dass die menschliche Helligkeitswahrnehmung tatsächlich ein fast logarithmisches Ansprechen hat, kann dieses Codierschema tatsächlich wirksamer sein als die lineare Codierung, die in einem herkömmlichen, auf einer einzelnen DMD basierenden System verwendet wird.

Allgemein sollte, wenn die erste DMD 2k gleich beabstandete Helligkeitsstufen aufrechterhält, eine serielle DMD-Vorrichtung zumindest in der untersten Stufe eine dynamische Bereichsleistung gleich einer k+n-Bit-Tiefe haben. In der Praxis wird aufgrund des binären Pulsbreitenmodulationsschemas (PWM-Schemas) eine Bilddauer nicht in 2n, sondern in 2n – 1 gleiche Segmente aufgeteilt, was die tatsächliche Codeauslegung komplexer macht. In diesem Beispiel wählen wir 2k Stufen für die erste DMD und betreiben die zweite DMD mit der vollen Pixeltiefe, die basierend auf der Bildfolge zur Verfügung steht.

Der aktuelle Codewert, den jedes Codewort darstellt, wird auf der Basis folgender Kriterien gewählt:

  • Jedes Codewort x1, x2 stellt einen äquivalenten Code aus einer k+n linearen Codierliste dar;
  • Der äquivalente Codewert wird durch Minimieren des Zeitdauerfehlexs gewählt.

Die Tabelle in 4 zeigt eine Codierliste für eine serielle DMD-Auslegung, die zwei Vorrichtungen einsetzt, wovon jede insgesamt 16 Stufen oder 4 Bits pro Pixelbit-Tiefe verwendet. Die erste DMD gibt vier in etwa gleich beabstandete Helligkeitsstufen ab. Basierend auf Fehlerminimierung werden neue Codewörter gewählt. Die sich ergebenden neuen Codes haben 32 Wörter mit einer Leistung, die einer Bit-Tiefe von 6 Bits entspricht, wie durch die entsprechenden Daten in der Übersicht dargestellt ist. Die Verteilung der neuen Codes ist gegenüber einem echten 6-Bit-Linearcode in 5 grafisch dargestellt. Wie klar wird, kann dieses Codeauslegungsverfahren auf tatsächliche DMD-Vorrichtungen mit beliebiger Bit-Tiefe ausgeweitet werden. Natürlich sind die in der Übersicht von 4 aufgelisteten Codes nicht erschöpfend für die verschiedenen verfügbaren Binärkombinationen. Dementsprechend können unterschiedliche Kombinationen von Pulsbreitenmodulation- oder Intensitätsdaten bestimmt werden, um alternative Intensitätspegel bereitzustellen.

Währen die Erfindung mit Bezug auf DMD-Vorrichtungen beschrieben wurde, können auch andere reflektierende SLMs verwendet werden, insbesondere können diejenigen, die nicht auf PWM-Techniken beruhen, für einen oder beide SLM/s verwendet werden, was die Auslegung von den Einschränkungen der Codeauslegung und der durch das PWM-Schema auferlegten Komplexität befreit.

Dem Fachmann sollte auch klar sein, dass alternative Anordnungen anderer als in 2 gezeigter optischer Elemente und räumlicher Lichtmodulatoren verwendet werden können, um die pixelausgerichtete serielle Anordnung der beiden SLMs zu erreichen.


Anspruch[de]
  1. Bildprojektionssystem mit mehreren räumlichen Lichtmodulatoren (16, 20), wobei jeder ein Feld adressierbarer Pixel aufweist, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass:

    a) ein Steuergerät (22) vorgesehen ist, um Bilddaten zu korrelieren; und

    b) mehrere räumliche Lichtmodulatoren (16, 30) operativ angeschlossen sind, um korrelierte Bilddaten aus dem Steuergerät zu empfangen, und in Reihe angeordnet sind, um Licht aus einer Lichtquelle (10) zu empfangen und bilderzeugendes Licht (4), das mit den Bilddaten korreliert ist, zu reflektieren.
  2. System nach Anspruch 1 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass

    (a) ein erster reflektierender räumlicher Lichtmodulator (16) dazu ausgelegt ist, Licht aus der Lichtquelle (10) zu empfangen und moduliertes Licht zu reflektieren;

    (b) ein zweiter reflektierender räumlicher Lichtmodulator (20) in Reihe mit dem ersten reflektierenden räumlichen Lichtmodulator angeordnet ist, um moduliertes Licht aus dem ersten reflektierenden räumlichen Lichtmodulator zu empfangen und dieses Licht zu reflektieren;

    (c) das Steuergerät (22) mit dem ersten räumlichen Lichtmodulator gekoppelt ist, um dem ersten reflektierenden räumlichen Lichtmodulator erste Bilddaten zu liefern, und mit dem zweiten räumlichen Lichtmodulator gekoppelt ist, um dem zweiten reflektierenden räumlichen Lichtmodulator zweite Bilddaten zu liefern.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass der erste reflektierende räumliche Lichtmodulator (16) eine digitale Mikrospiegelvorrichtung mit einem ersten Feld von adressierbaren Mikrospiegeln ist.
  4. System nach Anspruch 3 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass der zweite reflektierende räumliche Lichtmodulator (20) eine digitale Mikrospiegelvorrichtung mit einem zweiten Feld von adressierbaren Mikrospiegeln ist.
  5. System nach Anspruch 4 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass jeder Mikrospiegel im Feld des zweiten räumlichen Lichtmodulators (20) einem Mikrospiegel im Feld des ersten räumlichen Lichtmodulators (16) entspricht.
  6. System nach Anspruch 5 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bilddaten erste Intensitätsdaten für jeden Mikrospiegel im Feld des ersten räumlichen Lichtmodulators (16) umfassen, und die zweiten Bilddaten zweite Intensitätsdaten für jeden Mikrospiegel im Feld des zweiten räumlichen Lichtmodulators (20) umfassen.
  7. System nach Anspruch 6 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Intensitätsdaten erste Pulsbreitenmodulationsdaten umfassen und die zweiten Intensitätsdaten zweite Pulsbreitenmodulationsdaten umfassen.
  8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass eine Farbscheibe (9) zwischen der Lichtquelle (10) und dem ersten räumlichen Lichtmodulator (16) vorgesehen und operativ mit dem Steuergerät (22) gekoppelt ist, um dem sichtbaren Bild Farbe zu verleihen.
  9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mehreren in Reihe angeordneten räumlichen Lichtmodulatoren (16, 20) eine Gruppe von mindestens drei farbspezifischen räumlichen Lichtmodulatoren (16A, 16B, 16C und 20A, 20B, 20C) umfasst.
  10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Relais (14) das Licht (4) aus der Lichtquelle (10) auf den ersten räumlichen Lichtmodulator (16) lenkt, und ein zweites Relais (18) das Licht aus dem ersten räumlichen Lichtmodulator so auf dem zweiten räumlichen Lichtmodulator (20) abbildet, dass eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen dem Feld des ersten räumlichen Lichtmodulators und dem Feld des zweiten räumlichen Lichtmodulators besteht.
  11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zweiten räumlichen Lichtmodulator (20) ausgegebenes Licht (4) auf ein Projektionsobjektiv oder ein anderes Bilddarstellungssystem fällt.
  12. System nach einem der Ansprüche 6 bis 12 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Intensitätsdaten und die zweiten Intensitätsdaten in Übereinstimmung mit einem Bitmap-Code bestimmt werden.
  13. System nach Anspruch 12 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass der Bitmap-Code erste Intensitätsdaten mit zweiten Intensitätsdaten korreliert.
  14. System nach Anspruch 13 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass der Bitmap-Code dadurch formatiert wird, dass in etwa gleich beabstandete Helligkeitspegel für den ersten räumlichen Lichtmodulator (16) bereitgestellt und Codewörter basierend auf Fehlerminimierung ausgewählt werden, was mehrere neue Codewörter mit einer Leistungsfähigkeit ergibt, die gleichwertig einer Bit-Tiefe von sechs Bits ist.
  15. System nach einem der Ansprüche 6 bis 14 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt korrelierter erster und zweiter Intensitätsdaten im Wesentlichen linear oder im Wesentlichen krummlinig oder im Wesentlichen ungleichmäßig ist.
  16. System nach Anspruch 15 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten Intensitätsdaten derart bestimmt werden, dass benachbarte Produkte von korrelierten ersten und zweiten Intensitätsdaten sich in etwa entsprechend der menschlichen Fähigkeit unterscheiden, Veränderungen in Lichtstärkepegeln wahrzunehmen.
  17. Verfahren zur Bilderzeugung, das umfasst, Licht (4) aus einer Lichtquelle (10) auf mehrere räumliche Lichtmodulatoren (16, 20) zu projizieren, wobei jeder ein Feld von gesondert adressierbaren Pixeln aufweist, durch folgende Schritte gekennzeichnet:

    a) Bilddaten in einem Steuergerät (22) zu korrelieren;

    b) die korrelierten Bilddaten aus dem Steuergerät an mehrere reflektierende räumliche Lichtmodulatoren (16, 20) zu übertragen; und

    c) die reflektierenden räumlichen Lichtmodulatoren in Reihe auszurichten, um Licht aus der Lichtquelle (10) zu empfangen und bilderzeugendes Licht (4), das mit den Bilddaten korreliert wurde, zu reflektieren.
  18. Verfahren nach Anspruch 17 und darüber hinaus folgende Schritte umfassend:

    a) Bilddaten mit Datenwörtern zu empfangen, die für Pixelebenen stehen; und

    b) Bilddaten unter den in Reihe angeordneten Lichtmodulatoren (16, 20) zuzuteilen, um das Kontrastverhältnis der projizierten Bilder zu verstärken.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass die Bilddaten unter Verwendung eines Bitmap-Codes zugeteilt werden.
  20. Verfahren nach Anspruch 19 und darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass der Bitmap-Code dadurch formatiert wird, dass in etwa gleich beabstandete Helligkeitspegel für den ersten räumlichen Lichtmodulator (16) bereitgestellt und Codewörter basierend auf Fehlerminimierung ausgewählt werden, was mehrere neue Codewörter mit einer Leistungsfähigkeit ergibt, die gleichwertig einer Bit-Tiefe von sechs Bits ist.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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