DE69803640T2

DE69803640T2 - Verfahren zur Steigerung der Helligkeit eines Anzeigesystems

Info

Publication number: DE69803640T2
Application number: DE69803640T
Authority: DE
Inventors: Gregory J. Hewlett; Vishal Markandey; Gregory S. Pettit
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1998-08-26
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: JPH11161221A; DE69803640D1; US6061049A; EP0899710A2; EP0899710B1; EP0899710A3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Bildanzeigesysteme und insbesondere auf Bildanzeigen, die die Impulsbreitenmodulation verwenden, um Graustufenbilder zu erzeugen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bildanzeigesysteme erzeugen Bilder, indem sie Licht emittieren oder modulieren. Das Licht bildet eine Matrix aus Bildelementen oder Bildpunkten, die zusammen ein sichtbares Bild ergeben. Während die meisten Lichtmodulatoren mehrere Intensitätspegel erzeugen können, können echte digitale Lichtmodulatoren, wie z. B. die digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD), dies nicht. Ohne die Fähigkeit, mehrere Helligkeitspegel zu erzeugen, stützen sich die digitalen Lichtmodulatoren auf ein binäres Impulsbreitenmodulationsschema, um verschiedene Intensitätspegel zu erzeugen, indem ein Modulatorelement sehr schnell "EIN"- und "AUS-geschaltet wird. Dieses Modulationsschema kann jedoch Ineffizienzen erzeugen, die die Intensität des angezeigten Bildes verringern. EP 0-689-345-A2 zeigt z. B. ein System, in dem die Anzeige ausgeschaltet gehalten wird, um zu erlauben, daß binär gewichtete Daten geladen werden.
Die Intensität oder die Bildhelligkeit ist nur einer von vielen Maßstäben, einschließlich der horizontalen und vertikalen Auflösung, der Farbreinheit, der Größe der Anzeige, der Vollbildfrequenz und der Immunität gegen von der Vorrichtung erzeugten Bildartefakten, durch die Anzeigesysteme beurteilt werden. Einige dieser Eigenschaften sind für die Verbraucher wichtiger, entweder weil sie ein deutlich besseres Bild erzeugen oder einfach weil sie zwischen den Anzeigesystemen in der Auslage in einem Laden unterscheiden. Die Helligkeit ist ein Maßstab, der für die Käufer von Anzeigesystemen äußerst wichtig ist. Deshalb sind ein verbessertes Modulationsschema und ein verbessertes Modulationssystem notwendig, um die Bildhelligkeit zu erhöhen, die in pulsbreitenmodulierten Anzeigesystemen verfügbar ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und ein System für eine nichtbinäre pulsbreitenmodulierte Anzeige, die eine verbesserte Helligkeit aufweist.
Es wird ein Verfahren zur Erhöhung der Helligkeit geschaffen, wie es im Anspruch 1 definiert ist.
Alternativ wird ein Anzeigesystem mit einer erhöhten Helligkeit geschaffen, wie es im Anspruch 8 definiert ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beispielhaft beschrieben, worin:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer digitalen Mikrospiegelvorrichtungs-Matrix (DMD-Matrix) ist;
Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der DMD nach Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des bistabilen Betriebs der zwei Spiegel der DMD-Matrix nach Fig. 1 ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines DMD-gestützten Bildanzeigesystems ist;
Fig. 5 eine Zeitlinie einer vereinfachten Darstellung der Unterteilung der Anzeigeperioden ist, die durch das Anzeigesystem nach Fig. 4 verwendet wird;
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Dauer der Anzeigeperioden für binär gewichtete Datenbits ist;
Fig. 7 eine Zeitlinie einer Vollbildperiode ist, die die Austastperioden zeigt, die notwendig sind, um anschließend an kurze Datenperioden die Daten in die Anzeigevorrichtung zu laden.
Fig. 8 ist eine Zeitlinie einer Vollbildperiode, die eine der Austastperioden nach Fig. 7 zeigt, die in eine Bitsetzperiode umgesetzt ist, um die Helligkeit zu erhöhen;
Fig. 9 ist eine Zeitlinie einer Vollbildperiode, die die nichtbinäre Bitgewichtung zeigt; wie sie hierin offenbart ist;
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung der Dauer der Anzeigeperiode für binär gewichtete und nichtbinär gewichtete Datenbits.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines DMD-gestützten Anzeigesystems, das durch die Beseitigung einer Austastperiode eine verbesserte Helligkeit bereitstellt.
Fig. 12 ist eine graphische Darstellung, die die Auswirkung von nichtbinär gewichteten Daten auf eine Anzeigeperiode eines Teilbildes eines grünen Bildes bei einer Vollbildfrequenz von 75,11 Hz zeigt; und
Fig. 13 ist eine graphische Darstellung, die die Auswirkung von nichtbinär gewichteten Daten auf eine Anzeigeperiode eines Teilbildes eines roten Bildes bei einer Vollbildfrequenz von 75,11 Hz zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine vielversprechende Technologie, die die Bildqualität von Anzeigesystemen dramatisch verbessern kann, sind die digitalen Mikrospiegelvorrichtungen (DMD). Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Abschnitt einer typischen DMD-Matrix 100. Eine DMD ist eine Matrix aus sehr kleinen Spiegelelementen 102, die über einem Substrat 104 aufgehängt sind, und die betreibbar sind, um das einfallende Licht zu modulieren. Die elektrostatische Anziehung zwischen dem Spiegel 102 und einer Adressenelektrode 106 bewirkt, daß sich der Spiegel in einer von zwei Richtungen um eine Achse dreht, die durch ein Torsionsträger-Drehgelenk 108 gebildet ist. Der Spiegel dreht sich um dieses Drehgelenk, bis die Rotation mechanisch angehalten wird. Einige DMD-Konstruktionen halten die Drehung an, indem sie die Spitze 110 des Spiegels 102 in einer Landungszone 112 aufsetzen lassen, andere Konstruktionen verwenden ein verlängertes Joch, das eine Vorspannungs/Rücksetz-Metallisierungsschicht auf der Oberfläche des Substrats berührt. Das Joch 116, das in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist nicht verlängert, weil der gezeigte Spiegel 102 anstatt auf dem Joch auf der Spitze 110 landet.
Die DMDs werden durch eine elektronische Schaltungsanordnung gesteuert, die auf dem Siliciumsubstrat 104 unter der DMD-Matrix gebildet ist. Die Schaltungsanordnung enthält eine Matrix aus Speicherzellen, typischerweise eine Speicherzelle für jedes DMD-Element, die an die Adressenelektroden 106 angeschlossen sind. Der Ausgang einer Speicherzelle ist mit einer der zwei Adressenelektroden verbunden, während der invertierte Ausgang einer Speicherzelle mit der anderen Adressenelektrode verbunden ist. Sobald die Daten in jede Speicherzelle der Matrix geschrieben sind, wird eine Spannung an die DMD-Spiegel 102 angelegt, die zwischen den Spiegeln und den Adressenelektroden ein ausreichend großes Spannungsdifferential erzeugt, um zu bewirken, daß sich der Spiegel in der Richtung des größten Spannungspotentials dreht. Weil die elektrostatische Anziehung viel stärker wird, wenn der Spiegel in die Nähe einer Adressenelektrode gedreht wird, können die Inhalte der Speicherzelle geändert werden, ohne die Position des Spiegels zu ändern, sobald die Spiegel vollständig gedreht sind. Folglich können die Speicherzellen mit neuen Daten geladen werden, während die Matrix die vorausgehenden Daten anzeigt. Eine typische Ladezeit für eine DMD-Matrix beträgt 219,8 us, die Ladezeit ändert sich aber abhängig von der Eingangsschaltungsanordnung, die durch eine spezielle DMD-Matrix verwendet wird.
Die DMD-Matrizen werden typischerweise in einer Dunkelfeld-Betriebsart betrieben. In einer Ausführungsform der Dunkelfeld-Betriebsart wird das Licht 118 von einer Lichtquelle 120 auf eine DMD-Matrix 122 fokussiert, wobei es aus einem Winkel auf die DMD-Matrix 122 trifft, der gleich dem zweifachen des Rotationswinkels ist. Falls ein Spiegel 102 zur Lichtquelle 120 gedreht wird (d. h. in eine "EIN"-Position), wird das auf den Spiegel einfallende Licht senkrecht zur Matrix reflektiert, wobei es auf einem Beobachtungsschirm 124 oder einer Bildebene fokussiert wird, wo es einen Teil des Bildes bilden wird. Falls ein Spiegel 102 von der Lichtquelle 120 weg gedreht wird (d. h. in eine "AUS"-Position gedreht), wird das auf den Spiegel 102 einfallende Licht vom Beobachtungsschirm 124 weg reflektiert, wobei es keinen Teil des Bildes bilden wird.
Das auf die DMD einfallende Licht bildet auf dem Beobachtungsschirm einen beleuchteten Punkt für jeden Spiegel 102, der in die "EIN"-Position gedreht ist. Jeder dieser Punkte stellt ein Bildelement oder einen Bildpunkt dar, das bzw. der der kleinste einzeln steuerbare Teil eines Bildes ist. Unter Verwendung einer großen Matrix von Spiegeln wird ein Bild erzeugt, indem wahlweise einige Spiegel in die "EIN"-Position gedreht werden, während einige in die "AUS"-Position gedreht werden, wodurch ein Muster aus beleuchteten Punkten auf dem Beobachtungsschirm erzeugt wird.
Um mehrere Helligkeitspegel oder Graustufen zu erzeugen, wird der Tastgrad jedes Spiegels durch das schnelle Drehen des Spiegels zwischen den "EIN"- und "AUS"-Positionen geändert. Dies erzeugt einen Bildpunkt, der über die Zeit aus einer Folge von beleuchteten Perioden und nicht beleuchteten Perioden besteht. Das Auge des Betrachters integriert diese Perioden, so daß der Blick einen beleuchteten Punkt mit einer Helligkeit wahrnimmt, die zum Tastgrad des Spiegels proportional ist.
Vollfarbige Bilder werden erzeugt, in dem mehrere monochromatische Bilder angezeigt werden, typischerweise in Rot, Grün und Blau, wobei erneut dem Auge des Betrachters erlaubt wird, eine Folge von Bildern zu integrieren. Abhängig von den Kosten und der erforderlichen Bildqualität des Projektionssystems können die monochromatischen Bilder der Reihe nach oder gleichzeitig projiziert werden. Fig. 4 stellt einen sequentiellen DMD-gestützten Farbbild-Projektor 400 dar. Die Zeitgeber- und Steuerschaltung 402 empfängt die Bilddaten von einem Tuner oder einer anderen Bildquelle, wobei sie den Betrieb einer DMD 404, eines Farbradmotors 406 und einer Lichtquelle 408 steuert. Eine Projektorlinse 410 fokussiert das Licht von der DMD 404 auf die Beobachtungsfläche 412, wo das modulierte Licht ein Vollfarbenbild erzeugt.
Fig. 5 ist eine Zeitlinie, die einen typischen sequentiellen binären Farb- Impulsbreitenmodulations-Datenstrom zeigt. In Fig. 5 setzt sich jede Vollbildperiode 502 aus drei Teilbildern 504, 506, 508 zusammen, wobei jedes Teilbild eine Periode ist, in der das Farbrad monochromatisches Licht ausgibt. Jedes Teilbild ist weiter in Bitperioden unterteilt. Während jeder Bitperiode sind die DMD-Spiegel abhängig von den durch die Zeitgeber- und Steuerschaltung 402 in die DMD geschriebenen Bilddaten in die "EIN"- oder "AUS"-Position gesetzt. Fig. 5 zeigt eine einfache Bitfolge für ein binäres 8-Bit-Farbwort eines dreifarbigen Bildsystems, in dem jedes Bit für das zweifache der Periode des vorherigen Bits mit niedrigerer Wertigkeit angezeigt wird. Fig. 5 dient nur der Veranschaulichung, einige Anwendungen ändern die Reihenfolge, in der die Bits angezeigt werden, oder sie teilen sogar die längeren Bitperioden in zwei kürzere, nicht aufeinanderfolgende Bitperioden. Außerdem teilen einige Systeme eines oder mehrere der Farb-Teilbilder, so daß einige der Datenbits während eines Teilbildes angezeigt werden, während andere in einem anderen Teilbild angezeigt werden.
Fig. 6 zeigt die Anzeigeperiode für jedes Bit eines binären 8-Bit- Bilddatenwortes in einem dreifarbigen Bildanzeigesystem, das mit einer Vollbildfrequenz von 75,11 Hz arbeitet. Wie oben erwähnt ist, benötigt eine typische DMD-Matrix 219,8 us, um die Bilddaten für jeden Bildpunkt in die Speichermatrix zu übertragen, die die Operationen der Spiegel steuert. Wie in Fig. 6 ersichtlich ist, werden fünf der acht Datenbits, die Bits 0-4, für weniger als 219,8 us angezeigt. Wenn ein Bit für weniger als die Ladezeit angezeigt wird, können die Anzeigedaten für die nächste Anzeigeperiode nicht vor dem Ende der Bit- Anzeigeperiode in die Speichermatrix geladen werden, wobei eine Austastperiode verwendet werden muß.
Die Austastperioden 702 sind, wie in Fig. 7 gezeigt ist, Perioden, während denen sich alle Spiegel der Matrix in der "AUS"-Position befinden, während die Speichermatrix geladen wird. Die Austastperioden sind wenigstens so lang wie die Periode, die notwendig ist, um die Abbildungsvorrichtung zu laden. Einige Abbildungsvorrichtungen können während der Austastperioden einfach "AUS"- geschaltet oder abgeschaltet werden. Das Entfernen der Vorspannung von den DMD-Spiegeln führt jedoch die Spiegel 102 in eine neutrale Position zurück, wo wenigstens etwas reflektiertes Licht in die Linsenapertur eintritt und auf die Beobachtungsfläche projiziert wird. Deshalb müssen während der Austastperioden alle DMD-Spiegel in die "AUS"-Position gedreht werden.
Das Drehen aller DMD-Spiegel in die "AUS"-Positionen erfordert das Schreiben von Daten in jede Speicherzelle in der DMD. Weil das Schreiben der "AUS"- Daten in eine Speicherzelle die gleiche Zeitdauer erfordert, die das Schreiben der Bilddaten erfordert, und weil die Austastperioden notwendig sind, wenn es ungenügend Zeit gibt, um die Bilddaten in die Speicherzellen zu schreiben, wird eine zusätzliche Schaltungsanordnung zur DMD hinzugefügt, die erlaubt, daß die "AUS"-Daten in alle Speicherzellen oder große Blöcke der Speicherzellen geschrieben werden. Diese zusätzliche Schaltungsanordnung füllt selbst während den kleinsten Bit-Anzeigeperioden die vollständige DMD-Matrix mit den "AUS"- Daten.
Während die Austastperioden den Anzeigevorrichtungen erlauben, bei hohen Vollbildfrequenzen oder fein eingestellten Graustufen zu arbeiten, verringern sie die maximale Helligkeit des sich ergebenden Bildes. Die Verringerung der Helligkeit wird durch die Tatsache verursacht, daß Teile des durch die DMD während der Austastperioden empfangenen Lichtstrahls nicht verwendet werden, um ein Bild zu erzeugen.
Die Bildhelligkeit ist für die Abnehmer von Videoanzeigen sehr wichtig. Folglich verringert jede Verringerung der Helligkeit einer Anzeige die Zufriedenheit der Verbraucher und führt zu verlorenen Verkaufsgelegenheiten. Deshalb ist es im hohen Grade vorteilhaft, die Helligkeit einer Anzeige zu erhöhen, selbst durch Mittel, die die Originaltreue des angezeigten Bildes verringern.
Ein Verfahren, die Helligkeit der Anzeige zu erhöhen, ist die Änderung von einer oder mehreren Austastperioden von einer "AUS"-Periode für alle Vorrichtungen in eine "EIN"-Periode für alle Vorrichtungen: eine Periode, während der alle Spiegel Licht auf den Beobachtungsschirm reflektieren. Obwohl dieses Verfahren die Helligkeit der Anzeige erhöht, verringert es außerdem das Kontrastverhältnis der Anzeige. Ein besseres Verfahren besteht darin, die Bit- Anzeigeperioden einzustellen, um die Vollbildperiode effizient zu verwenden. Spezifischer besteht ein besseres Verfahren darin, die Anzahl der erforderlichen Austastperioden zu minimieren, in dem die Anzeigeperiode für ein oder mehr Bits zu verlängert wird, um die Notwendigkeit für die Austastperiode zu beseitigen, die vorher nach der nun verlängerten Bit-Anzeigeperiode erforderlich war.
Die erreichten Vorteile und die Auswirkung auf ein Bild von der Verlängerung der Anzeigeperiode eines Bits hängen im hohen Maß von der Dauer der Anzeigeperiode ab, die verlängert werden muß, um die Austastperiode zu beseitigen. Je dichter sich eine Bit-Anzeigeperiode an der minimalen Datenladeperiode der Anzeigevorrichtung befindet, desto weniger muß eine Bit-Anzeigeperiode ausgedehnt werden, um eine Austastperiode zu beseitigen, und je größer ist der Nutzen aus der Verlängerung der Bit-Anzeigeperiode. Je mehr eine Bit-Anzeigeperiode ausgedehnt werden muß, desto kleiner ist der Nutzen aus der Verlängerung der Bit[-Anzeigeperiode] und desto mehr werden die sich ergebenden Änderungen im Bild störend sein.
Es wurde festgestellt, daß die Verlängerung einer Bitperiode in sequentiellen Farbsystemen, die bei einer Vollbildfrequenz von 72 bis 78 Hz arbeiten, die Helligkeit des Bildes erhöht, ohne störende Nebenwirkungen einzuführen. Bei einer Vollbildfrequenz von 75 Hz ist eine einzelne Farbvollbildperiode 4444 us lang. Das Anzeigesystem kann während eines Übergangs zwischen den Segmenten des Farbrades nicht arbeiten, weil irgendein während eines Farbübergangs oder der Speichenzeit erzeugtes Bild nicht nur aus zwei Farben bestehen würde, sondern der Unterteilungspunkt zwischen den zwei einzelnen Farbbereichen sich bewegen würde. Deshalb müssen während der Farbübergänge, die typischerweise 272,2 us benötigen, die Spiegel in der DMD in die "AUS"-Position gedreht werden, so daß das auf die Anzeigevorrichtung einfallende Licht nicht den Beobachtungsschirm erreichen kann.
Diese Austastperiode des Farbübergangs ist mit der Austastperiode des Ladens der Vorrichtung synchronisiert, so daß eine Austastperiode mit der Speichenzeit zusammenfällt, wobei dadurch die gesamte Zeit minimiert wird, in der die Anzeigevorrichtung betriebsunfähig ist. Weil es keine Notwendigkeit für eine Austastperiode unmittelbar nach Bit 7 gibt, erfordert die Ausrichtung des Farbübergangs auf eine Speiche, daß die Datenbits in irgendeiner Reihenfolge angezeigt werden, die von der zunehmenden Wertigkeit verschieden ist, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Trotzdem wird für die Zwecke der Veranschaulichung diese Offenbarung die Speichenperioden ignorieren und die offenbarte Erfindung unter Verwendung lediglich sequentieller Bitfolgen veranschaulichen.
Die Länge einer typischen Speichenzeit, 272,2 us, ist größer als die typische minimale Austastperiode, 219,8 us, deshalb wird die Austastperiode, die mit der Speichenzeit zusammenfällt, vergrößert. Außerdem erweitert ein Spiegelsteuerprozeß, der als Rücksetzfreigabe bezeichnet wird, ebenso die Länge einer Austastperiode auf 272,2 us.
Das Unterteilen der benutzbaren Vollbildperiode in acht binäre Bitperioden erfordert die Verwendung von fünf Austastperioden, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Jede Austastperiode ist gleich der minimalen Ladezeit der Anzeigevorrichtung, in diesem Fall 219,8 us, oder der Dauer der Speichenperiode des Farbrades. Die angenäherten Bitperioden für jedes Bit sind in der Tabelle 1 im folgenden aufgelistet. Wie in Fig. 7 und Tabelle 1 ersichtlich ist, werden 1203,8 us nur für die fünf Austastperioden verwendet, wodurch nur 3240,2 us übrig bleiben, während denen die Bilddaten angezeigt werden. Wie außerdem in Fig. 7 und Tabelle 1 gezeigt ist, beträgt die Anzeigeperiode für das Bit 4195,2 us, gerade kurz vorm Minimum der minimalen Ladezeit von 219,8 us.

TABELLE 1

Bit Dauer

Bit 0 12,2 us
Austastperiode 0 272,2 us
Bit 1 24,4 us
Austastperiode 1 272,2 us
Bit 2 48,8 us
Austastperiode 2 219,8 us
Bit 3 97,6 us
Austastperiode 3 219,8 us
Bit 4 195,2 us
Austastperiode 4 219,8 us
Bit 5 390,3 us
Bit 6 780,6 us
Bit 7 1561,2 us
gesamte Bitperiode 3110,3 us
gesamte Austastperiode 1203,8 us
gesamte Vollbildperiode 4314,1 us
Die Tabelle 2 beschreibt die zeitliche Abstimmung für eine einzelne Farbvollbildperiode der gleichen Länge wie Tabelle 1 ausführlich und veranschaulicht einige der Merkmale der vorliegenden Erfindung. Die Bitperioden für die Bits 0-7 verwenden die binäre Gewichtung, wie die Bits in der Tabelle 1, sie werden aber abgeleitet, indem das Bit 4 gleich der minimalen Ladezeit der Vorrichtung gesetzt wird und indem die Anzeigeperioden für alle andere Bits anhand der Länge des Bits 4 berechnet werden. Das verlängerte Bit, das hierin als das "Objektbit" bezeichnet wird, ist das Bit, das die längste Anzeigeperiode besitzt, die kleiner als die minimale Ladezeit der Anzeigevorrichtung ist. Das Objektbit könnte irgendein Bit im Anzeigewort sein: abhängig von der minimalen Datenladezeit der Anzeigevorrichtung, der Anzahl der Datenbits und der benutzbaren Vollbildzeit der Anzeige.

TABELLE 2

Bit Dauer

Bit 0 13,7 us
Austastperiode 0 272,2 us
Bit 1 27,5 us
Austastperiode 1 272,2 us
Bit 2 55,0 us
Austastperiode 2 219,8 us
Bit 3 109,9 us
Austastperiode 3 219,8 us
Bit 4 219,8 us
Bit 5 439,6 us
Bit 6 879,2 us
Bit 7 1758,4 us
gesamte Bitperiode 3503,1 us
gesamte Austastperiode 984,0 us
gesamte Vollbildperiode 4487,1 us
Während die binäre Zuordnung der zeitlichen Abstimmung nach Tabelle 2 den Wirkungsgrad des Anzeigesystems durch Verringerung der Gesamtzeit, die den Austastperioden zugeordnet ist, von 1203,8 us auf 984 us erhöht, überschreitet die für die Anzeige aller acht Bits verwendete Gesamtzeit, 4487,1 us, die verfügbaren 4444 us, folglich ergibt sich die Notwendigkeit für die kürzeren binären Bitzeiten nach Tabelle 1. Durch die vorausgehenden rein binären Bitperioden wird jedoch der Vorteil der verlängerten Bit[-Anzeigeperioden], d. h. die erhöhte Helligkeit, beibehalten, ohne die zulässige Bit-Anzeigeperiode zu überschreiten.
Die Tabelle 3 und die Fig. 9 und 10 veranschaulichen eine Ausführungsform der offenbarten Erfindung. In der Tabelle 3 ist das Bit 4 gleich der minimalen Datenladezeit für die Anzeigevorrichtung gesetzt, wobei der Rest der Datenbit- Anzeigeperioden gesetzt worden ist, um eine binäre Gewichtung zwischen den Bits 0-4 zu schaffen. Die Bits 5-7 sind auf eine Länge gesetzt worden, die der binären Beziehung mit dem Objektbit dicht angenähert ist, die aber ein wenig kürzer ist, so daß alle Bitperioden und Austastperioden kleiner als die benutzbare Vollbildzeit sind. Im Ergebnis des Änderns der Bit-Gewichtung von wahrer binärer Gewichtung zu einem Gewichtungsschema, das eine Austastperiode beseitigt, ist die Summe aller Bitperioden von 3110,4 us auf 3330,4 us vergrößert worden, was in eine Erhöhung der Helligkeit von 7,1% umgesetzt wird. Fig. 9 ist eine Zeitlinie einer Vollbildperiode 910, die eine verlängerte Objektbit-Anzeigeperiode 902 und die verkürzten Anzeigeperioden für die Datenbits zeigt, deren Wertigkeit größer als die des Objektbits 904, 906, 908 ist. Fig. 10 ist eine graphische Darstellung der Bit-Anzeigeperioden für jedes Datenbit eines binären Anzeigesystems und eines nichtbinären Anzeigesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines DMD- gestützten Anzeigesystems, das durch die Beseitigung einer Austastperiode eine verbesserte Helligkeit bereitstellt.

TABELLE 3

Bit Dauer

Bit 0 13,7 us
Austastperiode 0 272,2 us
Bit 1 27,5 us
Austastperiode 1 272,2 us
Bit 2 55,0 us
Austastperiode 2 219,8 us
Bit 3 109,9 us
Austastperiode 3 219,8 us
Bit 4 219,8 us
Bit 5 425,4 us
Bit 6 869,5 us
Bit 7 1748,4 us
gesamte Bitperiode 3330,4 us
gesamte Austastperiode 984,0 us
gesamte Vollbildperiode 4314,4 us
Das oben erörterte Gewichtungsschema erhöht die Helligkeit des Bildanzeigesystems erheblich, es tut dies aber durch das Stören der binären Gewichtung, mit der die Daten ursprünglich codiert waren. Diese Störung verursacht zwei Probleme, die die Quelle von Artefakten oder Bildattributen sind, die durch das Anzeigesystem erzeugt werden, die den Eingangsbilddaten nicht vorhanden sind. Das erste Problem ist, daß eine Bildanzeige unter Verwendung der nichtbinären Gewichtung die ursprünglichen Helligkeitspegel nicht perfekt wiedergeben wird, die durch die binären gewichteten Bilddaten repräsentiert werden.
Das zweite Problem besteht darin, ob die nichtbinären Bitgewichte große Schritte der Leuchtdichte zwischen benachbarten Daten verursachen werden. Ideal kann ein Anzeigesystem ausreichend eindeutige Pegel der Leuchtdichte erzeugen, so daß die Differenz zwischen zwei benachbarten Pegeln durch einen menschlichen Betrachter nicht wahrnehmbar ist.
Große Schritte der Leuchtdichte führen Bildartefakte in die Bildanzeige ein. Weil insbesondere der Bildpunkt-Tastgrad ungeradzahlige Sprünge besitzt, wenn irgendwelche Bildbits mit nichtbinärer Gewichtung von einem Zustand in einen anderen übergehen, führt das Bildanzeigesystem falsche Konturen in das angezeigte Bild ein.
Obwohl die potentiellen Bildartefakte nicht beseitigt werden können, wird ihre Auswirkung durch die sorgfältige Auswahl der nichtbinären Bitperioden verringert, oft unter das Niveau, das für das menschliche Auge wahrnehmbar ist. Ob eine Änderung in der Leuchtdichte oder Helligkeit für das menschliche Auge wahrnehmbar ist, wird durch das Weber-Gesetz beschrieben. Aus dem Handbuch der Fernsehtechnik:
Wenn ein Bereich der Leuchtdichte B und ein Bereich der Leuchtdichte B + ·B nebeneinander betrachtet werden, kann ein Wert ·B festgestellt werden, für den die Helligkeit der zwei Bereiche gerade erkennbar verschieden ist. Das Verhältnis von ·B/B ist als Weber-Bruchteil bekannt. Die Aussage, daß dieses Verhältnis eine von B unabhängige Konstante ist, ist als Weber-Gesetz bekannt.
Vor dem Berechnen des Weber-Bruchteils muß die Antwortkurve für die Anzeige skaliert werden, um das Kontrastverhältnis des Anzeigesystems zu berücksichtigen. Um das Kontrastverhältnis zu kompensieren, wird der Intensitätspegel der Helligkeit auf einen Wert von 1,0 normiert, wobei alle anderen Intensitätspegel entsprechend:
B[n] = ·&supmin;¹[n]*(CR - 1) + 1)/CR
gesetzt werden, wobei gilt:
B[n] = normierte Helligkeitsausgabe (0, 1,0)
·&supmin;¹[n] = Ausgangspegel der De-Gamma-Nachschlagtabelle (0, 1,0)
CR = Kontrastverhältnis wie CR : 1
Obwohl das Weber-Gesetz bei sehr hohen und sehr niedrigen Pegeln der Leuchtdichte durchbrochen wird, ist der Weber-Bruchteil über den für die meisten Konsum-Anzeigesysteme interessanten Bereich bei etwa 2% relativ konstant. Solange die nichtbinären Schritte zu einer Änderung der Helligkeit von weniger als 2% führen, sollte deshalb der Schritt für einen menschlichen Betrachter nicht wahrnehmbar sein, wobei keine sichtbaren Artefakte in das Bild eingefügt werden. Schritte von mehr als 2% aber kleiner als 6% sind gerade erkennbar. Schritte über 6% aber kleiner als 11% sind bemerkbar, aber für viele Anwendungen annehmbar, während Schritte über 11% störend sind und deshalb, verursacht durch die Wirkungen der falschen Konturzeichnung, nicht annehmbar sind.
Weil das Weber-Gesetz anzeigt, wann die Schritte der Leuchtdichte bemerkbar werden, schafft es ein nützliches Maß, mit dem zu bestimmen ist, wie die Anzeigeperiode zu verringern sind, so daß die gesamte Anzeigeperiode nicht größer als die benutzbare Vollbildperiode ist. Die Fig. 12 und 13 zeigen den Weber- Bruchteil graphisch gegen das Eingangsdatenwort für eine Ausführungsform der offenbarten Erfindung dargestellt. Obwohl viele der Nicht-Objektbits verringert werden könnten, um die verlängerten Bits zu kompensieren, werden in der Praxis lediglich die Bits, deren Wertigkeit größer als die des Objektbits ist, verringert. Die Verringerung lediglich der höchstwertigen Bits beschränkt die Störung des ursprünglichen Weber-Bruchteils auf weniger Stellen, weil die größeren Bits weniger als die kleineren Datenbits über den Bereich umschalten. Obwohl der Weber-Bruchteil am unteren Ende der Bilddatenskala selbst bei der wahren binären Gewichtung hoch ist, ist der Weber-Bruchteil vorzugsweise auf weniger als ±11% für den Bereich der Werte eingeschränkt, die größer als das Gewicht des Objektbits sind. Noch bevorzugter ist der Weber-Bruchteil auf weniger als ±6% eingeschränkt, während der Weber-Bruchteil am bevorzugtesten auf weniger als ±2% eingeschränkt oder minimiert ist.
Obwohl die Aspekte der offenbarten Erfindung hinsichtlich eines einzelnen Farbvollbildes eines dreifarbigen sequentiellen Farbprojektionssystems beschrieben worden sind, das die Bilddaten mit einem Bit zu einem Zeitpunkt in aufeinanderfolgenden Segmenten, in der Reihenfolge der Größe angeordnet sind, der Reihe nach projiziert, sollte es offensichtlich sein, daß die offenbarte Erfindung auf praktisch jedes Anzeigesystem anwendbar ist, ungeachtet der Ordnung der Anzeigebits oder des Verfahrens der Erzeugung eines Vollfarbbildes. Die offenbarte Erfindung ist jedesmal anwendbar, wenn ein Anzeigesystem mit einer minimalen Ladezeit Informationen unter Verwendung von Impulsbreitenmodulationsschemata anzeigt.
Obwohl zu diesem Punkt eine spezielle Ausführungsform für ein Anzeigesystem mit erhöhter Helligkeit und ein Verfahren für dieses offenbart worden ist, ist es folglich nicht beabsichtigt, daß derartige spezifische Bezugnahmen als Einschränkungen des Umfangs dieser Erfindung betrachtet werden.

Claims

1. Verfahren zum Erhöhen der Helligkeit eines Anzeigesystems (400) durch Unterteilen einer einzelnen Farbvollbildperiode in Bitperioden (BIT0, ..., BIT7), wobei für jedes von n Bildbits eine Bitperiode vorgesehen ist, wobei das System eine minimale Datenladezeit hat; wobei das Verfahren umfaßt:

Unterteilen der Vollbildperiode in Austastperioden und binär gewichtete Anzeigeperioden, wobei für jedes der n Bildbits ein binär gewichteter Anzeigeperiodenwert vorgesehen ist;

und gekennzeichnet durch Bestimmen eines Objektbits, das dasjenige Bit ist, das die größte binär gewichtete Anzeigeperiode besitzt, die kleiner als die minimale Datenladezeit für das Anzeigesystem ist;

Erhöhen der Anzeigeperiode des Objektbits (902), so daß sie wenigstens gleich der minimalen Datenladezeit ist;

Löschen einer der Austastperioden;

Erhöhen der Anzeigeperioden für jedes der Bildbits, die eine Wertigkeit besitzen, die niedriger als jene des Objektbits ist, auf der Grundlage einer binären Beziehung zu dem Objektbit; und

Erniedrigen der Anzeigeperiode wenigstens eines von dem Objektbit verschiedenen Bits, wobei die Erniedrigung ausreicht, um die Summe aller n Anzeigeperioden und der Austastperioden auf nicht mehr als die Vollbildperiode zu verringern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Erniedrigungsschritt einen Weber-Bruchteil von nicht mehr als 11% für alle Bitübergänge für Datenwerte oberhalb eines Wertes des Objektbits zur Folge hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Erniedrigungsschritt einen Weber-Bruchteil von nicht mehr als 6% für alle Bitübergänge für Datenwerte oberhalb eines Wertes des ausgewählten Bits zur Folge hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Erniedrigungsschritt einen Weber-Bruchteil von nicht mehr als 2% für alle Bitübergänge oberhalb des Wertes des ausgewählten Bits zur Folge hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Erniedrigungsschritt eine Minimierung des Weber-Bruchteils für alle Bitübergänge oberhalb des Wertes des ausgewählten Bits zur Folge hat.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Erniedrigungsschritt umfaßt:

Erniedrigen wenigstens einer der Perioden für wenigstens ein Bit mit höherer Wertigkeit als jene des Objektbits, wobei die Erniedrigung ausreicht, um die Summe aller n Bitperioden auf nicht mehr als die nutzbare Vollbildperiode zu verringern.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Erniedrigungsschritt umfaßt:

Erniedrigen aller Perioden für alle Bits mit höherer Wertigkeit als jene des Objektbits, wobei die Erniedrigung ausreicht, um die Summe aller n Bitperioden auf nicht mehr als die verwendbare Vollbildperiode zu verringern.

8. Anzeigesystem, mit:

einer Anzeigevorrichtung (10) mit einer minimalen Datenladezeit;

einer Zeitgeber- und Steuerschaltung (1102) zum Empfangen von Bilddatenwörtern, die Datenbits (BIT0, ..., BIT7) umfassen, und zum Bereitstellen der Datenbits für die Anzeigevorrichtung für die Anzeige während Bitperioden mit einer bestimmten Länge, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Bitperioden für Datenbits mit einer Wertigkeit niedriger als jene eines Objektbits eine binäre Beziehung zu dem Objektbit hat, wobei die Bitperiode wenigstens eines der Datenbits mit einer Wertigkeit höher als jene des Objektbits (902, 904, 906) eine verkürzte, nicht binäre Beziehung zu dem Objektbit hat, wobei das Objektbit dasjenige Bit ist, das die größte binär gewichtete Anzeigeperiode hat, die kleiner als die minimale Datenladeperiode ist.

9. Anzeigesystem nach Anspruch 8, bei dem die nicht binäre Beziehung derart ist, daß die Zeit zum Anzeigen aller Datenbits nicht länger als die Vollbildperiode der Bilddaten ist.

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Fig. 3122

- -.~ ~'IG. 3122 (Stand der Technik) . · ~j2 Z., 400 'i :.~ v '~,'~:,.'; , ,., :::: ~w t ,y ~ Zeitgeber,~6 ~~04 und Steuerung ~ Fig. 4 (Stand der Technik) 502502502502 .; .., ,% '.

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rot · grün · blau .'.

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!f Bit 141ß Bit 5 Bit 7 ''' .' (·(1 Bit 0 Bit 2 Bit 4 Bit 6 Flc. 5 (Stand der Technik)

75. 11 Hz DU TWES 1800 - 1600 binäre Gewichtung 1400 1200 c 1000 c 800 Y Lichtverlust bei oder unter 219, 8 200 0:; 0 l 2367 Bit FIC: s (Stand der Technik) Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Laden Laden Laden Laden Laden Laden laden Laden 1 l, 7Q2 ~ 7Q27Ö2 t 702 ~ l 702 Bit s sit s Bit ~ Bit 7 S~ ~ g~ 3 Bit 4 ' Anzeigen Anzeigen Anzeigen Anzeigen Anzeigen Anzeigen!! Anzeigen Anzeigen Bit 0 Bit 2 Anzeigen Anzeigen Fig. 7 (Stand der Technik) 802702702 · 702

- Fig. 8 (Stand der Technik) 9t0 Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit!!Bit4 Bit 4 Bit 5 Bit s Laden Laden Laden Laden Laden Laden Laden Laden 1 8~ 7 Bit 1 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Anzeigen Anzeigen Anzeigen Anzeigen Anzeigen Anzeigen Anzeigen Bit 0 Bit 2 Anzeigen Anzeigen!! Fig. 9 FAG. 9